液面検出装置および気体発生装置
【課題】長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能な液面検出装置およびそれを備えた気体発生装置を提供する。
【解決手段】第１の液面検出装置ＳＥＡは測定プローブＳ１〜Ｓ５、対極Ｓ０、検出回路部５０Ａおよび交流電源回路５１０により構成される。検出回路部５０Ａの電流検出回路５１〜５５は、交流電源回路５１０の一方の出力端子Ｏ１と測定プローブＳ１〜Ｓ５との間に直列に接続されるコンデンサ５０１および抵抗５０２，５０３を含む。対極Ｓ０は、交流電源回路５１０の他方の出力端子Ｏ２に接続される。抵抗５０３に流れる電流がフォトカプラ５０４により検出される。
【解決手段】第１の液面検出装置ＳＥＡは測定プローブＳ１〜Ｓ５、対極Ｓ０、検出回路部５０Ａおよび交流電源回路５１０により構成される。検出回路部５０Ａの電流検出回路５１〜５５は、交流電源回路５１０の一方の出力端子Ｏ１と測定プローブＳ１〜Ｓ５との間に直列に接続されるコンデンサ５０１および抵抗５０２，５０３を含む。対極Ｓ０は、交流電源回路５１０の他方の出力端子Ｏ２に接続される。抵抗５０３に流れる電流がフォトカプラ５０４により検出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽内の液面を検出する液面検出装置およびそれを備えた気体発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程等において、材料の洗浄および表面改質等の種々の用途でフッ素ガスが用いられている。その場合、フッ素ガス自体を用いる場合もあるが、フッ素ガスを基に合成されたＮＦ３（三フッ化窒素）ガス、ＮｅＦ（フッ化ネオン）ガス、およびＡｒＦ（フッ化アルゴン）ガス等の種々のフッ素系ガスを用いる場合もある。
【０００３】
このような現場において、フッ素ガスを安定に供給するために、例えばＨＦ（フッ化水素）を電気分解してフッ素ガスを発生するフッ素ガス発生装置が用いられる。
【０００４】
特許文献１に示されるフッ素ガス発生装置は、電解槽を備える。電解槽内は、隔壁により陰極室および陽極室に区画されている。電解槽内にはＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩からなる電解浴が形成されている。陰極室内に陰極が設けられ、陽極室内に陽極が設けられている。ＨＦ供給ラインを通して電解槽内の電解浴にＨＦが供給され、ＨＦの電気分解が行われる。それにより、電解槽の陰極から水素ガスが発生し、陽極からフッ素ガスが発生する。
【０００５】
陰極室の上部には、水素ガスの出口が設けられている。陰極室内で発生した水素ガスは、出口から陰極側の水素ガスラインを通して排出される。水素ガスラインには、自動弁およびＨＦ吸着塔が介挿されている。
【０００６】
陽極室の上部には、フッ素ガスの出口が設けられている。陽極室内で発生したフッ素ガスは、出口からフッ素ガスラインを通して排出される。フッ素ガスラインには、ＨＦ吸着塔および自動弁が介挿されている。
【０００７】
陰極室には、電解浴の液面高さを検出する第１の液面検知手段が設けられ、陽極室には、電解浴の液面高さを検出する第２の液面検知手段が設けられている。第１の液面検出手段は複数のプローブおよび対極により構成され、第２の液面検知手段も複数のプローブおよび対極から構成される。第１の液面検知手段の複数のプローブは、陰極室内にそれらの下端が異なる高さに位置するように配置される。同様に、第２の液面検知手段の複数のプローブは、陽極室内にそれらの下端が異なる高さに位置するように配置される。対極は、その下端が電解槽内の電解浴中に位置するように配置される。
【０００８】
第１の液面検知手段の複数のプローブと対極との間に電圧が印加される。また、第２の液面検知手段の複数のプローブとの間に電圧が印加される。電解槽内の液面がいずれかのプローブに接触すると、そのプローブと対極との間に電流が流れる。各プローブと対極との間に流れる電流を検出することにより陰極室内および陰極室内の液面高さを検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−５２１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のようなフッ素ガス発生装置では、第１および第２の液面検知手段による液面高さの検出結果に基づいてＨＦの供給および停止が制御される。それにより、電解槽内の液面の高さが許容範囲内に保たれる。
【００１１】
しかしながら、第１および第２の液面検知手段においては、プローブが消耗することにより液面の検出精度が低下する。そのため、プローブを交換しなければ、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが困難となる。
【００１２】
本発明の目的は、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能な液面検出装置およびそれを備えた気体発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）第１の発明に係る液面検出装置は、電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽内の液面を検出する液面検出装置であって、電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えるものである。
【００１４】
その液面検出装置においては、電解槽内に配置される第１および第２の電極に交流電源回路により交流電圧が印加される。電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の少なくとも一方に接触していない場合には、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に電流は流れない。一方、電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の両方に接触すると、第１の電極と第２の電極との間が電解液を通して導通状態となる。それにより、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に交流電流が流れる。この電流径路に流れる電流が電流検出回路により検出される。したがって、電流検出回路の検出結果に基づいて電解槽内の電解液の液面の高さが検出される。
【００１５】
ここで、電流径路に直列にコンデンサが挿入されているので、電解液中に電位差が存在する場合でも、電解液に接触する第１の電極と第２の電極との間に発生する直流成分がコンデンサにより除去される。それにより、第１および第２の電極に交流成分のみが流れる。したがって、ガスの発生による第１および第２の電極の急速な消耗が防止される。その結果、第１および第２の電極を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能となる。
【００１６】
（２）液面検出装置は、電流径路中にコンデンサと直列に設けられる抵抗をさらに備えてもよい。
【００１７】
この場合、コンデンサおよび抵抗の合成インピーダンスにより交流電流が制限される。したがって、交流電流に高調波が含まれる場合でも、電流検出回路の検出精度が変化しない。その結果、安定かつ正確な液面検出が可能となる。
【００１８】
（３）交流電源回路による交流電圧の周波数は５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下であってもよい。
【００１９】
この場合、交流電圧の周波数が５０Ｈｚ以上であることにより、第１および第２の電極の付近からのガスの発生が確実に防止される。また、交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以下であることにより、電流検出回路の正常な動作が確保される。
【００２０】
（４）第１および第２の電極はニッケルにより形成されてもよい。この場合、コンデンサにより直流成分が除去されることにより、第１および第２の電極のニッケルの消耗が防止される。
【００２１】
（５）第２の発明に係る気体発生装置は、電気分解により第１の気体および第２の気体を発生させる気体発生装置であって、第１の気体が発生される第１室および第２の気体が発生される第２室に区画され、電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽と、第１室内の液面を検出する第１の液面検出装置と、第２室内の液面を検出する第２の液面検出装置と、第１の液面検出装置の検出結果および第２の液面検出装置の検出結果に基づいて第１室内の液面の高さおよび第２室内の液面の高さを制御する液面制御手段とを備え、第１および第２の液面検出装置の各々は、電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えるものである。
【００２２】
