JP2802682B2

JP2802682B2 - 低電力メタルハライド放電ランプ

Info

Publication number: JP2802682B2
Application number: JP4503423A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．トーマス，ブライアン; シー．ブリッグス，ダニエル; アドベンコ，マイケル
Original assignee: ウエルチアリン，インコーポレイティド
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: WO1992012531A1; AU9168391A; BR9106357A; DE69111799D1; CA2076669A1; CA2076669C; EP0517900B1; EP0517900A1; JPH05506124A; DE69111799T2; US5138228A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は、メタルハライド蒸気放電ランプに関し、そ
してより詳細には、低〜中電力、すなわち30ワット未
満、場合によっては40ワット未満で、35ルーメン／ワッ
トを超える、場合によっては100メートル／ワットを超
える効率を有するランプに関する。本発明は、より具体
的には、電極構造並びに水銀、金属ハロゲン化物、及び
貴ガス充填物との組合せで高効率を可能にする石英管の
幾何学配置に関する。

メタルハライド放電ランプは、典型的には、バルブま
たはエンベロープを形成しそして封止されたアーク室を
定める石英管と、エンベロープ内のアーク室に貫入して
いる一対の電極、例えば陽極及び陰極と、やはりエンベ
ロープ内に入れられている適当量の水銀及び一種以上の
ハロゲン化金属塩、例えばNaIまたはScI₃、とを有す
る。ハロゲン化金属塩及び水銀の蒸気圧が、色温度及び
効率の両方に影響を与える。これらはまた、石英エンベ
ロープの幾何学配置、陽極や陰極の挿入深さ、アーク間
隙の大きさ、及びエンベロープ内のアーク室の体積によ
って影響を受ける。より高い動作温度はもちろん金属ハ
ロゲン化物の蒸気圧をより高くするが、しかしまた、石
英の失透を促進し且つ電極からタングステン金属を損失
させることによって、ランプの寿命を縮めかねない。一
方、より低い動作温度は、特にバルブ壁付近において、
エンベロープの壁に塩蒸気を凝縮及び結晶化させて、ラ
ンプによって照らされる物体に好ましくない斑点を出現
させかねない。

各種用途に向けて構成された、各種形状及び電力範囲
の多種のメタルハライド放電ランプが提案されており、
当業者にはよく知られている。この種のランプは、例え
ば米国特許第4,161,672号、同第4,808,876号、同第3,32
4,332号、同第2,272,674号、同第2,545,884号及び同第
3,379,868号明細書に記載されている。これらは一般
に、高電力用途、すなわち大面積照明装置または投影ラ
ンプを意図するものである。電力約40ワット未満におけ
る医学試験用ランプまたは他の用途に使用できるであろ
う高効率の小さなランプを提供することは可能になって
いない。熱管理原理を適用して、石英管エンベロープの
失透や軟化を引き起こすことなく且つタングステン電極
を損傷することなく、低電力且つ高効率で動作し、しか
もアーク室内に十分な水銀及び金属ハロゲン化物の蒸気
圧を発生させるランプを製造する目的でランプの構成に
取り組んだ者は今のところ皆無である。

本発明の目的及び概要本発明の目的は、このような従来技術のランプの欠点
を回避する低電力高効率のメタルハライド放電ランプを
提供することである。

さらに具体的な目的は、適度の長寿命を有する一方
で、35ルーメン／ワットを超える効率で光を発するメタ
ルハライド放電ランプを提供することである。

さらにより具体的な目的は、アーク室から及びランプ
のシャンク（shank）からの熱の流れの効果的な管理を
可能にし、かくして低電力投入時における高効率照明を
促進するバルブの幾何学配置を提供することである。

