JPH04274157A - 低圧放電灯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線照射による光化
学反応分野等に適用される低圧放電灯装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外線光源を用いた光化学反応装置は種
々の分野に採用されており、例えば光ＣＶＤ（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法
によるＳｉ薄膜の合成、レジストの光硬化および光アッ
シングあるいは光洗浄等を始めとする半導体製造関連な
どにおいて広く普及し、かつその応用分野の伸びも著し
い。 また、水の浄化、減菌処理や食肉の殺菌処理などにおい
ても短波長の紫外線を照射する技術の研究および開発が
急速に進みつつある。

【０００３】これらの分野においては、短波長紫外線を
効率よく照射する光源として低圧水銀放電灯が用いられ
ている。

【０００４】低圧水銀放電灯は、紫外線を透過する石英
ガラス等からなる発光管の両端に電極を封装するととも
に、この発光管内に水銀および希ガスを封入し、この水
銀主体の蒸気を低圧状態で放電させて水銀の共鳴線２５
４ｎｍのおよび１８５ｎｍを始めとする短波長紫外線領
域の光を効率よく放射するランプである。

【０００５】しかし、最近においてはこのような低圧水
銀放電灯の出力の向上が一層要求されるようになり、超
高出力形のランプの開発が望まれている。

【０００６】超高出力形ランプとしては、特公昭６３−
４９３４０号公報に記載されているランプが提案されて
いる。このランプは石英ガラス製の発光管の両端部にそ
れぞれ陽極と陰極を別個に設け、一端側の陽極と他端側
の陰極との間、および一端側の陰極と他端側の陽極との
間で、交互に放電させるようにしたもので、このように
電極をそれぞれ陽極と陰極を互いに別個に設けると、陰
極を小形にして放熱を小さくすることができ、逆に陽極
を大形にして放熱を大きくすることができ、これら電極
の損失を低減でき、つまり電極効率を高めることができ
るので発光効率を向上させることができる利点がある。

【０００７】しかしながら、さらにランプ出力の向上を
目指す場合、上記公報に記載されたような陽極と陰極と
を別個に設けるだけでは不十分である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に放電灯において
は、ランプに付与される電力に対する放射出力エネルギ
ーへの変換効率には上限があり、ランプ出力を増すため
には入力を増さざるを得ない。しかしながら、ランプ入
力を増すと電極への負担が大きくなり、電極が早期に蒸
発し、この蒸発物質がバルブ壁に付着して紫外線の透過
を阻害する。このため、紫外線透過維持率が低下し、ラ
ンプ寿命が短くなる。従来の場合、点灯１０００時間で
の紫外線透過維持率は約７０％程度、点灯３０００時間
では紫外線透過維持率は約３０％程度であり、ランプ入
力を増して放電電流を増加した場合、紫外線透過維持率
が低くなることである。

【０００９】本発明はこのような事情にもとづきなされ
たもので、紫外線を含む光束維持率を高くすることがで
きる低圧放電灯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】本発明は、水銀蒸気圧を
抑制する冷却手段を設け、この冷却手段はバルブにおけ
る電極間に位置する放電路の壁を強制冷却するようにし
たことを特徴とする。

【００１１】

【作用】一般に低圧放電灯においては、ランプ電流を増
すと水銀の蒸発が促され水銀蒸気圧が上昇する。しかし
ながら、水銀蒸気圧はこれが高くなり過ぎても発光効率
が低下する傾向をもっている。したがって、水銀蒸気圧
は最適値を維持する必要があり、この水銀蒸気圧は放電
灯バルブの最冷部の温度に依存する。従来においては、
ランプ電流を増して出力を向上させたい場合、水銀蒸気
圧が上昇し過ぎないようにランプの最冷部を冷却手段で
強制的に冷却して水銀の蒸発を規制していた。この場合
、ランプの最冷部は、バルブにおける電極後方の端部、
またはバルブの端部に接続した排気細管の先端部などで
あった。

