JP2009211870A - 紫外線照射用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】チップを発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状の放電ランプを水冷ジャケット内に配置する紫外線照射用光源において、発光管のチップが形成されている部分の方向とその部分の失透との関係についての知見を得るとともに、発光管のチップが形成されている部分に失透を生じることのない紫外線照射用光源を提供すること
【解決手段】放電ランプは、発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるようにして冷却ジャケット内に配置する。なお、発光管のチップが形成されている部分は、該ランプの中心から鉛直方向を０°として±４５°の範囲内であることが望ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内部に冷却用流体が流過することにより放電ランプを冷却する冷却ジャケットを備えた紫外線照射用光源に関する。

紫外線を含む光を放射するランプを用いて、保護膜、接着剤、塗料、インキ、レジスト、樹脂、配向膜等の硬化、乾燥、溶融、軟化、改質等の処理を行うことが、各分野で広く行われている。これらの用途に使用される紫外線を放射するランプは、具体的には、高い光出力が得られる、高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどのロングアークタイプ（棒状）の放電ランプであり、棒状の発光管（以下封体ともいう）の内部には一対の電極が対向配置されると共に、例えば水銀やそのほかの金属などが必要に応じて封入されている。

上記放電ランプでは、被処理物に対して高い出力で光を照射することが要求されており、ランプへの入力電力を上げるため、内管と外管とからなる概略円筒状の紫外線透過性を有する２重管型の冷却ジャケットの内部に放電ランプを収容した紫外線照射用光源として使用している（例えば特許文献１、特許文献２参照）。この紫外線照射用光源は、冷却ジャケットによる冷却をしないで使用すると、発光管の温度は１０００℃以上に達し発光管が過熱して失透するため、ランプ入力を小さくしなければならない。しかしながら、冷却ジャケットを使用することで、冷却しないランプ或いは空冷のみで点灯するよりも、発光管の温度を低くすることができ、大きな電力を投入できるようになり、高い紫外線出力を実現することができる。

図３（ａ）は、従来技術に係る２重管型の冷却ジャケットを備えた紫外線照射用光源の概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す紫外線照射用光源のＡ−Ａ断面図である。なお、以下の説明においては、冷却ジャケットが水冷式であるため、簡単に水冷ジャケットと称す。
これらの図に示すように、棒状のランプ１００に２重管型の水冷ジャケット１０１が取り付けられている。水冷ジャケット１０１は、円筒状の内管１０２と外管１０３とから構成され、冷却水入口１０８から内管１０２と外管１０３との間に冷却媒体、例えば、冷却水が流れ、冷却水出口１０９から排出されるように構成されている。上記したように、ランプ１００は、紫外線を効率良く放射する棒状の高圧水銀ランプやメタルハライドランプが用いられ、ランプ内部の両端に一対の放電電極１０５、１０６を備え、電極１０５、１０６両端に電力供給用のリード線１０７を介して電力が供給されている。

ランプ１００は内管１０２内に挿入され、ランプ１００と内管１０２との間には予め設定された、例えば、０．５ｍｍから１ｍｍ程度の空気層１０８が設けられている。ランプ点灯時、内管１０２と外管１０３との水冷層１０４に冷却水が流れ、ランプ１００からの光は、この水冷層１０４を介して不図示の被処理物に照射される。

このような紫外線照射用光源において、水冷ジャケット１０１には、大きく２つの働きがある。
１つは、点灯中のランプ１００を冷却し適切な温度に保つことである。点灯時のランプ１００の発光管の温度は、発光管内の水銀や金属を蒸発させるため４５０℃〜９００℃が適切と言われている。４５０℃以下になると、ランプ１００に封入された水銀等の金属が蒸発しなくなり不点灯を生じる。また、９００℃以上になると、発光管を構成する石英が失透する。
ランプ１００の熱は、ランプ１００と内管１０２との間の空気層１０８を介して水冷ジャケット１０１に伝わり、水冷ジャケット１０１の内管１０２と外管１０３との間に流れる冷却水により冷却される。

このように、水冷ジャケット１０１内を流れる冷却水はランプ１００の過熱を防ぐが、空気層１０８を介して間接的に冷却されるため、発光管の温度を、ランプ内部の金属が蒸発しなくなるような低い温度にまで下げることはなく、水冷ジャケット１０１を流れる冷却水は、ランプ１００の発光管を適切な温度に保つように働く。

