KR20130098893A - 방전 램프용 세라믹 아크 튜브 및 제조 방법 - Google Patents

방전 램프용 세라믹 아크 튜브 및 제조 방법 Download PDF

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아고스톤 보로츠키
이스트반 크잔이
크리스토퍼 이 오말리
아틸라 아고드
벤카타 수바이아 체남쉐티
샨무감 벤카타찰람 라비
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

고휘도 방전 램프 및 그 제작 방법은 세라믹 아크 튜브(50)를 갖고, 상기 세라믹 아크 튜브(50)는 튜브의 대향 단부와 함게 방전 챔버를 형성하며, 각각의 대향 단부는 방전 챔버 내로 연장되는 전극(52, 54)을 수용한다. 아크 튜브의 각각의 대향 단부로부터 열 차폐부(70, 74)가 연장되고, 열 차폐부는 튜브와 함께 반경 방향 갭(GR)을 형성한다. 열 차폐부는 그 사이에 축방향 갭(X3)을 형성하고, 일부 실시예에서, 아크 튜브 내에서 단부 플러그(72, 76)로부터 연장되며, 다른 실시예에서, 함께 결합되고 접합되는 아크 튜브 절반 섹션 내에 일체형으로 형성된다.

Description

방전 램프용 세라믹 아크 튜브 및 제조 방법{CERAMIC ARC TUBE FOR A DISCHARGE LAMP AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명은 세라믹 금속 핼라이드 방전 램프 또는 고압 소듐 방전 램프와 같은, 고휘도 방전(HID) 램프용 세라믹 방전 아크 튜브와, 이러한 램프용의 세라믹 방전 아크 튜브의 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹 금속 핼라이드 방전 램프와 같은 방전 램프는, 금속 핼라이드 및 수은의 혼합물과 같은 충전재를, 또는, 수은 함유 램프에서 수은과 같은 버퍼/전압 상승 물질로 수은없는 방전 램프에서 그 대안을 이온화함으로써 광을 생성하며, 2개의 전극 사이를 통과하는 전기 아크는 충전재의 이온화로 인해 방전 플라즈마를 형성한다. 전극 및 충전재는 여기된 충전 물질의 존재를 유지하면서 방출된 광이 통과할 수 있게 하는 반투명 또는 투명 방전 챔버 내에서 밀봉된다. "도즈"(dose)라고도 알려져 있는 충전재는 전기 아크에 의해 여기됨에 따라 "광"이라 불리는 요망 스펙트럼 에너지 분포의 가시 전자기 복사를 방출한다.
고휘도 방전 램프의 아크 튜브는, 연화된 상태로 가열된 후 요망 방전 챔버 기하 구조로 성형되는 "석영 유리"(quartz glass)로 불리는 용융 실리카(fused silica)와 같은 물질로부터 형성될 수 있다. 그러나, 용융 실리카는 높은 동작 온도에서 열역학적으로 불안정한 구조적 성질과, 그 반응 화학 물질로부터 발생하는 소정의 단점들을 갖는다. 예를 들어, 약 950℃ 내지 1000℃보다 높은 온도에서, 핼라이드 충전재는 석영 유리와 반응하여 실리케이트 및 실리케이트 핼라이드를 생성하고, 따라서, 충전재 구성물의 유효 양을 감소시킨다. 고온에서는 석영이 석영 유리를 통해 침투할 수 있다. 이러한 충전재 고갈 현상은 시간에 따라 색상 변화를 야기할 수 있고, 이는 램프의 유효 수명을 감소시킨다. 추가적으로, 고온에서는 비정질 상태로부터 결정질 상태로 용융 실리카의 변태가 또한 이루어져서("재결정화"), 방전 챔버 벽체의 기계적 강도 및 광학적 투과율을 감소시킨다.
세라믹 방전 아크 튜브는 충전 물질과 방전 챔버 벽체의 반응을 현저히 감소시키면서, 개선된 색상 제어, 색상 렌더링, 및 발광 성질을 위해 비교적 높은 온도에서 작동하도록 개발되었다. 예를 들어, 반투명 다결정 알루미나 소결체를 이용하는 것이 알려져 있고, 상기 소결체는 가시광 파장을 통과할 수 있게 하고, 고압 소듐 및 세라믹 금속 핼라이드 방전 램프를 위한 아크 튜브로 이용하기 위해 유용하게 소결체를 제조한다.
예를 들어 자동차 헤드램프 응용예에서와 같이, 세라믹 아크 튜브 방전 램프가 수평 배치로 이용되는 소정의 응용예에서, 광을 생성하기 위한 플라즈마를 생성하는 전극들 사이의 아크는 아크 튜브의 상측 벽체 표면 상에 과도한 온도를 야기하는 상향 아치 프로파일로 구성된다. 이와 같이 극도로 높은 "하이 스팟"(high spot) 온도와, 방전 챔버 벽체 내에서 발전되는 관련 온도 구배는, 아크 튜브 조립체 내에 과도한, 열적으로 유도되는 기계적 응력을 야기한다. 이러한 과도한 온도 및 열 응력에 대한 노출은 지금까지 램프 신뢰도를 감소시켜왔고, 자동차와 같은 응용에에서, 아크 튜브 조립체 내에서 크랙 발전 및 전파로 인한 조기 램프 고장, 값비싼 교체 비용, 및 사용자 불만족으로 귀결되고 있다.
따라서, 특히, 예를 들어 자동차 헤드램프 응용예의 경우에 나타나는 바와 같이 수평 구조로 아크 튜브와 함께 이러한 램프가 배치되는 경우에, 아크 방전 램프의 세라믹 아크 튜브 조립체에서 과도 온도 및 열 응력을 방지하기 위한 방법 또는 수단을 찾아내는 것이 요망되고 있다.
중앙 아크 튜브 부재의 대향된 단부 사이에서 방전 챔버를 형성하는 중앙부에서 실질적으로 관형인 부재를 갖춘, 세라믹 아크 튜브를 갖는 고휘도 방전 램프를 설명하며, 전극을 수용하기 위해 상기 대향된 단부 각각에 개구부가 제공된다. 열 차폐부는 방전 챔버의 내측으로 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 대향된 단부 각각으로부터 연장되고, 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 벽체와 함께 반경 방향 갭을 형성한다. 대향된 단부 개구부 각각 내에 전극이 수용되고, 상기 전극이 방전 챔버 내로 연장되며, 열 차폐부는 축방향 갭을 형성하도록 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부로부터 내측으로 연장된다.
본 발명의 방전 램프의 예시적인 일 버전에서, 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재는 각각의 대향된 단부에서 접합되는 단부 플러그를 갖고, 상기 전극에 대한 단부 플러그에 개구부가 제공되며, 각각의 단부 플러그로부터 내측으로 열 차폐부가 연장된다. 단부 플러그는 실질적으로 관형인 부재에 접합되고, 열 차폐부는 상기 단부 플러그와 하나의 피스로 일체형으로 형성될 수 있으며, 또는, 접합된 별도의 부재일 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 복수의 축방향 이격된 링이 열 차폐부 주위로 사용되어 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 함께 반경 방향 갭을 제공할 수 있고, 상기 링은 열 차폐부 및 실질적으로 관형인 세라믹 부재에 접합되어, 상기 열 차폐부와 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재 사이에 복수의 반경 방향 공간을 형성하는 복수의 축방향 이격 환형 챔버를 형성할 수 있다. 다른 버전에서, 단부 플러그에 형성되는 그루브에 의해 환형 공간이 형성되어, 별도의 링이 단부 플러그에 접합될 필요성을 제거할 수 있다.
