JP6191865B2 - 放電ランプ - Google Patents
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Description
しかしながら、トリウムは放射性物質として法的規制の対象であり、その管理や取り扱いに慎重な配慮が必要であって、そのためにトリウムに代わる代替物質が要望されている。
特開2005−519435号公報(特許文献2)には、陰極の材料であるタングステンにエミッタとして付加的に酸化ランタン(La2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)などを含有させた放電ランプが開示されている。
また、電子放射特性に寄与するエミッタは陰極の先端に存在するものだけであり、陰極後端から先端に向けての運搬が迅速に行われないことも一因といえる。このためトリウム以外のエミッタ物質を使った放電ランプにおいては、点灯が早期に不安定になるなどの問題がいまだ残るというのが実情である。特に、1kW以上の高入力の放電ランプにあっては、希土類元素やバリウム系物質の早期の蒸発は、放電ランプを不安定な点灯に導くことが顕著である。
この発明においては、陰極内部に密閉されたエミッタ部材より先端側には空隙が形成されており、点灯中の温度上昇により蒸発したエミッタが空隙中の気相拡散を利用してまず先端近傍まで拡散し、その後タングステンの粒界拡散等を利用して先端まで供給されるというものである。
このように、この先行例では、陰極本体に気相拡散を利用してエミッタを供給するものであることから、エミッタの供給速度が遅く、陰極先端迄の移送が不十分となり、アークを十分に維持することができないことがある。
また、当初の点灯時には、陰極先端にエミッタが存在しないことから、その点灯性が悪く、加えて、点灯したとしても陰極本体のタングステンが蒸発することから、黒化が激しいという問題もあった。
また、前記エミッタは、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化プラセオジム(Pr6O11)、酸化ネオジム(Nd2O3)あるいは酸化ハフニウム(HfO2)のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする。
また、前記陰極本体はタングステンであり、前記エミッタ移送金属は、銅、銀、銅合金、あるいは、銀合金のうちのいずれかであることを特徴とする。
また、点灯時間に応じて、先端部に当初含有されたエミッタは消費されるが、陰極内部に高濃度の酸化物エミッタ含有焼結体とともに、エミッタ移送金属が封入されていることから、点灯時にはこのエミッタ移送金属が溶融し、高濃度エミッタ含有焼結体からの酸化物エミッタはこの溶融状態の移送金属に拡散し、これが陰極本体側に拡散することにより、陰極本体側へのエミッタの供給が円滑に行われるので、陰極先端部でエミッタが枯渇することなく、良好な点灯性が安定的に長期間維持される。
また、この焼結体は、陰極内部に埋設されているため、放電アークに直接曝されることがなく、アークによって過熱されることが抑制されるので、過度に蒸発してエミッタが早期に枯渇してしまうようなことがない。
また、所定時間の点灯後に消灯し、陰極が冷却された際には、点灯時に焼結体から拡散してくるエミッタが先端部内で留まるために、その後の再点灯時には、この先端部内のエミッタがその点灯性を良好なものとしてくれるものである。
図2に示されるように、陰極3は、本体部31と、その先端に接合された先端部32とからなる。
前記本体部31は、トリウムを含まない、タングステンやモリブデンなどの高融点金属材料からなる。
そして、前記先端部32は、前記本体部31の先端側、即ち、陽極4と対向する面に固相接合、溶接などの適宜な接合手段により接合されている。当該先端部32には、トリウム以外のエミッタが適宜含有量で含有されている(以下、先端部に含まれるエミッタを第1エミッタともいう)。
このトリウム以外の第1エミッタとしては、例えば、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化プラセオジム(Pr6O11)、酸化ネオジム(Nd2O3)あるいは酸化ハフニウム(HfO2)などが単体、もしくはその組み合わせで用いられる。
つまり、第1エミッタの含有量が、0.5重量%未満の場合、点灯初期において電子放出に必要となるエミッタ濃度を確保できず、ランプ電圧の上昇や変動の増大が、発生する。また、含有量が、5.0重量%を超えてしまうと、タングステン材料等の製造の際に、焼結体が脆くなってしまい、焼結工程やスウェージ工程での割れに起因する破損が発生しやすくなるだけでなく、仮に、製造できた場合でも、先端部に使用した場合に、エミッタの蒸発が顕著になり、バルブの黒化(白濁)を促進してしまうため好ましくない。
この焼結体34には、トリウム以外の酸化物からなるエミッタ(以下、焼結体34に含有される酸化物エミッタを第2エミッタともいう)が含有されていて、例えば、前記した先端部32に含有されるものと同様に、タングステン等の構成材料に、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化サマリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジムあるいは酸化ハフニウムの単体もしくはその組み合わせを混入して、焼結したものが使われる。
そして、この焼結体34に含有される第2エミッタの濃度は、前記先端部32に含有される第1エミッタの濃度よりも高濃度に設定されていて、その濃度は、例えば、10重量%〜80重量%である。
この第2エミッタの濃度が、10重量%未満であると、陰極3内部に格納できる焼結体34のサイズの関係から、陰極先端部32に供給するエミッタ量を確保することが難しくなってしまう。また、80重量%を超えてしまうと、焼結体34のタングステン等の構成材料の割合が減少してしまい、酸化物の還元による生成物が減少してしまうため、いずれの場合も、陰極の寿命を短くしてしまうことになる。
