KR101779223B1 - 고 루멘 유지율을 위해 선택된 산소 함량을 갖는 세라믹 금속 할로겐화물 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방전 관(12)으로 확장된 전극(20, 22) 및 관 내에 밀봉된 이온화가능한 충전물(18)을 갖는 방전 관(12)을 포함하는 램프(10)에 관한 것이다. 상기 충전물은 완충 기체, 임의적으로 수은 및 할로겐화물 성분을 포함한다. 상기 램프는 0.1μmol O/cc 이상의 농도로 방전 관 내에 밀봉된 사용가능한 산소를 포함한다.

Description

고 루멘 유지율을 위해 선택된 산소 함량을 갖는 세라믹 금속 할로겐화물 램프{CERAMIC METAL HALIDE LAMP WITH OXYGEN CONTENT SELECTED FOR HIGH LUMEN MAINTENANCE}

본 발명은 일반적으로 램프를 방전하는 세라믹에 관한 것으로, 보다 구체적으로 램프 작동 동안 램프 충전물의 산소 함량이 고 루멘 유지율을 제공하기 위해 선택되는 방전 램프에 관한 것이다.

본 출원은 2007년 12월 6일에 출원된 미국 특허 출원 제11/951,677호(발명의 명칭: 사용가능한 산소의 공급원을 포함하는 금속 할로겐화 램프, 미국 특허 공개 제2009/0146576호)의 부분 계속 출원으로서 우선권을 주장하는, 2008년 11월 13일에 출원된 미국 특허 출원 제12/270,216호(발명의 명칭: 금속 할로겐화물 램프에서 산소 디스펜서로서의 란타니드 산화물, 미국 특허 공개 제2009/0146570호)의 부분 계속 출원으로서 우선권을 주장하며, 상기 문헌들은 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다.

방전 램프는 희기체(rare gas), 금속 할로겐화물 및 수은의 혼합물과 같은 증기 충전물 재료를 두 개의 전극 사이에서 전호 통과시켜 이온화시킴으로써 빛을 생산한다. 전극 및 충전물 재료는 에너지화된 충전물 재료의 압력을 유지하고 그를 통해 빛이 지나가도록 발산하는 반투명하거나 투명한 방전 관 내에 밀봉된다. "도스(dose)"로 공지된 충전물 재료는 전호에 의해 여기되는 것에 반응하여 목적하는 분광 에너지 분포를 발산한다. 예를 들어 할로겐화물은 빛 특성의 광범위한 선택의 여지, 예를 들어 색 온도, 연색 및 발광 효율을 제공하는 분광 에너지 분포를 제공한다.

종래에는 방전 램프에서 방전 관은 부드러운 상태로 가열된 후 목적 챔버의 기하학적 구조로 형태가 만들어지는 용융 석영과 같이 유리 같은 재료로 형성되었는데 이는 부드러운 상태로 가열된 후 목적 챔버의 기하학적 구조로 형태가 만들어졌다. 이들 램프는 석영 방전 관에서 달성할 수 있는 최대 벽 온도에 의해 작동이 한정되었다.

세라믹 방전 챔버는 향상된 색 온도, 연색 및 발광 효율을 위해 고온에서 작동하도록 개발된 반면, 충전물 재료와의 반응이 상당히 감소된다. 그러한 램프의 한가지 문제는 방전 관 벽이 검게 되기 때문에 시간에 따른 광 출력(일반적으로 루멘 유지율로 표현됨)이 줄어드는 경향이 있다. 검게 되는 것은 전극에서 벽으로 운반된 텅스텐 때문이다.

예를 들어 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔 브이(Koninklijke Philips Electronics N.V.)의 국제 특허 공개 제WO 99/53522호 및 제WO 99/53523호에 기재된 바와 같이 칼슘 산화물이나 텅스텐 산화물 산소 디스펜서를 방전 관에 포함시키는 것이 제안되었다. 그러나 이들 출원에 따라 생산된 램프는 상업적 램프를 위한 허용가능한 램프 효율, 색 점(color point), 색 안정성, 루멘 유지율 및 신뢰도 값을 동시에 충족시킬 수 없을 수도 있다.

예시적인 구현예는 향상된 루멘 유지율을 갖는 신규하고 향상된 금속 할로겐화물 램프를 제공한다.

예시적인 구현예의 하나의 양태에 따라 램프는 방전 관을 포함한다. 전극은 방전 관으로 뻗어있다. 이온화가능한 충전물은 관 내에 밀봉되고 완충 기체를 포함하는 충전물은 임의적으로 수은 및 할로겐화물 성분을 포함한다. 할로겐화물 성분은 란타늄, 세륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴, 사마륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 희토류 할로겐화물을 포함한다. 사용가능한 산소는 0.1μmol O/cc 이상의 농도로 방전 관 내에 밀봉된다.

예시적인 구현예의 다른 양태에 따라 램프는 방전 관을 포함한다. 전극은 방전 관으로 뻗어있다. 이온화가능한 충전물은 관 내에 밀봉되고 충전물은 완충 기체, 임의적으로 수은 및 할로겐화물 성분을 포함하며 할로겐화물 성분은 필수적으로 할로겐화물로 이루어져 있고, 램프 작동 동안 그들이 산화물을 형성하되, 형성된 산화물은 사용가능한 산소를 제공하는 불안정한 산화물이다. 사용가능한 산소는 0.1 내지 1.5μmol O/cc의 농도로 방전 관 내에 밀봉된다.

