JP6241688B1

JP6241688B1 - 高圧ナトリウムランプ照明装置

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Publication number: JP6241688B1
Application number: JP2016206336A
Authority: JP
Inventors: 亘央二古俣; 広樹高橋; 拓也下村
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: CA2980670C; CA2980670A1; US20180114689A1; US10153152B2; JP2018067488A

Abstract

【課題】本発明は、音響共鳴現象の発生を抑制した高圧ナトリウムランプ照明装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の高圧ナトリウムランプ照明装置は、高圧ナトリウムランプと、該高圧ナトリウムランプに高周波交流電圧を給電する電子安定器とを備える。電子安定器の点灯周波数は、高圧ナトリウムランプの発光管内径D mmから定まる１次及び２次音響共振発生帯域f1、f2を回避する周波数である。【選択図】図４

Description

本発明は、高圧ナトリウムランプ照明装置に関する。更に具体的には、本発明は、音響共鳴現象の影響を抑制した高圧ナトリウムランプ照明装置に関する。

高圧ナトリウムランプは、一般照明及び植物育成用の照明として広く使用されている。
高圧ナトリウムランプを含む高圧金属蒸気放電灯を高周波点灯する場合、発光管に音響共鳴現象が発生することが知られている。音響共鳴現象が発生すると、発光管内のアーク放電が乱れ、照度が低下し、ランプ寿命が短くなる。

本発明者は、本発明に関する次の特許文献を承知している。

昭58-209053「高圧ナトリウム放電灯」（公開日：1983.12.05）出願人：ルドルフ・ランベルツス・アドリアヌス・ファン・デル・ヘイデン特開平9-260072「高圧放電ランプ」（公開日：1997.10.03）出願人：松下電器産業株式会社特開2006-339159「高圧ランプ、高圧ランプを縦方向モードで共振動作させるための関連の動作方法、および関連のシステム」（公開日：2006.12.14）出願人：パテント−トロイハント−ゲゼルシャフトフユールエレクトリッシェグリューラムペンミツトベジュレンクテルハフツング

高圧ナトリウムランプにおいても、安定器と照明器具を一体化して小型化するため、電子安定器を採用するケースが増えてきている。従って、発光管に音響共鳴現象が発生する問題が有る。

そこで、本発明は、音響共鳴現象の発生を抑制した高圧ナトリウムランプ照明装置を提供することを目的とする。

上記目的に鑑みて、本発明に係る高圧ナトリウムランプ照明装置は、本発明の一面では、高圧ナトリウムランプと、該高圧ナトリウムランプに高周波交流電圧を給電する電子安定器とを備えた高圧ナトリウムランプ照明装置であって、前記高圧ナトリウムランプのアーク長ALは、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内であり、前記電子安定器の点灯周波数は、前記高圧ナトリウムランプの発光管内径D[mm]から（式１）及び（式２）に基づき定まる１次及び２次音響共振発生帯域f1[kHz]，f2[kHz]を回避する周波数である。

更に、上記高圧ナトリウムランプ照明装置では、前記電子安定器の点灯周波数は、該電子安定器のランプ電圧−点灯周波数特性VL-fの内、前記高圧ナトリウムランプの発光管内径D[mm]から（式２）に基づき定まる２次音響共振発生帯域の最大値f2max.を越える値であってよい。

更に、本発明に係る電子安定器から高周波交流電圧を給電され点灯する高圧ナトリウムランプ照明装置の音響共振現象の抑圧方法は、前記電子安定器に適合し、前記高圧ナトリウムランプのアーク長ALが、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内にあるランプを用意し、前記ランプを点灯させる際にランプ電圧VLを変更し、前記電子安定器の点灯周波数特性VL-fを取得し、（式１）及び（式２）を用いて、前記電子安定器の点灯周波数が、１次及び２次音響共振周波数帯域f1[kHz],f2[kHz]の範囲に入らない発光管内径の範囲を取得し、取得した発光管内径の範囲内で、発光管を作成し、高圧ナトリウムランプ照明装置を完成する方法である。

