JP4655704B2

JP4655704B2 - メタルハライドランプ

Info

Publication number: JP4655704B2
Application number: JP2005072874A
Authority: JP
Inventors: 中野　　邦昭; 谷口　　晋史; 川崎　　和彦
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006260801A

Description

本発明は主に集魚灯として用いられるランプ電力が３．６ＫＷ〜４．２ＫＷのメタルハライドランプに関するものである。

集魚灯については例えば特許文献１に次のような記載がある。「集魚灯の歴史は古く、日本の場合、明治時代まではかがり火を用いて魚を磯や船べりに集めるいさり火漁法が行われていた。大正時代に入ると石油灯やアセチレン灯を用いた集魚灯が用いられるようになり、昭和に入ると集魚灯は電化され電球タイプのものに代わっていった。この電球はタングステンフィラメント形式の白熱灯であったが、電気／光変換効率が低く、発熱が大きく、寿命が短いなどの欠点があった。そのため、１９７０年代の後半から電力効率の良いハロゲンランプに取って代わるようになった。このハロゲンランプは白熱灯の一種であるが、球内に不活性ガスとともにハロゲン元素またはハロゲン化合物を封入することにより、ランプ寿命を大幅に延ばすとともに光束の減衰を少なくしたものであった。さらに１９８０年に入るとより光力の大きいメタルハライド灯が主流を占めるようになり、今日に至っている。全国的に見ると、現在、１灯２ＫＷ〜３ＫＷのメタルハライド灯が最もよく使われている。」（特許文献１）
また、特許文献２には次のような記載がある。「さらに最近では３ＫＷ、４ＫＷのランプが開発され使用されはじめている。３ＫＷ以上のランプでは、ランプ設計上、発光管の内径は２５ｍｍ以上、電極先端間距離は１５０ｍｍ以上とする必要がある。」（特許文献２）
近年、ランプ電力が３．６〜３．８ＫＷで点灯したとき最適な特性が得られるように設計されたメタルハライドランプを光量アップのため、船の発電機の電源電圧を上げることにより、ランプ電力を４．２ＫＷまで上げて使用されるようになってきた。ところが、従来ランプは３．６ＫＷ〜３．８ＫＷ用に設計されているので、ランプ電力を４．２ＫＷまで上げて使用すると極端に寿命が短くなるという問題があった。

そこで、本発明者等は３．６〜３．８ＫＷ用のランプをランプ電力を４．２ＫＷまで上げて使用しても寿命特性が悪くならないランプを具現化するために種々の試験を行ったが、前記特許文献２に開示された発光管の内径を２５ｍｍ以上、電極先端間距離を１５０ｍｍ以上とすることだけでは充分でないことが分かった。

特開２００３−１３４９６７号公報特公平６−９３３５４号公報

本発明は前記に鑑みなされたもので、ランプ電力が３．６〜４．２ＫＷの範囲で使用しても発光管の黒化が少なく、寿命特性が優れたメタルハライドランプを提供することを目的とする。

本発明のメタルハライドランプは、発光管の両端に少なくとも電極極芯と該電極極芯に巻回された電極コイルとよりなる主電極を備え、前記発光管の内部には水銀、希ガスおよび希土類金属のハロゲン化物が封入され、前記発光管は外球内に保持され、当該発光管の内径が４６〜４９ｍｍであるメタルハライドランプであって、前記発光管内径をＤ（ｍｍ）、前記電極極芯の先端部中央（Ｓ）から前記発光管の端部におけるテーパー部（９）までの距離をＦ（ｍｍ）としたとき、
１５≦Ｆ≦Ｄ／２
なる関係式を満たすことを特徴としている。

