JP3773231B2 - アークランプの高輝度化方法及びその方法を利用するアークランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アークランプの高輝度化方法及びその方法を利用するアークランプに関する。更に詳述すると、本発明は、プラズマの高圧化により高輝度化を図るアークランプの高輝度化方法及びその方法を利用するアークランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高輝度アークランプとしては、キセノンショートアークランプや超高圧水銀ランプのようにガスが封入されているものと、渦流安定化アークランプのようにガスが連続的に供給されるものとが知られている。これらの高輝度アークランプの輝度は１０⁵ｃｄ／ｃｍ² に達している。
【０００３】
キセノンショートアークランプは、点灯時の封入ガス圧が２０〜５０気圧で無点灯時の封入ガス圧が数気圧であり、３０Ｗ〜３０ｋＷのものが市販されている。また、超高圧水銀ランプは、点灯時の水銀蒸気圧が１０〜５０気圧であり５０Ｗ〜２ｋＷのものが市販されている。さらに、渦流安定化アークランプは管の内部に水とアルゴンガスを旋回させて流すことでアークを封じ込めていると共に、点灯時の平均圧力が７気圧であり、５０ｋＷ〜３００ｋＷのものが市販されている。
【０００４】
これらの高輝度アークランプを更に高輝度化するためには、ガスの圧力を高くするか、または投入電力を大きくする等の方法により、プラズマの高圧高温化を図ることが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した高輝度アークランプのガス圧を高くしたり投入電力を大きくすることによりプラズマを高圧高温化すると、過剰な熱及び圧力が管及び電極に負担を掛けてしまうので、アークランプの寿命が短くなってしまう。また、キセノンショートアークランプ等のように管にガスを封入しているランプでは、発光に寄与するガスの粒子数には限度があるので、ガス圧を高くしても高輝度化に限界がある。一方、渦流安定化アークランプのように管にガスが連続的に供給されるランプでは、発光部でガスが流動するので高圧化は困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、管や電極に負担を掛けずに高輝度化できるアークランプの高輝度化方法及びその方法を利用するアークランプを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、一対の電極部材間でアーク放電することにより発光するアークランプを高輝度化する方法において、電極部材間で複数の方向から気体を吹き付けて衝突させ高圧化する澱み領域を形成し、この澱み領域にプラズマを生成するようにしている。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、管内に配置された一対の電極部材間でアーク放電することにより発光するアークランプにおいて、電極部材間に向けて気体を吹き出すと共に、吹き出した気体が電極部材間で衝突して高圧化する澱み領域を形成する複数の気体噴出手段と、澱み領域から衝突した後の気体を外側へ拡散させて管の外へ排出する排気手段を備え、澱み領域にプラズマを生成するようにしている。
【０００９】
したがって、気体の衝突する領域、即ち澱み領域でプラズマが高圧化するので、アークランプの高輝度化を図ることができる。また、衝突した気体は直後に拡散して排気手段例えば大気開放の排気経路を経て排気されるので、澱み領域のみが高圧化されて他の部分は澱み領域よりも低圧となる。このため、管の圧力負担を減らすことができる。さらに、投入電力が一定の場合、アークが周りの高速流に吹き消されないように電極部材間での電圧を上昇させることにより相対的に電流が低減するので、電流に大きく依存する電極部材の損耗量を抑制することができる。
【００１０】
また、請求項２記載のアークランプの高輝度化方法では、衝突する気体は超音速流であり、澱み領域に非可逆断熱圧縮によるプラズマを生成するようにしている。更に、請求項４記載のアークランプでは、気体噴出手段はラバルノズルを有し、超音速流の気体を吹き出して澱み領域に非可逆断熱圧縮によるプラズマを生成するようにしているので、気体噴出手段から超音速流の気体を吹き出すことができる。
【００１１】
したがって、気体の衝突する澱み領域の近傍で衝撃波が発生して非可逆断熱圧縮が起きる。また、衝撃波の通過により気体の温度と密度が急激に増加するので、澱み領域の気体の解離及び電離が促進されてプラズマ化及びプラズマの高圧高温化を図ることができる。よって、澱み領域でのプラズマの輝度が高くなり、アークランプの高輝度化を図ることができる。
