JP2009064622A - 紫外線光源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 発光管11の内部に一対の電極13が配置され、両端に縮径部11および封止部12が形成された放電ランプ10と、発光部領域において発光管11の平行に伸びるランプ配置空間Sが形成された冷却ジャケット20と、放電ランプ10をランプ配置空間S内に支持する一対のランプホルダ30とを備え、発光管11の軸がほぼ水平状態で支持されてなる紫外線光源装置であり、発光管11の両端に、縮径部11上部に向かって冷却風を送風する冷却手段と、縮径部下部に冷却風を排出する排出手段とを具備したことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
水冷ジャケット70本体は、ほぼ同軸に配置された外管711と内管712とが具備された二重管型構造をなしており、外管711と内管712の間に冷却用流体としての水が流過する構造となっている。
同図において、冷却水は、外管711の一端側に接続された流入管72を通じて導入され、外管711と内管712との間を(紙面において右下方向に)流過して、他端側に接続された排出管73から排出される。外管711及び内管712は紫外線に対して透過性を有する石英ガラス製であり、冷却水は通常、脱イオン水(純水)である。
(1)一つめは、点灯中のランプを冷却して、発光管を適切な温度に保つことである。
点灯時の放電ランプの発光管は、封入された水銀やその他の金属化合物を蒸発させるために、500℃以上に温めておく必要がある。発光管温度が500℃を下回ると、未蒸発の封入物が現れ、所定の紫外線放射が得られなくなる。一方、発光管温度が900℃を超えて高温になると、発光管を構成する石英ガラスが再結晶して失透を生じ、紫外線出力が低下する。従って、500〜900℃の温度範囲に維持するのが適切と言われている。
(2)二つめは、被処理物に対する熱的影響を小さくすることである。
冷却水は、発光管の輻射熱を冷却して被処理物に対する熱的影響を小さくする。また、ランプから放射される光に含まれる紫外線処理には不要な光、すなわち可視光から赤外にわたる光の成分を吸収して、被処理物が光により加熱されるのを防止する。
(2)発光管の封止部においては、アークから離れているため水冷ジャケットによる冷却効果が得られなくても問題にはならない。しかしながら、発光部に近い部分、すなわち、電極近傍から封止部に至るまでの管が縮径された部分においては、アークとの距離も近いために発光管が加熱されやすく、しかも、縮径した分、水冷ジャケットの内壁とのギャップも大きくなって冷却効果が得られず、温度が高くなってしまう。
そのため、発光管における発光部温度を目標とする温度に維持しようとしても、発光管両端の電極後方において発光管の温度が目標とする温度以上に高温になることがある。更には、発光管の上部においては対流の影響で温度が高くなり、冷却効果が得られないことと相俟って、上部と下部で温度差が大きくなる。
換言すると、発光管の耐性に十分な余力がありながらランプ入力を抑え、光出力を小さくして使用する必要がある。
また、前記冷却手段は、前記発光管縮径部に向かうように前記ランプホルダに形成された送風口と、冷却風供給手段を具備してなることを特徴とする。
また、前記排出手段は、前記ランプホルダの下方に形成された開口からなることを特徴とする。
そして、ランプの投入電力を従来よりも高く設定することができて、紫外線の光出力をいっそう大きくすることができる。
図1は本発明の実施形態を説明するためのランプの管軸に沿って切断した説明用断面図、図2は図1の紫外線光源装置をジャケットホルダ側から見た側面図である。図3は、この紫外線光源装置をジャケットホルダ側から見た斜視図であり、取り付け作業工程を説明する図である。なお、内部に収容される放電ランプは、前図図5と同じ構成であり、図5を参照して説明する。
ジャケットホルダ23A,23Bは、例えばアルミニウムからなり、石英ガラスからなる外管21および内管22の端面と当接して両者の軸方向の位置を規定するベース部231A,231Bと、当該ベース部231A,231Bの内側の端面に突設され、外管と内管の間に配置されることに両者の間隔を規定するリング状の支持部232A,232Bとを具備して構成されている。支持部232A,232Bの壁には、外管側と内管側、両方の面に溝が形成されており、大、小のOリング24A,25A,24B,25Bがそれぞれ嵌合して配置されている。