【００１２】本発明者等の研究によれば、冷却手段で冷
却すべき箇所を従来のようにバルブにおける電極後方の
端部、またはバルブの端部に接続した排気細管や枝管等
の先端部に設定した場合は光束維持率、紫外線放射維持
率などが低下し、これに対し冷却手段で冷却すべき箇所
を放電経路の途中のバルブ壁に設定すれば従来に比べて
光束維持率や紫外線放射維持率が向上することが判明し
た。

【００１３】この原因については定かでないが、放電経
路の途中、つまりアーク途中のバルブ壁を強制冷却すれ
ば、蒸発した電極物質が水銀の凝集に伴ってこの最冷部
に集まってきても、電極蒸発物質がランプ電流に触れて
電荷を帯び、アーク中に叩き出され、管壁に付着するの
を軽減するのではないかと推測される。

【００１４】

【実施例】以下本発明について、図示の一実施例にもと
づき説明する。

【００１５】図１は、紫外線照射装置などの用いられる
低圧水銀放電灯１およびこれを点灯させるための点灯回
路１０を示す。

【００１６】低圧水銀放電灯１は、紫外線の透過性に優
れた石英ガラスよりなるＵ字形に屈曲された発光管バル
ブ２を備えており、この発光管２の両端部にはそれぞれ
陽極３および陰極４が封装されている。それぞれの陽極
３は陰極４よりも放電空間側に位置されており、これら
陽極３は円筒コイル、円筒部材、環状板などで構成され
ている。陰極４はフィラメントコイルで形成されており
、熱陰極をなしている。このような発光管２には、所定
量の水銀とアルゴンガスが封入されている。

【００１７】上記低圧水銀放電灯１を点灯させる点灯回
路装置１０は以下のように構成されている。すなわち１
１は交流電源であり、この交流電源１１は整流平滑回路
１２、パワーＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含む矩
形波インバータ回路１３に接続されている。なお、パワ
ーＦＥＴ１３には、周波数調整用および電流調整用の可
変抵抗器１４、１５が設けられている。矩形波インバー
タ回路１３は上記陽極３、３に接続されている。

【００１８】また、上記交流電源１１は、整流平滑回路
１２、矩形波インバータ回路１３の外に、ヒータトラン
ス１６、１６が接続されている。ヒータトランス１６、
１６はそれぞれ陰極４、４に接続され、したがってこれ
ら陰極４、４は常に発熱して熱電子を放出する熱陰極と
なっている。

【００１９】上記発光管２のＵ字形に屈曲された部分に
は、強制冷却手段としての冷却ブロック２０が設けられ
ている。冷却ブロック２０は熱伝導性に優れたたとえば
銅、アルミなどからなり、上記発光管バルブ２のＵ字形
屈曲部に面接触するように接触されている。この冷却ブ
ロック２０にはヒートパイプ２１が連結されており、こ
のヒートパイプ２１のは多数の放熱フィン２２…が取着
されている。ヒートパイプ２１は冷却ファン２３から送
られる冷却風により冷却されるようになっている。

【００２０】このような構成の低圧水銀放電灯点灯装置
の作用を説明する。ランプ１を高周波点灯回路１０に接
続して点灯させると、陰極４、４はヒータトランス１６
、１６を介して交流電源１１に接続されているので、こ
れら陰極４、４が常に発熱して熱電子を放出し、熱陰極
となっている。そして、整流平滑回路１２およびパワー
ＦＥＴを含む矩形波インバータ回路１３は交流電源１１
の正弦波を矩形波に変換して各陽極３と陰極４の間に供
給する。

【００２１】このため、低圧水銀放電灯１は、一端側の
陽極３と他端側の陰極４との間に矩形または台形波の半
波整流電流が流れ、これらの間で放電が生じ、次に一端
側の陰極４と他端側の陽極３との間に逆の矩形または台
形波の半波整流電流が流され、これらの間で放電が発生
する。このように極性の反転毎に各陽極３と陰極４が交
互に放電を繰り返して点灯を継続する。