다른 예시적인 버전에서, 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 영역은 환형 벌지(annular bulge)를 가져서, 열 차폐부들 사이에 축방향 갭이 위치하는 플라즈마 영역의 방전 챔버의 직경의 확대를 제공할 수 있다.
다른 버전에서, 열 차폐부는 열 차폐부와 실질적으로 관형인 세라믹 부재 사이에 반경 방향 갭을 형성하는 아치형 공간을 형성하도록 구성되는 단부 플러그로부터 내측으로 축방향으로 연장되는 복수의 개별 핑거를 포함할 수 있다.
추가적인 버전에서, 아크 튜브는 종방향으로 연장되는 2개의 절반 섹션 내에 형성될 수 있고, 각각의 절반 섹션은 닫힌 대향 단부와, 일체형으로 형성되어 축방향으로 연장되는 열 차폐부와 함께 일체형으로 형성된다. 개구부는 전극을 수용하기 위해 대향 단부 각각 내에 일체형으로 형성된다. 2개의 절반 아크 튜브 섹션은 그 후 함께 용융되거나 소결되어 아크 튜브 조립체 내에 닫힌 방전 챔버를 형성할 수 있다.
방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 열 차폐부 사이의 반경 방향 갭 또는 공간은, 실질적으로 관형인 부재의 벽체를 향해 챔버 내 플라즈마의 중앙부로부터 열 전도의 감소로 나타나고, 단부 플러그에 대해 축방향으로 열 전도를 증가시키며, 두 효과 모두 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 중앙부에서 온도 및 열 응력을 감소시키고, 부재 내 축방향 열 구배를 감소시키며, 따라서, 일반적으로 열 응력을 감소시키고 램프의 수명을 증가시킨다.
도 1은 세라믹 아크 튜브를 갖는 방전 램프를 도시하고,
도 2a는 예시적인 버전의 아크 튜브를 형성하는 도 1의 구성요소들의 단면도이며,
도 2b는 내부의 열 흐름을 보여주는 도 2a의 확대도이고,
도 3은 용융 이전 조립된 상태에서 다른 예시적인 버전의 단면도이며,
도 4는 내부의 방전 아크와 함께 작동하는 융용 상태에서 도 3의 버전의 단면도이고,
도 5는 용융 이전 조립된 상태에서 본 발명의 아크 튜브의 추가적인 버전의 단면도이며,
도 6은 내부의 방전 아크와 함께 작동하는 용융 조건에서 도 5의 아크 튜브의 단면도이고,
도 7은 용융 이전 조립된 상태로 도시되는 구성요소들과 함께, 전구형 또는 주름관형 방전 챔버를 이용하는 본 발명의 아크 튜브의 다른 버전의 단면도이며,
도 8은 내부의 방전 아크와 함께 작동하는, 용융 조건에서 도 7의 버전의 단면도이고,
도 9는 용융 이전 조립된 조건에서 배치되는 부분들과 함께 본 발명의 아크 튜브의 다른 버전의 단면도이며,
도 10은 용융 이전 조립된 조건에서 배치되는 부분들과 함께, 본 발명의 아크 튜브의 다른 버전의 단면도이고,
도 11은 용융 이전 조립된 조건에서 배치된 부분들과 함께 본 발명의 아크 튜브의 다른 버전의 단면도이며,
도 12는 단부 플러그로부터 복수의 축방향 내향으로 연장되는 돌출부에 의해 형성되는 열 차폐부를 갖는 본 발명의 아크 튜브의 다른 버전의 단면도이고,
도 13은 라인(13-13)을 표시하는 점선을 따라 취한 도 12의 버전의 단면도이며,
도 14는 대향 단부로부터 내향으로 연장되는 열 차폐부와 함께 기조립된 2개의 절반과, 이어서 함께 용융되는 2개의 절반으로 형성되는 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형의 세라믹 부재와 아크 튜브를 갖는 본 발명의 아크 튜브의 다른 버전의 사시도이고,
도 15a는 실질적으로 반구형 형상 또는 곡면 형상의 단부 플러그 기하구조의 추가적인 특징을 갖는, 도 14의 단면-표시 라인(15a)을 따라 취한 단면도이며,
도 15b는 도 14의 단면-표시 라인(15b)을 따라 취한 단면도이고,
도 16은 본 발명의 방전 램프의 다른 예시적인 버전의 온도 및 기계적 응력 분포를 연산하는 데 사용된 컴퓨터 모델링 과정의 블록도 및 순서도다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 (10)으로 표시되는 고휘도 방전 램프는 반투명 또는 투명 물질로 형성되는 외측 벌브(12)와, 중앙부에 실질적으로 관형 부재(51)를 갖는 내부에 배치되는 일반적으로 (50)으로 표시되는 세라믹 아크 튜브를 포함하며, 상기 관형 부재(51)는 램프의 작동 조건 하에 가스 형태로, 그리고, 부분적으로 액체 형태로 충전 물질(도시되지 않음)과 (52, 54)로 일반적으로 표시되는 2개의 전극을 지닌다. 전극(52, 54)은 전류 전도체(56, 58)에 연결되고, 상기 전류 전도체(56, 58)는 전력 공급원에 연결될 때, 전극 간에 전위차를 인가한다. 작동시, 전극(52, 54)은 아크 튜브(50)의 방전 챔버(60) 내에 플라즈마를 생성하도록 충전재 물질을 이온화시키는 아크 파괴(arc breakdown)를 발생시킨다. 플라즈마에 의해 생성되는 광의 방출 특성은 주로 충전 물질의 구성요소, 전극 양단의 전압, 방전 챔버의 온도 분포, 챔버 내 압력, 방전 챔버 및 전체 아크 튜브 조립체의 기하구조에 좌우된다. 세라믹 금속 핼라이드 램프의 경우, 충전재는 통상적으로 Hg와, 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe)과 같은 희유가스(rare gas)와, 소듐 이오다이드(NaI), 탈륨 이오다이드(TII), 및 디스프로시움 이오다이드(DyI3)와 같은 금속 핼라이드의 혼합물을 포함할 수 있다. 그러나, 광원의, 특히, 금속 핼라이드 방전 램프의, 충전재로부터 수은을 제거하고 이를 대안의 버퍼/전압 상승 물질로 대체하고자 하는 경향이 명확히 존재한다. 고압 소듐 램프의 경우, 충전 물질은 통상적으로 소듐, 희유 가스, 및 Hg를 포함한다. 당 분야에 잘 알려져 있는 다른 충전 물질은 본 발명의 방전 램프와 함께 또한 이용될 수 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 예를 들어, 알루미늄 옥사이드 또는 알루미나로 제조되는, 세라믹 아크 튜브(50)는, 중앙 부재(51)와 2개의 단부 부재(61, 63)를 포함하며, 상기 중앙 부재(51)는 실질적으로 관형 구조를 갖고 세라믹 물질로 형성되며 도 2a, 2b에 도시되는 바와 같이 방전 챔버(60)를 갖고, 상기 2개의 단부 부재(61, 63)는 외향으로 연장되는 레그부(62, 64)를 포함한 실질적으로 관형 부재다. 전극(52, 54)의 단부는 방전 챔버(60)를 형성하는 실질적으로 관형인 중앙 부재(51)의 대향 단부 근처에 통상적으로 위치한다. 전극(52, 54)은 각각의 레그부(62, 64)의 중앙 개구 내에 배치되는 전류 전도체(56, 58)에 의해 전력 공급원(도시되지 않음)에 연결된다. 전극은 통상적으로 텅스텐으로 구성되고, 전도체는 통상적으로 몰리브덴 및 니오븀을 포함하며, 니오븀은 알루미나 레그부(62, 64) 상에 열적으로 유도되는 응력을 감소시키기 위해 알루미나의 열팽창계수와 유사한 열팽창계수를 갖는다.
