JP2023043997A - Ultraviolet irradiation device, ozone generator, and method for lighting excimer lamp - Google Patents
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Abstract
Description
新規性喪失の例外適用申請有り There is an application for exception to loss of novelty
本発明は、エキシマランプに関し、特に、ランプ点灯制御に関する。 The present invention relates to excimer lamps, and more particularly to lamp lighting control.
エキシマランプでは、石英ガラスなどの誘電体から構成される放電容器の外周面上に電極(以下、外側電極という)を配設する。一方、放電容器の内側には、ランプ軸に沿って電極(以下、内側電極という)が配置され、キセノンガスなどの希ガスが放電容器内に封入されている。内側電極と外側電極との間に対し電圧を印加することにより、放電容器内の放電空間で誘電体バリア放電や容量結合型高周波放電が生じ、紫外線がエキシマ光として放射される(例えば、特許文献1参照)。 In an excimer lamp, an electrode (hereinafter referred to as an outer electrode) is arranged on the outer peripheral surface of a discharge vessel made of a dielectric such as quartz glass. On the other hand, an electrode (hereinafter referred to as an inner electrode) is arranged inside the discharge vessel along the lamp axis, and a rare gas such as xenon gas is enclosed in the discharge vessel. By applying a voltage between the inner electrode and the outer electrode, a dielectric barrier discharge or a capacitively coupled high-frequency discharge occurs in the discharge space in the discharge vessel, and ultraviolet rays are emitted as excimer light (see, for example, patent documents 1).
例えば、オゾン発生装置にエキシマランプを使用する場合、必要とされるオゾン発生量は使用環境、使用条件などによって異なり、低濃度による安定したオゾンの発生が要求される場合もある。また、バッテリを利用した小型オゾン発生装置などでは、エキシマランプのサイズ、電力などに制限があり、電力消費を抑えたオゾン発生が求められる。 For example, when an excimer lamp is used as an ozone generator, the required amount of ozone generation varies depending on the usage environment, usage conditions, etc., and in some cases, stable generation of low-concentration ozone is required. In addition, in a compact ozone generator using a battery, there are limits on the size and power of the excimer lamp, and ozone generation with reduced power consumption is required.
したがって、オゾン発生装置などの使用環境に応じて、効果的に紫外線を照射可能なエキシマランプの点灯制御が求められる。 Therefore, lighting control of an excimer lamp capable of effectively irradiating ultraviolet rays is required according to the usage environment of an ozone generator or the like.
本発明の一態様である紫外線照射装置は、オゾン発生装置に適用可能であり、エキシマランプと、エキシマランプを点灯制御する制御部とを備える。そして、制御部が、過渡状態の放電を継続するように、エキシマランプの点灯と消灯を繰り返す。このような点灯制御としては、エキシマランプの点灯と消灯を周期的に繰り返す周波数f2が、エキシマランプに対し印加される電圧の周波数f1よりも低くなるようにすることが可能であり、例えば、周波数f2が、1~60Hzの範囲に定めることができる。 An ultraviolet irradiation device that is one aspect of the present invention can be applied to an ozone generator, and includes an excimer lamp and a controller that controls lighting of the excimer lamp. Then, the control unit repeatedly turns on and off the excimer lamp so as to continue the discharge in the transient state. As such lighting control, it is possible to set the frequency f2 of periodically repeating turning on and off of the excimer lamp to be lower than the frequency f1 of the voltage applied to the excimer lamp. f2 can be set in the range of 1 to 60 Hz.
例えばオゾン発生装置は、ユーザによる入力操作を検出する操作検出スイッチを備えることが可能である。操作検出スイッチは、周波数f3=f2×n(nは自然数)の周期で、入力操作を検出するように構成することができる。 For example, the ozone generator can include an operation detection switch that detects an input operation by the user. The operation detection switch can be configured to detect an input operation with a period of frequency f3=f2×n (n is a natural number).
本発明の他の一態様であるオゾン発生装置は、エキシマランプと、エキシマランプを点灯制御する制御部とを備え、制御部が、過渡状態の放電を継続するように、エキシマランプの点灯と消灯を繰り返す。例えば、過渡状態の放電を繰り返すときのオゾン生成量が、定常状態の放電におけるオゾン生成量の半分以下となるように、点灯と消灯を繰り返す点灯制御を行うことが可能である。 An ozonizer according to another aspect of the present invention includes an excimer lamp and a controller that controls lighting of the excimer lamp, and the controller controls lighting and extinguishing of the excimer lamp so as to continue discharge in a transient state. repeat. For example, it is possible to perform lighting control that repeats lighting and extinguishing so that the amount of ozone generated when repeating transient discharge is half or less of the amount of ozone generated when discharging in steady state.
