(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
四塩化ケイ素を出発原料として人工的に生成された合成石英ガラスで製造された発光管体を有し、１８５ｎｍの波長の紫外線を放射する低圧水銀蒸気放電灯と、
前記放電灯から放射される１８５ｎｍの波長の紫外線を、連続して流れる半導体製品洗浄用超純水としての被処理水に対して照射して、水分子を解離してＯＨラジカルを生成させ、該ＯＨラジカルの酸化力をもって水中に含まれる有機物を酸化分解処理する装置と
を具えた紫外線照射装置。
【請求項２】
四塩化ケイ素を出発原料として人工的に生成された合成石英ガラスで製造された発光管体を有し、１８５ｎｍの波長の紫外線を放射する低圧水銀蒸気放電灯と、前記放電灯から放射される１８５ｎｍの波長の紫外線を、連続して流れる半導体製品洗浄用超純水としての被処理水に対して照射して、水分子を解離してＯＨラジカルを生成させ、該ＯＨラジカルの酸化力をもって水中に含まれる有機物を酸化分解処理する装置とを具えた紫外線照射装置の運用方法であって、
前記１８５ｎｍの波長の紫外線を放射する低圧水銀蒸気放電灯を複数灯設置し、設置された複数灯のうち所定数を消灯し残りを点灯し、この消灯及び点灯する放電灯の組み合わせを時間的経過に従い変更することを特徴とする紫外線照射装置の運用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２４０ｎｍ以下の短波長域の紫外線エネルギーを、連続して流れる被処理液体に照射する紫外線照射装置及びその運用方法に関するものであり、被処理液体中に存在する有機物などの分解処理の分野で利用されるものである。
【従来の技術】
【０００２】
短波長域の紫外線は強いエネルギーを有することから、有害物や有機物の分解など多岐にわたって利用されている。特に、２４０ｎｍ以下の波長域の紫外線は、水（Ｈ2 Ｏ）を解離してＯＨラジカルを生成するので、水中に混入している有機物の光反応分解に役立つ。反応式の一例を下に示す。
Ｈ2 Ｏ＋ｈν→Ｈ＋ＯＨラジカル
ＣｎＨｍＯｋ＋ＯＨラジカル→ＣＯ、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ
（ｎ，ｍ，ｋ，は１，２，３，……）
上記の反応式において、水を解離することで生成されたＯＨラジカルは酸化力が強いので、水中に存在する有機物をＣＯ、ＣＯ2 、Ｈ2 ０などに分解する作用を果たすことになる。つまり、２４０ｎｍ以下の短波長紫外線（式中のｈν）はＯＨラジカルを生成するためのエネルギーである。
【０００３】
２４０ｎｍ以下の紫外線を放射する紫外線光源として、低圧水銀蒸気放電灯が知られている。低圧水銀蒸気放電灯は、一般に、紫外線発光用の発光管が石英ガラスでできており、該発光管内の両端に一対のフィラメントを設け、当該発光管内にアルゴン（Ａｒ）などの希ガスと適量の水銀を封入した放電灯である。この低圧水銀蒸気放電灯では、一対のフィラメントに放電電流を供給することで、１８５ｎｍという水銀特有の短波長紫外線を発光管から発するので、該短波長紫外線が水中に混入している有機物の光反応分解に有効に働く。
【０００４】
上記の低圧水銀蒸気放電灯は、例えば、半導体製造工程で半製品や完成品などの洗浄水として大量に使用される超純水の製造プラント用の紫外線照射装置に使用される。この場合、被処理物は液体であるので、処理物と未処理物とを固形物の如くデジタル的に区分することが難しく、且つまた連続的に流れるものであるから、被処理物である被処理液体に対して紫外線を絶え間なく照射し続けなければならないという環境下にある。このような環境下で使用される紫外線照射装置では、コスト低減と共に生産性向上（被処理液体の処理効率の向上）並びに環境保全の追求が極めて厳しく、そのため、省エネルギー・省メンテナンスおよび省資源に対する要求が非常に高くなっている。これらの要求を達成するための有効な手段として、放電灯の長寿命化が挙げられている。
【０００５】
しかしながら、上記紫外線照射装置では、連続して流れる被処理液体に紫外線を絶え間なく照射し続けるので、放電灯による１８５ｎｍの短波長紫外線の出力が１年後にはほぼ半減してしまい、１年毎に放電灯を一斉交換する定期メンテナンス並びに使用済みの放電灯の廃棄処分という作業が必要であった。
