KR101336447B1 - 쇼트 아크형 방전 램프 - Google Patents

Abstract

(과제)발광관의 내부에 한 쌍의 전극을 가지며, 적어도 한쪽의 전극의 밀폐 공간에 전열체가 봉입되어 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 램프 점등시에 용융한 전열체가 대류할 때에, 전극의 국소, 특히 선단에서 온도 변동이 생겨 고온 크리프 변형이 발생하여, 전극 선단이 변형되고 구멍이 뚫려 버리는 것을 방지하는 구조를 제공하는 것이다.
(해결 수단)상기 전극에 형성한 밀폐 공간 내에서 용융 전열체가 대류할 때에, 그 대류가 상기 밀폐 공간 내에서 둘레 방향으로 회동하는 것을 규제하는 규제체가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 방전 램프{SHORT ARC TYPE DISCHARGE LAMP}

이 발명은, 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이며, 특히, 전극 본체의 밀폐 공간에 전열체가 봉입된 전극을 가지는 쇼트 아크형 방전 램프엔 관계되는 것이다

종래, 반도체 기판, 액정 디스플레이용의 액정 기판, 프린트 기판 등을 노광하는 노광 장치의 자외선 조사 광원으로서 이용되는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서는, 그 대출력화가 진행되고 있다. 이 대출력화에 의해 정격 소비 전력이 커지면, 램프에 흐르는 전류값은 통상 커지고, 이로 인해 전극은 전자 충돌을 받는 양이 커져, 용이하게 승온하여 용융해 버린다고 하는 문제가 생긴다.

또, 전극을 구성하는 재료, 예를 들면 텅스텐이 증발하여 발광관의 내표면에 부착하여 흑화되어 버리고, 램프로서의 방사 능력이 저하한다는 문제도 발생하고 있다.

이러한 전극 재료의 용융, 증발과 같은 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면, 일본국 특허공개 2004-6246호 공보에 개시되는 바와 같은 전극 구조를 가진 쇼트 아크형 방전 램프가 제안되어 있다.

이 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서는, 전극 본체에 형성한 밀폐 내부 공간에, 전극 재료보다도 열전달율이 높고, 램프 점등시에 용융하는 전열체가 봉입된 전극을 이용하는 것이다.

이 종래 기술을 도 7, 8에 기초하여 설명하면 이하와 같다.

도 7에 있어서, 발광관(10) 내에 대향 배치된 한 쌍의 전극(11, 12)을 가지는 쇼트 아크형 방전 램프(1)가 나타나 있고, 그 전극 중 적어도 한쪽의 전극(이 예에서는 양극)(12)의 전극 본체(15)는, 도 8에 나타나는 바와 같이, 용기 부재(16)와 덮개 부재(17)로 이루어지고, 그 내부에는 밀폐 공간(18)이 형성되어 있다.

그리고, 그 밀폐 공간(18)에는, 전극(12)을 구성하는 재료, 예를 들면 텅스텐보다도 열전도율이 높고, 램프 점등시에 용융하는 재료, 예를 들면, 금, 은 등으로 이루어지는 전열체(M)가 봉입되어 있다. 또, 상기 밀폐 공간(18)에는 불활성 가스가 충전되어 있다.

상기 전열체(M)는, 램프 점등시에 용융하여, 밀폐 공간(18) 내에서 대류하고, 전극 본체(15)의 선단의 열을 그 전극 본체(15)의 후단측에 전달함으로써, 전극 본체(15)의 축방향에서의 온도 구배를 감소하고, 그 결과, 선단의 온도를 내릴 수 있는 것이며, 이로 인해, 전극 선단의 용융이나 증발을 억제할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.

그러나, 이러한 전극 구조를 가지는 쇼트 아크형 방전 램프를 장시간 점등시키고 있으면, 전극 본체의 선단의 내벽의 일부에 「고온 크리프 변형」이라는 현상이 발생하여, 전극 선단이 변형되고, 결국에는 선단부에 구멍이 뚫리고, 파열에 이르는 경우가 있다.

이 고온 크리프 변형은, 내부에 밀폐 공간을 가지는 전극 구조에 특유의 변형 현상이다.

그 메커니즘은, 램프 점등 시에, 전극의 내벽이, 전열체와 불활성 가스에 의한 높은 압력을 받음과 더불어, 전극 외부로부터는 상당히 고온인 열을 받음으로써 발생하는 것으로 추측되고 있다. 특히, 방전 아크가 발생하는 부위인 선단은, 예를 들면 2000℃이라고 하는 레벨의 고온에 노출되기 때문이다. 고온 크리프 변형은, 용기 부재를 형성하는 바닥부(전극 선단측의 벽)의 일부가 내측으로부터 오목부형상으로 변형하는 것이며, 그대로 진행하면, 결국에는 구멍을 뚫고 파열해 버리게 되기 쉽다.

