JP2009064787A - 金属ハロゲンランプのクォーツ発光管及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管及びその作製方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るクォーツ発光管は、放電室の内部直径は、センチメータ単位で、近似的に、[(1+P/50)^１／２-1]に等しく、ここでＰは、入力パワー（ワット）であり、発光長の前記内部直径の比率は約１である。
【効果】従来のクォーツ発光管の問題点を解決し、長寿命のクォーツ発光管が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属ハロゲン放電ランプで使用される発光管に関する。より詳細には、本発明は、金属ハロゲンランプの筒状クォーツ発光管に関する。

ワット数の少ないハロゲンランプ（３５〜１５０ワット）は、高い効率と長い寿命のため、一般照明や商業的ディスプレイアプリケーションでは、白熱電球に置き換わる潜在性を有している。しかしながら、白熱電球に比較して、ワット数の少ないハロゲンランプは、頻繁に、演色性や（ランプからランプへの）色変化の一貫性が劣ったものとなる。それ故、他の設計方法は、高効率と長寿命を損なうことなく、色欠陥をアドレスすることを追求してきた。

商業的金属ハロゲンランプでは、発光管は、クォーツ管をさい断することにより作製される。クォーツ管の各末端は、一対のジョーの間で、挟まれて、電極の組合せについて耐ガス構造のシールを形成している。一方、そのクォーツは、熱軟化状態にある。このピンチシールの処理の結果、両端は、発光管の円柱状のメインボディーと平板になった圧力シール部分との間で、幾分変形され、丸められる。これらの端部溜の湾曲形状は、オリジナルクォーツの直径及び壁厚、作動中の熱集中、及びプレス中の密閉不活性ガス、と共に変化する。

金属ハロゲンランプの測光パフォーマンスパラメータは、密閉金属ハロゲン塩の部分圧に依存している。それらの蒸気圧は、金属ハロゲン蒸気が凝縮している領域で、主として、発光管の壁温度によって制御される。この領域は、普通は、重力と内部のガスの対流に従って、発光管の最も低い部分に位置している。このいわゆる「コールドゾーン」の温度は、放射している金属ハロゲン種の十分な蒸発を供給できるだけ高いものとなる。しかしながら、その温度は、あまり高くはならない。さもなくば、発光管の長寿命は、クォーツの壁もしくは失透についての化学的反応に従って妥協するであろう。それ故、ほとんど均一の壁面の温度の分布は（クォーツにとって約９００℃を越えない）、約６０００時間以上の有効寿命にとって望ましい。その９００℃の壁面温度は、多くの金属ハロゲン塩にとっては十分高く、発光管の有効寿命を実現するためには十分低い。クォーツの発光管を使用しているランプの場合は、ランプ寿命は、典型的には、９００℃を５０℃超える毎に２のファクターで減少する。

より均一な壁温度分布を実現するための公知の手段の一つは、酸化ジルコニウムといった熱保存コーティングを発光管端部溜の外側表面に適用したものである。もっとも便利な金属ハロゲンランプは、発光管の一つ若しくは両方の終端に施された、この熱保存コーティングを利用している。追加のコスト要素となることは別にして、そのコーティングは、コーティング高さ、接着特性、そしてその退色傾向においての固有のランプ間格差のため、それ自体で、そうしたランプの測光パフォーマンスにおいて、重要な変化の源となる。

より効率的であるがよりコストの高い、ほとんど均一の壁面温度分布を取得する方法の一つは、楕円形もしくは洋なし形をした垂直方向に作動するランプの形状、若しくは、水平方向に作動するアーチ状の管の放電容器を形成することである。しかしながら、この方法は、一般的には、ランプ（即ち、重力に関して任意に配置されたランプ）の普遍的な処理を提供せず、ストレートな管状ボディーの発光管には不要な、ガラス処理の工程に消費時間を必要とする。

高い発光熱負荷（W/cm）と壁面熱負荷（W/cm^２）は、低いワット数の金属ハロゲンランプにおいては、改善されたパフォーマンスにとって臨界的である。典型的には、３５Ｗから１５０Ｗの通常の設計のクォーツボディの発光管にとっては、平均的な電気的壁面熱負荷は、約６０００時間以上の大きな処理寿命を得るため、２０W/cm^２を超えない。これらの経験的に決定された限界は以下の事実から得られる。即ち、上昇させられた熱負荷での、発光管壁の温度は、クォーツにはあまりに高くなるので所望の寿命を通して生き残れないという事実である。これらの熱負荷限界内で維持するために、ランプ設計者は、発光室のサイズと形状、とりわけ、電極の装着の長さ、ランプの空洞の長さ、そして、楕円形乃至は楕円体の設計の発光管のランプ直径を調整してきた。追加的な温度分布の制御と金属ハロゲンランプのレベルは、発光管の充填化学において変化によって試されてきた。
米国特許公報5,424,609 米国特許公報5,751,111