【００１２】
更に、請求項５記載の発明は、請求項３または４記載のアークランプにおいて、電極部材が気体噴出手段の内方に配置され、電極部材の周りに気体が導入されてアークを囲繞する噴流が形成されるようにしている。この場合、電極部材は、その周囲を流れる気体によって熱が奪われ、冷却される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。図１に、本発明のアークランプの高輝度化方法を利用するアークランプ１の一実施形態を示す。このアークランプ１は、一対の電極部材２，２間でアーク放電することにより発光するものである。そして、アークランプ１は、電極部材２，２間に向けて気体Ｇを噴出する複数の気体噴出手段３，３を備えている。気体Ｇとしては、例えばアルゴンガス等のアークランプ１の封入ガスとして従来から使用されるものを使用する。
【００１４】
気体噴出手段３は、一対の電極部材２，２の間に向けて気体Ｇを噴出させるもので、各気体噴出手段から噴出される気体Ｇを電極部材２，２間で衝突させるように対向配置されている。ここで、両気体噴出手段３，３は、各々噴射する気体が電極部材２，２の間で衝突する際に澱み領域４を形成するに充分な間隔を開けて対向配置されている。これら気体噴出手段３，３の間隔は、余りに狭いと澱み領域４の高圧気体Ｇにより気体噴出手段３，３からの気体Ｇが減速する虞がある反面、余りに広いと気体Ｇが衝突する前に拡散したり軸方向から外れて衝突せずにすれ違う虞があると考えられる。よって、これら気体噴出手段３，３の間隔は、これらの問題が生じない範囲で設定される。
【００１５】
澱み領域４では、気体噴流の衝突によってその部分の雰囲気が局部的に高圧化され、プラズマが生成される。本実施形態の場合、気体噴出手段３は電極部材２を内蔵しその周りに気体を高速で流すノズル７を有するプラズマトーチ（以下、気体噴出手段をプラズマトーチと呼ぶ）が採用されており、各先端面５，５の間で澱み領域４を形成するように対向配置されている。プラズマトーチ３の先端側の開口には、ラバルノズル７が形成され、流路６に吹き込まれた気体Ｇがラバルノズル７で超音速流に増速されてから噴出されるように設けられている。このため、流路６に吹き込まれた気体Ｇはラバルノズル７から噴射された直後に相手側プラズマトーチ３から同様に噴射された噴流と正面衝突することによりトーチ先端面５，５間に澱み領域４を形成してプラズマを高圧化するので、アークランプ１の高輝度化を図ることができる。
【００１６】
また、アークランプ１は、両プラズマトーチ３の少なくとも先端部分と澱み領域４とを囲繞する石英製の内管８と、該内管８の更に外側を囲繞する外管９と、プラズマトーチ３の周囲にフランジ状に一体形成されて内管８及び外管９の両端部を嵌合して保持する保持部１０とを備えている。そして、内管８と外管９との間で気体例えば陰極用気体Ｇを流通させる流路１２が形成され、プラズマトーチ３と内管８との間で澱み領域４から拡散した排気ガスＥを通過させる流路１４がそれぞれ形成されている。そして、保持部１０の内管８を保持する部分には、内管８の内壁に沿って排気ガスＥをアークランプ１の外部に排出する排気口１５が形成されている。したがって、澱み領域４の高圧気体Ｇは衝突後にプラズマトーチ３，３の先端面５，５の間を外径方向に拡散して、内管８に沿って該内管８とプラズマトーチ３の間の流路１４を経て排気口１５からアークランプ１の外部に排出される。このため、気体が衝突して生じた澱み領域４だけが高圧となり、内管８にかかる圧力は澱み領域４よりも低く抑えられる。また、高圧気体Ｇは澱み領域４からプラズマトーチ３，３の先端面５，５の間を経て内管８に沿った流路１４を流通することにより高圧気体Ｇの衝突後の排気経路が形成されているので、高圧気体Ｇが互いに確実に衝突し合って澱み領域４を安定して形成することができる。尚、保持部１０と内管８及び外管９の各嵌合部分には、シールリング１１が設けられて気密が図られている。本実施形態の場合、流路１４と排気口１５とで排気手段が構成されているが、これに特に限定されず、澱み領域４よりも相当低圧な領域を形成する全ての手段が実施可能である。
【００１７】
