KR20100061293A - 메탈 할라이드 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈 할라이드 램프에 관한 것으로, 자외선 투과성의 석영 유리이고 기밀성을 갖는 방전 공간(10)을 구비한 기밀 용기(11) 내의 축방향으로 한쌍의 방전용 전극(121, 122)을 대향하여 배치하고, 방전 공간(10) 내에서 아크 방전시킨 상태를 유지하기 위해 충분한 양의 희가스, 수은과 함께 적량의 자외광을 발광시키는 철 및 할로겐으로 이루어진 봉입물을 봉입하며, 봉입물인 철의 봉입량(M)(㎎/cc)을, 단위 길이당 램프 입력이 50~160 W/㎝가 있을 때 방전 공간(10)의 용적에 대해서 0.002≤M≤0.15의 관계가 되는 값으로 설정한 것이며, 이와 같은 구성으로 함으로써 방전 공간(10)의 용적당에 대한 철의 양을 제한하여 수냉식에서의 메탈 할라이드 램프의 전극 부근에서의 흑화를 억제하는 것이 가능해지는 것을 특징으로 한다.

Description

메탈 할라이드 램프{METAL HALIDE LAMP}

본 발명은 자외선을 조사하여 도료의 경화나 기능성 고분자 필름의 광반응 등에 사용하는, 특히 수랭식에 적합한 메탈 할라이드 램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수랭식 메탈 할라이드 램프를 점등시킨 경우에 있어서의 전극 주변에서의 흑화(黑化)를 억제하고자 하는 것이다.

일본 공개특허공보 평8-148121(종래 기술 1)의 방전 공간의 양단에 전극을 부착한 자외선 조사 램프는 내부관과 외부관으로 이루어진 2중 관형 수냉 재킷 내에 유지되어 있다. 방전 공간 내에는 수은과 희가스와 함께 철, 주석, 탈륨 등의 금속 할로겐화물 중 적어도 1종을 첨가시키고 있다. 그리고 1부터 10기압정도의 수은 증기 중에서 아크 방전시키고, 금속 화합물을 봉입하여 폭넓은 장파장 영역의 발광을 실현하고 있다.

상기한 일본 공개특허공보 평8-148121의 기술은 전극간 거리가 1000㎜ 이상의 소위 롱아크의 Fe(철)계 메탈 할라이드 램프이다. 상기 메탈 할라이드 램프는 램프 수명을 길게 하기 위해 냉각이 필요하고 확실한 냉각을 위해 수냉 방식이 사용된다. 수냉식의 경우에는 램프의 전극 주변의 방전 공간의 외표면에, 전극의 온도가 내려가지 않도록 보호막의 도포가 필요하지만, 점등 중에 보호막이 비산하여 수냉 재킷이 오염되는 문제 때문에 도포할 수 없다.

이 때문에, 봉입되어 있는 철은 전극의 주성분인 텅스텐과 합금화하여 저융점이 되고, 텅스텐과 철의 합금량이 증가되면 될수록 점등 중에서의 철이 석영 유리를 침식하여 흑화가 발생하기 쉬워진다. 철의 봉입 양은 발광 길이가 길어지면 길어질수록 증가시킬 필요가 있는 점에서, 발광 길이의 장척화(長尺化)는 더욱 흑화가 현저해지는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 텅스텐 전극과 방전 공간에 봉입되는 철의 양을 제한함으로써 수냉식에 의해 냉각되면서 점등시키는 환경하에서도 전극 주변의 흑화를 억제할 수 있는 메탈 할라이드 램프를 제공하는 데에 있다.

상기 문제를 해결하기 위해, 자외선 투과성 재료이고 기밀성을 갖는 방전 공간이 형성된 기밀 용기와, 상기 기밀 용기에 설치되고 상기 방전 공간에 대향 배치된 한 쌍의 내화성 금속제의 방전 전극과, 상기 방전 공간에 아크 방전을 유지하기 위해 충분한 양의 희가스, 수은과 함께 철 및 할로겐으로 이루어진 봉입물을 구비하고, 상기 봉입물의 철의 봉입량(M)(㎎/cc)은 상기 방전 공간의 용적에 대해서, 0.002≤M≤0.15의 관계로 하여 이루어진 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프를 제공한다.

본 발명의 메탈 할라이드 램프에 따르면, 텅스텐 전극과 방전 공간에 봉입되는 철의 양을 제한함으로써 수냉식에 의해 냉각되면서 점등시키는 환경하에서도 전극 주변의 흑화를 억제할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1~도 3은 본 발명의 메탈 할라이드 램프에 관한 일 실시 형태에 대해서 설명하기 위한, 도 1은 기본 구조도, 도 2는 도 1의 주요부의 확대도, 도 3은 도 1의Ⅰa-Ⅰb선 단면도이다.

