KR20100031692A - 고 강도 방전 램프, 고 강도 방전 램프를 위한 전극 및 전극 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
고 강도 방전 램프는 방전 용기와, 방전 용기 내의 대향 위치에서 서로에 대해 대향하는 실질적으로 평탄한 단부를 갖는 2개의 전극 로드를 포함한다. 와이어의 나선형 코일은 전극 로드 중 적어도 하나의 표면의 적어도 일부분 상에서 감겨진다. 나선형 코일은 대응하는 전극 로드의 단부 위로 돌출하고 그 다음에 램프의 디머블 와트 수 범위를 확장하는 중공 캐비티를 형성한다.
Description
본 출원은 전반적으로 고 강도 방전(high intensity discharge : HID) 램프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 본 발명은 램프의 증대된 디밍(dimming) 특성을 위한 향상된 전극을 포함하는 HID 램프에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 향상된 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
상업적으로 입수 가능한 알려진 HID 램프의 다수는 몇 가지 목적으로 사용되며, 예를 들어, 저 전력 금속 할로겐화물 램프가 실내 조명 애플리케이션을 위해 사용된다. HID 램프는 사전 가열 특징이 없는 전극을 갖는다. 램프는 찬 전극에서 신뢰 가능하게 시작해야 하며, 초기에 뿐 아니라 정상 상태(steady-state) 동작 온도에 도달한 후에 그 수명에 걸쳐 소정의 전기 및 광 특성을 수행해야 한다. 이들 요건은 전극 설계에 있어 상이한 또한 자주 상충하는 조건을 설정한다.
이들 요건에 부가하여, 램프의 광 출력이 일부 감소된 값으로 조정되어야 하거나, 또는 실제의 조건이 램프 전력 및 에너지 소비의 저감을 가능하게 하는 애플 리케이션에서 디밍(dimming)이 큰 장점을 갖는다.
가장 중요한 유형의 HID 램프는 고압 수은, 고압 나트륨, 금속 할로겐화물, 방전 차량, 및 특수한 유형(프로젝션, 스튜디오 등) 램프이다. 연속 모드 디밍은 내부 조명 또는 가능하게는 차량 조명을 위한 HID 램프의 저 와트 수(wattage) 범위에서 특히 중요하다.
종래의 전극 설계는 정상 와트 수의 단지 약 60%만의 디밍 저하를 허용하여, 이들을 특정의 애플리케이션에 대해 사용 불가능하게 만든다.
US 2,887,603 및 US 2,951,171에 개시된 해결책에 따르면, 램프에서 특수한 한 쌍의 전극이 사용된다. 이들 중 하나는 원추형 캐비티에서 티탄 산화물 방출 재료를 포함한다. 다른 하나는 그 손실 레이트를 저감하고 그에 따라 램프의 수명을 증대시키기 위해 방출 재료에 네스트(nest)를 제공하는 코일을 갖는 전극을 개시한다.
테블릿(tablet) 또는 펠렛(pellet) 형태의 방출 재료로서 티탄 산화물을 사용하는 것은 방전 램프의 전극에 관한 US 3,619,699에 나타나 있다. 전극 캐비티 내로의 아크 종단의 침투는 전류 0 이후의 AC 재점화 동안 플라즈마 성분을 캐비티 내로 주입하는 방출 재료의 증기 호흡(vapor breathing)에 의해 지원된다. 이러한 호흡은 고압 저 전류 램프에서 매우 바람직하다. 호흡은 종단 침투 깊이보다 실질적으로 깊지 않은 깊이를 갖는 캐비티에 의해 촉진된다. 캐비티 내의 고온 딥(deep)은 유용하며, 이는, 캐비티 부재의 전방 단부와 이를 둘러싸는 냉각기 방사선 실드(cooler radiation shield) 사이의 증대된 열 결합을 제공하고 또한 캐비 티 부재의 측면과 냉각기 실드 사이에 열적 절연재를 제공함으로써 성취된다. 캐비티의 하측 부분 내의 방출 재료를 배치하는 것은 보다 깊은 종단 침투를 촉진한다. 캐비티 부재 넘어서 방사선 실드를 투사하는 것은 실드 상에서의 스폿 모드 아크 종단의 형성을 촉진하므로 이러한 투사가 방지된다.
