JPH1069883A - 金属蒸気放電灯 - Google Patents
金属蒸気放電灯Info
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Abstract
反応を成立させ、点灯中の金属ハロゲン化物の蒸気圧を
一定に保持して、ランプ電圧変化の少ない安定した寿命
特性の金属蒸気放電灯を提供する。 【解決手段】 石英製発光管1の両端にタングステンか
らなる電極2,2を配置し、発光管中に水銀と希ガスと
ハロゲンと、鉄,コバルト,ニッケルの一群の中から少
なくとも一種以上の金属を発光物質として封入してなる
金属蒸気放電灯において、水銀以外の封入金属の封入量
を、A×D×V+B(Aは封入金属の原子価の逆数、D
は封入ハロゲンの密度で1×10-5〜1×10-8 mol/c
m3 ,Vは発光管の内容積cm3 ,Bは定数で 0.7×10-4
〜 3.6×10-4 mol)に設定して放電灯を構成する。
Description
乾燥あるいは樹脂の硬化に使用される光化学反応用の金
属蒸気放電灯に関し、特に寿命特性を改善した金属蒸気
放電灯に関する。
いられる光源としては、主に高圧水銀ランプが使用され
ているが、高圧水銀ランプよりも紫外線域での発光効率
を高めたものに金属蒸気放電灯(メタルハライドラン
プ)が知られている。メタルハライドランプは、発光管
内に金属がハロゲンと共に封入され、金属特有の発光ス
ペクトルを有する
ルハライドランプにおいて、 250nm〜 450nmの波長域で
有効な発光スペクトルを持つ封入金属元素として、ガリ
ウム,鉛,鉄,コバルト,ニッケルなどが知られてい
る。これらの封入金属元素のうち鉄,コバルト,ニッケ
ルという鉄族のハロゲン化物を添加したランプは、 250
nm〜 450nmでの発光効率が特に高く、光化学用光源とし
て適している。このようなメタルハライドランプに関す
る先行技術としては、特公昭58−18743号公報、
特公昭59−23420号公報、特公昭62−5423
4号公報、特公平4−75623号公報などに開示のも
のが知られている。
光管の両端にタングステンからなる電極を配置してお
り、電極にはモリブデンの箔を介して外接リード線が接
続されており、両端のリード線から電力が発光管に供給
されるようになっている。発光管の中には、水銀と希ガ
スと金属のハロゲン化物が封入されており、点灯後発光
管の温度上昇と共に水銀と金属ハロゲン化物の蒸気圧が
上昇し、放電プラズマ中で金属ハロゲン化物が分解され
て金属原子となり、電極から放出される電子のエネルギ
ーを受け取り励起される。励起された金属原子はエネル
ギーを光として放出するため、金属元素の持つ固有のス
ペクトルが得られる。点灯中、メタルハライドランプの
プラズマは10〜30V/cmの電位傾度のランプ電圧を示す
が、これは概ね点灯中の金属蒸気の分圧に応じている。
一般に、この種のメタルハライドランプの場合、ランプ
電圧のうち約50〜70%を水銀が、50〜30%を金属ハロゲ
ン化物が担っている。
タルハライドランプのうち、鉄,コバルト,ニッケルと
いう鉄族のハロゲン化物を添加したランプは、 250nm〜
450nmでの発光効率が特に高く、光化学反応用光源とし
て適している反面、電極の材料であるタングステンと添
加物との反応性が高く、点灯中にタングステン電極に発
光金属が固溶化して、点灯中の鉄族のハロゲン化物密度
が減少して、ランプ電圧が低下するという欠点があっ
た。
トランスとチョークからなる安定器の負荷特性からずれ
が生じ、ランプに定格電力が供給できなくなり、紫外線
放射量が減少して光化学反応を遅らせたり、インキや塗
料が乾燥しなくなるという問題があった。
されているランプ中のハロゲン化物の封入量は、発光効
率を高めるため封入ハロゲンの密度を1×10-5〜1×10
-8 mol/cm3 とし、化学当量の金属を添加するように設
計されている。
は、メタルハライドランプの遊離沃素の発生による始動
電圧の上昇を抑制するため金属の過剰添加について記述
されており、また前述の特公昭58−18743号公報
には、金属と沃素の比を1/2〜3に規定した金属蒸気
放電灯について開示がなされている。
点灯中約2000〜2500Kの温度に達するタングステン電極
の先端部において、点灯初期には次のような反応がおこ
る。 XFe +W → Fe X W ・・・・・・・・・・(1) 上記(1)式は、点灯中高温高圧の水銀アーク内でハロ
ゲン化鉄が分解されたときに生じる原子状の鉄が、タン
グステン電極の先端に固溶化(合金化)される反応を表
