JP2020047558A - 放電ランプおよび紫外線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動性を向上させること。【解決手段】実施形態に係る放電ランプは、発光管と、一対の電極とを具備する。電極は、電極軸と、コイルとを有する。電極軸は、先端部が発光管の内部に配置される。コイルは、電極軸の先端部に巻回される。電極軸の直径をＤ１［ｍｍ］、コイルの直径をＤ２［ｍｍ］、先端部においてコイルの巻回端部から突出する電極軸の長さをＬ［ｍｍ］とするとき、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たす。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、放電ランプおよび紫外線照射装置に関する。

従来、発光管と、一対の電極とを有し、電極は、先端部が発光管の内部に配置される電極軸と、電極の先端部に巻回されるコイルとを有する、高電圧の放電ランプがある。

また、放電ランプを、例えば、大型船舶においてバラスト水を殺菌処理するための紫外線照射装置の光源に用いることが知られている。

特開平３−２２２２５２号公報

ところで、例えば、バラスト水処理用途の場合、放電ランプは、例えば、バラスト水を殺菌処理するリアクターの内部など、外部から光が届かない暗黒雰囲気中に設置した状態で使用される放電ランプに電力を供給してもすぐには始動しない、いわゆる放電遅れと呼ばれる現象が発生することがあり、始動性について改善の余地がある。

本発明が解決しようとする課題は、始動性を向上させることができる放電ランプおよび紫外線照射装置を提供することである。

実施形態に係る放電ランプは、発光管と、一対の電極とを具備する。電極は、電極軸と、コイルとを有する。電極軸は、先端部が発光管の内部に配置される。コイルは、電極軸の先端部に巻回される。電極軸の直径をＤ１［ｍｍ］、コイルの直径をＤ２［ｍｍ］、先端部においてコイルの巻回端部から突出する電極軸の長さをＬ［ｍｍ］とするとき、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たす。

本発明によれば、始動性を向上させることができる。

実施形態に係る紫外線照射装置を示す模式図である。 実施形態に係る放電ランプを示す模式図である。 実施例および比較例における電極軸およびコイルの説明図である。 電極軸の直径、コイルの直径および電極軸の突出長さを項目に含む仕様別の評価結果を示す図である。 電流密度、電極体における最高温度および黒化状態の関係を示す図である。 実施例および従来例の各照度維持率および点灯時間の関係を示す図である。

以下に説明する実施形態に係る放電ランプは、発光管と、一対の電極とを具備する。電極は、電極軸と、コイルとを有する。電極軸は、先端部が発光管の内部に配置される。コイルは、電極軸の先端部に巻回される。電極軸の直径をＤ１［ｍｍ］、コイルの直径をＤ２［ｍｍ］、先端部においてコイルの巻回端部から突出する電極軸の長さをＬ［ｍｍ］とするとき、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たす。

また、以下に説明する実施形態に係る放電ランプは、電極軸の断面積をＳ［ｍｍ^２］、ランプ電流をＩ［Ａ］とするとき、Ｉ／Ｓで定義される電流密度Ｊ［Ａ／ｍｍ^２］が、８．９≦Ｊ≦１６．６の関係を満たす。

また、以下に説明する実施形態に係る放電ランプは、電極軸は、定常点灯状態における最高温度点が、２５００〜３６００［Ｋ］の範囲に規制される。

以下に説明する実施形態に係る紫外線照射装置は、放電ランプと、電源部と、温度測定部とを具備する。電源部は、放電ランプに電力を供給する。温度測定部は、定常点灯状態における電極軸の温度を測定する。放電ランプは、温度測定部により測定された電極軸の温度に応じて電源部からの電力供給量が制御される。

