JP6692522B2 - 低圧水銀ランプ及びそれを用いた装置 - Google Patents

Description

本発明は、流水殺菌装置、紫外線酸化水処理装置などに利用して好適な低圧水銀ランプ及び装置に関するものである。

低圧水銀ランプは、点灯中の水銀蒸気圧が１００Ｐａ以下のアーク放電を利用するランプであり、流水殺菌装置、紫外線酸化水処理装置などに利用される。従来の低圧水銀ランプでは、放電を維持するために必要量以上の水銀が発光管に封入されている。その理由は、水銀ランプでは、始動時や点灯時にフィラメントに塗布された電子放射物質（エミッタ）が電子の衝突により飛散し、フィラメント近傍の発光管内壁に付着する。こうして付着したエミッタと水銀が合金化すると、放電に寄与する水銀が枯渇することになる。そこで、それを防止するために、必要量以上の水銀を発光管に封入するのである。

近年、水銀が環境へ悪影響を及ぼす物質であることは周知となっている。そのため、極力水銀の使用量を低減することが望ましい。しかしながら、市場の要求はさらなるランプ長寿命化のため、余剰な水銀の削減が困難であった。

特開2004-31080 特開2012-109264

上述のように、水銀量を減らすと、放電に寄与する水銀が枯渇する可能性がある。そこで、水銀量を減らしても、始動特性及び点灯特性が低下しない低圧水銀ランプが求められている。

本発明の目的は、始動特性及び点灯特性を低下させることなく、簡単な機構により、従来の低圧水銀ランプにて用いられる水銀量よりも少ない水銀量の低圧水銀ランプを提供することにある。

本発明によると、管状の発光管と、該発光管の内部に設けられた１対のフィラメントと、前記発光管の内部に封入された水銀及び希ガスと、を有する低圧水銀ランプにおいて、
前記発光管の外側に前記フィラメントを囲むように電熱線ヒータが設けられている、としてよい。

本発明によると、前記低圧水銀ランプにおいて、前記ヒータは、前記発光管の外周面に螺旋状に巻かれ、前記ヒータの軸線方向の中心位置は前記フィラメントの軸線方向の中心位置に整合するように配置されている、としてよい。

本発明によると、前記低圧水銀ランプにおいて、前記フィラメントの軸線方向の寸法をＬ、前記ヒータの軸線方向の寸法をＸとするとき、次の関係式を満たす、としてよい。
５Ｌ≦Ｘ≦１０Ｌ

本発明によると、前記低圧水銀ランプにおいて、更に、前記ヒータに供給する電流を制御するヒータコントロールユニットが設けられ、該ヒータコントロールユニットは前記発光管の点灯時間の積算時間が所定の制限時間を超えた毎に所定の加熱時間だけ前記ヒータに電流を供給する、としてよい。

本発明によると、前記低圧水銀ランプにおいて、前記水銀量は、定格電力が同一且つ発光管の形状及び寸法が同一の既存の低圧水銀ランプの水銀量の半分以下である、としてよい。

本発明によると、前記低圧水銀ランプと該低圧水銀ランプを囲む円筒状の透明な水冷ジャケットとを有する流水殺菌装置において、
前記ヒータは、前記水冷ジャケットの内周面に螺旋状に配置され、前記ヒータの軸線方向の中心位置は前記フィラメントの軸線方向の中心位置に整合するように配置されている、としてよい。

本発明によると、始動特性及び点灯特性を低下させることなく、簡単な機構により、従来の低圧水銀ランプにて用いられる水銀量よりも少ない水銀量の低圧水銀ランプを提供することができる。

図１Ａは本発明に係わる低圧水銀ランプの構造の例を説明する図である。 図１Ｂは本発明に係わる低圧水銀ランプを備えた流水殺菌装置の構造の例を説明する図である。 図１Ｃは本発明に係わる低圧水銀ランプのフィラメントとヒータの位置関係を説明する図である。 図２Ａは本発明に係わる低圧水銀ランプの電源回路の例を説明する図である。 図２Ｂは本発明に係わる低圧水銀ランプを備えた流水殺菌装置の電源回路の例を説明する図である。 図３Ａは本発明に係わる低圧水銀ランプのヒータの動作の例を説明する図である。 図３Ｂは本発明に係わる低圧水銀ランプのヒータの動作の例を説明する図である。

