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気流（ダウンフロー）とは

THEME 05 検査・計測・歩留まり · 汚染管理Downflow
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気流（ダウンフロー）とは、天井から床へ一方向に清浄空気を流し、室内で生まれた粒子を床下の吸込口まで運び去る空気の流れです。 フィルタが入口を守るのに対し、気流は部屋の中で生まれた分を引き受けます。押し流すか薄めるかで届く清浄度が決まり、非常に高い清浄度では面風速が重視されます。その風量は費用と動力を食い、しかも装置の熱を運ぶ役目も負っているので、清浄度だけを理由に下げられない場面があります。

押し流すか薄めるかで、届く清浄度クラスが決まる

Section titled “押し流すか薄めるかで、届く清浄度クラスが決まる”

人も装置も、動いている限りパーティクルを生み続けます。入口をどれだけ固めても、室内で生まれた分は室内に留まります。微粒子を問題とするクリーンルームが守る原則は、室内への微粒子の侵入を防ぐこと、室内での発生を防ぐこと、堆積を防ぐこと、室内で発生する微粒子を速やかに排除すること、の4つです1。気流は、後ろの2つを引き受けます。

気流の流し方と清浄度
垂直一方向流ISOクラス3〜5非一方向流渦ISOクラス6〜8クロスフローISOクラス5〜6HEPAフィルタ吸込口清浄空気
天井全面から床へ垂直に押し流す形がISOクラス3〜5、天井の一部から吹き出して薄める形がクラス6〜8、壁から壁へ水平に流す形がクラス5〜6に届きます。

クリーンルームは、気流の流し方で3種類に区分されます。非一方向流方式（コンベンショナルダウンフロー）は天井の一部にHEPAフィルタを付けて清浄空気を壁下面の吸込口へ流し、清浄度はISOクラス6〜8です。一方向流方式（ラミナーダウンフロー）は天井面にHEPAフィルタを敷き詰めて床面の吸込口へ垂直に流し、ISOクラス3〜5です。もう1つの一方向流方式（クロスフロー）は、一方の壁全面から対向壁の吸込口へ水平に流し、ISOクラス5〜6です。清浄度クラスはISO14644-1の区分です。

一方向流方式では、エアーフィルタを通った清浄空気が一定方向に流れ、多くの場合は天井全面から吹き出した空気が床下全面へ吸い込まれ、高い清浄度（クラス1〜5）を確保します2。非一方向流方式は、クラス6〜8程度のクリーンルームに採用されます。

差が出るのは粒子の行き先です。一方向流では気流が部屋全体を一定方向に流れ、汚染物質が気流に沿って押し出されるように室外へ排出されるので、室内に滞留も蓄積もしにくくなります3。非一方向流は室内で生まれた汚染物質を薄めながら室外へ抜く構造で、清浄空気の吹き出す部分と吹き出さない部分が混在するため、ところどころで気流が滞留し、渦が生じます。オリオン機械は、天井全面にファンフィルタユニット（FFU）を置いて全ての床面で吸い込む垂直層流方式について、温度・湿度・クリーン度が均一に分布しやすいとしています4。

清浄度の非常に高い部屋では、換気回数より面風速が重視される

Section titled “清浄度の非常に高い部屋では、換気回数より面風速が重視される”

一方向流方式では200回〜300回以上／hの換気回数を要し、クラス5以上の高い清浄度を作れます3。オリオン機械は、クラス100以下の非常にクリーン度の高い部屋ではグレーチングを使った全面層流式で部屋全体を均一に換気する方式が必要になり、その領域では換気回数よりも面風速を重視する傾向が強くなるとしています。

一方向流の風速の規定と評価点
GMPの規定 0.45m/s±20%0.250.350.450.55評価した風速風速（m/s）
医薬品向けガイドラインの0.45m/s±20%に対し、朝日工業社は0.25から0.55m/sまでの4点で気流を評価し、規定より下の風速も試しています。

その面風速には、半導体の外で決まった数字が流通しています。朝日工業社によると、EU-GMPやcGMPなど医薬品の各ガイドラインが採用する一方向流クリーンルームの風速規定は0.45m/s±20%です5。同社は、0.45m/sとすべき科学的根拠は明確でなく、風速を下げられれば乱流や巻き上がりの減少、ファン動力やHEPA交換回数の低減につながると期待しています。同社はクリーンブース内に製造装置の模型を置き、0.25、0.35、0.45、0.55m/sの各風速で気流を、シミュレーション、可視化、三次元風速の測定で評価しました。

半導体向けの製品仕様でも、風速は1つの値として示されます。日本無機のファンフィルタユニットは、標準仕様でHEPAフィルタを使った場合の平均風速が0.35m/sです1。600×1200mmのモジュールで風量15m3/min、静圧38Pa、DCモータの消費電力は約160Wという条件です。

循環の経路、室圧、フィルタの3つで清浄度を保つ

Section titled “循環の経路、室圧、フィルタの3つで清浄度を保つ”
垂直一方向流の循環と室圧
FFUグレーチング床床下リターンシャフト室内室外より高圧外調機から給気排気
天井のFFUから吹き下ろした空気はグレーチング床から床下へ抜け、リターンシャフトを上って天井へ戻ります。部屋全体は、給気量と排気量の釣り合いで室外より高い圧力に保ちます。

