JPH0522334B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高圧アルカリ金属ランプのセラミツク
のアーク管のための改良された端部閉鎖体および
導入線構造に関するものである。

発明の背景 一般に高圧アルカリ金属蒸気燈ではガラス製の
外側保護エンベローブの中に、高温でアルカリ金
属蒸気に耐える性質のセラミツク材料、普通は多
結晶アルミナ、時には単結晶アルミナ（合成サフ
アイア）で作つた内側のアーク管が含まれる。ア
ーク管の中には放電充填物すなわち電離可能な媒
体と起動を容易にするためキセノン等の不活性ガ
スが含まれている。放電充填物はナトリウムのよ
うなアルカリ金属からなり、これは一般に水銀と
のアマルガムとして含まれていて、そしてその量
は動作中に蒸発する量よりもかなり多くしてあ
る。セラミツクのアーク管の両端部は、内部の熱
イオン電極への接続ができるようにした適当な閉
鎖体によつて封止されている。外側のガラス質の
エンベロープには通常、電極に接続される中心接
点とシエルとをそなえたねじ込み口金が設けられ
る。アーク管の熱を保持するため、エンベロープ
内の空間は真空にするのが普通である。

端部閉鎖体として最も広く使用されてきたもの
は金属のキヤツプであり、これはたとえば熱膨張
係数がアルミナの熱膨張係数とかなり良く一致す
るニオブで作られ、封止用のフリツトまたはガラ
スによつてアルミナのアーク管の端部に対して密
封される。これらのキヤツプには電極が直接取り
付けられると共に外部の電気接続が行なわれるの
で、キヤツプは導入線の役割も果す。キヤツプの
内の１つには金属の排気管が貫通して伸びてお
り、これは製造中にアーク管から空気を排出し、
かつ放電充填物をアーク管内に導入するために使
用される。排気管はその後で密封され、過剰なナ
トリウム・水銀のアマルガムに対する外部貯蔵部
としての役目を果す。このアマルガムは金属の排
気管中で凝縮する。というのは、金属の排気管は
ランプの動作中に充填物が到達することのできる
最も低い温度の場所だからである。

セラミツクの閉鎖体も広く使用されており、特
に定格が100ワツトより小さいランプのようなワ
ツト数の小さいランプの場合に経済性の点から好
まれてきた。米国特許第3882346号に記載されて
いる端部封止部の設計例では、アーク管の端部に
封止されたアルミナ・セラミツクのプラグが用い
られている。このプラグには中心孔が設けられ、
この孔を通つてセラミツクと整合する金属で作ら
れたリード線が伸びている。封止は主として酸化
アルミニウムと酸化カルシウムを含むガラス状の
封止混合物によつて行なわれる。この混合物はア
センブリを適当に加熱したとき溶融し、冷却時に
セラミツク対セラミツクの封止セメントおよびセ
ラミツク対金属の封止セメントを形成する。一方
の端部にこのようなセラミツクの閉鎖体を使い、
他方の端部にニオブの排気管が貫通するセラミツ
クのプラグを使用したランプが、米国特許第
4342938号に記載されている。このランプは商業
的に成功しており、大量に製造されている。時に
は単一ワイヤ封止ランプとも呼ばれるこのような
ランプは金属のキヤツプを使用したランプに比べ
て製造費が安く、ほぼ同じ位に長寿命である。

両端部に同一のセラミツクの封鎖体を使い、排
気管を使つていない高圧ナトリウム・ランプも広
く知られている。このようなランプを製造する場
合、放電管すなわちアーク管の一方の端部にアル
ミナのプラグの形にしたセラミツクの閉鎖体が設
けられ、電極を支持する導入線がプラグを通り抜
けて封止される。次に、このアーク管（またはこ
のような一群のアーク管）は封止された端部を最
も下側にして適当な室の中に入れられて、そこで
アマルガムが入れられ、そして導入線と電極を付
けた上側のセラミツクの閉鎖体が上側の端部に配
置され、それと同時に、溶融したときに継目の空
所に流入してこれを封止するような封止用フリツ
トが適当に分布して配置される。次いで、室はま
ず洗浄して、排気した後、完成品のランプで希望
する不活性ガス雰囲気（キセノン）で充たされ
る。次にアーク管の下側の端部を低温に維持しな
がら、アルミナのプラグと管壁との間およびプラ
グと導入線との間の空所または隙間に封止用フリ
ツトが流入するまでアーク管の上側の端部が加熱
される。このようにして、冷却したときに、アー
ク管は密封される。もちろん、アーク管の中の不
活性ガスの圧力は封止用フリツトが固化したとき
の室内の圧力によつてきまる。両端部で導入線が
通り抜けて封止されるようなセラミツクの閉鎖体
を使用したこの種のランプは二重ワイヤ封止ラン
プとも呼ばれることがある。

