TWI538008B - Short wavelength ultraviolet discharge lamp and ultraviolet radiation processing device - Google Patents

Description

短波長紫外線放電燈及紫外線照射處理裝置

本發明係關於於至少220 nm以下之波長區域發光之放電燈及搭載該放電燈並利用自放電燈放射之紫外線的紫外線照射處理裝置。

短波長帶之紫外線可用於有害物或有機物之分解、殺菌等多領域中。例如，圖7表示先前技術之水中之有機物分解裝置之一例。

符號1係不鏽鋼製之圓筒，兩端由凸緣1a、1b所密閉。符號1c係入水口之凸緣，1d係出水口之凸緣。被處理水5自凸緣1c側流向凸緣1d側，為了使被處理水不會發生短傳，而成為途中配置有複數片回流板1e~1i之構造。符號3係放射包含220 nm以下之波長之紫外線之光的放電燈，一般而言，使用由具有自220 nm以下之波長帶至長波長帶具有透過性之石英玻璃管所構成的低壓水銀蒸氣放電燈。符號2係用以隔離放電燈與被處理水之透光管，可同樣由具有自220 nm以下之波長帶至長波長帶具有透過性之石英玻璃而構成(透光管2與放電燈3通常平行設置有複數個，圖7中僅表示1個)。紫外線透過透光管2後，照射至被處理水5。水分子H₂ O之H－OH之鍵能為499 kJ/mol，因此，220 nm以下之波長之紫外線具有可解離水分子H₂ O之能力，從而生成OH自由基。例如，如下式所示般，所生成之OH自由基發揮著使存在於水中之有機物分解為無害之CO、CO₂ 、H₂ O之作用。

H₂ O＋hv(185 nm) → H＋OH自由基 CnHmOk＋OH自由基 → CO、CO₂ 、H₂ O(n、m、k係1、2、3、.....)

其次，就放電燈3加以說明。管體31由石英玻璃構成，兩端具有一對電極32a、32b且封入水銀作為發光金屬。繼而，其中一側之電極32b藉由引線38電性導出至另一端側，與另一側之電極連接之引線一併收納於插接頭37中。為了使引線38沿著外壁引伸，必須使其經受得住放電燈3放電時所發出之熱量，一般而言，使用ETFE(ethylene－tetrafluoroethylene乙烯－四氟乙烯共聚物)、FEP(Tetrafluoroetylene－Hexafluoropropylen四氟乙烯－六氟丙烯共聚物)、PFA(perfluorinated alkyl vinyl ether，全氟烷基乙烯醚共聚物)、PTFE(tetrafluorethylene，四氟乙烯樹脂)等氟系絕緣包覆導線。向該放電燈供應特定之電源，使放電燈點燈時，放射出含有185 nm之紫外線之水銀特有之紫外線或可視光線，有利於上述有機物之分解反應處理。

然而，伴隨紫外線輸出之降低，大約半年至1年期間必須定期更換放電燈，而於對以上述方式所構成之先前之放電燈進行更換作業時，會產生給人帶來不快感之強烈刺激性味道，並且會使皮膚有刺痛感。

考慮到上述刺激性味道．刺痛感，係因引線之絕緣包覆材料曝露於短波長紫外線或由該紫外線所產生之臭氧中，析出素材之氟成分，從而該氟成分與周圍之濕氣反應後生成氟化氫或氫氟酸而造成的，於對此種放電燈或紫外線處理裝置進行處理時，於安全及保護環境方面會成為非常大的障礙。因此，日本專利特開2002－282851公報中提出有一種以如下方式構成之紫外線照射處理裝置，即，對於放電燈之導線使用未包覆之非絕緣電線，只要不切斷對該放電燈供應之電源，則不自透光管取出放電燈。

然而，上述發明即使適用於新穎製造所設置之裝置，但於既有之裝置中改造所需要之費用及期間較長，因此不一定適用。並且，亦無法否認於對非絕緣電線之放電燈進行處理時精神上會有抗拒反應。

另一方面，近年來出現了專利第3563373號公報中所記載之高效率．高功率形之放電燈，為了提高處理能力，強烈要求替換既有裝置。使用高功率形放電燈之情形時，會擔心因產生氟化氫等而導致問題之產生，因此強烈要求開發一種安全且可靠性較高之放電燈。

