JP4159745B2 - 高電力紫外線発生用ランプ - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
米国政府は、米国エネルギー省約款ＮＯ．Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−３６の下、本発明に対してある種の権利を有する。
本発明は、一般に、滅菌液体への紫外線の使用に関し、より詳しくは、液体が紫外線に対して不透明な場合であっても、該液体を強烈な紫外線に暴露して殺菌するのに用いる高電力エキシマーランプ構造に関する。
液体を紫外線に暴露して殺菌することによってそれらを滅菌することは、長い間確立された技術である。細菌を破壊する紫外線の能力に基づく多くの特許が発行され、そのような装置は多くの家庭や工場での使用において充分ありふれたものである。典型には、そのようなシステムは、水が紫外線に暴露される閉鎖容器に該水を通過させることによって、水を紫外線に暴露する。
【０００２】
全ての先行技術に普及し、良く受け入れられているために滅多に言及されない一つの考慮すべき点は、紫外線への暴露による水処理は、該水自体が該紫外線に対して顕著に透明であることに依存することである。透明な水を通る紫外線の浸透は、典型には、数インチないし１フィートを超える範囲であろう。紫外線に対するそのような透明性なくしては、いかなる液体の精製も非常に困難である。何故ならば、実際に照射源に接触した液体の境界しか該照射に影響されないからである。紫外線に対する該液体の透明性がなければ、処理は非常に強烈な照射および乱流を必要とし、そのため、該乱流が、液体の各部分が該紫外線ランプと直接接触することを保証する間の非常に短時間に該液体中の細菌を殺せる。
【０００３】
しかしながら、高強度紫外線を達成するのは困難である。伝統的な高強度水銀ランプは、実際には、広い照射スペクトルを発生し、殺菌に必要な好ましい波長は該出力のわずかな少ない部分だけである。しかも、在来の水銀ランプは該ランプボディ上に隔離スリーブを要し、それは該ランプ表面と処理すべき流体との直接接触を防止する。一方、エキシマーランプは、液体の滅菌に適当な波長にて非常に狭いバンド幅を有し、比較的低電力定格においてのみ利用可能である。実在するエキシマーランプの紫外線出力電力についての歴史的重要な限界はそれらの幾何に根付いている。
本質的に、エキシマーランプはガス充填閉鎖容器であって、それは該閉鎖容器の外部にあるが接触している電極による高圧ＡＣ電力に付される。該ランプ閉鎖容器は、水晶のごとき材料からなり、そのため、それらは紫外線に対して透明である。ＡＣ電気電力が印加されたとき、該ランプはキャパシターの誘電体として作用し、そこでは、該電極は該キャパシターのプレートであって、全てのキャパシターにおけるごとく、該誘電体は全てのインピーダンス与え、全ての電力を使用する。平面ランプに関し、これは２つの金属電極が該水晶ガス充填平面エンベロープに接触して配置されていることを意味する。同軸ランプに関し、該エンベロープは、普通、末端が一緒に密封された同軸シリンダーから形成され、該シリンダーの間にガス充填を有する。そして、該金属電極は、外側水晶シリンダーの外表面および内側シリンダーの内表面に接触するさらなるシリンダーである。
【０００４】
実在するランプは該ランプエンベロープに接触する１以上の金属電極を用いるので、両方のランプ出力およびランプ冷却に自己抑制がある。該ランプエンベロープの外表面と接触する電極は、典型には、紫外線に対して部分的に透明であるメッシュであるか、またはいくらかの紫外線がそれを通り抜けるほど薄い金属膜である。しかしながら、高電力操作に関し、そのような電極は高電流の取扱いも可能でなければならない。そのことは、電流を制限したり、抵抗発熱を生じることを防止するために、それらがかなりな体積を有することを要求する。この高電力要求は、薄膜を除外し、メッシュのワイヤー径を非常に増大させて該メッシュが該紫外線出力の顕著な量をブロックするようにする。次いで、それは、減少するトレードオフ（tradeoff）となり、そこでは、より高い電力レベルに対して要求される太いワイヤースクリーンが、むしろ、該液体の処理に利用可能であるべき紫外線出力をブロックする。さらに、大きなワイヤーを持つ同じメッシュがランプ表面の冷却を妨害し、エキシマーランプの温度が上昇した場合、ランプ効率および寿命に悪影響が及ぶ。
