JP5281151B2

JP5281151B2 - 複合ｈｉｄ電気アーク管

Info

Publication number: JP5281151B2
Application number: JP2011507771A
Authority: JP
Inventors: ゾンリー・チェン
Original assignee: ジャンス・ハオマイ・ライティング・サイエンス・アンド・テクノロジー・カンパニー・リミテッド
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: EP2284861A1; KR20110021846A; JP2011520225A; KR101430289B1; EP2284861A4; EP2284861B1; WO2009135345A1

Description

本発明は、照明装置に使用される発光管に関し、特に高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに使用される複合ＨＩＤ発光管に関する。

石英は大気圧の約２００〜３００倍の高圧に耐えることができる一方で、石英からなる発光管は封止またはシールが容易であるため、通常はＨＩＤ発光管の材料として石英が選択される。しかし、石英材料は以下のような明らかな欠点も有する。すなわち、一方で、石英発光管は、高圧縮気体を内部チャンバに吹き込みながら外型を内部チャンバに対してプレスすることで高温のホットメルトを成形して形成されるため、石英発光管の内部チャンバの寸法は制御不可能な公差を有し、他方で、石英発光管が高温で動作する場合、演色性は発光効率及び安定性の低下とともに劣化し、ランプにおけるナトリウムの損失は深刻なものである。

近年、石英発光管、特に展示照明用の低電力ランプは、光色の一致性及び安定性を著しく向上させるために、多結晶アルミナ（ＰＣＡ）セラミック発光管に代わっている。石英発光管がセラミック発光管に代わることで、メタルハライドランプ（ＭＨ）の色一致性が向上する。その理由の１つは、セラミック発光管に使用される基体が、常温で成形またはグラウト成形によって形作られるために寸法を容易に制御できることであり、別の理由は、セラミック発光管が管壁の動作温度を上昇させるためである。その結果、管壁の温度が高い場合に、管壁の温度に対する相関色温度の曲線において最小値を観測することができる。セラミック発光管は、対応する色温度最小値前後の領域における動作に適合し（一方で、石英発光管では、このような最小値領域は石英ガラスの適当な耐動作温度より高い）、特に充填剤がナトリウム及び希土類元素のハロゲン化物である場合、動作温度がより高いことによってランプの演色性がより優れ（Ｒａ＞８０）、発光効率がより高くなる（９０ｌｍ・Ｗ^−１）。多結晶アルミナの構成の別の利点は寿命であり、ランプ内のナトリウムの損失が大幅に減少し、石英発光管を使用した従来のメタルハライドランプよりも演色性が安定する。

中国特許第９８１１５６５８．４号明細書には、ＰＣＡシェルのシェル構造であり、特別に設計された軸方向に剥離されたアルミニウム酸化物‐金属セラミックの多層構造を有する高輝度放電ランプのセラミックシェル部材が開示されている。複数の要素がそこに設けられた端子は、特定の熱膨張係数を維持しつつ、いかなるシーリング材料も使用せずに対応するフィードスルーワイヤに最後の要素が直接焼結されている。しかし、実際には、ランプの溶融金属ハロゲン化物及び蒸気に起因する高い動作温度及び激しい腐食に起因して、このようなシーリング方法は長期的に信頼できるシーリング及び長い寿命を提供することができない。

米国特許第６，３１３，５８２号明細書には、放電管が透光性セラミックからなり、管のシーリング部分は、Ｄｙ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系シーリング材料によって末端が封止されたセラミックランプが開示されている。実際には、ＰＣＡ自体の耐圧性が低いため（大気圧の約３〜５倍にしか耐えられない）、このようなセラミックからなる放電管の電極を封止するのは非常に困難である。現状の排気装置では、金属ハロゲン化物の球を充填し、水銀を注入し、さまざまな不活性ガスをアークに送り込み、はんだガラスを充填することによって電極のアウターリードとセラミック材料との間にガスを密閉保持することは容易ではない。放電管を製造する最終段階は頻繁に失敗するため、それまでの全ての段階が無駄になり、発光管の収量に深刻な影響を及ぼすため、価格を下げることができない。さらに、アークにおける技術は１５０Ｗ以下の出力の発光管を可能にするが、２５０Ｗ以上数ＫＷ以下の高出力の発光管は未だ商業的に応用できない。従って、このようなランプを製造する高度な技術は広く使用されていない。

上記の特許文献の技術的解決法を、参照としてにここに組み込む。

中国特許第９８１１５６５８．４号明細書米国特許第６，３１３，５８２号明細書

従って、石英材料及び透光性多結晶アルミナの利点及び欠点ならびにシーリングに関する問題に対して、本発明は、これらの２つの材料の利点を組み合わせ、これらの２つの材料のそれぞれの欠点を補う新たな発光管を提案する。

