JP3870884B2

JP3870884B2 - ガス分析用白熱ランプ

Info

Publication number: JP3870884B2
Application number: JP2002274472A
Authority: JP
Inventors: 憲五山崎
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP2004109025A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線ガス分析装置の光源に利用されるガス分析用白熱ランプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から大気や排気ガスやその他のガスに含まれた成分を検出し分析するための赤外線ガス分析装置が知られている。
【０００３】
図６は、赤外線ガス分析装置の説明図であり、セル１は、比較用ガスと測定用ガスが交互に供給される試料変調方式におけるセルであり、ガスの供給口１０と排出口１１が設けられた筒状体であり、一端側には赤外線入射窓１２を、他端側には赤外線出射窓１３を設けてこれによってセル１を外気に対して気密にしている。
【０００４】
赤外線入射窓１２と対向する位置に光源２が配置されており、この光源２は、赤外線を放射するためのガス分析用白熱ランプ２０と、この白熱ランプ２０から放射される赤外線を赤外線入射窓１２方向に反射させるための反射鏡２１とから構成されている。
【０００５】
赤外線出射窓１３と対向する位置に検出器３が配置されており、この検出器３は、セル１内の比較用ガス、又は、測定用ガスを透過した赤外線を検出するためのものである。
この検出器３は、ＰｄＳ、ＩｎＳｄ等の半導体検出器であったり、或いは、赤外線をハーフミラーで２分割させる光学検出器である。
【０００６】
一般に、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なり、例えば、ＣＯは４．６７μｍ、ＮＯは５．３３μｍ、Ｃｏ_２は４．２６μｍ、ＣＳ_２は６．５７μｍ、Ｎ_２Ｏは４．５０μｍ、Ｈ_２Ｏは２．６６μｍ、Ｈ_２Ｓは３．７３μｍ、ＳＯ_２は７．３５μｍの波長の吸収が最も大きく、この特性を利用してガスの濃度を分析し測定するものである。
【０００７】
このようにそれぞれのガスはある特定の赤外線を吸収するものであり、赤外線ガス分析装置の光源としては、より効果的に赤外線を放射するガス分析用白熱ランプが必要である。
【０００８】
図７はガス分析用白熱ランプの説明図であり、白熱電球２０は、シリカ質ガラスである石英ガラスからなる封体２０１の内部にタングステン製のフィラメント２０２が配置されている一端封止型の白熱ランプである。
そして、フィラメント２０２から放射された光が封体２０１を透過し、その透過した光をガスの分析に利用するものである。
【０００９】
このような白熱ランプ２０では、シリカ質ガラスからなる封体を用いているために、５μｍ（５０００ｎｍ）以上の長波長側の光は封体２０１で吸収され透過されないものである。
従って、このような白熱ランプ２０を光源として利用した場合、吸収波長が５μｍ以下の特性を有するガスであるＣＯやＣＯ_２は正確に分析できる。
【００１０】
一方、封体２０１は、長波長側の光を吸収し封体自体の温度が上昇し、ついには封体２０１の表面から５μｍ（５０００ｎｍ）以上の長波長の赤外線が放射されることになる。しかしながら、赤外線ガス分析装置では、光源からの光を平行光や集光光として利用するものであり、フィラメント２０２が反射鏡２１の焦点に位置するように設計されているので封体２０２の表面から放射された５μｍ（５０００ｎｍ）以上の光は反射鏡２１の焦点からずれた位置から放射されていることになり、よって、平行光や集光光にはならず、単に散乱光になっているだけであり、この散乱光はガス分析に利用することが難しく、従来の白熱ランプ２０では吸収波長が５μｍ以上の特性を有するガスであるＣＳ_２やＳＯ_２を正確に分析することができなかった。
【００１１】
このような白熱ランプ２０に代えて光出射部に５μｍ（５０００ｎｍ）以上の長波長側の光を透過するサファイヤを用いたランプを光源に利用することも考えられるが、サファイヤはシリカ質ガラスに比べ非常に高価なものであり、また、封止構造が複雑になり、赤外線ガス分析装置の光源として適切なものではなかった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平０９−０３３４３２号
実開平０７−００２９６２号
特開２００１−０７６６８５号
