JP4618793B2 - 放電バルブ用水銀フリーアークチューブ - Google Patents

Description

本願発明は、車両用前照灯等の光源に用いられる放電バルブの主要部を構成するアークチューブに係り、特にアークチューブの放電発光部である密閉ガラス球内に水銀を含まない放電バルブ用水銀フリーアークチューブに関する。

従来より、車両用前照灯等の光源に用いられる放電バルブにおいては、例えば特開平６−２０６４５号公報に記載されているように、電極が対設された放電発光部である密閉ガラス球を有するアークチューブ本体と、該アークチューブ本体に封着一体化されて密閉ガラス球を包囲する円筒形状のシュラウドガラス管とを備えた構成となっており、この密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内には、空気（あるいは窒素）が封入（充填）されている。

また、一般に、放電バルブにおいては、上記公報にも記載されているように、発光効率を高めるため、アークチューブ本体の密閉ガラス球内には不活性ガスおよび金属ハロゲン化物とともに水銀が封入されるが、近年では、環境有害物質である水銀の使用を削減しようとする社会的ニーズが高まり、密閉ガラス球内に水銀を封入しない、いわゆる水銀フリーアークチューブの開発が盛んに行われている。

そして、水銀フリーアークチューブでは、他の金属と比較して低い温度でも高い蒸気圧が得られて、電極間に生成されるアークの周囲で管壁との熱的な緩衝材として作用する水銀が存在しないため（水銀の熱的緩衝作用がないので）、管壁の温度が高くなってしまう。このため、放電発光部である密閉ガラス球の熱が密閉ガラス球を取り囲む空気（あるいは窒素）を介してシュラウドガラス管へ伝達されてしまい、その分だけ熱損失が大きく、アークチューブの発光効率が低下してしまう、という問題があった。

また、放電発光部である密閉ガラス球からの熱伝達によってシュラウドガラス管の表面温度が上昇するため、灯具内のシリコンガス等がシュラウドガラス管の表面に付着して白化してしまう、という問題もあった。

そこで、下記特許文献１に示すように、密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内に相対的に空気よりも熱伝導率の低いＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅのいずれかを５０％以上含むガスを封入し、シュラウドガラス管によって形成される密閉ガラス球周りの断熱空間における熱伝導率を大幅に低下させることで、前記した問題（アーク光源の発光効率の低下とシュラウドガラス管の白化）を改善するという提案がされている。
特開２００４−６３１５８

しかし、前記した特許文献１では、密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内の断熱空間における熱伝導率が低下し、アークチューブの発光効率の低下とシュラウドガラス管の白化という問題は解消されるものの、密閉ガラス球を包囲する断熱空間における熱伝導率が低下が著しいために、密閉ガラス球内の温度が上昇しすぎて、内壁の失透に伴うフリッカー（アークのちらつき）が発生し、アークチューブの寿命が短くなる、働程性能が低下する等の新たな問題が生じた。

そこで、発明者は、密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内に封入する不活性ガス（以下、封入不活性ガスという）の熱伝導率を下げすぎることのない適正値に調整しようと考えた。

即ち、不活性ガスの種類毎に熱伝導率が相違することは勿論、密閉ガラス球内に封入する始動用希ガスの封入圧や金属ハロゲン化物の封入量もアークチューブの光束値や寿命に影響を与えることから、封入不活性ガスの熱伝導率の調整は容易ではない。しかし、相対的に熱伝導率が低い第１の不活性ガスと相対的に熱伝導率が高い第２の不活性ガスとを混合して封入不活性ガスの熱伝導率を調整するようにすれば、単一の不活性ガスを空気または窒素に混合して熱伝導率を調整する場合等に比べて調整が容易であると考えた。

そして、密閉ガラス球内に封入する始動用希ガスの封入圧や金属ハロゲン化物の封入量を変えるとともに、前記した第１の不活性ガスと第２の不活性ガスとを混合して予め熱伝導率を種々の値に調整した混合ガス（封入不活性ガス）をシュラウドガラス管内にそれぞれ封入した水銀フリーアークチューブを用いて、熱伝導率に対するアークチューブの初期光束値および寿命時間の特性を検証したところ、封入不活性ガスの熱伝導率とアークチューブの初期光束値および寿命時間に一定の相関関係（図３〜６参照）があって、アークチューブの初期光束値および寿命時間の双方に対し有効となる封入不活性ガスの動作時（アークチューブ点灯時）の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を、密閉ガラス球内に封入する始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧）および金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）から特定することができた。即ち、シュラウドガラス管内に封入する混合ガス（封入不活性ガス）の熱伝導率を、所定の条件式（図７参照）を満足するように調整することで、実用に適したアークチューブの初期光束値および寿命時間が得られるということが確認されたので、この度の出願に至ったものである。