本発明によれば、発光管の両端に少なくとも電極極芯と該電極極芯に巻回された電極コイルとよりなる主電極を備え、前記発光管の内部には水銀、希ガスおよび希土類金属のハロゲン化物が封入され、前記発光管は外球内に保持され、当該発光管の内径が４６〜４９ｍｍであるメタルハライドランプであって、前記発光管内径をＤ（ｍｍ）、前記電極極芯の先端部中央（Ｓ）から前記発光管の端部におけるテーパー部（９）までの距離をＦ（ｍｍ）としたとき、
１５≦Ｆ≦Ｄ／２
なる関係式を満たすことを特徴としているので、ランプ電力が３．６〜４．２ＫＷの範囲で点灯しても発光管の黒化が少なく、寿命特性が優れている。

発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図２はメタルハライドランプを示し、１は透明石英からなる発光管、２は発光管１の両端に設けられた電極、１１は硬質ガラスからなる外管、１３は発光管１を外管１１内に支持するための電気導入線を兼ねたステンレスからなる支持線および１２は口金である。外管１１内は発光管１および支持線１３等の保護のために高真空又は不活性ガス雰囲気にされている。

図１はメタルハライドランプの発光管を示す。１は透明石英製の発光管、２は発光管１の両端に設けられた電極である。前記電極２は電極極芯４と電極コイル５とで構成されている。電極極芯４の外側端部はモリブデン箔７に溶接されている。モリブデン箔６の電極２とは反対側にはモリブデン線からなる外部リード８が溶接されている。電極極芯４の一部とモリブデン箔６と外部リード８の一部とは発光管１のピンチシール部７で両側から圧着固定されている。図には示していないが、発光管１内には水銀、希ガスおよび希土類金属のハロゲン化物が封入されている。希土類金属ハロゲン化物としてはＳｃ、Ｄｙ、Ｔｍ、Ｈｏ等のハロゲン化物が使用可能である。その他Ｔｌ、Ｉｎ、Ｎａ、Ｃｓ、Ｓｎ等の金属のハロゲン化物を添加してもよい。希土類金属としてＳｃを添加すると寿命特性がよくなる傾向にある。さらに、Ｔｌ、Ｉｎのハロゲン化物を添加するとアークの安定性がよくなる。また、イカの視感度のピークは波長が４６０〜４８０ｎｍ付近にあり、Ｉｎのハロゲン化物の添加でイカが感じる光量を約５％アップできる。なお、希土類金属のハロゲン化物の他にＴｌ、Ｉｎ、Ｎａ、Ｃｓ、Ｓｎ等の金属のハロゲン化物を添加しても寿命特性への影響は認められなかった。

図３は発光管１の端部断面を拡大して示したもので、発光管は本管部３、端部に向って細く絞られたテーパー部９、細管部２１およびピンチシール部７とより構成されている。前記テーパー部９の発光管内面位置は電極極芯４の先端中央部Ｓからの距離ＡおよびＢで表される円弧で囲まれた斜線で示すテーパー部領域１０内に位置するように構成されている。すなわち、電極極芯４の先端中央部Ｓからテーパー部９までの距離ＦはＢ≦Ｆ≦Ａを満足するように構成されている。図中、直線Ｐは前記電極極芯４の先端部中央Ｓを通り、発光管軸方向に垂直な面を表している。なお、前記テーパー部９は図面では直線で表されているが、必ずしも直線である必要はなく、いくつかの直線の組み合わせあるいは曲線であっても良い。

このランプの動作原理は次のとおりである。安定器（図示せず）を介して電源が口金１２に供給されると、発光管１の両端に取り付けられた電極２、２間で希ガス放電を開始する。この放電による熱で発光管内に封入された水銀および希土類金属ハロゲン化物の一部が蒸発し、放電は希ガス放電から水銀および希土類金属放電へと移行する。

本発明者等はこのような構成の発光管を設計するに当たり、図１に示す主電極間距離Ｌｅ（ｍｍ）と図３に示す発光管内径Ｄ（ｍｍ）、電極極芯径Ｅ（ｍｍ）、ランプ電力をＷｌとしたとき、Ｗｌ／（３．１４×Ｄ×Ｌｅ×０．０１）で表される管壁負荷（Ｗ／ｃｍ^２）および電極極芯先端中央部Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆ（ｍｍ）とランプ特性との関係を試験した。以下、試験結果を実施例により説明する。

