JP3606154B2 - 誘電体バリア放電ランプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷却流体による冷却手段を備えた誘電体バリア放電ランプに関し、特に、光化学反応などの紫外線光源として使用される誘電体バリア放電ランプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属、ガラス、その他の材料よりなる被処理体に波長２００ｎｍ以下の真空紫外線を照射することにより、当該真空紫外線及びこれにより生成されるオゾンの作用によって被処理体を処理する技術、例えば被処理体の表面に付着した有機汚染物質を除去する洗浄処理技術や、被処理体の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成処理技術が開発され、実用化されている。
【０００３】
このような紫外線処理を行うためのランプとしては、従来、水銀の共鳴線である波長１８５ｎｍの真空紫外線を放出する低圧水銀ランプが使用されていたが、最近においては、一部が誘電体により構成された放電容器内に、適宜のエキシマ発光用ガスが充填され、当該放電容器内において誘電体バリア放電（別名「オゾナイザ放電」あるいは「無声放電」。電気学会発行改定新版「放電ハンドブック」平成１年６月再版７刷発行第２６３頁参照。）を発生させることにより、エキシマが生成されてエキシマ光が放出される誘電体バリア放電ランプが開発されている。
【０００４】
例えば、特開平１−１４４５６０号公報には、少なくとも一部が誘電体である石英ガラスにより構成された中空円筒状の放電空間にエキシマ発光用ガスが充填されてなる誘電体バリア放電ランプが記載されている。
【０００５】
このような誘電体バリア放電ランプは、ランプへの入力電力（発光面積に対する入力電力）を上昇させるとランプの発光効率が減少するという問題を有する。これは、入力電力が上昇するとランプ内のガス温度も上昇するので、その結果として発光効率が低下するものと推察される。
【０００６】
更に、ガス温度の上昇によって石英ガラスの透過率も減少するという問題をも有する。例えば、波長１７２ｎｍの透過率は２５℃のときには約８５％であるのに対し、１００℃のときは約８３％、３００℃のときは約７３％と、石英ガラスの透過率が減衰する割合も温度が高い方が大きくなる。
このため、ランプの温度が上昇すると、ガス温度の上昇による発光効率の低下に加え、石英ガラスの温度上昇による光の透過率の低下も生じるようになるので、早期に光出力の低下を生じるようになる。
【０００７】
更にはランプの温度上昇によって石英ガラスの絶縁破壊電圧が低下してしまうのでランプ自身が破損してリークする可能性もある。一方、用途によっては、光出力を上げるために入力電力を高くすることが要求される場合もあるのでこのような事情に鑑み、ガス温度、即ち、ランプ自身を何らかの方法で冷却する必要がある。
【０００８】
そこで、本出願人は、図３に示すような、冷却手段を有する誘電体バリア放電ランプ装置を発明した（特願平１１−０８８２８３号）。同図は、かかる誘電体バリア放電ランプ装置の説明用断面図である。
誘電体バリア放電ランプ１（以下、簡単に「ランプ」ともいう。）の放電容器１０は、波長１７２ｎｍの光を透過する誘電体である石英ガラスよりなる内側管２と外側管３を同軸に配置した二重管構造をなし、内側管２と外側管３の端部を溶着することにより中空円筒状の放電空間４が形成されている。
【０００９】
前記放電容器１０の大きさは、具体的数値を上げると、内側管２によって形成される内部空間Ｐの直径は１２〜１５ｍｍ、内側管２の厚みは約１ｍｍであり、外側管３の外径は２４〜２７ｍｍ、外側管３の厚みは約１ｍｍである。又、中空円筒状の放電空間４の長手方向の長さは約２６０ｍｍであり、この放電空間４内に希ガスであるキセノンガスが、３００００〜５００００Ｐａ封入されている。
【００１０】
内側管２の一部は、内側管２と外側管３によって形成された放電空間４より外部に伸び出して円筒状の延長管部２Ａを形成している。つまり、延長管部２Ａの中空空間２Ｐは、内部空間Ｐに連通している。
そして、当該内側管２の内面には、略円筒状の内側電極５が密着配置されている。この内側電極５は、例えば厚さ約０．５ｍｍのアルミニウム板を曲げて作った半円筒を２個組み合わせて構成される。一方、外側管３の外面には紫外線を透過する外側電極６が配置されている。この外側電極６は例えば金属製の素線からなる網状電極により構成される。