本発明の側面によると、ランプは、バルブの一端に第
一の首、そして反対端に第二の首を有するダブルエンド
型の石英管エンベロープを有している。バルブ内部には
適当量の水銀及びハロゲン化金属塩が含まれている。バ
ルブの壁が、動作中にハロゲン化金属塩蒸気及び水銀蒸
気を含有するキャビティー又はアーク室の範囲を定めて
いる。耐熱金属で形成された第一及び第二の細長い電
極、すなわちタングステン線が、それぞれの首を通って
アーク室内に伸びている。これらの電極は、それらの先
端がそれらの間に適当なアーク長のアーク間隙を規定す
るように、軸線方向に整合している。

バルブの壁厚は、中間の室平面から、すなわち二つの
首の間の中ほどの平面から、それぞれの首に向かって次
第に増加する。第一及び第二の四半室平面、すなわち上
記の中間の室平面と第一及び第二の首のそれぞれとの間
の中間にある平面で、バルブの壁は、それぞれ第一及び
第二の環状の四半室断面積を有する。壁は、ランプの四
半室負荷係数が目標範囲内になるように、ランプの定格
電力またはワット数に応じた適当な厚みで形成されてい
る。この負荷係数は、ランプの定格電力を第一及び第二
の四半室断面積の合計で除したものに等しい。この負荷
係数は、70〜350W/cm²の範囲内にあるべきである。

また、アーク室を石英シャンクに接合する石英の首
は、首の負荷係数が目標範囲内になるようにいくらか絞
られる。これは、高効率を達成することができるように
熱の流れの管理を最適にする。ここで、第一及び第二の
首のおのおのはそこでそれぞれの電極がアーク室に入る
断面の面積XQ1,XQ2を有し、そしてまたこれらの電極は
この位置においておのおの断面積XE1,XE2を有する。首
の負荷係数NLは、と表すことができ、ここでは、Ｐは定格電力であり、Ａ
はタングステン線はガラスまたは石英よりも容易に熱を
伝えるという事実を説明する熱伝導率（約90程度）であ
る。首の負荷係数は、約100〜400W/cm²の範囲にあるべ
きである。

この設計のランプは、所期の用途に依存して、低電力
（５〜14ワット）または中電力（14〜30ワット）で、し
かも各場合とも高効率で動作することができる。その効
率は100ルーメン／ワットを上回る場合もありうる。

電極の導入線部の細い寸法が、タングステンとはまっ
たく異なる熱膨脹係数を有する首の石英に熱機械的応力
が加わることを防止する。

好ましくは、室は首がそこでバルブと接合するフレア
領域を有し、その結果各導入線が室内に入る時に石英と
直接接触しない非常に小さい体積の拡張領域が存在す
る。この特徴が、一方のまたは他方の電極の陰に隠れて
首のところで塩の集まったものが凝縮するのを促進し、
しかもまた高温電極からランプの首への熱の流れの制御
も容易にする。

本発明の上述の及び他の目的、特徴及び利点は、以降
の、添付の図面と組み合わせて検討されるより抜かれた
好ましい態様の詳細な説明からより完全に認識されよ
う。

図面の簡単な説明第１図は、本発明の一態様による石英メタルハライド
放電ランプの立面図である。

第２図及び第３図は、第１図の２−２及び３−３のと
ころでの断面図である。

第４図及び第５図は、本発明の他の態様の立面図であ
る。

好ましい態様の詳細な説明最初に図面の第１図を参照すると、12ワットのランプ
10は、自動ガラス吹込技術によって形成されるダブルエ
ンド溶融石英管12を含んで成る。この管は、内部にキャ
ビティーまたは室16を定めている中央部に薄壁のバルブ
14を有している。この場合、この室はいくらかレモン形
またはガウス分布形をしており、中央の凸部18と、バル
ブ14が第一の首22及び第二の首24に接合しているフレア
端部20とを有している。図示されているように、首22及
び24は各々内に細くなってまたは絞られて、それぞれ第
一及び第２のシャンク26及び28へと出ていく熱の流れを
制限している。

