JPH0584631B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、10トール（Torr）のナトリウム蒸
気圧でナトリウム及び水銀の蒸気中でアーク放電
が起こる種類の高圧ナトリウム蒸気放電灯に係
り、特に放電灯の作動のため必要な蒸気を生ずる
アマルガムの組成を関するものである。 ナトリウム蒸気放電灯の作動特性は、アーク放
電を開始させるため含有させるネオン、アルゴ
ン、キセノンのような希ガス又はそれらの混合物
のほか、蒸気の組成及び圧力によつて主に決定さ
れる。低圧ナトリウム蒸気放電灯は、典型的に、
約20トールの圧力の起動ガスのほか、２〜３ミリ
トールの分圧のナトリウム蒸気を含み、単色の黄
色スペクトル領域に高い発光効率を与える。２：
１又は３：１の水銀に対するナトリウムの原子比
（Na／Ｈｇ）のナトリウム蒸気のほかに水銀を含
む高圧ナトリウム放電灯によつて、はかに広いス
ペクトル発光性つまり光度が得られる。必要とす
る蒸気は、そのような放電灯にナトリウムアマル
ガムを仕込むことによつて確立され、このナトリ
ウムアマルガムの蒸気圧特性が、約１気圧（760
トール）の水銀蒸気の分圧及び少なくとも60トー
ルのナトリウム蒸気の分圧において、放電灯の作
動をもたらす。ここで後者、すなわちナトリウム
蒸気の分圧は通常80トールを越えないものであ
る。しかしながら、このナトリウム放射は、広範
囲の色の帯域をカバーし、その特徴ある紫外スペ
クトル領域において水銀によつて放射される出力
を越える。この水銀蒸気はこの放電灯の作動電圧
を上昇し電流を低減し、それによつて作動効率を
改善する。 高圧ナトリウム蒸気（「HPS」）放電灯の作動
寿命は、商業上の成功のために重要な理由であ
り、400WHPS放電灯の定格寿命は約22000時間
である。この寿命を制限する重要なフアクタすな
わち要因は、この放電灯を継続使用するにつれ
て、この放電灯の作動電圧が上昇することであ
る。これは、大部分、放電灯を点灯する度毎に電
極表面にスパツタリングすることに起因する。そ
のようなスパツタリングは、タングステンのよう
な電極材料は、その上の電子放出被覆とのアーク
放電管壁への輸送をもたらし、このアーク放電管
の端部室の黒化（現象）を引き起こす。これは、
放電管の温度を上昇させ、水銀とその中のナトリ
ウムとの蒸気圧を上昇させる。スパツタリング現
象が、点灯後、作動電圧を定常状態に到達させる
ためにこの放電灯に対して必要とされる時間に依
存するということと、定常状態のさらに急速な達
成が、スパツタリングの減少をもたらしそれ故に
放電灯の長寿命をもたらすこととを出願人は出し
た。 放電灯への種々の補助金属の包含がその放電灯
の作動特性の重要な変化を生むことができること
は知られている。例えば、1971年12月21日に発行
された米国特許第3629641号は、低圧水銀蒸気放
電灯、例えば、螢光灯を開示し、それには、重量
比で３：１〜12：１のインジウムに対する水銀の
比に、インジウム又はインジウムアマルガムを放
電灯の中に組み入れることによつて、発光効率を
温度に依存させないようにする。1972年７月18日
に発行された米国特許第3678315号は、低圧ナト
リウム蒸気放電灯を開示し、それには、トリウム
の原子濃度を越える原子濃度のインジウムの包含
が、放電灯の作動中のナトリウム蒸気圧の温度依
存性を減少させ、それによつて高い電灯電流レベ
ルにおいて作動させる時でも高い発光効率を維持
する。しかしながら、高圧ナトリウム蒸気放電灯
の起動期間の電極スパツタリングの問題は、これ
まで解消されなかつた。 本発明によれば、電灯電圧が安定した作動レベ
ルに徐々に到達する高圧ナトリウム蒸気放電灯の
