JP2007004988A - フラッシュランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極間の管壁部を効率的に冷却し、高い放電強度の放射を発することが可能なフラッシュランプ装置を提供すること
【解決手段】 一対の電極が対向して配置された発光管を備えたフラッシュランプを有し、発光管の外表面を流体によって冷却する冷却機構を有するフラッシュランプ装置において、冷却機構を構成する冷却管と発光管との間隙の流路断面積は、少なくとも電極間において、その区間以外の冷却管と発光管との間隙の流路断面積よりも小さいことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、紫外線を高輝度で放射するフラッシュランプ装置に関する。

例えば塗料の耐候試験または退色試験、紫外光を利用して行われる物品表面の親水化処理または清浄化処理などの表面改質処理においては、波長３００ｎｍ以下の深紫外光を照射する方法が利用されている。そして、このような特定波長域の紫外光を放射する光源ランプとしては、例えば水銀ランプ、水銀キセノンランプ、フラッシュランプが知られている。

発光管内に放電用ガスが充填されたフラッシュランプは、図６において、特開２００４−２２４５６号公報に記載されるように、管型の発光管３内に一対の電極４が配置され、発光管３の外部に外部トリガ線９が配置されている。発光管３には、一般的に石英ガラスが用いられるが、３００ｎｍ以下の波長を出力する高入力ランプとしては耐久性の強いサファイアまたは透光性セラミックを用いられる。フラッシュランプ１を用いて波長３００ｎｍ以下の強い輝線状イオン発光を得るためには、高い電流密度の点灯電流を供給して高いプラズマ温度を実現する必要がある。ところが、このような高い放電強度の放射を発するフラッシュランプ１においては、電流密度が高い状態で発光されるので高温になり、放電容器に多大な熱負荷がかかり、放電容器に早期劣化をもたらすという問題が発生している。

一般に、発光管３の管壁及び電極４部等にかかる熱負荷が１００Ｗ／ｃｍ^２程度以上の場合、流体にて冷却する必要がある。流体にて冷却する冷却機構を構成する冷却管は、フラッシュランプの発光管３の管壁と略二重管構造をなすのが一般的である。二重管構造の場合の冷却による除熱量は、冷却水の流速に比例することが知られている。しかしながら、冷却水の流速を大きくするために、冷却水量を大きくすれば、冷却水循環ポンプの突出流量の増大による付帯装置の大型化が避けられないという問題がある。
特開２００４−２２４５６号公報

しかしながら、熱負荷は、フラッシュランプ１の発光管３全体に均一にかかるのではなく、高温プラズマに主にさらされる電極間の発光管３の管壁部にかかる熱負荷が大きく、電極部の発光管部に隣接する発光管端部および封止部にかかる熱負荷は、電極間の発光管３の管壁部に比べて小さくなっている。

そこで、高温プラズマに主にさらされる電極間の発光管３の管壁温度が局所的に上昇しないように、電極間の発光管３の管壁部を効果的に冷却することを考えた。これにより、熱負荷が過大に生じる箇所がなくなるので、熱応力により破裂する恐れが低減される。

本発明の目的は、電極間の発光管３の管壁部を効率的に冷却し、高い放電強度の放射を発することが可能なフラッシュランプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のフラッシュランプ装置は、一対の電極が対向して配置された発光管を備えたフラッシュランプを有し、発光管の外表面を流体によって冷却する冷却機構を有するフラッシュランプ装置において、冷却機構を構成する冷却管と発光管との間隙の流路断面積は、少なくとも電極間において、その区間以外の冷却管と発光管との間隙の流路断面積よりも小さいことを特徴とする。

また、発光管および前記冷却管は、熱膨張を吸収するように、フラッシュランプを支持する一対の支持部材に対してＯ―リングにより封止されていることを特徴とする。

また、フラッシュランプは、一対の支持部材によって支持され、フラッシュランプの一端が支持部材に固定され、他端が熱膨張を吸収するように伸縮部材を介して固定されていることを特徴とする。

また、発光管はサファイアまたは透光性セラミックよりなることを特徴とする。

本発明に係るフラッシュランプ装置によれば、熱負荷の大きい電極間において、冷却機構を構成する冷却管と発光管との間隙の流路断面積を小さくすることにより、電極間の発光管３の管壁部を効率的に冷却することが可能になり、高い放電強度の放射を発することが可能なフラッシュランプ装置を提供することができる。

