JP5517105B2

JP5517105B2 - 低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯

Info

Publication number: JP5517105B2
Application number: JP2010109839A
Authority: JP
Inventors: 繁幸青木; 元識浜野
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: JP2011238502A

Description

本発明は、高圧金属蒸気放電灯に関し、特に、非線形セラミックコンデンサを含む始動器を外管に内蔵する低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯に関するものである。以下の文中で単に「ランプ」と記載した場合には上記仕様の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯を意味する。

低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯はＪＩＳＣ７６２１内に規定されている「始動器内蔵形ランプ」およびＪＩＳＣ７６２３内に規定されている「低始動電圧形メタルハライドランプ」を包括するものである。これらのランプの一種として、内部始動器として非線形セラミックコンデンサおよび半導体スイッチを含む始動器を採用し、前記半導体スイッチをランプの口金部に内蔵した高圧金属蒸気放電灯がある。一例として、この種の始動器を備えたセラミックメタルハライドランプの外観図を図４に示す。

ランプのほぼ中央には発光管１０１があり、発光物質１０２および封入ガス１０３が封入されている。この発光管１０１は適当な支持部材により金属製のフレーム１０９に固定されている。フレーム１０９はマウント支持板１１４およびステム１１５の導入線と接続することにより外管１０６内に位置固定されている。フレーム１０９は位置固定用の部材であると同時に給電用の部材を兼ねており、図示しない外部給電システムからの電力を口金１１２およびステム１１５の導入線を介して発光管１０１の一方の外部リード１０７ａまで伝えている。ステム１１５の他方の導入線は発光管１０１の他方の外部リード１０７ｂに接続されている。また、非線形セラミックコンデンサ及び複数の回路抵抗素子からなる始動器１１０が発光管１０１と電気的に並列に接続されている。

また発光管１０１の温度を比較的高く保つ必要のあるランプ仕様の場合には、外管１０６の内部を真空排気後、ゲッター１１３を活性化させて外管１０６内の残留ガスを吸収させ、発光管を真空断熱により保温することができる。

このような外管を真空に保っているランプにおいて、何らかの事故で発光管がリークした場合、発光管内の封入ガスが漏出して外管内が低圧力のガスに満たされることになる。この封入ガスは放電しやすい性質を有しているため、外管内に放電が生じる。

発光管リークが起こった時に外管内放電を抑制する技術として、特許文献１の構成が参考となる。これは、外管内放電の起点となりやすいバリウムゲッターのホルダーリングを給電線とは電気的に絶縁して取り付けることによって外管内が０．００２５〜２Ｔｏｒｒ（約０．３〜２６６Ｐａ）の圧力になった場合にも外管内放電が生じないという効果を得られるものである。

特許文献１の構成では発光管リークが起こった場合にも高電圧パルスは発生している。また発光管内にも封入ガス及び発光物質の一部が残っているので発光管が点灯してしまうことがある。このような場合に対応するために、特許文献２に開示されている技術を利用して、点灯回路の一部にヒューズを設け、過電流が流れたときには点灯回路が切断されるようにすることができる。

しかし、外管内放電がステムの導入線間で生じた場合、特許文献２のヒューズは役に立たない。

特開昭５８−１３７９５０号公報特開昭５９−１８０９４７号公報

外管内に放電が生じるといっても、２種類の場合がある。まず外管内圧が比較的低い場合には、外管内部全体が淡く光る「グロー放電」の状態となる。グロー放電が生じても放電温度が比較的低いため、外管及びランプ部材に即時致命的な影響を与えることはない。しかし、外管内圧がある程度高くなると、局所に輝度の高い「アーク放電」が生じる。アーク放電が生じた箇所は局所的に高温となるため、金属部材は溶融し、ガラス部材は溶融または歪によりクラックが生じることもある。

ランプの始動器として非線形セラミックコンデンサを採用したランプの場合、始動パルスが特許文献１および特許文献２で採用している機械式スターター（フィラメントとバイメタルを組み合わせた始動器）よりも発生パルス電圧は低いため、特許文献１の実施例に記載されているような外管内圧力においてはバリウムゲッターリングからのアーク放電は生じない。

しかし、外管内圧力がさらに高い場合には外管内アーク放電が生じ、特にステム導入線間にアーク放電が生じた場合には数分の間に外管が破損して外管の破片が周囲に飛散することも考えられる。ただし、グロー放電は非線形セラミックコンデンサを加熱してパルス発生を停止させる効果があるため、非線形セラミックコンデンサを始動器に用いたランプにおいては、発光管リークの際に、むしろグロー放電が発生したほうが好ましい。

本発明では外管を破壊するおそれのあるアーク放電を生じさせず、非線形セラミックコンデンサを速やかに加熱して始動パルスを低下させ、停止させる構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためには、非線形セラミックコンデンサ及び複数の回路抵抗素子からなる始動器を外管に内蔵する低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、発光管から封入ガスが漏出した場合に、外管内にグロー放電を生じさせる程度に外管内圧力が高く、かつ、外管内にアーク放電が生じない程度に外管内圧力を抑え、このグロー放電により前記非線形セラミックコンデンサを加熱してパルス停止させるように構成するようにすればよい。

