WO2014174360A1 - 放電ランプ - Google Patents

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WO2014174360A1
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sealed space
rectifier
discharge lamp
surface side
electrode
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壮則 早川
晴男 栗山
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株式会社オーク製作所
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    • H01J61/86—Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection

Definitions

  • the present invention relates to a discharge lamp used for an exposure apparatus or the like, and more particularly to an electrode in which a heat transfer body is enclosed inside the electrode.
  • an electrode in which a metal having a cooling function is sealed in a sealed space formed inside the electrode is known as the output increases (see Patent Document 1).
  • a heat transfer body made of a metal having a high thermal conductivity and a relatively low melting point, such as silver, is sealed inside the anode.
  • the heat transfer material melts and liquefies.
  • heat convection occurs in the sealed space, and the heat at the electrode tip is transported toward the opposite electrode support bar. If the heat transfer body convects when the lamp is turned on, a severe temperature difference occurs in the sealed space inside the electrode, which may cause high temperature creep deformation.
  • a plate-shaped restricting body that traverses in the radial direction so as to pass through the center of the sealed space, that is, the electrode shaft, is arranged to prevent the heat transfer body from rotating in the circumferential direction (Patent Document) 2).
  • Providing a regulating body that crosses the sealed space prevents the flow of the heat transfer body that is about to rise in the center passing through the electrode axis. This reduces the heat transport capability to the electrode tip side, and cannot suppress the consumption of the electrode tip due to the temperature rise of the electrode tip. Therefore, it is necessary to increase the heat transport capability without disturbing the convection of the heat transfer body.
  • the discharge lamp of the present invention includes a discharge tube and a pair of electrodes disposed in the discharge tube, and at least one of the electrodes is sealed with a sealed space in which a heat transfer body that melts and convects when the lamp is turned on is sealed.
  • a hollow rectifier body is disposed along the electrode axis in the space and has a sealed space bottom surface side opening and a sealed space top surface side opening. Thereby, the flow path of the heat transfer body is formed between the closed space bottom surface side opening and the sealed space top surface side opening.
  • the rectifier is arrange
  • the rectifying body includes, for example, a tube body and is disposed in a sealed space formed in the anode.
  • the tube includes both a circular cross section and a polygonal shape.
  • the heat transfer body heated in the center near the bottom of the sealed space rises through the flow path.
  • most of the heat transfer body near the upper surface of the sealed space moves to the space / gap provided between the inner side surface of the sealed space and the outer surface of the rectifier, and descends along the electrode axis.
  • the sealed space bottom surface side opening portion and the sealed space top surface side opening portion of the rectifier are respectively directed to the bottom surface and the top surface of the sealed space. It is possible. Further, in order to sufficiently block the flow from the sealed space radial direction, the rectifying body can be arranged in the central portion.
  • the sealed space bottom surface side opening of the rectifier is located on the bottom surface side from the center along the electrode axis of the sealed space, and the sealed space top surface side opening of the rectifier is the center along the electrode axis of the sealed space.
  • the rectifier is located on the upper surface side.
  • the cross-sectional shape including the electrode tip is symmetric with respect to the electrode axis, and the sealed space can also be arranged coaxially.
  • the heat transfer body is heated most in the vicinity of the tip of the electrode, it is also possible to arrange the rectifying body coaxially with respect to the sealed space.
  • coaxial refers to a state in which the axis of the sealed space passes through or near the center of gravity of a cross section perpendicular to the axial direction of the rectifier.
  • the distance along the radial direction with the side surface is equal over the entire circumferential direction.
  • a rectifying body having a circular cross section can be coaxially arranged in a cylindrical inner space.
  • the rectifying body in a symmetrical position with respect to the electrode axis to facilitate the thermal convection.
  • the rectifying body by arranging the rectifying body so that the center position along the electrode axis direction of the rectifying body is located at the center position in the electrode axis direction of the internal space, the electrode between the opening on the bottom side of the sealed space and the bottom surface of the sealed space
  • the distance along the axial direction can be made equal to the distance along the electrode axial direction between the opening on the upper side of the sealed space and the upper surface of the sealed space.
  • the rectifier may be arranged so as to satisfy the following expression.
  • L1 represents the distance from an electrode axis
  • a represents the radius inside a sealed container.
  • the heat transport effect can be further exerted by arranging so as to satisfy the following conditional expression. 0.66 ⁇ L1 / a ⁇ 0.74
  • the rectifying body can be arranged so as to satisfy the following expression. 0.50 ⁇ L2 / b ⁇ 0.84
  • L2 represents the length of a rectifier and b represents the axial length of the sealed container.
  • the rectifier can be provided with an outlet formed in the vicinity of the upper surface of the sealed space along the circumferential direction of the side surface of the sealed space.
  • a slit can be formed along the electrode axis for the rectifying body.
  • an electrode encapsulating a heat transfer body with improved heat transport capability can be obtained.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing a discharge lamp according to the first embodiment.
