CN105390366A

CN105390366A - 长弧型放电灯

Info

Publication number: CN105390366A
Application number: CN201510526625.6A
Authority: CN
Inventors: 森和之; 团雅史
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: KR20160026672A; KR101934146B1; TWI621375B; JP2016048655A; JP6086253B2; CN105390366B; TW201615061A

Abstract

提供一种长弧型放电灯，其被交流点亮，在长条形的具有紫外线透过性的发光管内相对配置一对电极，并且封入稀有气体和作为发光物质的金属，在所述电极中含有稀土类氧化物。所述长弧型放电灯可以抑制发射体(电子放射性物质)的较快枯竭，防止发光管的黑化、白浊，能够得到长时间稳定的点亮。所述长弧型放电灯的特征在于，在将灯电流的平均值设为I(安培：A)，将距电极前端3mm为止的体积设为V(mm³)时，满足0.4≤(I/V)≤1.0。

Description

长弧型放电灯

技术领域

本发明涉及长弧型放电灯，尤其是涉及使用稀土类氧化物作为电极的电子放射性物质的长弧型放电灯。

背景技术

一直以来，在塑料的表面改性、光化学气相沉积(CVD)、光灰化、紫外线固化等产业界广泛地利用紫外线，长弧型金属卤化物灯等的长弧型放电灯被用于此种用途。

在该种长弧型放电灯中使用的电极需要同时具备放出电子的特性和即使高温下也难于消耗、变形的特性。作为满足这些特性的电极材料，大多使用含有氧化钍(ThO₂)的钨(敷钍钨：ThW)。

这是由于敷钍钨(ThW)具有如下的特性：由于敷钍钨的功函数较低为2.6eV，能够在低电压放出电子，因此氧化钍作为电子放射性物质(发射体)有效地发挥功能，并且在使灯放电时能够长时间稳定地工作。

然而，钍作为放射性物质为法律限制的对象，对于其管理和操作需要慎重地考虑，因此期望替代钍的代替物质。

作为替代此钍的代替物质，提出使用稀土类元素以及其化合物的物质。稀土类元素的功函数较低并且稀土类元素是在电子放射上优异的物质，因此作为钍的代替物质而被期待。

在日本特开2009-259790号公报(专利文献1)中，公开了使作为电极材料的钨附加地含有氧化镧(La₂O₃)、氧化铈(CeO₂)等作为发射体的长弧型放电灯。

然而，氧化镧(La₂O₃)等稀土类氧化物与氧化钍(ThO₂)相比由于蒸气压较高而比较易于蒸发。因此，在替代氧化钍而使用稀土类氧化物作为阴极含有的发射体的情况下，产生该稀土类氧化物过度地蒸发而较快地枯竭的情形。由于该发射体的枯竭，会丧失阴极的电子放射功能，进而发光管端部较快产生黑化，有效发光长度减少。并且，存在较快地产生电极的变形而导致产生闪烁并使灯寿命变短的问题。

另外，还存在由于发射体蒸发的増加而使电极前端周围的管壁白浊并变得不透明的缺陷。

因此，在将钍以外的稀土类氧化物作为发射体物质使用的放电灯中，实际情况是仍然存在点亮会较快地变得不稳定等问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-259790号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明鉴于上述现有技术的问题点，提供一种长弧型放电灯，在长条形的具有紫外线透过性的发光管内相对配置一对电极，并且封入稀有气体和作为发光物质的金属，在所述电极中含有稀土类氧化物，被交流点亮，所述长弧型放电灯能够抑制发射体(电子放射性物质)的较快枯竭，防止发光管的黑化、白浊，能够得到长时间稳定的点亮。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的长弧型放电灯的特征在于，在将灯电流的平均值设为I(安培：A)，将距电极前端3mm为止的体积设为V(mm³)时，满足0.4≤(I/V)≤1.0。

