JP4549950B2 - 無電極放電灯装置および光化学洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば温泉水などの高温な液体を殺菌、消毒、洗浄するための無電極放電灯装置および光化学洗浄装置に関する。

一般に、無電極ランプなどの無電極放電灯装置を用いた光化学洗浄装置または殺菌装置は、例えば下水処理などの水処理の用途で利用されている。

水処理の用途で利用される殺菌装置の先行技術としては、例えば外側に水が流れる外管と、この外管内に設けた放電容器と、この放電容器の周りに巻回された励起コイルとを備えたものが既に公開されている（例えば特許文献１参照）。

無電極放電灯装置の放電容器内には水銀が封入されており、励起コイルの周囲に発生する交流磁界により、放電容器内に電界が発生し、この電界により、放電容器内に封入されている水銀原子と電子の衝突が起こり、水銀原子から紫外線（以下ＵＶ光と称す）が放出される。このＵＶ光の照射により処理対象の液体（水など）が殺菌される。
放電容器内に封入されている水銀は、周囲温度の変化によって、蒸発量が異なり水銀特性が変化し、照射発光する光の波長が異なる特性を持つ。

この場合の無電極放電灯装置は、処理対象の液体の中に水没させる構造であり、放電灯の発光特性を決める最冷部の温度は、処理対象の液体の温度に依存する。このため、処理対象の液体の温度がほぼ一定であれば最冷部の温度を管理する必要はなかった。

ところで、最近では、温泉水などのように気温以上、例えば４０°Ｃ以上の高温な液体の殺菌処理に無電極放電灯装置を用いた殺菌装置を適用することが検討されている。

温泉水などの高温な液体を殺菌処理する場合、温泉水が殺菌装置内に流入することによって無電極放電灯装置の周囲温度が低温状態から高温状態へ変化するため、この温度変化に伴って放電容器内に封入されている水銀の特性が変化し、照度値が変化するという問題が生じる。
特開２００１−１６７７３９号公報

上記したように無電極放電灯装置を用いた殺菌装置により高温な液体を殺菌処理する場合、放電灯の周囲の温度変化に伴って水銀特性が変化し、照度値が変化してしまい、一定の殺菌効果が得られないという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、処理対象の液体の温度が変換する環境においても一定の殺菌効果が得られる無電極放電灯装置および光化学洗浄装置を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明の無電極放電灯装置は、処理対象の液体が流れる流路内にほぼ垂直に立てて設けられ、上方に開口を有する保護管と；前記保護管内に配置され、水銀を含む放電媒体が封入された発光管と；前記発光管の周囲に巻回された励起コイルと；前記保護管の上部の開口を閉じる蓋部と；前記発光管の端部を前記流路外へ突出させ、前記水銀が溜るように設けられた最冷部と；前記蓋部に設けられ、前記最冷部を冷却する冷却部と；を具備したことを特徴とする。

前記冷却部は、水冷式の冷却装置、空冷式の冷却装置である。前記最冷部は、上方へ突出した突出部と；前記突出部の端部より側方に屈曲して設けられた放電媒体の溜り部と；を備えてもよい。

前記最冷部は、上方へ突出した突出部と；前記突出部の端部より前記突出部の突出方向に対して鋭角に屈曲して設けられた放電媒体の溜り部と；を備えてもよい。
前記最冷部は、上方へ突出した突出部と；前記突出部の端部より下方に向けて渦巻き状に屈曲して設けられた放電媒体の溜り部と；を備えてもよい。

請求項２記載の無電極放電灯装置は、請求項１記載の無電極放電灯装置において、前記励起コイルの両端より前記保護管の底部またはその付近まで延長し互いが離間して設けられた２つの通電バーと；前記保護管内の浸水により互いの通電バーが電気的に短絡されること、または浸水短絡機構により互いの通電バーが短絡されることで、前記励起コイルへの給電を停止する点灯回路部と；を備える。
請求項３記載の光化学洗浄装置は、請求項１または２いずれか記載の無電極放電灯装置を、前記蓋部を露出させた状態で固定し、前記保護管の外側に液体を流通させるための流路を形成する流水管を具備したことを特徴とする。