  • the short arc type discharge lamp 10 is a discharge lamp that can be used as a light source of an exposure apparatus (not shown) for pattern formation, and includes a transparent quartz glass discharge tube (light emitting tube) 12.
  • a cathode 20 and an anode 30 are opposed to the discharge tube 12 with a predetermined interval.
  • quartz glass sealing tubes 13A and 13B are provided integrally with the discharge tube 12 so as to face each other, and both ends of the sealing tubes 13A and 13B are formed by caps 19A and 19B. It is blocked.
  • the discharge lamp 10 is arranged along the vertical direction so that the anode 30 is on the upper side and the cathode 20 is on the lower side.
  • conductive electrode support rods 17A and 17B for supporting the metallic cathode 20 and the anode 30 are disposed, and a metal ring (not shown), a metal foil 16A such as molybdenum, etc. , 16B to the conductive lead rods 15A, 15B, respectively.
  • the sealing tubes 13A and 13B are welded to glass tubes (not shown) provided in the sealing tubes 13A and 13B, thereby sealing the discharge space DS in which mercury and a rare gas are sealed.
  • the lead rods 15A and 15B are connected to an external power source (not shown), and are connected between the cathode 20 and the anode 30 via the lead rods 15A and 15B, the metal foils 16A and 16B, and the electrode support rods 17A and 17B. A voltage is applied to. When electric power is supplied to the discharge lamp 10, arc discharge occurs between the electrodes, and a bright line (ultraviolet light) due to mercury is emitted.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the anode.
  • FIG. 3 is a perspective view of the rectifier.
  • the anode 30 includes a cylindrical body portion 34 and a truncated cone-shaped tip portion 32 having an electrode tip surface 30S.
  • the body part 34 has a structure in which a sealing lid 60 to which the electrode support rod 17B is attached is joined, and the body part and the tip part excluding the sealing lid 60 are formed from the same metal material.
  • a cylindrical sealed space 50 is formed coaxially with the electrode axis E in the center of the interior.
  • the upper limit of the sealed space 50 is the sealed space upper surface 50T in contact with the sealed lid 60 on the electrode support rod side, and the lower limit is the sealed space bottom surface 50B on the electrode tip surface side.
  • a heat transfer body M is enclosed in the sealed space 50.
  • the heat transfer body M is made of a metal (for example, silver) having a melting point lower than that of the body portion 34 and the sealing lid 60, melts into a liquid when the lamp is turned on, and convects in the sealed space 50. When the lamp is turned off, the heat transfer body M is solidified. Further, a tubular rectifier 40 is coaxially installed in the sealed space 50 with respect to the sealed space 50, and the central axis of the rectifier 40 coincides with the electrode axis E.
  • the rectifying body 40 has a radius L1 and a length L2 along the electrode axis E.
  • the rectifying body 40 is disposed in the sealed space 50 so as to be separated by a distance l2 from the sealed space bottom surface 50B and a distance l3 from the sealed space top surface 50T along the electrode axis direction.
  • the rectifier 40 is arranged so that the distances l2 and l3 are equal.
  • the rectifying body 40 is separated from the sealed space side surface 50S by a distance l1 along the radial direction, and the distance between the rectifying body 40 and the sealed space side surface 50S is the same in the entire circumferential direction. As shown in FIG.
  • the rectifying body 40 is configured by a tube body 40 ⁇ / b> S in which an opening 41 ⁇ / b> A serving as an inflow port is formed on the bottom surface side of the sealed space and an opening 41 ⁇ / b> B serving as an outflow port is formed on the top surface side of the sealed space.
  • the tubular body 40S has a circular cross section.
  • the tubular body 40S is fixed by a rod-like or plate-like fixing member (not shown). When the fixing member is plate-shaped, it is installed along the electrode axis.
  • the openings 41A and 41B of the tubular body 40S face the sealed space bottom surface 50B and the sealed space top surface 50T, respectively.
  • the tube body 40S is disposed at a relatively central portion in the sealed space 50 with respect to the electrode axis, the opening 41A is located on the bottom side with respect to the electrode axis direction center W of the sealed space 50, and the opening 41B is , Located on the upper surface side of the center W in the electrode axis direction.
  • the tubular body 40S defines in the sealed space 50 a space region V1 serving as a conduit of the tube body 40S and a space region V2 outside thereof, and two space regions are partitioned.
  • the tube body 40S is formed of a refractory metal (for example, tungsten, tantalum, etc.) or an alloy thereof.
  • FIG. 4 is a diagram showing convection of the heat transfer body.
  • the heat transport effect by the rectifier will be described with reference to FIG.
  • the molten heat transfer body M rises along the electrode axis E.
  • the heat transfer body M tends to rise in the central portion of the sealed space 50 centered on the electrode axis E due to the arc heat on the electrode tip surface 30S.
  • the heat transfer body M flows into the opening 41A of the rectifying body 40 and moves along the pipe path.
  • Most of the heat transfer bodies M that have risen inside the rectifying body 40 move along the sealed space upper surface 50T, transfer heat to the electrode support bar side, and then move down the outer region V2 of the rectifying body 40.
