クリーンルームの仕組みとは|空調と室圧の役割と維持方法を解説

近年、大変高い清浄度がますます求められる環境において、クリーンルームと室圧の技術は安全性の向上に不可欠な役割を果たしています。クリーンルームは、微小な微粒子や微生物の制御が求められる製造、医療、研究などの分野で利用され、室圧はクリーンルームの重要な要素となっております。本記事では、クリーンルームと室圧がどのような関係なのか、クリーンルームの仕組みと基準、クリーンルームを支える陽圧とは何か、またクリーンルームに空調機がどのように機能し、なぜクリーンルームが現代の研究や産業において欠かせないのかを詳しく探っていきます。

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クリーンルームの仕組み(陽圧と陰圧室)

クリーンルームの仕組み

【クリーンルームとは】
クリーンルームとは、空気中の粒子の数を制御した清浄な環境を提供するための特別な部屋のことです。
クリーンルームは単なる清潔な部屋ではなく、極めて高いレベルの衛生環境を保つために設計・高度制御された施設であり、半導体産業や医薬品製造、バイオテクノロジーなど、汚染に敏感な業界で特に認識されています。

【クリーンルームの役割】
工業や研究の現場で見ることが多く、微細な汚染物質から製品を守るため、または精密な実験を行うために重要な役割を果たしています。
例えば、半導体の製造過程では、わずかな塵や粒子がチップに付着することで、製品の品質に甚大な影響を与える可能性があります。クリーンルームでは、空気を精密に監視し、室内の粒子数や温度・湿度を厳密にコントロールすることで、汚染物質のリスクを最小限に抑えることができます。

【クリーンルームの分類】(ICR・BCR)
●ICR(インダストリアルクリーンルーム)
インダストリアルクリーンルーム(ICR)は、主に半導体・液晶・電子部品製造工場、精密機器等の工業用に使用されているクリーンルームです。ICRは、空気中の粉塵や湿気、煙等の微粒子が対象となり、浮遊塵埃数によって評価されているため、高性能フィルタの除塵効果により清浄度が決定されています。

●BCR(バイオロジカルクリーンルーム)
バイオロジカルクリーンルーム(BCR)は、医薬化粧品、医療、食品業界等に使用されているクリーンルームです。BCRは、先程の浮遊微生物の空気清浄度に加え、細菌・真菌、ウイルス等の浮遊微生物学の清浄度も要求されます。空気中を浮遊している菌の他に、床に堆積する菌までもを基準数値以下へ除去する管理が必要になります。


【クリーンルームの仕組み】(室間差圧と空気の流れ)
クリーンルームの基本的な要件は、部屋の清浄を保つことを第一に考えた設計が求められます。空気の流れや温度、湿度の管理だけでなく、室内に持ち込まれる物質や人員の管理も含まれます。また空気中の洗浄度を保つためには、高性能なフィルターシステムが不可欠であり、壁や床、天井材も洗浄が容易で、粒子を発生させにくい素材を選ぶ必要があります。従業員が外部から持ち込む汚染物質を減らすため、適切なクリーンルーム用ウェアの着用や、出入り前のエアシャワーでの前処理も必要な工程となります。

クリーンルームにおいて空気の流れにより2つに分類することができます。
●一方向流方式(垂直層方式)
一方向流方式では、空気は一定の方向に流れます。通常、天井から床へと垂直に流れる形態が一般的で、この一方向の流れにより、微粒子や不純物の拡散を最大限に防ぐことができます。
(特徴)
・局所的な高い清浄度:
一方向流方式は、空気流が特定の方向に制御されているため、作業領域に微粒子や異物が流入しにくく高い清浄度を維持できます。
・床の微粒子除去
一方向流クリーンルームでは、空気は天井から床に向かって流れます。このため、作業者や装置が発生源となる微粒子は床に向かって排除できます。床上の微粒子や不純物が蓄積されず、そのまま空気に乗って排出され、清浄度が向上します。
・比較的ランニングコストが高い
空気流れを制御することで清浄度を非常に高い水準で維持できますが、送風量が多くなるため、空気フィルターのメンテナンス頻度や送風装置の消費電力などが高くなる傾向があります。
・医療、製薬、電子機器製造などで利用


