JP2023140360A - 紫外線照射装置、オゾン生成装置およびオゾン生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エキシマランプを用いて、効果的に紫外線を照射する。【解決手段】紫外線照射装置１０において、空気が流れる流体管３０内にエキシマランプ４０を同軸配置し、下流側に軸流ファン２０を設置する。エキシマランプの外表面から前記流路の内壁までの離間距離が、前記紫外線の紫外線強度比が８０％に減衰する透過距離以上ある。【選択図】図１

Description

本発明は、エキシマランプによって紫外線を照射する紫外線照射装置に関する。

酸化力の強いオゾンを生成する方法として、大気など酸素を含む原料ガスに紫外線を照射することによってオゾンを発生させることが可能であり、紫外線を照射する光源としてエキシマランプが用いられる（特許文献１参照）。そこでは、筐体の上面に吸気口、底面に排気口を設け、吸気口にファンなどを設け、筐体内に空気を流入させる。

エキシマランプでは、発光管の管壁温度が上昇すると、光強度が低下し、また、発生したオゾンの熱分解が発光管付近で生じてしまう。これを防ぐため、エキシマランプを配置した管内に流れる原料ガスの流速を所定値以上に定め、層流状態で流すことによって、オゾン発生の効率を高めることが提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１６－１３９４６２号公報 特許第６０７０７９４号公報

酸素分子に吸収されやすい２００ｎｍ以下の波長域にピーク波長を有する真空紫外線の場合、紫外線が比較的短い距離を進行しただけで著しく減衰し、紫外線強度が落ちてしまう。そのため、エキシマランプを配置した管内でランプ表面から離れた領域（空間）を流れるガスに対し、オゾン発生に必要な紫外線強度を有する紫外線を照射させることが難しい。

したがって、エキシマランプが配置した管内を流れる原料ガスに対し、エキシマランプを用いて効果的に紫外線を照射することが求められる。

本発明の紫外線照射装置は、オゾン生成装置に装備可能であり、流入口から流入する、酸素を含む被照射体に対して紫外線を照射し、流出口から被照射体を流出するオゾン生成装置および紫外線照射装置によるオゾン生成方法を提供することができる。エキシマランプは、エキシマランプよりも下流側に配置される軸流ファンと対向するように配置可能であり、あるいは、エキシマランプよりも上流側に配置される軸流ファンと対向する配置も可能である。例えば、エキシマランプが、１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線を放射する。

本発明の紫外線照射装置は、波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、被照射体が流れる流路を形成し、流路においてエキシマランプが同軸的に配置される流体管と、流体管流出口よりも下流側、または流体管流入口よりも上流側に配置され、エキシマランプと対向するように配置される軸流ファンとを備え、エキシマランプの外表面から流体管の内壁までの離間距離が、紫外線の紫外線強度比が８０％に減衰する透過距離以上ある。特に、エキシマランプの外表面から流体管の内壁までの離間距離が、紫外線の紫外線強度比が５０％に減衰する透過距離以上あるようにすればよい。

軸流ファンは、流体管に対して同軸的に配置することができる。例えば、エキシマランプの外径が４ｍｍ以上であって、流体管の内径の１／２より大きくなるように構成することができる。

たとえば、エキシマランプの外表面に設けられた電極もしくは電極関連部材の最大高さが、エキシマランプの外表面から放射する紫外線の紫外線強度比が２０％に減衰する透過距離以下となるように定められている。ここで、「電極関連部材」は、電極の性能維持、性能低下抑制などを目的として電極配置に合わせてエキシマランプ外表面に設置される部材であり、例えば、導電性板を円筒状に巻き付けた突起部材が設置される。

エキシマランプの外表面から放射する紫外線の紫外線強度比が２０％まで減衰する紫外線の進行距離よりも、電極もしくは電極関連部材の高さを低くすることで、エキシマランプ外表面付近を通過する原料ガスに対し、十分な強度を持つ紫外線が照射されることになる。最大高さは、エキシマランプの外表面から放射する紫外線の紫外線強度比が５０％に減衰する透過距離以下にしてもよい。

本発明によれば、エキシマランプを用いて、効果的に紫外線を照射することができる。

第１の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。 第２の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。

