JPS6343867B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、充填物が水銀ならびにハロゲン化物
の光放射性金属を含み、電極の活性化に対して輸
送サイクルと共に、トリウムのようなタングステ
ンよりも低い仕事関数の金属を用いる金属ハライ
ド型の高強度放電ランプに関するもので、ヨウ化
ナトリウム、ヨウ化スカンジウムおよびヨウ化ト
リウムを包含するランプに特に有益である。

金属ハライドランプは、1966年に発行された米
国特許第3234421号公報に開示されているように、
光色を調整し、作動効率を高めるため、高圧水銀
ランプに、各種の光放射性金属のハロゲン化物を
添加することから始まるのである。それ以来、金
属ハライドランプは一般の照明用として商用さ
れ、その構造ならびに作動様式はイリユーミネー
チング、エンジニアリング ソサエチー
（Illuminating Engineering Society）によつて
1972年に出版されたIESライチング ハンドブツ
ク（Lighting Hand book）第５版第８〜34頁に
記載されている。

電弧管の充填物に加えるための前記特許に好都
合である光放射性金属は、ヨウ化物の形でのナト
リウム、タリウム、インジウムであつた。この組
合せは、ランプ始動電圧を、ほぼ水銀蒸気ランプ
のランプ始動電圧のように低くし、同じソケツト
で金属ハライドランプを水銀ランプと相互交換し
うる利点を持つていた。1968年に発行された、後
の米国特許第3407327号公報は、添加金属として、
ナトリウム、スカンジウム、トリウムを提案して
いる。この充填物はいくぶん、良好なスペクトル
特性の光を発生するので、好まれてはいるが、残
念ながら、高い始動電圧を伴うので、このランプ
は、一般に、水銀蒸気ランプと交換され得ないで
いる。

初期のトリウムを含む金属ハライドランプで
は、使用される電極は、巻回部で酸化トリウムを
支持するタングステンコイルを具えていた。作動
に当つて、酸化トリウムは、僅かに分解して、遊
離トリウムを放出して減じられた仕事関および高
い放射性を有する単層フイルムを与えると信じら
れていた。残念ながら、この陰極は、スカンジウ
ム包含のランプには用いることができない。とい
うのは、ScI₃がSc₂O₃に変つて、比較的短時間に
ほぼすべてのスカンジウムが消失することになる
からである。これに代つて、タングステン陰極を
作動することによつて形成されるトリウム―タン
グステン電極が用いられる。この陰極は、タング
ステンコイルを捲回したタングステン棒で、ヨウ
化トリウム包含の雰囲気中で熱放射体として作用
する。適切な条件のもとでは、タングステン棒
は、その先端にトリウムのはん点をもたらし、こ
のはん点は良好な電子放射体として作用し、何れ
の過程でもトリウムの消失を陰極に戻すというハ
ロゲンの呈供を含む輸送サイクルによつて絶えず
更生させられる。トリウム―タングステン電極と
その作動方法は、1971年M.I.TプレスのJ.F.ウエ
イマウス著の放電ランプ（EIectric Discharge
Lamps）の第９章に記述されている。

本発明者は以下のことを見い出した。すなわ
ち、トリウム輸送サイクルの適正な作動は、過剰
なヨウ素がある時には、抑制されるということ
を、である。室温での冷たいランプでは、過剰な
ヨウ素はHgI₂として存在している。ランプが作
動すると、このヨウ化水銀が分解して、遊離ヨウ
素は電極でトリウムと反応する。電極端でのトリ
ウムの凝縮は、次の平衡式で制御される。

Th(c)＋41(g)ThI₄(g) 高いヨウ素凝縮がある場合には、ThI₄の形成
を与える正反応が支配する。充分に高いヨウ素凝
縮時には、電極にはトリウムが全く析出せず、そ
の結果は、高い仕事関係の電極となる。この電極
は電弧管電流を維持するために高温で作動されな
ければならず、これは小型のランプで最も注目さ
れる低効率を伴うこととなる。高温であると、タ
ングステンの蒸発によつてランプを黒化し、その
結果は、ランプの持続性が悪くなる。

