JP2007508663A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、擬似照明での用途を意図した高圧放電ランプに関するものである。本発明によれば、高圧放電ランプは放電容器を有し、その放電容器は、緩衝気体に加えて、メタルハライドとしてのＬｉＩ、またはＬｉＩとＮａＩとの混合物を実質的に含む。

Description

本発明は、高圧放電ランプに関するものであり、特に、植物栽培用の照射用途に適した高圧放電ランプに関するものである。

緑色の葉の吸収率は、スペクトルの青色部分および赤色部分において最も高い。４００ｎｍと７００ｎｍとの間の光子（量子）が、光合成率を決定する。これらの光子の吸収は光合成の原動力であり、光合成のスペクトル量子収量は、Ｍｃｒｅｅ（Ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ， ａｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｃｒｏｐ ｐｌａｎｔｓ（農作物の光合成におけるアクションスペクトル、吸収率および量子収量）、Ａｇｒｉｃ．Ｍｅｔｅｏｒｏｌ．、１９７１／１９７２年、９．１９１−２１６頁）により導出され、Ｓａｇｅｒら（Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（光合成についての光エネルギー利用効率）、ＡＳＡＥ紀要、ジェネラル・エディション、１９８２年、２５／６、１７３７−１７４６頁）によりさらに精確にされている。これらの研究は、光合成の収量は広い範囲に亘って多く、特にスペクトルの青色部分および赤色部分において相対的に最大の収量を有することを示した。ＮａまたはＮａＩを含む強い放電ランプは、クロロフィルの吸収が強い５８９ｎｍのＮａＤ線の領域において特に、高い効率で放射を示す。そのため、高圧ナトリウム（ＳＯＮまたはＨＰＳと呼ばれる）ランプは、現在、温室内での擬似照明（ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ ｌｉｇｈｔｉｎｇ）に特に用いられている。ＳＯＮランプは、１００ｌｍ／Ｗと１５０ｌｍ／Ｗとの間の光源効率、および最大１．９μｍｏｌ／（Ｗｓ）の光子束感度に到達する。これに匹敵する光源効率を有する強い放電ランプとしては、ＮａＩおよびＣｅＩ_３充填物質ベースのランプが挙げられる。欧州特許ＥＰ０８９６７３３号には、ＮａＩとＣｅＩ_３とを含むメタルハライド（ハロゲン化金属）系が記載されており、このメタルハライド系は、１３０ｌｍ／Ｗと１７４ｌｍ／Ｗとの間の光源効率に到達することができる。Ｌｉが添加されると、光源効率は低下する。米国特許第６１４７４５３には、ＮａＩとＣｅＩ_３とＬｉＩとの充填物質を含むランプが記載されているが、このランプは、１００ｌｍ／Ｗと１３５ｌｍ／Ｗとの間の光源効率にしか到達しない。

植物の成長を効率的にサポートするには、ランプは、光合成の収量が最大である領域において、極めて高い効率で発光しなくてはならない。

ＮａＩとＣｅＩ_３とＬｉＩとの組合せを含む充填物質を伴う既知のランプの主たる欠点は、光合成の収量が最も低い緑色スペクトル領域において、かなりの量の光を発する点である。かかるランプは、高い光源効率を有するものの、赤色スペクトル領域においてより高い発光効率を示すＮａまたはＮａＩベースのランプと比べると、植物の成長促進に向いていない。また、ＮａＩ／ＣｅＩ_３を含む充填物質を伴うランプと、Ｎａ、ＣｅおよびＬｉのハロゲン化物を含むランプとのいずれも、ランプ動作中において充填物質の分離（ｄｅｍｉｘｉｎｇ）現象が生じやすいという欠点を有する。

ＳＯＮランプの主たる欠点は、植物が約７００ｎｍの波長までは極めて効率よく光子を吸収するにもかかわらず、このランプは主に５８９ｎｍ付近で発光する点である。したがって、ＳＯＮランプによる電力から光子への変換は、植物の吸収スペクトルに対して最適なものではない。

