TWI608518B - Discharge lamp - Google Patents

Description

放電燈管

本發明有關於短弧型放電燈管，且特別有關於放電燈管的密封構造。

短弧型放電燈管中，封入電極的發光管的兩端與玻璃製的密封管一體形成。密封管內，支持電極的電極支持棒被筒狀玻璃管所保持。金屬箔所構成的密封構造中，藉由熱使密封管徑長收縮，並使密封管與玻璃管熔接在一起。藉此，金屬箔被封住，將使發光管內成為氣密狀態。

在半導體、液晶製造領域，為了提高生產效率，短弧型放電燈管的大功率化持續進步。因此，在額定功率大的放電燈管中，將金屬環固定於電極支持棒，並將複數的金屬箔熔接至金屬環上。藉此，透過金屬箔、金屬環、電極支持棒供給電力(例如，參照專利文獻1)。

當燈管點燈中，若因為金屬環與密封管的熱膨脹率的差使得金屬環附近破裂，可能導致高溫狀態的金屬環會接觸外界氣體而氧化，造成金屬箔熔斷。或者是，因為破裂的程度加重而可能造成發光管的破裂。為了防止破裂，有一種將密封管做成兩層的構造，在流過金屬環及金屬箔的電流的電流密度不超過限度值的範圍內來訂定密封管的厚度(參照專利文獻 2)。

[先行技術文獻]

專利文獻1：日本特開2007-115414號公報

專利文獻2：日本特開2007-095328號公報

放電燈管中，為了實現精細的曝光，有時會極度地減少封入水銀量。藉此，波峰的半值寬度減小，而獲得峰值的波長附近較為顯著的光譜。這種封入水銀量少的放電燈管中，以低電壓發光進入穩態點燈狀態。結果，大功率(3kW以上)的放電燈管在點燈時流過的電流會是高電流值(例如130A以上)。

因為流過金屬箔、金屬環的電流值提高，所以會產生很多熱，特別是在金屬環及金屬箔與密封管之間的接觸面，大的熱應力朝密封管作用。然而，在密封部外徑小的短弧型放電燈管的情況下，密封管難以採用雙層構造，且金屬箔的厚度也受到限制。因此，無法充分防止金屬環附近發生破裂。

因此，在高輸出、大電流型短弧型放電燈管(特別是單一密封管構造)下，需要能在點燈中抑制密封管發生破裂。

本發明的短弧型放電燈管，包括：電極支持棒，設置於與發光管一體形成的密封管內，支持該發光管內的電極；電連接棒，電性連接於外部電源；玻璃構件，該電極支持 棒及該電連接棒被插入於其內，且該玻璃構件與該密封管熔接；複數的帶狀金屬箔，沿著該玻璃構件的外表面延伸；以及一對的環狀構件，將該帶狀金屬箔與該電極支持棒及該電連接棒電性連接。

環狀構件只要是導電性構件就好，例如可由金屬環等構成。複數金屬箔被連接於環的外表面。玻璃構件可由兩端形成軸孔的筒狀玻璃構成。

本發明中，額定功率在3kW以上，穩態點燈中的電流值在130A以上，該發光管的封入水銀量在7mg/cc以下，該帶狀金屬箔的厚度會設定為滿足以下式子的值。

σ=7.54×10⁵T-6×10⁷

T=1.92(I/nwd)+98.9

σ≦1.20×10⁸

其中假設從該環狀構件的外表面對該密封管的內表面施加的熱應力為σ(Pa)，該密封管的外表面溫度為T(℃)，穩態點燈中的電流值為I(A)，該帶狀金屬箔的片數為n，該帶狀金屬箔的寬度為w(mm)，該帶狀金屬箔的厚度為d(mm)。

可假設在一對的環狀構件的兩者的熱應力為σ，外表面溫度為T，或者是只對其中一個環狀構件做設定。只要在容易因為大電流而破裂的密封管與環狀構件之間的連接部設定即可。

本發明中，就額定輸出大、以低電壓點燈、密封管外徑小的放電燈管等，發現燈管點燈中在金屬箔產生的熱會對施加於密封管內表面以及金屬環等導電性環狀構件外表面 之間的接觸面的熱應力產生影響，因而設定金屬箔的厚度為特有的值，使得即使大電流流過也不會產生破裂。藉由採用以往不被認為是必要的厚度的金屬箔，能夠實現耐久性更佳的放電燈管。

