JP2011258321A - アマルガム型低圧水銀ランプ及びそのランプ点灯電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温雰囲気においても始動性能を低下させないアマルガム型低圧水銀ランプを提供する。
【解決手段】 水銀とビスマス、インジウム、錫、鉛等少なくとも１つ以上の金属で構成されるアマルガムが封入され、水平姿勢で点灯されるアマルガム型低圧水銀ランプにおいて、水銀の重量比が２〜１０％であるアマルガムをフィラメントから８〜２０ｍｍ以内の発光管壁面に位置させることで、予熱フィラメントからの熱輻射を受け、点灯開始前のランプ発光管内の水銀蒸気圧を適正範囲にまで高め、始動性能を向上させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主として流水殺菌等に用いられる低圧水銀ランプ及びそのランプ点灯電源装置に関する。特に上・下水道で使用される殺菌用低圧水銀ランプに関する。

最近、上・下水道や飲料製品、食品加工水および洗浄水の殺菌として紫外線を照射する方法が採用され、特に上水道では塩素の軽減、クリプトスポリジウムの除去を目的として紫外線照射が広く利用されるようになってきている。この紫外線照射用の代表的な光源として、低圧水銀ランプが知られている。紫外線照射用の低圧水銀ランプは通常、紫外線透過率に優れた石英ガラスを発光管に用い、その両端にタングステンからなるフィラメントが陰極として装備された一対の電極を設置するとともに、この石英封体ガラス発光管内にアルゴン等の希ガスと水銀を封入した構成となっている。発光管材質を除くその他の点において点灯原理も含め一般の照明用蛍光ランプと同様である。

次にこのような低圧水銀ランプの点灯原理・動作について説明する。第一段階として、安定器と呼ばれる専用の点灯電源装置により発光管の両端に設置されたフィラメントに予熱電圧を印加し、フィラメントを抵抗として赤熱させる。このとき、フィラメントに塗布されたＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯの三元酸化物からなる電子放射性物質（以下エミッタ）が７５０℃以上となることで上記エミッタから熱電子が放出される。

第二段階として、両極間に交流の電界を印加することにより、放出された熱電子が加速され、封入されている希ガスと少量の水銀蒸気との間で弾性衝突が起こり、水銀原子が電離され、発光管内のプラズマ状態がなだれ式に増幅され放電が開始される。この現象をペニング効果という。また加速された熱電子の運動エネルギーが水銀原子に衝突し、水銀原子は基底状態から励起状態に遷移し、水銀の共鳴線である有効な２５４ｎｍや１８５ｎｍなどの波長の紫外線が発光管の管壁を透過し、ランプ外部に放射され、最終的に水銀原子は再び元の基底状態に戻る。特に２００ｎｍから２８０ｎｍの波長域の紫外光は、その照射により大腸菌などのＤＮＡに対し複製機能の消失させる作用があり、結果として殺菌作用をもたらす。水銀の共鳴線の２５４ｎｍはまさにこの殺菌作用がある波長域の中心にあることから殺菌線と呼ばれ広く知られている波長である。

一般の低圧水銀ランプが発光する２５４ｎｍ波長の光は水銀蒸気圧に大きく影響され、約０．８Ｐａのときにピーク出力となり、最高の発光効率が得られる。このとき発光管の最冷部に位置した水銀の温度が約４０℃となる。一般の照明用蛍光ランプは気温が２５℃のときに発光管の最冷部温度が４０℃になるように設計される。また、フラットパネルや半導体の製造工程で使用されるオゾン洗浄ランプは、紫外線の高出力化のためランプ電流を上げて高ワット化されたランプが開発されている。具体的には、ランプ電流４Ａ以上でフラットパネルのサイズにランプの発光長を合わせた結果、発光長が２ｍ近くまで長くなり、ランプ電力が２ｋＷを超えるものも開発されている。この様な負荷の高いランプは、発光管内の温度が４０℃以上に高くなってしまうため、ランプ発光管の一部を水冷された金属に接触させて強制的に冷却し、最冷部の温度を４０℃になるようにコントロールされている。

上述の流水殺菌装置の構成は通常、ランプがジャケットまたはアウタースリーブとよばれる紫外線透過性石英管の中に設置され、その外側に被処理水を流すことでランプからの紫外線を受け殺菌等の作用がなされる。従って、上記石英管内に設置されたランプはその石英管の外側を流れる水の温度によって影響され、これに伴いランプ内の水銀蒸気圧が変動し、紫外線の照射出力が決定されてしまう。上水や下水に流れる水の温度の変動範囲は特に地域や季節変動により大きく異なる。一般の上水の対象水温の場合、この温度範囲は１０〜３０℃となっている。このため、従来の低圧水銀ランプでは、この温度範囲での水温変化によって２５４ｎｍ出力がピークに対して６０〜８０％となり、大きく変動する欠点があった。

