JP3217371B2

JP3217371B2 - ハロゲン白熱電球

Info

Publication number: JP3217371B2
Application number: JP51709095A
Authority: JP
Inventors: ドビアシユ、ペーター; ミンダー、ロルフ; フオーグル、カールハインツ
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 2001-10-09
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: KR960706689A; CN1138388A; DE59410460D1; CA2179828A1; CN1066286C; EP0736222B1; EP0736222A1; HUT74347A; DE4343989C2; DE4343989A1; WO1995017764A1; US5896007A; DE9321215U1; JPH09506996A; CA2179828C; KR100360553B1; HU217729B

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、特に一般照明（AB）用のまた同様に写真目
的もしくは映写目的（FO）用又は他の用途用のハロゲン
白熱電球に関する。この電球は特に微小電力の低電圧ラ
ンプ用に適用可能であるが、高電圧ランプ及び中電圧ラ
ンプ用にも使用することができる。

この種のランプは例えばドイツ連邦共和国特許出願公
開第2231520号公報により知られている。その冷封入圧
は通常不活性ガス、とりわけ必要に応じて微少量（５〜
10％）の窒素を有する希ガス（アルゴン、クリプトン、
キセノン）の約５〜15atmの大きさである。さらに、分
圧が数ミリバールの大きさである１種又は複数種のハロ
ゲン化合物が極く少量添加される。

とりわけ一般照明目的のためにこの種のランプの場合
比較的高い寿命（AB:2000時間、FO:200時間以上）を達
成することが何よりも重要である。このことを実現する
ために、一般に、発光体のタングステン材料の蒸発速度
を出来るだけ高い封入圧（ハロゲンランプの場合約2000
〜8000torr lt、ハー・ローマン著「エレクトロテヒニ
ク」1986年発光、第33頁〜第36頁、特に第35頁参照）に
よって抑制しなければならないことから出発する。その
場合、同時に、封入成分として存在するハロゲン化合物
は、ガラス球内に生起する対流によって、発光体から蒸
発するタングステン粒子のための循環反応を助成する
（エス・エム・コレーラ著「インターナショナル・ジャ
ーナル・オブ・ヒート・マス・トランスファー 30」第
663頁、1987年発行参照）。対流はその場合何れにして
もランプ電力の10％のオーダとなる相当の熱損失を発生
する。

一般に、この種の点灯条件を守ることは、高いランプ
寿命（少なくとも2000時間）と共に高い効率（25lm/Wま
で）を達成することができるようにするために、従来で
は省略することができないものと見做されていた。

個々には特別な理由から確かに微少の冷封入圧を有す
る特殊ランプが開発され（ヨーロッパ特許出願公開第29
5592号公報参照）ているが、その開発はハロゲンサイク
ルを促す対流が起こるということを前提として行われて
いた。

白熱電球を理論的に取扱う際に重要なことはラングミ
ュア層の概念である。この概念は例えば「オスラム社の
技術・科学会報（TWAOG）」第９巻、第125頁〜第136
頁、1967年発行、シュプリンガー出版社、ベルリンに詳
細に説明されている。その場合、円筒体と見做される発
光体に隣接する静止した定常ガス層（まさにラングミュ
ア層）の存在が想定される。このガス層は均一でありか
つ一定の直径を有すると見做されている。このガス層内
では排熱は熱放散だけで行われ、一方このガス層の外部
では熱損失は自由対流によって決定される。ラングミュ
ア層の厚みはハロゲン白熱電球の場合数ミリメータのオ
ーダである（同様に上記ドイツ連邦共和国特許出願公開
第2231520号公報参照）。このラングミュア層の厚みは
封入圧に依存する。

管形ランプ、すなわち軸線方向に配置された発光体を
備え両側を挟搾された長い白熱ランプの場合には特別な
事情がある。このランプの場合、水平姿勢から偏ると
（特に垂直点灯姿勢）、点灯時に、ガラス球内部の封入
ガスとハロゲン添加物との分解に通じる大きな問題が発
生する。米国特許第3435272号明細書ならびに「イルミ
ネーション・エンジニアリング」1971年４月発行、第19
6頁〜第204頁の記事によれば、0.5〜15barの封入圧の場
合拡散と対流との協働が熱に起因するこの分解作用に関
与している。この作用はガラス球内に導入されて発光体
を包囲するガラス管によって妨げられる。

本発明は、高いランプ寿命と共に比較的高い効率を可
能にするような、請求項１の上位概念部に記載されたハ
ロゲン白熱電球を提供するための全く新しい方法を提供
するものである。

この新しい技術的教示は請求項１の特徴事項に基づい
ている。特に有利な実施態様は請求項２以降に記載され
ている。

従来一般に支配的な教示が封入圧と寿命との直線関係
から出発しているのに対して（これによると約2000時間
の寿命を実現するためには一般に５〜15atmの高い封入
圧になる）、新しい法規定は2.5atm以下のオーダの点灯
封入圧を持つ低圧ランプも同様に調査されるようにす
る。これによって、封入ガスにより生ぜしめられた電力
損失が熱輸送によって（電力損失がガス内の熱伝導（拡
散）によってのみ生ぜしめられるので）封入圧と共にご
く弱く増大するようなランプを構成することが理論的に
可能であるという従来注目されなかった事実が重要にな
ってくる。一般にハロゲン白熱電球の構造において従来
省略することができないものと見做されていた高い圧力
（この圧力はハロゲンサイクルを保証する対流に結び付
く）は、しかしながら、封入ガスによって生ぜしめられ
（電力損失が主に対流の効果的な熱輸送メカニズムに基
づいているので）封入圧と共に強く増大する高い電力損
失を生ぜしめる。純粋な拡散の体系と付加的に対流を発
生して強く優勢である体系との間の転換点は具体的なラ
ンプ構造に依存する。この転換点はしかしながら一般に
0.1〜5.0bar、特に約0.5〜3barの冷封入圧の範囲に、低
電圧ランプの場合特に1.7bar以下に位置する。

