JPH02236947A - 始動のための白熱フィラメントを持つ高圧力放電ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野コ 本発明は、高圧力アーク放電ランプに関し、特に、始動
動作のために発光管内に配置された白熱フィラメントを
利用する高圧カナトリウムランプに関する。

［従来の技術］ 標準的な高圧カナトリウム（ＨＰＳ）アーク放電ランプ
は、可視光の非常に効率のよい光源でありそして商業的
に入手可能なランプのうちで最も高いランプ効率（単位
ワット当りの照度）を有するものの一つである。しかし
、高圧カナトリウムランプは特別の始動動作および安定
化動作条件に一部起因して限られた応用しか見出せなか
った。

２００ｏボルトの桁の高電圧パルスが、従来技術の高圧
カナトリウムランプの伶間始動動作のために必要とされ
る．１０キロボルトと同程度の電圧が熱間再始動のため
に必要とされる。標準的には熱い高圧カナトリウムラン
プが２０００ボルトで再始動されるまでに数分の遅れが
ある。先進国におけるいくつかの工業上の応用および屋
外照明について、始動動作および安定化動作の条件が使
用を躊躇させることはない。別の応用そして特に開発途
上国では、白熱ランプをより効率のよい高圧カナトリウ
ムランプで置き換えるのに対する躊躇がある．より広範
に受け入れられるために高圧力ナトリウムランプの始動
動作および安定化動作の条件を簡単にすることが望まし
い。新規な始動技術が迅速な始動および再始動ならびに
簡単化および低コストを提供することになろう。

金属蒸気が充填されたガス状充填物質を利用する白熱ラ
ンプが１９７７年１０月２８日発行のフランス国公報第
２、３４６、８５２号で公開されている．このフランス
国公報は、ナトリウムを含む充填物質を示唆し、開示さ
れたランプはガス改良形白熱ランプとしてでありアーク
放電ランプとしては動作しない．放電管内でタングステ
ン製の点弧ワイヤを利用する高圧カナトリウムランプが
、１９８６年発行のフィリップス技術ライブラリの１８
４ページに所収のｒＴｈｅ　｝ｌｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕ
ｒｅＳｏｄｉｕｍ　Ｌａｍｐ　Ｊと標題の付された論文
にてデ・グルート（ｄｅ　Ｇｒｏｏｔ）らにより公開さ
れている。タングステン点弧ワイヤは放電管の２つの電
極の内の一方にのみ接続されそして初期ブレークダウン
が生ずるギャップを減ずることにより動作する．発光管
の外周に巻回された複数巻きタングステンワイヤ始動動
作助力手段を有する高圧カナトリウム放電ランプが、ザ
ック（　Ｚａｃｋ）らによる１９７７年７月１９日発行
の米国特許 第４、０３７、１２９号に開示されており、タングステ
ン始動動作助力手段は発光管電極の一つと同様の電圧に
接続される． ［発明の目的〕 本発明の包括的な目的は、光出力の改善も含め広く電気
的特性の改善された高圧力アーク放電ランプを提供する
ことである． 本発明の他の目的は、高電圧始動パルスを必要とせずに
始動できる高圧力アーク放電ランプを提供することであ
る． 本発明のさらに別の目的は、利用可能な交流電圧を超え
ない電圧で始動できる高圧カナトリウムアーク放電ラン
プを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、迅速な始動動作および迅速
な熱間再始動動作特性を有する高圧カナトリウムアーク
放電ランプを提供することである． 本発明のさらに別の目的は、構造が簡単でそしてコスト
が安価な高圧カナトリウムアーク放電装置を提供するこ
とである． ［発明の概要］ 本発明によれば、上述の目的およびその他の目的ならび
に利益は、アーク放電を支持する充填物質と発光管に封
止された一対の電極と、発光管内に配置されその対向端
部間を延長するフィラメント部材とを包含しそして放電
帯域を包囲する光伝達形発光管を備える発光管組立体で
実現される．フィラメント部材は電極に電気接続される
．フィラメント部材は、電極が賦活されるときにアーク
放電を始動するために、十分な電界とそして放電帯域全
体に分散される電子の充溢とを提供する．発光管は標準
的には高圧カナトリウム発光管である． フィラメント部材は、好ましくは、アーク放電の始動に
先立って、単位センチメートル当り少くとも２０ボルト
の電界を放電領域に発生するよう設計される．フィラメ
ント部材は同時に発光管でアーク放電を迅速に開始する
のに十分な良好に分配された電界と熱電子と加熱動作と
を与える．フィラメント部材は、タングステンのような
耐熱性金属であることが好ましい．アーク放電が始動さ
れた後、電極間の電圧は低下しそしてフィラメント部材
はアーク放電により部分的に短絡（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒ
ｃｕｉｔｅｄ）される．フィラメント部材は迅速な初期
始動と迅速な熱間再始動とを与える一方高電圧の始動パ
ルスに対する要求を除去する．加えて、フィラメント部
材は電力の付加とアーク放電の始動との間の時間中光を
提供する．本発明の別の様相によれば、発光管組立体は
、アーク放電を支持する充填物質と発光管の対向端部に
封止された一対の電極と、発光管内に配置されその対向
端部間を延長する抵抗性部材とを有しそして放電帯域を
包囲する光伝達形発光管を備える．抵抗性部材は、電極
が賦活されるときにアーク放電を始動するために放電帯
域に十分な電界および電子を提供しそして電極に電気接
続される．抵抗性部材は、発光管の壁部に接触すること
なく電極間を延長するフィラメント部材とすることがで
きる．代替え的に、抵抗性部材は発光管の内壁面に配置
される一つまたはそれ以上の抵抗性のストリップ部材ま
たは発光管の内壁面の透過性被着物とすることができる
． ［好ましい実施例の詳細な説明］ 本発明による高圧カナトリウム発光管組立体が第１図に
図示されている．組立体は、通常多結晶質アルミナによ
り作られる光透過形セラミック発光管１０を備える．発
光管１０は、密閉された放電領域１２を画定するために
、両端部が閉成される円筒状殻部材である．電極１４と
１６とがそれぞれ発光管ｌＯの対向端部にそして電極フ
ィードスル一部材ｌ８と２０に配置される。フィードス
ル一部材１８、２０は、発光管１０に封止されそして外
部電源より電極１４、１６を賦活する手段を提供する標
準的にはニオブ製の管である。発光管１０の内部の充填
物質は標準的にはアマルガムの形式の水銀とナトリウム
およびキセノンガスを含むものである。

