JP7401104B2

JP7401104B2 - 水銀放電ランプ

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Publication number: JP7401104B2
Application number: JP2020568163A
Authority: JP
Inventors: 昭浩井上
Original assignee: Photoscience Japan Corp
Current assignee: Photoscience Japan Corp
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2023-12-19
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Description

本発明は、水銀をアマルガムの状態で封入した水銀放電ランプに関し、特に、アマルガム温度を制御する機能を備えた水銀放電ランプに関する。

短波長域の紫外線は殺菌や有害有機物の分解などに利用されており、１８５nmや２５４nmなどの紫外線発生源として低圧水銀蒸気放電ランプが知られている。一般に低圧水銀蒸気放電ランプには過剰の水銀と共にアルゴン（Ａｒ）などの希ガスが封入されており、水銀蒸気圧（蒸発量）は放電ランプ内の最冷部温度（最も冷たい部位の温度）に依存して変化する。また、放電ランプにおける紫外線等の放射効率は水銀蒸気圧と密接な関係にある。処理能力を高める目的から放電ランプの高密度が図られており、水銀をアマルガムの状態で封入する方法が採られている。すなわち、水銀を例えばビスマス（Ｂｉ）、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）などの金属と合金化（アマルガム化）して放電灯内に配置することによって、高温動作中における水銀蒸気圧を抑制する。この場合、水銀放電ランプ内でのアマルガム位置を最適温度位置（最冷部）に固定することにより、水銀放電ランプの出力を最適に制御することが行われている（例えば特許文献１）。

一方、下記非特許文献１においては、水銀放電ランプ内に置かれたアマルガムに電子電流及びイオン電流を流すことによりアマルガム温度を変化させ、もって水銀蒸気圧を制御することを開示している。

日本特開2009-266759

鷲見弘「インジウム－水銀アマルガムによるけい光ランプの水銀蒸気圧制御」照明学会誌Vol.53、No.8、442頁～449頁

上記特許文献１のように水銀放電ランプ内でのアマルガム位置を最適温度位置に固定したとしても、例えば光出力（蛍光ランプでは可視光、紫外放射ランプでは紫外放射）を減少させたり増加させたりする所謂調光する場合は、ランプ電力が変化することに伴いアマルガム温度が変動するので、最適出力が得られないという問題がある。これに対して、上記非特許文献１においては、電子電流やイオン電流を流すことによりアマルガム温度を変化させ、もって水銀蒸気圧を制御することができるが、その反面電子やイオンが高い運動エネルギーでアマルガム合金やその保持物質に突入し、構成材料を飛散させるので、結果的にランプ寿命を短くするという問題がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、アマルガム温度を制御する機能を備えた水銀放電ランプを提供しようとするものである。

本発明に係る水銀放電ランプは、水銀をアマルガムの状態で封入してなる放電管と、前記放電管内において、アマルガム周辺の温度変化を補償するように該アマルガムの周辺温度を制御する温度制御部材とを備え、前記温度制御部材は、前記放電管内において前記アマルガムの近傍に設けられた電気的発熱体と、前記放電管の口金部の内部に配置され、前記アマルガム周辺の温度低下を補償するように前記電気的発熱体に電流を供給する回路素子を含み、前記回路素子は、前記放電管のフィラメントに供給される電圧の増加に応答して動作する第１の回路素子と、前記第１の回路素子の動作に応じて前記電気的発熱体に電流を供給する第２の回路素子を含み、前記第１の回路素子は、定電圧ダイオードを含み、前記第２の回路素子は、前記定電圧ダイオードの出力を増幅する増幅回路素子を含むことを特徴とする。

この構成により、点灯持続時における出力の低下（つまり調光時の光出力低下）に伴う放電管の温度低下を補償するように前記アマルガムの周辺温度を上昇させることができる。これにより、調光によって光出力が低下した場合でも、水銀蒸気圧を適切に制御することができる。

本発明の一実施例に係る水銀放電ランプの一端部を拡大して示す断面略図。本発明の別の実施例に係る水銀放電ランプの一端部を拡大して示す断面略図。本発明のさらに別の実施例に係る水銀放電ランプの一端部を拡大して示す断面略図。本発明のさらに別の実施例に係る水銀放電ランプの一端部を拡大して示す断面略図。本発明のさらに別の実施例に係る水銀放電ランプの一端部を拡大して示す断面略図。図５の実施例において適用し得る温度制御用回路の一具体例を示す回路図。図５の実施例において適用し得る温度制御用回路の別の具体例を示す回路図。

