JP4475171B2 - フラッシュランプ - Google Patents

Description

この発明は光による表面改質や洗浄・殺菌等の分野で用いられるフラッシュランプにかかり、更にはフラッシュランプを用いた殺菌方法または殺菌用のフラッシュランプ装置に関する。

従来、紫外線は光化学反応や各種表面改質・殺菌など様々な用途に用いられている。紫外線の中でもこのような目的には特に波長が３００ｎｍ以下の光が有用であることが知られており、そのような光源として低圧水銀灯やエキシマランプなどが広く利用されている。

このような背景技術としては、特開平６−２１０２８７号や特表平１１−５１０７３６号などに開示されたものが知られている。

近年、紫外線の照射による各種プロセスの効率化・処理時間の短縮化を図るため、より高強度の紫外線出力が可能な各種光源の研究・開発が進められている。キセノンなどの希ガスを封入したフラッシュランプは極短時間に極めて高出力の光を放出することが可能であり、これを殺菌等に利用するという技術（例えば、特許文献３：特表平１１−５１４２７７号）が知られている。高エネルギーの光を得るためには、できるだけランプに高入力を投入し短時間に発光することが必要である。

従来、フラッシュランプの発光管材料としては、シリカガラスが主として用いられている。しかしながら、高入力で点灯を繰り返すと、発光管の内面が白濁・失透し、可視域の光がけられるだけでなく、紫外光はシリカガラスのソーラリゼーションにより経時的に減衰するという問題があった。

その問題点を解決するため、発光管として耐プラズマ性の高い単結晶アルミナを用いてフラッシュランプを作製するという技術がある。（実開６３−６０２６５）単結晶アルミナを発光管とすることで高入力点灯を行っても白濁のないフラッシュランプを得ることができる。
特開平６−２１０２８７号公報 特表平１１−５１０７３６号公報 特表平１１−５１４２７７号公報 実開昭６３−６０２６５号公報

しかしながら、単結晶アルミナを発光管としたフラッシュランプを高い入力で点灯すると、紫外光の強度が低下するということがわかった。
図６は、発光管が単結晶アルミナ（Ｃｒ濃度０．１ｗｔ．ｐｐｍ未満）からなるフラッシュランプを、管壁負荷４０ｋＷ／ｃｍ^２に設定して点灯したときの、点灯初期と１万回点灯後の放射光のスペクトルを示す図である。縦軸は波長８００ｎｍの強度に対する相対放射強度を示し、横軸は波長を示している。
このように、管壁負荷４０ｋＷ／ｃｍ^２という高負荷で点灯した場合、紫外線の放射強度は、特に波長３００ｎｍ近傍より低波長側において著しく低下する。

この原因は、短波長の紫外線励起に起因してカラーセンターが生成され、紫外光域に吸収帯を形成することによるものと推察される。なおカラーセンターとは結晶中の欠陥に由来する光の吸収であり、単結晶アルミナについては文献［ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｎｕｃｌ． Ｓｃｉ． ＮＳ−３４， （１９８７），１７０９−１７１２］などに記載がある通り、酸素欠乏等の原因で紫外域にカラーセンターが生成されることが知られている。この紫外域の吸収帯の生成は、可視光を利用する際には問題とならないが、紫外域の光を利用する際には、光源として十分な寿命と強度が得られなくなるため、上述の紫外線を利用する分野、すなわち光化学反応や各種表面改質・殺菌などの分野では、ランプの使用寿命が短くなり工業的に使用できなくなるという問題がある。

この発明が解決しようとする課題は、洗浄や表面改質・殺菌等の用途に適した長寿命かつ高強度の紫外線を発生するフラッシュランプを提供することにある。
更に、この発明が解決しようとする課題は、上記フラッシュランプを用いた殺菌方法において、工業的に要求されるラインスピードに見合うスピードで殺菌を行うことができて、長時間の使用においても紫外線強度が低下することがない、フラッシュランプを用いた殺菌方法を提供することにある。
更に、この発明が解決しようとする課題は、上記フラッシュランプを用いた殺菌装置において工業的に要求されるラインスピードに見合うスピードで殺菌を行うことができて、長時間の使用においても紫外線強度が低下することがない、フラッシュランプ装置を提供することにある。

この発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
本願第１の発明は、単結晶アルミナからなる発光管を具備してなるフラッシュランプにおいて、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上となるよう設定する共に、前記発光管に含まれるＣｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

