JPH11265687A

JPH11265687A - 多重管形放電灯および光化学反応装置

Info

Publication number: JPH11265687A
Application number: JP6838998A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Suzuki; 克彦鈴木; Tsugio Yashiro; 次男八城; Akihiro Yonezawa; 昭弘米沢; Hiromoto Sasaki; 博基佐々木; Akira Sugawara; 昭菅原
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp; Toray Industries Inc
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp; Toray Industries Inc
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光化学反応における高効率化を目的に、特に
６００〜７００ｎｍの波長域のフォトン数を高効率で放
射する多重管形大電力放電灯および光化学反応装置を提
供しようとするものである。【解決手段】内径Ｄが２０ｍｍ以上、長さが０．５〜
４．０ｍの透光性セラミックスからなる管状バルブ２１
の両端部にＬｃｍの離間距離を隔てて電極５，５を対向
配設するとともに、このバルブ２１内にバルブ内容積当
り０．６ｍｇ／ｃｃ以上でナトリウムの含有比率がＭ重
量％のナトリウムアマルガムを封入して構成した発光管
２を、外管３，４内に収容支持させ、かつ、ランプ電圧
Ｖで点灯する放電灯１において、上記ランプ電圧Ｖ、電
極離間距離Ｌ、バルブ内径Ｄやナトリウムの含有比率Ｍ
などの関係を規制数式化した多重管形放電灯１およびこ
の放電灯１を収容した光化学反応装置８である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光化学反応等の主と
して産業用に使用される、大電力の多重管形高圧金属蒸
気放電灯およびこの放電灯を用いた光化学反応装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】高圧ナトリウム放電灯等の高圧金属蒸気
放電灯の発光管は、耐熱性、耐圧性、耐蝕性等に優れて
いるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の透光性セラミックス材
料からなるバルブが用いられ、その両端には電極が配設
されている。そして、この発光管バルブ内には点灯中に
蒸発して所定のランプ電圧となる水銀や発光金属および
始動を容易にするためのアルゴンやキセノン等の不活性
ガスが封入されている。また、この種の放電灯は発光管
バルブの保温、給電部材やサポート部材等の金属材料の
酸化防止、有害紫外線の遮断のために外管が必要とさ
れ、外管内を真空または窒素を含む不活性ガスの雰囲気
に保ち、上記発光管をサポート部材を介し外管内に支持
させた少なくとも二重管以上の多重管構造となしてい
る。

【０００３】このような多重管形の高圧金属蒸気放電灯
の一種に、光化学反応装置等の光源として使用される放
電灯がある。これは、特定の光化学反応を促進すること
からなされたもので、放電灯は光化学反応装置内に設け
られる。この光化学反応装置は、反応液を収容した反応
槽本体内に上記光源としての高圧金属蒸気放電灯を垂直
な姿勢で浸漬するとともに外管内には反応液が侵入しな
いようになっていて、この放電灯から放射される光線に
より反応液を化学反応させ必要な物質を生成、製造す
る。

【０００４】そして、上記反応槽本体は反応効率を高め
るため深くなっていて、これに応じて発光長の大きな放
電灯が必要で、したがって、外管の長さが数十ｃｍから
数ｍに及ぶものとなるとともに十〜数十ＫＷレベルに大
電力化されたものとなる。たとえばナイロン６のモノマ
であるε−カプロラクタムは、シクロヘキサンの光ニト
ロソ化反応で生成されることが知られている。上記反応
で光はＮＯＣｌ（塩化ニトロシル）の解離に消費され、
ここでＮＯＣｌの解離エネルギーは約３８ｋＣａｌ／ｍ
ｏｌである。

【０００５】したがって、理論的には約３８ｋＣａｌ／
ｍｏｌ以上のエネルギー、つまり７５０ｎｍ以下の波長
のフォトン（光子）であれば反応に寄与するものの、長
波長側のフォトンは反応液中を透過して吸収され難いた
め、有限の液層厚みをもつ実際の反応槽においては、７
００ｎｍ以下の波長の光が有効とされ、４００ｎｍ未満
の短波長側のフォトンはエネルギーが強すぎて不必要な
副反応を引き起こすため不要とされている。

【０００６】また、上記反応は１個のフォトンが１個の
ＮＯＣｌ分子を解離する非連鎖反応なので工業的には４
００〜７００ｎｍの波長範囲のフォトンを大量に必要と
する。

【０００７】また、フォトン数は波長に比例するので、
例えば４００ｎｍと６００ｎｍに等しい絶対エネルギー
が存在する場合には、フォトン数においては後者は前者
の１．５倍になる。したがって、極力６００〜７００ｎ
ｍの波長範囲に放射効率の高い大電力の放電灯が望まし
い。

