JP5020806B2 - 最適な形状のセラミック・メタルハライド・ランプ - Google Patents
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Description
本発明は、長さＬ、直径Ｄ、及び寿命を延ばし且つ性能を改善しながら管壁腐食を最小にするアスペクト比Ｌ／Ｄを持つ放電空間を包囲するセラミック発光管を有する電気ランプに関するものである。
放電ランプは、２つの電極の間を通る電気アークにより、希ガス、金属ハロゲン化物及び水銀の混合物のような蒸気充填材を電離させることによって光を発生する。電極及び充填材は半透明な又は透明な放電室内に封入されており、放電室は付勢された充填材の圧力を維持し且つ放出された光を通過させる。充填材は、「封入材」としても知られているが、それは、電気アークによる励起に応答して所望のスペクトル・エネルギ分布を発生する。例えば、ハロゲン化物は、広範な光特性の選択、例えば、色温度、演色性及び発光効率の選択を可能にするスペクトル・エネルギ分布を与える。
従来、放電ランプ内の放電室は、融解石英のようなガラス質材料から形成されており、該材料は軟化した状態まで加熱された後で所望の室形状に成形されている。しかしながら、融解石英には、高い動作温度におけるその反応性の特性から生じる欠点がある。例えば、石英ランプでは、約９５０〜１０００℃よりも高い温度で、ハロゲン化物がガラスと反応して珪酸塩及びハロゲン化珪素を生成し、その結果、充填材成分の減耗を生じる。また、上昇した温度により、ナトリウムが石英の壁を通り抜け、これは充填材の減耗を生じさせる。
セラミック放電室は、充填材との反応を著しく低減させながら、色温度、演色性及びを改善するために、比較的高い温度で動作するように開発されている。しかしながら、高ワット数（１５０Ｗ以上）のメタルハライド・ランプは一般に、セラッミック発光管よりも大きい石英発光管の場合のみ得ることができる。近年、高ワット数で動作可能であるセラッミック発光管を開発しようとする試みがなされている。米国特許第６５８３５６３号には、セラッミック・メタルハライド（ＣＭＨ）ランプが開示されている。１５０ワットのランプの場合、本体部分は約９．５ｍｍの内径及び約１１．５ｍｍの外径を持つ。米国特許第６５５５９６２号には、同様な電力定格の高圧ナトリウム（ＨＰＳ）ランプ用の既存の安定器によって使用されるようにした２００Ｗ以上の電力定格を持つメタルハライド・ランプが開示されている。内径Ｄ及び内部長さＬは、アスペクト比Ｌ／Ｄが３〜５になるように選択される。様々な改良にも拘わらず、ＣＭＨランプ用に市販されている容器は、ルーメン出力、色分解、及び高ワット数で動作させたときの水平方向の亀裂に関して、性能が良くない傾向がある。
米国特許第６５５５９６２号
米国特許第６５８３５６３号
本発明は、高電力で動作するメタルハライド・ランプのための新規な改良された容器を提供する。
本発明の模範的な一実施形態では、照明アセンブリが提供される。該アセンブリは、安定器と、それに電気接続されたランプを含む。安定器は、ランプが２００Ｗよりも大きい電力で動作するように選択される。ランプは、イオン化可能な物質より成る充填材を収容する放電容器を含む。放電容器は、内部空間を規定する本体部分を含む。本体部分は、放電容器の中心軸に平行に測った内部長さと、内部長さに直角に測った内径を持つ。内部長さと内径との比は、１．５〜２．０の範囲内にある。少なくとも１つの脚部が本体部分から延在する。また、少なくとも１つの電極が、それに電流を印加したときに充填材を付勢するように放電容器内に位置決めされる。
本発明の別の模範的な実施形態では、少なくとも２００Ｗの電力で動作することのできるセラミック・メタルハライド・ランプが提供される。ランプはセラミック材料で形成された本体部分を含み、該本体部分は内部空間を規定する。本体部分は、放電容器の中心軸に平行に測った内部長さと、内部長さに直角に測った内径を持つ。内部長さと内径との比は、１．５〜２．０の範囲内にある。相隔たる電極が本体部分内に延在する。イオン化可能な充填材が本体部分内に配置される。
本発明の模範的な実施形態では、少なくとも２００Ｗの電力で動作することの可能な照明アセンブリを形成する方法が提供される。該方法は、内部長さと内径とのアスペクト比が１．５〜２．０であり且つ壁厚さが少なくとも１ｍｍである本体部分と、該本体部分から延在する第１及び第２の脚部分とを有するほぼ円筒形の放電容器を用意する工程を含む。イオン化可能な充填材が本体部分内に配置される。それに電流が印加されたときに充填材を付勢する電極が、放電容器内に位置決めされる。
本発明の少なくとも１つの実施形態の１つの利点は、性能及び寿命を改善したセラミック発光管を提供することである。
本発明の少なくとも１つの実施形態の別の利点は、発光管の寸法のような構造要素間の関係が最適化されることである。
本発明の更に別の利点は、当業者には以下の好ましい実施形態についての詳しい説明を読み且つ理解したときに明らかとなろう。
本書で用いる「発光管壁負荷（ＷＬ）」は、発光管電力（ワット）を発光管表面積（平方ミリメータ）で割った値である。ＷＬを算出する目的のため、表面積は脚部を除いた半球状端部を含む全外部表面積であり、発光管電力は電極電力を含む全発光管電力である。
