JP2010539665A - 高圧放電灯 - Google Patents

Abstract

高圧放電灯のセラミック放電管の２つの端部の封止部材の近傍に、放電管を冷却するための環状冷却構造体がそれぞれ１つずつ取り付けられている。この環状冷却構造体は所定の距離を置いて封止部材を包囲している。

Description

本発明は請求項１の上位概念記載の高圧放電灯に関する。この種の放電灯、特にセラミック放電管を備えた高圧放電灯は一般照明に用いられる。

従来技術
米国公開第４９７０４３１号明細書から、ナトリウム高圧放電灯のセラミック放電管の管球を成形する手段が公知である。当該のセラミック放電管の筒状端部には放熱部材として用いられるフィン状の延長部が設けられている。

欧州公開第５０６１８２号明細書からは、グラファイトまたはカーボンなどから形成されるコーティングが冷却のためにセラミック放電管の端部に被着されることが知られている。

発明の開示
本発明の課題は、従来の放電灯に比べて色のばらつきの低減される高圧放電灯を提供することである。

この課題は、請求項１に記載された特徴を有する高圧放電灯により解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は、軸線に沿って延在しかつ中央部および２つの端部を有するセラミック放電管が設けられており、２つの端部はそれぞれ封止部材によって封止されており、封止部材にそれぞれ電極が係止されており、電極は放電管によって形成される放電容積内に延在しており、放電容積内には金属ハロゲン化物を含む充填物が収容されている、高圧放電灯において、少なくとも１つの端部に、封止部材から距離を置いてこの封止部材を包囲する環状構造体が配置されていることを特徴とする。有利には、環状構造体の少なくとも１つのベースボディは軸線に対して平行に外部へ向かって延在しており、封止部材は細管である。

放電管を備えた高圧放電灯を示す図である。 ａは図１の放電管の斜視図であり、ｂは図１の放電管の縦断面図である。 放電管の端部領域の第１の実施例を示す図である。 放電管の端部領域の第２の実施例を示す図である。 放電管の第１の実施例を示す図である。 放電管の第２の実施例を示す図である。 放電管の端部領域の第３の実施例を示す図である。 従来技術の放電管の端部領域の第１の例を示す図である。 従来技術の放電管の端部領域の第２の例を示す図である。 従来技術の放電管の端部領域の第３の例を示す図である。 放電管の端部領域の第４の実施例を示す図である。 放電管の端部領域の第５の実施例を示す図である。 放電管の端部領域の第６の実施例を示す図である。

本発明は特に高いアスペクト比を有する放電灯、あるいは、封止部材が短い構造を有するべき放電灯に関する。有利には、端部領域は電極の背後の空間にテーパー状すなわち先細の内部輪郭を有する。すなわち、放電管の中央部は最大または一定の内径ＩＤを有しており、端部はそれより小さい内径を有する。

環状構造体は、有利には、電極構造部または端部領域の封止部材を中心としてその外側に共心に成形される。放電管は、典型的には、アルミニウムを含むセラミック、例えばＰＣＡ、ＹＡＧ、ＡｌＮまたはＡｌＹＯ_３などから形成される。ここでは、封止部材から距離を置いて片持ち式で配置された冷却構造体が用いられ、これは特にセラミックから成形されて端部領域の部材に組み込まれてもよい。また、これを、透光性のセラミック、例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＡｌＮ、例えばステアタイトから個別の部材として形成してもよい。個別の部材はセメントまたは接着剤によって放電管の端部に固定される。

