專利名稱:放電燈和紫外線照射裝置及其運用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輻射短波長區(qū)域的紫外線能量的放電燈，并且涉及使用它的紫外線照射裝置，本發(fā)明可以用于有機物的分解處理·殺菌·消毒等領域。
背景技術：
因為220nm以下的短波長區(qū)域的紫外線具有很強的能量，所以現在正用于有害物和有機物的分解等許多方面。圖6表示至今已知的閉鎖型的用于處理液體的紫外線照射裝置的一個例子。將放電燈30存放在外管(保護管)20內，將外管20放在不銹鋼制的圓筒1內，將被處理液體導入該圓筒1內接受從放電燈30發(fā)出的紫外線的照射。作為放電燈30，例如可以使用輻射185nm波長區(qū)域的紫外線的低壓水銀蒸氣放電燈。放電燈30的發(fā)光管泡10是由紫外線透過性卓越的石英玻璃制成的。將放電燈30存放在具有紫外線透過性的外管(保護管)20的內部，液體密封地隔離該放電燈30與被處理液體。該外管20也是由紫外線透過性卓越的石英玻璃制成的。用法蘭盤1a，1b封閉圓筒1的兩端，從進水口1c取入的被處理液體在通過圓筒1內的過程中受到紫外線的照射后，從出水口1d排出。被處理液體從進水口1c向出水口1d流過圓筒1內，但是為了使被處理液體不直接短路徑地通過，具有在途中配置多塊(圖中為5塊)返流板1e～1i的構造。此外，為了簡單起見，在圖6中畫出了只搭載1個放電燈30的裝置，但是實用中使用多燈式的大容量裝置的情形是很多的。從放電燈30發(fā)出的紫外線透過外管10，照射在被處理液體上。照射的紫外線例如起著如下列反應式所示地將存在于水中的有機物分解成無害的CO，CO2，H2O的作用。
(n，m，k為1，2，3，........)可是，我們知道低壓水銀蒸氣放電燈可以作為短波長區(qū)域的紫外光源，但是至今的低壓水銀蒸氣放電燈主要用作熒光燈和殺菌燈。熒光燈是通過熒光體將發(fā)射的254nm的紫外線變換成可見光的放電燈。同樣，殺菌燈是利用254nm紫外線的放電燈。盡管許多研討都是關于254nm紫外線輻射的，但是人們對于與本發(fā)明有關的185nm的輻射也十分關心，這是不言而喻的。

發(fā)明內容
本發(fā)明就是鑒于上述問題提出的，本發(fā)明的目的是為了提供能夠提高低壓水銀蒸氣放電燈中的185nm紫外線輻射效率，并且提高該紫外線的維持率，節(jié)省能量，節(jié)省維護的放電燈和利用它的紫外線照射裝置及其運用方法。
與本發(fā)明有關的放電燈的特征是它備有內徑8mm以上的由合成石英玻璃構成的玻璃管和在這個玻璃管兩端上分開L(cm)間隔的一對燈絲，在玻璃管內部封入稀有氣體和至少包含水銀的金屬的放電燈中，點亮時的燈電壓V(V)，燈電流I(A)，燈絲間距離L(cm)，和放電路徑的內徑D(mm)具有下列關系式(V-Vf)/L=X/(D·I)]]>并且，2.6≤X≤4.2。
但是，Vf是與點亮放電燈的電源有關的常數因子，用1kHz以上的高頻電源點亮放電燈時Vf＝10，用1kHz以下的電源點亮放電燈時Vf＝50。
我們將在后面進行詳細的述說，如果根據本發(fā)明，通過上述關系式那樣地設定條件，則能夠使低壓水銀蒸氣放電燈高效率地輻射185nm紫外線，并能夠確保長壽命。
與本發(fā)明有關的紫外線照射裝置的特征是備有具有上述那樣構成的放電燈，和將從該放電燈輻射出來的紫外線照射在處理對象上的處理裝置。從而，因為搭載了對于185nm紫外線確保高效率·長壽命的放電燈，所以能夠提供節(jié)省能量型的運用成本低廉的紫外線照射裝置。
