JP6303924B2

JP6303924B2 - 水冷式光源装置

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Publication number: JP6303924B2
Application number: JP2014173051A
Authority: JP
Inventors: 和之森; 健二富永
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP2016048632A

Description

この発明は、ソーラーシミュレータ用光源などに用いられる水冷式光源装置に関するものであり、特に、封止部内に冷却水路を有する水冷式光源装置に係わるものである。

従来から、ソーラーシミュレータ用などの光源装置として水冷式光源装置が用いられている。
例えば、実公昭４８−１９４９９号公報（特許文献１）や特許第３０７５０９４号公報（特許文献２）には、発光管の封止部内に空洞路が設けられており、光源装置の動作中において前記空洞路に冷却水を循環させることで、封止部や電極を好適に冷却することができ、高熱に伴う劣化を抑え、高出力かつ長寿命な光源装置とする技術が開示されている。

その具体的構造が図５に示されている。この光源装置は、発光管５１の封止部５２内の電極５３の内部に冷却水導入管５４が挿入されており、前記電極５３内に冷却水路５５が形成されている。また、封止部５２の端部には口金キャップ５６が設けられていて、その内部には冷却水路５７が形成されている。
冷却水は冷却水導入管５４から冷却水路５５を流れて口金キャップ５６内の冷却水路５７を流れて冷却水導出管５８から排水される。
この間に、発光管５１の封止部５２および電極５３が冷却されるとともに、封止部５２と口金キャップ５６との間に設けられる接合層５９が、動作中の熱によって溶解されることを防止している。

上記従来技術による水冷式光源装置では、封止部と口金キャップの間に接合層を介在させて両部材が接合される。そして、当該光源装置では、口金キャップの内部に冷却水路を形成する必要があるためにそのサイズを大きく設計しなければならず、大型化するともに重量も増えてしまう。これにより、接合層（接合界面）への負荷が増大し、接合面が剥がれて気密性を維持することが難しくなるという問題がある。
他方、ガラス部材である封止部と金属部材である口金キャップの接合手段は限られており、これらを強固に接合させることがなかなか困難であった。
特に当該光源装置は、発光管内の気密性の維持だけでなく、口金キャップ内部の水冷機構の維持も必要であり、両部材の熱膨張差に伴う応力負荷も考慮しなければならないという問題もある。

実公昭４８−１９４９９号公報特許第３０７５０９４号公報

この発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光部と封止部とからなる発光管と、前記発光管の封止部を水冷する水冷機構を備えた水冷式光源装置において、光源装置の小型化を図り、封止部と水冷機構との接合が強固な構造を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る水冷式光源装置は、水冷機構が、前記封止部の外部で低融点金属によって封着されるとともに、該封止部の内部に延びて先端部で密閉された封止キャップと、前記封止キャップの内部まで伸びる冷却水導出管と、前記封止キャップとは別体であって、前記封止部の外周部に外嵌されるとともに前記導出管が貫通される水冷ジャケットと、前記水冷ジャケットに接続された冷却水導入管とからなり、前記導入管からの冷却水が前記封止部の外周部を流れ、前記封止キャップ内部に導入されて前記導出管から流出されることを特徴とする。

また、前記水冷ジャケットは、前記封止部に外嵌された封止リングによって、シール部材を介在して前記封止部に取り付けられていることを特徴とする。
また、前記封止キャップと前記水冷ジャケットの間には、前記封止キャップの軸方向に直交する端面に緩衝部材が設けられていることを特徴とする。
また、前記発光管の両端封止部に取り付けられた前記水冷ジャケットには、該水冷ジャケット同士を軸方向に圧縮する連結固定具が取り付けられていることを特徴とする。
また、前記封止部の外周面には、前記封止キャップが低融点金属で封着される部分にメタライズ層が形成されていることを特徴とする。

この発明の水冷式光源装置によれば、封止キャップが封止部の内部に延びて先端部で密閉されていて、その内部に冷却水導出管を延在させ、前記封止キャップとは別体の水冷ジャケットを前記封止部の外周部に外嵌させるとともに、これに冷却水導出管を貫通させ、そして、前記水冷ジャケットに冷却水導入管を接続させたので、前記導入管からの冷却水が前記封止部の外周部を流れ、前記封止キャップ内部に導入されて前記導出管から流出されることになり、水冷機構が極めてコンパクトになるともに、封止部の冷却が効果的になる。しかも、封止部と封止キャップの接合部を冷却水が直接流れて冷却するので、当該接合部が温度上昇によって剥離するようなことがない。

