JP2004528694A - Ceramic metal halide lamp - Google Patents

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レイ ゲー Iii ギブソン
サラ エス カールトン
シミング ヴ
ルイス エヌ コヴァルクツィク
トマス シュテエレ
ジェイ ヨット パルメル
ジョン ツェー アルデルマン
ジョン エー エスアー コンラド
ケント エル コリンズ
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Abstract

【課題】出力範囲が約150W〜約1000WのセラミックメタルハライドタイプのHIDランプであって、点火と封じ込めの両方のために、このようなランプのアークチューブの周りに巻き付けられたメタルコイルを使用したHIDランプを提供すること。
【解決手段】本発明は、セラミック放電容器の周りと、電極フィードスルー手段の少なくとも一部とに巻き付けられたモリブデンコイルを有し、かつ、出力範囲が約150W〜約1000Wの、セラミックメタルハライドタイプの高圧放電ランプに関する。この放電容器は、セラミック壁を有し、かつセラミックプラグによって閉じられている。放電空間内に配置されている電極は、リードスルー素子を経て電気導体に接続されている。このリードスルー素子は、密に係着した状態でセラミックプラグから突出し、かつ、これに対して、封止セラミックによって気密に接続されている。リードスルー素子は、この気密に接続されている領域に、サーメットによって形成されている第一パートを有する。なお、このランプは、以下の特性:約3800〜約4500KのCCT(相関色温度)、約70〜約95のCRI(演色指数)、約±10のMPCD(認知可能な平均色差)、および、最大約85〜95ルーメン/ワットの発光効率、80%超のルーメン維持率、100〜8000時間で200K未満の色温度変化、および約10,000時間〜約25,000時間の寿命、を一つ以上、かつ最も好ましくは、全て示す。本発明は、高出力のランプの設計と構造のための設計空間にも関する。
【選択図】図8
An HID lamp of a ceramic metal halide type having an output range of about 150 W to about 1000 W, using a metal coil wound around an arc tube of such a lamp for both ignition and containment. Providing lamps.
The present invention relates to a ceramic metal halide type having a molybdenum coil wound around a ceramic discharge vessel and at least a part of an electrode feedthrough means, and having an output range of about 150 W to about 1000 W. It relates to a high pressure discharge lamp. The discharge vessel has a ceramic wall and is closed by a ceramic plug. The electrode arranged in the discharge space is connected to an electric conductor via a lead-through element. The lead-through element protrudes from the ceramic plug in a tightly engaged state, and is airtightly connected thereto by a sealing ceramic. The read-through element has a first part formed by cermet in this hermetically connected area. The lamp has the following characteristics: CCT (correlated color temperature) of about 3800 to about 4500K, CRI (color rendering index) of about 70 to about 95, MPCD of about ± 10 (average color difference that can be recognized), and Luminous efficiency of up to about 85-95 lumens / watt, lumen maintenance of more than 80%, color temperature change of less than 200K in 100-8000 hours, and lifetime of about 10,000 hours to about 25,000 hours, one or more and most Preferably, all are shown. The invention also relates to a design space for the design and construction of a high power lamp.
[Selection diagram] FIG.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、リードスルー素子によって電流導体に接続されている電極を収容する放電空間を封入し、かつ、セラミック壁を含む放電容器が設けられている高圧放電ランプに関する。本発明は、
放電容器の光源と、
ガラスステムと、
このガラスステムに埋め込まれている一対のリード線と、
光源を取り囲むガラスエンベロープと、
ステムに対して固定されている第一端部、ランプの軸と平行に延在する軸部分、およびガラスエンベロープの閉じられている端部内に弾力的に係着されている第二端部を有するワイヤフレーム部材と、
を有する、高輝度放電(HID)ランプにも関する。
【背景技術】
【0002】
高輝度放電(HID)ランプは、そのエネルギー効率が高く、かつ寿命が極めて長いため、一般的に、広域照明用途に使用されている。既存のHID製品領域は、水銀蒸気(MV)ランプと、高圧ナトリウム(HPS)ランプと、石英メタルハライド(MH)ランプとから構成されている。近年、セラミックメタルハライドランプ(例えば、フィリップス製MasterColor(登録商標)シリーズ)が、市場に導入されている。セラミックメタルハライドランプは、従来のHIDランプと比較すると、初期段階における色の一貫性が優れており、安定性が寿命を通して素晴らしく(ルーメン維持率は80%超、10,000時間の色温度変化は200K未満)、発光効率が90ルーメン超/ワットと高く、かつ寿命は約20,000時間である。これらの非常に望ましい特性は、自然光に近い連続スペクトル光放射を放出する、多結晶アルミナ(PCA)エンベロープの高い安定性と、特殊な塩混合物とによるものである。
【0003】
フィリップス製MasterColor(登録商標)シリーズのランプに使用される塩混合物は、NaI、CaI2、TlI、およびDyI3とHoI3とTmI3とによる希土類ハライドにより構成されている。NaI、CaI2、およびTlIは、主に、高輝度の線状放射を様々な色で放出させるためのものであるが、連続放射にも寄与する。これらの希土類ハライドは、可視範囲全体に渡って連続放射を行うためのものであり、これにより、高い演色指数(CRI)が得られる。塩の組成を調整することにより、3800〜4500Kの色温度と、85を超えるCRIとを達成することが出来る。このようなランプの既存の出力範囲は、20W〜150Wである。これらの製品は、出力範囲がこのように相対的に狭いため、大半の低天井の屋内リテール空間のような、低出力装置を必要とする用途にしか適していない。広範囲用の200W〜1000Wのランプ出力を必要とする高出力の用途には、入手可能な主な製品として、MVランプ、HPSランプ、およびMHランプがある。低出力アークチューブの寸法を高出力アークチューブに合うように単純に拡大した場合、設計上、熱機械的歪が高くなってしまい、ランプ寿命が、許容不可能なレベルに抑えられてしまう。
【0004】
ここまで説明した種類のランプの一例は、米国特許第5,424,609号により知られている。この公知のランプは、約90Vのアーク電圧でも、出力はせいぜい150Wと相対的に低い。このようなランプの電極がランプ動作時に導通させる電流は、相対的に小さいため、電極寸法を相対的に小さいままとすることが可能であり、突出プラグの内側の直径は、相対的に小さくても十分である。定格出力が150Wを超えていたり、またはアーク電圧がかなり低いランプの場合、例えば、電極電流を大きくするには、電極の寸法を大きくする必要がある。この結果、内部プラグの直径は、相応に大きくなるであろう。このようなランプの場合、(例えば、電極の切断またはプラグ割れによる)早期故障が増える危険性があることが判明している。
【0005】
(低ワットのセラミックアークチューブと、低/高ワットの石英アークチューブとの両方を用いた)保護されているパルス始動メタルハライドランプは、アークチューブが破裂した場合、バルブの外側範囲に破片を封じ込めるために、石英スリーブを使用し、かつ、多くの場合、スリーブの周りに覆われたMoコイルを使用している。これらのランプには、点火プロセスを補助する補助アンテナは不要である。
【0006】
HPSまたはナトリウムハライドランプのような他のランプは、始動を補助し、かつ、動作の間にナトリウムがアークチューブを介して移動してしまうことを阻止する、耐熱性メタルの渦巻線を使用している。このような使用法の代表例は、以下の通りである。
【0007】
欧州特許第EP 0549056号は、封じ込めのためにしか使用されず、点火のためには使用されないメタルコイルを開示している。なお、このコイルは、アークチューブを取り囲むスリーブの周りに巻き付けられており、かつ、アークチューブ自体の周りには巻き付けられていない。
【0008】
米国特許第4,179,640号は、HPSランプ内における点火のためにしか使用されず、封じ込めのためには使用されないコイルを開示している。なお、このコイルは、フレームワイヤに電気接続されており、かつ、容量結合されていない。
【0009】
米国特許第4,491,766号は、点火、および、ナトリウムの移動を抑制するためにしか使用されず、封じ込めのためには使用されないコイルを開示している。なお、このコイルは、フレームワイヤに電気接続されており、かつ容量結合されていない。
【0010】
