JP2014127364A - 放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプにおいて、熱輸送効率および耐熱構造に優れた電極を設ける。
【解決手段】放電ランプにおいて、陽極３０内部に密閉された内部空間４０を形成し、伝熱体Ｍを封入する。内部空間４０には、フラットな底面４０Ｂを胴体部３２内に設け、電極先端側肉厚Ｄ２を側面側肉厚Ｄ１よりも大きくする。そして、内部空間４０の底面付近において、側面４０Ｓから底面４０Ｂに向けて縮径し、断面形状が曲率半径Ｒとなる湾曲面４０Ｔを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置等に利用される放電ランプに関し、特に、電極内部に形成された内部空間に伝熱体を封入する電極構造に関する。

放電ランプでは、高出力化に伴い、電極先端部が高温となり、タングステンなどの電極材料が溶融、蒸発し、ランプ出力低下を招く。このような電極先端部の過熱を防ぐため、電極内部に密閉空間を形成し、その中に金、銀などの伝熱体が封入される。点灯中、伝熱体は溶融して対流する。これにより、電極先端部の熱が電極支持棒側へ輸送され、先端部温度が低下する。

このような電極構造では、長時間点灯すると、伝熱体の対流に伴う密閉空間内での激しい温度変化により高温クリープ変形が空間底面で生じ、電極先端部が破裂する恐れがある。これを防ぐため、密閉空間の底面を全体的に曲面とし、内部圧力を緩和する（特許文献１参照）。あるいは、密閉空間内にプレートを配置し、周方向に沿った対流を規制する（特許文献２参照）。

特開２００５−１１５６４号公報 特開２０１２−２８１６８号公報

伝熱体を封入する放電ランプでは、熱輸送効率を高めるため、電極先端部における肉厚が薄い。すなわち、内部空間底面と電極先端面との距離が短い。そのため、曲面状底面の形成、対流を規制するプレート配置といった構成では、十分にクリープ変形問題に対処できない。特に、大出力放電ランプの場合、電極サイズの大型化に伴って密閉空間サイズも拡大し、内部底面により大きな圧力がかかり、高温クリープ変形が生じてしまう。

したがって、放電ランプを長時間使用しても十分耐久性があるとともに、電極先端部の熱を抑える電極構造が求められる。

本発明の放電ランプは、電極対と電極対を内部に配置した放電管とを備え、少なくとも１つの電極は、軸方向に沿って延び、伝熱体が封入される密閉された筒状内部空間を有する。

例えば電極は、柱状胴体部と、胴体部からアーク放電の生じる電極先端面に向けて先細くなる先端部から構成される。

本発明では、電極先端部側の肉厚が、電極側面側の肉厚よりも大きい。伝熱体を密封する電極構造では、電極先端側の熱を輸送することを最重要課題とするため、従来では、電極先端部側の肉厚を電極側面側の肉厚よりも小さく設定し、これを電極構造の前提、必須要素としていた。

しかしながら、伝熱体の密閉空間の流れを検討してみると、電極軸に沿って電極支持棒付近（先端部とは反対側）で生じる伝熱体の最大流速を大きくすることにより、先端部が肉厚の電極構造を採用しても効率よく熱輸送が行えることが見出された。例えば、内部空間の底面を胴体部内に位置するように構成することが可能である。

そして、伝熱体の最大流速をより大きくする電極構造として、内部空間に平坦な底面が設けられ、内部空間には、内部空間側面から底面に向けて縮径した縮径面が形成される。平坦な底面かつ縮径面の形成によって、伝熱体の流れに淀みが生じず、また、伝熱体の電極軸に沿った上昇流が底面付近から始まって最大流速がより大きくなる。さらに、先端側肉厚が大きいため、先端部過熱による変形クリープ現象にも十分耐えられる。

縮径面の構成としては、断面Ｒ形状、テーパー形状などが構成可能である。例えば、内部空間が、縮径面として所定の曲率半径をもつ湾曲面を有し、湾曲面は、以下の条件式を満たすように形成される。ただし、Ｒは湾曲面の曲率半径、Ｌ１は内部空間の径を表す。

