JP2023003307A - 放電ランプ、オゾン生成方法および放電容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン発生装置などにおいて、原料ガスなどが流れる流路に対して紫外線を効果的に照射する。【解決手段】エキシマランプ１０は、外側管２０と、内側管３０とを備え、帯状の箔電極４０Ａ、４０Ｂが外側管２０と内側管３０との間で埋設され、露出しないように、外側管２０と内側管３０とを部分的に溶着させる。そして、外側管２０と内側管３０との間に流路Ｒを形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、エキシマランプなどの放電ランプ、並びにエキシマランプなどを用いた紫外線照射装置並びにオゾン発生装置に関し、特に、放電容器の構成に関する。

内側管と外側管によって発光管を構成する二重管構造のエキシマランプでは、外側管と内側管とが封止部において溶着し、一体となって封止されている（例えば、特許文献１参照）。内側管と外側管との間に形成された放電空間には希ガスが封入され、電極間に高周波電圧を印加することにより、放電発光する。

エキシマランプを用いたオゾン発生装置では、オゾン生成用原料ガスに対して紫外線を効果的に照射するように流路を形成することが求められる。例えば、筒状筐体内に二重管構造のエキシマランプを配置し、外側管外表面と筐体内表面との間に原料ガスの流れる流路を形成する。（特許文献２、３参照）。

特許第５５０４０９５号公報 特開２００３－１６５７１１号公報 特開２０１６－３７４１６号公報

特定波長（例えば、１７２ｎｍ）の紫外線によっては、ランプから放射された紫外線は比較的短い距離で減衰する。そのため、原料ガスなどが流れる流路において、紫外線強度が十分でない空間領域が生じ、オゾン発生効率の低下を招く恐れがある。

したがって、原料ガスなどが流れる流路に対して紫外線を効果的に照射できる放電容器の構成が求められる。

本発明の放電ランプは、内側管と、内側管を収容する外側管と、内側管および外側管との間に配置された帯状電極とを備える。内側管と外側管とは、帯状電極を露出させないように、部分的に溶着し、第１の空間領域が、内側管内に形成され、第２の空間領域が、内側管と外側管との間の非溶着空間部分に形成されている。そして、第１の空間領域および第２の空間領域において、一方には放電空間が形成され、他方には流路が形成されている。

例えば、第１の空間領域を放電空間として形成し、流路を、第２の空間領域として形成することが可能である。この場合、帯状電極は、内側管を介して対向配置された電極対で構成することが可能である。一方、第１の空間領域を流路として形成し、第２の空間領域を放電空間として形成することも可能である。

放電空間が第１の空間領域に形成される場合、流路の構成としては、管軸に沿った軸方向流路と、内側管の一方の縮径部表面に沿って軸方向流路と繋がっている径方向流路とを設けることが可能である。あるいは、管軸に沿った軸方向流路を設け、外側管の一方の端部が開口するように、流路を構成することも可能である。この場合、内側管外表面と外側管内表面との径方向距離間隔が、紫外線減衰率が８０％以上となる紫外線減衰距離以下となるように構成することができる。

一方、流路が第１の空間領域に形成される場合、流路の構成としては、内側管の少なくとも一方の端部を開口することによって、管軸に沿った軸方向流路を設けことができる。

本発明の一態様であるオゾン生成方法は、内側管と、内側管を収容する外側管との間に、帯状電極を配置し、内側管と外側管とを、帯状電極を埋設させるように溶着させ、紫外線を放射するための希ガスを、内側管内に形成される放電空間に封入し、流路を、内側管と外側管との間の非溶着空間部分に形成し、酸素を含む原料ガスを流路に流すことによって、オゾンを発生させる。

本発明の一態様である放電容器の生成方法は、内側管と、内側管を収容する外側管との間に、帯状電極を配置し、内側管と外側管とを、帯状電極を埋設させるように部分的に溶着させ、内側管と外側管との間の非溶着空間部分に、空間領域を形成する。空間領域としては、放電空間または流路となる空間領域（第１の空間）と、流路または放電空間となる空間領域（第２の空間領域）を形成するように、内側管と外側管とを部分的に溶着させればよい。

