JP2000509892A - 高圧ハロゲン化金属ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明による高圧ハロゲン化金属放電ランプは、電極ロッド（７）により支持された対抗するタングステンの電極（５）を有する。これらロッド（７）は、電極（５）に近接したタングステンで形成した第１の部分（７１）と、重量パーセントで少なくとも９０パーセントのレニウムで形成した第２の部分（７２）とを有する。これらの共通の境界はランプの点灯中に１９００乃至２１００Ｋの範囲の温度を有する位置である。ガス充填材はオキシハロゲン化金属を含み、希土類金属の化合物は含まない。このランプは寿命が長く、発光メンテナンスが高い。

Description

【発明の詳細な説明】 高圧ハロゲン化金属ランプ 本発明は、対抗するシールを有し、気ガスとハロゲン化金属とを含むガス充填 材を具える放電スペースを包囲する、シールされた光透過性の放電容器と、放電 スペースに対抗して配置されたタングステンの電極と、放電容器の各シールに配 置され放電容器から突出している電流貫通（リードスルー）導体と、各貫通導体 に接続され、電極の各々を支持する電極ロッドとを具える高圧ハロゲン化金属ラ ンプに関するものである。 このようなランプは、米国特許明細書第５４２４６０９号から知られている。 この既知のランプは、セラミック放電容器と、例えばニオブあるいはタンタル で形成した電流貫通導体と、希ガス、水銀および希土類金属のヨウ化物を含む金 属ヨウ化物の混合物とからなるガス充填材とを有し、これらのヨウ化物はハロゲ ン化金属のように、スカンジウムおよびイットリウムのようなランタノイドのヨ ウ化物である。 セラミックの放電ランプにおいては、電流貫通導体は、通常は放電スペースま で延在しているので、ハロゲン化金属の作用により剥き出しにされている。既知 のランプでは、電流貫通導体の内側端部がセラミックシール材料のシール中に埋 め込まれ、少なくともその表面がハロゲン化抵抗性を有する各導体がシールから 突出しており、この各導体により導通導体とタングステンの電極ロッド接続する 。この導体は、少なくともその表面がタングステン、モリブデン、白金、イリジ ウム、レニウム、ロジウムあるいは導電性の珪化物、炭化物あるいは窒化物から 構成されている。 既知のランプでは、電極および電極ロッドから生じたタングステンの堆積物に より放電容器が黒化するため、発光出力が減少するという損害を被ることが分か っている。 端部が一つだけの石英ガラスハロゲン化金属ランプは、欧州特許出願第０３４ ３６２５により知られているが、この出願においては、ガス充填材は希ガス、水 銀、および金属ヨウ化物と金属臭化物との混合物から構成されている。両貫通導 体は、放電容器のシール中に互いに隣り合って埋め込まれ、電極ロッドは互いに 隣り合って放電スペースへと延在する。ランプの点灯中に電極ロッドの温度が上 昇することおよびこれらロッドの相互間の距離が短いことにより、このようなラ ンプにおいては、放電アークが電極から電極ロッドへと飛び越える恐れがあるの で、放電アークが放電容器に接近して放電容器が過熱するようになる。しかしな がら、この放電アークが電極から電極ロッドへ飛び越えることにより、電極ロッ ドがさらに加熱され、電極ロッドが局部的に蒸発するので、放電容器が黒化する と共に電極ロッド自体も損傷を受けることとなる。更には、このようなランプに おいて、電極ロッドとランプの製造中にシールを形成するに際して加熱により軟 化する放電容器の部分との間の距離が短いことにより、タングステン電極ロッド が酸化され、この結果ランプの点灯中には放電容器が早々に黒化する。 欧州特許出願明細書第０３４３６２５号に記載されているランプにおいては、 電極ロッドの少なくともその表面をレニウムあるいはレニウム／タングステン合 金で形成することにより、電極ロッドの酸化および放電アークの飛び越えが防止 される。