JP2013232311A - メタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】点灯初期におけるアーク放電を安定化させることができるメタルハライドランプを提供する。
【解決手段】メタルハライドランプは、片端に口金が形成された透光性の外管と、該外管の内部に配置された発光部と、を有し、前記口金が上側となるように取り付けられように構成された垂直型である。発光管には、水銀と金属ハロゲン化物が封入されており、ランプ定格電力をP[W]とすると、前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）［μｍｏｌ／ｃｍ³］は次の式によって求められる水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）の±１０％の値の範囲にある。ｄ（Ｈｇ）＝０．０００７Ｐ²−０．４１１３Ｐ＋９９．５５７
【選択図】図３

Description

本発明は、水銀と金属ハロゲン化物が封入された発光管を備えたメタルハライドランプに関し、特に、垂直型のセラミックメタルハライドランプに関する。

メタルハライドランプは、高圧ナトリウムランプや水銀ランプに比して、最も自然光に近い光が放射されるので演色性に優れており、オフィスや店舗のベース照明としても用いられている。近年、石英ガラスの発光管の代わりに透光性セラミックの発光管を用いたセラミックメタルハライドランプが普及している。セラミックメタルハライドランプの発光管には水銀と金属ハロゲン化物が封入される。

一般に、平均演色評価数Ｒａ≧８０であれば高演色であると評価され（ＩＳＯ８９９５の演色区分１Ｂ以上）、発光効率η≧１００程度であれば高効率であると評価される。高演色と高効率は相反関係にあり、両者を同時に実現することは困難である。

特許文献１には、黒化現象を回避し、良好な光束維持率を得るために、発光管内に水銀に対して過剰のハロゲン原子が存在するように、金属ハロゲン化物を封入することが記載されている。特許文献２には、発光管内にセリウム及びプラセオジムの内の少なくとも一種を含む発光物質を封入したメタルハライドランプの例が記載されている。特許文献３には、発光管内に金属ハロゲン化物としてヨウ化金属を封入することによって、高演色性と高効率を達成することができるメタルハライドランプの例が記載されている。特許文献４には、点灯初期からアークを安定的に点灯させるために給電ワイヤを設けたセラミックメタルハライドランプの例が記載されている。

特許４２１０９１１号 特許４６１３２５７号 特開２０１１−０８９３５号 特開２０１１−７０８６９号

セラミックメタルハライドランプでは、発光管の管壁負荷を高くし、内部の蒸気圧を高くすることによって、高発光効率と高演色性を実現している。しかしながら、点灯初期にアーク放電が不安定となることがある。即ち、点灯初期（点灯直後〜数時間後）に、放電空間内の蒸気圧が安定時（１００時間点灯時）よりも高くなり、蒸気対流が安定せず、アークの湾曲等のアーク異常が発生する。

本発明の目的は、点灯初期におけるアーク放電を安定化させることができるメタルハライドランプを提供することにある。

本願の発明者は、点灯初期におけるアークの安定性にとって、発光管内の蒸気圧の値が重要であることを見出した。そこで、本願の発明者は、発光管内の水銀の濃度を適切に設定することにより、点灯初期におけるアークの安定性が向上することを見出した。

本発明によると、
片端に口金が形成された透光性の外管と、該外管の内部に配置された発光部と、を有し、前記口金が上側となるように取り付けられるように構成された垂直型のメタルハライドランプにおいて、
前記発光部は、透光性のセラミックからなる発光管と、該発光管の両端から延びるキャピラリと、該キャピラリ内に封入された電極アセンブリと、該電極アセンブリの両端から延びる電力供給リードを有し、
前記ランプ定格電力Ｐ［Ｗ］は、Ｐ＝１００〜４００［Ｗ］であり、前記発光管の有効長さをＬ、有効内径をＩＤとすると、１.８≦Ｌ／ＩＤ≦２.３となるように構成され、
前記発光管には、水銀と金属ハロゲン化物が封入されており、ランプ定格電力をＰ［Ｗ］とすると、前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）［μｍｏｌ／ｃｍ³］は次の式によって求められる水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）の±１０％の値の範囲にある。