もう１つの働きは、ランプ１００から被処理物への熱の影響を小さくすることである。
まず、水冷層１０４は、上記した４５０℃〜９００℃の発光管からの輻射熱を吸収する。また、ランプ１００から放射される光の中に含まれる、紫外線処理に不要な可視から赤外にかけての光の成分を吸収する。この働きにより、被処理物への加熱を小さく抑えることができる。
内管１０２と外管１０３の間隔、即ち、水冷層１０４の厚さは、厚いほど被処理物への加熱の影響を小さくすることができるが、厚過ぎると処理に必要な紫外線が透過する率も減るので、これらを考え合わせて適宜設定されている。

上記したように、ランプ１００として、出力が大きく処理時間を短くできる棒状の高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等が使用されるが、これらのランプの発光管（封体）には、通常、チップと呼ばれる、ランプの製造工程において使用されるガス排気管（具体的には、発光管内部に必要なガスを導入するとともに、内部を所定の圧力に調整するための管）の残留部が、ランプの発光管の外表面から１ｍｍほど突出する形で存在する。

しかし、このようなチップが発光管の外表面から突出していると、ランプを水冷ジャケット内に配置する際、ランプと水冷ジャケットの内管との間隔が制限される。即ち、チップが発光管から突出している高さ以下にランプを水冷ジャケットの内壁に接近させることができないため、高い入力で点灯させるランプを十分に冷却することができないことがある。
そのため、特許文献３においては、冷却ジャケット内に収納するランプについて、チップを発光管内に押し込み、発光管の外表面から突出しないように構成することが記載されている。

図４に、冷却ジャケット内に収納した、チップを発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状の放電ランプの、チップが形成されている部分の拡大図を示す。なお、同図は、棒状の放電ランプの長手方向に沿って切断した断面図である。

図４を用いてチップを発光管内に押し込む手順を示す。
チップＴは、ランプの発光管（封体）１１０内部への必要なガスの導入と内部の圧力調整のための排気の後、封をして切断される。この段階では、チップＴは発光管の外表面から突出している。
そのため、これに続いて、チップＴの周辺部Ｂを加熱して柔らかくし、チップＴを、その外表面が発光管から突出しないところまで発光管１１０の内側に向けて押し込む。
そのため、実際には、図４に示すとおり、チップの周辺部Ｂ（点線で囲んだ部分）は、チップＴを押し込んだ分だけ発光管１１０内に沈み込み、したがって発光管１１０の外表面よりも１ｍｍほど内側になる。
特開昭６１−１５８４５３号公報 特開昭５６−１５５７６５号公報 実開昭６０−１１２７０号公報

このようなチップを発光管内に押し込んで発光管の外表面から突出しないようにしたランプを水冷ジャケット内に挿入して点灯したところ、発光管のチップが形成されている部分の方向により、チップの形成されている部分に失透が生じることが分かった。
従来、放電ランプを水冷ジャケット内に配置する紫外線照射用光源において、発光管のチップが形成されている部分の方向とその部分の失透との関係については知られていない。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであって、本発明の目的は、チップを発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状の放電ランプを水冷ジャケット内に配置する紫外線照射用光源において、発光管のチップが形成されている部分の方向とその部分の失透との関係についての知見を得るとともに、発光管のチップが形成されている部分に失透を生じることのない紫外線照射用光源を提供することである。

上記課題解決するため、本発明においては、放電ランプは、発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるようにして冷却ジャケット内に配置する。
上記「重力方向下方」の範囲としては、発光管のチップが形成されている部分が、該ランプの中心から鉛直方向下方を０°として±４５°の範囲であることが望ましい。

上記背景技術において述べたとおり、チップ、発光管の外表面から突出しないように押し込むと、チップの周辺部は、それにつられて沈み込み、発光管の外表面よりも１ｍｍほど内側になる。
したがって、このようなランプを冷却ジャケット内に配置すると、ランプのチップの周辺部（図４におけるＢ部）は、発光管の外表面よりも、冷却ジャケットの内管から遠くなる。そのため、ランプ点灯時、チップの周辺部の温度は、発光管の外表面の温度よりも高くなる。

発明者は、鋭意検討の結果、特に、ランプ点灯時に放電電極間に生じるアークは、発光管内の対流によって重力方向上方に持ち上がるので、発光管の温度は上側が高くなりやすく、冷却ジャケットとの間隔がわずかでも広くなると、温度が急激に上昇することを見出した。例えば、発光管の上側の温度は、発光管の外表面が冷却ジャケットから１ｍｍ遠くなるだけで、約３００℃上昇する。

