JPH04282552A - メタルハライドランプ用ヒートシンク手段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般にメタルハライド放
電ランプの光出力の改善を可能とする手段に関するもの
であり、更に詳しくは独特のやり方でランプアーク管内
の水銀の凝縮を調節するヒートシンク手段でこのような
改善を行うことに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】種々のメタルハライド放電ランプでは、
光源として溶融石英アーク管を用いるのが普通である。 その理由は、このセラミック材料の耐火性と光透過性で
ある。このような型のランプでは、アーク管には一般に
、溶融石英管で形成された封止されたエンベロープが含
まれており、放電電極がその中に気密封止されている。 通常のアーク管構成では、封止されたエンベロープの両
端で一対の放電電極が気密封止される。但し、両方の電
極をアーク管の同一端で封止するものも知られている。 封止されたアーク管内には種々の金属物質の充てん物も
含まれている。充てん物は放電動作の間に蒸発する。充
てん物には、クリプトン、アルゴン、キセノンのような
一つ以上の不活性ガスとともに水銀、ナトリウム、およ
びハロゲン化金属が含まれる。このような金属蒸気放電
ランプの動作は交流または直流の電源を用いる種々の既
知のランプ安定回路で実行することができる。

【０００３】キセノン−メタルハライド化金属ランプの
ようなメタルハライドランプで高速度持続照明を行うた
めに、定常光出力の少なくとも５０パーセントがランプ
始動の瞬間から０．７５秒以内に達するという性能条件
が存在する。従来技術のランプでは始動時に著しい光損
失が生じる。最初に放電電極から蒸発したときアーク管
壁に凝縮する水銀によって、キセノン放電照明が吸収ま
たは散乱される。これにより、キセノン照明とアーク管
内の水銀や他の金属成分の蒸発および電離により生じる
低速の照明との間に「ライトホール」（ｌｉｇｈｔ　　
ｈｏｌｅ）が生じる。これらの従来技術のランプのライ
トホールを最小限にすることによって、より持続した、
または継続した照明源が得られる。

【０００４】ランプ始動時および再始動時のライトホー
ルの発生を最小限にするための改善された放電電極手段
が１９９０年１１月１日出願の米国特許出願第６０８，
０８４号に開示されている。これには、ランプ始動の間
のアーク管壁上での水銀の凝縮の速度および最大堆積量
を著しく小さくする陽極手段と陰極手段の特定の組み合
わせが開示されている。このような改善は電極手段に隣
接して凝縮が行われるようにランプ冷却中の水銀凝縮を
熱的に管理することによって得られる。アーク管の陰極
端に凝縮するよりも多い水銀がアーク管の陽極に凝縮す
る。その後の陽極手段からの凝縮水銀の蒸発もランプ再
始動の間、遅延される。陰極手段はランプ始動の間、陽
極手段に比べて加熱速度が早くなるとともに、ランプ冷
却中に陽極手段に比べて冷却速度が遅くなるように陽極
手段とは異なる構造になっている。

【０００５】メタルハライドランプの光損失を小さくす
るため更に効率を向上する手段が提供されることが望ま
しい。アーク管壁にあまり再堆積することなく、凝縮し
た水銀が電離するメタルハライドランプが提供されるこ
とも望ましい。更に、メタルハライドランプ内で凝縮水
銀のより早い電離を可能とする手段が提供されることも
望ましい。

【０００６】

【発明の目的】したがって、本発明の一つの目的は始動
時のメタルハライドランプに生じる光損失を小さくする
手段を提供することである。

【０００７】本発明のもう一つの目的はアーク管壁上の
水銀凝縮の制御を改善するための手段を含む、溶融石英
アーク管を光源として用いる改善されたメタルハライド
ランプを提供することである。

