JP5138091B2 - 高効率放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、特には自動車の前方照明に使用するための、高圧ガス放電ランプに関する。

特にＨＩＤ（高輝度放電）ランプ等の放電ランプは、高い光の輝度が必要とされるような広い応用分野で使用されている。特に自動車分野では、ＨＩＤランプは自動車のヘッドライトとして使用されている。

放電ランプは、内部放電空間を備える密封された放電容器を有し、該放電容器は例えば石英ガラスから形成することができる。２つの電極が放電空間内に突出し、これらの間でアークを点弧するために互いに或る距離で配置される。該放電空間は、希ガス及びメタルハライド（ハロゲン化金属）等の他の材料を含む充填物を有する。

今日における重要な見地は、エネルギ効率である。放電ランプの効率は、使用される電力に対するルーメン出力として測定することができる。今日の自動車の前方照明に使用される放電ランプにおいては、３５ワットの定常状態動作電力において約９０ルーメン／ワット（ｌｍ／Ｗ）の効率が達成される。

ヨーロッパ特許出願公開第EP-A-1349197号は、自動車のヘッドライトに使用するための無水銀メタルハライドランプを記載している。向上された発光効率（luminous efficiency）、小さなランプ電圧低下、自動車のヘッドライトに適した色度及び増加された急速に上昇する光束を達成するために、ハロゲン化スカンジウム（質量ａ）及びハロゲン化ナトリウム（質量ｂ）を含む第１ハロゲン化物の量は、0.25 < a/(a+b) < 0.8 及び好ましくは0.27 < a/(a+b) < 0.37のように選択される。ランプ電圧を設けるために水銀の代わりに第２ハロゲン化物（質量ｃ）が、0.01 < c/(a+b+c) < 0.4及び好ましくは0.22 < c/(a+b+c) < 0.33となるような量で存在する。斯かるハロゲン化物は、放電容器内に内部容積の0.005〜0.03、好ましくは0.005〜0.02 mg/mm³の量で存在する。更に、放電媒体にはキセノンガスが５〜２０大気冷圧（atmospheres cold pressure）で存在する。棒状の電極が０.３mm以上の軸径で設けられ、これら電極はタングステン、ドーピングされたタングステン、レニウム又はレニウム／タングステン合金等から形成することができる。上記放電容器を外囲体が収容し、該外囲体は、外気から密閉封止することができるか、又は大気圧で若しくは減圧されて封入された空気若しくは不活性ガスを有することができる。一例においては、０.３５mm径のタングステン電極が３４mm^３の放電容器内に設けられる。放電媒体は、０.１mgのＳｃＩ_３、０.２mgのＮａＩ及び０.１mgのＺｎＩ_２を含み、２５℃で１０atmのキセノンガスを伴う。より多くの量の第２ハロゲン化物を持つ第１の比較例では、ハロゲン化物の量は０.０８mgのＳｃＩ_３、０.４２mgのＮａＩ及び０.３０mgのＺｎＩ_２となる。第２の比較例では、ハロゲン化物の量は０.１mgのＳｃＩ_３、０.５mgのＮａＩ及び０.２mgのＺｎＩ_２である。

本発明の一つの目的は、エネルギ効率的な動作を可能にするランプを提供することにある。

特に自動車の分野のためには、例えば２０〜３０Ｗの範囲内等の、低公称電力の放電ランプを有することが望ましい。このようなランプが、低動作電力にも拘わらず充分なルーメン出力が達成されるような高い効率で設計することができるならば、エネルギを節約することができる。

しかしながら、発明者は、単に既存のランプ設計のものを低い公称電力で動作させると、効率が劇的に低下するということを認識した。例えば、３５Ｗの動作で約９０lm/Wの効率を持つランプは、２５Ｗでは約６２lm/Wの効率しか有さない。本発明によれば、例えば２５Ｗ等の低減された公称電力での動作に対して高い効率を目標とするようなランプ設計のものが提供される。

本発明によれば、前記放電容器は１２〜２０mm³（又はμｌ）の容積を有する。前記放電空間内には、少なくとも水銀を含まない、即ち水銀を全く含まないか、又はその不可避的な不純物しか含まない充填物が設けられる。該充填物は、希ガス（好ましくはキセノン）及びメタルハライド（ハロゲン化金属）組成物を有する。

上記メタルハライド組成物は、高いルーメン出力を得るために慎重に選択される。該組成物は、少なくともナトリウム（Ｎａ）及びスカンジウム（Ｓｃ）のハロゲン化物、好ましくはＮａＩ及びＳｃＩ_３を有する。Ｎａ及びＳｃのハロゲン化物の質量比は、（Ｎａハロゲン化物の質量）／（Ｓｃハロゲン化物の質量）＝０.９〜１.５、好ましくは１.０〜１.３である。

