JP5672571B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。
特開2005−519435号号公報(特許文献2)には、陰極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン(La2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)などを含有させた放電ランプが開示されている。
また、電子放射特性に寄与するエミッタは陰極の先端に存在するものだけであり、陰極後端から先端に向けての運搬が迅速に行われないことも一因といえる。このためトリウム以外のエミッタ物質を使った放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。特に、1kW以上の高入力の放電ランプにあっては、希土類元素やバリウム系物質の蒸気は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。
そして、点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部の高濃度エミッタが含有された焼結体から、エミッタが先端部側に拡散供給されてくるので、先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性は安定的に長期間維持される。
更に、前記焼結体が、陰極内部の密閉空間の内面に螺合して埋設されているので、ランプ点灯による温度上昇によって、より焼結度合いの低い方の焼結体の焼結が進行して体積が縮小しても、焼結体の雄ネジのネジ山と、密閉空間の雌ネジのネジ溝とが軸方向のいずれかでは接触状態が保たれているので、焼結体への熱伝達と、焼結体から電極本体部もしくは先端部へのエミッタの熱拡散が良好に確保されるという効果を奏するものである。
図2に示されるように、陰極3は、本体部31と、その先端に接合された先端部32とからなる。
前記本体部31は、トリウムを含まない、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料からなる。
そして、前記先端部32は、前記本体部31の先端側、即ち、陽極4と対向する面に固相接合、溶接などの適宜な接合手段により接合されている。当該先端部32には、トリウム以外のエミッタが適宜含有量で含有されている(以下、先端部に含まれるエミッタを第1エミッタともいう)。
このトリウム以外の第1エミッタとしては、例えば、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化プラセオジム(Pr6O11)、酸化ネオジム(Nd2O3)あるいは酸化ハフニウム(HfO2)などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
つまり、第1エミッタの含有量が、0.5重量%未満の場合、点灯初期において電子放出に必要となるエミッタ濃度を確保できず、ランプ電圧の上昇や変動の増大が、発生する。また、含有量が、5.0重量%を超えてしまうと、タングステン材料等の製造の際に、焼結体が脆くなってしまい、焼結工程やスウェージ工程での割れに起因する破損が発生しやすくなるだけでなく、仮に、製造できた場合でも、先端部に使用した場合に、エミッタの蒸発が顕著になり、バルブの黒化(白濁)を促進してしまうため好ましくない。
前記密閉空間33の内表面には、雌ネジ33aが螺設されており、一方、前記焼結体34の外表面には、雄ネジ34aが螺設されていて、両者は互いに螺合している。
図2(A)は、密閉空間33が本体部31側に形成されていて、焼結体34は実質的には、該本体部31内に埋設されている。
図2(B)は、密閉空間33が、本体部31と先端部32とに跨って形成されていて、焼結体34はこの本体部31と先端部32とに跨るように埋設されている。
図2(C)は、密閉空間33が先端部32側に形成されていて、焼結体34は、実質的には、該先端部32内に埋設されている。
当然ながら、これらの形態のいずれかによって、先端部32の寸法、特に、厚さ寸法が異なってくるものであり、そのいずれを選択するかは、製造面での容易性と、先端部32の厚さに依存するコスト、あるいは全体の製造コストなどの兼ね合いで適宜に選択される。
そして、この焼結体34に含有される第2エミッタの濃度は、前記先端部32に含有される第1エミッタの濃度よりも高濃度に設定されていて、その濃度は、例えば、10重量%〜80重量%である。
この第2エミッタの濃度が、10重量%未満であると、陰極3内部に格納できる焼結体34のサイズの関係から、陰極先端部32に供給するエミッタ量を確保することが難しくなってしまう。また、80重量%を超えてしまうと、焼結体34のタングステン等の構成材料の割合が減少してしまい、酸化物の還元による生成物が減少してしまうため、いずれの場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。
陰極3内部の密閉空間33内に埋設する焼結体34は、エミッタ(CeO2)とタングステン(W)の配合比を、重量比で1:2として、混合し、バインダ(ステアリン酸)を添加した上で、加圧プレス機により成型を行う。この後、水素中で1000℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、真空中での本焼結をタングステン炉中において、1700〜2000℃、好ましくは1800〜1900℃、1hで行うことで、製作する。なお、これより以上のあまり高い温度で焼結を行うと、高濃度で混入されたエミッタが蒸発して消失してしまい、高濃度で混入した意味が失われてしまうので、好ましくはない。
