CN102129952A - 高压气体放电灯的冷却装置和聚光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压气体放电灯的冷却装置，包括半导体制冷器，位于所述高压气体放电灯的阴极；半导体制冷器与高压气体放电灯的阴极进行热交换，降低阴极部位的温度；气流产生装置，用以产生冷却气流；导流装置，引导冷却气流至高压气体放电灯的阳极和玻璃泡，与高压气体放电灯的阳极和玻璃泡部分进行热交换，将热气排出。本发明的另外一个目的是提供一种具有冷却装置的聚光器，所述聚光器上相对所述高压气体放电灯玻璃泡的一面有水冷散热器。所述水冷散热器由三个沿所述聚光器中心轴线对称布置的三个独立水冷散热器组成。所述独立水冷散热器与所述聚光器之间有导热胶。

Description

高压气体放电灯的冷却装置和聚光器

技术领域

本发明涉及高压气体放电灯，具体涉及高压气体放电灯的冷却装置和聚光器。

背景技术

在投影曝光设备如半导体器件IC/LED制造/投影设备/医疗器械等制造技术中，常常需要使用达上千瓦或更大功率的高压气体放电灯。在其他条件不变的情况下，更大功率的光源意味着更大的曝光产率，有利于提高半导体器件等的制造效率。

高压气体放电灯必须工作在沿其轴线方向温度可控制的环境中，以保证其发光效率和使用寿命，同时在大多数情况下，将其置于一个聚光器件的焦点上以得到具有较高光功率密度和均匀性的出射光源，此聚光器件一般由内表面镀反射膜的玻璃或金属制成，也需要控制其温度以保证正常工作。因此，带有高压气体放电灯的装置必须具有性能良好的冷却系统。

在现有技术中，对高压气体放电灯的冷却大多采用气体冷却，如专利US6736527B1中，针对放电灯的电极座部位，采用导流装置将冷却气体导入至电极座，这样其冷却与放电灯玻璃泡的相互隔离，可以达到控制放电灯不同部位温度的目的。又如专利CN1873905A中，采用导流装置将冷却气体导入至玻璃泡部位，同样可以达到上述目的。上述专利中气体冷却的方法虽然可以达到控制不同部位温度的目的，但是对于大功率高压气体放电灯来说，冷却效果不佳，同时因为冷却过程中需要更大流量的冷却气体，容易引起额外的噪声振动问题。

对于聚光器的设计，特别是聚光器的冷却方法设计，如在专利US20070025107A1中，采用多组挠性的散热翅结构，以多点接触方式与聚光器的不规则外表面连接，首先将其吸收的高压气体放电灯的热量传导至散热翅上，然后以水冷或气体冷却方式加以冷却，这种冷却方式采用的挠性散热翅结构制造工艺复杂，且热传导接触面积不容易保证，从而增大热阻，降低散热效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供高压气体放电灯的冷却装置和聚光器，结合高压气体放电灯的冷却装置和聚光器，不但解决由于高压气体放电灯气体冷却过程中由于气体流量过大所引起的噪声振动等对光源装置内零部件的影响，而且通过对聚光器件的冷却，实现聚光器件的散热及温度控制。

为解决上述技术问题，本发明的一个目的是提供一种高压放电灯的冷却装置，包括：半导体制冷器，位于所述高压气体放电灯的阴极，与所述阴极配合连接；所述半导体制冷器与所述高压气体放电灯的阴极进行热交换，降低所述阴极部位的温度。所述冷却装置还包括：气流产生装置，用以产生冷却气流；导流装置，引导所述冷却气流至所述高压气体放电灯的阳极和玻璃泡，所述冷却气流与所述高压气体放电灯的阳极和玻璃泡部分进行热交换，将热气排出。