與本發(fā)明有關的紫外線照射裝置的運用方法是運用具有上述那樣構成的上述紫外線照射裝置的方法，它的特征是在上述處理裝置中設置多個上述放電燈，在設置的多個放電燈中使所定數目的放電燈熄滅而點亮其余的放電燈，隨著時間的經過變更這個熄滅和點亮的放電燈的組合。從而，通過間隔地點亮并使用數目比設置的放電燈的總數少的放電燈，隨著時間的經過變更這個間隔點亮的組合，反復使用放電燈，能夠延長一齊交換放電燈的期間，節(jié)省交換維護的時間，能夠使長期間的工作成為可能。



圖1是表示與本發(fā)明有關的放電燈的一個實施例的側面截面略圖。
圖2是例示根據由與本發(fā)明有關的放電燈的一個實施例進行的實驗結果的“電位梯度”和“185nm紫外線輻射效率”的關系的曲線圖。
圖3是例示根據由與本發(fā)明有關的放電燈的一個實施例進行的實驗結果的“放電燈電流”和最佳“電位梯度”的關系的曲線圖。
圖4是例示根據由與本發(fā)明有關的放電燈的一個實施例進行的實驗結果的，與“燈電流”的各個值對應的，玻璃管內徑和最佳“電位梯度”的關系的曲線圖。
圖5是例示在使用與本發(fā)明有關的放電燈的紫外線照射裝置中隨著時間經過處理能力變化的實驗結果與已有裝置進行比較的曲線圖。
圖6是表示使用已有放電燈的紫外線照射裝置的一個例子的側面截面略圖。
具體實施方式
下面，我們參照
本發(fā)明的實施形態(tài)。
圖1表示與本發(fā)明有關的放電燈的一個實施例。首先，我們說明這個放電燈31的基本構造，放電燈31包含由合成石英玻璃構成的玻璃管11，在該玻璃管11內配置在它的兩端的一對燈絲21a，21b，設置在該玻璃管11兩端的密封部分2a，2b和燈頭部分3a，3b。燈絲21a，21b成為例如涂敷了氧化鋇系的發(fā)射體。這些燈絲21a，21b分別由從密封部分2a，2b伸出的內引線22a～22d保持著。燈頭部分3a，3b是由陶瓷制成的，在一個燈頭部分3a中備有一對電端子31a，31b。密封部分2a，2b由鉬箔24a～24d保持氣密性，并且通過內引線22a～22d，鉬箔24a～24d，外引線25a，25b和26，擔當起使燈絲21a，21b與電端子31a，31b電連接的作用。在玻璃管11內封入約20mg的水銀和約400Pa的稀有氣體。此外，在圖示的例子中，作為一個例子，放電燈31是作為2個端子型的放電燈構成的。即，一個燈絲21a的一端通過內引線22b，鉬箔24b，外引線25a與一個電端子31a連接，另一個燈絲21b的一端通過內引線22c，鉬箔24c，外引線25b，26與另一個電端子31b連接。
與本實施例有關的放電燈31的特征是由合成石英玻璃構成玻璃管11，和在為了高效率地發(fā)射波長185nm紫外線的所定條件下決定該放電燈31的尺寸(管泡內徑和燈絲間距離等)?，F在我們來說明這一點，與本實施例有關的放電燈31的特征是當令由合成石英玻璃構成的玻璃管11的內徑D(單位是mm)的尺寸在8mm以上，燈絲21a，21b的間隔為L(單位是cm)，點亮時的燈電壓為V(單位是V(伏))，燈電流為I(單位是A(安))時，使各值的關系具有下列關系式那樣地設定各值(V-Vf)/L=X/(D·I)]]>但是，2.6≤X≤4.2這里，Vf是陽極電壓降，是由點亮放電燈的電源唯一地決定的因子(常數因子)，用1kHz以上的高頻電源點亮放電燈時Vf＝10，用1kHz以下的電源點亮放電燈時Vf＝50。
