JP4161815B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放電ランプに関する。特に、投影装置、光化学反応装置、検査装置の光源として用いられるショートアーク型放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電ランプは、発光物質、電極間距離、発光管内圧力という観点から幾つかのランプに分類でき、このうち発光物質の観点では、キセノンガスを発光物質とするキセノンランプ、水銀を発光物質とする水銀ランプ、水銀以外の希土類金属などを発光物質とするメタルハライドランプなどがある。また、電極間距離という観点では、ショートアーク型放電ランプや、ロングアーク型放電ランプがあり、さらに発光管内の蒸気圧という観点では、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、超高圧放電ランプなどが存在する。
このうち、ショートアーク型高圧水銀ランプは、例えば、波長３６５ｎｍの光を効率良く放射するもので、石英ガラスからなる発光管の内部にタングステン製の電極が２〜１２ｍｍ程度の間隙をもって配置しており、さらに、発光管内部には発光物質として点灯時の蒸気圧が１０５〜１０７Ｐａになる水銀とアルゴンなどの始動用ガスが封入されている。
このようなショートアーク型高圧水銀ランプは、従来から半導体ウェハーの露光用光源として用いられてきた。
その一方で、近年は、液晶基板、特に、大面積の液晶ディスプレイに使う液晶基板の露光用光源として注目されており、製造物の大型化に伴う処理時間の短縮化を図る観点から、ランプの大出力化が求められている。
【０００３】
放電ランプの大出力化により定格消費電力が大きくなると、放電ランプに流れる電流値は、通常は大きくなる。
このため、電極（特に、直流点灯における陽極）の先端部が、電子衝突を受ける量が多くなり、容易に昇温して溶融し、その結果、アークが不安定になるという問題が発生する。また、陽極に限らず、垂直方向に配置する放電ランプにおいては、上側に位置される電極が、発光管内の熱対流の影響を受けて、アークからの熱を受けやすくなり、昇温して溶融してしまう。
さらに、電極の先端部が溶融すると、電極を構成する物質が蒸発して発光管の内壁に付着し、発光管の透過率を低下させることにより、放射出力が低下するという問題も生じる。
【０００４】
このような問題は、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、放電ランプを大出力化する場合に、一般的に生ずる問題であって、従来は、放電ランプの外部に空冷機構を設けて強制的に空冷する構造が提案されていた。また、大出力の放電ランプにおいては、電極の内部に水路を設けて冷却水を流す、いわゆる水冷型放電ランプ（例えば、特許第３０７５０９４号）が提案されていた。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０７５０９４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、放電ランプを大出力化させるために、放電ランプの外部に空冷機構を設けて強制的に空冷を行う方法を用いると、十分な冷却効果を得ることができず、放電ランプに投入可能な電流値に限界があるので、大出力化が困難であった。この限界値は、放電ランプの種類や放電ランプが配置される環境によって異なるが、概ね２００Ａ程度である。
また、水冷型放電ランプの場合は、電極内に水路を形成して冷却水を流すので電極の大型化に伴い、放電ランプが大型化する。さらに、冷却水の供給、排出装置、循環ポンプを設けねばならず、放電ランプに対して何倍もの大きさの冷却設備が必要となり、放電ランプとしての汎用性に乏しいものであった。
【０００７】
さらに、このような放電ランプは、発光管の内部に形成された最冷点部分に、水銀などの封入物質が未蒸発の状態で溜まることがある。この場合、所定の水銀蒸気圧が得られないために、所望の放射光量や輝度を得ることができなくなる。さらに、発光管の内部において、温度が過剰に低下した場合は、アークが不安定になり放電ランプがちらついて発光する。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、冷却設備を必要とせず、放電ランプに大電流を流すことが可能な大出力の放電ランプを提供することである。
【０００９】
前記課題を解決するために本発明の放電ランプは、発光管の内部に一対の電極が対向配置され、少なくとも一方の電極は、有底の主要部材と、蓋部材とからなる電極本体の内部に密閉空間が形成され、該密閉空間には空隙を有するように伝熱体が封入され、該伝熱体は、前記電極本体を構成する金属より融点が低く点灯時に溶融する金属であり、前記主要部材は、前記密閉空間の先端部側の底面が曲面となるように形成されたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の放電ランプの電極によると、主要部材と蓋部材からなる電極本体の内部に形成された密閉空間内に伝熱体が封入されており、主要部材の先端部の内側に相当する底面が曲面となるように形成された構造である。