이러한 개시 내용은 전극의 선단부 상에서 나선형 부재를 사용하는 힌트를 제시하지만, 나선형 부재는 캐비티를 실제로 형성하지 않는다. 나선형 부재는 방출 재료에 대해 저장소(reservoir)를 만들도록 사용된다. 저장소가 방출 재료로 완전하게 채워지지 않지만, 이러한 재료를 적절하게 보유하는 요소가 캐비티를 완전하게 채운다. 방출 재료 삽입 및 다수의 방출 구성요소로 인해 이러한 전극을 제조하는 것이 또한 복잡하게 된다.
공표된 특허 출원 US 2006/0238127로부터 다른 해결책이 알려져 있으며, 이 특허 출원에서 방전 용기는 한 쌍이 전극에 제공된 제 1 및 제 2 상호 대향하는 돌출부 형상의(neck-shaped) 부분을 가지며 이들의 각각은 그 전체 길이에 걸쳐 관 형상(tubular)이다. 이 문서에서는 로드 및 나선 사이에서 거의 제어 불가능한 열 접촉부와 같은 몇 가지 단점을 갖는 것으로서 이들 로드 및 나선의 결합이 공표되어 있다. 따라서 전극은 중간 부재를 갖는 텅스텐 로드 상에 탑재된 텅스텐 튜브로 제조된다. 작은 직경의 텅스텐 튜브는 매우 고가이며 제조 비용을 더 증가시킬 수 있고, 1 밀리미터 이하의 크기의 전극에서 주로 치수 제어 문제를 수반할 수 있다.
간단하고 비용 효과적인 제조 기술을 필요로 하는 캐비티 전극을 갖는 HID 램프에 대한 필요성이 존재한다.
최근에 출현하는 요건은 HID 램프가 연속적이고 넓은 범위의 와트 수로 디머블(dimmable)해야 한다는 것이다. 특히 적절한 전극 구조에 의해 이러한 요건을 충족하기 위한 또 다른 필요성이 존재한다.
발명의 개요
본 발명의 예시적인 실시예에서, 고 강도 방전 램프는 방전 용기, 방전 용기 내의 대향 위치에서 서로에 대해 대향하는 실질적으로 평탄한 단부를 갖는 2개의 전극 로드를 포함한다. 와이어의 나선형 코일은 전극 로드 중 적어도 하나의 표면의 적어도 일부분 상에서 감겨진다. 나선형 코일은 대응하는 전극 로드의 단부 위로 돌출하고 그 다음에 램프의 디머블 와트 수 범위를 확장하는 중공 캐비티를 형성한다.
본 발명의 제 2 측면의 예시적인 실시예에서, 고 강도 방전 램프를 위한 전극이 제공된다. 전극은 실질적으로 평탄한 단부를 갖는 전극 로드를 포함한다. 와이어의 나선형 코일은 전극 로드의 표면의 적어도 일부분 상에서 감겨지고, 나선형 코일은 전극 로드의 단부 위로 돌출하고 그 다음에 램프의 디머블 와트 수 범위를 확장하는 중공 캐비티를 형성한다.
마지막으로 이러한 전극을 제조하는 방법이 제공되며, 방법은 전극 로드의 표면 상으로 와이어의 적어도 하나의 나선형 코일 층의 권선을 감는 단계를 포함하는 한편, 나선형 코일 층은 전극 로드의 단부 위로 돌출하고 그 다음에 중공 캐비 티를 형성한다.
방법의 예시적인 실시예에서, 실린더, 내측 코어 및 2개의 동심원 링 형상 이동 가능한 피스톤을 포함하는 프레스 몰드 내에 나선형 코일 층 및 그 권선이 함께 가압된다.
