JP4280866B2 - フラッシュランプとその電極ユニット - Google Patents

Description

本発明は、光パルスによる紫外線殺菌の光源や固体レーザー励起用光源、あるいは瞬間的な加熱装置等として利用されるフラッシュランプとそれに用いる電極ユニットに関する。

紫外線殺菌の光源としては、殺菌に有効とされる波長２５４ｎｍの紫外線を効率良く放射し、ランプ寿命も長い低圧水銀ランプが一般的に使用されているが、該ランプは、紫外線出力が低いために短時間で大量の被処理物を殺菌処理することができず、また、高出力を得ようとすればランプの使用本数を多くしなければならないので、その設置スペースが大きくなり、更に、被処理物の光透過率が低い場合や、菌が高濃度で存在して被処理物の表面等に重なり合って付着している場合、菌がバイオフィルムを生成してその中に潜んでいる場合、あるいは厚い皮膜で覆われた芽胞菌等のように紫外線の被照射耐性が高い菌の場合には、滅菌レベル（９９．９９９９％以上の殺菌）の殺菌効果を得ることができないという欠点があった。

このため、加熱殺菌に適さない食品、飲料、医薬品等やその容器、包装資材等の殺菌処理は、薬液を用いて行なうのが一般的であるが、薬液を使用すると、殺菌処理した被処理物の表面に付着残存する薬液を洗浄除去しなければならないので、被処理物を無菌水で洗浄する洗浄設備や、その無菌水を作って供給する給水設備、使用済みの薬液が含まれた排水を無害化する排水処理設備等が必要となり、それらの設備費やランニングコストが嵩むと同時に、設備の設置スペースも著しく大きくなるという問題があった。また、近時は、世界的な環境保全運動の高まりに伴って、薬液を使用しない無公害な殺菌処理技術の開発が待望されている。

このような事情に鑑みて、低圧水銀ランプよりも高出力、高照度の紫外線を放射するフラッシュランプ（閃光放電灯）による殺菌処理技術が種々提案されている。この種の技術は、例えば図５の如きキセノンフラッシュランプ５０を用いて瞬間的に高照度の紫外線を照射するもので、該ランプ５０は、希ガスのキセノンガスを封入したシリカガラスチューブで成る発光管５１の両端に一対の電極５２、５３が対向して配置されている（特許文献１参照）。

実開昭６４−１９２５２号公報

上記の如く構成されたキセノンフラッシュランプ５０は、発光管５１の管端部を加熱溶封してその封止部５６、５７に固定された電極リード棒５４、５５の後端部に接続するリード線（図示せず）を介してパルス電力が供給されると、電極リード棒５４、５５の先端部に設けた電極５２、５３が対向して配置される発光管５１の放電空間Ｅ内に生ずる瞬間的な放電プラズマ中でキセノンガスが励起されて、殺菌効果を奏する２００〜３００ｎｍの短波長紫外線を強力に発するようになっている。

これにより、例えば電極間距離（発光長）が２５０ｍｍ、発光管の外径が１０ｍｍ、その内径が８ｍｍのキセノンフラッシュランプ５０を用いて、直径２０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱状ポリエチレン製バイアルビンに充填された生理食塩水２０ｍｌ中に約１０⁶個投入した黒麹カビ胞子を殺滅する殺菌試験では、該ランプ５０の中心からバイアルビンの中心までの照射距離を３０ｍｍとしたときに、バイアルビンに投入された黒麹カビ胞子の滅菌処理に必要なランプ出力と照射回数は、１０００Ｊを１回で足り、その処理時間も、僅か０．５秒で足りるという優れた殺菌効果を奏することが確認されている。

しかしながら、短時間で大量の被処理物を殺菌処理するためにフラッシュランプを高い負荷でかつ短いインターバルで連発的に発光させると、シリカガラスチューブで成る発光管の光化学的作用によって発光管内にカラーセンターが発生し、このカラーセンターは吸収波長が約２２０ｎｍ〜２５０ｎｍであることから、わずか数十万回の点灯で殺菌効果を奏する短波長紫外線の透過性が損なわれてフラッシュランプの光出力が急速に低下するためランプ寿命が短いとう問題が発生し、これがフラッシュランプによる光パルス殺菌の実用化と普及を妨げる大きな要因の一つとなっていた。更に、発光管内に生じたカラーセンターは分子間結合の欠陥でもあるため長期的な使用により発光管を成すシリカガラスチューブの機械的強度が低下して、ランプが破損するおそれもあった。

