WO2023042335A1 - 植物育成用セラミックメタルハライドランプ - Google Patents

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WO2023042335A1
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ceramic metal
halide lamp
growing plants
lamp
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将史 飯田
幸一 内藤
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岩崎電気株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/18—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent
    • H01J61/20—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent mercury vapour
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/14—Measures for saving energy, e.g. in green houses

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic metal halide lamp for growing plants.
  • Fluorescent lamps are limited to applications that do not require a large amount of light because there are no high-power lamps.
  • the LED lighting device is highly efficient and capable of fine lighting control. In the future, if the price of LEDs is lowered and the output is increased, it is expected that the LED lighting devices will be widely used for individual or small-scale plant growing applications. However, at present, LED lighting devices are expensive because they require a complicated control device, and are limited to growing high value-added plants in large-scale plant growing factories.
  • the high-pressure sodium lamp lighting device is lit at a high frequency of several tens of kHz or more, and the lighting equipment is simple and inexpensive. Therefore, high-pressure sodium lamp lighting devices are now widely used for personal or small-scale plant growing applications.
  • high-pressure sodium lamps rely only on the luminescence of sodium and mercury, so there is an inherent limitation in that the luminous efficiency of the lamp decreases when the optimum luminous distribution for growing plants is pursued.
  • Ceramic metal halide lamp lighting equipment is used in some areas.
  • a medium watt class ceramic metal halide lamp is lit using a dedicated lighting device that emits rectangular waves of several tens to several hundred Hz.
  • This ceramic metal halide lamp lighting system is mainly used together with a high pressure sodium lamp lighting system in order to compensate for the lack of blue color in the high pressure sodium lamp lighting system.
  • high-pressure sodium lamp lighting devices are widely used as lighting devices for growing plants.
  • Germination stage It is preferable that the light is close to sunlight and the amount of light is large.
  • Seed stage Since the leaves of the plant are small and the photosynthetic capacity is low, a small amount of light is sufficient.
  • Vegetative growth stage Red light and blue light necessary for photosynthesis are required, but since the leaves are relatively small in the middle of development, a relatively small amount of light is sufficient.
  • flowering stage leaves are well developed and require large amounts of red and blue light for photosynthesis.
  • metal halide lamps that contain red and blue light that are effective for plant photosynthesis and have an appropriate luminescence distribution are preferable compared to high-pressure sodium lamps that have relatively poor color rendering properties.
  • high-pressure sodium lamp lighting devices are widely used for growing plants.
  • the applicants attempted to replace the high-pressure sodium lamp with a ceramic metal halide lamp by using the lighting device of the existing high-pressure sodium lamp lighting device (it can be said to be one aspect of "retrofit”).
  • a metal halide lamp is lit using a high-pressure sodium lamp lighting device, failure to ignite and premature bursting of the lamp due to arc shaking occurred, and there was no prospect of practical application.
  • acoustic resonance is generated within the arc tube, causing the arc to sway.
  • an object of the present invention is to provide a ceramic metal halide lamp that can be attached to an existing high-pressure sodium lamp lighting device and that has characteristics more suitable for growing plants than a high-pressure sodium lamp.
  • a ceramic metal halide lamp for growing plants comprises, on one side, at least a light-emitting portion in which a light-emitting additive containing a metal halide, mercury and a rare gas for starting are enclosed, and A light-emitting tube formed of a translucent ceramic is provided, and the light-emitting tube is arranged so that the capillary is horizontal and is illuminated at a high frequency to emit the light.
  • the ratio (AL/D) between the arc length AL and the effective inner diameter D of the tube is within the range of 0.04 AL ⁇ AL/D ⁇ (0.08 AL-1.2) (however, 30 ⁇ AL ⁇ 50) (unit: mm) .
  • the luminescent additive may contain at least sodium iodide NaI, thallium iodide TlI, and lithium iodide LiI.
  • the luminescent additive comprises 40 to 80 mol% of sodium iodide NaI, 10 mol% or less of thallium iodide TlI, and lithium iodide LiI30 based on the total metal halide. It may be mol% or less.
  • one or more luminescent additives selected from the group consisting of dysprosium iodide DyI 3 , holmium iodide HoI 3 , and thulium iodide TmI 3 are used as luminescent additives. may contain objects.
  • the total amount of the metal halides may be 4.0 ⁇ mol/cc or less.
  • the ratio (L/D) of the internal space effective length L to the effective inner diameter D of the arc tube is within the range of 2.7 ⁇ L/D ⁇ 3.7, and the arc tube is It may be designed to maintain the coldest temperature of the light emitting part at 800° C. or higher and the maximum temperature of the light emitting part at 1,200° C. or lower when lit at 1,000 W.
  • the electrode assembly has an electrode rod, a coil rod, and a cermet rod, and a welding point P between the coil rod and the electrode rod is such that the inner diameter of the capillary expands. It may be located on the end side of the arc tube by 3 mm or more from the starting point S.
  • the electrode shaft has a coil-wound portion around which a coil is wound, and one end of the coil-wound portion is a point S at which the inner diameter of the capillary begins to expand. It may be located on the end side of the arc tube by 3 mm or more.
  • an airtight outer tube that surrounds and fixes the circumference of the arc tube, and a cylindrical shape that is positioned between the axially central portion of the outer tube and the arc tube. and outer tube side end portions having an outer diameter smaller than the outer diameter of the inner tube on both sides of the central portion of the outer tube in the axial direction.
  • the plant-growing ceramic metal halide lamp lighting device provides a high-frequency lighting type lighting device used in existing plant-growing high-pressure sodium lamp lighting devices, and the high-frequency lighting type lighting device.
  • a plant-growing ceramic metal halide lamp having a horizontal lamp axis wherein the arc tube of the plant-growing ceramic metal halide lamp made of translucent ceramic contains a luminous additive containing at least a metal halide, mercury and The arc tube has a light-emitting portion filled with a rare gas for starting and capillaries each having an electrode assembly inserted therein.
  • ⁇ AL/D ⁇ (0.08 AL-1.2) (however, 30 ⁇ AL ⁇ 50) (unit: mm).
  • the above-described ceramic metal halide lamp lighting device for growing plants further comprises an airtight outer tube that surrounds and fixes the arc tube, and pinch seal portions are provided at both ends of the outer tube.
  • the width of the seal may be 33 mm or less.
  • the distance to the left and right pinch seal ends (overall tube length) should be within the range of 319 to 325 mm.
  • the luminescent additive includes at least sodium iodide NaI, thallium iodide TlI and lithium iodide LiI, wherein sodium iodide NaI is 40-80 mol%, 10 mol% or less of thallium iodide TlI and 30 mol% or less of lithium iodide LiI.
  • a ceramic metal halide lamp that can be attached to an existing high-pressure sodium lamp lighting device and has characteristics that are more suitable for growing plants than high-pressure sodium lamps.
  • FIG. 1A is a circuit block diagram of a typical high-pressure sodium lamp lighting device for growing plants.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a high-pressure sodium lamp for growing plants provided in the lighting device shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a front view of a ceramic metal halide lamp for growing plants according to this embodiment.
  • FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view along the lamp axis of the arc tube of this ceramic metal halide lamp.
  • FIG. 3A is a graph showing arc characteristics of a ceramic metal halide lamp (1,000 W) organized by the relationship between arc length AL and inner diameter D.
  • FIG. FIG. 3B is a graph in which the data in FIG. 3A are arranged according to the arc length AL-(arc length/inner diameter AL/D) relationship.
  • the plant-growing ceramic metal halide lamp according to the present embodiment is a lamp that can be lit using a lighting device for a plant-growing high-pressure sodium lamp that is widely used.
