(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線を透過可能な誘電体容器の周囲に配置される電極と、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と、を備え、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、前記誘電体容器の内部に放電を起こさせて紫外線光を発光させる紫外線発生装置において、
前記誘電体容器は、内部に放電ガスが充填された中空の筒状容器であり、
前記電極は、前記筒状容器の外周面に巻かれたコイル電極であり、
前記コイル電極の一端と接地端子との間に直列接続されたコンデンサ、コイルおよび電源を備えることを特徴とする紫外線発生装置。
【請求項２】
紫外線を透過可能な誘電体容器の周囲に配置される電極と、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と、を備え、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、前記誘電体容器の内部に放電を起こさせて紫外線光を発光させる紫外線発生装置において、
前記誘電体容器は、内部に放電ガスが充填された中空の筒状容器であり、
前記筒状容器の軸方向に延びる２本の電線を備え、
前記電極は、前記筒状容器の軸方向に互いに所定間隔を隔てて配置される複数の電極部を有し、
これら複数の電極部は、前記筒状容器の周囲を取り囲んで、各電極部の両端部で前記２本の電線に接続されることを特徴とする紫外線発生装置。
【請求項３】
紫外線を透過可能な誘電体容器の周囲に配置される電極と、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と、を備え、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、前記誘電体容器の内部に放電を起こさせて紫外線光を発光させる紫外線発生装置において、
前記誘電体容器は、内部に放電ガスが充填された中空の筒状容器であり、
前記筒状容器の軸方向に延びる２本の電線を備え、
前記電極は、前記筒状容器の軸方向に互いに所定間隔を隔てて配置される複数の電極部を有し、
これら複数の電極部は、前記筒状容器の周囲を取り囲んで、各電極部の両端部で前記２本の電線に接続され、
一方の前記電線は、前記筒状容器の一端側で前記電源に接続され、
他方の前記電線は、前記筒状容器の他端側で接地端子に接続されることを特徴とする紫外線発生装置。
【請求項４】
紫外線を透過可能な誘電体容器の周囲に配置される電極と、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と、を備え、
前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、前記誘電体の内部に放電を起こさせて紫外線光を発光させる紫外線発生装置において、
前記誘電体容器は、内部に放電ガスが充填された中空の筒状容器であり、
前記筒状容器の軸方向に延びる２本の電線を備え、
前記電極は、前記筒状容器の軸方向に互いに所定間隔を隔てて配置される複数の電極部を有し、
これら複数の電極部は、前記筒状容器の周囲を取り囲んで、各電極部の両端部で前記２本の電線に接続され、
一方の前記電線は、前記誘電体容器を挟んでコの字状に配置されることを特徴とする紫外線発生装置。
【請求項５】
前記２本の電線のそれぞれに対して個別に前記電源が設けられることを特徴とする請求項４に記載の紫外線発生装置。
【請求項６】
前記２本の電線には、共通の前記電源からのパルス電圧が印加されることを特徴とする請求項４に記載の紫外線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希ガスを主成分としてハロゲンガスや水銀等を添加した放電ガスによる無電極放電にて紫外線光を発生させる紫外線ランプなどのガス放電装置を利用した殺菌装置に関し、特に、上下水道の殺菌・消毒・脱色、工業用水の脱臭・脱色、パルプの漂白、あるいは医療機器の殺菌などを対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
