JP4998840B2 - Short arc type discharge lamp - Google Patents
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Description
この発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、電極本体の密閉空間に伝熱体が封入された電極を有するショートアーク型放電ランプに係わるものである。 The present invention relates to a short arc type discharge lamp, and more particularly to a short arc type discharge lamp having an electrode in which a heat transfer body is sealed in a sealed space of an electrode body.
従来、半導体基板、液晶ディスプレイ用の液晶基板、プリント基板などを露光する露光装置の紫外線照射光源として用いられるショートアーク型放電ランプにおいては、その大出力化が進んでいる。この大出力化により定格消費電力が大きくなると、ランプに流れる電流値は通常大きくなり、これにより電極は電子衝突を受ける量が大きくなって、容易に昇温して溶融してしまうという問題が生じる。
また、電極を構成する材料、例えばタングステンが蒸発して発光管の内表面に付着して黒化してしまい、ランプとしての放射能力が低下するという問題も生じている。
Conventionally, the output of a short arc type discharge lamp used as an ultraviolet irradiation light source of an exposure apparatus that exposes a semiconductor substrate, a liquid crystal substrate for a liquid crystal display, a printed circuit board and the like has been increased. When the rated power consumption increases due to this increase in output, the value of the current flowing through the lamp usually increases, which causes the problem that the amount of the electrode subjected to electron collision increases, and the temperature easily rises and melts. .
In addition, the material constituting the electrode, such as tungsten, evaporates and adheres to the inner surface of the arc tube, resulting in blackening, resulting in a problem that the radiation ability of the lamp is reduced.
このような電極材料の溶融、蒸発といった問題を解決すべく、例えば、特開2004−6246号公報に開示されるような電極構造をもったショートアーク型放電ランプが提案されている。
このショートアーク型放電ランプにおいては、電極本体に形成した密閉内部空間に、電極材料よりも熱伝達率が高く、ランプ点灯時に溶融する伝熱体が封入された電極を用いるものである。
In order to solve such problems of melting and evaporation of the electrode material, for example, a short arc type discharge lamp having an electrode structure as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-6246 has been proposed.
In this short arc type discharge lamp, an electrode in which a heat transfer coefficient higher than that of an electrode material and which melts when the lamp is lit is enclosed in a sealed internal space formed in the electrode body.
この従来技術を図7、8に基づいて説明すると以下の通りである。
図7において、発光管10内に対向配置された一対の電極11、12を有するショートアーク型放電ランプ1が示されており、その電極のうちの少なくとも一方の電極(この例では陽極)12の電極本体15は、図8に示されるように、容器部材16と蓋部材17とからなり、その内部には密閉空間18が形成されている。
そして、該密閉空間18には、電極12を構成する材料、例えばタングステンよりも熱伝導率が高く、ランプ点灯時に溶融する材料、例えば、金、銀などからなる電熱体Mが封入されている。また、前記密閉空間18には不活性ガスが充填されている。
前記伝熱体Mは、ランプ点灯時に溶融して、密閉空間18内で対流し、電極本体15の先端の熱を該電極本体15の後端側に伝達することによって、電極本体15の軸方向での温度勾配を減少し、その結果、先端の温度を下げることができるものであって、これにより、電極先端の溶融や蒸発を抑えることができるという効果を奏するものである。
This prior art will be described with reference to FIGS.
In FIG. 7, a short arc
The sealed
The heat transfer body M melts when the lamp is turned on, convects in the sealed
しかしながら、このような電極構造を有するショートアーク型放電ランプを長時間点灯させていると、電極本体の先端の内壁の一部に「高温クリープ変形」という現象が生じて、電極先端が変形し、ついには先端部に穴が開き、破裂に至ることがある。
この高温クリープ変形は、内部に密閉空間を有する電極構造に特有の変形現象である。
そのメカニズムは、ランプ点灯時に、電極の内壁が、伝熱体と不活性ガスによる高い圧力を受けるとともに、電極外部からは極めて高温の熱を受けることで生じるものと推測されている。特に、放電アークが生じる部位である先端は、例えば2000℃というレベルの高温に曝されるからである。高温クリープ変形は、容器部材を形成する底部(電極先端側の壁)の一部が内側から凹部状に変形するものであり、そのまま進行すると、ついには穴を開けて破裂してしまうことになりかねない。
However, when the short arc type discharge lamp having such an electrode structure is lit for a long time, a phenomenon called “high temperature creep deformation” occurs in a part of the inner wall of the tip of the electrode body, and the tip of the electrode is deformed. Eventually, a hole may open at the tip, leading to rupture.
