JP2000173552A - 無電極高強度放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 アーク管のうちで最もアーク侵食を受ける区
域に過剰な液体メタルハライドの薄膜を置くことによっ
てアーク管を保護する。 【解決手段】 無電極高強度放電ランプ１０はプラズマ
アーク放電を収容するための光透過性のアーク管１２を
含んでおり、アーク管は頂部１４、底部１６および側壁
１８を有し、アーク管の内部には充填物が配置されてい
る。充填物は少なくとも１種のメタルハライドおよび緩
衝ガスを含んでいる。アーク管は壁を有し、この壁の内
部表面は側壁の中央範囲の周りに環状領域を含んでい
る。アーク管壁の内部表面はその範囲の主要域にわたっ
て平滑であるが環状領域に液体を安定化する粗面を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】発明の分野 本発明は無電極高強度放電ランプに係わり、特にアーク
管のうちで最もアーク侵食を受ける区域に過剰な液体メ
タルハライドの薄膜を置くことによってアーク管を保護
することに係わり、この安定化は機械的に粗面に仕上げ
た表面または金属酸化物粉末の層によって達成される。

【０００２】従来技術の記述 高圧無電極の誘導駆動ガス放電ランプは高い効能および
良好な演色性の魅力ある組合せを提供する。経済的に競
合できるためには、このようなランプは光出力の実質的
な劣化を伴わずに数千時間動作せねばならない。ランプ
の長寿命を達成する上での主要な問題はアーク管のうち
の強烈な放電に近接した区域の侵食である。

【０００３】特に、侵食は誘導駆動ガス放電ランプに対
して行われた寿命試験の間に観察されている。試験され
たランプは角を丸くされた円筒形をした石英アーク管を
使用している。アーク管の温度は８５０乃至１０００℃
の範囲である。アーク管は不活性緩衝ガスおよび沃化ナ
トリウムおよび沃化セリウムのようなメタルハライドを
添加されて、”ｆｉｌｌ（充填物）”または”ｄｏｓｅ
（添加物）”を形成している。動作中のアーク管内のメ
タルハライドの圧力は過剰なメタルハライドの液体貯留
物の温度によって制御される。この貯留物はアーク管の
内側表面の最も冷たい部分に形成される。

【０００４】長期の動作の後に、アーク管の内側表面に
損傷帯域が現れることが観察されている。この損傷帯域
は円筒状アーク管の周辺に沿って位置するリングまたは
環状領域の形体をしている。この帯域はまた強烈なアー
クが誘導無線周波数（ＲＦ）電界によってアーク管表面
に押し圧される領域でもある。

【０００５】このアーク管の損傷に至る正確なメカニズ
ムはまだ完全には解明されていない。強烈なイオンの衝
撃およびアークからの放射線の下で、化学反応が起きて
アーク管の劣化に至るのではないかと考えられる。例え
ば、沃化ナトリウムはアークによって正のナトリウムイ
オンと負の沃素イオンに解離される。正のナトリウムイ
オンはアークの電界によって壁に向けて駆動される。こ
れらのイオンのたとえ僅かな部分でも壁に到達する前に
沃素と再結合しないと、ナトリウムが石英の壁に化学的
に攻撃する可能性がある。希土類沃化物のようなアーク
管添加物中の他のメタルハライドも同様にしてアーク管
の損傷を生じうる。この正味の結果は、ナトリウムのよ
うな金属成分が失われて光出力が劣化され、そして沃素
のような遊離のハライドが蓄積されてアークの不安定つ
いには消弧に至る。

【０００６】高圧メタルハライドランプにおけるナトリ
ウムの損失についてかなりの文献がある。初期の著作は
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｌａｍｐｓ
（ＭＩＴ Ｐｒｅｓｓ，１９７１，ｐｐ２６６−２７
７）と題する彼の本でＪｏｈｎＦ．Ｗａｙｍｏｕｔｈに
よってレビューされている。Ｅ．Ｆｉｓｈｅｒは”Ｆｏ
ｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｅｅ Ｉｏｄｉｎｅ ｉｎ
Ｍｅｔａｌ Ｈａｌｉｄｅ Ｌａｍｐｓ”と題する論
文をｔｈｅ １９８８ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｉｎ Ｈ
ｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｌａｍｐ Ｃｈｅｍ
ｉｓｔｒｙに寄稿している。ナトリウムの損失はアーク
管壁中へのナトリウムの拡散並びにアーク管内での反応
に起因している。

