JP5500484B2

JP5500484B2 - 放電管

Info

Publication number: JP5500484B2
Application number: JP2011100036A
Authority: JP
Inventors: 淳一鈴木
Original assignee: 株式会社東通研
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012230871A

Description

本発明は、特に被照射物に所定波長域の紫外線を照射させる高圧放電ランプである誘導限界放電管に関する。

所定波長域の紫外線を照射することができる高圧放電ランプがある。このような高圧放電ランプは、一例として印刷装置に適用することができる。紫外線の照射によって硬化するＵＶインキ（紫外線硬化型インキ）は、人体に悪影響を及ぼすおそれのある溶剤を用いることなく、瞬時に硬化するなどの特徴があり、各種の印刷物に適用されている。ＵＶインキを用いた印刷装置は、紫外線を照射する放電ランプを備えている。従来の放電ランプは、高圧放電ランプを用いており、ＵＶインキを硬化させる波長域の紫外線をインキに照射している。このような高圧放電ランプを備えた印刷装置は、印刷物に紫外線を照射させてインキを硬化させる印刷工程と、段取り・メンテナンス・微調整などのために印刷工程を止めて待機する待機工程がある。

一般に高圧放電ランプは、紫外線照射時において発熱し管面温度が極めて高温となる。このため、高圧放電管には冷風又は冷水による冷却手段が設けられている。一例として特許文献１には、水冷式の高圧放電ランプが開示されている。

そして待機時に被照射物から放電管を離間させたり、被照射物との間に遮蔽板を挿入したりして、高圧放電ランプの発熱によって、被照射物が燃焼しないようにしている。また待機時は、紫外線照射の出力を低下させて、電力消費量を低減している。待機時に発熱を抑えることができれば、冷却手段の負荷を低減して消費電力の低減化が図れる。

特開２００８−１４６９６２号公報

しかし、待機時の電力を放電限界まで低減させると電流値が降下して、突然アーク揺れが起こり、所謂スネーク現象が発生する。スネーク現象は、放電管の内壁にアークが粒子塊となって衝突を繰り返し、管壁の温度が過度に上昇する。そして膨張と変形によって管壁が破壊されてしまう。

放電限界時におけるアーク揺れは、ランプ電圧（電位傾度）値を低下させれば防止することができる。この場合、回路電流値を大きくしなければならない。
しかし電流値を大きくすると、金属疲労、電極の飛散による放電管内部の黒化、電極封止部の酸化による気密破壊とリークを引き起こす要因となる。

また従来の高圧放電ランプは、一例として、印刷工程でランプ電力を１６０Ｗ／ｃｍで紫外線照射している。そして待機時では高圧放電ランプのランプ電力は数十Ｗ／ｃｍ、一例として８０Ｗ／ｃｍまでしか低下させることができない。ランプ電力を数十Ｗ／ｃｍ以下にすると放電管が立ち切れしてしまう。放電管が一旦切れると、再度点灯するまでには時間がかかり、その間、印刷工程が停止することになり効率的でない。効率的な印刷工程のためには、待機時における高圧放電ランプが立ち消えすることなく、できるだけランプ電力を抑えることが望ましい。また昨今の電力の供給不足の状況では、特に生産現場における省エネルギー化が望まれており、深刻な問題となっている。

そこで上記従来技術の問題点を解決するために本発明は、紫外線照射時と消灯時以外の待機時におけるランプ電力を低減することができる放電管を提供することを目的としている。また本発明は、放電限界時に起こる立ち消えを防止することができる放電管を提供することを目的としている。また本発明は、待機時におけるスネーク現象の発生を抑制して放電管の長寿命化を図ることを目的としている。

本発明の放電管は、両端に一対の電極を形成し内部に水銀と不活性ガスが封入された放電管を備え、被照射物に紫外線を照射させる放電管であって、前記放電管は、直管状で外径寸法が同一であって、前記一対の電極間に内径寸法が異なる小径部と、前記小径部の両端に接続する大径部とからなることを特徴としている。

