JP4531946B2 - 水銀を含まない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、ウォームホワイトの光色と高い演色評価数とを有しており、内部に電極が真空密に挿入された放電管を有しており、イオン化可能な封入物を放電管内に有している、水銀を含まないメタルハライドランプに関する。ここでは特に、一般照明のためのウォームホワイトＷＤＬの光色のランプ、特に調光可能なランプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７３１１６８号明細書から既に、水銀を含まないメタルハライドランプが公知である。このランプは２つのグループの金属ハロゲン化物、すなわち主として水銀の役割を引き受ける電圧形成物質と、特に希土類金属である光形成物質とを使用している。これにより３５００Ｋ程度のウォームホワイトの光色が目指される。ただし赤色の演色性が充分ではないので、ＤｙまたはＡｌを添加することによりこれを制御している。類似した封入物の系は国際公開第９９／０５６９９号明細書およびヨーロッパ特許出願公開第８３３１６０号明細書にも記載されている。
【０００３】
国際公開第９８／４５８７２号明細書には水銀を含むメタルハライドランプが記載されており、このランプの封入物は主としてＮａおよびＴｌを有する金属ハロゲン化物を含んでいる。さらにＤｙ金属ハロゲン化物およびＣａ金属ハロゲン化物が加わる。こうした封入物は３９００Ｋ〜４２００Ｋのニュートラルホワイトの光色に関連している。
【０００４】
ウォームホワイトおよびニュートラルホワイトの光色を実現するためにナトリウムを使用することには欠点がある。なぜならナトリウムはそのイオン半径が小さいために容易に拡散してしまうからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載のメタルハライドランプを提供して、環境保護の観点から水銀を省略するだけでなく、ナトリウムの使用を完全に回避するかまたは大幅に低減して、これに関連する周知の問題点を回避することである。この問題点は特に一方側がベースとなっているランプの構造に関連している（光電離の問題）。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、封入物が緩衝ガスとして作用する希ガスと、第１のグループの金属ハロゲン化物と、第２のグループの金属ハロゲン化物との成分を有しており、第１のグループの金属ハロゲン化物の沸点は１０００℃以上であり（有利には１１５０℃よりも高い）、該第１のグループは金属として少なくともＤｙおよびＣａを同時に使用しており、２つの金属ハロゲン化物のモル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨは０．１〜１０であり、第２のグループの金属ハロゲン化物の沸点は１０００℃より低く（有利には９００℃より低い）、第２のグループは金属としてＩｎ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｚｒのうち少なくとも１つの元素を有しており、第１のグループの金属ハロゲン化物の全封入量は５μｍｏｌ／ｃｍ³〜１００μｍｏｌ／ｃｍ³であり、第２のグループの金属ハロゲン化物の全封入量は１μｍｏｌ／ｃｍ³〜５０μｍｏｌ／ｃｍ³であり、色温度は２７００Ｋ〜３５００Ｋであり、一般的な演色評価数は少なくともＲａ＝９０であり、同時に赤色の演色評価数は少なくともＲ９＝６０である構成のメタルハライドランプにより解決される。
【０００７】
特に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
有利には２つの金属ハロゲン化物のモル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨは０．３〜４である。第２のグループは有利には付加的にＴｌの金属ハロゲン化物を３０μｍｏｌ／ｃｍ³までの量、有利には５μｍｏｌ／ｃｍ³〜２５μｍｏｌ／ｃｍ³の量で有している。