（紫外線照射装置）
図１は、実施形態に係る紫外線照射装置を示す模式図である。実施形態に係る紫外線照射装置１００は、例えば、大型船舶などのバラスト水を殺菌処理するための装置であり、放電ランプ１は、その光源である。なお、放電ランプ１および紫外線照射装置１００は、バラスト水処理用に限定されず、例えば、半導体の露光工程、紫外線硬化型インクや紫外線硬化塗料の乾燥工程、紫外線硬化型樹脂の硬化工程など紫外線による光化学反応を必要とする工程で用いられてもよい。

図１に示すように、紫外線照射装置１００は、放電ランプ１と、電源部２００と、温度測定部３００とを具備する。放電ランプ１は、上記したように、紫外線照射装置１００の光源であり、例えば、水銀ランプやメタルハライドランプなどのいわゆる高輝度放電ランプ（ＨＩＤ：High Intensity Discharge lamp）である。放電ランプ１は、発光管２と、一対の電極３，３と、一対の口金部材４，４とを具備する。

電極３は、発光管２に設けられる。電極３は、発光管２の後述する封止部２ｂに、放電空間２ａ内に対向して配置される。電極３は、電極材である、電極軸３１およびコイル３２を有する。口金部材４は、発光管２を長手方向の両端部において保持する。なお、放電ランプ１のより具体的な構成については、図２、図３を用いて後述する。

電源部２００は、放電ランプ１に電力を供給する。具体的には、電源部２００は、放電ランプ１の後述する一対の電極３，３間に電力を供給する。なお、電源部２００は、交流電流を、放電ランプ１に接続されるリード線５を介して供給する。

温度測定部３００は、放電ランプ１の定常点灯状態における一対の電極３，３の後述する電極軸３１の温度を測定する。温度測定部３００は、測定結果である電極軸３１の温度を図示しない制御部へ出力する。すなわち、温度測定部３００は、電極軸３１の温度を測定する。そして、制御部は、電極軸３１の温度に応じて電源部２００から放電ランプ１に供給される電力の供給量を制御する。

（放電ランプ）
図２は、実施形態に係る放電ランプ１を示す模式図である。実施形態に係る放電ランプ１は、ロングアーク型の放電ランプであり、図２に示し、かつ、上記したように、発光管２と、一対の電極３，３と、一対の口金部材４，４とを具備する。

発光管２は、光透過性を有する石英ガラスなどによって円筒状に形成される。発光管２は、放電空間２ａを有し、放電空間２ａの両端に封止部２ｂを有し、放電空間２ａを気密に封止する。放電空間２ａには、アルゴンやキセノンなどの希ガス、水銀が封入される。放電空間２ａには、希ガスや水銀に加えて、鉄、錫およびヨウ素などの金属ハロゲン化物が封入されてもよい。また、封止部２ｂには、一対の電極３，３の一部が封止部２ｂの内部に埋設されて配置される。

封止部２ｂは、電極３の一部、図示しない導線および金属箔が埋設される。導線は、リード線５および図示しない金属箔を電気的に接続する。金属箔は、モリブデンなどで構成される。

一対の電極３，３は、封止部２ｂの両端部に対向して設けられる。電極３は、上記したように、電極軸３１と、コイル３２とを有する。電極軸３１およびコイル３２は、電極３を形成する電極材である。

電極軸３１は、先端部が放電空間２ａに配置される。また、電極軸３１の基端部は、金属箔に溶接によって接合されるとともに、電極軸３１を保持する図示しないホールディングチューブに挿通され、一部が封止部２ｂに埋設される。電極軸３１は、トリエーテッドタングステンを主成分とする金属材料によって形成される。すなわち、電極軸３１は、トリエーテッドタングステンを主体とする電極材である。

コイル３２は、電極軸３１の先端部における外周面に巻回される。コイル３２は、全体が放電空間２ａに配置される。コイル３２は、電極軸３１の先端部を露出させた状態で巻き付けられる。これにより、一対の電極３，３間に電力が供給された場合に、電極軸３１の対向する先端部同士で放電が生起される。コイル３２は、トリエーテッドタングステンを主成分とする金属材料によって形成される。すなわち、コイル３２は、トリエーテッドタングステンを主体とする電極材である。

