WO2017183235A1

WO2017183235A1 - ノズル式電子線照射装置およびこれを具備する電子線滅菌設備

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Publication number: WO2017183235A1
Application number: PCT/JP2016/088683
Authority: WO
Inventors: 武史野田; 坂井　一郎; 博之大工
Original assignee: 日立造船株式会社
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2017-10-26
Also published as: CN109074888A; US10568980B2; CN109074888B; EP3447772B1; JP2017194272A; EP3447772A4; US20190134241A1; EP3447772A1; JP6735134B2

Abstract

真空チャンバ（２）と、この真空チャンバ（２）の内部に配置された電子線発生器（３）と、真空チャンバ（２）に接続されて電子線発生器（３）からの電子線（Ｅ）を案内して外部に照射する真空ノズル（４）とを備えるノズル式電子線照射装置（１）である。このノズル式電子線照射装置（１）は、真空チャンバ（２）において真空ノズル（４）が接続されている部分の近傍から吸引し得る高真空ポンプ（５）を備える。

Description

ノズル式電子線照射装置およびこれを具備する電子線滅菌設備

　本発明は、ノズル式電子線照射装置およびこれを具備する電子線滅菌設備に関するものである。

　電子線滅菌設備に具備されるノズル式電子線照射装置は、その真空ノズルから電子線を照射するので、滅菌対象物である容器などの口部から真空ノズルを差し込んで、真空ノズルの先端から電子線を容器の内面に照射することができる。すなわち、このような電子線滅菌設備では、ノズル式電子線照射装置により容器の内面を電子線の直接的な照射により滅菌するので、照射する電子線の強度が小さくて済む。このため、上記電子線滅菌設備は、容器の内面を当該容器の外部から強力な電子線の照射により滅菌する設備に比べて、電力の消費を抑えられるだけでなく、強力な電子線の照射による容器の変質を抑えられる。

　ノズル式電子線照射装置のように電子線を照射する装置では、電子線発生源からの電子線を加速するために、真空チャンバの内部を高真空ポンプなどにより高真空雰囲気にする必要がある。ここで、電子線発生源は電子線を発生させるための熱により気体も生じさせるので、高真空ポンプは電子線発生源の近くに配置される方が好ましい。従来では、高真空ポンプ（具体的にはイオンポンプ）をこのように配置した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

日本国特許第２８５４４６６号公報

　ところで、特許文献１に記載されたイオンポンプの配置をノズル式電子線照射装置に適用した場合、図１３に示すように、電子線発生源３からの気体ａがイオンポンプ５０で直ちに排出されることになる。しかしながら、ノズル式電子線照射装置の電子線Ｅは、案内される真空ノズル４が細長く、また地磁気など外乱による影響で進行する方向が変化しやすいので、真空ノズル４の内面に当たる場合もある。この場合、真空ノズル４の内面から気体ｂが生ずることになるが、この気体ｂの発生源である真空ノズル４からイオンポンプ５０が離れているので、真空チャンバ２において真空ノズル４が接続されている部分の近傍では真空度が悪くなる。一方で、真空チャンバ２においてイオンポンプ５０が接続されている部分の近傍では当然ながら真空度が良い。このため、上記ノズル式電子線照射装置では、真空チャンバ２の内部における真空度の分布が不均一になり、その結果として、適切な電子線を照射しにくいという問題がある。

　そこで、本発明は、真空チャンバの内部における真空度の分布を略均一にすることにより、適切な電子線を照射し得るノズル式電子線照射装置およびこれを具備する電子線滅菌設備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、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、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照射する真空ノズルとを備えるノズル式電子線照射装置であって、
　上記真空チャンバにおいて真空ノズルが接続されている部分の近傍から吸引し得る高真空ポンプを備えるものである。

　また、第２の発明に係るノズル式電子線照射装置は、第１の発明に係るノズル式電子線照射装置における高真空ポンプが、イオンポンプであり、
　上記イオンポンプからの磁場を、電子線発生器からの電子線に影響させない程度にする磁場無力化手段を備えるものである。