第一及び第二の電極30及び32が、それぞれ首22,24の
一つに各々支持されている。これらの電極は耐熱金属例
えばタングステンでできており、そして「複合」設計、
すなわちいくらかクラブ形をしたものである。

陽極として働く第一電極30は、首22内に支持されて室
16内にいくらか伸び、そこでタングステンの支柱部36が
それに突合せ溶接されているタングステン導入線シャン
ク34を有している。導入線はやや細いゲージ、典型的に
は0.007インチ（0.18mm）のものであり、そして上記の
支柱部はいくらか大きな直径、典型的には0.012インチ
（0.30mm）のものである。支柱部36は、60度〜120度の
範囲のフレア角度を有する中心点を形成する円錐先端を
有している。

タングステン導入線34は、石英シャンク26を通って、
適当な安定器（図示なし）の正端子へ電気的に接続させ
るモリブデン導入線と接続しているモリブデン箔シール
へと伸びている。

同様に、陰極電極32は、シャンク28内に伸びて首24内
で支持されているタングステン導入線44を有している。
線44は室16内にいくらか伸びて、支柱部46がそれへ突合
せ溶接されている。陰極の支柱部46は、30〜45度程度の
テーパー角度を有する尖った円錐先端を有している。こ
こで線44は、典型的には直径0.007インチであり、一方
支柱部は、例えば直径0.012インチ（0.30mm）のもので
あることができる。導入線44は、別の導入線に接続する
モリブデン箔シールまで伸びている。

陽極及び陰極の支柱部36,46は、首22,24と接触せず
に、且つバルブ14の壁と接触せずに支持されている。そ
の特別な電極構造は、米国特許第5083059号明細書に記
載されており、そしてその記載を本明細書において参照
として取り入れる。

陽極30及び陰極32は軸線方向に整合しており、そして
室16の中央部においてそれらの先端がそれらの間に、ア
ーク間隙を規定している。

上記の支柱部は、ランプ内の水銀及び金属ハロゲン化
物の蒸気と接触するかなり大きな表面積を有するので、
尖った先端から伝導し去る熱は大部分が室内の蒸気へ移
動する。

この図には示していないが、ランプ10はまた、少量の
貴ガス例えばアルゴン、水銀、及び一種以上のハロゲン
化金属塩、例えばヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウ
ム、ヨウ化インジウム等、の適当な充填物も含有する。
選ばれる特定の金属塩及びそれらの相対比率は、ランプ
の所望の波長分布に関係して金属イオンの光学的放電特
性に依存する。

タングステンでできている、電極のための導入線は、
管12の石英材料よりも約90〜96倍の高い熱伝導率を有す
る。それゆえ、導入線34,44の直径をできる限り小さく
保つことが望まれる。電極の導入線部の直径がより小さ
くなると、タングステン線の加熱による熱膨脹量は相対
的に小さいものとなる。これは二つの理由で起こる。直
径がより小さい線は、電極の支柱部の寸法が首まで続い
ていた場合にそれぞれの首へ伝えるほどの熱を伝えるこ
とは到底ない。第二に、熱膨脹量は全体の寸法に比例す
るので、寸法が小さく保たれているところでは、熱膨脹
による応力もまた小さく保たれる。このため、本明細書
で用いられる構成原理は、石英材料とタングステン材料
との熱膨脹差によって溶融石英が亀裂破損する危険を減
少させる。

第１図にさらに示したように、バルブ14の壁厚は、ラ
ンプの軸線に垂直で且つ二つの首22及び24の間の中途に
ある中央または中間平面50から次第に増加する。壁厚
は、アーク間隙付近の帯域から第一及び第二のシャンク
26及び28へ向かって石英バルブの壁に沿って熱伝導する
熱の流れを調節するために、ランプのワット数及びバル
ブ寸法に基ずく限界値の範囲内に保たれる。これは、中
間平面50と首22及び24のそれぞれとの間の中途のそれぞ
れ第一及び第二の四半室平面52及び54のところのバルブ
壁の第一及び第二の断面における断面積の関数として表
すことができる。第２図に示したように、平面52でのバ
ルブ壁14の断面は環であって、その面積は壁厚と軸線か
らの半径とから計算することができる。電極の支柱36
は、第２図では軸線上に示されている。