これら電極ロッドは、放電スペースの内側にある端部でタングステン電 極コイルを介して突出している。レニウムは、とかく酸化されにくく、熱伝導性 かより低いので、レニウムの電極ロッドはランプの点灯中にはより低い温度とな ると考えられる。重量パーセントで３乃至３３パーセントのレニウムを含むレニ ウム−タングステン合金を使用するのが好適であるが、その理由はレニウムが高 価な金属だからである。しかしながら、このランプには、レニウムが蒸発して放 電容器上にレニウムが堆積するために、急激に黒化が起こるという損害を被ると いう過酷な不利益があることが判明した。 同一の端部が一つだけの石英ガラスランプと２つの端部を有する石英ガラスラ ンプは、米国特許明細書第５５１０６７５号により知られている。これらのラン プは、希ガス、水銀および金属ヨウ化物と金属臭化物との混合物を具える。これ らの電極ロッドは、放電スペースの内側の端部でタングステンワイヤのラップ巻 回体と、溶解された球形のタングステン電極ヘッドとを有する。この発明の目的 は、放電アークが移動することによって生じる揺らぎを除去することである。こ の発明の電極ロッドは、タングステンの代わりにレニウムで構成することができ る。レニウムの電極ロッドを有するランプは、レニウムが蒸発して放電容器にレ ニウムが堆積することにより、急速に黒化が起こるという害を被ることが判明し た。電極ロッドがタングステンから成る場合であっても、電極ロッドおよび電極 からタングステンの蒸発が起こり、タングステンが放電容器に堆積することによ り、放電容器の黒化が生じ得る。さらに、この場合には、電極ロッドが局部的に ますます薄くなって、比較的早くロッドが損傷する恐れがある。 本発明の目的は、放電容器の黒化と電極ロッドの損傷を防止する、明細書前文 に記載の種類の高圧ハロゲン化金属ランプを提供することにある。 この目的は、ガス充填材が金属オキシハライドを含み、希土類金属の混合物を 殆ど含まず、電極ロッドが電極に隣接するタングステンの第１の部分を有し、こ の第１の部分を、ランプの点灯中には１９００乃至２３００Ｋの範囲の温度を有 する位置の第２の部分に併合し、第２の部分が重量パーセントで少なくとも９０ パーセントのレニウムと残りをタングステンで形成した外皮を有し、この第２の 部分を各電流貫通導体に固着することによって、達成される。 本発明は、数個の態様を有する見識に基づいている。 放電容器は、再生サイクルを迅速に動作させることにより、クリアな状態を維 持することができるが、このサイクルにより、蒸発したタングステンは例えばオ キシブロマイドのような、タングステンオキシハライドとして電極に移送される 。タングステンオキシハライドは電極付近で分解され、タングステンが電極に堆 積する。点灯しているランプのガス雰囲気中に、例えば臭素あるいはヨウ素のよ うなハロゲン、および酸素を含まないことが、迅速な移送を達成するには不可欠 である。希土類金属は酸素に対する親和性が高いので、安定酸化物が得られ、ガ ス雰囲気中では遊離した酸素が除去される。それゆえに、希土類金属が殆ど無い 状態にしなければならない。 レニウムの蒸気圧は温度上昇に際してむしろ段階的に上昇する。レニウムをハ ロゲンにより電極ロッドに戻すことはできない。その理由はレニウムがハロゲン ＋とは、あるいはハロゲンおよび酸素とは反応しないからである。ランプの点灯 中においては、レニウムは温度の比較的高い位置を避けなくてはならない。 ハロゲン、特には臭素、および酸素は、効果的な手段を形成し、放電容器の壁 のような比較的温度の低い位置から電極までタングステンを移送する。しかしな がら、電極ロッドの位置も又、タングステンが酸素およびハロゲンと反応して揮 発性の化合物を形成する温度である。点灯中のランプのガス雰囲気中に酸素およ びハロゲンが存在することにより、電極ロッドは損傷が発生するまで局部的に薄 くなる。単に故意に付加したタングステンの移送手段としてランプに添加された ハロゲンは、不純物として意図的に加えられたものでない酸素と協働して電極ロ ッドからタングステンを過度に移送することなく放電管をクリアに維持すること ができる。