KR940001499B1

KR940001499B1 - 아크 방전관을 보호하기 위해 금속 할로겐화 필름을 사용하는 고압 무전극 방전 램프

Info

Publication number: KR940001499B1
Application number: KR1019910003479A
Authority: KR
Inventors: 루드윅 위팅 헤랄드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니; 아더 엠.킹
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH04220941A; US5032757A; EP0445961A2; AU7098191A

Abstract

내용 없음.

Description

아크 방전관을 보호하기 위해 금속 할로겐화 필름을 사용하는 고압 무전극 방전 램프

제1도는 본 발명의 양호한 제1실시예에 따라 플라즈마 아크방전에 의한 부식으로부터 아크 방전관을 보호하기 위한 더어멀 수단을 포함하는 무전극 HID 램프를 부분적으로 절단하여 도시한 측면도.

제2도는 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 부식으로부터 아크 방전관을 보호하기 위한 더어멀 수단을 포함하는 무전극 HID 램프를 부분적으로 절단하여 도시한 측면도.

제3도는 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따라 부식으로부터 아크 방전관을 보호하기 위한 더어멀 수단을 포함하는 무전극 HID 램프를 부분적으로 절단하여 도시한 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 아크 방전관 12 : 로드

14 : 여자 코일 16 : RF 전원 장치

17 : 트로이드 아크 방전 18, 23, 28, 30 : 열막이

19 : 방열판 20 : 보호 필름

26 : 엔벨롭프 27 : 배기팁

본 발명은 일반적으로 무전극 고광도 방전 램프(electrodeless high intensity discharge lamps)에 관한 것인데, 더욱 자세히 말하자면 그 내부에서 형성된 플라즈마 아크 방전(plasma arc discharge)에 의한 부식(erosion)으로부터 무전극 고광도 방전 램프의 아크 방전관을 보호함으로써 램프의 유효 수명을 연장하기 위한 장치에 관한 것이다.

고광도 방전(HID) 램프에 있어서, 수은 증기 또는 나트륨 증기와 같은, 고압 이온화 가스의 매질은 가스를 통하는 고주파(RF) 전류의 통과에 의해 전형적으로 발생하는 여자(excitationl)에 의하여 가시 방사(visible radation)를 방출한다. HID 램프의 한 종류는 금속 할로겐화물(metal halide)과 비활성 버퍼 가스(inert buffer gas)의 화합물을 함유하는 고압 가스 램프 필(high-pressure gaseous lamp fill)내의 솔레노이드 전계(solenoidal electric field)를 설정함으로써 아크 방전을 발생하는 무전극 램프로 구성된다. 특히, 램프 필, 또는 방전 플라즈마는 필을 포함하는 아크 방전관을 감싸는 여자 코일내의 RF 전류에 의해 여자된다. 아크 방전관과 여자 코일 조립체는 본래 변환기로서 작용하는데, 이 변환기는 RF 에너지를 플라즈마에 연결한다. 즉, 여자 코일은 1차 코일로서 작용하고, 플라즈마는 2차 싱글-턴(single-turn)으로서 작용한다. 여자 코일내의 RF 전류는 자계를 변화시키고, 자체적으로 완전히 폐쇄된 플라즈마내의 전계, 즉 솔레노이드 전계를 순서대로 만든다. 이러한 전계의 결과로써 전류는 흐르고, 따라서 아크 방전관내의 토로이드 아크 방전(toroidal arc discharge)을 발생시킨다.

무전극 HID 램프는 범용 조명 기준에 따라서 양호한 연색성(color rendition) 및 고효율을 일반적으로 제공한다. 그러나, 이러한 램프의 수명은 고광도 아크 방전에 근접하여 있는 아크 방전관 부분의 부식으로 인해 제한될 수 있다. 아크 방전관의 부식은 강력한 이온 포격(ion bombardment)과 아크 방전으로부터의 방사로 인한 화학반응에 기인할 수 있다. 예를 들면, 메사추세츠 공과 대학(M.I.T) 간행물(1971년)의 266 내지 277쪽에 게재된 존 에프 웨이마우쓰(John F.Waymouth)의 전기적 방전 램프에서 설명된 바와같이, 나트륨 요오드화물 필을 함유하는 HID 램프에 있어서, 나트륨 요오드화물은 아크 방전에 의해 양성 나트륨 이온과 음성 요오드 이온으로 해리된다. 양성 나트륨 이온은 아크 방전의 전계에 의해 아크 방전관벽쪽으로 이동된다. 벽에 도달하기전에 요오드 이온과 재결합하지 못한 나트륨 이온은 벽에서 화학 반응 하거나, 벽을 통해 통과함으로써 감소될 수 있다. 아크 방전관 표면이 노후될뿐만 아니라 나트륨 원자가 점점 감소되기 때문에 빛의 출력도 감소된다. 또한, 아크의 불안정성(arc instability) 및 종국적으로 아크 소광(arc extinction)의 원인이 되는 아크 방전관 내의 자유 요오드 이온이 축적된다.

