(57)【要約】【課題】紫外線ランプを一定の温度範囲に保持するための紫外線ランプ冷却システムを小形でかつ安価に提供する。【解決手段】本発明による紫外線ランプ冷却システムは、紫外線ランプ本体の周りに水冷ジャケット９を設け、前記ジャケットに冷却水を流し、前記ランプを一定の温度範囲に保持する紫外線ランプ用の冷却システムである。２系統の液体間での熱交換に使う平板式の熱交換器５の第１の系統の液体出口と第２の系統の液体入口を結合し、前記熱交換器５の最も外側にある平坦部分にペルチエ効果熱電素子１７を設け、前記熱交換器５内の水との熱交換をする。第１の系統の液体入口と第２の系統の液体出口との間に前記ランプの水冷ジャケット９およびポンプ１０を配置し、前記ポンプを駆動して前記水冷ジャケット９と前記熱交換器５を循環する冷却水の循環系を形成するように構成されている。前記紫外線ランプとして低圧水銀ランプ８が適している。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線ランプ本体の周りに水冷ジャケットを設け、前記ジャケットに冷却水を流して、前記紫外線ランプを一定の温度範囲に保持する紫外線ランプ用の冷却システムであって、
２系統の液体間での熱交換に使う平板式の熱交換器の第１の系統の液体出口と第２の系統の液体入口を結合し、
前記熱交換器の最も外側にある平坦部分に、ペルチエ効果熱電素子を設け、前記熱交換器内の水との熱交換をするようにし、
第１の系統の液体入口と第２の系統の液体出口との間に、前記ランプの水冷ジャケット、およびポンプを配置し、
前記ポンプを駆動して、前記水冷ジャケットと前記熱交換器を循環する冷却水の循環系を形成するように構成した、紫外線ランプ冷却システム。
【請求項２】
紫外線ランプ本体と、
前記ランプ本体に熱結合する水冷ジャケットと、
前記水冷ジャケットに入口が接続されている熱交換器と、
前記熱交換器の最も外側平坦部分に設けられたペルチエ効果熱電素子と、
前記熱交換器の入口と出口間に配置されるリザーブタンクと、
前記リザーブタンクと前記熱交換器の入口間で前記水冷ジャケットに直列に接続されているポンプと、
冷却水の温度を検出し、前記熱電素子の駆動電流を制御する温度制御手段とを含む紫外線ランプ冷却システム。
【請求項３】
前記熱交換器は、平板式の２系統熱交換器の第１の系統の液体出口と第２の系統の液体の入口を結合したものである請求項２記載の紫外線ランプ冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線ランプ、特に石英管内に低圧において水銀を封入し、主として波長が２５３．７ｎｍの、殺菌に有効な紫外線を出す低圧水銀ランプにおいて、水銀の光スペクトルである波長が２５３．７ｎｍの光を高効率的に発生させることができるように、低圧水銀ランプを一定の温度範囲に保持するための紫外線ランプ冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を使っての殺菌では波長２５４ｎｍ近くのものが最も効果的であることが知られている。その波長に近いスペクトルを出す、いわゆる低圧水銀灯が殺菌ランプとして市販されている。これらの殺菌ランプで水銀のスペクトルの一つである２５３．７ｎｍの波長の光を出すために、一般的には２０℃程度の室温を基準にして、ランプ自体の放熱が適正になるように大きさ等を決めている。
実験的には、波長２５３．７ｎｍの光を高効率で出しているときのランプ内での水銀の蒸気圧は１．２Ｐａ前後であり、この蒸気圧を保持する温度は約４５℃である。ランプは発光しているとき発熱し、それによって蒸気圧は高くなろうとする。したがって蒸気圧を低くするにはランプの冷却が必要となる。ランプの温度が周囲の温度より高い場合、放熱による冷却が期待できる。そこで、市販の殺菌ランプにおいてはランプと周りの温度の差を利用して、ランプの温度を約４５℃に保持する設計になっている。しかし、当然、周りの温度が変化することから、ランプの温度を約４５℃に保持することは難しい。
【０００３】
高度に安定した出力を得るために、冷却水によりランプを冷却する方法が採用されている。この方式では低温恒温水槽が使われることが多い。低温恒温水槽は冷凍機によって、ランプ部分からの高温水を冷却し、ポンプによって再びランプ側に流すものである。
一般に冷凍機は圧縮機型であり、その特性から、４０℃を越えた温度の水は、そのまま扱うことができない。そのため、大きい水槽を使い、ランプから戻ってきた４０℃を越える水は水槽の水と混合され、冷凍機は常に４０℃以下で使う方式が使われている。
【０００４】
その結果、一段大きい低温恒温水槽を使い、４０℃以下の水にしてランプ側に供給する方式が採用されている。前述した従来の方式では冷却装置自体が大きくなり、製作コストも高くなる。さらにランプの方に入れる冷却水の温度が４５℃より低いことから、ランプの冷却水入口の温度は、ランプを保持しようとする温度より低く、ランプの出口側において、ランプの発熱により４５℃を越えるとしても、ランプの長手方向に対して温度差が発生することになり、ランプ全体を４５℃に保持することは、事実上困難となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、紫外線ランプである低圧水銀ランプ等を一定の温度範囲に保持するための紫外線ランプ冷却システムを小形でかつ安価に提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の紫外線ランプ冷却システムは、