  • FIG. 1A is a circuit block diagram of a typical high pressure sodium lamp lighting device 100 for growing plants. At the time of starting, a starting high voltage pulse is applied to the high pressure sodium lamp 18 from the starting circuit 16 connected to the AC commercial power supply 12 . The high-pressure sodium lamp 18 is started by exciting rare gas and metal vapor atoms in the arc tube.
  • the high voltage pulse from the starting circuit 16 is stopped, and the high pressure sodium lamp 18 maintains the discharge phenomenon by the alternating current controlled by the electronic ballast 14 from the alternating current output from the alternating current commercial power supply 12, and continues to emit light. do.
  • the output of electronic ballast 14 is adjustable in multiple steps to allow dimming of high pressure sodium lamp 18 .
  • the lighting device 100 of the high-pressure sodium lamp lighting device for growing plants employs a relatively inexpensive high-frequency lighting method.
  • Many lighting devices have the characteristic that the lighting frequency fluctuates according to the change in the lamp voltage.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the plant-growing high-pressure sodium lamp 200.
  • the lamp 200 includes an arc tube 22 containing sodium and mercury, and a double-ended translucent outer tube 20 airtightly covering the circumference of the arc tube.
  • Pinch seal portions 24a and 24b are formed at both ends of the translucent outer tube 20, respectively.
  • Lead wires 26a and 26b protrude from pinch seal portions 24a and 24b, respectively. Although not shown, these leads are connected to connectors provided in the luminaire socket and are energized by the circuit shown in FIG. 1A.
  • the pinch seal portions 24a and 24b are shaped to fit in recesses provided in the socket of the lighting fixture, and are positioned when inserted into the recesses.
  • Typical specifications of a high-pressure sodium lamp lighting device for growing plants are as follows. High frequency lighting: 80-280kHz, Lamp voltage: 220-280V, Lamp power (dimming): Can be set in the range of 600 to 1,150W
  • the existing high-pressure sodium lamp lighting device When used to light a metal halide lamp, it is necessary to satisfy the following requirements.
  • the electrical and physical requirements of the metal halide lamp to be developed are restricted so that it can be attached to the existing high-pressure sodium lamp lighting device 100 for growing plants. This electrical requirement means that the lamp can be properly lit and operated by an existing plant-growing high-pressure sodium lamp lighting device. The physical requirement is to have a lamp size that can be attached to this lighting device.
  • the metal halide lamp to be developed should be a lamp whose light output can be changed in stages so that it can respond to the widest possible growth stages of plants.
  • the metal halide lamp that should be developed should be changed in multiple steps within the range of lamp power from 600 to 1,150 W.
  • the lamp is capable of variable power lighting.
  • Many of the current lighting devices for growing plants change the frequency of high-frequency lighting depending on the lamp voltage. Therefore, it is desirable that the metal halide lamp to be developed has a relatively small change in lamp voltage.
  • FIG. 2A is a front view of the plant-growing ceramic metal halide lamp 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 2B is an enlarged sectional view of arc tube 2 of this ceramic metal halide lamp taken along the lamp axis.
  • the ceramic metal halide lamp 10 comprises at least an arc tube 2 and a double-ended translucent outer tube 4 with the arc tube disposed in the center and airtightly covering the circumference thereof.
  • the light emitting tube 2 comprises a light emitting portion 2a having a relatively large diameter in which a predetermined light emitting additive is enclosed and formed in the center, and thin capillaries 2b and 2c formed at both ends of the light emitting portion. formed.
  • the ceramic metal halide lamp 10 may optionally include an inner tube 6 that surrounds the light-emitting portion 2a.
  • Inner tube 6 is typically formed from a quartz sleeve.
  • the inner tube 6 protects the lamp from inducing destruction of the outer tube 4 in the event that the arc tube 2 ruptures.
  • the gap between the inner tube 6 and the outer tube 4 is used to wind, for example, a ceramic fiber around the inner tube 6 to reinforce the mechanical strength of the inner tube. The probability of tube 4 breaking may be reduced.
  • the translucent outer tube 4 has a relatively large-diameter central portion 4a housing the arc tube 2 and the inner tube 6, and narrow-diameter side ends 4b and 4c formed on both sides of the central portion. integrally formed. Pinch seal portions 4d and 4e are formed at both ends of the translucent outer tube 4, respectively.
  • the central portion 4a of the translucent outer tube 4 has a larger outer diameter than the translucent outer tube 20 of the high-pressure sodium lamp 200 of FIG. 1B. However, if the outer diameter of the central portion 4a is not too close to a reflecting mirror (not shown) installed in an existing high-pressure sodium lamp lighting device for growing plants, no problem will occur.
  • the central portion 4a and the side ends 4b, 4c of the translucent outer tube 4 do not have to be integrally formed, and the central portion 4a and the side ends 4b, 4c are mechanically fixedly connected and the arc tube It is sufficient that the lead wires 7a and 7b are electrically connected to the external lead wires 8a and 8b sealed in the pinch seal portions 4d and 4e of the translucent outer tube 4, respectively.
  • This ceramic metal halide lamp 10 is lit by a horizontal lighting method in which the lamp axis is horizontally attached to the high-frequency lighting type lighting device (Fig. 1A) of the high-pressure sodium lamp lighting device for growing plants.
  • the physical requirements (lamp size) for the above ceramic metal halide lamp are as follows due to restrictions from the shape of the socket portion of the lighting device. (1) Pinch seal width: 33 mm or less (2) Outer diameter of outer tube end: 30 mm or less (3) Overall length of outer tube: 319 to 325 mm This numerical value is the so-called de facto standard (actual standard) for high-frequency lighting type lighting devices for high-pressure sodium lamps for growing plants.
  • the dimensions and shape of the pinch seal portions 4d and 4e provided at both ends of the translucent outer tube 4 are designed to match the dimensions of the pinch seal portions 24a and 24b of the plant growing high pressure sodium lamp 200 shown in FIG. 1B. It is Similarly, the side ends 4b, 4c of the ceramic metal halide lamp 10 are designed to match the dimensions of the side ends of the sodium lamp 200 for growing plants.
  • the plant-growing ceramic metal halide lamp 10 of FIG. 2A can be attached to a plant-growing high-pressure sodium lamp lighting device that is widely used at present.
  • the ratio L/D of the effective length L of the space inside the arc tube to the inner diameter D is in the range of 2.7 to 3.7 (Note: For the inner dimensions of the arc tube 2, see FIG. 2B.
  • the lamp is designed so that when the lamp is lit at 1,000 W, the coldest part temperature is 800° C. or higher and the highest part temperature is 1,200° C. or lower.
  • the prototype arc tube When lit at 1,000 W, the prototype arc tube had a lowest temperature of 900°C and a highest temperature of 1,180°C.
  • the light-emitting additive of the arc tube of the ceramic metal halide lamp according to the present embodiment is selected from the viewpoint of increasing red light and blue light necessary for photosynthesis during plant growth.
  • the luminous dopant of the arctube includes at least sodium iodide NaI, thallium iodide TlI and lithium iodide LiI.
  • the encapsulation ratio is preferably 30 mol % or less.
  • NaI is adjusted in the range of 40 to 80 mol % in consideration of the balance with other luminescent additives.
  • dysprosium iodide DyI 3 may be additionally encapsulated as a luminescent additive to increase broad emission in the blue or red region.
  • the similar rare earth metals holmium iodide HoI3 and/or thulium iodide TmI3 may be employed.
  • indium iodide InI and/or calcium iodide CaI 2 may be additionally encapsulated as luminescent additives to adjust blue light or red light.
  • a relatively small amount of mercury iodide HgI 2 may be added as a luminescent additive to suppress cloudiness of the arc tube.
  • the inventors determined the ratio of the luminous additive of the arc tube at the time of trial manufacture as follows.
  • the total amount of luminescent additives is 100 mol %, but it should be noted that mercury iodide and metallic mercury Hg for maintaining luminescence are not included in the calculation of the ratio of luminescent additives and the amount of encapsulation.