通常の低いワット数の熱負荷（10-13 W/cm^２）を有する、筒状のクォーツの発光管は、低いワット数のランプでは適切な効率を供給できないため、金属ハロゲンランプの発展の早い時代に（1960's）拒絶された。ほとんど対称的な軸方向の、外側表面の温度プロファイルは、正確に円形状の筒状を有する、セラミックの発光管、例えば、U.S.P.のNo.5,424,609と5,751,111がある、とともに達成された。しかしながら、セラミックの発光管の処理温度は、典型的には、９７５℃以上であり、クォーツ発光管の限界値である９００℃を超えてしまうという問題があった。

本発明の目的は、従来技術の欠点を除去することである。

本発明の別の目的は、約９００℃の放電室の最大表面温度を超えることなく、高い平均壁面熱負荷において作動する金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管を供給することである。

更に別の目的は、安定状態の熱条件で作動する場合の、ほとんど対称的な軸方向の表面温度プロファイルを有する金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管を供給することである。

更に別の目的は、これらの所望の特性を有する金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管を作製する方法を提供することである。

本発明の１つの目的によれば、金属ハロゲンフィルを有する放電室を囲むクォーツボディを含む、金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管が存在し、その放電室は、実質的に正確に円形の筒形状を有し、且つ、相対する電極を含み、その放電室は、安定状態の温度条件では、ほとんど対称的な軸方向の表面温度プロファイルを有し、そこにおいて、プロファイルの最高温度と最低温度の差は、約３０℃以下で、プロファイルの最高温度は約９００℃以下である。

本発明の別の目的によれば、金属ハロゲンフィルを有する放電室を囲むクォーツボディを含む、金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管が存在し、その放電室は、実質的に正確に円形の筒形状を有し、且つ、相対する電極を含み、その対の電極は、放電室の両端に位置し、放電室の軸について同軸であり、その対の電極の間の距離は発光長を規定し、放電室の内部直径は、センチメータで、おおよそ、[(1+P/50)^１／２-1]に等しく、ここで、Ｐはワットの入力パワーで、発光長の内部直径に対する比は約１である。

本発明の更に別の目的によれば、金属ハロゲンフィルを有する放電室を囲むクォーツボディを含む、金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管の作製方法が存在し、その放電室は、実質的に正確に円形の筒形状を有し、且つ、相対する電極を含み、その対の電極は、放電室の両端に位置し、放電室の軸について同軸であり、その対の電極の間の距離は発光長を規定し、その放電室は、各々の対応する電極が放電室に入るところにピアスポイントを有し、そのピアスポイントと放電室内の対応する電極端部との距離は、電極の装着距離を規定し、その発光管は、安定状態の熱条件で作動するときは、軸方向の表面温度プロファイルを有し、その方法は、以下のステップからなる：
a) 発光長と放電室の内部直径を選択するステップを有し、前記放電室には、内部直径は、センチメーターで、[(1+P/50)^１／２-1]よりも大きく、ここでＰはワットの入力パワーで、発光長の内部直径に対する比は約１である。
b) 発光管を形成するステップ
c) 所望の平均壁面熱負荷で発光管が作動し、安定状態の熱条件を得るステップ
d) 放電室の軸方向の表面温度プロファイルを測定して、最大温度と最小温度とを得るステップと、
e) 軸方向の表面温度プロファイルの最大温度が放電室の両端の中程にあるまで、放電室の内部直径が、各々の反復に伴って徐々に増加する間、b)からd)のステップを繰り返すステップ
f) プロファイルの最小温度と最大温度の差が、最大温度が約９００℃を超えないで、最小になるまでは、各々の反復に伴って電極の挿入長さを徐々に変化させる間、b)からd)のステップを繰り返すステップ。