[專利文獻1]日本專利特開2002－282851公報[專利文獻2]專利第3563373號公報

本發明之目的在於提供一種放電燈及紫外線照射處理裝置，該放電燈係放射包含220 nm以下之波長帶之紫外線的放電燈，可消除因絕緣導體之絕緣體所帶來之問題，且有助於保障人體之安全性及環境，上述絕緣導體之一端與其中一側之電極電性連接，而另一端向另一側之電極引伸。

本發明之短波長紫外線放電燈係於石英玻璃管之兩端具備彼此對向之一對電極，並由封入有於至少220 nm以下之波長帶發光之物質而成之放電燈，其特徵在於，由非鹵系之絕緣體包覆之絕緣導體之一端與其中一側之電極連接，該絕緣導體沿著上述石英玻璃管之外壁導向另一側之電極，於該另一側之電極電性連接之導線一側，可與供應電源連接。

本發明之短波長紫外線放電燈，將導向另一電極側之絕緣導體及與上述另一側之電極電性連接之導線收納於成為一體之插接頭內，並可容易地安裝於供應電源且自該供應電源卸下，從而處理時較為便利。

本發明中，較理想的是，用於絕緣導體之非鹵系之絕緣體包含主鏈中具有芳香環及/或雜環之高分子化合物。主鏈中之芳香環及/或雜環對紫外線之劣化具有較高抗性。

進而，用於上述絕緣導體之非鹵系之絕緣體於主鏈中並不限於僅具有芳香環或雜環，亦可與芳香環或雜環一併，具有選自醯胺鍵、酯鍵及胺甲酸乙酯鍵之至少一種化學鍵，從而顯示出尤其高之抗性。

作為上述高分子化合物，可列舉有聚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、聚酯醯亞胺、芳香族聚醯胺、聚苯幷咪唑、聚醚醚酮(PEEK，polyetheretherketone)、聚碳酸酯及聚酯等。再者，只要不放出鹵系氣體，可以使用由如尼龍、聚烯烴、聚碸，乙烯－丙烯共聚物(EPR(ethylene－propylene rubber，乙丙烯橡膠)或EPDM(ethylene－propylene－diene monomer，乙烯丙烯二烴單體))或聚胺酯般之脂肪族之高分子化合物所構成的絕緣體。

又，作為非鹵系之絕緣體，亦可使用無機絕緣體，該無機絕緣體由矽、鋁、鋅或者鋯之氧化物或氮化物及玻璃纖維之至少一種而構成。

該等絕緣體藉由清漆之塗佈燒製塗膜、壓擠包覆、管狀包覆、膠帶繞纒、纖維之編織或該等組合，而包覆於由單線、絞合線、集合線或編織線所構成之導體上。

本發明之紫外線照射處理裝置，將以上所說明之短波長紫外線燈內插至於至少220 nm以下之波長帶具有透光性之管內，並可使自上述短波長紫外線放電燈放射之紫外線經由該透光管之壁向被處理物照射。再者，較理想的是，將短波長紫外線放電燈與上述於至少220 nm以下之波長帶具有透光性之管之間密封，並於上述短波長紫外線放電燈與具有上述透光性之管之間封入惰性氣體或使該惰性氣體流通，從而可進一步防止上述絕緣體之劣化。

根據本發明之短波長紫外線放電燈，可完全防止於先前之放電燈或紫外線照射處理裝置中成為問題之有害鹵化氫或氫鹵酸般之鹵系氣體之產生。又，本發明之放電燈藉由將導向另一電極附近之絕緣導體及與上述另一側之電極電性連接之導線收納於成為一體之插接頭內，可容易地安裝於供應電源並自該供應電源卸下。

對於非鹵系之高分子化合物，當使用於主鏈中具有芳香族及/或雜環之高分子化合物之情形時，該等高分子化合物尤其對紫外線與臭氧之耐久性優良，因此可獲得優良之效果。

其次，就本發明之實施形態加以說明。為了確認本發明之效果，如圖1所示，於放電燈之外周捆上如下絕緣導線樣品並進行加速測試。

(a)FEP與ETFE之氟樹脂壓擠成形包覆導線(b)氯乙烯樹脂壓擠成形包覆導線(c)芳香族聚醯亞胺管狀包覆導線(d)芳香族聚醯亞胺膠帶繞纒包覆導線(e)PEEK管狀包覆導線(f)聚乙烯管狀包覆導線(g)尼龍膠帶繞纒包覆導線(h)雲母帶繞纒包覆導線(i)氧化鋁纖維編織包覆導線(j)矽氧橡膠包覆導線

