DE60127201T2

DE60127201T2 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE60127201T2
Application number: DE60127201T
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Minato-ku Nishida
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: JP2001196026A; US20010008366A1; EP1137047B1; EP1137047A1; DE60127201D1; US6504302B2; JP3415533B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung eine Hochdruckentladungslampe, die sogar, nachdem sie beträchtlich lang betrieben wurde, keine Probleme wie Verformung des aus Quarzglas hergestellten Kolbens und Abnahme der Helligkeit der Entladungslampe durch Entglasung und Schwarzfärbung des Quarzglaskolbens hat.
2. Stand der Technik
Im Allgemeinen besitzen Hochdruckentladungslampen einen Aufbau, bei dem jede Elektrode eines Paares von Elektroden (d.h. eine Anode und eine Kathode) so angeordnet ist, dass sie im Quarzglaskolben einander gegenüberstehen, der einen erweiterten Bereich für Lumineszenz und einen Dichtungsteil aufweist, und die Anode und die Kathode werden beispielsweise durch Verschweißen mit Molybdänfolie verbunden. Auch der Dichtungsteil des Quarzglaskolbens ist gasdicht zum Beispiel durch Verschweißen mit Molybdänfolie verschlossen. Ein Gas zur Unterstützung der elektrischen Entladung, wie z. B. Quecksilberdampf, ist im erweiterten Bereich für Lumineszenz des gasdicht verschlossenen Quarzglaskolbens enthalten.
Wenn eine derartige Hochdruckentladungslampe benutzt wird, wird eine große Menge ultravioletter Strahlung mit kurzen Wellenlängen aufgrund des beträchtlich hohen Dampfdrucks des in der Lampe enthaltenen Gases und des hohen auf die Röhrenwände ausgeübten Drucks emittiert. Demzufolge steigt die Temperatur aufgrund der Absorption ultravioletter Strahlung mit kurzen Wellenlängen bedeutsam an. Wenn natürliches Quarzglas für den Quarzglaskolben in herkömmlicher Weise eingesetzt wird, entstehen deshalb mit der Benutzung einhergehende Schwierigkeiten, wie z. B. Verformung, Entglasung und Schwarzfärbung des Kolbens, was die Lebensdauer des Kolbens verkürzt, weil eine geringe Menge an Ver unreinigungen immer selbst in hochwertigem natürlichen Quarzglas enthalten ist.
Um die oben erwähnten Problem zu lösen, offenbart zum Beispiel die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 6-187944 eine Licht aussendende Röhre für eine Hochdruckentladungslampe, einschließlich eines Paares von Elektroden und einer Verbundquarzglasröhre, um das Paar von Elektroden abzudichten. Eine äußere Schicht der Verbundquarzglasröhre wird aus natürlichem Quarzglas mit einer Viskosität von 10^14,8 Poise (1 Poise = 0,1 Pa·s) und mehr bei 1025°C hergestellt und eine innere Schicht davon wird aus synthetischem Quarzglas hergestellt, das Verunreinigungen zumindest mit Alkalimetallen enthält. Die Menge jeder Alkalimetallart beträgt 0,2 ppm oder weniger.
Jedoch ist es schwierig einen Abdichtungsprozess für die oben erwähnte Lichtemissionsröhre durchzuführen, da die Verbundquarzglasröhre eine duale Struktur besitzt und die Dispersion der Innendurchmessergröße davon ziemlich groß ist. Demzufolge nimmt die Dispersion im inneren Volumen unter dem Quarzglaskolben zu und der Druck in der Entladungslampe wird signifikant variiert. Auch da die Alkalibestandteile des natürlichen Quarzglases, während des Prozesses, die duale Struktur davon aufzubauen, zum synthetischen Quarzglas hin dispergiert werden, wird ein geringer Unterdrückungseffekt hinsichtlich der Entglasung und der Schwarzfärbung erreicht. Darüber hinaus sind die Kosten für die Produktion der oben erwähnten Lichtemissionsröhre teuer und deshalb nicht ökonomisch.
