JP7525841B2 - 凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別方法及び判別ユニット - Google Patents

Description

本発明は、容器の内部に凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在している状態で、凝縮ガス中の不凝縮ガスを制御する方法及び装置（ユニット）、並びに、不凝縮ガスの有無や分布を判別する方法及び装置（ユニット）に関する。

高圧蒸気滅菌器や加速寿命試験機といった装置では、水蒸気等の凝縮ガスと空気等の不凝縮ガスとが装置の容器内に混在した状態となることがあり、このときの不凝縮ガスの有無や分布が装置の性能を左右しうる。しかし、凝縮ガスも不凝縮ガスも目に見えず、凝縮ガス中の不凝縮ガスの分布を制御することは極めて困難であり、未だ有効な方法は提案されていない。なお、空気の流れをリアルタイムで可視化することで空調機の効率的な運用に適用可能とした可視化システムは、過去に提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４－６６４９５号公報

普段は目に見えない流体を観察することは、その流体を利用する装置や機器等においては非常に有効である。例えば、不凝縮ガスの判別方法として、不凝縮ガスをサンプリングしてクロマトグラフィーで解析する手法が報告されている。しかしながら、この手法ではリアルタイムで確認することができないうえ、任意の場所のガスをサンプリングすることが困難であり、さらにはクロマトグラフィー解析機器を準備する必要がある。また、クロマトグラフィーはガスをサンプリングするため、そこに存在するガスを吸引しなければならず、状況が変化してしまうという課題もある。したがって、クロマトグラフィーを使わず、より簡素な手法で、凝縮ガス中の不凝縮ガスの分布を制御したり、不凝縮ガスの有無やその分布を判別（可視化）したりすることができる装置や方法の開発が望まれている。

本発明は、このような課題に鑑み案出されたもので、簡素な手法で、凝縮ガス中の不凝縮ガスの分布を制御する制御方法及び制御ユニットを提供することを目的の一つとする。また、この制御方法及び制御ユニットにより制御された不凝縮ガスを判別する判別方法及び判別ユニットを提供することを目的の一つとする。なお、これらの目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

（１）ここで開示する凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別方法は、凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した容器の内部を部分的に冷却することで前記凝縮ガスが凝縮する凝縮部を生成し（生成工程）、前記凝縮部の圧力低下に起因した前記不凝縮ガスの流れを利用して、又は、前記凝縮部の温度を制御することで、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの分布を制御する（制御工程）、凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御方法によって制御された前記不凝縮ガスを判別する方法である。

（２）さらに、この判別方法は、前記容器の内部でプラズマを発生させ、少なくとも、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった前記プラズマの発光スペクトルを観察することで、リアルタイムで前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別する。

（３）前記容器には、前記容器の外部から内部を視認可能な透明部が設けられていることが好ましい。この場合、上記判別方法における前記プラズマの観察では、前記透明部から前記容器の内部を目視並びに観察機器を用いて前記発光スペクトルを計測することが好ましい。
（４）前記容器には、判別対象である前記不凝縮ガスの波長の光のみを通過させるフィルターが付設されていることが好ましい。この場合、上記判別方法における前記プラズマの観察では、前記フィルターを通過する光の強弱に基づいて前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別することが好ましい。

（５）前記プラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部の光を解析す
る分光器と、前記プラズマ発生部の光を前記分光器に伝送する光ファイバーとが設けられ
ていることが好ましい。この場合、上記判別方法における前記プラズマの観察では、前記
分光器による分光スペクトル及び分光結果を用い、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった
分光スペクトルに基づいて前記不凝縮ガスの有無及びその種類又は前記不凝縮ガスの分布を判別することが好ましい。

（６）前記凝縮部に配置された温度センサーで計測された温度と前記容器の内部の前記凝縮部以外の温度とを比較することで、リアルタイムで前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別することが好ましい。

（７）ここで開示する凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニットは、凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した容器と、前記容器の内部を部分的に冷却することで前記凝縮ガスが凝縮する凝縮部を生成し、前記凝縮部の圧力低下に起因した前記不凝縮ガスの流れを利用して、又は、前記凝縮部の温度を制御することで、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの分布を制御する制御部と、を備える。

（８）さらに、この判別ユニットは、前記容器の内部でプラズマを発生させるプラズマ発生部と、少なくとも、前記プラズマ発生部により発生する前記プラズマの発光スペクトルと前記不凝縮ガスの種類との対応関係に基づき、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布をリアルタイムで判別する判別部と、を備える。
（９）また、ここで開示する凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニットは、凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した容器の内部を部分的に冷却することで前記凝縮ガスが凝縮する凝縮部を生成し、前記凝縮部の圧力低下に起因した前記不凝縮ガスの流れを利用して、又は、前記凝縮部の温度を制御することで、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの分布を制御する制御部と、少なくとも、前記容器の内部で発生させたプラズマの発光スペクトルと前記不凝縮ガスの種類との対応関係に基づき、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布をリアルタイムで判別する判別部と、を備える。