이 현상에 대해서 이하에 상술한다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 전극(12)의 밀폐 공간(18) 내의 전열체(M)는, 전극 재료보다 열전단율이 높고, 융점이 낮은 금, 은 등의 금속이며, 램프 점등시에는 고온에 의해 용융하여 액체 상태가 된다. 전극의 길이 방향을 수직 방향을 따라 배치하여 램프를 수직 점등한 경우에 있어서, 이 용융 전열체(M)는, 용기 부재(16) 내에서 주로 수직 방향으로, 부력과, 로렌츠 힘을 받아 상하로 대류 운동(F)을 행하고 있고, 여기에는 상승류(Fu)와 하강류(Fd)가 발생하고 있다.

용기 부재(6)의 내부에서는, 이 상승류(Fu)와 하강류(Fd)가 접근하는 부분이 있고, 그 상하의 흐름이 대향하고 있음으로써, 이 부분의 압력이 높아진다. 유체는 이 압력을 풀어주기 위해 수평 방향으로도 분산하여, 대류에 대해서 수평 방향의 가속도가 더해지게 된다.

이로 인해, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상승류(Fu)와 하강류(Fd)는 수평 방향의 힘을 받아 둘레 방향(회전 방향)으로 이동해 버리기 때문에, 상승류와 하강류가 발생하는 위치는, 밀폐 용기 부재(16)에 대해서 상대적으로 이동하여 시시각각으로 변화한다.

여기서, 상승류(Fu)는 밀폐 용기 부재(16)의 바닥부(전극 선단)(16a)로부터 열을 받고 있으므로 그 온도가 높고, 하강류(Fd)는 덮개부(17) 근방의 내벽에 이 열을 수송한 후에 하강하고 있기 때문에 그 온도가 낮아져 있다. 특히, 바닥부(16a) 근방에서는 상승류(Fu)가 열을 받은 직후이므로, 하강류(Fd)와의 온도차가 크다.

이러한 대류가 상기한 바와 같은 둘레 방향으로의 회동을 하여 시간적 변화가 생기고 있는 곳에서, 용기 부재(16)의 바닥부(16a) 근방의 벽의 온도를 정점 관측하면, 도 6의 (A)(B)에 있어서의 종래예로서 나타나는 그래프와 같이, 심한 온도 변화가 생기고 있는 것이 확인되었다.

이와 같이, 용기 부재(16)의 내표면에 심한 온도 변화가 생기면, 고온 크리프 변형에 따라서 그 내표면으로부터 돌기가 돌출하는 것과 같은 변형이 생긴다.

상세하게는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 용기 부재(16)의 내표면이 저온으로부터 고온이 되면 압축 열응력이 발생하여, 이 응력을 완화하기 위해서, 용기 부재(16)의 내표면으로부터 내부로 돌출하는 방향으로 크리프 변형(20)하여 응력을 완화하려고 한다. 이 때, 돌출하는 영역(20)으로 이동하는 텅스텐 원자는, 주로 가장 고온으로 되어 있는 바닥면 중앙부(21)로부터 공급되므로, 도 10의 (A)에 나타내는 바와 같이, 바닥면의 주변부(20)가 후육화되고, 바닥면 중앙부(21)는 박육화되어 간다.

이렇게 하여 용기 부재(16)의 바닥부(전극 선단)(16a)의 박육화가 진행하면, 도 10의 (B)에 나타내는 바와 같이, 결국에는 용기 부재(16)의 바닥(16a)이 관통하도록 구멍(22)이 뚫려 버리고, 용융 전열체(M)가 누출되기에 이른다는 문제가 있었다.

[특허 문헌 1]일본국 특허공개2004-6246호 공보

이 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 전극의 밀폐 공간에 전열체가 봉입되어 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 램프 점등시에 용융한 전열체가 대류할 때에, 그 대류가 밀폐 공간 내에서 둘레 방향으로 회동하는 것을 억제하여, 장시간 점등해도, 전극 선단에서 구멍이 뚫리지 않도록 한 구조를 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 이 발명에서는, 전열체를 봉입한 전극의 밀폐 공간 내에, 점등시에 용융한 용융 전열체의 대류가 둘레 방향으로 회동하는 것을 규제하는 규제체가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 규제체가 전극의 길이 방향으로 신장함과 더불어, 반경 방향으로 횡단하는 판재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 전극의 밀폐 공간 내에 판형상 규제체를 설치했기 때문에, 점등시에 용융한 용융 전열체의 상기 밀폐 공간 내에서의 대류가, 둘레 방향으로 회동하는 것이 규제·방지되고, 대류의 이동에 의한 전극의 동일 개소에서의 온도 변화가 생기는 일이 적기 때문에, 온도 변화에 기초하는 고온 크리프 변형이 발생하지 않고, 전극 선단에 구멍이 뚫려 버리는 일이 없다.