しかしながら、この場合には、炭素、鉄、燐、および水素のような、 電極およびロッドに、および放電容器に存在するガス充填材中の他の不純物が、 タングステンを移送するに際して放電容器に対してか電極に対してかのどちらか に多大なる影響を及ぼす恐れがある。 第２の部分にほぼレニウムで構成した外皮を有するように電極ロッドを形成す ることによって、第２の部分と、臭素および酸素との反応が妨害される。電極ロ ッドの第１の部分をタングステンで形成することにより、第１の部分をレニウム で構成した場合と同様に、強烈な蒸発が避けられる。第１および第２の部分の共 通の境界温度は、大抵は、より高温でのレニウム蒸気圧と、タングステン蒸気圧 と境界温度よりも低い温度付近でのタングステン化合物の圧力との和との両方が 相当に高くなるような温度に、選択される。 ここで記載した目的に対して効果的である欧州特許出願第０３４３６２５号に より開示されたこととは対照的に、重量パーセントでタングステンを９５パーセ ント含むレニウム／タングステン合金、あるいはタングステンを６７パーセント 含むタングステンレニウム／タングステン合金でさえ、有効でないことが判明し た。この外皮中のタングステンの割合が重量パーセントで１０パーセント以下、 好適には５パーセント以下でなければならない。 電極ロッドは、タングステンロッドにより得られるが、このロッドの第１の部 分は覆いがない状態であり、第２の部分は例えばロッドをワイヤあるいはフォイ ルによりラップすることにより、あるいは例えばスパッタリングか蒸発堆積させ ることによりレニウムまたはタングステン／レニウム混合物を堆積させることに よってコーティングを施す。あるいは又、第１のタングステンロッドは、例えば 抵抗溶接又はレーザ溶接によって形成したレニウムあるいはレニウム合金の外皮 を有する第２のタングステンロッドに、例えばバット溶接により、溶接すること ができる。この場合には、レニウムのより低い熱伝導性、即ちＳ_rc≒０．３^*Ｓ_w を補償するためには、所望であれば、例えば第２のロッドを、わずかに例えば１ ０乃至１５パーセントだけ薄く選択することができる。 第１の部分および第２の部分の共通の境界の位置は、点灯中には１９００乃至 ２３００Ｋの温度を有する。この温度は、ガス充填材および製造処理の質に依存 する特別なタイプのランプ用に選択することができるので、ランプはタングステ ンとタングステン化合物との全蒸気圧に影響を与える不純物を幾分含む恐れがあ る。各タイプのランプに対する前記共通の境界の最適温度は、寿命を迎えるまで のランプの発光効率を監視することによる、小規模な一連のテストランプで簡単 に決定することができる。通常は、この境界温度を２１００乃至２３００Ｋの範 囲とすることが好適である。 ガス充填材は、臭化ナトリウム、臭化タリウム、臭化インジウム、あるいは他 の希土類金属以外の金属の臭化物等は別として、ヨウ化ナトリウムあるいはヨウ 化第１錫のような金属ヨウ化物を含む。酸素は、例えば希ガスと混合してか、あ るいは例えばオキシハライドあるいは酸化タングステンのような化合物として放 電容器に導入することができる。金属オキシハライド、特には、ＷＯＩ₂、ＷＯ₂ Ｂｒ₂、およびＷＯＢｒ₂のようなタングステンオキシハライドがランプの点灯中 に生成される。ランプが点灯していない際には、ランプの放電管の壁にはタング ステンが堆積する恐れがある。 電極は、電極ロッドのチップ即ち第１の電極ロッド部分のチップ、あるいは電 極ロッドに固着された各ボディ、あるいは電極ロッドの溶解した端部とすること ができる。通常はタングステンワイヤであるワイヤラッピングを電極付近に配置 して、例えば温度を調節することができる。 放電容器は、例えばモノクリスタラインあるいはポリクリスタラインのアルミ ナのようなセラミック、あるいは例えば石英ガラスである高シリカガラスによっ て構成することができる。