并且，其特征在于，所述长弧型放电灯在稳定点亮模式和待机点亮模式之间进行切换而被点亮。

并且，其特征在于，封入所述发光管的金属是汞以外的金属。

并且，其特征在于，封入所述发光管的稀有气体的点亮前的压力为6.6k～53.2kPa(50～400Torr)。

发明效果

根据该发明的长弧型放电灯，对于灯电流的平均值(I)，使电极的前端附近的每单位体积(V)的电流值(I/V)适当，从而能够确保实用的灯寿命。

即，若I/V的值不足0.4，则电极整体的温度过于下降，难以从电极均匀地放出热电子，而仅从电极的一部分产生电弧。因此仅在电弧产生的部位温度局部地上升，在此部分发射体枯竭，此后由于钨的蒸发而导致出现黑化。此外，也存在产生灯的中途熄灭的情况。

另一方面，若I/V的值超过1.0，则电极整体的温度过于上升，发射体从电极蒸发，而成为发光管的白浊的原因。

附图说明

图1是本发明的长弧型放电灯的剖面图。

图2是图1的主要部分的放大剖面图。

图3是电极的轴方向的温度分布。

图4是表示通常点亮模式和待机点亮模式的灯电流的图表。

图5是表示与距电极前端向发光管中央侧的距离相对应的相对照度的图表。

标号说明

1长弧型放电灯

2发光管

3密封部

4电极

5金属箔

6间隔玻璃

7外部引线

8供电线

具体实施方式

本发明中的交流点亮方式的长弧型放电灯的整体结构为图1所示的结构，长弧型放电灯1在石英玻璃等具有紫外线透过性的发光管2的两端具备密封部3，在该发光管2内隔着预定的距离、例如500mm相对配置一对电极4、4。

并且，在所述发光管2内封入稀有气体和作为发光物质的金属。封入的金属为例如汞(Hg)、铁(Fe)、锌(Zn)、镓(Ga)等金属，可以是其一种或者混合二种以上。

如图2所详细表示的那样，在本实施例中，上述电极4的非发光空间侧的后端4c形成为扁平形状，并在其后方端部设置有与该电极后端4c的形状匹配地设为扁平形状的石英玻璃部件来作为间隔玻璃6。

在密封部3内，在所述电极4的扁平后端4c的上下面通过焊接等接合的2片金属箔5、5沿着间隔玻璃6的上下表面延伸，并在其后方端部与外部引线7连接。该外部引线7向发光管2的外部突出，与图1的供电线8连接。

所述电极4将钨作为母材，并含有稀土类氧化物。作为稀土类氧化物，具有例如镧的氧化物即氧化镧(La₂O₃)、铈的氧化物即氧化铈(CeO₂)、钇的氧化物即氧化钇(Y₂O₃)等。这些稀土类氧化物作为电子放射性物质(发射体)而发挥功能。

稀土类氧化物的重量比优选在0.05重量百分比～1重量百分比的范围内。在0.05重量百分比以下难于使重量比稳定地进行制造，在1重量百分比以上由于发射体的飞散较多，白浊较快地出现，因此无法使用。

并且，可以在电极4中添加钛族元素(钛、锆、铪)的氧化物。由于钛族氧化物与稀土类氧化物形成固溶体，因此能够提高熔点，从而能够防止发射体的较快蒸发。

另外，在本实施例中，示出电极4是由电极芯线4a和在其前端卷绕的电极线圈4b构成。

在图3中示出对于如此形成的本发明的稀土类电极和现有的含有氧化钍的敷钍钨(ThW)电极从电极前端向轴方向观察的温度分布。

图3中，用实线(●)表示稀土类电极，用单点划线(▲)表示敷钍钨电极。另外，关于1mm以下的虚线是通过外插各温度分布曲线来求出的。

由图3可知，在这种交流点亮型的长弧型放电灯中，在距电极的前端3mm附近能够看到温度分布的拐点，3mm以后的温度基本不会因电极材料而变化。从该情况可知，距前端3mm为止的部分对电子放射、发射体的蒸发等特性带来实质的影响。

因此，本申请发明人验证了距电极前端3mm为止的部分的体积V(mm³)与灯电流的平均值(平均电流)I(安培A)的关系。

该平均电流I除以电极前端部的体积V所得的值(I/V)大致表示电极前端的电流容量。即，I/V(A/mm³)表示与从放电等离子体向电极前端流入的每单位体积的热量对应的值。