内側電極５と外側電極６とは交流電源（図示省略）に接続されて高電圧が印加されるようになる。
【００１１】
内側管２に連設された延長管部２Ａの端部２Ａ１には、冷却流体が流過する導管１１に接続された継手機構８が取り付けられており、具体的には、端部２Ａ１の外周面を継手機構８によって密着保持されている。
尚、同図においては省略したが、紙面上右方向の他方の延長管部２Ａには、前述と同様の継手機構が取り付けられている。
又、ここで言う導管１１とは誘電体バリア放電ランプ１を収容するケーシング（図示省略）の一部が突出したものあるいはケーシング内に配設された冷却流体が流入する流入管や冷却流体が流出する流出管のことである。
【００１２】
図４は、延長管部２Ａと継手機構８の関係を説明する一部拡大断面図である。冷却流体が流れ込む導管１１と延長管部２Ａをつなぐ継手機構８は、例えばステンレス製のボディ８１と、フッ素樹脂よりなるＯリング８２と、鉄―ニッケル合金製のフェルール８３及びステンレス製の袋ナット８４よりなるものである。
【００１３】
更に、図４を用いて詳細に説明すると、延長管部２Ａと継手機構８との接続方法は、袋ナット８４を予め延長管部２Ａに嵌挿しておき、その後、袋ナット８４の前方に位置するようにフェルール８３を延長管部２Ａに嵌挿し、更に、フェルール８３の前方に位置するとともに、延長管部２Ａの外周面の全域に接触するようにＯリング８２を嵌め込み、その後、延長管部２Ａの端部２Ａ１に一方の端部に導管１１が接続されたボディ８１を嵌め込み、袋ナット８４のネジ溝とボディー８１のネジ溝を螺合させて、ボディ８１とフェルール８３との間でＯリング８２を変形させて密着させる。これにより、延長管部２Ａの端部２Ａ１外周面を気密に保持することができるものである。
【００１４】
以上のような継手機構８によって、内側管２で形成された内部空間Ｐに連通した延長管部２Ａの外周面を密着保持し、ランプ１を冷却するための冷却流体を流入すると、該内側管２内に冷却流体が流入して充実されると共に該冷却流体が流過してランプ１を効率よく冷却することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記誘電体バリア放電ランプ装置を長時間使用すると、継手機構の近傍より冷却流体が漏出するという不具合を生じることがある。
これは、継手機構８内部に配置されたＯリング８２の紫外線劣化によるものと判明した。この理由は以下の理由によるものと推定される。
Ｏリング８２は、袋ナット８４、ボディ８１及びフェルール８３によって覆われているので、ランプ１から放射された真空紫外線のうち、当該継手機構８の外周より照射された紫外線は、継手機構８の袋ナット８４等の金属製の部材により遮蔽されるものの、ガラス製の内側管部２（延長管部２Ａ）上にこれらの金属部材を密着配置すると該内側管２が破損する恐れが生じるので、構造上僅かな隙間Ｓが形成され、ランプ１より出射された真空紫外線のうち、ランプ管軸と略平行方向に、かつ、内側管２に沿って放出された紫外線は、その僅かな隙間Ｓを通り抜けて、延長管部２Ａの外表面に密着配置されたＯリング８２を照射するようになる。その結果、Ｏリング８２が紫外線劣化を生じて冷却流体が洩出するという問題を生じるようになる。
【００１６】
上記した継手機構のように、金属部材とガラス部材との接触部分は、僅かながらも隙間が形成されてしまうので、ランプ内側管より延長して伸びる延長管部の外表面上において、金属部材を配置して真空紫外線を完全に遮蔽することは非常に困難である。そのため上記Ｏリング以外にも、延長管部の外表面上に樹脂やゴム材料などの有機物材料が配置されると、当該有機物材料に真空紫外線が照射される可能性が生じ、仮に僅かでも照射されると、当該有機物材料が分解して装置のケーシング内に飛散して汚れの原因になってしまう。
【００１７】
近時、誘電体バリア放電ランプを用いた装置においては、光反応速度の向上が強く求められており、放射出力の一層の向上が要求されている。しかしながら、ランプ本体からの真空紫外線量が大きくなると、前述したような有機物材料の紫外線に起因した問題は一層深刻なものとなってしまう。