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、簡単な構造で確実に長波長領域である少なくとも７５００ｎｍまでの光を放射することができ、しかも、反射鏡を用いて少なくとも７５００ｎｍまでの光を平行光や集光光にできるガス分析用白熱ランプを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のガス分析用白熱ランプは、シリカ質ガラスからなる封体の内部にタングステン製のフィラメントが配置されたガス分析用白熱ランプにおいて、封体の少なくとも一部は、厚みが２００μｍ以下の薄肉部を有していることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載のガス分析用白熱ランプは、請求項１に記載のガス分析用白熱ランプであって、特に、前記封体は、一の素材で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載のガス分析用白熱ランプは、請求項２に記載のガス分析用白熱ランプであって、特に、薄肉部は封体内表面積の１０〜４０％の範囲であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のガス分析用白熱ランプの断面説明図である。
ガス分析用白熱ランプ４（以下、単に白熱ランプとも呼ぶ）は、シリカ質ガラスである石英ガラスからなる封体４０の内部にハロゲンガス、希ガス、窒素ガス等の不活性ガスが封入され、タングステン製のフィラメント４１が配置されており、封体４０の一端部がピンチシールされた一端封止側の白熱ランプである。
【００１８】
ここでいうシリカ質ガラスとは、ＳｉＯ_４四面体同士がアモルファス状に結合したものであり、封体としてシリカ質ガラスを用いる理由は、通常の白熱ランプの封体として用いられている材料であり広く流通し安価であることと、および、封止構造が技術的に十分に確立されたピンチシール法を用いて確実にしかも容易に封止できることによるものである。
なお、封体４０として石英ガラスを用いたが、ホウ珪酸ガラスであってもよい。
【００１９】
そして、封体４０は、厚みが２００μｍ以下となっている薄肉部４２を有している。図１の薄肉部４２の厚みは５０μｍである。
この薄肉部４２を作る方法は、予め所定の形状に封体４０を加工しておき、薄肉部４２となる部分の封体表面をバーナーで加熱し、加熱部分が軟化した状態の時に、封体４０の内部にガスを噴出し、そのガスの圧力によってガラスを伸ばして薄肉部４２を形成するものであり、封体４０は薄肉部４２を含め一の素材から形成されている。
【００２０】
白熱ランプ４の具体的な仕様をまとめると、封体４０は石英ガラス製であって、薄肉部４２の厚みは５０μｍでそれ以外部分の厚みは１ｍｍ、フィラメント４１のシングルコイルタングステンフィラメント、定格１２Ｖ、５０Ｗのハロゲン白熱ランプである。
【００２１】
次に、封体の厚みとフィラメントから放射される光の透過率について説明する。
従来技術のところで述べたように、シリカ質ガラスは長波長側の光を吸収し、短波長側の光は透過する性質を有している。
そして、長波長側の光を封体から透過させるためには、ガラス中を進行する光の距離を短くすればよく、具体的には封体の厚みを薄くすればよい。
【００２２】
図２はシリカ質ガラスである石英ガラスの厚みと光の透過率の関係を示すデータ説明図である。
グラフａは石英ガラスの厚みが１ｍｍのものであり、グラフｂは石英ガラスの厚みが２００μｍのものであり、グラフｃは石英ガラスの厚みが１００μｍのものであり、グラフｄは石英ガラスの厚みが５０μｍのものである。
【００２３】
図２中、グラフａに示すように厚みが１ｍｍの石英ガラスでは、波長５０００ｎｍ以上の長波長側の光は透過できず、石英ガラス自体で吸収されていることがわかる。そして、グラフｂ、グラフｃ、グラフｄの順で、ガラスの厚みが薄くなるにつれて長波長側の光の透過率が高くなっており、グラフｂに示すように石英ガラスの厚みが２００μｍでは７５００ｎｍまでの波長の光を透過することができる。さらには、石英ガラスの厚みを２００μｍより薄くすることにより、さらに高い割合で、長波長側の光を透過することができる。
【００２４】
次に、図１に示す封体がシリカ質ガラスである石英ガラスからなり薄肉部の厚みが２００μｍ、１００μｍ、５０μｍの本発明の白熱ランプと、封体が同じ石英ガラスからなり薄肉部がなく封体の厚みが１ｍｍの比較用白熱ランプの相対放射強度を示すデータを図３に示す。
【００２５】
グラフａは比較用白熱ランプのデータであり、グラフｂは薄肉部の厚みが２００μｍの本発明の白熱ランプのデータであり、グラフｃは薄肉部の厚みが１５０μｍの本発明の白熱ランプのデータであり、グラフｄは薄肉部の厚みが５０μｍの本発明の白熱ランプのデータであり、本発明の薄肉部の厚みが５０μｍの白熱ランプから放射される光のうち、波長２５００ｎｍの光の放射強度を１として相対表示したものである。
【００２６】