そこで従来から、水銀単体では水銀蒸気圧が外部の温度に依存して大きく変動してしまうため、水銀をその他の金属との合金（アマルガム）として添加することにより、水銀蒸気圧の変動を小さく抑えたアマルガム型低圧水銀ランプの開発が行われてきた。この種の低圧水銀ランプの点灯姿勢としては、通常、水平姿勢が採用される。この場合のアマルガムは水銀とビスマス、インジウム、錫、鉛など少なくとも一つ以上の金属とから構成され，ランプ発光管内の最冷部で且つランプ点灯中に適正な温度の位置に固定されることで水銀蒸気圧を一定にコントロールすることができる（特許文献１参照）。上水殺菌の分野では、高出力で、外部水温が１０〜３０℃の範囲で紫外線出力が一定であるランプが求められるため、このアマルガムが添加された低圧水銀ランプ、つまりアマルガム型低圧水銀ランプが今後主流となってくると考えられる。

特開２００９−２６６７５９号公報

しかしながら、アマルガム型低圧水銀ランプは、上述のように水銀の合金化により水銀単体よりも水銀蒸気圧が低くなる性質から、点灯中の高温時に水銀蒸気圧を抑え、一定にする利点がある反面、周囲温度が低い時にランプを始動させる場合、ランプ内のアマルガムの温度も同様に低くなり、特に１０℃以下となる場合、水銀蒸気圧が著しく低下してしまうことから、ランプ始動時の上述のペニング効果が得られにくくなり始動しづらくなる問題があった。

また、上記アマルガムは水銀とビスマス、インジウム、錫、鉛など少なくとも一つ以上の金属とで構成され、粒体形状を有しており、ランプの製造工程中に発光管内に添加し固定される。粒体のアマルガムは水銀の重量比が１０％を超えると粘度が増し、粒体形状に成形することが困難となることから、水銀重量比は１０％以下とするのが一般的となっている。そこで、粒形状のアマルガムを添加するランプの場合、アマルガムの水銀重量比が１０％以下となるため低温下で水銀蒸気圧が著しく低下することによる始動性能の低下が懸念されていた。

本発明は上記課題を解決し、低温環境において始動性能が低下しないアマルガム型低圧水銀ランプ及び同ランプの点灯電源装置の提供を目的とする。
本発明者は、適正な始動性能を確保するには、特許文献１に記載の技術のように、アマルガムを発光管内の最冷部に配置することよりも、アマルガム中の水銀重量比を規定し、且つフィラメントとアマルガムとの距離が適正範囲内にある位置に配置することが重要であることに着眼し、本発明を創出するに至った。

上記目的を達成するため、本発明に係る請求項１のアマルガム型低圧水銀ランプは、石英ガラスからなる発光管の両端に陰極としてフィラメントが装備された電極が封着され、水平姿勢で点灯されると共に、始動用の希ガス及び、これとともに水銀蒸気圧を制御する添加剤として、水銀とビスマス、インジウム、錫、鉛等少なくとも１つ以上の金属で構成されるアマルガムが前記発光管に封入され、そのアマルガム中の水銀重量比Ａ（％）が式（１）で表わされる範囲にあり、且つフィラメント後方の発光管端部内面上に配置されるアマルガムとフィラメントとの距離Ｂ（ｍｍ）が式（２）で表わされる範囲にあることを特徴とする。
２≦Ａ≦１０ （１）
８≦Ｂ≦２０ （２）

本発明に係る請求項２のランプ点灯電源装置は、請求項１に記載するランプを光源として点灯させる電源装置おいて、電源投入時点からランプ点灯までのフィラメント予熱時間Ｃ（秒）は式（３）を満たすことを特徴とする。
５≦Ｃ≦６０ （３）

本発明に係る請求項３のランプ点灯電源装置は、請求項１に記載するランプを光源として点灯させる電源装置おいて、点灯前と点灯中の予熱電圧の比をＤとすると、式（４）を満たすことを特徴とする。
１．２≦Ｄ≦２．０ （４）
Ｄ＝Ｄｐ／Ｄｎ Ｄｐ：点灯前の予熱電圧、Ｄｎ：点灯中の予熱電圧

本発明に係る請求項４のランプ点灯電源装置は、請求項１に記載するランプを光源として点灯させる電源装置おいて、電源投入時点からランプ点灯までのフィラメント予熱時間Ｃ（秒）は式（３）を満たし、且つ点灯前と点灯中の予熱電圧の比をＤとするとき、式（４）を満たすことを特徴とする。
５≦Ｃ≦６０ （３）
１．２≦Ｄ≦２．０ （４）
Ｄ＝Ｄｐ／Ｄｎ Ｄｐ：点灯前の予熱電圧、Ｄｎ：点灯中の予熱電圧

