JP3211653B2 - 高圧放電ランプ用電極 - Google Patents

高圧放電ランプ用電極

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧放電ランプの
電極構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から高圧放電ランプの特性を決定す
るものとして電極の性能が知られている。この電極の性
能は特にランプ点灯中の電極温度分布に強く依存してい
る。
【0003】放電を支持している電極先端部の温度はア
ーク放電を形成する熱電子放出状態を決定している。電
極先端温度が高すぎる場合には、熱電子を供給するため
以外の余剰な熱エネルギーが電極材料の蒸発を増加さ
せ、電極先端温度が低すぎる場合には、熱電子放出が少
なくなりイオン衝突によるスパッタが増加する。これら
蒸発やスパッタによって離脱した電極材料は発光管内壁
に付着し、管壁を黒化させ、透過光を著しく減少させ
る。
【0004】また電極の温度分布は電極でのエネルギー
損失を決定する。両電極間に供給されるランプ電力の一
部は電極に流入し、熱損失(熱伝導損失+熱放射損失)
として消費される。この電極で消費される熱損失の大小
が電極温度分布によって決定される。供給されたランプ
電力に対して電極損失の大きいものは発光に寄与するエ
ネルギーが減少し発光効率[lm/W]が良くないとされる。
つまり最適な電極先端温度ならびに電極温度分布を実現
する電極設計がランプ特性の向上に重要となっている。
【0005】図2に一般的な高圧放電ランプの電極構造
を示す。電極設計にあたり電極温度分布を決定する主要
なパラメータの一つに電極軸の断面積がある。電極先端
温度は電極軸断面積の増加にともなって減少する。また
コイルは電極軸の放熱の役目を担っており、電極温度分
布に大きな影響を与えている。
【0006】放電ランプにおける最適な電極温度分布
は、定性的にはイオン衝突によるスパッタの影響が強く
ならない範囲で電極先端温度は低く、電極温度分布にお
ける温度勾配の少ないものが良い。このような電極温度
分布であれば黒化は減少し、温度が低いことによる熱放
射損失の減少、温度勾配の少ないことによる熱伝導損失
の減少が実現され、ランプ特性は向上する。しかし現状
の放電ランプにおける電極設計は経験的に取り組まれて
おり確固たる指針はない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術の項で述べ
たように電極損失の低減のためには電極先端温度を低下
させ、加えて電極温度勾配を減少させる必要がある。従
来の電極軸断面積を変化させる方法で電極損失の低減を
図る場合の課題をあげる。
【0008】電極軸断面積を変化させる方法の場合、電
極軸断面積を増加させることにより電極先端温度は減少
させることができる(図3電極軸断面積と電極温度分布
の関係)。しかし電極温度勾配の変化はさほどみられず
熱伝導損失は改善はわずかであり、電極軸断面積の増加
にともなって熱放射損失が発生する表面積は増加するこ
とで、熱放射損失の減少も小さい。したがって本方法を
もとに十分な電極損失の低減を実現するには、イオン衝
突によるスパッタの影響が強くならない範囲で電極軸断
面積を大きくした後、電極温度勾配をさらに緩やかに
し、電極軸断面積が大きくなっても熱放射損失を十分に
抑制することが課題となる。
【0009】本発明は、ランプ電力一定(ランプ電圧、
ランプ電流一定)時において電極損失を低減する電極構
造を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、次に示す手段を用いる。
【0011】(1)熱伝導率の異なる少なくとも二つ以
上の電極軸材料を有する高圧放電ランプ用電極であっ
て、放電を支持する主電極軸材料の内部に、前記主電極
軸材料より低い熱伝導率をもつ少なくとも一つ以上の副
電極軸材料を含有させる構成とする。
【0012】
【0013】()熱伝導率の異なる少なくとも二つ以
上の電極軸材料において、放電を支持する主電極軸材料
の内部に、前記主電極軸材料より低い熱伝導率をもつ少
なくとも一つ以上の副電極軸材料を、主電極軸断面形状
に沿った同心筒状に含有させる構成とする。
【0014】()熱伝導率の異なる少なくとも二つ以
上の電極軸材料において、主電極材料および副電極材料
を、タングステン、タンタル、ジルコニウム、チタン、
ハフニウムもしくはこれら材料の窒化物もしくは酸化物
から選択し、選択した材料を用いて放電を支持する主電
極軸材料の内部に、前記主電極軸材料より低い熱伝導率
をもつ少なくとも一つ以上の副電極軸材料を含有させる
構成とする。
【0015】()放電を支持する電極軸材料に、軸内
部から外部に向かって熱伝導率が連続的に増加している
傾斜材料を用いた構成とする。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の高圧放電ランプ用電極の
一実施の形態について図面を参照しながら説明する。本
発明の高圧放電ランプ用電極の一実施の形態の様子を図
1に示す。
【0017】図1は放電用発光管内に対向する電極片側
の断面図(a)および上面図(b)である。図1に示す
ように、放電支持部1である電極上面は平面的な円形を
している。電極軸中は同軸構造をしており主電極軸材料
2にはタングステン(熱伝導率κ=177[W/m/
K](0℃))を用いる。副電極軸材料3は主電極軸材
料2に比較して熱伝導率の低いものとしてタンタル(熱
伝導率κ=57[W/m/K](0℃))を用いる。
【0018】次に、本構造が電極軸方向の温度分布と電
極側部表面温度に与える影響について説明する。副電極
軸材料3に同軸上に周囲から取り囲まれている電極軸中
央部軸方向の各部温度は、径方向への熱放散が熱伝導率
の低い副電極軸材料3に遮断される結果、副電極軸材料
3が軸内に存在しない場合に比較して上昇する。副電極
材料3が存在しない場合ならば軸方向に向かって次第に
