JP2007324147A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】非常に均一な温度分布を有し、あらゆるランプ姿勢に適用できる高圧放電ランプを作る。
【解決手段】セラミックス製放電管の内壁の輪郭が長さＬ（ｃｍ）および内側半径Ｒ（ｃｍ）の真っ直ぐな１つの筒形中央部分並びにそれと同一半径Ｒの半球の２つの終端部分を有し、筒形中央部分の長さＬがその内側半径Ｒの１／３より大きいか等しく、さらにその内側半径Ｒの０．８倍より小さいか等しく｛１／３Ｒ（ｃｍ）≦Ｌ（ｃｍ）≦０．８Ｒ（ｃｍ）｝、放電管の内長（２Ｒ＋Ｌ）が電極間隔ＥＡ（ｃｍ）より少なくとも１０％大きく｛（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）≧１．１ＥＡ（ｃｍ）｝、放電管の直径２Ｒが電極間隔ＥＡの少なくとも８０％に相当し電極間隔ＥＡの最大で１５０％の長さ｛１．５ＥＡ（ｃｍ）≧２Ｒ（ｃｍ）≧０．８ＥＡ（ｃｍ）｝であるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス製放電管の内壁の輪郭が発光封入物を含む内室を規定し、この内室が１つの長軸並びに開口付きの２つの端部を有し、これらの開口に導電性のリードが気密にはめ込まれ、これらのリードがそれぞれ電極に導電的に接続され、これらの両電極が内室内に電極間隔を隔てて対向して配置され、セラミックスがアルミニウムの酸化物または窒化物からなる高圧放電ランプに関する。

このセラミックス製放電管は特にメタルハライドランプあるいは高圧ナトリウムランプ用のセラミックス製放電管である。この放電管は一般にドーパントを含むことのできる酸化アルミニウムから成っている。しかしサファイアや窒化アルミニウムなどのような他の公知の材料も使用することができる。

高圧ナトリウム放電ランプ用の細長い筒形の放電管あるいは中央が膨らんだ放電管が知られており、その放電管内室の内径はその両端における内径より大きくされている（例えば、特許文献１参照）。特に、電極尖端の高さにおける内径が中央における内径の少なくとも６０％であることが推奨されている。

両端が縮径されている真っ直ぐな筒形管で形成されている放電管が知られている（例えば、特許文献２参照）。その筒形管は断面が楕円形をしている。又は短軸と長軸の長さ比が１：４〜１：８となっている非常に細長い楕円形の放電管が記載されている。

この種の細長い放電管においては、封入物が金属ハロゲン化物を含んでいる場合には、ランプ姿勢を普遍的にできない。つまり垂直なランプ姿勢において、下側電極の範囲に存在するコールドスポット（最冷点個所）温度は水平姿勢のランプの場合よりもかなり低くなる。これは結果として水平ランプ姿勢と垂直ランプ姿勢とで顕著に色のずれを生ずる。更にこのような細長い放電管の幾何学的形状の場合、温度分布が非常に非均一であり、大きな温度勾配が生ずる。所望の光学的値を得るために必要である予め選定されたコールドスポット温度において、細長い幾何学的形状の場合に非常に高いホットスポット温度が生じ、これは放電管のセラミックスを過度に負荷する。

終端面が直角に当てられこれらの終端面に電極が深くはめ込まれている筒形放電管が知られている（例えば、特許文献３参照）。この種の筒形放電管はランプ姿勢をユニバーサルにできるが、その温度分布が同様に非均一であるので、ここでも非常に高いホットスポット温度が生ずる。

細長い楕円形放電管並びに筒形放電管において生ずるような高い温度勾配は、ランプの寿命期間中にセラミックスにおける腐食の発生を助長する。

更にこれらの幾何学的形状においてセラミックスを利用して石英ガラスに比べてコールドスポット温度を高め従って光学的データを改善する方法には、そこで発生する非常に高いホットスポット温度のために限界がある。６０００〜１００００時間の寿命が望まれるとき、セラミックスのホットスポット温度は最大で約１２５０°Ｃに制限される。