本発明によれば、オゾン発生装置などにおいて、原料ガスなどが流れる流路に対して紫外線を効果的に照射できる。

第１の実施形態であるエキシマランプの概略的側面図である。 第１の実施形態であるエキシマランプの軸方向から見た概略的平面図である。 エキシマランプの概略的断面図である。 第１の実施形態のエキシマランプの製造工程を示した図である。 第１の実施形態のエキシマランプの製造工程を示した図である。 第２の実施形態における、エキシマランプの概略的側面図である。 第２の実施形態における、エキシマランプの軸方向から見た概略的平面図である。 第２の実施形態における、エキシマランプの概略的断面図である。 第２の実施形態における、エキシマランプの製造工程を示した図である。 第２の実施形態における、エキシマランプの製造工程を示した図である。 第３の実施形態における、エキシマランプの概略的側面図である。 第３の実施形態における、エキシマランプの軸方向から見た概略的平面図である。 第３の実施形態における、エキシマランプの概略的断面図である。 第３の実施形態における、エキシマランプの製造工程を示した図である。 第３の実施形態における、エキシマランプの製造工程を示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態であるエキシマランプの概略的側面図である。図２は、エキシマランプの軸方向から見た概略的平面図である。

エキシマランプ１０は、放電容器１０Ｆに流路Ｒを形成した二重管構造の放電ランプであり、接続部６０、７０を介して流路管８０と接続している。流路管８０には、オゾンを発生させるための原料ガス（酸素を含むガスなど）あるいは除菌、消臭のために紫外線照射対象となる液体などが流れるように構成されている。

エキシマランプ１０は、外側管２０と、外側管２０内に同軸的に配置される内側管３０とを備える。内側管３０内には放電空間Ｓが形成され、所望な波長の紫外線を内側管３０外に向けて放射するように希ガスがチップ管３５から封入されている。外側管２０、内側管３０は、加熱によって互いに溶着可能な素材から成り、ここでは所望な波長における透過性のある石英ガラスで構成されている。なお、図１、２では、外側管２０の内表面２０Ｓと内側管３０の外表面３０Ｓとで囲まれた流路Ｒ１、Ｒ２を破線で示している。

電極対４０Ａ、４０Ｂは、管軸Ｃに沿って延び、ここでは帯状の箔電極によって構成されている。電極対４０Ａ、４０Ｂは、内側管３０と外側管２０との間で径方向に沿って互いに向かい合う位置に設けられている。電極対４０Ａ、４０Ｂには、内側管３０のチップ管３５とは反対側端部に対し、給電線５０Ａ、５０Ｂがそれぞれ接続されている。

電極対４０Ａ、４０Ｂに対して高周波（例えば、数ｋＨｚ～数十ＭＨｚの範囲）高電圧（例えば、数ｋＶ～十数ｋＶの範囲）が印加されることにより、放電空間Ｓにおいて放電（誘電体バリア放電など）が生じ、紫外線がエキシマ光として放電空間Ｓから放射される。ここでは、波長１７２ｎｍの紫外線が放射される。

例えば、酸素を含む原料ガスが流路管８０を流れる場合、エキシマランプ１０内の流路Ｒを流れる原料ガスに対して紫外線が照射されることにより、オゾンが発生する。オゾンを含む原料ガスは、下方側の接続部７０を介して流路管８０へ流出し、除菌、消臭などに用いられる。

図３は、エキシマランプ１０の概略的断面図である。ここでは、図１、２に示したラインＡ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃに沿った断面図をそれぞれ示している。

図３のラインＣ－Ｃに沿った断面図から明らかなように、電極対４０Ａ、４０Ｂは、外側管２０と内側管３０との間に挟まれた状態で径方向に沿って対向配置され、外側管２０と内側管３０との溶着によって埋設されて、空間領域に露出していない。図３のラインＡ－Ａに沿った断面図から明らかなように、電極対４０Ａ，４０Ｂの管軸Ｃに沿った長さは、内側管３０の径一定部分３０Ｔ０に対応した長さを有し、電極対４０Ａ、４０Ｂ全体が外側管２０と内側管３０との溶着によって被覆され、露出していない。

また、内側管３０のチップ管３５と反対側の縮径部３０Ｔ２と径一定部分の境界３０Ｍ
付近では、外側管２０が内側管３０の周方向周り全体に渡って溶着している。このような外側管２０と内側管３０との部分的溶着により、流路Ｒが、外側管２０と内側管３０との非溶着部分である外側管２０と内側管３０の径方向に沿った隙間として形成されている。

図１および図３のラインＢ－Ｂに沿った断面図に示すように、外側管２０の上流側（接続部６０側）の流路Ｒと下流側（接続部７０側）の流路Ｒ（図３では、軸方向に沿った流路として符号Ｒ１で表している）が、管軸Ｃに沿った軸方向流路として構成されている。そして、内側管３０のチップ管３５が形成された側の縮径部３０Ｔ１の外表面に沿った流路Ｒ（図３では、径方向に沿った流路として符号Ｒ２で表している）を通じて、軸方向に沿った上流側と下流側の流路Ｒ１とが径方向で空間的に繋がっている。

