JP2005100990A

JP2005100990A - 放電ランプシステムを作動する方法および放電ランプシステム

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Publication number: JP2005100990A
Application number: JP2004278067A
Authority: JP
Inventors: Scott J Butler; ジェイバトラースコット; Nancy H Chen; エイチチェンナンシー; Joseph A Olsen; オールセンジョーゼフ−エー
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: ATE523064T1; RU2384026C2; RU2004128421A; EP1519637A3; US6924604B2; JP4741215B2; US20050067975A1; EP1519637B1; CA2476527C; CA2476527A1; EP1519637A2

Abstract

【課題】蒸気相種の垂直分離が低減されている放電ランプシステムを作動する方法を、合成音響モードを従来技術の場合より容易に励振できるように改良する。
【解決手段】ランプ電力をアーク直線化周波数およびランプの半径方向＋縦方向合成音響モードを励振する周波数で変調する。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電ランプシステムを作動する方法および垂直分離が低減されている放電ランプシステムに向けられている。

放電ランプシステムのバーチカルな動作により蒸気相種の垂直分離（vertical segregation）が生じる可能性があり、そうなった場合ランプの長さにわたるカラー分離、低減された光出力、ランプ壁の局所的なオーバーヒートおよび、早期のランプ故障または不満足なランプ性能を引き起こす可能性がある別の問題が生じる。このことは、高いアスペクト比のランプ（長さ対幅比の高いランプ）に対して特に当てはまる。

この問題に対する解決法は、ＵＳ特許第６１２４６８３号で提案されている。すなわち、放電ランプにおけるアークがランプ電力の音響的な変調によって真っ直ぐにされる。この種の電力変調はランプのバーチカルな動作の期間の垂直分離をある程度コントロールすることもできる。

今日分かっているように、ランプ電力の変調によりアーク温度分布の変調を引き起こしかつ、結果として、ランプを通したガス圧分布の変調が引き起こされる。変調の所定の周波数では、ランプシステムの放電管にガス圧の定在波発振が生じる。放電ランプシステムにおける音響モードは一般に、ランプの放電管に匹敵するサイズのシリンダに基づいて決定される。圧力が管の軸線に沿った空間的な依存性を有しているならば、音響モードは縦方向である。二分の一波長の数が特殊モード数を決定する。２つの二分の一波長があるならば、ランプは第２の縦モードで動作する。圧力が管の半径に沿った空間的な依存性を有しているならば、音響モードは半径方向であり、かつ圧力が管の円周に沿って空間的な依存性を有しているならば、音響モードは方位角である。圧力分布が１つより多くの座標に依存しているという、半径方向−縦方向モードおよび方位角ー縦モードのような合成音響されたモードも可能である。これら合成音響モードは更に、第３の方位角および第２の縦モードの組み合わされた音響モードのように、二分の一波長の数に依存して定めることができる。

これらの音響モードのそれぞれに対する周波数（共振周波数）は放電管の寸法およびランプの気相における音速から決定することができる。音速は温度依存性を有しておりかつアーク温度プロフィールはポジションに依存してくる。にも拘わらず、共振周波数は等温のシリンダ形状のモデルを使用して合理的に推定することができる。

縦モード周波数は大雑把に
ｆ_ｎＬ＝（ｎＣ）／（２Lenth）
ここでｆ_ｎＬはｎ番目の縦モードであり、Ｃは平均音速であり、かつLenthはキャビティー長である。

半径方向モード周波数は大雑把に
ｆ_ｎＲ＝（ｋ_ｎＲＣ）／（πＤ）
ここでｆ_ｎＲはｎ番目の半径方向モードであり、ｋ_ｎＲはそれぞれの半径方向モードに対して周知である定数であり（それは第１の半径方向モードに対して３．８３でありかつ後続のモードに対してはそれより高い）、Ｃは平均音速であり、かつＤはキャビティーの直径である。

方位角モード周波数は大雑把に
ｆ_ｎＡ＝（ｋ_ｎＡＣ）／（πＤ）
ここでｆ_ｎＡはｎ番目の方位角モードであり、ｋ_ｎＡはそれぞれの方位角モードに対して周知である定数であり（それは第１の方位角モードに対して１．８４であり、第２に対して３．０５および第３に対して４，２０でありかつ後続のモードに対してはそれより高い）、Ｃは平均音速であり、かつＤはキャビティーの直径である。

共振周波数の一層良好な推定は、アークが形成されるキャビティーの形状を申し分なく推定された温度および合成分布を使用して近似する容器の固有モードの有限要素計算から実現することができる。