따라서, 본 발명의 목적은 램프의 유효 수명을 연장하기 위해서 내부의 아크 방전관에 의한 부식으로부터 아크 방전관을 보호하기 위한 장치를 포함하는 새롭게 개량된 무전극 HID 램프를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 무전극 HID 램프의 아크 방전관에 대하여, 램프 작동중에 플라즈마 아크 방전에 가장 인접하여 있는 아크 방전관의 표면을 덮는 보호 금속 할로겐화 필름(protective metal halide film)을 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 금속 할로겐화 응축물(metal halide condensate)이 보호 필름을 형성하기 위해서 아크 방전관의 나머지 부분보다는 저온의 무전극 HID 램프내의 플라즈마 아크 방전관에 가장 인접하여 있는 아크 방전관 벽의 부분을 유지하려는 것이다.

본 발명의 상술한 목적 및 다른 목적은, 내부의 고광도 아크 방전관에 의한 부식으로부터 아크 방전관을 보호하기 위한 더어멀 수단을 포함하는 새롭게 개량된 무전극 HID 램프에 의해 달성되고, 따라서 램프의 유효 수명은 연장된다. 양호한 아크 방전관 구조는 둥근 연부를 갖는 짧은 원통형 또는 "둥근 박스형(pillbox)"구조이다. 아크 방전관 필은 램프 작동중에 아크 방전관내의 금속할로겐화물을 함유한다. 본 발명에 따라서, 더어멀 수단은 금속할로겐화 응축물이 표면상에 보호 필름을 형성하도록 아크 방전관 나머지 부분보다 저온의 플라즈마 아크 방전관에 가장 인접한 아크 방전관의 부분을 유지하기 위해 작동한다. 본 발명의 제1양호한 실시예에서, 더어멀 수단은 아크 방전관내로 열을 반사시키는 아크 방전관의 저부에 위치한 열막이(heat shield)로 구성된다. 제2실시예는 응축물이 아크 방전관의 저부에 퇴적되지 못하도록 작용하는 오목한 형태의 저부로 구성된다. 부수적으로, 필요한 경우에 열막이는 아크 방전관의 오목한 저부에 위치할 수 있다. 제3실시예에서, 아크 방전관의 측면이 여자 코일의 전도에 의해 충분히 냉각되는데, 그것은 아크 방전관 보다 매우 낮은 온도에서 작용하고, 다음에 방열판(heat sink)의 전도에 의해 냉각 되도록 보호 금속 할로겐화 필름은 여자 코일을 아크 방전관에 매우 근접시킴으로써 형성된다. 최종적으로 제4양호한 실시예는 외관, 즉 아크 방전관을 감싸는 투광 엔벨롭프(light-transmissive envelope)를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하겠다.

제1도는 로드(12)로 지지되는 아크 방전관(10)을 포함하는 본 발명의 HID 램프를 도시한다. 로드(12)가 저부에서 아크 방전관(10)을 지지하는 것으로서 도시되더라도, 필요하다면, 제2도 및 제3도에서 도시된 바와같이, 대안적으로 아크 방전관은 상부에서 지지될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 아크 방전관의 양호한 구조는 둥근 연부를 갖는 짧은 실린더형, 도는 "둥근 박스형"의 구조이다. 1989년 3월 7일자로 피.디.존슨(P.D.Johnson)과 제이.엠.앤더슨(J.M.Anderson)에게 특허되어 양도된 미합중국 특허 제4,810,938호(본 명세서에 참고로 채택된 특허)에서 기술된 바와같이, 이러한 구조는 좀 더 등온적 작동으로 촉진시킴으로써 열 손실을 감소시켜 효율을 증대시킨다. 아크 방전관은 용융 석영과 같은 고온 유리, 또는 다결정 알루미나와 같은 광학적 투명 세라믹으로 양호하게 형성된다. 전력은 아크 방전관(10) 주위에 배치된 여자 코일(14)에 의해 공급되고, 고주파(RF) 전원 장치(16)에 접속된다. 작동에 있어서, 코일(14)의 RF 전류는 아크 방전관(10)내에 자체적으로 완전히 닫힌 전계를 발생시키는 자계를 변화시킨다. 이러한 솔레노이드 전계의 결과로서 아크 방전관(10)내의 필을 통해 전류는 흐르고, 따라서 아크 방전관(10)내의 토로이드 아크방전(17)을 발생시킨다. RF 전원 장치용의 적합한 동작 주파수는 1MHz에서 30MHz의 범위내에 있고, 모범적인 동작 주파수는 13.56MHz이다.