도 1에서 자외선 투과성을 갖는 석영 유리제로 방전 공간(10)이 형성된 기밀 용기(11)의 길이 방향 양단의 내부에는, 예를 들어 텅스텐재로 형성된 전극(121, 122)이 간격을 두고 배치된다. 기밀 용기(11)는 예를 들어 외경(φ)이 27.5㎜, 두께(m)가 2.25㎜, 발광 길이(L)가 2000㎜인 한 겹의 관으로 구성된다.

전극(121, 122)은 각각 이너리드(131, 132)를 통하여 몰리브덴박(141, 142)의 일단에 용접된다. 몰리브덴박(141, 142)의 타단에는 도시하지 않은 아우터리드의 일단을 용접한다. 몰리브덴박(141, 142)의 부분은 기밀 용기(11)의 이너리드(131, 132)로부터 아우터리드의 일단까지의 기밀 용기(11)를 가열하여 밀봉한다.

또한, 몰리브덴박(141, 142)은 기밀 용기(11)를 형성하는 석영 유리의 열팽창률에 가까운 재료이면 어떤 것이어도 좋지만, 이 조건에 적합한 것으로서 일반적 인 몰리브덴을 사용한다.

몰리브덴박(141, 142)에 일단이 각각 접속된 아우터리드는 내열성이고 절연성을 갖는 예를 들어 세라믹제의 소켓(151, 152)의 내부에서 전기적으로 접속된 급전용 리드선(161, 162)을 절연 밀봉시키고 또한, 도시하지 않은 전원 회로에 접속된다.

기밀 용기(11) 내에는 봉입물로서 아크 방전을 유지시키기 위한 희가스인 충분한 양의 아르곤 가스가 1.3㎪이고, 수은 자체에 자외광을 발광시키기 위한 금속인 철, 요오드화 수은, 주석이 봉입되어 있다.

또한, 자외선을 발광시키기 위한 금속으로서는 요오드화 수은 대신 브롬화 수은, 주석 대신 탈륨이어도 상관없다. 철에 주석, 인듐, 비스무트, 탈륨, 망간 중 적어도 2종이 봉입되어 있으면 상관없다.

도 2에도 도시한 바와 같이 전극(121과 122) 사이의 기밀용기(11)의 외표면에는 선단이 첨답 또는 둥근 형태를 띤 형상의 돌기(17)를 일체 형성한다. 돌기(17)는 기밀용기(11)의 둘레면 방향으로 적어도 1개이어도 상관없지만, 도 3에 도시한 바와 같이 복수개 형성해도 좋다. 돌기(17)는 부착된 상태에서 적어도 하측의 위치에 오도록 한다. 돌기(17)가 복수 개 형성된 경우, 반드시 동일주회 상이 아니고 동일주회로부터 어긋난 위치이어도 상관없다. 또한, 돌기(17)는 기밀용기(11)의 길이 방향으로 적어도 한 부분에 형성한다. 복수 부분인 경우에는 축방향으로 동일선상에 없어도 좋다.

돌기(17)는 희가스 등의 봉입물을 기밀용기(11) 내에 봉입시키기 위한 팁이 라고 불리는 배기관 흔적과는 구별되는 것이다. 설치된 돌기(17)의 기밀용기(11)의 외주면으로부터의 높이는 배기관 흔적보다도 높은 높이로 되어 있다. 또한, 배기관 흔적은 기밀용기(11)의 밀봉 부분을 이용함으로써 반드시 필요한 것은 아니고, 없애는 것도 가능하다.

돌기(17)의 높이 규정은 램프의 수냉의 냉각 기구와의 위치 관계로 결정되는 점에서 특별한 규정은 없지만, 냉각 기구와 접촉되지 않는 점, 그 밖에 특성에 영향을 주지 않는 것을 생각하면 1~3㎜ 정도가 바람직하다.

기밀 용기(11)의 표면에 돌기(17)가 형성됨으로써, 냉각 기구와 기밀 용기(11)가 접촉하는 위치 관계가 발생한 경우에도, 기밀 용기(11)는 돌기(17)를 통하여 냉각 기구와 접촉된다. 이에 의해, 기밀 용기(11)의 국소부분이 극단적으로 냉각되는 것을 억제하고, 냉각되는 부분의 기밀 용기(11)에 발생하기 쉬운 수은이 모이는 현상을 억제할 수 있다. 수은이 모임으로써 발생하는 증기압을 억제할 수 있고, 램프 전압의 저하를 억제하여 램프 조도의 저하를 방지할 수 있다.

