JP2009151991A - High-pressure discharge lamp, and light source device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウエハのキュア処理、膜のキュア処理や改質処理などに用いられる、例えば高圧水銀ランプおよびメタルハライドランプなどの高圧放電ランプおよび当該高圧放電ランプを備えた光源装置に関し、更に詳しくは、冷却ジャケットなどと共に用いられる間接冷却方式の高圧放電ランプ、および当該高圧放電ランプと、冷却ジャケットとを備えた光源装置に関する。 The present invention relates to a high pressure discharge lamp, such as a high pressure mercury lamp and a metal halide lamp, and a light source device including the high pressure discharge lamp, which are used for semiconductor wafer curing, film curing or modification. The present invention relates to an indirect cooling high pressure discharge lamp used together with a cooling jacket and the like, and a light source device including the high pressure discharge lamp and a cooling jacket.
従来、高圧水銀ランプおよびメタルハライドランプなどの高圧放電ランプは、例えば半導体ウエハのキュア処理などの光照射処理の光源として用いられている。
高圧放電ランプの或る種のものとしては、両端が封止され、その内部に一対の電極が対向配置されている発光管を備え、この発光管が、例えば冷却媒体によって間接的に冷却される構成を有する間接冷却方式のものがある。
このような間接冷却方式の高圧放電ランプは、例えば当該高圧放電ランプの外径よりも大径のランプ配置空間を有する冷却ジャケットと共に用いられ、この高圧放電ランプと冷却ジャケットとを備えた光源装置において、冷却ジャケット内を流動する冷却媒体によって間接的に冷却されることとなる。また、特に高電力が入力される高圧放電ランプを備えた光源装置としては、冷却ジャケット内に冷却媒体を流動させると共に、当該冷却ジャケットのランプ配置空間内において、このランプ配置空間を区画する冷却ジャケットの内壁と、高圧放電ランプの発光管との間に形成される間隙に冷却風を流通させる構成のものもある（例えば、特許文献１参照。）。
Conventionally, high-pressure discharge lamps such as high-pressure mercury lamps and metal halide lamps have been used as light sources for light irradiation processing such as curing of semiconductor wafers.
Some types of high-pressure discharge lamps include an arc tube that is sealed at both ends and has a pair of electrodes facing each other. The arc tube is indirectly cooled by, for example, a cooling medium. Some indirect cooling systems have a configuration.
Such an indirect cooling high pressure discharge lamp is used, for example, with a cooling jacket having a lamp arrangement space larger in diameter than the outer diameter of the high pressure discharge lamp, and in a light source device including the high pressure discharge lamp and the cooling jacket. Then, it is indirectly cooled by the cooling medium flowing in the cooling jacket. In addition, as a light source device including a high-pressure discharge lamp to which high power is input, a cooling jacket that causes a cooling medium to flow in the cooling jacket and partitions the lamp arrangement space in the lamp arrangement space of the cooling jacket. There is also a configuration in which cooling air is circulated through a gap formed between the inner wall of the lamp and the arc tube of the high-pressure discharge lamp (see, for example, Patent Document 1).
具体的に、特許文献１には、高圧放電ランプと、内管および外管よりなる二重管構造を有する二重管形水冷ジャケットとを備え、当該水冷ジャケットの内管に囲繞されているランプ配置空間内に、高圧放電ランプが、発光管と、水冷ジャケットの内管（内壁）との間に円筒状の間隙が形成されるように配置されており、この水冷ジャケット内を循環する冷却水によって高圧放電ランプの発光管を間接的に冷却すると共に、この水冷ジャケットの内管と高圧放電ランプの発光管との間の間隙に冷却風を流通させることによって当該発光管を直接的に冷却する構成の光源装置が開示されている。
この光源装置によれば、高圧放電ランプの発光管が、冷却水によっては間接的に、冷却風によっては直接的に冷却されることから、この冷却水と冷却風との作用によって高い冷却効果が得られるため、高圧放電ランプに対して２００Ｗ／ｃｍ以上の高電力を入力することができる。
この特許文献１の実施例には、外径が２４ｍｍの石英ガラス製の発光管を備えた高圧放電ランプが、内径が２６ｍｍの内管を備えた水冷ジャケットのランプ配置空間内に配置されてなる構成の光源装置が例示されている。この光源装置には、水冷ジャケットのランプ配置空間内において、水冷ジャケットと高圧放電ランプとの間に、間隙幅１ｍｍの円筒状の間隙が形成されることとなる。
Specifically, Patent Document 1 includes a high-pressure discharge lamp and a double-tube water-cooling jacket having a double-tube structure including an inner tube and an outer tube, and the lamp surrounded by the inner tube of the water-cooling jacket. In the arrangement space, the high pressure discharge lamp is arranged so that a cylindrical gap is formed between the arc tube and the inner tube (inner wall) of the water cooling jacket, and the cooling water circulating in the water cooling jacket is arranged. The arc tube of the high-pressure discharge lamp is indirectly cooled by the above, and the arc tube is directly cooled by circulating cooling air through the gap between the inner tube of the water-cooling jacket and the arc tube of the high-pressure discharge lamp. A light source device having a configuration is disclosed.
According to this light source device, since the arc tube of the high-pressure discharge lamp is cooled indirectly by the cooling water and directly by the cooling air, a high cooling effect is obtained by the action of the cooling water and the cooling air. Therefore, high power of 200 W / cm or more can be input to the high pressure discharge lamp.
