JPS61190846A - 高圧金属蒸気ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高圧アルカリ金属ランプのセラミックのアーク
管のための改良された端部閉鎖体および導入線構造に関
するものである。

一般に高圧アルカリ金属蒸気燈ではガラス製の外側保護
エンベロープの巾に、高温でアルカリ金属蒸気に耐える
性質のセラミック材料、普通は多結晶アルミナ、時には
単結晶アルミナ（合成サファイア）で作った内側のアー
ク管が含まれる。アーク管の中には放電充填物すなわち
電離可能な媒体と起動を容易にするためキセノン等の不
活性ガスが含まれている。放電充填物はナトリウムのよ
うなアルカリ金属からなり、これは一般に水銀とのアマ
ルガムとして含まれていて、そしてその量は動作中に蒸
発する量よりもかなり多くしである。

セラミックのアーク管の両端部は、内部の熱゛イオン電
極への接続ができるようにした適当な閉鎖体によって封
止されている。外側のガラス質のエンベロープには通常
、電極に接続される中心接点とシェルとをそなえたねじ
込み口金が設けられる。

アーク管の熱を保持するため、エンベロープ内の空間は
真空にするのが普通である。

端部閉鎖体として最も広く使用されてきたものは金属の
キャップであり、これはたとえば熱膨張係数がアルミナ
の熱膨張係数とかなり良く一致するニオブで作られ、封
止用のフリットまたはガラスによってアルミナのアーク
管の端部に対して密封される。これらのキャップには電
極が直接取り付けられると共に外部の電気接続が行なわ
れるので、キャップは導入線の役割も果す。キャップの
内の１つには金属の排気管が貫通して伸びており、これ
は製造中にアーク管から空気を排出し、かつ放電充填物
をアーク管内に導入するために使用される。排気管はそ
の後で密封され、過剰なナトリウム・水銀のアマルガム
に対する外部貯蔵部としての役目を果す。このアマルガ
ムは金属の排気管中で凝縮する。というのは、金属の排
気管はランプの動作中に充填物が到達することのできる
最も低い温度の場所だからである。

セラミックの閉鎖体も広く使用されており、特に定格が
１００ワツトより小さいランプのようなワット数の小さ
いランプの場合に経済性の点から好まれてきた。米国特
許第３，８８２，３４６号に記載されている端部封止部
の設計例では、アーり管の端部に封止されたアルミナ・
セラミックのプラグが用いられている。このプラグには
中心孔が設けられ、この孔を通ってセラミックと整合す
る金属で作られたリード線が伸びている。封止は主とし
て酸化アルミニウムと酸化カルシウムを含むガラス状の
封止混合物によって行なわれる。この混合物はアセンブ
リを適当に加熱したとき溶融し、冷却時にセラミック対
セラミックの封止セメントおよびセラミック対金属の封
止セメントを形成する。一方の端部にこのようなセラミ
ックの閉鎖体を使い、他方の端部にニオブの排気管が声
道ずるセラミックのプラグを使用したランプが、米国特
許第４．３４２．９３８号に記載されている。

このランプは商業的に成功しており、大量に製造されて
いる。時には単一ワイヤ封止ランプとも呼ばれるこのよ
うなランプは金属のキャップを使用したランプに比べて
製造費が安く、はぼ同じ位に長寿命である。

両端部に同一のセラミックの封鎖体を使い、排気管を使
っていない高圧ナトリウム・ランプも広く知られている
。このようなランプを製造する場合、放電管すなわちア
ーク管の一方の端部にアルミナのプラグの形にしたセラ
ミックの閉鎖体が設けられ、電極を支持する導入線がプ
ラグを通り抜けて封止される。次に、このアーク管（ま
たはこのような一群のアーク管）は封止された端部を最
も下側にして適当な室の中に入れられて、そこでアマル
ガムが入れられ、そして導入線と電極を付けた上側のセ
ラミックの閉鎖体が上側の端部に配置され、それと同時
に、溶融したときに継目の空所に流入してこれを封止す
るような封止層フリットが適当に分布して配置される。

次いで、室はまず洗浄して、排気した後、完成品のラン
プで希望する不活性ガス雰囲気（キセノン）で充たされ
る。

次にアーク管の下側の端部を低温に維持しながら、アル
ミナのプラグと管壁との間およびプラグと導入線との間
の空所または隙間に封止、用フリットが流入するまでア
ーク管の上側の端部が加熱される。

