JP2013118202A

JP2013118202A - ショートアーク型放電灯用電極

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Publication number: JP2013118202A
Application number: JP2013059415A
Authority: JP
Inventors: Tadao Uyama; 忠男宇山; Hiroyuki Tanaka; 寛之田中; Kiyohiro Inoue; 潔博井上; Shiro Maenaka; 志郎前中; Ryosuke Yamamoto; 良介山本
Original assignee: Yumex Inc
Current assignee: Yumex Inc
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2013-06-13

Abstract

【課題】放熱性が高くかつ軽量な電極を提供する。
【解決手段】陽極のうち、温度の高い部分で熱放射は盛んになるので、前面に近い場所の表面積を大きくすることが熱放射にとって効果的である。陽極１は、第１本体部後端面９およびその周辺の側壁１０が露出しており、放熱面として機能する。かかる部位は、前面１６に比較的近い。従来の電極に比べると、温度の高い領域の放熱面積を大きくできるので、全体としての放熱量を大きくすることができる。また、穴７の分だけ、電極を軽量化することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショートアーク型放電灯の電極構造に関し、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、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、高融点材料であるタングステンの使用量が増加し、陽極が重たくなる。その結果、リード棒を支持する石英ガラス部分が破損したり、輸送中に陽極を支えているリード棒が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、外周面に細かなフィンを設けて、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、軽量かつ放熱性の高いショートアーク型電極を提供することを目的とする。

１）本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極は、後端面中央部に芯棒を保持するための芯棒底付き穴が形成されており、前記後端面中央部には、前記先端方向に、前記芯棒底付き穴よりも大きな径の大径底付き穴が形成されており、この大径底付き穴の底面に、前記芯棒底付き穴が設けられている。この大径底付き穴の底面は放熱面として機能する。したがって、温度の高い領域の放熱面積をより大きくでき、全体としての放熱量を大きくすることができる。

この請求項は下記第１実施形態〜第５実施形態が該当する。

２）本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極は、1)先端部近傍の第１本体部、2)前記第１本体部に形成された芯棒を保持するための保持穴を備え、前記第１本体部の後端部には、前記第１本体部の後端面が放熱面として露出するよう第２本体部が形成されている。したがって、温度の高い領域の放熱面積をより大きくでき、全体としての放熱量を大きくすることができる。

この請求項は下記第１実施形態〜第８実施形態が該当する。

３）本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極は、前記第２本体部には、前記芯棒の径よりも大きな貫通穴が設けられており、前記貫通穴によって、前記第１本体部の後端面が放熱面として露出する。したがって、温度の高い領域の放熱面積をより大きくでき、全体としての放熱量を大きくすることができる。

４）本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極においては、前記第２本体部は、全部または一部がセラミックスで構成されている。したがって、前記第２本体部をより放熱性が高い材料で構成することができる。

５）本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極は、1)先端部近傍の第１本体部、2)前記第１本体部に形成された芯棒を保持するための保持穴を備え、3)前記第１本体部の前記先端面との対向位置に、外部と空間的につながった露出部空洞が形成されるように、前記第１本体部の後端面に第２本体部が設けられている。したがって、温度の高い領域の放熱面積をより大きくでき、全体としての放熱量を大きくすることができる。

本発明にかかる陽極１の軸中心断面図である。図１の陽極１に、芯棒５を圧入させた軸中心断面図である。第１本体部と第２本体部を別の部材で構成した陽極の軸中心断面図である。図１の陽極１の変形実施形態である。図１の陽極１の変形実施形態である。第１本体部と第２本体部をスペーサで接続した陽極９０の軸中心断面図である。第１本体部と第２本体部をスペーサで接続した陽極１００の軸中心断面図である。第１本体部と第２本体部をスペーサで接続した陽極１１０の軸中心断面図である。