  • the heat transfer body M descends while releasing heat to the outer side surface 34S of the body portion 34. And the heat transfer body M which arrived at the peripheral part vicinity of the sealed space bottom face 50B moves to the center part, and raises the inside of the rectifier 40 again by arc heat.
  • Such convection of the heat transfer body M is promoted by the arrangement of the rectifying body 40. That is, by providing the tube body 40S coaxially, the upward flow in the inner region V1 and the downward flow in the outer region V2 of the rectifier 40 are blocked from each other, so that stagnation is unlikely to occur and convection is promoted. . Since the vertical convection of the heat transfer body M is not hindered, the flow velocity and flow rate when the heat transfer body M rises increase.
  • the region in which the heat transfer body M rises near the center is narrowed down by the influence of the flow in which the heat transfer body M descends a lot near the side surface of the sealed space.
  • the flow rate decreases and the flow rate does not increase.
  • the arrangement of the rectifying body 40 increases the flow rate of the heat transfer body M, particularly the flow rate of the upward flow, and increases the flow rate, so that the heat on the electrode tip surface side is directed to the electrode support rod side. It is transported efficiently and suppresses the temperature rise of the electrode tip 32. As a result, consumption of the electrode tip 32 can be suppressed.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the anode in a state where the heat transfer body is solidified.
  • the rectifier 40 makes it difficult for the heat in the inner region V1 to be transferred to the outer region V2, the temperature drop of the heat transfer member M in the inner region V1 is delayed when the lamp is extinguished, and the outer region V2 solidifies relatively quickly. .
  • the heat transfer body M in the outer region V2 is solidified and contracted, and the heat transfer member in the inner region V1 is solidified in a state where the liquid level is lower than that.
  • a recess having an appropriate depth is formed in the heat transfer body M that has solidified and contracted. Thereafter, when the lamp is turned on again, the heat transfer body M expands thermally, and stress is applied to the sealed space bottom surface 50B and the sealed space side surface 50S.
  • the size of the rectifying body 40 is determined so as to satisfy the following expression, and the arrangement position in the radial direction is determined.
  • the effect of increasing the flow velocity of the heat transfer body can be obtained by satisfying the following formula for L2 of the rectifying body. 0.50 ⁇ L2 / b ⁇ 0.84 (3)
  • L2 be the axial length of the rectifier and b be the axial length of the sealed container. If the length of the rectifying body in the electrode axis direction is smaller than the range of the above formula, the upper and lower convection cannot be sufficiently blocked (separated). Moreover, when larger than the range of the said Formula, the flow of an electrode radial direction will be inhibited.
  • the sealed space 50 is formed in the anode 30, and the heat transfer body M is sealed in the sealed space 50.
  • a tubular rectifying body 40 having a circular cross section is coaxially disposed at a distance of 11, 11, and 12 from the sealed space side surface 50S, the sealed space upper surface 50T, and the sealed space bottom surface 50B.
  • a plurality of holes 140R are formed at predetermined intervals along the circumferential direction near the upper surface of the sealed space, that is, at a position on the upper surface side of the center along the electrode axis of the sealed space.
  • the raised heat transfer body M flows out to the outer region V2 through the hole 140R.
  • the convection of the heat transfer body M is promoted, and heat easily moves.
  • the hole 140R when the heat transfer body M is solidified after the lamp is extinguished, the depth of the recess does not become excessive.
  • FIG. 7 is a perspective view of a rectifier in the third embodiment.
  • the rectifier 240 is disposed so that the curved portions 240A and 240B having a semicircular cross section are opposed to each other, and a slit ST is formed between the curved portions 240A and 240B.
  • the rectifying body 240 is the same as the configuration in which the tubular body shown in the first embodiment is divided into two and arranged so as to generate a gap.
  • FIG. 8 is a perspective view of the rectifier of the discharge lamp according to the fourth embodiment.
  • the rectifying body 340 is composed of a tubular body 340R having a triangular cross section, and at least one side of the tubular body 340R along the electrode axis direction is fixed to the side surface of the sealed space. By making the cross section triangular in this way, the rectifying body can be easily fixed.
  • the cross-sectional shape may be a polygon other than a triangle.
  • straightening body the structure fixed to one side of a sealed space upper surface and a bottom surface, or installing in both is possible.
  • the heat convection is promoted by forming the inlet and outlet of the heat transfer body at the upper part of the rectifier.
  • the rectifier is coaxially arranged with respect to the sealed space and has a symmetrical arrangement structure.
  • the rectifying body may be offset by a predetermined distance in the radial direction with respect to the electrode axis E.
  • the rectifying body may be arranged so as to pass through, and the rectifying body may be configured so as to define an inner region inside the tube and an outer region outside the tube.
  • the rectifying body can be constituted by other than the tubular body, and can also be constituted by a hollow member having a channel formed along the electrode axis, such as a thick hollow cylinder. A plurality of flow paths may be defined and formed inside. Further, according to the installation state of the discharge lamp, a rectifier may be provided on the cathode, or a rectifier may be provided on both electrodes.
