JPS63136454A - 発光管の特性を制御するハロゲン化組成物を封入したメタルハライドランプ - 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】 発明の背景 （１）発明の分野 本発明は、高光度メタルハライド放電ランプに関し、特
に特定範囲の濃度のヨウ化トリウムを含む複数のハロゲ
ン化金属を封入して、ランプの発光管内の電極先端部へ
のトリウムの輸送を制御して発光管の性能を改良した高
光度放電ランプに関する。

（２）従来技術 メタルハライド・アーク放電ランプは、米国特許第３，
２３４，４２１号に記載されているように、ランプによ
って放出される光の色温度を変更し、且つランプによる
光出力の動作効率を高めるために高圧放電ランプの発光
管の中に水銀と共に種々の発光金属のハロゲン化物を添
加したものである。従来のメタルハライドランプの電極
は、典型的には、タングステン棒の周りに放熱体として
働くタングステン・コイルを巻いて、コイルのターン間
にトリウムまたは酸化トリウムを含有する混合物を配置
することにより形成されたトリウム・タングステン電極
で構成される。適当な条件下においてヨウ化トリウムを
含む雰囲気中で作動すると、タングステン棒は末端部に
トリウム・スポットを形成する。このトリウム・スポッ
トは良好な電子放出体として作用し、且つ前記雰囲気中
に存在するハロゲンを介しての輸送サイルにより連続的
に更新され、動作中に蒸発したトリウムがカソードに戻
る。トリウム・タングステン電極およびその動作方法は
ＭＩＴプレスより１９７１年に発行されたジョン−エフ
中ウェイマウス（ＪｏｈｎＦ、Ｗａｙｍｏｕｔｂ）の著
書「放電ランプ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｌｓｃｈａｒｇ
ｅ　Ｌａｍｐｓ）　Ｊの第９章に記載されている。この
中にはランプ電極の先端部に被膜を作るようにトリウム
を存在させた場合のランプ電極の動作の解析が記載され
ている。電極がトリウムで被覆されてない場合、タング
ステンが露出し、その結果アークとタングステンとが直
接接触するので、電極の仕事関数が一層高くなり、この
ため、アーク電流を維持するために電極を一層高い温度
で動作させることが必要となる。このような動作は特に
小形のランプにおいて光束（ルーメン）を次第に低下せ
る。すなわち、温度が高くなると電極からのタングステ
ンの蒸発によって発光管を黒化させ、その結果光束を維
持することができなくなる。米国特許第４．３６０，７
５６号には、ランプの動作中、発光管内の雰囲気中の遊
離したヨウ素を低減して、電極の先端部上のトリウム層
を維持するような対人材料の組成物が記載されている。

この米国特許では、ゲッター（例えば、カドミウムおよ
び亜鉛）を添加して、発光管内におけるヨウ素の増加を
制限し、これによってトリウム輸送サイクルを改善して
いる。

発明の概要 本発明の目的は、光束の維持およびランプの寿命を向上
させる高光度放電ランプを提供することにある。本発明
の更に特定の目的は、高光度メタルハライド放電ランプ
の通常の動作サイクルの全体にわたって電極からのタン
グステンの蒸発による損失を抑えるように発光管内に特
定口のヨウ化トリウムを封入することである。

このため、本発明によれば、高光度メタルノ１ライドラ
ンプの発光管用の封入組成物は、ランプの寿命中できる
だけ長く電極からのタングステンの輸送を阻止するよう
に電極表面上のトリウム金属またはヨウ化トリウムを存
続させるのに充分な量のヨウ化トリウムを含む。本発明
の特に好適な実施態様においては、封入組成物は約３．
８（重量）％のヨウ化トリウム（Ｔｈ　Ｉａ　）または
アーク電流の１アンペアあたり約０．９ミリグラムのヨ
ウ化トリウム（Ｔｈ　Ｉ４）を含む。

本発明の別の目的および利点、ならびにその構成、動作
方法および考えられる最良の態様は添付の図面を参照し
た以下の説明からより良く理解されよう。図面全体を通
して同じ符号は同じ構成要素を表わす。