１．（第１実施形態）
図１に、本発明にかかるショートアーク型放電灯用電極である陽極１の断面図を示す。図１に示すように、陽極１は、先端部近傍の第１本体部２と筒状の第２本体部３を有している。本実施形態においては、通常の電極の後端面から、直径αの穴７を形成することにより、第１本体部後端面９が放熱面として露出するとともに、筒状の第２本体部３が、第１本体部２の後端面に接触状態で形成される。第１本体部後端面９には、芯棒を保持するための保持穴１１が形成されている。

第１本体部２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。

図２に、陽極１の保持穴１１に、芯棒５を圧入させた状態を示す。ショートアーク型放電灯の陽極１には、陰極（図示せず）から、電流をほとんど担っている電子流が流入するとともに、放電中に発生するアークジェット流が突入する。この電子流は、陽極前面１６の狭い領域に入ってエネルギーを放出し、アークジェット流は、陽極１の前面でよどみ点を形成して一部のエネルギーを放出した後、陽極１の側面に沿って流れる。いずれにしても、陽極１には大きなエネルギーが注入される。

陽極１は、注入されるエネルギーによって、前面は3000K近いあるいはそれ以上の高温となる。これにより、前面の金属は蒸発、溶融して損耗する。陽極１に注入されたエネルギーは熱伝導によって拡散し、陽極１の表面から熱放射によって放出される。陽極１の温度は、入射エネルギーと熱放射エネルギーの平衡（バランス）状態になって決まる。

熱放射Ｑは、ステファン・ボルツマンの次式で与えられる。

Ｑ＝５．６７＊（Ｔ／１００）⁴＊εＳ [W/m²] ・・・・式(1)
ここで、Ｓは表面積で、εは放射率である。

放射率εは一般の金属では温度が高いほど大きくなり、タングステンのε_Wは、約Ｔ／１００００である。これを代入すると、タングステンの場合、熱放射Ｑは、温度の約５乗に比例することとなる。すなわち、温度の高いところで熱放射は盛んになるので、温度の高い領域である陽極前面に近い場所の表面積を大きくすることが熱放射にとって効果的である。

本発明においては、第１本体部後端面９およびその周辺の側壁１０が露出しており、放熱面として機能する。かかる部位は、前面１６に比較的近い。したがって、従来の電極に比べると、温度の高い領域の放熱面積を大きくできるので、全体としての放熱量を大きくすることができる。また、穴７の分だけ、電極を軽量化することもできる。よって、第１本体部後端面９に形成する保持穴１１の深さを従来に比べて浅くしても、電極を芯棒５で支えることができる。また、第１本体部２の熱を第２本体部３に効率的に伝えて、第２本体部３で放熱することができる。

２．第２実施形態
第１実施形態においては、第１本体部２および第２本体部３を一体物で構成したが、図３に示すように、第１部材２２と第２部材２３を別体で構成して、接合するようにしてもよい。同じ材料で、製造が容易となる。また、第２本体部２３をより安価なモリブデンなどで構成することもできる。これは、第２本体部２３は、第１本体部２２と比べると、温度は低いからである。

第２本体部２３は、図３に示すように後端部へ向かうに従い、外直径が小さくなっており（d1＞d2)テーパー状の中空円筒形状をなしている。本実施形態においては、テーパー角は５°としたが、０°〜１５°程度としてもよい。このように、芯棒３５は陽極２１の中心軸上にあり、芯棒３５を流れる電流の中心は近似的に電極２１の中心軸上を流れ、したがって、発生する磁界および磁力線は図３に示すように軸対称である。磁界および磁力線がいつも軸対称である場合は、アークジェットのプラズマ流を陽極に沿って安定に流すためには有利であると発明者は推測する。

図３において、第２本体部２３をセラミックスで構成してもよい。たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を採用するようにしてもよい。かかる材質は、タングステンと比べてランプ点灯時における熱伝導率、および熱放射率が高いので、第２本体部２３における放熱効果を高くすることができる。また、タングステンと熱膨張係数が近似しているので、接合させた場合に、割れたりすることを防止することができる。

