JP2005056845A - 紫外線放射器 - Google Patents

Abstract

【課題】管状の放電容器および回転対称でない放射特性を有する紫外線放射器を提供する。【解決手段】本発明による紫外線放射器（１）は、片側誘電体バリア放電を発生するように設計されかつ両側を気密に封鎖されたほぼ管状の放電容器（２）と、放電容器の長手軸線に平行に向けられたそれぞれ少なくとも１つの縦長の内部電極（６）および外部電極（８ａ，８ｂ）とを有する。放電容器（２）の管状部分（５）を想像上の縦断面によって２つの同じ管半部に分割することを想定した場合に、少なくとも１つの内部電極（６）はホルダ（７）により仮想の第１の管半部の内側に配置されている。少なくとも１つの外部電極（８ａ，８ｂ）は仮想の第２の管半部の外側に配置され、かつちょうど１つの内部電極および１つの外部電極の場合には管状の放電容器（２）の互いに直径上に配置されている。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、片側誘電体バリア放電を発生するように設計されかつ両側を気密に封鎖されたほぼ管状の放電容器を有する紫外線放射器に関する。

用語「紫外線（ＵＶ＝Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｔ）放射器」は、ここでは、点灯時に可視のスペクトル範囲における波長（約３８０〜７７０ｎｍ）よりも短い波長を有する電磁放射、すなわち約３８０ｎｍ以下の波長を有する放射を放出する放射器である。紫外線放射には、特に、真空紫外線（ＶＵＶ＝Ｖａｋｕｕｍｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｔ）放射と呼ばれる約２００ｎｍよりも短い波長を有する放射も含まれている。従って、紫外線放射器は例えば一般照明のような照明目的には適していない。紫外線放射器は、特に表面洗浄および表面活性化、光分解、オゾン発生、飲料水浄化、金属コーティング、紫外線治療などのためのプロセス技術に使用される。

本発明は、特に、大出力の紫外線放射器、例えば典型的には数１０ｃｍ〜約２ｍの長さまたはそれ以上の長さを有する長い放射器にも関する。

誘電体バリア放電に基づく紫外線放射器は、とりわけ公知のパルス点灯方法（特許文献１参照）に従って点灯されるならば、特に効率がよいことが分かっている。

用語「誘電体バリア放電」は定義に従って少なくとも１つのいわゆる誘電体バリア電極を前提とする。誘電体バリア電極は、電極が例えば典型的にはガラスまたは他の誘電体からなる放電容器壁の外側に配置されていることによって、放電容器の内部つまり放電媒体に対して誘電体により分離されている。この種の電極は以下において縮めて「外部電極」とも呼ばれる。

本発明は、少なくとも１つの上述の如き外側電極を有する紫外線放射器に関する。更に、この紫外線放射器は、両側を封鎖され放電媒体を包囲する管状の放電容器を有する。放電媒体としては、一般には希ガスからなる電離可能な封入物が使用される。この希ガスは、例えばキセノン、またはネオンの如き付加的な緩衝ガスもしくは例えば塩素、フッ素などのようなハロゲン添加物を有する混合物である。放電容器内には、以下において縮めて「内部電極」とも呼ぶ少なくとも１つの電極が配置されている。この内部電極はバリア電極ではなく、すなわち放電媒体と直接に接触している。従って、本発明は、片側誘電体バリア放電に基づく紫外線放射器を対象とする。

点灯時に内部電極と外部電極との間に高電圧が印加され、それによって放電容器の内部にガス放電が発生する。高い放射効率ゆえに、既に挙げた特許文献１に記載されたパルス点灯方法が適用され、特に単極性電圧パルスが用いられる。接触保護の理由から、外部電極は大地に対して零電位に接続されている（「アースされている」）。内部電極は負の電圧パルスを供給される。つまり、内部電極は各電圧パルスの間陰極として動作する。これについての更なる詳細は特許文献１に開示されている。ガス放電期間中、放電媒体内にいわゆるエキシマが形成される。エキシマは励起された分子、例えばＸｅ_２ ^＊，ＸｅＣｌ^＊であり、これらは一般に結合されていないか又は弱く結合されている基底状態への復帰時に電磁放射を放出する。Ｘｅ_２ ^＊もしくはＸｅＣｌ^＊の場合、分子帯放射の最大はそれぞれ約１７２ｎｍ、３０８ｎｍのところにある。