図１Ａを参照して本発明の低圧水銀ランプの構造の例を説明する。ここで、低圧水銀ランプのランプ軸線の中心位置にてランプ軸線に垂直な中心面Ａ−Ａを設定する。本例の低圧水銀ランプは、中心面Ａ−Ａに関して左右対称な形状を有する。そこで、以下に、低圧水銀ランプの半分の構造を説明する。

本例の低圧水銀ランプ１は、細長い管状の１本の発光管１１と、その両端に設けられたベース（口金）１３と、両側の共用の接続端子１９と、１対のヒータ１７とを有する。発光管１１には水銀及び希ガスが封入されている。一般に低圧水銀ランプでは、点灯中の水銀蒸気圧は１００Ｐａ以下である。本発明の低圧水銀ランプの水銀量は、従来の低圧水銀ランプの水銀量より十分に少ないが、これについては後に詳細に説明する。発光管の内部には電極、即ち、１対のフィラメント１５が挿入されている。各フィラメント１５の両端にはフィラメント電流供給導線１５１が接続されている。フィラメント電流供給導線１５１は、発光管１１の端部を貫通し、ベース１３を貫通して接続端子１９まで延びている。

本発明の低圧水銀ランプ１の構造は従来の低圧水銀ランプの構造と比較して、１対のヒータ１７が設けられている点が異なり、それ以外の構造は、従来の低圧水銀ランプの構造と同一であってよい。本実施形態では、各ヒータ１７は発光管１１の外周面に沿って、螺旋状に巻かれている。本実施形態では、ヒータ１７は電熱線ヒータであってよい。電熱線ヒータは、鉄クロム系又はニッケルクロム系の線材によって構成され、広く市販されている。

各ヒータ１７の両端にはヒータ電流供給導線１７１が接続されている。ヒータ電流供給導線１７１は、発光管１１の外周面に沿って軸線方向に延び、ベース１３を貫通して共用の接続端子１９まで延びている。本実施形態では、フィラメント電流供給導線１５１とヒータ電流供給導線１７１は、共用の接続端子１９に接続されているが、別個の接続端子にそれぞれ接続されてもよい。

図１Ｂを参照して本発明の流水殺菌装置２の構造の例を説明する。ここで、流水殺菌装置２の中心軸線の中心位置にて中心軸線に垂直な中心面Ａ−Ａを設定する。本例の流水殺菌装置２は、中心面Ａ−Ａに関して左右対称な形状を有する。そこで、以下に、流水殺菌装置２の半分の構造を説明する。本例の流水殺菌装置２は、低圧水銀ランプ１と、それを囲む透明な水冷ジャケット２０と、水冷ジャケット２０の内面に沿って設けられたヒータ１７とを有する。水冷ジャケット２０の外側には殺菌対象の水（図示無し）が流れている。

本例の低圧水銀ランプ１は、図１Ａの例と同様に、細長い管状の発光管１１と、その両端に設けられたベース（口金）１３と、両側のランプ点灯用の接続端子１５２と、を有する。発光管１１の内部には電極、即ち、１対のフィラメント１５（図１Ａ参照）が挿入されている。各フィラメント１５の両端にはフィラメント電流供給導線１５１が接続されている。フィラメント電流供給導線１５１は、発光管１１の端部を貫通し、ベース１３を貫通して接続端子１５２まで延びている。

本例の流水殺菌装置２は、従来の流水殺菌装置の構造と比較して、１対のヒータ１７が設けられている点が異なり、それ以外の構造は、従来の流水殺菌装置の構造と同一であってよい。本実施形態では、各ヒータ１７は水冷ジャケット２０の内面に沿って、螺旋状に巻かれている。本実施形態では、図１Ａに示した例と同様に、ヒータ１７は電熱線ヒータであってよい。