본 발명은 종래 기술에 비해 몇 가지 장점을 갖는다. 알려진 HID 램프의 디머블 와트 수 범위에 대해 HID 램프의 디머블 와트 수 범위를 크게 넓힌다. 램프 전극의 유연한 캐비티 형상은 보다 나은 휘도 효율, 보다 잘 정의된 아크 부착 및 이에 상응하여 보다 안정한 램프 동작을 제공한다. 본 발명의 전극 구조는 현재의 제조 기술에 적용된 일부 변형에 의해서만 생성될 수 있어, 저가이고 제조가 용이한 램프를 가능하게 한다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이며 도면에서
도 1은 방전 용기를 포함하는 본 발명의 HID 램프의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이고,
도 2는 도 1의 방전 용기를 도시하는 단면도이며,
도 3은 도 1의 램프 전극의 단부 부분을 도시하는 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 전극의 다른 실시예를 도시하는 단면도이며,
도 5는 전극의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이고,
도 6은 전극의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도이며,
도 7은 전극의 제조 시에 사용된 가압 배치를 개략적으로 도시하는 단면도이고,
도 8은 전극의 제조 시에 사용된 다른 가압 배치를 개략적으로 도시하는 단면도이며,
도 9는 가압 후의 도 7의 배치를 개략적으로 도시하는 단면도이고,
도 10은 알려진 램프 및 본 발명의 램프의 디머블 와트 수 범위를 비교하는 도면이다.
먼저 도 5를 참조하면, 고 강도 방전 램프 또는 HID 램프로서 통상적으로 지칭되는 램프가 도시되어 있다. 램프는 핀치 부분(6) 내의 전기 단자(4)에 리드 인 와이어(5)에 의해 접속되는 방전 용기(2)를 포함하는 외측 엔벨로프(1)를 갖는다. 방전 용기(2)는 2개의 전극(3)을 포함한다. 방전 용기(2)는, 예를 들어, 석영 글래스로 제조될 수 있으나 다른 적절한 재료, 예를 들어, 다결정 알루미늄, 이트륨-알루미늄-가닛, AlN이 또한 사용될 수 있다. 외측 엔벨로프(1)는 용기 내의 방전에 의해 방출된 UV 방사선의 적절한 정도의 필터링을 성취하기 위해 경질의 글래스, 석영 글래스, 또는 그 도핑된 변형으로 제조될 수 있다.
방전 용기(2)는 도 2에 도시되어 있다. 이는 HID 램프에서 널리 사용되는 임의의 알려진 물질, 예를 들어, 희귀 가스, 나트륨, 금속 할로겐화물, 수은, 또는 수은을 대체하는 물질(예를 들어, ZnI2, AlI3)로 채워질 수 있다. 2개의 전극(3)은 방전 용기 내의 대향 위치에서 서로 대향하는 자유 단부를 갖는다. 배치는 다른 HID 램프에 대해 통상적으로 사용된다.
도 3은 도 1의 램프의 전극(7) 중 하나의 단부 부분을 도시한다. 도 3에서, 텅스텐 또는 텅스텐 합금의 전극 로드(9)가 존재한다. 후자는, 예를 들어, 토륨, 하프늄 및 세륨을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속의 특정 산화물의 1-3% 중량을 포함할 수 있다. 방전 램프 전극에 대해 이러한 유형의 재료가 통상적으로 사용된다. 텅스텐 또는 텅스텐 합금 와이어의 나선형 코일(10)은 전극 로드(9)의 적어도 하나의 표면 일부분 상에 감겨진다. 텅스텐 합금 와이어는 전극 로드(9)의 재료와 동일한 추가 재료를 포함할 수 있다. 감겨진 와이어를 갖는 표면의 일부분은 전극 로드(9)의 자유 단부 근처에 있으며 여기서 방전 공간을 향해 실질적으로 평탄한 단부(16)에서 종단된다. 나선형 코일(10)은 전극 로드(9)의 단부(16) 위로 돌출하고 있다. 따라서 중공 캐비티(11)는 HID 램프의 확장된 디머블 와트 수 범위를 획득하기 위해 형성된다.
