JP7765307B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、ショートアーク型放電ランプなどの放電ランプに関し、特に、電極の放熱に関する。

放電ランプは、点灯中に電極先端部が高温となり、タングステンなどの電極材料が溶融、蒸発し、放電管が黒化して、ランプ照度低下を招く。電極先端部を含めた電極の過熱を防ぐため、金属などの伝熱体を電極内部に封入する構造が知られている（特許文献１参照）。そこでは、銀などの熱伝導率が高く、比較的融点の低い金属から成る伝熱体が、陽極内に密封されている。ランプ点灯による電極温度上昇に伴って伝熱体が溶融し、液化する。これにより、密閉空間内で熱対流が生じ、電極先端部の熱が反対側の電極支持棒側へ輸送される。

また、熱対流を促進するため、電極軸に沿って流路を形成する板状部材（整流体）を密閉空間内に配置する構成（特許文献２参照）、あるいは、伝熱体の熱対流による密閉空間内の温度差に起因する高温クリープ変形が生じるのを防ぐため、溶融した伝熱体が周方向に沿って流動するのを規制する板状部材（規制体）を密閉空間内に配置する構成が知られている（特許文献３参照）。

特開２００４－００６２４６号公報 特許第６２５９４５０号公報 特開２０１２－０２８１６８号公報

ランプ点灯時、溶融した伝熱体の流れによって整流体などに力が作用し、場合によっては傾斜する。整流体などが傾斜すると、密閉空間の底面側と天井面側との間に温度差があるため、整流体などの熱膨張量が、電極軸方向に沿って相違する。そのため、反り等の変形が生じ、整流体などにクラックの発生、破損が生じる恐れがある。

したがって、電極において、伝熱体を封入する密閉空間に配置される整流体などに対し、クラック発生などを抑制することが求められる。

本発明の一態様である放電ランプは、放電管と、放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、少なくとも一方の電極において、ランプ点灯時に溶融する伝熱体が封入される密閉空間が形成されるとともに、板状の整流体が、密閉空間内に配置されている。

ここでの「整流体」は、密閉空間内における伝熱体の流れに関し、流路の形成や流れる方向のガイド、流れの促進など、流れに関する調整を行うことが可能な部材として構成される。整流体は、複数の部材によって構成され、例えば、複数の板状部材を積層させた構成にすることができる。また、「板状」とは、全体的に外観形状が板状の整流体として構成することが可能であり、Ｔ字、十字状など、板状部材を複数組み合わせた外観形状をもつ整流体として構成することも可能である。複数の板状部材は、互いに固相接合させて構成することができる。

本発明では、整流体において、一方の側面を構成する板状部材（ここでは、第１の板状部材という）が、他方の側面を構成する板状部材（ここでは、第２の板状部材という）と比べて厚みがある。ここで、「一方の側面」は、ランプ点灯時に整流体が密閉空間内で傾斜した場合、電極先端側の方を向く側面を表し、「他方の側面」は、その反対側の側面、あるいは、電極先端側とは反対側を向く側面を表す。第１の板状部材、第２の板状部材は、そのような側面をそれぞれ構成する。

また、本発明の他の一態様である放電ランプでは、整流体において、一方の側面を構成する第１の板状部材が、他方の側面を構成する第２の板状部材と比べて熱膨張係数が小さくなるように構成される。

本発明の他の態様である放電ランプでは、板状の整流体が、１つの部材あるいは複数の部材によって構成される。例えば、切削などにより、Ｔ字、十字状などの外観形状をもつ一体的な部材も、板状の整流体として含まれる。そして、ランプ点灯時、整流体が密閉空間内で傾斜した状態において、一方の側面に沿った熱膨張量と他方の側面に沿った熱膨張量との差が抑制される構成になっている。

本発明によれば、電極において、伝熱体を封入する密閉空間に配置される整流体などに対し、クラック発生などを抑制することができる。

本実施形態である放電ランプの平面図である。 陽極の概略的断面図である。 図２のラインＩＩＩ－ＩＩＩに沿った概略的断面図である。 整流体の長手方向に沿った断面図である。 整流体が傾斜した状態を示した図である。 第２の実施形態である放電ランプの整流体の概略的断面図である。

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製の略球状放電管（発光管）１２を備え、放電管１２内には、タングステン製の一対の電極２０、３０が対向（同軸）配置される。放電管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と連設し、一体的に形成されている。放電管１２内の放電空間ＤＳには、水銀とハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

陰極である電極２０は、電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス管（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても同様に、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス管（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。また、封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０の間でアーク放電が発生し、放電管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。放電管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。

図２は、電極（陽極）３０の概略的断面図である。図３は、図２のラインＩＩＩ－ＩＩＩに沿った概略的断面図である。

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、ここでは、密閉蓋６０を除く胴体部３４および先端部３２は、タングステンなどの同一金属材料から成形されている。ただし、別素材で成形してもよい。また、密閉蓋６０もタングステンなどの同一金属材料で成形してもよい。