このような構造によると、ランプ点灯時に電極本体先端が高温になっても、密閉空間内で溶融した伝熱体の対流作用により、電極本体先端の熱を電極本体の後方に輸送することができる。
そして、電極の主要部材の先端部の内側に相当する底面が曲面となるように形成されているので、後述の理由により、ランプ点灯時に発光管内の圧力が高くなっても、電極の先端部が変形しにくくなる。
加えて、溶融した伝熱体の対流が停滞することなく、スムーズに行なわれるので、対流による熱輸送が効率的になる。
また、ランプ点灯時に溶融する伝熱体として、電極本体を構成する金属よりも熱伝導率の高い金属を用いることにより、上記対流作用に加えて伝導作用による熱輸送も行なうことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る放電ランプの概略構成を示す。放電ランプ１０は、略球状の発光部１の両端に封止部２が延在している。発光部１内には、封止部２で保持された陽極３および陰極４が対向配置され、陽極３および陰極４より電気的に接続されてなる外部リード棒５には、不図示の外部電源が接続されている。発光部１内には、水銀、キセノン、アルゴンなどが所定量封入されており、外部電源より電力が供給され、陽極３と陰極４間でアーク放電することにより発光する。尚、この放電ランプは、陽極３を上、陰極４を下にして、発光部１の管軸が垂直方向に支持されて点灯される。
【００１２】
図２は、陽極３の電極軸方向の断面図を示す。電極軸は、図１の管軸と一致している。以後、陽極３を電極３とも称す。
電極３は、有底円筒状の主要部材３１と円柱状の蓋部材３２からなる電極本体３０の内部に形成された密閉空間３３内に伝熱体Ｍを有する構造である。電極本体３０は、主要部材３１の開口縁部３１ａと蓋部材３２の開口縁部３２ａ同士を全周方向に溶接することで形成され、内部に密閉空間３３を形成している。主要部材３１は、有底円筒状に成形されており、開口縁部３１ａ、胴部３１ｂ、先端部３１ｃからなり、前記密閉空間３３の底面（先端側）３４が曲面となるように形成される。蓋部材３２は、円柱状に成形されており、開口縁部３２ａ、内部リード棒３５が挿入される有底挿入穴３２ｂが設けられている。
【００１３】
電極本体３０を構成する主要部材３１と蓋部材３２は、高融点金属、もしくは、高融点金属を主成分とする合金からなる。
高融点金属としては、例えば、タングステン、レニウム、タンタルなどの融点が３０００Ｋ以上の金属が採用される。特に、タングステンは内部の伝熱体Ｍと反応しにくい点で好ましく、特に、純度９９．９％以上のいわゆる純タングステンがより好ましい。
高融点金属を主成分とする合金としては、例えば、タングステンを主成分とするタングステン−レニウム合金が採用できる。この場合、高温時の繰返し応力に対する耐性が高いものとなり、電極の長寿命化を図ることができる。
【００１４】
伝熱体Ｍとしては、電極本体３０を構成する金属よりも融点が低く、ランプ点灯時に溶融する金属を用いる。具体的には、電極本体３０がタングステンからなる場合は、金、銀、銅、インジウム、錫、亜鉛、あるいは鉛を用いることができる。また、これらの金属は単原子の金属であってもよいし、合金であってもよく、いずれか１種のみで構成してもよいし、２種以上の金属を組み合わせて構成してもよい。
また、伝熱体Ｍとして、上記金属のうち、金、銀及び銅のいずれかの金属を採用した場合、これらの金属は電極本体３０を構成するタングステンよりも熱伝導率が高いため、前述の溶融伝熱体の対流作用による熱輸送効果に加えて、伝導作用を利用した熱輸送効果も得られる。
ここで、放電ランプの種類や放電ランプが配置される環境などにもよるが、一般的には、放電ランプに投入する電流値が１５０Ａ以上の場合には、伝熱体Ｍの対流作用のみでは熱輸送効果が十分ではないので、伝導作用も期待できる伝熱体Ｍとして上記の金、銀及び銅のいずれかの金属を採用することが望ましい。
【００１５】
このうち、銀、銅は特に好ましい材料であり、とりわけ銀は最も好ましい材料である。これは、２０００Ｋ程度において、タングステンの熱伝導率が約１００Ｗ／ｍＫであるのに対し、銀は約２００Ｗ／ｍＫ、銅は約１８０Ｗ／ｍＫと何れもその熱伝導率が高いからである。さらに、銀や銅は、タングステンと合金を作らないので、安定的に熱輸送体として働くという意味においても望ましい金属とされる。
ここで、電極本体３０を構成する金属と伝熱体Ｍを構成する金属の熱伝導率の比較は、当然のことながら同一温度で比較するべきであり、放電ランプ点灯時における陽極の一般的な温度レベルである２０００Ｋや、あるいは常温における両金属の熱伝導率同士を比較することで決めることができる。
【００１６】
伝熱体Ｍは電極本体３０の内容積に対して、５０体積％以上の割合で封入することが好ましく、特に、８０体積％〜９５体積％の範囲で封入することが好ましい。
伝熱体Ｍの封入量が少ないと、電極先端部（３１ｃ）で発生した熱を蓋部材３２まで伝導する効果が十分でないため、電極先端部の温度上昇を招いてしまうからである。