【０００６】
そこで、本発明者らは、放電灯において、１８５ｎｍの短波長紫外線の出力低下という事象に注目し、種々の実験を行い、その実験データを解析した。その結果、放電灯の長寿命化を阻害する要因が発光管を成す石英ガラスの材質にあることを突き止めた。上記装置に使用されている従来の放電灯では、発光管の材質は天然水晶を原料として製造される溶融石英ガラスからなる石英ガラスである。この石英ガラスには、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、チタニウム（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）など、特に紫外線を吸収する元素である不純物が数ｐｐｍ混入している。これらの不純物は短波長域の紫外線の吸収に作用し、吸収された紫外線エネルギーは石英ガラス自身を変質させて当該石英ガラスに濁りを発生させ、更にその濁りが紫外線透過率を低下させる。このような透過率低下と変質のサイクルが紫外線の放射中に繰り返され、これによって、１８５ｎｍの紫外線出力が急速に低下すると共に、その紫外線出力の低下が急速に促進されるものと考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、１８５ｎｍ以下の領域の紫外線を放射する放電灯の紫外線出力の維持率を高めることで、長期間にわたる連続運転を可能にし、これによって、省メンテナンス、省資源を図った、紫外線照射装置及びその運用方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る紫外線照射装置は、四塩化ケイ素を出発原料として人工的に生成された合成石英ガラスで製造された発光管体を有し、１８５ｎｍの波長の紫外線を放射する低圧水銀蒸気放電灯と、前記放電灯から放射される１８５ｎｍの波長の紫外線を、連続して流れる半導体製品洗浄用超純水としての被処理水に対して照射して、水分子を解離してＯＨラジカルを生成させ、該ＯＨラジカルの酸化力をもって水中に含まれる有機物を酸化分解処理する装置とを具えたものである。これによれば、詳細は後述するが、放電灯において、合成石英ガラス製の発光管を介して１８５ｎｍの波長の紫外線を放射するので、該紫外線の紫外線透過率の低下を抑制でき、これによって、紫外線出力の維持率を高めることができる。これにより、処理装置において、連続して流れる被処理液体に対して紫外線を長期間にわたり照射する連続運転が可能になる。よって、定期メンテナンスの期間が延長され、省メンテナンスを図れると共に、使用済み放電灯の廃棄期間も延長され、省資源を図れる。
【０００９】
本発明に係る紫外線照射装置の運用方法は、上記のような構成からなる前記紫外線照射装置の運用方法であって、前記処理する装置において前記放電灯を複数灯設置し、設置された複数灯のうち所定数を消灯し残りを点灯し、この消灯及び点灯する放電灯の組み合わせを時間的経過に従い変更するものである。これによれば、設置した放電灯の総数よりも少ない数の放電灯を間引き点灯し、この間引き点灯の組み合わせを時間的経過に従い変更して、使い回しすることで、放電灯の一斉交換期間を延長させることができ、交換メンテナンスの手間を省き、長期間にわたる稼働を可能にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１に本発明に係る紫外線照射装置の一実施例を示す。図１は、閉鎖型の液体処理用紫外線照射装置の一例を示す側面断面略図である。
