JP3679256B2 - 放電灯 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用の放電灯に関するもので特に水銀を封入しない新規のメタルハライドランプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
放電灯のなかでも、一般的なメタルハライドランプは、高圧水銀ランプの発光管に各種のメタルハライドを添加し、所望の発光スペクトル分布を得られるようにしたものである。メタルハライドは常温において固体であり、放電ア−クの熱によって発光管管壁が加熱され、管壁に凝固していたメタルハライドが蒸発して初めて金属固有の発光が得られる。
【０００３】
放電媒質中のガスまたはイオン温度は、媒質の圧力に依存するため、比較的蒸気圧の高い水銀を蒸発させて発光管内の圧力と温度を高め、メタルハライドを蒸発させている。そのため従来のメタルハライドランプでは、放電を開始させるための希ガス（スタートガス）とともに、発光管内を高圧化し管壁温度を高めるために水銀が必須成分となっていた。
【０００４】
スタートガスは放電を開始させるためのガスであり、通常はアルゴンガスが１ｋＰａから１０ｋＰａ程度の範囲で封入されている。この圧力範囲では、放電している部分の中性ガスやイオンの温度は室温とさほど変わらず、放電の開始から発光管の管壁の温度はゆっくりと上昇を続け、やがて管壁温度が３００℃を超えるあたりから水銀の蒸気圧が高まり高温のアーク（熱プラズマ）が生成し、管壁温度を急速に上昇させて金属ハロゲン化物が蒸発するようになる。したがって、水銀を含有しない場合には、金属ハロゲン化物の蒸気圧が高まる温度まで管壁が加熱されず、有効な光束を得ることはできない。
【０００５】
近年、メタルハライドランプは、著しい低電力化が進み、３５Ｗの発光管は自動車の前照灯に採用されるようになった。自動車用の発光管では、瞬時に光出力が立ち上がることが安全上の必要条件であるため、スタートガスとして数ａｔｍのキセノンガスを封入し、点灯と同時にキセノンを発光させるとともに、初期から熱プラズマを生成して発光管を急速加熱することにより、実用的な瞬時点灯性が実現された。
【０００６】
自動車用メタルハライドランプにおいても、水銀は発光管内を高圧化して管壁の温度を十分に高めるための必須成分とされてきた。しかしながら、水銀は有毒物質であるため、発光管に万一の破損が生じたときに周囲の環境に水銀が拡散してしまう危険があるが、他に適当な代替品がなく広く用いられてきた。近年、有毒物質拡散防止の観点から、水銀などの有毒物質を含まない発光管が望まれている。発光管の廃棄に当たっては、発光管を破砕して水銀を回収する必要があるため、コストを高める原因になっている。
【０００７】
また、照明用途では多くの場合紫外線は不必要であるが、水銀を含む金属蒸気放電灯は水銀の紫外線放射により被照射物に障害を与えることがあるため、紫外線のカットに多大な労力やコストがかけられてきた。更に、発光管の始動過程において、水銀蒸気圧が急速に上昇している期間は、発光色が青味を帯び、演色性が低下するという現象があるが、水銀を用いる限り不可避の問題と考えられてきた。水銀を含まない高輝度放電灯としては、ショ−トア−クキセノンランプがあるが、ランプ効率が１ワット当たり約３０ルーメン以下と低く、効率を重視する用途には用いられない。
【０００８】
【発明が解決するための課題】
本発明は、上記問題点に鑑みた放電灯であり詳細には、水銀を発光管内に封入しないメタルハライドランプを提供することで、水銀による紫外線が放出されず紫外線カットなどに多大の労力を必要とせず、水銀廃棄の必要もない。従って、コスト的にも安全面でも従来のメタルハライドランプの問題点を改良した新規の放電灯を提供している。また、発光管の始動過程においても、発光色が青味を帯び、演色性が低下することもない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発光管の内部の放電空間に対向する一対の電極を備える放電灯において、前記放電空間には金属ハロゲン化物と希ガスを封入し、前記希ガスを高圧封入して高温高圧の熱プラズマを発生させるとともに、前記発光管の熱容量と熱損失を抑制して、管壁温度の上昇を促進し、前記金属ハロゲン化物を蒸発させ金属発光を得ることを特徴とする放電灯であり、前記希ガスは少なくともキセノンを含有している。また、前記金属ハロゲン化物が、少なくともヨウ化スカンジウムとヨウ化ナトリウムを含有することを特徴としている。
【００１０】
前記発光管の内容積をＱ［μｌ］、最大肉厚をｔ［ｍｍ］、前記キセノンガスの室温における圧力をＰ［ａｔｍ］としたとき
Ｐ／（Ｑ・ｔ）≧０．２０
であり、前記発光管の放電空間の最大内径部分の断面積をＳ１［ｍｍ²］、最大内径部分の発光管構成材料の断面積をＳ２［ｍｍ²］としたとき
Ｐ／Ｓ１／Ｓ２≧０．０６
としている。更に、前記発光管構成材料は石英ガラスまたは透光性セラミックスからなり、１００Ｗ以下の交流または直流電流で駆動されている。
【００１１】
【発明の実施形態】
本発明は、水銀を全く使用せずに動作する放電灯を提供することを目的とする。さらには、自動車の前照灯などの光学的目的に用いる光源として好適で、高効率、長寿命、瞬時立上りなどの特性を兼ね備える放電灯を実現することを目的とするものである。また、これらの目的を、発光管を著しく小型化して管壁温度の上昇を促進するとともに、スタートガスとしてキセノンガスを従来になく高い圧力で封入することによって、水銀を用いずに発光管の動作温度を十分に高めることにより達成するものである。
【００１２】
図１に示すのは、自動車用３５Ｗ発光管の概略図であり本発明者等が、実験で使用した放電灯である。発光管１は、石英ガラス管で成形され、内部に放電空間２を有し、前記放電空間２の両端から突出するように埋設されたタングステンなどの高融点金属からなる一対の電極３を備え、前記電極３の前記放電空間２と反対の端にはモリブデンなどからなる箔４を溶接などの手段で連接し、さらに、前記箔４の放電空間と反対側の端にはモリブデンなどからなるリードワイヤ５を溶接などの手段で連接し、前記放電空間２内への突出部分を除く前記電極３からリードワイヤ５のある部分までをピンチシールなどの手法で石英ガラス内に埋め込むことにより前記放電空間２を気密にシールするとともに前記電極３への電気伝導を成している。リードワイヤ５は図示しない口金および駆動電源に接続され給電を行う。前記放電空間２の内部には、少なくとも一種類の金属ハロゲン化物とキセノンガスが高圧封入されており、水銀は含まれていない。
【００１３】
放電空間の長さは７．１ｍｍ、電極の放電空間への突出長は１．７ｍｍ、電極間の距離は３．７ｍｍである。本発明者等は、発光管管壁の温度が、発光管内径、肉厚およびキセノンガス圧力によって大きく変動することに着目し、水銀を用いずに金属ハロゲン化物を蒸発させるのに必要な温度まで管壁を加熱する方法を検討した。発光管内にヨウ化ナトリウムとヨウ化スカンジウムおよびキセノンガスを封入し、発光管の内容積Ｑ［μｌ］、最大肉厚をｔ［ｍｍ］およびキセノンガス圧力をＰ［ａｔｍ］をパラメータとして発光管を製作して、発光出力を調べた。その結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】