二重ワイヤ封止型の高圧ナトリウム・ランプの
寿命は単一ワイヤ封止ランプの寿命に比べてずつ
と短かく、半分以下となる。このようなランプで
は、凝縮するため常にアーク管内の最も低温の点
を見付けようとする帰化していない余分なナトリ
ウム・水銀のアマルガムは一般にアーク管の端部
の隅、すなわちアルミナの端部プラグがアルミナ
の管壁に交わる直角の所で凝縮する。ランプの動
作中、端部の隅で凝縮したアマルガムは封止用フ
リツトまたはガラスの内部すみ肉と接触して存在
し、一般に内部すみ肉をおおつている。封止用フ
リツトは同じ温度ではナトリウム・水銀の蒸気に
よる侵食よりもナトリウム・水銀の凝縮液による
侵食に対して抵抗性または耐性がより一層弱いと
考えられる。封止用フリツトは吸湿性が高く、大
気中の不純物に敏感である。ナトリウムに対する
封止用フリツトの耐性はほんの少しの汚染があつ
てもかなり低下する。この低下はナトリウム蒸気
が接触しているときよりも液体ナトリウムが接触
しているときの方が大きい。封止用フリツトに対
するナトリウムによる化学的侵食は、蒸気放電の
中のナトリウム原子と水銀原子との比を低下させ
る。その結果、ランプ電圧が次第に上昇し、色が
赤に向つて遷移する。最終的に、安定器の開路電
圧がもはや放電を持続できなくなつたときラン
プ・サイクリングが生じる。化学的侵食は最終的
に密封を破壊することもあり、ランプの寿命が短
かくなる。

発明の要約 本発明の１つの目的は封止用フリツト上でのア
マルガムの凝縮を防止する端部閉鎖体および導入
線の構造によつて二重ワイヤ封止ランプの寿命と
性能を向上することである。

本発明によれば、放電管すなわちアーク管の一
方の端部にはアーク管のセラミツク構造の一体部
分を形成するプラグまたはストツパ部分が設けら
れる。換言すれば、アーク管とプラグは両部分の
間に封止用のフリツトまたはガラスのない単一構
造を形成する。プラグには孔が設けられており、
またプラグはアーク管に結合された外側領域から
内側に伸びる台部を含む。電極を支持する導入線
が孔を通り、かつ孔の中に封止されていて、台部
の内側端でアーク管の中に出てくる。管壁ととも
に台部がアーク管の基部の所に環状区画室または
リング形の室を形成し、その中に余分のアマルガ
ムを収集する。アークから離れているとともに台
部を通り抜ける導入線と物理的に隔たつているこ
とから、リング形の室の温度は常に台部の内側端
の温度に比べてかなり低い値にとどまつている。
その結果、余分のアマルガムはリング形の室内に
集まり、また封止用フリツトと接触する惧れのあ
る台部の内側端でアマルガムが凝縮する傾向はな
い。

好ましい実施例では、リング形の室は、衝撃と
振動に拘わらず、またランプの向きまたは姿勢に
拘わらず、毛管現象による吸引力によつて充填ア
マルガムの全体を保持できるように寸法が定めら
れている。アーク管の他方の端部は、封止用フリ
ツトまたはガラスを使用して、アルミナのプラグ
を通り抜けて封止された電極支持用の導入線を含
む通常のセラミツクの閉鎖体をアーク管壁に結合
または接着することによつて、通常の方法で封止
される。輻射シールドや比較的短い電極シヤンク
を用いた任意の都合のよい方法でこの接着された
端部の温度を上げることによつて、この接着され
た端部の封止用フリツトの内部すみ肉上にアマル
ガムが凝縮しないようにする。