「セラミック管壁厚さ（ｔｔｂ）」は、発光管本体の中央部分における管壁材料の厚さ（ｍｍ）として定義される。
「アスペクト比（Ｌ／Ｄ）」は、発光管内部長さを発光管内径で割った値として定義される。
「ハロゲン化物重量（ＨＷ）」は、発光管内のハロゲン化物の重量（ｍｇ）として定義される。
図１について説明すると、照明アセンブリは、高ワット数（＞１５０Ｗ）で使用するのに適したメタルハライド放電ランプ１０を含む。ランプは、放電空間１６を包囲するようにセラッミック又は他の適当な材料で形成された壁１４を持つ放電容器すなわち発光管１２を含む。放電空間はイオン化可能な充填材を収容する。電極１８，２０が発光管の対向する端部２２，２４を通って延在して、導体２６，２８から電流を受け取る。これらの導体は発光管の両端間に電位差を供給し且つまた発光管１２を支持する。発光管１２は外側バルブ３０によって囲まれており、バルブ３０には一端にランプ口金３２が設けられており、該ランプ口金を介してランプは電力線路電圧のような電力源３４と接続される。照明アセンブリはまた、ランプをオンにスイッチしたときにスタータとして作用する安定器３６を含んでいる。安定器はランプと電力源とを含んでいる回路内に配置される。発光管と外側バルブとの間の空間は真空にすることができる。随意選択により、石英又は他の適当な材料から形成されたシュラウド（図示せず）によって、発光管を全体的に又は部分的に取り囲んで、発光管が破裂した場合に生じ得る発光管の破片を封じ込めるようにすることができる。
安定器３６は、１５０Ｗ以上で動作するように設計された任意の適当な種類のものであってよい。２００Ｗ以上で動作するのに特に適している２つの種類は高圧ナトリウム（ＨＰＳ）及びパルス・アーク（ＰＡ）安定器である。ＨＰＳ安定器は高圧ナトリウム・ランプ用に広く使用されており、最初に１００±２０Ｖの公称動作電圧ＶＯＰで動作することの可能なランプに使用することができる。このような安定器と共に使用するのに適したランプは、動作電力を電流×電圧の積で割った値として定義される公称発光管力率が約０．８７であるランプである。
パルス・アークすなわち「ＰＡ」安定器は、メタルハライド・ランプ用に主に北アメリカで使用されている。これらの安定器は、ランプ始動の開始に点火装置（パルス駆動回路）を含んでいるので、他の北アメリカのメタルハライド安定器とは異なる（ＨＰＳ安定器も点火装置を持っているが、パルスの高さが相対的に低い）。ＰＡ安定器は、公称動作電圧ＶＯＰ＝１３５±１５Ｖで動作するランプに使用するのに適している。このランプは一般に約０．９１の公称発光管力率を持つはずである。
安定器の両方の種類では共に、安定器がその公称電圧範囲の上側部分で動作するように、発光管の特性を選択することが時々望ましい。これは性能を改善することができる。しかしながら、高過ぎる電圧はランプ寿命の低下を招く恐れがある。また、低過ぎる電圧はランプ性能（ルーメン、色）を低下させる恐れがある。
動作について説明すると、電極１８，２０はアークを発生し、アークは充填材をイオン化して放電空間内にプラズマを生じさせる。発生された光の放出特性は、主に、充填材の成分、電極間の電圧、室の温度分布、室内の圧力、及び室の幾何学的形状に依存する。
セラミック・メタルハライド・ランプの場合、充填材は、典型的には、Ｈｇと、Ａｒ又はＸｅのような希ガスと、金属ハロゲン化物（例えば、ＮａＩ、ＴｌＩ、ＤｙＩ３ 、ＨｏＩ３ 、ＴｍＩ３ 、ＣｅＩ３ 、ＣａＩ２ 、ＣｓＩ、及びこれらの組合せ）とで構成される。ＣａＩ２ は色の調節材として作用する。キセノンは、アルゴンに比べて、原子が相対的に大きく且つタングステン電極の蒸発を抑制してランプの寿命を長くするので、有利である。模範的な一実施形態では、充填ガスは、Ａｒ又はＸｅと、Ｈｇと、Ｎａ、Ｔｌ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｃｅ、Ｃｓ及びＣａのヨウ化物を含む。特定の一実施形態では、北アメリカのパルス・アーク安定器のようなパルス・アーク安定器で９０以上の演色評価数、９０ルーメン／Ｗ以上の効率及び約４０００Ｋの色補正温度（ＣＣＴ）を達成するため、充填材中に存在するヨウ化物は、ヨウ化物の重量パーセントで測って、１８〜２５％のＮａＩ、１．５〜３％のＴｌＩ、１０〜１５％のＤｙＩ３ 、５〜８％のＨｏＩ３ 、５〜８％のＴｍＩ３ 、０〜１％のＣｅＩ３ 、３０〜５５％のＣａＩ２ 、及び１〜３％のＣｓＩとすることができる。特定の一実施形態では、充填材は、約２１％のＮａＩ、２％のＴｌＩ、１３％のＤｙＩ３ 、７％のＨｏＩ３ 、７％のＴｍＩ３ 、１％のＣｅＩ３ 、４８％のＣａＩ２ 、及び３％のＣｓＩを含む。別の実施形態では、ＨＰＳ安定器でＲａ＞８０、効率＞９０ルーメン／Ｗ及び約３０００ＫのＣＣＴを達成するのに適した充填材は、重量で、３０〜４０％のＮａＩ、２〜８％のＴｌＩ、２〜１０％のＤｙＩ３ 、１〜５％のＨｏＩ３ 、１〜５％のＴｍＩ３ 、０〜１％のＣｅＩ３ 、３０〜５５％のＣａＩ２ 、及び２〜１０％のＣｓＩを含む。特定の一実施形態では、ＨＰＳ安定器で使用するのに適した充填材は、約３５％のＮａＩ、５％のＴｌＩ、６％のＤｙＩ３ 、３％のＨｏＩ３ 、３％のＴｍＩ３ 、４２％のＣａＩ２ 、及び６％のＣｓＩを含む。この充填材組成についての変形もまた適用可能である。高圧ナトリウム・ランプでは、充填材は、典型的には、Ｎａと、希ガスと、Ｈｇとを有する。充填材の他の例は当該分野で周知である。例えば、「Alexander Dorubrusskin, Review of Metal Haide Lamps, 4th Annual International Symposium on Science and Technology of Light Sources (1986) 」を参照されたい。ハロゲン化物組成は、発光管の発光、色及び電気特性を最適化するように調節することができる。