아크 튜브(50)는 레그부(62, 64)의 단부에서 시일(66, 68)로 밀봉된다. 시일(66, 68)은, 전도체 중 하나 주위로 링 형태로 글래스 프리트(glass frit)를 배치시키고, 아크 튜브(50)를 수직으로 정렬시켜서, 상기 글래스 프리트를 용융시킴으로써, 형성될 수 있는 디스프로시아-알루미나-실리카 글래스(Dysprosia-Alumina-Silica glass)를 통상적으로 포함한다. 그 후 용융 글래스는 레그(62) 내로 유동하여, 전도체(56)와 레그(62) 사이에 시일을 형성한다. 그 후 아크 튜브(50)는 뒤집혀서 방전 챔버(60)가 충전 물질로 충전된 후 다른 레그(64)를 밀봉시킨다.
레그부(62, 64)는 아크 튜브(50)의 중앙으로부터 멀리 축방향으로 연장된다. 레그부(62, 64)의 크기는 아크 튜브(50)의 중심에 대해 요망 크기만큼 시일(66, 68)의 온도에 걸쳐 선택된다. 아크 튜브(50)의 방전 챔버(60)는 통상적으로 실질적으로 원통형인 실질적으로 관형인 세라믹 부재(51) 내에 매립된다. 70와트 세라믹 금속 핼라이드 아크 방전 램프의 경우, 실질적으로 관형인 세라믹 부재(51)는 통상적으로 약 7mm의 내경과 약 8.5mm의 외경을 갖는다. 35 와트 램프의 경우, 부재(51)는 통상적으로 약 5mm의 내경과 약 6.5mm의 외경을 갖는다. 150 와트 램프의 경우, 세라믹 부재(51)는 통상적으로 약 9.5mm의 내경과 약 11.5mm의 외경을 갖는다.
도 2를 이제 참조하면, 아크 튜브(50)는, 본 발명의 방전 램프의 예시적인 버전에서, 단면으로 도시되고, 상기 아크 튜브(50)는, 실질적으로 관형 또는 원통형 세라믹 부재의 대향 단부 및 방전 챔버(60)의 단부로부터 내측으로 연장되는 열 차폐부(70, 74)를 갖고, 상기 방전 챔버(60)는 도면 부호(X3)로 표시되는 축방향 갭을 형성하도록 이격된 구성으로 배치되는 열 차폐부(70, 74)의 내측으로 연장되는 단부를 갖도록 매립되고 내부에서 중앙으로 종료된다. 열 차폐부는 부재(51)의 내측 주변부와 반경 방향 갭(GR)을 형성하도록 하는 크기 및 구성을 또한 갖는다. 열 차폐부(70, 74)는 단부 플러그(72, 76)로부터 내측으로 연장되고, 열 차폐부는 플러그(72, 76)와 각각 일체형으로 형성될 수 있으며, 또는, 개별적으로 형성되어 용융에 의해 부착될 수 있다.
본 실시예에서, 이트륨-알루미늄-가넷(Y3Al5O12) 물질의 방전 챔버(60)를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재(51)와 열 차폐부(70, 74)를 형성하는 것이 만족스럽다고 발견되었고, a) 사파이어, 및 b) 마이크로결정질 알루미나(MCA) 물질 중 하나로 이러한 열 차폐부를 형성하는 것이 또한 만족스럽다고 판명되었다. 더욱이, a) 다결정 알루미나(PCA) 및 b) 알루미늄 나이트라이드 물질로 열 차폐부(70, 74)를 형성하는 것이 만족스럽다고 판명되었다. 더욱이, 고휘도 방전(HID) 램프의 아크 튜브에 적합한 a) 단결정 및 b) 다결정 물질 중 하나로부터 선택되는 a) 반투명 및 b) 투명 물질로 열 차폐부(70, 74) 및 실질적으로 관형인 부재(51)를 형성하는 것이 특히 만족스럽다고 판명되었다. 그러나, 다른 적절한 세라믹 물질도 사용될 수 있다. 전극, 단부 플러그, 및 부재(51)는 조립되고 용융되어 밀폐 방전 챔버(60)를 형성하고, 부재(51)의 내부에 충전 물질이 배치된다. 작동 시에, 전극(52, 54)에 전위가 연결되면, 전기 아크가 전극의 내측 단부 사이에서 방전되어 도 2a에 점선 윤곽선으로 도시되는 방전 플라즈마(78)를 형성한다. 열 차폐부(70, 74)와 부재(51)의 내부 사이에 형성되는, (GR)로 표시되는 반경 방향 갭의 길이는 도 2a에서 치수(X4)로 표시된다.
반경 방향 갭(X3)은 방전 챔버(60)의 중앙부를 통해 최적 양의 광을 방출하게 한다. 축방향 갭(X3)의 형성은, 단순히 방전 챔버 벽체 상에 형성되는 돌출부, 또는, 벽체에 부착되는 별도의 스페이서 구성요소일 수 있는, 투명 또는 반투명 스페이서 구성요소의 도움으로, 또는, 아크 튜브 조립 프로세스의 단계들의 정확도에 의해 달성되고 보장될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 도 2a의 아크 튜브(50)의 일부분이 확대되어 도시되고, 화살표는 플라즈마(78)에 의해 열 차폐부(70), 실질적으로 관형인 세라믹 부재(51), 및 단부 플러그(72) 내로 발생되는 열의 유동 방향을 표시한다. 열 차폐부를 따라 진행되는 열의 축방향 유동은 수평 작동 조건 하에서 실질적으로 관형인 부재(51)의 상측 부분의 온도를 감소시키고, 단부 플러그(72), 또는, 도 2a를 참조할 때 플러그(72, 76)의 온도를 증가시키며, 따라서, 부품을 따라 열 구배를 감소시키고, 따라서, 내부의 열 응력을 감소시킨다.
본 실시예에서, 약 0.1mm 내지 0.3mm의 범위로, 특히, 약 0.06mm 내지 0.24mm의 범위로, 심지어 약 0.03mm 내지 0.12mm의 범위로 반경 방향 갭(GR)을 형성하는 것이 만족스럽다고 판명되었다. 본 실시예에서, 약 2.0mm 내지 7.5mm 범위의 축방향 길이(X4)로 반경 방향 갭(GR)을 형성하는 것이 만족스럽다고 판명되었고, 특히, 약 1.0mm 내지 4.0mm 범위의 길이(X4)로 반경 방향 갭(GR)을 형성하는 것이 만족스러운 것으로 판명되었으며, 더욱 특히, 약 0.7mm 내지 2.4mm 범위의 축방향 길이(X4)로 반경 방향 갭(GR)을 형성하는 것이 만족스럽다고 판명되었다.
본 실시예에서, 아크 튜브(50)가 자동차 헤드램프 응용예에서처럼 수평 배열로 배치될 때, 전극 간에 형성되는 아크가 상향 아치 구조(도 4 참조)를 가져서 부재(51)의 벽체의 상측부가 저측부보다 높은 온도를 겪게 됨을 검사를 통해 알 수 있었다.