ラングミュア層の各ランプに規定された層厚によっ
て、この種の対流のない状態が存在するための根拠がも
たらされる。特にランプの寸法は、一重又は二重に螺旋
巻きすることのできる発光体の外径とガラス球の内壁と
の間の距離がラングミュア層の厚みを上回らないように
選定されなければならない。何れにしても、一般に通用
する正確な値を提供することができるのではなく部分的
に大雑把な根拠を提供するような、単純化した仮定を有
する数学的モデルが問題となる。

本発明の説明における第２の重要な点は、意外にも、
対流のない範囲にある封入圧を有するハロゲン白熱電球
のおいてハロゲンサイクルが黒化を回避するために十分
良好に機能することが明らかになったことである。

さらに支配的な教示とは全く異なり、ハロゲン循環反
応は通常の高圧条件下ではランプ寿命に好ましくない影
響を与えることが明らかになっている（ハロゲン欠
陥）。この影響は今や抑制される。何故ならば、ハロゲ
ン循環反応は対流が現れないので余り攻撃的な作用をし
ないからである。というとは、有害な輸送プロセスは拡
散によってのみ進行することができるからである。その
有害な輸送プロセスは対流を助成する輸送プロセスに比
べて著しく緩慢である。

第３の重要な点は、良く知られているようにランプの
寿命が発光体のタングステン材料の蒸発速度に強く依存
する点である。この速度は封入圧の増大と共に小さくな
る。それゆえ、長い寿命を得るためには、出来るだけ高
い圧力（小さい蒸発速度に相当）が得られるようにしな
ければならない。蒸発速度は増大する圧力の関数として
低圧力の際には高圧力の際より比較的強く減少すること
が判明している。従って、無対流と蒸発法則性とを同時
に考慮する（乗算的な結合の意味で数学的に“畳込み”
と称する）と、比較的高い効率（5lm/W以上、特に非常
に低い電力例えば10W以下の場合にも）及び比較的長い
寿命（500時間以上）に関して良好な条件が支配するよ
うな比較的低い封入圧の際の点灯状態の発見が可能にな
る。

さらに全く意外なことに、一定の境界条件の下では、
即ち発光体材料として細線を備えたランプでは、高圧力
の際と同じような効率及び寿命の値を達成することがで
きることが判明している。線はその場合高々200μｍ、
特に100μｍ以下の直径を有する。傑出した改善は50μ
ｍ以下の線直径を有するランプの場合に達成することが
できる。このような挙動を惹き起こす原因は、僅かな線
直径の場合には蒸発メカニズムの代わりに別の故障メカ
ニズムが線の寿命を決定する、即ち線に沿ったタングス
テンのクリープを決定することにある。非常に小さい線
直径の場合、線の粒子構造は非常に良く目立つ。という
のは、線直径に亘って１つ又は２つの粒子しか存在して
いないからである。タングステンのクリープは粒子間の
締付けによって粒子境界のところで目立つ。このプロセ
スは“粒子境界腐食”と称されている。このような故障
メカニズムは封入圧に関連するものではなく、むしろフ
ィラメント線の表面温度に著しく関連する（一般的な温
度値は2300〜3200Kである）。ここで想定した点灯条件
下ではこのような故障メカニズムは意外にも著しく減少
する。

故障挙動を変えたことによる決定的なことは故障特性
がそれに応じて変えられることである。一般に故障挙動
はワイブル分布として知られている変形ガウス分布のラ
ンプ個数に従う。この分布は平均値（１つのランプグル
ープの63.2％が故障を生ずるまでに要する期間）と所定
のバラツキ幅（変動）とが特徴である。従来では標準的
に7000時間の平均値の場合このバラツキ幅は標準的に50
00時間である。

バラツキ幅はすなわち平均値との比較では非常に大き
い。それゆえ、本発明によるランプの場合に全く別の故
障挙動を観察することができる。ワイブル分布の平均値
は明らかに低いところにあるのに（一般的に4000時
間）、平均寿命のバラツキ幅は、３％値（これはランプ
の最初の３％の故障が生ずるまでの寿命である）がそれ
にも拘わらず従来技術によるランプの場合と同じく良好
であるか又はより一層良好であり得るように強く減少す
る。このことは、ランプグループの３％の故障と63.2％
の故障との間の時間間隔がワイブル分布の著しく大きい
勾配に応じて大きく減少することを意味している。それ
ゆえ、今では平均寿命が悪いにも拘わらずほぼ同値の又
はより一層効果的に利用可能な寿命（１つのランプグル
ープの最初の３％の寿命によって与えられた期間として
規定される）を達成することができる（以下においては
定格寿命と称する）。

本発明の他の特別な利点は、本発明による点灯条件下
ではフィラメント線の表面の面取りを回避することがで
きる点にある。この面取りは、線材料の個々の粒子がラ
ンプ点灯時にその本来の立方体的に空間心出しされた格
子構造に応じて成長し始める現象を示している。これに
よって、線表面は一方では平らでなくなり、他方では放
射線表面を拡大する。このような事象によって一般に定
格寿命の75％後に測定される残留光束が減少する。本発
明によるランプは今や残留光束が比較ランプより明らか
に大きいという驚異的な現象を示す。それどころか光束
は初期値に比べて増大し得る。その原因は推測によると
表面輪郭への研磨・均等化作用を有する表面に沿ったタ
ングステン移動である。

