JP2013540336A - 高圧放電ランプのためのセラミック製の導入線 - Google Patents

Abstract

セラミック製の導入線、特に完全な電極は、Ａｌ_２Ｏ_３又はＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２の成分を有するＬａＢ_６複合物から製造されている。これによって、セラミック製の放電容器を使用した場合の密閉性を改善することができる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、高圧放電ランプのためのセラミック製の導入線に関する。

ＷＯ２０１０／０６９６７８からは、層として構成されており、かつ、ＬａＢ_６又はＣｅＢ_６から構成された、セラミック製の電極が公知である。このような層電極は、乾式プレス、射出成形、又は、多層技術によって製造される。

本発明の課題は、セラミック製の放電容器に良好に適合した熱膨張係数を有し、ひいては密閉性を改善する、高圧放電ランプのためのセラミック製の導入線を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。

特に有利な実施形態は、従属請求項に記載している。

本発明による新しいタイプのセラミック製の導入線は、公知のサーメットに類似したピンである。通常のサーメットはＭｏ−Ａｌ_２Ｏ_３からなるが、本発明では、セラミック製の放電容器に適合させるために、ＬａＢ_６と、Ａｌ_２Ｏ_３、特にＰＣＡとからなる混合物が使用される。この混合物は、充分に電流を運ぶ導電性の導入線を提供する。

従来技術によれば、高圧放電ランプの放電容器のために、例えば低圧射出成形によってセラミック製の中空体が相応の形状に製造される。このようにして製造された２つのハーフシェルは、グリーン状態で互いに溶接された後、気密に焼結される。導入線と電極とからなる電極システムは、充填物が放電容積の中に調量された後、ガラスはんだによって放電容器の毛管の中へと溶融される。導入線は、通常はニオブピンから形成されており、このニオブピンには、約７．３×１０^−６Ｋ^−１の熱膨張係数を有する導電性のＭｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−サーメット（５０／５０ｖｏｌ％）が溶接されている。電極、シャフト、頭部は、タングステンから製造される。

新しい電極材料として、ＬａＢ_６をベースにしたセラミック複合物が使用される。ＬａＢ_６は、２．１４ｅＶの仕事関数と、１５マイクロオームｃｍの電気抵抗とを有する。熱膨張係数は、６．２×１０^−６Ｋ^−１である。つまりこの熱膨張係数は、純粋なＰＣＡの熱膨張係数（ここではα＝８．３×１０^−６Ｋ^−１）よりも小さい。表１に、ＬａＢ_６の重要な特徴と、タングステンの特徴とを対比させて示す。

しかしながら、放電容器がＰＣＡ等からなるという点に鑑みると、導入線にとって、この熱膨張係数の差はやや大きすぎる。従って、この熱膨張係数を増加させてＰＣＡに合わせるために、Ａｌ_２Ｏ_３又はＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２が添加混合される。これを、以下ではＬａＢ_６混合物と呼ぶ。

導入線、又は、導入線とシャフトと頭部とを備えた電極システム全体は、射出成形工程によって製造することができ、この場合には、ＬａＢ_６混合物／ワックス混合物、又は、他のポリマーが、導入線の形状、乃至、電極システム全体の形状を有する空洞部の中に射出される。しかしながら択一的に、多層技術によって製造することも可能である。この場合には、ＬａＢ_６混合物／バインダ混合物からなるフィルムが引き延ばされ、電極システムが相応の形状に打ち抜かれる。双方の工程において、電極システムの脱バインダ及び焼結が行われる。純粋なＬａＢ６の焼結挙動（焼結温度：１９００〜２１００℃）は極度に緩慢であり、２０ｖｏｌ％にもなる不所望な残留孔が残ることが判明した。

