JP4299039B2 - セラミクス放電管を備えたメタルハライドランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の上位概念記載のセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプに関する。これは特に少なくとも７０Ｗ、有利には１００Ｗから１０００Ｗ以上の出力を有するランプである。
【０００２】
【従来の技術】
欧州特許出願公開第５８７２３８号明細書からセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプが公知である。ここでは細長い栓管内の２つの部分に区別される導入部が放電個所から遠いほうの栓端部でガラスはんだにより密封されている。導入部の外側部分は浸透性の材料（ニオブピン）から成り、内側部分はハロゲン化物耐性を有する材料（例えばタングステンピンまたはモリブデンピン）から成る。上掲の明細書の図８では、導入部の内側部分はピンを巻線で巻いたカバーを有している。ただしこの明細書で提案されているコンセプトは最大でも１５０Ｗの小さい出力にしか適さない。なぜなら熱膨張係数の適合化があまりうまくいっておらず、高出力で温度変化の負荷が大きくなるとしばしばセラミクスの細管の壁にひびが入るからである。こうしたひびはモリブデンピンの径が大きくなるにつれて増大する。同様の手段は国際特許出願公開第９５／２８７３２号明細書にも記載されている。
【０００３】
４００Ｗまでの出力のランプについては、これまで欧州特許出願公開第５８７２３８号明細書に記載されている別の手段、すなわち内側部分のモリブデンピンの部分をサーメットユニットへ置換する手段が適用されていた。サーメットの熱膨張係数は他の金属とセラミクスとの中間にあたり、所望に応じて調整することができる。ただしサーメット手段の欠点は、高価であることに加え、溶接に対する耐性がきわめて乏しいことである。さらにサーメットユニットと充填ガスとのあいだで駆動温度の高さに起因して化学反応が生じることもある。
【０００４】
これまで、それ以上高出力のランプについては決定的なコンセプトは存在しなかった。
【０００５】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第５８７２３８号明細書
【特許文献２】
国際特許出願公開第９５／２８７３２号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、請求項１の上位概念記載のセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプにおいて、小さなワット数のみならず大きなワット数（典型的には１５０Ｗ〜４００Ｗ）にも適した導入部を提供し、統一的なコンセプトのもとで使用できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、内側部分が径Ｄのコアピン上に組み合わされている構造ユニットであり、すなわち少なくとも２層に構成された螺旋部が螺旋部線の有効径ｄで被着されており、
ここで
０．８Ｋ≦Ｓ≦０．９８Ｋ
ｄ≦Ｄ
Ｄ_ｍａｘ≦０．５ｍｍ
０．１６Ｋ≦Ｄ≦０．４０Ｋ
０．１０Ｋ≦ｄ≦０．１９５Ｋ
の式が満足される構成により解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００９】
ワット数が増大するにつれて通常は導入部の径も増大し、栓管の内径も必然的に増大する。密封領域でのひびを確実に阻止するために他の手段が開発された。
【００１０】
詳細に云えば、本発明は特にアルミニウム酸化物から成るセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプに関する。ここで放電管はセラミクス栓で閉じられた２つの端部（これは個別の部分であってもよいし、または放電管に一体に構成された構造であってもよい）を有しており、これらの端部はそれぞれ長い細管を有している。以下これを栓管と称する。２つの部分に区別される導電性の導入部は栓管に真空密に通されており、放電に関して内側のピン状部分と外側のピン状部分とから成る。導入部は栓の外側ではガラスはんだにより密封されている。内側では電極シャフトが固定されており、この電極は放電管内部へ突出している。
【００１１】
