JP4299039B2 - セラミクス放電管を備えたメタルハライドランプ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項1の上位概念記載のセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプに関する。これは特に少なくとも70W、有利には100Wから1000W以上の出力を有するランプである。
【0002】
【従来の技術】
欧州特許出願公開第587238号明細書からセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプが公知である。ここでは細長い栓管内の2つの部分に区別される導入部が放電個所から遠いほうの栓端部でガラスはんだにより密封されている。導入部の外側部分は浸透性の材料(ニオブピン)から成り、内側部分はハロゲン化物耐性を有する材料(例えばタングステンピンまたはモリブデンピン)から成る。上掲の明細書の図8では、導入部の内側部分はピンを巻線で巻いたカバーを有している。ただしこの明細書で提案されているコンセプトは最大でも150Wの小さい出力にしか適さない。なぜなら熱膨張係数の適合化があまりうまくいっておらず、高出力で温度変化の負荷が大きくなるとしばしばセラミクスの細管の壁にひびが入るからである。こうしたひびはモリブデンピンの径が大きくなるにつれて増大する。同様の手段は国際特許出願公開第95/28732号明細書にも記載されている。
【0003】
400Wまでの出力のランプについては、これまで欧州特許出願公開第587238号明細書に記載されている別の手段、すなわち内側部分のモリブデンピンの部分をサーメットユニットへ置換する手段が適用されていた。サーメットの熱膨張係数は他の金属とセラミクスとの中間にあたり、所望に応じて調整することができる。ただしサーメット手段の欠点は、高価であることに加え、溶接に対する耐性がきわめて乏しいことである。さらにサーメットユニットと充填ガスとのあいだで駆動温度の高さに起因して化学反応が生じることもある。
【0004】
これまで、それ以上高出力のランプについては決定的なコンセプトは存在しなかった。
【0005】
【特許文献1】
欧州特許出願公開第587238号明細書
【特許文献2】
国際特許出願公開第95/28732号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、請求項1の上位概念記載のセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプにおいて、小さなワット数のみならず大きなワット数(典型的には150W〜400W)にも適した導入部を提供し、統一的なコンセプトのもとで使用できるようにすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この課題は、内側部分が径Dのコアピン上に組み合わされている構造ユニットであり、すなわち少なくとも2層に構成された螺旋部が螺旋部線の有効径dで被着されており、
ここで
0.8K≦S≦0.98K
d≦D
Dmax≦0.5mm
0.16K≦D≦0.40K
0.10K≦d≦0.195K
の式が満足される構成により解決される。
【0008】
【発明の実施の形態】
有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【0009】
ワット数が増大するにつれて通常は導入部の径も増大し、栓管の内径も必然的に増大する。密封領域でのひびを確実に阻止するために他の手段が開発された。
【0010】
詳細に云えば、本発明は特にアルミニウム酸化物から成るセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプに関する。ここで放電管はセラミクス栓で閉じられた2つの端部(これは個別の部分であってもよいし、または放電管に一体に構成された構造であってもよい)を有しており、これらの端部はそれぞれ長い細管を有している。以下これを栓管と称する。2つの部分に区別される導電性の導入部は栓管に真空密に通されており、放電に関して内側のピン状部分と外側のピン状部分とから成る。導入部は栓の外側ではガラスはんだにより密封されている。内側では電極シャフトが固定されており、この電極は放電管内部へ突出している。