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。そして、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。図２では、溶融した伝熱体Ｍが対流している状態を示している。ここでは、伝熱体Ｍが溶融した状態（ランプ点灯時）において整流体４０全体が浸かるように、伝熱体Ｍが封入されている。

密閉空間５０には、整流体４０が配置されている。整流体４０は、ここでは高融点金属（例えばタングステン、モリブデン、タンタルなど）、あるいはカリウム添加物を加えた合金から成り、伝熱体Ｍの対流を促進する機能（構造）を有する板状部材として構成されている。

具体的には、整流体４０は、密閉空間５０の上下方向、左右方向および周方向（周全体）に関して対流を規制するようなサイズ、形状になっていない。整流体４０の上端４０Ｔと密閉空間５０の天井面５０Ｔとの距離間隔Ｄ１、下端４０Ｄと底面５０Ｂとの距離間隔Ｄ２、密閉空間５０の電極軸垂直方向に沿った密閉空間側面５０Ｓとの距離間隔Ｄ３は、整流体４０の側面４０Ｓ１、４０Ｓ２に沿った伝熱体Ｍの流れ、整流体４０の上端４０Ｔ、下端４０Ｄを乗り越えた伝熱体Ｍの流れを生じさせるように、その距離間隔が確保される。なお、整流体４０は密閉空間５０に載置してもよく、この場合、距離間隔Ｄ２は実質的に無くなる。

また、整流体４０は、その中心軸が電極軸Ｅ付近に沿うように配置される。ただし、伝熱体Ｍが溶融している状態（ランプ点灯状態）では、整流体４０の位置は固定されない。その関係上、図２では、整流体４０を便宜上ハッチングによって図示していない。

図４は、整流体４０の長手方向に沿った断面図である。図５は、整流体４０が傾斜した状態を示した図である。図４、５を用いて、本実施形態における整流体４０の構成について説明する。ただし、図５では、整流体４０の傾きを誇張して描いている。

矩形状の整流体４０は、ここでは２つの板状部材４０Ａ、４０Ｂ（以下、第１の板状部材、第２の板状部材という）を重ねて接合（溶接、固相接合など）させた構造になっている。第１、第２の板状部材４０Ａ、４０Ｂは、そのサイズ（面積）は等しくなるように構成されており、例えば、長手方向長さＬは３０ｍｍ程、全体の厚さＴは１ｍｍ程度で構成することが可能である。また、第１、第２の板状部材４０Ａ、４０Ｂは、同一の素材（ここではタングステン）によって構成される。

一方、第１、第２の板状部材４０Ａ、４０Ｂの厚さＴ１、Ｔ２は相違し、第１の板状部材４０Ａの方が、第２の板状部材４０Ｂよりも厚みがある（Ｔ１＞Ｔ２）。ここでは、第１の板状部材４０Ａの厚さＴ１は、第２の板状部材の厚さＴ２の１．１～２．０の範囲内に定められている。

このように、厚みの異なる第１、第２の板状部材４０Ａ、４０Ｂを積層化させた構造をもつ整流体４０によって、以下説明するように、ランプ点灯時に傾斜した場合において整流体４０のクラック発生を抑制することができる。

ランプ点灯中、整流体４０が、第１の板状部材４０Ａの側面４０Ｓ１を相対的に高温となる電極先端側に向けて傾斜した場合、第１の板状部材４０Ａは、密閉空間５０の底面５０Ｂ側に近いため、密閉空間５０の天井面５０Ｔに近い第２の板状部材４０Ｂと比べ、受ける熱量が多い。整流体４０全体が温度上昇するとみなせば、第１の板状部材４０Ａと第２の板状部材４０Ｂとの間で温度差が生じる。

しかしながら、整流体４０の第１の板状部材４０Ａと第２の板状部材４０Ｂとの間の熱容量は、厚みＴ１とＴ２の違いによって相違する。そのため、第１の板状部材４０Ａが熱膨張によってその側面４０Ｓ１（長手方向）に沿って延びる量（以下、熱膨張量）が、第２の板状部材４０Ｂの側面４０Ｓ２に沿って延びる熱膨張量と略等しくなる。あるいは、熱膨張量の差が抑制される。これは、第１の板状部材４０Ａと第２の板状部材４０Ｂとの接合の仕方に関係なく認められる。

したがって、整流体４０が傾いたときに電極先端側側面に沿った熱膨張量と電極支持棒側側面に沿った熱膨張量の差に起因して整流体４０が反るように変形してクラックが発生するのを抑制することができる。その結果、整流体４０がランプ寿命末期までその機能を発揮し、ランプ温度を抑制することができる。

なお、整流体４０が傾く場合、相対的に重い第１の板状部材４０Ａが電極先端側へ傾斜するが、確実に傾斜するように、整流体４０の第２の板状部材４０Ｂの厚みＴ２を、密閉空間５０の天井面側で薄くするように構成してもよい。