している。なお、(1)式中Xは合金化される鉄の比率
を示す。
60−221945号公報には、タングステンと鉄の反
応による紫外線出力の動程改善として、予め電極に鉄を
固溶化させたり、タングステンと鉄の合金で電極を構成
した放電灯が提案されているが、電極先端部が吸収する
金属の量は遙に多く、吸収される金属の濃度は電極の前
処理による固溶化では達成困難な濃度である。更に、タ
ングステンと鉄の合金による電極においては、タングス
テン中の鉄の濃度を上げていくと、電極の融点が下がっ
たり、機械的な強度を低下させるため安定な電極が得ら
れないという課題を残している。
W〜数十kWまで様々なランプ電力のものがあるが、一
般には発光長1cmあたり80〜 320Wの負荷で点灯され
る。管電流はほぼ10A程度であり、光化学反応に必要な
光量を得るには、発光長を延ばしたり、管内の金属蒸気
密度を上げランプ電圧をあげて、ランプ電力を増大させ
放射効率に応じた光量を得るようにしているが、従来の
メタルハライドランプの発光管の設計には、前述の特公
昭58−18743号公報にみられるように、封入物質
(ハロゲン及びハロゲン化物)の密度を一定とする設計
がなされている。
設計例を示すと、発光長1000mm,発光管内径20mm,ラン
プ電力12kWのランプの場合には、発光管の内容積が 3
14cm3 であり、 300mgの水銀と 9.8mgの鉄と40mgの沃化
水銀と2kPa のアルゴンガスが封入される。沃素密度
は5×10-7 mol/cm3 ,鉄は原子価が2又は3であり、
原子価1の沃素の化学当量より過剰に添加される。鉄原
子と沃素原子の比は1:1である。ランプの点灯によっ
て、沃化水銀の沃素と金属鉄が反応し沃化鉄が生成さ
れ、このランプのランプ電圧は1300Vとなる。そして、
このような設計のランプの2000時間の点灯試験をおこな
ったところ、ランプ電圧の経時変化は殆ど無かった。
鉄の担うランプ電圧を調べるため、同様のサイズすなわ
ち発光長1000mm,発光管内径20mm,発光管内容積 314cm
3 ランプ電力12kWのランプを、以下のような仕様で、
すなわち 300mgの水銀と40mgの沃化水銀と2kPa のア
ルゴンガスを封入したランプを試作し、ランプ電圧を求
めたところ 700Vであった。したがって、前述の封入物
として鉄を含めた発光管と対比することにより、沃化鉄
によるランプ電圧は 600Vであり、メタルハライドラン
プのランプ電圧のうちの46%を、沃化鉄が担っているこ
とがわかる。
mm,ランプ電力 1.5kWのランプの設計例の場合には、
発光管の内容積が39cm3 であり、40mgの水銀と 1.2mgの
鉄と5mgの沃化水銀と2kPa のアルゴンガスが封入さ
れる。沃素密度は5×10-7 mol/cm3 ,鉄は原子価が2
又は3であり、原子価1の沃素の化学当量より過剰に添
加される。鉄原子と沃素原子の比は1:1である。ラン
プの点灯によって、沃化水銀の沃素と金属鉄が反応し沃
化鉄が生成され、このランプのランプ電圧は 160Vとな
る。
ランプの2000時間の点灯試験を行ったところ、ランプ電
圧の経時変化は大きく、 100時間では 130V(初期値と
の差:−30V), 500時間では 125V(初期値との差:
−35V),1000時間では 120V(初期値との差:−40
V)であった。このようにランプ電圧の経時変化は、10
00時間では初期ランプ電圧の25%に達したが、初期の落
ち込みも大きく 100時間では約20%の変化があった。
びにタングステン電極先端への鉄の吸収等を、各種発光
長のランプを試作して分析した結果、表1に示すよう
に、ランプ電圧の低下現象は発光長の短いランプに起こ
る傾向があることが判明した。なお、ランプ電圧低下率
は、(初期ランプ電圧− 100時点灯後のランプ電圧)/
初期ランプ電圧を意味している。
への鉄の吸収はどのランプにもみられたが、鉄の添加量
が少ないランプほど鉄の吸収率は高く、添加量のほとん
どが電極先端に吸収されるためランプ電圧の低下率が大
きい。また、鉄を発光管内容積に対して比例した量とし
て添加しても、電極に吸収される量は頭打ちとなる傾向
があり、電極中への吸収量が4mg以上になると、この傾
向が強くなる。したがって、発光管の両端に設置された
電極は、1本あたり約2mg以上の鉄を吸収して平衡を保
つと考えられる。なお、タングステン電極先端への鉄の
固溶化反応は、アークスポット付近のみで起こる反応で
あり、反応の度合いは任意に進むため、この反応(吸収
量)は電極のサイズには殆ど影響されない。
旦生成される沃化鉄は、放電によって蒸発し、高温高圧
