JP7072786B2 - 低圧水銀ランプ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低圧水銀ランプ及びその製造方法に関する。

低圧水銀ランプは、点灯中の発光管内の水銀蒸気圧が、100 Pa以下のアーク放電を利用したランプである。低圧水銀ランプは、主として、流水殺菌装置、紫外線酸化水処理装置等に利用されている。低圧水銀ランプを使用した水処理槽の代表例として、飲料用の浄化槽で使用される流水殺菌処理装置、半導体製造で使用される超純水生成のための紫外線酸化水処理装置がある。

紫外線酸化水処理装置を例にとって説明する。図１Ａは、複数本の水冷ジャケット（「スリーブ」ともいう。）６が、水平方向に配置された横型水処理槽１０－１を示す図である。一方、図１Ｂは、複数本の水冷ジャケット６が、垂直方向に配置された縦型水処理槽１０－２を示す図である。いずれの水処理槽１０－１，１０－２においても、処理対象の水は、給水口２から水処理槽内部に給水され、水冷ジャケット６の周囲を通過しながら紫外線処理され、排水口４から外部へ排水される。大規模なプラントの水処理槽では、数百本の低圧水銀ランプ８が備えられ、処理される水量は40万トン／日にも達する。

図２Ａは、低圧水銀ランプの構成を説明する図である。各水冷ジャケット６の内部には、図２Ａに示すように、両端部にベース１２－１，１２－２を夫々有する１本の発光管８－１が挿入され、ベース１２－１，１２－２は、水冷ジャケット６の内周面に接触した状態になっている。

低圧水銀ランプ８の発光効率は、ベース１２－１，１２－２近傍に位置するランプの最冷部温度で決定される。ランプ点灯中は、ベース１２－１，１２－２を冷却してランプ最冷部温度を所定の温度（35～45℃）に維持することで、ランプを高い照度で点灯させることが出来る。
低圧水銀ランプ８には、水銀又はアマルガム（水銀と他の金属との合金）が封入されている。

特開2006-209993「低圧水銀蒸気放電ランプの製造方法及び低圧水銀蒸気放電ランプ」（公開日2006/08/10）出願人：ニッポ電機株式会社（特許第4621508号） 特表2010-535396「アマルガム室を持つアマルガムカプセルを備えた低圧水銀放電ランプ」（公表日2010/11/18）出願人：コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ（特許第5174148号）

低圧水銀ランプにおいて、ランプの発光効率を安定的に維持するため、アマルガムは、発光管内の電極付近に位置する最冷部に固定することが好ましい。このため、アマルガムを最冷部に位置する発光管の内壁に加熱溶着して固定していた。

しかし、アマルガムはランプを輸送する際の振動等の外力や縦型水処理槽でランプを点灯する際に、発光管の所定の個所から移動することがあった。
アマルガムは、発光管の所定の箇所から移動すると、ランプ発光時の発光管内の水銀蒸気圧が変動し、適正な動作温度から外れてしまい、紫外線放射量が減衰してしまう。

従って、本願発明は、発光管内のアマルガムを所定の箇所に安定的に固定し、紫外線強度を高く維持した低圧水銀ランプ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的に鑑みて、本発明に係る低圧水銀ランプの製造方法は、発明の一面では、金属製押さえを有する電極マウントを発光管内に挿入し、前記金属製押さえを、前記発光管の内面に形成された凹部近傍に位置決めし、前記発光管の端部をピンチシールし、前記発光管内に、排気管を経由してアマルガムを封入し、前記発光管を排気し、前記アマルガムを、前記金属製押さえと前記発光管に形成された凹部とに対して加熱溶着して該発光管の凹部に固定する、アマルガムの固定方法を含んでいる。

更に、本発明に係る低圧水銀ランプは、発明の一面では、両端付近の内面に凹部が夫々形成された発光管と、金属製押さえを有し、前記発光管内に挿入された電極マウントと、前記凹部に位置決めされたアマルガムとを備え、前記金属製押さえは、前記アマルガムの少なくとも一部を覆うように配置されている。

更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記アマルガムは、加熱溶着により前記凹部に位置決め固定されていてもよい。
更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記金属製押さえが弾性を有する金属箔を備えていてもよい。
更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記金属製押さえは、弾性を有する金属箔を有していてもよい。

更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記金属箔は、モリブデンMo、タングステンW、ニッケルNi、ニオブNb、及びアルミニウムAlからなる群から選択された金属から形成されていてもよい。
更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記電極マウントは、ガラス製のステイを有し、前記金属箔は、前記ガラス製のステイに保持されたリード棒に取り付けられていてもよい。
更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記リード棒の一部は、前記発光管に形成された凹部の方向へ延在していてもよい。
更に、本発明に係る低圧水銀ランプでは、前記リード棒は、前記ガラス製のステイに固定された第１のリード棒と、第１のリード棒に接続された第２のリード棒からなり、前記金属箔は、前記第２のリード棒の先端に取り付けられていてもよい。

