JP6022069B2 - 紫外線ビームを発生するランプユニットの動作方法並びにそれに適したランプユニット - Google Patents

Description

本発明は、紫外線ビームを発生するランプユニットの動作方法であって、水銀付着に使用される放電空間を有するガス放電ランプと、電子安定器と、前記ガス放電ランプの温度調整のために制御ユニットを介して調整が可能な温度調整素子とを備え、前記ガス放電ランプは、ランプ電流とランプ電圧とによって動作される方法に関している。

さらに、本発明は、水銀付着に使用される放電空間を有するガス放電ランプと、電子安定器と、前記ガス放電ランプの温度調節のために制御ユニットを介して設定が可能な温度調整素子とを備え、前記方法を実施するためのランプユニットに関している。

紫外線ビームを発生させるための既知のガス放電ランプは、放電空間を有している石英ガラスからなる管状の放電容器と、前記放電空間内に配置された２つの電極とを備えている。この放電空間内には、充填ガス、例えば希ガスが充填されている。

ガス放電ランプの発光出力は、特に放電空間内の水銀分圧に依存する。より高い動作温度を可能にするために、多くのガス放電ランプでは、水銀が固形アマルガム合金の形態で放電空間内に封入されている。放電空間においては、水銀付着の際の液状ないし固形状で存在する水銀と、放電空間内に気体状で存在する水銀との間で平衡状態が保たれている。アマルガムへの水銀の化合は、放電空間内の水銀分圧の温度依存性に影響を与え、このことは、アマルガムデポジットを伴うガス放電ランプのもとで、高い能力と高い電力密度を達成することに基本的に結びつく。

しかしながらアマルガムデポジットを伴うガス放電ランプの場合、いずれにせよアマルガムに結合する水銀と遊離水銀との間の均衡がガス放電ランプの動作温度に依存し、特にアマルガムデポジットの温度に依存する。そして、ガス放電ランプの発光出力が最大となる最適な動作温度が存在する。

ガス放電ランプの動作温度に影響を与えるパラメータ、例えば公称電圧や公称電流は、予め定められる所定の周囲条件と、妥当な発光出力とに基づいて設定される。しかしながらこのことは、実際の周囲条件が、所定の周囲条件にほぼ相応している場合にしか通用しない。それにもかかわらず、実際のガス放電ランプの動作温度は、周囲条件からの影響を頻繁に受ける。例えば周囲の大気温度が高い場合や、ガス放電ランプを狭い空間内に閉じ込めた場合などには、過度な加熱が発生する。そしてこのことは、ガス放電ランプがもはや最適な状況で動作しなくなることに結び付く。

ガス放電ランプの動作中に、周囲条件に依存することなく最大発光出力の発揮を保証するために、これまでは、温度調整素子を介してアマルガムデポジットの温度を調整することが提案されてきた。例えば独国特許出願公開 ＤＥ １０１ ２９ ７５５ Ａ１公報からは、温度調整部を備え、該温度調整部の領域内に、温度を測定するための温度センサが配置されたＴ５型蛍光管用の動作装置が公知である。この装置では、前記温度調整部が、測定された温度に依存して、制御可能なフィラメント加熱部を介して温度を調整し、蛍光管内部の水銀蒸気圧を最適な状態に保っている。

さらに国際公開第２００５／１０２４０１ Ａ２号公報からは、ＵＶランプを備えた滅菌装置が公知であり、この装置では、ＵＶランプのガラス球の表面温度を監視するために、前記ガラス球に温度センサが設けられている。その他に前記滅菌装置は、ＵＶランプのＵＶ放射ビームを測定するためのＵＶセンサを含んでいる。ここではランプの最適な動作温度と最適な発光出力とを保証するために、当該ランプが、測定された温度に応じて送風ユニットを介して冷却若しくは加熱されている。

前記ランプ表面に設けられた温度センサは、いずれにせよ表面温度の変化しか検出することができず、しかもこの測定は比較的緩慢にしか行なえない。そのためガラス球の表面温度を介した水銀分圧の制御は、所定の遅れを伴うようになる。

