JP2002517072A - 高電力紫外線発生用ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 該装置は液体精製器として使用するためのガス充填紫外線ランプ（１０）である。該ランプ（１０）は高圧ＡＣによって電力供給されるが、その末端が一緒に密閉されている２つの同軸水晶シリンダー（１６、２０）として構成され、該シリンダー間にガス充填されたガス閉鎖容器の内部に、あるいはそれに接触する金属性電極を有しない。冷却液体を内側水晶シリンダー（１６）内部のボリューム（１４）を通してポンプ流入し、そこでは、該内側水晶シリンダー（１６）から間隔を空けて配置された導電性パイプ（１２）を用いて該冷却液体を供給し、それは高圧電極として作用する。該ガス閉鎖容器（１８）は、接続されて該回路の接地電極として用いられ、それを通して該処理流体が流れるハウジング（２８）から間隔が空けられているが、その内部に封入される。かくして、該電気回路は、該中央パイプ（１２）から、および該冷却液体、該ガス閉鎖容器（１８）、該外側水晶シリンダー（２０）の外部上の処理液体を通って、ハウジング（２８）までである。該高圧電極（１２）は、それも該冷却液体を供給する絶縁されたホースの長さによって冷却液体源から電気的に隔離されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の背景 米国政府は、米国エネルギー省約款ＮＯ．Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−３６の下、
本発明に対してある種の権利を有する。 本発明は、一般に、滅菌液体への紫外線の使用に関し、より詳しくは、液体が
紫外線に対して不透明な場合であっても、該液体を強烈な紫外線に暴露して殺菌
するのに用いる高電力エキシマーランプ構造に関する。 液体を紫外線に暴露して殺菌することによってそれらを滅菌することは、長い
間確立された技術である。細菌を破壊する紫外線の能力に基づく多くの特許が発
行され、そのような装置は多くの家庭や工場での使用において充分ありふれたも
のである。典型には、そのようなシステムは、水が紫外線に暴露される閉鎖容器
に該水を通過させることによって、水を紫外線に暴露する。

【０００２】 全ての先行技術に普及し、良く受け入れられているために滅多に言及されない
一つの考慮すべき点は、紫外線への暴露による水処理は、該水自体が該紫外線に
対して顕著に透明であることに依存することである。透明な水を通る紫外線の浸
透は、典型には、数インチないし１フィートを超える範囲であろう。紫外線に対
するそのような透明性なくしては、いかなる液体の精製も非常に困難である。何
故ならば、実際に照射源に接触した液体の境界しか該照射に影響されないからで
ある。紫外線に対する該液体の透明性がなければ、処理は非常に強烈な照射およ
び乱流を必要とし、そのため、該乱流が、液体の各部分が該紫外線ランプと直接
接触することを保証する間の非常に短時間に該液体中の細菌を殺せる。

【０００３】 しかしながら、高強度紫外線を達成するのは困難である。伝統的な高強度水銀
ランプは、実際には、広い照射スペクトルを発生し、殺菌に必要な好ましい波長
は該出力のわずかな少ない部分だけである。しかも、在来の水銀ランプは該ラン
プボディ上に隔離スリーブを要し、それは該ランプ表面と処理すべき流体との直
接接触を防止する。一方、エキシマーランプは、液体の滅菌に適当な波長にて非
常に狭いバンド幅を有し、比較的低電力定格においてのみ利用可能である。実在
するエキシマーランプの紫外線出力電力についての歴史的重要な限界はそれらの
幾何に根付いている。 本質的に、エキシマーランプはガス充填閉鎖容器であって、それは該閉鎖容器
の外部にあるが接触している電極による高圧ＡＣ電力に付される。該ランプ閉鎖
容器は、水晶のごとき材料からなり、そのため、それらは紫外線に対して透明で
ある。ＡＣ電気電力が印加されたとき、該ランプはキャパシターの誘電体として
作用し、そこでは、該電極は該キャパシターのプレートであって、全てのキャパ
シターにおけるごとく、該誘電体は全てのインピーダンス与え、全ての電力を使
用する。平面ランプに関し、これは２つの金属電極が該水晶ガス充填平面エンベ
ロープに接触して配置されていることを意味する。同軸ランプに関し、該エンベ
ロープは、普通、末端が一緒に密封された同軸シリンダーから形成され、該シリ
ンダーの間にガス充填を有する。そして、該金属電極は、外側水晶シリンダーの
外表面および内側シリンダーの内表面に接触するさらなるシリンダーである。