残留孔を閉鎖すると当時に、熱膨張係数をセラミック製の放電容器（通常はＰＣＡ）の熱膨張係数まで増加させるために、粉末混合物にＡｌ_２Ｏ_３が添加される。ＬａＢ_６対するＡｌ_２Ｏ_３の添加率は、５〜５０ｖｏｌ％の間にある。これにより、純粋なＬａＢ_６よりも格段に低い焼結温度（１６００〜１８００℃）が可能となる。さらには、高圧放電ランプの腐食性のランプ充填物との相互作用を示さない、完全に緻密な微細構造が形成される。

熱膨張係数を適合させるために、Ａｌ_２Ｏ_３の他に、Ｄｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２（ジスプロシウムアルミン酸塩）を単独又は組み合わせて使用することが可能である。Ｄｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２は、８．５×１０^−６Ｋ^−１の熱膨張係数を有し、ランプ充填物との相互作用又は腐食分解を示さない。熱膨張係数の適合のために、Ａｌ_２Ｏ_３とＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２とを同時に使用することも可能である。

このようにして形成されたセラミックピンは、導入線のみとして、又は、導入線とシャフトからなる構成部材として、又は、電極の導入線とシャフトと頭部とからなる電極システム全体として、使用することができる。外部での電気コンタクトは、押し被せ嵌められたニオブ管を介して実施することができる。択一的に、公知のように、ＬａＢ_６混合物ピンをニッケルめっきして、硬ろう付けすることができる。

本発明の利点は、特に以下の通りである。

・電極システムが非常に簡単になる。

・仕事関数が低いセラミック製の導電性材料を使用できる。

・電極の先端部の動作温度が、３２００Ｋから１８００〜２０００Ｋまで低減される。

・ＬａＢ_６の熱伝導率は、タングステンの熱伝導率よりも格段に小さいので、ランプ周囲、特に電極の導入線の臨界区域への熱伝導が格段に少なくなる。

・導入線の熱膨張係数が、セラミック製の放電容器の熱膨張係数に適合する。

・導入線乃至電極全体の材料は、放電容器の材料と直接互換性があり、これによって、機械的安定性の向上及び構造形状のコンパクト性の点で、電極と放電容器との結びつきが改善される。

・主な故障原因である電極の導入線の毛管がよりロバストに構成されているので、寿命がより長くなる（少なくとも２０％、実施形態に応じて１００％に至る）。

・電極はより低い温度で動作可能となり、熱損失がより少なくなるので、エネルギ効率が上昇する。

従来技術によれば、高圧放電ランプの放電容器のために、通常はＡｌ_２Ｏ_３（ＰＣＡ）からなる、セラミック製の中空体が使用される。セラミック製の中空体は、低圧射出成形によって相応の形状に製造されることが多い。このようにして製造された、毛管が取り付けられた２つのハーフシェルは、グリーン状態で互いに溶接された後、気密に焼結される。電極システムは、通常はメタルハライドを含んでいる充填物が導入された後、ガラスはんだによって毛管の中へと溶融される。

電極の頭部は通常、できるだけ高い融点を有する金属から製造される。適当なのは、４．５４ｅＶの電子仕事関数を有するタングステンである。電極の先端部の温度は、動作中には約３１００Ｋに達する。

典型的には、放電容器には電極が装備されている。１つ又は２つの電極を使用することができる。

有利には、電極の頭部は、実質的に丸み付けられた円筒形の形状を有するか、又は、先が尖った形状を有する。

ＬａＢ６の仕事関数はタングステンよりも約２ｅＶだけ低く、これによって、実験によって決定された電極先端部における温度低下は、典型的な値が３１００Ｋであるタングステンに比べて、約１３００Ｋとなる。

これによって蒸発率は、タングステンの蒸発率に匹敵し、それにもかかわらず、熱伝導率の低下及び動作温度の低下によって熱損失は格段に少なくなり、これにより効率が上昇する。これによって、導入線へのエネルギ入力が低減されることとなる。