本発明によるハロゲン白熱電球は通常石英ガラス又は
硬質ガラスから成る耐熱性ガラス球を有している。この
ガラス球内に含まれた発光体は円筒状又は少なくともほ
ぼ円筒状（例えば若干屈曲した円筒体）に成形され（通
常一重又は二重フィラメント）、それにより発光体の長
手軸線が規定される。発光体は、その場合、通常ピンチ
シールによって閉鎖されたガラス球端部に平行又は垂直
に配置することができる。ガラス球の形状は円筒状にす
ることができるが、しかしながら別の形状を取ることも
できる。一般的な内部寸法（円筒状形状の場合には例え
ば内径）は３〜15mmであるが、しかしながら同様にもっ
と大きい値も可能である。光電データのための例は2000
時間の寿命の場合に10〜201m/W以上（最低値5lm/W）で
ある。

特に本発明の利点は微小電力の低電圧ランプの場合に
現れる。ガラス球の封入容積は低電圧ランプの場合0.05
〜1cm³のオーダであり、高電圧ランプの場合15cm³まで
である。封入ガスとして特に希ガスが必要に応じて窒素
を混合されて使用される。一般的な冷封入圧は低電圧ラ
ンプの場合0.5〜1.7bar、高圧ランプの場合5barまでで
ある。ハロゲン化合物として例えばハロゲン化炭化水素
が好適である。

発光体寸法自体は同様に点灯挙動に影響する。例え
ば、発光体の被覆円筒体は、その長さが少なくとも直径
に一致するように、特に直径の1.5倍以上、とりわけ２
倍以上大きくなるように形成されなければならない。

発光体のコア及びピッチ係数も同様に対流挙動に影響
する。ピッチ係数に関する基準点は2.0以下の値であ
る。しかしながら、個々のケースでの具体的な値は経験
的に見出されなければならない。

本発明によるランプの色温度は約2400〜3400Kの範囲
にある。

一般に、本発明を片側閉鎖形ランプに適用してもまた
両側閉鎖形ランプに適用しても有利である。閉鎖は通常
ピンチによって、しかしながら場合によっては封着によ
って行われる。低電圧ランプ（60Vまで）の場合、本発
明の使用領域は実際上制限されない。高電圧及び中電圧
ランプ（60V以上の点灯電圧）においては、本発明は管
形ランプの場合のみ制限なく適用することができる。

しかしながら、片側挟搾形ランプの場合、電流案内部
材間でのフラッシオーバが回避されるように注意しなけ
ればならない。

一般に、対流を生ずることなく達成可能である最大冷
封入圧は高電圧ランプの場合には低電圧ランプの場合よ
り明らかに高い、即ち１〜5barである。このことはこの
ランプの一般的に大きい寸法に起因している。従って、
高電圧ランプの場合、意識的に“対流のない”点灯様式
は明確な欠点が除去され得る場合にのみ有利である。一
般的に、対流なく点灯されるランプは点灯姿勢に明らか
に僅かしか依存しないことが判明している（例えばこの
ことは管形ランプにとって興味深いことである）。この
背景には、対流のないランプにおいて見出されて改善さ
れたガラス球での温度分布の均一性（一般にバラツキ幅
の改善は50％である）と、一般的に低い発光体温度及び
ガラス球温度への傾向とがある。両効果によって寿命が
改善される。

それからの結論はこの種のランプを反射器内でも又は
照明器具内でも特に有利に使用可能であることである。
このことは高電圧バージョンにもまた低電圧バージョン
にも当てはまる。一般的にランプのピンチで測定された
温度負荷の減少は“高圧”ランプに比べて10％である。

さらに、ランプを適当に幾何学的に設計することによ
って、対流のない封入圧範囲の体系では、（対数表示の
際に）電力損失の単純な直線的依存性の代わりに、低圧
力の場合には直線的依存性を持つ範囲を、また高圧力の
場合には電力損失が圧力範囲に殆ど依存しない（プラト
ー）ような範囲を形成することが可能になる。このプラ
トー特性は高電圧ランプの場合でも本発明による点灯状
態を比較的低い圧力において達成するのに特に好適であ
る。というのは、プラトーは、“動作点”を専ら特に対
流が起こる転換点の直下のところに選定するのではな
く、圧力をプラトー内での又は同様にプラトー開始時点
での明らかに低い値に調整することを可能にするからで
ある。一般的に高電圧ランプにおけるフラッシオーバの
危険は希ガスと微少の窒素添加物（約10％まで）との混
合封入ガスによって抑制することができる。

本発明の他の利点はガス消費量の減少（このことは特
に高価なキセノンを使用する際には重要である）と破裂
安全性の向上である。

最後に、フィラメントの負荷に関して、高圧ランプ
（すなわち対流を生ずるランプ）は同じ光データを持つ
対応する低圧ランプ（すなわち対流なく動作するラン
プ）より明らかに高いフィラメント温度と共に小さな放
射面を有していることを補足的に述べておく。

低圧ハロゲンランプは全体的に高圧ハロゲンランプと
は完全に異なり従来の白熱電球に似た故障挙動を示す。
ここで“低圧”とは一般に、所定のランプ形式に関連さ
せて、対流を生ずる比較的高い圧力（“高圧”）に比較
して無対流を保証する圧力を意味するものとする。或る
ランプ形式では2barの冷封入圧はまだ“低圧”範囲に属
することができるのに対して、別のランプ形式では0.8b
arの冷封入圧は既に“高圧”範囲に属していると見做す
ことができる。それについての信頼できる情報は如何な
るランプ形式の場合でも封入圧の関数としての電力損失
を測定して転換点を決定することによって的中させるこ
とができる。