上下水道の殺菌・消毒・脱色等を行う目的で、従来から紫外線光が利用されている。紫外線光を生成する光源として、水銀ランプやエキシマランプなどがある。低圧の水銀ランプは、波長が２５４ｎｍまたは１８５ｎｍの紫外線光を発生させる。また、キセノン、クリプトンおよびアルゴンを励起媒質とするエキシマランプは、それぞれ１７２ｎｍ、１４６ｎｍ、１２６ｎｍの波長の紫外線光を発生させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
紫外線光を発生させる従来の殺菌装置等は、低圧の水銀ランプ（水銀の波長２５４ｎｍ）を使用することが多かった。その理由は、細菌のＤＮＡの切断に適しているためである。
【０００４】
また、従来の水銀ランプには、放電ガスに電極が接触する有電極ランプと、放電ガスに電極が接触しない無電極ランプとがある。有電極ランプは、放電ガスの劣化、電極の消耗、あるいは消耗した電極部品のランプ内壁への付着等の原因により、ランプの寿命が短くなるという問題があり、ランプの寿命は１万時間程度が上限である。
【０００５】
一方、無電極ランプは、外部電極が紫外線を通さないため、紫外線光の利用効率が悪いという問題がある。また、外部電極に交流電圧（高周波１００ｋＨｚ以上）を印加してランプを点灯させる場合、外部電極の設置精度が低いと、放電インピーダンスが異なるために正常に点灯しないおそれがある。
【０００６】
また、無電極ランプは、電極が外部にあるため、配線ミスや水漏れ等により、電線が短絡して突入電流が流れ、電源を破壊するおそれがある。
【０００７】
さらに、周波数１００ｋＨｚ以上の交流電源を用いて、有電極ランプや無電極ランプを点灯させる場合、電源とランプとを接続する電線がある長さ以上になると、インピーダンスの不整合により、ランプが正常に点灯しないおそれがある。特に、電源の交流周波数と放電部の共振周波数とに大幅なずれがあると、電源の出力インピーダンスと放電インピーダンスの関係から、電力を有効に利用できなくなる。
【０００８】
また、交流電流を通電して点灯させる紫外線ランプでは、電力供給量が大きくなると、電線に印加される電圧が大きくなり、耐電圧を大きくするために、電線を太くしなけばならない。このため、電線の引き回しが困難になり、ランプを自由に動かせなくなるおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低消費電力で発光効率の高い紫外線発生装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、紫外線を透過可能な誘電体容器の周囲に配置される電極と、前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と、を備え、前記電極に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、前記誘電体容器の内部に放電を起こさせて紫外線光を発光させる紫外線発生装置において、前記誘電体容器は、内部に放電ガスが充填された中空の筒状容器であり、前記電極は、前記筒状容器の外周面に巻かれたコイル電極であり、前記コイル電極の一端と接地端子との間に直列接続されたコンデンサ、コイルおよび電源を備える。
【００１１】
誘電体容器の外側に複数の電極を配置して誘電体容器から紫外線光を発光させるため、球切れを起こすことがなくなる。
【００１２】
複数の電極は、開口率７０％以上となるように配置するのが望ましい。
【００１３】
電極の誘電体容器に対向する面の少なくとも一部を、紫外線を反射する材料で形成するか、紫外線を反射可能な形状に加工すれば、紫外線の発光効率を上げることができる。
【００１４】
誘電体容器の表面に金属を焼き付けて電極を形成するか、または誘電体容器の表面に電極を印刷することにより、電極の設置位置精度を高めることができ、製造による放電インピーダンスのばらつきを抑制できる。
【００１５】
誘電体容器の外周面にコイル電極を巻き付け、コイル電極の一端と接地端子との間にコンデンサ、コイルおよび電源を直列接続するため、配線ミスや水漏れ等により、コイル電極が短絡を起こしても、コンデンサにより突入電流を防止できる。