そこで、本発明者らは、フラッシュランプ以外の他種ランプ、例えば高圧ナトリウムランプに、発光管とその封入物質との化学的作用を抑制するために化学的に安定な多結晶アルミナや単結晶アルミナで製作したアルミナチューブで成る発光管が用いられていることに着目し、フラッシュランプの発光管としてアルミナチューブを用いることを企図した。

そして、融点が高いアルミナで製作された発光管は、シリカガラスで製作された発光管の如く管端部を加熱溶封することが困難であるため、その管端部に、電極を取り付ける先端部が閉ざされた太径の金属パイプを差し込んで、該金属パイプと発光管の管端部との間に生ずる隙間をフリット又はソルダーガラスと呼ばれるシーリングガラスで気密封止した高圧ナトリウムランプ（非特許文献１参照）の構成を模して、アルミナチューブで成る発光管の管端部に先端部が閉ざされた金属パイプを差し込んでその管端部を気密封止する図４の如きフラッシュランプ４０を試作した。

The High-pressure Sodium Lamp Dr ir J.J.de Groot & ir J.A.J.M.van Vliet Macmillan education ltd 1986 Philips technical library P19,p229,p231,p251,p254

本発明者らが試作した図４のフラッシュランプ４０は、アルミナチューブで成る発光管４１の管端部に固着されてその管端部を塞ぐ端板４２Ｒ（４２Ｌ）に形成された孔４３に、先端に電極４４Ｒ（４４Ｌ）を設けた電極リード棒４５Ｒ（４５Ｌ）を取り付ける先端部が閉ざされた太径の金属パイプ４６Ｒ（４６Ｌ）を差し込んで、該金属パイプ４６Ｒ（４６Ｌ）と端板４２Ｒ（４２Ｌ）の孔４３との間に生ずる隙間をシーリングガラス４７Ｒ（４７Ｌ）で気密封止すると同時に、そのシーリングガラス４７Ｒ（４７Ｌ）で金属パイプ４６Ｒ（４６Ｌ）を端板４２Ｒ（４２Ｌ）に固定したもので、金属パイプ４６Ｒ（４６Ｌ）は、高融点金属のニオブで製作し、発光管４１内にはキセノンガスを封入した。

しかしながら、このフラッシュランプ４０を動作させると、発光管４１の管端部を成す端板４２Ｒ、４２Ｌに金属パイプ４６Ｒ、４６Ｌを固定してその固定箇所を気密封止するシーリングガラス４７Ｒ、４７Ｌに亀裂が発生し、その亀裂が短時間に成長して直ぐに発光管リークによる不点灯を生じた。そこで、亀裂の発生原因を究明したところ、フラッシュランプ４０の連発的な点灯動作により発光管４１内に封入されたキセノンガスが瞬間的に膨張・収縮を繰り返し、その度に、端板４２Ｒ、４２Ｌに固定された金属パイプ４６Ｒ、４６Ｌがキセノンガスの膨張圧を受けて圧縮変形することにより、金属パイプ４６Ｒ、４６Ｌの固定箇所に強いストレスが生じ、そのストレスによって固定箇所を気密封止するシール部となるシーリングガラス４７Ｒ、４７Ｌに亀裂が生ずることが判明した。また、フラッシュランプ４０を高出力で点灯動作させると、電極４４Ｒ、４４Ｌ及び電極リード棒４５Ｒ、４５Ｌが過熱し、その熱で金属パイプ４６Ｒ、４６Ｌが膨張して該パイプの固定箇所に強いストレスが生じることも判明した。

