CN1463465A - 放电灯和紫外线照射装置及其运用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及放电灯和紫外线照射装置及其运用方法。在备有内径8mm以上的由合成石英玻璃构成的玻璃管(11)和在这个玻璃管两端上分开L(cm)间隔的一对灯丝(21a，21b)，在灯管内部封入稀有气体和至少包含水银的金属的放电灯中，点亮时的灯电压V(V)，灯电流I(A)，灯丝间距离L(cm)，和放电路径的内径D(mm)具有下列关系式：(V－Vf)/L=X/并且，2.6≤X≤4.2。但是，Vf是与点亮放电灯的电源有关的常数因子，用1kHz以上的高频电源点亮放电灯时Vf＝10，用1kHz以下的电源点亮放电灯时Vf＝50。

Description

放电灯和紫外线照射装置及其运用方法

技术领域

本发明涉及辐射短波长区域的紫外线能量的放电灯，并且涉及使用它的紫外线照射装置，本发明可以用于有机物的分解处理·杀菌·消毒等领域。

背景技术

因为220nm以下的短波长区域的紫外线具有很强的能量，所以现在正用于有害物和有机物的分解等许多方面。图6表示至今已知的闭锁型的用于处理液体的紫外线照射装置的一个例子。将放电灯30存放在外管(保护管)20内，将外管20放在不锈钢制的圆筒1内，将被处理液体导入该圆筒1内接受从放电灯30发出的紫外线的照射。作为放电灯30，例如可以使用辐射185nm波长区域的紫外线的低压水银蒸气放电灯。放电灯30的发光管泡10是由紫外线透过性卓越的石英玻璃制成的。将放电灯30存放在具有紫外线透过性的外管(保护管)20的内部，液体密封地隔离该放电灯30与被处理液体。该外管20也是由紫外线透过性卓越的石英玻璃制成的。用法兰盘1a，1b封闭圆筒1的两端，从进水口1c取入的被处理液体在通过圆筒1内的过程中受到紫外线的照射后，从出水口1d排出。被处理液体从进水口1c向出水口1d流过圆筒1内，但是为了使被处理液体不直接短路径地通过，具有在途中配置多块(图中为5块)返流板1e～1i的构造。此外，为了简单起见，在图6中画出了只搭载1个放电灯30的装置，但是实用中使用多灯式的大容量装置的情形是很多的。从放电灯30发出的紫外线透过外管10，照射在被处理液体上。照射的紫外线例如起着如下列反应式所示地将存在于水中的有机物分解成无害的CO，CO₂，H₂O的作用。

(n，m，k为1，2，3，........)

可是，我们知道低压水银蒸气放电灯可以作为短波长区域的紫外光源，但是至今的低压水银蒸气放电灯主要用作荧光灯和杀菌灯。荧光灯是通过荧光体将发射的254nm的紫外线变换成可见光的放电灯。同样，杀菌灯是利用254nm紫外线的放电灯。尽管许多研讨都是关于254nm紫外线辐射的，但是人们对于与本发明有关的185nm的辐射也十分关心，这是不言而喻的。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题提出的，本发明的目的是为了提供能够提高低压水银蒸气放电灯中的185nm紫外线辐射效率，并且提高该紫外线的维持率，节省能量，节省维护的放电灯和利用它的紫外线照射装置及其运用方法。

与本发明有关的放电灯的特征是它备有内径8mm以上的由合成石英玻璃构成的玻璃管和在这个玻璃管两端上分开L(cm)间隔的一对灯丝，在玻璃管内部封入稀有气体和至少包含水银的金属的放电灯中，点亮时的灯电压V(V)，灯电流I(A)，灯丝间距离L(cm)，和放电路径的内径D(mm)具有下列关系式： $(V-\mathrm{Vf})/L=X/(\sqrt{D}\·\sqrt{I})$ 并且，

2.6≤X≤4.2。

但是，Vf是与点亮放电灯的电源有关的常数因子，用1kHz以上的高频电源点亮放电灯时Vf＝10，用1kHz以下的电源点亮放电灯时Vf＝50。

我们将在后面进行详细的述说，如果根据本发明，通过上述关系式那样地设定条件，则能够使低压水银蒸气放电灯高效率地辐射185nm紫外线，并能够确保长寿命。

与本发明有关的紫外线照射装置的特征是备有具有上述那样构成的放电灯，和将从该放电灯辐射出来的紫外线照射在处理对象上的处理装置。从而，因为搭载了对于185nm紫外线确保高效率·长寿命的放电灯，所以能够提供节省能量型的运用成本低廉的紫外线照射装置。