水銀の重量は、選択された安定器から電力を引き出すために所望の発光管動作電圧（ＶＯＰ）を供給するように調節される。
メタルハライド発光管には、始動を容易にするために希ガス、一般的にはＡｒが補充填される。ＣＭＨランプに適した一実施形態では、ランプ内に少量のＫｒ８５を添加したＡｒを補充填する。放射性Ｋｒ８５は、始動を助けるイオン化を行う。常温充填材圧力は約１００〜２００トルとすることができる。一実施形態では、約１３０トルの常温充填圧力が用いられる。圧力が高過ぎると、始動が妨げられる。圧力が低過ぎると、寿命に至るまでルーメンの低下が増大する。
図２及び図３をも参照して説明すると、例示した発光管１２は３部分構成である。図３の発光管は、下記の点を除くと、図２の発光管と同じである。詳しく述べると、発光管１２は端部分４２，４４の間に延在する本体部分４０を含む。本体部分は中心軸ｘを中心にして円筒形又はほぼ円筒形であるのが好ましい。「ほぼ円筒形」とは、本体部分の内径Ｄの変動が本体部分の中央領域Ｃ内で１０％以下であることを意味する。ここで、中央領域Ｃは本体部分の内部長さＬの少なくとも４０％を占める。従って、僅かに楕円形の本体は、本発明の全ての利点を失うことなく達成することができる。一実施形態では変動は５％未満であり、また別の実施形態では、変動は公称円筒形の本体についてのランプ形成プロセスの許容公差内である。直径が変化する場合、Ｄはその最も広い点で測定する。例示の実施形態では、端部分の各々は一体に形成されていて、大体円板形の壁部分４６，４８と軸方向に延在する中空の脚部分５０，５２とを有し、脚部分を通ってそれぞれの電極が嵌め込まれる。脚部分は図示のように円筒形であるか、又は図３に点線で示すように外径が本体４０から離れるにつれて減少するようにテーパを付けることができる。
壁部分４６，４８は放電空間の内部壁面５４，５６及び外部端壁面５８，６０を規定し、発光管の軸ｘに平行な線に沿って測った内部壁面５４，５６間の最大距離を「Ｌ」と表し、外部端壁面５８，６０間の距離を「ＬＥＸＴ ］と表す。円筒形の壁４０は内径Ｄ（Ｃによって規定した中央領域内で測った最大直径）と外径ＤＥＸＴ とを持つ。
石英メタルハライド（ＱＭＨ）ランプの場合、以前は、ランプ電力（ワットで表される）が増大するにつれてアスペクト比を増大すべきであると理解されていた。この従来技術と対照的に、最適なアスペクト比が、特に約２５０Ｗ以上で動作するセラミック・メタルハライド（ＣＭＨ）発光管の場合、電力とほぼ無関係であることが予想外に判明した。比Ｌ／Ｄが大きすぎる場合、支配的な水銀とのハロゲン化物蒸気の混合が低減する。Ｌ／Ｄが小さすぎる場合は、遮光作用及びハロゲン化物コールドスポット温度の低下に関連した端部効果がランプ性能を損なうことがある。発光管電力範囲が２５０〜４００Ｗである場合、比Ｌ／Ｄは１．５〜約２．０の範囲内にすることができる。一実施形態では、Ｌ／Ｄは１．６〜１．８である。
端部分４２，４４は焼結接合部によって円筒形の壁４０にガス密な態様で固定される。端壁部分の各々は、それぞれの脚部分５０，５２を通る軸方向の中孔６６，６８の内部端に形成された開口６２，６４を持つ。中孔６６，６８は、シール８０，８２を通してリードワイヤ７０，７２を受け入れる。リードワイヤに、従って導体に電気接続される電極１８，２０はタングステンで構成され、且つ長さが約８〜１０ｍｍである。リードワイヤ７０，７２は典型的にはニオブ及びモリブデンで構成され、ニオブ及びモリブデンはアルミナの熱膨張係数に近い熱膨張係数を持ち、これによりアルミナの脚部分にかかる熱的に誘起される応力を減らし、また、例えば、Ｍｏ及びＡｌ２Ｏ３で形成されたハロゲン化物抵抗性スリーブを持つことができる。
ｍｇ単位で表すハロゲン化物の重量（ＨＷ）は約４０〜約６０ｍｇの範囲内にすることができる。ハロゲン化物は発光管本体よりも意図的に温度を低くしたセラミック脚部に局限される傾向があり、また所望の発光管性能をもたらすにはハロゲン化物蒸気圧が不適切になる傾向がある。ＨＷが大きすぎる場合、ハロゲン化物は発光管壁上に凝縮する傾向があり、発光管壁上でハロゲン化物は光を阻止し、またセラミック材料の寿命を減じるような腐食を生じさせることがある。このような条件下では、特に、多結晶アルミナ（ＰＣＡ）は凝縮液に溶解する傾向があり、その後にランプの相対的に冷たい領域上に堆積する。高ＨＷはまた、ハロゲン化物のコストに起因して製造コストを大きくする傾向がある。現在のランプでは、端壁は比較的熱く、このため端壁上のハロゲン化物の量が低減し、従って、腐食が最小になるか又は完全に無くなる。