米国特許第4,950,938号は、コイルは開示していないが、封じ込めのためにしか使用されず、点火のためには使用されないメタルスクリーンを開示している。
【0011】
この技術分野には、出力範囲が約150W〜約1000WのセラミックメタルハライドタイプのHIDランプと、点火と封じ込めの両方のためのメタルコイルを使用したランプとが必要である。
【特許文献1】
米国特許第5,424,609号
【特許文献2】
欧州特許第549,056号
【特許文献3】
米国特許第4,179,640号
【特許文献4】
米国特許第4,491,766号
【特許文献5】
米国特許第4,950,938号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の目的は、出力範囲が約150W〜約1000WのセラミックメタルハライドタイプのHIDランプであって、点火と封じ込めの両方のために、このようなランプのアークチューブの周りに巻き付けられたメタルコイルを使用したHIDランプを提供することである。HPSとMHに適用可能なANSI規格が指定する公称電圧は、150W〜400Wのランプの場合、100V〜135Vと様々であり、次いで1000Wのランプの場合、定格出力は約260Vまで増加する。
【0013】
本発明の他の目的は、初期段階における色の一貫性が優れており、安定性が寿命を通して素晴らしく(ルーメン維持率は80%超、10,000時間における色温度変化は200K未満)、発光効率が90ルーメン超/ワットと高く、寿命が約20,000時間あり、かつ、出力範囲が約150W〜約1000Wの、アークチューブの周りに巻き付けられた点火と封じ込めの両方のためのメタルコイルを使用した、フィリップス製MasterColor(登録商標)シリーズのセラミックメタルハライドランプを提供することである。
【0014】
他の目的は、上述した欠点と故障の危険度とを軽減する方法を提供することである。
【0015】
本発明のこれらの目的と他の目的は、本発明の第一実施例によって達成される。この第一実施例の場合、高圧ナトリウムまたは石英メタルハライドランプ(パルス始動またはスイッチ始動)用に設計されているバラストに関するANSI規格シリーズと組み合わせることが出来る、150W〜1000Wの定格出力を有し、点火と封じ込めの両方のために、このようなランプのアークチューブに巻き付けられたメタルコイルを使用したガス放電ランプの全製品ファミリが提供される。本発明のランプは、フィリップス製MasterColor(登録商標)シリーズのランプの出力範囲を150W〜1000Wに拡張したものであり、かつ、同出力のHPSまたはMHのレトロフィットに適している。従って、これらを、既存のバラストと固定システムのほとんどに使用することが出来る。
【0016】
本発明は、その好ましい実施例において、アークチューブの周りに巻き付けられた、点火と封じ込めの両用のメタルコイルを使用し、かつ、高圧ナトリウムおよび/または石英メタルハライドのレトロフィットに適した、出力範囲が約150W〜約1000Wのセラミックメタルハライドランプを提供する。
【0017】
他の好ましい実施例の場合、上述したような高出力ランプは、以下の特性:約3800〜約4500KのCCT(相関色温度)、約70〜約95のCRI(演色指数)、約±10のMPCD(認知可能な平均色差)、および、最大約85〜95ルーメン/ワットの発光効率、を一つ以上、かつ、最も好ましくは、全て有するであろう。
【0018】
他の好ましい実施例の場合、定格出力に関わらず、ルーメン維持率が80%超であり、100〜8000時間の色温度変化が200K未満であり、かつ寿命が約10,000〜約25,000時間であることが判明している、セラミックメタルハライドランプが提供される。
【0019】
初期の色一貫性が優れており、安定性が寿命を通じて素晴らしく(ルーメン維持率は80%未満、10,000時間の色温度変化は200K未満)、発光効率が90ルーメン超/ワットと高く、寿命が約20,000時間であり、かつ、出力範囲が約150W〜約1000Wのセラミックメタルハライドランプは、特に好ましい。
【0020】
本発明は、約150W〜1000Wの間の任意のランプ出力に対するパラメータを含む新規な設計空間も提供する。この場合、この所望の出力で動作可能なランプの本体設計用の適切なパラメータは、以下のパラメータから選択することにより得られる。
(i) アークチューブの長さ、直径、および壁厚の限界値は、ランプ出力および/または色温度および/またはランプ電圧の関数と相関しており、かつ、この関数として表される。
(ii) アークチューブの熱歪を抑えながら電流を導通させるために使用される電極フィードスルー構造体は、ランプ電流の関数と相関しており、かつ、この関数として表される。
【0021】
本発明は、本発明の設計空間を用いることにより、予め定められている特性を有するセラミックメタルハライドランプを作る方法も提供する。
【0022】
以下、本発明によるランプの上述の態様と更なる態様を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
本発明は、以下の具体的な実施例の詳細を参照することにより、より良く理解されるであろう。
【0024】
図8を参照すると、セラミックメタルハライド放電ランプ1は、外側のガラスエンベロープ10と、それに埋め込まれている一対の導通性のフレームワイヤ12, 13をその中に有するガラスステム11と、メタルベース14と、ベース14から絶縁されている中心接点16と、を有する。ステムリード線12、13は、ベース14と中心接点16とに各々接続されており、かつ、アークチューブ20を支持するだけでなく、フレームワイヤ部材17とステムリード線部材13とを介して電極30、40に電流を供給する。ゲッター18は、フレームワイヤ部材17に固定されている。ニオビウム接続子19は、アークチューブの電極フィードスルー30と40を電気接続させる。このフレーム部材17を越えた部分には、ガラスエンベロープ10の軸上端に形成されているディンプル8と接触している端部9が設けられている。
【0025】
図9は、4パートのフィードスルーを有するアークチューブ20の好ましい実施例の断面を示す。中央のバレル22は、末端プラグ26、27を受ける中央開口部を有する円板状の端壁24、25を有するセラミック管として形成されている。これらの末端プラグは、更に、セラミック管として形成されており、かつ、これらを介して電極30、40を受ける。電極30、40は、各々、電極アセンブリをPCAアークチューブに密封するように封止するフリット33、43によって封止されているニオビウムのリードイン32、42と、モリブデン/アルミニウムのサーメットの中心部34、44と、モリブデンロッド部35、45と、タングステンの巻線37、47を有するタングステンロッド36、46と、を有する。バレル22と端壁24、25は、不活性ガス、メタルハライド、および水銀のイオン化可能な充填材を含む放電空間21を封入している。
【0026】
図10は、3パートのフィードスルーを有する、アークチューブ20の第二の好ましい実施例の断面を示す。電極30、40(30しか図示されていない)は、各々、フリット33、43によって封止されているニオビウムのリードイン32、42と、モリブデンまたはサーメットの中心部34、44と、タングステンの巻線37、47を有するタングステンロッド36、46と、を有する。
【0027】
本願明細書で用いられている「セラミック」とは、単結晶性のメタル酸化物(例えば、サファイヤ)、多結晶性のメタル酸化物(例えば、多結晶性の高密度に焼結された酸化アルミニウムおよびイットリウム酸化物)、および多結晶性の酸化物ではない物質(例えば、アルミニウム窒化物)のような耐熱性の物質を意味する。このような物質は、1500〜1600Kの壁温度を可能にし、かつハライドとナトリウムによる化学攻撃に耐える。本発明の目的には、多結晶酸化アルミニウム(PCA)が最適であることが判明している。
【0028】
図8は、バレル22の長さに沿って延在し、かつ、アークチューブ20の周りと延在プラグ26, 27の周りとに巻き付けられている導通性のアンテナコイル50を有する、セラミックメタルハライドアークチューブ20も示している。アンテナコイル50は、コイルと、プラグ内の隣接するリードインとの間の容量結合によって充填材ガスがイオン化する破壊電圧を低減させる。AC電圧が電極全体に印加されると、アンテナがPCA内のUV放出を刺激し、これにより結局、一次電子が電極によって放出される。これらの一次電子が存在することにより、充填材ガス内における放電点火が促進される。
【0029】
200WのMMHランプの様々な特性に対する、ガスタイプ、ガス圧、およびアンテナタイプの影響を決定するために、ある企画実験が実施された。ガスタイプは2つのレベル(ArとXe)が設けられ、ガス圧は2つのレベル(100 torrと200 torr)が設けられ、アンテナタイプは3つのレベル(アークチューブに黒鉛を塗ったもの、アークチューブの周りにMoコイルを巻き付けたもの、およびMoワイヤ/バイメタル)が設けられた。PCAチューブの寸法は、ID = 7.4 mm, IL = 26 mm, twall= 0.95 mmとした。電極は、Wロッドの長さが4 mmで、ロッド直径が0.500 mmの、3部分のサーメットのアセンブリとした。ttb距離は2.0 mmに設定した。塩は、NaIが14%、TlIが7%、DyI3が12%、HoI3が12%、TmI3が12%、およびCaI2が43%のものを15 mgとした。アークチューブをランプに取り付け、試験を行った。UVエンハンサは、これらのランプに含まれていない(かつ、Kr85は、アークチューブに含まれていない)。アンテナタイプは、3つのレベル(黒鉛をアークチューブに塗ったもの(容量結合させたもの)、アークチューブの周りにMoコイルを巻き付けたもの(容量結合させたもの)、Moワイヤ/バイメタル(長いリードワイヤに取り付けたもの))が設けられた。応答特性には、1hにおける点火特性、100hにおけるアークチューブの温度と封じ込め、および100hと800hにおける測光特性を含めた。
【0030】
幾つかのランプは、キセノンとアルゴンを使用して作り、かつ、メタルハライドランプ測定方法のための米国標準規格(ANSI C78.387-1995)の付録として出版予定の、石英メタルハライドランプの封じ込め試験測定のためのANSI試験規約方法に準拠させた。ランプの数に限りがあるため、封じ込め試験には、各試験から1つのサンプルしか提示しなかった。全てのランプには、破裂したアークチューブの断片をバルブの外側に含ませた。但し、(200 torrのArとMoとのワイヤアンテナによる試験からは、)1 cm2未満の小さな穴がバルブの外側にできた1本のランプを除外した。ANSI試験規約によると、この封じ込め試験が失敗しないように、この構想を再検証することが出来る。アークチューブは、破裂すると、通常2、3の破片になったが、ランプ内のアークチューブをMoコイルで設計したものは、動きが最も少なかった。これらの試験に使用した3タイプのアンテナの違いは、点火補助機能に関しては、相対的に微々たるものだった。しかしながら、Moコイルアンテナだけは、封じ込めの防止と点火という2つの機能に役立った。
