JPH10502761A - 電極構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 密閉アークランプに使用するための電極構造体が記載されている。電極構造体は、焼結したタングステン含有粉体のブロック（３）で囲まれたタングステン含有ロッド（１）を具える。このブロックには、銅、銀または黄銅(braze)などの熱伝導性材料が含浸されていてもよく、熱放射率の高い表面を有していてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 電極構造体 本発明は電極構造体(electrode structure)に関する。本発明は、特に（しか しそれに限定されるものではないが）密閉アークランプ(sealed arc lamp)に用 いるための電極構造体に関し、このランプは、イオン化性ガス(ionizable gas) 例えばキセノン）を取り込んで該ランプ内の２つの電極構造体の間にアークが確 立するのを可能にする。 アークの形成に伴う高温のため、密閉アークランプは通常、タングステン電極 を用いる。そのような電極は、該電極の特性を改変するために、少量の追加エレ メントを含有することがある。例えば酸化トリウムの添加により、電極の仕事関 数は低下して、ランプのアーク点弧(arc ignition)が促進される。通常、電極は 固体タングステンのロッドまたはバーからダイアモンド研磨により機械加工(mac hining)され、電極の表面はしばしば型彫り(profile)されて、該電極の有効表面 積を増加させて該電極の放射冷却(radiative cooling)を促進するようにする。 しかし、この機械加工は、費用がかかり、酸化トリウムが添加されて仕事関数を 低下させている場合には危険な操作である。 本発明の目的は、電極構造体であって、これらの問題が少なくとも軽減され、 かつ該電極構造体の有効表面積が従来可能であったよりもさらに増加している電 極構造体を提供することである。 本発明の第１の態様によれば、高融点材料のロッドをプレス成形用金型(press tool)に挿入する工程と、粉体のブロックを前記ロッドの周りにプレス成形(pre ss)する工程と、前記構造体を焼結して融合した一体型の構造体をつくる工程と 、前記構造体を所望の形状に形成する工程とを具えることを特徴とする構造体の 形成方法が提供される。 上記構造体が電極である場合、上記粉体は好適には導電性である。導電性粉体 は、好適にはタングステンまたはタングステン含有混合物を含有する。 上記構造体の所望の形状への形成は、プレス形成用金型(press tool)の形状に よりもたらされてもよい。あるいは、またはさらに、この形成は、該粉体が砕け やすいにもかかわらず、焼結前に機械加工することにより行ってもよい。 本発明の第２の態様によれば、高融点材料のロッドを具え、該ロッドの一部が 電極のアーク着座(arc seat)を形成する電極構造体であって、前記ロッドが、焼 結した導電性粉体のブロックによって少なくとも部分的に包囲されていることを 特徴とする電極構造体が提供される。 好ましい具体例において、上記粉体には熱伝導性材料を含浸させる。好適な熱 伝導性材料は、銅、銀または黄銅(braze)の合金である。 本発明による電極構造体の幾つかの具体例は、ここにおいて添付の図面を参照 した実施例によってのみ詳細に説明される。 図１は、本発明の第１の具体例による電極構造体の形成におけるステージを概 略的に示す。 図２は、本発明の第２の具体例による電極構造体の形成におけるステージを概 略的に示す。 図３は、図２の電極構造体の形成におけるさらにもう１つのステージを概略的 に示す。 図４は、図２の電極構造体の応用を示す。 図５は、本発明の具体例による電極構造体を内蔵したアークランプの略図であ る。 最初に図１を参照すると、電極構造体はタングステンのロッド１を内蔵する。 ロッド１の周りには、タングステン粉末のブロック３が設けられている。 ロッド１は、アーク着座(arc seating)を付与するのに十分な直径を有する大 きさにしてある。図示した例では、ロッドの直径は３．２ｍｍであり、タングス テンのブロックの直径は７．９５ｍｍである。 この電極構造体は、ロッド１をプレス成形用金型（図示せず）に挿入し、タン グステン粉末のブロック３をロッド１の周りにプレス成形することにより形成さ れる。