円筒形部分４０において測った、（ＤＥＸＴ −Ｄ）／２に相当するセラミック管壁厚さ（ｔｔｂ）は、２５０〜４００Ｗの範囲で動作する発光管では少なくとも１ｍｍであるのが好ましい。一実施形態においては、この範囲で動作する発光管では厚さは１．８ｍｍ未満である。ｔｔｂが小さすぎると、熱伝導により壁の中で不適切な熱の広がりが生じる傾向がある。これにより対流的アーク柱の上方に高温の局部的なホットスポットが生じる恐れがあり、このホットスポットは亀裂を生じさせると共にＷＬの限界を低減させる。壁がより厚くなると熱を拡散させて、亀裂を低減し且つＷＬをより高くすることができる。一般に、最適なｔｔｂは発光管の大きさにつれて増大し、従って、管壁をより厚くしたより大きい発光管からはより大きいワット数が得られる。一実施形態では、発光管電力が２５０〜４００Ｗの範囲内である場合、１．１ｍｍ＜ｔｔｂ＜１．５ｍｍである。このような発光管では、管壁負荷ＷＬは式０．１０＜ＷＬ＜０．２０Ｗ／ｍｍ２ を満たすことができる。ＷＬが高過ぎる場合、発光管材料が熱くなり過ぎて、石英の場合には軟化が生じ、またセラミックの場合には蒸発が生じることがある。ＷＬが低過ぎる場合は、ハロゲン化物の温度が低くなり過ぎて、ハロゲン化物蒸気圧力の低下及び性能の低下を招く傾向がある。特定の一実施形態では、１．３＜ｔｔｂ＜１．５である。端壁４６，４８の厚さｔｔｅは、本体４０の厚さと同じであることが好ましく、一実施形態では、１．１ｍｍ＜ｔｔｅ＜１．５ｍｍである。
アーク・ギャップ（ＡＧ）は電極１８，２０の先端間の距離である。アーク・ギャップは、式ＡＧ＋２ｔｔｓ＝Ｌによって、発光管内部長さＬに関係付けられる。ここで、ｔｔｓは、電極先端から、発光管本体の内部端を規定するそれぞれの面５４，５６までの距離である。ｔｔｓの最適化は、端部構造がハロゲン化物圧力を所望の圧力にするのに充分に熱くなるが、セラミック材料の腐食を開始させるほどには熱くならないようにする。一実施形態では、ｔｔｓは約２．９〜３．３ｍｍである。別の実施形態では、ｔｔｓは約３．１ｍｍである。
発光管脚部５０，５２は、発光管性能にとって望ましい相対的に高いセラミック本体−端部温度と、脚部の端部におけるシール８０，８２を維持するための望ましい相対的に低い温度との間の熱的遷移を行う。脚部の最小内径は電極導体直径に依存し、電極導体直径は始動及び連続動作中に支持すべきアーク電流に依存する。模範的な実施形態では、電力が２５０〜４００Ｗの範囲内である場合、約１．５２ｍｍの導体外径を用いることができる。従って、内径及び外径がそれぞれ約１．６及び４．０ｍｍであるセラミック脚部５０，５２が、このような導体７０，７２に対して適している。これらの選択された直径の場合、１５ｍｍより長い外部セラミック脚部長さＹはシールの亀裂を防ぐのに充分である。一実施形態では、脚部５０，５２の各々は約２０ｍｍの脚部長さを持つ。
発光管本体４０をその脚部５０，５２に接合する端壁部分４６，４８の断面形状は、図２に例示されるように、端壁部分４６，４８と脚部との間の交差部に鋭い隅部を形成する形状にすることができる。しかしながら、代替例として、図３に例示されるように、交差部の領域に隅肉９０を設ける。外部端と脚部と端壁部分との間の滑らかな隅肉遷移は、交差部における応力集中を低減するのに役立つ。
端壁部分は、熱を拡散するのに充分に大きいが、遮光作用を防止するか又は最小にするのに充分に小さい厚さを持つようにする。個別の内部隅部１００がハロゲン化物凝縮のための好適な場所を提供する。端壁部分４６，４８の構造はより好ましい最適化を可能にし、比較的小さいＬ／Ｄで有意に最適化可能である。以下の特徴は、単独で又は組み合わせて、性能を最適化するのに役立つことが判明した。すなわち、特徴は、１）応力集中を低減するための外部端と脚部との間の滑らかな隅肉遷移、２）熱を拡散するのに充分に大きいが、遮光作用を防止するのに充分に小さい端部厚さ、及び３）ハロゲン化物凝縮のための好適な場所を提供する個別の隅部、である。
シール８０，８２は、典型的には、ジスプロシア−アルミナ−シリカ・ガラスで構成されており、１本のリードワイヤ７０，７２の周りにリングの形にガラス・フリットを配置し、発光管１２に垂直に整列させ、そしてフリットを融解することによって形成することができる。融解したガラスは１つの脚部５０，５２の中へ流れ落ちて、導体と脚部との間に１つのシール８０，８２を形成する。次いで、発光管を上下逆にして、充填材を充填した後に他方の脚部にシールを形成する。
図４に示す模範的な本体及びプラグ部材１２０，１２２，１２４は、放電室の製造を大幅に容易にする。と云うのは、プラグ部材１２０，１２４が脚部部材１２６及び端壁部材１２８と共に、単一体として形成された軸方向のフランジ１３０を含んでいるからである。半径方向に延在するフランジ１３２が、本体部材１２２の対向端部に対して着座するように構成されている。図４に示されている構成要素では、各々のプラグ部材１２０，１２４と本体部材１２２との間の単一の結合により放電室を構成することが可能になる。フランジ１３０は組み立ての際に本体内に着座し、組み立て後の発光管において本体の厚さを増大した壁部分１３４（図３）を形成する。フランジ１３０の内側の縁部は上向きのテーパ１３６を持ち、テーパ１３６はその最も高いすなわち外側の縁が本体部分の内側と接触した状態で着座して、壁１３４と本体部分との間の接合部の周囲に何らかの充填材が定着しないようにする。