の水銀アーク内で鉄原子と沃素原子に分解し、分解され
た鉄原子は励起されて発光する。発光管の管壁付近では
温度が低いため、鉄原子と沃素原子が再び結合して元の
沃化鉄に戻る。この状態で安定な点灯を持続するために
は、管内の沃化鉄は点灯中に次式(2)に示す平衡状態
を保っている必要がある。 Fe I2 ⇔ Fe +2I ・・・・・・・・・・(2)
は分解された後、上記(1)式に示されるタングステン
電極先端への吸収があるので、アーク内での原子状の鉄
の濃度が減少する。濃度が減少すると、ランプは上記
(2)式の平衡を保とうとするため、沃化鉄の分解反応
が促され、Fe I2 の蒸気圧は低下する。したがって、
沃化鉄による蒸気圧が低下し、ランプ電圧の低下につな
がる。
吸収されるが、この反応により数時間後にはタングステ
ン中に合金化される鉄の濃度が上がり、次式(3)に示
すような分解反応も起こり、合金化された鉄が原子状の
蒸気になる。 Fe X W → XFe +W ・・・・・・・・・・(3) 上記(3)式は(1)式の逆反応である。
電灯の点灯中の鉄の反応は(1)式が支配的になり、ア
ーク中の(2)式の右辺の鉄Fe が減少するため、Fe
I2の分解反応が進み、Fe I2 の蒸気圧が下がってラ
ンプ電圧が低下する。発光管内に鉄が十分に添加される
と、数十時間の点灯によって、タングステン電極先端部
の鉄の濃度が上がるが、同時に分解反応も起こるため、
次式(4)で示す平衡が成り立つようになる。 Fe X W ⇔ XFe +W ・・・・・・・・・・(4)
反応である。鉄とタングステンの結合と分解の速度が同
じであるため、アーク中の(2)式の右辺の鉄Fe の濃
度に影響を及ぼさないので、ランプ電圧が低下すること
がなくなる。
内容積が小さい場合、封入されている鉄の内、電極が吸
収する割合が大きく、安定な放電維持に必要な発光管の
沃化鉄の濃度が減少して、ランプ電圧の低下を引き起こ
す。これは、発光物質の封入量の設計にあたって、封入
ハロゲンの量に比例した鉄等の金属を添加するようにし
ているためである。
上記問題点を解消するためになされたもので、点灯中の
ランプ電圧の経時変化の少ない安定した寿命特性の金属
蒸気放電灯を提供することを目的とする。
め、本発明は、発光管の両側に電極を備え、水銀,希ガ
ス,ハロゲン,及び鉄,コバルト,ニッケルの一群の中
から少なくとも一種以上を発光物質として封入してなる
金属蒸気放電灯において、水銀以外の封入金属の封入量
M( mol)をA×D×V+B(Aは封入金属の原子価の
逆数、Dは封入ハロゲンの密度で1×10-5〜1×10-8 m
ol/cm3 ,Vは発光管の内容積cm3 ,Bは定数で0.7 ×
10-4〜3.6 ×10-4 mol)に設定するものである。
て、鉄,コバルト,ニッケルの鉄族の金属の封入量M
( mol)の中、A×D×Vで示される量は、発光に必要
な蒸気圧を得るために要する分を示しており、そしてこ
の種の金属蒸気放電灯においては、通常封入ハロゲンの
密度Dは1×10-5〜1×10-8 mol/cm3 に設定されてお
り、また定数Bは電極先端部に反応する分を示してい
る。したがって、このように金属の封入量Mを設定する
ことにより、発光管に電極先端部が反応する分の鉄族の
金属が、発光に必要な蒸気圧を得るために要する分の鉄
族の金属に加えて添加されることになり、電極先端部に
おける点灯中の平衡反応が成立し、点灯中の金属のハロ
ゲン化物の蒸気圧が一定に保たれるので、点灯中のラン
プ電圧変化の少ない安定した寿命特性をもつ金属蒸気放
電灯を実現することができる。
る。図1は、本発明に係る金属蒸気放電灯の実施の形態
を示す断面図で、この実施の形態では、紫外線硬化用メ
タルハライドランプ(以下UVランプという)を示して
いる。このUVランプは、タングステン又は酸化トリウ
ムを1%程度含有させたトリエーテッドタングステンか
らなる直径2mm、長さ20mmの電極芯棒の回りに、直径
0.7mmのタングステン線をコイル状に数回巻き、電極先
端部2aを形成した一対の電極2,2を両端に備えた石
英製の発光管1に、水銀と希ガスと鉄,コバルト,ニッ
ケルのうち少なくとも一種類の金属と、ハロゲンが添加
されて構成されているが、次に、発光管1のサイズと封
入添加物の具体例について説明する。このUVランプの
発光管1は、管内径26mm,電極間距離(発光長) 125m
m、発光管内容積 66cm3となっており、該発光管1内に
は、発光管内の沃素密度が5×10-7 mol/cm3 となるよ
うに5mgの沃化鉄を封入すると共に、 150mgの水銀と2
