JP2008529235A - 誘電バリア放電ランプを備えた処理装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】処理装置ないし処理リアクタ（１）であって、第１の電極（２０）を備えた少なくともひとつの誘電バリア放電ランプ（２）と、ランプ（２）が発生させる放射によって処理されるべき流体及び／又はガス及び／又は固体材料などの媒体（３）を収容するハウジング（１０）とを備えた装置が開示され、少なくともひとつのランプ（２）の少なくともひとつの第２の電極が、少なくともひとつの誘電バリア放電ランプ（２）とハウジング（１０）との間の空間（３１）内に配置された、少なくともひとつの中間対電極（３，４）の形態であることを特徴とする。これにより、処理装置ないしリアクタ（１）の電気的挙動に対する処理された媒体の影響、特に、媒体内における出力損失を回避し又は著しく減少させる。さらに、ランプを取り囲む外側電極における吸収及び／又はシャドウイングに起因するランプの光の損失も回避される。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理装置ないし処理リアクタに関し、少なくともひとつの誘電バリア放電ランプを備えたハウジングと、ランプが発生させた放射によって処理されるべき、流体及び／又はガス及び／又は固体材料などの媒体とを備える。

従来の水銀ベースの放電ランプに対する代替手段として、誘電バリア放電ランプは、特に、高強度で高出力のＵＶ光を狭いスペクトルで高効率で発生させる光源として、その重要性を高めている。代表的に、これらのランプは、円筒形や、ドーム形、又は同軸型のデザインを有し、内部及び／又は外部に水を流して冷却される。これらのランプの基本的な原理は、誘電バリア放電によるエキシマー放射である。通常、このようなランプにおける２つの電極のうち少なくとも一方は、ランプのエンベロープに又はそのまわりで、放電空間の外部に配置され、エネルギーの供給は、ランプのエンベロープの壁を介して放電空間に入る容量性の接続で達成されて、この空間内でガス放電を開始させる。

このようなランプが発生する放射によって導電性の流体が処理されるならば、ランプへのエネルギー供給は、処理された流体を介して供給することができ（米国特許第６，６３３，１０９号明細書及び米国特許第５，８４３，７８４号明細書を参照。）、流体と電気的に接触している外側電極は、ランプのエンベロープに直接配置する必要がない。誘電バリア放電ランプ及び流体を収容した、関連する流体処理装置ないしリアクタにおけるハウジングが導電性であるならば、ランプへのエネルギー供給は、ハウジング及び流体を介して供給できる。これは、前記外側電極がもはや必要なく、（通常、ランプのエンベロープを取り囲む）このような外側電極の吸収及び／又はシャドウイングによって生じる、発生した放射の損失が解消されるという利点を有する。

しかしながら、金属製のハウジング及び処理された流体を、ランプの一方の電極として使用することの問題点は、流体が装置全体の電気的な挙動に影響するという事実である。ランプのエンベロープと処理装置ないしリアクタのハウジングとの間にある流体層は、電気的には、抵抗値と容量値が、流体の導電性、流体の誘電率及び流体層の厚みによって与えられる抵抗とコンデンサとの並列接続とみなされる。

特に、流体の導電性が低いときには、流体内に大きな出力損失が生じることが容易にわかる。この作用を最小限にするため、ランプのエンベロープと処理装置ないしリアクタのハウジングとの間にある流体層を、可能な限り薄く維持しなければならない。しかしながら、このことにより、圧力が大きく低下し、必要なランプ数が多くなり、その結果、処理装置ないしリアクタが非常にかさばることになる。これに加え、ランプの電気的な挙動は流体の導電性に応じて変化し、これは、必然的にランプとランプのドライバとの不整合につながり、これに起因して、ランプの動作モードは非効率的になる。

本発明の基本的な目的は、少なくともひとつの誘電バリア放電ランプを備え、これらの不都合を少なくとも実質的に回避できる処理装置ないしリアクタを提供することである。

特に、本発明の目的は、少なくともひとつの誘電バリア放電ランプを備え、導電性が低い媒体、特に流体を、高効率の放射で処理できる処理装置ないしリアクタを提供することである。

本発明の別の基本的な目的は、少なくともひとつの誘電バリア放電ランプを備え、処理装置ないしリアクタ、特に少なくともひとつのランプの電気的な挙動に対する、処理された媒体の影響が少なくとも実質的に回避されるような、処理装置ないしリアクタを提供することである。