図３中グラフａに示すように、比較白熱ランプでは封体の厚みが１ｍｍあり肉厚が厚く５０００ｎｍ以上の長波長側の光は放射されない。一方、本願発明の白熱ランプは、グラフｂ、グラフｃ、グラフｄに示すように、長波長側の光も放射していることがわかる。そして、グラフｂ、グラフｃ、グラフｄの順で、薄肉部の厚みが薄くなるにつれて長波長側の光の放射強度が高くなっており、グラフｂに示すように薄肉部の厚みが２００μｍでは７５００ｎｍまでの波長の光を放射し、グラフｄに示すように薄肉部の厚みが５０μｍでは８０００ｎｍまでの波長の光を放射していることがわかる。
【００２７】
つまり、図２、図３から理解できるように、本発明の白熱ランプは、シリカ質ガラスからなる封体に、厚みが２００μｍ以下の薄肉部を形成することにより、この薄肉部を介して短波長側から少なくとも７５００ｎｍに渡る波長の光を良好に放射することができる。
【００２８】
本発明の白熱ランプを赤外線ガス分析装置に組み込んだ時の反射鏡と本発明の白熱ランプとの位置関係を図４に示す。
本発明の白熱ランプ４はフィラメント４１が反射鏡２１の焦点に位置するように配置され、しかも、薄肉部４２が反射鏡２０の反射面２１０に対向するように配置されている。
【００２９】
つまり、反射鏡２１の焦点にフィラメント４１が配置され、薄肉部４２が反射鏡２１の反射面２１０に対向しているので、このフィラメント４１から放射された短波長側から７５００ｎｍ以上に渡る波長の光は、この薄肉部４２を透過し反射鏡２１の反射面２１０に照射される。そして、この反射面２１０によって、短波長側から７５００ｎｍ以上に渡る波長の光は平行光或いは集光光となり光の進行方向が制御され、赤外線ガス分析装置では、平行光或いは集光光のみ確実に利用できる構造となっているので、本発明の白熱ランプは、赤外線ガス分析装置に最適な光源となる。
【００３０】
図５は、本発明の白熱ランプの他の例を示すものであり、図１に示す本発明の白熱ランプと同様に、シリカ質ガラスである石英ガラスからなる封体４０の内部にハロゲンガス、希ガス、窒素ガス等の不活性ガスが封入され、タングステン製のフィラメント４１が配置されており、封体４０の一端部がピンチシールされた一端封止側の白熱ランプである。
そして、薄肉部４２が封体４０の頂部ではなく、側面部に形成されている。図示していないが、薄肉部４２は反射鏡の反射面に対向するように反射鏡と組み合わされるものである。
【００３１】
さらに、図１を用いて説明すると、図中点線Ｇで示す薄肉部４２の内表面積は、薄肉部４２の内表面積を含む封体４０全体の内表面積の１０〜４０％の範囲である。
この値が１０％以下の場合、封体４０全体における薄肉部の割合が小さくなり、封体４０を透過する長波長側の光が減少し、ガス分析用白熱ランプとして十分な赤外線放射強度が得られず、一方、４０％以上となると封体４０の強度が著しく低下しランプの破損につながる可能性が高くなる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス分析用白熱ランプは、シリカ質ガラスからなる封体に、厚みが２００μｍ以下の薄肉部を形成することにより、この薄肉部を介して少なくとも７５００ｎｍまでの波長の光を良好に放射することができ、しかも、反射鏡と組み合わせて少なくとも７５００ｎｍまでの光を平行光や集光光にでき、赤外線ガス分析装置の光源として最適なものとなる。
【００３３】
また、薄肉部を有する封体は一の素材で形成されているので、薄肉部を含め封体の製造が容易になる。
【００３４】
さらには、薄肉部は封体内表面積の１０〜４０％の範囲であるので、長波長側の光である赤外線を十分に放射することでき、しかも、封体の機械的強度を十分に高い状態に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス分析用白熱ランプの説明図である。
【図２】シリカ質ガラスである石英ガラスの厚みと光の透過率の関係を示すデータ説明図である。
【図３】本発明のガス分析用白熱ランプと比較用白熱ランプの相対放射強度を示すデータ説明図である。
【図４】本発明の白熱ランプを赤外線ガス分析装置に組み込んだ時の反射鏡と本発明の白熱ランプとの位置関係を示す説明図である。
【図５】本発明の他のガス分析用白熱ランプの説明図である。
【図６】赤外線ガス分析装置の説明図である。
【図７】従来のガス分析用白熱ランプの説明図である。
【符号の説明】
４ガス分析用白熱ランプ
４０封体
４１フィラメント
４２薄肉部
Ｇ薄肉部の内表面

Claims

シリカ質ガラスからなる封体の内部にフィラメントが配置されたガス分析用白熱ランプにおいて、
封体の少なくとも一部は、厚みが２００μｍ以下の薄肉部を有していることを特徴とするガス分析用白熱ランプ。
前記封体は、一の素材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス分析用白熱ランプ。
前記薄肉部は封体内表面積の１０〜４０％の範囲であることを特徴とする請求項２に記載のガス分析用白熱ランプ。