この種の細長い筒形放電管あるいは楕円形放電管の場合、その非均一な温度分布のために光学的および電気的なランプデータがランプ姿勢に大きく左右されることが判明している。従ってこの種の放電管は、このランプデータとランプ姿勢との独立性が必要とされないときにしか採用できない。これは両口金形ランプにおいてしかできず、このようなランプの場合、一般に水平のランプ姿勢しか許されない。
西独特許出願公開第３１３７０７６号明細書 欧州特許出願公開第３４０５６号明細書 欧州特許出願公開第５８７２３８号明細書

本発明の課題は、非常に均一な温度分布を有し、従ってあらゆるランプ姿勢に適用できる明細書の冒頭部分に記載の高圧放電ランプを作ることにある。特に片口金形ランプにも採用できるようにすることにある。

本発明によれば、この課題は、放電管の内壁の輪郭が以下の幾何学的形状、即ち輪郭が長さＬ（ｃｍ）および内側半径Ｒ（ｃｍ）の真っ直ぐな１つの筒形中央部分並びにそれと同一半径Ｒ（ｃｍ）の半球の２つの終端部分を有し、筒形中央部分の長さＬ（ｃｍ）がその内側半径Ｒ（ｃｍ）の１／３より大きいか等しく、さらにその内側半径Ｒ（ｃｍ）の０．８倍より小さいか等しく｛１／３Ｒ（ｃｍ）≦Ｌ（ｃｍ）≦０．８Ｒ（ｃｍ）｝、
放電管の内長（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）が電極間隔ＥＡ（ｃｍ）より少なくとも１０％大きく｛（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）≧１．１ＥＡ（ｃｍ）｝、放電管の直径２Ｒ（ｃｍ）が電極間隔ＥＡ（ｃｍ）の少なくとも８０％に相当し電極間隔ＥＡ（ｃｍ）の最大で１５０％の長さ｛１．５ＥＡ（ｃｍ）≧２Ｒ（ｃｍ）≧０．８ＥＡ（ｃｍ）｝であることによって解決される。

本発明は、あらゆるランプ姿勢において細長い筒形のあるいは楕円形の幾何学的形状をした公知の放電管とほぼ等価的な測光ランプデータを生ずるような放電管の特別な「膨らんだ」幾何学的形状を特徴としている。この幾何学的形状は特にホットスポット温度を低下し、温度分布を非常に均一にする。

詳細には本発明は発光封入物を含んでいる高圧放電ランプに対するセラミックス製放電管を対象としている。放電管の内壁の輪郭は内部容積を規定している。放電管は長軸並びに開口付きの両側端を有し、それらの端部に導電性のリードが気密にはめ込まれ、これらのリードがそれぞれ電極に導電的に接続され、この両電極が内室内に所定の電極間隔を隔てて対向して配置されている。

内壁の輪郭は以下のような幾何学的形状を有している。即ち、放電管の内側輪郭は三つの部分から構成されていると考えることができ、即ち長さＬ（ｃｍ）および内側半径Ｒ（ｃｍ）の真っ直ぐな１つの筒形中央部分並びにその両側に続いているそれと同一半径Ｒ（ｃｍ）の半球の２つの終端部分から構成されている。

複数の幾何学的周辺条件を同時に遵守することによって、ランプ姿勢の独立性を確実に得られることが判明している。

その基本的な条件は、筒形中央部分の長さＬ（ｃｍ）がその内側半径Ｒ（ｃｍ）の１／３より大きいか等しく、且つその内側半径Ｒ（ｃｍ）の０．８倍より小さいか等しいことであり、即ち｛１／３Ｒ（ｃｍ）≦Ｌ（ｃｍ）≦０．８Ｒ（ｃｍ）｝であることである。

換言すれば、放電管の内径は放電管の全長の少なくとも２／３でなければならない。

長さＬ（ｃｍ）および内径Ｒ（ｃｍ）は、電極間隔ＥＡ（ｃｍ）に対する所定の周辺条件が守られるように選定されなければならない。これらの条件は内室内における電極のはめ込み長さに対する上限および下限を規定する。

さもなければ電極が終端範囲に接近し過ぎて、リード部位を過度に加熱してしまうので、放電管の内長（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）は電極間隔ＥＡ（ｃｍ）より少なくとも１０％ほど長くなければならず、即ち（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）≧１．１ＥＡ（ｃｍ）でなければならない。