起動間隔は、作動蒸気の供給源として、ナトリウ
ムと、水銀と、さらに、インジウム、ガリウム及
び錫から成る群から選ばれる金属とから成る３元
アマルガムを放電灯の中に設けることによつて、
短縮される。そのような金属は、水銀の原子割合
（比率）に少なくとも等しいがアマルガム中のナ
トリウムの原子割合（比率）を越えない原子割合
において存在し、かつナトリウムの原子割合が、
水銀の原子割合の少なくとも２倍であるが４倍を
越えない。作動蒸気の供給源がナトリウム及び水
銀の２元アマルガムである先行のHPS放電灯と
比較して、この３元アマルガムの放電灯のさらに
もう１つの利点は、全蒸気圧及びその中の水銀の
分圧が、２元アマルガムを用いた放電灯における
よりも温度依存性が少ないということである。こ
れは、温度による作動電圧の変動を減少し、これ
によつて放電灯電圧を制御するためのパラスト回
路の設計製作を簡単にする。 以下本発明をさらに実施例にて図面を用いて説
明する。 第１図の放電灯は、高温に耐える硼珪酸塩ガラ
スのような、細長い透光性の封止られたガラス外
被１を具える。この外被１は、その底端部に、凹
角のステム３すなわち、再び外被１の中に入いる
ステム３によつて封止られた狭い首部２を具える
ベースアセンブリ−すなわちベースの組立体を有
し、前記ステム３は、押しつぶし４によつて上部
で蓋をかぶせられている。ネジ山を付けられたシ
エル５が、従来の方法において、首部２に取付け
られていて、標準モーガル（mogul）ネジベース
の中央接点６が首部２に対し絶縁されている。１
対の堅い導入導体７，８が、ステム３を通して延
在し、シエル５及び接点６に接続されている。外
被１の内部には、ナトリウム蒸気の強い腐蝕性の
攻撃に耐えることのできる焼結した多結晶アルミ
ナセラミツクから成る細長い高圧蒸気アーク放電
管９が、配置されている。放電管９は、ナトリウ
ム及び水銀の蒸気と、キセノンのような起動ガス
とから成るアークを生成する媒質を圧力下にて含
有する。放電管９の両端部は、指ぬき、すなわち
はめ輪状のニオブ金属の端部キヤツプ１０，１１
によつて密封されていて、これらの端部キヤツプ
１０，１１を通してニオブ管１２，１３に溶接さ
れている。タングステン電極１６，１７が支持さ
れるタングステン線からなるらせん状コイル１
４，１５が、ニオブ管１２及び１３の端部を越え
て放電管９内に延在する部分の周りに巻回されて
いる。電子放射を強めるには、タングステンコイ
ル１４，１５の各コイル間の隙間に金属酸化物を
保持し存続させる。製造中放電管９を排気し、そ
の中にナトリウム及び水銀と、ネオン起動ガスと
の必要な仕込みを導入するため、下部のニオブ管
１３が用いられる。下部のニオブ管１３は、次い
で、溶接点１８によつて密封され、放電灯の作動
中液体プールとして作られる過剰アマルガムのた
めの貯槽として役立つ。 アーク放電管９は、金属枠体１９によつて外被
１内にて支持され、この枠体１９が導入導体８を
上部のニオブ管１２に電気的に接続している。下
部のニオブ管１３は導入導体７に電気的に接続さ
れる。枠体１９と上部のニオブ管１２との間の接
続は、弾力ある編組導体２０によつてなされて、
アーク放電管９の膨脹と収縮とを許す。枠体１９
は、外被１の締め付けられた狭いドーム、すなわ
ち半球形の天井において、弾力ある金属薄片のス
プリング部材２１によつて、支持されている。こ
の放電灯は又、バリウムを容れているゲツターリ
ング２２を含み、このゲツターリング２２は放電
灯の作動中フラツシユ（すなわち、パツと蒸発）
されてアーク放電灯９のための真空作動環境を得
る。 電極１６，１７間のアーク放電の開始は、２〜
3kVの起動電圧パルスを必要とする。これは、キ
セノンガスをイオン化し、電流の流れを開始し、