導入部の内側部分はハロゲン化物耐性を有する金属（有利にはモリブデンまたはタングステンまたはこれらの合金）から成るピンを含み、このピンの径は最大で０．５ｍｍ、同材料または同系材料の多層（有利には２層）の螺旋部によってカバーされている。有利にはモリブデン材料がコアピンおよび多層の螺旋部の双方に対して用いられる。このことは個々のコンポーネント（コアピンおよび螺旋部）の絶対膨張度が小さな絶対寸法によってクリティカルな値よりも小さくなり、溶接後またはランプ駆動中にも溶接領域に亀裂を生じないという重要な利点を有する。多層の螺旋部により電極システムのフレキシビリティが高まり、駆動中または溶接過程中に膨張により発生する応力を低下させることができる。
【００１２】
重要なのは、全ての螺旋部のジオメトリが溶接過程の終了後の冷却時にも導入部、特に螺旋部およびこれを包囲するセラミクス（細管およびその圧力を伝える溶融セラミクス／ガラスはんだ）の熱膨張係数の相違により圧力応力が生じることである。この応力は一度プラスティクスを変形させることにより低減しなければならない。これは螺旋部をコアピン内へ突出させることにより行われる。有利にはできる限り小さな接触面にする。
【００１３】
２層以上の複数層で構成された螺旋部は、外側の層が内側の層に作用するため、応力低減効果を２倍またはそれ以上に有効に利用できるという格別の効果を奏する。また螺旋部は中実のコア線よりも格段に軽く成形することができる。特に有効なメカニズムでは螺旋部の外側の層が内側の層に対して反対向きに巻回される。なぜならこの場合高い圧力のかかった接触部を有するシステマティックな交点が形成されるからである。相応のことが多層の螺旋部にも当てはまる。
【００１４】
同様の有効な応力低減は多層に代えて巻回された螺旋部線を使用することによっても得られる。この場合コア線および螺旋部の内側線での接触面の領域できわめて高い圧力が生じる。なぜなら巻回される線の径を螺旋部の内側線の径よりも小さく選定することができるからである。有利には巻回される線の径ｗは螺旋部の内側線の径Ｗの３０％〜７０％である。
【００１５】
ランプの駆動中には応力は溶融温度に比べて低い駆動温度のために密封領域で溶接過程よりも小さくなっている。したがってこの応力は構造体の弾性変形により低減することができる。この場合に塑性変形は早期の封止劣化を生じるおそれがある。
【００１６】
導入部の外側部分は栓管内に存在する部分の全長にわたってガラスはんだで密封されている。さらにこれに接続されている導入部の内側部分の領域は短い長さ（約１ｍｍ〜２ｍｍ）にわたってガラスはんだにより密封されている。ここでは寿命を長くすることが重要な目的として製造され、内側部分は細管の内径の少なくとも０．８倍、最大で０．９８倍の外寸法を有する。
【００１７】
他の主要な前提条件はコアピンの最大径が０．５ｍｍ以下であり、螺旋部の線の層の径が最大でコアピンの径に相応するということである。有利には各層の径はコアピンの径よりも小さい。２つの層の径は等しくなくてもよい。
【００１８】
有利にはランプの出力は１００Ｗ〜１０００Ｗであるが、大きな出力（２０００Ｗ以上）または小さな出力（例えば７０Ｗ）のランプも可能である。
【００１９】
コア線の径をＤ、螺旋部線の径をｄ、細管の内径をＫとすると、まず導入部の内側部分の全径Ｓについて
０．８Ｋ≦Ｓ≦０．９８Ｋ
が成り立つ。ここで一般に
Ｓ＝Ｄ＋ｎｄ
であり、ｎは見かけの層数である。つまり２層の場合にはＳ＝Ｄ＋４ｄとなる。本発明によれば確実な溶接はコアピンの径Ｄが
０．１６Ｋ≦Ｄ≦０．４０Ｋ
のときに達成されることがわかっている。さらに螺旋部線の径について
０．１０Ｋ≦ｄ≦０．１９５Ｋ
が成り立つ。螺旋部の２つの層の径がそれぞれ異なる場合、これをｄ_１，ｄ_２とすると、上述の式について
ｄ_１＋ｄ_２＝２ｄ
が成り立つ。換言すれば平均の有効径ｄが計算される。一般に多層の場合
ｄ_１＋．．．＋ｄ_ｎ＝ｎｄ
となり、
ｄ＝（ｄ_１＋．．．＋ｄ_ｎ）／ｎ
が成り立つ。
【００２０】
１５０Ｗから使用できる別の代替的な実施形態では、コア線が巻回された螺旋部線によって包囲されている。基本的にはコア線径Ｄ、螺旋部線径Ｗ、カバー線径ｗとすると
Ｓ＝Ｄ＋２（Ｗ＋２ｗ）
であり、ここでの限界条件は
Ｄ＞（Ｗ＋２ｗ）
である。この限界条件は、コア線がカバー線よりも厚くなければならないという巻線技術上の理由から生じるものである。上述のＤ，ｄの領域はここでも当てはまる。ｗについては有利には
０．０４Ｋ＜ｗ＜０．１Ｋ
が相当する。
【００２１】
６００Ｗ以上、特に１０００Ｗ以上の高いワット数では、最大径は上述の最初の式により０．５ｍｍ以上となるが、これは密封を長く保持するためには回避しなければならない。このような場合有利には、２層の上方にさらに第３の層を使用するか、またはひと巻き（シングルコイル）の螺旋部から成る少なくとも１つの層でなく、多重巻き（コイルドコイル）の螺旋部から成る層を上述の小さいワット数の実施形態と同様に設ける。
【００２２】
特に有利にはワット数１００Ｗ〜１０００Ｗの２つの層について
０．２５Ｋ≦Ｄ≦０．３０Ｋ