도 4는 다른 대안적인 종류의 중공 전극의 단부 부분을 도시한다. 이것은 도 3에 도시된 버전과 매우 유사하며 차이는 나선형 코일(10)이 2개의 층을 포함한다는 것이다. 제 1 층(17)은 도 3의 실시예에서와 같이 동일한 방식으로 전극 로드(9) 상에서 감겨진다. 그러나, 외측 제 2 층(18)은 제 1 층(17) 상으로 직접 감겨진다. 2개의 층(17 및 18)은 모두 동일한 시점에서 전극 열 질량에 대해 보다 나은 설계 유연성을 제공하고 이와 동시에 보다 나은 기계적인 안정성을 제공한다. 이 실시예에서 중공 캐비티(11)가 또한 형성되며 원하는 동작 특징을 보장한다.
이러한 최종 2개 층 유형의 전극 중공의 2개의 변형된 실시예가 도 5 및 도 6에 예시되어 있다.
도 5에서, 제 2 층(18)은 제 1 층(17)에 대한 전극의 자유 단부를 향해 쉬프트된다. 이것은 깔때기 형상의(funnel-shaped) 넓혀진 스롯트(throat) 부분을 갖는 캐비티(11)의 상이한 형상을 초래한다. 이러한 형상에 의해 또한 획득 가능한 확장된 디머블 범위를 현저하게 촉진하는 것을 경험적으로 알게 되었다. 캐비티(11)의 깔때기 형상의 넓혀진 스롯트 부분은 실제로 길이 L1의 내측 부분 및 넓혀진 외측 부분을 포함한다. 스롯트 부분에서 넓어지는 치수는 예시된 실시예에서 제 1 층(17)의 와이어의 반경 r2에 의해 결정된다. 이 경우에 넓어지는 치수는 2개의 코일의 와이어의 직경이 동일하므로 r2의 4배이다. 그러나 넓어지는 치수는 제 2 층(18)의 후속의 코일 권선을 증가시킬 수 있는 한편 전극 로드(9)의 단부(16)로부터 멀리 이동할 수 있다. 이것은 원뿔 깔때기 형상의 넓혀진 스롯트 부분을 초래한다. 이러한 가능한 실시예는 별도의 도면으로 도시되어 있지 않다.
제 2 층(18)의 와이어의 반경 r3은 제 1 층(17)의 와이어의 반경 r2와 실질적으로 동일할 수도 있고 또는 상이할 수도 있다. 크기에 대한 통상적인 실행 규칙으로서, 나선형 코일의 와이어의 반경 r2 및 r3은 실린더 형상의 대응하는 전극 로드(9)의 반경 r1의 3/5보다 작다. 이러한 규칙은 최신 제조 기술의 제약으로부터 발생한다.
도 6은 제 3 층(19)으로 완성된 도 5의 버전을 도시한다. 이 경우에 제 2 층(18)은 제 1 층(17)보다 긴 길이를 갖는 대응하는 전극 로드의 단부(16) 위로 또한 돌출하고 있다. 제 3 층(19)은 제 1 및 제 2 층(17 및 18) 사이에서 감겨지는 텅스텐 또는 텅스텐 합금 와이어로 이루어지며, 제 3 층의 와이어의 반경은 제 1 및 제 2 층(17 및 18)의 와이어의 반경보다 적다. 반경은, 예를 들어, 기하 구조에 의해, 즉, 반경 r2 및 r3에 의해 최적화될 수 있다. 이러한 배치로 인해, 나선형 코일(10)의 와이어들 사이의 공간을 채우는 것은 이전의 실시예에서보다 더 나을 수 있다. 제 3 층(19)은 제 2 층(18)과 중첩하는 부분에 대해서만이 아니라 제 1 층(17)의 전체 외측면으로 확장될 수 있다. 방출 재료는 합금 형태의 전극 로드 또는 나선형 코일의 재료에 이를 부가하는 것 이외의 코일 권선들 사이에 또한 배치될 수 있다.
