JP2008186790A - 放電ランプ用電極およびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極を支持する電極リード棒の負荷を軽減できるとともに、温度上昇を抑制することができる電極構造を提供する。
【解決手段】 陽極１は本体部３および放熱部材であるセラミックスリーブ５を備えている。セラミックスリーブ５は、熱伝導率170W/mK以上、熱放射率0.50以上、および熱膨張係数4.0*10^−６〜5.0*10^−６を有する窒化アルミニウム（ＡＬＮ）で構成されている。セラミックスリーブ５は、電極先端部の熱を電極側面部外周面から確実に逃がすことができ、電極の温度上昇を抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放電ランプの電極構造に関し、特に、放熱性向上に関する。

従来、陽極における放熱対策としては、陽極の容量を大きくすることが知られていた。しかし、陽極の容量を大きくすると、陽極が重たくなり、陽極を支えているリード棒が輸送中に折れたりする問題があった。

特許文献１には、陽極表面にタングステンおよびタンタルの混合物よりなる金属多孔質層が形成された陽極が開示されている。かかる金属多孔質層を設けることにより、放熱効果を高くすることができる。

また、特許文献２には、外周面にフィンを設け、陽極表面積を拡大し、陽極からの輻射効率を増大させた陽極が開示されている。

特開平2-256150号公報

特開2002-117806号公報

上記、特許文献１，２はいずれも、陽極の表面積を広げることにより、放熱効果を高めることはできても、十分な放熱は行えなかった。さらに、陽極を軽量化するのに限界があった。

この発明は、電極を支持する電極リード棒の負荷を軽減できるとともに、温度上昇を抑制することができる電極構造を提供することを目的とする。

１）本発明にかかる放電ランプ用電極は、1)高融点材料で構成された電極本体、2)前記電極本体の側面に設けられた中空円筒状の放熱部材を備えた放電ランプ用電極であって、3)前記放熱部材は、前記高融点材料より高い熱伝導性および熱放射性を有し、かつ前記高融点材料とほぼ同様の熱膨張係数を有する絶縁性セラミック材料で構成されている。材料の比重が前記電極本体よりも軽いので、電極を支持する電極リード棒の負荷を軽減できるとともに、温度上昇を抑制することができる電極構造を提供することができる。

２）本発明にかかる放電ランプ用電極においては、前記電極本体と前記放熱部材との間に、前記放熱部材と固相結合した金属緩衝層を有する。したがって、前記放熱部材と前記電極本体との密着性を高めることができる。

３）本発明にかかる放電ランプ用電極においては、前記放熱部材は、熱伝導率170W/mK以上、熱放射率0.50以上、および熱膨張係数4.0*10^−６〜5.0*10^−６である。したがって、電極を支持する電極リード棒の負荷を軽減できるとともに、温度上昇を抑制することができる電極構造を提供することができる。

４）本発明にかかる放電ランプ用電極においては、前記放熱部材は、窒化物系セラミックスまたは炭化物系セラミックスから選ばれる１種類または２種類以上の混合物から構成される。したがって、電極を支持する電極リード棒の負荷を軽減できるとともに、温度上昇を抑制することができる電極構造を提供することができる。

５）本発明にかかる放電ランプ用電極においては、前記放熱部材と接する電極本体の外径を先端部から後端部へ向かうに従い、小さくしたテーパー状とし、また、電極本体と接する前記放熱部材の内周面の内径を先端部から後端部へ向かうに従い、小さくしたテーパー状とし、前記放熱部材の内周面と前記電極本体の側面とを嵌合させている。したがって、前記放熱部材と前記電極本体との密着性を高めることができる。

６）本発明にかかる放電ランプ用電極においては、前記放熱部材と前記電極本体との間に、前記放熱部材を構成するセラミック材料の微粒子粉末を焼結させた伝達層を有する。したがって、前記放熱部材と前記電極本体との密着性を高めることができる。