さらにＵＶセンサを用いた放射ビームの検出は、発光出力の制御や最適化にはあまり向いていない。なぜなら、最大ではない発光出力を一度測定するだけでは、発光出力が最大になっていない原因まで推論することができないからである。ランプの発光出力が最大でない原因として、ランプ温度が過度に高いか低いことが考えられるが、これについては、さらなるランプパラメータの測定に基づかなければ、ランプ発光出力を高めるのに必要なことが、ランプの冷却であるのかランプの加熱であるのかを適正に判断することができない。それ故ＵＶセンサ用いたビーム発光の制御には、例えば温度センサなどのさらなるセンサの使用が必要とされ、それに伴う遅れも甘受せざるを得ない。

技術的課題
本発明の課題は、変化する動作条件にも迅速に適応することができ、簡素でコストのかからないランプユニットの動作と、設計構造にも依存しないランプユニットの動作を可能にする、高発光出力を有するランプユニットの動作方法を提供することである。

さらに本発明の課題は、動作条件が変化した場合であっても高い発光出力を保ったまま継続動作することができる、製造が容易で安価なランプユニットを提供することにもある。

発明の概要
本発明に関して、前記課題は、本発明の冒頭に述べたような形式の方法であって、
前記ガス放電ランプにおける動作フェーズ中に実質的に一定のランプ電流が供給され、
前記温度調整素子は、前記ガス放電ランプを冷却するための冷却要素であり、
前記方法は、
（ａ）前記ランプ電圧の実際値を、電圧センサを用いて求めるステップと、
（ｂ）前記ランプ電圧の実際値を、前記制御ユニットに伝送するステップと、
（ｃ）前記ランプ電圧の実際値を、前記制御ユニットによって、目標値と比較するステップと、
（ｄ）前記冷却要素に、前記制御ユニットによって、冷却能力を調整するための制御信号を出力するステップとを含んでいる方法によって解決される。

ガス放電ランプの発光出力は、主にガス放電ランプによって生成されるプラズマの温度に依存している。そのためガス放電ランプが最適なプラズマ温度を有している場合には、最適な発光出力が得られる。但しプラズマ温度は、直接の測定によって得ることはできないので、従来のランプユニットのガス放電は、動作中に、例えばランプ外管を最適な温度に制御するか、あるいは最適な発光出力が得られるように制御されていた。この目的のために従来のランプユニットは、温度を検出するための温度センサ若しくは発光出力を決定するためのＵＶセンサと、放出された温度ないしＵＶ発光出力に依存して制御可能な温度調整素子とを備えていた。但しこれらの２つの測定パラメータでは、いずれにせよガス放電ランプのプラズマ温度の間接的な推論しかできない。またこれらの値は、さらなる影響量、例えばランプユニットの幾何学的構造やランプユニット内の空気流にも依存する。

それ故本発明による方法では、外的な温度センサやＵＶセンサを用いたガス放電ランプのプラズマ温度の間接的な検出が省かれ、その代わりに、ランプユニットの動作中にガス放電ランプに印加される電圧を検出する電圧センサを介して、ガス放電ランプの動作温度を検出することが行われる。この電圧測定により、一方では、現下のプラズマ温度に対する直接的な推論が可能となり、他方ではランプユニットの幾何学的構造に依存することなく、つまりランプユニットの設計仕様に左右されることなく、ランプユニットの最適な動作が可能になる。その上さらに、温度センサないしＵＶセンサを省略できる特徴によって、低コストで簡単な動作方法が実現され得る。さらに比較的緩慢であった温度測定や発光出力測定が除外される。本発明によれば、これらの測定が、迅速な電圧測定に置き換えられる。それにより、ガス放電ランプの温度変化に対するランプ動作パラメータの迅速な適応も可能になる。

本発明による方法では、基本的に、ガス放電ランプへ実質的に一定のランプ電流が供給されることを前提とする。この実質的に一定のランプ電流とは、ランプ動作中の公称値からの偏差が最大で±２％のランプ電流と理解されたい。