【０００８】この放電灯の１種として上記の高圧ナトリ
ウム放電灯があり、このランプは、５８９ｎｍのナトリ
ウムＤ線を中心に５５０〜６５０ｎｍ付近に効率よく放
射するので、高圧水銀放電灯やメタルハライド放電灯等
の他の光源よりは上記光化学反応用に適している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記高
圧ナトリウム放電灯は、ランプ入力１ｋｗ以下でバルブ
の内径も１２ｍｍ程度に過ぎない。この管径を拡大して
大電力化する技術は、たとえば特公平４−７０７４１号
公報に見られるが、いずれにしても照明用に開発された
ものであって、図１０に示す５５５ｎｍをピークとする
比視感度曲線にマッチするように考えられた放電灯であ
る。つまり、長さが数十ｃｍから数ｍに及ぶ光化学反応
用の放電灯の場合には、光化学反応に重要な６００〜７
００ｎｍの波長域には、比視感度が低いために十分関心
が払われているとはいえなかった。本発明は、光化学反
応における高効率化を目的に、特に６００〜７００ｎｍ
の波長域のフォトン数を高効率で放射する多重管形大電
力放電灯および光化学反応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】本発明の請求項１に記載
の多重管形放電灯は、内径Ｄ（ｍｍ）が２０ｍｍ以上、
長さが０．５〜４．０ｍの透光性セラミックスからなる
管状バルブの両端部にＬｃｍの離間距離を隔てて電極を
対向配設するとともに、このバルブ内にバルブ内容積当
り０．６ｍｇ／ｃｃ以上でナトリウムの含有比率がＭ重
量％のナトリウムアマルガムを封入して構成した発光管
を、外管内に収容支持させ、かつ、ランプ電圧Ｖ（ボル
ト）で点灯する放電灯において、

【数２】なる関係を有することを特徴とする。

【００１１】ランプ電圧Ｖ（ボルト）と電極間距離Ｌに
よる電位傾度および評価値Ｙとバルブ内径Ｄ、アマルガ
ムのナトリウム含有比率を勘案したものから導き出され
た実験式によって、上記数式を満足するものであれば４
００〜７００ｎｍの波長域、特に６００〜７００ｎｍの
波長域のフォトン数を高効率で放射することができる。

【００１２】この発明が適用される放電灯の発光管バル
ブは内径Ｄが２０ｍｍ以上で、全長が０．５〜４．０ｍ
の長尺のもので、長さが０．５ｍ未満のものでは電力や
重量が小さく特に本発明の技術を用いなくても不具合を
生じることがない。また、長さが４．０ｍを超えると電
極間の放電が維持できなくなって所定の出力が得られな
いという不具合がある。

【００１３】また、請求項２に記載の多重管形放電灯
は、発光管を収容した外管が、さらに一つ以上の外管内
に配設されていることを特徴とする。

【００１４】発光管を収容した外管を二重や三重にした
放電灯でも上記請求項１に記載したと同様な作用を奏す
る。

【００１５】さらに、請求項３に記載の光化学反応装置
は、上記請求項１または２に記載の多重管形放電灯から
なる光源と、この放電灯に接続した放電灯点灯装置と、
上記光源を収容する反応槽本体とを具備したことを特徴
とする。

【００１６】光化学反応装置として、上記請求項１また
は請求項２に記載された作用を奏する光源と放電灯点灯
装置とを備えているので、フォトンの放射効率が高く所
望の物質の生成や製造に高効率で安定した化学反応を得
ることができる。

【００１７】

【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は光化学反応用等の光源とし
て垂直点灯で用いられる大出力の可視光放射の多重管形
ここでは三重構造の高圧ナトリウム放電灯（高圧金属蒸
気放電灯）１を示す一部を切欠した概略正面図である。

【００１８】図中２は発光管、３は両端に封止部３１，
３１を有する石英ガラスや硬質ガラスからなる円筒状の
中管で、真空雰囲気にある内部にサポート部材（図示し
ない。）を介し発光管２を支持している。また、４は外
管で、硬質ガラスからなる長尺円筒状の下端が略半球状
に閉塞されているとともに上端を封止して、内部に上記
中管３が収容支持されているとともに窒素や不活性ガス
が封入してある。

【００１９】上記発光管２は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）
等からなる透光性セラミックス製の管状バルブ２１の両
端部に、耐熱性の接着剤を介し略円錐状をなすニオブ製
のエンドキャップ２２，２２が気密に封止接合してあ
る。また、このエンドキャップ２２を貫通して排気管を
兼ねる細管２３，２３が気密に接合され、細管２３，２
３の管状バルブ２１内部に臨む先端にはそれぞれタング
ステン線を三重に密巻きした電極５，５を支持する電極
軸（図示しない。）が固定されている。また、このバル
ブ２１内にはナトリウムと水銀からなる所定量のナトリ
ウムアマルガムおよび始動補助用のキセノンガスが封入
されている。