垂直一方向流の空気は、決まった経路で循環します。垂直一方向流方式は、天井のファンフィルタユニットで清浄空気を一方向に流し、グレーチング床下からリターンシャフトを通じて天井へ戻して循環させ6、室内を高い清浄度に保ちます。日立プラントサービスは、清浄度はファンフィルタユニットの配置や運転台数を変えることで容易に変えられるとし、この方式はISOクラス3以上の清浄度を要するクリーンルームに向きます。

部屋全体の圧力も管理します。半導体用クリーンルームでは、外調機から入れる給気量とクリーンルームから抜く排気量の釣り合いを取り、室外より常に高い空気圧を保って、外部からの汚染物質の流入を防ぎます2。

フィルタは、何の大きさまで捕まえるかを決めます。クリーンルームと循環空調系のエアーフィルタには、除去対象粒径0.3μmのHEPAフィルタと0.1μmのULPAフィルタがあり、微細化の進んだプロセスでは化学物質の制御のために循環系へケミカルフィルタを入れる場面が増えました。

レイアウトを変えれば、そのまま流れも変わります。新菱冷熱工業は、HPCサーバーによるシミュレーションで、レイアウト変更が気流と温度へ与える影響を事前に調べています7。部屋の中で向きを分ける設計もあり、作業域をダウンフロー、メンテナンス域をアップフローにした「DOUP」空調システムが開発され8、開発者らはCFD解析モデルも構築して検証しています。

一方向流は高くつき、FFUとミニエンバイロメントがその費用を削ってきた

Section titled “一方向流は高くつき、FFUとミニエンバイロメントがその費用を削ってきた”

一方向流は、初期の費用も運転の費用も高くつき、清浄な区画を広げたり動かしたりするのも難しくなります3。

送風の動力も代償です。1980年代に主流となったベイ方式は、大型の軸流ファンで送風していました2。速く送るほど騒音が増えるので消音器の設置が要り、送る側の動力も消費電力量も大きくなりました。ここを軽くするために生まれたのがFFU方式で、小さなファンとエアーフィルタを1つにまとめた装置を天井面へ数多く並べて清浄度を保ちます。

風量そのものを減らす道は、FOUPとミニエンバイロメントが開きました。ウェハがクリーンルームの空気から隔離されたことで、ボールクリーンルームの塵埃レベルをISOクラス6程度まで緩められ、循環風量も削減できました。2006年の報告では、従来型と比べてランニングコストを約40%下げられています。

風量は、清浄度だけでなく装置の熱も運んでいる

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清浄度の面で循環風量を減らせる場合でも、装置発熱などの熱負荷を除去するために風量を保つ必要が出る場面があります。装置の発熱をクリーンルームの空気による空冷から冷却水による水冷へ替えると、クリーンルームの熱排気量を減らせます。ITRSの2005年版も、クリーンルーム気中粒子清浄度要求の緩和が気流の削減を伴い、温度、湿度、清浄度、メンテナンスに関する懸念を生むと見ています9。風量を下げる判断は、粒子の数と装置の熱の両方を見て決めることになります。

よくある質問（FAQ）

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気流（ダウンフロー）とは何ですか？

天井から床へ一方向に清浄空気を流し、室内で生まれた粒子を床下の吸込口まで運び去る空気の流れです。天井面にHEPAフィルタを付けて床面の吸込口へ垂直に流す方式を一方向流方式（ラミナーダウンフロー）と呼び、清浄度はISOクラス3〜5です。

一方向流と非一方向流は何が違いますか？

粒子の行き先です。一方向流では汚染物質が気流に沿って室外へ押し流されるので、室内に居残りにくくなります。非一方向流は室内で生まれた汚染物質を薄めながら室外へ抜く構造で、吹き出し口が部屋の一部に限られるため、ところどころで気流が滞留し渦が生じます。

風速はどれくらいですか？

日本無機のファンフィルタユニットの標準仕様では、HEPAフィルタを使った場合の平均風速が0.35m/sです。600×1200mmのモジュールで風量15m3/min、静圧38Paという条件です。医薬品向けのEU-GMPやcGMPなどのガイドラインは、一方向流の風速を0.45m/s±20%と定めています。

清浄度はどうやって上げますか？

垂直一方向流方式では、ファンフィルタユニットの配置と運転台数を変えれば清浄度を手軽に変えられます。この方式はISOクラス3以上の清浄度を要するクリーンルームに向き、清浄度の非常に高い部屋では換気回数より面風速を重視する傾向が強くなります。

部屋の圧力はなぜ管理しますか？

外部からの汚染物質の流入を防ぐためです。半導体用クリーンルームでは、外調機から入れる給気量とクリーンルームから抜く排気量の釣り合いを取り、室外より常に高い空気圧を保ちます。

風量を下げると何が起きますか？

清浄度の面で循環風量を減らせる場合でも、装置発熱などの熱負荷を除去するために風量を保つ必要が出る場面があります。装置の発熱を空冷から冷却水による水冷へ替えると、熱排気量を減らせます。

換気回数はどれくらい要りますか？

一方向流方式では200回〜300回以上／hの換気回数が要り、この方式でクラス5以上の高い清浄度を作れます。

比較・違いを学ぶ

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関連用語

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出典

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