作業温度又は動作温度がより低くなったこと、並びに、ＬａＢ_６の熱膨張係数が、タングステンよりも格段に高く、Ａｌ_２Ｏ_３に非常に類似している（ＰＣＡは８．３×１０^−６Ｋ^−１を有する）という事実によって、ランプの構造長さを格段に短くすることができるようになる。なぜなら、毛管の長さを短くすることができるからである。これに関連したさらなる有利な効果により、デッドスペース容積が低減される。

これによって色分散が減少し、寿命が長くなる。

毛管のデッドスペースが完全にない構造も可能であり、これによって初めて、例えば調光が可能であるといったようなあらゆる利点を有する不飽和性ランプ充填物が可能となる。

これに加えて、ＬａＢ６のような材料は、充填物の構成成分である希土類ヨウ化物に対して腐食耐性があり、これによって寿命はさらに長くなる。

全体として、動作温度の低減、熱損失の低減、電気エネルギの削減、色分散の減少、信頼性の向上、腐食に対する高い耐性によって利点が生じる。

特に、水銀を含まない充填物を使用することが可能となる。

本発明の実質的な特徴を、請求項番号を付した箇条書きの形態で示す。

［請求項１］
高圧放電ランプのための導入線であって、
前記導入線は、セラミック製の放電容器の内部にある電極を、前記放電容器の外部にて給電線と気密に接続させるために適している、
導入線において、
前記導入線は、導電性のセラミック混合物であり、
前記混合物は、ＬａＢ_６と、Ａｌ_２Ｏ_３，Ｄｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２，ＡｌＮ，ＡｌＯＮ，Ｄｙ_２Ｏ_３のグループからの少なくとも１つの第２材料との混合物からなる、
ことを特徴とする導入線。

［請求項２］
前記導入線は、ピンである、
ことを特徴とする請求項１記載の導入線。

［請求項３］
前記ＬａＢ_６の割合は、９５〜３０ｖｏｌ％である、
ことを特徴とする請求項１記載の導入線。

［請求項４］
前記ＬａＢ_６の割合は、８０〜５０ｖｏｌ％である、
ことを特徴とする請求項３記載の導入線。

［請求項５］
前記第２材料は、Ａｌ_２Ｏ_３又はＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２である、
ことを特徴とする請求項１記載の導入線。

［請求項６］
請求項１から５のいずれか一項記載の導入線と接続されている、高圧放電ランプのための電極。

［請求項７］
前記電極と前記導入線とは、セラミック複合物から一体的に製造されている、
ことを特徴とする請求項６記載の電極。

［請求項８］
請求項１から５のいずれか一項記載の導入線を有する高圧放電ランプにおいて、
前記放電容器は、セラミック材料から製造されている、
ことを特徴とする高圧放電ランプ。

［請求項９］
前記放電容器は、ＰＣＡから製造されている、
ことを特徴とする請求項８記載の高圧放電ランプ。

［請求項１０］
前記放電容器は、管形の端部を有し、
前記管形の端部の中に、ピン形の導入線が、ガラスはんだ又は直接焼結によって封止されている、
ことを特徴とする請求項８記載の高圧放電ランプ。

以下、本発明を、実施例に基づいてより詳細に説明する。

メタルハライドランプの概略図である。 新しいタイプの端部領域における実施例を示す図である。 従来技術による純粋なＬａＢ６セラミックの構造を示す図である。 本発明による導入線のセラミックの構造を示す図である。 ＬａＢ_６とＡｌ_２Ｏ_３からなる混合物に対する正規化された熱膨張係数を示す線図である。 ＬａＢ_６とＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２からなる混合物に対する正規化された熱膨張係数を示す線図である。 ＬａＢ_６複合物からなる導入線を示す図である。 ＬａＢ_６複合物からなる電極システムのための構成部材を示す図である。 ＬａＢ_６複合物からなる電極システムを示す図である。 新しいタイプの端部領域における別の実施例を示す図である。