【００２０】なお、上記発光管１のセラミックスバルブ
２１は、可視光の拡散透過率が９４％以上または平均直
線透過率（管軸方向に２５ｃｍ間隔で、円周方向に９０
度間隔で測定）が４０％以上の範囲にある。

【００２１】また、上記外管４は封止部４１の外部に給
電部となる一対の給電ピン６１，６１を、内部にはこの
給電ピン６１，６１に接続した一対の給電体を兼ねた支
持部材６Ａ，６Ｂが設けられている。この支持部材６
Ａ，６Ｂは、それぞれ給電棒６２，６２と、この給電棒
６２，６２の先端部に取付けられた絶縁碍子６３，６３
および給電線６４，６５とからなる。

【００２２】また、上記中管３は、両端のステム（図示
しない。）との封止部３１，３１に金属板をリング状に
折曲して形成したホルダ３２，３３を嵌合して備え、図
において下方側のホルダ３３が金属板からなるＵ字形の
ばね体を十字状に組合わせた支持部材６Ｃに支承されて
外管４の内底部近くに配設されている。また、上方側の
ホルダ３２は、上記支持部材６Ａ，６Ｂの先端部との間
で中空の摺動管およびこの摺動管内に挿入した案内棒等
で構成される伸縮に対応するダンパー６６，６６と接続
している。また、上記ホルダ３２，３３の側面には、金
属板を屈曲する等して弾性が付与された外管４の内壁と
弾接する複数個のばね体（図示していない。）が設けら
れ、外管４のほぼ中心軸上に中管３が支持されるように
なっている。

【００２３】また、上記発光管２は、バルブ２１の両端
部またはエンドキャップ２２，２２に金属板で形成した
ホルダ（図示しない。）が取付けられ、中管３のほぼ中
心軸上に位置するようこのホルダ（図示しない。）部分
が中管３の両端のステム（図示しない。）に固定された
支持棒（図示しない。）に支持されている。

【００２４】そして、上記給電体を兼ねる支持部材６
Ａ，６Ｂに接続された給電線６４，６５の一方は中管３
内を通る給電線３４を介して発光管２の上方の細管２３
と、他方は中管３内を通る絶縁被覆した給電線３５を介
して発光管２の下方の細管２３と接続され、それぞれの
電極５，５に電力が供給される構造となっている。

【００２５】また、図示していないが中管３内の発光管
支持体（図示しない。）には、バリウム（Ｂａ）等から
なるリング状のゲッタが固定され、中管３内の不純ガス
を吸着するようにしている。また、発光管２のバルブ２
１または中管３の外周には、始動用の近接導体が配設さ
れて高圧ナトリウム放電灯（多重管形高圧金属蒸気放電
灯）１を構成している。

【００２６】そして、この高圧ナトリウム放電灯１は、
一対の給電ピン６１，６１に電圧を印加通電すると、給
電体を兼ねる支持部材６Ａ，６Ｂ、給電線３４，３５、
細管２３，２３を介して電極５，５に通電してこの電極
５，５間にアーク放電が起こる。そして、このアーク放
電の熱によって内部のナトリウムアマルガムが蒸発し
て、最終的には発光管１内の電極５，５の間の放電が継
続され、所定波長域での光放射が行われる。

【００２７】そして、本発明者等は上記構造の多重管形
放電灯１において、４００〜７００ｎｍの波長域で高い
フォトン数を得るため、本発明者等は種々の要因を挙げ
試験を行い、放射される１秒間当りの総フォトン数の評
価を行った。

【００２８】この総フォトン数の評価は各放電灯の分光
エネルギー分布を測定し下記式で計算した。

【００２９】総フォトン数＝Σ（４００〜７００ｎｍ）
ｄＷ・λ／（ｈ・Ｃ）ここで、ｄＷ：各波長のエネルギー（Ｊ／ｓｅｃ） λ：波長（ｎｍ）ｈ：プランクの常数で、６．６２６１７６×１０
^-34（Ｊ・ｓｅｃ）Ｃ：真空中における光速で、２．９９７９２４５８×１
０¹⁷（ｎｍ／ｓｅｃ） Σ（４００〜７００ｎｍ）：波長４００〜７００ｎｍの
総計である。

【００３０】試験は、発光管２の管状バルブ２１の内径
が２０ｍｍ以上の種々径、具体的には２０ｍｍ，２４ｍ
ｍ，３６ｍｍ，４２ｍｍ，４８ｍｍの５種類で、長さが
１００ｃｍ、電極間距離が８８ｃｍのものと、長さが１
７５ｃｍ、電極間距離が１６３ｃｍのものとした。ま
た、封入するナトリウムアマルガムは、ナトリウムの重
量比率が１０重量％，１３重量％，１５重量％，１７重
量％，２０重量％，２３重量％，２５重量％の７種類と
し、キセノンＸｅガス圧（常温）は２．７ｋＰａ，６．
７ｋＰａ，１２ｋＰａ，１６ｋＰａ，４０ｋＰａの５種
類とした。