This high temperature creep deformation is a deformation phenomenon peculiar to an electrode structure having a sealed space inside.
The mechanism is presumed to occur when the inner wall of the electrode receives a high pressure from the heat transfer body and the inert gas and receives extremely high temperature heat from the outside of the electrode when the lamp is lit. In particular, the tip where the discharge arc occurs is exposed to a high temperature of, for example, 2000 ° C. In high temperature creep deformation, a part of the bottom part (wall on the electrode tip side) forming the container member is deformed into a concave shape from the inside, and if it proceeds as it is, it will eventually puncture and burst. It might be.
この現象について以下に詳述する。
図8に示されるように、電極12の密閉空間18内の伝熱体Mは、電極材料より熱伝達率が高く、融点の低い金、銀などの金属であり、ランプ点灯時には高温により溶融して液体状態となる。電極の長手方向を垂直方向に沿って配置してランプを垂直点灯した場合において、この溶融伝熱体Mは、容器部材16内で主に垂直方向に、浮力と、ローレンツ力を受けて上下に対流運動Fを行っており、ここには上昇流Fuと下降流Fdが生じている。
容器部材6の内部では、この上昇流Fuと下降流Fdが接近する部分があり、その上下の流れが対向していることによって、この部分の圧力が高まる。流体はこの圧力を逃がすために水平方向にも分散し、対流に対して水平方向の加速度が加わることになる。
これにより、図9に示すように、上昇流Fuと下降流Fdは水平方向の力をうけて周方向(回転方向)に移動してしまうため、上昇流と下降流の発生する位置は、密閉容器部材16に対して相対的に移動して時々刻々と変化する。
This phenomenon will be described in detail below.
As shown in FIG. 8, the heat transfer body M in the sealed
Inside the container member 6, there is a portion where the upward flow Fu and the downward flow Fd approach each other, and the upper and lower flows face each other, thereby increasing the pressure of this portion. In order to relieve this pressure, the fluid is dispersed in the horizontal direction, and a horizontal acceleration is applied to the convection.
As a result, as shown in FIG. 9, the upward flow Fu and the downward flow Fd receive a force in the horizontal direction and move in the circumferential direction (rotation direction). Therefore, the positions where the upward flow and the downward flow are generated are sealed. It moves relative to the
ここで、上昇流Fuは密閉容器部材16の底部(電極先端)16aから熱を受け取っているのでその温度が高く、下降流Fdは蓋部17近傍の内壁にこの熱を輸送した後に下降しているためにその温度が低くなっている。特に、底部16a近傍では上昇流Fuが熱を受け取った直後なので、下降流Fdとの温度差が大きい。
このような対流が前記したような周方向での回動をして時間的変化が生じているところで、容器部材16の底部16a近傍の壁の温度を定点観測すると、図6(A)(B)における従来例として示されるグラフのように、激しい温度変化が生じていることが確認された。
Here, the upward flow Fu receives heat from the bottom portion (electrode tip) 16a of the sealed
When such convection rotates in the circumferential direction as described above and changes with time, the temperature of the wall near the
このように、容器部材16の内表面に激しい温度変化が生じると、高温クリープ変形によってその内表面から突起が突出するような変形が生じる。
詳細には、図10に示すように、容器部材16の内表面が低温から高温になると圧縮熱応力が発生して、この応力を緩和するために、容器部材16の内表面から内部に突出する方向にクリープ変形20して応力を緩和しようとする。このとき、突出する領域20へ移動するタングステン原子は、主に最も高温となっている底面中央部21から供給されるので、図10(A)に示すように、底面の周辺部20が厚肉化し、底面中央部21は薄肉化していく。
こうして容器部材16の底部(電極先端)16aの薄肉化が進行すると、図10(B)に示すように、ついには容器部材16の底16aが貫通するように穴22が開いてしまい、溶融伝熱体Mが漏出するに至るという問題があった。
As described above, when a severe temperature change occurs on the inner surface of the
Specifically, as shown in FIG. 10, when the inner surface of the
When the thickness of the bottom portion (electrode tip) 16a of the
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、電極の密閉空間に伝熱体が封入されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、ランプ点灯時に溶融した伝熱体が対流するときに、該対流が密閉空間内で周方向に回動することを抑制して、長時間点灯しても、電極先端で穴が開くことのないようにした構造を提供しようとするものである。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention provides a short arc type discharge lamp in which a heat transfer body is enclosed in a sealed space of an electrode. Therefore, it is intended to provide a structure in which a hole is not opened at the tip of an electrode even if it is lit for a long time by suppressing rotation in the circumferential direction in a sealed space.