도 1은 본 발명에 관련되는 방전 램프의 전극의 단면도.
도 2는 다른 실시예의 단면도.
도 3은 또 다른 실시예의 단면도.
도 4는 도 1의 실시예의 작용 설명도.
도 5는 도 3의 실시예의 작용 설명도.
도 6은 본 발명의 효과를 나타내는 그래프.
도 7은 종래의 쇼트 아크형 방전 램프의 단면도.
도 8은 종래의 전극 구조를 나타내는 단면도.
도 9는 도 8에서 나타내는 용융 전열체의 대류의 거동 설명도.
도 10은 종래의 전극의 결함의 설명도.

도 1은 이 발명의 쇼트 아크형 방전 램프의 전극 구조를 나타내고, 도 1의 (A)는 그 종단면도, 도 1의 (B)는 그 횡단면도이다.

도면에 있어서, 전극(12)은, 용기 부재(16)와 덮개 부재(17)로 이루어지는 전극 본체(15)를 가지며, 그 전극 본체(15) 내에는 밀폐 공간(18)이 형성되어 있다. 그리고, 그 밀폐 공간(18) 내에는, 텅스텐 등의 전극 재료보다도 열전도율이 높은 전열체(M)가 봉입되어 있다. 그 전열체(M)는, 예를 들면 금이나 은 등의 금속으로 이루어지고, 전극 재료보다도 융점이 낮고, 램프 점등시에는 밀폐 공간(18) 내에서 용융한다.

그리고, 상기 전극(12)의 밀폐 공간(18) 내에는, 판형상의 규제체(2)가 삽입되어 있다. 그 규제체(2)는, 밀폐 공간(18)의 대략 중심축 상을 길이 방향으로 신장하고, 또한, 반경 방향으로 횡단하도록 설치되어 있어, 전극(12)의 밀폐 공간(18)의 내경과 대략 동일한 치수를 가진다. 또한, 규제체(2)는 엄밀한 의미에서 전극(12)의 중심축 상에 위치해야 하는 것은 아니다.

그런데, 상기 규제체(2)는 반드시 전극(12)의 밀폐 공간(18)의 내경과 거의 같은 치수일 필요는 없고, 도 2의 (A)(B)에 나타내는 바와 같이, 이것보다 짧아도 된다. 이러한 경우, 규제체(2)를 밀폐 공간(18) 내에서 소정의 자세나 위치로 유지할 필요가 있고, 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 밀폐 공간(18)의 내부 형상을 따른 원호상의 지지편(2a)이 설치되어 있어, 상기 원호상 지지편(2a)에 의해 규제체(2)를 지지하고 있다. 또한, 그 규제체(2)의 지지는 이것에 한정되지 않고, 레이저 용접 등에 의해 전극 본체(15)에 직접 고착하는 것이어도 된다.

또, 도 3에 다른 실시예가 나타나 있고, 규제체(2)는, 서로 교차하는 한 쌍의 판재(3, 4)로 이루어진다. 이 경우의 판재(3, 4)도 전극(12)의 길이 방향으로 신장함과 더불어, 반경 방향으로 횡단하는 형상으로 되어 있다. 또한, 이 실시예의 경우, 적어도 한쪽의 판재(3, 4)의 길이 방향의 치수는, 봉입된 전열체(M)의 높이보다도 짧게 설정되어 있다.

상기 실시예에서의 작용을 도 4, 5에 의해 설명한다.

도 4는, 도 1의 실시예의 작용의 개략 설명도이며, 용융 전열체(M)의 대류(F)는 판형상의 규제체(2)에 의해 밀폐 공간(18) 내에서 둘레 방향으로 이동하는 것이 억제되고, 해당 규제체(2)를 따른 면내에서 대류한다.

또한, 도 2의 실시예에 관해서는, 상기 도 4의 작동 설명과 같은 것은 용이하게 이해된다.

또, 도 5는 도 3의 실시예의 작용의 개략 설명도이며, 용융 전열체(M)의 대류(F1)는 규제체(2)를 구성하는 2장의 판재(3, 4)에 의해 둘러싸인 공간 A로부터 판재(3)를 따라 상승하고, 판재(4)를 넘어 공간 B로 유입하여 하강류로 되어 간다. 그리고, 이 대류(F1)는 판재(3)에 의해 둘레 방향의 이동이 규제되어, 판재(3)에 따른 대류(F1)로서 유지된다.