【００３１】また、発光管１の管壁負荷は約２０Ｗ／ｃ
ｍ²一定として、長さが１００ｃｍ、電極間距離が８８
ｃｍの定格ランプ入力は、上記５種類の内径に対応し、
それぞれ１１ｋＷ，１３．５ｋＷ，２０ｋＷ，２３．５
ｋＷ，２７ｋＷとし、長さが１７５ｃｍ、電極間距離が
１６３ｃｍのランプ入力は、同様にそれぞれ２１ｋＷ，
２５ｋＷ，３７ｋＷ，４３ｋＷ，５０ｋＷとした。

【００３２】上記試験放電灯を垂直方向で定格入力を維
持しつつ、余剰のナトリウムアマルガムが滞留する最冷
部の保温を調整することで、ランプ電圧を変化させなが
ら点灯した。その間、４００〜７００ｎｍの波長範囲に
放射されるフォトン数と、そのときのランプ電圧を測定
した。すなわち、同一放電灯において、ランプ電圧の異
なる各ポイントのデータを採取したことになる。

【００３３】なお、電極降下電圧を９Ｖとみなしてラン
プ電圧Ｖから９Ｖを差し引き、電極間距離Ｌで除して電
位傾度（Ｖ／ｃｍ）とし、毎秒のフォトン数（ｐｃｓ）
をランプ入力で除してフォトン放射効率（ｐｃｓ／Ｗ）
とした。

【００３４】試験の結果、極めて重要な事象を見出し
た。それは、電位傾度によってフォトン放射効率が変化
し、高フォトン放射効率を維持するための最適な電位傾
度は発光管バルブ内径およびナトリウム重量比率の両平
方根に概ね反比例するということである。

【００３５】そして、上記の電極降下電圧を差し引いた
ランプ電圧Ｖと電極間距離Ｌから算出される電位傾度
（Ｖ／ｃｍ）、発光管バルブ内径Ｄ（ｍｍ）およびナト
リウム重量比率Ｍ（重量％）ならびに評価値Ｙからなる
要件で構成した、下記関係式を満足するものであれば、
４００〜７００ｎｍの波長範囲に放射されるフォトン数
を高効率化できる放電灯１が得られた。

【００３６】

【数３】以下、この事象について試験結果を用い説明する。

【００３７】内径が４８ｍｍ、管長が１７５ｃｍ、電極
間距離が１６３ｃｍの管状バルブ２１内にナトリウムの
重量比率が１７重量％のナトリウムアマルガムを８ｇ、
キセノンＸｅガス圧（常温）を６．７ｋＰａ封入した、
ランプ入力が５０ｋＷの発光管２を製作し、図１に示す
三重管形の高圧ナトリウム放電灯を完成させる。そし
て、５０ｋＷのランプ入力を維持しつつ、ランプ電圧を
変化させながら採取したデータを図２に示す。図２は電
位傾度によってフォトン放射効率が変化し、最適な電位
傾度は３．８Ｖ／ｃｍであることを示している。同様に
ナトリウムの重量比率のみを変えて各ナトリウム重量比
率の最適な電位傾度を調べた結果を図３に示す。この図
３からは、ナトリウム重量比率の平方根に反比例してい
ることが分かる。

【００３８】さらに、上記バルブ２１の５種類の内径、
２種類の管長の放電ランプにおいて、ナトリウムの重量
比率を１７重量％のほぼ一定としたアマルガムを内容積
に応じて４〜８ｇ、キセノンＸｅガス圧を（常温）で
６．７ｋＰａ封入し、それぞれ各定格電力のランプ入力
を維持しつつ、ランプ電圧を変化させながら各径の最適
な電位傾度を調べた結果、管長や定格電力には係わら
ず、図４に示すようになった。

【００３９】この図４から最適な電位傾度は、バルブ２
１の各内径の平方根にも反比例していることが分かる。

【００４０】実験に用いた全放電ランプについても高放
射効率を維持するための最適電位傾度は、発光管２バル
ブ２１の内径およびナトリウムアマルガムのナトリウム
重量比率の平方根に反比例するという結果になった。

【００４１】これらの現象は、つぎのような理由による
ものと思われる。図５は分光エネルギー分布を模式的に
描いたものである。例えばナトリウム重量比率の比較で
は、同一電位度において実線は高いナトリウム重量比率
の場合に相当し、破線は低いナトリウム重量比率の場合
に相当する。同一電位度では高いナトリウム重量比率の
方がナトリウム蒸気圧が高いためにＤ線の吸収が増す。
バルブ２１の内径の大小の関係についても同様に考えら
れる。バルブ２１内径の大小は発光管２の中心からバル
ブ２１の内壁までの距離の長短に他ならないからナトリ
ウム蒸気層の光学的厚みの差として現れ、図５の実線は
バルブ２１内径の大きい場合に相当し、破線はバルブ２
１内径の小さい場合に相当する。

