JP5737332B2 - ロングアーク型メタルハライドランプ - Google Patents
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Description
その構造が図6に示されていて、ロングアーク型メタルハライドランプ1における発光管2の両端の封止部3、3で封止支持された一対の電極4、4が、発光管内で対向配置されている。
前記電極4は、ここには詳細は図示しないが、通常は金属箔を用いた箔シールによって外部リードに接続されていて、ここから給電される。
このような事情を勘案して、電極の先端部にのみエミッター材を含有させた構造の放電ランプが開発されている。
特開2012−190627号公報(特許文献2)に、そのような電極を用いたショートアーク型放電ランプの陰極構造が開示されていて、タングステンからなる本体部の先端にエミッター材を含有させた先端部を接合する陰極構造が示されている。
このランプで採用されている接合方法は、拡散接合と呼ばれるもので、拡散接合とは、金属同士を面で重ね合わせて、当該金属の融点未満の固相状態で塑性変形が生じない程度に加熱・加圧して、接合面の原子を拡散させる固相接合をいう。具体的な加熱温度としては、タングステンの融点(約3400℃)より、低い2000℃程度で加熱される。
そこで、本発明者は、鉄などの金属を封入したロングアーク型メタルハライドランプにおいて、電極の先端部のみに酸化トリウムを含有させたところ、発光管内壁に黒化が生じるという問題があることが判明した。
本発明者は、この現象を酸化トリウムの枯渇による黒化と考え、電極の結晶粒径を大きくすることで、酸化トリウムの早期枯渇を抑制することを試みたところ、黒化はある程度は抑制されたものの、完全に黒化を除去することはできなかった。
また、このような黒化は、全てのロングアーク型メタルハライドランプにおいて生じる訳ではなく、鉄(Fe)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zr)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、マグネシウム(Mg)の少なくともいずれか1つが封入された場合に生じることも突き止めた。
また、前記本体部のタングステンの粒径は、10〜90μmであり、前記先端部のタングステンの粒径は、100〜500μmであることを特徴とする。
また、発光管内においては、鉄などの封入金属は、電極に付着し、その表面から電極先端へ電極表面上を移動する表面拡散と、電極内部に侵入して移動する粒界拡散とが生じる。鉄は、この先端部側へ移動しながら、加熱を受けることで、タングステンと反応する(以下、鉄−タングステン合金という)。この鉄−タングステン合金は、タングステンに比べて融点が低いことから、タングステンよりも蒸発しやすく、アーク放電によって加熱を受けると蒸発してしまう。
本発明のランプによれば、電極本体部の粒径が小さいことにより、鉄を電極本体部へ侵入させることができる。その上で、電極先端部の粒径は、本体部の粒径よりも大きいことにより、電極本体部の内部で鉄が電極先端部に向かって移動してきても、その電極先端部への侵入を抑制することができる。これにより、電極先端部での鉄−タングステン合金の生成を抑制し、加熱による蒸発を抑制できることから、発光管内面における黒化を抑制することができるものである。
前記本体部4aは、例えば純度が99.99%以上であるタングステン(純タングステン)から構成され、前記先端部4bは、エミッターとして酸化トリウム(ThO2)を、例えば2wt%含有するタングステン(トリエーテッドタングステン)から構成される。
この先端部4aと本体部4bとの接合には、抵抗溶接などの溶接や、固相接合など、種々の接合方法が利用できる。
このような電極は、本体部4aの熱処理による再結晶によって成長した結晶粒径よりも、先端部4bの熱処理によってその結晶粒径をより大きくなるように成長させ、この本体部4aと先端部4bとを接触した状態で接合することにより、作製することができる。
本体部4aの結晶粒径をこのような範囲とするのは、粒径が90μmを超過すると、後述するように、鉄が本体部4aに侵入し難くなり、鉄が電極表面で拡散してしまい、電極先端部4bにおいて鉄−タングステン合金が生成され、過剰に蒸発を引き起こし、黒化につながるためである。
また、本体部4aの結晶粒径が、10μm未満であると、該本体部4aに侵入した鉄が粒界拡散する経路が多くなるため、先端部4bで生成される鉄−タングステン合金の量が増えてしまって、結局、黒化が増加してしまうためである。
また、先端部4bの結晶粒径が、100μm未満になると、本体部4a内で粒界拡散した鉄が、電極先端部4bに侵入し易くなってしまい、500μmを超過してしまうと、先端部4b内のトリウムの粒界拡散を妨げてしまうためである。
更には、先端部4bの軸方向長さは5mm未満が好ましく、特に、1〜4mmが好ましい
平均結晶粒径=(L1+L2)/(n1+n2)
本発明のランプによれば、電極本体部4aの粒径が小さいことにより、この鉄を電極本体部4aに侵入をさせることができる。その上で、電極先端部4bの粒径は、本体部4aの粒径よりも大きいことにより、電極本体部4aの内部で鉄が電極先端部4bに向かって移動しても、その電極先端部4bへの侵入を抑制することができる。
これにより、鉄−タングステン合金の生成を抑制し、電極先端部4bにおけるアーク放電に曝されることを防止でき、加熱による蒸発を抑制できることから、発光管内面における黒化を抑制することができるものである。