各ヒータ１７の両端にはヒータ電流供給導線１７１が接続されている。ヒータ電流供給導線１７１は、水冷ジャケット２０の内周面に沿って軸線方向に延び、フィラメント用の接続端子１７２まで延びている。本実施形態では、フィラメント電流供給導線１５１とヒータ電流供給導線１７１は、別個の接続端子に接続されているが、図１Ａの例のように、共通の接続端子に接続されてもよい。

図１Ｃを参照して、本実施形態における、ヒータ１７の位置及び寸法を説明する。本実施形態では、ヒータ１７は、発光管１１の外周囲に巻き付けられたコイル状（図１Ａ参照）、又は、水冷ジャケット２０の内周面に沿って設けられたコイル状（図１Ｂ参照）である。フィラメント１５は、コイル状であり、その螺旋軸がランプ軸線に直交するように配置されている。好ましくは、フィラメント１５の螺旋軸の中心位置が、ヒータ１７の螺旋軸に整合している。従って、ヒータ１７は、少なくともフィラメント１５を囲むように設けられる。ヒータ１７の螺旋軸方向の寸法Ｘは、少なくともフィラメント１５をヒータの螺旋軸方向に測定した寸法Ｌより十分に長い。本実施形態によると、ヒータ１７の螺旋軸方向の寸法Ｘは、フィラメント１５をヒータの螺旋軸方向に測定した寸法Ｌの５倍以上１０倍以下である。即ち、５Ｌ≦Ｘ≦１０Ｌである。

ここでヒータ１７の作用を説明する。上述のように、低圧水銀ランプ１では、始動時や点灯時にフィラメント１５に塗布された電子放射物質（エミッタ）が電子の衝突により飛散し、フィラメント近傍の発光管内壁に付着する。こうして付着したエミッタと水銀が合金化すると、放電に寄与する水銀が枯渇することになる。それによって照度が低下し、又は、点灯不可となる。即ち、ランプ寿命の短縮化が起きる。そこで、本発明によると、フィラメント１５の周囲にヒータ１７を設けて発光管１１を局所的に加熱する。尚、ヒータ１７によって発光管１１を局所的に３００℃程度に加熱すれば十分である。それによって、エミッタと水銀の合金化が阻止され、又は、発光管１１に付着した合金化した水銀が元の単体水銀に還元される。こうして放電に寄与する水銀量を確保することができる。本発明によると、ヒータ１７を設けることによって、ランプ寿命の短縮化を回避することができる。

更に、本発明によると、発光管１１に封入された水銀量は、環境に与える影響を考慮して、従来の低圧水銀ランプの水銀量と比較して十分に少ない値に設定している。そのため、放電に寄与する水銀は、従来の低圧水銀ランプと比べて更に少ない。しかしながら、本発明によると、フィラメント１５の周囲にヒータ１７を設けて発光管１１を局所的に加熱する。それによって、エミッタと水銀の合金化が阻止され、又は、既に合金化した水銀が元の単体水銀に還元される。そのため、発光管１１内に封入された水銀量が通常の量より少なくても、水銀を無駄なく有効に利用することができる。そのため、ランプ寿命の短縮化を回避することができる。即ち、本発明によると、ランプ寿命の短縮化を回避することができると同時に環境負荷物質である水銀量を減少させることが可能となる。

図２Ａを参照して、低圧水銀ランプ１に接続された回路の構造の例を説明する。ここでは、図１Ａに示した低圧水銀ランプ１に好適な回路の例を説明する。低圧水銀ランプ１は、発光管１１及びヒータ１７を有する。発光管１１のフィラメントとヒータ１７は、共用の接続端子１９を介してランプ及びヒータ制御回路３に接続されている。ランプ及びヒータ制御回路３は、ランプ点灯用安定器１５３、ヒータ加熱用電源１７３及びヒータコントロールユニット１７４を有する。ヒータコントロールユニット１７４によってヒータ１７の動作が制御される。ヒータコントロールユニット１７４の動作に後に説明する。