７）本発明にかかる放電ランプ用電極の製造方法は、1)高融点材料で構成された電極本体を用意し、2)前記高融点材料より高い熱伝導性および熱放射性を有し、かつ前記高融点材料とほぼ同様の熱膨張係数を有するセラミック材料で、前記電極本体の側面を覆う中空円筒状部材を用意し、3)前記電極本体の側面に前記中空円筒状部材を装着する。したがって、電極を支持する電極リード棒の負荷を軽減できるとともに、温度上昇を抑制することができる電極を提供することができる。

８）本発明にかかる放電ランプ用電極の製造方法においては、前記電極本体に前記中空筒状部材を装着する前に、前記放熱部材を構成するセラミック材料の微粒子粉末を前記電極本体に付着させ、焼結させ、その後、前記中空円筒状部材を装着する。したがって、前記放熱部材と前記電極本体との密着性を高めることができる。これにより、熱伝導効率のよい電極を提供することができる。

図１に、本発明にかかる放電ランプ用電極である陽極１の断面図を示す。図１に示すように、陽極１は本体部３および放熱部材であるセラミックスリーブ５を備えている。セラミックスリーブ５は本体部３の先端を除く胴体部外周面に装着されている。

本体部３は、高融点金属、もしくは、高融点金属を主成分とする合金で構成されている。本実施形態においては、純度９９．９％以上の純タングステンを採用した。なお、タングステンを用いる場合、微量のトリウムなどを含むドープタングステン等を用いてもよい。また、融点が３０００（Ｋ）以上の他の高融点金属を採用することもできる。なお、本実施形態においては、電極先端の温度を低くすることもできるので、それほど大電力でない場合には、モリブデン等を用いることもできる。

本体部３は、図１に示すように、電極先端部から後端部へ向かうに従い、外径が小さくなっており（r1＞r2）、テーパー状の円筒形状をなしている。

セラミックスリーブ５は、電極胴体部外周面と接する内周面の内径を先端部から後端部へ向かうに従い小さくしたテーパー状の中空円筒状である。本実施形態においては、テーパー角は３°としたが、１°〜５°程度としてもよい。

材質は、本体部３を構成するタングステンに比較して、ランプ点灯時における熱伝導率、および熱放射率が高く、且つ、熱膨張係数が近似した窒化アルミニウム（ＡＬＮ）を採用した。

なお、他の窒化物系セラミックスでもよく、また、炭化珪素（ＳｉＣ）などの炭化物系セラミックスで構成してもよい。他の材料としては、熱伝導率170W/mK以上、熱放射率0.50以上、および熱膨張係数4.0*10^−６〜5.0*10^−６を有する窒化アルミニウム（ＡＬＮ）、または同特性の炭化珪素（ＳｉＣ）が好ましい。特に、熱伝導率200W/mK、熱放射率0.80、熱膨張係数4.5×10^−６/度（摂氏）、密度3,320 kg/m³の窒化アルミニウムが好適である。

このように、放熱部に、非導電性の窒化物系セラミックスおよび炭化物系セラミックスを用いた場合でも、本体部３が導電性を示すので、陽極と陰極間の通電には問題はない。

電極胴体部外周面及び放熱部材内周面は、その表面が滑らかであれば、密着性を高まり、これにより熱伝達性を向上させることができる。

陽極１の製造方法について簡単に説明する。本体部３は、原材料であるタングステン棒材から所定の長さに切断した後、外形を形成するための切削加工を行う。この際、セラミックスリーブ５と接する電極胴体部外周面の外径を先端部から後端部へ向かうに従い直径を小さくしたテーパー状に切削加工を行う。

一方、セラミックスリーブ５は、金属粉末射出成形によって成形体を形成する際、電極胴体部外周面と同様にテーパー形状とする。

この状態で、セラミックスリーブ５と接する電極胴体部外周面に、窒化物系セラミックスの窒化アルミニウム微粉末を焼結し熱伝達層を形成し、その上から放熱部材を加圧挿入、嵌合させる。これにより両者の密着性を高めることができる。なお、粉末を焼結することなく、そのまま挿入し、嵌合させるようにしてもよい。