ｄ（Ｈｇ）＝０．０００７Ｐ²−０．４１１３Ｐ＋９９．５５７
本発明の実施形態によると、
前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）は、ｄ（Ｈｇ）＝３９．０〜６３．０［μｍｏｌ／ｃｍ³］であってよい。

本発明の実施形態によると、
前記ランプ定格電力Ｐ［Ｗ］を前記発光管の全内面積Ｓ[ｃｍ²]で除した値で定義される壁面負荷は１５〜２５［Ｗ／ｃｍ²］であってよい。

本発明の実施形態によると、
前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）が４３〜４８［μｍｏｌ／ｃｍ³］であり、前記発光管内の金属ハロゲン化物の濃度ｄ（ＭＸ）が６〜７［μｍｏｌ／ｃｍ³］であってよい。

本発明の実施形態によると、
前記金属ハロゲン化物として、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ₃）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ₂）及びヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）を含んでよい。

本発明の実施形態によると、
前記ヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）のモル比[%]は、４〜５％であってよい。

本発明によれば、点灯初期におけるアーク放電を安定化させることができるメタルハライドランプを提供することができる。

図１は、本実施形態によるセラミックメタルハライドランプの構造を説明する図である。 図２は、本実施形態によるメタルハライドランプの発光部の構造を説明する図である。 図３は、本願の発明者が実施したアーク安定化実験の結果を示す図である。

以下、本発明に係るセラミックメタルハライドランプの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。

図１を参照して本発明に係るセラミックメタルハライドランプの実施形態を説明する。本例のセラミックメタルハライドランプは、片端に口金１１を形成した透光性外管１０と、その内部に配置された発光部１を有する。発光部１は、中心の発光管２と、その両端から延びるキャピラリ３Ａ、３Ｂと、その両端から延びる電力供給リード７Ａ、７Ｂを有する。

口金１１のステム１３には支柱１４、１５が装着されている。支柱１４、１５には、始動器１２とサポートディスク１６Ａ、１６Ｂが装着されている。始動器１２は、発光管の電極間に始動電圧を供給する非線形セラミックコンデンサなどから構成される。サポートディスク１６Ａ、１６Ｂには、透光性スリーブ１７が発光管２を囲むように固定されている。サポートディスク１６Ａ、１６Ｂの挿通孔に、発光部１のキャピラリ３Ａ、３Ｂが挿通されている。発光部１の電力供給リード７Ａ、７Ｂは、支柱１４、１５に直接溶接するか又はニッケルリボン線１８を介して溶接することにより口金１１に電気的に接続される。発光部１の電力供給リード７Ａ、７Ｂは、更に、始動器１２に電気的に接続されている。

透光性外管１０には不活性ガスとして窒素ガスが封入されている。また、本実施形態によるセラミックメタルハライドランプは、垂直型であり、口金１１が上側となるような姿勢で取り付けられる。

図２を参照して本実施形態によるメタルハライドランプの発光部を説明する。発光部１は、発光管２とその両端側に延びる一対のキャピラリ３Ａ、３Ｂを有する。キャピラリ３Ａ、３Ｂには、電極５Ａ、５Ｂを備えた一対の電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが挿通されている。電極アセンブリ６Ａ、６Ｂの両端には電力供給リード７Ａ、７Ｂが接続されている。キャピラリ３Ａ、３Ｂの両端は、電気絶縁性を有するフリットガラスなどのシール材によって気密にシールされると同時に、該シール材によって電極アセンブリ６Ａ、６Ｂが、キャピラリ３Ａ、３Ｂ内の定位置に固定されている。本例の発光部１は、発光管２とキャピラリ３Ａ、３Ｂを透光性アルミナの粉末圧縮体を型取りして一体成形した所謂１ピースタイプのものを用いている。

発光管２は、楕円を長軸周りに回転させることにより形成される略楕円球面状を有する。発光管２とキャピラリ３Ａ、３Ｂの間は、遷移曲面４Ａ、４Ｂを介して連続的に形成されており角隅部が無い形状である。

発光管２の内側寸法として、有効長さＬと有効内径ＩＤを定義する。有効長さＬは、直管状のキャピラリ３Ａ、３Ｂの内径が、発光管２に連続する遷移曲面４Ａ、４Ｂに移行して拡径開始する部分２Ａ及び２Ｂ間の距離で定義される。有効内径ＩＤは、１ピースタイプの発光管にあっては、電極５Ａ、５Ｂ間中央部の最大内径で定義される。