ジャケットホルダ23A,23Bには、継手が嵌入可能な、冷却水流入または排出用の貫通孔28,29が設けられており、ジャケットホルダ23A,23Bの支持部232A,232Bを挟むように外管21と内管22が配置されると、内管と外管の間にOリングにより液密に保持された冷却水流通空間Hが形成される。
モリブデン箔15A,15Bは、例えば同図(b)のように2枚使用されて封止部12A,12Bに埋設されている。具体的には、石英ガラスからなる柱体19の外周面上にこのモリブデン箔15A,15Bを対称に配置し、発光管用のガラス管を外周から加熱、縮径してモリブデン箔15A,15Bに気密に溶着する。中心に配置される石英ガラス体19は、当然、発光管11内径よりも小さく、このため、発光管11の発光部から封止部12A,12Bに亘っては、管の径が外方に向かって徐々に縮径されている。
封止部12A,12Bの終端部には、同図(a)のようにセラミックス製のベース17が接着剤Mにより装着されて、後述するランプホルダ(30A,30B)に固定され、保持される。
このランプホルダ30A,30Bには、放電ランプ10が取り付けられたときに、発光管11の縮径部11A,11Bの上部Kに対応した個所に、冷却風を吹き込む(導入する)ための通風口32A,32Bが形成されている。
このとき、ランプホルダ30A,30Bは、通風口32A,32Bが上に、切欠き部が下になるよう取り付けられ、特に、通風口28,29は放電ランプ10の縮径部11A,11Bの上側の部分(K)に向かって開口するよう取り付けられる。またこれと同時に、ランプ配置空間Sには管軸Lよりも下方に、比較的大きな開口部33A,33Bが形成される。本発明において、冷却風による冷却が必要なのは、発光管11の両方の縮径部11A,11Bにおける上部Kである。冷却風は、その他の部位に流過させることなく、そのまま排出されるのがよい。よって、冷却風が放電ランプ10の下方から容易に流出されるよう、少なくとも送風口31A,31Bよりも大きな開口部33A,33Bを、形成するのが好ましく、またその部位としては、管軸Lよりも下方とするのがよい。
発光部領域においては、水冷ジャケット20の内壁とのギャップdが所定の範囲、例えば0.5〜1.5mmであり、発光管11の熱は、空気層(ギャップd)、内管22、冷却水の順に遷移する。ランプ点灯中は冷却水が流過して内管22を冷却するため、発光管11の発光部領域が効果的に冷却されるようになる。
発光部以外の領域、すなわち縮径部11A,11B領域においては、前記ギャップが発光部領域よりも格段に大きく、水冷ジャケット20による冷却効果が得られないが、縮径部11A,11Bの上部Kに向かって冷却風が吹き込まれて、当該部分を効果的に冷却し、しかも、冷却風は放電ランプ10の下部に形成された排風用の開口部33A,33Bから速やかに排出されるため、縮径部11A,11Bの上部Kが確実に冷却され、発光管11の温度が過剰に上昇することを回避することができる。
そして更に、従来のものよりもランプへの投入電力をより大きくすることができ、いっそう大きな紫外線出力が得られるようになる。
例えば、水冷ジャケット本体の構造は、上記例では別部材の外管と内管をジャケットホルダを用いて一体化して冷却流体の流路を形成したが、ジャケットホルダを用いず、石英ガラスを溶着することにより前記流路を形成した、全体が石英ガラスからなるものであってもよい。
図1で示した紫外線光源装置を、下記の仕様にて製作し、冷却風を送風せずにランプを点灯した場合と、冷却風を発光管両端の縮径部に向かって流入した場合とで、発光管の温度変化を測定し、本発明の効果を検証した。
<ランプ>
本実験例においては、外径φ30mm、肉厚1.5mm、全長250mmの石英ガラス製の発光管を備えた高圧水銀ランプを用いた。発光管の内部には、発光物質として水銀を封入した。
<水冷ジャケット>
外管の大きさは外径φ50mm、内径φ46mmであり、内管の大きさは外径φ35mm、内径φ32mmであった。いずれも石英ガラス製で、全長は250mmであった。冷却用流体の流路内部には冷却用流体としてのイオン交換水を充填し、水温25℃の水を3〜5リットル/minの流量で流した。
また、この水冷ジャケットにおける内管の内面からランプの発光管までの距離dは0.5mmであった。
続いて、ノズルを発光管の縮径部上部に向けてセットし、冷却風として0.4±0.1MPaの圧力範囲に調整された圧縮エアーを10リットル/minの条件で送風して上記と同様に発光管の温度を測定した。
更に、ランプの入力電力を160W以上に変化させて点灯した。
いずれの場合も、発光管の失透や破損、膨張などが発生しないかどうかを目視により観察した。