제조 과정에서, 텅스텐 또는 텅스텐 합금 와이어의 적어도 하나의 나선형 코일 층의 권선을 감는 단계가 구현되는 한편 그 결과에 따른 나선형 코일 층은 전극 로드(9)의 단부(16) 위로 돌출하고 그 다음에 중공 캐비티(11)가 형성될 것이다.
전극(7)의 단부 부분은 나선형 코일(10)로 이루어진다. 이것은 코일의 이웃하는 권선들 사이의 전기적 및 기계적 접촉이 때때로 불충분할 수 있다는 것을 의미한다. 접촉의 품질을 증대시키기 위해, 나선형 코일 층 및 그 권선은 제조 동안 함께 가압될 수 있다. 도 7은 이를 위해 사용된 가압 배치를 개략적으로 도시한다. 실린더(13)는 가압 동안 지지부를 제공하도록 제 2 층(18)의 외측 직경과 실질적으로 동일한 내측 직경을 갖는다. 동일한 이유로, 내측 코어(14)가 캐비 티(11) 내로 밀어 넣어진다. 내측 코어(14)는 제 1 층(17)의 내측 지지부를 제공한다. 제 1 및 제 2 층(17 및 18)이 대응하는 전극 로드(9)의 단부(16) 위로 동일한 길이를 제공하는 경우, 필요한 가압 요소는 단지 내측 코어(14) 근처에 배치된 링 형상 피스톤(15)이다. 링 형상 피스톤(15)은 내측 코어(14)를 따라 이동 가능하다. 피스톤(15)에 힘 F1을 인가하면, 나선형 코일(10)의 권선은 도 9에 도시된 바와 같이, 어느 정도만큼 변형될 수 있다. 이 결과는 보다 밀집한 전극 단부 부분 구조이며, 이는 램프의 동작 동안의 방전에 대해 보다 많은 내성을 갖는다.
도 5의 층 구조는 도 9에 도시된 바와 같이 상이한 가압 툴을 필요로 한다. 돌출 길이 L1 및 L2가 상이하므로, 내측 코어(14) 근처의 2개의 동심원상의 링 형상 부분(15' 및 15")이 적합하다. 대응하는 F1 및 F2는 각각, 서로에 대해 독립적인 방식으로 인가된다.
도 10의 도면에서, 캐비티(11)를 갖지 않는 알려진 HID 램프(D1) 및 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 캐비티(11)를 갖는 HID 램프(D2)의 디머블 와트 수 범위가 비교된다. 2개의 HID 램프는 동일한 공칭 와트 값을 갖는다. D1의 경우보다 D2의 경우에서 상당히 낮은 값으로부터 디머블 와트 수 범위가 시작한다는 것을 알 수 있다. 또한, lm/W 효율은 D2에 대해 효율이 더 우수하다. 램프의 확장된 디머블 와트 수 범위는 공칭 와트 수의 적어도 10-100%를 포함한다. 5-100% 전체 범위의 공칭 전력에서 안정한 동작을 획득하는 것이 통상 가능하며, 이는 1-100%의 공칭 램프 루멘 출력에 있어 디밍 성능을 초래한다.
도 2의 2개의 전극은 본 발명의 실시예에 따른 두 종류이다. 그러나, 중공 캐비티를 갖지 않는 하나의 통상적인 전극 및 본 발명의 실시예에 따른 하나의 전극을 사용하는 것이 가능하다.
본 발명은 도시되고 기술된 실시예로 제한되지 않으며 본 발명의 범위 내에서 다른 요소, 개선 및 변형이 또한 가능하다. 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 위해, 에를 들어, 다각형 단면과 같이, 전극 로드의 각종 단면 형상이 또한 적용 가능하다는 것이 명백할 것이다.