本願発明によれば、発光管内のアマルガムを所定の箇所に安定的に固定し、紫外線強度を高く維持した低圧水銀ランプ及びその製造方法を提供することが出来る。

図１Ａは、低圧水銀ランプが使用されている紫外線酸化水処理装置を示す図であり、複数本の水冷ジャケットが、水平方向に配置された横型水処理槽を説明する図である。 図１Ｂは、低圧水銀ランプが使用されている紫外線酸化水処理装置を示す図であり、複数本の水冷ジャケットが、垂直方向に配置された縦型水処理槽を説明する図である。 図２Ａは、低圧水銀ランプの構成を説明する図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す低圧水銀ランプの発光管の端部付近の発光管、ベース、水冷ジャケットの位置関係を説明する図である。 図３Ａは、一方の側の金属製押さえを有する電極マウント単体の側面図である。 図３Ｂは、一方の側の金属製押さえを有する電極マウント単体の正面図である。 図３Ｃは、図２Ａ示す低圧水銀ランプの発光管の凹部を切断し、且つランプ軸線を含む面で見た発光管端部付近の部分切断面図である。 図３Ｄは、図３Ｃの切断面と垂直な関係で、低圧水銀ランプのランプ軸線を含む面で見た発光管端部付近の部分切断面図である。 図４Ａは、発光管の凹部と電極マウントの金属製押さえとを利用して、アマルガムを固定した発光管の状態を説明する模式図である。 図４Ｂは、発光管の凹部を真上から見た模式図である。 図４Ｃは、発光管の凹部に入ったアマルガムを、電極マウントの金属製押さえを利用して固定した状態を真上から見た模式図である。 図５は、低圧水銀ランプの製造方法の内、本実施例に関するアマルガムの固定方法を説明するフロー図である。

以下、本発明に係る本発明は、低圧水銀ランプ及びその製造方法の実施形態に関し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。

［低圧水銀ランプ］
（低圧水銀ランプの構造）
図２Ａは、低圧水銀ランプ８を示す図である。低圧水銀ランプ８の発光管８－１は、石英ガラスから形成されている。発光管８－１の内部には、アマルガムが封入されている。アマルガムは、水銀Hgに加えて、インジウムIn、ビスマスBi、スズSn、及び鉛Pbの少なくとも１種類の金属が含まれる合金である。一般に、他の金属の割合は、水銀Hgに対し5 重量%以下である。

なお、図２Ａに示す発光管は、直管形であるが、これに限定されない。本実施形態は、Ｕ形、Ｗ形、Ｍ形等の他の形状の発光管に関しても、電極部の構造が同じであるため適用可能である。

低圧水銀ランプ８は、発光管８－１の両端部にベース（口金）１２－１，１２－２を夫々備え、ベース１２－１，１２－２が、発光管の最冷部である発光管端部を覆っている。ベース１２－１，１２－２は、発光管８－１を固定し、発光管端部の破損防止のカバーである。ベース１２－１，１２－２は、セラミックス、金属、耐紫外線性を有する弾性体樹脂（例えば、フッ素樹脂）によって形成される。

（低圧水銀ランプが水冷ジャケット内で位置決め・保持されている構造）
図２Ｂは、低圧水銀ランプが、水冷ジャケット内の所定位置に位置決め・保持されている構造を説明する図である。ここで、（Ａ）は、ランプ端部付近のランプ軸線に沿って切断した一部切断面図であり、（Ｂ）は、Ｂ－Ｂ切断面図である。

水冷ジャケット６の内部に発光管８－１が配置されている。水冷ジャケット６は、ランプと被処理水の間の絶縁及びランプ破損保護のために設けられ、紫外線透過性を有する部材（例えば、石英ガラス）から成る。

発光管８－１は、一端で、ベース１２－２に取り付けられている。ベース１２－２は、ベース位置決め保持部材１６によって、水冷ジャケット６の内部の所定の位置に保持されている。ランプの反対側端部も同様の構造である。

図２Ｂに示すように、ベース１２－１，１２－２は、水冷ジャケット６に接触した状態で発光管８－１を支えている。従って、発光管８－１の最冷部は、点灯時の高温の発光管８－１の温度と、被処理水で冷やされた水冷ジャケット６に接触した低温のベース１２の温度との両方の影響を受ける。被処理水の水温は、通常、25°Ｃ程度である。