本実施形態によると、発光管２の有効長さをＬ、有効内径をＩＤとし、両者の比Ｌ／ＩＤをアスペクト比と称することとする。アスペクト比は、１.８≦Ｌ／ＩＤ≦２.３となるように設計されている。

本実施形態によると、壁面負荷は１５〜２５[Ｗ／ｃｍ²]である。ここで「壁面負荷」は、ランプ電力Ｐ［Ｗ］を発光管２の全内面積Ｓ[ｃｍ²]で除した値で定義される。本発明のセラミックメタルハライドランプでは、アスペクト比Ｌ／ＩＤが、１.８〜２.３であるため、発光管２の全内面積Ｓ[ｃｍ²]が比較的大きくなり、壁面負荷を比較的小さくすることができる。そのため、ランプ寿命を犠牲にすることなく、高効率、高演色性を実現することができる。

発光部１の各部の温度は、発光管の壁面負荷、透光性外管内のガス圧力、発光管材質及び発光管のアスペクト比（Ｌ／ＩＤ）によって決まる。本実施形態によると、点灯時の発光管の最冷温度が８００℃以上で且つ発光管の最高温度が１２００℃以下となるように、発光管の壁面負荷、透光性外管内のガス圧力、発光管材質及び発光管のアスペクト比（Ｌ／ＩＤ）が設定されている。

発光管２には、金属ハロゲン化物、水銀及び始動用希ガスが封入されている。金属ハロゲン化物として、少なくともヨウ化ツリウム（ＴｍＩ₃）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ₂）及びヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）が封入される。

例えば、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ₃）、及び、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）は、全金属ハロゲン化物に対して夫々１０〜２０％、及び、５〜１０％のモル比率で封入されてよい。ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ₂）は、全金属ハロゲン化物に対して夫々６０〜８０％及び５〜７％のモル比率で封入されてよい。更にヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）は、全金属ハロゲン化物に対して４〜５％のモル比率で封入してもよい。

また、必要に応じて、ヨウ化ホルミウム（ＨｏＩ₃）、及び、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ₃）を全金属ハロゲン化物に対して１〜３％のモル比率で封入してもよい。

水銀として、金属単体の水銀、ハロゲン化水銀、又は、これらの混合物が封入される。水銀の量及び濃度については後に説明する。

［実施例１］
表１は、本願の発明者が行ったアーク安定性実験に用いた９種のランプの仕様を示す。９種のランプは何れも、口金が上側になるように天井等に垂直な姿勢で取り付けた状態で点灯初期におけるアークの安定性の調べる実験を行った。表１は、９種のランプについて、（１）ランプの定格電力Ｐ［Ｗ］、（２）発光管の有効長さＬ［ｍｍ］、（３）発光管の有効内径ＩＤ［ｍｍ］、（４）発光管のアスペクト比Ｌ／ＩＤ、（５）発光管の容積Ｖ₀［ｃｍ³］、を計測した結果を示す。ランプの定格電力Ｐ［Ｗ］は、Ｐ＝１００〜４００［Ｗ］、アスペクト比Ｌ／ＩＤは、Ｌ／ＩＤ＝１．８〜２．３である。

表２は、本願の発明者が行ったアーク安定性実験の実験条件を示す。表２は、９種のランプにおける、（１）ランプ電圧ＶＬ［Ｖ］、（２）ランプ電流ＩＬ［Ａ］、（３）発光管に封入した水銀量Ｈｇ［μｍｏｌ］、（４）発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）［μｍｏｌ／ｃｍ³］、（５）発光管内の水銀の濃度（中心値）の上限値及び下限値、（６）実験結果、を示す。上限値及び下限値は、発光管内の水銀の濃度を中心値とした、その±１０％の値である。この実験では、発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）は、ｄ（Ｈｇ）＝３９．０〜６３．０［μｍｏｌ／ｃｍ³］であり、比較的大きい。例えば、特許文献１に記載された例ではｄ（Ｈｇ）＝７．０［ｍｇ／ｃｍ³］以下、即ち、約３５［μｍｏｌ／ｃｍ³］以下である。