  • DyI3 20 mol%, NaI: 57 mol%, TlI: 7 mol% InI: 1 mol%, CaI2 : 6 mol% LiI: 9 mol%
  • Table 1 shows the data obtained by experimenting whether or not the arc tube was damaged by fixing the luminescent additive at the above ratio and changing the total amount of the luminescent additive.
  • the total amount of the luminescent additive was 2.5 ⁇ mol/cc, and the amount of LiI was increased in order to further increase the red light emission. No phenomenon occurred, and arc tube damage did not occur. From this result, it was found that the total amount of the luminescent additive is more preferably 2.8 ⁇ mol/cc or less.
  • FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view along the axial direction of the arc tube 2 used in the ceramic metal halide lamp according to this embodiment.
  • the symbol D indicates the inner diameter of the light emitting portion 2a of the arc tube 2
  • the symbol AL the arc length
  • the symbol L the effective length of the internal space.
  • the effective length L and the effective inner diameter D are defined as the inner dimensions of the arc tube 2.
  • the effective length L is defined by the distance between points S where the inner diameters of the left and right capillaries begin to expand.
  • the effective length L is the distance between both ends of the light emitting portion 2a.
  • the effective inner diameter D is defined as the maximum inner diameter of the arc tube 2 at the central portion between the electrodes.
  • the ratio L/D between the effective length L and the effective inner diameter D of the arc tube 2 is called an "aspect ratio”.
  • Arc length AL is defined as the distance between the two electrodes.
  • the external dimensions of the physical size of the ceramic metal halide lamp 10 are sufficient as long as they can be attached to the high-pressure sodium lamp lighting device 100 .
  • the width of the pinch seal portion (the vertical dimension of the pinch seal portions 4d and 4e in FIG. 2A) is set within the range of 30 to 33 mm, and the distance to the left and right pinch seal ends (overall length of the outer tube) is 319 mm. It is set within the range of ⁇ 325mm.
  • the dimensions of other parts are arbitrary in terms of design.
  • lamps with different arc lengths AL and inner diameters D were produced experimentally, and the presence or absence of early breakage of the arc tube due to arc fluctuation and abnormal rise of the arc due to acoustic resonance was investigated. .
  • Fig. 3A is a graph showing arc characteristics when a ceramic metal halide lamp is lit at 1,000 W, organized by the relationship between arc length AL and inner diameter D. Referring to FIG. 3A, it can be seen that the specifications of lamps with no arc swing ( ⁇ : stable) are concentrated locally. It is also clear that many of the lamps that break even without arc swing (x: broken) are lamps with a relatively large arc length AL. However, from the graph of FIG. 3A, it is difficult to immediately determine the critical conditions for breakage of the arc tube.
  • FIG. 3B is a graph in which the data used in FIG. 3A are arranged according to the relationship between AL and (AL/D).
  • AL the critical condition for specifying a lamp with no arc swing ( ⁇ : stable) from the lamp shape is expressed in a straight line.
  • ⁇ stable
  • condition (AL/D) ⁇ (0.08 AL-1.2) and the condition AL ⁇ 50 are derived to avoid the occurrence of arc swing or breakage of the arc tube.
  • the condition 0.04 AL ⁇ AL/D indicates a physical constraint for attachment to a high-pressure sodium lamp lighting device, that is, the arc tube inner diameter D is 25 mm or less. The reason for this is that since the wall thickness t of the light emitting portion 2a of the arc tube is 1 mm or more, if an arc tube having an inner diameter D of more than 25 mm is inserted into the outer tube from the end on the outer tube side, the arc tube will be pushed out. This is because it will come in contact with the inner surface of the tube-side end, making insertion difficult.
  • Equation 1 is valid in the range of 600-1,150W.
  • the inner diameter D of the arc tube can be made a little larger.
  • a ceramic metal halide lamp for cultivating plants in which adapters for attaching the lamp to a high-pressure sodium lamp plant cultivating apparatus are fixed to both sides of a ceramic metal halide lamp having a short overall length, light is emitted in the side end dimension of the translucent outer tube 4.
  • the pipe inner diameter D is not restricted. The applicants have confirmed that good results are obtained when the inner diameter D of the arc tube is 25 mm or less.
  • the electrode assembly 7-1 of a ceramic metal halide lamp typically comprises an arc tube lead wire 7a, a current supply conductor 7c butt welded to its tip, and a current supply conductor 7c butt welded to its tip. and a tungsten mandrel 7e.
  • the current supply conductor 7c includes a halogen-resistant molybdenum coil rod 7c1 (on the tungsten mandrel 7e side) and a cermet rod 7c2 (on the arctube lead wire 7a side).
  • the molybdenum coil rod 7c1 is typically formed of a core and a coil wound therearound.
  • a light-emitting additive such as mercury accumulates particularly near the point S where the inner diameter of the capillary begins to expand. It was found to crack.
  • the length of the molybdenum coil rod 7c1 is shortened so that the welding point P between the tungsten mandrel 7e and the molybdenum coil rod is positioned inside the capillaries 2b and 2c, and the capillary inner diameter is increased. Increase the distance from the starting point S to the welding point P.
  • the wound tungsten coil wound around the tungsten mandrel may be extended to the vicinity of the welding point P with the molybdenum coil rod.
  • the tungsten coil winding part of the tungsten mandrel may be extended to the vicinity of the welding position with the cermet rod 7c2.
  • the welding point P between the molybdenum coil rod 7c1 and the tungsten mandrel 7e or the extended end position of the tungsten wound coil is set at a length of 3 mm or more from the "point S where the inner diameter of the capillary begins to expand" or the "end surface of the light emitting part". If the electrode assembly is fixed so that it is on the side, electrode breakage and capillary cracks do not occur when the lamp is lit.
  • the light-emitting additive such as mercury accumulates in the capillary. Even if there is a gap between the tungsten mandrel 7e and the inner wall of the capillary, the temperature inside the capillary is low. do not invade
  • a prototype lamp was produced in which the welding point P between the tungsten mandrel 7e and the molybdenum coil rod 7c1 was moved from the point S where the inner diameter of the capillary starts to expand to 3 mm or more toward the end of the arc tube.
  • a long-term test lighting test after lighting (aging) was performed. As a result, no crack occurred in the lamp.
  • the lamp specification is "a lamp with the welding point P shifted so that it is on the end side of the arc tube by 3 mm or more". Similarly, no cracks occurred in the long-term test lighting after the initial lighting (aging) with respect to the lamp not using the molybdenum coil rod.
  • the plant-growing ceramic metal halide lamp according to the present embodiment has the following features and effects.
  • the acoustic resonance phenomenon occurs when it is attached to the high-pressure sodium lamp lighting device and lit. There is no premature failure of the arc tube due to arc fluctuations and abnormal floating of the arc.
  • the ratio (AL/D) between the arc length AL and the effective inner diameter D of the arc tube is 0.04 AL ⁇ AL/D ⁇ (0.08 AL-1.2) (however, 30 ⁇ AL ⁇ 50).
  • This ceramic metal halide lamp can be designed to have a wavelength distribution suitable for growing plants, that is, a lamp with good luminous efficiency for red light and blue light compared to conventional high-pressure sodium lamps for growing plants. As a result, an improvement in plant harvesting efficiency can be expected.
  • This ceramic metal halide lamp can provide the necessary luminescence through the germination, growth, and flowering stages with a single lamp, except for the seedling stage, which is the growth stage of plants. Obtainable.
  • This ceramic metal halide lamp has a relatively low installation cost compared to an LED lighting device, so the installation cost per luminous output is low.
  • this ceramic metal halide lamp requires a much smaller number of lamps than the number of LEDs to obtain the same amount of light.
  • the amount of light emitted by a 1 kW ceramic metal halide lamp corresponds to the amount of light emitted by thousands of LEDs. Therefore, the time and effort required to replace an unlit lamp can be significantly reduced compared to replacing an unlit LED. That is, inspection and maintenance are relatively easy.
