JPWO2006088128A1 - 定格ランプ電力が４５０ｗ以上のセラミックメタルハライドランプ - Google Patents
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Abstract
この発明は、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプに関する。この発明の目的は、ランプ点灯中のアークを安定化させ、ちらつきの発生及び発光管の黒化を防止することである。ランプの発光管（１１）は、本管（１）と、本管より径が小さく、本管の両端にそれぞれ接続された２本の細管（２）と、各細管の内部から本管の内部に突出するように配置された２つの電極（３、４）とを含み、内部に金属ハロゲン化物が封入される。ランプの定格電力Ｗ（ワット）、本管の内径Ｄ（ｍｍ）、電極の突出長さＬ（ｍｍ）、電極間距離Ｅ（ｍｍ）及び管壁負荷Ｇ（ワット／ｃｍ２）は、以下の関係を満たす。１５≦Ｇ≦４００．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．０００３×Ｗ＋０．４６５ただし、Ｇは、次の式で定義される。Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）
Description
本発明は、発光管部材に透光性アルミナセラミックなどのセラミック管を用いたセラミックメタルハライドランプに関するものである。
近年、発光管部材として透明石英の代わりに透光性セラミックを用いたメタルハライドランプが広く使われるようになってきた。従来の透明石英材料とくらべて、透光性セラミック材料、例えば透光性アルミナセラミックは、メタルハライドランプの充填物である金属ハロゲン化物に対して高温における耐食性が優れているという特長を有する。そのため、発光管部材にセラミックを用いれば、動作中の発光管温度を高く設定してランプの発光効率や演色性を高めることができる。
しかしながら、アルミナセラミックのようなセラミック材料は、石英材料と比べて熱衝撃に対して弱いという欠点がある。その理由はセラミックの熱膨張率が石英のそれに比べて大きいからである。例えば、石英ガラスの熱膨張率は０〜９００℃の温度範囲で約０．５×１０−６／℃であるが、アルミナセラミックのそれは約８×１０−６／℃である。このようにアルミナセラミックの熱膨張率は石英のそれと比べて約一桁大きい。
このようなアルミナセラミックのような透光性セラミックを発光管に用いたメタルハライドランプ（以下セラミックメタルハライドランプという）では、現在、定格ランプ電力が４００ワット以下のものが実用化されている。ここで、定格ランプ電力とは、ランプに表示されたり、カタログなどで公表されているランプの標準的な消費電力を表すものとする。
しかしながら、定格ランプ電力が４５０ワット以上のメタルハライドランプは、いまだ実用化されていない。その理由は、石英材料と比べて熱衝撃に対して弱いという、前述のセラミック材料の特性によるものである。そのため、４５０Ｗ以上のランプ電力のセラミックメタルハライドランプを具現化しようとすると、ランプ点灯時の発光管温度の急激な上昇により、セラミック発光管が割れるという問題があった。
大きなランプ電力のセラミックメタルハライドランプの発光管が割れるという上述の問題を解決する１つの方法が、日本の特許公開公報の特開２００３−０８６１３０号に提案されている。この特許公開公報に記載のセラミックメタルハライドランプの発光管の断面図を第５図に示す。第５図において、２１は電極、２２は電気導入体、２３は発光管（透光性セラミック管）、２４は細管、２７は第２コイル、２８は封着材である。
この特許公開公報では、発光物質としてセリウム沃化物とナトリウム沃化物とが封入された透光性セラミック製の発光管２３を備え、発光物質のモル組成比ＮａＩ／ＣｅＩ３が３．８〜１０の範囲に規定され、且つ前記発光管の管壁負荷ｗｅが１３〜２３Ｗ／ｃｍ２の範囲において、電極間距離をＬｅ、前記発光管の管内径をＤとしたときのＬｅ／Ｄが、ランプワット２００Ｗ、３００Ｗ、４００Ｗ、７００Ｗ及び１０００Ｗにおいて、それぞれ０．７５〜１．７０，０．８０〜１．８０，０．８５〜１．９０，１．００〜２．００及び１．１５〜２．１０の範囲に規定されることにより、発光管割れが防止できるとしている。
特開２００３−８６１３０号公報