好適実施例の説明 第１図に例示するように、高光度メタルハライド放電ラ
ンプ１０は高光度ｉ電うンプ用に適した組成を持つガラ
スのようなガラス質材料から成る外側エンベロープ１２
と、通常のねじ山つきソケッｉ・に電気的接続を行なう
のに適当な電気接触部をａする口金１４を含む。外側エ
ンベロープ１２内の空間は真空にするかまたは約０．５
気圧の圧力に窒素ガスを封入してもよい。口金１４はラ
ンプのステム１６を取り囲み、このステム１６を通って
導電性のワイヤ端子１８および２０が伸びている。ワイ
ヤ端子１８は支持棒２２に接続され、この支持棒２２に
は支持部材２４が取り付けられている。一端が支持部材
２４に接続されている導電性内部リード線２６は金属箔
部材２８に接続され、この金属箔部材２８は電極３２の
電極支柱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、内部リード線３６に直接
接続されている。この内部リード線３６は金属箔部材３
８を介して電極４２の電極支柱４０に接続されている。

固定用の窪み４４が外側エンベロープ１２の底端部に設
けられ、金属カラー４６が窪み４４のまわりに配設され
て支持棒４８を支持する。この支持棒４８は支持部材５
０によって発光管５４のステム５２に接続されている。

発光管のステム５２および５６は箔部材２８および３０
のまわりに密層して、発光管の内部を密封する。

発光管５４は、第２図に更に詳細に示すように、上述し
たように各端部が密封された薄壁の融解石英のようなガ
ラス質材料から成る内側エンベロープを有し、電極３２
および４２は内側エンベロープの各端部から内部に突出
している。第２図に示す発光管５４においては、発光管
エンベロープは所定の半径を持つほぼ半球形の端部６０
、この端部６０の半径よりも大きい半径を持つほぼ半球
形の端部７０．および両端部に結合されたほぼ円弧の回
転体の形を持つテーパー付きの壁７２を有する。このよ
うな非対称形の発光管のみを図示しているが、本発明は
発光管の長手方向の軸線に沿ってほぼ一定の半径を持つ
円筒形状の発光管を有するランプにも等しく適用できる
ことを理解されたい。ランプの動作中にアーク支持媒体
となる適当な封入物が発光管５４内に入れられる。電極
支柱３０は６２で示す箇所で発光管端部内に密封され、
支柱４０は同様に反対側の発光管端部内に密封されてい
る。タングステン−ワイヤ電極３２および４２は第２図
に示す形状に巻かれて、発光管の内部に所定の距離だけ
突出し、ランプの動作中、封入物の蒸発が適切なレベル
に維持されるようにする。電極４２が第３図に拡大して
示されている。

発光管内の電極３２および４２は同様に構成され動作す
るものであることを理解されたい。第３図に示すように
、タングステン電極の先端部８０はトリウム層８２で被
覆されている。タングステンのコイル８４が電極４２の
棒８６を取り囲み、熱を放射して電極を冷却するように
作用する。ランプの動作中封入物を蒸発状態に維持する
ための補助部材さして、赤外線反射波＃Ｉ５６を発光管
５４のエンベロープの一方の端部６０の外面６８上に設
けてもよい。

本発明は、電極表面からのタングステンの蒸発による損
失を防止するためにランプの動作中できるだけ長く電極
先端部８０の表面上にトリウム金属層８２を存在させる
ように発光管の壁の所でのヨウ化トリウムの蒸発速度を
維［ｊｊすることに関する。同様なトリウム層が電極先
端部６４上にも設けられている。電極はタングステンと
トリウム金属または酸化トリウム（Ｔｈ０２）とから成
り、ハロゲン化金属封入物は四ヨウ化トリウム（ＴｈＩ
４）を含む。ランプの動作中、四ヨウ化トリウムを含む
ハロゲン化金属はアーク中で蒸発し、発光管の壁の内面
上に凝縮して斑点７４（第２図）で示すように膜を形成
する。発光管の内壁面を覆う量は放電ランプの動作中に
蒸発し得る発光管内の封入物の量および発光管の形状に
依存する。封入物の組成は発光管の壁の内面を被覆する
凝縮物の材料を決定する。封入物は通常、例えば約Ｏ乃
至約５（モル）％のカドミウム◆アマルガムを含む水銀
アマルガムと、例えば所定の（重ｇ：Ｌ）９６のヨウ化
ナトリウム、ヨウ化スカンジウムおよびヨウ化トリウム
を含む通常ヨウ化物である複数のハロゲン化金属と、始
動ガスとしての不活性ガスとを含んでいる。ハロゲン化
金属の合計量はランプの通常の動作中に蒸発する瓜より
も多くして、ハロゲン化金属のうちの幾分かが発光管の
壁の内面」−に凝縮するように選択される。