In the embodiment of Patent Document 1, a high-pressure discharge lamp having a quartz glass arc tube having an outer diameter of 24 mm is disposed in a lamp arrangement space of a water-cooled jacket having an inner tube having an inner diameter of 26 mm. A light source device having a configuration is illustrated. In this light source device, a cylindrical gap having a gap width of 1 mm is formed between the water cooling jacket and the high-pressure discharge lamp in the lamp arrangement space of the water cooling jacket.
しかしながら、このような構成を有する光源装置においては、高圧放電ランプに高電力を入力することはできても、当該高圧放電ランプが、その発光管の外径が２４ｍｍと比較的大きいものであるため、この発光管内において電極間に生成されるアークが大きく広がりを有するものとなってしまうことから、実際上、光学的に使用することができない場合がある、という問題がある。 However, in the light source device having such a configuration, even though high power can be inputted to the high pressure discharge lamp, the high pressure discharge lamp has a relatively large outer diameter of the arc tube of 24 mm. The arc generated between the electrodes in the arc tube has a large spread, so that there is a problem that it may not be practically used optically.
而して、この光源装置において、高圧放電ランプの発光管の外径を小さく、すなわち発光管を細径化した場合には、当該発光管がアークから受ける熱的負荷が一層大きくなるため、水冷ジャケットの内管と発光管とが、その離間距離が１ｍｍと大きく離間していたのでは、冷却水による冷却効果を十分に得ることができず、発光管の温度（管壁温度）が上昇して過熱されてしまうおそれがある。そこで、水冷ジャケットと発光管との離間距離を小さくしたとしても、この水冷ジャケットと発光管との間の間隙が小さくなることに伴って、この間隙に十分に冷却風を流通させることが困難となり、冷却風による冷却効果が得られなくなるおそれがある。 Thus, in this light source device, when the outer diameter of the arc tube of the high-pressure discharge lamp is reduced, that is, when the arc tube is reduced in diameter, the thermal load that the arc tube receives from the arc is further increased. If the inner tube of the jacket and the arc tube are separated by a large distance of 1 mm, the cooling effect by the cooling water cannot be obtained sufficiently, and the temperature of the arc tube (tube wall temperature) rises. May overheat. Therefore, even if the distance between the water-cooling jacket and the arc tube is reduced, it becomes difficult to sufficiently flow cooling air through the gap as the gap between the water-cooling jacket and the arc tube becomes small. There is a possibility that the cooling effect by the cooling air cannot be obtained.
ここに、水冷ジャケットと発光管との離間距離を小さくすることによっては、冷却風による冷却効果が得られずとも、水冷ジャケットと発光管とを十分に近接させることができれば、冷却水のみによって十分な冷却効果を得ることができるのだが、冷却水によって所期の冷却効果を得るためには、水冷ジャケットの内管と発光管とをほぼ密着した状態とする必要があり、このような状態とすることは、石英ガラス製の発光管にはソリや曲がりがあるため困難である。また、冷水ジャケットの内管と発光管とを完全に一体化、すなわち発光管を直接的に冷却することも考えられるが、このような場合には、冷却媒体として水が用いられていることから、発光管の内表面と外表面との温度差が７００〜１００００℃にもなるため、発光管に大きな熱歪みが生じ、その結果、高圧放電ランプの使用寿命が短くなってしまうおそれがある。 Here, by reducing the distance between the water-cooling jacket and the arc tube, even if the cooling effect by the cooling air cannot be obtained, if the water-cooling jacket and the arc tube can be sufficiently close to each other, the cooling water alone is sufficient. However, in order to obtain the desired cooling effect with cooling water, the inner tube of the water cooling jacket and the arc tube must be in close contact with each other. It is difficult to do this because the quartz glass arc tube is warped and bent. In addition, it is conceivable that the inner tube and the arc tube of the cold water jacket are completely integrated, that is, the arc tube is directly cooled. In such a case, water is used as a cooling medium. Since the temperature difference between the inner surface and the outer surface of the arc tube is as high as 700 to 10000 ° C., a large thermal distortion occurs in the arc tube, and as a result, the service life of the high-pressure discharge lamp may be shortened.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、高い冷却効率を得ることができ、かつ高い電力を入力することができると共に、発光管の細径化を図ることのできる高圧放電ランプ、および当該高圧放電ランプを備えた光源装置を提供することにある。 The present invention has been made based on the circumstances as described above, and the object thereof is to obtain a high cooling efficiency and to be able to input a high power and to reduce the diameter of the arc tube. An object of the present invention is to provide a high-pressure discharge lamp that can be achieved and a light source device including the high-pressure discharge lamp.
本発明の高圧放電ランプは、両端が封止され、その内部に一対の電極が対向配置されてなる発光管を備え、当該発光管が間接的に冷却される構成を有する間接冷却式の高圧放電ランプであって、
前記発光管における両端に形成されている封止部を含む部分を覆う外管が設けられており、
前記発光管の電極間に形成される発光領域において、当該発光管と、外管との間に形成される間隙に、光透過性を有する熱伝導性充填材が充填されていることを特徴とする。
The high-pressure discharge lamp of the present invention includes an arc tube in which both ends are sealed and a pair of electrodes are disposed opposite to each other, and the arc tube is indirectly cooled. A lamp,
An outer tube is provided to cover a portion including the sealing portion formed at both ends of the arc tube,
In the light emitting region formed between the electrodes of the arc tube, a gap formed between the arc tube and the outer tube is filled with a thermally conductive filler having optical transparency. To do.