예시적인 구현예의 다른 양태에 따라 고 루멘 유지율로 램프를 형성하는 방법은 할로겐화물 충전물 성분 및 사용가능한 산소를 갖는 한 세트의 세라믹 금속 할로겐화물 램프를 제공하는 것을 포함하고, 이 때 3 또는 4개 이상의 램프 세트는 0.1μmol O/cc 내지 1.5μmol O/cc 범위 내의 상이한 사용가능한 산소 농도 범위를 아우르는 램프를 제공하기 위해 그들 각각의 사용가능한 산소 농도가 상이하다. 램프는 각각의 램프에 전류를 공급하여 램프 관에 방전을 발생시킴으로써 작동한다. 각각의 램프에 대한 루멘 유지율 값을 측정한다. 측정된 루멘 유지율 값에 기초하여 최적 산소 농도 또는 농도 범위를 계산한다. 램프는 계산된 산소 농도로 또는 계산된 농도 범위 내의 산소 농도로 형성된다.

본 발명의 하나 이상의 구현예의 하나의 이점은 향상된 루멘 유지율을 갖는 램프를 제공하는 것이다.

또 다른 이점은 바람직한 구현예인 다음의 상세한 설명을 읽고 이해하면 당업자에게 명확해질 것이다.

도 1은 예시적인 구현예에 따른 램프의 횡단면도이다.
도 2는 예시적인 구현예의 한 양태에 따른 도 1의 방전 관의 확대된 횡단면도이다.
도 3은 도 1 및 2의 방전 관 내부 부피의 확대된 투시도이다.
도 4는 둥근 말단을 갖는 대안적인 방전 관의 내부 부피의 확대된 투시도이다.
도 5는 상이한 산소 농도를 갖는 39W 및 70W 램프에 대한 1000시간 % 루멘 유지율 대 산소 농도의 조합된 플롯이다.
도 6은 39W 및 70W 램프에 대한 1000시간 % 루멘 유지율 대 cc 당 몰 비[할로겐화물/O]의 조합된 플롯이다.

예시적인 구현예의 양태는 이온화가능한 충전물 및 그 안에 미리 밀봉된 산소 공급원을 갖는 방전 관을 포함하는 램프에 관한 것이다. 산소 공급원은 루멘 유지율을 최적화하도록 선택된 충전물에서 산소 농도를 제공하는 양으로 존재한다.

본 명세서에서 사용되는 루멘(lm)은 빛의 감지력의 척도인 광속(luminous flux)의 SI 단위를 일컫는다. 광원이 1 칸델라의 광도를 1 스테라디안의 입체각으로 발산한다면 그 입체각으로 발산되는 전체 광속은 1 루멘이다. 바꿔 말하면 등방성 1 칸델라 광원은 정확히 4π 루멘의 총 광속을 발산한다. 루멘은 발산되는 가시광선의 총 "량"의 척도로 여겨질 수 있다. 램프 출력은 와트 당 루멘(LPW)의 용어로 정의될 수 있다. 루멘 유지율은 초기 루멘(예, 작동 100시간 후)에 대한 특정 기간의 램프 작동(1000시간) 후 루멘의 비율이다. 예시적인 램프는 1000시간 또는 2000시간에 95% 이상 또는 98% 이상 또는 더 큰 루멘 유지율을 가질 수 있다. 이는 1460K 이하의 방전 관의 벽 온도로 달성될 수 있다.

다양한 양태에서, 램프는 표적화된 루멘 유지율을 위태롭게 하지 않고도 광도 측정의 표적을 동시에 만족시킬 수 있다. 램프 디자인에서, 바람직한 몇몇 광도 측정의 특성은 CRI, CCT, 램프 출력(예, 루멘/와트로 표시됨) 및 dCCy를 포함한다.

연색 지수 CRI는 램프의 빛에 의해 색을 구별하는 인간 눈 능력의 척도이다. 본 명세서에서 사용된 연색 지수 Ra는 국제 조명 위원회(CIE)에 의해 사용되는 표준 척도로, 중간 포화도의 것으로 선택되고 측정된 색상 범위에 걸쳐 퍼져있는 8개의 표준화된 색 지수의 평균을 일컫는다(종종 R8로 일컬어짐). 값은 0 내지 100 등급으로 표현되고 100은 흑체 방열기의 값을 나타낸다. 예시적인 램프는 약 85 이상의 연색 지수 Ra를 가질 수 있고 약 87 이하 또는 그 이상일 수 있다.

본 명세서에서 사용된, 관련 색 온도 CCT는 인간 눈 감지 내에서 램프로부터 나온 빛을 가장 가깝게 연결시키는 흑체 방열기의 색 온도이다. 예시적인 램프는 약 2700K 내지 약 4500K(예, 3000K)의 관련 색 온도(CCT)를 제공할 수 있다.

dCCy는 표준 흑체 커브의 것으로부터 Y 축 상 색 점의 색도(CCY) 차이이다. 예시적인 구현예는 흑체 자리와 관련하여 0.005+/-0.010 dCCy를 갖고, 한 특정 구현예에서 램프는 흑체 자리에 바로 놓인다(즉, dCCy=0.000).

이들 범위 모드는 본 램프 디자인에서 동시에 만족될 수 있다. 이는 램프 루멘 유지율에 부정적으로 영향을 미치지 않고 달성될 수 있다.

