JPH1027578A - 無電極放電ランプ、無電極放電ランプ点灯装置、紫外線照射装置および流体処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】無電極放電ランプから紫外線を効率よく放射で
きるようにする。 【解決手段】密閉された放電空間を囲む円筒状の外囲器
１１の内径たる幅をＤ（cm）、外囲器１１の外周に巻回
された誘導結合コイル１３の巻き線ピッチをＬ（cm）、
放電空間に封入された放電媒体の希ガス圧をＰとしたと
き、０．０２＜Ｐ^1/3 Ｌ／Ｄ＜２となるように構成する
ことにより、無電極放電のエネルギを効率よく紫外線放
射に転換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導結合放電によ
り発光する無電極放電ランプ、このランプを点灯する無
電極放電ランプ点灯装置及びこれらを用いた紫外線照射
装置、流体処理装置に関し、特に発光効率を向上させた
無電極放電ランプなどに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の無電極放電ランプとしては、例え
ば特開平２−３７６６０号公報、あるいは実開平４−１
２２５２号公報に開示されているものが知られている。
特開平２−３７６６０号公報に記載された無電極放電ラ
ンプは図７に示すように、密閉円筒状の外囲器１の中心
に軸方向に流体処理部としての流水導管２が貫通して構
成されている。外囲器１の両端面の流水導管２が貫通す
る孔の内周と流水導管２の外周とは気密に閉塞されてお
り、外囲器１の内周と流水導管２の外周との間には円筒
状の放電空間３が形成されており、放電空間３内には希
ガス及び水銀が封入されている。

【０００３】外囲器１の外周にはリボン状のコイル４が
巻回されており、コイル４に高周波電圧を印加すること
により放電空間３で放電が生起し、電気エネルギーを紫
外線に変換することができる。この紫外線により流水導
管２内を流れる流水の殺菌などを行う。

【０００４】実開平４−１２２５２号公報に記載された
無電極放電ランプは図８に示すように、図７に示すもの
とほぼ同様の構成であるが、単にランプの放射光を光源
として利用するものである。従って、流水殺菌を目的と
したものでなく、流水導管２内を流れる水はランプを冷
却するために用いられる。また放電モードはマイクロ波
点灯であることから図７に示すようなコイルは巻回され
ておらず、誘導結合型コイル駆動の場合の印加電圧の周
波数の２桁も大きい周波数で点灯される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図７に示
す従来の無電極放電ランプにおいては、リボン状のコイ
ル４を外囲器１の外周に巻回しているため、放電空間３
から放射される紫外線はコイル４の内面で反射される。
しかし反射された紫外線放射は放電空間３に存在する水
銀原子に大部分が自己吸収され、流水導管２側にほとん
ど出射されない。すなわち放電空間３から流水導管２に
向って直接放射される紫外線のみが有効となるので、ラ
ンプの効率が低くなる欠点があった。

【０００６】一方、図８に示す従来の無電極放電ランプ
においては、放電モードが周波数の高いマイクロ波点灯
であることから、空洞共振器が必要になり、装置が大型
化する欠点があった。また、空洞共振器を用いない場合
には、マイクロ波電力は空中へ放射される割合が高くな
り、ランプへの電力投入効率が低くなる。

【０００７】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、無電極放電のエネルギーを効率よく紫外線放射
に転換することのできる無電極放電ランプ、この無電極
放電ランプを点灯する無電極放電ランプ点灯装置、この
無電極放電ランプ及び点灯装置を備えた紫外線照射装
置、この紫外線照射装置を有する流体処理装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の無電極
放電ランプは、密閉された放電空間を有する外囲器と、
外囲器に封入された少くとも希ガス及び水銀を有する放
電媒体と、放電空間外に巻回され放電空間にエネルギを
伝達する誘導結合コイルとを具備し、誘導結合コイルの
軸線に直交する面で切断したときの放電空間の放電路の
幅Ｄ（cm）、誘導結合コイルの巻き線ピッチＬ（cm）、
封入希ガス圧Ｐ（ｍｍＨｇ）は、０．０２〈Ｐ^1/3 Ｌ／
Ｄ〈２なる関係に構成されている。

【０００９】請求項２の発明の無電極放電ランプは、放
電空間を囲む外囲器の内面を、紫外線透過性セラミック
で被覆した。

【００１０】請求項３の発明の無電極放電ランプは、放
電空間を囲む外囲器の外面を、紫外線透過フッ素樹脂で
被覆した。

【００１１】請求項４の発明の無電極放電ランプ点灯装
置は、請求項１乃至３いずれか一記載の無電極放電ラン
プと、誘導結合コイルに高周波電圧を印加する点灯手段
とを具備している。

