JP4471070B2

JP4471070B2 - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP4471070B2
Application number: JP2003067547A
Authority: JP
Inventors: 谷口　　晋史; 中野　　邦昭; 和彦川▲崎▼
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004281098A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水銀に金属ハロゲン化物を添加して封入した発光管を備えたメタルハライドランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプ１は、図３に示すように、発光管２の周囲を外球３で覆い、この外球３の下端に口金４を取り付けた構成が一般的である。なお、メタルハライドランプ１は、点灯方向が指定される場合があり、必ずしも図３に示すように口金４を下にした向きが指定されるとは限らないが、便宜上この向きで上下位置関係を説明する。
【０００３】
発光管２は、透光性セラミックスからなる密閉容器の内部で上下から電極２ａ，２ｂを対向させると共に、この密閉容器の内部に水銀と１種類以上の金属ハロゲン化物を希ガスと共に封入したものである。メタルハライドランプ１は、このように種々のハロゲン化金属を発光物質として用いることにより、放電による光の色温度や演色性を向上させた高圧放電灯（ＨＩＤ）である。ただし、ハロゲン化金属は蒸発温度が高いために、点灯時の発光管２の内部は、高圧水銀ランプや高圧ナトリウムランプのような他の高圧放電灯よりも高い温度が必要となる。この金属ハロゲン化物としては、例えばヨウ化ディスプロシウムやヨウ化タリウム、ヨウ化ナトリウム等が用いられ、希ガスとしては、アルゴン等が用いられる。また、この発光管２の密閉容器は、ランプ特性を向上させるために、円筒状ではなく、中央部が膨れた樽形に形成されている。なお、この発光管２の密閉容器は、石英ガラスを用いることもできるが、内部の高温の金属蒸気に浸食されて劣化するのを防止して長寿命化を図るためには、透光性アルミナ等の透光性セラミックスを用いることが好ましい。
【０００４】
外球３は、上記発光管２の周囲を透明な硬質ガラスで覆ってランプ外形を形成したものであり、下端に口金４によって封口されている。この外球３は、ランプ内の金属材料が高温で酸化するのを防止するために、内部を真空にしたりアルゴン等の希ガスを封入している。また、外球３と発光管２との間には、この発光管２が破損した場合に破片が周囲に散乱するのを防止するための保護筒１４が配置されている。
【０００５】
上記外球３で覆われたランプ内には、口金４の両端子と発光管２の上下の電極２ａ，２ｂとの間を接続するためのリード材５が配置されている。また、このランプ内には、始動ユニットを構成する点灯管６と抵抗器７と始動バイメタル８が配置されると共に、発光管２からガスがリークした場合の対策のためのフィラメント９も配置されている。
【０００６】
上記メタルハライドランプ１は、図４に示すように、電源１０からの商用周波数の交流電源が安定器ヒューズ１１，１１と安定器１２とを介してメタルハライドランプ１の口金４に供給され点灯するようになっている。安定器ヒューズ１１，１１は、過大な電流が流れた場合に溶断して、安定器１２やメタルハライドランプ１の発光管２が破損するのを防止するための電流ヒューズであり、この安定器１２の筐体内に装着されるようになっている。
【０００７】
また、高圧ナトリウムランプについては、安定器や発光管の過電流による破損を防止するために、ランプ内に電流ヒューズを設けているものがある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２９６７７９号公報
【特許文献２】
特開平７−３７５５４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、安定器１２が寿命等により内部のチョークコイルが短絡したような場合に、この短絡の程度によっては安定器ヒューズ１１，１１が溶断して電流が遮断されるまでの数秒の間に、メタルハライドランプ１に過大なランプ電流が流れることがある。しかも、メタルハライドランプ１は、金属蒸気の蒸発温度が高く発光管内部が高温高圧であり、またアーク揺れが生じやすいため、このような過電流が短時間でも流れると、発光管２が破損するおそれが高くなる。さらに、この発光管２の密閉容器が上記のようにセラミックス製である場合には、石英ガラスよりも温度変化に対して脆弱であるために、特に発光管２の破損の可能性が高くなる。
