(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波誘導結合形熱プラズマトーチを構成するワークコイルに高周波電力を供給する高周波電源の制御方法において、
高周波電源から予め定めた第１の電流設定値に基づく高周波電流をワークコイルに供給しつつ、該高周波電源の入力電力または出力電力を監視し、
該入力電力または出力電力が所定の値を超えたときには、前記高周波電源から予め定めた前記第１の電流設定値より小さい第２の電流設定値に基づく高周波電流をワークコイルに供給することを特徴とする高周波電源の制御方法。
【請求項２】
高周波誘導結合形熱プラズマトーチを構成するワークコイルに高周波電力を供給する高周波電源の制御方法において、
高周波電源から予め定めた電力設定値に基づく高周波電力をワークコイルに供給しつつ、該高周波電源の出力電流を監視し、
該出力電流が所定の値以下になったときには、前記高周波電源から予め定めた電流設定値に基づく高周波電流をワークコイルに供給することを特徴とする高周波電源の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波誘導結合形熱プラズマ（ＩＣＰ：ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）トーチ（以下、ＩＣＰトーチと称する）を構成するワークコイルに高周波電力を供給する高周波電源の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、この種のＩＣＰトーチの模式的構成図であり、１は放電管本体、２はワークコイル、３は高周波電源を示す。
図４において、ワークコイル２に高周波電源３より供給された高周波電流は、時間ｔで交番する磁界を発生し、磁束密度Ｂの変化に従った下記式（１）で表される誘導電界Ｅを生ずる。
ｒｏｔＥ＝−（∂Ｂ／∂ｔ）      …（１）
この電界により電子を加速すると、プラズマ（図４参照）が加熱・維持される。
【０００３】
ＩＣＰは基本的には無電極でプラズマ生成が可能であり、直流プラズマと比較して電極材の損耗による汚染・寿命の課題が解消され、また、各種の反応性ガス（図４参照）を使用した酸化雰囲気や還元雰囲気の選択が自由であることから、近年の廃棄物の減容処理、有害物の無害・安定化処理などの環境保全分野における好適な熱エネルギーとして、このＩＣＰが注目されている。
【０００４】
図５は、図４に示した高周波電源３の従来例を示す回路構成図であり、２は図４に示したワークコイル、１０は配電系統などの三相交流電源、１１は三相のサイリスタ整流器、１２は平滑リアクトル、１３は平滑コンデンサ、１４は単相のインバータ主回路、１５，１６は整合コンデンサ、１７はＰＴ、１８は高周波のＣＴ、１９はプラズマ発光検出器、２０は制御装置を示す。
【０００５】
この制御装置２０には電流設定器２１と、偏差演算器２２と、電流調節器２３と、同期回路２４と、位相制御回路２５と、ドライバ２６と、位相検出器２７と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２８と、ドライバ２９と、ダイオード３０とを備え、これらの構成要素は周知の技術により形成されている。
【０００６】
図５に示した高周波電源では、先ず、サイリスタ整流器１１の点弧位相を制御して平滑用コンデンサ１３の両端電圧を調整することにより、ＶＣＯ２８の発振周波数に基づき、且つ電流設定器２１の設定値に対応した高周波電流をインバータ主回路１４によりワークコイル２に供給し、前記式（１）に基づいて図示のプラズマを発生させる。このプラズマが発生すると、プラズマ発光検出器１９が動作し、ダイオード３０を介して、偏差演算器２２における等価的な電流設定値を電流設定器２１の設定値より低下させた値にして、プラズマ発光を継続させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した高周波電源は既に確立した電力変換技術によるものであるが、プラズマの状態を変化させるために、ワークコイル２に流す高周波電流の振幅の包絡線をパルス波形状に変化させるときには、サイリスタ整流器１１の動作などに起因して、該パルス波形の立上がり，立下がり時間がそれぞれ５ｍＳ以上となり、該パルス波形の繰り返し周波数も１００Ｈｚ以上にはできないことから、ＩＣＰトーチの高性能化を阻害する要因となっていた。
【０００８】
また、高価，堅牢なプラズマ発光検出器１９を必要とし、装置全体の小型，低価格化を阻害する要因となっていた。
