JP6872380B2

JP6872380B2 - ノズル式電子線照射装置

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Publication number: JP6872380B2
Application number: JP2017018020A
Authority: JP
Inventors: 武史野田; 龍太田中; 坂井　一郎; 一郎坂井
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP2018124217A; EP3579248C0; ES2962892T3; EP3579248A1; WO2018143319A1; EP3579248B1; EP3579248A4; KR20190109517A

Description

本発明は、ノズル式電子線照射装置に関するものである。

ノズル式電子線照射装置は、その真空チャンバに接続されて電子線を先端部から出射する真空ノズルを有する。このため、ノズル式電子線照射装置は、その真空ノズルを容器の開口部に挿入して、上記真空ノズルから電子線を出射することで、上記容器の内部に電子線を照射することが可能である。容器の内部への電子線の照射は、例えば容器の内部を滅菌するために行われる。この場合、ノズル式電子線照射装置は、容器の内部を電子線の直接的な照射により滅菌するので、容器の外部に強力な電子線を照射して内部に透過させるような電子線照射装置に比べて、電力の消費を抑えられるだけでなく、容器の変質を抑えられる。

このようなノズル式電子線照射装置において、真空ノズルに案内される電子線は、当該真空ノズルの内面にあまり当たらないことが好ましい。真空ノズルの内面に当たった電子線はロスとなり外部に出射されないので、電子線の歩留りが低くなるからである。従来には、電子線発生器に設けられた静電レンズで電子線を集束させるノズル式電子線照射装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許５５９７７４３号公報

ところで、特許文献１に記載されたノズル式電子線照射装置では、静電レンズにより電子線が集束されるものの、この集束は場合によっては不十分である。例えば真空ノズルが長い場合、電子線が真空ノズルの先端部に達するまでに当該真空ノズルの内面に多く当たり、電子線の歩留りが低くなってしまう。したがって、電子線発生器で発生させる電子線が低出力であれば、十分な線量の電子線が真空ノズルから出射されない。よって、電子線発生器で発生させる電子線を高出力にせねばならず、これにより、電子線発生器におけるカソードの寿命が短くなっていた。一方で、追加の電子線集束機構を設けると、電子線の集束が十分であったとしても、構成が複雑になる。加えて、そのような電子線集束機構が妨げとなって真空ノズルを容器の開口部に挿入できないことにもなり、結果として、容器（開口部が形成された照射対象物）の内部に電子線を適切に照射することができなかった。

そこで、本発明は、簡素な構成で高寿命化を実現し得るとともに、開口部が形成された照射対象物の内部に適切に電子線を照射し得るノズル式電子線照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明に係るノズル式電子線照射装置は、開口部が形成された照射対象物の当該開口部に挿入され得る真空ノズルを備え、当該真空ノズルにより上記照射対象物の内部に電子線を照射するノズル式電子線照射装置であって、
真空チャンバと、この真空チャンバの内部に配置された電子線発生器とを備え、
上記真空ノズルが、上記真空チャンバに接続されて、上記電子線発生器からの電子線を案内して外部に出射するものであり、
上記真空ノズルを外方から囲う形状で、当該真空ノズルに案内される電子線を集束するネオジム磁石と、
上記照射対象物の開口部から真空ノズルを挿入および抜去する挿入抜去機構と、
上記真空ノズルを冷却する冷却機構とを備え、
上記冷却機構が、上記真空ノズルを冷却すると同時に、上記ネオジム磁石を不可逆減磁が生じない程度まで冷却するものであり、
上記真空チャンバと真空ノズルとを接続する接続部材を備え、
上記接続部材が、その内部にネオジム磁石を保持するものであり、
上記真空ノズルが、その基端部を接続部材に埋設するように配置されたものであり、
上記冷却機構が、冷媒を通過させる冷媒路を有し、
上記冷媒路が、上記接続部材の内部において、上記真空ノズルとネオジム磁石との間で、上記真空ノズルを囲うように配置されたものである。

上記ノズル式電子線照射装置によると、電子線が低出力でも適用可能になるので高寿命化を実現することができる。また、ネオジム磁石を冷却するための別途の冷却機構が不要になるので、簡素な構成にすることができる。加えて、真空ノズルが、ネオジム磁石に妨げられることなく照射対象物の開口部に挿入および抜去されながら、照射対象物の内部に電子線を照射するので、照射対象物の内部に適切に電子線を照射することができる。

