特許 7187124 ガス生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-02

(45)【発行日】2022-12-12

(54)【発明の名称】ガス生成方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 13/11 20060101AFI20221205BHJP

【ＦＩ】

C01B13/11 K

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020042920

(22)【出願日】2020-03-12

(65)【公開番号】P2021143092

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2022-01-12

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 貴翔

【審査官】磯部 香

(56)【参考文献】

【文献】特表２００９－５００８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０６５０８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１１６３３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－１４６６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２５０６１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５１０６５８９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１４６７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５１３３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０４９７８３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ １３／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス生成装置を用いたガス生成方法であって、
前記ガス生成装置は、
放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、前記放電空間に供給した原料ガスから生成ガスを生成して外部に出力するガス発生器と、
前記ガス発生器に交流電圧を付与する単一のガス発生用電源と、
前記ガス発生器に入力される原料ガス流量を制御する流量制御機器と、
前記ガス発生器内の圧力である内部圧力を自動制御する圧力制御機器と、
生成ガスの濃度を測定して測定ガス濃度を取得するガス濃度測定器とを備え、
目標ガス流量及び目標ガス濃度に基づき、前記ガス発生用電源、前記流量制御機器、前記圧力制御機器及び前記ガス濃度測定器を制御する制御動作を実行する制御部とを備え、
前記ガス生成方法は、前記制御部による前記制御動作として実行されるリミット投入電力算出処理と、前記リミット投入電力算出処理後に実行される実制御処理とを含み、
前記リミット投入電力算出処理は、
(a) 前記目標ガス流量及び前記目標ガス濃度を設定するステップと、
(b) 前記測定ガス濃度が前記目標ガス濃度に達し、前記原料ガス流量が前記目標ガス流量に達するように、前記ガス発生用電源、前記流量制御機器、前記圧力制御機器及び前記ガス濃度測定器を仮制御するステップと、
(c) 前記ステップ(b)の仮制御に適した前記ガス発生用電源の供給電力を理想投入電力として算出するステップと、
(d) 前記理想投入電力を“１”未満の決定電力割合で除算して、リミット投入電力を算出するステップとを含み、
前記実制御処理は、
(e) 前記ガス発生用電源の最大出力電力を前記リミット投入電力に制限するステップと、
(f) 前記ステップ(e)の実行後の前記ガス発生用電源を用いて、前記測定ガス濃度が前記目標ガス濃度に達し、前記原料ガス流量が前記目標ガス流量に達するように、前記ガス発生用電源、前記流量制御機器、前記圧力制御機器及び前記ガス濃度測定器を実制御するステップとを含む、
ガス生成方法。

【請求項2】

請求項１記載のガス生成方法であって、
前記実制御処理は制御状態確認処理をさらに含み、
前記制御状態確認処理は、
(g) 前記ステップ(f)の実制御に適した前記ガス発生用電源の供給電力を実制御時理想投入電力として算出するステップと、
(h) 前記ステップ(g)で得た前記実制御時理想投入電力が閾値電力を超えた場合、前記実制御時理想投入電力を前記決定電力割合で除算して、前記リミット投入電力を再算出するリミット投入電力再算出処理を実行するステップとを備え、
前記リミット投入電力再算出処理の実行後、前記実制御処理の前記ステップ(e)は、前記ステップ(h)で再算出された前記リミット投入電力を用いて実行される、
ガス生成方法。

【請求項3】

請求項１または請求項２記載のガス生成方法であって、
前記決定電力割合は、０．８５以上０．９５以下の値を有する、
ガス生成方法。

【請求項4】

請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載のガス生成方法であって、
前記原料ガスは酸素ガスであり、
前記生成ガスはオゾンガスであり、
前記ガス生成装置はオゾン生成装置であり、
前記ガス発生器はオゾン発生器であり、
前記単一のガス発生用電源は単一のオゾン用電源である、
ガス生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、単一のガス発生用電源を有するガス生成装置を用い、原料ガスから生成ガスを生成するガス生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

誘電体バリア放電を利用した代表的な従来のガス生成方法として、オゾン生成方法がある。オゾン生成方法は、オゾン用電源及びオゾン発生器を主要構成要素としたオゾン生成装置を用いてオゾンを発生させていた。従来のオゾン生成装置において、所望のオゾン発生量（オゾン濃度×ガス流量）に応じて、オゾン発生器１への最大出力電力Ｗmax［Ｗ］を決定し、決定した最大出力電力Ｗmaxの電源供給能力を有するオゾン用電源を採用していた。

【0003】

このようなオゾン生成装置として、例えば、特許文献１に開示されたオゾンガス供給システムにおけるオゾン発生ユニットが挙げられる。

【0004】

そして、上述したオゾン生成装置を用いたオゾン生成方法では、オゾン濃度をフィードバックデータとしてＰＩＤ制御を実行することにより、目標のオゾン発生量に必要な理想投入電力ＣＷ（≦Ｗmax）になるようにオゾン用電源の定格性能（供給電力）を調整していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５６２７０２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一方、要求されるオゾン発生量がユーザごとに異なる場合が多いというユーザ要求傾向がある。このユーザ要求傾向に対応すべく、比較的大きな最大出力電力Ｗmaxを有するオゾン用電源を採用するのが一般的であった。