このようにして、冷却したときに、アーク管は密封され
る。もちろん、アーク管の中の不活性ガスの圧力は封止
層フリットが固化したときの室内の圧力によってきまる
。両端部で導入線が通り抜けて封止されるようなセラミ
ックの閉鎖体を使用したこの種のランプは二重ワイヤ封
止ランプとも呼ばれることがある。

二重ワイヤ封止型の高圧ナトリウム・ランプの寿命は単
一ワイヤ封止ランプの寿命に比べてずっと短かく、半分
以下となる。このようなランプでは、凝縮するため常に
アーク管内の最も低温の点を見付けようとする気化して
いない余分なナトリウム・水銀のアマルガムは一般にア
ーク管の端部の隅、すなわちアルミナの端部プラグがア
ルミナの管壁に交わる直角の所で凝縮する。ランプの動
作中、端部の隅で凝縮したアマルガムは封止用フリット
またはガラスの内部すみ肉と接触して存在し、一般に内
部すみ肉をおおっている。封止用フリットは同じ温度で
はナトリウム・水銀の蒸気による侵食よりもナトリウム
・水銀の凝縮液による侵食に対して抵抗性または耐性が
より一層弱いと考えられる。封止用フリットは吸湿性が
高く、大気中の不純物に敏感である。ナトリウムに対す
る封止用フリットの耐性はほんの少しの汚染があっても
かなり低下する。この低下はナトリウム蒸気が接触して
いるときよりも液体ナトリウムが接触しているときの方
が大きい。封止用フリットに対するナトリウムによる化
学的侵食は、蒸気放電の中のナトリウム原子と水銀原子
との比を低下させる。その結果、ランプ電圧が次第に上
昇し、色が赤に向って遷移する。最終的に、安定器の開
路電圧がもはや放電を持続できなくなったときランプ・
サイクリングが生じる。化学的侵食は最終的に密封を破
壊することもあり、ランプの寿命が短かくなる。

発明の要約 本発明の１つの目的は封止層フリット上でのアマルガム
の凝縮を防止する端部閉鎖体および導入線の構造によっ
て二重ワイヤ封止ランプの寿命と性能を向上することで
ある。

本発明によれば、放電管すなわちアーク管の一方の端部
にはアーク管のセラミック構造の一体部分を形成するプ
ラグまたはストッパ部分が設けられる。換言すれば、ア
ーク管とプラグは画部分の間に封止用のフリットまたは
ガラスのない単一構造を形成する。プラグには孔が設け
られており、またプラグはアーク管に結合された外側領
域から内側に伸びる台部を含む。電極を支持する導入線
が孔を通り、かつ孔の中に封止されていて、台部の内側
端でアーク管の中に出てくる。管壁とともに台部がアー
ク管の基部の所に環状圧画室またはリング形の室を形成
し、その中に余分のアマルガムを収集する。アークから
離れているとともに台部を通り抜ける導入線と物理的に
隔たっていることから、リング形の室の温度は常に台部
の内側端の温度に比べてかなり低い値にとどまっている
。

その結果、余分のアマルガムはリング形の室内に集まり
、また封止用フリットと接触する慣れのある台部の内側
端でアマルガムが凝縮する傾向はない。　　　　　− 好ましい実施例では、リング形の室は、衝撃と振動に拘
わらず、またランプの向きまたは姿勢に拘わらず、毛管
現象による吸引力によって充填アマルガムの全体を保持
できるように寸法が定められている。アーク管の他方の
端部は、封止用フリットまたはガラスを使用して、アル
ミナのプラグを通り抜けて封＋１された電極支持用の導
入線を含む通常のセラミックの閉鎖体をアーク管壁に結
合または接着することによって、通常の方法で封止され
る。輻射シールドや比較的短い電極シャンクを用いた任
意の都合のよい方法でこの接着された端部の温度を上げ
ることによって、この接着された端部の封止用フリット
の内部すみ肉上にアマルガムが凝縮しないようにする。

