KR20060013395A - 반사기 및 냉각 장치를 구비한 고압 방전 램프 - Google Patents

Abstract

반사기(2) 및 냉각 장치를 구비한 고압 방전 램프가 설명되는데, 상기 냉각 장치는 냉각 가스 흐름(8)을 방전관(3)의 전극 관통부 상으로 인도하는 적어도 한 쌍의 노즐(7)을 포함한다.

고압 방전 램프, 냉각 장치, 방전관, 노즐

Description

반사기 및 냉각 장치를 구비한 고압 방전 램프{HIGH-PRESSURE DISCHARGE LAMP WITH REFLECTOR AND COOLING DEVICE}

본 발명은 프로젝션 장치에서의 사용에 적합한, 반사기 및 냉각 장치를 구비한 콤팩트 고압 방전 램프(compact high-pressure discharge lamp)에 관한 것이다.

고압 가스 방전 램프(HID[high intensity discharge] lamp) 및 특히 UHP(ultra high performance) 램프는 우수한 광학 특성 때문에, 특히 프로젝션 용도로의 사용이 선호되고 있다.

이러한 응용을 위해서는 광원이 가능한 한 점 모양(point-shaped)일 것이 요구되는데, 이는 전극 팁 사이에서 생성되는 발광 방전이 대략 0.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜ 길이를 초과하지 않아야 하기 때문이다. 나아가, 광선의 스펙트럼 구성이 가능한 자연스러우면서, 발광 강도는 가능한 높은 것이 바람직하다.

이러한 특성들은 UHP 램프에서 최적으로 획득될 수 있다. 그러나 이러한 램프들의 개발에 있어서, 두 가지 필수적 요구 사항이 동시에 만족되어야 한다.

한편으로, 방전관의 최고 온도는 불투명화(devitrification)가 발생할 정도로 너무 높아서는 안 된다. 이는 특히 램프의 상단부에 대하여 그러한데, 램프의 방전관 내부의 강한 대류(convection)는 항상 방전 아크(discharge arc)의 위쪽을 특히 강하게 가열하기 때문이다.

다른 한편으로, 방전관(연소기 공간)의 내부 표면에서 가장 차가운 지점은, 수은이 증착(deposit)하지 않고 충분한 총량의 증기 상태로 남도록 여전히 높은 온도여야만 한다.

이렇게 상반되는 두 가지 요구 사항은 최고 온도와 최저 온도(일반적으로 방전관의 상단 및 하단 내부 측) 간의 최대 허용 차이를 비교적 작게 하는 결과를 낳는다. 그러나 내부 대류는 방전관의 위쪽을 주로 가열하며, 이 부분의 온도는 램프 전구의 적절한 모양을 통하여 좁은 한계 내에서만 감소될 수 있으며, 그 결과 최대 차이 내에서 유지하는 것은 비교적 어려우며, 램프의 전력 증가에는 좁은 한계가 부과된다.

마지막으로, 상기 요구 사항들은 또한 램프의 광선 출력(light output)을 약하게 하는 경우에 문제를 나타내는데, 이는 대부분의 경우에 있어서 냉각 저하 및 가스 액화로 이어져, 생성된 광선의 스펙트럼 및 광도 특성을 악화시키기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은, 프로젝터에서의 사용에 특히 적합한 스펙트럼 및 광도 특성을 갖는, 프로젝션 용도의 고압 방전 램프를 제공하는 것이다.