与本发明有关的紫外线照射装置的运用方法是运用具有上述那样构成的上述紫外线照射装置的方法，它的特征是在上述处理装置中设置多个上述放电灯，在设置的多个放电灯中使所定数目的放电灯熄灭而点亮其余的放电灯，随着时间的经过变更这个熄灭和点亮的放电灯的组合。从而，通过间隔地点亮并使用数目比设置的放电灯的总数少的放电灯，随着时间的经过变更这个间隔点亮的组合，反复使用放电灯，能够延长一齐交换放电灯的期间，节省交换维护的时间，能够使长期间的工作成为可能。

附图说明

图1是表示与本发明有关的放电灯的一个实施例的侧面截面略图。

图2是例示根据由与本发明有关的放电灯的一个实施例进行的实验结果的“电位梯度”和“185nm紫外线辐射效率”的关系的曲线图。

图3是例示根据由与本发明有关的放电灯的一个实施例进行的实验结果的“放电灯电流”和最佳“电位梯度”的关系的曲线图。

图4是例示根据由与本发明有关的放电灯的一个实施例进行的实验结果的，与“灯电流”的各个值对应的，玻璃管内径和最佳“电位梯度”的关系的曲线图。

图5是例示在使用与本发明有关的放电灯的紫外线照射装置中随着时间经过处理能力变化的实验结果与已有装置进行比较的曲线图。

图6是表示使用已有放电灯的紫外线照射装置的一个例子的侧面截面略图。

具体实施方式

下面，我们参照附图说明本发明的实施形态。

图1表示与本发明有关的放电灯的一个实施例。首先，我们说明这个放电灯31的基本构造，放电灯31包含由合成石英玻璃构成的玻璃管11，在该玻璃管11内配置在它的两端的一对灯丝21a，21b，设置在该玻璃管11两端的密封部分2a，2b和灯头部分3a，3b。灯丝21a，21b成为例如涂敷了氧化钡系的发射体。这些灯丝21a，21b分别由从密封部分2a，2b伸出的内引线22a～22d保持着。灯头部分3a，3b是由陶瓷制成的，在一个灯头部分3a中备有一对电端子31a，31b。密封部分2a，2b由钼箔24a～24d保持气密性，并且通过内引线22a～22d，钼箔24a～24d，外引线25a，25b和26，担当起使灯丝21a，21b与电端子31a，31b电连接的作用。在玻璃管11内封入约20mg的水银和约400Pa的稀有气体。此外，在图示的例子中，作为一个例子，放电灯31是作为2个端子型的放电灯构成的。即，一个灯丝21a的一端通过内引线22b，钼箔24b，外引线25a与一个电端子31a连接，另一个灯丝21b的一端通过内引线22c，钼箔24c，外引线25b，26与另一个电端子31b连接。

与本实施例有关的放电灯31的特征是由合成石英玻璃构成玻璃管11，和在为了高效率地发射波长185nm紫外线的所定条件下决定该放电灯31的尺寸(管泡内径和灯丝间距离等)。现在我们来说明这一点，与本实施例有关的放电灯31的特征是当令由合成石英玻璃构成的玻璃管11的内径D(单位是mm)的尺寸在8mm以上，灯丝21a，21b的间隔为L(单位是cm)，点亮时的灯电压为V(单位是V(伏))，灯电流为I(单位是A(安))时，使各值的关系具有下列关系式那样地设定各值： $(V-\mathrm{Vf})/L=X/(\sqrt{D}\·\sqrt{I})$ 但是，2.6≤X≤4.2

这里，Vf是阳极电压降，是由点亮放电灯的电源唯一地决定的因子(常数因子)，用1kHz以上的高频电源点亮放电灯时Vf＝10，用1kHz以下的电源点亮放电灯时Vf＝50。

其次，我们说明作为为了高效率地发射波长185nm紫外线的条件，导出上述那样的关系式的根据。

本发明者们准备好多个具有各种尺寸的由基本构造如图1所示的构造构成的低压水银蒸气放电灯31，以它们为对象进行种种实验，评价放电灯的电特性与185nm紫外线强度的关系。具体地说，在这个实验中所用的各放电灯的尺寸是用内径8mm，13mm，18mm，23mm的各种管径，管壁厚1mm，管长100～160cm的合成石英玻璃管，将灯丝间距离L(cm)设定在95～153cm。在实验中，在中央部分加入用于测定185nm紫外线强度的支管构成T字形的玻璃管内，***成为实验对象的放电灯，在该玻璃管内充满氮气并且在外侧流动着冷却水。又，为点亮放电灯的电源准备好约40kHz的电子镇流器(稳定器)和商用频率的电磁镇流器(稳定器)这样2种镇流器，将点亮时的灯电流分成0.4A，0.6A，0.8A，1.0A，1.4A(安)5个阶段。此外，为了测定185nm紫外线强度，我们使用沃库(日文：オ-ク)制造所(股份有限公司)的紫外线照度计UV-185(商品名)。

