JP5795043B2 - 殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、無水銀殺菌ランプおよび殺菌装置に関し、特に、キセノン（Ｘｅ）ガスとヨウ素蒸気とを放電媒体とする無水銀殺菌ランプ等に関する。

従来、食品包装材の殺菌や水の殺菌浄化等には、水銀蒸気が放電により発する紫外線を利用する低圧水銀ランプが用いられている。殺菌作用の分光特性が２６０［ｎｍ］付近にピーク値を有するため、２５３.７［ｎｍ］にピーク波長を有する低圧水銀ランプが適しているからである。
しかしながら、近年、環境保全の観点から水銀を用いない殺菌ランプが望まれており、その一つとして、ランプの放電容器にキセノン（Ｘｅ）ガスとヨウ素（Ｉ₂）蒸気とが放電媒体として封入されたヨウ化キセノンランプが知られている（特許文献１）。当該ヨウ化キセノンランプは、ヨウ化キセノンのエキシマ発光（ＸｅＩ，Ｂ→Ｘ遷移）のピーク波長が２５３［ｎｍ］であるため、前記低圧水銀ランプに代替するものとして期待されている。

特開２００２−１８４３２号公報

ところで、近年、食の安全性への関心の高まり等から、より高い殺菌性を有する殺菌ランプの開発が望まれている。この場合に、従来の殺菌ランプであれば、ランプへの投入電力を増大し、２５３［ｎｍ］およびその近傍の発光強度を高めることによっても殺菌力を増強することができるが、それでは、コストパフォーマンスが悪くなってしまう。
本発明は、上記した課題に鑑み、ランプへの投入電力を増大させることなく、それでいて高い殺菌性を有する無水銀殺菌ランプ、および当該無水銀殺菌ランプを有する殺菌装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る無水銀殺菌ランプは、キセノンガスとヨウ素蒸気とが封入された放電容器を有する無水銀殺菌ランプであって、前記放電容器が、ヨウ素原子（Ｉ^*）の発光波長領域の紫外線を透過する透光性材料で形成されていることを特徴とする。
また、前記透光性材料は、少なくとも１７８［ｎｍ］以上の波長領域の紫外線を透過することを特徴とする。

さらに、前記透光性材料は、石英ガラスからなることを特徴とする。
上記の目的を達成するため、本発明にかかる殺菌装置は、上記した無水銀殺菌ランプと、当該無水銀殺菌ランプを点灯駆動する交流電源とを有し、前記交流電源が、４０［ｋＨｚ］〜８０［ｋＨｚ］の範囲の点灯周波数で前記無水銀殺菌ランプを点灯駆動することを特徴とする。

上記構成からなる無水銀殺菌ランプによれば、２５３［ｎｍ］にピーク波長を有するヨウ化キセノンのエキシマ発光（ＸｅＩ，Ｂ→Ｘ遷移）に加え、これよりも短波長領域に存する、ヨウ素原子（Ｉ^*）が発する紫外線を殺菌対象に照射することができる。当該無水銀殺菌ランプが従来の低圧水銀ランプよりも高い殺菌性を示すことは、後述する実験により明らかになっている。これは、ＤＮＡの光吸収スペクトルのピーク波長が２６０［ｎｍ］付近に加え、２００［ｎｍ］付近に存するところ、１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］範囲と２０６.２［ｎｍ］で発光するヨウ素原子（Ｉ^*）の紫外線が対象菌の殺菌に寄与しているからであると思われる。

（ａ）は、実施の形態に係る誘電体バリア放電ヨウ化キセノンエキシマランプの概略構成を示す縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ・Ａ線断面図である。 各種ガラス材料の透過率曲線を示す図である。 内側電極を構成する金属材料の違いによる効率等についての実験結果を示す図である。 上記ヨウ化キセノンランプへの投入電力に対する放射パワーと効率の変化を、交流波形や点灯周波数を変えて実験した結果を示す図である。 キセノン（Ｘｅ）の封入圧（封入量）に対する紫外線（ＵＶ）パワーの変化の様子を調べた実験結果を示す図である。 上記ヨウ化キセノンランプの発光スペクトルをＤＮＡの光吸収スペクトルと共に示す図である。 上記ヨウ化キセノンランプの発光スペクトル（ＶＵＶ〜ＵＶ領域）の強度分布値を示す図である。 従来の低圧水銀ランプ（比較ランプ）の発光スペクトルを示す図である。 上記ヨウ化キセノンランプにおいて、点灯周波数を変化させた場合の、Ｉ^*（２０６.２［ｎｍ］）の発光強度とＸｅＩ^*（２５３［ｎｍ］）の発光強度、および両者の比率の変化の様子を示した図である。 上記比較ランプと上記ヨウ化キセノンランプを用いて、ペトリ皿中の芽胞懸濁液に紫外線を照射した場合における、生存曲線を示す図である。 上記ヨウ化キセノンランプを用いた殺菌において、照射した紫外線量による菌の増殖の違いを示す図（写真）である。 流水中の菌の殺菌実験をするための装置の概略構成を描いた図である。 上記ヨウ化キセノンランプを用い、流水中の菌に紫外線を照射した場合における生存曲線を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜ランプ構成＞
図１（ａ）は、実施の形態に係る誘電体バリア放電ヨウ化キセノンエキシマランプ１０（以下、単に「ランプ１０」と言う。）の概略構成を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ・Ａ線断面図である。なお、図１および後掲する図１２において、各部材間の縮尺は統一していない。