本発明の高圧放電ランプにおいては、熱伝導性充填材が、石英ビーズおよび／または透光性アルミナビーズよりなることが好ましい。 In the high-pressure discharge lamp of the present invention, the thermally conductive filler is preferably made of quartz beads and / or translucent alumina beads.
また、本発明の高圧放電ランプにおいては、熱伝導性充填材が、発光管の外周面に巻回している石英ファイバーよりなるものであることが好ましい。 In the high-pressure discharge lamp of the present invention, it is preferable that the thermally conductive filler is made of quartz fiber wound around the outer peripheral surface of the arc tube.
本発明の高圧放電ランプにおいては、熱伝導性充填材が溶融により外管に固着されていることが好ましい。 In the high-pressure discharge lamp of the present invention, it is preferable that the heat conductive filler is fixed to the outer tube by melting.
本発明の光源装置は、ランプ配置空間を有する冷却ジャケットと、上記の高圧放電ランプとを備え、
冷却ジャケットのランプ配置空間に配置された高圧放電ランプにおける外管の外周面に沿って冷却媒体が流過されることを特徴とする。
A light source device of the present invention includes a cooling jacket having a lamp arrangement space and the high-pressure discharge lamp.
The cooling medium is caused to flow along the outer peripheral surface of the outer tube in the high-pressure discharge lamp arranged in the lamp arrangement space of the cooling jacket.
本発明の高圧放電ランプにおいては、発光管を覆うように外管が設けられ、この外管と、発光管における発光領域との間の間隙に熱伝導性充填材が充填されており、この熱伝導性充填材が光透過性と共に優れた熱伝導特性を有するものであることから、電極間に生成されるアークに起因して発生する熱を、発光管から高い効率で外管に伝導し、最終的には外管から放熱することができるため、発光管を効率的に冷却することができ、その結果、高い冷却効率を得ることができる。
また、高圧放電ランプにおいては、発光管と外管との間における熱伝導性能を、熱伝導性充填材の種類や充填率などを選択することにより、容易に調節することができるため、当該高圧放電ランプ自体に大きな設計の自由度が得られ、その結果、例えば冷却効率の低下や使用寿命の短期化などの弊害を伴うことなく、高入力化および発光管の細径化を図ることができる。
従って、本発明の高圧放電ランプによれば、高い冷却効率を得ることができ、かつ高い電力を入力することができる共に、発光管の細径化を図ることができる。
In the high-pressure discharge lamp of the present invention, an outer tube is provided so as to cover the arc tube, and a heat conductive filler is filled in a gap between the outer tube and the light emitting region in the arc tube. Since the conductive filler has excellent heat conduction characteristics as well as light transmittance, the heat generated due to the arc generated between the electrodes is conducted from the arc tube to the outer tube with high efficiency, Finally, since the heat can be radiated from the outer tube, the arc tube can be efficiently cooled, and as a result, high cooling efficiency can be obtained.
In the high-pressure discharge lamp, the heat conduction performance between the arc tube and the outer tube can be easily adjusted by selecting the kind of the heat conductive filler, the filling rate, etc. The discharge lamp itself has a great degree of design freedom, and as a result, it is possible to increase the input and reduce the diameter of the arc tube without causing adverse effects such as a decrease in cooling efficiency or a shortened service life. .
Therefore, according to the high-pressure discharge lamp of the present invention, high cooling efficiency can be obtained, high power can be input, and the diameter of the arc tube can be reduced.
本発明の光源装置によれば、本発明の高圧放電ランプを備えてなるものであることから、当該高圧放電ランプにおける外管の外周面に冷却媒体を流過することにより、この冷却媒体によって発光管を効率的に冷却することができるため、冷却ジャケットによって高圧放電ランプを極めて高い効率で冷却することができ、また、高圧放電ランプが大きな設計の自由度を有するものであるため、例えば冷却効率の低下や使用寿命の短期化などの弊害を伴うことなく、高圧放電ランプの高入力化および細径化を図ることができる。 According to the light source device of the present invention, since the high pressure discharge lamp of the present invention is provided, the cooling medium flows through the outer peripheral surface of the outer tube in the high pressure discharge lamp, so that the cooling medium emits light. Since the tube can be cooled efficiently, the cooling jacket can cool the high-pressure discharge lamp with extremely high efficiency, and the high-pressure discharge lamp has a great degree of design freedom. The high-pressure discharge lamp can have a higher input and a smaller diameter without adverse effects such as a decrease in battery life and a shortened service life.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
図１は、本発明の高圧放電ランプの管軸方向の断面を示す説明図であり、図２は、図１の高圧放電ランプの管軸に垂直な方向の断面を示す説明図であり、図３は、図１の高圧放電ランプの要部の断面（図１におけるａ部）を拡大して示す説明図である。
高圧放電ランプ１０は、円筒状の外管１２内に、ランプ本体２０が配置されており、外管１２を介してランプ本体２０が冷却される構成を有する間接冷却方式の高圧放電ランプである。
この高圧放電ランプ１０を構成するランプ本体２０は、発光管部２１Ａの両端に封止管部２１Ｂを有する石英ガラス製の直管状の発光管２１を備え、この発光管２１の封止管部２１Ｂの各々には、金属箔２３が気密に埋設されて封止部（気密封止部）が形成されており、この金属箔２３の各々内端面に電気的に接続された、例えばモリブデン製の内部リード棒２４の先端に設けられた電極２２が、発光管部２１Ａ内において互いに対向するよう配置され、この一対の電極２２の間に発光領域Ｌが形成されているものである。この発光管２１の発光管部２１Ａ内には、適宜の発光物質が封入物として封入されている。
この図の例において、発光管２１の封止管部２１Ｂに形成されているランプ本体２０の封止部は、シュリンクシール方式によって形成されており、箔シール構造を有している。 また、図１において、２１Ｃは、封止部２１Ｂの外端に連設されて管軸方向外方に伸びる円筒状のスカート部であり、２５は、金属箔２３の外端面に電気的に接続され、スカート部２１Ｃを挿通する外部リード棒であり、２８は、外部リード棒２５の外端側に電気的に接続された接続部材である。
FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section in the tube axis direction of the high pressure discharge lamp of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view showing a cross section in a direction perpendicular to the tube axis of the high pressure discharge lamp of FIG. 3 is an explanatory view showing an enlarged cross section (portion a in FIG. 1) of the main part of the high pressure discharge lamp of FIG.
