KR20190051047A - 가스 방전 램프를 포함하는 램프 시스템 및 이에 적응된 작동 방법 - Google Patents

가스 방전 램프를 포함하는 램프 시스템 및 이에 적응된 작동 방법 Download PDF

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Abstract

가스 방전 램프, 전자식 안정기 및 제어 유닛을 포함하는 램프 시스템을 제어하기 위하여, 램프 시스템의 성능에 영향을 미치는 제어 변수가 사용된다. 이를 기초로 그 설계 및 램프 시효에 의해 야기되는 임의의 잠재적인 변화와는 무관하게 그리고 최적의 작동 온도의 어떤 지식 없이도 높은 방사 성능을 갖는 작동을 가능하게 하는, 가스 방전 램프의 작동 방법을 명시하기 위하여, 본 발명에 따르면 가스 방전 램프에 의해 방출되는 광도의 실제값이 광센서에 의해 측정되며 방출된 광도가 작동 변수로서 사용되는 광도 제어가 제공되는 것이 제안된다.

Description

가스 방전 램프를 포함하는 램프 시스템 및 이에 적응된 작동 방법
본 발명은 가스 방전 램프(gas discharge lamp), 전자식 안정기(electronic ballast), 및 램프 시스템(lamp system)의 성능에 영향을 미치는 제어 변수(performance influencing control variable)를 제어하기 위한 제어 유닛(control unit)을 포함하는 램프 시스템을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 램프 시스템에 관한 것으로, 상기 램프 시스템은 가스 방전 램프, 전자식 안정기, 및 램프 시스템의 성능에 영향을 미치는 제어 변수(control variable)를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다.
가스 방전 램프들은 수은등, 형광등 또는 나트륨등이다. 수은 함유 UV 방전 램프의 방출 성능은 수은의 특정 분압에서 그 최대치를 갖는다. 그렇기 때문에 가스 방전 램프의 방출 성능이 그 최대치가 되는 최대 작동 온도가 있다. 수은의 부분이 액체로 존재하는 것이 아니라 합금(아말감)으로서 존재하는 가스 방전 램프에서, 아말감에 결합된 수은과 자유 수은 사이의 균형이 있을 것이며, 이것은 가스 방전 램프의 작동 온도, 특히 아말감 디포(depot)의 온도에 또한 의존한다.
가스 방전 램프의 전기 연결된 부하는 연속적인 작동 동안 가능한 높은 방사 성능에 대해 구성되며 주변 조건들이 고려된다. 그러나, 작동 동안 실제로 도달되는 작동 온도는 종종 설계 온도와는 다르다. 예를 들면, 높은 주변 공기 온도로 인한 과열 또는 불충분한 통풍은 최적의 작동 온도와는 상이한 온도를 가져올 수 있다. 램프 시효(ageing)는 또한 방사(emission)의 변화로 이어질 수 있다.
주위 조건들과는 독립적인 최대 방사 성능(emission performance)을 보장하기 위하여, 아말감 디포의 온도를 제어하는 것이 제안되어 왔다. DE 101 29 755 A1에서 공지된 형광등에서, 온도 센서가 아말감 디포 근처에 배치되며, 아말감 디포는 측정된 온도의 함수로서 조절 가능한 히터에 의해 가열된다.
UV 램프를 포함하는, WO 2005/102401 A2에서 공지된 멸균 장치에서, 램프 전구의 표면 온도는 온도 센서에 의해 측정되며 그리고, 동시에, 자외선 방사는 UV 센서에 의해 측정된다. 램프의 방사 성능 및 최적의 작동 온도를 보장하기 위하여, 램프가 송풍기 유닛을 사용하여 측정된 온도에 의존하면서 냉각 또는 가열되어야 하는 것이 제안된다.
GB 2 316 246 A는 램프 히터를 위한 독립적인 히팅 회로가 설치된 조도 조절이 가능한 형광 램프를 기술하며, 히팅 회로는 실제 전원 전류와는 분리되어 전원이 공급될 수 있다. 전극 히터에 의해 요구되는 전류는 온도 센서에 의해 검출될 수 있다.
WO 2014/056670 A1에 따르는 가스 방전 램프에는 전자식 안정기 및 제어 유닛을 통해 조절될 수 있는, 가스 방전 램프를 냉각시키기 위한 냉각 소자가 제공된다. 높은 방사 성능에 도달하기 위하여, 램프 전류가 일정한 경우, 램프 전압은 제어 변수(control variable)로서 사용되며 냉각 출력은 작동 변수(actuating variable)로서 사용된다.
공지된 제어 방법들에서, 공칭 램프 전류(nominal lamp current)는 UV 램프가 켜질 때 인가되며 보통 UV 램프의 작동 동안 거의 일정한 레벨로 유지될 것이다. UV 램프의 변경된 작동 조건들, 특히 온도는 방사(방출) 성능(emission performance)의 바람직하지 못한 변화들로 이어질 것이다. 이것을 중화시키기 위하여, 방사체(radiator) 유형에 관한 어느 정도의 사전 지식이 필요하며 따라서, 예를 들면, 온도 제어 회로가 조정될 수 있다. 추가적으로, 램프 시효에 의해 야기되는 그리고 전기 연결된 부하의 조절을 요구할 수도 있는 변화들은 또한 고려되지 않는다.