以下、本発明のフラッシュランプ装置の実施形態の構成を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明のフラッシュランプ装置の概略断面図であり、図２は図１のフラッシュランプ部分を拡大して示した本発明のフラッシュランプ装置の概略断面図である。

フラッシュランプ装置は、フラッシュランプ１と、水冷機構とにより構成されている。フラッシュランプ１は、両端が封止部材２によって封止された直管状の発光管３を備えており、発光管３には、一般的に石英ガラスが用いられるが、３００ｎｍ以下の波長を出力するような高入力ランプとしては耐久性の強いサファイアまたは透光性セラミックを用いられる。この発光管３内には、一対の電極４が対向配置されている。すなわち、電極４を先端に有する、例えばタングステンよりなる電極棒１８が、発光管３内をその管軸方向に沿って内方に伸び、後端が発光管３の両端における封止部材２を気密に貫通して外方に突出するように配置されている。また、発光管内を気密に封止するために封着材５が用いられ、封止部材２の形状に沿って発光管３との間に介在して、封止部材２と発光管３とを結合している。

このフラッシュランプ１は、一対の肉厚円盤状の支持部材１１によって支持されている。すなわち、支持部材１１の中央に形成された貫通孔１２内にフラッシュランプ１の両端部が挿入されて保持され、さらに、支持部材１１の外面１３と、支持部材１１の外面１３に接近するようにネジ１５ａによって連結された平板リング状のＯ−リング締め付け板１６ａとの間にＯ−リング１７ａが狭圧されており、これにより、発光管３が支持されると共に、支持部材１１との間における液密性が実現されている。

また、発光管１の外径より大きい内径を有する冷却管６が、その両端部において支持部材１１に支持されると共に、支持部材１１の内面１４と、支持部材１１の内面１４に近接するようにネジ１５ｂによって連結された平板リング状のＯ−リング締め付け板１６ｂとの間にＯ−リング１７ｂが狭圧されており、これにより、冷却管６が支持されると共に、支持部材１１との間における液密性が実現されている。

そして、冷却管６の外側には、その外表面に沿って、少なくとも電極４と対向する位置に、外部トリガ線９が隣接配置されている。外部トリガ線材には、例えばニッケル、タングステンあるいはそれらを含む合金を用いられる。外部トリガ線９と冷却管６は、帯状の固定部材１０を巻きまわすことによって、固定されている。外部トリガ線９とフラッシュランプ駆動回路とはパルストランスを介して接続されており、図示しないパルストランス駆動回路により外部トリガ線９に高電圧パルスを印加することでフラッシュランプ１の放電を始動する。

このようにしてフラッシュランプ１は、冷却管６の内部において、発光管１の外周面と冷却管６の内周面との間に円筒状間隙７が形成されるように配置された構成とされている。また、支持部材１１には、その外周面から貫通孔１２に通ずる孔により冷却流路部分８が形成されており、これが支持部材１１の内面側において発光管３の外周面との間に形成された間隙を介して、円筒状間隙７に連通された状態とされている。
以上の構成において、支持部材６に係る冷却流路部分８、貫通孔１２の内部において形成された間隙および、円筒状間隙７によって冷却流路が形成されている。そして、この冷却流路部分８に図示しない冷却水供給系が接続されることにより、冷却構造が構成されている。

このような冷却機構を備えたフラッシュランプ１において、フラッシュランプ１が冷却管６に対して偏芯している場合、円筒状間隙７の内部の冷却流体の流速に偏りが生じ、除熱量が不均一となり、発光管３の充分に冷却されない部分から破損する恐れがある。図１に示すようなフラッシュランプ装置では、支持部材１１のＯ−リング１７ａ、１７ｂを載置する継ぎ手部を、支持部材１１の中心軸と同一軸上において設けられるようにし、この継ぎ手部の中央に載置されているＯ−リング１７ａによりフラッシュランプ１が締付固定され、Ｏ−リング１７ｂにより冷却管６が締付固定されていることにより、フラッシュランプ１と冷却管６は互いに同軸上に配置されている。また、フラッシュランプ１および冷却管６は、それぞれＯ−リング１７ａ、１７ｂに対して軸方向に摺動可能に取り付けられているので、フラッシュランプ１と冷却管６との間に熱膨張の差が生じても、熱膨張を吸収できるようになっている。

