CN113327838A - 阻挡放电灯、阻挡放电灯单元以及液体处理装置 - Google Patents

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CN113327838A CN202010805961.5A CN202010805961A CN113327838A CN 113327838 A CN113327838 A CN 113327838A CN 202010805961 A CN202010805961 A CN 202010805961A CN 113327838 A CN113327838 A CN 113327838A
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barrier discharge
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日野弘喜
聂栋兴
前田祥平
藤冈纯
田内亮彦
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Toshiba Lighting and Technology Corp
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Abstract

本发明提供一种可提高发光效率的阻挡放电灯、阻挡放电灯单元以及液体处理装置。实施方式的阻挡放电灯包括：发光管，呈筒状，且在内部空间封入有气体；内部电极，设于所述内部空间；以及外部电极，设于所述发光管的外部。所述发光管的外径为10mm以上且25mm以下。输入密度为0.3W/cm以上且1.4W/cm以下。

Description

阻挡放电灯、阻挡放电灯单元以及液体处理装置
技术领域
本发明的实施方式涉及一种阻挡放电灯、阻挡放电灯单元以及液体处理装置。
背景技术
例如，作为将处于水中的杂质除去的方法，已知有过滤法、活性炭吸附法、离子交换法、蒸馏法、逆渗透膜脱盐法等。而且近年来，正进行利用紫外线的杂质除去。例如，若对水照射紫外线，则生成氧化力强的羟基自由基。羟基自由基将处于水中的总有机碳(TotalOrganic Carbon，TOC)经过有机酸而分解为二氧化碳，因而与过滤法等相比，可制造纯度更高的纯水。作为照射紫外线的光源，可使用低压水银灯。
此处，水的吸收系数在500nm附近达到最小，随着从500nm向长波长侧或短波长侧偏移而增加。低压水银灯照射峰值波长为254nm、185nm的紫外线，但具有这种波长的紫外线的水的吸收系数小。因此，为了获得充分纯度的纯水，需要延长照射时间，或增大施加于低压水银灯的电力。但是，若延长照射时间，则生产效率降低。若增大所施加的电力，则低压水银灯内的水银蒸气压上升，发光效率降低。
因此，提出了采用阻挡放电灯(氙准分子灯)，此阻挡放电灯(氙准分子灯)照射具有水的吸收系数更大的172nm的峰值波长的紫外线。但是，阻挡放电灯的发光效率的温度依存特性大，因而在将阻挡放电灯用于液体处理的情况下，在提高发光效率的方面有改善的余地。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2014-182916号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明所要解决的问题在于提供一种可提高发光效率的阻挡放电灯、阻挡放电灯单元以及液体处理装置。
[解决问题的技术手段]
实施方式的阻挡放电灯包括：发光管，呈筒状，且在内部空间封入有气体；内部电极，设于所述内部空间；以及外部电极，设于所述发光管的外部。所述发光管的外径为10mm以上且25mm以下。输入密度为0.3W/cm以上且1.4W/cm以下。