図１は、メタルハライド高圧放電ランプ１の実施例を示す図である。メタルハライド高圧放電ランプ１は、両端が閉鎖されたセラミック製の放電容器２を有する。放電容器２は細長であり、シールを有する２つの端部３を有する。放電容器の内部には、２つの電極４が、互いに対向するように設けられている。シールは毛管５として構成されており、毛管５の中では、導入線６がガラスはんだ１９によって封止されている。毛管５からは各々導入線６の端部が突出しており、導入線６の放電側は、対応する電極４に公知の方法で接続されている。導入線６は、給電線７と、フィルム９を備えたピンチ部８とを介して、ソケットコンタクト１０に接続されている。コンタクト１０は、放電容器を取り囲んでいる外管１１の端部に取り付けられている。

図２には、７０Ｗランプの端部領域が詳細に示されている。ここでは、毛管５は比較的短い（４ｍｍ）。毛管は１０００μｍの内径ＤＫＩを有しており、この内径ＤＫＩは、電極システムが毛管の中にちょうど収まるように選択されている。導入線６は、ＬａＢ_６とＡｌ_２Ｏ_３の混合物からなるセラミック複合物ピン１５である。外部では、導入線６にニオブスリーブ１８が被せ嵌められている。

ガラスはんだ１９は、毛管の端部の外部に取り付けられており、ＬａＢ_６複合物と毛管との間の中間スペース全体を充填するように、内部に向かって延在している。

択一的に、セラミックと複合物ピンとを、直接一緒に焼結させることも可能である。この構造により、熱的均衡が非常に迅速にもたらされる。

図３は、純粋なＬａＢ_６ピンの微細構造を示す。この純粋なＬａＢ_６ピンは、非常に強い結晶粒成長を示しており、高い多孔率を有する。純粋なＬａＢ_６ピンは約２０００℃で焼結しなければならないので、導入線として使用することは殆ど不可能である。これに対して、ＬａＢ_６複合物、つまり２０ｖｏｌ％のＡｌ_２Ｏ_３が加えられたＬａＢ_６混合物は、約１８００℃で約６０分焼結された場合、緻密な微細構造（図４）を有する。

図５は、ＬａＢ_６に対する混合用添加物であるＡｌ_２Ｏ_３を種々異なる割合で有する導入線の熱膨張係数を、Ａｌ_２Ｏ_３に対して正規化して示す線図である。Ａｌ_２Ｏ_３の割合が高くなればなるほど、熱膨張係数は、ＰＣＡ、つまり多結晶のＡｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数に近似する。しかしながら、製造プロセスの理由、及び、十分な導電性が必要であるという理由から、Ａｌ_２Ｏ_３の割合を５０ｖｏｌ％よりも高くすることは適当ではない。ＬａＢ_６と、複数のＬａＢ_６／Ａｌ_２Ｏ_３混合物とが例として示されている。ここでは、ＰＣＡに対して正規化された（ＰＣＡ＝１）熱膨張係数が示されている。Ａｌ_２Ｏ_３の添加によって、ＬａＢ_６の熱膨張係数を格段に高めることができ、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数に近似させることができる。

図６によれば、択一的に、混合用添加物としてＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２をＬａＢ_６に加えることができる。Ｄｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２の熱膨張係数は、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数よりも大きいので、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数に近似させるために、少ない割合で十分である。約５０％のＬａＢ_６と約５０％のＤｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２を使用すれば、Ａｌ_２Ｏ_３の熱膨張係数に正確に合わせることさえ可能である。従ってこの実施例では、３０〜７０％、特に４０〜６０％の割合のＬａＢ_６が有利である。

図７は、ＬａＢ_６複合物からなるピンとして製造された導入線が図示されている。導電性のＬａＢ_６の割合は約７０〜５０％であり、従ってパーコレーション限界値を上回る。ここでは、Ａｌ_２Ｏ_３の割合を比較的高く、有利には３０〜５０ｖｏｌ％に選択することができる。