本発明が解決しようとする技術的課題は、フラッシュランプによる光パルス殺菌あるいは光パルス照射装置の実用化と普及を図るために、フラッシュランプを高出力で連発的に点灯動作させても、発光管の管端部に電極リード棒を固定してその固定箇所を気密封止するシール部に発光管リークを引き起こす亀裂が発生しないようにして、そのランプ寿命を飛躍的に向上させることにある。

本発明は、発光管の管端部に電極リード棒を固定してその固定箇所を気密封止するシール部が形成されたフラッシュランプにおいて、電極リード棒が、発光管内に封入されたガスの膨張圧によって前記シール部に生ずるランプ動作時のストレスを緩和するダンパを介して発光管の管端部に固定され、前記ダンパが、電極リード棒の外周部にかぶせてその外周部の周囲に気密空間を形成するように装着された高融点金属製チューブの内部にガスを封入したガスダンパで成ることを特徴とする。

本発明のフラッシュランプは、発光管の管端部とその管端部に固定された電極リード棒との間に介在するダンパにより、電極リード棒の固定箇所を気密封止するシール部に生ずるランプ動作時のストレスが緩和されて、そのシール部に発光管リークを引き起こす亀裂が生ずることが防止されるので、ランプ寿命が飛躍的に向上するという効果がある。

本発明の最良の実施形態は、発光管の管端部に固定する電極リード棒が、その固定箇所を気密封止するシール部に生ずるランプ動作時のストレスを緩和するダンパを介して発光管の管端部に固定されたフラッシュランプであって、前記ダンパが先端に電極を設けた電極リード棒の外周部に装着され、アルミナチューブで成る発光管の管端部にその管端部を塞ぐ端板が固着されて、電極リード棒が、その外周部に装着された前記ダンパを前記端板に形成された孔に差し込んで固定されると共に、その固定箇所がシーリングガラスで気密封止され、また、前記ダンパが、電極リード棒の外周部にかぶせてその外周部の周囲に気密空間を形成するように装着された高融点金属製チューブの内部に発光管内のガス封入圧より高い圧力で不活性ガスが封入されたガスダンパで成るものである。

図１に示すフラッシュランプ１は、紫外線透過率が良くカラーセンターを生じ難いアルミナチューブで成る外径１０ｍｍ、内径８ｍｍの発光管２の両端に、一対の電極ユニット３Ｒ、３Ｌが設けられており、その一方の電極ユニット３Ｒは、外径２．４ｍｍのタングステンロッドで成る電極リード棒４Ｒの先端に、酸化トリウムを含有するトリエーテッドタングステンによって外周部が７ｍｍ径の円柱状、先端部が円錐状に成型加工された陰極となる電極５Ｒが設けられ、他方の電極ユニット３Ｌは、外径２．４ｍｍのタングステンロッドで成る電極リード棒４Ｌの先端に、直径７ｍｍ、長さ４０ｍｍに成形加工された陽極となる電極５Ｌが設けられている。なお、互いに対向する電極５Ｒ及び５Ｌ間の距離は２５０ｍｍとされている。

発光管２の管端部には、その管端部を塞ぐ端板６Ｒ、６Ｌが固着され、また、各電極ユニット３Ｒ、３Ｒは、発光管２の管端部に固定する電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部に、その固定箇所を気密封止するシール部７Ｒ、７Ｌに生ずるランプ動作時のストレスを緩和するダンパ８Ｒ、８Ｌが装着されており、各電極リード棒４Ｒ、４Ｌは、その外周部に装着されたダンパ８Ｒ、８Ｌを各端板６Ｒ、６Ｌに形成された孔９に差し込んで発光管２の管端部に固定されると共に、その固定箇所がシーリングガラスで成るシール部７Ｒ、７Ｌによって気密封止されている。そして、電極リード棒４Ｒ、４Ｌを固定した管端部が気密封止された発光管２の管内には、その管内を排気して４０ｋＰａのキセノンガスが封入されている。