図１に示す陽極１を組み込んだ放電ランプ２０を図２に示す。放電ランプ２０の構成は下記の通りである。発光管内容積： 620cm^３、発光長（電極間距離、ランプ動作中）d=12ｍｍ、陰極は、トリエーティッドタングステン（ トリア：2wt.% ）で構成し、電極支持棒７、１７は外径6ｍｍのタングステンを採用した。

軸方向長さＬ１=45ｍｍ 、先端部直径r0=25ｍｍ、胴部外径をr1=15ｍｍ 、内容積を10000ｍｍ^３ とした。電極支持棒５は、材質をタングステンとし、外径6ｍｍとした。

陽極１における放熱作用について説明する。タングステンの熱伝導率は、2000K程度の高温域においては、約100W/mKである。これに対し、窒化アルミニウムは、タングステンよりも熱伝導率が高く200W/mKである。また、一般に、セラミックスは温度上昇と共に、熱伝導率も高くなる傾向にある。

電極先端部付近に蓄積された熱は、かかる先端部よりセラミックスリーブ５に効率よく伝達され、さらには、熱放射により発光雰囲気へ効率よく熱を放出する。その結果、電極先端部においては、熱が該放熱部材に向けて高い効率で伝達されるので、該電極先端部の過熱を防止できる。

以上のように、電極本体と、これと比較して高い熱伝導率および熱放射率を有するようなセラミックスリーブ５とを組み合わせることにより、電極先端部の過熱を防止することができる。その結果、放電ランプの電流流量を増大しても陽極の劣化等の問題を解消できる。

本実施形態においては、電極胴体部外周部に電極本体よりも高い熱伝導性と熱放射率を有する放熱部材が密着性よく設けられているので、当該電極先端部の熱を高効率に電極側面及び後方に向けて放熱することができ、当該電極を具備した本発明に係る放電ランプは、電極先端部の過熱を防止でき、高輝度かつ高出力を実現することが可能になる。

また、本実施形態においては、セラミックスリーブ５は密度3,320kg/m^３であり、タングステンは、密度19,250kg/m³である。したがって、従来と比べてセラミックスリーブ５を約1/6の質量で構成することができる。これにより陽極を全体として軽量化することができる。また、かかる軽量化によって、大出力大型放電ランプの製作に際しても、作業性が良好となり、生産性高い高品位な放電ランプを提供することができる。また、かかる軽量化は、製造時におけるメリットだけでなく、搬送時の衝撃や振動等による破損も防止できる。

また、当該放熱部材と電極側面部の形状をテーパー状とすることにより、放熱部材と電極との高い密着性を実現し、熱伝達性の高い構造とすることができる。

また、前記放熱部材と電極胴体部外周面との間に、前記放熱部材と同じ素材の微粒子粉末を焼結した伝達層を設けるようにしてもよい。これにより、放熱部材と電極との高い密着性を実現し、熱伝達性の高い構造とすることが可能となる。たとえば、前記放熱部材を窒化物系セラミックスで構成した場合には、窒化物系セラミックスの微粒子粉末を焼結した伝達層を用いればよい。炭化物系セラミックスについても同様である。窒化物系セラミックスおよび炭化物系セラミックスを混合した場合についても同様である。また、窒化物系セラミックスおよび／または炭化物系セラミックスに、炭化タンタル、炭化タングステン、タングステンなどを混入して、放熱部材を形成した場合には、伝達層も同様に同じ素材を混合してもよい。

さらに、放熱部材の材料として、炭化タンタル、炭化タングステン、タングステンなどを混入しない場合でも、伝達層を炭化タンタル、炭化タングステン、タングステンから選ばれる１種類または２種類以上の混合物を採用してもよい。

本実施形態においては、セラミックスリーブ５によって、電極先端部の熱を電極側面部外周面から確実に逃がすことができ、電極の温度上昇を抑制することができる。これにより電極構成物質の蒸発が抑えられ、発光管部内壁の黒化を防止できる。したがって、光放射出力の減衰が少ない放電ランプを提供することができる。