The high-
The lamp
In the example of this figure, the sealing part of the
外管１２は、ランプ本体２０から放射される光（例えば、波長３６５ｎｍの光を含む紫外線）を透過する材料（例えば、石英ガラス）よりなり、ランプ本体２０の外径（発光管２１の外径）よりも大径の内径を有し、かつ当該ランプ本体２０の両端に形成されている封止部を含む部分を覆うことのできる全長を有するものであり、ランプ本体２０における一方の封止部の外端から他方の封止部の外端に至る領域を環囲するよう、配置されている。
この図の例においては、外管１２は、ランプ本体２０の発光管２１の全長よりも大きな全長を有しており、この外管１２内に、ランプ本体２０が挿通され、ランプ本体２０の外周面と外管１２の内周面との間に円筒状の間隙（以下、「円筒状間隙」ともいう。）１３が形成されると共に、外部リード棒２５に接続されている接続部材２８が両端から突出した状態で配置されている。
The
In the example of this figure, the
そして、この高圧放電ランプ１０には、ランプ本体２０における発光領域Ｌにおいて、当該ランプ本体２０と、外管１２との間に形成される円筒状間隙１３に、光透過性を有する熱伝導性充填材が充填されることにより、ランプ本体２０における発光管２１の外周面に沿って伸び、ランプ本体２０から放射される光に対する光透過性と共に熱伝導性を有する円筒状の充填材層３０が形成されている。
この図の例においては、外管１２とランプ本体２０との間の円筒状間隙１３においては、ランプ本体２０の発光領域Ｌが位置する領域には、充填材層３０が設けられているが、それ以外の領域、すなわちランプ本体２０の封止部を含む両端部分が位置する領域には、空間が形成されたままの状態となっている。また、ランプ本体２０は、充填材層３０によって外管１２内において所期の状態に保持固定されている。
In the high-
In the example of this figure, in the
充填材層３０は、粒状の熱伝導性充填材３１によって構成されている。
この粒状の熱伝導性充填材３１としては、優れた光透過性および熱伝導性を有する部材、具体的には、石英ビーズおよび透光性アルミナビーズを好適に用いることでき、これらは単独でも、組み合わせても用いることもできるが、製造の容易性（充填の容易性）および光透過性の観点から、石英ビーズを用いることが好ましい。
The
As the granular heat
石英ビーズとしては、平均粒径が１０μｍ以上であるものを用いることが好ましい。
石英ビーズの平均粒径が過小である場合には、充填材層３０に入射した光が、当該充填材層３０を構成する石英ビーズを透過せずに、その表面において散乱反射する割合が大きくなるため、充填材層３０に十分な光透過性が得られなくなるおそれがある。
As the quartz beads, those having an average particle diameter of 10 μm or more are preferably used.