ランプ１０は、内管１２と外管１４とが同軸上に配されてなる二重管構造をした放電容器１６を有するランプである。内管１２と外管１４とは、溶融石英ガラスで形成されている。当該溶融石英ガラスの波長による紫外線透過率を図２において実線で示す。なお、この紫外線透過率については後述する。
図１に戻り、内管１２と外管１４の両端は閉じられていて（封止されていて）、両者の間で放電空間１８が形成されている。外管１４の外径と放電ギャップ長ｄ（即ち、外管１４の内径と内管１４の外径との差の半分）については後述する。

放電空間１８には、放電用ガスとして、キセノン（Ｘｅ）ガスが、例えば、１３.３[ｋＰａ]封入されている。
外管１４の一端部外周には、有底筒状をしたヨウ素（Ｉ₂）ガス導入管２０（以下、単に「導入管２０」と言う。）が設けられている。導入管２０内部と放電空間１８とは、外管１４に開設された連通孔２２を介して連通している。導入管２０には、ランプ１０の製造過程で所定量の固体ヨウ素（Ｉ₂）がガラスカプセル２４に封入された形で投入され、その後、当該ガラスカプセル２４を割ることによって、固体ヨウ素Ｉ₂が、ヨウ素蒸気（ガス）となって、放電空間１８へと拡散していく。ランプ１０の放電空間１８には、前記キセノン（Ｘｅ）ガスに加え、ヨウ素（Ｉ₂）蒸気が、例えば、０.０４[ｋＰａ]封入されている。

内管１２の内周面に、内側電極２６が設けられている。内側電極２６は、金属製の円筒部材からなり、当該円筒状部材の外周面が内管１２の内面に密着されて構成されている。当該円筒部材の構成については後述する。
一方、外管１４の外周面には、外側電極２８が設けられている。外側電極２８は、０.１[ｍｍ]径のニッケル（Ｎｉ）線が、２[ｍｍ]ピッチで螺旋状に、管軸方向Ｌ１＝１０[ｃｍ]に渡って、外管１４の外周面に密着して巻回されてなるものである。このような細い金属線を用いることで、放電空間１８からランプ１０外部へ放出される光の通過性を確保することができる。本例の場合、通過性は９５[％]である。なお、ランプ１０の有効発光領域（active area）は、管軸方向の外部電極２８の長さ（Ｌ１）で規定される。

本願発明者らは、基本的には上記の構成からなるランプ１０を用い条件を種々に変えて実験を実施した。
＜交流電源＞
ランプ１０には、内側電極２６と外側電極２８に接続された交流電源３０によってランプ１０を点灯させるために交流電力が供給される。用いた交流電源は以下の４つである。

（１）ＡＣ電源ＰＳ０：型番Ａｓ−１１４Ｂ（NF Electronic Instruments 社製)、仕
様：Ｕ＝０〜３.３[ｋＶｒｍｓ]、Ｉ＝０〜２０[ｍＡｒｍｓ]、ｆ＝２５[ｋＨｚ]〜１５
９.９[ｋＨｚ]
（２）バイポーラ・パルス電源ＰＳ１：最大振幅Ｕ＝０〜４.４[ｋＶ]、立上がり時間０.９[μｓ]、立下がり時間０.６[μｓ]、ｆ＝２１.５[ｋＨｚ]〜１１５[ｋＨｚ]
（３）ユニポーラ・パルス電源ＰＳ２（高速高電圧トランジスタープッシュプルスイッチ型番・HTS 31-01-GSM (Behlke 社製)を使用）：Ｕ＝０〜３[ｋＶ]、立上がり時間６０[ｎｓ]、立下がり時間４０[ｎｓ]、ｆ＝１０[ｋＨｚ]
（４）ユニポーラ・パルス電源ＰＳ３（プッシュプルスイッチ・型番HTS 81-06-GSM (Behlke 社製)を使用）：Ｕ＝０〜８[ｋＶ]、立上がり時間１６０[ｎｓ]、立下がり時間６０[ｎｓ]、ｆ＝１０[ｋＨｚ]〜８０[ｋＨｚ]
＜ランプ実験＞
（１）内側電極
内側電極２６(図１)を構成する円筒部材に種々の金属材料を用い、その各々について効率を調べた。ここで、効率[％]とは、投入電力[Ｗ]に対する紫外線（ＵＶ）放射パワー[Ｗ]の比率をいう。当該放射パワーは、ランプ１０から１０[ｃｍ]の距離において、２×２[ｃｍ²]の光学絞り（diaphragm）を用いて測定した。なお、実験に供したランプ１０における、キセノンとヨウ素の封入量は、Ｘｅ/Ｉ₂＝１３.３[ｋＰａ]/０.０４[ｋＰａ]である。また、交流電源には、前記ＡＣ電源ＰＳ０を用いた。