【００１０】
このため、従来のメタルハライドランプ１は、発光管２の破損時に、周囲に散乱した破片等によって外球３までが破損し外部に危険を及ぼすことがないようにする必要があるという問題があった。即ち、この外球３は、リード材５等の熱酸化を防止するために内部を封止するだけでなく、発光管２の破片等が衝突しても破損しないような機械的強度が要求される。また、外球３が破損して周囲に危険が及ばないように、上記のように保護筒１４を設ける必要も生じる。さらに、金属網を被せたり金属ワイヤを巻き付ける等して発光管２を保護カバーで覆うようにした場合には、この発光管２から発した光束が保護カバーに遮られて、ランプ効率が低下することになる。
【００１１】
また、特許文献１や特許文献２には、高圧ナトリウムランプのランプ内に電流ヒューズを設けた発明が記載されているが、これらの電流ヒューズは、図４に示した点灯回路の安定器ヒューズ１１，１１に代わるものにすぎない。なぜなら、高圧ナトリウムランプの点灯時の発光管の内部は、メタルハライドランプ１よりも比較的低温低圧であり、メタルハライドランプに比べてアークも安定しているため、セラミックス製の密閉容器を用いたとしても、安定器１２の短絡電流よりもかなり大きな電流を流さなければ発光管が破損するようなことがないので、この安定器１２に安定器ヒューズ１１が用いられていれば、この安定器ヒューズ１１による過電流の遮断だけで十分に保護することができるからである。これに対して、メタルハライドランプ１の場合には、比較的小さい過電流を短時間に遮断しなければ高温高圧の発光管２を確実に保護することができず、しかも、始動時の大きな始動電流や使用時の電源１０の電圧が多少高い程度のことで誤ってランプ電流を遮断されることがないように、厳密な過電流の遮断特性が要求されるので、インダクタンスが大きい安定器１２のチョークコイルよりも電源１０側に挿入される安定器ヒューズ１１では到底対応し得ないものとなる。
【００１２】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、発光管の電極に直列に過電流制限手段を接続することにより、この発光管に流れる過電流を直接検出して制限することができるメタルハライドランプを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、金属ハロゲン化物を添加して封入した透光性セラミックス製の発光管を備えたメタルハライドランプにおいて、管壁負荷Ｑが２２Ｗ／ｃｍ^２以上３３Ｗ／ｃｍ^２以下であって、ランプ内における発光管の電極に直列に過電流制限手段が接続されており、前記過電流制限手段が、しきい値電流Ｉ_ｔｈ（但し、Ｉ_ｔｈ≦１０）以上のランプ電流が流れると溶断する溶断線であり、定格ランプ電力をＰ（Ｗ）としたときに、このしきい値電流Ｉ_ｔｈ（Ａ）が
０．０２Ｐ≦Ｉ_ｔｈ≦０．０２Ｐ＋２（但し、１００≦Ｐ≦４００）
の条件を満たすものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明によれば、発光管に過大なランプ電流が流れようとすると、過電流制限手段がこれを制限するので、発光管がこの過大なランプ電流により破損するのを確実に防止することができるようになる。特に、ランプ内の発光管に直列に過電流制限手段が接続されることにより、実際に発光管に流れようとする過大なランプ電流を検知して瞬時に制限することができる。しかも、この過大なランプ電流を制限した後も安定器のインダクタンスの影響を受けることなく、発光管に流れるランプ電流を確実に制限することができる。従って、点灯時に高温高圧となるために破損し易いメタルハライドランプの発光管に適した保護を行うことができるようになる。
【００１５】
また、過電流制限手段である溶断線が溶断するしきい値電流Ｉ _ｔｈ（Ａ）は、定格ランプ電力Ｐ（Ｗ）に応じて０．０２Ｐ以上となるように設定されるので、始動時やユーザーが用いる電源の電圧が多少高めであるために比較的大きなランプ電流Ｉが流れた場合であっても、溶断線が誤動作で溶断するようなことがなくなる。さらに、この溶断線が溶断するしきい値電流Ｉ _ｔｈ（Ａ）は、定格ランプ電力Ｐ（Ｗ）に応じて０．０２Ｐ＋２以下となるように設定されるので、異常な過電流としては比較的小さなランプ電流Ｉであっても、発光管が破損するおそれのあるようなものであれば、溶断線を確実に溶断させて遮断することができる。即ち、比較的小さい過電流が流れた場合にも、このランプ電流を短時間に確実に遮断し、比較的大きな電流であってもランプ電流としては正常な範囲の場合には誤動作を生じることがないので、特に厳密な過電流の遮断特性が要求されるメタルハライドランプの発光管に適した保護を行うことができるようになる。