本願発明は、前記した従来技術の問題点および発明者の前記した知見に基づきなされたもので、その目的は、密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内に封入する不活性ガスの熱伝導率を密閉ガラス球内に封入する始動用希ガスの封入圧および金属ハロゲン化物の封入量に基づき所定の値に調整することで、初特性および働程特性の双方に優れた水銀フリーアークチューブを提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る放電バルブ用水銀フリーアークチューブにおいては、電極が対設され始動用希ガスとともに金属ハロゲン化物が封入された放電発光部である密閉ガラス球を有する水銀フリーアークチューブ本体と、前記アークチューブ本体に封着一体化されて前記密閉ガラス球を包囲する円筒形状のシュラウドガラス管とを備え、前記密閉ガラス球を包囲する前記シュラウドガラス管内に不活性ガスが封入された放電バルブ用水銀フリーアークチューブにおいて、
前記シュラウドガラス管内に、相対的に熱伝導率が低いＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅのいずれかの第１の不活性ガスと、相対的に動作時の熱伝導率が高いＨｅ，Ｎｅのいずれかの第２の不活性ガスとを混合して、その動作時の熱伝導率λを、密閉ガラス球に封入する始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧）および金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）に対し、２３５０ルーメン以上の光束と２５００時間以上の寿命となるように、
（Ｘ＋０．４２Ｍ−１２）／１６０≦λ≦（Ｘ＋０．３２Ｍ−６．５）／１４４に調整した混合ガスを封入するように構成した。

（作用） 密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内には、密閉ガラス球の熱のシュラウドガラス管への伝達を抑制する、熱伝導率が所望の値に調整された不活性ガスが封入されている。但し、密閉ガラス球内の始動用希ガスの封入圧Ｘは１０〜１５気圧で、金属ハロゲン化物の封入量Ｍは１０〜２０ｍｇ／ｍｌの範囲に限る。始動用希ガスの封入圧が１０気圧未満の場合は、前照灯用の光源として必要な初期光束が得られず、始動用希ガスの封入圧が１５気圧を超える場合は、点灯時に密閉ガラス球にクラックが生じるおそれがあるため、実用に供し得る始動用希ガスの封入圧Ｘとしては１０〜１５気圧であるためである。

そして、発明者の考察によれば、図３〜図６に示すように、シュラウドガラス管内に封入する不活性ガスの熱伝導率とアークチューブの寿命（光束）とは、略正比例（反比例）の相関関係があり、一方、密閉ガラス球に封入する金属ハロゲン化物の封入量とアークチューブの寿命（光束）とは、略反比例（正比例）の相関関係があることが確認された。そして、前記した相関関係において、自動車前照灯用アークチューブの光束および寿命として必要とされる２３５０ルーメンおよび２５００時間を、許容限界（下限）として設定すると、図７に示すように、シュラウドガラス管内に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、密閉ガラス球内の始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧），金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）に対して、（Ｘ＋０．４２Ｍ−１２）／１６０≦λ≦（Ｘ＋０．３２Ｍ−６．５）／１４４という条件式を満足する値となることがわかった。即ち、シュラウドガラス管内に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を前記した条件式を満足するように調整することで、水銀フリーアークチューブは、２３５０ルーメン以上の光束と２５００時間以上の寿命の双方が保証されるのである。

密閉ガラス球を包囲する不活性ガス（熱伝導率が前記条件式に基づく所定値に調整された断熱層）の具体的作用としては、次の二つの作用がある。第１の作用としては、放電発光部である密閉ガラス球からシュラウドガラス管への熱伝達を抑制し、熱損失が過大となってアークチューブの発光効率が低下してしまうのを抑制するとともに、シュラウドガラス管の表面温度が上昇しすぎて表面が白化してしまうのを抑制するという作用（特許文献１に示す作用と同様の作用）である。

第２の作用としては、放電発光部である密閉ガラス球からシュラウドガラス管への適度の熱伝達およびシュラウドガラス管を介した適度の放熱を促進（許容）することで、密閉ガラス球内の温度の過度の上昇に伴うフリッカーの発生を抑制するという作用である。

そして、シュラウドガラス管内に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を前記条件式に基づく所定値に調整するに際し、相対的に熱伝導率が低い第１の不活性ガスと相対的に熱伝導率が高い第２の不活性ガスとを混合してその熱伝導率を調整するように構成されているが、このこと（第１の不活性ガスと第２の不活性ガスとを混合してその熱伝導率を調整すること）は、単一の不活性ガスを空気または窒素に混合して熱伝導率を調整する場合、相対的に熱伝導率が低い複数種の不活性ガス同士を混合して熱伝導率を調整する場合、相対的に熱伝導率が高い複数種の不活性ガス同士を混合して熱伝導率を調整する場合のいずれの場合と比べても、混合ガスの熱伝導率を所望の熱伝導率に正確に調整することが容易である。

