JPH0711944B2

JPH0711944B2 - 放電ランプ用の非対称なア−ク室

Info

Publication number: JPH0711944B2
Application number: JP24980386A
Authority: JP
Inventors: リチャード・フィリップ・ギリアード; ダニエル・マイケル・カップ; ジョン・ジャノス・カリカス; ギルバート・ヘンリー・レイリング; エルマー・ジョージ・フリドリック
Original assignee: ゼネラル・エレクトリツク・カンパニイ
Priority date: 1985-10-25
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPS62110251A; EP0220633A1; DE3680070D1; BR8605276A; EP0220633B1; MX168440B

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、金属蒸気放電ランプ、特にこの種のランプ用
の非対称形状のアーク室に関する。

従来技術の説明従来、水銀と選ばれた金属ハロゲン化物を蒸発させて点
灯するメタルハライドランプの性能を改良しようとし
て、アーク室に用いる材料の改良、電極の変更、金属ハ
ロゲン化物の充填量の変更などに努力が払われている。
従来のメタルハライドランプには「過剰量」の金属ハロ
ゲン化物を充填したものがあり、このようなランプで
は、最大パワーで動作している際でもハロゲン化物のご
く一部しか蒸発しない。このように過剰な充填量とする
のは、充填物の反応および／または消失によりランプの
寿命全体にわたって金属ハロゲン化物蒸気の量が変化す
る（従ってランプの色とルーメン出力が変化する）のを
避けるためであり、またより多量の金属ハロゲン化物を
ランプ中に封入すれば、ランプの動作中により多量の金
属ハロゲン化物が蒸発し、その結果ランプのルーメン出
力および演色性が向上することが実験的に確認されてい
るからである。ランプの色およびルーメン性能はアーク
中のハロゲン化物の蒸気圧を高くすることにより改良さ
れ、このハロゲン化物の蒸気圧はアーク室の壁温度に依
存する。垂直位置で動作（点灯）している時のアーク室
の壁温度は、アーク室への入力電力、電極のジオメトリ
ィと設計、並びにアーク室の形状によって決められる。
壁温度は対流速度および流れパターン、アーク放射効率
およびハロゲン化物の壁被覆量（アーク室の壁を被覆す
る量）によっても変化する。壁温度に関して特に重要な
のは対流の流れパターンであり、アーク流体中に不安定
な流れがあるとアークがアーク室の壁に近づけられるこ
とが明らかである。ハロゲン化物の凝縮物の壁被覆量は
壁温度に影響を及ぼす。これは、ハロゲン化物がアーク
室の壁から蒸発することにより冷却作用を行うためであ
り、アーク室の壁からハロゲン化物の凝縮物が蒸発する
と、アーク室の壁が凝縮物で覆われてない場合よりも壁
温度が低くなる。また、金属ハロゲン化物の凝縮物が存
在するとアーク管の壁の温度分布も影響される。広範囲
にわたってハロゲン化物の凝縮物が存在するとアークが
非対称になり、このため凝縮物で覆われたアーク管の壁
の部分よりも高い温度になる被覆されていない裸のスポ
ットが局部的に発生する。

発明の概要本発明の目的は、アーク室の壁上の金属ハロゲン化物の
凝縮物の分布を促進するようにアーク室の壁の形状およ
びアーク室内での電極の位置を定めた、金属蒸気放電ラ
ンプ用のアーク室を提供することにある。

本発明の特定の目的は、アーク管の一方の端部の表面積
が他方の端部の表面積より大きい非対称なアーク室を提
供することにある。

従って本発明は、好適な実施態様では、高光度放電ラン
プ用のアーク管を提供し、このアーク管は１対の導電リ
ードがその両端から伸びており、アーク管の一方の端部
の断面が他方の端部の断面より小さくなるような非対称
な形状を有する。特に好ましい実施態様では、各電極の
対応するアーク室端部への挿入量およびアーク管の寸法
は、封入材料の量と組合せて、動作中にアーク管内に十
分な量の蒸気が維持されるように選択する。本発明は、
アーク管を包囲し、平常のランプ動作中にアーク管の小
さい方の端部が下側に位置するようにアーク管を支持す
るガラス質の外管を有する高光度放電ランプも提供す
る。

好適実施例の説明本発明の他の目的および効果は、その構成、作動方法お
よび最良と目される動作態様ともども、添付の図面に関
連した以下の説明を参照すれば、十分に理解できるはず
である。図面中同一の参照符号は同一の要素を示す。