オゾン生成装置１の一部を構成する紫外線照射装置１０は、軸流ファン２０、流体管３０、エキシマランプ４０とを備える。エキシマランプ４０は、石英ガラスなどの誘電材料から成る内側管と外側管とを備え、ここでは外側管となる管状の発光管４０Ａのみ図示している。エキシマランプ４０は、真空紫外線の波長域、すなわち波長２００ｎｍ以下の紫外線を放射し、ここでは、１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線を放射する。

エキシマランプ４０の図示しない内側管には内側電極がその内部に設けられ、外側管となる発光管４０Ａの外表面４０Ｓには、外側電極５０が配設されている。外側電極５０は、ここでは螺旋状に所定ピッチで巻き付けた導電線によって構成され、その端部が図示しない給電線に接続されている。

流体管３０には、紫外線照射部を有し、原料ガス（被照射体）の流れる流路を形成し、流入口３０Ａから流出口３０Ｂに向けて原料ガスが流れる。原料ガスは、酸素を含むガスであり、ここでは空気が流体管３０内に流れ込むようになっている。流体管３０は、例えば筒状に形成可能である。

軸流ファン２０は、ファンモータ部２２と、ファン羽２４とを備え、流体管３０と実質的に同じ外径であって、流体管３０の流出口３０Ｂに対して同軸的に配置されている。エキシマランプ４０は、発光管４０Ａの軸（ランプ軸）が流体管３０の軸Ｃと一致する、すなわち軸流ファン２０の軸上に沿うように、流体管３０内に配置されている。発光管４０Ａは、図示しない支持部材によって支持されている。

軸流ファン２０が回転すると、周囲の空気が流体管３０の流入口３０Ａに流れ込み、流体管３０に沿って移動する。エキシマランプ４０は、図示しない電源部による制御によって点灯し、紫外線を放射する。その結果オゾンが生じ、生成されたオゾンは流出口３０Ｂおよび軸流ファン２０を通り、脱臭、殺菌処理などに用いられる。

一般的に、特定のピーク波長の真空紫外線は、大気中で吸収されやすく、エキシマランプ４０から放射される紫外線はすぐに減衰し、紫外線強度が低下する。この減衰の程度は、紫外線の大気中に対する吸収係数の大きさに従う。理想的な測定環境では波長１７２ｎｍの紫外線の場合、約３ｍｍの進行で紫外線強度比が５０％以下まで減衰し、約６ｍｍで２０％以下、そして約３０ｍｍで紫外線がすべて吸収されてしまう。以下では、所定の紫外線強度比まで減衰した時の紫外線の進行距離を透過距離Ｌとして表す。実際の測定環境においては、真空紫外線の波長域に感度を有する紫外線照度計を発光管の外表面に近接させた状態からの紫外線強度比の減衰として把握できる距離である。

流体管３０に流れ込む空気は、エキシマランプ４０の発光管４０Ａの外表面４０Ｓ付近に沿って流出口３０Ｂ側へ流れていく。このとき、外側電極５０が外表面４０Ｓから突出しているため、エキシマランプ４０の外表面４０Ｓ付近で軸Ｃ方向に沿った流れが生じにくくなり、流れが妨げられて圧力損失が大きくなる。

本実施形態では、外側電極５０のランプ外表面４０Ｓからの高さｄが、紫外線強度比が２０％まで減衰する透過距離よりも低くなるように定められている。好ましくは、紫外線強度比が５０％まで減衰する透過距離よりも低くなるように定めるのがよい。１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線の場合、６ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下の高さｄとなるように外側電極５０を導電性部材で構成すればよい。

エキシマランプ４０付近を流れる空気に対してオゾン生成に十分な紫外線強度を有する紫外線を照射するためには、エキシマランプ４０の外表面４０Ｓと流体管３０の内壁３０Ｃとの離間距離Ｅをできるだけ短くするのがよい。しかしながら、軸流ファン２０によって流量を多くすることでオゾン生成の効率を高めようとしても、エキシマランプ４０の流体管３０内に占める空間（領域）の割合が大きくなり過ぎると、空気がエキシマランプ４０付近を通過するときに流れにくくなり、圧力損失となってしまう。

通過する空気の圧力損失を大きくさせないために、ランプ外表面４０Ｓから流体管３０の内壁３０Ｃまでの離間距離Ｅは、紫外線強度比が８０％まで減衰する透過距離よりも大きくなるように定められている。好ましくは、紫外線強度比が５０％まで減衰する透過距離よりも大きくなるように定めるのがよい。１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線の場合、離間距離Ｅが１ｍｍ以上、より好ましくは３ｍｍ以上となるように、エキシマランプ４０のサイズ（外径Ｂ）および流体管３０の内径Ｔが定められる。