本発明の水冷式光源装置の断面図。図１の要部の分解図（Ａ）、Ｂ部の部分拡大図（Ｂ）、Ｃ部の締め付け構造図（Ｃ）。図２の部分(連結部材)の拡大斜視図。図１の部分（連結固定具）の斜視図。従来例の断面図。

図１は、本発明の水冷式光源装置の断面図であり、図２は図１の要部の分解図（Ａ）、Ｂ部の部分拡大図（Ｂ）およびＣ部の締め付け構造図（Ｃ）である。
本発明の水冷式光源装置１は、発光ガスが封入される発光部３とその両端に伸びる封止部４、４とからなる発光管２と、前記封止部４を冷却する水冷機構１０とからなる。
水冷機構１０は、前記封止部４の外部で封着され、該封止部４の内部に延びて先端部で密閉された封止キャップ１１と；この封止キャップ１１の内部まで伸びる冷却水導出管１５と；前記封止部４の外周部に外嵌されるとともに前記導出管１５が貫通される水冷ジャケット２０と；この水冷ジャケット２０に接続された冷却水導入管２６とからなる。

以下、水冷機構１０について詳述する。
図２（Ａ）にも示されるように、発光管３の封止部４内には金属製の封止キャップ１１が挿入されており、その先端部は発光部３内に臨んで密閉されていて、この実施例では、先端部に電極５が取り付けられている。
そして、封止キャップ１１の鍔部１１ａが封止部４の後端面に当接するとともに、該鍔部１１ａの周縁部から封止部４の外周面に沿って伸びる円筒状縁部１１ｂが、該封止部４に低融点材料によって封着されている。

その詳細が図２（Ｂ）に示されていて、封止キャップ１１の薄肉状の円筒状縁部１１ｂは、ハンダ合金、インジウムやスズをベースにした低融点合金などの接合層１２によって、封止部４に封着されている。
このとき、石英ガラスなどのガラス製の封止部４の外周には、封止キャップ１１が封着される部分にメタライズ層１３が形成されていることが望ましい。
なお、接合層１２としてフリットガラス等を用いることも可能であるが、低融点金属を用いる形態が望ましい。これは、ガラス部材と金属部材の接合においては、熱膨張差に伴う負荷がしばし問題となるが、低融点金属は、比較的塑性変形しやすい材質のため、応力の緩衝材としての役割を持ち、熱膨張差に伴う負荷を抑えることができるためである。

前記封止キャップ１１には、その内部の先端まで伸びる冷却水導出管１５が挿入されており、該封止キャップ１１の外周には連結部材１６が溶接等により取り付けられている。
連結部材１６の詳細が図３に示されている。連結部材１６は、冷却水導出管１５が挿通される円筒状本体部１７と、大径鍔部１８ａおよび小径鍔部１８ｂからなる鍔部１８と、からなり、この鍔部１８には、連通孔１９が形成されていて、その一方の端部開口１９ｂが封止キャップ１１内に開口し、他方の端部開口１９ａが後述する水冷ジャケット２０内に開口していて、封止キャップ１１と水冷ジャケット２０を連通している。
冷却水導出管１５の外周に固定された連結部材１６が、その小径鍔部１８ｂにおいて封止キャップ１１内に挿入され、大径鍔部１８ａが封止キャップ１１の鍔部１１ａに当接して位置決めされる。

そして、この連結部材１６は水冷ジャケット２０に挿入固定されている。この水冷ジャケット２０は、円筒状筐体２１と、その内部に組み込まれる円筒状の仕切り部材２２とからなり、仕切り部材２２は、円筒部材２２ａと固定板２２ｂとからなる。そして、この仕切り部材２２には取り付け開口２３が形成されていて、前述の連結部材１６の円筒状本体部１７がこの取り付け開口２３に貫通されて固定される。
このとき、連結部材１６と水冷ジャケット２０と間には、前記封止キャップ１１の軸方向に直交する端面に緩衝部材２５が設けられていて、両者は、この緩衝部材２５を挟んで、管軸方向に当接していて、水密状態とされている。そして、水冷ジャケット２０の固定板２２ｂには冷却水導入管２６が取り付けられている。
つまり、冷却水導出管１５に取り付けられた連結部材１６の円筒状本体部１７に、水冷ジャケット２０の取り付け開口２３が嵌挿されて、両者が水密状態で取り付けられ、連結部材１６の小径鍔部１８ｂが封止キャップ１１内に挿入されて固定されるものである。