【0031】
「封じ込め」とは、アークチューブの破裂によって生じるバルブ外側の破損を防止することを意味する。
【0032】
コイルに使用するMoは、カリウムがドープされており、かつ、HCT(高結晶化温度)と明記されていることが好ましい。この物質は、1300℃での真空焼成に耐え、かつ次いで、ASTM延性試験を課した場合でも、ヒビ割れ、分裂、層間剥離または分裂が生じてはならない。Moは再結晶化しても、約100℃を超える温度では可鍛性を有したままであり、かつ、弾性力は、約1200℃に至るまで100 MPaよりも高い状態のままとなる。
【0033】
従って、要約すると、放電空間を封入し、かつ、好ましくは、円筒形のセラミック、好ましくは、電極を有する焼結された半透明の多結晶アルミナアークチューブ、好ましくは、一方の側に気密な封止によって取り付けられているタングステン-モリブデン-サーメット-ニオビウム電極またはタングステン-サーメット-ニオビウム電極、が設けられているセラミック放電容器を有する、高ワットの放電ランプが提供される。アークチューブには、メタル水銀、希ガスと放射性85Krとの混合物、および、沃化ナトリウムとヨウ化カルシウムとヨウ化タリウムと幾つかの希土類ヨウ化物とから構成されている塩混合物が含まれている。アークチューブは、始動用のアンテナとしても役立つモリブデンコイルによって、破裂を防止している。アークチューブ全体とその支持構造体は、必要に応じて取り付けられるゲッター(図8の18)またはUVエンハンサ(図示せず)のような他の構成要素と共に、鉛が含まれていない標準サイズの固形ガラスバルブに封入されている。
【0034】
本発明の好ましい実施例の場合、以下の設計パラメータにより、ランプの高出力に関連する高い熱歪の影響が緩和され、かつ、ほとんどの場合、この影響が除去されることが判明している。本願発明者らは、これらのパラメータが、特に、出力が150W〜400Wかつランプ電圧が100Vのランプ製品の製造に適しており、かつ、幾つかの設計パラメータを変更することにより、電圧が135V〜260Vおよび/または出力がより高い(最大1000W)ランプの設計も可能であることを見い出している。これらの設計パラメータは、以下の通りである。
(i) 一般的なアスペクト比、すなわち、PCAアークチューブ本体の内側の直径(ID)に対する内側の長さ(IL)の比率が、低出力範囲のMasterColor(登録商標)ランプよりも高い。
(ii) 150W〜1000Wの間の任意のランプ出力に対する一般的な設計空間は、アークチューブの長さ、直径、および壁厚の限界値に関しては、ランプ出力、色温度、およびランプ電圧の関数として表され、かつ、このようなパラメータの上限値と下限値とが、選択されたランプ出力に対して決定され、かつ、予め選択した特性をランプに与えるために、この設計空間からパラメータを選択するための方法が提供される。
(iii) PCAに対する熱歪を抑えながら大きな電流を導通させるために、レーザ溶接された固有のタングステン-サーメット-ニオビウム電極またはタングステン-モリブデン-サーメット-ニオビウム電極のフィードスルー構造体を使用する。
(iv) このようなフィードスルーの設計パラメータの限界値は、ランプ電流の関数として与えられる。
(v) 非受動的な故障の危険性を低減させるために、アークチューブの周りと延在するプラグの周りとに巻き付けられているモリブデンコイルを使用する。
(vi) 塩の組成は、高出力のMasterColor(登録商標)ランプの形状と様々なランプ電圧に合わせて、所望の色温度に調整される。塩の一般的な組成範囲は、色温度とランプ電圧との関数として与えられる。
(vii) ランプの始動特性は、キセノン、アルゴン、クリプトン、および85Krガスの混合物を用いることにより達成される。
【0035】
図1〜7および図11を参照すると、上記の設計パラメータは、以下の項目を一つ以上含むものとして分類することが出来る。
(1) アークチューブの形状に対する設計空間の限界値;
(2) 電極フィードスルーの構造と設計との限界値;
(3) 所望の測光属性を達成するためのヨウ化物塩の組成範囲(CCT = 3800〜4500K, CRI = 85〜95, MPCD = ±10, 85〜95ルーメン/ワットの発光効率);かつ、
(4) 緩衝ガスの組成と圧力の範囲。
【0036】
本発明の特に重要な側面は、出力が150W〜1000Wの全製品ファミリが、特定の定格出力に関わりなく、8000時間で80%超(例えば、図11を参照されたい)のルーメン維持率、100時間〜8000時間で200K未満の色温度変化、および10,000時間〜25,000時間の寿命を有する、というパラメータ限界値を発見したことである。
【0037】
アークチューブの形状は、使用される主なパラメータも示している図1〜図5および図9に最良に図示されている一組のパラメータによって定められる。図1と図9から分かるように、アークチューブ本体の内側の長さ(IL)は、ランプ出力によって決定される。150W〜400Wの間の任意の所定のランプ出力に対するILの上限値と下限値は、図1から見つけることが出来る。アークチューブ本体の内側の直径(ID)も、ランプ出力の関数である。150W〜400Wの任意の所定のランプ出力に対するIDの上限値と下限値は、図2に示されている。
【0038】
この高ワットのMasterColor(登録商標)ランプファミリの共通特性の一つは、アークチューブ本体のアスペクト比が、低ワットのMasterColorランプ(30〜150W)のそれよりも高いことである。低ワットのランプのアークチューブ本体のアスペクト比は、約1.0〜1.5である。本発明のランプに対する任意の所定のランプ出力の場合、アスペクト比(IL/ID)は、3.3〜6.2の範囲となる。形状に関する設計空間は、図3のIL-IDプロットに示されている。図3に示されている陰付きの空間は、ランプ出力を特定しない一般的な設計空間である。
【0039】
各設計と、様々な定格出力の他の設計との比較は、「壁負荷」によって測定される。壁負荷は、出力と、アークチューブ本体の内側表面領域との比率(単位はW/cm2)として定義される。図4の場合、上の線は、まるでILとIDの両方が、出力に対して下限にあるような壁負荷値であり、従って、内部表面領域は最小であり、かつ、壁負荷は最大である。下の線は、まるでILとIDの両方が、上限にあるような壁負荷レベルであり、表面領域は最大であり、かつ、壁負荷は最低である。陰付きの領域内の各ポイントが示すように、いかなる他の設計の場合にも、壁負荷の範囲は23〜35W/cm2の間としなければならない。壁負荷レベルは、150W〜400Wの出力範囲の全域で、かなり一定な状態を保っている。
【0040】
通常、ランプ出力が高くなるに従って、アークチューブの壁は、容積の増加に応じてより厚くする必要がある。壁厚の限界値は、図5に明記されている。
【0041】
電流を導通させ、かつ、アーク放電に対して交互に陰極と陽極として作用する電極は、セラミックアークチューブ用に特別に構成されている。図9と図10は、アークチューブ内の構成要素の詳細と、これらの相対的な位置とを示しており、かつ、各々、3パートのフィードスルーと4パートのフィードスルーを有するアークチューブ20の好ましい実施例を示している。ここで、電極30、40は、各々、
フリット33、43によって封止されているニオビウムのリードイン32、42と、
モリブデン/アルミニウムのサーメットの中心部34、44と、
モリブデンロッド部35、45と、
タングステンの巻線37、47を有し、および/または、電極30、40が、各々、その中で、フリット33、43によって封止されているニオビウムのリードイン32、42と、
モリブデン/アルミニウムのサーメットの中心部34、44、および、タングステンの巻線37、47を有するタングステンチップ(ロッド)36、46を有するタングステンチップ(ロッド)36、46と、
を有する。2つのフィードスルー構成要素を接続する各ジョイント部は、レーザ溶接機によって溶接することが好ましい。3パートのフィードスルー構造体は、低ワットのMasterColor(登録商標)ランプに使用されるフィードスルー構造体と類似しているが、本願明細書では、より大きな電流用のフィードスルーを組み立てるための好ましい設計パラメータを示す。
【0042】
フィードスルーの主要な設計パラメータには、ランプ出力に対するロッドの直径とロッドの長さとの限界値を示している図6と図7に示されている、電極ロッドの直径と長さとが含まれる。
【0043】
フィードスルー構造の好ましい実施例に対して更なるパラメータが存在し、かつ、これらには、以下が含まれていることが好ましい。
(1) 電極のチップ拡張部は、0.2〜1.0 mmの範囲である。
(2) チップから底部(ttb)までの距離、すなわち、アークチューブ本体内の電極の長さが1mm〜4mmの範囲で、かつ一般的に、出力に応じて増加する。
(3) サーメットは、約35 wt.%以上のMoを含んでおり、この場合、Moの好ましい含有量は約55 wt.%以上であり、残りは、Al2O3でなければならない。
(4) フリット(封止セラミックとしても知られている)フローは、Nbロッドを完全に覆っていなければならない。
(5) VUPの壁厚[(VUP OD – VUP ID)/2]は、0.7mm〜1.5mmの範囲である。
【0044】
本願出願者らは、こうして、PCAアークチューブとフィードスルーの特性の以下の近似値から、設計空間が定まることを見い出している。ここでは、これらのパラメータから所望のランプ出力を選択することが出来、かつ、これとは逆に、所望のランプ出力からパラメータを選択することも出来る。
【表1】
【0045】
更に、以下の事項が好ましい。
(1) 電極のチップ拡張部は、0.2〜1.0mmの範囲である。
(2) チップから底部(ttb)までの距離、すなわち、アークチューブ本体内の電極の長さが、1mm〜4mmの範囲で、かつ一般的に、出力に応じて増加する。
(3) サーメットは約35 wt.%以上のMoを含んでおり、この場合、Moの好ましい含有量は約55 wt.%以上であり、残りは、Al2O3でなければならない。
(4) フリット(封止セラミックとしても知られている)のフローは、Nbロッドを完全に覆っていなければならない。
(5) VUPの壁厚[(VUP OD - VUP ID)/2]は、0.7mm〜1.5mmの範囲である。
【0046】
この塩混合物は、この製品ファミリに用いられる出力範囲とアークチューブ形状に合わせて特別に作られている。以下の表は、この塩混合物の公称の組成を示している(完全な組成を100%とする)。
【表2】
【0047】