通常のランプ動作中、発光管壁」二の四ヨウ化トリウム
ＴｈＩａ　と電極の一部を構成するトリウム金属または
酸化トリウムＴｈｅ、との間に輸送サイクルが存在する
。十分な四ヨウ化トリウムが発光管壁上に堆積している
場合には、その一部分が連続的に蒸発して、電極上にト
リウム金属を堆積させるための供給源をｊ：ｉ成し、こ
れによりタングステン電極上のトリウムの被膜を維持す
る。輸送サイクルを活性化するには、電極先端部からの
トリウム金属またはＴｈＩｘ　　（Ｘ＜４）の蒸発速度
を管壁における四ヨウ化トリウムＴｈ　Ｉａの蒸発速度
よりも小さくすることが必要である。本発明は、特にラ
ンプの寿命全体にわたって避けられない金属の損失およ
び発光管内の反応によりヨウ素が増加する場合において
、ランプの寿命にわたって管壁での四ヨウ化トリウムＴ
ｈＩａの蒸発速度を電極からのトリウムの蒸発速度より
も大きい値に維持し、これにより電極からのタングステ
ンの損失速度を低減することに関する。通常の量よりも
大きな量のトリウムがランプの寿命にわたって両電極上
に堆積するように物理的および化学的メカニズムを促進
させるためにハロゲン化金属封入物に特定ごのＴｈＩ４
を添加することによって光束の維持が改答される。アー
ク電流の１アンペアあたりの四ヨウ化トリウムの量を約
０．９ミリグラム／アンペアとしたとき、約０．　４ミ
リグラム／アンペアのＴｈＩａ濃度を育する発光管に比
べて光束を維持する特性の実質的な改善が実現された。

ハロゲン化金属封入物の全体の量がほぼ等しい発光に対
してＴｈＩ４の濃度を約１．０ミリグラム／アンペア乃
至約１，５ミリグラム／アンペアの範囲まで増大したと
き、この光束維持特性の改善は一定に留まること（それ
以上に改善されないこと）が観察された。ランプ内のト
リウムの量は光束の維持に影響を及ぼす。これは、単一
層のみの場合に比べて大量のトリウムが存在すると更に
タングステンの損失が抑えられるため、および／または
トリウムの幾分かが完全に除去しえない発光管内不純物
と反応するためである。いずれの場合にも、発光管内に
輸送に利用できるトリウムが一層多く存在すればするほ
ど、十分な量のトリウムが電極先端部に輸送されて厚く
堆積するかまたは少なくとも電極上のトリウム被覆層８
２を維持する可能性が大きくなる。輸送されるトリウム
の量は発光管壁でのトリウムの蒸気圧によって決定され
、この蒸気圧は発光管壁上の凝縮物の表面温度および凝
縮物の組成によって決定される。

ハロゲン化金属封入物中のＴｈ　１４の相対濃度を増大
すると、他のランプ金属（例えば、ナトリウムおよびス
カンジウム）の損失または反応により時間の経過につれ
て増加するヨウ素が電極上でのトリウムの凝縮を抑制す
るまで、管壁におけるＴｈＩ４の蒸発速度を増大してト
リウムの電極への輸送を有利にする傾向がある。ハロゲ
ン化金属封入物の全体の毒を増大すると、発光管の小さ
な割目および他の低温部分を充填するのに十分な凝縮物
が得られ、更に発光管の形状が適切な場合は、凝縮物で
被覆される管壁の範囲が局在化されずに上側の電極の点
まで管壁の内面全体にわたって拡がる。ハロゲン化金属
凝縮物で発光管壁が完全に被覆されると、タングステン
化合物の発光管への堆積が防止され、その結果管壁黒化
が防止される。