準備した内側電極（円筒部材）は、以下の７種類である。
（ａ）Ｎｉ：厚さ０.１［ｍｍ］のニッケルの薄板を２枚重ね、これを円筒状に丸めたものを、内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。２枚重ねにしたのは、後記する銅およびアルミニウムの薄板との厚みを揃えるためである。
（ｂ）Ａｌ foil：市販の食品パッケージ用アルミ箔（厚さ０.０１２[ｍｍ]）の光沢面を外側にして円筒状に丸め、内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。

（ｃ）Ｃｕ：銅の薄板（厚さ０.２[ｍｍ]）を、円筒状に丸め、内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。
（ｄ）Ａｌ：円筒状に丸めたアルミニウムの薄板（厚さ０.２[ｍｍ]）を、内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。
（ｅ）Ａｌ＋Ａｌ foil：アルミニウムの薄板（厚さ０.２[ｍｍ]）に、市販の食品パッケージ用アルミ箔（厚さ０.０１２[ｍｍ]）の非光沢面側を重ねたものを、アルミ箔が外側になるように円筒状に丸め、これを内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。

（ｆ）Ｃｕ＋Ａｌ foil：銅の薄板（厚さ０.２[ｍｍ]）に、市販の食品パッケージ用アルミ箔（厚さ０.０１２[ｍｍ]）の非光沢面側を重ねたものを、アルミ箔が外側になるように円筒状に丸め、これを内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。
（ｇ）Ｎｉ＋Ａｌ foil：ニッケルの薄板（厚さ０.１［ｍｍ］を２枚重ねたもの）に、市販の食品パッケージ用アルミ箔（厚さ０.０１２[ｍｍ]）の非光沢面側を重ねたものを、アルミ箔が外側になるように円筒状に丸め、これを内管１２（図１）に挿入して、内管１２内周面に密着させたもの。

実験結果を図３に示す。
実験結果から（ａ）Ｎｉ、（ｃ）Ｃｕ、（ｄ）Ａｌの中では、（ｄ）Ａｌが最も高い効率を示すことが分かる。これは、内側電極の紫外線（ＵＶ）反射率の違いに因るものであると思われた。そこで、本願発明者らは、（ｂ）Ａｌ foilの内側電極の外周面をアクリルラッカーで黒く塗ったものを準備し、当該黒塗りの内側電極でも実験を行った（実験結果は不図示）。その結果、黒塗りの内側電極は、（ｂ）Ａｌ foilの内側電極よりも紫外線（ＵＶ）放射パワーが２０[％]少なくなることが分かった。これにより、内側電極の紫外線（ＵＶ）反射率が、効率に影響を及ぼすことが確認できた。

また、（ｅ）Ａｌ＋Ａｌ foil、（ｆ）Ｃｕ＋Ａｌ foil、（ｇ）Ｎｉ＋Ａｌ foilの中
では、（ｆ）Ｃｕ＋Ａｌ foilが最も高い効率を示すことが分かる。これは、エキシマ発
光する放電媒体にあっては、過熱状態になると効率が低下するところ、内側電極の芯になっているＡｌ，Ｎｉ，Ｃｕの内、Ｃｕが最も熱伝導率が良いので、適度な冷却効果が発揮されているためであると考えられる。

以上、実験した範囲において、内側電極としては、（ｆ）Ｃｕ＋Ａｌ foilが最も適していると考えられる。なお、（ｅ）Ａｌ＋Ａｌ foil、（ｇ）Ｎｉ＋Ａｌ foilは、（ｆ）Ｃｕ＋Ａｌ foilよりも若干効率は下がるものの、実使用上は問題ないものと思われる。
上記の結果を踏まえ、以下の実験において内側電極は、（ｆ）Ｃｕ＋Ａｌ foilを用いた。
（２）放電ギャップ長ｄ
本願発明者らは、異なる放電ギャップ長ｄ（図１）のランプを作製し、その各々について紫外線（ＵＶ）放射パワー[ｍＷ]を測定し、比較した。放電ギャップ長ｄは、ｄ＝２[ｍｍ]、ｄ＝７.４[ｍｍ]とした。