放電容器の内側において中心軸線方向にコイル状の電極が配置され、放電容器の外側において周囲に均一に分布させられ管軸線に平行に延びる複数の帯状電極が存在する管状の放電容器を有する紫外線放射器は公知である（特許文献２参照）。これによって、放射器は、全周囲に亘ってほぼ一様に、すなわち回転対称に、つまり指向性なしに放射する。平らな面を効率よく照射するためには、照射すべき面に一様にできるだけ多くの放射を向ける付加的な反射体の使用が必要である。２０ｃｍ以上の長さを有する放射器も製造できるようにするために、中心の内部電極に対して、例えば軸線方向の支持管の如きホルダが設けられている。とりわけ、約１ｍ以上の非常に長い放射器の場合、支持管の破損の危険が増大することにより、もちろん製造がますます困難になる。他方では、内部電極のたわみは避けなければならない。なぜならば、これは放射器全体に沿って放射発生の一様性に悪影響を及ぼすからである。
米国特許第５６０４４１０号明細書 国際特許出願公開第０１／３５４４２号パンフレット

本発明の課題は、管状の放電容器および回転対称でない放射特性を有する紫外線放射器を提供することにある。他の観点で言うならば、大出力の放射器、すなわち長い放射器の製造を可能にし、かつ高い放射効率を達成することにある。

この課題は、本発明によれば、片側誘電体バリア放電を発生するように設計されかつ両側を気密に封鎖されたほぼ管状の放電容器と、放電容器の長手軸線に平行に向けられたそれぞれ少なくとも１つの縦長の内部電極および外部電極とを備えた紫外線放射器において、放電容器の管状部分の仮想の第１の管半部の内側に少なくとも１つの内部電極が配置され、仮想の第１の管半部とは反対側にある仮想の第２の管半部の外側に少なくとも１つの外部電極が配置され、仮想の第１の管半部と仮想の第２の管半部とは管状の放電容器の長手軸線を含む仮想の放電容器切断平面によって規定されていることを特徴とする紫外線放射器によって解決される。

特別に有利な構成は従属請求項に記載されている。

言い換えると、放電容器の管状部分を想像上の縦断面によって２つの等しい半部に分割することを仮想的に想像するとよい。少なくとも１つの内部電極は仮想の第１の管半部の内側に配置されている。少なくとも１つの外部電極は仮想の第２の管半部の外側に配置されている。確かに少なくとも、１つの内部電極および１つの外部電極の場合、内部電極および外部電極は管状の放電容器のほぼ直径上にある。たとえ以下の考察において明確に言及されていなくても、放電容器を２つの管半部へ分割することは現実の行為ではなく全くの想像上の行為であり、内部電極および外部電極の配置を正確に説明するために利用されているだけであることを常に念頭に入れておくべきである。

内部電極および外部電極を管状の放電容器のほぼ直径上に配置することは、一方では、既に冒頭に挙げた特許文献１が教えるとおり放電容器直径に対して相対的に大きい放電空間距離に基づく高い放射効率を有し、他方では、ほぼ回転対称の放射特性から離れて寧ろ指向性の放射特性になる可能性を与える。

このために、最も簡単な場合、管状の放電容器の第２の管半部の外側に帯状または面状の外部電極が内部電極に対して直径上に正反対に配置されている。面状の外部電極の場合、管状の放電容器の周囲方向に見た外部電極の空間的広がりが、放電容器の仮想の第２の管半部における相応の空間的広がりのほぼ全体に亘って延びている。この場合、面状の外部電極は、例えばコーティングによって実現可能であり、あるいは放電容器の第２の管半部の外側があたかも埋め込まれているように成形された金属部品によっても実現可能である。外部電極の面状の構成は、同時に紫外線放射に対する反射器としての働きをすることができ、それによって指向性の放射がなお一層改善されるという利点を有する。このためには、外部電極用として、紫外線放射にとって十分な反射特性を有する材料、例えばアルミニウムが選ばれなければならない。

面状の外部電極の代わりに、２つ以上の、例えば２つ、３つまたはそれよりも多い帯状の外部電極を使用することもできる。それにより、大きな電極面積ゆえに望ましくない大きな容量性負荷を我慢しなければならないことなしに、放射特性を面状の外部電極に近づけることができる。この場合、電極は確かに放電容器の周囲全体に関して非対称に配置されているが、しかし仮想の管半部を切断する平面であってしかも放電容器の横断面で見ると仮想の管半部に対応する半円の中心垂直線として現われる平面に関して対称に配置されていると好ましい。更に、例えば２つの帯状の外部電極による放射効率は、例えば片側に対称に配置する形では、面状の外部電極によるよりも高いことが分かった。更に、１つのみの帯状の外部電極によるよりも相応に高い放射出力が得られる。