請求項１に係る本発明のアマルガム型低圧水銀ランプは、水平姿勢で点灯され、添加するアマルガムにおける水銀重量比を２〜１０％とし、アマルガムをフィラメントから８〜２０ｍｍ以内の距離の発光管壁面に位置させることで、フィラメント予熱の輻射を受け、ランプ内の水銀蒸気圧を高め、ペニング効果の作用により始動性能を向上させることが可能となる。

また、請求項２に係る本発明の点灯電源装置は、請求項１に記載のランプにおいてアマルガム中の水銀を蒸発させ、５から６０秒以内でこのランプを始動させることを可能となる。

さらに、請求項３に係る本発明の点灯電源装置は、点灯前と点灯中の予熱電圧の比Ｄ（Ｄ＝Ｄｐ／Ｄｎ Ｄｐ：点灯前の予熱電圧、Ｄｎ：点灯中の予熱電圧）を１．２から２．０の範囲内とすることで、さらに確実かつ早急に水銀蒸気圧を上げ、低温下のランプ始動性能向上を可能にする。またこの動作中にフィラメントに塗布されたエミッタのスパッタを抑えることが可能となる。

また、請求項２と３の組合せである、請求項４に係る本発明の点灯電源装置は、低温下でのランプ始動性能の向上とエミッタのスパッタ抑止の効果を得ることができる。

本発明の実施例に係るアマルガム型低圧水銀ランプを搭載した殺菌装置の概略図である。 本発明の実施例に係るアマルガム型低圧水銀ランプの概略図である。 本発明の実施例に係るアマルガム型低圧水銀ランプ用点灯電源装置の回路略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜実施例＞
本発明の実施例に係るアマルガム型低圧水銀ランプを図に基づいて説明する。図１は本発明の低圧水銀ランプを水平姿勢で装着した殺菌装置の正面概略図であり、１は本発明の実施例に係るアマルガム型低圧水銀ランプ（殺菌ランプ）、２は円筒形状の水槽（中心軸水平）、３は石英ガラス製スリーブを示す。スリーブ３は、水槽２中にその軸方向に沿って配置され、スリーブ３の内側にランプ１が設置されている。この水槽中を流れる被処理水はスリーブ３の外周で紫外線照射を受けることで殺菌される。

図２は本発明の実施例に係るアマルガム型低圧水銀ランプの概略を示しており、図２−１は平面図、図２−２は正面図である。４は石英ガラス製発光管、５はフィラメント、６はアマルガム、７は外接リード線、８はセラミックス製口金（ベース）を示す。発光管４の中にはアルゴンなどの希ガスが封入されている。

図３はアマルガム型低圧水銀ランプを点灯させる安定器とよばれる、本発明の実施例に係る点灯電源装置の回路略図であり、フィラメント予熱が可能な安定器を示している。

次に、この様な構成のランプの点灯方式について説明する。低圧水銀ランプ１はリード線７を介して安定器９からフィラメント５に予熱電圧が印加される。フィラメント電流が流れることで赤熱し、酸化バリウムを含む主エミッタから熱電子を放出させる。また、点灯時は同じく安定器９よりリード線７を介して両端の電極に始動用の４００Ｖを超える高電圧を印加し、絶縁破壊させて放電し、交流のランプ電流が供給される。本発明の低圧水銀ランプは定格電力２４０Ｗで点灯させる。

従来の低圧水銀ランプにおいては、フィラメント予熱時間は、一般照明用蛍光灯で約１秒、その他の紫外線用途のランプにおいても１秒から３秒程度であり、フィラメントが赤熱され始動のための熱電子が十分に放出されると同時に点灯開始となる動作が一般的であった。

本発明の実施例に係る低圧水銀ランプ１においては、アマルガム６は水銀とビスマス、インジウム、錫、鉛等少なくとも１つ以上の金属とで構成されるが、本実施例では水銀の重量比Ａは４％とした。外径１５ｍｍ、全長１５６０ｍｍ、電極間距離１４５０ｍｍである発光管を使用し、その発光管の両端部の石英シール部に、ベースをはめ込み接着剤で固定した。またアマルガムは、フィラメント後方の発光管端部内面上に配置され、アマルガムとフィラメントとの距離Ｂが１０ｍｍとなる位置に設置した。

アマルガムにおける水銀重量比Ａは、２００ｎｍから２８０ｎｍの波長域の紫外光の所望の発光強度を得るには２≦Ａ≦１０の範囲とするのが望ましい。一方、フィラメントとアマルガムの距離Ｂの適正範囲は実験により確かめられ、８≦Ｂ≦２０の範囲内にあれば、点灯中アマルガムの温度が適正な範囲である８５から１２０℃となり、安定した紫外線出力が得られ、かつフィラメントの予熱による熱輻射を受け水銀蒸気圧を高めることが可能となった。ここで、アマルガムの位置は必ずしも発光管内の最冷部に相当する位置である必要はない。８ｍｍ未満の場合、アマルガム温度が上記水準より高くなり、適正な温度を上回り、紫外線の出力が低下してしまう。逆に２０ｍｍを超える場合、予熱されたフィラメントからのアマルガムへの熱輻射の影響が小さくなり、アマルガムの温度が下降しランプ始動に必要な水銀蒸気圧が得られるまで時間が掛かってしまうことから実用上の設計として２０ｍｍを超える設定は困難である。