이와 같이 구성된 메탈 할라이드 램프는 전극(121, 122)에 대해서 램프 전압 2300V, 램프 전류 10.3A, 전위 경도(傾度)(D) 11.5V/㎝가 공급되면, 365㎚ 부근에 높은 발광 강도를 갖는 자외선의 발광이 가능해진다.

도 4는 텅스텐(W)에 대한 철(Fe) 분량이 다른 합금의 상태에서의 융점 온도와의 관계에 대해서 설명하기 위한 설명도이다.

즉, 철과 합금이 되기 전의 W의 융점 온도는 3410℃인데에 비해, FeW(W, Fe 합금, Fe 분량 작음)의 융점 온도는 1216℃, Fe₂W(W, Fe합금, Fe분량 많음)에서는 1016℃와 텅스텐 단체의 융점 온도에 비하여 1/3 정도가 된다. 따라서, 융점 온도가 낮아지면, 철 분량이 증가된 합금화가 진행되고 철 성분에 의한 전극 부근에서의 흑화 현상을 빠르게 한다.

도 5는 단위 길이당의 램프 입력이 50~160W/㎝일 때, 방전 공간 용적에 대한 철의 봉입량(M)(㎎/cc)을, 0.001~0.2까지 5단계로 변화시킨 경우에서의 흑화와 365㎚ 부근에서의 자외선 강도의 실험 결과에 대해서 설명하기 위한 설명도이다.

도 5로부터 밝혀진 바와 같이, 철의 봉입량(M)(㎎/cc)이 0.001에서는 흑화는 발생하지 않지만 자외광의 강도가 기준에 만족하지 않는다. 철의 봉입량(M)(㎎/cc)이 0.16이나 0.20과 같이 많은 경우에는, 자외광의 강도도 기준에 도달하지만, 흑화가 발생하는 것이었다.

철의 봉입량(M)(㎎/cc)이 각각 0.002. 0.003, 0.15인 경우에는 흑화의 발생도 없고 자외광의 강도도 기준을 만족하는 것이 얻어진다.

이 때문에, 방전 공간 용적에 대한 철의 봉입량(M)(㎎/cc)을 0.20으로 하면, 램프 냉각시에서의 램프 최냉부인 전극 주변에 철이 축적되어 흑화를 발생시킨다. 방전 공간 용적에 대한 봉입철량(M)(㎎/cc)을 0.15로 함으로써 흑화를 방지할 수 있다.

도 4에서도 설명한 바와 같이 방전 공간 용적에 대한 철의 봉입량(M)(㎎/cc)이 많을수록 텅스텐 전극에서의 철의 합금량이 증가한다. 이에 수반하여 전극의 융점 온도가 저하되고 점등 중에 전극 부근의 기밀 용기(11)에 증기화된 철이 기밀 용기(11)로의 침식에 의한 흑화 현상이 발생하게 된다.

이와 같은 점에서, 철의 봉입량(M)(㎎/cc)의 제한은 기밀 용기(11)의 전극(121, 122) 부근에서의 흑화 현상을 방지할 수 있고, 방사되는 자외선의 강도를 확보할 수 있다.

이와 같이, 단위 길이당 램프 입력이 50~160W/㎝일 때에는 방전 공간 용적에 대해서 0.002≤M≤0.15의 관계로 함으로써, 흑화를 억제하는 것이 가능해진다. 흑화의 억제는 다시 말하면 자외선 강도 저하의 억제가 되고, 램프의 장수명화에 기여하는 것이 된다.

도 6, 도 7은 본 발명의 메탈 할라이드 램프를, 수냉식의 냉각 기구를 구비한 자외선 조사 장치에 사용한 경우에서의 실시예에 대해서 설명하기 위한, 도 6은 시스템 구성도, 도 7은 도 6의 Ⅱa-Ⅱb선 단면도이다.

자외선 조사 장치는 메탈 할라이드 램프(100)와 수냉 유닛(200)으로 구성된다. 메탈 할라이드 램프(100)와 수냉 유닛(200)은 메탈 할라이드 램프(100)의 소켓(151, 152)에 부착된 스페이서(25a, 25b)에 의해 소정의 간격으로 위치 결정된다.

수냉 유닛(200)은 원통 형상의 석영 유리 등의 투명한 재료로 형성되고, 내부관(21)과 그 외측에 설치된 외부관(22)을 구비하여 이중관 구조로 이루어져 있다. 메탈 할라이드 램프(100)는 내부관(21)에 내포되어 있다.