或る製造プロセスで、ランプは、液体として水
銀とペレツトの形でNa，ScならびにThのヨウ化
物とを添加される。このプロセスでは、ペレツト
をランプ外管に移すに当り、ペレツトによる大気
からの湿気吸収によつて若干の加水分解場応が生
ずることが実際上避けられない。NaI，ScI₃なら
びにThI₄を含む金属ハライドの添加物は極めて
吸湿性があり、湿気のレベルが極めて低くとも、
ある種の加水分解を生ずる。加水分解すると、例
えば次のようにHIを放出して、ハロゲン化金属
から酸化金属への転化を起こす。

2ScI₃＋3H₂O→Sc₂O₃＋6HI このHIは水銀と反応してHgI₂を作り、この
HgI₂は高温では比較的不安定で、ランプが暖め
られると、HgI₂は分解して遊離ヨウ素を放出す
る。ある過剰のヨウ素も添加物質の合成の副産物
として添加物質中にしばしば見出される。その結
果は、しばしば始動時から過剰のヨウ素を含むラ
ンプとなる。

他の製造プロセスでは、一部の水銀と装入物の
ハロゲン成分とはランプ外管にHgI₂の形で装入
され、スカンジウムとトリウムは元素として加え
られる。HgI₂に対するHgの割合を変えると、ヨ
ウ素は、ScまたはThの存在に対して亜化学量論
的となり、この場合、ランプは過剰のヨウ素なし
でその寿命を始める。しかし、ヨウ化スカンジウ
ムおよびヨウ化トリウムと溶融シリカ電弧管との
間のゆつくりした反応が、次第に、ランプの寿命
の間にヨウ素を遊離するということを本発明者は
見い出した。遊離ヨウ素の凝縮が出来上ると、ト
リウムが電極に析出されることをやめる点に達
し、その結果は高い仕事関数の電極となる。

したがつて、公知技術のランプは、どんなプロ
セスで作られようと、また、過剰なヨウ素なし
で、寿命を始めるときでさえ、結局は、過剰なヨ
ウ素凝縮の状態に到り、これが、ランプ効率を低
めて、黒化ならびに光束の低下の割合を増加させ
る。したがつて本発明の目的は、ランプが高い効
率、良好な持続性ならびに長い有効寿命をもつよ
うに、ランプ寿命の全期間にわたつて過剰なヨウ
素を制御することにある。

本発明によれば、トリウム包含の金属ハライド
放電ランプにゲツターとして、Cd若しくはZnの
一個以上の金属またはその混合物が提供される。
これらのものは、作動中に、ランプの雰囲気中で
遊離ヨウ素の凝縮を減じる目的でランプ充填物に
有効的に加えられる。このようにすることで、作
動中に、電極先端へのトリウムの析出が保証され
て、ランプの性能と持続性が改善される。

カドミウム及び亜鉛がゲツターとして好ましい
のは、ランプ充填物に加え易いことと、望ましい
方向に低い色温度を生ぜしめるというスペクトル
出力の変化のためである。加えることが望ましい
ゲツターの量は、一部分は、ランプが製造された
プロセスによつていて、これについては以下に詳
記される。

本発明は、添加物に対する過剰なハロゲンのた
めに、ゲツターを加えるという概念に基いてお
り、このゲツターは好結果であるためには若干の
基準に適合しなければならない。