本発明を適用したランプは、第１図に図示するように、
口金を上にした垂直位置で動作するように設計されてい
る。ランプ10は、高光度放電ランプに適した組成を有す
るガラスのようなガラス質材料の外管12と、適当なソケ
ットに電気接続するための適当な電気接点を有する口金
14とを備える。外管12内の空間は排気するか、あるいは
窒素ガスを0.5気圧まで封入する。口金14で囲まれたラ
ンプのステム16には、導電性ワイヤ端子18および20が貫
通している。端子18は支持ロッド22に接続され、支持ロ
ッド22には支持部材24が取付けられている。導電性導入
線26の一端が支持部材24に接続され、他端が箔部材28に
接続されている。箔部材28は電極32の電極ステム30に接
続されている。支持リード線34が端子20に接続されると
ともに、導入線36に直接接続されている。導入線36は、
電極42の電極ステム40に接続された箔部材38に接続され
ている。固定用ディンプル44が外管12の底端に設けら
れ、金属製カラー46がディンプルに取り付けられて支持
ロッド48を支持する。支持ロッド48は支持部材50により
アーク管54のステム52に接続される。アーク管54のステ
ム52および56は箔部材28および38のまわりに封止され
て、アーク管の内部を密封する。

アーク管54は第２図に詳しく示されている。アーク管54
は厚さの薄いフューズドシリカ（石英ガラス）のような
ガラス質材料の内側エンベロープで構成され、その両端
が前述したように密封され、電極32および42が対応する
エンベロープ端部から内部に突出している。適当な封入
物がアーク室54内に入れてあり、これは例えば、適当量
の水銀アマルガムと過剰量の金属ハロゲン化物を含む放
電媒質である。放電媒質の具体例としては、０乃至５モ
ル％のカドミウムを含有する水銀アマルガム約15乃至25
mg（ミリグラム）と、ヨウ化ナトリウム（Nal）、ヨウ
化スカンジウム（ScI₃）およびヨウ化トリウム（ThI₄）
を予め定めた公称重量％で有するこれらの金属ハロゲン
化物の組合せ25乃至45mgと、これらに更に圧力80乃至12
0トルのアルゴンのような不活性封入ガスを加えたもの
からなる。金属ハロゲン化物の充填量は、ランプの動作
中に蒸発する量よりも実質的に多くなるように選ぶ。本
発明のアーク管では、金属ハロゲン化物の充填量はアー
ク管の内側表面積1cm²当り少なくとも2.0mgになるよう
に選定する。タングステン・ワイヤの電極32および42は
第２図に示す形状に巻き、アーク室の内部に予め定めた
距離だけ突出させて、アマルガムと金属ハロゲン化物の
蒸発がランプの動作中適当なレベルに維持される様にす
る。第２図に示すアーク管の形状が対称でないことに加
えて、上側電極32がアーク管の内部に突出する距離は下
側電極42がアーク管の内部に突出する距離とは相違し、
通常後者よりも長い。第２図に示すように、赤外線反射
コーティング66が、アーク管54の下側の狭い端部60の外
面68に設けられている。アーク管54の下側の端部60の形
状はほぼ半球形であり、アーク管54の上側の端部70の形
状は、端部60の内径より大きい内径の半球形である。ア
ーク管の中間部分72はほぼテーパ付きの中空部材であっ
て、その一端の半径は下側端部60の半径に合致し、他端
の半径は上側端部70の半径に合致し、従ってアーク管の
中間部分とその両側の半球形端部との間の移行部は滑ら
かになっている。

本発明のアーク室の別の実施態様を第３図に示す。この
アーク管80は、第１半径を有する上側の端部82、第１半
径より実質的に小さい第２半径を有する下側の端部84、
および上端が第１半径に等しい半径を有し、且つ下端が
第２半径に等しい半径を有するテーパ付き中間部分86を
有する。上側電極88はアーク室の内部へ突出して、アー
ク管80を構成する石英ガラス中に電極ステム94が進入す
る点92におけるアーク管の表面から第１の距離の所に電
極先端90が位置決めされる。電極ステム94はアーク管の
上端の封止部の所でリボン接点または箔部材96に接続さ
れ、さらに第１図に示したようにランプの接点に接続す
るために導入線98に接続されている。下側電極100はア
ーク管の下側の狭い端部84内に配置されていて、電極ス
テム106が石英ガラス中に進入する点におけるアーク管
の内部表面104から上記第１の距離より短い第２の距離
の所に電極先端102が位置決めされる。電極ステム106は
またガラスを貫通してリボン接点また箔部材108に接続
され、箔部材は導入線110に接続されている。赤外線反
射コーティング112がアーク管80の下側の狭い端部84の
外面に設けられている。ハロゲン化物の充填量は、アー
ク管の内側表面積１cm²当り少なくとも2.0mgになるよう
に選定する。