일반적으로 100 W 이상의 전력에서 동작하는, 프로젝터에 적합한 UHP 램프가 US 특허 5,109,181로부터 공지되어 있다. 여기서는 방전관 및 텅스텐 전극 모두가 매우 강하게 가열된다. 이와 관련된 석영의 재결정화 위험을 피하기 위하여, 독일 특허출원 DE-OS 101 00 724.8은 램프의 증가된 전력에서도 실질적으로 충전 가스의 액화 및 램프 전구의 불투명화를 막는 냉각 장치를 구비한 고압 가스 방전 램프를 제안한다. 이 경우에 있어서, 일반적으로 석영 연소기(quartz burner)의 상단부에서 발견되는 방전관의 가장 뜨거운 부분은 더욱 강하게 냉각되고, 반면에 방전관의 하단부로 더 차가운 부분은 필수적으로 냉각되지 않는데, 이는 그렇지 않으면 램프의 수은 증기 압력이 낮아질 것이기 때문이다. 높은 수은 증기 압력은 고전력 UHP 램프에 있어서 필수적인 전제 조건 중 하나이다.

도 1은 UHP 램프의 구성 원리를 도시한다. 수은 및 첨가물의 충전, 그리고 두 개의 텅스텐 전극(5) - 램프 작동시 이들 사이에 방전 아크(discharge arc)가 형성됨 - 이 방전관(3)의 내부 공간(4)에 존재한다. 효율적인 램프 작동을 위하여 램프 내부 공간(4)의 가스 압력이 높아야 할 필요가 있는 경우에는, 램프의 내부 공간(4)은 주변에 대하여 가스가 새지 않는 방식으로 밀폐되어야 한다. 이러한 목적으로, 전기적 도전성 몰리브덴 박막(10)이 방전관(4)의 석영 내에 퓨징(fusing)되거나 핀칭(pinching)된다. 전극들(5)은 몰리브덴 박막(10)으로 연결된다. 램프의 전기 공급은 외부 도선(external lead; 11)을 통하여 이루어진다. 텅스텐 전극들은 전극 관통부(electrode lead-throughs; 6) 영역의 방전관(3)의 석영과 직접 접촉한다.

나아가 독일 특허출원 102 31 258.3은, 고압 가스 방전 램프에 특히 적합한 냉각 장치를 구비한 방전 램프를 제안한다. 냉각 공기의 도입을 위해 제공된 노즐들의 특별한 배열은, 석영 유리의 손상은 발생하지 않으면서 동시에 충분히 긴 램프 수명을 보장하는 정도까지, 방전관의 온도를 감소시킬 수 있게 한다. 노즐의 크기 및 위치는, 광선 경로의 차단으로 인한 광선 손실이 가능한 한 방지되도록 선택된다. 이러한 냉각 시스템은, 300 W가 넘는 전력으로, 그리고 200 bar가 넘는 수은 증기 압력에서 방전 램프를 작동시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 램프는, 전자 광선 이미지 디스플레이와 같은, 광속(luminous flux)에 부과되는 높은 요구 사항들을 구비한 현대 프로젝션 응용에 있어서, 충분한 양의 광선을 공급한다.

방전관의 석영 재결정화 문제는 설명된 램프에서 제안된 냉각 장치로 해결될 수 있을지라도, 해결되지 않은 다른 문제가 남는다. 즉, 뜨거운 플라즈마 아크의 높은 온도로부터 문제가 발생하는데, 이는 8000 K 넘게 상승할 수 있으며, 이러한 높은 온도에서는 텅스텐 전극들이 너무 강하게 가열되어 타버리는(burn off) 비율이 증가하며, 이에 의해 방전 아크의 총 달성가능 발광 효능은 감소한다. 방전 램프의 단축된 수명은 바람직하지 않은 결과이다.

상기 단점들을 극복하기 위하여, 본 발명에 따른 고압 방전 램프를 위한 새로운 냉각 장치가 개발되었다. 여기서 냉각 장치는 방전관(3)의 전극 관통부(6)를 향하여 냉각 가스 흐름(8)을 인도하는 적어도 한 쌍의 노즐(7)을 포함한다. 방전관(3)의 이러한 영역들을 통한 전극의 외부 냉각은, 전극과 외부 공간 사이에 매우 양호한 연결이 존재하기 때문에, 특히 효율적이다.