一定のランプ電流で動作するガス放電ランプにおいて、対応するランプ電圧は主としてガス放電ランプのプラズマ温度に依存している。その理由は、ガス放電ランプの放電容器内の水銀分圧にある。この水銀分圧は、温度の上昇に伴い指数関数的に増加する。そのため、比較的低い動作電圧は高い水銀分圧を伴い、対応するランプ電圧は、最適な動作温度に相応し、その調整は必然的に当該ランプ電圧に相応する動作温度をもたらす。

この動作温度の調整に対しては、本発明によれば、まず現下のランプ電圧（すなわちランプ電圧の実際値）が、電圧センサを用いて検出され、それが引き続き制御ユニットに伝送される。この実際値の伝送は、制御ユニットによって行われてもよいし、電圧センサによって行われてもよい。最も簡素なケースでは、制御ユニットが、電圧センサの実際値を読み出す。

制御ユニットは、前記実際値を、事前に提供されたランプ電圧の目標値と比較し、場合によって生じた偏差が求められる。

ランプ電圧の目標値を求めるためには、ＵＶセンサを用いてガス放電ランプの発光出力がランプ電圧に依存して検出される。ここでは目標値として、ガス放電ランプの発光出力が最大となるランプ電圧が選択される。このランプ電圧の目標値の決定は、所定のタイプのランプ全般に亘って汎用的に行ってもよいし、各ランプ毎に個別に行ってもよい。

最後に、動作温度ないしランプ電圧を調整するために、ガス放電ランプを冷却するための冷却要素が設けられる。制御ユニットは、求められた前記偏差に依存して、動作温度の調整のために、冷却出力を制御する制御信号を前記冷却要素に供給する。この制御信号は、前記偏差量に応じて変更される。

本発明による方法の有利な変形例によれば、電子安定器が電圧センサを含み、ランプ電圧の実際値が求められる。

ランプユニットは、電子安定器を有しており、この電子安定器によってガス放電ランプが動作される。電圧センサを備えた電子安定器は、ランプユニットの簡素で低コストな小型の設計構造を可能にする。

最適な発光値は次のことによって達成される。すなわちランプ電圧の目標値がガス放電ランプ毎に製造者によって個別に定められ、これらの個別に定められた目標値が、ガス放電ランプに接続された記憶素子に記憶され、該記憶素子は、ガス放電ランプのスイッチオンの際に制御ユニットによって読み出されることによって達成される。

そのため最適な動作温度と共にランプ電圧は、同一のガス放電ランプ間であっても製造条件に応じた変更が可能である。製造者側でガス放電ランプ毎に個別に定められるランプ電圧の目標値は、高い発光出力を有する個々のガス放電ランプの最適な動作を可能にする。個々の目標値は、ガス放電ランプに接続された記憶素子に記憶され、この記憶素子は、個々のガス放電ランプと次のように接続されている。すなわち、ガス放電ランプがスイッチオンされた場合に、目標値が制御ユニットに提供されるように接続されている。それに加えてそのような記憶素子は、ランプが交換された場合にも、目標値の自動的な適応化が可能である。有利にはこの記憶素子は、電子記憶素子、例えばＥＥＰＲＯＭ又はＰＲＯＭなどのメモリモジュールであってもよい。さらに前記ランプ電圧の目標値は、機械で読み取り可能なラベル、レッテル、マーキングとしてランプに、有利にはランプベースに実施されてもよい。

代替的実施例によれば、前記ガス放電ランプには、ランプ電圧の目標値がラベリングされており、制御ユニットへの目標値の提供は、ランプ交換の際に一度だけ、前記制御ユニットにおける目標値の手動入力によって行われる。

また、前記記憶素子が電子記憶素子であるならば、当該メモリ素子は、ガス放電ランプをスイッチオンしたときに読み出されることが実証された。

前記電子記憶素子は、２つの限界温度、すなわち、最大保存温度と最大動作温度を有している。最大保存温度とは、その温度までは、電子記憶素子がその品質を損なうことなく保存できることを示している。また最大動作温度とは、記憶素子が誤動作することなく動作できる最大の温度を表している。

