JP5759025B2 - 無電極ランプ - Google Patents
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Description
本発明は、放電ランプ、とりわけ太陽光をシミュレートするために使用される放電ランプに関し、またそのようなランプの、太陽光発電システムの、試験における特性評価における光源としての利用に関する。
高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）は、照明の最も広く使われる形態の一つを成す。無電極ランプは、ＲＦエネルギーやマイクロ波エネルギーを用いることにより、密封された透明なバルブの内側で放電が得られる、放電ランプの形態である。無電極ランプにおけるバルブは、化学的に不活性なガス、および、例えば水銀、硫黄、テルル、または金属ハロゲン化物のような活性成分を一つ以上含む。
無電極ランプは、有電極放電ランプと比べて、より寿命が長い傾向にあり、その寿命の間、不変のスペクトル特性を維持する傾向にある。高周波電源を必要とはするが、無電極ランプは、費用のかかるガラス−金属界面を有さない、非常に単純な構造のバルブを使用する。さらに、無電極ランプは、金属電極と化学的に適合しないであろう充填組成物を使用できる。
多くのＨＩＤランプは、水銀を含む組成物で充填される。このことは発光に関しては有利であるが、水銀は有毒で環境に有害な物質であり、その使用は将来的に制限されるか段階的に廃止されるであろうと予想される。他の変形例が、無電極ランプのバルブを充填するために使用される組成物について知られている。セレンまたは硫黄を含む充填物は米国特許第５６０６２２０号明細書から既知であり、米国特許第６６３３１１１号明細書にはＳｎＩ2を有する充填物が記載されている。国際公開第０８１２０１７１号および米国特許第６４６９４４４号明細書には、ハロゲン化アンチモンと硫黄とを有する充填物が開示されている。米国特許第５８６６９８１号明細書には、希土類ハロゲン化物、およびヨウ化アンチモン（ＳｂＩ3）またはヨウ化インジウムのような金属ハロゲン化物を有する組成物が開示されており、一方、国際公開第１００４４０２０号、米国特許出願公開第２０１０１１７５３３号明細書には、一酸化物化合物および金属ハロゲン化物を含む充填物が記載されている。これらの文献は全体として、一般的な照明の用途のためのランプに関しており、高い発光効率および演色をもたらす充填物を作り出すことを目的とする。
太陽光発電システムの試験および特性評価は、自然な太陽照射の特性をシミュレートするために設計された光源を含むソーラーシミュレータを用いて実行される。正確かつ再現可能な試験結果を確実にするため、シミュレートされる太陽光は、太陽光が地表に届く際の、その強度およびスペクトルと同等であることが望ましい。例えばＩＥＣ６０９０４、ＡＳＴＭＧ１７３、そしてＩＳＯ９８４５−１といった、ソーラーシミュレータのスペクトル特性を規制および標準化することを目的とするいくつかの国際標準規格、および、ＩＥＣ６０１２１５、ＩＥＣ６１６４６のような、太陽電池構成要素のための試験プロトコルが存在する。これらの標準規格は、例えば、固定された方向での地上での用途のために使用される太陽光発電システムは、規定された許容差内で、表１で与えられるＡＭ１．５Ｇスペクトルに従った照明を用いて試験されるべきである、と規定している。
当技術分野において、太陽照射とほぼ同等の発光スペクトルを提供するために、キセノン放電ランプ、または、放電ランプとハロゲンランプとのさまざまな組み合わせを利用することが既知である。あるケースにおいては、適切なフィルターの使用によってその適合度が改善され得る。米国特許第３２０２８１１号明細書、米国特許出願公開第２０１０００７３０１１号明細書、および米国特許第７４３１４６６号明細書には、この種のソーラーシミュレータの例が記載されている。
これらのソーラーシミュレータは、太陽放射と同等のスペクトルを有する光を提供するが、いくつかの光源とフィルターとを組み合わせるという代償を伴う。それゆえに、当技術分野の現状の解決案と比べて、より小型で、より安価で、そしてよりエネルギー効率の良い形で、太陽スペクトルとほぼ同等の光を直接発生させ得るランプが望ましい。
本発明によると、これらの目的は、独立請求項の対象であるランプによって達成されるものであり、一方、従属請求項は、好ましい実施態様および有益な変形例に関する。