その気体発生装置においては、電解槽に収容される電解液中の化合物が電気分解されることにより、第１室において第１の気体が発生され、第２室において第２の気体が発生される。第１の液面検出装置により第１室内の液面が検出され、第２の液面検出装置により第２室内の液面が検出される。第１の液面検出装置の検出結果および第２の液面検出装置の検出結果に基づいて液面制御手段により第１室内の液面の高さおよび第２室内の液面の高さが制御される。
【００２３】
第１および第２の液面検出装置の各々においては、電解槽内に配置される第１および第２の電極に交流電源回路により交流電圧が印加される。電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の少なくとも一方に接触していない場合には、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に電流は流れない。一方、電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の両方に接触すると、第１の電極と第２の電極との間が電解液を通して導通状態となる。それにより、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に交流電流が流れる。この電流径路に流れる電流が電流検出回路により検出される。したがって、電流検出回路の検出結果に基づいて電解槽内の電解液の液面の高さが検出される。
【００２４】
ここで、電流径路に直列にコンデンサが挿入されているので、電解液中に電位差が存在する場合でも、電解液に接触する第１の電極と第２の電極との間に発生する直流成分がコンデンサにより除去される。それにより、第１および第２の電極に交流成分のみが流れる。したがって、ガスの発生による第１および第２の電極の急速な消耗が防止される。その結果、第１および第２の電極を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能となる。したがって、気体発生装置の長期にわたる安定した動作が確保される。
【００２５】
（６）第１および第２の気体の一方は水素であり、第１および第２の気体の他方はフッ素であってもよい。
【００２６】
この場合、長期にわたって水素およびフッ素を安定して発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明よれば、第１および第２の電極を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】フッ素ガス発生装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１の液面検出装置の構成を示す回路図である。
【図３】図２の第１の液面検出装置における１つの電流検出回路およびその関連部分を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施の形態に係る気体発生装置について図面を参照しながら説明する。本実施の形態においては、気体発生装置の一例としてフッ素ガスを発生するフッ素ガス発生装置について説明する。
【００３０】
（１）フッ素ガス発生装置の全体の構成
図１は本実施の形態に係るフッ素ガス発生装置の構成を示す模式図である。
【００３１】
図１に示すように、フッ素ガス発生装置は、電解槽１を備える。電解槽１は、例えばＮｉ（ニッケル）、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金により形成されている。電解槽１内は、隔壁２により陰極室３および陽極室４に区画されている。隔壁２は、例えばＮｉまたはモネルからなる。
【００３２】
電解槽１内にはＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩からなる電解浴３０が形成されている。陰極室３内に例えばＮｉ（ニッケル）からなる陰極５が設けられ、陽極室４内に例えば低分極性炭素からなる陽極６が設けられている。ＨＦ供給管２０を通して電解槽１内の電解浴３０にＨＦが供給され、ＨＦの電気分解が行われる。それにより、電解槽１の陰極５から主として水素ガスが発生し、陽極６から主としてフッ素ガスが発生する。
【００３３】
陰極室３の上部には、陰極出口７ａが設けられている。陰極室３内で発生した水素ガスは、陰極出口７ａから水素ガス排出管７を通して排出される。水素ガス排出管７には、ＨＦ吸着塔９、流量調整弁１０および自動弁１１が介挿されている。水素ガス排出管７の先端には減圧器１２が接続されている。ＨＦ吸着塔９には、ＮａＦ等が充填される。このＨＦ吸着塔９は、陰極室３から排出された水素ガスおよびＨＦの混合ガス中からＨＦを吸着する。
【００３４】
陽極室４の上部には、陽極出口８ａが設けられている。陽極室４内で発生したフッ素ガスは、陽極出口８ａからフッ素ガス排出管８を通して排出される。フッ素ガス排出管８には、ＨＦ吸着塔１３、流量調整弁１４および自動弁１５が介挿されている。本実施の形態では、フッ素ガス排出管８の先端に減圧器１６が接続されている。ＨＦ吸着塔１３には、ＮａＦ等が充填される。このＨＦ吸着塔１３は、陽極室４から排出されたフッ素ガスおよびＨＦの混合ガス中からＨＦを吸着する。
【００３５】
陰極室３において発生される水素ガスをガスボンベに貯蔵する場合または工場の製造ライン等に供給する場合には、減圧器１２として加圧ポンプを用いる。また、減圧器１２としてバキュームジェネレータを用いてもよい。陰極室３において発生される水素ガスを大気中に廃棄する場合には、減圧器１２の代わりに水素ガス廃棄装置を用いる。それにより、自動弁１１が開かれると、水素ガス廃棄装置において希釈用Ｎ２ガスで水素ガスが希釈され、大気中に廃棄される。
【００３６】
陽極室４において発生されるフッ素ガスをガスボンベに貯蔵する場合または工場の製造ライン等に供給する場合には、減圧器１６として加圧ポンプを用いる。また、自動弁１５の下流のフッ素ガス排出管８に容器（バッファタンク）および開閉弁を介して加圧ポンプを接続してもよい。この場合、自動弁１５が開かれると、容器内にフッ素ガスが貯留される。さらに、減圧器１６としてバキュームジェネレータを用いてもよい。
【００３７】
陰極室３には、陰極室３内の圧力を測定する圧力計２５が設けられ、陽極室４には、陽極室４内の圧力を測定する圧力計２６が設けられている。
【００３８】
ＨＦ供給管２０には、自動弁２１およびオリフィス２２が介挿されている。電解浴３０がＨＦ供給管２０に吸い込まれることを防止するために、オリフィス２２の下流のＨＦ供給管２０と水素ガス排出管７との間にバイパス弁２３が接続されている。ＨＦ供給管２０には圧力計２７が設けられている。
【００３９】
また、陰極室３には、電解浴３０の液面高さを検出する第１の液面検出装置ＳＥＡが設けられ、陽極室４には、電解浴３０の液面高さを検出する第２の液面検出装置ＳＥＢが設けられている。
【００４０】
第１の液面検出装置ＳＥＡは、５本の測定プローブ（電極）Ｓ１〜Ｓ５、対極Ｓ０および検出回路部５０Ａを有する。第２の液面検出装置ＳＥＢは、５本の測定プローブ（電極）Ｓ１１〜Ｓ１５、対極Ｓ１０および検出回路部５０Ｂを有する。測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５および対極Ｓ０，Ｓ１０はＮｉ（ニッケル）からなる。
【００４１】
測定プローブおよび対極を形成する材料としては、Ｎｉが好適ではあるが、他にもニッケル合金（例えばインコネル（登録商標））、モネル、ステンレス等を用いることもできる。測定プローブおよび対極の表面に、電解浴またはフッ素ガスとの反応によってフッ化物からなる絶縁皮膜が形成されたとしても、当該絶縁皮膜はコンデンサーの誘電体と同様に機能するため、第１および第２の液面検出装置ＳＥＡ,ＳＥＢにおける液面の検出を問題なく行うことができる。
【００４２】
電解槽１には、基準液面高さが予め設定され、基準液面高さを中心として上下に一定の上部許容範囲ＡＨおよび下部許容範囲ＡＬが設定され、上部許容範囲ＡＨの上に上部制御範囲ＣＨが設定され、下部許容範囲ＡＬの下に下部制御範囲ＣＬが設定されている。
【００４３】
測定プローブＳ３，Ｓ１３は、それらの下端が電解槽１内の基準液面高さに位置するように配置される。測定プローブＳ２，Ｓ１２は、それらの下端が電解槽１内の下部許容範囲ＡＬの下限高さに位置にするように配置される。測定プローブＳ４，Ｓ１４は、それらの下端が電解槽１内の上部許容範囲ＡＨの上限高さに位置にするように配置される。測定プローブＳ１，Ｓ１１は、それらの下端が電解槽１内の下部制御範囲ＣＬの下限高さに位置にするように配置される。測定プローブＳ５，Ｓ１５は、それらの下端が電解槽１内の上部制御範囲ＣＨの上限高さに位置にするように配置される。対極Ｓ０，Ｓ１０は、それらの下端が電解槽１内の下部制御範囲ＣＬの下限高さよりも下方に位置するように配置される。
【００４４】
制御装置１００は、陰極５と陽極６との間に電気分解のための直流電圧を印加する。また、圧力計２５，２６，２７の出力信号、第１の液面検出装置ＳＥＡの検出信号および第２の液面検出装置ＳＥＢの検出信号は、制御装置１００に与えられる。制御装置１００は、圧力計２５，２６，２７の出力信号、第１の液面検出装置ＳＥＡの検出信号および第２の液面検出装置ＳＥＢの検出信号に基づいて、流量調整弁１０，１４による流量および自動弁１１，１５，２１およびバイパス弁２３の開閉を制御する。
