JP2009135054A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 内部に伝熱体が封入された密閉構造の電極を有する放電ランプにおいて、高温クリープ変形を発生させない構造を提供する。
【解決手段】
少なくとも一方の電極２は、有底の容器部材２２と蓋部材２１からなる電極本体２０の内部に伝熱体Ｍが封入された構成を有する。そして、容器部材２２は、底部の内壁面に突起部Ｐが形成される。
【選択図】 図２

Description

この発明は高圧放電ランプに関する。特に、投影装置、光化学装置、半導体デバイスの製造装置の光源として使用するショートアーク型高圧放電ランプに関する。

近年、種々の分野において高圧放電ランプの大出力化が進んでいる。放電ランプの大出力化により定格消費電力が大きくなると、放電ランプに流れる電流値は通常大きくなる。このため電極は電子衝突を受ける量が大きくなり、容易に昇温して溶融してしまう問題が生じる。また、電極を構成する物質が蒸発して発光管の内表面に付着することで、放射能力が低下するという問題も生じる。

このような背景のもと、例えば、特開２００４−６２４６に開示されるような放電ランプが提案されている。この放電ランプは、電極の構造に特徴を有し、少なくとも一方の電極が密閉空間を形成する容器状の電極本体をなし、その内部に点灯時に溶融状態となる金属を伝熱体として封入している。

図７は、上記特開２００４−６２４６に記載される放電ランプの電極構造を概念的に示すものである。電極は、内部に密閉空間が形成された容器状の電極本体と、この電極本体に封入された伝熱体より構成される。伝熱体は容器を構成する金属よりも熱伝導率が高く、また、融点が低い金属から構成される。このため、ランプ点灯中、伝熱体は溶融状態となる。また、電極本体には伝熱体以外に不活性ガスも封入される。

しかしながら、このような電極構造を有する放電ランプを長時間点灯させていると、電極本体の内壁の一部に「高温クリープ変形」という現象が生じる。この「高温クリープ変形」は、内部に密閉空間を有するような電極構造において初めて発生する変形現象である。そのメカニズムは、ランプ点灯時に、電極の内壁が、伝熱体と不活性ガスによる高い圧力を受けるとともに、電極外部からは極めて高温を受けることで生じるものと推測される。特に、放電アークが生じる部位は、例えば２０００℃というレベルの高温に曝されるからである。「高温クリープ変形」は、図示するように、密閉容器を形成する底部（対向する電極側の壁）の一部が内側から凹部状に変形するものであり、そのまま進行すると、穴を開けてしまうことになりかねない。

特開２００４-６２４６

この発明が解決しようとする課題は、内部に伝熱体が封入された密閉構造の電極を有する放電ランプにおいて、高温クリープ変形を発生させない構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係る高圧放電ランプは、発光管の内部に一対の電極を有し、少なくとも一方の電極は、有底の容器部材と蓋部材からなる電極本体の内部に伝熱体が封入された構成を有する。そして、前記容器部材は、底部の内壁面であって、前記一対の電極が伸びる方向に形成される仮想中心軸上に頂点を有する突起部が形成されたことを特徴とする。

また、前記容器部材の底部であって、突起部が形成された部分の壁厚をＴｃとし、突起部が存在しない部分の壁厚をＴｍとするとき、Ｔｍ／Ｔｃ＞０．５の関係を満たすことを特徴とする。

また、前記突起部の表面は、球の一部からなることを特徴とする。

上記構成を有することで、高出力化する放電ランプにあって、電極の温度上昇に良好に対処しつつ、高温クリープ変形の発生も防止することができる。

図１は本願発明に係る放電ランプの全体構造を示す概略図である。放電ランプ１０の発光管は石英ガラスからなり、略球状の発光部１１の両端に封止部１２が一体に連設されている。発光部１１には陽極２および陰極３が対向配置しており、それぞれ封止部１２で保持される。封止部１２の内部では図示略の金属箔を介して外部リード棒１３が接続され、不図示の給電装置に接続される。発光部１１には、水銀、キセノン、アルゴンなどの発光物質や始動用ガスが所定量封入されている。放電ランプは、給電装置から電力が供給されると、陽極２と陰極３でアーク放電することにより発光する。なお、この放電ランプは、陽極２を上、陰極３を下にして、発光部１１の管軸、すなわち陽極２と陰極３が伸びる方向に形成される仮想中心軸Ｚは、大地に対して略垂直方向となる、いわゆる垂直点灯型の放電ランプである。

