JP2022506922A

JP2022506922A - 細ワイヤ内部電極を有する真空紫外エキシマランプ

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Publication number: JP2022506922A
Application number: JP2021525047A
Authority: JP
Inventors: マンフレッドサルヴェーモゼー，; ニコルブリュッゲマン，; ライナーフィーツェク，; ラルフフィーケンス，; ウーヴェカニゴウスキー，; アンドレウォジェハウスキー，
Original assignee: エクシレムヨーロッパゲーエムベーハー
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2022-01-17
Also published as: WO2020094657A1; EP3648143B1; CN112970093A; US20220076938A1; EP3648143A1

Abstract

本発明は、エキシマ形成ガス（５）を保持するための誘電体管（３）、前記誘電体管（３）内に配置された第一電極（２）、及び前記誘電体管（３）の外側に配置された第二電極（４）を含むＶＵＶエキシマランプにおいて、前記第一電極（２）が細長く、少なくとも一つの細ワイヤを含み、前記第一電極（２）の外径が０．５ｍｍ未満であり、前記少なくとも一つの細ワイヤが０．０２ｍｍ～０．４ｍｍの外径を有することを特徴とするＶＵＶエキシマランプに関する。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提文に記載のＶＵＶエキシマランプ、及びかかるＶＵＶエキシマランプを含む光化学オゾン発生器並びにエキシマランプシステムに関する。

エキシマランプは、高エネルギー紫外（ＶＵＶ）放射線を発生するために使用される。エキシマ発光は、エキシマ形成ガスを充填された放電室における無声放電によって発生される。放電室は、紫外（ＵＶ）光に対して透明な材料から形成された壁を有する。第一電極は、室内に配置される。第二電極は、室の外側に配置される。電極間で発生される電界によって放電が起こり、エキシマ分子を発生する。これらの励起した分子が基底状態に戻るとき、高エネルギー紫外光が放出される。

既知のエキシマランプは、低いウォールプラグ効率及び短い寿命を有する。さらに、もし特定の電力密度を越えるとアークが起こりうる。

従って、本発明の目的は、長い寿命を持つ効率的なＶＵＶエキシマランプを提供することである。

この問題は、請求項１に記載の特徴を有するＶＵＶエキシマランプ、及びかかるＶＵＶエキシマランプを含むシステムによって実現される光化学オゾン発生器並びにエキシマランプシステムによって解決される。

以下において、真空紫外（ＶＵＶ）放射線は、１９０ｎｍ以下のＵＶスペクトルを記載するために使用され、紫外Ｃ（ＵＶ－Ｃ）は、一般に短波長（１００～２８０ｎｍ）放射線に関係し、それは主に、微生物の核酸を破壊し、微生物のＤＮＡを崩壊させ、微生物の生命細胞機能を果たすことができなくすることによって微生物を不活化し、殺菌するために使用される。

本発明によれば、エキシマ形成ガスを保持するための誘電体管、前記誘電体管内に配置された第一電極、及び前記誘電体管の外側に配置された第二電極を含むＶＵＶエキシマランプであって、前記第一電極が細長く、０．５ｍｍ未満の外径を持つ細ワイヤを有するＶＵＶエキシマランプが提供される。ランプの効率が細ワイヤ電極で大きく改良されることを見出した。細ワイヤは、円形断面を持ち、円筒形形状を有することが有利である。しかし、それはまた、非円形断面、例えば矩形を持つこともできる。この文脈において、外径は、長手方向軸に垂直な方向の細ワイヤの範囲の最も小さい寸法（例えば矩形形状の場合には最も短い辺）として理解されなければならない。複数のワイヤは、一緒にねじられて電極を形成することができる。細ワイヤは、０．０２ｍｍ～０．４ｍｍの外径を有する。ねじられた電極の外径は、０．５ｍｍ未満であることが好ましい。電極は、単一の細長いワイヤによって形成されることが好ましく、そこでは巨視的ならせん電極形状は、除外されることができる。

好ましくは、前記細長い電極及び／又は細ワイヤは、略直線状であり、細長形状の直線軸を規定する。誘電体管は、円筒形状を持つ細長い壁を有することができ、ランプ本体の軸方向に沿って直線的に延びることができる。

好ましくは、内部電極は、以下の式に従った厚さを有する：
（Ｒ／ｒｏ）／ｌｎ（Ｒ／ｒｏ）＞８
但し、２^＊Ｒはガラス管の内径であり、２^＊ｒｏは内部電極の外径である。
より好ましくは、内部電極は、以下の式に従った厚さを有する：
（Ｒ／ｒｏ）／ｌｎ（Ｒ／ｒｏ）＞１０
ガス内の電子増加の指数関数的挙動のため、従来技術と比べた厚さの違いがわずかであっても、出力の違いはかなりのものとなる。