When the average particle diameter of the quartz beads is too small, the ratio of the light incident on the
この充填材層３０においては、機械的強度および光透過性の観点から、粒状の熱伝導性充填材３１が、溶融によって外管１２に固着されていることが好ましい。
ここに、充填材層３０においては、当該充填材層３０を構成する粒状の熱伝導性充填材３１のうちの外管１２に近接しているものの一部が溶融した状態であればよい。
In the
Here, in the
また、充填材層３０においては、粒状の熱伝導性充填材３１の充填率は、５０％以上であることが好ましい。
Moreover, in the
また、充填材層３０の厚み、すなわち外管１２と、発光管３０との間の円筒状間隙１３の間隙幅が１ｍｍ以下であることが好ましく、例えば０．３ｍｍである。
The thickness of the
このような構成を有する高圧放電ランプ１０の寸法の一例としては、ランプ本体２０は、外径が７．４ｍｍ、内径が３．４ｍｍであって厚みが２．０ｍｍ、発光領域Ｌの長さ（電極間距離）が１００ｍｍ、封止部を含む部分の長さ（一方の封止部の外端と他方の封止部の外端との離間距離）が２１０ｍｍであり、また、外管１２は、外径が１０．０ｍｍ、内径が８．０ｍｍであって厚みが１．０ｍｍ、全長が２４５ｍｍである。このランプ本体２０の発光管２１と外管１２との間の円筒状間隙１３の間隙幅、すなわち充填材層３０の厚みは０．３ｍｍである。
As an example of the dimensions of the high-
このような構成を有する高圧放電ランプ１０は、例えばランプ本体２０と、外管１２とを用意し、外管１２内における所定の位置にランプ本体２０を挿入することによって組立体（以下、「ランプ組立体」ともいう。）を得、図４に示すように、このランプ組立体４６の一方の端部（図４における右端部）を、例えば樹脂製シートを円筒状に丸めた栓部材４８を外管１２とランプ本体２０との間の隙間に差し込むことによって塞ぎ、他方の端部（図４における左端部）から適宜の手法によって粒状の熱伝導性充填材３１を充填した後、栓部材４８を取り外し、その後、必要に応じて、粒状の熱伝導性充填材３１が充填された状態のランプ組立体４６を仮焼成処理し、更に粒状の熱伝導性充填材３１が充填されている部分を、例えばバーナーを用いて加熱処理する過程を経ることにより、製造することができる。
ここに、仮焼成処理および加熱処理を経ることによっては、充填材層３０として、粒状の熱伝導性充填材３１が溶融によって外管１２に固着されてなる構成のもの得られるが、仮焼成処理に供する前、すなわちランプ組立体４６に粒状の熱伝導性充填材３１が充填されたままの状態のものも、必要な部材を取り付けることにより、本発明の高圧放電ランプとして用いることができる。
図４において、４９は、ランプ本体２０の発光管２１内に封入されている封入物である。
The high-
Here, by undergoing a pre-baking treatment and a heat treatment, the
In FIG. 4,
以上の高圧放電ランプ１０においては、電力が入力されることによってランプ本体２０内の電極２２間にアークが生成し、点灯状態（動作状態）とされることにより、当該ランプ本体２０から放射された光が、光透過性を有する充填材層３０および外管１２をこの順に透過して外方に放射されると共に、ランプ本体２０の発光管２１にはアークによる熱負荷が生じることとなる。
In the high-
而して、高圧放電ランプ１０においては、ランプ本体２０を覆うように外管１２が設けられ、この外管１２と、ランプ本体２０における発光領域Ｌとの間の円筒状間隙１３に充填材層３０が形成されており、この充填材層３０が、光透過性を有すると共に熱伝導性を有する粒状の熱伝導性充填材３１が三次元的に連結されたものであって、優れた熱伝導特性を有するものであることから、ランプ本体２０において、電極２２間に生成されるアークに起因して発生する熱を、発光管２１から、空気よりも高い熱伝導率を有する充填材層３０を介することによって高い効率で外管１２に伝導し、最終的には外管１２から放熱することができるため、外管１２の外側に存在する適宜の冷却媒体により、ランプ本体２０の発光領域Ｌを選択的に効率よく冷却することができ、その結果、高い冷却効率を得ることができる。
ここに、充填材層３０を構成する石英ビーズよりなる粒状の熱伝導性充填材３１の材質とされる、石英ガラスの熱伝導率は、５００℃では、約２Ｗ／ｍ・Ｋと、空気の熱伝導率の約５０倍である。
Thus, in the high
Here, the thermal conductivity of quartz glass, which is the material of the granular thermally
また、充填材層３０が、ランプ本体２０における発光領域Ｌのみを覆うように形成されているため、当該ランプ本体２０の発光管２１において、その内周面がアークにさらされ、最も高い熱負荷を生じる部分を選択的に冷却することができることから、ランプ本体２０の中央部分に位置する発光領域Ｌを、封止部を含む両端部分が保温された状態を維持しつつ、局所的に冷却することができる。
Further, since the
更に、高圧放電ランプ１０においては、ランプ本体２０の発光管２１と外管１２との間における熱伝導性能を、充填材層３０を構成する粒状の熱伝導性充填材３１の種類や充填率などを選択することにより、容易に調節することができるため、大きな設計の自由度が得られ、その結果、例えば冷却効率の低下や使用寿命の短期化などの弊害を伴うことなく、ランプ本体２０の高入力化および細径化を図ることができる。
ここに、高圧放電ランプ１０においては、発光管２１と外管１２との間における熱伝導性能は、当該発光管２１と外管１２との間の熱の伝導率によって示され、その熱の伝導率は、ランプ点灯時において、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
Further, in the high-
Here, in the high
また、高圧放電ランプ１０においては、充填材層３０を構成する粒状の熱伝導性充填材３１が溶融により外管１２に固着されているため、当該充填材層３０に一層優れた光透過性が得られると共に、高圧放電ランプ１０に加えられる振動や衝撃などによって粒状の熱伝導性充填材３１が動き、充填材層３０が変形されることがないことから、高い機械的強度が得られる。
Further, in the high-
以上のような高圧放電ランプ１０は、優れた冷却効率を有するものであることから、当該高圧放電ランプ１０の外管１２の外周面に沿って冷却媒体を流過させることのできる冷却ジャケットと共に用いることにより、冷却媒体による冷却効果を高い効率で得ることができ、その結果、より一層高い電力を入力することが可能となる。
Since the high
図５は、本発明の光源装置の構成の一例を示す説明図である。
この光源装置は、高圧放電ランプ１０と、当該高圧放電ランプ１０を収容するためのランプ配置空間５０Ａを有する冷却ジャケット５０とを備えており、この冷却ジャケット５０のランプ配置空間５０Ａ内に配置された高圧放電ランプ１０の外管１２の外周面に沿って冷却媒体として冷却水Ｗを流過させるための冷却媒体流過機構が設けられているものである。
この図の例において、５９は、その上面（図５における左面）に光照射対象体６０を載置するためのワークステージであり、５８は、反射面５８Ａがワークステージ５９の上面に対向するよう設けられた反射鏡である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the light source device of the present invention.