この電流の流れがアーク放電管９における温度を
上昇させ、この放電管９中のナトリウム及び水銀
を蒸発させる。アーク放電は次いで、イオン化さ
れたナトリウム及び水銀蒸気によつて継続され、
このアーク放電管の作動電圧は、400Wの放電灯
に対し約90〜100Vで安定化する。本発明より先
立つて、アーク放電管９のための典型的の放電継
続（又は続）充填物は、21重量％のナトリウムを
含むナトリウムガムと、20トール（Torr）の圧
力のキセノンガスとであつた。400Wの放電灯に
対しては、このアマルガムの重量は、典型的に
（又は代表的には）33mgである。アーク放電の開
始後、この放電灯の作動電圧は、最初、定常状態
の作動レベルより可成り下にあり、この放電管の
温度が上昇するにつれて増大する水銀の蒸気圧に
よつて増大するだろう。この過程は、結果として
起こる放電灯作動電圧が安定化するまで、典型的
には約15〜30分の間隔で継続する。変化する電極
１６，１７間電圧は、電極から、及びコイル１
４，１５からの、タングステン及びこの上にある
電子放射性被覆のスパツタリングを起こさせ、こ
のスパツタリングは、電極近傍のこのアーク放電
管９の端部室領域における管壁に堆積する。その
ようなスパツタリングは、作動電圧が安定化する
まで継続し、生じたアーク放電管９壁の黒化（現
象）が、放電灯の作動中その温度を上昇させる。
これが、放電管９内の水銀蒸気圧を高め、その結
果この放電管の作動電圧を増大させる。この過程
を毎回繰返すので、この放電灯が点灯し、最後に
は、この作動電圧は、電力がこの放電灯に供給さ
れるパラスト回路からの利用可能なレベルを越え
るレベルに到達する。この放電灯は次いで作動を
停止し、取り換えなければならない。 ２つの元素から成る２元のナトリウムアマルガ
ムを用いた400Wの高圧ナトリウム蒸気（HPS）
放電灯のスタートアツプすなわち始動期間中の水
銀蒸気圧の増加が、第２図の実線P_Hｇの線図に
よつて示され、ここでトール（Torr）で示す圧
力が、１／Ｋで示すアーク温度の逆数の10³倍の
直線スケールに対して、対数スケールにてプロツ
トされている。この放電灯には、21重量％のナト
リウムを含む２元アマルガム（ナトリウム／水銀
の原子比が2.32）の33mgが仕込まれた。約630℃
から720℃まで温度が上昇するにつれて約100トー
ル（Torr）から400トール（Torr）まで水銀蒸
気圧が増大するのが見られる。これに対応するナ
トリウム蒸気圧の実線のP_Naの線図も又増大する
が、しかし水銀蒸気圧の線図よりもはるかに小さ
い。これは、実線で示す全圧力の線図P_Tから明
らかであり、このP_TはP_Hｇ線図にびつたりと平
行である。それ故、放電灯作動電圧は、水銀蒸気
圧によつて主として決定され、アーク放電管が始
動した後の高温による水銀蒸気圧の大きな変動
が、温度が安定化するまで放電灯の作動電圧の可
成りの変化を必然的にもたらす。上述のように、
これは、電極材料の広範囲に及ぶスパツタリング
を引き起こす。 ２元のナトリウムアマルガムを用いた高圧ナト
リウム蒸気（HPS）放電灯の発光効率は又、標
準の商業生産ラインにおいて製造される同一電力
定格の放電灯に対し可成りの大きな変化を示す。
例えば、上述のものと同じ重量及び組成の２元ア
マルガムを用いると、400Wの定格のそのような
４個の放電灯がｍ／Ｗに比例するスケールで
100，95，108，109及び96の相対発光効率を有す
ることが見出された。その平均の発光効率の値
が、5.6の平均偏差をもつて、102であつた。これ
は、放電灯の動程すなわちパフオーマンスが同じ
構造及び電力定格のすべての放電灯に対して本質
的に同一でなければならないから、重要な製造の