●非一方向流方式(乱流方式)
クリーンルームの非一方向流方式、または乱流方式は、空気流れがランダムで方向性がない方式です。ランダムではない乱流した空気が微粒子や物質を拡散させ、室内全体を均一に清浄度を保つことができます。
(特徴)
・全体的な清浄度:
一方向流方式が特定の領域において高い清浄度を提供するのに対して、乱流方式は空気がランダムに混ざり合いながら移動する空気により微粒子や異物が均等に分散・除去されます。広範囲にわたって均等な清浄度を提供します。
・柔軟性がある
乱流方式は、空気流れがランダムであるため、特定の方向に流れる必要がない分、配置や設置できる場所の自由度が高く、既存施設に対しても比較的柔軟な対応が可能です。
・エネルギー消費が少ない
一方向流方式に比べて、乱流方式はエネルギー消費が比較的低い傾向があります。一定の方向に送風する必要がないため、送風量を抑えられ送風装置の動力を抑えることができます。
・高い清浄度には不向き
塵埃が溜まったり、拡散された微粒子が製品が付着するリスクがある為、半導体を作る工場など、高い清浄度を求められる現場には向いていません。清浄度は換気回数等の空気の循環量が影響してきます。


クリーンルームの基準と原則

●クリーンルーム設計の3原則
・密閉する
クリーンルーム内の圧力の制御も重要な原則です。通常、クリーンルームは大気圧よりも高い圧力を有するように設計され、外部からの微粒子の侵入を防ぎます。高い圧力を維持する為には、クリーンルーム内を密閉し、計画以外の箇所から空気が流れ出ないようにすることが重要になります。
・清浄な空気を供給する
フィルターシステムは、クリーンルーム内の空気中の微粒子や異物を除去し、清浄度の高い空気供給に重要な役割を担っています。設計においては、適切な種類のフィルターを使用し、必要なクリーン度を確保することが求められます。
・排気を行う
クリーンルームでは、微粒子や異物の制御が非常に重要です。そのため、設計においては空気流の制御が基本的な原則となります。一般的に、クリーンルーム内では空気流が一方向に制御され、有害物質や微粒子は排気やフィルターによって除去されることが求められます。

※クリーンルームの換気回数・換気方式(循環型・オールフレッシュ)
クリーンルームにおける換気方式には、一般的に循環型換気とオールフレッシュ換気の2つの主要なタイプがあります。
●循環型換気
循環型換気は、クリーンルーム内の空気を循環させる方式です。エアハンドリングユニット(AHU)などの換気システムが使用され、クリーンルーム内の空気を取り込んでフィルタリングし、それを再びクリーンルームに供給します。この方式では、一定の割合で外部の新鮮な空気を取り込みつつ、内部の空気をフィルタリングして再利用することが一般的です。
循環型換気の特徴は、一定の温度と湿度を維持しやすく、エネルギーコストが比較的低いことです。ただし、外部から取り込まれる新鮮な空気が限られているため、クリーンルーム内の空気が循環し続けることになります。
●オールフレッシュ換気
オールフレッシュ換気は、クリーンルーム内に供給される空気を100%外気の新鮮な空気に置き換える方式です。この方式では、外部から取り込んだ新鮮な空気がクリーンルーム内に供給され、同時に内部の空気は排気されます。このような換気方式により、クリーンルーム内の空気は定期的に入れ替わり、新鮮でクリーンな環境が維持されます。
オールフレッシュ換気の主な利点は、高い清浄度を確保できることです。一方で、エネルギーコストが循環型換気よりも高い場合があります。また、温度や湿度の安定性にも注意が必要です。

【クリーンルーム維持管理の4原則】
①微粒子を持ち込まない
②微粒子を発生させない
③微粒子を堆積させない
④微粒子を排除する

①微粒子を持ち込まない
微粒子を持ち込まない対策としては、エアシャワーがあります。
クリーンルームに外部から入る際には、クリーンな衣服や装備を着用し、エアシャワーやクリーンルームへの専用の入口を通るなどして、外部から微粒子を持ち込まないようにします。
またクリーンルーム内での作業フローを最適化することで、作業員の動線を効率的にし、無駄な扉の開閉を減らすことができます。これにより、室圧の変動リスクを下げることができるのです。

②微粒子を発生させない
クリーンルーム内の機器や作業プロセスは、微粒子を発生させないようにする必要があります。これには、機器の適切なメンテナンスや作業者のトレーニングが含まれます。

③微粒子を堆積させない
クリーンルーム内の表面や設備に微粒子が堆積しないように、定期的な清掃とメンテナンスが必要です。
床材や壁材の選定においても、汚染物質が付着しにくく、清掃が容易なものを選ぶことが推奨されます。
清掃頻度を高める、粘着マットを利用するなど、物理的な対策も合わせて進められています。
また、清掃用具や機材もクリーンルーム専用のものを使用することが不可欠です。