本発明はアーク管の両端部の形状が半球形に限られず、
アーク管の内側表面が滑らかで該内側表面に不連続がな
いならば、全体として丸味のある形状すべてを包含す
る。例えば一方の端部または両端部を放物形や楕円形と
することができる。更に、両端部が類似の幾何形状をも
つ必要もない。例えば、一方の端部を半球形とし、他方
の端部を楕円形とすることができる。必要なことは、一
方の端部が他方の端部の断面の1.2乃至2.0倍であること
と、それら２つの端部が滑らかにテーパの付いた中間部
分により接合されていることである。また本発明のアー
ク管は、第１図に示すように口金を上向きにするランプ
ではなく、口金を下向きにするランプに装着することも
できる。またアーク管は取付器具に水平設置するように
設計された外管の中に装着することもできる。アーク管
を外管内に支持する装着構造がアーク管を製造公差内で
垂直に配置し且つアーク管の内の小さい方の端部を下に
して位置決めできる限り、上記のような構成のどの外管
にも本発明のアーク管を用いることができる。

ランプを動作させるには、金属蒸気放電ランプを点灯す
るのに適した安定化装置を有する適当な電源装置にねじ
込み接続する。アーク管の電極に十分に高い電圧が印加
されると、ランプ内のアルゴンが電離してグロー放電を
生じ、これによりアーク管内に非蒸気形態で封入されて
いる金属ハロゲン化物の少なくとも一部が蒸発する。適
当な量の金属ハロゲン化物が蒸発し終ると、励起された
金属ハロゲン化物のアーク放電が確立される。メタルハ
ライドランプの動作中、金属ハロゲン化物がアーク管の
壁に接触して、その衝突する金属ハロゲン化物分子の一
部が凝縮温度以下に下って凝縮するので、金属ハロゲン
化物の連続的な蒸発−凝縮サイクルが維持される。凝縮
物をアーク管の内側表面に沿って分布させることは、ア
ーク管により放出される輻射線を波して、凝縮物膜の
光吸収特性に従って色温度をより低くする効果がある。
凝縮物が分布して存在することは、凝縮物がアーク管の
比較的低温の領域に捕捉されていないことを表わし、従
って金属ハロゲン化物の蒸発が金属ハロゲン化物がより
低温の領域に捕捉される場合よりも高い正味温度で生じ
ており、このためより多量のハロゲンが蒸発し、その結
果アーク内の金属ハロゲン化物による発光がより多くな
り、これにより通常は発光効率が増大し、色温度が低く
なることを表わす。本発明においては、アーク管の壁の
内側表面積1cm²当り少なくとも2.0の金属ハロゲン化物
を充填することによって、平常のランプ動作中に蒸発す
る量よりも多い過剰の金属ハロゲン化物がアーク管内に
充填されて、蒸発していない充填物の部分がすべてアー
ク管の端部やアーク管壁中の小さな凹みに局限されない
ようにする。理想的には、定常状態の動作中アーク室の
壁を等温にすることにより、最低のホットスポット温度
でハロゲン化物の蒸発を最大にすることである。端部同
士が対称な垂直点灯型アーク管では、自然対流の流れパ
ターンにより、上側端部の壁温度が下側端部の壁温度よ
り高くなって、液体凝縮物のほとんどすべてがアーク室
の底に溜まる傾向がある。本発明では、図面に示すよう
な非対称な幾何形状をとることによって、アーク管の上
側端部および下側端部での壁温度をほとんど等しくする
ことができ、その結果、十分な量の金属ハロゲン化物が
アーク管内に充填されていると、凝縮物がより均一に分
布するようになる。特に、アーク管を非対称な形状とし
たことにより、アーク管の上側端部の表面積が大きくな
り且つアーク管の下側端部の表面積が小さくなるので、
下側端部を通って放散する熱が上側端部を通って放散す
る熱より少量となり、こうしてアーク管の両端部での熱
損失が均衡して、アーク管の全表面にわたってより均一
な壁温度が保たれるようになる。この温度の均一さによ
り、アーク電極間の領域におけるアーク管の内側表面上
に金属ハロゲン化物の凝縮物が均一に分布する様にな
る。本発明者は、このような凝縮物の被覆は、アーク管
の構造にわずかな欠陥があるため、構造の小さな欠陥に
よりアークが非対称になるため、また厳密に垂直な動作
からのわずかなずれにより重力作用に違いがあるため、
実際上は完全に均一に出来ないことが判った。しかし、
本発明では前述したアーク管の構造およびハロゲン化物
の充填量により、上記のような欠陥やずれがあっても、
凝縮物の分布をより均一にするように働く。本発明者は
また、アークの領域におけるアーク室壁上に凝縮物層が
分布しているアーク室により従来の対称なアーク管より
も良好なランプ性能が得られることを見出した。本発明
のアーク管は、金属ハロゲン化物の蒸発速度が速く、ま
た凝縮物がカラーフィルタの作用を行うので、ランプの
発光効率を高くし色温度をより温暖な色温度にする。従
来のメタルハライドランプでは、電極からのタングステ
ンの輸送による壁の黒化により、ランプのルーメン出力
が時間がたつにつれて減少する。本発明では、アーク管
の表面の大部分をそのアーク管の表面上の金属ハロゲン
化物の凝縮物膜で遮蔽して、タングステン層の堆積を減
じることにより、この壁黒化の源を少なくし、これによ
りルーメン出力を低下しないように維持する。液体凝縮
物被覆は、また、ランプを長時間にわたって点灯し続け
たときに通常生じるようなアーク管の壁の被覆された部
分を通るナトリウムの移動を大幅に遅らせる。