また、本実施形態においては、電極先端部の熱をより多く後端に輸送することができる。これにより、消灯した後、温度が低下する勾配を、従来のランプに比べて、緩慢とすることができる。

このように、本発明に係る放電ランプによれば、電極先端部の温度を低下させることが可能であり、電極構成物質の蒸発を抑え、電極が溶融することがなく、発光管内壁が黒化せず光放射出力の減衰が少ない放電ランプとすることができる。

上記実施形態においては、前記放熱部材と電極胴体部外周面との間に、窒化物系セラミックスまたは炭化物系セラミックスからなる微粒子粉末を焼結した伝達層を設けることにより、放熱部材と電極との高い密着性を実現したが、セラミックと金属との間に中間層金属を設け、固有結合するようにしてもよい。

具体的には、円筒状薄板で形成されたモリブデンリングを、電極胴体部外周面に挿入する。モリブデンリングには、タングステンとセラミックスの熱膨張の差による応力が加わる。またモリブデンリング自身も厚み方向に熱膨張する。モリブデンリングはこれら熱膨張に起因する歪みをモリブデンの弾性・塑性変形によって緩和する。

本実施形態においてはモリブデンリングの厚みを0.2mmとしたが、これに限定されず、0.05mm〜３mm程度としてもよい。

また、当該電極では、通電を行うことにより、放電がおき、モリブデンとセラミックスリーブの境界面は１０００℃近くなり、しかも熱膨張による応力が加わる。したがって、特に、その様な製造工程を設けることなく、両者間で固相結合が起こる。

なお、モリブデンリングの熱膨張による円周方向の伸びを吸収できるように、モリブデンリングにスリットを設けてもよい。具体的には、図３Ａに示すように、軸方向に平行に延びるスリット６１を設ければよい。

かかるスリットは、1つだけでなく、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、スリット６２ａ，６２ｂ，スリット６３ａ，６３ｂ，６３ｃというように、複数設けてもよい。なお、図３Ｂ,図３Ｃは、モリブデンリングを軸方向に垂直方向の断面図である。スリットを複数設けた場合、１つの物体ではなく、複数の板状部材となるが、これらを押さえたまま、放熱部材で挟むことにより、バラバラになることはない。

このように、薄いモリブデンリングを、電極本体とセラミックスリーブとの間に設けることにより、電極本体とセラミックスリーブとの密着性を高めつつ、セラミックスリーブの割れを防止することができる。

なお、本実施形態においては緩衝金属層としてモリブデンリングを採用したが、延性の高い高融点金属であればどの様なものでもよく、たとえばニオブ（Nb)などを採用することもできる。

なお、本願発明は上記構成に限定されず適宜変更が可能である。例えば、電極本体を構成する高融点金属については上述した物質に限定されない。また、放熱部材についても上述した物質に限定されず適宜変更可能であり、何れも、窒化物系セラミックスまたは炭化物系セラミックスから選ばれる１種類または２種類以上の混合物であってもよいし二層以上の構造であってもよく、上記実施形態に限定されるものではない。

なお、本発明の電極構造は、直流点灯型放電ランプにおいては陽極に採用することが好ましいが、陰極に採用するようにしてもよい。また、陽極および陰極の双方に採用することもできる。

また、交流点灯型放電ランプにおいても採用できる。

また、放電ランプの管軸を垂直方向に配置して点灯される、いわゆる垂直点灯型放電ランプにおいては、上側に配置される電極が高温化されやすい。したがって、本発明にかかる電極構造は、上側に配置される電極に用いることが好ましい。しかしながら、垂直点灯型放電ランプにおいて、下側に配置する電極に採用することを否定するものではなく、下側に配置した電極にも採用することもできる。

さらに、本発明にかかる電極構造は、管軸を水平に配置する水平点灯型放電ランプや斜めに配置する放電ランプにも、採用することができる。

また、本発明にかかる電極構造は、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、さまざまな放電ランプに応用できる。