本発明の実施の形態に係るノズル式電子線照射装置を示す概略縦断面図である。本発明の実施例１に係るノズル式電子線照射装置を示す概略縦断面図である。同ノズル式電子線照射装置をペットボトル側から見た分解斜視図である。図２のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施例２に係るノズル式電子線照射装置を示す概略縦断面図である。

以下、本実施の形態に係るノズル式電子線照射装置１について図１に基づき詳細に説明する。

図１に示すように、このノズル式電子線照射装置１は、開口部ｍが形成された照射対象物Ｏの当該開口部ｍに挿入され得る真空ノズル２を備え、当該真空ノズル２により上記照射対象物Ｏの内部に電子線Ｅを照射するものである。ここで、開口部ｍが形成された照射対象物Ｏとは、例えば、ペットボトルなどの容器、またはプリフォーム体などである。なお、プリフォーム体とは、ブロー成形によりペットボトルに成形される前の原料体であって試験管形状のものである。以下では、簡単のために、上記開口部ｍが形成された照射対象物ＯをペットボトルＯとして説明する。

上記ノズル式電子線照射装置１は、真空チャンバ３と、この真空チャンバ３の内部に配置された電子線発生器４とを備える。この電子線発生器４に、当該電子線発生器４からの電子線Ｅを集束する静電レンズ５が設けられてもよい。上記真空ノズル２は、上記真空チャンバ３に接続されて、上記電子線発生器４からの電子線Ｅを案内して外部に出射するものである。

上記真空チャンバ３は、内部が真空雰囲気にされることで、上記電子線発生器４からの電子線Ｅを加速するものである。上記電子線発生器４は、例えばカソードのような、電子線Ｅを発生させる部品を有する。上記真空ノズル２は、外部に電子線Ｅを出射するために、例えばチタン箔のような出射窓２０を先端部に有する。なお、上記静電レンズ５は、上記電子線発生器４に設けられる場合、上記電子線発生器４からの電子線Ｅを真空ノズル２に案内させるように配置される。

ここで、電子線Ｅを発生させる部品（例えばカソード）の位置、例えばカソードと静電レンズ５との距離によって、電子線Ｅの集束される程度が大きく変化する。また、上記位置（距離）を適切にしても、真空ノズル２が長い場合、電子線Ｅが真空ノズル２の先端部に到達する前に当該真空ノズル２の内面に当たることになる。そこで、本発明の要旨として、電子線Ｅを妨げない位置である上記真空ノズル２の外方に、当該真空ノズル２に案内される電子線Ｅを集束するネオジム磁石６０が配置される。一般にネオジム磁石は、他の永久磁石よりも磁力が強いので、他の永久磁石よりも小型で足りる。

上記ネオジム磁石６０は、真空ノズル２を外方から囲う形状（図１では見やすさのために半分のみを示す）である。このネオジム磁石６０は、真空ノズル２がペットボトルＯの開口部ｍに挿入される際に妨げにならない場所に配置され、例えば真空ノズル２の基端部に配置される。また、上記ネオジム磁石６０は、真空チャンバ側６０ＮがＮ極（またはＳ極）で、ペットボトル側６０ＳがＳ極（またはＮ極）となるように配置される。

上記ノズル式電子線照射装置１は、さらに、ペットボトルＯの開口部ｍから真空ノズル２を挿入および抜去する挿入抜去機構７と、上記真空ノズル２を冷却する冷却機構８とを備える。

上記挿入抜去機構７は、ペットボトルＯの開口部ｍから真空ノズル２を挿入および抜去するものであれば特に限定されないが、例えば、ペットボトルＯを昇降させるペットボトル昇降機７である。このペットボトル昇降機７は、ペットボトルＯを上昇させることにより、上記真空ノズル２の先端部（出射窓２０）をペットボトルＯの内部に開口部ｍから挿入し、その状態からペットボトルＯを下降させることにより、上記真空ノズル２の先端部をペットボトルＯの開口部ｍから抜去するものである。このため、上記ペットボトル昇降機７は、ペットボトルＯを把持するグリッパ７１と、このグリッパ７１を上下方向に案内するガイド部材７２と、このガイド部材７２の案内により上記グリッパ７１を上下方向に移動させるアクチュエータ（図示省略）とを有する。上記挿入抜去機構７は、上記ペットボトル昇降機７のようなペットボトルＯを昇降させるものではなく、真空ノズル２を昇降させるものでもよい。