本発明の目的は、透光性多結晶アルミナ層が石英ガラスまたはバイコール石英ガラスをブロー成形することによって製造された発光管上に適用され、発光管が高温で加熱及び成形されて、溶融石英ガラス及び透光性多結晶アルミナまたはバイコール石英ガラス及び透光性多結晶アルミナからなる複合ＨＩＤ発光管を形成することを特徴とする複合ＨＩＤ発光管を提供することにある。このような複合ＨＩＤ発光管は、封止またはシールの容易性及び高い作動圧力への耐性を含む石英ガラスの利点を維持しつつ、透光性多結晶アルミナがグラウト成形により内部ケーシング上に適用され、発光管の内部チャンバの寸法が精密に制御されるため、発光管の内壁の作動温度が上昇し、ナトリウムの浸透が効果的に防止できる。このような複合ＨＩＤ発光管を使用することによって、通常の多結晶アルミナからなるセラミックメタルハライドランプよりランプ内の膨張圧を２０％〜５０％増加させることができる。従って、発光効率を約２５％向上させることができ、特に、このような複合ＨＩＤ発光管は超高圧水銀放電ランプ（ＵＨＰ）のような光源の発光管の製造に採用して、内壁の高すぎる温度によって引き起こされる内壁の再結晶及び失透に起因して、ＵＨＰの石英ガラス発光管の耐圧性が低下するという問題を効果的に克服することができる。

本発明による複合ＨＩＤ発光管は、放電管と２つの外側に延伸する管とを備え、
前記放電管が、溶融石英ガラスまたはバイコール石英ガラスをブロー成形し、アウターシェル上に透光性多結晶アルミナ層を適用することによって製造されたアウターシェルの形状を成す複合二層シェルであり、
前記外側に延伸する管が、溶融石英ガラスまたはバイコール石英ガラスからなり、多結晶アルミナ層が前記外側に延伸する管のアークチャンバに近接する両端に適用されていることを特徴とする。

本発明の１態様によると、上記の複合ＨＩＤ発光管において、放電管のアークチャンバはオリーブまたは楕円の形状である。

本発明の別の態様によると、上記の複合ＨＩＤ発光管において、アークチャンバの内壁及び外側に延伸する管のアークチャンバに近接する３〜８ｍｍの長さを有する部位の内壁に、０．２〜０．５ｍｍの厚さを有する透光性多結晶アルミナ層が均一に適用されている。

本発明の別の態様によると、上記の複合ＨＩＤ発光管において、外側に延伸する管の各々に２つの異なるシーリング方法が使用される。

本発明のさらに別の態様によると、上記の複合ＨＩＤ発光管において、前記外側に延伸する管の多結晶アルミナ層が適用された領域をシールするためにＡｌ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２の混合物からなるガラスはんだが使用され、石英ガラスからなる前記外側に延伸する管の領域は、炭‐酸素燃焼によって加熱され、加圧下でシールされる。

さらに、本発明の複合ＨＩＤ発光管において、多結晶アルミナ層は以下の段階によって適用される。耐熱シリカゲルからなる挿入体を放電管のアークチャンバ及び外側に延伸する管に挿入し、シリカゲルからなる挿入体が精緻な内層となるように所定の圧力下の空気を注入し、高純度アルミナ酸化物粉末、少量の接着剤、粒生成阻害剤、及び可塑剤を均一に混合することによって得られるセラミック粉末スラリが内層とアウターシェルとの間の隙間に注入し、グラウト及び成形後、室温で硬化させた後に型を取り外し、次いで５００℃〜６００℃の低温で圧力下で加熱し、１０００℃の中温で予備加熱し、その後、石英ガラス１１が高温の下で変形しないように微細アルミナ酸化物の外型及び内層用スリーブを適用し、真空化、１８００℃で３〜４時間焼成した後、すぐに製品を高温炉から取り出し、強風で冷却する。

従来技術と比較して、本発明の効果は有益であり公理的である。特に、低い耐高温性、石英ガラスの容易なナトリウム損失、低い耐圧性、並びに多結晶アルミナのシーリング性の低さと比較して、本発明の複合ＨＩＤ発光管は、成形の容易性、シールの容易性、優れた耐圧性、及び高い作動圧力を有する石英ガラスの利点を維持し、寸法の規格化、耐高温性、及び優れたナトリウム浸透耐性を有する多結晶アルミナ（ＰＣＡ）アークチャンバの利点も有する。従って、本発明の複合ＨＩＤ発光管は作動圧力及び作動温度を高め、電極表面上の液状シリコン膜に起因するナトリウム浸透及び変形を防止し、ＨＩＤ、特にＭＨランプの演色性及び発光効率を向上させ、ランプの寿命を延長させる。