＜試験１＞基本的なランプ構成は前述の図１、図２および図３の通りで、極芯径Ｅを２．６および２．９ｍｍ、発光管内径Ｄを４６および４９ｍｍ、電極間距離Ｌｅを１６０ｍｍ、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆを１３．０、１５．０、１９．０、２０．０、２３．０、２４．５、２５．０および２６．５ｍｍの値に設定し、各設定値の組み合わせで表１に示すランプ番号１から２０までの２０通りのランプを試作した。なお、封入物は始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＳｃＩ３を１６．５ｍｇおよびＮａＩを８３．５ｍｇ封入した。
これらのランプを約３．６ＫＷのランプ電力で裸垂直点灯姿勢で５．５時間点灯−０．５時間消灯の繰り返し点灯試験を実施した。約３０００時間点灯後のランプ特性を表１に示す。試験データより明らかなように、これらのランプ仕様の内、ランプ番号１〜４および１７〜２０のランプではいずれも発光管の黒化が発生し、光束維持率が５０％以下であった。これに対してランプ番号５〜１６のランプでは発光管の黒化は微少で、光束維持率は６０％以上であった。

以上の試験結果より、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆが１５≦Ｆ≦Ｄ／２の条件を満足すれば、発光管の黒化は微少で、光束維持率が優れていることが分かった。

＜試験２＞基本的なランプ構成は前述の図１、図２および図３の通りで、極芯径Ｅを２．６および２．９ｍｍ、発光管内径Ｄを４６および４９ｍｍ、電極間距離Ｌｅを１９０ｍｍ、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆを１３．０、１５．０、１９．０、２０．０、２３．０、２４．５、２５．０および２６．５ｍｍの値に設定し、各設定値の組み合わせで表２に示すランプ番号２１から４０までの２０通りのランプを試作した。なお、封入物は始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＳｃＩ３を１６．５ｍｇおよびＮａＩを８３．５ｍｇ封入した。
これらのランプを約３．６ＫＷのランプ電力で裸垂直点灯姿勢で５．５時間点灯−０．５時間消灯の繰り返し点灯試験を実施した。約３０００時間点灯後のランプ特性を表２に示す。試験データより明らかなように、これらのランプ仕様の内、ランプ番号２１〜２４および３７〜４０のランプではいずれも発光管の黒化が発生し、光束維持率が５０％以下であった。これに対してランプ番号２５〜３６のランプでは発光管の黒化は微少で、光束維持率は６０％以上であった。

＜試験３＞基本的なランプ構成は前述の図１、図２および図３の通りで、極芯径Ｅを２．６および２．９ｍｍ、発光管内径Ｄを４６および４９ｍｍ、電極間距離Ｌｅを１６０ｍｍ、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆを１３．０、１５．０、１９．０、２０．０、２３．０、２４．５、２５．０および２６．５ｍｍの値に設定し、各設定値の組み合わせで表３に示すランプ番号４１から６０までの２０通りのランプを試作した。なお、封入物は始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＳｃＩ３を１６．５ｍｇおよびＮａＩを８３．５ｍｇ封入した。
これらのランプを約４．２ＫＷのランプ電力で裸垂直点灯姿勢で５．５時間点灯−０．５時間消灯の繰り返し点灯試験を実施した。約３０００時間点灯後のランプ特性を表３に示す。試験データより明らかなように、これらのランプ仕様の内、ランプ番号４１〜４４および５７〜６０のランプではいずれも発光管の黒化が発生し、光束維持率が５０％以下であった。これに対してランプ番号４５〜５６のランプでは発光管の黒化は微少で、光束維持率は６０％以上であった。