【００１２】請求項５の発明の紫外線照射装置は、請求
項１乃至３いずれか一記載の無電極放電ランプと、請求
項４記載の無電極放電ランプ点灯装置とを具備してい
る。

【００１３】請求項６の発明の流体処理装置は、処理さ
れる流体と、この流体が流入排出され請求項５記載の紫
外線照射装置が内挿された流体処理部とを具備してい
る。

【００１４】請求項７の発明の流体処理装置は、放電空
間を囲む外囲器は密閉円筒状に形成され、誘導結合コイ
ルは外囲器外周に巻回され、処理される流体は外囲器の
外面を流通する。

【００１５】請求項８の発明の流体処理装置は、放電空
間を囲む外囲器は二重円筒状に形成され、誘導結合コイ
ルは中心側の円筒部内に装着され、処理される流体は外
囲器の外面を流通する。

【００１６】請求項９の発明の流体処理装置は、放電空
間を囲む外囲器は二重円筒状に形成され、誘導結合コイ
ルは外囲器外周に巻回され、処理される流体は外囲器の
外面及び中心側の円筒部内の少くとも一方を流通する。

【００１７】請求項１０の発明の流体処理装置は、光半
導体を流体処理部内の無電極放電ランプの放射光が到達
する範囲に設置した。

【００１８】本発明者らが行った実験結果によると、請
求項１に記載した通り、放電空間の放電路の幅Ｄ、誘導
結合コイルの巻き線ピッチＬ、封入希ガス圧Ｐを０．０
２〈Ｐ^1/3 Ｌ／Ｄ〈２なる関係を有するように構成した
ときに、放電効率が向上することが判明した。

【００１９】請求項２の発明においては、外囲器の内面
を紫外線透過性セラミックで被覆したので、水銀イオン
が外囲器の構成材料、例えば石英などに打ち込まれて黒
くなり、紫外線放射効率が低下することを防止できる。

【００２０】請求項３の発明においては、外囲器の外面
を、紫外線透過フッ素樹脂で被覆したので、外囲器の外
面が滑らかになり、処理流体中の有機物などが外面に付
着しにくくなる。

【００２１】請求項４乃至９の各発明においては、請求
項１乃至３いずれか一記載の無電極放電ランプを用いて
点灯装置、紫外線照射装置、流体処理装置を構成したの
で、それぞれ放電効率、紫外線照射効率、流体処理効率
が向上する。

【００２２】請求項１０の発明においては、光半導体を
流体処理部の無電極放電ランプの放射光が到達する範囲
に設置したので、光半導体に放射光が到達することによ
り光電子が発生し、処理流体中の酸素を活性化して光触
媒作用効果が得られる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の無電極放電ランプ
の第１の実施の形態の構成を示す一部切欠正面図、図２
は図１のランプに点灯手段としての高周波発生装置及び
整合器を接続した紫外線照射装置の構成を示すブロック
図である。

【００２４】図１において、紫外線を透過する石英また
はセラミックで密閉円筒状に形成された内径Ｄ（cm）の
外囲器１１内には放電空間１２が形成されており、放電
空間１２内には圧力Ｐ（mmＨｇ）の希ガスとしてのアル
ゴンと水銀約３０mgが封入されている。外囲器１１の外
周には、直径２mmの銅線の表面をフッ素樹脂の一つであ
るテフロンで被覆して構成された誘導結合コイル１３が
ピッチＬ（cm）で巻回されている。銅線の表面をテフロ
ンで被覆する目的は、下水・汚水・廃水などの処理流体
から銅線を保護することにある。

【００２５】図２において、誘導結合コイル１３の両端
はインピーダンス整合回路である整合器２１を介して同
軸ケーブル２３により高周波発生装置２２及び商用電源
（例えば１００Ｖ５０サイクル）２４に接続されてい
る。そして電源２４から供給される電流は高周波発生装
置２２により例えば１３．５６ＭＨz の短波周波数の交
番電流に変換され、同軸ケーブル２３を介して整合器２
１へ伝達され、整合器２１で誘導結合コイル１３とのイ
ンピーダンス整合が取られ、誘導結合回路としてのコイ
ル１３へと伝達されて、無電極放電ランプ２５に放電の
ための電磁気的エネルギが伝達される。

【００２６】上記のように構成された紫外線照射装置を
用い、外囲器１１の内径Ｄ、封入ガス圧Ｐ、コイルピッ
チＬを変えて放電広がり及び始動性の良否を判定した実
験結果を表１及び図３に示す。