　さらに、第３の発明に係るノズル式電子線照射装置は、第２の発明に係るノズル式電子線照射装置における磁場無力化手段が、イオンポンプを覆う磁気シールドであるものである。

　加えて、第４の発明に係るノズル式電子線照射装置は、第２の発明に係るノズル式電子線照射装置における磁場無力化手段が、イオンポンプと真空チャンバとを接続するとともに当該イオンポンプを退避位置にする退避用配管であるものである。

　また、第５の発明に係る電子線滅菌設備は、第１乃至第４のいずれかの発明に係るノズル式電子線照射装置を外周部に配置したターンテーブルと、
　上記ターンテーブルにノズル式電子線照射装置を固定したフランジとを具備し、
　上記フランジが、上記ノズル式電子線照射装置の真空チャンバ、真空ノズルおよび高真空ポンプを接続するものである。

　また、第６の発明に係る電子線滅菌設備は、第５の発明に係る電子線滅菌設備における高真空ポンプが、ターンテーブルの中心側に向けて配置されたものである。

　また、第７の発明に係る電子線滅菌設備は、第５の発明に係る電子線滅菌設備において、ターンテーブルに配置されたノズル式電子線照射装置が複数あり、
　上記ノズル式電子線照射装置の高真空ポンプが、ターンテーブルの外側に向けて、且つ当該ノズル式電子線照射装置とこれに隣接するノズル式電子線照射装置との間に配置されたものであり、
　上記ノズル式電子線照射装置の磁場無力化手段が、当該ノズル式電子線照射装置のイオンポンプからの磁場を、これに隣接するノズル式電子線照射装置の電子線発生器からの電子線にも影響させない程度にするものである。

　上記ノズル式電子線照射装置によると、真空チャンバおよび真空ノズルの内部における真空度の分布が略均一になることにより、適切な電子線を照射することができる。また、上記ノズル式電子線照射装置を具備する電子線滅菌設備によると、当該ノズル式電子線照射装置が構造的に安定するので、装置のひずみを原因とする電子線の損失が低減され、その結果として、適切な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。同ノズル式電子線照射装置を具備する電子線滅菌設備の概略斜視図である。本発明の実施例に係るノズル式電子線照射装置を示す縦断面図である。同ノズル式電子線照射装置のイオンポンプ付近を拡大した一部切欠拡大縦断面図である。図４のＡ－Ａ断面図である。同ノズル式電子線照射装置を具備する電子線滅菌設備の斜視図である。同電子線滅菌設備の平面図である。同ノズル式電子線照射装置の他の例を示す縦断面図である。同電子線滅菌設備のさらに他の例を示す平面図である。異なる形態のノズル式電子線照射装置を示す概略縦断面図である。図１０のＢ－Ｂ断面図であり、電子線が逸れていない場合を示す。図１０のＢ－Ｂ断面図であり、電子線が逸れている場合を示す。イオンポンプの従来の配置を適用した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、本発明の実施の形態に係るノズル式電子線照射装置およびこれを具備する電子線滅菌設備について説明する。
　まず、上記ノズル式電子線照射装置について図１に基づき説明する。

　このノズル式電子線照射装置は、図１に示すように、真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に配置された電子線発生器３と、上記真空チャンバ２に接続されて上記電子線発生器３からの電子線Ｅを案内して外部に照射する真空ノズル４とを備える。上記ノズル式電子線照射装置１は、さらに、上記真空チャンバ２において真空ノズル４が接続されている部分の近傍から吸引し得る高真空ポンプ５を備える。

　上記真空チャンバ２は、上記高真空ポンプ５で吸引されることにより、真空ノズル４とともに内部を電子線Ｅの加速に適した高真空雰囲気にするものである。上記電子線発生器３は、発生させた電子線Ｅが真空ノズル４の基端（真空チャンバ２側）から先端（真空チャンバ２の反対側）に向けて進行するように配置される。上記真空ノズル４は、案内した電子線Ｅが先端から外部に照射されるように構成され、例えば電子線Ｅが透過し得る透過窓４１を先端に有する。上記高真空ポンプ５は、上記真空チャンバ２に接続されていることから当該真空チャンバ２の内部に配置された電子線発生器３からの気体ａを適切に排出するとともに、上記真空ノズル４の基端近傍に接続されていることから当該真空ノズル４からの気体ｂも適切に排出するものである。なお、上記高真空ポンプ５は、上記真空ノズル４の基端近傍に直接接続されていてもよいが、図１に示すように、Ｌ型配管８のような配管などを介して接続されていてもよい。

