JP2008538048A - 高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、同化照明における使用が意図される高圧放電ランプに関する。本発明によれば、高圧放電ランプは、体積Ｖを取り囲む、長軸を備える放電容器を有し、そこには、緩衝ガス、並びに、ＬｉＩ、ＮａＩ、及び、ＣａＩ_２から選択される過剰な量のハロゲン化金属を含むイオン化可能な充填物が存在し、放電容器は、膨張形状を有し、そこでは、少なくとも両端は非円筒形であり、且つ、Ａ／Ｖ＜６．６を維持する内壁面積Ａを備えて、両端で長軸に向かって湾曲する。

Description

本発明は、具体的には、温室内の植物成長照射及び同化照明における使用に適した高圧放電ランプに関する。

緑葉による光吸収は、スペクトルの青部分及び赤部分において最も強い。４００〜７００ｎｍの間の光子（量子）が、光合成の比率を決定する。これらの光子の吸収は、光合成のための駆動力である。光合成の分光量子収量が、ＭｃＣｒｅｅ（Ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｓｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｐｈｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｃｒｏｐ ｐｌａｎｔｓ，Ａｇｒｉｃ．Ｍｅｔｅｏｒｏｌ．１９７１／１９７２，９．１９１−２１６）によって推論され、Ｓａｇｅｒ ｅｔ ａｌ．（Ｌｉｇｈｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｏｒ Ｐｈｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ，Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９８２，２５／６，１７３７−１７４６）によって精緻にされた。これらの研究は、光合成の収量がスペクトルの青部分及び赤部分に極大を有する広い領域に亘って高いことを教示している。青部分及び赤部分における上述の２つの極大にも拘わらず、量子収量は、４００〜７００ｎｍの間の領域では＞０．８である。Ｎａ又はＮａＩを備える高輝度放電ランプは、具体的には、ＮａＤ線の領域において５８９ｎｍで放射線を放出し、ここでは、葉緑素の吸収は強い。従って、具体的には、高圧ナトリウム（ＳＯＮ或いは代替的にＨＰＳと呼ばれる）が、温室内の同化照明のために現在使用されている。ＳＯＮランプは、１００〜１５０ｌｍ／Ｗの間の発光効能並びに１．９５μｍｏｌｅ／（Ｗｓ）までの光子束効率を達成する。

ＮａＩ及びＣｅＩ_３充填物を備える高輝度放電ランプは、類似の発光効能を有する。欧州公報第０８９６７３３号は、ＮａＩ及びＣｅＩ_３を備えるハロゲン化金属系を開示しており、それは１３０〜１７４ｌｍ／Ｗの間の効率を達成し得る。Ｌｉが加えられると、発光効能は減少する。米国特許第６，１４７，４５３号は、ＮａＩ、ＣｅＩ_３、及び、ＬｉＩ充填物を備えるランプを開示しており、それは１００〜１３５ｌｍ／Ｗ程度の発光効能を達成する。国際公開ＷＯ００／４５４１９号は、Ｈｇに加えて、ＮａＩ、ＣａＩ_２、及び、ＣｅＩ_３を含む充填物を備える低ワット数ランプを開示している。これらのランプは、８４〜９０の範囲の平均演色評価数Ｒａと共に、３８００Ｋより上の、４８００Ｋより上までの高い色温度Ｔ_ｃを伴う１０１〜１０６ｌｍ／Ｗの間の発光効能を有する。

植物成長の効率的な支持のために、ランプは、光合成収量が最大である領域において光を極めて効率的に生成しなければならない。上述のランプに比較した主要な欠点は、植物の光活性スペクトルが、発光効能の計算のために使用される目感受性曲線から著しく逸れる。目感受性曲線が緑で最高になり、目感受性が青領域及び赤領域において小さいのに対し、光合成において活性な放射線のための感受性曲線は、青部分及び赤部分において最大を有する。従って、発光効能は、光合成において活性な放射線の量を評価するのに良いパラメータではない。ランプ入力パワーによって分割される４００〜７００ｎｍの間の光子束を使用することがより適切であり、同化又は成長照明のために有用なランプを最適化するために光子束効率とさらに呼ばれる。増大された発光効能が光子束効率に対する負の影響をもたらすことさえも可能である。

