JPH0721982A

JPH0721982A - 低圧水銀ランプおよびこれを用いた紫外線照射装置

Info

Publication number: JPH0721982A
Application number: JP16083893A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yoshikawa; 和彦吉川
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】発光管バルブの黒化を防止し、長期に亘り紫外
線出力を高く維持する低圧水銀ランプおよびこれを用い
た紫外線照射装置を提供する。【構成】石英ガラスよりなる発光管２の両端に電極４を
封装するとともに、この電極に電子放射物質を付着し、
上記発光管内に水銀および希ガスを封入し、ランプ電流
Ｉ（Ａ）が１Ａ以上である低圧水銀ランプにおいて、上
記電極間に位置する発光管の内表面積をＳ（cm² ) とし
た場合、上記ランプ電流Ｉと上記内表面積Ｓとの関係を
Ｓ≧５０×Ｉ＋１５００としたことを特徴とする。【作用】８５００時間点灯しても紫外線出力を５０％以
上に保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低圧水銀ランプおよび
これを光源とした紫外線照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、各種気体や液体の浄化、または有
機物の分解等に紫外線（ＵＶ）を照射する方法が採用さ
れており、例えば上下水の浄化処理や殺菌処理の分野で
は、浄化・殺菌しようとする水に紫外線照射ランプから
紫外線を照射する手段が用いられている。この紫外線照
射用の光源としては、低圧水銀ランプが知られている。

【０００３】低圧水銀ランプは、発光管バルブの両端に
フィラメント電極を封装してあるとともに、内部に所定
量の水銀とアルゴン等の希ガスを封入した構造をなして
おり、発光管を構成するバルブ材料が遠紫外線の透過性
に優れた石英ガラスを用いている点、およびけい光体被
膜を備えていない点で、一般照明用けい光ランプとは構
造が異なる。しかし、その他の点では一般照明用けい光
ランプと同様な構造をなしており、かつ同様な放電現象
を奏する。このような低圧水銀ランプは、放電により発
光管内の水銀原子が電離および励起され、この時に水銀
共鳴線である１８５nmおよび２５４nmの紫外線を放射
し、この紫外線が発光管の管壁を透過して外部に放出さ
れるようになっている。

【０００４】開発初期の低圧水銀ランプは、ランプ電流
が０．５Ａ以下であり、電極間距離の１cm当りの入力は
１Ｗ以下であり、ランプ１灯当りの全入力もせいぜい１
００Ｗ程度の低ワットであったが、最近では水の殺菌能
力や有機物の分解能力の向上が望まれ、紫外線出力の大
きな低圧水銀ランプが要求されるようになってきた。こ
のような要請に応えるため、各ランプメーカではランプ
電流を上げて高出力化したランプの開発、研究を進めて
おり、この結果、最近ではランプ電流が１Ａ以上、例え
ば５〜１０Ａ、単位電極間距離入力５Ｗ／cm以上の低圧
水銀ランプも実現されるようになってきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような高出力形紫外線放射用の低圧水銀ランプは、初期
出力が向上するものの、ランプ電流が増加するに応じて
点灯時間の経過に伴う光束維持率が大幅に低下してしま
うという問題が残っている。すなわち、高出力の低圧水
銀ランプは、数１００時間の点灯によりバルブが黒化し
てしまい、この黒化のためにバルブ内で発生した紫外線
が管壁を透過するのを妨げられ、紫外線出力が低下する
傾向がある。

【０００６】発光管が黒化する原因は発光管の内面に不
純物が付着することによることは知られている。本発明
者らは発光管の内面に付着する不純物について分析した
ところ、黒化の原因となる不純物は、水銀と酸素の化合
物である酸化水銀（ＨｇＯやＨｇＯ₂ ）であることを尽
きとめた。しかし、酸化水銀を構成する一方の物質であ
る水銀は発光金属として意図的に発光管に封入されたも
のであるが、他方の物質である酸素は意図的に封入した
ものではなく、点灯中に発光管内に不所望に放出された
ものである。

