JP4924868B2 - Discharge tube and discharge tube device - Google Patents
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Description
本発明は、特に内部に不活性ガス、水銀、金属ハロゲン化物などを封入したガラス管を用いて紫外線を放射させる放電管および放電管装置に関する。 The present invention particularly relates to a discharge tube and a discharge tube device that emit ultraviolet rays using a glass tube in which an inert gas, mercury, metal halide, or the like is enclosed.
強い光化学反応力を有する紫外線を人工的に発生させて利用する紫外線照射技術がある。紫外線は数ｎｍ〜約４００ｎｍまでの波長域を有し、紫外線照射技術によって生成した紫外線は、前記波長域の種々の異なる波長ごとに殺菌、有機物分解、樹脂などの表面改質、塗料やインクの硬化などに工業上幅広く利用されている。 There is an ultraviolet irradiation technique in which ultraviolet rays having a strong photochemical reaction force are artificially generated and used. Ultraviolet rays have a wavelength range from several nm to about 400 nm, and the ultraviolet rays generated by the ultraviolet irradiation technique are sterilized, decomposed by organic substances, surface modification of resins, etc. Widely used in industry for curing.
この紫外線を発生させる装置の一例として、例えば特許文献１に示すような水銀放電管がある。水銀放電管は石英などの直管型のガラス管内部に希ガス、水銀を封入し、ガラス管内部の両端に形成した一対の電極に交流電圧をかける。そうすると電極から放出された電子が反対側の極へ向かって移動する途中で水銀原子と衝突して水銀原子が発光する。
As an example of an apparatus for generating this ultraviolet ray, there is a mercury discharge tube as shown in
水銀放電管は、放電管内部の放電時の水銀蒸気圧によって低圧水銀放電管と高圧水銀放電管が主に用いられている。図４は低圧水銀放電管の波長のグラフである。なお同グラフの横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度をそれぞれ示している。図示のように低圧水銀放電管を用いた場合、主に１８５ｎｍ、２５４ｎｍの発光スペクトルが２．６６×１０３〜６．６６×１０３Ｐａ（２０〜５０ｍｍＨｇ）程度の内部圧力安定時に発光する。このうち波長２５４ｎｍは殺菌線と呼ばれ強い殺菌効果を示し空気清浄機、貯水槽の殺菌などに利用されている。 As the mercury discharge tube, a low-pressure mercury discharge tube and a high-pressure mercury discharge tube are mainly used depending on the mercury vapor pressure during discharge inside the discharge tube. FIG. 4 is a graph of the wavelength of the low-pressure mercury discharge tube. In the graph, the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents emission intensity. When a low-pressure mercury discharge tube is used as shown in the drawing, an emission spectrum mainly at 185 nm and 254 nm emits light when the internal pressure is stabilized at about 2.66 × 10 3 to 6.66 × 10 3 Pa (20 to 50 mmHg). Of these, the wavelength of 254 nm is called a sterilization line and exhibits a strong sterilization effect and is used for sterilization of air cleaners and water tanks.
一方、高圧水銀放電管は放電管内部の水銀蒸気圧が１気圧程度あり、放電させると水銀の波長特性が変化して、例えば２５４ｎｍのほか、３６５ｎｍ、３１３ｎｍなどの波長が放射される。高圧水銀放電管は、主として紫外線硬化などの光化学反応に広く利用されている。
しかしながら従来の水銀放電管はガラス管内部に希ガス、水銀を封入し密閉させているため、放電管の内部圧力を変化させることができない。前述のように紫外線照射技術において、紫外線の波長は、水銀の蒸気圧力、すなわち放電管の内部圧力によって変化する。したがって用途に応じて異なる波長の紫外線を照射させるためには、紫外線の波長ごとに内部圧力の異なる放電管を用いなければならないという問題があった。 However, since the conventional mercury discharge tube is sealed with a rare gas or mercury sealed inside the glass tube, the internal pressure of the discharge tube cannot be changed. As described above, in the ultraviolet irradiation technique, the wavelength of the ultraviolet ray changes depending on the vapor pressure of mercury, that is, the internal pressure of the discharge tube. Therefore, in order to irradiate ultraviolet rays having different wavelengths depending on the application, there has been a problem in that discharge tubes having different internal pressures must be used for the respective ultraviolet wavelengths.