（１０）前記判別部は、前記容器に設けられ、前記容器の外部から内部を視認可能な透明部と、前記透明部から前記容器の内部を目視と併せて確認するための観察機器と、を有し、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった前記発光スペクトルを計測し、前記発光スペクトルに基づいて前記不凝縮ガスの有無及びその種類又は前記不凝縮ガスの分布を判別することが好ましい。

（１１）あるいは、前記判別部は、前記容器に付設され、判別対象である前記不凝縮ガスの波長の光のみを通過させるフィルターを有し、前記フィルターを通過する光の強弱に基づいて前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別することが好ましい。

（１２）また、前記判別部は、前記プラズマ発生部の光を解析する分光器と、前記プラズマ発生部の光を前記分光器に伝送する光ファイバーと、を有し、前記分光器による分光スペクトルの解析及び分光結果を用い、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった分光スペクトルに基づいて前記不凝縮ガスの有無及びその種類又は前記不凝縮ガスの分布を判別することが好ましい。

（１３）また、前記凝縮部に配置され、前記凝縮部の温度を計測する温度センサーと、前記容器の内部であって前記凝縮部以外の温度を取得する温度取得部と、前記凝縮部の温度と前記凝縮部以外の温度とを比較して、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布をリアルタイムで判別する第二判別部と、を備えることが好ましい。

開示の制御方法及び制御ユニットによれば、クロマトグラフィーを使わないため、ガスをサンプリングする必要がなく、状況が変化してしまうこともない。したがって、より簡素な手法で、これまで不可能とされた不凝縮ガスの分布をコントロールすることができる。
開示の判別方法及び判別ユニットによれば、凝縮ガス中の不凝縮ガスの有無やその種類によって、凝縮部におけるプラズマの発光スペクトルや温度が凝縮部以外のそれらとは異なる性質を利用し、プラズマの発光スペクトル又は温度を観察することで、これまで不可能とされた不凝縮ガスの有無をリアルタイムで判別することができる。

一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御ユニットを例示する図である。 一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニットを例示する図である。 他の実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニットを例示する図である。 一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御方法及び判別方法を例示するフローチャートである。 （ａ）～（ｄ）は、図３のフローチャートに含まれる判別方法の例を示すサブフローチャートである。 一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御ユニット及び判別ユニットの具体例を示す図であり、（ａ）は磁性管に沿って切断し上方から見た断面図、（ｂ）は容器の中心線に沿って切断し側方から見た断面図である。 一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御ユニット及び判別ユニットの他の具体例を示す図である。

図面を参照して、実施形態としての制御方法及び制御ユニット、並びに、判別方法及び判別ユニットについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．装置構成］
図１に示すように、一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御ユニット１は、所定の容器２の内部（以下「容器２内」ともいう）において凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した状態から、不凝縮ガスの分布を制御する装置である。本実施形態では、凝縮ガスとして水蒸気を例示し、不凝縮ガスとして空気（窒素、酸素）を例示する。なお、各ガスの種類はこれらに限られない。凝縮ガスは、通常使用される態様において「冷やすと液体になるガス」であり、不凝縮ガスは、通常使用される態様において「冷やしても液体にならないガス」であればよい。例えば、高圧蒸気滅菌器では、凝縮ガスが水蒸気であり不凝縮ガスが空気であるが、化学プラントでは、凝縮ガスが窒素や酸素になり得る。

制御ユニット１は、容器２の内部を部分的に冷却することで凝縮ガスが凝縮する部分４（領域，空間、以下「凝縮部４」という）を生成して、不凝縮ガスの分布を制御する制御部３を備える。凝縮部４は目に見えないが、図１及び後述する図２，図３，図６（ａ），（ｂ），図７では、凝縮部４のイメージをドット模様で示す。容器２内では、凝縮部４において凝縮ガスが凝縮して液体（ここでは凝縮水）になる。これにより、凝縮部４の体積が縮小して空間が生まれ、凝縮部４の圧力が低下することから、凝縮部４に向かうガスの流れが生じる。