各ダンパ８Ｒ、８Ｌは、電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部にかぶせてその外周部の周囲に気密空間１０を形成するように装着された高融点金属製チューブ１１の内部にガスを封入したガスダンパで成り、高融点金属製チューブ１１は、ニオブ、好ましくはジルコニウムを０．５％含有するニオブによって肉厚０．２ｍｍ、外径３ｍｍに成形され、その両端が、図２に示すように、各電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部にそれぞれ金ロウ１２でロウ付けして固定されると同時に気密封止されて、気密空間１０を形成するようになっており、気密空間１０を形成する高融点金属製チューブ１１の内部には、発光管２の管内に封入するガスと同じキセノンガスもしくはその他の不活性ガスが、発光管２の管内に封入するガスの圧力より高い８０ｋＰａの圧力で封入されている。なお、高融点金属製チューブ１１は、その両端を各電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部にレーザー溶接して固定してもよい。

発光管２の管端部に固着する端板６Ｒ、６Ｌは、外径１０ｍｍの発光管２の管端部を塞ぐことができる直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミナ製セラミックディスクで形成されると共に、該ディスクの中心部に、電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部に装着された外径３ｍｍの高融点金属製チューブ１１で成るダンパ８Ｒ、８Ｌを差し込むことができる直径３．２ｍｍの孔９が形成され、その孔９とこれに差し込んだダンパ８Ｒ、８Ｌとの間に生ずる隙間に溶融したシーリングガラスを注入して該シーリングガラスを冷却固化させることにより、発光管２の管端部を成す端板６Ｒ、６Ｌの孔９に電極リード棒４Ｒ、４Ｌがダンパ８Ｒ、８Ｌを介して固定されると同時に、その固定箇所を気密封止するシール部７Ｒ、７Ｌが形成されている。

図３はフラッシュランプ１の寿命試験に用いた点灯回路であって、該点灯回路は、充電用コンデンサ１３、充電用電源１４、波形調整用インピーダンス１５、半導体スイッチ１６、シマー放電用電源１７、シマー放電電流制御用インピーダンス１８とで構成され、シマー放電用電源１７から２０００Ｖの直流電圧が印加されるとランプが絶縁破壊し点灯する。このときシマー放電電流制御用インピーダンス１７によって１００ｍＡのシマー電流が流れ、ランプはフラッシュ点灯の待機状態になり、次に、充電用電源１４からコンデンサ１３に直流電圧が印加されて、２０００Ｊの充電エネルギーが蓄えられる（充電電圧４０００Ｖ、コンデンサ容量２５０μＦ）。そして、半導体スイッチ１６に点灯信号が入力されると、発光管２の放電空間内に形成される放電路に沿って、コンデンサ１３に蓄えられた電荷が一気に流れて、瞬間的に高強度の光パルスが発せられる。なお、電流は波形調整用インピーダンス１５で制御されるが、本寿命試験におけるピーク電流は２６００Ａ、半値幅４００μｓとした。

この点灯回路によりフラッシュランプ１を１秒間に２回の頻度で点灯動作させて、コンベアにより６ｍ／ｍｉｎの速度でランプ長手方向に連続的に搬送されるポリエチレン製の包装容器（深さ１００ｍｍ、底面径２０ｍｍ）に光パルスを照射すれば、黒麹カビ胞子を９９．９９９９％殺菌することができる。また、１０秒間に６回の頻度で点灯させると、発光管２内のキセノンガス圧は４０ｋＰａから８００ｋＰａまで急激な上昇と下降を繰り返す。

そして、フラッシュランプ１を点灯させた瞬間に、発光管２の放電空間で急激に熱膨張するキセノンガスの膨張圧が、発光管２の内面と、電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部に装着されて発光管２の管端部を成す端板６Ｒ、６Ｌに固定されたダンパ８Ｒ、８Ｌとに作用して、該ダンパ８Ｒ、８Ｌが圧縮変形するが、肉厚が０．２ｍｍと非常に薄い高融点金属製チューブ１１の内部にガスを封入したガスダンパで成るダンパ８Ｒ、８Ｌは、キセノンガスの膨張圧を吸収する弾性を有しているので、シール部７Ｒ、７Ｌを形成するシーリングガラスで端板６Ｒ、６Ｌに固定された箇所は殆ど変形しない。したがって、ランプ動作時に熱膨張するキセノンガスの膨張圧によってシール部７Ｒ、７Ｌに生ずるストレスが緩和され、シール部７Ｒ、７Ｌに亀裂が生ずることが防止される。