放電容器１０Ｆでは、内側管３０内に放電空間Ｓ、外側管２０と内側管３０との間に流路Ｒを形成する空間が形成されているが、放電空間Ｓが放電容器１０Ｆの大部分を占め、流路Ｒの空間領域は非常に狭い。

一般的に、特定のピーク波長の真空紫外線は、大気中での光の進行とともに減衰して紫外線強度が低下する。特に、理想的な測定環境では波長１７２ｎｍの紫外線の場合、約１ｍｍの進行で紫外線強度比が８０％まで減衰し、約３ｍｍで５０％、約６ｍｍで２０％、
そして約３０ｍｍで紫外線がすべて吸収されてしまう。紫外線減衰率が８０％以上（紫外線強度比が２０％以下）まで減衰する距離（以下、紫外線減衰距離という）が非常に短いが、紫外線強度が低い領域を原料ガスが通過させると高濃度のオゾンを含むガスを生成することができない。そのため、原料ガスや液体が流路Ｒを流れる間、オゾンを生成する十分に紫外線強度が高い領域を通過させることができる流路Ｒを形成する必要がある。

本実施形態では、エキシマランプ１０内に形成された流路Ｒ（Ｒ１）の径方向距離間隔、すなわち内側管外表面３０Ｓと外側管内表面２０Ｓとの距離間隔（以下、ギャップという）Ｋは、最大距離となる個所においても、紫外線減衰距離以下になっている。そのため、流路Ｒ内に紫外線強度が低い領域が形成されることを防ぎ、流路Ｒ（Ｒ１）を通る原料ガス、液体などに対し、十分な紫外線強度で紫外線を照射することができる。また、流路Ｒのギャップは、経路において距離間隔に大きな相違がなく、原料ガスや液体が流路Ｒ（Ｒ１）を流れる間、比較的均一な紫外線強度で紫外線を受けることができる。

さらに、放電空間Ｓにおいて放電が生じると、紫外線は放電空間Ｓの径方向、すなわち内側管３０の周方向全体から放射されるだけでなく、管軸Ｃに沿った方向にも放射される。流路Ｒ（Ｒ１、Ｒ２）が、内側管３０の縮径部３０Ｔ２も含めて外表面３０Ｓの大部分に沿って形成されているため、原料ガスや液体が流路Ｒを通過する間、紫外線を十分に照射することができる。

このような２重管構造のエキシマランプ１０は、既存のエキシマランプのようにジャケット管などへの挿入、設置作業を必要とせず、流路管８０へそのまま接続するだけでオゾン発生装置として構成することが可能であり、また、紫外線照射装置として構成することが可能である。

図４、５は、本実施形態のエキシマランプ１０の製造工程を示した図である。図４、５を用いて製造方法について説明する。ただし、図１、２のラインＡ－Ａ、Ｂ－Ｂに合わせた内側管、外側管の断面図を合わせて示している。また、図１～３に示す製造後の外側管、内側管に対応する管などの構成に関し、説明を容易にするために図１～３で使用した符号を付している。

まず、一方の端部に小径のチップ管を形成し、内部空間を形成するように他方の端部が閉じた有底の内側管を成形する。外側管に関しては、上下方向に関して相対する位置に流路管との接続部となる小径の開口部を形成するととともに、一方の端部に内側管のチップ管サイズに応じた小径の孔２０Ｒを形成し、そして、小径の孔２０Ｒ（内側管のチップ管）とは反対側端部を開口させた無底の外側管を成形する。

内側管および外側管を成形した後、内側管を外側管内に挿入する。このとき、内側管に対し、給電線を接続させた帯状の箔電極を、周方向の互いに相対する位置で維持しながら内側管に添えて外側管内に挿入する（工程１－１参照）。

図４では、内側管を外側管内に挿入した状態を示している。内側管と外側管との間の隙間は、箔電極を挿入するだけの僅かな隙間であり（図４では誇張して描いている）、箔電極の厚さに応じて内側管の径、外側管の径が定められている。

内側管の外側管への挿入後、外側管の両側を封止する。すなわち、外側管の一端の小径と内側管のチップ管との隙間部分と、反対側の開口部を加熱によって封止する。その後、外側管の上側の開口部を閉じて下側の開口部から真空引きを行う（工程１－２参照）。