【表１】 表１及び図３から明らかなように、Ｄ，Ｌ，Ｐの間に下
記の式（１）に示す関係がある場合に、無電極放電ラン
プ２５全体に肉厚パイプ状のプラズマを有する放電が生
起し、効率よく電気エネルギを紫外線に変換することが
できる。 ０．０２＜Ｐ^1/3 Ｌ／Ｄ＜２……（１）

【００２７】式（１）において、コイルピッチＬが長く
なるとコイルの巻き線間相互の結合が弱まり、磁界が１
巻きの巻線の周りを取り巻き、隣りのコイルに到達しな
い。従って誘導結合放電を十分に生起することができ
ず、コイル巻き線の存在する部分の近傍空間のみに放電
プラズマが形成され、むらな放電発光を呈するものと推
定される。この現象は放電空間１２を囲む外囲器１１の
内径、すなわち放電路の幅Ｄに対してほぼ反比例的な関
係が存在するものと推定される。すなわちコイルピッチ
Ｌが長くても放電路の幅Ｄが大きい場合にはむらな放電
発光は少なくなる。

【００２８】また、封入ガス圧力Ｐについては、公知の
ようにガス圧が高いと放電プラズマは集中しやすい。従
ってガス圧は低圧の方が安定して放電空間内に均一な広
がりを見せる。一方、ガス圧が低すぎると放電開始のた
めの誘導結合コイル電圧が高くなり、また放電を維持す
るためのコイル電圧も高くなるので、封入ガス圧力Ｐと
外囲器の内径あるいは放電路の幅Ｄとの間に下記式
（２）に示す関係があれば、無電極放電ランプの起動動
作を容易に行うことができる。 ０．０５＜ＰＤ＜１００……（２）

【００２９】但し、この関係は回路からの出力電流の大
きさにより変るものであり、一概に規定できるものでは
ない。

【００３０】図４は本発明の無電極放電ランプの第２の
実施の形態の構成を示す一部切欠正面図である。第２の
実施の形態は第１の実施の形態における外囲器１１内に
軸方向に内管３１を貫通して挿入して二重円筒状とし、
中心側の円筒部である内管３１内に誘導結合コイル１３
を装着したものである。外囲器１１の両端面に形成され
内管３１が挿通される孔部の内周と内管３１の外周との
間は密閉され、外囲器１１の内周と内管３１の外周との
間に放電空間１２が形成されている。

【００３１】本実施の形態においても、放電空間１２の
放電路の幅Ｄ、誘導結合コイルの巻き線ピッチＬ、封入
ガス圧Ｐを式（１）に示す関係に構成することにより、
同様の効果が得られる。

【００３２】図５は本発明の無電極放電ランプの第３の
実施の形態の構成を示す一部切欠正面図である。第３の
実施の形態は第２の実施の形態と同様に外囲器１１を二
重管構造とし、外囲器１１の外周に第１の実施の形態と
同様に誘導結合コイル１３を巻回し、誘導結合コイル１
３を巻回した側の外囲器１１に沿って矢印Ａで示される
流体を流通させると共に内管３１内にも矢印Ｂで示され
る処理流体を流通させるようにしたものである。放電空
間１２は外囲器１１の内周と内管３１の外周との間に形
成される。

【００３３】本実施の形態においても、放電空間の放電
路の幅Ｄ、誘導結合コイルの巻き線ピッチＬ、封入ガス
圧Ｐを式（１）に示す関係に構成することにより、同様
の効果が得られる。

【００３４】上記各実施の形態において、誘導結合コイ
ル１３の発生する電磁界により管内プラズマ中を誘導電
流が流れるため、誘導結合コイル１３によりＨｇイオン
が管構成材料、例えば石英などに打ち込まれる。この結
果管内表面が黒くなり、紫外線放射効率が低下するなど
の問題が生じる。この問題は外囲器の管内表面をアルミ
ナなどの紫外線透過性セラミックで被覆することで解決
される。

【００３５】また上記各実施の形態で示した無電極放電
ランプを上下水、処理水、廃水などの気体中に配置し、
殺菌などの流体処理を行う場合、水中の残存無機物や有
機物が管壁に付着して取りにくくなることがある。この
問題は外囲器の外側表面をテフロンなどの紫外線透過フ
ッ素樹脂で被覆することで表面が滑らかになり解決さ
れ、清掃間隔を長くすることができる。