따라서 본 발명은, 특히 최적의 작동 온도가 알려지지 않은 경우라도, 그 설계에 관계 없는 그리고 램프 시효에 의해 야기되는 임의의 잠재적인 변화들에 관계 없는 높은 방사 성능을 갖는 작동을 가능하게 하는, 가스 방전 램프를 작동하는 방법을 특정하는 목적에 기초한다.
또한, 본 발명은 작동 조건들이 변하는 경우라도 그리고 램프 시효로 인한 변화가 발생하는 경우라도 높은 방사 성능으로 작동될 수 있는 램프 시스템을 제공하는 목적에 기초한다.
상기 방법과 관하여 그리고 상술한 종류의 방법을 기초로, 상기 목적은 가스 방전 램프에 의해 방사되는 광도(light intensity)의 실제값을 측정하기 위한 광센서를 사용하며 그리고 방사된 광도를 제어 변수로서 사용하는 광도 제어(light intensity control)를 제공함에 의해 본 발명에 따라 해결된다.
보통, 가스 방전 램프들은 전력 제어되는 작동 또는, 어떤 경우에는, 전류 제어되는 작동을 하며, 연결된 부하 또는 공급 전류는 방전 챔버 내의 전하 운반체의 최적의 농도를 위해 또는 최적의 온도를 위해 그리고, 따라서, 최대 광도를 위해 구성된다. 따라서, 종래의 램프 시스템들은 아말감 디포의 전류, 전압 또는 온도와 같은 작동 파라미터들을 조절함에 의해 주변 온도로부터의 편차 및 가스 방전 램프의 작동 온도의 수반되는 변화들에 대해 반응한다.
그러나, 본 발명에 따르는 램프 시스템에서는, 가스 방전 램프의 광도는 제어의 성능에 영향을 미치는 목표 변수이다. 따라서 방사된 광도는 종래와 같이 측정될 뿐만 아니라 광도에 영향을 미치는 램프 제어값을 사용하여 실제의 최대 방사값보다 작은 사전 정의된 한계값 또는 최대값에 도달하도록 추가적으로 제어된다.
광도의 용어 "최대"가 이하에서 사용되는 경우, 이 용어는, 명시적으로 달리 기술되지 않는 한, "광도의 사전 정의된 한계값"을 또한 포함한다.
그 결과, 전류 작동 온도가 알려지지 않고 최적의 작동 온도도 알려지지 않은 경우일지라도, 주변 조건들과는 무관하게, 광도, 특히 방사된 UV 출력은 목표값, 즉, 최대 또는 사전 정의된 한계값의 범위 내에 항상 유지된다.
최대 광도는, 일반적으로, 램프 종류에 대해 명시될 수 있으며, 적합한 경우, 각각의 개별 가스 방전 램프에 대해 결정될 필요는 없다. 상이한 실시형태의 경우, 최대 광도는 공장에서 각각의 가스 방전 램프에 대해 개별적으로 결정된다. 이 경우, 개별적으로 결정된 목표값은 램프 시스템의 기억 장치 내에 저장되며 가스 방전 램프가 켜지는 경우 제어 유닛에 의해 판독될 것이다. 또 다른 실시형태에서는, 가스 방전 램프가 켜지는 경우 현재의 최대 광도는 알려지지 않으며 가스 방전 램프가 켜지는 경우 개별적으로 측정된다. 가능한 경우, 램프 광도는 램프가 켜질 때마다 또는 사전 정의된 턴-온 사이클들 및/또는 작동 기간들에서 개별적으로 측정된다.
바람직하게는, 본 발명에 따르는 작동 방법은 자외선을 방사하는 가스 방전 램프로 사용된다. 가스 방전 램프에 대해 관련된 자외선의 스펙트럼 범위는 184 nm 내지 380 nm이며, 254 nm에 중점을 둔다. 적절한 경우, 170 내지 380 nm의 파장 범위의 자외선 광을 포함하는 광도가 제어될 광도로서 또한 바람직하게 사용되며, 가장 바람직하게는 파장 254 nm의 방사를 포함하는 가스 방전 램프에 의해 방사되는 자외선의 광도가 사용된다. 수은등의 방사 스펙트럼은 제어를 위해 완전하게 적합한 254 nm (UVC 방사선)에서의 특성 및 구별 라인을 보여준다.
키워드 "극값 제어(extremum control)" 하에서, 제어 공학은 최대 제어 변수를 발견하기 위한 많은 방법 및 상기 발견된 최대치에 도달하기 위한 후속하는 제어를 알고 있다.
따라서, 본 발명에 따르는 방법의 바람직한 방법 변형예는 작동 변수에 대한 목표값이 극값 제어에 의해 결정되며, 광도는 최대 또는 사전 정의된 한계값에 도달하는 것을 제공한다.
극값 제어는 광도의 최대값 결정을 포함하며 그 결과, 제어 변수에 대한, 즉 광도에 대한 목표값이 제어 유닛으로 전달된다. 이러한 목표값은 후속하는 작동 단계 동안 일정하게 유지되거나 때때로 또는 필요에 따라 계속해서 리셋된다.
극값 제어의 제1의 바람직한 실시형태에서, 이러한 제어는 2점 제어(two-point control)로서 구현되며 시작 단계 동안 작동 변수는 적어도 2개의 초기값들로 설정되며 그것의 하나는 가스 방전 램프의 온도 상승을 야기하며 그것의 다른 하나는 가스 방전 램프의 온도 하락을 야기하며, 온도 상승의 결과로서 그리고 온도 하락의 결과로서 최대 광도에 도달되며 한도를 넘게되며, 하나의 초기값과 다른 하나의 초기값 사이의 값은 작동 변수의 목표값으로서 설정된다.