【0007】

すなわち、比較的小容量のオゾン発生量を生成することを主目的としたオゾン生成装置であっても、比較的大容量のオゾン発生量を生成する能力を持たせるべく、十分大きい最大出力電力Ｗmaxを有するオゾン用電源を採用することが一般的であった。なお、原料ガスのガス流量が一定の場合、オゾン発生量とオゾン濃度とは比例関係を有する。

【0008】

このため、要求されるオゾン発生量が比較的小容量の場合、オゾン発生器が必要とする投入電力［Ｗ］（以下、この電力を「理想投入電力ＣＷ」とする）は、オゾン用電源の最大出力電力Ｗmax［Ｗ］に対してかなり小さくなる。例えば、理想投入電力ＣＷは最大出力電力Ｗmaxの２０％以下になることが考えられる。

【0009】

この場合、最大出力電力Ｗmaxから理想投入電力ＣＷまで絞った供給能力で、オゾン用電源を動作させることになる。但し、理想投入電力ＣＷはオゾン発生器１内の冷却水の温度、流量等により、時々刻々変化する。

【0010】

通常、オゾン生成装置によるオゾン濃度に関するＰＩＤ制御を実行すると、オゾン用電源の最大出力電力Ｗmaxの１％程度がオゾン用電源の電力変動量となる。すなわち、最大出力電力Ｗmaxとオゾン用電源の電力変動量とは正の相関を有している。

【0011】

一方、オゾン用電源の供給電力が数十～数百［Ｗ］程度の変動でオゾン濃度の制御精度に影響を与えてしまう。

【0012】

したがって、要求されるオゾン発生量が比較的小容量な場合、最大出力電力Ｗmax［Ｗ］の１％程度の変動量でオゾン用電源の供給電力（オゾン発生器への投入電力）を変動させても、供給電力の変動量が大きいため、オゾン濃度の変動量も大きくなってしまう。

【0013】

このため、従来のオゾン生成方法は、オゾン濃度の微調整が困難となり、オゾン濃度制御精度が低いという問題点があった。

【0014】

要求されるオゾン発生量が多岐にわたる場合でもオゾン濃度制御精度が低くならないようにするためには、多様なオゾン発生量（オゾン濃度）に対応した複数の最大出力電力Ｗmaxを有する複数のオゾン用電源を設ける必要があった。

【0015】

この場合、互いの最大出力電力Ｗmaxが異なる複数のオゾン用電源を有する一のオゾン生成装置（第１の態様）、各々が独立したオゾン用電源を有する複数のオゾン生成装置（第２の態様）が考えられる。

【0016】

なお、第２の態様では、複数のオゾン生成装置間でオゾン用電源の最大出力電力Ｗmaxは異なっている。上述した第１及び第２の態様のいずれも、互いの最大出力電力Ｗmaxが異なる複数のオゾン用電源の開発が必要となり、装置コストや開発コストの増大を招くため望ましくない。

【0017】

このように、オゾン生成方法に代表される従来のガス生成方法は、比較的簡単な構成のガス生成装置を用いて、高精度な生成ガス（オゾンガス）の濃度制御を行うことができないという問題点があった。

【0018】

本開示は上記問題点を解決するためになされたもので、比較的簡単な構成のガス生成装置を用いて、高精度な生成ガスの濃度制御を行うことができるガス生成方法を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本開示に係るガス生成方法は、ガス生成装置を用いたガス生成方法であって、前記ガス生成装置は、放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、前記放電空間に供給した原料ガスから生成ガスを生成して外部に出力するガス発生器と、前記ガス発生器に交流電圧を付与する単一のガス発生用電源と、前記ガス発生器に入力される原料ガス流量を制御する流量制御機器と、前記ガス発生器内の圧力である内部圧力を自動制御する圧力制御機器と、生成ガスの濃度を測定して測定ガス濃度を取得するガス濃度測定器とを備え、目標ガス流量及び目標ガス濃度に基づき、前記ガス発生用電源、前記流量制御機器、前記圧力制御機器及び前記ガス濃度測定器を制御する制御動作を実行する制御部とを備え、前記ガス生成方法は、前記制御部による前記制御動作として実行されるリミット投入電力算出処理と、前記リミット投入電力算出処理後に実行される実制御処理とを含み、前記リミット投入電力算出処理は、(a) 前記目標ガス流量及び前記目標ガス濃度を設定するステップと、(b) 前記測定ガス濃度が前記目標ガス濃度に達し、前記原料ガス流量が前記目標ガス流量に達するように、前記ガス発生用電源、前記流量制御機器、前記圧力制御機器及び前記ガス濃度測定器を仮制御するステップと、(c) 前記ステップ(b)の仮制御に適した前記ガス発生用電源の供給電力を理想投入電力として算出するステップと、(d) 前記理想投入電力を“１”未満の決定電力割合で除算して、リミット投入電力を算出するステップとを含み、前記実制御処理は、(e) 前記ガス発生用電源の最大出力電力を前記リミット投入電力に制限するステップと、(f) 前記ステップ(e)の実行後の前記ガス発生用電源を用いて、前記測定ガス濃度が前記目標ガス濃度に達し、前記原料ガス流量が前記目標ガス流量に達するように、前記ガス発生用電源、前記流量制御機器、前記圧力制御機器及び前記ガス濃度測定器を実制御するステップとを含む。