  • Arc tube 2a Light emitting part 2b, 2c: Capillary 4: Outer tube, translucent outer tube 4a: Central part 4b, 4c: Side ends 4d, 4e: Pinch seal part 6: Inner tube 7-1: electrode assembly 7a: arc tube lead wire 7c: current supply body 7c1: molybdenum coil rod 7c2: cermet rod 7e: tungsten mandrel 10: ceramic metal halide lamp, ceramic metal halide for growing plants Lamp, 12: Commercial power supply, 14: Electronic ballast, 16: Starting circuit, 18: High pressure sodium lamp, 20: Translucent outer tube, 22: Arc tube, 24a, 24b: Pinch seal portion, 26a, 26b: Lead Line 100: Lighting device for high-pressure sodium lamp for growing plants, 200: High-pressure sodium lamp for growing plants

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge Lamp (AREA)

Abstract

【課題】本発明は、既存の高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付け可能であり、高圧ナトリウムランプよりも植物育成に適した特性を有する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。 【解決手段】本発明に係るセラミックメタルハライドランプは、少なくとも、ハロゲン化金属を含む発光添加物、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置されて電極アセンブリを夫々挿通したキャピラリとを有し、透光性セラミックで形成された発光管を備え、前記発光管は、前記キャピラリが水平になるように配置されて高周波点灯され、前記発光管のアーク長ＡＬと有効内径Ｄの比（ＡＬ／Ｄ）は、0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄ≦(0.08ＡＬ-1.2)　（但し、30≦ＡＬ＜50）　（単位：ｍｍ）の範囲内にある。

Description

植物育成用セラミックメタルハライドランプ
　本発明は、植物育成用セラミックメタルハライドランプに関する。
　従来、植物育成用の照明装置として、蛍光ランプ、ＬＥＤ照明装置、高圧ナトリウムランプ照明装置、セラミックメタルハライドランプ照明装置等が使用されている。
　蛍光ランプは、大電力ランプが無いため、大光量を必要としない用途に限定される。ＬＥＤ照明装置は、高効率で細かい照明制御が可能である。今後、ＬＥＤの低価格化、高出力化が図られると、ＬＥＤ照明装置は、個人又は小規模な植物育成用途に普及していくことが期待できる。しかし、現時点では、ＬＥＤ照明装置は、複雑な制御装置を必要とするため高価であり、大規模な植物育成工場で高付加価値の植物を栽培する場合に限定されている。
　高圧ナトリウムランプ照明装置は、数十ｋＨｚ以上の高周波で点灯され、照明器具が簡易で安価である。そのため、高圧ナトリウムランプ照明装置は、現在、個人又は小規模な植物育成用途に広く普及している。しかし、高圧ナトリウムランプは、ナトリウムと水銀の発光のみに依存しているため、植物育成に最適な発光分布を追求すると、ランプの発光効率が低くなるという本質的な限界がある。
　セラミックメタルハライドランプ照明装置は、一部に使用されている。ここでは、中ワットクラスのセラミックメタルハライドランプが、数十～数百Ｈｚの矩形波点灯する専用の点灯装置を使用して点灯されている。このセラミックメタルハライドランプ照明装置は、主として、高圧ナトリウムランプ照明装置では不足気味な青色を補うため、高圧ナトリウムランプ照明装置と併用されている。
　このように、現状では、植物育成用の照明装置として、高圧ナトリウムランプ照明装置が、広く普及している。
特開2017-045584「高圧ナトリウムランプ」（公開日：2017/03/02）出願人：岩崎電気株式会社 特開2018-067488「高圧ナトリウムランプ照明装置」（公開日：2018/04/26）出願人：岩崎電気株式会社 特開2009-087602「メタルハライドランプ」（公開日：2009/04/23）出願人：岩崎電気株式会社
　例えば、ある種の植物の育成では、次に記載するように育成段階に応じて必要な光出力が異なっている。
　　(i)発芽(clone)段階：太陽光に近い光で、光量は大きいほうが好ましい。
　　(ii)苗(seed)段階：植物の葉が小さく光合成能力が低いため、小光量で十分である。
　　(iii)発育(vegetative growth)段階：光合成に必要な赤色光及び青色光を必要とするが、葉が発育途中で比較的小さいので光量は比較的少なくてよい。
　　(iv)開花(flowering)段階：葉が十分育っているので、光合成に必要な赤色光及び青色光を大量に必要とする。
　このように植物は、育成段階において必要とされる光量が異なっているので、植物育成用高圧ナトリウムランプ照明装置は、一般的に600～1,150Ｗまで調光できる仕様となっている。
　異なる種類の発光を得るためには、演色性が比較的劣る高圧ナトリウムランプと比較して、植物の光合成に効果的な赤色光と青色光を含み、適切な発光分布を有するメタルハライドランプが好ましい。一方、高圧ナトリウムランプ照明装置は、植物育成用途に広く普及しているという現実がある。
　そこで、本出願人等は、既存の高圧ナトリウムランプ照明装置の点灯装置を利用し、高圧ナトリウムランプをセラミックメタルハライドランプに置き換えて使用することを試みた（“retrofit”の一態様ともいえる。）。しかし、高圧ナトリウムランプ用点灯装置を使ってメタルハライドランプを点灯させると、不点灯現象、アークの揺れなどによるランプの早期破裂現象が発生し、実用化の目処が立たなかった。具体的には、発光管内で音響共鳴が発生してアークの揺れが発生する。更に、アークが大きく湾曲して発光管壁面に接近し、発光管を局部的に加熱して破損させてしまうことが判明した。
　そこで、本発明は、既存の高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付け可能であり、高圧ナトリウムランプよりも植物育成に適した特性を有する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。
　上記発明の目的に鑑みて、本発明に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプは、一面において、少なくとも、ハロゲン化金属を含む発光添加物、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置されて電極アセンブリを夫々挿通したキャピラリとを有し、透光性セラミックで形成された発光管を備え、前記発光管は、前記キャピラリが水平になるように配置されて高周波点灯され、前記発光管のアーク長ＡＬと有効内径Ｄの比（ＡＬ／Ｄ）は、0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄ≦(0.08ＡＬ-1.2)　（但し、30≦ＡＬ＜50）　（単位：ｍｍ）の範囲内にある。