しかしながら、日本の特許公開公報の特開２００３−０８６１３０号の記載に準じて定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプを試作し、ランプの点灯試験を行ったところ、アークが不安定でちらつきや発光管の早期黒化が生じるという問題があることが判明した。なお、アークが不安定でちらつき（フリッカ）を生じるとは、電極間のアークが揺れ又は蛇行し、ランプから放射される光の強度変化の速さが人間の目の光に対する応答速度より遅くなり、ランプからの放射光に明暗を感じることをいう。ランプがちらつくと人間の目に不快感を与えるので、このようなランプは一般照明用には適さない。このことから、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のランプ電力のセラミックメタルハライドランプを実用化するための条件として、Ｌｅ／Ｄを上記範囲に設定するだけでは充分でないことが分かった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、ランプ点灯中にアークが不安定となることによって生じるちらつきや、発光管の早期黒化を生じることのない、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプを提供することを目的とする。
定格ランプ電力が４００Ｗ以下のセラミックメタルハライドランプにおいては、従来の通常の設計の範囲内であれば、ちらつきが生じるようなことは無かった。本発明は、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上の場合のみに、ちらつきが生じ易いという問題を初めて認識したことによって得られたものである。つまり、本発明は、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上の場合に特異的に生じる、ちらつきが生じ易いという問題を解決するものである。
上記目的を達成するための第１の発明は、内部に放電空間が形成される本管と、前記本管より小径であり、前記本管の両端部に一つずつ接続された二つの細管とを備える透光性セラミック製の発光管容囲器と、二つの電極と、前記発光管容囲器の内部に備えられた金属ハロゲン化物とを備えた、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のメタルハライドランプであって、前記二つの電極の一つは前記二つの細管の一つの内部から前記本管の内部に突出するように配置され、前記二つの電極のもう一つは前記二つの細管のもう一つから前記本管の内部に突出するように配置され、前記定格ランプ電力をＷ（ワット）、前記本管の内径をＤ（ｍｍ）、前記本管と前記細管との境界部から前記電極の先端までの距離である電極突出長をＬ（ｍｍ）、前記の二つの電極の先端の間の距離をＥ（ｍｍ）とした時、
Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）
で表される管壁負荷Ｇ（ワット／ｃｍ２）が
１５≦Ｇ≦４０
の範囲であるとともに、
０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．０００３×Ｗ＋０．４６５
の関係が成り立つことを特徴とする。
Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）
で表される管壁負荷Ｇ（ワット／ｃｍ２）が
１５≦Ｇ≦４０
の範囲であるとともに、
０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．０００３×Ｗ＋０．４６５
の関係が成り立つことを特徴とする。
第２の発明は、さらに前記Ｗと前記Ｄと前記Ｌとの間には
Ｌ／Ｄ≧０．０００１×Ｗ＋０．４０５
の関係が成り立つことを特徴とする。
Ｌ／Ｄ≧０．０００１×Ｗ＋０．４０５
の関係が成り立つことを特徴とする。
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を有する。
第１の発明によれば、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプにおいても、ちらつきがほぼ無く、発光管の早期黒化が生じないという効果が得られる。
第１の発明によれば、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプにおいても、ちらつきがほぼ無く、発光管の早期黒化が生じないという効果が得られる。
また、第２の発明によれば、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプにおいても、ちらつきが完全に無く、発光管の早期黒化が生じないという効果が得られる。
１ 本管
２ 細管
３ 電極極芯
４ 第１コイル
５ 第２コイル
６ 第１の耐熱性金属線
７ 第２の耐熱性金属線
８ セラミックスリーブ
９ 封着材
１１ 発光管
１２ 外管
１３ 始動器
１４ 支持線
１５ 近接導体
１６ ゲッター
１７ 口金
２１ 電極
２２ 電気導入体
２３ 発光管（透光性セラミック管）
２４ 細管
２７ 第２コイル
２８ 封着材
２ 細管
３ 電極極芯
４ 第１コイル
５ 第２コイル
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２１ 電極
２２ 電気導入体
２３ 発光管（透光性セラミック管）
２４ 細管
２７ 第２コイル
２８ 封着材
