JP4313040B2 - 蛍光ランプ、および蛍光ランプを製造する方法 - Google Patents

Description

この発明は、長軸を有する管状の端部を両側に有し、ガラスステムが各端部に設けられている一方、ランプ製造の間、ガスを受け入れおよび／または放出するため、排気管がこのステムから軸方向に外側に向けて延在し、かつ電極が、この放電容器内に放電を維持するために、軸方向に内側に向かってステムを貫通して延在する、ガスがその中に存在するガラス放電容器、を有する蛍光ランプに関する。

このような蛍光ランプの例として、内側方向に延在する電極の端が、電極によって発せられた物質を捕えるための遮蔽部によって径方向に取り囲まれ、この遮蔽部が、前記ステムから内側方向に延在する細長い支持部に固定されているものがある。

水銀は、紫外（UV）光を水銀蒸気放電ランプ内で（効果的に）生成するための、主要な成分である。発光性物質（例えば、蛍光粉）を有する発光層は、UVを他の波長、例えば、日焼けを目的とするUV-AとUV-B（サンルーム用ランプ）、または一般的な照明目的のための可視放射に変換するための放電容器の内壁上に存在する。蛍光ランプの放電容器は、通常、円形の断面を有し、かつ、細長い管の実施態様（TL管）とコンパクト実施態様（電力節約ランプ）とを有する。TL管の場合、当該管状の端部が互いの延長上にあり、かつ、長い直線の管を形成しているが、コンパクト電力節約ランプの場合、この両端部分が、湾曲した管状部分、または、いわゆるブリッジにより相互接続されている。

製造の間、ランプの両端に存在するガラス排気管を介して、蛍光ランプが排気される。その後、必要な混合ガスが、これらの同じ排気管を介してランプに注入されると直ちに、この排気管はピンチ加工されて閉じられ、かつ密封される。

ランプ両端には電極も存在し、動作の間はこれらの間に電圧が維持されるため、放電が連続的に起こり、かつ、水銀蒸気が当該紫外線を放出する。必要に応じて、電極の端を個別の遮蔽部によって放射状に取り囲むことが行われる。動作の間、微小粒子が電極によって規則的に放出され、これらの粒子が放電容器の内壁に達してしまうからである。これは、該当部分からの光出力を減少させ、かつ、ランプの光出力を不規則にしてしまうため、望ましくないので、当該粒子が遮蔽部によって妨げられるのである。この遮蔽部は、存在する場合、ワイアタイプの支持部によってガラスステムに固定される。

このような蛍光ランプに起こり得る問題は、ランプの寿命が終わりに近くなると電極は部分的に消耗されているので、放電が、当初の設計では意図されていない電極部分の間で継続し、その結果、電極のこれらの部分から生じた金属粒子によって、ステムが覆われてしまうことである。遮蔽部は、実際に存在する場合、放射方向への保護機能を有するのみである。この結果、ステムの外面が伝導性を帯びてしまうため、放電がこの外面上に引き寄せられてしまい、ステムが軟化かつ変形するほどに熱くなってしまう。更に、望ましくない熱分布によって、放電容器の壁が極端に熱くなる期間が長くなってしまう。ガラス放電容器が、熱によって、遂にひび割れてしまう可能性もある。

本発明の目的は、放電容器（の壁）が、ランプ寿命の終わりに熱くなってしまう危険性を、単純かつ効率的な方法によって防止する、信頼性が高い蛍光ランプを提供することである。

冒頭の段落に及べた種類の蛍光ランプは、本発明によると、この目的のために下式の少なくとも1つを満たすことを特徴とする。
および／または、
式中、
R₁/R₂ = ステムの薄いガラス表面の、排気管がステムに溶融されている箇所（いわゆる脆い箇所）が加熱される効率の尺度、
R₃/R₄ = 熱が、放射によってステムから放電容器に輸送される効率の尺度。