また水銀放電管は放電管内部に一対の電極を形成している。このため放電を連続的に発生させると放電管内部の発熱によって電極が劣化してしまう。この放電管内部の電極は、荷電粒子の衝突によって金属が疲労し、電極が劣化してしまう。また放電管内部に封入した水銀蒸気が電極に付着することによって電極が劣化してしまう。このような電極の劣化は放電の発生効率が低下して、放電管の短寿命化の原因となっていた。 The mercury discharge tube has a pair of electrodes formed inside the discharge tube. For this reason, when discharge is continuously generated, the electrode deteriorates due to heat generated in the discharge tube. In the electrode inside the discharge tube, the metal is fatigued by collision of charged particles, and the electrode is deteriorated. Further, the mercury vapor sealed inside the discharge tube adheres to the electrode, thereby deteriorating the electrode. Such deterioration of the electrode reduces the generation efficiency of the discharge and causes the life of the discharge tube to be shortened.
そこで上記従来技術の問題を改善するため、本発明は紫外線の発光スペクトルを変えられることを目的としている。
また本発明は放電管の長寿命化を図ることを目的としている。
Therefore, in order to improve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to change the emission spectrum of ultraviolet rays.
Another object of the present invention is to extend the life of the discharge tube.
発明者らは水銀放電管について長年にわたって鋭意研究し、種々検討、実験を行ったところ、放電管を楕円環状に形成して水銀を励起する周波数を変えると、放電管内の圧力が変化し、放電管から放射される光の波長が変化することを見出した。本発明はこのような知見に基づいて成されたものである。 The inventors have conducted intensive research on mercury discharge tubes for many years and conducted various examinations and experiments. When the discharge tube was formed into an elliptical ring and the frequency at which mercury was excited was changed, the pressure in the discharge tube changed, and the discharge We have found that the wavelength of light emitted from the tube changes. The present invention has been made based on such findings.
すなわち上記目的を達成するために、本発明の放電管は、内部に不活性ガスと水銀と金属ハロゲン化物とを封入した楕円環状のガラス管と、前記ガラス管を覆う環状の焼結コイルであって前記ガラス管内に磁界を発生させる励起部と、を備え、前記磁界の誘導電界によって前記不活性ガスを励起して、前記放電管内で電離した荷電粒子を加速させることを特徴としている。 That is, in order to achieve the above object, the discharge tube of the present invention includes an elliptical annular glass tube enclosing therein an inert gas, mercury, and a metal halide, and an annular sintered coil that covers the glass tube. And an excitation unit that generates a magnetic field in the glass tube, and the inert gas is excited by an induced electric field of the magnetic field to accelerate charged particles ionized in the discharge tube .
この場合において、前記励起部は、楕円環の径方向両側に設けてあることを特徴としている。また前記励起部は、前記楕円環の短径と対応した位置に設けてあることを特徴としている。前記ガラス管は、内面に蛍光体被膜を形成してあるとよい。 In this case, the excitation part is provided on both sides in the radial direction of the elliptical ring. In addition, the excitation part is provided at a position corresponding to the minor axis of the elliptical ring. The glass tube may have a phosphor film formed on the inner surface.