＜試験４＞基本的なランプ構成は前述の図１、図２および図３の通りで、極芯径Ｅを２．６および２．９ｍｍ、発光管内径Ｄを４６および４９ｍｍ、電極間距離Ｌｅを１９０ｍｍ、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆを１３．０、１５．０、１９．０、２０．０、２３．０、２４．５、２５．０および２６．５ｍｍの値に設定し、各設定値の組み合わせで表４に示すランプ番号６１から８０までの２０通りのランプを試作した。なお、封入物は始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＳｃＩ３を１６．５ｍｇおよびＮａＩを８３．５ｍｇ封入した。
これらのランプを約４．２ＫＷのランプ電力で裸垂直点灯姿勢で５．５時間点灯−０．５時間消灯の繰り返し点灯試験を実施した。約３０００時間点灯後のランプ特性を表４に示す。試験データより明らかなように、これらのランプ仕様の内、ランプ番号６１〜６４および７７〜８０のランプではいずれも発光管の黒化が発生し、光束維持率が５０％以下であった。これに対してランプ番号６５〜７６のランプでは発光管の黒化は微少で、光束維持率は６０％以上であった。

＜試験５＞基本的なランプ構成は前述の図１、図２および図３の通りで、電極極芯径は２．７ｍｍ、発光管内径Ｄは４７ｍｍ、電極間距離Ｌｅは１４５ｍｍとし、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆは１３、１５、２０、２４および２６ｍｍの５種類および封入物は下記Ａ〜Ｃの３種類とし、それぞれの組み合わせで表５に示すランプ番号８１から９５までの１５通りのランプを試作した。
Ａ仕様：
始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＤｙＩ３を１５．５ｍｇ、ＮａＩを８０．５ｍｇおよびＴｌＩを１５ｍｇ封入した。
Ｂ仕様
始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＴｍＩ３を１５．５ｍｇ、ＩｎＩを８０．５ｍｇおよびＣｓＩを１５ｍｇ封入した。
Ｃ仕様：
始動用希ガスとしてＡｒを４×１０^３Ｐａ、水銀を５００ｍｇ、ＨｏＩ３を１５．５ｍｇ、ＴｌＩを１５ｍｇ、ＩｎＩを１５ｍｇおよびＮａＩを８０．５ｍｇ、封入した。
これらのランプをランプ電力約４．０ＫＷで裸垂直点灯姿勢で５．５時間点灯−０．５時間消灯の繰り返し点灯試験を実施した。点灯時間約３０００時間後の試験結果を表５に示す。

表５より、封入物をＳｃＩ_３以外のものに変えても、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆが１５≦Ｆ≦Ｄ／２の条件を満足すれば、発光管の黒化は微少で、光束維持率が優れていることが確認できた。これに対し、電極極芯先端部中央Ｓから発光管端部テーパー部９までの距離Ｆが１５≦Ｆ≦Ｄ／２の条件から外れた場合には、発光管が黒化して、光束維持率が５０％以下になった。

以上の試験結果から次のことが明らかとなった。ランプ電力３．６ＫＷ〜４．２ＫＷの範囲で点灯しても発光管の黒化が少なく、光束維持率が優れ、寿命特性の良好なランプを得るための条件は次のとおりである。

（１）発光管内径をＤ（ｍｍ）、電極極芯の先端部中央（Ｓ）から前記発光管の端部におけるテーパー部（９）までの距離をＦ（ｍｍ）としたとき、
１５≦Ｆ≦Ｄ／２
なる関係式を満たすこと。
Ｆの値が１５ｍｍよりも小さいと、電極からの熱がテーパー部９に伝わりやすいため、テーパー部９の温度が上がり過ぎて、封入物と発光管部材とが反応し発光管の黒化が発生するものと考えられる。
また、Ｆの値がＤ／２よりも大きいと、電極からの熱がテーパー部９に伝わり難いため、テーパー部９の温度が充分に上がらないため、ハロゲンサイクルが阻害され、遊離した金属が発光管内壁に付着して発光管の黒化が発生するものと考えられる。