第１図にさらに示したように、各首22,24は、各電極3
0,32が首を離れて室16に入る平面に対応する部分におい
て絞られている。首は、第３図に示すように、この平面
で石英管12のために限定された断面積を有している。第
一の電極30の導入線シャンク34も、この平面でやはり管
12の軸線に示されている。

最適の効率のためには、石英管の負荷係数は四半室負
荷と首負荷の両方の基準を満たすべきである。

四半室負荷に関して言えば、QCLとして表されるその
係数は、ランプの定格電力Ｐ（例えば22ワット）を四半
室平面52及び54における断面積XC1,XC2の合計が除した
ものに等しいと、すなわち、であると定義することができ、そしてこの四半室負荷係
数QCLは、約70〜350W/cm²の範囲内であるべきである。
この範囲内での変動は、各種の用途のために必要とされ
ることがあるように種々の蒸気圧及び種々の色温度のた
めに塩の充填を変えて使用することを可能にする。

首負荷係数NLは、ランプ10の定格電力Ｐをおのおのの
首での石英断面の合計XQ1＋XQ2と、二つの首での電極断
面の合計XE1＋XE2に石英またはシリカを上回るタングス
テンのはるかに高い熱伝導率を説明する係数Ａを掛けた
ものとを足して割ったものとして表すことができる。

係数Ａは典型的には90〜96程度であって、おおよそ90
に等しいとすることができる。最適な動作のためには、
首負荷係数NLは約100〜400W/cm²の範囲内であるべきで
ある。

本発明の一つの典型的な22ワットランプでは、首負荷
係数はおよそ280W/cm²と測定され、また四半室負荷係数
は約90W/cm²であった。

第４図は、本発明の別のランプ、ここでは中電力の、
すなわち５〜15ワットのものを示す。このランプの設計
や構成には先に検討したのと同じ考慮がなされ、そして
上述の態様中の要素に対応する要素には同じ参照番号
（但し100を足してある）を使用した。

ここで、ランプ110は、バルブ114を有するダブルエン
ド溶融石英管112を有し、バルブの壁が、水銀、ハロゲ
ン塩及び少量の貴ガスの充填物を含有するアーク室116
を定めている。第一及び第二の絞られた首122及び124が
存在し、それを通って第一及び第二の電極130及び132が
室116に入っている。第一の態様におけるように、首122
と124の間の中途に中間平面150があり、またこの中間平
面と首122及び124のおのおのとの間のそれぞれの中途に
四半室平面152及び154がある。上述のように、ランプの
定格電力とこれらの平面152及び154での壁断面積とから
四半室負荷係数が決定される。四半室負荷係数は100〜3
50W/cm²の範囲内に維持されるべきである。

首負荷係数も、上述のように、二つの首122及び124で
の石英及びタングステン線の断面積をもとにして決定さ
れる。首負荷係数は100〜400W/cm²の範囲内であるべき
である。本発明の一つの典型的な14ワットランプについ
て言えば、首負荷係数は180W/cm²、四半室負荷係数は17
0W/cm²であった。

本発明の非常に低電力のランプ210を第５図に示す。
このランプの定格電力は５ワット未満である。ここでも
先の態様と同じ設計の考慮がなされ、40ルーメン／ワッ
ト以上の高い効率が達成される。第一の態様のものに対
応する要素は同じ参照番号（但し200を足してある）で
識別されている。ここで、溶融石英管212は、それに形
成された相応してより小さなバルブ214と、アーク室を
定める壁を有する。バルブの各端の第一及び第二の絞ら
れた首222及び224を通って、第一及び第二のタングステ
ン線電極230及び232が現れる。これらが、室216の内部
で小さなアーク間隙を定め、そしてそこに水銀、塩及び
貴ガスの適当な充填物が存在する。ここでは、電極230,
232は、第１図及び第４図のランプに採用された複合設
計のものではなく、線が均一直径のものである。