問題を表示する。 本発明に従つて、水銀及びナトリウムの２元ア
マルガムの代わりに、第１図のHPS放電灯は、
水銀と、ナトリウムと、さらに、金属のインジウ
ム、錫又はガリウムのうちの１個とから成る３元
アマルガムを含む。これらの金属はすべて、２つ
の重要な特性を共有する。第１は、低融点であ
る。すなわち、ナトリウムの蒸気圧が、約60トー
ル（Torr）のHPS放電灯の最低の作動レベルに
到達する約650℃の温度よりも低い。第２は、極
めて低蒸気圧である。すなわち、この放電灯の作
動温度におけるナトリウムの蒸気圧と比較して無
視できるものである。これらの特性値は次の如く
である。

【表】 ３元のアマルガムそれ自体をアーク放電管に仕
込むか、又は第３番目の金属の必要量のほか２元
ナトリウムアマルガムをアーク放電管に仕込むこ
とによつて、この第３番目の金属を提供すること
ができる。この後者の場合、すなわち、第３番目
の金属の必要量のほか２元ナトリウムアマルガム
を仕込む場合は、この放電灯でアーク放電が開始
した後に、液体の３元アマルガムが生成するだろ
う。どちらの場合にも、このアマルガム中の少量
の部分の水銀及びナトリウムが気化し、過剰のア
マルガムがアーク放電管９の下端部におけるニオ
ブ管１３中に液体として蓄積されるだろう。アー
ク放電管への３元アマルガムの仕込み、又は２元
アマルガム及び第３番目の金属の仕込みは、上述
の如く、ニオブ管１３を通して実施される。 このアマルガム中の第３番目の金属の割合（比
率）は、水銀の蒸気圧を安定化するのに充分でな
ければならないが、しかしナトリウムの蒸気圧を
著しく減少させる程高くしないようにしなければ
ならない。これらの基準は、第３番目の金属の原
子の割割合（比率）が少なくとも水銀の原子の割
合（比率）に等しいが、しかしナトリウムの原子
の割合（比率）を越えない３元アマルガムによつ
て満たされ、ナトリウムの原子の割合（比率）
は、このアマルガムの水銀成分の原子の割合（比
率）の少なくとも２倍でありかつ４倍を越えない
ものである。この３元アマルガムの重量％によつ
て、これは、インジウム30〜70％、錫28〜65％、
及びガリウム17〜34％の範囲に相当する。それら
の上限はナトリウムの原子の割合の上限に相当す
る。 第１図におけるような400Wの高圧ナトリウム
蒸気（HPS）放電灯のパフオーマンス（すなわ
ち動程）が、ナトリウム21重量％を含む２元のナ
トリウムアマルガム33mgと、インジウム22mgと、
さらに20トール（Torr）の圧力のキセノンガス
とを仕込んだ。すなわち詰めた後に、試験され
た。この放電灯は、単に２元アマルガムだけを用
いる同一の放電灯によつて要求される約半分の時
間でその定常状態の約100Vの作動電圧に達した。
そのような５個の３元アマルガス放電灯が、標準
生産ライン上にて製造され、発光効率が測定され
た。それらの効率は、２元アマルガム放電灯の上
述の類似の試験にて用いたのと同じ関係のスケー
ル（目盛）において110，111，106および108であ
つた。その平均発光効率値は、1.8の平均偏差を
伴なつて、109であつた。かくして、その効率は、
対応する２元アマルガム放電灯より可成り大き
く、かつ生産されたすべての放電灯の間において
はるかに均一である。 第２図の破線の線図は、第１図は２元アマルガ
ムHPS放電灯灯の全蒸気圧P_T、水銀蒸気分圧
P_Hｇ及びナトリウム蒸気分圧P_Naの温度による変
化を示す。ナトリウム蒸気圧が、少ししか影響を
受けずに、３元アマルガム上の水銀蒸気圧が、低
温における２元アマルガム上の水銀蒸気圧よりも
著しく高くなり、かつ上昇する温度と共にはるか
に小さな程度に変化するのが見られる。この全圧
力が水銀蒸気圧によつて主に決定されるので、こ