次に、図６を用いて、第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、熱膨張係数の異なる素材を積層させた整流体が構成される。

図６は、第２の実施形態である放電ランプの整流体の概略的断面図である。整流体２４０は、第１の板状部材２４０Ａ、第２の板状部材２４０Ｂを重ねて接合させた構造になっている。第１の板状部材２４０Ａ、第２の板状部材２４０Ｂの厚さＴ１、Ｔ２は等しく、側面に沿った長さＬも等しい。

一方、第１の板状部材２４０Ａは、第２の板状部材２４０Ｂとは異なる素材から成り、第２の板状部材２４０Ｂよりも熱膨張係数の小さい素材によって構成されている。例えば、第１の板状部材２４０Ａはタングステン、第２の板状部材２４０Ｂはモリブデンで構成される。あるいは、第１の板状部材２４０Ａをタンタル、第２の板状部材２４０Ｂをチタンによって構成してもよい。整流体２４０が傾く場合、第１の板状部材２４０Ａが電極先端側へ傾斜する。

このように熱膨張係数の異なる第１の板状部材２４０Ａ、第２の板状部材２４０Ｂによって整流体２４０を構成することにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、仮に整流体２４０が傾く場合でも、第１の板状部材２４０Ａが電極先端側へ傾斜するように、整流体２４０の配置や構成素材の重さを調整してもよい。

第１、第２の実施形態では、２つの板状部材によって整流体を構成しているが、３つあるいは４つ以上の板状部材を重ねて整流体を構成してもよい。例えば、第１の実施形態の場合、互いに異なる厚みをもつ板状部材を積層させた構成にしてもよく、あるいは、幾つかの板状部材について同じ厚さに定め、段階的に厚みが薄くなるようにしてもよい。

また、第２の実施形態の場合、段階的に熱膨張係数が大きくなるように板状部材を積層させてもよく、あるいは、同じ熱膨張係数の板状部材をいくつか重ね、段階的に熱膨張係数が大きくなるようにしてもよい。ランプ点灯中に傾斜した状態になっている整流体に関し、相対する側面（表面）の一方の側面におけるその側面に沿った熱膨張量が、他方の側面における側面に沿った熱膨張量と略等しくなる、あるいは熱膨張量の差が抑制されるように構成すればよい。

以上、伝熱体Ｍの対流を促進する整流体について説明したが、例えば伝熱体Ｍの周方向の流れを規制するといった部分的に流れを規制する部材を、整流体として構成してもよい。例えば、板状の整流体として、断面十字状、Ｔ字状の整流体を構成することが可能である。そして、相対的に高温となる電極先端側に向けて傾斜する部位の厚さや熱膨張係数を調整し、他方の部位との熱膨張量の差が抑制されるように構成すればよい。

例えば、断面Ｔ字状の整流体を構成する場合、Ｔ字状の縦棒部分に相当する第１の板状部材と、Ｔ字状の横棒部分に相当する第２の板状部材とで構成する。この場合、第１の板状部材が断面Ｔ字状整流体の１つの側面を構成し、第２の板状部材が断面Ｔ字状整流体の１つの側面を構成している。

そして、整流体が密閉空間内で傾斜する状態を考慮し、第１の板状部材を第２の板状部材よりも厚くする、あるいは、第１の板状部材の熱膨張係数を、第２の板状部材の熱膨張係数よりも小さくする構成にすることが可能である。なお、断面Ｔ字状の整流体については、第１の板状部材と第２の板状部材とを互いに嵌め合う構造、あるいは接合する構造にすることが可能であるが、切削加工などにより、厚みを変えながら断面十字状、Ｔ字状の形状にすることも可能である。

１０ 放電ランプ
３０ 電極（陽極）
４０ 整流体
４０Ａ 第１の板状部材
４０Ｂ 第２の板状部材
５０ 密閉空間

Claims (4)

1. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、
   少なくとも一方の電極において、ランプ点灯時に溶融する伝熱体が封入される密閉空間が形成されるとともに、板状の整流体が、前記密閉空間内に配置され、
   前記整流体において、一方の側面を構成する第１の板状部材が、他方の側面を構成する第２の板状部材と比べて厚みがあることを特徴とする放電ランプ。
2. 放電管と、
   前記放電管内に対向配置される一対の電極とを備え、
   少なくとも一方の電極において、ランプ点灯時に溶融する伝熱体が封入される密閉空間が形成されるとともに、板状の整流体が、前記密閉空間内に配置され、
   前記整流体において、一方の側面を構成する第１の板状部材が、他方の側面を構成する第２の板状部材と比べて熱膨張係数が小さいことを特徴とする放電ランプ。
3. 前記整流体は、複数の板状部材を積層させて成ることを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ。
4. 前記複数の板状部材は、互いに固相接合されていることを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。