  • a discharge lamp in which a rectifying body having a circular cross section is coaxially disposed in a sealed space having a circular cross section, the rectifying body is disposed so that the distance between the top surface and the bottom surface of the sealed space is equal, and the heat transfer body is enclosed in the sealed space.
  • the range in which the maximum flow velocity is maintained at a high level corresponds to 0.66 to 0.74 shown in the above equation (2).
  • the distance between the rectifying body and the bottom surface of the sealed space is the same as the distance between the rectifying body and the top surface of the sealed space.
  • FIG. 10 is a graph showing changes in electrode tip temperature and maximum flow velocity with respect to L2 / b.

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Abstract

本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内に配置される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極が、ランプ点灯時に溶融して対流する伝熱体が封入される密閉空間と、密閉空間内において電極軸に沿って配置され、密閉空間底面側開口部および密閉空間上面側開口部をもつ中空状整流体とを有する。密閉空間底面側開口部と密閉空間上面側開口部との間において伝熱体の流路が形成され、そして、電極軸が流路を通るように、整流体が配置されている。

Description

放電ランプ
　本発明は、露光装置等に利用される放電ランプに関し、特に、電極内部に伝熱体を封入した電極に関する。
　放電ランプでは、高出力化に伴い、電極内部に形成された密閉空間に冷却機能をもつ金属を封入した電極が知られている（特許文献１参照）。そこでは、銀など、熱伝導率が高く、比較的融点の低い金属から成る伝熱体が、陽極内部に密封されている。ランプ点灯によって電極温度が上昇すると、伝熱体が溶融し、液化する。これによって、密閉空間で熱対流が生じ、電極先端部の熱が反対側の電極支持棒方向へ輸送される。
　ランプ点灯時に伝熱体が対流すると、電極内部の密閉空間内において激しい温度差が生じ、高温クリープ変形が生じる恐れがある。これを防止するため、密閉空間の中心、すなわち電極軸を通るように径方向に横断する板状の規制体を配置し、伝熱体が周方向に沿って回動することを防ぐ（特許文献２参照）。
特開２００４−００６２４６号公報 特開２０１２−０２８１６８号公報
　密閉空間を横断する規制体を設けると、電極軸を通る中心部において上昇しようとする伝熱体の流れを妨げる。これは、電極先端側への熱輸送能力を減少させることとなり、電極先端温度上昇による電極先端部の消耗を抑えることができない。
　したがって、伝熱体の対流を妨げることなく、熱輸送能力を高めることが必要とされる。
　本発明の放電ランプは、放電管と、放電管内に配置される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極が、ランプ点灯時に溶融して対流する伝熱体が封入される密閉空間と、密閉空間内において電極軸に沿って配置され、密閉空間底面側開口部および密閉空間上面側開口部をもつ中空状整流体とを有する。これによって、密閉空間底面側開口部と密閉空間上面側開口部との間において伝熱体の流路が形成される。そして、電極軸が流路を通るように、整流体が配置されている。整流体は、例えば管体を備え、陽極内に形成された密閉空間に配置される。ただし、管体は、断面円形状、多角形状いずれも含むものとする。
　ランプ点灯時、密閉空間底面付近中央部で熱せられた伝熱体は、流路内を通って上昇する。そして、熱対流により、密閉空間上面付近の伝熱体は、その多くが密閉空間内側側面と整流体外表面との間に設けられた空間／隙間へ移動し、電極軸に沿って下降する。このような流れを形成することにより、径方向に沿った流れ発生を抑え、熱対流が促進される。
　電極軸に沿った伝熱体の上昇流を促進させる構成として、例えば、整流体の密閉空間底面側開口部と密閉空間上面側開口部が、それぞれ、密閉空間の底面と上面を向くようにすることが可能である。また、密閉空間径方向からの流れを十分遮るため、整流体を中央部に配置することもできる。例えば、整流体の密閉空間底面側開口部が、密閉空間の電極軸に沿った中心よりも底面側に位置し、整流体の密閉空間上面側開口部が、密閉空間の電極軸に沿った中心よりも上面側に位置する整流体を構成する。
