CN113451106A - 放电灯及放电灯用电极的制造方法 - Google Patents

放电灯及放电灯用电极的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供放电灯及放电灯用电极的制造方法。在放电灯中，有效地进行散热来抑制电极温度。形成对于放电灯(10)的电极(30)内部密闭的内部空间(40)，沿着电极轴(X)形成彼此相对的散热部(50A，50B)。

Description

放电灯及放电灯用电极的制造方法
技术领域
本发明涉及具备一对电极的放电灯，尤其涉及电极的内部结构。
背景技术
放电灯在点亮中电极末端部成为高温，钨等电极材料熔化、蒸发，放电管黑化，导致灯照度降低。为了防止电极末端部过热，例如，分别成型由具有耐久性的金属构成的电极末端部和由导热性更高的金属构成的躯干部，并通过固相接合等进行接合(参照专利文献1)。另外，在电极内部形成沿着电极轴方向的间隙，作为散热空间发挥功能(参照专利文献2)。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利第5472915号公报
[专利文献2]日本特开2018-142482号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
近年来，为了曝光对象物的大型化、吞吐量(throughput)的提高，要求灯的高输出化(大功率化)。伴随于此，灯点亮中的电极温度也变高，要求能够比以往更有效地抑制电极的温度上升的电极结构。
[用于解决问题的手段]
本发明的放电灯具有放电管和在放电管内相对配置的一对电极，至少一个电极具有内部空间。例如，内部空间构成为密闭的真空空间。
在本发明中，在内部空间的表面设置有彼此相对的散热/吸热结构。在此，所谓“散热/吸热结构”，表示在灯点亮时能够进行热辐射以及吸收热的结构，在一方作为热辐射结构起作用时，另一方作为热的吸收结构起作用。另外，在散热/吸热结构中，包含槽或粗糙面等的表面形状、涂层材料等的结构。
本发明的散热/吸热结构彼此相对。在此，所谓“彼此相对”，不仅包括散热结构和吸热结构以相同的区域尺寸相对，还包括一方的散热结构(或吸热结构)的区域的一部分与另一方的吸热结构(或散热结构)的区域相对的结构。另外，可以在内部空间的相对的整个表面上设置散热/吸热结构，也可以局部地设置。
例如，在沿铅直方向配置放电灯的情况下，也可以在内部空间的电极末端侧的表面设置散热结构，在与电极末端侧的表面相对的表面设置吸热结构(吸热结构也是散热结构，吸热结构也是散热结构)。
通过使彼此相对的散热/吸热结构为相同的结构，能够使辐射率、吸收率的特性相同。例如，可以都由槽形状或者都由涂层等构成。另外，不仅在内部空间的电极末端侧的表面、与其相对的表面，还可以在内部空间的沿着电极轴的表面设置彼此相对的侧面侧散热/吸热结构。
也可以使从电极末端面到内部空间的设置有散热结构的电极末端侧表面的、沿着电极轴的长度，比从电极末端侧表面到设置有吸热结构的内部空间的电极支承棒侧表面的、沿着电极轴的长度小，加快从热传导向热辐射的转变。
作为本发明的另一方式的放电灯用电极的制造方法，使多个电极用部件固相接合，其中，多个电极用部件包括：在一个端面设有散热/吸热结构的柱状的第1电极用部件；在一个端面设有散热/吸热结构的柱状的第2电极用部件；以及两端开口的筒状部件，使第1电极用部件和第2电极用部件分别在设有散热/吸热结构的端面侧与筒状部件之间进行固相接合。例如，也可以在多个部件之间设置中间部件。
作为本发明的其他方式的放电灯用电极的制造方法，成型在一个端面设有散热结构的柱状的电极末端侧部件、在一个端面设有吸热结构的柱状的电极支承棒侧部件、和两端开口的筒状躯干部件，使电极末端侧部件和电极支承棒侧部件分别在设有散热/吸热结构的端面侧与筒状躯干部件固相接合。例如，可以在电极末端侧部件和电极支承侧部件形成相同结构的散热/吸热结构。