本発明のより良好な理解のため、他のそして更なる目的とともに、有利な点そしてその可能性は、以下の説明及び図と関連して捉えられる従属項により、参照される。

金属ハロゲンランプで使用されるクォーツ発光管、及び、特に低いワット数の金属ハロゲンランプのために、我々は、以下の事実を発見した。即ち、特定の幾何学外形及び直径を有する筒状の放電室が、予期しない熱パフォーマンスと測光の利点をもたらし、それは、金属ハロゲンランプを、発光室の最大許容壁面温度の約９００℃を超えることなく、約２５〜約４０W/cm^２の高い平均壁面熱負荷でうまく作用するように許容されている。更に詳しくは、本発明のクォーツ発光管の放電室は、実質的に、正確な円形の筒状を有している。作動時に安定状態の熱条件に達した後は、本発明のクォーツ発光管は、約９００℃の許容最高温度を超えない範囲で放電室の軸に沿って見られるような、実質的に対称でほとんど恒温の軸方向の表面温度プロファイルを示す。ここで定義したように、軸方向の表面温度プロファイルは、発光管が、動作中安定状態の熱条件に達した後は、円柱状の放電室の樽部分の軸に沿って決定される。好ましくは、そのプロファイルの最大及び最小温度の差は、約３０℃以下であり、更に好ましくは、約２０℃以下である。加えて、作動発光管は、高い効率、良好な演色性（好ましくは、約８０より大きいCRI）、及び改良されたユニバーサル操作のためのカラーコントロールを示している。本発明による筒状発光管の追加的利点は、従来技術の発光管の端部溜からの熱損失を軽減するために普通に使用されるエンドペイントが不要な点である。この製品化と経済的利点は、放電室の外側表面に沿って幾何学的に誘導された温度勾配の低減の直接的な帰結である。

筒状のクォーツ発光管の設計の中心は、放電室の樽部分の直径の規格化である。それは、十分に小さく選択され、プラズマ発光から室壁面へのガス対流による熱伝達が、従来設計のクォーツ発光管のそれと比較すれば、実質的に減少している。この条件を満たすことは、垂直に動作する円柱状のクォーツ発光管の外壁表面の安定状態の温度条件を測定することで確認されうる。その直径が大きすぎる場合は、筒状室の外壁の最大温度は、プラズマ発光から壁への実質的な対流熱の伝達により、筒状樽部分の上端近くで発生する。従って、放電室の軸方向の表面温度プロファイルは、中心対称（鏡面）を示さない。この非対称の温度特性は、筒状の放電室内における発光から壁面までの熱伝達が、ガス対流によって支配されることを示唆している。筒状の放電室の直径が減少するにつれて、壁面室最大温度の位置は、樽部分の中央領域へ移動し、これは、ガス対流によって支配される熱伝導から温度条件によって支配される熱伝統への遷移を示唆している。このことは、発光管内の熱ガス対流速度が付随的に減少する結果である。これが起こるときは、放電室の軸方向の表面温度プロファイルは、高い次数の中心対称を示している。

ここで説明した発光管は、ユニバーサル操作のために設計されている。即ち、その操作は、重力に関して、発光管の方向付けに関係ない。ここで提示された発光管の例は、垂直方向に作動する。非垂直方向に作動する発光管のプラズマ発光は、一般的に、プラズマ発光内の温度勾配によって誘因される浮力のため、上方へお辞儀をする傾向がある。しかしながら、音響的に変調された入力パワーの波形は、非垂直方向に作動する発光管のまっすぐな発光をなす。例えば、参考文献のUSP6,124,683に示されている。それ故、本発明の利点は、もし、音響的変調技術がまっすぐな発光を維持するように使用される場合は、発光管の非垂直方向の作動において達成される。

本発明に従って設計された筒状のクォーツ発光管の、平均電気的壁面熱負荷（watts/cm^２）関数として、ホットスポット及びコールドスポットの温度が図１に示されている。図示したように、コールドスポットの温度（Tmin）は、壁面熱負荷が増加するにつれて急激に上昇し、その結果、効率が改善され、より良好な演色性と通常の低い色温度を生じる。驚くべき事に、ホットスポットの温度（Tmax）は、際だった減少割合で増加し、それにより、「ソフト飽和」特性を示している。筒状の放電室の樽部分のピークの表面温度は、４０W/cm^２のとても高い壁面熱負荷で、わずか８９０℃に達した。これら２つの結果の組合せは、即ち、平均壁面熱負荷が増加するにつれてのホットとコールドの温度振る舞いであり、直接的には、改良された温度及び測光パフォーマンスの原因となる。この振る舞いは、樽の直径が大きすぎるため、従来技術のクォーツ発光管については発生しない。