　電極先端部を含めてその断面形状は電極軸に関して対称的であり、密閉空間も同軸的に配置可能である。電極先端部付近で伝熱体が最も熱せられることを考慮すれば、整流体を、密閉空間に対して同軸的に配置することも可能である。ここで同軸的とは、密閉空間の軸が、整流体の軸方向に垂直な断面の重心もしくはその付近を通る状態をいう。
　熱対流が局所的に乱れるのを防ぐことを考慮し、流路を形成する内部空間領域とその外側の空間領域が、電極軸垂直断面に関して対称的であるのが望ましく、整流体外表面と密閉空間の側面との径方向に沿った距離が、周方向全体に渡って等しくするのがよい。例えば、円筒状の内部空間にし、断面円形状の整流体を同軸配置することが可能である。
　また、電極軸に関して整流体を対称的位置に配置し、熱対流を円滑化させることも可能である。たとえば、内部空間の電極軸方向の中心位置に、整流体の電極軸方向に沿った中心位置がくるように整流体を配置することで、密閉空間底面側開口部と密閉空間の底面との電極軸方向に沿った距離が、密閉空間上面側開口部と密閉空間の上面との電極軸方向に沿った距離と等しくすることができる。
　整流体の経方向に沿った配置位置が熱対流の淀み発生に影響することを考慮し、整流体は、以下の式を満たすように配置すればよい。
　０．３３≦Ｌ１／ａ≦０．８４
ただし、Ｌ１は、電極軸から整流体までの距離を表し、ａは、密閉容器内側の半径を表す。このような条件を満たすことにより、熱対流が効果的に発生する。特に、以下の条件式を満たすように配置することで、一層熱輸送効果が発揮される。
　０．６６≦Ｌ１／ａ≦０．７４
　一方、整流体の電極軸方向に沿った位置を考慮した場合、整流体が、以下の式を満たすように配置することができる。
　０．５０≦Ｌ２／ｂ≦０．８４
ただし、Ｌ２は、整流体の長さを表し、ｂは、密閉容器の軸方向の長さを表す。これにより、熱輸送効果が発揮される。
　上昇した伝熱体がスムーズに下降することを考慮すれば、整流体が、密閉空間上面付近において、密閉空間側面の周方向に沿って形成される流出口を備えるようにすることができる。また、上昇している伝熱体の熱を電極側面へ移すことを考慮し、整流体に対し、電極軸に沿ってスリットを形成することもできる。
　伝熱体は、ランプ消灯後、整流体の内側領域の電極軸方向高さが整流体の外側領域に比べて低い状態で、凝固するのがよい。
　本発明によれば、熱輸送能力を向上させた伝熱体封入の電極を得ることができる。
第１の実施形態である放電ランプを模式的に示した平面図である。 陽極の概略的断面図である。 整流体の斜視図である。 伝熱体の対流を示した図である。 伝熱体が凝固した状態での陽極の概略断面図である。 第２の実施形態における整流体の斜視図である。 第３の実施形態における整流体の斜視図である。 第４の実施形態における整流体の斜視図である。 Ｌ１／ａに対する電極先端温度および最大流速の変化を示したグラフである。 Ｌ２／ｂに対する電極先端温度および最大流速の変化を示したグラフである。
　以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
　図１は、第１の実施形態である放電ランプを模式的に示した平面図である。
　ショートアーク型放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置（図示せず）の光源などに使用可能な放電ランプであり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１２を備える。放電管１２には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。
　放電管１２の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と一体的に設けられており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれている。
　放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属リング（図示せず）、モリブデンなどの金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。
　封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着しており、これによって、水銀、および希ガスが封入された放電空間ＤＳが封止される。
　リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。
　図２は、陽極の概略的断面図である。図３は、整流体の斜視図である。
　図２に示すように、陽極３０は、円筒状胴体部３４と、電極先端面３０Ｓを有する円錐台状先端部３２から構成される。胴体部３４は、電極支持棒１７Ｂが取り付けられている密閉蓋６０を接合させた構造であり、密閉蓋６０を除いた胴体部と先端部は同一金属材料から成形されている。
　胴体部３４には、内部中央に円柱状の密閉空間５０が電極軸Ｅに対し同軸的に形成されている。密閉空間５０は、その上限が電極支持棒側の密閉蓋６０と接する密閉空間上面５０Ｔであり、下限が電極先端面側の密閉空間底面５０Ｂになる。
