JP4998840B2 - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Description

この発明は、ショートアーク型放電ランプに関するものであり、特に、電極本体の密閉空間に伝熱体が封入された電極を有するショートアーク型放電ランプに係わるものである。

従来、半導体基板、液晶ディスプレイ用の液晶基板、プリント基板などを露光する露光装置の紫外線照射光源として用いられるショートアーク型放電ランプにおいては、その大出力化が進んでいる。この大出力化により定格消費電力が大きくなると、ランプに流れる電流値は通常大きくなり、これにより電極は電子衝突を受ける量が大きくなって、容易に昇温して溶融してしまうという問題が生じる。
また、電極を構成する材料、例えばタングステンが蒸発して発光管の内表面に付着して黒化してしまい、ランプとしての放射能力が低下するという問題も生じている。

このような電極材料の溶融、蒸発といった問題を解決すべく、例えば、特開２００４−６２４６号公報に開示されるような電極構造をもったショートアーク型放電ランプが提案されている。
このショートアーク型放電ランプにおいては、電極本体に形成した密閉内部空間に、電極材料よりも熱伝達率が高く、ランプ点灯時に溶融する伝熱体が封入された電極を用いるものである。

この従来技術を図７、８に基づいて説明すると以下の通りである。
図７において、発光管１０内に対向配置された一対の電極１１、１２を有するショートアーク型放電ランプ１が示されており、その電極のうちの少なくとも一方の電極（この例では陽極）１２の電極本体１５は、図８に示されるように、容器部材１６と蓋部材１７とからなり、その内部には密閉空間１８が形成されている。
そして、該密閉空間１８には、電極１２を構成する材料、例えばタングステンよりも熱伝導率が高く、ランプ点灯時に溶融する材料、例えば、金、銀などからなる電熱体Ｍが封入されている。また、前記密閉空間１８には不活性ガスが充填されている。
前記伝熱体Ｍは、ランプ点灯時に溶融して、密閉空間１８内で対流し、電極本体１５の先端の熱を該電極本体１５の後端側に伝達することによって、電極本体１５の軸方向での温度勾配を減少し、その結果、先端の温度を下げることができるものであって、これにより、電極先端の溶融や蒸発を抑えることができるという効果を奏するものである。

しかしながら、このような電極構造を有するショートアーク型放電ランプを長時間点灯させていると、電極本体の先端の内壁の一部に「高温クリープ変形」という現象が生じて、電極先端が変形し、ついには先端部に穴が開き、破裂に至ることがある。
この高温クリープ変形は、内部に密閉空間を有する電極構造に特有の変形現象である。
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の熱を受けることで生じるものと推測されている。特に、放電アークが生じる部位である先端は、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、容器部材を形成する底部（電極先端側の壁）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、ついには穴を開けて破裂してしまうことになりかねない。

この現象について以下に詳述する。
図８に示されるように、電極１２の密閉空間１８内の伝熱体Ｍは、電極材料より熱伝達率が高く、融点の低い金、銀などの金属であり、ランプ点灯時には高温により溶融して液体状態となる。電極の長手方向を垂直方向に沿って配置してランプを垂直点灯した場合において、この溶融伝熱体Ｍは、容器部材１６内で主に垂直方向に、浮力と、ローレンツ力を受けて上下に対流運動Ｆを行っており、ここには上昇流Ｆｕと下降流Ｆｄが生じている。
容器部材６の内部では、この上昇流Ｆｕと下降流Ｆｄが接近する部分があり、その上下の流れが対向していることによって、この部分の圧力が高まる。流体はこの圧力を逃がすために水平方向にも分散し、対流に対して水平方向の加速度が加わることになる。
これにより、図９に示すように、上昇流Ｆｕと下降流Ｆｄは水平方向の力をうけて周方向（回転方向）に移動してしまうため、上昇流と下降流の発生する位置は、密閉容器部材１６に対して相対的に移動して時々刻々と変化する。

ここで、上昇流Ｆｕは密閉容器部材１６の底部（電極先端）１６ａから熱を受け取っているのでその温度が高く、下降流Ｆｄは蓋部１７近傍の内壁にこの熱を輸送した後に下降しているためにその温度が低くなっている。特に、底部１６ａ近傍では上昇流Ｆｕが熱を受け取った直後なので、下降流Ｆｄとの温度差が大きい。
このような対流が前記したような周方向での回動をして時間的変化が生じているところで、容器部材１６の底部１６ａ近傍の壁の温度を定点観測すると、図６（Ａ）（Ｂ）における従来例として示されるグラフのように、激しい温度変化が生じていることが確認された。