【0011】
導入部の内側部分はハロゲン化物耐性を有する金属(有利にはモリブデンまたはタングステンまたはこれらの合金)から成るピンを含み、このピンの径は最大で0.5mm、同材料または同系材料の多層(有利には2層)の螺旋部によってカバーされている。有利にはモリブデン材料がコアピンおよび多層の螺旋部の双方に対して用いられる。このことは個々のコンポーネント(コアピンおよび螺旋部)の絶対膨張度が小さな絶対寸法によってクリティカルな値よりも小さくなり、溶接後またはランプ駆動中にも溶接領域に亀裂を生じないという重要な利点を有する。多層の螺旋部により電極システムのフレキシビリティが高まり、駆動中または溶接過程中に膨張により発生する応力を低下させることができる。
【0012】
重要なのは、全ての螺旋部のジオメトリが溶接過程の終了後の冷却時にも導入部、特に螺旋部およびこれを包囲するセラミクス(細管およびその圧力を伝える溶融セラミクス/ガラスはんだ)の熱膨張係数の相違により圧力応力が生じることである。この応力は一度プラスティクスを変形させることにより低減しなければならない。これは螺旋部をコアピン内へ突出させることにより行われる。有利にはできる限り小さな接触面にする。
【0013】
2層以上の複数層で構成された螺旋部は、外側の層が内側の層に作用するため、応力低減効果を2倍またはそれ以上に有効に利用できるという格別の効果を奏する。また螺旋部は中実のコア線よりも格段に軽く成形することができる。特に有効なメカニズムでは螺旋部の外側の層が内側の層に対して反対向きに巻回される。なぜならこの場合高い圧力のかかった接触部を有するシステマティックな交点が形成されるからである。相応のことが多層の螺旋部にも当てはまる。
【0014】
同様の有効な応力低減は多層に代えて巻回された螺旋部線を使用することによっても得られる。この場合コア線および螺旋部の内側線での接触面の領域できわめて高い圧力が生じる。なぜなら巻回される線の径を螺旋部の内側線の径よりも小さく選定することができるからである。有利には巻回される線の径wは螺旋部の内側線の径Wの30%〜70%である。
【0015】
ランプの駆動中には応力は溶融温度に比べて低い駆動温度のために密封領域で溶接過程よりも小さくなっている。したがってこの応力は構造体の弾性変形により低減することができる。この場合に塑性変形は早期の封止劣化を生じるおそれがある。
【0016】
導入部の外側部分は栓管内に存在する部分の全長にわたってガラスはんだで密封されている。さらにこれに接続されている導入部の内側部分の領域は短い長さ(約1mm〜2mm)にわたってガラスはんだにより密封されている。ここでは寿命を長くすることが重要な目的として製造され、内側部分は細管の内径の少なくとも0.8倍、最大で0.98倍の外寸法を有する。
【0017】
他の主要な前提条件はコアピンの最大径が0.5mm以下であり、螺旋部の線の層の径が最大でコアピンの径に相応するということである。有利には各層の径はコアピンの径よりも小さい。2つの層の径は等しくなくてもよい。
【0018】
有利にはランプの出力は100W〜1000Wであるが、大きな出力(2000W以上)または小さな出力(例えば70W)のランプも可能である。
【0019】
コア線の径をD、螺旋部線の径をd、細管の内径をKとすると、まず導入部の内側部分の全径Sについて
0.8K≦S≦0.98K
が成り立つ。ここで一般に
S=D+nd
であり、nは見かけの層数である。つまり2層の場合にはS=D+4dとなる。本発明によれば確実な溶接はコアピンの径Dが
0.16K≦D≦0.40K
のときに達成されることがわかっている。さらに螺旋部線の径について
0.10K≦d≦0.195K
が成り立つ。螺旋部の2つの層の径がそれぞれ異なる場合、これをd1,d2とすると、上述の式について
d1+d2=2d
が成り立つ。換言すれば平均の有効径dが計算される。一般に多層の場合
d1+...+dn=nd
となり、
d=(d1+...+dn)/n
が成り立つ。
【0020】
150Wから使用できる別の代替的な実施形態では、コア線が巻回された螺旋部線によって包囲されている。基本的にはコア線径D、螺旋部線径W、カバー線径wとすると
S=D+2(W+2w)
であり、ここでの限界条件は
D>(W+2w)