　この構成により、電子線発生器３で発生させた電子線Ｅが、真空チャンバ２および真空ノズル４の内部で加速され、真空ノズル４の基端から先端まで案内された後に、この先端から外部に照射される。この際に、電子線発生器３が電子線Ｅを発生させることにより生ずる気体ａと、電子線Ｅが真空ノズル４の内面に当たることにより生ずる気体ｂとが、高真空ポンプ５により適切に排出される。なお、電子線Ｅが真空ノズル４の内面に当たるのは、電子線Ｅが地磁気など外乱による影響を受けやすく、このような電子線Ｅの照射窓４１からの出力を安定させるために、電子線Ｅを真空ノズル４よりも多少（例えば約１０％）大径にするからである。

　このように、上記ノズル式電子線照射装置１によると、電子線発生器３および真空ノズル４からの気体ａ，ｂが適切に排出されるので、真空チャンバ２の内部における真空度の分布が略均一になり、その結果として、適切な電子線Ｅを照射することができる。

　次に、上記ノズル式電子線照射装置１を具備する電子線滅菌設備について図２に基づき説明する。
　この電子線滅菌設備は、図２に示すように、上記ノズル式電子線照射装置１を外周部に配置するターンテーブル６と、上記ターンテーブル６にノズル式電子線照射装置１を固定するフランジ７とを具備する。上記フランジ７は、上記ノズル式電子線照射装置１の真空チャンバ２、真空ノズル４および高真空ポンプ５を接続するものである。

　上記ターンテーブル６は、その中心６１を軸にして回転することにより、外周部に配置したノズル式電子線照射装置１を円移動させるものである。これにより、当該ノズル式電子線照射装置１は、円経路Ｃに搬送されている滅菌対象物Ｏ（例えば容器やそのプリフォームなど）を追随しながら、当該滅菌対象物Ｏを電子線Ｅの照射により滅菌することが可能になる。これ以外にも、上記ターンテーブル６により、当該ノズル式電子線照射装置１は、静止状態（搬送されない）で円経路Ｃに配置された複数の滅菌対象物Ｏを次々に電子線Ｅの照射により滅菌することが可能になる。いずれにしても、上記電子線滅菌設備１００は、ノズル式電子線照射装置１がターンテーブル６の外周部に配置されることにより、滅菌対象物Ｏを連続して滅菌するのに適する。

　この構成により、上記電子線滅菌設備１００に具備されるノズル式電子線照射装置１は、ターンテーブル６の回転により遠心力を受けることになる。しかし、ターンテーブル６に固定されたフランジ７により、真空チャンバ２、真空ノズル４および高真空ポンプ５が接続されているので、ノズル式電子線照射装置１は構造的に安定する。

　このように、上記電子線滅菌設備１００によると、そのノズル式電子線照射装置１が構造的に安定するので、装置のひずみを原因とする電子線Ｅの損失が低減され、その結果として、適切な電子線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に係るノズル式電子線照射装置１およびこれを具備する電子線滅菌設備１００について説明する。
　まず、上記ノズル式電子線照射装置１について図３に基づき説明する。

　このノズル式電子線照射装置１は、図３に示すように、真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に配置された電子線発生器３と、上記真空チャンバ２に接続されて上記電子線発生器３からの電子線Ｅを案内して外部に照射する真空ノズル４とを備える。上記ノズル式電子線照射装置１は、さらに、上記真空チャンバ２において真空ノズル４が接続されている部分の近傍から吸引し得るイオンポンプ５０（高真空ポンプ５の一例である）を備える。

　上記真空チャンバ２は、大円筒形の円筒部２１と、この円筒部２１から連続するとともに電子線Ｅの進行する方向に向けて絞られた縮径部２２と、この縮径部２２から連続するとともに小円筒形の接続部２３とを有する。