本発明では、発光管の上部に蓋部の側に突出した最冷部を設け、この最冷部を冷却する冷却部を蓋部に設けたことで、高温なランプの部分からの熱による影響を抑えることができ、処理対象の液体の温度が高温でかつ温度が変化する場合でも最冷部の温度をある一定の値に管理できる。
また、最冷部の端部より側方に溜り部を設けることで、凝縮した水銀粒を溜り部に貯留でき、振動などによる発光管への落下で水銀特性が不安定になることがなくなる。
さらに、溜り部を、最冷部の突出方向に対して鋭角または渦巻き状に設けることで、最冷部に付着した水銀粒を最冷部の側へ落ちにくくできる。

以上説明したように本発明によれば、処理対象の液体の温度が変換する環境においても一定の殺菌効果が得られる無電極放電灯装置および光化学洗浄装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態の無電極ＵＶ殺菌装置の構成を示す図、図２は図１の無電極ＵＶ殺菌装置の制御系の構成を示す図、図３は図１の無電極ＵＶ殺菌装置の浸水センサの構成を示す図である。

図１、図２に示すように、この無電極ＵＶ殺菌装置は、ほぼ垂直に配置され、上部が左方向へ屈曲し、例えば温泉などの高温水を下部から上部、上部から左方向へ流すような流路を形成するように設けられた流水管１と、この流水管１の上部に、封止蓋７の部分を固定して取り付けられた無電極放電灯装置として無電極ＵＶランプ３とから構成されている。

無電極ＵＶランプ３は、上方に開口を有する保護管５（外管）と、この保護管５の開口をパッキンなどを介在させて封止する金属製の封止蓋７と、保護管５内に配置され、放電媒体としての水銀（Ｈｇ）および希ガスが封入された発光管１１と、発光管１１の周囲に巻回された誘電コイル１３（励起コイル）と、誘電コイル１３に給電線１４を介して給電する点灯回路部３０を有している。

保護管５、発光管１１としては、例えばほぼ透明な石英ガラス管やフッ素樹脂管などが用いられる。保護管５は、処理対象の液体、この例では温泉水が流れる流路内にほぼ垂直に立てて設けられている。放電媒体としては、水銀（Ｈｇ）以外にもその化合物、例えばアマルガムなどが用いられる。希ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などである。

図２に示すように、点灯回路部３０は、商用電源から高周波電圧を生成し誘電コイル１３へ供給する電源装置である点灯電源部３１と、負荷（誘電コイル１３および給電線１４など）の短絡（ショート）による異常を判定する異常判定部３３とを有している。高周波電圧の周波数は、１ＭＨｚ−１００ＭＨｚの範囲内で、例えば１３．５６ＭＨｚなどとする。

無電極ＵＶランプ３は、高周波電圧を誘電コイル１３に印加し、発光管１１内に電界を発生させて放電媒体を放電させて紫外線を放出するものである。このため、保護管５内の発光管１１の周囲に巻回されている誘電コイル１３の部分に水などが接触すると、インピーダンスが変化し、ランプの点灯状態が変化または不点灯状態に陥る。

保護管５内への水Ｗなどの浸入を検知するためには、無電極ＵＶランプ３の点灯状態を検知することで、おおよその検出は可能であるが、この例のように発光管１１をほぼ垂直に立てて用いるケースで、封止蓋７の密閉状態が悪くパッキンなどから水が徐々に浸入するような浸水経路で浸水した場合は、誘電コイル１３の部分が水に浸りインピーダンスが変化するまでに多くの浸水量と時間がかかるため、不具合の発見が遅れるという問題がある。また、保護管５にクラックが発生したことが水の浸入原因であった場合は、保護管５が破損する（割れる）場合がある。

保護管５の内部には、棒状をなす通電バー３７、３８が配置されている。通電バー３７、３８は、個々の誘電コイル１３を並列に接続するものである。通電バー３７、３８は、保護管５内に立てるよう固定されている。通電バー３７、３８の上端、つまり入力端には、点灯回路部３０からの給電線１４が接続されている。この例では、通電バー３７が負極（−）、通電バー３８が正極（＋）であるものとする。通電バー３７、３８の下端には、浸水検知部または浸水検知スイッチとしての延長バー３７ａ、３８ａが設けられている。

延長バー３７ａ、３８ａは、通電バー３７、３８を保護管５の底部またはその付近まで延長したものであり、それぞれの端部は離間して設けられており、水が保護管５に浸入し、保護管５の底部にたれ落ち延長バー３７ａ、３８ａが浸ると、その水を通じて電気が流れるようになり、延長バー３７ａ、３８ａが電気的に短絡する。