ここで、発光管がより少ない又はより多い数の構成要素、例えば、１つ又は５つの構成要素から構成することができることが理解されよう。５つの構成要素を持つ構造では、プラグ部材は、組み立ての際に互いに対して結合される別々の脚部及び端壁部材に置き換えられる。
本体部材１２２及びプラグ部材１２０，１２４は、ダイ・プレスによりセラミック粉末とバインダとの混合物を中実な円柱体に成形することによって構成することができる。典型的には、該混合物は、９５〜９８重量％のセラミック粉末と２〜５重量％の有機バインダと有する。セラミック粉末は、少なくとも９９．９８％の純度及び約２〜１０ｍ２ ／ｇの表面積を持つアルミナ（Ａｌ２ Ｏ３ ）で構成することができる。アルミナ粉末は、粒子成長を抑制するためにマグネシアを、アルミナの重量で０．０３％〜０．２％、一実施形態では、０．０５％に等しい量だけ添加することができる。使用することのできる他のセラミック材料は、非反応性耐火酸化物及び酸窒化物、例えば、酸化イットリウム、酸化ルテチウム及び酸化ハフニウム、並びにそれらのアルミナとの固溶体及び化合物、例えば、イットリウム−アルミニウム−ガーネット及び酸窒化アルミニウムを含む。個々に又は組み合わせて使用することのできるバインダは有機ポリマー、例えば、ポリオール、ポリビニル・アルコール、ビニル・アセテート、アクリレート、セルロース系材料及びポリエステルを含む。
ダイ・プレスにより中実な円柱体を形成するために使用することのできる模範的な組成は、７ｍ２ ／ｇの表面積を持つ９７重量％のアルミナ粉末を有し、該粉末は米国ノースカロナイナ州シャーロット所在のBalikowski International社から商品番号ＣＲ７として入手可能である。アルミナ粉末には、アルミナの重量の０．１％の量でマグネシアが添加されていた。模範的なバインダは２．５重量％のポリビニル・アルコールと、１／２重量％のCarbowax 600（これは、Interstate Chemical社から入手できる）とを含む。
ダイ・プレスの後、バインダは未焼結部品から、典型的には熱分解によって除去されて、ビスク(bisque)焼成部品を形成する。熱分解は、例えば、未焼結部品を室温から約９００〜１１００℃の最高温度まで空気中で４〜８時間にわたって加熱し、次いでこの最高温度に１〜５時間保持し、次いで冷却することによって、行うことができる。熱分解の後、ビスク(bisque)焼成部品の気孔率は、典型的には約４０〜５０％である。
次いで、ビスク焼成部品を機械加工する。例えば、中実な円柱体の軸に沿って小さな中孔をドリルであけることができ、この中孔は図４におけるプラグ部分１２０，１２４の中孔６６，６８を提供する。より大きい中孔をプラグ部分の軸の一部分に沿ってドリルであけて、フランジ１３０を形成することができる。最後に、最初の中実な円柱体の外側部分を、例えば旋盤によって、軸の一部に沿って機械加工により取り去って、プラグ部分１２０，１２４の外面を形成することができる。
機械加工された部品１２０，１２２，１２４は、典型的には、焼結の前に組み立てて、焼結工程でこれらの部品を一緒に結合することを可能にする。模範的な結合方法によれば、本体部材１２２及びプラグ部材１２０，１２４を形成するために使用されるビスク焼成部品の密度は、焼結工程中に異なる度合いの収縮を達成するように選択される。ビスク焼成部品の異なる密度は、異なる表面積を持つセラミック粉末を使用することによって達成することができる。例えば、本体部材１２２を形成するために使用されるセラミック粉末の表面積は６〜１０ｍ２ ／ｇとすることができ、またプラグ部材１２０，１２４を形成するために使用されるセラミック粉末の表面積は２〜３ｍ２ ／ｇとすることができる。本体部材１２２におけるより微細な粉末は、ビスク焼成本体部材１２２が相対的に粗い粉末から作られたビスク焼成プラグ部材１２０，１２４よりも小さい密度を持つようにする。本体部材１２２のビスク焼成密度は典型的にはアルミナの理論的密度（３．９８６ｇ／ｃｍ３ ）の４２〜４４％であり、また、プラグ部材１２０，１２４のビスク焼成密度は典型的にはアルミナの理論的密度の５０〜６０％である。ビスク焼成本体部材１２２の密度がビスク焼成プラグ部材１２０，１２４の密度よりも小さいので、本体部材１２２は焼結の際にプラグ部材１２０，１２４よりも大きな程度で（例えば、３〜１０％）収縮して、フランジ１３０の周りにシールを形成する。焼結の前に３つの構成要素１２０，１２２，１２４を組み立てることによって、焼結工程は２つの構成要素を一緒に結合して、放電室を形成する。
焼結工程は、約１０〜１５℃の露点を持つ水素中でビスク焼成部品を加熱することによって実施することができる。典型的には、温度を室温から約１８５０〜１８８０℃まで段階的に上昇させ、次いで１８５０〜１８８０℃に約３〜５時間の間保持する。最後に、温度を冷却期間内に室温まで低下させる。セラミック粉末にマグネシアを含むことは、典型的には、粒度が７５ミクロンよりも大きく成長するのを防ぐ。結果として得られるセラミック材料は、密に焼結された多結晶アルミナで構成される。
別の結合方法によれば、加熱したときに２つの構成要素を一緒に結合する（例えば、耐火ガラスより成る）ガラス・フリットを本体部材１２２とプラグ部材１２０，１２４との間に配置することができる。この方法によれば、部品は組み立てる前に独立に焼結することができる。