この発明の目的は、上記問題点を解決するＩＣＰトーチに供される高周波電源の制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この第１の発明は、高周波誘導結合形熱プラズマトーチを構成するワークコイルに高周波電力を供給する高周波電源の制御方法において、高周波電源から予め定めた第１の電流設定値に基づく高周波電流をワークコイルに供給しつつ、該高周波電源の入力電力または出力電力を監視し、該入力電力または出力電力が所定の値を超えたときには、前記高周波電源から予め定めた前記第１の電流設定値より小さい第２の電流設定値に基づく高周波電流をワークコイルに供給することを特徴とする。
【００１０】
また第２の発明は、前記高周波電源の制御方法において、
高周波電源から予め定めた電力設定値に基づく高周波電力をワークコイルに供給しつつ、該高周波電源の出力電流を監視し、該出力電流が所定の値以下になったときには、前記高周波電源から予め定めた電流設定値に基づく高周波電流をワークコイルに供給することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば高周波電源としての電圧形インバータにおいて、その出力制御を、後述の如く、インバータ側での位相制御で行うことにより高速動作を可能とし、また、このときの入力電力または出力電力若しくは出力電流を監視することで、プラズマが発生したことを検知するようにしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、図４に示した高周波電源３として、この発明の第１の実施例を示す回路構成図であり、図５に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００１３】
すなわち図１において、２は図４に示したワークコイル、１０は配電系統などの三相交流電源、４１は三相のダイオード整流器、１３は平滑コンデンサ、１４は単相のインバータ主回路、１５，１６は整合コンデンサ、１８は高周波のＣＴ、４２は直流電圧検出器、４３は直流電流検出器、５０は制御装置を示す。
【００１４】
この制御装置５０には設定値Ｉ1 を設定する電流設定器５１と、設定値Ｉ2 （Ｉ2 ＜Ｉ1 ）を設定する電流設定器５２と、電力監視回路５３と、切替スイッチ５４と、偏差演算器５５と、電流調節器５６と、位相制御器５７と、ドライバ２９とを備えている。
【００１５】
図１に示した高周波電源では、先ず、図示しない起動回路によりインバータ主回路１４を始動させると、整合コンデンサ１５，１６とワークコイル２の経路に正弦波状の高周波電流が流れ始め、位相制御器５７，ドライバ２９により該高周波電流波形に対するいわゆるγMIN 以上の所望の位相角γを保ちつつ、インバータ主回路１４が動作し続ける。このとき、切替スイッチ５４の図示の如く閉路した接点を介した電流設定器５１の設定値Ｉ1 と、ＣＴ１８の検出値を整流した値との偏差を偏差演算器５５で求め、得られた偏差に基づく調節演算を電流調節器５６で行わせる。この調節演算値とＣＴ１８の検出値とに基づき位相制御器５７では所望の位相角γ（＞γMIN ）でインバータ主回路１４が電力変換動作を行い、その結果、前記設定値Ｉ1 に基づく高周波電流がワークコイル２に流れる。
【００１６】
すなわちＩＣＰトーチでは、先ず、プラズマを発生させるには気体を電離させる前記式（１）を満足する高電界Ｅが必要であるため、ワークコイル２に前記設定値Ｉ1 に基づく大きな高周波電流を流して磁界を発生させる。
【００１７】
しかし、プラズマが一旦発生し加熱維持されると、この加熱維持に必要な印加磁界強度はプラズマ発生前の磁界強度より小さくてよく、従って、ワークコイル２に流す高周波電流も少なくてよい。若し、インバータ主回路１４から前記設定値Ｉ1 に基づく高周波電流がワークコイル２に流し続けると、プラズマが発生して定常状態になろうとするとき、過大なエネルギーが注入され、プラズマの温度上昇と膨張とにより最悪の場合には放電管本体１を破損させる恐れがある。
【００１８】
そこで、電力監視回路５３では直流電圧検出器４２の検出値と、直流電流検出器４３の検出値との乗算演算で得られるインバータ主回路１４の出力電力を監視し、この出力電力が前記過大なエネルギーに相当する値に近づいたことを検知して、切替スイッチ５４の接点を図示の下側に閉路させ、電流設定器５２の設定値Ｉ2 （Ｉ2 ＜Ｉ1 ）に基づく高周波電流をワークコイル２に流すように、インバータ主回路１４が電力変換動作を行う。
【００１９】
図２は、図４に示した高周波電源３として、この発明の第２の実施例を示す回路構成図であり、図１に示した実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
すなわち図２に示した回路構成では、図１に示した制御装置５０に代えて、制御装置６０を備えている。
【００２０】
この制御装置６０には図１に示した切替スイッチ５４，偏差演算器５５，電流調節器５６，位相制御器５７，ドライバ２９の他に、電力設定器６１と、電力演算器６２と、偏差演算器６３と、電力調節器６４と、監視回路６５と、電流設定器６６とを備えている。