この他の浸水短絡機構、浸水検知部または浸水検知スイッチの形態について説明する。
例えば図３に示すように、延長バー３７ａ、３８ａの下端を保護管５の底部より少し浮かせた位置に配置し、延長バー３７ａ，３８ａの直下に、ショート部材３９を配置する。

ショート部材３９は、横に長い上下２層の水Ｗに浮く板状の部材を用いる。ショート部材３９の下層には絶縁性の部材、上層には金属製の部材（例えばアルミニウムなど）を用いる。つまり、ショート部材３９は、非処理水（この場合、温泉水）よりも比重の小さい金属部材、または非処理水よりも比重の小さい材料と一体化した構造物を用いる。なお比重が１よりも大きい物質は水に沈み、１よりも小さい物質は水に浮く。

このショート部材３９を備える浸水短絡機構の場合、保護管５内に進入した水Ｗによりショート部材３９が浮上することによって、ショート部材３９が延長バー３７ａ，３８ａと当接して負荷（回路）が短絡する。

異常判定部３３は、例えばセントラル・プロセッシング・ユニット：ＣＰＵ、メモリなどとソフトウェアなどで実現される。異常判定部３３は、負荷の状態を監視しており、浸水検知部によって負荷が短絡されて負荷のインピーダンスがメモリに予め記憶されている変動許容値（閾値）から外れた場合に、保護管５内への水Ｗの浸入を検出する。異常判定部３３は、水Ｗの浸入を検出すると、点灯電源部３１に対し、誘電コイル１３への給電を停止させる。

つまり、異常判定部３３は、負荷が短絡されたことで、保護管５の底部に温泉水などの液体が浸入したものと判定し、点灯電源部３１による誘電コイル１３への給電を停止させる。なお、浸水の判定方法としては、上記負荷変動の他、インピーダンス変化、出力電圧の変化、電流の変化、周波数変化などを利用してもよい。いずれの場合も、異常判定部３３は、負荷の短絡により電気的に変動した検出値が、予め設定された変動許容値（閾値）から外れた場合に浸水と判定し、点灯電源部３１に対し、誘電コイル１３への給電を停止させる。

図４、図５に示すように、発光管１１の上部には、封止蓋７の内部へ突出された最冷部１５が設けられている。最冷部１５は、発光管１１の中で最も温度が低くなる部分であり、発光管１１内で気化した水銀粒９が凝縮する場所である。この例の最冷部１５は、発光管１１の軸方向へ突出した先端部が側方へほぼ直角に屈曲したほぼ水平な溜り部１５ａを有している。この溜り部１５ａは、凝縮した水銀粒９などの放電媒体を溜めるものである。

最冷部１５の溜り部１５ａの周囲には、温度調節部の一部である冷却ブロック１９が設けられている。

温度調節部は、この図４，５の例では、水冷式の冷却装置などで実現される。水冷式の冷却装置は、銅製の入水管２１および出水管２３などの冷却水循環用配管、冷却ブロック１９、循環ポンプ（図示せず）などを有している。冷却ブロック１９内部には、冷却水循環用配管が蛇行して配置されており、配管内に冷却水を循環させることで冷却ブロック１９全体が冷却され、この冷却ブロック１９に囲まれた最冷部１５も冷やされる。
入水管２１は、外部の循環ポンプより冷却水を冷却ブロック１９へ流入させる管である。出水管２３は、冷却水を冷却ブロック１９から外部の循環ポンプへ戻す管である。

図５に示すように、冷却ブロック１９と溜り部１５ａとの間には、若干、隙間が設けられている。この隙間は、溜り部１５ａがガラスまたは樹脂の加工品であるために生じる製造ばらつき（製造誤差）を許容するためのものである。

この第１実施形態の無電極ＵＶ殺菌装置の場合、無電極ＵＶランプ３を点灯させて非処理水、つまり温泉水を流水管１内に流すと、これらの熱の影響で保護管５およびその内部の発光管１１の温度が上昇する。

また、無電極ＵＶ殺菌装置では、無電極ＵＶランプ３の点灯と共に、水冷装置のマイコンが、循環ポンプを動作させて冷却水を入水管２１を通じて冷却ブロック１９へ流し、出水管２３を通じて戻し、冷却水を循環させる。無電極ＵＶ殺菌装置は、このようにして溜り部１５ａを冷やすことで温度調整を行うので、無電極ＵＶランプ３の照度値が安定する。