수냉 유닛(200)은 외주 단부에 설치된 접속관(23a, 23b)을 통하여 외부로부 터 물 등의 냉각액(24)이 순환된다. 냉각액(24)은 도 7에 도시한 바와 같이, 접속관(23a)으로부터 온도가 낮은 것을 도입하여 접속관(23b)으로부터 메탈 할라이드 램프(100)의 냉각을 실시하고, 따뜻해진 냉각액(24)을 방출한다. 내부관(21), 외부관(22) 사이를 통과하는 과정에서 메탈 할라이드 램프(100)에 의해 따뜻해진 방출액은, 예를 들어 냉각되어 다시 접속관(23a)으로부터 도입되도록 하여 냉각액(24)을 재이용하고 있다.

외관(22)의 외표면에는 금속산화물을 포함하는 금속산화물막이 피착되어 있다. 상기 금속산화물로서는 산화티탄(TiO₂), 산화세륨(CeO₂), 산화아연(ZnO₂), 산화주석(SnO₂), 산화지르코늄(ZrO₂)이 생각되고, 이들 금속산화막 중 적어도 1종 이상으로 구성된다. 금속산화물막은 메탈 할라이드 램프(100)로부터 방사되는 광 중, 300㎚ 이하의 파장 성분을 흡수하도록 성분 조정이 이루어져 있다.

그리고, 메탈 할라이드 램프(100)로부터 자외광이 방사되면, 외부관(22)의 외면에 피착된 금속산화물막이 300㎚ 이하의 파장 성분을 흡수한다. 따라서, 수지의 경화에 유효한 300~430㎚의 파장 영역의 자외선에 대해서는 수냉 유닛(200)을 투과시켜 수지 등의 피조사물에 조사된다.

그런데, 수냉 유닛(200)의 내부관(21)의 직경이 32㎜, 외부관(22)의 직경이 36㎜로 한 경우의 메탈 할라이드 램프(100)를 수냉 유닛(200) 내에서 정전력(定電力)시켰을 때를 생각한다.

여기에서 사용되는 메탈 할라이드 램프는 수냉식이어도 흑화를 억제할 수 있 는 점에서 램프 수명을 길게 할 수 있어 자외선 조사 장치의 관리성의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 메탈 할라이드 램프에 관한 일 실시형태에 대해서 설명하기 위한 기본 구조도,

도 2는 도 1의 주요부의 확대도,

도 3은 도 1의 Ⅰa-Ⅰb선 단면도,

도 4는 텅스텐에 대한 철의 합금량의 상태에 있어서 융점 온도와의 관계에 대해서 설명하기 위한 설명도,

도 5는 철의 함유량에 의한 흑화 빈도, 특정 파장 강도의 영향의 관계에 대해서 설명하기 위한 설명도,

도 6은 본 발명의 메탈 할라이드 램프를 수냉식의 냉각 기구를 구비한 자외선 조사 장치에 사용한 경우의 실시예에 대해서 설명하기 위한 시스템 구성도, 및

도 7은 도 6의 Ⅱb-Ⅱb선 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 방전 공간 11: 기밀 용기

121, 122: 전극 131, 132: 이너리드

141, 142: 몰리브덴박 151, 152: 소켓

161, 162: 리드선

Claims (5)

1. 자외선 투과성 재료이고 기밀성을 갖는 방전 공간이 형성된 기밀 용기,

   상기 기밀 용기에 설치되고, 상기 방전 공간에 대향 배치된 한쌍의 내화성 금속제의 방전 전극, 및

   상기 방전 공간에 아크 방전을 유지하기 위해 충분한 양의 희가스, 수은과 함께 철 및 할로겐으로 이루어진 봉입물을 구비하고,

   상기 봉입물의 철의 봉입량(M)(㎎/cc)은 상기 방전 공간의 용적에 대해서, 0.002≤M≤0.15의 관계로 하여 이루어진 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기밀 용기는 내부관과 외부관으로 이루어진 냉각관의 내부관과 외부관 사이에 냉각액을 흐르게 하여 냉각을 실시하는 수냉관 유닛 내에 배치한 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기밀 용기의 외주에는 상기 봉입물을 도입시키는 관 흔적의 유무에 관계없이 돌기를 일체 형성한 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 돌기는 상기 관 흔적이 형성되어 있는 경우, 상기 관 흔적보다 높게 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 돌기는 램프 길이 방향으로 복수 부분 설치하는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.

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