【０００７】高圧無電極放電ランプ内に保護的なメタル
ハライド薄膜を使用する方法がＷｉｔｔｉｎｇに１９９
１年７月１６日付けで発行された米国特許５，０３２，
７５７に記載されている。この米国特許では、アーク管
壁のうちのプラズマアーク放電に最も近い部分がアーク
管の残部より低い温度に維持されて、メタルハライドの
凝縮物がそこに保護的な層を形成している。このＷｉｔ
ｔｉｎｇの米国特許には、ランプ動作中にアーク管のう
ちのプラズマアーク放電に最も近い部分にメタルハライ
ド凝縮物により保護層が形成されるのを確保するため、
熱装置を含んだアーク管の周りに励磁コイルを配した無
電極高強度放電ランプが開示されている。短い円筒のア
ーク管に対しては、この熱装置はその頂部および／また
は底部に位置づけた熱シールドを含んでいる。一実施の
態様では、アーク管の底部が凹形にされてアーク管の底
にこの凝縮物が貯まらないよう確保されている。アーク
管壁の内側表面に保護的なメタルハライド薄膜が形成さ
れるように十分な熱がアーク管の側壁からヒートシンク
へ除去されるのを確保するために励磁コイルをアーク管
に十分近づけて位置づけることができる。外側ガラス外
囲器は好ましくはアーク管と励磁コイルの間に位置づけ
られ、この外囲器もまたアーク管の側壁から熱を除去す
るよう機能する。

【０００８】上述した特徴の少なくとも幾つかを有する
ランプの使用において実用上の問題が認められた。例え
ば、平滑な内側表面を持った新しいアーク管上では、液
体添加物が液滴を形成し、これが十分な大きさとなって
重力の作用でアーク管のより熱い部分へ向け定期的に下
方に移動する。そこから添加物は気化しそしてより冷た
い表面上に再度凝縮する。この定期的な移動は裸のアー
ク管表面を付近のアークによる劣化に露出する傾向があ
る。またこれにはアーク自体の位置の非常に望ましくな
い変化をも伴う。別の言い方をすれば、添加物の位置の
この不安定は商業的な光源において受け入れられないア
ークの不安定を引き起こす。従って、従来技術の上記お
よびその他の不利を克服したこのようなランプを提供す
ることが望まれよう。

【０００９】

【発明の要約】本発明は無電極高強度放電ランプに係わ
り、このランプはプラズマアーク放電を収容するための
石英で作成された光透過性アーク管を含んでおり、この
アーク管は頂部、底部および側壁を有し概して球形の形
状をしており、このアーク管の内部には”ｄｏｓｅ（添
加物）”または”ｆｉｌｌ（充填物）”が配置されてい
る。この充填物は沃化ナトリウムおよび沃化セリウムを
含んでなるメタルハライドの群から選択される少なくと
も１種のメタルハライドおよびキセノンおよびクリプト
ンを含んでなる緩衝ガスの群から選択される緩衝ガスを
含んでいる。メタルハライドの量はランプの動作中に液
体メタルハライド凝縮物の貯留が存在するように選択さ
れる。外囲器が準備され、この外囲器は、概して円筒状
の中央範囲、アーク管を包入しそしてアーク管の下方範
囲の曲率に対応した形状をしている概して半球状の下方
範囲を有し、そして概して円形の形状をしロッドを通過
させて延ばす開口を含んだ上方端のある上方範囲を有し
ている。ロッドが概して垂直に配置されていて中心範囲
においてアーク管から開口を通って上方に延びている。
電力は励磁コイルによってランプに印加され、励磁コイ
ルはランプを包囲しそして無線周波数電源に接続されて
おり、ヒートシンクがこの電源に結合されている。アー
ク管は外側表面および内部表面を有し、この内部表面は
側壁の中央範囲の周りに環状領域を含んでいる。アーク
管壁の内部表面はその範囲の主要域にわたって平滑であ
るが液体メタルハライドのそこへの固定を向上させるた
めに環状領域に安定化された表面を形成している。この
安定化された表面は塩酸による化学的エッチングのよう
な安定化処理、あるいはサンドブラスト、あるいは酸化
珪素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化イットリ
ウムおよび酸化スカンジウムを包含する粉末金属物質の
焼結によって処理を受ける。

