KR100876687B1 - 고압 가스 방전 램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 가스 방전 램프(1), 특히 자동차 램프에 관한 것이며, 상기 램프는 적어도 두 개의 넥 부분(neck portions) 및 석영 유리로 된 진공 밀봉 방전 용기(vacuum-tight discharge vessel)(5)를 포함하는 벌브(bulb)(2)와, 상기 방전 용기(5) 내부로 돌출하는 적어도 두 개의 전극(3,4)과, 동작 상태에서 방전 상태로 존재하는 상기 방전 용기(5) 내의 충진물을 포함한다. 상기 램프는 특히 자동차의 헤드라이트 내에서 사용된다. 상기 고압 가스 방전 램프(1)의 아크가 좁은 구역에서 보다 높은 루미네슨스를 생성하고 상기 램프(1)가 자동차 헤드라이트 내의 광 소스로 사용될 수 있음을 보장하기 위해, 본 발명에 따른 고압 가스 방전 램프(1)의 방전 용기(5)는 4㎜ 보다 작은 폭(B) 및 8㎜ 보다 작은 길이(C)를 갖는 방전 공간(6)을 둘러싸며, 상기 충진물은 NaI, ScI3, Xe, ZnI2 를 포함하되 Hg는 포함하지 않는다. 놀랍게도, 충진물 내에 ZnI2 의 사용은 아크가 아크의 크기 당 아크 축의 구역에서 보다 높은 루미네슨스를 생성하게 한다. 자동차 헤드라이트의 경우에, 도로 상에 바람직한 광 빔을 형성하는 것은 광 소스가 가능한한 점 형상(punctiform)으로 되는 것을 요한다. 즉, 가능한 최고의 루미네슨스가 좁은 구역에서 생성된다. 이는 반사경의 설계를 개선되게 하며 아크가 도로 상에 보다 정확하게 투사될 수 있게 한다. 이는 반사경 대신 광학 투사 시스템을 포함하는 헤드라이트에도 적용된다.

Description

고압 가스 방전 램프{HIGH-PRESSURE GAS DISCHARGE LAMP}
본 발명은 적어도 두 개의 넥 부분(neck portions) 및 석영 유리로 된 진공 밀봉 방전 용기(vacuum-tight discharge vessel)를 포함하는 벌브(bulb)와, 상기 방전 용기 내부로 돌출되는 적어도 두 개의 전극과, 동작 상태에서 방전 상태로 존재하는 상기 방전 용기 내의 충진물을 포함하는 고압 가스 방전 램프, 특히 자동차 램프에 관한 것이다. 상기 램프는 특히 자동차의 헤드라이트 내에서 사용된다.
이러한 타입의 고압 방전 램프는 예를 들면 공개된 DE 33 41 846에 개시된다. 이 문헌에서 개시된 가스 방전 램프는 수평 점등 위치에서 적어도 실질적으로 직선으로 연장된 아크(arc)를 가지며, 상기 램프는 높은 광효율을 가지고 있어서 상기 램프는 자동차 헤드라이트 내에서 사용되기에 적합하다. 상기 램프는 튜브형 석영 벌브를 포함하며, 이 램프에서는 전극은 상기 벌브의 각 단부 근방에서 구성된다. 사용된 전극은 와이어 상에서 나선형으로 감긴 토라이트 텅스텐 와이어(a thoriated tungsten wire) 또는 텅스텐 와이어일 수 있다. 두 개의 전류 공급 도전체는 전극으로부터 벌브의 진공 밀봉부를 통해 외부로 연장된다. 상기 두 전류 공급 도전체들은 각각 가령 텅스텐 또는 몰리브덴의 금속 박판(metal foil) 및 바람직하게는 몰리브덴 와이어로 구성된다. 진공 밀봉부는 가령 핀치(pinch)에 의해 형성된다. 벌브는 전극들 간에서 중앙에 위치하는 1-3㎜의 내부 직경 D을 갖는다. 전극들의 선단(tip) 간의 거리는 3.5 - 6㎜이며, 길이 L, 즉 전극이 램프 벌프 내부로 돌출되는 정도는 0.5 - 1.5㎜이다. 