本発明は、放電管の内部長ＩＬと最大内径ＩＤとの比、いわゆるアスペクト比ＩＬ／ＩＤが１．５〜８の高負荷のメタルハライドランプに特に適する。

放電管がバーナー（放電室）を有し、特に端部ヘ向かって先細となる端部領域を有する場合、端部領域の局所的な冷却を行うと有利である。これによりバーナーでの充填物の分布状態が改善される。なぜなら、電極後方の領域、いわゆる電極バックスペースに充填物が堆積し、色安定性および光効率の双方の点で改善が達成されるからである。特に、Ｎａおよび／またはＣｅを含む充填物が使用される場合、きわめて高い光効率および高い色再現性が達成される。適切な駆動方法が使用されれば、放電灯の出力特性曲線が低コストに制御され、長期間にわたって色再現性のインデクスＲａ＞８０を維持したまま、光効率１５０ｌｍ／Ｗ以上を実現することができる。こうした駆動方法は、例えば、欧州特許第１５６０４７２号明細書、欧州特許第１４２２９８０号明細書および欧州特許第１７６８４６９号明細書から公知である。

高負荷のバーナーの温度勾配は、電極のあいだの壁の形状に無関係に、冷却構造体の取り付け位置を選択することによって調整される。ここでのバーナーは、典型的には、軸線方向で見たときの電極間の領域において、少なくとも３０Ｗ／ｃｍ^２の壁負荷を有する。これにより、メタルハライドランプの色温度の一定性および高い光効率が得られる。

冷却構造体と、大抵の場合電極リードの細管である封止部材との接触を回避するために、冷却構造体の取り付け点での効率的な冷却が保証され、同時に、封止部材への熱流が回避される。これにより、端部での損失が低減され、封止部材の領域での温度勾配が高められる。

このことは、Ｃｅ，ＰｒまたはＮｄのハロゲン化物のうち少なくとも１つとＮａおよび／またはＬｉのハロゲン化物とを含むメタルハライドランプにおいて特に顕著である。そうでないと、蒸留効果によって色温度の変動が発生してしまう。

有利には、本発明は、２〜６の高いアスペクト比を有し、垂直方向の燃焼位置において縦方向の色分離を消去するために音響共鳴が励起されるランプに適用される。

特に有利には、封止部材は細管（キャピラリ）として構成される。ただし、封止部材を、例えば独国公開第１９７２７４２９号明細書に示されているようなサーメットピンとして構成することもできる。

特に良好な冷却作用は、環状冷却構造体が端部領域と同じ最大径を有し、ランプが一定の内径を有する場合に達成される。ただし、径はそれより小さくても足りる。

一般に、環状冷却構造体の内径は
内径＝１．１〜２×細管の外径ＤＵ
で表される。特に、環状冷却構造体の壁厚さは約０．３ｍｍ〜３ｍｍである。内径と外径とを接続する端面に傾斜を付けることもできる。この端面にコーティングを設けてもよい。コーティングは高エミッション性のものがよい。適切な材料はグラファイトまたはカーボン、あるいは、ダイヤモンド状炭素ＤＬＣなどの他の炭素修正材料である。

一般に、冷却特性は、環状冷却構造体の環の一部、例えば端面を高エミッション性のコーティングで覆うことによって制御される。

管球の材料としては、ＰＣＡまたは他のセラミックを用いることができる。充填物の選択にも特に制限は生じない。

ほぼ均等な壁厚さの分布を有し、細長く延在する端部領域を有する高圧放電灯の放電管は、これまで、放電管内の金属ハロゲン化物の充填物の組成に応じて、部分的に大きな色のばらつきが生じていた。典型的には、充填物は、電極頂部をバーナー内面へ投影して得られる線の後方に集中する。充填物を、放電管内の表面のうち狭い温度範囲に相応する所定のゾーン内と、場合により設けられる細管の残留体積内とへ、局所的に限定することは、これまでは充分に正確に行えなかったのである。

従来の放電管は、端面に厚い壁厚さを有する円筒形のバーナーを有し、拡大された端部面積が形成されることが多かった。しかし、このようにすると、壁厚さに依存したセラミックの放射係数比によって、排気された外管またはガスの充填された外管内で放電管を駆動する際に、赤外光の放射が高まるという別の問題を発生する。