放電管の直径２Ｒ（ｃｍ）は電極間隔ＥＡ（ｃｍ）の少なくとも８０％の長さを有していなければならない。さもなければ放電管はその中央においてアークの曲率によって不必要に著しく加熱されてしまうからである。同時にこの直径は、さもなければ中央部分が冷たくなりすぎてしまうので、電極間隔ＥＡ（ｃｍ）の最高で１５０％の長さにする必要があり、即ち１．５ＥＡ（ｃｍ）≧２Ｒ（ｃｍ）≧０．８ＥＡ（ｃｍ）にする必要がある。

全体として放電管に対するこれらの寸法から、全長と最大内径との比は最高で１．５特に１．３と同じかそれより小さくなる。

この幾何学的形状によって、放電管の管壁負荷Ｐ／（４πＲ²＋２πＲＬ）（Ｗ／ｃｍ²）（内側表面に関する定格電力）は２５（Ｗ／ｃｍ²）≦Ｐ／（４πＲ²＋２πＲＬ）（Ｗ／ｃｍ²）≦３５（Ｗ／ｃｍ²）に調整され、小電力形ランプの場合には３５Ｗ／ｃｍ²以下に（２０Ｗ定格電力の値においては４５Ｗ／ｃｍ²まで）、高電力形ランプの場合に２５Ｗ／ｃｍ²以下に調整される。これは特に約２０Ｗから約２５０Ｗランプ電力の範囲に当てはまる。これによって管壁負荷は上述の従来技術における一般的なランプよりも約１０％低下する。

特に有利な実施態様において、３５〜２５０Ｗの定格電力のランプに対する放電管の管壁負荷Ｐ／（４πＲ²＋２πＲＬ）（Ｗ／ｃｍ²）は、放電管の定格電力Ｐ（Ｗ）および内径Ｒ（ｃｍ）と長さＬ（ｃｍ）に関して２５（Ｗ／ｃｍ²）≦Ｐ／（４πＲ²＋２πＲＬ）（Ｗ／ｃｍ²）≦３５（Ｗ／ｃｍ²）であるように選定されている。

放電管の内室容積は３５Ｗランプの場合に約１００〜１５０μｌ（マイクロリットル）であり、追加定格電力の１Ｗ当たりにおいて約７〜１０μｌだけ増加する。これは低い電力の場合にそれに応じて減少する。２０Ｗランプは約３５μｌの内室容積を有している。

特に有利な実施態様において、放電管の内室容積Ｖ（μｌ）は定格電力Ｐ（Ｗ）に関して、０．１６×Ｐ^5/3（μｌ）≦Ｖ（μｌ）≦０．３２×Ｐ^5/3（μｌ）、特に０．２２×Ｐ^5/3（μｌ）≦Ｖ（μｌ）≦０．３２×Ｐ^5/3（μｌ）の式に応じて選定されている。

できるだけ均一な温度分布を得るためには、Ｌ（ｃｍ）≦０．６Ｒ（ｃｍ）であると有利であることが判明している。これは特に両端における熱損失が相対的に見て最も大きいような小電力形ランプにとって重要である。この場合、内側輪郭は半短径ａ（ｃｍ）と半長径ｂ（ｃｍ）の回転楕円形で非常に近似して描かれ、Ｒ（ｃｍ）≦ａ（ｃｍ）≦１．１Ｒ（ｃｍ）およびｂ＝Ｒ＋Ｌ／２である。

放電管の壁厚が少なくとも放電管の中央部分において内側半径Ｒ（ｃｍ）の５〜１５％であると有利である。特に放電管の壁厚が放電管の両端に向けて増大し、この両端における壁厚が中央部分における壁厚の２倍となっている放電管が適している。

通常、放電管は場合によっては酸化マグネシウムと他の酸化物とがドープされている酸化アルミニウムから成っているか、あるいは窒化アルミニウムあるいはサファイアのような他の材料でも作られる。

本発明は、上述したようにセラミックス製放電管を備えた高圧放電ランプに関係している。

放電管の両端にそれぞれリードを収容するための別個のセラミックスプラグ（場合によってはサーメットとしても作られる）が設けられていると有利である。しかしその先端は放電管の一体構造部品とすることもできる。