図２Ｂを参照して、低圧水銀ランプ１に接続された回路の構造の例を説明する。ここでは、図１Ｂに示した流水殺菌装置２に設けられた低圧水銀ランプに好適な回路の例を説明する。流水殺菌装置２に設けられた低圧水銀ランプ１は、発光管１１及びヒータ１７を有する。発光管１１のフィラメントとヒータ１７は、フィラメント用の接続端子１５２を介してランプ点灯用安定器１５３に接続されている。ヒータ１７は、ヒータ用の接続端子１７２を介してヒータ制御回路４に接続されている。ヒータ制御回路４は、ヒータ加熱用電源１７３及びヒータコントロールユニット１７４を有する。ヒータコントロールユニット１７４によってヒータ１７の動作が制御される。ヒータコントロールユニット１７４の動作に後に説明する。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、ヒータ１７の動作モード、即ち、ヒータコントロールユニット１７４の作用を説明する。本願の発明者が得た知見によると、点灯時間が約１０００時間を経過した時点で、ヒータ１７をオンにするとよい。ヒータ１７をオンにすることによって、フィラメント付近の発光管１１は局所的に過熱され、約３００℃となる。それによって、点灯中に合金化した水銀が元の単体水銀に還元される。ヒータ１７をオンにする時間は比較的短くてよく、例えば、１５０〜２５０秒程度であってよい。本願の発明者が行った実験では、ヒータ１７をオンにする時間は１８０秒であった。

図３Ａの例では、低圧水銀ランプは連続運転されているものとする。例えば、ランプの点灯時間が所定の時間Ｔ１を経過した毎に、ヒータ１７をオンにする。図３Ｂの例では、低圧水銀ランプは間欠運転されているものとする。即ち、所定の間隔にてオンとオフが繰り返す。例えば、ランプがオンとなるのは昼間のＴ２時間（例えば８時間）であり、ランプがオフとなるのは夜間（例えば１６時間）である。この場合、ヒータ１７は、低圧水銀ランプ１の点灯時間の積算値が所定の時間Ｔ１を経過した毎に、ヒータ１７をオンにする。

図３Ａの例では、点灯中にヒータ１７をオンにするが、図３Ｂの例では、点灯中又は消灯中にヒータ１７をオンにする。点灯時間Ｔ１は例えば１０００時間、ヒータ１７をオンにする時間は１８０秒であってよい。それによって、点灯中に合金化した水銀が元の単体水銀に還元される。

表１及び表２を参照して、本願の発明者が行った実験を説明する。実験に使用した低圧水銀ランプ１の定格電力は２４０Ｗ、アーク長は１５００ｍｍ、発光管１１の外径は１５ｍｍ、水冷ジャケット２０の内径は２５ｍｍである。表１に示すように、従来例及び比較例では、ヒータ１５を装着していない。実施例１及び２ではヒータ１７を装着している。ヒータ１７は、１０００時間毎に１８０秒間オンにした。ヒータ１７をオンにすることによって、フィラメント１５の周囲の発光管の温度が少なくとも３００℃に維持される。発光管１１に封入した水銀量は、従来例の場合で２０ｍｍｇである。従来例の水銀量を１００％とすると、比較例、実施例１及び２の場合、それぞれ５０％、５０％、２０％となる。

この実験では、比較例、実施例１及び２について、照度維持率及びランプ寿命を測定した。照度維持率は、初めて点灯したときの照度を基準（１００％）として、所定時間経過後の照度を百分率で表したものである。照度維持率が７０％以下となる時点をランプ寿命と判定した。低圧水銀ランプ１のランプ寿命は、通常、６０００時間である。この実験では、比較例、実施例１及び２について、低圧水銀ランプ１と流水殺菌装置２の両者について測定した。しかしながら、低圧水銀ランプ１と流水殺菌装置２では、照度維持率が同一であった。