上記課題を解決するために、この発明では、伝熱体を封入した電極の密閉空間内に、点灯時に溶融した溶融伝熱体の対流が周方向に回動することを規制する規制体が設けられていることを特徴とする。
また、前記規制体が電極の長手方向に伸びるとともに、径方向に横断する板材からなることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a regulating body is provided in the sealed space of the electrode enclosing the heat transfer body to restrict the convection of the molten heat transfer body melted at the time of lighting from rotating in the circumferential direction. It is characterized by being.
Further, the regulation body is made of a plate material extending in the longitudinal direction of the electrode and traversing in the radial direction.
本発明によれば、電極の密閉空間内に板状規制体を設けたから、点灯時に溶融した溶融伝熱体の前記密閉空間内での対流が、周方向に回動することが規制・防止され、対流の移動による電極の同一個所での温度変化が生じることが少ないので、温度変化に基づく高温クリープ変形が発生することがなく、電極先端に穴が開いてしまうようなことがない。 According to the present invention, since the plate-shaped restricting body is provided in the sealed space of the electrode, the convection in the sealed space of the molten heat transfer body melted at the time of lighting is restricted / prevented from rotating in the circumferential direction. Since the temperature change at the same location of the electrode due to the movement of the convection is less likely to occur, high temperature creep deformation based on the temperature change does not occur, and no hole is formed at the electrode tip.
図1はこの発明のショートアーク型放電ランプの電極構造を示し、図1(A)はその縦断面図、図1(B)はその横断面図である。
図において、電極12は、容器部材16と蓋部材17とからなる電極本体15を有し、該電極本体15内には密閉空間18が形成されている。そして、該密閉空間18内には、タングステンなどの電極材料よりも熱伝導率の高い伝熱体Mが封入されている。該伝熱体Mは、例えば金や銀などの金属からなり、電極材料よりも融点が低く、ランプ点灯時には密閉空間18内で溶融する。
そして、前記電極12の密閉空間18内には、板状の規制体2が挿入されている。該規制体2は、密閉空間18の略中心軸上を長手方向に伸び、かつ、径方向に横断するように設けられていて、電極12の密閉空間18の内径と略同一の寸法を有する。なお、規制体2は厳密な意味で電極12の中心軸上に位置しなければならないわけではない。
FIG. 1 shows an electrode structure of a short arc type discharge lamp according to the present invention. FIG. 1 (A) is a longitudinal sectional view thereof, and FIG. 1 (B) is a transverse sectional view thereof.
