JP4808923B2 - 高圧ショートアーク放電ランプ用の封止管材料 - Google Patents

Description

本発明は高圧放電ランプ用の封止管の構成にモリブデン−レニウム合金を使用することに関する。

本発明は高密度多結晶質セラッミック本体内に使用するための封止管に関し、より具体的には高圧放電ランプの封止(sealing) に関する。特に、本発明は、高圧アーク放電ランプのような高圧放電ランプの封止のためにモリブデン−レニウム合金から製作された封止管に関する。

高圧ショートアーク・ランプの様な放電装置は、例えば、アルミナで構成された透明な又は半透明な高温耐熱管を利用するのが通例である。アルミナ管内には電気アークが２つの電極の間に延在し、これらの電極には電流が気密封止された貫通接続アセンブリによって導かれる。アルミナ及びニオブ金属が同様な熱膨張係数を有していることから、アルミナのアーク管の両端部を通って電流を導くために高圧ショートアーク放電ランプに設ける貫通接続部として、ニオブの貫通接続部が選択されている。

最近では、ショートアーク放電ランプにおける照明出力を一層大きくすることが要望されている。これらの要望を満たすためには、発光管内に封入されている水銀のようなガスの量を増大させることが必要になるが、これは問題を生じさせる。すなわち、ショートアーク放電ランプの発光管内に封入されているガスの量を増大させた場合、発光管内に封入されているガスの圧力が、ランプを点灯したときに、おそらく１４５ｐｓｉ以上に増大する（更に、２５００ｐｓｉほどに高くなることもあり得る）。従って、このようなランプで生じる高い圧力に耐えることのできる材料が必要になってきている。更に、このような材料はまた、放電ランプの充填物に用いられるハロゲン化物による侵食に耐える必要がる。
特開平０７−２２８９４０号公報

純粋なモリブデンはショートアーク放電ランプの充填物に用いられるハロゲン化物による侵食に対する耐性があるので、純粋なモリブデンを高圧放電ランプ用封止管の製造に使用することができる。しかしながら、純粋なモリブデンは、機械的なクリンピング(crimping)によって封止管の封止を行うことができるほど充分な延性を有していない。純粋なモリブデンの管は通常、機械的なクリンピング処理に伴う大きな変形歪みに起因して、該管を封止するための機械的なクリンピング時に亀裂を生じる。

従って、高圧ハロゲン含有放電ランプ用の封止管を製造するために使用される材料に関して、ハロゲン化物の侵食に対して耐性があり、放電ランプ内で生じる高い圧力及び温度に耐えることができ、また封止管の気密封止を形成するための機械的なクリンピング作業中に亀裂を生じることなく変形するほど充分な延性を有している新しい材料が要望されている。

本発明の第１の面によれば、モリブデン−レニウム合金で構成された封止管を提供する。

本発明の別の面は、ショートアーク高圧放電ランプ及びセラミック・メタルハライド（ハロゲン化金属）ランプのような高圧ハロゲン含有放電ランプに使用するための封止管に関し、封止管はモリブデン−レニウム合金で構成する。

本発明のまた別の面は、約３５〜５５重量パーセントのレニウムを含むモリブデン−レニウム合金に関する。

本発明の更に別の面は、モリブデンをレニウムと組み合わせてモリブデン−レニウム合金を形成することによって、モリブデンの線熱膨張係数を増大させる方法に関する。

本発明のまた更に別の面は、モリブデン−レニウム合金の延性及び硬度を変更する方法に関し、モリブデン−レニウム合金を熱処理することを含む。

本発明の別の面は、ショートアーク・ハロゲン化物含有高圧放電ランプ及びセラミック・メタルハライド・ランプのような高圧放電ランプに関し、該ランプはモリブデン−レニウム合金で構成された封止管を含んでいる。