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。第１図において１１は発光管である。この発光管１１は材質が透光性セラミック管からなり、その中央部の径大で内部に放電空間を形成する本管１とその両端部の径小の細管２により構成されている。
電気導入体とセラミックスリーブ８とが、細管２の内部に挿入され、封着材９によって固定されている。その封着材９によって、細管２の内部の外部に対する気密が保たれている。電気導入体は、電極と、第１の耐熱性金属線６と、第２の耐熱性金属線７とにより構成されている。電極は、電極極芯３と、本管１内の第１コイル４と、細管２内の第２コイル５とからなる。電極極芯３と、第１の耐熱性金属線６と、第２の耐熱性金属線７とは、第１図に示されるように順に接続されている。
前記透光性セラミック管の材質としては、アルミナあるいはイットリア等が用いられる。また、透光性セラミック管の形状は、中央部が筒状で端部が絞られた形である第１図の形状に限定されるものではない。例えば、第３図に示されるように本管１の全体が曲面からなるもの、あるいは第４図に示されるように本管１の全体が筒状のものであっても良い。
なお、第３図に示されるように、本管１の内径寸法が場所によって異なる場合には、本管内径Ｄは最大径で表す。第３図に示されるような例の場合には、実際の管壁負荷は、
Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）
の式とはいくぶん異なる値になる。しかしながら、実用的な本管１の形状では、上記式によるＧの計算値と、実際の管壁負荷の値とは大きく違わないため、本発明では便宜的に上記式で管壁負荷が求められるものとして問題ない。また、第４図に示されるように本管１の全部が筒状である場合、又は第１図に示されるように本管１の一部が筒状である場合には、本管内径Ｄはそれぞれ筒状部の内径である。
Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）
の式とはいくぶん異なる値になる。しかしながら、実用的な本管１の形状では、上記式によるＧの計算値と、実際の管壁負荷の値とは大きく違わないため、本発明では便宜的に上記式で管壁負荷が求められるものとして問題ない。また、第４図に示されるように本管１の全部が筒状である場合、又は第１図に示されるように本管１の一部が筒状である場合には、本管内径Ｄはそれぞれ筒状部の内径である。
封着材９は、細管２の端部から第１の耐熱性金属線６の一部を覆う位置まで充填される。封着材９の材質としては、ハロゲン化金属に対して耐食性を有するものとして、例えばＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｄｙ２Ｏ３系のものが用いられる。前記第１の耐熱性金属線６としては、ハロゲン化金属に対して耐食性を有するモリブデン又はその合金が用いられる。前記第２の耐熱性金属線７としては、細管２および封着材９と熱膨張率が近似するニオブ、タンタル又はそれらの合金が用いられる。また、前記耐熱性金属線６、前記耐熱性金属線７の替わりに金属粉末とアルミナ粉末の混合焼結体からなる導電性サーメットを用いてもよい。
前記第１コイル４および前記電極極芯３の材質としてはタングステン等の耐熱性金属が用いられる。前記第２コイル５にはモリブデン等の耐熱性金属が用いられ、この第２コイル５は発光金属の沈み込みを防止する役目を果たす。
このように構成した発光管１１内には、始動補助ガスとしての希ガスと放電により光を発生するためのハロゲン化金属とバッファーガスとしての水銀が封入されている。希ガスとしてはアルゴンガスやキセノンガス等が用いられる。また、ハロゲン化金属としてはナトリウム、タリウム、カルシウムまたは錫等のハロゲン化物や各種希土類金属のハロゲン化物が用いられる。特に好ましい希土類金属はＴｍ，Ｈｏ，Ｄｙ等である。
完成ランプは、第２図に示されるように、発光管１１が硬質ガラスからなる外管１２の内部にステンレス等からなるリード線の役目を兼ねた支持線１４を介して固定されている。発光管１１にはモリブデン等の細線からなる近接導体１５が取り付けられている。近接導体１５は、バイメタルスイッチ（図示せず）を介して一方の電位がかけられており、ランプの始動性を改善する役目を果たす。
外管１２内にはグロー管からなる始動器１３が発光管１１とは並列に接続されて固定されている。外管１２内に始動器１３を内蔵させると水銀灯用安定器での点灯が可能となる。外管１２内に始動器１３を内蔵させなくても良いが、その場合は始動器を内蔵した専用安定器が必要である。外管１２内は、真空にするか又は不活性ガスを封入する。外管１２内を真空にした場合には、ランプの寿命期間を通じて高真空に保持されるように、バリウム等よりなるゲッター１６が取り付けられる。このように構成したランプには口金１７が装備されている。
このように構成されたメタルハライドランプの動作原理は次のとおりである。メタルハライドランプの口金１７に安定器（図示せず）を介して電源を接続すると始動器１３と発光管１１とに電圧が印加される。始動器１３に電圧が印加されるとグロー管の接点がオン−オフを繰り返すので、これに応じて安定器に高圧パルスが発生する。安定器で発生した高圧パルスが発光管１１の両端電極間に印加されるので、ランプが始動する。