放電容器の充填材には、1〜5 mgのHgが含まれている。この水銀の含有量は、フィリップス製のAlto Plusランプのそれ(すなわち、5 mg未満)と類似しており、かつ、本発明のランプはTCLP試験に合格しているため、環境に優しい。なお、これらのランプは、NaIが6〜25 wt%、TlIが5〜6 wt%、CaI2が34〜37 wt%、DyI3が11〜18 wt%、HoI3が11〜18 wt%、TmI3が11〜18 wt%の比率で、約10〜50 mgのメタルハライドを含んでいる。
【0048】
アークチューブには、ランプ点火を補助するための希ガス混合物も充填されている。このガスの組成は、最低でも約99.99%のキセノンと僅少量の放射性85Krガスだが、可能な代替ガスとして、純粋なXeの代わりに、Ne, Ar, Kr, または希ガスの混合物を使用することが出来る。Arを使用したランプよりもランプ効率が高いことが示されているため、純粋なキセノンが好ましい。更に、キセノンを利用しているランプの破壊電圧は、Arを使用したランプのそれよりも高く、かつ、ランプの壁温度は、Arを使用したランプのそれよりも低い。この製品ファミリの室温における充填圧力は、約50 torr〜約150 torrの範囲が好ましい。
【0049】
上述したように、非受動的な故障の危険度を低減させるため、アークチューブの周りと、延在しているプラグの周りとに巻き付けられたモリブデンコイルが使用されている。PCAアークチューブの周りと、延在しているプラグの周りの少なくとも一部とに巻き付けられたMoコイルアンテナを使用することが好ましい。このコイルアンテナは、点火を始動させるためのアンテナとして機能し、点火のための良好な容量結合を可能にし、ランプの効率または寿命中の特性に対する有害な作用がなく、かつ更に、アークチューブが破裂した場合は、破片を機械的に封じ込める。
【0050】
この製品ファミリは、屋内と屋外の両方の照明用途に広範な使用することが可能となるであろう。屋内での主な用途として、演色指数を高くし、可視性を高くし、かつランプ同士の色変化を低くする必要がある、常に占有されている広範囲の倉庫またはリテールビルがある。屋外での用途には、街灯、ビルと構造物への照明、およびハイウェイの照明が含まれる。
【0051】
本発明は、その趣旨と範囲または基本的な特性から逸脱しない他の形態で実施可能であり、本願明細書に開示されている例が、その単なる好ましい実施例であることが、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明の好ましい実施例における、アークチューブの内側の長さの寸法の上限と下限の範囲を示すグラフである。
【図2】本発明の好ましい実施例における、アークチューブの内側の直径寸法の上限と下限の範囲を示すグラフである。
【図3】本発明の好ましい実施例における、アスペクト比の限界値による設計空間を示すグラフである。
【図4】本発明の好ましい実施例における、出力に対する壁負荷による設計空間を示すグラフである。
【図5】本発明の好ましい実施例における、ランプ出力に対するアークチューブの壁厚の寸法の上限と下限の範囲を示すグラフである。
【図6】本発明の好ましい実施例における、出力に対する電極ロッドの直径の上限と下限の範囲を示すグラフである。
【図7】本発明の好ましい実施例における、出力に対する電極ロッドの長さの上限と下限の範囲を示すグラフである。
【図8】本発明の好ましい実施例によるランプの概略図である。
【図9】本発明の好ましい形態による、図8のセラミックアークチューブの断面図である。
【図10】本発明の好ましい形態による、図8の3パートの電極フィードスルーの断面図である。
【図11A】本発明の好ましい形状による、150Wのランプのルーメン維持率のグラフである。
【図11B】本発明の好ましい形状による、200Wのランプのルーメン維持率のグラフである。
【符号の説明】
【0053】
1…セラミックメタルハライド放電ランプ
8…ディンプル
9…端部
10…ガラスエンベロープ
11…ガラスステム
12…フレームワイヤ
13…フレームワイヤ
14…ベース
16…中心接点
17…フレームワイヤ部材
18…ゲッター
19…ニオビウム接続子
20…アークチューブ
21…放電空間
22…バレル
24…端壁
25…端壁
26…末端プラグ
27…末端プラグ
30…電極
32…ニオビウムのリードイン
33…フリット
34…モリブデンまたはサーメットの中心部
35…モリブデンロッド部
36…タングステンチップ(ロッド)
37…タングステンの巻線
40…電極
42…ニオビウムのリードイン
43…フリット
44…モリブデンまたはサーメットの中心部
45…モリブデンロッド部
46…タングステンチップ(ロッド)
47…タングステンの巻線
50…アンテナコイル
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a high-pressure discharge lamp that encloses a discharge space containing an electrode connected to a current conductor by a lead-through element and that is provided with a discharge vessel including a ceramic wall. The present invention
A light source for the discharge vessel,
A glass stem,
A pair of lead wires embedded in the glass stem,
A glass envelope surrounding the light source,
A first end secured to the stem, a shaft portion extending parallel to the axis of the lamp, and a second end resiliently secured within the closed end of the glass envelope. A wire frame member,
The invention also relates to a high intensity discharge (HID) lamp having:
[Background Art]
[0002]
High intensity discharge (HID) lamps are commonly used for wide area lighting applications because of their high energy efficiency and extremely long life. Existing HID product areas consist of mercury vapor (MV) lamps, high pressure sodium (HPS) lamps, and quartz metal halide (MH) lamps. In recent years, ceramic metal halide lamps (eg, Philips MasterColor® series) have been introduced to the market. Compared to traditional HID lamps, ceramic metal halide lamps have better initial color consistency and excellent stability over their lifetime (lumen retention rate is over 80%, color temperature change for 10,000 hours is less than 200K) The luminous efficiency is as high as over 90 lumens / watt and the lifetime is about 20,000 hours. These highly desirable properties are due to the high stability of the polycrystalline alumina (PCA) envelope, which emits continuous spectrum light radiation close to natural light, and special salt mixtures.
[0003]
Philips MasterColor (TM) salt mixture used in the series of lamps, NaI, and is made of rare earth halides according to the CaI 2, TlI, and DyI 3 and HoI 3 and TmI 3. NaI, CaI 2 , and TlI are primarily for emitting high intensity linear radiation in various colors, but also contribute to continuous radiation. These rare-earth halides are intended to emit continuous radiation over the entire visible range, thereby providing a high color rendering index (CRI). By adjusting the composition of the salt, a color temperature of 3800-4500K and a CRI of over 85 can be achieved. The existing power range of such lamps is between 20W and 150W. These relatively narrow power ranges are only suitable for applications requiring low power devices, such as most low ceiling indoor retail spaces. For high power applications requiring lamp power from 200W to 1000W for a wide range, the main products available include MV lamps, HPS lamps, and MH lamps. If the dimensions of the low power arc tube are simply scaled to fit the high power arc tube, the design will result in high thermomechanical distortions and will reduce lamp life to unacceptable levels.
