JP2011023253A

JP2011023253A - 殺菌用紫外線ランプ

Info

Publication number: JP2011023253A
Application number: JP2009168358A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Orito; 日出海折戸; Kazuaki Sato; 和明佐藤; Yuji Oda; 祐司小田; Naoto Yoneyama; 直人米山
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】波長２５４ｎｍの紫外線強度を弱めずに、オゾン生成量の抑制が可能であり、しかも長時間使用の場合でも高い紫外線強度が維持される殺菌用紫外線ランプを提供する。
【解決手段】紫外線ランプを、波長２５４ｎｍの紫外線を透過し、内部に希ガス及び水銀が封入され、内部両端にそれぞれ電極を備えた直管型石英ガラス製バルブから成る高圧水銀ランプで構成すると共に、前記バルブの外表面に１層目として形成された酸化ジルコニウム膜と、２層目として形成された酸化ケイ素膜とから成る２層構造の被膜を備え、この被膜を備える前記バルブの光透過率が、２００ｎｍ以下の波長領域で２％以下であり、波長２５４ｎｍにおいて７５％以上９５％以下であり、かつ２２０〜２３５ｎｍの波長領域で５０％であるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に波長２５４ｎｍの紫外線を利用した食品包装材料の表面殺菌等に用いられる紫外線ランプに関する。

波長２５４ｎｍ（殺菌線）の紫外線を利用する殺菌方法は、有害物質を発生する危険性が無く、安全性の高い殺菌手段として近年特に利用が進んでいる。

しかし、発光管バルブの材料として普通石英を使用した紫外線ランプは、殺菌線の他に波長１８５ｎｍの紫外線も放射される為、空気中の酸素分子を解離して酸素原子を生成し、さらにこの酸素原子が酸素分子と結合してオゾンを生成する。オゾンは殺菌作用があるため、使用条件によっては有用であるが、処理装置の近くに人がいるような場合はその臭いが問題となる。さらに、オゾン濃度が０．１ｐｐｍ以上になると、人体に有害となるので、オゾン濃度を０．１ｐｐｍ以下に抑制する必要がある。

オゾン生成を防止する方法として、従来は発光管バルブにオゾンレス石英を使用したランプを用いる方法、あるいは発光管は普通石英を採用し、紫外線ランプを組み込んだ紫外線照射器の前面ガラスに酸化チタンがドープされたオゾンレス石英を用いて該照射器外にオゾンが生成されないようにする方法が挙げられる。この種の技術に関して記載された文献としては、例えば特許文献１がある。

しかし、オゾンレス石英を発光管バルブに使用した場合、点灯による経時変化で該石英の透過率吸収端が長波長側にシフトする為、２５４ｎｍの透過率が低下するという問題がある。特に高圧水銀ランプの場合、発光管外表面は動作時に約８００℃の高温になることが知られている。また、照射器前面ガラスにオゾンレス石英を使用する場合は、照射器筐体と外部とを繋ぐ通気口に触媒などのオゾン除去手段を設置する必要が生じる。

特開２００３−１１５２８１号公報

本発明の目的は、上記課題を解決し、波長２５４ｎｍの紫外線強度を弱めずに、オゾン生成量の抑制が可能であり、しかも長時間使用の場合でも高い紫外線強度が維持される殺菌用紫外線ランプを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、動作時に発光管バルブ表面が高温になる高圧水銀ランプの特性を考慮して、耐熱性の高い紫外線遮断材料としての酸化ジルコニウムを膜物質として用い、さらに、この酸化ジルコニウムに対して熱膨張緩和の作用があり、且つ低屈折率物質でもある酸化ケイ素を膜物質として用い、この両者の薄膜を２層に積層し、光干渉作用を利用して所定波長領域における発光管バルブの光透過率を向上させることを想起した。

そこで、請求項１記載の本発明の殺菌用紫外線ランプは、波長２５４ｎｍの紫外線を透過し、内部に希ガス及び水銀が封入され、内部両端にそれぞれ電極を備えた直管型石英ガラス製バルブから成る高圧水銀ランプを具備すると共に、前記バルブの外表面に１層目として形成された酸化ジルコニウム膜と、２層目として形成された酸化ケイ素膜とから成る２層構造の被膜を備え、この被膜を備える前記バルブの光透過率が、２００ｎｍ以下の波長領域で２％以下であり、波長２５４ｎｍにおいて７５％以上９５％以下であり、かつ２２０〜２３５ｎｍの波長領域で５０％であることを特徴とする。