このように、容器部材１６の内表面に激しい温度変化が生じると、高温クリープ変形によってその内表面から突起が突出するような変形が生じる。
詳細には、図１０に示すように、容器部材１６の内表面が低温から高温になると圧縮熱応力が発生して、この応力を緩和するために、容器部材１６の内表面から内部に突出する方向にクリープ変形２０して応力を緩和しようとする。このとき、突出する領域２０へ移動するタングステン原子は、主に最も高温となっている底面中央部２１から供給されるので、図１０（Ａ）に示すように、底面の周辺部２０が厚肉化し、底面中央部２１は薄肉化していく。
こうして容器部材１６の底部（電極先端）１６ａの薄肉化が進行すると、図１０（Ｂ）に示すように、ついには容器部材１６の底１６ａが貫通するように穴２２が開いてしまい、溶融伝熱体Ｍが漏出するに至るという問題があった。

特開２００４−６２４６号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、電極の密閉空間に伝熱体が封入されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、ランプ点灯時に溶融した伝熱体が対流するときに、該対流が密閉空間内で周方向に回動することを抑制して、長時間点灯しても、電極先端で穴が開くことのないようにした構造を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、この発明では、伝熱体を封入した電極の密閉空間内に、点灯時に溶融した溶融伝熱体の対流が周方向に回動することを規制する規制体が設けられていることを特徴とする。
また、前記規制体が電極の長手方向に伸びるとともに、径方向に横断する板材からなることを特徴とする。

本発明によれば、電極の密閉空間内に板状規制体を設けたから、点灯時に溶融した溶融伝熱体の前記密閉空間内での対流が、周方向に回動することが規制・防止され、対流の移動による電極の同一個所での温度変化が生じることが少ないので、温度変化に基づく高温クリープ変形が発生することがなく、電極先端に穴が開いてしまうようなことがない。

本発明に係る放電ランプの電極の断面図。 他の実施例の断面図。 更に別の実施例の断面図。 図１の実施例の作用説明図。 図３の実施例の作用説明図。 本発明の効果を示すグラフ。 従来のショートアーク型放電ランプの断面図。 従来の電極構造を示す断面図。 図８で示す溶融伝熱体の対流の挙動説明図。 従来の電極の不具合の説明図。

図１はこの発明のショートアーク型放電ランプの電極構造を示し、図１（Ａ）はその縦断面図、図１（Ｂ）はその横断面図である。
図において、電極１２は、容器部材１６と蓋部材１７とからなる電極本体１５を有し、該電極本体１５内には密閉空間１８が形成されている。そして、該密閉空間１８内には、タングステンなどの電極材料よりも熱伝導率の高い伝熱体Ｍが封入されている。該伝熱体Ｍは、例えば金や銀などの金属からなり、電極材料よりも融点が低く、ランプ点灯時には密閉空間１８内で溶融する。
そして、前記電極１２の密閉空間１８内には、板状の規制体２が挿入されている。該規制体２は、密閉空間１８の略中心軸上を長手方向に伸び、かつ、径方向に横断するように設けられていて、電極１２の密閉空間１８の内径と略同一の寸法を有する。なお、規制体２は厳密な意味で電極１２の中心軸上に位置しなければならないわけではない。

ところで、前記規制体２は必ずしも電極１２の密閉空間１８の内径にほぼ等しい寸法である必要はなく、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、これより短尺であってもよい。このような場合、規制体２を密閉空間１８内で所定の姿勢や位置に保持する必要があり、図２（Ｂ）に示すように、密閉空間１８の内部形状に沿った円弧状の支持片２ａが設けられていて、該円弧状支持片２ａによって規制体２を支持している。なお、該規制体２の支持はこれに限られず、レーザ溶接などによって電極本体１５に直接固着するものであってもよい。

また、図３に異なる実施例が示されていて、規制体２は、互いに交差する一対の板材３、４からなる。この場合の板材３、４も電極１２の長手方向に伸びると共に、径方向に横断する形状とされている。なお、この実施例の場合、少なくとも一方の板材３、４の長手方向の寸法は、封入された伝熱体Ｍの高さよりも短く設定されている。