これらの目的のうち少なくともひとつは、第１の電極を備えた少なくともひとつの誘電バリア放電ランプを有し少なくともひとつのランプの少なくともひとつの第２の電極がランプを取り巻く空間又はスペース内の導電媒体によって提供されるハウジングと、媒体と電気的に接触しハウジングとランプとの間の中間位置に配置されている少なくともひとつの導電体と、を備えている、請求項１の処理装置ないしリアクタによって解決される。

この解決手段の利点は、このような媒体、特に流体の導電性が処理中に変化しても、効率的及び／又は経済的な方法で処理できるという事実である。
従属請求項は、本発明の有利な実施形態を開示している。

請求項２によれば、ハウジングは導電性であって、ハウジングはランプの追加的な第２の（又は第３の）電極として使用され、ランプの電気的な挙動を改善し、処理すべき媒体が電気的な挙動に与える影響は最小化される。
請求項３及び４は、外側の（第２の及び／又は第３の）の電極の好ましい電位に関し、特に媒体の導電性に応じて選択される。

請求項５は、第１及び第２の実施形態のための好ましい構成を開示していて、処理されるべき媒体の高い強度の放射に実質的に有利である。
請求項６及び７は、本発明の第３の実施形態のための好ましい構成を開示していて、特に放電ランプを強く冷却するのに有利である。

請求項８及び９は、好ましい導電体に関し、高い反射率の表面（請求項８）又は透明体（請求項９）を有することで、ランプの光放射の吸収を減少させる利点を有する。
請求項１０によれば、導電体（電極）と周囲の媒体の間に増えた接触領域が得られるので、特に低い導電性の媒体に有利である。

請求項１１は、処理される媒体に乱流を得るために選択されるリアクタのデザインを開示している。
本発明の更なる詳細、特徴、及び利点については、以下の本発明の好ましい実施形態の説明と添付図面に開示されている。

図１は、本発明の第１の実施形態による装置ないしリアクタ１を示した断面図であって、媒体３、特に流体（例えば、水）を放射によって処理して、例えば、媒体を殺菌し、クリーニングし、又は活性化し、またはその他の目的を達成する。

装置ないしリアクタ１は、実質的に円筒形であるハウジング１０を備え、ハウジングは好ましくは、導電性であって、金属から作られている。しかしながら、ハウジング１０は、例えばガラスなど、部分的に又は完全に非導電性の材料から作ることもできる。

ハウジング１０は、同軸的な誘電バリア放電ランプ２を取り囲み、該ランプは、この実施形態においては、円筒形のハウジング１０のほぼ軸線に沿って延びている。ランプ２は、内管２１と外管２２との同軸的な配置から構成され、両者はその軸線方向端部において互いに接続され、両者の間にリング形のスペース（ランプのエンベロープ）が画定され、その中には放電ガスが取り囲まれている。内管２１の内部には、第１の（内側の）電極２０（通常は、ロッド形態の高電圧電極である）が配置され、該電極は好ましくは、内管２１の中を流れる水で冷却され、処理された媒体とは直接には接触しない。

ランプ２の外管２２とハウジング１０との間の空間３１内には、ランプ２が発生する光（特にＵＶ光）の放射によって処理されるべき媒体３が、軸線方向に又は半径方向（クロスフロー）に、またはランプ２又はハウジング１０の任意のその他の方向に案内される。

ランプ２は、ＥＰ １０４８６２０Ｂ１号に開示されているような、蛍燐光体がコーティングされたランプ、または任意のその他の同軸的な誘電バリア放電ランプである。好ましくは、外側の（第２の）電極（通常は、ランプのエンベロープを取り囲むグリッドの形態で実現される）を有しないが、内側の（第１の）電極２０だけを有するランプが使用され、該内側の電極は、ランプ２の放電空間内に配置されるか、または、図１乃至図３に示す如く、ランプのエンベロープの外側であるがランプの内管２１の中に配置される。前述したように、これは、このような外側電極の吸収及び／又はシャドウイングが引き起こす、発生した放射の損失が無いという利点を有する。

代わりに、ランプ２の少なくともひとつの外側の（第２の）電極は、ランプ２の外管２２を取り囲む（電気的に導電性の）媒体３と、少なくともひとつの導電体４とによって提供され、該導電体は、媒体３と電気的に接触し、ハウジング１０とランプ２の外管２２との間に、つまり空間３１内の中間位置に配置される。

