JP4292330B2 - 金属蒸気放電灯 - Google Patents

Description

本発明は両端に細管を有するセラミックス発光管において、前記セラミックス発光管の細管の管端から電極システムを挿入し、その隙間を加熱溶融したガラスフリットで封止した金属蒸気放電灯に関するものである。

発光管本体とその両端に具備している発光管本体外径より小さい外径の細管がセラミックスからなる金属蒸気放電灯の発光管封止工程は、前記細管の端面から少なくともタングステン電極と電流供給体からなる電極システムを挿入し、前記電流供給体と前記細管の隙間部に加熱溶融したガラスフリットにより気密封止している。

前記発光管にはおもにアルミナが用いられ、電極システムの電流供給体はアルミナと比較的熱膨張係数の近い高融点金属であるニオブ、またはＭｏとアルミナからなる導電性サーメットロッドなどが用いられている。ガラスフリットはＤｙ、Ａｌ、Ｓｉの酸化物を主成分としたものが用いられ、熱膨張係数は比較的電流供給体に近い。また、シール層は長時間ランプを点灯した時に生じるシール層の劣化に伴うシール層のクラックを抑えるために、できるだけ薄くしている。

しかし、最近ではシール層の劣化に伴うシール層のクラックについては、特許第３２４６４６３号にもあるとおりシール層の放電空間側端面の温度を下げることでも防止できるという事が知られている。また、特開２０００−３５３５９７号にもあるように、放電容器の小径筒部の内径と給電導体の封着性の部分の径に着目し、それらの関係を関係式にて定義し、放電容器のクラックを防止している例もある。

特許３２４６４６３号公報（第３頁） 特開２０００−３５３５９７号公報（第５頁）

しかしながら、シール工程時に発生するシールクラックはガラスフリットを加熱溶融し冷却する際の熱衝撃によるものであり、非晶質であるシール層にクラックが発生するのではなく、結晶体である発光管細管部からクラックが発生する。

細管部と電流供給体は比較的近い熱膨張係数の材料を使用しているが、まったく同じ熱膨張係数ではない。シール層を薄くした場合、細管部と電流導入体の距離が非常に近くなり熱衝撃によるシール部クラックも発生しやすくなる。

また、細管部の内径はおもに電極の最大外径により決められ、ランプ電力が大きくなると電極の最大外径は大きくなり、発光管細管部の内径を大きくしなければならない。

ここでシール層を薄くするためには、電流供給体の外径を大きくする必要があり、シール部分の応力は大きくなってしまう。これによりさらにシール工程時にシール部クラックが発生しやすくなる。

本発明は前記に鑑みてなされたもので、シール工程時に発生するシール部クラックを抑制することのできる発光管端部構造を有する金属蒸気放電灯を提供することを目的とする。

本発明はセラミックス発光管を用いている金属蒸気放電灯において、発光管シール工程時に発生するシール部クラックを抑制するため、発光管本体とその両端に具備している発光管本体外径より小さい外径の細管がセラミックスで形成され、前記細管に少なくとも電流供給体と電極からなる電極システムが挿通されており、前記電流供給体はモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットであり、前記細管と前記電流供給体との隙間に加熱溶融させたガラスフリットを流し込んでシールした発光管を有する金属蒸気放電灯において、前記電流供給体の熱膨張係数をα_１、前記ガラスフリットの熱膨張係数をα_２、前記細管の熱膨張係数をα_３としたときα_１＜α_２＜α_３であり、α_３−α_１≦１．３×１０^−６／℃であり、前記細管の外径をＡ〔ｍｍ〕、内径をＢ〔ｍｍ〕、前記電流供給体の最大外径をＣ〔ｍｍ〕としたとき、（Ａ−Ｂ）×（Ｂ−Ｃ）／Ｃ≧０．５７５が成り立つことを特徴とする。