【０００８】本発明の更にもう一つの目的は始動時の光
損失が小さい、メタルハライドランプを光源として用い
る改善された自動車前照灯を提供することである。

【０００９】本発明の上記および他の目的は以下の更に
詳細な説明から明らかとなる。

【００１０】

【発明の概要】本発明者は特定の方法でメタルハライド
ランプのアーク管と物理的に係合するヒートシンク手段
によって上記のライトホールの問題が軽減されることを
見出した。更に詳しく述べると本発明によれば、外部の
ヒートシンク手段がアーク管の過熱点領域に隣接した放
電電極の中間のアーク管壁と物理的に係合することによ
り、ライトホールが低減される。ランプ冷却の間に、ヒ
ートシンク位置に隣接した内側アーク管壁上に水銀が選
択的に凝縮する。これらの手段によって主としてアーク
管の過熱点領域に水銀凝縮物を限定することにより、ラ
ンプを次に再始動したとき水銀放電照明の速度が早くな
る。ランプ冷却時に放電電極に凝縮する水銀が少ないの
で、電極からの比較的即座の水銀蒸発でライトホールが
生じる可能性が少なくなる。再始動時にアーク管壁上の
水銀の再凝縮によって生じる光損失も小さくなるはずで
ある。隣接するアーク管壁と比べてヒートシンク位置で
のアーク管壁の加熱が遅いため、より高温の壁位置での
水銀再凝縮が妨げられる。したがって、ランプの冷却と
再始動の間、アーク管内での水銀凝縮の熱管理が独特の
方法で進行する。本発明によるヒートシンク手段によっ
て、ランプ冷却時に新しい位置で水銀が凝縮する。この
位置でランプ再始動時に、水銀はより容易に蒸発するこ
とができるとともに、蒸発した水銀がアーク管壁の別の
場所に再凝縮することが少なくなる。

【００１１】この目的のための適切なヒートシンク部材
は銅およびアルミニウムのような金属ならびに炭化シリ
コンおよび窒化アルミニウムのようなセラミック合成物
を含むように種々の熱伝導固体で形成することができる
。熱伝導性の金属微粒子を入れたアルミナのようなセラ
ミック合成物を含む金属も本ヒートシンク部材に対する
有用な構成材料と考えられる。同様に、適切なヒートシ
ンク部材はランプ動作の間、アーク管部材の壁と物理的
に接触した状態に維持されるか、または耐火性のセラミ
ック材料でそれに結合された熱伝導性の金属素子を含む
ように種々の物理的構成を持つことができる。代案とし
て、アーク管壁に対する接合のための適切なヒートシン
ク構造は熱伝導性の金属を含む中空の溶融石英素子で構
成することができる。

【００１２】

【実施例の説明】図面に於いて、図１は本発明によるヒ
ートシンク手段を用いた代表的な溶融石英アーク管構造
１０を示す。図に示すように、アーク管１０はダブルエ
ンド構成になっており、細長い中空体１２を成形して球
根形の中心部分１８の各端に首部分１４と１６を設けて
ある。中心部分１８の公称全長は約５ミリメートルから
約１５ミリメートルの範囲とし、中央点の外径は約３ミ
リメートルから約１０ミリメートルの範囲とすることが
できる。中空石英体１２の壁部分２０および２２は球根
形中心部分１８の両端で一対の電極２４および２６を気
密封止する。電極２４と２６は約２ミリメートルから約
４ミリメートルの範囲の所定距離だけ互いに離されてい
る。本発明に従ってシングルエンドのアーク管構成も考
えられ、この場合、両方の電極がアーク管の同一端に配
置され、所定の間隔だけ互いに離される。電極２４およ
び２６の両方ともタングステンまたはタングステン合金
のような耐火性金属で形成された棒状部材を含み、交流
電源で動作させたとき同じ物理的寸法となり、直流電源
で動作させたとき一般に異なる寸法となるように構成さ
れる。ほぼ即座にアーク管１０の中に熱電子アーク状態
を生じるように電極部材も既知のスポットモード形にな
っている。両方の電極２４および２６は石英エンベロー
プ１２の中に気密封止されており、薄い金属箔素子２８
および３０が更にそれぞれ外側リード線導体３２および
３４に接続されている。キセノン、水銀、およびハロゲ
ン化金属の充てん物（図示しない）が石英エンベロープ
の封止された中心部分１８の中に入れられている。耐火
性金属コイル３６および３８は封止されたアーク管エン
ベロープの両端の中央に電極部材を位置決めする役目だ
けを果たす。