成功したゲツターに対する基準 (1) ゲツターは作動するランプにおいて、電極で
遊離ハロゲンの圧力を有効的に減少させなけれ
ばならぬ。ヨウ素が使用されるハロゲンである
場合には、これを行ないうる唯一の金属は、
HgI₂よりも高い安定性のヨウ化物を生成し、
したがつてHgI₂の生成を阻止するものである。
さらに、ランプ添加物の化学的性質の望ましく
ない変化を阻止するため、ゲツターは、ランプ
中に含まれた主たる光放射性金属、例えばナト
リウム、スカンジウムおよびトリウムより低い
安定性のヨウ化物を生成しなければならない。
熱力学的見地では、ゲツターのヨウ化化合物の
生成の自由エネルギーは、HgI₂の生成自由エ
ネルギーよりも負性で、充填物の最小負性化合
物であるThI₄の自由エネルギーよりも負性で
なければならない。第１図は、この基準に効果
的に合致する選択された金属を示す。これらの
ヨウ化物生成の自由エネルギーは、ランプの作
動温度範囲にわたりHgI₂とThI₄との間の網目
陰影領域に当る。これらの金属は、Cu，Ag，
In，Pd，Cd，Zn，Mn，SnおよびTIである。
もし、ランプ充填物が、例えば臭化物のように
ヨウ化物以外のハロゲン化物を用いたとする
と、相対的な安定度は、一般には変化せず、そ
の結果、同じゲツターの選択ができる。

(2) ゲツターは、石英電弧管または溶融シリカ電
弧管が組立てられるSiO₂と反応してはならな
い。ランプ充填物のヨウ素に対して過剰のスカ
ンジウムまたはトリウムを加えることによつ
て、過剰のヨウ素の問題を解決せんとする公知
技術の試みは、当初成功者であつた。しかしな
がら、結局、この試みは、失敗し、本発明者
は、過剰なスカンジウムまたはトリウムが、溶
融シリカと反応して比較的に速く除去されると
いう理由を見い出した。本発明は、溶融シリカ
と反応しないゲツター金属を提供することによ
つて、このことを避けている。これは、ランプ
の全寿命にわたり、ヨウ素を制御することを確
実にする。

本発明によるランプでは、従来技術のように相
変らずThI₄とScI₃は電弧管のSiO₂と緩かに反応
してヨウ素とシリカを遊離する。従来技術では、
過剰なスカンジウムまたはトリウムの存在が当初
遊離されたヨウ素と反応することができた。しか
し、前記したように、スカンジウムとトリウムは
比較的速やかに消耗される。このような消耗の後
に、シリコンが過剰のヨウ素と反応して、SiI₄を
作る。四ヨウ化シリコンの存在は、溶融フイルム
として、電極にシリコンを析出する輸送サイクル
を生じ、この溶融フイルムにタングステンは明ら
かに僅かに溶解してケイ化タングステンを生成す
る。シリコンフイルム中へのタングステンの溶解
は、（前記ウエイマウスの著書第249頁に指適され
ているように）電極の幾何学的形状に徹底的な変
化をもたらし、このプロセスは、全体として、ラ
ンプが劣化を生じさせる。SiI₄の熱力学的安定度
はHgI₂のものと類似しており、両方の化合物は、
過剰のヨウ素を含むランプ内に同時に存在するこ
とができる。本発明によるゲツターは、SiI₄の生
成を妨げ、それによつて、シリコンの輸送を抑制
し、さらに、HgI₂の生成を妨げる。基準１のも
ので前記表示した金属は、この基準をも充足する
ように選ばれている。

好ましいゲツター 本発明者が設定した基準によつてゲツターとし
て適当である金属として、カドミウムまたは亜鉛
が選ばれる。

ゲツター金属は、金属としてまたはヨウ化金属
として存在すると、放電空間において若干の蒸気
圧を及ぼし、それ自体のスペクトル線を発して、
放電に加わる。CdとZnは強い赤色線を有し、こ
れがスペクトル上に持つ影響は何であろうともス
ペクトルを低い色温度に向かつて移動させる。し
たがつてゲツターが、スペクトル出力に変化を起
すと、それは望ましい方向である。しかしなが
ら、CdまたはZnはNa，ScおよびTh化合と同じ
ような効果的なスペクトル放射体ではなく、ゲツ
ター機能に必要である以上に過剰に追加するとラ
ンプ全体の効率を低めることを銘記しなければな
らない。