ところで、本発明者等は、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のランプのセラミック製の発光管１１の詳細構成を設定するにあたり、管壁負荷Ｇと、第１図における電極突出長Ｌおよび本管内径Ｄと、ランプ特性との関係を詳細に調べた。その結果を実施例に基づき以下に説明する。なお、電極突出長Ｌは本管１と細管２との境界部から電極先端までの距離で表されるが、本管１と細管２との境界部とは細管２の内径を１．０とした時、細管２の内径が１．１に広がった位置と定義する。
＜４５０Ｗについて＞
定格ランプ電力が４５０Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率および平均演色評価数Ｒａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表１および表２に示す。
定格ランプ電力が４５０Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率および平均演色評価数Ｒａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表１および表２に示す。
表１は、本管内径Ｄを２１ｍｍおよびＬ／Ｄを０．４５一定としたときの管壁負荷と効率および平均演色評価数Ｒａとの関係を示す。ランプ特性はランプ電力４５０Ｗ一定で点灯した時の値で示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より管壁負荷を１５〜４０Ｗ／ｃｍ２、より好ましくは２０〜３５Ｗ／ｃｍ２の範囲に設定すれば効率およびＲａの両方の特性が優れていることが分かった。
表２は管壁負荷を２５Ｗ／ｃｍ２およびＬ／Ｄを０．４５一定としたときの、本管内径Ｄとランプ電力４５０Ｗで５０００時間点灯後の光束維持率との関係を示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より本管内径Ｄは光束維持率の点から好ましい範囲は１８〜２４ｍｍであることが分かった。
次に電極突出長Ｌおよび本管内径Ｄとランプの特性（ちらつきおよび発光管の黒化）との関係を調べた。このとき、本管内径Ｄの値は好ましい範囲の上限値と下限値に、また、管壁負荷Ｇは最適値である２５Ｗ／ｃｍ２にそれぞれ設定した。また、発光管の材質、充填物の種類および量は前記の試験と同じとした。
試験に用いたランプの仕様と、このランプを４５０Ｗで約５０００時間点灯した時の特性を表３に示す。この結果より、ちらつきがほぼ無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．３２以上、０．６０以下であることが分かった。さらに、ちらつきが完全に無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．４５以上、０．６０以下であることがわかった。なお、発光管の黒化の有無と、光束維持率との関係はおおよそ次のとおりであった。
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
＜７００Ｗについて＞
定格ランプ電力が７００Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率およびＲａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃおよびＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表４および表５に示す。
定格ランプ電力が７００Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率およびＲａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃおよびＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表４および表５に示す。
表４は、本管内径Ｄを２４ｍｍおよびＬ／Ｄを０．５０一定としたときの管壁負荷と効率および平均演色評価数Ｒａとの関係を示す。ランプ特性はランプ電力７００Ｗ一定で点灯した時の値で示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より管壁負荷を１５〜４０Ｗ／ｃｍ２、より好ましくは２０〜３５Ｗ／ｃｍ２に設定すれば効率およびＲａの両方の特性が優れていることが分かった。
表５は管壁負荷を２５Ｗ／ｃｍ２およびＬ／Ｄを０．５０一定としたときの本管内径Ｄとランプ電力７００Ｗで５０００時間点灯後の光束維持率との関係を示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より本管内径Ｄは光束維持率の点から好ましい範囲は２０〜２７ｍｍであることが分かった。