伝熱体Ｍは、電極本体３０の密閉空間３３に対して満杯に封入するよりも、空隙を存在させて封入することが効果的である。この理由は、空隙の存在により空隙の近傍で溶融した伝熱体に流れる電流分布が変化し、電流分布の変化により発生するローレンツ力で溶融した伝熱体Ｍの対流の流速が早くなることで、熱輸送を増加させるためである。空隙は僅かであっても効果を有するが、少なくとも密閉空間３３の内容積に対して５体積％以上存在することが望ましい。
【００１７】
主要部材３１の作製方法について説明する。所望の形状に加工された円柱状部材に対して、ボール盤などで有底穴を設けることによって、底面３４が曲面となるように加工を行う。
【００１８】
主要部材３１の底面３４が曲面となるように形成することによって、ランプ点灯時に発光管内の圧力が高くなっても電極先端部（３１ｃ）が変形しにくい理由について以下の００１９によって説明する。
【００１９】
図３は、本発明の電極の作用を説明するための図である。図３（ａ）は、ランプ内の圧力と電極内の密閉空間における圧力との差によって電極先端部に生じる力を説明するための断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す点線部分Ｘを拡大した図である。
図３（ｂ）に示すように、発光管内の圧力と電極内の密閉空間における圧力の差によって、電極先端部（３１ｃ）において密閉空間３３の底面３４上における近接する２点に生じる任意の２つの力について考える。電極先端部（３１ｃ）において密閉空間３３の底面３４上の第１の点３４Ｘに生じる力Ａは、密閉空間３３方向の力Ａ´と底面３４に沿って広がる力Ａ１およびＡ２とに分解される。また、第１の点３４Ｘからわずかに離れた第２の点３４Ｙに生じる力Ｂは、力Ａと同じ大きさであり、力Ａと同様に、密閉空間３３方向の力Ｂ´と底面３４に沿って広がる力Ｂ１およびＢ２とに分解される。
ここで、底面３４に沿って広がる力Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２は全て同じ大きさであり、力Ａ１と力Ｂ２および力Ａ２と力Ｂ１は逆向きであるので、力Ａ１と力Ｂ２は相殺され、力Ａ２と力Ｂ１も相殺され、底面３４には密閉空間３３方向に同じ大きさの力Ａ´と力Ｂ´が生じる。
尚、第１の点３４１と第２の点３４２との間隔は非常に小さいものであるが、図３（ｂ）では誇張して表現している。さらに、底面３４に生じる力は、実際には無限に存在するが図３（ｂ）では任意の２つの力についてのみ説明している。そして、底面３４に沿う力は前述のようにして全て相殺され、底面３４には密閉空間３３方向に同心円状に同じ大きさの力が働くので、底面３４を局所的に変形させようとする力は生じず、電極先端部（３１ｃ）を変形させようとする力が緩和される。
【００２０】
上記理由から本発明に係る電極によると、電極先端部（３１ｃ）の変形を生じることなくより高いランプ圧力のランプに適用できる。具体的には、図２における電極先端部（３１ｃ）の厚みが４．５ｍｍの場合、本電極の構造を有していないもの（伝熱体が封入された密閉空間の底面が曲面でないもの）は１．５ＭＰａ程度までしか対応できないが、本発明の電極を用いれば２．５ＭＰａまでは対応可能となる。
【００２１】
また、底面３４の形状は、図２において電極本体３０の内径をｄとすると、球の直径が大きすぎると点灯時の圧力による力を分散できず変形する可能性があるため、ｄ〜１．５ｄの直径を有する球の一部であることが好ましい。
【００２２】
また、主要部材３１は、電極軸と底面３４との交点３４ａにおける肉厚ｔ１が最小であることが好ましい。このような構造によると、電極先端部（３１ｃ）で発生した熱が伝熱体に伝わりやすいので、より効果的に熱を輸送することができる。
【００２３】
図４は、本発明に係る電極の他の実施例の電極を電極軸方向にて切断した断面図を示す。本発明に係る電極は、図２に示される構造に限られるものではなく、図４に示すような構造も採用することができる。図４において、図２で説明した構成と同一部分は同一符号で示し、説明は省略する。
図４に示すように、密閉空間３３０の底面３４０は、第１の球３４１と第１の球３４１よりも小径の第２の球３４２とを重ねた形状にしても良い。尚、第２の球３４２の直径は、小さすぎると溶融した伝熱体Ｍが滞留する起点となる場所が形成されて乱流が発生することにより伝熱体Ｍの対流作用による熱輸送効果が不十分となる可能性があるので、ｄ／４〜ｄ／２であることが好ましい。
【００２４】
このように、本発明の電極によると、電極本体の内部に形成された密閉空間に伝熱体を封入する新規な構造の電極を構成することで、伝熱体の伝導作用により、電極先端部で発生した熱を効果的に輸送することができる。
さらに、電極本体を構成する主要部材の底面が曲面となるように形成されているので、電極先端部を変形させようとする力を緩和することができる。
さらに、ランプ点灯時に溶融した伝熱体の滞留が起きず乱流の発生が抑制され、溶融した伝熱体の対流がスムーズに行われるので、電極先端部の熱を一層効果的に輸送することができる。
このような理由から、ランプ点灯時における電極先端部の高温化による溶融、蒸発などの問題を解決することができるので、従来の水冷型の放電ランプのように大型の冷却設備を用いることなく、大電流を投入して大出力の放電ランプを製作することができる。