도 1을 참조하면 예시적인 구현예에 따른 세라믹 금속 할로겐화물(CHM) 방전 관(12)을 포함하는 램프(10)가 나타나 있다. 도 1은 예시로만 의도된다. 도 2를 참조하면 방전 관(12)의 한 구현예가 도시되어 나타나 있다. 예시적인 방전 관(12)은 15 내지 200와트와 같은 다양한 전력량에서 작동하는 램프에서 사용하기에 적합하다. 실시예에 의한 램프(39 및 70)는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도 없이 본 명세서에 기재된다. 램프의 전력량은 일반적으로 95V의 추정된 AC 램프 전압에 기초한다. 램프(10)는 AC 전원과 연결된 회로(도시되지 않음)에 의해 전류가 공급된다. 램프는 더 높은 주파수인 전자식 안정기에서 작동하도록 디자인될 수 있다. 그렇지 않으면 램프는 DC 전원에서 작동될 수 있다.

방전 관(12)은 내부 방전 공간 또는 챔버(14)를 정의한다. 방전 관(12)은 다결정 알루미나 또는 사파이어(단결정 알루미나)와 같이 투명하거나 반투명한 재료로 형성된 고압 봉투 또는 아크 튜브(16)를 포함하는데, 이는 방전 공간(14)을 막기 위해 반대쪽 말단에서 밀봉된다. 방전 공간(14)은 금속 할로겐화물 및 불활성 기체 혼합물과 같은 이온화가능한 기체 혼합물(18)의 충전물을 포함하고 또한 수은을 포함할 수 있다.

제1 및 제2 내부 전극(20, 22)은 전적으로 또는 적어도 부분적으로(20중량% 초과) 텅스텐으로 형성되고 방전 공간(14)으로 뻗어있을 수 있다. 전압이 전극을 지나 적용될 때 전극(20, 22) 사이의 충전물(18)에서 방전이 형성된다. 전극은 몰리브데늄 및 니오븀 섹션으로 형성된 도체(24, 26)로 연결된다. 도체(24, 26)는 전극을 외부 전원 공급기로 전자적으로 연결한다. 전극의 끝(28, 30)은 아크 튜브(16)의 각각 내부 말단 벽(32, 34)의 내부로 뻗어있고 디멘전 d의 아크 갭 AG에 의해 간격이 두어진다.

방전 관(12)은 유리나 다른 적합한 투명하거나 반투명한 재료의 외부 봉투(36)로 둘러싸일 수 있고, 이중 말단 램프 또한 고안될 수 있지만 하나의 말단에서 램프 캡(38)에 의해 닫힌다. 다른 구현예에서 램프는 반사 용기(housing)에 보관될 수 있다.

도 2에 나타난 바와 같이 예시적인 세라믹 아크 튜브(16)는 빈 원통형 부분 또는 배럴(40) 및 2개의 반대되는 빈 말단 플러그(42, 44)를 포함한다. 배럴(40) 및 말단 플러그(42, 44)는 램프 형성 동안 함께 융합되는 개별 성분으로부터 형성될 수 있다. 2개의 말단 플러그(42, 44)는 유사하게 형성되고 각각은 원뿔 또는 베이스 부분(46, 48)을 포함하고 이로부터 각각의 빈 다리 부분 또는 튜브(50, 52)가 바깥으로 뻗게 된다. 전극(20, 22)은 그 각각의 다리 부분(50, 52) 내의 구멍(54, 56)에 위치하여 원통형 베이스 부분 각각의 원통형의 빈 부분(60, 62)으로 뻗게 된다. 원통형의 빈 부분(60, 62)은 두 부분이 함께 결합될 때 고리 모양의 두꺼운 지역을 생성하는 배럴(40) 각각의 말단에서 받아들여진다(도 2). 고리 모양의 림 부분 또는 테두리(64, 66)는 각각의 빈 부분(60, 62)의 바깥으로 방사상으로 뻗어있고 방전 공간(14)의 말단 벽(32, 34)의 윤곽을 분명히 나타내기 위해 배럴 각각의 말단으로 밀봉된다.

방전 챔버(14)는 기밀 방전 공간을 생성하기 위해 다리 부분(50, 52)의 말단에서 밀봉 물질(도시되지 않음)에 의해 밀봉된다.

다양한 디멘전의 아크 튜브(16)가 정의될 것이다:

내부 배럴 길이, IBL=램프 축을 따라 측정된 말단 벽(32, 34) 사이의 거리(mm).

외부 배럴 길이, XBL=배럴 더하기 테두리의 길이(mm).

내부 직경, ID=전극 끝을 매개하는, 즉 말단 플러그의 원통형 부분(60, 62)에서 떨어진 중간 지역에서 배럴의 평균 내부 직경(mm).

벽 두께, t=아크 튜브체의 중앙 부분(예, 전극 끝 사이의 절반)에서 벽 재료의 두께(mm).

외부 직경, OD=배럴의 최대 직경.

플러그 쪽으로 끝의 거리 TTP=전극의 끝(28, 30) 및 인접한 말단 벽(32, 34) 사이의 거리(mm). 비고 IBL=d+2TTP.

아크 갭, AG=그들의 가장 가까운 점의 전극 끝(28, 30) 사이의 거리(mm).

내부 영역, IA=챔버 내부 표면 영역(cm²).

WL=말단 보울을 포함하나 다리는 배제한 내부 벽 표면의 벽 부하(W/cm²)이고 아크 튜브 전력(W)은 전극 전력을 포함하는 총 아크 튜브 전력이다. 한 구현예에서 벽 부하는 약 11 내지 52W/cm², 예를 들어 약 14 내지 32W/cm²이다. 한 구현예에서 작동하는 동안 방전 관의 벽 온도는 1460K 이하이다.