また、前記細管の内径Ｂと前記電流供給体の最大外径Ｃ〔ｍｍ〕との差が、０．５ｍｍ以下の範囲であるのが望ましく、さらには前記細管の外径Ａ〔ｍｍ〕が、２．６≦Ａ≦３．６の範囲であり、前記細管の内径Ｂ〔ｍｍ〕が、１．０≦Ｂ≦１．５の範囲であり、前記電流供給体の外径Ｃ〔ｍｍ〕が、０．７≦Ｃ≦１．２の範囲であることがより好ましい。

このように両端に細管を有するセラミックス発光管を用いた金属蒸気放電灯において、発光管本体の両端に具備している細管の肉厚、シール層の厚さ、電流供給体の最大外径を最適化することにより、発光管シール工程時に発生するシール部クラックを抑制することができる。

本発明によれば、発光管本体とその両端に具備している発光管本体外径より小さい外径の細管がセラミックスで形成され、前記細管に少なくとも電流供給体と電極からなる電極システムが挿通されており、前記電流供給体はモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットであり、前記細管と前記電流供給体との隙間に加熱溶融させたガラスフリットを流し込んでシールした発光管を有する金属蒸気放電灯において、前記電流供給体の熱膨張係数をα_１、前記ガラスフリットの熱膨張係数をα_２、前記細管の熱膨張係数をα_３としたときα_１＜α_２＜α_３であり、α_３−α_１≦１．３×１０^−６／℃であり、前記細管の外径をＡ〔ｍｍ〕、内径をＢ〔ｍｍ〕、前記電流供給体の最大外径をＣ〔ｍｍ〕としたとき、（Ａ−Ｂ）×（Ｂ−Ｃ）／Ｃ≧０．５７５とすることにより、発光管シール工程時に発生するシール部クラックを抑制することができる。

以下、本発明を図１乃至３に基づき説明する。
図１は、本発明に係わるシール部構造を両端部に有する発光管の断面図である。
図２−Ａ）は本発明に係わる、発光管細管部の肉厚を厚くし、機械的強度をあげることでシール部クラックを抑制したシール部構造を有するセラミックス発光管の端部拡大断面図である。図２−Ｂ）は本発明に係わる、シール層を厚くし、シール部に発生する応力を緩和することでシール部クラックを抑制したシール部構造を有するセラミックス発光管の端部拡大断面図である。図２−Ｃ）は本発明に係わる、電流供給体の径を小さくし、シール部に発生する応力を小さくすることでシール部クラックを抑制したシール部構造を有するセラミックス発光管の端部拡大断面図である。図３は従来のシール部構造を有する発光管端部断面図である。

図中１は発光管本体部であり、２は発光管細管部である。電流供給体３とタングステン電極４はそれぞれ突き合わせ溶接により接合され電極システムを形成している。この電極システムをセラミックス発光管細管端部の穴より挿入し、リング状のガラスフリットを電極システムに差し込み、ガラスフリットを加熱溶融することにより発光管をシールする。

以上のような構成を有する発光管において、以下のようなシール実験を行った。実験材料として熱膨張係数が８．１×１０^−６／℃であるアルミナからなる発光管、電流供給体は熱膨張係数が６．８×１０^−６／℃であるモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットロッド、シール剤として主にＤｙ、Ａｌ、Ｓｉの酸化物からなるガラスフリットを使用した。

発光管は細管の寸法が外径φ２．６ｍｍ内径φ１．０ｍｍ、外径φ３．３ｍｍ内径φ１．０ｍｍ、外径φ３．４ｍｍ内径φ１．０ｍｍ、外径φ３．４ｍｍ内径φ１．３ｍｍ、外径φ３．５ｍｍ内径φ１．３ｍｍ、外径φ３．６ｍｍ内径φ１．３ｍｍ、外径φ３．６ｍｍ内径φ１．５ｍｍの７種類、電流供給体は導電性サーメットロッドの径がφ０．７０ｍｍ、φ０．７５ｍｍ、φ０．８０ｍｍ、φ０．８５ｍｍ、φ０．９０ｍｍ、φ０．９５ｍｍ、φ１．００ｍｍ、φ１．０５ｍｍ、φ１．１０ｍｍ、φ１．１５ｍｍ、φ１．２０ｍｍの１１種類について各種材料の組み合わせとシール工程時に発生するシールクラックとの関係について調べた。このときのシール長は３〜７ｍｍである。