次に電極突出長Ｌおよび本管内径Ｄとランプの特性（ちらつきおよび発光管の黒化）との関係を調べた。このとき、本管内径Ｄの値は好ましい範囲の上限値と下限値を、また、管壁負荷Ｇは最適値である２５Ｗ／ｃｍ２に設定した。また、発光管の材質、充填物の種類および量は前記の試験と同じとした。
試験に用いたランプの仕様と、このランプを７００Ｗで約５０００時間点灯した時の特性を表６に示す。この結果より、ちらつきがほぼ無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．３２以上、０．６７以下であることが分かった。さらに、ちらつきが完全に無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．５０以上、０．６７以下であることがわかった。なお、発光管の黒化の有無と、光束維持率との関係はおおよそ次のとおりであった。
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
＜１０００Ｗについて＞
定格ランプ電力が１０００Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率およびＲａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃおよびＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表７および表８に示す。
定格ランプ電力が１０００Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率およびＲａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃおよびＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表７および表８に示す。
表７は、本管内径Ｄを２７ｍｍおよびＬ／Ｄを０．５２一定としたときの管壁負荷と効率および平均演色評価数Ｒａとの関係を示す。ランプ特性はランプ電力１０００Ｗ一定で点灯した時の値で示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より管壁負荷を１５〜４０Ｗ／ｃｍ２、より好ましくは２０〜３５Ｗ／ｃｍ２に設定すれば効率およびＲａの両方の特性が優れていることが分かった。
表８は管壁負荷を２５Ｗ／ｃｍ２およびＬ／Ｄを０．５２一定としたときの本管内径Ｄとランプ電力１０００Ｗで５０００時間点灯後の光束維持率との関係を示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より本管内径Ｄは光束維持率の点から好ましい範囲は２３〜３０ｍｍであることが分かった。
次に電極突出長Ｌおよび本管内径Ｄとランプの特性（ちらつきおよび発光管の黒化）との関係を調べた。このとき、本管内径Ｄの値は好ましい範囲の上限値と下限値を、また、管壁負荷Ｇは最適値である２５Ｗ／ｃｍ２に設定した。また、発光管の材質、充填物の種類および量は前記の試験と同じとした。
試験に用いたランプの仕様と、このランプを１０００Ｗで約５０００時間点灯した時の特性を表９に示す。この結果より、ちらつきがほぼ無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．３２以上、０．７５以下であることが分かった。さらに、ちらつきが完全に無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．５２以上、０．７５以下であることがわかった。なお、発光管の黒化の有無と、光束維持率との関係はおおよそ次のとおりであった。
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
＜１５００Ｗについて＞
定格ランプ電力が１５００Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率およびＲａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃおよびＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表１０および表１１に示す。
定格ランプ電力が１５００Ｗランプの発光管の設計に当たって、本管内径Ｄと光束維持率との関係および管壁負荷Ｇと効率およびＲａとの関係を調べた。試験に用いた発光管１１の材質は、透光性多結晶アルミナセラミックとした。発光管１１内には、ＮａＩを５．０μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｌＩを０．５μｍｏｌ／ｃｃ、ＴｍＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、ＨｏＩ３を０．５μｍｏｌ／ｃｃおよびＤｙＩ３を０．６μｍｏｌ／ｃｃ、始動用希ガスとしてアルゴンガスを１０ｋＰａ封入した。バッファーガスとして水銀を用い、ランプ電圧を一定に合わすために本管内径Ｄと管壁負荷Ｇの設定値に応じて水銀の封入量を調整した。以上の試験結果を表１０および表１１に示す。