前にも述べたように、第２図および第３図に示すアーク
管の非対称な形状は、熱分布を均一にすることにより、
壁内面上の金属ハロゲン化物の凝縮物の均一な分布を促
進する。上側電極の付近では、アーク管内の温度が非常
に高いので、アーク管の壁には何ら凝縮物が生じない。
従って、上側電極を囲む近辺では、本質的に少しも凝縮
物がアーク管の内側表面に付着しない。対流による熱の
流れにより、下側電極を囲むアーク管の領域は温度が低
く、このため凝縮物がこの領域に集まる傾向がある。第
１乃至第３図に示した熱反射コーティングは、アーク管
の下側端部領域の温度を上昇させて、アーク管の底に向
って集まる凝縮したハロゲン化物の蒸発を促進する。ア
ーク管の両端部に対するアーク管内の電極の位置によ
り、アーク管の壁上の凝縮物の望ましい分布を促進でき
ることがわかった。凝縮物層で被覆されないアーク管の
上側端部領域の面積は、少なくとも部分的に、上側電極
がアーク管内に突出する距離によって決まり、従って電
極先端をアーク室内の特定の距離の所に位置決めするこ
とにより、凝縮物で被覆されない面積を定めることがで
きる。アーク管の下側端部では、下側電極をアーク室内
に短い距離しか突出させず、こうして下側電極と反射コ
ーティングとにより、アーク室の底の部分を適切に加熱
した状態に保って、凝縮したハロゲン化物を直ちに蒸発
させる。

第２図に示すアーク管を組込んで、多数の130ワットの
メタルハライドランプを作製した。各アーク管の全長は
約28mm（ミリメートル）であった。各アーク管の上側端
部は半径が約7mmで、下側端部は半径が約5.5mmであっ
た。中間部分は、アーク管の中心線に直角な線に沿った
一点を中心とし、半球形の上側端部の中心の点を通る円
の弧として構成され、この円弧が上側端部および下側端
部のそれぞれの表面との交差部で接線をなすように構成
された。上側電極はアーク室の中に約5.0mmの距離だけ
挿入し、下側電極はアーク室の中に約3.5mmの距離だけ
挿入した。封入物としては、約20mgの３モル％カドミウ
ム含有アマルガムと、公称組成85.1％NaI、11.1％ScI₃
および3.8％ThI₄よりなる約11.0mgの金属ハロゲン化物
の「ピル」を４個充填し、更に圧力約80乃至120トルの
アルゴンの封入ガスを用いた。下側端部に赤外線反射端
部コーティングを、アーク管ステムとの接合部から約2m
mの所まで設けた。この設計の数個のランプを試験した
ところ、代表的な効率は90乃至95ルーメン／ワットで、
色温度は3000乃至3300°Ｋであった。

