JP4934152B2 - 高圧放電ランプ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている高圧放電ランプに関する。このようなランプはとりわけ、一般照明用のセラミック放電容器を有する高圧放電ランプであり、とりわけ金属ハロゲン化物ランプか、またはナトリウム高圧ランプまたは水銀高圧ランプでもある。

従来技術
ＵＳ‐Ａ４９７０４３１に、放電容器のエンベロープがセラミックから製造されるナトリウム高圧放電ランプが開示されている。円筒形の放電容器の端部に、排熱に使用されるフィン状の延長部が取り付けられている。

ＥＰ‐Ａ５０６１８２から、グラファイトまたはカーボン等から成るコーティングが公知であり、このコーティングは、冷却を行うためにセラミック放電容器の端部に取り付けられる。

発明の説明
本発明の課題は、色ばらつきが従来のランプと比較して格段に低減された高圧放電ランプを提供することである。

この課題は、請求項1の特徴部分に記載されている構成によって解決される。

従属請求項に、特に有利な実施形態が記載されている。

セラミック放電容器を有する高圧放電ランプは、中央部分と２つの端部とを有し、該２つの端部は封止部によって封止されており、電極が該封止部に固定されており、該放電容器によって包囲された放電容量内に延在し、金属ハロゲン化物または金属も含む充填物が該放電容量内に収容されている。これらの端部に、半径方向に外側に延在するフィン状の薄片が設けられている。前記薄片の表面は全体的に主に、電極の先端を放電容器の内表面に投影することによって決定される線の後方に放電と反対側に存在する領域内に配置される。

有利には、前記薄片の相互間の配置は回転対称的であり、とりわけ３〜８回対称性を有する。簡略化するために薄片の形状を実質的に同様にすることができるが、このことは必須ではない。たとえば２つのセットの薄片を交番的に使用することができ、８回対称性では４番目ごとに一方の種類を使用することができる。

本発明は、放電容器の内側長さと最大内径との間の比、いわゆるアスペクト比が１．０〜８．０の間にあり高負荷がかかる金属ハロゲン化物ランプに特に適しており、有利にはアスペクト比が少なくとも１．５である金属ハロゲン化物ランプに特に適している。ここでは限界値も含まれる。

製造技術的には、前記薄片の幅が放電容器の中央部分の壁厚さのオーダにあるのが有利であり、特に一定幅の場合にはとりわけ、壁厚さから最大５０％偏差し、有利には最大２５％偏差するのが有利である。

とりわけ有利には、封止部はキャピラリとして形成される。また、封止部を異なって形成することもできる。ここではたとえば、サーメットピンが使用されるＤＥ‐Ａ１９７２７４２９を参照されたい。本発明は栓留め技術にも適用することができ、その際には薄片は容器表面に設けられるか、または別個の栓部分に設けられるか、または両ボディに薄片を設けることができる。

端部に隣接する封止部の部分に薄片を設けるか、または薄片を端部に設けると、特に良好な冷却作用が得られる。

一般的には、薄片は２つの広幅面と１つの狭幅面とを有し、該狭幅面は半径方向に外側を向く。これらの面が一緒に、薄片の表面積を定義する。特に有利には、狭幅面は斜行し、とりわけコーティングを施される。このコーティングは高放出性でなければならない。適切な材料はとりわけグラファイトまたはカーボンであり、また、たとえばＤＬＣ（diamond-like carbon）等の別の炭素変性材料も適している。

一般的に、封止部の一部、とりわけ狭幅面等の薄片の一部分を高放射性のコーティングによって被覆することにより、冷却特性を制御することもできる。また、封止部のコーティングを、この場所に薄片状の突起部を同時に使用することなく使用することも可能である。

エンベロープの材料としては、とりわけＰＣＡであるＡｌ_２Ｏ_３を使用することができ、また、ＡｌＯＮまたはＡｌＮ等の他の通常のすべてのセラミックを使用することもできる。充填物の選択も特段の制限を受けない。

ほぼ均質な壁厚さ分布と細く突起する端部形状とを有する高圧放電ランプ用の放電容器は、充填物組成に依存して、該放電容器の内部に金属ハロゲン化物充填物の強い分布によって部分的に大きな色ばらつきを呈する。典型的には充填物は、放電から遠い領域において、放電容器の内表面への電極先端の投影によって決定される線より後ろに凝集される。放電容器内部において狭い温度領域に相応する表面のゾーンと、キャピラリが設けられている場合にはキャピラリの他の容量内とで充填物を位置決めすることは、従来は十分に正確に調整できなかった。それゆえここでは、放電容器にフィンまたは薄片を設け、このフィンまたは薄片の作用が主に、放電容器の内表面に電極先端を投影することによって決定される線より後ろにある領域で使用されるようにすることが重要である。主にとりわけ、放電から遠い場所において、電極先端を放電容器の壁に投影することによって決定される線より後ろに、フィンの表面の少なくとも２／３が存在することが重要である。