一般に、低圧水銀ランプ８の紫外線出力は、ランプ点灯時の発光管内のアマルガムの蒸気圧によって左右される。発光管管璧の最冷部を温度制御することにより、ランプ内部の水銀蒸気圧を制御することが出来る。発光管管璧の最冷部を約40°Ｃに維持し、アマルガムを約80～120℃に維持することにより、低圧水銀ランプ８から放射される波長254ｎｍの紫外線出力が最大となる。

（アマルガムの固定手段）
図３Ａは、一方の側の金属製押さえを有する電極マウント単体の側面図である。図３Ｂは、一方の側の金属製押さえを有する電極マウント単体の正面図である。低圧水銀ランプ８は交流駆動であり、反対側の端部も同じ電極マウント構造となっている。

発光管外部から延在する電極リード線２２の先端にアノード２２－１が接合されている。アノード２２－１の手前に、電子放射物質が塗布されたフィラメント２２－２が接合されている。電極リード線２２は、２本のガラス製部材で形成されたステイ２４により、両側から挟持して保持されている。

電極マウントの一部を構成する金属製押さえ１８は、ガラス製のステイ２４によって保持されたモリブデンMoで形成された第1のリード棒１８－１と、この第1のリードの先端に取り付けられたニッケルNiで形成された第２のリード棒１８－２、更にこの第２のリード棒の先端に板状の金属箔１８－３とを有している。第1のリード棒１８－１の一部はＬ字に折れ曲がって、発光管８－１に形成された凹部２０の方向へ延在している。この第1のリード棒１８－１の先端に第２のリード棒１８－２が取り付けられ、この第２のリード棒の先端に板状の金属箔１８－３が取り付けられ、この金属箔１８－３は発光管８－１の凹部２０の少なくとも一部を覆っている。
金属箔１８－３は、モリブデンMo、タングステンW、ニッケルNi、ニオブNb、及びアルミニウムAlのいずれかから形成される。これらの材質の選定理由は、次の通りである。
(1)水銀とアマルガムを形成しない材質であること、
(2)後で説明する製造方法のステップ７の加熱溶融工程に耐えうる高融点材質であること、
(3)一定の弾性を有して、アマルガムを押さえる機能を有する材質であること。

次に、図３Ａ及び図３Ｂに示した電極マウントを発光管内に位置決めし、その後、封入したアマルガムを発光管凹部及び金属製押さえに対して溶着した状態を説明する。図３Ｃは、図２Ａ示す低圧水銀ランプの発光管８－１の凹部２０を切断し、且つランプ軸線を含む面で見た発光管端部付近の部分切断図である。図３Ｄは、図３Ｃの切断面と垂直な関係で、低圧水銀ランプ８のランプ軸線を含む面で見た発光管端部付近の部分切断図である。発光管８－１の端部付近には、内面から凹部２０が形成されている。

低圧水銀ランプ８の実施例の１つの仕様は、次の通りである。
ランプ：直管形、 ランプ電力110 W、 ランプ電流1.38 A、 ランプ長（ベース端部間）1,020 mm、 ランプ径φ17 mm、
凹部形状：縦5 mm×横5 mm×深さ1 mmの角が丸まった四角形
金属製押さえの第1のリード棒１８－１：φ0.4mm×7mm（延べ長さ）
金属製押さえの第２のリード棒１８－２：φ0.6mm×3mm
金属製押さえの金属箔：幅5 mm×厚み35μm×長さ10 mm

図４Ａは、発光管８－１の凹部２０と電極マウントの金属製押さえ１８とを利用して、アマルガム２６を固定した発光管８－１の状態を説明する模式図である。石英製の発光管８－１の内面に凹部２０が形成されている。金属製押さえ１８を利用して、凹部２０の内部にアマルガム２６が固定され、両者に溶着されている。ここで、図４Ａ(a)は、金属製押さえ１８ａが、凹部２０の開口面積の約１／３を覆った状態である。図４Ａ(ｂ)は、金属製押さえ１８ｂが、凹部２０の開口面積の約２／３を覆った状態である。

図４Ａ(a)の約１／３を覆った状態では、アマルガム２６の表面形状は符号２６ａに示すようになる。アマルガム２６は、凹部２０及び金属製押さえ１８ａの両方に溶着している。図４Ａ(ｂ)の約２／３を覆った状態では、アマルガム２６の表面形状は符号２６ｂに示すようになる。アマルガム２６は、凹部２０及び金属製押さえ１８ｂの両方に溶着している。
表面形状２６ａ、２６ｂの相違は、金属製押さえ１８の凹部に対する接触面積の大小に起因するバラツキである。

図４Ｂは、発光管の凹部２０を真上から見た模式図である。凹部２０のサイズは、代表的には、縦5 mm×横5 mm×深さ1 mmの角が丸まった四角形であるが、このサイズ及び形状は、例示であってこれに限定されない。