第１図の発光管組立体は、標準的には、透過性の外部エ
ンベローブと、電源への装着および接続のためのランプ
基部と、外部エンベローブ内に発光管を装着する機械的
手段と、電極１４および１６をランプ基部に電気接続す
る手段とを備える従来の高圧カナトリウムランプに組み
込まれる。

本発明によれば、フィラメント部材２４が発光管１０内
に配置されそして対向端部が電極１４および１６に接続
される。フィラメント部材２４はこうして長尺体の発光
管１０・を延長しそして第１図の実施例では、発光管１
０の軸線近傍に配置される。フィラメント部材２４は、
一つまたはそれ以上のフィラメントスペーサ一部材２６
によりそしてタングステンの適当な再結晶化によって適
所に保持されそして発光管壁と接触しないようにするこ
とができる。

好ましい実施例において、フィラメント部材２４は２重
コイル巻きまたは３重コイル巻きタングステンワイヤで
ある。より一般的には、フィラメント部材２４は、後述
するような必要な電界を発生できる任意の耐熱性材料で
ある。適当な材料には、タングステンに加えて、タンタ
ル、レニウム、モリブデンおよび導電性セラミックのよ
うな耐熱性金属が含まれる。

フィラメント部材２４は電極１４および１６に電気接続
される。電圧が、発光管１０の電極１４、１６間に与え
られるとき、フィラメント部材２４は白熱ランプとして
発光する。フィラメント部材２４は、発光管１０内にア
ーク放電の迅速な形成をもたらす３つの重要な効果を有
する。

