JP5380714B1 - 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
【解決手段】この高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、少なくとも水銀及び金属ハロゲン化物が封入された発光管を備え、前記発光管は、太管部及び該太管部の両端に形成された一対の細管部を有し、各々の該細管部の内部には電流導入体が通されており、前記細管部の内径Ｌ6に対する電流導入体の外径Ｌ4は、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にあり、前記細管部と前記電流導入体の間は、封止領域と非封止領域に分けられ、非封止領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にある。
【選択図】図５

Description

本発明は、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプに関する。

高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）は、電極間の放電を利用して発光するため、白熱電球と比べて、光束が大きく大規模な空間の照明に適し、エネルギー効率が良いといった種々の特徴を備えている。ＨＩＤランプにおいて、発光物質として水銀に加えて金属ハロゲン化物を採用したメタルハライドランプは、水銀ランプに比較して自然光に近く優れた演色性と、高い発光効率とを有している。

従来、メタルハライドランプの発光管として石英製発光管が使用されていた。最近では、これに代わって透光性セラミックス製発光管が使用されている。透光性セラミックス製発光管は、石英製発光管に比較して、耐熱性が良好であるため長寿命化が図れ、更に、発光管内に封入された金属ハロゲン化物との反応がすくないため、種々の金属ハロゲン化物を使用できる長所を有している。

WO 2006-088128「定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプ」（国際公開日：2006/08/24）出願人：株式会社ジーエス・ユアサコーポレーション 特開2002-110100「高圧放電ランプ、高圧放電ランプ点灯装置および照明装置」（公開日：2002.04.12）出願人：東芝ライテック株式会社 特開2008-027745「メタルハライドランプおよび照明装置」（公開日：2008.02.07）出願人：オスラム・メルコ・東芝ライティング株式会社 特開2009-283433「高圧放電ランプおよび照明装置」（公開日：2009.12.03）出願人：東芝ライテック株式会社 特開2010-218988「高圧放電ランプおよび照明装置」（公開日：2010.09.30）出願人：東芝ライテック株式会社。

（特許文献と本発明の対比）
特許文献１は、４５０Ｗ以上のセラミックハライドランプを対象にする。問題点として、アークが不安定によるちらつきを挙げている（段落0010）。これを解決するため、本管の内径Ｄ（ｍｍ）、電極突出長Ｌ（ｍｍ）、電極間距離Ｅ（ｍｍ）の関係を、Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）で表される管壁負荷Ｇ（ワット／ｃｍ^３）が１５≦Ｇ≦の範囲であるとともに、０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．００３×Ｗ＋０．４６５と規定している（クレーム１）。本発明は、発光効率の低下を問題点とし、細管部内部における空隙を二次元及び三次元で規定している点で、特許文献１とは異なる。

特許文献２は、極隙間の幅寸法を絶対値で規定している（段落0041）。本発明は、発光効率の低下を問題点とし、細管部内部における空隙を二次元及び三次元で規定している点で、特許文献２とは異なる。

特許文献３は、定格ランプ電力４００Ｗを対象とし（段落0091）、本発明とは対象が異なる。特許文献４は、定格ランプ電力１００Ｗ以下を対象とし（段落0022,0024）、本発明とは対象が異なる。特許文献５は、定格ランプ電力１００Ｗを対象とし（段落0033）、本発明とは対象が異なる。

従来、セラミックメタルハライドランプは、１００〜３００Ｗクラスの低及び中ワットのランプが主流であった。このような状況の中で、本発明者等は、更に光束が大きく大規模な空間の照明に適した５００Ｗ以上の高ワットのランプの開発を目指している。
しかし、高ワットのセラミックメタルハライドランプでは、何らかの原因により発光効率が低下する現象が発生した。この発光効率の低下は、従来の低及び中ワットのランプでは見られなかった現象である。
そこで、発光効率低下の原因を突きとめこれを解決して、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実現が望まれていた。

従って、本発明は、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。

上記目的に鑑みて、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプは、高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプであって、少なくとも水銀及び金属ハロゲン化物が封入された発光管を備え、前記発光管は、太管部及び該太管部の両端に形成された一対の細管部を有し、各々の該細管部の内部には電流導入体が通されており、前記細管部の内径Ｌ6に対する電流導入体の外径Ｌ14は、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にあり、前記細管部と前記電流導入体の間は、封止領域と非封止領域に分けられ、非封止領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にある。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記メタルハライドランプは、定格ランプ電力が５００〜１０００Ｗの範囲にあってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記電流導入体は、金属製の棒状体の周囲に金属製コイルが巻き付けられたコイル棒であってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記細管部の内径は、２〜３ｍｍの範囲であってよい。