ＮａＩ、ＣａＩ_２、及び、ＬｉＩの組み合わせを含む充填物を備える既知のランプの主要な欠点は、それがかなりの量のスペクトルの緑領域にある光を発光することであり、そこでは、光合成収量は最低である。それは高い発光効能を有するが、赤部分のスペクトルにおいてより効率的に発光するＮａ又はＮａＩに基づくランプよりも植物成長の同化のために適していない。ＮａＩ／ＣｅＩ_３を含む充填物を備えるランプ及びＮａ、Ｃｅ、及び、Ｌｉを含む充填物を備えるランプの両方が、ランプ動作中に充填物の偏析現象の影響を受け易いという欠点を有する。

ＳＯＮランプ及びＮａＩのみをハロゲン化物として有するランプの主要な不利点は、それらが主として５８９ｎｍ付近で発光するが、植物は光子を７００ｎｍまで依然として極めて効率的に吸収することである。さらに、ＳＯＮランプは、スペクトルのぼけ部分に些細な寄与を有する。従って、ランプの光子の電力への変換は、植物吸収スペクトルに関しては理想的でない。

文献では、植物成長を促進するためのランプは、腐食の影響を補償するために、Ｈｇ、０．０２〜４．２ｍｎ／ｃｍ^３の間のＬｉＩ、及び、余分なＬｉを包含するセラミック放電容器を有することが提案されている。ランプのスペクトルは、放電中のＨｇによって生成されるスペクトルの緑部分にある比較的大きな量の発光を有する。それは植物成長にそれほど効果的でないので、これは欠点である。

本発明は、上記欠点が相殺される温室内の植物成長照射及び同化照明における使用に適したランプを提供することを目的とする。

本発明によれば、高圧放電ランプは、体積Ｖを取り囲む長軸を備える放電容器を有し、バッファガス、及び、ハロゲン化金属として過剰な量の実質的にＬｉＩを含む、イオン化可能な充填物が存在し、放電容器は、Ａ／Ｖ＜６．６ｍｍ⁻１を維持する内壁面積を備えて、両端で長軸に向かって湾曲する膨張形状を有し、放電容器は、通常動作中に少なくとも１２００Ｋの最低温度スポットＴ_ｃｓを有する。ランプの通常動作は、この点において、最低パワーでの並びにランプが設計される対応する電圧での安定動作であると理解される。Ｈｇが緩衝ガスとしてしばしば使用される。その他に、放電容器は、Ａｒ、Ｋｒ、若しくは、Ｘｅ、又は、それらの組み合わせのような希ガスを含みことができ、それは始動を促進し、緩衝ガス能力も有し得る。具体的には、Ｘｅは、増大された充填圧力を備える緩衝ガス能力も有する。放電容器は、セラミック又は石英又は石英ガラス材料から製造され得る。ここで、「セラミック材料」は、半透明又は透明な単結晶の或いは緻密に焼結されたＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ１_２（ＹＡＧ）のような多結晶の金属酸化物或いはＡＩＮのような緻密に焼結された金属窒化物を表している。放電容器は、両端で長軸に向かって湾曲された膨張形状の結果として、少なくともその両端部で非円筒形である。これは最低温度スポットを制御するために有利である。緩衝ガスとして水銀並びにセラミックアルミナ放電容器を備える本発明に従った１５０ＷのＬｉＩ充填ランプが、例えば、４００〜５００ｎｍの間の青領域内の放射線の１５〜２０％並びに６００〜７００ｎｍの間の赤領域内の放射線の約７５％を発光し、それらは驚くほど高い割合である。よって、ランプの発光は、驚くほど良好に、緑色植物の吸収スペクトルと一致し、その場合には、１０％までだけが青領域において発光され、最大でも４０％が赤領域において発光される。本発明のランプのスペクトル中の青色光の高い割合は、それ自体は、予期されなかった。何故ならば、主流のＬｉは６１１及び６７１ｎｍにあるからである。本発明に従ったランプのさらに驚くべき利点は、重大な腐食の跡が記録されないことである。ランプのさらなる有利な特徴は、Ｌｉハロゲン化物が所謂Ｗハロゲン化物周期(W-halide cycle)をもたらすことである。電極材料として最も一般的に使用されるタングステンは、放電アークの影響下で電極から蒸発し且つ／或いは噴出する傾向がある。Ｗハロゲン化物周期は、放電地域内のＬｉＩの解離から導出されるハロゲン化物への周期的結合並びにそれらからの解離の結果として、そのように蒸発され且つ噴出されるＷを電極のより低温な部分の上に蒸着する特性を有する。それ自体既知のＷハロゲン化物周期の原理は、ランプの保守を促進する。何故ならば、それは放電容器の壁の上へのＷの蒸着を効果的に相殺するからである。