この結果は、高紫外線出力を要する不透明液体の精製のごとき適用におけるエキシマーランプの使用を妨げる袋小路であった。
【０００５】
発明の概要
本発明は、ランプエンベロープに接触する全ての金属電極を除外することによって、高電力紫外線ランプで液体を精製する場合にメッシュ電極を用いることにより生じるジレンマを克服する。本発明のエキシマーランプは、高圧ＡＣにより電力供給されるが、該エンベロープの内部にまたはそれに接触する金属性電極を有しない。
該ランプは、それらの末端が一緒に密封され、該シリンダー間にエキシマーガス充填されている２つの同軸水晶シリンダーの形態で構成される。冷却液体は該内側シリンダー内部の中央領域を通ってポンプ流入され、そこでは、該内側シリンダーと接触しない導電性パイプが用いられて、この冷却液体を供給する。それは該内側水晶シリンダーとは接触していないにもかかわらず、このパイプは高圧電極としても作用する。ケーブルが該中央パイプを高圧ＡＣ電源に結び付けているが、この高圧電極は、適切な長さの電気的に絶縁されているチューブによって冷却液体の源から電気的に絶縁され、それも該冷却液体を供給する。
【０００６】
ランプ全体は、それも該水晶エンベロープに接触していない外側金属円筒状シース内部に封入されるが、該高圧ＡＣ電源の帰還と連結され、接地もされている。処理すべき液体は該金属シースを通り、該エキシマーランプの外部エンベロープの外表面上を流れる。
電気回路は該ランプに印加される電力が電流を変化させ、また、そのため、電力はがキャパシタンスで変換され得るという事実に依存する。該２つの異なる液体層、該内側シリンダー内部の冷却液体および該外側シリンダー外部の処理された液体が、該ランプへの唯一の電力供給であり、それらは、理論的にいくらかの伝導を有するが、それらは、本質的に、キャパシターとして作用してＡＣ電力を該エキシマーランプに連結させる。これらの液体充填されたキャパシターは少ない電力損失しか有さない。何故ならば、該液体は高誘電率を有するからである。従って、該液体によって形成されたキャパシターおよび、該水晶エンベロープの壁によって形成されたキャパシターも、該ランプ内のエキシマーガスのものよりも非常に低いインピーダンスをもたらす。かくして、実質的に全ての電力が該ランプに輸送され、使用される。
【０００７】
さらに、該ランプの中央エンベロープ内部を流れる液体および該ランプの外部上の処理液体は、該水晶ランプエンベロープに対してほぼ完璧な冷却剤である。該水晶エンベロープに接触する電極が存在しないため、該エンベロープの表面全体が冷却された液体であり、該液体の温度を制御して、該水晶エンベロープにとって最も所望される温度に落ち着かせ得る。この温度制御が高電力エキシマーランプの長寿命動作を保証する主要な要因である。
最後に、該ランプの中央の冷却液体として透明液体が選択された場合、それも、該ランプの内側エンベロープから発光される紫外線が該冷却透明液体および該ランプのもう一方の側を通過し、該ランプの遠い側の処理された液体にまで到達するようにする。
それにより、本発明が高効率かつ長寿命の紫外線発生エキシマーランプを提供するのみならず、その電力能力についてのいずれかの自己抑制が存在すると考える理由はない。
【０００８】
発明の詳細な説明
図１は、本発明の好ましい具体例のエキシマーランプ１０の液体流路に沿った断面図であり、そこでは、ランプ１０は多重同軸シリンダーからなる。該内部のシリンダーは単一の中空金属パイプ１２であり、それを通して、液体がパイプ１２周りに配置されたボリューム１４に流れ込む。ボリューム１４は、本質的に、エキシマーガス閉鎖容器１８の一つの壁でもある内側水晶シリンダー１６によって封入されているボリュームである。シリンダー状スリーブ１５は内側水晶シリンダー１６からの延長であり、ボリューム１４の末端を閉じ込め、内側水晶シリンダー１６の位置を維持する助けとなる。外側水晶シリンダー２０はエキシマーガス閉鎖容器１８の外壁を形成する。端壁２２および２４は内側水晶シリンダー１６および外側水晶シリンダー２０を結合させて、エキシマーガス閉鎖容器１８を完成し、エキシマーガスで充填される環状空間を形成する。端壁２４も延長されて内側水晶シリンダー１６の末端を閉鎖し、かくして、内側ボリューム１４の離れた端２６も閉鎖する。
【０００９】