도 2a 및 도 2b를 참조할 때, 열 차폐부(70, 74)는, 아크 방전에 적절한 표면 구조 및 방전 챔버(60) 내 플라즈마 형성을 제공하도록, 그리고, 열 차폐부(70, 74)의 방전 단부의 과열 또는 용융을 방지하도록, 내측으로 연장되는 단부, 또는, 다른 최적 기하구조로 모접거나(chamfering) 테이퍼지거나 성형되는 또는 아크 방전 단부를 갖는다.
도 2b를 다시 참조할 때, (T3)로 표시되는 실질적으로 관형인 부재(51)의 상측 벽체의 내부의 온도와 아크 플라즈마의 영역 내 부재(51)의 벽체 외부에서의 온도(T4)에 대한 측정치 및 컴퓨터-보조 모델링 결과를 얻고 연산하여, 벽체 내부에서의 온도(T2) 및 플라즈마 영역 바닥에서의 부재(51)의 외측 표면의 온도(T1)와 비교하였다. 온도 판독 및 유한 요소 모델 연산 예측이 또한 수행되었고, 도 2b에 표시된 바와 같이 (TTC)의 상측부 및 (TBC)의 저측부 상의 단부 플러그와 열 차폐부의 계면에서 수행되었다. 측정 및 모델 연산은 동일한 소스 전압에서 동일한 램프 출력(와트)에 대해 열 차폐부없는 종래 기술의 램프의 전형적 구조와, 열 차폐부(70, 74) 및 반경 방향 갭(GR)을 갖는 도 2b의 출원인의 구성에 대해 측정 및 모델 연산이 행하여지고 실행되었다.
모델 연산은 출원인의 구성의 서로 다른 여러 종류의 아크 튜브 구조 대안에 대해 수행되었다. 도 16을 참조하면, 이러한 컴퓨터 모델링 과정의 블록도 및 프로세스 순서도가 세부적으로 도시된다. 제 1 단계로서, 서로 다른 아크 튜브 대안들의 구성 기하 구조(도 16의 블록 "1a) 램프 기하구조")는 "1) CAD 소프트웨어"로 로딩되었고, FEM(Finite Element Method) 메싱을 갖는 파라미터 아크 튜브 모델 기하 구조가 발생되었다(참고로, 자동 메싱 특징을 갖는 어떤 사용 CAD 소프트웨어도 이 작업의 실행에 적합하다). 다른 세트의 입력 데이터로서, 아크 챔버 충전 조성물의 구성 세부사항과, 액체 도즈 충전재 및 아크 코어의 온도 범위에 대한 경계부 조건들이 제공된다(도 16의 블록 "2a) 도즈 조성, ..."). 고상 아크 튜브 조립체 구성요소의 물성, 그리고, 방전 챔버 내 액체, 증기, 및 기체 상태 충전 물질의 고온 열-화학적 데이터를 일반적으로 공공 열역학 데이터베이스로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, 출원인의 경우에, 이러한 데이터의 주 소스는 MTDATA 열역학 연산의 열역학 데이터베이스와 깁스 자유 에너지 최소화 소프트웨어다. MTDATA 데이터베이스 자체로부터 가용한 데이터에 기초하여 내삽 및 외삽 기술을 이용함으로써 내부적으로, 또는, 다른 상업적으로 가용한 열역학 데이터베이스로부터, 결측 열역학 데이터가 발생되었다. 이러한 열화학적 데이터세트(도 16의 블록 "2b) 열역학 데이터베이스")는, LTE(Local Thermodynamic Equilibrium: 국부 열역학 평형) 조건이 지배적이라고 가정할 때, MTDATA 소프트웨어(일반적인 경우 "2) 열역학 소프트웨어")를 이용함으로써 온도 및 충전재 조성-의존적 플라즈마 조성 연산에 대한 기초로 작용하였다. 플라즈마 수송 성질(전기전도도 및 열전도도, 가스 점도, 등)이 HIDProp(도 16의 블록 "3) 물성 코드")이라 불리는 인-하우스식 컴퓨터 코드에 의해 발생되었다. 그러나, 플라즈마 과학을, 그리고 특히 광원 개발을, 취급하는 서로 다른 연구 기관 및 회사에 유사 컴퓨터 코드가 존재한다(ICPIG, ICOPS, LS, 등의 회의 자료, 플라즈마 물리학 및 광원 기술에 대한 회의 참조). 복사선 수송 데이터는 고해상도 스펙트럼 측정으로부터 얻었다(도 16의 블록 "4c) 복사선 수송 성질").
가스 유동, 열 전달, 플라즈마 및 고상 온도 분포, 및 전자기파 연산은 상업적으로 가용한 "4) 연산 유체 동역학(CFD) 소프트웨어"에 의해 수행되었다. 국부 열역학 평형(LTE) 플라즈마 조건은 연산 프로세스 전체에 걸쳐 유효하다고 가정하였다. 홈 메이드 포트란 컴퓨터 코드(도 16의 블록 "5) 반복 프로세스 및 인터페이싱 제어 소프트웨어")는, 서로 다른 소프트웨어 모듈 사이에서 인터페이싱 작업(저장된 텍스트 파일을 통한 데이터 전송)을 수행함으로써, 그리고, 반복적인 방식으로 해법의 컨버전스를 제어함으로써, 모델 연산의 코어로 작용하였다. 모델 연산은 "5a) 온도 분포 측정 데이터"를 통해 수행되었다. 모델 연산이 실제 램프 구성 대안에 대해 얻은 이러한 측정 결과와 수용가능하게 잘 일치할 경우, 또는 요구되는 컨버전스가 달성될 경우, 반복 사이클이 중단되었다. 아크 튜브 대안들의 고상 구조 내 열적으로 유도되는 응력은, "6) 유한 요소 멀티피직스 소프트웨어"(예를 들어, 공공적으로 가용한 유한 요소 코드)에 의해 별도로 예측되었다.
아크 튜브의 다양한 위치에서 종래 기술과, 서로 다른 2개의 새 아크 튜브 구성 대안들에 대한, 그리고 그 사이의 온도차에 대한, 온도 모델링 결과의 일부가 표 1에 도시된다. 온도, 특히, T3 및 T4를 낮춤으로써, 및/또는, T3-T4 내측 벽체 구배와 T4-T1 상하간 온도 차이를 낮춤으로써, 본 발명의 열 차폐부를 이용하여 실질적인 개선이 가능함을 표 1로부터 확인할 수 있다. 모든 온도 제약사항이 충족되도록 추가적인 최적화가 가능함을 또한 확인받은 바 있다.
표 1






°K




 열차폐부 무 GR 버전 #1의
열차폐부		 GR 버전 #2의
열 차폐부
T1 1489 1314 1357
T2 1524 1321 1368
T3 1742 1495 1437
T4 1596 1478 1421
TTC 1547 1173 1224
TBC 1205 1138 1198
TMAX n/a 1576 1832
Δ(T3-TTC) 391 322 213
Δ(T3-T4) 49 17 16
Δ(T4-T1) 58 164 64
이러한 새로운 구성의 대안들 중 일부를 이용하여, 출원인 공개의 열 차폐부가 플라즈마 영역 내 아크 튜브의 상측 벽체 내 온도(T3 및 T4)를 감소시키는 데만 유익한게 아니라, 아크 튜브 벽체에서 발생되는 온도-유도 열 응력과 축방향 온도 구배(T3-TTC)를 감소시키기 위해 단부 플러그까지, 그리고, 상측-하측 열 구배(T4-T1)를 감소시키기 위해 하측 벽체까지, 축방향으로 열을 전도하는 데 또한 유익하다.