また、保持部１０の外管９を保持する部分には、外管９の内側の流路１２をアークランプ１の外部に連通する出入口１３ｏ，１３ｉが形成されている。これら排気口１５及び出入口１３ｏ，１３ｉは、プラズマトーチ３を中心にして例えば等角度毎に多数形成している。さらに、内管８と外管９との間の流路１２の出口１３ｏと陰極側プラズマトーチ３の流路６とは、図示していない連結管などで連結され、内管８と外管９との間の流路１２を通過した気体Ｇが出口１３ｏから一旦排出されて再び陰極側プラズマトーチ３の流路６へ供給されるように設けられている。このため、内管８を介して流路１２を流れる気体Ｇと内管８の内側を流れる排気ガスＥとの間で熱交換して内管８の内側の熱を逃がして熱負荷を軽減すると同時にプラズマトーチ３に吹き込む気体Ｇの予熱を行うことができる。したがって、アークランプ１の発光効率を向上させることができる。
【００１８】
尚、両電極部材２，２は各ラバルノズル７と同軸上に対向配置されている。このため、両電極部材２，２間でアーク放電を行うと、発生したアークはラバルノズル７の内部を通過する。ここで、澱み領域４では気体Ｇが高圧であるので、アークが高輝度に発光する。この光は石英製の内管８及び外管９を透過してアークランプ１の外部に達する。これにより、アークランプ１の発光を行うことができる。
【００１９】
以上のように構成されたアークランプ１によると、使用時には、各プラズマトーチ３，３から気体Ｇとして例えばアルゴンガスが噴射される。そして、両電極部材２，２間にアークを発生させてプラズマを生成する。このとき、澱み領域４の圧力が増加すると共に気流の噴射を受け、更にラバルノズル７中でアークの周囲を高速気流が通過するので、アーク柱の径が収縮されてプラズマの温度が高くなり、アークランプ１の高輝度化を図ることができる。
【００２０】
ここで、ラバルノズル７により気体Ｇを超音速流に加速するようにすると、澱み領域４の近傍で衝撃波が発生して非可逆断熱圧縮が生ずる。衝撃波が発生することにより気体Ｇの温度及び密度が急激に増加するので、澱み領域４の気体Ｇの解離及び電離が促進されてプラズマ化及びプラズマの高圧高温化を図ることができる。よって、アークランプ１の高輝度化を図ることができる。
【００２１】
そして、衝突後の気体Ｇはプラズマトーチ３の外径方向に拡散する。この気流の影響によりアーク柱は円盤状になる。また、拡散時には排気Ｅはプラズマトーチ３や内管８と接触して温度を下げながら排出される。このため、内管８等への熱負荷は一様に分散されて負担を緩和することができる。
【００２２】
上述したように本実施形態のアークランプ１によれば、アーク柱の径が収縮されてプラズマの温度が高くなるので、アーク柱電位傾度の増加を図ることができる。このため、従来と同等の光量とするための入力電流を小さくすることができるので、電極部材２や内管８等への熱負荷を低減できると共に電源の小型化を図ることができる。よって、アークランプ１の高輝度化及び長寿命化を図ることができる。
【００２３】
また、衝突した気体Ｇは直後に澱み領域４から拡散するので、澱み領域４のみが高圧化して他の部分は澱み領域４よりも低圧になる。このため、内管８の圧力負担を減らすことができるので、アークランプ１の長寿命化及び小型化を図ることができる。
【００２４】
さらに、電極部材２を内蔵したプラズマトーチ３を採用しているので、気体Ｇが電極部材２の周囲を通過する際に電極部材２から熱を奪い取る。このため、電極部材２の熱負荷を低減することができる。しかも、投入電力を一定にした場合はアークが気体Ｇの高速流に吹き消されないように電極部材２，２間での電圧を上昇させることにより相対的に電流が低減するので、電流に大きく依存する電極部材２の損耗量を抑制することができる。よって、アークランプの長寿命化を図ることができる。
【００２５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではプラズマトーチ３の先端部にラバルノズル７を形成して噴出気体Ｇを超音速化できるようにしているが、これには限られず気流の高速化を図れる先細ノズルのような他の形状のノズルであっても、気流の高速化により澱み領域４の高圧化を図ることができる。また、場合によってはノズルそのものを設けなくても良い。例えば、プラズマトーチ３に気体Ｇを吹き込む時点で気流を高速化しておくことにより、澱み領域４の高圧化を図ることができる。
【００２６】
さらに、上述の実施形態では内管８と外管９との間の流路１２に供給気体Ｇを通してランプ内の熱で予熱してからプラズマトーチ３に供給するようにしているが、これには特に限られず、外管９を設けずに直接気体Ｇをプラズマトーチなどの気体噴出手段に供給するようにしても良い。この場合でも、澱み領域４に気体Ｇを噴射してアークランプ１の高輝度化を図ることができる。
【００２７】
さらに、上述した各実施形態では気体Ｇとしてアルゴンガスを使用しているが、これには限られずアークランプ１の封入ガスとして使用される既知のまたは新規のものを使用しても良い。さらには、気体Ｇをプラズマとして噴射するようにしても良い。