図２は陽極２の断面構造を示す。陽極２は、電極本体２０と当該電極本体２０の内部に封入された伝熱体Ｍを有する。電極本体２０は、高融点金属、もしくは、高融点金属を主成分とする合金からなり、内部に密閉空間Ｓ（以後、「内部空間」ともいう）が形成される密閉容器である。伝熱体Ｍは、電極本体２０の内部に気密に封入された金属であり、電極本体２０を構成する金属より融点の低い金属であり、また、電極本体２０を構成する金属よりも熱伝導率が高い金属から構成される。

電極本体２０は蓋部材２１と容器部材２２により全体が構成される。蓋部材２１は容器部材２２の内部に挿入される円柱部２１１と電極本体２０の上面を構成する円錐台部２１２より構成される。円錐台部２１２には電極軸２３が取り付けられる挿入穴２１２０が形成される。容器部材２２は、内部に空間が形成された有底筒状体であり、電極本体２０の主体をなしている。容器部材２２の開口縁部には、蓋部材２１の縁部が密接しており、その間に、接着剤を介在して両者は固定される。容器部材２２の先端部分２２０（底部）は陰極先端と対向する部位であり、ランプ点灯中においてはアーク放電に曝される。先端部分２２０の内部空間側表面には、後述する突起部Ｐが形成される。突起部Ｐは、陽極２と陰極３が伸びる方向に形成される仮想中心軸Ｚに沿って形成される。

電極本体２０を構成する金属は、タングステン、レニウム、タンタルなど融点が３０００（Ｋ）以上の高融点金属が採用される。特に、タングステンは内部の伝熱体Ｍと反応しにくい点で好ましく、さらに、純度９９．９％以上のいわゆる純タングステンを使うことはより好ましい。また、高融点金属を主成分とする合金としては、例えば、タングステンを主成分とするタングステンーレニウム合金を採用できる。高温時の繰返し応力に対する耐性が高いものとなり、電極の長寿命化を図れるからである。

伝熱体Ｍは、電極本体２０を構成する金属よりも融点の低い金属により構成される。具体的には、電極本体２０の構成材料としてタングステンを用いた場合、伝熱体Ｍとして、金、銀、銅、あるいはこれらを主成分とする合金が採用できる。このうち、銀、銅は好ましい材料であり、とりわけ銀は最も適している金属である。これは、銀や銅は、タングステンと合金を作らないので、安定的に熱輸送体として働くからである。

また、別の具体例として、電極本体２０を構成する金属としてレニウムを用いた場合、伝熱体Ｍとしてタングステンを用いることができる。
電極本体２０を構成する金属としてレニウムを採用する場合の利点は、ハロゲンを封入した水銀ランプやメタルハライドランプの場合に、電極の腐食を防止できることであり、これにより、放電ランプの長寿命化を図ることができる。

電極本体２０は内部に密閉空間Ｓを有する概略容器形状の構造をしているため、伝熱体Ｍが、高温化されて溶融し、その一部が蒸気化したとしても、ランプの発光空間に漏出することはない。
この点で、本発明に係る放電ランプは、いわゆる、水冷型放電ランプのように外部から冷却媒体を供給、排出する機構が必要でなく、極めて簡易な構造で優れた冷却機能を発揮できる。また、一度、放電ランプを製造すれば、当該放電ランプの寿命に到達するまで、伝熱体を補給する必要はない。
つまり、従来から提案されていた大出力型放電ランプは、放電ランプ以外の外部冷却機構に依存するものであったのに対し、本発明に係る放電ランプは、ランプそのものが極めて簡易な構造で冷却機能を有している点で大きな違いがある。

本発明は、電極壁の中で最も高温となる部位、すなわち、「高温クリープ変形」が生じ易い部位に突起部Ｐを形成させている。ここで、「高温クリープ変形」の防止という観点から考えれば電極壁を全体として厚く（肉厚）することも可能である。しかし、電極壁を全体として肉厚にすると、伝熱体Ｍによる熱伝導の効果が薄れてしまい、結果的に、電極先端の温度上昇を良好に除熱することができない。すなわち、突起部Ｐは、伝熱体Ｍによる熱伝導効果を利用しつつ、「高温クリープ変形」を防止するための構成となる。