【０００７】そこで、酸素の発生源を調査したところ、
発光管を構成する石英である酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）が点
灯中の高温度で分解して酸素が放出されるか、電極に塗
着されているバリウムＢａ、ストロンチウムＳｒ、カル
シウムＣａの酸化物を主体とする電子放射物質（エミッ
タ）が電子放出作用により分解されて酸素が放出される
か、のどちらかであると推察される。ところが、黒化物
の生成速度を調べると、ランプ電流と相関関係があるこ
とが判り、ランプ電流が高くなるにつれて黒化の発生速
度が早くなることが確認された。この結果、酸素の発生
原因は、電極に塗着されているエミッタから放出される
酸素によるものと推察される。

【０００８】しかしながら、エミッタ、例えば酸化バル
ウムＢａＯは、電子を放出する作用を期待して電極に塗
布されているものであり、これが電子を放出する場合に
ＢａＯを分解する宿命にあり、よってエミッタを用いる
限り酸素の放出は避けられない。しかも、現在の技術で
は、低圧水銀ランプに適用することができて大電流を放
出することができるエミッタとしては、バリウムＢａ、
ストロンチウムＳｒ、カルシウムＣａの酸化物以外の材
料は存在しない。

【０００９】すなわち、現時点では、酸化水銀（ＨｇＯ
やＨｇＯ₂ ）の発生を防止する手段は見当たらないこと
が問題である。本発明はこのような事情にもとづきなさ
れたもので、その目的とするところは、発光管バルブの
黒化を防止し、長期に亘り紫外線出力を高く維持するこ
とができる低圧水銀ランプおよびこれを用いた紫外線照
射装置を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１の低圧水銀ランプは、石英ガラスよりなる発光
管の両端に電極を封装するとともに、この電極に電子放
射物質を付着し、上記発光管内に水銀および希ガスを封
入し、ランプ電流Ｉ（Ａ）が１Ａ以上である低圧水銀ラ
ンプにおいて、上記電極間に位置する発光管の内表面積
をＳ（cm² ) とした場合、上記ランプ電流Ｉと上記内表
面積Ｓとの関係をＳ≧５０×Ｉ＋１５００としたことを特徴とする。

【００１１】請求項２の低圧水銀ランプは、上記電子放
射物質は酸化バリウムＢａＯを主体とする酸化物である
ことを特徴とする。請求項３の低圧水銀ランプは、上記
発光管の径が４０mm以下であることを特徴とする。請求
項４の紫外線照射装置は、請求項１ないし請求項３のい
ずれかに記載の低圧水銀ランプを光源として使用したこ
とを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明者らは、点灯中に生成される酸化水銀は
電極間のバルブ内面に均一に付着することに着目し、バ
ルブの内表面積を大きくすれば単位面積当りの付着量が
少なくなり、すなわち稀薄になり、紫外線遮断作用が低
減されるものと考えた。しかも、エミッタから放出され
る酸素量はランプ電流によって決まることから、すなわ
ち生成される酸化水銀量もランプ電流によって決まるの
で、ランプ電流と電極間のバルブ内表面積との関係を調
べれば、ランプ寿命中に規定量以上の酸化水銀が付着し
ない条件を設定できるものと推測した。

【００１３】ランプ寿命と紫外線放出維持率との関係
は、市場の要求により以下のように決定することができ
る。すなわち、ランプ寿命は、連続点灯した場合に１年
間の点灯が可能であることが求められており、したがっ
てランプ寿命は８５００時間と設定する。そして、紫外
線放出維持率は、ランプの末期になっても初期光束の５
０％以上であることが必要とされている。したがって、
８５００時間点灯しても、紫外線出力は５０％以下に低
下しないことを要する。

【００１４】本発明者らは、このような条件を満足する
ために種々の実験、研究を重ねた結果、ランプ電流Ｉと
電極間のバルブ内表面積Ｓとの関係をＳ≧５０×Ｉ＋１５００にすればよいことを見出だした。