其次，我們說明作為為了高效率地發(fā)射波長185nm紫外線的條件，導出上述那樣的關系式的根據。
本發(fā)明者們準備好多個具有各種尺寸的由基本構造如圖1所示的構造構成的低壓水銀蒸氣放電燈31，以它們?yōu)閷ο筮M行種種實驗，評價放電燈的電特性與185nm紫外線強度的關系。具體地說，在這個實驗中所用的各放電燈的尺寸是用內徑8mm，13mm，18mm，23mm的各種管徑，管壁厚1mm，管長100～160cm的合成石英玻璃管，將燈絲間距離L(cm)設定在95～153cm。在實驗中，在中央部分加入用于測定185nm紫外線強度的支管構成T字形的玻璃管內，插入成為實驗對象的放電燈，在該玻璃管內充滿氮氣并且在外側流動著冷卻水。又，為點亮放電燈的電源準備好約40kHz的電子鎮(zhèn)流器(穩(wěn)定器)和商用頻率的電磁鎮(zhèn)流器(穩(wěn)定器)這樣2種鎮(zhèn)流器，將點亮時的燈電流分成0.4A，0.6A，0.8A，1.0A，1.4A(安)5個階段。此外，為了測定185nm紫外線強度，我們使用沃庫(日文オ-ク)制造所(股份有限公司)的紫外線照度計UV-185(商品名)。
在上述條件下，一面保持電流大致恒定，一面改變冷卻水的溫度，測定各種電特性即燈電壓V，燈電流I，燈功率和185nm紫外線強度。改變冷卻水溫度的理由是使水銀蒸氣壓改變。即，因為考慮到185nm紫外線輻射效率和電特性與水銀蒸氣壓有關，所以要明確這個關系。通過改變冷卻水的溫度，改變剩余水銀滯留的最冷部分的溫度，使水銀蒸氣壓發(fā)生改變。順便地說，因為燈電壓V與燈內的水銀蒸氣壓即蒸發(fā)量有關，所以通過改變最冷部分的溫度，能夠可變地設定燈電壓V。在具有某個物理尺寸的放電燈中，因為燈電流I也是由鎮(zhèn)流器決定的常數因子，所以能夠左右185nm紫外線強度的主要因素主要是燈電壓V。因此，通過改變冷卻水的溫度，結果能夠使燈電壓V的值發(fā)生種種變化，通過測定該燈電壓V的值和測定每次的185nm紫外線強度，能夠判明在由該物理尺寸和所定燈電流I構成的條件下，185nm紫外線強度和燈電壓V的相關性。因此，我們要進行這樣的測定。
根據這個測定結果，關于185nm紫外線強度，從所謂的“每單位消耗功率的紫外線強度”的觀點出發(fā)，將測定的185nm紫外線強度的值除以測定的燈功率，將它的商作為“輻射效率”的指標(即“185nm紫外線輻射效率”)。又，關于燈電壓，從所謂的“每單位長度的電壓”的觀點出發(fā)，從測定的燈電壓的值V(V)減去稱為陽極電壓降(Vf)的固定值的Vf(V)，將這個差值“V-Vf”除以燈絲間距離L，將它的商作為“電位梯度”(即“燈絲間距離的每單位長度的燈電壓”)。即，通過分別將測定的“185nm紫外線強度”和“燈電壓V”換算成“185nm紫外線輻射效率”和“電位梯度”(“燈絲間距離的每單位長度的燈電壓”)，能夠對比對于“電位梯度”的各個值的“185nm紫外線輻射效率”的值，從而能夠掌握輻射效率高的條件是什么樣的。此外，陽極電壓降Vf，如上所述，用1kHz以上的高頻電源點亮放電燈時Vf＝10，用1kHz以下的電源點亮放電燈時Vf＝50。