高効率を提供するための他の対策として、当該ランプは上記放電容器の周囲に設けられた外囲体を有する。該外囲体も、好ましくは、石英ガラスから形成される。該外囲体は外部に対して密封され、低下された圧力（１barより低い圧力）のガスで充填される。該外囲体は、低下された動作電力にも拘わらず上記放電容器を相対的に高い動作温度に維持するための断熱部として作用する。

全体として、提案された該ランプは、２５Ｗの電力における定常状態動作において９０lm/W以上の効率を有する。本文脈において、言及されるlm/Wで測定された効率は、常にバーンインされた（馴らされた）ランプで、即ち当該放電ランプが最初に起動され、馴らしシーケンスに従って４５分間動作された後に、測定される。好ましくは、２５Ｗにおける効率は、更に９２lm/W以上、最も好ましくは９５lm/W以上とする。

後述する好ましい実施例に関連して明らかとなるように、上記効率値が２５Ｗなる低動作電力でさえも達成されるような高効率なランプを得るために使用することが可能な幾つかの対策が存在する。これら対策は、一方においては、前記放電容器自体に関するもので、その場合においては、小さな内径及び薄い壁が高効率を達成する助けとなる。他方において、これは前記放電空間内の充填物に関するもので、その場合には、相対的に多い量のハロゲン化物、特には多量のナトリウム及びスカンジウムの発光ハロゲン化物（亜鉛（Ｚｎ）及びインジウム（Ｉｎ）のハロゲン化物等の他のハロゲン化物とは反して）が設けられる。更に、放電空間内の希ガスの高い圧力及び前記外囲体を介しての熱伝導を低下させるための対策が、より高いルーメン出力を提供するように作用する。

前記放電容器は、如何なる所望の形状を有することもできる。好ましくは、該放電容器は外側の楕円形状及び内側の楕円又は円筒形状を有する。以下においては、放電容器の幾つかの幾何学的パラメータ（壁厚、内／外径等）が説明されるが、これらパラメータの各々は前記電極に対して直交する向きで斯かる電極の間の中間の面内で測定されるべきものである。

上記放電容器に関しては、当該ランプの幾何学的設計は熱的配慮に従って選択されるべきである。"最冷スポット（coldest spot）"温度は、高効率を達成するために高く維持されねばならない。通常、当該放電容器の内径は、例えば２.０〜２.５mmのように相対的に小さく選定されねばならない。放電容器の壁に対するアークの過度に近い接近を回避するためには、２.０mmなる最小内径が好ましい。好ましい実施例によれば、当該放電容器は２.０〜２.３mmの最大内径を有する。

上記放電容器の壁厚は、好ましくは、１.５〜１.９mmとなるように選択され得る。好ましい実施例によれば、壁厚は、相対的に小さな放電容器が設けられるように１.５〜１.７５mmとされ、該実施例は低い熱放射を有し、従って一層低い電力でさえも熱く維持される。

前記放電空間の充填物に関して言うと、前記メタルハライド組成物は、好ましくは、当該放電空間の容積の５〜２０μｇ／μｌの濃度で設けることができる。しかしながら、高ルーメン出力を得るためには、少なくとも１０μｇ／μｌを使用することが好ましい。他の好ましい実施例によれば、上記メタルハライドの濃度は高ルーメン出力を得るために１０.５〜１７.５μｇ／μｌである。

通常、当該メタルハライド組成物は、ナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物の他に、他のハロゲン化物を有することができる。通常、亜鉛及びインジウムのハロゲン化物を更に使用することが可能である。しかしながら、これらのハロゲン化物はルーメン出力には実質的に貢献しないので、好ましい実施例によれば、当該メタルハライド組成物は少なくとも９０重量％のスカンジウム及びナトリウムのハロゲン化物を有する。更に好ましくは、当該メタルハライド組成物は、９５％より更に多くのナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物を有する。特別に好ましい実施例において、当該メタルハライド組成物は、完全にＮａＩ及びＳｃＩ_３からなり、他のハロゲン化物を有さない。他の実施例において、当該メタルハライド組成物は、ＮａＩ、ＳｃＩ_３及びトリウムハロゲン化物（好ましくは、ＴｈＩ_４）の少量の添加物からなる。トリウムハロゲン化物は、電極の仕事関数を低下させるように作用する。