また、本発明の放熱部材は、実施例に示す形状に限定されるものではなく、例えば、放熱部材外周側面部に放熱用フィンや凹凸を設けるなど、適宜な形状変更が可能である。

本発明にかかる放電ランプは、高熱伝導・高熱放射性セラミック製放熱部材を付設した陽極を用いている。したがって、陽極側面部（窒化アルミ）の熱放射（輻射）効率を高め、陽極側面の温度を低下させるとともに陽極内部の温度勾配を大きくして熱流速を増大させ、陽極先端部に集中した熱エネルギーの放熱を効果的に高めることができる。

当該放電ランプにおいて、放熱部材として用いられる高熱伝導・高熱放射性セラミック、例えば、窒化アルミは、非酸化中であれば最高使用温度は1700度（摂氏）であり、熱伝導率は200Ｗ／ｍＫとタングステンより高熱伝導性を示す。また、熱膨張係数は4.5×10^−６/度（摂氏）で、タングステンの熱膨張係数とほとんど同じである。さらには、密度が3,320 kg/m³であって、タングステン質量（19,250 kg/m³）の約6分の１であり、陽極の軽量化が可能である。軽量化により、大出力大型放電ランプの製作に際しても、陽極支持棒にかかる重量の負担を軽減することができる。また、当該放熱部材と電極側面部の形状をテーパー状としたことにより、放熱部材と電極との高い密着性を実現することができる。これにより熱伝達性の高い構造とすることができる。

陽極１の断面図である。 陽極１を採用した放電ランプにおける放熱を説明するための図である。 スリットを設けたモリブデンリングを示す図である。

符号の説明

１ 陽極
３ 電極本体
５ セラミックスリーブ
７ 電極支持棒
２０ 放電ランプ

Claims (8)

1. 高融点材料で構成された電極本体、
   前記電極本体の側面に設けられた中空円筒状の放熱部材、
   を備えた放電ランプ用電極であって、
   前記放熱部材は、前記高融点材料より高い熱伝導性および熱放射性を有し、かつ前記高融点材料とほぼ同様の熱膨張係数を有する絶縁性セラミック材料で構成されていること、
   を特徴とする放電ランプ用電極。
2. 請求項１の放電ランプ用電極において、
   前記電極本体と前記放熱部材との間に、前記放熱部材と固相結合した金属緩衝層を有すること、
   を特徴とするもの。
3. 請求項１の放電ランプ用電極において、
   前記放熱部材は、熱伝導率170W/mK以上、熱放射率0.50以上、および熱膨張係数4.0*10^−６〜5.0*10^−６であること、
   を特徴とするもの。
4. 請求項３の放電ランプ用電極において、
   前記放熱部材は、窒化物系セラミックスまたは炭化物系セラミックスから選ばれる１種類または２種類以上の混合物から構成されること、
   を特徴とするもの。
5. 請求項３または請求項４の放電ランプ用電極において、
   前記放熱部材と接する電極本体の外径を先端部から後端部へ向かうに従い、小さくしたテーパー状とし、また、電極本体と接する前記放熱部材の内周面の内径を先端部から後端部へ向かうに従い、小さくしたテーパー状とし、前記放熱部材の内周面と前記電極本体の側面とを嵌合させたこと、
   を特徴とするもの。
6. 請求項２〜請求項５のいずれかの放電ランプ用電極において、
   前記放熱部材と前記電極本体との間に、前記放熱部材を構成するセラミック材料の微粒子粉末を焼結させた伝達層を有すること、
   を特徴とするもの。
7. 高融点材料で構成された電極本体を用意し、
   前記高融点材料より高い熱伝導性および熱放射性を有し、かつ前記高融点材料とほぼ同様の熱膨張係数を有するセラミック材料で、前記電極本体の側面を覆う中空円筒状部材を用意し、
   前記電極本体の側面に前記中空円筒状部材を装着したこと、
   を特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
8. 請求項７の放電ランプ用電極の製造方法において、
   前記電極本体に前記中空筒状部材を装着する前に、前記放熱部材を構成するセラミック材料の微粒子粉末を前記電極本体に付着させ、焼結させ、その後、前記中空円筒状部材を装着すること、
   を特徴とするもの。

Images