従来の放電容器は、たとえば放電容器の形状が円筒形である場合、端部面において壁厚さが拡大された形状を有することが多く、このことによって、端部表面積が拡大される。また、排気または気体充填された外側エンベロープで放電容器が動作する場合、壁厚さに依存するセラミックの固有の放出係数によってＩＲ放射の放射量が上昇するという別の問題もある。その際には、放電容器の表面積はシュテファン‐ボルツマンの法則にしたがって、固有放射出力によって決定される：
Ｐ_ｒａｄ／Ａ＝ε^＊σ^＊Ｔ^４ここでは、
Ｐ_ｒａｄ／Ａ：単位表面積あたりで放射される放射出力
ε＝放射面積の半球放出係数
σ＝シュテファン‐ボルツマン係数
Ｔ＝表面温度
このことにより、放電容器の端部における熱低減作用により、色ばらつき値を、等しい動作出力のより大きなランプグループでセラミックランプシステムに十分な色ばらつき値に調整でき、典型的には色ばらつき値≦７５Ｋに調整できるように、放電容器内で使用される金属ハロゲン化物の蒸発圧を決定する、集中的な充填物分布が得られる。

球状の放電容器の場合、または半球の端部形状を有する放電容器の場合、または円錐形に延在する端部形状を有する放電容器の場合、または楕円形の端部形状と約１．５〜８の比較的高いアスペクト比ＩＬ／ＩＤの円筒形の中間部分とを有する放電容器の場合、特に重大な問題が生じる。この封止部の領域への細い移行部により、たいていはキャピラリ領域により、放電容器の端部に生じる冷却作用は部分的に不十分となり、温度の規定が不十分になり、内壁の狭い温度領域に充填物堆積を集中化させるのに不十分になる。

本発明では基本的に、放電容器の端部を強力に冷却するための２つのメカニズムが設けられる。これは、アーク放電が燃焼する放電容器が、電気的ないしは電磁的なパワー入力結合のための電極構造を有する端部形状へ移行する移行部を指す。このことはとりわけ、放電容器の壁厚さと比較して端部領域の壁厚さの著しい拡大が成形によって事前に得られない場合‐円筒形の放電容器の場合には典型的には、１．５〜２．５倍の壁厚さの拡大が成形によって事前に得られない場合‐に当てはまる。しかし、そのための適用が排除されるわけではない。

重要なのは、有利には、周縁において少なくとも３回対称性の分布を有する軸に対して平行な長手方向で、最大で８回対称性の分布を有する軸に対して平行な長手方向で、移行領域で封止部に一体成形された翼状ないしはフィン状の成形物を設けるによって、表面積を拡大することである。とりわけ薄片が設けられる。

フィン状の成形領域は実質的に平滑な面とするか、または表面においてファセット加工して形成することができる。とりわけファセット領域は、薄片の他の表面領域に面接触することができるか、または放電容器の軸および重心に対して定義された方向を有することができる。

こうするためには場合によっては、次のような材料を有するコーティングが使用される。すなわち、近赤外線（ＮＩＲ）でセラミック材料と比較して、６５０〜１０００℃の間の温度領域において高い半球放出率εを有する材料を有するコーティングが使用される。近赤外線とは典型的には、１〜３μｍの間の波長領域を指す。このコーティングは有利には、放電容器の端部と封止部との間の移行部の領域に設けるべきである。とりわけこのことは、薄片なしでもコーティングを設けることができる封止部のみにも当てはまる。

コーティング材料としては、有利にはε≧０．６の半球放出係数εを有する耐高温性のコーティングが適している。このコーティング材料には、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Ｔｉ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒのカーバイドとの混合物、および、Ａｌ_２Ｏ_３とたとえばＳｉ等の半金属のカーバイドとの混合物とが含まれる。また、場合によっては所望される電気伝導度に調整するために、さらに付加的に別の金属を含む混合物も適している。