である。この限界条件は、コア線がカバー線よりも厚くなければならないという巻線技術上の理由から生じるものである。上述のD,dの領域はここでも当てはまる。wについては有利には
0.04K<w<0.1K
が相当する。
【0021】
600W以上、特に1000W以上の高いワット数では、最大径は上述の最初の式により0.5mm以上となるが、これは密封を長く保持するためには回避しなければならない。このような場合有利には、2層の上方にさらに第3の層を使用するか、またはひと巻き(シングルコイル)の螺旋部から成る少なくとも1つの層でなく、多重巻き(コイルドコイル)の螺旋部から成る層を上述の小さいワット数の実施形態と同様に設ける。
【0022】
特に有利にはワット数100W〜1000Wの2つの層について
0.25K≦D≦0.30K
が成り立つ。さらに螺旋部線の径dについて
0.12K≦d≦0.15K
が成り立つ。コアピンの径は有利には最大で0.35mmである。相互に良好に調整された螺旋部線とコアピンとのあいだの関係は
(0.90K−D)/4≦d≦(0.96K−D)/4
の範囲にある。
【0023】
本発明では、熱膨張の点でアルミニウム酸化物のセラミクスへ適合化され、H2およびO2透過性(特にニオブピンまたはニオブチューブであるが、タンタルを使用することもできる)であり、かつガラスはんだでカバーされた外側部分と、ハロゲン化物耐性を有しており、その一部が端部にガラスはんだでカバーされ溶接されている内側部分との2つに区別される導入部を使用している。内側部分はモリブデンまたは高融点のタングステンから成るきわめて薄い線である。タングステンは合金または表面めっきとしてレニウム添加剤を有していてもよい。レニウムはタングステンの高温耐性および腐食耐性を高めるからである。モリブデンは特に水銀を含む充填ガスに適しているが、タングステンは有利には水銀フリーの充填ガスに対して用いられる。特にタングステンは70W以下の低いワット数のランプに適している。
【0024】
内側部分は外側部分(ニオブピンまたはニオブチューブ)を備えた側、つまり電極を備えた側とは反対側に接続される。
【0025】
栓は一体に構成してもよいし、また複数のユニットから構成してもよい。例えば周知の手段で栓管がリング状の栓ユニットによって包囲されるかたちに構成することができる。
【0026】
また従来技術とは異なって、外側部分がどのくらいの深さで栓管内へ挿入されているかは重要ではない。これについては密封できる最低の深さ2mmが保証されていれば充分である。最大の挿入深さは有利には熱的理由から栓管の長さの50%である。
【0027】
外側部分は栓管内に存在する部分の全長にわたって完全にガラスはんだと融合しており、内側部分は約1mm〜2mmの長さにわたって端部に接合されている。重要なのはニオブピンが腐食性の充填ガスの侵襲に対して完全にガラスはんだによってカバーされることである。
【0028】
【実施例】
以下に本発明を複数の実施例に則して詳細に説明する。
【0029】
図1には出力150Wのメタルハライドランプが示されている。このランプはランプ軸を定める水晶ガラスの円筒形状の外管1から成り、これは両側が封止され、ソケット化されている。Al2O3セラミクスから成る軸線方向に配置された放電管4は円筒形状または中ほどが膨らんだ形に成形され、2つの端部6を有している。これはシート8を介してソケット部3に接続されている2つの電流供給部7により外管1内に支承されている。電流供給部7は導入部9、10に溶接されており、放電管の端部6の各栓12内にはめ込まれている。栓の部分は細長い管(栓管)12として構成されている。放電管の端部6および栓管12は例えば相互に直接にシンタリングされる。
【0030】
導入部9、10はそれぞれ2つの部分から成る。外側部分13はニオブピンとして構成されており、細管12の長さの約1/4まで内部へ突出している。内側部分14は細管12の内部で放電部まで延在している。内側部分は放電側の電極15を支承している。電極はタングステンの電極シャフト16とシャフトの放電側の端部に圧着された巻線17とから成る。導入部の内側部分14、特にコアピンは電極シャフト15および導入部の外側部分13に溶接されている。
【0031】
放電管の充填ガスはアルゴンなど不活性の点弧ガスのほか、水銀と金属ハロゲン化物の添加剤とから成る。例えば金属ハロゲン化物充填ガスを水銀フリーで使用することもでき、ここでは充填ガスとしてキセノンが1.3barを大きく越える高い圧力で選定されている。