この構造体は、次いで、高温（典型的には１０００〜１８００℃）で、例 えばＨ₂雰囲気で焼結されて、典型的には６０％〜８０％の密度の融合した一体 型の構造体を形成し、ブロック３を形成する多孔質の焼結した材料はロッド１と 密接に結合するようになる。少量の合金材料（例えばニッケル、コバルトまたは 鉄等）を添加してその結合を促進してもよい。 電極構造体におけるブロック３の所望の形状は、成形機(press)内で形成され るか、あるいはパウダーが依然として砕けやすいにもかかわらず、焼結および簡 単な機械加工を行う前にブロックを成形機から取り除くことにより形成してもよ い。したがって、電極構造体の機械加工の困難性および費用は実質的に低減され る。 焼結したブロック３の粒子の性質により大きな表面積が付与され、したがって 、電極が密閉アークランプで用いられた場合に該電極の放射冷却が促進されるこ とが察知されよう。 電極の表面積は、ブロックを図２および図３に示すような表面溝５または他の 表面構造を有するように形つくることによりさらに増加させてもよい。そのよう な表面構造は、電極構造体の技術分野に熟練する者にとって周知である。 タングステンのロッド１は、図１に示すような短いインサートであってもよい 。あるいはまた、タングステンのロッド１は、電極構造体の特定の応用に応じて 、図２および図３に示すようなブロックの長さに延びていてもよい。 アークランプにおけるアーク負荷(arc loading)を受容する電極構造体の面は 、通常は、例えば図３に示すようなポイント７のように形づくられる。 電極の仕事関数を低下させ、それによってアークの点弧を促進するために、芯 部１はトリウムを含有してもよく、典型的な組成は９８％のタングステンと２％ の酸化トリウムである。ランタン、ハフニウム、セリウムまたはそれらの酸化物 などを含む他のドーパントが可能である。 ブロック３の熱放射率をさらに増加させるために、ブロック３は炭化タングス テン粉末から形成して熱放射率を増加させてもよい。あるいは、またはさらに、 特にブロック３がタングステン粉末から製造される場合には、ブロック３は続い て浸炭されて、依然として多孔質構造の利点を保持しながらも、炭素を多く含有 する暗く放射率の高い層（図２および図３において９として示される）を形成す る。 あるいは、またはさらに、電極構造体の熱放射率は、ブロック３を熱放射性黒 色パウダー（例えば、酸化マンガンまたは炭化タングステン等）の懸濁液で洗浄 して、熱放射性粉末の粒子がブロック３の胴部(body)の内部に留まるようにする ことにより改善することが可能である。同様のアプローチを用いて酸化トリウム をブロック３の表面に留めて、点弧の前に電極構造体を含むランプ内の気体を予 めイオン化するようにしてもよい。 高い熱放射率を有する表面を達成するためのもう１つの方法は、例えば炭化タ ングステンのシェルをタングステン粉末の胴部の周りにプレス成形し、そのアセ ンブリを焼結して、熱伝導率の高いタングステン胴部を、高い表面放射率の炭化 タングステンと結合する。そのような装置(arrangement)の例を図４に示す。 図４からわかるように、図３に示される電極構造体は、ここにおいて、炭化タ ングステン１０のシェルで被覆される。炭化タングステンシェルの典型的な厚み は０．５ｍｍである。 電極構造体の熱伝導率は、多孔質のブロック３に高い熱伝導率を有する材料を 含浸させることにより増加させてもよい。この熱伝導率の高い材料は、プレス形 成前に、ブロック３を形成するタングステン粉末と混合するか、あるいは焼結後 に多孔質マトリックスに浸透させてもよい。このように、ブロック３はタングス テン／銅で構成されてもよく、その比率は典型的には８０：２０である。ブロッ クの組成のさらにもう１つの例は、炭化タングステンと銅であり、その比率は６ ７：３３であり、この組成もブロック３の熱放射性を増加させる。銅の代わりに 、例えば銅／銀の共晶などの銅または黄銅の合金との混成材料も使用可能である 。勿論、図４に示すシェル被膜を選択して、電極構造体の熱伝導率を増加させて もよい。 ブロック３の大きな表面積の粒子構造および炭化タングステン（ブロックの形 成に用いられる、あるいは殻として用いられる）表面の高い熱放射率を維持する ために、ブロック３は次いで希酸（例えば希硝酸等）中でエッチングされて、ブ ロック３の表面を露出させる。