【００２５】
尚、本発明の電極構造は、放電ランプの管軸を垂直方向に配置する垂直点灯型放電ランプにおいては、ランプ点灯時に伝熱体が溶融するので、上側に配置される電極に使用するのが好ましい。上側に配置される電極は、高温化されやすいので、通常は、陰極に比べて体積が大きい陽極が用いられるが、本発明の電極構造を採用した陰極を上側に配置することを排除するものではない。
また、交流点灯型放電ランプにおいて、両電極に本発明の電極構造を採用することも可能である。
【００２６】
また、本発明の放電ランプは、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、キセノンガスを発光物質とするキセノンランプ、水銀以外の希土類金属などを発光物質とするメタルハライドランプ、ハロゲンを封入した放電ランプなど発光物質に限定されることなく採用できる。また、ショートアーク型放電ランプに限られず、ミドルアーク型放電ランプやロングアーク型放電ランプにも採用でき、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、超高圧放電ランプなどさまざまな放電ランプに適用できる。
【００２７】
本発明の作用効果を確認する実験例について説明する。
＜実施例＞
図２に示されるような本発明に係る電極を製作した。この電極を図1に示されるような放電ランプの陽極側に組み込んだ下記の仕様による放電ランプを１０本製作した。
〔キセノン水銀ランプ〕
発光管の内容積：１８３０ｃｍ３
電極間距離：１２ｍｍ
キセノンの封入圧力：１００ｋＰａ
水銀量：２８．２ｍｇ／ｃｍ３
〔陽極側電極〕
材質：タングステン
寸法：電極軸方向長さ：５５ｍｍ、胴部外径：２５ｍｍ
内容積：６７００ｍｍ３
伝熱体の材質：銀
伝熱体の封入量：６０００ｍｍ３
内部リード棒の材質：タングステン
内部リード棒の外径：６ｍｍ
〔陰極側電極〕
材質：トリエーティッドタングステン（トリア：２ｗｔ．％）
内部リード棒の材質：タングステン
内部リード棒の外径：６ｍｍ
＜比較例＞
最終形状とした時に、上記と同じ寸法および形状となるように、その全体がタングステンで構成された従来型の電極を、図1に示されるような放電ランプの陽極側に組み込んだ放電ランプを１０本製作した。
＜実験例＞
上記実施例および比較例に係る放電ランプを、ランプ電流２００Ａで、前記陽極側電極を上にして、当該ランプを垂直方向に支持した状態で点灯した。そして、ランプ点灯して６００秒後に、陽極側電極の先端部における表面温度をマイクロパイロメーターにより測定した。
その結果、電極の先端部付近における温度は、比較例に係る放電ランプが２１３０℃であったのに対し、実施例に係る放電ランプは２０２５℃であり、本発明に係る放電ランプの方が低くなっていることが確認された。
すなわち、本発明に係る放電ランプによると、電極先端部の温度を従来の放電ランプよりも低くすることができる。これにより、強制的な冷却機構を具備することなく、放電ランプに大電流を流すことができるので、高出力化が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の放電ランプによると、有底円筒状の主要部材と円柱状の蓋部材からなる電極本体内部に形成された密閉空間内に伝熱体が封入されているので、電極先端部で発生した熱を電極後方に向けて効率良く輸送することが可能である。これにより、強制的な冷却機構を具備しなくても高出力な放電ランプを提供することができる。
さらに、本発明に係る電極は、主要部材の先端部の内側に相当する底面が曲面となるように形成されているので、ランプ点灯時に発光管内が高圧になっても電極先端部が変形しにくい構造である。
さらに、ランプ点灯時に溶融した伝熱体の対流が停滞することなくスムーズに行われるので、これによっても、電極先端部で発生した熱を電極後方に向けて一層効率良く輸送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電ランプの全体を示す図である。
【図２】本発明に係る陽極を電極軸方向にて切断した断面図である。
【図３】本発明の電極の作用を説明するための図である。
【図４】本発明に係る電極の他の実施例の電極を電極軸方向にて切断した断面図である。
【符号の説明】
１ 発光部
２ 封止部
３ 陽極
４ 陰極
５ 外部リード棒
１０ 放電ランプ
３０ 電極本体
３１ 主要部材
３１ａ 開口縁部
３１ｂ 胴部
３１ｃ 先端部
３２ 蓋部材
３２ａ 開口縁部
３２ｂ 有底挿入穴
３３ 密閉空間
３４ 底面
３４ａ 電極軸と底面３４との交点
３４Ｘ 底面３４上の第１の点
３４Ｙ 底面３４上の第２の点
３５ 内部リード棒
３３０ 密閉空間
３４０ 底面
３４１ 第１の球
３４２ 第２の球
Ｍ 伝熱体
ｔ１ ３４ａにおける肉厚
ｄ 電極本体３０の内径
【発明の属する技術分野】