The light source device includes a high-
In the example of this figure, 59 is a work stage for placing the
冷却ジャケット５０は、その全形状が円筒状であって、内部に円柱状のランプ配置空間５０Ａが形成されているものである。
この冷却ジャケット５０は、高圧放電ランプ１０のランプ本体２０から放射される光（例えば、波長３６５ｎｍの光を含む紫外線）を透過する材料（例えば、石英ガラス）よりなり、高圧放電ランプ１０の外径、すなわち当該高圧放電ランプ１０における外管１２の外径よりも大径の内径を有し、当該高圧放電ランプ１０における発光領域Ｌの全長、すなわち充填材層３０の全長よりも大きな全長を有している。
The entire shape of the cooling
The cooling
また、この冷却ジャケット５０には、その一端（図５における上端）に、冷却水供給路形成部材５２が設けられており、また他端（図５における下端）には、冷却水排出路形成部材５３が設けられている。
この図の例において、冷却水供給路形成部材５２および冷却水排出路形成部材５３は、各々、その全体形状が略Ｌ字状の管体よりなるものであり、冷却水供給路形成部材５２における冷却水供給路５２Ａおよび冷却水排出路形成部材５３における冷却水排出路５３Ａは、各々、冷却ジャケット５０のランプ配置空間５０Ａに連通している。
Further, the cooling
In the example of this figure, the cooling water supply
そして、この冷却ジャケット５０のランプ配置空間５０Ａには、その両端にランプ固定部材５６が装着された状態の高圧放電ランプ１０が配置され、それぞれ、冷却ジャケット５０が口締め部材５４によって支持され、高圧放電ランプ１０が口締め部材５５によって支持されることにより、この冷却ジャケット５０および高圧放電ランプ１０の各々が、管軸が水平方向（図５における上下方向）に伸びるように固定されている。
この図の例においては、口締め部材５４、５５により、高圧放電ランプ１０、冷却ジャケット５０、冷却水供給路形成部材５２および冷却水排出路形成部材５３の各構成部材間の液密性が実現されている。
The high
In the example of this figure, the liquid tightness between the constituent members of the high
このようにして、高圧放電ランプ１０が、冷却ジャケット５０の内部において、外管１２の外周面と、冷却ジャケット５０の内表面との間に円筒状の間隙が形成されるように配置された構成とされており、この円筒状の間隙により、冷却水供給路形成部材５２における冷却水供給路５２Ａおよび冷却水排出路形成部材５３における冷却水排出路５３Ａに連通する冷却水流路５１が形成されている。
この冷却水供給路５２Ａ、冷却水流路５１および冷却水排出路５３Ａよりなる冷却水路が、冷却水供給路５２Ａにおいて図示しない冷却水供給系に接続されることにより、高圧放電ランプ１０の外管１２の外周面に沿って冷却水Ｗを、図５における矢印方向に流動させるための冷却構造、すなわち冷却媒体流過機構が形成されている。
In this way, the high-
A cooling water channel including the cooling water supply channel 52A, the cooling
このような構成の冷却媒体流過機構によれば、冷却水供給路５２Ａを介して冷却水流路５１に冷却水Ｗが供給されると、冷却水Ｗが高圧放電ランプ１０の外管１２の外周面に沿って、冷却水排出路５３Ａに向かう方向に流動し、その後、冷却水流路５１を通過した冷却水Ｗは、冷却水排出路５３Ａを介して排出されることとなる。
According to the cooling medium flow mechanism having such a configuration, when the cooling water W is supplied to the cooling
以上のような光源装置においては、本発明の高圧放電ランプ１０を備えており、この高圧放電ランプ１０が、前述のように、ランプ本体２０の発光管２１と外管１２との間における熱伝導性能が優れたものであるため、外管１２の外周面を流過する冷却水Ｗにより、ランプ本体２０における発光管２１を、空気よりも高い熱伝導性を有する充填材層３０を介することによって効率的に冷却することができることから、冷却ジャケット５０によって高圧放電ランプ１０を極めて高い効率で冷却することができる。
The light source device as described above includes the high-
また、このような光源装置は、高圧放電ランプ１０が大きな設計の自由度を有するものであるため、例えば冷却効率の低下や使用寿命の短期化などの弊害を伴うことなく、高圧放電ランプ１０の高入力化および細径化を図ることができることから、光学的観点からも、種々の用途に用いることが可能となる。
Further, in such a light source device, since the high-
本発明においては、上記の実施の形態に限定されず種々の変更を加えることが可能である。
例えば、高圧放電ランプは、図６に示すように、充填材層３５が、ランプ本体２０の発光管２１の外周面に石英ファイバー３６よりなる線状の熱伝導性充填材が巻回されることによって形成されている構成を有するものであってもよい。この図６に係る高圧放電ランプは、熱伝導性充填材が、ランプ本体２０の外周面に巻回している石英ファイバー３６よりなるものであり、この石英ファイバー３６により、ランプ本体２０における発光領域Ｌにおいて、当該ランプ本体２０と外管１２との間の円筒状間隙１３が充填されていること以外は図１に係る高圧放電ランプ１０と同様の構成を有するものである。
この図の例において、充填材層３５は、石英ファイバー３６が隙間なく、かつ３重に巻回されており、管軸方向（図６における左右方向）の断面において、石英ファイバーの円状の断面が互いに密接して管軸方向に並列した層が３層積重された構成を有している。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the high pressure discharge lamp, as shown in FIG. 6, a linear heat conductive filler made of
In the example of this figure, the
この充填材層３５においても、粒状の熱伝導性充填材３１よりなる充填材層３０と同様に、機械的強度および透光性の観点から、石英ファイバー３６が溶融によって外管１２に固着されていることが好ましい。
Also in the