表１に示すように、点灯時間が６０００時間を経過した時点で、比較例の低圧水銀ランプは不点灯となった。また、従来例、実施例１及び２の低圧水銀ランプの照度維持率は、７０％、７２％、７０％であった。表２に示すように、点灯時間が１００００時間経過した時点で、従来例の照度維持率は７０％、実施例１の照度維持率は７２％であった。

以上より次の知見が得られる。先ず、従来例と比較例を比較検討する。両者ともにヒータを設けない。比較例では、水銀量を５０％減少させた。その結果、ランプ寿命が６０００時間より短くなった。このことから、ヒータを設けることなく、単に水銀量を減少させると、ランプ寿命が短くなり、好ましくない。次に、従来例と実施例１を比較する。いずれもランプ寿命が６０００時間を超えている。従って、水銀量を減少させても、ヒータを設けることによって、ランプ寿命が６０００時間より短くならない、即ち、定格ランプ寿命を保持することができる。実施例１と実施例２を比較する。表２に示すように、両者共にランプ寿命が６０００時間には達している。しかし、実施例１ではランプ寿命が１００００時間を超えるが、実施例２ではランプ寿命が１００００時間を超えることはできない。従って、ランプ寿命が１００００時間以上であることが好ましい場合には、水銀量は通常の５０％程度とするとよい。

以上、本実施形態に係る低圧水銀ランプ及び流水殺菌装置について説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。

１…低圧水銀ランプ
２…流水殺菌装置
３…ランプ及びヒータ制御回路
４…ヒータ制御回路
１１…発光管
１３…ベース
１５…フィラメント
１７…ヒータ
１９…接続端子
２０…水冷ジャケット
１５１…フィラメント電流供給導線
１５２…接続端子
１５３…ランプ点灯用安定器
１７１…ヒータ電流供給導線
１７２…接続端子
１７３…ヒータ加熱用電源
１７４…ヒータコントロールユニット

Claims (4)

1. 管状の発光管と、該発光管の内部に設けられた１対のフィラメントと、該発光管の内部に封入された水銀及び希ガスとを有する低圧水銀ランプにおいて、
   前記発光管の外側に前記フィラメントを囲むように電熱線ヒータが設けられ、
   更に、前記電熱線ヒータに供給する電流を制御するヒータコントロールユニットが設けられ、該ヒータコントロールユニットは、前記発光管の点灯時間の積算時間が所定の制限時間を超えた毎に所定の加熱時間だけ該電熱線ヒータに電流を供給することを特徴とする、低圧水銀ランプ。
2. 請求項１記載の低圧水銀ランプにおいて、前記電熱線ヒータは、前記発光管の外周面に螺旋状に巻かれ、
   前記フィラメントは、コイル状であり、その螺旋軸がランプ軸線に直交するように配置され、該フィラメントの螺旋軸の中心位置が、前記電熱線ヒータの螺旋軸に整合するように配置されていることを特徴とする、低圧水銀ランプ。
3. 請求項１記載の低圧水銀ランプにおいて、前記電熱線ヒータの螺旋軸方向の寸法をＸ、前記フィラメントを該電熱線ヒータの螺旋軸方向に測定した寸法をＬとするとき、次の関係式を満たすことを特徴とする、低圧水銀ランプ。
   ５Ｌ≦Ｘ≦１０Ｌ
4. 請求項１記載の低圧水銀ランプと該低圧水銀ランプを囲む円筒状の透明な水冷ジャケットとを有する流水殺菌装置において、
   前記電熱線ヒータは、前記水冷ジャケットの内周面に螺旋状に配置され、
   前記フィラメントは、コイル状であり、その螺旋軸がランプ軸線に直交するように配置され、該フィラメントの螺旋軸の中心位置が、前記電熱線ヒータの螺旋軸に整合するように配置されていることを特徴とする、流水殺菌装置。
   

Images