【００１０】

【好適な実施の態様の記述】本発明の以下の詳細な記述
を添付の図面を参照して読めば、本発明の諸々の特徴お
よび利点が明らかとなろう。

【００１１】図１は無電極高強度放電ランプ１０（ＨＩ
Ｄ）の例示の実施の態様を図解している。ランプの中央
の部品は光透過性のアーク管１２である。アーク管は溶
融石英のような高温ガラスから作るのが好ましいが、多
結晶アルミナのような他の光学的に透明なセラミック物
質から作ることもできる。好適な実施の態様では、その
形は概して球状であるが、頂部から底部に若干圧縮され
たように極部の周りよりも赤道部の周りでより大きい。
このような形はより等温に近い動作を促進して、熱損失
を減少しこれにより動作効率を向上させる。このよう
に、アーク管１２は１４に示される頂部、１６に示され
る底部および１８に示される環状側壁を有する。

【００１２】”ｄｏｓｅ（添加物）”または”ｆｉｌｌ
（充填物）”と呼ばれる充填物質はアーク管１２内に収
容されてその中に封入される。この充填物は好ましくは
沃化ナトリウムおよび沃化セリウムを含んでなるメタル
ハライドの群から選択された少なくとも１種のメタルハ
ライドを含む。この充填物は緩衝ガスも含む。緩衝ガス
は好ましくはキセノンおよびクリプトンを含んでなる緩
衝ガスの群から選択される。メタルハライドの量はラン
プの動作および使用中に液体メタルハライド凝縮物の貯
留が存在するように選択される。この組み合わせられた
充填物質は高い効率および白色温度において良好な演色
能力を示す可視放射線を発生する重量割合で使用され
る。

【００１３】アーク管１２は外囲器２０内に置かれる。
外囲器は概して円筒状の中央範囲２２およびアーク管１
２を収納する半球状の下方範囲２４を有するように形状
付けられる。アーク管の下方範囲１６の曲率は外囲器の
下方範囲２４と概して対称をなしている。無線周波数
（ＲＦ）電源２６が励磁コイル２８に電流を印加し、励
磁コイル２８はアーク管１２内に加熱電流を発生する。
外囲器２０はまた概して円形の形状に形成された上方端
３０をも有していて、これによって外囲器は閉じられ
る。アーク管１２の頂部１４に取り付けられた支持ロッ
ド３２を通過させるために上方端３０に開口２９が形成
される。更に、上方端３０に隣接して外囲器の側壁に環
状溝３４が置かれる。

【００１４】支持ロッド３２は中空の円筒形状をしてい
て、その上方範囲３６は外囲器２０の上方端３０にある
開口２９を通って延びている。ロッド３２の下方端３８
は中央範囲においてアーク管１２の頂部に取り付けられ
ていて、動作および使用中の効率を最大にするためアー
ク管を外囲器２０に対して適当な方位に保持する働きを
する。アーク管２０および外囲器２０は望ましくは同じ
物質、好ましくは石英から作られる。

【００１５】アーク管１２の周りに配置されそして無線
周波数（ＲＦ）電源２６に接続された励磁コイル２８に
よってランプに電力が印加される。動作においては、コ
イル２８中のＲＦ電流により変動する磁界が生じ、この
磁界によりアーク管内に自ら完全に閉じる電界を発生す
る。この振動する電界の結果アーク管内の充填物中に電
流が流れてアーク管内にトロイダルアーク放電が発生さ
れる。ＲＦ電源に適当な動作周波数は１メガヘルツ乃至
３０メガヘルツの範囲であり、例示の動作周波数は１
３．５６メガヘルツである。

【００１６】有効なランプ動作のためには、励磁コイル
２８は放電プラズマに満足に結合されているだけでな
く、また低い抵抗と小さい大きさを持たねばならない。
実用的なコイル形状は実行可能な限りコイルによる光の
妨害を回避し、これによって光の出力を最大にしてい
る。実例として、コイル２８はコイル中心線の各側に実
質的にＶ−形の断面を有するように配列された４つのタ
ーンを有するものとして例示されている。６つのターン
を有する類似のコイル形状も可能である。