各々のギャップ長ｄに対応する外管と内管の寸法を以下に記す。
（i）放電ギャップ長ｄ＝２［ｍｍ］
外管：外径１７.７［ｍｍ］、内径１５.１［ｍｍ］（肉厚１.３［ｍｍ］）
内管：外径１１.１［ｍｍ］、内径９.０［ｍｍ］（肉厚１.０５［ｍｍ］）
（ii）放電ギャップ長ｄ＝７.４［ｍｍ］
外管：外径３０.０［ｍｍ］、内径２６.８［ｍｍ］（肉厚１.６［ｍｍ］）
内管：外径１２.０［ｍｍ］、内径９.２［ｍｍ］（肉厚１.４［ｍｍ］）
また、本願発明者らは、放電ギャップ長が９［ｍｍ］のランプも作製した。

（iii）放電ギャップ長＝９［ｍｍ］
当該ランプは、二重管ではなく単管構造とした。上記（i）,（ii）と同じ溶融石英ガラスからなるガラス管の両端が封止されてなる放電容器に上記（i）,（ii）と同じ量のキセノン（Ｘｅ）ガスとヨウ素（Ｉ₂）蒸気が封入されている。なお、当該ガラス管の外径は１１.１［ｍｍ］、内径は９.０［ｍｍ］（肉厚１.０５［ｍｍ］）である。

放電容器の外周面には、長さ１０［ｃｍ］、幅５［ｃｍ］のアルミニウムテープ２枚の各々を放電容器の長手方向に沿わせ、当該２枚が放電容器をはさんで対向するように貼着されている。当該アルミニウムテープが外部電極を構成している。なお、この場合の放電ギャップ長は、放電容器（ガラス管）の内径である９.０［ｍｍ］となる。
実験の結果、放電ギャップ長＝２[ｍｍ]、放電ギャップ長＝９[ｍｍ]のランプの紫外線（ＵＶ）放射パワー[ｍＷ]は、放電ギャップ長＝７.４[ｍｍ]のランプの１/３〜１/５であることが分かった。すなわち、大きな紫外線（ＵＶ）放射パワー[ｍＷ]を得るためには、放電ギャップ長は、長すぎることは勿論、短すぎてもだめであることが判明した。

以上の結果を踏まえ、以下の実験は、放電ギャップ長ｄ＝７.４[ｍｍ]のランプで実施した。
（３）交流電源
本願発明者らは、交流電源の波形や周波数の異なる電源でランプ１０を点灯させ、投入電力[Ｗ]に対する単位面積当たりの紫外線（ＵＶ）放射パワー[ｍＷ/ｃｍ²]と効率[％]について調査した。なお、実験に供したランプ１０における、キセノンとヨウ素の封入量は、Ｘｅ/Ｉ₂＝１３.３[ｋＰａ]/０.０４[ｋＰａ]である。

使用した交流電源は、上述したＡＣ電源ＰＳ０、バイポーラ・パルス電源ＰＳ１、ユニポーラ・パルス電源ＰＳ２、ユニポーラ・パルス電源ＰＳ３である。
実験結果を図４に示す。
図４から、ＡＣ電源ＰＳ０を用いて投入電力を増大させると、放射パワーは、略直線的に上昇することが分かる。

また、ユニポーラ・パルス電源ＰＳ２を用いて得られる効率は、ＡＣ電源ＰＳ０を用いて得られる効率よりもはるかに高いことが分かる。
なお、図４には示していないが、ユニポーラ・パルス電源ＰＳ３を用い、周波数８０[ｋＨｚ]で点灯させたところ、１０.３[ｍＷ/ｃｍ²]の放射パワーと５[％]〜８[％]の効率が得られた。
（４）キセノン封入圧
本願発明者らは、キセノン封入圧に対する紫外線（ＵＶ）パワーの変化の様子を調査した。キセノン封入圧（封入量）の異なる供試ランプを準備し、その各々を、バイポーラ・パルス電源ＰＳ１を用い、４.２[ｋＶ]、ｆ＝６０[ｋＨｚ]、デューティ比５０[％]で点灯駆動した。

ここで、ヨウ素（Ｉ₂）の蒸気圧は０.０４[ｋＰａ]と一定とし、キセノン（Ｘｅ）の封入圧[ｐ(Ｘｅ)]を変化させた。
実験の結果、紫外線（ＵＶ）パワーは、キセノンの圧力が１３〜１４[ｋＰａ]までは、は単調に増加した後、減少に転じ、４０[ｋＰａ]に達すると放電しなくなることが認められた。したがって、２５[ｋＰａ]付近までの実験結果について図５に示す。