本発明は、実施例として与えられまた以下の図面により図示される実施態様の説明を用いて、よりよく理解されるであろう。
プラズマランプは、それ自体が当技術分野において既知であり、その構造および製造についてここで簡潔に説明する。図１は、本発明を具体化するのに適した放電ランプの可能な構造を図示している。以下で分かるように、ランプは透明な密封されたバルブ２０を含み、該透明な密封されたバルブは適切な充填組成物で充填された容量２４を取り囲む。充填物を、光放射および赤外放射するプラズマ状態にするために、バルブ２０は電磁囲い３２の中に置かれ、該電磁囲いに高周波エネルギーが供給される。
典型的な具現化において、マグネトロン４０は適切な強度の高周波信号を発生させ、導波管３５と穴３６によって空洞３２に連結される。この変形例は、約１ｋＷ程度の電力で免許不要な２．４５ＧＨｚ帯において放射するマグネトロンを魅力的な価格で容易に入手できるため有利であるが、本発明は、バルブ内で光放射および赤外放射するプラズマを発生させるためにバルブへと励起力を連結するいかなる適切な手段を用いても、実現され得る。本発明は、例えば、ＵＨＦ帯の、またはＬＦ帯やＨＦ帯などの他の周波数のソリッドステートＲＦ源を使用し得る。電極をバルブの中に挿入し、放電によって充填物にエネルギーを移すことも考えられる。
本発明は、特定の連結配置に限定されるわけではない。実際、導波管３５と穴３６はいかなる適切な形状にもなり得る。可能な変形例において、導波管３５は完全に削除され得、マグネトロンまたはＲＦ源は囲い３２に直接連結され得る。励起放射の周波数によって、連結手段は、磁気要素、フェライトコア、または同種のものを含み得る。
電磁囲い３２の目的は、高周波電界を閉じ込め、該電界をバルブ２０に集中させることである。しかしながら、本発明の実施態様において、囲い３２は、例えばランプがもっと大きなシステムの中に完全に取り囲まれている場合などには、削除され得る。別のケースでは、囲いは、光線を投影するために、光反射面および光透過面を含み得る。典型例において、囲い３２は、マグネトロンの周波数に同調した電磁空洞であり得、該電磁空洞の壁は、光を外に出しながらＲＦエネルギーをバルブ２０に集中させるために、導電性メッシュまたはパンチングメタルで作られる。
任意には、電気モータ６０が、絶縁軸２６によってバルブを回転させるために使用される。これは、バルブ自体の表面上のホットスポットの形成を回避するために有益である。
バルブ自体は、好ましくは、石英、または、例えば６００〜９００℃という高い作動温度に耐えられ、充填物と化学的に適合する、あらゆる適切な透明な材料で作られる。求められる出力によって、バルブのサイズは、０．５ｃｍ3〜１００ｃｍ3の間で変化し得、典型的には約１０〜３０ｃｍ3である。充填圧力に関しては、バルブは、典型的には、標準温度で１０〜１００ｈＰａの圧力で充填され、作動時の圧力は、例えば０．１ＭＰａ〜２ＭＰａ（１〜２０ｂａｒ（絶対圧））の間に含まれる。
本発明は、できる限りＡＭ１．５Ｇ基準に従った発光スペクトルを有する、ソーラーシミュレータにおける使用に適した放電ランプを提供することを目的とする。従来の照明への適用に対し、本発明のランプのスペクトルは、赤色領域および赤外領域、例えば７００〜１０００ｎｍの領域において、より厳密に太陽に従う。これらの波長は、認識される照明のレベルおよび色を強めることはさほどないが、太陽電池および太陽電池パネルの熱的挙動および電気的挙動に大きく貢献する。本発明の光源は、例えばＡＭＧ１．０のような他のスペクトル基準をシミュレートすることにも適している。
本発明の好ましい実施態様によると、バルブは、例えばＮ2、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、またはそれらの混合物などの不活性ガス、ならびに第一の活性成分および第二の活性成分を有する組成物で充填され、第一の活性成分は、ハロゲン化アンチモンもしくはハロゲン化ビスマス、またはハロゲン化アンチモンの混合物であり、第二の成分は、好ましくはＳｎＩ2であるが、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕの他のハロゲン化物または前記ハロゲン化物の混合物も有効な選択肢であると判明している。好都合な揮発性を有するという理由で、好ましくは、ハロゲン化物は、臭化物、ヨウ化物、または塩化物である。