进一步地，所述半导体制冷器包括半导体制冷环和热端散热器。所述半导体制冷环至少由一系列环形排列串并混联布置的N型和P型半导体组成。所述半导体制冷环的冷端与所述高压气体放电灯的阴极配合连接，所述半导体制冷环的热端与所述热端散热器配合连接。所述热端散热器为水冷散热器。所述半导体制冷环还包括：一系列环形布置的导电金属片，连接所述N型半导体和P型半导体；热端陶瓷片和冷端陶瓷片，用于所述N型半导体和P型半导体的绝缘。所述半导体制冷环的冷端与所述高压气体放电灯的阴极之间有薄型导热垫片。所述半导体制冷环的热端与所述热端散热器之间有薄型导热垫片。所述热端陶瓷片分成沿所述半导体制冷环中心轴线环形对称分布并依次排列的第一热端陶瓷片、第二热端陶瓷片和第三热端陶瓷片，所述第一热端陶瓷片与所述第二热端陶瓷片之间的空隙、所述第二热端陶瓷片与所述第三热端陶瓷片之间的空隙以及所述第三热端陶瓷片与所述第一热端陶瓷片之间的空隙均用耐热柔性材料填充连接。所述冷端陶瓷片分成沿所述半导体制冷环中心轴线环形对称分布并依次排列的第一冷端陶瓷片、第二冷端陶瓷片和第三冷端陶瓷片，所述第一冷端陶瓷片与所述第二冷端陶瓷片之间的空隙、所述第二冷端陶瓷片与所述第三冷端陶瓷片之间的空隙以及所述第三冷端陶瓷片与所述第一冷端陶瓷片之间的空隙均用耐热柔性材料填充连接。

本发明的另外一个目的是提供一种具有冷却装置的聚光器，所述聚光器上相对所述高压气体放电灯玻璃泡的一面有水冷散热器。所述水冷散热器由三个沿所述聚光器中心轴线对称布置的第一水冷散热器、第二水冷散热器和第三水冷散热器组成。所述第一水冷散热器与所述聚光器之间均有导热胶；所述第二水冷散热器与所述聚光器之间有导热胶；所述第三水冷散热器与所述聚光器之间有导热胶。

在本发明中，所述高压气体放电灯阳极及玻璃泡部分的热量通过冷却气体带走，而所述高压气体放电灯阴极部分采用半导体制冷器的方式冷却。所述高压气体放电灯阴极采用半导体制冷器制冷的方式，并且所采用的环形半导体制冷环的冷端陶瓷片和热端陶瓷片之间通过柔性连接材料连接具有可防止破裂的结构，且半导体制冷器的热端用循环水冷却，可降低冷却气体的流量，减少噪声振动等对光源装置内零部件的影响。

在本发明中，采用水冷空冷结合冷却方式的聚光器件，其中水冷散热的方法采用三个沿聚光器中心轴线对称布置的三个独立水冷散热器，三个水冷独立散热器之间用导热胶粘接固定。导热胶除固定作用外，还可吸收聚光器件温度变化引起的变形，起到柔性连接的作用，方便地实现聚光器件的散热及温度控制。

附图说明

图1本实施中照明光源装置剖视图及冷却系统原理图。

图2本实施例中大功率照明光源装置气体冷却装置。

图3高压气体放电灯半导体制冷端(阴极)的局部放大图。

图4半导体制冷环轴测图(局部剖视)。

图5半导体制冷环截面剖视图。

图6半导体制冷环局部放大图。

图7聚光器件冷却装置俯视图。

100-高压气体放电灯

200-聚光器件

300-高压气体放电灯电极冷却组件

400-高压气体放电灯阴极

500-高压气体放电灯支撑臂

600-光源装置固定板

700-聚光器件冷却装置

800-冷却气体

900-高压气体放电灯阳极

1000-风源装置

2000-导流装置

3000-进风口

4000-出风口

310-半导体制冷器热端散热器

320-半导体制冷环

710，720，730-聚光器件冷却面板

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本实施例中提供了一种用于投影曝光设备中的大功率照明光源装置，如图1所示，该大功率照明光源包括一个大功率高压气体放电灯100，一个金属基体表面镀膜的聚光器件200，以及高压气体放电灯100和聚光器件200的冷却装置。聚光器件200将高压气体放电灯100发出光线的一部分反射并汇聚于一点从而得到大功率密度的光源，其余部分吸收并转化为热。该高压气体放电灯100的冷却装置中，高压气体放电灯100的玻璃泡部分使用冷却气体冷却，而靠近聚光器件200大口的电极(即高压气体放电灯100的阴极400)用半导体制冷器冷却，靠近聚光器200小口的电极(即高压气体放电灯100的阳极900)用冷却气体气冷却，此处提到的电极指高压气体放电灯用于连接控制电源的金属环或金属销，该金属为镀镍黄铜，它只是本发明实施例的一种实现形式，其他有类似功能的电极均可以使用。