【0032】
図2には放電管の端部領域が詳細に示されている。導入部9、10は外側部分13としての径Aのニオブピン(またはニオブチューブ)と内側部分14としての径Bの薄いモリブデンピンとから成る。それぞれの径については表1の下方部分を参照されたい。モリブデンピンの上方には径Cのモリブデン螺旋部20の2つの層が圧着されている。細管12の全長は約17mmであり、ニオブピン13の全長をD、内側部分14の長さをE、栓管の内径をFとする。
【0033】
ニオブピン13の放電側はモリブデンから成るコアピン18に突き合わせ溶接されている。放電側ではコアピン18が同様に電極シャフト16に突き合わせ溶接されている。
【0034】
ニオブピン13は約3mmの深さで栓管12内へ挿入されており、ガラスはんだ19で密封されている。この場合重要なのはガラスはんだがニオブピンを完全にカバーしており、内側部分の頭部(1mm〜2mm)もガラスはんだによってカバーされているということである。
【0035】
【表1】
【0036】
図2の150Wランプの実施例では、上の表1に示された寸法が使用される。同様に250W、400Wのランプについても有利な寸法が示されている。
【0037】
表2には、種々のランプ出力について、細管の典型的な内径、最大可能および最小可能なコアピン18の径Dおよび螺旋部20の径dが示されている。ここではそれぞれ2つの層の径は等しいものとし、簡単かつ良好な手段が得られるようにしてある。しかし2つの層の径は異なっていてもよく、特に外側の層の径は内側の層の径よりも格段に小さく(30%〜)選定することができる。
【0038】
【表2】
【0039】
【表3】
【0040】
【表4】
【0041】
さらに表3には種々のランプ出力について、表2で検討された値の有利な領域が示されている。さらに表4には実際のワット数に対するD、dの最適値が示されている。
【0042】
高ワットの出力では所定の条件は部分的には容易に満足することができず、この場合には代替的な技術が使用される。
【0043】
最も簡単な代替手段は、図3に示されているような螺旋部21の他の層を使用することである。1000Wランプに対して3層の螺旋部21を設けると、コア線は0.35mmの径を有し、螺旋部は0.29mmの径を有することになる。
【0044】
この技術の別の実施例が表5に示されている。ここでは出力、細管の内径、コアピン径および螺旋部線の径が示されている。もちろんこの場合にも個々の層の径を変化させることができる。
【0045】
【表5】
【0046】
また、螺旋部の多層構造に代えて単層または2層の2重巻き螺旋部(コイルドコイル)を使用することによっても同様の効果が得られる。2重巻き単層の螺旋部は単純な螺旋部のほぼ3層分に相応する。ここでは見かけ上中央の層となっている螺旋部のコアピンが通常はその内側および外側に巻回されている線よりも大きな径を有する。
【0047】
図4には基本の方式が示されている。モリブデンから成るコア線25は1000Wランプでは0.35mmの径を有する。ここに設けられているコイルドコイルの単層螺旋部は0.35mmの径の内側のピンすなわちコアピン26とそこに巻回された0.25mmの径の線とを有しており、後者が見かけでは内側の層27および外側の層28を形成している。表6にこのような高ワット数のランプの複数の実施例が示されている。
【0048】
【表6】
【0049】
2重巻き2層の螺旋部は単純な螺旋部のほぼ6層分に相応する。ここでは層の径が種々に異なっている。
【0050】
図5によればコア線30上に2層のコイルドコイル螺旋部が設けられており、各層はコア線を備えた2重巻きとなっている。2つの層の寸法は異なっていてよい。第1の層の内部には見かけ上第2の層をなしている第1のコアピン31が存在しており、ここに巻線が巻回され、これが見かけ上の第1の層32および第3の層33を形成している。同様に第2の層の内部には見かけ上第5の層となっている第2のコアピン34が存在しており、ここに巻線が巻回され、これが見かけ上の第4の層35および第6の層36を形成している。
【0051】
表7では種々のワット数のランプにおいて、2つの層に対するコアピンおよび2重巻き螺旋部の寸法が使用されている。