また、フラッシュランプ１の連発的な点灯動作によって、電極リード棒４Ｒ、４Ｌが過熱されても、その熱は、電極リード棒４Ｒ、４Ｌの外周部に装着されたダンパ８Ｒ、８Ｌの気密空間１０によって遮断されるため、その気密空間１０を形成する高融点金属製チューブ１１に伝わり難く、しかも、該チューブ１１は肉厚が薄いので、該チューブ１１の熱膨張によるストレスも著しく緩和される。これにより、図３の点灯回路を用いたフラッシュランプ１の寿命試験によれば、１５００万回の点灯でも安定した寿命特性を示すことが確認された。

また、図４に比較例として示す試作品のフラッシュランプ４０は、点灯初期であってもシーリングガラス４７Ｒ、４７Ｌに亀裂が生じて発光管リークにより不点灯となるものがあり、５００万回の点灯で発光管リークが起こる確率が約５０％にも達するのに対し、本発明のフラッシュランプ１は、５００万回程度の点灯では発光管リークは起こらず、安定した点灯特性を示した。

なお、ダンパ８Ｒ、８Ｌは、発光管２の管端部に固定される部分が肉厚の薄い高融点金属製チューブ１１で形成されているが、該チューブ１１は、その内部に発光管２内のガス封入圧より高い圧力でガスを封入することによって剛性が付与されているので、電極リード棒４Ｒ、４Ｌを所定の取付位置に保持することができる。

以上のように、本発明によれば、短いインターバルで連発的に点灯させても発光管リークが起こり難い長寿命のフラッシュランプが得られるので、フラッシュランプを用いた光パルス殺菌技術の実用化と普及に資することができるという大変優れた効果がある。

本発明に係るフラッシュランプの一例を示す縦断面図 図１に示すフラッシュランプの部分拡大断面図 フラッシュランプの点灯回路を示す図 比較例として示すフラッシュランプの試作品の縦断面図 従来のフラッシュランプを示す縦断面図

符号の説明

１ フラッシュランプ
２ 発光管
３Ｒ 電極ユニット
３Ｌ 電極ユニット
４Ｒ 電極リード棒
４Ｌ 電極リード棒
５Ｒ 電極
５Ｌ 電極
６Ｒ 端板
６Ｌ 端板
７Ｒ シール部（シーリングガラス）
７Ｌ シール部（シーリングガラス）
８Ｒ ダンパ
８Ｌ ダンパ
９ 孔
１０ 気密空間
１１ 高融点金属製チューブ
１２ 金ロウ

Claims (3)

1. 発光管の管端部に電極リード棒を固定してその固定箇所を気密封止するシール部が形成されたフラッシュランプにおいて、電極リード棒が、発光管内に封入されたガスの膨張圧によって前記シール部に生ずるランプ動作時のストレスを緩和するダンパを介して発光管の管端部に固定され、前記ダンパが、電極リード棒の外周部にかぶせてその外周部の周囲に気密空間を形成するように装着された高融点金属製チューブの内部にガスを封入したガスダンパで成ることを特徴とするフラッシュランプ。
2. 前記ダンパが電極リード棒の外周部に装着され、発光管の管端部にその管端部を塞ぐ端板が固着され、電極リード棒が、その外周部に装着された前記ダンパを前記端板に形成された孔に差し込んで固定されている請求項１記載のフラッシュランプ。
3. 電極リード棒の先端に電極が設けられたフラッシュランプ用電極ユニットにおいて、発光管の管端部に固定する電極リード棒の外周部に、発光管内に封入されたガスの膨張圧によって電極リード棒の固定箇所を気密封止するシール部に生ずるランプ動作時のストレスを緩和するダンパが装着され、当該ダンパが、電極リード棒の外周部にかぶせてその外周部の周囲に気密空間を形成するように装着された高融点金属製チューブの内部にガスを封入したガスダンパで成ることを特徴とするフラッシュランプ用電極ユニット。

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