結果を表１に示す。

シール本数 各ｎ＝２００

まず発光管細管外径φ２．６ｍｍ内径φ１．０ｍｍ、外径φ３．３ｍｍ内径φ１．０ｍｍ、外径φ３．４ｍｍ内径φ１．０ｍｍについて電流供給体の外径がφ０．７０ｍｍ〜φ０．９０ｍｍの５種類を用い実験を行った。シール本数は各２００本である。発光管細管外径φ２．６ｍｍ内径φ１．０ｍｍの場合、電流供給体の径がφ０．７５ｍｍ以上になるとシールクラックが発生した。また発光管細管外径φ３．３ｍｍ内径φ１．０ｍｍと外径φ３．４ｍｍ内径φ１．０ｍｍの場合は、電流供給体の径がφ０．８５ｍｍ以上になるとシールクラックが発生した。

次に発光管細管外径φ３．４ｍｍ内径φ１．３ｍｍ、外径φ３．５ｍｍ内径φ１．３ｍｍ、外径φ３．６ｍｍ内径φ１．３ｍｍについて、電流供給体の径がφ０．９０ｍｍ〜φ１．１０ｍｍの５種類を用いて実験を行った。シール本数は各２００本である。３種類の発光管仕様ともに電流供給体外径がφ１．０５ｍｍ以上になるとシールクラックが発生した。

最後に発光管細管外径φ３．６ｍｍ内径φ１．５ｍｍについて、電流供給体の径がφ１．００ｍｍ〜φ１．２０ｍｍの５種類を用いて実験を行った。シール本数は各２００本である。この発光管仕様については電流供給体の径がφ１．２０ｍｍのときのみシールクラックが発生した。

また、電流供給体の熱膨張係数が７．０×１０^−６／℃であるモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットロッドについても同様の実験を行った。この場合、どの組み合わせにおいてもシールクラックは発生しなかった。さらに、電流供給体の熱膨張係数が６．６×１０^−６／℃であるモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットロッドについても同様の実験を行ったが、どの組み合わせにおいても数本シールでクラックが発生してしまった。

以上の結果を考察すると、細管部の肉厚が同じ場合、電流供給体の径が大きくなるとシールクラックが発生しやすくなる。これは電流供給体の径が大きくなったために、シール部にかかる応力が大きくなったことを意味する。また、発光管細管部の肉厚、シール層が厚いほうがシールクラックしづらい傾向がある。

発光管細管部の肉厚については厚いほうが機械的強度が大きく、シール層については発光管細管部と電流供給体との間に生じる熱応力の緩衝剤としての役割があると考えられ、厚いほうが応力緩和の点から有利である。これらのことから以上の結果を、（Ａ−Ｂ）×（Ｂ−Ｃ）／Ｃの式（発光管細管外径Ａ、内径Ｂ、電流供給体最大外径Ｃ）に当てはめ、シールクラックとの関係をグラフ化した。図４は発光管細管部の熱膨張係数をα_３、電流供給体の熱膨張係数をα_１としたときα_３−α_１が１．３×１０^−６／℃のときの本発明にかかわる（Ａ−Ｂ）×（Ｂ−Ｃ）／Ｃの式（発光管細管外径Ａ、内径Ｂ、電流供給体最大外径Ｃ）とシールクラックとの関係をグラフ化したものである。このグラフから、（Ａ−Ｂ）×（Ｂ−Ｃ）／Ｃ≧０．５７５においてはシールクラックが発生しないといえる。