実験により、この組成が基準太陽スペクトルとほぼ同等の発光および優れた全体効率を提供することが示されている。アンチモン充填物は、ビスマス充填物よりもこれらの点に関して若干優れている、ということが証明されている。
スペクトルの適合度は、金属インジウムまたは代替的に銅もしくは銀のような追加活性成分を加えることにより改善され得る、ということも判明している。
バルブ内の活性成分の濃度は、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ3の間で変化し得る。最良の結果は０．５〜２ｍｇ／ｃｍ3の間の濃度で得られる。気体の部分に関しては、良好な放電点火は、大気圧下で約３０ｍｂａｒの充填圧力で得られた。試験では、純アルゴン、Ａｒ／Ｘｅ混合物、または他の不活性ガスを利用し、同等の結果が得られた。
第一の実施例によると、バルブ２０は、内部体積１５．６ｃｍ3の石英球形容器であり、次のように充填される。
・ＳｂＢｒ3 １０ｍｇ
・ＳｎＩ2 ７ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ７ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
・ＳｂＢｒ3 １０ｍｇ
・ＳｎＩ2 ７ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ７ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
バルブは、図１の構造を有するランプの中に挿入され、３０００ｒｐｍで回転させられ、２．４５ＧＨｚおよび７２０Ｗでマイクロ波源により励起される。得られる発光スペクトルは、図２に示されている。ＦＬＩＲカメラにより測定されるバルブの温度は６７８℃であった。この組み合わせは、優れたスペクトルと良好な効率を提供する。
別の実施例によると、内部体積１５．６ｃｍ3の同一の石英バルブは次のように充填される。
・ＢｉＢｒ3 １０ｍｇ
・ＳｎＩ2 ５ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ５ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
・ＢｉＢｒ3 １０ｍｇ
・ＳｎＩ2 ５ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ５ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
バルブは、実施例１のランプと同一のランプの中に挿入され、２．４５ＧＨｚおよび８２８Ｗでマイクロ波源により励起される。得られる発光スペクトルは、図３に示されている。バルブはこの試験では回転させられず、その温度は８１０℃であった。スペクトルは、連続成分を超える、より高いピークを示し、実施例１における太陽光分布よりも若干劣る太陽光分布と同等である。
別の実施例によると、内部体積１５．６ｃｍ3の同一の石英バルブは次のように充填される。
・ＢｉＢｒ3 １０ｍｇ
・Ｉｎ（金属） １０ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
・ＢｉＢｒ3 １０ｍｇ
・Ｉｎ（金属） １０ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
バルブは、実施例１のランプと同一のランプの中に挿入され、３０００ｒｐｍで回転させられ、２．４５ＧＨｚおよび７９５Ｗでマイクロ波源により励起される。得られる発光スペクトルは、図４に示されている。バルブの温度は測定されなかった。スペクトルの質に関しては、この充填物は、実施例１のアンチモン充填物に比べて明らかに満足度の低いものである。
別の実施例によると、内部体積１５．６ｃｍ3の同一の石英バルブは次のように充填される。
・ＳｂＢｒ3 １５ｍｇ
・Ｉｎ（金属） １０ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
・ＳｂＢｒ3 １５ｍｇ
・Ｉｎ（金属） １０ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