kPa のアルゴンガスと、更に電極先端部との反応分
(定数Bに対応する)として 1.8×10-4 molの金属鉄が
封入されており、負荷 320W/cm,ランプ電力4kW,
ランプ電圧 300V,ランプ電流13Aで点灯されるように
なっている。なお、この実施の形態における発光に必要
な鉄の量(A×D×V)は、沃化鉄として封入添加され
るが、その沃化鉄中の鉄分は原子価2の場合、A×D×
V=0.5 ×5×10-7 mol/cm3 × 66cm3=0.17×10-4mo
lとなっている。
極先端部との反応分の金属鉄の封入量(定数Bに対応す
る)を、 0.7×10-4〜 3.6×10-4 molに変えたUVラン
プを試作して点灯試験を行い、 100時間点灯後のランプ
電圧の変化率を測定したところ、表2に示すような結果
が得られた。なお、この点灯試験には、同一仕様の発光
管内に封入物として、発光管内沃素密度が5×10-7 mol
/cm3 となるように5mgの沃化鉄を封入すると共に、 1
50mgの水銀と2kPaのアルゴンがスを封入した従来U
Vランプ(電極先端部との反応分の金属鉄を添加しない
もの)を作成して同時に点灯試験を行い、その結果を表
2に合わせて示した。
によるランプ電圧の経時変化曲線を示す。図2におい
て、曲線a,b,cはそれぞれ試作ランプ1,2,3の
経時変化曲線で、曲線dは従来品の経時変化曲線であ
る。表1及び図2からわかるように、金属鉄を封入しな
い従来品では、 100時間の点灯でランプ電圧は約20%低
下したが、本発明による金属鉄の添加量(定数Bに対応
する)を 0.7〜 3.6×10-4molとした試作ランプにおい
ては、ランプ電圧は1000〜1500時間の点灯後において
も、変動が少ないことが確認された。
る量としたランプを試作し、上記同様に点灯試験を行っ
たところ、径時変化の少ないランプ電圧特性は得られた
が、電極の変形現象が発生した。この現象は、鉄を適正
量よりも過剰に添加することによって、電極先端部のタ
ングステン中の鉄の濃度が上がり過ぎて電極の融点が下
がり、機械的な強度が下がって点灯中に変形するものと
考えられる。電極が変形すると、ランプの動作中のアー
クスポットが安定しなくなり、放電が不安定になって動
作中に立ち消え現象を起こすようになる。したがって、
鉄の添加量を 3.6×10-4 molを越えて封入するとランプ
の寿命特性に悪影響を及ぼすようになる。また、鉄の添
加量を 0.7×10-4 mol未満にすると、ランプ電圧の変化
率が短時間で10%以上となり好ましくない。したがっ
て、本発明は電極と反応する分の金属鉄の封入量を 0.7
×10-4〜 3.6×10-4 molに設定するものである。なお、
タングステン電極先端部への鉄の固溶化反応は、アーク
スポット付近のみで起こる反応であり、そしてアークス
ポットの大きさは管電流の大きさに関わらずほぼ一定で
あるから、鉄の固溶化反応の生じる電極先端部の領域の
大きさも、電流密度(通常2〜10A/mm2 )等から設計
される電極のサイズに関わらずほぼ一定である。したが
って、電極と反応する分の金属鉄の封入量を上記のよう
に設定することにより、ランプ電圧変化の少ない安定し
た寿命特性をもつ金属蒸気放電灯が得られる。
前述の特公昭58−18743号公報などに開示されて
いるように、発光管内に錫,マグネシウム,タリウム,
ビスマスのうち少なくとも一種以上の元素を、補助添加
物として更に封入することにより、紫外線出力の改善が
図られることが知られているが、これら金属はタングス
テンとの反応性が小さいため、発光管の容積1cm3 あた
り1×10-7〜1×10-9molを封入すれば、上記公報開示
のものと同様に紫外線出力の改善効果が得られ、また上
記範囲であれば添加しても他の特性に影響を及ぼすこと
はない。
入金属として鉄を用いたものを示したが、コバルトやニ
ッケルといった鉄族の元素はタングステンとの反応につ
いて、鉄と同じ反応性を示すため、鉄と同様に用いるこ
とができ同様な特性が得られる。また、上記実施の形態
においては、ハロゲン化物として沃化物を用いたものを
示したが、臭化物,塩化物など他のハロゲン化物を用い
た場合も同様な特性が得られる。
に、本発明によれば、電極先端部が反応する分の鉄,コ
バルト,ニッケルの少なくとも一種以上の金属が、発光
に必要な蒸気圧を得るために要する量に加えて、発光管
に封入添加されるので、電極先端部における点灯中のタ
ングステンと前記鉄族の金属との平衡反応が起こりやす
く、したがって点灯中の金属ハロゲン化物の蒸気圧を一
定に保つことができ、点灯中のランプ電圧変化の少な