更に、上記高圧ナトリウムランプ照明装置の音響共振現象の抑圧方法は、更に、前記ランプ電圧−点灯周波数特性VL-fから初期ランプ電圧を仮決定して、電子安定器の初期点灯周波数を決定し、（式１）及び（式２）を用いて、前記初期点灯周波数が、１次及び２次音響共振発生帯域f1,f2の範囲内に入らない発光管内径の範囲を取得し、取得した発光管内径の範囲内の内径で、２次音響共振発生帯域最大値f2max.より点灯周波数が高いランプ電圧VLを有するランプを作成してもよい。

本発明によれば、音響共鳴現象の発生を抑制した高圧ナトリウムランプ照明装置を提供することが出来る。

図１は、本実施形態に係る高圧ナトリウムランプ照明装置の回路ブロック図である。図２Ａは、高圧ナトリウムランプの一例である。図２Ｂは、高圧ナトリウムランプの他の一例である。図３Ａは、発光管内径8.0mmを用いた高圧ナトリウムランプの各種パラメータとリップル周波数の関係を示すグラフである。図３Ｂは、発光管内径9.7mmを用いた高圧ナトリウムランプの各種パラメータとリップル周波数の関係を示すグラフである。図４は、高圧ナトリウムランプの発光管内径とリップル周波数の関係を示すグラフである。図５Ａは、発光管内径8.0mmを用いた高圧ナトリウムランプ照明装置のランプ電圧と点灯周波数の関係を示すグラフである。図５Ｂは、発光管内径9.7mmを用いた高圧ナトリウムランプ照明装置のランプ電圧と点灯周波数の関係を示すグラフである。図６Ａは、第１実施形態の作業フローを示す図である。図６Ｂは、第２実施形態の作業フローを示す図である。

以下、本発明に係る高圧ナトリウムランプ照明装置の実施形態に付いて、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。

［音響共鳴現象］
高圧ナトリウムランプ照明装置における「音響共鳴現象」(Acoustic resonance phenomenon)は、交流の高周波点灯の状態で発生する現象である。発光管内の電極は、高周波点灯のため通電・遮断を高速度で繰り返している。この通電時には電極は高温に加熱され、遮断時には瞬時であるが加熱が中断される。この結果、電極付近の気体が加熱・中断されて、圧力の大小の粗密波から成る圧力波が発生する。この圧力波が、電極から遠方に音速で伝搬する。この現象は、音の伝搬と同じ現象なので、音響共鳴現象と呼ばれている。この音響共鳴現象は、水銀灯、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプにおいて、必ず発生する現象である。

この音響共鳴現象が、ランプの発光管の点灯共振周波数と一致すると定常波が生じ、放電アークがちらついたり、途切れたり、アークの方向が曲げられ発光管壁面に向けられ発光管破裂に至ることもある。
ランプの音響共鳴現象は、商用周波数50又は60Hzでは周波数が低いために起こらず、ランプの高周波点灯周波数の数kHz〜100kHzで発生する。

なお、本発明者等の知る限り、第1実施形態で説明する音響共鳴現象と発光管内径Dとの関係に関する発明、提案等は無かった。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る高圧ナトリウムランプ照明装置１０の回路ブロック図である。交流電源２から電子安定器４を介して、高圧ナトリウムランプ８に給電される。始動発振器６は電子安定器４に内蔵され、始動時のみランプ１０に高圧パルスを印加するものである。

最初に、本発明者等は、高圧ナトリウムランプ照明装置において音響共鳴現象の発生原因を調査した。音響共鳴現象の発生要因として、発光管内に封入されるキセノンXeの封入圧、アーク長（電極間距離）AL、電極の種類等が考えられた。

図２Ａ及び図２Ｂは、高圧ナトリウムランプの形状の一例を示す。図２Ａは、一端に形成された口金１２から給電され、管球１４は電球状であり、内部に発光管２２が収納されている。図２Ｂは、両端１８ａ，１８ｂから給電され、管球２０はＴ管タイプであり、内部に発光管２２が収納されている。なお、高圧ナトリウムランプの形状は、これらに限定されず、全ての形状を含むものとする。

発光管１６，２２の形状は、いずれも、両端面に電極が取り付けられている以外は、軸中心が直線に伸びる全体が円筒形であり、従ってその内径は発光管全長に亘ってほぼ同一である。