圖2是表示作為一個例子，在使用管壁厚1mm的合成石英玻璃管的放電燈尺寸為內徑13mm，管長154cm，燈絲間距離147cm的物理條件下，作為電條件燈電流I為1A(安)，使用約40kHz的電子鎮(zhèn)流器(即Vf＝10)時，“電位梯度”和“185nm紫外線輻射效率”的測定關系的圖，是取“電位梯度”的值為橫軸，取與此對應的“185nm紫外線輻射效率”的值為縱軸，將測定結果畫成曲線的圖。如上所述通過改變冷卻水的溫度改變燈電壓V。如果根據圖2，則判定當“電位梯度”約為0.88(V/cm)時，“185nm紫外線輻射效率”達到最高值(約為“6”)。從而我們能夠判定，只要為了將“185nm紫外線輻射效率”收入包含它的最高值即峰值(在圖2的例子中約為“6”)的適當的允許范圍內那樣地，設定物理和電的諸條件，就可以提供能夠高效率地輻射185nm紫外線的放電燈和紫外線照射裝置。作為這個允許范圍，通過觀察實際的紫外線照射狀態(tài)，我們判明直到“185nm紫外線輻射效率”峰值的約10分之6～7左右，都可以適當地認為是包含在允許范圍內。例如，在圖2的例子中，如果“185nm紫外線輻射效率”的值即便最低也在約3.6以上，則可以看作得到了高效率的輻射。這時，從圖2判明最好為了將“電位梯度”收入約0.72～1.16左右的范圍內那樣地設定諸條件。
進一步，我們說明別的實測結果。在尺寸與圖2同樣的管徑13mm，管長154cm，燈絲間距離147cm的放電燈中，使燈電流I具有種種不同的值，探索在各個燈電流值的“185nm紫外線輻射效率”達到峰值的最佳電位梯度。圖3是將這個結果得到的在各個燈電流值(縱軸)上的最佳“電位梯度”(橫軸)的值畫成曲線的圖。從這個圖3，我們判定最佳“電位梯度”大致與燈電流值(I)的平方根
成反比。
下面同樣地，關于在本實驗中用的上述所有尺寸的放電燈，探索“185nm紫外線輻射效率”達到峰值的最佳電位梯度，結果，我們發(fā)現無論在哪個管徑，最佳“電位梯度”大致與燈電流值(I)的平方根
成反比。又，將管徑(D)作為參數畫出最佳“電位梯度”，結果如圖4所示判明無論在哪個電流，最佳“電位梯度”也大致與管徑(D)的平方根
成反比。即，我們發(fā)現在內徑(D)為8～23mm的放電燈中，在燈電流0.4～1.4A的范圍內工作時，為了得到最大的185nm輻射效率的最佳“電位梯度”與管徑(D)和電流(I)的平方根(
和
)成反比。無論是用高頻率的電子鎮(zhèn)流器還是用商用頻率的電磁鎮(zhèn)流器，只要考慮到點亮的燈電流因子，就得到包含上述內容的結果。
從上述結果，在最佳“電位梯度”，“電位梯度”即“(V-Vf)/L”具有與管徑D的平方根
和燈電流I的平方根
成反比的關系，令這個比例常數為X，可以用下列那樣的關系式表示出來。(V-Vf)/L=X/(D·I)]]>在上述圖2的例子中，因為內徑D＝13mm，燈電流I＝1A，所以 約為3.605，為了將“電位梯度”收入上述約0.72～1.16左右的允許范圍內，最好使比例常數X為大致“2.6≤X≤4.2”范圍內的值。
考慮到以上那樣的實驗結果，如果根據本申請的發(fā)明，則得到在如圖1所示的用由合成石英玻璃構成的玻璃管11的放電燈31中，當由合成石英玻璃構成的玻璃管11的內徑D(單位是mm)的尺寸在8mm以上，燈絲21a，21b的間隔為L(單位是cm)，點亮時的燈電壓為V(單位是V(伏))，燈電流為I(單位是A(安))時，使各值的關系具有下列關系式那樣地設定各值，可以作為為了高效率地輻射185nm紫外線的條件的結論。(V-Vf)/L=X/(D·I)]]>但是，2.6≤X≤4.2這里，如上所述，作為由點亮放電燈的電源唯一地決定的因子的陽極電壓降Vf，用1kHz以上的高頻電源點亮放電燈時Vf＝10，用1kHz以下的電源點亮放電燈時Vf＝50。