こうして、放電管の端部でのヒートシンク効果により、充填物の大部分が局所的に限定される。これにより、使用される金属ハロゲン化物の蒸気圧が、セラミック放電管のシステムにおいて、同じ動作出力のランプグループに対して最大で７５Ｋという色温度のばらつきについての充分な値が得られるように定められる。

球状の放電管、あるいは、筒状の中央部に対して半球状、錐体状または楕円体状の端部を有する放電管は、約１．５〜８の高いアスペクト比ＩＬ／ＩＤを有するので、重大な問題が発生する。当該の放電管は封止部材の近傍で先細の移行部を有するため、放電管の端部での冷却効果が部分的に不充分となり、ひいては、内壁の狭い温度領域での所望の充填物の堆積を確実に行うことができなくなる。

冷却構造体を備えていないバーナーのジオメトリでは、図８に示されているように、バーナーボディから封止構造体へ向かってきわめて小さな温度勾配が得られ、リード構造体内の充填物の有利な蒸留が実現される。

封止部材が中実の栓体として構成されるジオメトリでは、図９に示されているように、外面の冷却効果が増大される。また、大きな熱量をこれに接する封止部材へ流入させると、バーナーの重量および熱伝導損失が増大してしまう。

これらの手法はメタルハライドランプの出力特性に対する欠点となる。

図１０に示されている別の公知の手法によれば、フィンまたは個々のニードル状の成形が行われている。このようにすれば、確かに冷却面積は増大されるが、熱を連絡するブリッジがバーナー端部と封止部材とのあいだに形成される。これは特に冷却長さが小さく、冷却構造体が多数の冷却リブを有している場合に有利である。

前述した問題点は本発明の環状冷却構造体によって回避される。本発明の有利な実施例では、冷却構造体はその一部または全部にコーティングを備えている。当該のコーティングは近赤外線ＮＩＲ、特に１μｍ〜３μｍの領域の近赤外線において、冷却構造体のセラミック材料に対して、６５０℃〜１０００℃の温度領域で、高い半球空間における放射率εを有する。コーティングは有利には放電管端部と封止部材とのあいだの移行部に配置されてもよい。

コーティング材料として、半球空間における放射係数ε、特にε≧０．６を有する高温耐性のコーティングが適している。ここでは、グラファイト、Ａｌ_２Ｏ_３とグラファイトとの混合物、Ａｌ_２Ｏ_３と金属カーバイド、特にＴｉ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒのカーバイドとの混合物、Ｓｉなどの半金属が当てはまる。また、場合によって所望される導電性を形成するために、付加的に他の金属を含む混合物も適する。

もちろん、２つの手段を適切に組み合わせることにより、表面放射の増大分の一部は、環状冷却構造体およびそのコーティング、またこれに接する封止部材による表面積の増大によって消去される。

セラミック放電管に対して一体的に設けられる冷却構造体の一連の利点を次にまとめて挙げる。
１．付加されるセラミック重量が僅かなので、効果的な冷却が可能である。
２．長手方向の熱流が封止部材に流入しにくい。
３．端部領域の表面のフレキシビリティがいちじるしく増大される。
４．電極リードの角度領域にシェーディング効果が生じにくくなる。
５．小さな表面積により局所的なサーモスタット作用を効果的に形成することができる。

これらの特長点は、高負荷のかかる形状を有していて、全表面積が小さく、高いアスペクト比を有する放電管にとって、特に重要である。なぜなら、前提として、こうした放電管では、大きな壁断面積にわたって、熱流による局所的な冷却が困難となるからである。

放電管の全重量は環状冷却構造体のタイプによってもさほど増大せず、放電灯の点弧までの始動特性に悪影響を与えるような臨界値を超えることはない。このため、良好な点弧と効率的な冷却との妥協点が模索される。この措置により、等尺性を意識的に犠牲にすれば、きわめて高い色安定性が得られる。このことは、これまでのように良好な等尺性を目的とすることから見ると逆行しているが、温度勾配を意図的に設定することにより充填物の濃度の領域が正確に定められるという利点をもたらす。