【００４２】また、Ｄ線の吸収はいわゆるナトリウムの
自己吸収によるもので、吸収が大きい場合はＤ線近傍の
発光は減少するが両翼の発光が増加する。本発明にとっ
ては右翼側の発光が極めて重要であり、照明用途の光束
（ルーメン）としてはウエートの低い部分である。ただ
し、吸収が大き過ぎると右翼側は７００ｎｍ以上の無効
波長域部分の発光増加による損失が増えるとともに左翼
側は短波長側へシフトするため、有効波長域部分の総フ
ォトン数の減少につながる。

【００４３】よって、適正な吸収を確保することが肝要
と考えられる。吸収の増減がナトリウム比率やバルブ内
径と電位傾度に関係するであろうことは想定できるとし
ても、高フォトン放射効果を確保するための適正な電位
傾度はナトリウム重量比率とバルブ内径の平方根に反比
例するという知見は極めて重要な発見で、本発明者等は
この知見に基づいてフォトン放射効率の高い大電力高圧
ナトリウム放電灯を実現できた。

【００４４】なお、上記発光管２のバルブ２１は可視光
の拡散透過率が９４％以上もしくは径方向に９０度間
隔、長さ方向に２５ｃｍ間隔で測定した直線透過率の平
均が４０％以上の少なくとも一方を満足する透光性セラ
ミックス管からなるものである。

【００４５】また、一連の試験を通して、ナトリウムア
マルガムの封入量は発光管内容積１ｃｃ当り０．６ｍｇ
以上あれば、再現性のよい結果が得られた。その理由と
して、ナトリウムが電極に設けられたエミッター等と反
応して消失し、封入量が少な過ぎると残存アマルガムの
ナトリウム重量比率が変化すると考えられる。また、キ
セノン封入圧力に関しては、封入圧に応じて全体にフォ
トン放射効率は向上するが、最適電位傾度の値には大き
な影響がないことも分かった。

【００４６】また、図６は放電灯点灯装置７であって、
図中７１は電源、７２はこの電源７１に接続した変圧器
で、この変圧器７２の中間タップＢに主放電用真空コン
タクター７３および主放電用リアクトル７４を直列に介
して主放電回路を構成し上記高圧ナトリウム放電灯１と
接続している。また、この変圧器７２の端部タップＡと
主放電用リアクトル７４との間には補助放電用真空コン
タクター７５および補助放電用リアクトル７６を直列に
接続して補助放電回路を構成している。また、７７は補
助放電用真空コンタクター７５と補助放電用リアクトル
７６との間に設けられた補助放電電流検出回路である。
また、主放電および補助放電を行わせる回路に電圧を供
給する上記電源７１は、５０もしくは６０Ｈｚの商用周
波数の正弦波交流電源である。

【００４７】この点灯装置７に接続された放電ランプ１
の点灯は、まず、補助放電用真空コンタクター７５を投
入すると補助放電印加電圧Ｖｓが印加され、補助放電が
発生すれば、電流検出回路７７が補助放電開始を検出し
て、主放電用真空コンタクター７３が投入され、主放電
が生起する。なお、主放電用真空コンタクター７３の投
入後に、補助放電用真空コンタクター７５が開放され
る。なお、この一連の動作は、補助放電用真空コンタク
ター７５を投入することで、あとはタイマーリレーによ
って自動的に行われる。

【００４８】そして、上記点灯装置７に接続されたたと
えば５０ｋＷ高圧ナトリウム放電灯１は、定格点灯した
安定時の特性の中心値が、ランプ電圧約６４０Ｖ、ラン
プ電流（主放電電流と同意語）約８４Ａ、ランプ電力約
５０ｋＷ、ランプ力率約９４％である。これらの特性値
は、省エネルギーを目的に最高のフォトン放射効率を引
き出すために決められている。

【００４９】この場合、主放電印加電圧Ｖｏはランプ電
圧の約１．７倍の１．１ｋＶに設定しており、この電圧
では始動しない。よって、放電を開始させる手段とし
て、約５．５ｋＶの補助放電印加電圧Ｖｓを印加してい
る。これは、補助放電用真空コンタクター７５を投入す
ると、ランプ１に約５．５ｋＶの補助放電印加電圧Ｖｓ
が印加され図中ＡＤＥＦＣの回路に約０．５Ａの補助放
電電流Ｉｓが流れる。