另外，由于灯被交流点亮，因此作为灯电流的平均值，使用RMS值(有效值)。此外，距电极前端3mm为止的部分的体积V为电极芯线和电极线圈的合计的体积。

可是，存在使上述长弧型放电灯在稳定点亮模式和待机点亮模式之间进行切换而点亮的装置。

为了降低电力消耗，存在重复切换如下两种点亮模式而使该种处理装置的长弧型放电灯点亮的情况：稳定点亮模式，对被照射物(工件)进行紫外线照射；以及待机点亮模式，在进行被照射物的更换时等非照射时降低输入电流。

在该情况下，取稳定点亮模式时的灯电流和待机点亮模式时的灯电流的时间平均，将其值作为I即可。

在图4中表示求出其平均电流的方法。

在图4中，将稳定点亮模式时的灯电流设为Ir(RMS值)、照射时间设为Tr，将待机点亮模式时的灯电流设为Is(RMS值)、照射时间设为Ts。

此时，平均电流I用下式表示。

I＝(Ir×Tr+Is×Ts)/(Tr+Ts)

本发明的长弧型放电灯将如此求出的I/V(A/mm³)设为0.4以上且1.0以下。

若照射时的I/V小于0.4，则电极整体的温度过于下降，难以从电极均匀地放出热电子，导致仅从电极的一部分产生电弧。因此仅在电弧产生的部位温度局部地上升，在此部分发射体枯竭，此后由于钨的蒸发而产生黑化。此外，也存在产生灯的中途熄灭的情况。

另一方面，若照射时的I/V的值超过1.0，则电极整体的温度过于上升，发射体从电极过度地蒸发，成为发光管的白浊产生的原因。

进行了用于验证本发明的效果的实验。

(灯的规格)

发光长度：1100mm、发光管内径：22mm

封入物：汞0.5mg/cc、微量的碘、氩(Ar)5kPa

电极：直径φ3.0mm、长度30mm、电极前端部(3mm为止)的体积(V)21.2mm³

＜本发明＞

电极使用含有氧化钇(Y₂O₃)来作为发射体的氧化钇(Y₂O₃)-氧化锆(ZrO)-钨(W)(YZW)。氧化钇(Y₂O₃)的重量百分比相对于电极重量为0.3重量百分比。

钛族氧化物的量在电极加工后的浓度为0.01～0.9重量百分比的范围。

以下，进行实验的3种灯的规格如下所述。

＜实验例1＞

使用含有上述稀土类氧化物作为发射体的电极。

点亮模式：

稳定点亮模式时：电流26.3A，照射时间30秒

待机点亮模式时：电流14.4A，待机时间30秒

点亮频率：50kHz

根据该条件算出平均电流I以及I/V的值，如以下所示。

I＝(26.3×30+14.4×30)/60＝20.4A

I/V＝20.4/21.2＝0.96A/mm³

＜实验例2＞

与实验例1的灯同样，使用含有稀土类氧化物的电极。

点亮模式：

稳定点亮模式时：电流36.4A，照射时间30秒

待机点亮模式时：电流14.4A，待机时间30秒

点亮频率：50kHz

根据该条件可得I＝25.4A、I/V＝1.2A/mm³。

＜实验例3＞

作为电极材料使用敷钍钨(ThW)。即，发射体为氧化钍。

点亮模式：

稳定点亮模式时：电流32.3A，照射时间30秒

待机点亮模式时：电流14.4A，待机时间30秒

点亮频率：50kHz

根据该条件可得I＝23.35A、I/V＝1.1A/mm³。

这里，各实验例1～3的性能的比较通过对从电极前端向放电空间侧30mm的位置的照度进行比较而进行。在从电极前端向放电空间侧30mm左右的地方，放电电弧扩展到放电容器的内径程度。因此，通过对从电极前端向放电空间侧30mm的位置的从点亮开始经过2000小时后的相对强度的值进行比较而判断。