が成り立つ。さらに螺旋部線の径ｄについて
０．１２Ｋ≦ｄ≦０．１５Ｋ
が成り立つ。コアピンの径は有利には最大で０．３５ｍｍである。相互に良好に調整された螺旋部線とコアピンとのあいだの関係は
（０．９０Ｋ−Ｄ）／４≦ｄ≦（０．９６Ｋ−Ｄ）／４
の範囲にある。
【００２３】
本発明では、熱膨張の点でアルミニウム酸化物のセラミクスへ適合化され、Ｈ_２およびＯ_２透過性（特にニオブピンまたはニオブチューブであるが、タンタルを使用することもできる）であり、かつガラスはんだでカバーされた外側部分と、ハロゲン化物耐性を有しており、その一部が端部にガラスはんだでカバーされ溶接されている内側部分との２つに区別される導入部を使用している。内側部分はモリブデンまたは高融点のタングステンから成るきわめて薄い線である。タングステンは合金または表面めっきとしてレニウム添加剤を有していてもよい。レニウムはタングステンの高温耐性および腐食耐性を高めるからである。モリブデンは特に水銀を含む充填ガスに適しているが、タングステンは有利には水銀フリーの充填ガスに対して用いられる。特にタングステンは７０Ｗ以下の低いワット数のランプに適している。
【００２４】
内側部分は外側部分（ニオブピンまたはニオブチューブ）を備えた側、つまり電極を備えた側とは反対側に接続される。
【００２５】
栓は一体に構成してもよいし、また複数のユニットから構成してもよい。例えば周知の手段で栓管がリング状の栓ユニットによって包囲されるかたちに構成することができる。
【００２６】
また従来技術とは異なって、外側部分がどのくらいの深さで栓管内へ挿入されているかは重要ではない。これについては密封できる最低の深さ２ｍｍが保証されていれば充分である。最大の挿入深さは有利には熱的理由から栓管の長さの５０％である。
【００２７】
外側部分は栓管内に存在する部分の全長にわたって完全にガラスはんだと融合しており、内側部分は約１ｍｍ〜２ｍｍの長さにわたって端部に接合されている。重要なのはニオブピンが腐食性の充填ガスの侵襲に対して完全にガラスはんだによってカバーされることである。
【００２８】
【実施例】
以下に本発明を複数の実施例に則して詳細に説明する。
【００２９】
図１には出力１５０Ｗのメタルハライドランプが示されている。このランプはランプ軸を定める水晶ガラスの円筒形状の外管１から成り、これは両側が封止され、ソケット化されている。Ａｌ_２Ｏ_３セラミクスから成る軸線方向に配置された放電管４は円筒形状または中ほどが膨らんだ形に成形され、２つの端部６を有している。これはシート８を介してソケット部３に接続されている２つの電流供給部７により外管１内に支承されている。電流供給部７は導入部９、１０に溶接されており、放電管の端部６の各栓１２内にはめ込まれている。栓の部分は細長い管（栓管）１２として構成されている。放電管の端部６および栓管１２は例えば相互に直接にシンタリングされる。
【００３０】
導入部９、１０はそれぞれ２つの部分から成る。外側部分１３はニオブピンとして構成されており、細管１２の長さの約１／４まで内部へ突出している。内側部分１４は細管１２の内部で放電部まで延在している。内側部分は放電側の電極１５を支承している。電極はタングステンの電極シャフト１６とシャフトの放電側の端部に圧着された巻線１７とから成る。導入部の内側部分１４、特にコアピンは電極シャフト１５および導入部の外側部分１３に溶接されている。
【００３１】
放電管の充填ガスはアルゴンなど不活性の点弧ガスのほか、水銀と金属ハロゲン化物の添加剤とから成る。例えば金属ハロゲン化物充填ガスを水銀フリーで使用することもでき、ここでは充填ガスとしてキセノンが１．３ｂａｒを大きく越える高い圧力で選定されている。
【００３２】
図２には放電管の端部領域が詳細に示されている。導入部９、１０は外側部分１３としての径Ａのニオブピン（またはニオブチューブ）と内側部分１４としての径Ｂの薄いモリブデンピンとから成る。それぞれの径については表１の下方部分を参照されたい。モリブデンピンの上方には径Ｃのモリブデン螺旋部２０の２つの層が圧着されている。細管１２の全長は約１７ｍｍであり、ニオブピン１３の全長をＤ、内側部分１４の長さをＥ、栓管の内径をＦとする。
【００３３】
ニオブピン１３の放電側はモリブデンから成るコアピン１８に突き合わせ溶接されている。放電側ではコアピン１８が同様に電極シャフト１６に突き合わせ溶接されている。
【００３４】
ニオブピン１３は約３ｍｍの深さで栓管１２内へ挿入されており、ガラスはんだ１９で密封されている。この場合重要なのはガラスはんだがニオブピンを完全にカバーしており、内側部分の頭部（１ｍｍ〜２ｍｍ）もガラスはんだによってカバーされているということである。
【００３５】
【表１】