膨張非円筒形状の主な利点は、放電容器の壁厚をかなり一定に維持し得ることであり、それは放電容器の壁に亘る温度の均一な分配を実現するために有利である。これは、Ａ／Ｖ＜６．６^−１である、そのように成形される本体内で、電極と関連する突出プラグとの間の体積部分が円筒形の放電容器と比べ比較的小さいという事実によって、さらに促進される。

動作中に１２００Ｋより下の最低温度スポットＴ_ｃｓを有するランプのために、ＬｉＩ蒸気圧力は、特に青領域において、比較的強い放射線のために必要なレベルまでにないことが分かる。緩衝ガスとしてＨｇを有するならば、スペクトルは、緑部分において極めて顕著な分布を有する。しかしながら、これは植物成長にとって効果的でない。

充填成分としてのＬｉＩの使用は、発光効能（上記を参照）の減少を概ね意味するが、本発明に従ったランプのエネルギー変換は、驚くべきことに、同等の既知のランプのエネルギー変換と同等あるいはより良いことが分かる。Ｎａ及びＮａＩを含む充填物を備える１５０Ｗランプのために、エネルギー変換効率は約２７％であり、その値は、上述の本発明の１５０Ｗランプのためにほぼ３０％に増大する。この増大は驚きであり、予期されない。Ｌｉスペクトルのより高い青部分にも拘わらず、本発明のランプの入力パワー当たり光子束（μｍｏｌｅ／（Ｗ*ｓ））は、Ｎａ又はＮａＩの充填物を有する同等ランプの場合よりも１０％高くさえあることが分かる。

本発明に従ったランプの有利な実施態様において、イオン化可能な充填物は、ＬｉＩの他に、最大でも１０ｍｏｌｅ％の量のＣｅＩ_３も含む。Ｃｅヨウ化物は、少量であるときに、４００〜７０ｎｍの間の領域のスペクトルにおける実効エネルギー変換をさらに向上する。しかしながら、より大きな量を用いるならば、Ｃｅヨウ化物は、スペクトル中の増大された量の緑をもたらし、その上、Ｃｅは、ランプ保守に負の影響を有する。何故ならば、放電容器の壁の上へのタングステンの蒸着を刺激するからである。

よって、新しいランプは、より高いエネルギー及びより高い光子効率、並びに、食物吸収及び光合成量子収量により良好に適合されたスペクトルをもたらす。

本発明に従ったランプにおいて、放電容器は、好ましくは、少なくとも約２０ｍｍの相互電極距離ＥＡを備える一対の電極を取り囲む。実験は、約２０ｍｍの電極距離を備える光子束効率が、その全長に亘って円筒形に成形される放電容器を有する同等ランプの光子束効率よりも明らかに優れていることを示した。

本発明の上記の並びにさらなる特徴は図面を参照して以下により詳細に説明される。

図１は、セラミック壁を有する本発明に従った放電ランプを示している。図１は、両端で長軸に向かうセラミック壁を備えて湾曲する膨張形状を有する長軸１０を備える放電容器１を備えるハロゲン化金属ランプを示しており、セラミック壁はイオン化可能な充填物を収容する放電空間１１を取り囲んでいる。放電容器は、その全長に亘って非円筒形の形状を有する。２つの電極５０，６０が放電容器内に設けられており、それらの先端は相互電極距離ＥＡにある。放電容器は、セラミック突出プラグを両端に有し、各プラグは、それぞれの電流貫通導体を取り囲んでいる。放電容器は、最大内径Ｄｉを有する。放電容器は、一端にランプキャップ２を備える外側バルブ１０１によって取り囲まれている。ランプが動作するとき、放電が電極５０，６０間に延在する。電極５０は、電流導体９０を介して、ランプキャップ２の一部を形成する第一電気接点に接続されている。電極６０は、電流導体１００を介して、ランプキャップ２の一部を形成する第二電気接点に接続されている。放電容器は図２により詳細に示されている（原寸通りではない）。この具体的な実施態様において、膨張形状は、長軸１０に向かう２つの半球として湾曲され且つ外径７を備える非円筒形部分によって相互接続された非円筒形の両端によって形成されている。放電容器は、放電空間１１を形成する体積Ｖを取り囲むセラミック壁を有し、内壁面積Ａを備える。突出プラグのそれぞれ１つに接続された放電容器の各端部は、半径Ａ−１及びＢ−１を備える曲率によって特徴付けられている。図示の実施態様において、半径は一定の値であり、曲率は円の区画である。よって、放電容器本体長Ｃと半径Ａ−１との間の比率に依存して、放電容器の形状は、一方では、球と、他方では、外径７を備える円筒形部分によって接続された２つの半球との間で異なり得る。この具体的な実施態様において、半径Ａ−１の２倍は、外径７と等しく、ｄ１及びｄ２は、突出プラグのそれぞれ外径及び内径を示しており、突出プラグ内には、電極が、例えば、セラミックグレーズィングコンパウンドで取り囲まれ且つ封止される。