発明の詳しい説明 第１図および第２図に例示したセラミツクのア
ーク管１は下側の端部閉鎖体３および上側の端部
閉鎖体４をそなえた管状エンベローブまたは主管
部分２を有する。主管部分２と下側閉鎖体のプラ
グ部分５とは多結晶アルミナ・セラミツクの単一
体構造を形成する。主管部分２とプラグ部分５
は、マグネシア等の他の金属酸化物を微量添加し
た純粋のアルミナ粉末を形成し、低温で予備的に
加熱して粉末を固めることによつて、公知の方法
で準備することができる。一般的に、管を作るに
は、圧力を加えてアルミナの湿式ペーストを細長
く押出し成形し、予備加熱し、この結果得られた
「グリーン（半製品の）」コンパクトを個々のアー
ク管にとつて所望の長さに切断する方がより便利
である。孔をあけたプラグ部分は別個に成形し、
同様に加熱して「グリーン」状態にする。次にこ
のプラグを各アーク管の長手方向の一方の端部に
ははめ込み、このプラグを入れた管を、米国特許
第3026210号に記載されているような公知の方法
で、真空または水素の雰囲気内で1800度乃至1950
度の範囲内の非常に高い温度で焼成する。この焼
成は白亜質で不透明な「グリーン」コンパクトが
半透明の多結晶アルミナ・セラミツクに変換され
るまで行う。

焼成工程では、物品の線寸法（linear
dimension）が20％以上小さくなり、第２図に境
界線６として示された管とプラグとの間の境界ま
たは界面が消滅する。このようにして、主管部分
２とプラグ部分５は両者間に封止用フリツト等の
異物による結合を用いずに多結晶アルミナ・セラ
ミツクの単一体構造となる。プラグ部分はほぼ円
筒形の台部７を含む。この台部７は管壁と共通の
プラグ部分の領域から伸び出していて、蒸発して
いない余分のナトリウム・水銀のアマルガム９を
保持するための環状室または環状区画室８を管壁
との間に形成する。

まずニオブの導入線１０を含む導入線−電極ア
センブリをプラグ５の孔の中に封止することによ
つて、プラグ５と一体となつたセラミツクの管２
をアーク管に形成する。ニオブの導入線１０には
電極１１が溶着部１２によつて取り付けられてい
る。電極は従来のようにタングステンのシヤンク
１３を含み、このシヤンクには１層以上にタング
ステン線１４が巻かれており、そのターン相互間
にバリウム・カルシウム・タングステン酸塩
（Ba₂CaWO₃）のような電子放出材料が保持され
る。ニオブの導入線は参照数字１５で示すように
膨径されて肩を形成する。この肩は電極を台部７
の頂部に対して位置決めする役目を果す。

下側の導入線−電極アセンブリの封止は、プラ
グを入れた端部を上にした状態、すなわち第２図
に示す状態をひつくりかえした状態にして管を保
持している間に行なう。ニオブの導入線をその場
所に保持して、封止中に落ちないようにするた
め、クロス・ワイヤ１６がニオブの導入線に点溶
接される。封止用フリツトまたはガラスは管のプ
ラグを入れた端部から外へ出てくる導入線１０の
まわりに粉末として適用するか、あるいは導入線
の突出した部分に通した圧縮成型粉末のワツシヤ
の形として適用することができる。使用し得る１
つの封止用組成物は約54（重量）％のAl₂0₃，38.5
（重量）％のCaO，および7.5（重量）％のMgOで
構成されるが、他の組成物を使うこともできる。
加熱したとき、フリツトは溶解し、毛管現象によ
つて孔の中に引き込まれ、参照数字１７で示すよ
うに孔の中に広がり、導入線の膨径部分のまわり
の台部７の上に小さなプール１８を形成する。

次に管は封止された端部を下にして適当な室の
中に置かれ、ナトリウム・水銀のアマルガム充填
物が入れられる。室は不活性ガスで洗浄した乾燥
した箱の形とすることができ、部品の操作はグロ
ーブ・シールドを介して行なうことができる。上
側のセラミツクの閉鎖体にはニオブの導入線１
０′が設けられており、これに電極１１′が溶着部
１２′によつて取り付けられている。閉鎖体は中
心に孔があいたアルミナ・セラミツクのプラグま
たは円盤２０で構成されている。導入線は円盤中
の孔を通つて、膨径部分１５′に達する。そして
導入線−電極アセンブリを円盤に固定するため、
クロス・ワイヤ１６′が導入線に点溶接される。
円盤なわちプラグは管２の開放した端部に容易に
はまるような寸法になつており、クロス・ワイヤ
１６′は封止の間アセンブリをその場所に保持す
るために管壁の上まで伸びている。この場合も、
封止用フリツトは導入線の上側に突き出ている部
分に通した圧縮成型ワツシヤの形で適用すること
ができる。