【００３６】また、誘導結合型放電では、コイル近傍に
放電が誘導されるので、コイル側にプラズマが濃く集り
やすい。このため無電極放電ランプにより流体処理を行
う場合、流体はコイルを巻回している側に流通させた方
が、紫外線による殺菌などの処理効果を高めることがで
きる。図１及び図５に矢印Ａで示す流体の流れは、それ
ぞれ誘導結合コイル１３に沿っている。また図４に示す
ように誘導結合コイル１３を放電空間１２の中心に配置
しても放電効果を高めることができる。さらに図５に示
すように外囲器１１を二重管構造とし、ランプの内外面
にそれぞれ矢印Ａ，Ｂで示すように流体を流した方がさ
らに効果的であることは云うまでもない。

【００３７】図６は、図５に示す無電極放電ランプと図
２に示す点灯装置とを備えた紫外線照射装置を用いて流
体処理を行う流体処理装置の一例の構成を示す一部切欠
正面図である。図６において、流体処理部である導水パ
イプ４１内に２個の図５に示す無電極放電ランプ４２
が、軸方向を導水パイプ４１の軸方向に一致させて配置
されている。無電極放電ランプ４２の外囲器１１の外周
に巻回された誘導結合コイル１３の両端は、それぞれ外
周が絶縁されたコイル導入線４３を介して整合器２１に
接続されている。またコイル導入線４３は導水パイプ４
１の管壁に固定されており、ランプ４２はコイル導入線
４３を介して導水パイプ４１に保持されている。整合器
２１は同軸ケーブル２３を介して高周波発生装置２２に
接続されている。

【００３８】高周波発生装置２２に電源２４から例えば
１００Ｖ５０サイクルの電圧が供給されると、高周波発
生装置２２から１３．５６ＭＨz の高周波が整合器２１
を介して無電極放電ランプ４２に印加され、二重管構造
の外囲器１１の外周及び内管３１の内周から紫外線が放
射される。そして導水パイプ４１内を矢印Ａの方向に流
れる処理流体４４が外囲器１１の外周及び内管３１の内
周に沿って流通するとき、処理流体４４の殺菌などの処
理が行われる。

【００３９】導水パイプ４１の内壁面で放電ランプ４２
の放射光が到達する範囲には、光半導体であるＴｉＯ2
の膜４５が貼付されている。ＴｉＯ2 の膜４５に紫外線
や青可視光の放射光が当ると光電子が生じ、処理流体４
４中の酸素を活性化してオゾンなどにしてしまう。この
オゾンが有機物を分解する光触媒作用を有し、有機物が
効果的に分解される。

【００４０】上記各実施の形態において、誘導結合コイ
ル１３を外囲器１３の外周または内周に密着して巻回し
た例を示したが、外囲器１１との間に空間を持たせて巻
回してもよい。または複数の無電極放電ランプを１本の
誘導結合コイルで巻回してもよい。これらの場合でも式
（１）に示す関係に構成することにより、放電効率を向
上させることができる。また図６に示す無電極放電ラン
プ４２は図１に示す構造のものであってもよく、本数も
２本に限定されない。さらに高周波発生装置２２が発生
する高周波の周波数を１３．５６ＭＨz としたが、これ
に限定されるものではなく、例えば２．６５ＭＨz など
誘導結合により電磁気エネルギが効果的に結合伝達され
る周波数ならば、何れでもよいことは明らかである。

【００４１】

【発明の効果】請求項１及び４乃至９の発明によれば、
無電極放電ランプの放電空間の幅Ｄ（cm）、誘導結合コ
イルの巻き線ピッチＬ（cm）、封入希ガス圧Ｐ（mmＨ
ｇ）は０．０２＜Ｐ^1/3 Ｌ／Ｄ＜２に構成されているの
で、放電が放射空間全体にほぼ一様に形成され、特定場
所に集中しないので無電極放電のエネルギーを効率よく
紫外線放射に転換することができる。

【００４２】請求項２の発明によれば、放電空間を囲む
外囲器の内面を、紫外線透過性セラミックで被覆したの
で、外囲器内面の黒化を防ぎ、紫外線放射効率の低下を
防止することができる。

【００４３】請求項３の発明によれば、放電空間を囲む
外囲器の外面を、紫外線透過フッ素樹脂で被覆したの
で、外囲器外面が滑らかになり、処理流体中の有機物な
どが外面に付着しにくくなる。

【００４４】請求項１０の発明によれば、流体処理部内
の無電極放電ランプの放射光が到達する範囲に光半導体
を設置したので、光半導体に放射光が到達することによ
り光電子が発生し、処理流体中の酸素を活性化し、光触
媒作用効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の無電極放電ランプの第１の実施の形態
の構成を示す一部切欠正面図。