【００４５】
陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の両方が下部許容範囲ＡＬにある場合には、自動弁２１が開かれることにより、ＨＦ供給管２０を通して電解槽１内にＨＦが供給される。陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の少なくとも一方が上部許容範囲ＡＨにある場合には、自動弁２１が閉じられることにより、電解槽１内へのＨＦの供給が停止される。
【００４６】
陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の少なくとも一方が上部制御範囲ＣＨまたは下部制御範囲ＣＬにある場合には、自動弁１１，１５，２１の開閉により陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の高さが制御される。陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の少なくとも一方が上部制御範囲ＣＨよりも上昇した場合または下部制御範囲ＣＬよりも低下した場合には、陰極５および陽極６への直流電圧の印加が停止され、フッ素ガス発生装置の運転（電気分解）が停止される。
【００４７】
本実施の形態では、Ｎｉからなる陰極５と炭素からなる陽極６との間に電位差があるため、陰極５および陽極６を電解浴３０中に並存させた場合に陰極５のＮｉが電解浴３０中に溶出する。そこで、電気分解停止後に電解浴３０中に陰極５が溶出することを防止するために、電気分解停止中に上記の電位差分以上の電圧（１．８Ｖ程度）を陰極５と陽極６との間に印加する。
【００４８】
なお、流量調整弁１０，１４の代わりにオリフィスまたはマスフローコントローラ（ＭＦＣ：質量流量制御装置）を用いてもよい。
【００４９】
（２）第１および第２の液面検出装置
次に、図１のフッ素ガス発生装置の第１および第２の液面検出装置ＳＥＡ，ＳＥＢの構成および動作について説明する。第２の液面検出装置ＳＥＢの構成および動作は第１の液面検出装置ＳＥＡの構成と同様であるので、ここでは、第１の液面検出装置ＳＥＡの構成および動作について説明する。図２は第１の液面検出装置ＳＥＡの構成を示す回路図である。
【００５０】
図２に示すように、第１の液面検出装置ＳＥＡは、測定プローブＳ１〜Ｓ５、対極Ｓ０、検出回路部５０Ａおよび交流電源回路５１０により構成される。検出回路部５０Ａは、抵抗５００および５つの電流検出回路５１〜５５を含む。電流検出回路５１〜５５の各々は、コンデンサ５０１、抵抗５０２，５０３およびフォトカプラ５０４を含む。フォトカプラ５０４は発光ダイオード５０５およびフォトトランジスタ５０６を含む。
【００５１】
電流検出回路５１〜５５のノードＮ１は交流電源回路５１０の一方の出力端子Ｏ１に共通に接続される。各電流検出回路５１〜５５のノードＮ１とノードＮ２との間に抵抗５０３が接続される。各ノードＮ２には、抵抗５０２およびコンデンサ５０１が直列に接続される。測定プローブＳ１〜Ｓ５は、それぞれ電流検出回路５１〜５５のコンデンサ５０１に接続される。対極Ｓ０は、抵抗５００を介して交流電源回路５１０の他方の出力端子Ｏ２に接続される。
【００５２】
交流電源回路５１０の出力端子Ｏ１，Ｏ２から出力される交流電圧の周波数は、後述するように、５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下に設定されることが好ましい。本実施の形態では、交流電源回路５１０の出力端子Ｏ１，Ｏ２から出力される交流電圧の周波数は、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに設定される。
【００５３】
各電流検出回路５１〜５５のノードＮ１，Ｎ２はフォトカプラ５０４の発光ダイオード５０５の両端に接続される。フォトカプラ５０４のフォトトランジスタ５０６のコレクタは直流電圧を受ける電源端子に接続される。電流検出回路５１〜５５のフォトトランジスタ５０６のエミッタの電位は検出信号Ｄ１〜Ｄ５として制御装置１００に与えられる。
【００５４】
図１の第２の液面検出装置ＳＥＢの検出回路部５０Ｂは図２の第１の液面検出装置ＳＥＡの検出回路部５０Ａと同様の構成を有する。交流電源回路５１０は、第１および第２の液面検出装置ＳＥＡ，ＳＥＢに共通に用いられる。図１の測定プローブＳ１１〜Ｓ１５は、第２の液面検出装置ＳＥＢにおける５つの電流検出回路にそれぞれ接続される。また、図１の対極Ｓ１０は抵抗を介して交流電源回路５１０の出力端子Ｏ２に接続される。
【００５５】
図３は図２の第１の液面検出装置ＳＥＡにおける１つの電流検出回路５１およびその関連部分を示す回路図である。
【００５６】
図３において、交流電源回路５１０は、トランス５１１および交流電源５１２により構成される。トランス５１１の一次巻線Ｔ１の両端は交流電源５１２に接続される。トランス５１１の一次巻線Ｔ１の一端は接地される。トランス５１１の二次巻線Ｔ２の両端はそれぞれ出力端子Ｏ１，Ｏ２に接続される。
【００５７】
図３に示すように、測定プローブＳ１は、コンデンサ５０１、抵抗５０２，５０３およびトランス５１１の二次巻線Ｔ２からなる直列回路を介して対極Ｓ０に接続されている。対極Ｓ０、測定プローブＳ１、コンデンサ５０１、抵抗５０２，５０３およびトランス５１１の二次巻線Ｔ２により構成される回路は接地電位に対してフローティング状態となっている。
【００５８】
交流電源５１２によりトランス５１１の一次巻線Ｔ１に交流電流が流れると、二次巻線Ｔ２に交流電圧が誘起される。図３に示すように、対極Ｓ０および測定プローブＳ１が電解浴３０に接触している場合には、対極Ｓ０と測定プローブＳ１とが電解浴３０を通して導通状態となる。それにより、二次巻線Ｔ２に誘起される交流電圧により対極Ｓ０、電解浴３０、測定プローブＳ１、コンデンサ５０１および抵抗５０２，５０３からなる電流径路に交流電流が流れる。
【００５９】
それにより、フォトカプラ５０４の発光ダイオード５０５（図２参照）が発光し、フォトトランジスタ５０６（図２参照）がオンする。それより、検出信号Ｄ１（フォトトランジスタ５０６のエミッタ電位）がハイレベルになる。制御装置１００は、フォトカプラ５０４から出力される検出信号Ｄ１に基づいて電解浴３０の液面高さが測定プローブＳ１の下端よりも高い位置にあるか否かを判定することができる。
【００６０】
同様にして、制御装置１００は、図２の電流検出回路５２〜５５の出力信号Ｄ２〜Ｄ５に基づいて電解浴３０の液面高さが測定プローブＳ２〜Ｓ５の下端よりも高い位置にあるか否かを判定することができる。
【００６１】
交流電源回路５１０の出力端子Ｏ１，Ｏ２間の交流電圧の実効値は例えば１０Ｖであり、抵抗５０２，５０３の抵抗値は例えば約２ｋΩである。コンデンサ５０１の容量値は、交流電流の周波数に対して十分に低いインピーダンスを有するように設定される。本実施の形態では、コンデンサ５０１と抵抗５０２，５０３との合成インピーダンスが５０Ｈｚに対して例えば２０２５Ωとなり、６０Ｈｚに対して例えば２０１７Ωとなるようにコンデンサ５０１の容量値を設定する。
【００６２】
コンデンサ５０１のみのインピーダンスにより交流電流を制限する構成では、コンデンサ５０１に流れる交流電流に高調波が含まれる場合にインピーダンスの低下が起こる。例えば、交流電流の３次の高調波に対するコンデンサ５０１のインピーダンスは基本周波数に対するコンデンサ５０１のインピーダンスの１／３となる。そのため、交流電流に高調波が含まれる場合には、電流検出回路５１〜５５の検出精度が変化する。したがって、安定かつ正確な液面検出のためには、本実施の形態のように、コンデンサ５０１および抵抗５０２，５０３の合成インピーダンスにより交流電流を制限することが好ましい。
【００６３】
また、コンデンサ５０１による容量成分と線路等によるインダクタンス成分とによるＬＣ共振周波数が交流電流の周波数に一致すると、交流電流の制限が行われないことになる。したがって、コンデンサ５０１の容量値は、ＬＣ共振周波数が交流電流の周波数に一致しないように設定する。
【００６４】
本実施の形態では、抵抗５０２，５０３が電流制限抵抗として用いられるとともに抵抗５０２，５０３に直列にコンデンサ５０１が挿入されている。それにより、電解浴３０中に電位差が存在する場合でも、対極Ｓ０と測定プローブＳ１〜Ｓ５との間に発生する直流成分がコンデンサ５０１により除去される。したがって、対極Ｓ０および測定プローブＳ１〜Ｓ５には交流成分のみが流れる。その結果、ガスの発生による対極Ｓ０および測定プローブＳ１〜Ｓ５の急速な消耗が防止される。詳細については後述する。
【００６５】
第２の液面検出装置ＳＥＢも第１の液面検出装置ＳＥＡと同様の構成を有するので、対極Ｓ１０および測定プローブＳ１１〜Ｓ１５には交流成分のみが流れる。その結果、ガスの発生による対極Ｓ１０および測定プローブＳ１１〜Ｓ１５の急速な消耗が防止される。
【００６６】
これに対して、抵抗５０２，５０３に直列にコンデンサ５０１を挿入しない場合には、電解浴３０中の電位差により対極と測定プローブとの間に直流成分が発生する。それにより、正電位側の対極または測定プローブにガスの発生による急速な消耗が起こる。
【００６７】
（３）交流電流の周波数