この中間的な第２の電極４によって、本願明細書の冒頭に述べた不都合は回避され、特に処理されるべき媒体３における電気的な出力損失は減少する。
処理リアクタ１のハウジング１０が導電性であるならば、ハウジング１０は別の外側の第２又は第３の電極として使用することができ、該電極は好ましくは、接地電位に接続され、従って、ランプ２の電流運搬回路の一部を構成する。

一般的に、本発明によるすべての中間の電極４（及び後述する図３の５，６，７）は、唯一のランプの外側の（第２の）電極として使用されるか、または追加的に、例えば、ハウジング１０が同様に外側の第２の又は別の第３の電極として設けられる。

この第２の事例においては、中間の電極４；５，６，７及びハウジング１０は好ましくは、同一の電位に接続される。さらに、いずれの事例においても、電位は接地電位であって、中間の電極は好ましくは、ランプ２内の（第１の）電極２０（通常は高電圧の電極）のための対電極として働くか、または任意のその他の電位に置かれる（図示せず）。特に、ハウジング１０が第３の電極として設けられる場合、該電極は、中間の電極４；５，６，７とは異なる電位を有するのがよい。

中間の電極は、１又は複数の導電体、ロッド、及び／又は、ワイヤ４から構成され、媒体３に（従って空間３１に）挿入される。
以下の好ましい実施形態は、対電極の形態である中間の電極に関して、例示的に示している。

少なくともひとつの中間対電極と導電体４及び／又はそれらの電位によって、処理装置ないしリアクタ１の電気的な挙動に対する、特にランプ２の動作状態に対する空間３１内の媒体３の抵抗及び容量の影響は最小限に減少できる。従って、媒体３内の出力損失も同様に減少する。

以下の表は、水の導電性と関連する水の損失に応じた、ランプ２と導電体４との間の水の層（媒体３）の許容可能な最大の厚みの見積りを例示的に与えている。この見積りは、コンピュータシミュレーション（ＳＰＩＣＥ）に基づき、ランプ２と水の層とは、個別の（部分的に非線形の）電気的要素によって表現され、現実的な電気信号をかけている。

［表］

上の表において、水の層の許容可能な最大厚みを示す数値は、たとえランプ２の外管２２とリアクタハウジング１０との距離がはるかに大きくても、水の損失を所定値まで減少させるための、ランプ２の外管２２から導電体４を配置すべき距離を示す。

これに加えて、少なくともひとつの導電体４の配置及び／又は形状及び／又はデザイン及び／又は表面及び／又は数は、好ましくは、導電体４によるランプ光の吸収及び／又はシャドウイングが最小限になって、処理装置ないしリアクタ１の効率に大きな影響を与えないように選択される。

これを達成するため、導電体４は好ましくは、以下の選択枝の少なくともひとつに従って実現される。
導電体４の表面は、ランプ２の放射波長について高い反射性に作られる。この目的のために、例えば、アルミニウム製のロッドが使用され、機械的及び／又は化学的及び／又は電気機械的な手段によって研磨され、ランプ２の放射波長における反射率を高める。

さらに、導電体４は、ランプ２が放射する光に対して少なくとも部分的に透明に作られる。この目的のために、例えば、ロッドの軸線に沿って貫通孔を備え、該貫通孔はランプの半径方向に向けられて、ランプの放射を通り抜けさせ、金属ロッドによる光学的吸収を最小化する。他の例としては、石英ガラス管で作られた導電体４を使用し、例えば、水道水などの導電性で放射に対して透明な流体を充填する。この事例においては、導電体４の電気接触は、石英ガラス管に挿入された細い金属ワイヤによって実現され、該ワイヤは関連する電位に接続される。

他の代替例では、表面積の拡大されたロッドの形態の導電体４を使用し、これを達成するために、特に機械的及び／又は化学的及び／又は電気化学的に表面を粗くする表面粗化方法が使用される。

これらのすべての手段は、導電体４で発生する吸収を減少させ、従って、処理された媒体３内における電気的な損失を減少させる。
好ましくは、図１に示すように、導電体は、ランプ２の軸線に対して実質的に平行に延びたロッド４の形態に設けられ、ランプ２の円周に沿って均等に分配されている。