在上述条件下，一面保持电流大致恒定，一面改变冷却水的温度，测定各种电特性即灯电压V，灯电流I，灯功率和185nm紫外线强度。改变冷却水温度的理由是使水银蒸气压改变。即，因为考虑到185nm紫外线辐射效率和电特性与水银蒸气压有关，所以要明确这个关系。通过改变冷却水的温度，改变剩余水银滞留的最冷部分的温度，使水银蒸气压发生改变。顺便地说，因为灯电压V与灯内的水银蒸气压即蒸发量有关，所以通过改变最冷部分的温度，能够可变地设定灯电压V。在具有某个物理尺寸的放电灯中，因为灯电流I也是由镇流器决定的常数因子，所以能够左右185nm紫外线强度的主要因素主要是灯电压V。因此，通过改变冷却水的温度，结果能够使灯电压V的值发生种种变化，通过测定该灯电压V的值和测定每次的185nm紫外线强度，能够判明在由该物理尺寸和所定灯电流I构成的条件下，185nm紫外线强度和灯电压V的相关性。因此，我们要进行这样的测定。

根据这个测定结果，关于185nm紫外线强度，从所谓的“每单位消耗功率的紫外线强度”的观点出发，将测定的185nm紫外线强度的值除以测定的灯功率，将它的商作为“辐射效率”的指标(即“185nm紫外线辐射效率”)。又，关于灯电压，从所谓的“每单位长度的电压”的观点出发，从测定的灯电压的值V(V)减去称为阳极电压降(Vf)的固定值的Vf(V)，将这个差值“V-Vf”除以灯丝间距离L，将它的商作为“电位梯度”(即“灯丝间距离的每单位长度的灯电压”)。即，通过分别将测定的“185nm紫外线强度”和“灯电压V”换算成“185nm紫外线辐射效率”和“电位梯度”(“灯丝间距离的每单位长度的灯电压”)，能够对比对于“电位梯度”的各个值的“185nm紫外线辐射效率”的值，从而能够掌握辐射效率高的条件是什么样的。此外，阳极电压降Vf，如上所述，用1kHz以上的高频电源点亮放电灯时Vf＝10，用1kHz以下的电源点亮放电灯时Vf＝50。

图2是表示作为一个例子，在使用管壁厚1mm的合成石英玻璃管的放电灯尺寸为内径13mm，管长154cm，灯丝间距离147cm的物理条件下，作为电条件灯电流I为1A(安)，使用约40kHz的电子镇流器(即Vf＝10)时，“电位梯度”和“185nm紫外线辐射效率”的测定关系的图，是取“电位梯度”的值为横轴，取与此对应的“185nm紫外线辐射效率”的值为纵轴，将测定结果画成曲线的图。如上所述通过改变冷却水的温度改变灯电压V。如果根据图2，则判定当“电位梯度”约为0.88(V/cm)时，“185nm紫外线辐射效率”达到最高值(约为“6”)。从而我们能够判定，只要为了将“185nm紫外线辐射效率”收入包含它的最高值即峰值(在图2的例子中约为“6”)的适当的允许范围内那样地，设定物理和电的诸条件，就可以提供能够高效率地辐射185nm紫外线的放电灯和紫外线照射装置。作为这个允许范围，通过观察实际的紫外线照射状态，我们判明直到“185nm紫外线辐射效率”峰值的约10分之6～7左右，都可以适当地认为是包含在允许范围内。例如，在图2的例子中，如果“185nm紫外线辐射效率”的值即便最低也在约3.6以上，则可以看作得到了高效率的辐射。这时，从图2判明最好为了将“电位梯度”收入约0.72～1.16左右的范围内那样地设定诸条件。

进一步，我们说明别的实测结果。在尺寸与图2同样的管径13mm，管长154cm，灯丝间距离147cm的放电灯中，使灯电流I具有种种不同的值，探索在各个灯电流值的“185nm紫外线辐射效率”达到峰值的最佳电位梯度。图3是将这个结果得到的在各个灯电流值(纵轴)上的最佳“电位梯度”(横轴)的值画成曲线的图。从这个图3，我们判定最佳“电位梯度”大致与灯电流值(I)的平方根