れは、作動温度が放電灯の点灯後、安定した作動
状態に達するまで、放電灯の作動特性の変化をな
おさらもたらさない。作動圧力のこの高い安定性
は、この放電灯の作動電圧が、２元アマルガム放
電灯におけるよりもはるかに急速にその定常状態
の作動レベルに到達する理由である。 この３元アマルガムの中の第３番目の金属の比
較的高い割合のため、電極１７及びそのコイル１
５の近傍のアーク放電管９の端部室の壁が、その
金属又はその金属の２元アマルガムの薄膜で被覆
されるようになろう。この薄膜は、同じ電力定格
のすべての３元アマルガム放電灯に対しニオブ管
１３における貯槽の温度を略々均一に維持するの
を援助する。従つて、そのような放電灯の間の作
動電圧の変動がはるかに小さく、そのような放電
灯は、同じ電力定格の２元アマルガム放電灯の平
均作動電圧よりも幾分高い均一な電圧において作
動する傾向があるだろう。 本発明は、ある一定の好適の実施例に関して記
載されたが、前述の特許請求の範囲に記載される
本発明の精神及び範囲から離れることなしに種々
の変形及び応用がなされることは、当業者にとつ
て自明であろう。 以上要するに本発明は、高圧ナトリウム蒸気電
灯と、それに用いるための３元アマルガムすなわ
ち３つの元素から成る水銀合金に関するものであ
り、少なくとも60トール（Torr）のナトリウム
蒸気圧において作動し、水銀と、ナトリウムと、
さらに、インジウム、ガリウム及び錫から成る群
から選ばれる金属との３つの元素から成る水銀合
金、すなわち３元アマルガムを放電灯に充填する
ことによつて、放電灯の作動電圧の変動起動間隔
を短縮させる高圧ナトリウム蒸気放電灯である。
第３番目の金属の原子の割合（比率）が、水銀の
原子の割合（比率）を越えるが、しかしこのアマ
ルガム中のナトリウムの原子の割合（比率）を越
えなくて、かつナトリウムの原子の割合が、水銀
の原子の割合の少なくとも２倍であるが４倍を越
えないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による３つの元素から成つてい
るアマルガムを含む高圧ナトリウム蒸気（HPS）
放電灯の正面図であり、第２図はナトリウムの２
元及び３元アマルガムを含む高圧ナトリウム蒸気
（HPS）放電灯におけるナトリウム及び水銀の蒸
気圧の温度変化を示す線図である。 １……ガラス外被、２……狭い首部、３……ス
テム、４……押しつぶし、５……シエル、６……
中央接点、７，８……導入導体、９……放電管、
１０，１１……指ぬき、すなわちはめ輪状のニオ
ブ金属の端部キヤツプ、１２，１８……ニオブ
管、１４，１５……らせん状コイル、１６，１７
……タングステン電極、１８……溶接点（溶接）、
１９……枠体、２０……弾力ある編組導体、２１
……弾力ある金属薄片のスプリング状部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ナトリウム蒸気圧が少なくとも60トールであ
   る高圧ナトリウム蒸気放電灯にて作動蒸気を生成
   するための水銀及びナトリウムを含むアマルガム
   において、 このアマルガムが、インジウム、ガリウム及び
   錫から成る群から選ばれる第３番目の金属を有
   し、この第３番目の金属の原子の割合が、水銀の
   原子の割合を越えるがこのアマルガム中のナトリ
   ウムの原子の割合を越えず、かつナトリウムの原
   子の割合が、水銀の原子の割合の少なくとも２倍
   であるが４倍を越えないことを特徴とする３元ア
   マルガム。 ２ 第３番目の金属が、インジウムであり、かつ
   この３元アマルガムの30重量％〜70重量％を構成