ゲツターCdとZnは、両方ともランプの水銀装
入物にそれらを解かすことにより、ゲツター機能
に必要な量を供給するのに充分適する程度に、水
銀に溶解可能である。それで、ランプ加工には変
更する必要がなく、ゲツターの要求は、工場生産
で本発明を用いるために、ランプが通常添加され
る水銀に溶解されるだけである。

ゲツターの量 供給されるべきゲツターの量は、ランプ製造に
用いられるプロセスによつて変る。このプロセス
により、或るゲツターは、訂正手段として要求さ
れ、そして、このプロセスに関係なく、或るゲツ
ターは、緩衝手段として望ましい。例えばScI₃ま
たはThI₄のような吸湿性のある物質がランプに
添加される場合には、ゲツターは、ランプ製造に
当つて湿気を捕集する結果として、放出される何
らかのヨウ素を清掃するための訂正手段として供
給されるべきである。もしランプ充填物のトリウ
ム含有量がまた（トリウム金属としてではなく）
ThI₄として、供されるならば、ゲツターは、電
極にトリウム金属の析出を許すに必要なThI₄の
分解から生じるヨウ素を清掃するための訂正手段
として供給されるべきである。上記のことに加
え、本発明は添加物、特にScI₃とThI₄がランプ
外管のSiO₂と反応してランプ寿命の間に放出さ
れたヨウ素を捕集する長期間にわたる緩衝能力を
持たせるために若干のゲツターを供することを要
している。

添加物が液体水銀とペレツト形状のNa，Scお
よびThのヨウ化物を備える上記した最初のプロ
セスでは、先ず、加工又は製造工程中に捕集した
不純物の結果としてランプに放出された何れかの
ヨウ素と、作動中、電極に金属Thの析出をさせ
るために起らなければならないThI₄の分解から
生じるヨウ素とを清掃するために充分なゲツター
を供給することが提案される。これらの目的のた
めに要するゲツターの量は、訂正部分と云われ、
次のように定められ得る。ここに、Ｍはゲツター
金属を表わし、ｎはその原子価を表わす。

製造工程中に放出されたヨウ素はHgI₂を生成
し、それのランプ外管内における量が測定され
る。それと反応するに要するゲツターの量M′は、
次の反応を満足しなければならない。

HgI₂＋２／ｎＭ→Hg＋２／ｎMIn そして、M′＝２／ｎHgI₂（グラムー原子）で与え られる。

電極上で公知のThI₄の装入物の分解により放
出されるヨウ素と反応するに要するゲツターの量
は、次の反応を満足させなければならない。

ThI₄＋４／ｎＭ→Th＋４／ｎMIn そして、M″＝４／ｎThI₄（（グラムー原子）で与 えられる。

訂正ゲツター部分は、M′＋M″の合計である。
添加物が、水銀、HgI₂，NaIおよび元素の形で
スカンジウムとトリウムを備える前述した二番目
のランプ製造プロセスでは、ヨウ素の量は正確な
トリウム提供の量によつて亜化学量論的になされ
る。その場合には、M′＋M″に対応する訂正ゲツ
ターを加える必要はない。

もし、第一のプロセスにより作られたランプで
M′＋M″に相当する訂正ゲツター部分だけ加えら
れると、或いは第二のプロセスにより作られたラ
ンプでゲツターが加えられないと、ランプの性能
は、当初は良いが、ランプが古びるにつれて、比
較的急速に低下する。ランプ寿命にわたつて望ま
しい改良を得るためには、本発明では、緩衝ゲツ
ター部分と呼ばれるものが加えられる。この緩衝
部分は、ランプ寿命の間、溶融シリカの外管と添
加物との反応結果として、放出されたヨウ素を処
理するため緩衝容量または予備を与える。長期の
緩衝に対して好ましいゲツターの量は、少くとも
添加物のトリウムの化学量論的当量でなければな
らない。本発明者は約二倍の化学量論的当量を加
える。この量は重大でなく、ガドミウムまたは亜
鉛の場合、実質的に約３倍にしても、効率が僅か
に下る以外には無害である。同時にそれは、ラン
プの計画した適用に依り、望ましい色温度を低め
る。