本発明の放電管は、両端に一対の電極を形成し内部に水銀と不活性ガスが封入された放電管を備え、被照射物に紫外線を照射させる放電管であって、前記放電管は、直管状で外径寸法が同一であって、前記一対の電極間に肉厚の異なる小径部と、前記小径部の両端に接続する大径部とからなることを特徴としている。

この場合において、前記小径部及び前記大径部は、軸方向の長さ比率を８：２に設定するとよい。
また前記大径部及び前記小径部は、内径寸法の比率を１０：８．４〜８．６に設定するとよい。

上記構成による本発明の誘導限界放電管によれば、外径寸法が同一であって内径寸法の異なる大径部と小径部からなる放電管を用いることにより、放電管の容積率を縮小させることで、電圧の降下に伴う放電管内部の圧力の急激な減少を抑制することができる。これにより、紫外線照射の待機時において、ランプ電力を数Ｗ／ｃｍまで低下させても（電流値を放電限界まで降下したときでも）、放電管が立ち消えすることがない。従って、待機時から紫外線照射工程へスムーズに移行できる。

また待機時のランプ電力を低減することにより、省エネルギー化を図ることができる。また待機時の発熱を抑えることができる。
さらにいわゆるスネーク現象が発生することがないため、放電管の破壊が起こらず、誘導限界放電管の長寿命化を図ることができる。

本発明の誘導限界放電管の構成概略を示す断面図である。本発明の誘導限界放電管の点灯手段の回路図である。本発明の誘導限界放電管による水銀の励起状態と基底状態を示す分光図である。

本発明の誘導限界放電管の実施形態について、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の誘導限界放電管の構成概略を示す断面図である。図示のように本発明の誘導限界放電管１０は、放電管２０の両端に一対の電極３０を備えている。

放電管２０は、材質に石英ガラスなどを用いた直管状（棒状）のガラス管である。管内部には不活性ガス、水銀、ハロゲン化合物を封入している。
本発明の不活性ガスは、一例として、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）のいずれかの不活性ガスを用いている。この不活性ガスは放電管２０内に適宜の圧力以下となるように封入している。また水銀は放電管２０の容積比率で適宜の量で放電管２０内に封入している。さらにハロゲン化合物は、一例として、ＨｇＩ_２、ＨｇＣｌ_４、ＨｇＢｒ_２などからいずれか１つを選択している。このハロゲン化合物は水銀の封入量に対して数％以下となるように放電管２０内に封入している。

また放電管２０の内部には、一対の棒状の電極３０が対向配置されている。なお電極３０は、一例として、材質にタングステンなどを用いることができる。各電極３０は、放電管２０の両端に気密に埋設された金属箔３２を介して、放電管２０の軸方向の外側に突出して伸びる外部端子３４に電気的に接続させている。金属箔３２は一例として、材質にモリブデンなどを用いることができる。金属箔３２及び外部端子３４が形成されている放電管２０の両端は、中央部よりも小径に形成されている。

放電管２０の一対の電極３０間には、石英ガラス管の内径寸法が異なる、換言すれば、石英ガラス管の肉厚が異なる大径部２２と、小径部２４が形成されている。小径部２４は放電管２０の中央付近に位置し、小径部２４の両端に大径部２２が接続している。なお大径部２２と小径部２４の外径寸法は同一となるように設定している。
また大径部２２及び小径部２４は、各内径寸法をＡとＢとしたとき、比率をＡ：Ｂ＝１０：８．４〜８．６（１０：８．４〜１０：８．６）に設定している。

本実施形態の放電管２０の小径部２４は、一例として、内径寸法が１６ｍｍ〜１９ｍｍの石英ガラス管を用いることができる。また放電管２０の大径部２２は、一例として内径寸法が１９ｍｍ〜２２ｍｍの石英ガラス管を用いることができる。この場合、放電管２０の外径は２２ｍｍ〜２５ｍｍに設定することができる。

