KR100762531B1

KR100762531B1 - 금속 할로겐화물 램프

Info

Publication number: KR100762531B1
Application number: KR1020007014941A
Authority: KR
Inventors: 헨드릭스요세푸스씨엠; 뮬러헤르만; 베르데스테인페트루스에이엠; 발래벤스아놀두스제이
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2007-10-01
Also published as: WO2000067294A1; JP4693995B2; CN1171279C; DE60019698T2; EP1092231B1; EP1092231A1; KR20010071669A; CN1302448A; DE60019698D1; ES2241605T3; ATE294451T1; US6404129B1; JP2002543576A

Abstract

본 발명은 세라믹 벽(ceramic wall)을 가지며 방전 공간(discharge space)을 에워싸는 방전관(discharge vessel)이 제공되는 금속 할로겐화물 램프에 관한 것이다. 상호 거리(EA)에서의 팁(tip)을 가지는 두 개의 전극은 방전 공간 내에 위치하는데, 이 방전 공간은 Xe 이외에도 NaI 및 CeI₃를 가지는 이온화가능한 충진물을 포함한다. 이 방전관은 적어도 길이(EA)에 걸쳐서 내부 지름(Di)을 가진다. 본 발명에 따르면, Di < 2mm 가 유지되며, EA/Di < 5인 관계가 충족된다.

Description

금속 할로겐화물 램프{METAL HALIDE LAMP}

본 발명은 방전 공간(discharge space)을 에워싸는 세라믹 벽(ceramic wall)을 가지는 방전관(discharge vessel)이 제공된 금속 할로겐화물 램프(metal halide lamp)에 관한 것인데, Xe와, NaI 및 CeI₃를 가지는 이온화가능한 충진물(ionizable filling)을 포함하는 상기 방전 공간 내에는 팁(tip)이 상호 간격(mutual interspacing)(EA)을 가지는 두 개의 전극이 배치되며, 방전관은 적어도 거리(EA)에 걸쳐서 내부 지름(Di)을 가진다.

도입부에서 언급한 종류의 램프는 WO 98/25294-A(PHN 16.105)으로부터 공지되어 있다. 이 공지된 램프는 고 발광 효율(luminous efficacy)과 양호한 색 특성(color property)(특히, 40과 65 사이의 평균 연색 지수(general color rendering index)(Ra) 및 2600과 4000 K사이의 색온도(color temperature)(T_c))을 가지며, 공중 조명(public lighting)을 위한 광원으로 매우 적합하다. 이러한 램프에서는 Na-할로겐화물(Na-halide)이 이 램프의 충진물 요소로서 이용되며, Na-D 라인(line) 내의 Na 방사(emission)의 강한 광폭화(widening) 및 역전(reversion)이 발생하는 경우에 허용가능한 연색(acceptable color rendering)이 가능하다는 인식이 이용된다. 이러한 효과는 방전관 내에서의 최냉점에서의 높은 온도(T_kp)-예를 들면, 1170K(900℃)-를 요구한다. Na-D 라인의 역전 및 광폭화는 이러한 라인이 상호 간격(Δλ)에서 두 개의 최대값을 가지는 스펙트럼(spectrum) 내에서 방사 밴드(emission band)의 형태를 가지게 한다.

T_kp가 높은 값을 가져야 한다는 요구 조건은 수정(quartz) 또는 수정 유리(quartz glass)를 방전관 벽으로 이용하는 것을 배제하며, 세라믹(ceramic) 물질을 방전관 벽으로 이용할 필요성을 야기한다.

본 명세서 및 결론부에서의 세라믹 벽은, 예를 들면 사파이어(sapphire)의 조밀하게 소결된 다결정 Al₂O₃, 즉 야그(YAG)와 같은 금속 산화물(metal oxide)로 만들어진 벽 및 예를 들면 AlN과 같은 금속 질화물(metal nitride)로 만들어진 벽 양자 모두를 의미하는 것으로 이해된다.

공지된 램프는 허용가능한 연색뿐만 아니라 매우 높은 발광 효율을 가진다. 이러한 목적을 위한 방전관의 충진물은 Na-할로겐화물에 부가하여 Ce 요오드화물(iodide)을 포함한다. 방전관은 Xe을 더 포함한다.

공지된 램프의 단점은 비교적 넓은 전극 간격(electrode interspacing) 및 그에 따른 매우 긴 형태를 갖는다는 것인데, 이것은 상기 램프가 생성된 광의 정확한 집속(focusing)을 요구하는 광학적인 애플리케이션(optical application)에 적합하지 않게 한다.