好ましくは、ガス放電ランプ動作中の前記記憶素子の温度が１５０℃未満におかれる。この１５０℃未満の温度は、記憶素子の品質を損なわせない。

１２５℃を超える温度は、前記電子記憶素子の機能性に影響を与える可能性があるが、前記記憶素子は１２５℃未満の温度で読み出される。前記記憶素子の読み出しは、ガス放電ランプのスイッチオンの時に行われるので、読み出しの間の前記記憶素子の温度は、少なくとも１２５℃未満である。これにより、前記記憶素子の誤機能が回避される。

ガス放電ランプと接続している前記記憶素子は、通常は、ガス放電ランプの動作中に加熱される。前記記憶素子の温度は、ガス放電ランプに対するその空間位置に依存する。好ましくは、前記記憶素子は、ガス放電ランプのランプベース内若しくはランプベース上に配置される。そのように配置された記憶素子は、ランプ給電部に容易に接続することができる。なぜならケーブルもランプベース内をランプ給電部まで案内されているからである。

ランプユニットの動作中のランプ電圧の実際値は、規則的な時間間隔の中で、好ましくは毎分１回から１０回の頻度（１ｍｉｎ^-1〜１０ｍｉｎ^-1）で求めるのが好適であることがわかった。

ランプ電圧の実際値の規則的な検出は、ガス放電ランプの現下の動作状態への冷却能力の連続的な適応化を可能にする。毎分１回の頻度よりも少ない頻度でランプ電圧の実際値を求めるならば、冷却能力は、変化する動作条件には緩慢にしか適応できなくなる。ランプ電圧の実際値の２回の測定の間に、１分以上の時間間隔が存在するならば、ＵＶ発光出力は、比較的急峻に低下する。これにより、放射ビームの結果に影響を及ぼすおそれが生じる。またランプ電圧も冷却能力の変化に対して所定の遅延を伴ってしか反応できないので、毎分１０回以上の頻度のもとでは、もはや有意な向上は望めない。

本発明による方法の有利な変化例によれば、ガス放電ランプが、ランプユニットの動作中に、冷却ユニットから連続的に冷却される。

このガス放電ランプの連続的な冷却によれば、冷却能力の適応化によってガス放電ランプの加熱も冷却も両方が任意にできるようになる利点が得られる。すなわち、冷却能力の低減は、ガス放電ランプの加熱につながり、冷却能力の増加は、ガス放電ランプの温度低下をもたらす。

前記ガス放電ランプは、冷却要素によって生成された空気流によって冷却されることが実証されている。

空気流を生成する前記冷却要素は、例えばベンチレータ、ブロワまたはファンである。前記冷却要素は、冷却のために空気を用いるだけなので、柔軟な対応が可能である。またそのような冷却要素を用いる方法は、低コストで実施が可能である。

本発明による方法を実施するためのランプユニットに関しては、前述した課題が、冒頭に述べたような形式のランプユニットから出発して本発明により、温度調整素子がガス放電ランプの冷却のための冷却要素であり、ランプ電圧の実際値を検出するための電圧センサが設けられ、ランプ電圧の実際値が入力信号として供給される入力側を制御ユニットが有している構成によって解決される。

そのようなランプユニットは、前述してきた上記方法での使用に適している。電圧センサが設けられていることによって、ランプ電圧の実際値が求められ、この実際値を、前記冷却要素の冷却能力の制御の基礎とすることができる。それに応じて制御ユニットは、ランプ電圧の実際値の入力側を有する。最後にランプ電圧の実際値に基づいて生成された制御ユニットの出力信号は、冷却要素の冷却能力の調整に用いられる。

前記電圧センサが前記電子安定器に統合され、該電子安定器は、ランプ電圧の実際値を出力する出力側を有する。

前記ガス放電ランプは、電子安定器において動作される。統合された電圧センサを有する前記電子安定器は、このようなセンサを持たない装置に比べて、著しいコスト増加や余分な付加的コストなしで製造でき、ランプユニットの設計の小型化にも貢献している。