本発明の目的、特徴、及び利点は、実施形態及び関連する図面を用いて詳細に説明される。

本発明の複合ＨＩＤ発光管の概略図である。

図面を参照して以下で本発明を詳細に説明する。

図１に示されているように、本発明の複合ＨＩＤ発光管は、放電管１と、電極２と、モリブデンリード３と、モリブデン箔４と、モリブデンアウターリード５とを備え、電極２は放電管１のアークチャンバ１３内に配置されており、モリブデンリード３、モリブデン箔４及びモリブデンアウターリード５は電極２に連続して接続されており、該電極は放電管１の２つの端部に外側に向かって延伸する２つの管１４内にそれぞれ配置されている。放電管のアウターシェルは、ブロー成形された溶融石英ガラスまたはバイコール石英ガラス１１からなり、アウターシェル上に透光性多結晶アルミナ層１２を適用して複合２層シェルが形成される。放電管１のアークチャンバ１３の両側の各々には、長くて薄い外側に延伸する管１４が設けられており、透光性多結晶アルミナ層１２は、外側に延伸する管１４のアークチャンバ１３に近接する一端上にも適用されている。電極２、モリブデンリード３、モリブデン箔４、及びモリブデンアウターリード５は、アークチャンバ１３から離れる方向に連続して配置されている。モリブデンリードに対応する外側に延伸する管１４の領域は、多結晶アルミナ１２が適用された領域であり、主にＡｌ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２の混合物からなるガラスはんだ１５がシーリングのために使用される。モリブデン箔４に対応する外側に延伸する管１４の領域は、炭‐酸素燃焼によって加熱され、加圧下でシールされた石英ガラス１１からなる炭層ガラス管の領域である。放電管１は、ランプの種類に応じて、さまざまな種の金属ハロゲン化物、水銀またはその代替物、高純度アルゴン、アルゴン及びネオンの混合ガス、またはキセノンで充填することができる。

さらには、本発明の複合ＨＩＤ発光管において、放電管１のアークチャンバ１３はオリーブまたは楕円の形状であり、アークチャンバ１３及び外側に延伸する管１４のアークチャンバ１３に近接する３〜８ｍｍの長さの部分の内壁には、透光性多結晶アルミナ１２の層が均一に適用され、該層は０．２〜０．５ｍｍの厚さを有する。

また、本発明の複合ＨＩＤ発光管において、電極２は第１部位及び第２部位が部位によって別々にシールされた部位となるようにシールされる。

さらに、本発明の複合ＨＩＤ発光管において、放電管１のアークチャンバ１３の内壁及び外側に延伸する管１４のアークチャンバ１３に近接する３〜８ｍｍの長さの部分の内壁には、透光性多結晶アルミナ層１２が均一に適用されている。透光性多結晶アルミナ１２を適用する間に、耐熱シリカゲルからなる挿入体が放電管のアークチャンバ１３及び外側に延伸する管１４に挿入され、シリカゲルからなる挿入体が精緻な内層となるように所定の圧力下の空気が注入され、内層と放電管１の溶融石英ガラスまたはバイコール石英ガラスシェル１１との間の隙間にセラミック粉末スラリが注入される。該セラミック粉末スラリは、高純度アルミナ酸化物粉末、少量の接着剤、粒生成阻害剤、及び可塑剤を均一に混合することによって得られる。

さらに、本発明の複合ＨＩＤ発光管において、アークチャンバ１３の内壁及び外側に延伸する管１４のアークチャンバ１３に近接する３〜８ｍｍの長さの部分の内壁には、透光性多結晶アルミナ層１２が均一に適用されている。注入及び成形の後、室温で硬化させた後に型を取り外し、次いで５００℃〜６００℃の低温で圧力下で加熱し、１０００℃の中温で予備加熱し、その後、石英ガラス１１が高温の下で変形しないように微細アルミナ酸化物の外型及び内層用スリーブを適用する。石英ガラスシェル１１が失透するのを防ぐために、真空化、１８００℃で３〜４時間焼成した後、すぐに製品を高温炉から取り出し、強風で冷却する。

さらに、本発明の複合ＨＩＤ発光管において、第１部位及び第２部位が部位によって別々にシールされるように電極２がシールされる。両方の外側に延伸する管１４の１つの部位は、約３〜８ｍｍの長さを有しアークチャンバ１３の一端に近接する第１部位として設計され、両方の外側に延伸する管１４の別の部位は、約１０〜２０ｍｍの長さを有し該第１部位から外側に延伸する第２部位として設計される。アークチャンバ１３の内壁と同様に、外側に延伸する管１４の第１部位の内壁にもまた透光性多結晶アルミナ層１２が適用され、主にＡｌ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２の混合物からなるガラスはんだ１５によってシールされている。第２部位は、石英ガラスまたは改良された石英ガラス１１、例えばバイコール石英ガラスまたはモリブデン耐性ガラスであり、１００〜２００ａｔｍなど超高圧下でのランプの気密性を強化するために、モリブデン箔４を使用して補完的な方法でシールされるかまたは、直接モリブデンバーを使用して非補完的な方法でシールされる。