０．０３ ≦ Ｒ／Ｌ１ ≦ ０．２７

特に、湾曲面は、以下の式を満たすように形成することが可能である。

０．０６ ≦ Ｒ／Ｌ１ ≦ ０．２０

また内部空間には、縮径面として所定の傾斜角度をもつテーパー面を設けることができる。テーパー面は、以下の条件を満たすように形成すればよい。ただし、ａは、底面に対するテーパー面の傾斜角度を示し、Ｌ１は内部空間の径を表し、Ｌ３は、内部空間の径と底面の径との差の半分を表す。

０．０３ ≦ Ｌ３／Ｌ１ ≦ ０．１７
１０≦ ａ ≦ ６０

本発明の放電ランプ用電極は、柱状胴体部と、胴体部から電極先端面に向けて先細くなる先端部と、軸方向に沿って延び、伝熱体が封入される密閉された筒状内部空間とを備え、電極先端部側の肉厚が、電極側面側の肉厚よりも大きく、内部空間が、平坦な底面を有内部空間が、内部空間側面から底面に向けて縮径した縮径面を有することを特徴とする。

本発明によれば、放電ランプにおいて、熱輸送効率および耐熱構造に優れた電極を設けることができる。

第１の実施形態である放電ランプを模式的に示した平面図である。 陽極の概略的断面図である。 縮径面がない内部空間を設けた陽極および平坦な底面のない内部空間を設けた場合の伝熱体の流れを示した図である。 本実施形態における伝熱体の流れを示した図である。 第２の実施形態である放電ランプの陽極の概略的断面図である。 Ｒ／Ｌ１に対する電極先端温度および最大流速の変化を示したグラフである。 最大流速と電極先端部温度の比例関係を示したグラフである。 Ｌ１／Ｌ３に対する電極先端温度と最大流速の変化を示したグラフである。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である放電ランプを模式的に示した平面図である。

放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置（図示せず）の光源などに使用可能であり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１２を備える。放電管１２には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって同軸上に対向配置される。

放電管１２の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と一体的に設けられており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１９Ａ、１９Ｂが配置されている。

封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属リング（図示せず）、モリブデンなどの金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。

封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着しており、これによって、水銀および希ガスが封入された放電空間ＤＳが封止される。

リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。

図２は、陽極の概略的断面図である。

陽極３０は、図１に示した電極支持棒１７Ｂに接続される円柱状胴体部３２と、円錐台形状先端部３４とが一体的に形成された構造になっている。先端部３４は、アーク放電が生じる電極軸Ｅに垂直な電極先端面３４Ｓを有する。胴体部３２内には、電極軸Ｅに沿って円筒状内部空間４０が同軸的に形成されており、内部空間４０は蓋４２によって密閉されている。

内部空間４０には、銀など電極素材よりも融点の低い伝熱体Ｍが封入されている。ランプ点灯中、伝熱体Ｍは溶融し、液体となって内部空間４０内部で対流する。これにより、電極先端部３４の熱が電極支持棒側、電極側面側へ輸送され、電極先端部３４が冷却される。

内部空間４０には、電極先端面３４Ｓに平行であるフラットな底面４０Ｂが形成されるととともに、側面４０Ｓから底面４０Ｂに向けて縮径する面（以下、湾曲面という）４０Ｔが形成されている。具体的には、曲面４０Ｔの断面形状が、所定の曲率半径をもつ四分円状になっている。平坦な円状底面４０Ｂの径Ｌ２は、内部空間４０の内径Ｌ１よりも小さい。

内部空間４０の底面４０Ｂは、胴体部３２内部に位置し、先端部３４にまで延出していない。よって、陽極３０の先端側肉厚Ｄ２は、側面側肉厚Ｄ１よりも大きい。ただし、側面側肉厚Ｄ１は、電極軸Ｅに垂直な方向に沿った内部空間４０の側面４０Ｓと電極外側面３２Ｓとの距離を表し、先端側肉厚Ｄ２は、底面４０Ｂから電極先端面３４Ｓまでの距離を表す。先端側肉厚Ｄ２は、例えば側面側内厚Ｄ１の２倍以上に定められる。