2점 제어는 제어 변수, 즉, 이 경우 광도가 작동 변수의 함수로서 상대 최대값을 갖는다는 사실에 기초한다. 예를 들면, 아말감 램프들은 특정 수은증기압에서 최대 UV 출력을 가지며 이것은 이어서 아말감 디포의 온도와 관련된다. 아말감 디포의 온도는 이어서 다른 파라미터, 예를 들면, 아말감 디포에 영향을 가져오는 온도 제어 요소의 냉각 또는 가열 출력에 종속될 수 있다. 뚜렷한 최대값을 갖는 작동 변수에 대한 광도의 이러한 유형의 종속성은 도 3a에 개략적으로 도시된다. 이것은 최대값의 양측에서의 작동 변수(또는 이와 관련된 파라미터)의 2개의 초기값들로 최대값을 결정하는 것을 가능하게 하며, 초기값들은 도 3a의 선도의 최대값이 한 번은 좌측에서 그리고 한 번은 우측에서 도달되고 넘어가도록 변경된다.
극값 제어의 다른 방법들과 비교하면, 여기서 사용된 2점 제어는 가스 방전 램프의 광도의 경우와 같이, 비교적 느린 제어 시스템들에서 사용되기에 특히 적합하다.
극값 제어의 제2의, 유사한 바람직한 실시형태에서, 이러한 제어는 광도 및 작동 변수의 전달함수의 곡률을 결정하는 것을 포함하며, 목표값은 광도의 최대값을 기초로 결정된다.
이러한 유형의 제어는 또한 광도가 작동 변수에 의존하는 상대 최대값을 갖는다는 사실에 기초한다. 그러나, 실제로, 광도의 최대값은 직접적으로 결정되지 않고, 전달함수(transfer function)의 2차 도함수(second derivative)를 사용하는 미분 제어(differential control)로서 구성되는 제어에 의해, 단지 간접적으로 결정된다. 전달함수는 단조(monotonic)가 아니기 때문에, 광도가 변화하는 경우 정확한 제어 방향을 추론하는 것이 가능하지 않다. 그러나, 1차 도함수(first derivative)는 단조이며 작동 변수가 그 최적값(= 최대 광도)으로 설정되는 경우 영점을 갖는다. 작동 변수의 변화는 이제 이러한 함수(= 전달함수의 2차 도함수)의 음의 증가로부터 결과한다. 극값 결정의 이러한 실시형태는 제어를 위해 완벽하게 적합한데 왜냐하면, 최적의 값에 도달된 후, 작동 변수는 더 이상 일정한 주변 조건들 하에서 변하지 않기 때문이다 (2점 제어 및 전통적인 "극값 추종 제어(extremum seeking control)" 알고리즘들과는 대조적으로). 곡률 결정에 기초한 제어는 광도의 최대값의 어떤 복잡한 결정을 필요로 하지 않으며 단차가 없는 연속적인 제어를 가능하게 한다. 이것은 비교적 적은 제어 개입들을 필요로 하며, 이것은, 팬과 같은, 작동 변수를 제공하는 액추에이터의 사용수명에 긍정적인 영향을 미치며, 따라서 다른 제어들보다 청각적으로 덜 뚜렷하다.
극값 제어의 다른 방법들과 비교하여, 이러한 제어 방법은 또한 여기에서와 같은 비교적 느린 제어 시스템에 의한 사용에 대해 특히 적합한 것으로 입증되었다.
광도의 사전에 결정된 최대값으로부터의 편차는 가스 방전 램프의 환경의 변화, 특히, 아말감 디포의 온도와 같은, 광도에 영향을 미치는 온도 변화를 나타낼 수 있다. 광도 제어를 위한 작동 변수로서 온도와 수학적으로 명확히 관련되며 그리고 변화될 수 있는 관련 온도 또는 파라미터를 사용하는 것이 적합하다.
이것을 염두에 두고, 특히 바람직한 방법 변형예는 광도에 영향을 미치는 가스 방전 램프의 작동 온도가 조절 가능한 온도 제어 능력을 갖는 온도 제어 요소에 의해 변화될 수 있으며, 온도 제어 능력은 제어의 작동 변수로서 사용된다는 사실을 특징으로 한다. 온도 제어는 기체, 액체 또는 고체 온도 제어 매체를 사용함에 의해 달성된다. 고체인 경우, 온도 제어 요소는, 예를 들면, 펠티에 소자(Peltier element) 또는 다수의 펠티에 소자들의 어레이로서 구현될 수 있다.
예를 들면, 작동 온도는 가스 방전 램프의 표면 근처의 특성 온도 또는 아말감 디포의 온도이다. 온도 제어는 온도 제어 요소에 의한 이러한 온도의 상승, 강하 또는 유지를 포함한다. 여기서, 온도 제어 요소로서 PWM-제어 통풍 능력을 갖는 팬의 사용은 특히 효과적인것으로 입증되었으며, 통풍 능력은 제어 시스템에 대한 작동 변수로서 사용된다.