成反比。

下面同样地，关于在本实验中用的上述所有尺寸的放电灯，探索“185nm紫外线辐射效率”达到峰值的最佳电位梯度，结果，我们发现无论在哪个管径，最佳“电位梯度”大致与灯电流值(I)的平方根

成反比。又，将管径(D)作为参数画出最佳“电位梯度”，结果如图4所示判明无论在哪个电流，最佳“电位梯度”也大致与管径(D)的平方根

成反比。即，我们发现在内径(D)为8～23mm的放电灯中，在灯电流0.4～1.4A的范围内工作时，为了得到最大的185nm辐射效率的最佳“电位梯度”与管径(D)和电流(I)的平方根(

和 )成反比。无论是用高频率的电子镇流器还是用商用频率的电磁镇流器，只要考虑到点亮的灯电流因子，就得到包含上述内容的结果。

从上述结果，在最佳“电位梯度”，“电位梯度”即“(V-Vf)/L”具有与管径D的平方根

和灯电流I的平方根

成反比的关系，令这个比例常数为X，可以用下列那样的关系式表示出来。 $(V-\mathrm{Vf})/L=X/(\sqrt{D}\·\sqrt{I})$

在上述图2的例子中，因为内径D＝13mm，灯电流I＝1A，所以

约为3.605，为了将“电位梯度”收入上述约0.72～1.16左右的允许范围内，最好使比例常数X为大致“2.6≤X≤4.2”范围内的值。

考虑到以上那样的实验结果，如果根据本申请的发明，则得到在如图1所示的用由合成石英玻璃构成的玻璃管11的放电灯31中，当由合成石英玻璃构成的玻璃管11的内径D(单位是mm)的尺寸在8mm以上，灯丝21a，21b的间隔为L(单位是cm)，点亮时的灯电压为V(单位是V(伏))，灯电流为I(单位是A(安))时，使各值的关系具有下列关系式那样地设定各值，可以作为为了高效率地辐射185nm紫外线的条件的结论。 $(V-\mathrm{Vf})/L=X/(\sqrt{D}\·\sqrt{I})$ 但是，2.6≤X≤4.2

这里，如上所述，作为由点亮放电灯的电源唯一地决定的因子的阳极电压降Vf，用1kHz以上的高频电源点亮放电灯时Vf＝10，用1kHz以下的电源点亮放电灯时Vf＝50。

可是，本发明的特征是使用合成石英玻璃作为放电灯的发光管。合成石英玻璃是由四Cl化硅作为出发材料制造的石英玻璃，杂质极少，在短波长区域的紫外线透过率方面很卓越。上述的“为了得到最大的185nm辐射效率的电位梯度与管径和灯电流的关系”不限于合成石英玻璃，但是当用通常的(天然)石英玻璃时，因为185nm紫外线维持率急速下降，所以不能经受实际的使用。当用通常的(天然)石英玻璃时，从本来短波长区域的紫外线透过率低开始，当185nm辐射效率高时吸收很多的185nm紫外线，玻璃自身发生变质，由于发生混浊使紫外线透过率下降。因此，要考虑紫外线透过率进一步下降和进一步变质的重复循环，185nm紫外线急速减少这个情况。因此，在本申请的发明中，使用合成石英玻璃成为必须的要素。

用与本发明有关的放电灯的有机物的分解处理装置即紫外线照射装置可以用于例如在半导体制造工序中使用的超纯净水的精制中，这时，必须能够经受1年～3年的长期连续运转。合成石英玻璃因为在初期的紫外线透过率方面很卓越，并且成为变质核心的杂质的含量很少，所以即便在185nm紫外线的辐射效率高的区域中进行工作，也能够确保紫外线维持率处于高水平。当然，用与本发明有关的放电灯的紫外线照射装置，不限于半导体制造工序，也可以用于饮料制造，食品制造，医疗，水处理等，需要有机物的分解处理·杀菌·消毒等处理的广泛的领域中。