図１に示す実施例では、放電管１は楕円形発光管シェル１１を使用することが好ましく、該発光管シェルはブロー成形によって製造される１０ｐｐｍ以下のヒドロキシル基を含有する高純度石英ガラスである。楕円形発光管シェル１１の最大径φは１８．５ｍｍであり、楕円形発光管シェル１１の壁の平均厚さは１．８ｍｍであり、楕円形発光管シェル１１の壁の最も薄い部分の厚さは１．５ｍｍ以上である。透光性多結晶アルミナ（ＰＣＡ）層１２が適用され、楕円形発光管シェル１１内で焼結される。透光性多結晶アルミナ層１２の平均厚さは０．２ｍｍであり、透光性多結晶アルミナ層１２の最も薄い部分の厚さは０．１５ｍｍ以上であり、透光性多結晶アルミナ層１２の最も厚い部分の厚さは０．２５ｍｍ以下である。電極２はトリウム及びタングステンの材料からなるため、優れた放射特性を有する。管壁の負荷Ｗが約２０Ｗ／ｃｍ^２、ランプの公称電力が１５０Ｗとなるように、ランプの金属ハロゲン化物充填剤として、ＳｃＩ３−ＣｅＩ３−ＩｎＩ３−ＴｌＩ−ＮａＩが選択される。

高周波矩形波電流及び電圧を採用し、定電力を出力する電子安定器とともにランプが使用される場合、試験結果は以下の通りである。初期発光効率は１１０ｌｍ／Ｗ以上であり、平均発光効率は９５ｌｍ／Ｗであり、演色評価数はＲａ≧８５であり、色温度は４２００Ｋであり、寿命は２０，０００時間である。石英スカンジウムナトリウムランプと比較した場合、ランプの寿命における色の一致性が大幅に向上する。

本発明の実施形態によると、電極を電気的に接続するためにモリブデンリードワイヤ及びモリブデン箔が使用されるが、本発明はモリブデンに限定されず、その他のいかなる適当な金属または合金を代わりに使用することができる。

本発明の発光管を使用して、通常ダブルエンドまたはシングルエンドのセラミックメタルハライドランプを製造することができる。ダブルエンドの場合、ランプのアウターシェルの両側には発光管の両側を接続する導電ワイヤが設けられ、ランプのアウターシェルの形状は円筒形または円錐であってよい。シングルエンドの場合、ランプのアウターシェル一側のみに導電ワイヤが設けられ、発光管の両側のリードがそこを通って外部に接続され、ランプのアウターシェルの形状は球形または楕円形であってよい。

前述の特許文献はすべて参照として全体がここに組み込まれる。本発明の原理及びその実施を、例示的実施例を用いて説明したが、前述の実施形態は本発明の方法及びその主要概念の理解を助けるために使用されるものである。本発明の範囲は、特定の実施例の特定の内容に限定されるものではない。当然ながら、当業者であれば、本発明の原理から逸脱することなく様々な発明の修正及び変形を行うことが可能であり、これらの修正及び変形も添付の特許請求の範囲によって限定される範囲に含まれる。

１放電管
２電極
３モリブデンリード
４モリブデン箔
５モリブデンアウターリード
１１石英ガラス
１２透光性多結晶アルミナ層
１３アークチャンバ
１４管
１５ガラスはんだ

Claims

放電管（１）と２つの外側に延伸する管（１４）とを備える複合ＨＩＤ発光管であって、
前記放電管が、溶融石英ガラスまたはバイコール石英ガラスをブロー成形し、アウターシェル上に透光性多結晶アルミナ層（１２）を適用することによって製造されたアウターシェルの形状を成す複合二層シェルであり、
前記外側に延伸する管が、溶融石英ガラスまたはバイコール石英ガラスからなり、アークチャンバの一端に近接する第１部位と、該第１部位から外側に延伸する第２部位とを含み、該第１部位および第２部位はシールされており、
多結晶アルミナ層が、第１部位におけるシーリング材と前記外側に延伸する管との間に適用されていることを特徴とする複合ＨＩＤ発光管。
前記発光管の内壁及び前記外側に延伸する管の前記アークチャンバに近接する３〜８ｍｍの長さを有する部位の内壁に、０．２〜０．５ｍｍの厚さを有する透光性多結晶アルミナ層が均一に適用されていることを特徴とする、請求項１に記載の複合ＨＩＤ発光管。
前記放電管の前記アークチャンバが、オリーブまたは楕円の形状である、請求項１または２に記載の複合ＨＩＤ発光管。
前記外側に延伸する管の各々に２つの異なるシーリング方法が使用された、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合ＨＩＤ発光管。