【０００９】
さらに第１のグループはＮａの金属ハロゲン化物を全体量の３０ｍｏｌ％まで、有利には多くとも５ｍｏｌ％まで含んでいる。
【００１０】
有利には第１のグループは付加的にＣｓの金属ハロゲン化物を４０μｍｏｌ／ｃｍ³までの量、有利には５μｍｏｌ／ｃｍ³〜３０μｍｏｌ／ｃｍ³の量で有している。また希ガスの冷間封入圧は有利には１００ｍｂａｒ〜１００００ｍｂａｒである。
【００１１】
第２のグループの成分は付加的に金属として成分内に３０ｍｏｌ％まで加えることができる。さらに付加的に少なくとも１つの元素の金属、またはＡｌ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｃの金属の金属ハロゲン化物が第２のグループに加えられる。これは全体の４０ｍｏｌ％の量まで添加される。
【００１２】
さらに付加的にＳｒ、Ｂａ、Ｌｉの金属および／または希土類金属の少なくとも１つの金属ハロゲン化物が第１のグループに添加される。これは全体の３０ｍｏｌ％の量まで添加される。
【００１３】
有利には放電管はセラミクスであり、内部の縦横の最大寸法の典型的な比は最高で３．５である。
【００１４】
有利には内壁表面の寸法は、動作中に内壁の負荷が１０Ｗ／ｃｍ²〜６０Ｗ／ｃｍ²となるように選定される。
【００１５】
Ｈｇフリーの封入物は主としてＮａの少ない封入物（有利には沸点＞１０００℃の封入物成分で多くとも５ｍｏｌ％）である。この封入物の組成は、少なくともＤｙハロゲン化物およびＣａハロゲン化物が沸点＞１０００℃の封入物質成分として含まれ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｚｒから選択された少なくとも１つの金属ハロゲン化物ＭＨが＜１０００℃の封入物質成分として含まれるように選定されている。
【００１６】
特に比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨ＞２である（特にこの値が＞４である）場合、別の金属ハロゲン化物を封入物に添加すると有利である。有利にはこの別の金属は次に述べるランタノイドであり、２５ｍｏｌ％までの量である。これにより、ＣａＪ₂の成分に起因する赤色のスペクトル領域における突出部を較正することができる。
【００１７】
第１のグループの放電管内の全封入量はＣａＸ₂＋ＤｙＸ₃＝５μｍｏｌ／ｃｍ³〜１００μｍｏｌ／ｃｍ³の値である（ＸはＪ、Ｂｒ、Ｃｌから選択された任意のハロゲン化物である）。さらに第２のグループ、すなわち金属Ｉｎ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｚｒの当該の金属ハロゲン化物ＭｅＸ_nの全封入量は全体でＭｅＸ_n＝１μｍｏｌ／ｃｍ³〜５０μｍｏｌ／ｃｍ³の値となる。この値が小さく選定されている場合には、電圧グラジエントは５０Ｖ／ｃｍ以下となり、これは実際には使用できない。
【００１８】
有利にはＴｌ‐ＭＨへの添加物はＴｌＸ＝５μｍｏｌ／ｃｍ³〜３０μｍｏｌ／ｃｍ³の範囲に存在する。最適な量は他の構成成分に依存して選択され、これによりプランク特性曲線からの偏差を最小にすることができる。
【００１９】
光源のスペクトル放射はウォームホワイトのスペクトル領域で２７００Ｋ〜３５００Ｋであり、一般の演色評価数は有利にはＲａ＞９０であり、ここで飽和赤の赤色の演色評価数はＲ９＞６０である。
【００２０】
本発明の特に考察に値する特徴は、演色評価数の際だった恒常性がランプをランプ出力の約５０％まで調光した場合にも維持される点である。従来の封入物は調光には適していない。これはＣａ（および場合によりＣｓ）が蒸気相において分子の形成（錯体の形成）により濃度が高くなる可能性と関連して、ＤｙとＣａとの混合物を正確に計量することによっている。この機構は水銀を含まない封入物で特に効率的である。これによりスペクトル放射分布と出力との独立関係はスペクトル可視領域で、印加された調光能力に相応して達成される。
【００２１】