램프는 비활성 가스, 수은 및 금속 요오드화물(metal iodide)의 이온화 충진물을 포함하며, 상기 수은의 양은 램프의 벌브의 직경 D, 전극들의 선단 간의 거리 d, 길이 L에 의존한다. 램프는 베이스(base)를 포함할 수 있고, 이로써 상기 램프는 반사경 및 전방부 유리를 포함하는 헤드라이트 내에서 교환가능하게 구성될 수 있다. 램프는 외부 벌브를 포함하도록 또는 포함하지 않도록 구현될 수 있다. 또한, 자동차용 고압 방전 램프는 유럽 특허 EP 0 562 872로부터 알려져 있다. 이 문헌은 고휘도와 가스 방전 아크의 충분한 대류 안정성(convective stability)을 결합한 방전 광 소스를 개시한다. 아크 방전의 광 소스는 아크 챔버(arc chamber)가 형성된 방전 튜브를 포함하며, 상기 아크 챔버는 에너지 공급에 의해 방전 상태도 될 수 있는 가스 충진물을 포함한다. 적어도 두 개의 전극이 상기 아크 챔버 내부로 돌출되며 2 내지 3.5㎜ 범위의 아크 거리를 갖는다. 아크 챔버 내에 포함된 수은의 양 및 방전 튜브의 상이한 크기는 세 가지 의존 요소, 즉 램프 효율을 결정하는 동작 전압, 방전 램프의 대류 안정성 및 구조적 완전성 간의 절충이 성취되도록 선택된다.
상기 램프가 자동차에서 사용되면, 방전 용기 내에서의 방전 아크의 위치 및 아크의 크기는 중요한데, 그 이유는 상기 아크가 반사경에 의해 투사될 광 소스를 형성하기 때문이다. 도로 상에서 바람직한 광 빔을 형성하기 위해서는, 좁은 구역에서 가능한 최고의 루미네슨스(luminescence)가 생성되도록 하기 위해, 광 소스가 가능한한 점 형상(punctiform)으로 될 필요가 있다. 이는 반사경의 설계가 개선되게 하며, 아크가 도로 상에 보다 정확하게 투사될 수 있게 한다. 이는 반사경 대신 광학 투사 시스템(optical projection system)을 포함하는 헤드라이트에도 적용가능하다. 상기 점 형상의 광 소스를 구성하는 방전 아크가 가능한한 정확하게 고정되게 위치하는 것이 필요하다. 이러한 요구 사항들은 특히 법적 규정을 기초로 한다. 자동차를 위한 알려진 고압 가스 방전 램프는 유독성 수은이 가스 방전에 대한 충진물로 사용된다는 단점도 갖는다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 아크가 좁은 구역에서 보다 높은 루미네슨스를 생성하며, 자동차 헤드라이트 내의 광 소스로 사용될 수 있는 고압 가스 방전 램프를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 방전 용기가 4㎜ 보다 작은 폭 B 및 8㎜ 보다 작은 길이 C를 갖는, 방전 공간을 둘러싸고 충진물은 NaI,ScI3,Xe,ZnI2 를 포함하되 수은은 존재하지 않는, 고압 가스 방전 램프, 특히 자동차 램프에 의해 성취된다. 놀랍게도, 충진물 내에 ZnI2 를 사용함으로써 아크는 아크의 크기 당 아크 축의 구역에서 보다 높은 루미네슨스를 생성하게 된다는 것이 확인되었다. 이 램프의 동작 상태에서, 충진물은 방전 상태로 존재하며, 이로써 다량의 자유로운 I가 방전 용기 내에서 사용 가능하며, 이는 아크를 수축하며 아크 축의 구역에서 보다 높은 루미네슨스를 생성하게 한다. 통상적인 자동차 램프는 대략 100 Mcd/㎡ 을 생성하는데 반해, 본 발명에 따른 램프는 대략 150 Mcd/㎡ 을 생성한다. 본 발명에 따른 램프에서 사용되는 충진물은 광 생성 가스 방전을 위해 수은(Hg)을 필요로 하지 않는다. 