オゾン発生装置は、エキシマランプを内部に配置する流路管を備えることが可能である。流路管を流れる、酸素を含む流体の流量が、1m3/min以下となるように、点灯制御することが可能である。 The ozone generator can comprise a channel tube in which the excimer lamp is arranged. Lighting control can be performed so that the flow rate of the oxygen-containing fluid flowing through the channel tube is 1 m 3 /min or less.
例えばオゾン発生装置は、ユーザによる入力操作を検出する操作検出スイッチを備えることが可能である。操作検出スイッチは、周波数f3=f2×n(nは自然数)の周期で、入力操作を検出するように構成することができる。 For example, the ozone generator can include an operation detection switch that detects an input operation by the user. The operation detection switch can be configured to detect an input operation with a period of frequency f3=f2×n (n is a natural number).
本発明の他の一態様であるエキシマランプの点灯方法は、少なくとも放電容器内に少なくとも一部が露出している電極を備えたエキシマランプの点灯方法であって、過渡状態の放電を継続するように、エキシマランプの点灯と消灯を繰り返す。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of lighting an excimer lamp including an electrode at least partially exposed in at least a discharge vessel, the method comprising: , the excimer lamp is repeatedly turned on and off.
本発明によれば、オゾン発生装置などにおいて、効果的に紫外線を照射可能なエキシマランプを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an excimer lamp capable of effectively irradiating ultraviolet rays in an ozone generator or the like.
以下では、図面を参照して、本発明の実施形態であるエキシマランプを備えたオゾン発生装置について説明する。 Hereinafter, an ozone generator provided with an excimer lamp, which is an embodiment of the present invention, will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態であるオゾン発生装置におけるエキシマランプの側面側から見た概略的断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the excimer lamp in the ozone generator of this embodiment, viewed from the side.
オゾン発生装置100は、エキシマランプ10を備え、制御部(ここでは図示せず)によって動作制御されている。エキシマランプ10は、酸素を含む原料ガスが流れる流路管90内に配置されている。吸気ファン(図示せず)によって原料ガスがエキシマランプ10の周囲を流れる間、エキシマランプ10は、原料ガスに対し紫外線を照射し、オゾンを発生させる。
The
オゾン発生装置100は、ここでは低濃度のオゾン発生装置として構成されており、バッテリ駆動による小型装置として構成されている。すなわち、エキシマランプ10とエキシマランプ10の点灯制御可能な制御部とを備えた紫外線照射装置を組み込んだオゾン発生装置100は、流路管90が水平方向に沿うように横向きに設置可能であり、また、流路管90が鉛直方向に沿うように直上に設置することも可能である。
The
エキシマランプ10は、放電空間領域を囲む断面の内径がランプ軸Cに沿って一定で略円筒状の円筒状部の両端で、ランプ軸Cに沿って内径が縮径する縮径部により封止された放電容器20を備え、紫外線を透過する石英ガラスなどの誘電材料から構成されている。放電容器20の円筒状部の先端側には、縮径部を介して一体的に形成された小径部21、後端側には縮径部を介して一体的に封止管22が形成されている。すなわち、放電容器20は、小径部21と縮径部が円筒状部の先端側に一体的に形成され、封止管22と縮径部が円筒状部の後端側に一体的に形成されている。放電容器20内の放電空間Sには、キセノンなどの希ガスが封入されている。
The
封止管22では、内側電極40がランプ軸Cに沿って延びるように配置され、その電極先端部(以下、先端部という)40Tは放電空間Sに露出して、放電容器20の円筒状部とランプ径方向に沿って対向している。すなわち、内側電極40の先端部40Tのみが、ランプ径方向に沿って放電容器20の円筒状部と対向して、内側電極40の他の部分は、ランプ径方向に沿って放電容器20の縮径部と対向して、放電容器20の円筒状部と対向しない構成となっている。一方、内側電極40の後端側は、封止箔(金属箔)24を介して、給電線(以下、内側給電線という)25と接続する。
In the
放電容器20の外表面20Sには、外側電極50が設けられている。外側電極50は、放電容器20の外表面20Sを露出させ、放電容器内の放電から放射された紫外線を遮らないにように導電線を螺旋状に巻き付けられ、主に放電容器内の放電の形成に寄与する放電用電極部(以下、螺旋状電極部という)51と、螺旋状電極部51を保持して電気的に接続し、放電容器20の外表面20Sを覆うように導電性板を環状に巻き付けた保持用電極部(以下、環状部という)52、54、56とを備える。
An