また、過剰な封入物により、十分な四ヨウ化トリウムが
管壁上に存在して、トリウム輸送サイクルを維持し、ラ
ンプ電極上のトリウム被膜を維持する。電極先端部上に
トリウムが存在すると、これが障壁として作用すること
により、および／または仕事関数を下げる結果として電
極先端部の温度を低下させることにより、タングステン
の損失を低減する。管壁を広い範囲にわたって被覆する
凝縮物は発光管の上部においてトリウムの貯蔵部として
作用して、上側電極の近くのトリウム濃度を増大し、ラ
ンプの動作中この電極の先端部上のトリウム被膜を改善
する。ハロゲン化金属封入物が約３．８（重量＞％から
見かけの飽和限界である約６．０（重量）％までの範囲
の量の四ヨウ化ト’）’ｙムＴｈＩａを含むと、約１．
　８　（ｆｒｆｆｉ）　％０）Ｔｈ　Ｉ４の濃度の場合
に比べて、ランプ設計上の他の要因に関係なく光束の維
持が改善されることがわかった。飽和限界を超えた濃度
においては、好ましくない化学反応がトリウムと他の発
光管材料または化学物質との間に生じることがある。約
０．５アンペア乃至３．５アンペアのアーク電流および
約８０乃至約２７０ボルトの電圧レベルで作動する約３
０ワツト乃至約１０００ワツトの範囲のメタルハライド
放電ランプにおいては、ランプのアーク電流に対するＴ
ｈＩ４の量の比が約０゜９ミリグラム／アンペア乃至約
１，５ミリグラム／アンペアの範囲になるように十分な
量のＴｈＩａを含むハロゲン化金属封入物を使用するこ
とにより、トリウム輸送サイクルが維持され、これによ
りランプの光束の維持が改善される。

高光度メタルハライド放電ランプにおいて標準の電極を
使用した特定の実験において、約８５゜１　（重量）％
のヨウ化ナトリウム（Ｎａｌ）、約１１．１　（重量）
％のヨウ化スカンジウム（Ｓｃ１３）および約３．　８
　（ｆｆｉｆｆｉ）％のヨウ化トリウム（ＴｈＩ４）よ
り成るハロゲン化金属封入組成物を使用したところ、約
８５．９％のＮａＩ、１２．３％の５ｃ１３、および１
．８％のＴｈ　Ｉ４より成る封入物を使用した場合に比
較して、光束の維持が著しく改善された。ハロゲン化金
属封入物中のＴｈＩ４の濃度を約３６８（重量）％とし
た８０および１００ワツトのメタルハライドランプと約
１．８（重量）％のＴｈ　Ｉａの濃度を有する同様なラ
ンプとを試験した。ＴｈＩａの濃度に対する光束の維持
の比較を含む種々の因子についての工場での実験におい
て、２ＱＯＯ時間の連続運転の後、３．８（重量）％の
Ｔｈ　１４の濃度を有するランプは１．８（重量）％の
ＴｈＩａの濃度を有するランプよりも光束の維持が約１
１．３％高かった。１２５ワツトのメタルハライドラン
プを３０００時間動作させる同様な実験を行い、ランプ
の１／３は３０００時間連続運転し、ランブの２／３は
１１時間動作させて１時間休止させるというパターンで
合計３０００時間運動した。

約３．８（重量）％のＴｈＩａ濃度またはアーク電流の
１アンペアあたり約０．９ミリグラムのＴｈＩａ濃度を
有する１２５ワツトのランプは、約１．８（重量）％の
ＴｈＩａ濃度または１アンペアあたり約０．４ミリグラ
ムのＴｈｌａａ度を有するランプよりも平均の光束維持
が約１２．６％改善されることを示した。