【０００４】 実在するランプは該ランプエンベロープに接触する１以上の金属電極を用いる
ので、両方のランプ出力およびランプ冷却に自己抑制がある。該ランプエンベロ
ープの外表面と接触する電極は、典型には、紫外線に対して部分的に透明である
メッシュであるか、またはいくらかの紫外線がそれを通り抜けるほど薄い金属膜
である。しかしながら、高電力操作に関し、そのような電極は高電流の取扱いも
可能でなければならない。そのことは、電流を制限したり、抵抗発熱を生じるこ
とを防止するために、それらがかなりな体積を有することを要求する。この高電
力要求は、薄膜を除外し、メッシュのワイヤー径を非常に増大させて該メッシュ
が該紫外線出力の顕著な量をブロックするようにする。次いで、それは、減少す
るトレードオフ（tradeoff）となり、そこでは、より高い電力レベルに対して要
求される太いワイヤースクリーンが、むしろ、該液体の処理に利用可能であるべ
き紫外線出力をブロックする。さらに、大きなワイヤーを持つ同じメッシュがラ
ンプ表面の冷却を妨害し、エキシマーランプの温度が上昇した場合、ランプ効率
および寿命に悪影響が及ぶ。 この結果は、高紫外線出力を要する不透明液体の精製のごとき適用におけるエ
キシマーランプの使用を妨げる袋小路であった。

【０００５】 発明の概要 本発明は、ランプエンベロープに接触する全ての金属電極を除外することによ
って、高電力紫外線ランプで液体を精製する場合にメッシュ電極を用いることに
より生じるジレンマを克服する。本発明のエキシマーランプは、高圧ＡＣにより
電力供給されるが、該エンベロープの内部にまたはそれに接触する金属性電極を
有しない。 該ランプは、それらの末端が一緒に密封され、該シリンダー間にエキシマーガ
ス充填されている２つの同軸水晶シリンダーの形態で構成される。冷却液体は該
内側シリンダー内部の中央領域を通ってポンプ流入され、そこでは、該内側シリ
ンダーと接触しない導電性パイプが用いられて、この冷却液体を供給する。それ
は該内側水晶シリンダーとは接触していないにもかかわらず、このパイプは高圧
電極としても作用する。ケーブルが該中央パイプを高圧ＡＣ電源に結び付けてい
るが、この高圧電極は、適切な長さの電気的に絶縁されているチューブによって
冷却液体の源から電気的に絶縁され、それも該冷却液体を供給する。

【０００６】 ランプ全体は、それも該水晶エンベロープに接触していない外側金属円筒状シ
ース内部に封入されるが、該高圧ＡＣ電源の帰還と連結され、接地もされている
。処理すべき液体は該金属シースを通り、該エキシマーランプの外部エンベロー
プの外表面上を流れる。 電気回路は該ランプに印加される電力が電流を変化させ、また、そのため、電
力はがキャパシタンスで変換され得るという事実に依存する。該２つの異なる液
体層、該内側シリンダー内部の冷却液体および該外側シリンダー外部の処理され
た液体が、該ランプへの唯一の電力供給であり、それらは、理論的にいくらかの
伝導を有するが、それらは、本質的に、キャパシターとして作用してＡＣ電力を
該エキシマーランプに連結させる。これらの液体充填されたキャパシターは少な
い電力損失しか有さない。何故ならば、該液体は高誘電率を有するからである。
従って、該液体によって形成されたキャパシターおよび、該水晶エンベロープの
壁によって形成されたキャパシターも、該ランプ内のエキシマーガスのものより
も非常に低いインピーダンスをもたらす。かくして、実質的に全ての電力が該ラ
ンプに輸送され、使用される。

【０００７】 さらに、該ランプの中央エンベロープ内部を流れる液体および該ランプの外部
上の処理液体は、該水晶ランプエンベロープに対してほぼ完璧な冷却剤である。
該水晶エンベロープに接触する電極が存在しないため、該エンベロープの表面全
体が冷却された液体であり、該液体の温度を制御して、該水晶エンベロープにと
って最も所望される温度に落ち着かせ得る。この温度制御が高電力エキシマーラ
ンプの長寿命動作を保証する主要な要因である。 最後に、該ランプの中央の冷却液体として透明液体が選択された場合、それも
、該ランプの内側エンベロープから発光される紫外線が該冷却透明液体および該
ランプのもう一方の側を通過し、該ランプの遠い側の処理された液体にまで到達
するようにする。 それにより、本発明が高効率かつ長寿命の紫外線発生エキシマーランプを提供
するのみならず、その電力能力についてのいずれかの自己抑制が存在すると考え
る理由はない。