ランプの封入物は沸点＞１０００℃、所定のｍｏｌ％濃度、有利には１０％〜５０％の濃度の封入物質の封入物成分でＣｓハロゲン化物を含んでいる。ここでＣｓＸの全体量は典型的には５μｍｏｌ／ｃｍ³〜４０μｍｏｌ／ｃｍ³である。なぜならＣｓＸはアークの安定性を改善し、光効率を上昇させるからである。
【００２２】
さらにランプの封入物は沸点＜１０００℃の少なくとも１つの金属ハロゲン化物を含むことができる。この金属はＡｌ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｃのグループから成る。これらの物質は正確な電圧調整のために混合される。複数の物質がスペクトル放射の分布への作用にも適している。
【００２３】
別の実施形態では、ランプの封入物は付加的に少なくとも１つの元素金属を含んでおり、この元素金属はＴｌ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｃのグループから成る。封入量は０．５μｍｏｌ／ｃｍ³〜５０μｍｏｌ／ｃｍ³の範囲である。これらの物質は電気的な特性を改善するために混合され、例えば再点弧時のピークを低減するために用いられる。
【００２４】
Ｎａハロゲン化物の最適な量は封入成分の封入量の３０ｍｏｌ％まで含むことができ、このＮａハロゲン化物は沸点＞１０００℃である。確かにＮａＪは典型的には調光特性または演色評価数の恒常性を劣化させるが、光効率を上昇させるために混合してもよい。
【００２５】
別の有利な実施形態では、沸点＞１０００℃の封入成分にランタノイドおよびＳｒ、Ｂａ、Ｌｉのグループから選択された少なくとも１つのハロゲン化物が典型的には３５ｍｏｌ％までのモル濃度で含まれている。これらの物質はスペクトル分布を可視のスペクトル領域で最適化するために混合される。例えばＳｒ、Ｂａ、Ｌｉは赤色のスペクトル領域での放射を更に改善するために、またランタノイドは青色および緑色のスペクトル領域での放射を改善するために混合される。
【００２６】
有利にはイオン化可能な封入物は少なくとも１つの希ガス（Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ）から成り、冷間封入圧１００ｍｂａｒ〜１００００ｍｂａｒで存在している。典型的には５００ｍｂａｒ以上の冷間封入圧でＡｒでは特に長い寿命が得られる。１００ｍｂａｒ以下では強い電極負荷がランプの始動フェーズ中に発生し、これによりメンテナンス特性が劣化する。
【００２７】
【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。
【００２８】
図１には概略的に出力７０Ｗのメタルハライドランプが示されている。このランプはシリンダ形のクォーツガラスから成る外管から形成されており、この外管はランプ軸線を規定し、両側をベースによって封止され（２、３）ている。Ａｌ₂Ｏ₃セラミクスから成る軸方向に配置された放電管４は楕円体をなしており、中央部５に膨らみをつけられ、２つのシリンダ形の端部６ａ、６ｂを有している。またこの放電管は細長い細管を栓として有するシリンダ形状であってもよい。放電管は２つの電流供給線７によって外管１に支承されており、電流供給線はシート８を介してベース部３に接続されている。電流供給線７は導入線９、１０に溶接されており、これらの導入線はそれぞれ放電管の端部で端部栓１１にはめ込まれている。
【００２９】
導入線９、１０は例えばモリブデンピンである。２つの導入線９、１０は両側の栓１１の個所で突出しており、放電側で電極１４を支承している。この電極はタングステンから成る電極シャフトと、放電側の端部に乗せられた螺旋体１６とから形成されている。導入線９、１０はそれぞれ電極シャフト１５および外部の電流供給線７とに突き合わせ溶接されている。
【００３０】
端部栓１１は主としてそれ自体では周知のサーメット、すなわちセラミクス成分Ａｌ₂０₃および金属成分のタングステンまたはモリブデンから成る。
【００３１】
第２の端部６ｂにはさらに栓１１に軸と平行な孔１２が設けられており、この孔は放電管の排気および封入のために周知の手段で用いられる。孔１２は封入後にピン１３を用いて閉鎖される。ただし基本的にはセラミクス放電管の周知の別の構造、および別の溶接技術を選択することができる。