更に、上記高ワットタイプのメタルハライドランプでは、前記発光管に封入された水銀は最大１００ｍｇであり、希土類金属ハロゲン化物は最大１２ｍｇであってよい。

本発明によれば、高い発光効率を維持する高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを提供することが出来る。

図１は、本実施形態に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプを示す図である。 図２Ａは、発光管全体を説明する図である。 図２Ｂは、図２Ａにおいて破線の矩形で囲んだ細管部の拡大図である。 図３は、図２ＢのIII−III方向断面図である。 図４は、図２Ｂに示す細管部の拡大図である。 図５は、表１を図示したグラフである。 図６Ａは、本実施形態に係る発光管の形状の代表例を示す図であり、図２Ａに対応している。 図本実施形態に係る発光管の形状の代表例を示す図であり、図２Ｂに対応している。

以下、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実施形態について、添附の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ符号を付与して、重複した説明を省略する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であって、本発明の範囲を何等限定するものではないことを承知されたい。

［高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプ］
図１は、本実施形態に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの構造を説明する図である。高ワットタイプとは、５００〜１０００Ｗクラスのランプであり、代表的には７００Ｗクラスのランプである。ランプ１０は、外球２の内部に、発光部となる発光管６を内封し、発光管６の周囲を内管（「スリーブ」ともいう。）８が取り囲んでいる。外球２の端部には、Ｅ形口金１２が接合されている。発光管６は、金属の線材や板を組み合わせた構造物に内管８を取り付けたマウント１４により、所定の位置に支持され、給電される。

これらの各要素について簡単に説明する。
発光管６に関しては、後で、図２及び図３に関連して詳しく説明する。

マウント１４は、一対の導入線が気密封着されたステム管１６と、概して逆Ｕ字形に整形された支柱１８とを主要部品として構成されている。

内管８は、透明石英ガラス管から成り、発光管６が破裂したときに外球２の損傷を防止するために発光管の周囲を囲むように配設されている。内管８には、その機械的強度を補強するため、周囲にワイヤ２０が螺旋状に巻かれている。

外球２は、例えば、ホウケイ酸ガラス等の透光性の硬質ガラスからなる。外球２は、最大口径の中央部２ａ、図で見て上部側の閉塞されたトップ部２ｂ及び下部側のネック部２ｃを有するＢＴ形をなしている。ネック部２ｃには、ステム管１６のフレア部が封止された封止部（図示せず。）がある。封止後、ステム管１６に設けられた排気管（図示せず。）を通じて外球内は排気され、アルゴン（Ａｒ），窒素（Ｎ₂）等の不活性ガスが封入され、或いは真空にした気密雰囲気となっている。

この封止部を覆って、ねじ込み形口金１２が、耐熱性の接着剤を用いて接合され、或いはモールドにより形成された螺旋状のねじ溝に螺合されている。

図１に示すランプは、口金１２をソケット（図示せず。）に装着して、電源から所定の点灯回路装置（図示せず。）を介して通電され、発光管６の内部にある主電極間の放電により安定した点灯が持続される。

［発光管］
（発光管の構造）
図２Ａ及び図２Ｂは、発光管６の詳細を説明する図であり、ここで、図２Ａは、発光管全体を説明する図であり、図２Ｂは、図２Ａにおいて破線の矩形で囲んだ細管部６ｂの拡大図である。図２Ａに示すように、発光管６は、中央の略回転楕円形状の太管部（「発光部」ともいう。）６ａ及び両端の細管部（「キャピラリー」ともいう。）６ｂ，６ｃが一体に形成された透光性セラミックス製の容器である。尚、発光管６の形状は、これに限られず、円筒形状等の太管部６ａの両端に、太管部とは別の部材から成る細管部６ｂ，６ｃを夫々形成したものでもよい。

左右の細管部６ｂ、６ｃは同じ構造であり、これら細管部を、１対のリード線２２−１，２２−２が夫々通って太管部６ａの領域まで延びて、１対のタングステン（Ｗ）製の主電極２４−１，２４−２を形成している。太管部６ａの容器内には、発光及び放電媒体として、例えば、最大１００ｍｇ（好ましくは、約８５ｍｇ）の水銀と、最大１２ｍｇ（好ましくは、約７ｍｇ）の希土類金属ハロゲン化物を含む金属ハロゲン化物と、希ガスとして所定圧力のアルゴン（Ａｒ）等とが封入され、発光効率、演色性，色温度等の特性の向上が図られている。