【００１６】
なお、定格ランプ電力とは、カタログなどでランプ機種ごとに定められた点灯時のランプ電力（Ｗ）を表したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１〜図２は本発明の一実施形態を示すものであって、図１はメタルハライドランプの内部回路と点灯回路を示す回路図、図２は溶断線のしきい値電流を定めるためのランプ電流と定格ランプ電力との関係を示すグラフである。なお、図３〜図４に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００２１】
本実施形態では、図３に示したものと同様の構成のメタルハライドランプ１について説明する。即ち、発光管２は、透光性アルミナからなる樽形の密閉容器を用い、ランプ内には、この発光管２と共に、点灯管６と抵抗器７と始動バイメタル８とからなる始動ユニットとフィラメント９とが配置されている。ただし、図４に示した従来例では、口金４の両端子と発光管２の電極２ａ，２ｂとの間がリード材５によって直接接続されていたが、本実施形態のメタルハライドランプ１は、図１に示すように、発光管２の電極２ｂに直列に溶断線１３が接続されている。従って、メタルハライドランプ１の口金４の両端子から供給されるランプ電流Ｉは、この溶断線１３を通って発光管２の電極２ａ，２ｂ間に流れることになる。なお、このメタルハライドランプ１に電源１０からの電力を供給する安定器１２や安定器ヒューズ１１，１１からなる点灯回路の構成は、図４に示した従来例と同じである。
【００２２】
図１に示すメタルハライドランプ１の溶断線１３は、しきい値電流Ｉ_ｔｈ以上のランプ電流Ｉが流れると、ジュール熱によって自身が発熱することにより溶断するようにした電流ヒューズである。特にここでは、ランプ電流Ｉがしきい値電流Ｉ_ｔｈ以上に達すると瞬時に溶断することができるように、溶断特性のレスポンスの良いニッケル、ニッケル合金（Ｎｉ−Ｃｕ−Ｆｅ等）又はニクロム等の単線又はより線を溶断線１３として用いる。また、これらは、比較的安定な金属材料であるため、メタルハライドランプ１の製造時の溶断線１３の取り扱いも容易となる。この溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは、例えばユーザーが用いる電源１０の電圧が定格電圧よりも多少高めであるために、始動時の大きな始動電流がさらに大きなランプ電流Ｉとなって発光管２に流れた場合であっても、誤動作して溶断線１３が溶断するようなことがないように十分に大きな電流値であり、かつ、この発光管２が破損するおそれのある最小のランプ電流Ｉよりは小さい電流値である。このようなしきい値電流Ｉ_ｔｈは、溶断線１３の金属材料の種類と、その断面積、断面形状及び長さ等を選択することによって適宜な値に設定することができる。
【００２３】
上記メタルハライドランプ１のランプ内では、始動ユニットである点灯管６、抵抗器７及び始動バイメタル８とフィラメント９との直列回路は、発光管２と溶断線１３の直列回路と並列に接続されている。点灯管６は、電源１０の投入時にグロー放電を行いバイメタルの接点をスイッチングさせることにより発光管２の電極２ａ，２ｂ間に高電圧を印加して点灯を開始させるためのものである。抵抗器７は、点灯管６による高電圧パルスの高さを整えるためのものである。始動バイメタル８は、発光管２の点灯後の発熱によって接点を開くことにより始動ユニットを切り離すためのものである。フィラメント９は、発光管２の内部からガスがリークした場合に、このガスによって放電を起こし溶断するものであり、これにより始動ユニットを発光管２から切り離して点灯できなくすることにより、発光管２のリークによる危険を未然に防止するためのものである。
【００２４】