　密閉空間５０には、伝熱体Ｍが封入されている。伝熱体Ｍは、胴体部３４、密閉蓋６０よりも融点の低い金属（例えば、銀）から成り、ランプ点灯時に溶融して液体となり、密閉空間５０内で対流する。ランプが消灯すると、伝熱体Ｍは凝固する。
　さらに、密閉空間５０には、管状の整流体４０が密閉空間５０に対し同軸的に設置されており、整流体４０の中心軸は電極軸Ｅと一致する。整流体４０は、半径Ｌ１を有し、電極軸Ｅに沿って長さＬ２を有する。
　整流体４０は、電極軸方向に沿って密閉空間底面５０Ｂとの距離ｌ２、密閉空間上面５０Ｔとの距離ｌ３だけ離れるように、密閉空間５０内に配置されている。例えば、距離ｌ２、ｌ３が等しくなるように整流体４０が配置される。一方、整流体４０は、密閉空間側面５０Ｓとは径方向に沿って距離ｌ１だけ離れており、整流体４０と密閉空間側面５０Ｓとの距離は周方向全体に渡って等しい。
　整流体４０は、図３に示すように、密閉空間底面側に流入口となる開口部４１Ａ、密閉空間上面側に流出口となる開口部４１Ｂを形成した管体４０Ｓによって構成されている。管体４０Ｓは、ここでは断面円形状になっている。また、管体４０Ｓは、図示しない棒状もしくは板状の固定部材によって固定されている。固定部材が板状の場合、電極軸に沿って設置される。
　管体４０Ｓの開口部４１Ａ、４１Ｂは、それぞれ、密閉空間底面５０Ｂと密閉空間上面５０Ｔを向く。また、管体４０Ｓは、電極軸に関して比較的密閉空間５０内の中央部に配置されており、開口部４１Ａは密閉空間５０の電極軸方向中心Ｗよりも底面側に位置し、開口部４１Ｂは、電極軸方向中心Ｗよりも上面側に位置する。
　管体４０Ｓは、密閉空間５０内に、管体４０Ｓの管路となる空間領域Ｖ１とその外部の空間領域Ｖ２とを規定し、２つの空間領域が区画される。管体４０Ｓは、高融点金属（例えばタングステン、タンタルなど）やその合金によって成形される。
　図４は、伝熱体の対流を示した図である。図４を用いて、整流体による熱輸送効果について説明する。
　ランプ点灯中、アーク放電によって電極先端部３２の温度が高温になると、溶融した伝熱体Ｍは、電極軸Ｅに沿って上昇する。特に、電極先端面３０Ｓにおけるアーク熱により、電極軸Ｅを中心とした密閉空間５０の中央部において伝熱体Ｍが上昇しようとする。その結果、伝熱体Ｍが整流体４０の開口部４１Ａに流入し、管内経路を移動していく。
　整流体４０内部を上昇した伝熱体Ｍは、その多くが密閉空間上面５０Ｔに沿って移動し、電極支持棒側に熱を伝達した後、整流体４０の外側領域Ｖ２を下降していく。このとき伝熱体Ｍは、胴体部３４の外側面３４Ｓに熱を放出しながら下降する。そして、密閉空間底面５０Ｂの周縁部付近に到達した伝熱体Ｍはその中央部まで移動し、アーク熱によって再び整流体４０の内部を上昇する。
　このような伝熱体Ｍの対流は、整流体４０の配置によって促進される。すなわち、管体４０Ｓを同軸的に設けることで、整流体４０の内側領域Ｖ１における上方向の流れと外側領域Ｖ２の下方向の流れが互いに遮られるため、淀みが生じにくく、対流が促進される。伝熱体Ｍの上下方向の対流が阻害されないことから、伝熱体Ｍの上昇するときの流速、流量が増加する。
　整流体を設置しない構成では、伝熱体Ｍが密閉空間側面付近で多く下降している流れの影響により、中央部付近で伝熱体Ｍが上昇する領域が小さく絞られることになり、上向きの流量が減少し、流速も早くならない。
　しかしながら本実施形態の場合、整流体４０の配置により、伝熱体Ｍの流速、特に上昇流の流速が速まり、その流量が多くなることにより、電極先端面側の熱が電極支持棒側に効率よく輸送され、電極先端部３２の温度上昇を抑える。その結果、電極先端部３２の消耗を抑えることができる。特に、整流体４０が電極軸方向に関して十分な長さを有し、また、中央部に位置するため、密閉空間５０内をおよそ全体的に管路とその外側空間領域とに区画するため、流路が十分確保されている。
　さらに、整流体４０は、密閉空間５０の径方向に沿った熱の移動を遮る作用があり、これにより、伝熱体Ｍが凝固するときに密閉空間５０にかかる応力を低減することができる。以下、これについて説明する。
　図５は、伝熱体が凝固した状態での陽極の概略断面図である。
　整流体４０によって、内側領域Ｖ１の熱が外側領域Ｖ２に伝わりにくくなるため、ランプ消灯時に内側領域Ｖ１における伝熱体Ｍの温度低下が遅くなり、外側領域Ｖ２が相対的に早く凝固していく。その結果、図５に示すように、外側領域Ｖ２の伝熱体Ｍは凝固収縮し、内側領域Ｖ１の伝熱体は、それよりも大きく液面が下がった状態で凝固する。
　その結果、凝固収縮した伝熱体Ｍには、適度な深さの凹部が形成される。その後ランプが再び点灯されると、伝熱体Ｍは熱膨張し、密閉空間底面５０Ｂ、密閉空間側面５０Ｓに応力がかかる。しかしながら凹部が形成されることにより、中心部に応力を逃がし、応力を低減することができる。したがって、点灯時電極先端部３２の吹き破れが生じない。
　また、内側領域Ｖ１の伝熱体は、液面が下がった状態で凝固することにより、内側領域Ｖ１の伝熱体が比較的早く溶融して対流を始めるので、伝熱体全体が溶融するまでに要する時間が短くなる。その結果、点灯時電極先端部３２の消耗を防ぐことができる。
　本実施形態では、以下の式を満たすように、整流体４０のサイズが定められ、また、径方向に関する配置位置が定められている。
　０．３３≦Ｌ１／ａ≦０．８４　　（１）
ただし、整流体４０の電極径方向に沿った径をＬ１、密閉空間５０の内側半径をａとする。