【００２８】
また、本実施形態では、気体噴出手段３として電極部材２を内蔵するプラズマトーチが採用されているがこれに特に限定されず、電極部材２とは別の独立した気体噴出手段を採用するようにしても良い。この場合、電極部材２，２同士を結ぶ線と斜交する線上に気体噴出手段３，３を対向させて配置し、あるいは斜めに向かい合わせて配置し、電極部材２，２間に気体Ｇを噴射して電極部材２，２間で衝突させるようにしても良い。更には、一方にプラズマトーチを、他方に電極部材と気体噴出手段とが別々に構成されたものとを組み合わせ、プラズマトーチに対して他方の電極部材を正対させると共に気体噴出手段を斜めに向き合うように配置して電極部材間で気体噴流が衝突するように構成しても良い。この場合、プラズマトーチと対向する気体噴出手段は、１つでも良いが、２つを反対側のプラズマトーチを含めて等間隔で配置することによって噴流の衝突がバランスのとれたものと成るようにすることが好ましい。また、電極部材２とは別に構成された３本以上の気体噴出手段を用い、それを等間隔で配置してそれらの中心で噴流を衝突させるようにしても良い。
【００２９】
さらに、本実施形態では、アークランプ１に内管８と外管９とを設けて澱み領域４の高圧気体Ｇを案内するようにしているが、これには限られずこれらの管８，９を設けずに澱み領域４の高圧気体Ｇをプラズマトーチ３，３の先端面５，５の間を経て直接大気に解放するようにしても良い。この場合でも、澱み領域４でプラズマを高圧化することができるので、アークランプ１の高輝度化を図ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載のアークランプを高輝度化する方法及び請求項３記載のアークランプによれば、気体の衝突する澱み領域でプラズマが高圧化するので、アークランプの高輝度化を図ることができる。また、衝突した気体は直後に拡散して排気されるので、澱み領域のみが高圧化されて他の部分は澱み領域よりも低圧となる。このため、管の圧力負担を減らすことができる。よって、アークランプの高輝度化及び長寿命化を図ることができる。
【００３１】
また、投入電力を一定にした場合はアークが周りの高速流に吹き消されないように電極部材間での電圧を上昇させることにより相対的に電流が低減するので、電流に大きく依存する電極部材の損耗量を抑制することができる。よって、アークランプの長寿命化を図ることができる。
【００３２】
また、請求項２記載のアークランプの高輝度化方法及び請求項４記載のアークランプによれば、プラズマを更に高圧高温化できるので、アークランプをより高輝度化することができる。
【００３３】
更に、請求項５記載のアークランプによれば、電極部材がその周囲を流れる気体によって熱が奪われて冷却されるので、電極部材の熱負荷を低減することができ、電極部材の寿命を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアークランプの一実施形態を示す中央縦断面側面図である。
【符号の説明】
１ アークランプ
２ 電極部材
３ 気体噴出手段（プラズマトーチ）
４ 澱み領域（気体の衝突する領域）
７ ラバルノズル
Ｇ 気体

Claims (5)

1. 一対の電極部材間でアーク放電することにより発光するアークランプを高輝度化する方法において、前記電極部材間で複数の方向から気体を吹き付けて衝突させ高圧化する澱み領域を形成し、この澱み領域にプラズマを生成することを特徴とするアークランプの高輝度化方法。
2. 衝突する前記気体は超音速流であり、前記澱み領域に非可逆断熱圧縮によるプラズマを生成することを特徴とする請求項１記載のアークランプの高輝度化方法。
3. 管内に配置された一対の電極部材間でアーク放電することにより発光するアークランプにおいて、前記電極部材間に向けて気体を吹き出すと共に、吹き出した前記気体が前記電極部材間で衝突して高圧化する澱み領域を形成する複数の気体噴出手段と、前記澱み領域から衝突した後の前記気体を外側へ拡散させて前記管の外へ排出する排気手段とを備え、前記澱み領域にプラズマを生成することを特徴とするアークランプ。
4. 前記気体噴出手段はラバルノズルを有し、超音速流の前記気体を吹き出して前記澱み領域に非可逆断熱圧縮によるプラズマを生成することを特徴とする請求項３記載のアークランプ。
5. 前記電極部材は前記気体噴出手段の内方に配置され、前記電極部材の周りに前記気体が導入されて前記アークを囲繞する噴流が形成されることを特徴とする請求項３または４記載のアークランプ。

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