이로써, 환경적인 측면에서, 유독성이며 환경적으로 유해한 수은은 램프의 제조 및 폐기 시에 고비용의 처리를 요하기 때문에, 상기 본 발명에 따른 램프는 매우 유리하다. 상기 램프의 벌브는 바람직하게는 가늘고 길게 연장되며, 넥 부분으로서 두 개의 실린더형 섹션을 포함하며, 이 두 개의 넥 부분 사이에서 구성된, 일반적으로 거의 타원형인 방전 용기를 포함하며, 상기 타원형의 방전 용기는 이 방전 용기의 중앙에서 거의 실린더형인 부분을 갖는다. 이 경우에, 램프의 외부에서 시작되는 전극들은 양측으로부터 상기 실린더형 섹션을 통해 상기 방전 용기 내부로 연장되며, 이 방전 용기 내에서 전극들은 서로 약 4㎜의 거리에 위치하고 있다. 제조를 용이하게 하기 위해, 방전 용기는 타원형 또는 구형이 될 수 있으나, 이는 본 발명에 따른 램프에 대해서 절대적으로 필수적인 것은 아니다. 이보다도, 상기 램프가 자동차에서 사용될 수 있게 기하학적 요구 사항들을 만족시키는 것이 필요하다. 상기 요구 사항들은 법적 규정이거나 자동차 산업에 부과된 요구 사항이며, 이러한 규정 및 요구 사항들은 본 발명에 따른 램프와 현재 자동차 헤드라이트 내에서 사용되고 있는 고압 가스 방전 램프가 서로 교환가능하게 한다. 상기 요구 사항들은 특히, 램프의 크기 및 광이 생성되는 위치(즉, 아크의 위치), 전기 밸러스트(an electrical ballst)에 의해 제공되어야 하는 램프의 전기적 데이터(가령, 전력 및 전압), 램프의 효율 및 색 렌더링 지수(color rendering index) Ra 와 관련된다.
광의 생성은 방전 챔버 내의 ZnI2 및 Xe, 금속 할로겐화 혼합물 NaI 및 ScI3로 구성된 충진물의 가스 방전에 의해 발생한다. ZnI2 의 사용은 충분하게 높은 아크 강하 전압을 조절하기 위해 필요하다. 금속 할로겐화 혼합물(NaI 및 ScI3)은 광의 생성에 직접적으로 기여하며, 비활성 가스 Xe는 방전 프로세스의 점화 및 시작을 증진시킨다. 금속 할로겐화 혼합물은 또한 불순물화 가스 성분들(오염물 게터:dirt getter)을 결합(binding)함으로써 램프의 수명을 증가시킨다. 또한, 금속 할로겐화 혼합물 NaI 및 ScI3 는 생성된 광의 색 포인트에 영향을 준다.
본 발명에 따른 고압 가스 방전 램프의 유리한 변형체는 다른 청구항 및 본 명세서에서 기술된 실시예에서 설명된다.
본 발명에 따른 고압 가스 방전 램프의 이러한 측면 및 다른 측면은 이후에 기술될 실시예를 참조하여 자명하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른, 자동차 헤드라이트로 사용되는 고압 가스 방전 램프의 도면.
도 1은 석영 유리로 된 튜브형 벌브(2) 및 두 대향하는 전극(3,4)을 포함하는 고압 가스 방전 램프(1)를 도시한다. 벌브(2)의 길이는 50mm 내지 110mm 범위 내에 존재한다. 방전 용기(5)는 대략적으로 벌브(2)의 중앙에 구성된다. 방전 용기(5)는 벌브(2) 내의 두 개의 핀치에 의해 진공 밀봉 방식으로 밀봉된다.
전극(4)은 외부로의 접촉을 위한 외부 전극(41), 몰리브덴 박판(42), 내부 전극(43)으로 구성된다. 또 하나의 전극(3)도 유사하게 구성된다. 몰리브덴 박판(42)은 외부 전극(41)과 벌브(2)의 핀치 구역에 위치하는 내부 전극(43)을 상호접속한다. 내부 전극(43)은 방전 용기(5) 내부로 연장되는데, 상기 내부 전극(43)은 다른 내부 전극으로부터 대략 4㎜ 거리 Ea로 떨어져 있다. 상기 램프는 자동차의 헤드라이트 내에서 이른바 D2 램프로 사용된다.