【００３６】
図２の１５０Ｗランプの実施例では、上の表１に示された寸法が使用される。同様に２５０Ｗ、４００Ｗのランプについても有利な寸法が示されている。
【００３７】
表２には、種々のランプ出力について、細管の典型的な内径、最大可能および最小可能なコアピン１８の径Ｄおよび螺旋部２０の径ｄが示されている。ここではそれぞれ２つの層の径は等しいものとし、簡単かつ良好な手段が得られるようにしてある。しかし２つの層の径は異なっていてもよく、特に外側の層の径は内側の層の径よりも格段に小さく（３０％〜）選定することができる。
【００３８】
【表２】

【００３９】
【表３】

【００４０】
【表４】

【００４１】
さらに表３には種々のランプ出力について、表２で検討された値の有利な領域が示されている。さらに表４には実際のワット数に対するＤ、ｄの最適値が示されている。
【００４２】
高ワットの出力では所定の条件は部分的には容易に満足することができず、この場合には代替的な技術が使用される。
【００４３】
最も簡単な代替手段は、図３に示されているような螺旋部２１の他の層を使用することである。１０００Ｗランプに対して３層の螺旋部２１を設けると、コア線は０．３５ｍｍの径を有し、螺旋部は０．２９ｍｍの径を有することになる。
【００４４】
この技術の別の実施例が表５に示されている。ここでは出力、細管の内径、コアピン径および螺旋部線の径が示されている。もちろんこの場合にも個々の層の径を変化させることができる。
【００４５】
【表５】

【００４６】
また、螺旋部の多層構造に代えて単層または２層の２重巻き螺旋部（コイルドコイル）を使用することによっても同様の効果が得られる。２重巻き単層の螺旋部は単純な螺旋部のほぼ３層分に相応する。ここでは見かけ***の層となっている螺旋部のコアピンが通常はその内側および外側に巻回されている線よりも大きな径を有する。
【００４７】
図４には基本の方式が示されている。モリブデンから成るコア線２５は１０００Ｗランプでは０．３５ｍｍの径を有する。ここに設けられているコイルドコイルの単層螺旋部は０．３５ｍｍの径の内側のピンすなわちコアピン２６とそこに巻回された０．２５ｍｍの径の線とを有しており、後者が見かけでは内側の層２７および外側の層２８を形成している。表６にこのような高ワット数のランプの複数の実施例が示されている。
【００４８】
【表６】

【００４９】
２重巻き２層の螺旋部は単純な螺旋部のほぼ６層分に相応する。ここでは層の径が種々に異なっている。
【００５０】
図５によればコア線３０上に２層のコイルドコイル螺旋部が設けられており、各層はコア線を備えた２重巻きとなっている。２つの層の寸法は異なっていてよい。第１の層の内部には見かけ上第２の層をなしている第１のコアピン３１が存在しており、ここに巻線が巻回され、これが見かけ上の第１の層３２および第３の層３３を形成している。同様に第２の層の内部には見かけ上第５の層となっている第２のコアピン３４が存在しており、ここに巻線が巻回され、これが見かけ上の第４の層３５および第６の層３６を形成している。
【００５１】
表７では種々のワット数のランプにおいて、２つの層に対するコアピンおよび２重巻き螺旋部の寸法が使用されている。
【００５２】
【表７】