試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６では、試験結果として「アークが安定」の結果が得られた。また、これらのランプについて、平均演色評価数Ｒａを測定したが、いずれもＲａ＝７０〜８０であり、高演色が得られた。一方、試験番号Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９では、試験結果として「アークが不安定」の結果が得られた。

図３は、表２の結果をグラフに表したものである。縦軸は、発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）［μｍｏｌ／ｃｍ³］、横軸は、ランプ電力Ｐ［Ｗ］を表す。黒色の四角形によって示される点は、試験番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の結果でありアーク安定を表す。実線の曲線は、白抜きの四角形によって表される点は、試験番号Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９の結果でありアーク不安定を表す。アーク安定の結果を表す７つの点を通る曲線を２次曲線によって近似した。ここでは、最小二乗法によって２次曲線を求めた。得られた２次曲線は、次の式によって表される。

ｄ（Ｈｇ）＝０．０００７Ｐ²−０．４１１３Ｐ＋９９．５５７
但し、残差は、Ｒ²＝０．９９０５であった。実線の曲線は得られた２次曲線を表す。但し破線の曲線は、実線の２次曲線の値を中心値として、その±１０％の値を求めることにより得られたものである。即ち、ｄ（Ｈｇ）［μｍｏｌ／ｃｍ³］±１０％の範囲を示す。一点鎖線は、特許文献１に記載された水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）ｒ（約３５［μｍｏｌ／ｃｍ³］）である。

［実施例２］
表３は、本願の発明者が行ったアーク安定性実験に用いた３種のランプの仕様と実験条件と実験結果を示す。実験に用いたランプの定格電力は１９０ワットである。この３種のランプについて、発光管内の水銀の濃度を変化させた。この実験では、発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）は、ｄ（Ｈｇ）＝４８、５３、及び、５９［μｍｏｌ／ｃｍ³］の３つであり、特許文献１に記載された例（約３５［μｍｏｌ／ｃｍ³］以下）と比較して大きい。

水銀の濃度がｄ（Ｈｇ）＝５９［μｍｏｌ／ｃｍ³］の場合にはアーク不安定であったが、水銀の濃度がｄ（Ｈｇ）＝５３［μｍｏｌ／ｃｍ³］の場合にはアークはやや不安定であった。水銀の濃度がｄ（Ｈｇ）＝４８［μｍｏｌ／ｃｍ³］の場合にはアークは安定であった。従って、放電空間内の水銀の蒸気圧を適切なレベルまで下げると対流が安定し、点灯初期におけるアーク異常を抑制することができる。

［実施例３］
表４は、本願の発明者が行ったアーク安定性実験に用いた４種のランプの仕様と実験条件と実験結果を示す。実験に用いたランプの定格電力は２３０ワットである。この４種のランプについて、（１）発光管内の水銀の濃度、（２）発光管内の金属ハロゲン化物の量を変化させた。この実験では、発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）は、ｄ（Ｈｇ）＝５０、又は、４３［μｍｏｌ／ｃｍ³］であり、特許文献１に記載された例（約３５［μｍｏｌ／ｃｍ³］以下）と比較して大きい。この実験では、更に、水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）は金属ハロゲン化物の濃度ｄ（ＭＸ）に対して十分に大きく、ｄ（Ｈｇ）＞＞ｄ（ＭＸ）である。即ち、発光管内の蒸気圧は水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）が支配的である。

水銀の濃度が５０［μｍｏｌ／ｃｍ³］の場合にはアーク不安定であったが、水銀の濃度が４３［μｍｏｌ／ｃｍ³］の場合にはアーク安定であった。従って、放電空間内の水銀の蒸気圧を適切なレベルまで下げると対流が安定し、点灯初期におけるアーク異常を抑制することができる。

表３及び表４の結果から、発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）が４３〜４８［μｍｏｌ／ｃｍ³］であれば、点灯初期におけるアークの安定性を確保できる。また、金属ハロゲン化物の濃度ｄ（ＭＸ）は６〜７［μｍｏｌ／ｃｍ³］程度であるとよい。

［実施例４］
表５は、本願の発明者が行ったアーク安定性実験に用いた２種のランプの仕様と実験条件と実験結果を示す。実験に用いたランプの定格電力は１９０ワットと２３０ワットである。（１）発光管内の水銀の濃度、（２）発光管内の金属ハロゲン化物のモル比［％］は表のとおりである。金属ハロゲン化物として、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ₃）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ₂）及びヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）が封入されている。