表１０は、本管内径Ｄを３２ｍｍおよびＬ／Ｄを０．５７一定としたときの管壁負荷と効率および平均演色評価数Ｒａとの関係を示す。ランプ特性はランプ電力１５００Ｗ一定で点灯した時の値で示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より管壁負荷を１５〜４０Ｗ／ｃｍ２、より好ましくは２０〜３５Ｗ／ｃｍ２に設定すれば効率およびＲａの両方の特性が優れていることが分かった。
表１１は管壁負荷を２５Ｗ／ｃｍ２およびＬ／Ｄを０．５７一定としたときの本管内径Ｄとランプ電力１５００Ｗで５０００時間点灯後の光束維持率との関係を示す。値は３灯の平均値で示してある。この結果より本管内径Ｄは光束維持率の点から好ましい範囲は２８〜３５ｍｍであることが分かった。
次に電極突出長Ｌおよび本管内径Ｄとランプの特性（ちらつきおよび発光管の黒化）との関係を調べた。このとき、本管内径Ｄの値は好ましい範囲の上限値と下限値を、また、管壁負荷Ｇは最適値である２５Ｗ／ｃｍ２に設定した。また、発光管の材質、充填物の種類および量は前記の試験と同じとした。
試験に用いたランプの仕様と、このランプを１５００Ｗで約５０００時間点灯した時の特性を表１２に示す。この結果より、ちらつきがほぼ無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．３２以上、０．８９以下であることが分かった。さらに、ちらつきが完全に無く、かつ発光管の黒化が発生しないＬ／Ｄの範囲は０．５７以上、０．８９以下であることがわかった。なお、発光管の黒化の有無と、光束維持率との関係はおおよそ次のとおりであった。
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
黒化有り 維持率 ８０％未満
黒化無し 維持率 ８０％以上
以上の４５０Ｗ、７００Ｗ、１０００Ｗおよび１５００Ｗの試験結果より、以下のことが分かった。
（１）定格ランプ電力が４５０Ｗ以上であるランプにおいては、管壁負荷Ｇは効率および平均演色評価数Ｒａの両方の特性に関係する。そして、管壁負荷Ｇは、ランプの大きさには関係無く、１５Ｗ／ｃｍ２〜４０Ｗ／ｃｍ２範囲内でないと実用的な性能が得られないことが分かった。
（２）定格ランプ電力が４５０Ｗ以上であるランプにおいては、本管内径Ｄは光束維持率に関係し、ランプの大きさに応じて最適範囲が存在する。本管内径Ｄの最適範囲を規定する下限値をＤｍｉｎ、上限値をＤｍａｘとしたとき、ＤｍｉｎおよびＤｍａｘとランプ電力Ｗとの関係は上記データより、それぞれ下記のような一次式で表される。
Ｄｍｉｎ＝０．００９６×Ｗ＋１３．２８・・・（ａ）
Ｄｍａｘ＝０．０１０４×Ｗ＋１９．７２・・・（ｂ）
Ｄｍｉｎ＝０．００９６×Ｗ＋１３．２８・・・（ａ）
Ｄｍａｘ＝０．０１０４×Ｗ＋１９．７２・・・（ｂ）
ここで、上記（ａ）式および（ｂ）式の求め方は次のとおりである。
（ａ）式の求め方は、先ず、ランプの大きさと、好ましい本管内径Ｄの下限値との関係を一次近似式で求める。そして、求めた一次近似式と各ランプの大きさごとの下限値とを比較し、前記一次近似式から最も下方に離れたランプの大きさ（ここでは７００Ｗ）における下限値を通るように前記一次近似式を平行移動させる。このようにして前記一次近似式を平行移動して得られた一次式が求める（ａ）式である。
（ａ）式の求め方は、先ず、ランプの大きさと、好ましい本管内径Ｄの下限値との関係を一次近似式で求める。そして、求めた一次近似式と各ランプの大きさごとの下限値とを比較し、前記一次近似式から最も下方に離れたランプの大きさ（ここでは７００Ｗ）における下限値を通るように前記一次近似式を平行移動させる。このようにして前記一次近似式を平行移動して得られた一次式が求める（ａ）式である。
（ｂ）式の求め方は、先ず、ランプの大きさと、好ましい本管内径Ｄの上限値との関係を一次近似式で求める。そして、求めた一次近似式と各ランプの大きさごとの上限値とを比較し、前記一次近似式から最も上方に離れたランプの大きさ（ここでは７００Ｗ）における上限値を通るように前記一次近似式を平行移動させる。このようにして前記一次近似式を平行移動して得られた一次式が求める（ｂ）式である。
これより、本管内径Ｄの最適範囲は
０．００９６×Ｗ＋１３．２８≦Ｄ≦０．０１０４×Ｗ＋１９．７２
で表される。
これより、本管内径Ｄの最適範囲は
０．００９６×Ｗ＋１３．２８≦Ｄ≦０．０１０４×Ｗ＋１９．７２
で表される。
（３）定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のランプにおいては、本管１１の内径Ｄに対する電極突出長Ｌの割合Ｌ／Ｄを大きくすることによって、アークが安定し、ちらつきを抑制することができる。Ｌ／Ｄの下限値の好ましい値は０．３２である。この値はランプの大きさには関係しない。Ｌ／Ｄの値が下限値よりも小さくなるとランプのちらつきと発光管の早期の黒化が発生する。