本発明の放電管装置は、内部に不活性ガスと水銀と金属ハロゲン化物とを封入した楕円環状のガラス管と、前記ガラス管を覆う環状の焼結コイルであって前記ガラス管内に磁界を発生させる励起部と、を備え、前記励起部を楕円環の径方向両側に一対形成した放電管と、前記励起部に電力を供給する電源と、前記励起部から磁界を発生させて、前記荷電粒子を加速するように電流の周波数を変化させる周波数制御部と、を備え、前記周波数を数キロヘルツから数ギガヘルツまで上げて、前記磁界の誘導電界によって前記不活性ガスを励起して、前記放電管内で電離した荷電粒子を加速させて、前記荷電粒子により励起した水銀原子から紫外線を発生させることを特徴としている。 The discharge tube device of the present invention is an elliptical annular glass tube enclosing an inert gas, mercury and a metal halide inside, and an annular sintered coil covering the glass tube, and generates a magnetic field in the glass tube. A discharge tube having a pair of excitation portions formed on both sides of the elliptical ring in the radial direction , a power source for supplying power to the excitation portion, and generating a magnetic field from the excitation portion to generate the charged particles. A frequency control unit that changes the frequency of the current so as to accelerate, and raises the frequency from several kilohertz to several gigahertz to excite the inert gas by the induced electric field of the magnetic field, in the discharge tube The ionized charged particles are accelerated to generate ultraviolet rays from mercury atoms excited by the charged particles.
上記のごとくなっている本発明は、高周波電源の周波数を変えることにより放電管の内部圧力を変化させている。このため輝線スペクトルから輝線の領域が広がった広範囲の輝線、すなわち連続した帯スペクトルへ波長域をシフトさせることができる。あるいは連続した帯スペクトルから輝線スペクトルへシフトさせることができる。紫外線を広範囲の波長域で発光させることによって、必要な紫外線の波長強度を強くして照射効率を高めることができる。また周波数を変えることにより、紫外線の波長域を任意に設定変更することも可能となる。 In the present invention as described above, the internal pressure of the discharge tube is changed by changing the frequency of the high-frequency power source. For this reason, the wavelength region can be shifted from a bright line spectrum to a wide range of bright lines in which the bright line region has spread, that is, a continuous band spectrum. Alternatively, it can be shifted from a continuous band spectrum to a bright line spectrum. By emitting the ultraviolet light in a wide wavelength range, the required wavelength intensity of the ultraviolet light can be increased to increase the irradiation efficiency. It is also possible to arbitrarily change the wavelength range of ultraviolet rays by changing the frequency.
さらに放電管の内部に直に電極を形成していないため放電寿命を決定する主な要因となっている電極劣化が起こらない。このため放射する放電管の寿命は、硬質石英ガラスの純度劣化のみに依存するため、従来の放電管に比べ、寿命を大幅に延ばすことができる。また放電中に電極の金属疲労から生じる不純物の影響がなく、純度の高いガス中において放電を行うことができる。 Furthermore, since the electrode is not formed directly inside the discharge tube, electrode deterioration which is a main factor for determining the discharge life does not occur. For this reason, since the lifetime of the discharge tube which radiates | emits depends only on the purity degradation of hard quartz glass, compared with the conventional discharge tube, a lifetime can be extended significantly. Moreover, there is no influence of impurities caused by metal fatigue of the electrode during discharge, and discharge can be performed in a high purity gas.
放電管の内面には蛍光体被膜を形成してある。このため、放電管内において発生した紫外線は蛍光体被膜により可視光に変換されて外部に放出される。これにより、放電管装置の紫外線を広範囲の波長域で発光させることによって、照明の明るさを任意に設定変更できる蛍光ランプとして用いることができる。 A phosphor film is formed on the inner surface of the discharge tube. For this reason, the ultraviolet rays generated in the discharge tube are converted into visible light by the phosphor coating and emitted to the outside. Thereby, it can use as a fluorescent lamp which can change the brightness of illumination arbitrarily by making the ultraviolet-ray of a discharge tube apparatus light-emit in a wide wavelength range.
本発明の放電管および放電管装置の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は実施形態に係る放電管装置の構成概略を示す図である。 Embodiments of a discharge tube and a discharge tube device of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a discharge tube apparatus according to an embodiment.