外側管の下側の開口部を封止して外側管内を真空状態にした後、箔電極の位置に沿って外側管に対して加熱、縮径を行い、外側管と内側管とを溶着させる。このとき、外側管を回転させずに加熱することによって、箔電極の位置を維持する。その結果、箔電極が外側管と内側管との間に埋設された状態で外側管と内側管が溶着される。なお、内側管に関しては、大気解放されている。

箔電極部分の封着とともに、内側管の径一定部分と、チップ管反対側の縮径部分との境界付近３０Ｍにおいて、外側管を加熱、縮径し、内側管全周に渡って外側管を溶着させる。これにより、外側管と内側管との間に流路が形成される（工程１－３参照）。そして、内側管を排気して放電ガスを封入した後、外側管の端部を内側管の端部に合わせて切断する。そして、外側管の上側、下側の封止部分を再び開口して接続部を形成する（工程１－４参照）。このような一連の工程によって、エキシマランプ１０が製造される。

次に、図６～１０を用いて、第２の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第２の実施形態では、内側管のチップ管が給電線側に設けられている。

図６は、第２の実施形態における、エキシマランプの概略的側面図である。図７は、第２の実施形態における、エキシマランプの軸方向から見た概略的平面図である。図８は、第２の実施形態における、エキシマランプの概略的断面図である。

エキシマランプ１００は、第１の実施形態と同様、外側管１２０と外側管１２０内に同軸的に収容される内側管１３０とを備え、内側管１３０内に放電空間Ｓが形成される一方、流路Ｒが外側管１２０と内側管１３０との間に形成されている。

図８のラインＡ－Ａ、Ｂ－Ｂに沿った断面図に示すように、内側管のチップ管１３５の反対側端部で、流路Ｒ（図８では符号Ｒ２で示している）が管軸Ｃに沿った上流側と下流側の流路Ｒ（図８では符号Ｒ１で示している）と径方向に繋がることによって、原料ガス、液体などがエキシマランプ１０内を通過していく。第１の実施形態とは違って流路Ｒ２側にチップ管が形成されていないため、流路Ｒ２の空間領域を広く確保することができ、原料ガスなどに対し紫外線を十分に照射することができる。

図９、１０は、第２の実施形態における、エキシマランプの製造工程を示した図である。図９、１０を用いて、第２の実施形態であるエキシマランプの製造方法について説明する。

内側管に関しては、一方の端部に小径のチップ管を形成し、内部空間を形成するように他方の端部が閉じた有底筒状の内側管を形成する。外側管に関しては、一方の端部に小径のチップ管１２５を形成し、他方の端部に開口部１２０Ａを形成する。そして、内側管のチップ管側を外側管のチップ管に向けて、内側管を外側管に挿入する（工程２－１参照）。このとき、第１の実施形態と同様、箔電極を内側管に沿えて外側管内に挿入する。

内側管の挿入後、外側管の両端、すなわち、開口部１２０Ａおよびチップ管１２５を封止して端部１２０Ｂを形成し、外側管内を真空引きする（工程２－２参照）。そして、箔電極に沿って加熱、縮径し、外側管と内側管とを溶着させる。また、内側管のチップ管側の縮径部と径一定部分の境界付近１３０Ｍにおいて、外側管を内側管全周に渡って溶着させ、流路を形成する（工程２－３参照）。

その後、内側管を排気して放電ガスを封入し、内側管のチップ管を封止する一方、外側管の内側管との全周溶着部分よりもチップ管側を切断する。そして、内側管をチップオフ、すなわち切断封止した後、外側管の上側、下側の封止部を再び開口して接続部を形成する（工程２－４参照）。これによって、第２の実施形態であるエキシマランプ１００が製造される。

次に、図１１～１５を用いて、第３の実施形態であるエキシマランプについて説明する。第３の実施形態では、外側管の一端が開口した放電容器が構成されている。それ以外の構成については、実質的に第２の実施形態と同じである。

図１１は、第３の実施形態における、エキシマランプの概略的側面図である。図１２は、第３の実施形態における、エキシマランプの軸方向から見た概略的平面図である。図１３は、第３の実施形態における、エキシマランプの概略的断面図である。

エキシマランプ２００は、外側管２２０と内側管２３０とを備え、外側管２２０の一端には開口部２２０Ｒが形成され、無底となっている。そして、外側管２２０の接続部６０、７０両方から、酸素を含む原料ガスが流入するように構成されている。