【図２】図１のランプに点灯装置を接続した紫外線照射
装置の構成を示すブロック図。

【図３】外囲器の内径である幅Ｄ、コイル巻き線ピッチ
をＬ、封入希ガス圧をＰとしたとき、Ｐ^1/3 Ｌ／Ｄと放
電広がり良否との関係の実験結果を示す線図。

【図４】本発明の無電極放電ランプの第２の実施の形態
の構成を示す一部切欠正面図。

【図５】本発明の無電極放電ランプの第３の実施の形態
の構成を示す一部切欠正面図。

【図６】図５の無電極放電ランプと図２の点灯装置とを
備えた紫外線照射装置を用いた流体処理装置の構成を示
す一部切欠正面図。

【図７】従来の無電極放電ランプの一例の構成を示す一
部切欠正面図。

【図８】従来の無電極放電ランプの他の一例の構成を示
す一部切欠正面図。

【符号の説明】

１１ 外囲器 １２ 放電空間 １３ 誘導結合コイル ２１ 整合器（点
灯手段） ２２ 高周波発生装置（点灯手段） ２４ 電源（点灯
手段） ３１ 内管 ４１ 導水パイプ
（流体処理部） ４４ 流体 ４５ ＴｉＯ₂ の
膜（光半導体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 空閑 圭介 東京都品川区東品川四丁目３番１号 東芝 ライテック株式会社内 (72)発明者 垣谷 勉 東京都品川区東品川四丁目３番１号 東芝 ライテック株式会社内 (72)発明者 横関 一郎 東京都品川区東品川四丁目３番１号 東芝 ライテック株式会社内 (72)発明者 上村 幸三 東京都品川区東品川四丁目３番１号 東芝 ライテック株式会社内 (72)発明者 川鶴 滋久 東京都品川区東品川四丁目３番１号 東芝 ライテック株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉された放電空間を有する外囲器と；
   外囲器に封入された少くとも希ガス及び水銀を有する放
   電媒体と；放電空間外に巻回され放電空間にエネルギを
   伝達する誘導結合コイルと；を具備し、 誘導結合コイルの軸線に直交する面で切断したときの放
   電空間の放電路の幅Ｄ（cm）、誘導結合コイルの巻き線
   ピッチＬ（cm）、封入希ガス圧Ｐ（ｍｍＨｇ）は、 ０．０２〈Ｐ^1/3 Ｌ／Ｄ〈２ なる関係に構成されていることを特徴とする無電極放電
   ランプ。
2. 【請求項２】 放電空間を囲む外囲器の内面を、紫外線
   透過性セラミックで被覆したことを特徴とする請求項１
   記載の無電極放電ランプ。
3. 【請求項３】 放電空間を囲む外囲器の外面を、紫外線
   透過フッ素樹脂で被覆したことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の無電極放電ランプ
4. 【請求項４】 請求項１乃至３いずれか一記載の無電極
   放電ランプと；誘導結合コイルに高周波電圧を印加する
   点灯手段と；を具備していることを特徴とする無電極放
   電ランプ点灯装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３いずれか一記載の無電極
   放電ランプと；請求項４記載の無電極放電ランプ点灯装
   置と；を具備していることを特徴とする紫外線照射装
   置。
6. 【請求項６】 処理される流体と；この流体が流入排出
   され請求項５記載の紫外線照射装置が内挿された流体処
   理部と；を具備していることを特徴とする流体処理装
   置。
7. 【請求項７】 放電空間を囲む外囲器は密閉円筒状に形
   成され、 誘導結合コイルは外囲器外周に巻回され、処理される流
   体は外囲器の外面を流通することを特徴とする請求項６
   記載の流体処理装置。
8. 【請求項８】 放電空間を囲む外囲器は二重円筒状に形
   成され、 誘導結合コイルは中心側の円筒部内に装着され、処理さ
   れる流体は外囲器の外面を流通することを特徴とする請
   求項６記載の流体処理装置。
9. 【請求項９】 放電空間を囲む外囲器は二重円筒状に形
   成され、 誘導結合コイルは外囲器外周に巻回され、処理される流
   体は外囲器の外面及び中心側の円筒部内の少くとも一方
   を流通することを特徴とする請求項６記載の流体処理装
   置。
10. 【請求項１０】 光半導体を流体処理部内の無電極放電
    ランプの放射光が到達する範囲に設置したことを特徴と
    する請求項６乃至９いずれか一記載の流体処理装置。