上記冷却機構８は、電子線Ｅを案内することにより温度が上昇する真空ノズル２を、適正な温度まで冷却するものである。このため、上記冷却機構８は、例えば、真空ノズル２に巡らされた冷媒路８３と、この冷媒路８３に冷媒を通過させる冷媒導入部８１とを有する。上記冷媒路８３は、その内部に液体または気体の冷媒を通過させることで、当該冷媒に真空ノズル２から熱を吸収させるものである。ここで、一般にネオジム磁石６０は、他の永久磁石よりも磁力が強いという長所を有するものの、熱により不可逆減磁が生じやすいという短所を有する。このため、上記冷却機構８を、上記真空ノズル２を冷却すると同時に、上記ネオジム磁石６０を不可逆減磁が生じない程度まで冷却するように構成することで、ネオジム磁石６０を冷却するための別途の冷却機構が不要になる。

上述した構成により、真空チャンバ３の内部に配置された電子線発生器４からの電子線Ｅは、真空ノズル２の内部に案内されて、当該真空ノズル２の出射窓２０から外部に出射される。なお、静電レンズ５が設けられた場合は、電子線Ｅが真空ノズル２の内部に案内される前にも静電レンズ５により集束される。真空ノズル２に案内される電子線Ｅは、真空ノズル２を外方から囲う形状のネオジム磁石６０により集束される。このため、真空ノズル２の内面に当たる電子線Ｅの量が減少することになり、外部に出射される電子線Ｅのロスが減少する。これにより、電子線Ｅの歩留りが高くなり、電子線発生器４で発生させる電子線Ｅが低出力でも適用可能になる。

また、ペットボトル昇降機７により、ペットボトルＯの開口部ｍから真空ノズル２を挿入および／または抜去しながら、当該ペットボトルＯの内部に電子線Ｅが照射される。ここで、ネオジム磁石６０は、小型で足りるので上記挿入および抜去を妨げない。

このように、上記ノズル式電子線照射装置１によると、電子線Ｅが低出力でも適用可能になるので高寿命化を実現することができる。また、ネオジム磁石６０を冷却するための別途の冷却機構が不要になるので、簡素な構成にすることができる。加えて、真空ノズル２が、ネオジム磁石６０に妨げられることなくペットボトルＯの開口部ｍに挿入および抜去されながら、ペットボトルＯの内部に電子線Ｅを照射するので、ペットボトルＯの内部に適切に電子線Ｅを照射することができる。

以下、上記実施の形態をより具体的に示した実施例１および２に係るノズル式電子線照射装置１について説明する。なお、以下の実施例１および２において、より具体的に示すのはネオジム磁石６０およびその付近と、冷却機構８とについての構成であり、それら以外の構成は上記実施の形態と同一であるから説明を省略する。

以下、本実施例１に係るノズル式電子線照射装置１について図２〜図５に基づき詳細に説明する。

図２に示すように、本実施例１に係るノズル式電子線照射装置１は、真空チャンバ３と真空ノズル２とを接続する円台座形状の接続部材１１（図２では見やすさのために半分のみを示す）を備える。この接続部材１１は、一方の側で真空チャンバ３を固定するとともに、他方の側で真空ノズル２の基端部を埋設することで固定して、真空チャンバ３と真空ノズル２とを構造的に安定させる。また、上記接続部材１１は、ネオジム磁石６０を収容する収容溝１６が上記他方の側から形成される。さらに、上記接続部材１１は、収容溝１６に収容された（つまり内部に保持された）ネオジム磁石６０を固定するための蓋板１２も有する。図３に示すように、上記収容溝１６は、ネオジム磁石６０と平面視が同一で且つ、ネオジム磁石６０および蓋板１２の厚さに相当する深さを有する。上記蓋板１２は、ネオジム磁石６０および収容溝１６と平面視が同一である。なお、ネオジム磁石６０は、図３に示すような一枚ものに限られず、厚さ方向に複数枚から構成されてもよい。これにより、収容溝１６に収容されるネオジム磁石６０の枚数を増減することで、電子線Ｅをさらに集束するのに必要な磁力の調整が可能になる。