請求項２に係る放電バルブにおいては、請求項１に記載の水銀フリーアークチューブと、前記水銀フリーアークチューブを固定保持する絶縁プラグユニットとを備えた放電バルブであって、前記密閉ガラス球下方のシュラウドガラス管との微少隙間δ１と前記密閉ガラス球上方のシュラウドガラス管との微少隙間δ２をδ１≧δ２に構成するようにした。
（作用）シュラウドガラス管は、規格（ＥＣＥＲ９９）で外径の最大値が定められていることに加え、強度を確保するためにはある程度ガラスの肉厚も必要となるため内径を大きくできない。一方、高温となる密閉ガラス球では、耐久性を確保するため、外径を大きくする必要がある。このため現在製造されている密閉ガラス球とシュラウドガラス管との隙間は１ｍｍ以下に設定されている。

そして、シュラウドガラス管の中心軸と電極間放電軸（以下、放電軸という）とが一致する形態を前提として水銀フリーアークチューブは製造されるが、アークチューブの製造工程において、シュラウドガラス管の中心軸と放電軸とは正確に一致するとは限らず、ずれてしまう（密閉ガラス球周りの隙間が周方向に均一ではない）場合がある。そして、シュラウドガラス管の中心軸と放電軸とがずれているアークチューブを絶縁プラグユニットに組み付けて放電バルブを構成し、シュラウドガラス管の中心軸の下方に放電軸がずれている場合（シュラウドガラス管の中心軸に対し密閉ガラス球の中心が下方にずれて、密閉ガラス球下方のシュラウドガラス管との微少隙間δ１が密閉ガラス球上方のシュラウドガラス管との微少隙間δ２より小さい場合）には、アークチューブの光束が低下するという問題がある。これは、密閉ガラス球上方の厚い断熱空間（微少隙間δ２）では密閉ガラス球からシュラウドガラス管への熱伝達が抑制されるのに対し、密閉ガラス球下方の薄い断熱空間（微少隙間δ１）では熱伝達が促進されて、シュラウドガラス管下部領域からの放熱が促進されるため、密閉ガラス球内の最冷点温度が下がり蒸気圧が下がることで光束が低下する、と考えられる。

然るに、密閉ガラス球下方のシュラウドガラス管との微少隙間δ１が密閉ガラス球上方のシュラウドガラス管との微少隙間δ２以上の大きさをもつ（δ１≧δ２）請求項２では、前記したδ１＜δ２の場合に比べて、密閉ガラス球下方の厚い断熱空間（微少隙間δ１）における熱伝達が抑制されて、シュラウドガラス管下部領域からの放熱が抑制されるため、密閉ガラス球内の最冷点温度が上がり蒸気圧が上がることで光束が上がる、と考えられる。

なお、電極間に生成されるアークは上方凸に湾曲するため、より高温となる密閉ガラス球上方側ほど熱膨張が大きく、密閉ガラス球に水銀が封入されている水銀入りアークチューブでは、低い温度でも密閉ガラス球内が高い蒸気圧となることから、δ１＞δ２の場合には、膨らんだ密閉ガラス球上部がシュラウドガラス管と干渉して破裂するおそれがあるが、水銀フリーアークチューブの密閉ガラス球内の圧力は、水銀入りアークチューブの密閉ガラス球内の圧力の約半分にしかならないので、たとえδ１＞δ２であっても、密閉ガラス球上部がシュラウドガラス管と干渉して破裂するおそれはない。

請求項１に係る水銀フリーアークチューブによれば、密閉ガラス球を包囲するシュラウドガラス管内に封入された不活性ガスの熱伝導率が、密閉ガラス球内の始動用希ガスの封入圧および金属ハロゲン化物の封入量に基づいて、所望の光束および寿命を確保できる適正値に設定されているので、初特性および働程特性の双方に優れた水銀フリーアークチューブが得られる。

特に、シュラウドガラス管内に封入する不活性ガスの熱伝導率の正確な調整が容易にできるので、初特性および働程特性の双方に優れた水銀フリーアークチューブを安価に提供できる。

請求項２に係る放電バルブによれば、シュラウドガラス管下部領域からの放熱が抑制されて密閉ガラス球内の最冷点温度が上昇するため、光束のアップした水銀フリーアークチューブを備えた放電バルブを提供できる。

以下、図面を用いて、本願発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明する。

図１および図２は、本願発明に係る放電バルブの一実施例を示し、図１は放電バルブの縦断面図、図２は同放電バルブの要部であるアークチューブの一部拡大縦断面図（図１における符号Ａで示す部分の拡大図である。