本实施例中，高压气体放电灯100的功率高达几千瓦，其中约一半以上为热功率。高压气体放电灯阳极900和玻璃泡部分用冷却气体的方式进行冷却，如图2所示，其冷却方式包括产生冷却气流的风源装置1000和导流装置2000，这里的风源装置1000可以是风机或其他实现类似功能的风源装置。导流装置2000为一柱形的外罩体，包括进风口3000和出风口4000。高压气体放电灯100位于导流装置2000之内，风源装置1000产生的冷却气体从进风口3000进入导流装置2000之后对高压气体放电灯100进行冷却，特别是高压气体放电灯100阳极和灯泡部分进行冷却，进行热交换以后，气流从出风口4000排出，完成对高压气体放电灯100阳极和灯泡部分的冷却过程。在这里应该强调的是本实施例所提到的导流装置只是本发明的一种选择方案，其他的导流装置，只要其拥有导流功能，能将风源装置产生的冷却气流引导到高压气体放电灯的阳极和玻璃泡，那么这种导流装置都可以认为能够解决高压气体放电灯的阳极和玻璃泡的冷却，也就是说不影响本发明所提到的有益效果。

为解决冷却气体不能以气流方向与玻璃泡垂直方向冷却玻璃泡的问题，从而避免阳极温度容易控制而阴极温度不好控制的情况，达到高压气体放电灯良好的散热和降低高压气体放电灯的噪声。进一步地，本实施例中高压气体放电灯的阴极400采用了半导体制冷器300进行冷却。

本实施例所采用的半导体制冷器300的结构如图3和4所示，半导体制冷器300由半导体制冷环320和热端散热器310组成。半导体制冷环320由一系列环形排列串并混联布置的N型和P型半导体组成，与一般的半导体制冷片类似，它还包括一系列环形布置的导电金属片，用于串并混联这些半导体，及导热绝缘的陶瓷片，如图5和图6所示。为了防止陶瓷片因温度变化而破裂，半导体制冷环320的热端陶瓷片和冷端陶瓷片均分成沿半导体制冷环中心轴线环形对称的三部分，其间可相互用耐热柔性材料连接，如高温橡胶等，这种结构一方面吸收由温度变化引起的陶瓷片变形，另一方面，防止电极电流过大击穿内部半导体及导电金属元件。

半导体制冷环320的冷端与高压气体放电灯的阴极400通过薄形导热垫片连接固紧，半导体制冷环320的热端也通过薄形导热垫片热端散热器310连接固紧，在这里，热端散热器310可以采用水冷散热的方式。因为半导体制冷器300导热绝缘的特点，可避免水冷器与电极之间漏电情况发生，固紧后的半导体制冷器300通过螺栓与高压气体放电灯固定连接。热端散热器310除了水冷散热的方式，其他能起到散热作用的散热器均可以适用于本实施例，达到本发明所提到的有益效果。

通过以上方式冷却的高压气体放电灯100阴极一端通过支撑臂500固定于板600上。这种连接方式的特征还在于热端散热器310、高压气体放电灯100的阴极电缆相互隔离绝缘固定于支撑臂500上，以这种方式固定既可以实现高压气体放电灯100一端固定而另一端自由，防止热变形引起损坏，又可以节省空间提高光源装置输出光的效率。

上述的半导体制冷器300及冷却气体实现了高压气体放电灯100的冷却，由于半导体制冷器300的导热绝缘特性，可方便使用水冷方式对灯进行冷却，也因此可减小冷却气体的流量，避免流量过大引起噪声震动等问题。需要强调的是上述实施例中的所利用的半导体制冷环并不限于本实施例所限的半导体制冷环310，只要所利用的半导体制冷环的结构满足上述导热绝缘特点的半导体制冷的结构都可以利用。