【0052】
【表7】
【0053】
図8には150W〜400Wのランプについてコアピンおよび多重巻き螺旋部の寸法が示されている。螺旋部はこの実施例ではコアピンの上に単層のみ巻回されている。実際には150Wのランプの導入部は0.3mm径のコア線と0.13mm径の薄い線を巻回された0.13mm径の螺旋部線とを有するモリブデンユニットから成る。見かけではこれは任意の数の交点を備えた3層の螺旋部となる。この実施例の利点は、特に、通常バージョンのコイルでは一番内側の層がコア線に連続的な接触面を有するのとは異なり、コア線が螺旋部との交点しか有さないことである。これは図4に示された実施例に相応する。
【0054】
【表8】
【0055】
通常のケースでは全ての層は密に巻回されている。ただし個々のターンのあいだに小さな距離、例えば線径に対して20%以下の間隔を保持してもよい。あまりに大きな傾きを取ると中間にデッドスペースが生じ、付加的に望ましくない充填ガスの無駄容積を生むことになるため不利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】セラミクス放電管を備えたメタルハライドランプの概略図である。
【図2】ランプの端部領域の第1の実施例の詳細図である。
【図3】端部領域の第2の実施例を示す図である。
【図4】端部領域の第3の実施例を示す図である。
【図5】端部領域の第4の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1 外管
2 封止部
3 ソケット
4 放電管
6 端部
7 電流供給部
8 シート
9、10 導入部
12 細管
13 外側部分
14 内側部分
15 電極
16 電極シャフト
17 巻線
18、31、34 コアピン
19 ガラスはんだ
20、21 螺旋部
25、30 コア線
26 内側ピン
27、28、32、33、35、36 層
Claims (11)
- 放電管(4)はセラミクスの栓で封止された2つの端部(6)を有しており、該栓は内径Kの長い細管(12)であり、以下これを栓管と称し、
栓管(12)内を導電性の導入部(9、10)が通されており、該導入部は放電に関して内側部分(14)と外側部分(13)とが区別され、
該導入部の外側部分では栓管内に存在する部分の全長にわたってガラスはんだで密封されており、これに続く内側部分の領域では1mm〜2mm長さの短い部分にわたってガラスはんだで密封されており、
導入部には電極(16)のシャフト(15)が固定されており、シャフトは放電管の内側部分へ突出しており、
内側部分の外径Sは栓管の内径Kに対して調整されている、
セラミクス放電管を備えたメタルハライドランプにおいて、
内側部分(14)は径Dのコアピン(18)上に少なくとも2層として構成された螺旋部が螺旋部線の有効径dで組み合わされている構造ユニットであり、
ここで
0.8K≦S≦0.98K
d≦D
Dmax≦0.5mm
0.16K≦D≦0.40K
0.10K≦d≦0.195K
の式が満足される
ことを特徴とするセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプ。 - 螺旋部の2つの層はシングル線により形成されている、請求項1記載のランプ。
- 2つの層は相互に反対向きに巻回されている、請求項2記載のランプ。
- 0.12K≦d≦0.195Kが成り立つ、請求項2記載のランプ。
- 0.25K≦D≦0.30Kかつ0.12K≦d≦0.15Kが成り立つ、請求項2記載のランプ。
- D≦0.35mmである、請求項2記載のランプ。
- (0.90K−D)/4≦d≦(0.96K−D)が成り立つ、請求項2記載のランプ。
- 第1の層の線径と第2の層の線径とは等しい、請求項2記載のランプ。
- 螺旋部は3層である、請求項1記載のランプ。
- 螺旋部は2重巻きすなわちコイルドコイル構造の少なくとも1つの層を有しており、ここでは径Wの内側線が径wのカバー線によって巻回されており、これにより見かけでは厚さW+2wの3層が得られる、請求項1記載のランプ。
- 螺旋部は2重巻きすなわちコイルドコイル構造の2つの層を有しており、これにより見かけでは6層が得られる、請求項10記載のランプ。
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