Andererseits ist ein Quarzglas, mit einer Viskosität von 10^13,0 Poise oder mehr bei 1200°C, dessen Hydroxylgruppenkonzentration 10 ppm oder weniger beträgt, als hoch-thermostabiles Quarzglas bekannt, das für die Halbleiterindustrie eingesetzt wird, wie zum Beispiel als aus Quarzglas hergestellte Kernröhre (siehe die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 8-81226 .). Jedoch ist es bisher nicht bekannt, ob, wenn ein Quarzglaskolben, unter Verwendung von synthetischem Quarz, dessen Viskosität ca. 10¹³ Poise oder mehr bei 1200°C beträgt, der als einteilige Einheit gestaltet ist, für eine Hochdruckentladungslampe benutzt wird, die Verformung des Quarzglaskolbens oder die Abnahme der Helligkeit der Entladungslampe durch Entglasung oder Schwarzfärbung des Kolbens auch dann verhindert werden kann, wenn die Entladungslampe längere Zeit bei ca. 1000–1200°C unter höherem Druck von ca. 100–180 Atmosphären verwendet wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nach sorgfältig betriebenen Studien um das oben erwähnte Problem zu lösen, festgestellt, dass es möglich ist, die Verformung des Quarzglaskolbens und die Abnahme an Helligkeit der Entladungslampe aufgrund der Entglasung und der Schwarzfärbung des Quarzglaskolbens sogar nach beträchtlich langer Leuchtdauer zu verhindern, wenn ein synthetisches Quarzglas mit einer Viskosität von ca. 10¹³ Poise oder mehr bei ca. 1200°C benutzt wird, um einen Quarzglaskolben als einteilige Einheit für die Hochdruckentladungslampe herzustellen. Da der Quarzglaskolben in einer einteiligen Einheit ausgebildet ist, kann die Hochdruckentladungslampe auch leicht hergestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die sogar nach beträchtlich langer Leuchtdauer, keine Probleme, wie zum Beispiel Verformung des aus Quarzglas hergestellten Kolbens und die Abnahme an Helligkeit der Entladungslampe aufgrund von Entglasung und Schwarzfärbung des Quarzglaskolbens, hat. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Hochdruckentladungslampe zu schaffen, die leicht herzustellen ist.
Dem entsprechend sieht die vorliegende Erfindung eine Hochdruckentladungslampe vor, die aufweist: einen Quarzglaskolben; leitfähige Elemente, wobei die leitfähigen Elemente gasdicht an Dichtungsteilen des Quarzglaskolbens abgedichtet sind; und ein Paar von Elektroden, wobei jede des Paars von Elektroden so angeordnet ist, dass sie einander gegenüber liegen, und jede Elektrode mit einem der leitenden Element verbunden ist; wobei der Quarzglaskolben als einteilige Einheit, mittels eines synthetischen Quarzes hergestellt ist, dessen Viskosität bei ca. 10¹³ Poise oder mehr bei ca. 1200°C liegt.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Hochdruckentladungslampe vor, bei der das leitfähige Element Molybdän ist.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Hochdruckentladungslampe vor, bei der die im Quarzglaskolben enthaltene Menge an Alkalimetallen ca. 0,02 ppm oder weniger beträgt.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Hochdruckentladungslampe vor, bei der die im Quarzglaskolben enthaltene Menge einer Hydroxylgruppe 1 ppm oder weniger beträgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wird es möglich, die Verformung des Quarzglaskolbens und die Abnahme an Helligkeit der Entladungslampe aufgrund der Entglasung und der Schwarzfärbung des Quarzglaskolbens sogar nach beträchtlich langer Leuchtdauer zu verhindern. Ferner kann die Hochdruckentladungslampe leicht hergestellt werden, weil der Quarzglaskolben als einteilige Einheit gebildet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Einige der Funktionen und Vorteile der Erfindung sind beschrieben worden und andere werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung ersichtlich, in der:
1 ein Diagramm ist, das eine schematische Schnittzeichnung einer Hochdruckentladungslampe gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die oben zusammengefasste und von den aufgezählten Ansprüchen definierte Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gelesen werden sollte, besser verstanden werden. Diese detaillierte Beschreibung einer speziellen bevorzugten Ausführungsform, die unten dargelegt ist, um jemanden in die Lage zu versetzen, eine bestimmte Umsetzung der Erfindung zu bauen und zu benutzen, ist nicht dazu gedacht, die aufgezählten Ansprüche zu beschränken, sondern als spezielles Beispiel davon zu dienen.