また放電管２０は、一対の電極３０間の軸方向の長さを、５００ｍｍ〜１２５０ｍｍとしている。また電位傾度は８Ｖ／ｃｍ以下としている。
そして小径部２４及び大径部２２は、放電管２０の軸方向の各長さをＣとＤとしたとき、比率をＣ：Ｄ＝８：２に設定している。このような長さ設定にすると、石英ガラス管の外径は同一であるため、容積比率も８：２となる。この場合、小径部２４の軸方向の長さＣは、Ｃ＝４００ｍｍ〜１０００ｍｍとなる。また大径部２２の軸方向の長さＤは、２つ合わせて１００ｍｍから２５０ｍｍとなる（一方の場合Ｄ＝５０ｍｍ〜１２５ｍｍとなる）。

このような誘導限界放電管は、次のように製造することができる。
まず外径を同一とし、内径の異なる２種類の石英ガラス管を用意する。このうち大径の石英ガラス管は２本とする。また小径の石英ガラス管の中央付近には、封止用の封止管が接続されている。次に大径の石英ガラス管を小径の石英ガラス管の両端に溶接する。そして大径の石英ガラス管の両端に電極を形成する。電極を形成した後、管内部に、水銀、ハロゲン化物、不活性ガスを導入して、封止管により放電管２０内を封止する。

このような内計寸法の異なる２種類の石英ガラス管を用いれば、外径寸法が同一であって内径寸法の異なる放電管を容易に製造することができる。また内径寸法は異なっても、大径部２２と小径部２４の外径寸法は同一であるため、放電管２０は直管状に形成することができ、既存の高圧放電ランプを備えた印刷装置であっても、設計変更を伴わずに適用することができる。

本発明の誘導限界放電管１０の一構成例は、放電管２０の外径寸法がφ２２ｍｍ、小径部２４の内径寸法がφ１６ｍｍ、大径部２２の内径寸法がφ１９ｍｍ、一対の電極３０間の軸方向の長さ寸法が１２５０ｍｍ、小径部２４の軸方向の長さが１０００ｍｍ、大径部２２の軸方向の長さが２５０ｍｍ（１２５ｍｍ×２）である。この場合、大径部２２及び小径部２４は、各内径寸法をＡとＢとしたとき、比率がＡ：Ｂ＝１０：８．４となる。

図２は本発明の誘導限界放電管の点灯手段の回路図である。図示のように、誘導限界放電管の点灯手段４０は、誘導限界放電管１０と、電源４２と、この電源から昇圧するトランス４４と、初期電離させるための漏電ブレーカー４６と、出力を調整する第１コンデンサ４８、第２コンデンサ５０と、サイリスタ５２とから構成されている。第１及び第２コンデンサ４８，５０のスイッチの切り替えにより、紫外線照射、待機の切り替えを行うことができ、本実施例では一例として、ランプ電力を１６０Ｗ／ｃｍ、８０Ｗ／ｃｍの２段の切り替えに設定することができる。そして第１コンデンサ４８及び第２コンデンサ５０と、誘導限界放電管１０の間に接続されたサイリスタ５２は、無段の可変出力に切替えることができる。これにより、ランプ電力を８０Ｗ／ｃｍよりもさらに低下させることができる。

上記構成による本発明の誘導限界放電管１０は、次のように作用する。
例えば、印刷工程などの紫外線照射時は、１６０Ｗ／ｃｍのランプ電力で、放電管２０内の水銀が励起して紫外線が発生する。紫外線は紫外線硬化インクが塗布された印刷物などの被照射物に照射されて、紫外線硬化インクを硬化させることができる。

一方、紫外線照射の待機時では、点灯手段４０のサイリスタ５２によりランプ出力を８０Ｗ／ｃｍ以下まで低下させている。例えば、ランプ電力を数Ｗ／ｃｍまで低下させると、放電管内では水銀が励起状態から基底状態へ移行する。水銀は、圧力の低下によって蒸発しなくなり、十分な水銀蒸気圧が得られなくなるため照度が低下する。またハロゲン化合物についても励起状態から基底状態へ移行する。しかし放電管２０内では不活性ガスのみがイオン化して遊離した状態となり、放電管が立ち切れすることがない。これは、放電管２０の中央付近の小径部２４により、容積率を低減して圧力の急激な減少を抑えることができ、水銀及びハロゲン化合物は基底状態となっても、不活性ガスのみがイオン化の状態を維持できるためである。