ここで、交流電源回路５１０による交流電流の周波数の最適な範囲を実験および電気化学的考察により求めた。
【００６８】
Ｎｉからなる対極および測定プローブを電解液に接触させた状態で対極と測定プローブとの間に交流電圧を印加した場合、対極および測定プローブに流れる交流電流の周波数に依存してガスの発生が起こる領域とガスの発生が起こらない領域とが存在する。
【００６９】
交流電流の周波数が５０Ｈｚよりも低い領域では、対極および測定プローブの付近で電解液中のイオン種の供給（物質輸送）が支配的となるため（拡散律速）、ガスの発生が起こる。これに対して、交流電流の周波数が５０Ｈｚ以上の領域では、対極および測定プローブの表面での電子の授受（電荷移動）が支配的となるため（電荷移動律速）、ガスの発生は起こらない。一方、交流電流の周波数が１０ｋＨｚよりも高い領域では、電解液中で電流が流れにくなる。そのため、電流検出回路５１〜５５のフォトカプラ５０４が動作しにくくなる。
【００７０】
実験において、拡散律速の領域である０．０１Ｈｚでは、ガスの発生が起こったのに対して、電荷移動律速の領域である特性周波数（５０．１１９Ｈｚ）では、ガスの発生が起こらなかった。
【００７１】
上記の実験および考察の結果、対極と各測定プローブとの間に印加する交流電圧の周波数は５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下に設定することが好ましい。
【００７２】
（４）本実施の形態の効果
本実施の形態に係るフッ素ガス発生装置に用いられる第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢにおいては、電流制限抵抗として用いられる抵抗５０２，５０３に直列にコンデンサ５０１が挿入されている。それにより、電解浴３０中に電位差が存在する場合でも、電解浴３０中の対極Ｓ０，Ｓ１０と測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５との間に発生する直流成分がコンデンサ５０１により除去される。この場合、対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５には交流成分のみが流れる。したがって、ガスの発生による対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５の急速な消耗が防止される。その結果、対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽１内の液面を安定して検出することが可能となる。したがって、フッ素ガス発生装置の長期にわたる安定した動作が確保される。
【００７３】
特に、第１の液面検出装置ＳＥＡの対極Ｓ０と測定プローブＳ１〜Ｓ５との間に５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の交流電圧が印加され、第２の液面検出装置ＳＥＢの対極Ｓ１０と測定プローブＳ１１〜Ｓ１５との間に５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の交流電圧が印加される場合には、対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５の付近からのガスの発生を防止するとともに、検出回路部５０Ａ，５０Ｂの正常な動作を確保することができる。
【００７４】
（５）他の実施の形態
上記実施の形態では、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢがそれぞれ５本の測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５を有するが、測定プローブの本数は５本に限定されない。例えば、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢがそれぞれ３本の測定プローブを有してもよく、２本、４本または６本以上の測定プローブを有してもよい。
【００７５】
また、上記実施の形態では、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢの電流検出回路５１〜５５が電流制限抵抗として抵抗５０２，５０３を含むが、交流電流が高調波を含まない場合には、抵抗５０２，５０３を設けずにコンデンサ５０１のインピーダンスにより電流が制限されるようにコンデンサ５０１の容量値を設定してもよい。
【００７６】
さらに、上記実施の形態では、気体発生装置の例としてフッ素ガス発生装置について説明したが、本発明は酸素ガス等の他の気体を発生する気体発生装置にも同様に適用することができる。
【００７７】
（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【００７８】
上記実施の形態では、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢの一方が液面検出装置または第１の液面検出装置の例であり、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢの他方が液面検出装置または第２の液面検出装置の例であり、電解槽１が電解槽の例であり、対極Ｓ０，Ｓ１０が第１の電極の例であり、測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１０〜Ｓ１５が第２の電極の例であり、交流電源回路５１０が交流電源回路の例であり、コンデンサ５０１がコンデンサの例であり、フォトカプラ５０４が電流検出回路の例であり、抵抗５０２，５０３が抵抗の例である。
【００７９】
また、陰極室３および陽極室４の一方が第１室の例であり、陰極室３および陽極室４の他方が第２室の例であり、制御装置１００および自動弁１１，１５，２１が液面制御手段の例である。
【００８０】
さらに、水素ガスおよびフッ素ガスの一方が第１の気体の例であり、水素ガスおよびフッ素ガスの他方が第２の気体の例である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、電解槽内の液面を検出するため等に利用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 電解槽
２ 隔壁
３ 陰極室
４ 陽極室
５ 陰極
６ 陽極
７ 水素ガス排出管
８ フッ素ガス排出管
７ａ 陰極出口
８ａ 陽極出口
９ ＨＦ吸着塔
１０，１４ 流量調整弁
１１，１５，２１ 自動弁
１２ 減圧器
１３ ＨＦ吸着塔
１６ 減圧器
２０ ＨＦ供給管
２２ オリフィス
２３ バイパス弁
２５，２６，２７ 圧力計
３０ 電解浴
５０Ａ，５０Ｂ 検出回路部
５１，５２，５３，５４，５５ 電流検出回路
１００ 制御装置
ＳＥＡ 第１の液面検出装置
ＳＥＢ 第２の液面検出装置
Ｓ０，Ｓ１０ 対極
Ｓ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５ 測定プローブ
５００，５０２，５０３ 抵抗
５０１ コンデンサ
５０４ フォトカプラ
５０５ 発光ダイオード
５０６ フォトトランジスタ
Ｄ１〜Ｄ５ 検出信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽内の液面を検出する液面検出装置およびそれを備えた気体発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程等において、材料の洗浄および表面改質等の種々の用途でフッ素ガスが用いられている。その場合、フッ素ガス自体を用いる場合もあるが、フッ素ガスを基に合成されたＮＦ３（三フッ化窒素）ガス、ＮｅＦ（フッ化ネオン）ガス、およびＡｒＦ（フッ化アルゴン）ガス等の種々のフッ素系ガスを用いる場合もある。
【０００３】
このような現場において、フッ素ガスを安定に供給するために、例えばＨＦ（フッ化水素）を電気分解してフッ素ガスを発生するフッ素ガス発生装置が用いられる。
【０００４】
特許文献１に示されるフッ素ガス発生装置は、電解槽を備える。電解槽内は、隔壁により陰極室および陽極室に区画されている。電解槽内にはＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩からなる電解浴が形成されている。陰極室内に陰極が設けられ、陽極室内に陽極が設けられている。ＨＦ供給ラインを通して電解槽内の電解浴にＨＦが供給され、ＨＦの電気分解が行われる。それにより、電解槽の陰極から水素ガスが発生し、陽極からフッ素ガスが発生する。
【０００５】
陰極室の上部には、水素ガスの出口が設けられている。陰極室内で発生した水素ガスは、出口から陰極側の水素ガスラインを通して排出される。水素ガスラインには、自動弁およびＨＦ吸着塔が介挿されている。
【０００６】
陽極室の上部には、フッ素ガスの出口が設けられている。陽極室内で発生したフッ素ガスは、出口からフッ素ガスラインを通して排出される。フッ素ガスラインには、ＨＦ吸着塔および自動弁が介挿されている。
【０００７】