上記したように、ランプ点灯中の発光管の温度は４５０℃〜９００℃が適切であり、その温度範囲になるように、ランプの発光管と水冷ジャケットの内管との間隔が設定される。このとき、ランプを、発光管のチップの形成されている部分を重力方向に対し上方になるようにして配置すると、上記のように、チップの周辺部は発光管の外表面に対して約１ｍｍへこんでいるので、例えば発光管の温度が約７００℃であっても、チップ周辺部の発光管内部に沈み込んだ部分の温度は約１０００℃となり、適切な温度範囲を超えるので失透の原因となる。

これに対して発光管の下側は反対にアークから遠くなる。そのため、発光管の下側の温度は上側に比べて低くなり、発光管が冷却ジャケットの内管からの距離が１ｍｍ遠くなっても、温度は５０°程度しか上昇しない。
したがって、発光管のチップの形成されている部分を重力方向下方にしてランプを冷却ジャケット内に配置すれば、発光管の温度が７００℃であれば、チップ周辺部の発光管内部に沈み込んだ部分の温度は、高くなったとしても７５０℃であり、ランプの発光管の温度は適切な温度範囲に維持される。

本発明においては、チップを発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状の放電ランプを、冷却ジャケット内に、発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるように配置したので、ランプの失透を防ぐことができた。

図１に、冷却ジャケット内に配置した棒状の放電ランプにおいて、発光管のチップの形成されている部分の位置と、ランプ点灯時のチップ周辺部（図４におけるＢ部）の温度の関係を示す。
同図の横軸はランプの点灯時間（秒）であり、縦軸は温度（℃）である。チップ周辺部の温度を、チップの位置がランプの中心から鉛直方向下方を０°とし、０°、３０°、４５°、９０°、１８０°の５種類について、ランプの入力電力が１２０Ｗ／ｃｍ（待機状態の電力）である場合と２００Ｗ／ｃｍ（定格）である場合について測定した。なお、ランプ発光管外表面（チップが形成されている部分以外の個所）と冷却ジャケットの内壁との間隔は０．５ｍｍである。

同図に示されるとおり、チップの位置が１８０°、即ち発光管のチップの形成されている部分が重力方向上方になるようにランプを配置した場合、入力が１２０Ｗ／ｃｍ、２００Ｗ／ｃｍのいずれの場合においても、チップ周辺部の温度が、ランプ点灯時の発光管の適切な温度範囲の上限である９００℃を超えた。
また、チップの位置が９０°、即ち発光管のチップの形成されている部分が横方向になるようにランプを配置した場合、入力が１２０Ｗ／ｃｍの場合は適切な温度範囲にあるが、２００Ｗ／ｃｍの場合は９００℃を超えた。

これに対し、チップの位置が４５°の場合、即ち発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるようにランプを配置した場合、入力が１２０Ｗ／ｃｍの場合だけでなく２００Ｗ／ｃｍの場合においても９００℃を超えることがなく、チップ周辺部の温度は４５０°〜９００℃の適切な温度範囲に入った。
同様に発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方である、０°や３０°の場合においても、１２０Ｗ／ｃｍ、２００Ｗ／ｃｍのいずれの入力いずれにおいても、チップ周辺部の温度は４５０°〜９００℃の適切な温度範囲に入った。

したがって、ランプは、冷却ジャケット内に、発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるように配置することにより失透を防ぐことができ、また、そのチップが形成されている位置の方向は、ランプの中心から鉛直方向下方を０°として±４５°の範囲になるように配置することが望ましいと考えられる。

図２は、冷却ジャケット内に、発光管に形成されているチップを発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状のランプを、発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるように配置した、本発明の紫外線照射用光源を示す図である。なお同図は、棒状ランプの長手方向に沿って切断した断面図である。
冷却（水冷）ジャケット２０は、紫外線を透過する石英ガラスからなる外管２１および内管２２と、その両端に配置される一対のジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂと、ジャケットホルダ内において冷却用流体Ｈ（例えば冷却水）を液密に維持するためＯリング２４Ａ，２５Ａ，２４Ｂ，２５Ｂとを具備して構成されている。

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とともに、冷却用流体Ｈが流れる外管２１と内管２２の間隔も規定する。
なお、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂには、冷却用流体Ｈの導入口２６と排出口２７が設けられている。
また、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂには、脚部材２０１Ａ，２０１Ｂが取り付けられ、脚部材２０１Ａ，２０１Ｂにより、水冷ジャケット２０は、紫外線照射装置のベースプレートやフレームに固定される。