본 발명의 목적은 상기 단점이 제거될 수 있는 수단을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 도입부에서 언급한 종류의 램프는 Di ≤2mm이며, EA/Di < 5의 관계가 충족된다는 점에서 특징을 가진다.

본 발명에 따른 램프는, 방전관이 매우 작은 크기를 가져서, 램프를 차량(motor vehicle)의 전조등(headlamp)으로 이용하기에 매우 적합하게 한다는 장점을 가진다. 전극 간격(electrode spacing), 즉 방전 아크 길이(discharge arc length)에 비해 작은 내부 지름 때문에, 방전 아크는 방전관 벽으로 둘러싸여 방전 아크(arc)가 차량 전조등의 광원으로 이용되기에 충분히 곧은(straight) 형태를 가진다. 2mm 이하의 내부 지름(Di)을 가지는 것은, 예리한 빔(beam) 윤곽에 직접적으로 인접한 매우 밝은 작은 지점과 결합하여 차량에서의 이용에 필요한 빔 윤곽을 구현하기에 필수적으로 중요함이 밝혀졌다. 바람직하게는, Di는 1.4mm이하이다. 이러한 매우 작은 내부 지름은 램프가 복잡한 형태의 전조등에서의 광원으로서 이용되기에 특히 적합하게 한다. 이러한 전조등의 장점은 충분히 예리한 빔 윤곽을 구현하기 위해서 생성될 광 빔(light beam)의 형성에 있어서 어떠한 개별적인 빔 통과 캡(passing-beam cap)도 필요하지 않다는 점이다. 그러나, Di는 2000 시간의 최소 스위칭 수명(switching life)이 구현될 수 있도록 선택되어야 한다. 바람직하게는, EA/Di > 2.75의 관계가 또한 충족된다. 이러한 방식으로, 광학적으로 활성상태인 소스(source)의 충분히 작은 크기를 유지하면서, 충분히 큰 EA 값 또한 구현될 수 있다. 이 램프는 내부 지름(Di)이 1.4 < Di ≤2의 관계를 충족하도록 선택된 경우에 유럽형 통과 빔(European passing beam)을 가지는 전조등에서의 이용에 특히 적합하다. 빔 통과 캡(passing-beam cap)은 전극 팁 사이에서 방사된 광의 일부를 차단하여 랜턴(lantern)에 의해서 생성된 빔이 다가오는 차량의 눈부심을 회피하는 데에 통상적으로 이용된다.

광원(light source)의 광학적인 치수(optical dimension)는 벽 두께의 적절한 선택에 의해서 더욱 유리하게 영향받는다. 세라믹 방전관의 벽의 두께는 적어도 거리(EA)에 걸쳐서 최대 0.4mm의 두께를 가지도록 선택되는 것이 바람직하다. 램프가 복잡한 형태의 랜턴으로서 이용되는 경우에는, 방전관의 벽의 두께는 바람직하게는 최대 0.3mm가 될 것이다. 세라믹 벽의 재료는 통상적으로 그 자체가 강한 광 산란 특성(light-scattering properties)을 가지지만, 여기에서 바람직하게는, 광원은 백열 코일(incandescent coils)에 맞추어진 기존의 전조등의 통상적인 크기와 비교할 수 있는 광학 크기를 가지도록 구현된다.

충분히 높은 농도의 Na 및 Ce가 방전관 내에 존재하여 높은 발광 효율과 양호한 색 특성을 달성하게 하는 것이 필요한데, 이러한 특성은 Δλ값에 나타난다. Δλ값은 특히 Na:CeI₃의 몰비(molar ratio) 및 T_kp의 레벨(level)에 의존한다. 본 발명에 따른 램프에서 적어도 3nm의 Δλ값이 필요함이 알려졌다. Δλ값은 6nm이하인 것이 바람직하다.