図１，２において、放電バルブ１０は車両用前照灯に装着される光源バルブであって、前後方向に延びるアークチューブ１２と、このアークチューブ１２の後端部を固定支持する絶縁プラグユニット１４とを備えて構成されている。符号１５は、アークチューブ１２の後端側外周を絶縁プラグユニット１４に固定保持する金属製の固定保持部材である。

アークチューブ１２は、アークチューブ本体２０と、このアークチューブ本体２０を筒状（円筒状）に包囲するシュラウドガラス管１８とが一体的に形成されている。アークチューブ本体２０は、細長円筒形の石英ガラス管を加工して前後１対の電極アッシー２２Ａ、２２Ｂを埋設一体化した構造で、アークチューブ本体２０の長手方向略中央部には電極２６Ａ、２６Ｂが対設された放電発光部である密閉ガラス球２０ａが形成され、その前後両側にはピンチシール部２０ｂ１、２０ｂ２が形成されている。

各電極アッシー２２Ａ、２２Ｂは、タングステン製の棒状電極２６Ａ、２６Ｂとモリブデン製のリード線２８Ａ、２８Ｂとがモリブデン製の金属箔３０Ａ、３０Ｂを介して連結固定されてなり、各ピンチシール部２０ｂ１、２０ｂ２においてピンチシールされている。その際、各金属箔３０Ａ、３０Ｂはすべてピンチシール部２０ｂ１、２０ｂ２内に埋設されているが、各棒状電極２６Ａ、２６Ｂは、その先端部が前後両側から互いに対向するようにして密閉ガラス球２０ａ内に突出している。そしてこれにより、放電バルブ１０を点灯したとき、両棒状電極２６Ａ、２６Ｂの先端部間に上方凸に湾曲するアーク３２が生成される。

また、本実施例に係る放電バルブ１０は、水銀フリーの放電バルブとして構成されている。

すなわち、密閉ガラス球２０ａ内には、始動用希ガスである不活性ガスと金属ハロゲン化物とが封入されているが、水銀は封入されていない。

その際、始動用希ガスである不活性ガスは、両棒状電極２６Ａ、２６Ｂの先端部間における放電の発生を容易化すること等を目的として封入されており、本実施例ではキセノンガス（Ｘｅ）が用いられている。また、金属ハロゲン化物は、発光効率および演色性を高めるために封入されており、本実施例ではヨウ化ナトリウムおよびヨウ化スカンジウムが用いられている。

なお、水銀は棒状電極２６Ａ（あるいは２６Ｂ）への電子の衝突量を減少させて棒状電極２６Ａ（あるいは２６Ｂ）の損傷を緩和する緩衝機能を有しているが、水銀フリーとすることにより、この機能が得られなくなってしまう。そこで本実施例においては、上記緩衝機能を果たす水銀代替物質として、緩衝用金属ハロゲン化物が封入されている。この緩衝用金属ハロゲン化物としては、例えば、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｃｓ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｔｂ、Ｚｎ等のハロゲン化物のうち１種類または複数種類を用いることができる。なお、緩衝用金属ハロゲン化物の封入量は、ヨウ化ナトリウムおよびヨウ化スカンジウムの封入量に比べると僅かである。

アークチューブ１２におけるアークチューブ本体２０の密閉ガラス球２０ａを包囲するシュラウドガラス管１８内には、断熱空間を形成する不活性が封入（充填）されている。この不活性ガスの封入圧力（充填圧力）は、０．２〜０．９気圧（例えば０．５気圧程度）の負圧に設定されている。

シュラウドガラス管１８のアークチューブ本体２０に対する封着は、シュラウドガラス管１８の後端部１８ｂをアークチューブ本体２０に溶着した後、シュラウドガラス管１８内に不活性ガスを充填し、その後、シュラウドガラス管１８の前端部１８ａをアークチューブ本体２０に溶着することにより行われる。その際、シュラウドガラス管１８の前端部１８ａにおけるアークチューブ本体２０への溶着は、シュリンクシールによって行われる。

また、アークチューブ本体２０の密閉ガラス球２０ａを包囲するシュラウドガラス管１８内の不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、密閉ガラス球２０ａ内に封入される始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧），金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）に対し、
（Ｘ＋０．４２Ｍ−１２）／１６０≦λ≦（Ｘ＋０．３２Ｍ−６．５）／１４４なる条件式（但し、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧Ｘは１０〜１５気圧で、金属ハロゲン化物の封入量Ｍは１０〜２０ｍｇ／ｍｌの範囲に限る。）を満足するように調整されており、これによって、アークチューブ１２には２３５０ルーメン以上の光束が得られるとともに、２５００時間以上の寿命が保証されている。