本体部材１２２及びプラグ部材１２０，１２４の各々は、典型的には、焼結後に約０．１％以下の、好ましくは０．０１％未満の気孔率を持つ。気孔率は、従来、物品の全体積の内の空孔が占める割合として定義されている。０．１％以下の気孔率では、アルミナは典型的には適当な光透過率又は半透明性を持つ。この透過率又は半透明性は「全透過率」として定義することができ、これは、放電室の内の小型白熱ランプの透過光束を、裸の小型白熱ランプからの透過光束で割ったものである。０．１％以下の気孔率では、全透過率は典型的には９５％以上である。
別の模範的な構成方法によれば、放電室の構成部品が、約４５〜６０容量％のセラミック材料と約５５〜４０容量％のバインダより成る混合物を射出成形することによって形成される。セラミック材料は、約１．５〜約１０ｍ２ ／ｇ、典型的には３〜５ｍ２ ／ｇの表面積を持つアルミナ粉末で構成することができる。一実施形態によれば、アルミナ粉末は少なくとも９９．９８％の純度を持つ。アルミナ粉末は、粒子成長を抑制するためにマグネシアを、アルミナの重量で０．０３％〜０．２％、例えば、０．０５％に等しい量だけ添加することができる。バインダはワックス混合物又はポリマー混合物で構成することができる。
射出成形のプロセスでは、セラミック材料とバインダとの混合物が加熱されて高粘度の混合物を形成する。この混合物を適当な形状に成形されたモールドの中に注入し、その後に冷却して、モールド成形部品を形成する。
射出成形の後、典型的には熱処理によって、モールド成形部品からバインダを除去し、もって、バインダ除去済み部品を形成する。熱処理は、モールド成形部品を空気中で又は制御された環境内で、例えば、真空、窒素、希ガスの中で、最高温度まで加熱し、次いでこの最高温度に保持することによって、行うことができる。例えば、温度は室温から１６０℃の温度まで１時間に約２〜３℃ずつの割合で徐々に上昇させることができる。次いで、温度は９００〜１１００℃の最高温度まで１時間に約１００℃ずつの割合で増大させる。最後に、温度は約１〜５時間にわたって９００〜１１００℃に保持する。その後、部品は冷却させる。この熱処理工程の後では、気孔率は約４０〜５０％である。
ビスク焼成部品は典型的には、焼結の前に組み立てられて、焼結工程により前に述べたのと同様な態様で部品を一緒に結合させる。
ランプについて行った試験で、少なくとも２００Ｗの電力で動作することができ、３００〜４００Ｗ又はそれ以上にすることができ、且つＬ／Ｄが関係式１．５０＜Ｌ／Ｄ＜２．００に従うときに最適化されるランプを形成することができることが判明した。一実施形態では、壁厚さが１．１ｍｍよりも大きい。別の実施形態では、管壁負荷が０．２０／ｍｍ２ 未満である。このような条件下で、約１３５Ｖの公称動作電圧を持つパルス・アーク安定器で動作させたランプは、約９０以上のＲａ、及び少なくとも９０、場合によっては９５％もの効率、少なくとも０．８７、一実施形態では０．８８以上の力率（ＰＦ）を持つことができる。一実施形態では、ＰＦは少なくとも０．９０である。これらの結果を達成するために、ランプは安定器の公称動作電圧よりも幾分高い電圧で、例えば、公称電圧（１３５Ｖの公称動作電圧を持つ安定器の場合は１３５〜１４０Ｖ）よりも最大約１０Ｖ高い電圧、一実施形態では最大約５Ｖ高い電圧で動作させることができる。模範的なランプのワット数は２５０Ｗである。１００Ｖの公称動作電圧を持つＨＰＳ安定器では、最適な動作電圧もまたより高く、例えば、最大１１０Ｖまで高くすることができる。
本発明の範囲を制限するものではなく、以下の実施例は、改良した性能を持つセラミック容器を使用するランプの形成法を実証する。
［実施例１］
発光管が、図２に示された形状に従って、図４に示されるような３つの構成部品から形成される。２０．６％のＮａＩ、２．１％のＴｌＩ、１２．８％のＤｙＩ３ 、６．５％のＨｏＩ３ 、６．５％のＴｍＩ３ 、０．８％のＣｅＩ３ 、４８％のＣａＩ２ 、及び２．７％のＣｓＩを含む充填材が使用される。メタルハライド発光管には、少量のＫｒ８５を添加した、Ａｒより成る希ガスを補充填する。常温充填材圧力は１３０トルである。発光管は、外側真空ジャケット及び起こり得る発光管破裂を閉じ込めるための石英シュラウドを持つランプの中に組み込まれて、北アメリカの「パルス・アーク」安定器で作動される。発光管脚部幾何学的形状、リードワイヤ設計、シール・パラメータ、及び外側ジャケットは、試験する全てのランプについて同じであり、但し３２０Ｗのものは異なる電極を持つ。
［実施例１］
発光管が、図２に示された形状に従って、図４に示されるような３つの構成部品から形成される。２０．６％のＮａＩ、２．１％のＴｌＩ、１２．８％のＤｙＩ３ 、６．５％のＨｏＩ３ 、６．５％のＴｍＩ３ 、０．８％のＣｅＩ３ 、４８％のＣａＩ２ 、及び２．７％のＣｓＩを含む充填材が使用される。メタルハライド発光管には、少量のＫｒ８５を添加した、Ａｒより成る希ガスを補充填する。常温充填材圧力は１３０トルである。発光管は、外側真空ジャケット及び起こり得る発光管破裂を閉じ込めるための石英シュラウドを持つランプの中に組み込まれて、北アメリカの「パルス・アーク」安定器で作動される。発光管脚部幾何学的形状、リードワイヤ設計、シール・パラメータ、及び外側ジャケットは、試験する全てのランプについて同じであり、但し３２０Ｗのものは異なる電極を持つ。