부가하는 실험은 램프의 방전관이 120 W/cm²이하의 벽 부하(wall load)를 가지는 것이 바람직함을 나타냈다. 여기에서, 벽 부하는 램프 전력과, 방전관 벽에서 전극 팁 사이에 위치하는 부분의 외부 표면의 상(quotient)으로 정의된다. 이것에 의해, 필요한 높은 Δλ값을 구현함과 동시에 방전관의 최대 벽 온도를 램프 동작 중에 제한된 상태로 유지할 수 있다. 벽 부하 값이 120W/cm²보다 큰 경우에 있어서 방전관 내의 온도 및 압력은 방전관 벽을 부식시키는 화학적 프로세스(chemical process)가 램프 수명의 허용불가능한 단축을 초래하게 된다. 또한, 특히 램프의 점등(ignition) 후의 가열(heating-up) 및 램프의 소등(extinguishing) 후의 냉각(cooling-down) 동안의 온도 기울기(temperature gradients)로부터 기인하는 열적 스트레스(thermal stress)는 램프 수명의 허용불가능한 단축의 원인이 된다.

본 발명에 따른 램프의 바람직한 실시예에서, 방전관은 한쪽 단부에서 세라믹 돌출 플러그(ceramic projecting plug)에 의해서 폐쇄되고, 세라믹 돌출 플러그의 일부 및 세라믹 방전관의 인접부에는 외부 피복물(external coating)이 제공된다. 이것은 한편으로는 보다 충진물 내의 요오드화물 염(iodide salts)의 양호한 온도 제어를 가능하게 하여 보다 높은 온도가 되게 하며, 다른 한편으로는 전극 팁(electrode tip)의 뒤에서 방출된 광을 차단(cutting-off)하여 예리한 빔(beam) 윤곽을 구현하는 데에 매우 바람직하다. 피복물의 재료로는 Pt가 매우 적당함이 알려졌다. 다른 장점은 전극 뒤의 벽의 암화(blackening)가 램프의 루멘 출력(lumen output)에 영향을 미치지 않는다는 것이다. 복잡한 형태의 랜턴(lantern)에 적합한 램프에는 양 단부에서 외부 피복물이 제공되는 것이 바람직하다. 방전관의 램프 캡측(lamp cap side)의 단부에서의 피복물만으로도 충분하지만, 양쪽 단부에 피복물을 제공하게 되면 방전관의 대칭형 구조가 얻어진다. 이것은 방전관의 제조와 램프의 후속 장착(mounting) 모두에 있어서 주요 장점이 된다. 피복물은 전극 팁으로부터 적어도 0.5mm까지 세라믹 방전관을 넘어서 연장되는 것이 바람직하다. 반면에, 피복물은 전극 팁을 넘어서 연장되지 않는 것이 바람직한데, 이는 이것이 램프의 루멘 출력(lumen output)에 악영향을 주기 때문이다.

본 발명에 따르면, NaI:CeI₃의 몰비(molar ratio)는 2와 25 사이의 값을 갖는다. 이 비율이 2이하인 경우에는, 한편으로는 발광 효율(luminous efficacy)이 허용불가능하게 낮아지며, 다른 한편으로는 램프에 의해서 방사된 광이 초과량의 그린(green)성분을 포함한다. 광 컬러(light color)의 보정-예를 들면, 방전관의 이온화가능한 충진물에의 염의 첨가에 의함-은 발광 효율이 낮아지는 경우에만 가능하다. 그러나, 비율이 25를 넘는 경우에는, 램프의 색 특성에 미치는 Ce의 영향이 매우 작아서 색 특성은 공지된 고압 나트륨 램프(high pressure sodium lamp)와 매우 유사하게 된다. 램프가 차량의 전조등에 이용되는 경우에는 램프가 적어도 3000 K의 색 온도(Tc)로, 바람직하게는 3500 K와 4500 K사이의 온도로, 광을 방사하는 것이 바람직함이 알려졌다. NaI-CeI₃로 달성가능한 색 온도 값을 증가시키기 위하여, 예를 들면 47 Na, 7.7 Ce, 39.2 Ca 및 6.1 Dy의 몰분율로, 예를 들면 CaI₂ 및 DyI₃를 첨가하는 것이 가능하다.

Xe가 높은 충진 압력을 가지는 방전관의 이온화가능한 충진물에 첨가된다. Xe는 여기에서 램프의 점등 후에 빠른 루멘 출력(lumen output)을 보장한다. 또한 희유 가스(rare gas)의 충진 압력의 선택은 방전관의 열 평형(heat balance), 및 그에 따른 램프의 유효 수명에 영향을 미친다. 10,000 스위칭 동작(switching operation)의 램프 수명을 구현하는 데에는 적어도 5 bar의 압력이 필요함이 알려졌다. 바람직하게, 충진 압력은 7 bar 내지 20 bar, 보다 구체적으로는 10 bar 내지 20 bar의 범위 내에 놓인다. 이것은 20,000 또는 그 이상의 스위칭 동작의 스위칭 수명의 구현 가능성을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 램프를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 도 1의 램프의 방전관의 상세도.