エキシマーガス充填された閉鎖容器１８の実際の動作はいずれの在来のエキシマーランプと同じであり、そこにおいて、該ガス内部のマイクロ−放電が、ガス閉鎖容器１８内部の特定のガスによって決定される放射の波長を有する紫外線を発生する。
最も外側のシリンダーはハウジング２８であり、支持体３０および３２によって、外側水晶シリンダーから一定の間隔で配置されている。支持体３０および３２は外側水晶シリンダー２０周りに一定の間隔で配置されてハウジング２８内の水晶シリンダー１６および２０を中心に置くいくつかの支持体のうちのものであり、ボリューム３４を通る液体の自由な流れに対して開かれたハウジング２８と外側水晶シリンダー２０との間のボリューム３４を維持している。ボリューム３４は一端がエンドプレート３６によって閉鎖され、それは示すごとくハウジング２８のシリンダーの必須部分であるか、または、ランプ１０の電極連結末端にてのエンドプレート３８と同様にボルト留めされた取外し可能なキャップのいずれかであり得る。エンドプレート３８は、しかしながら、プラスチックのごとき電気絶縁材料からなり、中央パイプ１２をハウジング２８から電気的に絶縁している。エンドプレート３８はハウジング２８のプレート４０に対してボルト２４によって堅く固定され、在来の“Ｏ”リング４４により密閉される。
【００１０】
ランプ１０にはたった２つの電気的接続しか存在しない。高圧接続は中央パイプ１２に取り付けられたケーブル４６であり、帰還電圧および接地はハウジング２８に取り付けられた単一のワイヤーである。これらの接続は、該接続がされる部分にロウ付けされたスタッド状のナットのごときいずれの在来の手段によってなされ得る。
液体入力および出力接続は冷却水および処理すべき液体の両方に装備される。中央パイプ１２は冷却水をボリューム１４に供給する働きをする。この冷却水はボリューム１４の離れた末端２６に近いパイプ１２から流出し、内側水晶シリンダー１６およびスリーブ１５に沿って流れ戻り、出口パイプ１５を通ってランプ１０から出ていく。処理される液体は、ハウジング入力パイプ５２を通って該ランプに入り、外側水晶シリンダー２０の外部に沿っておよび周りを流れて、それはエキシマーガス閉鎖容器１８内のエキシマー放電によって発生された紫外線によって照射され、ハウジング出口パイプ５４を通って該ランプから出る。
操作において、該処理された液体はランプ中を流れるので、該ランプは、電気的に、パイプ１２およびハウジング２８により形成された電気入力間の５つの誘電体の一組のようである。高圧接続であって、該キャパシターの一つの「プレート」として作用するパイプ１２から始まり、第１の誘電体はボリューム１４内の冷却水であり、第２の誘電体は内側水晶シリンダー１６であり、第３の誘電体はボリューム１８内のエキシマーガスであり、第４の誘電体は外側水晶シリンダー２０であって、第５の誘電体はボリューム３４内の処理された液体である。ハウジング２８は安全のため接地され、電力の帰還であり、該キャパシターのもう一つの「プレート」として作用する。
キャパシターのいずれの誘電体のインピーダンスも該誘電体の材料の誘電率とは逆に変化することがよく理解されており、それで、水および水晶は高誘電率を有し、該エキシマーガスは低誘電率を有するので、該誘電体の組において唯一の高インピーダンスは該エキシマーガスである。かくして、実質的に、該電源によって与えられる電力の全ては該エキシマーガスに供給され、一方、該液体および該水晶は、本質的に、該エキシマーガスの誘電体への接続として働く。
しかしながら、該液体は、別のきわめて重要な目的としても働く。内側水晶シリンダー１６および外側水晶シリンダー２０を横切って流れる液体は、エキシマーガス閉鎖容器１８の水晶壁を冷却して、該エキシマーガスがその熱を該水晶壁に受け渡し、過熱しないように防止もするようにする。このように該エキシマーランプを冷却することは、ランプ１０の高信頼性および長寿命を保証するのにきわめて重要である。
【００１１】
図２は、本発明の電気および流体流配置の簡略化した概略図であり、２つの液体流路を高圧交流電源６０と共にランプ１０に用い得る手段を図示する。
前記したごとく、ランプ１０は中央パイプ１２を通して冷却液体が与えられるが、中央パイプ１２は、ケーブル４６によって、高圧電源６０に接続もされている。従来の知識では、該冷却液体の源は、同時に、中央パイプ１２と同じく高圧であるか、または該電源が短絡されることが示唆されるが、この場合は違う。