本实施例还提供了一种用水冷冷却方式的聚光器件200。如图7所示，水冷散热器700的特征在于它包括三个沿聚光器200中心轴线对称布置的三个独立水冷散热器710、720和730组成，它们通过螺栓固定于板600上，它们均具有与聚光器件200反光面一样的轮廓，接触面大，散热性好，如均为椭圆形或抛物线形，但开口大小有差别，三个独立水冷散热器与聚光器之间均用导热胶粘接固定。在这里，导热胶除固定作用外，还可吸收聚光器件200温度变化引起的变形，起到柔性连接的作用。此外上述高压气体放电灯100的气体冷却方式也同时作用到聚光器200，使聚光器200达到更有效的散热和温度控制。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (15)

1.一种高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，包括：

半导体制冷器，位于所述高压气体放电灯的阴极，与所述阴极配合连接；

所述半导体制冷器与所述高压气体放电灯的阴极进行热交换，降低所述阴极部位的温度。

2.如权利要求1所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括：气流产生装置，用以产生冷却气流；导流装置，引导所述冷却气流至所述高压气体放电灯的阳极和玻璃泡，所述冷却气流与所述高压气体放电灯的阳极和玻璃泡部分进行热交换，将热气排出。

3.如权利要求1或2所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述半导体制冷器包括半导体制冷环和热端散热器。

4.如权利要求3所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述半导体制冷环至少由一系列环形排列串并混联布置的N型和P型半导体组成。

5.如权利要求3所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述半导体制冷环的冷端与所述高压气体放电灯的阴极配合连接，所述半导体制冷环的热端与所述热端散热器配合连接。

6.如权利要求3所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述热端散热器为水冷散热器。

7.如权利要求4所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述半导体制冷环还包括：一系列环形布置的导电金属片，连接所述N型半导体和P型半导体；热端陶瓷片和冷端陶瓷片，用于所述N型半导体和P型半导体的绝缘。

8.如权利要求5所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述半导体制冷环的冷端与所述高压气体放电灯的阴极之间有薄型导热垫片。

9.如权利要求5所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述半导体制冷环的热端与所述热端散热器之间有薄型导热垫片。

10.如权利要求7所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述热端陶瓷片分成沿所述半导体制冷环中心轴线环形对称分布并依次排列的第一热端陶瓷片、第二热端陶瓷片和第三热端陶瓷片，所述第一热端陶瓷片与所述第二热端陶瓷片之间的空隙、所述第二热端陶瓷片与所述第三热端陶瓷片之间的空隙以及所述第三热端陶瓷片与所述第一热端陶瓷片之间的空隙均用耐热柔性材料填充连接。

11.如权利要求7所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述冷端陶瓷片分成沿所述半导体制冷环中心轴线环形对称分布并依次排列的第一冷端陶瓷片、第二冷端陶瓷片和第三冷端陶瓷片，所述第一冷端陶瓷片与所述第二冷端陶瓷片之间的空隙、所述第二冷端陶瓷片与所述第三冷端陶瓷片之间的空隙以及所述第三冷端陶瓷片与所述第一冷端陶瓷片之间的空隙均用耐热柔性材料填充连接。

12.如权利要求10或11所述高压气体放电灯的冷却装置，其特征在于，所述耐热柔性材料为高温橡胶。

13.一种用于权利要求1所述高压气体放电灯的聚光器，其特征在于，所述聚光器上相对所述高压气体放电灯玻璃泡的一面有水冷散热器。

14.如权利要求13所述聚光器，其特征在于，所述水冷散热器由三个沿所述聚光器中心轴线对称布置的第一水冷散热器、第二水冷散热器和第三水冷散热器组成。

15.如权利要求14所述聚光器，其特征在于，所述第一水冷散热器与所述聚光器之间均有导热胶；所述第二水冷散热器与所述聚光器之间有导热胶；所述第三水冷散热器与所述聚光器之间有导热胶。

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