図を参照して以下に更に詳しく説明するように、本発明は、その構造が上記の式の1つを満たしている既存のランプが、使用可能な寿命の終わりに近づくにつれて動作が受動的になる、すなわち、ステムの薄いガラス表面の、排気管がステムに溶融されている箇所（いわゆる脆い箇所）が急速に加熱されるため、そこにリークが生じ、これにより、当該ランプが、間に合うように（即ちガラス放電容器全体が過度加熱される前に）消される、という認識に基づいている。

本発明による蛍光ランプの好ましい実施例は、電極の電流供給ワイアが、ニッケルよりも良好な熱伝導性を有する、好ましくは銅を有する物質により被覆されていることを特徴とする。この電流供給ワイアは、他の好ましい例の場合、完全にこの物質から作られている。本発明による蛍光ランプの更なる好ましい実施例は、電極の電流供給ワイアの少なくとも1つ（好ましくは、電極の両方の電流供給ワイア）の中心から、排気管の外シェルへの距離が、0.7 mm未満であり、具体的には0.4 mm未満であり、より具体的には0.2 mm未満であることを特徴とする。

本発明による蛍光ランプの更なる好ましい実施例は、排気管の壁の厚さとその直径との積が、直径が2.54 cmを超える放電容器を有するランプ（例えば、ランプタイプT8とT12）の場合、3 mm²未満であり、具体的には2 mm²未満であり、より具体的には1 mm²未満であり、かつ、直径が2.54 cmよりも小さい放電容器を有するランプ（例えば、ランプタイプPL, T5, およびCFL）の場合、1.5 mm²未満であり、具体的には1 mm²未満であり、より具体的には0.5 mm²未満であることを特徴とする。

本発明による蛍光ランプの更なる好ましい実施例は、放電容器又はキャリアの端の壁の厚さとその直径との積が、直径が2.54 cmよりも大きい放電容器直径を有するランプ（例えば、ランプタイプT8とT12）の場合、9 mm²未満であり、具体的には8 mm²未満であり、より具体的には7 mm²であり、かつ、直径が2.54 cmよりも小さい放電容器直径を有するランプ（例えば、ランプタイプPL, T5, およびCFL）の場合、4 mm²未満であり、具体的には3 mm²未満であり、より具体的には2 mm²であることを特徴とする。

本発明は、蛍光ランプの製造方法であって、これによって、長軸を有する管状端部が、ガラス放電容器の両側に設けられ、ガラスステムが当該端部に設けられ、かつ電極が、放電を放電容器内に維持するためのステムを介して軸の内側方向に構成され、かつ排気管が、ステムから軸方向に外側に向けて延在するように設けられ、ガスがこの排気管を介して放電容器に充填される方法において、式、
および／または、
の少なくとも1つが満たされることを特徴とする方法、にも関する。

次に、図示されている実施例を参照して、本発明を更に詳しく説明する。

図1において、蛍光ランプ1は、管2の形状をしたガラス放電容器を有する。この図には、ランプ1の端部3しか示されていない。このランプは、実際には、長いガラス管2の一端を各々密閉する、2つの対向する同一の端部3を有する。このガラス管2の内側表面には、UV放射をUVA光、UVB光、または可視光に変換することが可能な、蛍光物質の層が設けられている。

このガラス管2は、電流供給ワイア9と支持部16とがその中に溶融された後のステム5が、その上に設けられた、内側方向に延在する円筒形のキャリア4を、その端に有する。外側方向に延在する排気管6は、ステム5に設けられており、かつ、ステム5の穴7を介して、管2の内部とオープンに接している。ランプ1の仕上げ処理前に、排気管6を介して管2が排気され（この管は、このときはまだ、図示されている長さより長い）、かつ管2には、必要な（希）ガス混合物が充填される。同時に、若干の水銀が、ランプ内に注入される。次に、ガラスが軟化するように、排気管6は加熱され、かつ、図示されている長さにピンチ加工されて閉じられ、かつ密封され、管2は、密閉状態に閉じられる。