図示のように放電管装置１０は放電管１１を備えている。放電管１１は、ガラス管１２を楕円環状に形成している。このガラス管１２には開口部がなく密閉されており、断面は円あるいは楕円状に形成してある。また放電管１１は材質に、例えば一般に用いられている硬質石英ガラスを利用することができる。またガラス管１２の内壁には、蛍光体の被膜（図示せず）を形成してある。
As illustrated, the
ガラス管１２の内部には、不活性ガスと水銀と金属ハロゲン化物とを封入している。不活性ガスはアルゴンのほか、例えばキセノン、ネオンなどの希ガスを用い、これらを混合させている。この混合ガスは、一例としてアルゴン：ネオンを７：３の比率で混合し、微量のキセノンを添加した混合ガス、例えばアルゴン及びネオンの混合物に対し、クリプトン（Ｋｒ）及びキセノン（Ｘｅ）の混合物数％からなる混合比として用いることができる。
An inert gas, mercury, and metal halide are sealed inside the
金属ハロゲン化物は、例えばセシウム（Ｃｓ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属化合物を用い、これらをハロゲン化してガラス管内部で蒸気し易いようにしている。 As the metal halide, for example, a metal compound such as cesium (Cs) or cobalt (Co) is used, and these are halogenated so as to be easily vaporized inside the glass tube.
前記ガラス管１２は励起部となる一対の外部電極１４ａ、１４ｂを保持している。図２は外部電極の説明図である。同図（１）は図１の外部電極のＡ−Ａ断面を示す図であり、同図（２）は（１）のＢ−Ｂ断面を示し外部電極の効果を表す模式図である。図示のように一対の外部電極１４は、マグネシウム、ニッケル等の金属粉を混合焼結させて形成した環状の焼結コイルであってガラス管１２を覆うように構成したものである。外部電極１４はガラス管１２の楕円環の径方向両側に設けてある。外部電極１４は楕円環の短径と対応した位置に配置してあり、後述する電源によって外部電極に電流を流すと図２（２）に示すように、ガラス管１２を中心に左右の外部電極１４ａ，１４ｂがＮ極とＳ極を形成するようになり、ガラス管１２内に磁界を発生させ易くしている。
The
また本発明の放電管装置１０は、一対の外部電極１４ａ，１４ｂ間をケーブル１５ａ，１５ｂで接続し、さらに外部電極１４ａにはケーブル１５ｃを介して周波数変換部１６が接続してある。周波数変換部１６は例えばインバータなどを用い、交流電源２２からの交流電流を任意の周波数に変換して出力できるようになっている。
In the
また周波数変換部１６には周波数制御部２０が接続してあり、周波数制御部２０によって出力周波数が制御される。すなわち周波数制御部２０は、所望の周波数（数キロヘルツから数ギガヘルツ）が設定され、周波数変換部１６を制御して設定された周波数の電流を出力させ、外部電極１４に供給できるようになっている。
A
上記構成による放電管装置１０は以下のように作用する。
不活性ガスとして、例えばアルゴン：ネオンを７：３の比率で混合し、さらに微量のキセノンを添加した、アルゴン及びネオンの混合物に対し、クリプトン（Ｋｒ）及びキセノン（Ｘｅ）の混合物数％からなる混合比の混合ガス、と、水銀と金属ハロゲン化物を楕円環状のガラス管１２に封入する。ガラス管１２に一対の外部電極１４ａ、１４ｂを楕円環の径方向両側に対向するように配置する。一対の外部電極１４ａ，１４ｂはケーブル１５ａ，１５ｂで接続し、さらに外部電極１４ａには周波数変換部１６が接続している。そして周波数制御部２０によって外部電極１４に数キロヘルツの電流を供給すると外部電極１４に磁界が発生するとともに、放電管１１内部に封入したガスが磁界により生ずる誘導電界によって励起され、電離して初期放電が発生する。このとき放電管１１内部の圧力はおよそ３．３×１０４Ｐａ（２５０Ｔｏｒｒ）となる。
The
As an inert gas, for example, argon: neon is mixed at a ratio of 7: 3, and a small amount of xenon is added, and the mixture of krypton (Kr) and xenon (Xe) is composed of several percent of the mixture of argon and neon. A mixed gas having a mixing ratio, mercury and metal halide are enclosed in an