图5是表示关于搭载了根据已有技术的放电灯的紫外线照射装置B和搭载了本发明实施例所述的放电灯的紫外线照射装置A，以每单位消耗功率的流量，比较使TOC浓度10ppb的原水达到1ppb以下的处理能力的实测数据的图。图5以已有装置B的初始值为100％进行显示。我们判明在已有装置B和本发明装置A中，首先初期存在着很大的性能差，随着使用时间的推移差异变得更大。顺便地说，我们已经确认当令搭载了已有技术的放电灯的紫外线照射装置B的以使用1年为目标的8500小时后的能力为1时，搭载了本发明的放电灯的紫外线照射装置A的能力约在2.5倍以上。如上所述，要考虑在本领域中的紫外线处理装置需要1年～3年的长期连续运转。又，对于利用者来说，也非常需要在这个期间不用维护。因此，能够期待本发明装置的上述高性能产生需要时一面进行间隔地点亮一面进行工作，并且通过这样做，不仅能够节省能量而且也能够节省维护的卓越效果。

即，当我们说明与上述实施例有关的放电灯的紫外线照射装置中的运用方法例时，在设置该放电灯，对所定的处理对象(液体或固体等)实施有机物的分解·杀菌·消毒等处理的处理装置中，设置多个这样的放电灯。而且，在设置的多个放电灯中进行所谓的使所定数目的放电灯熄灭而点亮其余的放电灯的“间隔点亮”，并且，随着时间的经过适当地变更这个熄灭和点亮的放电灯的组合(即，“间隔点亮”的组合)。从而，通过间隔地点亮并使用数目比设置的放电灯的总数少的放电灯，随着时间的经过变更这个间隔点亮的组合，反复使用放电灯，能够延长一齐交换放电灯的期间，节省交换维护的时间，能够使长期间的工作成为可能。作为这种运用方法的运用例，例如，可以是鉴于如果在设置n个辐射效率差的已有技术型的放电灯，将所有放电灯点亮的紫外线照射装置中，用与本发明有关的辐射效率高的放电灯，则只要点亮比n少的m个放电灯就能够提高必要充分的处理效果，通过设置比同时点亮所需的m个与本发明有关的辐射效率高的放电灯多的n个放电灯(如已有技术那样)构成紫外线照射装置，如上所述地间隔地点亮放电灯的运用例。

如上所述，本发明是以提高低压水银蒸气放电灯中185nm紫外线辐射效率，并且将它的维持率确保在高水平为目的，发现当由合成石英玻璃构成形成发光管体的石英玻璃时，在管体内径D和灯丝间距离L那样的尺寸和灯电流I和灯电压V那样的电特性的关系中，存在着适当的法则而形成的发明。因此，如果能够充分体现本发明的这种特征，则放电灯的构造本身不限于图1所示的型式，也可以是无论什么样的构造。例如，在实施例中我们述说了封入金属水银的放电灯，但是封入水银和其它金属的汞合金的放电灯也能够起到同样的效果。又，即便是总在加热灯丝的连续加热型的放电灯，合并地设置灯丝和阳极型的放电灯，或者在两侧引出充电管脚的两灯头型的放电灯，如果是低压水银蒸气放电灯，则都能够发挥同样的作用·效果。当然，放电灯的端子构成也不限于图1那样的2端子31a，31b的构成，也可以是4端子的构成。

如上所述，如果根据本发明，则能够达到提高低压水银蒸气放电灯中185nm紫外线辐射效率的目的。又，能够达到提高该紫外线的维持率，确保节省能量·节省维护效果的目的。

Claims (3)

1.放电灯，它的特征是

在备有内径8mm以上的由合成石英玻璃构成的玻璃管和在这个玻璃管两端上分开L(cm)间隔的一对灯丝，在灯管内部封入稀有气体和至少包含水银的金属的放电灯中，

点亮时的灯电压V(V)，灯电流I(A)，灯丝间距离L(cm)，和放电路径的内径D(mm)具有下列关系式： $(V-\mathrm{Vf})/L=X/(\sqrt{D}\·\sqrt{I})$ 并且

2.6≤X≤4.2。

但是，Vf是与点亮放电灯的电源有关的常数因子，用1kHz以上的高频电源点亮放电灯时Vf＝10，用1kHz以下的电源点亮放电灯时Vf＝50。

2.紫外线照射装置，它的特征是

它是使用权利要求1记载的放电灯的紫外线照射装置，备有

上述放电灯，和

将从上述放电灯辐射出来的紫外线照射在处理对象上的处理装置。

3.紫外线照射装置的运用方法，它的特征是

它是运用权利要求2记载的紫外线照射装置的方法，其中

在上述处理装置中设置多个上述放电灯，在设置的多个放电灯中使所定数目的放电灯熄灭而点亮其余的放电灯，随着时间的经过变更这个熄灭和点亮的放电灯的组合。

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