【０００８】 発明の詳細な説明 図１は、本発明の好ましい具体例のエキシマーランプ１０の液体流路に沿った
断面図であり、そこでは、ランプ１０は多重同軸シリンダーからなる。該内部の
シリンダーは単一の中空金属パイプ１２であり、それを通して、液体がパイプ１
２周りに配置されたボリューム１４に流れ込む。ボリューム１４は、本質的に、
エキシマーガス閉鎖容器１８の一つの壁でもある内側水晶シリンダー１６によっ
て封入されているボリュームである。シリンダー状スリーブ１５は内側水晶シリ
ンダー１６からの延長であり、ボリューム１４の末端を閉じ込め、内側水晶シリ
ンダー１６の位置を維持する助けとなる。外側水晶シリンダー２０はエキシマー
ガス閉鎖容器１８の外壁を形成する。端壁２２および２４は内側水晶シリンダー
１６および外側水晶シリンダー２０を結合させて、エキシマーガス閉鎖容器１８
を完成し、エキシマーガスで充填される環状空間を形成する。端壁２４も延長さ
れて内側水晶シリンダー１６の末端を閉鎖し、かくして、内側ボリューム１４の
離れた端２６も閉鎖する。

【０００９】 エキシマーガス充填された閉鎖容器１８の実際の動作はいずれの在来のエキシ
マーランプと同じであり、そこにおいて、該ガス内部のマイクロ−放電が、ガス
閉鎖容器１８内部の特定のガスによって決定される放射の波長を有する紫外線を
発生する。 最も外側のシリンダーはハウジング２８であり、支持体３０および３２によっ
て、外側水晶シリンダーから一定の間隔で配置されている。支持体３０および３
２は外側水晶シリンダー２０周りに一定の間隔で配置されてハウジング２８内の
水晶シリンダー１６および２０を中心に置くいくつかの支持体のうちのものであ
り、ボリューム３４を通る液体の自由な流れに対して開かれたハウジング２８と
外側水晶シリンダー２０との間のボリューム３４を維持している。ボリューム３
４は一端がエンドプレート３６によって閉鎖され、それは示すごとくハウジング
２８のシリンダーの必須部分であるか、または、ランプ１０の電極連結末端にて
のエンドプレート３８と同様にボルト留めされた取外し可能なキャップのいずれ
かであり得る。エンドプレート３８は、しかしながら、プラスチックのごとき電
気絶縁材料からなり、中央パイプ１２をハウジング２８から電気的に絶縁してい
る。エンドプレート３８はハウジング２８のプレート４０に対してボルト２４に
よって堅く固定され、在来の“Ｏ”リング４４により密閉される。

【００１０】 ランプ１０にはたった２つの電気的接続しか存在しない。高圧接続は中央パイ
プ１２に取り付けられたケーブル４６であり、帰還電圧および接地はハウジング
２８に取り付けられた単一のワイヤーである。これらの接続は、該接続がされる
部分にロウ付けされたスタッド状のナットのごときいずれの在来の手段によって
なされ得る。 液体入力および出力接続は冷却水および処理すべき液体の両方に装備される。
中央パイプ１２は冷却水をボリューム１４に供給する働きをする。この冷却水は
ボリューム１４の離れた末端２６に近いパイプ１２から流出し、内側水晶シリン
ダー１６およびスリーブ１５に沿って流れ戻り、出口パイプ１５を通ってランプ
１０から出ていく。処理される液体は、ハウジング入力パイプ５２を通って該ラ
ンプに入り、外側水晶シリンダー２０の外部に沿っておよび周りを流れて、それ
はエキシマーガス閉鎖容器１８内のエキシマー放電によって発生された紫外線に
よって照射され、ハウジング出口パイプ５４を通って該ランプから出る。 操作において、該処理された液体はランプ中を流れるので、該ランプは、電気
的に、パイプ１２およびハウジング２８により形成された電気入力間の５つの誘
電体の一組のようである。高圧接続であって、該キャパシターの一つの「プレー
ト」として作用するパイプ１２から始まり、第１の誘電体はボリューム１４内の
冷却水であり、第２の誘電体は内側水晶シリンダー１６であり、第３の誘電体は
ボリューム１８内のエキシマーガスであり、第４の誘電体は外側水晶シリンダー
２０であって、第５の誘電体はボリューム３４内の処理された液体である。ハウ
ジング２８は安全のため接地され、電力の帰還であり、該キャパシターのもう一
つの「プレート」として作用する。 キャパシターのいずれの誘電体のインピーダンスも該誘電体の材料の誘電率と
は逆に変化することがよく理解されており、それで、水および水晶は高誘電率を
有し、該エキシマーガスは低誘電率を有するので、該誘電体の組において唯一の
高インピーダンスは該エキシマーガスである。かくして、実質的に、該電源によ
って与えられる電力の全ては該エキシマーガスに供給され、一方、該液体および
該水晶は、本質的に、該エキシマーガスの誘電体への接続として働く。 しかしながら、該液体は、別のきわめて重要な目的としても働く。内側水晶シ
リンダー１６および外側水晶シリンダー２０を横切って流れる液体は、エキシマ
ーガス閉鎖容器１８の水晶壁を冷却して、該エキシマーガスがその熱を該水晶壁
に受け渡し、過熱しないように防止もするようにする。このように該エキシマー
ランプを冷却することは、ランプ１０の高信頼性および長寿命を保証するのにき
わめて重要である。