【００１３】アーク管１０にはヒートシンク部材４０が
設けられており、これはアーク管上部壁２０の外側表面
に固定されている。図でわかるように、ヒートシンク部
材４０はランプ動作中、アーク管の過熱点領域と一致す
るように、間隔を置いて配置された電極２４と２６の間
のほぼ中央に配置される。ヒートシンク部材には短い石
英管４２を設けてもよく、この石英管４２は耐火性のセ
ラミック材料（図示しない）でアーク管壁に直接、熱封
止されるか、または接着される。また、ヒートシンク部
材の中空空洞４６の中にはアルミニウムのような熱伝導
性金属の充てん物４４が入れられている。このようなヒ
ートシンク手段がアーク管１０の壁を介して伝導除去す
る熱により、ランプ動作の中止時に水銀がアーク管内に
選択的に凝縮される。更に詳しく述べると、このとき水
銀の凝縮はアーク管空洞の内壁全体に生じるのではなく
、主としてアーク管空洞すなわち中心部分１８内のヒー
トシンク部材４０に隣接した領域にだけ限定される。

【００１４】図２のグラフは３０ワットサイズのインス
タントライトのキセノン−メタルハライドランプの性能
特性を示し、本発明による改善の有効性を示す。曲線５
０は本発明のヒートシンク手段を用いたこのようなラン
プの光出力測定値を表す。ランプのキセノン充てん圧力
は約４気圧である。曲線５２はヒートシンク手段がない
場合の、ランプの同様な測定値を表す。曲線５０と５２
の比較からわかるように、両方のランプともランプ始動
時にほぼ瞬時にキセノン光ピークに達した。ヒートシン
ク手段の無いランプの光出力（曲線５２）では前に述べ
た光損失が示されている。試験測定期間の間、ランプは
約５．５アンペアの始動電流値でランプ始動から０．７
５秒以内に、このようなランプが必要とする定常状態照
明の５０パーセントを供給する。しかし、本発明による
ランプ構成で始動時に生じる光損失（曲線５０）は小さ
くなるので、ランプはより大きなマージンで所望の性能
規格を満足する。これらの結果が明確に示していること
は、ヒートシンクを使うことはライトホールの影響を小
さくし、また始動仕様を満足しなかったランプを明らか
に改善して始動仕様を満足させるということである。始
動後、ランプ電流が指数的に減衰して所定の定常状態値
となるランプ動作条件のもとで一定の定常状態光出力に
達する。この場合、ランプ電極は約２２００°Ｃから、
アーク放電を維持するために電極構造に選択された耐火
性金属のほぼ融点までの温度範囲内に維持される。

【００１５】前に示したように、ランプ動作の間、アー
ク管から有効に熱を除去するために、ヒートシンク部材
を実際にアーク管に固定することは必須ではない。所望
の熱除去を行うため両者の間の物理的接触を維持するこ
とだけが必要である。石英アーク管が外側ハウジング部
材の中、たとえば反射器部材の中に物理的に支持される
ランプユニットでは、別の構成が特に適している。反射
器によって、ヒートシンクとアーク管部材との間で所要
の伝熱協同動作が行われるようにヒートシンク部材を反
射器の中に支持することができる。このような構成を用
いる自動車前照灯ユニットについて図３および図４を参
照して更に説明する。

【００１６】図３はアーク管部材６２と金属箔ヒートシ
ンク部材６４との間で所望の伝熱協同動作が行われるよ
うに両者が物理的に係合したアーク管アセンブリ６０を
示す。図でわかるように、ヒートシンク部材６４はＵ字
形に曲げられたばね状の伝熱金属で構成され、アーム６
６および６８が伸びている。アーム６６はヒートシンク
部材をランプユニットの支持手段（図示しない）に物理
的に固定することを可能にし、アーム６８はアーク管部
材６２の上部壁の外側表面と物理的に係合させたとき機
械的ばね力を下向きに加える。アーム６８のもう一つの
湾曲部分７０がアーク管６２の湾曲した外壁と同じ形に
なることにより、ヒートシンクとアーク管との間の有効
伝熱面積を増大する。更に図３でわかるように、溶融石
英アーク管６２は上記したのと同じダブルエンド構成を
用いている。したがって上記アーク管には、球根状中心
空洞８０の両端で中空石英エンベロープのそれぞれの首
部分７６および７８内に気密封止された一対のスポット
モード形放電電極７２および７４が含まれている。放電
電極は外側端で耐火性金属箔素子８２および８４に接続
され、この封止された素子はそれぞれの外側リード導体
８６および８８に接続されている。キセノン、水銀およ
びハロゲン化金属の充てん物（図示しない）が球根状中
心空洞８０の中に入れられている。過熱点が生じる上部
壁表面で、アーク管６２の間隔を置いて配置された放電
電極７２と７４との間にヒートシンク部材６４を配置す
ることにより、最大限の熱除去を行うことができる。望
ましいことであるが、ヒートシンク部材の質量はアーク
管部材の中の石英の質量より充分に大きい。