また一方で、先端部4bの結晶粒径を本体部4aの結晶粒径よりも大きくすることにより、先端部4bの結晶粒界を拡散する酸化トリウムの早期枯渇を抑制することができる。
実験では、図3に示すように、本体部4aと先端部4bの結晶粒径が同じ従来例(A)、粒径が同じではあるが、従来例(A)よりも大径の比較例(B)、及び、先端部4bの粒径が本体部4aの粒径より大きい本発明(C)の電極を用意し、一対の電極を従来例(A)のみで構成したロングアーク型メタルハライドランプと、比較例(B)のみで構成したロングアーク型メタルハライドランプと、本発明(C)のみで構成したロングアーク型メタルハライドランプとを、準備した。
各ランプは、発光長(一対の電極間距離)が1100mm、発光管の内径が22mmであり、各発光管内には、水銀封入量を70mg、ヨウ素水銀を20mg、鉄を5mg、ヨウ化タリウム1mg、ヨウ化マグネシウム2mg、アルゴン3kPaを封入した。
各電極の結晶粒径は、図4の表1に示すように、従来例(A)の先端部が20μmであり、本体部が20μmであって、比較例(B)の先端部が200μmであり、本体部が200μmであって、本発明(C)の先端部が200μmであり、本体部が20μmである。
従来例(A)は、発光管の端部に、軸方向に20mm程度伸びる領域の黒化が形成されていた。
比較例(B)は、発光管の端部に、軸方向に10mm程度伸びる領域の黒化が形成されていた。
本発明(C)は、発光管の端部に、黒化が確認できなかった。
ロングアーク型メタルハライドランプには、金属が封入されるため、その反応性の強さから電極や発光管と反応することが知られている。このため、通常は、ハロゲン化物として存在させることによって、その反応を抑制させることが行われている。例えば、金属として鉄を封入する場合、発光管内において、鉄(Fe)とヨウ素(I2)とを反応させることによってヨウ化鉄(FeI2)とすることで、発光管と金属の反応を抑制しようとするものである。
しかし、電極は、アークに近い先端部の温度が高く、本体部側に行くにつれて温度が低くなり、温度勾配が大きい。比較的温度の低い本体部では、上記のハロゲンの抑制効果が働くが、温度が高い領域ではハロゲン化物として存在できなくなるため、鉄が電極に付着する。なお、温度が高すぎる場合は、鉄は電極に付着することができずに蒸発した状態となる。これにより、最も鉄が付着しやすい領域は、電極の中間の領域であり、入力電力にもよるが先端から5〜10mm程度の領域であると考えられる。
鉄が電極に付着すると、この鉄が粒界拡散及び表面拡散により先端部側に移動し、加熱を受けることで、鉄とタングステンとが反応して、鉄−タングステン合金を形成する。この鉄−タングステン合金は、タングステンに比べて融点が低いことから、タングステンよりも蒸発しやすく、アーク放電によって加熱を受けると蒸発してしまう。
一方、陰極サイクルにおいて鉄が電極に付着したとき、本体部4aの結晶粒径が20μmと小さいことから、表面拡散より粒界拡散が比較的多くなり、電極内部において、本体部4aから先端部4bまで粒界拡散してしまう。先端部4bに到達した鉄は、アーク放電による加熱を受けて、鉄−タングステン合金を形成し、蒸発してしまい、これも発光管内面の黒化の原因だと推測される。
しかし、陰極サイクルにおいて鉄が電極に付着したとき、本体部4aの結晶粒径が大きいことから、鉄は粒界拡散よりも表面拡散が支配的になる。拡散速度においては、粒界拡散よりも表面拡散の方がはるかに速い。このため、電極に付着した鉄は、電極表面を表面拡散して早期に電極先端に到達して、鉄−タングステン合金を形成し、蒸発してしまい、これが発光管内面の黒化につながったものと推測される。
さらに、陰極サイクルにおいて鉄が電極に付着しても本体部4aの結晶粒径が20μmと小さいことから、鉄の移動は表面拡散よりも粒界拡散が支配的になる。このため、拡散速度が遅い粒界拡散によって鉄が先端部4b側に移動することから、アーク放電による加熱を受けにくい。
また、鉄が粒界拡散によって本体部4aから先端部4bに移動しても、この先端部4bの結晶粒径が本体部4aよりも大きいことから、粒界拡散する経路が少なく、先端部4b内における粒界拡散も抑制されて、早期に電極先端に到達することがなくなる。
これらのことから、本発明(C)のランプは、黒化が生じなかったものと推測される。
また、本実験においては、酸化トリウムをエミッターの一例として説明したが、例えば酸化ランタンなどは酸化トリウムよりも蒸気圧が高いので蒸発しやすい。このため、エミッターとして、酸化トリウムより蒸気圧の高い酸化ランタンなどを採用した場合においても、エミッターの早期枯渇の抑制という効果が得られる。
2 発光管
3 封止部
4 電極
4a 本体部
4b エミッター含有の先端部
5 エミッター
Claims (2)
- 発光管内に、一対の電極を対向配置させると共に、鉄、ガリウム、亜鉛、タリウム、鉛、マグネシウムの少なくともいずれか1つが封入されたロングアーク型メタルハライドランプにおいて、
前記電極は、純タングステンからなる本体部と、該本体部の先端に接合されたエミッターを含むタングステンからなる先端部とを備え、
前記先端部のタングステンの粒径を、前記本体部のタングステンの粒径よりも大きくした
ことを特徴とするロングアーク型メタルハライドランプ。 - 前記本体部のタングステンの粒径は、10〜90μmであり、
前記先端部のタングステンの粒径は、100〜500μmである
ことを特徴とする請求項1に記載のロングアーク型メタルハライドランプ。
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