　Ｌ１／ａが０．３３よりも小さいと、整流体４０の内径が相対的に小さすぎることになり、伝熱体Ｍの上昇流を阻害する。一方、Ｌ１／ａが０．８４よりも大きいと、整流体４０内部での伝熱体Ｍの下降流が多く生じ、上向きの流れを阻害してしまう。
　さらに、以下の式の範囲を満たすとき、上向きの対流増加に大きな効果が得られる。
　０．６６≦Ｌ１／ａ≦０．７４　　（２）
　一方、整流体のＬ２は、以下の式を満たすことで、伝熱体の流速を増加する効果が得られる。
　０．５０≦Ｌ２／ｂ≦０．８４　　（３）
ただし、整流体の軸方向の長さをＬ２、密閉容器の軸方向の長さをｂとする。
　整流体の電極軸方向の長さが、上記式の範囲より小さいと、上下の対流を十分に遮る（隔てる）ことができない。また、上記式の範囲よりも大きいと、電極径方向の流れを阻害してしまう。
　このように本実施形態によれば、放電ランプ１０において、陽極３０内に密閉空間５０が形成されており、伝熱体Ｍが密閉空間５０内に封入されている。そして、密閉空間５０には、断面円形状の管状整流体４０が、密閉空間側面５０Ｓ、密閉空間上面５０Ｔ、密閉空間底面５０Ｂからそれぞれ距離ｌ１、ｌ３、ｌ２だけ離れた状態で同軸的に配置される。
　次に、図６、７を用いて、第２、第３の実施形態である電極について説明する。第２の実施形態では、整流体に穴が形成されている。それ以外の構成については、実質的に第１の実施形態と同じである。
　図６は、第２の実施形態における整流体の斜視図である。
　整流体１４０は、密閉空間上面付近に、すなわち密閉空間の電極軸に沿った中心よりも上面側の位置に、複数の孔１４０Ｒが周方向に沿って所定間隔で形成されている。これにより、上昇した伝熱体Ｍが孔１４０Ｒを通じて外側領域Ｖ２へ流出する。その結果、伝熱体Ｍの対流が促進されるとともに、熱が移動しやすい。
　また、孔１４０Ｒを形成することにより、ランプ消灯後に伝熱体Ｍが凝固するとき、凹部の深さが過度な深さとならない。これは、径方向に沿って中央部と側面付近との間で大きな温度差がないため、ランプ消灯時、密閉空間側面付近でのみ急速に凝固することがないからである。
　凹部が高すぎると、凹部の底が密閉空間底面に近くなり、凝固するときに強い応力が底面に作用する。しかしながら、凹部が適切な高さになるため、ランプ点灯、消灯を繰り返しても、密閉空間にかかる応力を低減することができる。
　また、孔１４０Ｒにより、伝熱体の流路を確保できるため、整流体の上部を密閉蓋６０に直接溶接して固定することが可能である。これにより、整流体を固定する部材を使用せずに電極を作成できる。
　次に、図７を用いて、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、整流体にスリットが形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。
　図７は、第３の実施形態における整流体の斜視図である。
　整流体２４０は、断面半円状の湾曲部２４０Ａ、２４０Ｂが相対するように配置されており、湾曲部２４０Ａ、２４０Ｂの間にスリットＳＴが形成される。言い換えれば、整流体２４０は、第１の実施形態に示した管体を２つに分割し、隙間を生じさせるように配置させた構成と同じである。このようにスリットＳＴを形成することにより、第２の実施形態と同様、熱の移動が容易となり、適度な凹部の高さとなる。なお、スリットの本数をさらに増やした構成にしてもよい。
　次に図８を用いて、第４の実施形態である放電ランプについて説明する。第４の実施形態では、管体の断面形状が多角形になっている。
　図８は、第４の実施形態である放電ランプの整流体の斜視図である。
　整流体３４０は、断面三角形状の管体３４０Ｒから構成されており、管体３４０Ｒの少なくとも電極軸方向に沿った一辺が密閉空間側面に固定されている。このように断面三角形状にすることにより、整流体固定が容易になる。なお、断面形状については、三角形以外の多角形で構成してもよい。
　整流体の設置構成については、密閉空間上面、底面一方に固定し、あるいは両方に設置する構成が可能である。この場合、伝熱体の流入口、流出口を整流体上部に形成されることで、熱対流が促進される。
　整流体は、密閉空間に対して同軸的に配置されており、対称的な配置構造となっているが、電極軸Ｅに対して径方向に所定距離だけオフセットさせてもよく、電極軸が管内を通るように整流体を配置し、管内の内側領域と管外の外側領域を規定するように整流体を構成すればよい。
　整流体については、管体以外で構成することも可能であり、肉厚で中空状筒体など、内部に流路が電極軸に沿って形成される中空部材などで構成することも可能であり、内部に複数の流路が規定、形成されるようにしてもよい。又、放電ランプの設置状態に合わせ、陰極に整流体を設ける、あるいは両電極に整流体を設ける構成にしても良い。
　以下、図９、１０を用いて、実施例を説明する。ここでは、上記（１）~（３）式に基づく整流体の位置や形状が、電極先端部の温度および伝熱体の最大流速がどのように影響されるかシミュレーションによって検証した。
　断面円形状の整流体を断面円形状の密閉空間に同軸配置させ、密閉空間上面と底面との距離が等しくなるように整流体を配置し、伝熱体を密閉空間内に封入した放電ランプを設定した。密閉空間の径（密閉容器内側の直径＝２ａ）が３０ｍｍ、陽極の径（電極外径）が４０ｍｍ、先端側肉厚（密閉空間底面と電極先端面との電極軸方向距離）が１０ｍｍ、円筒部の肉厚が５ｍｍ、密閉空間高さ（ｂ）が３５ｍｍとなる陽極をモデル化し、電力１４ｋＷを想定した熱量に基づいて、計算機による先端部温度および最大流速のシミュレーションを行った。