リードはそれ自体公知の成形品（ニオブあるいはモリブデン製の管やピンあるいは導電サーメット）から選択でき、特に適当な電極系がろう付けされる毛細管として作られる。

ここでは主として放電管の内側輪郭について述べた。本発明にとってあまり重要でない外側輪郭はほぼ壁厚によって予め決められる。

外側輪郭は最も簡単な場合には一様な壁厚によって予め規定される。壁厚は放電管の内径の５〜１５％である。しかし、壁厚が中央から両端に向けて僅かに増加していることが有利である。これはまず第１に熱のせき止め作用をし、これは電極系およびリード部位による熱損失を部分的に補償する。従って温度分布の一層の均一化が達成される。この場合、壁厚は放電管の中央における内径の代表的には１０％の大きさから終端範囲におけるこの値の２倍の大きさまで増大している。これは更に、寿命期間中において終端部位で最も早く生ずるセラミックスの急速な腐食を阻止する。

以下において本発明を図面に示した複数の実施例を参照して詳細に説明する。

図１に示されているセラミックス製放電管１は７０Ｗランプに想定されている。これは長さＬ＝２ｍｍ（＝０．２ｃｍ）の真っ直ぐな１つの筒形中央部分２とその両側における半径Ｒ＝４ｍｍ（＝０．４ｃｍ）の半球の２つの終端部分３とから成っている。内室の全長は１０ｍｍ（＝１ｃｍ）である。放電管の壁厚は一定して０．９ｍｍ（＝０．０９ｃｍ）である。最大外径は９．８ｍｍ（＝０．９８ｃｍ）である。両終端部分３にはそれぞれ長さ約１．５ｍｍ（＝０．１５ｃｍ）の筒形突起部分４が一体に外に向かって延びている。これらの両突起部分４の中にそれぞれ、押出し成形された細長いセラミックスプラグ５がはめ込まれている。プラグ５は、それらが半円形内側輪郭の理想形状になお一層近づくように、突起部分４の中に幾分深くはめ込まれている。最も簡単な場合に、これらのプラグ５は真っ直ぐである内側端面６を有している（図１の左側半部参照）。プラグ５の内側端面６′が傾斜されているかそれ自体凹面状に湾曲され、これによって半円形内側輪郭になお一層合わされていると有利である（図１の右側半部参照）。このようにして理想的な等温性が発生される。

プラグ５の中には特許文献３に記載されているようにそれぞれリード１７がはめ込まれ、各リード１７には電極７が接続されている。両電極７の電極間隔ＥＡ（ｃｍ）は７．５ｍｍ（＝０．７５ｃｍ）である。放電内室に含まれる封入物は、高い管壁負荷のランプに対して通常採用されているような例えばＤｙＩ₃、ＴｍＩ₃、ＨｏＩ₃のような希土類ヨウ化物を含む金属ハロゲン化物ＮａＩ、ＴｌＩの混合物を含んでいる。これによって垂直ランプ姿勢における３０３０±８０Ｋの初期色温度および水平ランプ姿勢における２９８０±８０Ｋの初期色温度が得られる。このランプにおけるコールドスポットとホットスポットとの温度差は、終端面が直角に当てられた一般的な筒形ランプの場合には７０°であるのに比べてわずかに２０°でしかない。

この放電管の管壁負荷は約２８Ｗ／ｃｍ²である。放電管の内室容積は３７０μｌ（マイクロリットル）である。

図２には３５Ｗランプに対する放電管１が示されている。ここでは筒形中央部分２の長さは１．９ｍｍ（＝０．１９ｃｍ）であり、半球状の終端部分３の半径Ｒは２．５５ｍｍ（＝０．２５５ｃｍ）である。内室の全長は７．０ｍｍ（＝０．７ｃｍ）である。

放電管１の壁厚は中央部分の壁厚０．８ｍｍ（＝０．０８ｃｍ）から外に向けて最大０．９５ｍｍ（＝０．０９５ｃｍ）の壁厚まで増加している。最大外径は６．８ｍｍ（＝０．６８ｃｍ）である。ここでも一体形の突起部分４および別個のプラグ５が設けられている。

同様に形成された他の実施例においてランプ電力はもっと高く選定されている。１００Ｗランプの場合には長さＬ＝２．５ｍｍ（＝０．２５ｃｍ）、半径Ｒ＝４．５ｍｍ（＝０．４５ｃｍ）である。１５０Ｗランプの場合には長さＬ＝２ｍｍ（＝０．２ｃｍ）、半径Ｒ＝６ｍｍ（＝０．６ｃｍ）である。２５０Ｗランプの場合には長さＬ＝６ｍｍ（＝０．６ｃｍ）、半径Ｒ＝７．０ｍｍ（＝０．７ｃｍ）である。