[发明的效果]
根据本发明，在放电灯中，能够有效地进行散热来抑制电极温度。
附图说明
图1是第1实施方式的放电灯的俯视图。
图2是第1实施方式的电极的概要剖面图。
图3是表示散热/吸热结构的图。
图4是表示电极的制造方法的图。
图5是第2实施方式的电极的概要剖面图。
标号说明
10 放电灯
30 电极(阳极)
32 后端侧部件
34 末端侧部件
40 内部空间
50A、50B 散热部(散热/吸热结构)
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是第1实施方式的放电灯的俯视图。
短弧型放电灯10是可输出高亮度的光的大型放电灯，具有透明的石英玻璃制的大致球状放电管(发光管)12，在放电管12内相对配置有钨制的一对电极20、30。在放电管12的两侧，石英玻璃制的密封管13A、13B与放电管12连接设置，形成为一体。在放电管12内的放电空间DS中封入有水银及卤素或氩气等稀有气体。
作为阴极的电极20由电极支承棒17A支承。在密封管13A中密封有：供电极支承棒17A插通的玻璃管(未图示)、与外部电源连接的引线棒15A、将电极支承棒17A和引线棒15A连接的金属箔16A等。关于作为阳极的电极30也同样，密封有供电极支承棒17B插通的玻璃管(未图示)、金属箔16B、导线棒15B等安装部件。另外，在密封管13A、13B的端部分别安装有灯头19A、19B。
当向一对电极20、30施加电压时，在电极20、30之间产生电弧放电，向放电管12的外部放射光。在此，接入1kW以上的功率。从放电管12放射的光被反射镜(未图示)向规定方向引导。例如在曝光装置中组装有放电灯10的情况下，放射光成为图案光而照射到基板等上。
图2是第1实施方式的电极30的概要剖面图。图3是从上方观察散热部的俯视图。另外，电极20也可以采用同样的结构。
电极30是在内部设有密闭空间40的电极，通过将与电极支承棒17B连接的后端侧部件32、具有电极末端面30S的末端侧部件34、和两端开口的躯干部件36接合而形成。在此，通过SPS等固相接合来进行接合。
后端侧部件32是沿轴向X(以下也称为电极轴X)厚度大致固定的圆柱状部件，末端侧部件34形成为圆锥台状。被后端侧部件32、末端侧部件34、躯干部件36包围的内部空间40在这里构成为圆柱状空间，与电极轴X同轴地形成。另外，内部空间40处于真空状态。
在内部空间40的电极末端侧表面(以下称为底面)40S1，即末端侧部件34的一部分端面上设有散热部(散热结构)50A。另外，在电极支承棒侧表面(以下称为顶面)40S2，即后端侧部件32的一部分端面也设有散热部(吸热结构)50B。从电极末端面30S到内部空间40的底面40S1的沿着电极轴X的长度L1比从底面40S1到顶面40S2的沿着电极轴X的长度L2短(L1<L2)。
如图3所示，形成于内部空间40的底面40S1上的散热部50A由呈同心圆状地以径向规定间隔形成的槽G构成，槽的深度大致固定。散热部50A可以通过激光加工或切削加工等已知的方法形成。形成于相反侧的顶面40S2的散热部50B也由相同的同心圆状的槽构成，槽的形状、深度、形成区域与散热部50A相同。另外，在图2中夸张地描绘了槽G的深度(散热部50A、50B的厚度)。
沿着电极轴X彼此相对的散热部50A、50B如下所述，能够在灯点亮中实现有效的散热，能够抑制电极温度。
通常，热通过热传导、对流(热传递)、热辐射(热放射)这三种方法传递。在热传导中，通过分子间振动或自由电子的移动，利用物质来传递热。对流从固体面向流体传递，通过由温度差引起的流体的移动来输送热。另一方面，热辐射是热通过电磁波输送的现象，热不经由物质而被传递。