図３は先端部２２０の拡大構造を示し、高温クリープ変形が発生する現象と、突起部を設けることで解消できることのメカニズムを説明する。
ポイントＴ０は最も高温な位置（部位）を示し、ポイントＴ０で発生した熱は、ほぼ同心円上にＴ１、Ｔ２、Ｔ３、・・Ｔ８と伝わっていく。図において、点線で形成される半円は、同一温度ラインを示すものである。
そして、図７で示した従来例のように、突起部が形成されていない場合は、先端部の内壁面がラインＬのように形成されているので、ポイントＴｘが、ラインＬの範囲において局所的に高温な領域となり、ポイントＴｘから高温クリープ変形が発生していた。
一方、本願発明のように突起部Ｐを設けることで、先端部２２０の内壁面（底部）がポイントＴ０を中心とする同心円形状に近似することとなり、突起部Ｐの表面全域が近似する温度となり、結果的に、局所的に高温となる部位が形成されなくなる。
もっとも、必ずしも電極の中心位置（電極軸Ｚに垂直な方向の中心位置）が最も高温な位置、本例で言えばポイントＴ０になるとは限らないが、通常は、陰極の先端に対向する位置、すなわち、中心軸Ｚに近い位置に最も高温な領域が形成される。従って、中心軸Ｚ上に突起部を形成させることで、必ずしも完全に温度を均一化できないまでも、突起がない場合に比べて、高温クリープ変形の発生を防止できる。

また、突起部の形状によっては、突起部表面の温度を完全に均一にすることはできない場合も存在するが、少なくとも中心軸上に突起部を形成させることで、突起がない場合に比べて、高温クリープ変形の発生を防止できる。

図４は本発明に係る放電ランプの電極の他の実施形態を示す。
（ａ）は突起部Ｐが円錐形という実施形態を示し、（ｂ）は電極本体の内部空間が先端部に向うにつれて漸次小さくなるという実施形態を示し、（ｃ）は突起部Ｐが円柱形という実施形態を示し、（ｄ）は先端部の外側表面に凹部が形成された実施形態を示す。

図５は先端部２２０の拡大構造を示す。本願発明は突起部Ｐが形成された部分の壁厚をＴｃ、突起部Ｐが存在しない部分の壁厚をＴｍとしたとき、Ｔｍ／Ｔｃ＞０．５の関係を満たすことを特徴とする。根拠は後述する実験により導かれる。

本発明に係る放電ランプについて一例を示す。
放電ランプは、発光管が石英ガラスからなり、発光空間の内容積は５５０ｃｍ^３、電極間距離は６ｍｍであり、発光空間には、アルゴンが１００ｋＰａ、水銀が２．０ｍｇ／ｃｃ封入される。
陽極は、電極本体はタングステンから構成され、胴部（容器部材）の外径２５ｍｍで電極本体の内容積６ｃｍ^３である。電極本体には、伝熱体として銀が４．７ｃｍ^３とアルゴンが１００ｋＰａ封入される。また、電極軸はタングステンからなり外径は６ｍｍである。
陰極は、通常の電極であり、トリタン（トリウム含有タングステン）からなり、トリウムは２重量％含有される。電極軸はタングステンからなり外径６ｍｍである。
放電ランプは定格電流１５０Ａ、定格電力５０００Ｗで点灯される。

次に、本発明に関する実験を説明する。本発明のランプとして、ランプ１〜８を用意し、比較用のランプとしてランプ９〜１１を用意した。全てのランプは基本的に上記段落００００で記載の構成を有しているが、ランプ１〜６は図４（ａ）に示す円錐形状の突起部を有するものであり、ランプ７〜８は図２に示す球面形状の突起を有するものである。ランプ８〜１１は突起を有さない電極である点がそれぞれ相違する。

実験は、各ランプについて、陽極を上方に配置した垂直点灯を行い。５００時間経過時のｉ線（波長３６５ｎｍの光）の放射照度と、その後、点灯を継続させて陽極が破断するまでの時間を測定した。照度は配光角度−３０°〜３０°の範囲の積算値を求めて、点灯初期の照度を１００％としたときの照度維持率として表現した。また、ランプの破断は、先端部に高温クリープ変形が生じて内部に封入された伝熱体が漏出し始めた時間を測定した。