④微粒子を排除する
クリーンルーム内の空気中の微粒子を排除するために、適切なフィルターシステムが使用されます。これにより、クリーンな新鮮な空気が供給され、微粒子がクリーンルーム内に侵入することを最小限に抑えます。


●クリーンルームの清浄度
クリーンルームの清浄度は、その環境内に存在する微粒子や微生物の数を表す指標であり、通常は"クリーン度"として表現されます。清浄度はクリーン度とも呼ばれ、クリーンルーム内の状態や設備の清浄度を評価するための基準が存在します。
クリーンルームの清浄度は、一般的にはクラスや等級と呼ばれる体系で示されます。これらのクラスや等級は、ISO(International Organization for Standardization)や連邦標準(たとえば、米国のFederal Standard 209E)などで規定されています。
こちらのクラスでは、単位面積あたりの粒子の数や空気中の微生物の数に基づいています。たとえば、ISO14644-1では、クラス 1が最も高い洗浄度を示し、クラス 9が最も低い洗浄度を示します。
下記にISO 14644-1におけるクリーンルームの清浄度クラスとそれに対応する微粒子数の基準を示します:

◎クラス 1:
ISO 1クラスは、最も高い清浄度を示します。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり10個以下。
◎クラス 2:
ISO 2クラスの清浄度も非常に高いです。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり100個以下。
◎クラス 3:
ISO 3クラスは、高い清浄度を持つクリーンルームです。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり1,000個以下。
◎クラス 4:
ISO 4クラスは、中程度の清浄度を示します。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり10,000個以下。
◎クラス 5:
ISO 5クラスは、一般的な清浄度を有します。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり100,000個以下。
◎クラス 6:
ISO 6クラスは、比較的一般的な清浄度を示します。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり1,000,000個以下。
◎クラス 7:
ISO 7クラスは、低い清浄度を持つクリーンルームです。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり10,000,000個以下。
◎クラス 8:
ISO 8クラスは、最も低い清浄度を持つクリーンルームで、通常は特殊な用途に使用されます。
空気中の微粒子(0.1μm以上)の数は、1立方メートルあたり80,000,000個以下。

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クリーンルームの室圧制御

室圧制御の陽圧とは

●陽圧とは
クリーンルームは一般的に、外部よりも高い室圧を保つ状態=陽圧になるように設計されています。ドアが開いた際や小さな隙間からも、清浄な空気が外へ流れ出るようにすることで、汚れた外気の侵入を阻止するための仕組みです。室圧(陽圧)がなぜクリーンルームにとってこれほどまでに重要なのかというと、圧力勾配の活用しているからです。圧力勾配とは、異なる清浄度を持つ複数のエリア間で意図的に設けられる圧力の差です。この差を利用して、空気が常に清浄度の高いエリアから低いエリアへ流れるようにすることで、汚染物質が逆流することを防ぎます。

●陽圧にできること
・異物や微粒子の侵入を防ぐ:
陽圧のクリーンルームや病院の手術室などでは、室内の空気が外部よりも高い圧力になっています。これにより、外部から室内への異物や微粒子の侵入を防ぎます。特に微小な粒子や微生物が室内に侵入するのを防ぎ、清浄な環境を維持します。
・制御された環境:
陽圧の状態を維持することで、外の空気の影響が受けづらくなり、室内の温度、湿度、および空気の流れをより制御しやすくなります。

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クリーンブース・陰圧室との違い

●クリーンブース
クリーンブース(Clean Booth)とクリーンルーム(Cleanroom)は、両者とも清浄な環境を提供するための施設ですが、規模や用途、機能などにおいて異なります。
・規模と面積
クリーンルームは広い領域で提供するもので、一般的に建物全体や大規模な工場にまたがる形態をとります。それに対してクリーンブースは小規模で、個別の作業スペースや工程に適用され、必要に応じて設置・撤去が容易です。
・用途
クリーンルームは大量の製造、半導体製造、医薬品の製造など、広範な製造や研究が行われる場に使用されます。
クリーンブースは小規模な製造プロセスや実験、検査、組み立てなど、特定の作業スペースにて必要な場合に利用されます。
・クリーン度の要件
クリーンルームは通常、ISO 5やISO 6のような非常に高い清浄度が必要な場合に用いられます。クリーンブースは、比較的低い清浄度から高い清浄度までの幅広い要件に対応できます。
・設置とメンテナンスの容易さ
クリーンルームは固定された構造であり、設計や建設にはより多くの時間と費用を要します。一度建設された後、変更や拡張が難しいことがあります。
クリーンブースはモジュール式であることが一般的で、比較的迅速に設置・撤去できます。メンテナンスも相対的に容易です。
・コスト
クリーンルームは大規模かつ高度な要件を満たすため、設置や維持には高いコストがかかります。
クリーンブースは、比較的低いコストで設置できる傾向があります。