最終的な封止と接着操作のため、アーク管と閉
鎖体のアセンブリは乾燥箱から直接、真空炉に移
すことができる。実際に封止する前に、炉に完成
時のランプで希望されるキセノンや不活性ガス混
合物等のガスを充たす。管の上側端部を封止用フ
リツトの融点まで加熱している間、管の下側端部
を充分に冷却してアマルガム充填物の蒸発を避け
るため冷却手段または大きなヒート・シンクを設
けることができる。液化したフリツトは毛管現象
によつてアーク管とプラグとの間の環状の隙間２
１に吸引され、すみ肉２２を形成する。液化した
フリツトはまた導入線１０′のまわりの孔２３に
吸引され、膨径部分１５′のまわりに小さなプー
ル２４を形成する。フリツトが冷えて固化したと
き封止が達成される。真空炉の中の不活性ガスの
圧力を変えることにより、完成時のアーク管また
はランプ中に所望の圧力を与えることができる。

動作中、熱源は電極１１と電極１１′との間に
伸びるアークであり、両電極間の空間内の軸線上
で温度が最高となる。熱は主として輻射によつて
消散する。しかし、外側のエンベロープ内にアー
ク管を通常の方法で支持するフレームへの伝導に
よつて導入線からも熱が失なわれる。アーク管の
プラグと一体になつた端部にある環状室８は軸線
から半径方向外側に最大限に離れ、また隣接した
電極１１の裏側に位置し、更にアークから遠く離
れて配置されているため、台部７およびその上の
封止用フリツトに比べてかなり低い温度に維持さ
れる。その結果、台部の上のフリツト１８上やそ
の周囲ではなく、環状室の底に余分のアマルガム
が凝縮して集まる。

アーク管の接着された端部を比較的高い温度に
保つことにより、この端部の隅の封止用フリツト
のすみ肉２２の上にアマルガムが凝縮することが
防止される。これは第１図に示すようにこの端部
のまわりにニオブまたはタンタル等の反射性金属
のリング２５を巻き付ける等の方法により、その
端部に輻射シールドを配置することによつて容易
に達成される。そのかわりに、電極１１′とアル
ミナの円盤２０との間の間隔を短縮するようにシ
ヤンク１３′を短かくするか、あるいは溶着部１
２′を膨径部分１５′に近づけて作ることにより端
部の温度を上昇させてもよい。もちろん、輻射シ
ールドを設けることと電極から円盤までの距離を
短縮することの両方を同時に使うこともできる。

ランプ内の熱平衡により環状室８がアーク管の
中で最も低温の場所となり、ランプが動作する際
の向きや姿勢に無関係に、余分なアマルガムは常
に環状室８の中に集まる。しかし、環状室を上に
してランプを動作させた場合、機械的な衝撃また
は振動によつてアマルガムの小滴が環状室からこ
ぼれ出ることがある。この場合、小滴の突然の蒸
発によつて、輝きを増したりちらつきが生じるこ
とがあり、また蒸気圧力の上昇によつてランプが
消えることさえ起り得る。電極の前の壁に当たる
小滴による熱衝撃は時にはセラミツクのアーク管
にひび割れを生じさせることがある。

本発明の好ましい形式によれば、上記の欠点が
解消され、衝撃や振動に耐える真に凡用的な明る
いランプが提供される。耐振動性の程度は環状室
に働く毛管力によつてきまる。管壁と台部壁との
間の間隙である環状室の幅寸法Ａが毛管現象によ
る吸引力または毛管力を決定する。間隙が小さい
程、毛管力が大きくなる。実際の範囲は0.2mm
（ミリメートル）から2.5mmである。毛管現象によ
る保持力を4Gすなわち重力の４倍にする場合に
は、寸法Ａは約１mmでなければならない。建設装
置におけるような過大な振動を受ける用途に用い
られる重負荷ランプの場合には、寸法Ａはもつと
小さく選定しなければならない。寸法Ｂは環状室
の深さであり、寸法Ａとともに環状室の容積を決
定する。その好ましい値は、環状室に入るアマル
ガムの分量がその容積の約80％を超えないように
制限することによつて決定される。寸法Ｂは管の
内径の約10％から100％の範囲にある。図示のア
ーク管が内径４mmで50ワツトのランプを想定して
いる場合、寸法Ｂは1.5mmである。環状室をより
深くかつより大きくすれば、振動を受ける典型的
な用途で位置ずれを生じることなくランプにより
多くのアマルガムを入れてランプの寿命を伸ばす
ことができるという利点が得られる。