[0004]
An example of a lamp of the type described so far is known from U.S. Pat. No. 5,424,609. This known lamp has a relatively low output of at most 150 W even with an arc voltage of about 90 V. The current that the electrodes of such lamps conduct during lamp operation is relatively small, so that the electrode dimensions can remain relatively small, and the inside diameter of the protruding plug is relatively small. Is enough. In the case of a lamp having a rated output exceeding 150 W or a considerably low arc voltage, for example, in order to increase the electrode current, it is necessary to increase the size of the electrode. As a result, the diameter of the inner plug will be correspondingly larger. For such lamps, it has been found that there is a risk of increased premature failure (eg, due to electrode cuts or plug cracks).
[0005]
Protected pulse fired metal halide lamps (using both low watt ceramic arc tubes and low / high watt quartz arc tubes) provide a way to contain debris in the outer area of the bulb if the arc tube ruptures. In addition, a quartz sleeve is used, and in many cases, a Mo coil covered around the sleeve is used. These lamps do not require an auxiliary antenna to assist the ignition process.
[0006]
Other lamps, such as HPS or sodium halide lamps, use a refractory metal spiral that assists in starting and prevents sodium from moving through the arc tube during operation. I have. Representative examples of such uses are as follows.
[0007]
EP 0549056 discloses a metal coil that is used only for containment and not for ignition. Note that this coil is wound around the sleeve surrounding the arc tube, but not around the arc tube itself.
[0008]
U.S. Pat. No. 4,179,640 discloses a coil that is used only for ignition in HPS lamps and not for containment. The coil is electrically connected to the frame wire and is not capacitively coupled.
[0009]
U.S. Pat. No. 4,491,766 discloses a coil that is used only for suppressing ignition and sodium migration, but not for containment. This coil is electrically connected to the frame wire and is not capacitively coupled.
[0010]
U.S. Pat. No. 4,950,938 does not disclose coils, but discloses a metal screen that is used only for containment and not for ignition.
[0011]
There is a need in the art for ceramic metal halide type HID lamps with a power range of about 150 W to about 1000 W and lamps using metal coils for both ignition and containment.
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,424,609 [Patent Document 2]
European Patent No. 549,056 [Patent Document 3]
US Patent No. 4,179,640 [Patent Document 4]
US Patent No. 4,491,766 [Patent Document 5]
US Patent No. 4,950,938 [Disclosure of the Invention]
[Means for Solving the Problems]
[0012]
It is an object of the present invention to provide a ceramic metal halide type HID lamp having an output range of about 150 W to about 1000 W, wherein a metal coil wound around the arc tube of such a lamp is used for both ignition and containment. The purpose is to provide used HID lamps. The nominal voltage specified by the ANSI standards applicable to HPS and MH varies from 100V to 135V for 150W to 400W lamps, and then for 1000W lamps, the rated output increases to about 260V.
[0013]
Another object of the present invention is that the color consistency in the initial stage is excellent, the stability is excellent throughout the life (the lumen maintenance rate is more than 80%, the color temperature change in 10,000 hours is less than 200K), and the luminous efficiency is 90 Made of Philips, with high lumens / watt, a lifespan of about 20,000 hours, and a power range of about 150W to about 1000W, using metal coils wrapped around the arc tube for both ignition and containment The purpose of the present invention is to provide a ceramic metal halide lamp of the MasterColor (registered trademark) series.
[0014]
Another object is to provide a method which reduces the disadvantages mentioned above and the risk of failure.
[0015]
These and other objects of the present invention are achieved by a first embodiment of the present invention. In the case of this first embodiment, it has a rated output of 150 W to 1000 W, which can be combined with the ANSI standard series for ballasts designed for high pressure sodium or quartz metal halide lamps (pulse start or switch start), and For both containment, a complete product family of gas discharge lamps using metal coils wound on the arc tube of such lamps is provided. The lamp of the present invention extends the output range of Philips MasterColor® series lamps from 150 W to 1000 W and is suitable for retrofitting HPS or MH with the same output. Thus, they can be used for most of the existing ballast and fastening systems.
[0016]
The present invention, in its preferred embodiment, uses an ignited and contained metal coil wrapped around an arc tube and has a power range suitable for retrofitting high pressure sodium and / or quartz metal halide. Provide ceramic metal halide lamps from about 150W to about 1000W.
[0017]
In another preferred embodiment, a high power lamp as described above has the following characteristics: a CCT (correlated color temperature) of about 3800 to about 4500 K, a CRI (color rendering index) of about 70 to about 95, a CRI of about ± 10. It will have one or more, and most preferably all, MPCDs (average color difference perceptible) and luminous efficiencies of up to about 85-95 lumens / watt.
[0018]
In another preferred embodiment, regardless of the rated output, the lumen maintenance ratio is more than 80%, the color temperature change for 100 to 8000 hours is less than 200K, and the life is about 10,000 to about 25,000 hours. A ceramic metal halide lamp is provided.
[0019]
Excellent initial color consistency, excellent stability throughout life (Lumen retention less than 80%, color temperature change for 10,000 hours less than 200K), high luminous efficiency of over 90 lumens / watt, lifetime is about Ceramic metal halide lamps with 20,000 hours and an output range of about 150 W to about 1000 W are particularly preferred.
[0020]
The present invention also provides a new design space that includes parameters for any lamp power between about 150W and 1000W. In this case, the appropriate parameters for the design of the body of the lamp operable with this desired output can be obtained by selecting from the following parameters:
(i) Arc tube length, diameter, and wall thickness limits correlate with and are expressed as a function of lamp power and / or color temperature and / or lamp voltage.
(ii) The electrode feedthrough structure used to conduct the current while suppressing the thermal distortion of the arc tube is correlated with and expressed as a function of the lamp current.
[0021]
The present invention also provides a method for making a ceramic metal halide lamp having predetermined characteristics by using the design space of the present invention.
[0022]
The above and further aspects of the lamp according to the invention will now be described in detail with reference to the drawings.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0023]
The present invention may be better understood with reference to the details of the following specific examples.
[0024]
Referring to FIG. 8, a ceramic metal halide discharge lamp 1 includes an outer glass envelope 10, a glass stem 11 having a pair of conductive frame wires 12, 13 embedded therein, a metal base 14, A central contact 16 insulated from the base 14. The stem leads 12, 13 are connected to the base 14 and the center contact 16, respectively, and not only support the arc tube 20, but also connect the electrode 30 through the frame wire member 17 and the stem lead member 13. , Supply current to 40. The getter 18 is fixed to the frame wire member 17. The niobium connector 19 electrically connects the electrode feedthroughs 30 and 40 of the arc tube. An end 9 that is in contact with the dimple 8 formed at the upper end of the shaft of the glass envelope 10 is provided in a portion beyond the frame member 17.
[0025]
FIG. 9 shows a cross section of a preferred embodiment of an arc tube 20 having a four part feedthrough. The central barrel 22 is formed as a ceramic tube having a disc-shaped end wall 24, 25 having a central opening for receiving end plugs 26, 27. These end plugs are further formed as ceramic tubes and receive the electrodes 30, 40 therethrough. Electrodes 30,40 are each provided with a niobium lead-in 32,42 sealed by a frit 33,43 sealingly sealing the electrode assembly to the PCA arc tube, and a molybdenum / aluminum cermet center 34. , 44, molybdenum rod portions 35, 45, and tungsten rods 36, 46 having tungsten windings 37, 47. The barrel 22 and end walls 24, 25 enclose a discharge space 21 containing an inert gas, metal halide, and ionizable filler of mercury.
[0026]
FIG. 10 shows a cross section of a second preferred embodiment of an arc tube 20 having a three part feedthrough. Electrodes 30, 40 (only 30 shown) have niobium lead-ins 32, 42 sealed by frit 33, 43, molybdenum or cermet centers 34, 44, and tungsten windings, respectively. And tungsten rods 36 and 46 having 37 and 47, respectively.
[0027]
As used herein, “ceramic” refers to single crystal metal oxides (eg, sapphire), polycrystalline metal oxides (eg, polycrystalline, densely sintered aluminum oxide). And yttrium oxide) and materials that are heat resistant, such as materials that are not polycrystalline oxides (eg, aluminum nitride). Such materials allow a wall temperature of 1500-1600K and resist chemical attack by halides and sodium. Polycrystalline aluminum oxide (PCA) has been found to be optimal for the purposes of the present invention.
[0028]
FIG. 8 shows a ceramic metal halide arc that extends along the length of the barrel 22 and has a conductive antenna coil 50 wrapped around the arc tube 20 and around the extension plugs 26, 27. Tube 20 is also shown. The antenna coil 50 reduces the breakdown voltage at which the filler gas is ionized by capacitive coupling between the coil and an adjacent lead-in in the plug. When an AC voltage is applied across the electrodes, the antenna stimulates UV emission in the PCA, which eventually causes primary electrons to be emitted by the electrodes. The presence of these primary electrons promotes discharge ignition in the filler gas.