実施例 １ 本発明が具体化される高強度放電ランプの電弧
管１が第２図に示されている。ランプは、交流作
動用の400ワツトの大きさで、この種の電弧管は、
通常大気から管を遮蔽する外側ジヤケツトで囲ま
れている。管は石英または公知の石英状ガラスで
ある溶融シリカSIO₂で作られている。主放電電
極２，３は両端で電弧管に密封されてそれぞれリ
ード線４，５で支持されている。各主電極はリー
ド線４，５の延長である棒または短軸を備え、タ
ングステンが好ましいが、タングステンまたはモ
リブデンのような適当な電極金属からなつてい
る。棒部分は同じ材料の巻線６，７で捲かれてい
る。捕助の始動電極８が、これもタングステンが
好ましい、主電極２に近接して電弧管の一端に設
けられ、他のリード線の内側突出端を備えてい
る。各リード線はモリブデンのリボン部分９を有
し、このものは電弧管の加圧密封端部内に埋め込
まれている。外側に突出したリード線部分１０乃
至１２は電極へ電流を送るものであつて、通常モ
リブデンで作られ、リボン部分と一体となつてい
る。

電弧管は水銀、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカ
ンジウム、ヨウ化トリウムを含む電離可能な放射
発生の充填物と始動を容易にするアルゴンのよう
な不活性希ガスを備えている。装入物の三個の金
属ハライド部分は、制御された大きさの高純度の
ペレツトの形で挿入され、これは、大気の汚染に
対して保護されている。「超純度金属ハライド粒
子に関する方法」という米国特許第3676534号公
報は、ランプ製作に用いるこの種の物質をつくる
一技法について記載している。放電室の下端部
（一般的な点灯ランプの場合は両端部）は白色の
熱反射被覆１３が塗布されていて、装入物または
充填物の適正な蒸発を確保する。

電弧管の内側寸法は直径20mm、長さ63mmであ
り、室の容積は14c.c.で電極空隙は45mmである。添
加物は60mgの水銀と40乃至50mgの三個のハライド
ペレツトとを備え、三個のペレツトは10乃至15重
量％のScI₃、１乃至４重量％のThI₄、残りがNaI
を含む。一連のランプでは、装入物のThI₄の重
量は8.35×10^-4ｇで、これは740ｇ／モルで1.13＋
10^-6モルのThI₄を作る。内部でヨウ素と反応す
るに要するCd金属の量M″は2.26×10^-6グラム原
子である。

ランプが加工された後、ランプで測定された
HgI₂の量は約0.25mgであつた。454ｇ／モルで、
これは5.5×10^-7モルとなり、これと反応するに
要するCd金属の量M′は5.5×10^-7グラム原子であ
る。したがつて、本発明の基準当りに要するカド
ミウムの最低量はM′＋M″＝2.81×10^-6カドミウ
ムのグラム原子である。Hgの200.6グラム／モル
で、３×10^-4グラム原子に相当する60mgの水銀装
入物に関しては、本発明の基準当りの最小のCd
ゲツターの添加は、水銀装入物の約１原子パーセ
ントである。

上記記載に相当してランプが作られ試験された
が、このものは34000ルーメンの公称100時間ルー
メン出力を有する。或るランプは標準として使用
するようにゲツターなしで作られ、他のものは
Hg装入物の２原子％と３原子％に相当する量の
Cdゲツターで作られた。ゲツターなしのランプ
に参照事項がつけられ、百分率で示されたルーメ
ン出力の増加分が、次の表１に示される。測定時
間間隔にわたり、Cdゲツターを加えることによ
つて達成された改良の持続性が明らかで、連続し
て行なつた試験は寿命の終りまで比較しうる割合
で続くことを示している。