【００２１】
図２に示した高周波電源では、先ず、図示しない起動回路によりインバータ主回路１４を始動させると、整合コンデンサ１５，１６とワークコイル２の経路に正弦波状の高周波電流が流れ始め、位相制御器５７，ドライバ２９により該高周波電流波形に対するいわゆるγMIN 以上の所望の位相角γを保ちつつ、インバータ主回路１４が動作し続ける。このとき、電力設定器６１の設定値と、電力演算器６２における直流電圧検出器４２の検出値と直流電流検出器４３の検出値との乗算演算で得られるインバータ主回路１４の出力電力との偏差を偏差換算器６３で求め、この偏差に基づく調節演算を電力調節器６４で行わせ、電流指令値として出力する。切替スイッチ５４の図示の如く閉路した接点を介した前記電流指令値と、ＣＴ１８の検出値を整流した値との偏差を偏差演算器５５で求め、得られた偏差に基づく調節演算を電流調節器５６で行わせる。この調節演算値とＣＴ１８の検出値とに基づき位相制御器５７では所望の位相角γ（＞γMIN ）でインバータ主回路１４が電力変換動作を行い、その結果、電力設定器６１の設定値に対応する高周波電流がワークコイル２に流れる。
【００２２】
このとき、電力設定器６１の設定値は、プラズマが発生して定常状態となるのに十分な値とする。その結果、プラズマが発生し加熱維持されると、インバータ主回路１４の負荷インピーダンスが等価的に高くなり、ワークコイル２に流れる電力設定器６１の設定値に対応する高周波電流がプラズマ発生前より減少するので（図３参照）、この減少をＣＴ１８の検出値を監視する監視回路６５で検知して、切替スイッチ５４の接点を図示の下側に閉路させ、電流設定器６６の設定値に基づく高周波電流をワークコイル２に流すように、インバータ主回路１４が電力変換動作を行う。
【００２３】
図３は、上述の図２に示した高周波電源によるＩＣＰトーチの動作例を示す波形図である。
図３において、インバータ主回路１４の出力電流を縦軸とし、時間経過を横軸とし、先ず、図２に示した高周波電源は、電力設定器６１の設定値に基づきインバータ主回路１４の出力電力一定制御を開始し、時刻Ｔ0 でプラズマが発生し、図示の如く、前記出力電流が徐々に減少し、従って、ＣＴ１８の検出値も徐々に減少し、プラズマが定常状態となる。
【００２４】
時刻Ｔ1 で監視回路６５が動作して、電流設定器６６の設定値に基づきインバータ主回路１４の出力電流制御を開始する。このとき、電流設定器６６からは、図２に示した如く、ワークコイル２に流す高周波電流の振幅の包絡線をパルス変調させる設定値を出力すると、パルス変調可能な前記出力電流の範囲で、前述の如く位相制御器５７がインバータ主回路１４の位相角γを制御することにより、図３に示す如く該パルス波形の立上がり，立下がり時間がそれぞれ０．５ｍＳ程度にでき、該パルス波形の繰り返し周波数もＤＣ〜１ｋＨｚの範囲で設定することができる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、高周波電源としての電圧形インバータにおいて、その出力制御を、上述の如く、インバータ側での位相制御で行うことにより高速動作を可能とし、ＩＣＰトーチの高性能化を図ることができる。また、このときの入力電力（電流）または出力電力若しくは出力電流を監視することで、プラズマが発生したことを検知できるので、プラズマ発光検出器が不要となり、装置全体の小型，低価格化を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す高周波電源の回路構成図
【図２】この発明の第２の実施例を示す高周波電源の回路構成図
【図３】図２の動作を説明する波形図
【図４】ＩＣＰの模式的構成図
【図５】従来例を示す高周波電源の回路構成図
【符号の説明】
１…放電管本体、２…ワークコイル、３…高周波電源、１０…三相交流電源、１１…サイリスタ整流器、１２…平滑リアクトル、１３…平滑コンデンサ、１４…インバータ主回路、１５，１６…整合コンデンサ、１７…ＰＴ、１８…ＣＴ、１９…プラズマ発光検出器、２０…制御装置、２１…電流設定器、２２…偏差演算器、２３…電流調節器、２４…同期回路、２５…位相制御回路、２６…ドライバ、２７…位相検出器、２８…電圧制御発振器、２９…ドライバ、３０…ダイオード、４１…ダイオード整流器、４２…直流電圧検出器、４３…直流電流検出器、５０…制御装置、５１，５２…電流設定器、５３…電力監視回路、５４…切替スイッチ、５５…偏差演算器、５６…電流調節器、５７…位相制御器、６０…制御装置、６１…電力設定器、６２…電力演算器、６３…偏差演算器、６４…電力調節器、６５…監視回路、６６…電流設定器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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