JP2011523767A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

高圧放電ランプは、アスペクト比ＡＶが少なくとも１．５の放電容器を備える。音響共鳴を伴った動作のために、電極の先端間に延びるサブ領域の外表面の管壁負荷は２８〜４０Ｗ／ｃｍ^２であり、同時に放電容器の細管またはストッパを除いた全外部表面の定格電力密度が１７〜２２Ｗ／ｃｍ^２であることが保証される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の高圧放電ランプに基づいている。このような高圧放電ランプは、音響共鳴を伴う動作に適合されており、通常は金属ハロゲン化物充填物を有する。

従来技術
国際公開第２００５／０８８６７５号明細書には、ＨｇやＸｅの他に金属ハロゲン化物ＮａＩ，ＴｌＩ，ＣａＩ_２，およびＲＥＩ_３が使用される金属ハロゲン化物充填物を有するセラミック放電容器を備えた高圧放電ランプが開示されている。希土類金属ＲＥとして、主にＣｅ，Ｎｄ，および／またはＰｒが使用される。ここでは、電極間の放電距離領域に関して表される管壁負荷は、少なくとも３０Ｗ／ｃｍ^２でなければならない。このランプは、自動車への適用を想定しており、音響共鳴を伴うことなく動作するものである。

同様な高圧放電ランプが、欧州特許出願公開第１７２９３２４号明細書に示されている。そこには、縦方向の音響共鳴を伴った共鳴動作の可能性について、詳細に記載されている。

発明の概要
本発明の目的は、音響共鳴を伴う動作を想定しつつ、効率の点でも優れている高圧放電ランプを提供することである。

本目的は、請求項１の特徴部分によって達成される。

特に有利な構成は、従属請求項で見いだすことができる。

基本的に、金属ハロゲン化物充填物を有するセラミック放電容器は、音響共鳴を伴った動作に対して使用される。１２０〜１５０ｌｍ／Ｗの範囲の高い効率を保証するために、熱条件を所期のように改善しなければならないことがわかっている。放電容器の表面積を用いて定められる規則に従ってスケールされる、音響的に誘起される対流は、様々な定格電力に対して制御された状態で駆動されなければならない。これにより、典型的には１４０〜１５０ｌｍ／Ｗレベルの効率をもたらす新たな熱条件が強いられる。

ここでは、安定した多層対流を達成することを目的とする。この対流は広い定格電力範囲にわたって維持することが可能である。そのために、特定の表面積の範囲を定め、そのための基準に準拠することが重要である。これに適したパラメータのひとつは、電力密度である。

適用される定格電力に関する表面積比をスケーリング則で表すことによって、セラミック放電容器を異なる出力クラス毎および光束クラス毎に構成することができる。

本発明は、音響モードで動作する充填物中の対流を所期のように制御している。この対流は、電極先端の背面側で放電容器の端部に向けて付加的な熱流をもたらす。但し、この熱流は該端部とコールドスポットの加熱を引き起こしかねない。このような加熱を抑えるためには、効果的な端部冷却が必要である。

金属ハロゲン化物ランプを縦方向の音響モードにおいて動作できるようにするために、放電容器の幾何学的形状については、いわゆるアスペクト比ＡＶを少なくとも１．５にしなければならない。好ましくは、３．５〜６の範囲、特にＡＶ＝４．５〜５の範囲にあることが好ましい。アスペクト比ＡＶは、４．６〜４．８であることが特に適している。アスペクト比は、放電容器の内長と内径との比である。放電容器は、縦軸を有し、実質的に円柱形状である。また、放電容器は中央部分が僅かに膨らんでいてもよい。このようなランプを動作させる方法は、例えば、米国特許出願公開第６４００１００号明細書に開示されている。