방전 용기(5)는 2.7㎜의 폭 또는 직경(B)을 갖는 실질적으로 실린더형인 중앙 부분을 갖는 방전 공간(6)을 갖는다. 방전 용기(5)는 대략 6.2㎜의 외부 폭(A) 및 7.4㎜의 길이(C)를 갖는다. 방전 공간(6)은, 0.025 ㎤ 내지 0.03 ㎤의 체적, 바람직하기로는, 대략 0.027 ㎤ 의 체적을 갖는다. 방전 공간(6)은 (실온에서) 6 바의 콜드 충진 압력(cold filling pressure)에서의 Xe, 50-200 ㎍의 ZnI2(바람직하기로는 100 ㎍의 ZnI2), 금속 할로겐화 혼합물 NaI 및 ScI3 로 구성된다. ZnI2 는 일반적으로 가압 상태에서 사용가능하기 때문에 충진된 양은 오직 작은 변화만을 받게 된다. 충진물은 총 대략 300 ㎍의 할로겐화 혼합물을 대략 70:30의 비율로 포함하는데, 충진물은 200-220 ㎍의 NaI 및 80-100 ㎍의 ScI3, 바람직하기로는, 대략 210 ㎍의 NaI 및 90 ㎍의 ScI3를 포함한다. 방전 공간(6)의 상술된 체적에 있어서, 상기 체적은 44-55 마이크로몰/㎤의 NaI, 7-9 마이크로몰/㎤의 ScI3, 및 5-20 마이크로몰/㎤의 ZnI2, 바람직하기로는 대략적으로 50 마이크로몰/㎤의 NaI, 8 마이크로몰/㎤의 ScI3(대략 6:1의 몰 비율), 및 대략적으로 11 마이크로몰/㎤의 ZnI2 에 대응한다. 상술된 NaI 및 ScI3의 양은 본 발명의 따른 램프(1)의 광 기술적 특성은 악영향을 받지 않으면서 적절한 제조 방법의 함수로서 변할수 있다. 충진물 내의 금속 할로겐화 혼합물은 방전 용기(5)의 가능한 평균 벽 온도를 대략적으로 1270 K로 한정하는데, 그 이유는 이 보다 높은 온도에서는 상기 혼합물은 벽 물질로 사용된 석영과 화학적으로 반응하기 때문이다.
100 ㎍ 중량의 ZnI2 는 방전 용기 내의 2.4 바(bar)의 분압에 대응한다. 최대 ZnI2 압력은 요오드 원자의 높은 전자 친화도에 의한 아크 수축에 의해 한정된다. 가령 자동차 헤드라이트 내에서처럼 수평 램프 동작 동안, 상기 아크 수축은 중력으로 인한 아크 편향을 유발한다. 상기 아크가 반사경의 축 외부에 위치하기 때문에 상기 아크 편향은 아크가 헤드라이트의 반사경에 의해 빈약하게 투사되게 한다. 또한, 이는 투사 시스템이 채용된 헤드라이트에도 적용된다. 또한, 상기 아크 편향은 방전 용기(5)에서의 최고 온도 및 최저 온도 간의 실질적인 차를 생성하여 램프의 효율 및 색 온도와 같은 램프(1)의 광 기술적 특성에 악영향을 준다. 이러한 단점들은 4 바의 ZnI2 분압 정도까지는 무시할만하게 작다고 발견되었다. 그러므로, 램프(1)는 바람직하게는 50 내지 200 ㎍ 범위의 ZnI2의 중량을 포함하면 되는데, 이 중량 범위는 방전 공간(6)의 상술한 체적에 있어서 대략적으로 5-20 마이크로몰/㎤ 또는 대략 1.2-3.6 바의 범위 내의 분압에 대응한다. 알려진 램프들에서의 대략 25 바의 Hg 분압과 비교하여 버퍼 가스 ZnI2의 보다 낮은 분압으로 인해, 본 발명에 따른 램프(1)는 동작 전압 UB는 60볼트 미만, 바람직하기로는 39 내지 45 볼트에서 동작된다. 이러한 감소된 동작 전압으로 인해, 램프 전류는 대략적으로 0.8 내지 1 암페어로 증가되어야 한다.