【００５０】このとき補助放電電流検出回路７７が補助
放電電流Ｉｓを検出した場合は、補助放電用真空コンタ
クター７５の投入２秒後に主放電用真空コンタクター７
３が自動的に投入されれ、１．１ｋＶの主放電印加電圧
Ｖｏ下で主放電電流ＩＬが図中ＢＤＥＦＣの回路に流れ
る。始動直後はランプ電圧が低いため、主放電電流ＩＬ
は主放電用リアクトル７４のほぼ短絡電流に見合う電流
が流れ、ランプ電圧の上昇とともに次第に減少し約８４
Ａ前後に落着く。なお、補助放電用真空コンタクター７
５は、主放電用真空コンタクター７３の投入後の０．０
２秒後には自動的に開放される。

【００５１】図７に補助放電電圧印加時間Ｔｓを２秒と
し、補助放電電流Ｉｓを変化させたときの主放電に至る
始動確率を示す。図から明らかなように補助放電電流Ｉ
ｓが０．５Ａ未満では始動確率が低いことが分かる。こ
れは補助放電（グロー放電）が生じても主放電（アーク
放電）に移行しないという現象が頻発するためで、０．
５Ａ未満の電流ではグロー放電の領域であって十分アー
ク放電に転移しないためと考えられる。

【００５２】また、図８は補助放電電流Ｉｓを０．５Ａ
として、補助放電電圧印加時間Ｔｓを変化させたときの
主放電に至る始動確率を示す。図から明らかなように補
助放電電圧印加時間Ｔｓが２秒未満では始動確率が低い
ことが分かる。これは暗黒特性現象等の影響による補助
放電開始の遅れが生じたり、放電を開始しても直後は未
だグロー放電からアーク放電に変わる前の領域であった
り、アークスポットが安定しないうちに印加電圧が主放
電用の低い電圧に変わると放電が持続せずに立ち消えし
てしまうためと考えられる。

【００５３】したがって、補助放電電流Ｉｓを０．５Ａ
以上とし、補助放電電圧印加時間Ｔｓを２秒以上とする
ことで、始動し易い放電灯点灯装置７を実現できるが、
補助放電電流Ｉｓが過大になると変圧器７２や補助放電
用リアクトル７６の容量過大を招き、必要以上に高電圧
を印加しつづけることは安全上も好ましくない。よっ
て、補助放電電流Ｉｓは０．５Ａ以上２．０Ａ未満、補
助放電電圧印加時間Ｔｓは２秒以上１０秒未満の範囲と
することが好ましい。

【００５４】なお、上記では５０ｋＷ高圧ナトリウム放
電灯の点灯について述べ、補助放電印加電圧Ｖｓを約
５．５ｋＶ、補助放電印加電圧Ｖｓと主放電印加電圧Ｖ
ｏの重畳時間Ｔｏ（主放電用真空コンタクター７３の投
入から補助放電用真空コンタクター７５の開放までの時
間）を０．０２秒と説明した。

【００５５】本来、補助放電開始電圧は電極間距離、封
入ガス種類や封入ガス圧等に依存されるため放電灯の種
類によって異なる。しかし、上記点灯装置７を用いれば
放電灯の種類にかかわらず補助放電電流Ｉｓと補助放電
電圧印加時間Ｔｓが上記条件を満足している限り有効で
あって、補助放電印加電圧はＶｓは補助放電を生じせし
める電圧であれば十分であり、また、重畳時間Ｔｏは重
畳時間帯が存在する限り極めて短い時間でよい。ちなみ
に、ランプ電圧約９４０Ｖ、ランプ電流約２４Ａ、ラン
プ電力約２０ｋＷ、ランプ力率約８７％の２０ｋＷメタ
ルハライドランプの点灯では、主放電印加電圧Ｖｏ約１
５００Ｖ（ランプ電圧の約１．６倍）に対して、補助放
電印加電圧約３ｋＶ、補助放電電流Ｉｓ０．５Ａの条件
で、０．０２秒の重畳時間で同様の始動特性が得られる
高い信頼性が確保されている。

【００５６】なお、上記点灯装置７において、補助放電
の有無の検出に電流検出回路７７を設けたが、これは電
圧検出回路やランプ１の近傍に光センサを設けてその出
力を検出するようにしてもよい。

【００５７】上述したように、放電灯１の始動時に、定
格点灯時に印加する電圧（主放電印加電圧Ｖｏ）よりも
高い電圧（補助放電印加電圧Ｖｓ）を印加し、かつ、定
格点灯時よりも低い放電電流（補助放電電流Ｉｓ）で放
電を開始させ、その後に主放電印加電圧Ｖｏで、定格の
放電電流ＩＬで点灯する回路構成を備えていて、上記補
助放電電流Ｉｓ（Ａ）および補助放電電圧印加時間Ｔｓ
（秒）が下記の範囲内にあることがよい。