第３図に示すアーク管の構成を用いて次の１組の130ワ
ットのメタルハライドランメを作製した。前述のものと
大体同じ寸法を用いたが、下側端部の半径は約4mmと
し、上側電極の挿入距離は約4mmとした。封入物として
は、約18mgの３モル％カドミウム含有アマルガムと、公
称組成85.1％NaI、11.1％ScI₃および3.8％ThI₄よりなる
約11.0mgの金属ハロゲン化物の「ピル」を３個充填し、
更に圧力約80乃至120トルのアルゴン封入ガスを用い
た。赤外線反射コーティングを各アーム管の端部上にそ
のステムとの接合部から約1mmの所まで設けた。この構
造では、液体の金属ハロゲン化物が電極に接触してフレ
ア（flare）を生じる可能性が小さくなる。フレアが生
じるのは、凝縮物の細流がアーク管表面に沿って流れ落
ち、高熱の電極ステムに接触して、突発的にハロゲン化
物蒸気を噴出するときである。フレアが生じると、過剰
なハロゲン化物が再び凝縮するまでランプはピンク色に
見える。第３図のアーク管の動作モードでは、メタルハ
ライドランプの初期および有効寿命中の性能特性が製造
の際のばらつきにより影響されない。と云うのは、これ
らのばらつきが気相のハロゲン化物の分布に及ぼす影響
が最小に抑えられるからである。この設計の数個のラン
プを試験したところ、代表的な効率は90乃至95ルーメン
／ワットで、色温度は3000乃至3300°Ｋであった。

以上の説明から明らかなように、本発明の放電ランプの
構成は従来の設計の放電ランプよりも著しく性能を向上
させている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアーク室構造を組込んだランプを示す
概略正面図、第２図は本発明のアーク室の好適な実施態様を示す部分
断面図、そして第３図は本発明のアーク室の別の実施態様を示す部分断
面図である。（主な符号の説明） 10……ランプ、12……外管、14……口金、32,88……電
極、42,100……電極、54,80……アーク管、60,84……下
側端部、70,82……上側端部、72,86……中間部分、66,1
12……反射コーティング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ギルバート・ヘンリー・レイリングアメリカ合衆国、オハイオ州、チャードン、レイモンド・ドライブ、12370番 (72)発明者エルマー・ジョージ・フリドリックアメリカ合衆国、オハイオ州、チャードン、ウィルソン・ミルズ・ロード、9933番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属蒸気放電ランプ用の、石英ガラス製の
細長で光透過性のアーク管であって、当該アーク管はその縦軸線に直角な中央平面に関して非
対称な形状を有し、その両端部には電極が配置されてお
り、上記端部のうちの一方の端部は第１の直径の断面を持
ち、かつ他方の端部は第１の直径より小さい第２の直径
の断面を持ち、当該アーク管はテーパの付いた中間部分を有し、該中間
部分は一端において上記第１の直径に実質的に等しい直
径の断面を持ち、かつ他端において上記第２の直径に実
質的に等しい直径の断面を持ち、上記の一方および他方
の端部が上記中間部分に滑らかに接合されており、上記一方の端部に配置された電極は上記他方の端部に配
置された電極よりも一層長く当該アーク管の内部へ突出
しており、さらに当該アーク管の内部には、水銀および金属ハロゲ
ン化物が封入されており、該金属ハロゲン化物は本質的
にNaI、ScI₃およびThI₄の混合物よりなり、該金属ハロ
ゲン化物の充填量は当該アーク管の内側表面積１平方セ
ンチメートル当り少なくとも2.0ミリグラムにして、当
該アーク管の通常の動作中に蒸発する量よりも過剰な量
の上記金属ハロゲン化物が当該アーク管の中に存在し、
これにより蒸発していない金属ハロゲン化物の少なくと
も一部が当該アーク管の内側表面の少なくとも一部分上
に分布するようにしたことを特徴とするアーク管。
【請求項２】上記一方の端部の断面が上記他方の端部の
断面より1.2乃至2.0倍大きい特許請求の範囲第１項記載
のアーク管。
【請求項３】上記アーク管の内部には更に不活性充填ガ
スが封入されている特許請求の範囲第１項記載のアーク
管。
【請求項４】上記水銀が、カドミウムを含有する水銀ア
マルガムの形で封入されている特許請求の範囲第１項記
載のアーク管。
【請求項５】上記アーク管の内部には、５モル％以下の
カドミウムを含有する水銀アマルガムが15乃至25ミリグ
ラム封入され、NaI、ScI₃およびThI₄の混合物が25乃至4
5ミリグラム封入され、80乃至120トルの分圧のアルゴン
ガスが封入されている特許請求の範囲第４項記載のアー
ク管。
【請求項６】上記アーク管は動作時に上記一方の端部が
上になるように垂直に金属蒸気放電ランプ内に配置され
る特許請求の範囲第１項記載のアーク管。