JP2005166381A - ガス放電灯の陰極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス放電灯において陰極先端の熱を素早く放熱させることができ、ガス放電灯を長時間安定に動作させることのできるようにした陰極構造を提供する。
【解決手段】 高融点金属材料製の基体(141)に、易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で製作された陰極本体(140)をその先端が基体よりも突出するように結合して陰極(14)を構成し、陰極の先端部分は尖頭状に形成する。陰極の先端部分の表面には陰極本体のアーク発生点を除く領域に凹凸状の放熱部(142,145)を形成し、陰極本体の先端の熱を放電ガス雰囲気に放熱させる。陰極本体内に高融点金属材料製の熱伝達ブロック(146)を内蔵してもよい。また、陰極の放熱部の背後にヒートダム(143)を設けるようにしてもよい。
【選択図】 図３

Description

本発明はガス放電灯の陰極構造に関し、特に陰極先端の熱を素早く放熱させることができ、放電灯を長時間安定に動作させることのできるようにした構造に関する。

例えば、各種の検査機器、投影機器、光化学反応機器等の光源にはガス放電灯がよく採用されている。このガス放電灯は陰極と陽極とを対向させて放電ガス中に封入し、陰極と陽極との間にアーク放電を行わせることにより発光させるようになっている。

ガス放電灯の陰極は先端部分を鋭利にした尖頭状に製作されており、概ねタングステン陰極、トリア入りのタングステン陰極、易電子放出物質（エミッター）を含んだ多孔質陰極の三種に大別される。この三種の陰極のうち、多孔質陰極は電子放出能力が高く、前二者の陰極に比して陰極への負荷が小さいという利点を有する。

上述の多孔質陰極ではエミッターを含んだ多孔質高融点金属材料で構成される陰極本体を、高融点金属材料で構成される基体に結合した構造が広くに採用されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、等参照）。
特開平０９−９２２０１号公報 特開平１１−３３９７１３号公報 特開２０００−２１５８４５号公報 特開２００１−６６０７号公報 特開２００２−１４１０１８号公報

ところで、かかるガス放電灯では放電の輝点は陰極先端に集中するが、陰極の先端部分には放電によって発生するガスイオンの衝撃を受け、高エネルギーによって高温に加熱され、陰極先端の溶融や易電子放出物質の蒸発によってアーク放電が不安定になるとともに、蒸発した易電子放出物質が放電灯のガラス壁面に付着して光の透過率を低下させてしまう。従って、放電灯を長時間安定に動作させる上で、陰極先端の熱を素早く逃がしてアークの発生点を安定にさせることが重要である。

しかるに、従来の多孔質陰極では陰極本体の熱を基体に逃がすことに重点をおいて設計されているものの、陰極本体は易電子放出物質を含んでいて高融点金属材料の密度が小さく、それ自身の熱伝達率が悪いので、陰極本体の熱を基体の基部に向けて素早く放熱できる構造にはなっていなかった。

本発明はかかる点に鑑み、陰極先端の熱を素早く放熱させることができ、放電灯を長時間安定に動作させることのできるようにしたガス放電灯の陰極構造を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係るガス放電灯の陰極構造は、陰極と陽極を対向させて放電ガス雰囲気中に封入したガス放電灯における上記陰極の構造であって、上記陰極は高融点金属材料製の基体に、易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で製作された陰極本体をその先端が基体よりも突出するように結合して構成され、上記陰極の先端部分は尖頭状に形成されている一方、上記陰極の先端部分の表面には上記陰極本体のアーク発生点を除く領域に凹凸状の放熱部が形成されており、上記陰極本体の先端の熱を放電ガス雰囲気に放熱させるようになっていることを特徴とする。

本発明の特徴の１つは陰極の先端部分の表面に放熱部を設け、陰極先端の熱を放電ガス雰囲気に放熱させるようにした点にある。

これにより、アーク放電中に陰極の先端部分に放電によって発生するガスイオンが衝突し、陰極先端が高エネルギーによって高温に加熱されても、放熱部から放電ガス雰囲気中に素早く放熱されるので、陰極先端の溶融や易電子放出物質の蒸発が起こり難い。その結果、アーク放電が不安定になったり、蒸発した易電子放出物質が放電灯のガラス壁面に付着することが少なくなり、ガス放電灯の長寿命化を図ることができる。