即ち、図３〜図６に示すように、シュラウドガラス管１８内に封入する不活性ガスの熱伝導率とアークチューブ１２の寿命（光束）とは、略正比例（反比例）の相関関係があり、一方、密閉ガラス球２０ａに封入する金属ハロゲン化物の封入量とアークチューブ１２の寿命（光束）とは、略反比例（正比例）の相関関係があることが確認された。そして、前記した相関関係において、自動車前照灯用水銀フリーアークチューブ１２の光束および寿命として必要とされる２３５０ルーメンおよび２５００時間を、許容限界（下限）として設定すると、図７に示すように、シュラウドガラス管１８内に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、密閉ガラス球内の始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧），金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）に対して、（Ｘ＋０．４２Ｍ−１２）／１６０≦λ≦（Ｘ＋０．３２Ｍ−６．５）／１４４という条件式を満足する値となることがわかった。即ち、シュラウドガラス管１８内に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を前記した条件式を満足するように調整することで、水銀フリーアークチューブ１２は、２３５０ルーメン以上の光束と２５００時間以上の寿命の双方が保証されるのである。

具体的には、密閉ガラス球２０ａに封入する始動用希ガスの封入圧や金属ハロゲン化物の封入量を変えるとともに、相対的に熱伝導率が低いＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅのうちのいずれかの第１の不活性ガスと、相対的に熱伝導率が高いＨｅ，Ｎｅのうちのずれかの第２の不活性ガスとを混合して、予め熱伝導率を種々の値に調整した混合ガス（封入不活性ガス）をシュラウドガラス管１８内にそれぞれ封入した水銀フリーアークチューブ１２を用いて、混合ガス（封入不活性ガス）の熱伝導率に対するアークチューブ１２の初期光束値および寿命時間の特性を考察し検証した実験結果が図３〜図７に示されている。

図３，４には、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量が２０ｍｇ／ｍｌで、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧をそれぞれ１０気圧，１２．５気圧，１５気圧にした場合に、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率に対してアークチューブ１２の寿命や光束がどのように変化するかが示されている。そして、図３および図４（ａ）から、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率とアークチューブ１２の寿命とは略正比例し、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧が低い（高い）ほど、寿命が長い（短い）ことがわかる。また、図３および図４（ｂ）から、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率とアークチューブ１２の光束とは略反比例し、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧が高い（低い）ほど、光束が大きい（小さい）ことがわかる。

図５，６には、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量が１０ｍｇ／ｍｌで、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧をそれぞれ１０気圧、１２．５気圧、１５気圧にした場合に、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率に対してアークチューブ１２の寿命や光束がどのように変化するかが示されている。そして、図５および図６（ａ）から、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率とアークチューブ１２の寿命とは略正比例し、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧が低い（高い）ほど、寿命が長い（短い）ことがわかる。また、図５および図６（ｂ）から、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率とアークチューブ１２の光束とは略反比例し、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧が高い（低い）ほど、光束が大きい（小さい）ことがわかる。

また、図４，６から、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量が変化（１０ｍｇ／ｍｌと２０ｍｇ／ｍｌ）しても、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率とアークチューブ１２の寿命（光束）が略正比例（反比例）するという特性は変わらないが、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量が多い（少ない）ほど、アークチューブ１２の寿命が短く（長く）なるとともに、光束が大きく（小さく）なることがわかる。さらに、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧が高い（低い）ほど、寿命が短く（長く）なるとともに、光束が大きく（小さく）なることがわかる。

また、図７には、図３〜６に示すデータに対し、アークチューブの光束（寿命）の許容限界（下限）を一般的に知られている２３５０ルーメン（２５００時間）に設定することで、アークチューブの光束（寿命）が２３５０ルーメン（２５００時間）以上となる熱伝導率の範囲が示されている。

即ち、密閉ガラス球内の金属ハロゲン化物の封入量が２０ｍｇ／ｍｌの場合では、熱伝導率と寿命との関係を示す図４（ａ）においてスペック下限（点Ａ，Ｂ，Ｃ）以上の寿命を得るためには、スペック下限（点Ａ，Ｂ，Ｃ）以上の熱伝導率であることが望ましい。また、熱伝導率と光束との関係を示す図４（ｂ）においてスペック下限（点Ｄ，Ｅ，Ｆ）以上の光束を得るためには、スペック下限（点Ｄ，Ｅ，Ｆ）以下の熱伝導率であることが望ましい。そして、図７（ｃ）には、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量が２０ｍｇ／ｍｌの場合に、アークチューブ１２の光束および寿命が適正値となるシュラウドガラス管１８封入不活性ガスの熱伝導率の範囲（ＡＢＣＤＥＦで囲まれた矩形状の領域）が示されている。