【００１７】典型的には、コイル損失を制限するために
ランプ動作中励磁コイルから過剰の熱を除去するためＨ
ＩＤランプの励磁コイル２８は４０に示されるヒートシ
ンクに結合されている。即ち、励磁コイルの温度が上昇
すると、コイル抵抗が増大し、これによりコイル損失が
より高くなる。無電極ＨＩＤランプの励磁コイルを冷却
するために適当なヒートシンク４０は従来の方法でＲＦ
電源２６に結合されているフィン付ヒートシンクからな
る。

【００１８】図２の実施の態様では、アーク管１２には
外部表面４４および内部表面４６によって区画されたア
ーク管壁４２が形成される。内部表面は管壁の中央範囲
の周りに環状領域４８を含む。アーク管壁の内部表面４
６はその範囲の主要域にわたって概して平滑である。し
かし、側壁の中央範囲の周りの環状領域４８において
は、内側表面に５０に示される安定化されたまたは粗く
加工された表面が形成されている。このような安定化さ
れた表面は液体メタルハライドの固定を向上するためで
あり、ランプの通常の動作および使用中液体メタルハラ
イドは自らをこの安定化された表面に付着する。この安
定化された表面は多くの方法のいずれかによって作成で
きる。

【００１９】図２に示されているような実施の態様で
は、安定化された表面５０は化学的エッチングかサンド
ブラストのいずれかで形成される。化学的エッチングは
意図される環状領域において酸好ましくは塩酸によるエ
ッチングによってなすことが好ましい。別の態様では、
安定化された表面は環状領域４８上に粉末にされた金属
を焼結することによって形成することもできる。このよ
うな焼結に使用される粉末にされた金属物質は酸化珪
素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化イットリウ
ムおよび酸化スカンジウムを含んでなる粉末金属物質の
群から選択することができる。この安定化された表面の
達成方法に拘わりなく、最も高い強度の領域に隣接した
アーク管の内部表面上にこの安定化された表面が存在す
ると液体メタルハライドのこの安定化された表面への保
持が達成されて、ランプの動作および使用によって起き
る損傷効果が最小にされる。

【００２０】上述したところから、無電極高圧ガス放電
ランプのアーク管のうちのアーク放電に近接した損傷を
受けやすい領域を保護する液体メタルハライドの薄膜の
位置を安定化することが本発明の特徴であることが理解
できるであろう。この安定化は機械的に粗く仕上げた表
面により、あるいは粗面を形成するため金属酸化物粉末
の層を付着することによって得られる。この液体内の凝
集力と共に、この粗面と液体との間の接着力が重力にう
ち勝って液体充填物をかかる所望の位置に維持する。

【００２１】本発明の基礎的な構造は従って、外側の保
護外囲器２０内に装着されメタルハライドと不活性ガス
の充填物を添加されているアーク管１２を伴う。電気放
電はＲＦ電源２６に接続された外部誘導コイル２８によ
ってアーク管内で作動される。ランプの動作中はメタル
ハライド充填物の小さな部分のみが気化される。充填物
の殆どはアーク管の内側表面上に液体層として残る。米
国特許５，０３２，７５７に記載されているように、こ
の液体層はアーク放電に近接したアーク管の周辺の周り
に置かれるが、これはアーク管のこの部分をアーク管の
残りの部分より低い温度に維持してなされる。この液体
層はこの周辺の周りの内側管表面を粗く仕上げて安定化
表面を形成することによってこの位置に安定化される。

【００２２】上記に論じたように、アーク管のこの周辺
部分の安定化処理は、本発明によれば、複数の方法のい
ずれか一つ以上を使用して実施できる。これは表面の一
般的な粗面処理でよくあるいは金属酸化物粉末の層を塗
布しこれを熱処理して表面上に焼結することができる。

【００２３】表面の粗面加工による安定化処理は上記し
たようにアーク管表面の化学的エッチングによるか、あ
るいは同じく上記したようにサンドブラストによるなど
小さな硬い粒子の高速流を適用することによって達成で
きる。いずれの場合にも、この不均一な表面はアーク管
表面上での上記液体の濡れを促進し、重力による液体の
流れを阻害し、液滴を形成して下方に移動する代わりに
安定して残る充填物の表面単位面積あたりの量を増加す
る。