ランプ1の両側には、更に、2つの電流供給ワイア9とコイル状のタングステンワイア10とを有する電極8が設けられる。このコイル状のワイア10は、電子の放出を促すための（とりわけ、バリウム酸化物、ストロンチウム酸化物、カルシウム酸化物などの各種酸化物を有する）電子放出体の層によって被覆される。電流供給ワイア9は、ステム5によって保持される。これらのワイアは、この中の両側近くに密閉され、かつ更に、接触ピン11に接続される。これらの接触ピン11は、金属の端シェル13の一部である電気的に絶縁性の円盤12の中に保持される。端シェル13は、接着剤の環状の層14によって、ガラス管に固定される。

接触ピン11は、ランプ1に電流を供給する照明器具に固定させることが出来る。これによって電極8の間に発生する放電によって、水銀蒸気分子は、管2の内側表面上の蛍光層によって必要な波長の光に変換される紫外放射を放出する。

遮蔽部15が、コイル状のワイア10の周辺に存在することによって、コイル状のワイア10からスパッタリングする物質が、動作中の電極間に維持される放電のために横移動し、かつ管2の内側表面に沈積してしまうことによって、この管に沿った光出力が均一にならないことを防止することが出来る。この遮蔽部15は、少なくとも本質的に卵型の閉じられた周線状に曲げられた金属片から製造される。この図では、コイル状のワイアが明確に見えるように、遮蔽部15は、その内部の一部が示されている。遮蔽部15は、電流供給ワイア9のようにステム5に密閉されているが、その中心部に向けて密閉されている、ワイアタイプの屈曲した金属の支持部16によって適切な位置に保持される。支持部16は、例えば、鉄、ニッケル、鉄／ニッケル、クロミウム／ニッケル、またはモリブデンから製造することが出来る。

遮蔽部15は、存在する場合、支持部16の内側方向に延在する部分の末端に固定される一方、支持部16の外側方向に延在する締着部17は、排気管6の中まで続いている。この締着部17は、それ自体が弾性力によって排気管6の中で一定の長さに渡って締着するような形状をしている。これによって、遮蔽部15は、ステム5が熱によって軟化した場合でも、適切な位置に十分保たれる。ここに図示されている実施例の場合、締着部17は、排気管6の内壁円周の4箇所を支えるように、一種の三次元の紙用クリップの形状をしている。このような形状の更なる長所は、締着部末端のガイド面が傾斜しているため、この支持部を排気管の中に挿入したとき、これを容易に排気管の中に導き、かつ中心に配置させることが出来ることである。

次に、図2Aを参照して、2つの経験則を定式化する。これによって、（例えば、図1に示されている）既存の蛍光ランプが、その寿命の終わりに受動的な動作を示すか否かを確認することが可能になる。

図1の蛍光ランプ1がその寿命の終わりに到達すると（この時までに、電極8の物質の一部は、すでに消失している）、いわゆる「寿命の終わり」過程が、電極8の電流供給ワイア9の一つにおけるグロー放電から始まる。この過程のこの段階では、ガラス放電容器2の温度は、相対的に低いままである。このグロー段階の後も、ナトリウム放電自体がステム5のガラスに印加されるため、この過程は継続する。これが、いわゆる「ガラス上への放電」段階である。この段階の間、ガラス放電容器2の温度は、250°Cもの高さに上昇する。この段階の終わりでは、通常、いわゆる「脆い箇所」、すなわち、ステム5の薄いガラス表面の、排気管6がステム5に溶融されている箇所に、リークがすでに発生しているであろう。

「ガラス上への放電」段階における熱輸送は、ガラス放電容器2の最大温度を定め、かつ、ランプ1が「寿命の終わり」の全過程の間に動作不可能になる期間も定める、重要な過程である。従って、以下に説明する経験則は、「ガラス上への放電」段階の単純化された熱輸送モデルに基づいている。

熱輸送は、原則的に、抵抗器とコンデンサとを有する等価線図によって表すことが出来る。このような線図は、電気回路図に非常に類似しているので、（電圧が温度に対応し、かつ電流が仕事率に対応する）類似の方法で扱うことが出来る。図2Aは、図1の蛍光ランプの等価線図を表す。この状態は、相対的に単純な経験則を定式化することが出来るように、やや単純化されている。この線図の様々な素子を、以下に説明する（使用されている幾何学的パラメータは、図2Bに示されており、かつ、各々以下に説明される）。