図２に示すように、フラッシュランプ１の発光管３では、その内面が高温のプラズマにさらされる電極先端３１ａから電極先端３１ｂまでの電極間Ｘに最も高い熱負荷を生じる。電極間Ｘ以外の部分、すなわち電極先端３１ｂからランプ端部３２の区間Ｙは電極間Ｘより熱負荷が小さくなる。図１のような、発光管１の外径より大きい内径を有する冷却管６が、冷却管６の内部において、発光管１の外周面と冷却管６の内周面との間に円筒状間隙７が形成されるように配置された二重管構造の水冷による除熱量は、一般に冷却流体の流速に比例することが知られている。冷却流体の流速を大きくするには、冷却流量を大きくするか、あるいは冷却管６とフラッシュランプ１との円筒状間隙７の流路断面積を小さくすれば良い。しかしながら、冷却流量を大きくするためには、冷却流体循環ポンプの吐出流量の増大が必要であり、一方、冷却管６とフラッシュランプ１との円筒状間隙７を小さくした場合は、円筒状間隙部分での圧力損失が急激に大きくなり、冷却流体循環ポンプの吐出圧力の増大が必要である。

そこで、本発明のフラッシュランプ装置では、フラッシュランプ１の発光管３のうち最も熱負荷の高い電極間Ｘを含む部分だけ、円筒状間隙７の冷却管の軸方向に対して垂直な断面に当たる流路断面積Ａを小さくして、冷却流体の流速を上げ、その他の区間Ｙにおいて、円筒状間隙７の冷却管の軸方向に対して垂直な断面に当たる流路断面積Ｂを大きくして、圧力損失を低減している。このような構造にすることにより、冷却管の流路断面積の小さい流路断面積Ａの区間の軸方向長さをフラッシュランプ１の全長より小さくできるため、圧力損失を低減しながら、電極間Ｘの管壁部に発生する高い熱負荷を効率的に除去することができ、付帯設備を大型化することなく、高入力のフラッシュランプ装置を実現できる。また、冷却管６内の冷却流体による散乱等によってフラッシュランプ１から放射される光の配光に影響を与えないように、冷却流体の流路を小さくする流路断面積Ａの区間は電極間Ｘよりも多少長くする方が好ましい。

図３は、本発明のフラッシュランプの他の例における構成の概略を示す断面図である。
このフラッシュランプ装置は、フラッシュランプ１と、水冷機構とにより構成されている。
フラッシュランプ１は、両端が導電性の材質、例えば金属よりなる封止部材２によって封止された直管状の発光管３を備えており、この発光管３内には、一対の電極４が封止部材２の先端において保持された状態で対向配置されている。発光管３には、一般的に石英ガラスが用いられるが、３００ｎｍ以下の波長を出力するような高入力ランプとしては耐久性の強いサファイアまたは透光性セラミックを用いられる。また、発光管内を気密に封止するために封着材５が用いられ、封止部材２を発光管３につき合わせて固定している。

このフラッシュランプ１は、一対の支持部材２１によって支持されている。支持部材２１は、例えば銅、鉄、ニッケルあるいはそれらを含む合金を用いた導電性材料よりなる円柱状のものであり、その外端面には円筒状の灯具取付用螺合連結部材２３が、支持部材２１の中心軸と同一軸上において外方に突出して設けられている。この螺合連結部材２３には、冷却流体を通過させるために１または数箇所の開口が設けられており、さらに、この螺合連結部材２３の内端部において、円筒状の連結部材２２を形成し、フラッシュランプ１を固定している。フラッシュランプ１の封止部材２の外端部が発光管３の外端から突出すると共に、その一方の外端面２４ａは支持部材２１に封着材２５ａを用いて固着され、他方の外端面２４ｂは、例えば溶接ベローズよりなる、伸縮部材２５を介して支持部材２１に封着材２５ｂを用いて固着されている。また、支持部材２は導電性材料からなり、電極４と導通した構造となっているので、フラッシュランプ１への給電は、支持部材２に給電することで達成される。