もちろん、これらの構成を相互に適切に組み合わせることにより、薄片による表面積拡大によって表面放射量の上昇の一部が行われると同時に、該薄片の一部または隣接する比較的低温の封止領域の一部のコーティングによって一部が行われるようにすることができる。

全体的に、セラミック放電容器において一体的な薄片を使用すると、数多くの利点が得られる：
１．より実効的な冷却が実現されると同時に、付加的なセラミック質量が比較的小さい。
２．封止部への長手方向の熱流が低減される。
３．端部領域における表面積調整のフレキシビリティが格段に大きくなる。
４．電極給電線の空間角度領域における遮蔽作用が低減される。
５．比較的小さい表面領域によって、有効な局所サーモスタット作用が調整可能であること。

このような特性はとりわけ、全表面積が小さい放電容器の高負荷される形状と、場合によっては拡大されるアスペクト比とにおいて重要である。というのもこのような条件では、比較的大きな壁断面積を介して熱流によって局所的な冷却を行うことは困難になるからだ。

上記のような薄片により、放電容器の全質量の上昇は僅かになり、この全質量は、ランプの始動特性が点灯時に悪影響を及ぼす臨界値を下回ったままである。このことにより、良好な点灯と有効な冷却との間に十分な妥協線が得られる。上記のような構成により、良好でない等温性を意図的に甘受しながら非常に高い色安定性を実現することができる。このことは、可能な限り良好な等温性を実現するという従来の目標設定と相異なって行われ、温度勾配を意図的に形成することによって、充填物の凝縮ゾーンを正確に決定することを可能にする。

コーティングを完全に省略する場合、薄片の領域は光学的に透明であるか、ないしは少なくとも透光性である。このことは可能な限り、コーティングを有する領域でも実現しなければならない。この目的に近づくためには、ランプの中心からコーティングを有する領域が出てくる空間角度が、可能な限り小さくされる。というのも、コーティングは放射を吸収し、効率を犠牲にするからである。そのため、薄片の斜めに傾斜した面にコーティングを設けなければならない。というのも、中心からのコーティングの空間角度が小さくなるからである。とりわけこのことは、薄片の狭幅面に当てはまる。１つの択一的手段に、コーティングを可能な限り後方に、薄片および／または封止部に設ける手段がある。というのもこのようにして、有効に遮蔽される空間角度が小さくなるからである。このようにして、冷却の最適値が実現されると同時に最大限の効率が実現される。特に有効なコーティングは、グラファイトおよびＴｉＣである。

とりわけ、薄片が放電容器に設けられている場合には、冷却作用の制御手段はこの薄片の最大高さでもある。というのも、取り付け高さに応じて排出は別の温度レベルから行われるからである。

このような一体的な薄片の特別な利点は、別個に装着されるのと比較して特に有効に冷却を行えることと、射出成形法、スラリー成形法またはラピッドプロトタイピング法等の最新の製造手法を使用すると簡単に製造できることである。

図面の簡単な説明
以下で、本発明を複数の実施例に基づき詳細に説明する。

図面：
図１ 高圧放電ランプを示す。

図２ 図１の放電ランプの詳細を示す。

図３ 放電容器の別の実施例を示す。

図４ 放電容器の別の実施例を示す。

図５〜１０ それぞれ放電容器の別の実施例を示す。

図１１ 薄片の幾何学的パラメータを概略的に示す。

本発明の有利な実施形態
図１にメタルハライドランプ１が示されている。このメタルハライドランプは、セラミック製の管状の放電容器２から成り、該放電容器２には２つの電極が挿入されている（図示されていない）。この放電容器は中央部分５と２つの端部４とを有する。これらの端部には２つの封止部６が装着されている。この封止部６は、ここではキャピラリとして形成されている。有利には放電容器および封止部は、たとえばＰＣＡ等の材料から一体形で形成される。

放電容器２は外側エンベロープ７によって包囲されており、この外側エンベロープ７をソケット８が封止する。放電容器２は外側エンベロープ内で、短い給電線１１ａおよび長い給電線１１ｂを含むフレームによって保持されている。封止部６にはそれぞれ薄片１０が装着されており、これはフィン状に、半径方向に外側に延在する。

図２に、封止部６の領域の平面図が示されている。薄片１０は２つの広幅面１２と１つの狭幅面１３とを有する。薄片は４回対称的に、封止部を中心として均等に分布されている。斜行する狭幅面１３には、グラファイトまたはカーボンから成る高放出性の層１４が設けられている。薄片の最大高さは、放電容器の中央部分の最大高さの約半分である。