もし、中央パイプ１２への冷却液体供給路および帰還路が充分長く、該冷却液体のインピーダンスが充分高ければ、そのような液体流路は、単に、該ランプと並列に高インピーダンスとして作用し、それらが該電源にもたらす負荷は取るに足らないであろう。例えば、典型的な水道水は、．４５インチ直径のプラスチックホース内を流れる場合、２０ないし２００マイクロムーオの範囲の比抵抗を有し、そのため、１フィート当たり１５０キロオームないし１．５メガオームの抵抗値を有する。それで、それは、単に、電源６０が耐えられる漏れ電流がどれくらいかを決定し、パイプ１２への供給ホース６２および帰還ホース６４を該漏れ電流をその値に制限するのに充分な長さにするために必要である。
【００１２】
図１および図２の両方に示すごとく、ランプ１０のハウジング２８は実際には接地され、そのため、それに印加されるいかなる電圧について、全く懸念はない。かくして、処理液体入力パイプ６６および処理液体出口パイプ６８は、いかなる必要な装置とも接続し得、いかなる比抵抗の液体も取り扱える。しかしながら、最も期待される適用において、処理すべき液体でさえもそのような低伝導率を有し、それを該ランプ中央部分の冷却液体として用いたとしても、困難を生じさせない。該冷却液体に対して別個の液体供給の必要性を除外するため、これは、実際に、いくつかの適用において可能であり、該冷却液体が不透明であってさえも、該ランプの寸法は、同様に該冷却液体を処理するように設計し得るであろう。本発明の好ましい具体例は以下の構造、条件および結果を持って使用されている。

【００１３】
記載した紫外線発生ランプの好ましい具体例は、不透明な機械裁断流体を精製する工業環境において使用されており、故障なしにフルパワー出力で１０００時間を超えて使用されている。
示したごとき本発明の形態は単なる具体例であることが理解されるべきである。以下の請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、種々の変更を部品の機能および配置において行うことができ；同等の手段が例示され記載されたそれらと置換えることができ；特定の特徴を他から独立して用いることができる。
例えば、ランプ１０の形状は円筒状である必要はないが、それが組立てるのにより簡単である。該ランプは平行な平面シートで構成され得、その場合には、図１はそのような配置の部分を横切る断面図であろう。さらに、材質が導電性である限り、金属以外の材質を中央パイプ１２およびハウジング２８に用いることができ、材質が該ランプから発生される紫外線に対して透明である限り、ガスボリューム１４の壁１６および２０は水晶以外の材質からなることができる。さらに、ほとんどの液体が１０を超える誘電率を有し、本発明は比較的液体の伝導率に依存しないので、実質的に、全ての液体が本発明に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の好ましい具体例のエキシマーランプの液体流路を横切る断面図である。
【図２】 図２は、本発明の電気および液体流配置の簡略化した概略図である。

Claims (26)

1. 閉鎖ボリュームを定めるハウジング、このハウジングは少なくとも一つの導電性壁を含む；
   該閉鎖ボリューム内に位置する導電性部材；および
   該閉鎖ボリューム内で該導電性部材と該ハウジングの導電性壁との間に位置する複数の誘電体を含む放射発生ランプであって、
   ここに、該複数の誘電体の少なくとも一つがエネルギー放射を発生できるガスを含み、
   ここに、該複数の誘電体の第２のものがエネルギー放射で処理される第１の液体を含み、
   ここに、該複数の誘電体の第３のものが、該第１の液体と同一である第２の液体を含み、
   ここに、該ガスが該第１および第２の液体の間に位置し、
   ここに、該ガスがガス閉鎖容器内部にあり、該ガス閉鎖容器が、該導電性部材および該導電性ハウジングから、それぞれ、該第１および第２の液体によって電気的に隔離されていることを特徴とする該放射発生ランプ。
2. 該導電性部材が高圧ＡＣエネルギー電源と電気的接続している請求項１に記載の放射発生ランプ。
3. 該導電性部材がパイプである請求項１に記載の放射発生ランプ。
