JP3114674U - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプを点灯させてからランプの出力が安定するまでの時間を短縮し、分析機器の測定結果の安定に効果的な光源装置を提供する。
【解決手段】光源としてのランプと、前記ランプを内設するランプハウスと、装置全体を支える基台と、前記基台と前記ランプハウスの間に介在するランプベースを備え、前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材からなることを特徴とする。これにより、ランプの熱が伝わる部位を限定して、ランプハウスの温度が上昇して安定するまでの時間を短縮し、同時に周辺部位の温度変動を抑える。
【選択図】図１

Description

本考案は、生化学分析装置などの分析装置に用いられる光源装置に関するものである。

従来より各種分析機器のための光源として、重水素ランプやタングステンランプ（ハロゲンランプ）等が使用されている。これらの光源（以下ランプという）は入力された電力の大部分が熱に変換され光源自体が加熱される。
また、ランプの放射光量はランプの温度変化によって変動する。周囲温度の変化などによりランプ温度が変化しランプの放射光量が変化してしまうと、測定結果が変動してよい測定ができなくなる。したがって、ランプの温度を一定に保つ必要がある。
一方、ランプの温度が上昇しすぎるとランプが破損するので、放熱する手段も必要である。

そこで従来は環境温度によって検出器出力の値が変動するのを防ぐために、ランプをある程度大きな熱容量をもったランプハウスに収納し、その外側を冷却用ファンによって一定量で空冷して放熱し、環境温度が変化してもランプの周囲の温度変化が小さくなるようにしている。また、水冷している装置もある。
しかし、この方法は、ランプハウスが大きな熱容量をもつため、ランプを点灯して発熱し始めてから、ランプの周囲温度とランプ自身の温度が上昇するまでに時間がかかってしまう。つまり、ランプの光量の安定に時間がかかり、検出器出力の安定に時間を要するという欠点がある。また、特に水冷では装置が大掛かりとなる欠点がある。

この改善策として、特許文献１ではランプハウスに温度センサを設けて、温度センサの出力に応じてランプハウスを空冷する冷却ファンの回転数を制御し、ランプハウスを所定の温度に制御する制御手段を設けている。そして、ランプを点灯後、ランプハウスの温度が所定の温度に達するまでは、冷却ファンを停止または少ない回転数に制御する機能を制御手段に持たせている。
また、特許文献２では別の方法として、ランプからの発熱により、ランプハウスの温度が上昇して安定温度に達するまでの時間を予めファン制御部に設定しておき、この時間が経過するまでは、冷却用ファンの回転を停止させておくか、通常回転時の回転速度よりも小さい回転速度で運転する。そして、所定の時間を経過した後、ファン制御部は冷却用ファンを通常運転時の回転速度で運転させるか、回転速度を通常運転時まで上げてランプハウスの放熱量を増加させてランプハウスの温度を一定に保つように制御している。
特開２０００−７４８２１号公報 特開２００５−９８７６５号公報

しかしながらこれらの方法では、ランプの熱はランプハウスから光源装置の筐体、そして分析装置へと伝わってしまう。つまり、熱の伝わる部位が多い、すなわち熱容量が大きいので、ランプの点灯開始時に冷却ファンを停止又は少ない回転数で稼動させたとしても、ランプの熱がランプハウスの温度を上昇させ、安定させるのには長い時間を要する。また、ランプハウスの熱が周辺部品に伝わってゆくことは、環境温度の変動の要因ともなる。

以上のことから本考案の目的は、ランプの温度が上昇し、安定するまでの時間を短縮するとともに、ランプの熱が環境温度を変動させず、分析装置の測定精度に影響を与えない光源装置を提供することにある。

本考案は、光源としてのランプと、前記ランプを内設するランプハウスと、装置全体を支える基台と、前記基台と前記ランプハウスの間に介在するランプベースを備え、前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材からなることを特徴とする。

また本考案は、装置全体を支える基台と、前記基台に固定されたランプベースと、光源としてのランプを内設するランプハウスと、前記ランプベースに固定され、前記ランプハウスを前記ランプベースと接触しないように固定し、前記ランプハウスの熱を吸収して放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンクから放出される熱を排出するファンを備え、前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材からなることが好ましい。

また、前記の光源装置のランプベースは樹脂部材からなることが好ましい。

また、前記の光源装置のランプベースの熱抵抗が１．３Ｋ／W以上であることが好ましい。

本考案は、光源としてのランプと、前記ランプを内設するランプハウスと、装置全体を支える基台と、前記基台と前記ランプハウスの間に介在するランプベースを備え、前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材からなることを特徴とするため、従来の光源装置に比較して、基台への熱の伝わりが少なくなるため、ランプからの熱はランプハウスだけに伝わり、ランプハウスの温度を早期に上昇させることができる。

本考案は、装置全体を支える基台と、前記基台に固定されたランプベースと、光源としてのランプを内設するランプハウスと、前記ランプベースに固定され、前記ランプハウスを前記ランプベースと接触しないように固定し、前記ランプハウスの熱を吸収して放熱するヒートシンクと、前記ヒートシンクから放出される熱を排出するファンを備え、前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材とするため、ヒートシンクとファンの冷却手段を備えるので、ランプの温度が上昇するのは若干遅くなるものの、温度が上昇しすぎて破損することを防ぐ。また、ランプハウスとランプベースを放熱する手段であるヒートシンクを介して固定することにより、ランプベースへの熱の伝わりが少なくなる。