陰極室には、電解浴の液面高さを検出する第１の液面検知手段が設けられ、陽極室には、電解浴の液面高さを検出する第２の液面検知手段が設けられている。第１の液面検出手段は複数のプローブおよび対極により構成され、第２の液面検知手段も複数のプローブおよび対極から構成される。第１の液面検知手段の複数のプローブは、陰極室内にそれらの下端が異なる高さに位置するように配置される。同様に、第２の液面検知手段の複数のプローブは、陽極室内にそれらの下端が異なる高さに位置するように配置される。対極は、その下端が電解槽内の電解浴中に位置するように配置される。
【０００８】
第１の液面検知手段の複数のプローブと対極との間に電圧が印加される。また、第２の液面検知手段の複数のプローブとの間に電圧が印加される。電解槽内の液面がいずれかのプローブに接触すると、そのプローブと対極との間に電流が流れる。各プローブと対極との間に流れる電流を検出することにより陰極室内および陰極室内の液面高さを検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−５２１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のようなフッ素ガス発生装置では、第１および第２の液面検知手段による液面高さの検出結果に基づいてＨＦの供給および停止が制御される。それにより、電解槽内の液面の高さが許容範囲内に保たれる。
【００１１】
しかしながら、第１および第２の液面検知手段においては、プローブが消耗することにより液面の検出精度が低下する。そのため、プローブを交換しなければ、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが困難となる。
【００１２】
本発明の目的は、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能な液面検出装置およびそれを備えた気体発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）第１の発明に係る液面検出装置は、電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽内の液面を検出する液面検出装置であって、電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えるものである。
【００１４】
その液面検出装置においては、電解槽内に配置される第１および第２の電極に交流電源回路により交流電圧が印加される。電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の少なくとも一方に接触していない場合には、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に電流は流れない。一方、電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の両方に接触すると、第１の電極と第２の電極との間が電解液を通して導通状態となる。それにより、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に交流電流が流れる。この電流径路に流れる電流が電流検出回路により検出される。したがって、電流検出回路の検出結果に基づいて電解槽内の電解液の液面の高さが検出される。
【００１５】
ここで、電流径路に直列にコンデンサが挿入されているので、電解液中に電位差が存在する場合でも、電解液に接触する第１の電極と第２の電極との間に発生する直流成分がコンデンサにより除去される。それにより、第１および第２の電極に交流成分のみが流れる。したがって、ガスの発生による第１および第２の電極の急速な消耗が防止される。その結果、第１および第２の電極を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能となる。
【００１６】
（２）液面検出装置は、電流径路中にコンデンサと直列に設けられる抵抗をさらに備えてもよい。
【００１７】
この場合、コンデンサおよび抵抗の合成インピーダンスにより交流電流が制限される。したがって、交流電流に高調波が含まれる場合でも、電流検出回路の検出精度が変化しない。その結果、安定かつ正確な液面検出が可能となる。
【００１８】
（３）交流電源回路による交流電圧の周波数は５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下であってもよい。
【００１９】
この場合、交流電圧の周波数が５０Ｈｚ以上であることにより、第１および第２の電極の付近からのガスの発生が確実に防止される。また、交流電圧の周波数が１０ｋＨｚ以下であることにより、電流検出回路の正常な動作が確保される。
【００２０】
（４）第１および第２の電極はニッケルにより形成されてもよい。この場合、コンデンサにより直流成分が除去されることにより、第１および第２の電極のニッケルの消耗が防止される。
【００２１】
（５）第２の発明に係る気体発生装置は、電気分解により第１の気体および第２の気体を発生させる気体発生装置であって、第１の気体が発生される第１室および第２の気体が発生される第２室に区画され、電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽と、第１室内の液面を検出する第１の液面検出装置と、第２室内の液面を検出する第２の液面検出装置と、第１の液面検出装置の検出結果および第２の液面検出装置の検出結果に基づいて第１室内の液面の高さおよび第２室内の液面の高さを制御する液面制御手段とを備え、第１および第２の液面検出装置の各々は、電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えるものである。
【００２２】
その気体発生装置においては、電解槽に収容される電解液中の化合物が電気分解されることにより、第１室において第１の気体が発生され、第２室において第２の気体が発生される。第１の液面検出装置により第１室内の液面が検出され、第２の液面検出装置により第２室内の液面が検出される。第１の液面検出装置の検出結果および第２の液面検出装置の検出結果に基づいて液面制御手段により第１室内の液面の高さおよび第２室内の液面の高さが制御される。
【００２３】
第１および第２の液面検出装置の各々においては、電解槽内に配置される第１および第２の電極に交流電源回路により交流電圧が印加される。電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の少なくとも一方に接触していない場合には、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に電流は流れない。一方、電解槽内の電解液の液面が第１および第２の電極の両方に接触すると、第１の電極と第２の電極との間が電解液を通して導通状態となる。それにより、第１の電極、交流電源回路および第２の電極により構成される電流径路に交流電流が流れる。この電流径路に流れる電流が電流検出回路により検出される。したがって、電流検出回路の検出結果に基づいて電解槽内の電解液の液面の高さが検出される。
【００２４】
ここで、電流径路に直列にコンデンサが挿入されているので、電解液中に電位差が存在する場合でも、電解液に接触する第１の電極と第２の電極との間に発生する直流成分がコンデンサにより除去される。それにより、第１および第２の電極に交流成分のみが流れる。したがって、ガスの発生による第１および第２の電極の急速な消耗が防止される。その結果、第１および第２の電極を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能となる。したがって、気体発生装置の長期にわたる安定した動作が確保される。
【００２５】
（６）第１および第２の気体の一方は水素であり、第１および第２の気体の他方はフッ素であってもよい。
【００２６】
この場合、長期にわたって水素およびフッ素を安定して発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明よれば、第１および第２の電極を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽内の液面を安定して検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】フッ素ガス発生装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１の液面検出装置の構成を示す回路図である。
【図３】図２の第１の液面検出装置における１つの電流検出回路およびその関連部分を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施の形態に係る気体発生装置について図面を参照しながら説明する。本実施の形態においては、気体発生装置の一例としてフッ素ガスを発生するフッ素ガス発生装置について説明する。
【００３０】
（１）フッ素ガス発生装置の全体の構成
図１は本実施の形態に係るフッ素ガス発生装置の構成を示す模式図である。
【００３１】