前記放電空間内に設けられる希ガスは、好ましくは、キセノンとする。該希ガスは、１０〜１８barなる冷（２０℃）充填圧で設けることができる。最も好ましく、且つ、亜鉛及びインジウムのハロゲン化物を実質的に有さないハライド組成物に関して特に好ましくは、１５〜１８barなる相対的に高いガス圧を使用するのが好ましい。このような高い圧力は、当該メタルハライド組成物がＮａＩ及びＳｃＩ_３並びにオプションとしてＴｈＩ_４のみからなるにも拘わらず、高ルーメン出力を提供すると同時に、４０〜５５Ｖとなり得るような相対的に高いバーニング電圧が得られ得る。

前記放電容器の周囲に配置される前記外囲体は、例えばＵＶ放射の阻止等の他の使用以外に、当該放電容器から外部への或る限られた熱の流れを達成するために設けられる。該外囲体は、好ましくは石英ガラスから作製することができると共に、例えば円筒状、概ね楕円状又は他のもの等の、如何なる幾何学形状のものとすることもできる。当該外囲体は、最大で１０mmの外径を有することが好ましい。

放電容器からの熱の流れを低減するために、該外囲体は当該放電容器から或る距離に設けられる。測定の目的で、ここで述べる距離は、前記電極間の或る中央位置における当該ランプの断面で測定される。該外囲体のガス充填物は、上記距離及び圧力と共に、所望の熱伝達係数（heat transition coefficient）λ／ｄ_２が達成されるように選択される。λ／ｄ_２に対する好ましい値は７.０〜２２５W/(m²K)であり、更に好ましくは１５.５〜７５W/(m²K)である。好ましくは、当該外囲体は前記放電容器に対して０.２〜０.９mmの距離に配置される。

好ましい実施例によれば、該外囲体のガス充填物は、１０〜７００mbar、更に好ましくは１０〜３００mbarなる圧力におけるものである。該ガス充填物は好ましくは希ガスであり、最も好ましくはキセノン及びアルゴンから選択される。キセノンの低熱伝導率のために、当該充填物には少なくとも２０％の、更に好ましくは少なくとも５０％のキセノンを有することが好ましい。

好ましい実施例において、前記電極は２１５〜２７５μｍの直径の棒状である。一方において、これら電極は必要なランナップ（run-up）電流に耐えるために充分に太く設けられなければならない。他方において、相対的に低い定常状態電力において高効率を持つランプ設計のための電極は、低電力における定常状態においても安定に動作することができるように充分に細い必要がある。発明者は、電極における電力損失を説明するモデルを見出し、かくして上述した寸法が高効率に貢献することが分かった。従って、電極の直径に関する上記範囲が提案されるものである。更に好ましくは、該直径は２３０〜２６０μｍである。

図１は、本発明の第１実施例によるランプの側面図を示す。 図２は、図１に示したランプの中心部の拡大図を示す。 図２ａは、図２のＡ線に沿う断面図を示す。 図３は、本発明の第２実施例によるランプの側面図を示す。 図４は、図３に示したランプの中心部の拡大図を示す。 図４ａは、図４のＡ線に沿う断面図を示す。 図５は、動作電力にわたる、測定されたランプ効率値のグラフを示す。

本発明の上述した及び他の目的、フィーチャ及び利点は、好ましい実施例の下記説明から明らかとなるであろう。

図示される全ての実施例は、ECE R99及びECE R98に準拠する車両のヘッドライト用の自動車用ランプとして使用されることを意図するものである。しかしながら、これは特別に非自動車用のランプ又は他の規則に従うランプを排除しようというものではない。このような自動車用の高圧ガス放電ランプ自体は既知であるので、好ましい実施例の下記説明は本発明の特別なフィーチャに主に焦点を合わせる。

図１は、放電ランプの第１実施例１０の側面図を示す。該ランプは、内部でバーナ１６に接続された２つの電気接触子１４を備えるソケット１２を有している。

バーナ１６は、放電容器２０を囲む石英ガラスの外囲体（以下では、外側バルブと称する）１８を含んでいる。放電容器２０は、これも石英ガラスからなり、突出した棒状電極２４を備える内部放電空間２２を画定している。該放電容器のガラス材料は、当該ランプ１０の長さ方向に更に延び、平らなモリブデン箔２６を有する電極２４への電気接続部を封止している。

外側バルブ１８は、中央部分が円筒状であって、放電容器２０の周囲に或る距離で配置され、かくして、外側バルブ空間２８を画定している。該外側バルブ空間２８は密閉されている。

図２に更に詳細に示されているように、放電容器２０は、放電空間２２の周囲に配置された外壁３０を有している（壁３０の外形は楕円状である）。放電空間２２は円柱状である。"円柱状"なる用語は、ここでは、放電空間２２の中央の最大部分を示すために使用され、図示されるように例えば円錐状の端部等の異なる形状の部分を除外するものではないことに注意されたい。