팬이 PWM-제어되는 경우(PWM = pulse width modulation (펄스 폭 변조)), 팬에는 그 자체의 제어 칩이 제공된다. 가변 전압을 갖는 팬 제어와는 대조적으로, PWM 팬 제어는 그 이하에서 팬 로터가 더 이상 회전하지 않는 시동 전압을 갖지 않는다. 이에 의해, 속도는 매우 작은 값들에 이르기까지 조절될 수 있다. 더욱이, PWM 제어는 전압 제어의 가변 저항에 의해 야기되는 폐열의 문제를 일으키지 않는다. 여기서, 제어의 작동 변수로서 온도 제어 능력은 통풍 능력이며, 이것은, 예를 들면, 단위 시간당 팬 로터의 회전수로 또는 기체 온도 제어 매체의 질량 또는 체적 유동으로서 명시될 수 있다. 가스 방전 램프의 여기서는 온도 제어와 같은, 냉각 및 가열 공정들은 기본적으로 PWM을 통한 연속적인 제어가 특히 유리한 것으로 입증된 느린 제어 시스템을 가져온다.
제어 유닛은 작동 온도를 설정하기 위해 광도의 목표값으로부터 결정된 편차에 의존하는 냉각 능력을 조절하는 제어 신호를 온도 제어 요소로 보낸다.
제어 변수로서 측정된 광도는 특정 파장의 방출 및/또는 파장 범위의 방출을 나타낼 수 있다. 특히 성공적인 것으로 입증된 방법 변형예는 가스 방전 램프에 의해 방출된 자외선의 세기가 광도로서 사용되며, 자외선은 254 nm의 파장에서의 방사를 포함한다.
특히 바람직한 방법 변형예에서, 광도의 한계값이 사전 정의되며, 상기 한계값 이하로 떨어지는 것은 가스 방전 램프의 사용수명의 종료를 나타내며, 상기 한계값은 광도 제어의 목표값으로서 사용된다.
광도 - 및, 따라서 특정 UV 강도 또한 - 가스 방전 램프의 사용수명에 걸쳐 감소한다. 예를 들면, 초기 성능의 50% 내지 90%로의 하락은 방사체의 사용수명의 종료로서 정의될 수 있다. 본 발명의 도움으로, 가스 방전 램프는 그 전체 사용수명에 걸쳐 명시된 한계값에 대응하는 일정한 UV 출력으로 작동될 수 있다. 이하에서, 상기 방법은 "사용수명 보상(service life compensation)"으로서 지칭될 것이다. 이러한 목적을 위해, 광도의 한계값 UVduration은 방사체의 사용수명의 종료를 나타내는 하부 한계값으로, 예를 들면, 초기 최대 광도의 50% 내지 90% 범위 내의 값으로 설정될 수 있다.
"사용수명 보상"의 제1 방법 변형예에서, 공급 전압, 공급 전류 또는 공급 전원 또는 아말감 디포의 온도와 같은 광도에 영향을 미치는 작동 파라미터들이 표준 작동 모드에서 설정되어 최대 가능한 광도 UVmax와 비교하여 감소된 광도가 하부 상대 강도 최대값 UVduration에서 전개된다. 광도는 상기 하부 최대값 UVduration으로 조절되며, 위에서 논의된 본 발명에 따르는 극값 제어는 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 여기서, 목표값인 광도의 의도적으로 감소된, 하부 상대 최대값 UVduration은 광도의 절대 최대값 UVmax를 대신한다.
"사용수명 보상"의 또 다른 방법 변형예에서, 공급 전압, 공급 전류 또는 공급 전원 또는 아말감 디포의 온도와 같은 광도에 영향을 미치는 작동 파라미터들이 표준 작동 모드에서 최적의 값들로 설정되며 그 결과, 이론적으로, 최대 가능한 광도 UVmax가 발생될 수도 있다. 그러나 온도 제어의 목표값인 광도의 한계값은 최대 광도 UVmax로 설정되지 않고, 예를 들면, 약 10 내지 50 퍼센티지 포인트만큼 상기 최대값 이하인 값으로 설정된다.
양 방법 변형예들에서, 하부 한계값은 사양에 기초하여, 즉, 개별 측정 없이, 정의될 수 있으며, 또는 광도의 초기 최대값(= 100%)의 백분율로서 정의되며, 예를 들면, 이것은 가스 방전 램프의 초기 스타트-업에서 결정된다. 후자의 경우, 초기 최대값 및/또는 초기 목표값이 램프 시스템의 메모리에 파일링되며 가스 방전 램프가 켜질 때 메모리로부터 판독된다.
상기 방법을 수행하기 위한 램프 시스템과 관련하여, 상기 언급된 목적은, 상술된 유형의 램프 시스템으로부터 시작하여, 가스 방전 램프에 의해 방출된 광도의 실제값을 측정하기 위한 광센서가 제공되며, 제어는 방출된 광도가 제어 변수로서 사용되는 광도 제어로서 구성되며, 광도의 실제값은 제어 유닛의 신호 입력에서 입력 신호로서 이용 가능한 것에 의한 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명에 따르는 램프 시스템에서, 가스 방전 램프의 광도는 제어의 성능에 영향을 미치는 목표 변수이다. 방출된 광도, 바람직하게는 자외선을 방출하는 가스 방전 램프의 UV 강도(세기)를 측정하기 위해 센서가 제공된다. 센서, 바람직하게는 UV 센서는 가스 방전 램프의 일부이며 또는 그것은 가스 방출 램프의 방출 영역에, 예를 들면, 램프 시스템의 베이스 또는 프레임 또는 하우징에 배치된다.