4. 該パイプが該第１または第２の液体の供給源と導通している請求項３に記載の放射発生ランプ。
5. 該第１または第２の液体が該パイプを通って該定められたボリュームに流入する請求項３に記載の放射発生ランプ。
6. 該第１または第２の液体が冷却剤として働く請求項５に記載の放射発生ランプ。
7. 該ハウジングが該パイプ用の入口をさらに含み、該ハウジングが該パイプを通って該ハウジングに流入する該第１または第２の液体の流出を許可するように適合された出口をさらに含む請求項３に記載の放射発生ランプ。
8. 該ガスがガス閉鎖容器内に含有されるエキシマーガスである請求項１に記載の放射発生ランプ。
9. 該ガス閉鎖容器が第１および第２の壁によって定められ、該第１および第２の壁は各々該複数の誘電体のうちの一つを含む請求項８に記載の放射発生ランプ。
10. 該ガス閉鎖容器の第１および第２の壁が水晶で作製されている請求項９に記載の放射発生ランプ。
11. 該ガスがキセノン、臭素およびそれらの混合物よりなる群から選択されるエキシマーガスである請求項１に記載の放射発生ランプ。
12. 第１および第２の間隔を開けて配置された電極ならびに該第１および第２の間隔を開けて配置された電極の間に位置する放電発生できるガスを含有するガス閉鎖容器を含む放電アッセンブリーであって、該第１の電極と該ガス閉鎖容器との間に第１の液体および該ガス閉鎖容器と該第２の電極との間に第２の液体を含むことを特徴とする該放電アッセンブリー。
13. 第１の電極がパイプであって、第１および第２の液体のうちの少なくとも１が該パイプを通過する請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
14. 該第２の電極がハウジングの壁であって、該第１の電極、ガス閉鎖容器およびガスが該ハウジング内に位置する請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
15. 放射発生ランプである請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
16. 該ガス閉鎖容器が水晶で作製された１以上の誘電体壁によって定められる請求項１５に記載の放電アッセンブリー。
17. 該第１および第２の液体が同一組成を有する請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
18. 該ガスがエキシマーガスである請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
19. 第１および第２の液体のうち少なくとも一つが誘電体冷却液体として働く請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
20. 第１および第２の液体のうち少なくとも一つが該ガスからの放電で処理される液体である請求項１２に記載の放電アッセンブリー。
21. 放射発生ランプで液体を処理する方法であって、
    （ａ）第１および第２の電極を含む処理チャンバーおよび該第１および第２の電極の間に位置する放電発生できるガスを含有するガス閉鎖容器を供給し；
    （ｂ）該第１の電極と該ガス閉鎖容器との間に第１の液体を導入し、該第１の液体は該第１の電極と該ガス閉鎖容器との間の誘電体として働く；次いで、
    （ｃ）該第２の電極と該ガス閉鎖容器との間に第２の液体を導入し、該第２の液体は該第２の電極と該ガス閉鎖容器との間の第２の誘電体として働く該方法。
22. 該第１の電極がパイプを含み、該第１および第２の液体のうち少なくとも一つが該パイプを通して導入される請求項２１に記載の方法。
23. 該第１および第２の液体のうち少なくとも一つが出口を通って該処理チャンバーから流出する請求項２２に記載の方法。
24. 該ガス閉鎖容器が第１および第２の壁によって定められ、該第１および第２の誘電体壁が水晶で作製されている請求項２１に記載の方法。
25. 該第１および第２の液体のうち少なくとも一つが該ガスからの放電によって処理される液体である請求項２１に記載の方法。
26. 該ガスがエキシマーガスであって、該処理が該第１および第２の液体のうちの少なくとも一つの精製を含む請求項２１に記載の方法。

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