容器２内に上記二種類のガスが混在する場合、圧力差に起因してガスの流れが生じることで、凝縮ガス及び不凝縮ガスがこの流れに乗って凝縮部４に移動する。凝縮部４では、凝縮ガスは液体に変化するが不凝縮ガスは変化しない。このため、容器２内における不凝縮ガスの分布が変化する。具体的には、凝縮部４内では、凝縮ガスが消失して不凝縮ガスのみが残存し、この状況が連続して起こることで不凝縮ガスの濃度が高くなり、凝縮部４外では不凝縮ガスの濃度が低くなる。このように、制御部３は、凝縮部４の圧力低下に起因した不凝縮ガスの流れを利用して凝縮ガス中の不凝縮ガスの分布を制御する機能を持つ。

なお、容器２に凝縮ガスの供給源が接続されている場合（凝縮ガスを容器２内に供給し続けられる場合）であっても、凝縮部４で凝縮が起こって圧力が低下するとガスの流れが生じる。つまり、凝縮ガスの供給源の有無にかかわらず、容器２内で圧力差が生じると力が働き、ガス流れが生まれるため、凝縮部４で継続して凝縮が起こることで容器２内のガスは凝縮部４に向かって常に流れることとなる。凝縮ガスが水蒸気で、不凝縮ガスが空気である場合、凝縮部４に空気が集まると、空気の分圧があるため、凝縮部４の飽和蒸気圧が低下する。したがって、凝縮部４では、低い飽和蒸気圧の状態（温度が低い状態）が成り立ち、凝縮部４内に温度勾配（温度境界層）がある領域が形成される。なお、凝縮部４に集まった不凝縮ガスは、凝縮部４の温度が容器２内の温度に近づくように凝縮部４の温度を制御することで、容器２内に均一に分布させることができる。

制御ユニット１は、一つの容器２の内部に、凝縮ガスと不凝縮ガスとが混在する状態が生じる装置や機器に適用可能である。例えば、高圧蒸気滅菌器や環境試験装置などが挙げられる。前者の場合、容器２は釜であり、後者の場合、容器２は試験槽である。他にも、蒸気発生槽や冷却タンク等も挙げられる。また、制御部３には少なくとも、容器２内の凝縮ガスを冷却するための冷却機器（冷却部）が含まれ、凝縮部４の温度を制御（加熱や断熱）するための加熱機器（ヒーター，ヒートシンク）や断熱機器（断熱材）が含まれてもよい。制御部３は、容器２の外部（例えば外表面）を冷却、加熱、断熱することで容器２内の温度を制御する構成であってもよいし、容器２内をダイレクトに冷却又は加熱する構成であってもよい。なお、容器２には、凝縮水を排出する排出口８や排出管（図示略）が設けられてもよい。

図２に示すように、一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニット５は、制御ユニット１によって制御された不凝縮ガスの有無や種類や分布といった事柄を判別する装置である。この判別ユニット５は、透明な容器２内でプラズマを発生させるプラズマ発生部６と、プラズマ発生部６により発生するプラズマの発光スペクトルと不凝縮ガスの種類との対応関係に基づいて、凝縮ガス中の不凝縮ガスの有無をリアルタイムで判別する判別部７とを備える。なお、容器２が透明でない場合には、外部から内部を観測できる観察窓を設けて内部を確認することも可能である。

プラズマ発生部６は、例えば、高電圧電源に繋がったワイヤ電圧印加電極６Ａと、アースに繋がったワイヤ接地電極６Ｂと、二つの電極６Ａ，６Ｂのうちの一方が内蔵され他方が外表面に付着された筒状の磁性管６Ｃ（絶縁体）とを有する。プラズマ発生部６により発生するプラズマは、周囲に存在するガスの種類によって、その発光スペクトルや発光色や発光強度（明るさ，輝度）が異なる。例えば、プラズマは、水蒸気内では青白く発光するのに対し、空気（窒素）内では紫色に強く発光する。判別部７は、このように凝縮ガス中の不凝縮ガスの有無やその種類によって発光スペクトル等に違いが生じるプラズマの性質を利用し、少なくともプラズマの発光スペクトルを観察することでリアルタイムでの判別を実現する。なお、不凝縮ガスの種類とプラズマの発光スペクトルとの対応関係は予め取得しておく。

判別部７は、不凝縮ガスの有無を判別（観察）する手法によってその形態が決まる。最も簡単な判別手法は目視である。この場合、判別部７は、容器２内のプラズマの発光スペクトルを外部から見えるように透明な部分〔例えば図６（ａ），（ｂ）の符号７１で示す透明部〕と、透明部から容器２の内部を目視と併せて確認するための観察機器〔例えば図６（ａ）の符号７６で示すカメラ〕とを有する。観察機器は、例えば静止画又は動画を撮影するカメラが挙げられる。