可是，本發(fā)明的特征是使用合成石英玻璃作為放電燈的發(fā)光管。合成石英玻璃是由四Cl化硅作為出發(fā)材料制造的石英玻璃，雜質極少，在短波長區(qū)域的紫外線透過率方面很卓越。上述的“為了得到最大的185nm輻射效率的電位梯度與管徑和燈電流的關系”不限于合成石英玻璃，但是當用通常的(天然)石英玻璃時，因為185nm紫外線維持率急速下降，所以不能經受實際的使用。當用通常的(天然)石英玻璃時，從本來短波長區(qū)域的紫外線透過率低開始，當185nm輻射效率高時吸收很多的185nm紫外線，玻璃自身發(fā)生變質，由于發(fā)生混濁使紫外線透過率下降。因此，要考慮紫外線透過率進一步下降和進一步變質的重復循環(huán)，185nm紫外線急速減少這個情況。因此，在本申請的發(fā)明中，使用合成石英玻璃成為必須的要素。
用與本發(fā)明有關的放電燈的有機物的分解處理裝置即紫外線照射裝置可以用于例如在半導體制造工序中使用的超純凈水的精制中，這時，必須能夠經受1年～3年的長期連續(xù)運轉。合成石英玻璃因為在初期的紫外線透過率方面很卓越，并且成為變質核心的雜質的含量很少，所以即便在185nm紫外線的輻射效率高的區(qū)域中進行工作，也能夠確保紫外線維持率處于高水平。當然，用與本發(fā)明有關的放電燈的紫外線照射裝置，不限于半導體制造工序，也可以用于飲料制造，食品制造，醫(yī)療，水處理等，需要有機物的分解處理·殺菌·消毒等處理的廣泛的領域中。
圖5是表示關于搭載了根據已有技術的放電燈的紫外線照射裝置B和搭載了本發(fā)明實施例所述的放電燈的紫外線照射裝置A，以每單位消耗功率的流量，比較使TOC濃度10ppb的原水達到1ppb以下的處理能力的實測數據的圖。圖5以已有裝置B的初始值為100％進行顯示。我們判明在已有裝置B和本發(fā)明裝置A中，首先初期存在著很大的性能差，隨著使用時間的推移差異變得更大。順便地說，我們已經確認當令搭載了已有技術的放電燈的紫外線照射裝置B的以使用1年為目標的8500小時后的能力為1時，搭載了本發(fā)明的放電燈的紫外線照射裝置A的能力約在2.5倍以上。如上所述，要考慮在本領域中的紫外線處理裝置需要1年～3年的長期連續(xù)運轉。又，對于利用者來說，也非常需要在這個期間不用維護。因此，能夠期待本發(fā)明裝置的上述高性能產生需要時一面進行間隔地點亮一面進行工作，并且通過這樣做，不僅能夠節(jié)省能量而且也能夠節(jié)省維護的卓越效果。
即，當我們說明與上述實施例有關的放電燈的紫外線照射裝置中的運用方法例時，在設置該放電燈，對所定的處理對象(液體或固體等)實施有機物的分解·殺菌·消毒等處理的處理裝置中，設置多個這樣的放電燈。而且，在設置的多個放電燈中進行所謂的使所定數目的放電燈熄滅而點亮其余的放電燈的“間隔點亮”，并且，隨著時間的經過適當地變更這個熄滅和點亮的放電燈的組合(即，“間隔點亮”的組合)。從而，通過間隔地點亮并使用數目比設置的放電燈的總數少的放電燈，隨著時間的經過變更這個間隔點亮的組合，反復使用放電燈，能夠延長一齊交換放電燈的期間，節(jié)省交換維護的時間，能夠使長期間的工作成為可能。作為這種運用方法的運用例，例如，可以是鑒于如果在設置n個輻射效率差的已有技術型的放電燈，將所有放電燈點亮的紫外線照射裝置中，用與本發(fā)明有關的輻射效率高的放電燈，則只要點亮比n少的m個放電燈就能夠提高必要充分的處理效果，通過設置比同時點亮所需的m個與本發(fā)明有關的輻射效率高的放電燈多的n個放電燈(如已有技術那樣)構成紫外線照射裝置，如上所述地間隔地點亮放電燈的運用例。