如果使用稀土类电极的灯(实验例1、2)的值接近使用ThW电极的灯(实验例3)的值，则能够判断与ThW电极具有同等的性能。

其结果如图5所示。

所述结果是将实验例3(ThW电极)的2000小时后的发光长度的中心的照度设为1，用相对值对实验例1和实验例2的各测定位置的照度进行了比较的结果。在距电极前端60mm左右的放电空间侧的范围对相对照度进行了比较。

如图5所示，在实验例1(I/V＝1.0)中，经过2000h后距电极前端30mm的发光部侧的照度也能够维持90％左右。这可以说与使用现有的ThW电极的实验例3的灯具有大致同等的性能。

另一方面，在实验例2(I/V＝1.2)中，为80％左右，与现有的ThW电极相比变差。可以推测这是由于电极整体的温度过于上升，发射体从电极过度地蒸发，导致产生发光管的白浊。

由此，在使用稀土类电极的情况下，若设为I/V＝1.0以下，则能够认为与使用现有的ThW电极的灯具有同等的性能。

从以上可知，在使用含有稀土类氧化物作为发射体的电极的情况下，通过使电极前端附近(距前端3mm)的每单位电极体积的平均电流值在适当的范围内(I/V为1.0以下)使用，能够确保可与现有的将氧化钍作为发射体的电极比肩的实用的寿命性能。

在此，该值(I/V)在1.0以下越变小越接近现有的将ThW作为电极材料的灯的性能，但是，若低于0.4，则电极整体的温度过于下降，难以从电极均匀地放出热电子，导致仅从电极的一部分产生电弧，因此将此作为下限值。

另外，在以上的说明中，虽然将作为发光物质的封入物设为汞(Hg)进行了说明，但并不限于此。

在不封入汞的灯、例如替代汞而封入锌(Zn)的灯中，由于锌的电离电压与汞相比更低，具有易于电离的作用，所以电弧在电极前端的整个面中更易于扩展。因此，能够使电极的损耗变得均匀，能够减少对每单位面积的电极的负荷。

在不封入汞的灯中，点亮后，替代汞而封入的金属(例如锌)进行蒸发需要时间，灯的放电容器的内压的上升较慢，因此，由于起动初期的钨的蒸发而存在黑化变多的倾向。

由此，在启动初期，虽然钨蒸发并飞散，但是在电极周围存在封入气体的稀有气体，从电极飞散的钨与稀有气体碰撞。

为此，优选为将稀有气体的封入压提高到例如6.6kPa～53.2kPa(50Torr～400Torr)，由此在电极周围存在的稀有气体的密度也变高，钨与稀有气体的碰撞的频度也提高，因此能够使钨再次返回到电极，结果能够防止由于钨的蒸发导致的黑化。

如以上所说明的那样，本发明的长弧型放电灯在将灯电流的平均值设为I(安培：A)，将距电极前端3mm为止的体积设为V(mm³)时，通过在0.4≤(I/V)≤1.0的适当的范围内使用，能够得到与以往大多使用的将氧化钍作为发射体材料的灯同等的性能，能够实现将稀土类氧化物作为发射体材料的灯。

Claims

1.一种长弧型放电灯，在长条形的具有紫外线透过性的发光管内相对配置一对电极，并且封入稀有气体和作为发光物质的金属，在所述电极中含有稀土类氧化物，所述长弧型放电灯被交流点亮，其特征在于，

在将灯电流的平均值设为I，将距电极前端3mm为止的体积设为V时，满足下式：

0.4≤(I/V)≤1.0，

其中，I的单位为A，V的单位为mm³。

2.根据权利要求1所述的长弧型放电灯，其特征在于，

所述长弧型放电灯在稳定点亮模式与待机点亮模式之间进行切换而被点亮。

3.根据权利要求1所述的长弧型放电灯，其特征在于，

封入所述发光管的金属为汞以外的金属。

4.根据权利要求3所述的长弧型放电灯，其特征在于，

封入所述发光管的稀有气体的点亮前的压力为6.6kPa～53.2kPa，即50Torr～400Torr。