冷却作用は、放電管の端部領域に取り付けられる環状冷却構造体の最大高さにより調整される。これは、取り付け高さに応じて、他の温度レベルからの放熱が生じるからである。

特に有利には、効果的な冷却が行えるだけでなく、射出成形、スリップ鋳造成形またはラピッドプロトタイピングなどのこんにちの製造プロセスを用いて簡単に製造可能な、一体型の環状冷却構造体が提供される。

以下に本発明を複数の実施例に則して詳細に説明する。

有利な実施例の説明
図１にはメタルハライドランプ１が示されている。メタルハライドランプ１は管状のセラミック放電管２を有しており、この放電管の内部には、図示されていない２つの電極が挿入されている。放電管は中央部５と２つの端部４とを有する。各端部４には細管（キャピラリ）として構成された２つの封止部材６が構成されている。有利には、放電管および封止部材はＰＣＡなどの材料から一体に製造される。

放電管２は外管７を有しており、この外管７はソケット８に接続されている。放電管２は外管７内で短い電流リード１１ａと長い電流リード１１ｂとを含むフレームによって支承されている。各封止部材５には、１つずつ、端部を包囲する環状冷却構造体１０が載置されている。

図２では、環状冷却構造体１０が短い封止部材１６に接続される様子がａの斜視図とｂの断面図とによって示されている。環状冷却構造体１０は放電管２の先細の端部領域４に載置され、所定の距離を置いて封止部材１６を包囲する。

図３には、内径または外径が一定でなく、環の外側が鎌形ないし半円形に切り欠かれた環状冷却構造体１３が示されている。このようにすれば、内径ＩＤを一定にし、外径ＡＤを周期的に変化させることができる。

図４には、複数の小さい切欠２０または断部の設けられた環状冷却構造体１３が示されている。ここでは、放射表面を拡大することが意図されている。切欠の個数は、有利には、図４に示されているように３個までである。

図５には、封止部材が細管によって形成された放電管２が示されている。環状冷却構造体１３は１個の切欠２０を有している。この切欠２０は、環の残りの部分の角度長に比べて角度長のきわめて小さい断部と考えることができる。切欠２０は、典型的には、最大で全角度長３６０°の１０％である。断部は冷却能力を弱めてしまうので、この値はできるだけ小さく選定すべきである。このように、先細となる領域に共心あるいは部分的に共心に配置された環状冷却構造体は、縦方向すなわちバーナー軸線の方向でバーナー端部領域への熱流を生じることなく冷却を行うことができる。

環状冷却構造体の載置位置、高さおよび壁厚さを適切に選定することにより、バーナー管の表面領域への冷却作用を局所的に調整し、それぞれの要求を適合化することができる。

環状冷却構造体１３を先細の端部領域４に載置する載置点は、放電管の最大径Ｄｍａｘの９５％〜２５％の範囲の内径ＤＲＩによって定められる。有利には、内径ＤＲＩは放電管の最大径Ｄｍａｘの８０％〜２５％である。先細の端部領域４の壁厚さＴＨは図示されているように一定でないことが多い。有利には、環状冷却構造体は、図６に示されているように、その載置点が先細の端部領域４の最も狭い部分Ｅの外側に位置するように配置される。細管の入力端は放電灯の軸線を横断する平坦面２５として構成されており、これにより最も狭い部分が必然的に形成される。なお、図６には環状冷却構造体の外径ＤＲＡも示されている。

端部領域の最小壁厚さは、有利には、特に先細形状の根元側の最大壁厚さの２０％〜８０％である。

壁厚さＷＤは放電管の中央の壁厚さである。環状冷却構造体１３により、先細形状の端部領域４の壁厚さＴＨがＴＨ＞ＷＤとなることが回避される。そうでないと、高い熱流が細管の断面へ伝わり、熱伝導損失が発生するからである。