側面４０Ｓと底面４０Ｂとを繋ぐ湾曲面４０Ｔは、伝熱体Ｍの熱移動に伴う流れの流速が大きくなるような形状に定められている。具体的には、湾曲面４０Ｔの曲率半径をＲとしたとき、曲率半径Ｒと内部空間４０の内径Ｌ１との比が、以下の条件式を満たすように定められる。

０．０３ ≦ Ｒ／Ｌ１ ≦ ０．２７ ・・・（１）

特に、大出力のショートアーク型放電ランプ等の場合、伝熱体Ｍの流速をより高めるため、以下の条件式を満たすように湾曲面４０Ｔが形成される。

０．０６ ≦ Ｒ／Ｌ１ ≦ ０．２０ ・・・（２）

また、内部空間の電極軸方向高さは、例えば内部空間の径Ｌ１の１〜２倍の範囲に定められる。特に、１．２〜１．６倍の高さに定めればよい。

このような椀型曲面を底面側に設けた内部空間４０を形成することにより、電極先端部の肉厚Ｄ２が比較的大きいにも関わらず、熱輸送効率が高まる。以下、図３、４を用いてその理由を説明する。

図３は、縮径面がない内部空間を設けた陽極および平坦な底面のない内部空間を設けた場合の伝熱体の流れを示した図である。図４は、本実施形態における伝熱体の流れを示した図である。

図３、４に示す矢印は、ランプ点灯中に伝熱体Ｍが対流しているときの流れを示している。伝熱体Ｍは、電極軸Ｅに沿ってその中心部で上昇し、側面に沿って下降する。電極先端部の熱の多くは、この電極軸Ｅに沿った伝熱体Ｍの上昇によって反対側へ輸送される。

このような対流が内部空間４０で生じている状態では、伝熱体Ｍは、蓋４２近くまで上昇したとき、最大流速となる。熱の輸送効率は、この最大流速に依存し、最大流速が大きいほど熱輸送効率が上昇し、しいては電極先端部の温度上昇を抑えることができる。

本実施形態では、内部空間の電極先端部側肉厚が、側面側肉厚に比べて大きい電極構造を採用する。その結果、先端側の温度が高くなって高温クリープ変形に対して十分耐えることができ、先端部破裂を防ぐ。しかしながら、このような電極構造の場合、電極先端面から伝熱体Ｍへの熱の移動は、従来のように肉厚が薄い電極構造に比べて移動効率が優れていない。したがって、伝熱体Ｍの最大流速をできる限り大きくし、上昇速度を上げることがより重要となる。

しかしながら、図３に示すように、電極先端側肉厚が大きい電極構造において縮経面を形成しない場合、底面隅付近で伝熱体の流れがスムーズにならず、淀みが生じる。その結果、伝熱体の最大流速が小さくなり、電極先端部の熱を効率よく輸送できない。

一方、フラットな底面をもたず曲面のみで底部が形成された内部空間を形成した場合、伝熱体の流れが中央部に集まるため、底面中心付近で淀みが生じる。その結果、伝熱体の電極軸Ｅに沿った上昇流が底面中心部から離れた位置を起点として発生する。その結果、電極支持棒側での最大流速が小さくなる。

一方、本実施形態では、電極先端側肉厚が大きい電極構造において、内部空間のフラット底面付近において縮径する湾曲面を設けている。その結果、内部空間底面の隅付近で淀みが生じることを防ぐとともに、伝熱体の電極軸に沿った上昇流が底面から開始される。これにより、電極軸に沿った伝熱体上昇流の電極支持棒付近における最大流速を大きくすることが可能となる。