一方、Ｌ／Ｄの好ましい範囲の上限値（Ｙで表す）はランプ電力によって異なり、４５０Ｗでは０．６０、７００Ｗでは０．６７、１０００Ｗでは０．７５および１５００Ｗでは０．８９である。これらの結果から、Ｌ／Ｄの好ましい範囲の上限値Ｙとランプ電力Ｗ（ワット）との関係は、下記のような一次式で表すことができる。
Ｙ＝０．０００３×Ｗ＋０．４６５・・・（ｃ）
Ｙ＝０．０００３×Ｗ＋０．４６５・・・（ｃ）
ここで、上記（ｃ）式の求め方は次のとおりである。
先ず、ランプ電力Ｗ（ワット）と、各ランプ電力ＷにおけるＬ／Ｄの好ましい範囲の上限値との関係を一次近似式で求める。そして、求めた一次近似式と各ランプ電力ごとのＬ／Ｄの好ましい範囲の上限値とを比較し、前記一次近似式から最も上方に離れたランプの大きさ（ここでは４５０Ｗ）における上限値を通るように前記一次近似式を平行移動させる。
先ず、ランプ電力Ｗ（ワット）と、各ランプ電力ＷにおけるＬ／Ｄの好ましい範囲の上限値との関係を一次近似式で求める。そして、求めた一次近似式と各ランプ電力ごとのＬ／Ｄの好ましい範囲の上限値とを比較し、前記一次近似式から最も上方に離れたランプの大きさ（ここでは４５０Ｗ）における上限値を通るように前記一次近似式を平行移動させる。
このようにして前記一次近似式を平行移動して得られた一次式が求める（ｃ）式である。そして、Ｌ／Ｄの値が上記上限値よりも大きくなると、発光管の早期の黒化が発生する。これより、Ｌ／Ｄの最適範囲は
０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．０００３×Ｗ＋０．４６５
で表される。
０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．０００３×Ｗ＋０．４６５
で表される。
また、Ｌ／Ｄの値が上記下限値以上、上記上限値以下の範囲内であれば発光管の温度バランスもよくハロゲンサイクルが良好に機能するため、維持率の早期低下や発光管の早期黒化を低減することができる。
上記の実施例の結果をまとめたものを、第６図に示す。第６図では、ちらつきが完全に無く、かつ発光管の黒化が発生しないものには●が、ちらつきがほぼ無く、かつ発光管の黒化が発生しないものには△が、ちらつきが有る、または早期黒化が生じるものには×が記されている。さらに、定格ランプ電力が４００Ｗ以下の当社のセラミックメタルハライドランプで採用されたランプ電力とＬ／Ｄとの関係を◆で記す。
第６図に示されている線Ｂは、本発明において早期黒化が生じない範囲の上限を示すものであり、Ｌ／Ｄ＝０．０００３×Ｗ＋０．４６５で表される。線Ａは、本発明において、ちらつきが完全に生じない範囲の下限を示すものであり、Ｌ／Ｄ＝０．０００１×Ｗ＋０．４０５で表される。
図からわかるように、本発明がなされる以前には、定格ランプ電力が４００Ｗ以下の当社のセラミックメタルハライドランプにおけるランプ電力とＬ／Ｄとの関係から、ランプ電力が４５０Ｗ以上になってもＬ／Ｄは０．３程度とするのが適切であると予測された。したがって、４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプでは、Ｌ／Ｄが０．３ではちらつきが生じて使用できず、Ｌ／Ｄを０．３２以上にしなければならないという上述の結果は、従来技術の延長からは想像されない予想外の結果である。
さらに、４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプにおいては、ちらつきが完全に生じないことから、Ｌ／Ｄの最も実用的な範囲は０．０００１×Ｗ＋０．４０５以上０．０００３×Ｗ＋０．４６５以下となる。この最も実用的な範囲は、定格ランプ電力が４００Ｗ以下の当社のセラミックメタルハライドランプにおけるランプ電力とＬ／Ｄとの関係から予測される、４５０Ｗ以上のランプのＬ／Ｄの好ましい値とは大きく異なる範囲となっている。このことから、この結果が、非常に予想外の結果であることが理解される。
なお、定格ランプ電力が４００Ｗ以下のセラミックメタルハライドランプにおいては、Ｌ／Ｄを通常使用される範囲からある程度変化させても、ちらつきが生じるようなことは無い。上述のちらつきは、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上の場合のみに問題となる。つまり、本発明は、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上の場合に特有の、ちらつきが生じ易いという問題を解決するものである。
なお、定格ランプ電力が４００Ｗ以下であるランプにおいては、Ｌ／Ｄの値を０．３２より大きくするとハロゲン化金属の蒸気圧が充分に上がらず、特性が劣ることも分かった。