챔버 부피, Vol(cc)-구멍을 포함하지 않는 챔버의 내부 부피.

도 3에 나타낸 바와 같이 필수적으로 세 개의 원통형 내부 부피 부분(70, 72, 84)으로 이루어진, 나타낸 바와 같은 원통형 램프에 있어서, 높이 h₁의 제1 및 제3 부분(70, 74) 및 내부 반경 r₁ 및 높이 h₂의 중간 부분(72) 및 내부 반경 r₂, 이 때 이 디자인의 총 부피는 2πr₁ ²h₁+πr₂ ²h₂이다. 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이 램프 배럴은 실질적으로 원통형이라기 보다 휘어져 있고(도 4 참조) 예를 들어 솔리드웍스(SOLIDWORKS, 등록상표) 프로그램을 사용하여 부피를 계산할 때 곡률이 고려될 수 있다. 이 방법론은 임의의 모양인 램프로 적용될 수 있다. 다음의 실시예에서 챔버 부피는 물로 충전되었을 때 첨가된 중량의 아크 튜브를 측정하여 이를 동량의 부피로 환산하고 다리를 차지하는 물의 부피를 감하는 것에 의한 것처럼, 덜 규칙적으로 형성된 챔버에 대해서는 다른 수단에 의해 챔버 부피가 측정되는 것 또한 고려될 수 있지만 램프 직경에 기초한 계산을 통해 측정된다.

실시예에 의해 39W 및 70W 램프의 매개변수는 표 1에 나타낸 바와 같을 수 있다.

예시적인 충전물(18)은 하나 이상의 금속 할로겐화물, 임의적으로 수은 및 아르곤이나 제논과 같은 희기체를 포함하는 할로겐화물 성분을 포함하는 금속 할로겐화물 성분 또는 "도스"를 포함한다. 할로겐화물 성분은 다음으로부터 선택된 할로겐화물을 포함할 수 있다: Ⅰ 군) 나트륨 할로겐화물과 같은 금속 할로겐화물; Ⅱ 군) 칼슘 할로겐화물과 같은 금속 할로겐화물; Ⅲ 군) 탈륨 할로겐화물 및 인듐 할로겐화물, 하프늄 할로겐화물, 지르코늄 할로겐화물, Sc, Y 및 란타노이드(즉, La, Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 이들의 조합)의 할로겐화물과 같은 희토류 할로겐화물. 할로겐화물은 염소, 브롬, 요오드 또는 이들의 조합일 수 있다.

한 구현예에서 할로겐화물 성분은 하나 이상의 희토류 할로겐화물을 포함한다. 희토류 할로겐화물은 산소 공급원 또는 그로부터 유래된 산소와 조합하여 램프가 작동하는 동안 충전물에서 불안정한 산화물을 형성하는 유형 및 농도가 선택될 수 있다. "불안정한 산화물"은 희토류 원소를 포함하는 산화물이 램프 작동 동안 사용가능한 산소가 충전물에 존재하게 하는 것을 의미한다. 적합한 희토류 할로겐화물은 란타늄 할로겐화물, 프라세오디뮴 할로겐화물, 네오디뮴 할로겐화물, 사마륨 할로겐화물, 세륨 할로겐화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 한 특정 구현예에서 충전물은 이들 외에 다른 희토류 할로겐화물이 없다. 구체적으로 충전물은 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 툴륨, 에르븀, 이테븀, 이트륨 및 루테튬의 할로겐화물을 함유하지 않을 수 있다. 충전물은 또한 스칸듐 및 마그네슘 할로겐화물과 같은 안정한 산화물을 형성하지 않는 다른 할로겐화물을 함유하지 않을 수 있다. "함유하지 않는"다는 것은 란타늄, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨, 세륨(및 임의적으로 스칸듐 및 마그네슘 또한) 이외의 모든 희토류의 할로겐화물이 0.001 미만의 총 몰 분율, 한 구현예에서 0.0001 미만의 몰 분율로 간주되는 것을 의미한다. 이렇게 하여 할로겐화물 성분은 필수적으로 그들이 램프 작동 동안 산화물을 형성하되, 형성된 산화물은 사용가능한 산소를 제공하는 불안정한 산화물인 할로겐화물로 이루어져 있다.

한 특정 구현예에서 희토류 할로겐화물은 란타늄 할로겐화물을 포함한다.

희토류 할로겐화물은 램프 작동 동안 사용가능한 산소의 공급원과 조합하여 방전 관 벽 사이에 그리고 적어도 한 전극 중 적어도 일부에 증기 상으로 존재하는 텅스텐 종에 대한 용해도에서 차이를 유지하는 양으로 존재할 수 있다.

희토류 할로겐화물은 약 0.009 이상인, 충전물 중 할로겐화물 성분의 총 몰 분율로 표현되는 충전물에 존재할 수 있고 한 구현예에서 약 0.2 이하일 수 있다.

예를 들어 나트륨, 탈륨, 칼슘 및 란타늄의 요오드는 예를 들어 충전물에서 할로겐화물의 총 20mol% 이하, 10mol% 미만이고, 한 구현예에서 1mol% 미만을 구성하는 다른 할로겐화물을 갖는 충전물에 포함되는 우세한 할로겐화물이다.

실시예를 통해 할로겐화물은 충전물에서의 총 할로겐화물에 기초하여 충전물에 다음의 몰 분율로 존재할 수 있다.