【００１１】 図２は、本発明の電気および流体流配置の簡略化した概略図であり、２つの液
体流路を高圧交流電源６０と共にランプ１０に用い得る手段を図示する。 前記したごとく、ランプ１０は中央パイプ１２を通して冷却液体が与えられる
が、中央パイプ１２は、ケーブル４６によって、高圧電源６０に接続もされてい
る。従来の知識では、該冷却液体の源は、同時に、中央パイプ１２と同じく高圧
であるか、または該電源が短絡されることが示唆されるが、この場合は違う。 もし、中央パイプ１２への冷却液体供給路および帰還路が充分長く、該冷却液
体のインピーダンスが充分高ければ、そのような液体流路は、単に、該ランプと
並列に高インピーダンスとして作用し、それらが該電源にもたらす負荷は取るに
足らないであろう。例えば、典型的な水道水は、．４５インチ直径のプラスチッ
クホース内を流れる場合、２０ないし２００マイクロムーオの範囲の比抵抗を有
し、そのため、１フィート当たり１５０キロオームないし１．５メガオームの抵
抗値を有する。それで、それは、単に、電源６０が耐えられる漏れ電流がどれく
らいかを決定し、パイプ１２への供給ホース６２および帰還ホース６４を該漏れ
電流をその値に制限するのに充分な長さにするために必要である。

【００１２】 図１および図２の両方に示すごとく、ランプ１０のハウジング２８は実際には
接地され、そのため、それに印加されるいかなる電圧について、全く懸念はない
。かくして、処理液体入力パイプ６６および処理液体出口パイプ６８は、いかな
る必要な装置とも接続し得、いかなる比抵抗の液体も取り扱える。しかしながら
、最も期待される適用において、処理すべき液体でさえもそのような低伝導率を
有し、それを該ランプ中央部分の冷却液体として用いたとしても、困難を生じさ
せない。該冷却液体に対して別個の液体供給の必要性を除外するため、これは、
実際に、いくつかの適用において可能であり、該冷却液体が不透明であってさえ
も、該ランプの寸法は、同様に該冷却液体を処理するように設計し得るであろう
。本発明の好ましい具体例は以下の構造、条件および結果を持って使用されてい
る。 ハウジング（２８）−材質−ステンレス鋼 長さ−１１０ｃｍ 外側水晶シリンダー（２０）−壁厚−２．０ｍｍ 長さ−９５ｃｍ 内側水晶シリンダー（１６）−壁厚−２．０ｍｍ 長さ−９５ｃｍ 中央液体ホース（６２）（６４）−長さ−１メーター 内径−１．２ｃｍ 中央パイプ（１２）−材質−ステンレス鋼 内径−１．５ｃｍ 長さ−９５ｃｍ 中央液体−水道水 中央液体流速−２ ＧＰＭ 処理液体−水中５％金属作動流体 処理液体流速−１５０ ＧＰＭ 電源（６０）−５Ｋｗ エキシマーガス充填−キセノン／臭素（文献でよく立証されているように 所望の出力波長に依存する） 紫外線出力−１ｃｍ角当たり３００ｍｗ 殺菌率−４０時間のランプ当たり６００ガロン処理において３ｌｏｇ除去