1 ist ein Diagramm, das eine schematische Schnittansicht einer Hochdruckentladungslampe, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 umfasst eine Hochdruckentladungslampe 1 einen synthetischen Quarzglaskolben 2, eine Anode 3, eine Kathode 4 und Molybdänfolien 5 und 5'. Der synthetische Quarzglaskolben 2 besitzt einen erweiterten Teil 21. Die Form des erweiterten Teils 21 ist nicht besonders beschränkt und kann sphärisch oder oval-sphärisch sein. Das für die Anode 3 und die Kathode 4 verwendete Material ist vorzugsweise Wolfram, Molybdän oder Tantal, wobei unter anderem die Verwendung von Wolfram bevorzugt ist. Der Abstand zwischen der Anode und der Kathode ist nicht speziell beschränkt. Die Anode 3 und die Kathode 4 sind mit den Molybdänfolien 5 und 5' zum Beispiel durch ein Schweißverfahren verbunden. Der Quarzglaskolben 2 ist gasdicht mit den Molybdänfolien 5 und 5' an einem Dichtungsteil 22 verschlossen. Ein Gas, das eine Entladung unterstützt, wie zum Beispiel Quecksilberdampf, ist im erweiterten Teil 21 enthalten und verschlossen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es entscheidend, dass der Quarzglaskolben, der als einteilige Einheit gebildet ist, bei ca. 1200°C eine Viskosität von ca. 10¹³ Poise oder mehr hat, wobei es bevorzugt ist, dass der Kolben, bei 1200°C eine Viskosität von ca. 10^13,5 Poise oder mehr hat. Falls ein derartiger Quarzglaskolben mit einer Viskosität von 10¹³ Poise oder mehr bei 1200°C für eine Hochdruckentladungslampe verwendet wird, wird es möglich, die Verformung des Quarzglaskolbens und die Abnahme an Helligkeit der Entladungslampe aufgrund der Entglasung und der Schwarzfärbung des Quarzglaskolbens zu verhindern. Wenn ein derartiger Quarzglaskolben mit einer Viskosität von 10¹³ Poise oder mehr bei 1200°C auf baueinheitlich integrierte Weise hergestellt wird, kann die Hochdruckentladungslampe einfach gefertigt werden.
Es ist bevorzugbar, dass die Menge an in dem verwendeten Quarzglaskolben enthaltenen Alkalimetallen ca. 0,01 ppm oder weniger beträgt. Wenn die Menge an Alkalimetallen ca. 0,01 ppm oder weniger beträgt, kann die Verformung des Quarzglaskolbens oder die Entglasung in effektiverer Weise verhindert werden, sogar wenn die Hochdruckentladungslampe lange Zeit leuchtet. Es ist zu beachten, dass in dieser Beschreibung, der Ausdruck "Alkalimetalle", die erste Gruppe der Elemente des Periodensystems angibt, wie zum Beispiel Li, Na und K. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugbar, dass die Gesamtmenge jedes Alkalimetalls ca. 0,01 ppm oder weniger beträgt.
Es ist bevorzugbar, dass die Menge der in dem bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Quarzglaskolben enthaltenen, Hydroxylgruppe ca. 1 ppm oder weniger beträgt. Wenn die Menge etwa 1 ppm oder weniger beträgt, kann auf effektivere Weise die Verformung des Quarzglaskolben verhindert werden, sogar wenn die Hochdruckentladungslampe für lange Zeit leuchtet. Weil Bildung von Gasen, im Besonderen eine Emission von Sauerstoff, verhindert werden kann, wenn die Menge der, in dem Quarzglaskolben enthaltenen, Hydroxylgruppe ca. 1 ppm oder weniger beträgt, kann das Auftreten von Schwarzfärbung des Kolbens auf effektiverer Weise verhindert werden.
Der bei der vorliegenden Erfindung benutzte, synthetische, als einzelnes Teil gebildete Quarzglaskolben kann zum Beispiel durch die Verwendung der folgenden Vorgehensweise (siehe die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erste Publikation Nr. 8-81226 ) hergerichtet werden.