효율적인 램프 작동에 있어서, 여자 코일은 방전 플라즈마에 안전하게 결합될 뿐만 아니라, 또한 저 저항 및 작은 크기여야 한다. 실용적인 코일 배치는 코일에 의한 빛 차단을 피할 수 있을 정도로 실용적이어야 하고, 따라서 빛 출력을 최소화시킨다. 여기서, 코일(14)는 코일 중심선의 각 측면상에서 실질적으로 V-형 교차점을 갖도록 정열되는 4개의 터언(turns)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 6개의 터언을 갖는 유사한 코일 배치는 1989년 3훨 14일자로 특허되고, 제이.엠.앤더슨의 양도된 미합중국 특허 제4,812,702호에 기술되어 있는데, 본 명세서에 참고로 채택된다.

전형적으로 HID 램프의 여자 코일은 코일 소실을 제한하기 위해서 램프 작동중의 여자 코일로부터의 초과열을 제거하기 위해 방열관에 결합된다. 즉, 여자 코일의 온도 증가 및 코일 저항의 증가로 인해서 높은 코일 손실이 발생한다. 무전극 HID 램프의 여자 코일을 냉각시키기 위한 적절한 방열판은 RF 전원 장치(16)에 결합된 방열판 핀(19)로 구성되는데, 그것은 본 명세서에서 참고로 채택되고, 1987년 12월 17일자로 출원되어 허여된 에스.에이.엘-하맘시(S.A.El-Hamamsy) 및 제이.엠.앤더슨의 양도된 미합중국 특허 출원[출원 번호 제134,498(사건 정리 번호 RD-17,838호)]에 기술되어 있다.

아크 방전관(10)으로 밀폐된 필은 하나 이상의 금속 할로겐화물과, 아크 방전의 핫 코어(hot core)에서 아크 방전관의 벽으로의 에너지 이동을 제한하기에 충분한 양의 버퍼와의 화합물로 구성된다. 적합한 금속할로겐화물은 나트륨 요오드화물, 스칸듐 요오드화물, 탈륨 요오드화물, 리튬 요오드화물, 인듐 요오드화물, 아연 요오드화물, 라타늄 요오드화물 및 세륨 염화물이다. 크세논 또는 크립톤과 같은 비활성 가스는 적합한 버퍼로 구성될 수 있다. 특히, 적합한 HID 램프 필은 백색 온도에서 가능 출력을 나타내는 양호한 색깔과, 고효율을 나타내는 가시 방사를 발생하기 위해 중량비(welght proportions)에 따라 화합된 나트륨할로겐화물, 세륨 할로겐화물 및 크세논으로 구성되는데, 이것은 앞에서 인용된 존슨등의 미합중국 특허 제4,810,938호에 기술되어 있다. 예를 들면, 존슨 등의 발명에 따른 필은 동일한 중량비로 약 500토르(torr)정도의 부분 압력에서 크세논과 혼합된 나트륨 요오드화물 및 세륨 염화물로 구성된다. 다른 적합한 필은 1989년 5월 8일자로 출원되어 일시 양도인(instant assignee)에게 양도된 에이취.엘.위팅(M,L.Witting)의 계류중인 미합중국 특허 출원[출원 번호 제348,433호(사건 정리 번호 RD-17,878)]에 기술되어 있다. 본 명세서에 참고로 채택된 위팅의 발명에 따른 필은 버퍼 가스와 같이, 란타늄 할로겐화물, 나트륨 할로겐화물, 세륨 할로겐화물 및 크세논 또는 크립톤의 화합물로 구성된다. 예를 들면, 위팅의 발명에 따른 필은 란타늄 요오드화물, 나트륨 요오드화물, 세륨 요오드화물, 및 250토르의 부분 압력의 크세논 화합물로 구성될 수 있다.

본 발명에 따라서, 아크 방전관 필은 램프 작동중에 아크 방전관내의 금속 할로겐화 응축물 저장소를 제공하기에 충분한 양의 금속 할로겐화물로 구성된다. 작동중인 HID 램프내의 금속 할로겐화 압력은 아크방전관의 가장 냉각된 부분에 형성된 저장소의 온도에 의해 제어된다. 전형적인 HID 아크 방전관 온도는 85℃에서 1000℃까지의 범위내에 있다. 종래 기술의 HID 램프에서, 아크 방전관의 가장 냉각된 부분은 아크 방전관의 저부인데, 그것은 아크 방전관의 윗 부분이 대류로 인해 가열되기 때문이다. 게다가 램프 작동중의 아크 방전에 가장 가까운 아크 방전관의 벽 부분은 아크 방전의 뜨거운 열로 가열된다.