同様に、密閉ガラス球内の金属ハロゲン化物の封入量が１０ｍｇ／ｍｌの場合では、熱伝導率と寿命との関係を示す図６（ａ）においてスペック下限（点Ｇ，Ｈ，Ｉ）以上の寿命を得るためには、スペック下限（点Ｇ，Ｈ，Ｉ）以上の熱伝導率であることが望ましい。また、熱伝導率と光束との関係を示す図６（ｂ）においてスペック下限（点Ｊ，Ｋ，Ｌ）以上の光束を得るためには、スペック下限（点Ｊ，Ｋ，Ｌ）以下の熱伝導率であることが望ましい。そして、図７（ｃ）には、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量が１０ｍｇ／ｍｌの場合に、アークチューブ１２の光束および寿命がそれぞれ２３５０ルーメン，２５００時間以上となるシュラウドガラス管１８封入不活性ガスの熱伝導率の範囲（ＧＨＩＪＫＬで囲まれた矩形状の範囲）が示されている。

また、領域ＡＢＣＤＥＦと領域ＧＨＩＪＫＬとは、領域ＡＢＣＤＥＦにおける下限（ＡＢＣ）と領域ＧＨＩＪＫＬにおける上限（ＪＫＬ）が熱伝導率を示す上下方向に連続して重なるため、密閉ガラス球内の金属ハロゲン化物の封入量が１０〜２０ｍｇ／ｍｌの場合において、アークチューブ１２の光束および寿命がそれぞれ２３５０ルーメン，２５００時間以上となるシュラウドガラス管１８封入不活性ガスの熱伝導率の範囲は、図７（ｃ）におけるＧＨＩＤＥＦ領域となる。そして、シュラウドガラス管１８封入不活性ガスの動作時の熱伝導率を特定するこのＧＨＩＤＥＦ領域は、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧をＸ（気圧），金属ハロゲン化物の封入量をＭ（ｍｇ／ｍｌ）として、（Ｘ＋０．４２Ｍ−１２）／１６０≦λ≦（Ｘ＋０．３２Ｍ−６．５）／１４４という条件式で表すことができる。但し、密閉ガラス球２０ａ内の金属ハロゲン化物の封入量についてのデータは、前記したように１０ｍｇ／ｍｌ〜２０ｍｇ／ｍｌに限られる。また、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧Ｘは、１０〜１５気圧に限られる。始動用希ガスの封入圧が１０気圧未満の場合は、前照灯用の光源として必要な初期光束が得られず、始動用希ガスの封入圧が１５気圧を超える場合は、点灯時に密閉ガラス球２０ａにクラックが生じるおそれがあるため、実用に供し得る始動用希ガスの封入圧Ｘとしては１０〜１５気圧であるためである。

このように、アークチューブ１２の光束および寿命が実用上有効な２３５０ルーメン以上，２５００時間以上となるためには、シュラウドガラス管１８封入不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を前記した条件式を満足する値に調整すればよいことから、本実施例では、シュラウドガラス管１８内の封入不活性ガスの熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）が、密閉ガラス球２０ａ内の始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧）と金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）に基づいて、前記した条件式を満足するように調整されている。

そして、密閉ガラス球を包囲する封入不活性ガス（熱伝導率が前記条件式に基づく所定値に調整された断熱層）が、放電発光部である密閉ガラス球２０ａからシュラウドガラス管１８への熱伝達を抑制し、熱損失が過大となってアークチューブ１２の発光効率が低下してしまうのを抑制するとともに、シュラウドガラス管１８の表面温度が上昇しすぎて表面が白化してしまうのを抑制するという第１の作用と、放電発光部である密閉ガラス球２０ａからシュラウドガラス管１８への適度の熱伝達およびシュラウドガラス管１８を介した適度の放熱を促進（許容）することで、密閉ガラス球２０ａ内の温度の過度の上昇に伴うフリッカーの発生を抑制するという第２の作用を営むことで、実用上有効な光束と寿命の双方が保証されている。

また、シュラウドガラス管１８に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）の具体的な調整方法としては、次のようにして行う。

相対的に熱伝導率が低い第１の不活性ガス（Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ）のうちのいずれか一種類のガスと、相対的に熱伝導率が高い第２の不活性ガス（Ｈｅ，Ｎｅ）のうちのいずれか一種類のガスとを、例えば図３に示すように所定の比率で混合して、前記条件式を満たす熱伝導率λに調整した混合ガスを封入不活性ガスとして予め用意しておき、不活性ガス封入工程において、この動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を調整した封入不活性ガスをシュラウドガラス管１８内に封入するようになっている。