しかし、そのような含浸された電極構造体の使用 において、含浸している材料の蒸発または移動を防止するために、その電極構造 体は比較的冷たく保たれなければならない。しかし、そのような冷却ランニング (cool running)も、そのような電極を有するランプの寿命にとって有利であり、 ここにおいて記載される方法により（少なくとも部分的に）達成される。 ブロック３に熱伝導性材料が含浸されている場合、表面のタングステンは、化 学的に除去して、含浸された金属の表面のロウ付け(brazing)に好適にしてもよ い。このことは、ブロック３がロウ付けに好適な金属または合金で含浸されてい る場合、続いて行われるロウ付け工程の際にロウ付け金属がさらに必要となるの を防止し、したがってアークランプのアセンブリを容易にし、かつ費用のかかる ロウ付けの設置(placement)を回避する。 本発明による電極構造体を含むアークランプの１つの例は、本出願人らの係属 中の国際特許出願第ＷＯ93/26034号（その内容は、ここにおいて引用することに より本明細書の一部を構成するものとする）に記載されている。そのような装置 (arrangement)は図５に示されており、そこでは、図３に示される形態の電極が カソード１１として用いられており、カソード１１は、気体が充填されたエンク ロージャ１３内でアノード１５に対向するようにして支持されている。エンクロ ージャ１３は放物線状のリフレクター１７によってその輪郭が規定されており、 リフレクター１７は発光ウインドウ１９によって密封されている。エンクロージ ャ１３は、典型的にはキセノンを含有する。アノード１１は、熱伝導性マウント ２１に取り付けてあり、熱伝導性マウント２１は次にヒートシンク２３上に取り 付けられる。カソード７１は支持構造２１によりエンクロージャ１３内に浮いて おり、支持構造２１は、ランプから放射される光を暗くしないように比較的薄く なければならず、したがって熱をカソード１１から外に向かって向けるのには使 用できない。 ランプの使用において、電圧はカソード１１とアノード１５との間にかけて、 アークがカソード１１とアノード１５との間に定められているアーク間隙２３に 当たるようにする。アーク間隙２３は、放物線状のリフレクター１７の焦点に位 置して、実質的に平行な光線がウインドウ１９を通って外に向かうようにする。 図５に示すアークランプは、非常に高い電力レベルで高い効率で作動するよう に設計される。本発明による電極構造体の使用により、焼結した表面により生ず るカソード１１の大きな表面積が、エンクロージャ内でカソード１１の放射冷却 を促進する大きな表面積を付与することがわかるであろう。さらに、図２および 図３に関連して議論されるようなカソード１１の中または上に含まれるトリウム は、アークの点弧を促進する。 本発明による方法を用いて電極構造体以外の構造体を製造してもよいことが察 知されよう。さらに、焼結された粉体ブロックの形成に用いられる粉体は、例え ばセラミックまたはオキサイドの粉末等の電気絶縁性粉体であってもよい。 ロッドは好適にはタングステンを含有するが、他の如何なる好適な高融点導電 性材料（特に他の耐火性金属(refractory metal)または耐火性金属の合金）を用 いてもよいことは察知されよう。１つの可能で好適な耐火性金属は、特に使用の 電極が好適な冷却手段を有する場合には、モリブデンである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年８月１日 【補正内容】 請求の範囲 １．耐火性金属を含有するロッドをプレス成形用金型(press tool)に挿入する工 程と、 前記ロッドの周りに粉体のブロックをプレス成形(press)する工程と、 前記構造体を焼結して、融合した一体型の構造体を形成する工程と、 前記構造体を所望の形状に形成する工程と、 前記焼結したブロックを熱伝導性材料で含浸させる工程と を具えることを特徴とする電極構造体の形成方法。 ２．前記粉体がタングステンまたは炭化タングステンを含有することを特徴とす る請求項１に記載の方法。 ３．前記含浸させる工程の後で、前記ブロックをエッチングして前記焼結した材 料を露出させることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の方法。 ４．前記熱伝導性材料がろう付け材料(brazable material)であることを特徴と する上記請求項のいずれかに記載の方法。 ５．前記ろう付け可能な材料の一部を用いて、前記電極構造体をさらに別の部材 にろう付け(brazing)する工程を包含することを特徴とする請求項４に記載の方 法。 ６．前記構造体の所望の形状への前記形成が、少なくとも部分的に前記プレス成 形用金型の形状によりもたらされることを特徴とする上記の請求項のいずれかに 記載の方法。 ７．前記構造体への所望の形状への前記形成が、前記焼結工程の前に、少なくと も部分的に機械加工することにより行われることを特徴とする上記の請求項のい ずれかに記載の方法。 ８．前記焼結したブロックを浸炭する工程を含むことを特徴とする上記の請求項 のいずれかに記載の方法。 ９．さらに、前記ブロックの周りにさらに別の材料のシェルをプレス成形する工 程と、そのように形成された構造体を焼結する工程とを包含することを特徴とす る請求項１〜７のいずれかに記載の方法。 １０．前記さらに別の材料が熱放射性材料であることを特徴とする請求項９に記 載の方法。 １１．前記さらに別の材料が熱伝導性材料であることを特徴とする請求項９また は１０に記載の方法。 １２．前記耐火性金属がタングステンを含有することを特徴とする上記請求項の いずれかに記載の方法。 １３．前記耐火性金属がモリブデンを含有することを特徴とする上記請求項１〜 １２のいずれかに記載の方法。 １４．耐火性金属を含有するロッドであって、その一部が電極のアーク着座(arc seat)を形成するロッドを具えることを特徴とする電極構造体であって、前記ロ ッドが、焼結した粉体のブロックにより少なくとも部分的に囲まれており、そこ において前記焼結したブロックが熱伝導性材料で含浸されることを特徴とする電 極構造体。 １５．前記耐火性金属がタングステンであることを特徴とする請求項１４に記載 の構造体。 １６．前記耐火性金属がモリブデンであることを特徴とする請求項１４に記載の 構造体。 １７．前記粉体がタングステンまたは炭化タングステンを含有することを特徴と する請求項１５に記載の電極構造体。 １８．前記ブロックがタングステン粉末と銅粉末との混合物を含有することを特 徴とする請求項１５に記載の電極構造体。 １９．前記粉体が６０％〜８０％のタングステンおよび４０％〜２０％の銅を含 有することを特徴とする請求項１８に記載の電極。 ２０．前記熱伝導性材料がろう付け材料であることを特徴とする請求項１４に記 載の電極構造体。 ２１．前記熱伝導性材料が銀であることを特徴とする請求項２０に記載の電極構 造体。 ２２．前記熱伝導性材料が銅であることを特徴とする請求項２０に記載の電極構 造体。 ２３．前記ブロックがエッチングされて、前記焼結材料を露出させるようになっ ていることを特徴とする請求項１４〜２２のいずれかに記載の電極構造体。 ２４．前記ブロックの孔が点弧増強材料(ignition enhancement materia)で充填 されていることを特徴とする請求項１４〜２３のいずれかに記載の電極構造体。 ２５．前記点弧増強材料が酸化トリウムであることを特徴とする請求項２４に記 載の電極構造体。 ２６．前記ブロックの孔の少なくとも幾つかが熱放射性材料の粒子で充填されて いることを特徴とする請求項１４〜２５のいずれかに記載の電極構造体。 ２７．前記熱放射性材料が酸化マンガンまたは炭化タングステンであることを特 徴とする請求項２６に記載の電極構造体。 ２８．請求項１１〜２７のいずれかに記載の電極構造体を含有するアークランプ 。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．耐火性金属を含有するロッドをプレス成形用金型(press tool)に挿入する工 程と、 前記ロッドの周りに粉体のブロックをプレス成形(press)する工程と、 前記構造体を焼結して、融合した一体型の構造体を形成する工程と、 前記構造体を所望の形状に形成する工程と を具えることを特徴とする電極構造体の形成方法。 ２．さらに、前記ブロックに熱伝導性材料を含浸させる工程を具えることを特徴 とする請求項１に記載の方法。 ３．前記粉体がタングステンまたは炭化タングステンを含有することを特徴とす る請求項１または２に記載の方法。 ４．