なお、ここで、「酸化ジルコニウム」及び「酸化ケイ素」なる用語は、ジルコニウム及びケイ素の各金属がそれぞれ、酸素と種々の組成比で化合して構成される酸化物すべてを含めて総称的に用いている。従って、「酸化ジルコニウム」及び「酸化ケイ素」とは、それぞれ各金属が最高の酸化状態となる二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）だけでなく、金属原子に対して酸素原子が幾分不足した中間の酸化状態にある酸化物も含んでいる。

請求項１記載の本発明によれば、オゾン発生量を規定範囲内に抑制しつつ、殺菌に必要な波長２５４ｎｍの紫外線強度を１０００時間点灯後も確保することが可能な殺菌用紫外線ランプを提供することができる。

本発明の一実施形態の殺菌用紫外線ランプの外観概要図である。種々の仕様の発光管バルブ試料の分光透過率を示す図である。本発明による膜付き発光管バルブ試料群の分光透過率を示す図である。種々の仕様の発光管バルブを備える紫外線ランプの、波長２５４ｎｍにおける照度維持率の経時変化を示す図である。

以下、この発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１はこの発明の殺菌用紫外線ランプの一実施形態について説明する為の外観概要図である。図１において、１１は、外径２３．３ｍｍの透光性の石英ガラス製の発光管バルブである。このバルブ１１の両端には、先端がコイル状に巻回された構造を有する電極１２１，１２２がそれぞれ対向配置される。電極１２１，１２２は、材料としてタングステン（Ｗ）を使用する。

電極１２１，１２２は、それぞれ金属箔１５１，１５２の一端に溶着される。金属箔１５１，１５２の他端は、例えばモリブデン製の引出し線１６１，１６２の一端と電気的に接続する。電極１２１，１２２の溶接部から引出し線１６１，１６２の一端まで、シール管１４を加熱して封止する。金属箔１５１，１５２は、シール管１４を形成する石英ガラスの熱膨張率に近い材料であれば何でもよいが、この条件に適ったものとしてモリブデンを使用する。バルブ１１内部には、例えば１．３μｇ／ｍｍ^３の水銀と２．７ｋＰａの圧力のアルゴンガスが封入される。

引出し線１６１，１６２の他端は、例えばセラミック製の口金１７１，１７２の内部で電気的に接続された耐紫外線を有する例えばフッ素樹脂で被覆された電線１８１，１８２を介して図示しない電源回路に接続される。
また、バルブ１１の外表面には、バルブ１１の光透過率を調整する被膜１３が形成されている。
こうして高圧水銀ランプから構成される殺菌用紫外線ランプ１００が作製される。

次に、このような構成の殺菌用紫外線ランプについて、バルブ１１の紫外線透過率だけが異なる殺菌用紫外線ランプ１００を用意し、ランプ評価実験を行った。

バルブ１１の仕様は次の４通りである。仕様１は普通石英バルブ、仕様２は石英ガラスに酸化チタンをドープさせたオゾンレス石英バルブである。仕様３は、普通石英バルブ１１の外表面に膜厚５０ｎｍの酸化ジルコニウム膜１３１を成膜したものである。仕様４は、本発明の構成に対応するものであり、仕様３の酸化ジルコニウム膜１３１の上に更に膜厚２５ｎｍの酸化ケイ素膜１３２を成膜し、２層構造の被膜としたもので、この２層膜が被膜１３を構成する（図１のＡ部部分切欠き拡大断面図参照）。

なお、酸化ジルコニウム膜と酸化ケイ素膜の成膜方法は、真空蒸着法、イオンスパッタリング法等、薄膜形成に用いられる既存の方法を採用できるが、例えばイオンスパッタリング法を用いる場合、ジルコニウム金属とケイ素金属をそれぞれターゲット材とし、各金属の酸化度が可能な限り最大となるように、適宜成膜速度と酸素ガス導入圧を調整して成膜を行なえばよい。