文献では、植物の成長を促進するためのランプとして、Ｈｇ、０．０２ｍｇ／ｃｍ^３と４．２ｍｇ／ｃｍ^３との間の量のＬｉＩ、および浸食の影響を補償するための過剰量のＬｉを含む、セラミック製の放電容器を有するランプが提案されている。比較的多くの量のＨｇが含まれるため、かかるランプのスペクトルは、緑色スペクトル部分において比較的多量の光を発する。このようなスペクトルは植物栽培にあまり効果的ではないので、この点は欠点となる。

本発明による高圧放電ランプは、放電容器を有し、その放電容器が、緩衝気体のほか、実質的に、メタルハライドとしてのＬｉＩ、またはＬｉＩとＮａＩとの混合物を過剰量含み、通常動作時における最冷部温度Ｔ_ｃｓとして、低くとも１２００Ｋの温度を有するものとされる。ここでいうランプの通常動作とは、そのランプ設計による最低電力および対応の電圧下における、安定した動作であると理解するものとする。緩衝気体としては、Ｈｇが使われることが多い。上記のほか、放電容器は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅまたはそれらの混合気体といった希ガスを含んでいてもよい。このような希ガスは、動作開始を促し、かつ緩衝気体性能を有し得る。とりわけ、Ｘｅは、充填圧が増大されるにつれて緩衝気体性能を有するようになる。放電容器は、セラミック製であってもよいし、石英または石英ガラス製であってもよい。ここでいうセラミックとは、透光性の、単結晶のもしくは高密度焼結された多結晶の金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（ＹＡＧ）等）、および高密度焼結された金属窒化物（ＡｌＮ等）を意味するものとする。たとえば、本発明に従う、緩衝気体としての水銀およびアルミナセラミック製の放電容器を伴う１５０ＷのＬｉＩランプは、４００ｎｍと５００ｎｍとの間の青色領域で、その１５−２０％の放射を発し、６００ｎｍと７００ｎｍとの間の赤色領域で、約７５％の放射を発する。これらは驚くほど高い割合である。したがって、ランプから発せられる放射は、緑色の植物の吸収スペクトルに驚くほどよく合致し、この合致は、高々１０％が青色領域で放射されかつ最大でも約４０％が赤色領域で放射される高圧ナトリウムランプにおける合致よりも、ずっと良好である。Ｌｉの主要なスペクトル線はそれぞれ６１１ｎｍおよび６７１ｎｍにあるので、青色光の割合が高いことは、それ自体、予期されなかったことである。本発明に係るランプのさらなる驚くべき利点は、深刻な浸食の痕跡が記録されないことである。

１２００Ｋ未満の最冷部温度Ｔ_ｃｓは、青色領域における割合が大幅に減少するようなＬｉの蒸気分圧の低下をもたらし、その結果、Ｈｇの放射の寄与がより重要となる。しかしながら、このことは、ますます多くの放射部分がスペクトルの緑色部分で放射されるという結果をもたらす。ところが、このような結果は、植物の栽培に関して効果的ではない。

充填物質の成分としてＬｉＩを用いることは、一般的には光源効率の低下を意味するが（上記参照）、驚くべきことに、本発明に係るランプのエネルギー変換は、比較対象となる既知のランプと比べて、少なくとも同等であるか、却って良好であることが分かった。ＮａまたはＮａＩを含む充填物質を伴う１５０Ｗのランプについては、エネルギー変換効率は約２７％であるが、本発明に従う上記のような１５０Ｗのランプについては、その値はほぼ３０％に増大する。この増大は、驚くべきものであり、予期されなかったものである。Ｌｉスペクトルのより高い青色成分の割合にもかかわらず、本発明のランプにおける、入力電力あたりの光子束（単位μｍｏｌ／（Ｗ・ｓ））は、ＮａまたはＮａＩの充填物質を有する比較対象となるランプの場合と比べて、却って１０％高いことが分かった。

したがって、本発明の新規なランプは、植物の吸収特性および光合成量子収量によりよく適合したスペクトルを提供するだけでなく、より高いエネルギーおよびより高い光子効率も提供する。