螺旋状電極部51は、放電容器20の円筒状部の先端側から後端側までランプ軸Cに沿って外表面20Sに密接するように巻き付けられ、環状部52、54、56に対して溶接や巻き付けることで、放電容器20の外表面に対する空隙の形成やランプ軸C沿った移動を抑制した状態で電気的に接続された電極部分であり、放電空間Sのランプ軸方向範囲全体で伸びる細線状の放電が生じるように外表面20Sに配設されている。環状部52、56は、放電容器20の螺旋状電極部51の両端部に位置し、特に、環状部56は、内側電極40の先端部40Tとランプ径方向で対向するように位置する。環状部54は、その間のランプ中央部付近に配置されている。環状部54は、内側電極40の先端部40Tよりもランプ中央側に位置する。
The
環状部52、54、56は、導電性板を円筒状に巻き付けた端部を溶接した構成であり、円周長さを短くすることによって放電容器20の外表面20Sの全周に渡って面接触することで、放電容器20の外表面20Sに対する空隙の形成やランプ軸Cに沿った移動を抑制し、螺旋状電極部51をランプ軸Cに沿って挟み込むように保持している。さらに、ランプ中央部付近に配置された環状部54には、延伸部54Bが設けられている。
The
延伸部54Bは、放電容器の外表面から離れる方向に沿って延び(ここではランプ径方向に沿って直線状に延伸)、その先端部54BTは、アース側の外側給電線70と接続部BTで接続している。
The extending
放電容器20と外側給電線70との間の最も短い距離間隔、すなわち、放電容器20の外表面20Sから接続部BTまでの距離間隔Dは、放電容器20の周囲に沿って流れる原料ガスや処理用の流体などの流れ状況や、外側給電線70と接続部BTが位置する領域における紫外線照度を考慮して定めることが可能である。例えば、波長172nmの紫外線の場合、約3mmの進行で紫外線強度比が50%以下まで減衰し、約6mmで20%以下まで減衰することを考慮し、距離間隔Dは、放電容器20から放射される紫外線強度比が50%まで減衰する距離(紫外線減衰距離)以上、好ましくは20%まで減衰する距離以上になるように、定められている。
The shortest distance between the
内側電極40と外側電極50との間に対して高周波高電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じ、ここでは、真空紫外線の波長域、すなわち波長200nm以下の紫外線(例えば波長172nm)がエキシマ光として放電容器20外へ放射される。流路管90内で酸素を含む原料ガスがエキシマランプ10周囲を流れるとこによって、オゾンが発生し、オゾンを含むガスがオゾン発生装置100外へ放出される。これにより、除菌、消臭などを行うことができる。
When a high-frequency high voltage is applied between the
図2は、オゾン発生装置100の概略的ブロック図である。ここでは、エキシマランプ10の点灯制御に関する構成のみ図示している。
FIG. 2 is a schematic block diagram of the
制御部110は、エキシマランプ10の点灯制御を含め、オゾン発生装置100の動作を制御する。ランプON/OFF回路120は、ランプ電源回路130と接続し、エキシマランプ10の周期的な点灯と消灯の繰り返しを実行可能なように、ランプ電源回路130の動作を制御する。制御部110など各回路へ電源供給するバッテリ140は、リチウム電池などの二次電池で構成され、USB端子ケーブルを介して充電可能である。
The
オゾン発生装置100は、装置筐体100Aに設けられ、オゾン発生動作開始、オゾン発生時間設定などのために操作される操作部150を備えている。スイッチ回路(以下、操作検出スイッチという)160は、ユーザによる操作部150への入力操作を検出し、タッチセンサによって構成されている。LEDなどで構成され、筐体100Aに設けられたインジケータ170は、オゾン発生時間、バッテリ残量などを表示可能である。
The
本実施形態では、点灯(点弧)直後の不安定な放電状態(過渡状態の放電)から、安定した放電状態(定常状態の放電)へ移行する前にエキシマランプ10を消灯(消弧)させ、その直後に再び点灯させる。このように点灯および消灯を繰り返す(以下、周期的点灯という)ことにより、過渡状態の放電を継続的に発生させる点灯方法を採用している。
In the present embodiment, the
誘電体バリア放電では、所定周波数によって電圧が印加されると、収斂した細線状のマイクロプラズマ放電が生じた部分で放電が継続し、細線状のマイクロプラズマ放電が生じてない部分では放電がその後も生じないという、いわゆる記憶効果がある。ここでは、いわゆる記憶効果をリセットする(放電が生じる前の状態に戻す)ように、記憶効果が生じる定常状態の放電を発生させる前に消灯し、過渡状態の放電を繰り返すリセット点灯動作を行う。 In the dielectric barrier discharge, when a voltage is applied at a predetermined frequency, the discharge continues in the portion where the converging thin-line microplasma discharge is generated, and the discharge continues in the portion where the thin-line microplasma discharge is not generated. There is a so-called memory effect that does not occur. Here, in order to reset the so-called memory effect (return to the state before the discharge occurred), a reset lighting operation is performed in which the lamp is extinguished before the steady-state discharge that causes the memory effect is generated, and the transient discharge is repeated.
