デジタルツインを用いたバイオハザード対策用安全キャビネットの最適設計

Research Project

Project/Area Number	23K13453
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 23020:Architectural environment and building equipment-related
Research Institution	Miyakonojo National College of Technology
Principal Investigator	牟田諒太都城工業高等専門学校, 建築学科, 助教 (40852629)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords	安全キャビネット / 数値流体力学CFD / 性能試験法 / ドラフトチャンバー
Outline of Research at the Start	本研究では，ウイルス等の病原体含有サンプル処理の手技を行うバイオハザード対策用クラスⅡキャビネット(安全キャビネット)を計算機上に再現したDigital Twin（デジタルツイン）モデルを作成し，計算流体力学CFD技術を適用する．数値解析によりキャビネット内外に形成される病原体含有汚染物質の非定常不均一濃度分布形成と封じ込めメカニズムを解明し，室内換気空調設計と一体化した安全キャビネットの新たな性能試験法・最適設計法を提案する．また，その他の実験室換気設備であるドラフトチャンバー，クリーンベンチ設計への展開を目指す．
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，バイオハザード対策用クラスⅡキャビネット（安全キャビネット）内外に形成される病原体等の汚染物質の封じ込めメカニズムを解明し，新たな性能試験法の提案を目的としている．本年度は，JIS K 3800で規定される安全キャビネットの気流バランス試験の現場実測結果をもとにしたCFD解析を実施することで，気流バランス試験の再現を行った．気流バランス試験では，作業者保護・試料保護・試料間の相互汚染防止の3つの機能を試験する．解析結果より，3つの機能の試験における，安全キャビネット周辺の流れ場を明らかにした．また，JISで規定される気流バランス試験の試験体である枯草菌を，トレーサーガスや粒子に変更した際の，安全キャビネット周辺におけるガスと粒子の拡散状況について解析を行った．その結果，ガスと粒子ともに，安全キャビネット外への漏洩や作業台への侵入等は確認されず，安全キャビネット開口面付近にある排気口に排出された（枯草菌を使用した現場実測結果と同様の結果となった）．ガスと粒子の噴霧位置から安全キャビネット排気口までの濃度場・粒子軌跡を確認すると，粒子に比べてガスの方が比較的広範囲に分布する結果となった．高性能の濃度計を利用できると仮定した場合，ガスを試験体として用いた気流バランス試験は，粒子を用いた試験よりも広く拡散するため，安全側の評価が実施できると考えられる結果となった．そのため，今後は，安全キャビネットの実機を使用し，トレーサーガスを利用した実測を行う必要がある．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason JISで規格される，安全キャビネットの気流バランス試験をCFD解析により再現し，試験体を枯草菌からトレーサーガスや粒子へ変更が可能であることを数値解析的に確認している．また，トレーサーガスを使用した方が，粒子を使用する場合と比較して安全側の評価が実施できることを確認したため，安全キャビネット実機を用いた実測により検証を行う．
Strategy for Future Research Activity	CFD解析により得られたデータの精度検証と，新たな気流バランス試験法検討のために，安全キャビネット実機を用いた実験を行う予定である．具体的には，試験体として枯草菌の代わりにトレーサーガスを使用した場合の気流バランス試験を実施する予定である．