도 1은 방전관(3)이 제공된 금속 할로겐화물 램프를 도시한다. Xe와, NaI 및 CeI₃를 가지는 이온화가능한 충진물을 함유한 방전 공간(11)을 에워싸는 세라믹 벽(31)을 가지는 방전관(3)은 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다. 간격(EA)을 가지는 팁(tip)(4a,5a)을 가지는 두 개의 전극은 방전관 내에 배치되는데, 이 방전관은 적어도 간격(EA)의 영역에서 내부 지름(Di)을 가진다.

방전관은 방전관 내에 배치된 전극(4,5)으로의 각각의 전류 관통 도전체(lead-through conductor)(40,50)를 포함하는 협소한 간격을 에워싸며, 방전 공간으로부터 멀어지도록 면하는 단부에서의 용융 세라믹 접합부(melting-ceramic joint)에 의해서 기밀의 방식으로(in a gastight manner) 관련 도전체에 연결된 각각의 세라믹 돌출 플러그(ceramic projecting plug)(34,35)에 의해서 한쪽 단부(either end)에서 폐쇄된다. 방전관은 외부 전구(outer bulb)(1)에 의해서 둘러싸인다. 세라믹 돌출 플러그(34,35)의 일부 및 세라믹 방전관(3)의 인접부에는 외부 피복물(41,51)이 제공된다. 램프에는 램프 캡(lamp cap)(2)이 더 제공된다. 방전은 램프의 동작 상태에서 전극(4)과 전극(5) 사이에 연장된다. 전극(4)은 램프 캡(2)의 일부를 형성하는 제 1 전기 콘택트(first electrical contact)에 전류 도전체(8)를 경유하여 접속된다. 전극(5)은 전류 도전체(9,19)를 경유하여 램프 캡(2)의 일부를 형성하는 제 2 전기 콘택트에 연결된다. 전류 도전체(19)는 세라믹 관(110)에 의해서 둘러싸인다.

도면에 나타낸 본 발명에 따른 램프의 실제 구현에 있어서, 많은 램프가 각기 26 W의 정격 출력으로 제조되었다. 이들 램프는 차량의 전조등으로 이용되기에 적당하다. 각각의 개별적인 램프의 방전관의 이온화가능한 충진물은 0.35 mg Hg와, 85.7 Na 및 14.3 Ce(몰비 6:1)의 몰분율(molar percentage)을 가지는 0.7 mg NaCe 요오드화물을 포함한다. 상기 충진물은 실온에서 7 bar의 충진 압력을 가지는 Xe를 더 포함한다.

전극 팁 사이의 거리(EA)는 5mm이며, 내부 지름(Di)은 1.4mm이므로, EA/Di의 비는 3.57이 된다. 방전관의 벽의 두께는 0.3mm이다. 따라서 이 램프는 83 W/cm²의 벽 부하를 가진다. 세라믹 돌출 플러그의 일부와 세라믹 방전관의 인접부에는 외부 피복물인 Pt가 제공된다. 이 외부 피복물은 대응 전극 팁으로부터 0.25mm까지 연장된다. 상기 램프의 외부 전구는 수정 유리로 만들어진다. 외부 전구의 내부 지름은 3mm이며, 벽의 두께는 2mm이다. 외부 전구는 1.5 bar의 충진 압력에서 N₂로 충진된다.

상기 램프는 동작 상태에서 82 lm/W의 발광 효율을 가진다. 이 램프에서 방사된 광은 250 시간의 램프 수명에서 각기 65 및 3500 K의 R_a 및 T_c 값을 각각 가진다. 여기에서 Δλ값은 6.2nm이다. 상기 양의 각 값은 2000 시간의 동작 후에는 74 lm/W, 69, 3650 K 및 6.6nm로 된다.

부가하는 일련의 비교되는 램프는 스위칭 수명 테스트를 위한 것이다. 이러한 경우의 외부 피복물은 대응 전극 팁으로부터 0.5mm까지 연장된다. 500 스위칭 동작 후에, 발광 효율, R_a, T_c 및 Δλ값은 각기 77 lm/W, 65, 3300 K 및 6nm이었다. 이들 값은 41,000 스위칭 동작 후에는 72 lm/W, 73, 3590 K 및 6.5nm이었다.