【００１６】
一方の電線を筒状容器の一端側で電源に接続し、他方の電線を筒状容器の他端側で接地端子に接続するため、筒状容器に均一に電圧を印加でき、紫外線光の明るさのばらつきを抑制できる。
【００１７】
電源の交流周波数ｆＯＳＣと誘電体容器の放電部の共振周波数ｆＺとが１．１ｆＯＳＣ＞ｆＺ＞０．９ｆＯＳＣの関係を満たすように、電源の交流周波数ｆＯＳＣを調整することにより、信号の反射が起きにくくなり、紫外線光の発光効率を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る紫外線発生装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る紫外線発生装置である無電極放電ランプの第１の実施形態の概略構成を示す図である。図１の無電極放電ランプ１０は、内部が中空で紫外線を透過する誘電体からなる誘電体容器１と、この容器１の外側に配置される複数の電極２と、各電極２に交流電圧を印加する交流電源３と、交流電源３と電極２とを接続する電線４とを備えている。
【００２０】
電線４を介して電極２に交流電圧を印加することにより、誘電体容器１の内部で放電が起こって、紫外線光が発生する。この紫外線光は、隣接する電極２間を通って外部に放射される。
【００２１】
電極２のサイズは、紫外線光の利用効率を上げるために、その開口率が７０％以上になるように設定されている。また、誘電体容器１に対向配置される側の電極２の表面の少なくとも一部は、紫外線を反射する材料により鏡面加工を施されている。このような鏡面加工により、紫外線光の発光効率をさらに上げることができる。
【００２２】
なお、図１では、誘電体容器１と電極２とを別部材にしているが、誘電体容器１の表面に金属の焼き付けや印刷を行って、電極２を形成してもよい。これにより、電極２の取り付け精度が向上し、製造による紫外線光の明るさのばらつきを抑制できる。
【００２３】
電線４の実効長さは、電源周波数の１／８波長以下になるように設定されている。電線４の本数Ｎは、供給電力をＰ、電線４の特性インピーダンスをＺとすると、（１）の条件を満たすよう設定される。
【００２４】
［数１］
３００＞√（ＰＺ／Ｎ）  …（１）
以下、（１）式の条件が得られる理由を説明する。図２は、高周波同軸ケーブルの周波数（ＭＨｚ）、減衰量（ｄＢ／ｋｍ）、および電力容量（Ｗ）の関係を示す図である。下水処理用に用いる無電極放電ランプ１０は、１０００Ｖ程度の耐電圧が必要とされるため、その３倍の余裕度を見て、３０００Ｗの電力容量で１５ＭＨｚの電源周波数で利用可能な高周波同軸ケーブルを図２の中から検索すると、８Ｄ−２Ｖと呼ばれる高周波同軸ケーブルが該当することがわかる。
【００２５】
この８Ｄ−２Ｖよりも耐電圧の大きい電線４を用いても構わないが、電線４の径が太くなるため、電線４の引き回しが困難になり、図１のランプを容易には移動できなくなる。すなわち、作業性が悪くなるため、好ましくない。
【００２６】
図３は上述した８Ｄ−２Ｖと呼ばれる高周波同軸ケーブルの特性を示す図である。この図からわかるように、８Ｄ−２Ｖは１０００Ｖの耐電圧を有する。実際には、耐電圧の１／３程度の電圧がケーブルに印加されるため、概算で３００Ｖ程度の電圧がケーブルに印加されることになる。
【００２７】
また、（１）式の右辺は、実際に電線４に印加される電圧を示している。したがって、右辺が３００Ｖより小さければ、安定に長期連続動作することになる。そこで、本実施形態では、上記の（１）式の条件を満たすように電線４の本数Ｎを定めた。
【００２８】
また、図１の電線４の長さが電源周波数の１／８波長以上の場合、電源３の出力インピーダンス、ランプ１０の放電インピーダンス、およびケーブルの特性インピーダンスを合わせる整合器が必要になる。整合器がないと、信号の反射が起きて、電力の損失が多くなる。そこで、本実施形態では、電線４の実効長さを電源周波数の１／８波長以下に設定し、整合器を設けなくて済むようにしている。
【００２９】