第一電極は、誘電体管の各端に物理的に接続されることができる。

有利な実施形態では、ガス充填圧力は、３００ｍｂａｒ～５０ｂａｒの範囲である。一つの実施形態では、ガス充填圧力は、約１６ｍｍの外径を持つ誘電体管に対して約３４０ｍｂａｒである。

好ましくは、前記ガスは、本質的にＸｅからなる。

高い効率を達成するために、前記ガスは、不純物を約１０ｐｐｍ未満しか含有しないようにするべきである。

好ましくは、前記誘電体管は、石英ガラスから作られ、それは、ＶＵＶ放射線に対して透明である。

好ましい実施形態では、前記細ワイヤは細ワイヤの一つの側に配置されたばねで引っ張られ、中心に置かれている。これは、ロッドのまわりの全長にわたってらせん巻きされた内部電極と比較してランプの長さにわたる暗部を避け、かつ高温での電極の緊張を確実にすることを可能にする。後者は、共軸対称を保つことを可能にする。内部電極は、誘電体管の各端に物理的に接続されることが好ましい。

さらに、前述のＶＵＶエキシマランプを有する光化学オゾン発生器が提供される。

別の用途のため、ＶＵＶエキシマランプの前記誘電体管は、その内側又は外側で発光化合物による蛍光被覆を有することができる。前記被覆は、予め規定された波長を有する放射線の発生を可能にする。好ましくは、この被覆は、ＵＶ放射線の発生を可能にするＵＶ蛍光被覆である。より好ましくは、この被覆は、ＵＶ－Ｃ蛍光被覆である。ＵＶ－Ｃ蛍光被覆は、燐化合物を有することが好ましい。外側の被覆は、それが安定性に劣る化合物の使用、及び容易な被覆を可能にするので有益である。もし被覆が内側にあるなら、ＶＵＶ放射線に対して透明な高価なガラスは要求されず、それはコストを低減する。

さらに、ＶＵＶエキシマランプの設置のための方法は、以下の工程を有する：
－内部に第一電極が配置されたエキシマ形成ガスを保持するための誘電体管を与えること、ただし前記第一電極は、０．５ｍｍ未満の外径を有する細ワイヤを含み、それは略直線状である、
－細ワイヤを直流源に接続し、設置時にランプを積極的に加熱すること、
－誘電体管を排気し、誘電体管にエキシマ形成ガスを充填すること、
－第二電極を誘電体管の外部表面の上に与えること。

この方法は、バッキングプロセスのスピードアップを可能にする。なぜならランプの内部要素は、外側から加熱される必要はないからである。細ワイヤは、エキシマランプの効率をさらに改良する。

好ましくは、細ワイヤは、０．０２ｍｍ～０．４ｍｍの外径を有する。

本発明の好ましい実施形態は、図面を参照して記載されるだろう。全ての図において、同じ参照符号は、同じ構成要素又は機能的に同じ構成要素を示す。

図１は、誘電体管の内側に配置されたＶＵＶエキシマランプの内部電極の従来の概略図、及び本発明による内部電極の設計を示す。図２は、本発明による内部電極の概略図を示す。図３は、従来の内部電極と本発明の内部電極の間の効率比較を示すグラフである。図４は、キセノンガス圧力に依存するバリヤー放電におけるキセノンの発光スペクトルを示す。図５は、誘電体管の内側に燐光体被覆を有するエキシマランプの原理配置を示す。図６は、誘電体管の外側に燐光体被覆を有するエキシマランプの原理配置を示す。

図１は、誘電体３によって形成された放電室内のＶＵＶエキシマランプ１の従来の内部電極２を右に示す。内部電極２は、高電圧電極である。本発明によれば、内部電極２は、高融点を有する材料（例えばタングステン又はモリブデン）から作られた細ワイヤ（図１の左を参照）である。内部電極２の外径は、０．５ｍｍに等しいか又はそれより小さい。細ワイヤ２は、それが直線で配置されるように両端をクランプされ、引っ張られる。好ましくは、細ワイヤは、両側をタイトにクリンプされる。誘電体バリヤーとともにかかる電極２を使用することによって、放電は、均一化されることができ、それは、有意な効率の改良に寄与する。さらに、細ワイヤ電極２は、従来の幅広い電極よりずっと低い割合にＶＵＶ放射線を遮蔽し、吸収し、それは、効率の改良に導く。これは、発生したＶＵＶ放射線を示す矢印によって示される。