上記構成のメタルハライドランプ１によれば、発光管２にしきい値電流Ｉ_ｔｈ以上の過大なランプ電流Ｉが流れようとすると、溶断線１３が瞬時に溶断してこれを遮断するので、発光管２がこの過大なランプ電流Ｉにより破損するのを確実に防止することができるようになる。しかも、溶断線１３は、ランプ内の発光管２に直列に接続されるので、実際にこの発光管２に流れようとする過大なランプ電流Ｉを検知して瞬時に溶断し遮断することができる。また、安定器１２のチョークコイルの大きなインダクタンスの影響を受けることなく、発光管２に流れるランプ電流Ｉを確実に遮断することができる。従って、特に点灯時に高温高圧となるために破損し易いメタルハライドランプ１の発光管２に適した保護を行うことができるようになる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、発熱によって自身が溶断することにより回路を遮断する溶断線１３を用いる場合を示したが、このような電流ヒューズに限らず、しきい値電流Ｉ_ｔｈ以上の過大な電流が流れた場合に、溶断以外の手段で回路を遮断する過電流遮断手段を用いることもできる。しかも、発光管２の破損を防止するためであれば、過大な電流を正常な電流の大きさ以下にまで抑制するだけでもよいので、しきい値電流Ｉ_ｔｈ以上の過大な電流が流れた場合にこの電流を抑制する過電流抑制手段を用いることもできる。
【００２６】
また、上記実施形態では、発光管２の密閉容器に透光性アルミナを用いる場合を示したが、その他の透光性セラミックス製の材料からなる密閉容器を用いることもできる。さらに、この発光管２の密閉容器の形状も、樽形に限らず任意である。
【００２７】
また、上記実施形態では、ランプ内に点灯管６と抵抗器７と始動バイメタル８とからなる始動ユニットを配置したメタルハライドランプ１について説明したが、この始動ユニットの構成は任意であり、この始動のための補助電極を備えた発光管２を用いることもできる。しかも、このような始動ユニットは、必ずしもランプ内に配置する必要はなく、外部の始動ユニット回路を用いて始動を行うメタルハライドランプ１にも同様に本発明を実施することができる。さらに、フィラメント９も、発光管２のリークの危険がない場合や他の手段で対応できる場合には、必ずしも設ける必要はない。
【００２８】
【実施例】
定格ランプ電力Ｐが２００Ｗ、３００Ｗ及び４００Ｗの従来例のメタルハライドランプ１を１０灯ずつ作製して、点灯中に流れるランプ電流Ｉを増加させることにより強制的に発光管２を破損させる試験を行った。これらのメタルハライドランプ１の発光管２は、肉厚が１．０±０．３ｍｍの透光性セラミックスからなる密閉容器の内部に、アルゴンと水銀とヨウ化ディスプロシウム、ヨウ化タリウム及びヨウ化ナトリウムからなるハロゲン化金属とを封入したものを使用した。また、これらの発光管２は、管壁負荷Ｑが２２〜３３Ｗ／ｃｍ^２になると共に、定格電圧での点灯時の水銀対流速度Ｖが６２ｃｍ／秒以下となるようにしている。即ち、管壁負荷Ｑは、発光管２の最大管内径をＲとし、発光管２の電極２ａ，２ｂ間の長さをＬとし、円周率をπとした場合に、
Ｑ＝Ｐ／（Ｒ×Ｌ×π）
で与えられ、水銀対流速度Ｖは、水銀量をＭとした場合に、
Ｖ＝５×（Ｍ／Ｌ）^０．８５
で与えられることから、２００Ｗのメタルハライドランプ１の発光管２の最大管内径Ｒを１３ｍｍ、電極２ａ，２ｂ間の長さＬを１５ｍｍとし（管壁負荷Ｑは３３Ｗ／ｃｍ^２）、３００Ｗのメタルハライドランプ１の発光管２の最大管内径Ｒを１６ｍｍ、電極２ａ，２ｂ間の長さＬを２２ｍｍとし（管壁負荷Ｑは２７Ｗ／ｃｍ^２）、４００Ｗのメタルハライドランプ１の発光管２の最大管内径Ｒを２０ｍｍ、電極２ａ，２ｂ間の長さＬを２９ｍｍとしている（管壁負荷Ｑは２２Ｗ／ｃｍ^２）。
【００２９】
上記メタルハライドランプ１に６Ａから１２Ａまでのランプ電流Ｉを順に供給して発光管２の破損個数を調べた結果を表１に示す。
【表１】

この表１によれば、２００Ｗのメタルハライドランプ１では６Ａを超えるランプ電流Ｉが流れた場合に発光管２の破損が生じ（７Ａで２個が破損）、３００Ｗのメタルハライドランプ１では８Ａを超えるランプ電流Ｉが流れた場合に発光管２の破損が生じ（９Ａで１個が破損）、４００Ｗのメタルハライドランプ１では１０Ａを超えるランプ電流Ｉが流れた場合に発光管２の破損が生じた（１１Ａで２個が破損）。従って、図２に示すランプ電流Ｉ（Ａ）と定格ランプ電力Ｐ（Ｗ）との関係を表すＩ＝０．０２Ｐ＋２の直線Ｔ_１の上方の領域では、発光管２が破損するおそれのあることになり、溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは、この直線Ｔ_１以下のドットハッチングの領域になければならない。
【００３０】
