KR20040066019A - 고압 방전 램프용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핀형 섕크(7) 및 헤드부(8)로 형성된 전극에 관한 것으로, 상기 전극은 방전측 단부 영역에 이미터용 관(9)을 형성하며, 상기 관(9) 내부에는 이미터 재료(10)로 채워진 보어(16)가 제공된다. 상기 관은 그의 방전측 단부면에 칼라를 형성하고, 상기 칼라는 보어쪽으로 볼록하게 휘어진 내부 칼라 부분(13)과 상기 관의 측벽쪽으로 볼록하게 휘어진 외부 칼라 부분(14)으로 이루어진다.

Description

고압 방전 램프용 전극{ELECTRODE FOR A HIGH-PRESSURE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 고압 방전 램프용 전극을 기초로 한다. 특히 나트륨을 함유한 고압 방전 램프용 전극, 특히 나트륨 고압 램프가 다루어진다. 또 다른 적용 분야로는 예컨대 순수 Hg 고압 방전 램프가 있다.

US-A 3,916,241로부터 이미 고압 방전 램프용 전극이 공지되어 있으며, 상기 전극에서는 전극 헤드에 있는 공동 안으로 이미터(emitter)가 삽입된다. 이 때, 이미터를 포함하는 펠릿(pellet)이 적절한 깊이로 삽입되어 직접적인 아크 부착(arc attachment)으로부터 보호된다.

본 발명의 목적은 청구항 1에 따른, 램프의 조기 노후화를 방지하는 전극을 제공하는 것이다.

도 1은 고압 방전 램프의 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 램프를 위한 전극의 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 전극의 한 부분을 확대한 모습을 나타낸 도면이다.

도 4는 도 1의 램프를 위한 전극의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 5는 전극관의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요 부호 설명*

1: 고압 방전 램프 2: 방전관

4: 납땜 유리 5: 전류 리드

6, 19: 전극 7: 코어 핀

8: 필라멘트 바디 9: 이미터 관

10: 이미터 재료 11: 이미터 재료의 방전측 표면

13, 24, 26: 내부 칼라 부분 14, 25, 27: 외부 칼라 부분

16: 중심 보어 20: 전극 헤드

22: 펠릿(pellet) 28: 연결 접선

상기 목적은 청구항 1의 특징들을 통해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속항에 제시되어 있다.

방전 램프에 사용되는 이미터는 램프가 동작되는 동안 특히 스퍼터링(sputtering)으로 인해 방전관 내에서 높은 이동성을 보인다. 따라서 시간이 지남에 따라 이미터 물질이 방전관의 모든 벽에 부딪쳐 침전된다. 또한 불리하게는 상기 이미터 물질이 램프 동작 중에 화학적 물리적 프로세스에 관여하게 되며, 특히 충진물(fill)을 변화시킬 수 있다. 그 결과 램프의 유효 수명이 단축된다.

이미터 및 상기 이미터의 저장체(reservoir)는 본 문서에 기술되어 있는 중공전극(hollow electrode)에 의해 스퍼터링 프로세스에 노출되지 않는 안전한 위치에 배치된다.

전자 일함수(work function)를 감소시키는 이미터 재료(산화물 또는 텅스텐산 바륨, 텅스텐산 칼슘, 텅스텐산 이트륨과 같은 산화물 재료가 주로 사용됨)는 전극의 아크측 단부 또는 특히 돌출되어 있는 코어 핀 또는 전극 자체의 헤드에 위치한 개방된(open) 중심 보어 또는 편심 보어 내로 삽입(주입)된다. 홀의 직경과 부피가 적절하게 선택되고 홀의 에지가 그에 상응하게 형성됨으로써, 보어 홀의 추가 커버링을 실시하거나, 그에 대한 대안으로 보어 홀을 매우 깊게 형성할 필요가 없어진다. 특히 보어 홀 내에 제공되는 이미터의 표면 레벨을 낮추지 않아도 된다.

종래의 방식에 따르면, 이미터로 채워진 바디에 고융점 금속으로 만들어진 외부 권선이 제공될 수 있다. 권선은 하나 이상의 층을 가질 수 있다. 상기 권선은 아크 부착부(arc attachment)로서 사용될 수 있고, 더 높은 열용량을 전달한다.

전극 제조를 위한 기본 재료로서 주로 텅스텐, 탄탈, 레늄 또는 이 금속들의 합금이나 탄화물과 같은 고융점 금속이 사용된다. 전극은 방전관 내에서는 전류 리드에 의해 고정되어 방전관 밖으로 안내된다.

본 발명에 따른 전극은 고압 방전 램프를 위한 모든 실린더 대칭형 세라믹 방전관뿐만 아니라 유리로 된 방전관에도 사용될 수 있다. 이 때, 일함수를 감소시키는 이미터 재료가 전극의 아크측 단부에 존재하는 개방 보어 내로 삽입된다.