UV 센서는 가스 방전 램프에 의해 방출되는 특정 파장의 방출 및/또는 파장 범위의 방출, 바람직하게는 UV 방사를 감지하도록 구성되며, UV 방사는 254 nm의 파장에서의 방사를 포함한다.
제어는 극값 제어를 위해 구성된다. 이것은 광도를 최대값 또는 사전 정의된 한계값으로 제어하도록 적응된다. 이에 의해, 광도, 특히 방출된 UV 출력은 주위 조건들과는 관계없이 항상 목표값, 즉, 최대값 또는 사전 정의된 한계값의 범위 내에 유지된다.
광도의 최대값은 일반적으로 램프 유형에 대해 명시될 수 있으며, 그것은 공장에서 각각의 가스 방전 램프에 대해 개별적으로 명시될 수 있으며, 또는 그것은 가스 방전 램프가 켜지는 경우 제어 유닛에 의해 판독된다.
본 발명에 따르는 램프 시스템의 바람직한 실시형태에서 그리고 이와 관련하여, 제어 유닛은 극값 제어를 위한 장치를 포함하며 여기서 목표값은 작동 변수에 대해 결정되며 목표값에서 광도는 최대값 또는 사전 정의된 한계값을 채택한다.
그 점에서, 극값 제어는 바람직하게는 2점 제어로서 또는 광도 및 작동 변수의 전달함수의 곡률 결정으로서 구현된다. 이와 관련해서, 본 발명에 따르는 방법에 대한 설명들이 또한 램프 시스템에 적용 가능하다.
바람직하게는, 가스 방전 램프의 아말감 디포의 온도는 작동 변수로서 사용된다. 그 점에서, 램프 시스템에는 바람직하게는 광도에 영향을 미치는 가스 방전 램프의 작동 온도를 변화시키기에 적합한 제어 가능한 온도 제어 능력을 갖는 온도 제어 요소가 설치되며, 작동 온도 또는 작동 온도와 관련된 파라미터는 제어 유닛의 신호 입력에서 이용 가능하며 광도 제어의 작동 변수로서 사용될 수 있다.
온도 제어 요소는 기체, 액체 또는 고체 온도 제어 매체로 작동된다. 고체인 경우, 온도 제어 요소는, 예를 들면, 펠티에 소자 또는 다수의 펠티에 소자들의 어레이로서 구현될 수 있다.
예를 들면, 작동 온도는 가스 방전 램프의 표면 근처의 특성 온도 또는 아말감 디포의 온도이다. 온도 제어는 온도 제어 요소에 의한 이러한 온도의 상승, 강하 또는 유지를 포함한다.
제어 유닛에 연결되는, 제어 가능한 냉각 또는 가열 능력을 갖는 온도 제어 요소, 특히 PWM-제어 통풍 능력을 갖는 팬은 특히 성공적인 것으로 입증되었다.
본 발명은, 특히 최적의 작동 온도가 알려지지 않은 경우라도, 그 설계에 관계 없는 그리고 램프 시효에 의해 야기되는 임의의 잠재적인 변화들에 관계 없는 높은 방사 성능을 갖는 작동을 가능하게 하는, 가스 방전 램프를 작동하는 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 작동 조건들이 변하는 경우라도 그리고 램프 시효로 인한 변화가 발생하는 경우라도 높은 방사 성능으로 작동될 수 있는 램프 시스템을 제공하는 효과가 있다.
이하에서, 본 발명은 예시적인 실시형태들에 의해 더욱 상세히 설명될 것이다. 도면들에서:
도 1은 저압 아말감 방사체를 갖는 자외선을 발생시키는 램프 시스템을 도시하며;
도 2는 2점 제어를 기반으로 광도의 최대값의 결정을 예시하기 위한 다이어그램을 도시하며;
도 3은 광도 및 작동 변수의 전달함수의 곡률 결정에 기초하는 제어를 기반으로 광도의 최대값의 설정을 예시하기 위한 다이어그램을 도시하며;
도 4는 본 발명에 따르는 방법에 의한 팬 성능 및 UV 강도의 시간 곡선들을 갖는 다이어그램을 도시한다.
도 1은 일반적으로 참조부호 10이 제공되는 자외선을 발생시키기 위한 램프 시스템을 도시한다. 램프 시스템은 저압 아말감 방사체(11), 저압 아말감 방사체(11)를 위한 전자식 안정기(electronic ballast)(14), 저압 아말감 방사체(11)를 냉각시키기 위한 반경(방사)방향 팬(15) 및 반경방향 팬(15)을 위한 제어 유닛(16)을 포함한다.
저압 아말감 방사체(11)는 200 W의 정격 출력에서(4.0 A의 공칭 램프 전류에서) 본질적으로 일정한 램프 전류로 작동된다. 이것은 50 cm의 조명 길이, 28 mm의 외부 방사체 직경, 및 약 4 W/cm의 전력 밀도를 갖는다.
아르곤과 네온(50:50)으로 구성된 가스 혼합물로 채워진 방전 챔버(12)에는, 2개의 헬리컬형 전극들(18a, 18b)이 서로 반대편에 배치되며, 방전 아크가 작동 동안 상기 전극들(18a, 18b) 사이에서 점화된다. 방전 챔버(12)에는, 적어도 하나의 아말감 디포(13)가 슬리브 벌브의 금점(gold point)에 배치된다.