本発明のランプユニットの有利な実施例によれば、前記ガス放電ランプは、電子記憶素子を含み、前記電子記憶素子にはランプ電圧の目標値が記憶されている。

前記電子記憶素子は、例えば、ＥＥＰＲＯＭやＰＲＯＭなどのメモリモジュールである。ガス放電ランプに接続された電子記憶素子は、ガス放電ランプのスイッチオンの際に目標値を制御ユニットに提供できることを保証する。さらに前記記憶素子によれば、例えば電球を入れ替える際の、目標値の自動的な適応化も可能になる。

前記記憶素子が前記ガス放電ランプのランプベースの領域に配置されていると有利であることが実証された。

ガス放電ランプのランプベース領域内に配置された前記記憶素子は、ランプの給電部と容易に接続することができる。なぜなら、既にケーブルがランプベースを通ってランプ給電部まで案内されているからである。

本発明の代替的な好ましい実施形態によれば、前記記憶素子は、前記ガス放電ランプの接続コネクタに統合されている。

このガス放電ランプは、接続コネクタを備えた給電部のコンタクトを有している。この接続コネクタ内に統合されている記憶素子によって、接続要素との簡単な電気的接触接続と、記憶素子の簡単な読み出しとが可能になる。

本発明による装置のさらに有利な実施形態によれば、前記ガス放電ランプは、前記ランプ電圧の目標値定めたラベリングを有する。

以下では、本発明を複数の実施例に基づいて詳細に説明する。図面にはそれらの詳細が概略的に描写されている。

低圧アマルガムランプを用いた紫外線ビームを生成するためのランプユニットを示した図 低圧アマルガムランプのＵＶ放射とランプ電圧とを冷却空気の温度に依存して示した線図

実施例
図１には、紫外線ビームを生成するためのランプユニットの全体が符号１０で示されている。このランプユニット１０は、低圧アマルガムランプ１１と、該低圧アマルガムランプ１１のための電子安定器１４と、前記低圧アマルガムランプ１１の冷却のための軸流ファン１５と、前記軸流ファン１５のための制御ユニット１６とからなる。（図示されていない）代替的な実施例によれば、前記軸流ファン１５に代えて輻射流ファンが設けられていてもよい。

低圧アマルガムランプ１１は、両端が圧壊部１７によって封止された石英ガラスの発光管からなり、前記圧壊部１７を通って給電部１８が案内されている。前記発行間の内部では、相対向する両端部に、２つのらせん状の電極１８ａ，１８ｂが配設されている。この発光管は、放電空間１２を取り囲んでいる。この放電空間１２内には、アルゴンとネオン（５０：５０）からなる混合ガスが充填されている。その他にこの放電空間１２内には、アマルガムデポジット１３が存在している。

低圧アマルガムランプ１は、実質的に一定のランプ電流で動作する。このランプは、（４.０Ａの公称ランプ電流のもとで）２００Ｗの公称電力と、５０ｃｍの発光長と、２８ｍｍのランプ外径と、約４Ｗ／ｃｍの電力密度とによって特徴付けられる。

低圧アマルガムランプ１１は、接続線２０を介して当該低圧アマルガムランプ１１に接続された電子安定器１４上で動作する。この電子安定器１４は、さらに商用電源端子１９も有している。動作中に前記電子安定器１４は、自身に統合されている電圧センサを用いてランプ電圧Ｕ_Lとランプ電流Ｉ_Lの実際値を求める。

電子安定器１４は、検出されたランプ電圧Ｕ_Lを最終的に制御ユニット１６の入力信号として提供する。その上さらに、前記低圧アマルガムランプ１１には、ＥＥＰＲＯＭの形態の記憶素子２２が接続されており、この記憶素子２２には、製造者によって個別に定められる当該低圧アマルガムランプ１１用の目標値が格納されている。制御ユニット１６はこのランプ電圧の目標値を低圧アマルガムランプ１１がスイッチオンされたときに読み出す。低圧アマルガムランプ１１の動作中は、制御ユニット１６は、規則的な時間間隔で、すなわち毎分５回の頻度で、ランプ電圧の実際値Ｕ_LISTを問合せする。