内容積との関係で、円柱状の放電容器を使用することが好ましい。放電容器は、外側面と、外端面もしくは少なくとも傾斜面とを有している。この傾斜面は管状端部の基点まで延びており、細管を使用することもある。外側面と外部傾斜面は、細管もしくはプラグを除く全外部表面領域ＯＳＵＭを形成する。定格電力Ｐを全外部表面積ＯＳＵＭに関して表すならば、次のように定義された定格電力密度ＰＳ＝Ｐ／ＯＳＵＭは、高い効率を得るために１７〜２２Ｗ／ｃｍ^２の値に達しなければならないことがわかっている。一方、同時に、管壁負荷も高い状態で維持されなければならず、少なくとも２８Ｗ／ｃｍ^２に達しなければならない。

本発明を理解するためには、擬似的に放電容器を、縦軸を横切るように３つの部分に分割する必要がある。それぞれの部分の境界は、電極の先端部である。先端部と交差する縦軸の垂線は、放電を拡大する高温のアーク部を画定する。この部位は動作中にはかなり高温になる。この高温領域の管壁負荷は、２８〜４０Ｗ／ｃｍ^２の範囲であることが好ましい。このアーク部の外部表面領域は、ＯＨと記載される。

傾斜面もしくは端面を含み、冷却を実現する、背面側の端部の表面領域はＯＫと記載される。放電容器は２つの端部を有しているので、両端の表面領域が使用されなければならない。各々の冷却表面領域がＯＫの半分となるように、概して２つの端部は対称である。

ＯＨに対応するアーク部が、動作中に少なくとも２８Ｗ／ｃｍ^２の高い管壁負荷Ｗに達する一方、全表面領域ＯＳＵＭ、すなわちＯＨとＯＫの和が、１７〜２２Ｗ／ｃｍ^２のより低い定格電力密度となる場合に、冷却は特に有効である。言い換えれば、端部領域における表面領域ＯＫは十分に大きくなければならない。ＯＫとＯＨの比ＶＨは、０．７５〜１．００であることが好ましい。さらには、ＶＨ＝０．８５〜０．９０の範囲にあることが好ましい。コーティング、もしくはリブやフィンなどの手段によってＯＫ領域における表面積を増加させるなどの技術的な対策を講じることで、ＶＨを変更することができる。

熱条件としては、細管もまた、スペースを取りすぎないことが好ましい。端面を含む、２つの細管の全表面領域ＯＣと、放電容積の全表面領域ＯＳＵＭとの比ＶＫの好ましい値は、ＶＫ＝０．１５〜０．３５である。さらには、０．２２〜０．２５の値が好ましい。

放電容器の壁厚は、放電体積を定める内壁領域全体の定格電力密度ＷＩが３０〜４２Ｗ／ｃｍ^２であるように、好ましく設計されるべきである。ＷＩとしては、３８〜４１Ｗ／ｃｍ^２の値が好ましい。

このような管壁負荷と定格電力密度に従うと、放電容器領域内において、１５．５〜１９Ｋ／ｍｍの、縦方向の適切な温度勾配ＴＥを達成することが可能になる。これは、２つの電極間の中央部に位置する中間点Ｍと、端面により封止されている放電容器の各端点Ｓとの間で、温度が低下することが考えられる。温度は放電容器の外部で測定される。ＭとＳの間の軸方向の投影距離は、ｇと記載される。

細管は、細管の内部軸長Ｌにわたる温度勾配ＴＫが３０〜４５Ｋ／ｍｍ、特に３４〜４０Ｋ／ｍｍとなるように設計されるべきである。この値は、現在のランプよりも高い値である（現在は、３０Ｋ／ｍｍより小さい値である）。これは、端部構造をできる限り短くすることで達成される。

これらの設計事項に加えて、次のような温度設定がされなければならない。放電容器の中央部では温度はせいぜい１２００℃であるが、一方、端部では、Ｓ点において１０８０℃程度まで下がらなければならない。好ましくは、１０５０〜１０７０℃の範囲となるべきであり、１０５０℃を下回るのが最も適切である。