次に本発明を幾つかの実施例に基づいて説明する。

図１は軸線方向に配置された発光体を備えるハロゲン
白熱電球を示す概略側面図である。

図２は横方向に配置された発光体を備えるハロゲン白
熱電球を示す概略側面図である。

図３は冷封入圧の関数としての封入ガス電力損失を示
す特性図である。

図４はタングステンの蒸発損失率を示す特性図（図4
a）及び冷封入圧の関数としての電力損失を示す特性図
（図4b）である。

図５は２つのワイブル分布（寿命の関数としての故障
頻度）を示す特性図である。

図６及び図７は寿命の関数としての故障特性（ワイブ
ル分布の増大）を示す特性図である。

図８乃至図10は種々異なった点灯量を示す特性図であ
る。

図11は本発明及び従来技術によるフィラメントを示す
図である。

図12は点灯姿勢を示す概略図である。

図13は低電圧反射形ランプを示す概略断面図である。

図14は図13に示されたランプのガス損失係数の測定値
を示す特性図である。

図15は高電圧反射形ランプを示す概略断面図である。

図16は図15に示されたランプのガス損失係数の測定値
を示す特性図である。

図17乃至図19は種々異なった管形ランプにおけるガス
損失係数の測定値を示す特性図である。

図１には6Vの定格電圧と10Wの電力とを有するハロゲ
ン白熱電球が示されている。このハロゲン白熱電球は約
7.0mm（従来では8.2、mm）の外径及び約0.8mm（従来で
は1.2mm）の肉厚を持つ円筒体として成形された片側挟
搾形ガラス球１から構成されている。このガラス球はピ
ンチ２によって閉鎖されかつこのピンチ２とは反対側の
端部に排気管を有している。ガラス球は石英ガラスら製
造されている。封入物は0.15cm³（従来は0.22cm³）のラ
ンプ容積で1800ppmのヨードエタン（C₂H₅I）（他の実施
例ではハロゲン添加物は400ppmのジブロムメタンから構
成される）の混入物を備えた1000mbarのキセノン（又は
クリプトン）から構成されている。ガラス球内部には2.
4mmの長さと0.9mmの直径の寸法を持つ円筒状発光体６が
軸線方向に配置されている。この発光体はピンチ内の箔
４に結合された２本のリード線３によって保持されてい
る。箔４は外部の口金ピン５に結合されている。

発光体は104μｍの直径及び32mmの有効全長を持つタ
ングステン線から製造されており、それゆえその全表面
積は約10.0mm²である。リード線はフィラメント線によ
って直接形成されている。

発光体は1.8のピッチ態様に相当する188μｍのピッチ
を持つ12ターンから構成されている。コア径は7.0のコ
ア係数に相当する約730μｍである。寿命は2500Kの色温
度、110lmの光束及び10.5lm/Wの効率の場合に5000時間
以上である。

第２の実施例は図２に示されている12V/5W形ハロゲン
白熱電球である。約9mmの外径及び1.15mmの肉厚を持つ
硬質ガラス製円筒状ガラス球１は、封入物として、約10
00mbarの冷封入圧を持つキセノンならびに3000ppmのCH₂
Cl Iのハロゲン添加物を含んでいる。ランプ容積は0.32
cm³である。ガラス球内部にはランプ軸線に若干交差す
るように配置されて一重に螺旋巻きされた発光体６′が
配置されており、その本来の円筒状形態がほぼ環状に曲
げられている。発光体は２本の分離したピン状リード線
３′によって保持されている。さらに、ランプ構成は第
１の実施例のランプ構成と類似している。

発光体は41μｍの直径及び48mmの有効全長を持つタン
グステン線から製造されている。フィラメント表面積は
約5.7mm²である。発光体は最初は長さ3.9mm、直径0.32m
mの寸法を持つ一重に螺旋巻きされた円筒体から構成さ
れる。この発光体は75μｍのピッチで1.8のピッチ係数
を持つ54ターンを含んでいる。コア径は5.7のコア係数
に相当する240μｍである。寿命は63lmの光束から派生
した2625Kの色温度及び12lm/Wの効率の場合に3100時間
である。

第３の実施例は第２の実施例にほぼ一致し従って同様
に図２を代用することのできる12V/10W形ランプであ
る。第２の実施例との相違点は、65μｍの直径のタング
ステン線が使用され、このタングステン線が本来4.2mm
の長さ及び0.58mmの直径の寸法を持つ円筒体に螺旋巻き
されている点である。全長は58mmであり、それゆえ線表
面積は約11.8mm²である。ピッチ係数は115μｍのピッチ
に相当する1.75である。コア係数は450μｍのコア径に
相当する6.9である。ターン数は36である。寿命は2700K
の色温度、140lmの光束及び14lm/Wの効率の場合に約310
0時間である。既知の高圧バージョンとの比較が表３に
示されている。第４の実施例は第１の実施例にほぼ相当
する12V/20W形ハロゲン白熱電球である。封入物は3000p
pmのヨードエタンを持つ1000mbarのキセノン又はクリプ
トンから構成されている。

発光体は22ターンを有し、ピッチは1.65のピッチ係数
に相当する167μｍ、コア径は7.2のコア係数に相当する
737μｍ、色温度は2700K、光束は320lm、効率は15.4lm/
Wである。平均ガラス球温度は360℃の8mmの直径のガラ
ス球を使用したランプの場合310℃に低下し、それゆえ7
mmのガラス球を使用すると335℃の平均ガラス球温度が
可能になる。

以下に記載されている表１は上述した最初の４つの実
施例の点灯データの比較を示し、本発明による特性を持
たない、すなわち対流を持たないランプに関する値と比
較されている。

それぞれ2000時間の定格寿命の場合に、定格寿命の75
％の際の平均寿命のバラツキ（変動）と残留光束が示さ
れている。対流なく点灯される全てのランプ形式の場
合、寿命のバラツキ幅は強烈に減少することがはっきり
する。このバラツキ幅の減少はハロゲン循環プロセスが
絶対に必要な最少値に低減したことによる。残留光束が
寿命の75％に関して実際上ほぼ一定に留まり、このこと
が面取り効果を殺すことに起因するという事実は少なか
らず重要である。