NaI 0.3 이상, 예를 들어 0.8 이하;

TlI 0.01 이상, 예를 들어 0.02 이상이고, 0.06 이하 또는 0.035 이하일 수 있고;

LaI₃ 0.009 이상, 예를 들어 0.02 이상 또는 0.07 이상이고, 0.3 이하, 예를 들어 0.13 이하일 수 있고;

CaI₂ 0.09 이상, 예를 들어 0.4 이하, 예를 들어 0.33 이하.

한 구현예에서 충전물은 란타늄 할로겐화물 이외의 모든 희토류 할로겐화물을 함유하지 않는다. 란타늄 이외의 희토류 할로겐화물을 함유하지 않는다는 것은 다른 희토류 할로겐화물이 란타늄 할로겐화물 mol%의 10% 이하로 존재함을 의미한다.

아크 튜브(16)에서 모든 할로겐화물의 중량(mg)인 할로겐화물 중량(HW)은 약 8.0 내지 280mg/cc, 예를 들어 43 내지 63mg/cc일 수 있다.
방전 관(12)은 사용가능한 산소의 공급원을 둘러싼다. 공급원에 의해 제공된 산소는 벽 청소 사이클을 도와 램프 수명에 대한 루멘 유지율을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이 "사용가능한 산소"는 단위 부피의 아크 튜브 당 산소(O₂ 보다 단일항(singlet) O로 측정됨)의 몰로서, 예를 들어 μmol O/cc로 약기된, 상기대로 측정된, 평방 cm의 램프 부피 당 마이크로몰의 O로 측정된다. 사용가능하다는 것은 산소가 램프의 작동하는 온도에서 벽 청소 사이클에 참여할 수 있는 형태로 있다는 것을 의미한다. 특히 벽 청소 사이클에 참여할 수 있는 형태이다. 사용가능한 산소는 램프의 작동 온도에서 WO₂X₂(X는 할로겐화물임, 예를 들어 WO₂I₂ 또는 다른 텅스텐 옥시할로겐화물 종)를 형성하기 위해 다른 충전물 성분과 함께 반응에 사용가능한 산소를 만든다. 그러므로 예를 들어 알루미나 베이스의 세라믹이 산소를 포함하는 동안 존재하는 산소가 벽 청소 사이클에 참여하는데 지나치게 단단히 결합되어 있으면 이는 사용가능한 산소로 여겨지지 않는다.

사용가능한 산소는 램프에 램프 부피의 0.1μmol O/cc 이상, 예를 들어 0.14μmol O/cc 이상 그리고 한 구현예에서 0.2μmol O/cc 이상 또는 0.3μmol O/cc 이상의 농도로 존재할 수 있다(램프 부피는 상기와 같이 측정된다). 한 구현예에서 산소는 0.4μmol O/cc 이상의 농도로 존재한다. 사용가능한 산소는 1.5μmol O/cc 이하, 예를 들어 1.1μmol O/cc 이하, 한 특정 구현예에서 1.0 또는 0.9 또는 0.8μmol O/cc 이하로 존재할 수 있다. 한 구현예에서 산소는 0.4 내지 0.7μmol O/cc의 농도로 존재한다.

사용사능한 산소는 램프가 작동하는 동안 시간에 따라 감소할 수 있기 때문에 사용가능한 산소는 방전 챔버에서 최대로 사용가능한 산소로 여겨진다. 한 구현예에서 시간에 따른 산소 손실을 감안하여, 사용가능한 산소는 범위의 상한에 더 가깝게 선택된다.

산소의 예시적인 공급원은 미국 특허 출원 제11/951,677호, 제11/951,724호 및 제12/270,216호에 기재되고 텅스텐 산화물을 포함한다. 텅스텐 산화물은 텅스텐의 임의의 산화된 형태 또는 이들의 조합을 의미하고, 하나 이상의 텅스텐 산소 결합을 포함한다. 텅스텐 산화물의 예는 텅스텐 산화물 및 옥시할로겐화물 및 램프 작동 조건하에서 램프에서 반응하거나 분해되어 텅스텐 산화물이나 옥시할로겐화물을 형성하는 반응물/화합물을 포함한다. 한 구현예에서 텅스텐 산화물은 WO_nX_m(n은 1 이상, m은 0 이상일 수 있고 X는 상기와 같은 할로겐화물이다)의 일반식을 가질 수 있다. 텅스텐의 예시적인 산화물은 WO₃, WO₂ 및 WO₂I₂와 같은 텅스텐 옥시할로겐화물 및 이들의 조합을 포함한다. 사용가능한 산소의 다른 공급원은 자유 산소 기체(O₂), 물, 몰리브데늄 산화물, 수은 산화물, 란타늄의 이산화물, 세륨, 네오디뮴, 사마륨, 프라세오듐 또는 이들의 조합을 포함한다.

사용가능한 산소의 공급원은 상기 양으로 램프에서 사용가능한 산소를 제공하기에 충분한 양으로 존재한다.

불활성 기체 융합, 에너지 분산성 X선 분석(EDXA) 및 화학적 분석을 위한 전자 분광법(XPS로도 알려진 ESCA)을 포함하는, 사용가능한 산소를 측정하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 예를 들어 산소는 레코사(LECO Corp.)로부터 사용가능한 레코(LECO) 산소 분석기와 같은 불활성 융합 기술로 1ppm 만큼 낮은 농도에서 측정될 수 있다.