【００１５】
この結果をもとに、可視光発光効率が７０ｌｍ／Ｗ以上となる条件を解析した。金属ハロゲン化物の蒸発は、キセノンによる熱プラズマの高密度化や、発光管の熱容量や熱損失を抑制することにより、促進されるものと考えられる。
【００１６】
図２は、発光管の管壁温度の指標として、キセノンガスの圧力Ｐ［ａｔｍ］、発光管内容積Ｑ［μｌ］および管壁の最大肉厚ｔ［ｍｍ］を選択し、関数Ｐ／（Ｑ・ｔ）に対して可視光発光効率をプロットしたものである。可視光発光効率が７０ｌｍ／Ｗ以上となるのは、関数Ｐ／（Ｑ・ｔ）が次式▲１▼の関係にある場合であることが明らかになった。
Ｐ／（Ｑ・ｔ）≧０．２０ 式▲１▼
当然のことながら、発光管の形状や長さ、発光管の消費電力、金属ハロゲン化物の種類、また、電極封着部の大きさなどが変わると、金属ハロゲン化物の実効的な蒸気圧を発生させるＰ／（Ｑ・ｔ）の最小値は変化する。しかし、そのような場合でも、ここで行ったのと同様の方法で、容易に発光管最大内径、最大肉厚およびキセノン圧力の適切な値を見つけ出すことができる。
【００１７】
表２は、表１と同一のサンプル群に対して、発光管の最大内径部分の放電空間の断面積Ｓ１と発光管構成材料の断面積Ｓ２を示したものである。図１のＡ−Ａ断面で示した発光管の最大内径部分における断面図である。
【００１８】
【表２】