図１において、放電灯３０を外管（保護管）２０内に収納したものが、処理装置であるステンレス製のシリンダー１内に収容され、被処理液体が該シリンダー１内に導入されて当該被処理液体に放電灯３０から放射した紫外線が照射される。放電灯３０としては、例えば１８５ｎｍの波長域の紫外線を放射する低圧水銀蒸気放電灯が使用される。放電灯３０は紫外線透過性の外管（保護管）２０の内部に収納され、該放電灯３０が被処理液体から液密に隔離される。外管２０は紫外線透過性に優れた石英ガラスでできている。シリンダー１の両端はフランジ１ａ，１ｂで閉じられている。外管２０の両端は、シリンダー１のフランジ１ａ，１ｂに、グランドナット４０ａおよび４０ｂと、ゴム製のＯリング５０ａおよび５０ｂとを介して水密に保持されている。シリンダー１では、入水口１ｃから取り入れられた被処理液体が、シリンダー１内を通過する過程で紫外線が照射され、出水口１ｄに向かってシリンダー１内を流れることになるが、被処理液体がショートパスしないように、途中に複数枚（図では、５枚）の還流板１ｅ〜１ｉを配置した構造になっている。なお、便宜上、図１には放電灯３０を１灯だけ搭載した装置を図示したが、実用的には多灯式の大容量装置が使用される場合が多い。放電灯３０から放射された紫外線は、外管２０を透過し、被処理液体に照射される。照射された紫外線は、水中に存在する有機物を例えば、ＣＯ、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏなど無害な物質に分解する作用を果たすことになる。
【００１２】
次に、上記装置に搭載される放電灯について説明する。図２にその放電灯の一実施例を示す。まず、この放電灯３０の基本的構造について説明すると、放電灯３０は、発光部１０と、気密シール部２ａ，２ｂと、口金部３ａ，３ｂとを含む。発光部１０は、発光管バルブ（以下、発光管バルブを「発光管」と記す）１１を備え、該発光管１１内の両端には一対のフィラメント２１ａ，２１ｂが配置してある。発光管１１は、四塩化ケイ素を出発原料として人工的に製造された合成石英ガラスでできている。フィラメント２１ａ，２１ｂは例えば酸化バリウム系のエミッターを塗布してなる。このフィラメント２１ａ，２１ｂはシール部２ａ，２ｂから出ているインナーリード２２ａ〜２２ｄによってそれぞれ保持されている。口金部３ａ，３ｂはセラミック製であり、一方の口金部３ａにおいて一対の電気端子３１ａ，３１ａが備えられている。シール部２ａ，２ｂは、モリブデン箔２４ａ〜２４ｄによって気密を保持しつつ、且つインナーリード２２ａ〜２２ｄ、モリブデン箔２４ａ〜２４ｄ、アウターリード２５ａ，２５ｂ及び２６を介して、フィラメント２１ａ，２１ｂと電気端子３１ａ，３１ｂを電気的に接続する役割を担っている。なお、図の例では、一例として、放電灯３０は２端子タイプの放電灯として構成されている。すなわち、一方のフィラメント２１ａの一端がインナーリード２２ｂ、モリブデン箔２４ｂ、アウターリード２５ａを介して一方の電気端子３１ａに接続され、他方のフィラメント２１ｂの一端がインナーリード２２ｃ、モリブデン箔２４ｃ、アウターリード２５ｂ，２６を介して他方の電気端子３１ｂに接続されている。
【００１３】
本実施例に係る放電灯３０は、２４０ｎｍ以下の領域の紫外線を放電灯であって、紫外線発光用の発光管１１が合成石英ガラスで形成されている。本実施例に示す放電灯３０は、例えば、発光管１１のサイズが外径１５ｍｍ、肉厚１ｍｍであり、一対のフィラメント２１ａ，２１ｂ間の間隔（すなわち、フィラメント間距離）が１５３ｃｍである。発光管１１内には適量の水銀（例えば、２０ｍｇ程度の水銀）と約４００Ｐａの希ガスを封入してある。この放電灯３０に１Ａの放電電流を流すと、放電灯電力は１４０Ｗとなり、その内、約５％のエネルギーを１８５ｎｍの紫外線出力として外部に導き出すことができた。この紫外線出力量は、発光管サイズ、フィラメント間距離、水銀および希ガスの封入量、電気的諸条件が放電灯３０と共通する従来技術の放電灯で放射される紫外線出力量のおおむね１．５倍の出力量に相当する。したがって、本実施例に係る放電灯３０は、従来技術の放電灯よりも紫外線の放射効率が格段に向上している。
【００１４】
なお、本実施例に示す放電灯３０は、管外径１５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、放電電１Ａとしたが、管外径に対する肉厚の比は０．１〜０．０４の範囲が好ましい。この範囲は、紫外線吸収と機械的絶対強度との相関関係に由来して定まる範囲である。また、放電電流密度（管内の断面積に対する放電電流）は２００ｍＡ／ｃｍ2 〜８００ｍＡ／ｃｍ2 の範囲が好ましい。これは、１８５ｎｍの紫外線の発光効率と経済性に関係する。つまり、この電流密度範囲を外れると放電中における１８５ｎｍの紫外線への変換効率が急激に低下するので、高価な合成石英ガラスを使用する意味がなくなるからである。