本実施例１に係るノズル式電子線照射装置１の冷却機構８は、水冷方式であり、図２に示すように、真空ノズル２に巡らされた冷媒路８３と、この冷媒路８３に冷媒（水）を導入する冷媒導入部８１と、冷媒路８３に導入された冷媒を回収する冷媒回収部８９とを有する。

上記冷媒路８３は、冷媒を真空ノズル２の先端部外周まで導入する部分として、上記冷媒導入部８１から接続部材１１の内部まで冷媒を導入する導入管８２と、接続部材１１の内部で真空ノズル２の基端部外周における一方の半円部に冷媒を導入する内部導入路８４と、接続部材１１の外部で内部導入路８４から真空ノズル２の先端部外周（一方の半円部）まで冷媒を導入する外部導入路８５とを具備する。また、上記冷媒路８３は、冷媒を真空ノズル２の先端部外周から回収する部分として、真空ノズル２の先端部外周（他方の半円部）から接続部材１１の内部まで冷媒を回収する外部回収路８６と、接続部材１１の内部で真空ノズル２の基端部外周における他方の半円部から冷媒を回収する内部回収路８７と、上記接続部材１１の内部から冷媒回収部８９まで冷媒を回収する回収管８８とを具備する。

上記冷却機構８は、上記外部導入路８５および外部回収路８６を形成するために、上記真空ノズル２の外周において、当該真空ノズル２に接しないように配置された外筒体２１を有する。また、上記冷却機構８は、真空ノズル２の先端部外周まで導入された冷媒が流れ出ないようにするために、外筒体２１の先端部と真空ノズル２の先端部とを接続する先端部材２２も有する。上記真空ノズル２と外筒体２１との間は、外部導入路８５および外部回収路８６に相当し、図４（図２のＡ−Ａ断面図）に示すように、真空ノズル２の先端部外周を除き、外部導入路８５と外部回収路８６とを区画する２本の仕切材２３が配置されている。これら仕切材２３は、図５（図２のＢ−Ｂ断面図）に示すように、接続部材１１の内部においても、真空ノズル２の基端部外周における一方の半円部と他方の半円部とを区画する長さである。上記冷媒路８３（具体的には内部導入路８４および内部回収路８７の仕切材２３で区画された部分）は、図５で明らかに示すように、接続部材１１の内部において、真空ノズル２とネオジム磁石６０との間で、上記真空ノズル２を囲うように配置される。

上述した構成により、図２に示すように、接続部材１１が真空チャンバ３と真空ノズル２とを構造的に安定させるので、例えばターンテーブルのような動きのある部材の上に設置されても、真空チャンバ３と真空ノズル２との相対位置は変動しない。また、ネオジム磁石６０は、接続部材１１の内部に保持されるので、電子線発生器４に近い側での配置になるとともに、ペットボトルＯの開口部ｍからの真空ノズル２の挿入および抜去を妨げない。さらに、冷媒路８３（具体的には、内部導入路８４、外部導入路８５、外部回収路８６および内部回収路８７）は、真空ノズル２を外周から略全面において冷却するとともに（図４および図５参照）、ネオジム磁石６０を内周から略全面において冷却する（図５参照）。

このように、本実施例１に係るノズル式電子線照射装置１によると、上記実施の形態での効果に加えて、真空チャンバ３と真空ノズル２との相対位置は変動しないので、ペットボトルＯの内部に適切に電子線Ｅを照射することができる。

また、ネオジム磁石６０は、電子線発生器４に近い側での配置になることで、一層電子線Ｅが集束される。このため、電子線Ｅが一層低出力でも適用可能になるので、一層の高寿命化を実現することができる。さらに、真空ノズル２が、ネオジム磁石６０に妨げられることなくペットボトルＯの開口部ｍに挿入および抜去されながら、ペットボトルＯの内部に電子線Ｅを照射するので、ペットボトルＯの内部に一層適切に電子線Ｅを照射することができる。

加えて、冷媒路８３が真空ノズル２およびネオジム磁石６０を略全面において冷却するので、真空ノズル２およびネオジム磁石６０が効率的に冷却されることになり、装置全体として一層の高寿命化を実現することができる。