通常の非線形セラミックコンデンサ及び複数の回路抵抗素子からなる始動器を用いたセラミックメタルハライドランプにおいては外管内圧力が１０〜７００Ｐａになり、発光管から封入ガスが漏出した場合に、外管内にグロー放電を生じさせる程度に外管内圧力が高く、かつ、外管内にアーク放電が生じない程度に外管内圧力を抑え、このグロー放電により前記非線形セラミックコンデンサを加熱してパルス停止させるように発光管封入圧力および外管内管の容積を設定すれば、上記の条件を満足できる。

上記の仕様で製造された低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯は、発光管リーク事故が生じても外管が破壊されず、高電圧パルスが速やかに停止される安全なランプとなる。

本発明を適用した低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯の一例を示す概略図。水銀灯４００Ｗ対応セラミックメタルハライドランプによる実験結果。外管内ガス圧力と外管内アーク放電発生率との関係を示すグラフ。従来の低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯の構造例を示す概略図。

本発明を実施するためには、従来のランプと同じ構成のランプであって良い。ただし発光管容積、発光管封入ガス圧、外管容積を決定する際には、発光管から封入ガスが漏出した場合に外管内圧力が１０〜７００Ｐａになり、発光管から封入ガスが漏出した場合に、外管内にグロー放電を生じさせる程度に外管内圧力が高く、かつ、外管内にアーク放電が生じない程度に外管内圧力を抑え、このグロー放電により前記非線形セラミックコンデンサを加熱してパルス停止させるように各数値の関係を設定する必要がある。

発光管内容積および封入ガス圧はランプの発光特性を要求仕様に合わせることでほぼ決まってしまうため、前項の関係を満足させるためには、主に外管の内容積で調整することが好ましい。

まず従来仕様のランプで外管内放電現象について説明する。比較例とするのは図４に示す通常の１５０Ｗセラミックメタルハライドランプである。

ランプのほぼ中央には発光管１０１があり、発光物質１０２および封入ガス１０３が封入されている。この発光管１０１は適当な支持部材により金属製のフレーム１０９に固定されている。フレーム１０９はマウント支持板１１４およびステム１１５の導入線と接続することにより外管１０６内に位置固定されている。フレーム１０９は位置固定用の部材であると同時に給電用の部材を兼ねており、図示しない外部給電システムからの電力を口金１１２およびステム１１５の導入線を介して発光管１０１の一方の外部リード１０７ａまで伝えている。ステム１１５の他方の導入線は、非発光管１０１の他方の外部リード１０７ｂに接続されている。また、非線形セラミックコンデンサ及び複数の回路抵抗素子からなる始動器１１０が発光管１０１と電気的に並列に接続されている。

また発光管１０１の温度を比較的高く保つため、外管１０６の内部を真空排気後、ゲッター１１３を活性化させて外管１０６内の残留ガスを吸収させ、発光管を真空断熱により保温している。外管外径は３０ｍｍ、外管のガラス部長さは先端の半球部分を含めて約７０ｍｍである。

図４のランプにおいて、発光管容積は２．７ｃｃであり、外管内容積は内包するランプ部材を除いて約３６ｃｃである。発光管内には水銀および金属ハロゲン化物と共に２００Ｔｏｒｒのアルゴンガスを封入した。

このランプの発光管に傷をつけ、点滅を繰り返してランプ状態を観察した。数十回の点滅の後、発光管がクラックして内部の封入ガスが外管へ漏出した。
実験ランプ５本中３本はステム導入線間にアーク放電を生じ、外管の口金に近い部分が割れて外管が落下した。この仕様での外管内圧力は計算上２０００Ｐａである。

発光管封入ガス圧を１００Ｔｏｒｒに下げて同じ実験を行なったところ、５本中１本、外管内グロー放電が生じた後すぐにアーク放電に移行した。この時の外管内圧力は計算上１０００Ｐａである。外管が割れなかったランプについて外管内圧を実測したところ誤差±１０％内に収まっていた。

図４と同じランプについて、発光管封入ガスの圧力を１００Ｔｏｒｒとし、外管内径を変えずに長さを３０ｍｍ伸ばした。この変更により外管内容積は５７ｃｃとなった。従って発光管内封入ガスが全て外管内に漏出した時の外管内圧力は６３２Ｐａとなる。

この仕様のランプ５本について発光管を比較例と同じ手順でリークさせる実験を行なったところ、発光管リークとほぼ同時に外管内でグロー放電を生じたが、１時間たってもアーク放電に移行するランプは無かった。なお、グロー放電によって始動パルスは瞬時に５００Ｖまで低下し、数分後には非線形セラミックコンデンサの温度がキュリー点を越えたためパルス停止した。

次に本発明の圧力規定範囲を決めた基本実験について説明する。この実験は図１に示す４００Ｗクラスのセラミックメタルハライドランプまたは石英ガラス発光管のメタルハライドランプを使用して行なった。