灯点亮中的电极温度约为2000℃，有时达到3000℃附近。在这样的高温状态下，与热传导相比，热辐射更成为主体。电极末端面30S的热通过热传导向电极支承棒17B侧输送，但通过形成内部空间40，热从内部空间40的底面40S1向顶面40S2辐射。
此时，散热部50A作为有效地将热释放到内部空间40的散热结构发挥功能。作为电磁波辐射的热的大部分沿着电极轴X前进，传递到形成在与底面40S1相对设置的顶面40S2上的散热部50B。
在此，根据基尔霍夫(Kirchhoff)定律，容易热辐射的物体也容易同等程度地吸收热，辐射率和吸收率相等。由于散热部50B具有与散热部50A相同的结构，为相同的形成区域，所以作为通过优异的吸收率来吸收热的吸热结构而发挥功能，并向后端侧部件32传递。所传递的热的一部分通过热传导向电极支承棒17B输送，另外，热的一部分从电极外表面辐射。
这样，根据本实施方式，形成有对于放电灯10的电极30内部密闭的内部空间40，沿着电极轴X形成彼此相对的散热部50A、50B。通过形成对于以热辐射为主体的热的输送有效的内部空间40以及散热部50A、50B，能够有效地抑制灯的温度。
由于内部空间40处于真空状态，所以能够有效地使热向顶面40S2侧移动，并且由于散热部50A、50B的结构都是槽，形成区域(尺寸)也相同，所以成为相同程度的热辐射、热的吸收，辐射和吸收的平衡良好，能够以不使热滞留的方式输送热。
另外，即使在热传导或对流为主的灯温度状态下，也由于散热部50A的存在而有效地向内部空间40传递热，从顶面40S2向后端侧部件32的热传导也通过散热部50B而有效地进行。
进而，由于从电极末端面30S到内部空间40的底面40S1的长度L1，即到散热部50A的长度L1比从底面40S1到设有散热部50B的顶面40S2的长度L2短，所以散热部50A接近电弧(arc)，能够快速地从热传导向热辐射转变。
另外，也可以通过槽G以外的结构来构成散热部50A、50B。例如，也可以利用散热材料(碳化膜或氧化膜的散热层)等覆盖底面40S1、顶面40S2，另外，也可以应用碳纳米管等辐射率(吸收率)高的部件等。只要形成设置有用于提高散热性的形状、材料的区域即可。另外，散热部50A、50B也可以不是相同的结构，散热部50A、50B中的一方可以由涂层等构成。进而，也可以使设置散热部50A、50B的区域尺寸不同。
图4是表示电极30的制造工序的图。
首先，形成柱状的电极末端侧部件110和柱状的电极支承棒侧部件130，另外，形成两端开口的筒状的躯干部件120。在电极末端侧部件110、电极支承棒侧部件130的一端的表面上，通过激光加工等形成由槽构成的散热部50A、50B。此时，将散热部50A、50B加工成相同的形状、区域尺寸。
然后，通过SPS等固相接合，将电极末端侧部件110、躯干部件120、电极支承棒侧部件130相互接合。此时，使设置有散热部50A、50B的端面与躯干部件120的两端固相接合，使散热部50A、50B彼此相对。然后，通过切削形成所希望的电极形状。
通过采用在形成内部空间40的固相接合之后进行切削加工的工序，能够在固相接合前形成散热部，能够不受接合后的电极形状左右地形成所希望的散热部。
在图4中，以与内部空间40的底面40S1、顶面40S2相同的区域尺寸设置散热部50A、50B，但也可以形成在电极末端侧部件110、电极支承棒侧部件130的整个端面并进行固相接合。另外，也可以准备更多的部件，使它们相互固相接合。
接着，使用图5说明第2实施方式的放电灯。在第2实施方式中，沿着内部空间侧面设置散热部，另外，在内部空间底面形成柱状部。
电极100具备内部空间140，柱状部160以从内部空间140的底面140S1沿着电极轴X延伸的方式同轴地设置。在柱状部160的表面160S，与第1实施方式不同，由涂层材料构成散热部150A。另外，在与底面140S1相对的顶面140S2上，也由涂层材料构成散热部150B。