이미터 재료는 예컨대 펠릿, 즉 고체일 수 있다. 또는 침지조(immersion bath) 처리를 통해 간단하게 도포될 수 있는 액체나 페이스트도 사용될 수 있다. 필요한 경우, 제 2 처리 단계는 성형(shaping)이다. 이는 이미터가 산화물인지 아닌지의 여부에 따라 좌우된다.

보어홀 에지의 적절한 성형을 통해 전극이 간단하게 제조될 수 있다. 이 경우, 홀은 정해진 내부 및 외부 반경을 가진 칼라에 의해 둘러싸인다. 상기 반경들은 방전 아크의 부착이 바람직하게 칼라의 외부 영역에서 일어나도록 선택된다. 보어 홀 에지를 형성하는 내부 영역은 버(burr)가 발생하지 않도록 제조되어야 한다.

또한 보어 홀 내에 있는 이미터 재료의 표면이 오목하게 형성되는 것이 바람직하다. 이미터로 채워진 내부 공간, 바람직하게는 홀로서 설계된 내부 공간의 직경, 깊이 및 중심도(centricity)는 코어 핀 외벽의 손상이 방지되도록, 그리고 충진 가능한 최대 이미터량이 종래의 페이스팅(pasting)에 의해 달성될 수 있는 정도의 양과 유사하도록 선택되는 것이 바람직하다.

외부 권선 대신 고체 또는 소결체로서 형성된 고체 전극 헤드가 선택될 수 있다.

하기에서는 여러 실시예들을 참고로 본 발명이 더 상세히 설명된다.

도 1에는 양 측면이 막힌 세라믹 방전관(2)을 포함하는, 70W의 전력을 가진 나트륨 고압 방전 램프(1)가 도시되어 있다. 방전관 내부의 전극들(6)에 연결된 2개의 외부 전류 리드(5)가 납땜 유리(4)에 의해 단부(3) 내로 밀폐된다.

도 2는 전극(6)의 확대도이다. 전극(6)은 코어 핀(7)을 포함하며, 상기 코어 핀(7) 위로 필라멘트 바디(8)가 밀려져 있다. 상기 바디가 헤드의 대부분을 이루고 있다. 코어 핀(7)과 필라멘트 바디(8)는 모두 텅스텐을 함유하고 있다. 코어 핀의 직경은 700 ㎛인 반면, 필라멘트 바디(8)의 직경은 200 ㎛의 와이어 직경을 포함하여 최대 1700 ㎛에 달한다.

필라멘트 바디(8)는 2개의 권선 층(8a, 8b)으로 이루어진다. 코어 핀(7)의 단부가 방전측에서 필라멘트 바디(8)를 기준으로 돌출된다. 이 때, 이미터 관(9)이 거의 완전히 이미터 재료(10)로 채워진 중심 보어(16)를 형성한다. 상기 재료는 보어(16)의 단부 근처에 오목한 방전측 표면(11)을 갖는다.

도 3은 보어쪽으로 볼록하게 휘어져 곡률 반경(Ri)을 형성하는 내부 칼라 부분(13) 및 상기 관의 외부 측벽(15) 쪽으로 볼록하게 휘어져 "Ri"와 같은 크기의 곡률 반경(Ra)을 갖는 외부 칼라 부분(14)으로 나뉘는 칼라를 형성하는 관 벽(12)을 확대한 도면이다.

이미터 재료의 특정 예로 텅스텐산 외에도 토륨 산화물이 있다.

이미터 관의 상세 치수는 아래와 같다.:

외부 직경 700 ㎛

내부 직경 300 ㎛

홀 깊이 4.5 mm

내부 곡률 반경(Ri) 140 ㎛

외부 곡률 반경(Ra) 140 ㎛

종래의 전극을 가진 램프에 비해 광 수율 차는 100시간 후에도 2.2%이고, 작동 시간에 지남에 따라 계속 증가한다. 방전관 단부의 내측에 형성되는 침전물도 육안으로 비교해봐도 종래의 실시예보다 확실히 더 적다.

도 4는 전극(19)의 또 다른 실시예를 보여주며, 여기서는 이미터 관이 텅스텐 소결체로서 설계된 전극 헤드(20)에 의해 형성된다. 전극 헤드(20)는 고체 텅스텐으로 된 별도의 섕크(shank)(21) 상에 놓여 있다. 이미터 재료는 중심 홀(23) 내에 놓인 펠릿(22)이다. 내부 및 외부 칼라 부분(24, 25)의 곡률 반경은 서로 다른 크기를 갖는다. 예컨대, 내부 곡률 반경은 140 ㎛이고, 외부 곡률 반경은 69 ㎛이다. 이와 같은 고체 전극의 전체 치수는 대략 외부 권선을 가진 코어를 기초로 하는 유사한 전극의 크기에 해당된다.