陰極本体は基体に結合されていればよく、例えば基体の平坦状の先端面に陰極本体の平坦状の後端面を適切な接合材を用いて接合した構造としてもよく、又基体の先端面に嵌込み凹部を形成し、この嵌込み凹部に陰極本体を嵌入し、必要に応じて接合材で接合した構造としてもよく、又基体の凸状の先端面に陰極本体の凹状の後端面を嵌入し、必要に応じて適切な接合材で接合した構造としてもよく、さらには基体の中心に貫通穴を形成し、そこに棒状の陰極本体を挿通した構造としてもよい。

放熱部は基体に設けてもよく、陰極本体に設けてもよく、又陰極本体から基体にかけて設けてもよい。この放熱部は凹凸状であれば放電ガス雰囲気に対面する表面積が増大し、放熱効果を発揮することができるが、製造工程を考慮すると、コイル状に形成するのがよい。

また、放熱部は陰極の先端部分の表面を加工して形成してもよく、又陰極とは別体に形成して陰極の先端部分の表面に固定するようにしてもよい。

即ち、陰極の先端部分の表面には陰極本体のアーク発生点を除く領域に嵌込み凹所を形成し、この嵌込み凹所には高融点金属材料を用いてコイル状に形成された放熱部を嵌め込むようにすることもできる。また、陰極の先端部分の表面に高融点金属材料を用いてコイル状に形成された放熱部を固定するようにしてもよい。

この場合、放熱効率をアップさせる上で、放熱部と陰極の先端部分の表面とを密着させるのが好ましい。そこで、陰極の先端部分の表面には陰極本体のアーク発生点を除く領域に凹部をコイル状に形成し、この凹部にはコイル状に形成された放熱部を嵌め込むようにするのがよい。

また、陰極本体の放熱効率が低いのは、陰極本体が易電子放出物質を含んでいて高融点金属材料の密度が小さく、それ自身の熱伝達率が悪いことから、陰極本体に高融点金属材料製のブロックを内蔵すると、陰極本体の先端の熱を基体の基部側に向けて効率よく伝達させることができ、放熱効率をさらにアップさせることができる。

即ち、陰極本体内には高融点金属材料で構成された熱伝達ブロックを内蔵し、陰極本体の先端部分の熱を基体の基部側に向けて伝達することによってさらに放熱させるように構成することもできる。

ところで、ガス放電灯の陰極では放電電流に見合った電子を供給することが求められ、陰極先端にエミッターを効率よく供給することが必要である。そのためには陰極本体の全体の温度を均一に保持することが重要である。

そこで、陰極の先端部分の放熱部の背後にヒートダムを形成すると、陰極本体の側面部分から基体の基部側に向けて熱が逃げるのを抑制又は軽減し、陰極本体の側面部分の熱を保持し、陰極本体の温度を均一化できる。

ヒートダムは基体に環状に連続に又は不連続に形成した溝としてもよく、さらにその溝に遮熱性の高い材質、例えばセラミック材料を充填するようにしてもよい。

また、上述の熱伝達ブロックを内蔵したガス放電灯の陰極構造も斬新である。即ち、本発明によれば、陰極と陽極を対向させて放電ガス雰囲気中に封入したガス放電灯における上記陰極の構造であって、上記陰極は高融点金属材料製の基体に、易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で製作された陰極本体をその先端が基体よりも突出するように結合して構成され、上記陰極の先端部分は尖頭状に形成されている一方、上記陰極本体内には高融点金属材料で構成された熱伝達ブロックが内蔵され、上記陰極本体の先端の熱を上記基体の基部に向けて伝達することによって放熱させるようになっていることを特徴とするガス放電灯の陰極構造を提供することができる。

ここで、陰極本体、基体及び熱伝達ブロックを構成する高融点金属材料にはタングステンやモリブデン等、この種のガス放電灯で使用されている高融点金属材料を用いることができる。

また、陰極本体に含有させる易電子放出物質にはこの種のガス放電灯で使用されている物質、例えばバリウム、カルシウム、ストロンチウム等のアルカリ土類金属の酸化物を一種又は二種以上の混合物、これらに酸化アルミニウムを添加したものを用いることができる。

さらに、陰極本体は易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で構成され、先端部分が尖頭状に形成されていればその製造方法は特に限定されない。例えば、この陰極本体は高融点金属材料の粉体と易電子放出物質の粉体とを混合して焼結してもよく、高融点金属材料の粉体を焼結し、焼結体に易電子放出物質を含浸させるようにしてもよい。特許請求の範囲において「易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で構成され」とはこのことを意味している。