[0029]
A planning experiment was performed to determine the effect of gas type, gas pressure, and antenna type on various characteristics of a 200 W MMH lamp. The gas type has two levels (Ar and Xe), the gas pressure has two levels (100 torr and 200 torr), and the antenna type has three levels (arc tube painted with graphite, arc tube , And Mo wire / bimetal). The dimensions of the PCA tube were ID = 7.4 mm, IL = 26 mm, and t wall = 0.95 mm. The electrodes were a three-part cermet assembly with a W rod length of 4 mm and a rod diameter of 0.500 mm. The ttb distance was set to 2.0 mm. Salt, NaI is 14% TlI was a 7% DyI 3 12%, HoI 3 12%, TmI 3 12%, and CaI 2 is 15 mg ones 43%. An arc tube was attached to the lamp and tested. A UV enhancer is not included in these lamps (and Kr85 is not included in the arc tube). Antenna types are available in three levels: graphite coated on an arc tube (capacitively coupled), Mo coil wrapped around the arc tube (capacitively coupled), Mo wire / bimetal (long lead) Attached to a wire)). Response characteristics included the ignition characteristics at 1 h, the temperature and containment of the arc tube at 100 h, and the photometric characteristics at 100 h and 800 h.
[0030]
Some lamps are made using xenon and argon and will be published as an appendix to the U.S. Standard for Metal Halide Lamp Measurement Methods (ANSI C78.387-1995), which will contain quartz metal halide lamp containment test measurements. In accordance with the ANSI test protocol. Due to the limited number of lamps, the containment test provided only one sample from each test. All lamps contained a ruptured arc tube fragment outside the bulb. However, one lamp with a small hole of less than 1 cm 2 outside the bulb (from testing with a 200 torr Ar and Mo wire antenna) was excluded. According to the ANSI test protocol, this initiative can be re-verified so that this containment test does not fail. When the arc tube ruptured, it usually turned into a few fragments, but the one designed with an Mo coil in the lamp tube had the least movement. The differences between the three types of antennas used in these tests were relatively minor with regard to the ignition assist function. However, only the Mo coil antenna served two functions: prevention of containment and ignition.
[0031]
"Containment" means preventing damage to the outside of the bulb caused by rupture of the arc tube.
[0032]
It is preferable that Mo used for the coil is doped with potassium and specified as HCT (high crystallization temperature). The material withstands vacuum firing at 1300 ° C. and must not crack, split, delaminate or split even when subjected to ASTM ductility testing. Even after recrystallization, Mo remains malleable at temperatures above about 100 ° C., and its elastic force remains above 100 MPa up to about 1200 ° C.
[0033]
Therefore, in summary, it encapsulates the discharge space and preferably is a sintered, translucent polycrystalline alumina arc tube with a cylindrical ceramic, preferably an electrode, preferably a hermetic seal on one side. A high watt discharge lamp is provided having a ceramic discharge vessel provided with a tungsten-molybdenum-cermet-niobium electrode or a tungsten-cermet-niobium electrode mounted by a stop. The arc tube contains metal mercury, a mixture of rare gas and radioactive 85 Kr, and a salt mixture composed of sodium iodide, calcium iodide, thallium iodide and some rare earth iodides. I have. The arc tube is prevented from bursting by a molybdenum coil, which also serves as a starting antenna. The entire arc tube and its support structure, along with other components, such as a getter (18 in FIG. 8) or a UV enhancer (not shown), are installed as needed, with a standard lead-free solid size. It is enclosed in a glass bulb.
[0034]
In the preferred embodiment of the present invention, it has been found that the following design parameters mitigate and, in most cases, eliminate the effects of high thermal strain associated with high lamp power. The present inventors have found that these parameters are particularly suitable for producing lamp products having an output of 150 W to 400 W and a lamp voltage of 100 V, and changing the voltage of 135 V to 135 V by changing some design parameters. We have found that lamp designs with higher 260V and / or higher power (up to 1000W) are also possible. These design parameters are as follows.
(i) The general aspect ratio, ie, the ratio of the inner length (IL) to the inner diameter (ID) of the PCA arc tube body, is higher than the low power range MasterColor® lamp.
(ii) The general design space for any lamp power between 150W and 1000W, as a function of lamp power, color temperature, and lamp voltage, in terms of arc tube length, diameter, and wall thickness limits. Upper and lower limits for such parameters are expressed and determined for the selected lamp output, and parameters are selected from this design space to provide the lamp with preselected characteristics. A method is provided for:
(iii) In order to conduct a large current while suppressing thermal strain on the PCA, a laser-welded specific tungsten-cermet-niobium electrode or tungsten-molybdenum-cermet-niobium electrode feed-through structure is used.
(iv) The design parameter limits for such feedthroughs are given as a function of lamp current.
(v) Use a molybdenum coil wound around the arc tube and around the extending plug to reduce the risk of non-passive failure.
(vi) The composition of the salt is adjusted to the desired color temperature according to the shape of the high-power MasterColor® lamp and various lamp voltages. The general composition range of the salt is given as a function of the color temperature and the lamp voltage.
(vii) The starting properties of the lamp are achieved by using a mixture of xenon, argon, krypton, and 85 Kr gas.
[0035]
Referring to FIGS. 1-7 and FIG. 11, the above design parameters can be categorized as including one or more of the following items.
(1) Design space limit for arc tube shape;
(2) Limit values of the structure and design of the electrode feedthrough;
(3) iodide salt composition range to achieve desired photometric attributes (CCT = 3800-4500K, CRI = 85-95, MPCD = ± 10, luminous efficiency of 85-95 lumens / watt); and
(4) Range of buffer gas composition and pressure.
[0036]
A particularly important aspect of the present invention is that all product families with a power output of 150 W to 1000 W have a lumen retention rate of more than 80% (e.g., see FIG. 11) at 8000 hours, regardless of the specific rated power, 100%. It is the discovery of a parameter limit of less than 200K color temperature change in hours to 8000 hours and a lifetime of 10,000 hours to 25,000 hours.
[0037]
The shape of the arc tube is determined by a set of parameters best illustrated in FIGS. 1-5 and 9 which also indicate the main parameters used. As can be seen from FIGS. 1 and 9, the length inside the arc tube body (IL) is determined by the lamp power. The upper and lower limits of IL for any given lamp power between 150 W and 400 W can be found in FIG. The inside diameter (ID) of the arc tube body is also a function of the lamp power. The upper limit and lower limit of the ID for any predetermined lamp output of 150 W to 400 W are shown in FIG.
[0038]
One of the common characteristics of this high wattage MasterColor® lamp family is that the aspect ratio of the arc tube body is higher than that of a low wattage MasterColor lamp (30-150 W). The aspect ratio of the arc tube body of the low wattage lamp is about 1.0-1.5. For any given lamp output for the lamp of the present invention, the aspect ratio (IL / ID) will be in the range of 3.3 to 6.2. The design space for the shape is shown in the IL-ID plot of FIG. The shaded space shown in FIG. 3 is a general design space that does not specify a lamp output.
[0039]
The comparison of each design with other designs of different rated power is measured by "wall load". The wall load is defined as the ratio of the power to the inner surface area of the arc tube body (in W / cm 2 ). In FIG. 4, the upper line is the wall load value as if both IL and ID were at the lower limit for the output, so the internal surface area was minimal and the wall load was maximum. is there. The lower line is the wall loading level as if both IL and ID were at the upper limit, the surface area was the largest, and the wall loading was the lowest. As indicated by each point of the shaded in the region, in the case of any other design, the range of wall loading must be between 23~35W / cm 2. The wall load level remains fairly constant throughout the power range of 150W to 400W.
[0040]
Typically, as the lamp power increases, the walls of the arc tube need to be thicker as the volume increases. The wall thickness limits are specified in FIG.
[0041]
Electrodes that conduct current and act alternately as cathodes and anodes for arcing are specially configured for ceramic arc tubes. FIGS. 9 and 10 show details of the components within the arc tube and their relative positions, and of an arc tube 20 having a three part feedthrough and a four part feedthrough, respectively. 2 shows a preferred embodiment. Here, the electrodes 30, 40 are respectively
Niobium lead-in 32, 42 sealed by frit 33, 43,
Molybdenum / aluminum cermet center 34,44,
Molybdenum rod parts 35, 45,
A niobium lead-in 32, 42 having tungsten windings 37, 47 and / or electrodes 30, 40, respectively, sealed therein by frit 33, 43;
A molybdenum / aluminum cermet center 34,44 and tungsten tips (rods) 36,46 with tungsten windings 37,47, tungsten tips (rods) 36,46;
Having. Each joint connecting the two feedthrough components is preferably welded by a laser welder. The three-part feedthrough structure is similar to the feedthrough structure used for low wattage MasterColor® lamps, but is preferred herein for assembling the feedthrough for larger currents. Shows the design parameters.
[0042]
The key design parameters of the feedthrough include the diameter and length of the electrode rod, as shown in FIGS. 6 and 7, which show the limits of rod diameter and rod length for lamp power.
[0043]
Additional parameters exist for the preferred embodiment of the feedthrough structure, and these preferably include:
(1) The tip extension of the electrode ranges from 0.2 to 1.0 mm.
(2) The distance from the tip to the bottom (ttb), ie, the length of the electrode in the arc tube body, is in the range of 1 mm to 4 mm, and generally increases with power.