圖1中，符號333係兩插接頭型之高功率形低壓水銀蒸氣放電燈，其管徑為15 mm，發光長度約為1.5 m，並放射包含185 nm之波長之紫外線。以遍及該放電燈之管體之大致全長之方式，分別於該放電燈之管體之周圍捆上10個相同絕緣導線樣品333a、333b、333c、333d、...、...，並利用鎳裸線334a、334b緊縛之後，滴下用於反應加速之約10 cc之水，將上述放電燈管體插入石英玻璃製之透光管，利用橡膠帽封住透光管之兩端後點燈。

於一個月之晝夜連續點燈之後自透光管取出放電燈，確認有無刺激性味道，並利用石蕊試紙擦拭放電燈之外表面以確認pH值(pH)等級。

其結果，發現(a)FEP及ETFE之氟樹脂包覆導線與(b)氯乙烯樹脂包覆導線之樣品發出明顯刺激性味道且附著有酸性之生成物。與此相對，除(a)、(b)以外之(c)~(j)之樣品中均未發現刺激性味道，石蕊試紙之結果亦顯示為中性。

根據上述實驗結果，確認(c)芳香族聚醯亞胺管狀包覆導線、(d)芳香族聚醯亞胺膠帶繞纒包覆導線、(e)PEEK清漆塗膜導線、(g)尼龍膠帶繞纒包覆導線、(h)雲母帶繞纒包覆導線、(i)氧化鋁纖維編織包覆導線均可有效地解決問題。而關於(f)聚乙烯管狀包覆導線與(j)矽氧橡膠包覆導線，雖未確認有刺激性味道及酸性物質之生成，但發現包覆時產生微細龜裂，從而作為絕緣物之耐久性方面出現問題。其次，分別將10個(a)FEP及ETFE之氟系樹脂絕緣導線及(b)氯乙烯樹脂絕緣導線以與上述相同之方式緊縛於上述高功率形低壓水銀蒸氣放電燈之外周，未將水滴下至該等之上，將上述放電燈管體內插至透光管後，將透光管內之空氣置換為氮氣利用橡膠帽密封兩端後點燈。於一個月之連續點燈之後，以與上述相同方式自透光管取出放電燈，並確認有無刺激性味道及放電燈之外表面之pH值(pH)等級。其結果，未發現刺激性味道，石蕊試紙亦表現為中性。

根據該結果，若將透光管內空氣置換為氮氣且不存在水，則確認可抑制絕緣體之劣化及鹵化氫之生成。

[實施例]

圖2表示本發明之放電燈3之一實施例。符號31係放電燈之管體，其外徑為15mm，全長1.6m，且由自220nm以下之波長帶至長波長帶均具有透過性之石英玻璃構成。管體31使用合成石英玻璃，適當調整了管內徑、放電電流與電位梯度之關係之放電燈為高效率．高功率形之放電燈。於管體31之兩端以約1.5m之間隔並以對向之方式具備一對燈絲(電極)32a、32b，一對燈絲32a、32b分別扣止於內部引線33a、33b、33c、33d，並經由鉬箔34a、34b、34c、34d與外部引線35a、35b、35c、35d密封於管體內且與管體之外部電性導通，管體內封入有適量之水銀與稀有氣體。又，36係用以保護管端部之陶瓷製之插接頭，37係具備供電引腳37a、37b之陶瓷製之插接頭。38係利用內徑1mm×外徑1.5mm之聚醯亞胺管絕緣剖面積約為0.6平方毫米之導線所成的引線，且加壓連接於與燈絲32b電性連接之外部引線35c，沿著管體31之外壁導向另一側燈絲32a之側，且焊接於插接頭37中之供電引腳37b上。燈絲32a之外部引線35b亦焊接於插接頭37中之供電引腳37a，呈所謂單插接頭型放電燈之形態。因作為絕緣體素材之聚醯亞胺具有數kV以上之絕緣耐壓，故作為被施加最高數100V之電壓之該放電燈之導線絕緣體滿足必要充分條件。