このように本実施形態によれば、陽極３０内部に密閉された内部空間４０を形成し、伝熱体Ｍを封入する。内部空間４０には、フラットな底面４０Ｂを胴体部３２内に設け、電極先端側肉厚Ｄ２を側面側肉厚Ｄ１よりも大きくする。そして、内部空間４０の底面付近において、側面４０Ｓから底面４０Ｂに向けて縮径し、断面形状が曲率半径Ｒとなる湾曲面４０Ｔを形成する。

次に、図５を用いて、第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、傾斜角度が一定のテーパー部が内部空間に形成される。

図５は、第２の実施形態である放電ランプの陽極の概略的断面図である。

陽極１３０は、胴体部１３２と先端部１３４から構成されており、蓋１４２によって密閉された内部空間１４０が形成されている。内部空間１４０は、フラットな底面１４０Ｂを有し、底面１４０Ｂ付近においては、底面１４０Ｂに対する傾斜角度ａ（°）をもつ円錐台形状のテーパー面１４０Ｔが形成されている。第１の実施形態と同様、陽極３０の先端側肉厚Ｄ２は、側面側肉厚Ｄ１よりも大きい。

内部空間１４０の内径Ｌ１と底面１４０Ｂの幅Ｌ２との差の半分である長さをＬ３とすると、Ｌ１／Ｌ３は、以下の条件式を満たすように定められる。また、傾斜角度ａは、以下の範囲に定められる。

０．０３ ≦ Ｌ３／Ｌ１ ≦ ０．１７ ・・・（３）
１０≦ ａ ≦ ６０ ・・・（４）

Ｌ３／Ｌ１の範囲は、テーパー面１４０Ｔの幅の範囲を示し、底面１４０Ｂの径Ｌ２の大きさの程度を示している。また、傾斜角度ａは、内部空間１４０の底面隅における曲面形状を定め、傾斜角度ａの範囲は、先細くなる程度の範囲を表す。

上記条件式を満たすテーパー部１４０Ｔを形成することにより、第１の実施形態と同様、内部空間１４０の底面側隅で淀みが生じず、また、伝熱体Ｍの流れは、電極軸に沿って底面１４０Ｂから上昇流となり、最大流速が大きくなる。

なお、第１、第２実施形態以外の縮径面を内部空間に形成してもよい。また、先端部側に内部空間底面が位置するようにしてもよい。

以下、図６〜８を用いて、第１、第２実施形態に応じた実施例を説明する。そこでは、上記（１）〜（４）式に基づく内部空間の形状が、電極先端部の温度および伝熱体の最大流速をどのように影響するかシミュレーションによって検証した。

実施例１の放電ランプは、湾曲面をもつ内部空間が形成された陽極を備える。内部空間の径（電極内径＝Ｌ１）が３０ｍｍ、陽極の径（電極外径）が４０ｍｍ、内部空間底面の径（Ｌ２）が１０ｍｍ、先端側肉厚（Ｄ２）が１０ｍｍ、側面側肉厚（Ｄ１）が５ｍｍ、内部空間高さが３５ｍｍとなる陽極をモデル化し、電力１４ｋＷを想定した熱量に基づいて計算機による先端部温度および最大流速のシミュレーションを行った。

このとき、曲率半径Ｒと内径Ｌ１（＝３０ｍｍ）との比Ｒ／Ｌ１を変えながら、電極先端部温度および最大流速を計算した。ただし、最大流速は、電極軸に沿って上昇する伝熱体の電極支持棒側付近で測定される流速を表す。

図６は、Ｒ／Ｌ１に対する電極先端温度および最大流速の変化を示したグラフである。図７は、最大流速と電極先端部温度の比例関係を示したグラフである。

図７に示すように、最大流速が大きいほど電極先端部温度が低下していることがわかる。したがって、図６の最大流速が比較的大きなＲ／Ｌ１の範囲を定めることで、電極先端部温度を低下させる電極を構成することができる。