このように、本実施例では、シュラウドガラス管１８内に封入する不活性ガスの動作時の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を調整するに際し、相対的に熱伝導率が低い第１の不活性ガスと相対的に熱伝導率が高い第２の不活性ガスとを混合してその熱伝導率を調整するため、少なくとも単一の不活性ガスを空気または窒素に混合して熱伝導率を調整する場合、相対的に熱伝導率が低い複数種の不活性ガス同士を混合して熱伝導率を調整する場合、相対的に熱伝導率が高い複数種の不活性ガス同士を混合して熱伝導率を調整する場合のいずれの場合と比べても、混合ガスの熱伝導率を所望の熱伝導率に正確に調整することが容易である。

また、水銀フリーアークチューブ１２は、密閉ガラス球２０ａ下方のシュラウドガラス管１８との微少隙間δ１と密閉ガラス球２０ａ上方のシュラウドガラス管１８との微少隙間δ２がδ１≧δ２に構成されて、所望の光束が確保されている。

即ち、シュラウドガラス管は、規格（ＥＣＥＲ９９）で外径の最大値が定められていることに加え、強度を確保するためにはある程度ガラスの肉厚も必要となるため、内径を大きくできない。一方、高温となる密閉ガラス球では、耐久性を確保するため、外径を大きくする必要がある。このような観点から、密閉ガラス球２０ａとシュラウドガラス管１８との隙間は、約０．４ｍｍに設定されている。そして、シュラウドガラス管１８の中心軸と放電軸とが一致する形態を前提として水銀フリーアークチューブ１２は製造されるが、アークチューブ１２の製造工程において、シュラウドガラス管１８の中心軸と放電軸とは正確に一致するとは限らず、ずれてしまう（密閉ガラス球２０ａ周りの隙間が周方向に均一ではない）場合がある。そして、シュラウドガラス管１８の中心軸と放電軸とがずれているアークチューブ１２を絶縁プラグユニット１４に組み付けて放電バルブ１２を構成し、シュラウドガラス管１８の中心軸の下方に放電軸がずれている場合（シュラウドガラス管１８の中心軸に対し密閉ガラス球２０ａの中心が下方にずれて、密閉ガラス球２０ａ下方のシュラウドガラス管１８との微少隙間δ１が密閉ガラス球２０ａ上方のシュラウドガラス管１８との微少隙間δ２より小さい場合）には、アークチューブ１２の光束が低下するという問題がある。これは、密閉ガラス球２０ａ上方の厚い断熱空間（微少隙間δ２）では密閉ガラス球２０ａからシュラウドガラス管１８への熱伝達が抑制されるのに対し、密閉ガラス球２０ａ下方の薄い断熱空間（微少隙間δ１）では熱伝達が促進されて、シュラウドガラス管１８下部領域からの放熱が促進されるため、密閉ガラス球２０ａ内の最冷点温度が下がり蒸気圧が下がることで光束が低下する、と考えられる。

然るに、密閉ガラス球２０ａ下方のシュラウドガラス管１８との微少隙間δ１が密閉ガラス球２０ａ上方のシュラウドガラス管１８との微少隙間δ２以上の大きさをもつ（δ１≧δ２）本実施例では、微少隙間δ１＜微少隙間δ２の場合に比べて、密閉ガラス球２０ａ下方の厚い断熱空間（微少隙間δ１）における熱伝達が抑制されて、シュラウドガラス管１８下部領域からの放熱が抑制されるため、密閉ガラス球２０ａ内の最冷点温度が上がり蒸気圧が上がることで光束が上がる、と考えられる。

なお、電極２６Ａ，２６Ｂ間に生成されるアークは上方凸に湾曲するため、より高温となる密閉ガラス球２０ａ上方側ほど熱膨張が大きく、密閉ガラス球に水銀が封入されている水銀入りアークチューブでは、低い温度でも密閉ガラス球内が高い蒸気圧となることから、δ１＞δ２の場合には、膨らんだ密閉ガラス球上部がシュラウドガラス管と干渉して破裂するおそれがあるが、水銀フリーアークチューブ１２の密閉ガラス球２０ａ内の圧力は、水銀入りアークチューブの密閉ガラス球内の圧力の約半分にしかならないので、たとえδ１＞δ２であっても、密閉ガラス球２０ａ上部がシュラウドガラス管１８と干渉して破裂するおそれはない。

前記したように、シュラウドガラス管１８内には、相対的に動作時の熱伝導率が低いＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅのいずれかの第１の不活性ガスと、相対的に動作時の熱伝導率が高いＨｅ，Ｎｅのいずれかの第２の不活性ガスとを混合した混合ガスが封入されているが、シュラウドガラス管１８内の混合ガス（封入不活性ガス）としてＨｅが用いられている場合には、Ｈｅリークディテクタを用いることで、シュラウドガラス管１８からのリークチェック（シュラウドガラス管１８からＨｅが漏れているか否かの検出）が可能である。