図２は、誘電体管３、第一電極（内部電極）２、及び第二電極（外部電極）４を含むエキシマランプ１の側面図を示す。第一及び第二電極２及び４は、駆動回路（図示せず）に接続される。誘電体管３は、誘電体（例えば石英ガラス）から作られ、それは、ＵＶ放射線に対して透明である。高電圧電極と誘電体の間の誘電体管内の空間は、高純度キセノンガス５を充填される。水含有量は、性能的な理由のため１０ｐｐｍより低いことが必要である。

高電圧電極細ワイヤ２は、エキシマランプの一方の端部分及び細ワイヤの一端に取り付けられたばね６によって引っ張られ、中心に位置される。ばね６は、インコネルのようなオーステナイト系ニッケル－クロムベースの超合金から作られることが好ましい。セラミックもまた、適用可能である。ばね６は、ランプ充填時のバッキングプロセスのために５００℃までの温度に耐えなければならない。

誘電体３は、第二電極４（接地電極）によって包囲される。この接地電極４は、様々な方法で形成されることができる。第二電極４は、導電性材料から作られる。例えば、第二電極４を形成するため、金属（例えばアルミニウム、銅）から作られた導電性ワイヤ又はテープを使用してもよい。第二電極４は、誘電体管３の外部表面と接触している。第二電極４は、直線状の電極４０，４１を含む。直線状の電極４０，４１は、実質的に互いに平行に配置され、それらは、誘電体管の長手方向軸に沿って延びる。別の実施形態では、電極４は、誘電体管３の外部表面の上にらせん形で形成されることができる。この構成は、放電が誘電体管３の円周方向に均一に発生されることを可能にし、それは、より均一な明るさ分布を有する発光を得ることを可能にする。さらに、接地電極４は、メッシュ又は水によって形成され、それは、容器が接地された電極として最小の導電性で作用しうる。

図３は、従来技術のエキシマランプ１（図１の右）のランプ効率７と本発明による内部電極２を有するエキシマランプ１（図１の左）の間のランプ効率８の比較を示す。驚くべきことに、本発明によるエキシマランプの効率は、ほとんど直線状にゆっくりとしか低下しないのに対して、従来技術のエキシマランプは、電力入力が増加すると急速に効率を失う。

ランプの寿命は、ガス充填圧力を増加することによって改良されることができる。図４は、キセノンガス圧力に依存して本発明による内部電極でのバリヤー放電におけるキセノンの発光スペクトルを示す。測定された圧力４９ｍｂａｒ、６９ｍｂａｒ、１００ｍｂａｒ及び６８０ｍｂａｒは、線９，１０，１１，１２でそれぞれダイヤグラムに表わされる。１４７ｎｍにおける共振線路は、低圧力（４９ｍｂａｒ）９で優位を占める。圧力を高めると、希望の１７２ｎｍの出力が強くなり、短波長成分が減少する。１６０ｎｍ以下では、石英スリーブの衝撃が見られる。１７２ｎｍのＶＵＶ放射線の効率並びにランプ寿命は、より高いキセノン圧力で改良する。

特に、１６ｎｍの外径及び５０ｃｍの長さを有する石英管が試験された。このランプ構成に対して、ガス充填の圧力は、ｐ_ＸＥ＝３００ｍｂａｒ付近、好ましくは２８０ｍｂａｒ～３７０ｍｂａｒ、より好ましくは３００ｍｂａｒ～３５０ｍｂａｒであるべきである。この構成のための最良の結果は、ｐ_ＸＥ＝３４０ｍｂａｒで達成された。他の石英管直径に対しては、他の圧力が最適である。

放出されたＶＵＶ光は、１７２ｎｍの波長を有し、それは、オゾンの生成のために理想的である。無声放電を有する従来のオゾン発生プロセスと比較すると、酸素分子は、電子の代わりに光子によって分割される。結果として、窒素酸化物は、全く生成されず、最も純粋な酸素供給ガス中の清浄なオゾンが生成されることができる。さらに、極めて高いオゾン濃度が達成されることができる。さらに、かかる光化学オゾン発生器に使用される供給ガス圧力に上限がないことが有利である。

ＶＵＶエキシマランプの別の用途は、ＵＶ－Ｃ放射線の発生である。この場合において、誘電体は、ＵＶ－Ｃ蛍光材料、例えばＹＰ０４：Ｂｉのような燐化合物の層で被覆されなければならない。これらの化合物は、１７２ｎｍ放射線を吸収し、ＵＶ－Ｃ範囲の光を再放出する（ストークスシフト）。放出された放射線の波長は、燐層の組成に依存する。それは、用途に適応されることができる。