別の表２には光束（ルーメン）を本発明に基づいてコ
ントロールすることのできる様子が同一のランプ形式に
ついて示されている。コラム１はランプ形式、コラム２
は対流を伴う高圧（従来技術によれば約8barのクリプト
ンもしくは13.3barのキセノン）を使用した際の光束、
コラム３は約1barの封入圧の低下の際に従来技術により
予想されなければならないような光束減少を示す。コラ
ム４は同一の定格寿命を維持しながら本発明の手段（ガ
ラス球最適化及び発光体最適化ならびに封入ガスパラメ
ータによる対流のない点灯でのランプの最適化）の的確
な使用に基づくコラム３に対する光束増加を示す。

封入圧低下による高圧バージョン（コラム）の光束の
減少は20〜33％に予想される（コラム３）ことが明らか
になった。本発明によって、この損失は十分抑制するこ
とができ、部分的にまたはそれどころか完全に補償する
ことができる（コラム４）。それによって、最初に、専
門家に良く知られている封入圧−寿命−光束関係を積極
的な意味で打破することに成功し、その場合本発明によ
るランプの変動が強烈に減少することは特に重要であ
る。

図３は、一定のフィラメント温度T_Wendet、従って一
定の光束の採用の下に、損失係数β、即ち封入圧（ｐ）
の関数としての熱放散による電力損失ΔＬの概略を、真
空下でのランプ電力L₀を正規化して示す。横座標には圧
力（mbar）が対数にて示されている。本発明によるラン
プは全てこの基本型を示し、その場合ランプ形に応じ
て、折点（低圧、例えば約1bar以下の低い圧力の際に拡
散による純粋な熱伝導領域Ｉから対流熱伝導が主流とな
る領域IIへの転換点）は冷封入圧の他の値のところに位
置することができる。この折点は一般的に低電圧ランプ
に関しては0.1〜2bar間を変動し、高電圧ランプ（低電
圧ランプにおいても同様に時々起こる）の場合にはしか
しながらもっと高い値（例えば5bar）も同様に取ること
ができる。本発明による優れた点灯領域は転換点の下の
ぎりぎりのところに位置している。

図３にはこのことが矢印によって示されている。さら
に、ハロゲン白熱電球用の通常の圧力範囲（５〜10ba
r）はハッチングによって示されている。このダイヤグ
ラムに注目すると、領域Ｉにおける基本的な特性を封入
ガスに殆ど依存せず、一方領域IIにおいて対流に起因す
る損失は封入ガスに強く依存する。封入ガスが重ければ
重い程、領域IIに向けられた公知の学説と一致して、損
失は少なくなる。例として希ガス、すなわちアルゴン、
クリプトン及びキセノンに関する状況が挙げられる。

本発明によるランプにおいては出来るだけ重い封入ガ
ス、特にクリプトン又はキセノンをしばしば選択するこ
とができる。何故ならば、重い封入ガスは同じ条件下で
はタングステン材料の蒸発を良好に阻止するからであ
る。

この関係によれば、本発明の別の利点は、低い封入圧
に基づいて封入ガス（キセノン）の相当のコスト節約が
可能になる点である。損失を純粋な熱伝導現象に限定す
ると、細くて長い線から製造され従って比較的大きいフ
ィラメント表面積を有する発光体において達成可能な改
善が何故特にはっきり現れるのかが良く分かる。何故な
らば、フィラメント表面積が大きければ大きい程、これ
によって生ぜしめられる熱損失は大きくなるからであ
る。

図4aではこれらの関係をより一層明らかにするために
モデルランプ用の封入圧の関数としての単位時間当たり
のタングステン損失（Δm/Δｔ）が算出されている。こ
のタングステン損失は約１〜12bar以下の低圧では特に
はっきり現れ、それ以上では非常に僅かな値に減少して
いる。この特性な約1barの比較的僅かな封入圧を選択す
ることを正当化している。というのは、高圧の場合にま
だできる改善は非常に小さい圧力の場合の状況と比較し
て僅かであるからである。

図4bにはこのモデルランプに関して図３に示された関
係が再度示されているが、しかしながら真空下で達成さ
れた電力を正規化することなく、電力損失の絶対値とし
て示されている。

図4a及び図4bをまとめね見ると、全般的に、1barの比
較的低い圧力の場合にも同様に長寿命を達成することの
可能性を、数学的に畳込みの意味で、すなわち対流のな
い圧力範囲の上限での点灯によって、考慮できることが
分かる。転換点では電力損失の圧力依存性ならびにタン
グステン質量損失が衝撃的に変化している。

図５には種々の変動の意味を明確にするために例とし
て（１つのランプグループにおいて最初の３％の故障に
よって規定された）2000時間の同一の定格寿命T_Nを持つ
２つのワイブル分布が示されている。従来技術を意味す
る第１の分布（図5a）は広い変動（特性線１）を示し、
その場合平均寿命T_Mは約9000時間である。本発明による
技術（特性線２）を表す第２の分布（図5b）は5100時間
の著しく短い平均寿命を示しているが、しかしながらこ
の平均寿命は変動が狭いので2000時間の同一の定格寿命
T_Nを達成するには十分である。

このような実態を具体的に示す尺度はワイブル分布の
増大（左側）辺の勾配（細線で示されている）である。
本発明によるランプにおける勾配（S2）は公知のランプ
における勾配（S1）より非常に急峻である。この勾配値
の比較が図６及び図７にランプ形成12V/5W及び12V/10W
に関して示されている。