本発明のこれらの及びその他の面及び目的は、以下の本発明の詳しい説明を読んで理解することにより明らかになろう。

本発明は、様々な構成要素及びそれらの構成要素の様々な配列で、また様々な工程及びそれらの工程の様々な配列で実現することができる。図面は、複数の図にわたって同様な構成要素には同じ参照符号を付しているが、本発明の特定の実施形態を例示するためだけであり、本発明を制限するものと解釈すべきではない。

空洞を持つ、高圧放電管のような多結晶質セラミック本体が、真空密なアセンブリを形成するためにモリブデン合金及び封止材料により封止される。２５℃から１０００℃までの温度範囲での平均熱膨張係数が８．１×１０^-6／℃である多結晶質アルミナは、高圧放電ランプ内の放電管用として通常使用される。２５℃から１０００℃までの温度範囲での平均熱膨張係数が８．５×１０^-6／℃であるイットリアもまた、放電管の製造に使用される。更に、２５℃から１０００℃までの温度範囲での平均熱膨張係数が８．３５×１０^-6／℃であるイットリア・アルミニウム・ガーネット、すなわち、ＹＡＧもまた、放電管の製造に使用される。

高圧放電ランプのシール領域の動作温度は、典型的には、オフになっているときの周囲温度すなわち約２５℃と、完全に暖まっているときの約７００℃〜約１４００℃との間にある。セラッミック本体とクロージャ(closure) 部材との間の気密シールの亀裂及びその他の破壊を避けるために、クロージャ部材と封止材料はシール領域の動作温度範囲にわたってセラッミック本体の熱膨張係数に厳密に整合していることが必要である。高圧放電ランプは約２５℃から約１４００℃までの典型的な動作温度範囲を有しているが、本発明による他の真空密なアセンブリに生じる動作温度範囲はそれより大きく又は小さくなることがあり、従って、対応するより大きい又はより小さい動作温度範囲にわたって熱膨張係数を整合させることが必要になる。クロージャ部材及び封止材料は、信頼性のあるシールを提供するため且つ熱膨張係数の差に起因して生じる機械的応力を軽減するために、セラッミック本体の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するべきである。

本発明によれば、放電ランプ１０のアセンブリは図１に示されるように真空密なアセンブリを形成するように設けられ、封止管１４を備えたセラッミック、サーメット又は金属板の端部プラグ１２を含んでいる。タングステンのような材料から形成された電極棒１６が、封止管１４から放電ランプ１０のガス充填空洞２０の中へ延在している。電極は封止管１４に溶接してもよい。接続リード１８が放電ランプ・アセンブリ１０の外側の封止管１４の一部分から延在する。封止管はランプにガスを充填した後にクリンプされ、次いでスポット溶接される。代わりの一実施形態では、封止管は機械的なクリンピングを行わずに単に溶接することができる。

代わりの一実施形態では、図２に示されているようにオフセット封止管３０（充填用部分）を含む放電ランプ・アセンブリ２８が設けられる。電極３２はタングステン（Ｗ）の様な材料から製作してもよい。端部プラグ３８が封止材料３４を介してセラッミック・アーク管３６の端部を封止する。封止管３０は、放電ランプを充填した後、封止管端部４０で機械的なクリンピングを行い、次いで機械的クリンプ部をスポット溶接することによって封止することができる。この代わりに、封止管は機械的なクリンピングを行わずに単に溶接することができる。

本発明によれば、モリブデンをレニウムと合金化して、放電ランプ用の封止管を形成する。モリブデンは、耐熱金属であるが、平均熱膨張係数がレニウムよりも小さい。合金に使用されるモリブデンとレニウムの各々の比率を適切に選択することによって、モリブデンの熱膨張係数を増大させることができる。従って、合金のこの増大した熱膨張係数は、アルミナ及びその他のセラッミック材料のような放電ランプの製造に使用される材料の熱膨張係数により近くなる。図３は、純粋なモリブデン、５０対５０重量パーセント混合のモリブデン−レニウム（Ｍｏ−Ｒｅ）合金、及び多結晶質アルミナの線熱膨張率を示す。更に、Ｍｏ−Ｒｅ合金の使用により延性が向上すると共に、Ｒｅにより熱膨張に関して好ましい効果が得られる。