本考案は、光源装置のランプベースを樹脂部材とするため、入手や加工が容易で安価に製作できる。

本考案は、光源装置のランプベースの熱抵抗が１．３Ｋ／W以上とするため、ランプベースの材質によらず熱の伝わりを抑えることができる。

図１から図４は、本考案装置の一実施例である。図１は斜視図、図２は上面図、図３は正面図であり、図４は図２のA-A断面の模式図である。アルミ合金からなるランプハウス１はハロゲンランプ２を内設している。ランプハウス1の下面にはアルミ合金からなるヒートシンク３が図示しないネジで固定されている。ヒートシンク３の接触面（上面）はランプハウス１の下面より大きくなっている。
ランプベース４は、ランプハウス1の部材より熱伝導率が小さい部材からなっている。本実施例でのランプハウス１、ヒートシンク３に用いたアルミ合金の熱伝導率は１３０〜１４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、これらよりも熱伝導率の小さい部材となる。また、ランプベース４は熱伝導率が金属よりも小さい部材が好ましい。一般的に金属は自由電子をもつため熱を伝えやすく、熱伝導率は常温で７〜４３０W／m・Kである。またこのとき、熱伝導率は０に近いほど熱が伝わりにくく、特に０．７W／m・K以下であると効果的である。さらにランプベース４の部材は具体的には樹脂材料が好ましい。例えば、ポリエチレンテレフタレートを主原料とする樹脂などが使用できる。その他、熱伝導率が金属よりも小さくランプハウスを支持できる強度があり、ランプハウスの発熱に対する耐熱性があれば樹脂以外の部材（木材、紙、コンクリート、セラミック、発泡金属等）を用いることもできる。ランプベース４の形状は凹字状である。

光源装置基台６は、光源装置の筐体または分析装置の一部であり光源その他を支える。ランプベース台５はランプハウス１、ランプベース４、ヒートシンク３を基台６から隔離して固定するためのもので、基台６から突出している。図1では２つの壁状のランプベース台を両側に設けているが、3つ以上の柱状であってもよい。また、ランプベース台５は基台と一体でもよいし、組みつけても良い。
ランプベース台５の上にランプベース４がネジ４ａで固定される。ランプベース４の凹字型のくぼみ部分は前記ランプハウス１の幅より広くとってあり、くぼみ部にランプハウス１を挿入するが、ランプハウス１とランプベース４は接触しない寸法になっている。また、ランプベース４の下面とヒートシンク３の上面を合わせてネジ３ａで止めることで、ランプハウス１をランプベース４上に固定している（図４参照）。
本考案の主体は光源装置の構造にあるので、電子部の説明及び分析装置の説明は省略する。

次に、一般的な熱の伝わり方を説明する。
温度差が（Ta-Tb）(K)である面積S(m^2)が一様で、長さＬ（ｍ）の物体の熱伝導は一般に（1）式にて表される。
Q=λ・S・（Ta-Tb）/L ・・・（１）

これはフーリエの法則であり、Qは単位時間あたりに流れる熱量（W）、λは熱伝導率（W／ｍ・Ｋ）である。式（１）からわかるように熱伝導率が大きいほど、また接触面積が大きいほど伝わる熱量は多くなる。

次に、本実施例の光源装置の熱の伝わり方について説明する。まず、分析装置等の主となる装置に電源が入った時または、光源の電源が入れられた時、ハロゲンランプ２が点灯する。ハロゲンランプ２に入力される電力は熱となり、ランプハウス１へと伝わっていく。さらに、熱はランプハウス１の下部に固定されたヒートシンク３へと伝わっていく。ランプハウス１およびヒートシンク３は一般的なアルミ合金で、熱伝導率は１３０〜１４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱が非常に伝わりやすい。
ヒートシンク３の上面はランプベース４の下面にも接しているので、ここからも熱伝導がある。しかし、ランプベース４の材質は熱伝導率がランプハウス１及びヒートシンク３より小さい部材であるため、ランプベース４には熱は伝わりにくい。また、ランプベース４とヒートシンク３の接触面積は両部材を固定するのに必要なだけあればよく、小さい面積のため熱の伝達が抑えられる。
ランプベース４に熱が伝わりにくいことから、ランプベース台５、その下の光源装置の基台６等には熱が伝わりにくい。つまり、ハロゲンランプ２から発せられる熱は、ランプハウス１とヒートシンク３という限られた部位のみに伝わり、ランプベース４や分析装置本体には伝わりにくいため、ランプハウス１の温度は短時間に上昇する。また、これにより周囲の部位の温度変化は小さく抑えられる。

ランプベース４は熱伝導率がランプハウスより小さい部材としたがこれに限定されない。先述のとおり、ランプベース４は金属よりも小さい熱伝導率をもった部材、具体的には樹脂部材からなることが好ましい。また、ランプベース４の部材の熱伝導率がランプハウス１やヒートシンク３の部材の熱伝導率に比して１００分の１以下であればさらに熱の伝達が抑えられる。