この態様は、端部が一体構造として設計されているか、プラグ等であるかどうかには左右されない。

冷却端部表面領域の冷却効果を助けるために、可視スペクトル範囲で透明であり、かつより高いＮＩＲ放射率を有するコーティングが、放電容器の外部表面領域ＯＫの少なくともいくつかの部分に適用される、という事実を、本発明の詳細な実施例は踏まえている。ＮＩＲは、０．８〜３μｍの範囲（赤外線近傍）を意味する。コーティングされていないＡｌ_２Ｏ_３のようなセラミックのＮＩＲ放射率εは、典型的には約０．１である。コーティングは端部領域全体にわたってなされてもよいし、単に一部分だけになされてもよい。グラファイトの場合、放射率εは０．８の値にまで達してもよい。

一方で、３〜８μｍの長波長ＩＲ放射は、エンベロープバルブにより一部が反射され、表面領域の局所的な冷却には寄与できない。しかし、３μｍまでの範囲の放射では、その一部が外側バルブのガラスを通して漏れ出す。従って、端部領域の冷却を助けるために、コーティングを施すによってこの範囲の放射率を好ましく改善してもよい。

可視スペクトル範囲において透明である高温耐性層は、いずれもコーティングに適している。特に、特定のグラファイトだけでなく透明な導電層もしくは多層コーティング（例えば、ＺｒＯ_２／ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物））も適しており、この場合、最外層が導電層である。導電性があり、透明で高温耐性を有する層は、その内部電子プラズマ周波数に相当する放射率特性を有する。冷却される領域のサブ表面がコーティングされると、表面の放射率が増加する。そのため、端部の冷却表面領域を縮小することができ、これは特にコーティングがなされない場合の表面領域の６０％の値まで低減される。

セラミック放電容器を備える金属ハロゲン化物ランプを示す図 セラミック放電容器の断面を詳細に示す図 放電容器について関連するパラメータの表記を示す図 端部領域がコーティングされている他の実施例を示す図

発明の好ましい実施形態
本発明は、以下の多数の実施例を用いてより詳細に説明される。

図１に、金属ハロゲン化物高圧放電ランプ１の実施例を示す。ランプ１は、両端が封止されたセラミック放電容器２を備える。放電容器２は伸長されており、封止部６を含む２つの端部３を有する。２つの電極４は、放電容器内で互いに対向している。封止部６は、細管として構成されており、その内部に電極システム１６がはんだガラス１９によって封止されている。リード導体５は、対応する電極４に公知の方法で接続されており、それぞれ細管６から突出している。この電極は、それぞれフレーム７を介して口金１３の接続部に接続されている。

金属ハロゲン化物充填物は、それ自体は公知であり、放電容積の充電物として適している。特に、放電容器は、金属ハロゲン化物の充填物を含む。金属ハロゲン化物は、Ｎａ，Ｔｌ，Ｃａ，希土類金属（ＲＥ）のヨウ化物からなる群から個別に、もしくはそれらを組み合わせて選択される。この系は特に、次のような充填物系に適している。すなわち、ＮａＩ，ＴｌＩ，ＣａＩ_２、およびＲＥＩ_３であり、ＲＥはＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄのうちの少なくとも一つの元素である。

図２は端部領域を詳細に示す。細管６は放電容積内に一体化して取り付けられている。端部区分は、電極の先端から始まり（破線で示されたａ線）、一定の直径の細管が到達する点（ｂ線）まで延びている。

図３は、放電容器がアスペクト比約４．７の円柱管２０である場合の実施例を示す。僅かにテーパ状になった端部において、プラグ６が端部の管開口部に嵌合しており、はんだガラスによって封止されている。定格電力は７０Ｗである。全体の管壁負荷は１９．５Ｗ／ｃｍ^２である。電極の先端間の領域（２つのａ線の間）における管壁負荷は、３４Ｗ／ｃｍ^２である。冷却された表面領域（放電容器の先端の背面側であってｂ線における端面も含む）と電極間の加熱された表面領域（２つのａ線の間）との間の比率は、ここでは約８５％である。細管の全表面領域と放電容器の全表面領域との間の比率は、２２〜２５％である。内部表面２１の管壁負荷は（全体で）３９．５Ｗ／ｃｍ^２である。