紫外線ランプ本体の周りに水冷ジャケットを設け、前記ジャケットに冷却水を流して、前記紫外線ランプを一定の温度範囲に保持する紫外線ランプ用の冷却システムであって、
２系統の液体間での熱交換に使う平板式の熱交換器の第１の系統の液体出口と第２の系統の液体入口を結合し、
前記熱交換器の最も外側にある平坦部分に、ペルチエ効果熱電素子を設け、前記熱交換器内の水との熱交換をするようにし、
第１の系統の液体入口と第２の系統の液体出口との間に、前記ランプの水冷ジャケット、およびポンプを配置し、
前記ポンプを駆動して、前記水冷ジャケットと前記熱交換器を循環する冷却水の循環系を形成するように構成されている。
【０００７】
本発明による請求項２記載の紫外線ランプ冷却システムは、
紫外線ランプ本体と、
前記ランプ本体に熱結合する水冷ジャケットと、
前記水冷ジャケットに入口が接続されている熱交換器と、
前記熱交換器の最も外側平坦部分に設けられたペルチエ効果熱電素子と、
前記熱交換器の入口と出口間に配置されるリザーブタンクと、
前記リザーブタンクと前記熱交換器の入口間で前記水冷ジャケットに直列に接続されているポンプと、
冷却水の温度を検出し、前記熱電素子の駆動電流を制御する温度制御手段とを含んでいる。
前記熱交換器は、平板式の２系統熱交換器の第１の系統の液体出口と第２の系統の液体の入口を結合した熱交換器とすることができる。
前記紫外線ランプは低圧水銀ランプとすることができる。
【０００８】
【作用】
本発明は、低圧水銀ランプの冷却水として、低圧水銀ランプ本体を囲んで設けられた水冷ジャケットに、水冷ジャケットの水の入口と出口の温度の差が、許容範囲内におさまるのに充分な水量を、低圧水銀ランプを保持するべき温度にきわめて近い温度で供給できる。そして全体を小形にし、熱電素子のきわめて高い制御性を利用して、精密な温度制御を可能にしている。騒音の高い冷凍機も使わず、場合によってはリザーブタンクも使わないでシステムを構成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による紫外線ランプ冷却システムの実施の形態を図面を参照してさらに説明する。
【００１０】
はじめに、本発明の主要な構成要素であるペルチエ効果を利用した熱電素子について説明する。ペルチエ効果とは熱電効果の一つで、異種金属（または半導体）の接合点に電流を通じると、ジュール熱以外に熱の発生または吸収が起こる現象をいう。電流の向きを逆にすると熱の発生と吸収が入れ代わる。図１は半導体を使った素子の例で、Ｎ形とＰ形が対になっており、電極１を介して直流電流が導入される。電極にはたとえばセラミックの伝熱板２，３が固定され、放熱板あるいは吸熱板として使われる。電源４の極性を変えると放熱と吸熱の向きが逆になる。
【００１１】
本発明の冷却システムでは平板式の熱交換器が使われる。平板式熱交換器は多数の平板を一定の間隔をおいて並べ、その通路の一つおきに、熱交換するべき２種類の流体を通すようになっている。平板にはいろいろな変形が行われている。図２はアルファ・ラバル社によって造られているもので、プレートは、Ａプレート、Ｂプレート、Ａプレート、Ｂプレート（または、Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ）・・・と交互に組み込まれている。ガスケット面は固定フレーム側に向いている。２種類の流体がそれぞれ１枚おきに交互に流れる。遊動フレーム側には流体の出入口などはなく、モジュール化された、平らな吸放熱面をもつ熱電素子を取り付け易い形になっている。
【００１２】
熱交換器としては、２種類の流体は別の流れの系統に属するもので、２種類の流体に温度差があるとき、２種類の流体間で熱交換が行われるのが一般的である。しかし本発明における使い方は、平板式熱交換器の熱交換効率の高いことに注目はしているが、流れの系統は一つである。図３によって説明すると、平板式熱交換器５は２つの系統６−６’（入口６，出口６’）と７−７’（入口７，出口７’）をもっているが、６−６’系統の出口６’を７−７’系統の入口７と結合している。したがって平板式熱交換器５としての入口は入口６、出口は出口７’になる。
【００１３】
熱交換器５の入口６と出口７’間には、温度を一定にしようとする低圧水銀ランプ８を囲んで置かれた水冷ジャケット９，ポンプ１０，リザーブタンク１１が接続されている。リザーブタンク１１は平板式熱交換器５の出口７’からの水を受け入れる。リザーブタンク１１に入った水は、一時的に貯えられ、リザーブタンク１１内にポンプ吸入管１２をもつポンプ１０によって、水冷ジャケット９に入れられる。水冷ジャケット９内で、水は、低圧水銀ランプ８が発生する熱によって加熱され、高温になって、平板式熱交換器５の入口６から、平板式熱交換器５に入り、遊動フレーム１３の中を平板に水平に流れる。