본 실시예에서, 램프(1)에, 35-40와트의 전력, 바람직하기로는 39 와트의 전력에서 42 볼트의 동작 전압이 제공되어, 대략 0.9 암페어의 램프 전류가 발생한다. 이러한 분명하게 보다 높은 램프 전류는 상술된 전극(3,4)에 의해 획득될 수 있다. 내부 전극(43)은 텅스텐 와이어로 구성된다. 텅스텐 핀(43)은 방전 용기(5) 내에서 대략 0.25㎜의 직경을 가지며, 이 직경은 전기 도전율을 개선하기 위해 대략 0.4㎜까지 증가될 수 있다. 100 ㎍의 ZnI2의 사용은 근소한 아크 수축을 유발하며 루미네슨스를 대략 150 Mcd/㎡ 으로 증가시킨다. 램프(1)는 다음과 같은 광 기술적 값, 즉 적어도 80 lm/W의 효율 (바람직하기로는, 대략 90 lm/W의 효율), 62-72의 색 렌더링 지수 Ra (바람직하기로는, 색 렌더링 지수 Ra = 68), 대략 Tc = 4300 K의 생성된 광의 색 온도, 대략 1270 K의 방전 용기(5)의 평균 벽 온도를 갖는다. 이로써, 램프(1)는 자동차 헤드라이트 내에서 광 소스로 사용되기에 필요한 요구 조건들을 만족시키며 알려진 D2 램프에 대한 대체 램프로 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 고압 가스 방전 램프(1)에 있어서,
    적어도 두 개의 넥 부분(neck portions) 및 석영 유리로 된 진공 밀봉 방전 용기(vacuum-tight discharge vessel)(5)를 구비하는 벌브(bulb)(2)와,
    상기 방전 용기(5) 내부로 돌출하는 적어도 두 개의 전극(3,4)과,
    동작 상태에서 방전 상태로 존재하는 상기 방전 용기(5) 내의 충진물을 포함하며,
    상기 방전 용기(5)는 4㎜ 보다 작은 폭(B) 및 8㎜ 보다 작은 길이(C)를 갖는 방전 공간(6)을 둘러싸며, 상기 충진물은 NaI, ScI3, Xe, ZnI2 를 포함하되 Hg는 포함하지 않으며,
    상기 방전 공간은 0.025 ㎤ 내지 0.03 ㎤ 범위의 체적을 가지며,
    상기 충진물은 200-220 ㎍의 NaI, 80-100 ㎍의 ScI3 및 50 내지 200 ㎍의 ZnI2를 포함하는
    고압 가스 방전 램프.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 고압 가스 방전 램프(1)에 있어서,
    적어도 두 개의 넥 부분(neck portions) 및 석영 유리로 된 진공 밀봉 방전 용기(vacuum-tight discharge vessel)(5)를 구비하는 벌브(bulb)(2)와,
    상기 방전 용기(5) 내부로 돌출하는 적어도 두 개의 전극(3,4)과,
    동작 상태에서 방전 상태로 존재하는 상기 방전 용기(5) 내의 충진물을 포함하며,
    상기 방전 용기(5)는 4㎜ 보다 작은 폭(B) 및 8㎜ 보다 작은 길이(C)를 갖는 방전 공간(6)을 둘러싸며, 상기 충진물은 NaI, ScI3, Xe, ZnI2 를 포함하되 Hg는 포함하지 않으며,
    상기 충진물은 45-55 마이크로몰/㎤의 NaI, 7-9 마이크로몰/㎤의 ScI3 및 5 내지 20 마이크로몰/㎤의 ZnI2를 포함하는
    고압 가스 방전 램프.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    동작 상태에서, 60 볼트 보다 낮은 동작 전압 UB 가 상기 램프(1)에 인가되는
    고압 가스 방전 램프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    동작 상태에서, 39 내지 45 볼트 범위의 동작 전압 UB가 상기 램프(1)에 인가되는
    고압 가스 방전 램프.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    동작 상태에서, 상기 램프(1)의 전류 소비량은 0.8 내지 1.0 암페어 범위 내에 존재하는
    고압 가스 방전 램프.
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    동작 상태에서, 상기 램프(1)의 전력 소비량은 35 내지 40 와트 범위 내에 존재하는
    고압 가스 방전 램프.
  10. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 램프(1)는 적어도 85 lm/W의 광효율 및 62 내지 72 범위 내에 존재하는 색 렌더링 지수 Ra를 갖는
    고압 가스 방전 램프.
  11. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 충진물은 2.4 바의 가스 압력에 대응하는 100 ㎍ ZnI2를 포함하는
    고압 가스 방전 램프.
  12. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 전극(3,4)은 텅스턴 와이어로 구성되는
    고압 가스 방전 램프.
  13. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 충진물은 실온에서 6바의 충진 압력에서의 Xe를 포함하는
    고압 가스 방전 램프.
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