【発明の効果】

【0020】

本開示によれば、ステップ(a)～(d)を含むリミット投入電力算出処理を実行することにより、目標ガス流量及び目標ガス濃度を満足する生成ガスの出力に適した必要最小限の電力値であるリミット投入電力を得ることができる。

【0021】

したがって、本開示のガス生成方法に含まれるリミット投入電力算出処理の実行後、実制御処理の実行時に、ステップ(e)にて、単一のガス発生用電源の最大出力電力を上記リミット投入電力に設定することができる。ガス発生用電源の最小変動量は最大出力電力と正の相関があるため、上記実制御処理の実行時に、ガス発生用電源の最小変動量を低く抑えることができる。

【0022】

その結果、本開示のガス生成方法は、ガス生成装置を用いて、生成ガスのガス濃度の変動量を低くして高精度なガス濃度制御を行うことができる効果を奏する。

【0023】

加えて、本開示のガス生成方法に用いるガス生成装置は、単一のガス発生用電源を有する比較的簡単な構成であるため、ガス生成装置に関するコストの低減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】実施の形態であるオゾン生成方法で用いるオゾン生成装置の構成を示すブロック図である。

【図2】実施の形態のオゾン生成方法に含まれるリミット投入電力算出処理の処理手順を示すフローチャートである。

【図3】実施の形態のオゾン生成方法に含まれる実制御処理の処理手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

＜実施の形態＞
図１は実施の形態であるオゾン生成方法で用いるオゾン生成装置１００の構成を示すブロック図である。

【0026】

図１に示すように、原料供給系１０から得られる酸素ガス９９４はＭＦＣ(Mass Flow Controller,)３を介して原料ガス９９５としてオゾン発生器１に供給される。ＭＦＣ３は原料ガス９９５の流量を制御する流量制御機器である。

【0027】

オゾン発生器１内に互いに対向する電極構成部１１及び１２が配置され、電極構成部１２の上方に電極構成部１１が配置される。電極構成部１１は金属電極１１ａ及び誘電体層１１ｂより構成され、上層が金属電極１１ａ、下層が誘電体層１１ｂとなる。電極構成部１２は金属電極１２ａ及び誘電体層１２ｂより構成され、上層が誘電体層１２ｂ、下層が金属電極１２ａとなる。

【0028】

オゾン用電源２から高周波高電圧の交流電圧がオゾン発生器１内の金属電極１１ａ及び１２ａ間に印加されると、電極構成部１１及び１２間の放電空間８に誘電体バリア放電（無声放電）が発生する。このため、オゾン発生器１は、誘電体バリア放電が発生する放電空間８内に供給された原料ガス９９５（酸素ガス９９４）からオゾンガス９９６を生成し、外部に出力することができる。放電空間８は誘電体層１１ｂ及び１２ｂ間で対向する空間であり、その間隔は所定の放電ギャップ長に設定されている。オゾンガス９９６がガス発生器であるオゾン発生器１により生成される生成ガスとなる。

【0029】

オゾン発生器１から出力されたオゾンガス９９６はオゾン濃度モニタ６及びＡＰＣ(Auto Pressure Controller)４を介して外部のオゾン処理装置２０に出力される。ＡＰＣ４はオゾン発生器１内の圧力を制御する自動圧力制御機器である。オゾン処理装置２０は内部にオゾン処理チャンバー等を有している。

【0030】

オゾン用電源２は本来の最大出力電力Ｗmaxとして、初期設定最大電力ＩＷmaxを有している。オゾン用電源２は内部にリミット制御部２２を有する。リミット制御部２２は、制御部５の制御下で、最大出力電力Ｗmaxを初期設定最大電力ＩＷmaxからリミット投入電力ＷＬ（＜ＩＷmax）に制限することができる。

【0031】

制御部５は、ＭＦＣ３、ＡＰＣ４、オゾン用電源２、オゾン濃度モニタ６及びリミット制御部２２を制御して、後述するリミット投入電力算出処理及び実制御処理を含むオゾン生成方法を実行する。

【0032】

ＭＦＣ３は、制御部５の制御下でオゾン発生器１に供給する原料ガス９９５（酸素ガス９９４）の原料ガス流量が目標ガス流量ＱＰになるように流量制御している。

【0033】

ガス濃度測定器であるオゾン濃度モニタ６は、オゾンガス９９６（生成ガス）のオゾン濃度を測定して測定オゾン濃度ＣＸ（測定ガス濃度）を得る。測定オゾン濃度ＣＸは制御部５に伝達される。

【0034】

ＡＰＣ４は、オゾン発生器１外のオゾンガス９９６の出力配管経路内を流れるオゾンガスの圧力を制御することにより、オゾン発生器１内のガス圧力が自動的に制御圧力値になるように制御している。制御部５からＡＰＣ４に上記制御圧力値が指示される。

