TWI434319B - Short arc discharge lamp - Google Patents

Description

短弧型放電燈

此發明係關於短弧型放電燈者，尤其，關於具有於電極本體的密閉空間封入傳熱體之電極的短弧型放電燈者。

先前，作為用以曝光半導體基板、液晶顯示器用的液晶基板、印刷電路基板等之曝光裝置的紫外線照射光源所使用之短弧型放電燈中，發展其高輸出化。因為此高輸出化而額定消費電力變大時，流動於燈之電流值通常會變大，因此，電極受到電子碰撞之量也會變大，產生易於升溫且熔融之問題。

又，構成電極的材料，例如鎢蒸發而附著於發光管的內表面且變黑，也產生作為燈的放射能力降低之問題。

為了解決此種電極材料的熔融、蒸發等之問題，例如，提案有具有日本特開2004-6246號公報所揭示之電極構造的短弧型放電燈。

於此短弧型放電燈中，使用於形成於電極本體的密閉內部空間，封入熱傳導率比電極材料還高，燈點燈時會熔融之傳熱體的電極。

如下所述，依據圖7、8來說明此先前技術。

於圖7中，揭示具有對向配置於發光管10內之一對的電極11、12的短弧型放電燈1，其電極中至少一方的電極(在此範例中為陽極)12的電極本體15係如圖8所示，由容器構件16與蓋子構件17所構成，於其內部形成有密閉空間18。

然後，於該密閉空間18，封入有由構成電極12的材料，例如熱傳導率比鎢還高，在燈點燈時熔融之材料，例如金、銀等所構成的傳熱體M。又，於該密閉空間18充填有惰性氣體。

前述傳熱體M係於燈點燈時熔融，在密閉空間18內對流，將電極本體15之前端的熱傳達給該電極本體15的後端側，藉此，減少在電極本體15的軸方向之溫度梯度，結果，可降低前端的溫度，藉此，發揮可抑制電極前端之熔融及蒸發的效果。

然而，使具有此種電極構造的短弧型放電燈長時間點燈時，於電極本體之前端的內壁之一部份產生「高溫潛變變形」的現象，電極前端會變形，造成前端部開孔，導致破裂。

此高溫潛變變形係於內部具有密閉空間的電極構造所特有的變形現象。

其構因係推側為於燈點燈時，電極的內壁受到傳熱體與惰性氣體所致之高壓力，並且從電極外部受到極高溫的熱所產生者。尤其，產生放電電弧之部位的前端係因暴露於例如2000℃之等級的高溫。高溫潛變變形係形成容器構件的底部(電極前端側的牆壁)之一部分從內側變形成凹部狀者，如果直接持續進行的話，可能會開孔而造成破裂。

針對此現象於以下詳述。

如圖8所示，電極12的密閉空間18內之傳熱體M係為熱傳導率比電極材料還高，熔點較低的金、銀等的金屬，於燈點燈時藉由高溫而成為液體狀態。於將電極的長邊方向沿著垂直方向而配置，使燈垂直點燈之狀況中，此熔融傳熱體M係在容器構件16內主要於垂直方向，受到浮力與勞倫茲力(Lorentz force)，於上下進行對流運動F，在此產生上升流Fu與下降流Fd。

在容器構件6的內部中，有此上升流Fu與下降流Fd接近之部分，藉由其上下流向對向，提高此部份的壓力。流體係為了釋放此壓力而也往水平方向分散，對於對流施加水平方向的加速度。

藉此，如圖9所示，上升流Fu與下降流Fd係受到水平方向的應力而往圓周方向(旋轉方向)移動，故上升流與下降流產生之位置係對於密閉容器構件16相對移動而時時刻刻都在變化。

在此，上升流Fu係因為從密閉容器構件16的底部(電極前端)16a接收熱，故其溫度較高，下降流Fd係因為將該熱輸送至蓋子部17附近的內壁後下降，故其溫度較低。尤其，在底部16a附近中因為是上升流Fu接受熱之後，故與下降流Fd的溫度差較大。

此種對流進行如前述之在圓周方向之旋動而產生經時變化時，定點觀測容器構件16之底部16a附近的牆壁之溫度的話，如作為圖6(A)(B)之先前例所示之圖表，可確認產生激烈的溫度變化。