１２[ｋｖ]よりも低い低圧領域においては、一様な放電が認められた。１２[ｋＰａ]〜１５[ｋＰａ]の領域では、一様な放電に加え複数のフィラメント放電が認められた。１５[ｋＰａ]を超えると複数の明るいフィラメント放電が認められ、その数はキセノン圧の上昇とともに減少した。
図５に示す実験結果から、ヨウ素（Ｉ₂）の封入量が一定の場合には、キセノン（Ｘｅ）の封入量を１２[ｋＰａ]以上１５[ｋＰａ]以下に設定することが、多くの紫外線（ＵＶ）パワーを得るためには好ましいことが分かる。また、供試ランプの中では、１３.３[ｋＰａ]のキセノン（Ｘｅ）の封入量（封入圧）のものの紫外線（ＵＶ）パワーが最高であった。

以上の結果を踏まえ、以下の実験におけるキセノンの封入量（封入圧）は、１３.３[ｋＰａ]とした。
（５）発光スペクトル
上記「（４）キセノン封入圧」の実験におけるキセノンの封入量（封入圧）が、１３.３[ｋＰａ]の供試ランプの発光スペクトルを図６に、発光スペクトル（ＶＵＶ〜ＵＶ領域）の強度分布値を図７に示す。なお、図６中、一点鎖線で示すのは、ＤＮＡの紫外線吸収率（相対値）曲線である。

Ｘｅ/Ｉ₂＝１３.３[ｋＰＡ]/０.０４[ｋＰａ]のランプ１０の発光スペクトルは、図６に示すように、殺菌性のある領域（１８０［ｎｍ］〜３００［ｎｍ］）において、１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］（ピーク値：１７８.３［ｎｍ］、１７９.９［ｎｍ］、１８３.０［ｎｍ］、１８４.４［ｎｍ］、１８７.６［ｎｍ］）の範囲と２０６.２［ｎｍ］とにヨウ素原子（Ｉ^*）の発光、ＸｅＩ（Ｂ→Ｘ、λｍａｘ＝２５３［ｎｍ］）、ＸｅＩ（Ｃ→Ａ、λｍａｘ＝２６５［ｎｍ］）にエキシマ発光、そして、２７０［ｎｍ］〜２８０［ｎｍ］の範囲でＩ₂ ^*の微かな発光が認められた。

このように、ランプ１０から１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］、および２０６.２［ｎｍ］波長の紫外光が取り出せるのは、図２において実線で示した透過率曲線を有するガラス材料を外管１４（図１）に用いたからである。
従来の殺菌用ヨウ化キセノンランプは、２５３.７［ｎｍ］にピーク波長を有する低圧水銀ランプの代替品との位置づけから、当該低圧水銀ランプに用いられるガラス材料をその放電容器に用いている。すなわち、２５３［ｎｍ］およびその付近の紫外光が透過すれば良いとの観点から、図２において、破線で示すような透過率曲線を有するガラス材料を使用している。なお、破線は、従来の殺菌ランプに用いられているガラス材料の代表的なものの一例として示す、Vycor 7913（コーニング社製）の透過率曲線である。

破線の透過率曲線から分かるように、従来、殺菌ランプの放電容器に用いられているガラス材料は、２００［ｎｍ］以下の紫外光をほとんど透過しない。
これに対し、実施の形態に係るランプ１０の放電容器１６（図１）は、１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］（ピーク値：１７８.３［ｎｍ］、１７９.９［ｎｍ］、１８３.０［ｎｍ］、１８４.４［ｎｍ］、１８７.６［ｎｍ］）の範囲のヨウ素原子（Ｉ^*）の発光による殺菌力をも利用すべく、実線で示すような、すくなくとも１７８［ｎｍ］以上の波長領域の紫外線を透過するガラス（以下、「供試ガラス」と言う。）材料を放電容器に用いることとしたのである。

なお、放電容器に用いるガラス材料としては、図２の実線で示すものに限らず、短波長領域の紫外線の透過率がさらに高い、一点鎖線で示す透過率曲線を有するものを用いても良い。なお、一点鎖線は、実線よりもさらに高い透過率を有するガラス材料の一例として示す、Suprasil 311,312（ヘレウス社製）の透過率曲線である。
前記Suprasil 311,312は合成石英ガラスである。Vycor 7913と供試ガラスとは、共に溶融石英ガラスであるが、供試ガラスは、Vycor 7913よりも不純物をより多く除去したものであり、そのため、より短波長域の紫外線の透過率が向上している。

比較のためのランプとして、市販されている低圧水銀ランプ（形名：ＧＬ４、東芝ライテック株式会社製）の発光スペクトルを図８に示す。当該低圧水銀ランプ（以下、「比較ランプ」と言う。）は、図８に示すように、λ＝２５３.７［ｎｍ］の共鳴線に集中する単放射特性を有する。
ランプ１０と比較ランプの殺菌性に関する比較実験については後述する。
（６）点灯周波数
本願発明者らは、点灯周波数を変化させた場合、Ｉ^*（２０６.２［ｎｍ］）の発光強度とＸｅＩ^*（２５３［ｎｍ］）の発光強度がどのように変化するのかを調査すべく実験を実施した。