【0035】

このような構成のオゾン生成装置１００において、オゾン用電源２より交流電圧をオゾン発生器１に印加し、放電空間８に誘電体バリア放電を発生させることにより、放電空間８を通過する原料ガス９９５の一部をオゾンガスへ変化させ、外部にオゾンガス９９６（オゾン化酸素ガス）を取り出している。

【0036】

図２は本実施の形態のオゾン生成方法に含まれるリミット投入電力算出処理の処理手順を示すフローチャートである。

【0037】

リミット投入電力算出処理は、制御部５の制御下でオゾン用電源２、ＭＦＣ３、オゾン濃度モニタ６及びＡＰＣ４を動作させることにより実行される。なお、リミット投入電力算出処理の実行開始時は、オゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxは初期設定最大電力ＩＷmaxに設定されている。

【0038】

ステップＳ１において、制御部５に対し、外部より目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰが設定される。具体的には、外部より、目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰを指示する設定指示信号が制御部５に入力される。上記設定指示信号はアナログまたはデジタルの信号である。上記設定指示信号は、図示しないタッチパネル等を外部のユーザが操作して得るようにしても良い。外部のユーザによる操作方法として、例えば、予め準備された目標オゾン濃度と目標原料ガス流量との複数種の組合せから、タッチパネルを用いたユーザのタッチ操作等によって選択する方法が考えられる。

【0039】

以下の式(1)に沿って、目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰに基づき、オゾン発生量ＺＹを算出することができる。

【0040】

ＺＹ＝ＣＰ・ＱＰ・６０／１０００…(1)
式(1)において、目標ガス流量ＱＰの単位は［Ｌ／ｍｉｎ］であり、目標オゾン濃度ＣＰの単位は［ｇ／ｍ^３］であり、オゾン発生量ＺＹの単位は［ｇ／ｈ］である。

【0041】

式(1)から、目標ガス流量ＱＰ、目標オゾン濃度ＣＰ及びオゾン発生量ＺＹからなる３つの値のうち、少なくとも２つの値を設定することにより、残りの１つの値も決定できることが判る。

【0042】

したがって、目標ガス流量ＱＰ、目標オゾン濃度ＣＰ及びオゾン発生量ＺＹからなる３つの値のうち、少なくとも２つの値を外部から設定することにより、ステップＳ１と等価な処理を行うことができる。

【0043】

その後、ステップＳ２において、制御部５はオゾンガス９９６のオゾン濃度が目標オゾン濃度ＣＰになるようにＰＩＤ制御を実行する。このＰＩＤ制御は、リミット投入電力ＷＬを算出するための仮制御となる。

【0044】

以下、ステップＳ２で実行されるＰＩＤ制御（仮制御）の処理内容を具体的に説明する。

【0045】

ステップＳ２の実行時において、制御部５は、ステップＳ１で設定された目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰを認識している。また、制御部５は、オゾン濃度モニタ６から測定オゾン濃度ＣＸを常時取得することができる。

【0046】

制御部５は、原料ガス９９５の供給流量（原料ガス流量）が目標ガス流量ＱＰになるようにＭＦＣ３を制御する。一方、ＭＦＣ３から測定ガス流量ＱＸが制御部５に常時伝達される。

【0047】

制御部５は、目標ガス流量ＱＰに基づき、０．２０～０．３０［ＭＰａ］の範囲で制御圧力値を決定し、オゾン発生器１内の圧力が上記制御圧力値になるようにＡＰＣ４を制御する。

【0048】

したがって、ＭＦＣ３はオゾン発生器１に原料ガス９９５の原料ガス流量が目標ガス流量ＱＰになるように流量制御し、ＡＰＣ４はオゾン発生器１内の圧力が上記制御圧力値になるように圧力制御する。

【0049】

この状態で、制御部５の制御下でオゾン用電源２の供給電力（オゾン発生器１への投入電力）を変化させつつ、オゾン用電源２より交流電圧をオゾン発生器１に印加する。なお、オゾン発生器１への投入電力とオゾンガス９９６の生成能力とは正の相関がある。

【0050】

その結果、オゾン発生器１の放電空間８に誘電体バリア放電が発生するため、オゾン発生器１は、放電空間８を通過する原料ガス９９５からオゾンガス９９６を生成することができる。

【0051】

オゾンガス９９６のオゾン濃度（生成ガスのガス濃度）は、オゾン濃度モニタ６によって測定オゾン濃度ＣＸとして測定され、制御部５に伝達される。

【0052】

制御部５は、目標点を目標オゾン濃度ＣＰ、測定点を測定オゾン濃度ＣＸとしてＰＩＤ制御により算出された電力変動量に基づき、オゾン用電源２の供給電力を加減算制御する。同時に、オゾン用電源２の供給電力は、測定投入電力ＷＸとして、オゾン用電源２から制御部５に伝達される。

【0053】

このように、制御部５は、測定オゾン濃度ＣＸをフィードバックデータとして、測定オゾン濃度ＣＸが目標オゾン濃度ＣＰに近づくように、オゾン用電源２の供給電力（オゾン発生器１への投入電力）を変動させている。