一方で、流体管３０に比べてエキシマランプ４０が極端に細いとき、すなわち流体管３０の内径Ｔによって定まる流路空間の大きさに対してエキシマランプ４０の外径Ｂによって定まる領域の大きさが占める割合が小さければ、上述したように、流体管３０に流れる空気に対してオゾン生成に必要な強度を有する紫外線を効果的に照射することが難しい。また、エキシマランプの外径が小さ過ぎると、放電空間も小さくなることで、エキシマランプから放射される紫外線の紫外線強度が低くなる。したがって、エキシマランプ４０の外径Ｂは４ｍｍ以上として、流体管３０の内径Ｔの１／２以上の大きさが望ましい。

このように本実施形態によれば、紫外線照射装置１０において、空気が流れる流体管３０内にエキシマランプ４０を同軸配置し、下流側に軸流ファン２０を設置する。外側電極５０のランプ外表面４０Ｓからの高さｄは、紫外線強度比が２０％まで減衰する透過距離よりも低くなるように定められる。

次に、図２を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、軸流ファンが上流側に配置され、突起部材（電極関連部材）がランプ外表面に設けられている。

図２は、第２の実施形態である紫外線照射装置の概略的構成図である。

紫外線照射装置１００は、エキシマランプ４０と、エキシマランプ４０を収容する流体管３０と、流体管３０の流入口３０Ａに配置される軸流ファン２０とを備える。軸流ファン２０およびエキシマランプ４０は、流体管３０の軸Ｃに対して同軸的に配置されている。

エキシマランプ４０の外表面４０Ｓにおいては、上流側端部に突起部材７０が設けられている。突起部材７０は導電性板を円筒状に巻き付けることによって構成されている。突起部材７０の外表面４０Ｓからの径方向高さｄ’は、紫外線強度比が２０％まで減衰する透過距離よりも低くなるように定められている。好ましくは、紫外線強度比が５０％まで減衰する透過距離よりも低くなるように定めるのがよい。

なお、軸流ファン２０の動作によって電極関連部材の風切り音が大きくなるが、オゾン生成中に発生する音がある程度大きいことで、オゾン生成装置１に設けられた警告灯などが見えない位置にいるユーザに対しても、高濃度オゾン放出中であることを知らせることができる。例えば、４０ｄＢの音が測定されるように電極関連部材を構成して軸流ファン２０を動作させればよい。

なお、エキシマランプ４０は、１７２ｎｍ以外のピーク波長を有する真空紫外線を放射するように構成してもよい。また、軸流ファン２０の代わりに遠心ファンを用いてもよい。

１ オゾン生成装置
１０ 紫外線照射装置
２０ 軸流ファン
３０ 流体管
４０ エキシマランプ
５０ 外側電極
７０ 突起部材（電極関連部材）

Claims (7)

1. 流入口から流入する、酸素を含む被照射体に対して紫外線を照射し、流出口から前記被照射体を流出するオゾン生成装置に装備可能な紫外線照射装置であって、
   波長２００ｎｍ以下にピーク波長を有する紫外線を放射するエキシマランプと、
   前記被照射体が流れる流路を形成し、前記流路において前記エキシマランプが同軸的に配置される流体管と、
   流体管流出口よりも下流側、または流体管流入口よりも上流側に配置され、前記エキシマランプと対向するように配置される軸流ファンとを備え、
   前記エキシマランプの外表面から前記流体管の内壁までの離間距離が、前記紫外線の紫外線強度比が８０％に減衰する透過距離以上あることを特徴とする紫外線照射装置。
2. 前記エキシマランプの外表面から前記流体管の内壁までの離間距離が、前記紫外線の紫外線強度比が５０％に減衰する透過距離以上あることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
3. 前記軸流ファンが、前記流体管に対して同軸的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
4. 前記エキシマランプの外径が４ｍｍ以上であって、前記流体管の内径の１／２より大きいことを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
5. 前記エキシマランプが、１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線を放射することを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の紫外線照射装置を備え、流入口から流入する、酸素を含む被照射体に対して紫外線を照射し、流出口から前記被照射体を流出することを特徴とするオゾン生成装置。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の紫外線照射装置によって、流入口から流入する、酸素を含む被照射体に対して紫外線を照射し、流出口から前記被照射体を流出することを特徴とするオゾン生成方法。

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