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^−５〜5.0*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170〜200W/mK、熱放射率0.80〜0.95、熱膨張係数4.5×10⁻⁶／度（摂氏）、密度3.320kg/m³の窒化アルミニウムが好適である。

また、第２本体部２３を軸方向にて２つ以上の部材に分け、第１本体部２２に近い部分は金属筒状で、それ以外はセラミックス筒状で構成してもよい。

３．第３実施形態
図４に他の実施形態を示す。図４Ａに示す陽極４０は、第１本体部４２の側面に周方向に渡って溝４１が設けられている。このように肉抜きのように溝を設けることにより、先端の温度が高い領域について、表面積をより大きくすることができ、放熱量を大きくできる。

図４Ｂに、溝４１ではなく、放射方向に穴５１〜５８を設けた陽極５０を示す。このように、陽極の先端に近い領域に溝や穴等の凹部を設けることにより、当該削除により形成された凹部を放熱面として機能させることができる。

４．第４実施形態
図５に他の実施形態を示す。図５Ａに示す陽極６０は、第１本体部後端面９に、複数の底付き穴６１が形成されている。これにより、先端の温度が高い領域に近い領域に、より広い放熱面を配置することができる。なお、図５Ａにおける底付きの穴を連続して設けることにより、溝形状としてもよい。

５．第５実施形態
図５Ｂに、第２本体部３に、複数の放熱窓７３を設けた陽極７０を示す。放熱窓７３により、より放熱面積を大きくすることができると共に、これにより、空間７内の熱を、より放出しやすくなる。なお、放熱窓７３の形状については、任意である。

図５Ｃに、図５Ｂの陽極７０の変形実施形態を示す。この実施形態では、芯棒５を支えるために、第２本体部３の後端に支持部材８０が設けられている。支持部材８０により、芯棒５を支持できるので、第１本体部後端面９に形成する穴を浅くすることができる。なお、芯棒５は、第１本体部２との導通が確実に確保できるのであれば、穴を設けることなく、芯棒５を第１本体部２に接触させる構造としてもよい。

この実施形態における放熱について説明する。支持部材８０には、複数の放熱窓８５が形成されている。この実施形態では、第２本体部３の側壁に設けられた放熱窓７３および支持部材８０に設けられた放熱窓８５から、穴７内の放熱が行われる。

なお、支持部材８０の形状については、図５Ｃに限定されない。芯棒５が支えられればよいので、図５Ｄに示すように、扇形の穴８８が形成されるように支柱を設け、これにより支持部材を構成してもよい。

６．第６実施形態
図６に他の実施形態を示す。陽極９０は、第１本体部２と、第２本体部３との間にスペーサを介在させて、第１本体部２の第１本体部後端面９３から、側面に放熱ができるようにしたものである。第２本体部３は、底付の円筒形状をしており、底面９５、内側面９６、および外側面９７を備えている。

第１本体部後端面９３の熱は、第２本体部３に、ピン９１を介して伝わり、第２本体部３の底面９５および内側面９６、外側面９７からも放熱される。

本実施形態においては、スペーサとしてピン９１を採用したが、リング形状として、その側面に穴を開けて、同様に外部に露出させるようにしてもよい。また、ピンの数については限定されない。

また、スペーサの材質は、熱を第２本体部３に伝えられるものであれば、金属、セラミックス等どのようなものであってもよい。

７．第７実施形態
図７に他の実施形態である陽極１００を示す。この実施形態では、図６に示す陽極９０と第２本体部１０３の形状が異なる。具体的には、底付き円筒形状ではなく、第２本体部１０３がコイル形状である。第１本体部後端面９３が露出しているので、ピン９４の存在しない部分から側面方向に放熱ができる。さらに、第２本体部１０３がコイル形状であるので、第１本体部１０２の熱がピン９４を介して伝わり、コイルの表面から放熱される。