저압 아말감 방사체(11)의 슬리브 벌브는 양단에서 핀치들(17)에 의해 폐쇄되며, 전원 공급 장치(18)는 이를 통해 통과되며 상기 핀치들(17)은 베이스들(23)에 유지된다. EEPROM 형태의 기억 소자(22)는 상기 베이스들(23) 중 하나에 배치된다. 램프 시스템의 대안적인 실시형태에서, 가스 방전 램프의 베이스 내의 별도의 메모리 칩 없이 수행되며, 요구되는 데이터는 중앙 제어 유닛(16)에 저장된다.
UV 센서(24)는 슬리브 벌브의 일 단부 근처에 배치된다. 이것은 햇빛에 대한 둔감성 및 장기적인 안정성을 특징으로 하는 탄화 규소(SiC)로 제조되는 시판되는 포토다이오드이다. 이것은 254 nm의 파장, 저압 아말감 방사체(11)의 주 방출선을 포함하는 UVC 방사를 감지한다. UV 센서(24)는 데이터 라인(25)을 통해 제어 유닛(16)에 연결된다. 작동 동안, 제어 유닛(16)은 광도 제어의 실제값 UVactual로서 UV 센서(24)에 의해 측정된 UVC 광도를 결정한다.
저압 아말감 방사체(11)는 전자식 안정기(14)에서 작동되며 연결 라인들(20)을 통해 이에 연결된다. 또한, 전자식 안정기(14)는 라인 전압 연결(19)을 갖는다.
반경방향 팬(15)에는 로터의 속도를 제어하기 위한 PWM (pulse width modulation (펄스 폭 변조)) 신호가 제공된다. 속도는 그 냉각 능력을 결정하며 이것은 냉각 공기 체적 유동에 의해 0과 200 m3/h 사이에서 조절될 수 있다.
광도는 가변 목표값으로서 기능하며, 반경방향 팬(15)의 냉각 능력은 램프 제어의 작동 변수이다. 광도는 방출의 실제 최대값보다 낮은 사전 정의된 한계값 또는 최대값으로 설정된다. 이에 의해, 광도는 주변 조건들과는 무관하게, 목표값, 즉, 최대값 또는 사전 정의된 한계값의 범위 내에 항상 유지된다. 이하에서는, 작동 및 제어 방법들이 3개의 방법들을 기반으로 더욱 상세히 예시된다.
도 2의 다이어그램은 2점 제어의 실시예에 의한 광도의 목표값의 결정을 위한 과정을 예시한다. 이것은 측정된 광도(곡선 A), 냉각 능력(곡선 B, PWM으로서 측정된), 및 아말감 디포(13)의 온도(곡선 C; IR 센서에 의해 측정된)의 시간 곡선들을 도시한다. UV 센서에 의해 측정된 광도 UV는 mW/cm2 단위로 좌측 세로좌표를 따라 플로팅되며, 반면에 냉각 공기 체적 유동 PWM은 m3/h 단위로 우측 세로좌표를 따라 플로팅된다. 다이어그램 내에 들어온 온도 곡선(곡선 C)에서도, 온도들은 명확하게 스케일된 상대값들이 아니다. 시간 축 t의 단위는 초(들)이다.
처음에는, 팬(15)(곡선 B)는 오프(off)로 유지된다. UV 광도(곡선 A)는 급속하게 증가하며, 최대값에 도달하며 그 다음 하강한다. UV 광도의 하강은 아말감 디포(13) 및 램프의 슬리브 벌브의 지나치게 높은 온도에 기인할 수 있다 (곡선 C). 그 다음, 팬(15)은 램프 벌브(보다 구체적으로는: 아말감 디포(13)의 온도)가 언더쿨링되며 따라서 UV 광도가 다시 하강하기까지 최대 속도(fanmax)로 작동된다. 이 시간간격의 지속은 tmax이다.
그 다음, 가스 방전 램프가 다시 과열되며 UV 광도가 다시 하강할 때까지 팬(15)은 저속(fanmin)에서 시간 tmin 동안 작동된다 (따라서 이것은 여전히 회전한다).
이러한 시작 단계의 결과는, 그것이 가스 방전 램프의 추가 작동 동안 냉각 능력에 대한 척도로서 사용되는 것과 같이, 팬(15)의 디폴트(기준) 속도에 대한 초기값이다. 상기 디폴트 속도는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Fandefault = (fanmax * tmax + fanmin * tmin / (tmin + tmax)) (1)
냉각 능력 fandefault에서 전개되는 UV 광도는 램프 제어를 위한 목표값 UVdesired이며 동시에 최대값을 나타낸다. UV 광도가 작동 동안 임계값 (예를 들면 최대값의 98%) 이하로 떨어지는 경우, 팬은 최소 작동 모드(fanmin)로 스위칭되며 UV 광도는 그것이 다시 상승하는지에 대해 반응 시간 tcrit 동안 체킹된다. 필요한 경우, fandefault에 대한 값이 감소된다. 그렇지 않으면, 팬은 최대값 fanmax에서 작동하며 디폴트 체킹 방향이 변화된다(fanmin에서 fanmax로).