次に、上記構成のランプについて、まず水温及び予熱時間とランプ始動性との関係を調査した。ランプの始動試験結果を表１に示す。この場合の水温は３、５、１０、１５、２０℃の５通りで実施した。表１より、予熱時間Ｃが４秒以下の場合、ランプ始動しない確率が存在するが、５秒以上の場合はでは水温３℃以上で始動の確率が１００％であった。予熱時間の上限値は、実用面を考慮すれば６０秒を超えることは好ましくない。そこで、予熱時間Ｃは、５秒以上６０秒以下とするのが望ましい。

また、フィラメントの予熱電圧と点灯時の電圧が切り替えられる安定器（点灯電源装置）を用い、水温３℃の条件の下で、点灯前と点灯中のフィラメント予熱電圧比Ｄ及び予熱時間とランプ始動性との関係を調査した。その結果を表２に示す。表２に示されているように、予熱時間を３秒まで短縮することが可能であることが確認された。しかし、Ｄが２倍を超える場合、電極の黒化が認められ、フィラメント温度が長期間高くなることからエミッタが飛散し、ランプの短寿命となる恐れがある。こうしてフィラメント予熱電圧比Ｄを１．２から２．０の範囲とするが望ましいことが確認された。

以上説明したように、本発明によれば、水銀重量比が１０％以下のアマルガムが添加されたアマルガム型低圧水銀ランプに対して、外部からアマルガムを加熱するための装置を付加して設けることは必要なく、ランプと安定器（点灯電源装置）という簡単な構成で、アマルガムの位置、予熱時間、予熱電圧を所定範囲に調整することにより低温下での始動性能を大幅に改善することが可能となる。

また本発明の技術を利用すると、殺菌用途に限らず、寒冷地で使用可能なアマルガム型低圧水銀ランプ用いた紫外線応用製品へと用途を広げることが可能となる。

本発明は、主として紫外線ランプを用いた流水殺菌装置、紫外線酸化用装置などに用いられる。

１・・・ランプ
２・・・水槽
３・・・石英ガラス製スリーブ
４・・・石英ガラス製発光管
５・・・フィラメント
６・・・アマルガム
７・・・リード線
８・・・セラミックベース
９・・・安定器

Claims (4)

1. 石英ガラスからなる発光管の両端に陰極としてフィラメントが装備された電極が封着され、水平姿勢で点灯されると共に、始動用の希ガス及び、これとともに水銀蒸気圧を制御する添加剤として、水銀とビスマス、インジウム、錫、鉛等少なくとも１つ以上の金属とで構成されるアマルガムが前記発光管に封入され、そのアマルガム中の水銀重量比Ａ（％）が式（１）で表わされる範囲にあり、且つフィラメント後方の発光管端部内面上に配置されるアマルガムとフィラメントとの距離Ｂ（ｍｍ）が式（２）で表わされる範囲にあることを特徴とするアマルガム型低圧水銀ランプ。
   ２≦Ａ≦１０ （１）
   ８≦Ｂ≦２０ （２）
2. 請求項１に記載するランプを点灯させる点灯電源装置おいて、電源投入時点からランプ点灯までのフィラメント予熱時間Ｃ（秒）は式（３）を満たすことを特徴とするランプ点灯電源装置。
   ５≦Ｃ≦６０ （３）
3. 請求項１に記載するランプを点灯させる点灯電源装置おいて、点灯前と点灯中の予熱電圧の比をＤとすると、式（４）を満たすことを特徴とするランプ点灯電源装置。
   １．２≦Ｄ≦２．０ （４）
   Ｄ＝Ｄｐ／Ｄｎ Ｄｐ：点灯前の予熱電圧、Ｄｎ：点灯中の予熱電圧
4. 請求項１に記載するランプを点灯させる点灯電源装置おいて、電源投入時点からランプ点灯までのフィラメント予熱時間Ｃ（秒）は式（３）を満たし、且つ点灯前と点灯中の予熱電圧の比をＤとするとき、式（４）を満たすことを特徴とするランプ点灯電源装置。
   ５≦Ｃ≦６０ （３）
   １．２≦Ｄ≦２．０ （４）
   Ｄ＝Ｄｐ／Ｄｎ Ｄｐ：点灯前の予熱電圧、Ｄｎ：点灯中の予熱電圧

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