四半室負荷は、定格電力と四半室平面252及び254での
バルブ壁断面をもとにして決定される。首負荷は、同様
に、定格電力と第一及び第二の首222及び224での石英と
タングステン線の断面とをもとにして決定される。

上記の第二の態様におけるように、このランプ210に
ついての四半室負荷係数は100〜350W/cm²の範囲内に維
持されるべきであり、首負荷係数は100〜400W/cm²の範
囲内に維持されるべきである。定格電力2.5Wの本発明の
一つの特定のランプにおいては、首負荷係数は約240W/c
m²、四半室負荷係数は約215W/cm²であった。

より大きなランプ（15〜40ワット）、中位のランプ
（５〜14ワット）及びより小さなランプ（５ワット未
満）の各々において、熱管理原理を使用して、バルブと
首の外側の石英壁に沿ってシャンクの大きな放射面への
熱の流れを制限する。電極先端間の帯域、すなわちアー
ク発生プラズマ近辺における高温乱流ガスが、室の中央
部における伝熱機能の大部分を果す。しかしながら、熱
は首に向かって軸線方向に進むので、石英バルブ壁の伝
導性がより大きな因子を演じる。熱の流れの速度は、温
度が水銀や塩の蒸気圧を高く維持するのに十分高いまま
であるような範囲内に維持されるべきである。しかしな
がら、高温が溶融石英バルブの壁を失透させることのな
いように、いくらかの熱は伝えて去らせなくてはならな
い。さらに、過剰の塩、すなわち塩の集まったものは、
バルブ壁の中央部から離れて凝縮すべきである。本発明
では、動作しているランプの室の最低温部は、電極の背
後の首の一つであり、そこに塩の集まりが生じる。こう
して、照明方向のバルブ壁の凸部18に凝集した塩の斑点
が形成されることはない。

石英管の首、バルブ側壁及びシャンクは、構造支持の
ために十分厚いこと、及び失透を防止するのに十分な熱
を伝えることが要求される一方で、使用する低い定格電
力において高いランプ効率及び所望の色温度をもたらす
高い蒸気圧を発生するための熱を維持するのに十分な小
さな寸法にされる。

本発明は、より抜きの好ましい態様を参照して詳細に
記述されてはいるが、本発明がそれらの明確な態様に限
定されるものではないことを理解すべきである。むし
ろ、請求の範囲に規定した本発明の範囲及び精神から逸
脱することなく、当業者には多くの改変及び変更が思い
浮かぶであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アドベンコ，マイケルアメリカ合衆国、ニューヨーク 13152, スカニーテルズ・ジョーダンストリート44 (56)参考文献特開平４−280061（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−52373（ＪＰ，Ａ) 特開平４−218253（ＪＰ，Ａ) 特公平６−30239（ＪＰ，Ｂ２) 特公平２−4099（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−27667（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 61/30,61/33,61/86