さらに、以上の試験結果およびここにはデータを挙げていないが、別の試験結果から次のことを確認している。

（２）発光管内径Ｄは４６〜４９ｍｍの範囲が好ましい。その理由は光束維持率を高められるからである。
Ｄの値が４６ｍｍよりも小さいと、発光管管壁温度が上がり過ぎて、封入物と発光管部材とが反応し発光管の黒化が発生するものと考えられる。
また、Ｄの値が４９ｍｍよりも大きいと、発光管管壁温度が充分に上がらないため、ハロゲンサイクルが阻害され、遊離した金属が発光管内壁に付着して発光管の黒化が発生するものと考えられる。

（３）Ｓｃのハロゲン化物を封入した場合、電極間距離Ｌｅは１６０〜１９０ｍｍの範囲が好ましい。その理由は光束維持率を高められるからである。
Ｌｅの値が１６０ｍｍよりも小さいと発光管管壁温度が上がり過ぎて、封入物と発光管部材とが反応し発光管の黒化が発生するものと考えられる。
また、Ｌｅの値が１９０ｍｍよりも大きいと垂直点灯の場合、発光管の上下部で発光分離が起こり（上部は蒸気圧の高い物質、下部は蒸気圧の低い封入物の発光）、ハロゲンサイクルが阻害され、遊離した金属が発光管内壁に付着して発光管の黒化が発生するものと考えられる。

（４）Ｄｙ、Ｔｍ、Ｈｏ等のＳｃ以外の希土類金属のハロゲン化物を封入した場合、電極間距離Ｌｅは１３０〜１６０ｍｍの範囲が好ましい。その理由は光束維持率を高められるからである。
Ｌｅの値が１３０ｍｍよりも小さいと発光管管壁温度が上がり過ぎて、封入物と発光管部材とが反応し発光管の黒化が発生するものと考えられる。
また、Ｌｅの値が１６０ｍｍよりも大きいと垂直点灯の場合、発光管の上下部で発光分離が起こり（上部は蒸気圧の高い物質、下部は蒸気圧の低い封入物の発光）、ハロゲンサイクルが阻害され、遊離した金属が発光管内壁に付着して発光管の黒化が発生するものと考えられる。

（５）電極極芯径Ｅは２．６〜２．９ｍｍの範囲が好ましい。その理由は光束維持率を高められるからである。
Ｅの値が２．６ｍｍよりも小さいと、電極極芯温度が上がり過ぎて、テーパー部９の温度が上がり、封入物と発光管部材とが反応し発光管の黒化が発生するものと考えられる。
また、Ｅの値が２．９ｍｍよりも大きいと、電極極芯の温度が充分に上がらないため、テーパー部９の温度が下がり、ハロゲンサイクルが阻害され、遊離した金属が発光管内壁に付着して発光管の黒化が発生するものと考えられる。

本発明のメタルハライドランプの発光管の構成を示す図である。本発明のメタルハライドランプのランプ全体の構成を示す図である。本発明のメタルハライドランプの発光管端部構造を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１発光管
２電極
３本管部
４電極極芯
５電極コイル
６モリブデン箔
７ピンチシール部
８外部リード
９テーパー部
１１外管
１２口金
１３支持線
２１細管部
Ｌｅ主電極間距離
Ｄ発光管本管内径
Ｓ電極極芯先端部中央部
Ａ電極極芯先端中央部からテーパー部までの最大距離
Ｂ電極極芯先端中央部からテーパー部までの最小距離
Ｆ電極極芯先端中央部からテーパー部までの距離

Claims

発光管の両端に少なくとも電極極芯と該電極極芯に巻回された電極コイルとよりなる主電極を備え、前記発光管の内部には水銀、希ガスおよび希土類金属のハロゲン化物が封入され、前記発光管は外球内に保持され、当該発光管の内径が４６〜４９ｍｍであるメタルハライドランプであって、前記発光管内径をＤ（ｍｍ）、前記電極極芯の先端部中央（Ｓ）から前記発光管の端部におけるテーパー部（９）までの距離をＦ（ｍｍ）としたとき、
１５≦Ｆ≦Ｄ／２
なる関係式を満たすことを特徴とするメタルハライドランプ。