低下していく電極温度の低下を、副電極軸材料3によっ
て抑制することにより電極軸方向の温度分布勾配を緩や
かにすることができる。電極で消費される熱伝導損失W
condは次式で表される。
【0019】
【数1】
【0020】この式から、副電極軸材料3が存在しない
場合に比較して電極温度勾配が緩やかになることによ
り、熱伝導損失を減少させることが可能となる。
【0021】一方、電極側部表面の温度は電極軸中央部
からの熱放散が副電極軸材料3により遮断される結果、
副電極軸材料3が軸内に存在しない場合に比較して低下
する。電極で消費される熱放射損失Wradは次式で表さ
れる。
【0022】
【数2】
【0023】この式から、副電極軸材料3が存在しない
場合に比較して電極側部表面温度が低下することにより
熱放射損失を減少させることが可能となる。
【0024】以上のように、本実施の形態の電極構造に
よれば、ランプ電力一定(ランプ電圧、ランプ電流一
定)時における電極損失(熱伝導損失+熱放射損失)を
従来の構造と比較して低減することが可能となり、さら
には、発光に寄与するエネルギーが増加し、発光効率の
増加が実現できる。
【0025】電極軸温度分布の勾配が緩やかとなり、熱
伝導損失が減少するということは、電極軸中の熱量の移
動が減少するということである。熱量の移動が減少する
ということは熱量を与える側と与えられる側との温度差
が少なくなるということである。本発明の構造におい
て、電極軸材料3が存在しないときに比較して、軸中心
部の各部の温度が上昇し温度勾配が緩やかになる。これ
は熱量を与える側、すなわち放電アークとの接点である
電極先端部の温度が、熱量を与えられる側である副電極
軸材料3が存在しないときに比較して低下するというこ
とを意味する。
【0026】よって電極先端部の温度が低下することに
より電極材料の蒸発を抑制することができる。電極材料
の蒸発抑制は発光管内壁の黒化現象を抑制する。黒化は
光束低下の主原因であるが、本発明によって光束維持率
の増加が期待され、ひいてはランプの長寿命化につなが
る。
【0027】また電極側部表面温度の上昇を抑制できる
ことにより、側部からのの電極材料の蒸発および溶融・
変形、反応性物質との反応も抑制でき、ランプの長寿命
化につながる。
【0028】さらに副電極軸材料3の存在により、電極
軸中心部の径方向への熱放散を十分に抑制することによ
り、コイルによる放熱作用の必要性は少なくなる。よっ
て本発明によってコイル電極のコイルレス化も可能であ
る。またこれにより熱放射損失の発生する表面積の減少
させ、コイルの蒸発および溶融・変形、反応性物質との
反応もなくすことが可能である。
【0029】尚、本実施の形態においては、副電極軸材
料3を主電極軸材料2中に含有させ外部に露出させない
形状を想定したが、放電雰囲気において副電極軸材料3
が封入発光物質と反応性を有しない場合には、外部に露
出させて同心上に設置しても良い。
【0030】尚、本実施の形態においては、円柱状の電
極を想定したが、形状は円柱状に限定するものではな
い。また電極軸材料3も同心上に設置することを想定し
たが、電極軸形状に応じて、電極軸に平行に電極側面に
沿った一部にだけ設置しても良い。また、主電極軸材料
2にタングステン、副電極軸材料3にタンタルを用いた
が、タングステン、タンタル、ジルコニウム、チタン、
ハフニウムもしくはこれら材料の窒化物もしくは酸化物
の中から、主電極軸材料に対して、副電極軸材料の熱伝
導率が低くなる組み合せならばこの限りではない。
【0031】また、熱伝導率の異なる少なくとも二つ以
上の電極軸材料の組み合わせて電極を構成したが、軸内
部から外部に向かって熱伝導率が連続的に増加している
傾斜材料を用いてもよい。
【0032】
【発明の効果】以上のように本発明では、ランプ電力一
定動作時に電極損失(熱伝導損失+熱放射損失)が減少
することによって、発光に寄与するエネルギーが増加
し、発光効率の増加が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の一実施の形態における高圧放電
ランプの電極構造の断面図 (b)同上面図
【図2】従来の一般的な高圧放電ランプの電極構造の断
面図
【図3】電極軸断面積と電極温度分布との関係を表す特
性図
【符号の説明】
1 放電支持部 2 主電極軸材料 3 副電極軸材料 4 コイル
フロントページの続き (72)発明者 竹田 守 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−50359(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 61/06 H01J 61/067

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱伝導率の異なる少なくとも二つ以上の電
    極軸材料を有する高圧放電ランプ用電極であって、放電
    を支持する主電極軸材料の内部に、前記主電極軸材料よ
    り低い熱伝導率をもつ少なくとも一つ以上の副電極軸材
    料を有していることを特徴とする高圧放電ランプ用電
    極。
  2. 【請求項2】副電極軸材料が主電極軸断面形状に沿った
    同心筒状であることを特徴とする請求項記載の高圧放
    電ランプ用電極。
  3. 【請求項3】主電極軸材料および副電極軸材料として、
    タングステン、タンタル、ジルコニウム、チタン、ハフ
    ニウムもしくはこれら材料の窒化物もしくは酸化物を少
    なくとも二つ以上組み合わせて構成されることを特徴と
    する請求項記載の高圧放電ランプ用電極。
  4. 【請求項4】放電を支持する電極軸材料に、軸内部から
    外部に向かって熱伝導率が連続的に増加している傾斜材
    料を用いたことを特徴とする高圧放電ランプ用電極。
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