図３Ａは、発光管内径D=8.0mmの高圧ナトリウムランプに関し、発光管のXe封入圧 Torr、アーク長AL mm、電極の種類をパラメータとしたサンプルを7個用意し、音響共鳴現象の発生するリップル周波数ｋＨｚを測定した結果である。なお、音響共鳴現象発生の有無の判定は、発光管内のアークの揺れ・曲げ変形の有無を目視によって判定した。

Xe封入圧に関し、サンプルNo.1は250 Torr、Nos.2〜5は300 Torr、No.6は350 Torr、No.7は500 Torrである。アーク長ALに関し、サンプルNo.1は163 mm、Nos.2〜3は145 mm、No.4は143 mm、Nos.5〜6は144.8 mm、No.7は167 mmである。電極の種類に関し、サンプルNos.1〜6はP1.2-12E（電極心棒の直径1.2mm，全長12mm）、No.7はP0.8-8W（電極心棒の直径0.8mm，全長8mm）である。

この実験結果により、発光管内径D=8.0mmでは、１次音響共振周波数f1が、80〜90 ｋＨｚで発生していることが分かった。同様に、２次音響共振周波数f2が、110〜120 ｋＨｚで発生していることが分かった。なお、３次音響共振周波数も発生することが予想されたが、発光管内のアークに影響するような現象は見られなかった。

同様に、図３Ｂは、発光管内径D=9.7 mmの高圧ナトリウムランプに関し、サンプルを8個用意し、音響共鳴現象の発生の発生するリップル周波数kHzを測定した結果である。

Xeの封入圧に関し、サンプルNo.11は250 Torr、Nos.12〜16は300 Torr、No.17は400 Torr、No.18は500 Torrである。アーク長ALに関し、サンプルNos.11〜13は145.8 mm、Nos.14〜15は144 mm、No.16は145 mm、No.17は145.8 mm、No.18は142.8 mmである。電極の種類に関し、サンプルNos.11〜13はP0.8-8W、Nos.14〜15はP0.9-10E（電極心棒の直径0.9mm，全長10mm）、No.16はP1.2-12E、No.17はP0.8-8W、No.18はP1.2-12Eである。

この実験結果により、発光管内径D=8.0mmでは、１次音響共振周波数f1が、60〜72 kHzで発生していることが分かった。同様に、２次音響共振周波数f2が、90〜100 kHzで発生していることが分かった。同様に、３次音響共振周波数に起因する発光管内のアークに影響する現象は見られなかった。

図３Ａ及び図３Ｂの結果から、キセノンXeの封入圧、アーク長AL（但し、142.8mm≦AL≦167mm）、電極の種類の相違は、いずれも、音響周波数発生の有無に関して相関性は認められなかった。しかし、図３Ａ及び図３Ｂの結果を考察すると、１次音響共振周波数f1及び２次音響共振周波数f2の発生帯域が大きく相違していることが観測された。

そこで、高圧ナトリウムランプの発光管内径 D mmを変えたランプを作成し、リップル周波数の関係を調査した。発光管内径 D mmは、8.0、9.0、9.7、12.0の4種類である。その他の仕様は、次の通りである。

ランプ：図２Ａ示す片口金型600 Wランプ及び図２Ｂ示す両口金型1,000 Wランプ、Xe封入圧250〜500 Torr、ランプ電圧VL:150〜400 V

図４に、表1をグラフにして示す。
発光管内径 D＝8.0mmでは、１次音響共振発生帯域（f1min.〜f1max.）は、80〜89 kHzであった。２次音響共振発生帯域（f2min.〜f2max.）は、109〜115 kHzであった。他の発光管内径 Dの結果は、表１及び図４を参照されたい。

図４に示すように、発光管内径Dと音響共振が発生するリップル周波数の帯域との間に非常に密な相関性があることが判明した。図４より、1次音響共振発生帯域f1、２次音響共振発生帯域f2は、夫々、発光管内径Dとの間で直線近似出来ることが分かる。発光管内径Dと1次音響共振発生帯域f1[kHz]及び２次音響共振発生帯域f2[kHz]と相関に関し、次式を得た。

f1min.= -7.4D+130
f1max.= -8.3D+156
f2min.=-11.5D+200
f2max.=-10.0D+197
但し、D: 発光管内径mm
従って、高圧ナトリウムランプ照明装置を設計するに際し、音響共鳴現象の発生を抑制するため、（式１）及び（式２）に示す１次及び２次音響共振発生帯域f1，f2を回避する発光管内径D mmを選択することが必要である。