発光管３の外径より大きい内径を有する冷却管６は、その両端面に対接する一対の支持部材２１に封着材２７を用いて固着されており、冷却管６が支持部材２１に支持されると共に、支持部材２１との間における液密性が実現されている。この冷却管６の外側には、その外表面に沿って、少なくとも電極４と対向する位置に、外部トリガ線９が隣接配置されている。外部トリガ線材には、例えばニッケル、タングステンあるいはそれらを含む合金が用いられる。外部トリガ線９と冷却管６は、帯状の固定部材１０を巻きまわすことによって、固定されている。外部トリガ線９とフラッシュランプ駆動回路とはパルストランスを介して接続されており、図示しないパルストランス駆動回路により外部トリガ線９に高電圧パルスを印加することでフラッシュランプ１の放電を始動する。

このようにして、フラッシュランプ１は、冷却管６と冷却管６の両端に固着された支持部材２１の内面空間において、発光管３の外周面との間に形成された間隙によって、円筒状間隙７を形成している。そして、支持部材２１の外端面の円筒状の灯具取付用螺合連結部材２３の内部は空洞となっており、冷却流路部分８として機能しており、この冷却流路部分８は円筒状間隙７に連通している。
以上の構成において、支持部材２１に係る冷却流路部分８、支持部材２１の内部において形成された間隙および、円筒状間隙７によって冷却水流路が形成されている。そして、この冷却流路部分８に図示しない冷却水供給系が接続されることにより、冷却構造が構成されている。

このような冷却機構を備えたフラッシュランプ１において、フラッシュランプ１が冷却管６および冷却管６の両端に固着された支持部材２１に対して偏芯している場合、円筒状間隙７の内部の冷却流体の流速に偏りが生じ、除熱量が不均一となり、発光管３の充分に冷却されない部分から破損する恐れがある。図３に示すようなフラッシュランプ装置では、支持部材２１の内部の内端部には円筒状の連結部材２２が、支持部材２１の中心軸と同一軸上において設けられるようにし、この連結部材２２にフラッシュランプ１の外端面２４ａを当接させて固着することによって、冷却管６および支持部材２１に対して偏芯なく設置することができる。また、もう一方のフラッシュランプ１の外端面２４ｂを伸縮部材２６を介して支持部材２１に固着されているので、フラッシュランプ１と冷却管６との間に熱膨張の差が生じても、伸縮部材２１によって熱膨張を吸収できるようになっている。

図４に示すように、フラッシュランプ１の発光管３では、その内面が高温のプラズマにさらされる電極先端３１ａから電極先端３１ｂまでの電極間Ｘに最も高い熱負荷を生じる。電極間Ｘ以外の部分、すなわち電極先端３１ａからランプ端部３２の区間Ｙは電極間Ｘより熱負荷が小さくなる。図３のような、発光管１の外径より大きい内径を有する冷却管６が、冷却管６の内部において、冷却管６の内周面との間に円筒状間隙７が形成されるように配置された二重管構造の水冷による除熱量は、一般に冷却流体の流速に比例することが知られている。冷却流体の流速を大きくするには、冷却流量を大きくするか、あるいは冷却管６とフラッシュランプ１との円筒状間隙７の流路断面積を小さくすれば良い。しかしながら、冷却流量を大きくするためには、冷却流体循環ポンプの吐出流量の増大が必要であり、一方、冷却管６とフラッシュランプ１との円筒状間隙７を小さくした場合は、円筒状間隙７部分の圧力損失が急激に大きくなり、冷却流体循環ポンプの吐出圧力の増大が必要である。

そこで、本発明のフラッシュランプ装置では、フラッシュランプ１の発光管３のうち最も熱負荷の高い電極間Ｘを含む部分だけ、円筒状間隙７の冷却管の軸方向に対して垂直な断面に当たる流路断面積Ａを小さくして、冷却流体の流速を上げ、その他の区間Ｙにおいて円筒状間隙７の冷却管の軸方向に対して垂直な断面に当たる流路断面積Ｂを大きくして、圧力損失を低減している。このような構造にすることにより、冷却管の流路断面積の小さい流路断面積Ａの区間の軸方向長さをフラッシュランプ１の全長より小さくできるため、圧力損失を低減しながら、電極間Ｘの管壁部に発生する高い熱負荷を効率的に除去することができ、付帯設備を大型化することなく、高入力のフラッシュランプ装置を実現できる。また、冷却管６内の冷却流体による散乱等によってフラッシュランプ１から放射される光の配光に影響を与えないように、冷却流体の流路を小さくする流路断面積Ａの区間は電極間Ｘよりも多少長くする方が好ましい。