　上記電子線発生器３は、電源が供給されることで図示しない電子発生源（例えばフィラメントやカソード）から電子線Ｅを発生させる電子銃３１と、この電子銃３１を保持するとともに真空チャンバ２の円筒部２１に取り付けられた保持部３２とを有する。また、上記電子線発生器３は、図示しないが、電子銃３１に電源を供給する電源供給部（例えば真空チャンバ２の外部に配置される）も有する。

　上記真空ノズル４は、真空チャンバ２の接続部２３に接続されている側が基端となり、この基端の反対側で電子線Ｅを外部に照射する側が先端となる。また、上記真空ノズル４は、この先端に電子線Ｅが透過し得る透過窓４１を有する。

　上記イオンポンプ５０には、真空チャンバ２の接続部２３に接続するＬ型配管８と、イオンポンプ５０からの磁場を電子線Ｅに影響させない程度にする磁気シールド９（磁気無力化手段の一例である）とが設けられている。

　上記実施の形態では、フランジ７を電子線滅菌設備１００の構成部材として説明したが、ノズル式電子線照射装置１の構成部材と考えてもよい。本実施例では、フランジ７をノズル式電子線照射装置１の構成部材として説明する。このフランジ７は、ターンテーブル６などの台座に図示しない固定手段（例えばボルトおよびナット）により固定される円盤体である。このフランジ７を構成する円盤体には、その表裏面を貫通する貫通孔７２と、この貫通孔７２から円盤体の側面まで連通する横孔７５とが形成されている。上記貫通孔７２には上記真空チャンバ２の接続部２３が嵌め込まれ、上記横孔７５にはＬ型配管８の真空チャンバ２側（具体的には接続部２３側）が嵌め込まれている。

　次に、上記イオンポンプ５０および磁気シールド９の構成について図４および図５に基づき詳細に説明する。
　上記イオンポンプ５０は、図４に示すように、ポンプ本体部５１と、Ｌ型配管８側に位置するマグネット部５２とを有する。このマグネット部５２は、図５に示すように、互いに向き合う第一磁石５３および第二磁石５４（いずれも永久磁石）を含む。この第一磁石５３はそのＮ極を第二磁石５４のＳ極に向けるものであり、上記第二磁石５４はそのＳ極を第一磁石５３のＮ極に向けるものである。また、上記マグネット部５２は、これら永久磁石５３，５４の効率を高めるためのヨーク５５も含む。このヨーク５５は、第一磁石５３を保持する第一部分５６と、第二磁石５４を保持する第二部分５７と、これら第一部分５６および第二部分５７を接続する中間部分５８とからなる。また、上記ヨーク５５は、その中間部分５８が真空チャンバ２にまたは真空ノズル４のいずれか近い方に向けて配置されることで、永久磁石５３，５４からの磁力線を電子線Ｅに到達しにくくするものでもある。このようなヨーク５５の配置により、イオンポンプ５０を真空チャンバ２の近くに配置しても、マグネット部５２の電子線Ｅに対する影響は小さいまま（本発明者による実験でも示された）である。

　上記磁気シールド９は、図４に示すように、イオンポンプ５０の外周囲を覆うシールド本体９１と、このシールド本体９１およびＬ型配管８の間からの磁力線の漏れを防止する密閉シールド体９２とを有する。

　この構成により、図３に示すように、電子線発生器３で発生させた電子線Ｅが、真空チャンバ２および真空ノズル４の内部で加速され、真空ノズル４の基端から先端まで案内された後に、この先端の透過窓４１から外部に照射される。この際に、電子線発生器３が電子線Ｅを発生させることにより生ずる気体ａと、電子線Ｅが真空ノズル４の内面に当たることにより生ずる気体ｂとが、イオンポンプ５０により適切に排出される。イオンポンプ５０からはマグネット部５２により磁場が発生するが、イオンポンプ５０を覆う磁気シールド９により、この磁場は電子線発生器３からの電子線Ｅに影響しない。