對於密封管外徑比較小的短弧型放電燈管能夠有效地抑制破裂發生，可適用於密封管滿足以下式子的放電燈管。

1/L≧5

若密封管的外表面溫度過低，會因為密封管與發光管之間的溫度差變大而發生熱形變，反之，若外表面溫度過高，會因為金屬蓋部與密封管之間的溫度差變大而發生熱形變。因此，燈管穩態點燈中的該密封管的外表面溫度設定為符合以下的式子為佳。

150≦T≦800

本發明另一態樣的放電燈管，包括：電極支持棒，設置於與發光管一體形成的密封管內，支持該發光管內的電極；電連接棒，電性連接於外部電源；玻璃構件，該電極支持棒及該電連接棒被插入於其內，且該玻璃構件與該密封管熔接；複數的帶狀金屬箔，沿著該玻璃構件的外表面延伸；以及環狀構件，電性連接該帶狀金屬箔與該電連接棒，其中該帶狀金屬箔的厚度會設定為滿足以下式子的值。

σ≦1.20×10⁸

其中假設從該環狀構件的外表面對該密封管的內表面施加的熱應力為σ(Pa)。

根據本發明，能夠獲得一種放電燈管，其具備高可靠度的密封構造，能夠在點燈中防止密封管內發生破裂。

10‧‧‧短弧型放電燈管

11‧‧‧放電空間

12‧‧‧發光管

14‧‧‧陽極

16‧‧‧陰極

17A、17B‧‧‧電極支持棒

18A、18B‧‧‧底座零件

19B‧‧‧導電棒(電連接棒)

20、60‧‧‧密封管

22‧‧‧電極側玻璃管

23‧‧‧內側金屬環(環狀構件)

24‧‧‧密封管外表面

25‧‧‧外側金屬環(環狀構件)

26‧‧‧外側玻璃構件(玻璃構件)

27‧‧‧金屬箔

28‧‧‧固定玻璃管

80A、80B‧‧‧金屬蓋

第1圖係有關於本實施型態的短弧型放電燈管的概略剖面圖。

第2圖係有關於陰極側密封管的概略剖面圖。

第3圖係顯示密封管外表面溫度與熱應力的關係圖。

第4圖係顯示流過金屬箔的電流的電流密度與密封管外表面溫度的關係圖。

以下，參照圖式說明本發明的實施型態。

第1圖係有關於本實施型態的短弧型放電燈管的概略剖面圖。

短弧型放電燈管10為石英玻璃構成的球狀發光管12內對向配置了陽極14與陰極16的燈管。發光管12的兩端一體形成了對向的石英玻璃的密封管20、60。密封管20、60的兩端以金屬蓋80A、80B塞住。

密封管20、60的內部分別封入支持陽極14、陰極16且將發光管12內的放電空間11密封的組件(以下稱為底座零件)18A、18B。放電空間11封入水銀及惰性氣體。

短弧型放電燈管10是額定功率3kW以上的高輸出放電燈管，另一方面，密封管外徑較小，且為了發出峰值波長 附近較為顯著的頻譜分布特性的照明光，發光管內的水銀封入量定在7mg/cc以下。因而，穩態點燈時的電壓值低，相反地電流值大，電流值在130A以上。

第2圖係有關於陰極側密封管的概略剖面圖。而陽極側密封管也是相同的構造。

如第2圖所示，封入底座零件18B的密封管60的內部設置有支持陰極16的電極支持棒17B，並沿著軸方向裝設。電極支持棒17B穿過形成於圓筒狀的厚材的玻璃管(以下稱為電極側玻璃管)22的軸孔，被電極側玻璃管22所保持著。

電極支持棒17B不延伸到密封部60的端部，隔著既定間隔同軸地相向配置了金屬製的導電棒(電連接棒)19B。電極支持棒17B、導電棒19B插入設置於厚材的筒狀玻璃構件(以下稱為外側玻璃構件)26的兩端的插入孔，外側玻璃構件26保持電極支持棒17B、導電棒19B。導電棒19B連接到與電源部(未圖示)連接的外部導線(未圖示)。

外側玻璃構件26的兩端分別緊連著金屬環(環狀構件)23、25，電極支持棒17B、導電棒19B被插入於金屬環23、25的軸孔後熔接。靠近發光管12的金屬環(以下稱為內側金屬環)23抵接電極側玻璃管22，另一金屬環(以下稱為外側金屬環)25底接厚材固定玻璃管28，厚材固定玻璃管28使導電棒19B穿過其軸心後加以保持。