本願第２の発明は、フラッシュランプを用いた殺菌方法において、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上で、Ｃｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下のフラッシュランプを用い、該フラッシュランプからの波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが、０．０８以上であることを特徴とする。

本願第３の発明は、フラッシュランプ殺菌装置において、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上で、Ｃｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下のフラッシュランプと、該フラッシュランプを、波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが、０．０８以上で点灯する点灯装置を具備したことを特徴とする。

この理由は以下のように考えられる。すなわち、単結晶アルミナを発光管とするフラッシュランプにおいて、点灯に伴って紫外域の光強度が低下する機構は、フラッシュランプ点灯の際に発光管である単結晶アルミナ中にカラーセンターが生成し紫外域の光が吸収されることによる。本発明者らは鋭意検討の結果、単結晶アルミナ中にＣｒが存在することでこのカラーセンターの生成が抑制されることを見出した。この機構は必ずしも明確でないが、Ｃｒが結晶中に存在することで単結晶アルミナに照射される紫外光の一部がＣｒに吸収され、カラーセンターの生成を抑制する効果があるもの、と推察される。
しかしながら、Ｃｒ濃度が５０ｗｔ．ｐｐｍを超えて含有された場合には、照度が低下する。この理由は、Ｃｒの光吸収の増加によって管内壁の温度が上昇し、熱応力の増加によるクラックが発生するからと考えられる。
従って、Ｃｒが０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下の割合で添加されていることにより、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上となるように高い入力で点灯した場合でも、紫外線強度が低下することなく、表面改質や洗浄・殺菌等の分野で好適に使用できるようになる。

請求項１記載の発明によれば、単結晶アルミナからなる発光管を具備してなるフラッシュランプにおいて、前記発光管に含まれるＣｒ濃度を０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下することにより、ランプ一本あたりの管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上となるような過酷な条件で、点灯回数が１万回点灯しても、紫外域の照度維持率を高い値に保持することが可能となり、工業的に利用可能な、長寿命の紫外線を発生するフラッシュランプを得ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のフラッシュランプにおいて、波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａを０．０８以上としたので、殺菌工程において工業的に要求される処理速度で殺菌を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載のフラッシュランプにおいて、波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａを０．０８以上としたので、殺菌工程において工業的に要求される処理速度で処理を達成でき、長期間に亘って高い紫外線強度を維持することができるフラッシュランプ装置を提供できる。

以下、本発明のフラッシュランプについて詳細に説明する。図１は、本発明のフラッシュランプの一例における構成を示す説明用縦断面図である。このフラッシュランプは、透光性の単結晶アルミナよりなる直管状の発光管１０を有し、この発光管１０内における両端の各々には、当該発光管１０と同質の材料よりなる略円柱状の封止部材２０が挿入されている。具体的には、封止部材２０は、発光管１０の内径より小さい径を有する胴部２１の一端に、当該発光管１０の内径より大きい径を有する鍔部２２が形成されてなり、当該封止部材２０の胴部２１が発光管１０内に挿入されている。そして、発光管１０および封止部材２０が封着ガラスよりなる封着材２５によって気密に封着されている。封止部材２０の各々には、電極棒３５が発光管１０の軸方向に沿って貫通して伸びるよう設けられており、電極棒３５の各々の先端には、電極３０が互いに対向するよう配置されている。また、発光管１０内における放電空間Ｓは、例えば希ガスが１０ｋ〜１００ｋＰａの封入圧（常温）で封入されている。

発光管１０を形成する単結晶アルミナ（単にサファイアとも呼ばれる。）は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、Ｃｒが０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下の割合で添加されている。

上記フラッシュランプは、直流点灯電源に接続され、ランプ一本あたりの管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上となるように電力が供給される。
上記構成にかかるフラッシュランプによれば、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上の高い入力で点灯し、点灯回数が１万回点灯しても、紫外域の照度維持率を高い値に保持することが可能となる。
この理由は、先にも述べたように、単結晶アルミナを発光管とするフラッシュランプにおいて、点灯に伴って紫外域の光強度が低下する機構は、フラッシュランプ点灯の際に発光管である単結晶アルミナ中にカラーセンターが生成し紫外域の光が吸収されることによるが、単結晶アルミナ中にＣｒが０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上の割合で存在することで、単結晶アルミナに照射される紫外光の一部がＣｒに吸収され、カラーセンターの生成が抑制されると推察され、３００ｎｍ以下の紫外線の光強度の低下に対して著しい抑制効果が得られるようになる。
しかして、Ｃｒ濃度が６０ｗｔ．ｐｐｍ以上となると照度が低下する。この理由についても明確ではないが、Ｃｒの光吸収の増加によって管内壁の温度が上昇し、熱応力の増加によるクラックが発生するからと考えられる。