(3) The cermet contains about 35 wt.% Or more of Mo, in which case the preferred content of Mo is about 55 wt.% Or more, and the balance must be Al 2 O 3 .
(4) The frit (also known as sealing ceramic) flow must completely cover the Nb rod.
(5) The VUP wall thickness [(VUP OD – VUP ID) / 2] is in the range of 0.7 mm to 1.5 mm.
[0044]
Applicants have thus found that the design space is determined from the following approximations of the characteristics of the PCA arc tube and feedthrough. Here, a desired lamp output can be selected from these parameters, and conversely, a parameter can be selected from the desired lamp output.
[Table 1]
[0045]
Further, the following items are preferable.
(1) The tip extension of the electrode is in the range of 0.2-1.0 mm.
(2) The distance from the tip to the bottom (ttb), ie, the length of the electrode in the arc tube body, increases in the range of 1 mm to 4 mm and generally with power.
(3) The cermet contains about 35 wt.% Or more of Mo, in which case the preferred content of Mo should be about 55 wt.% Or more, and the rest should be Al 2 O 3 .
(4) The flow of the frit (also known as the sealing ceramic) must completely cover the Nb rod.
(5) The VUP wall thickness [(VUP OD-VUP ID) / 2] is in the range of 0.7 mm to 1.5 mm.
[0046]
The salt mixture is specifically tailored to the power range and arc tube shape used for this product family. The table below shows the nominal composition of this salt mixture (100% complete composition).
[Table 2]
[0047]
The filling material of the discharge vessel contains 1 to 5 mg of Hg. This mercury content is similar to that of Philips Alto Plus lamps (ie, less than 5 mg) and the lamps of the present invention have passed the TCLP test and are therefore environmentally friendly. Incidentally, these lamps, NaI is 6 to 25 wt%, TlI is 5 to 6 wt%, CaI 2 is 34 to 37 wt%, DyI 3 is 11 to 18 wt%, HoI 3 is 11 to 18 wt%, It contains about 10 to 50 mg of metal halide in a TmI 3 ratio of 11 to 18 wt%.
[0048]
The arc tube is also filled with a rare gas mixture to assist in lamp ignition. The composition of this gas is at least about 99.99% xenon and a small amount of radioactive 85 Kr gas, but use a mixture of Ne, Ar, Kr, or a noble gas instead of pure Xe as a possible alternative gas I can do it. Pure xenon is preferred because it has been shown to be more efficient than lamps using Ar. In addition, the breakdown voltage of lamps using xenon is higher than that of lamps using Ar, and the wall temperature of the lamp is lower than that of lamps using Ar. The filling pressure at room temperature for this product family preferably ranges from about 50 torr to about 150 torr.
[0049]
As mentioned above, to reduce the risk of non-passive failure, molybdenum coils wound around the arc tube and around the extending plug are used. It is preferred to use a Mo coil antenna wrapped around the PCA arc tube and at least partially around the extending plug. This coil antenna functions as an antenna to start the ignition, allows good capacitive coupling for the ignition, has no detrimental effect on the efficiency or lifetime characteristics of the lamp, and furthermore, the arc tube can burst If so, mechanically contain the debris.
[0050]
This product family will be able to be used extensively in both indoor and outdoor lighting applications. The main indoor application is a constantly occupied extensive warehouse or retail building that requires a high color rendering index, high visibility, and low color change between lamps. Outdoor applications include street lighting, lighting for buildings and structures, and highway lighting.
[0051]
It will be understood that the present invention may be embodied in other forms without departing from its spirit and scope or basic characteristics, and that the examples disclosed herein are merely preferred embodiments thereof. There will be.
[Brief description of the drawings]
[0052]
FIG. 1 is a graph showing an upper limit and a lower limit of a length dimension inside an arc tube according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an upper limit and a lower limit of a diameter dimension inside an arc tube in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a design space according to a limit value of an aspect ratio in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a design space according to a wall load with respect to an output in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a range of an upper limit and a lower limit of a dimension of a wall thickness of an arc tube with respect to a lamp output in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a range of an upper limit and a lower limit of a diameter of an electrode rod with respect to an output in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a range of an upper limit and a lower limit of a length of an electrode rod with respect to an output in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram of a lamp according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the ceramic arc tube of FIG. 8, according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of the three-part electrode feedthrough of FIG. 8, according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 11A is a graph of lumen maintenance of a 150 W lamp according to a preferred shape of the present invention.
FIG. 11B is a graph of lumen maintenance for a 200 W lamp according to a preferred shape of the present invention.
[Explanation of symbols]
[0053]
1… Ceramic metal halide discharge lamp
8… Dimple
9 ... end
10… Glass envelope
11… Glass stem
12… Frame wire
13… Frame wire
14 ... Base
16 ... Center contact
17… Frame wire members
18 ... getter
19… Niobium connector
20 ... Arc tube
21… Discharge space
22 ... Barrel
24 ... End wall
25 ... End wall
26 ... Terminal plug
27 ... Terminal plug
30 ... electrode
32… Niobium lead-in
33 ... frit
34 ... Molybdenum or cermet center
35 ... Molybdenum rod
36 ... Tungsten tip (rod)
37 ... Tungsten winding
40 ... electrode
42… Niobium lead-in
43… Frit
44… Molybdenum or cermet center
45 ... Molybdenum rod
46… Tungsten tip (rod)
47 ... Tungsten winding
50… antenna coil

Claims (18)

放電空間を封入するセラミック放電容器を有する放電ランプであって、
当該放電容器が、前記放電空間内において、
メタルハライドを有するイオン化可能な物質と、
第一と第二の放電電極フィードスルー手段と、
当該第一と当該第二の放電電極フィードスルー手段に各々接続されている第一と第二の電流導体と、
を有する放電ランプにおいて、
前記放電容器の周りと、前記電極フィードスルー手段の少なくとも一部とに巻き付けられているモリブデンコイルを有し、かつ、約150W〜約1000Wの出力範囲を有し、かつ、
約3800〜約4500KのCCT(相関色温度)と、約70〜約95のCRI(演色指数)と、約±10のMPCD(認知可能な平均色差)と、最大約85〜95 ルーメン/ワットの発光効率と、から成る集団から選択される一つ以上の特徴を示す、
放電ランプ。
A discharge lamp having a ceramic discharge vessel enclosing a discharge space,
The discharge vessel, in the discharge space,
An ionizable substance having a metal halide;
First and second discharge electrode feed-through means,
First and second current conductors respectively connected to the first and second discharge electrode feedthrough means,
In a discharge lamp having
Having a molybdenum coil wound around the discharge vessel and at least a portion of the electrode feedthrough means, and having an output range of about 150 W to about 1000 W; and
About 3800 to about 4500K CCT (correlated color temperature), about 70 to about 95 CRI (color rendering index), about ± 10 MPCD (recognizable average color difference), and up to about 85 to 95 lumens / watt Exhibiting one or more characteristics selected from the group consisting of: luminous efficiency,
Discharge lamp.
高圧ナトリウムランプまたは石英メタルハライドランプ用に設計されているバラストが装備された、請求項1に記載のランプ。2. The lamp according to claim 1, equipped with a ballast designed for a high pressure sodium lamp or a quartz metal halide lamp. 約150W〜約1000Wの出力範囲を有し、かつ、放電空間を封入するセラミック放電容器を有する放電ランプであって、
当該放電容器が、前記放電空間内において、
メタルハライドを有するイオン化可能な物質と、
第一と第二の放電電極フィードスルー手段と、
当該第一と当該第二の放電電極フィードスルー手段に各々接続されている第一と第二の電流導体と、
を含む放電ランプにおいて、
前記セラミック放電容器が、
中央軸と一対の対向する端壁とを有する円筒形のバレルと、
各端壁から当該軸に沿って延在する一対のセラミック末端プラグと、
当該中心バレル内で離れて配置されている各電極に接続されている、各末端プラグを介して延在する一対のリードインと、
を有するアークチューブを含み、
前記電極フィードスルー手段が、各々、
前記アークチューブに密封状に封止されているニオビウムのリードインと、
モリブデン/アルミニウムのサーメットの中心部と、
モリブデンロッド部と、
タングステンの巻線を有するタングステンチップと、
を有し、かつ、
当該ランプが、前記アークチューブと、前記セラミック末端プラグの少なくとも一部とに取り付けられているモリブデンコイルを有する、
放電ランプ。
A discharge lamp having a power range of about 150 W to about 1000 W, and having a ceramic discharge vessel enclosing a discharge space,
The discharge vessel, in the discharge space,
An ionizable substance having a metal halide;
First and second discharge electrode feed-through means,
First and second current conductors respectively connected to the first and second discharge electrode feedthrough means,
In a discharge lamp including
The ceramic discharge vessel,
A cylindrical barrel having a central axis and a pair of opposed end walls,
A pair of ceramic end plugs extending from each end wall along the axis;
A pair of lead-ins extending through each end plug, connected to each electrode spaced apart in the central barrel;
An arc tube having
The electrode feed-through means,
Niobium lead-in that is hermetically sealed to the arc tube,
Molybdenum / aluminum cermet center,
A molybdenum rod part,
A tungsten tip having a tungsten winding;
Having, and
The lamp has a molybdenum coil attached to the arc tube and at least a portion of the ceramic end plug;
Discharge lamp.