本発明は放電ランプに関する。特に、投影装置、光化学反応装置、検査装置の光源として用いられるショートアーク型放電ランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電ランプは、発光物質、電極間距離、発光管内圧力という観点から幾つかのランプに分類でき、このうち発光物質の観点では、キセノンガスを発光物質とするキセノンランプ、水銀を発光物質とする水銀ランプ、水銀以外の希土類金属などを発光物質とするメタルハライドランプなどがある。また、電極間距離という観点では、ショートアーク型放電ランプや、ロングアーク型放電ランプがあり、さらに発光管内の蒸気圧という観点では、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、超高圧放電ランプなどが存在する。
このうち、ショートアーク型高圧水銀ランプは、例えば、波長３６５ｎｍの光を効率良く放射するもので、石英ガラスからなる発光管の内部にタングステン製の電極が２〜１２ｍｍ程度の間隙をもって配置しており、さらに、発光管内部には発光物質として点灯時の蒸気圧が１０５〜１０７Ｐａになる水銀とアルゴンなどの始動用ガスが封入されている。
このようなショートアーク型高圧水銀ランプは、従来から半導体ウェハーの露光用光源として用いられてきた。
その一方で、近年は、液晶基板、特に、大面積の液晶ディスプレイに使う液晶基板の露光用光源として注目されており、製造物の大型化に伴う処理時間の短縮化を図る観点から、ランプの大出力化が求められている。
【０００３】
放電ランプの大出力化により定格消費電力が大きくなると、放電ランプに流れる電流値は、通常は大きくなる。
このため、電極（特に、直流点灯における陽極）の先端部が、電子衝突を受ける量が多くなり、容易に昇温して溶融し、その結果、アークが不安定になるという問題が発生する。また、陽極に限らず、垂直方向に配置する放電ランプにおいては、上側に位置される電極が、発光管内の熱対流の影響を受けて、アークからの熱を受けやすくなり、昇温して溶融してしまう。
さらに、電極の先端部が溶融すると、電極を構成する物質が蒸発して発光管の内壁に付着し、発光管の透過率を低下させることにより、放射出力が低下するという問題も生じる。
【０００４】
このような問題は、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、放電ランプを大出力化する場合に、一般的に生ずる問題であって、従来は、放電ランプの外部に空冷機構を設けて強制的に空冷する構造が提案されていた。また、大出力の放電ランプにおいては、電極の内部に水路を設けて冷却水を流す、いわゆる水冷型放電ランプ（例えば、特許第３０７５０９４号）が提案されていた。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０７５０９４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、放電ランプを大出力化させるために、放電ランプの外部に空冷機構を設けて強制的に空冷を行う方法を用いると、十分な冷却効果を得ることができず、放電ランプに投入可能な電流値に限界があるので、大出力化が困難であった。この限界値は、放電ランプの種類や放電ランプが配置される環境によって異なるが、概ね２００Ａ程度である。
また、水冷型放電ランプの場合は、電極内に水路を形成して冷却水を流すので電極の大型化に伴い、放電ランプが大型化する。さらに、冷却水の供給、排出装置、循環ポンプを設けねばならず、放電ランプに対して何倍もの大きさの冷却設備が必要となり、放電ランプとしての汎用性に乏しいものであった。
【０００７】
さらに、このような放電ランプは、発光管の内部に形成された最冷点部分に、水銀などの封入物質が未蒸発の状態で溜まることがある。この場合、所定の水銀蒸気圧が得られないために、所望の放射光量や輝度を得ることができなくなる。さらに、発光管の内部において、温度が過剰に低下した場合は、アークが不安定になり放電ランプがちらついて発光する。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、冷却設備を必要とせず、放電ランプに大電流を流すことが可能な大出力の放電ランプを提供することである。
【０００９】
前記課題を解決するために本発明の放電ランプは、発光管の内部に一対の電極が対向配置され、少なくとも一方の電極は、有底の主要部材と、蓋部材とからなる電極本体の内部に密閉空間が形成され、該密閉空間には空隙を有するように伝熱体が封入され、該伝熱体は、前記電極本体を構成する金属より融点が低く点灯時に溶融する金属であり、前記主要部材は、前記密閉空間の先端部側の底面が曲面となるように形成されたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の放電ランプの電極によると、主要部材と蓋部材からなる電極本体の内部に形成された密閉空間内に伝熱体が封入されており、主要部材の先端部の内側に相当する底面が曲面となるように形成された構造である。
このような構造によると、ランプ点灯時に電極本体先端が高温になっても、密閉空間内で溶融した伝熱体の対流作用により、電極本体先端の熱を電極本体の後方に輸送することができる。