従って、放電空間２２を囲む壁３０は変化する厚さのものであり、該厚さは電極２４の間の中心に対応する部分において最大であり、両端に向かって減少する。

放電容器２０は、電極距離ｄ、該放電容器２０の内径ｄ_１、該放電容器の壁厚ｗ_１、放電容器２０と外側バルブ１８との間の距離ｄ_２、及び外側バルブ１８の壁厚ｗ_２により特徴付けられる。ここで、値ｄ_１、ｗ_１、ｄ_２及びｗ_２は、図２ａに示されるように、放電容器２０の中心の垂直面で測定される。

ランプ１０は、放電ランプにとり通常のように、電極２４の間にアーク放電を点弧することにより動作される。光の発生は放電空間２２内に含まれる充填物により影響を受けるが、該充填物は水銀を含まず、メタルハライド（ハロゲン化金属）及び希ガスを含む。

図示の放電ランプ１０の熱的挙動に関しては、自動車用ランプが水平で動作されるものであることに配慮すべきである。この場合、電極２４間のアーク放電は、放電容器２０における当該アークの上の壁３０にホットスポットを生じさせる。同様に、放電空間２２を囲む壁３０の対向する部分は、比較的低い温度（最冷スポット）に留まる。

放電容器２０から外部への熱輸送を減少させると共に、良好な効率のために必要な高い温度を維持するために、熱伝導が低下された外側バルブ１８を設けることが好ましい。外部からの冷却を制限するために、外側バルブ１８は密封されると共に低熱伝導率の充填ガスで満たされる。この外側バルブ充填物は、１bar未満の低下された圧力（２０℃における当該ランプの冷たい状態で測定されて）で設けられる。後に更に説明するように、好適な充填ガスの選択は、適切な熱伝達係数λ／ｄ_２を介して放電容器２０から外側バルブ１８への所望の熱伝導が達成されるように幾何学的構成に関連してなされるべきである。

外部への熱伝導は熱伝達係数λ／ｄ_２により大凡特徴付けられ得、該係数は当該外側バルブの充填物の熱伝導率λ（本文脈においては、常に８００℃の温度で測定される）を、放電容器２０と外側バルブ１８との間の距離ｄ_２により除算することにより計算される。

放電容器２０と外側バルブ１８との間の相対的に小さな距離により、これら２つの間の熱伝導は、実質的に拡散的であり、従って、

と計算される。ここで、ｑドットは熱流束密度、即ち放電容器と外側バルブとの間において時間当たりに輸送される熱の量である。また、λは熱伝導率、grad θは温度勾配であり、該温度勾配は、ここでは、放電容器と外側バルブとの間の温度差を距離により除算したもの、即ちgrad θ＝(Ｔ_{dischargeVessel}−Ｔ_outerBulb)／ｄ_２として大凡計算することができる。このように、冷却はλ／ｄ_２に比例する。

本文脈において提案される実施例に関しては、所望の伝達係数λ／ｄ_２を得るために、異なるタイプの充填ガス、異なる値の充填圧及び異なる値の距離ｄ_２を選択することができる。充填圧は低減される（１barより低く、好ましくは７００mbarより低く、更に好ましくは３００mbarより低く）。特に好ましい値は、１００mbarなる充填圧である。しかしながら、好ましい範囲においては、熱伝達係数は圧力に伴い非常に僅かしか変化しない。

好ましい距離ｄ_２は、０.２〜０.９mmの範囲である。当該充填物は、熱伝導率値λ（８００℃で測定して）により選択される如何なる好適なガスとすることもできる。下記の表はλ（８００℃における）に関する値の例を示す。
ネオン ０.１２０W/(mK)
酸素 ０.０７６W/(mK)
空気 ０.０６８W/(mK)
窒素 ０.０６６W/(mK)
アルゴン ０.０４５W/(mK)
キセノン ０.０１４W/(mK)

良好な断熱を得るためには、当該充填ガスとして、特にアルゴン、キセノン又はこれらの混合物が好ましい。しかしながら、前記熱伝達係数は、勿論、距離ｄ_２にも依存するので、充分に大きなｄ_２で別のガス充填物も選択することができる。

λ／ｄ_２に対する好ましい値は、７.０W/(m²K)（例えば、ｄ_２＝１.９５mmなる大きな距離でキセノン充填物により達成される）から２２５W/(m²K)（例えば、ｄ_２＝０.２mmなる小さな距離でアルゴン充填物により達成される）の範囲である。好ましいのは、１５.５W/(m²K)（例えば、ｄ_２＝０.９mmでキセノン充填物により達成される）から７５W/(m²K)（例えば、ｄ_２＝０.６mmでアルゴン充填物により達成される）の範囲である。