図4(b)に発光管の点P,Qにおける温度変化をそれぞれ曲線(ア)、(イ)で示す。なお、同図は、横軸が時間(s)であり、縦軸が温度(℃)である。
(i)冷却を行わない状態でランプに120W/cmの電力を投入した場合、発光部中央の上部の点Pにおける温度は約600℃であった。一方、発光管縮径部上部の点Qの温度は約830℃であり、発光部中央よりも200℃以上も高いことが判明した。点P、Qとも、発光管の温度が適切な温度範囲といわれる500〜900℃の範囲であった。
(ii)続いて、ランプへの投入電力を160W/cmとしたこと以外は、上記(i)と同じ条件でランプを点灯した。発光管の点Pにおける温度は約650〜680℃に上昇したが、水冷ジャケットによる冷却が効果的に行われており、発光管の上限温度といわれる900℃よりも十分温度が低かった。一方、発光管の点Qにおいてはすでに900℃に到達しており、これ以上ランプの投入電力を上げると発光管が失透する可能性があった。
(iii)ランプの投入電力を(ii)と同じ(160W/cm)に維持したまま、発光管両端の縮径部上部に向けて0.4±0.1MPaの圧力範囲に調整された圧縮エアーを10リットル/minの流量で供給した。発光管中央の点Pにおける温度は約680℃であり、発光管の管壁と水冷ジャケットの間のギャップが0.5mm以下では空冷による影響をほとんど受けない。しかしながら、水冷ジャケットによる冷却が効果的に行われていることが分かった。
一方、発光管の点Qの温度は冷却開始後、急速に低下し、約730℃になった。発光管の温度が上限とされる900℃よりも大幅に下がったため、更にランプへの投入電力を大きくすることが可能になった。
(iv)ランプへの投入電力を200W/cmとしたこと以外は、上記(iii)と同じ条件でランプを点灯した。発光管の点Pにおける温度は約730℃に上昇したが、水冷ジャケットによる冷却が効果的に行われており、発光管の上限温度といわれる900℃よりも十分温度が低かった。発光管の点Qの温度もランプ入力を増大すると高くなり、730℃に到達したが、上限とされる900℃よりも大幅に低く、更にランプへの投入電力を大きくすることが可能であった。
(v)ランプへの投入電力を240W/cmとしたこと以外は、上記(iv)と同じ条件でランプを点灯した。光管の点Pにおける温度は約880℃に上昇したが、発光管の上限温度900℃よりも十分低かった。また、発光管の点Qの温度は、860℃に到達したが、上記と同様、900℃よりも低く、問題なくランプを点灯することができた。
10 放電ランプ
11 発光管
11A,11B 縮径部
12A,12B 封止部
13A,13B 電極
14A,14B 内部リード棒
15A,15B モリブデン箔
16A,16B 外部リード棒
17 ベース
18 給電線
19 ガラス製柱体
20 水冷ジャケット
201A,201B 脚部
21 外管
22 内管
23A,23B ジャケットホルダ
231A,231B ベース部
232A,232B 支持部
24A,24B Oリング(大)
25A,25B Oリング(小)
26 導入(給水)口
27 冷却水排出口
28,29 貫通孔
30A,30B ランプホルダ
301A,301B 開口
31A,31B 送風口
32A,32B 通風口
33A,33B 開口部
L ランプ管軸
S ランプ配置空間
K 縮径部上部
M 接着剤
H 冷却水流通空間
Claims (3)
- 略棒状の発光管の内部に一対の電極が配置され、該発光管の両端に縮径部および封止部が形成された放電ランプと、
前記放電ランプの発光部領域において、発光管と平行に伸びるランプ配置空間が形成された冷却ジャケットと、
前記放電ランプを前記ランプ配置空間内に支持する一対のランプホルダとを備え、
前記発光管の軸がほぼ水平の状態で支持されてなる紫外線光源装置であり、
前記発光管の両端に、縮径部上部に向かって冷却風を送風する冷却手段と、縮径部下部に冷却風を排出する排出手段とを具備した
ことを特徴とする紫外線光源装置。 - 前記冷却手段は、前記発光管縮径部に向かうように前記ランプホルダに形成された送風口と、冷却風供給手段とを具備してなる
ことを特徴とする請求項1に紫外線光源装置。 - 前記排出手段は、ランプホルダの下方に形成された開口からなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の紫外線光源装置。
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