　また、ノズル式電子線照射装置１がそのフランジ７により構造的に安定するので、装置のひずみを原因とする電子線Ｅの損失が低減され、その結果として、適切な電子線Ｅを照射することができる。

　さらに、イオンポンプ５０を覆う磁気シールド９により、イオンポンプ５０からの磁場が電子線発生器３からの電子線Ｅに影響しないので、適切な電子線Ｅを照射することができる。

　次に、上記ノズル式電子線照射装置１を具備する電子線滅菌設備１００について図６および図７に基づき説明する。
　この電子線滅菌設備１００は、図６に示すように、上記ノズル式電子線照射装置１を外周部に等ピッチで多数配置したターンテーブル６を具備する。このターンテーブル６は、その中心６１を軸にして回転することにより、外周部に多数配置したノズル式電子線照射装置１を円移動させるものである。

　上記電子線滅菌設備１００は、いずれも図示を省略するが、滅菌対象物Ｏを円経路Ｃに搬送する搬送装置と、円経路Ｃに搬送されている滅菌対象物Ｏを昇降させる昇降装置とを具備する。この搬送装置は、上記ノズル式電子線照射装置１の円移動に同期して多数の滅菌対象物Ｏを当該ノズル式電子線照射装置１の下方で円経路Ｃに搬送するものである。上記昇降装置は、滅菌対象物Ｏを昇降させることによりノズル式電子線照射装置１に接近および離間させるものである。

　上記電子線滅菌設備１００は、図６および図７に示すように、イオンポンプ５０をターンテーブル６の中心６１側に向けて配置したものである。具体的に説明すると、各ノズル式電子線照射装置１において、イオンポンプ５０が真空チャンバ２よりもターンテーブル６の中心６１側に位置するように配置される。

　この構成により、上記電子線滅菌設備１００に具備されるノズル式電子線照射装置１は、ターンテーブル６の回転により遠心力を受けることになる。しかし、ターンテーブル６に固定されたフランジ７により、真空チャンバ２、真空ノズル４および高真空ポンプ５が接続されているので、ノズル式電子線照射装置１は構造的に安定する。また、イオンポンプ５０が真空チャンバ２よりもターンテーブル６の中心６１側に位置するので、各ノズル式電子線照射装置１の重心がターンテーブル６の中心６１側に寄ることになる。

　また、イオンポンプ５０が真空チャンバ２よりもターンテーブル６の中心６１側に位置するので、設備自体をコンパクト化することができる。
　さらに、各ノズル式電子線照射装置１の重心がターンテーブル６の中心６１側に寄ることにより、各ノズル式電子線照射装置１に作用する遠心力が低減されるので、装置のひずみを原因とする電子線Ｅの損失が低減され、その結果として、適切な電子線Ｅを照射することができる。

　ところで、上記実施例では、磁場無力化手段として、磁気シールド９について説明したが、図８に示すように、磁気シールド９を設けるのではなく、イオンポンプ５０を退避位置に配置してもよい。なお、退避位置とは、イオンポンプ５０からの磁場が電子線発生器３からの電子線Ｅに影響しない程度の位置であり、例えば図８に示すように、イオンポンプ５０が真空チャンバ２の真空ノズル４から反対側に外れる位置である。イオンポンプ５０を退避位置に配置するために、Ｌ型配管８を、図８に示す縦長のもの８０にしてもよく、図示しないが横長のものにしてもよい。このような退避位置のイオンポンプ５０と真空チャンバ２とを接続するものが、退避用配管８０である。この退避用配管８０は、Ｌ型の形状に限られず、イオンポンプ５０を退避位置に配置するものであれば、どのような形状でもよい。

　また、上記実施例では、ノズル式電子線照射装置１のイオンポンプ５０をターンテーブル６の中心６１側に向けて配置するとして説明したが、図９に示すように、当該ノズル式電子線照射装置１とこれに隣接するノズル式電子線照射装置１との間に配置されたものでもよい。これにより、イオンポンプ５０のメンテナンス性を維持したまま、設備自体をコンパクト化することができる。