본 발명에 따라서, 아크 방전관의 낮은 부분의 온도가 증가되고/또는 램프 작동중의 아크 방전관에 가장 가까운 아크 방전관 벽의 온도가 감소되는데, 그것은 벽 부분의 온도가 저부의 온도보다 작게되도록 하기 위해서다. 결과적으로, 금속 할로겐화 응축물의 저장소는, 아크 방전에 가장 가까운 아크 방전관 벽 부분의 내부면상에 필름을 형성함으로써, 방전의 뜨거운 열에 의한 손상으로부터 아크 방전관 벽을 보호하고, 램프의 유효 수명을 연장한다. 양호한 실시예에 의하면, 과잉 금속 할로겐화물은 보호 금속 할로겐화 필름이 아크 방전관(10)의 전체 내부면 면적을 최소한 30% 정도 덮을 정도의 충분한 양으로 추가된다.

아크 방전관 벽과 같이, 금속 할로겐화 필름은 이온 포격 및 아크 방전으로부터의 방사에 의해 손상받기 쉽다. 그러나, 필름은 증발, 응축, 해리 및 재화합의 공정을 통해 방전 영역으로 동적평형을 유지한다. 이러한 공정은 아크 방전에 의한 필름의 손상을 정화시키거나 개선시킨다.

제1도에 도시된 바와같이, 열막이(18)은 금속 할로겐화 응축물이 아크 방전관 측벽의 내부면상에 보호필름(20)을 형성하도록 아크 방전관(10)의 낮은 부분의 온도를 증가시키는데 사용된다. 적합한 열막이는 알루미나, 실리카 또는 마그네시아와 같은 횐파우더의 코팅으로 구성된다. 이러한 코팅 기능은 아크 방전관내로 후방 열을 반사시키고, 반면에 램프로부터 매우 적은 양의 가시 광선출력을 흡수한다. 대안적으로, 적합한 열막이는 적외선 열을 반사시키고 가시 광선을 전달할 수 있는 필름으로 구성된다. 모범적인 필름은 티타늄, 실리콘 및 탄탈륨의 산화물로 구성되는 다층필름이다. 열막이(18)의 또 다른 대안적인 실시예는 석영울(quartz wool)과 같은 절연 물질로 구성된다. 더구나, 필요하다면, 다른 열막이는 확실하게 아크 방전관측벽이 최저온 상태에 있도록 아크 방전관(10)의 상부상에 배치될 수 있다.

제2도는 본 발명의 제2양호한 실시예를 도시하는데, 방전관(10)의 저부(22)가 오목함으로서, 금속 할로겐화 응축물의 저장소는 그위에 퇴적되는 것으로부터 방지되는 것을 특징으로 하고, 따라서 응축물을 아크방전관 측벽쪽으로 강제로 이동시켜 그 상부에 보호 필름(20)을 제공한다. 도시된 바와같이, 필요하다면, 열막이(23)은 아크 방전관(10)의 오목한 저부(22)에 위치할 수 있다. 더구나, 다른 열막이(도시되지 않은)는 필요하다면, 아크 방전관(10)의 상부상에 배치될 수 있다.

아크 방전관(10)은, 보호 금속 할로겐화 필름이 아크 방전관 측벽의 내부면상에 형성되도록 아크 방전관의 측벽에서 방열관(19)로 이동하기에 충분한 열을 보장하기 위해 여자 코일(14)에 충분히 인접하여 위치할 수 있다. 특히, 아크 방전관 벽은 아크 방전관보다 낮은 온도에서 동작하는 여자 코일의 전도로 인해 냉각된다. 다음에, 여자 코일(14)는 방열판으로의 열 전도로 인해 냉각된다. 여자 코일에 충분히 인접하여 위치한 아크 방전관 때문에, 열막이 및/또는 오목한 저부는 반드시 고려될 필요는 없다.