レニウムの濃度が３５〜５５重量パーセントの範囲内にあるモリブデン−レニウム合金がこの用途に適している。このモリブデン−レニウム合金は幾つかの理由で選ばれた。純粋なモリブデンはハロゲン化物による侵食に対して耐性があるが、モリブデン管のクリンピングによる封止が可能なほど充分な延性を有していない。モリブデン管はクリンピング時にそれに伴う大きな変形歪みにより亀裂が生じる。モリブデン−レニウム合金はハロゲン化物に侵食に対して耐性があり、且つ純粋なモリブデンよりもずっと大きい延性を有している。引抜き加工したままの状態で、モリブデン−レニウム合金管は純粋なモリブデン管よりもずっと大きい延性を有しているが、その延性はクリンピングのためには未だ不充分である。

気密クリンプ・シールを達成するためには、モリブデン−レニウム合金に何らかの熱処理を施して、充分な延性を生じさせ且つ引抜き加工及び押出し成形のような機械的加工に起因する加工硬化を軽減することが必要である。１２００℃で４時間にわたる熱処理は、モリブデン−レニウム合金の硬度及び延性を実質的に変更するのに不充分であった。乾いた水素雰囲気（露点＜−５０℃）中で約１２００℃〜約１９００℃で約０．５時間〜約４時間にわたる熱処理により、一層大きい延性を有していて、何らの亀裂の痕跡なしにクリンプすることができ且つ少なくとも約２０００ｐｓｉの圧力に耐えることのできるモリブデン−レニウム合金が得られる。この熱処理後のＭｏ−Ｒｅ合金は放電ランプ用の封止管の製造には有用である。

試験の結果、乾いた水素雰囲気（露点＜−５０℃）中で約１２００℃〜約１９００℃で約０．５時間〜約４時間にわたる熱処理を受けたＭｏ−Ｒｅ管状材料は、何らの亀裂の痕跡なしに良好にクリンプすることができることが判った。クリンプしたままの管についての破裂試験の結果、そのシールは、使用したクリンピング圧力に依存して１００〜１７００ｐｓｉの圧力に耐えることができることが判った。クリンプしたシールは、クリンプ位置においてレーザ溶接により固着すると、８５００ｐｓｉを越える圧力に耐えることができた。これらの結果は、以下の具体例に示すようにＭｏ−Ｒｅ管状材料が従来の高圧ナトリウム・ランプ製品に使用されているニオブ管状材料で達成されたのと同程度のシールによって封止できることを示している。ニオブに対するＭｏ−Ｒｅ合金の利点は、ハロゲン化物に対する耐食性が増大することである。

以下に示すデータは、Ｍｏ−Ｒｅ合金を利用して、本発明に従って機械的にクリンプできる封止管を形成する能力を実証している。
［実施例］
４７．５重量パーセントのＲｅを含む、外径１ｍｍ×内径０．５ｍｍのＭｏ−Ｒｅ管状材料を、１８００℃で２時間にわたって熱処理し、次いで管を封止するために機械的なクリンピングを行った。場合により、機械的なシールを補強するために、クリンプした領域をレーザ溶接した。管状材料の内部に１００００ｐｓｉまでの水圧を加える装置でＭｏ−Ｒｅ管状材料シールを試験した。水がシールを通り抜けた圧力を、下表に破裂圧力として記している。