さらに、希土類金属として実施例ではＴｍ、ＨｏおよびＤｙを用いたが、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｅｒ，Ｔｂ，Ｌｕのような他の希土類金属でも同様の傾向が得られた。希土類金属ハロゲン化物の封入量は０．２〜４．０μｍｏｌ／ｃｃが好ましいことが分かった。この範囲より少ないと希土類金属の充分な発光が得られず、効率および演色性が劣る。また、この範囲より多いと、ちらつきが発生し易くなるという問題と、希土類金属ハロゲン化物の一部が本管１の内面に付着して光を吸収するために効率が低下するという問題とが生じる。
また、Ｌｉ、またはＣａ，Ｓｒ，Ｂａといったアルカリ土類金属を加えても特性的に良好な結果が得られた。これらの金属はＮａと同様にアークを安定化する効果を有しているため、これらの金属の添加によって、ちらつきが防止され易くなる。
石英はセラミックと比較して耐熱性に劣る。したがって、発光管の材質として石英を用いた場合には、発光管の材質としてセラミックを用いた場合と比較して、通常使用される管壁負荷および発光管の温度の範囲が非常に低い。その結果、ちらつき及び黒化の発生のし易さ等の状況が、セラミックを用いた場合と全く異なる。したがって、発光管の材質としてセラミックの代わりに石英を用いた場合には、本発明の効果は得られないと考えられる。
本出願は、２００５年２月１７日出願の日本国特許出願（特願２００５−０４１００９）に基づくものであり、それらの内容はここに参照として取り込まれる。
本願の第１の発明によれば、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプにおいても、ちらつきがほぼ無く、発光管の早期黒化が生じないという効果が得られる。
本願の第２の発明によれば、定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のセラミックメタルハライドランプにおいても、ちらつきが完全に無く、発光管の早期黒化が生じないという効果が得られる。
Claims (10)
- 内部に放電空間が形成される本管と、
前記本管より小径であり、前記本管の両端部に一つずつ接続された二つの細管とを備える透光性セラミック製の発光管容囲器と、
二つの電極と、
前記発光管容囲器の内部に備えられた金属ハロゲン化物と、
を備えた定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のメタルハライドランプであって、
前記二つの電極の一つは前記二つの細管の一つの内部から前記本管の内部に突出するように配置され、
前記二つの電極のもう一つは前記二つの細管のもう一つから前記本管の内部に突出するように配置され、
前記定格ランプ電力をＷ（ワット）、前記本管の内径をＤ（ｍｍ）、前記本管と前記細管との境界部から前記電極の先端までの距離である電極突出長をＬ（ｍｍ）、前記の二つの電極の先端の間の距離をＥ（ｍｍ）とした時、
Ｇ＝Ｗ／（３．１４×Ｄ×Ｅ×０．０１）
で表される管壁負荷Ｇ（ワット／ｃｍ２）が
１５≦Ｇ≦４０
の範囲であるとともに、
０．３２≦Ｌ／Ｄ≦０．０００３×Ｗ＋０．４６５
の関係が成り立つことを特徴とする定格ランプ電力が４５０Ｗ以上のメタルハライドランプ。 - 前記Ｗと前記Ｄと前記Ｌとの間には
Ｌ／Ｄ≧０．０００１×Ｗ＋０．４０５
の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。 - 前記定格ランプ電力が１５００Ｗ以下であることを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
- 前記定格ランプ電力が１５００Ｗ以下であることを特徴とする請求項２に記載のメタルハライドランプ。
- 前記金属ハロゲン化物が０．２〜４．０μｍｏｌ／ｃｃの希土類金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。
- 前記金属ハロゲン化物が０．２〜４．０μｍｏｌ／ｃｃの希土類金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする請求項２に記載のメタルハライドランプ。
- 前記金属ハロゲン化物が０．２〜４．０μｍｏｌ／ｃｃの希土類金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする請求項３に記載のメタルハライドランプ。
- 前記金属ハロゲン化物が０．２〜４．０μｍｏｌ／ｃｃの希土類金属ハロゲン化物を含むことを特徴とする請求項４に記載のメタルハライドランプ。
- 前記Ｄと前記Ｗとの間には
０．００９６×Ｗ＋１３．２８≦Ｄ≦０．０１０４×Ｗ＋１９．７２
の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のメタルハライドランプ。 - 前記Ｄと前記Ｗとの間には
０．００９６×Ｗ＋１３．２８≦Ｄ≦０．０１０４×Ｗ＋１９．７２
の関係が成り立つことを特徴とする請求項２に記載のメタルハライドランプ。
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