スペーサの構成は図６と同様である。

８．第８実施形態
図８に他の実施形態である陽極１１０を示す。この実施形態では、図６に示す陽極９０と第２本体部３の形状が異なる。具体的には、底付き円筒形状ではなく、複数の円盤状部材１１５〜１１７が、所定の間隔を配して芯棒５に固定されている。第１本体部後端面９３からの放熱、および第２本体部３における放熱については、ほぼ同様である。スペーサの構成は図６と同様である。

９．その他の実施形態
本実施形態においては、セラミックス放熱部材を付加する場合、接合体の中間層としてチタン箔を採用したが、ジルコニウム等の活性金属かつ高融点金属が望ましい。

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陽極を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、本発明に係る電極構造は、上側に配置される電極が好ましい。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、下側に採用した電極にも採用することもできる。

さらに、本発明に係る電極構造は、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。

なお、本発明は以下のような技術思想として把握することもできる。

１）後端面中央部に芯棒を保持するための芯棒底付き穴が形成されたショートアーク型放電灯用電極であって、前記後端面中央部には、前記先端方向に、前記芯棒底付き穴よりも大きな径の大径底付き穴が形成されており、この大径底付き穴の底面に、前記芯棒底付き穴が設けられていることを特徴とするショートアーク型放電灯用電極。

２）先端部近傍の第１本体部、前記第１本体部に形成された芯棒を保持するための保持穴、を備えたショートアーク型放電灯用電極であって、前記第１本体部の後端部には、前記第１本体部の後端面が放熱面として露出するよう第２本体部が形成されていること、を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。

この場合、前記第２本体部には、前記芯棒の径よりも大きな貫通穴が設けられており、前記貫通穴によって、前記第１本体部の後端面が放熱面として露出するようにしてもよい。

３）先端部近傍の第１本体部、前記第１本体部に形成された芯棒を保持するための保持穴、を備えたショートアーク型放電灯用電極であって、前記第１本体部の前記先端面との対向位置に、外部と空間的につながった露出部空洞が形成されるように、前記第１本体部の後端面に第２本体部が設けられていること、を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。

また、上記各実施形態においては、第２本体部は電極を構成するように把握した場合について説明したが、第２本体部は放熱機能を有するものとして把握すれば、第２本体部は電極ではなく、放熱部であると解釈することもできる。

１陽極
２第１本体部
３第２本体部
５芯棒
９第１本体部後端面

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^−５〜5.0*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170〜200W/mK、熱放射率0.80〜0.95、熱膨張係数4.5×10⁻⁶／度（摂氏）、密度3.320kg/m³の窒化アルミニウムが好適である。

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。

Claims

後端面中央部に芯棒を保持するための芯棒底付き穴が形成されたショートアーク型放電灯用電極であって、
前記後端面中央部には、前記先端方向に、前記芯棒底付き穴よりも大きな径の大径底付き穴が形成されており、この大径底付き穴の底面に、前記芯棒底付き穴が設けられていること、
を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。
先端部近傍の第１本体部、
前記第１本体部に形成された芯棒を保持するための保持穴、
を備えたショートアーク型放電灯用電極であって、
前記第１本体部の後端部には、前記第１本体部の後端面が放熱面として露出するよう第２本体部が形成されていること、
を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。
請求項２のショートアーク型放電灯用電極において、
前記第２本体部には、前記芯棒の径よりも大きな貫通穴が設けられており、
前記貫通穴によって、前記第１本体部の後端面が放熱面として露出すること、
を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。
請求項２または請求項３のショートアーク型放電灯用電極において、
前記第２本体部は、全部または一部がセラミックスで構成されていること、
を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。
先端部近傍の第１本体部、
前記第１本体部に形成された芯棒を保持するための保持穴、
を備えたショートアーク型放電灯用電極であって、
前記第１本体部の前記先端面との対向位置に、外部と空間的につながった露出部空洞が形成されるように、前記第１本体部の後端面に第２本体部が設けられていること、
を特徴とするショートアーク型放電灯用電極。
請求項１〜５のいずれかのショートアーク型放電灯用電極を備えたショートアーク型放電灯。