上記の最後の理由から、２つ以上の内部電極を使用することも有利であり、これらの内部電極は同様に、仮想の管半部を切断する平面であってしかも放電容器の横断面で見ると仮想の管半部に対応する半円の中心垂直線として現われる平面に関して対称に配置するとよい。内部電極に属する管半部を放射面として利用しようとする場合、すなわち他方の管半部の大部分またはそれどころか全部が１つまたは複数の外部電極で覆われている場合、内部電極は、最も近くに置かれている外部電極に対してなおも十分な距離が残されているかぎりにのみ、想像上の切断平面に対して比較的近くに配置されていると好ましい。このようにして、電極のないできるだけ大きな放射面が得られる。もちろん、好ましい放射面として外部電極に属する他方の管半部も十分に考慮することができる。どちらの側が有利かは、個々の具体的なケースにおいて全電極の具体的な配置に依存する。

外部電極の場合と違って、内部電極については帯状の電極は考慮されない。なぜならば、帯状の電極は典型的には銀製導電条または類似のものからなるからである。つまり、内部電極は効率上の理由から付加的な誘電体膜で覆われず、それにより放電媒体とは分離されていないために（片側誘電体バリア放電）、ランプ点灯中にこの種の電極条の僅かな溶剤残留物および類似の揮発性成分がガス化し、それによって放電媒体中に達して、放射発生を容認できないほど悪化させるからである。内部電極については、この種の電極条ではなく、できるだけ純粋な金属線またはそれと同等のものが使用される。

長い放射器の場合、放電容器における第１の管半部の内側に少なくとも１つの内部電極を固定することが一般に必要である。このためには第１の管半部の内側に固定されたホルダを使用すると好ましい。ホルダは、例えば放射器の長さに応じて１つまたは複数の細い管片、半管片またはリングからなり、これにまたはこれらに内部電極が通される。それによって、例えば約１ｍ以上の長さを有する非常に長い放射器の場合にも、著しく垂れ下がることなしに、内部電極は上述の放電容器内側に十分な支えを得る。内部電極は棒状として形成され、例えば特に簡単に孔付きホルダに通される。この代替として、内部電極はコイルとして形成してもよい。これは場合によってはホルダに通すのに若干労力を要する。もちろん、これは、パルス点灯時に生じる多数の部分放電が、コイルと普通は帯状の外部電極との間において正確に定められた優先部位で、従って非常に一様に分布させられて形成されるという利点を提供する。これについてのこれ以上の詳細は米国特許第６０６０８２８号明細書、特に図５ａ〜５ｃに付属した説明を参照されたい。いずれにせよ、少なくとも１つの内部電極は金属、特にタングステンまたはモリブデンからなる。この場合に、他の金属、例えば白金を被覆されている金属線も考慮してよい。この変形例は特にハロゲンを含む放電媒体または他の腐食性の放電媒体に対して好適である。コイルは必ずしも回転対称であることすなわち３次元であることを必要としない。寧ろコイルは例えば正弦曲線のように平らであってもよい。平らな変形例はその上更に放射特性の指向性を高める。いずれにせよ、内部電極は放電容器内に組み込む前に非常にクリーンであることが重要である。なぜならば、汚染は紫外線放射器の効率を阻害するからである。

ホルダは耐熱性の誘電体材料、特にガラス、石英ガラスまたはセラミックスからなる。ホルダは放電容器壁と同じ材料からなると好ましい。なぜならば、この場合にはホルダが放電容器との簡単な融着によって内側に固定されるからである。代替としてホルダはガラスろうによって固定されてもよいが、しかしこれは放電容器の封鎖前に追い出すべきガラスろうペーストの溶剤のために、放電媒体の汚染に関して問題となり得る。

以下において本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図１ａは１つの棒状内部電極と２つの帯状外部電極とを有する本発明による紫外線放射器の側面図、
図１ｂは図１ａの線ＡＢに沿った紫外線放射器の横断面図、
図１ｃは図１ｂに示された横断面図の範囲Ｃの部分拡大図、
図２は３つの帯状外部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに対応した横断面図、
図３は４つの帯状外部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに対応した横断面図、
図４は５つの帯状外部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに対応した横断面図、
図５は１つの平面状外部電極と１つの棒状内部電極とを有する本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに対応した横断面図、
図６は変形された内部電極用管状ホルダを有する本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに示された横断面図に対応した範囲Ｃの部分拡大図、
図７は内部電極用半管状ホルダを有する本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに示された横断面図に対応した範囲Ｃの部分拡大図を示す。