発光管内径D mmを（式１）及び（式２）に１次及び２次音響共振発生帯域f1，f2を回避するように決定することで、アーク長ALが142.8mm≦AL≦167mmの範囲内の発光管においては、音響共振現象の発生を抑制することが出来た。

［第２実施形態］
第１実施形態では、発光管内径D mmを適切に選択することで、音響共振現象の発生を抑制することが出来ることが分かった。しかし、図１に示す電子安定器の特性を調べたところ、幾つかのメーカーの照明器具に使用されている電子安定器では、点灯周波数ｆ [kHz]がランプ電圧VL [V]によって変動することが判明した。本発明者等が実験で使用したGAVITA社の「Gavita Pro 1000DEUS」では、ランプ電圧VLが高くなるにつれ、点灯周波数ｆも高くなる。一般に、高圧ナトリウムランプは初期から寿命末期にかけてランプ電圧が上昇していくので、この種の安定器を使用した照明装置では、点灯時間経過とともに点灯周波数が高くなっていく。なお、電子安定器によっては、ランプ電圧VLが変化しても点灯周波数ｆが一定になるよう補償手段が設けられているものもあることを承知されたい。

従って、１次及び２次音響共振発生帯域f1，f2を回避出来るように、ランプ電圧VLを決定することが必要となった。

図５Ａは、発光管内径D=8.0 mmを使用した高圧ナトリウムランプ照明装置において、ランプ電圧VLを変えたときの変化を示したグラフである。図示する１次及び２次音響共振発生帯域f1,f2は、式(1)及び(2)で求めた周波数帯域である。
使用した電子安定器のVL-f特性を実線で示す。電子安定器のVL-f特性は、ランプ電圧VLが150〜400 Vの範囲では、点灯周波数ｆが65〜180 kHzへほぼ直線状に上昇する。

このような場合、２次音響共振発生帯域の最大値f2max.を越えるランプ電圧VLを選択する必要がある。図５Ａの場合、ランプ電圧VL＝270〜400 Vの範囲に設定しなければならない。更に、ランプ寿命末期までにランプ電圧が上昇することを考慮して、f2max.を越える範囲でなるべく低いランプ電圧に設定することが好ましい。

同様に、図５Ｂは、発光管内径D=9.7 mmを使用した場合である。使用した電子安定器のVL-f特性は、図５Ａのそれと同じである。しかし、実施形態１で説明したように、１次及び２次音響共振発生帯域f1，f2が異なる。

このような場合、２次音響共振発生帯域の最大値f2max.を越えるランプ電圧VLを選択する必要がある。図５Ｂの場合、ランプ電圧VL＝220〜400 Vの範囲に設定しなければならない。

結局、ランプ電圧VLは、使用する電子安定器のVL-f特性を調べ、第1実施形態に従って１次及び２次音響共振発生帯域f1，f2を決定し、２次音響共振発生帯域の最大値f2max.を越えるものに決定するものにする必要がある。

第２実施形態により、使用する電子安定器が、点灯周波数ｆがランプ電圧VLによって変動する場合であっても、音響共振現象の発生を抑制することが出来る。

［第１及び第２実施形態の作業フロー］
図６Ａは、第１実施形態の作業フローを示す図である。
ステップＳ１１で、使用する電子安定器に適合するランプを用意する。このランプは、電子安定器の使用に合ったランプ電力で点灯出来るランプであって、アーク長ALが、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内にあれば、任意のランプであってよい。
ステップＳ１２で、ランプを点灯させる際にランプ電圧VLを変更し、電子安定器の点灯周波数特性VL-fを取得する。
ステップＳ１３で、（式１）及び（式２）を用いて、安定器の点灯周波数が、１次及び２次音響共振周波数帯域f1,f2の範囲に入らない発光管内径の範囲を取得する。
ステップＳ１４で、取得した発光管内径の範囲内で、発光管を作成する。