推定の更に別の方法も可能である。例えば、半径方向音響モードに対して、連続的な半径方向音速プロフィールは等速の同心シリンダに打切ることができる。特性時間は、当該シリンダに対する第１の半径方向共振周波数を反転することによってそれぞれのシリンダに対して計算することができる。合成特性時間は個々のシリンダの特性時間の和から計算することができる。第１の半径方向音響モードの周波数の詳細化された推定は、反転された合成特性時間から計算することができる。

更に、共振周波数は、発光管壁のパターンに充填された塩の堆積および色分離の消失のような視覚的な手掛かりに基づいて微調整することができる。例えば、周波数が縦共振に対して適正に同調されていると、管の周囲に塩リングが出現する可能性がある。

合成モードは、モードの１つが縦方向である限り、個々のモードの周波数の平方を結合することによって求めることができる。例えば、第１の半径方向および第４の縦方向合成モードの共振周波数は
ｆ_ＩＲ４Ｌ ^２＝ｆ_ＩＲ ^２＋ｆ_４Ｌ ^２
である。

ここで説明する周波数は電力変調周波数（ここでは「電力周波数」と称される）である。正弦波形に対して、相応の電流（または電圧）周波数は電力周波数の二分の一である。

もう一度従来の技術を参照するに、垂直分離の問題に対する別の解決法はＵＳ特許第６１８４６３３号に開示されている。図１に示されているように、ランプ電力は、アーク直線化に適している周波数レンジ１０にわたって掃引する正弦波と、縦モードに相応する低周波数１２との繰り返しパターンにおいて変調される。掃引された電力周波数レンジは９０〜１１０ｋＨｚでありかつ縦モードの電力周波数は２４．５ｋＨｚである（電流周波数はこれら電力周波数の二分の一である）。これによりアークを介するコントロールは改善されるが、低い周波数は効率よく生成するのが難しくかつ可聴周波数に接近しすぎている。

別の改良は、ＵＳ特許第６４３７５１７号に開示されている。ここでは、低周波がアーク直線化周波数掃引より高い周波数に置換される点を除いて、図１の繰り返しパターンは同じである。比較的高い周波数は単一の周波数とすることができるが、ある周波数レンジを掃引するようにしてもよい。比較的高い周波数は合成音響モードを励振する。これは方位角モード（殊に、第３の方位角モードまたはそれより高いモード）および縦方向モード（殊に、ｎ番目の縦モード）を合成する。１９ｍｍ長でかつ内径が４ｍｍのランプに対して、アーク直線化周波数レンジは９０〜１１０ｋＨｚであり、合成モードは１５０ｋＨｚ（±１０ｋＨｚ）にその中心を有しかつパターンは約１００Ｈｚにおいて繰り返される。しかしこの場合に励振は難しいので、本発明の発明者は励振するのが一層容易である適当な代替え的な合成を考えるに至った。
ＵＳ特許第６１８４６３３号ＵＳ特許第６４３７５１７号

本発明の課題は、合成音響モードを従来技術の場合より容易に励振できる、新規なランプシステムおよび放電ランプシステムを作動する方法を提供することである。

本発明の別の課題は、合成音響モードが半径方向＋縦方向の合成モードである、新規なランプシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更に別の課題は、アーク直線化周波数およびランプの半径方向＋縦方向の合成モードを励振する周波数によって変調される、新規なランプシステムおよび放電ランプシステムを作動する方法を提供することである。

本発明の他の課題は、半径方向＋縦方向の合成モードが第１の半径方向モードおよびｎ番目の縦方向モードの合成であり、ここで「ｎ」は有利には偶数および一層有利には２、４および６のうちの１つである、新規なランプシステムおよび方法を提供することである。

本発明の更に別の課題は、アーク直線化周波数でランプ電力を変調する第１の発生器とランプの半径方向＋縦方向の合成モードを励振する周波数でランプ電力を変調する第２の発生器とを備えている新規な放電ランプを提供することである。

この課題は方法においては請求項１に記載の通り、蒸気相種の垂直分離が低減されている放電ランプシステムを作動する方法であって、ランプ電力をアーク直線化周波数およびランプの半径方向＋縦方向合成音響モードを励振する周波数で変調するステップを有している放電ランプシステムを作動する方法によって解決される。

更に放電ランプシステムにおいては、請求項１３に記載のように、蒸気相種の垂直分離が低減されている放電ランプシステムであって、ランプ電力をアーク直線化周波数で変調する第１の発生器と、ランプ電力をランプの半径方向＋縦方向合成音響モードを励振する周波数で変調する第２の発生器とを有している放電ランプシステムによって解決される。