エキシマランプ２００へ流入したガスは、管軸Ｃに沿った軸方向の流路Ｒ（Ｒ１）を通る間、紫外線によって照射され、オゾンが発生する。そして、オゾンを含むガスが開口部２２０Ｒから流出する。このように開口部２２０Ｒからオゾンを含むガスを流出させることにより、例えば、ワークＷ（図１１参照）の表面に外側管２２０の開口部２２０Ｒを向けるようにしてエキシマランプ２００を配置することで、除菌、消臭作用のあるオゾン発生装置として利用することが可能である。

図１４、１５は、第３の実施形態における、エキシマランプの製造工程を示した図である。図１４、図１５を用いて、第３の実施形態であるエキシマランプの製造方法について説明する。

第２の実施形態と同様、箔電極を添えて内側管を外側管内に挿入し、箔電極を露出させないように外側管と内側管とを溶着、また、内側管のチップ管側の縮径部と径一定部分との境界付近で外側管を内側管全周に渡って溶着する（図１４の工程３－３参照）。

その後、外側管のチップ管と反対側端部を切断し、開口部を形成する。また、内側管のチップ管を封止する（図１４の工程３－４参照）。その後、内側管に希ガスを封入してチップ管を封止する。また、外側管の上側、下側の封止部を再び開口して接続部を形成させる（図１５の工程３－５参照）。これによって、第３の実施形態であるエキシマランプ２００が製造される。

第１～第３の実施形態では、帯状の箔電極を一対として構成しているが、３つ以上の電極を用いてもよく、また、電極対の一方の電極を外側管外表面に配置してもよい。また、箔電極以外の管軸に沿って延びる電極を適用することも可能である。さらに、内側管の径一定部分の長さよりも短い電極長さで構成することも可能である。

第１～第３の実施形態では、内側管内部を放電空間、内側管と外側管との間を流路として形成しているが、流路と放電空間を空間領域として入れ替える構成も可能である。例えば、内側管内を管軸方向に沿って貫通させて流路を形成し、内側管と外側管との間に放電空間を形成することが可能である。流路の構成としては、内側管の少なくとも一方を開口することによって、管軸に沿った軸方向流路を設ける構成にすることができる。この場合、外側管の管壁に電極を埋設させる、あるいは外側管外表面に電極を配置すればよい。

１０ エキシマランプ
２０ 外側管
３０ 内側管
４０Ａ 箔電極
４０Ｂ 箔電極
Ｓ 放電空間
Ｒ 流路

Claims (10)

1. 内側管と、
   前記内側管を収容する外側管と、
   前記内側管および前記外側管との間に配置された帯状電極とを備え、
   前記内側管と前記外側管とが、前記帯状電極を露出させないように、部分的に溶着し、
   第１の空間領域が、前記内側管内に形成され、
   第２の空間領域が、前記内側管と前記外側管との間の非溶着空間部分に形成され、
   前記第１の空間領域および前記第２の空間領域において、
   一方には放電空間が形成され、他方には流路が形成されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記放電空間が、前記第１の空間領域に形成され、
   前記流路が、前記第２の空間領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記流路が、管軸に沿った軸方向流路と、前記内側管の一方の縮径部表面に沿って前記軸方向流路と繋がっている径方向流路とを設けていることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
4. 前記流路が、管軸に沿った軸方向流路を設け、前記外側管の一方の端部が開口していることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
5. 前記流路において、前記内側管外表面と前記外側管内表面との径方向距離間隔が、紫外線減衰率が８０％以上となる紫外線減衰距離以下となっていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の放電ランプ。
6. 前記帯状電極が、前記内側管を介して対向配置された電極対で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 前記流路が、前記第１の空間領域に形成され、
   前記放電空間が、前記第２の空間領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
8. 前記内側管の少なくとも一方の端部が開口し、
   前記流路が、管軸に沿った軸方向流路を設けていることを特徴とする請求項７に記載の放電ランプ。
9. 内側管と、前記内側管を収容する外側管との間に、帯状電極を配置し、
   前記内側管と前記外側管とを、前記帯状電極を埋設させるように溶着させ、
   紫外線を放射するための希ガスを、前記内側管内に形成される放電空間に封入し、
   流路を、前記内側管と前記外側管との間の非溶着空間部分に形成し、
   酸素を含む原料ガスを前記流路に流すことによって、オゾンを発生させることを特徴とするオゾン生成方法。
10. 内側管と、前記内側管を収容する外側管との間に、帯状電極を配置し、
    前記内側管と前記外側管とを、前記帯状電極を埋設させるように部分的に溶着させ、
    前記内側管と前記外側管との間の非溶着空間部分に、空間領域を形成することを特徴とする放電容器の製造方法。

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