表１は、クリンプしたＭｏ−Ｒｅ管状材料で生じた破裂圧力をＮｂ管状材料と比較して示す。

［表１］
サンプル 破裂圧力
機械的なクリンプ及びレーザ溶接による ＞4000 psi（＊）
Ｍｏ−Ｒｅ管状材料シール（１）
機械的なクリンプ及びレーザ溶接による ＞8500 psi
よるＭｏ−Ｒｅ管状材料シール（２）
機械的なクリンプ及びレーザ溶接による ＞4000 psi（＊）
よるＭｏ−Ｒｅ管状材料シール（３）
機械的なクリンプ及びレーザ溶接による ＞2000 psi（＊）
よるＭｏ−Ｒｅ管状材料シール（４）
機械的なクリンプによる ＞1000 psi
Ｍｏ−Ｒｅ管状材料シール（１）
機械的なクリンプによる ＞1000 psi
Ｍｏ−Ｒｅ管状材料シール（２）
機械的なクリンプによる ＞1500 psi
Ｍｏ−Ｒｅ管状材料シール（３）
機械的なクリンプによる ＞500 psi
Ｍｏ−Ｒｅ管状材料シール（４）
機械的なクリンプによる 500, 1200, 2000,
Ｎｂ管状材料シール 2000, 2500, 1000,
2000, 500 psi
機械的なクリンプ及びレーザ溶接による ＞10000 psi
Ｎｂ管状材料シール

注（＊）：封止管の他の部分が機械的なクリンプ／レーザ溶接部の破裂より前に破損した。

ニオブ管は本発明のＭｏ−Ｒｅ合金管に比べて耐破裂性が僅かに大きいが、Ｍｏ−Ｒｅ管状材料はニオブに匹敵する耐圧性を有していると共に、ニオブに比べてハロゲン化物に対する耐食性が大きいという利点を有している。

本発明のモリブデン−レニウム合金の使用により得ることのできる他の利点としては、これらに限定されないが、気密封止を可能にするクリッピング作業中に亀裂を生じることなく変形することのできる能力、及びランプ内で発生する高い温度に耐えることのできる能力が挙げられる。

本発明をその好ましい実施形態に関して説明したが、本発明の利点及び利益が得られるような、これらの実施形態に対する変更及び代替案も、本明細書を参照することにより、当該技術分野において通常の知識を有する者にとって明らかであると当然に考えられる。従って、この様な変更及び代替案は特許請求の範囲に示されているような本発明の範囲内にあるものである。

本発明による封止管を含む真空密なアセンブリの断面図である。 本発明による封止管を含む真空密なアセンブリの別の実施形態の断面図である。 モリブデン、モリブデン−レニウム合金及びアルミナの線熱膨張係数を温度に対して示すグラフである。

符号の説明

１０ 放電ランプ
１２ 端部プラグ
１４ 封止管
１６ 電極
１８ 接続リード
２０ ガス充填空洞
２８ 放電ランプ
３０ 封止管
３２ 電極
３４ 封止材料
３６ セラミック製アーク管
３８ 端部プラグ
４０ 封止管端部

Claims (8)

1. レニウムの濃度が３５〜５５重量パーセントの範囲内にあり、−５０℃未満の露点を持つ雰囲気中で１２００℃〜１９００℃の温度で０．５時間〜４時間熱処理されたモリブデン−レニウム合金を含む材料から構成され、クリンプによりシールされた端部を有する、封止管（１４）。
2. 機械的にクリンプしたシール又は溶接したシールを有している請求項１記載の封止管（１４）。
3. 少なくとも２０００ｐｓｉの圧力に耐えることのできる請求項１又は２記載の封止管（１４）。
4. 前記モリブデン−レニウム合金は０℃から１２００℃までの温度範囲にわたってモリブデン単独よりも大きい線熱膨張百分率を有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の封止管（１４）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の封止管（１４）を含んでいる放電ランプ（１０）。
6. ハロゲン化物放電材料を含んでいる請求項５記載の放電ランプ（１０）。
7. モリブデン−レニウム合金の延性及び硬度を変更する方法であって、レニウムの濃度が３５〜５５重量パーセントの範囲内にあるモリブデン−レニウム合金を−５０℃未満の露点を持つ雰囲気中で１２００℃〜１９００℃の温度で０．５時間〜４時間熱処理することにより、モリブデン−レニウム合金の延性を増大させ且つ硬度を減少させることを特徴とする方法。
8. 前記モリブデン−レニウム合金は前記熱処理の前に押出し成形により管に形成されている請求項７記載の方法。
   

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