充填材層３５を構成する石英ファイバー３６の直径は、例えばランプ本体２０と外管１２との間の円筒状間隙１３の幅が０．３ｍｍである場合には、０．１ｍｍである。
The diameter of the
このような構成の高圧放電ランプは、例えばランプ本体２０と、外管１２とを用意し、ランプ本体２０における発光領域Ｌの外周面に石英ファイバー３６を巻回したものを外管１２内に挿入し、その後、必要に応じて、仮焼成処理およびバーナーなどを用いた加熱処理を施すことにより、製造することができる。
The high pressure discharge lamp having such a configuration is prepared, for example, by a
以下、本発明の作用効果を確認するために行なった実験例について説明する。 Hereinafter, experimental examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
〔実験例１〕
先ず、図１の構成に従って、石英ガラス製の円筒状の外管内に、石英ガラス製の直管状の発光管を備えたランプ本体が配置されており、当該ランプ本体における発光領域（電極間領域）において、当該ランプ本体の発光管と、外管との間に形成される円筒状間隙に、平均粒子径５０μｍの石英ビーズが、充填率７０％で充填された充填材層が形成されている構成の高圧水銀ランプ（以下、「高圧放電ランプ（１）」ともいう。）を作製した。
この高圧放電ランプ（１）において、ランプ本体は、外径が７．４ｍｍ、内径が３．４ｍｍであって厚みが２．０ｍｍ、発光領域の長さ（電極間距離）が１００ｍｍ、封止部を含む部分の長さ（一方の封止部の外端と他方の封止部の外端との離間距離）が２１０ｍｍであるものであり、外管は、外径が１０．０ｍｍ、内径が８．０ｍｍであって厚みが１．０ｍｍ、全長が２４５ｍｍであるものである。また、ランプ本体と外管との間の円筒状間隙の幅、すなわち充填材層３０の厚みは０．３ｍｍである。
[Experimental Example 1]
First, in accordance with the configuration shown in FIG. 1, a lamp body having a straight tubular arc tube made of quartz glass is arranged in a cylindrical outer tube made of quartz glass, and a light emitting area (interelectrode area) in the lamp body. In the structure, a cylindrical filler formed between the arc tube and the outer tube of the lamp body is formed with a filler layer filled with quartz beads having an average particle diameter of 50 μm at a filling rate of 70%. High pressure mercury lamp (hereinafter also referred to as “high pressure discharge lamp (1)”).
In this high-pressure discharge lamp (1), the lamp body has an outer diameter of 7.4 mm, an inner diameter of 3.4 mm, a thickness of 2.0 mm, a light emitting region length (distance between electrodes) of 100 mm, a sealing portion The length of the portion including (the separation distance between the outer end of one sealing portion and the outer end of the other sealing portion) is 210 mm, and the outer tube has an outer diameter of 10.0 mm and an inner diameter of 210 mm. The thickness is 8.0 mm, the thickness is 1.0 mm, and the total length is 245 mm. The width of the cylindrical gap between the lamp body and the outer tube, that is, the thickness of the
次いで、充填材層が形成されていないこと以外は高圧放電ランプ（１）と同様の構成を有する高圧水銀ランプ（以下、「高圧放電ランプ（２）」ともいう。）を作製した。 Next, a high-pressure mercury lamp (hereinafter also referred to as “high-pressure discharge lamp (2)”) having the same configuration as that of the high-pressure discharge lamp (1) except that the filler layer was not formed was produced.
作製した高圧放電ランプ（１）を用い、図５の構成に従って光源装置（以下、「光源装置（１）」ともいう。）を作製した。
また、光源装置（１）において、高圧放電ランプ（１）に代えて高圧放電ランプ（２）を備えた構成の光源装置（以下、「光源装置（２）」ともいう。）を作製した。
Using the produced high-pressure discharge lamp (1), a light source device (hereinafter also referred to as “light source device (1)”) was produced according to the configuration of FIG.
In addition, a light source device (hereinafter, also referred to as “light source device (2)”) having a high pressure discharge lamp (2) instead of the high pressure discharge lamp (1) in the light source device (1) was produced.