【００５８】０．５≦補助放電電流Ｉｓ（Ａ）＜２．０２．０≦補助放電電圧印加時間Ｔｓ（秒）＜１０．０このように主放電印加電圧Ｖｏよりも高い補助放電印加
電圧Ｖｓを印加することで、放電開始し易い状態を得て
いるが、その絶対値および印加電圧は必要最小限に選定
されている。よって、安全性の確保がし易いとともに機
器の高騰を抑制できる。また、放電開始後はランプ電圧
値の１．５〜１．８倍程度に設定された主放電印加電圧
Ｖｏに自動的に切り替わることができるので、過負荷点
灯される弊害も防止できる。

【００５９】また、点灯用電源として５０Ｈｚもしくは
６０Ｈｚの商用周波数の正弦波電源を用いれば、配線亘
長が長いことに伴う電圧の減衰が殆どなく所望の電圧を
放電灯に供給でき、確実な始動ができる。

【００６０】また、放電電流を制御するリアクトルを主
放電用と補助放電用の複数とし、補助放電電流は双方の
リアクトルを介して通電されるので、万一、いずれかの
リアクトルに地絡等の事故が生じた場合でも、回路に流
れる電流は正常な側のリアクトルのインピーダンスに基
づく短絡電流以下に抑制して機器の被害の拡大を防止で
きる。

【００６１】さらに、上記５０ｋＷ高圧ナトリウム放電
灯１を用いて、約１．１ｋＶの主放電印加電圧に約１０
ｋＶの波高値をもつパルス電圧を重畳させた従来技術の
点灯装置と上述した放電灯点灯装置とを用いて、それぞ
れ１０００回の始動試験を行ったところ、従来技術の点
灯装置ではより高い電圧を重畳させているにも拘らず２
８回の始動不能が発生した。これに対して、上述の点灯
装置では１０００回中、１０００回ともなんら問題なく
主放電に至る始動開始が確認された。

【００６２】さらに、上述した構成の高圧ナトリウム放
電灯（高圧金属蒸気放電灯）１はたとえば図９にその一
部を示す光化学反応装置８に組込まれ使用される。図９
において８１は光化学反応槽本体で、放電灯１は外管４
の封止部４１側を上にした状態で、すなわち、垂直状態
で反応槽本体８１の反応液８２内に浸漬されている。図
中８３は蓋体、８４はパッキングである。

【００６３】この光化学反応装置８において、上記放電
灯１はたとえば上述した図６に示す点灯装置７の出力側
に接続され点灯される。そして、この点灯により放電灯
１からは所定波長の発光が行なわれ、反応液８２に光を
照射して光化学反応を起こさせることができる。

【００６４】そして、この放電灯１は上述したように発
光部（電極５，５間）からの４００〜７００ｎｍ、特に
６００〜７００ｎｍからのフォトン総数が多く、フォト
ン放射効率が高く、反応装置８の効率を向上できる。ま
た、作業に多大な手間を要する放電灯１の交換等の回数
を減少して生産性を向上できる。

【００６５】本発明者等の実験によると、本発明に係る
上記高圧ナトリウム放電灯をε−カプロラクタムの光ニ
トロソ化反応に用いたところ、大幅な反応収量の向上が
確認された。ちなみに、反応用光源として各種放電灯を
用いたときの各放電灯の入力１Ｗ当りの反応収率比（４
０ｋｗ高圧水銀放電灯の反応収率を１００％としての比
較値（％））は表１の通りであった。本発明品は他の光
源に比べ大幅な収率（効率）向上が見られた。

【００６６】

【表１】なお，本発明は上記実施の形態に限定されない。たとえ
ば上述した実施の形態では、発光管を囲繞して中管およ
び外管を用いた三重管構造としたが、この中管も外管を
なすものであって（本発明も中管と称したが実質的には
外管である。）三重管に限らず、二重管であってもよ
く、発光管および最外の外管以外は気密構造となってい
なくてもよい。

【００６７】また、発光管を形成するバルブ材質はアル
ミナに限らず他の材質の透光性セラミックスであっても
よく、外管を形成するバルブ材質も実施の形態のものに
限らず他の材質であってもよい。

【００６８】また、発光管等を支持するサポート部材の
構造や材質は実施の形態に限るものではなく、金属部材
の材質は耐熱性、耐蝕性等を考慮してニオブ、ステンレ
スやニッケル等を適宜選べばよい。

【００６９】さらに、上記実施の形態中で記述した上方
側または下方側とは便宜上のものであって、実用に際し
ては上下逆転してもよいことはいうまでもない。

【００７０】さらにまた、上記実施の形態では、シクロ
ヘキサンの光ニトロソ化反応について説明したが、本発
明は他の物質についての反応にも適用できるもので、４
００〜７００ｎｍのエネルギーを有するフォトンを極め
て高効率で放射できる光源に関するもので、その生成用
途等は限定されないものである。