既知の高圧封入物を有する12V/5W形ランプ（図６、特
性線S1）は、約1900時間の３％故障率を達成し、その場
合平均寿命T_M1（63.2％故障率に相当）は10.000時間弱
後に初めて達成される。その際、12.0lm/Wの効率が測定
された。本発明の設計余裕は２つのバージョンによって
示されている。第１バージョン（特性線S2）では、フィ
ラメントデータを変更することにより効率を最適化する
本発明による低圧封入物によって、殆ど同一の定格寿命
（1700時間）にも拘わらず高い効率（12.4lm/W）が達成
されている。平均寿命T_M2は約2500時間である。

寿命を最適化（6500時間、平均寿命T_M3）する低圧ラ
ンプの第２バージョン（特性線S3）では、効率は若干低
い（10.9lm/W）が、しかしながら定格寿命（4000時間）
は２倍以上に大きい。

図７には12V/10W形ランプと似た関係が示されてい
る。1900時間の定格寿命（特性線S1）及び5500時間の平
均寿命T_M1を有する従来の高圧バージョンは、14.1lm/W
の効率を達成している。それに対して、この形式の本発
明によるランプは13lm/Wの効率ではあるが、2500時間の
明らかに高い定格寿命及び3400時間の平均寿命T_M2を達
成している（寿命を最適化したバージョン）。

それゆえ、効率を（ほとんど）失うことなく、相当高
い過大圧（約８〜13bar）を持つランプと同じ定格寿命
を達成する、1barのオーダの低い冷封入圧を有するハロ
ゲン白熱電球を提供することが今や可能であると共に、
種々異なった方向に最適化ポテンシャルが存在する。

効率の予期しない僅かな損失は重大な利点すなわち破
裂危険性の除去ならびに材料及び封入ガスの節約に通じ
る。

他の実施例は15.2lm/W、17lm/W、18lm/Wの効率を達成
した比較的高い電力（20W、35W、50W）を持つ低電圧ラ
ンプ（12）である。冷封入圧は約800mbarである。純粋
に計算によれば、従来一般に認められている教示に基づ
いて、13.5lm/W（20W）、14.6lm/W（35Wの場合）及び1
5.2lm/W（50Wの場合）の値を予想することができる。

転換点（図３参照）の直下のところに“動作点”を特
に選定することの例を上記12V/10Wランプで説明しよ
う。ここでは転換点は可成り正確に1bar冷封入圧のとこ
ろに位置しており、これは約3barの点灯圧（図８）に相
当する。熱放散に基づく光束減少は臨界範囲で調査され
る（図９）。0.5〜1barの冷封入圧では光束はほぼ一定
であることが判明した。というのは熱損失が非常に僅少
であり（図３、領域Ｉ）、僅かしか増えないからであ
る。さらに2bar冷封入圧（約6barの点灯圧に相当）に増
大すると、光束は対流領域内で大きく増える熱放散と一
致して明らかに低下する（図３、領域II）。

図10は初期品質の調査（％SCE）を示しており、その
場合SCE値は効率を比較のために1000時間寿命に正規化
した電流同一ランプの効率を示す。％SCEの初期品質が
高ければ高い程、（一定寿命の場合には）効率の利点、
又は（一定効率の場合には）寿命の利点がランプを互い
に比較すると大きくなる。キセノン冷封入圧が0.5barか
ら1barへ増大すると、初期品質が明らかに向上すること
が判明した。それに対して、対流領域（2.0bar冷封入
圧）では初期品質の向上（他の場合には著しい向上）は
もはや可能ではない。この説明は転換点の下では寿命と
封入圧との著しい依存性から明らかであり、一方転換点
の上では理論的に大きな寿命は上述した損失メカニズム
に基づくその大きなバラツキ幅によって実際上は無理で
ある。

本発明により抑制された粒子境界腐食は特に強い印象
を与える。1barキセノンを封入されて対流なく点灯する
12V/5Wランプは1800時間の点灯時間後でも実際上損傷を
有しないのに対して（図11a）、対流を生ずる比較ラン
プ（13barキセノン）のフィラメントは同じ点灯時間後
には既に大きく損傷している（図11b）。

本発明によるランプは反射器又は照明器具と関連して
その温度負荷の減少に基づいて特別な利点をもたらす。

図12はガラス球温度の測定値（MPは測定点を意味す
る）を℃にて従来技術による12V/10Wランプ（第２列）
と本発明によるランプ（第３列）とを比較して示す。点
灯姿勢はそれぞれ第１列に示されている。点灯姿勢が種
々異なっていてもバラツキ幅が大きく減少することによ
って（本発明によればそのバラツキ幅は従来技術におけ
る120℃に対して55℃である）、等温泉が大きく改善さ
れることが判明した。しかしながら、さらに全体温度負
荷も減少する。最大値は315℃から240℃へ低下し、最小
値はそれでもまだ10℃である。

公知のコールドミラー21を使用したこの種の反射形ラ
ンプが図13に示されている。コールドミラー21は反射器
頸部27が一体成形されている楕円形ガラス球欠体23から
構成されている。このガラス球欠体23の内面には公知の
干渉フィルタ24が設けられており、この干渉フィルタ24
は全可視スペクトル範囲で高い反射率を有しかつ赤外線
放射に対しては透明である。光源として、ピンチが反射
器頸部27内に接合材28によって固定された12V/10Wハロ
ゲン白熱電球22が使用されている。コールドミラー21の
光出射口は約48mmの直径を有している。この光出射口を
覆うためのガラス板はランプの封入圧が低い（上記参
照）ので省略することができる。二重フィラメントを有
するこの反射形ランプの場合、ピンチでの温度はランプ
が対流なく点灯される場合350℃（従来の高圧バージョ
ン）かわ320℃へ低下する。