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、前記発光添加物は、少なくとも、ヨウ化ナトリウムＮａＩ、ヨウ化タリウムＴｌＩ及びヨウ化リチウムＬｉＩを含んでいてもよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、前記発光添加物は、全ハロゲン化金属に対して、ヨウ化ナトリウムＮａＩが40～80 mol％、ヨウ化タリウムＴｌＩが10 mol％以下及びヨウ化リチウムＬｉＩ30 mol％以下であってよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、更に、発光添加物として、ヨウ化ジスプロシウムＤｙＩ3、ヨウ化ホルミウムＨｏＩ3、及びヨウ化ツリウムＴｍＩ3からなる群から選択された1又は2以上の発光添加物を含んでいてもよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、前記ハロゲン化金属の総量は、4.0 μmol/cc以下であってよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、前記発光管の内部空間有効長Ｌと有効内径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）は、2.7≦Ｌ／Ｄ≦3.7の範囲内であり、前記発光管を1,000Ｗで点灯したとき、発光部最冷温度は800℃以上、且つ発光部最高温度は1,200℃以下を保持するように設計されていてもよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、前記電極アセンブリは、電極心棒、コイル棒、及びサーメット棒を有し、該コイル棒と該電極心棒の溶接点Ｐは、前記キャピラリの内径が拡径を始める点Ｓより3ｍｍ以上前記発光管の端部側に位置していてもよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、前記電極心棒は、周囲にコイルが巻き付けられているコイル巻き付け部を有し、該コイル巻き付け部の一端は、前記キャピラリの内径が拡径を始める点Ｓより3ｍｍ以上前記発光管の端部側に位置していてもよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、更に、前記発光管の周囲を包囲し固定する気密性の外管と、前記外管の軸線方向中央部と前記発光管との間に位置する円筒状の透光性内管と、前記外管の軸線方向中央部の両側に、前記内管の外径より小さい外径の外管側端部とを備えていてもよい。
　更に、本発明に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置は、一面において、既存の植物育成用高圧ナトリウムランプ照明装置に使用されている高周波点灯式点灯装置と、前記高周波点灯式点灯装置に対してランプ軸線が水平に取り付けられた植物育成用セラミックメタルハライドランプとを備え、前記植物育成用セラミックメタルハライドランプの透光性セラミックで形成された発光管は、少なくともハロゲン化金属を含む発光添加物、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置され電極アセンブリを夫々挿通したキャピラリとを有し、前記発光管のアーク長ＡＬと有効内径Ｄの比（ＡＬ／Ｄ）は、0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄ≦(0.08ＡＬ-1.2)　（但し、30≦ＡＬ＜50）（単位：ｍｍ）の範囲内にある。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置において、更に、前記発光管の周囲を包囲し固定する気密性の外管を備え、前記外管の両端に、ピンチシール部が夫々設けられ、該ピンチシール部の幅は、33ｍｍ以下であってよい。左右のピンチシール端までの間隔（外管全長）は、319～325mmの範囲内であればよい。
　更に、上記植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置において、前記発光添加物は、少なくともヨウ化ナトリウムＮａＩ、ヨウ化タリウムＴｌＩ及びヨウ化リチウムＬｉＩを含み、全ハロゲン化金属に対して、ヨウ化ナトリウムＮａＩが40～80 mol％、ヨウ化タリウムＴｌＩが10 mol％以下及びヨウ化リチウムＬｉＩ30 mol％以下であってよい。
　本発明によれば、既存の高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付け可能であり、高圧ナトリウムランプよりも植物育成に適した特性を有するセラミックメタルハライドランプを提供することができる。
図１Ａは、典型的な植物育成用高圧ナトリウムランプ点灯装置の回路ブロック図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す点灯装置に装備されている植物育成用高圧ナトリウムランプの断面図である。 図２Ａは、本実施形態に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプの正面図である。 図２Ｂは、このセラミックメタルハライドランプの発光管のランプ軸線に沿った拡大断面図である。 図３Ａは、セラミックメタルハライドランプ（1,000Ｗ）のアーク特性を示す、アーク長AL－内径Dの関係で整理したグラフである。 図３Ｂは、図３Ａのデータをアーク長AL－（アーク長／内径 AL/D）の関係で整理したグラフである。
　以下、本発明に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプの実施形態に関し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複する説明を省略する。
　［本実施形態の前提事項］
　（植物育成用高圧ナトリウム照明装置の点灯装置）
　本実施形態に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプは、広く普及している植物育成用高圧ナトリウムランプの点灯装置を使って点灯可能なランプである。図１Ａは、典型的な植物育成用高圧ナトリウムランプ点灯装置１００の回路ブロック図である。始動時には、交流商用電源１２に接続された始動回路１６から高圧ナトリウムランプ１８に対して始動用高電圧パルスが印加される。高圧ナトリウムランプ１８は、発光管内の希ガスや金属蒸気原子が励起されて始動する。始動後は、始動回路１６からの高電圧パルスは停止され、高圧ナトリウムランプ１８は、交流商用電源１２からの交流出力を電子安定器１４により制御した交流電流によって放電現象が維持され、発光を継続する。電子安定器１４の出力は、多段階に調節可能であり、高圧ナトリウムランプ１８の調光が可能となっている。
　このように、植物育成用高圧ナトリウムランプ照明装置の点灯装置１００は、比較的安価な高周波点灯方式を採用している。多くの点灯装置では、ランプ電圧の変化に応じて、点灯周波数が変動する特性を有している。
　図１Ｂは、植物育成用高圧ナトリウムランプ２００の断面図である。ランプ２００は、ナトリウムと水銀を封入した発光管２２と、発光管の周囲を気密に覆うダブルエンド形(double ended)の透光性外管２０とを備えている。この透光性外管２０の両端にはピンチシール部２４ａ，２４ｂが夫々形成されている。リード線２６ａ、２６ｂが、ピンチシール部２４ａ，２４ｂから夫々突出している。図に示していないが、これらのリード線が、照明器具のソケットに設けられたコネクタに接続され、図１Ａに示す回路によって通電可能となる。ピンチシール部２４ａ，２４ｂの形状は、照明器具のソケットに設けられた凹部に収まる形状となっており、凹部に挿入されると位置決めされる。
　植物育成用高圧ナトリウムランプ点灯装置の典型的な仕様は、次の通りである。
　　　高周波点灯：80～280ｋＨｚ、
　　　ランプ電圧：220～280Ｖ、
　　　ランプ電力（調光）：600～1,150Ｗの範囲で設定可能
（本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの開発目標）
　従来、セラミックメタルハライドランプを高周波点灯することは、例えば、乗用車のヘッドライトに使用されている20Ｗ前後の小電力ランプ、無電極ランプ等を除いては、実用化されていなかった。
　既存の高圧ナトリウムランプ用点灯装置を使って、メタルハライドランプを点灯する場合、次の要求を満たす必要がある。
　　(1)開発すべきメタルハライドランプの電気的及び物理的要求は、既存の植物育成用高圧ナトリウムランプの点灯装置１００に取り付けできるように制約される。この電気的要求とは、既存の植物育成用高圧ナトリウムランプの点灯装置によって適正に点灯・稼働できることである。物理的要求とは、この点灯装置に取り付けできるランプサイズとすることである。
　　(2)開発すべきメタルハライドランプは、植物の可能な限り広い育成段階に対応できるように、光出力を段階的に変更可能なランプであることが望ましい。
　　(3)開発すべきメタルハライドランプは、ランプ電力600～1,150Ｗの範囲で多段階に変更したとき、高周波点灯の顕著な欠点である音響共鳴現象及びアーク上昇による発光管の早期破裂が発生することなく、電力可変点灯が可能なランプであることが望ましい。
　　(4)現在の植物育成用照明装置では、ランプ電圧に依存して、高周波点灯の周波数が変化するものが多い。そのため、開発すべきメタルハライドランプは、ランプ電圧の変化が比較的小さいことが望ましい。
　［本実施形態に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプ］