시간 상수 tcrit는 팬이 처음으로 켜진 후 UV 광도의 반응 시간으로부터 심지어 자동적으로, 스텝 함수를 사용하여 간단한 테스트에 의해 결정될 수 있다.
광도의 목표값을 결정하기 위한 또 다른 과정 및 램프 시스템의 작동이 광도 및 작동 변수의 전달함수에 의한 곡률 결정의 실시예에 의해 도 3에 예시된다. 도 3a의 다이어그램은 UV 광도 UV의 냉각 능력 PWM(예를 들면, 팬 속도)에 대한 종속성을 보여준다. UV 광도는 최적의 냉각 능력에서 현저한 최대값을 나타낸다. 전달함수(도 3a)는 단조가 아니기 때문에, 광도가 변화하는 경우 정확한 제어 방향을 추론하는 것이 가능하지 않다.
도 3b의 개략적인 다이어그램은 도 3a의 함수의 수학적 도함수를 나타낸다. 1차 도함수
Figure pct00001
는 이제 또한 단조이며 최적의 냉각 능력에서(= 최대 광도) 영점을 갖는다. 작동 변수
Figure pct00002
를 변화시키는 명령은 이제 이러한 함수의 음의 증가로부터 직접 기인한다 (
Figure pct00003
= 전달함수의 2차 도함수=곡률).
다음의 변화가 기술적으로 유리한 것으로 입증되었으며, 팬의 설정은 다음의 방정식에 따라 이루어진다:
Figure pct00004
시간 단계 n과 n+1에서의 다음 시간 단계 사이의 작동 변수의 변화의 방향은 2차 도함수의 부호로부터 유래한다. 이러한 도함수는 마지막에 측정된 3개의 UV 값들
Figure pct00005
및 마지막에 설정된 2개의 팬 셋팅들
Figure pct00006
로 구성된다. 그러나, 다음 시간 단계에 대한 변화의 양
Figure pct00007
은 UV 강도
Figure pct00008
와 파라미터 Const.의 변화의 양으로 스케일링된다, 즉,:
Figure pct00009
.
도 4는 UV 광도(곡선 D) 및 관련된 냉각 능력(팬 속도 또는 냉각 공기 체적 유동, 각각, 곡선 E)의 시간 곡선들을 나타낸다. 광도 UVrelative (in %)는 최대 광도에 대한 상대값으로서 좌측 세로좌표를 따라 플로팅되며 반면에 냉각 공기 체적 유동은 m3/h로 우측 세로좌표를 따라 플로팅된다. 작동 변수로서 가스 배출 램프의 온도 제어로부터 유래하는 제어 시스템의 느림에도 불구하고, PWM-제어 반경방향 팬(15)에 의한 상기 연속적인 제어는 곡선 D에 의해 도시된 바와 같이, 대체로 일정한 UV 광도를 발생시킨다.
그러나, 불리한 조건들 하에서, 이러한 UV 제어는 곡률 결정을 통해 불안정하게 될 수 있으며 팬은 틀린 방향으로 변화될 수 있다. 이러한 경우는 작동 동안 UV 광도가 임계값(예를 들면, 최대값의 95%; UV<95% of UVmax) 이하로 떨어지자마자 제어에 의해 통제된다. 그때 팬 속도는 의도적으로 교란될 것이며, 즉, 속도는 급격하게, 예를 들면, 이전의 PWM 값이 50% 또는 그 이상이었던 경우 영으로 변화되며, 또는 이전의 PWM 값이 50% 미만이었던 경우 최대 PWM 값(100%)으로 변화되어 명확한 제어 신호를 발생시킨다. 후속하여, 셋팅하기 위한 제어 시간을 주기 위하여, 이러한 교란은 x 시간 단계들 동안 허용되지 않는다.
램프 시스템을 작동시키고 제어하기 위한 또 다른 방법은 사전 정의된 값에 대한 UV 광도의 절대 측정을 기반으로 한다(그리고 2개의 상기 과정들에 대한 기술된 바와 같은, UV 광도의 상대 최대값에 대한 제어를 기반으로하는 것이 아니라).
UV 출력이, 예를 들면, 방사체의 사용수명에 걸쳐 초기 출력의 90%로 감소하는 것이 알려져있다. 절대 제어의 도움으로, 가스 방전 램프는 그 전체 사용수명에 걸쳐 일정한 UV 출력으로 작동될 수 있다. 이러한 "사용수명 보상(service life compensation)"의 목적을 위해, UV 광도의 초기의 양은 가스 방전 램프가 처음으로 켜질 때
Figure pct00010
결정되며
Figure pct00011
그리고, 이로부터, 사용수명에 걸쳐 일정하게 유지될 UV 광도 UVduration=
Figure pct00012
의 90%가 결정되며 램프 시스템의 기억 소자(22)에 또는 램프 제어부에 저장된다.
제1 방법 변형예에서, 가스 방전 램프가 다음번에 켜질 때, UV 광도는 우선 최대값으로 취해지고 그 다음 램프 전류는 사전 정의된 값 UVduration=
Figure pct00013
의 90%에 도달될 때까지 감소된다. 제어는 반복적으로 팬 설정을 상대 최대값으로 가져가 상기 목표값을 유지한다. 도 3a에는, UVduration에 조정된 작동 파라미터(램프 전류)를 갖는 상기 방법 변형예가 광도의 상대 최대값 UVduration을 갖는 점선 곡선 V1에 의해 표시된다.