本実施例においては、筒状室の樽における、最も低いスポットと最も高いスポットの温度差は、約２０℃近くに及び、発光管表面をほとんど恒温にする。熱平衡においては、温度T_０の恒温表面は、T_０の平均温度を有する非恒温表面（同じ領域で放射材料特性を有する）以下のパワーを放射する。それ故、ほとんど恒温の表面温度を有する発光管は、均一性の劣る表面温度分布を有する発光管より効率的に動作する。

好ましい実施例中の図２を参照すると、クォーツ管２は、金属ハロゲンフィル１０を含む放電室５を有する。放電室５は、内部に従来のクォーツ外皮を形成するローラーのための実際的な限界値内で、実質的に正確な円形の筒状を有する。該放電室は、内部直径Dの樽部分３を有する。電極７は、放電室５の両端に配置され、放電室５の軸１４と同軸をなす。相対する電極７の間の距離は、発光長Aを規定している。該電極７は、更に、放電室の両端に形成される端部溜１５の中に位置する。該端部溜１５は、ローラーを形成する動作において生産される基本的な筒状のため、回転対称を示している。該端部溜１５は、発光室の端部で円対称を表している急激に圧縮されたボトルネックに似ている。ピアスポイント６と電極チップとの間の距離は、電極装着距離Lを規定している。電極７は、リード１１に溶着されたモリブデン箔９に溶着されている。該リード１１は、点火して電極７間の発光放電を持続するために、電力を供給する外部電力供給源（図示しない）と接続されている。該モリブデン箔９は、発光管２の両端に位置する圧力シール１７によって、クォーツ内で密閉シールされている。

所与のランプに入力パワーＰ（wattで）が与えられて、３０W/cm^２の平均壁面熱負荷と仮定された場合、発光長Aの、円柱状の放電室の樽部分の内部直径Dに対するアスペクト比は約１に等しく（A/D=1）、放電室の内部直径D（cm）は、第１近似式として、以下の公式で表される：

直径を最適化するために、内部直径が、上に示した公式によって規定されたものよりも幾分大きい発光管から開始するのが望ましい。直径が増加するに従って、最大温度（ホットスポット）を含む領域は（筒ボディの外側）、徐々に放電室の両端間の中央位置の方へ移動する。

減少する直径は、更に、このホット領域の位置に影響を及ぼさないが、そのピーク温度を増加させる。一般に、最適化された直径は、もっとも完全な対称な軸方向の表面温度プロファイルが到達する点で発生し、同時に、その最大温度は約９００℃を超えないという条件を満足する。

発光管の直径が決定された後は、パフォーマンスを更に最適化するための設計をすべく調整がされる。特に、電極の装着長さと端部溜の形状は、樽部の表面のコールドスポットの温度が、ホット領域（二つの端部溜間のほぼ中央の樽部分の表面上に位置する）の最大温度を超えない範囲で可能な限り高くなるように調整され得る。この要求を満足することは、垂直方向に動作する発光管の表面の、安定状態の軸方向の温度分布を測定することで確認され得る。その装着長さが増加したときは、コールドスポットの温度（典型的には、筒状の放電室の樽部分の両端で観察される）は減少する。最適化された装着長さは、筒状の樽（所与の端部溜のため）の両端のコールドスポット温度を、ホット領域の最大温度を超えない範囲内で、最大化する長さである。一方、同時に、筒状の放電室の軸方向の表面温度プロファイルの中心対称を保存する。

本発明によって設計された、垂直方向に動作される筒状のクォーツ発光管のための、表面温度プロファイルは、図３に示される。筒状の発光管を示している点線は、そのプロファイルと発光管との間の近似的な空間的関係を示すために、温度プロファイルの上に重ねて挿入されている。そのプロファイルは、放電室の樽部分を超えた発光管の領域を含んでいる。その温度プロファイルは、解像度と鮮鋭性を強調するために接写レンズを有する、5.0ミクロンの波長の赤外線画像システムAGEMAサーモビジョン９００で測定された。