周期的点灯は、エキシマランプ10を高周波高電圧の印加によって点灯させるときの印加電圧の周波数f1よりも低い周波数f2に基づいて行われる。例えば、印加電圧の周波数f1が1kHz~500kHzの範囲で定められる場合、周波数f2は、1~60Hzの範囲に定められる。特に、20Hz~40Hzの範囲に定めればよい。
Periodic lighting is performed based on a frequency f2 that is lower than the frequency f1 of the applied voltage when the
内側電極40の先端部40Tのみがランプ径方向に沿って外側電極50(特に、環状部56)と対向する構成とすることで周期的点灯によるエキシマランプ10の点灯を行うと、マイクロプラズマ放電が放電容器20において管壁に偏った放電が形成され、放電容器20全体において密に一様な放電が生じない。そのため、放電容器20内のランプ軸Cに沿った放電空間領域を大きくしても、オゾン生成量が大幅に増えることはなく、低濃度オゾン(低量のオゾン)を安定して発生させることができる。また、内側電極40から放出された異物は、放電容器20の放電空間領域を囲む領域には堆積せず、内側電極40の先端部40Tよりも後端側の放電容器20の内表面に堆積されるので、堆積物によって紫外線が遮られることを抑制される。
When the
また、エキシマランプ10の周期的点灯を行うことにより、誘電体バリア放電において生じるマイクロプラズマ放電(放電柱)は、点滅(リセット)ごとに異なる位置で生じる。これは、再点灯させる瞬間に電気抵抗(温度)が低い空間領域にマイクロプラズマ放電が生じることに起因する。
Also, by periodically lighting the
比較的温度の低い空間領域に移り変わりながら過渡状態の放電が継続的に生じることにより、定常状態の放電のように、同じ領域に紫外線照射やオゾン生成し続けることがない。そのため、放電容器20の内表面側では、内側電極40から放出した異物が同じ領域に付着や堆積し続けることが抑えられ、放電容器から放射される紫外線が堆積物によって遮られてオゾン発生効率が低下することを抑制される。また、放電容器20の外表面側では、外側電極と給電線との接続部分に付着や堆積した異物の化学反応(酸化)が抑えられることにより、異物の固着化や電極の劣化や異常放電が抑制される。また、放電容器20内で一様に生じる放電によって放電容器20全体に温度上昇が生じることがなく、紫外線強度の高い放電容器20の表面付近における温度上昇が抑えられることにより、オゾンによる熱分解が抑制される。したがって、持続的に低濃度オゾンを安定して発生させることが可能となり、バッテリ容量に対してオゾン生成時間を長くすることができる。
Continuous generation of transient discharge while shifting to a relatively low-temperature spatial region prevents continuous irradiation of ultraviolet rays and generation of ozone in the same region, unlike steady-state discharge. Therefore, on the inner surface side of the
また、照明や露光においては異常な放電状態とみなされるスネーキングやチラツキを意図的に発生させるように、内部電極40の先端部40Tから収斂した細線状のマイクロプラズマ放電が伸び、放電容器20内面に沿って、不規則で複雑な周期的変化が恒常的に生じる。このような放電状態にしたことによって、放電容器20の同じ領域に対して紫外線を照射し続けることがなく、視覚的に演出性のある過渡状態の放電が繰り返されることになり、室内に設置してもインテリアデザインなどに馴染むことができる。
In addition, in order to intentionally generate snaking and flickering, which are regarded as abnormal discharge states in lighting and exposure, a converging thin-line microplasma discharge extends from the
過渡状態の放電から放射される紫外線照度は、定常状態の放電から放射される紫外線照度よりも低いので、過渡状態の放電を継続した場合、オゾン発生量は、定常状態の放電によるオゾン発生量の半分以下となる。また、低濃度によるオゾン発生を継続するため、原料ガスの流量が1m3/min以下となるように、吸気ファン180の動作が制御されている。
Since the ultraviolet irradiance emitted from a transient discharge is lower than the ultraviolet irradiance emitted from a steady state discharge, if the transient discharge continues, the amount of ozone generated is less than the amount of ozone generated by the steady state discharge. less than half. In addition, in order to continue generating ozone at a low concentration, the operation of the
操作検出スイッチ160は、一定時間間隔で操作部150への入力操作をモニタリング(検出)している。この操作検出スイッチ160の検出サイクル(検出周期)としての周波数f3は、周波数f2のn倍(nは自然数)に定められている。すなわち、エキシマランプ10の周期的点灯(リセットされるタイミング)動作に合わせてモニタリングを行っている。これによって、過渡状態の放電途中でのランプ電源回路130への影響がない。