図１は、本発明の一実施例に係る水銀放電ランプ１０の一端部を拡大して示す断面略図である。水銀放電ランプ１０は、水銀アマルガム１３を封入した石英ガラス製の放電管１１と、該放電管１１の一端部に設けられた口金１２を備える。一例として、放電管１１は直線状である。公知のように、放電管１１の一端部はステム部１１ａとなっており、該ステム部１１ａにインナーリード１４ａとアウターリード１４ｂが固定され、インナーリード１４ａにフィラメント１５が接続されている。アウターリード１４ｂは口金１２から突出して設けられた電気端子１６に接続されている。インナーリード１４ａとアウターリード１４ｂは電気的に接続されており、電気端子１６を介して安定器（不図示）から供給される電流がフィラメント１５に印加される。

放電管１１内において、アマルガム周辺の温度変化を補償するように該アマルガム１３の周辺温度を制御する温度制御部材２０が設けられる。図１の実施例において、温度制御部材２０は波板状のバイメタル２１からなる。放電管１１内において、バイメタル２１の一端が適宜箇所（例えばステム部１１ａ）に固定され、バイメタル２１の他端（自由端）にアマルガム１３が配置される。水銀放電ランプ１０は、調光制御が可能なタイプであり、定格点灯のランプ電力で出力１００％のＵＶ（紫外線）光を放射し、定格未満のランプ電力で出力１００％未満のＵＶ光を放射する。温度制御部材２０においては、ランプ出力１００％のとき最適の水銀蒸気圧が生じるような位置にアマルガム１３が配置されるようにバイメタル２１の固定位置及び構造を設計する。一般に、アマルガム１３の最適な配置は放電管１１内の望むべき紫外線出力が最大となる温度付近であり、一実施例では約１００℃となる位置の近傍である。例えば、In-Bi-Hg（Hg含有量５％）のアマルガム１３を使用する場合、185nmのＵＶを放射する最適な水銀蒸気圧温度は１００℃程度であり、純粋水銀蒸気圧の略６０℃に対応している。従って、例えば、ランプ出力１００％のときに、アマルガム１３の周辺温度が１００℃程度となるように設計される。

図１の実施例の場合、温度制御部材２０としてのバイメタル２１は、アマルガム１３の周辺温度が上記最適温度（例えば１００℃程度）よりも低下した場合、該アマルガム１３を配置した先端がフィラメント１５の方に延びるように構成されている。この場合、フィラメント１５は熱源として機能し、アマルガム１３が該フィラメント１５に近づくことにより該アマルガム１３の周辺温度が上昇し、結果的に、アマルガム１３の周辺温度を上記最適温度（例えば１００℃程度）付近に維持する、若しくは該最適温度から大きく外れないような温度領域に維持する、ことができる。したがって、水銀放電ランプ１０の点灯持続時に、ランプ出力１００％未満に調光制御した場合、これに伴いバイメタル２１の周辺温度が低下するが、該バイメタル２１の先端がフィラメント１５の方に延びることにより、該アマルガム１３がフィラメント１５に近づき、これにより該アマルガム１３の周辺温度が上昇し、水銀蒸気圧をできる限り最適な状態に維持できる。図１において、符号１３'はフィラメント１５に近接したアマルガム１３の位置を例示している。なお、水銀放電ランプ１０においては、ランプ出力を１００％未満に調光制御するときにフィラメント１５を予熱するのが一般的であるから、常時流れるランプ電流に予熱電流が加わることによるフィラメント１５からの発熱により、該フィラメント１５に近接したアマルガム１３の周辺温度が上昇する。