如上所述，本發(fā)明是以提高低壓水銀蒸氣放電燈中185nm紫外線輻射效率，并且將它的維持率確保在高水平為目的，發(fā)現當由合成石英玻璃構成形成發(fā)光管體的石英玻璃時，在管體內徑D和燈絲間距離L那樣的尺寸和燈電流I和燈電壓V那樣的電特性的關系中，存在著適當的法則而形成的發(fā)明。因此，如果能夠充分體現本發(fā)明的這種特征，則放電燈的構造本身不限于圖1所示的型式，也可以是無論什么樣的構造。例如，在實施例中我們述說了封入金屬水銀的放電燈，但是封入水銀和其它金屬的汞合金的放電燈也能夠起到同樣的效果。又，即便是總在加熱燈絲的連續(xù)加熱型的放電燈，合并地設置燈絲和陽極型的放電燈，或者在兩側引出充電管腳的兩燈頭型的放電燈，如果是低壓水銀蒸氣放電燈，則都能夠發(fā)揮同樣的作用·效果。當然，放電燈的端子構成也不限于圖1那樣的2端子31a，31b的構成，也可以是4端子的構成。
如上所述，如果根據本發(fā)明，則能夠達到提高低壓水銀蒸氣放電燈中185nm紫外線輻射效率的目的。又，能夠達到提高該紫外線的維持率，確保節(jié)省能量·節(jié)省維護效果的目的。
權利要求
1.放電燈，它的特征是在備有內徑8mm以上的由合成石英玻璃構成的玻璃管和在這個玻璃管兩端上分開L(cm)間隔的一對燈絲，在燈管內部封入稀有氣體和至少包含水銀的金屬的放電燈中，點亮時的燈電壓V(V)，燈電流I(A)，燈絲間距離L(cm)，和放電路徑的內徑D(mm)具有下列關系式(V-Vf)/L=X/(D·I)]]>并且2.6≤X≤4.2。但是，Vf是與點亮放電燈的電源有關的常數因子，用1kHz以上的高頻電源點亮放電燈時Vf＝10，用1kHz以下的電源點亮放電燈時Vf＝50。
2.紫外線照射裝置，它的特征是它是使用權利要求
1記載的放電燈的紫外線照射裝置，備有上述放電燈，和將從上述放電燈輻射出來的紫外線照射在處理對象上的處理裝置。
3.紫外線照射裝置的運用方法，它的特征是它是運用權利要求
2記載的紫外線照射裝置的方法，其中在上述處理裝置中設置多個上述放電燈，在設置的多個放電燈中使所定數目的放電燈熄滅而點亮其余的放電燈，隨著時間的經過變更這個熄滅和點亮的放電燈的組合。
專利摘要
本發(fā)明涉及放電燈和紫外線照射裝置及其運用方法。在備有內徑8mm以上的由合成石英玻璃構成的玻璃管(11)和在這個玻璃管兩端上分開L(cm)間隔的一對燈絲(21a，21b)，在燈管內部封入稀有氣體和至少包含水銀的金屬的放電燈中，點亮時的燈電壓V(V)，燈電流I(A)，燈絲間距離L(cm)，和放電路徑的內徑D(mm)具有下列關系式(V－Vf)/L=X/
文檔編號G21K5/00GKCN1463465SQ02802070
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月5日
發(fā)明者中野浩二 申請人:株式會社日本光電科技導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan