JP2009081126A - フリットシール熱制御部を備えたｈｉｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】フリットシールの温度を制御するための新規の高輝度放電ランプを提供する。
【解決手段】セラミック細管を備えたセラミック外囲器およびセラミックヒートシンク１１０’を有し、細管が電極フィードスルー１０６を有し、電極フィードスルーが細管の内部においてフリットシール１０８によってシールされており、フリットシールが細管の内側において細管の遠位端部から第１の距離伸びており、ヒートシンクが細管の外周の少なくとも半分を包囲し、外囲器から隔てられており、且つ細管の遠位端部から隔てられており、熱伝的に細管と接触しており、また細管の外径の少なくとも１．５倍の外径を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ、さらに詳細には、殊にフリットシールの温度のより良好な制御を提供するセラミック金属ハロゲン化物（ＨＣＩ）ランプに関する。

単結晶アルミナから構成されているようなセラミックランプ外囲器（発光管または放電管とも称される）は所定ワットで動作するよう設計されており、それによりセラミック外囲器に沿った種々の位置においてユニークな温度プロファイルが生じる。ＨＣＩランプのアークチャンバは特定の塩充填物、ガス成分および圧力を有しており、また特定の毎ワットルーメン、色温度および演色指数（ＣＲＩ：color rendering Index）が生じるように特定のワットで動作する。これらの属性はアークチャンバの動作温度に依存する。アークチャンバが過度に冷たい場合には塩が完全に凝縮しない可能性があり、このことは光束、色温度およびＣＲＩに影響を及ぼす。もしくは過度に熱いアークチャンバは電極系とセラミック外囲器との間のフリットシールを、殊にフリットが腐食性の金属ハロゲン化物充填物と接触している場合には劣化させる可能性がある。これによりランプの劣化または故障が生じる可能性がある。

ＨＣＩランプにおいては、フリットシールが縦方向に拡張された中空のセラミック細管の端部にあり、この細管を通って電極はアークチャンバ内に突出している。フリットシールは金属電極フィードスルーと細管のセラミック内壁との間にある細管内部の空間をシールする。セラミック外囲器をシールするために使用される典型的なフリット材料はＤｙ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃である。

フリットシールの劣化に関する問題を解決するためのアプローチの１つではフリットシールを別のシーリング構造に置換しており、したがってランプは「フリットレス」である。特許文献１には、フリットを有していない、電極フィードスルーのためのシールを備えたＨＩＤランプが開示されている。図１を参照すると、外囲器は第１および第２の端部４２と、この第１および第２の端部それぞれを閉じる非導電性のサーメット端部端子４６と、このサーメット端部端子４６を通る電極フィードスルー４８とを備えた半透明のセラミック管４１を包含する。サーメット端部端子４６は複数の部品からなる構造を有し、各端子は軸合わせされており、異なる熱膨張係数を有する少なくとも４つの部品４６ａ〜４６ｅを有する。図１に示されている実施形態においては、セラミック細管４５の端部にあるランプの熱いアークチャンバから距離を置くように端子を移動させることにより温度負荷が低減されている。細管を有するアークチャンバから端部端子を隔離することにより、端部端子の温度は約２００℃低減される。細管４５と端子４６との間の気密な接続は、この細管４５と端子４６との間の接触領域を包囲するブッシュ４７により達成することができる。ブッシュ４７は端子４６を細管４５の端部に密封的に保持する（クランプ）。上記の特許文献１にはフリットを端子４６の外部表面に設けてもよいことが示唆されているが、シール自体ではなくシールの気密性を修正しているに過ぎない。

それにもかかわらず依然として多くのランプにおいてフリットシールを使用することが望まれているので、本発明はフリットシールの温度のより良好な制御を提供する。
U.S. Patent 5,861,714

本発明の課題は、フリットシールの温度を制御するための新規の高輝度放電ランプおよびその製造方法を提供することである。

高輝度放電ランプに関する課題は、ランプが、セラミック細管を備えたセラミック外囲器およびセラミックヒートシンクを有し、細管が電極フィードスルーを有し、電極フィードスルーが細管の内部においてフリットシールによってシールされており、フリットシールが細管の内側において細管の遠位端部から第１の距離伸びており、ヒートシンクが細管の外周の少なくとも半分を包囲し、外囲器から隔てられており、且つ細管の遠位端部から隔てられており、熱伝的に細管と接触しており、また細管の外径の少なくとも１．５倍の外径を有することにより解決される。