図３に放電容器２が示されており、左側の実施例では、薄片１５は放電容器の端部のほぼ最大高さから分岐して、この高さを維持する。右側の実施例では、端部４から漸次的に離れるにつれて薄片の最大高さを均質に低減することにより、薄片の質量は格段に低減される。両実施例とも、薄片の形状をその時点の要求に正確に適合できることを示している。薄片の数、全質量および長さは、冷却の所望の程度に応じて最適化することができる。

図４の左側の実施例は、たとえばスリーブ等の封止部を中央部分で完全に包囲するコーティング１６だけでも冷却を生じさせることができる構成を示す。右側の実施例では、封止部自体にのみ設けられ、ここではキャピラリと別個である放電容器までは延在しない形式の薄片１７が示されている。薄片はここでは円弧状に形成されている。

図５の左側の実施例は、短い封止部２０と非常に短い薄片２１とを有する放電容器１９を示している。しかし、ここでは総じて８つの薄片が使用される。また、図５の右側の実施例では、これらの薄片の他に付加的に、該薄片の後方で回転対称的なコーティング２２が使用される構成が示されている。

別の実施例は、８回より多い回数の回転対称性（Zaeligkeit）を有する実施例であり、とりわけ最大１６回の回転対称性を有する実施例である。ここでは、フィンの数は偶数でなくてもよく、奇数であってもよく、たとえば５つのフィンでもよい。別の実施例は、異なる形状の薄片のグループを使用することを特徴とし、たとえば、１つの封止部で幅および高さが異なり交互に入れ替わる２つのグループを使用することを特徴とする。

各薄片またはフィンは、放電容器の軸に対して半径方向に延在する所定の最大高さと、軸方向に延在する最大長さと、最大幅とを有する。３つのサイズはすべて一定の値を有することができるが、たいていは、要求に最適に適合されるように変化する。

フィンまたは薄片の長さＬは、封止部の長さも含めた放電容器の全長ＧＬの一部分から、とりわけ少なくとも１／２０から、該全長の半分にまで及ぶことができる。すなわち、１／２０ＧＬ≦Ｌ≦０．５ＧＬが成り立つ。Ｌ＝０．５ＧＬの場合、フィンと、他方の端部で該フィンと対となるものとは共に、放電容器全体にわたって有効に延在する。

フィンまたは薄片の高さＨは、放電容器の最大外径の半分とキャピラリの直径の半分との差ＤＦの一部分、とりわけ１／１０から、該差ＤＦの２倍、とりわけ１．４倍、特に有利には１倍までに及ぶ。すなわち、１／１０ＤＦ≦Ｈ≦２ＤＦが適用される。有利には、１／５ＤＦ≦Ｈ≦１．４ＤＦが適用される。これらのフィンは段付けすることもできる。すなわち、フィンの高さＨを長さＬに沿って段階的に変化させることができる。

フィンの幅Ｂは一定とされることが多く、幅Ｂの変動はせいぜい、０．２〜１．５ｍｍの領域内である。第２の有利な実施形態は、幅が半径方向に外側に向かって漸減する構成である。また、外側に向かって漸増する幅も可能である。その際には、幅Ｂの弧長ＢＬは一定に維持される。典型的な弧長ＢＬは、封止部の周縁長Ｕの１／１０から１／５０Ｕである。すなわちここでは、１／１０≦ＢＬ／Ｕ≦１／１０が成り立つ。フィンの幅の別の形状は、断面で見て３角形であるか、またはとりわけ台形である。

フィンが長くなるほど、放電容器の壁厚さまたはキャピラリの壁厚さをより小さく選択することができる。フィンが封止部の軸方向長さ全体にわたって伸ばされる場合、たいていはキャピラリにわたって伸ばされる場合、封止部の表面積は大きく拡大される。封止部として設けられる未構造化の管と、フィンが設けられた等しい外径の管とを比較すると、縮小された断面を通る端部までの熱流は低減される。

図６に、薄片２６を有する放電容器２５が示されており、ここでは、高さＨは値０から、内側に向かって約Ｈ＝０．５ＤＦの最大値まで連続的に変化する。

図７は、薄片２７が段付けされ該薄片の高さＨが急激に変化する放電容器２５を示す。さらにここでは、全長ＧＬの定義も示されている。

図８は、薄片２６が段付けされて封止部の全長にわたって延びる円筒状の放電容器３０を示す。薄片の低い部分２６ａは放電容器の端部まで延ばされ、薄片の高さは２段階でさらに上昇する。部分２６ｂは、放電容器の直径に相応する高さの約５０％を有し、部分２６ｃは放電容器の直径の高さの１００％を有する。