バルブは、実施例１のランプと同一のランプの中に挿入され、３０００ｒｐｍで回転させられ、２．４５ＧＨｚおよび７００Ｗでマイクロ波源により励起される。得られる発光スペクトルは、図５に示されている。バルブの温度は６６３℃であった。太陽スペクトルとの適合度はかなり高いが、実施例１の適合度よりは低い。
別の実施例によると、内部体積１５．６ｃｍ3の同一の石英バルブは次のように充填される。
・ＳｂＢｒ3 １４ｍｇ
・ＳｎＩ2 ５ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ９ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
・ＳｂＢｒ3 １４ｍｇ
・ＳｎＩ2 ５ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ９ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
バルブは、実施例１のランプと同一のランプの中に挿入され、３０００ｒｐｍで回転させられ、２．４５ＧＨｚおよび７２０Ｗでマイクロ波源により励起される。得られる発光スペクトルは、図６に示されている。バルブの温度は、６５２℃であった。この充填物は、実施例１の充填物と、割合は異なるが質的には同じであり、同様に、優れたスペクトルを生じた。
別の実施例によると、内部体積１５．６ｃｍ3の同一の石英バルブは次のように充填される。
・ＳｂＢｒ3 １０ｍｇ
・ＩｎＣｌ3 １０ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ７ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
・ＳｂＢｒ3 １０ｍｇ
・ＩｎＣｌ3 １０ｍｇ
・Ｉｎ（金属） ７ｍｇ
・Ａｒ ２５℃で３０ｍｂａｒ
バルブは、実施例１のランプと同一のランプの中に挿入され、３０００ｒｐｍで回転させられ、２．４５ＧＨｚおよび７３５Ｗでマイクロ波源により励起される。得られる発光スペクトルは、図７に示されている。バルブの温度は７９１℃であった。この場合、ＳｎＩ2がＩｎＣｌ3に替わってもやはり良好なスペクトルがもたらされるが、強度はより低くなっている。
２０ バルブ
２４ 容量
２６ 絶縁軸
３２ 囲い、空洞
３５ 導波管
３６ 穴
４０ ＲＦ源
６０ 電気モータ
２４ 容量
２６ 絶縁軸
３２ 囲い、空洞
３５ 導波管
３６ 穴
４０ ＲＦ源
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Claims (5)
- 可視光放射および赤外放射を提供するための放電ランプであって、
Ｎ2、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、またはそれらの混合物の中の、不活性ガスと、
ハロゲン化アンチモンもしくはハロゲン化ビスマスからなる、またはハロゲン化アンチモンおよびハロゲン化ビスマスの混合物からなる、第一の活性成分と、
Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕのうち一つ以上のハロゲン化物、または前記ハロゲン化物の混合物である、第二の活性成分と、
その累積質量が前記第一の活性成分および第二の活性成分の合計質量を超えない、任意の追加活性成分と
を有する充填物を含む光透過バルブを有し、バルブ内に光放射および赤外放射するプラズマを発生させるために、バルブへと電磁的または電気的励起力を連結する手段をさらに有する、放電ランプ。 - 追加活性成分が金属インジウムを含む、請求項１に記載のランプ。
- 前記ハロゲン化物が臭化物および／またはヨウ化物であり、第一の活性成分がハロゲン化アンチモンまたは臭化アンチモンである、請求項１に記載のランプ。
- 前記ハロゲン化物が臭化物および／またはヨウ化物であり、第二の活性成分が、ヨウ化スズまたは塩化インジウムである、請求項１に記載のランプ。
- 前記第一の活性成分および前記第二の活性成分が、それぞれ、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ 3 の間に含まれる濃度を有する、請求項１に記載のランプ。
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