該エミッタ移送金属35は、種々の形態で封入することができ、前記金属の箔やワイヤを焼結体34の周囲に巻き付けたり、或いは、前記金属の粉末を焼結体34と密閉空間33の内壁面との間に充填したりする形態等が選択される。
図3に示す実施例では、密閉空間33が、本体部31と先端部32とに跨って形成されていて、焼結体34はこの本体部31と先端部32とに跨るように埋設されている。
また更には、図4に示す実施例では、密閉空間33が先端部32側に形成されていて、焼結体34は、実質的には、該先端部32内に埋設されている。
当然ながら、これらの形態のいずれかによって、先端部32の寸法、特に、厚さ寸法が異なってくるものであり、そのいずれを選択するかは、製造面での容易性と、先端部32の厚さに依存するコスト、あるいは全体の製造コストなどの兼ね合いで適宜に選択される。
このように、焼結体34は陰極3内部に埋設されていることにより、放電アークに直接曝されることがなく、必要以上に加熱されることがないので焼結体中に含まれる第2エミッタが過度に蒸発することがない。
<形態1>
(寸法例)
陰極径:φ12
陰極長:21mm
密閉空間:内径φ2.2mm、深さ5.5mm
本体部:Kドープタングステン
先端部:La2O3(エミッタ)、ZrO2(粒子粗大化防止)ドープタングステン
酸化物エミッタ:CeO2
焼結体:CeO2+W(体積比1:1)
焼結体寸法:φ2mm、全長4.5mm
エミッタ移送金属:銅(Cu)
銅の箔またはワイヤを焼結体の周囲に巻回、或いは、銅粉末を密閉空間内の隙間に充填。
酸化物エミッタ(CeO2)粉末とタングステン粉末を体積比で1:1の割合で混合し、バインダ(ステアリン酸)を添加した上で、加圧プレスにより成型を行う。この後、脱脂・仮焼結を水素中1000℃で行った上で、真空中での本焼結を1700〜2000℃で行うことで、製作する。
本体部31に密閉空間33を形成し、その中に焼結体34と、隙間にエミッタ移送金属35として銅の箔、ワイヤ、または粉末を充填して、本体部31と先端部32を溶接や拡散接合等の方法で接合する。
その後、先端部を切削加工して所定の先端形状とし、更にその後に、水素処理、真空熱処理を行うものである。
形態1と同形状の陰極に対して、焼結体として、酸化物エミッタ(CeO2)粉末と、タングステン粉末、および銅(Cu)粉末を体積比1:1:1の割合で混合し、バインダ(ステアリン酸)を添加した上で、加圧プレスにより成型を行う。
この成型体を、水素中において800〜1000℃で脱脂・焼結して、製作する。
その後、本体部31の密閉空間33に、上記の製作した焼結体34を入れて、先端部32と溶接や拡散接合などの方法で接合する。その後の切削加工や水素処理、真空熱処理などは、形態1と同様である。
このような複合酸化物(xR2O3―yWO3、Hf−W−Oなど)とタングステンとからなるエミッタ焼結体が、陰極内部に封入される。
放電ランプの点灯時、陰極先端部分は約2000℃程度まで温度が上昇する。
その時、陰極3の密閉空間33にエミッタ焼結体34と共に封入されたエミッタ移送金属(銅、銀など)35は、それ自体が、ランプ点灯中に高温化することで、先に溶融する。
先述したように、焼結体34中の酸化物エミッタとタングステンとが反応して生成された複合酸化物は、融点が低く、焼結体内部で溶融する。この溶融した複合酸化物が、タングステンと更に反応して、3(Ce2O3)・2WO3や(Ce2O3)WO3等が生じ、この際に、CeやCeOが分離するものと推察される。
このようにして生成されたCeやCeOが、焼結体周辺で溶融状態にあるCu中に溶け込んで拡散・移動していくものである。
そして、液相状態の金属中に拡散したエミッタは、密閉空間33の壁面から陰極本体の中を拡散して、その先端にまで移動していくものである。
そして、陰極内部の密閉空間には、前記先端部の第1エミッタよりも高濃度の、酸化物からなる第2エミッタが含有された焼結体とともに、点灯時に溶融するエミッタ移送金属が封入されているので、第2エミッタが、溶融したエミッタ移送金属中に拡散して陰極本体側に速やかに且つ確実に移送されるので、この第2エミッタが拡散して、先端部側に移動して供給されていき、先端部でエミッタが枯渇するという心配がなく、継続的なエミッタ供給による安定的な点灯が確保される。
また、この焼結体は陰極内部に密封埋設されていて、直接放電アークに曝されることがないので、トリウム以外の蒸気圧の低いエミッタが、過度に蒸発して短時間で枯渇してしまうこともない。
2 発光管
3 陰極
31 本体部
32 先端部
33 密閉空間
34 焼結体
35 エミッタ移送金属
4 陽極
Claims (3)
- 発光管の内部に陰極と陽極とが対向配置された放電ランプにおいて、
前記陰極は、本体部とその先端側に接合された先端部とからなり、
前記本体部は、トリウムを含まない高融点金属材料から構成され、
前記先端部は、エミッタ(トリウムを除く)が含有された高融点金属材料から構成されるとともに、
前記本体部および/または先端部の内部に形成された密閉空間内に、前記先端部に含有されたエミッタ濃度よりも高濃度の酸化物からなるエミッタ(トリウムを除く)が含有された焼結体と、点灯時に溶融する金属よりなるエミッタ移送金属と、が封入されている
ことを特徴とする放電ランプ。 - 前記エミッタは、酸化ランタン(La2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化プラセオジム(Pr6O11)、酸化ネオジム(Nd2O3)あるいは酸化ハフニウム(HfO2)のいずれか、もしくは、その組み合わせであることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
- 前記本体部および前記先端部はタングステンからなり、
前記エミッタ移送金属は、銅、銀、銅合金、あるいは、銀合金のうちのいずれかである
ことを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ。
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