제3도는 본 발명의 또 다른 양호한 실시예를 도시한다. 아크 방전관(10)은 아크 방전관(10)과 엔벨롭프(26)사이의 공간에 있는 가스의 배출(evacuation) 및 백필(backfill)을 위한 배기 팁(exhaust tip : 27)을 갖는 외부 유리 엔벨롭프(26)내에 장착된다. 도시된 바와같이, 여자 코일(14)는 엔벨롭프(26)주위에 배치된다. 이 경우에, 아크 방전관 측벽은 엔벨롭프로의 연 전도에 의해 아크 방전관의 상부 및 저부에서 보다 더 낮은 온도로 유지된다. 제3도에서, 열막이(28 및 30)은 각각 아크 방전관의 상부 및 저부에 위치한 것으로 도시되는데, 그것은 열막이의 온도가 아크 방전관 측벽의 온도 보다 높게 유지되도록 보장하기 위한 것이다. 그러나, 제3도의 엔벨롭프(26)과 같은 외부 유리 엔벨롭프는 엔벨롭프의 상부 및 저부에서 보다 더 낮은 온도로 아크 방전관 측벽을 유지하는데 도움이 되기 위해서 소정의 다른 앞에서 기술한 본 발명의 실시예와 협력하여 사용될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예가 본 명세서에서 도시되고 기술되었지만, 이 실시예는 예로서만 제공되었다는 것은 명백하다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변화, 변형 및 대체가 이 분야의 숙련자들에 의해 가능하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 내용 및 범위에 위해서만 제한된다.

Claims

플라즈마 아크 방전에 견딜 수 있는 광선 투과 아크 방전관, 상기 아크 방전관에 배치된 필, 고주파 에너지를 상기 필에 결합하기 위한 여자 수단, 및 상기 금속 할로겐화 응축물이 상기 램프의 작동중에 상기 아크 방전관 내부면상에 보호 필름을 형성하도록 상기 아크 방전관의 나머지 부분보다 낮은 온도에서 상기 플라즈마 아크 방전에 가장 인접한 상기 아크 방전관 부분을 유지하기 위한 더어멀 수단을 포함하고, 상아크 방전관이 상부, 저부, 및 측벽을 갖고 있고, 상기 필이 최소한 1개의 금속 할로겐화물 및 버퍼가 포함하고, 금속 할로겐화물의 량이, 금속 할로겐화 응축물의 저장소가 상기 램프의 작동중에 제공되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 무전극 고광도 방전 램프.
제1항에 있어서, 상기 금속 할로겐화 필름이 최소한 30%의 상기 아크 방전관의 내부면을 덮는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 아크 방전관이, 상기 아크 방전관의 높이가 외경보다 작은 원통형인 것을 특징으로 하는 램프.
제3항에 있어서, 상기 아크 방전관의 연부가 원형인 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 더어멀 수단이 상기 아크 방전관의 저부에 밀접 배치된 방열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제5항에 있어서, 상기 방열 수단이 알루미나, 실리카를 포함하는 그룹으로 부터 선택된 파우더 코팅 및 마그네시아 파우더 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제5항에 있어서, 상기 더어멀 수단이 석영 울을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제5항에 있어서, 상기 방열 수단이 상기 아크 방전관의 상부에 밀접 배치된 방열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제5항에 있어서, 상기 아크 방전관의 저부가 오목형태이고, 상기 터어멀 수단이 상기 오목한 저부를 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 아크 방전관의 저부가 오목형태이고, 상기 오목한 저부가 상기 더어멀 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 더어멀 수단이 상기 아크 방전관을 둘러싸는 외부 광선 투과 엔벨롭프를 포함하고, 상기 여자 코일이 상기 엔벨롭프 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 램프.
제11항에 있어서, 상기 더어멀 수단이, 상기 아크 방전관의 저부에 밀접 배치된 방열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제12항에 있어서, 상기 방열 수단이 알루미나, 실리카를 포함하는 그룹으로 부터 선택된 파우더 코팅 및 마그네시아 파우더 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제12항에 있어서, 상기 방열 수단이 석영 울을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제12항에 있어서, 상기 더어멀 수단이 상기 아크 방전관의 상부에 밀접 배치된 방열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제11항에 있어서, 상기 아크 방전관의 저부가 오목형태이고, 상기 오목한 저부가 상기 더어멀 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 더어멀 수단이 상기 보호 필름을 형성하기 위해서 충분한 열이 전도에 의해 상기 아크 방전관의 측벽으로부터 제거되도록 상기 여자 코일이 상기 아크 방전관에 밀접하여 격설되는 상기 여자 코일로부터 열을 제거하기 위한 방열관 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 금속이 나트륨, 스칸듐, 탈륨, 리튬, 인듐, 아연, 란타늄, 세륨 및 이의 혼합물을 함유하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 할로겐화물이 요오드화물, 염화물 및 브롬화물 및 이의 혼합물을 함유하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 램프.
제1항에 있어서, 상기 버퍼 가스가 크세논 및 크립톤을 함유하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 램프.