高温な温泉水の殺菌に有効なＵＶ光の波長λを例えば２５４ｎｍ程度として場合に、最冷部１５の温度と照度低下率との関係は、図６に示すような特性が得られる。つまり、最冷部１５の温度が４０°Ｃ程度で照度低下率がほぼ１００％のピークとなり、その前後では、効率が低下する。なお、ここでの照度低下率とは、照度が低下しない割合であり、照度低下率が１００％であることは、照度がまったく低下しないことを示す。
このため、最冷部１５の温度を４０°Ｃ程度に維持することが望ましく、この４０°Ｃ前後の温度が最冷部１５の、特に溜り部１５ａの冷却目標温度とされる。この値がメモリに記憶されている。４０°Ｃ前後の温度としては、例えば３０°Ｃ〜５０°Ｃの範囲であれば、照度低下率が９０％以上を保持できる。

電極ＵＶランプ３が点灯時の点灯部分の温度は、例えば２００°Ｃ程度にもなる。また流水管１の内部を流れる温泉水の温度は、１００°Ｃ以下、例えば１０°Ｃ〜７０°Ｃ程度である。

最冷部１５の溜り部１５ａは、封止蓋７の側へ突出させて設けており、温泉水の温度が上記の温度程度であれば、従来のランプ部分全体を処理水の中に水没させていた構造と比較してそれほどは高温にはならない。このため、水冷装置の側では、冷却ブロック１９へ冷却水を流すか流さないかの制御を行えばよい。

一方、流水管１の内部を流れる温泉水の温度がさらに高温の場合、または大きく変動するような場合は、水冷装置においても冷却媒体（冷却水）の流量制御が必要になる。

この場合、最冷部１５の溜り部１５ａの周囲に、温度調節部だけでなく温度検知部を設ける。温度検知部は、例えばサーミスタなどの温度センサで実現するものであり、最冷部１５の温度を検知し、この温度検知信号を水冷装置の循環ポンプを動作させるマイコンなどへフィードバックすることにより、溜り部１５ａの温度に応じて循環ポンプを制御し、水冷媒体の流量をコントロールする。これにより、冷却ブロック１９（温度調節部）のみの冷却装置の場合と比べて、より精密な温度管理が可能になる。

なお、水冷装置に特定のマイコン（制御装置）を備えずに、温度検知部からの温度検出信号を点灯回路部３０に入力し点灯回路部３０においてランプの点灯制御と循環ポンプの制御を行ってもよい。つまり温度検知部により検知された最冷部１５の温度検知信号を点灯回路部３０が得て循環ポンプを制御するフィードバック制御を行うことによりランプの照度管理と最冷部１５aの温度管理を行うようにする。

このようにこの第１実施形態の無電極ＵＶ殺菌装置によれば、発光管１１の上部に突出させて設けた最冷部１５に溜り部１５ａを設けて、最冷部１５の温度を一定の値（４０°Ｃ前後）になるように管理することで、非処理液が、例えば温泉水などのように高温の液体の場合でも、従来と同様な水銀特性が得られ、ＵＶ光が照射される温泉水の温度に影響されずに、ＵＶ光の照度を安定させ、一定の消毒効果を得ることができる。

つまり、この無電極ＵＶ殺菌装置では、ＵＶ光が照射される液体の温度に影響されることなく、安定した照度でのＵＶ光の照射が可能になる。この結果、高温水の殺菌処理が可能になり、無電極ＵＶ殺菌装置の利用範囲を広めることができる。

次に第２，３実施形態の無電極ＵＶ殺菌装置について説明する。上記第１実施形態の無電極ＵＶ殺菌装置の場合、発光管１１内で気化した水銀が、温度の低い最冷部１５に集まり、最冷部１５の水平な溜り部１５ａに水銀粒９として凝縮する。
水銀粒９が溜り部１５ａに付着すると、水平なため何らかの振動で水銀粒９が最冷部１５から発光管１１の下側部分へ落ち、水銀を十分冷却できず、水銀の特性が変化することが考えられる。