図４は図１の無電極放電ランプ１０を内蔵した処理ユニット１１の断面図である。図示のように、図１の誘電体容器１および電極２は保護容器１２内に収納され、金属フランジ１３により封止されている。これにより、作業者が電極２に感電する事故を防止できるとともに、電極２が水に濡れなくなり、漏電等を防止できる。
【００３０】
保護容器１２はさらに処理ユニット１１の中に組み込まれる。処理ユニット１１の外壁と保護容器１２の外壁との間には、殺菌等を行う対象である流体が流れる経路１４が設けられている。この流体は、処理ユニット１１の導入口１５から処理ユニット１１内に流れ込み、図１のランプの周囲を通って排出口１６から処理ユニット１１の外部に排出される。流体が図１のランプの周囲を通る間に、ランプから放射された紫外線光が流体に当たって殺菌等される。
【００３１】
図４の処理ユニット１１は、上下水道の殺菌・消毒・脱色、工業用水の脱臭・脱色、パルプの漂白、あるいは医療機器の殺菌等を行うためのものである。また、導入口１５から処理ユニット１１内に流れ込む流体には、液体だけでなく、気体や固体が含まれていてもよい。
【００３２】
図２の処理ユニット１１には、図１の無電極放電ランプ１０が一つだけ設けられているが、図５に示すように、複数の無電極放電ランプ１０を併設して、バッチ処理してもよい。
【００３３】
このように、第１の実施形態では、誘電体容器１の外側に開口率が７０％以上の電極２を配置し、この電極２に高周波電圧を印加するため、電極２間から効率よく紫外線光を発光させることができ、低コストかつ短時間で下水道の殺菌等を行うことができる。
【００３４】
また、上述した（１）式の条件を満たすように電線４の本数Ｎを設定するため、電線４の太さをあまり太くしなくて済み、処理ユニット１１の取り扱いが容易になり、作業性が向上する。
【００３５】
さらに、電線４の実効長さを電源周波数の１／８波長以下に設定するため、インピーダンス整合用の整合器を設けなくても信号の反射が起きなくなり、装置全体の小型化と低コスト化が可能になる。
【００３６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、コイル状の電極２を設けた点に特徴がある。
【００３７】
図６は本発明に係る紫外線発生装置である無電極放電ランプ１０の第２の実施形態の概略構成を示す図である。図６の無電極放電ランプ１０は、内部が中空で紫外線を透過する誘電体からなる誘電体容器１と、この容器の外周面に巻き付けられたコイル状の電極２（以下、コイル電極）とを備えている。コイル電極２の一端と接地端子との間には、コンデンサＣ１、コイルＬ１、電線４および電源３が直列接続され、コイル電極２の他端は接地されている。
【００３８】
電源３からの高周波電圧によりコイルＬ１に高周波電流が流れ、電磁石の原理で磁界が発生する。この磁界が誘電体容器１の内部で渦電界を起こし、ドーナツ状の放電リングが発生し、殺菌に有効な紫外線が放射される。
【００３９】
コンデンサＣ１は、コイル電極２が短絡したときに突入電流が流れるのを防止するためのものであり、必ずしも必須の構成ではない。
【００４０】
図６の無電極放電ランプ１０は、図中では省略しているが、ランプ全体を密封してコイル電極２が流体に触れないようにして殺菌等の処理が行われる。
【００４１】
第２の実施形態では、電源の交流周波数ｆＯＳＣと誘電体容器１の放電部の共振周波数ｆＺとが略等しくなるようにしている。具体的には、１．１ｆＯＳＣ＞ｆＺ＞０．９ｆＯＳＣの条件を関係を満たすようにしている。これにより、信号の反射による電力の損失が起きにくくなり、低消費電力で高エネルギーの紫外線光を発光できる。
【００４２】
上記の条件を満たすように調整するには、例えば、電源３の交流周波数ｆＯＳＣを可変制御することが考えられる。あるいは、図６のコンデンサＣ１の容量やコイルＬ１のインダクタンスを変えて共振周波数ｆＺを可変制御してもよい。
【００４３】
このように、第２の実施形態では、誘電体容器１の外周面にコイル電極２を設けて紫外線光を発光させるため、第１の実施形態よりも開口率を広く設定できる。また、電源３の交流周波数ｆＯＳＣと誘電体容器１の放電部の共振周波数ｆＺとが略等しくなるように調整するため、消費電力の低減が図れる。
【００４４】