Zuerst wird eine Siliziumverbindung, wie zum Beispiel gereinigtes Siliziumtetrachlorid und ein Alkylsilikat, als Ausgangsmaterial verwendet und ein poröses Siliziumdioxidmaterial wird angesetzt, indem das verdampfte Ausgangsmaterial einem Hydrolyseprozess in einer Knallgasflamme unterworfen wird und dann das erhaltene Siliziumdioxidpulver auf einem Ziel abgeschieden wird, um in axialer Richtung zu wachsen. Bei obigem Verfahren ist es wichtig, dass die, in den Siliziumverbindungen enthaltene Menge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Übergangsmetallen ca. 50 ppb oder weniger beträgt, vorzugsweise ca. 20 ppb oder weniger. Die oben erwähnten Siliziumverbindungen können leicht zum Beispiel durch Verwendung eines Destillations-Reinigungsverfahrens erhalten werden.
Die Konzentration der so erhaltenen im porösen Siliziumdioxidmaterial enthaltenen Hydroxylgruppen kann auf etwa 1 ppm oder weniger gesenkt werden, indem man das poröse Material einem Wärmeverfahren in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre unterzieht, so dass dessen Raumdichte in den Bereich zwischen etwa 0,9 und 1,9 g/cm³ fällt. Die für das Wärmeverfahren verwendete Temperatur und Zeit sind nicht besonders beschränkt, solange die Raumdichte des erhaltenen Produkts in den Bereich zwischen etwa 0,9 und 1,9 g/cm³ fällt. Jedoch ist es bevorzugbar, dass die Wärmetemperatur zum Beispiel zwischen etwa 1200 und 1350°C liegt und die Zeit zum Erwärmen zwischen ca. 30 Minuten und 15 Stunden liegt. Auch die Wasserstoffkonzentration liegt vorzugsweise zwischen ca. 50 und 100 % Vol., noch bevorzugter zwischen 75 und 100 % Vol., vom Standpunkt aus, die Konzentration von Hydroxylgruppen zu reduzieren. Um die Verunreinigung durch Fe oder Cr zu verhindern, die durch ein Alkalimetall oder durch beim Erwärmen in einem elektrischen Ofen emittiertes Wasserstoffgas reduziert werden kann, ist es darüber hinaus vorzuziehen, das Wärmeverfahren in einer Kernröhre aus Quarzglas durchzuführen. Um ein De-Hydroxylgruppenverfahren in gleichmäßiger Weise in seiner radialen und axialen Richtung durchzuführen, ist es ferner bevorzugt, das Wärmeverfahren, unter Verwendung eines elektrischen Ofens zum Durchwärmen mit einer Durchwärmungsdauer des elektrischen Ofens (z. B. der Temperaturbereich, in dem die Temperaturdifferenz innerhalb von 10°C liegt) länger als die Dauer des zu bearbeitenden Objekts durchzuführen.
Das poröse Siliziumdioxidmaterial, das dem oben erwähnten Wärmeverfahren unterzogen worden ist, wird dann einem weiteren Wärmeverfahren unterzogen, das bei ca. 1450–1600°C in Helium← oder Vakuumatmosphäre ausgeführt wird, um die bei der vorliegenden Erfindung benutzte Quarzglasröhre zu erhalten. Es ist bevorzugbar, dass zwei Wärmeverfahren mit Hilfe zweier separater Elektroöfen durchgeführt werden, um eine thermische Verformung der Kernröhre aus Quarzglas zu verhindern. Auch ist es besonders bevorzugbar, dass das Wärmeverfahren in einer Heliumatmosphäre ausgeführt wird, um verbleibende Blasen zu reduzieren, und dass das Wärmeverfahren mit Hilfe eines elektrischen Wärmezonenofens, dessen Durchwärmungsdauer kürzer als die Dauer eines zu bearbeitenden Objekts ist, durchgeführt wird.