図１におけるロッド４の直径は、媒体層の厚み、すなわちランプ２の外管２２と処理リアクタ１のハウジング１０との間の距離に比べて、かなり小さくなっていて、ロッド４による光学的な吸収を最小化するような寸法になっている。ロッド４の直径とランプ２の直径との比率は、有利には、約１：１０〜約１：１００の間で選択される。さらに、一方においてロッド４の直径と、他方においてランプ２の外管２２とハウジング１０との間の距離との間の比率は、有利には、約１：１０〜約１：１００の間で選択される。

さらに、ロッド４は直線的である必要は無く、変形例としては、媒体の流れの部分の完全なシャドウイングを回避するために屈曲させても良い。さらに、他の本数及び配置のロッド４を使用して、さらに出力損失を減少させ、これにより、媒体３の処理の効率を高めても良い。

代替的に又は追加的に、グリッド又はワイヤから作られた螺旋の形態の導電体４を、ランプ２の外管２２と処理リアクタ１のハウジング１０との間の空間３１内に用いても良い。

これらのすべての種類の導電体４は、２以上のランプ２を備えた処理装置ないしリアクタ１にも同じく適用できる。図２は、円筒形のハウジング１０を備えている、このような処理装置ないしリアクタ１の第２の実施形態を示している。ハウジング１０は３本の誘電バリア放電ランプ２を取り囲み、該ランプ２は、ハウジング１０の軸線に対して少なくとも実質的に平行に配置されている。

ランプ２の外管２２とリアクタハウジング１０との間の空間３１には、ランプ２が発生させた光で処理されるべき媒体３（特に流体）が、軸線方向に又は半径方向（クロスフロー）に、及び／又はランプ２又はハウジング１０の任意のその他の方向に案内される。さらに、この空間３１内には、第１の実施形態について説明したように、金属ロッド４の形態である少なくともひとつの導電体が配置される。

これらのロッド４の配置及び／又は形状及び／又はデザイン及び／又は表面及び／又は本数は、再び、処理された媒体３の出力損失が最小限になって、上述した処理装置ないしリアクタ１の効率が改善されるように選択される。この第２の実施形態の利点は、少なくともひとつのロッド４が２以上のランプ２のために働くという事実にある。このため、それぞれのランプ２のためのロッド４の本数、及び結果的に、これらのロッド４における光の吸収及び／又はシャドウイングは著しく減少できる。

図３に示した本発明の第３の実施形態によれば、追加的に又は代替的に、中間対電極５，６，７（第２の電極）が設けられる。
この装置は、再び、円筒形のハウジング１０を備えた処理リアクタ１を備える。ハウジング１０は、図１と同様に、ハウジング１０の軸線に沿って延びた、少なくともひとつの誘電バリア放電ランプ２を取り囲む。

この第３の実施形態によれば、中間対電極は、ランプ２を同軸的に取り囲むスリーブ５を備えている。スリーブ５は、例えば石英ガラスなど、ランプ２が発生する放射に対して透明な材料から作られる。スリーブ５とランプ２の外管２２との間のスペース６１は好ましくは、例えば、水など、導電性で放射に対して透明な媒体６（中間の電極を構成する）で充填されている。さらに、細いワイヤ又はロッド７の形態である１又は複数の導電体がこのスペース内に配置され（及び媒体６と電気的に接触し）、円筒形のハウジング１０の軸線に対して実質的に平行に延び、またはロッド４に関して上述した別の方法で配置される。

ランプ２が放射する光によって処理されるべき媒体３は、スリーブ５とリアクタハウジング１０との間の空間３１内において、軸線方向に又は半径方向（クロスフロー）に、またはランプ２又はハウジング１０の任意のその他の方向に案内される。

ワイヤ又はロッド７は、中間の電極（すなわち、媒体６）と電気的に接触するように設けられ、好ましくは接地電位に接続される。好ましくは、スペース６１内の媒体６の導電率は、媒体３の導電率に比べて著しく高くされる。しかしながら、中間の電極５，７がランプ２における唯一の第２の電極である場合には、処理されるべき媒体３は非導電性でも良い。

この第３の実施形態は、第１及び第２の実施形態（図１及び図２）による中間的な（対）電極と組み合わせても良い。

一般的に、リアクタ１内の中間対電極の数及び配置は、処理されるべき媒体３内の電気的な出力損失と、ランプ２が発生する光の損失とが減少され、これにより、リアクタ１の処理効率が高まるように選択される。その結果、ランプ２の周囲付近に多数の電極４；７を設けることは、電気的な出力の損失を最小化する利点を有するが、光の最大損失という欠点を有し、逆もまた同様である。その結果、装置全体の最大効率のためには、両者の間に妥協する必要がある。