【0054】

リミット投入電力算出処理では、「測定オゾン濃度ＣＸが目標オゾン濃度ＣＰの±１０％以内になる」ことをオゾン濃度合格条件としている。

【0055】

制御部５は、測定オゾン濃度ＣＸが上記オゾン濃度合格条件を満足した時の測定投入電力ＷＸをサンプル投入電力ＳＷとして取得する。

【0056】

取得したサンプル投入電力ＳＷが所定数Ｎに達すると、ステップＳ３において、制御部５は、Ｎ個のサンプル投入電力ＳＷに基づき、オゾン用電源２の理想投入電力ＣＷを算出する。所定数Ｎとしては、例えば、｛２～１０のいずれか｝が考えられる。ここで、Ｎ個のサンプル投入電力をＳＷ（１），ＳＷ（２），…ＳＷ（Ｎ）とする。

【0057】

理想投入電力ＣＷは、以下の式(2)によって、算出することができる。

【0058】

ＣＷ＝｛ＳＷ（１）＋ＳＷ（２）＋…＋ＳＷ（Ｎ）｝／Ｎ…(2)
式(2)において、理想投入電力ＣＷは所定数Ｎのサンプル投入電力ＳＷ（１）～ＳＷ（Ｎ）の平均値となり、理想投入電力ＣＷ及びサンプル投入電力ＳＷ（ｉ）（ｉ＝１～１０のいずれか）の単位は［Ｗ］である。

【0059】

ステップＳ３で算出された理想投入電力ＣＷは、オゾンガス９９６のオゾン濃度が目標オゾン濃度ＣＰに達成すべく、オゾン用電源２に要求される理想的な供給電力（オゾン発生器１への投入電力）となる。

【0060】

すなわち、理想投入電力ＣＷは、ステップＳ１２の仮制御に適したオゾン用電源２の供給電力となる。通常、理想投入電力ＣＷは初期設定最大電力ＩＷmaxと比較して十分小さな値となる。

【0061】

そして、ステップＳ４において、制御部５はリミット投入電力ＷＬを算出する。リミット投入電力ＷＬは以下の式(3)によって算出することができる。式(3)におけるパラメータとして、予め設定された決定電力割合ＤＲ（０＜ＤＲ＜１）が用いられる。

【0062】

ＷＬ＝ＣＷ／ＤＲ…(3)
式(3)において、リミット投入電力ＷＬ及び理想投入電力ＣＷの単位は［Ｗ］であり、決定電力割合ＤＲは｛０＜ＤＲ＜１｝を満足する定数である。

【0063】

式(3)のように、理想投入電力ＣＷを“１”未満の決定電力割合ＤＲで除算してリミット投入電力ＷＬを算出している。

【0064】

決定電力割合ＤＲは、オゾン発生器１への外乱を考慮して、“１”より少し小さい｛０．８５≦ＤＲ≦０．９５｝の範囲で設定することが考えられ、理想的には「０．９」が考えられる。したがって、リミット投入電力ＷＬは、理想投入電力ＣＷに近く、理想投入電力ＣＷより少し大きい値に設定される。

【0065】

以上のように、ステップＳ１～Ｓ４を含むリミット投入電力算出処理が実行される。リミット投入電力算出処理が終了すると、ステップＳ１０の実制御処理が実行される。

【0066】

上述したリミット投入電力算出処理は、目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰが変更されると改めて実行される。言い換えれば、目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰに変化がない場合、リミット投入電力算出処理を改めて実行する必要はなく、以降はステップＳ１０の実制御処理のみを実行すれば良い。

【0067】

図３は本実施の形態のオゾン生成方法に含まれる実制御処理（図２のステップＳ１０）の処理手順を示すフローチャートである。

【0068】

実制御処理は、制御部５の制御下でオゾン用電源２、ＭＦＣ３、オゾン濃度モニタ６及びＡＰＣ４を動作させることにより実行される。また、実制御処理は後述する制御状態確認処理を含んでいる。

【0069】

ステップＳ１１において、制御部５はオゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxを、リミット投入電力ＷＬに設定する。最初のステップＳ１１の実行時は、リミット投入電力算出処理（図２のステップＳ４）で算出されたリミット投入電力ＷＬが用いられる。

【0070】

その結果、最大出力電力Ｗmaxは初期設定最大電力ＩＷmaxからリミット投入電力ＷＬに低減化される。

【0071】

次に、ステップＳ１２において、制御部５に対し、外部より目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰが設定される。なお、ステップＳ１２の処理内容はリミット投入電力算出処理のステップＳ１の処理内容と同一である。また、目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰの値も、ステップＳ１の実行時の目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰの値と同一となる。したがって、リミット投入電力算出処理に連続して実制御処理が実行される場合は、ステップＳ１２の処理を省略しても良い。

【0072】

その後、ステップＳ１３において、制御部５はオゾンガス９９６のオゾン濃度が目標オゾン濃度ＣＰになるようにＰＩＤ制御を実行する。このＰＩＤ制御は、最大出力電力Ｗmaxをリミット投入電力ＷＬに設定して行う実制御となる。

【0073】

なお、ステップＳ１３で実行されるＰＩＤ制御の内容は、リミット投入電力算出処理のステップＳ２で実行されるＰＩＤ制御の内容と実質的に同じである。

【0074】

但し、リミット投入電力算出処理の実行時と異なり、オゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxがリミット投入電力ＷＬに設定されているため、測定オゾン濃度ＣＸの目標オゾン濃度ＣＰへの立ち上がり時間の短縮が見込まれる。上述したステップＳ１１～Ｓ１３の処理が実制御処理の主要処理となる。