[发明的效果]
根据本发明的实施方式，可提供一种可提高发光效率的阻挡放电灯、阻挡放电灯单元以及液体处理装置。
附图说明
图1的(a)为用于例示本实施方式的阻挡放电灯的示意图。图1的(b)为图1的(a)的阻挡放电灯的A部的示意放大图。
图2为图1的(a)的阻挡放电灯的B-B线方向的示意截面图。
图3为用于例示输入密度与相对照度(紫外线照度)的关系的曲线图。
图4为用于例示OH基的含量、照度维持率及点灯时间的关系的曲线图。
图5为用于例示OH基的含量与相对紫外线照度的关系的曲线图。
图6的(a)～图6的(d)为用于例示其他实施方式的阻挡放电灯的示意图。
图7为用于例示阻挡放电灯单元及液体处理装置的示意图。
图8为用于例示间隙尺寸与紫外线的相对照度的关系的曲线图。
符号的说明
1：阻挡放电灯
2：发光管
2a：密封部
2b：突起部
3：导电部
4：内部电极
4a、14a：线圈
4b：线脚
5：锚具
6：支座
7：外部电极
8、9：导线
9a：镍套筒
14：内部电极
17：外部电极
100：阻挡放电灯单元
101：保护管
101a：凸缘
102：盖
103：密封构件
200：液体处理装置
201：点灯电路
202：控制器
300：液体
D：外径
P、Pa：节距尺寸
S：间隙尺寸
具体实施方式
以下，一方面参照图式一方面对实施方式进行例示。此外，各图式中，对同样的结构元件标注相同符号而适当省略详细说明。
(阻挡放电灯1)
图1的(a)为用于例示本实施方式的阻挡放电灯1的示意图。
图1的(b)为图1的(a)的阻挡放电灯1的A部的示意放大图。
图2为图1的(a)的阻挡放电灯1的B-B线方向的示意截面图。
如图1的(a)、图1的(b)及图2所示，在阻挡放电灯1，可设置发光管2、导电部3、内部电极4、锚具(anchor)5、支座(holder)6、外部电极7、导线8及导线9。
发光管2呈筒状，具有全长(管轴方向的长度)较管径更长的形态。发光管2例如可设为圆筒管。发光管2的外径例如可设为10mm以上且25mm以下。
在发光管2的管轴方向的两侧的端部，分别设有密封部2a。通过设置密封部2a，从而可将发光管2的内部空间气密地密封。密封部2a例如可使用压紧密封(pinch seal)法或收缩密封(shrink seal)法而形成。
在发光管2的外表面，可设置突起部2b。突起部2b可为了在制造阻挡放电灯1时将发光管2的内部空间排气，或在发光管2的内部空间导入后述的气体而设置。突起部2b可通过在排气及气体的导入后，将由合成石英玻璃所形成的管烧断而形成。
在发光管2的内部空间封入有气体。阻挡放电灯1中，在内部电极4与外部电极7之间进行介质阻挡放电，对所封入的气体赋予高的能量电子而生成准分子激发分子。在准分子激发分子还原时，根据气体的种类而产生具有特定的峰值波长的光。因此，封入至发光管2的内部空间的气体可根据阻挡放电灯1的用途而适当变更。封入至发光管2的内部空间的气体例如可设为氪、氙、氩、氖等稀有气体或使多种稀有气体混合而成的混合气体。气体中，视需要也可还含有卤素气体等。
发光管2的内部空间的25℃时的气体的压力(封入压力)例如可设为1.3kPa～200kPa左右。发光管2的内部空间的25℃时的气体的压力(封入压力)可通过气体的标准状态(标准的环境温度和压力(Standard Ambient Temperature and Pressure，SATP)：温度25℃、1bar)而求出。
例如，在将水等液体所含的杂质分解的情况下，优选将封入的气体设为氙气。氙气的封入压力例如可设为47kPa左右。若将封入的气体设为氙气，则可产生峰值波长为172nm的紫外线，因而可有效地进行杂质的分解。