以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図３は本発明に係るガス放電灯の陰極構造の好ましい実施形態を示し、これは１５０Ｗキセノンランプに適用した例である。ガス放電灯では例えば透明石英ガラス製のバルブ１０の両端に陰極口金１１及び陽極口金１２が設けられ、又バルブ１０の中間にはガス封入部１７が形成され、ガス封入部１７内には放電ガス、例えばキセノンガス１．５２ＭＰａ（１１４×１０²ｔｏｒｒ、１５ａｔｍ）が封入されている。

バルブ１０のガス封入部１７には陰極１４と陽極１３とが相互に対向して配設されてバルブ１０に支持され、陰極１４及び陽極１３は接続導体、例えばモリブデン箔１６、１５によって口金１１、１２の外部端子に接続されており、外部端子間に電圧を印加することによって陰極１４と陽極１３との間にアーク放電が発生するようになっている。

陽極は例えばタングステンを用いて断面ほぼ円形の棒状に製作されている。また、陰極１４は陰極本体１４０と基体１４１とから構成され、基体１４１は高融点金属材料、例えばモリブデンを用いて製作されている。この基体１４１は全体が例えば２．８ｍｍ径の断面ほぼ円形の棒状をなし、その後端部には取付け用小径部が形成され、先端部は円錐台状にテーパー加工され、その先端面には嵌込み凹部１４１Ａが形成されている。

陰極本体１４０は例えば易電子放出物質、例えばバリウムを含有する多孔質高融点金属材料、例えば多孔質タングステンを用いてほぼ円柱状に製作され、先端部分は円錐尖頭状に形成されている。この陰極本体１４０は基体１４１の嵌込み凹部１４１Ａ内に嵌め込まれて固定されており、こうして陰極１４は先端部分が尖頭状に形成されている。

また、基体１４１の先端部分にはアーク発生点を除く領域である円錐台状のテーパー加工部分に嵌込み凹所１４４が形成され、該嵌込み凹所１４４内には放熱コイル（放熱部）１４２が外嵌されて保持されている。なお、嵌込み凹所１４４の底面にコイル状の凹凸を形成し、放熱コイル１４２と嵌込み凹所１４４の底面との密着性を高めるようにすると、放熱性を向上させることができる。

本例の陰極の製造方法の１例について説明する。本例の陰極を製造する場合、例えば平均粒径３μｍのタングステンの粉末とエミッターである酸化バリウムと酸化アルミニウムの混合粉末とを体積比で４：１で混合し、モリブデンにプレス型を製作して混合粉末を埋め込み、プレスする。

その後、混合粉末とモリブデンとを所定の陰極形状に切削加工し、この陰極素形材の先端部位に放熱コイル１４２を取付ける。これを水素雰囲気の電気炉にて１７５０°Ｃに昇温し、酸化バリウムと酸化アルミニウムを還元活性すると、本例の陰極が得られる。その後は通常の製造方法と同様にしてガス放電灯を製作する。

本例の陰極１４を用いたガス放電灯と放熱コイルを設けていない従来のガス放電灯の光出力の劣化特性を測定した。測定は大塚電子社製の瞬間マルチ測光システム（ＭＣＰＤ−３０００）を用いて行った。その結果を図４に示す。本例の陰極（特性Ａ）は従来の陰極（特性Ｂ）に比し、初期点灯の変化が小さく、又２０００時間経過時に光出力の劣化が少ないことが確認された。

図５及び図６は第２の実施形態を示し、図において図１ないし図３と同一符号は同一又は相当部分を示す。本例では陰極本体１４０のアーク発生点を除く領域から基体１４１にかけての円錐台状のテーパー加工部に嵌込み凹所１４４を形成し、この嵌込み凹所１４４に放熱コイル１４２を嵌め込んで固定している。

また、基体１４１の放熱コイル１４２の直背後にはヒートダム１４３が例えば幅０．３ｍｍ、深さ０．５ｍｍに環状に連続溝加工されている。なお、ヒートダム１４３は１つでもよく、複数設けてもよく、又連続溝ではなく、不連続な溝に形成してもよい。

このように、ヒートダム１４３を形成すると、陰極本体１４０の温度分布が全体にわたってほぼ均一化され、陰極本体１４０先端へのエミッターの供給が円滑に行われ、ガス放電灯の長寿命化をさらに向上できる。