その他の請求項にはそれぞれの有利な実施形態が記載されている。

次に本発明を図示の実施例に付き図面を用いて詳細に説明する。

本発明は、蒸気相種の垂直分離が低減されている、放電ランプシステムおよび該放電ランプシステムを作動する方法である。ランプ電力はアーク直線化周波数によっておよび
ランプの半径方向＋縦方向の合成音響モードを励振する周波数で変調される。これら２つの周波数は同時に使用するようにしてもいいが、図２に基づいて説明するように、アーク直線化周波数２０を周波数掃引であってよい複数の別個のバンドにおいて設定してもよくかつランプの半径方向＋縦方向の合成音響モードを励振する周波数２２がこれら別個のバンドの間に設定されるようになっていてもよい。

発明者は、シリンダ形状の放電ランプシステムにおいて半径方向＋縦方向の合成音響モードの方が方位角−縦方向合成音響モードより容易に励振できることを突き止め、これを踏まえて本発明は上に述べた従来技術を改良しようとするものである。

有利な実施例において、半径方向＋縦方向の合成モードは第１の半径方向モードおよびｎ番目の縦方向モードの合成であり、ここで「ｎ」は有利には偶数（対称性を考慮すると）および一層有利には２、４または６である。合成音響モードは（２２で水平方向の鎖線で示されているような）単一の電力周波数または（２２で傾斜した線で示されているような）掃引された電力周波数レンジ２４によって励振されるものである。掃引周波数レンジは１ｋＨｚのオーダにある小さなものであってよい。３．７ｍｍ中心内径を有して端部で３．０ｍｍまでテーパリングされかつ２３ｍｍの長さを有している放電キャビティーを有しているランプに対して、１２ｋＨｚが第１の縦モードを励振し、１３９ｋＨｚが第２の方位角モードを励振し、１７５ｋＨｚが第１の半径方向モードを励振し、かつ半径方向−縦方向合成音響モードは、「ｎ」に依存して、１７９〜１８２ｋＨｚおよび１８８〜１９０ｋＨｚの１つの電力周波数レンジ内にある周波数２２によって励振される。

アーク直線化周波数２０は有利には、ランプの第２の方位角モード、または合成された第２の方位角モードおよび縦方向モード（有利には偶数）を励振する。周波数２０は範囲２６内にあってよく、かつ上述したランプに対して、電力周波数バンドは約１５ｋＨｚ幅でかつ１３０〜１５０ｋＨｚのレンジ内にある。

アーク直線化周波数２０が別個のバンド内に設定されているとき、アーク直線化周波数バンドのそれぞれの時間周期はランプの半径方向＋縦方向合成音響モードにおける周波数２２による後続の変調より２ないし１６倍長くてよい。例えば、アーク直線化周波数バンドは２〜９ｍｓ長であってよくかつ合成音響モードの励振は０．２〜５ｍｓ長であってよい。別の組み合わせおよび長さも使用可能であり、かつ１つの実施例において、サイクルは約２００Ｈｚで動作するようになっており、その結果それぞれのサイクルは５ｍｓ長であり、その際アーク直線化周波数バンドはそれぞれ４．７ｍｓでありかつ合成音響モードが励振される周期はそれぞれ０．３ｍｓである。

アーク直線化周波数および合成音響モードを励振する周波数が同時に設定されているとき、信号は図３に示されているような電力スペクトルを有していることができる・。

ところで図４を参照するに、有利な実施例の放電ランプシステムに対する回路３０はランプ電力をアーク直線化周波数で変調する第１の発生器３２およびランプ電力をランプの半径方向＋縦方向合成音響モードで変調する第２の発生器３４とを含んでいる。それぞれの第１および第２の発生器３２，３４は正弦波電圧を生成するものである。これら発生器は、これを以てここに取り入れることにするＵＳ特許第６５２２０８９号に記載のものを含んでいる、周知技術を使用して周知の波形の電圧を生成することができる。

ランプ３０は、第１の発生器３２からの信号が供給される第１の乗算器３６と、第２の発生器３４からの信号が供給される第２の乗算器３８と、第１および第２の発生器３２および３４からの電圧が別個の時間間隔において供給されるようになっているとき、第１および第２の乗算器３６，３８の１つだけに対して零でない乗数を供給するコントローラ４２も含んでいる。零でない乗数はいずれの信号がアクティブであるかを決定するためのゲート電圧である。有利な実施例において、加算器４０は変調された電力信号を増幅器４４に供給し、増幅器が適当な信号を全波整流器ブリッジ４８を介して放電管４６の電極に供給する。