図１に示すように、フッ素ガス発生装置は、電解槽１を備える。電解槽１は、例えばＮｉ（ニッケル）、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金により形成されている。電解槽１内は、隔壁２により陰極室３および陽極室４に区画されている。隔壁２は、例えばＮｉまたはモネルからなる。
【００３２】
電解槽１内にはＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩からなる電解浴３０が形成されている。陰極室３内に例えばＮｉ（ニッケル）からなる陰極５が設けられ、陽極室４内に例えば低分極性炭素からなる陽極６が設けられている。ＨＦ供給管２０を通して電解槽１内の電解浴３０にＨＦが供給され、ＨＦの電気分解が行われる。それにより、電解槽１の陰極５から主として水素ガスが発生し、陽極６から主としてフッ素ガスが発生する。
【００３３】
陰極室３の上部には、陰極出口７ａが設けられている。陰極室３内で発生した水素ガスは、陰極出口７ａから水素ガス排出管７を通して排出される。水素ガス排出管７には、ＨＦ吸着塔９、流量調整弁１０および自動弁１１が介挿されている。水素ガス排出管７の先端には減圧器１２が接続されている。ＨＦ吸着塔９には、ＮａＦ等が充填される。このＨＦ吸着塔９は、陰極室３から排出された水素ガスおよびＨＦの混合ガス中からＨＦを吸着する。
【００３４】
陽極室４の上部には、陽極出口８ａが設けられている。陽極室４内で発生したフッ素ガスは、陽極出口８ａからフッ素ガス排出管８を通して排出される。フッ素ガス排出管８には、ＨＦ吸着塔１３、流量調整弁１４および自動弁１５が介挿されている。本実施の形態では、フッ素ガス排出管８の先端に減圧器１６が接続されている。ＨＦ吸着塔１３には、ＮａＦ等が充填される。このＨＦ吸着塔１３は、陽極室４から排出されたフッ素ガスおよびＨＦの混合ガス中からＨＦを吸着する。
【００３５】
陰極室３において発生される水素ガスをガスボンベに貯蔵する場合または工場の製造ライン等に供給する場合には、減圧器１２として加圧ポンプを用いる。また、減圧器１２としてバキュームジェネレータを用いてもよい。陰極室３において発生される水素ガスを大気中に廃棄する場合には、減圧器１２の代わりに水素ガス廃棄装置を用いる。それにより、自動弁１１が開かれると、水素ガス廃棄装置において希釈用Ｎ２ガスで水素ガスが希釈され、大気中に廃棄される。
【００３６】
陽極室４において発生されるフッ素ガスをガスボンベに貯蔵する場合または工場の製造ライン等に供給する場合には、減圧器１６として加圧ポンプを用いる。また、自動弁１５の下流のフッ素ガス排出管８に容器（バッファタンク）および開閉弁を介して加圧ポンプを接続してもよい。この場合、自動弁１５が開かれると、容器内にフッ素ガスが貯留される。さらに、減圧器１６としてバキュームジェネレータを用いてもよい。
【００３７】
陰極室３には、陰極室３内の圧力を測定する圧力計２５が設けられ、陽極室４には、陽極室４内の圧力を測定する圧力計２６が設けられている。
【００３８】
ＨＦ供給管２０には、自動弁２１およびオリフィス２２が介挿されている。電解浴３０がＨＦ供給管２０に吸い込まれることを防止するために、オリフィス２２の下流のＨＦ供給管２０と水素ガス排出管７との間にバイパス弁２３が接続されている。ＨＦ供給管２０には圧力計２７が設けられている。
【００３９】
また、陰極室３には、電解浴３０の液面高さを検出する第１の液面検出装置ＳＥＡが設けられ、陽極室４には、電解浴３０の液面高さを検出する第２の液面検出装置ＳＥＢが設けられている。
【００４０】
第１の液面検出装置ＳＥＡは、５本の測定プローブ（電極）Ｓ１〜Ｓ５、対極Ｓ０および検出回路部５０Ａを有する。第２の液面検出装置ＳＥＢは、５本の測定プローブ（電極）Ｓ１１〜Ｓ１５、対極Ｓ１０および検出回路部５０Ｂを有する。測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５および対極Ｓ０，Ｓ１０はＮｉ（ニッケル）からなる。
【００４１】
測定プローブおよび対極を形成する材料としては、Ｎｉが好適ではあるが、他にもニッケル合金（例えばインコネル（登録商標））、モネル、ステンレス等を用いることもできる。測定プローブおよび対極の表面に、電解浴またはフッ素ガスとの反応によってフッ化物からなる絶縁皮膜が形成されたとしても、当該絶縁皮膜はコンデンサーの誘電体と同様に機能するため、第１および第２の液面検出装置ＳＥＡ,ＳＥＢにおける液面の検出を問題なく行うことができる。
【００４２】
電解槽１には、基準液面高さが予め設定され、基準液面高さを中心として上下に一定の上部許容範囲ＡＨおよび下部許容範囲ＡＬが設定され、上部許容範囲ＡＨの上に上部制御範囲ＣＨが設定され、下部許容範囲ＡＬの下に下部制御範囲ＣＬが設定されている。
【００４３】
測定プローブＳ３，Ｓ１３は、それらの下端が電解槽１内の基準液面高さに位置するように配置される。測定プローブＳ２，Ｓ１２は、それらの下端が電解槽１内の下部許容範囲ＡＬの下限高さに位置にするように配置される。測定プローブＳ４，Ｓ１４は、それらの下端が電解槽１内の上部許容範囲ＡＨの上限高さに位置にするように配置される。測定プローブＳ１，Ｓ１１は、それらの下端が電解槽１内の下部制御範囲ＣＬの下限高さに位置にするように配置される。測定プローブＳ５，Ｓ１５は、それらの下端が電解槽１内の上部制御範囲ＣＨの上限高さに位置にするように配置される。対極Ｓ０，Ｓ１０は、それらの下端が電解槽１内の下部制御範囲ＣＬの下限高さよりも下方に位置するように配置される。
【００４４】
制御装置１００は、陰極５と陽極６との間に電気分解のための直流電圧を印加する。また、圧力計２５，２６，２７の出力信号、第１の液面検出装置ＳＥＡの検出信号および第２の液面検出装置ＳＥＢの検出信号は、制御装置１００に与えられる。制御装置１００は、圧力計２５，２６，２７の出力信号、第１の液面検出装置ＳＥＡの検出信号および第２の液面検出装置ＳＥＢの検出信号に基づいて、流量調整弁１０，１４による流量および自動弁１１，１５，２１およびバイパス弁２３の開閉を制御する。
【００４５】
陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の両方が下部許容範囲ＡＬにある場合には、自動弁２１が開かれることにより、ＨＦ供給管２０を通して電解槽１内にＨＦが供給される。陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の少なくとも一方が上部許容範囲ＡＨにある場合には、自動弁２１が閉じられることにより、電解槽１内へのＨＦの供給が停止される。
【００４６】
陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の少なくとも一方が上部制御範囲ＣＨまたは下部制御範囲ＣＬにある場合には、自動弁１１，１５，２１の開閉により陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の高さが制御される。陰極室３内の液面および陽極室４内の液面の少なくとも一方が上部制御範囲ＣＨよりも上昇した場合または下部制御範囲ＣＬよりも低下した場合には、陰極５および陽極６への直流電圧の印加が停止され、フッ素ガス発生装置の運転（電気分解）が停止される。
【００４７】
本実施の形態では、Ｎｉからなる陰極５と炭素からなる陽極６との間に電位差があるため、陰極５および陽極６を電解浴３０中に並存させた場合に陰極５のＮｉが電解浴３０中に溶出する。そこで、電気分解停止後に電解浴３０中に陰極５が溶出することを防止するために、電気分解停止中に上記の電位差分以上の電圧（１．８Ｖ程度）を陰極５と陽極６との間に印加する。
【００４８】
なお、流量調整弁１０，１４の代わりにオリフィスまたはマスフローコントローラ（ＭＦＣ：質量流量制御装置）を用いてもよい。
【００４９】
（２）第１および第２の液面検出装置
次に、図１のフッ素ガス発生装置の第１および第２の液面検出装置ＳＥＡ，ＳＥＢの構成および動作について説明する。第２の液面検出装置ＳＥＢの構成および動作は第１の液面検出装置ＳＥＡの構成と同様であるので、ここでは、第１の液面検出装置ＳＥＡの構成および動作について説明する。図２は第１の液面検出装置ＳＥＡの構成を示す回路図である。
【００５０】
図２に示すように、第１の液面検出装置ＳＥＡは、測定プローブＳ１〜Ｓ５、対極Ｓ０、検出回路部５０Ａおよび交流電源回路５１０により構成される。検出回路部５０Ａは、抵抗５００および５つの電流検出回路５１〜５５を含む。電流検出回路５１〜５５の各々は、コンデンサ５０１、抵抗５０２，５０３およびフォトカプラ５０４を含む。フォトカプラ５０４は発光ダイオード５０５およびフォトトランジスタ５０６を含む。
【００５１】
電流検出回路５１〜５５のノードＮ１は交流電源回路５１０の一方の出力端子Ｏ１に共通に接続される。各電流検出回路５１〜５５のノードＮ１とノードＮ２との間に抵抗５０３が接続される。各ノードＮ２には、抵抗５０２およびコンデンサ５０１が直列に接続される。測定プローブＳ１〜Ｓ５は、それぞれ電流検出回路５１〜５５のコンデンサ５０１に接続される。対極Ｓ０は、抵抗５００を介して交流電源回路５１０の他方の出力端子Ｏ２に接続される。
【００５２】