口金部材４は、例えば、有底円筒状に形成される。口金部材４は、発光管２の長手方向の外周部に設けられる。また、口金部材４は、例えば、接着剤が内部に充填されることで、発光管２に接合される。

放電ランプ１は、電源部２００（図１参照）から供給される交流電力により一定の周期で電極３の極性が切り替わる。すなわち、電源部２００から放電ランプ１に供給される交流電力の周波数が、放電ランプ１における点灯周波数となる。放電ランプ１の点灯周波数は、例えば、１［ｋＨｚ］以上、２００［ｋＨｚ］以下である。

図２に示すように、本実施形態においては、放電ランプ１は、全長Ｌ_ｆｕｌｌが、５６４［ｍｍ］、発光長（一対の電極３，３間の距離）Ｌ_{ｌｉｇｈｔ}が、４００［ｍｍ］、発光管２の外径Ｄ_ｏｕｔが、φ２５［ｍｍ］に形成される。また、本実施形態においては、放電ランプ１は、定常点灯状態のランプ電圧が、６００［Ｖ］、定常点灯状態のランプ電流が、１０．０［Ａ］、ランプ電力が、６０００［Ｗ］程度に設定される。

ここで、例えば、バラスト水処理用途などの場合、放電ランプ１は、外部から光が届かない暗黒雰囲気中に設置した状態で使用される。このため、放電ランプ１に電力を供給しても始動に必要な初期電子が不足してすぐには始動しないいわゆる放電遅れが発生することがある。本実施形態では、仕事関数が低いトリエーテッドタングステンを電極材に選定するとともに、電極材を、電極寸法が最適となるよう設計している。

また、近年は、殺菌処理の能力向上のため、放電ランプ１に供給する電力を増やす傾向にあり、ランプ寿命としては短くなる一方、ランプの交換頻度は、船舶の検査頻度にあわせる必要があることから、５０００時間（Ｈｒ）の長期保証が要求されている。本実施形態では、ランプの劣化要因である、電極材のスパッタによる発光管２の内面の黒化を抑えるため、電極軸３１の温度を適切な範囲となるよう制御している。

図３は、電極軸３１およびコイル３２の説明図であり、図３（ａ）には、実施例を説明するための電極軸３１およびコイル３２の側面図、図３（ｂ）には、比較例を説明するための電極軸３１およびコイル３２の側面図をそれぞれ示している。

図４は、電極軸の直径、コイルの直径および電極軸の突出長さを項目に含む仕様別の評価結果を示す図である。図５は、電流密度、電極体（電極軸）における最高温度および発光管２の内面の黒化状態の関係を示す図である。なお、図４においては、ランプ電流を１０［Ａ］に設定し、また、図５においては、放電ランプ１を５０００時間（Ｈｒ）点灯した後の発光管２の内面の黒化状態を検証している。

図３（ａ）に示すように、実施例においては、電極軸３１の直径をＤ１［ｍｍ］、コイル３２の直径をＤ２［ｍｍ］、電極軸３１の先端部においてコイル３２の巻回端部から突出する電極軸３１の長さ（突出長さ）をＬ［ｍｍ］とするとき、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たすよう、電極寸法が設定される。

実施例においては、電極軸３１の直径Ｄ１が、φ１．０［ｍｍ］、コイル３２の直径Ｄ２が、φ０．７［ｍｍ］、電極軸３１の突出長さＬが、１．０［ｍｍ］に設定される。

また、実施例においては、電極軸３１の断面積をＳ［ｍｍ^２］、ランプ電流をＩ［Ａ］とするとき、Ｉ／Ｓで定義される電流密度Ｊ［Ａ／ｍｍ^２］が、８．９≦Ｊ≦１６．６の関係を満たすよう、電極寸法が設定されるとともに、電流制御される。また、実施例においては、温度測定部３００（図１参照）による監視のもと、電極軸３１の定常点灯状態における最高温度点が、２５００〜３６００［Ｋ］の範囲に規制される。