上に述べた説明および図面において本発明の実施例を説明してきたが、本発明は、明細書および図面を参照にすることができるが、特許範囲によって定められるものであることは勿論である。

従来技術の放電ランプシステム電力周波数変調シーケンスを示す波形図本発明の実施例の放電ランプシステム電力周波数変調シーケンスを説明する波形図アーク直線化周波数および合成音響モードを励振する周波数が同時に設定されている本発明の実施例の電力スペクトルを説明する線図本発明の放電システムの回路の実施例のブロック線図

符号の説明

２０アーク直線化周波数
２２ランプの半径方向＋縦方向の合成音響モードを励振する周波数
３０放電ランプシステムに対する回路
３２，３４電圧発生器
３６，３８乗算器
４０加算器
４２コントローラ
４４増幅器
４６放電管
４８全波整流器ブリッジ

Claims

蒸気相種の垂直分離が低減されている放電ランプシステムを作動する方法であって、
ランプ電力をアーク直線化周波数およびランプの半径方向＋縦方向合成音響モードを励振する周波数で変調するステップを有している
放電ランプシステムを作動する方法。
アーク直線化周波数は相互に時間的に離れている時間間隔において設定されておりかつ半径方向＋縦方向合成音響モードの励振はアーク直線化周波数時間間隔の間で生じるようになっている
請求項１記載の方法。
半径方向＋縦方向合成音響モードの励振はアーク直線化周波数と同時に設定されている
請求項１記載の方法。
半径方向＋縦方向合成モードは第１の半径方向モードおよびｎ番目の縦方向モードの合成である
請求項１記載の方法。
「ｎ」は２、４および６のいずれかである
請求項４記載の方法。
半径方向＋縦方向合成モードは単一の電力周波数によって励振される
請求項１記載の方法。
半径方向＋縦方向合成モードは掃引電力周波数レンジによって励振される
請求項１記載の方法。
掃引電力周波数レンジは第１の半径方向モードおよびｎ番目の縦方向モードの合成を含んでおりかつ約１ｋＨｚ幅の電力周波数バンド内にある
請求項１記載の方法。
電力周波数バンドは１７９〜１８２ｋＨｚおよび１８８〜１９０ｋＨｚのレンジ内にある
請求項１記載の方法。
アーク直線化周波数は、ランプの第２の方位角モードを励振する周波数を含んでいる約１５ｋＨｚ幅の電力周波数バンド内にある
請求項１記載の方法。
電力周波数バンドは１３０〜１５０ｋＨｚのレンジ内にある
請求項１０記載の方法。
アーク直線化周波数のそれぞれの時間間隔はランプの半径方向＋縦方向合成モードにおける後続の変調より２〜１６倍長い
請求項２記載の方法。
蒸気相種の垂直分離が低減されている放電ランプシステムであって、
ランプ電力をアーク直線化周波数で変調する第１の発生器と、ランプ電力をランプの半径方向＋縦方向合成音響モードを励振する周波数で変調する第２の発生器とを有している
放電ランプシステム。
更に、前記第１の発生器からの信号が供給される第１の乗算器と、前記第２の発生器からの信号が供給される第２の乗算器と、該第１の乗算器および第２の乗算器からの信号を組み合わせる加算器と、同時には零でない乗数を前記第１および第２の乗算器の１つにしか供給しないコントローラとを備えている回路を有している
請求項１３記載の放電ランプシステム。
前記コントローラは、前記第２の乗算器がランプの前記半径方向＋縦方向合成モードでの変調の期間に零でない乗数を受信するとき、インターリーブされた時間間隔より２〜１６倍長い別個のアーク直線化周波数間隔の期間に前記第１の発生器に零でない乗数を供給する
請求項１４記載の放電ランプシステム。
第２の発生器は、ランプ電力を第１の半径方向モードおよびｎ番目の縦方向モードの合成で変調する信号を供給する
請求項１３記載の放電ランプシステム。
「ｎ」は２、４および６の１つである
請求項１６記載の放電ランプシステム。
第２の発生器は単一の周波数を出力する
請求項１３記載の放電ランプシステム。
第２の発生器は掃引周波数レンジを出力する
請求項１３記載の放電ランプシステム。
掃引周波数範囲は第１の半径方向モードおよびｎ番目の縦方向モードの合成を励振する
請求項１９記載の放電ランプシステム。
第１の発生器は、ランプの第２の方位角モードを含んでいる周波数レンジを供給する
請求項１３記載の放電ランプシステム。