前記アークチューブが、本質的な部分の周りと、前記セラミック末端プラグの少なくとも一部の周りとに巻き付けられているモリブデンコイルを有する、請求項3に記載のランプ。4. The lamp of claim 3, wherein the arc tube has a molybdenum coil wound around a substantial portion and around at least a portion of the ceramic end plug. 当該放電容器が、セラミック壁を有し、かつセラミックプラグによって閉じられており、堅く係着した状態で前記セラミックプラグの中へ突出するリードスルー素子によってニオビウムの電流導体に接続されている少なくとも一つのタングステン電極を含む当該電極フィードスルー手段が、
それに対して封止セラミックにより気密に接続され、かつ、
前記気密に接続されている前記領域でサーメットを形成する、アルミニウムとモリブデンから形成されたパートを有する、
請求項4に記載のランプ。
At least one discharge vessel having a ceramic wall and closed by a ceramic plug and connected to a niobium current conductor by a lead-through element projecting into the ceramic plug in a tightly attached state. The electrode feed-through means including a tungsten electrode,
On the other hand, it is airtightly connected by the sealing ceramic, and
Forming a cermet in the region being hermetically connected, having a part formed from aluminum and molybdenum;
The lamp according to claim 4.
当該放電容器が、セラミック壁を有し、かつセラミックプラグによって閉じられており、
堅く係着されている前記セラミックプラグの中へ突出するリードスルー素子によって、ニオビウムの電流導体に接続されている少なくとも一つのタングステン電極を含む当該電極フィードスルー手段が、
それに対して封止セラミックにより気密に接続され、かつ、
前記気密に接続されている前記領域でサーメットを形成する、アルミニウムとモリブデンから形成された第一パートと、メタルパートでありかつ前記サーメットから前記電極の方向に延在する第二パートと、を有する、
請求項4に記載のランプ。
The discharge vessel has a ceramic wall and is closed by a ceramic plug,
The electrode feedthrough means including at least one tungsten electrode connected to the niobium current conductor by a leadthrough element projecting into the rigidly attached ceramic plug,
On the other hand, it is airtightly connected by the sealing ceramic, and
A first part formed of aluminum and molybdenum, which forms a cermet in the region which is connected in a gas-tight manner, and a second part which is a metal part and extends from the cermet in the direction of the electrode. ,
The lamp according to claim 4.
前記メタルパートがモリブデンロッドの一部である、請求項6に記載のランプ。7. The lamp of claim 6, wherein the metal part is part of a molybdenum rod. 内側の長さILと内側の直径IDとを有する前記アークチューブが、約3.3〜約6.2の範囲のアスペクト比(IL/ID)を有する、請求項4に記載のランプ。5. The lamp of claim 4, wherein the arc tube having an inner length IL and an inner diameter ID has an aspect ratio (IL / ID) in a range from about 3.3 to about 6.2. 前記電極が、約0.2〜約0.5mmの範囲のチップ拡張部を有し、すなわち、前記サーメットが、少なくとも約35 wt.%のMoを含み、残りがAl2O3であり、かつ、前記封止セラミックのフローが前記Nb接続子を完全に覆っている、請求項5と6に記載のランプ。Said electrode has a tip extension in the range of from about 0.2 to about 0.5 mm, i.e., the cermet comprises at least about 35 wt.% Of Mo, and the remainder is Al 2 O 3, and the sealing 7. The lamp according to claim 5, wherein a flow of a stop ceramic completely covers the Nb connector. 前記アークチューブと前記電極フィードスルー手段が、所定のランプ出力に対する以下の特徴:
を有する、請求項9に記載のランプ。
The arc tube and the electrode feedthrough means may have the following features for a given lamp power:
10. The lamp according to claim 9, comprising:
当該メタルハライドが、NaIが6〜25 wt%、TlIが5〜6 wt%、CaI2が34〜37 wt%、DyI3が11〜18 wt%、HoI3が11〜18 wt%、TmI3が11〜18 wt%の塩を有する、請求項10に記載のランプ。The metal halide is, NaI is 6 to 25 wt%, TlI is 5~6 wt%, CaI 2 is 34~37 wt%, DyI 3 is 11~18 wt%, HoI 3 is 11 to 18 wt%, is TmI 3 11. The lamp of claim 10, having 11-18 wt% salt. 前記イオン化可能な充填材が 、約99.99%のキセノンと僅少量のKr-85放射性ガスとの混合物である、請求項11に記載のランプ。12. The lamp of claim 11, wherein the ionizable filler is a mixture of about 99.99% xenon and a minor amount of a Kr-85 radioactive gas. 前記イオン化可能な充填材が、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノンのような希ガスの1つ以上によるものである、請求項11に記載のランプ。12. The lamp of claim 11, wherein the ionizable filler is from one or more of a noble gas such as neon, argon, krypton, and xenon. 前記イオン化可能な充填材が、キセノンである、請求項11に記載のランプ。12. The lamp according to claim 11, wherein the ionizable filler is xenon. 約150W〜1000Wと100V〜263Vの出力範囲を有し、かつ、以下の特徴:80%超のルーメン維持率、100〜10,000時間で200K未満の色温度変化、かつ、10,000〜約25,000時間の寿命、を一つ以上有する、請求項1, 4および12に記載のランプ。It has an output range of about 150W to 1000W and 100V to 263V, and has the following features: lumen maintenance rate of more than 80%, color temperature change of less than 200K in 100 to 10,000 hours, and life of 10,000 to about 25,000 hours 13. The lamp according to claims 1, 4 and 12, comprising one or more of: 前記放電容器の周りと、前記電極フィードスルー手段の少なくとも一部とに巻き付けられたモリブデンコイルを有する放電容器を有し、かつ、
約150W〜約1000Wの出力範囲を有し、かつ、放電空間を封入するセラミック放電容器を有する、放電ランプであって、
当該放電容器が、当該放電空間内に、
メタルハライドを有するイオン化可能な物質と、
第一と第二の放電電極フィードスルー手段と、
当該第一と当該第二の放電電極フィードスルー手段に各々接続されている第一と第二の電流導体と、を含む放電ランプ、
の設計と構造に対するパラメータからなる設計空間であって、
当該設計空間が、以下のパラメータ:
(i) ランプ出力、および/または、色温度、および/または、ランプ電圧の関数と相関しており、かつ、これらの関数として表される、当該放電ランプの前記アークチューブの長さ、直径、および壁厚の限界値と、
(ii) ランプ電流の関数と相関しており、かつ、この関数として表される、前記アークチューブに対する熱歪を抑えながら電流を導通させるために使用される前記電極フィードスルー構造体の限界値と、
の少なくとも1つを含む、設計空間。
Around the discharge vessel, having a discharge vessel having a molybdenum coil wound around at least a part of the electrode feedthrough means, and
A discharge lamp having an output range of about 150W to about 1000W, and having a ceramic discharge vessel enclosing a discharge space,
The discharge vessel is in the discharge space,
An ionizable substance having a metal halide;
First and second discharge electrode feed-through means,
A discharge lamp including first and second current conductors respectively connected to the first and second discharge electrode feedthrough means,
A design space consisting of parameters for the design and structure of
The design space has the following parameters:
(i) a length, a diameter, of the arc tube of the discharge lamp, which correlates with and is expressed as a function of lamp power and / or color temperature and / or lamp voltage; And wall thickness limits,
(ii) correlating with a function of the lamp current, and expressed as this function, the limit value of the electrode feedthrough structure used to conduct current while suppressing thermal strain on the arc tube; ,
A design space that includes at least one of
当該パラメータが、
(i) 約150W未満の出力を有するセラミックメタルハライドランプのアスペクト比よりも高い、前記アークチューブ本体の前記内側の直径(ID)に対する前記内側の長さ(IL)の一般的なアスペクト比と、
(ii) ランプ電流の関数と相関し、かつ、この関数として表される、電極ロッドの直径の上限値と下限値と、
(iii) 色温度とランプ電圧との関数と相関し、かつ、この関数として表される、前記塩の組成範囲と、
も含む、請求項16に記載の設計空間。
If the parameter is
(i) a general aspect ratio of the inner length (IL) to the inner diameter (ID) of the arc tube body, which is higher than an aspect ratio of a ceramic metal halide lamp having an output of less than about 150 W;
(ii) upper and lower limits of the diameter of the electrode rod, which are correlated with and expressed as a function of the lamp current,
(iii) correlating with a function of color temperature and lamp voltage, and expressed as this function, the composition range of the salt,
17. The design space according to claim 16, further comprising:
当該設計パラメータが、所定のランプ出力に対する、アークチューブと電極フィードスルー手段との設計の以下の特徴:
を含む、請求項17に記載の設計空間。
The design parameters are the following features of the design of the arc tube and the electrode feedthrough means for a given lamp power:
18. The design space according to claim 17, comprising:
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