［ランプ効率のモデル］

発明者は、ランプ１０により発生される光束を決定するために、
Ｆ＝η＊Ｐ_Arc
なるモデルを開発した。ここで、Ｆはルーメンで測定される光束、ηはワット当たりのルーメン（lm/W）で測定されるアーク効率、Ｐ_Arcは当該電気アークの電力である。

全電力Ｐ_Lampは、電極で失われる電力と、アーク電力Ｐ_Arcとに分割される。即ち、
Ｐ_Lamp＝Ｐ_El＋Ｐ_Arc

発明者は、電極で失われる電力は陰極相におけるアーク付着のモードに依存し、該モードは、アーク付着が電極先端における小さな面積に限定されるように電気アークが収縮されるスポットモード、又はアーク付着が電極先端の全前面を（殆ど）覆うような拡散モードの何れかであり得ることを見出した。

発明者は、スポットモードにおいては、電極損失Ｐ_Elは電極の幾何学構造、即ち電極直径には実質的に依存しないことを見出した。これら損失は、
Ｐ_El＝２＊Ｕ_ｈ＊Ｉ
として表すことができ、ここで、Ｉはランプ電流であり、Ｕ_ｈは、本ランプでは約５Ｖであると仮定することが可能な固定の加熱電圧である。

拡散モードでの動作に対しては、電極は或る高い温度に耐える必要がある。これのために要する電力は、電極の幾何学構造に依存する。３００μｍなる電極直径の棒状電極の場合、６Ｗの加熱電力が必要である。他の直径に対しては、必要とされる加熱電力は直径の二乗に大凡比例する。２００μｍの電極の場合、３Ｗのみの加熱電力が必要とされる。

動作時において、ランプはエネルギ的に有利な、即ち一層低い電力を使用するアーク付着モードで燃焼する。かくして、相対的に少ない電極損失を得るために、電極直径を適切に選択することが可能である。

［気相エミッタ］

ハロゲン化スカンジウムの他に、ハロゲン化トリウムを気相エミッタ（gas phase emitter）として使用することができる。トリウム無しの設計は環境的理由で好ましいが、ＴｈＩ_４の添加が、スポットモードで燃焼するランプにとり電極損失を低減することによりランプ効率を改善し得ることが分かった。

発明者は、スポットモードで燃焼するランプの効率が、気相エミッタに依存し得ることを見出した。ＴｈＩ_４を含まないランプにおいて、拡散モードでの動作とは反して、スポットモードでの動作は、約１５０Ｋだけ電極温度を低下させたが、これは１Ｗ未満の熱負荷の減少に相当する。しかしながら、Ｔｈ含有ランプにおいては、該効果は約３００Ｋであり、これは１〜２Ｗの熱負荷に相当する。従って、拡散モードとは反してスポットモードの効率の利益は、Ｔｈを含まないランプでは期待されるよりも低いが、Ｔｈ含有ランプは顕著に利益を受ける。このように、例えばＴｈＩ_４の少量の添加は、２５Ｗのランプの効率を約３％上昇させ得る。

［アーク効率η］

全体として高いルーメン効率を持つランプ設計を提案することができるように、発明者はアーク効率に貢献する要因を研究した。下記のパラメータは、アーク効率ηに貢献し、従って一層高い効率を得るために調整することができる。

［放電空間充填物］

− メタルハライドの量：特にナトリウム及びスカンジウムの強く発光するハロゲン化物の総量を増加させることにより、アーク効率ηが上昇される。

− メタルハライド組成：

− 亜鉛及びインジウムのハロゲン化物等の二次的ハロゲン化物とは対照的に、ナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物等の強く発光するハロゲン化物の量を増加させることにより、アーク効率が上昇される。最適には、該メタルハライド組成物は、ナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物のみからなる。

− ナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物を持つメタルハライド組成物において、アーク効率ηはハロゲン化ナトリウム及びハロゲン化スカンジウムの質量比を１.０なる大凡の最適値の近くに選択することにより上昇される。