본 실시예에서, T3를 1450 켈빈보다 낮게, 그리고 TBC를 1200 켈빈보다 높게 유지하고, TMAX(도 2b 참조)를 1600 켈빈보다 낮게 유지하는 것이 바람직하다고 판명되었다. 본 실시예에서, 설명되는 범위의 상한값 근처의 X3(도 2a 참조)의 값들을 이용하고 설명되는 범위의 하한값 근처의 X4의 값들을 이용하면, 작동시 나타나는 TMAX의 값이 최소화된다고 결정되었다. 설명되는 범위의 아래쪽 영역의 X3의 값들을 이용하고 설명되는 범위의 위쪽 영역의 X4의 값들을 이용하면, 작동시 나타나는 T3의 값이 최소화된다고 또한 결정되었다. 허용된 범위의 아래쪽 영역에서 X3의 값들을 유지시키고 허용된 범위의 위쪽 영역에서 X4의 값들을 유지시키는 것은, 설명되는 최소값 근처에서 TBC를 유지하는 것을 의미한다고 또한 결정되었다.
도 3을 참조하면, 완전 조립 상태 이전의 본 발명의 방전 램프용 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (100)으로 표시되고, 중앙 영역에서 내측 주변부 상에 제공되는 광투과성 광학 스페이서부(104)로 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재(120)를 가지며, 단부 부재 또는 플러그(106, 108)는 부재(102)의 대향 단부 상에 배치된다. 단부 부재(106, 108) 각각은 각각 축방향 내측으로 연장되는 열 차폐부(110, 112)를 갖고, 각각의 열 차폐부는 열 차폐부와 부재(102)의 내측 주변부 사이에 복수의 환형 갭을 제공하도록 축방향으로 이격된 배열로 배치되는 복수의 축방향 공간 환형 부재 또는 링(114, 116, 118, 120, 122, 124)을 갖는다. 각각의 단부 플러그(106, 108)는 관통하는 전극/리드를 수용하기 위해 각각 관통하는 중앙 개구(130, 132)를 갖는, 외측으로 연장되는 레그부(126, 128)를 갖는다.
도 4를 참조하면, 도 3의 버전의 부품 배열이 열 차폐부(110, 112)의 외측 주변부와 부재(102)의 내측 주변부에 접합된 링(114-124)과 함께 완전히 조립된 상태로 도시되며, 광투과성 광학 스페이서부(104)는 열 차폐부 사이의 축방향 갭(X3)을 결정한다. 레그(126, 128)의 개구(130, 132)는, 각각 내부에 배치되고 용융 시일 글래스(138, 140)에 의해 밀봉되는 전극(134, 136)을 갖는다. 도 4에서, 아크 튜브(100)는 서비스 중인 아크 튜브(100)의 수평 배치의 경우에서처럼 상향으로 볼록한 배치로 아치 형성되고 전극(134, 126) 사이에 형성되는 아크(142)와 함께 작동하도록 도시된다. 링(114-124)은 부재(102) 또는 플러그(106, 108)와 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 완전 조립 상태 이전에 본 발명의 방전 램프의 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (200)으로 표시되고, 중앙에 배치되는 광투과성 광학 스페이서부(204)를 포함하는 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재(202)를 포함한다. 일반적으로 (206, 208)로 표시되는 한 쌍의 단부 플러그는 부재(202)의 축방향으로 대향된 단부에 배치된다. 각각의 플러그(206, 208)는 일체형으로 형성되어 각각 도면 부호(210, 212)로 표시되는 바와 같이 축방향 내측으로 연장되는 열 차폐부를 포함하며, 열 차폐부(210, 212)의 외측 주변부는 복수의 축방향으로 이격된 환형 그루브(214, 216, 218, 220, 222, 224)를 형성하였다. 각각의 단부 플러그(206, 208)는 각각 외측으로 연장되는 레그부(226, 228)를 포함하고, 각각의 레그부는 전극/리드를 내부에 수용하도록 각각 구성되는 중앙 보어(230, 232)를 형성하였다.
도 6을 참조하면, 도 5 버전의 부품 배열이 완전 조립 조건으로 도시되며, 플러그(206, 208)의 주변부가 밀봉 방전 챔버를 형성하는 방식으로 부재(202)의 내측 주변부에 접합된다. 전극(234, 236)은 각각 개구(230, 232)에 배치되고, 용융 시일 글래스(238, 240) 형태의 필드는 각각 전극(234, 236)을 밀봉시키도록 개구(230, 232)의 단부 내에 형성된다. 도 5 버전의 방전 챔버의 부품 배열이 도 6에 도시되며, 아크가 전극(234, 236) 사이에 형성되고 아크 튜브(200)가 자동차 헤드램프 응용예에서처럼 수평 배치로 배치될 때의 경우처럼 상향 방향으로 아치 형성된다. 열 차폐부 사이의 축방향 갭은 도 6에서 도면 부호(X3)로 표시된다.
도 7을 참조하면, 완전 조립 상태 이전의 본 발명의 방전 램프의 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (300)으로 표시되고, 방전 챔버를 형성하는 일반적으로 (302)로 표시되는 실질적으로 관형인 세라믹 부재를 포함하며, 상기 부재(302)는 도면 부호(306)로 표시되는 바와 같이 부재(302)의 중앙 영역에서 나선형 주름부(convolution)의 내측 주변부에 끼워맞춰지도록 형성되는 광투과성 선택적 스페이서부 부재(304)를 포함한다. (308, 310)으로 일반적으로 표시되는 한 쌍의 단부 플러그가 부재(302)의 축방향 대향 단부에 배치되고, 각각의 단부 플러그는 각각 축방향으로 연장되는 열차폐부(312, 314)를 포함한다. 열 차폐부(312, 314) 각각은 열 차폐부와 부재(302) 사이에 축방향으로 배치되는 반경 방향 갭을 제공하기 위해 내부에 형성되는, 복수의 원주방향으로 연장되는 축방향 이격 그루브(316, 318, 320, 322, 324, 326)를 갖는다. 각각의 단부 플러그(308, 310)는 각각 일체형으로 형성되고 축방향 외측으로 연장되는 레그부(328, 330)을 또한 가지며, 각각의 레그는 전극/리드를 수용하기 위해 내부에 형성되는 중앙 개구(332, 334)를 각각 갖는다.
도 8을 참조하면, 도 7의 부품 배열이 최종 조립 조건에서 도시되며, 단부 플러그(308, 310)가 부재(302)에 접합되고 내부 밀봉되어, 그루브(316-326)에 의해 형성되는 복수의 축방향 이격 반경 방향 에어 갭을 제공한다. 열 차폐부 사이의 축방향 갭은 도면 부호(X3)로 표시된다. 한 쌍의 전극(336, 338)이 각각 배치되고, 개구(332, 334)가 용융 시일 글래스(340, 342)에 의해 각각 밀봉된다. 아크 튜브(300)가 도 8에 도시되는 바와 같이 수평 배치 배열로 서비스되도록 배치되는 경우에, 전극(336, 338) 사이에서 방전되는 아크는 도면 부호(344)로 일반적으로 표시되는, 도 8에 도시되는 바와 같은 상향 아치 구조를 가정한다.