表 １ ランプ 500時間 1000時間 ２原子％のCd＋19％ 24％ ３原子％のCd＋23％ 28％ 実施例 ２ 本発明はまた米国特許第4161672号公報に開示
された新規な小型の金属ハライドランプにも同じ
く有益である。この種のランプの電弧管２１は第
３図に示される。ランプは石英または溶融シリカ
で作られ、石英管の膨脹で形成される中央の球状
部分２２と、電極リード組立体のモリブデン箔部
分２４，２４′の上に管をつぶしたり真空密封で
形成される首部分２３，２３′を有している。放
電室すなわち球状部分は容量１c.c.より小さく、そ
の大きさはそれと並ぶスケールから判断される。
箔に溶接されたリード線２５，２５′は首部分か
ら外側に突出し、箔の反対側に溶接された電極棒
２６，２６′は首部分を通つて球状部分に延びて
いる。ランプは一方向電流作動用のもので、球状
端部２７で終つている棒２６′は陽極に充当され
る。陰極は、棒２６の端に堀られていてその先端
が塊すなわちキヤツプ２９で終つている中空タン
グステン渦巻２８を具えている。このキヤツプは
渦巻を二三巻後に熔かして形成される。

外管用の適当な充填物は始動ガスとして作用す
るような数十トールの圧力のアルゴンまたは他の
不活性ガスおよび水銀ならびに金属ハライド
NaI，ScI₃，ThI₄を含む装入物を備えている。典
型的な装入物は3.5mgのHgを含み、金属ハライド
は740グラム／モルで4.22×10^-7モルのThI₄を作
る3.12×10^-4グラムのThI₄を備えている。そこか
ら放出され得るヨウ素と反応するに要するCdの
量M″は8.43×10^-7グラム原子である。加工後、
ランプ内で測定したHgI₂の量は約0.1mgすなわち
2.2×10^-7モルで、これと反応するに要するCd金
属の量M′は2.2×10^-7グラム原子である。本発明
が確立した基準当りに要求されるカドミウムゲツ
ターの最小量はM′＋M″＝1.06×10^-6グラム原子
である。1.74×10^-5グラム原子に対応する3.5mgの
水銀装入物に関し、本発明の基準当りの添加Cd
の最小量は水銀装入物の約６原子パーセントであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は若干の金属ハライド生成の自由エネル
ギーを示す図表、第２図は本発明による金属ハラ
イド電弧放電ランプに立面図、第３図は本発明が
具体化されている小型金属ハライド電弧ランプを
示す。 １……電弧管、２，３……主放電電極、４，５
……リード線、６，７……巻線、８……始動電
極、９……リボン部分、１０〜１２……外側突出
リード線、１３……熱反射被覆、２１……電弧
管、２２……球状部分、２３，２３′……首部分、
２４，２４′……箔部分、２５，２５′……リード
線、２６，２６′……電極棒、２７……球状端部、
２８……中空タングステン渦巻、２９……キヤツ
プ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融シリカの外管と、 前記外管に密封され、内部で電弧間隙を形成す
   るように置かれた電極に電気的に接続されたリー
   ド線であつて、ここで前記電極の少なくとも一方
   は、その上にトリウムが析出し得て、かつヨウ素
   を含む輸送サイクルにより絶えず新らしくされる
   タングステン部分を含む陰極として作用し、前記
   トリウムは、比較的低温でランプを流れる電流に
   必要な電子放射を前記陰極に達成せしめる電子放
   射体として作用するものであることと、 製造時に水銀、Nal，ScI₃，ThI₄ならびに始動
   用不活性ガスを含む装入物を挿入することによつ
   て与えられた前記外管中の放電繊維充填物と、 前記外管内に、Cd，Znまたはこれらの混合物
   から選ばれたゲツターとを備え、 前記ゲツターの量は、少くとも、製造中に拾い
   上げた不純物の結果として前記外管内に放出され
   たヨウ素の化学量論的当量M′と前記装入物中の
   ThI₄の分解から生じるヨウ素の化学量論的当量
   M″との和であり、かつ、 前記ゲツターの量は前記化学量論的当量M′と
   M″の和の約３倍を越えない高強度金属ハライド
   アーク放電ランプ。