ところで、コイル電極２は、必ずしもらせん状に誘電体容器１に巻き付ける必要はない。例えば、図７は、誘電体容器１の軸方向に並行に延びる２本の電線４ａ，４ｂに、複数本の円環状のコイル電極２を一体に形成した例を示す図である。一方の電線４には電源が接続され、他方の電線４は接地されている。
【００４５】
図７のランプ１０は、構造は簡易であるが、電源３に近い側ほど紫外線光の強度が強く、明るさにムラが出てしまう。
【００４６】
一方、図８は、一方の電線４ａが誘電体容器１の一端側で電源に接続され、他方の電線４ｂが誘電体容器１の他端側で接地端子に接続される例を示す図である。図８の場合、誘電体容器１の全体にわたって、ほぼ均一な紫外線光を発光させることができる。
【００４７】
一方、図９は、誘電体容器１の軸方向に延びる２本の電線４のうち１本が、誘電体容器１を挟んでコの字状に配置される例を示す図である。また、電線４の電圧入力部には同軸ケーブル１５が接続されている。同軸ケーブル１５を用いることにより、不要な電波の放射を抑制することができる。また、一方の電線４が誘電体容器１を取り囲んでいるため、紫外線光の明るさのムラは生じにくい。
【００４８】
図９において、複数の同軸ケーブル１５を接続してもよい。この場合、図１０に示すように、複数の同軸ケーブル１５は並列接続され、各同軸ケーブル１５の芯線は一方の電線４に、接地線は他方の電線４に接続される。複数の同軸ケーブル１５を設けることにより、誘電体容器１により多くの高周波電流を流すことができ、強力な紫外線光を発光させることができる。
【００４９】
なお、図１０は、複数の同軸ケーブル１５のそれぞれごとに電源３を備えているが、図１１に示すように、一個の電源３に複数の同軸ケーブル１５を接続してもよい。
【００５０】
また、図６〜図１１に示す無電極放電ランプ１０においても、上述した（２）式の関係を満たすように、電線４の本数Ｎを設定するのが望ましい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、誘電体容器である筒状容器の外側に配置された電極の間から紫外線光を発光させるため、いわゆる球切れが起きなくなり、寿命が長くなる。また、開口率が７０％以上になるように電極を配置するため、強力な紫外線光を放射させることができ、下水道の殺菌等に幅広く利用できる。
【００５２】
また、筒状容器の軸方向に延びる２本の電線と、筒状容器の周囲を取り囲んで両端部で２本の電線に接続される複数のコイル電極とを設けるため、筒状容器にらせん状にコイル電極を巻き付けなくても、高エネルギーの紫外線光を発光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る紫外線発生装置である無電極放電ランプの第１の実施形態の概略構成を示す図。
【図２】高周波同軸ケーブルの周波数（ＭＨｚ）、減衰量（ｄＢ／ｋｍ）、および電力容量（Ｗ）の関係を示す図。
【図３】８Ｄ−２Ｖと呼ばれる高周波同軸ケーブルの特性を示す図。
【図４】図１の無電極放電ランプを内蔵した処理ユニットの断面図。
【図５】複数の無電極放電ランプを併設する例を示す図。
【図６】本発明に係る紫外線発生装置である無電極放電ランプの第２の実施形態の概略構成を示す図。
【図７】誘電体容器の軸方向に並行に延びる２本の電線に、複数本の円環状のコイル電極を一体に形成した例を示す図。
【図８】一方の電線が誘電体容器の一端側で電源に接続され、他方の電線が誘電体容器の他端側で接地端子に接続される例を示す図。
【図９】誘電体容器の軸方向に延びる２本の電線のうち１本が、誘電体容器を挟んでコの字状に配置される例を示す図。
【図１０】複数の同軸ケーブルを並列接続し、各同軸ケーブルの芯線が一方の電線に、接地線が他方の電線に接続される例を示す図。
【図１１】図１０の変形例を示す図。
【符号の説明】
１  誘電体容器
２  電極
３  電源
４  電線
１０  無電極放電ランプ
１１  処理ユニット
１２  保護容器
１３  金属フランジ
１５  導入口
１６  排出口
【図１】
0003580775.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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