高輝度放電ランプの製造方法に関する課題は、方法が、セラミック細管を有するセラミック外囲器を準備するステップと、細管の内側において細管の遠位端部から第１の距離延びるフリットシールによって、細管の内側において電極フィードスルーをシーリングするステップと、ランプの駆動中のフリットシールの温度を低減するために、セラミックヒートシンクのサイズおよび細管上のヒートシンクに関する位置を外囲器および細管の温度プロフィールに基づき選択するステップと、細管の外径の少なくとも１．５倍の外径を有する、選択されたサイズのヒートシンクを、外囲器から隔てられており、且つ細管の遠位端部から隔てられている選択された位置において、細管の外周の少なくとも半分を包囲するよう取り付け、細管と熱電的に接触させるステップとを有することにより解決される。

本発明は、フリットシールの上方または近傍で細管上の１つまたは複数の選択された位置において、ヒートシンクとして機能し、また熱エネルギ流を調整するために配置されている、細管を部分的または完全に包囲するシリンダ状のスリーブ、リングおよび／またはコイルを１つまたは複数包含する。

ヒートシンクは有利には、伝導によってフリットシールの温度を低減させ、且つフリットシールの一体性を維持するため、また細管の表面領域を拡大し放射損失および対流熱損失を高めるために、外囲器（アークチャンバ）とセラミック金属ハロゲン化物（ＨＣＩ）ランプのフリットシールとの間において細管上に配置されている。細管上のヒートシンクにより発光管ボディは、フリットシールまたは他の敏感な領域の熱劣化を回避しながら、その最適な温度で駆動することができる。

十分な伝導および対流的な熱転送を提供するために、各ランプタイプに対して最善の熱特性が得られるよう厚さ、接合領域、半径および組成に関して、スリーブ、リング、および／またはコイルの形のヒートシンクを各ランプに固有に設計することができる。

スリーブ、リングおよび／またはコイルを発光管ボディと同一の材料または異なる材料から構成することができる。スリーブ、リングおよび／またはコイルを、設計された特定のランプについて固有の熱特性を有する材料から構成することができる。リング、コイルまたはスリーブの組成における金属、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物の潜在的な使用または付加も本発明に含まれる。

スリーブ、リングおよび／またはコイルを層状またはセグメント状に複数の材料から構成することができる。例えば、スリーブ、リングおよび／またはコイルと細管の接合領域を、細管の熱膨張係数に適合する材料から構成することができるが、達成すべき所望の熱プロファイルの質をさらに高めるために外部表面を１つまたは複数の異なる材料から構成することができる。本発明の別の実施形態においては、マイクロ構造的な変化により熱流を高めるためにスリーブ、リングおよび／またはコイルを調整することができる。

さらには、電極のアライメントを向上させ、粉砕および配置を可能にし、シーリングに関して発光管をアライメントするために自動的なシーリング装置、溶接装置、二次加工装置または他の何らかの自動的および／または視覚的な装置が何時でも参照されるポイントとして、また溶接接触ポイントなどとしてスリーブ、リングおよび／またはコイルを使用することができる。

剥がれ落ちるか剥離する可能性があり、また厚さ、付着性、熱膨張係数および熱放射率に関して一般的に制限される可能性があるコーティングに比べて細管に付加されたスリーブ、リング、および／またはコイルのヒートシンクは利点を有する。さらにコーティングの適用は、コーティングを必要としない領域のマスキングを要求する別の処理ステップ、あるいは展色剤またはバインダーの焼出しプロセスを必要とする。

スリーブ、リングおよび／またはコイルの形のヒートシンクの細管への付加は、熱伝性を高めるために細管全体を厚くすることよりもさらなる利点を有する。つまり後者のコンセプトは現行のモールドの高価な再加工を要求することになる。さらに後者の方法は、所望の熱パラメータを達成するためにスリーブ、リングおよび／またはコイルを容易に再配置し、および／または、接触部および表面領域を低減および増大させることに関する可制御性が欠如している。またコンピュータモールディングにより細管上のスリーブは細管の壁全体を厚くすることに比べて、所望の熱流調整の達成に関してはるかに効率的である有用であることが分かった。

