JP5187704B2 - 直流電流放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている直流電流放電ランプに関する。

この種の直流電流放電ランプは既に従来技術から公知であり、充填ガスで満たされている放電容器内で所定の間隔を置いて相互に対向して配置されているアノードおよびカソードを有している。光を形成するために、電力がアノードおよびカソードに供給され、これによってアーク領域においてガス放電が生じる。

公知の直流電流放電ランプの欠点は、耐用寿命が実質的に放電容器の黒化によって制限されることである。この黒化は、直流電流放電ランプの駆動時の加熱状態における、アノードにおいてカソードと対向している表面の幾何学的な変化に起因する。この場合には局所的な成長が生じ、これによりアークの付着位置が集中することになる。この付着位置では非常に高い温度が発生し、これによりアノード材料がより多く蒸発する。蒸発したアノード材料は放電容器の内側面に堆積し、これにより前述の黒化が生じる。

発明の概要
したがって本発明の課題は、放電容器の黒化が低減されており、したがって耐用寿命が延長されている、冒頭で述べたような直流電流放電ランプを提供することである。

本発明によれば、この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成を備えた直流電流放電ランプによって解決される。殊に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、放電容器の黒化が低減されており、したがって耐用寿命が延長されている直流電流放電ランプは、直流電流放電ランプの加熱状態において、アノードの表面においてカソードと対向している領域が自由流動性であるように、少なくとも、アノードとカソードの間隔、電力およびアノードの幾何学が相互に適合されていることによって提供される。換言すれば、直流電流放電ランプの駆動中に少なくとも前述のパラメータが、アノードにおいてカソードと対向している表面の領域において、所期のようにアノード材料の自由流動状態を生じさせ、その結果、材料が連続的に流れることにより駆動中に生じる表面の変形が自動的に均等にされ、一様なアノード面が保証されている。これによって、局所的な成長、またそれに付随する高温が確実に阻止されるので、アノード材料の蒸発が著しく低減される。したがって直流電流放電ランプの放電容器の黒化はアノードの自己回復能力に基づき著しく低減され、したがって寿命が相応に延長される。

本発明の有利な実施形態において、少なくとも、アノードとカソードの間隔、電力およびアノードの幾何学が、直流電流放電ランプの加熱状態においては、アノードの表面においてカソードと対向している領域が最大で10^-6mPas、有利には最大で10^-8mPasの流動性を有するように相互に適合されている。流動性をこのように限定することによって、直流電流放電ランプの駆動中のアノード材料が十分に高い粘性を有し、強い力が加わっても、または頻繁に力が加わっても、巨視的に見れば変形しないことが保証されている。したがって直流電流放電ランプは例えば、自動車などの照明装置にも使用することができる。

本発明の別の有利な実施形態においては、アノードが少なくともカソードと対向している表面領域においては、ドーピングされた、および／または、ドーピングされていないタングステンから構成されている。タングステンの高い蒸発温度および化学的な抵抗性に基づき、直流電流放電ランプの寿命をさらに延長することができる。直流電流放電ランプの所望の照明特性に依存して、ドーピングされた、および／または、ドーピングされていないタングステンを使用することができる。さらには、電極間隔、電力およびアノードの幾何学といったパラメータの他に、アノードのそれぞれの材料の特性も考慮することができる。

アノードが少なくともカソードと対向している長手方向領域に沿って回転対称に構成されている場合にはさらに有利であることが分かった。これにより、直流電流放電ランプの加熱状態中に、アノード表面の広範囲にわたる持続的で安定した「メルトプール」を生じさせることができる。したがって、アークの広範囲にわたる均等な付着によって、アノード材料のそれぞれの蒸発温度を上回る動作温度の発生は確実に回避される。

本発明の別の有利な実施形態においては、アノードがカソードと対向している表面から出発して少なくとも５mmの長さを有する。このようにして、アノードは加熱状態において熱蓄積部として機能し、これによってカソードと対向している表面において可能な限り均一な温度が保証されている。