导电部3设于密封部2a的内部。导电部3可针对一个密封部2a而设置一个。导电部3的平面形状可设为四边形。导电部3呈薄膜状。导电部3例如可由钼箔所形成。
内部电极4可具有线圈(coil)4a及线脚(leg)4b。线圈4a及线脚4b可一体地形成。线圈4a及线脚4b可通过对线材进行塑性加工而形成。线材的线径(直径)例如可设为0.2mm～1.0mm左右。
线圈4a及线脚4b例如可含有钨作为主成分。钨的含量例如可设为50wt％以上。此时，若使用在钨中添加有钾等的掺杂钨，则可提高线圈4a的尺寸稳定性。
线圈4a呈螺旋状，设于发光管2的内部空间。线圈4a在发光管2的内部空间的中央区域，沿着发光管2的管轴而延伸。若将发光管2的管轴方向的邻接的线材的间隔设为线圈4a的节距尺寸P，则线圈4a的节距尺寸P例如可设为0.5mm～3.0mm左右。而且，与发光管2的管轴方向正交的方向的线圈4a的外径D例如可设为1mm～5mm左右。
线脚4b分别设于线圈4a的两侧的端部。线脚4b呈线状，从线圈4a的端部沿着发光管2的管轴而延伸。线脚4b的端部在密封部2a的内部与导电部3电连接。线脚4b的端部的附近可与导电部3进行激光焊接或电阻焊接。
如图2所示，锚具5可设于发光管2的内部空间。锚具5的材料例如可设为与内部电极4的材料相同。锚具5可通过对线材进行塑性加工而形成。例如，锚具5的其中一个端部侧可设于线圈4a的外表面。例如，可将锚具5的其中一个端部侧卷绕于线圈4a的外表面。例如，锚具5的其中一个端部侧可呈螺旋状。例如，锚具5的另一个端部侧可与发光管2的内壁接触。例如，锚具5的另一个端部侧可具有沿着发光管2的内壁弯曲的形状。此外，例示了将锚具5安装于线圈4a的情况，但也可增大线圈4a的一部分的直径而设为锚具5。
通过锚具5的其中一个端部侧设于线圈4a的外表面，且锚具5的另一个端部侧与发光管2的内壁接触，从而利用锚具5在发光管2的内部空间支撑线圈4a。而且，通过锚具5电连接于线圈4a，从而锚具5作为内部电极4发挥功能。即，锚具5作为支撑线圈4a的支撑构件、及内部电极4的一部分发挥功能。
若锚具5作为内部电极4的一部分发挥功能，则内部电极4(锚具5)与外部电极7之间的距离变小，因而即便启动电压低也可启动。而且，即便维持电压低也可维持发光。即，可使瞬间点灯性能提高，且点灯状态也稳定。而且，若内部电极4(锚具5)与外部电极7之间的距离变小，则灯刚启动后的稳定性也提高。因此，可抑制灯刚启动后的发光不均，因而可直接利用灯刚启动后的光。
锚具5例如可考虑灯的发光特性或启动特性、及线圈4a的支撑性能等而设置多个。此时，若将发光管2的管轴方向的邻接的锚具5的间隔设为锚具5的节距尺寸，则锚具5的节距尺寸例如可设为10mm～40mm左右。
支座6呈筒状，其中一个端部侧设于密封部2a的内部，另一个端部侧从密封部2a露出。支座6可针对一个密封部2a而设置一个。支座6例如可由树脂或陶瓷等无机材料形成。支座6例如可包含块滑石(steatite)、氧化铝等。
外部电极7可设于发光管2的外部。外部电极7例如可使用不锈钢、铝、镍、银、金、铂等金属而形成。外部电极7在与内部电极4之间产生介质阻挡放电。如上文所述，若产生介质阻挡放电，则在发光管2的内部空间中生成准分子激发分子，在准分子激发分子还原时，根据气体的种类而产生具有特定的峰值波长的光。例如，在封入有氙气的情况下，产生峰值波长为172nm的紫外线。
在阻挡放电灯1例如用于将水等液体所含的杂质分解的用途的情况下，优选发光管2的内部空间中产生的光照射于发光管2周围的全方位。因此，外部电极7可使发光管2的内部空间中产生的光透过。例如，对于外部电极7可设有将厚度方向贯穿的孔或狭缝等。此时，外部电极7的遮光率优选设为10％以下。
例如，如图1的(a)所示，外部电极7可设为呈网眼状。例如，可设为具有平织结构的外部电极7。用于平织结构的线材例如可设为线径为0.1mm左右的不锈钢线或铝线等。网眼间隔例如可设为纵2.8mm左右、横3mm左右。