フィラメント部材２４を横切って与えられる電圧は放電
領域１２に電界を生じさせる。後述されるように、フィ
ラメント部材２４のパラメータおよび印加される電圧の
大きさは、放電領域１２に、単位センチメート当り少く
とも２０ボルトの軸線方向の電界を発生するよう選択さ
れるべ゜きである。フィラメント部材２４はさらにアー
ク放電の形成を助ける熱電子を放出する。最後に、フィ
ラメント部材２４から発生する熱は発光管１ｏのナトリ
ウムアマルガムを加熱しそしてナトリウムー水銀物質が
迅速に所望のアーク放電を形成するのに十分高い蒸気圧
を達成するようにさせる。

アーク放電が形成されると、電極１４および１６間の電
圧は低下しフィラメント部材２４を通る電流の減少が生
ずる。ナトリウムはキセノンおよび水銀と比較してイオ
ン化電位が低いので迅速に放電に追いつき、かくして高
電圧始動パルスを必要とすることなく点弧プロセスを終
了する．熱間ランブ再始動では、ナトリウムはほんの数
秒で励起される。始動動作を行ウのに必要とされるフィ
ラメント部材２４を横切る電圧は標準の交流線電圧より
少しも大きくない。たとえば、第１図に図示されるラン
プは１２０ボルト交流よりも小さい印加電圧で始動でき
る。放電の開始の後、電圧は標準的には約６０ボルトへ
低下する。こうして、高電圧始動パルス発生器に対する
要求が除去できる．標準的にはフィラメント部材は、始
動電圧が、アーク動作（　ｒｕｎｎｉｎｇ）電圧の約２
倍であるよう設計される．本発明の発光管組立体は標準
的には容量性または誘導性のバラスト手段によって安定
化できる。