この放電容器は所望な場合には外側の容器により包囲 することができる。外側の容器はは不活性ガスで満たすか、真空とすることがで きる。ランプは例えば一端あるいは両端でソケットを付けることができる。 本発明によるランプは、投射ランプ等として例えば光ファイバにより使用する ことができ、特には放電アークから放電容器の外側まで遮光されず、長い寿命お よび良好な発光メンテナンスが必要な用途に使用することができる。 本発明のランプの実施例を図面に示す。図面において、 図１はランプの側方立面図を示したものであり、 図２は電極ロッドの断面図を示したものであり、 図３は、蒸気圧曲線を示したものである。 図１に示した高圧ハロゲン化金属ランプは、図１ではクウォーツガラス製であ るが代替的にはモノクリスタラインかポリクリスタラインのセラミックで形成し たシールされた透過性の放電容器１を有し、この放電容器は、対抗するシール２ を有し、放電スペース３を封止する。放電スペースは、希ガスと金属ハライドと を含むガス充填材を有する。タングステン電極５は放電スペース３内に対抗して 配置されている。図１に示したランプはＡＣランプであるが、ＤＣランプも本発 明の範囲内にある。電流貫通導体６を、放電容器１の各シール２内に配置し、放 電容器から突出させる。この図においては、電流貫通導体を、各シールの内側に 完全に配置した例えばモリブデンの金属フォイル６ａと、放電容器１の外側まで 延在する例えばモリブデンの金属ロッド６ｂとから各々構成する。図中では電極 ロッド７をフォイル６ａに溶接することにより、これら電極ロッド７を貫通導体 ６の各々に接続し、放電スペース３に導入し、このロッドによりこれら電極５の 各々を支持する。 ガス充填剤は金属オキシハライドを含み、希土類金属の混合物はほとんど含ま ない。電極ロッド７は位置７３で第２の部分７２に併合される電極５の隣のタン グステンで形成した第１の部分７１を有し、この位置７３の点灯中の温度は１９ ００乃至２３００Ｋの範囲内、特には２１００乃至２３００Ｋの範囲内で、図１ においては２１００Ｋである。第２の部分７２は重量パーセントで少なくとも９ ０パーセント、好適には９５パーセントのレニウム、残りをタングステンで形成 した外皮を有する。この図においては、電極ロッド７の第２の部分７２の直径は １ｍｍであり、直径０．８ｍｍの第１の部分７１よりも厚い。図１の電極５は、 第１の電極ロッド部分の７１の自由端である。 図１において、電極ロッド７は、第１の部分７１では電極５の隣でタングステ ンワイヤのラッピング７４を有し、これにより電極の温度を調節する。 図１のランプの消費電力は２００Ｗである。容積が０．７cm³であって、電極 距離が３ｍｍであるランプは、０．８７mgのＮａＩ、０．４５mgのＳｎＩ₂、０ ．７６mgのＮａＢｒ、０．２１mgのＴｌＢｒ、０．１７ｍｇのＨｇＩ₂、２６６ ６ＰａのＯ₂４４mgのＨｇ、および１０Ｏ０００ＰａのＡｒにより満たされてい る。ランプのスイッチをオンにした場合には、酸素が反応してオキシハライドを 生成する。 １６００時間点灯した後には、第１の電極ロッド部分と第２の電極ロッド部分 との境界が約２１００Ｋであり、放電容器はまだ完全にクリアな状態であって、 ランプはまだ寿命に達していなかった。 これは、一方の電極を図１に示した設計とし、他方の電極をタングステンで形 成したテストランプとは、対照的である。電極距離は、５ｍｍとした。このラン プは、０．８９mgのＳｎＩ₂、０．１４mgのＨｇＩ₂、０．１３mgのＷＯ₃、３９m gのＨｇ、および１００００ＰａのＡｒから成る充填剤を有した。消費電力２０0 Ｗで、１２５時間点灯させた後には、タングステンの電極ロッドは破損し、それ によりランプが寿命に達したが、もう一つの電極ロッドが変化する兆候は見られ なかった。ランプ容器はまだクリーンなままだった。ランプが先ず点灯した場合 には、酸化タングステンは、オキシハライドがハロゲンと共に反応し、オキシハ ロゲンを生成する。 