Verfahren, die für die Herstellung von Hochdruckentladungslampen verwendet werden, sind gemäß der vorliegenden Erfindung nicht besonders eingeschränkt. Jedoch ist es bevorzugbar, dass die Entladungslampe mittels der folgenden Methode hergestellt wird. Zuerst werden die Elektroden und die Molybdänfolien zum Beispiel unter Verwendung eines Schweißverfahrens miteinander verbunden. Anschließend werden zwei Baugruppen der Elektroden und der Molybdänfolien angefertigt. Eine der Baugruppen wird an einem Teil angeordnet, um einen der Dichtungsteile des Quarzglaskolbens zu bilden, der ungefähr in Form einer Hochdruckentladungslampe gestaltet ist, und nachdem die Innenseite des Kolbens evakuiert wurde, wird der Teil durch ein Hochtemperaturwärmeverfahren geschrumpft, um den Teil abzudichten. Daraufhin wird ein Leuchtmaterial, wie zum Beispiel Quecksilberdampf, ausgehend von der anderen Öffnung in den erweiterten Teil eingebracht, und die andere der Baugruppen wird an einem Teil angeordnet, um einen anderen der Dichtungsteile zu bilden. Dann wird ein inertes Gas mit einer Atmosphäre Druck oder weniger in den Kolben gefüllt und gleichzeitig wird der Teil einem Wärmeverfahren bei hohen Temperaturen unterzogen, so dass er schrumpft, um die Röhre zu verschließen. Auf diese Weise kann die Hochdruckentladungslampe der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Es ist bevorzugbar, dass der erweiterte Teil beim obigen Verfahren gekühlt wird, so dass das in der Röhre enthaltene Material nicht verdampft.
Die Eigenschaften einer Ausführungsform einer Hochdruckentladungslampe, gemäß der vorliegenden Erfindung sind wie folgt beschrieben:
Elektrische Leistung der Entladungslampe: 120–180 W
Spannung der Entladungslampe: 50–100 V
Abstand zwischen den Elektroden: 1,0–2,0 mm
Lichtausbeute: 40–70 lm/W
Auf die Kolbenwand ausgeübte Belastung: 80–150 W/cm²
Strahlungswellenlänge: 360–700 nm
Es ist bevorzugbar, dass die Hochdruckentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung unter der Bedingung eines Innendrucks von ca. 100–180 Atmosphären und einer Innentemperatur von ca. 1000–1200°C verwendet wird.
Die Hochdruckentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung kann in der gleichen Weise genutzt werden, wie konventionelle Hochdruckentladungslampen. Das heißt, wenn die Hochdruckentladungslampe der vorliegenden Erfindung mit einer Stromquelle verbunden ist, wird eine Steuerspannung an die Kathode und die Anode gelegt, um die Entladung zu starten. Auf diese Weise kann eine gewünschte Helligkeit der Lampe erreicht werden. Die vorhergehende Diskussion ist nur erläuternd gedacht; die Erfindung wird nur von den folgenden Ansprüchen beschränkt und definiert.

Claims

Hochdruckentladungslampe (1) mit: einem Quarzglaskolben (2); leitenden Elementen (5, 5'), wobei die leitenden Elemente an Dichtteilen (22) des Quarzglaskolbens luftdicht abgedichtet sind; und einem Paar von Elektroden (3, 4), wobei jede Elektrode des Paars von Elektroden so angeordnet ist, dass sie einander gegenüber liegen, und jede Elektrode mit einem der leitenden Elemente verbunden ist; wobei der Quarzglaskolben als einstückige Einheit unter Verwendung eines synthetischen Quarzes ausgebildet ist, dessen Viskosität bei etwa 1200°C etwa 10¹³ Poise beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei der das leitende Element Molybdän ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei der die Menge an in dem Quarzglaskolben enthaltenen Alkalimetallen etwa 0,01 ppm oder weniger beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, bei der die Menge an in dem Quarzglaskolben enthaltenen Alkalimetallen etwa 0,01 ppm oder weniger beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei der die Menge einer in dem Quarzglaskolben enthaltener Hydroxilgruppe etwa 1 ppm oder weniger beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, bei der die Menge einer in dem Quarzglaskolben enthaltener Hydroxilgruppe etwa 1 ppm oder weniger beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 3, bei der die Menge einer in dem Quarzglaskolben enthaltener Hydroxilgruppe etwa 1 ppm oder weniger beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, bei der die Menge einer in dem Quarzglaskolben enthaltener Hydroxilgruppe etwa 1 ppm oder weniger beträgt.