도 9를 참조하면, 완전 조립 상태 이전에 본 발명의 방전 램프용 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (400)으로 표시되고, 도면 부호(404, 406)으로 각각 표시되는 각각의 단부에 형성되는 숄더(shoulder) 또는 카운터개구를 갖는 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재(402)를 포함한다. 중앙에 배치되는 광투과성 선택적 스페이서부(408)는 부재(402)의 내측 주변부 주위로 배치된다. 일반적으로 (410, 412)로 표시되는 한 쌍의 단부 플러그는 외측 주변부 주위로 형성되는 복수의 축방향 이격 주변 그루브(418, 420, 422, 424)와 함께 각각 축방향 내측으로 연장되는 열 차폐부(414, 416)를 갖는다. 각각의 단부 플러그(410, 412)는 일체형으로 각각 형성되는 외측으로 연장되는 레그부(426, 428)를 갖고, 각각의 레그부는 전극/리드를 수용하기 위해 내부에 각각 형성되는 중앙 개구(430, 432)를 갖는다. 단부 플러그는 각각 숄더(404, 406)와 축방향으로 일치하도록 부재(402) 내에 배치되고, 따라서, 부재(402)가 단부 플러그(410, 412)의 축방향 외측으로 연장되게 된다. 도 9에 도시되지 않지만, 단부 플러그는 그 후 도 9에 표시되는 위치에 부재(402) 대신에 접합된다.
도 10을 참조하면, 완전 조립 상태 이전에 본 발명의 방전 램프용 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (500)으로 표시되고, 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재(502)를 포함하며, 상기 부재(502)는 내측 주변부 주위로 배치되는 중앙-배치 광투과성 선택적 스페이서부(504)를 갖는다. 일반적으로 (506, 508)로 표시되는 한 쌍의 단부 플러그는 부재(502)의 대향 단부에 배치되고, 각각의 단부 플러그는 각각 축방향 내측으로 연장되는 열 차폐부(510, 512)를 제공하고 일체형으로 형성하며, 상기 열 차폐부(510, 512)는 열 차폐부와 부재(502) 사이에서 축방향으로 이격되는 반경 방향 갭을 제공하도록 내부에 각각 형성되는 복수의 축방향으로 이격되는, 주변부로 연장되는 그루브(514, 516, 518, 520)를 갖는다. 각각의 단부 플러그(506, 508)는 축방향 외측으로 연장되는 레그부(522, 524)를 또한 각각 갖고, 각각의 레그부는 각각 (526, 528)로 표시되는 중앙 개구를 갖는다. 도 10의 배열에서, 단부 플러그는 최종 조립시 함께 접합될 때 단부와 축방향으로 일치하거나 동평면을 이루도록 부재(502) 내로 연장된다.
도 11을 참조하면, 완전 조립 상태 이전에 본 발명에 따른 방전 램프용 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (600)으로 표시된다. 버전(600)은 방전 챔버를 형성하기 위한 실질적으로 관형인 세라믹 부재(602)를 포함하고, 상기 부재(602)는 도면 부호(604)로 표시되는 내측 주변부 주위로 배치되는, 중앙에 축방향으로, 중앙에 배치되는, 광투과성 선택적 스페이서부를 갖는다. 아크 튜브(600)는 일반적으로 (606, 608)로 표시되는 한 쌍의 단부 플러그를 또한 포함하며, 각각의 단부 플러그는 각각 (610, 612)로 표시되는, 축방향 내측으로 연장되고 일체형으로 형성되는 열 차폐부를 가지며, 각각의 열 차폐부(610, 612)는 부재(602)의 내측 주변부와 열 차폐부 사이에 반경 방향 공간 또는 갭을 제공하기 위해 복수의 이격된 주변 반경 방향 연장 그루브(614, 616, 618, 620, 622, 624, 626)를 외측 주변부 상에 제공한다. 각각의 단부 플러그(606, 608)는 각각 축방향 외측으로 연장되는 레그부(626, 628)를 갖고, 각각의 레그부는 내부에 전극/리드를 수용하도록 구성되는, 내부에 형성된 중앙 개구(630, 632)를 각각 갖는다. 도 11에 도시되지 않지만, 방전 챔버를 제공하도록 부재(602) 내에서 단부 플러그가 밀봉되도록 표시되는 위치에 부품들이 함께 접합되고, 단부 플러그(606, 608)는 각각 반경 방향 연장되는 단부 플랜지(634, 636)를 포함하며, 단부 플랜지(634, 636)는 부재(602)의 단부에 걸쳐 반경방향 외측으로 연장되고, 이에 접합된다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 방전 램프용 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (700)으로 표시되고, 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재(702)를 포함하며, 중앙에 배치되는 원주방향 광투과성 선택적 스페이서부는 도면 부호(704)로 표시되는, 내측 주변부 주위로 제공된다. 일반적으로 (706, 708)로 표시되는 한 쌍의 단부 플러그가 부재(702)의 대향된 축방향 단부 상에 배치된다. 각각의 단부 플러그(706, 708)는 단부 플러그(706)에 대해 도 13에서 도면 부호(710, 712, 714, 716)로 표시되는 복수의 축방향으로 연장되고 원주방향으로 이격되는, 열 차폐부를 형성하는 로드(rod)를 포함하며, 도 12에서, 플러그(708)에 대한 로드 중 2개가 도면 부호(718, 720)로 표시된다. 본 실시예에서, 로드(710-720)는 단부 플러그(706, 708)와 일체형으로 형성된다. 따라서, 로드들 사이의 원주방향 공간은 열 차폐부와 내측 주변 부재(702) 사이에 반경방향 갭을 제공한다. 도 12에 배열된 구성요소들이 최종 조립 조건에 있지 않지만, 이는 부재(702)의 내측 주변부에 로드의 외측 주변부를, 그리고 부재(702)의 축방향 대향 단부에 단부 플러그를 접합함으로써 달성된다. 각각의 단부 플러그(706, 708)는 각각 레그부(722, 724)를 형성하였고, 각각의 레그부(722, 724)는 전극/리드를 수용하기 위해 각각 중앙 개구(726, 728)를 갖는다.
도 14를 참조하면, 최종 조립 상태 전 방전 램프용 아크 튜브의 다른 버전이 일반적으로 (800)으로 표시되고, (802, 804)로 표시되는 절반 아크 튜브부를 형성하기 위한, 서로 대칭인, 한 쌍의 실질적으로 관형인 세라믹 부재 절반-섹션들을 가지며, 각각의 세라믹 부재 절반-섹션은 절반 섹션(804)에 대해 도시되는 (806)과 같은 열 차폐부를 배치하였고, 이 경우 열 차폐부는 부재(804)의 내측 주변부와 반경 방향 갭을 형성한다. 각각의 절반 섹션(802, 804)은 단부로부터 축방향 외측으로 연장되는 각각 (808, 810)으로 표시되는 레그부를 또한 갖고, 각각의 레그부는 열 차폐부(806)의 단부에 인접한 영역까지 축방향 내측으로 연장되는 전극(812, 814)을 용융 시일 글래스를 이용하는 등에 의해, 수용하고 내부에 밀봉한다. 따라서, 아크 튜브(800)는 2개의 절반 아크 튜브부에 형성되고, 절반 섹션 부재(802, 804)는 그 후 내향으로 연장되는 단부에서 함께 결합되고, 도 14에 점선으로 표시되는 바와 같이 접합된다.