図２では、電極ロッド７は、第１の部分７１と、タングステンで構成したワイ ヤラッピング７４と、位置７３までレニウムの外皮７２’の第２の部分７２とを 有する。 図３では、曲線Ｗはタングステンの蒸気圧と、温度に依存するランプのタング ステン化合物の蒸気圧との和であるが、曲線Ｒｅは、種々の温度でのレニウムの 蒸気圧を示したものである。 レニウム蒸気圧は温度上昇に伴って上昇することが分かる。従って、レニウム はより温度が高い領域ではより早く蒸発する。 又、上述したタングステンの圧力の和は、約１５００Ｋで最も高く、約２２５ ０Ｋで最も低いことが分かる。これは、１５００Ｋでのタングステン表面では、 蒸発によりあるいは揮発性の生成物を生じる化学反応によりタングステンを遊離 が起こり、約２２５０Ｋで表面に運搬堆積されるかあるいはより高い温度即ち２ ３００乃至２５００Ｋで分解反応することを意味する。これらの工程は所望なも のではない。その理由はこれらの工程がタングステン電極ロッドから電極に向か ってタングステンを運搬し、これによりロッドがより薄くなって破損するからで ある。 しかしながら、放電容器の壁における、約１１５０Ｋでのタングステンの圧力 は、比較的高いものである。又、タングステンはこの温度の位置から約２２００ Ｋ以上の位置まで運搬される。この運搬は狙いどおりものであり、その理由は壁 がクリアに維持されているからである。 この図では、２つの曲線が約２０００Ｋで交差している。タングステン化合物 の揮発性に影響する不純物によって図示したようなＷ曲線を生ずるようなランプ では、これら曲線の交差点の温度は、第１の電極ロッド部分７１および第２の電 極ロッド部分７２の位置７３の共通の境界に適当な温度である。このランプにお いて、この共通の境界の温度が図示した温度よりも高い場合には、ランプ中の最 高レニウム温度はより上昇し、レニウム蒸発温度か上昇する。同一のランプ中で は、この共通の境界の温度は逓減し、最高レニウム温度が逓減しその結果レニウ ムの蒸気圧が逓減するが、この境界でのタングステンの圧力がより上昇し、その 結果、その位置から、Ｗ曲線が最小値を示すより高温の位置までタングステンが 運搬される。ランプ中の他の不純物レベルでは、Ｗ曲線が右側にシフトして２つ の曲線がより高い温度で交差する。ほとんど不純物を含まないランプにおいては これら曲線は約１９００Ｋで交差する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．対抗するシール（２）を有し、気ガスとハロゲン化金属とを含むガス充填材 を有する放電スペース（３）を包囲する、シールされた光透過性の放電容器（ １）と、 放電スペース（３）に対抗して配置されたタングステン電極（５）と、 放電容器（１）の各シール（２）に位置され放電容器から突出している電流 貫通導体（６）と、 放電スペース（３）に進入し、前記電極（５）の各々を支持する前記貫通導 体の各々に固着した電極ロッド（７）とを具える高圧ハロゲン化金属ランプに おいて、 ガス充填材がオキシハロゲン化金属を含み、希土類金属の化合物をほとんど 含まず、前記電極ロッド（７）が電極（５）に近接したタングステンで構成し た第１の部分（７１）を有し、この第１の部分を動作中に１９００Ｋ乃至２３ ００Ｋの範囲の温度を有する位置（７３）で第２の部分（７２）に併合し、第 ２の部分（７２）は重量パーセントで少なくとも９０パーセントのレニウムで 残りがタングステンの外皮を有し、第２の部分を各電流貫通導体（６）に固着 したことを特徴とする高圧ハロゲン化金属ランプ。 ２．前記位置（７３）が、ランプの点灯中に２１００乃至２３００Ｋの範囲内の 温度を有することを特徴とする請求項１に記載の高圧ハロゲン化金属ランプ。 ３．前記電極ロッド（７）の第２の部分（７２）を前記第１の部分（７１）より も厚くしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の高圧ハロゲン化金属 ランプ。