【００２２】このような放電により水銀主体の蒸気が低
圧状態で励起され、このため水銀の共鳴線１８５ｎｍお
よび２５４ｎｍを始めとする短波長紫外線領域の光を放
射するものである。

【００２３】そして、上記実施例の場合、発光管２のＵ
字形屈曲部に、強制冷却用の冷却ブロック２０が接触さ
れているので、発光管２においてこのＵ字形屈曲部が最
冷部となる。この最冷部の温度は、冷却ファン２３から
送られる風量によりヒートパイプ２１の熱交換性能が制
御されるので上記冷却ファン２３の運転状態を制御して
調整することができる。

【００２４】紫外線照射出力を増すためにランプ入力を
増加すると、ランプ電流が上昇して発光管２の温度が高
くなり、水銀蒸気圧が高くなる。しかし、点灯中におけ
る水銀蒸気圧は発光管２内の最冷部の温度で決まるので
、上記屈曲部に生じる最冷部の温度をコントロールする
ことにより水銀蒸気圧を抑止し、最高の発光効率を得る
べく蒸気圧を制御することができる。

【００２５】また、ランプ電流が高くなると、電極３、
４への負担が増し、電極物質や陰極４に保持させてある
電子放射物質の蒸発、飛散が多くなる。これら電極物質
の蒸発物はバルブの壁に付着し、特に最冷部には水銀が
凝集するので、この凝集する水銀とともに上記電極の蒸
発物も最冷部に集まり易い。

【００２６】本実施例の場合、最冷部を発光管２の屈曲
部に形成してあり、このためこの屈曲部の壁に水銀が凝
集するとともに電極の蒸発物も付着する。しかし、この
屈曲部は、バルブの端部に封装された電極３、４間の放
電経路に位置しており、陽光柱の存在している箇所であ
る。このため、点灯中には電流が流れており、電子が飛
んでいる領域であるから、電極蒸発物質が電荷を帯びて
アーク中に引き込まれ、したがってバルブ壁に付着して
滞留するのが少なくなると考えられる。

【００２７】この結果、ランプ電流を増加しても、バル
ブ壁の黒化が少なくなり、光束、つまり紫外線照射維持
率を向上させることができる。

【００２８】しかも、Ｕ字形発光管２の場合、紫外線照
射に有効な箇所は直線部であり、Ｕ字形屈曲部はランプ
の端部に位置するため紫外線照射にはさほど有効ではな
い。したがって、屈曲部に水銀が凝集したり、冷却ブロ
ック２０が接触して屈曲部の紫外線照射が多少遮光され
ても、悪影響を受ける割合が少ない。

【００２９】上記の放電経路の途中を強制冷却すること
による作用は定かでないが、その効果は実験により確か
められており、以下実験について説明する。

【００３０】図２に示すように、外径２５ｍｍ、Ｕ字形
に屈曲形成したバルブ端部から屈曲部端部までに長さＬ
＝７００ｍｍ、幅Ｗ＝６８ｍｍした低圧水銀放電灯は、
ランプ電流を７Ａ、アーク単位長あたりの入力５Ｗ／ｃ
ｍで点灯されるようになっており、屈曲部に強制冷却用
ブロック２０を密着して取付けてある。

【００３１】このランプを、図２に示すように、陽極３
よりも放電空間側を７５ｍｍの間隔で区分することによ
り（１）　から（７）　までの領域に指定し、各領域（
１）　〜（７）　における２５４ｎｍの紫外線について
透過率を測定した。