交流電源回路５１０の出力端子Ｏ１，Ｏ２から出力される交流電圧の周波数は、後述するように、５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下に設定されることが好ましい。本実施の形態では、交流電源回路５１０の出力端子Ｏ１，Ｏ２から出力される交流電圧の周波数は、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに設定される。
【００５３】
各電流検出回路５１〜５５のノードＮ１，Ｎ２はフォトカプラ５０４の発光ダイオード５０５の両端に接続される。フォトカプラ５０４のフォトトランジスタ５０６のコレクタは直流電圧を受ける電源端子に接続される。電流検出回路５１〜５５のフォトトランジスタ５０６のエミッタの電位は検出信号Ｄ１〜Ｄ５として制御装置１００に与えられる。
【００５４】
図１の第２の液面検出装置ＳＥＢの検出回路部５０Ｂは図２の第１の液面検出装置ＳＥＡの検出回路部５０Ａと同様の構成を有する。交流電源回路５１０は、第１および第２の液面検出装置ＳＥＡ，ＳＥＢに共通に用いられる。図１の測定プローブＳ１１〜Ｓ１５は、第２の液面検出装置ＳＥＢにおける５つの電流検出回路にそれぞれ接続される。また、図１の対極Ｓ１０は抵抗を介して交流電源回路５１０の出力端子Ｏ２に接続される。
【００５５】
図３は図２の第１の液面検出装置ＳＥＡにおける１つの電流検出回路５１およびその関連部分を示す回路図である。
【００５６】
図３において、交流電源回路５１０は、トランス５１１および交流電源５１２により構成される。トランス５１１の一次巻線Ｔ１の両端は交流電源５１２に接続される。トランス５１１の一次巻線Ｔ１の一端は接地される。トランス５１１の二次巻線Ｔ２の両端はそれぞれ出力端子Ｏ１，Ｏ２に接続される。
【００５７】
図３に示すように、測定プローブＳ１は、コンデンサ５０１、抵抗５０２，５０３およびトランス５１１の二次巻線Ｔ２からなる直列回路を介して対極Ｓ０に接続されている。対極Ｓ０、測定プローブＳ１、コンデンサ５０１、抵抗５０２，５０３およびトランス５１１の二次巻線Ｔ２により構成される回路は接地電位に対してフローティング状態となっている。
【００５８】
交流電源５１２によりトランス５１１の一次巻線Ｔ１に交流電流が流れると、二次巻線Ｔ２に交流電圧が誘起される。図３に示すように、対極Ｓ０および測定プローブＳ１が電解浴３０に接触している場合には、対極Ｓ０と測定プローブＳ１とが電解浴３０を通して導通状態となる。それにより、二次巻線Ｔ２に誘起される交流電圧により対極Ｓ０、電解浴３０、測定プローブＳ１、コンデンサ５０１および抵抗５０２，５０３からなる電流径路に交流電流が流れる。
【００５９】
それにより、フォトカプラ５０４の発光ダイオード５０５（図２参照）が発光し、フォトトランジスタ５０６（図２参照）がオンする。それより、検出信号Ｄ１（フォトトランジスタ５０６のエミッタ電位）がハイレベルになる。制御装置１００は、フォトカプラ５０４から出力される検出信号Ｄ１に基づいて電解浴３０の液面高さが測定プローブＳ１の下端よりも高い位置にあるか否かを判定することができる。
【００６０】
同様にして、制御装置１００は、図２の電流検出回路５２〜５５の出力信号Ｄ２〜Ｄ５に基づいて電解浴３０の液面高さが測定プローブＳ２〜Ｓ５の下端よりも高い位置にあるか否かを判定することができる。
【００６１】
交流電源回路５１０の出力端子Ｏ１，Ｏ２間の交流電圧の実効値は例えば１０Ｖであり、抵抗５０２，５０３の抵抗値は例えば約２ｋΩである。コンデンサ５０１の容量値は、交流電流の周波数に対して十分に低いインピーダンスを有するように設定される。本実施の形態では、コンデンサ５０１と抵抗５０２，５０３との合成インピーダンスが５０Ｈｚに対して例えば２０２５Ωとなり、６０Ｈｚに対して例えば２０１７Ωとなるようにコンデンサ５０１の容量値を設定する。
【００６２】
コンデンサ５０１のみのインピーダンスにより交流電流を制限する構成では、コンデンサ５０１に流れる交流電流に高調波が含まれる場合にインピーダンスの低下が起こる。例えば、交流電流の３次の高調波に対するコンデンサ５０１のインピーダンスは基本周波数に対するコンデンサ５０１のインピーダンスの１／３となる。そのため、交流電流に高調波が含まれる場合には、電流検出回路５１〜５５の検出精度が変化する。したがって、安定かつ正確な液面検出のためには、本実施の形態のように、コンデンサ５０１および抵抗５０２，５０３の合成インピーダンスにより交流電流を制限することが好ましい。
【００６３】
また、コンデンサ５０１による容量成分と線路等によるインダクタンス成分とによるＬＣ共振周波数が交流電流の周波数に一致すると、交流電流の制限が行われないことになる。したがって、コンデンサ５０１の容量値は、ＬＣ共振周波数が交流電流の周波数に一致しないように設定する。
【００６４】
本実施の形態では、抵抗５０２，５０３が電流制限抵抗として用いられるとともに抵抗５０２，５０３に直列にコンデンサ５０１が挿入されている。それにより、電解浴３０中に電位差が存在する場合でも、対極Ｓ０と測定プローブＳ１〜Ｓ５との間に発生する直流成分がコンデンサ５０１により除去される。したがって、対極Ｓ０および測定プローブＳ１〜Ｓ５には交流成分のみが流れる。その結果、ガスの発生による対極Ｓ０および測定プローブＳ１〜Ｓ５の急速な消耗が防止される。詳細については後述する。
【００６５】
第２の液面検出装置ＳＥＢも第１の液面検出装置ＳＥＡと同様の構成を有するので、対極Ｓ１０および測定プローブＳ１１〜Ｓ１５には交流成分のみが流れる。その結果、ガスの発生による対極Ｓ１０および測定プローブＳ１１〜Ｓ１５の急速な消耗が防止される。
【００６６】
これに対して、抵抗５０２，５０３に直列にコンデンサ５０１を挿入しない場合には、電解浴３０中の電位差により対極と測定プローブとの間に直流成分が発生する。それにより、正電位側の対極または測定プローブにガスの発生による急速な消耗が起こる。
【００６７】
（３）交流電流の周波数
ここで、交流電源回路５１０による交流電流の周波数の最適な範囲を実験および電気化学的考察により求めた。
【００６８】
Ｎｉからなる対極および測定プローブを電解液に接触させた状態で対極と測定プローブとの間に交流電圧を印加した場合、対極および測定プローブに流れる交流電流の周波数に依存してガスの発生が起こる領域とガスの発生が起こらない領域とが存在する。
【００６９】
交流電流の周波数が５０Ｈｚよりも低い領域では、対極および測定プローブの付近で電解液中のイオン種の供給（物質輸送）が支配的となるため（拡散律速）、ガスの発生が起こる。これに対して、交流電流の周波数が５０Ｈｚ以上の領域では、対極および測定プローブの表面での電子の授受（電荷移動）が支配的となるため（電荷移動律速）、ガスの発生は起こらない。一方、交流電流の周波数が１０ｋＨｚよりも高い領域では、電解液中で電流が流れにくなる。そのため、電流検出回路５１〜５５のフォトカプラ５０４が動作しにくくなる。
【００７０】
実験において、拡散律速の領域である０．０１Ｈｚでは、ガスの発生が起こったのに対して、電荷移動律速の領域である特性周波数（５０．１１９Ｈｚ）では、ガスの発生が起こらなかった。
【００７１】
上記の実験および考察の結果、対極と各測定プローブとの間に印加する交流電圧の周波数は５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下に設定することが好ましい。
【００７２】
（４）本実施の形態の効果
本実施の形態に係るフッ素ガス発生装置に用いられる第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢにおいては、電流制限抵抗として用いられる抵抗５０２，５０３に直列にコンデンサ５０１が挿入されている。それにより、電解浴３０中に電位差が存在する場合でも、電解浴３０中の対極Ｓ０，Ｓ１０と測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５との間に発生する直流成分がコンデンサ５０１により除去される。この場合、対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５には交流成分のみが流れる。したがって、ガスの発生による対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５の急速な消耗が防止される。その結果、対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５を頻繁に交換することなく、長期にわたって電解槽１内の液面を安定して検出することが可能となる。したがって、フッ素ガス発生装置の長期にわたる安定した動作が確保される。
【００７３】
特に、第１の液面検出装置ＳＥＡの対極Ｓ０と測定プローブＳ１〜Ｓ５との間に５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の交流電圧が印加され、第２の液面検出装置ＳＥＢの対極Ｓ１０と測定プローブＳ１１〜Ｓ１５との間に５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の交流電圧が印加される場合には、対極Ｓ０，Ｓ１０および測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５の付近からのガスの発生を防止するとともに、検出回路部５０Ａ，５０Ｂの正常な動作を確保することができる。