本発明の詳細な説明から、本技術分野に専門知識を存す
る者は、トリウム輸送サイクルを強化するようにメタル
ハライドランプの設計上の種々の要因を認識して利用し
た本発明の結果として、メタルハライド放電ランプにお
ける光束の維持が実質的に改善されたことを理解されよ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した高光度メタルハライド放電
ランプの正面図である。 第２図は第１図に示したランプの発光管の部分断面正面
図である。 第３図は本発明のアーク電極の拡大図である。 ［主な符号の説明コ １２・・・外側エンベロープ、１４・・・口金、１６・
・・ステム、１８．２０・・・ワイヤ端子、３２．４２
・・・電極、５４・・・発光管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高光度メタルハライド放電ランプであって、密封さ
   れた光透過性のガラス質外側エンベロープと、 前記外側エンベロープに固定された、外部電源を前記外
   側エンベロープの内部に電気的接続するための第１およ
   び第２の電気的端子手段と、前記端子手段のそれぞれに
   接続されている第１および第２の導電性リード線手段と
   、 前記外側エンベロープ内に配置され、第１および第２の
   端部を有する密封された光透過性のガラス質発光管エン
   ベロープと、 前記発光管エンベロープ内に配置され、前記発光管エン
   ベロープの前記第１および第２の端部内に密封されてい
   る第１および第２の電極手段と、前記発光管エンベロー
   プの前記各端部にあるステムを通過して、前記導電性リ
   ード線手段のそれぞれを前記第１および第２の電極手段
   のそれぞれに接続する第１および第２の内部リード線手
   段と、前記外側エンベロープに対して所定の向きに前記
   発光管エンベロープを支持する支持手段と、前記発光管
   エンベロープ内に封入され、０乃至５（モル）％のカド
   ミウム・アマルガムを含む水銀アマルガムより成る放電
   支持媒体と、 始動ガスとして不活性封入ガスと、 ハロゲン化金属全体の約３．８（重量）％乃至約６．０
   （重量）％の範囲の四ヨウ化トリウムＴｈＩ＿４を含む
   複数のハロゲン化金属よりなるハロゲン化金属封入物と
   、を有するメタルハライド放電ランプ。 ２、特許請求の範囲第１項記載のメタルハライド放電ラ
   ンプにおいて、前記ハロゲン化金属封入物がその全体の
   約３．８（重量）％のＴｈＩ＿４を含んでいるメタルハ
   ライド放電ランプ。 ３、特許請求の範囲第１項記載のメタルハライド放電ラ
   ンプにおいて、前記ランプが約８０乃至約２７０ボルト
   の範囲のランプ動作電圧を供給する交流電源で作動され
   るメタルハライド放電ランプであり、前記ハロゲン化金
   属封入物がアーク電流の１アンペアあたり約０．９乃至
   約１．５ミリグラムの範囲のＴｈＩ＿４を含んでいるメ
   タルハライド放電ランプ。 ４、特許請求の範囲第１項記載のメタルハライド放電ラ
   ンプにおいて、前記ハロゲン化金属封入物が、約８５．
   １（重量）％のヨウ化ナトリウム、約１１．１（重量）
   ％のヨウ化スカンジウムおよび約３．８（重量）％の四
   ヨウ化トリウムよりなるメタルハライド放電ランプ。 ５、高光度メタルハライド放電ランプ用の発光管であっ
   て、 第１および第２の端部を有する密閉された光透過性のガ
   ラス質発光管エンベロープと、 前記発光管エンベロープの前記第１および第２の端部に
   密封されている第１および第２の電極手段と、 前記発光管エンベロープの前記各端部にある各発光管ス
   テムを通過して、前記第１および第２の電極手段のそれ
   ぞれを電源に接続する第１および第２の内部リード線手
   段と、 前記発光管エンベロープ内に封入されたアマルガムより
   なる放電支持媒体と、 始動ガスとしての不活性封入ガスと、 ハロゲン化金属全体の約３．８（重量）％乃至約６．０
   （重量）％の範囲の四ヨウ化トリウムＴｈＩ＿４を含む
   複数のハロゲン化金属よりなるハロゲン化金属封入物と
   、を有する発光管。 ６、特許請求の範囲第５項記載の発光管において、前記
   ハロゲン化金属封入物が全体の約３．８（重量）％のＴ
   ｈＩ＿４を含んでいる発光管。 ７、特許請求の範囲第５項記載の発光管において、前記
   発光管が約８０乃至約２７０ボルトの範囲の動作電圧を
   供給する交流電源で作動される発光管であり、前記ハロ
   ゲン化金属封入物がアーク電流の１アンペアあたり約０
   ．９乃至約１．５ミリグラムの範囲のＴｈＩ＿４を含ん
   でいる発光管。 ８、特許請求の範囲第５項記載の発光管において、前記
   ハロゲン化金属封入物が、約８５．１（重量）％のヨウ
   化ナトリウム、約１１．１（重量）％のヨウ化スカンジ
   ウムおよび約３．８（重量）％の四ヨウ化トリウムより
   なる発光管。