도 15a를 참조하면, 도 14의 버전(800)의 변화가 도시되며, 아크 튜브는 일반적으로 (800')으로 표시되고 완전 조립된 또는 접합된 조건으로 도시되며, 절반 섹션(802', 804')은 점선으로 표시되는 바와 같이, 열린 단부에서 결합된다. 절반 섹션(804')은 열 차폐부(806')를 몰딩 등에 의해 일체형으로 형성하였고, 절반 섹션(802')은 유사한 열 차폐부(803')를 몰딩 등에 의해 일체형으로 형성하였다. 아크 튜브(804')의 닫힌 단부는 축방향 외측으로 연장되는 레그부(810')를 몰딩 등에 의해 일체형으로 형성하였고, 레그부(810') 내로 전극(814')이 수용되고, 전극(814')은 (817')으로 표시되는 적절한 세라믹 물질에 의해 레그(814') 내에 형성되는 개구부(815') 내로 접합된다. 전극(814')은 각각 대향하여 배치되는 전극에 발광 아크 방전을 형성하기 위해 배치되도록 방전 챔버 내로 연장되는 내측 단부를 갖는다. 마찬가지로, 튜브(802')는 축방향 외측으로 연장되는 레그부(808')를 갖고, 그 안에 형성되는 중앙 개구부(819') 내로 전극(812')이 수용되고, 상기 전극(812')은 (820')으로 표시되는 적절한 세라믹 물질에 의해 접합되고, 내측으로 연장되는 전극(812')의 단부는 전극(814')과의 아크 방전을 제공하기 위해 마찬가지로 배치된다.
도 15a의 실시예(800')에서, 절반 섹션(804')에 대한 닫힌 단부와 아크 튜브의 계면은 일체형 반경의 코너(822')와 외부 반경의 코너(824')를 갖도록 형성된다. 마찬가지로, 아크 튜브 절반 섹션(802')은 외부 반경의 코너(826')와 내부 반경의 코너(828')를 갖도록 형성되며, 이는 소결 이전 세라믹 물질의, 예들 들어, 사출 성형에 의해서와 같은, 아크 튜브 성형을 촉진시킨다.
도 15b를 참조하면, 도 14의 실시예(800)의 다른 변형이 일반적으로 (800")으로 표시되고, 실질적으로 관형인 세라믹 부재 절반 섹션(802", 804")을 포함한다. 절반 섹션들은 닫힌 단부 및 축방향 내측으로 연장되는 열 차폐부(803", 806")과 일체형으로, 그리고, 외측으로 연장되는 레그부(808", 810")와 일체형으로 형성된다. 각각의 레그부는 중앙 개구부(823", 825")를 각각 갖는다. 전극(812", 814")은 레그부(808', 810') 내에 각각 배치되고, 적절한 세라믹 용융 물질 또는 시일 글래스(830", 832")를 이용하여 용융된다. 본 실시예에서, 소결 이전에 단일 조각으로 일체형으로 실시예(800")에서 절반 섹션(802", 804")을 형성하는 것이 만족스럽다고 판명되었다. 그러나, 대안으로서, 열 차폐부(803", 806")가 별도의 조각으로 형성될 수 있고, 소결 이전에 방전 챔버의 노출된 단부 내로 밀봉될 수 있다.
따라서, 본 발명은 열 차폐부를 갖는 방전 램프용 개선된 아크 튜브 설계를 설명하며 상기 열 차폐부는, 방전 램프의 영역 내 아크 튜브 벽체의 온도를 낮추기 위해, 그리고, 아크 튜브의 닫힌 단부에, 그리고 바람직하게는, 대부분의 경우에 단부 플러그로 일반적으로 또한 알려져 있는, 방전 챔버의 단부 부분에, 축방향으로 열을 전도하기 위해, 반경 방향 갭을 형성하며 아크 튜브의 방전 챔버 내에 내부적으로 제공된다. 방전 챔버의 단부 부분을 구성하도록 단부 플러그 상에 열 차폐부를 제공하기 위해, 그리고, 단부 플러그로부터 내측으로 연장되는 열 차폐부들 사이에 반경 방향 갭을 제공하기 위해, 다양한 버전이 설명된다. 열 차폐부는 단부 플러그에 별도의 부재로 접합될 수 있고, 또는 일체형으로 형성될 수 있으며, 각각의 단부 플러그는 전극을 접합하고 밀봉시키기 위해 제공되는 외측으로 연장되는 레그부를 갖는다. 이러한 레그부는 동시대적 세라믹 금속 핼라이드 아크 방전 램프의 공통적 특징이며, 온도 위치를 낮추도록 아크 튜브의 전극 리드-트로프(trough) 시일 부분을 배치하기 위해 요구되어, 화학적으로 침습성인 금속 핼라이드 도즈와 시일 프리트(seal frit) 사이의 화학적 반응 속도를 감소시킨다. 고압 소듐 램프에서는 어떤 이러한 레그부도 사용되지 않는다. 기술 진보가 계속됨에 따라, 레그부없는 세라믹 물질 핼라이드 아크 방전 램프가 또한 가능해질 수 있다. 다른 버전의 개시내용은 절반 섹션으로 형성되는 아크 튜브를 이용하고, 각각의 절반 섹션은 닫힌 단부 내로 일체형으로 형성되며, 내부에 전극을 수용하는 외부 레그부와 열 차폐부를 포함하고, 중심 부분에 방전 챔버를 매립하는 아크 튜브를 형성하도록 절반-섹션들이 함께 접합되거나 소결된다. 따라서, 본 발명의 아크 튜브 배열은 방전 플라즈마로부터 방전 챔버의 중앙부의 벽체를 향해, 반경 방향 열 전도를 감소시키고, 아크 튜브에 매립된 방전 챔버의 중심으로부터 단부 부분을 향해 축방향 열 전도를 증가시켜서, 아크 튜브 벽체의 최대 온도 값을 감소시키고, 축방향, 원주 방향, 및 아크 튜브 벽체 내부에서 열 구배를 감소시키며, 따라서, 열에 의해 유도되는 기계적 응력을 감소시킨다.
발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 명백한 점은, 앞서 상세한 설명을 읽고 이해할 때 다른 이들에게 수정예 및 변형예가 나타날 것이다. 발명은 이러한 모든 수정예 및 변형예를 포함하는 것으로 간주되는 것을 의도한다.