In the figure, the
A plate-shaped regulating
ところで、前記規制体2は必ずしも電極12の密閉空間18の内径にほぼ等しい寸法である必要はなく、図2(A)(B)に示すように、これより短尺であってもよい。このような場合、規制体2を密閉空間18内で所定の姿勢や位置に保持する必要があり、図2(B)に示すように、密閉空間18の内部形状に沿った円弧状の支持片2aが設けられていて、該円弧状支持片2aによって規制体2を支持している。なお、該規制体2の支持はこれに限られず、レーザ溶接などによって電極本体15に直接固着するものであってもよい。
By the way, the
また、図3に異なる実施例が示されていて、規制体2は、互いに交差する一対の板材3、4からなる。この場合の板材3、4も電極12の長手方向に伸びると共に、径方向に横断する形状とされている。なお、この実施例の場合、少なくとも一方の板材3、4の長手方向の寸法は、封入された伝熱体Mの高さよりも短く設定されている。
FIG. 3 shows a different embodiment, and the restricting
上記実施例での作用を図4、5によって説明する。
図4は、図1の実施例の作用の概略説明図で、溶融伝熱体Mの対流Fは板状の規制体2によって密閉空間18内で周方向に移動することが抑制され、当該規制体2に沿った面内で対流する。
なお、図2の実施例に関しては、上記図4の作動説明と同様であることは容易に理解される。
また、図5は図3の実施例の作用の概略説明図で、溶融伝熱体Mの対流F1は規制体2を構成する2枚の板材3、4によって囲まれた空間Aから板材3にそって上昇し、板材4を超えて空間Bに流入して下降流となっていく。そして、この対流F1は板材3によって周方向の移動が規制されて、板材3に沿った対流F1として維持される。
また、板材3に関して反対側の空間領域C、Dにおいても同様の対流F2が形成される。
なお、この実施例では、図に示すような対流方向に限られず、空間Aから空間Cに流れる対流と、空間Bから空間Dに流れる対流となることもあり、そのいずれになるかはその時点での溶融伝熱体Mの対流の状況次第である。ただ、何れも場合においても、一旦対流が決まると、その対流が規制体2を構成する板材3、4によって維持されていき、密閉空間18内で周方向に回動されるようなことはない。
The operation of the above embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of the operation of the embodiment of FIG. 1. The convection F of the molten heat transfer body M is suppressed from moving in the circumferential direction in the sealed
Note that the embodiment of FIG. 2 is easily understood to be the same as the operation description of FIG.
FIG. 5 is a schematic explanatory view of the operation of the embodiment of FIG. 3. The convection F1 of the molten heat transfer body M is transferred from the space A surrounded by the two
The same convection F2 is also formed in the space regions C and D on the opposite side with respect to the
In this embodiment, the convection direction is not limited to the convection direction as shown in the figure, and there may be convection flowing from the space A to the space C and convection flowing from the space B to the space D. Depending on the state of convection of the molten heat transfer body M in FIG. However, in any case, once the convection is determined, the convection is maintained by the
本発明の効果を実証するために以下の実験を行った。
ランプの仕様は以下の通り。
<発光管>
材料:石英ガラス
内容積:550cm3
電極間距離:6mm
封入物:水銀2.0mg/cc、アルゴン100kPa
<陽極>
材料:タングステン
胴部(容器部材)の外径:25mm
電極本体容積:6cm3
肉厚:5.5mm
伝熱体:銀4.7cm3
封入ガス:アルゴン100kPa
<陰極>
材料:トリウム含有タングステン(トリタン) トリウム含有2重量%
<定格>
定格電流:150A
定格電力:5kW
In order to demonstrate the effect of the present invention, the following experiment was conducted.
The specifications of the lamp are as follows.