【００７１】

【発明の効果】本発明の請求項１および請求項２の発明
によれば、所定の発光特性が得られるとともに４００〜
７００ｎｍの波長域のフォトンを極めて高効率に放射で
きる多重管形の高圧放電灯を提供する利点がある。

【００７２】請求項３の発明によれば、上記請求項１お
よび請求項２に記載の効果を奏する放電灯を備えている
ので、所定のフォトンを極めて高い効率で放射して、所
望の物質の生成や製造に高効率で安定した化学反応が得
られるとともに効率の向上によりその電力消費を大幅に
低減した省エネルギー化した光化学反応装置を提供でき
る利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態の高圧ナトリウム放電灯（高
圧金属蒸気放電灯）を示す一部を切欠した概略正面図で
ある。

【図２】放電灯の電位傾度（横軸）と、フォトン放射効
率（縦軸）との関係を示す説明図である。

【図３】放電灯の最適電位傾度（横軸）と、ナトリウム
アマルガムのナトリウム重量比率（縦軸）との関係を示
す関係図である。

【図４】放電灯の最適電位傾度（横軸）と、発光管バル
ブの内径（縦軸）との関係を示す関係図である。

【図５】放電灯の分光エネルギー分布（横軸）と、放射
強度（縦軸）との関係を示す模式図である。

【図６】放電灯点灯装置を示す回路図である。

【図７】図６の放電灯点灯装置における補助放電電流Ｉ
ｓ（横軸）を変化させたときの主放電に至る始動確率％
（縦軸）を対比して示す説明図である。

【図８】図６の放電灯点灯装置における補助放電電圧印
加時間Ｔｓ（横軸）を変化させたときの主放電に至る始
動確率％（縦軸）を対比して示す説明図である。

【図９】本発明実施の形態の光化学反応装置の一部を示
す断面図である。

【図１０】ＣＩＥ標準比視感度曲線図である。

【符号の説明】１：高圧金属蒸気放電灯（高圧ナトリウム放電灯）２：発光管２１：管状バルブ３：外管（中管）４：外管５：電極８：光化学反応装置

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年６月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】また、上記外管４は封止部４１の外部に給
電部となる一対の給電ピン６１，６１を、内部にはこの
給電ピン６１，６１に接続した一対の給電体を兼ねた支
持部材６Ａ，６Ｂが設けられている。この支持部材６
Ａ，６Ｂは、それぞれ給電棒６２，６２と、この給電棒
６２，６２の先端部に取付けられた絶縁碍子６３，６３
および給電線６４，６４とからなる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】また、上記中管３は、両端のステム（図示
しない。）との封止部３１，３１に金属板をリング状に
折曲して形成したホルダ３２，３３を嵌合して備え、図
において下方側のホルダ３３が金属板からなるＵ字形の
ばね体を十字状に組合わせた支持部材６Ｃに支承されて
外管４の内底部近くに配設されている。また、上方側の
ホルダ３２は、上記支持部材６Ａ，６Ｂの先端部との間
で中空の摺動管およびこの摺動管内に挿入した案内棒等
で構成される伸縮に対応するダンパー６５，６６と接続
している。また、上記ホルダ３２，３３の側面には、金
属板を屈曲する等して弾性が付与された外管４の内壁と
弾接する複数個のばね体（図示していない。）が設けら
れ、外管４のほぼ中心軸上に中管３が支持されるように
なっている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２４】そして、上記給電体を兼ねる支持部材６
Ａ，６Ｂに接続された給電線６４，６４の一方は中管３
内を通る給電線３４を介して発光管２の上方の細管２３
と、他方は中管３内を通る絶縁被覆した給電線３５を介
して発光管２の下方の細管２３と接続され、それぞれの
電極５，５に電力が供給される構造となっている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米沢昭弘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)発明者佐々木博基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)発明者菅原昭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

【特許請求の範囲】

【請求項１】内径Ｄ（ｍｍ）が２０ｍｍ以上、長さが
０．５〜４．０ｍの透光性セラミックスからなる管状バ
ルブの両端部にＬｃｍの離間距離を隔てて電極を対向配
設するとともに、このバルブ内にバルブ内容積当り０．
６ｍｇ／ｃｃ以上でナトリウムの含有比率がＭ重量％の
ナトリウムアマルガムを封入して構成した発光管を、外
管内に収容支持させ、かつ、ランプ電圧Ｖ（ボルト）で
点灯する放電灯において、【数１】なる関係を有することを特徴とする多重管形放電灯。
【請求項２】発光管を収容した外管が、さらに一つ以
上の外管内に配設されていることを特徴とする請求項１
に記載の多重管形放電灯。
【請求項３】上記請求項１または２に記載の多重管形
放電灯からなる光源と；この放電灯に接続した放電灯点
灯装置と；この光源を収容する反応槽本体と；を具備し
たことを特徴とする光化学反応装置。