ULPAフィルタ｜超高性能フィルタで極微粒子を完全捕集

ULPAフィルタ

ULPAフィルタ（Ultra Low Penetration Air filter、ウルパフィルタ）とは、定格風量において粒径0.15μmの粒子に対して99.9995%以上の粒子捕集率を持ち、かつ初期圧力損失が245Pa以下の性能を有するエアフィルタである。「超高性能フィルタ」とも呼ばれ、HEPAフィルタをさらに上回る捕集性能が要求される半導体工場や精密機器製造のクリーンルーム、バイオハザード対応施設などで採用されている。ろ材には極細のガラス繊維を使用し、繊維が複雑に絡み合った緻密な構造が0.1μm前後のナノスケール微粒子を確実に捕捉する。

定義と規格

日本ではULPAフィルタの定義がJIS Z 8122およびJIS B 9927に規定されており、粒径0.15μmの粒子に対して捕集効率99.9995%以上、かつ初期圧力損失245Pa以下という2つの条件を同時に満たすことが必要である。国際的には欧州規格EN 1822およびISO 29463が対応する規格として機能し、試験には最もろ材を透過しやすい粒子径であるMPPS（Most Penetrating Particle Size）を用いる方式が採用されている。MPPSはおおよそ0.1〜0.2μmの範囲に存在し、この粒径で規定の捕集効率をクリアすることで、全粒径域にわたる高い性能が保証される。なお2022年改訂のJIS B 9927-1では、従来の固定粒径による試験からMPPS基準への移行が正式に規格化された。以下にHEPAフィルタとの主要な性能比較を示す。

捕集のメカニズム

ULPAフィルタは単純な「ふるい」として機能するわけではなく、複数の物理現象を組み合わせて微粒子を捕捉する。主なメカニズムは以下の4つである。

• 慣性衝突：質量の大きい粒子は気流の曲がりに追従できず、繊維に直接衝突して付着する。粒径が大きいほど支配的に働く。
• さえぎり（インターセプション）：気流に乗った粒子が繊維表面に近接した際、粒子半径分だけ繊維に接触して捕捉される。
• 拡散：0.1μm以下の極微細粒子はブラウン運動が活発で、気流から外れて繊維に衝突しやすくなる。粒径が小さいほど支配的に働く。
• 静電気力：帯電したろ材や粒子同士の静電引力により捕集効率が補助的に高まる場合がある。

慣性衝突は大粒子に、拡散は小粒子に有効であるため、その中間付近（0.1〜0.2μm）がフィルタを最も通り抜けやすい「最大透過粒子径（MPPS）」となる。ULPAフィルタはこの弱点となる粒径においても規定性能を達成するよう設計されている。

ろ材の構造と材質

ULPAフィルタのろ材には、極細のガラス繊維を均一に漉き上げた素材が主に用いられる。ガラス繊維は不燃性であり、細径繊維のなかでも比較的安価に製造できることから、HEPAフィルタを含む高性能フィルタに広く採用されている。ULPAフィルタのろ材はHEPAフィルタと比べて繊維径がさらに細く、密度が高い点が特徴である。繊維が複雑に絡み合ったジャングル状の内部構造が微細粒子との接触機会を最大化する一方、空気抵抗を下げるためにろ材自体は薄く仕上げられる。この薄さゆえに機械的強度が低く、取り扱い時の変形・破損には注意を要する。圧力損失を低減しつつ捕集効率を維持するため、ろ材はアコーディオン状にプリーツ加工され、セパレータ（仕切り板）と交互に積層してろ過面積を大幅に拡大した状態でアルミや樹脂製の枠体に収められる。

低ボロン仕様

半導体デバイスの製造工程では、ガラス繊維ろ材に含まれるホウ素（ボロン）が昇華して空気中に放出され、ウェーハ表面に付着するとpドープを引き起こし、素子特性を劣化させる問題が知られている。この課題に対応するため、ボロン含有量を大幅に低減した「ローボロンULPAフィルタ」が開発されており、先端半導体製造ラインでは標準的に採用されている。

圧力損失とエネルギー消費

ろ材の密度が高いULPAフィルタは、HEPAフィルタと比べて空気抵抗が大きく、同一風量を流すためには送風機の出力を高める必要がある。このため消費電力が増加し、大規模なクリーンルーム設備では運用コストへの影響が無視できない。捕集性能と圧力損失はトレードオフの関係にあり、各メーカーは低圧損ろ材の開発や繊維径・密度の最適化による改善を続けている。フィルタが使用とともに目詰まりすると圧力損失はさらに上昇するため、差圧計による定期的な監視が不可欠であり、一般的な交換推奨サイクルは年1〜2回とされる。

主な用途

ULPAフィルタが要求される代表的な環境を以下に示す。

1. 半導体製造クリーンルーム：微細化が進むパーティクル管理において、ISOクラス4以上の超高清浄度空間を維持するために天井面にファンフィルタユニット（FFU）として組み込まれる。
2. 液晶・有機ELパネル製造：ナノスケールの欠陥が歩留まりを直接左右するフラットパネルディスプレイ製造ラインでも採用される。
3. バイオハザード施設・BSL-3/4対応設備：高病原性ウイルスや細菌を含む排気を外部へ漏らさないための排気処理系統に用いられ、封じ込め性能の確保に寄与する。
4. 核施設・放射性粉じん対策：放射性微粒子の拡散防止を目的とした換気系統にも採用実績がある。これはHEPAフィルタの原型が放射性粉じん対策として開発された経緯とも関連する。
5. 精密計測・光学機器製造：わずかな塵埃が光学面の品質劣化を引き起こす光学部品製造や計測機器の組立環境においても適用される。

HEPAフィルタとの違い

HEPAフィルタとULPAフィルタはいずれもガラス繊維ろ材をプリーツ状に加工した基本構造を共有するが、要求性能・ろ材特性・適用環境に明確な差異がある。HEPAフィルタは0.3μmの粒子に対して99.97%以上の捕集効率が求められるのに対し、ULPAフィルタはより小さい0.15μmで99.9995%以上と、数値上は約70倍以上の高性能を実現している。ろ材の繊維径はULPAのほうが細く、強度的に脆弱になるため取り扱い・交換作業での破損リスクが高い。コスト面でもULPAフィルタはHEPAフィルタより高価であり、設備導入・ランニングコストともに割高となる。このためHEPAフィルタで十分な清浄度が確保できる医療施設や一般空調用途では、フィルタエレメントの選定においてHEPAが優先されるのが通例である。

設置とメンテナンス

ULPAフィルタはクリーンルームの天井や局所排気装置、SMIF対応の搬送ポッドに付随するクリーンミニエンバイロメントなど、多様な形態で設置される。フィルタとフレームの接触面から空気が漏れるバイパス漏れは捕集性能を著しく損なうため、ウレタンシールや液槽（Uチャンネル）シールによる完全な気密が必要である。交換時はろ材の破損や使用済みフィルタからの再飛散を防止するため、バグアウト方式などの密封交換手順が標準とされる。また、パーティクルカウンタを用いたフィルタ面のリーク検査（スキャン試験）を定期的に実施し、フィルタ性能の維持・確認を行うことが求められる。