若經由特定之電子安定器(未圖示)並以放電電流為1A之方式使以如上所述之方式構成之放電燈點燈，則放射出相當於放電燈之功率之約5%的7.5 W來作為185 nm之紫外線能量，其一部分亦照射至沿著管體引伸之絕緣導線上，而不會發出有害之鹵化氫或氫鹵酸。上述實施例中表示了與所對向之電極連接之供電引腳收納於一體之插接頭中的單插接頭形放電燈，但亦可為如下方式之放電燈，即，將圖3所示之絕緣導線38原樣引出至放電燈之前方並利用連接器50而與供應電源連接。再者，圖3~圖6中，對於與圖7、圖1、圖2共通之部分，附上相同符號並省略重複說明。

圖4及圖5係表示使用兩插接頭形之放電燈3發揮相同之效果的紫外線照射處理裝置之實施例。圖4中符號3係放射包含220 nm以下之波長帶之紫外線之兩插接頭形放電燈，內插於透光管2中，電性連接於兩端之電極之插接頭38a、38b之外周部分與透光管2之間的間隙，及絕緣導線40與透光管2之間的間隙，由嵌入透光管2之端部之橡膠帽40a、40b所密封。橡膠帽40a、40b中形成有貫通孔，使插接頭38a、38b之外周部分與絕緣導線40氣密地貫通於透光管2中，且插接頭38a、38b之外周部分自該貫通孔向外部突出，該等插接頭38a、38b分別與插座39a、39b連接，自省略圖示之電源經由連接器50向放電燈3供電。

圖6表示的是將放電燈3內插於透光管2中，使透光管內處於氮氣環境下所使用之紫外線照射處。實際之裝置一般為將各放電燈分別插入複數個透光管而使用之裝置，為了方便起見圖中僅例示一個。符號3係放射包含220 nm以下之波長帶之紫外線之單插接頭形放電燈，通過其中一個電極之引線38之絕緣導線並非限於非鹵化物質。於使本裝置開始動作時，在將放電燈3插入透光管2後將透光管內之空氣置換為氮氣，並利用橡膠帽40a、40b密封兩側。橡膠帽40a與插座密著並開有貫通孔，橡膠帽40b為未開孔之閉塞體。於未完全嵌入兩個橡膠帽之前，利用較大之塑膠袋等覆蓋整個圓筒1，可容易地置換為使其中充滿氮氣。之後，安裝圓筒罩41a、41b，若亦預先使圓筒罩41a、41b內充滿氮氣則更有效。以此方式所構成之紫外線照射處理裝置中，因沿著放電燈之管體引伸之絕緣線38處於氮氣環境中，故即使為鹵化物質之絕緣導線亦不會發生劣化，從而不會產生有害鹵化氫或氫鹵酸。符號42係電源。

再者，本發明之實施例中，圖示了使導線連接於一對燈絲之各單側並具有2個引腳之插接頭的瞬時啟動形之低壓水銀蒸氣放電燈，亦即，於管體之外部壁引伸之絕緣導線為1個之放電燈，當然亦可為使導線連接於燈絲之各兩側且預先加熱燈絲後放電之預熱形之低壓水銀蒸氣放電燈，亦即於管體之外部壁引伸之絕緣導線為複數個，且，對插接頭之形狀等未加以限制。又，並非必須僅將水銀蒸氣放電燈作為對象，例如準分子燈或疝氣燈等，只要適用於在220 nm以下之波長帶發光之光源亦可發揮相同之作用效果。進而，對象裝置並不限於橫向亦可為縱向，插入放電燈之透光管並不限於兩端具有開口部之形狀，亦可為其中一端被密封之形狀。

亦即，可以確認，於以數100個之單位進行有機物分解處理之既有之紫外線照射處理裝置中搭載實施例1所示之放電燈進行運轉時不會產生特別之問題，且發揮所滿意之性能，而使用1年後更換該等放電燈時，於安全、環境、健康方面當然沒有問題，在更換、處理及廢棄作業方面亦不會帶來任何障礙。