図２Ｂに示すように、太管部６ａに繋がる細管部６ｂの先端から、発光管の軸線に沿って、リード線２２−１が挿入され、これがサーメット（モリブデンとアルミナの合金）２６に繋がり、更に金属製コイル棒（「電流導入体」ともいう。）３０に繋がり、その先にタングステン電極棒２４−１が形成されており、サーメットにはニオブ性ストッパ部材３２が溶接されている。このように主電極２４−１、電流導入体３０，サーメット２６、リード線２２−１、ニオブ製ストッパ部材３２を一体的に接続したものを電極マウンドと呼ぶ。

金属製コイル棒３０は、代表的には、芯棒となるモリブデン製の棒状体３０−１の周囲にモリブデン製コイル３０−２が巻き付けられて形成されている。しかし、これに限定されない。例えば、金属製コイル棒３０は、タングステン（Ｗ）若しくはその他の金属又はモリブデン、タングステン、その他の金属の組み合わせ又は合金から形成してもよい。細管部６ｂの内部の先端部分は、ガラスフリット（シール材）２８によって封止され、更にリード線２２−１に通されたセラミックス製リング部材３４により補強されている。

ランプ製造時には、この電極マウントをニオブ製ストッパ部材３２が細管部６ｂの先端部に引っ掛かるように細管部６ｂに挿入し、細管部端部にガラスフリット２８及びセラミックス製リング部材３４を載せる。この状態で、細管部端部の周囲をヒータ（図示せず。）で加熱してガラスフリットを溶融する。溶融したガラスフリットは、細管部の内部に毛細管現象により浸透して固化し、発光管６の内部を外部から封止する。細管部６ｃも細管部６ｂと同様の構造である。

（発光効率低下の原因と対策）
図３は、図２ＢのIII−III方向断面図である。なお、図面の参照符号に関しては、適時、図４及び図６を参照されたい。細管部６ｂの内部にモリブデンコイル棒３０が挿入されている。モリブデンコイル棒３０を形成するモリブデン棒状体３０−１の周囲にモリブデンコイル３０−２がある。

金属ハロゲン化物は、発光管製作時には固体状態（粉末，ペレット等）で太管部６ａの内部に封入される。ランプ点灯中、発光管の内部は高温・高圧状態になるため、金属ハロゲン化物は液体と気体の混合状態となる。メタルハライドランプでは、気化された金属ハロゲン化物が、僅かではあるが細管部先端に向かって細管部内部の空隙に浸透し、比較的低温のモリブデンコイル棒３０付近に液化されて集積する傾向がある。この液化された金属ハロゲン化物が、細管部６ｂ，６ｃを形成する多結晶アルミナを浸食する。

この対策として、発光管の細管部６ｂとモリブデンコイル棒３０との隙間は、断面で見て、即ち二次元的に非常に小さくし、細管部内部の隙間は非常に狭い状態にしてある。更に、モリブデンコイル棒３０は、太管部の熱の伝達を減少し、且つ金属ハロゲン化物の侵入を阻止するため、棒状体３０−１の周囲にコイル３０−２を巻き付けた構造を採用している。

従来の低及び中ワットのランプでは、一般に、細管部の内径Ｌ6に対してモリブデンコイル棒３０の外径Ｌ14は、Ｌ14／Ｌ6＝０．９０〜０．９５としていた。Ｌ14／Ｌ6の比を小さくして細管部内部の隙間を大きくすると、製造時に細管部にモリブデンコイル棒３０を挿入しやすい等の利点がある反面、金属ハロゲン化物の侵入を招きやすい。反対に、Ｌ14／Ｌ6の比を大きくして細管部内部の隙間を小さくすると、ランプ点灯時に太管部からの熱で加熱され熱膨張したモリブデンコイル棒３０が細管部６ｂの内壁に接触し、これを損傷する。例えば、低及び中ワットのランプでは、内径Ｌ6＝１．２８ｍｍの細管部の中に、外径１．２ｍｍのモリブデンコイル棒を挿入している。Ｌ14／Ｌ6＝０．９３８である。

高ワットタイプのランプの設計では、発光管６に流す電流が大きくなるためモリブデンコイル棒３０を太くする必要があり、これを収納する細管部６ｂ，６ｃの内部空間も太くしなければならない。当初、必要とする電流容量からモリブデンコイル棒３０の太さを決定し、低及び中ワットのランプと同じＬ14／Ｌ6の比から細管部の内径Ｌ6を定めていた。

しかし、前述した通り、高ワットのセラミックメタルハライドランプでは、何らかの原因により発光効率が低下する現象が発生した。この発光効率の低下は、従来の低及び中ワットのランプでは見られなかった現象である。高ワットタイプのメタルハライドランプに関しては、低及び中ワットのランプと同じＬ14／Ｌ6の比では、細管部内部の空隙に金属ハロゲン化物が侵入し、発光効率を大きく低下させることが疑われた。