標準的なタングステン製フィラメント部材は、始動電流
を取扱うことのできる白熱電球等級のタングステンでな
ければならない。フィラメント部材は、始動中を除き、
相当な電流が流れることはないので、白熱電球のフィラ
メントよりも大幅に長持ちすることが予想される．フィ
ラメント部材は、熱電子の加速により発光管でナトリウ
ムを点弧するために、発光管１０の軸線方向に十分な電
界を提供するよう設計される。水銀の点弧は必要とされ
ない。電圧が十分高くおよび／または充填物圧力が十分
低いならば、キセノン点弧がナトリウムの点弧に先行す
ることが多い。しかし、本発明の発光管組立体では、ナ
トリウムはフィラメント部材により加熱されるので、キ
セノンの点弧はナトリウムを加熱するために必要でない
．蒸気を熱電子的に点弧するために、必要とされる電界
は、単位センチメートル当り２０ボルトと単位センナメ
ートル当り３０ボルトの間であることが実験的に見出さ
れた．フィラメント部材は、標準的には２重コイル巻き
とされ、白熱するに応じて、発光管１０の軸線方向に必
要とされる電界を形成することになる．たとえば、６０
オームの熱間抵抗で１．０アンペアを伝達するフィラメ
ント部材が６０ボルトを形成する．もしフィラメント部
材の長さが２センチメートルと３センチメートルとの間
であれば、電界は、単位センチメート当り２０ボルトと
３０ボルトとの間でありそして放電が開始される．必要
な電界を得るために、電圧とフィラメント部材抵抗とフ
ィラメント部材長さとの種々の組合せが使用できること
を理解されたい． 第１図の発光管組立体の一方の端部の拡大図が第２図に
図示されている．上述のように、電極フィードスル一部
材２０は標準的にはニオブ管である。電極は標準的には
タングステンである．好ましい実施例では、電極ｌ６は
フィードスル一部材２０に装着される円柱部分１６ａと
テーパ部分１６ｂとを有する．部分１６ｂは、円柱部分
１６ａの外径から一点に向けてテーパーしておりそして
大略円錐形である。フィラメント部材２４はクリンブ技
術または別の等価な機械技術により円柱状部分１６ａへ
装着される． 第２図に図示される好ましい実施例では、発光管１０は
、電極がここを通じて挿入されるところの多結晶質アル
ミナ製の帽子形封止部材２８で密閉される．従来のフリ
ット材が帽子形封止部材２８を発光管１０およびフィー
ドスル一部材２０へ封止する．好ましい例において、電
極フィードスル一部材２０は直径が０．１２３インチの
二才ブ管類より製造されそしてタングステン電極ｌ６は
０．０４５インチの直径を有する．フィラメントは、ね
じりまたはクリンブにより電極１６へ直接装着してもよ
いしまたは中間のタングステンワイヤを介して間接的に
装着することもできる．本発明による発光管組立体の代
替え実施例が第３図に図示されている．第１図の発光管
組立体と共通する部材には同様の参照番号が付されてい
る。発光管組立体１０は、その対向端部に装着された電
極フィードスル一部材１８および２０を有する。電極３
０および３２がそれぞれフィードスル一部材１８および
２０に装着される．電極３０および３２は従来のバック
巻きコーティッドタングステン高圧カナトリウム電極で
ある．第４図に図示されるように電極３２が、フィード
スル一部材２０へ装着されるタングステンロッド部材３
４を備える．タングステン製コイル部材３６が炭酸バリ
ウム、炭酸カルシウムおよび酸化イットリウムを含む標
準的な被着物とともにロッド部材３４の周囲に巻回され
る．コイル・部材３６の被着物はナトリウムの存在に依
存せずに電子放出を改善するのに使用される． 第３図に再び戻って、フィラメント部材４０が発光管１
０内に配置されそして電極３゛０と３２との間な延長す
る．電極３０および３２の端部は拡大されているので、
第４図に最も良好に図示されているように、フィラメン
ト部材４０の端部を、電極ロッド部材とそれぞれのフィ
ードスル一部材２０の交差部近傍に接続するのが最も実
用的である．このことは、フィラメント部材４０を発光
管１０の軸線からいくぶん偏移させる．好ましくは、フ
ィラメント部材４０は、第３図に図示されているように
、発光管軸線に対して小角度をなして延長するように、
それぞれの電極３０と３２の径方向の対向側部に接続さ
れる．スペーサ部材４２がフィラメント部材４０の中央
部分が発光管１０の壁部と接触しないようにする．フィ
ラメント部材４０は、第１図に図示されそして上述のフ
ィラメント部材２４と同様の仕方でほぼ構成することが
できる． 放電領域でのアーク放電の点弧の前に、多数の電子が熱
いタングステンフィラメント部材から熱電子的に放出さ
れる。発光管のナトリウムの存在により、タングステン
フィラメント部材は効率のよい電子放出体である。フィ
ラメント部材により放出される電子が、放電の始動前に
利用可能でありそしてブレークダウンがこのような低電
圧で生ずる一つの理由である。点弧の後、タングステン
フィラメント部材の端部がカソードでの明瞭なショット
キー効果の改善とともにアーク電極として動作する．シ
ョットキー効果の改善が第３図および第４図に図示の従
来の高圧カナトリウム電極の場合では生じない。これは
低い電掻電圧降下のゆえに有利である。ナトリウム蒸気
密度による放電依存性は白熱モードとアークモードとの
間の不安定性の潜在的な源である。もし点弧の際に、ア
ーク加熱動作によって、電流が現に集中しているところ
のフィラメントの端部からナトリウムを減ずるならば、
アークは電子が減ぜられそしてランプはその白熱モード
へ戻ってしまう。端部がナトリウムを再付着するのに十
分な程冷えておりかくして電子の必要とされる供給を再
び確立するときアークは再び始動される。オン・オフサ
イクル動作は、もし適当な設計上の予防手段が取られな
いならば継続しつる。利用可能な必要な熱電子放出のた
めに、十分な加熱動作とナトリウム被着物とが表面で共
存するところの平衡点が確立されるよう、アークの電極
端部を熱的に設計することは重要である。さらに、発光
管の端部は、ナトリウム供給体が、アークのため、蒸気
密度およびタングステンの面領域を維持するのに十分な
程熱いように熱的に絶縁されなければならない。標準的
には、発光管端部にセラミック製絶縁物を用いた従来の
１０ミリメートルの熱シールド部材が使用される． 第２図に再び戻ると、電極１６は円錐形状にて終端して
いる．円錐部は、アーク内に突出するよう、フィラメン
ト部材２４の領域に配置される。