アマルガム１３の具体的な配置及び加熱のための移動量について考察する。一例として、放電管１１の外径が１５mm、フィラメント１５の位置と最冷部との距離が１５mmでその温度差が５０℃、ランプ電力１Ｗ当たりの最冷部温度変化が０．３５℃／Ｗであるとする。その場合、フィラメント１５の位置と最冷部との間の温度勾配は約３．３℃／mmである。定格ランプ電力を例えば１５０Ｗとするとき、定格未満の例えば６０Ｗのランプ電力で調光すると、９０Ｗの電力低下により、最冷部の温度は大略「０．３５℃×９０＝３１．５℃」減少すると想定することができる。そこで、この約３１．５℃の減少を補償するためには、最冷部に位置するアマルガム１３を上記温度勾配に応じた距離「３１．５÷３．３＝約９．５mm」だけフィラメント１５に接近させればよい。このようにアマルガム１３を約９．５mmだけフィラメント１５に接近させることにより、アマルガム１３の周辺温度が上記最適温度（例えば１００℃程度）付近に維持される、若しくは該最適温度から大きく外れないような温度領域に維持することができる。したがって、このような考察をベースにして、バイメタル２１の特性を適宜に設定すればよい。

図２は、本発明の別の実施例に係る水銀放電ランプ１０の一端部を示す断面略図である。この実施例においては、温度制御部材２０としての波板状のバイメタル２２は、図１のバイメタル２１とは反対に、アマルガム１３の周辺温度が上記最適温度（例えば１００℃程度）よりも低下した場合、収縮する特性を持つ。すなわち、バイメタル２２が収縮することにより、該アマルガム１３を配置した先端がフィラメント１５の方に近接するように構成されている。図２においても、符号１３'はフィラメント１５に近接したアマルガム１３の位置を例示している。図２においては、水銀放電ランプ１０の点灯持続時に、ランプ出力１００％未満に調光制御した場合、これに伴いバイメタル２２の周辺温度が低下するが、該バイメタル２２が収縮して、その先端に配置されたアマルガム１３がフィラメント１５に近づき、これにより該アマルガム１３の周辺温度が上昇し、水銀蒸気圧をできる限り最適な状態に維持できる。

前記図１及び図２の実施例を要約すると、温度制御部材２０が、アマルガム１３を所定位置で担持する担持体を含み、該担持体がバイメタル２１又は２２によって構成され、該アマルガム１３の周辺温度の変化に応じて該担持体が変形することにより、該担持体に担持されたアマルガム１３の放電管１１のフィラメント１５に対する離隔距離を変化させ、もって、該アマルガム１３に対する該フィラメント１５による発熱量の影響を変化させることからなる。さらに要約すると、該担持体（バイメタル２１又は２２）の一端が放電管１１内におけるフィラメント１５の取付ベース（ステム部１１ａ）に固定され、担持体の自由端寄りにアマルガム１３が配置され、該アマルガム１３の周辺温度の低下又は上昇に応じた該担持体（バイメタル２１又は２２）の変形に伴って該担持体の自由端がフィラメント１３に近づく又は遠ざかるような配置で担持体（バイメタル２１又は２２）の一端が該取付ベース（ステム部１１ａ）に固定されている。

図３は、本発明のさらに別の実施例に係る水銀放電ランプ１０の一端部を示す断面略図である。この実施例においては、温度制御部材２０として、環境温度に応じて電気的抵抗値が変化する抵抗素子例えばサーミスタ２３を使用する。アマルガム１３は放電管１１内の所定の最適位置（最冷部）に固定的に配置され、該抵抗素子すなわちサーミスタ２３は放電管１１内において該アマルガム１３の近傍に配置される。このサーミスタ２３は、周辺温度の低下に応じて電気的抵抗値が増加するタイプのものであり、アマルガム１３の周辺温度が上記最適温度（例えば１００℃程度）よりも低下した場合に、サーミスタ２３の電気的抵抗値が増加する。この実施例においては、サーミスタ２３自体が電気的発熱体として機能し、電気的抵抗値の増加に応じてサーミスタ２３が発熱することにより、アマルガム１３の周辺温度が上昇し、アマルガム１３の周辺温度をできる限り最適な温度領域に維持する。なお、図３の例においては、電気部品であるサーミスタ２３が放電管１１内に配置されるので、放電管１１内で発生するイオンの衝突に曝される。そこで、サーミスタ２３をイオンボンバードから保護するための保護部材２４（例えば保護管）を適宜の配置で設けるのがよい。