한 구현예에서 산소 함량은 램프(금속 할로겐화물 및 고체 산소 공급원을 포함)에 도입하기 전 도스 혼합물 분석에 의해, 예를 들어 LECO로 측정된다. 이는 램프에 첨가되는 산소를 측정하기 위해 사용되는 방법이고 그러므로 이하의 실시예의 램프에서 단위 부피 당 몰 농도이다. 이 방법은 도스 혼합물이 산소의 유일한 공급원이라고 추정한다. 이 추정은 다른 공급원으로부터 온 상당한 량에서, 예를 들어 텅스텐 전극의 산화 또는 산소 기체의 도입을 통해서 산소가 방전 관으로 첨가되지 않는다는 가정 하에 정확하다. 추정은 몇 시간의 램프 가동 후에 도스 풀(pool)의 산소 함량을 측정함으로써 유효할 수 있다. 새로 제조된 전극과 같은 다른 공급원의 산소는 비교적 적은 부분의 사용가능한 산소 함량(총 사용가능한 산소의 약 1% 미만)으로 간주되어 예시적인 구현예에서 무시된다는 것이 밝혀졌다. 만약 산화된 전극이 사용되면 전극에서 산소의 기여도는 사용가능한 산소를 측정할 때 고려되어야 한다.

산소 함량을 측정하는 다른 방법은 램프를 제조하여 도스 풀을 분석, 예를 들어 램프를 부수고 열어서 램프 함량을 분석하는 것이다. 램프 작동 동안에 산소가 소비되는 경향이 있기 때문에 이는 확장된 램프 작동이 일어나기 전에 실시되어야 한다. 추가적으로 램프는 산소를 함유하지 않는 대기에 열려 있어서 대기 산소가 결과에 영향을 미치지 않아야 한다. 이 방법에서 EDAX 또는 ESDA 방법이 산소 함량을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 램프에 대한 시험에서 LECO 방법 및 EDAX 방법은 외부 공급원의 산소를 배제하기 위한 조치가 취해진다는 전제하에 합리적인 합의를 도출한다.

예상치 못하게, 좁은 범위 내에서 사용가능한 산소 함량이 루멘 유지율에 현저한 효과를 갖고 나아가 벽 청소 사이클에 사용될지라도 매우 소량의 산소만이 필요하다는 사실이 발견되었다. 1000시간에 98% 이상 또는 99% 이상의 루멘 유지율은 Na, Tl, La 및 Ca의 요오드를 포함하는 충전물을 사용하여 사용가능한 산소를 주의깊게 제어하여 달성될 수 있다.

최적 루멘 유지율을 제공하는 매개변수 mol O/cc는 대개 램프 내부 부피에 독립적이라는 것 또한 밝혀졌다. 그러므로 일반적으로 70W 램프보다 부피가 더 작은 39W 램프는 그 외에 명목상 동일한, 예를 들어 할로겐화물의 mol/cc의 면에서 램프 충전물에 대해 대략 동일한 최적 몰 O/cc를 갖는다. 매개변수 몰 비

/cc는 또한 램프 루멘 유지율에서 중요한 역할을 하고 있다는 것을 발견하였다.

한 구현예에서 루멘 유지율의 최적 산소 함량은 상이한 사용가능한 산소 농도를 갖는 램프를 제조하여 루멘 유지율을 측정함으로써 결정된다. 예를 들어 약 0.1 내지 약 1.5μmol O/cc 또는 더 넓은 범위 내의 더 좁은 범위의 상이한 산소 농도를 갖는 4개 이상의 램프가 선택된다. 램프는 그 정상 작동 위치(예, 수직 또는 수평으로)에서 연소된다. 산소 농도 대 루멘 유지율의 플롯은 도 5(각 점은 몇몇 램프의 평균을 나타낸다)에 도시된 바와 같이 산소를 증가시킴에 따라 루멘 유지율이 최대에 도달하고 산소 농도 감소가 증가함을 드러낸다. 피크 지역에서 산소 함량, 예를 들어 피크 p에서의 농도로부터 ±0.3μmol O/cc 이하이고 한 구현예에서 피크 p에서의 농도로부터 ±0.25μmol O/cc 이하(도 5에서 0.54μmol O/cc와 동일)를 선택함으로써 최적 루멘 유지율이 달성될 수 있다. 한 구현예에서 1000시간에서 98% 이상의 루멘 유지율을 제공하는 사용가능한 산소 농도가 선택된다. 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이 실험 데이터는 피크가 0.54μmol O/cc에서 발생함을 나타낸다. 그러므로 1000시간에서 98% 루멘 유지율은 0.25 내지 0.865μmol O/cc 범위로 달성될 수 있다. 1000시간에서 목적하는 % 루멘 유지율이 더 높을수록 선택된 범위의 μmol O/cc가 더 좁을 수 있다.

다른 실시예에서 피크가 0.45μmol O/cc에 있다면 선택된 [O] 농도는 0.2 내지 0.7μmol O/cc, 예를 들어 0.35μmol O/cc 내지 0.55μmol O/cc 범위일 수 있다.

한 구현예에서 피크의 위치는 피크의 한 면에서 점을 통해 직선회귀에 의해 측정된 제1선 및 피크의 다른 면에서 점을 통해 직선회귀에 의해 측정된 제2선 사이의 교차점을 찾음으로써 측정될 수 있다. 그렇지 않으면 피크는 커브 피팅 방법(curve fitting method), 예를 들어 커브를 다항식, 예를 들어 식 y=Ax³+Bx²+Cx+D(y는 1000hr %LM의 단위이고, x는 μmol O/cc의 단위이고 A, B, C 및 D는 상수이다)에 가장 잘 맞게 함으로써 발견될 수 있다. 핏(fit)의 강도는 매개변수 R²에 의해 측정된다.