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バルブの相対する端部で軸線方向に配列さ
れた第一の首と第二の首とを有し、且つ前もって決めら
れた体積のアーク室の範囲を定めるバルブ壁を有する上
記バルブに第一及び第二のシャンクを接合する、ダブル
エンド型の管エンベロープと、上記室内の前もって決め
られた量の水銀及びハロゲン化金属塩と、上記首のそれ
ぞれの一つを通って上記アーク室へおのおの軸線方向に
伸びる耐熱金属の第一及び第二の細長い電極とを含み、
上記第一及び第二の首が細められて上記バルブ壁からそ
れぞれのシャンクへの熱の流れを制限しているランプで
あって、これらの電極はそれらの間にアーク間隙を定め
るように間隔をあけて配置された軸線方向の先端を有し
ており、当該ランプは上記室の体積、当該室中の水銀及
び塩の量、そして上記アーク間隙に依存する定格電力を
有していて、上記バルブ壁が上記首の間の中途にあって
当該ランプの軸線に対して垂直の中央室平面から上記の
それぞれの第一及び第二の首に至るまで次第に増加する
厚みを有し、またこのバルブ壁が上記軸線に対して垂直
で且つ上記中央室平面と上記のそれぞれの第一及び第二
の首との間の中途にある第一及び第二の四半室平面を有
していて、この壁は上記第一及び第二の四半室平面にお
いてそれぞれ第一及び第二の四半室壁断面積を有してお
り、当該ランプがそのランプの定格出力を上記第一及び
第二の四半室壁断面積の合計で除したものに等しい定格
四半室負荷係数を有し、この定格四半室負荷係数が70〜
350W/cm²の範囲内にあるメタルハライド放電ランプ。
【請求項２】前記定格電力が２〜５ワットである、請求
の範囲第１項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項３】前記定格電力が２〜14ワットである、請求
の範囲第１項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項４】前記定格電力が15〜40ワットである、請求
の範囲第１項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項５】前記室が、前記それぞれの電極が当該室へ
入る前記首のところにフレア部を有し且つこれらのフレ
ア部の間に凸部を有する、一般的にガウス分布形の内部
形状のものである、請求の範囲第１項記載のメタルハラ
イド放電ランプ。
【請求項６】バルブの相対する端部で軸線方向に配列さ
れた第一の首と第二の首とを有し、且つ前もって決めら
れた体積のアーク室の範囲を定めるバルブ壁を有する上
記バルブに第一及び第二のシャンクを接合する、ダブル
エンド型の管エンベロープと、上記室内の前もって決め
られた量の水銀及びハロゲン化金属塩と、上記首のそれ
ぞれの一つを通って上記アーク室へおのおの軸線方向に
伸びる耐熱金属の第一及び第二の細長い電極とを含むラ
ンプであって、これらの電極はそれらの間にアーク間隙
を定めるように間隔をあけて配置された軸線方向の先端
を有しており、当該ランプは上記室の体積、当該室中の
水銀及び塩の量、そして上記アーク間隙に依存する定格
電力Ｐを有していて、上記のそれぞれの電極が上記の室
に入る上記の首が第一及び第二の首断面積XQ1及びXQ2を
それぞれ有し、また上記第一及び第二の電極がそれらの
電極が上記の室に入る断面積XE1及びXE2を有し、上記電
極の耐熱金属の熱伝導率が上記管のそれのＡ倍であっ
て、当該ランプの首の電力負荷係数がであって、100〜400W/cm²の範囲内である、メタルハラ
イド放電ランプ。
【請求項７】前記定格電力Ｐが２〜５ワットである、請
求の範囲第６項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項８】前記定格電力が５〜14ワットである、請求
の範囲第６項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項９】前記定格電力Ｐが15〜40ワットである、請
求の範囲第６項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項１０】前記室が、それぞれの電極が当該室へ入
る前記首のところにフレア部を有し且つこれらのフレア
部の間に凸部を有する、一般的にガウス分布形の内部形
状のものである、請求の範囲第６項記載のメタルハライ
ド放電ランプ。
【請求項１１】前記第一及び第二の首の外表面が絞られ
て、前記バルブ壁に沿ってシャンクへの熱の流れを制限
している、請求の範囲第10項記載のメタルハライド放電
ランプ。
【請求項１２】前記電極がタングステン線から形成さ
れ、そして前記首が石英から製作されている、請求の範
囲第６項記載のメタルハライド放電ランプ。
【請求項１３】前記タングステン線の前記首における直
径が0.007インチ（0.18mm）である、請求の範囲第12項
記載のメタルハライド放電ランプ。