【００１５】したがって、請求項１および請求項２の低
圧水銀ランプは、８５００時間点灯しても紫外線出力は
５０％以下に低下しないランプとなる。請求項３の低圧
水銀ランプは、発光管の内表面を太くする場合、内径の
最大値を規制するから、放電が安定する。請求項４の紫
外線照射装置は、長寿命の低圧水銀ランプを光源として
使用したので、多量の紫外線を長期に亘り出力すること
ができる。

【００１６】

【実施例】以下本発明について、図１に示す一実施例に
もとづき説明する。図面は低圧水銀ランプ１を水の浄化
装置としての紫外線照射装置の光源に用いた例を示し、
１０は浄化槽、２０はこの浄化槽１０に浸漬された冷却
管である。冷却管２０は遠紫外線を透過する石英ガラス
により構成されており、内部が窒素、アルゴンなどのよ
うな不活性ガスの雰囲気に保たれている。そして、この
冷却管２０内には線照射光源としての低圧水銀ランプ１
が収容されている。

【００１７】低圧水銀ランプ１を説明すると、図中２は
合成石英ガラスからなる発光管バルブであり、この発光
管２はＵ字形をなしており、両端部はステム３、３によ
り封止されている。なお、ステム３、３は合成石英ガラ
スにより構成される場合と、他のガラスにより構成され
る場合がある。これらステム３、３にはフィラメントか
らなる電極４、４が取付けられており、これら各フィラ
メント電極４、４は、それぞれ一対のウエルズ５…に架
設されている。これらウエルズ５…はステム１１を気密
に貫通して外部に導出されている。電極４、４にはバリ
ウムＢａ、ストロンチウムＳｒ、カルシウムＣａの酸化
物を主体とするエミッタ（図示しない）が塗着されてい
る。

【００１８】上記発光管２のＵ字形に曲げられた屈曲部
には細管６が接続されており、この細管６にはアマルガ
ム７が収容されている。上記紫外線照射装置では、ラン
プ１の点灯中に発光管２の管壁温度は１５０〜２００℃
にも達するので、発光管２から細管６を突出してアマル
ガム７を収容することにより、細管６の温度を水銀の最
適動作温度の４０℃前後に維持し、発光管２内の水銀蒸
気圧を最適に保つようになっている。なお、冷却管１は
水と接しているので水の温度、例えば２０℃程度に維持
されている。上記発光管２内には上記アマルガム７のほ
かに、アルゴンなどの希ガスが封入されている。

【００１９】実施例のランプの具体的数値を説明する。
実施例の水処理用紫外線放出低圧水銀ランプ１は、定格
入力が１ｋＷであり、内径２．７cm、放電空間の断面積
５．７cm² 、電極間距離２４６cm、電極間の発光管内面
積Ｓが２０８６cm² に設定されている。そして、点灯中
のランプ電流Ｉは７．０Ａ（したがって電流密度は１．
４３Ａ／cm² ）に設定されている。

【００２０】このような構成の低圧水銀ランプ１は、こ
れを点灯すると電極４，４間の放電により発光管２内の
水銀原子が電離および励起され、この時に水銀共鳴線で
ある１８５nmおよび２５４nmの紫外線を放射し、この紫
外線は発光管２および冷却管２０の管壁を透過して外部
に放出される。このため、浄化槽１０の水を紫外線によ
り浄化、殺菌する。

【００２１】上記構成の低圧水銀ランプ１は、発光管２
の内径が２．７cm、電極間距離２４６cm、電極間の発光
管内面積Ｓが２０８６cm² に設定されているとともに、
点灯中のランプ電流Ｉが７．０Ａに設定されているの
で、点灯８５００時間を経過しても、紫外線放射率を５
０％以上に保つことができる。

【００２２】すなわち、図２は種々の低圧水銀ランプ１
を試作し、ランプ電流と電極間の発光管内面積Ｓとの関
係から、点灯８５００時間を経過しても紫外線放射率を
５０％以上に保つことができる領域を実験により求めた
ものである。同図から、Ｓ≧５０×Ｉ＋１５００（１）を満足すれば、点灯８５００時間を経過しても紫外線放
射率を５０％以上に保つことができることを知り得た。