図９は、放電容器の全長が薄片３５によって被覆される円筒状の放電容器３０を示す。

図１０は、別個の栓部３７によって封止された放電容器の端部３６を示している。薄片３８はここではフィンの形状を有し、該フィンは線ＰＬより僅かに後方に装着され、端部管３９に当たるまで延在する。小さい薄片４０が付加的に、栓部３７に配置される。

この図ではさらに、電極４１の先端における投影線ＰＬの概念を説明する。本発明の重要な点は、放電容器の少なくとも１つの端部に、たとえばここで３８として示されたようなフィン状の薄片を有し、該薄片の高さＨは半径方向に外側に延在し、該薄片の表面は全体的に主に、放電と反対側に、電極の先端を放電容器の内表面に投影することによって決定される線より後方にある領域に配置されることである。有利には、この割合は少なくとも２／３である。しかし、この割合は最大１００％とすることができる。フィンはその際には、投影線ＰＬと封止部の接点ＡＡとの間にのみ延在して最大作用を発揮するか、またはさらに後方に向かって、封止部の一部または全長に延在することができる。また、フィンを封止部の領域内にのみ設けることもできる。破線は、フィンの可能な実施例を示す。

図１１は、薄片の高さＨ、幅Ｂおよび長さＬの概念を説明するための図である。寸法Ｈ，ＢおよびＬの大きさが変動する場合には、それぞれ最大高さ、最大幅ないしは最大長を意味する。

高圧放電ランプを示す。 図１の放電ランプの詳細を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 放電容器の別の実施例を示す。 薄片の幾何学的パラメータを概略的に示す。

Claims (16)

1. 中央部分と２つの端部とを有するセラミックの放電容器を備えた高圧放電ランプであって、
   該端部は２つの封止部によって封止され、
   電極が該封止部に固定されており、該放電容器によって包囲された放電容量内に延在し、
   金属および／または金属ハロゲン化物を含む充填物が該放電容器内に収容されている高圧放電ランプにおいて、
   少なくとも１つの端部にフィン状の薄片が設けられており、
   該薄片の高さＨは半径方向に外側に延在し、
   該薄片の表面は、放電と反対側に、該電極の先端を該放電容器の内表面に投影することによって決定される線より後方にある領域内に配置されており、
   前記薄片と前記放電容器と前記２つの封止部とが一体で、セラミック材料から作製されていることを特徴とする、高圧放電ランプ。
2. 前記薄片の相互間の配置は回転対称性である、請求項１記載の高圧放電ランプ。
3. 前記薄片の相互間の配置の回転対称性は、３〜８回対称性である、請求項２記載の高圧放電ランプ。
4. 前記薄片の形状は同様であるか、またはグループ内で同様である、請求項２または３記載の高圧放電ランプ。
5. 前記放電容器は１．５〜８のアスペクト比を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
6. 前記薄片の壁厚さは、前記放電容器の中央部分のほぼ壁厚さに相応し、該中央部分の壁厚さから最大で５０％偏差する、請求項１から５までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
7. 前記封止部はキャピラリとして形成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
8. 前記薄片は、前記端部に隣接する前記封止部の部分に設けられる、請求項１から７までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
9. 前記薄片は前記端部と等しい最大直径を有する、請求項８記載の高圧放電ランプ。
10. 前記薄片は２つの広幅面と１つの狭幅面とを有し、該狭幅面は半径方向に外側にある、請求項１から９までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
11. 前記狭幅面は斜行している、請求項１０記載の高圧放電ランプ。
12. 前記狭幅面にコーティングが施されている、請求項１１記載の高圧放電ランプ。
13. 前記薄片の一部に、高放出性のコーティングが被覆されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
14. 少なくとも１つの薄片は、少なくとも１つの側縁によって制限された、異なる高さＨの部分面を有し、該部分面のうち少なくとも１つにコーティングが設けられている、請求項１０記載の高圧放電ランプ。
15. 少なくとも１つの薄片は、最大高さＨと最大幅Ｂと最大長Ｌとを有し、
    該最大高さＨと最大幅Ｂと最大長Ｌはすべて一定であるか、またはより小さい値に変化する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。
16. 前記放電容器は胴太で成形され、該放電容器の直径は前記端部に向かって小さくなるように形成される、請求項１から１５までのいずれか１項記載の高圧放電ランプ。

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