実験結果を、図９に示す。図９において、横軸は点灯周波数[ｋＨｚ]を、左側の縦軸は１０[ｋＨｚ]における、Ｉ^*（２０６.２［ｎｍ］）の発光強度とＸｅＩ^*（２５３［ｎｍ］）の発光強度とをそれぞれ「１」としたときの各々の相対放射強度を示している。図中、ＸｅＩ^*（２５３［ｎｍ］）の発光強度は「●」で、Ｉ^*（２０６.２［ｎｍ］）の発光強度は「■」で、それぞれプロットした。右側の縦軸は、Ｉ^*（２０６.２［ｎｍ］）の発光強度をＸｅＩ^*（２５３［ｎｍ］）の発光強度で除した値を示しており、当該値は、図中「▲」でプロットした。

図９から、１０[ｋＨｚ]から８０[ｋＨｚ]まで点灯周波数を変化させると、ＸｅＩ^*（２５３[ｎｍ]）の放射強度は、おおむね直線的に５倍に増大する。
一方、Ｉ^*（２０６[ｎｍ]）放射強度は、４０［ｋＨｚ］までおおむね直線的に増大し、４０［ｋＨｚ］からその増加率が急上昇する。そして、７０［ｋＨｚ］〜８０［ｋＨｚ］で増加率が鈍化するため、８０［ｋＨｚ］を超えると、あまり発光強度の増加は望めないと思われる。また、詳細なデータは省略するが、効率は６０[ｋＨｚ]で最高値を示し、７０[ｋＨｚ]、８０[ｋＨｚ]と周波数が高くなるほど低下することが確認されている。よって、ランプ１０は、４０［ｋＨｚ］〜８０［ｋＨｚ］の範囲で点灯駆動させることが好ましい。

また、点灯周波数を高くしていった場合の、ＸｅＩ^*（２５３[ｎｍ]）の放射強度とＩ^*（２０６[ｎｍ]）放射強度と増加割合が異なるため（最終的に、ＸｅＩ^*（２５３[ｎｍ]）の放射強度は５倍に、Ｉ^*（２０６[ｎｍ]）放射強度は、１９倍になる）、点灯周波数を変化させることによって両者の強度比を調整することが可能である。したがって、殺菌対象となる細菌の種類に応じて交流電源による点灯周波数を切り替えることにより効果的に対象菌を殺菌できる可能性がある。また、殺菌対象物中に、複数種の細菌（殺菌に効く波長の異なる細菌）が存在する場合には、当該殺菌に効く波長の範囲で、交流電源による点灯周波数を周期的に変化させることにより、効果的な殺菌が期待できる。

以上の結果を踏まえ、以下の殺菌実験は、実験範囲で最も効率の高い６０[ｋＨｚ]の周波数でランプ１０を点灯することとした。
＜殺菌実験＞
本願発明者らは、ランプ１０（Ｘｅ/Ｉ₂＝１３.３[ｋＰＡ]/０.０４[ｋＰａ]）を点灯周波数６０[ｋＨｚ]で点灯させ殺菌実験を行った。このとき用いた交流電源は、バイポーラ・パルス電源ＰＳ１である。

対象菌としては、耐性の高い細菌として知られている枯草菌芽胞「Bacillus Subtilis ＡＴＣＣ６６３３芽胞」（Eiken Chemical Co.）を採用した。当該枯草菌の芽胞懸濁液として、菌数が１０⁷[ＣＦＵ/ｍｌ]に調整されたものを用いた。
（１）ペトリ皿を用いた実験
本実験では、比較対象として前記比較ランプ（ＧＬ４、東芝）による殺菌実験も実施した。

前記芽胞懸濁液が１.５[ｍｌ]溜められたペトリ皿に、当該ペトリ皿底面と平行に設置したランプ１０または比較ランプによって、数秒から１分の照射時間で、紫外線を照射した。ランプ１０および比較ランプとペトリ皿との距離は、５[ｃｍ]とした。また、ランプ１０に関しては、ペトリ皿との距離を２[ｃｍ]に設定しても実施した。
ランプ１０から２[ｃｍ]、５[ｃｍ]の距離における紫外線照度は、それぞれ、１.７１[ｍＷ/ｃｍ²]、０.７６[ｍＷ/ｃｍ²]であった。