【0075】

以下、オゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxが初期設定最大電力ＩＷmaxに設定されている場合を第１の電力設定とし、最大出力電力Ｗmaxがリミット投入電力ＷＬに設定されている場合を第２の電力設定として、本実施の形態の実制御処理の効果を説明する。

【0076】

例えば、第１の電力設定における初期設定最大電力ＩＷmax＝５０００［Ｗ］、第２の瀬電力設定におけるリミット投入電力ＷＬが１１００［Ｗ］と仮定する。この場合、リミット投入電力算出処理によって算出された理想投入電力ＣＷが１０００［Ｗ］程度であったことになる。

【0077】

第１の電力設定に関し、最大出力電力Ｗmaxの１％をオゾン用電源２の最小変動量とした場合、ＰＩＤ制御時において、オゾン用電源２の供給電力は約５０［Ｗ］単位で変動することになる。すなわち、第１の電力設定におけるオゾン用電源２の最小変動量は約５０［Ｗ］となる。

【0078】

ここで、目標オゾン濃度ＣＰ及び目標ガス流量ＱＰが比較的小さく、理想投入電力ＣＷが初期設定最大電力ＩＷmaxの２０％以下となる仮想条件を考える。この仮想条件下で、５０［Ｗ］の最小変動量でオゾン用電源２の供給電力を変化させると、測定オゾン濃度ＣＸが｛数ｇ／ｍ^３～数十ｇ／ｍ^３｝の大きさで変動してしまう。

【0079】

このように、第１の電力設定で実制御処理を実行してオゾン濃度を制御すると、測定オゾン濃度ＣＸの変動量が比較的大きくなり、高精度なオゾン濃度制御を行うことができない。

【0080】

一方、第２の電力設定に関し、第１の電力設定の場合と同様、最大出力電力Ｗmax（＝リミット投入電力ＷＬ）の１％をオゾン用電源２の最小変動量とした場合、ステップＳ１２で実行されるＰＩＤ制御時において、オゾン用電源２の供給電力は約１１［Ｗ］単位で変動することになる。すなわち、第２の電力設定におけるオゾン用電源２の最小変動量は約１１［Ｗ］となる。

【0081】

このように、第２の電力設定時におけるオゾン用電源２の供給電力の最小変動量は、第１の電力設定時と比較して大幅に低減化される。

【0082】

したがって、第２の電力設定でオゾン濃度を制御すると、理想投入電力ＣＷが初期設定最大電力ＩＷmaxの２０％以下となる条件下でも、測定オゾン濃度ＣＸの変動量を十分低く抑えることができる。

【0083】

このように、本実施の形態のオゾン生成方法の実制御処理（ステップＳ１１～Ｓ１３）は、第２の電力設定でオゾン濃度を制御するため、高精度なオゾン濃度制御を実現できる。

【0084】

なお、上述した第１及び第２の電力設定では、最大出力電力Ｗmaxの１％をオゾン用電源２の最小変動量としているが、オゾン分解能や要求されるオゾン濃度精度に合わせて、例えば、最大出力電力Ｗmaxの０．１％がオゾン用電源２の供給電力の最小変動量となるようにオゾン用電源２を構成することも考えられる。

【0085】

ステップＳ１１～Ｓ１３を含む実制御処理の主要処理が終了すると、ステップＳ１４～Ｓ１６を含む制御状態確認処理が実行される。以下、制御状態確認処理の処理内容を説明する。

【0086】

ステップＳ１４において、制御部５は実制御時理想投入電力ＲＣＷを算出する。実制御時理想投入電力ＲＣＷの算出内容はリミット投入電力算出処理のステップＳ３による処理とほぼ同内容となる。

【0087】

ただし、実制御時理想投入電力ＲＣＷは、式(2)に類似した以下の式(4)によって算出される。

【0088】

ＲＣＷ＝｛ＳＷ（１）＋ＳＷ（２）＋…＋ＳＷ（Ｎ）｝／Ｎ…(4)
式(4)において、理想投入電力ＣＷ及びサンプル投入電力ＳＷ（ｉ）の単位は［Ｗ］である。

【0089】

ステップＳ１４で算出された実制御時理想投入電力ＲＣＷは、ステップＳ１３の実制御に適したオゾン用電源２の供給電力となる。

【0090】

次に、ステップＳ１５において、制御部５は、実制御時理想投入電力ＲＣＷが閾値電力ＷＴを超えたか否かを判定し、｛ＲＣＷ＞ＷＴ｝の場合(YES)はステップＳ１６に移行する。

【0091】

一方、ステップＳ１５において｛ＲＣＷ≦ＷＴ｝の場合(NO)はステップＳ１３に戻る。以降、ステップＳ１５でＹＥＳになるまで、ステップＳ１３～Ｓ１５が繰り返される。

【0092】

閾値電力ＷＴは、例えば、以下の式(5)に基づき算出される。

【0093】

ＷＴ＝ＴＤ・ＷＬ…(5)
式(5)において、リミット投入電力ＷＬ及び閾値電力ＷＴの単位はいずれも［Ｗ］である。

【0094】

なお、式(5)の「ＴＤ」は許容定数であり、｛ＤＲ＜ＴＤ＜１｝を満足している。また、決定電力割合ＤＲは｛０＜ＤＲ＜１｝を満足する定数である。許容定数ＴＤとして例えば、“０．９７”が考えられる。