以下、本発明の上記およびその他の側面を、図面を参照しながら、より詳細に説明する。

図１は、セラミック壁を有する、本発明に従う１つの放電ランプを示している。図１は、セラミック壁を有し、イオン化可能な充填物質を含む放電空間１１を封止した、放電容器３が設けられたメタルハライドランプを示している。先端の相互距離がＥＡとされた２つの電極が、放電空間内に配され、放電容器は、少なくともこの距離ＥＡに亘って、内径Ｄｉを有する。放電容器は、各一端がセラミック製の突設プラグ３４、３５によって閉じられており、この突設プラグ３４、３５は、狭い介在空間を伴って、放電容器内に配された電極４、５へと繋がる電流導入導電体（図２の４０、４１、５０、５１）を包囲している。また、突設プラグ３４、３５は、放電空間から離れた側の一端において、溶融セラミック接合部（図２の１０）によって、上記の導電体と気密態様で接続されている。放電容器は、外側バルブ１で包囲されており、この外側バルブ１の一端には、ランプキャップ２が付与されている。ランプ動作時の放電は、電極４と電極５との間に亘って生じる。電極４は、電流導電体８を介して、ランプキャップ２の一部を構成する第１の電気接触部に接続されている。電極５は、電流導電体９を介して、ランプキャップ２の一部を構成する第２の電気接触部に接続されている。図２（縮尺は精確ではない）にさらに詳細に示された放電容器は、セラミック壁を有し、内径Ｄｉの円筒部分から形成されている。この円筒部分は、両端がそれぞれの終端壁部３２ａ、３２ｂで画定されており、各終端壁部３２ａ、３２ｂは、放電空間の終端面３３ａ、３３ｂを形成する。各終端壁部は開口を有し、その開口において、セラミック製の突設プラグ３４、３５が、焼結接合部Ｓによって気密態様で終端壁部３２ａ、３２ｂに固定されている。セラミック製の各突設プラグ３４、３５は、先端４ｂ、５ｂを有する対応の電極４、５の電流導入導電体４０、４１、５０、５１を、狭い隙間をもって包囲している。電流導入導電体は、放電空間から離れた側の一端において、溶融セラミック接合部１０によって、セラミック製の突設プラグ３４、３５と気密態様で接続されている。電極の先端４ｂおよび５ｂは、相互距離ＥＡを置いて配置されている。電流導入導電体はそれぞれ、耐ハライド性の部分４１、５１（たとえばＭｏ−Ａｌ_２Ｏ_３サーメットの形態）と、溶融セラミック接合部１０によってそれぞれの終端プラグ３４、３５に気密態様で固定されている部分４０、５０とを含んでいる。溶融セラミック接合部は、いくらかの距離（たとえば約１ｍｍ）だけ、Ｍｏサーメット４０、４１上に亘って延設されている。部分４１、５１は、Ｍｏ−Ａｌ_２Ｏ_３サーメットから形成されるのに代えて、代替構成で形成されてもよい。可能な代替構成は、たとえば欧州特許ＥＰ０５８７２３８号より知られている。とりわけ適した１つの構成は、耐ハライド性のコイルが、同一材料のピンの周囲に施された構成であることが分かった。Ｍｏは、高い耐ハライド性を有する材料としての用途に、非常に適している。部分４０、５０は、終端プラグの膨張係数に極めてよく対応する膨張係数を有する金属から作られている。この目的には、たとえばＮｂが、非常に適した材料である。部分４０、５０は、ここでは詳細は省略する手法で、電流導電体８、９に接続されている。上記で説明した電流導入構造は、任意の所望の点灯位置でランプが動作することを可能とする。

電極４、５はそれぞれ、先端４ｂ、５ｂ近くにコイル構造４ｃ、５ｃが付与された、電極棒４ａ、５ａを含んでいる。セラミック製の突設プラグは、焼結接合部Ｓによって、終端壁部３２ａ、３２ｂに気密態様で固定されている。