図３には、発光管内のキセノンの常温における圧力Ｐを、前記したＳ１およびＳ２で除した値に対して、発光管の発光効率をプロットしたものであり
Ｐ／Ｓ１／Ｓ２≧０．０６ 式▲２▼
の場合に８０ ｌｍ／Ｗ以上の高い発光効率が得られている。これは、発光管の放電空間の断面積すなわち内径が小さいほど、管壁が高温のアークに接近し、また、発光管構成材料の断面積が小さいほど、熱伝導による損失や熱容量が減少して管壁の温度が上昇するため、金属ハロゲン化物の蒸気圧が上昇し可視域の発光が増大したことによると考えられる。
【００１９】
本発明の第一の実施形態を図１にそって説明する。図１に示した発光管１と同一の構成で、発光管の最大外径を６．００ｍｍ、最大内径を２．７０ｍｍ、内容積を２５．４μｌｍｍ、最大肉厚を１．６５ｍｍ、発光管の長さを７．１ｍｍ、電極間距離を３．７ｍｍとし、発光管内には、ヨウ化ナトリウムとヨウ化スカンジウムを重量比で３：１の割合で合計０．４ｍｇと、キセノンガスを１０ａｔｍ封入した。このとき
Ｐ／（Ｑ・ｔ）＝０．２３９
となり、式▲１▼の関係が満たされている。また、Ｓ１＝５．７２３［ｍｍ²］、Ｓ２＝２２．５４［ｍｍ²］より
Ｐ／Ｓ１／Ｓ２＝０．０７８
であるから、式▲２▼の関係も同時に満たされている。
【００２０】
この発光管を点灯したときの発光スペクトル分布を図４に示す。図４には、比較のため、水銀を含んでいる発光管のスペクトル分布も破線で示した。本発明の無水銀発光管は、水銀による発光ラインがないことを除くと、従来の水銀を含有する発光管と同等の金属蒸気発光が得られていることがわかる。主要な発光特性を表３に示す。
【００２１】
【表３】

次に本発明の第二の実施形態を図５に示す。発光管１に電極３の先端部の大きさ形状の異なる陽極３ａおよび陰極３ｂを備え直流で駆動される。電極を除き、発光管１や封入材料などは第一の実施形態と略同一である。この実施形態の発光管の発光特性は表４に示すように、交流駆動における発光特性とほぼ同等であった。
【００２２】
【表４】