発明の詳細な説明 第１図および第２図に例示したセラミックのアーク管１
は下側の端部閉鎖体３および上側の端部閉鎖体４をそな
えた管状エンベロープまたは主管部分２を有する。主管
部分２と下側閉鎖体のプラグ部分５とは多結晶アルミナ
・セラミックの単一体構造を形成する。主管部分２とプ
ラグ部分５は、マグネシア等の他の金属酸化物を微量添
加した純粋のアルミナ粉末を形成し、低温で予備的に加
熱して粉末を固めることによって、公知の方法で準備す
ることができる。一般的に、管を作るには、圧力を加え
てアルミナの湿式ペーストを細長く押出し成形し、予備
加熱し、この結果得られた「グリーン（半製品の）」コ
ンパクトを個々のアーク管にとって所望の長さに切断す
る方がより便利である。孔をあけたプラグ部分は別個に
成形し、同様に加熱して「グリーン」状態にする。次に
このプラグを各アーク管の長手方向の一方の端部にはめ
込み、このプラグを入れた管を、米国特許第３゜０２６
．２１０号に記載されているような公知の方法で、真空
または水素の雰囲気内で１８００度乃至１９５０度の範
囲内の非常に高い温度で焼成する。この焼成は白亜質で
不透明な「グリーンＪコンパクトが半透明の多結晶アル
ミナ・セラミックに変換されるまで行う。

焼成工程では、物品の線寸法（１１ｎｅａｒ　ｄｉｓｅ
ｎｓｉｏｎ）が２０％以上小さくなり、第２図に境界線
６として示された管とプラグとの間の境界または界面が
消滅する。このようにして、主管部分２とプラグ部分５
は両者間に封止用フリット等の異物による結合を用いず
に多結晶アルミナ・セラミックの単一体構造となる。プ
ラグ部分はほぼ円筒形の台部７を含む。この台部７は管
壁と共通のプラグ部分の領域から伸び出していて、蒸発
していない余分のナトリウムφ水銀のアマルガム９を保
持するための環状室または環状区画室８を管壁との間に
形成する。

まずニオブの導入線１０を含む導入線−電極アセンブリ
をプラグ５の孔の中に封止することによって、プラグ５
と一体となったセラミックの管２をアーク管に形成する
。ニオブの導入線１０には電極１１が溶着部１２によっ
て取り付けられている。電極は従来のようにタングステ
ンのシャンク１３を含み、このシャンクには１層以上に
タングステン線１４が巻かれており、・そのターン相互
間にバリウム・カルシウム・タングステン酸塩（Ｂ　ａ
’　２　Ｃａ’ＷＯｉ　）のような電子放出材料が保持
される。ニオブの導入線は参照数字１５で示すように膨
径されて肩を形成する。この肩は電極を台部７の頂部に
対して位置決めする役目を果す。

下側の導入線−電極アセンブリの封止は、プラグを入れ
た端部を上にした状態、すなわち第２図に示す状態をひ
つくりかえした状態にして管を保持している間に行なう
。ニオブの導入線をその場所に保持して、封止中に落ち
ないようにするため、クロス・ワイヤ１６がニオブの導
入線に点溶接される。封止用フリットまたはガラスは管
のプラグを入れた端部から外へ出てくる導入線１０のま
わりに粉末として適用するか、あるいは導入線の突出し
た部分に通した圧縮成型粉末のワッシャの形として適用
することができる。使用し得る１つの封止用組成物は約
５４（重量）％のＭ２０ｇ、３８゜５（重量）％のＣａ
　Ｏ、および７．５（重ｆｆ１）％のＭＧＩＯで構成さ
れるが、他の組成物を使うこともできる。加熱したとき
、フリットは溶解し、毛管現象によって孔の中に引き込
まれ、参照数字１７で示すように孔の中に広がり、導入
線の膨径部分のまわりの台部７の上に小さなブール１８
を形成する。

次に管は封止された端部を下にして適当な室の中に置か
れ、ナトリウム・水銀のアマルガム充填物が入れられる
。室は不活性ガスで洗浄した乾燥した箱の形とすること
ができ、部品の操作はグローブ・シールドを介して行な
うことができる。上側のセラミックの閉鎖体にはニオブ
の導入線１０′が設けられており、これに電極１１′が
溶着部１２′によって取り付けられている。閉鎖体は中
心に孔があいたアルミナ・セラミックのプラグまたは円
盤２０で構成されている。導入線は円盤中の孔を通って
、膨径部分１５′に達する。そして導入線−電極アセン
ブリを円盤に固定するため、クロス・ワイヤ１６′が導
入線に点溶接される。円盤なわちプラグは管２の開放し
た端部に容易にはまるような寸法になっており、クロス
・ワイヤ１６′　は封止の間アセンブリをその場所に保
持するために管壁の上まで伸びている。この場合も、封
止用フリットは導入線の上側に突き出ている部分に通し
た圧縮成型ワッシャの形で適用することができる。