さらには、直流電流放電ランプの加熱状態における、アノードとカソードの間隔（単位mm）と電力（単位W）の商Ｑが以下の関係によって表される場合には有利であることが分かった：
b ₁ *A ² +b ₂ *A+b ₃ < Q < a ₁ *A ² +a ₂ *A+a ₃
ただし：
a₁ = -0.0001W*mm^-7；
a₂ = 0.42W*mm^-4；
a₃ = 687W*mm^-1；
b₁ = -0.0003W*mm^-7；
b₂ = 0.8967W*mm^-4；且つ
b₃ = 88W*mm^-1
ここで、Ａはカソードと対向している表面から出発した最初の５mmのアノードの体積（単位mm³）を表す。このことは、十分に長いアノードを備えた直流電流放電ランプにおいて、一方では必要な自由流動性が達成され、他方では表面領域におけるアノード材料の蒸発が確実に低減される範囲での直流電流放電ランプの駆動を保証する。

以下では実施例に基づき本発明を詳細に説明する。

実施例による直流電流放電ランプの概略的な部分断面図を示す。 図１に示した直流電流放電ランプのアノードの温度特性とアーク温度の関係の概略的なグラフを示す。

図１は、１つの実施例による、ここではキセノンショートアークランプとして構成されている直流電流放電ランプの概略的な部分断面図を示す。直流電流放電ランプはアノード１０およびカソード１２を含み、これらはキセノンが充填されている放電容器１４内で所定の間隔ｒを置いて相互に対向して配置されている。アノード１０は長さｌを有し、この長さｌを例えば直流電流放電ランプのワット数に依存して１５mm〜５０mmに選定することができる。さらにアノード１０およびカソード１２は、直流電流放電ランプの気密に封止されている軸管１８ａ，１８ｂを通って案内されている所属の接続エレメント１６ａ，１６ｂを介して対応するベースエレメント２０ａ，２０ｂと接続されている。ガス放電を発生させるため、またはアークを形成するために、ベースエレメント２０ａ，２０ｂを介して電力Ｐがアノード１０およびカソード１２に供給される。アノード１０もカソード１２も回転対称に構成されており、またこの実施例においてはいずれもタングステンから構成されている。

直流電流放電ランプの駆動している間の放電容器の黒化の低減、またそれと同時に耐用寿命の延長を保証するために、アノード１０とカソード１２の間隔ｒ、電力Ｐおよびアノード１０の幾何学は、直流電流放電ランプの加熱状態において、アノード１０の表面２４においてカソード１２と対向している領域２２が自由流動性であるように相互に適合されている。これによって、アノード１０の材料が連続的に流れることに起因して駆動中に生じる表面２４の非平坦性を自律的に均等にすることができ、これによって温度ピークの発生、またそれに結びつくアノード１０の材料の蒸発が著しく低減される。

択一的に、直流電流放電ランプ、殊に間隔ｒならびにアノード１０の幾何学が適切に構成されている場合、所期のように領域２２の所望の自由流動性を保証するために電力Ｐを相応に適合ないし調整することができる。反対に電力Ｐが設定されている場合には、所望の自由流動性を達成するために、直流電流放電ランプの幾何学が相応に設計される。これによって最適な間隔ｒ、ならびにアノード１０の最適な幾何学構成、場合によってはカソード１２の最適な幾何学構成を直流電流放電ランプの所望の照明特性を考慮して保証することができる。したがって従来技術とは異なり、アノード１０の付加的なコーティングまたは電力Ｐの強制的な降下は必要ない。しかしながら、図示されているキセノンショートアークランプの構成の代わりに、当業者であれば、周知の直流電流放電ランプの他のヴァリエーションを代替的に使用できることが分かる。