內側金屬環23與外側金屬環25之間複數的帶狀金屬箔27沿著外側玻璃構件26的外表面軸向延伸，並沿著周方向等間隔的配置。複數的帶狀金屬箔27的各個兩端部分別熔接於 內側金屬環23及外側金屬環25的圓周面。外側金屬環25使導電棒19B與帶狀金屬箔27電性連接，內側金屬環23使帶狀金屬箔27與電極支持棒22電性連接。藉此，電力從被電性連接於電源部的導電棒19B供給至陰極16。

密封管60在密封步驟時以煤氣噴嘴等加熱而縮小徑長，熔接於電極側玻璃管22、外側玻璃構件26、固定玻璃管28。藉此，密封管60的內部被密封，包含電極側玻璃管22、內側金屬環23、外側金屬環25、外側玻璃構件26、以及固定玻璃管28的底座零件18B被固定而無法在軸方向移動。

以下，使用第3、4圖說明本實施型態的密封構造。

第3圖係顯示密封管外表面溫度與熱應力的關係圖。第4圖係顯示流過金屬箔的電流的電流密度與密封管外表面溫度的關係圖。

燈管點燈時，金屬與玻璃的熱膨脹率不同，因此金屬箔27與密封管60、外側金屬環25與密封管60之間的接觸面/熔接面會產生熱應力。內側金屬環23、金屬箔27、密封管60之間也同樣地會產生應力。

如上所述，放電燈管10是短弧型放電燈管，且是低電壓大電流型的放電燈管，密封管的外徑比較小。因此，燈管點燈中金屬箔27全體所產生的熱會影響從內側、外側金屬環25的外周面附近朝密封管60施加的熱應力。比起密封管的外徑大的放電燈管來說，這種熱的影響是非常大的。在更加縮小密封管的外徑的情況下，採用雙層密封構造來加強密封部的強度是相當困難的。

流過金屬箔27的電流的電流密度越大，金屬箔27的溫度就越上升，熱量越高，而電流密度會根據金屬箔27的厚度而不同。因此，為了防止熔接不充分造成箔剝落而讓金屬箔27過薄的話，可能會使熱應力增大而產生破裂。因此本實施型態中，與電流密度有關的金屬箔27的厚度會設定在既定的厚度以上。

如第3、4圖所示，關於從外側金屬環25的外周面往密封管60的內表面施加的熱應力σ(Pa)，假設密封管60的外表面溫度為T(C°)，穩態點燈中的電流值為I(A)，金屬箔27的片數為n，金屬箔的寬度為w(mm)，金屬箔的厚度為d(mm)時，會設定金屬箔的厚度d(mm)、金屬箔的寬度w(mm)、金屬箔27的片數n，使以下的式子成立。

σ=7.54×10⁵T-6×10⁷...(1)

T=1.92(I/nwd)+98.9...(2)

σ≦1.20×10⁸...(3)

第(1)式表示密封管外表面溫度T與熱應力σ的比例關係(參照第3圖)。其中外表面溫度是在第2圖所示的密封管的點PT的位置的溫度。第(2)式表示密封管外表面溫度T與電流密度(I/nwd)處於比例關係(參照第4圖)。第(1)、(2)式是以熱電偶感測器等實際量測密封管外表面溫度，再以模擬量測熱應力而得的式子。

而第(3)式是從實驗等根據經驗推導的式子，當電流值I決定的話，就能夠訂定金屬箔27的配置片數n、寬度w、厚度d來滿足第(3)式。在內側金屬環23也是同樣的關係。

另外，金屬箔27的配置片數及寬度使用與一般的習知短弧型放電燈相同的規格的情況很多，且因為製造程序的限制、要求使得可選擇的自由度少。因此，實際上會藉由調整金屬箔27的厚度來防止破裂發生。具體來說，就是使用比習知技術更具有厚度的金屬箔。然而，厚度過厚會引起箔剝落，故必須定在0.1mm以下。

若密封管60與發光管12或金屬蓋80B之間的溫度差過大，玻璃的熱應變變大，容易產生破裂。因此，會設定額定功率、密封管徑等，使密封管的外表面溫度滿足以下的式。

150≦T≦800...(4)