Claims (21)
- 고 강도 방전 램프로서,방전 용기와,상기 방전 용기 내의 대향 위치에서 서로에 대해 대향하는 실질적으로 평탄한 단부를 갖는 2개의 전극 로드와,상기 전극 로드 중 적어도 하나의 표면의 적어도 일부분 상에서 감겨지는 와이어의 나선형 코일을 포함하며,상기 나선형 코일은 대응하는 전극 로드의 상기 단부 위로 돌출하여 상기 램프의 디머블 와트 수 범위(dimmable wattage range)를 확장하는 중공 캐비티(hollow cavity)를 형성하는고 강도 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서,두 전극 로드에는, 상기 대응하는 전극 로드의 상기 단부 위로 돌출하고 그 다음에 중공 캐비티를 형성하는 나선형 코일이 제공되는고 강도 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서,상기 나선형 코일은 적어도 2개의 층인 내측 제 1 측과 외측 제 2 층에서 상기 대응하는 전극 로드 상에서 감겨지는고 강도 방전 램프.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 층과 상기 제 2 층은 상기 대응하는 전극 로드의 상기 단부 위에서 동일한 길이로 돌출하는고 강도 방전 램프.
- 제 3 항에 있어서,상기 외측 제 2 층은 상기 대응하는 전극 로드의 상기 단부 위에서 상기 제 1 층보다 긴 길이로 돌출하는고 강도 방전 램프.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 와이어의 제 3 층이 감겨지고, 상기 제 3 층의 상기 와이어의 반경은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 반경보다 작은고 강도 방전 램프.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 층과 상기 제 2 층의 상기 와이어의 반경은 실질적으로 동일한고 강도 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극 로드는 원통형 형상으로 되어 있는고 강도 방전 램프.
- 제 8 항에 있어서,상기 나선형 코일의 상기 와이어의 상기 반경은 상기 대응하는 전극 로드의 상기 반경의 3/5보다 작은고 강도 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서,상기 램프의 상기 확장된 디머블 와트 수 범위는 정상 와트 수의 적어도 10-100%를 포함하는고 강도 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서,방출 재료(emission material)는 상기 나선형 코일의 권선들 간의 공간에 인가되는고 강도 방전 램프.
- 고 강도 방전 램프를 위한 전극으로서,실질적으로 평탄한 단부를 갖는 전극 로드와,상기 전극 로드의 표면의 적어도 일부분 상에서 감겨지는 와이어의 나선형 코일을 포함하며,상기 나선형 코일은 상기 전극 로드의 상기 단부 위로 돌출하고 그 다음에 램프의 디머블 와트 수 범위를 확장하는 중공 캐비티를 형성하는고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 제 12 항에 있어서,상기 전극 로드는 텅스텐으로 이루어지는고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 제 12 항에 있어서,상기 전극 로드는 텅스텐 합금으로 이루어지는고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 제 14 항에 있어서,상기 전극 로드의 재료는 토륨, 하프늄 및 세륨을 포함하는 금속 중 적어도 하나의 산화물의 1-3% 중량을 포함하는 텅스텐 합금인고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 제 12 항에 있어서,상기 나선형 코일은 텅스텐으로 이루어지는고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 제 12 항에 있어서,상기 나선형 코일은 텅스텐 합금으로 이루어지는고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 제 17 항에 있어서,상기 나선형 코일의 재료는 토륨, 하프늄 및 세륨을 포함하는 금속 중 적어도 하나의 산화물의 1-3% 중량을 포함하는 텅스텐 합금인고 강도 방전 램프를 위한 전극.
- 청구항 제 12 항의 전극을 제조하는 방법으로서,전극 로드의 표면 상으로 와이어의 적어도 하나의 나선형 코일 층의 권선을 감는 단계를 포함하며,상기 나선형 코일 층은 상기 전극 로드의 상기 단부 위로 돌출하고 그 다음에 중공 캐비티를 형성하는전극 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서,실린더, 내측 코어 및 링 형상 이동 가능한 피스톤을 포함하는 프레스 몰드(press mould) 내에 상기 나선형 코일 층 및 그 권선을 함께 가압하는 단계를 더 포함하는전극 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서,실린더, 내측 코어 및 2개의 동심원 링 형상 이동 가능한 피스톤을 포함하는 프레스 몰드 내에 상기 나선형 코일 층 및 그 권선을 함께 가압하는 단계를 더 포함하는전극 제조 방법.
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