　（ランプの外観）
　図２Ａは、本実施形態に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプ１０の正面図である。図２Ｂは、このセラミックメタルハライドランプの発光管２のランプ軸線に沿った拡大断面図である。このセラミックメタルハライドランプ１０は、少なくとも発光管２と、この発光管を中央に配置してその周囲を気密に覆うダブルエンド形(double ended)の透光性外管４とを備えている。
　発光管２は、中央部に形成された所定の発光添加物が封入された相対的に太い径の発光部２ａと、この発光部の両端に夫々形成された細い径のキャピラリ２ｂ，２ｃとによって形成されている。
　セラミックメタルハライドランプ１０は、所望により、発光部２ａの周りを覆う内管６を備えていてもよい。内管６は、典型的には、石英スリーブから形成される。内管６は、発光管２が万一破裂した場合に外管４の破壊を誘発しないように、ランプを保護している。更に、図示していないが、所望により、内管６と外管４の間隙を使って、例えばセラミックファイバを内管６に巻き付けて内管の機械的強度を補強し、発光管破裂時の外管４の破壊の確率を減少してもよい。
　透光性外管４は、発光管２及び内管６を収納した相対的に太い径の中央部４ａと、この中央部の両側に夫々形成された細い径の側端部４ｂ，４ｃとが一体形成されている。透光性外管４の両端には、ピンチシール部４ｄ，４ｅが夫々形成されている。図１Ｂの高圧ナトリウムランプ２００の透光性外管２０と比較して、透光性外管４の中央部４ａは外径が大きくなっている。しかし、中央部４ａの外径は、既存の植物育成用高圧ナトリウムランプの点灯装置に装備された反射鏡（図示せず。）に近づき過ぎない程度であれば、問題は生じない。また、透光性外管４の中央部４ａと側端部４ｂ，４ｃとが一体形成されている必要は無く、中央部４ａと側端部４ｂ，４ｃとが機械的固定接続され且つ発光管リード線７ａ，７ｂが透光性外管４のピンチシール部４ｄ，４ｅに夫々封止されている外部リード線８ａ，８ｂと電気的に夫々接続されていればよい。
　このセラミックメタルハライドランプ１０は、植物育成用高圧ナトリウムランプ照明装置の高周波点灯式点灯装置（図１Ａ）に対してランプ軸線が水平に取り付けられる水平点灯方式で点灯される。
　上記のセラミックメタルハライドランプに対する物理的要求（ランプサイズ）は、点灯装置のソケット部の形状からの制約により、次の通りとなる。
　　(1)ピンチシール部幅：33ｍｍ以下
　　(2)外管側端部の外径:30ｍｍ以下
　　(3)外管全長：319～325ｍｍ
　この数値は、植物育成用高圧ナトリウムランプの高周波点灯式点灯装置に関して、所謂、デファクトスタンダード（事実上の標準）となっている。
　従って、透光性外管４の両端に設けられたピンチシール部４ｄ，４ｅの寸法形状は、図１Ｂに示す植物育成用高圧ナトリウムランプ２００のピンチシール部２４ａ，２４ｂの寸法に一致するよう設計されている。同様に、セラミックメタルハライドランプ１０の側端部４ｂ，４ｃは、植物育成用ナトリウムランプ２００の側端部の寸法に一致するよう設計されている。このような形状を採用することにより、図２Ａの植物育成用セラミックメタルハライドランプ１０は、現在広く普及している植物育成用高圧ナトリウムランプ用照明装置に取り付け可能となる。
　発光管２の大きさは、発光管内部の空間の有効長Ｌと内径Ｄとの比Ｌ／Ｄが、2.7～3.7の範囲であり（注：発光管２の内側寸法に関しては、図２Ｂを参照しながら後で説明する。）、このランプを1,000Ｗで点灯したとき、最冷部温度が800℃以上且つ最高部温度が1,200℃以下になるように設計されている。試作時の発光管は、1,000Ｗで点灯したとき、最冷部温度が900℃で、最高部温度が1,180℃であった。試作時の発光管のサイズは、内径Ｄが23.4ｍｍ、アーク長ＡＬが42ｍｍ、発光管内部空間の有効長Ｌが64ｍｍであり、Ｌ／Ｄ＝64/23.4＝2.7であった。
　（発光管の発光添加物）
　本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプの発光管の発光添加物は、植物育成時の光合成に必要な赤色光及び青色光を増加する観点から選択される。発光管の発光添加物は、少なくともヨウ化ナトリウムＮａＩ、ヨウ化タリウムＴｌＩ及びヨウ化リチウムＬｉＩを含んでいる。
　ここで、ＴｌＩは、少量の封入でも効果があるが、逆に多すぎると緑色の発光が強くなりすぎるため、10 mol％以下にすることが好ましい。ＬｉＩは、赤色発光を増加するので増量してもよいが、青色光と赤色光との発光バランスを考慮して、封入比率は30 mol％以下にすることが好ましい。ＮａＩは、他の発光添加物とのバランスを考慮して、40～80 mol％の範囲で調整する。
　所望により、発光添加物として、青色領域又は赤色領域の幅広い発光を増加させるため、ヨウ化ジスプロシウムＤｙＩ3を追加封入してもよい。ヨウ化ジスプロシウムに代えて又は追加として、類似の希土類金属であるヨウ化ホルミウムＨｏＩ3及び／又はヨウ化ツリウムＴｍＩ3を採用してもよい。所望により、発光添加物として、青色光又は赤色光を調整するため、ヨウ化インジウムＩｎＩ及び／又はヨウ化カルシウムＣａＩ2を追加封入してもよい。
　更に、所望により、発光添加物として、発光管の白濁現象を抑制するため、比較的少量のヨウ化水銀ＨｇＩ2を追加封入してもよい。
　発明者等は、メタルハライドランプの研究・開発を通して得られた上記知見に基づき、試作時の発光管の発光添加物の比率を次のように決定した。発光添加物は、全体で100 mol％としてあるが、ヨウ化水銀及び発光を維持するための金属水銀Ｈｇは、発光添加物の比率計算及び封入量計算には含まれないことを承知されたい。
　　ＤｙＩ3：20 mol％、
　　ＮａＩ：57 mol％、
　　ＴｌＩ：7 mol％
　　ＩｎＩ：1 mol％、
　　ＣａＩ2：6 mol％
　　ＬｉＩ：9 mol％
　表1は、発光添加物を上記比率に固定し、発光添加物の総量を変化させて、発光管破損の発生の有無を実験したデータである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表1に示すように、発光管内に封入する発光添加物の総量が1.6 μmol/ccでは、4本の発光管に破損は発生しなかった。同様に、2.5 μmol/ccでは、12本の発光管に破損は発生しなかった。しかし、4.1 μmol/cc及び5.8 μmol/ccでは、いずれも4本中1本の発光管に破損が発生した。
　この結果、発光添加物の総量が、4.1 μmol/cc以上のとき、アーク浮上現象が大きくなり、早期の発光管破損のおそれがある。逆に、発光添加物の総量が、4.1 μmol/cc未満であれば、アーク浮上が異常に大きくなることがない。発光添加物が、表１に示す発光添加物の比率と同じで、その総量を4.0 μmol/ccに設定した試作ランプを用いて追試を行ったところ、エージング後のライフテスト中に発光管破損は発生しなかった。
　更に、発光添加物の総量が、2.5 μmol/ccのランプに対して、赤色発光を更に増加させるためにＬｉＩを増量し、総量を2.8 μmol/ccとしたランプについて追試したが、アークの異常浮上現象はなく、発光管破損は発生しなかった。この結果より、発光添加物の総量が、2.8 μmol/cc以下であれば、更に好ましいことが判明した。
（点灯電力とアーク揺れの関係）
　図２Ｂは、本実施形態に係るセラミックメタルハライドランプに使用されている発光管２の軸線方向に沿った拡大断面図である。図に示すように、符号Ｄは発光管２の発光部２ａの内径を、符号ＡＬはアーク長を、符号Ｌは内部空間の有効長を、夫々示す。
　発光管2の内側寸法として、有効長さＬと有効内径Ｄを定義する。有効長さＬは、左右のキャピラリ内径が拡径を始める点Ｓ間の距離で定義される。なお、発光管２が円筒形の場合には、有効長さＬは発光部２ａの両端間の距離である。有効内径Ｄは、発光管２における電極間中央部の最大内径で定義される。発光管２の有効長さＬと有効内径Ｄの比Ｌ／Ｄを「アスペクト比」と称することとする。アーク長ＡＬは、２つの電極間の距離で定義される。
　セラミックメタルハライドランプ１０の物理的サイズの外形寸法は、高圧ナトリウムランプ用点灯装置１００に取り付け可能であればよい。例えば、ピンチシール部の幅（図２Ａにおけるピンチシール部４ｄ，４ｅの縦方向寸法）は、30～33ｍｍの範囲内に設定され、左右のピンチシール端までの間隔（外管全長）は、319～325ｍｍの範囲内に設定される。その他の部分の寸法は、設計上任意である。
　そこで、セラミックメタルハライドランプに関して、そのアーク長ＡＬ及び内径Ｄを変化させたランプを試作して、音響共鳴に起因するアークの揺れ及びアークの異常上昇に起因する発光管の早期破損に有無を調べた。