また、上記と同じ仕様であって、発光管２に直列に溶断線１３を接続した上記実施形態のメタルハライドランプ１も１０灯ずつ製作し、正常な範囲の上限となるランプ電流Ｉを流して溶断線１３が誤動作により溶断するかどうかの試験を行った。ただし、２００Ｗのメタルハライドランプ１に使用する溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは３Ａとし、３００Ｗのメタルハライドランプ１に使用する溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは５Ａとし、４００Ｗのメタルハライドランプ１に使用する溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは７Ａとした。メタルハライドランプ１のランプ電流Ｉは、始動時の始動電流が最も大きくなるので、溶断線１３がこの始動電流によって誤動作で溶断するようなことがあってはならない。そして、定格電圧での最大始動電流は、短絡電流を超えることはないので、一般的な水銀灯安定器を組合せて点灯した場合に２００Ｗのメタルハライドランプ１では約２．９Ａとなり、３００Ｗのメタルハライドランプ１では約４．３Ａとなり、４００Ｗのメタルハライドランプ１では約５．７Ａとなる。もっとも、この始動電流は、電源１０の電圧が高くなるほど大きくなり、ユーザーは定格電圧よりある程度高い電圧の電源１０を使用することがある。従って、定格電圧での始動電流にある程度の余裕をみると共に、電源１０の電圧がある程度高いためにこの始動電流もさらに大きくなることを考慮して、正常な範囲の上限となるランプ電流Ｉを予測して定めた。なお、始動電流とは、ランプを始動した直後にランプに流れる電流である。
【００３１】
上記メタルハライドランプ１に、正常な範囲の上限となるランプ電流Ｉを供給して溶断線１３の溶断本数を調べた結果を表２に示す。
【表２】

この表２によれば、２００Ｗのメタルハライドランプ１では半数の５本の溶断線１３（しきい値電流Ｉ_ｔｈは３Ａ）が溶断し、３００Ｗのメタルハライドランプ１でも半数の５本の溶断線１３（しきい値電流Ｉ_ｔｈは５Ａ）が溶断し、４００Ｗのメタルハライドランプ１でも半数の５本の溶断線１３（しきい値電流Ｉ_ｔｈは７Ａ）が溶断した。従って、これら各定格ランプ電力Ｐの溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは、図２に示すランプ電流Ｉ（Ａ）と定格ランプ電力Ｐ（Ｗ）との関係を表すＩ＝０．０２Ｐの直線Ｔ_２より１Ａずつ下にあることになる。そして、この直線Ｔ_２の下方の領域に溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈが設定されていると、この溶断線１３が誤動作により溶断する場合が生じることになるので、しきい値電流Ｉ_ｔｈは、この直線Ｔ_２以上のドットハッチングの領域になければならない。
【００３２】
この結果、溶断線１３のしきい値電流Ｉ_ｔｈは、図２に示す直線Ｔ_１と直線Ｔ_２の間のドットハッチングの領域に設定すべきであることが分かる。また、このような直線Ｔ_１，Ｔ_２で示されるランプ電流Ｉと定格ランプ電力Ｐとの関係は、経験上１００Ｗ以上の定格ランプ電力Ｐのものであれば確実に適用されるものとなる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のメタルハライドランプによれば、発光管に流れる過電流をランプ内の過電流制限手段が検知してこれを制限するので、発光管がこの過電流により破損するのを迅速かつ確実に防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、メタルハライドランプの内部回路と点灯回路を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、溶断線のしきい値電流を定めるためのランプ電流と定格ランプ電力との関係を示すグラフである。
【図３】メタルハライドランプの構造を示す縦断面正面図である。
【図４】従来例を示すものであって、メタルハライドランプの回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１メタルハライドランプ
２発光管
２ａ電極
２ｂ電極
３外球
４口金
５リード材
１３溶断線

Claims

金属ハロゲン化物を添加して封入した透光性セラミックス製の発光管を備えたメタルハライドランプにおいて、
管壁負荷Ｑが２２Ｗ／ｃｍ^２以上３３Ｗ／ｃｍ^２以下であって、
ランプ内における発光管の電極に直列に過電流制限手段が接続されており、
前記過電流制限手段が、しきい値電流Ｉ_ｔｈ（但し、Ｉ_ｔｈ≦１０）以上のランプ電流が流れると溶断する溶断線であり、
定格ランプ電力をＰ（Ｗ）としたときに、このしきい値電流Ｉ_ｔｈ（Ａ）が
０．０２Ｐ≦Ｉ_ｔｈ≦０．０２Ｐ＋２（但し、１００≦Ｐ≦４００）
の条件を満たすものであることを特徴とするメタルハライドランプ。