【００１３】 記載した紫外線発生ランプの好ましい具体例は、不透明な機械裁断流体を精製
する工業環境において使用されており、故障なしにフルパワー出力で１０００時
間を超えて使用されている。 示したごとき本発明の形態は単なる具体例であることが理解されるべきである
。以下の請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、種
々の変更を部品の機能および配置において行うことができ；同等の手段が例示さ
れ記載されたそれらと置換えることができ；特定の特徴を他から独立して用いる
ことができる。 例えば、ランプ１０の形状は円筒状である必要はないが、それが組立てるのに
より簡単である。該ランプは平行な平面シートで構成され得、その場合には、図
１はそのような配置の部分を横切る断面図であろう。さらに、材質が導電性であ
る限り、金属以外の材質を中央パイプ１２およびハウジング２８に用いることが
でき、材質が該ランプから発生される紫外線に対して透明である限り、ガスボリ
ューム１４の壁１６および２０は水晶以外の材質からなることができる。さらに
、ほとんどの液体が１０を超える誘電率を有し、本発明は比較的液体の伝導率に
依存しないので、実質的に、全ての液体が本発明に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の好ましい具体例のエキシマーランプの液体流路
を横切る断面図である。

【図２】 図２は、本発明の電気および液体流配置の簡略化した概略図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ・エム・ポッター アメリカ合衆国87544ニューメキシコ州ロ ス・アラモス、フォーティセブンス・スト リート2245番 【要約の続き】 って冷却液体源から電気的に隔離されている。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一つの導電性壁を持つ液密の外側閉鎖容器を形成
   するハウジング、該ハウジングは処理液体入口および処理液体出口を含み； 該ハウジング内に配置され、かつ該ハウジングの導電性壁か
   ら間隔を空けて配置された放射発生ガス閉鎖容器、該ガス閉鎖容器は該ガス閉鎖
   容器内で発生した紫外線に対して透明である少なくとも一つの壁および誘電性材
   料からなる少なくとも一つの壁を含み； 該ガス閉鎖容器を充填するガス、該ガスは、ＡＣ電圧が該ガ
   ス閉鎖容器に印加された場合、放射発生でき； 該ガス閉鎖容器の誘電材料壁が当該ボリュームの少なくとも
   一つの壁として働くように該ハウジング内に配置された液密ボリューム、該ガス
   閉鎖容器は該ボリュームと該ハウジングとの間に配置され、該ボリュームは冷却
   液体入口および冷却液体出口を含み； 該ボリューム内に配置され、該ハウジングの壁および該ボリ
   ュームの壁に電気的絶縁体手段を通して浸入し、該ガス閉鎖容器から間隔を空け
   て配置された導電性電極； 該ガス閉鎖容器の放射透明壁と該ハウジングとの間のハウジ
   ングを通って流れる処理液体； 該電極と該ガス閉鎖容器との間の該ボリュームを通って流れ
   る冷却液体；および 該ハウジングに、および該電極に付着され、それによってＡ
   Ｃ電圧が該ランプに印加される電気的接続を含む放射発生ランプ。
2. 【請求項２】 該ハウジング、該ガス閉鎖容器および該電極が、各々、円筒
   形状である請求項１記載のランプ。
3. 【請求項３】 該電極が冷却液体入力として働く中空パイプである請求項１
   記載のランプ。
4. 【請求項４】 該ハウジングが電気接地されている請求項１記載のランプ。
5. 【請求項５】 該ガス閉鎖容器の全ての壁が、該ガス閉鎖容器内で発生した
   放射に対して透明である請求項１記載のランプ。
6. 【請求項６】 該冷却液体が該ガス閉鎖容器内で発生した放射に対して透明
   である請求項１記載のランプ。
7. 【請求項７】 該冷却液体入口および該冷却液体出口が電気的に絶縁されて
   いるホースの長さによって冷却液体源に接続され、それらは、該ホースおよびそ
   の内部の液体からの漏れ電流を所定の値に制限するのに充分に長い特徴とする請
   求項１記載のランプ。
8. 【請求項８】 エネルギーが、第２のボリューム中の液体を通して、および
   該ハウジング内の液体を通して、容量的に該ガス閉鎖容器中に連結されているこ
   とを特徴とする請求項１記載のランプ。
9. 【請求項９】 該冷却液体が水道水である請求項１記載のランプ。