そして、電極の主要部材の先端部の内側に相当する底面が曲面となるように形成されているので、後述の理由により、ランプ点灯時に発光管内の圧力が高くなっても、電極の先端部が変形しにくくなる。
加えて、溶融した伝熱体の対流が停滞することなく、スムーズに行なわれるので、対流による熱輸送が効率的になる。
また、ランプ点灯時に溶融する伝熱体として、電極本体を構成する金属よりも熱伝導率の高い金属を用いることにより、上記対流作用に加えて伝導作用による熱輸送も行なうことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る放電ランプの概略構成を示す。放電ランプ１０は、略球状の発光部１の両端に封止部２が延在している。発光部１内には、封止部２で保持された陽極３および陰極４が対向配置され、陽極３および陰極４より電気的に接続されてなる外部リード棒５には、不図示の外部電源が接続されている。発光部１内には、水銀、キセノン、アルゴンなどが所定量封入されており、外部電源より電力が供給され、陽極３と陰極４間でアーク放電することにより発光する。尚、この放電ランプは、陽極３を上、陰極４を下にして、発光部１の管軸が垂直方向に支持されて点灯される。
【００１２】
図２は、陽極３の電極軸方向の断面図を示す。電極軸は、図１の管軸と一致している。以後、陽極３を電極３とも称す。
電極３は、有底円筒状の主要部材３１と円柱状の蓋部材３２からなる電極本体３０の内部に形成された密閉空間３３内に伝熱体Ｍを有する構造である。電極本体３０は、主要部材３１の開口縁部３１ａと蓋部材３２の開口縁部３２ａ同士を全周方向に溶接することで形成され、内部に密閉空間３３を形成している。主要部材３１は、有底円筒状に成形されており、開口縁部３１ａ、胴部３１ｂ、先端部３１ｃからなり、前記密閉空間３３の底面（先端側）３４が曲面となるように形成される。蓋部材３２は、円柱状に成形されており、開口縁部３２ａ、内部リード棒３５が挿入される有底挿入穴３２ｂが設けられている。
【００１３】
電極本体３０を構成する主要部材３１と蓋部材３２は、高融点金属、もしくは、高融点金属を主成分とする合金からなる。
高融点金属としては、例えば、タングステン、レニウム、タンタルなどの融点が３０００Ｋ以上の金属が採用される。特に、タングステンは内部の伝熱体Ｍと反応しにくい点で好ましく、特に、純度９９．９％以上のいわゆる純タングステンがより好ましい。
高融点金属を主成分とする合金としては、例えば、タングステンを主成分とするタングステン−レニウム合金が採用できる。この場合、高温時の繰返し応力に対する耐性が高いものとなり、電極の長寿命化を図ることができる。
【００１４】
伝熱体Ｍとしては、電極本体３０を構成する金属よりも融点が低く、ランプ点灯時に溶融する金属を用いる。具体的には、電極本体３０がタングステンからなる場合は、金、銀、銅、インジウム、錫、亜鉛、あるいは鉛を用いることができる。また、これらの金属は単原子の金属であってもよいし、合金であってもよく、いずれか１種のみで構成してもよいし、２種以上の金属を組み合わせて構成してもよい。
また、伝熱体Ｍとして、上記金属のうち、金、銀及び銅のいずれかの金属を採用した場合、これらの金属は電極本体３０を構成するタングステンよりも熱伝導率が高いため、前述の溶融伝熱体の対流作用による熱輸送効果に加えて、伝導作用を利用した熱輸送効果も得られる。
ここで、放電ランプの種類や放電ランプが配置される環境などにもよるが、一般的には、放電ランプに投入する電流値が１５０Ａ以上の場合には、伝熱体Ｍの対流作用のみでは熱輸送効果が十分ではないので、伝導作用も期待できる伝熱体Ｍとして上記の金、銀及び銅のいずれかの金属を採用することが望ましい。
【００１５】
このうち、銀、銅は特に好ましい材料であり、とりわけ銀は最も好ましい材料である。これは、２０００Ｋ程度において、タングステンの熱伝導率が約１００Ｗ／ｍＫであるのに対し、銀は約２００Ｗ／ｍＫ、銅は約１８０Ｗ／ｍＫと何れもその熱伝導率が高いからである。さらに、銀や銅は、タングステンと合金を作らないので、安定的に熱輸送体として働くという意味においても望ましい金属とされる。
ここで、電極本体３０を構成する金属と伝熱体Ｍを構成する金属の熱伝導率の比較は、当然のことながら同一温度で比較するべきであり、放電ランプ点灯時における陽極の一般的な温度レベルである２０００Ｋや、あるいは常温における両金属の熱伝導率同士を比較することで決めることができる。
【００１６】
伝熱体Ｍは電極本体３０の内容積に対して、５０体積％以上の割合で封入することが好ましく、特に、８０体積％〜９５体積％の範囲で封入することが好ましい。
伝熱体Ｍの封入量が少ないと、電極先端部（３１ｃ）で発生した熱を蓋部材３２まで伝導する効果が十分でないため、電極先端部の温度上昇を招いてしまうからである。
伝熱体Ｍは、電極本体３０の密閉空間３３に対して満杯に封入するよりも、空隙を存在させて封入することが効果的である。この理由は、空隙の存在により空隙の近傍で溶融した伝熱体に流れる電流分布が変化し、電流分布の変化により発生するローレンツ力で溶融した伝熱体Ｍの対流の流速が早くなることで、熱輸送を増加させるためである。空隙は僅かであっても効果を有するが、少なくとも密閉空間３３の内容積に対して５体積％以上存在することが望ましい。