従って、Ｃｒが０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下の割合で添加されていることにより、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上となるように高い入力で点灯した場合でも、３００ｎｍ以下の紫外線強度が低下することなく、表面改質や洗浄・殺菌等の分野で好適に使用できるようになる。
このようにキセノンなどの希ガスを封入したフラッシュランプは、紫外域から赤外域に渡る連続的な放射スペクトルを発光する。
一方、ＤＮＡの光吸収スペクトルは２６０ｎｍ付近で最大となるため、上述の用途のうち殺菌の分野ではこの波長付近の光を利用することが有効である。
本発明者はスペクトル中に含まれる殺菌に有効な光の割合、具体的には１３０ｎｍ〜３００ｎｍの光強度の割合に注目し、この比率を調整することで殺菌の効率を向上させ工業的に要求される処理速度が実現されることを見出した。
フラッシュランプを、波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとしたとき、比率Ｂ／Ａが０．０８以上として点灯した場合、１回の照射で十分な殺菌効果を得ることができる。

＜実施例＞
以下、本発明の実施例を図１及び図２〜図５に基づいて説明する。
まず、単結晶を作製する際のアルミナ融液中のＣｒ濃度を調整することにより変化させ、Ｃｒ濃度が異なる単結晶アルミナ管を種々作製した。このように作製されたアルミナ管を、ＩＣＰ質量分析によりＣｒ濃度の同定を行った。得られたアルミナ管はＣｒ濃度がそれぞれ０．１ｐｐｍ、１ｐｐｍ、３ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、３０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、６０ｐｐｍの合計７種類であった。
図１の構成に基づき、単結晶アルミナ管よりなり、Ｃｒ濃度が様々な発光管を具備したフラッシュランプを作製した。フラッシュランプは、発光管の内径が１０．４ｍｍ、外径が１３ｍｍであり、キセノンガスを６０ｋＰａで封入した。有効発光長は２５０ｍｍであった。
また、発光管としてＣｒを添加していない従来の単結晶アルミナ管（Ｃｒ濃度０．１ｐｐｍ未満）を用いて、発光管を除いて上記実施例１と同じ仕様の比較例に係るフラッシュランプを作製した。
比較例に係るフラッシュランプ及び上記実施例で得たフラッシュランプについて、管壁負荷を２０ｋＷ／ｃｍ^２、４０ｋＷ／ｃｍ^２、１００ｋＷ／ｃｍ^２、１２０ｋＷ／ｃｍ^２に設定して、異なる条件で点灯し、その照度維持率とＣｒ濃度の関係を調べた。なお、管壁負荷は次式で求める。

式１において、ランプ入力エネルギーは、ランプ点灯電源からの供給エネルギー（Ｊ）である。ランプの内表面積とは、発光管の有効発光長間の内表面についての面積の総和であり、単位はｃｍ^２である。（なおこの実施例では定数である。）パルス幅とは、閃光パルス波形の尖高値の１／２の高さにおける時間幅であり、単位はｓｅｃである。

図２は、１万回点灯した際の、単結晶アルミナ管のＣｒ濃度に対する１３０ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲の照度維持率変化を示すグラフである。これは、図６で示したような放射スペクトルを各フラッシュランプで測定し、その積分放射強度より各波長域での照度維持率を測定したものである。
また、図３は、各管壁負荷について１万回点灯した際の、単結晶アルミナ管のＣｒ濃度に対する３００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲の照度維持率変化を示すグラフである。