その後、焼結体34の表面に雄ネジ34aを切削加工する。
なお、本体部31にエミッタを含有しない形態の場合には、それよりももっと高い温度、例えば2700℃〜3000℃で焼結することもできる。
そして、この陰極3の本体部31および/または先端部32に形成された密閉空間33の内表面には雌ネジ33aが切削加工されている。
次いで、図3(B)に示すように、先端部32を本体部31に当接し、これを押圧した状態で、拡散接合やスポット溶接等により両者を接合する。
先端部32と本体部31の接合後に、図3(C)に示すように、陰極3の先端を所定形状に切削加工する。
これにより、図3(D)に示すように、本体部31の先端に先端部32が接合され、その内部の密閉空間33内に焼結体34が螺合して密閉埋設された陰極3の最終形状が得られる。
即ち、本体部または先端部において、密閉空間となる空所の内表面に円周方向に延在する溝状の凹部を予め形成し、該空所内に、バインダを含まないエミッタ(CeO2)とタングステン(W)の粉末を混合して、充填する。これを加圧プレス機によって加圧成型を行うと、粉末は空所の凹部内に侵入して凸部が形成される。
これを、水素中で1000℃の温度で脱脂・仮焼結を行った上で、本焼結を行う。本焼結は、真空中で、タングステン炉中において、1700〜2000℃、好ましくは1800〜1900℃、1hで行う。なお、エミッタ(CeO2)とタングステン(W)との配合比は、例えば1:2(重量比)である。
この方法で焼結体を焼結する場合、空所(密閉空間)の内面に形成される円周方向の凹部は、ネジ状(螺旋状)であってもよいし、円周方向に形成される独立溝形状であってもよい。
上記したように、高濃度にエミッタが混入された焼結体33は、エミッタの蒸発消失を避ける意味で、本体部31や先端部32よりも低い温度で焼結され、しかも、本体部31や先端部32のようにスウェージ処理が行われない。そのため、ランプ点灯によって高温になると、焼結が進み、その体積が縮小して、密閉空間33の内壁面との接触状態が十分なものとはならない傾向にある。
然しながら、本発明では、互いにネジによって螺合しているので、図4に見られるように、焼結体34が軸方向および径方向に縮小しても、その焼結体34のネジ山34aと、密閉空間33のネジ溝33aとは、軸方向のいずれかでは接触状態が保たれている。
なお、この現象は、焼結体表面に形成される凸部と、密閉空間内面に形成される凹部が係合している場合においても全く同様である。
放電ランプ:デジタルシネマ用キセノンランプ
電気特性:電流160〜170A、電圧39〜45V、定格電力:約7000W
陰極の外径:φ12mm、全長:20mm
先端部の寸法:テーパ角40°、先端径0.6〜1.0mm
ガス圧:静圧の状態で約1.0MPa(点灯中の圧力5.0MPaと推定)
焼結体:エミッタは酸化バリウム
酸化バリウム粉末とタングステン粉末を混合し、型に入れて加圧し円柱
状の粉末成形体を作成。これを、1000℃程度で仮焼結を行った後、
再結晶温度近傍の1500〜1800℃で焼成して、焼結体を作製。
この焼結体の外表面に雄ネジ山を旋盤により切削加工。
そして、陰極内部に密封埋設した焼結体には、前記先端部の第1エミッタよりも高濃度の第2エミッタが含有されているので、ランプ点灯に伴ってこの第2エミッタが拡散して、先端部側に移動して供給されるので、先端部でエミッタが枯渇するという心配がなく、継続的なエミッタ供給による安定的な点灯が確保される。
この焼結体は陰極内部に密封埋設されていて、直接放電アークに曝されることがないので、トリウム以外の蒸気圧の低いエミッタが、過度に蒸発して短時間で枯渇してしまうこともない。
更には、焼結体と陰極の密閉空間とは凹凸部が係合しているので、ランプ点灯で焼結体の焼結度合いが進行して縮小しても、凹凸部分のいずれかでは焼結体と、本体部または先端部との接触状態が維持され、この接触部を介して本体部或いは先端部から焼結体への熱伝達が円滑になされ、また、焼結体から、本体部または先端部へのエミッタの拡散が確実になされて、先端部へのエミッタの供給が滞ることがない。
2 発光管
3 陰極
31 本体部
32 先端部
33 密閉空間
33a 雌ネジ
34 焼結体
34a 雄ネジ
4 陽極
Claims (2)
- 発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、
前記陰極は、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
前記先端部は、エミッタ(トリウムを除く)が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、
前記本体部および/または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度のエミッタ(トリウムを除く)が含有された焼結体が埋設されており、
前記焼結体の外面には円周方向の凸部が形成され、前記密閉空間の内面には円周方向の凹部が形成されていて、互いに係合していることを特徴とする放電ランプ。 - 前記焼結体の外面の凸部が雄ネジであり、前記密閉空間の内面の凹部が雌ネジであって、互いに螺合していることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
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