램프 본체 내부에 높은 수은 증기 압력이 가능하도록, 램프 본체는 전극 관통부(6)에서 가스가 새지 않는 방식으로 밀폐된다. 그에 따라, 뜨거운 텅스텐 전극과 주변 석영 본체 사이에는 밀접한 접촉이 이루어진다. 그러므로, 전극의 효율적인 냉각이 달성가능하며, 본 발명에 따른 냉각 장치로 전극 관통부 및 전극의 온도를 상당량 감소시킬 수 있어, 전극뿐만 아니라 석영 본체의 사용 가능 수명도 연장된다.

본 발명은 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 UHP 램프의 구성 원리를 도시하는 도면.

도 2는 독일 특허출원 102 31 258.3의 선행 기술에 따른 고압 방전 램프를 위한 냉각 장치를 도시하는 도면.

도 3은 고압 방전 램프를 위한 본 발명에 따른 냉각 장치를 도시하는 도면.

도 4는 하나 이상의 노즐이 반사기의 앞에 배열된, 본 발명에 따른 냉각 장치를 도시하는 도면.

도 5는 하나 이상의 노즐이 반사기의 목 부분에 배열된, 본 발명에 따른 냉각 장치를 도시하는 도면.

도 6은 전극이 두 개의 슬리브 부분에 의해 둘러싸여 있고, 냉각 가스 흐름이 상호 반대 방향으로부터 슬리브 부분 안으로 관통할 수 있는, 본 발명에 따른 냉각 시스템을 도시하는 도면.

도 7은 반사기 개구를 향하는 슬리브-타입 냉각 노즐에 대한 가스 공급을 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 방전 램프 2: 반사기

3: 방전관 4: 방전관의 내부 공간

5: 전극 6: 전극 관통부

7: 노즐 8: 공기 흐름

9: 슬리브 섹션 10: 몰리브덴 박막

11: 외부 전류 도선

도 2는 독일 특허출원 102 31 258.3에서 제안된 바와 같은 방전 램프를 위한 냉각 장치를 도시한다. 이 냉각 시스템은 이미 전력, 효율 및 발광 효능이 상당히 강화될 수 있는 방전 램프(1)를 제공하며, 동시에 방전 램프 수명의 상당한 연장이 이미 달성되어 있다. 여기서, 가스 흐름(8)은 방전관(3)을 향하며, 적어도 하나의 노즐(7)은 램프 또는 반사기(2)에 의해 생성되는 복사 경로 내로 돌출하지 않도록 배열된다. 이러한 램프의 발광 효능과 복사 특성은, 제공된 냉각 장치에 의해 악영향을 받지 않는다.

이에 대해, 본 발명에 따르면, 도 3은, 단지 하나의 노즐이 아닌, 적어도 한 쌍의 노즐(7)이 사용되고, 냉각 가스 흐름(8)을 방전관(3)의 가장 뜨거운 부분이 아닌, 전극의 전극 관통부(6)에 대하여 인도하고 있는 것을 도시한다. 이러한 목적으로, 노즐 쌍(7)의 두 개의 노즐은 상호 거리가 1 ㎝보다 작게 반사기(2)를 관통한다. 독일 특허출원 102 31 258.3에 개시된 냉각 시스템과 마찬가지로, 본 발명에 따른 냉각 장치도, 복사 경로의 차단에 의한 광선 손실을 방지한다. 또한, 두 개의 노즐(7)로부터의 두 개의 가스 흐름(8)의 중첩은, 방전관(3)의 전극 관통 부(6)의 상단부를 특히 효과적인 방식으로 냉각시키는 강력한 가스 흐름을 생성할 수 있다.

이러한 냉각 장치는 텅스텐 전극(5)의 예상 수명을 상당히 연장하고, 전극 온도를 상당히 감소시킬 수 있다.

본 발명의 특정 실시예는 수개의 노즐 쌍(7)이 반사기(2)에 포함되는 경우 달성되는데, 특히 방전관(3)의 전극 관통부의 뜨거운 상단부는 항상 더 강하게 냉각된다. 예컨대, 이는 수개의 작동 방향(예컨대, 스탠드 및 실링 마운팅)을 위하여 설계된 프로젝션 시스템에서 방전 램프가 사용되는 경우에 유용하다.