【００２３】そして、図１のランプは電極間の発光管内
面積Ｓが２０８６cm² であり、５０×Ｉの値は３５０で
あるから１５００を加えても１８５０であり、したがっ
て右辺より左辺が大きいから（１）式を満足する。この
結果、寿命末期に至るまで紫外線出力を高いレベルに保
つことができるものである。

【００２４】なお、本発明の低圧水銀ランプは、一般照
明用のけい光ランプとは使用するランプ電流の領域が大
幅に異なる。つまり、けい光ランプの場合は、ランプ電
流が０．２〜０．５Ａ程度であり、この程度のランプ電
流であればエミッタの分解による酸化水銀の生成は生じ
ない、または極少ないので、本発明の対象から外れる。
エミッタの分解による酸化水銀の生成は、図３に示すよ
うに、ランプ電流が１．０Ａを越える場合に顕著に発生
するものであり、したがって本発明はランプ電流が１．
０Ａを越えるランプに適用して有効である。

【００２５】なお、発光管２の表面積を増す場合、発光
管２の径を太くすることもあるが、発光管２の径を大き
くすると放電空間の断面積が増す。しかし放電空間の断
面積は、これを幾らでも増大できるものではなく、実質
的に放電空間の断面積が１２．０cm² を越えると、いか
なるランプ電流を流しても放電は安定せず、安定した放
電を維持するのが困難である。この点から、発光管の径
は４０mm以下、つまり放電空間の断面積は１２．０cm²
以下の範囲で使用する必要がある。

【００２６】なお、本発明は上記実施例に制約されるも
のではない。すなわち、低圧水銀ランプ１はＵ字形に限
らず、直管形であってもよい。また、本発明の低圧水銀
ランプは、水の浄化、殺菌用の紫外線照射装置の光源に
用いることに限定されるものではなく、その他、物質表
面の洗浄、灰化などの技術分野、または気体や水以外の
液体の浄化、殺菌などの分野で用いられる紫外線照射装
置の光源として用いることもできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１および請求
項２の低圧水銀ランプによれば、ランプ電流に応じて発
光管の内表面積を大きくする傾向で規制したので、発光
管バルブの黒化を防止し、８５００時間点灯しても紫外
線出力を５０％以上に保つことができ、黒化による寿命
特性の低下を防止することができる。

【００２８】また、請求項３の低圧水銀ランプは、発光
管の内表面を太くする場合に内径の最大値を規制するか
ら、安定した放電が保たれる。また、請求項４の紫外線
照射装置は、上記長寿命の低圧水銀ランプを光源として
使用するので、多量の紫外線を長期に亘り出力すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る水浄化用紫外線照射装
置の概略的構成を示す断面図。

【図２】ランプ内表面積Ｓとランプ電流Ｉとの関係を示
す特性図。

【図３】点灯８５００時間で黒化による寿命に達する割
合とランプ電流Ｉとの関係を示す特性図。

【符号の説明】

１…低圧水銀ランプ２…発光管
３…ステム４…フィラメント電極５…ウエルズ
６…細管７…アマルガム１０…浄化槽２０…冷却管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石英ガラスよりなる発光管の両端に電極
を封装するとともに、この電極に電子放射物質を付着
し、上記発光管内に水銀および希ガスを封入し、ランプ
電流Ｉ（Ａ）が１Ａ以上である低圧水銀ランプにおい
て、上記電極間に位置する発光管の内表面積をＳ（cm² ) と
した場合、上記ランプ電流Ｉと上記内表面積Ｓとの関係
をＳ≧５０×Ｉ＋１５００としたことを特徴とする低圧水銀ランプ。
【請求項２】上記電子放射物質は酸化バリウムＢａＯ
を主体とする酸化物であることを特徴とする請求項１に
記載の低圧水銀ランプ。
【請求項３】上記発光管の径は４０mm以下であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の低圧水銀
ランプ。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の低圧水銀ランプを光源として使用したことを特徴と
する紫外線照射装置。