以下、本実施例２に係るノズル式電子線照射装置１について図６に基づき詳細に説明する。

上記実施例１では、冷却機構８が水冷方式であるとして説明したが、本実施例２では、冷却機構８が空冷方式である。なお、以下において、上記実施例１と異なる部分に着目して説明するとともに、上記実施例１と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

上記実施例１に係るノズル式電子線照射装置１では、真空ノズル２の外周（真空ノズル２と外筒体２１との間）において、基端部から先端部まで冷媒（水）が導入される外部導入路８５と、先端部から基端部まで冷媒が回収される外部回収路８６とに仕切材２３で区画されるとして説明した。しかしながら、本実施例２に係るノズル式電子線照射装置１では、このような仕切材２３が無く、図６に示すように、冷媒（窒素ガスであり図６の黒矢印で示す）を真空ノズル２の先端部外周に導入した後、その冷媒を先端部の出射窓２０に衝突するように導入し、その冷媒をそのまま外部に放出するように構成される。このため、本実施例２に係るノズル式電子線照射装置１の冷却機構８において、外筒体２１は真空ノズル２の先端部から突出する長さであり、先端部材２２は真空ノズル２に接することなく出射窓２０に向けて傾斜している。したがって、本実施例２に係るノズル式電子線照射装置１の冷媒路８３では、冷媒が真空ノズル２の基端部外周から出射窓２０に衝突するまでの部分が、外部導入路８５に相当する。なお、本実施例２に係るノズル式電子線照射装置１では、冷媒が外部に放出されるので、上記実施例１のような冷媒を回収するための構成８６〜８９は不要になる。

このように、本実施例２に係るノズル式電子線照射装置１によると、上記実施の形態での効果に加えて、冷却機構８が空冷方式であることにより簡素になるので、装置全体としてより簡素な構成にすることができる。

また、冷媒路８３（具体的には、外部導入路８５）が真空ノズル２およびネオジム磁石６０を略全面において冷却するので、真空ノズル２およびネオジム磁石６０が効率的に冷却されることになり、装置全体として一層の高寿命化を実現することができる。

ところで、上記実施の形態で説明した構成以外については、任意の構成であり、適宜削除および変更することが可能である。例えば、上記実施例２に係るノズル式電子線照射装置１に、上記実施例１に係る接続部材１１を採用したものであってもよい。

また、上記実施の形態並びに実施例１および２では、ネオジム磁石６０が円形（輪）状であるとして図示したが、この形状に限定されるものではなく、角形状など、真空ノズル２を囲う形状であればよい。

さらに、上記実施例１では冷媒を水として説明したが、真空ノズル２およびネオジム磁石６０の熱を吸収して移送する液体であればよい。同様に、上記実施例２では冷媒を窒素ガスとして説明したが、真空ノズル２およびネオジム磁石６０の熱を吸収して移送する気体であればよい。

１ノズル式電子線照射装置
２真空ノズル
３真空チャンバ
４電子線発生器
７ペットボトル昇降機
８冷却機構
６０ネオジム磁石

Claims

開口部が形成された照射対象物の当該開口部に挿入され得る真空ノズルを備え、当該真空ノズルにより上記照射対象物の内部に電子線を照射するノズル式電子線照射装置であって、
真空チャンバと、この真空チャンバの内部に配置された電子線発生器とを備え、
上記真空ノズルが、上記真空チャンバに接続されて、上記電子線発生器からの電子線を案内して外部に出射するものであり、
上記真空ノズルを外方から囲う形状で、当該真空ノズルに案内される電子線を集束するネオジム磁石と、
上記照射対象物の開口部から真空ノズルを挿入および抜去する挿入抜去機構と、
上記真空ノズルを冷却する冷却機構とを備え、
上記冷却機構が、上記真空ノズルを冷却すると同時に、上記ネオジム磁石を不可逆減磁が生じない程度まで冷却するものであり、
上記真空チャンバと真空ノズルとを接続する接続部材を備え、
上記接続部材が、その内部にネオジム磁石を保持するものであり、
上記真空ノズルが、その基端部を接続部材に埋設するように配置されたものであり、
上記冷却機構が、冷媒を通過させる冷媒路を有し、
上記冷媒路が、上記接続部材の内部において、上記真空ノズルとネオジム磁石との間で、上記真空ノズルを囲うように配置されたものであることを特徴とするノズル式電子線照射装置。