방전 램프의 고온 부하를 고르게 제어하기 위하여, 그리고 하이 피크 부하(high peak load)를 피하기 위하여, 독일 특허출원 021 02 727.1은 전류 강도, 램프 전력, 압력 및/또는 냉각 가스의 흐름과 같은 특정 작동 파라미터들이 자동으로 제어되는 방전 램프를 제안한다. 이러한 목적을 위하여, 그리고 적어도 방전 램프의 스위치-온 또는 스위치-오프 단계 동안 램프 구동기 및/또는 냉각 장치를 제어하고, 하나 이상의 작동 파라미터가 주어진 범위로부터 벗어나지 않는 것을 보장하기 위하여, 제어부가 사용된다. 이러한 작동 파라미터의 제어는 본 발명에 따른 고압 방전 램프에도 또한 매우 유익하게 사용될 수 있다.

그러나 본 발명의 목적, 즉 방전관의 전극 관통부로 냉각 가스 흐름을 인도하는 것은, 램프(1)에 대한 노즐(7)의 다른 배열을 통하여 달성될 수도 있음은 명백하다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같은 노즐 배열을 선택하는 것이 유리할 수 있다. 여기서 하나의 노즐(7)이 반사기(2)의 앞에 배열되어 있으며, 따라서 광선 경로를 방해하지 않는다. 다른 노즐(7)은 반사기 목 부분(reflector neck)의 근처에 배열되어 있으며, 이로 인하여 반사기(2)의 광출력(optical power)도 손상되지 않는다. 방전관(3)의 전극 관통부의 효과적인 냉각은 이러한 특수 배열로도 달성될 수 있다.

노즐의 다른 유리한 배열은, 도 5에 도시된 바와 같이, 노즐들 중 하나(7)가 반사기 목 부분에 직접 삽입되는 경우이다. 이 경우에 있어서, 노즐(7)의 모양은 가스 흐름(8)이 방전관(3)의 전극 관통부(6)에 도달하도록 변형되어야 한다.

노즐(7)은, 설명된 실시예들 각각에 있어서 대략 0.5 ㎜ 내지 2 ㎜ 직경을 가져야 하며, 노즐 내에서 수백 mbar인 가스 압력을 생성할 수 있는 가스 압력 소스에 연결되어야 한다.

본 발명에 따른 방전 램프의 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 여기서 방전관(3)의 전극 관통부를 냉각하는 두 개의 노즐은 방전관(3)을 둘러싸는 슬리브 섹션(sleeve sections; 9)으로서 구성된다. 냉각 가스(8)는 이러한 슬리브 섹션(9)의 한쪽 끝에서 불어와, 방전관(3)의 모든 측면을 둘러싸게 된다. 그러나 특히 뜨거워지는 전극 관통부(6)의 부분들을 따라 통과하는 공기 흐름이, 전극 관통부의 하단부를 따라 통과하는 공기보다 더 강하도록, 슬리브 섹션(9) 내부에 방전관(3)의 축이 배치된다면 특히 유익하다. 이는 방전관(3)이 슬리브 부분(9) 내 중심에 배열되기보다는, 아래로 이동됨으로써 달성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전극 관통부의 상단부는 특히 강한 냉각 공기 흐름에 의해 덮일 수 있다. 슬리브 부분(9)은 전극 관통부 영역의 방전관의 직경보다 0.5 ㎜ 내지 4 ㎜ 더 큰 직경을 가져야 한다. 마찬가지로, 슬리브-타입 노즐은 노즐 내에서 수백 mbar인 가스 압력을 생성할 수 있는 가스 압력 소스에 연결되어야 한다.