図２に示すように１３０ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲において、Ｃｒを添加していない（Ｃｒ濃度０．１ｗｔ．ｐｐｍ未満）単結晶アルミナ管を用いたフラッシュランプは、管壁負荷が２０ｋＷ／ｃｍ^２では照度の低下は起こらなかったが、管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上の入力になると大幅な照度の低下が見られた。
Ｃｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ〜５０ｗｔ．ｐｐｍの範囲にある単結晶アルミナ管を用いたフラッシュランプによれば、管壁負荷４０ｋＷ／ｃｍ^２以上であっても９５％以上の高い照度を維持した。
更にＣｒ濃度が大きい６０ｗｔ．ｐｐｍの単結晶アルミナ管を用いたフラッシュランプは、管壁負荷が最も低い２０ｋＷ／ｃｍ^２でも照度が９０％に低下し、管壁負荷の大きさに応じて順次照度維持率が低下すると分かった。
このように、単結晶アルミナ製発光管のＣｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ〜５０ｗｔ．ｐｐｍの範囲であると、管壁負荷４０ｋＷ／ｃｍ^２以上で点灯し、点灯回数が１万回に至っても、紫外域で９５％以上の照度維持率を確保することが可能となる。

なお、図３で示すように、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲では、管壁負荷の値にかかわらず、Ｃｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ未満でも照度の低下はなかった。すなわち、管壁負荷が高くなっても３００ｎｍ以上の波長範囲においては照度低下が生じない。

＜実験例＞
更に、上記フラッシュランプを用いて、実際に殺菌処理に効果があるかを検証するため、下記要領で実験を行った。
図４はこの実験系を模式的に示す構成図である。
フラッシュランプは、図１で示した基本構成を具備し、発光管が単結晶アルミナ管よりなり、Ｃｒ濃度は３ｗｔ．ｐｐｍであった。発光管は内径が１０．４ｍｍ、外径が１３ｍｍであり、キセノンガスを６０ｋＰａが封入されたものであり、有効発光長は２５０ｍｍであった。
このフラッシュランプを、Ｂ／Ａの比率はランプへの投入エネルギーを８００Ｊで一定にして点灯のパルス幅（閃光パルス波形の尖高値の１／２の高さにおける時間幅）を変化させることで調整をして、点灯を行った。

図５は、波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａを変化させて、枯草菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｕｂｔｉｌｉｓ）の芽胞に照射した際の殺菌数変化を示すグラフである。同図において縦軸はＢ／Ａが０．０８の光を一回照射した際の殺菌数に対する相対殺菌数を示し、横軸はＢ／Ａを示している。
図５に示すように、Ｂ／Ａが０．０８未満のときは照射回数を３回、１０回と増やすことで殺菌数が増加しており、照射回数が１回では十分に殺菌ができていないことがわかる。一方、Ｂ／Ａが０．０８以上では照射回数を増加させても殺菌数が変化しておらず、１回の照射で十分な殺菌が行われていると言える。
従って、Ｂ／Ａを０．０８以上にすれば１回の照射で殺菌を行うことが可能となり、工業的に要求される処理速度で殺菌を行うことができるとわかった。

なお以上の実験では、Ｂ／Ａの比率はパルス幅で調整したが、封入ガス種や封入ガス圧、発光管の管径や肉厚、ランプへの入力エネルギーなどその他のファクターで変化させることもできる。

フラッシュランプの一例における構成を示す説明用縦断面図である。 各管壁負荷について１万回点灯した際の、Ｃｒ濃度に対する１３０ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲の照度維持率変化を示すグラフである。 各管壁負荷について１万回点灯した際の、Ｃｒ濃度に対する３００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲の照度維持率変化を示すグラフである。 実験系を模式的に示す構成図である。 波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａを変化させた際の殺菌数変化を示すグラフである。 従来のフラッシュランプの点灯初期、１万回点灯後における放射光のスペクトルの違いを示す図である。

符号の説明

１０ 発光管
２０ 封止部材
２１ 胴部
２２ 鍔部
２５ 封着材
３５ 電極棒
３０ 電極
Ｓ 放電空間

Claims (3)

1. 単結晶アルミナからなる発光管を具備してなるフラッシュランプにおいて、
   管壁負荷が４０ｋＷ／ｃｍ^２以上となるよう設定する共に、
   前記発光管に含まれるＣｒ濃度が０．１ｗｔ．ｐｐｍ以上、５０ｗｔ．ｐｐｍ以下であることを特徴とするフラッシュランプ。
2. 請求項１記載のフラッシュランプを用い、
   該フラッシュランプからの波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが、０．０８以上であることを特徴とするフラッシュランプを用いた殺菌方法。
3. 請求項１記載のフラッシュランプと、
   該フラッシュランプを、波長１３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の積分放射強度Ａと、波長１３０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の積分放射強度Ｂとの比率Ｂ／Ａが、０．０８以上であるよう点灯する点灯装置を具備したことを特徴とするフラッシュランプ殺菌装置。
   

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