制御ユニット１６は、ランプ電圧の実際値Ｕ_LISTを、前記記憶素子に格納されている目標値Ｕ_LSOLLと比較し、目標値からの実際値の偏差を求め、前記軸流ファン１５の冷却能力を制御する制御信号を出力する。

前記軸流ファン１５は、低圧アマルガムランプ１１をランプユニット１０の動作中に連続的に冷却するので、低圧アマルガムランプ１１の温度は、例えばファン回転速度を高めることによって相対的に冷却し、あるいはファン回転速度を低減することによって相対的に低下させることが可能である。

図２の線図には、一定の空気量を用いた空冷状況のもとで、図１による低圧アマルガムランプ１１のＵＶ放射量ＵＶ−Ｏｕｔｐｕｔと、ランプ電圧Ｕ_Lとが、気温に依存して示されている。前記ＵＶ放射量と前記ランプ電圧の両方は、当該低圧アマルガムランプのために同時に検出される。前記線図の横軸には気温Ｔが摂氏℃で示されている。前記線図の右方の縦軸には、低圧放電ランプの紫外線放射量ＵＶ−ＯｕｔｐｕｔがｍＷ／ｃｍ²単位でプロットされており、前記線図の左方の縦軸には、ランプ電圧Ｕ_LがＶｏｌｔ単位でプロットされている。

前記ＵＶ放射量の温度依存性は、特性曲線１によって記述されている。それによれば、このランプのもとでは、５２．５℃の動作温度（ＩＩ）のもとで、０．２５２ｍＷ／ｃｍ²の最大放射量（Ｉ）が得られる。

さらに、温度に依存したランプ電圧の経過は、特性曲線２によって記述されている。これによれば、５２．５℃の動作温度（ＩＩＩ）は、１０８．６Ｖのランプ電圧（ＩＶ）に相当し、それは当該低圧アマルガムランプ１１の最大放射量に対応している。

Claims (7)

1. 紫外線ビームを発生するランプユニットの動作方法であって、
   水銀の付着に使用される放電空間を有するガス放電ランプと、
   電子安定器と、
   前記ガス放電ランプの温度調整のために制御ユニットを介して調整が可能な温度調整素子とを備え、
   前記ガス放電ランプは、ランプ電流とランプ電圧とを用いて動作され、
   前記ガス放電ランプにおける動作フェーズ中に一定のランプ電流が供給され、
   前記温度調整素子は、前記ガス放電ランプを冷却するための冷却要素であり、
   前記方法は、
   （ａ）前記ランプ電圧の実際値を、電圧センサを用いて求めるステップと、
   （ｂ）前記ランプ電圧の実際値を、前記制御ユニットに伝送するステップと、
   （ｃ）前記ランプ電圧の実際値を、前記制御ユニットによって、目標値と比較するステップと、
   （ｄ）前記冷却要素に、前記制御ユニットによって、冷却能力を調整するための制御信号を出力するステップとを含んでいる方法において、
   前記ガス放電ランプが、前記ランプユニットの動作中に、冷却ユニットから連続的に冷却されるようにし、
   前記ランプ電圧の目標値は、各ガス放電ランプ毎に個別に定められ、個別に定められた前記目標値は、ガス放電ランプに接続された記憶素子に記憶され、前記記憶素子は、ガス放電ランプのスイッチオンの際に制御ユニットによって読み出される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記電子安定器は、電圧センサを含み、前記ランプ電圧の実際値が求められる、請求項１記載の方法。
3. 前記記憶素子は、電子記憶素子であり、前記記憶素子は、前記ガス放電ランプのスイッチオンの際に読み出される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ランプ電圧の目標値は、製造者によって各ガス放電ランプ毎に個別に定められる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記ランプ電圧の実際値は、前記ランプユニットの動作中に規則的な時間間隔で求められる、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 前記ランプ電圧の実際値は、前記ランプユニットの動作中に毎分１回から１０回（１min^-1〜１０min^-1）の頻度で求められる、請求項５記載の方法。
7. 前記ガス放電ランプは、前記冷却要素によって生成された空気流を用いて冷却される、請求項１から６いずれか１項記載の方法。

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