　このとき、電極軸から整流体までの電極径方向距離Ｌ１と密閉容器内側の半径ａ（＝１５ｍｍ）との比Ｌ１／ａを変えながら、電極先端部温度および最大流速を計算した。ただし、最大流速は、電極軸に沿って上昇する伝熱体の最大流速を表す。
　図９は、Ｌ１／ａに対する電極先端温度および最大流速の変化を示したグラフである。
　図９に示すように、最大流速は、整流体がない場合と比較して、Ｌ１／ａ＝０．３３付近から大きくなり、０．８４付近まで大きい。このようなＬ１／ａの範囲は、上記（１）式の範囲に一致する。特に、最大流速が高いレベルで維持される範囲は、上記（２）式で示した０．６６~０．７４に相当する。これによって、上記（１）、（２）式を満たす密閉空間をもつ電極は、優れた熱輸送効果を発揮することがわかる。
　また、整流体の電極軸方向の長さＬ２と密閉容器の軸方向長さｂ（＝３０ｍｍ）との比Ｌ２／ｂを変えながら、電極先端部温度および最大流速を計算した。ただし、整流体と密閉空間底面との距離は、整流体と密閉空間上面との距離が等しい配置とした。
　図１０は、Ｌ２／ｂに対する電極先端温度および最大流速の変化を示したグラフである。
　図１０に示すように、最大流速は、Ｌ２／ｂ＝０．５０付近から大きくなり、０．８４付近まで比較的大きい。このようなＬ２／ｂの範囲は、上記（３）式の範囲に一致する。これによって、上記（３）式を満たす密閉空間をもつ電極は、優れた熱輸送効果を発揮することがわかる。
　本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。
　本願は、日本出願（特願２０１３−０９１２３５号、２０１３年４月２４日出願）を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。
　１０　放電ランプ
　３０　陽極
　４０　整流体
　５０　密閉空間

Claims (11)

  1. 　放電管と、
    　前記放電管内に配置される一対の電極とを備え、
    　少なくとも一方の電極が、
    　ランプ点灯時に溶融して対流する伝熱体が封入される密閉空間と、
    　前記密閉空間内において電極軸に沿って配置され、密閉空間底面側開口部および密閉空間上面側開口部をもつ中空状整流体とを有し、
    　前記整流体が、前記密閉空間底面側開口部と前記密閉空間上面側開口部との間に形成される流路を電極軸が通るように、配置されていることを特徴とする放電ランプ。
  2. 　前記整流体の密閉空間底面側開口部と密閉空間上面側開口部が、それぞれ、前記密閉空間の底面と上面を向くことを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
  3. 　前記整流体の密閉空間底面側開口部が、前記密閉空間の電極軸に沿った中心よりも底面側に位置し、
    　前記整流体の密閉空間上面側開口部が、前記密閉空間の電極軸に沿った中心よりも上面側に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の放電ランプ。
  4. 　前記整流体が、前記密閉空間に対して同軸的に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ。
  5. 　前記整流体外表面と前記密閉空間の側面との径方向に沿った距離が、周方向全体に渡って等しいことを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ。
  6. 　前記密閉空間底面側開口部と前記密閉空間の底面との電極軸方向に沿った距離が、前記密閉空間上面側開口部と前記密閉空間の上面との電極軸方向に沿った距離と等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
  7. 　前記整流体が、以下の式を満たすように配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の放電ランプ。
    　０．３３≦Ｌ１／ａ≦０．８４
    ただし、Ｌ１は、電極軸から整流体までの距離を表し、ａは、密閉容器内側の半径を表す。
  8. 　前記整流体が、以下の式を満たすように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の放電ランプ。
    　０．６６≦Ｌ１／ａ≦０．７４
  9. 　前記整流体が、以下の式を満たすように配置されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の放電ランプ。
    　０．５０≦Ｌ２／ｂ≦０．８４
    ただし、Ｌ２は、整流体の長さを表し、ｂは、密閉容器の軸方向の長さを表す。
  10. 　前記整流体が、密閉空間上面付近において、密閉空間側面の周方向に沿って形成される流出口を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の放電ランプ。
  11. 　前記伝熱体が、ランプ消灯後、前記整流体の内側領域の電極軸方向高さが前記整流体の外側領域に比べて低い状態で、凝固していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の放電ランプ。
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