最終的な封止と接着操作のため、アーク管と閉鎖体のア
センブリは乾燥箱から直接、真空炉に移すことができる
。実際に封止する前に、炉に完成時のランプで希望され
るキセノンや不活性ガス混合物等のガスを充たす。管の
上側端部を封止用フリットの融点まで加熱している間、
管の下側端部を充分に冷却してアマルガム充填物の蒸発
を避けるため冷却手段または大きなヒート・シンクを設
けることができる。液化したフリットは毛管現象によっ
てアーク管とプラグとの間の環状の隙間２１に吸引され
、すみ肉２２を形成する。液化したフリットはまた導入
線１０′のまわりの孔２３１；吸引され、膨径部分１５
′のまわりに小さなブール２４を形成する。フリットが
冷えて固化したとき封止が達成される。真空炉の中の不
活性ガスの圧力を変えることにより、完成時のアーク管
またはランプ中に所望の圧力を与えることができる。

動作中、熱源は電極１１と電極１１′との間に伸びるア
ークであり、両電極間の空間内の軸線上で温度が最高と
なる。熱は主として輻射によって消散する。しかし、外
側のエンベロープ内にアーク管を通常の方法で支持する
フレームへの伝導によって導入線からも熱が失なわれる
。アーク管のプラグと一体になった端部にある環状室８
は軸線から半径方向外側に最大限に離れ、また隣接した
電極１１の裏側に位置し、更にアークから遠く離れて配
置されているため、台部７およびその上の封止用フリッ
トに比べてかなり低い温度に維持される。その結果、台
部の上のフリット１８上やその周囲ではなく、環状室の
底に余分のアマルガムが凝縮して集まる。

アーク管の接着された端部を比較的高い温度に保つこと
により、この端部の隅の封止用フリットのすみ肉２２の
上にアマルガムが凝縮することが防止される。これは第
１図に示すようにこの端部のまわりにニオブまたはタン
タル等の反射性金属のリング２５を巻き付ける等の方法
により、その端部に輻射シールドを配置することによっ
て容易に達成される。そのかわりに、電極１１′とアル
ミナの円盤２０との間の間隔を短縮するようにシャンク
１３′を短かくするか、あるいは溶着部１２′を膨径部
分１５′に近づけて作ることにより端部の温度を上昇さ
せてもよい。もちろん、輻射シールドを設けることと電
極から円盤までの距離を短縮することの両方を同時に使
うこともできる。

ランプ内の熱平衡により環状室８がアーク管の中で最も
低温の場所となり、ランプが動作する際の向きや姿勢に
無関係に、余分なアマルガムは常に環状室８の中に集ま
る。しかし、環状室を上にしてランプを動作させた場合
、機械的な衝撃または振動によってアマルガムの小滴が
環状室からこぼれ出ることがある。この場合、小滴の突
然の蒸発によって、輝きを増したりちらつきが生じるこ
とがあり、また蒸気圧力の上昇によってランプが消える
ことさえ起り得る。電極の前の壁に当たる小滴による熱
衝撃は時にはセラミックのアーク管にひび割れを生じさ
せることがある。

本発明の好ましい形式によれば、上記の欠点が解消され
、衝撃や振動に耐える真に汎用的な明るいランプが提供
される。耐振動性の程度は環状室に働く毛管力によって
きまる。管壁と台部壁との間の間隙である環状室の幅寸
法Ａが毛管現象による吸引力または毛管力を決定する。

間隙が小さい程、毛管力が大きくなる。実際の範囲は０
．２Ｇｍ（ミリメートル）から２．５ｍｍである。毛管
現象による保持力を４Ｇすなわち重力の４倍にする場合
には、寸法Ａは約１ｍｍでなければならない。建設装置
におけるような過大な振動を受ける用途に用いられる重
負荷ランプの場合には、寸法Ａはもっと小さく選定しな
ければならない。寸法Ｂは環状室の深さであり、寸法Ａ
とともに環状室の容積を決定する。その好ましい値は、
環状室に入るアマルガムの分量がその容積の約８０％を
超えないように制限することによって決定される。寸法
Ｂは管の内径の約１０％から１００％の範囲にある。

図示のアーク管が内径４ｍｌで５０ワツトのランプを想
定している場合、寸法Ｂは１．５ａｖである。

環状室をより深くかつより大きくすれば、振動を受ける
典型的な用途で位置ずれを生じることなくランプにより
多くのアマルガムを入れてランプの寿命を伸ばすことが
できるという利点が得られる。