예를 들어 산소 농도는 1000시간 후 100시간에 98% 이상 또는 100% 이상의 루멘 유지율을 제공하기 위해 선택될 수 있다.

한 구현예에서 산소 공급원은 0.14 내지 1.0μmol O/cc의 아크 튜브 부피(상기와 같이 측정된 부피를 갖음)의 초기 램프 작동 동안 아크 튜브에서 사용가능한 산소를 제공하기에 충분한 양으로 존재하고 산소 함량은 도스 재료 상에서 LECO 분석기에 의한 ppm 산소 농도 출력으로부터 측정된다.

삭제

1000시간 이후 루멘 유지율 결과는 산소가 소비됨에 따라 떨어졌다. 예를 들어 상기와 같이 형성된 Oμmol O/cc를 갖는 70W 램프에 있어서 다음 결과가 수득될 수 있다.

할로겐화물 도스 농도는 또한 루멘 유지율에 약간의 효과를 갖는다는 것이 주지되었고 최적 루멘 유지율을 제공하기 위해 조정될 수 있다. 한 구현예에서 충전물에서 아크 튜브 부피의

/cc의 몰 비는 900 내지 6000일 수 있고 한 구현예에서 약 1000 내지 5700이다. O 농도에 관해서 이 매개변수의 값은 98% 1000hr %LM 이상, 예를 들어 99% 1000hr %LM 이상을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 그러므로 예를 들어 램프가 1000시간에 98% 루멘 유지율을 달성하기 위한 몰 비

/cc의 범위는 1000 내지 5700 범위 및 99% 1000hr %LM, 약 1250 내지 5150일 수 있다.

충전물에서 할로겐화물 농도는 예를 들어 유도 결합된 플라즈마 질량 분석기(ICP-MS) 분석과 같은 화학적 수단에 의해 측정될 수 있다.

예시적인 원통형 배럴 부분(40) 및 말단 플러그(42, 44)가 다결정 알루미늄 산화물 세라믹으로부터 모두 형성될 수 있지만 1700 내지 1900K의 높은 벽 온도를 견뎌낼 수 있고 충전물 재료에 의한 공격에 내성이 있는 다른 결정형 세라믹 재료도 고려될 수 있다. 세라믹 아크 튜브는 예를 들어 상기 미국 특허 출원 제11/951,677호 및 제12/270,216호에 기재된 단일 성분 또는 다중 성분으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어 완성된 아크 튜브의 배럴 및 말단 플러그를 구성하는 3가지 주요 성분은 개별적으로, 예를 들어 세라믹 분말 및 결합제 시스템의 혼합물을 다이 프레싱, 주입 몰딩 또는 압출성형하여 고체 몸체로 제작된다. 구워진 부분의 조립 후에 조립은 고온에서(예를 들어 수소 대기에서 1850 내지 1880℃에서) 소결되어 빽빽하게 소결된 다결정 알루미나인 기밀의 투명하거나 반투명한 아크 튜브를 형성한다.

예시적인 구현예를 한정하려는 의도 없이 다음의 실시예는 예시적인 램프의 수행을 나타낸다.

실시예

표 1에 나타낸 바와 같은 디멘전 및 도 3에 나타낸 바와 같이 실질적으로 원통형 모양을 갖는 70W 세라믹 아크 튜브를 형성하였다. 표 1에 나타낸 것들과 유사한 디멘전 및 도 3 및 4에 나타낸 바와 같은 실질적으로 원통형 모양 또는 둥근 말단을 갖는 39W 세라믹 아크 튜브를 형성하였다. 텅스텐 산화물 및 Na, Tl, La, Ca의 할로겐화물을 포함하는 도스 재료를 도입하여 램프 내에서 밀봉하였다. 도스의 산소 함량은 벌크 샘플에서 LECO에 의해 측정하여 첨가된 펠렛 수에 기초하고 아크 튜브의 명목상 동일한 부피를 추정하여 아크 튜브용으로 mol O/cc로 변환시켰다. 펠렛 배치의 산소 함량은 사용가능한 산소와 관련해서가 아닌 명목상 동일한 충전물을 제공하기 위해 변화를 주었다.

70W 램프에 대한 총 할로겐화물 중량은 대략 12.5mg이고 39W 램프에 대한 총 할로겐화물 중량은 대략 8.3mg이었다(마이크로몰로 표시한 실제량은 표 2 참조). 아르곤은 120Torr의 충전물 압력으로 존재하였다. 39W 및 70W 모두에 대한 수은 중량은 약 5mg이었다.

70W 램프에 대해 도스 중량 및 도스 몰 분율은 대략 다음과 같고 정확한 양은 표 2에 나타나 있다.

NaI 6.4mg(할로겐화물 성분의 70.8mol%)

TlI 0.8mg(할로겐화물 성분의 4.3mol%)

LaI₃ 2.1mg(할로겐화물 성분의 18.2mol%)

CaI₂ 3.2mg(할로겐화물 성분의 6.7mol%)

표 2는 70W 및 39W 램프에 대해 테스트된 램프의 특성을 요약한다.