The
エキシマランプ10は、上述した内側電極40の一部を放電空間Sに露出させた放電容器の構成に限定されず、放電容器の形状、内側電極の配置構成などは任意である。例えば、二重管構造ランプなどにも適用することが可能である。また、バッテリ駆動による小型の紫外線照射装置やオゾン発生装置だけでなく、商用電源を用いた紫外線照射装置、オゾン発生装置として構成することも可能である。
The
10 エキシマランプ
20 放電容器
100 オゾン発生装置
110 制御部
120 ランプON/OFF回路
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記エキシマランプを点灯制御する制御部とを備え、
前記制御部が、過渡状態の放電を継続するように、前記エキシマランプの点灯と消灯を繰り返すことを特徴とする紫外線照射装置。 an excimer lamp and
A control unit that controls lighting of the excimer lamp,
An ultraviolet irradiation device, wherein the control unit repeatedly turns on and off the excimer lamp so as to continue discharge in a transient state.
前記操作検出スイッチが、周波数f3=f2×n(nは自然数)の周期で、入力操作を検出することを特徴とする請求項2乃至3のいずれかに記載の紫外線照射装置。 further comprising an operation detection switch for detecting an input operation by the user,
4. The ultraviolet irradiation device according to any one of claims 2 and 3, wherein said operation detection switch detects an input operation with a period of frequency f3=f2*n (n is a natural number).
前記エキシマランプを点灯制御する制御部とを備え、
前記制御部が、過渡状態の放電を継続するように、前記エキシマランプの点灯と消灯を繰り返すことを特徴とするオゾン発生装置。 an excimer lamp and
A control unit that controls lighting of the excimer lamp,
The ozonizer according to claim 1, wherein the control unit repeatedly turns on and off the excimer lamp so as to continue discharge in a transient state.
前記流路管を流れる、酸素を含む流体の流量が、1m3/min以下であることを特徴とする請求項6または7に記載のオゾン発生装置。 further comprising a channel tube in which the excimer lamp is arranged;
8. The ozone generator according to claim 6 or 7, wherein the flow rate of the oxygen-containing fluid flowing through the flow pipe is 1 m <3> /min or less.
前記操作検出スイッチが、周波数f3=f2×n(f2はエキシマランプの点灯と消灯を繰り返す周波数、nは自然数)の検出周期で、入力操作を検出することを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載のオゾン発生装置。 further comprising an operation detection switch for detecting an input operation by the user,
9. The operation detection switch detects an input operation at a detection cycle of frequency f3=f2*n (f2 is the frequency of repeating turning on and off of the excimer lamp, n is a natural number). The ozone generator according to any one of the above.
過渡状態の放電を継続するように、前記エキシマランプの点灯と消灯を繰り返すことを特徴とするエキシマランプの点灯方法。 A method for lighting an excimer lamp having an electrode at least partially exposed in at least a discharge vessel, comprising:
A method of lighting an excimer lamp, characterized in that the excimer lamp is repeatedly turned on and off so as to continue discharge in a transient state.
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CN112125280A (en) * | 2019-06-25 | 2020-12-25 | 株式会社奥珂制作所 | Ozone generation device and ozone generation method |
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