비교를 위하여, 자동차 랜턴내의 방전 램프(discharged lamp)로 이용되며 수정 유리 방전관(Philips사 제조, D2R 타입)이 제공된 고압 수은 램프는 35 W의 출력 규격(power rating) 및 80 lm/W의 발광 효율(luminous efficacy)을 가진다는 점이 주지되어야 한다. 이러한 램프에서 방사된 광은 T_c = 4000 K 및 R_a = 69의 특성을 가진다. 공지된 램프는 복잡한 형태의 랜턴에서의 이용을 위하여 설계되지는 않았다.

변형된 설계에서, 본 발명에 따른 램프는 유럽형 통과 빔(European passing beam)을 가지는 전조등에서 이용하기에 적당하다. 이들 램프는 35 W의 출력 규격을 가지도록 설계된다. 이들 램프는 요구된 통과 빔(passing beam)을 구현하는, 예를 들면 충분히 예리한 빔 윤곽을 형성하는 밴드 형태의 피복물(band-shaped coating)이 제공된 수정 유리 외부 전구를 가진다. 바람직한 실시예에서, 이러한 피복물은 전기적으로 도전하며, 따라서, 점등 전압의 감소가 구현된다. 유리하게도, 방전관의 외부 표면에 ,예를 들면 W로 만들어진 금속 트랙(metal track)이 제공된다는 점에서 점등 전압은 더욱 감소하게 된다.

본 발명에 따른 램프의 다른 실시예에서는, 외부 전구에 열 반사 피복물(heat-reflecting coating)이 세라믹 돌출 플러그의 영역에 제공된다. 이러한 피복물은 방전관 상의 외부 피복물을 대신할뿐만 아니라 방전관 상의 피복물과 결합하여 이용될 수도 있다. 바람직하게도, 이러한 방법은 광 선속(luminous flux)에 있어서 외부에서 제공된 피복물의 경우보다 작은 손실을 가지므로, 반사 피복물(reflecting coating)은 외부 전구 벽의 내부 표면 상에 제공된다.

본 발명의 범위는 이들 실시예로 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 각각의 새로운 특성과 각 특성의 조합을 통해서 구현될 수 있다. 어떠한 참조 부호도 청구항의 범주를 제한하지는 않는다. "포함하는(comprising)"이라는 단어는 청구항에 열거된 사항 이외의 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하는 것이 아니다. 임의의 요소에 대해 사용된 단수 표현은 이러한 요소가 복수개 존재함을 배제하는 것이 아니다.

Claims

방전 공간(discharge space)을 에워싸는 세라믹 벽(ceramic wall)을 갖는 방전관(discharge lamp)이 제공되고,

Xe와, NaI 및 CeI₃를 가지는 이온화가능한 충진물(ionizable filling)을 포함하는 상기 방전 공간에는 팁(tip)이 상호 간격(mutual interspacing)(EA)을 가지는 두 개의 전극이 배치되며,

상기 방전관은 적어도 상기 간격(EA)에 해당하는 거리에 걸쳐서 내부 지름(Di)을 가지는 금속 할로겐화물 램프(metal halide lamp)로서,

Di ≤2mm이며,

2.75 < EA/Di < 5의 관계가 충족되는

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항에 있어서,

Di ≤1.4mm인

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 램프의 상기 방전관은 120 W/cm²이하의 값을 갖는 벽 부하(wall load)를 가지는

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항에 있어서,

1.4 < Di ≤2의 관계가 충족되는

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 세라믹 방전관의 벽은 적어도 상기 거리(EA)에 걸쳐서 최대 0.4mm의 두께를 가지는

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 방전관은 세라믹 돌출 플러그(ceramic projecting plug)에 의해서 한쪽 단부가 폐쇄되며,

상기 세라믹 돌출 플러그의 일부 및 상기 세라믹 방전관의 인접부에는 외부 피복물이 제공되는

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 Xe는 적어도 5 bar의 충진 압력을 가지는

금속 할로겐화물 램프.
제 7 항에 있어서,

상기 Xe는 7 bar 내지 20 bar의 범위 내에 놓이는 충진 압력을 가지는

금속 할로겐화물 램프.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 CeI₃에 대한 NaI의 몰비(molar ratio)는 3 내지 25의 범위에 놓이는

금속 할로겐화물 램프.