− 希ガス圧力：希ガス、好ましくはキセノンの圧力を上昇させることにより、アーク効率は上昇される。

［熱的対策："最冷スポット"温度を上昇させる］

− 放電容器が小さくされれば、"最冷スポット"温度は上昇され、高効率ηに貢献する。

− 従って、放電容器の一層小さな内径は、より高い効率ηにつながる。

− 壁厚の低減により達成され得る外径の低減は、熱放射を減少させ、従って"最冷スポット"温度及び効率ηを上昇させる。

− 所望の小さな熱伝達係数λ／ｄ_２を得るために外囲体（外側バルブ）を設けることによる放電容器の断熱：

− 放電容器から大きな距離ｄ_２に外側バルブを設けることにより、熱伝達が制限され、従って効率が上昇される。

− 外囲体内にアルゴン及び更に好ましくはキセノン等の低熱伝導率λのガス充填物を設けることにより、当該伝達は更に減少される。

従って、上に示されたパラメータを変化させることにより、アーク効率ηを所望の値に適切に調整することが可能である。

しかしながら、発明者による研究は驚くべき事実を明らかにした。即ち、個々の対策及びこれらの組み合わせは、当該効率を或る点まで上昇させるには有効であったが、これは、該効率を或る最大値まで上昇させるように作用するのみであり、その場合において上記パラメータの一層の大幅な変更は実質的に効率の更なる改善は生じさせることがない。驚くべきことに、発明者による測定で決定された該最大値は、大凡一定であって、個々のパラメータに実質的に依存するものではない。即ち、最大値η_maxは、当該効率が上昇されるパラメータの組み合わせとは無関係に同一となる。

下記の表は、効率ηが最大値までどの様に上昇されるか、しかしながら、パラメータの大幅な更なる変更にも拘わらず更には上昇され得ることがないかを実験で示している。該実験は、２.４mmなる内径及び６.１mmなる外径の放電容器（２１μｌの放電空間の容積）を備えると共に６.７mmなる内径及び８.７mmなる外径の外囲体を備える基準ランプで開始された。メタルハライドは、約１０３.２μｇのＮａＩ、７７.２μｇのＳｃＩ_３、１９.２μｇのＺｎＩ_２及び０.４μｇのＩｎＩからなり、１４barなる冷圧でのキセノンを含む。上記外囲体は１００mbarの空気で充填され、上記放電容器と該外囲体との間の距離は０.３mmであった。各ランプに対して１０個が作製され、結果としての効率ηが測定された。アーク効率ηは４５分の馴らし（バーンイン）の後、３５Ｗで測定された。

このように、パラメータの変更にも拘わらず超えることのできない約１０４lm/W（３５Ｗでの動作における）なる最大値が明らかに見られる。現在のところ、発明者は、この最大値の理由は、最冷スポットの温度を上昇させることにより、気相における各種の部分圧力は上昇されるが、この各部分圧力の上昇は放射の自己吸収の増加にもつながると考えている。

この驚くべき効果を、ランプを設計する場合に有利に利用することができる。上述したパラメータは、高い効率を達成するためにのみ調整された場合、ランプの他の要件に関して悪い副作用を有するであろうことに留意すべきである。過度に高い希ガス充填圧は、当該ランプの寿命に悪影響を与え、これが、本発明が放電空間２２内のキセノン圧を最大でも１８barに制限することを提案する理由である。また、過度な（機械的及び熱的）壁負荷を回避するために、内径ｄ_１及び壁厚ｗ_１は、過度に小さく選定してはならない。外側バルブ１８の充填圧、充填ガス及び距離ｄ_２により与えられる該外側バルブ１８の熱伝導率に関しても同様であり、これは過度に高い熱負荷を防止するために過度に小さく選定してはならない。

かくして、上述した驚くべき効果は、ランプ設計者が、所望の高ルーメン出力を達成するのみならず、不必要な悪影響を被らないよう更なる最適化を制限するために上記パラメータを選択するのを可能にする。本質的に、最適なランプ設計は、実験的に見付けられた最大値丁度における又は該最大値より僅かに低いアーク効率ηを達成するように選択することができる。この範囲では、可能な最大値に近い非常に高い効率が、限られた寿命等の悪影響につながるような過剰なパラメータ値を選択することなしに、達成される。

特定の設計に関するランプ効率は、動作電力に強く依存することに留意すべきである。一例として、図５は、上述した基準設計（バッチ１）に関するランプ効率の種々の測定値のグラフを示す。３５Ｗにおける効率ηは約９０lm/Wであるが、この値は５０Ｗで達成される１０７lm/Wまで増加する。しかしながら、より低い動作電力では、該値は減少する。約２５Ｗでは、わずかに６１lm/Wなる効率しか達成されない。このように、ランプ効率が特に重要となる、より低い動作電力で使用されることを意図するランプ設計の場合、所望の高効率レベルを得ることは容易ではない。

以下では、上記に関する考察に従い、従来の設計よりも低い動作電力の（定常状態）レベルにおいて使用されることを意図するランプの実施例を説明する。該実施例の公称動作電力は２５Ｗである。高ランプ効率（efficacy）を達成するために、ランプの熱的特性に関して特別な設計が選択される。