比較ランプから５[ｃｍ]の距離における紫外線照度は１.６[ｍＷ/ｃｍ²]であった。したがって、ランプ１０と等距離における紫外線量[ｍＪ/ｃｍ²]を等しいものとするため
、比較ランプによる紫外線の照射時間は、ランプ１０よりも短くした。
ペトリ皿の中で所定時間紫外線が照射された芽胞懸濁液を１０³倍に希釈し、希釈液の少量を、シャーレ（Sterile S ｓhale，Eiken Chemical Co.）に収納された標準寒天培地（Parlkore, Eiken Chemical Co.）上に均一に塗沫して、培養した。培養条件は、３７[℃]で４８[時間]とした。

希釈率と培養後における寒天培地上のコロニーの計数値とから、生菌率（生存菌数[ＣＦＵ]/初発菌数[ＣＦＵ]）を算出した。
実験結果を図１０に示す。
図１０中、比較ランプによる生菌率を「■」で、ランプ１０のペトリ皿との距離が５[ｃｍ]の場合の生菌率を「▲」で、ランプ１０のペトリ皿との距離が２[ｃｍ]の場合の生菌率を「▼」で、それぞれプロットした。

図１０から分かるように、実験範囲において、ランプ１０では、生菌率１０^-6レベルを超える殺菌性が発揮されることが確認された。
なお、図１０には示していないが、ランプ１０による完全殺菌（１００[％]殺菌）は、紫外線量が５０[ｍＪ/ｃｍ²]〜５５[ｍＪ/ｃｍ²]を超えると達成された。
また、ランプ１０のＤ値（Decimal Reduction Value）は、約５[ｍＪ/ｃｍ²]〜８[ｍＪ/ｃｍ²]であった。

図１０から、ランプ１０は、比較ランプよりも高い殺菌性を有することが分かるが、例えば、生菌率１０^-4レベルを達成するのに必要な紫外線量は、比較ランプが４０[ｍＪ/ｃｍ²]であるのに対し、ランプ１０は２２[ｍＪ/ｃｍ²]〜２５[ｍＪ/ｃｍ²]であった。
また、略１５[ｍＪ/ｃｍ²]以上では、紫外線量が同じであれば、ランプ１０の生菌率は比較ランプよりも低い（すなわち、殺菌性が高い）ことが分かる。比較ランプのピーク波長が２５３.７［ｎｍ］のみであるのに対し、ランプ１０のピーク波長が２５３［ｎｍ］に加え、１７８［ｎｍ］〜２０７［ｎｍ］の範囲に存することから判断して、当該１７８［ｎｍ］〜２０７［ｎｍ］といった短波長領域の紫外線の殺菌性が高いためであると考えられる。

この点について確認するため、ランプ１０のペトリ皿との距離を５[ｃｍ]に加え、２[ｃｍ]でも実験を行った。すなわち、上記短波長領域の紫外線は空気に吸収されやすいため、ランプ１０をペトリ皿（芽胞懸濁液）に近づけることにより、当該短波長領域の紫外線の芽胞懸濁液に対する照射量を増大させるためである。
図１０における、ランプ１０の、ペトリ皿からの距離が５[ｃｍ]の場合と２[ｃｍ]の場合とを比較すると、同じ生菌率の殺菌性を達成するのに必要な紫外線量[ｍＪ/ｃｍ²]は、２[ｃｍ]の場合の方が５[ｃｍ]の場合よりも少なくて済むことがわかる。これにより、ランプ１０における、１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］領域と２０６.２［ｎｍ］におけるＩ^*発光が殺菌に寄与していることが確認されたと考えられる。

さらに、１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］領域と２０６.２［ｎｍ］におけるＩ^*発光が殺菌効果を向上させる理由として以下の点が推察される。すなわち、細菌は、ピーク波長２５３.７［ｎｍ］の単一波長の照射（比較ランプによる紫外線照射）に適応して、耐性を有する変異体（resistant mutants）を生成する。しかしながら、複数の波長の紫外線の照射（ランプ１０による紫外線照射）に対しては、細菌が前記変異体を生成するのが困難になるからであると思われるからである。

図１１に、実験に供された寒天培地の写真を示す。図１１（ａ）、（ｂ）の左側は、紫外線未照射の前記芽胞懸濁液を１０³倍に希釈したものの、３７[℃]で４８[時間]培養後の写真である。
図１１（ａ）の右側は、２２.８[ｍＪ/ｃｍ²]の紫外線量照射後の結果であり。図１１（ｂ）の右側は、４５.６[ｍＪ/ｃｍ²]の紫外線量照射後の結果である。
（２）流水殺菌装置を用いた実験
ペトリ皿を用いた上記実験は、滞留する水中に存する枯草菌芽胞に対する殺菌性を調査したが、本実験では、流水中に存する枯草菌芽胞に対する殺菌性を調査した。