【００７４】
（５）他の実施の形態
上記実施の形態では、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢがそれぞれ５本の測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５を有するが、測定プローブの本数は５本に限定されない。例えば、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢがそれぞれ３本の測定プローブを有してもよく、２本、４本または６本以上の測定プローブを有してもよい。
【００７５】
また、上記実施の形態では、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢの電流検出回路５１〜５５が電流制限抵抗として抵抗５０２，５０３を含むが、交流電流が高調波を含まない場合には、抵抗５０２，５０３を設けずにコンデンサ５０１のインピーダンスにより電流が制限されるようにコンデンサ５０１の容量値を設定してもよい。
【００７６】
さらに、上記実施の形態では、気体発生装置の例としてフッ素ガス発生装置について説明したが、本発明は酸素ガス等の他の気体を発生する気体発生装置にも同様に適用することができる。
【００７７】
（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【００７８】
上記実施の形態では、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢの一方が液面検出装置または第１の液面検出装置の例であり、第１の液面検出装置ＳＥＡおよび第２の液面検出装置ＳＥＢの他方が液面検出装置または第２の液面検出装置の例であり、電解槽１が電解槽の例であり、対極Ｓ０，Ｓ１０が第１の電極の例であり、測定プローブＳ１〜Ｓ５，Ｓ１０〜Ｓ１５が第２の電極の例であり、交流電源回路５１０が交流電源回路の例であり、コンデンサ５０１がコンデンサの例であり、フォトカプラ５０４が電流検出回路の例であり、抵抗５０２，５０３が抵抗の例である。
【００７９】
また、陰極室３および陽極室４の一方が第１室の例であり、陰極室３および陽極室４の他方が第２室の例であり、制御装置１００および自動弁１１，１５，２１が液面制御手段の例である。
【００８０】
さらに、水素ガスおよびフッ素ガスの一方が第１の気体の例であり、水素ガスおよびフッ素ガスの他方が第２の気体の例である。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、電解槽内の液面を検出するため等に利用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 電解槽
２ 隔壁
３ 陰極室
４ 陽極室
５ 陰極
６ 陽極
７ 水素ガス排出管
８ フッ素ガス排出管
７ａ 陰極出口
８ａ 陽極出口
９ ＨＦ吸着塔
１０，１４ 流量調整弁
１１，１５，２１ 自動弁
１２ 減圧器
１３ ＨＦ吸着塔
１６ 減圧器
２０ ＨＦ供給管
２２ オリフィス
２３ バイパス弁
２５，２６，２７ 圧力計
３０ 電解浴
５０Ａ，５０Ｂ 検出回路部
５１，５２，５３，５４，５５ 電流検出回路
１００ 制御装置
ＳＥＡ 第１の液面検出装置
ＳＥＢ 第２の液面検出装置
Ｓ０，Ｓ１０ 対極
Ｓ１〜Ｓ５，Ｓ１１〜Ｓ１５ 測定プローブ
５００，５０２，５０３ 抵抗
５０１ コンデンサ
５０４ フォトカプラ
５０５ 発光ダイオード
５０６ フォトトランジスタ
Ｄ１〜Ｄ５ 検出信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽内の液面を検出する液面検出装置であって、
前記電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、
前記第１の電極、前記交流電源回路および前記第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、
前記電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えることを特徴とする液面検出装置。
【請求項２】
前記電流径路中に前記コンデンサと直列に設けられる抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の液面検出装置。
【請求項３】
前記交流電源回路による交流電圧の周波数は５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の液面検出装置。
【請求項４】
前記第１および第２の電極はニッケルにより形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液面検出装置。
【請求項５】
電気分解により第１の気体および第２の気体を発生させる気体発生装置であって、
前記第１の気体が発生される第１室および前記第２の気体が発生される第２室に区画され、電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽と、
前記第１室内の液面を検出する第１の液面検出装置と、
前記第２室内の液面を検出する第２の液面検出装置と、
前記第１の液面検出装置の検出結果および前記第２の液面検出装置の検出結果に基づいて前記第１室内の液面の高さおよび前記第２室内の液面の高さを制御する液面制御手段とを備え、
前記第１および第２の液面検出装置の各々は、
前記電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、
前記第１の電極、前記交流電源回路および前記第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、
前記電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えることを特徴とする気体発生装置。
【請求項６】
前記第１および第２の気体の一方は水素であり、前記第１および第２の気体の他方はフッ素であることを特徴とする請求項５記載の気体発生装置。
【請求項１】
電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽内の液面を検出する液面検出装置であって、
前記電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、
前記第１の電極、前記交流電源回路および前記第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、
前記電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えることを特徴とする液面検出装置。
【請求項２】
前記電流径路中に前記コンデンサと直列に設けられる抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の液面検出装置。
【請求項３】
前記交流電源回路による交流電圧の周波数は５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の液面検出装置。
【請求項４】
前記第１および第２の電極はニッケルにより形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液面検出装置。
【請求項５】
電気分解により第１の気体および第２の気体を発生させる気体発生装置であって、
前記第１の気体が発生される第１室および前記第２の気体が発生される第２室に区画され、電気分解される化合物を含む電解液を収容する電解槽と、
前記第１室内の液面を検出する第１の液面検出装置と、
前記第２室内の液面を検出する第２の液面検出装置と、
前記第１の液面検出装置の検出結果および前記第２の液面検出装置の検出結果に基づいて前記第１室内の液面の高さおよび前記第２室内の液面の高さを制御する液面制御手段とを備え、
前記第１および第２の液面検出装置の各々は、
前記電解槽内に互いに離間するように配置される第１および第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に交流電圧を印加する交流電源回路と、
前記第１の電極、前記交流電源回路および前記第２の電極により構成される電流径路中に挿入されるコンデンサと、
前記電流径路に流れる電流の有無を検出する電流検出回路とを備えることを特徴とする気体発生装置。
【請求項６】
前記第１および第２の気体の一方は水素であり、前記第１および第２の気体の他方はフッ素であることを特徴とする請求項５記載の気体発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１８９６７６（Ｐ２０１０−１８９６７６Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３２９９２（Ｐ２００９−３２９９２）
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]