Claims (42)

  1. 방전 아크 튜브를 갖는 고휘도 방전 램프에 있어서,
    (a) 대향된 단부들의 중간에 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재와,
    (b) 전극/리드를 수용하기 위한 개구부를 가지며, 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부에 배치되는 단부 플러그와,
    (c) 각각의 단부 플러그로부터 상기 방전 챔버의 내측으로 연장되고, 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 함께 반경 방향 갭을 형성하는 열 차폐부와,
    (d) 각각의 단부 플러그에 수용되고 상기 방전 챔버 내로 연장되는 전극/리드(electrode/lead)로서, 각각의 단부 플러그로부터 내측으로 연장되는 상기 열 차폐부 사이에는 축방향 갭이 형성되는, 상기 전극/리드를 포함하는
    고휘도 방전 램프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차폐부는 상기 단부 플러그와 하나의 피스로 일체형으로 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차폐부의 내측으로 연장되는 단부는 축방향으로 성형되거나 테이퍼진 단부로 구성되는
    고휘도 방전 램프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하나의 단부 플러그로부터 연장되는 열 차폐부는 대향된 단부 플러그로부터 연장되는 열 차폐부와 함께 축방향 갭을 형성하는
    고휘도 방전 램프.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단부 플러그와 상기 열 차폐부 사이에, 그리고, 열 차폐부와 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재 사이에, 시일(seal)을 더 포함하는
    고휘도 방전 램프.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 0.1mm 내지 0.3mm 범위 내에 있는
    고휘도 방전 램프.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 0.06mm 내지 0.24mm 범위 내에 있는
    고휘도 방전 램프.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 0.03mm 내지 0.12mm 범위 내에 있는
    고휘도 방전 램프.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 2.0mm 내지 7.5mm 범위 내의 축방향 길이를 갖는
    고휘도 방전 램프.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 1.0mm 내지 4.0mm 범위 내의 축방향 길이를 갖는
    고휘도 방전 램프.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 0.7mm 내지 2.4mm 범위 내의 축방향 길이를 갖는
    고휘도 방전 램프.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차폐부는 비교적 얇은 벽체를 갖춘 실질적으로 관형인 구조를 갖는
    고휘도 방전 램프.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 챔버를 형성하는 상기 실질적으로 관형인 부재 및 열 차폐부는 (a) 투명 및 (b) 반투명 세라믹 물질 중 하나로 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  14. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 부재 및 열 차폐부는 이트륨 알루미늄 가넷(Y3Al5O12) 물질로 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  15. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 부재 및 열 차폐부는 (a) 사파이어, (b) 다결정 알루미나(PCA) 및 (c) 마이크로결정질 알루미나(MCA) 물질 중 하나로 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  16. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 실질적으로 관형인 부재 및 상기 열 차폐부는 알루미늄 나이트라이드(AlN) 물질로 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  17. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 실질적으로 관형인 부재 및 상기 열 차폐부는 고휘도 방전(HID) 램프의 방전 아크 튜브용으로 구성된 (a) 단결정 및 (b) 다결정 물질 중 하나로부터 선택되는 (a) 반투명 및 (b) 투명 물질 중 하나로 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 단부 플러그에는, 복수의 축방향으로 이격된 원주방향 그루브가 형성되는
    고휘도 방전 램프.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차폐부는 복수의 원주방향으로 이격되고, 축방향으로 연장되는 부재를 포함하는
    고휘도 방전 램프.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차폐부는 비-원형 단면을 갖는
    고휘도 방전 램프.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 차폐부는 원형 단면을 갖는
    고휘도 방전 램프.
  22. 고휘도 방전 램프의 제조 방법에 있어서,
    (a) 방전 챔버를 형성하기 위한 실질적으로 관형인 세라믹 부재를 제공하는 단계와,
    (b) 전극을 수용하기 위한 개구부를 갖춘 단부 플러그를 제공하는 단계와,
    (c) 상기 단부 플러그로부터 연장되고, 또한 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 함께 반경 방향 갭을 형성하는 열 차폐부를 제공하는 단계와,
    (d) 상기 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부에 단부 플러그 및 열 차폐부를 배치하는 단계와,
    (e) 각각의 단부 플러그로부터 상기 방전 챔버의 내측으로 연장되는 상기 열 차폐부 사이에 축방향 갭을 제공하는 단계와,
    (f) 각각의 단부 플러그에 전극을 배치하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 열 차폐부를 제공하는 단계는, 상기 단부 플러그와 하나의 피스 부재로 일체형으로 상기 열 차폐부를 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 열 차폐부를 제공하는 단계는, 상기 단부 플러그에 걸쳐 실질적으로 관형인 구조의 비교적 얇은 벽체를 갖는 부재를 배치하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 열 차폐부를 제공하는 단계는, 상기 단부 플러그 주위로 복수의 원주방향으로 이격되고, 축방향으로 연장되는 부재를 배치하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭을 형성하는 단계는, 약 0.1mm 내지 0.3mm 범위 내의 갭을 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭을 형성하는 단계는 약 0.06mm 내지 0.24mm 범위 내의 갭을 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭을 형성하는 단계는 약 0.03mm 내지 0.12mm 범위 내의 갭을 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 2.0mm 내지 7.5mm 범위 내의 축방향 길이를 갖는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  30. 제 22 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 1.0mm 내지 4.0mm 범위 내의 축방향 길이를 갖는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  31. 제 22 항에 있어서,
    상기 반경 방향 갭은 약 0.7mm 내지 2.4mm 범위 내의 축방향 길이를 갖는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  32. 제 22 항에 있어서,
    상기 단부 플러그를 제공하는 단계는 상기 단부 플러그 상에 복수의 축방향으로 이격된 링을 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  33. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재를 제공하는 단계와, 상기 열 차폐부를 제공하는 단계 중 적어도 하나는, (a) 투명 및 (b) 반투명 세라믹 물질 중 하나의 물질의 부재를 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  34. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재 및 상기 열 차폐부 중 적어도 하나를 이트륨 알루미늄 가넷(Y3Al5O12) 물질로 형성하는 단계를 더 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  35. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재 및 상기 열 차폐부 중 적어도 하나를 (a) 사파이어, (b) 다결정 알루미나(PCA) 및 (c) 마이크로결정질 알루미나(MCA) 물질 중 하나로 형성하는 단계를 더 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  36. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재 및 상기 열 차폐부 중 적어도 하나를 알루미늄 나이트라이드(AlN) 물질로 형성하는 단계를 더 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  37. 제 22 항에 있어서,
    상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 상기 열 차폐부 중 적어도 하나를 고휘도 방전(HID) 램프의 방전 아크 튜브용으로 구성된 (a) 단결정 및 (b) 다결정 물질 중 하나로부터 선택되는 (a) 반투명 및 (b) 투명 물질 중 하나로 형성하는 단계를 더 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  38. 제 22 항에 있어서,
    상기 단부 플러그 및 상기 열 차폐부를 배치하는 단계는 이들 사이에 시일을 형성하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  39. 제 22 항에 있어서,
    상기 열 차폐부를 제공하는 단계는 비-원형 단면을 갖는 열 차폐부를 제공하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  40. 제 22 항에 있어서,
    상기 열 차폐부를 제공하는 단계는 원형 단면을 갖는 열 차폐부를 제공하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
  41. 방전 튜브를 갖는 고휘도 방전 램프에 있어서,
    (a) 대향된 단부들의 중간에 방전 챔버를 형성하는 실질적으로 관형인 세라믹 부재와,
    (b) 전극/리드를 수용하기 위한 개구부를 갖는 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부와,
    (c) 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부로부터 상기 방전 챔버의 내측으로 연장되고, 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 함께 반경 방향 갭을 형성하는 열 차폐부와,
    (d) 각각의 대향 단부 개구부 내에 수용되고 상기 방전 챔버 내로 연장되는 전극/리드로서, 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부로부터 연장되는 상기 열 차폐부 사이에는 축방향 갭이 형성되는, 상기 전극/리드를 포함하는
    고휘도 방전 램프.
  42. 고휘도 방전 램프의 제조 방법에 있어서,
    (a) 방전 챔버를 형성하기 위해 실질적으로 관형인 세라믹 부재를 제공하는 단계와,
    (b) 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 대향 단부 내에 개구부를 제공하는 단계와,
    (c) 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 대향 단부 각각으로부터 상기 방전 챔버 내측으로 연장되고, 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재와 함께 반경 방향 갭을 형성하는 열 차폐부를 배치하는 단계와,
    (d) 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부로부터 연장되는 열 차폐부 사이에 축방향 갭을 형성하는 단계와,
    (e) 상기 실질적으로 관형인 세라믹 부재의 각각의 대향 단부 개구부 내에 전극을 배치하는 단계를 포함하는
    고휘도 방전 램프의 제조 방법.
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