図４Ｃは、発光管の凹部２０に入ったアマルガム２６を、凹部２０及び電極マウントの金属製押さえ１８を利用して固定した状態を真上から見た模式図である。

（低圧水銀ランプの製造方法）
図５は、低圧水銀ランプの製造方法の内、本実施例に関するアマルガムの固定方法を説明するフロー図である。

ステップＳ１において、発光管の製造時に、両端部付近にあるランプ最冷部に凹部を夫々形成する。凹部の形成は、発光管の外側から加熱しながら、内側から専用の治具を用いて押圧して形成する。
ステップＳ２において、電極マウントを形成する。電極マウントのアノード溶接工程において、金属製押さえを取り付ける。
ステップＳ３において、電極マウントを発光管内に挿入し、金属製押さえを発光管の凹部を覆うように位置決め固定する。
ステップＳ４において、発光管のピンチシールを行う。
ステップＳ５において、排気管を経由して、発光管内にアマルガムを含む添加物を封入する。
ステップＳ６において、排気管を経由して、発光管内を排気する。その後、排気管はチップオフして取り去る。
ステップＳ７において、アマルガムを発光管凹部に位置決め固定する。ランプを動かしながらアマルガムを移動させて発光管凹部に入れ、この状態で発光管凹部を外側から加熱してアマルガムを溶融し、電極マウントの金属製押さえと発光管凹部とに対して溶着し、固定させる。

［まとめ］
以上、本発明に係る低圧水銀ランプ及びその製造方法の実施形態に関し説明したが、これらは本発明を理解するための例示であって、本発明の範囲を何等限定するものではない。これら実施形態に関して、当業者が容易に成し得る追加・削除・変更・改良は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

２：給水口、 ４：排水口、 ６：水冷ジャケット、 ８：低圧水銀ランプ、 ８－１：発光管、 １０－１：横型水処理槽、 １０－２：縦型水処理槽、 １２，１２－１，１２－２：ベース、 １６：保持部材、 １８，１８ａ，１８ｂ：金属製押さえ、 １８－１：第1のリード棒、 １８－２：第２のリード棒、 １８－３：金属箔、 ２０：凹部、 ２２：電極リード線、 ２２－１：アノード、 ２２－２：フィラメント、 ２４：ステイ、 ２６：アマルガム、 ２６ａ，２６ｂ：アマルガムの表面、

Claims (8)

1. 低圧水銀ランプの製造方法において、
   金属製押さえを有する電極マウントを発光管内に挿入し、
   前記金属製押さえを、前記発光管の内面に形成された凹部近傍に位置決めし、
   前記発光管の端部をピンチシールし、
   前記発光管内に、排気管を経由してアマルガムを封入し、
   前記発光管を排気し、
   前記アマルガムを、前記金属製押さえと前記発光管に形成された凹部とに対して加熱溶着して該発光管の凹部に固定する、アマルガムの固定方法を含む、製造方法。
2. 低圧水銀ランプにおいて、
   両端付近の内面に凹部が夫々形成された発光管と、
   金属製押さえを有し、前記発光管内に挿入された電極マウントと、
   前記凹部に位置決めされたアマルガムとを備え、
   前記金属製押さえは、前記アマルガムの少なくとも一部を覆うように配置されている、低圧水銀ランプ。
3. 請求項２に記載の低圧水銀ランプにおいて、
   前記アマルガムは、加熱溶着により前記凹部に位置決め固定されている、低圧水銀ランプ。
4. 請求項２又は３に記載の低圧水銀ランプにおいて、
   前記金属製押さえは、弾性を有する金属箔を有している、低圧水銀ランプ。
5. 請求項４に記載の低圧水銀ランプにおいて、
   前記金属箔は、モリブデンMo、タングステンW、ニッケルNi、ニオブNb、及びアルミニウムAlからなる群から選択された金属から形成されている、低圧水銀ランプ。
6. 請求項４又は５に記載の低圧水銀ランプにおいて、
   前記電極マウントは、ガラス製のステイを有し、
   前記金属箔は、前記ガラス製のステイに保持されたリード棒に取り付けられている、低圧水銀ランプ。
7. 請求項６に記載の低圧水銀ランプにおいて、
   前記リード棒の一部は、前記発光管に形成された凹部の方向へ延在している、低圧水銀ランプ。
8. 請求項６又は７に記載の低圧水銀ランプにおいて、
   前記リード棒は、前記ガラス製のステイに固定された第１のリード棒と、第１のリード棒に接続された第２のリード棒からなり、
   前記金属箔は、前記第２のリード棒の先端に取り付けられている、低圧水銀ランプ。
   
   

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