好ましい実施例において、放電容器及び外側バルブは下記のように形成される：

［実験例１］
［ランプ例１（２５Ｗ）］
放電容器： 円柱状内部形状
楕円形外側形状
電極： 棒状
電極直径： ３００μｍ
電極距離ｄ： ４.２mm光学的
内径ｄ_１： ２.２mm
外径ｄ_１＋２＊ｗ_１： ５.５mm
放電容器容積： １９μｌ
壁厚ｗ_１： １.６５mm
外側バルブ内径： ６.７mm
外側バルブ距離ｄ_２： ０.６mm
外側バルブ充填物： キセノン１００mbar
熱伝達係数： λ／ｄ_２ ８００℃で測定して２３.３W/(m²K)
外側バルブ壁厚ｗ_２： １mm

放電容器２２の充填物は下記のようなキセノン及びメタルハライド組成物からなる：
キセノン圧力（２５℃で）：１７bar
ハロゲン化物組成： １５０μｇのＮａＩ、１５０μｇのＳｃＩ_３
ハロゲン化物の総量： ３００μｇ
放電空間のmm^３当たりの
ハロゲン化物の量： １５.８μｇ／μｌ
ＮａＩ／ＳｃＩ_３の質量比： １.０

上記例１の１０個のランプのバッチが試験され、下記の測定がなされた：
効率： ９７lm/W
電圧： ４５.８Ｖ
色： Ｘ３８９
色： Ｙ３９８
色温度Ｔｃ： ３９３３

このように、上記の好ましい第１実験例においては、２５Ｗの動作電力でおいてさえも、２,４００lmより大きな総ルーメン出力が達成されることが分かる。

以下では、上記実験例の変形例が示される。

［実験例２］
［実験例２（２５Ｗ）］
放電容器及び外側バルブの寸法は、実験例１におけるものと同様である。下記のパラメータは、実験例１とは異なるように選定された：
電極直径： ２３０μｍ
外側バルブ充填物： ５０％のキセノン、５０％のアルゴン、１００mbar
熱伝達係数： λ／ｄ_２ ８００℃で測定して５０W/(m²K)
キセノン圧力（２５℃で）：１５.５bar
ハロゲン化物組成： １１３μｇのＮａＩ、８３μｇのＳｃＩ_３、
４μｇのＴｈＩ_４
ハロゲン化物の総量： ２００μｇ
放電空間のmm^３当たりの
ハロゲン化物の量： １０.５２μｇ／μｌ
ＮａＩ／ＳｃＩ_３の質量比： １.３５

外側バルブの一層高い熱伝導率、増加されたＮａＩ／ＳｃＩ_３の質量比、一層少ないハロゲン化物の量及び一層低いキセノンの圧力により、効率は僅か９１lm/Wとなり、従って実験例１におけるよりも大幅に低い。

電極の仕事関数を低下させるためにメタルハライド組成は少量のＴｈＩ_４（効率を上昇させる）を含み、これは、ランナップ中に、大ランナップ電流により電極で発生される熱（電極損失）を制限する助けとなる。

［実験例３］
［実験例３（２５Ｗ）］
実験例２におけるよりも高い効率を達成するために、下記の第３実験例ではハロゲン化物の総量が実験例２に対して、放電空間２２の充填物が下記の通りとなるように増加されている：
キセノン圧力（２５℃で）：１５bar
ハロゲン化物組成： １７０μｇのＮａＩ、１２５μｇのＳｃＩ_３、
６μｇのＴｈＩ_４
ハロゲン化物の総量： ３００μｇ
放電空間のmm^３当たりの
ハロゲン化物の量： １５.８μｇ／μｌ
ＮａＩ／ＳｃＩ_３の質量比： １.３５

ハロゲン化物の一層多い量により、２５Ｗで測定された効率は９３lm/Wとなり、従って実験例２におけるより高い。

［実験例４］
［実験例４（２５Ｗ）］
第４実験例では、全ランプパラメータは、外側バルブ充填物を除き上記第３実験例におけるものと同様であり、該外側バルブ充填物は以下のように設けられる：
外側バルブ充填物： キセノン１００mbar
熱伝達係数： λ／ｄ_２ ８００℃で測定して２３.３W/(m²K)

９５lm/Wなる測定された効率は、外側バルブにおける低下された熱伝導率の良い影響を示している。

［実験例５］
［実験例５（２５Ｗ）］
第５実験例では、全ランプパラメータは、電極直径を除き前記第１実験例におけるものと同様であり、該電極直径は２００μｍと大幅に小さく選定される。結果としての効率は、非常に高い（１０１lm/W）。

図３は、本発明の第２実施例を示す。該第２実施例によるランプ１１０は、異なる内部形状の放電容器１２０を有している。該ランプの残りの部分は、第１実施例によるランプ１０に対応する。同様の構成要素は、同様の符号により示されており、これ以上詳細には説明しない。