ここで図２を参照すると、本発明の１つの実施形態はセラミック細管１０４を備えたセラミック外囲器１０２を有する高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ１００であり、この細管１０４は電極フィードスルー１０６を有し、この電極フィードスルー１０６は細管内部においてフリットシール１０８によってシーリングされており、このフリットシール１０８は細管の内側においてこの細管の遠位端部から第１の距離Ｄ１延びている。ランプ１００はまた、細管１０４の外周の少なくとも半分を包囲するセラミックヒートシンク１１０を有する。ヒートシンク１１０は外囲器１０２および細管１０４の遠位端部から隔てられており、且つ細管１０４と熱伝的に接触している。ヒートシンク１１０は細管１０４の外径Ｄ３の少なくとも１．５倍の外径Ｄ２を有する。

図２に示されているように、ヒートシンク１１０は第１の距離Ｄ１よりも長く細管１０４の遠位端部から隔てられているので、ヒートシンクはフリットシール１０８とは重畳していない。ヒートシンク１１０に関するこの位置は伝導によってフリットシール１０８の温度を低下させ、またフリットシールの一体性を保持する。図３に示されている択一的な実施形態においては、ヒートシンク１１０’がフリットシールと重畳している。

図２および図３に示されているように、ヒートシンクは細管１０４の外周全体を包囲するように延びていても良い。この配置構成は細管の部分の表面領域を増やすことによってフリットシールの周囲全体からの熱転送を支援する。ヒートシンクをアークチャンバのシーリング中の熱管理装置としても使用することができる。シーリング作業をヒートシンクによりもたらされる熱低下／熱分離に基づき通常よりも高温に維持するので、より良好なフリットの流れおよびより一定な（良好な）シールが得られ、またシーラーの細い加熱ユニットにおいては開口部が制限されることによって対流熱損失が低減される。

択一的に、図４に示されているように、ヒートシンク１１０’’は細管の外周を部分的にだけ包囲するように延びている。細管を部分的に包囲している実施形態は細管内へのフリットの流れの制御を支援することに適している。例えばこの場合、フリットの一方の側は他方の側よりも高温である。細管を部分的に包囲している実施形態はまたフリットシーリング中の視認のための窓を提供することができる。

ヒートシンク１１０のサイズないし形状および位置はランプの熱特性およびヒートシンクによって転送されるべき熱の量に依存し、１つの実施形態においては、ヒートシンクの外径Ｄ２は細管１０４の外管Ｄ３の少なくとも２〜３倍である。さらに、ヒートシンクは外囲器１０２から細管の遠位端部までの細管の長さの２０％〜８０％の長さを有する。

ヒートシンクは種々の形態を取ることができ、例えば図２から図４に示されているようなスリーブの形態を有する（スリーブは細管に沿ってヒートシンクの外径よりも長い長さを有する）。択一的に、ヒートシンクは図５に示されているようなリング１２０でよい（リングは細管に沿ってヒートシンクの外径よりも短い長さを有する）、または図６に示されているようなコイル１２２でよい。図７に示されているように、同一または異なる構造のヒートシンクを１つ以上設けることができ、そのような構造においてそれらのヒートシンク１２４は細管１０４に沿って相互に隔てられている。

ヒートシンクをランプにおける一方の細管上にのみ設けてもよい、もしくは両方の細管上に設けてもよい。ランプによっては縦軸を有するよう垂直方向に保持され動作することが意図されており、そのようなランプにおいては「上側の」細管は「下側の」細管よりも熱くなり、したがって「下側の」細管に比べてヒートシンクからより多くの恩恵を受ける。

ヒートシンクを細管と同一の材料から構成することができ、また細管と統合してもよい。択一的に、ヒートシンクをランプの熱特性に基づき選択された細管とは異なる材料（異なるドーピング、セラミックなど）から構成することができる。