このように本発明の誘導限界放電管は、外径寸法が同一であって内径寸法の異なる大径部と小径部からなる放電管を用いることにより、放電管の容積率を縮小させることで、電圧の降下に伴う放電管内部の圧力の急激な減少を抑制することができる。これにより、紫外線照射の待機時において、ランプ電力を数Ｗ／ｃｍまで低下させても、放電管が立ち消えすることがない。従って、待機時から紫外線照射工程へスムーズに移行できる。また待機時のランプ電力を低減することにより、省エネルギー化を図ることができる。さらにいわゆるスネーク現象が発生することがないため、放電管の破壊が起こらず、高圧放電ランプの長寿命化を図ることができる。

図３は本発明の誘導限界放電管による水銀の励起状態と基底状態を示す分光図である。同図の横軸は２００ｎｍから６００ｎｍの波長（ｎｍ）範囲を示し、縦軸は発光強度(％)を示している。または実線Ａは水銀が励起状態（ランプ電力４０Ｗ／ｃｍ、２１２Ｖ×９．４５Ａ）を示し、実線Ｂは水銀が基底状態（ランプ電力３．７Ｗ／ｃｍ、１６１Ｖ×１．０Ａ）をそれぞれ示している。

図示のように水銀が基底状態では、５６０ｎｍ付近にＡｒに起因する波長が現れている。この水銀の基底状態、すなわち待機時のランプ電力が数Ｗ／ｃｍであっても、不活性ガスのＡｒがイオン化しているため、放電管の立ち切れがない。また、水銀及びハロゲン化合物は基底状態であるため、アーク塊が発生せず、アーク塊に起因するスネーク現象も生じることがない。従って、放電管の破損、膨張、歪みがなく、電極部の気密破壊も生じることがない。よって電極部の金属疲労、高融点箔の溶断がなく、放電管の経年劣化が起こりにくくなり、長寿命化を図ることができる。さらに、紫外線照射の待機時の消費電力を抑えることができる。よってＣＯ_２排出抑制効果に貢献することができる。

また待機時のランプ電力が３．７Ｗ／ｃｍのときの放電管２０の管面温度は約４０℃であり、励起状態の放電管２０の管面温度は約６５０℃であった。このように、待機時のランプ電力を低下させることにより、放電管の管面温度を大幅に低下させることができる。従って、冷水や冷風による冷却手段の負荷を低減して省エネルギー化を図ることができる。

本発明の誘導限界放電管は、紫外線硬化型接着材、インクなどの硬化処理や、プリント基板などの露光処理など所定波長域の紫外線を照射させる分野において適用することができる。

１０………誘導限界放電管、２０………放電管、２２………大径部、２４………小径部、３０………電極、３２………金属箔、３４………外部端子、４０………点灯手段、４２………電源、４４………トランス、４６………漏電ブレーカー、４８………第１コンデンサ、５０………第２コンデンサ、５２………サイリスタ。

Claims

両端に一対の電極を形成し内部に水銀と不活性ガスが封入された放電管を備え、被照射物に紫外線を照射させる放電管であって、
前記放電管は、直管状で外径寸法が同一であって、前記一対の電極間に内径寸法が異なる小径部と、前記小径部の両端に接続する大径部とからなることを特徴とする放電管。
両端に一対の電極を形成し内部に水銀と不活性ガスが封入された放電管を備え、被照射物に紫外線を照射させる放電管であって、
前記放電管は、直管状で外径寸法が同一であって、前記一対の電極間に肉厚の異なる小径部と、前記小径部の両端に接続する大径部とからなることを特徴とする放電管。
前記小径部及び前記大径部は、軸方向の長さ比率を８：２に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の放電管。
前記大径部及び前記小径部は、内径寸法の比率を１０：８．４〜８．６に設定したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の放電管。