同じく目視による観察であっても、プラズマの発光スペクトルを目で見て判別する代わりに、判別対象である不凝縮ガスの波長の光のみを通過させるフィルター７２（図２参照）を、判別部７として容器２に付設してもよい。この場合、フィルター７２を通過した光が弱くなることに備え、高感度の観察機器７６を設けることが好ましい。この判別方法を用いる場合には、フィルター７２を通過する光の強弱に基づき不凝縮ガスの有無を判別するため、作業者（判別者）による判別結果のばらつきが小さくなる。すなわち、フィルター７２を通過する光が強いときには不凝縮ガスが存在し、フィルター７２を通過する光が弱い（ほとんど見えない）ときには不凝縮ガスが存在しないため、作業者は光の有無（強弱）を判別すればよい。

また、目視による判別に加えて又は代えて、分光器（例えば図７の符号７３）を用いて判別してもよい。具体的には、プラズマ発光部６の光を解析する分光器と、プラズマ発生部６の光を分光器に伝送する光ファイバー（例えば図７の符号７４）とを設け、分光器による分光スペクトル及び分光結果（波長）をモニター（例えば図７の符号７５）に表示し、これらに基づいて不凝縮ガスの有無及びその種類を判別してもよい。この判別方法を用いる場合には、分光器と光ファイバーとが判別部７に含まれる。

また、他の実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニット５′を図３に示す。この判別ユニット５′も、制御ユニット１によって制御された不凝縮ガスの有無や種類や分布といった事柄を判別する装置であるが、プラズマの代わりに温度を用いる点が上記の判別ユニット５と異なる。具体的には、この判別ユニット５′は、凝縮部４に配置されて凝縮部４の温度Ｔ１を計測する温度センサー１１と、容器２の内部であって凝縮部４以外の温度Ｔ２を取得する温度取得部１２と、凝縮部４の温度Ｔ１と凝縮部以外の温度Ｔ２とを比較して、凝縮ガス中の不凝縮ガスの有無をリアルタイムで判別する第二判別部１０と、を備える。

第二判別部１０は、例えば電子制御装置で実行されるプログラムの一部の機能として設けられたものを例示する。なお、この機能はハードウェア（電子回路）で実現してもよいし、ソフトウェアで実現してもよい。また、温度取得部１２は、温度センサー１１と同様、容器２内に配置されて凝縮部４以外の温度Ｔ２を計測するセンサーであってもよいし、凝縮ガスの温度が既知である（例えば凝縮ガスが水蒸気（温度Ｔ２＝１００℃）である）場合には、電子制御装置の機能として設けられてもよい。図３には、温度取得部１２が温度センサーである場合を例示している。

上述したように、凝縮部４で凝縮ガスの凝縮が起こって圧力が低下すると、この凝縮部４の圧力低下に起因してガス流れが生じることから、凝縮部４では、低い飽和蒸気圧の状態（温度が低い状態）が成り立つ。この場合、容器２内には、凝縮ガスの温度と略同じ温度の領域と、不凝縮ガスの温度と略同じ温度の領域とが存在することになる。つまり、凝縮部４に不凝縮ガスが集まっている状態では、凝縮部４内に温度勾配のある領域が存在する。言い換えると、凝縮部４の温度Ｔ１と凝縮部４以外の温度Ｔ２とを比較することで凝縮部４に不凝縮ガスが集まっている（不凝縮ガスの濃度が高まっている）ことを判別することができる。

なお、凝縮ガスが水蒸気で、不凝縮ガスが空気（窒素）であり、制御部３が容器２の内部を冷却することで凝縮部４を生成する場合には、冷却面（凝縮水が付着する面）から温度勾配のある領域が形成されることとなる。また、制御部３により冷却能力を適宜制御することで、凝縮量を変化させ、空気濃度の分布や濃度を制御する。このとき、加熱をしたり、断熱効果を高めたりすることで、冷却面の温度を速やかに変化させ、適切な状態に速やかに制御することが可能である。

温度センサー１１の個数やその配置は適宜設定可能である。例えば、容器２内に生じうるガス流れの流通方向に複数個の温度センサー１１を設けることで、温度勾配のある領域を判別しやすくなり、不凝縮ガスの判別精度が向上する。

［２．制御方法及び判別方法］
図４は、実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御方法及び判別方法を例示するフローチャートである。本制御方法に先立ち、所定の容器２内には凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した状態とする（ステップＳ１）。これは、意図的に混在した状態を作り出してもよいし、もともと混在した状態になっていてもよい。前者の場合には、作り出す工程（ステップＳ１）が制御方法に含まれる。また、容器２は密閉されたものであってもよいし、例えば凝縮ガスを容器２内に導入する導入管や、凝縮水を排出する排出管等が接続されたものでもよい。

ステップＳ２では、制御部３により容器２の内部を部分的に冷却することで凝縮ガスが凝縮する凝縮部４を生成し（生成工程）、凝縮部４の圧力低下に起因した不凝縮ガスの流れを利用して、凝縮ガス中の不凝縮ガスの分布を制御する（制御工程、ステップＳ３）。すなわち、凝縮部４内の不凝縮ガスの濃度を高め、凝縮部４以外の不凝縮ガスの濃度を低下させる。なお、ステップＳ３のあとに、凝縮部４の温度を制御することで、凝縮部４の温度を容器２内の温度に近づけ不凝縮ガスを均一に分布させる工程を設けてもよいが、図４では省略する。

本判別方法（ステップＳ４）は、上記のステップＳ１～Ｓ３に次いで実施される。判別方法としては、例えば図５（ａ）～（ｄ）に示す四つの方法が挙げられる。

図５（ａ）に示す第一の判別方法は、容器２内でプラズマを発生させ（ステップＳ１０）、容器２に設けられた透明部から容器２内を目視するとともに観察機器を用いて、不凝縮ガスの種類ごとに決まった発光スペクトルを計測し（ステップＳ１１）、この発光スペクトルに基づいて不凝縮ガスの有無及びその種類を判別する方法である（ステップＳ１２）。第一の判別方法では、容器２の外部から内部を視認可能な透明部と観察機器とが設けられる。

図５（ｂ）に示す第二の判別方法は、容器２内でプラズマを発生させ（ステップＳ１０）、容器２に付設されたフィルターを目視し（ステップＳ１３）、フィルターを通過する光の強弱に基づいて不凝縮ガスの有無を判別する方法である（ステップＳ１４）。なお、第二の判別方法においても、フィルターを通過した光を観察する観察機器（高感度なもの）を設けることが好ましい。また、第一及び第二の判別方法では、目視に代えて又は加えて、観察機器の出力（観察結果）を電子制御装置（図示略）に入力し、電子制御装置において、発光スペクトル又は光の強弱に基づいて不凝縮ガスの有無等を判別してもよい。第二の判別方法では、判別対象である不凝縮ガスの波長の光のみを通過させるフィルターが容器２に付設される。

図５（ｃ）に示す第三の判別方法は、容器２内でプラズマを発生させ（ステップＳ１０）、分光器で光を分解して分光スペクトルを解析し（ステップＳ１７）、この解析及び分光結果に基づき不凝縮ガスの有無及びその種類を判別する方法である（ステップＳ１８）。第三の判別方法では、プラズマ発生部６と分光器と光ファイバーとが設けられるとともに、分光器による解析及び分光結果を表示するモニターが設けられることが好ましい。

図５（ｄ）に示す第四の判別方法は、上記三つの方法とは異なり、凝縮部４に配置された温度センサー１１で計測された温度Ｔ１と容器２内の凝縮部４以外の温度Ｔ２とを取得し（ステップＳ２０）、これらの温度Ｔ１，Ｔ２を比較することで、リアルタイムで凝縮ガス中の不凝縮ガスの有無を判別する方法である（ステップＳ２１）。第四の判別方法では、上記の温度Ｔ１，Ｔ２計測，取得するセンサー等と、温度Ｔ１，Ｔ２を比較して判別する第二判別部２０とが設けられる。

なお、第一の判別方法と第三の判別方法とを組み合わせて実施してもよいし、第二の判別方法と第三の判別方法とを組み合わせて実施してもよい。すなわち、目視による観察をしつつ分光器による分光スペクトル及び分解結果を併せて観察してもよい。また、第一～第三の判別方法に第四の判別方法を組み合わせてもよい。

［３．具体例１］
ここで、一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御ユニット１及び判別ユニット５の具体例を図６（ａ），（ｂ）を用いて説明する。この装置は、制御ユニット１に判別ユニット５が一体化されたもの（言い換えると、制御ユニット１を含む判別ユニット５）である。この装置は、両端が開口した筒状の透明な容器２（例えばガラス管）と、容器２の長手方向の一端側（図中右側）に設けられた制御部３（冷却装置）と、容器２内に配置されたプラズマ発生部６とを備える。

容器２は、制御部３が設けられた一端側が他端側よりも上になるように斜めに配置され、その両端の開口がシリコン栓２１により封止されている。本例の容器２は、その全体が透明であることから透明部７１（判別部７）を兼ね備えている。ただし、本例の容器２では、その周方向の一部に内部の温度を維持するための断熱材２２及びヒーター２３が配置されており、実際に判別部７として機能するのは断熱材２２が配置されていない部分となる。

制御部３は、冷却媒体が流通する冷却通路３１と、高熱伝導性のセラミック棒３２とを備える。冷却通路３１は、容器２の一端側に隣接配置され、その内部を冷却媒体が流通（例えば循環）している。冷却媒体の種類は特に限られず、液体（例えば水）であってもよいし気体であってもよいが、少なくとも容器２内の凝縮ガスを凝縮しうる温度に維持される。セラミック棒３２は、その一端部が冷却通路３１内に配置され、その他端部が一端側のシリコン栓２１を貫通して容器２内に配置される。これにより、冷却媒体の熱がセラミック棒３２を介して容器２内の一端側に伝わり、容器２内に凝縮部４を生成する。

プラズマ発生部６は、容器２の長手方向に延設され、容器２の全体において不凝縮ガスの有無を判別可能となっている。具体的には、プラズマ発生部６は、容器２の長手方向に延設された磁性管６Ｃと、磁性管６Ｃの内部に延設されたワイヤ電圧印加電極６Ａと、磁性管６Ｃの外表面に沿って延設されたワイヤ接地電極６Ｂとを備える。磁性管６Ｃの両端部は、一端側及び他端側のシリコン栓２１を貫通して設けられる。ワイヤ電圧印加電極６Ａに、例えば６ｋＶの交流電圧で印加すると、容器２内にプラズマを発生させることができる。

容器２の他端側のシリコン栓２１には、容器２内に凝縮ガスとしての水蒸気を導入するための導入管２０と、容器２内で生じた凝縮水を排出するための排出管２４とが貫通している。容器２内に存在する水蒸気（凝縮ガス）は、セラミック棒３２の外表面（冷却面）で凝縮し、図６（ｂ）に黒塗りで示すように水となって容器２の下方（他端側）へと流れていき、排出管２４から外部へと排出される。なお、容器２の両端部は密閉されていることから、凝縮した水量の分の水蒸気だけが容器２内に導入される。

凝縮ガスが凝縮部４で凝縮することで、容器２内の窒素（不凝縮ガス）は凝縮部４に集まる。このように、容器２内における窒素の濃度分布を一端側で濃くし、他端側で薄くすることが可能となり、窒素の分布を制御できる。また、この状態でプラズマ発生部６によりプラズマを発生させると、凝縮部４では紫色に強く発光し、凝縮部４ではない領域では一端側から離れるにつれて青白く発光する。これにより、窒素の分布（空気の有無）が判別可能となり（可視化され）、凝縮部４に窒素が集まっていることが確かであることを、理論ではなく目視により確認できる。

［４．具体例２］
図７は、一実施形態に係る凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御ユニット１及び判別ユニット５の他の具体例を示す図である。この装置も、制御ユニット１に判別ユニット５が一体化されたもの（言い換えると、制御ユニット１を含む判別ユニット５）であるが、上記の具体例１と比較して、制御部３が容器２の略中央に配置されている点と判別ユニット５の構成とが異なり、他の構成は同様である。

判別ユニット５では、プラズマ発生部６と、プラズマ発生部６の光を解析する分光器７３と、プラズマ発生部６の光を分光器７３に伝送する光ファイバー７４とが設けられ、分光器７３による分光スペクトルの解析及び分光結果がモニター７５に表示される。なお、分光スペクトルの解析とは、どのような波長の輝線スペクトルが存在するかを調べる作業を意味し、この解析の結果、容器２内に何のガスが含まれているのかが判明するが、その結果を分光結果と呼ぶ。

図７に示す例では、プラズマ発生部６がプラズマを一点で発光させる構成となっている。なお、プラズマ発生部６は固定式であってもよいし、可動式であってもよい。後者の場合、プラズマ発生部６の位置を作業者が任意に変更可能であってもよいし、図示しない可動装置にプラズマ発生部６を装着して可動させる構成としてもよい。

例えば容器２内に窒素が含まれる場合、プラズマの光を解析，分光した結果、モニター７５には図７に示すように、窒素の波長を示すピークが表示される。なお、図７中のN₂ SPSは「窒素の第２正帯： Second Positive System bands of N₂」の略称である。このように、本例における判別ユニット５を用いる場合、モニター７５には、容器２内に含まれる不凝縮ガスの種類に応じた波長が表示される。なお、分光器７３を用いた本判別方法（第三の判別方法）を採用する場合には、光を直接目視しなくても判別可能であるため、透明部７１やフィルター７２を省略してよい。

［５．作用，効果］
（１）上述した制御方法及び制御ユニット１によれば、凝縮部４の圧力低下に起因した不凝縮ガスの流れを利用して、凝縮ガス中の不凝縮ガスの一部が凝縮部４に移動することで、この凝縮部４内の不凝縮ガス濃度を高めることができ、反対に、凝縮部４以外での不凝縮ガス濃度を低くすることができる。また、生成した凝縮部４の温度を制御することで凝縮部４の温度を容器２内の温度に近づければ、不凝縮ガスを均一に分布させることもできる。さらに、上述した制御方法及び制御ユニット１では、クロマトグラフィーのようにガスをサンプリングする必要がなく、状況が変化してしまうこともない。したがって、より簡素な手法で、これまで不可能とされた不凝縮ガスの分布をコントロールすることができる。

これにより、例えば、凝縮ガス中の不凝縮ガスを除去したい場合には、凝縮部４付近に排出口８を設けることで、効率よく不凝縮ガスの排出が可能となる。また、例えば、凝縮ガス中に存在する不凝縮ガスを一部に集めたい場合には、その集めたい位置で凝縮部４を生成すれば不凝縮ガス濃度が高い環境を作り出すことができる。

（２）上述したように、凝縮ガス中でプラズマを発生させると、少なくとも、不凝縮ガスの種類によってプラズマの発光スペクトルが異なり、また、発光色や発光強度も異なりうる。例えば、水蒸気中に窒素が存在する場合、プラズマを発生させると、窒素が存在する領域では紫色に強く光るのに対し、窒素が存在しない領域（水蒸気しかない領域）では青白く光る。上述した判別方法及び判別ユニット５は、このような凝縮ガス中の不凝縮ガスの有無やその種類によって、少なくとも発光スペクトルに違いが生じる性質を利用し、プラズマの発光スペクトルを観察することで、これまで不可能とされた不凝縮ガスの有無をリアルタイムで判別することができる。

さらに、上述した制御方法及び制御ユニット１と併せて用いることにより、より精度よく、リアルタイムに不凝縮ガスの濃度分布を制御することができる。例えば、高圧蒸気滅菌器に適用した場合には、凝縮ガスとしての水蒸気中に存在する、不凝縮ガスとしての空気の効率的な排気（排出）を実現できる。さらに、これまでタイマーで管理していた排出時間を、実際に排出されている状況をモニタリングすることにより排出を完了させることができ、加熱工程から滅菌工程につなげるシステム構築が可能となる。また、気圧変化による沸点の変化に対しても、空気の残存状況の監視により、上記と同様、効率的に各工程を進めることが可能となる。

（３）図５（ａ）に示す第一の判別方法、及び、図６（ａ），（ｂ）に示す判別ユニット５では、透明部７１及び観察機器７６（図２参照）を設けておき、プラズマの発光スペクトルを目視並びに観察機器７６によって観察し、その色や強さから不凝縮ガスの有無や種類を判別する。このため、複雑な装置を要さず、簡単かつリアルタイムで不凝縮ガスを判別できる。

（４）図５（ｂ）に示す第二の判別方法、及び、図２に示す判別ユニット５では、容器２に判別対象の不凝縮ガスの波長のみを通過させるフィルター７２を付設しておき、フィルター７２を通過する光の強弱に基づいて、凝縮ガス中に判別対象の不凝縮ガスが存在するか否かを判別する。このため、作業者（判別者）による判別結果のばらつきを抑制でき、正確かつリアルタイムで不凝縮ガスを可視化できる。

（５）図５（ｃ）に示す第三の判別方法、及び、図７に示す判別ユニット５によれば、プラズマの光を分光器７３で分解し、分光スペクトルの解析及び分光結果に基づいて、より正確に不凝縮ガスの有無及びその種類を判別できる。なお、分光器７３を用いた判別方法は、それ単体で使用することもできるが、透明部７１を介した目視並びに観察機器７６による判別方法やフィルター７２を用いた判別方法のいずれとも併用可能である。

［６．その他］
上述した制御方法及び制御ユニット１、並びに、判別方法及び判別ユニット５はいずれも一例である。例えば、上記のプラズマ発生部６は、点状又は線状にプラズマを発生させるよう構成されているが、面状にプラズマを発生させるように構成されてもよい。また、例えば一点でプラズマを発生される構成を複数配置し（複数のプラズマ発生部６を備え）、任意の位置で同時に（あるいは時間差で）判別してもよい。

上述した制御方法及び制御ユニット１、並びに、判別方法及び判別ユニット５は、凝縮ガス（例えば水蒸気）と不凝縮ガス（例えば、窒素，酸素，二酸化炭素，アルゴン等）が容器２内に混在している状態で用いることができ、例えば、高圧蒸気滅菌器や環境試験装置（加速寿命試験機等）に適用可能である。