如此，容器構件16的內表面產生激烈的溫度變化的話，因為高溫潛變變形，會產生突起從其內表面突出之變形。

詳細來說，如圖10所示，容器構件16的內表面從低溫變成高溫時產生壓縮熱應力，為了緩和此應力，於從容器構件16的內表面往內部突出之方向產生潛變變形20而緩和應力。此時，移動至突出之區域20的鎢原子係主要從最高溫的底面中央部21供給，故如圖10(A)所示，底面的周邊部20變厚，底面中央部21變薄。

如此容器構件16的底部(電極前端)16a之薄化持續進行時，如圖10(B)所示，會開出孔22而貫通容器構件16的底部16a，導致熔融傳熱體M漏出之問題。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2004-6246號公報

此發明係有鑒於前述先前技術的問題點，提供於電極之密閉空間封入傳熱體的短弧型放電燈中，在燈點燈時所熔融之傳熱體對流時，抑制該對流在密閉空間內旋動於圓周方向，即使長時間點燈，在電極前端也不會開孔的構造。

為了解決前述課題，在此發明中，特徵為：於封入傳熱體之電極的密閉空間內，設置用以限制點燈時熔融之熔融傳熱體的對流旋動於圓周方向之限制體。

又，特徵為前述限制體由往電極的長邊方向延伸，並且橫切於徑方向的板材所構成。

依據本發明，根據於電極的密閉空間內設置板狀限制體，限制‧防止在點燈時熔融之熔融傳熱體的前述密閉空間內之對流旋動於圓周方向，而較少產生對流的移動所致之電極的相同處之溫度變化，故不會發生依據溫度變化之高溫潛變變形，於電極前端也不會開孔。

圖1係揭示此發明之短弧型放電燈的電極構造，圖1(A)係其縱剖面圖，圖1(B)係其橫剖面圖。

圖中，電極12係具有由容器構件16與蓋子構件17所構成的電極本體15，於該電極本體15形成有密閉空間18。然後，於該密閉空間18內，封入有鎢等熱傳導率比電極材料還高的傳熱體M。該傳熱體M係例如由金或銀等的金屬所構成，熔點比電極材料低，於燈點燈時在密閉空間18內熔融。

然後，於前述電極12的密閉空間18內，插入板狀的限制體2。該限制體2係以往長邊方向延伸於密閉空間18的略中心軸上，且橫切徑方向之方式設置，具有與電極12之密閉空間18的內徑略相同的尺寸。再者，限制體2係嚴密上來說並不一定需要位於電極12的中心軸上。

而且，前述限制體2也不一定需要與電極12之密閉空間18的內徑幾近相等之尺寸，如圖2(A)、(B)所示，比其還短亦可。此時，必須將限制體2在密閉空間18內保持為所定姿勢及位置，如圖2(B)所示，設置沿著密閉空間18之內部形狀的圓弧狀之支持片2a，藉由該圓弧狀支持片2a來支持限制體2。再者，該限制體2的支持並不限定於此，作為藉由雷射熔接等來直接固接電極本體15者亦可。

又，於圖3揭示不同之實施例，限制體2係由相互交叉之一對的板材3、4所構成。此時的板材3、4也為延伸於電極12的長邊方向，並且橫切於徑方向的形狀。再者，此實施例的狀況中，至少一方的板材3、4之長邊方向的尺寸係設定為比封入之傳熱體M的高度還短。

藉由圖4、5來說明在前述實施例的作用。

圖4係圖1的實施例之作用的概略說明圖，熔融傳熱體M的對流F係藉由板狀的限制體2來限制在密閉空間18內移動於圓周方向，在沿著該限制體2之面內進行對流。

再者，關於圖2的實施例，可容易理解與前述圖4的動作說明相同。

又，圖5係圖3的實施例之作用的概略說明圖，熔融傳熱體M的對流F1係從藉由構成限制體2之兩張板材3、4所包圍之空間A沿著板材3上升，超越板材4而流入至空間B成為下降流。然後，此對流F1係藉由板材3來限制圓周方向的移動，維持為沿著板材3的對流F1。