無水銀発光管は有水銀発光管に比べて発光管電圧が低く電流が相対的に大きくなるため、陽極と陰極の機能を分離することのできる直流駆動も好適である。
【００２３】
このように、本発明者等は有毒な水銀を使用しない高効率の放電灯を製作することに成功した。これは、近年急速に高まってきている有毒物質の拡散防止の要求に応えるものである。また、実施形態では、電極形状などについて細かくふれてないが、直流駆動の場合は、陽極側の電極先端部を球状としたりして大きくするなどの放熱作用が必要となる。更に、希ガスとしてキセノンを封入して説明しているが、キセノンに他のガスを混入する場合もある。例えは、ネオンやアルゴン等を混入することもある。それによって、ランプ電圧やランプ効率を向上することが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
このように、本発明は、有毒な水銀を使用しない高効率の放電灯を製作するこで、近年急速に高まってきている有毒物質の拡散防止の要求に応えるものであり、有毒物質を全く使用しない発光管の製造が可能になることを意味する。
【００２５】
また、従来の発光管では水銀が主たる紫外光の発生源であったが、水銀レス化により紫外光の発生量が著しく減少したため、従来紫外光の遮断に用いられてきた外管やコーティングにかかる多大な労力を低減できるだけでなく、ランプ電圧が低いため、自動車などの低電圧電源から駆動する場合、昇圧レベルを低下させることができ、駆動回路の簡素化や小型化に有利である。
【００２６】
更に、水銀を含有する製品は、廃棄段階での水銀の回収が義務付けられる見通しであるが、水銀を含有していないので、回収に要するコストアップなどの問題を回避することができる。従って、低コスト化が可能になる。従来品のように、始動期間の発光色変化や演色性の低下が起こらず、発光管の始動から安定に至るまで常に白色の光を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する放電灯の側面図と発光管の拡大要部Ａ−Ａ断面を示す図である。
【図２】本発明の発光管管壁温度の指標として、キセノン圧力Ｐ［ａｔｍ］、発光管内容積Ｑ［μｌ］および管壁の最大肉厚ｔ［ｍｍ］を、関数Ｐ／（Ｑ・ｔ）に対して可視光発光効率をプロットしたグラフである。
【図３】本発明の、発光管内のキセノンの常温における圧力Ｐを、Ｓ１およびＳ２で除した値に対して、発光管の発光効率をプロットしたグラフである。
【図４】本発明の放電灯を点灯したときの発光スペクトル分布（実線）と水銀を含んでいる放電灯のスペクトル分布（破線）を示す。
【図５】本発明に関する放電灯の第二の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…発光管
２…放電空間
３…電極
３ａ…陽極電極
３ｂ…陰極電極
４…箔（モリブ箔）
５…リ−ドワイヤ
ｔ…発光管の最大肉厚
Ｄ…発光管の最大内径
Ｑ…発光管の内容積［μｌ］
Ｐ…室温でのキセノンガス圧力［ａｔｍ］
Ｓ１…発光管の放電空間の最大内径部分の断面積［ｍｍ²］
Ｓ２…発光管の最大内径部分の発光管構成材料の断面積［ｍｍ²］

Claims (5)

1. 発光管の内部の放電空間に対向する一対の電極を備える放電灯において、
   前記放電空間には少なくともヨウ化スカンジウムとヨウ化ナトリウムとを含有する金属ハロゲン化物、及び７から１３ [ ａｔｍ ] にて少なくともキセノンを含有する希ガスを封入し、
   前記発光管の内容積をＱ［μｌ］、最大肉厚をｔ［ｍｍ］、前記希ガスの室温における圧力をＰ［ａｔｍ］としたとき
   Ｐ／（Ｑ・ｔ）≧０．２０であることを特徴とする放電灯。
2. 発光管の内部の放電空間に対向する一対の電極を備える放電灯において、
   前記放電空間には少なくともヨウ化スカンジウムとヨウ化ナトリウムとを含有する金属ハロゲン化物、及び７から１３ [ ａｔｍ ] にて少なくともキセノンを含有する希ガスを封入し、
   前記発光管の放電空間の最大内径部分の断面積をＳ１［ｍｍ ² ］、最大内径部分の発光管構成材料の断面積をＳ２［ｍｍ ² ］、前記希ガスの室温における圧力をＰ［ａｔｍ］としたとき
   Ｐ／Ｓ１／Ｓ２≧０．０６であることを特徴とする放電灯。
3. 発光管の内部の放電空間に対向する一対の電極を備える放電灯において、
   前記放電空間には少なくともヨウ化スカンジウムとヨウ化ナトリウムとを含有する金属ハロゲン化物、及び７から１３ [ ａｔｍ ] にて少なくともキセノンを含有する希ガスを封入し、
   前記発光管の内容積をＱ［μｌ］、最大肉厚をｔ［ｍｍ］、前記希ガスの室温における圧力をＰ［ａｔｍ］としたとき
   Ｐ／（Ｑ・ｔ）≧０．２０であり、
   前記発光管の放電空間の最大内径部分の断面積をＳ１［ｍｍ ² ］、最大内径部分の発光管構成材料の断面積をＳ２［ｍｍ ² ］としたとき
   Ｐ／Ｓ１／Ｓ２≧０．０６であることを特徴とする放電灯。
4. 前記発光管構成材料は、
   石英ガラスまたは透光性セラミックスであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の放電灯。
5. 前記発光管は、
   １００Ｗ以下の交流または直流電流で駆動されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の放電灯。

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