電離した荷電粒子（イオン）は、外部電極１４の発生した磁界によって、図１に示すように外部電極１４ａの一側において外部電極１４ａに引き寄せられる力を受け、外部電極１４ａを通過すると、外部電極１４ａの他側より遠ざけられる力を受けて加速される。そしてガラス管１２の反対側に配置した外部電極１４ｂの一側において外部電極１４ｂに引き寄せられる力を受け、外部電極１４ｂを通過すると、外部電極１４ｂの他側から遠ざけられる力を受けて加速される。このように荷電粒子１８は楕円環状の放電管内部に沿って図１の矢印に示すように加速され、楕円環状のガラス管１２内部を繰り返し周回する。加速されたイオンが水銀原子に衝突して、水銀原子が励起され紫外線を発生させる。
The ionized charged particles (ions) receive a force attracted to the external electrode 14a on one side of the external electrode 14a as shown in FIG. 1 by the magnetic field generated by the
荷電粒子の速度は、外部電極１４の供給する電流の周波数を変化させることによって任意に変えることができる。本発明者は外部電極１４に供給する電流の周波数を大きくすると、荷電粒子１８が加速されるとともに、放電管内の圧力も上昇して、水銀の主な発光スペクトルがシフトするという知見を得た。すなわち粒子のサイクロトン加速数は電流の周波数に依存し、例えば周波数をキロヘルツからメガヘルツに変化させると、放電管内部の水銀蒸気圧が低圧から高圧に変化して発光する波長は長波長側であって広範囲にシフトさせることができる。
The speed of the charged particles can be arbitrarily changed by changing the frequency of the current supplied from the
次に本発明の放電管装置の一実施例について説明する。図３は放電管１１の発光スペクトルのグラフである。同グラフの横軸は波長（ｎｍ）、縦軸はスペクトルの発光強度をそれぞれ示している。なお実施形態に係る放電管１１は楕円環の長径約３５０ｍｍ、短径約１５０ｍｍである。供給した電流の周波数は数ＧＨｚのときの発光スペクトルを示す。
Next, an embodiment of the discharge tube device of the present invention will be described. FIG. 3 is a graph of the emission spectrum of the
図示のように発生する紫外線の波長は、４００ｎｍ以下の紫外線領域において、主に３７０ｎｍ、３９２ｎｍのスペクトルが発生しているのが確認できる。また４００ｎｍ以上の可視光域においても、主に４２５ｎｍ、４８０ｎｍのスペクトルが発生している。このように実施形態の水銀放電管１１は、外部電極１４に供給する電流の周波数を数ＧＨｚにすると、発光スペクトルが主に波長３００ｎｍ以上の連続スペクトルとなる。
As shown in the figure, it can be confirmed that the wavelengths of ultraviolet rays generated are mainly 370 nm and 392 nm in the ultraviolet region of 400 nm or less. In addition, a spectrum of 425 nm and 480 nm is mainly generated in a visible light region of 400 nm or more. As described above, in the
なお不要な領域の波長、例えば約４００ｎｍ以上の可視光はカットフィルターを用いて吸収することにより、必要な波長の紫外線のみを取り出すようにするとよい。 In addition, it is good to take out only the ultraviolet-ray of a required wavelength by absorbing the wavelength of an unnecessary area | region, for example, visible light more than about 400 nm using a cut filter.