또 다른 방법 변형예에서, 제어 유닛(16)은 목표값 UVduration과 UV 광센서(24)에 의해 발송된 UV 광도의 실제값을 비교하며, 목표값으로부터 실제값의 편차를 결정하며, 반경방향 팬(15)의 냉각 능력을 제어하기 위한 제어 신호를 발생시킨다. 여기서, 광도의 UVduration로의 감소는 의도적으로 비최적화된 팬 출력에 의해 달성되며; 작동 파라미터들의 조절이 필요하지 않다. 바람직한 예시적인 실시형태에서, 팬 출력은 절대 최대값에 도달하기 위해 요구되는 온도보다 낮은 온도가 아말감 디포(13)에서 전개되도록(나타나도록) 설정된다. 작동 파라미터들의 조정이 없는 상기 방법 변형예는 도 3a에서 제어 포인트 V2에 의해 표시된다.
당연히, "사용수명 보상"의 목적을 위해 상기 2개의 기술된 방법 변형예들을 결합시키는 것이 또한 유리할 수도 있다.

Claims (15)

  1. 가스 방전 램프(11), 전자식 안정기(14) 및 램프 시스템(10)의 성능에 영향을 미치는 제어 변수를 제어하기 위한 제어 유닛(16)을 포함하는 램프 시스템(10)을 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    가스 방전 램프(11)에 의해 방출되는 광도의 실제값이 광센서(24)에 의해 측정되며 방출된 광도가 제어 변수로서 사용되는 광도 제어가 제공되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템(10)을 작동시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    자외선(UV radiation)을 방출하는 가스 방전 램프(11)가 사용되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    작동 변수를 위한 목표값이 극값 제어에 의해 결정되며, 목표값에서 광도는 최대값(UVmax) 또는 사전 정의된 한계값(UVduration)을 채택하는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    극값 제어는 2점 제어(two-point control)로서 구현되며 시작 단계 동안 작동 변수는 적어도 2개의 초기값들로 설정되며 그것의 하나는 가스 방전 램프(11)의 온도 상승을 야기하며 그것의 다른 하나는 가스 방전 램프(11)의 온도 하락을 야기하며, 온도 상승의 결과로서 그리고 온도 하락의 결과로서 최대 광도에 도달되며 한도를 넘게되며, 하나의 초기값과 다른 하나의 초기값 사이의 값은 작동 변수의 목표값으로서 설정되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    극값 제어는 광도 및 작동 변수의 전달함수의 곡률 결정을 포함하며, 작동 변수의 목표값은 최대 광도를 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    광도에 영향을 미치는 가스 방전 램프(11)의 작동 온도가 조절 가능한 온도 제어 능력을 갖는 온도 제어 요소(15)에 의해 변화될 수 있으며, 온도 제어 능력은 제어의 작동 변수로서 사용되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    온도 제어 요소(15)로서 PWM-제어 통풍 능력을 갖는 팬이 사용되며 그리고 통풍 능력은 제어의 작동 변수로서 사용되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  8. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 방전 램프(11)에 의해 방출되는 자외선의 강도는 광도로서 수집되며, 자외선은 254 nm의 파장에서의 방사를 포함하는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  9. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    광도의 한계값(UVduration)이 사전 정의되며, 상기 한계값 이하로 떨어지는 것은 가스 방전 램프(11)의 사용수명의 종료를 나타내며, 상기 한계값은 광도 제어의 목표값으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템 작동 방법.
  10. 가스 방전 램프(11), 전자식 안정기(14) 및 램프 시스템(10)의 성능에 영향을 미치는 제어 변수를 제어하기 위한 제어 유닛(16)을 포함하는, 선행하는 제1항 내지 제9항들 중 어느 한 항에 따르는 방법을 수행하기 위한 램프 시스템으로서,
    가스 방전 램프(11)에 의해 방출된 광도의 실제값을 측정하기 위한 광센서(24)가 제공되며, 제어는 광도 제어로서 구성되며 방출된 광도는 제어 변수로서 사용되며, 광도의 실제값은 제어 유닛(16)의 신호 입력에서 입력 신호로서 이용 가능한 것을 특징으로 하는 램프 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    제어 유닛(16)은 극값 제어를 위한 장치를 포함하며, 여기서 작동 변수를 위한 목표값이 결정되며, 목표값에서 광도는 최대값(UVmax) 또는 사전 정의된 한계값(UVduration)을 채택하는 것을 특징으로 하는 램프 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    극값 제어는 2점 제어로서 또는 광도 및 작동 변수의 전달함수의 곡률 결정으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    가스 방전 램프(11)는 자외선을 방출하는 가스 방전 램프인 것을 특징으로 하는 램프 시스템.
  14. 제11항 내지 제13항들 중 어느 한 항에 있어서,
    광도에 영향을 미치는 가스 방전 램프(11)의 작동 온도를 변화시키기에 적합한 제어 가능한 온도 제어 능력을 갖는 온도 제어 요소(15)가 제공되며, 작동 온도 또는 작동 온도와 관련된 파라미터는 제어 유닛의 신호 입력에서 이용 가능하며 광도 제어의 작동 변수로서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 램프 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    제어 가능한 냉각 또는 가열 능력을 갖는 온도 제어 요소(15), 특히 PWM-제어 통풍 능력을 갖는 팬이 제어 유닛(16)에 연결되는 것을 특징으로 하는 램프 시스템.
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