【００１５】
次に、放電灯３０による紫外線出力量が従来技術の放電灯のそれよりも高くなる理由を説明する。放電灯３０において、発光管１１は、四塩化ケイ素を出発原料として人工的に製造された合成石英ガラスでできている。合成石英ガラスでは、短波長域の１８５ｎｍの紫外線を吸収する不純物すなわちナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、チタニウム（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）などが極めて少ない。ちなみに、合成石英ガラスに含まれる上記不純物は溶融石英ガラスからなる石英ガラスの１／１０以下である。このように、合成石英ガラスで発光管１１を形成した放電灯３０では、当該発光管１１の管壁での紫外線吸収量が従来技術の放電灯に比べて少なく、短波長域の紫外線透過率に優れるという特長がある。これによって、使い始め初期の紫外線強度（紫外線放射強度）が高まると共に、紫外線の吸収、石英ガラス自身の変質というサイクルによる経時劣化が抑制される。これにより、短波長域の１８５ｎｍの紫外線出力を長期にわたって大幅に向上させた寿命の長い放電灯になる。
したがって、本発明の実施例で述べた放電灯３０を使用してなる紫外線照射装置では、放電灯３０の長寿命化によって、１年毎に放電灯３０を交換する交換メンテナンスの手間を省けると共に、１年毎に放電灯３０を廃棄する廃棄処分が不要になるので省資源が達成できる、という効果を奏する。
【００１６】
図３は、本発明の実施例で述べた放電灯を搭載した紫外線照射装置Ａと従来技術の放電灯を搭載した紫外線照射装置Ｂとの性能について比較実験を行った実測データを示す図である。この実験において、放電灯の搭載数はそれぞれ２０灯であり、被処理水はＴＯＣ（Total Organic Carbon：全有機体炭素）源を２０ｐｐｂのメチルアルコールに含む。実験にあたっては、装置Ａ及びＢについて、入水口と出水口のＴＯＣ濃度をＴＯＣメーターで測定し、その差に処理流量を掛けた数値を総ＴＯＣ分解量とし、それを放電灯の消費電力で割り返して、単位電力当たりの分解量を性能の指標としている。すなわち、ＴＯＣ分解性能は下記の式で表される。
ＴＯＣ分解性能（ｍｇ／ｋＷＨ）＝（入水口ＴＯＣ濃度−出水口ＴＯＣ濃度）×処理流量／消費電力
図では、装置Ａ及びＢの使用月数を装置使用月数として横軸に示し、この装置使用月数に応じて得られる装置Ａ及びＢのＴＯＣ分解性能をＴＯＣ分解性能比として縦軸に示す。
【００１７】
図から明らかなように、従来技術の装置Ｂでは、放電灯を使い始めた初期の性能分解値を１００％とすると、１年後には性能分解値が５０％近くまで低下した。一点鎖線で示される分解性能値５０％は装置Ｂの許容限界能力であり、１年後には放電灯の一斉交換を必要とする。これに対して、本発明による装置Ａでは、まず放電灯を使い始めた初期の性能分解値が１４８％で、１年経過後で性能分解値が１０９％、２年経過後でも８６％の性能分解値を維持した。本発明による装置Ａの性能分解値は、放電灯の使い始め初期から２年経過まで漸近的に減少する傾向を示すので、この減少傾向が経時的に継続すると仮定すると、破線で示すように恐らく３年経過後でも５０％以上の性能分解値を十分に維持するものと推定できる。その結果、放電灯の定期メンテナンス期間を３倍以上に延ばすことができる。これは、廃棄物すなわち使用済みの放電灯を１／３以下に低減できることを意味している。加えて、２年間余りは装置Ａの許容限界能力である性能分解値５０％に対して十分余裕があるので、追って説明するように、放電灯の間引き点灯や調光点灯を行うことも可能になり、省エネルギーにも繋がるという、優れた効果を期待できる。
【００１８】