１つの実用的な形態では、セラミック壁はアルミナから形成され、そうして形成された放電容器は、４ｍｍの直径および３６ｍｍの長さを有するものとされる。図３には、メタルハライドの充填物質が実質的に８ｍｇの過剰量のＬｉＩを含むようなランプについて、そのスペクトルが曲線１で示されている。また、充填物質がＬｉＩではなくＮａＩを含むものであるような、本発明に従うものでない比較対象となるランプのスペクトルが、曲線２で示されている。いずれのランプにおいても、放電容器の充填物質は、緩衝気体としての３．８ｍｇのＨｇ、および３００ｍｂａｒのＡｒ／Ｋｒをさらに含んでいる。本発明に従う方のランプは、通常動作時における最冷部温度Ｔ_ｃｓとして、１３７６Ｋの温度を有する。この最冷部温度Ｔ_ｃｓは、赤外線カメラを用いて直接計測された。本発明に従うものでない方のランプのスペクトルは、通常のＨＳＰランプのスペクトルと同等である。図示のスペクトルより、ＬｉＩ含有ランプのスペクトル１における青色成分の割合が、ＨＰＳスペクトル２における青色成分の割合よりも、ずっと高いことは明らかである。また、スペクトル１が、スペクトル２と比較して、６００から７００ｎｍの波長領域においてずっと多くの放射を発していることも、明らかに見て取れる。本発明に従うランプのさらなる１つの利点は、同等のワット数を有するＨＰＳランプまたはＮａＩ含有ランプの場合と比べて、可視成分のルーメン値が、１／２未満の低い値である点である。そのため、本発明に従うランプによる植物栽培用の照明（いわゆる擬似照明）がもたらす周辺照明は、より少なくなる。

上記で説明した本発明のランプは、温室内の擬似照明に用いられる。実験において、トマトの苗、菊の苗、およびバラの鉢植えに対する効果が調べられた。第１の領域では、各植物は、単位面積あたりの合計入射光子束が１１８μｍｏｌ／秒である本発明に従うランプで照らされた。比較実験として、第２の領域では、各植物は、単位面積あたりの合計出射光子束が１２２μｍｏｌ／秒であるＨＳＰランプで照らされた。たった１８時間の照射期間の後でも、第１の領域内では、植物の、同等またはわずかに良好でさえある成長が認められた（特にトマトの苗について）。ＬｉＩの充填物質を含むランプの光子効率は、比較対象となるＨＰＳランプの光子効率よりも約１５％高いので、本発明のランプによる擬似照明が同等の成長結果を実現するのに必要とする公称ランプ電力は、より少なくて済む。

以下、本発明に従う１つのランプのいくつかのランプ特性を、本発明に従うものでないランプと比較して示す。

本発明に従うランプは、３．８ｍｇのＨｇおよびＬｉＩの充填物質を有する。ランプの公称電力は１５０Ｗである。このランプの単位電力あたりの光子束は１．５μｍｏｌ／（Ｗ・ｓ）である。

ハライドがＮａＩである比較対象となるランプでは、単位電力あたりの光子束は１．３５μｍｏｌ／（Ｗ・ｓ）である。

公称電力が１５０ＷであるＨＰＳランプでは、単位電力あたりの光子束は１．２９μｍｏｌ／（Ｗ・ｓ）である。

本発明に従うランプの複製品は、深刻な浸食を何ら示すことなく、５０００時間に亘って動作させられた。

本発明に従う１つのランプの概略図 図１に従うランプの放電容器の詳細図 本発明に従う１つのランプのスペクトルを、本発明に従うものでないランプのスペクトルと比較して示した図

Claims (6)

1. 緩衝気体と、実質的にＬｉＩより形成された過剰量のメタルハライドとを含む、イオン化可能な充填物質を伴う放電容器を有し、
   通常動作時における最冷部温度として、低くとも１２００Ｋの温度を有することを特徴とする高圧放電ランプ。
2. 前記過剰量のメタルハライドが、実質的に、ＬｉＩとＮａＩとの混合物であることを特徴とする請求項１記載の高圧放電ランプ。
3. 前記イオン化可能な充填物質が、実質的に同量のＬｉＩとＮａＩとを含んでいることを特徴とする請求項２記載の高圧放電ランプ。
4. 前記緩衝気体が、Ｈｇを含んでいることを特徴とする請求項１記載の高圧放電ランプ。
5. 前記緩衝気体が、さらにＸｅを含んでいることを特徴とする請求項４記載の高圧放電ランプ。
6. 前記放電容器が、セラミック製であることを特徴とする請求項１記載の高圧放電ランプ。

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