上記実施例での作用を図４、５によって説明する。
図４は、図１の実施例の作用の概略説明図で、溶融伝熱体Ｍの対流Ｆは板状の規制体２によって密閉空間１８内で周方向に移動することが抑制され、当該規制体２に沿った面内で対流する。
なお、図２の実施例に関しては、上記図４の作動説明と同様であることは容易に理解される。
また、図５は図３の実施例の作用の概略説明図で、溶融伝熱体Ｍの対流Ｆ１は規制体２を構成する２枚の板材３、４によって囲まれた空間Ａから板材３にそって上昇し、板材４を超えて空間Ｂに流入して下降流となっていく。そして、この対流Ｆ１は板材３によって周方向の移動が規制されて、板材３に沿った対流Ｆ１として維持される。
また、板材３に関して反対側の空間領域Ｃ、Ｄにおいても同様の対流Ｆ２が形成される。
なお、この実施例では、図に示すような対流方向に限られず、空間Ａから空間Ｃに流れる対流と、空間Ｂから空間Ｄに流れる対流となることもあり、そのいずれになるかはその時点での溶融伝熱体Ｍの対流の状況次第である。ただ、何れも場合においても、一旦対流が決まると、その対流が規制体２を構成する板材３、４によって維持されていき、密閉空間１８内で周方向に回動されるようなことはない。

本発明の効果を実証するために以下の実験を行った。
ランプの仕様は以下の通り。
＜発光管＞
材料：石英ガラス
内容積：５５０ｃｍ^３
電極間距離：６ｍｍ
封入物：水銀２．０ｍｇ／ｃｃ、アルゴン１００ｋＰａ
＜陽極＞
材料：タングステン
胴部（容器部材）の外径：２５ｍｍ
電極本体容積：６ｃｍ^３
肉厚：５．５ｍｍ
伝熱体：銀４．７ｃｍ^３
封入ガス：アルゴン１００ｋＰａ
＜陰極＞
材料：トリウム含有タングステン（トリタン） トリウム含有２重量％
＜定格＞
定格電流：１５０Ａ
定格電力：５ｋＷ

次いで、電極構造が従来例のランプと、本発明の構造のものとして２種類、即ち図１の電極構造のランプＡと、図３の電極構造のランプＢを作成した。
＜規制体＞
材料：タングステン
寸法：厚さ２００μｍ、高さ１５ｍｍ

これらのランプを、陽極を上方とした垂直点灯を行い、該陽極先端面から電極軸に沿って１０ｍｍ上方の箇所における電極表面温度を放射温度計で３分間測定し、その温度変動幅（最大値−最小値）を記録した。その結果が、図６に示されている。
同グラフで分かるように、本発明ランプＡでは温度変動幅が９℃、ランプＢでは６℃であって、いずれのランプも、従来ランプの温度変動幅６０℃よりも大幅に減少している。

また、これらのランプを７５０時間点灯し、その後に陽極中心軸を通る断面で切断して、その先端中央部の肉厚をマイクロスコープにより測定した。その結果が、上記温度変動幅とともに表１に示されている。
＜表１＞

表１で分かるように、初期において５．５ｍｍであった肉厚が、従来ランプでは３．０ｍｍとなり、その肉厚減少量は２．５ｍｍであったのに対して、本発明ランプＡでは肉厚減少量が１．２ｍｍ、本発明ランプＢでは１．０ｍｍとなり、大幅な改善が見られた。

以上のように、本発明によれば、電極本体の密閉空間に伝熱体を封入した電極を有するショートアーク型放電ランプにおいて、前記電極の密閉空間内に規制体を配置したので、点灯時に溶融した伝熱体の対流が電極密閉空間の周方向に回動することが防止され、常に同じ位置で対流が維持されて、電極の局所での温度変化をもたらすことが無く、高温クリープ変形が起こらず、電極先端で穴が開くような不測の事態が回避される。

１ ショートアーク型放電ランプ
２ 規制体
３、４ 板材
１０ 発光管
１１、１２ 電極
１５ 電極本体
１６ 容器部材
１７ 蓋部材
１８ 密閉空間
Ｍ 伝熱体
Ｆ 対流
Ｆｕ 上昇流
Ｆｄ 下降流

Claims (4)

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の密閉空間に伝熱体が封入されてなるショートアーク型放電ランプにおいて、
   前記密閉空間内に、溶融伝熱体の対流が周方向に回動することを規制する規制体が設けられていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記規制体は、前記密閉空間内を電極の長手方向に伸びるとともに、径方向に横断する板材からなることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電ランプ。
3. 前記板材は、前記電極の中心軸上を通るように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
4. 前記規制体は、互いに交差する２枚の板材からなることを特徴とする請求項２に記載のショートアーク型放電ランプ。
   
   
   

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