一方、ランプハウス１からヒートシンク３へ伝わった熱は、ヒートシンク３から放熱される。このとき、ヒートシンク３の周囲の空気を図示しない冷却ファンにより吸気または排気することで効率よく放熱できる。冷却ファンは光源装置や分析装置の筐体に取付ける。この冷却能力とランプからの発熱が一定となるとランプの温度は一定に保たれ安定状態となる。

このような構成とすることで、ランプ２から出る熱はランプハウス１とヒートシンク３にのみ伝わるので、ランプ２の温度は短時間に上昇し、安定する。また、ランプ２の熱が他の部位に伝わらないので周辺の温度変動が少なく、分析装置の測定結果に影響を与えにくくなる。

また、これを熱抵抗Rとして扱えば、(１)式は次のようになる。
Q=（Ta-Tb）/R・・・（２）
ただし、R= L/λ・S

熱伝導率λを小さくするだけでなく、熱抵抗Rを大きくするような形状にすると熱がランプベース４に伝わりにくくなり、ランプの温度を早期に上昇させることができる。具体的には、熱源とランプベースの接触面積を小さくし、ランプベースを厚くするなどである。実施例では例えば熱抵抗を１．３K／W以上とすると効果的である。
式では面積が一様な物体として示したが形状が異なる場合には形状係数を加味して求める必要がある。形状係数を求める方法については「力安貞直 "熱伝導のシミュレーションについて" 海上保安大学校研究報告理工学系 Vol.36 No.2 pp.41-54 (1991)」他に開示されているのでここでは省略する。

次に、本考案の効果を検証するために行った実験について説明する。実験は、本考案の実施形態における光源装置の温度変化を確認するため、下記の条件で行った。図１に示す構成の光源装置を用い、ハロゲンランプを点灯させ、光源装置上の各部の温度変化を０分から１００分まで測定した。実験に用いたハロゲンランプは２０Ｗであり、ランプベースの材質は熱伝導率が０．５１Ｗ／ｍ・Ｋのポリエチレンテレフタレートを主原料としガラス繊維で強化した樹脂を用いた。また、冷却手段として光源装置の筐体にファンを設け、一定の回転数でヒートシンクの熱を排気した。測定箇所は図１に示す、Ａランプハウス、Ｂランプのフランジ部、Ｃランプベース上面、Ｄ光源装置基台、そして室温である。表1に本考案の光源装置の温度変化の実験結果を示す。

この結果、ランプの電源を入れてから２０分が経過するまでにランプハウスの温度は急激に上昇し、以降は５℃程度の変化しか見られない。したがって、ランプの温度は早期に上昇し安定したことが分かった。また、ランプベースの温度は１００分経過時点で３６．７℃でありランプと比較すると低く、熱が伝わっていないことが分かった。光源装置の基台や室温はほとんど変化せず、周囲の温度に影響を与えないことが分かった。

実施例では、冷却手段としてヒートシンクとファンを用いたが、冷却手段はこれに限定されない。ランプハウス周辺にダクトを設け、効率よく熱を排出することも可能である。
また、ランプハウス、ヒートシンク、ランプベースの固定方法はこれに限定されず、ランプハウスとランプベースを直接固定しても良い。ネジ以外を用いて固定することも可能である。
その他、ランプベースとヒートシンクまたはランプベースとランプハウスの間にスペーサを設けることで接触面積を更に少なくすることができ、熱の伝わりをより少なくすることも可能である。
実施例では、ランプベースをランプベース台の上に固定したが、ランプベース台を設けずに基台の上にランプベースを直接固定することも可能である。ランプベース台をランプベースと同じ部材で製作し熱抵抗を大きくすることももちろん可能である。

光源装置を示した斜視図である。 光源装置を示した上面図である。 光源装置を示した正面図である。 光源装置のA-A断面の模式図である。

符号の説明

１ ランプハウス
２ ハロゲンランプ
３ ヒートシンク
４ ランプベース
５ ランプベース台
６ 光源装置基台

Claims (4)

1. 光源としてのランプと、
   前記ランプを内設するランプハウスと、
   装置全体を支える基台と、
   前記基台と前記ランプハウスの間に介在するランプベースを備え、
   前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材からなることを特徴とする光源装置。
2. 装置全体を支える基台と、
   前記基台に固定されたランプベースと、
   光源としてのランプを内設するランプハウスと、
   前記ランプベースに固定され、前記ランプハウスを前記ランプベースと接触しないように固定し、前記ランプハウスの熱を吸収して放熱するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクから放出される熱を排出するファンを備え、
   前記ランプベースは熱伝導率が金属よりも小さい部材からなることを特徴とする分析装置用光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置であって、
   前記ランプベースは樹脂部材からなることを特徴とする分析装置用光源装置。
4. 請求項１ないし３に記載の光源装置であって、
   前記ランプベースは熱抵抗が１．３Ｋ／W以上であることを特徴とする分析装置用光源装置。

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