2．．．透光管

3．．．放電燈

31．．．管體

32a、32b．．．燈絲

33a、33b、33c、33d．．．內部引線

34a、34b、34c、34d．．．鉬箔

35a、35b、35c、35d．．．外部引線

36．．．插接頭

37．．．插接頭

37a、37b．．．供電引腳

38．．．利用聚醯亞胺管絕緣之引線

38a、38b．．．插接頭

39a、39b．．．插座

40a、40b．．．橡膠帽

41a、41b．．．圓筒罩

42．．．電源

圖1係表示本發明之實施形態中纏繞於紫外線放電燈之外周之絕緣導線樣品的圖。

圖2係模式性地表示本發明之一實施例之紫外線放電燈之剖面圖。

圖3係模式性地表示本發明之其他實施例之紫外線放電燈之剖面圖。

圖4係模式性地表示本發明之進而其他實施例之紫外線放電燈之剖面圖。

圖5係自插座39b側觀察圖4之實施例之紫外線放電燈之端面圖。

圖6係模式性地表示本發明之其他實施例之紫外線處理裝置之剖面圖。

圖7係模式性地表示先前之紫外線處理裝置之剖面圖。

3．．．放電燈

31．．．管體

32a、32b．．．燈絲

33a、33b、33c、33d．．．內部引線

34a、34b、34c、34d．．．鉬箔

35a、35b、35c、35d．．．外部引線

36．．．燈座

37．．．插接頭

37a、37b．．．供電引腳

38．．．利用聚醯亞胺管絕緣之引線

Claims (7)

1. 一種短波長紫外線放電燈，其係於石英玻璃管之兩端具備彼此對向之一對電極，且封入於至少220nm以下之波長帶發光之物質而成之放電燈，其特徵在於，由非鹵系之絕緣體包覆之絕緣導體之一端與其中一側之電極連接，將該絕緣導體沿著上述石英玻璃管之外壁導引向另一側之電極，而於與該另一側之電極電性連接之導線之同一側，構成為可連接至供應電源，上述非鹵系之絕緣體包含高分子化合物或無機絕緣體，該高分子化合物係主鏈中具有芳香環及/或雜環之高分子化合物，該無機絕緣體係由矽、鋁、鋅或者鋯之氧化物或氮化物及玻璃纖維之至少一種而成。
2. 如請求項1之短波長紫外線放電燈，其中將導引至上述另一電極附近之絕緣導體及與上述另一側之電極電性連接之導線，收納於成為一體之插接頭內，而構成為可安裝於上述供應電源且可自上述供應電源卸下。
3. 如請求項1之短波長紫外線放電燈，其中上述高分子化合物於主鏈中具有選自醯胺(amide)鍵、酯鍵、醚鍵、CO鍵及胺甲酸乙酯鍵中之至少一種化學鍵。
4. 如請求項1之短波長紫外線放電燈，其中上述高分子化合物包含選自聚醯亞胺、聚醯胺醯亞 胺、聚酯醯亞胺、芳香族聚醯胺、聚苯幷咪唑、聚醚醚酮(PEEK)、尼龍、聚碳酸酯、聚酯、聚烯烴、聚碸、乙烯-丙烯共聚物(EPR或EPDM)及聚胺酯中之至少一者。
5. 如請求項1之短波長紫外線放電燈，其中上述非鹵系之絕緣體藉由清漆(varnish)之塗佈燒製塗膜、壓擠包覆、管狀包覆、膠帶繞纒、纖維之編織或該等組合而包覆於導體上。
6. 一種紫外線照射處理裝置，其特徵在於將請求項1之短波長紫外線放電燈內插至於至少220nm以下之波長帶具有透光性之管內，並可使自上述短波長紫外線放電燈放射之紫外線經由該透光管之壁照射至被處理物。
7. 一種紫外線照射處理裝置，其特徵在於將於至少220nm以下之波長帶發光之短波長紫外線放電燈內插至於至少220nm以下之波長帶具有透光性的管內，將上述短波長紫外線放電燈與上述具有透光性之管之間密封，並於兩者之間封入惰性氣體或者使惰性氣體於兩者之間流通；上述短波長紫外線放電燈係於石英玻璃管之兩端具有彼此對向之一對電極，且將由非鹵系之絕緣體包覆之絕緣導體之一端與其中一側之電極連接，使該絕緣導體沿著上述石英玻璃管之外壁導引向另一側之電極，而於與該另一側之電極電性連接之導線之同一側，構成為可連接至供應電源者，上述非鹵系之絕緣體包含高分子化合物或無機絕緣體，該高分子化合物係主鏈中具有芳香環及/或雜環之高 分子化合物，該無機絕緣體係由矽、鋁、鋅或者鋯之氧化物或氮化物及玻璃纖維之至少一種而成。