次に、本発明のフラッシュランプ装置について、その効果を確認した実験について説明する。
図１に示す構成のフラッシュランプ装置であって、フラッシュランプ（１）は、外径が１３ｍｍ、長さが１００ｍｍの透光性セラミックよりなる発光管（３）と、長さが１４０ｍｍの冷却管（６）が二重管構造を成しており、発光管（３）のうち最も熱負荷の高い電極間（Ｘ）は３０ｍｍとし、キセノンガスの封入圧は８０ｋＰａとした。本発明の実施例として、電極間（Ｘ）を含む区間４０ｍｍにわたって冷却管の流路断面積（Ａ）を１２．５ｍｍ^２とすることで、冷却流体の流速を上げ、上記電極間（Ｘ）を含まない区間において冷却管の流路断面積（Ｂ）を１５１ｍｍ^２として、この区間の冷却には十分な冷却流体の流速を確保するようにした。また、比較例として、フラッシュランプ（１）の長さ１００ｍｍ全体にわたって冷却管の流路断面積を１２．５ｍｍ^２としたフラッシュランプ装置を作成した。このようなフラッシュランプ装置について、冷却流体の水温は２０℃、流量を９．４Ｌ／ｍｉｎとし、電流密度８ｋＡ／ｃｍ^２、管壁負荷（管壁内表面積当たりの入力）３５４Ｗ／ｃｍ^２としてフラッシュランプを点灯した。

フラッシュランプ装置の除熱量と圧力損失の測定結果を図５に示した。本発明のフラッシュランプ装置では入力のおよそ５０％が管壁の熱負荷となるが、最も高い熱負荷が生じる電極間において流路断面積を小さくした実施例では、図５に示すように、電極間の除熱量が９８０Ｗ／ｃｍ^２となり、十分な除熱量が得られることがわかった。除熱量は流速に比例するため、同じ流量であれば、流路断面積に反比例する。実施例のように、最も高い除熱量を必要とする部分だけ流路断面積を小さくし、必要な冷却流体の流速を確保すれば十分であることを確認した。また、フラッシュランプの全体にわたって冷却管の流路断面積を１２．５ｍｍ^２とした比較例と比べると、実施例においては、二重管部の圧力損失を４割まで低減することができることを確認した。

本発明のフラッシュランプ装置の概略断面図 本発明のフラッシュランプ装置の拡大断面図 本発明のフラッシュランプ装置の概略断面図 本発明のフラッシュランプ装置の拡大断面図 本発明のフラッシュランプ装置の実験結果 従来技術のフラッシュランプ装置の概略断面図

符号の説明

１ フラッシュランプ
２ 封止部材
３ 発光管
４ 電極
５ 封着材
６ 冷却管
７ 円筒状間隙
８ 冷却流路部分
９ 外部トリガ線
１０ 固定部材
１１ 支持部材
１２ 貫通孔
１３ 外面
１４ 内面
１５ａ、１５ｂ ネジ
１６ａ、１６ｂ 締め付け板
１７ａ、１７ｂ Ｏ−リング
２１ 支持部材
２２ 連結部材
２３ 螺合連結部材
２４ａ、２４ｂ 外端面
２５ａ、２５ｂ 封着材
２６ 伸縮部材
２７ 封着材
３１ａ、３１ｂ 電極先端
３２ ランプ端部

Claims (4)

1. 一対の電極が対向して配置された発光管を備えたフラッシュランプを有し、前記発光管の外表面を流体によって冷却する冷却機構を有するフラッシュランプ装置において、
   前記冷却機構を構成する冷却管と発光管との間隙の流路断面積は、少なくとも電極間において、その区間以外の冷却管と発光管との間隙の流路断面積よりも小さいことを特徴とするフラッシュランプ装置。
2. 前記発光管および前記冷却管は、熱膨張を吸収するように、前記フラッシュランプを支持する一対の支持部材に対してＯ―リングにより封止されていることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュランプ装置。
3. 前記フラッシュランプは、一対の支持部材によって支持され、フラッシュランプの一端が支持部材に固定され、他端が熱膨張を吸収するように伸縮部材を介して固定されていることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュランプ装置。
4. 前記発光管はサファイアまたは透光性セラミックよりなることを特徴とする請求項１に記載のフラッシュランプ装置。
   
   

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