又，關於板材3，即使於相反側的空間區域C、D中也形成相同的對流F2。

再者，在此實施例中，並不限定於圖示之對流方向，也有從空間A流至空間C的對流，與從空間B流至空間D的對流，會成為哪一個係依據在其時間點之熔融傳熱體M的對流之狀況。但是，任一皆根據狀況，一旦對流決定時，其對流藉由構成限制體2的板材3、4來維持，不會在密閉空間18內旋動於圓周方向。

為了證實本發明的效果而進行以下實驗。燈的規格如下。

＜發光管＞

材料：石英玻璃

內容積：550cm³

電極之間距離：6mm

封入物：水銀2.0mg/cc，氬100kPa

＜陽極＞

材料：鎢

體部(容器構件)的外徑：25mm

電極本體容積：6cm³

厚度：5.5mm

傳熱體：銀4.7cm³

封入氣體：氬100kPa

＜陰極＞

材料：含有釷的鎢(釷鎢)，含有釷2重量%

＜額定＞

額定電流：150A

額定電力：5kW

接下來，作成電極構造為先前例的燈與本發明的構造者之兩種類，亦即，圖1之電極構造的燈A與圖3之電極構造的燈B。

＜限制體＞

材料：鎢

尺寸：厚度200μm，高度15mm

將該等燈，進行以陽極為上方的垂直點燈，以放射溫度計來進行3分鐘計測從該陽極前端面沿著電極軸10mm上方處之電極表面溫度，並記錄其溫度變動幅度(最大值-最小值)。並於圖6揭示其結果。

由同圖表可知，在本發明燈A中溫度變動幅度為9℃，在燈B中為6℃，任一個燈都相較於先前之燈的溫度變動幅度60℃大幅減少。

又，將該等燈加以點燈750小時，之後，以通過陽極中心軸的剖面來切斷，並藉由顯微鏡來測定其前端中央部的厚度。並於表1揭示前述溫度變動幅度與其結果。

由表1可知，初始為5.5mm的厚度在先前之燈中成為3.0mm，其厚度減少量為2.5mm，相對於此，在本發明燈A中厚度減少量為1.2mm，在本發明燈B中為1.0mm，可看到大幅改善。

如上所述，依據本發明，具有於電極本體的密閉空間封入傳熱體之電極的短弧型放電燈中，因為於前述電極的密閉空間內配置限制體，故可防止點燈時熔融之傳熱體的對流旋動於電極密閉空間的圓周方向，經常在相同位置維持對流，不會造成在電極的局部之溫度變化，也不會引起高溫潛變變形，可迴避在電極前端開孔之無法預測的事態。

1．．．短弧型放電燈

2．．．限制體

3，4．．．板材

10．．．發光管

11，12．．．電極

15．．．電極本體

16．．．容器構件

17．．．蓋子構件

18．．．密閉空間

M．．．傳熱體

F．．．對流

Fu．．．上升流

Fd．．．下降流

[圖1]關於本發明之放電燈的電極的剖面圖。

[圖2]其他實施例的剖面圖。

[圖3]另其他實施例的剖面圖。

[圖4]圖1之實施例的作用說明圖。

[圖5]圖3之實施例的作用說明圖。

[圖6]揭示本發明效果的圖表。

[圖7]先前之短弧型放電燈的剖面圖。

[圖8]揭示先前之電極構造的剖面圖。

[圖9]圖8所示之熔融傳熱體的對流的動作說明圖。

[圖10]先前電極之問題的說明圖。

2．．．限制體

12．．．電極

15．．．電極本體

16．．．容器構件

17．．．蓋子構件

18．．．密閉空間

M．．．傳熱體

Claims (3)

1. 一種短弧型放電燈，係於發光管的內部具有一對的電極，且於至少一方的電極之密閉空間封入傳熱體所構成的短弧型放電燈，其特徵為：於前述密閉空間內，設置用以限制熔融傳熱體的對流相對於電極的中心軸，旋動於圓周方向之限制體；前述限制體，係由往電極的中心軸方向延伸於前述密閉空間內，並且橫切於垂直於中心軸之徑方向的板材所構成。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之短弧型放電燈，其中，前述限制體，係以通過前述電極的中心軸上之方式配置。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之短弧型放電燈，其中，前述限制體，係由相互交叉之兩張板材所構成。