【００１７】ヒートシンク部材６４を銅の金属ブロック
で形成した場合のアーク管６２に付加的な評価を行った
。約５．５アンペアの始動電流レベルで放電電極のスポ
ットモード点弧を可能とする直流電源でアーク管を動作
させた。試験されたアーク管の光出力はランプ始動の瞬
間から大幅に増加した後、比較的定常な値に維持された
。試験測定を行う際、ヒートシンク部材を所定位置に配
置してアーク管を始動し、約１分間動作させた後、電源
をターンオフし、アーク管を約１５分間冷却させた。 次に、アーク管空洞の中のどこに凝縮したかが目に見え
るようにするために、アーク管の上部壁表面との物理的
接触からヒートシンク部材を除去した。水銀は主として
ヒートシンクのあった位置に限定された領域内のアーク
管上部壁の内側表面に凝縮していることがわかった。こ
れらの結果により、ランプ始動時に本発明によるヒート
シンク手段によって水銀の凝縮を効果的にアーク管壁の
限定された領域に向けることができ、光損失が著しく小
さくなる。

【００１８】炭化シリコンブロックで形成されたセラミ
ックのヒートシンク部材の場合について同様の評価を行
った。この評価は所定位置に炭化シリコンブロックを配
置して動作させて、上述の実施例で評価したのと同じア
ーク管部材の中の水銀凝縮の位置を視覚観測することに
より行った。同じランプ動作条件のもとで、この場合も
ヒートシンク部材を配置したアーク管の上部壁領域に水
銀凝縮が効果的に生じることが観測された。

【００１９】図４はアーク管６２を水平軸方向に向けた
図３の石英アーク管アセンブリ６０を含む自動車前照灯
を描いた斜視図である。自動車前照灯９０には、反射器
９２、反射器の前部に固定されたレンズ９４、電源への
接続のため反射器の背部に固定された接続手段９６、お
よびメタルハライド光源６２が含まれている。反射部材
９２は切れた放物面の輪郭になっており、平らな上部壁
部分９８および下部壁部分１００が放物面湾曲部分１０
２と交差する。反射器の接続手段９６には脚１０４およ
び１０６が含まれている。脚１０４および１０６は安定
器（図示しない）に接続することができる。安定器はラ
ンプを駆動し、安定器は自動車の電源によって駆動され
る。反射器９２はアーク管６２のほぼ中央点に配置され
た、自動車前照灯９０の軸１１０に沿って測った所定の
焦点１０８をそなえている。アーク管６２は反射器９２
の中に、ほぼ反射器の焦点１０８付近に位置するように
所定の通り配置される。図示の実施例では、アーク管６
２は反射器の軸１１０に沿うような向きに向けられる。 反射器はその放物面形状のため光源６２と協働し、また
それに固着された透明な材料で作られたレンズ９４と協
働して、光源から所定の前方に投射する光ビームを作る
。レンズ９４にプリズム要素（図示しない）を含めるこ
とができる。アーク管６２は一対の比較的堅い自立形リ
ード導体１１２および１１４によって反射器９２の背部
に接続されている。導体１１２および１１４は反対端で
それぞれの脚要素１０４および１０６に接続されている
。反射器９２には通常の熱シールド１１６も含まれてお
り、これは反射器の上部壁部分９８に固着されている。 ヒートシンク部材６４は、アーク管６２に下向きのばね
力作用を加えるように熱シールド１１６から物理的に支
持される。しかし、当業者には明らかなように、他の構
造配置を用いて反射器部材の中にヒートシンク手段を設
けてもよい。したがって、図示した構造手段は発明の範
囲を限定するものではない。