従って中央部分２が最短限界長さ｛Ｌ（ｃｍ）≒０．５Ｒ（ｃｍ）｝である場合、その内側輪郭を半短径ａ（ｃｍ）および半長径ｂ（ｃｍ）の楕円形によって描くことができる。これはその近似が１５％も違わないからである。

楕円形の半短径ａが理想的な輪郭からの偏差｛中央部分の半径Ｒ（ｃｍ）および長さＬ（ｃｍ）について｝が最大で１５％であるように、即ちＲ≦ａ≦１．１Ｒであるように選ばれていることを前提条件として、および半長径ｂ（ｃｍ）がｂ＝Ｒ＋Ｌ／２として表される事を考慮に入れて、図３に両方の輪郭が対比して示されている。その場合、ｂ／ａ≦１．２５の楕円形の半短径ａ（ｃｍ）と半長径ｂ（ｃｍ）との比が生ずる。

残りの電極間隔および管壁負荷に関する寸法基準はその際不変なままとする。

図４には７０Ｗランプの例が示されており、その放電管９の内側輪郭１０は、Ｒ＝４ｍｍ（＝０．４ｃｍ）の設計から出発して、半短径ａ＝４．４ｍｍ（＝０．４４ｃｍ）並びに半長径ｂ＝５ｍｍ（＝０．５ｃｍ）の密閉楕円形として形成されている。従ってｂ／ａ＝１．１４である。終端部分１１はプラグ１２と一緒に酸化アルミニウム製の唯一のセラミックス成形品で一体に形成されている。放電管の壁厚はその中央部分における壁厚０．８ｍｍ（＝０．０８ｃｍ）から放電管の終端まで連続的にその２倍の大きさまで増加している。

この種のすべてのランプでは、９０００時間の経過後においてなお放電管は全く腐食していないことが判明している。これに対して冒頭に述べた従来における最も一般的なランプの場合、８０００時間後において早くも５０％の故障率を有する。

メタルハライドランプのセラミックス製放電管の断面図。 セラミックス製放電管の異なる実施例の断面図。 長さＬが短い場合に楕円形的に近似させる方式の原理図。 図３の近似方式を基礎としているセラミックス製放電管の実施例の断面図。

符号の説明

１ セラミックス製放電管
２ 中央部分
３ 終端部分
４ 付属部分
５ プラグ

Claims (1)

1. セラミックス製放電管の内壁の輪郭が発光封入物を含む内室を規定し、この内室が１つの長軸並びに開口付きの２つの端部を有し、これらの開口に導電性のリード（１７）が気密にはめ込まれ、これらのリード（１７）がそれぞれ電極（７）に導電的に接続され、これらの両電極（７）が内室内に電極間隔ＥＡ（ｃｍ）を隔てて対向して配置され、セラミックスがアルミニウムの酸化物または窒化物からなる高圧放電ランプにおいて、
   放電管の内壁の輪郭が以下の幾何学的形状、即ち輪郭が長さＬ（ｃｍ）および内側半径Ｒ（ｃｍ）の真っ直ぐな１つの筒形中央部分（２）並びにそれと同一半径Ｒ（ｃｍ）の半球の２つの終端部分（３）を有し、
   筒形中央部分（２）の長さＬ（ｃｍ）がその内側半径Ｒ（ｃｍ）の１／３より大きいか等しく、さらにその内側半径Ｒ（ｃｍ）の０．８倍より小さいか等しく｛１／３Ｒ（ｃｍ）≦Ｌ（ｃｍ）≦０．８Ｒ（ｃｍ）｝、
   放電管の内長（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）が電極間隔ＥＡ（ｃｍ）より少なくとも１０％大きく｛（２Ｒ＋Ｌ）（ｃｍ）≧１．１ＥＡ（ｃｍ）｝、
   放電管の直径２Ｒ（ｃｍ）が電極間隔ＥＡ（ｃｍ）の少なくとも８０％に相当し電極間隔ＥＡ（ｃｍ）の最大で１５０％の長さ｛１．５ＥＡ（ｃｍ）≧２Ｒ（ｃｍ）≧０．８ＥＡ（ｃｍ）｝である
   ことを特徴とする高圧放電ランプ。

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