また、図２（Ｃ）に示すように、前記封止部４には封止リング２７が外装され、この封止リング２７に前記水冷ジャケット２０が取り付けられる。つまり、水冷ジャケット２０の円筒状筐体２１の外周に刻設された雄ネジ２１ａと、封止リング２７の内周に刻設された雌ネジ２７ａが、互いに螺合することで互いに締め付け固着される。このとき、封止リング２７と水冷ジャケット２０の間にはＯリングなどのシール部材２８が介在していて、水冷ジャケット２０は外部と水密状態となって、封止部４に取り付けられている。
これにより、冷却水導入管２６から導入された冷却水Ｗは、仕切り部材２２の外周を流れてその内部に至り、発光管３の封止部４の外周部に沿って流れ、更に、連結部材１６の連通孔１９から封止キャップ１１の内部に至り、その先端側にまで導入される。これにより、封止部４の冷却と、封止キャップ１１先端の電極５の冷却がなされる。
そして、冷却水Ｗは、封止キャップ１１の先端まで挿入された冷却水導出管１５から系外に導出される。

また、図１に示すように、両側の封止部４、４に装着された水冷ジャケット２０、２０には、これらを互いに軸方向に圧縮して、互いに引き寄せるように連結固定具３０が取り付けられている。
図４に示すように、連結固定具３０は、一対の保持部３１、３１と、これらを連結する連結部３２、３２とからなる。保持部３１は、水冷ジャケット２０の後端側に当接していて、連結部３２をネジ締めすることで、水冷ジャケット２０、２０同士を互いに引き寄せあうように圧縮している。これにより、水冷ジャケット２０、２０が封止部４、４に対して強固に取り付けられる。
なお、図４においては、一対の保持部３１、３１として異なる構造のものを記載したが、同構造であってもよいことは勿論である。

また、この実施例では、封止キャップ１１の先端に電極５を有する構成として説明したが、電極を有しない構成、例えば、無電極ランプの発光管に適用したものであってもよく、その場合は、封止キャップ１１の先端は密閉されていればよい。
また、封止キャップ１１に挿入されたものを冷却水導出管１５とし、水冷ジャケット２０に取り付けられたものを冷却水導入管２６としたが、冷却水の導入導出は反対であってもよく、即ち、封止キャップ１１側を冷却水導入管とし、水冷ジャケット２０側を冷却水導出管としてもよい。

以上のように、本発明に係る水冷式光源装置によれば、水冷機構における封止キャップと、水冷ジャケットとを別体構造として、これらを組み立てる構成としたことで、従来のように口金キャップ内部に冷却水路を構成した場合に比べて、装置全体として小型化が図られる。
しかも、水冷ジャケットとは別体の封止キャップを封止部に接合すればよいので、その接合構造として低融点金属を用いて封止部外部で封着できて、水密性が向上するとともに、接合強度が強固なものとなる。

１水冷式光源装置
２発光管
３発光部
４封止部
５電極
１０水冷機構
１１封止キャップ
１２接合層
１３メタライズ層
１５冷却水導出管
１６連結部材
１７円筒状本体部
１８鍔部
１９連通孔
２０水冷ジャケット
２１円筒状筐体
２２仕切り部材
２３取り付け開口
２５緩衝部材
２６冷却水導入管
２７封止リング
２８シール部材
３０連結固定具
３１保持部
３２連結部
Ｗ冷却水

Claims

発光部と封止部とからなる発光管と、前記発光管の封止部を水冷する水冷機構を備えた水冷式光源装置において、
前記水冷機構は、前記封止部の外部で低融点金属によって封着されるとともに、該封止部の内部に延びて先端部で密閉された封止キャップと、
前記封止キャップの内部まで伸びる冷却水導出管と、
前記封止キャップとは別体であって、前記封止部の外周部に外嵌されるとともに前記導出管が貫通される水冷ジャケットと、
前記水冷ジャケットに接続された冷却水導入管とからなり、
前記導入管からの冷却水が前記封止部の外周部を流れ、前記封止キャップ内部に導入されて前記導出管から流出されることを特徴とする水冷式光源装置。
前記水冷ジャケットは、前記封止部に外装された封止リングによって、シール部材を介在して前記封止部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の水冷式光源装置。
前記封止キャップと前記水冷ジャケットは連結部材によって取り付けられ、該連結部材と前記水冷ジャケットの間には、前記封止キャップの軸方向に直交する端面に緩衝部材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水冷式光源装置。
前記発光管の両端封止部に取り付けられた前記水冷ジャケットには、該水冷ジャケット同士を軸方向に圧縮する連結固定具が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水冷式光源装置。
前記封止部の外周面には、前記封止キャップが低融点金属で封着される部分にメタライズ層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水冷式光源装置。