い、安定した寿命特性のランプを実現することができ
る。更に、ランプ電圧の変化が小さいので、トランスと
チョークからなる安定器の負荷特性から外れることがな
くなり、ランプに定格電力が供給できるため安定した紫
外線放射量が得られ、光化学反応を遅らせたり、インキ
や塗料の乾燥が得られなくなるという問題点を解決する
ことができる。
す断面図である。
(UVランプ)及び従来のUVランプのランプ電圧の動
程を示す特性曲線図である。
lを越える量としたランプを試作し、上記と同様に点灯
試験を行ったところ、経時変化の少ないランプ電圧特性
は得られたが、電極の変形現象が発生した。この現象
は、鉄を適正量よりも過剰に添加することによって、電
極先端部のタングステン中の鉄の濃度が上がり過ぎて電
極の融点が下がり、機械的な強度が下がって点灯中に変
形するものと考えられる。電極が変形すると、ランプの
動作中のアークスポットが安定しなくなり、放電が不安
定になって動作中に立ち消え現象を起こすようになる。
したがって、鉄の添加量を3.6×10−4molを越
えて封入するとランプの寿命特性に悪影響を及ぼすよう
になる。また、鉄の添加量を0.7×10−4mol未
満にすると、ランプ電圧の変化率が短時間で10%以上
となり好ましくない。したがって、本発明は電極と反応
する分の金属鉄の封入量を0.7×10−4〜3.6×
10−4molに設定するものである。なお、タングス
テン電極先端部への鉄の固溶化反応は、アークスポット
付近のみで起こる反応であり、そしてアークスポットの
大きさは管電流の大きさに関わらずほぼ一定であるか
ら、鉄の固溶化反応の生じる電極先端部の領域の大きさ
も、電流密度(通常2〜10A/mm2)等から設計さ
れる電極のサイズに関わらずほぼ一定である。したがっ
て、電極と反応する分の金属鉄の封入量を上記のように
設定することにより、ランプ電圧変化の少ない安定した
寿命特性をもつ金属蒸気放電灯が得られる。
Claims (2)
- 【請求項1】 発光管の両側に電極を備え、水銀,希ガ
ス,ハロゲン,及び鉄,コバルト,ニッケルの一群の中
から少なくとも一種以上の金属を発光物質として封入し
てなる金属蒸気放電灯において、水銀以外の封入金属の
封入量M( mol)がA×D×V+B(Aは封入金属の原
子価の逆数、Dは封入ハロゲンの密度で1×10-5〜1×
10-8 mol/cm3 ,Vは発光管の内容積cm3 ,Bは定数で
0.7 ×10-4〜3.6 ×10-4 mol)に設定されていることを
特徴とする金属蒸気放電灯。 - 【請求項2】 前記請求項1記載の金属蒸気放電灯にお
いて、錫,マグネシウム,タリウム,ビスマスのうち少
なくとも一種以上を補助添加物として、発光管の内容積
1cm3 あたり1×10-7〜1×10-9 mol封入したことを特
徴とする金属蒸気放電灯。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24403196A JPH1069883A (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 金属蒸気放電灯 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24403196A JPH1069883A (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 金属蒸気放電灯 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1069883A true JPH1069883A (ja) | 1998-03-10 |
Family
ID=17112685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24403196A Pending JPH1069883A (ja) | 1996-08-28 | 1996-08-28 | 金属蒸気放電灯 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1069883A (ja) |
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1996
- 1996-08-28 JP JP24403196A patent/JPH1069883A/ja active Pending
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