そこで、第２実施形態では、図７に示すように、最冷部１５に、最冷部１５の突出方向に対して鋭角に屈曲させた溜り部１５ｂを設ける。つまり、上方に向けて突出させた最冷部１５に、下方向に傾斜した溜り部１５ｂを設ける。
これにより、少々の振動では、溜り部１５ｂに溜まった水銀粒９が発光管１１の側へ落ちることがなくなり、水銀の蒸発量を安定化し、一定の水銀特性を得ることができる。

また、第３実施形態では、図８に示すように、最冷部１５に、最冷部１５の突出方向に対して鋭角に屈曲させ、渦巻き状をなす溜り部１５ｃを設ける。つまり、上方に向けて突出させた最冷部１５に、下方向に渦を巻く形状で溜り部１５ｃを設ける。
これにより、少々の振動では、溜り部１５ｃに溜まった水銀粒９が発光管１１の側へ落ちることがなくなり、水銀の蒸発量を安定化し、一定の水銀特性を得ることができる。

なお、本発明は上記第１、第２および第３実施形態のみに限定されるものではない。
上記第１実施形態では、冷却ブロック１９を水冷式の冷却装置としたが、この他、例えば図９に示すように、溜り部１５ａの真上に、空冷式の冷却装置であるファン４１を設け、このファン４１を動作させて溜り部１５ａへ送風して溜り部１５ａを冷却してもよい。ファン４１は、最冷部である溜り部１５ａから離間した場合でも冷却部に含まれる。この場合、冷却性能としては水冷式に比べて若干劣るものの、低コストでかつ小さな機器スペースで冷却機構を構成できる。また、ファン４１と温度検知部および温度調整部とを組み合わせてフィードバック制御してもよい。

上記第１実施形態では、主に温泉水などの高温な液体の殺菌処理について説明したが、本発明は、殺菌処理だけでなく、高温な液体の消毒、脱色、漂白などの処理にも適用できる。また、本実施形態では、発光管１１内に封止される放電媒体として水銀およびその化合物と希ガスとの組み合わせの例について説明したが、ＵＶ光を放出するランプであれば、これ以外のものでもよい。

本発明の一つの実施形態の無電極ＵＶ殺菌装置の概要構成を示す図である。 図１の無電極ＵＶ殺菌装置の制御系の構成を示す図である。 図１の無電極ＵＶ殺菌装置の浸水センサを示す図である。 無電極ランプの構成を示す図である。 図４の無電極ランプの最冷部周辺の構成を示す図である。 最冷部の温度と照度低下率との関係を示す特性図である。 最冷部に鋭角な溜り部を設けた例を示す図である。 最冷部に渦巻状の溜り部を設けた例を示す図である。 冷却ブロックを空冷式の冷却装置とした例を示す図である。

符号の説明

１…流水管、３…無電極ランプ、５…保護管、７…封止蓋、９…水銀粒、１１…発光管、１３…誘電コイル、１４…給電線、１５…最冷部、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…溜り部、１７…温度検知部、１９…冷却ブロック、２１…入水管、２３…出水管、３０…点灯回路部、３１…点灯電源部、３３…異常判定部、３７，３８…通電バー、３７ａ，３８ａ…延長バー、３９…ショート部材、４１…ファン。

Claims (3)

1. 処理対象の液体が流れる流路内にほぼ垂直に立てて設けられ、上方に開口を有する保護管と；
   前記保護管内に配置され、水銀を含む放電媒体が封入された発光管と；
   前記発光管の周囲に巻回された励起コイルと；
   前記保護管の上部の開口を閉じる蓋部と；
   前記発光管の端部を前記流路外へ突出させ、前記水銀が溜るように設けられた最冷部と；
   前記蓋部に設けられ、前記最冷部を冷却する冷却部と；
   を具備したことを特徴とする無電極放電灯装置。
2. 請求項１記載の無電極放電灯装置において、
   前記励起コイルの両端より前記保護管の底部またはその付近まで延長し互いが離間して設けられた２つの通電バーと；
   前記保護管内の浸水により互いの通電バーが電気的に短絡されること、または浸水短絡機構により互いの通電バーが短絡されることで、前記励起コイルへの給電を停止する点灯回路部と；
   を具備したことを特徴とする無電極放電灯装置。
3. 請求項１または２いずれか記載の無電極放電灯装置を、前記蓋部を露出させた状態で固定し、前記保護管の外側に液体を流通させるための流路を形成する流水管を具備したことを特徴とする光化学洗浄装置。

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