【００３２】その結果を、図３ないし図８に示す。各実
験は、点灯３０００時間経過の測定である。図３の場合
は、ランプを強制冷却しない場合で、点灯３０００時間
経過後の紫外線照射維持率は２５％であった。図４の場
合は、ランプを強制冷却し、この最冷部と他の箇所との
平均温度差が３０ｄｅｇの場合で、点灯３０００時間経
過後の紫外線照射維持率は３１％であった。図５の場合
は、ランプを強制冷却し、この最冷部と他の箇所との平
均温度差が５０ｄｅｇの場合で、点灯３０００時間経過
後の紫外線照射維持率は３４％であった。図６の場合は
、ランプを強制冷却し、この最冷部と他の箇所との平均
温度差が８０ｄｅｇの場合で、点灯３０００時間経過後
の紫外線照射維持率は３９％であった。図７の場合は、
ランプを強制冷却し、この最冷部と他の箇所との平均温
度差が１００ｄｅｇの場合で、点灯３０００時間経過後
の紫外線照射維持率は７０％であった。図８の場合は、
ランプを強制冷却し、この最冷部と他の箇所との平均温
度差が１３０ｄｅｇの場合で、点灯３０００時間経過後
の紫外線照射維持率は７５％であった。

【００３３】これらの測定結果からも、放電空間の壁を
強制冷却すれば紫外線透過率および維持率が向上するこ
とが判り、しかも最冷部と他の箇所との平均温度差は１
００ｄｅｇ以上であることが望ましいことも判る。

【００３４】なお、本発明は上記実施例に制約されるも
のではない。すなわち、上記実施例では、発光管を強制
冷却する手段として冷却ブロック２０、ヒートパイプ２
１、フィン２２、ファン２３などを用いたが、バルブに
局部的に空気やガスを吹き付けるなどの手段で強制冷却
するようにしてもよい。

【００３５】また、上記実施例では、発光管の端部にそ
れぞれ陽極４と陰極５を配置した低圧水銀放電灯につい
て説明したが、本発明は発光管の一端に陽極を他端に陰
極を配置した直流点灯式の放電灯であってもよい。

【００３６】また、発光管の形状はＵ字形に限らず、直
管形やＷ字形などの屈曲形状にしてもよい。

【００３７】さらに、本発明は紫外線照射用の光源の低
圧水銀放電灯に限らず、一般照明用の放電灯および高圧
放電灯でも実施可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
ルブにおける電極間に位置する放電路の壁を強制冷却す
るようにしたので、ランプ電流を高くしても電極物質が
バルブ壁に付着する割合が少なくなり、黒化を防止する
ことができて光束維持率を高めることができる。このた
めランプ入力を増して出力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す低圧水銀放電灯および
その点灯回路を示す構成図。

【図２】同実施例の低圧水銀放電灯の測定状況を示す図
。

【図３】温度差なしの場合の紫外線透過率を示す特性図
。

【図４】温度差が３０ｄｅｇの場合の紫外線透過率を示
す特性図。

【図５】温度差が５０ｄｅｇの場合の紫外線透過率を示
す特性図。

【図６】温度差が８０ｄｅｇの場合の紫外線透過率を示
す特性図。

【図７】温度差が１００ｄｅｇの場合の紫外線透過率を
示す特性図。

【図８】温度差が１３０ｄｅｇの場合の紫外線透過率を
示す特性図。

【符号の説明】

１…低圧水銀放電灯、２…発光管、３…陽極、４…陰極
、１０…点灯回路装置、２０…冷却ブロック、２１…ヒ
ートパイプ、２２…放熱フィン、２３…ファン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　バルブの端部に電極を封装するととも
   にこのバルブ内に水銀および希ガスを封入した低圧放電
   灯と、上記バルブの一部を強制冷却して水銀蒸気圧を規
   制する冷却手段と具備した低圧放電灯装置において、上
   記冷却手段は、上記バルブにおける電極間に位置する放
   電路の壁を強制冷却するようにしたことを特徴とする低
   圧放電灯装置。
2. 【請求項２】　　上記冷却手段は、上記バルブにおける
   電極間でありしかも紫外線照射に有効でない領域を強制
   冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の
   低圧放電灯装置。
3. 【請求項３】　　上記冷却手段により冷却される箇所の
   バルブ壁温度は、他のバルブ壁の平均温度よりも１００
   ｄｅｇ以上の差を有して低温とされることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の低圧放電灯装置。