若设为网眼状的外部电极7，则容易将遮光率设为10％以下。而且，若设为网眼状的外部电极7，则可覆盖发光管2的外表面，因而可增大与内部电极4的相向面积。因此，容易大面积地稳定产生介质阻挡放电。
例如，可通过将网眼状的金属成形为筒状，并在筒状的金属体的内部插入发光管2，从而设置外部电极7。
导线8可设于至少一个支座6。导线8的其中一个端部穿过支座6的内部，在密封部2a的内部电连接于导电部3。导线8的其中一个端部的附近可与导电部3进行激光焊接或电阻焊接。而且，导线8与支座6之间的间隙由密封材料密封。导线8的另一个端部可从支座6露出。在导线8的另一个端部，可连接压接端子或连接器等。
导线9的其中一个端部经由镍套筒9a而电连接于外部电极7。在导线9的另一个端部，可连接压接端子或连接器等。
导线8及导线9例如可电连接于设于液体处理装置200的点灯电路201(参照图7)。
此处，如上文所述，若将封入至发光管2的内部空间的气体设为氙气，则可产生峰值波长为172nm的紫外线。峰值波长为172nm的紫外线与从低压水银灯照射的峰值波长为254nm、185nm的紫外线相比，水的吸收系数更大。因此，若将阻挡放电灯1用于水等液体所含的杂质的分解，则可有效地进行杂质的除去。
此外，阻挡放电灯1的发光效率的温度依存特性大，因而若温度变高，则阻挡放电灯1的发光效率降低。在将阻挡放电灯1用于液体的处理的情况下，无法将阻挡放电灯1直接设于液体中。因此，阻挡放电灯1设于保护管101的内部(参照图7)。此外，在阻挡放电灯1与保护管101的内壁之间的空间中填充有气体，因而因阻挡放电灯1的点灯而产生的热难以散放至液体中。若自阻挡放电灯1的散热受到抑制，则可能导致阻挡放电灯1的温度上升，发光效率降低。
图3为用于例示输入密度与相对照度(紫外线照度)的关系的曲线图。
相对照度是使用牛尾(Ushio)电机制造的紫外线照度计UIT-250进行测定。头部(head)使用VUV-S172，测定距离设为3mm。
输入密度为施加电力相对于发光长之比。发光长可设为发光管2的管轴方向的外部电极7的长度。
如由图3所得知，若将输入密度设为0.3W/cm以上且1.4W/cm以下，则可使相对照度成为90％以上。这意味着，即便在向周围的散热受到抑制那样的环境下使阻挡放电灯1点灯的情况下，若将输入密度设为0.3W/cm以上且1.4W/cm以下，则也可提高发光效率。
而且，如上文所述，在发光管2的内部空间中产生的紫外线经由发光管2而照射至外部。因此，发光管2是由紫外线的透过率高的材料形成。紫外线的透过率高的材料例如可设为合成石英玻璃等含有SiO2的材料。但是，若峰值波长为172nm的紫外线入射至含有SiO2的材料，则有时材料的化学结构经时变化。例如，若紫外线入射至SiO2，则有时Si与O的键被切断。因此，若使阻挡放电灯1长时间点灯，则发光管2的材料的化学结构产生缺陷，可能导致紫外线的透过率急剧降低，进而照度维持率降低。
根据本发明人所得的见解，若增多含有SiO2的材料所含的OH基的量，则即便因紫外线的入射而使得Si与O的键被切断，也可修复化学结构的缺陷。
图4为用于例示OH基的含量、照度维持率及点灯时间的关系的曲线图。
如由图4所得知，若将OH基的含量设为100ppm以上，则即便为产生峰值波长为172nm的紫外线的阻挡放电灯1，也可长时间保持高的照度维持率。这意味着，可实现阻挡放电灯1的长寿命化。
但是已判明，若过于增多OH基的含量，则紫外线的透过率降低。
图5为用于例示OH基的含量与相对紫外线照度的关系的曲线图。
如由图5所得知，若OH基的含量超过1500ppm，则紫外线的透过率降低，因而相对紫外线照度降低。
因此，如由图4及图5所得知，优选发光管2由合成石英玻璃等含有SiO2的材料形成，且使OH基的含量成为100ppm以上且1500ppm以下。若这样设定，则即便于发光管2的内部空间中产生峰值波长为172nm的紫外线，也可长时间保持高的照度维持率。而且，可抑制紫外线的透过率降低。
图6的(a)～图6的(d)为用于例示其他实施方式的阻挡放电灯的示意图。此外，为了避免变得烦杂，将与上文所述的阻挡放电灯1的结构元件相同的结构元件适当省略。
如图6的(a)所示，内部电极14可具有线圈14a及线脚4b。线圈14a呈螺旋状，设于发光管2的内部空间。若将发光管2的管轴方向的邻接的线材的间隔设为线圈14a的节距尺寸Pa，则线圈14a的节距尺寸Pa例如可设为15mm～90mm左右。线圈14a在发光管2的内部空间，沿着发光管2的管轴而延伸。图1的(a)及图1的(b)所例示的线圈4a由锚具5支撑，但线圈14a的外侧端与发光管2的内壁接触。此外，也可在线圈14a的外侧端与发光管2的内壁之间设置稍许的间隙。此时，也可省略锚具5。
若这样设定，则可减小线圈14a与外部电极7之间的距离，因而即便启动电压更低也可启动。而且，即便维持电压更低也可维持发光。即，可使瞬间点灯性能进一步提高，且使点灯状态也更稳定。
如图6的(b)所示，外部电极17可呈螺旋状，且卷绕于发光管2的外表面。
若这样设定，则可抑制下述情况：在发光管2的内部空间中产生的紫外线向外部照射时，被外部电极17遮挡。
如图6的(c)所示，外部电极17可呈螺旋状，且卷绕于发光管2的外表面。而且，可省略锚具5。
若这样设定，则可抑制下述情况：在发光管2的内部空间中产生的紫外线向外部照射时，被外部电极17遮挡。而且，可通过省略锚具5而降低制造成本。
如图6的(d)所示，外部电极7可设为网眼状，且内部电极4具有线圈4a及线脚4b。另外，可省略锚具5。
若这样设定，则可降低制造成本。
(阻挡放电灯单元100以及液体处理装置200)
接下来，对阻挡放电灯单元100及液体处理装置200进行例示。
此外，以下作为一例，对设有图1的(a)所例示的阻挡放电灯1的情况进行说明，但例如也可设有图6的(a)～图6的(d)所例示的阻挡放电灯。
图7为用于例示阻挡放电灯单元100及液体处理装置200的示意图。
如图7所示，在液体处理装置200，可设置阻挡放电灯单元100、点灯电路201及控制器202。
阻挡放电灯单元100可具有阻挡放电灯1、保护管101、盖102及密封构件103。
保护管101呈筒状，具有全长(管轴方向的长度)较管径更长的形态。保护管101例如可设为圆筒管。保护管101的其中一个端部被堵塞，另一个端部开口。在保护管101的开口侧的端部设有凸缘101a。在保护管101的内部空间，可收容阻挡放电灯1。
如图7所示，保护管101可设于作为处理对象的液体300(例如水)中。此时，以收容于保护管101的阻挡放电灯1位于液体300的内部的方式设定。盖102及密封构件103优选以位于液体300的外部的方式设定。保护管101例如可设于在水槽等中不流动的液体300中，也可设于在槽或配管等流路中流动的液体300中。
从阻挡放电灯1照射的紫外线经由保护管101而照射于液体300。因此，保护管101是由紫外线的透过率高的材料形成。保护管101例如由合成石英玻璃等含有SiO2的材料形成。此时，与上文所述的发光管2的情况同样地，保护管101优选由合成石英玻璃等含有SiO2的材料形成，且使OH基的含量成为100ppm以上且1500ppm以下。若这样设定，则即便从阻挡放电灯1照射峰值波长为172nm的紫外线，也可长时间保持高的照度维持率。这意味着，可实现阻挡放电灯单元100的长寿命化。而且，可抑制紫外线的透过率降低。
盖102呈板状，堵塞保护管101的开口。在盖102设有将厚度方向贯穿的孔。导线8及导线9经由设于盖102的孔而伸出至外部。导线8与孔的间隙、导线9与孔的间隙由密封材料密封。
密封构件103设于盖102与保护管101的凸缘101a之间。密封构件103例如可设为O环等。通过将盖102及密封构件103安装于保护管101的凸缘101a，从而以保护管101的内部空间变得气密的方式密封。
此处，若在保护管101的内部空间中存在氧，则可能导致从阻挡放电灯1照射的紫外线衰减。因此，优选在保护管101的内部空间中封入氮气或惰性气体。此时，若将封入的气体设为氮气，则可降低制造成本。
点灯电路201例如可具有高频产生电路。高频产生电路例如可产生频率为100kHz左右且电压为2kVp-p的电力。导线8及导线9可电连接于点灯电路201。而且，点灯电路201具有切换向阻挡放电灯1的电力施加、与电力施加的停止的开关。而且，也可由一个点灯电路201对多个阻挡放电灯1施加电力。
控制器202可具有中央处理器(Central Processing Unit，CPU)等运算元件、半导体存储器等存储元件。控制器202例如可设为计算机。在存储元件中，可保存控制点灯电路201的控制程序。运算元件可基于保存于存储元件的控制程序，控制向阻挡放电灯1的电力施加、电力施加的停止等。在控制器202，可设置供操作者输入数据的输入部、显示阻挡放电灯1的运行状况或异常显示等的监视器(monitor)、电源开关等。而且，也可由一个控制器202控制多个点灯电路201。
此处已判明，若过于延长保护管101的内壁、与外部电极7的外侧端之间的间隙尺寸S(最短距离)，则从保护管101照射的紫外线的相对照度降低。
图8为用于例示间隙尺寸S与紫外线的相对照度的关系的曲线图。
图8的相对照度是输入密度为1W/cm的情况下的紫外线的相对照度。而且，将间隙尺寸S为2mm的情况下的紫外线的相对照度设为100％。
如由图8所得知，若将间隙尺寸S设为10mm以下，则可使相对照度成为90％以上。这意味着，可抑制保护管101的内部的紫外线的衰减，可提高紫外线的取出效率。若紫外线的取出效率提高，则可提高液体中的杂质的除去率，或缩短照射时间，或减少施加电力。
以上，例示了本发明的若干实施方式，但这些实施方式是作为示例而提示，并非意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能以其他各种方式实施，能在不偏离发明的主旨的范围内进行各种省略、替换、变更等。这些实施方式或其变形例包含于发明的范围或主旨，并且也包含于权利要求所记载的发明及其均等范围。而且，所述各实施方式可相互组合而实施。

Claims (6)

1.一种阻挡放电灯，包括：
发光管，呈筒状，且在内部空间封入有气体；
内部电极，设于所述内部空间；以及
外部电极，设于所述发光管的外部，
所述发光管的外径为10mm以上且25mm以下，
输入密度为0.3W/cm以上且1.4W/cm以下。
2.根据权利要求1所述的阻挡放电灯，其中，
所述发光管包含含有SiO2的材料，所述材料的OH基的含量为100ppm以上且1500ppm以下。
3.根据权利要求1或2所述的阻挡放电灯，其中，
所述外部电极呈网眼状。
4.根据权利要求1或2所述的阻挡放电灯，其中，
所述内部电极具有线圈。
5.一种阻挡放电灯单元，包括：
权利要求1至4中任一项所述的阻挡放电灯；以及
保护管，收容所述阻挡放电灯，
在所述保护管的收容所述阻挡放电灯的内部空间中封入有氮气，
所述保护管的内壁、与设于所述阻挡放电灯的外部电极的外侧端之间的间隙尺寸为10mm以下。
6.一种液体处理装置，包括：
权利要求5所述的阻挡放电灯单元；以及
点灯电路，电连接于设于所述阻挡放电灯单元的阻挡放电灯。
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