酸化ジルコニウム膜１３１の膜厚は、薄すぎると波長１８５ｎｍの紫外線を透過してしまいオゾン生成を促進し、逆に厚すぎると波長２５４ｎｍの紫外線の透過率が低下し殺菌効果が低減することので、３０から８０ｎｍの範囲が望ましい。また酸化ケイ素膜１３２の膜厚も、同様に１０から３０ｎｍ程度が望ましい。

本実験における各仕様のバルブの分光透過率曲線を図２に示す。分光透過率曲線は、各バルブ試料の光透過率を分光光度計で測定して得られたものである。ここで、バルブ試料の光透過率とは、円筒状バルブ外表面に被膜が形成された部位を管軸に沿って切り出した半円筒状試料片について、バルブ内表面あるいは膜面に垂直に光を入射させて測定された光透過率を指す。光透過率の測定は、バルブ内表面あるいは膜面上の、塵、汚れ物質等の異物が除去された状態で行なう。

仕様１のバルブは通常の石英ガラスであるから、２６０ｎｍ以上の波長領域で９０％以上、２００〜２６０ｎｍの波長領域でおよそ７０〜９０％の光透過率を示す。仕様２のバルブは、波長２５４ｎｍにおける透過率が８５％弱であり、波長２４０ｎｍから短波長に向けて透過率が急激に低下する。酸化チタンが含まれているため、その経時変化により分光透過率曲線が長波長方向へシフトし、波長２５４ｎｍにおける光透過率が低下することになる。仕様３のバルブは、光透過率が波長２８０ｎｍ付近で最大値（８５％）を持ち、波長２５４ｎｍで約７８％、波長２２５ｎｍ付近で５０％となり、２００ｎｍ以下の波長領域では２％以下となる。仕様４のバルブは、光透過率が波長２８０ｎｍ付近で最大値（８８％）を持ち、波長２５４ｎｍで８０％強、波長２２２ｎｍ付近で５０％となり、２００ｎｍ以下の波長領域では２％以下となる。波長２５４ｎｍ付近の光透過率は、仕様３のバルブよりも数％向上している。

仕様３及び仕様４の膜付きバルブの分光透過率曲線の実測値は、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素の化学組成がそれぞれ理論上の最高の酸化状態に対応するＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２であるとしたときの計算値と一致しないことが経験的に知られている。これは、通常、成膜時には各金属を完全に酸化することが難しく、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素がそれぞれ、例えばＺｒＯ_１．５、ＳｉＯ_１．５等、金属原子に対して酸素原子が幾分不足した中間の酸化状態で成膜されるためと考えられている。しかし、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素がこのような中間の酸化状態を取る場合でも、膜付きバルブとして、紫外線ランプの性能に何ら支障が生じないことを確認している。そこで、本発明は、ランプバルブ外表面に形成される２層膜において、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素がこのような中間の酸化状態を取る場合も含む。勿論、可能であるならば、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素がそれぞれ完全に酸化されＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２の化学組成の状態で成膜されるのが最も好ましい。

次に、これら仕様１から４までの各バルブを備える紫外線ランプの評価結果について説明する。
表１は、各仕様のバルブを用いた紫外線ランプ１００を専用点灯容器内でランプ電力１．６ｋＷにて点灯した時の、波長２５４ｎｍにおける照度と発生オゾン濃度を示したものである。なお、照度は仕様１のランプの照度を１００とした相対値で示している。

表１の結果からも分かる通り、普通石英バルブ１１外表面に酸化ジルコニウム膜１３１を形成しただけでも、発生オゾン濃度を０．１ｐｐｍ以下に抑制しながら比較的高い照度が得られていることがわかる。さらに、酸化ジルコニウム膜１３１の上に酸化ケイ素膜１３２を重層して成膜することにより、更なる高照度化が実現できた。これは、低屈折率の酸化ケイ素膜１３２（屈折率＝１．４６）を適当な厚さで成膜することにより、高屈折率の酸化ジルコニウム膜１３１（屈折率＝２．２）との光干渉作用により、酸化ジルコニウム膜１３１だけを形成した場合より光透過率が向上しているためと考えられる。