図３に示されているように、ヒートシンクを、細管１０４と同一の熱膨張係数を有する最内層１１０Ａと、細管１０４とは異なる熱膨張係数を有する最外層１１０Ｂとを有する多層構造にすることができる。

また本発明は上述したランプの製造方法に関する。本方法は、セラミック細管１０４を有するセラミック外囲器１０２を準備するステップと、この細管１０４の内部において細管の遠位端部から第１の距離Ｄ１延びるフリットシール１０８により電極フィードスルー１０６をシーリングするステップとを有する。さらに本方法は、ランプの駆動中にフリットシール１０８の温度を低下させるために、外囲器１０２および細管１０４の温度プロフィールに基づき、ヒートシンク１１０に関するサイズおよび細管１０４上のヒートシンクに関する位置を選択するステップを有する。選択されたサイズのヒートシンクは、選択された位置において細管の外周の少なくとも半分を包囲するよう取り付けられている。

本発明は、スリーブ、リングおよび／またはコイルの形のヒートシンクが射出成形のための成形型において設計されている場合には新たな処理ステップを要求しない、または、事前焼結または焼結の前もしくは後にスリーブ、リングおよび／またはコイルが細管上に配置する付加的な処理ステップを要求する。

１つまたは複数のセラミックスリーブ、リングおよび／またはコイルを、発光管の成形中または成形後にセラミックモノリスに付加することができ、また事前焼結または焼結の前ないし後に、細管または他の発光管領域上に密接な熱接触を提供し、また選択的にモノリスの一部になる。ヒートシンクの厚さ、表面領域全体の寸法および発光管接合領域を、最適なランプ性能を可能にする最適な熱特性を達成するために変更することができる。特定のランプタイプそれぞれに対して最適な熱特性を提供するために、スリーブ、リングおよび／またはコイルを細管に沿った１つまたは複数の位置に配置することができる。

スリーブ、リングおよび／またはコイルを焼結後に付加し、また接着セメントまたは焼きばめによって発光管に接着させることができる。択一的に、スリーブ、リングおよび／またはコイルをセラミック粉末および適切なバインダーにより準備し、未焼結の状態で細管にフィットさせ、続けてバインダーを除去するために前焼結し、スリーブ、リングおよび／またはコイルを焼きばめにより固定し、焼結することができる。セラミック部品の収縮パラメータの事前計算が要求される。別の実施形態においては、ヒートシングが射出成形後に残るようにモールドが変更される。

本発明によるヒートシンクの有効性を検査した。検査においては、図２に示したもの（「上側の」細管および「下側の」細管を有する）と同様の垂直方向に配向された検査ランプが同様に配向されているヒートシンクを有していない対照ランプと比較された。各ランプにおいてフリットシールは細管の遠位端部から約４〜５ｍｍ延びていた（図２におけるＤ１）。検査ランプにおけるヒートシンクはフリットシールと重畳しないように配置した（フリットシールから約１ｍｍ隔てられている）。検査の結果、検査ランプ内のヒートシンクは対照ランプに比べて約２３℃「上側の」細管内のフリットシールの温度を低減させたことが分かった（平均して７４３．８℃〜７１９．４℃）。「上側の」細管は「下側の」細管よりも約２０℃熱かった。さらに、発光管ボディの温度はヒートシンクの付加による影響を殆ど受けなかった（もっとも「下側の」細管の近傍のボディ温度は対照ランプよりも僅かに冷たかった）。

上記の記述および図面において本発明の実施形態を説明したが、本発明は明細書および図面を考慮して読んだときに付属の特許請求の範囲に記載の事項によって定義される。

複数の部品からなる端子が細管の端部にブッシングされている従来技術によるＨＩＤランプの概略図を示す。 本発明のランプの１つの実施形態の断面図を示す。 本発明のランプの別の実施形態の部分的な断面図を示す。 本発明のランプの別の実施形態の部分図を示す。 本発明のランプのさらに別の実施形態の部分図を示す。 本発明のランプのさらに別の実施形態の部分図を示す。 本発明のランプの別の実施形態の部分図を示す。

Claims (19)