藉由設定密封管外表面溫度T在150°以上，來抑制與發光管的溫度差造成的熱形變。藉由設定密封管外表面溫度T在800°以下，來抑制與金屬蓋的溫度差造成的熱形變。

又，對於密封管外徑L比較小的短弧型放電燈管，採用滿足上述式子的密封構造是較佳的，在此適用密封管外徑L滿足以下式子的放電燈管。例如電流值為200A時，外徑L設定在40mm以下。

1/L≧5...(5)

密封管外徑L比較小的短弧型放電燈管中，若為了提昇抗破裂耐性而使用雙層密封構造，金屬箔的片數與寬度會變得極小，因而不得不極端地加厚金屬箔，而反而增加箔剝落的危險。也就是說，在滿足第(5)式的放電燈管中，需要設定密封箔的厚度來滿足第(1)、(2)、(3)式。

如此一來根據本實施型態，在密封管外徑小、額 定功率大(3kW以上)、以低電壓點燈來流過大電流(130A以上)的短弧型放電燈管中，要設定金屬箔的厚度來滿足上述第(1)、(2)、(3)式。

另外，金屬環、玻璃構件也可以是除了上述以外的組成或形狀。

[實施例]

以下說明實施例的放電燈管。在此，改變金屬箔的厚度來調查有無發生破裂。

實施例的短弧型放電燈管中，設定密封管外徑為27mm、密封管厚度為3.5mm、圓柱狀外側玻璃構件的外徑為20mm、金屬箔的片數為5、寬度為10mm。額定功率設定為4.5kW、電流值設定為155mA。

然後將金屬箔的厚度設定為0.06mm、0.05mm並進行1000小時的持續點亮燈管，以熱電偶感測器量測溫度，另一方面以計算機的模擬來計算熱應力，同時調查有無發生破裂。結果顯示如以下表1。

如表1所示，在3.5kW、4.5kW任一者下，熱應力都在1.20×10⁸Pa以下，金屬箔厚度為0.06mm、0.05mm兩者都沒有 發生破裂。

另一方面，做為比較例，以金屬箔厚度為0.033mm的放電燈管來進行同樣的實驗，計算熱應力並調查有無發生破裂，其中改變點燈條件來進行實驗。

結果，一旦熱應力比1.20×10⁸Pa大就會發生破裂。如此一來可知，藉由將金屬箔的厚度設定為比習知技術更適當的厚度，就能使不採用雙層構造、密封管外徑小、以低電壓流過大電流的短弧型放電燈管不發生破裂。

12‧‧‧發光管

17B‧‧‧電極支持棒

19B‧‧‧導電棒(電連接棒)

22‧‧‧電極側玻璃管

23‧‧‧內側金屬環(環狀構件)

24‧‧‧密封管外表面

25‧‧‧外側金屬環(環狀構件)

26‧‧‧外側玻璃構件(玻璃構件)

27‧‧‧金屬箔

28‧‧‧固定玻璃管

60‧‧‧密封管

Claims (3)

1. 一種短弧型放電燈管，包括：電極支持棒，設置於與發光管一體形成的密封管內，支持該發光管內的電極；電連接棒，電性連接於外部電源；玻璃構件，該電極支持棒及該電連接棒被插入於其內，且該玻璃構件與該密封管熔接；複數的帶狀金屬箔，沿著該玻璃構件的周方向等間隔配置，且沿著該玻璃構件的外表面延伸；以及一對的環狀構件，其外周面熔接該帶狀金屬箔，將該帶狀金屬箔與該電極支持棒及該電連接棒電性連接，其中額定功率在3kW以上，穩態點燈中的電流值在130A以上，該發光管的封入水銀量在7mg/cc以下，該帶狀金屬箔的厚度設定為滿足以下式子的值，σ=7.54×10⁵T-6×10⁷；T=1.92(I/nwd)+98.9；σ≦1.20×10⁸，其中假設從該環狀構件的外周面對該密封管的內表面施加的熱應力為σ(Pa)，該環狀構件的徑方向外側的該密封管的外表面溫度為T(℃)，穩態點燈中的電流值為I(A)，該帶狀金屬箔的片數為n，該帶狀金屬箔的寬度為w(mm)，該帶狀金屬箔的厚度為d(mm)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之短弧型放電燈管，其中燈管穩態點燈中的該密封管的外表面溫度設定為滿足以下式子的 值，150≦T≦800。
3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述之短弧型放電燈管，其中該密封管的外徑L(mm)設定為滿足以下式子的值，1/L≧5。