アーク端部は、加熱と熱電子とが整合するところの円錐
部の軸線場所を探し求める。この温度および面領域で、
アーク根幹部（フットポイント）は電流が枯渇せずそし
て面状態は安定している。安定性は、第３図および第４
図に図示のエミッタカソード系を作り出す賦活体で保証
される。

ランプを第１図および第３図の実施例にしたがって構成
した。第１図および第２図に図示されるような円錐形状
の電極を持つランプは即座の熱間再始動を実際に行なっ
た。完全に安定化した発光管が単位ワット当たり５０ル
ーメンを与えた．第３図および第４図に図示の従来の高
圧カナトリウム電極を有するランプが実際に即座の熱間
再始動を行なった。完全に安定化した発光管が単位ワッ
ト当たり６０ルーメンを与えた。両方の場合に、冷間始
動でのアーク点弧は非常に早く特別の機器なしには測定
できず、そして冷間始動後アークを完全に安定化するの
に２ないし３分が必要である。

本発明のさらに別実施例によれば、放電を始動させろフ
ィラメント部材を多結晶質アルミナ製発光管の内面に配
置された一つまたはそれ以上の抵抗性ストリップ部材で
置換した。発光管５０の断面図が第５図に図示されてい
る。一つまたはそれ以上の抵抗性ストリップ５２が発光
管の内面に与えられそして発光管の両端部で電極に接続
した．第６図に図示されるように、ストリップ部材５２
は帽子形封止部材５４を横切って延長しそして電極５６
へ装着される．好ましくは、数個のストリップ部材５２
が発光管５０の壁部で離間した場所で用いられる． ストリップ部材５２は、発光管内に電界を形成しそして
熱電子を供給することにより上述のフィラメント部材２
４、４０と同様の機能を遂行する。ストリップ部材５２
は、光の阻害をできるだけ最小限にするために狭くしな
ければならずまた特定の始動電圧が電極に印加されると
き、単位センチメートル当たり２０ボルトないし３ｏボ
ルトの必要な電界を生成するよう選択されるある抵抗を
有さなければならない．ストリップ部材５２の材料は、
熱いアルミナおよび放電構成要素と相溶性でなければな
らない．二才ブやモリブデンや導電性セラミックなどの
耐熱性金属が適当な材料である。プラズマ噴射や無電界
めっきや金属ブレーティングなどの技術が、ストリップ
部材を発光管壁に与えるのに適当な技術である。第５図
および第６図に図示の形態の変形によれば、発光管から
のルーメン（光束）出力を実質的に減ずることなく必要
な始動機能を提供する透過性材料で発光管の内面全体が
被着される． これまで本発明を高圧カナトリウムランプとの関係で説
明してきた．メタルハライドアーク放電ランプが放電を
開始するのに高い電圧またはこれとは別の始動部材を必
要とすることがよく知られている．本発明は、始動を行
なうためにメタルハライドランプで利用可能である．始
動に必要とされる電界を生成するよう選択される抵抗を
有するフィラメント部材またはこれとは別の抵抗性部材
がメタルハライド発光管の電極間に接続される．本発明
による発光管組立体は、従来の発光管゜形態のものに優
る多数の利益を与える．高圧カナトリウムランプを始動
するため・の高電圧パルスに対する必要性が除去される
．本発明のフィラメント発光管は、ランプ始動を行なう
ために利用可能な周波数で線電圧の使用が許容される．
それゆえ、高電圧始動動作に関連付けられるハードウエ
アが除去できまた高電圧始動パルスによる電力線への擾
乱がない。高電圧始動による過渡現象の除去は、たとえ
ば多数の街灯が一時に始動されるときなどに特に重要で
ある．本発明のフィラメント発光管は、従来の高圧カナ
トリウムランプよりも迅速な冷間始動および熱間再始動
を与える．さらに、アークの再点弧は従来のランプより
も円滑である．加えて、光が、電力が与えられた瞬間に
生成される．白熱フィラメントがアークがオン状態でな
いときにほとんど即座に点灯しそしてアークがオン状態
となると消える．本発明のフィラメント発光管は、従来
の高圧カナトリウムランプの場合よりも種々のキセノン
充填圧力が許容される。