図５に示されるように、ＵＶ－Ｃ蛍光被覆１３は、誘電体管３の内部表面の上に形成されることができる。駆動回路によって第一及び第二電極２及び４を横切る電圧の付与により、グロー放電が誘電体管３の内側に起こり、それは、放出媒体キセノン５を励起する。励起された放出媒体５が基底状態に移行するとき、放出媒体は、紫外光を放出する。紫外光は、燐光体層１３の燐光体を励起し、励起された燐光体は、ＵＶ－Ｃ範囲の光を放出する。

第二電極４は、互いに略平行に配置された複数の線状又はらせん状に巻かれた電極を含み、それらは、小さな区域のみが放電によって影響されるようにワイヤ又はストリップとして形成されることができる。Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＯの保護層は、放電プラズマから被覆１３を保護するためにＵＶ－Ｃ蛍光被覆１３の内側に配置されることができる。上述のようにキセノン圧力を最適化することはまた、燐光体被覆１３の長期の耐久性に導く。

図６は、誘電体３と第二電極４の間で誘電体管３の外部表面の上に配置されたＵＶ－Ｃ蛍光被覆１３を有する別の実施形態を示す。かかる外部被覆の利点は、燐光体層１３がプラズマと全く接触せず、放電によって破壊されることができないことである。しかしながら、ＶＵＶ放射線に対して耐えることができ、ＵＶ放射線を燐光体に送ることができる特別な誘電体スリーブ３が、必要である。例えば合成石英（Ｓｕｐｒａｓｉｌ３１０）が適用可能である。

燐光体被覆により効率的な水銀不含ＵＶ－Ｃランプが達成されることができ、それは、ウォームアップ時間を持たず、完全に暗くでき（効率損失なしで０～１００％）、広い範囲の操作温度に耐える。

Claims

エキシマ形成ガス（５）を保持するための誘電体管（３）、前記誘電体管（３）内に配置された第一電極（２）、及び前記誘電体管（３）の外側に配置された第二電極（４）を含むＶＵＶエキシマランプにおいて、前記第一電極（２）が細長く、少なくとも一つの細ワイヤを含み、前記第一電極（２）の外径が０．５ｍｍ未満であり、前記少なくとも一つの細ワイヤが０．０２ｍｍ～０．４ｍｍの外径を有することを特徴とするＶＵＶエキシマランプ。
前記細ワイヤが略直線状であり、細長形状の直線軸を規定することを特徴とする請求項１に記載のＶＵＶエキシマランプ。
第一電極が以下の式に従った厚さを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＶＵＶエキシマランプ：
（Ｒ／ｒｏ）／ｌｎ（Ｒ／ｒｏ）＞８
但し、２^＊Ｒは誘導体管（３）の内径であり、２^＊ｒｏは第一電極（２）の外径である。
第一電極が以下の式に従った厚さを有することを特徴とする請求項３に記載のＶＵＶエキシマランプ：
（Ｒ／ｒｏ）／ｌｎ（Ｒ／ｒｏ）＞１０
誘電体管（３）が、円筒形状を持つ細長い壁を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
第一電極（２）が誘電体管（３）の各端に物理的に接続されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
ガス充填圧力が３００ｍｂａｒ～５０ｂａｒの範囲であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
ガス充填圧力が約３４０ｍｂａｒであり、誘電体管（３）が約１６ｍｍの外径を有することを特徴とする請求項７に記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記ガス（５）が本質的にＸｅからなることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記ガス（５）が不純物を約１０ｐｐｍ未満しか含有しないことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記誘電体管（３）が石英ガラスから作られることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記細ワイヤ（２）が細ワイヤ（２）の少なくとも一つの側に配置された少なくとも一つのばね（６）で引っ張られ、中心に置かれていることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記誘電体管（３）がその内側又は外側で発光化合物による蛍光被覆（１３）を有することを特徴とする請求項１～１２のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記誘電体管（３）がその内側又は外側で発光化合物によるＵＶ蛍光被覆（１３）を有することを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記誘電体管（３）がその内側又は外側で発光化合物によるＵＶ－Ｃ蛍光被覆（１３）を有することを特徴とする請求項１４に記載のＶＵＶエキシマランプ。
前記ＵＶ－Ｃ蛍光被覆（１３）が燐化合物を有することを特徴とする請求項１５に記載のＶＵＶエキシマランプ。
請求項１～１２のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ（１）を有する光化学オゾン発生器。
請求項１～１６のいずれかに記載のＶＵＶエキシマランプ（１）、及びＡＣ電力を第一電極（２）及び第二電極（４）に供給するための電力供給源を有するエキシマランプシステム。