　図３Ａは、セラミックメタルハライドランプを、1,000Ｗで点灯した際のアーク特性を示す、アーク長AL－内径Dの関係で整理したグラフである。図３Ａを参照すると、アーク揺れが無いランプ（○：安定）の仕様が、局部的に集中していることが分かる。また、アーク揺れが無くても破損するランプ（×：破損）は、アーク長ＡＬが比較的大きいランプに多いことも明らかである。しかし、図３Ａのグラフから、発光管が破損する臨界的条件を直ちに求めることは難しい。
　図３Ｂは、図３Ａに使用されたデータをＡＬと（ＡＬ／Ｄ）との関係で整理したグラフである。図３Ｂに追記されているように、アーク揺れが無いランプ（○：安定）をランプ形状から特定する臨界的条件が、直線状に表現されている。これにより、植物育成用高圧ナトリウムランプ用照明器具で点灯できるセラミックメタルハライドランプの条件が明らかになった。
　アークが安定している発光管データ（○：安定）は、「y=0.08x-1.2」と「y=0.04x（限界寸法）」の間であって、アーク長ＡＬが30≦ＡＬ＜50の範囲内に限定されることが判明した。即ち、アークが安定している発光管は、式1によって特定される。
　0.04ＡＬ≦（ＡＬ／Ｄ）≦0.08ＡＬ-1.2　（但し、30≦ＡＬ＜50）　（単位：ｍｍ）……(1)
　ここで、条件（ＡＬ／Ｄ）≦(0.08ＡＬ-1.2)及び条件ＡＬ＜50は、アーク揺れの発生又は発光管破損の回避のために導かれる。条件0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄは、高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付けるための物理的制約、すなわち発光管内径Ｄが25ｍｍ以下であることを示す。その理由は、発光管の発光部２ａの肉厚ｔが1ｍｍ以上あるため、発光管内径Ｄが25ｍｍを超える発光管を外管側端部から外管内部へ挿入しようとすると、発光管が外管側端部の内面に接触して挿入が困難になるからである。
　なお、図３Ｂで分かるように、「y=0.08x-1.2」と「y=0.04x（限界寸法）」はアーク長ＡＬ=30ｍｍで交差するため、式1において「ＡＬ＜30」は存在しない。従って、「30≦ＡＬ」の限定は本来不要であるが、分かり易くするため敢えて表記している。
　更に、本出願人等は、式１を満たす限り、調光が可能な600～1,150Ｗにおいても同様に音響共鳴に起因するアークの揺れ及びアークの異常上昇による発光管の破損が無いことを確認した。即ち、式1は、600～1,150Ｗの範囲で有効である。
　ただし、上述のように、透光性外管４の中央部４ａと側端部４ｂ，４ｃとが一体形成されていないセラミックメタルハライドランプであれば、発光管内径Ｄをもう少し大きくできる可能性がある。例えば、全長が短いセラミックメタルハライドランプの両側部に、高圧ナトリウムランプ用植物育成装置にランプを取り付けるアダプタを固定した植物育成用セラミックメタルハライドランプならば、透光性外管４の側端部寸法に発光管内径Ｄが制限を受けることはない。本出願人等は、発光管内径Ｄが25ｍｍ以下について、良好な結果が得られることを確認している。
　（溶接点の位置）
　図２Ｂの左部分に示すように、セラミックメタルハライドランプの電極アセンブリ７－１は、典型的には、発光管リード線７ａ、この先端に突き合わせ溶接された電流供給導体７ｃ、この先端に突き合わせ溶接されたタングステン心棒７ｅから形成されている。電流供給導体７ｃは、（タングステン心棒７ｅ側の）耐ハロゲン性のモリブデンコイル棒７ｃ１と（発光管リード線７ａ側の）サーメット棒７ｃ２とを有している。モリブデンコイル棒７ｃ１は、典型的には、心棒とその周囲に巻回されたコイルとによって形成されている。図示及び説明を省略するが、図２Ｂの右部分の電極アセンブリの構造も、電極アセンブリ７－１の構造と同じである。従って、右部分の電極アセンブリに関しても、電極アセンブリ７－１と同じ現象が発生している。
　セラミックメタルハライドランプ固有の問題として、ランプ点灯時の電極折れ及びキャピラリ・クラックがあり、本実施形態に関するランプに関しても注意が必要である。図２Ｂを参照すると、キャピラリ内径が拡径を始める点Ｓ付近にタングステン心棒７ｅとモリブデンコイル棒７ｃ１の溶接点Ｐを設置した場合、セラミックメタルハライドランプの始動時において、この溶接点Ｐ付近からアーク放電が生じて（バックアーク）、電極が折れたり、熱衝撃によりキャピラリ２ｂにクラックが発生する現象が確認されている。
　セラミックメタルハライドランプ発光管では、特にキャピラリ内径が拡径を始める点Ｓ付近に水銀などの発光添加物が堆積するため、始動時（初期放電）にバックアークが発生しやすく、そこに溶接点Ｐがあるとクラックすることが分かった。
　クラック発生の対応として、モリブデンコイル棒７ｃ１の長さを短くして、タングステン心棒７ｅとモリブデンコイル棒との溶接点Ｐがキャピラリ２ｂ，２ｃの内部に位置するように設定し、キャピラリ内径が拡径を始める点Ｓから溶接点Ｐまでの距離を大きくする。このとき、タングステン心棒に巻き付けられているタングステン製巻き付けコイルを、モリブデンコイル棒との溶接点Ｐの位置付近まで延長してもよい。または、モリブデンコイル棒を使用せず、タングステン心棒のタングステンコイル巻き付け部を、サーメット棒７ｃ２と溶接する位置付近まで延長してもよい。
　モリブデンコイル棒７ｃ１とタングステン心棒７ｅとの溶接点Ｐ又はタングステン製巻き付けコイルの延長端位置を、「キャピラリ内径が拡径を始める点Ｓ」又は「発光部端面」より３ｍｍ以上の長さ発光管端部側になるように電極アセンブリを固定すれば、ランプ点灯時の電極折れ及びキャピラリ・クラックは生じない。水銀などの発光添加物がキャピラリ内に溜まっていくが、タングステン心棒７ｅとキャピラリ内壁との間に隙間があっても、キャピラリ内温度が低いために発光添加物がある程度溜まるとそれ以上はキャピラリ内に侵入しない。
　タングステン心棒７ｅとモリブデンコイル棒７ｃ１との溶接点Ｐが、キャピラリ内径が拡径を始める点Ｓから3ｍｍ以上発光管端部側に位置するように溶接点Ｐを移動したランプを試作して、初期点灯（エージング）後の長期試験点灯試験を行った。その結果、ランプにクラックは発生しなかった。
　従って、全てのランプに初期点灯（エージング）を実施する前提で、「3ｍｍ以上発光管端部側になるように溶接点Ｐをずらしたランプ」をランプの仕様とする。またモリブデンコイル棒を使用しないランプに関しても、同様に初期点灯（エージング）後の長期試験点灯でクラックの発生はなかった。
　［本実施形態の特徴又は効果］
　本実施形態に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプは、次のような特徴又は効果を有している。
　(1) 新規な開発の課題及び特有な効果：
　　このセラミックメタルハライドランプは、広く普及している高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付け可能なランプを提供することを目的として開発された。このような開発の課題（契機）は、従来技術により指摘されてない新規なものであり、その効果も本実施形態に特有なものである。
　(2)高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付け可能とする課題に対応し、且つランプ発光管の物理的サイズを特定することにより、高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付けて点灯した場合に音響共鳴現象に起因するアークの揺れ及びアークの異常浮上に起因する発光管の早期破損が発生しない。発光管の物理的サイズは、具体的には、発光管のアーク長ＡＬと有効内径Ｄの比（ＡＬ／Ｄ）は、0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄ≦(0.08ＡＬ-1.2)　（但し、30≦ＡＬ＜50）の範囲内である。
　(3)広く普及している高圧ナトリウムランプ用点灯装置で点灯可能：
　　広く普及している高圧ナトリウムランプ用点灯装置に取り付け可能なセラミックメタルハライドランプは、植物育成業者サイドにとって、追加的な設備投資をすることなく、容易にセラミックメタルハライドランプを採用できる利点がある。このランプを導入するための障壁は、実質的に無い。一方、ランプ製造業者サイドにとって、広く普及している植物育成用高圧ナトリウムランプ装置の利用者を対象とした広い販売マーケットに対して商業的に販売できる利点がある。
　(4)植物育成用に適したランプ設計の柔軟性：
　　このセラミックメタルハライドランプは、従来の植物育成用高圧ナトリウムランプと比較して、植物育成用に適した波長分布、即ち、赤色光と青色光の発光効率が良好なランプを設計できる。この結果、植物の収穫効率の向上が期待できる。