以下において、図１ａ〜１ｃに概略的に示された紫外線放射器１の側面図、線ＡＢに沿った横断面図および範囲Ｃの詳細拡大図を参照する。紫外線放射器１は石英ガラスからなるほぼ管状の放電容器２を有し、これの一端は溶着されたポンプチップ３ａを含むドーム状のキャップ３に形成され、他端はピンチシール部４により気密に封鎖されている。放電容器２は１５０ｍｂａｒの圧力でキセノンを封入されている。放電容器２の管状部分５は約６８ｃｍの長さを有し、約５０Ｗの電力入力用として設計された紫外線放射器１の主要部分をなしている。放電容器２の全長は約７２ｃｍである。管状部分５の内径および外径はそれぞれ２８ｍｍおよび３０ｍｍである。図１ｂにおいて、管状部分５は放電容器２の長手軸線Ｌを含む仮想の切断平面Ｓによって２つの仮想の管半部５ａ，５ｂに分割されている。仮想の第１の管半部５ａの内側には１ｍｍの太さのモリブデン線からなる内部電極６が配置され、モリブデン線は管半部５ａの全長に亘って放電容器２の長手軸線Ｌに平行に延びている。ホルダとして役立つ８ｍｍの長さの３つの石英管片７（図１ｃ参照）により、棒状の内部電極６は上述の仮想の切断平面Ｓに対する距離が最大になるように、第１の管半部５ａの内側に固定されている。石英管片７は容器壁に直接的に融着されている。石英管片７の内径は内部電極６の直径よりも僅かだけ大きいので、第１の管半部５ａの内側に固定された石英管片７に内部電極６をなおも通すことができるが、しかしそれにもかかわらず内部電極６は確実に固定される。内部電極６はピンチシール部４を通して気密に外側に向けて案内されている。仮想の第２の管半部５ｂの外側には、それぞれ銀ろうからなる２ｍｍ幅の２つの帯状外部電極８ａ，８ｂが放電容器２の長手軸線Ｌに対して平行に被着されている。外部電極８ａ，８ｂの相互の最小間隔は２７ｍｍである。両外部電極８ａ，８ｂは、両者がこの平面Ｓに対して等距離を有するように仮想の切断平面Ｓに垂直でありかつ放電容器２の長手軸線Ｌを通る平面に対して対称的に配置されている。パルス点灯中には、多数の部分放電からなる２つの放電平面が形成され（図示されていない）、つまり内部電極と両外部電極のそれぞれとの間にそれぞれ１つの放電平面が形成される。部分放電に対するこれ以上の詳細については先に引用した特許文献１を参照されたい。

もちろん、本発明は、図１に示されているよりも長い放射器を作ることも問題なく可能にする。この長い放射器ではそれ相応に３つよりも多い保持点が設けられるべきである（図示されていない）。

図示されていない変形例において、内部電極は棒状の線からなるのではなく、寧ろコイル線からなる。このために先ず、例えば短い管片またはリングのようなホルダ部品が容器壁に接合され、その後コイル線がホルダ部品に通される。

図２乃至図５は本発明による紫外線放射器の変形例を示し、これらはそれぞれの電極構成が異なっている。この場合に同じ部品は同じ参照符号を備えている。

図２は、３つの帯状外部電極９ａ〜９ｃを有する本発明による紫外線放射器の変形例についての図１ｂに対応した横断面を示す。内部電極６と中央の外部電極９ｂとの間の長い空間距離により、（図示されていない）中央の放電平面は、他の両放電平面、すなわち内部電極６と両「外側の」外部電極９ａもしくは９ｃとの間にある放電平面に対する場合よりも高い電力入力で形成される。

図３は、４つの帯状外部電極１０ａ〜１０ｄを有する変形例の横断面を示す。

図４は、５つの帯状外部電極１１ａ〜１１ｅと２つの棒状内部電極１２ａ，１２ｂとを有する本発明による紫外線放射器の変形例についての図１ｂに対応した横断面を示す。両内部電極１２ａ，１２ｂは供給電圧の第１の極性用として設けられ、全ての外部電極１１ａ〜１１ｅは供給電圧の第２の極性用として設けられている。両内部電極１２ａ，１２ｂのそれぞれは、それぞれ１つの半管片１３ａ，１３ｂで所属の管半部５ａの内側に固定されている。入力電力の増大と共に、先ず１つの内部電極１２ａ，１２ｂと直ぐ隣の外部電極１１ａ，１１ｅとの間でそれぞれ１つの放電平面が形成され、その後に内部電極１２ａ，１２ｂと次の外部電極１１ｂ，１１ｄとの間でそれぞれ１つの別の放電平面が形成され、最後に十分に高い電力入力が行なわれて全ての放電平面が形成される。両内部電極１２ａ，１２ｂはそれらの間に電極のない比較的大きな放射面があるように配置されている。