また、発光管細管部と電流供給体の熱膨張係数の差が大きくなるとシールクラックしやすくなり、今回の実験結果から、発光管細管部の熱膨張係数をα_３、電流供給体の熱膨張係数をα_１としたときα_３−α_１が１．５×１０^−６／℃を超えないのが望ましく、１．３×１０^−６／℃以下であればシールクラックは発生しない。

例えば、１５０Ｗのランプの場合、熱膨張係数が８．１×１０^−６／℃であるアルミナからなる発光管、熱膨張係数が６．８×１０^−６／℃であるモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットロッド、シール剤として主にＤｙ、Ａｌ、Ｓｉの酸化物からなるガラスフリットを用いて発光管シール部を構成している。タングステン電極の大きさは芯棒径がφ０．５ｍｍ、コイル線径がφ０．２ｍｍであり、この電極を挿入するために発光管細管の内径はφ０．９ｍｍより大きくなければならない。今回はφ１．０ｍｍを採用した。

ここで本発明の式により発光管シール時にシールクラックが発生しない為の発光管外径と電流供給体の径との組み合わせは、発光管外径φ２．６ｍｍ、電流供給体の径φ１．０ｍｍか発光管外径φ３．３ｍｍまたはφ３．４ｍｍで電流供給体の径はφ０．８ｍｍ以下である。今回は発光管外径φ３．４ｍｍ、電流供給体である導電性サーメットの線径φ０．８ｍｍを採用した。

以上の材料でシール長が３ｍｍ〜７ｍｍになるように発光管シールを行ったがシール部にクラックは発生することなくランプを製作することができた。

図１は本発明に係わるシール部構造を有するセラミックス発光管の断面図である。 図２−Ａ）、Ｂ）、Ｃ）は本発明に係わるシール部構造を有するセラミックス発光管の端部拡大断面図である。 図３は従来のシール部構造を有するセラミックス発光管の断面図である。 図４は本発明にかかわる発光管細管外径Ａ、内径Ｂ、電流供給体最大外径Ｃとシールクラックとの関係をグラフ化したものである。

符号の説明

１． 発光管本体部
２． 発光管細管部
３． 電流供給体
４． 電極
５． シール層

Claims (3)

1. 発光管本体とその両端に具備している発光管本体外径より小さい外径の細管がセラミックスで形成され、前記細管に少なくとも電流供給体と電極からなる電極システムが挿通されており、前記電流供給体はモリブデンとアルミナからなる導電性サーメットであり、前記細管と前記電流供給体との隙間に加熱溶融させたガラスフリットを流し込んでシールした発光管を有する金属蒸気放電灯において、前記電流供給体の熱膨張係数をα_１、前記ガラスフリットの熱膨張係数をα_２、前記細管の熱膨張係数をα_３としたときα_１＜α_２＜α_３であり、α_３−α_１≦１．３×１０^−６／℃であり、前記細管の外径をＡ〔ｍｍ〕、内径をＢ〔ｍｍ〕、前記電流供給体の最大外径をＣ〔ｍｍ〕としたとき、（Ａ−Ｂ）×（Ｂ−Ｃ）／Ｃ≧０．５７５が成り立つことを特徴とする金属蒸気放電灯。
2. 前記細管の内径Ｂと前記電流供給体の最大外径Ｃ〔ｍｍ〕との差が、０．５ｍｍ以下の範囲である請求項１に記載された金属蒸気放電灯。
3. 前記細管の外径Ａ〔ｍｍ〕が、２．６≦Ａ≦３．６の範囲であり、前記細管の内径Ｂ〔ｍｍ〕が、１．０≦Ｂ≦１．５の範囲であり、前記電流供給体の外径Ｃ〔ｍｍ〕が、０．７≦Ｃ≦１．２の範囲である請求項２に記載された金属蒸気放電灯。
   
   
   
   

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