<Luminescent tube>
Material: Quartz glass Internal volume: 550cm 3
Distance between electrodes: 6mm
Inclusion material: mercury 2.0 mg / cc, argon 100 kPa
<Anode>
Material: Tungsten trunk (container) outer diameter: 25mm
Electrode body volume: 6 cm 3
Wall thickness: 5.5mm
Heat transfer body: Silver 4.7cm 3
Filled gas: Argon 100 kPa
<Cathode>
Material: Thorium-containing tungsten (tritan) Thorium-containing 2% by weight
<Rating>
Rated current: 150A
Rated power: 5kW
次いで、電極構造が従来例のランプと、本発明の構造のものとして2種類、即ち図1の電極構造のランプAと、図3の電極構造のランプBを作成した。
<規制体>
材料:タングステン
寸法:厚さ200μm、高さ15mm
これらのランプを、陽極を上方とした垂直点灯を行い、該陽極先端面から電極軸に沿って10mm上方の箇所における電極表面温度を放射温度計で3分間測定し、その温度変動幅(最大値−最小値)を記録した。その結果が、図6に示されている。
同グラフで分かるように、本発明ランプAでは温度変動幅が9℃、ランプBでは6℃であって、いずれのランプも、従来ランプの温度変動幅60℃よりも大幅に減少している。
Next, a lamp having a conventional electrode structure, a lamp A having the electrode structure of FIG. 1, and a lamp B having the electrode structure of FIG.
<Regulatory body>
Material: Tungsten Dimensions: Thickness 200μm, Height 15mm
These lamps are vertically lit with the anode facing upward, the electrode surface temperature at a
As can be seen from the graph, the temperature variation width of the lamp A of the present invention is 9 ° C. and the temperature variation of the lamp B is 6 ° C. Both lamps are greatly reduced from the temperature variation width of 60 ° C. of the conventional lamp.
また、これらのランプを750時間点灯し、その後に陽極中心軸を通る断面で切断して、その先端中央部の肉厚をマイクロスコープにより測定した。その結果が、上記温度変動幅とともに表1に示されている。
<表1>
表1で分かるように、初期において5.5mmであった肉厚が、従来ランプでは3.0mmとなり、その肉厚減少量は2.5mmであったのに対して、本発明ランプAでは肉厚減少量が1.2mm、本発明ランプBでは1.0mmとなり、大幅な改善が見られた。
Further, these lamps were turned on for 750 hours, and then cut along a section passing through the central axis of the anode, and the thickness at the center of the tip was measured with a microscope. The results are shown in Table 1 together with the temperature fluctuation range.
<Table 1>
As can be seen from Table 1, the thickness of 5.5 mm in the initial stage was 3.0 mm in the conventional lamp, and the thickness reduction amount was 2.5 mm, whereas in the lamp A of the present invention, the thickness was reduced. The thickness reduction amount was 1.2 mm, and the lamp B of the present invention was 1.0 mm, showing a significant improvement.
以上のように、本発明によれば、電極本体の密閉空間に伝熱体を封入した電極を有するショートアーク型放電ランプにおいて、前記電極の密閉空間内に規制体を配置したので、点灯時に溶融した伝熱体の対流が電極密閉空間の周方向に回動することが防止され、常に同じ位置で対流が維持されて、電極の局所での温度変化をもたらすことが無く、高温クリープ変形が起こらず、電極先端で穴が開くような不測の事態が回避される。 As described above, according to the present invention, in the short arc type discharge lamp having the electrode in which the heat transfer body is sealed in the sealed space of the electrode body, the regulating body is disposed in the sealed space of the electrode, so that it melts during lighting. Therefore, the convection of the heat transfer body is prevented from rotating in the circumferential direction of the electrode sealed space, the convection is always maintained at the same position, and the temperature does not change locally at the electrode, and high temperature creep deformation occurs. Therefore, an unexpected situation where a hole is opened at the electrode tip is avoided.
1 ショートアーク型放電ランプ
2 規制体
3、4 板材
10 発光管
11、12 電極
15 電極本体
16 容器部材
17 蓋部材
18 密閉空間
M 伝熱体
F 対流
Fu 上昇流
Fd 下降流
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記密閉空間内に、溶融伝熱体の対流が周方向に回動することを規制する規制体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ランプ。 In a short arc type discharge lamp having a pair of electrodes inside the arc tube, and a heat transfer body sealed in a sealed space of at least one of the electrodes,
A short arc type discharge lamp characterized in that a regulating body for regulating rotation of the convection of the molten heat transfer body in the circumferential direction is provided in the sealed space.
The short arc type discharge lamp according to claim 2, wherein the regulating body is made of two plate members intersecting each other.
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