【００３２】
放電管の封入物は不活性の点弧ガス／緩衝ガスと種々の金属ハロゲン化物の添加物とから成っている。緩衝ガスはここでは２５０ｍｂａｒの冷間封入圧のアルゴンである。
【００３３】
本発明の封入物の３つの実施例が表１に示されている。右側の２つの列には金属ハロゲン化物の沸点が示されている。いずれの場合にも楕円体形状に成形されたセラミクスの放電管は０．３２ｃｍ³の内部容量、２．３５ｃｍ²の内部表面積、および９ｍｍのアーク長さを有している。
【００３４】
燃焼電圧は第１の実施例では約６０Ｖである。モル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨはここでは６０：１５＝４．０である。これにより７０ＷのＷＤＬメタルハライドランプを実現することができ、その放射スペクトルはＣａＪ₂の帯域のものが優勢である（図２を参照）。このランプは６２６ｎｍ〜６４２ｎｍの赤色のスペクトル領域にある。
【００３５】
【表１】

【００３６】
図３に示されているように、光効率は５０ｌｍ／Ｗである。演色評価数ＲａおよびＲ９の値は１００に僅かに足りない程度である。これらのきわめて良好な値は全出力を５０％までにカットする調光から独立している。これは調光パラメータとして内壁負荷が２０Ｗ／ｃｍ²、３０Ｗ／ｃｍ²、４０Ｗ／ｃｍ²の間で（５０％、７５％、１００％の調光度に相応して）変化する図２、図３からわかる。したがってランプは白熱電球に置換されるのにきわめて良好に適している。色温度Ｔｎは調光によって緩やかに３４００Ｋ〜２９５０Ｋの間で制御される。調光される際の色座標ｘ、ｙの変化は迅速かつ正確にプランク曲線に沿って追従される（図４を参照）。ここでＴｌＪの添加物の正確な量が重要である。この結果は特に従来の封入物と比べて特に有利である。
【００３７】
図５にスペクトルが示されている第２の実施例では、燃焼電圧は８０Ｖである。モル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨ＝２９：３９＝０．７４である。Ｒ９の評価数は図６によれば６０〜８５の範囲で調光度に応じて変化し、Ｒａは常に９０以上である。色温度は５０％〜１００％で迅速に調光される場合ほぼ３１００Ｋで一定である。Ｒ９の値は５０％程度までの低い調光度では（２０ｗ／ｃｍ²の壁負荷に相応して）ほぼ５０であるが、可能な出力の１００％までの高い調光度では（典型的に３２Ｗ／ｃｍ²の壁負荷で）７５〜８０である。色座標ｘ、ｙは図７に示されている。
【００３８】
図８にスペクトルが示されている第３の実施例では、燃焼電圧は７３Ｖである。モル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨは３０：４５＝０．６７である。電圧の適合化のためにＩｎＪおよびＨｆＢｒ₄から成る混合物が使用されている。調光の際にもきわめて安定した特性が示されている（図９を参照）。すなわち全ての色評価数（Ｒａ、Ｒ９）がほぼ一定の特性を示しており、調光度には依存しない。赤の値Ｒ９は明らかに７０以上であり、Ｒａは約９５である。色座標ｘ、ｙは調光の際にも約３０００Ｋの一定の色温度にある（図１０を参照）。
【００３９】
全ての実施例で、楕円体の放電管に対して内部の縦横寸法の比は約１．７である。内部の軸線の長さは前述の楕円体の全体の長さを（図１に点線で示されている個所を含めて）考えると１２ｍｍであり、円形の膨らみをつけられた放電管内部のランプ軸線に対して横方向の最大径は７ｍｍである。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミクスの放電管を有するメタルハライドランプを示す図である。
【図２】第１の実施例のメタルハライドランプのスペクトル図である。
【図３】第１の実施例のＲａ、Ｒ９および色温度を調光度に依存して示した図である。
【図４】第１の実施例の調光度の関数としての色座標を示した図である。
【図５】第２の実施例のメタルハライドランプのスペクトル図である。