また本実施例においては、Ａｒ，Ｋｒ，ＸｅのいずれかとＨｅ，Ｎｅのいずれかとの混合不活性ガスがシュラウドガラス管１８内に充填（封入）されているので、シュラウドガラス管１８内のガスによる補助放電の効果（すなわち、密閉ガラス球２０ａ内での放電開始前に、密閉ガラス球２０ａとシュラウドガラス管１８との間の空間での放電により発生した紫外線による放電電極への光電効果で、放電バルブ１０の起動電圧を低下させることができるという効果）も期待することができる。

本願発明の一実施例である放電バルブの縦断面図である。 同放電バルブの要部であるアークチューブの一部拡大縦断面図（図１における符号Ａで示す部分の拡大図）である。 密閉ガラス球に封入する金属ハロゲン化物が２０ｍｇ／ｍｌでシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率と初期光束および寿命との関係を示す図である。 図３の関係をグラフで示す図で、（ａ）はシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率と寿命との関係を示す図、（ｂ）はシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率と初期光束との関係を示す図である。 密閉ガラス球に封入する金属ハロゲン化物が１０ｍｇ／ｍｌでシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率と初期光束および寿命との関係を示す図である。 は図５の関係をグラフで示す図で、（ａ）はシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率と寿命との関係を示す図、（ｂ）はシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率と初期光束との関係を示す図である。 密閉ガラス球に封入する始動用希ガスである不活性ガス（Ｘｅ）の封入圧および金属ハロゲン化物の封入量に対するシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率の望ましい範囲を示す図で、（ａ）は密閉ガラス球内の金属ハロゲン化物の封入量２０ｍｇ／ｍｌの場合におけるシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率の上限および下限を示す図、（ｂ）は密閉ガラス球内の金属ハロゲン化物の封入量１０ｍｇ／ｍｌの場合におけるシュラウドガラス管内の封入不活性ガスの熱伝導率の上限および下限を示す図、（ｃ）はアークチューブの光束および寿命が実用上の適正値となるシュラウドガラス管内封入不活性ガスの熱伝導率の範囲を示す図である。

符号の説明

１０ 放電バルブ
１２ アークチューブ
１４ 絶縁プラグユニット
１８ シュラウドガラス管
２０ アークチューブ本体
２０ａ 放電発光部である密閉ガラス球
２０ｂ１、２０ｂ２ ピンチシール部
２２Ａ、２２Ｂ 電極アッシー
２６Ａ、２６Ｂ 棒状電極
２８Ａ、２８Ｂ リード線
３０Ａ、３０Ｂ 金属箔

Claims (2)

1. 電極が対設され始動用希ガスとともに金属ハロゲン化物が封入された放電発光部である密閉ガラス球を有する水銀フリーアークチューブ本体と、前記アークチューブ本体に封着一体化されて前記密閉ガラス球を包囲する円筒形状のシュラウドガラス管とを備え、前記密閉ガラス球を包囲する前記シュラウドガラス管内に不活性ガスが封入された放電バルブ用水銀フリーアークチューブにおいて、
   前記シュラウドガラス管内には、相対的に熱伝導率が低いＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅのいずれかの第１の不活性ガスと、相対的に熱伝導率が高いＨｅ，Ｎｅのいずれかの第２の不活性ガスとを混合して、その熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）を、密閉ガラス球に封入する始動用希ガスの封入圧Ｘ（気圧）および金属ハロゲン化物の封入量Ｍ（ｍｇ／ｍｌ）に対し、２３５０ルーメン以上の光束と２５００時間以上の寿命となるように、
   （Ｘ＋０．４２Ｍ−１２）／１６０≦λ≦（Ｘ＋０．３２Ｍ−６．５）／１４４に調整した混合ガスが封入されたことを特徴とする放電バルブ用水銀フリーアークチューブ。但し、密閉ガラス球内の始動用希ガスの封入圧Ｘは１０〜１５気圧で、金属ハロゲン化物の封入量Ｍは１０〜２０ｍｇ／ｍｌの範囲に限る。
2. 請求項１に記載の水銀フリーアークチューブと、前記水銀フリーアークチューブを固定保持する絶縁プラグユニットとを備えた放電バルブであって、前記密閉ガラス球下方のシュラウドガラス管との微少隙間δ１と前記密閉ガラス球上方のシュラウドガラス管との微少隙間δ２がδ１≧δ２に構成されたことを特徴とする前照灯用放電バルブ。

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