上述したように形成したランプは、ランプ口金を最も上側に位置決めして（図３に例示されているように）垂直な向きで動作させる。表１乃至３は、ランプの特性及び動作中の特性を例示する。各データ点は、同じ発光管設計で作られた一群のランプの平均を表す。
一覧表にした試験の内、特に効果的な結果を生じると判明したのは試験番号９及び１２であった。
約３００〜４００Ｗの範囲内でのランプ動作の場合、次の関係式が適用されると判明した。すなわち、
ＰＦ＝０．９８７５＋０．０４３１＊Ｌ／Ｄ＋０．００４４＊ＷＬ
−０．０００５２＊ＨＷ−０．００１１＊ＶＯＰ
Ｅｆｆ＝１０７．５７−８．４６４＊Ｌ／Ｄ−８３．７＊ＷＬ
−０．１６９＊ＨＷ＋０．１６７＊ＶＯＰ
Ｒａ＝７５．３６５−０．４４０１＊Ｌ／Ｄ＋６４．７＊ＷＬ
＋０．１０２９＊ＨＷ＋０．００５８＊ＶＯＰ
ここで、ＰＦは、動作電力を電流×電圧の積で割ったものとして定義される発光管力率である。パルス・アーク安定器で動作するための最適な力率は公称０．９１であるが、実用上、ＲＦはそれより僅かに低い値、例えば、０．８７又はそれ以上に、一実施形態では、０．８８以上にしてもよいことが分かった。Ｅｆｆはルーメン／ワットで表されるランプ効率であり、最適な性能のためには最大に、すなわち、１００ルーメン／ワット又はそれ以上に近づくようにする。Ｒａは演色評価数であり、最適な性能のためには、これもまた最大に、すなわち、できる限り１００に近くなるようにする。ここで、３つの特性ＲＦ、Ｒａ及びＥｆｆの全ての最適化は、１つを最適化すると他の２つの内の１つ以上が最適にならない傾向があるので、一般に可能ではないことが理解されよう。それ故、ランプの全体的な最適化は、これらの３つの因子のバランスを取ることを必要とする。
ＰＦ＝０．９８７５＋０．０４３１＊Ｌ／Ｄ＋０．００４４＊ＷＬ
−０．０００５２＊ＨＷ−０．００１１＊ＶＯＰ
Ｅｆｆ＝１０７．５７−８．４６４＊Ｌ／Ｄ−８３．７＊ＷＬ
−０．１６９＊ＨＷ＋０．１６７＊ＶＯＰ
Ｒａ＝７５．３６５−０．４４０１＊Ｌ／Ｄ＋６４．７＊ＷＬ
＋０．１０２９＊ＨＷ＋０．００５８＊ＶＯＰ
ここで、ＰＦは、動作電力を電流×電圧の積で割ったものとして定義される発光管力率である。パルス・アーク安定器で動作するための最適な力率は公称０．９１であるが、実用上、ＲＦはそれより僅かに低い値、例えば、０．８７又はそれ以上に、一実施形態では、０．８８以上にしてもよいことが分かった。Ｅｆｆはルーメン／ワットで表されるランプ効率であり、最適な性能のためには最大に、すなわち、１００ルーメン／ワット又はそれ以上に近づくようにする。Ｒａは演色評価数であり、最適な性能のためには、これもまた最大に、すなわち、できる限り１００に近くなるようにする。ここで、３つの特性ＲＦ、Ｒａ及びＥｆｆの全ての最適化は、１つを最適化すると他の２つの内の１つ以上が最適にならない傾向があるので、一般に可能ではないことが理解されよう。それ故、ランプの全体的な最適化は、これらの３つの因子のバランスを取ることを必要とする。
例えば、最大のＥｆｆは、Ｒａ≧９１及びＰＦ＝０．９１＊１３５／ＶＯＰと云う制約の下でＬ／Ｄの関数として見出された（図６参照）。後者の制約は、（使用される特定の安定器についての）公称値からの力率の低下分が、電力を公称値付近に保つように電圧を公称値よりも増大させることによって補償されることを保証する。最大のＥｆｆは常に限界値Ｒａ＝９１において得られることが分かった。これは発光管設計において避けられない二律背反の一例である。算出されたデータが図５に示されており、この特定の用途にについての最適化された値が長方形の枠の中に示してある。最大のＥｆｆがＬ／Ｄ＝１．６５において見出された。その値より低くする方策は拒絶される。その理由は、それらがＶＯＰ＞１４０Ｖ（特定の場合における安定器互換性のための安全な実用的な上限）であることを必要とするからである。もし安定器がより高い電圧で動作可能であれば、これは増大させることができる。この例で述べられた用途にとって最適値は、ＨＷ＝４５ｍｇ及びＷＬ＝０．１７Ｗ／ｍｍ２ において得られた。実用的な設計は、発光管の直径が離散的な設定値でのみ利用できることが多いので、この理論的な最適値から幾分ずれることがある。
［実施例２］
発光管が、実施例１の場合と同様に、図２に示された形状に従って、図４に示されるような３つの構成部品から形成される。充填材は、重量で、３５．３％のＮａＩ、４．９％のＴｌＩ、６．３％のＤｙＩ３ 、３．２％のＨｏＩ３ 、３．２％のＴｍＩ３ 、４１．６％のＣａＩ２ 、及び５．５％のＣｓＩを有する。メタルハライド発光管には、少量のＫｒ８５を添加した、Ａｒより成る希ガスを補充填する。常温充填材圧力は１３０トルである。発光管は、外側真空ジャケットを持つランプの中に組み込まれて、ＨＰＳ安定器で作動される。発光管脚部幾何学的形状、リードワイヤ設計、シール・パラメータ、及び外側ジャケットは、試験する全てのランプについて同じである。電極の設計に対する小さな変更により、異なる電力負荷における異なるアーク電流に対処する。
［実施例２］