そこで、本発明者等は、金属ハロゲン化物が細管部内部の空隙に浸透するのを防止するため、次の２つの方策を講じた。

第１の方策として、二次元的に図３に示す細管部断面で見て、細管部内径に対してモリブデンコイル棒３０の外径を出来るだけ大きくして、隙間を狭くして、金属ハロゲン化物の侵入を阻止する。
そのため、細管部の内径Ｌ6に対するモリブデンコイル棒３０の外径Ｌ14を、少なくとも低及び中ワットのランプにおけるＬ14／Ｌ6＝０．９０〜０．９５を超える０．９６以上とした。ランプ点灯時のモリブデンコイル棒３０の熱膨張を考慮すると、０．９８以下であることが必要である。従って、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲とした。

第２の方策として、三次元的に細管部内部の空隙（細管部内部の空間からモリブデンコイル棒が占める空間を除いた残余の空間）を小さくし、添加物の侵入に供される空間を減少する。

図４は、図２Ｂに示す細管部６ｂの拡大図である。細管部６ｂは、太管部６ａとの境界ＣＢから端部６ｂｅまでの部分である。細管部６ｂと太管部６ａとの境界ＣＢは、太管部に向かって細管部の内部口径が拡がり始める箇所である。細管部６ｂ、６ｃの内径は、２〜３ｍｍの範囲内にある。ここで、細管部６ｂの内部空間を細管部内部空間ＣＡとし、細管部内部空間ＣＡの内、固化したガラスフリット２８が占める空間を封止領域ＳＡとし、残余の空間を非封止領域ＮＳＡとする。ＣＡ＝ＳＡ＋ＮＳＡの関係にある。更に、非封止領域ＮＳＡの内、モリブデンコイル棒３０が占める空間をモリブデンコイル棒領域ＭＡとし、残余の空間を細管部内部の空隙ＧＡとする。ＮＳＡ＝ＭＡ＋ＧＡの関係にある。

高ワットタイプのランプに関し、第１の方策である０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲内で、細管部内部の空隙ＧＡを変えた発光管を試作して、細管部内部の空隙ＧＡと発光効率ηの関係を調査した。発光効率ηは、光源の効率を表し、単位電力当たりの全光束（ルーメン毎ワット ｌｍ／Ｗ）である。表１はその実験データであり、図５はこれを図示したグラフである。

図５に示すように、非封止領域の空隙ＧＡが１７．５ｍｍ^３付近までは発光効率は１００（ｌｍ／Ｗ）以上を維持するが、これを超えると発光効率ηは急激に低下して、空隙ＧＡが２５．０ｍｍ^３付近になると５０〜６０（ｌｍ／Ｗ）と約半分に低下した。

この結果より、発光効率が急激に低下した原因の１つは、高ワットタイプのランプでは、細管部内部の間隙ＧＡが大きく、この間隙ＧＡに金属ハロゲン化物が侵入し易くなって、発光効率に大きく影響することが判明した。即ち、本発明者等は、当初、低及び中ワットのランプと同じＬ14／Ｌ6の比のモリブデンコイル棒を採用すれば、金属ハロゲン化物の細管部内部への浸透は防止できると予想していた。しかし、高ワットタイプのランプでは、この予想を超えて、金属ハロゲン化物が侵入して発光効率を低下させることが判明した。

間隙ＧＡに金属ハロゲン化物が入り込むと、太管部内の発光に寄与する金属ハロゲン化物の量が減少して光束が低下する。更に、太管部内の発光物質の割合が水銀リッチの状態となりアーク温度が上昇して、発光管６を形成するアルミナの温度を一層上昇させる。その結果、発光管６を形成するアルミナの還元により発光管６の周囲を取り囲む内管８を黒化して、ランプ照度が低下する。

これに対して、金属ハロゲン化物が間隙ＧＡに侵入しても太管部内に発光に十分な金属ハロゲン化物が残るように、予め発光管の金属ハロゲン化物を増量することも試みた。しかし、金属ハロゲン化物の増量は、放電時のアーク不安定を招き、ちらつきが発生する結果となった。

図５に示す結果より、１００（ｌｍ／Ｗ）以上の高い発光効率ηを維持するためには、非封止領域の空隙ＧＡの上限値は１７．５ｍｍ^３以下にする必要がある。空隙ＧＡの下限値は、点灯時にモリブデンコイル棒３０の熱膨張による細管部６ｂ，６ｃへの接触を回避し、且つランプ製造上の要請から５．０ｍｍ^３以上とした。従って、空隙ＧＡを、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲とすることとした。

この結果、第１の方策及び第２の方策により、高ワットタイプのメタルハライドランプにおいて、発光効率を高く維持することが出来た。

（発光管の形状例）
図６Ａ及び図６Ｂは、本実施形態に係る発光管の形状の代表例を示す図であり、図２Ａ及び図２Ｂに夫々対応している。図６Ａに示すように、発光管６の太管部６ａの外径寸法はＬ1＝φ２４ｍｍ、内径寸法はＬ2＝φ２１．８ｍｍ、電極間距離（「アーク長」に相当する。）はＬ3＝３４ｍｍ、両側の細管部６ｂ，６ｃの端部間距離はＬ4=１０７ｍｍである。

図６Ｂに示すように、細管部の外形寸法はＬ5＝φ４．５ｍｍ、内径寸法はＬ6＝φ２．３ｍｍである。細管部６ｂ，６ｃと太管部６ａとの境界ＣＢは、太管部に向かう細管部の内径が拡がり始める箇所と規定した。各細管部６ｂ又は６ｃの軸線方向寸法はＬ7＝２１．５ｍｍ、細管部の端部内側に溶着して封止領域を形成する各ガラスフリット２８の軸線方向寸法はＬ8＝４．５ｍｍである。モリブデンコイル棒３０に関しては、芯棒であるモリブデン棒状体３０−１の外径はＬ12＝φ１．０ｍｍ、モリブデンコイル棒３０の軸線方向寸法はＬ11＝１６ｍｍ、モリブデン製コイル３０−２の外径寸法はＬ13＝φ０．６２ｍｍ、モリブデン棒状体３０−１の周囲に巻回されたコイルの外径寸法は、最大Ｌ14max＝φ２．２４ｍｍである。この例では、Ｌ14／Ｌ6＝０．９７４となり、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にある。

［まとめ］
以上、本発明に係る高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプの実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。当業者がように成し得る本実施形態に対する追加・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

２：外球、 ２ａ：中央部、 ２ｂ：トップ部、 ２ｃ：ネック部、 ６：発光管，放電管、 ６ａ：太管部，発光部、 ６ｂ，６ｃ：細管部、 ８：内管，スリーブ、 １０：メタルハライドランプ，ランプ、 １２：Ｅ形口金、 １４：マウント、 １６：ステム管、 １８：支柱、 ２０：ワイヤ、 ２２：リード線、 ２４：タングステン電極棒，主電極、 ２６：サーメット、 ２８：ガラスフリット、 ３０：金属コイル棒，モリブデンコイル棒、 ３０−１：金属製棒状体，モリブデン棒状体、 ３０−２：金属製コイル，モリブデン製コイル、 ３２：ニオブ製ストッパ部材、 ３４：セラミックス製リング部材、
ＣＡ：細管部内部空間、 ＣＢ：境界、 ＣＢ：境界、 ＳＡ：封止領域、 ＮＳＡ：非封止領域

Claims (5)

1. 高ワットタイプのセラミックメタルハライドランプにおいて、
   少なくとも水銀及び金属ハロゲン化物が封入された発光管を備え、
   前記発光管は、太管部及び該太管部の両端に形成された一対の細管部を有し、各々の該細管部の内部には電流導入体が通されており、
   前記細管部の内径Ｌ6に対する電流導入体の外径Ｌ14は、０．９６≦Ｌ14／Ｌ6≦０．９８の範囲にあり、
   前記細管部と前記電流導入体の間は、封止領域と非封止領域に分けられ、非封止領域の空隙ＧＡは、５．０ｍｍ^３≦ＧＡ≦１７．５ｍｍ^３の範囲にある、セラミックメタルハライドランプ。
2. 請求項１に記載の高ワットタイプのメタルハライドランプにおいて、
   前記メタルハライドランプは、定格ランプ電力が５００〜１０００Ｗの範囲にある、セラミックメタルハライドランプ。
3. 請求項１に記載の高ワットタイプのメタルハライドランプにおいて、
   前記電流導入体は、金属製の棒状体の周囲に金属製コイルが巻き付けられた金属コイル棒である、セラミックメタルハライドランプ。
4. 請求項１に記載の高ワットタイプのメタルハライドランプにおいて、
   前記細管部の内径は、２〜３ｍｍの範囲にある、セラミックメタルハライドランプ。
5. 請求項１に記載の高ワットタイプのメタルハライドランプにおいて、
   前記発光管に封入された水銀は最大１００ｍｇであり、希土類金属ハロゲン化物は最大１２ｍｇである、セラミックメタルハライドランプ。

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