そして、実施例においては、Ｄ１／Ｄ２が、１．４３、Ｌ／Ｄ１が、１．００、電流密度Ｊが、１２．７［Ａ／ｍｍ^２］、電極軸３１の最高温度点が、３４００［Ｋ］に設定される。

図４に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の６パターンの仕様において、放電遅れおよび黒化状態がいずれも「良（○）」、すなわち、放電遅れが発生せず、ほとんど黒化していないような良好なものは、Ｎｏ．１およびＮｏ．５の場合である。Ｎｏ．１は、図３（ａ）に示し、かつ、上記した実施例の場合である。

また、Ｎｏ．５は、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たすものであり、電極軸３１の突出長さＬが０［ｍｍ］、すなわち、電極軸３１がコイル３２の巻回端部から突出していない場合である。

また、図５に示すように、Ｎｏ．１およびＮｏ．５の仕様の場合、放電ランプ１の５０００時間点灯後の黒化状態は、いずれもランプ電流Ｉを１６［Ａ］まで上げた場合には、発光管２の内面の一部あるいは全部が黒化している「不良（×）」となる。

なお、図３（ｂ）に示すように、比較例においては、電極軸３１の直径Ｄ１が、φ１．０［ｍｍ］、コイル３２の直径Ｄ２が、φ０．７［ｍｍ］、電極軸３１の突出長さＬが、２．０［ｍｍ］に設定される。

図３（ｂ）に示す比較例は、図４におけるＮｏ．４の仕様に相当する。Ｎｏ．４の場合、図４に示すように、電極軸３１の最高温度点が３８００［Ｋ］と高くなり過ぎてしまい、放電遅れおよび黒化状態がいずれも「不良（×）」となる。

このように、図３（ａ）に示す実施例の場合は、放電遅れを抑えることができるとともに、電極材（電極軸３１およびコイル３２）のスパッタによる黒化を抑えることができる。

また、図６は、実施例および従来例の各照度維持率および点灯時間の関係を示す図である。図６においては、２５４［ｎｍ］の波長の照度維持率を縦軸に示し、放電ランプ１の点灯時間を横軸に示している。また、図６においては、放電ランプ１は、図４のＮｏ．１の条件、すなわち、電極軸３１の直径（電極軸径Ｄ１）１．０［ｍｍ］、電極軸断面積０．７８５［ｍｍ^２］、コイル３２の巻回端部から突出する電極軸３１の長さ（突出長さＬ）１．０［ｍｍ］、ランプ電流１０［Ａ］、電流密度１２．７３［Ａ／ｍｍ^２］の状態で放電する。

また、図６においては、比較対象として、従来例である放電ランプが、図４のＮｏ．４、すなわち、電極軸径Ｄ１１．０［ｍｍ］、電極軸断面積０．７８５［ｍｍ^２］、コイル３２の巻回端部から突出する電極軸３１の長さ（突出長さＬ）２．０［ｍｍ］、ランプ電流１０［Ａ］、電流密度１２．７３［Ａ／ｍｍ^２］の状態で放電した結果を示している。すなわち、図６に示す「実施例」は、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０の関係を満たし、「従来例」はこれを満たさない。

図６に示すように、「従来例」は、５０００時間点灯後において、２５４［ｎｍ］照度維持率が６５％まで低下している。すなわち、「従来例」は、５０００時間点灯後において、要求されるランプ寿命を満たさない。

一方で、「実施例」は、５０００時間点灯後において、２５４［ｎｍ］照度維持率が８０％以上を維持している。すなわち、「実施例」は、５０００時間点灯後において、要求されるランプ寿命を満たす。

このように、実施形態に係る放電ランプ１は、電極軸３１の電流密度Ｊが、８．９≦Ｊ≦１６．６の関係を満たすことで、５０００時間以上のランプ寿命を実現することができる。