図８によれば、導入線６と電極のシャフト１６とを、基本的に１つの構成部材としてＬａＢ_６複合物から一体的に製造することができる。その後、公知のように、タングステン製の頭部が追加的に被せ嵌められ、機械的に接続される。しかしながら基本的に、電極にはできるだけタングステンを使用しないでおく方が有利である。

図９によれば、特に有利には、電極システム全体をＬａＢ_６及びＡｌ_２Ｏ_３から一体的に製造することができる。導入線６及びシャフト１６に加え、特に頭部２６は非常に高い温度にさらされているので、有利には、Ａｌ_２Ｏ_３に関して５〜２０ｖｏｌ％という比較的低い割合が選択される。

図１０によれば、電極システム全体に置き換えられたピン３０として、一定の直径ＤＵと、丸みづけられた頭部３１とを有する構成が、特に有利である。ピン３０は、電極の導入線として使用されると同時に、電極そのものとしても使用される。ピン３０は、放電容器の端部にある毛管３２の中に直接焼結されている。ピン３０は、基本的に、ガラスはんだを用いて毛管内で封止することも可能である。ピン３０は、外部の端部に平坦部３３を有しており、この平坦部３３に、ニオブスリーブ３４がプレスされる。この解決方法は、毛管の構造高さが特に小さくなるということを特徴としている。なぜなら、ピン３０の耐熱性が良好であるからである。

本願で示した導入線乃至電極システムは、Ａｌ_２Ｏ_３、特にＰＣＡからなる放電容器のために特に良好に適している。この新しいタイプの導入線は、特にＡｌＮ、ＡｌＯＮ、又はＤｙ_２Ｏ_３のような他の材料からなる放電容器のために使用することもできる。ここでは、ＬａＢ_６／ＡｌＮ、ＬａＢ_６／ＡｌＯＮ、又は、ＬａＢ_６／Ｄｙ_２Ｏ_３からなる混合物の使用が推奨される。この際特に、導電性のＬａＢ_６の割合は、それぞれパーコレーション限界値を上回るべきである。

Claims (10)

1. 高圧放電ランプのための導入線であって、
   前記導入線は、セラミック製の放電容器の内部にある電極を、前記放電容器の外部にて給電線と気密に接続するために適している、
   導入線において、
   前記導入線は、導電性のセラミック複合物であり、
   前記複合物は、ＬａＢ_６と、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ａｌ_５Ｏ_１２，ＡｌＮ，ＡｌＯＮ，Ｄｙ_２Ｏ_３のグループからの少なくとも１つの第２材料との混合物からなる、
   ことを特徴とする導入線。
2. 前記導入線は、ピンである、
   ことを特徴とする請求項１記載の導入線。
3. 前記ＬａＢ_６の割合は、９５〜３０ｖｏｌ％である、
   ことを特徴とする請求項１記載の導入線。
4. 前記ＬａＢ_６の割合は、８０〜５０ｖｏｌ％である、
   ことを特徴とする請求項３記載の導入線。
5. 前記第２材料は、Ａｌ_２Ｏ_３又はＤｙ_２Ａ１_５Ｏ_１２である、
   ことを特徴とする請求項１記載の導入線。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の導入線と接続されている、高圧放電ランプのための電極。
7. 前記電極と前記導入線とは、セラミック複合物から一体的に製造されている、
   ことを特徴とする請求項６記載の電極。
8. 請求項１から５のいずれか一項記載の導入線を有する高圧放電ランプにおいて、
   前記放電容器は、セラミック材料から製造されている、
   ことを特徴とする高圧放電ランプ。
9. 前記放電容器は、ＰＣＡから製造されている、
   ことを特徴とする請求項８記載の高圧放電ランプ。
10. 前記放電容器は、管形の端部を有し、
    前記管形の端部の中に、ピン形の導入線が、ガラスはんだ又は直接焼結によって封止されている、
    ことを特徴とする請求項８記載の高圧放電ランプ。

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