【0095】

このように、ステップＳ１５において、｛ＣＷ＞ＷＴ｝を満足すると、リミット投入電力ＷＬは実制御処理におけるオゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxとして低すぎると判定している。

【0096】

ステップＳ１５でＹＥＳの場合に実行されるステップＳ１６において、制御部５は、ステップＳ１４で求めた実制御時理想投入電力ＲＣＷに基づき、リミット投入電力ＷＬを再算出する。

【0097】

そして、リミット投入電力ＷＬは式(3)に類似する以下の式(6)によって再算出することができる。

【0098】

ＷＬ＝ＲＣＷ／ＤＲ…(6)
式(6)において、リミット投入電力ＷＬ及び実制御時理想投入電力ＲＣＷの単位は［Ｗ］であり、決定電力割合ＤＲは｛０＜ＤＲ＜１｝を満足する定数である。

【0099】

式(6)のように、実制御時理想投入電力ＲＣＷを“１”未満の決定電力割合ＤＲで除算してリミット投入電力ＷＬを再算出している。

【0100】

ステップＳ１６の実行後、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１において、制御部５はオゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxを、リミット投入電力ＷＬに設定する。ステップＳ１６後に実行されるステップＳ１１において、ステップＳ１６で再算出されたリミット投入電力ＷＬが用いられ、最大出力電力Ｗmaxは更新される。

【0101】

このように、リミット投入電力再算出処理であるステップＳ１６の実行後、実制御処理のステップＳ１１の処理は、ステップＳ１６で再算出されたリミット投入電力ＷＬを用いて実行される。

【0102】

ステップＳ１１の実行後、ステップＳ１２に移行する。以下、前述した内容で実制御処理（制御状態確認処理を含む）が実行される。

【0103】

このように、本実施の形態のオゾン生成方法は、ステップＳ１～Ｓ４を含むリミット投入電力算出処理を実行することにより、目標ガス流量ＱＰ及び目標オゾン濃度ＣＰを満足するオゾンガス９９６の出力に適した必要最小限の電力値であるリミット投入電力ＷＬを算出することができる。

【0104】

例えば、決定電力割合ＤＲ＝０．９の場合、式(3)で求められるリミット投入電力ＷＬは、理想投入電力ＣＷに比べ、「ＷＬ／１０」大きく設定されている。

【0105】

したがって、本実施の形態であるオゾン生成方法に含まれるリミット投入電力算出処理の実行後、オゾン発生器１からオゾンガス９９６を発生させるための実制御処理（図３）の実行時に、単一のオゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxを初期設定最大電力ＩＷmaxからリミット投入電力ＷＬに抑えることができる。

【0106】

例えば、決定電力割合ＤＲが「０．９」に設定されており、理想投入電力ＣＷが初期設定最大電力ＩＷmaxの２０［％］であった仮定条件下で、リミット投入電力ＷＬは初期設定最大電力ＩＷmaxの２２．２［％］となる。

【0107】

オゾン用電源２の最小変動量は最大出力電力Ｗmax（＝ＷＬ）と正の相関があるため、上記実制御処理の実行時に、オゾン用電源２の投入電力の最小変動量を十分低く抑えることができる。

【0108】

例えば、上記仮定条件下で、最大出力電力Ｗmaxをリミット投入電力ＷＬに設定した場合、オゾン用電源２の出力電力の最小変動量は、最大出力電力Ｗmaxが初期設定最大電力ＩＷmaxの場合の最小変動量の２２．２［％］に抑えることができる。

【0109】

その結果、本実施の形態のオゾン生成方法は、図３で示す実制御処理の実行時に、単一のオゾン用電源２を有する比較的簡単な構成のオゾン生成装置を用いて、オゾンガス９９６のオゾン濃度の変動量を低くした高精度なオゾン濃度制御を行うことができる効果を奏する。

【0110】

さらに、制御状態確認処理のステップＳ１５において、実制御時理想投入電力ＲＣＷが閾値電力ＷＴを超えた場合、ステップＳ１６のリミット電圧再算出処理でリミット投入電力ＷＬを再算出した後、ステップＳ１１の最大出力電力Ｗmaxの設定処理に戻っている。

【0111】

オゾン発生器１の経年劣化により、目標オゾン濃度ＣＰへのオゾン濃度制御に必要な実制御時理想投入電力ＲＣＷが上昇する傾向がある。本実施の形態のオゾン生成方法は、この傾向を考慮して、実制御処理時に算出された実制御時理想投入電力ＲＣＷが閾値電力ＷＴを超えると、ステップＳ１６において、リミット投入電力ＷＬを再算出するようにしている。