【００２４】粉末の焼結による安定化処理は種種の既知
の方法によって得ることができる。例えば、粉末は静電
噴霧によって塗布できる。粉末は接着を促進するために
バインダーを含むことのできる適当な液体中に懸濁する
こともできる。次いでこの液体は噴霧するか、あるいは
小さなプール状に液体を内部に入れてアーク管を適当に
回転することによって、アーク管の所望の区域に塗布で
きる。それからこの液体を蒸発させ、そしてバインダー
を焼却させることができる。最後に、必要なら加熱して
焼結することにより粉末をもっとしっかりと管壁に付着
することができる。最終の結果は液体薄膜の濡れを促進
する表面が得られることであり、この表面は液体の流れ
を阻害し、毛管作用によって多量の液体充填物を保持で
きる。

【００２５】以上本発明の好適な実施の態様が示されそ
して記載されたが、このような実施の態様は単に例示と
して与えられていることは明らかであろう。ここに開示
した本発明から逸脱することなく数多くの変形、変更お
よび置換をなすことが当業者に思い当たろう。従って、
本発明は特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ
制限を受けるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主たる実施の態様に従って構成された
無電極高強度放電（ＨＩＤ）ランプの部分的に切除した
側面図である。

【図２】図１に示されたアーク管の一部の拡大した断面
図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアーク放電を収容するための光
   透過性のアーク管を含んでおり、前記アーク管が頂部、
   底部および側壁を有し、前記アーク管の内部には少なく
   とも１種のメタルハライドおよび緩衝ガスを含む充填物
   が配置されており、前記アーク管は内部表面を有し、前
   記内部表面は前記側壁の中央範囲の周りに環状領域を含
   み、前記アーク管壁の前記内部表面はその範囲の主要域
   にわたって平滑であるが前記環状領域に粗面を有して液
   体の前記充填物の表面流れを阻害するための安定化され
   た区域を形成している、無電極高強度放電ランプ。
2. 【請求項２】 前記粗面がサンドブラストによって形成
   されている、請求項１に記載の無電極高強度放電ラン
   プ。
3. 【請求項３】 前記粗面が酸のエッチングによって形成
   されている、請求項１に記載の無電極高強度放電ラン
   プ。
4. 【請求項４】 前記環状領域がそこに金属酸化物粉末が
   焼結されて前記粗面が形成されている、請求項１に記載
   の無電極高強度放電ランプ。
5. 【請求項５】 前記金属酸化物粉末が酸化珪素、酸化ア
   ルミニウム、酸化セリウム、酸化イットリウムおよび酸
   化スカンジウムを含んでなる金属酸化物粉末の群から選
   択される、請求項４に記載の無電極高強度放電ランプ。
6. 【請求項６】 前記充填物のメタルハライドが沃化ナト
   リウムおよび沃化セリウムを含んでなるメタルハライド
   の群から選択される、請求項１に記載の無電極高強度放
   電ランプ。
7. 【請求項７】 前記緩衝ガスがキセノンおよびクリプト
   ンを含んでなる緩衝ガスの群から選択される、請求項１
   に記載の無電極高強度放電ランプ。
8. 【請求項８】 更に外囲器を含み、前記外囲器が概して
   円筒状の中央範囲を有し、前記外囲器が前記アーク管を
   包入しそして前記アーク管の下方範囲の曲率に対応した
   形状をしている概して半球状の下方範囲を有し、そして
   前記外囲器が概して円形の形状をしていてアーク管支持
   ロッドを通過させる開口を含んでいる上方端を有してい
   る、請求項１に記載の無電極高強度放電ランプ。
9. 【請求項９】 更にロッドを含んでおり、前記ロッドが
   概して垂直に配置されていて中心範囲においてアーク管
   から前記開口を通って上方に延びている、請求項８に記
   載の無電極高強度放電ランプ。
10. 【請求項１０】 更に複数の励磁線を含み、無線周波数
    エネルギー源が電池に動作的に結合されており、そして
    複数のヒートシンクフィンが前記エネルギー源に結合さ
    れている、請求項９に記載の無電極高強度放電ランプ。