図２は、図１に示した直流電流放電ランプのアノード１０の温度特性とアーク温度の関係の概略的なグラフを示す。直流電流放電ランプのエネルギ供給に対応するアーク温度は、直流電流放電ランプの加熱状態における、アノード１０とカソード１２の間隔ｒ（単位mm）と電力Ｐ（単位W）の商Ｑ［W/mm］によって特徴付けられている。直流電流放電ランプのエネルギ損失に対応するアノードの温度特性は、表面２４の領域２２における材料量、したがってカソード１２と対向している表面２４から出発した最初の５mmの長さ（１／２）におけるアノード１０の体積Ａ［mm³］によって特徴付けられている。図示されている菱形、四角および三角の記号は実際の種々のランプのパラメータＱ，Ａに相当する。２つの多項式の最適曲線ＩＩａおよびＩＩｂによって適切なパラメータ領域がセットされ、このパラメータ領域においては表面２４の最適な温度が領域２２の所望の自由流動性、またそれに伴う放電容器１４の僅かな黒化が保証されている。上側の最適曲線ＩＩｂは次式によって表される：
Q = a₁*A²+a₂*A+a₃
ただし：
a₁ = -0.0001W*mm^-7；
a₂ = 0.42W*mm^-4；且つ
a₃ = 687W*mm^-1
であり、下側の最適曲線ＩＩａは次式によって表される：
Q = b₁*A²+b₂*A+b₃
ただし：
b₁ = -0.0003W*mm^-7
b₂ = 0.8967W*mm^-4；且つ
b₃ = 88W*mm^-1
である。

最適曲線ＩＩｂよりも上の領域においては、過度に高いエネルギ供給に基づき、アノード１０が不所望に溶解し、アークが不安定になり、またアノード１０の材料がより多く蒸発する。これとは反対に、最適曲線ＩＩａよりも下の領域においては、十分な自由流動性は達成されず、またそれによりアノード１０の表面２４における持続的で安定した「メルトプール」は生じないので、駆動中に生じる表面２４の非平坦性を解消することはできない。実質的に２つの最適曲線ＩＩａおよびＩＩｂによって境界付けられている中間領域に位置するパラメータＱおよびＡを有するランプのみが良好な駆動特性を示す。

Claims (3)

1. キセノンで満たされている放電容器（１４）内で所定の間隔（ｒ）を置いて相互に対向して配置されているアノード（１０）およびカソード（１２）を有し、アークを形成するために前記アノード（１０）および前記カソード（１２）に電力（Ｐ）が供給される、キセノンショートアークランプとして構成されている直流電流放電ランプにおいて、
   直流電流放電ランプの加熱状態において、前記アノード（１０）の表面（２４）において前記カソード（１２）と対向している領域（２２）が最大で１０^-6mPasの流動性を有するように、前記アノード（１０）と前記カソード（１２）の間隔（ｒ）、前記電力（Ｐ）および前記アノード（１０）の幾何学が相互に適合されており、
   前記アノード（１０）は前記カソード（１２）と対向している前記表面（２４）から出発して少なくとも５mmの長さ（ｌ）を有し、
   少なくとも、直流電流放電ランプの加熱状態における、前記アノード（１０）と前記カソード（１２）の間隔（ｒ）（単位mm）と前記電力（Ｐ）（単位W）の商Ｑが以下の関係によって表され、
   b₁*A²+b₂*A+b₃ < Q < a₁*A²+a₂*A+a₃
   ただし：
   a₁ = -0.0001W*mm^-7；
   a₂ = 0.42W*mm^-4；
   a₃ = 687W*mm^-1；
   b₁ = -0.0003W*mm^-7；
   b₂ = 0.8967W*mm^-4；且つ
   b₃ = 88W*mm^-1
   であり、ここで、Ａは前記カソード（１２）と対向している前記表面（２４）から出発した最初の５mmの前記アノード（１０）の体積（単位mm³）を表す
   ことを特徴とする、直流電流放電ランプ。
2. 前記アノード（１０）は、少なくとも前記カソード（１２）と対向している前記表面（２４）の前記領域（２２）においては、ドーピングされた、および／または、ドーピングされていないタングステンから構成されている、請求項１記載の直流電流放電ランプ。
3. 前記アノード（１０）は少なくとも前記カソード（１２）と対向している長手方向領域（ｌ）に沿って回転対称に構成されている、請求項１または２記載の直流電流放電ランプ。

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