ここでさらに、本発明（仕様４）の膜付きバルブ試料を多数作製し分光透過率を測定して、分光透過率曲線のバラツキとランプ性能との関係を調査した。図３は、この膜付きバルブのすべての試料の分光透過率曲線を一つの図にプロットしたものである。同図から、仕様４の成膜条件、すなわち酸化ジルコニウム膜、酸化ケイ素膜の膜厚をそれぞれ約５０ｎｍ、約２５ｎｍと設定して成膜を行なった場合は、これらの試料の分光透過率曲線に多少のバラツキが生じているが、いずれの試料も、波長２５４ｎｍにおける光透過率が７５％以上９５％以下の範囲内に、光透過率が５０％となる波長が２２０ｎｍ以上２３５ｎｍ以下の範囲内に収まっており、波長２００ｎｍ以下の領域では光透過率が２％以下であることが分かる。図２、図３中には、これらの境界値が黒丸（●）で示されている。一方、分光透過率測定前に、これら試料から作製した紫外線ランプによる殺菌作用等のランプ性能の調査では、いずれの試料の場合も、同等の高い性能を示した。

逆に、分光透過率曲線がこの光透過率範囲、波長範囲から外れている場合には、波長１８５ｎｍの紫外線の透過率が増大し、あるいは波長２５４ｎｍの紫外線の透過率が低下するため、オゾン生成等の弊害、あるいは殺菌作用等のランプ性能の低下が生じ、好ましくない。

さらに、これらのランプを２０００時間点灯し、特性の変化を確認した。図４は、仕様１から４の各バルブを備える紫外線ランプの、波長２５４ｎｍにおける照度維持率の推移を示したものである。

図４に示す結果から、酸化ジルコニウム膜１３１および酸化ケイ素膜１３２を成膜したランプの照度維持率が、仕様１の普通石英品とほぼ同等の高い値を示すことがわかった。
これは酸化ジルコニウム膜１３１の上に酸化ケイ素膜１３２が成膜されることにより普通石英バルブ１１との膨張率の差から起こる膜のクラックなど、酸化ジルコニウム膜１３１の点灯中に進行する膜劣化を抑制しているためと推察される。なお、仕様２から４の各ランプの点灯時間２０００時間後における発生オゾン濃度は初期と同様に０．１ｐｐｍ以下であった。

ここで、普通石英バルブ１１の外表面に形成される酸化ジルコニウム膜１３１と酸化ケイ素膜１３２の果たす作用を総括すると、それぞれ次の通りである。すなわち、酸化ジルコニウム膜１３１は、膜厚５０ｎｍ程度の適度な膜厚で形成されることにより、必要な波長２５４ｎｍの紫外線を最大限透過しつつ、不要な波長１８５ｎｍの紫外線を完全に遮断している。一方、酸化ジルコニウム膜１３１の上に形成される酸化ケイ素膜１３２は、酸化ジルコニウム膜１３１と石英バルブ１１との熱膨張率差を緩和し酸化ジルコニウム膜１３１の膜劣化を抑制すると共に、酸化ジルコニウム膜１３１との光干渉作用により石英バルブ１１の光透過率を最大限に引き上げている。

以上の結果から、本発明によれば、波長２５４ｎｍの紫外線強度を弱めずに、しかも生成するオゾンの濃度を規定内に押さえながら高い殺菌効果を得ることのできる紫外線ランプを提供することができる。

本発明は、食品包装材料の表面殺菌等に用いる紫外線ランプに利用可能である。

１００…紫外線ランプ
１１…発光管バルブ
１２１、１２２…電極
１３…被膜
１３１…酸化ジルコニウム膜
１３２…酸化ケイ素膜
１４…シール管
１５１、１５２…金属箔
１６１、１６２…引出し線
１７１、１７２…口金
１８１、１８２…電線

Claims

波長２５４ｎｍの紫外線を透過し、内部に希ガス及び水銀が封入され、内部両端にそれぞれ電極を備えた直管型石英ガラス製バルブから成る高圧水銀ランプを具備する殺菌用紫外線ランプにおいて、前記バルブの外表面に１層目として形成された酸化ジルコニウム膜と、２層目として形成された酸化ケイ素膜とから成る２層構造の被膜を備えると共に、この被膜を備える前記バルブの光透過率が、２００ｎｍ以下の波長領域で２％以下であり、波長２５４ｎｍにおいて７５％以上９５％以下であり、かつ２２０〜２３５ｎｍの波長領域で５０％であることを特徴とする殺菌用紫外線ランプ。