これに鑑み、例えばＯリングの紫外線劣化問題については、延長管部を一層長くして、継手機構をランプ本体から十分に離隔させて、つまり図３においてＬを長くすることによって、真空紫外線がＯリングに照射されるまでに紫外線を減衰させてＯリングの紫外線照射量を問題が生じない程度まで低減させることも可能である。しかしながらこれによると放射出力を増大させるに従って延長管部の長さを延長しなければならないので、装置全体が大型化してしまい現実的ではない。
【００１８】
したがって、本願発明の解決しようとする課題は、冷却手段を備えた誘電体バリア放電ランプ装置において、当該装置が大型になるようなこともなく、内側管から伸びる延長管部の外表面上に配置された有機物材料への真空紫外線の照射を防止できる誘電体バリア放電ランプ装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本願発明は概略筒状の外側管と内側管とが同軸に配置された放電容器を具備する誘電体バリア放電ランプと、前記内側管が前記放電容器外に伸び出た延長管部を有し、該内側管内に冷却流体が流入されて当該誘電体バリア放電ランプを冷却する誘電体バリア放電ランプ装置において、前記内側管は、前記延長管部の外径よりも、内径が拡径されている拡径部を有し、該拡径部の最大外径部が前記外側管の端部に接合されて中空円筒状の放電空間を形成し、前記冷却流体として水が前記内側管の内を流過すると共に、該拡径部内に流入して真空紫外線を遮蔽することを特徴とする。
更に、前記冷却流体がイオン交換水であることを特徴とする。
【００２０】
【作用】
内側管内を流過する水は連通する空間を有する拡径部内に流入するので、当該拡径部内に流入した水が真空紫外線を吸収して真空紫外光は拡径部の外端面を越えて出射されなくなる。つまり、延長管部に沿って出射された真空紫外線を効果的に遮蔽することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にかかるの誘電体バリア放電ランプの概略説明図で、管軸方向の断面図である。
誘電体バリア放電ランプ１（以下、「ランプ」ともいう。）は、波長１７２ｎｍの光を透過する誘電体である石英ガラスよりなる内側管２と外側管３を同軸に配置した二重管構造をなしており、内側管２が外側管３の端部に溶着されて中空円筒状の放電空間４を有する放電容器１０が構成されている。
【００２２】
同図のように、放電容器１０は、内側管２には放電容器１０端部の領域において当該内側管２の管径が局所的に拡径された拡径部２Ｒを有しており、当該拡径部２Ｒの最大外径部分２Ｒ１が前記外側管３の端部に接合されて形成されている。尚、同図中３１は排気管の残部である。
【００２３】
このような放電容器１０は、例えば以下のような工程により作られる。
まず、拡径部２Ｒは、内側管２内部に不活性ガスを流入して加圧状態として内側管２の任意箇所の外周を加熱してガラスを軟化させ、同時に内圧により大きく膨らませることにより一方側が形成される。続いて、予定された放電空間４が形成されるように内側管２の加熱位置を設定し、先と同様の方法により他方側の拡径部２Ｒが形成される。そして、外側管３内に内側管２を挿通して拡径部２Ｒを外側管３の端部に位置させて両者を接合することにより放電空間４が形成される。
尚、拡径部２Ｒとは、内側管２０と後述する延長管との間に介在してその内径が局所的に大きく成形されている部分をいい、内側管２０の内部空間と連通する内部空間を有していれば、上述のように同一のガラス管により成形する以外にも、複数のガラス管をつなぎ合せて構成しても良い。
【００２４】
前記内側管２の内面には略円筒状の電極５が密着配置される。この内側電極５は、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板を曲げて作った半円筒が２個組み合わされて構成されている。一方、外側管３の外面には紫外線を透過する外側電極６が配置され、例えば、金属からなる素線で形成された網状の電極で構成される。
この内側電極５と外側電極６とは交流電源（図示省略）に接続されるようになる。
【００２５】
さて、内側管２には放電空間４より外部に延長して伸び出す円筒状の延長管部２Ａが形成されており、すなわち、延長管部２Ａの中空空間２Ｐは、内部空間Ｐ及び前記拡径部２Ｒの内部空間３Ｐに連通した構成となっている。尚、延長管部２Ａの外端には継手機構８等により継合された導管１１が取付られており、該導管１１より冷却流体としての水が流入（若しくは流出）されるようになる。尚、同図においてはランプ１の一端部のみを示したが、他端部も同様に構成される。
【００２６】