【0112】

そして、ステップＳ１６が実行された後、必ずステップＳ１１が実行され、ステップＳ１１において、ステップＳ１６で再算出されたリミット投入電力ＷＬを用いられる。

【0113】

このように、本実施の形態のオゾン生成方法は、実制御時理想投入電力ＲＣＷが閾値電力ＷＴを超えた場合は、再び、適切なリミット投入電力ＷＬでオゾン用電源２の最大出力電力Ｗmaxに再設定するようにしている。

【0114】

その結果、本実施の形態のオゾン生成方法は、実制御処理の実行時にオゾン発生器１の経年劣化等により実制御時理想投入電力ＲＣＷが上昇しても、高精度なガス濃度を維持してオゾン濃度制御を続行することができる効果を奏する。

【0115】

本実施の形態のオゾン生成方法におけるリミット投入電力算出処理は、リミット投入電力ＷＬの算出時に用いる決定電力割合ＤＲを０．８５以上０．９５以下の値に設定している。このため、リミット投入電力ＷＬを実制御時理想投入電力ＲＣＷより少し大きな値となる。

【0116】

したがって、本実施の形態のオゾン生成方法は、外乱によるオゾン発生器１のオゾン生成能力の比較的小さな変動にも対応して、高精度にオゾンガス９９６のオゾン濃度を制御することができる効果を奏する。

【0117】

例えば、外乱によって、オゾン発生器１のオゾン生成能力が低下し、目標オゾン濃度ＣＰへのオゾン濃度制御に必要なオゾン用電源２の供給電力（出力電力）が上昇しても、本実施の形態の実制御処理は支障無く対応することができる。なぜなら、前述したように、リミット投入電力ＷＬは理想投入電力ＣＷ（あるいは実制御時理想投入電力ＲＣＷ）より少し大きな値に設定されているからである。

【0118】

＜その他＞
なお、本実施の形態では、オゾン用電源２の供給電力を最大出力電力Ｗmax［Ｗ］の０～１００％の範囲で制御する場合を説明している。上記以外に、オゾン用電源２の供給電流を最大投入電流［Ａ］の０～１００％の範囲で制御して、結果的にオゾン用電源２の供給電力を変動するようにしても良い。この場合、最大投入電流は、交流電圧及びリミット投入電力ＷＬに基づき算出することができる。

【0119】

本実施の形態では、原料ガス９９５を酸素ガス９９４とし、生成ガスをオゾンガス９９６とし、オゾン発生器１をガス発生器としたオゾンガス生成装置（オゾン生成装置１００）を用いたオゾン生成方法（ガス生成方法）として説明した。

【0120】

しかし、｛原料ガス，生成ガス｝の組合せは、上記した｛酸素ガス，オゾンガス（オゾン化酸素ガス）｝以外に、｛酸素ガス，酸素ラジカル化ガス｝、｛水素ガス，水素ラジカル化ガス｝、｛窒素ガス，窒素ラジカル化ガス｝、及び｛フッ素ガス，フッ素ラジカル化ガス｝のいずれか一つであっても良い。

【0121】

すなわち、本開示で適用可能なガス生成装置は以下のように構成要素(1)～(6)を有すれば良い。

【0122】

(1) 放電空間に誘電体バリア放電を発生させ、上記放電空間に供給した原料ガスから生成ガスを生成して外部に出力するガス発生器、
(2) 上記ガス発生器に交流電圧を付与する単一のガス発生用電源、
(3) 上記ガス発生器に入力される原料ガス流量を制御する流量制御機器、
(4) 上記ガス発生器内の圧力である内部圧力を自動制御する圧力制御機器、
(5) 生成ガスの濃度を測定して測定ガス濃度を取得するガス濃度測定器、
(6) 目標ガス流量及び目標ガス濃度に基づき、上記ガス発生用電源、上記流量制御機器、上記圧力制御機器及び上記ガス濃度測定器を制御する制御動作を実行する制御部。

【0123】

本実施の形態において、オゾン発生器１は構成要素(1)に対応し、オゾン用電源２は構成要素(2)に対応し、ＭＦＣ３は構成要素(3)に対応し、ＡＰＣ４は構成要素(4)に対応し、オゾン濃度モニタ６は構成要素(5)に対応し、制御部５は構成要素(6)に対応する。

【0124】

さらに、測定オゾン濃度ＣＸが生成ガスのガス濃度に対応し、目標オゾン濃度ＣＰが目標ガス濃度に対応する。

【0125】

上述した｛酸素ガス，オゾンガス｝以外の｛原料ガス，生成ガス｝の組合せにおいても、本実施の形態と同様な効果（高精度なガス濃度制御を行うことができる効果等）を発揮することができる。

【0126】

なぜなら、生成ガスのガス濃度を制御する際、ガス発生用電源の電力変動量は、オゾン用電源２の場合と同様、最大投入電力と正の相関を有するからである。したがって、オゾン用電源２と同様、ガス発生用電源の最大出力電力Ｗmaxをリミット投入電力ＷＬに制限することにより、上記効果を発揮することができる。

【0127】

なお、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

【符号の説明】

【0128】

１ オゾン発生器
２ オゾン用電源
３ ＭＦＣ
４ ＡＰＣ
５ 制御部
６ オゾン濃度モニタ
１０ 原料供給系
２０ オゾン処理装置
２２ リミット制御部
１００ オゾン生成装置

【図1】

【図2】

【図3】