散热部150A的区域尺寸小于散热部150B的区域尺寸。并且，从电极末端面130S到散热部150A的长度L1，即到柱状部160的表面160S的长度L1，比从设置有散热部150B的顶面140S2到柱状部160的表面160S的长度L2短。根据这样的结构，例如通过使柱状部160为热传导性高的其他材料等，能够有效地进行热传导和热辐射双方。另外，由于在顶面整体上设置散热部，热的吸收也变得有效。
另一方面，在内部空间140的侧面140T设置有彼此相对的散热部(侧面侧散热/吸热结构)250A、250B。散热部250A、250B在此形成为弧状，例如由涂层材料等构成。通过在内部空间140的侧面140T也设置散热部，沿着与电极轴X垂直的方向的散热也变得有效。另外，也可以构成为不使内部空间成为密闭空间，而是封入稀有气体等。
虽然也可以适用于短弧型放电灯以外的放电灯，但由于能够抑制电极的温度上升，因此适用于1kW以上的较大功率的放电灯。另外，接合方法优选固相接合(SPS、HP等)，但也可以适用其他接合方法(例如熔化焊接)。在接合时，也可以在末端侧部件与后端侧部件之间(第1电极用部件与第2电极用部件之间)夹着中间部件，使接合面间密接。进而，末端侧部件、后端侧部件可以是钨或钼，或者它们的合金、陶瓷等，也可以含有发射极，可以适当选择。

Claims (10)

1.一种放电灯，其特征在于，所述放电灯具有：
放电管；以及
在所述放电管内相对配置的一对电极，
至少其中一个电极具有内部空间，
在所述内部空间的表面设置有彼此相对的散热/吸热结构。
2.根据权利要求1所述的放电灯，其特征在于，
在所述内部空间的电极末端侧的表面设置有散热结构，在与所述电极末端侧的表面相对的表面设置有吸热结构。
3.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，
彼此相对的散热/吸热结构是相同的结构。
4.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，
在所述内部空间的沿着电极轴的表面，还设有彼此相对的侧面侧散热/吸热结构。
5.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，
从电极末端面到所述内部空间的设置有散热结构的电极末端侧表面的沿着电极轴的长度，小于从所述电极末端侧表面到所述内部空间的设置有所述吸热结构的电极支承棒侧表面的沿着电极轴的长度。
6.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，
所述内部空间是密闭的真空空间。
7.根据权利要求1或2所述的放电灯，其特征在于，
所述放电灯在以热辐射为主体的所述散热/吸热结构的温度下亮灯。
8.一种放电灯用电极的制造方法，其使多个电极用部件固相接合，其特征在于，
所述多个电极用部件包括：在一个端面设置有散热/吸热结构的柱状的第1电极用部件；在一个端面设置有散热/吸热结构的柱状的第2电极用部件；以及两端开口的筒状部件，
使所述第1电极用部件和所述第2电极用部件分别在设有所述散热/吸热结构的端面侧与所述筒状部件之间固相接合。
9.一种放电灯用电极的制造方法，其特征在于，
成型在一个端面设有散热结构的柱状的电极末端侧部件、在一个端面设有吸热结构的柱状的电极支承棒侧部件、以及两端开口的筒状躯干部件，
使所述电极末端侧部件和所述电极支承棒侧部件分别在设有所述散热/吸热结构的端面侧与所述筒状躯干部件固相接合。
10.根据权利要求9所述的放电灯用电极的制造方法，其特征在于，
在所述电极末端侧部件和所述电极支承棒侧部件形成相同结构的散热/吸热结构。
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