パラメータは、以下のように定義される。
T_bulb = 放電容器のガラスの温度
T_o = 蛍光ランプの外側の周囲温度
T_ws = 脆い箇所の温度
T_p = ステムの温度
Q （電流源として表されている）放電Qの熱が、熱温度T_pを有するステム5を加熱する。
C ステムは、指数曲線に従って加熱される。昇温時間は、ステム5のガラスの熱容量に依存する。この等価線図の場合、他の全ての素子が、ステム5の加熱曲線に従うと仮定する。これは、実際には、他の素子がステム5よりも著しく遅く加熱されると、偏差が生じる可能性があることを意味する。
R₁ 熱は、熱抵抗R₁を介して、ステム5から脆い箇所に輸送される。この熱伝導は、逆数1/R₁に等しい。最も重要な因数を考慮した場合（有限素子による広範囲なモデルを組み合わせた測定によって、無視可能な素子が判明している）、R₁を以下のように記すことが出来る。
図2Bに、使用される幾何学的パラメータが明示されている。λ_glassは、ガラスの熱伝導率に関する。ステム5が長くなったりまたは断面が小さくなると、熱伝導率は高くなる。ステム5から脆い箇所への熱の流れによって、脆い箇所は温度T_wsに加熱される。脆い箇所が、約600°Cの温度に達すると、ランプ1と環境との間の圧力差のために、リークが生じるであろう。従って、脆い箇所の温度は、「寿命の終わり」過程における非常に重要な変数である。
R₂ 熱は、脆い箇所からキャップシェル13まで輸送され、かつ、そこからランプ1の固定部に輸送される。熱は、単純化されたモデルの熱抵抗R₂を介して、脆い箇所から固定部に流れる。単純にするために、この固定部は周囲温度T₀を保持すると仮定する。キャリア4の熱抵抗は、当該熱抵抗R₂の主要な部分を占め、かつ以下のように表すことが出来る。
この場合も、ガラスの放電容器の末端の長さが増加し、かつその断面が減少すると、熱抵抗は高くなるであろう。
R₁/R₂ R₁のR₂に対する比率は、脆い箇所が加熱される効率の尺度である。R₁とR₂との比率が低い程、脆い箇所の温度はステムの温度に近づくであろう。脆い箇所の加熱過程が良好な程、ランプ1は、その寿命の終わりにおいて、より早く故障するであろう。R₁のR₂に対する当該比率は、式で表した場合、以下に等しくなる。
R₃/R₄ ステム5は、更に、放射を介してガラス放電容器2に対して熱を失う。R₃は、ステム5からガラス放電容器2への放射が受ける熱抵抗の尺度である。ステム5に隣接するガラス放電容器2の温度は、この熱放射のため、温度がT_bulbまで上昇するであろう。熱は、対流と放射によって、ガラス放電容器2から周囲に輸送されるが、これは熱抵抗R₄を受ける。R₃のR₄に対する比率は、放射によるステム5からガラス放電容器2への熱輸送の効率を表す。この比率は、ガラス放電容器2の最低可能温度が、「寿命の終わり」過程の間に保護されるように、できるだけ低くすべきである。対流と放射に対する熱輸送係数h₃とh₄の推定値に基づく、R₃のR₄に対する比率の良好な推定値は、下式の通りである。
式中、下式が成り立つ。

T_bulbとT_wsとの比率は、図2Aの等価線図から導出することが出来る。これは、電気回路の電圧比率の導出に類似した方法によって行うことが出来る。結果は、下式の通りである。

この比率は、「寿命の終わり」過程の間に到達した温度の尺度である。例えば、0.5という比率は、ガラス放電容器2の安定した温度が、脆い箇所の安定した温度の半分に等しいことを意味する。リークが、脆い箇所の領域に発生する温度は、600°Cである。従って、上記の式によると、ガラス放電容器2の温度は、約300°Cでなければならない。実際の「寿命の終わり」過程の間、温度は安定したレベルに必ず到達する訳ではないであろうし、かつ、ガラス放電容器2の温度は、より低くなるであろう。いわゆる「寿命の終わり」作用をまだ受容することが出来る比率が決定可能であることが、広範囲の実験によって判明している。このことから、以下の経験則が導かれる。