【００５３】
図８には１５０Ｗ〜４００Ｗのランプについてコアピンおよび多重巻き螺旋部の寸法が示されている。螺旋部はこの実施例ではコアピンの上に単層のみ巻回されている。実際には１５０Ｗのランプの導入部は０．３ｍｍ径のコア線と０．１３ｍｍ径の薄い線を巻回された０．１３ｍｍ径の螺旋部線とを有するモリブデンユニットから成る。見かけではこれは任意の数の交点を備えた３層の螺旋部となる。この実施例の利点は、特に、通常バージョンのコイルでは一番内側の層がコア線に連続的な接触面を有するのとは異なり、コア線が螺旋部との交点しか有さないことである。これは図４に示された実施例に相応する。
【００５４】
【表８】

【００５５】
通常のケースでは全ての層は密に巻回されている。ただし個々のターンのあいだに小さな距離、例えば線径に対して２０％以下の間隔を保持してもよい。あまりに大きな傾きを取ると中間にデッドスペースが生じ、付加的に望ましくない充填ガスの無駄容積を生むことになるため不利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミクス放電管を備えたメタルハライドランプの概略図である。
【図２】ランプの端部領域の第１の実施例の詳細図である。
【図３】端部領域の第２の実施例を示す図である。
【図４】端部領域の第３の実施例を示す図である。
【図５】端部領域の第４の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ 外管
２ 封止部
３ ソケット
４ 放電管
６ 端部
７ 電流供給部
８ シート
９、１０ 導入部
１２ 細管
１３ 外側部分
１４ 内側部分
１５ 電極
１６ 電極シャフト
１７ 巻線
１８、３１、３４ コアピン
１９ ガラスはんだ
２０、２１ 螺旋部
２５、３０ コア線
２６ 内側ピン
２７、２８、３２、３３、３５、３６ 層

Claims (11)

1. 放電管（４）はセラミクスの栓で封止された２つの端部（６）を有しており、該栓は内径Ｋの長い細管（１２）であり、以下これを栓管と称し、
   栓管（１２）内を導電性の導入部（９、１０）が通されており、該導入部は放電に関して内側部分（１４）と外側部分（１３）とが区別され、
   該導入部の外側部分では栓管内に存在する部分の全長にわたってガラスはんだで密封されており、これに続く内側部分の領域では１ｍｍ〜２ｍｍ長さの短い部分にわたってガラスはんだで密封されており、
   導入部には電極（１６）のシャフト（１５）が固定されており、シャフトは放電管の内側部分へ突出しており、
   内側部分の外径Ｓは栓管の内径Ｋに対して調整されている、
   セラミクス放電管を備えたメタルハライドランプにおいて、
   内側部分（１４）は径Ｄのコアピン（１８）上に少なくとも２層として構成された螺旋部が螺旋部線の有効径ｄで組み合わされている構造ユニットであり、
   ここで
   ０．８Ｋ≦Ｓ≦０．９８Ｋ
   ｄ≦Ｄ
   Ｄ_ｍａｘ≦０．５ｍｍ
   ０．１６Ｋ≦Ｄ≦０．４０Ｋ
   ０．１０Ｋ≦ｄ≦０．１９５Ｋ
   の式が満足される
   ことを特徴とするセラミクス放電管を備えたメタルハライドランプ。
2. 螺旋部の２つの層はシングル線により形成されている、請求項１記載のランプ。
3. ２つの層は相互に反対向きに巻回されている、請求項２記載のランプ。
4. ０．１２Ｋ≦ｄ≦０．１９５Ｋが成り立つ、請求項２記載のランプ。
5. ０．２５Ｋ≦Ｄ≦０．３０Ｋかつ０．１２Ｋ≦ｄ≦０．１５Ｋが成り立つ、請求項２記載のランプ。
6. Ｄ≦０．３５ｍｍである、請求項２記載のランプ。
7. （０．９０Ｋ−Ｄ）／４≦ｄ≦（０．９６Ｋ−Ｄ）が成り立つ、請求項２記載のランプ。
8. 第１の層の線径と第２の層の線径とは等しい、請求項２記載のランプ。
9. 螺旋部は３層である、請求項１記載のランプ。
10. 螺旋部は２重巻きすなわちコイルドコイル構造の少なくとも１つの層を有しており、ここでは径Ｗの内側線が径ｗのカバー線によって巻回されており、これにより見かけでは厚さＷ＋２ｗの３層が得られる、請求項１記載のランプ。
11. 螺旋部は２重巻きすなわちコイルドコイル構造の２つの層を有しており、これにより見かけでは６層が得られる、請求項１０記載のランプ。

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