図７には、放電管３０の端部３１が先細とならず、一定の直径ＤＤを有する実施例が示されている。細管６は栓体３２の箇所に配置されている。環状冷却構造体３３は栓体３２と放電管の端部３１とのあいだに栓状の円筒部分として挿入され、栓体３２および放電管３０とともにシンタリングされる。

一体型の環状冷却構造体は軸線にほぼ平行であり、容易に製造可能である。しかし、有利には、軸線に対して平行でない、幾何学的形状の修正された環状冷却構造体も可能である。この場合、放電管の端部、特に細管への後方反射がエレガントかつ効果的に回避される。図１１には、環状冷却構造体３９が軸線に平行に栓体を包囲するベースボディ４０を有し、このベースボディ４０が軸線から外側へ向かう放射ボディ４１を有する実施例が示されている。放射ボディ４１は、栓体を包囲してそこから突出するフィンまたは個々のニードルの形状を有する。複数のニードルが軸線方向で見てベースボディ上に並ぶように配置されてもよい。

有利には、放射ボディ４１が長手軸線に対して約９０°偏向され、細管６への後方反射が回避される。有利には、突出部の長さＡＢが放電管３８の直径ＤＵに比べて著しく延長され、後方反射が最小化される。

図１２には、ベースボディ４０に放射ボディ４３としてプレート状の端部が取り付けられた実施例が示されている。ここでの取り付けは、長手軸線に対して約４５°の角度で行われている。

図１３には、後方反射の問題を別の手段で解決する実施例が示されている。ここでは、環状冷却構造体４４が端部のうち放電部から遠いほうの頂部に配置され、細管に面したその内壁が斜めに切り欠かれ、出力される光が細管での反射の後に斜めに外部へ達するようにされている。また、障害的なＩＲ光がより良く抑圧されるようにするために、有利には、細管の少なくとも１つの面および／または環状冷却構造体の内面に、それ自体は既知のＩＲ反射性のコーティング５０が被着される。

Claims (11)

1. 軸線に沿って延在しかつ中央部および２つの端部を有するセラミック放電管が設けられており、
   前記２つの端部はそれぞれ封止部材によって封止されており、
   前記封止部材にそれぞれ電極が係止されており、各電極は前記放電管によって形成される放電容積内へ延在しており、
   前記放電容積内には金属ハロゲン化物を含む充填物が収容されている、
   高圧放電灯において、
   少なくとも１つの前記端部に、前記封止部材から距離を置いて該封止部材を包囲する環状構造体が配置されている
   ことを特徴とする高圧放電灯。
2. 前記環状構造体の少なくとも１つのベースボディ（４０）は前記軸線に対して平行に外部へ向かって延在している、請求項１記載の高圧放電灯。
3. 前記端部は先細に形成されており、前記環状構造体は先細となった端部領域に配置されている、請求項１記載の高圧放電灯。
4. 前記放電管は１．５〜８のアスペクト比を有する、請求項１記載の高圧放電灯。
5. 前記環状構造体は前記端部領域の最も狭い位置の外側に配置されている、請求項１記載の高圧放電灯。
6. 前記環状構造体の外径は一定であるかまたは周期的に変化している、請求項１記載の高圧放電灯。
7. 前記封止部材は細管として構成されている、請求項１記載の高圧放電灯。
8. 前記環状構造体は最大で３つの断部を有する、請求項１記載の高圧放電灯。
9. 前記環状構造体の壁厚さは０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲である、請求項１記載の高圧放電灯。
10. 前記環状構造体の端面は傾斜しており、特に該端面にはコーティングが設けられている、請求項９記載の高圧放電灯。
11. 前記環状構造体は前記軸線に平行なベースボディと前記軸線から外側へ向かって傾斜した放射ボディとを有している、請求項２記載の高圧放電灯。

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