R₁/R₂とR₃/R₄とに関する上述の方程式を使用する場合、この経験則は、「寿命の終わり」の全過程に適用可能である（この場合、ガラス放電容器2がこの過程の間に到達した温度が重要である）。これは、例えば、タイプT₈のランプ、すなわち、放電容器2の直径が2.54 cmよりも大きいランプにおいて成立する。

ガラス放電容器2の温度が、あまり重要でない場合もある（例えば、「寿命の終わり」過程が相対的に急速に進行した場合）。このような場合、この過程の速さまたは効率の尺度である以下の経験則を使用することが出来る。

これら2つの経験則は、パラメータが対応しているため相互関係を有するが、1つのパラメータを改良しても、経験則が必ずしも両方とも改善される訳ではないことに注目すべきである。

図2Bは、第二の経験則に使用されているパラメータが示されている、図1のランプ1の長手方向の断面図である。
L_stem = ステム5の長さ
W_stem = ステム5の幅
t_stem = ステム5の壁の厚さ
L_flare = キャリア4の長さ
D _flare = キャリア4の直径
t_flare = キャリア4の壁の厚さ
D_bulb = 放電容器2の外径
A_pinch = ステム5の表面積

図1は、蛍光ランプの一部分の断面図である。 図1のランプの同等の線図である。 図1のランプの長手方向の断面図の線図である。

符号の説明

1…蛍光ランプ
2…放電容器
3…管状端部
4…キャリア
5…ガラスステム
6…排気管
7…穴
8…電極
9…電流供給ワイア
10…ワイア
11…接触ピン
12…円盤
13…シェル
14…接着剤の環状の層
15…遮蔽部
16…支持部
17…締着部

Claims (5)

1. ガスがその中に存在するガラス放電容器を有する蛍光ランプであって、
   長軸を有する管状端部が両側に設けられ、各端部には、前記管状端部内に軸方向に延在している管状キャリアと、前記ガラス放電容器に面している側において前記管状キャリア上に軸方向に設けられているガラスステムとが設けられている一方、
   排気管が、前記ランプの製造の間に、ガスを受け入れおよび／または放出するための前記ステムから外側に軸方向に延在し、かつ、
   電極が、前記放電容器内に放電を維持するために、前記ステムを貫通して軸方向に内側に延在しており、前記管状キャリアは、長さL _flare 、直径D _flare 、壁の厚さt _flare および壁材料の熱伝導率λ _glass を有しており、前記ステムは、長さL _stem 、幅W _stem 、壁の厚さt _stem および壁材料の熱伝導率λ _glass を有している、蛍光ランプにおいて、
   および
   として、式、
   を満たすことを特徴とする、蛍光ランプ。
2. 前記電極の電流供給ワイアが、ニッケルよりも良好な熱伝導率を有し、かつ、銅を含有する物質で被覆されている、請求項１に記載の蛍光ランプ。
3. 前記電極の前記電流供給ワイアの少なくとも1つの中心から、前記排気管の外面までの距離が、0.7 mm未満である、請求項1または2に記載の蛍光ランプ。
4. 前記排気管の壁の厚さと前記排気管の直径との積が、
   前記放電容器の直径が2.54 cmよりも大きいランプの場合、3 mm ² 未満であり、かつ、
   前記放電容器の直径が2.54 cmよりも小さいランプの場合、1.5 mm ² 未満である、請求項１、2、または3に記載の蛍光ランプ。
5. 前記放電容器の前記端部の前記壁の厚さと前記放電容器の直径との積が、
   前記放電容器の直径が2.54 cmよりも大きいランプの場合、9 mm ² 未満であり、かつ、
   前記放電容器の直径が2.54 cmよりも小さいランプの場合、4 mm ² 未満である、
   請求項1〜4の何れかに記載の蛍光ランプ。