　(5)植物育成の多段階に対応可能なランプ：
　　このセラミックメタルハライドランプは、植物の育成段階の苗段階を除き、1種類のランプによって、発芽段階、発育段階及び開花段階を通して必要な発光を得ることができ、従来のランプと同等以上の育成効果を得ることができる。
　(6)相対的に安価な発光出力当たりの設備コスト：
　　このセラミックメタルハライドランプは、ＬＥＤ照明装置と比較して、設備金額が相対的に安価なため、発光出力当たりの設備コストが安い。
　(7)点検及び保守の容易性：
　　このセラミックメタルハライドランプは、ＬＥＤ照明装置と比較して、同じ光量を得るためにＬＥＤの個数に比較して非常に少ないランプ本数で足りる。例えば、1ｋＷのセラミックメタルハライドランプの発光量は、数千個のＬＥＤの発光量に相当する。従って、不点灯のＬＥＤの交換に比して、不点灯のランプ交換の時間と手間を著しく減少することができる。即ち、点検及び保守が相対的に容易になる。
　［まとめ］
　以上、本発明に係る本発明に係る植物育成用セラミックメタルハライドランプの実施形態に関し説明したが、これらは本発明を理解する上での例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の技術的範囲は、添付の請求の範囲の記載に基づいて定められる。
　２：発光管、　２ａ：発光部、　２ｂ，２ｃ：キャピラリ、　４：外管，透光性外管、　４ａ：中央部、　４ｂ，４ｃ：側端部、　４ｄ，４ｅ：ピンチシール部、　６：内管、　７－１：電極アセンブリ、　７ａ：発光管リード線、　７ｃ：電流供給体、　７ｃ１：モリブデンコイル棒、　７ｃ２：サーメット棒、　７ｅ：タングステン心棒、　１０：セラミックメタルハライドランプ，植物育成用セラミックメタルハライドランプ、　１２:商用電源、　１４：電子安定器、　１６:始動回路、　１８：高圧ナトリウムランプ、　２０：透光性外管、　２２：発光管、　２４ａ，２４ｂ：ピンチシール部、　２６ａ，２６ｂ：リード線、　１００：植物育成用高圧ナトリウムランプ用点灯装置、　２００：植物育成用高圧ナトリウムランプ

Claims (12)

  1. 　少なくとも、ハロゲン化金属を含む発光添加物、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置されて電極アセンブリを夫々挿通したキャピラリとを有し、透光性セラミックで形成された発光管を備え、
    　前記発光管は、前記キャピラリが水平になるように配置されて高周波点灯され、
    　前記発光管のアーク長ＡＬと有効内径Ｄの比（ＡＬ／Ｄ）は、0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄ≦(0.08ＡＬ-1.2)　（但し、30≦ＡＬ＜50）　（単位：ｍｍ）の範囲内にある、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  2. 　請求項1記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、
    　前記発光添加物は、少なくとも、ヨウ化ナトリウムＮａＩ、ヨウ化タリウムＴｌＩ及びヨウ化リチウムＬｉＩを含む、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  3. 　請求項２記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、
    　前記発光添加物は、全ハロゲン化金属に対して、ヨウ化ナトリウムＮａＩが40～80 mol％、ヨウ化タリウムＴｌＩが10 mol％以下及びヨウ化リチウムＬｉＩ30 mol％以下である、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  4. 　請求項２記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、更に、
    　発光添加物として、ヨウ化ジスプロシウムＤｙＩ3、ヨウ化ホルミウムＨｏＩ3、及びヨウ化ツリウムＴｍＩ3からなる群から選択された1又は2以上の発光添加物を含む、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  5. 　請求項1記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、
    　前記ハロゲン化金属の総量は、4.0 μmol/cc以下である、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  6. 　請求項1記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、
    　前記発光管の内部空間有効長Ｌと有効内径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）は、2.7≦Ｌ／Ｄ≦3.7の範囲内であり、
    　前記発光管を1,000Ｗで点灯したとき、発光部最冷温度は800℃以上、且つ発光部最高温度は1,200℃以下を保持するように設計されている、植物育成用セラミックメタルハライ
    ドランプ。
  7. 　請求項1記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、
    　前記電極アセンブリは、電極心棒、コイル棒、及びサーメット棒を有し、該コイル棒と該電極心棒の溶接点Ｐは、前記キャピラリの内径が拡径を始める点Ｓより3ｍｍ以上前記発光管の端部側に位置している、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  8. 　請求項７記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、
    　前記電極心棒は、周囲にコイルが巻き付けられているコイル巻き付け部を有し、該コイル巻き付け部の一端は、前記キャピラリの内径が拡径を始める点Ｓより3ｍｍ以上前記発光管の端部側に位置している、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  9. 　請求項１記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプにおいて、更に、
    　前記発光管の周囲を包囲し固定する気密性の外管と、
    　前記外管の軸線方向中央部と前記発光管との間に位置する円筒状の透光性内管と、
    　前記外管の軸線方向中央部の両側に、前記内管の外径より小さい外径の外管側端部とを備えている、植物育成用セラミックメタルハライドランプ。
  10. 　既存の植物育成用高圧ナトリウムランプ照明装置に使用されている高周波点灯式点灯装置と、
    　前記高周波点灯式点灯装置に対してランプ軸線が水平に取り付けられた植物育成用セラミックメタルハライドランプとを備え、
    　前記植物育成用セラミックメタルハライドランプの透光性セラミックで形成された発光管は、少なくともハロゲン化金属を含む発光添加物、水銀及び始動用希ガスを封入した発光部と、その両端に配置され電極アセンブリを夫々挿通したキャピラリとを有し、
    　前記発光管のアーク長ＡＬと有効内径Ｄの比（ＡＬ／Ｄ）は、0.04ＡＬ≦ＡＬ／Ｄ≦(0.08ＡＬ-1.2)　（但し、30≦ＡＬ＜50）（単位：ｍｍ）の範囲内にある、植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置。
  11. 　請求項１０記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置において、更に、
    　前記発光管の周囲を包囲し固定する気密性の外管を備え、
    　前記外管の両端に、ピンチシール部が夫々設けられ、該ピンチシール部の幅は、33ｍｍ以下であり、左右のピンチシール端までの間隔（外管全長）は、319～325mmの範囲内である、植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置。
  12. 　請求項１０記載の植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置において、
    　前記発光添加物は、少なくともヨウ化ナトリウムＮａＩ、ヨウ化タリウムＴｌＩ及びヨウ化リチウムＬｉＩを含み、
    　全ハロゲン化金属に対して、ヨウ化ナトリウムＮａＩが40～80 mol％、ヨウ化タリウムＴｌＩが10 mol％以下及びヨウ化リチウムＬｉＩ30 mol％以下である、植物育成用セラミックメタルハライドランプ照明装置。
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