作製した光源装置（１）および光源装置（２）の各々ついて、高圧放電ランプに対して３０００Ｗの電力を入力すると共に、冷却ジャケットの冷却水路に冷却水を流動させることによって動作したところ、光源装置（２）においては、作動開始（点灯開始）から１時間以内に、発光管の管壁温度が高温（１２００℃以上）となって変形が生じ（膨らみが発生）、点灯状態を維持することが不可能となった。一方、光源装置（１）においては、作動開始から１時間経過後においても、点灯状態が維持された。 About each of the produced light source device (1) and the light source device (2), when it operated by inputting electric power of 3000 W with respect to a high-pressure discharge lamp and flowing cooling water into the cooling water channel of a cooling jacket, light source device In (2), within 1 hour from the start of operation (lighting start), the tube wall temperature of the arc tube becomes high (1200 ° C. or higher), deformation occurs (bulging occurs), and the lighting state can be maintained. It became impossible. On the other hand, in the light source device (1), the lighting state was maintained even after 1 hour from the start of operation.
この結果から、光源装置（１）を構成する高圧放電ランプ（１）は、極めて優れた冷却効率を有するものであることが確認された。
また、光源装置（１）を構成する高圧放電ランプ（１）において、冷却水の温度が４５℃であって、発光管の内表面に生じる熱歪みから推定される当該内表面の温度が１１００℃であることに基づき、点灯状態における発光管と外管との間の充填材層の平均熱伝導率を算出したところ、０．３６Ｗ／ｍ・Ｋであった。
一方、光源装置（２）を構成する高圧放電ランプ（２）においては、発光管と外管との間に形成されている円筒状の間隙に素線径φ０．１ｍｍの熱電対を挿入し、当該間隙に存在する空気の温度を測定したところ、５００℃であり、この測定結果から確認される空気の熱伝導率は０．０４Ｗ／ｍ・Ｋであった。
From this result, it was confirmed that the high-pressure discharge lamp (1) constituting the light source device (1) has extremely excellent cooling efficiency.
Further, in the high pressure discharge lamp (1) constituting the light source device (1), the temperature of the cooling water is 45 ° C., and the temperature of the inner surface estimated from the thermal strain generated on the inner surface of the arc tube is 1100 ° C. Based on the above, the average thermal conductivity of the filler layer between the arc tube and the outer tube in the lighting state was calculated to be 0.36 W / m · K.
On the other hand, in the high pressure discharge lamp (2) constituting the light source device (2), a thermocouple having a strand diameter of 0.1 mm is inserted into a cylindrical gap formed between the arc tube and the outer tube, When the temperature of the air existing in the gap was measured, it was 500 ° C., and the thermal conductivity of the air confirmed from the measurement result was 0.04 W / m · K.
１０ 高圧放電ランプ
１２ 外管
１３ 間隙
２０ ランプ本体
２１ 発光管
２１Ａ 発光管部
２１Ｂ 封止管部
２１Ｃ スカート部
２２ 電極
２３ 金属箔
２４ 内部リード棒
２５ 外部リード棒
２８ 接続部材
３０ 充填材層
３１ 粒状の熱伝導性充填材
３５ 充填材層
３６ 石英ファイバー
４６ ランプ組立体
４８ 栓部材
４９ 封入物
５０ 冷却ジャケット
５０Ａ ランプ配置空間
５１ 冷却水流路
５２ 冷却水供給路形成部材
５２Ａ 冷却水供給路
５３ 冷却水排出路形成部材
５３Ａ 冷却水排出路
５４、５５ 口締め部材
５６ ランプ固定部材
５８ 反射鏡
５８Ａ 反射面
５９ ワークステージ
６０ 光照射対象体
DESCRIPTION OF
53A Cooling
Claims (5)
前記発光管における両端に形成されている封止部を含む部分を覆う外管が設けられており、
前記発光管の電極間に形成される発光領域において、当該発光管と、外管との間に形成される間隙に、光透過性を有する熱伝導性充填材が充填されていることを特徴とする高圧放電ランプ。 An indirect cooling high-pressure discharge lamp having a configuration in which both ends are sealed and an arc tube in which a pair of electrodes are arranged to face each other and the arc tube is indirectly cooled,
An outer tube is provided to cover a portion including the sealing portion formed at both ends of the arc tube,
In the light emitting region formed between the electrodes of the arc tube, a gap formed between the arc tube and the outer tube is filled with a thermally conductive filler having optical transparency. High pressure discharge lamp.
冷却ジャケットのランプ配置空間に配置された高圧放電ランプにおける外管の外周面に沿って冷却媒体が流過されることを特徴とする光源装置。 A cooling jacket having a lamp arrangement space, and the high-pressure discharge lamp according to any one of claims 1 to 4,
A light source device, wherein a cooling medium flows along an outer peripheral surface of an outer tube in a high-pressure discharge lamp arranged in a lamp arrangement space of a cooling jacket.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011071020A (en) * | 2009-09-28 | 2011-04-07 | Iwasaki Electric Co Ltd | Low-pressure mercury lamp, and its adjusting method of coldest part temperature |
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| JPS58181262A (en) * | 1982-04-15 | 1983-10-22 | Matsushita Electronics Corp | Fluorescent lamp device |
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2007
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