当該実験に用いた殺菌装置４０の概略構成を図１２に示す。
前記芽胞懸濁液を１[ｌ]貯留するステンレス製の水槽４４から、当該懸濁液４２がチューブポンプ（Masterflex,Cole Parmer Instrument Co.）４６によって、５.４[ｌ/ｍｉｎ]の流速で汲み上げられる。汲み上げられた芽胞懸濁液は、幅９０[ｍｍ]で、図示のように傾斜したステンレス製の平板４８上に流出される。

平板４８上で、芽胞懸濁液は幅９０[ｍｍ]で深さ０.５[ｍｍ]の均一な層となって流れ、その後、水槽４４に還流する。
一方、平板４８の上方には、平板４８との垂直方向の距離が４[ｃｍ]の位置に、ホルダー５０に支持されてランプ１０が配置されている。なお、ホルダー５０によってランプ１０が直接的に支持されているのは、紫外線照射の妨げにならないランプ１０端部である。

また、ランプ１０の上方には、ランプ１０を冷却するためのクーリングファン５２が設けられている。クーリングファン５２で冷却するのは、ランプ１０の点灯中の温度を可能な限り一定に維持し、キセノン（Ｘｅ）ガスの圧力やヨウ素（Ｉ₂）の蒸気圧を一定に保持するためである。
ランプ１０から側方に、カバー５４が設けられている。これは、クーリングファン５２がもたらす風によって運ばれる、空気中のミクロフローラ（microflora）が水槽４４中の芽胞懸濁液４２に入りこまないように遮蔽するためである。なお、「（１）ペトリ皿を用いた実験」の項では言及しなかったが、ペトリ皿を用いた実験においても、クーリングファンを用い、ランプ１０には、ペトリ皿の中の芽胞懸濁液にミクロフローラ（microflora）が侵入するのを防止するためカバー５４と同様のカバーを取り付けた。

なお、流水装置を用いた実験は、カバー５４を取り外した状態においても行った。
上記殺菌装置４０を用い、平板４８上を流れる芽胞懸濁液４２に、ランプ１０によって１［ｍｉｎ］〜１０［ｍｉｎ］の間、紫外線を照射した。
そして、上記「（１）ペトリ皿を用いた実験」で説明したのと同様な手法で、生菌率（生存菌数[ＣＦＵ]/初発菌数[ＣＦＵ]）を求めた。

その結果を図１３に示す。図１３において、カバー５４（図１２）を設けた場合の生菌率を「◇」で、カバー５４無しの場合の生菌率を「◆」で、それぞれプロットした。
図１３から分かるように、流水中の枯草菌芽胞に対しても殺菌性が認められた。これは、ランプ１０が水の殺菌浄化システムにも好適に用いることができることを示唆している。

また、カバー５４の有無にかかわらず同様な結果となった。これは、カバー無しの場合、芽胞懸濁液４２の中にミクロフローラ（microflora）が侵入していたと仮定すると、ランプ１０は、当該ミクロフローラ（microflora）を死滅させる効果をも発揮したと考えられる。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記した形態に限らないことは勿論であり、例えば、以下のような形態とすることも可能である。

上記実施の形態では、本発明を誘電体バリア放電ランプに適用した例を示したが、これに限らず、本発明は、熱陰極ランプや冷陰極ランプにも適用可能である。
また、上記実施の形態では、放電容器を溶融石英ガラスや合成石英ガラスなどのガラス材料で形成したが、これに限らず、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）等の他の透光性材料で形成しても構わない。要は、ヨウ素原子（Ｉ^*）の発光波長領域の紫外線（特に、１７８［ｎｍ］以上の波長領域の紫外線）を透過する透光性材料であれば良いのである。

本願発明に係る無水銀殺菌ランプは、食品包装材の殺菌や水の殺菌浄化に好適に利用可能である。

１０ 誘電体バリア放電ヨウ化キセノンエキシマランプ
１６ 放電容器
４０ 殺菌装置

Claims (2)

1. キセノンガスとヨウ素蒸気とが封入された放電容器を有する無水銀殺菌ランプと、前記無水銀殺菌ランプを点灯駆動する交流電源と、を備え、
   前記放電容器が、ヨウ素原子（Ｉ^*）の発光波長１７８［ｎｍ］〜１８８［ｎｍ］、および２０６.２［ｎｍ］の領域を含む、少なくとも１７８［ｎｍ］以上の波長領域の紫外線を透過する石英ガラスで形成され、
   前記交流電源は、前記無水銀殺菌ランプの点灯周波数を周期的に変化させることで、ヨウ化キセノンの発光とヨウ素原子の発光との比率を周期的に変化させることを特徴とする殺菌装置。
2. 前記交流電源は、４０［ｋＨｚ］〜８０［ｋＨｚ］の範囲の点灯周波数で前記無水銀殺菌ランプを点灯駆動することを特徴とする請求項１に記載の殺菌装置。