該ランプ１１０の放電容器１２０は、第１実施例による放電容器２０と同様に、楕円状の外形を有している。しかしながら、内部放電空間２２は楕円である。該内部放電空間２２の長さ及び直径の両方は、しかしながら、前記第１実施例におけるものと同様である。

以上、本発明を図面及び上記記載において詳細に解説及び説明したが、斯かる解説及び説明は解説的及び例示的なものであり、限定するためのものではないと見なされたい。即ち、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。

例えば、本発明を、前記パラメータが添付請求項に示される範囲内で異なるように選定された実施例においても動作させることができる。これらパラメータの変更のランプ効率に対する影響に関する上記考察は、９０lm/Wより高い所望の高効率を得るために斯かるパラメータを選択することを可能にするが、該効率は本文脈では、常に、水平に向けられたバーナで実施される４５分の馴らし（バーンイン）手順の後に２５Ｗで測定されるべきである。この場合、バーナは、先ず起動され、４０分間動作され、次いでオフされ、長軸の周りで１８０°回転され、再びオンされ、ルーメン出力を測定する前に更に５分間動作される。

当業者によれば、開示された実施例の他の変形例は、図面、開示及び添付請求項の精査から、請求項に記載された発明を実施する際に理解し及び実行することができるであろう。請求項において、"有する"なる用語は他の構成要素を排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。また、特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。また、請求項における如何なる符号も、その範囲を限定するものと見なしてはならない。

Claims (15)

1. 密封された内部放電空間を形成すると共に該放電空間内に突出する少なくとも２つの電極を備える放電容器を有する高圧ガス放電ランプであって、
   前記放電空間は１２〜２０mm³の容積を有し、
   前記放電空間は希ガスとメタルハライド組成物との、実質的に水銀を含まない充填物を有し、
   前記メタルハライド組成物はナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物を少なくとも有する一方、（ナトリウムのハロゲン化物の質量）／（スカンジウムのハロゲン化物の質量）の比は０.９〜１.５であり、
   前記ランプは、前記放電容器の周囲に設けられると共に密封され且つ１barより低い圧力のガスで充填された外囲体を更に有し、
   前記ランプが２５Ｗの電力における定常状態動作において９０lm/W以上の効率を有する放電ランプ。
2. 前記放電容器が２.０〜２.３mmの最大内径を有する請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記放電容器の中心の垂直面で測定される該放電容器の壁厚が、１.５〜１.７５mmである請求項１又は請求項２に記載の放電ランプ。
4. 前記放電空間が該放電空間の前記容積のμｌ当たり１０〜２３μｇの前記メタルハライド組成物を有する請求項１ないし３の何れか一項に記載の放電ランプ。
5. 前記放電空間が該放電空間の前記容積のμｌ当たり１０.５〜１７.５μｇの前記メタルハライド組成物を有する請求項４に記載の放電ランプ。
6. 前記メタルハライド組成物が少なくとも９０重量％のナトリウム及びスカンジウムのハロゲン化物を有する請求項１ないし５の何れか一項に記載の放電ランプ。
7. 前記メタルハライド組成物が実質的にＮａＩ及びＳｃＩ_３からなる請求項６に記載の放電ランプ。
8. 前記メタルハライド組成物が実質的にＮａＩ、ＳｃＩ_３及びＴｈＩ_４からなる請求項６に記載の放電ランプ。
9. 前記放電空間内の前記希ガスが、１０〜１８barなる冷圧で設けられたキセノンである請求項１ないし８の何れか一項に記載の放電ランプ。
10. 前記放電空間内の前記希ガスが、１５〜１８barなる冷圧で設けられたキセノンである請求項９に記載の放電ランプ。
11. 前記外囲体は、熱伝達係数λ／ｄ_２が７.０〜２２５W/(m²K)となるように距離ｄ_２に配置されると共に充填ガスにより満たされ、ここで、λは８００℃で測定された前記充填ガスの熱伝導率であり、ｄ_２は前記放電容器の中心の垂直面で測定される当該外囲体と前記放電容器との間の距離である請求項１ないし１０の何れか一項に記載の放電ランプ。
12. 前記外囲体が前記放電容器に対して０.２〜０.９mmの距離ｄ_２に配置される請求項１１に記載の放電ランプ。
13. 前記外囲体が１０〜７００mbarの圧力で希ガスにより充填される請求項１１又は請求項１２に記載の放電ランプ。
14. 前記外囲体が、キセノン及びアルゴンのうちの少なくとも一方を有するガスで充填される請求項１１ないし１３の何れか一項に記載の放電ランプ。
15. 前記電極が２１５〜２７５μｍの直径の棒状電極である請求項１ないし１４の何れか一項に記載の放電ランプ。

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