図４は、本発明のさらに別の実施例に係る水銀放電ランプ１０の一端部を示す断面略図であり、図３の変形例を示す。この実施例においては、温度制御部材２０として、環境温度に応じて電気的抵抗値が変化する抵抗素子例えばサーミスタ２５と発熱用抵抗（すなわち、電気的発熱体）２６とを組み合わせて使用する。発熱用抵抗２６は、図３における前記サーミスタ２３と同様に、放電管１１内において該アマルガム１３の近傍に配置される。一方、環境温度に応じて電気的抵抗値が変化する抵抗素子すなわちサーミスタ２５は、口金１２内に配置される。水銀放電ランプ１０の出力が増減される場合には、口金１２内の周辺温度はアマルガム１３の周辺温度に対応して変化するので、該口金１２内のサーミスタ２５はアマルガム１３の周辺温度環境に連動して周辺温度が変化する箇所に配置されていることになる。なお、該サーミスタ２５は、周辺温度の低下に応じて電気的抵抗値が減少するタイプのものであり、該サーミスタ２５と発熱用抵抗２６は直列接続される。アマルガム１３の周辺温度が上記最適温度（例えば１００℃程度）の領域であるときは、サーミスタ２５の周辺温度も高く抵抗値が高いため、サーミスタ２５と発熱用抵抗２６の直列回路に発熱に必要な電流は流れない。アマルガム１３の周辺温度が上記最適温度（例えば１００℃程度）よりも低下した場合に、サーミスタ２５の周辺温度も低下し電気的抵抗値が減少し、サーミスタ２５と発熱用抵抗２６の直列回路に流れる電流が増加することにより発熱用抵抗２６が発熱し、アマルガム１３の周辺温度が上昇する。これにより、アマルガム１３の周辺温度をできる限り最適な温度領域に維持することができる。図３と同様に、放電管１１内の電気部品である発熱用抵抗２６をイオンボンバードから保護するための保護部材２４が適宜の配置で設けられる。この実施例においては、サーミスタ２５は口金１２内に設けられるので、放電管１１内で発生するイオンの衝突に曝されないという利点がある。

図５は、本発明のさらに別の実施例に係る水銀放電ランプ１０の一端部を示す断面略図であり、図４の変形例を示す。図５の実施例においては、図４のサーミスタ２５に代えて、ダイアック（双方向ツェナーダイオードすなわち双方向定電圧ダイオード）２７を口金１２内に配置する。一方、発熱用抵抗（すなわち、電気的発熱体）２６は、図４と同様に、放電管１１内において該アマルガム１３の近傍に配置される。ダイアック２７と発熱用抵抗２６は直列接続され、この直列回路がフィラメント１５に並列接続される。図３及び図４と同様に、放電管１１内の電気部品である発熱用抵抗２６をイオンボンバードから保護するための保護部材２４が適宜の配置で設けられる。また、この実施例においても、ダイアック２７は口金１２内に設けられるので、放電管１１内で発生するイオンの衝突に曝されず、寿命を確保することができる。

図５の動作について説明すると、水銀放電ランプ１０を定格点灯しているときは、フィラメント１５の予熱電圧が全くないかあるいは低いので、ダイアック２７はオフされており、発熱用抵抗２６に電流は流れない。一方、水銀放電ランプ１０を調光制御するときは、フィラメント１５が予熱されるので、所定の予熱電圧に応じてダイアック２７がオンし、発熱用抵抗２６に電流が流れ、該抵抗２６が発熱して、アマルガム１３の周辺温度が上昇する。これにより、調光制御時において、アマルガム１３の周辺温度をできる限り最適な温度領域に維持することができる。