【００１７】
主要部材３１の作製方法について説明する。所望の形状に加工された円柱状部材に対して、ボール盤などで有底穴を設けることによって、底面３４が曲面となるように加工を行う。
【００１８】
主要部材３１の底面３４が曲面となるように形成することによって、ランプ点灯時に発光管内の圧力が高くなっても電極先端部（３１ｃ）が変形しにくい理由について以下の００１９によって説明する。
【００１９】
図３は、本発明の電極の作用を説明するための図である。図３（ａ）は、ランプ内の圧力と電極内の密閉空間における圧力との差によって電極先端部に生じる力を説明するための断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す点線部分Ｘを拡大した図である。
図３（ｂ）に示すように、発光管内の圧力と電極内の密閉空間における圧力の差によって、電極先端部（３１ｃ）において密閉空間３３の底面３４上における近接する２点に生じる任意の２つの力について考える。電極先端部（３１ｃ）において密閉空間３３の底面３４上の第１の点３４Ｘに生じる力Ａは、密閉空間３３方向の力Ａ´と底面３４に沿って広がる力Ａ１およびＡ２とに分解される。また、第１の点３４Ｘからわずかに離れた第２の点３４Ｙに生じる力Ｂは、力Ａと同じ大きさであり、力Ａと同様に、密閉空間３３方向の力Ｂ´と底面３４に沿って広がる力Ｂ１およびＢ２とに分解される。
ここで、底面３４に沿って広がる力Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２は全て同じ大きさであり、力Ａ１と力Ｂ２および力Ａ２と力Ｂ１は逆向きであるので、力Ａ１と力Ｂ２は相殺され、力Ａ２と力Ｂ１も相殺され、底面３４には密閉空間３３方向に同じ大きさの力Ａ´と力Ｂ´が生じる。
尚、第１の点３４１と第２の点３４２との間隔は非常に小さいものであるが、図３（ｂ）では誇張して表現している。さらに、底面３４に生じる力は、実際には無限に存在するが図３（ｂ）では任意の２つの力についてのみ説明している。そして、底面３４に沿う力は前述のようにして全て相殺され、底面３４には密閉空間３３方向に同心円状に同じ大きさの力が働くので、底面３４を局所的に変形させようとする力は生じず、電極先端部（３１ｃ）を変形させようとする力が緩和される。
【００２０】
上記理由から本発明に係る電極によると、電極先端部（３１ｃ）の変形を生じることなくより高いランプ圧力のランプに適用できる。具体的には、図２における電極先端部（３１ｃ）の厚みが４．５ｍｍの場合、本電極の構造を有していないもの（伝熱体が封入された密閉空間の底面が曲面でないもの）は１．５ＭＰａ程度までしか対応できないが、本発明の電極を用いれば２．５ＭＰａまでは対応可能となる。
【００２１】
また、底面３４の形状は、図２において電極本体３０の内径をｄとすると、球の直径が大きすぎると点灯時の圧力による力を分散できず変形する可能性があるため、ｄ〜１．５ｄの直径を有する球の一部であることが好ましい。
【００２２】
また、主要部材３１は、電極軸と底面３４との交点３４ａにおける肉厚ｔ１が最小であることが好ましい。このような構造によると、電極先端部（３１ｃ）で発生した熱が伝熱体に伝わりやすいので、より効果的に熱を輸送することができる。
【００２３】
図４は、本発明に係る電極の他の実施例の電極を電極軸方向にて切断した断面図を示す。本発明に係る電極は、図２に示される構造に限られるものではなく、図４に示すような構造も採用することができる。図４において、図２で説明した構成と同一部分は同一符号で示し、説明は省略する。
図４に示すように、密閉空間３３０の底面３４０は、第１の球３４１と第１の球３４１よりも小径の第２の球３４２とを重ねた形状にしても良い。尚、第２の球３４２の直径は、小さすぎると溶融した伝熱体Ｍが滞留する起点となる場所が形成されて乱流が発生することにより伝熱体Ｍの対流作用による熱輸送効果が不十分となる可能性があるので、ｄ／４〜ｄ／２であることが好ましい。
【００２４】
このように、本発明の電極によると、電極本体の内部に形成された密閉空間に伝熱体を封入する新規な構造の電極を構成することで、伝熱体の伝導作用により、電極先端部で発生した熱を効果的に輸送することができる。
さらに、電極本体を構成する主要部材の底面が曲面となるように形成されているので、電極先端部を変形させようとする力を緩和することができる。
さらに、ランプ点灯時に溶融した伝熱体の滞留が起きず乱流の発生が抑制され、溶融した伝熱体の対流がスムーズに行われるので、電極先端部の熱を一層効果的に輸送することができる。
このような理由から、ランプ点灯時における電極先端部の高温化による溶融、蒸発などの問題を解決することができるので、従来の水冷型の放電ランプのように大型の冷却設備を用いることなく、大電流を投入して大出力の放電ランプを製作することができる。
【００２５】