本発明による詳細に説明した特定のアーク管は
一例に過ぎない。したがつて、本発明は特許請求
の範囲により限定されるものであり、特許請求の
範囲は本発明の趣旨と範囲に入るすべての変形を
包含することに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である高圧ナトリウ
ム蒸気アーク管または放電管の側面図である。第
２図は管の中央部を省略し、管の両端部を詳しく
示す側面図である。 主な符号の説明、１……アーク管、２……主管
部分（管状エンベローブ）、３，４……端部閉鎖
体、５……プラグ部分、７……台部、８……環状
室、１０，１０′……ニオブの導入線、１１，１
１′……電極、１７……封止用フリツト、２０…
…プラグまたは円盤、２５……反射性金属のリン
グ（輻射シールド）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高圧金属蒸気ランプにおいて、 高温でアルカリ金属蒸気の侵食に耐える光透過
   性材料の管状エンベロープであつて、このエンベ
   ロープはセラミツクの管であり、該管は一方の端
   部に該管と一体部分を形成するプラグ部分を有
   し、該プラグ部分は貫通孔が設けられているとと
   もに該管に結合された外側領域と該外側領域から
   内側に伸びる台部を含んでおり、導入線が上記貫
   通孔を通つて伸びるとともに上記貫通孔の中に封
   止用フリツトによつて封止されている当該管状エ
   ンベロープ、 上記管の他方の端部に封止用フリツトによつて
   接着された、孔のあいたセラミツクのプラグであ
   つて、上記孔を通つて伸びる導入線が上記孔の中
   に封止されている当該セラミツクのプラグ、 上記導入線のそれぞれの内側端に支持されて上
   記エンベロープ内に配置された一対の電極、 上記エンベロープ内に封入された水銀−アルカ
   リ金属のアマルガムを含む電離可能な媒体であつ
   て、その量がランプ動作中に蒸発する量よりも多
   く含まれていて、蒸発していない余分な量が液体
   状態にとどまるようにした当該電離可能な媒体、
   ならびに 上記台部と管壁とにより限定されて、該管壁に
   接して位置し、かつ隣接した上記電極の後側に配
   置されていて、蒸発していないアマルガムをその
   中に集めることができる環状室であつて、ランプ
   の向きまたは姿勢に拘わらず毛管現象による吸引
   力によつてアマルガムの封入物全体を保持するよ
   うに寸法が定められている環状室を有することを
   特徴とする高圧金属蒸気ランプ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記セラミツクが多結晶アルミナ
   である高圧金属蒸気ランプ。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記アルカリ金属がナトリウムで
   ある高圧金属蒸気ランプ。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記封止用フリツトの主成分が酸
   化アルミニウムと酸化カルシウムである高圧金属
   蒸気ランプ。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、動作時に上記管の上記他方の端部
   の温度を上記管の上記一方の端部の温度よりも高
   くする温度上昇手段が含まれている高圧金属蒸気
   ランプ。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記温度上昇手段として上記管の
   上記他方の端部のまわりに配置された少なくとも
   １つの輻射シールドを含むとともに、該端部にお
   ける電極−プラグ間の距離が短くされている高圧
   金属蒸気ランプ。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記環状室の幅（寸法Ａ）が0.2
   ミリメートルから2.5ミリメートルの範囲内にあ
   り、上記環状室の深さ（寸法Ｂ）が上記管の内径
   の10％から100％の範囲内にある高圧金属蒸気ラ
   ンプ。 ８ 特許請求の範囲第７項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記寸法Ａが約１ミリメートル、
   上記寸法Ｂが約1.5ミリメートル、上記管の内径
   が約４ミリメートルである高圧金属蒸気ランプ。 ９ 特許請求の範囲第７項記載の高圧金属蒸気ラ
   ンプにおいて、上記環状室に入る水銀−ナトリウ
   ムのアマルガムの分量がその容積の80％を超えな
   いように上記環状室の寸法を選定した高圧金属蒸
   気ランプ。