１ 制御ユニット
２ 容器
３ 制御部
４ 凝縮部
５，５′ 判別ユニット
６ プラズマ発生部
６Ａ ワイヤ電圧印加電極
６Ｂ ワイヤ接地電極
６Ｃ 磁性管
７ 判別部
８ 排出口
１０ 第二判別部
１１ 温度センサー
１２ 温度取得部
２０ 導入管
２１ シリコン栓
２２ 断熱材
２３ ヒーター
２４ 排出管
３１ 冷却通路
３２ セラミック棒
７１ 透明部
７２ フィルター
７３ 分光器
７４ 光ファイバー
７５ モニター
７６ 観察機器

Claims (11)

1. 凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した容器の内部を部分的に冷却することで前記凝縮ガスが凝縮する凝縮部を生成し、
   前記凝縮部の圧力低下に起因した前記不凝縮ガスの流れを利用して、又は、前記凝縮部の温度を制御することで、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの分布を制御する、凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御方法によって制御された前記不凝縮ガスを判別する方法であって、
   前記容器の内部でプラズマを発生させ、
   少なくとも、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった前記プラズマの発光スペクトルを観察することで、リアルタイムで前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
   ことを特徴とする、凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別方法。
2. 前記容器には、前記容器の外部から内部を視認可能な透明部が設けられており、
   前記プラズマの観察では、前記透明部から前記容器の内部を目視並びに観察機器を用いて前記発光スペクトルを計測する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の判別方法。
3. 前記容器には、判別対象である前記不凝縮ガスの波長の光のみを通過させるフィルターが付設されており、
   前記プラズマの観察では、前記フィルターを通過する光の強弱に基づいて前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の判別方法。
4. 前記プラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部の光を解析する分光器と、前記プラズマ発生部の光を前記分光器に伝送する光ファイバーとが設けられており、
   前記プラズマの観察では、前記分光器による分光スペクトルの解析及び分光結果を用い、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった分光スペクトルに基づいて前記不凝縮ガスの有無及びその種類又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
   ことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の判別方法。
5. 前記凝縮部に配置された温度センサーで計測された温度と前記容器の内部の前記凝縮部以外の温度とを比較することで、リアルタイムで前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の判別方法。
6. 凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した容器と、
   前記容器の内部を部分的に冷却することで前記凝縮ガスが凝縮する凝縮部を生成し、前記凝縮部の圧力低下に起因した前記不凝縮ガスの流れを利用して、又は、前記凝縮部の温度を制御することで、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの分布を制御する制御部とを備えるとともに、
   前記容器の内部でプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
   少なくとも、前記プラズマ発生部により発生する前記プラズマの発光スペクトルと前記不凝縮ガスの種類との対応関係に基づき、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布をリアルタイムで判別する判別部と、を備えた
   ことを特徴とする、凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニット。
7. 凝縮ガス及び不凝縮ガスが混在した容器の内部を部分的に冷却することで前記凝縮ガスが凝縮する凝縮部を生成し、前記凝縮部の圧力低下に起因した前記不凝縮ガスの流れを利用して、又は、前記凝縮部の温度を制御することで、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの分布を制御する制御部と、
   少なくとも、前記容器の内部で発生させたプラズマの発光スペクトルと前記不凝縮ガスの種類との対応関係に基づき、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布をリアルタイムで判別する判別部と、を備えた
   ことを特徴とする、凝縮ガス中の不凝縮ガスの判別ユニット。
8. 前記判別部は、
   前記容器に設けられ、前記容器の外部から内部を視認可能な透明部と、
   前記透明部から前記容器の内部を目視と併せて確認するための観察機器と、を有し、
   前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった前記発光スペクトルを計測し、前記発光スペクトルに基づいて前記不凝縮ガスの有無及びその種類又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
   ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の判別ユニット。
9. 前記判別部は、
   前記容器に付設され、判別対象である前記不凝縮ガスの波長の光のみを通過させるフィルターを有し、
   前記フィルターを通過する光の強弱に基づいて前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
   ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の判別ユニット。
10. 前記判別部は、
    前記プラズマ発生部の光を解析する分光器と、
    前記プラズマ発生部の光を前記分光器に伝送する光ファイバーと、を有し、
    前記分光器による分光スペクトルの解析及び分光結果を用い、前記不凝縮ガスの種類ごとに決まった分光スペクトルに基づいて前記不凝縮ガスの有無及びその種類又は前記不凝縮ガスの分布を判別する
    ことを特徴とする、請求項６～９のいずれか一項に記載の判別ユニット。
11. 前記凝縮部に配置され、前記凝縮部の温度を計測する温度センサーと、
    前記容器の内部であって前記凝縮部以外の温度を取得する温度取得部と、
    前記凝縮部の温度と前記凝縮部以外の温度とを比較して、前記凝縮ガス中の前記不凝縮ガスの有無又は前記不凝縮ガスの分布をリアルタイムで判別する第二判別部と、を備える
    ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の判別ユニット。

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