【００１４】
遊動フレーム１３から出た水は、何枚も重ねられたプレート１４の、１板毎に水平に流れて、そのプレートの次のプレートでは、プレートの厚み方向に流れて、最後に固定フレーム１５に設けた出口６’に出る。出口６’から出た水は固定フレーム１５に設けた入口７を通り、再び平板式熱交換器５の中に入る。平板式熱交換器５内では、プレート１４と水平に、あるいは厚み方向に流れながら、全てのプレート１４を通り、最後に、固定フレーム１５に設けた出口７’に出る。出口７’から出た水はリザーブタンク１１に入り、ポンプ１０によって、低圧水銀ランプ８を囲んでいる水冷ジャケット９に入り、低圧水銀ランプ８によって再び加熱された後、再び平板式熱交換器５の入口６から、平板式熱交換器５に入り、出口６’に出る。こうして水の流れは低圧水銀ランプ８で加熱され、平板式熱交換器５で冷却されるという、熱交換を含んだ循環をする。
【００１５】
平板式熱交換器５の遊動フレーム１３の外側表面１６にはペルチエ効果形の熱電素子１７が図３に示すように設けられている。熱電素子１７は電気的には不導体であり、熱的には導体である平板形の伝熱板２，３（図１参照）をもつ。このうち吸熱側になる方が遊動フレーム１３の外側表面１６に密着して固定される。放熱側になる伝熱板には、放熱素子（ヒートシンク）１８が伝熱板に密着して固定されている。伝熱板２，３のどちらが吸熱側になるかは直流電源４からの印加電流の極性によって決められる。図１の構成では伝熱板２が吸熱側になる。
【００１６】
図３に示すように、リザーブタンク１１には、水の温度を測定するための温度センサ２３が設けられている。温度センサ２３からの測定信号は温度制御器２１に入り、温度制御器２１において、設定された温度と、測定値との差がゼロになるように、常に、熱電素子１７の放熱量が制御される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１９には温度制御器２１からの制御出力２２が接続されている。熱電素子１７には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１９から電線２０を介して直流電流が接続されている。温度制御器２１とＡＣ／ＤＣコンバータ１９には交流電源２４から電力が供給されている。そして、リザーブタンク１１内の水の温度を任意の一定の温度に保持するように、熱電素子１７の吸熱量が制御される。
【００１７】
図３に示すように、平板式熱交換器５の中では矢印の方向に流れがあり、遊動フレーム１３では、熱電素子１７によって水は、吸熱され低温になる。低温になった水はプレート１４を通過して出口６’に出るまでの間に、出口６’から出て入口７から入った水と熱交換し、低温度化した水を出口７’に出す。
【００１８】
多層化されたプレート１４により、合計的な伝熱面積は大きく、伝熱容量も大きくなり、冷却効果を高めることができる。
【００１９】
前述したように低圧水銀ランプにおいては、２５３．７ｎｍの波長の光を出すためには、ランプ内の温度は４５℃程度であることが望ましい。システムの動かし始めには、まだ充分にランプの発熱が行われていない。したがって早く４５℃にするためには動かし始めは逆に加熱したほうがよい。その場合、熱電素子１７への極性を逆にすることによって、熱電素子１７による、水への加熱が可能になる。ランプが熱を発生するようになれば、極性を元に戻せばよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているために、低圧水銀ランプを適正に保持するための温度範囲において、特定の温度に対応するための大形冷凍機を必要としない。また熱交換器自体を、循環水量を確保するためのタンクとして使用できる。したがって別途にリザーブタンクを設けたとしても、小形なものでよい。
以上のことから、全体として小形なシステムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による紫外線ランプ冷却システムの主要な要素であるペルチエ素子の略図である。
【図２】本発明による紫外線ランプ冷却システムの主要な要素である平板式の熱交換器の略図である。
【図３】本発明のシステムの構成図である。
【符号の説明】
１　電極
２，３　伝熱板
４　電源
５　平板式熱交換器
６，７　入口
６’，７’出口
８　低圧水銀ランプ
９　水冷ジャケット
１０　ポンプ
１１　リザーブタンク
１２　ポンプ吸入管
１３　遊動フレーム
１４　プレート
１５　固定フレーム
１６　遊動フレーム１３の外側表面
１７　熱電素子
１８　放熱素子（ヒートシンク）
１９　ＡＣ／ＤＣコンバータ
２０　電線
２１　温度制御器
２２　制御出力
２３　温度センサ
２４　交流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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