39W 램프에 대해 도 4에 도시한 바와 같은 둥근 말단 램프를 포함하는 몇몇 상이한 램프 구조를 사용하여 상이한 램프 부피를 반영하였다. VBU는 램프가 수직으로 베이스에서 위로 연소되었다는 것을 표시한다. VBD는 램프가 수직으로 베이스에서 아래로 연소되었다는 것을 표시한다. HOR은 램프가 수평으로 연소되었다는 것을 표시한다.

표 3은 램프가 1000시간 이상 연소되었을 때 수득된 결과를 나타낸다. 결과는 외부 덮개를 갖는 수직으로 연소된 램프에 대해 각각의 경우에 몇몇 램프(일반적으로 4 또는 5개 이상)의 평균이다.

셀	램프 전력량	마이크로몰 총 할로겐화물	마이크로몰 총 O	몰 비 [할로겐화물/O]/cc	평균 1000시간 % 루멘 유지율
1	39w	38.3	0.055	3923.7	100.7
2	39w	43.5	0.074	5613.7	101.0
3	39w	38.2	0.074	4935.4	99.9
4	39w	45.3	0.055	4638.6	96.9
5	39w	33.6	0.023	8255.3	94.0
6	39w	43.9	0.037	6741.4	94.0
7	39w	33.9	0.023	8336.1	94.5
8	39w	37.1	0.037	5694.2	99.2
9	70w	59.9	0.237	974.6	97.5
10	70w	59.8	0.121	1910.8	101.1
11	70w	59.8	0.121	1910.8	101.2
12	70w	59.8	0.121	1910.8	101.8
13	70w	59.8	0.118	1945.5	101.6
14	70w	59.8	0.187	1229.9	98.5

도 5는 이들 결과로부터 유래된 1000시간 % 루멘 유지율 대 몰[O]/cc의 플롯을 나타낸다. 앞서 논의된 바와 같이, 98% 1000시간 % 루멘 유지율은 점선에 의해 정해진 범위 내에서의 몰 산소 농도를 선택함으로써 유사한 할로겐화물 농도를 갖는 유사한 램프에서 용이하게 달성될 수 있다.

도 6은 1000시간 % 루멘 유지율 대 매개변수(몰 비

/cc)의 플롯을 나타낸다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 표 2 및 3으로부터 구성된 실험 데이터는 약 2700의 몰 비

/cc에서 1000시간 % 루멘 유지율에서의 피크를 표시한다. 그러므로 1000시간에서 98% 루멘 유지율이 1000 내지 5700 범위(이는 예를 들어 커브를 그래프의 점에 피팅시키는 알고리즘을 적용함으로써 측정될 수 있음)에서의 몰 비

/cc로 달성될 수 있다. 1000시간에서 99% 루멘 유지율은 약 1250 내지 5150 범위에서의 몰 비

/cc로 달성될 수 있다.

목적으로 하는 1000시간에서의 % 루멘 유지율이 더 높을수록 필요한 몰 비

/cc의 범위는 더 좁아진다.

본 발명은 바람직한 구현예를 참조하여 기재되었다. 분명히, 앞선 상세한 설명을 읽고 이해하면 다른 이들로 하여금 변경 및 변화가 떠오르게 할 수 있다. 발명은 그러한 모든 변경 및 변화를 포함하여 해석되도록 의도된다.

Claims (44)

1. 방전 관(12);
   상기 방전 관(12)으로 뻗어있는 전극(20, 22);
   완충 기체, 임의적으로 수은, 및 란타늄 할로겐화물, 세륨 할로겐화물, 네오디뮴 할로겐화물, 프라세오디뮴 할로겐화물, 사마륨 할로겐화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 희토류 할로겐화물을 포함하는 할로겐화물 성분을 포함하는, 상기 방전 관(12) 내에 밀봉된 이온화가능한 충전물(18); 및
   0.1μmol O/cc 이상 내지 1.5μmol O/cc 이하의 농도로 상기 방전 관(12) 내에 밀봉된 사용가능한 산소
   를 포함하는 램프(10)로서,
   상기 이온화가능한 충전물(18)에서 아크 튜브 부피의

   

   /cc의 비가 900 내지 6000인 것을 특징으로 하는, 램프(10).
2. 제1항에 있어서,
   사용가능한 산소가 0.3μmol O/cc 이상의 농도로 존재하는, 램프(10).
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   사용가능한 산소가, 100시간에서의 루멘의 백분율로 표시되는 1000시간에서의 루멘 유지율(1000시간 % 루멘 유지율)을 98% 이상으로 제공하는 농도로 존재하는, 램프(10).
5. 제1항에 있어서,
   할로겐화물 성분이 나트륨 할로겐화물, 란타늄 할로겐화물, 탈륨 할로겐화물 및 칼슘 할로겐화물을 포함하는, 램프(10).
6. 제5항에 있어서,
   란타늄 할로겐화물이 0.009 이상의 몰 분율로 할로겐화물 성분에 존재하는, 램프(10).
7. 제1항에 있어서,
   사용가능한 산소의 공급원이 방전 관(12)에 배치되고, 상기 공급원이 텅스텐 산화물을 포함하는, 램프(10).
8. 삭제
9. 제1항에 따른 램프(10)를 제공하는 단계;
   램프 관(12)에 방전을 발생시키기 위해 램프(10)에 전류를 공급함으로써 램프(10)를 작동시키는 단계로서, 작동시 램프(10)가 98% 이상의 1000시간 % 루멘 유지율로 작동하는 단계
   를 포함하는, 램프(10)를 작동시키는 방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
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32. 삭제
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