図７は本発明のガス放電灯の陰極構造の他の実施形態を示し、図において図１ないし図３と同一符号は同一又は相当部分を示す。図７の(a)に示される実施形態では陰極本体１４０から基体１４１の円錐台状のテーパー加工部に放熱部１４５をコイル状に加工している。このように、放熱部は基体１４１及び／又は陰極本体１４０に一体的に形成するようにしてもよい。

図７の(b)に示される実施形態では陰極本体１４０内に円錐形状をなすモリブデン製の熱伝達ブロック１４６を内蔵し、陰極本体１４０の先端の熱を基体１４１の基部側に向けて放熱させるようにしている。

図７の(c)に示される実施形態では熱伝達ブロック１４６を円錐台状ではなく断面凸状に形成している。このように熱伝達ブロックの形状は陰極本体１４０の先端の熱を基体１４１の基部側に向けて放熱し易い形状に形成することができる。

なお、上記２つの実施形態に示される熱伝達ブロック１４６を第１、第２の実施形態の陰極構造に組み合わせることもできる。即ち、陰極本体１４０内に熱伝達ブロック１４６を内蔵させるようにしてもよく、その場合には陰極本体１４１の先端の熱をより素早く放熱させることができる。

本発明に係る陰極構造の好ましい実施形態を用いたガス放電灯の構造を示す図である。 上記実施形態における陰極を示す全体図である。 上記実施形態における陰極を示す断面拡大図である。 上記実施形態と従来のガス放電灯における光出力の時間的変化を示す図である。 第２の実施形態における陰極を示す全体図である。 上記実施形態における陰極を示す断面拡大図である。 他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１３ 陽極
１４ 陰極
１４０ 陰極本体
１４１ 基体
１４２ 放熱コイル（放熱部）
１４３ ヒートダム
１４４ 嵌込み凹所
１４５ 放熱部
１４６ 熱伝達ブロック
１７ ガス封入部（放電ガス雰囲気）

Claims (8)

1. 陰極と陽極を対向させて放電ガス雰囲気中に封入したガス放電灯における上記陰極の構造であって、
   上記陰極は高融点金属材料製の基体に、易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で製作された陰極本体をその先端が基体よりも突出するように結合して構成され、上記陰極の先端部分は尖頭状に形成されている一方、
   上記陰極の先端部分の表面には上記陰極本体のアーク発生点を除く領域に凹凸状の放熱部が形成されており、上記陰極本体の先端の熱を放電ガス雰囲気に放熱させるようになっていることを特徴とするガス放電灯の陰極構造。
2. 上記放熱部がコイル状に形成されている請求項１記載のガス放電灯の陰極構造。
3. 上記陰極の先端部分の表面には上記陰極本体のアーク発生点を除く領域に嵌込み凹所が形成され、該嵌込み凹所には高融点金属材料を用いてコイル状に形成された上記放熱部が嵌め込まれている請求項１記載のガス放電灯の陰極構造。
4. 上記陰極の先端部分の表面には上記陰極本体のアーク発生点を除く領域に凹部がコイル状に形成され、該凹部にはコイル状に形成された上記放熱部が嵌め込まれている請求項１又は３記載のガス放電灯の陰極構造。
5. 上記陰極本体内には高融点金属材料で構成された熱伝達ブロックが内蔵され、上記陰極本体の先端部分の熱を上記基体に向けて伝達することによって放熱させるようになっている請求項１ないし４のいずれかに記載のガス放電灯の陰極構造。
6. 上記基体の先端部分には上記放熱部の背後にヒートダムが設けられ、上記陰極本体の側面部分の熱が上記基体の基部側に向けて放熱されるのを軽減するようになっている請求項１ないし５のいずれかに記載のガス放電灯の陰極構造。
7. 上記ヒートダムは上記基体に形成された環状連続溝又は環状不連続溝である請求項６記載のガス放電灯の陰極構造。
8. 陰極と陽極を対向させて放電ガス雰囲気中に封入したガス放電灯における上記陰極の構造であって、
   上記陰極は高融点金属材料製の基体に、易電子放出物質を含有させた多孔質高融点金属材料で製作された陰極本体をその先端が基体よりも突出するように結合して構成され、上記陰極の先端部分は尖頭状に形成されている一方、
   上記陰極本体内には高融点金属材料で構成された熱伝達ブロックが内蔵され、上記陰極本体の先端の熱を上記基体の基部に向けて伝達することによって放熱させるようになっていることを特徴とするガス放電灯の陰極構造。
   

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