図１において、ランプのほぼ中央には発光管１があり、発光物質２および封入ガス３が封入されている。この発光管１は適当な支持部材により金属製のフレーム９に固定されている。フレーム９はマウント支持板１４およびステム１５の導入線と接続することにより外管６内に位置固定されている。フレーム９は位置固定用の部材であると同時に給電用の部材を兼ねており、図示しない外部給電システムからの電力を口金１２およびステム１５の導入線を介して発光管１の一方の外部リード７ａまで伝えている。ステム１５の他方の導入線は、発光管１の他方の外部リード７ｂに接続されている。また、非線形セラミックコンデンサ及び複数の回路抵抗素子からなる始動器１０が発光管１と電気的に並列に接続されている。

また発光管１の温度を比較的高く保つため、外管６の内部を真空排気後、ゲッター１３を活性化させて外管６内の残留ガスを吸収させ、発光管を真空断熱により保温している。外管の最大外径は１１６ｍｍ、外管のガラス部長さは先端の半球部分を含めて約２６０ｍｍである。

図１のランプにおいて、発光管容積は７．２ｃｃであり、外管内容積は内包するランプ部材を除いて約１２５０ｃｃである。発光管内には水銀および金属ハロゲン化物と共に１７３Ｔｏｒｒのアルゴンガスを封入した。この仕様での発光管リーク時における外管内圧力は計算上１３３Ｐａである。

この仕様のランプ４本について発光管を比較例と同じ手順でリークさせる実験を行なったところ、全てのランプで発光管リークとほぼ同時に外管内でグロー放電を生じたが、アーク放電に移行するランプは無かった。なお、グロー放電によって始動パルスは瞬時に５００Ｖまで低下し、数分後には非線形セラミックコンデンサの温度がキュリー点を越えたためパルス停止した。

同様に、発光管封入圧を変えて実験を繰り返した。同一条件のランプを４本ずつ作成して実験した。外管内圧力が５００Ｐａ以上となるような条件では、容積の大きい発光管を入れたランプを使用した。

実験結果をまとめた表を図２に示す。またこの結果をグラフ化したものを図３に示す。この結果から、外管内でアーク放電を生じる圧力の臨界点は６６７Ｐａと１３３３Ｐａの間にあることがわかる。また、前記特許文献１のデータによれば、外管内圧力が１Ｐａ以下の場合にはグロー放電も生じないと記載されており、本実験においても確認された。

さらに細かい圧力条件で実験を繰り返した結果、ランプ電力が１１０Ｗ、１５０Ｗ、１８０Ｗ、２２０Ｗ、２７０Ｗ、３６０Ｗ、４００Ｗのランプにおいて、安定器の二次開放電圧が２００Ｖから２２０Ｖの高圧水銀灯用安定器を使用した場合、発光管リーク時に外管内圧力が１０Ｐａ以上となる条件では確実に外管内にグロー放電を生じ、外管内圧力が７００Ｐａ以下となる条件ではアーク放電は生じないことを確認した。

本実施例では、水銀アルゴン混合ガスを主に実験対象としているが、キセノンガスを使用した実験例でも実際の臨界圧力としての数値はアルゴンを封入した場合とはやや異なるが、発光管リーク時に外管内圧力が１０Ｐａ以上となる条件にすれば確実に外管内にグロー放電を生じ、外管内圧力が７００Ｐａ以下となる条件ではアーク放電は生じないことを確認した。

また本実施例では、セラミックメタルハライドランプを中心としてメタルハライドランプを主に実験対象としているが、低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯である高圧ナトリウムランプを使用した実験例でも上記圧力範囲であれば、メタルハライドランプと同じ結果となることがわかった。

本発明は、発光管が破壊されたりリークした場合にも外管破損を引き起こさず、高電圧パルスを速やかに低下し停止できる安全な低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯を提供するものである。

１、１０１発光管
３、１０３封入ガス
６、１０６外管
１０、１１０始動器
１２、１１２口金
１３、１１３ゲッター
１５、１１５ステム

Claims

発光管を内包した気密外管を有し、非線形セラミックコンデンサ及び複数の回路抵抗素子からなる始動器を前記外管に内蔵する低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
前記発光管封入ガス圧力を、前記発光管内のガスが前記外管内に放出された場合に、前記外管内にグロー放電を生じ且つ前記外管内にアーク放電を生じない圧力に設定し、
このグロー放電により前記非線形セラミックコンデンサを加熱してパルス停止させるように構成したことを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。
請求項１に記載された低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
前記発光管封入ガス圧力を、前記発光管内のガスが前記外管内に放出された場合に、前記外管内の圧力が１０Ｐａ以上且つ７００Ｐａ以下となるように設定したことを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。
請求項１から請求項２のいずれかに記載された低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯において、
前記発光管の封入ガスはアルゴン及び水銀の混合気体を主成分とすることを特徴とする低始動電圧形高圧金属蒸気放電灯。