【００２０】以上の説明から明らかなように、メタルハ
ライドランプ内の水銀凝縮の熱管理をより効果的に行う
ための新規な手段が提供された。適切なヒートシンク部
材およびアーク管の物理的特徴に更に修正を加えること
により、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく
同じ目的を達成できることは明らかである。ここで図示
した以外の溶融石英アーク管、電極部材、および反射器
ランプの設計のための構成も考えられる。例えば、ラン
プ軸に対して直交して配置したアーク管にヒートシンク
部材を設けた自動車前照灯が考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるヒートシンク手段を含むメタルハ
ライドランプ用アーク管の側面図である。

【図２】従来技術のアーク管に比べて改善された図１の
アーク管の始動モードの動作を示すグラフである。

【図３】本発明による変形されたアーク管の異なる物理
的構成を示す側面図である。

【図４】水平方向に配置された図３の石英アーク管を含
む自動車前照灯の斜視図である。

【符号の説明】

１０　　溶融石英アーク管 １８　　球根形中心部分 ２０，２２　　中空石英体の壁部分 ２４，２６　　電極 ４０　　ヒートシンク部材 ４２　　石英管 ４４　　熱伝導金属 ６２　　アーク管部材 ６４　　金属箔ヒートシンク部材 ９０　　自動車前照灯 ９２　　反射器 ９４　　レンズ １０８　　焦点

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ランプ始動時の光損失が小さいメタル
   ハライドランプに於いて、（ａ）間隔を置いて配置され
   た放電電極を中に気密封止する壁で形成された中空空洞
   をそなえ、更に水銀、ハロゲン化金属および不活性ガス
   の充てん物を入れた溶融石英アーク管、ならびに（ｂ）
   一つのアーク管壁の外表面と物理的に係合する外側のヒ
   ートシンク手段であって、アーク管の過熱点領域に隣接
   して放電電極同士の中間に配置されることにより、この
   ような位置でアーク管壁の内表面に水銀蒸気を選択的に
   凝縮するためのヒートシンク手段の組み合わせを含むこ
   とを特徴とするメタルハライドランプ。
2. 【請求項２】　　ヒートシンク手段が熱伝導金属または
   熱伝導セラミック組成物で形成されている請求項１記載
   のメタルハライドランプ。
3. 【請求項３】　　ヒートシンク手段が、アルミニウムの
   ような熱伝導金属を入れた中空溶融石英素子で構成され
   ている請求項１記載のメタルハライドランプ。
4. 【請求項４】　　ヒートシンク手段がアーク管壁に固定
   されている請求項１記載のメタルハライドランプ。
5. 【請求項５】　　放電電極がアーク管の両端に配置され
   ている請求項１記載のメタルハライドランプ。
6. 【請求項６】　　アーク管が球根形中心部分を含み、ヒ
   ートシンク手段が上記球根形中心部分のほぼ中央に配置
   されている請求項１記載のメタルハライドランプ。
7. 【請求項７】　　アーク管に入れられた不活性ガスが比
   較的高圧のキセノンであり、ヒートシンク手段がアーク
   管の上部壁表面と物理的に係合する請求項１記載のメタ
   ルハライドランプ。
8. 【請求項８】　　耐火性金属で形成された棒状部材が両
   方の放電電極に含まれる請求項７記載のメタルハライド
   ランプ。
9. 【請求項９】　　放電電極の物理的寸法が互いに異なる
   請求項８記載のメタルハライドランプ。
10. 【請求項１０】　　自動車前照灯に於いて、（ａ）電源
    に接続するための反射器部材であって、所定の焦点距離
    および焦点をそなえた反射器部材、（ｂ）反射器の前部
    に接合されたレンズ部材、および（ｃ）アーク管が反射
    器の焦点に配置されるように反射器の中に所定の通り配
    置された、請求項１から９のいずれか１項に記載のメタ
    ルハライドランプを含むことを特徴とする自動車前照灯
    。
11. 【請求項１１】　　アーク管が反射器の中に水平に配置
    され、ヒートシンク部材が上記アーク管の上部壁に固着
    されている請求項１０記載の自動車前照灯。