●陰圧室
陽圧とは真逆な状態として、陰圧という言葉があります。陰圧に保たれた部屋を陰圧室と言います。
陰圧室は、室内の空気圧が外部よりも低い状態を指します。
陰圧室は、感染症患者や有害な物質を扱う場面など、外部への空気漏れを最小限に抑えることが求められる状況で使用されます。主な目的は、感染症の拡散を防ぎ、周囲への保護を強化することです。
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クリーンルームと空調機・フィルター

クリーンルームと空調

クリーンルームの室圧は空調管理によって大きく影響を受け、ほこりや微生物などの汚染物質の侵入を防ぎ、清浄な空間を保つためには、正確な室圧調整が求められます。空調システムには温度や湿度を制御する機能の他に、室内の空気の流れを作り出し、圧力を一定に保つ役割があります。これにより、部屋と部屋の間に圧力差を作り出し、空気の流れ(=エアフロー)をコントロールすることで室内の清潔度を維持します。

この圧力差を維持するためには、エアフローシステムの正確な計画が求められます。具体的には、エアハンドリングユニット(AHU)やダクトの配置、ファンの選定などがポイントとなります。また、ドアの開閉による圧力変動を最小限に抑えるための、スライディングドアやエアカーテンなどの設置も重要な設計の要素です。

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例えば、室圧が低すぎると外部からの汚染物質の侵入のリスクが高まり、また高すぎると室内の空気が外へ漏れやすくなり、周囲の環境を汚す可能性があります。したがって、空調システムは適切なエアフローを保ちつつ、室内外の圧力バランスを調整することで、外部環境からの汚染を防ぎ、室内の清潔な環境を維持するために重要な役割を担っているのです。

クリーンルームにおける室圧の維持には空調システムの管理が重要になります。空調システムに不具合が生じてしまうとエアフローが崩れ、クリーンルームの清浄度を保つことができません。そこで、空調システムの能力に合わせて、定期的なモニタリングと点検調整を行うことが必要です。空気流量や圧力センサーを利用して得られるデータを解析し、必要に応じて空調システムの設定を変更する方法もあります。また、室内のエアフローを最適化するためには、エアバランスの調整作業が行われることもあります。このような空調の維持管理を行うことで、室内の空気が均一に循環し、部屋の隅々までクリーンな状態が維持されます。

クリーンルームとエアフィルター

クリーンルームにおける実効性ある空気清浄の要であるへパフィルター。これは高効率の粒子空気フィルターを示し、微細な粒子を捕らえることに特化して開発されたフィルターです。

へパフィルターは、クリーンルーム内の空気を清浄に保つために、不可欠なコンポーネントです。その最大の特徴は、0.3μm以上の微細な粒子を99.97%以上捕集することができる点にあります。そのため、クリーンルームで要求される高水準な空気質を維持する上で、絶対に欠かすことができません。絶え間ない空気の循環によって、室内の粉塵や微生物を排除し続けることができるます。特に半導体工業や製薬産業など、微細な汚染が製品品質に直結する分野では、へパフィルターの効果は計り知れないものがあります。クリーンルームにおける空気質の維持は、このような高性能フィルターによって大きく左右されるのです。

細かな粒子も除去できる一方で、へパフィルターは古くなるとろ過性能が低下し、その結果として空気中に残る粒子の量が増えることになります。それが製品の品質に悪影響を及ぼすことも考えられるため、フィルター性能を維持するには除塵にも目を向けることが重要です。へパフィルターの過効率の維持、さらにはクリーンルーム内の空気質の保持には、定期的なメンテナンスが不可欠です。へパフィルターは一定期間ごとに点検を受けることが望ましく、点検においてはフィルターの劣化や破損がないかをチェックを行います。性能の低下が認められたときには、適切なタイミングでの交換が必要となります。へパフィルターはクリーンルームの使用頻度や空気質によって、交換頻度に差が出ることもあります。

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まとめ:クリーンルームの維持には空調換気設計とメンテナンスが重要

クリーンルームの高い清浄度を保つには、空調換気設備の維持管理が大変重要になります。
また設計にも配慮することで、きちんと清浄度を保つことが可能となります。

また空調換気設備等の不具合で扉から風切り音が出てしまったり、異物が入り込んでしまう場合があります。
その際は、専門家に相談することが重要になります。

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作者名
衛生設備食品
設備の仕組み解説の館