異なる実施態様において、半径Ａ−１は、外径７の半部よりも大きくあり得る。その結果、図３に示されるような、より楕円体形状がもたらされる。

曲率に沿う半径Ａ−１の値を変化することによって、例えば、楕円体、放物面体、及び、卵形体のような、如何なる所望の形状をも実現し得る。長軸に向かって湾曲する少なくとも非円筒形の両端部を備えるこれらの膨張設計の主な利点は、放電容器の壁厚をかかり一定に維持し得ることであり、それは放電容器の壁に亘る温度の均一な分布を実現するために有利である。これは、そのように成形される本体において、電極と、非円筒形であり且つ長軸に向かって湾曲する、それぞれの突出プラグとの間の体積区画が、円筒形放電容器の対応する体積断片に比べ比較的小さいという事実によって促進される。

図４には、そのハロゲン化金属充填物が過剰な量の１０ｍｇＬｉＩを実質的に含むランプのスペクトルが、曲線１で示されている。比較のために、スペクトルは、その充填物がＬｉＩの代わりにＮａＩを含むランプの曲線２と並んで示されている。両方のランプにおいて、放電容器の充填物は、緩衝ガスとしてのＨｇ及び３００ｍｂａｒのＡｒ／Ｋｒも含む。本発明に従ったランプは、通常動作中に１３７６Ｋの最低温度スポットＴ_ｃｓを有する。最低温度スポットＴ_ｃｓは、赤外線カメラを用いて直接的に測定される。発明ではないランプのスペクトルは、通常のＨＰＳランプのスペクトルと等しい。図示のスペクトルから、ＬｉＩ含有ランプのスペクトル１中の青部分が、ＨＰＳ均等スペクトル２の青部分よりもずっと高いことが明らかである。スペクトル１がスペクトル２よりも多くの６００から７００ｎｍまでの領域の放射線を放出することも明らかに示されている。本発明に従ったランプのさらなる利点は、その可視的ルーメンが、ＨＰＳランプの或いは同等パワーのＮａＩ含有ランプの可視的ルーメンよりも低い要因２よりも大きい。この結果、植物成長のための照明、所謂同化照明は、より少ない周囲の照明をもたらす。

長軸に向かう曲率を両端に備える本発明に従った膨張設計の利点は、表面積対体積比、Ａ／Ｖが減少されることである。この特別な効果の結果が、図５の補助を用いて明らかにされている。さらにパワー効率とも呼ばれるランプ入力パワー（Ｐ_ｎｏｍと表示される）に対する４００〜７００ｎｍの間のパワー（Ｐ_{４００−７００ｎｍ}と表示される）の比率は、ＳＩと参照される本発明に従った様々なランプのための表面積対体積比、Ａ／Ｖの関数として示されている。比較のために、円筒形ランプの結果が示され、Ｃ１と参照されている。本発明に従ったランプＳ１は、概ね、Ｃ１で表示される設計に従ったランプよりも高いパワー効率を有する。設計Ｓ１の他の利点は、図６を参照して明らかにされており、そこでは、ランプのパワー効率、Ｐ_{４００−７００ｎｍ}／Ｐ_ｎｏｍは、電極距離ＥＡ、即ち、電極先端間の距離の関数として示されている。電極距離が増大するとき、パワー効率は着実に増大し、放電容器設計Ｃ１を備えるランプのためよりも本発明のランプＳ１のために大きい。

試験的なランプの結果を以下の実施例Ｉ及びＩＩに記載する。

実施例Ｉ：
放電容器の外形は図２に対応している。寸法が表１中に要約されている。設計Ｅ２−１の密閉された体積Ｖ及び内部壁面積Ａは、３２１５ｍｍ^３及び１０８７ｍｍ^２であり、Ｅ２−２のそれらは、２０８３ｍｍ^３及び１０５１ｍｍ^２であった。Ａ／Ｖ比率について結果として得られる値は、Ｅ２−１において０．３３８であり、Ｅ２−２において０．５０４であった。緩衝ガス圧力は、室温で１００ｍｂａｒを備えるＸｅであった。ランプ充填物並びに４００〜７００間のランプ発光のランプ入力パワー（光子束効率）及び平均波長＜ｌａｍｂｄａ＞_{４００−７００ｎｍ}によって割られた４００〜７００ｎｍ（ｄｎ／ｄｔ）_{４００−７００ｎｍ}の間の測定光子束の結果が、表２中に列挙されている。各ランプ中の最低温度スポットＴ_ｃｓは、１２００Ｋよりも多いことがさらに立証された。