図５は、１つの面状外部電極１４と１つのホルダ７付き棒状内部電極６とを有する本発明による紫外線放射器の変形例についての図１ｂに対応した横断面を示す。外部電極１４は所属の管半部５ｂの外側全体を覆うアルミニウム膜からなる。点灯時には内部電極６と面状の外部電極１４の全面との間に比較的拡散性の放電が形成される。

図６は、本発明による紫外線放射器の変形例の図１ｂに示された範囲Ｃに対応した詳細拡大図を示す。ここでは内部電極６のホルダは全部で３つの管片１５からなり（本横断面では１つしか見えない）、管片１５の内径は線状内部電極６の直径よりも明らかに大きい。それによって内部電極６は管半部５ａの内側に予め取り付けられた管片１５に簡単に通される。更に、その大きな内径は、ホルダ範囲において寄生の沿面放電が形成されないか、形成されたとしてもほんの僅かであるという利点を有する。

図７は、図６に対して唯一の相違を有する他の変形例を示す。この相違は内部電極６のためのホルダが半管片１６として形成されている点である。

１つの棒状の内部電極と２つの帯状の外部電極とを有する本発明による紫外線放射器の側面図 １つの棒状の内部電極と２つの帯状の外部電極とを有する本発明による紫外線放射器の横断面図 １つの棒状の内部電極と２つの帯状の外部電極とを有する本発明による紫外線放射器の部分拡大図 ３つの帯状外部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の横断面図 ４つの帯状外部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の横断面図 ５つの帯状外部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の横断面図 １つの面状の外部電極と１つの棒状内部電極を有する本発明による紫外線放射器の変形例の横断面図 変形された内部電極用管状ホルダを有する本発明による紫外線放射器の変形例の横断面部分拡大図 内部電極用半管状ホルダを有する本発明による紫外線放射器の変形例の横断面部分拡大図

符号の説明

１ 紫外線放射器
２ 放電容器
３ ドーム状キャップ
３ａ ポンプチップ
４ ピンチシール部
５ 管状部分
５ａ，５ｂ 管半部
６ 内部電極
７ 石英管片
８ａ，８ｂ 外部電極
９ａ〜９ｃ 外部電極
１０ａ〜１０ｄ 外部電極
１１ａ〜１１ｅ 外部電極
１２ａ，１２ｂ 内部電極
１３ａ，１３ｂ 半管片
１４ 外部電極
１５ 管片
Ｓ 仮想の切断平面

Claims (11)

1. 片側誘電体バリア放電を発生するように設計されかつ両側を気密に封鎖されたほぼ管状の放電容器と、放電容器の長手軸線に平行に向けられたそれぞれ少なくとも１つの縦長の内部電極および外部電極とを備えた紫外線放射器において、
   放電容器の管状部分の仮想の第１の管半部の内側には少なくとも１つの内部電極が配置され、第１の管半部とは反対側にある仮想の第２の管半部の外側には少なくとも１つの外部電極が配置され、仮想の第１の管半部と仮想の第２の管半部とは管状の放電容器の長手軸線を含む仮想の放電容器切断平面によって規定されていることを特徴とする紫外線放射器。
2. ちょうど１つの内部電極と１つの外部電極とが管状の放電容器の互いに直径上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の紫外線放射器。
3. 内部電極および外部電極は、それぞれの仮想の管半部を切断する平面であってしかも横断面で見ると仮想の管半部に対応する半円の中心垂直線として現われる平面に関して、それぞれ対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の紫外線放射器。
4. 少なくとも１つの内部電極は金属の棒からなることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の紫外線放射器。
5. 少なくとも１つの内部電極は金属のコイルからなることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の紫外線放射器。
6. 少なくとも１つの内部電極は少なくとも１つのホルダを用いて仮想の第１の管半部の内側に固定されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の紫外線放射器。
7. 少なくとも１つのホルダは管片、半管片またはリングであることを特徴とする請求項６記載の紫外線放射器。
8. ホルダおよび放電容器壁は同じ材料からなることを特徴とする請求項６又は７記載の紫外線放射器。
9. 少なくとも１つの外部電極は帯状であることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の紫外線放射器。
10. 少なくとも１つの外部電極は面状であることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の紫外線放射器。
11. 管状の放電容器の周囲方向に見た外部電極の空間的広がりは、仮想の第２の管半部における相応の空間的広がりのほぼ全体に亘って延びていることを特徴とする請求項１０記載の紫外線放射器。

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