次に、図６Ｂは、第２実施形態の作業フローを示す図である。
ステップＳ２１で、ステップＳ１１と同様に、使用する電子安定器に適合するランプを用意する。このランプは、電子安定器の使用に合ったランプ電力で点灯出来るランプであって、アーク長ALが、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内にあれば、任意のランプであってよい。
ステップＳ２２で、ステップＳ１２と同様に、ランプを点灯させる際にランプ電圧VLを変更し、電子安定器の点灯周波数特性VL-fを取得する。
ステップＳ２３で、取得したランプ電圧−点灯周波数特性VL-fから初期ランプ電圧を仮決定し、電子安定器の初期点灯周波数を決定する。
ステップＳ２４で、（式１）及び（式２）を用いて、決定した電子安定器の初期点灯周波数が、１次及び２次音響共振発生帯域f1,f2の範囲内に入らない発光管内径の範囲を取得する。
ステップＳ２５で、取得した発光管内径の範囲内の内径で、２次音響共振発生帯域最大値f2max.より点灯周波数が高いランプ電圧VLを有するランプを作成する。

［本実施例の利点・効果］
(1) 本実施形態に使用される電子安定器及び高圧ナトリウムランプ照明装置は、何れも市場において入手可能なものであり、これらを使って音響共振現象の発生を抑圧した照明装置を完成することが出来る。

(2) 本実施形態は、全体が円筒形状であって、アーク長ALが、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内にある発光管を有する高圧ナトリウムランプに関し、音響共振現象の発生の有無が、発光管内径Dのみの関数によるという発見に基づき完成されてものである。この発見に基づき、音響共振現象の発生を抑圧した照明装置を完成することが出来た。

［代替例等］
以上、本発明に係る高圧ナトリウムランプ照明装置の実施形態を説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を何等限定するものではない。本実施形態に対して、当業者が容易に成し得る追加・削除・変更・削除・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添附の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

２：交流電源、４：電子安定器、６：始動発振器、８:ランプ、１０：高圧ナトリウムランプ照明装置、１２：口金、１４：管球，外球、１６：発光管、１８ａ，１８ｂ：両端、２０：管球，直管、２２：発光管

Claims

高圧ナトリウムランプと、該高圧ナトリウムランプに高周波交流電圧を給電する電子安定器とを備えた高圧ナトリウムランプ照明装置において、
前記高圧ナトリウムランプのアーク長ALは、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内であり、
前記電子安定器の点灯周波数は、前記高圧ナトリウムランプの発光管内径D[mm]から（式１）及び（式２）に基づき定まる１次及び２次音響共振発生帯域f1[kHz]，f2[kHz]を回避する周波数であり、
前記電子安定器は、点灯周波数fがランプ電圧VLによって変動する特性を有しており、該電子安定器の点灯周波数は、該電子安定器のランプ電圧−点灯周波数特性VL-fの内、前記高圧ナトリウムランプの発光管内径D[mm]から（式２）に基づき定まる２次音響共振発生帯域の最大値f2max.を越える値である、高圧ナトリウムランプ照明装置。
電子安定器から高周波交流電圧を給電され点灯する高圧ナトリウムランプ照明装置の音響共振現象の抑圧方法において、
前記電子安定器に適合する高圧ナトリウムランプであってアーク長ALが、142.8mm≦AL≦167mmの範囲内にある発光管を有するランプを用意し、
前記電子安定器は、点灯周波数fがランプ電圧VLによって変動する特性を有しており、前記ランプを点灯させる際にランプ電圧VLを変更し、前記電子安定器の点灯周波数特性VL-fを取得し、
前記ランプ電圧−点灯周波数特性VL-fから初期ランプ電圧を仮決定して、電子安定器の初期点灯周波数を決定し、
（式１）及び（式２）を用いて、前記初期点灯周波数が、１次及び２次音響共振発生帯域f1,f2の範囲内に入らない発光管内径の範囲を取得し、
取得した発光管内径の範囲内の内径で、２次音響共振発生帯域最大値f2max.より点灯周波数が高いランプ電圧VLを有するランプを作成し、高圧ナトリウムランプ照明装置を完成する、方法。