例えば、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ₃）、及び、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）は、全金属ハロゲン化物に対して夫々１０〜２０％、及び、５〜１０％のモル比率で封入されてよい。ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）及びヨウ化カルシウム（ＣａＩ₂）は、全金属ハロゲン化物に対して夫々６０〜８０％及び５〜７％のモル比率で封入されてよい。更にヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）は、全金属ハロゲン化物に対して４〜５％のモル比率で封入されてよい。

ここでは、ヨウ化ディスプロシウム（ＤｙＩ₃）及びヨウ化ホルミウム（ＨｏＩ₃）の含有量はゼロとなっているが、１〜３％のモル比率で封入してもよい。

ここでは、１ピースタイプの発光管について説明した。最近流通している２ピースタイプの発光管では、発光管中央で２つの発光管部材を接合しているため、発光管中央内面に小さな溝を有するものがある。しかしながら、本発明は、このような形状の２ピースタイプの発光管では適用可能である。

以上、本実施形態に係るメタルハライドランプについて説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。

１…発光部、 ２…発光管、 ３Ａ、３Ｂ…キャピラリ、 ４Ａ、４Ｂ…遷移曲面、 ５Ａ、５Ｂ…電極、 ６Ａ、６Ｂ…電極アセンブリ、 ７Ａ、７Ｂ…電力供給リード、 １０…透光性外管、 １１…口金、 １２…始動器、 １３…ステム、 １４、１５…支柱、 １６Ａ、１６Ｂ…サポートディスク、 １７…透光性スリーブ、 １８…ニッケルリボン線、 Ｌ…発光管の有効長さ、 ＩＤ…発光管の有効内径

Claims (6)

1. 片端に口金が形成された透光性の外管と、該外管の内部に配置された発光部と、を有し、前記口金が上側となるように取り付けられるように構成された垂直型のメタルハライドランプにおいて、
   前記発光部は、透光性のセラミックからなる発光管と、該発光管の両端から延びるキャピラリと、該キャピラリ内に封入された電極アセンブリと、該電極アセンブリの両端から延びる電力供給リードを有し、
   前記ランプ定格電力Ｐ［Ｗ］は、Ｐ＝１００〜４００［Ｗ］であり、前記発光管の有効長さをＬ、有効内径をＩＤとすると、１.８≦Ｌ／ＩＤ≦２.３となるように構成され、
   前記発光管には、水銀と金属ハロゲン化物が封入されており、ランプ定格電力をＰ［Ｗ］とすると、前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）［μｍｏｌ／ｃｍ³］は次の式によって求められる水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）の±１０％の値の範囲にあることを特徴とするメタルハライドランプ。
   ｄ（Ｈｇ）＝０．０００７Ｐ²−０．４１１３Ｐ＋９９．５５７
2. 請求項１記載のメタルハライドランプにおいて、
   前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）は、ｄ（Ｈｇ）＝３９．０〜６３．０［μｍｏｌ／ｃｍ³］であることを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
3. 請求項１又は２記載のメタルハライドランプにおいて、
   前記ランプ定格電力Ｐ［Ｗ］を前記発光管の全内面積Ｓ[ｃｍ²]で除した値で定義される壁面負荷は１５〜２５［Ｗ／ｃｍ²］であることを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載のメタルハライドランプにおいて、
   前記発光管内の水銀の濃度ｄ（Ｈｇ）が４３〜４８［μｍｏｌ／ｃｍ³］であり、前記発光管内の金属ハロゲン化物の濃度ｄ（ＭＸ）が６〜７［μｍｏｌ／ｃｍ³］であることを特徴とするセラミックメタルハライドランプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のメタルハライドランプにおいて、
   前記金属ハロゲン化物として、ヨウ化ツリウム（ＴｍＩ₃）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ₂）及びヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）を含むことを特徴とするメタルハライドランプ。
6. 請求項５記載のメタルハライドランプにおいて、前記ヨウ化セリウム（ＣｅＩ₃）のモル比[%]は、４〜５％であることを特徴とするメタルハライドランプ。

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