放電容器の中心Ｍ（正確に、２つの電極先端部の間）と、放電容器を封止する端面の外側におけるＳ点との間の（放電容器の外部で測定された）温度勾配は、１５．５〜１９Ｋ／ｍｍである。できる限り高い値としては、１７．５〜１８．５Ｋ／ｍｍの値が好ましい。それに対して、現在の標準的な値は１２〜１５Ｋ／ｍｍである。

同様に、細管に沿った温度勾配ＴＫについて、（外部から見て）細管が始まる点ＴＫ１と細管の端部ＴＫ２との間で、３４〜４１Ｋ／ｍｍの温度勾配が達成されなければならない。できる限り高い値としては、３９〜４１Ｋ／ｍｍの値が好ましい。それに対して、現在の標準的な値は２７〜２８Ｋ／ｍｍである。

放電容器の冷却された外部表面領域ＯＫと加熱された外部表面領域ＯＨとの間の比率は、通常、すなわちコーティングされていない場合は、７５〜１００％の範囲にある。ＮＩＲ放射コーティングを用いる場合、冷却された端部領域は、コーティングがなされない場合の値の６０％に相応する範囲まで縮小されるように選択されてもよい。

図４は、領域Ｐにおいて、端部３の表面領域が一部コーティングされている実施例を示す。

上記の比率は、主にＡｌ_２Ｏ_３セラミックに適用される。ＡｌＮなどの他のセラミック、もしくはサファイア、もしくは混合系の場合にも、同様の条件が適用される。

コーティングがなされている場合には、ＯＫとＯＨの比率の値は２０％まで低減されてもよい。全体としては、６０〜１００％の値が推奨される。コーティングがなされていない場合には、可能であれば、７５〜１００％の値を達成すべきである。コーティングや材質の水準や範囲によって、値は６０％まで下げてもよい。

Claims (8)

1. 伸長されたセラミック放電容器を備えた高圧放電ランプであって、
   前記放電容器の端部において、放電方向に向いた電極の先端部を有する電極システムが封止部に取り付けられ、
   前記封止部は、管状で、特に細管を有し、
   前記放電容器はアスペクト比ＡＶが少なくとも１．５であり、
   前記放電容器は金属ハロゲン化物充填物を含み、２５Ｗ／ｃｍ^２より大きい管壁負荷を有している、高圧放電ランプにおいて、
   前記ランプは、縦方向の音響変調を伴った動作に適しており、前記放電容器の全外部表面領域（ＯＳＵＭ）の定格電力密度ＰＳが１７〜２２Ｗ／ｃｍ^２である一方、同時に、電極の先端間に延在している表面領域（ＯＨ）のサブ領域における管壁負荷が２８〜４０Ｗ／ｃｍ^２の範囲であることを特徴とする、
   高圧放電ランプ。
2. 前記表面領域（ＯＨ）の外側にありかつ前記端部の冷却に作用する表面領域（ＯＫ）が、前記表面領域（ＯＨ）の６０〜１００％、好ましくは７５〜１００％の値で構成されることを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。
3. ２つの前記細管の表面領域（ＯＣ）と前記放電容器の表面領域（ＯＳＵＭ）との間の比率が、１５〜３５％であることを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。
4. 放電容器の全内部表面領域の定格電力密度が、３０〜４２Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。
5. 前記放電容器の中間点と前記端面におけるＳ点との間の温度勾配ＴＥが、１５．５〜１９Ｋ／ｍｍであることを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。
6. 前記細管の起点と前記細管の端点との間の温度勾配ＴＣが、３４〜４１Ｋ／ｍｍであることを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。
7. 少なくとも前記端部領域の前記表面領域ＯＫの一部分がＮＩＲコーティングされるか、または表面領域を大きくするような構造、特にフィンやリブを備えていることを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。
8. 前記放電容器は、Ｎａ，Ｔｌ，Ｃａ，希土類金属のヨウ化物からなる群から個別にまたは組み合わせて選択されるハロゲン化金属物の充填物を含むことを特徴とする、請求項１記載の高圧放電ランプ。

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