또, 판재(3)에 관해서 반대측의 공간 영역 C, D에 있어서도 같은 대류(F2)가 형성된다.

또한, 이 실시예에서는, 도면에 나타내는 바와 같은 대류 방향으로 한정되지 않고, 공간 A로부터 공간 C로 흐르는 대류와, 공간 B로부터 공간 D로 흐르는 대류로 될 수도 있고, 그 중 어느 것으로 되는지는 그 시점에서의 용융 전열체(M)의 대류의 상황에 따른다. 다만, 어느 경우에 있어서도, 일단 대류가 정해지면, 그 대류가 규제체(2)를 구성하는 판재(3, 4)에 의해 유지되어 가고, 밀폐 공간(18) 내에서 둘레 방향으로 회동되는 일은 없다.

본 발명의 효과를 실증하기 위해서 이하의 실험을 행했다.

램프의 사양은 이하와 같다.

〈발광관〉

재료：석영 유리

내용적：550㎤

전극간 거리：6㎜

봉입물：수은 2.0㎎/cc, 아르곤 100㎪

〈양극〉

재료：텅스텐

동부(용기 부재)의 외경：25㎜

전극 본체 용적：6㎤

두께:5.5㎜

전열체：은 4.7㎤

봉입 가스：아르곤 100㎪

〈음극〉

재료：토륨 함유 텅스텐(토리탄) 토륨 함유 2중량%

〈정격〉

정격 전류：150A

정격 전력：5㎾

다음에, 전극 구조가 종래예의 램프와, 본 발명의 구조의 것으로서 2종류, 즉 도 1의 전극 구조의 램프 A와, 도 3의 전극 구조의 램프 B를 작성했다.

〈규제체〉

재료：텅스텐

치수：두께 200㎛, 높이 15㎜

이들 램프를, 양극을 상방으로 한 수직 점등을 행하고, 그 양극 선단면으로부터 전극축을 따라 10㎜ 상방의 개소에 있어서의 전극 표면 온도를 방사 온도계로 3분간 측정하고, 그 온도 변동 폭(최대값-최소값)을 기록했다. 그 결과가, 도 6에 나타나 있다.

이 그래프에서 알 수 있듯이, 본 발명 램프 A에서는 온도 변동폭이 9℃, 램프 B에서는 6℃이며, 어느 램프나, 종래 램프의 온도 변동폭 60℃보다도 큰 폭으로 감소하고 있다.

또, 이들 램프를 750 시간 점등하고, 그 후에 양극 중심축을 통과하는 단면으로 절단하여, 그 선단 중앙부의 두께를 현미경으로 측정했다. 그 결과가, 상기 온도 변동폭과 함께 표 1에 나타나 있다.

표 1에서 알 수 있듯이, 초기에 있어서 5.5㎜였던 두께가, 종래 램프에서는 3.0㎜가 되고, 그 두께 감소량은 2.5㎜인 것에 대해서, 본 발명 램프 A에서는 두께 감소량이 1.2㎜, 본 발명 램프 B에서는 1.0㎜가 되고, 대폭적인 개선이 보여졌다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 전극 본체의 밀폐 공간에 전열체를 봉입한 전극을 가지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 상기 전극의 밀폐 공간 내에 규제체를 배치했기 때문에, 점등시에 용융한 전열체의 대류가 전극 밀폐 공간의 둘레 방향으로 회동하는 것이 방지되고, 항상 같은 위치에서 대류가 유지되어, 전극의 국소에서의 온도 변화를 가져오는 일이 없고, 고온 크리프 변형이 일어나지 않고, 전극 선단에서 구멍이 뚫리는 불측의 사태가 회피된다.

1:쇼트 아크형 방전 램프 2:규제체
3, 4:판재 10:발광관
11, 12:전극 15:전극 본체
16:용기 부재 17:덮개 부재
18:밀폐 공간 M:전열체
F:대류 Fu:상승류
Fd:하강류

Claims (4)

1. 발광관의 내부에 한 쌍의 전극을 가지며, 적어도 한쪽의 전극의 밀폐 공간에 전열체가 봉입되어 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서,
   상기 밀폐 공간 내에, 용융 전열체의 대류가 둘레 방향으로 회동하는 것을 규제하는 규제체가 설치되고,
   상기 규제체는, 상기 밀폐 공간 내를 전극의 길이 방향으로 신장함과 더불어, 직경 방향으로 횡단하는 판재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 판재는, 상기 전극의 중심축 상을 통과하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 규제체는, 서로 교차하는 2장의 판재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.

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