表２中の結果は、バーナー長が増大するとき、光子束効率及び平均波長が増大することを示している。バーナー内のパワーの増大は、平均波長を減少するが、光子束効率を驚くほど増大する。

比較のために、ハロゲン化物がＮａＩであるランプにおいて、単位パワー当たり光子束は、たった１．３５μｍｏｌｅ／（Ｗ*ｓ）であった。１５０Ｗの公称パワーを備えるＨＰＳランプは、１．２９１．３５μｍｏｌｅ／（Ｗ*ｓ）の単位パワー当たり光子束を有した。

実施例ＩＩ
ランプは、図３に示される楕円体の放電容器設計を用いて製造された。放電容器本体長Ｃ、外径７、壁厚８、内壁表面積Ａ、及び、体積Ｖは、表３に列挙されている。図３中の本体と細長い貫通との間の移行部にある半径Ｂ−１は、２ｍｍである。ランプ充填物並びに４００〜７００間のランプ発光のランプ入力パワー（光子束効率）及び平均波長＜ｌａｍｂｄａ＞_{４００−７００ｎｍ}によって割られた４００〜７００ｎｍ（ｄｎ／ｄｔ）_{４００−７００ｎｍ}の間の測定光子束の結果が、表４中に与えられている。

ＬｉＩの他にＣｅＩ_３を含むハロゲン化物の充填物を有するランプにおいて、ＣｅＩ_３の量は、３．５ｍｏｌｅ％に対応した。各ランプにおける最低温度スポットＴ_ｃｓは１２００Ｋよりも大きいことがさらに立証された。

編集者の注釈：量「光子束効率」(photon flux efficiency)は「発光効能」(luminous efficacy)の代わりとして本文中に導入されている。おそらく「光子束効能」(photon flux efficacy)と言う方がよいか？効能(efficacy)は、エネルギの変換（例えば、ワットからルーメン）を示すのに対し、効率(efficiency)は、同一種類のエネルギ内に留まる（例えば、ルーメンにおいて、効率は９０％である。即ち、ランプからの１０００ｌｍのうちの９００ｌｍは発光の窓から実際に放出する）。よって、効率は数字に過ぎず、効能はその背後に示される単位を常に有する。検討後、この注釈を削除されたし。

本発明に従ったランプを示す概略図である。 図１のランプの放電容器を示す詳細図である。 図１のランプの代替的な放電容器を示す詳細図である。 非発明ランプと比較された本発明に従ったランプのスペクトルを示すグラフである。 本発明に従ったランプの入力パワーＰ_ｎｏｍに対する４００〜７００ｎｍの間のパワーの比率を放電容器の比率Ａ／Ｖの関数として示すグラフである。 ランプの入力パワーに対する４００〜７００ｎｍの間の発光パワーの比率を電極距離ＥＡの関数として示すグラフである。

Claims (7)

1. 体積Ｖを取り囲む長軸を備える放電容器を有する高圧放電ランプであって、
   バッファガス及びハロゲン化金属として過剰な量の実質的にＬｉＩを含むイオン化可能な充填物が存在し、前記放電容器は、Ａ／Ｖ＜６．６ｍｍ⁻１を維持する内壁面積を備える、両端で前記長軸に向かって湾曲する膨張形状を有し、前記放電容器は、通常動作中に少なくとも１２００Ｋの最低温度スポットＴ_ｃｓを有する、
   高圧放電ランプ。
2. 前記イオン化可能な充填物は、ＣｅＩ_３も含む、請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記ＣｅＩ_３は、最大で約１０ｍｏｌｅ％の量で存在する、請求項２に記載の高圧放電ランプ。
4. 前記放電容器は、少なくとも２０ｍｍにある相互電極距離ＥＡで一対の電極を取り囲む、請求項１に記載の高圧放電ランプ。
5. 前記放電容器は、セラミック材料から成る、請求項１に記載の高圧放電ランプ。
6. 前記緩衝ガスは、Ｈｇを含む、請求項１に記載の高圧放電ランプ。
7. 前記緩衝ガスは、Ｘｅも含む、請求項６に記載の高圧放電ランプ。

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