棒状の放電ランプ（以下ランプとも言う）１００は、例えば高出力の高圧水銀ランプやメタルハライドランプである。石英ガラスからなる棒状の発光管（封体ともいう）１１の内部に、例えば、タングステンよりなる一対の電極１２Ａ，１２Ｂが対向配置されており、放電ガスとしてのアルゴンガス及び発光物質としての水銀が封入されている。なお、メタルハライドランプの場合、水銀のほかに金属化合物を適量封入する。
発光管１１は、例えば全長が３２０ｍｍであり、発光部の長さ（すなわち、電極間の距離）は２００ｍｍである。なお、本実施形態に係る放電ランプ１００では、チップＴ部分以外の発光部の領域においては、発光管１１の径は変位することなく直管状に形成されたものである。

ランプ１００の両端にはセラミックス製のベース１３が装着されている。ベース１３からは、電極１２Ａ，１２Ｂに電力を供給するリード線１４が出ている。
ランプ１００のベース１３はランプホルダ３０Ａ，３０Ｂに挿入され、止めねじ３１Ａ，３１Ｂにより固定される。そして、ランプホルダ３０Ａ，３０Ｂは、ねじ３２Ａ，３２Ｂにより、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂに、ランプ１００と内管２２との間隔があらかじめ設定された幅になるように固定される。
以上により、ランプ１００が冷却ジャケット２０内に保持固定される。

冷却ジャケット２０内に、発光管１１のチップＴの形成されている部分が重力方向下方（ランプの中心から鉛直方向下方を０°として±４５°の範囲）になるように、ランプ１００を配置するための、具体的な手順を以下に示す。
背景技術に述べたようにしてチップＴを発光管１１の外表面から突出しないようにへこませたランプ１００の長手方向両端に、ベース１３を接着剤により取り付ける。ベース１３取り付け後、ベース１３の両端にチップＴの位置を示すマーキングＭを施す。

水冷ジャケット２０は、上記のように、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂに脚部材２０１Ａ，２０１Ｂを介してベースプレートや装置のフレームに取り付けられる。したがって、水冷ジャケット２０の上下方向は、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂに取り付ける脚部材２０１Ａ，２０１Ｂの位置により決まる。すなわち、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂは、脚部材２０１Ａ，２０１Ｂの位置によりその上下方向が決まっている。

また、ランプホルダ３０Ａ，３０Ｂはジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂにねじ３２Ａ，３２Ｂにより固定されるので、ランプホルダ３０Ａ，３０Ｂは、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂとねじ３２Ａ，３２Ｂのねじ孔との関係で、その上下方向が決まっている。
一方、ランプ１００は、ベース１３をランプホルダ３０Ａ，３０Ｂに挿入し、止めねじ３１Ａ，３１Ｂを締めることによって固定されるが、上記したように、ランプホルダ３０Ａ，３０Ｂは、ジャケットホルダ２３Ａ，２３Ｂとの関係でその上下方向が決まっているので、ベース１３に形成したマーキングＭを見ながら、チップＴの位置がランプホルダ３０Ａ，３０Ｂの下方向になるように、ランプを管軸の周りに回転させ、止めねじ３１Ａ，３１Ｂにより固定する。
以上で、発光管１１のチップＴの形成されている部分が重力方向下方になるように、ランプ１００を冷却ジャケット２０内に配置することができる。

発光管のチップの形成されている部分の位置とチップ周辺部の温度の関係を示す図である。 本発明の紫外線照射用光源を示す図である。 従来の冷却ジャケットを備えた紫外線照射用光源の概略構成を示す図である。 チップをへこませた放電ランプの、チップが形成されている部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１０ 棒状の放電ランプ
１１ 発光管（封体）
１２Ａ，１２Ｂ 電極
１３ ベース
１４ リード線
２０ 冷却（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
２４Ａ，２４Ｂ Ｏリング（大）
２５Ａ，２５Ｂ Ｏリング（小）
２６ 導入口
２７ 排出口
３０Ａ，３０Ｂ ランプホルダ
３１Ａ，３１Ｂ 止めねじ
３２Ａ，３２Ｂ ねじ
Ｔ チップ
Ｂ チップの周辺部
Ｍ マーキング
Ｈ 冷却用流体（冷却水）

Claims (2)

1. 発光管に形成されているチップを該発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状の放電ランプを、内管と外管との間に冷却媒体を流す冷却ジャケット内に配置した紫外線照射用光源において、上記放電ランプは、発光管のチップの形成されている部分が重力方向下方になるように配置されていることを特徴とする紫外線照射用光源。
2. 発光管に形成されているチップを該発光管の外表面から突出しないようにへこませた棒状の放電ランプを、内管と外管との間に冷却媒体を流す冷却ジャケット内に配置した紫外線照射用光源において、上記放電ランプは、発光管のチップの形成されている部分が、該ランプの中心から鉛直方向下方を０°として±４５°の範囲になるように配置されていることを特徴とする紫外線照射用光源。

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