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の３元アマルガム。 ３ 第３番目の金属が、ガリウムであり、かつこ
   の３元アマルガムの17重量％〜34重量％を構成す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   ３元アマルガム。 ４ 第３番目の金属が、錫であり、かつこの３元
   アマルガムの28重量％〜65重量％を構成すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の３元ア
   マルガム。 ５ 水銀及びナトリウムから成るアマルガムを含
   むアーク放電管を具える少なくとも60トールのナ
   トリウム蒸気圧において作動する高圧ナトリウム
   蒸気放電灯において、 前記アマルガムが、インジウム、ガリウム及び
   錫から成る群から選ばれる第３番目の金属を含む
   ３元アマルガムであり、この第３番目の金属の原
   子の割合が、水銀の原子の割合を越えるがアマル
   ガム中のナトリウムの原子の割合を越えず、かつ
   このナトリウムの原子の割合が、水銀の原子の割
   合の少なくとも２倍であるが４倍を越えないこと
   を特徴とする高圧ナトリウム蒸気放電灯。 ６ 第３番目の金属が、インジウムであり、かつ
   この３元アマルガムの30重量％〜70重量％を構成
   することを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   の高圧ナトリウム蒸気放電灯。 ７ 第３番目の金属が、ガリウムであり、かつこ
   の３元アマルガムの17重量％〜34重量％を構成す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の
   高圧ナトリウム蒸気放電灯。 ８ 第３番目の金属が、錫であり、かつこの３元
   アマルガムの28重量％〜65重量％を構成すること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の高圧ナ
   トリウム蒸気放電灯。 ９ 水銀及びナトリウムから成る(i)２元アマルガ
   ムを詰めたアーク放電管を具える少なくとも60ト
   ールのナトリウム蒸気圧において作動する高圧ナ
   トリウム蒸気放電灯において、 放電管ガス、インジウム、ガリウム及び錫から
   成る群から選ばれかつ放電灯の作動中水銀及びナ
   トリウムと共に３元アマルガムを生成する(ii)第３
   番目の金属を詰められ、第３番目の金属の原子の
   割合が、水銀の原子の割合を越えるがアマルガム
   中のナトリウムの原子の割合を越えず、かつこの
   ナトリウムの原子の割合が、水銀の原子の割合の
   少なくとも２倍であるが４倍を越えないことを特
   徴とする高圧ナトリウム蒸気放電灯。 １０ ナトリウムが、この２元アマルガムの少な
   くとも20重量％を構成することを特徴とする特許
   請求の範囲第９項記載の高圧ナトリウム蒸気放電
   灯。 １１ 第３番目の金属が、インジウムであり、か
   つこの３元アマルガムの少なくとも30重量％を構
   成することを特徴とする特許請求の範囲第１０項
   記載の高圧ナトリウム蒸気放電灯。 １２ 第３番目の金属が、ガリウムであり、かつ
   この３元アマルガムの少なくとも17重量％を構成
   することを特徴とする特許請求の範囲第１０項記
   載の高圧ナトリウム蒸気放電灯。 １３ 第３番目の金属が、錫であり、かつこの３
   元アマルガムの少なくとも28重量％を構成するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の高
   圧ナトリウム蒸気放電灯。