ここで、ランプ１について数値例を挙げると、内側管２の厚みは１ｍｍであり、内側管２によって形成される内部空間Ｐの直径は１６ｍｍ、該内側管２の拡径部２Ｒにおける内部空間３Ｐの直径は３２ｍｍ、延長管部２Ａにおける内部空間２Ｐの直径は１４ｍｍである。又、外側管３の外径は３８ｍｍ、外側管３の厚みは２ｍｍである。放電空間４の長手方向の長さは３３０ｍｍであり、この放電空間４内に希ガスとしてキセノン（Ｘｅ）が６００００Ｐａ封入される。前記交流電源によりランプ１へ投入される電力は５００Ｗである。
【００２７】
上記構成としたランプ１の内側管２に、延長管部２Ａより冷却流体として水を流入すると、内側管２により形成される全ての内部空間Ｐ、２Ｐ、３Ｐ内全てに水が流入するので、ランプ１より出射された真空紫外線が水に吸収されて拡径部２Ｒを透過しては出射されなくなる。すなわち、拡径部２Ｒの外端から紫外線が出射されなくなり、延長管部２Ａに沿ってランプ軸方向に出射した真空紫外光を遮蔽することができるようになる。
尚、当該装置が例えばクリーンルームなどのような不純物を嫌う環境下において使用される場合、冷却流体としてはとくにイオン交換水であるのが好ましい。イオン交換水を用いると、万一内側管２内の冷却流体が漏出すような事故が発生した場合でも、当該装置の周囲が不純物で汚染されることがなくて周囲への影響が少なくて済む。
【００２８】
上記構成のランプ１とし、拡径部２Ｒの内部に水が流入されていると、ランプ１よりの真空紫外線のうち、内側管２に沿うように出射された真空紫外線が吸収され、よって、内側管２の延長管部２Ａの外表面上において、真空紫外線を効果的に遮蔽することができるようになる。
【００２９】
以上のように、延長管部に沿って出射されたランプよりの紫外線を遮蔽することができるので、Ｏリングなどの有機物材料が延長管部上に配置された場合でも、当該有機物材料への紫外線の照射を回避でき、該有機物材料の劣化、分解などを生じないものとすることができる。よって、本発明にかかる誘電体バリア放電ランプ装置を、長時間使用しても、延長管部上に置かれた有機物材料の劣化を防止できて継手機構より冷却流体が漏出するといった問題を回避することができ、又その有機物材料の分解を防止できて装置内に分解した物質が飛散することなく、よって汚れが付着することも無い。
【００３０】
更には、本願発明にかかる装置によれば従来型のものに比較して、Ｏリングなどの有機物材料を、放電容器の端部に近接して配置することができるので、例えば、継手機構を当該ランプに極めて近接して配置することが可能となり、延長管部の長さを短くすることができる。
これにより、誘電体バリア放電ランプ装置を従来型のものに比較して格段に小さくすることができ、実装性が向上するようになる。
【００３１】
尚、拡径部の形成手段としては、内側管と同一のガラス管を加工して成形したが、冷却流体が該拡径部に流入可能な構造となっていれば良いので、直管状の内側管に管径の異なる拡径部用の別体のガラス管を接合する等の手段によって形成しても良い。
【００３２】
更に、延長管部２Ａの部分に使用する材料を真空紫外線を透過しない材質にすると、放電空間４から内側管に放射された真空紫外線がファイバー効果によって延長管部へ導かれてＯリングに照射される現象を防止することができ、Ｏリングに対する真空紫外線の遮蔽効果が増して、更に好ましいものとなる。
【００３３】
〔実施例〕
（実施例１）本願発明にかかる誘電体バリア放電ランプ装置を図１の構成に基いて製作した。これを図２（ａ）に示す。
（比較例１）又、比較例として従来型の誘電体バリア放電ランプ装置を製作した。これを図２（ｂ）に示す。従来型の装置では継手機構８は放電容器１０の端部より（Ｌ）１００ｍｍ以上離隔するよう設定されており、本比較例においても係る仕様に準拠して製作した。
尚、図２中の符号については、上記した実施形態の説明で使用した符号と同一の符号を引用し、その詳細については説明を省略する。図中破線Ｃは、当該装置がケーシングに収容された際の側壁位置を示す仮想線であり、継手機構８の外端面より２５ｍｍ離隔する位置である。
又、放電空間（４）の管軸方向長さは何れも３３０ｍｍと設定した。
【００３４】
この実施例１にかかるランプの仕様を下記に記す。
・放電容器（１０）の管軸方向長さａ：３５０ｍｍ
・継手機構（８）の内側端面間の長さｂ：３９０ｍｍ
・ケーシングの全長ｃ：５４０ｍｍ
・拡径部２Ｒの幅員ｄ：１０ｍｍ
【００３５】
更に、比較例１にかかるランプの仕様を下記に示す。