表３は12V/5Wランプと12V/10Wランプとの主要な比較
データの纏めを示し、各ランプには同じ効率で高圧バー
ジョン及び低圧バージョンについてそれぞれデータが記
載されている。発光体に関して種々異なった放射フィラ
メント表面積及び種々異なった線直径に特に注意すべき
である。フィラメント温度（Ｋ）は本発明によるランプ
の方が低い（70Kだけ）。それゆえ、色温度も同様に著
しく低く、このことが寿命に有利に作用する。その上、
線が約10％だけ太いので機械的強度が著しく改善され
る。

しかしながら、本発明は低電圧範囲だけでなく高電圧
範囲でも重要である。高電圧範囲では原理的な利点がは
っきり現れる。その理由は高電圧範囲（もしくは中電圧
範囲）では使用すべき発光体線が細くしかもその全長が
著しく長いことにある。そのために上述した粒子境界腐
食のような現象は極めて重要である。

例えば、上記で紹介した12V/50Wハロゲン白熱電球は
約120μｍの線直径を持ち全長が30mmである発光体を必
要とする。これと比較すると、同様に50Wの電力を有し
高電圧用に構想された類似のランプ（230V）は約20μｍ
の直径及び約1mの全長を持つ二重に螺旋巻きされた発光
体を有する。この大きな長さのために、フィラメントは
Ｗ状又はＶ状に曲げられて14mmの直径を有する片側挟搾
形ガラス球内に配置される。

図14は垂直点灯姿勢での230Vハロゲン白熱電球の、相
応して変更された線直径を含めて構造的に同一な25Wバ
ージョンに対するガス損失係数β（図３参照）の測定値
を示す。低電圧範囲では知られている原理的は封入圧依
存性が判明した。ランプの対流のない点灯状態と対流を
生ずる点灯状態との間の転換点がはっきり認められる。
意外にもこの転換点はここでは明らかに高く、約19bar
の冷封入圧に相当する約5barの点灯圧のところにある。

本発明にるランプの特に重要な特徴はとりわけ高電圧
バージョンにおいて明確に現れており、図15及び図16か
ら明らかである。ここでは、前述の25Wランプに似た230
V/50W反射形ランプ31が使用されており、この反射形ラ
ンプ31は２本の長いリード線を介して例えば63mm（PAR2
0）又は95mm（PAR30）の直径を持つ押型ガラス製反射器
33の頂部に固定されている。反射器はねじ込み形口金35
内に固定された頸部34を有している。ハロゲン及び希ガ
スを封入された内管32はＷ状に屈曲した発光体37を有し
ており、この発光体はピンチ内に固着された５本の支持
ワイヤ38によって保持されている。発光体の部分39は軸
線にほぼ平行に向けられており、反射器軸線に対して最
大10゜傾斜している。反射器開口部はレンズ36によって
覆われている。

このランプも同様に、本発明によって点灯される場
合、改善された等温線を特徴とする。再び図16により、
ガス損失係数βは基本的には本発明によるやり方では点
灯圧（もしくは冷封入圧）に依存することが確認され
る。転換点は約4barのところにある。対流のない点灯か
ら対流を生ずる点灯への高い圧力の場合に初めて現れる
転換の傾向は、一般的に大きいガラス球寸法に関係す
る。しかしながら、図16は他の特徴からまだ特別な興味
を引き立たせる。すなわち、ガス損失係数と対流のない
領域（図３参照）における対数表示された点灯圧との直
線関係は多少適切な近似式で表わせることが判明した。
個々のランプパラメータに依存すると、特に中電圧及び
高電圧で点灯されるランプの場合、それとは異なる経過
が生ずる。低い点灯圧（400mbar以下）の場合、直線関
係が優勢となり、約800mbasまで急激に上昇する。そこ
では、ガス損失係数が対流のある点灯（約4bar）へ移行
する際に圧力に完全に感応して上昇する前に、そのガス
損失係数が封入圧には殆ど依存しないようなプラトーが
達成されている。

このような挙動に関する理由はまだ完全に改名されて
いないが、しかしながらおそらくガラス球寸法と発光体
寸法と封入ガス内に存在する任意の飛行距離との間の関
係に関係している。

意外にも、本発明は管形ランプ、すなわち両側挟搾形
管状ハロゲン白熱電球にも適用可能であることが判明し
ている。電力は25〜1000Wである。特に驚くべきこと
は、このような長いランプの挙動は点灯姿勢に比較的僅
かしか依存しないことである。発光体を保持するため
に、特に、ガラス球の材料から形成され封入容積を緩く
区画した個々の区域に分割するガラス条片を使用すると
（例えば米国特許第5146134号明細書参照）、点灯挙動
は実際上点灯姿勢に依存しなくなる。

図17は、そのガラス条片を備えた120V/40W管形ランプ
のガス損失係数が水平点灯姿勢（丸い測定点）でもまた
垂直点灯姿勢（四角形の測定点）でも実際上同じである
ことを示す。圧力への依存性は片側挟搾形ランプの場合
には既に知られている経過を示す。転換点は約8barの点
灯圧のところにある。他の発光体寸法が中電圧バージョ
ンとは異なっている相応する高電圧バージョン（230V/4
0W）は類似の挙動を示す（図18参照）。封入ガス（N₂、
Ar、Kr、Xe）への依存性も同様に調査された。予想した
通り、重い希ガス（Kr、Xe）は小さなガス損失係数を有
することが判明した。対流のない領域では使用されたガ
ス種類へのその依存性は比較的小さい。