またガラス管の内壁に蛍光体の被膜を形成してある場合、放電管内において発生した紫外線が内壁の蛍光体の被膜に照射すると、可視光に変換され外部に放出される。ガラス管内において発生する紫外線は、周波数の制御によって波長域を任意に設定できる。このため、外部に放出される可視光の照射量を用途に応じて変えることができる蛍光ランプとして利用することができる。 Further, when a fluorescent film is formed on the inner wall of the glass tube, when the ultraviolet light generated in the discharge tube is irradiated onto the fluorescent film on the inner wall, it is converted into visible light and emitted to the outside. The wavelength range of the ultraviolet rays generated in the glass tube can be arbitrarily set by controlling the frequency. For this reason, it can utilize as a fluorescent lamp which can change the irradiation amount of the visible light discharge | released outside according to a use.
このような放電管装置は、外部電極に供給する電流の周波数を変えて荷電粒子の加速度を変化させることによって一つの放電管で内部圧力を変えることができ、水銀特有の発光する波長を輝線スペクトル（線スペクトル）または広範囲の幅を持った帯スペクトルとすることができる。また線スペクトルから連続スペクトルに変換できるとともに、連続スペクトルから線スペクトルに変換することもできる。広範囲の幅を持ったスペクトルを用いた場合、紫外線の照射効率を高めたり、発熱量を多くしたりすることもできる。 Such a discharge tube device can change the internal pressure in one discharge tube by changing the acceleration of charged particles by changing the frequency of the current supplied to the external electrode, and the emission wavelength peculiar to mercury (Line spectrum) or a band spectrum with a wide range. In addition to conversion from a line spectrum to a continuous spectrum, it is also possible to convert from a continuous spectrum to a line spectrum. When a spectrum having a wide range is used, it is possible to increase the irradiation efficiency of ultraviolet rays and increase the heat generation amount.
また放電管の内部に電極を直に形成していない、すなわちガラス管と電極とをそれぞれ独立させた構成としているため、放電寿命を決定する主要因子となる電極由来の劣化が発生しない。このため放電管を構成する硬質石英ガラスの純度劣化、すなわち透過率劣化のみ依存する。水銀放電管はこの場合例えば約１０万時間以上の連続使用が可能となり、従来の電極劣化に比べ発光の長寿命化を図ることができる。 In addition, since the electrodes are not formed directly inside the discharge tube, that is, the glass tube and the electrode are made independent from each other, deterioration derived from the electrode, which is a main factor for determining the discharge life, does not occur. For this reason, it depends only on the purity deterioration of the hard quartz glass constituting the discharge tube, that is, the transmittance deterioration. In this case, the mercury discharge tube can be used continuously for, for example, about 100,000 hours or more, and the life of light emission can be extended compared to conventional electrode deterioration.
１０………放電管装置、１１………放電管、１２………ガラス管、１４………外部電極、１５………ケーブル、１６………周波数変換部、１８………荷電粒子（イオン）、２０………周波数制御部、２２………交流電源。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記励起部に電力を供給する電源と、
前記励起部から磁界を発生させて、前記荷電粒子を加速するように電流の周波数を変化させる周波数制御部と、
を備え、
前記周波数を数キロヘルツから数ギガヘルツまで上げて、前記磁界の誘導電界によって前記不活性ガスを励起して、前記放電管内で電離した荷電粒子を加速させて、前記荷電粒子により励起した水銀原子から紫外線を発生させることを特徴とする放電管装置。 An elliptical annular glass tube enclosing an inert gas, mercury, and metal halide inside, and an excitation unit that is an annular sintered coil that covers the glass tube and generates a magnetic field in the glass tube, A discharge tube in which the excitation part is formed as a pair on both sides in the radial direction of the elliptical ring ;
A power supply for supplying power to the excitation unit;
A frequency control unit that generates a magnetic field from the excitation unit and changes a frequency of a current so as to accelerate the charged particles;
With
The frequency is increased from several kilohertz to several gigahertz, the inert gas is excited by an induced electric field of the magnetic field, the charged particles ionized in the discharge tube are accelerated, and the mercury atoms excited by the charged particles are irradiated with ultraviolet rays. A discharge tube device characterized by generating
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