発光管が、実施例１の場合と同様に、図２に示された形状に従って、図４に示されるような３つの構成部品から形成される。充填材は、重量で、３５．３％のＮａＩ、４．９％のＴｌＩ、６．３％のＤｙＩ３ 、３．２％のＨｏＩ３ 、３．２％のＴｍＩ３ 、４１．６％のＣａＩ２ 、及び５．５％のＣｓＩを有する。メタルハライド発光管には、少量のＫｒ８５を添加した、Ａｒより成る希ガスを補充填する。常温充填材圧力は１３０トルである。発光管は、外側真空ジャケットを持つランプの中に組み込まれて、ＨＰＳ安定器で作動される。発光管脚部幾何学的形状、リードワイヤ設計、シール・パラメータ、及び外側ジャケットは、試験する全てのランプについて同じである。電極の設計に対する小さな変更により、異なる電力負荷における異なるアーク電流に対処する。
上述したように形成したランプは、ランプ口金を最も上側に位置決めして（図３に例示されているように）垂直な向きＶＢＵ、又は（図２に例示されているように）水平な向きＨＯＲのいずれかで動作させる。表３は、ランプの特性及び動作中の特性を例示する。各データ点は、同じ発光管設計で作られた一群のランプの平均を表す。
ハロゲン化物組成はＨＰＳ安定器でＲａ＞８０、Ｅｆｆ＞９０ルーメン／Ｗ及び約３０００ＫのＣＣＴを達成するのに適している。試験番号４１、４２、５１及び５２がこの例で使用される条件で特に効果的であることが判明した。
充分なデータによって、ＰＡ安定器データについて前に示したものと同様に、ＨＰＳ安定器設計データについての回帰分析を行うことができる。
本発明を好ましい実施形態について説明した。上記の詳しい説明を読んで理解すれば修正や変更を行えることは明らかである。本発明はこのような全ての修正及び変更を含むものとして解釈されるべきである。
１０ メタルハライド放電ランプ
１２ 発光管
１４ 壁
１６ 放電空間
１８、２０ 電極
２２、２４ 端部
２６、２８ 導体
３０ 外側バルブ
３２ ランプ口金
３４ 電力源
３６ 安定器
４０ 本体部分
４２、４４ 端部分
４６、４８ 端壁部分
５０、５２ 脚部分
５４、５６ 内部壁面
５８、６０ 外部端壁面
６２、６４ 開口
６６、６８ 中孔
７０、７２ リードワイヤ
８０、８２ シール
９０ 隅肉
１００ 内部隅部
１２０、１２４ プラグ部材
１２２ 本体部材
１２６ 脚部部材
１２８ 端壁部材
１３０、１３２ フランジ
１３４ 厚さを増大した部分
１３６ テーパ
１２ 発光管
１４ 壁
１６ 放電空間
１８、２０ 電極
２２、２４ 端部
２６、２８ 導体
３０ 外側バルブ
３２ ランプ口金
３４ 電力源
３６ 安定器
４０ 本体部分
４２、４４ 端部分
４６、４８ 端壁部分
５０、５２ 脚部分
５４、５６ 内部壁面
５８、６０ 外部端壁面
６２、６４ 開口
６６、６８ 中孔
７０、７２ リードワイヤ
８０、８２ シール
９０ 隅肉
１００ 内部隅部
１２０、１２４ プラグ部材
１２２ 本体部材
１２６ 脚部部材
１２８ 端壁部材
１３０、１３２ フランジ
１３４ 厚さを増大した部分
１３６ テーパ
Claims (10)
- 安定器（３６）と、該安定器に電気接続されたランプ（１０）とを有する照明アセンブリにおいて、
前記安定器は、ランプが２００Ｗ以上の電力で動作するように選択されており、また前記ランプは、Ｈｇと、Ｎａ、Ｔｌ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｃｅ、Ｃｓ及びＣａの内の少なくとも１つ以上のヨウ化物と、Ａｒ及びＸｅから選択された少なくとも一種類の不活性ガスとを含んでいるイオン化可能な物質より成る充填材を収容するセラミックで形成された放電容器（１２）を含んでおり、
前記放電容器は、
内部空間を規定する本体部分（４０）であって、前記放電容器の中心軸に平行に測った内部長さ及び該内部長さに直角に測った内径を持ち、前記内部長さと前記内径との比が１．６〜１．８の範囲内にある、本体部分（４０）と、
電流が印加されたときに前記充填材を付勢するように前記放電容器内に位置決めされている少なくとも１つの電極（１８，２０）と
を含んでいること、
を特徴とする照明アセンブリ。 - 前記本体はほぼ円筒形である、請求項１記載の照明アセンブリ。
- 前記ランプが少なくとも２００Ｗの電力で動作する、請求項１記載の照明アセンブリ。
- 前記放電容器の前記本体部分は０．２０Ｗ／ｍｍ2未満の管壁負荷を持つ、請求項１記載の照明アセンブリ。
- 前記本体部分は１．１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内の壁厚さを持つ、請求項１記載の照明アセンブリ。
- 前記充填材の常温充填材圧力が１００〜２００トルである、請求項１記載の照明アセンブリ。
- 前記本体部分は、ほぼ円筒形の壁と、該円筒形の壁の両端に接続された２つの相隔たる端壁とを含み、前記端壁は前記中心軸に大体直角に延在している、請求項１記載の照明アセンブリ。
- 前記放電容器は更に、前記端壁の少なくとも一方から延在する少なくとも１つの脚部分（５０，５２）を含み、該脚部分はその中に少なくとも部分的に少なくとも１つの電極を支持している、請求項７記載の照明アセンブリ。
- 前記脚部分及び前記端壁は前記放電容器の外面上でのそれらの交差部で隅肉を形成している、請求項８記載の照明アセンブリ。
- 前記端壁は、縁部にテーパ（１３６）を持つフランジ（１３０）を含み、前記テーパ（１３６）の外側の縁が前記本体部分の内側と接触する、請求項９記載の照明アセンブリ。
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