図６に示すように、最大流速は、Ｒ／Ｌ１＝０．０３付近から大きくなり、０．２７付近まで比較的大きい。このようなＲ／Ｌ１の範囲は、上記（１）式の範囲に一致する。特に、最大流速が高いレベルで維持される範囲は０．０６〜０．２０であり、上記（２）式の範囲に一致する。これによって、上記（１）、（２）式を満たす内部空間をもつ電極は、優れた熱輸送効果を発揮することがわかる。

実施例２の放電ランプは、テーパー面をもつ内部空間が形成された陽極を備える。内部空間の径３０ｍｍ、陽極の径が４０ｍｍ、底面の径が１０ｍｍ、先端側肉厚が１０ｍｍ、側面側肉厚が５ｍｍ、内部空間高さ３５ｍｍとする陽極をモデル化し、電力１４ｋＷを想定した熱量に基づいて計算機によるシミュレーションを行った。

このとき、内部空間の径Ｌ１とテーパー面の片側幅Ｌ３との比Ｌ１／Ｌ３を変えながら、電極先端部温度および最大流速を計算した。ただし、テーパー面の傾斜角度ａは１０°〜６０°の範囲に定められており、ここでは４５°としている。

図８は、Ｌ１／Ｌ３に対する電極先端温度と最大流速の変化を示したグラフである。

図８に示すように、最大流速が比較的大きなＬ１／Ｌ３の範囲は０．０３〜０．１７であり、上記（３）式を満たす範囲と一致する。よって、上記（３）、（４）式を満たす内部空間をもつ電極は優れた熱輸送効果を発揮することが確認される。

１０ 放電ランプ
３０ 陽極
３２ 胴体部
３４ 先端部
３４Ｓ 電極先端面
４０ 内部空間
４０Ｂ 底面
４０Ｔ 湾曲面（縮径面）
１４０Ｂ 底面
１４０Ｔ テーパー面（縮径面）
Ｄ１ 側面側肉厚
Ｄ２ 先端側肉厚

Claims (6)

1. 電極対と
   前記電極対を内部に配置した放電管とを備え、
   少なくとも１つの電極は、軸方向に沿って延び、伝熱体が封入される密閉された筒状内部空間を有し、
   電極先端部側の肉厚が、電極側面側の肉厚よりも大きく、
   前記内部空間が、平坦な底面を有し、
   前記内部空間が、内部空間側面から前記底面に向けて縮径した縮径面を有することを特徴とする放電ランプ。
2. 前記内部空間が、前記縮径面として所定の曲率半径をもつ湾曲面を有し、
   前記湾曲面が、以下の条件式を満たすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。ただし、Ｒは前記湾曲面の曲率半径、Ｌ１は前記内部空間の径を表す。
   
   ０．０３ ≦ Ｒ／Ｌ１ ≦ ０．２７
   
3. 前記湾曲面が、以下の式を満たすように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の放電ランプ。
   
   ０．０６ ≦ Ｒ／Ｌ１ ≦ ０．２０
   
4. 前記内部空間が、前記縮径面として所定の傾斜角度をもつテーパー面を有し、
   前記テーパー面が、以下の条件を満たすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。ただし、ａは、前記底面に対する前記テーパー面の傾斜角度を示し、Ｌ１は前記内部空間の径を表し、Ｌ３は、前記内部空間の径と底面の径との差の半分を表す。
   
   ０．０３ ≦ Ｌ３／Ｌ１ ≦ ０．１７
   １０≦ ａ ≦ ６０
   
5. 前記電極が、柱状胴体部と、前記胴体部から電極先端面に向けて先細くなる先端部とを有し、
   前記内部空間の底面が、前記胴体部内に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放電ランプ。
6. 柱状胴体部と、
   前記胴体部から電極先端面に向けて先細くなる先端部と、
   軸方向に沿って延び、伝熱体が封入される密閉された筒状内部空間とを備え、
   電極先端部側の肉厚が、電極側面側の肉厚よりも大きく、
   前記内部空間が、平坦な底面を有し、
   前記内部空間が、内部空間側面から前記底面に向けて縮径した縮径面を有することを特徴とする放電ランプ用電極。

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