도 5에 전극의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 여기서는 이미터 관(25)이 헤드로서 설계되어 있다. 그러나 이미터 관(25)이 코어 핀으로 형성될 수도 있다. 도 5a에 도시된 실시예에서는 내부 칼라 부분(26)이 정해진 곡률 반경을 가지며, 외부 칼라의 접선으로서(무한 곡률 반경) 곧게 뻗은 섹션을 통해 외부 칼라 부분(27)에 연결된다. 외부 칼라 부분은 곡률 반경이 0인 에지이다. 도 5b에는 내부 및 외부 칼라 부분(26, 27)이 정해진 곡률 반경을 가지며, 상기 내부 칼라 부분과 외부 칼라 부분 사이에 연결 접선(28)이 존재하는 실시예가 도시되어 있다. 도 5c는 도 5a와 유사한 실시예를 나타낸 도면으로서, 여기서는 뾰족한 단부(29)에 의해 외부 칼라 단부에 높은 전계 강도가 발생한다. 마지막으로 도 5d에는 핀형 칼라를 특징으로 하는 실시예가 도시되어 있다. 여기서는 내부 및 외부 칼라부분(30, 31)의 외부 및 내부 곡률 반경이 서로 다르며, 칼라 부분이 평활하지 않고 뾰족한 단부(32)에서 서로 인접해 있다.

주어진 곡률 반경을 가진 특정한 만곡부의 대안으로, 적어도 아크가 가능한 한 내부 칼라 부분에서보다 외부 칼라 부분에서 더 높은 전계 강도를 발견하는 방식으로 외부 칼라가 형성되어야 한다. 이는 외부 칼라 영역 내에 있는 적절한 첨두부(point)에 의해서도 구현될 수 있다. 그에 반해 내부 칼라 부분 영역의 만곡부에서 발생하는 전계 강도는 가능한 한 적어야 한다. 따라서 내부 칼라 부분의 표면은 최대한 평활해야 하고, 버(burr) 또는 첨두부를 갖지 않아야 한다.

적절한 제조 프로세스로는 스파크 침식법(spark erosion) 또는 전극 침식법(electrode erosion)이 있다. 또 다른 기술로 레이저 애블레이션(laser ablation)이 있다. 일반적으로 외부 칼라 부분의 표면에 의해 발생한 전계 강도가 내부 칼라 부분의 표면에 의해 발생한 전계 강도보다 더 커야 한다는 사실이 적용된다. 그러므로 곡률 반경의 절대값보다는 곡률 반경들 간의 관계가 더 중요하다.

이 점에 있어서, 내부 칼라 부분의 폭은 이미터 관의 벽 두께의 적어도 20%, 일반적으로는 40 내지 60%에 달하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명을 통해 램프의 조기 노후화를 방지하는 전극을 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 고융점(high-melting) 도전 재료로 만들어진 전극으로서, 헤드부(8)를 가진 핀형 섕크(shank)(7)로 형성되고, 방전측 단부 영역에 이미터용 관(9)을 형성하며, 상기 관(9) 내부에는 이미터 재료(10)로 채워진 보어(bore)가 제공되는 전극에 있어서, 상기 관은 그의 방전측 단부면에 칼라를 형성하고, 상기 칼라는 보어쪽으로 볼록하게 휘어진 내부 칼라 부분(13)과 상기 관의 측벽쪽으로 볼록하게 휘어진 외부 칼라 부분(14)으로 이루어지는 전극.
2. 제 1항에 있어서, 상기 볼록한 만곡부들 중 적어도 하나가 정해진 곡률 반경을 갖는 전극.
3. 제 2항에 있어서, 상기 두 만곡부 모두 정해진 곡률 반경을 갖는 전극.
4. 제 3항에 있어서, 상기 내부 칼라 부분의 내부 곡률 반경(Ri)이 외부 칼라 부분의 외부 곡률 반경(Ra)보다 크거나 같은, 즉 Ri ≥Ra인 전극.
5. 제 1항에 있어서, 상기 이미터 재료의 방전측 표면(11)이 오목하게 휘어진 전극.
6. 제 1항에 있어서, 상기 관은 코어 핀(7)으로서 설계된 섕크의 방전측 단부에 의해 형성되는 전극.
7. 제 1항에 있어서, 상기 관은 별도의 전극 헤드부(20)에 의해 형성되는 전극.
8. 제 1항에 있어서, 상기 이미터 관이 텅스텐으로 제조되는 전극.
9. 제 1항에 따른 전극을 가진 램프.