　さらに、上記実施例では、イオンポンプ５０について説明したが、これに限られるものではなく、他の高真空ポンプ５であってもよい。なお、他の高真空ポンプ５が磁場を発生させないものであれば、ノズル式電子線照射装置１に磁気シールド９および退避用配管８０は不要である。

　加えて、上記実施例で説明した構成のうち、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。
　ところで、上記実施の形態および実施例では電子線Ｅが真空ノズル４よりも多少（例えば約１０％）大径であるとして説明したが、この構成により、真空ノズルから外部に照射する電子線の出力が安定しないという、従来の課題を解決することができる。このようなノズル式電子線照射装置は、図１０に示すように、
　真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に配置された電子線発生器３と、上記真空チャンバ２に接続されて上記電子線発生器３からの電子線Ｅを案内して外部に照射する真空ノズル４とを備えるノズル式電子線照射装置１であって、
　上記電子線発生器３が、上記真空ノズル２の軸心Ｚに沿うとともに当該真空ノズル２の内径よりも大径の電子線Ｅを発生させるものであることを特徴とする。

　この特徴により、電子線Ｅが外乱の影響を受けても、真空ノズル４から出力される電子線Ｅの横断面積が変化しにくいので、真空ノズル４からの電子線Ｅの出力を安定させることができる。

　また、この場合、電子線Ｅが真空ノズル４から出力される部分４１（例えば照射窓４１）での仮想の径を、当該部分４１での真空ノズル４の内径よりも、電子線Ｅが外乱により逸れ得る分ｄの２倍以上に大きくすることが好ましい。

　ここで、電子線Ｅが真空ノズル４から出力される部分４１において、電子線Ｅが外乱により逸れていない場合を図１１に示し、電子線Ｅが外乱により逸れている場合を図１２に示す。この電子線Ｅが外乱により逸れ得る分ｄは、予め実験などにより求められ、例えば５％（２倍にすると１０％）である。これら図１１および図１２を比較すると明らかなように、上記特徴により、電子線Ｅが外乱の影響を受けても、真空ノズル４から出力される電子線Ｅの横断面積が一定となるので、真空ノズル４からの電子線Ｅの出力を一層安定させることができる。

　勿論、図１０～図１２およびその説明で示した形態には、上記実施の形態および実施例で説明した構成を部分的または全て含んでもよい。

Claims

　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、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照射する真空ノズルとを備えるノズル式電子線照射装置であって、
　上記真空チャンバにおいて真空ノズルが接続されている部分の近傍から吸引し得る高真空ポンプを備えることを特徴とするノズル式電子線照射装置。
　高真空ポンプが、イオンポンプであり、
　上記イオンポンプからの磁場を、電子線発生器からの電子線に影響させない程度にする磁場無力化手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のノズル式電子線照射装置。
　磁場無力化手段が、イオンポンプを覆う磁気シールドであることを特徴とする請求項２に記載のノズル式電子線照射装置。
　磁場無力化手段が、イオンポンプと真空チャンバとを接続するとともに当該イオンポンプを退避位置にする退避用配管であることを特徴とする請求項２に記載のノズル式電子線照射装置。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載のノズル式電子線照射装置を外周部に配置したターンテーブルと、
　上記ターンテーブルにノズル式電子線照射装置を固定したフランジとを具備し、
　上記フランジが、上記ノズル式電子線照射装置の真空チャンバ、真空ノズルおよび高真空ポンプを接続するものであることを特徴とする電子線滅菌設備。
　高真空ポンプが、ターンテーブルの中心側に向けて配置されたものであることを特徴とする請求項５に記載の電子線滅菌設備。
　ターンテーブルに配置されたノズル式電子線照射装置が複数あり、
　上記ノズル式電子線照射装置の高真空ポンプが、ターンテーブルの外側に向けて、且つ当該ノズル式電子線照射装置とこれに隣接するノズル式電子線照射装置との間に配置されたものであり、
　上記ノズル式電子線照射装置の磁場無力化手段が、当該ノズル式電子線照射装置のイオンポンプからの磁場を、これに隣接するノズル式電子線照射装置の電子線発生器からの電子線にも影響させない程度にするものであることを特徴とする請求項５に記載の電子線滅菌設備。