1. 高輝度放電ランプにおいて、
   セラミック細管を備えたセラミック外囲器およびセラミックヒートシンクを有し、
   前記細管は電極フィードスルーを有し、該電極フィードスルーは前記細管の内部においてフリットシールによってシールされており、該フリットシールは前記細管の内側において該細管の遠位端部から第１の距離伸びており、
   前記ヒートシンクは前記細管の外周の少なくとも半分を包囲し、前記外囲器から隔てられており、且つ前記細管の遠位端部から隔てられており、熱伝的に前記細管と接触しており、また前記細管の外径の少なくとも１．５倍の外径を有することを特徴とする、高輝度放電ランプ。
2. 前記ヒートシンクは前記第１の距離よりも長く前記細管の前記遠位端部から隔てられており、前記フリットシールとは重畳していない、請求項１記載のランプ。
3. 前記ヒートシンクは前記フリットシールと部分的に重畳する、請求項１記載のランプ。
4. 前記ヒートシンクは前記細管の外周を完全に包囲する、請求項１記載のランプ。
5. 前記ヒートシンクは前記細管の外周を部分的に包囲する、請求項１記載のランプ。
6. 前記ヒートシンクの外径は前記細管の外径の２〜３倍である、請求項１記載のランプ。
7. 前記ヒートシンクは前記外囲器から前記遠位端部までの前記細管の長さの２０％〜８０％の長さを有する、請求項１記載のランプ。
8. 前記ヒートシンクはスリーブであり、該スリーブは前記細管に沿って前記ヒートシンクの外径よりも長い長さを有する、請求項１記載のランプ。
9. 前記ヒートシンクはリングであり、該リングは前記細管に沿って前記ヒートシンクの外径よりも短い長さを有する、請求項１記載のランプ。
10. 前記ヒートシンクは前記細管の外周に巻かれたコイルである、請求項１記載のランプ。
11. 前記細管に沿って相互に隔てられている１つ以上のヒートシンクを有する、請求項１記載のランプ。
12. 前記ヒートシンクは前記細管と同一の材料から構成されており、該細管と統合されている、請求項１記載のランプ。
13. 前記ヒートシンクは、前記細管と同一の熱膨張係数を有する最内層と、前記細管とは異なる熱膨張係数を有する最外層とを有する多層型である、請求項１記載のランプ。
14. 高輝度放電ランプの製造方法において、
    セラミック細管を有するセラミック外囲器を準備するステップと、
    前記細管の内側において前記細管の遠位端部から第１の距離延びるフリットシールによって、前記細管の内側において電極フィードスルーをシーリングするステップと、
    ランプの駆動中の前記フリットシールの温度を低減するために、セラミックヒートシンクのサイズおよび前記細管上の前記ヒートシンクに関する位置を前記外囲器および前記細管の温度プロフィールに基づき選択するステップと、
    前記細管の外径の少なくとも１．５倍の外径を有する、選択されたサイズの前記ヒートシンクを、前記外囲器から隔てられており、且つ前記細管の遠位端部から隔てられている選択された位置において、前記細管の外周の少なくとも半分を包囲するよう取り付け、前記細管と熱電的に接触させるステップとを有することを特徴とする、高輝度放電ランプの製造方法。
15. 前記ヒートシンクに関する前記選択された位置は第１の距離よりも長く前記細管の前記遠位端部から隔てられており、前記ヒートシンクは前記フリットシールと重畳しない、請求項１４記載の方法。
16. 前記ヒートシンクに関する前記選択されたサイズは環状であり、前記ヒートシンクは前記細管の外周を完全に包囲する、請求項１４記載の方法。
17. 前記細管に沿って相互に隔てられている１つ以上のヒートシンクを取り付けるステップを有する、請求項１４記載の方法。
18. 前記ヒートシンクを未焼結の状態で細管にフィットさせ、前焼結してバインダーを除去し、前記取り付けステップにおいて焼結し前記ヒートシンクを前記細管に取り付ける、請求項１４記載の方法。
19. 前記準備ステップおよび前記取り付けステップにおいて、前記外囲器、前記細管、前記ヒートシンクを同一の材料から構成し、共通の型から同時にモールドする、請求項１４記載の方法。

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