以上説明したように、実施形態に係る放電ランプ１は、発光管２と、一対の電極３，３とを具備する。電極３は、電極軸３１と、コイル３２とを有する。電極軸３１は、先端部が発光管２の内部に配置される。コイル３２は、電極軸３１の先端部に巻回される。電極軸３１の直径をＤ１［ｍｍ］、コイル３２の直径をＤ２［ｍｍ］、先端部においてコイル３２の巻回端部から突出する電極軸３１の長さをＬ［ｍｍ］とするとき、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たす。

０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たすことで、コイル３２が発光部から遠過ぎない適切な距離にあるため、放電ランプ１の始動時にコイル３２が放電起点となる。これにより、放電遅れを抑えることができ、始動性を向上させることができる。
また、実施形態に係る放電ランプ１は、電極軸３１の断面積をＳ［ｍｍ^２］、ランプ電流をＩ［Ａ］とするとき、Ｉ／Ｓで定義される電流密度Ｊ［Ａ／ｍｍ^２］が、８．９≦Ｊ≦１６．６の関係を満たす。

電流密度Ｊ［Ａ／ｍｍ^２］が、８．９≦Ｊ≦１６．６の関係を満たすことで、電極材である電極軸３１およびコイル３２のスパッタを抑えることができる。この結果、スパッタによる黒化が抑制され、紫外線照度維持率を向上させることができる。

また、実施形態に係る放電ランプ１は、電極軸３１は、定常点灯状態における最高温度点が、２５００〜３６００［Ｋ］の範囲に規制される。

定常点灯状態における電極軸３１の最高温度点が、２５００〜３６００［Ｋ］の範囲に規制されることで、電極材である電極軸３１およびコイル３２のスパッタを抑えることができる。この結果、スパッタによる発光管２の内面の黒化が抑制され、紫外線照度維持率を向上させることができる。

また、実施形態に係る紫外線照射装置１００は、放電ランプ１と、電源部２００と、温度測定部３００とを具備する。電源部２００は、放電ランプ１に電力を供給する。温度測定部３００は、定常点灯状態における電極軸３１の温度を測定する。放電ランプ１は、温度測定部３００により測定された電極軸３１の温度に応じて電源部２００からの電力供給量が制御される。

放電ランプ１の実機使用時、温度測定部３００により電極軸３１の温度をモニタリングすることができ、電極軸３１の温度に応じて電源部２００からの電力供給量が制御されることで、信頼性を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 放電ランプ
２ 発光管
３ 電極
３１ 電極軸
３２ コイル
１００ 紫外線照射装置
２００ 電源部
３００ 温度測定部

Claims (4)

1. 発光管と；
   前記発光管に設けられる一対の電極と；を具備し、
   前記電極は、先端部が前記発光管の内部に配置される電極軸と、前記電極軸の前記先端部に巻回されるコイルと、を有し、
   前記電極軸の直径をＤ１［ｍｍ］、前記コイルの直径をＤ２［ｍｍ］、前記先端部において前記コイルの巻回端部から突出する前記電極軸の長さをＬ［ｍｍ］とするとき、０．７＜Ｄ１／Ｄ２＜５．０、かつ、０．０≦Ｌ／Ｄ１≦１．０を満たす、放電ランプ。
2. 前記電極軸の断面積をＳ［ｍｍ^２］、ランプ電流をＩ［Ａ］とするとき、Ｉ／Ｓで定義される電流密度Ｊ［Ａ／ｍｍ^２］が、８．９≦Ｊ≦１６．６の関係を満たす、請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記電極軸は、定常点灯状態における最高温度点が、２５００〜３６００［Ｋ］の範囲に規制される、請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の放電ランプと；
   前記放電ランプに電力を供給する電源部と；
   定常点灯状態における前記電極軸の温度を測定する温度測定部と；を具備し、
   前記放電ランプは、前記温度測定部により測定された前記電極軸の温度に応じて前記電源部からの電力供給量が制御される、紫外線照射装置。

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