本発明による詳細に説明した特定のアーク管は一例に過
ぎない。したがって、本発明は特許請求の範囲により限
定されるものであり、特許請求の範囲は本発明の趣旨と
範囲に入るすべての変形を包含することに留意されたい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である高圧ナトリウム蒸気ア
ーク管または放電管の側面図である。第２図は管の中央
部を省略し、管の両端部を詳しく示す側面図である。 （主な符号の説明） １・・・アーク管、 ２・・・主管部分（管状エンベロープ）３．４・・・端
部閉鎖体、 ５・・・プラグ部分、 ７・・・台部、 ８・・・環状室、 １０．１０’　・・・ニオブの導入線、１１．１１’・
・・電極、 １７・・・封止用フリット、゛ ２０・・・プラグまたは円盤、 ２５・・・反射性金属のリング（輻射シールド）。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）高圧金属蒸気ランプにおいて、 高温でアルカリ金属蒸気の侵食に耐える光透過性材料の
   管状エンベロープであって、このエンベロープはセラミ
   ックの管であり、該管は一方の端部に該管と一体部分を
   形成するプラグ部分を有し、該プラグ部分は貫通孔が設
   けられているとともに該管に結合された外側領域と該外
   側領域から内側に伸びる台部を含んでおり、導入線が上
   記貫通孔を通って伸びるとともに上記貫通孔の中に封止
   用フリットによって封止されている当該管状エンベロー
   プ、 上記管の他方の端部に封止用フリットによって接着され
   た、孔のあいたセラミックのプラグであって、上記孔を
   通って伸びる導入線が上記孔の中に封止されている当該
   セラミックのプラグ、上記導入線のそれぞれの内側端に
   支持されて上記エンベロープ内に配置された一対の電極
   、上記エンベロープ内に封入された水銀−アルカリ金属
   のアマルガムを含む電離可能な媒体であって、その量が
   ランプ動作中に蒸発する量よりも多く含まれていて、蒸
   発していない余分な量が液体状態にとどまるようにした
   当該電離可能な媒体、ならびに 上記台部と管壁とにより限定されて、該管壁に接して位
   置し、かつ隣接した上記電極の後側に配置されていて、
   蒸発していないアマルガムをその中に集めることができ
   る環状室を有することを特徴とする高圧金属蒸気ランプ
   。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記セラミックが多結晶アルミナである
   高圧金属蒸気ランプ。
3. （３）特許請求の範囲第（２）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記アルカリ金属がナトリウムである高
   圧金属蒸気ランプ。
4. （４）特許請求の範囲第（３）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記封止用フリットの主成分が酸化アル
   ミニウムと酸化カルシウムである高圧金属蒸気ランプ。
5. （５）特許請求の範囲第（４）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、ランプの向きまたは姿勢に拘わらず毛管
   現象による吸引力によってアマルガムの封入物全体を保
   持するように上記環状室の寸法が定められている高圧金
   属蒸気ランプ。
6. （６）特許請求の範囲第（５）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、動作時に上記管の接着された蒸気端部の
   温度を上記プラグ部分と一体になった上記端部の温度よ
   りも高くする温度上昇手段が含まれている高圧金属蒸気
   ランプ。
7. （７）特許請求の範囲第（６）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記温度上昇手段として上記管の接着さ
   れた上記端部のまわりに配置された少なくとも１つの輻
   射シールドを含むとともに、該端部における電極−プラ
   グ間の距離が短くされている高圧金属蒸気ランプ。
8. （８）特許請求の範囲第（７）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記環状室の幅（寸法Ａ）が０．２ミリ
   メートルから２．５ミリメートルの範囲内にあり、上記
   環状室の深さ（寸法Ｂ）が上記管の内径の１０％から１
   ００％の範囲内にある高圧金属蒸気ランプ。
9. （９）特許請求の範囲第（８）項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記寸法Ａが約１ミリメートル、上記寸
   法Ｂが約１．５ミリメートル、上記管の内径が約４ミリ
   メートルである高圧金属蒸気ランプ。
10. （１０）特許請求の範囲第（８）項記載の高圧金属蒸気
    ランプにおいて、上記環状室に入る水銀−ナトリウムの
    アマルガムの分量がその容積の８０％を超えないように
    上記環状室の寸法を選定した高圧金属蒸気ランプ。