これは、スペース６１内の媒体６にも同様に対応して適用される。純粋な水は、一方においては、放射された光（特にＵＶ放射）に対して高い透明度を有するが、他方においては、低い導電性を有し、逆もまた同様である。

本発明は、たとえ流体の導電性が、従来技術によるリアクタのデザインが効率的及び／又は経済的な動作を達成できないような範囲又は程度に変化する場合であっても、特に流体の処理に有利に使用される。

本発明による処理装置は、誘電バリア放電ランプを使用した、特に飲料水の処理、及び／又は、殺菌装置、又は超純水の製造装置の形態に設けられる。これらの目的のために、好ましくは、約２００nm〜約２８０nmの範囲のＵＶ放射を有するランプ２が使用される。

さらに、本発明による処理装置は、ガス又は固体材料又はそれらの表面を処理して、オゾンを発生させ、又は媒体の高度な酸化処理を開始させ、及び／又は、媒体を硬化させ、及び／又は、任意のその他の化学反応を刺激するために設けられる。

図１は、本発明の第１の実施形態による処理装置ないしリアクタを示した断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による処理装置ないしリアクタを示した断面図である。 図３は、本発明の第３の実施形態による処理装置ないしリアクタを示した断面図である。

Claims (11)

1. 処理装置ないしリアクタ（１）であって、
   第１の電極（２０）を備えた少なくとも一つの誘電バリア放電ランプ（２）を有し、該少なくとも一つのランプ（２）の少なくとも一つの第２の電極が、ランプ（２）を取り巻く空間（３１）又はスペース（６１）内の導電媒体（３；６）によって提供されるハウジング（１０）と、
   前記媒体（３；６）と電気的に接触し、前記ハウジング（１０）とランプ（２）との間の中間位置に配置されている少なくともひとつの導電体（４；７）と、を備えている、
   ことを特徴とする処理装置ないしリアクタ（１）。
2. 前記ハウジング（１０）が導電性であって、少なくともひとつのランプ（２）における第３の電極を構成している、
   請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
3. 少なくともひとつの第２の電極（４；５，７）及び第３の電極（１０）は少なくとも実質的に同一の電位を有している、
   請求項２に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
4. 少なくともひとつの第２の電極（４；５，７）は接地電位に接続され、第１の電極（２０）に関連して、中間対電極として設けられている、
   請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
5. 前記空間（３１）は、少なくともひとつのランプ（２）とハウジング（１０）との間に延び、前記ランプ（２）の放射によって処理される導電媒体（３）と、少なくともひとつの導電体（４）とを備えている、
   請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
6. 前記スペース（６１）は、少なくともひとつのランプ（２）とランプ（２）を取り囲むスリーブ（５）との間に延び、導電媒体（６）と少なくともひとつの導電体（７）とを収容し、
   前記ランプ（２）の放射によって処理される媒体（３）を備えている前記空間（３１）は、スリーブ（５）とハウジング（１０）との間に延びている、
   請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
7. 前記スペース（６１）内の媒体（６）は、前記ランプ（２）が発生する放射に対して高い透明性を有し、空間（３１）内の媒体（３）の導電性より高い導電性を有している、
   請求項６に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
8. 前記少なくともひとつの導電体（４；７）は、前記少なくともひとつのランプ（２）に対して少なくともほぼ延びるロッド又はワイヤの形態で実現され、前記ランプ（２）が発生する放射に対して高い反射性をもった表面を備えている、
   請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
9. 前記少なくともひとつの導電体（４；７）は金属製のロッドの形態で設けられ、前記ランプ（２）の半径方向に向けられた貫通孔を備えている、
   請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
10. 前記処理装置ないしリアクタ（１）において、
    前記少なくともひとつの導電体（４；７）は、粗面化により表面積が増大させられた金属製のロッドの形態で設けられている、
    請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。
11. 前記少なくともひとつの誘電バリア放電ランプ（２）は、処理されるべき媒体がランプ（２）の軸線に対してクロスフロー方向に供給されるように、ハウジング（１０）内に配置されている、
    請求項１に記載の処理装置ないしリアクタ（１）。

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