도 7은 슬리브-타입 노즐 모양의 경우에 있어, 반사기 개구를 향해 있는 전극을 냉각시키는 기능을 하는 노즐에 대해, 가스 공급이 어떻게 실현될 수 있는지를 도시한다. 여기서, 가스 공급이 너무 강하여 램프에 의해 복사되는 광선에 그림자 효과(shadow effect)를 미치지 않도록 주의해야 한다. 이는, 예컨대 가스 공급의 단면적을 작게 유지함으로써 달성될 수 있다. 가스 공급을 위한 투명 물질의 사용 또한 생각해볼 수 있으나, 이 경우에는 가능한 광학(렌즈) 효과를 고려하여야 한다.

상기 설명된 실시예에서 본 발명에 따른 고압 방전 램프는, 국제 특허출원 WO 00/60643에서의 DC 방전 램프와 관련하여 설명된 공지의 냉각 시스템과는 분명하게 상이하다. 이 국제 특허출원은 수직으로 배치된 DC 방전 램프의 방전관을 냉각하는 슬리브-타입 노즐을 설명한다. 거기서는 단독 노즐이 방전 램프의 한쪽 끝에 제공된다. 그 배열의 목적은 단지 방전관의 냉각을 달성하기 위한 것이다. 양극 및 음극의 특수 구성은 전극 상의 가열 부하를 감소시기기 위하여 제공된다. 이러한 전극 구성은 DC 방전 램프에 있어서 통상적인 것인데, 이로 인해 전극을 위한 특수 냉각 배열을 피할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 방전 램프는 교류 상에서 작동되나, 양극 및 음극의 특수 구성은 가능하지 않다. 대신에, 본 발명에 따른 방전 램프에서는 전극이 둘 다 직접 냉각된다. 상술한 실시예에서와 같이, 두 개의 상호 유사한, 슬리브-타입 노즐이 이에 적합하다. 양극 및 음극은 여기서 동일한 구성을 가질 수 있다. 따라서, 국제 특허출원 WO 00/60643의 배열과 본 발명에 따른 방전 램프의 결정적인 차이는, 본 발명에 따르면 고압 방전 램프의 AC 작동을 사용하는 것이 가능하다는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면 고압 방전 램프의 전극에 이용 가능한 특히 효과적인 냉각 시스템이 만들어지며, 이로 인해 이러한 램프의 전력 및 사용 수명이 상당히 개선된다.

Claims (10)

1. 반사기 및 냉각 장치를 구비한 고압 방전 램프로서,

   상기 냉각 장치는, 방전관(3)의 전극 관통부(electrode lead-throughs; 6) 상에 냉각 가스 흐름(8)을 인도하는 적어도 한 쌍의 노즐(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
2. 제1항에 있어서,

   상기 노즐 쌍은, 2 ㎝보다 작은 상호 거리에서, 상기 반사기(2)를 관통하는 두 개의 노즐(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
3. 제1항에 있어서,

   하나 이상의 노즐(7)이 상기 반사기(2)의 앞에 배열되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
4. 제1항에 있어서,

   하나 이상의 노즐(7)이 상기 반사기 목 부분(reflector neck)에 배열되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
5. 제1항에 있어서,

   상기 방전관(3)은 두 개의 슬리브 섹션(sleeve sections; 9)에 의해 둘러싸이며, 냉각 가스 흐름(8)이 상호 반대 방향으로부터 상기 슬리브 섹션 내로 도입될 수 있는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
6. 제5항에 있어서,

   상기 슬리브 섹션(9)은, 상기 전극 관통부(6)의 영역에서 상기 방전관의 직경보다 0.5 ㎜ 내지 4 ㎜ 큰 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각력(cooling power)은, 주어진 작동 파라미터들을 준수하도록, 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 노즐은 대략 0.5 ㎜ 내지 2 ㎜의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 노즐 내에서 수백 mbar인 가스 압력을 생성할 수 있는 가스 압력 소스에 연결되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서의 고압 방전 램프를 구비한 프로젝션 시스템.

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