なぜならキセノンは始動動作を助けるのに必要とされな
いからである．

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による高圧カナトリウム発光管組立体
の断面図である． 第２図は、第１図の発光管の一方の端部の拡大部分断面
図である． 第３図は、本発明の別の実施例による高圧カナトリウム
発光管組立体の断面図である．第４図は、第３図の発光
管の一方の端部の拡大部分断面図である． 第５図は、抵抗性のストリップ部材が発光管の壁に配置
された本発明のさらに別の実施例を図示する発光管の断
面図である．

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）放電帯域を包囲しそしてアーク放電を支持する充
   填物質を包含する光伝達形発光管と、当該発光管に封止
   された一対の電極と、 発光管内に配置されその対向端部間を延長し、当該電極
   に電気接続され、当該電極が賦活されるときにここにア
   ーク放電を始動するために、十分な電界を放電帯域に提
   供するフィラメント部材とを備える発光管組立体。
2. （２）充填物質はナトリウムと水銀とを含む請求項第１
   項記載の発光管組立体。
3. （３）当該フィラメント部材は、アーク放電の始動に先
   立って、単位センチメートル当り少くとも２０ボルトの
   電界を放電領域に生成する請求項第２項記載の発光管組
   立体。
4. （４）当該フィラメント部材は耐熱性金属から構成され
   る請求項第２項記載の発光管組立体。
5. （５）当該フィラメント部材はタングステンから構成さ
   れる請求項第２項記載の発光管組立体。
6. （６）当該タングステンフィラメント部材は必要な電界
   を提供するために２重コイル巻き形である請求項第５項
   記載の発光管組立体。
7. （７）前記放電帯域内の各電極の端部はテーパー形状と
   される請求項第２項記載の発光管組立体。
8. （８）前記フィラメント部材はタングステン白熱フィラ
   メントから構成される請求項第２項記載の発光管組立体
   。
9. （９）前記フィラメント部材を前記発光管から離間する
   ためのスペーサ手段を備える請求項第２項記載の発光管
   組立体。
10. （１０）前記発光管はほぼ円筒形状を有し、前記フィラ
    メント部材は前記発光管の軸線にほぼ平行に整列される
    請求項第２項記載の発光管組立体。
11. （１１）放電帯域を包囲しそしてアーク放電を支持する
    充填物質を包含する光伝達形発光管と、当該発光管に封
    止された一対の電極と、 発光管内に配置されその対向端部間を延長し、当該電極
    に電気接続され、当該電極が賦活されるときにここにア
    ーク放電を始動するために、十分な電界を放電帯域に提
    供する抵抗性部材とを備える発光管組立体。
12. （１２）当該抵抗性部材はタングステンフィラメント部
    材から構成される請求項第１１項記載の発光管組立体。
13. （１３）前記抵抗性部材は前記発光管の内面の少なくと
    も一つのストリップ部材から構成される請求項第１１項
    記載の発光管組立体。
14. （１４）前記少なくとも一つ金属性のストリップ部材は
    ニオブとモリブデンからなる群から選択される耐熱性金
    属である請求項第１３項記載の発光管組立体。
15. （１５）前記抵抗性部材は前記発光管の内面の透過性被
    着物から構成される請求項第１１項記載の発光管組立体
    。
16. （１６）前記抵抗性部材は、アーク放電の始動に先立っ
    て、単位センチメートル当り少くとも２０ボルトの電界
    を放電領域に生成する請求項第１１項記載の発光管組立
    体。
17. （１７）当該抵抗性部材は耐熱性の金属から構成される
    請求項第１１項記載の発光管組立体。
18. （１８）前記充填物質はナトリウムと水銀とを含む請求
    項第１１項記載の発光管組立体。
19. （１９）前記充填物質はメタルハライドを含む請求項第
    １１項記載の発光管組立体。