【図６】第２の実施例のＲａ、Ｒ９および色温度を調光度に依存して示した図である。
【図７】第２の実施例の調光度の関数としての色座標を示した図である。
【図８】第３の実施例のメタルハライドランプのスペクトル図である。
【図９】第３の実施例のＲａ、Ｒ９および色温度を調光度に依存して示した図である。
【図１０】第３の実施例の調光度の関数としての色座標を示した図である。
【符号の説明】
１ 外管
２ 封止部
３ ベース部
４ 放電管
５ 中央部
６ａ、６ｂ 端部
７ 電流供給線
８ シート
９、１０ 導入線
１１ 端部線
１２ 孔
１３ ピン
１４ 電極
１５ 電極シャフト
１６ 螺旋体

Claims (11)

1. ウォームホワイトの光色と高い演色評価数（Ｒａ）とを有しており、
   内部に電極が真空密に挿入された放電管を有しており、イオン化可能な封入物を該放電管内に有している、
   水銀を含まないメタルハライドランプにおいて、
   封入物は、緩衝ガスとして作用する希ガスと、第１のグループの金属ハロゲン化物（ＭＨ）と、第２のグループの金属ハロゲン化物との成分を有しており、
   前記第１のグループの金属ハロゲン化物の沸点は１０００℃以上であり、該第１のグループは金属として少なくともＤｙおよびＣａを同時に使用しており、２つの金属ハロゲン化物のモル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨは０．１〜１０であり、
   前記第２のグループの金属ハロゲン化物の沸点は１０００℃より低く、該第２のグループは金属としてＩｎ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｚｒのうち少なくとも１つの元素を有しており、
   前記第１のグループの金属ハロゲン化物の全封入量は５μｍｏｌ／ｃｍ³〜１００μｍｏｌ／ｃｍ³であり、
   前記第２のグループの金属ハロゲン化物の全封入量は１μｍｏｌ／ｃｍ³〜５０μｍｏｌ／ｃｍ³であり、
   色温度は２７００Ｋ〜３５００Ｋであり、
   一般的な演色評価数は少なくともＲａ＝９０であり、同時に赤色の演色評価数は少なくともＲ９＝６０である、
   ことを特徴とする水銀を含まないメタルハライドランプ。
2. ２つの金属ハロゲン化物のモル比Ｃａ‐ＭＨ：Ｄｙ‐ＭＨは０．２〜５である、請求項１記載のランプ。
3. 前記第２のグループは付加的にＴｌの金属ハロゲン化物を３０μｍｏｌ／ｃｍ³までの量、有利には５μｍｏｌ／ｃｍ³〜２５μｍｏｌ／ｃｍ³の量で有している、請求項１記載のランプ。
4. 前記第１のグループはＮａの金属ハロゲン化物を全体量の３０ｍｏｌ％までの量、有利には多くとも５ｍｏｌ％までの量で有している、請求項１記載のランプ。
5. 前記第１のグループは付加的にＣｓの金属ハロゲン化物を４０μｍｏｌ／ｃｍ ^３ までの量、有利には５μｍｏｌ／ｃｍ^３〜３０μｍｏｌ／ｃｍ^３の量で有している、請求項１記載のランプ。
6. 希ガスの冷間封入圧は１００ｍｂａｒ〜１００００ｍｂａｒである、請求項１記載のランプ。
7. 前記第２のグループの成分は付加的に金属として３０ｍｏｌ％までの量で添加される、請求項１記載のランプ。
8. 付加的にＡｌ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｃの金属のうち少なくとも１つの金属ハロゲン化物が前記第２のグループに全体で４０ｍｏｌ％までの量で添加される、請求項１記載のランプ。
9. 付加的にＳｒ、Ｂａ、Ｌｉの金属および／または希土類金属のうち少なくとも１つの金属ハロゲン化物が前記第１のグループに全体で３０ｍｏｌ％までの量で添加される、請求項１記載のランプ。
10. セラミクスから成る放電管は最高で３．５の内部の縦横最大寸法の比を有する、請求項１記載のランプ。
11. 放電管の内壁表面は壁負荷が１０Ｗ／ｃｍ²〜６０Ｗ／ｃｍ²となるように設計されている、請求項１記載のランプ。

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