前記熱伝導性材料が熱伝導性粉体であり、前記含浸させる工程が、前記熱伝 導性かつブロック形成性粉体を混合する工程を具え、その後で前記ブロックをプ レス成形する工程を行うことを特徴とする請求項２または請求項２に従属する場 合の請求項３に記載の方法。 ５．前記含浸させる工程が前記ブロックを形成した後に行われることを特徴とす る請求項２または請求項２に従属する請求項のいずれかに記載の方法。 ６．前記含浸させる工程の後で、前記ブロックをエッチングして前記焼結した材 料を露出させることを特徴とする請求項２または請求項２に従属する請求項のい ずれかに記載の方法。 ７．前記熱伝導性材料がろう付け材料(brazable material)であることを特徴と する請求項２または請求項２に従属する請求項のいずれかに記載の方法。 ８．前記ろう付け可能な材料の一部を用いて、前記電極構造体をさらに別の部材 にろう付け(brazing)する工程を包含することを特徴とする請求項７に記載の方 法。 ９．前記構造体の所望の形状への前記形成が、少なくとも部分的に前記プレス成 形用金型の形状によりもたらされることを特徴とする上記の請求項のいずれかに 記載の方法。 １０．前記構造体への所望の形状への前記形成が、前記焼結工程の前に、少なく とも部分的に機械加工することにより行われることを特徴とする上記の請求項の いずれかに記載の方法。 １１．前記焼結したブロックを浸炭する工程を含むことを特徴とする上記の請求 項のいずれかに記載の方法。 １２．さらに、前記ブロックの周りにさらに別の材料のシェルをプレス成形する 工程と、そのように形成された構造体を焼結する工程とを包含することを特徴と する請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。 １３．前記さらに別の材料が熱放射性材料であることを特徴とする請求項１２に 記載の方法。 １４．前記さらに別の材料が熱伝導性材料であることを特徴とする請求項１２ま たは１３に記載の方法。 １５．前記耐火性金属がタングステンを含有することを特徴とする上記請求項の いずれかに記載の方法。 １６．前記耐火性金属がモリブデンを含有することを特徴とする上記請求項１〜 １４のいずれかに記載の方法。 １７．耐火性金属を含有するロッドであって、その一部が電極のアーク着座(arc seat)を形成するロッドを具えることを特徴とする電極構造体であって、前記ロ ッドが、焼結した粉体のブロックにより少なくとも部分的に囲まれていることを 特徴とする電極構造体。 １８．前記耐火性金属がタングステンであることを特徴とする請求項１７に記載 の構造体。 １９．前記耐火性金属がモリブデンであることを特徴とする請求項１７に記載の 構造体。 ２０．前記粉体がタングステンまたは炭化タングステンを含有することを特徴と する請求項１８に記載の電極構造体。 ２１．前記ブロックがタングステン粉末と銅粉末との混合物を含有することを特 徴とする請求項１８に記載の電極構造体。 ２２．前記粉体が６０％〜８０％のタングステンおよび４０％〜２０％の銅を含 有することを特徴とする請求項２１に記載の電極。 ２３．前記ブロックには熱伝導性材料が含浸されていることを特徴とする請求項 １７〜２２のいずれかに記載の構造体。 ２４．前記熱伝導性材料がろう付け材料であることを特徴とする請求項２３に記 載の電極構造体。 ２５．前記熱伝導性材料が銀であることを特徴とする請求項２４に記載の電極構 造体。 ２６．前記熱伝導性材料が銅であることを特徴とする請求項２４に記載の電極構 造体。 ２７．前記ブロックがエッチングされて、前記焼結材料を露出させるようになっ ていることを特徴とする請求項１７〜２６のいずれかに記載の電極構造体。 ２８．前記ブロックの孔が点弧増強材料(ignition enhancement material)で充 填されていることを特徴とする請求項１７〜２７のいずれかに記載の電極構造体 。 ２９．前記点弧増強材料が酸化トリウムであることを特徴とする請求項２８に記 載の電極構造体。 ３０．前記ブロックの孔の少なくとも幾つかが熱放射性材料の粒子で充填されて いることを特徴とする請求項１７〜２９のいずれかに記載の電極構造体。 ３１．前記熱放射性材料が酸化マンガンまたは炭化タングステンであることを特 徴とする請求項３０に記載の電極構造体。 ３２．請求項１４〜２６のいずれかに記載の電極構造体を含有するアークランプ 。