放電室の樽部分の表面の、最大温度と最小温度との間の差は、約２０℃である。温度スパイクは、電極が端部溜に入るところのピアスポイントでの発光管の両端で発生する。これらのピアスポイントは、筒状の放電室の樽部分の外側にあり、それらは金属塩が属しない極小領域を超えて発生するので、発光管のパフォーマンスにはさほど影響しない。筒状の放電室の樽部分の軸に沿って決定される、軸方向の表面温度プロファイルは、高い程度の中心対称を示している。これは、同じフィルを含み、１００ワットの操作で操作される、従来の圧力シールされた円柱状のボディを有する従来技術のクォーツ発光管の図４で示された類似の温度プロファイルと比較されるべきである。

円柱状のクォーツ発光管のグループの測光パフォーマンスの特性（１００時間での）は、図１に示された従来のクォーツ発光管（圧力シールされ、筒状のボディ）の特性と比較される。発光効率は比較できるが、相関色温度（CCT）の広がりは著しく劣り、演色性指標（CRI）は、ローラ形成された本発明の筒状設計にとって、顕著に改善されている。これらの発光管の金属ハロゲン塩化学は、カラスコらのU.S.P.5,694,002に説明されている、５つのコンポーネントタイプのものである。

こうして本発明の好ましい実施形態が示され、それがどのようなものであるかが説明されたが、当該分野の当業者にとっては、従属請求項によって規定された発明の範囲から逸脱しない範囲で、明らかな変更や修正はなされ得る。

図１は、本発明の動作クォーツ発光管のコールドそしてホットスポットを壁面熱負荷の関数として図示したものである。 図２は、本発明のクォーツ発光管のダイアグラムである。 図３は、本発明の動作クォーツ発光管の表面温度プロファイルである。 図４は、先行技術の動作クォーツ発光管の表面温度プロファイルである。

符号の説明

２ クォーツ発光管
３ 樽部分
５ 放電室
６ ピアスポイント
７ 電極
９ モリブデン箔
１０ 金属ハロゲンフィル
１１ リード
１４ 軸
１５ 端部溜
１７ 圧力シール

Claims (4)

1. 金属ハロゲンランプのクォーツ発光管であって、
   金属ハロゲンフィルを有する放電室を囲むクォーツボディを有し、
   前記放電室は、実質的に正確な円形の筒形状を有し、相対する電極を含み、
   前記電極対は、放電室の両端に配置され、前記放電室の軸と同軸であり、
   前記電極対の間の距離は、発光長を規定し、
   前記放電室の内部直径は、センチメータ単位で、近似的に、[(1+P/50)^１／２-1]に等しく、ここでＰは、入力パワー（ワット）であり、
   前記発光長の前記内部直径の比率は約１であることを特徴とする、クォーツ発光管。
2. 金属ハロゲンランプのためのクォーツ発光管を作製する方法であって、
   前記クォーツ発光管は、金属ハロゲンフィルを有する放電室を囲むクォーツボディを有し、
   前記放電室は、実質的に正確な円形の筒形状を有し、相対する電極を含み、
   前記電極対は、放電室の両端に配置され、前記放電室の軸と同軸であり、
   前記電極対の間の距離は、発光長を規定し、
   前記放電室は、各々の相応する電極が放電室に入るところにピアスポイントを有し、
   前記ピアスポイントと前記放電室内にある対応電極端の間の距離は、電極の装着長さを規定し、
   前記発光管は、安定状態の温度条件で作動する場合は、軸方向の表面温度プロファイルを有し、
   以下のステップを有することを特徴とする、クォーツ発光管の作製方法。
   a)発光長と、センチメータ単位で[(1+P/50)^１／２-1]よりも大きい放電室の内部直径とを選択するステップで、このＰは、ワットの入力パワーであり、前記発光長の前記内部直径の比率は約１である。
   b)発光管を形成するステップ
   c)安定状態の熱条件を得るため、予め決められた壁面熱負荷の平均で、発光管を作動させるステップ
   d)最大温度と最小温度を得るため、前記放電室の軸方向の表面温度プロファイル測定するステップ
   e)各々の反復について、軸方向の表面温度プロファイルの最大温度が放電室の両端の中程にあるまで、放電室の内部直径が、各々の反復に伴って徐々に増加する間、b)からd)のステップを繰り返すステップ
   f)プロファイルの最小温度と最大温度の差が、最大温度が約９００℃を超えないで、最小になるまでは、各々の反復に伴って電極の装着長さを徐々に変化させる間、b)からd)のステップを繰り返すステップ。
3. 前記発光管は、約２５から約４０W/cm^２の平均壁面熱負荷で作動することを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記プロファイルの最大温度と最小温度との間の差が約２０℃以下であることを特徴とする、請求項２記載の方法。

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