・放電容器（１０）の管軸方向長さａ：３３０ｍｍ
・継手機構（８）の内側端面間の長さｂ：５３０ｍｍ
・ケーシングの全長ｃ：６８０ｍｍ
【００３６】
実施例１にかかるランプでは、比較例１にかかるランプと発光部長３３０ｍｍに加えて、その両側には拡径部の幅員ｄが加味されるため、放電容器全長が約２０ｍｍ長くなるが、継手機構８を放電容器１０の外端からその内端までの距離（Ｌ）を２０ｍｍまで近接して配置し当該ケーシングの全長を約５４０ｍｍとした。
一方、比較例１にかかる従来型の装置は継手機構８内におけるＯリングの紫外線劣化を回避するため当該継手機構８を放電容器１０の端部より（Ｌ）１００ｍｍ以上離隔する必要があり、この為、装置のケーシングの全長は約６８０ｍｍとなる。
【００３７】
上記実施例１にかかる装置を合計４本製作して、何れの装置にもイオン交換水を流入しながら稼働させた。稼動後１０００時間経過したのち、継手機構の近傍におけるイオン交換水の洩出がないかを調べたが、水漏れは皆無であり、更に当該装置の継手機構８を開放して延長管部上に配置したＯリングの劣化を調べたが、全て（計８個）において紫外線劣化は全く認められなかった。この結果からも明らかなように、実施例１にかかる装置によれば継手機構８内端と放電容器１０外端までの距離が比較例１のものに比して十分に短いにもかかわらず、Ｏリングの紫外線劣化を効果的に防止することができる。
【００３８】
実施例１とした装置では、継手機構部分のＯリングの紫外線劣化を防止すると共に、比較例１にかかる装置よりも全幅を６８０ｍｍから５４０ｍｍと１４０ｍｍも小さくすることが可能で、実施例１にかかる装置によれば比較例１の装置に対して装置の全幅を約２０％小さくすることが可能であった。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、内側管に拡径部を設けて、当該拡径部内に水を流入することにより、該内側管よりランプ外部に延長して伸びる延長管部の外表面上においても、真空紫外線を遮蔽することができ、該延長管部上に配置されたＯリングなどの有機物材料が紫外線照射されること無く、よって、当該有機物材料が紫外線により劣化、分解なども生じることなくて信頼性の高い誘電体バリア放電ランプ装置とすることができる。
又、誘電体バリア放電ランプ装置を従来型の装置に比較して格段に小型にすることが可能となる。
【００４０】
更に不純物を嫌う環境下においては、冷却流体とした水をイオン交換水とすることにより、万一、内側管から冷却流体が漏出すような事故を生じたときも不純物により周囲が汚染されるのを回避することができて、好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体バリア放電ランプ装置の説明図である。
【図２】（ａ）実施例１にかかる誘電体バリア放電ランプ装置の説明図である。（ｂ）比較例１にかかる誘電体バリア放電ランプ装置の説明図である。
【図３】従来型の誘電体バリア放電ランプ装置の説明図である。
【図４】従来型の誘電体バリア放電ランプ装置における継手機構の拡大説明図である。
【符号の説明】
１ 誘電体バリア放電ランプ
１０ 放電容器
２ 内側管
２Ａ 延長管部
２Ｒ 拡径部
２Ｒ１ 最大外径部
３ 外側管
３１ 排気管残部
４ 放電空間
５ 内側電極
６ 外側電極
８ 継手機構
８１ ボディ
８２ Ｏリング
８３ フェルール
８４ 袋ナット
１１ 導管

Claims (2)

1. 概略筒状の外側管と内側管とが同軸に配置された放電容器を具備する誘電体バリア放電ランプと、
   前記内側管が前記放電容器外に伸び出た延長管部を有し、該内側管内に冷却流体が流入されて当該誘電体バリア放電ランプを冷却する誘電体バリア放電ランプ装置において、
   前記内側管は、前記延長管部の外径よりも、内径が拡径されている拡径部を有し、該拡径部の最大外径部が前記外側管の端部に接合されて中空円筒状の放電空間を形成し、
   前記冷却流体として水が前記内側管の内を流過すると共に、該拡径部内に流入して真空紫外線を遮蔽することを特徴とする誘電体バリア放電ランプ装置。
2. 前記冷却流体がイオン交換水であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体バリア放電ランプ装置。

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