尚、本発明の電極構造は、放電ランプの管軸を垂直方向に配置する垂直点灯型放電ランプにおいては、ランプ点灯時に伝熱体が溶融するので、上側に配置される電極に使用するのが好ましい。上側に配置される電極は、高温化されやすいので、通常は、陰極に比べて体積が大きい陽極が用いられるが、本発明の電極構造を採用した陰極を上側に配置することを排除するものではない。
また、交流点灯型放電ランプにおいて、両電極に本発明の電極構造を採用することも可能である。
【００２６】
また、本発明の放電ランプは、ショートアーク型高圧水銀ランプに限るものではなく、キセノンガスを発光物質とするキセノンランプ、水銀以外の希土類金属などを発光物質とするメタルハライドランプ、ハロゲンを封入した放電ランプなど発光物質に限定されることなく採用できる。また、ショートアーク型放電ランプに限られず、ミドルアーク型放電ランプやロングアーク型放電ランプにも採用でき、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、超高圧放電ランプなどさまざまな放電ランプに適用できる。
【００２７】
本発明の作用効果を確認する実験例について説明する。
＜実施例＞
図２に示されるような本発明に係る電極を製作した。この電極を図1に示されるような放電ランプの陽極側に組み込んだ下記の仕様による放電ランプを１０本製作した。
〔キセノン水銀ランプ〕
発光管の内容積：１８３０ｃｍ３
電極間距離：１２ｍｍ
キセノンの封入圧力：１００ｋＰａ
水銀量：２８．２ｍｇ／ｃｍ３
〔陽極側電極〕
材質：タングステン
寸法：電極軸方向長さ：５５ｍｍ、胴部外径：２５ｍｍ
内容積：６７００ｍｍ３
伝熱体の材質：銀
伝熱体の封入量：６０００ｍｍ３
内部リード棒の材質：タングステン
内部リード棒の外径：６ｍｍ
〔陰極側電極〕
材質：トリエーティッドタングステン（トリア：２ｗｔ．％）
内部リード棒の材質：タングステン
内部リード棒の外径：６ｍｍ
＜比較例＞
最終形状とした時に、上記と同じ寸法および形状となるように、その全体がタングステンで構成された従来型の電極を、図1に示されるような放電ランプの陽極側に組み込んだ放電ランプを１０本製作した。
＜実験例＞
上記実施例および比較例に係る放電ランプを、ランプ電流２００Ａで、前記陽極側電極を上にして、当該ランプを垂直方向に支持した状態で点灯した。そして、ランプ点灯して６００秒後に、陽極側電極の先端部における表面温度をマイクロパイロメーターにより測定した。
その結果、電極の先端部付近における温度は、比較例に係る放電ランプが２１３０℃であったのに対し、実施例に係る放電ランプは２０２５℃であり、本発明に係る放電ランプの方が低くなっていることが確認された。
すなわち、本発明に係る放電ランプによると、電極先端部の温度を従来の放電ランプよりも低くすることができる。これにより、強制的な冷却機構を具備することなく、放電ランプに大電流を流すことができるので、高出力化が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の放電ランプによると、有底円筒状の主要部材と円柱状の蓋部材からなる電極本体内部に形成された密閉空間内に伝熱体が封入されているので、電極先端部で発生した熱を電極後方に向けて効率良く輸送することが可能である。これにより、強制的な冷却機構を具備しなくても高出力な放電ランプを提供することができる。
さらに、本発明に係る電極は、主要部材の先端部の内側に相当する底面が曲面となるように形成されているので、ランプ点灯時に発光管内が高圧になっても電極先端部が変形しにくい構造である。
さらに、ランプ点灯時に溶融した伝熱体の対流が停滞することなくスムーズに行われるので、これによっても、電極先端部で発生した熱を電極後方に向けて一層効率良く輸送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電ランプの全体を示す図である。
【図２】本発明に係る陽極を電極軸方向にて切断した断面図である。
【図３】本発明の電極の作用を説明するための図である。
【図４】本発明に係る電極の他の実施例の電極を電極軸方向にて切断した断面図である。
【符号の説明】
１ 発光部
２ 封止部
３ 陽極
４ 陰極
５ 外部リード棒
１０ 放電ランプ
３０ 電極本体
３１ 主要部材
３１ａ 開口縁部
３１ｂ 胴部
３１ｃ 先端部
３２ 蓋部材
３２ａ 開口縁部
３２ｂ 有底挿入穴
３３ 密閉空間
３４ 底面
３４ａ 電極軸と底面３４との交点
３４Ｘ 底面３４上の第１の点
３４Ｙ 底面３４上の第２の点
３５ 内部リード棒
３３０ 密閉空間
３４０ 底面
３４１ 第１の球
３４２ 第２の球
Ｍ 伝熱体
ｔ１ ３４ａにおける肉厚
ｄ 電極本体３０の内径
Claims (1)
- 発光管の内部に一対の電極が対向配置した放電ランプにおいて、
少なくとも一方の電極は、有底の主要部材と、蓋部材とからなる電極本体の内部に密閉空間が形成され、該密閉空間には空隙を有するように伝熱体が封入され、該伝熱体は、前記電極本体を構成する金属より融点が低く点灯時に溶融する金属であり、
前記主要部材は、前記密閉空間の先端部側の底面が曲面となるように形成されたことを特徴とする放電ランプ。
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