すなわち、上記実施例に係る放電灯３０を使用した紫外線照射装置の運用方法について説明すると、該放電灯３０を設置して所定の被処理液体に対して有機物分解等の処理を施す処理装置において、該放電灯３０を複数灯設置する。そして、設置された複数灯のうち、所定数を消灯し残りを点灯するという謂わば「間引き点灯」を行い、かつ、この消灯及び点灯する放電灯の組み合わせ（つまり「間引き点灯」の組み合わせ）を時間的経過に従い適宜変更するようにする。これにより、設置した放電灯の総数よりも少ない数の放電灯を間引き点灯使用し、この間引き点灯の組み合わせを時間的経過に従い変更して、使い回しすることで、放電灯の一斉交換期間を延長させることができ、交換メンテナンスの手間を省き、長期間にわたる稼働を可能にすることができる。このような運用方法の運用例としては、例えば放射効率の悪かった従来型の放電灯をｎ個設置して全数点灯していた紫外線照射装置において、本実施例に係る放射効率の良い放電灯を用いればｎ個よりも少数のｍ個の放電灯を点灯するだけで必要十分な処理効果を上げることができることに鑑み、本実施例に係る放射効率の良い放電灯を同時に点灯必要なｍ個より多いｎ個（従来通り）設置して紫外線照射装置を構成し、これを上記のように間引き運転する、という運用例がありうる。また、他の運用方法として、放電灯の紫外線光度を加減する調光点灯を適宜行ってもよい。
【００１９】
以上述べたように、本発明は、紫外線照射装置に搭載される放電灯の紫外線出力の維持率を長期にわたって確保することを目的として、発光管をなす石英ガラスを合成石英ガラスで構成してなる放電灯を使用した発明である。よって、そのような本発明の特徴を充足するものであれば、放電灯の構造それ自体は図２に示したタイプのものに限られず、どのような構造のものであってもよい。例えば、実施例では、金属水銀を封入した放電灯について述べたが、水銀と他の金属のアマルガムを封入した放電灯であっても同様の効果を奏する。また、フィラメントを常時加熱するコンテニュアスヒーティングタイプの放電灯やフィラメントとアノードを併設したタンプの放電灯、あるいは両側に充電ピンを出した両口金タイプであっても、低圧水銀蒸気放電灯であれば、同様の作用・効果を発揮するものである。もちろん、低圧水銀蒸気放電灯に限らず、キセノンガス（Ｘｅ２）やクリプトンガスと塩素ガス（Ｋｒ＋Ｃｌ）のエキシマ発光を利用した放電灯であってもよい。また、放電灯の端子構成も、図２のような２端子３１ａ，３１ｂからなるものに限られず、４端子構成等であってもよい。
【００２０】
また、本実施の形態では、被処理液体が連続的に流されるシリンダー１内に放電灯３０を設置する開水路設置タイプに適用される閉鎖型の液体処理用紫外線照射装置を説明したが、本発明は、これに限られるものでなく、被処理液体が連続的に流される開水路中に放電灯３０を設置する開水路設置タイプの液体処理用紫外線照射装置でもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明に係る紫外線照射装置によれば、連続して流れる被処理液体に対して紫外線を長期間にわたり照射する連続運転が可能になるので、省メンテナンス及び省資源を図れる、という優れた効果を奏する。
【００２２】
本発明に係る紫外線照射装置の運用方法によれば、放電灯の一斉交換期間を延長させることができるので、交換メンテナンスの手間を省き、長期間にわたる稼働が可能なる、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る紫外線照射装置の一実施例を示し、閉鎖型の液体処理用紫外線照射装置の側面断面略図。
【図２】  図１に示す紫外線照射装置に搭載される放電灯の一実施例を示す側面断面略図。
【図３】  図２に示す放電灯を搭載した紫外線照射装置における時間経過に伴う処理能力の変化の実験結果を、従来装置と比較して例示するグラフ。
【符号の説明】
１  シリンダー
３０  放電灯
１０  発光部
１１  合成石英ガラスからなる発光管
２１ａ，２１ｂ  フィラメント
２ａ，２ｂ  気密シール部
３ａ，３ｂ  口金部
２２ａ〜２２ｄ  インナーリード
３１ａ，３１ｂ  電気端子
【図１】
0004516251.tif 000002
【図２】
0004516251.tif 000003
【図３】
0004516251.tif 000004