最後に、図19は230V/150Wランプの点灯挙動を示す。
約12mmの管直径で約110mmの全長（ピンチを含む）を持
つ円筒状石英ガラス製ガラス球は約60mmの長さの軸線方
向の二重フィラメントを含んでいる。具体的なフィラメ
ント寸法は所望の最適化、例えば寿命又は効率に依存す
る。ここでは転換点は比較的高く、約5barの冷封入圧に
相当する約15barの点灯圧のところにある。特にここで
は上述したプラトー特性がはっきり現れており、それゆ
え２〜15barのガス損失係数は実際上封入圧に依存せず
に約1.05の値で変わらない。この種のランプの原理的な
構造は例えば米国特許第5146134号明細書及びヨーロッ
パ特許第0143917号公報に記載されている。

ガラス球の一般的な内径は低電圧ランプの場合３〜12
mmのオーダであり、中電圧ランプ及び高電圧ランプの場
合６〜15mmである。

本発明によるランプの製造は公知の方法で行われる
が、しかしながら不活性ガス（低電圧ランプに関しては
これは通常１種の希ガス又は複数種の希ガスの混合体で
あり、高電圧ランプに関しては特に片側挟搾形ランプの
場合には微量の窒素添加物であるのが有利である）の冷
封入圧は対流のない圧力範囲の上限近傍に調整される。
低電圧ランプの場合この“動作点”は一般に転換点の直
下のところに選定することができ（図３参照）、高電圧
ランプの場合この“動作点”は例えば図19によれば転換
点から封入圧の小さい値にまで延びるプラトーの領域内
にしばしば位置する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミンダー、ロルフドイツ連邦共和国デー−89564 ナトハイムネレスハイマーシユトラーセ 22 (72)発明者フオーグル、カールハインツドイツ連邦共和国デー−91795 ドルンシユタインアムゲンスブーク３ (56)参考文献特開平４−220943（ＪＰ，Ａ) 特開平１−83261（ＪＰ，Ａ) 特開平４−349338（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01K 1/00 - 13/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発光体ならびに封入ガスを含むガラス球を
備え、発光体が２本のリード線によって外部電気リード
線に接続されるハロゲン白熱電球において、ガラス球寸
法、発光体寸法及び封入ガス特性が、ガラス球の内部で
は対流が回避されるように設定され、封入ガスはハロゲ
ン含有物質を微少量添加された不活性ガスであり、その
場合封入ガス圧は、下限としての0.01mbarと上限として
の0.1〜5barのオーダの冷封入圧との間にありかつラン
プ構造が規定されている場合に封入ガスによって生ぜし
められた熱出力損失が圧力と共に弱く変わる第１の圧力
範囲の上限近傍に位置するように選定され、この第１の
圧力範囲は、同じランプ構造の場合に熱出力損失が圧力
と共に第１の圧力範囲の場合より２倍以上強く変わる第
２の圧力範囲の下に位置し、この第２の圧力範囲の下限
が第１の圧力範囲の上限を形成していることを特徴とす
るハロゲン白熱電球。
【請求項２】ガラス球は硬質ガラス球又は石英ガラスか
ら構成されていることを特徴とする請求項１記載のハロ
ゲン白熱電球。
【請求項３】発光体は少なくともほぼ円筒状に成形さ
れ、その場合長手軸線が規定され、発光体の最大横方向
伸長部とガラス球の内壁との間の距離は発光体に対応さ
せることのできるラングミュア層より小さいか又は同じ
であることを特徴とする請求項１記載のハロゲン白熱電
球。
【請求項４】ガラス球は円筒状に成形され、このガラス
球の内径は低電圧ランプの場合３〜12mmの大きさであ
り、一方この内径は高電圧ランプ又は中電圧ランプの場
合６〜15mmの大きさであることを特徴とする請求項３記
載のハロゲン白熱電球。
【請求項５】ガラス球の封入容積は低電圧ランプの場合
0.05〜1cm³の大きさであり、高電圧ランプの場合15cm³
までの大きさであることを特徴とする請求項３又は４記
載のハロゲン白熱電球。
【請求項６】発光体は、直径が200μｍより小さいフィ
ラメント線から構成されていることを特徴とする請求項
１記載のハロゲン白熱電球。
【請求項７】発光体は一重又は二重に螺旋巻きされてい
ることを特徴とする請求項７記載のハロゲン白熱電球。
【請求項８】発光体は長さが直径より1.5倍以上大きい
ほぼ円筒体を形成していることを特徴とする請求項８記
載のハロゲン白熱電球。
【請求項９】発光体は円筒状ガラス球の内部に軸線方向
又は横方向に配置されていることを特徴とする請求項１
記載のハロゲン白熱電球。
【請求項１０】ランプの色温度は約2400〜3400Kである
ことを特徴とする請求項１記載のハロゲン白熱電球。
【請求項１１】効率は5lm/W以上であることを特徴とす
る請求項１記載のハロゲン白熱電球。
【請求項１２】ランプは片側挟搾形低電圧ランプである
ことを特徴とする請求項１乃至11の１つに記載のハロゲ
ン白熱電球。
【請求項１３】ランプは中電圧ランプ又は高電圧ランプ
であることを特徴とする請求項１乃至11の１つに記載の
ハロゲン白熱電球。
【請求項１４】ランプは片側又は両側を挟搾されている
ことを特徴とする請求項13記載のハロゲン白熱電球。
【請求項１５】封入ガス圧は、下限としての0.01mbarと
上限としての0.1〜5barのオーダの冷封入圧との間にあ
りかつランプ構造が規定されている場合に封入ガスによ
って生ぜしめられた熱出力損失が圧力と共に弱く変わる
第１の圧力範囲の上限近傍に位置するように選定され、
その場合この第１の圧力範囲は、同じランプ構造の場合
に熱出力損失が圧力と共に第１の圧力範囲の場合より２
倍以上強く変わる第２の圧力範囲の下に位置し、この第
２の圧力範囲の下限が第１の圧力範囲の上限を形成して
いることを特徴とするハロゲン白熱電球の製造方法。