なお、ダイアック２７を構成するツェナーダイオードは比較的小電流で動作するものが多いので、ダイアック２７がオンしたときに流れる電流をトランジスタ等の増幅回路素子により適宜増幅してやり、発熱に必要な電流値を発熱用抵抗２６に供給するのが好ましい。図６は、そのような増幅回路の一例を示す。図６において、該増幅回路は、ダイアック２７に直列に接続された抵抗Ｒ１と、トランジスタＴｒ１と、ダイアック２７と抵抗Ｒ１の接続点とトランジスタＴｒ１のベースとの間に接続された抵抗Ｒ２とを含む。ダイアック２７と抵抗Ｒ１の直列回路がフィラメント１５に並列接続される。また、トランジスタＴｒ１のエミッタに発熱用抵抗２６が接続され、トランジスタＴｒ１のコレクタと発熱用抵抗２６とがなす直列回路がフィラメント１５に並列接続される。この構成により、水銀放電ランプ１０を調光制御するときのフィラメント１５の予熱電圧に応じてダイアック２７がオンし、トランジスタＴｒ１がオンし、発熱用抵抗２６に電流が流れ、該抵抗２６が発熱して、アマルガム１３の周辺温度が上昇する。これにより、調光制御時において、アマルガム１３の周辺温度をできる限り最適な温度領域に維持することができる。なお、増幅回路素子である抵抗Ｒ１、Ｒ２とトランジスタＴｒ１は、口金１２内に配置され、発熱用抵抗２６だけが図５に示すように放電管１１内に配置される。こうして、ダイアック２７は勿論のこと、増幅回路素子Ｒ１、Ｒ２、Ｔｒ１も口金１２内に設けられるので、これらの回路素子は、放電管１１内で発生するイオンの衝突に曝されず、寿命を確保することができる。

図７は、図５の実施例に対して適用可能な別の増幅回路の一例を示す。図７において、該増幅回路は、ダイアック２７の一端をベースに接続したトランジスタＴｒ２と、抵抗Ｒ３とチョークコイルＬ１の直列回路とを含む。抵抗Ｒ３とチョークコイルＬ１の直列回路がフィラメント１５に並列接続され、抵抗Ｒ３とチョークコイルＬ１の接続点とトランジスタＴｒ２のベースとの間にダイアック２７が挿入される。また、トランジスタＴｒ２のエミッタに発熱用抵抗２６が接続され、トランジスタＴｒ２のコレクタと発熱用抵抗２６とがなす直列回路がフィラメント１５に並列接続される。図７に示す増幅回路は、フィラメント１５を予熱するために水銀放電ランプ１０の点灯周波数を高くする方式を採用する場合に適用され得る。すなわち、フィラメント１５を予熱するために水銀放電ランプ１０の点灯周波数が高くなると、チョークコイルＬ１のインピーダンスが増加し、ダイアック２７に印加される電圧が増加し、ダイアック２７がオンし、トランジスタＴｒ２がオンし、発熱用抵抗２６に電流が流れ、該抵抗２６が発熱して、アマルガム１３の周辺温度が上昇する。これにより、調光制御時において、アマルガム１３の周辺温度をできる限り最適な温度領域に維持することができる。この場合も、ダイアック２７及び増幅回路素子である抵抗Ｒ３、チョークコイルＬ１、トランジスタＴｒ２は、口金１２内に配置され、発熱用抵抗２６だけが図５に示すように放電管１１内に配置される。こうして、ダイアック２７は勿論のこと、増幅回路素子Ｒ３、Ｌ１、Ｔｒ２も口金１２内に設けられるので、これらの回路素子は、放電管１１内で発生するイオンの衝突に曝されず、寿命を確保することができる。

なお、水銀放電ランプ１０が直線状の放電管１１の両端部に口金１２が設けられるタイプからなる場合は、水銀アマルガム１３及び温度制御部材２０を放電管１１の両端部においてそれぞれ配置してもよい。直線状に限らず、任意の形状の放電管からなる水銀放電ランプにおいて本発明を応用することができる。また、紫外線放射用の水銀放電ランプに限らず、蛍光灯など、その他のタイプの水銀放電ランプにおいて本発明を応用することができる。

Claims

水銀をアマルガムの状態で封入してなる放電管と、
前記放電管内において、アマルガム周辺の温度変化を補償するように該アマルガムの周辺温度を制御する温度制御部材と
を備え、
前記温度制御部材は、前記放電管内において前記アマルガムの近傍に設けられた電気的発熱体と、前記放電管の口金部の内部に配置され、前記アマルガム周辺の温度低下を補償するように前記電気的発熱体に電流を供給する回路素子を含み、
前記回路素子は、前記放電管のフィラメントに供給される電圧の増加に応答して動作する第１の回路素子と、前記第１の回路素子の動作に応じて前記電気的発熱体に電流を供給する第２の回路素子を含み、
前記第１の回路素子は、定電圧ダイオードを含み、前記第２の回路素子は、前記定電圧ダイオードの出力を増幅する増幅回路素子を含むことを特徴とする、水銀放電ランプ。