図６は実験結果を示す。ｉ線照度維持率が近似するものを同一グループとしてまとめている。電極容器底部の形状が異なる場合、伝熱体の熱伝導効果に影響を及ぼし、電極先端外表面の温度が変化する。仮に電極先端が高温化すると電極構成材料の蒸発速度が上昇し、蒸発物質がバルブに付着して照度低下を起こす。そこで本実験では、ｉ線照度維持率が近似するものを同一グループとすることで、伝熱体による徐熱効果が等しいもの同士で破断時間の比較をおこなった。

ランプ１〜３とランプ９から構成されるグループは、いずれも照度維持率が８９％以上である。ランプ１はｔｍ／ｔｃが０．６であり破断時間９９７時間、ランプ２はｔｍ／ｔｃが０．５であり破断時間７６８時間、ランプ３はｔｍ／ｔｃが０．３８であり破断時間６０９時間、突起が形成されていないランプ９は破断時間６６５時間である。この結果、ｔｍ／ｔｃが０．５以上の場合には、比較例であるランプ９よりも破断時間が長くなっていることが示される。
同様に、ランプ４〜６とランプ１０から構成されるグループは、いずれも照度維持率が８５％近傍である。そして、ランプ４はｔｍ／ｔｃが０．６７であり破断時間１４６８時間、ランプ５はｔｍ／ｔｃが０．５であり破断時間１２７０時間、ランプ３はｔｍ／ｔｃが０．４であり破断時間１０８１時間、突起が形成されていないランプ１０は破断時間１１４２時間である。この結果、ｔｍ／ｔｃが０．５以上の場合には比較例であるランプ１０よりも破断時間が長くなっていることが示される。
同様に、ランプ７〜８とランプ１１から構成されるグループは、いずれも照度維持率が８４％近傍である。そして、ランプ７はｔｍ／ｔｃが０．６７であり破断時間１８８７時間、ランプ８はｔｍ／ｔｃが０．５であり破断時間１３５７時間、突起が形成されていないランプ１１は破断時間１２７２時間である。この結果、ｔｍ／ｔｃが０．５以上の場合には比較例であるランプ１１よりも破断時間が長くなっていることが示される。

以上の実験より、先端部２２０の突起部Ｐが形成された部分の壁厚をＴｃ、突起部Ｐが存在しない部分の壁厚をＴｍとするとき、Ｔｍ／Ｔｃ＞０．５の関係を満たす場合に、破断時間が長いことが示される。

次に、本発明に係る放電ランプの電極本体の製造方法を説明する。所望の形状に加工された円柱状部材に対して、旋盤などによる切削加工や放電加工をおこない、有底穴を形成するとともに底面の突起形状を作製する。デジタルノギスや３次元測定器を用いて先端部の壁厚を測定することで、所望の高さの突起が形成されていることを確認することができる。

本発明に係る高圧放電ランプの全体図を示す。 本発明に係る高圧放電ランプの陽極の拡大図を示す。 本発明に係る高圧放電ランプの陽極の部分拡大図を示す。 本発明に係る高圧放電ランプの陽極の他の実施形態を示す。 本発明に係る高圧放電ランプの陽極の部分拡大図を示す。 本発明の作用効果を示す実験の結果を示す。 従来の高圧放電ランプの陽極の拡大図を示す。

符号の説明

２ 陽極
３ 陰極
１０ 高圧放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 外部リード
２０ 電極本体
２１ 蓋部材
２１１ 円柱部
２１２ 円錐台部
２２ 容器部材
２２０ 先端部
２３ 電極軸
Ｍ 伝熱体

Claims (3)

1. 発光管の内部に一対の電極を有し、少なくとも一方の電極が有底の容器部材と蓋部材からなる電極本体の内部に伝熱体が封入された構成を有する高圧放電ランプにおいて、
   前記容器部材は、底部の内壁面であって、前記一対の電極が伸びる方向に形成される仮想中心軸上に突起部が形成されたことを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記容器部材の底部は、前記突起部が形成された部分の壁厚をＴｃとし、突起部が存在しない部分の壁厚をＴｍとするとき、Ｔｍ／Ｔｃ＞０．５の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記突起部の表面は、球の一部からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高圧放電ランプ。

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