JPS6329795B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、細長い管状の放電管内に水銀ととも
に希ガスが封入され両端に電極が設けられた低圧
放電灯装置において、前記放電管内の陽光柱に希
ガス放電による移動縞に起因するチラツキが発生
するのを防ぐことを目的とし、放電管の近傍に永
久磁石等の静磁界発生手段を設け、該静磁界発生
手段による静磁界を前記放電管内の電界と交叉さ
せつつ前記陽光柱の略々全域にわたつて印加せし
める様に構成された低圧放電灯装置に関するもの
である。尚、前記低圧放電灯装置としては所定の
安定器を介して商用交流電源電圧の約50％の電圧
が放電管電圧として印加される形式のけい光灯等
として広く用いられている管状の低圧放電灯装置
を前提としている。 一般にけい光ランプ等の低圧放電灯装置におけ
るけい光放電管内には封入ガスとして希ガスであ
るアルゴンガスが封入されている。しかし最近で
はランプ効率の向上を目的として、放電管の管径
を小さくし、管内に封入する希ガスとしてアルゴ
ンよりも原子量の大きいクリプトン、キセノン等
を混入した形式のものが提案されている。この種
の放電管においては原子量の比較的大きい希ガス
を放電管内に混入することによつて、該放電管内
における電子と希ガス原子間の弾性衝突によるエ
ネルギー損失が小さくなるのである。また原子量
の大きい希ガスはその電離電圧が低く、放電管内
荷電粒子の移動度が小さくなる。従つて陰極降下
電圧が低下してランプ効率が向上する。しかしな
がら、この種のけい光ランプはランプ効率の向上
の反面、周囲温度が低い条件下ではチラツキ現象
が顕著に現われ、それとともに光束も低くなり、
更にランプ電流が大きくなつて安定器損失が増大
する等の欠点を有している。 前述のチラツキ現象は陽光柱に発生する希ガス
特有の移動縞放電によるものであり、希ガスの原
子量が大きい程比較的高い周囲温度で発生する。
これは次の様な原因によるものである。放電管周
囲温度が低くなるにつれて水銀蒸気圧は指数関数
的に低下し、管内のイオンは水銀イオンから希ガ
スイオンに移行し、その結果希ガス放電による移
動縞が現われる。しかし、希ガスとして通常用い
られるアルゴン（電離電圧15.76V）よりも原子
量の大きいクリプトン（電離電圧13.99V）を用
いる場合には、水銀（電離電圧10.43V）との電
離電圧の差が小さいので、管内に水銀蒸気が多少
残つている比較的高い周囲温度においても管内の
イオンは水銀イオンから希ガスイオンへと移行す
ることになる。管内封入希ガスが種々の希ガスの
混合ガスである場合には、チラツキの発生は最も
原子量の大きい（即ち、電離電圧が最も低い）希
ガスの影響を受けるので、この様な重希ガスの混
入量が多い放電管ほど比較的高い周囲温度でも希
ガス放電による移動縞に起因するチラツキが発生
しやすくなるのである。 本発明者等は叙上の様なこの種の装置における
問題点を解決する目的で、放電管内部の電界と交
叉する磁界を陽光柱のほぼ全域にわたつて印加す
る方式の低圧放電灯装置を先に提案した（特開昭
56−97906号公報，特開昭56−97994号公報）。こ
れらの先に提案した装置では、厚み方向に着磁さ
れた直方体状のフエライト永久磁石を、直管型け
い光放電管の上側に設けられた反射板の下面にと
りつけ、前記フエライト永久磁石の磁極面（底
面）が前記直管型けい光放電管上方側面部の長手
方向のほぼ全長と一定間隔をもつて対向する如く
配し、あるいは厚み方向に着磁された曲板状のフ
エライト永久磁石を直管型けい光放電管上方側面
部に、その上方側面部の長手方向のほぼ全長にわ
たつて沿う如く貼着してある。この様な構成によ
つて、放電管内の電界と交叉する磁界を陽光柱の
ほぼ全域にわたつて印加せしめ、これによつて周
囲温度が比較的低い条件下においても点灯後速や
かにチラツキを停止させ、しかも高効率を維持で
きるのである。尚、前述の様に高効率を維持でき
るのは、放電管内における放電路が磁界により放
電管内壁方向に偏向され、放電管内壁におけるイ
オンと電子の再結合が促進される結果陽光柱の電
位傾度が上昇し、このために放電管の発光が強め
られるためであると考えられる。 本発明者等は種々実験の結果前述の様な放電管
内部の電界と交叉する磁界を用いてチラツキ現象
を停止させる方式の装置ではその磁界の磁束密度
が大きい程チラツキが速やかに停止するという知
見を得ている。しかし他面、磁束密度を大きくす
るに従つて、放電管の始動電圧が上昇して始動困
難になつたり、点灯維持電圧が上昇し過ぎて立ち
消えが発生したりするという問題があることも判
明している。これは放電管の管軸と垂直な方向に
磁界をかけると放電管内電荷の管壁での再結合量
がその磁界の磁束密度が大きくなるに従つて増加
するからであると考えられる。 一般に所望の時間内でチラツキを停止させると
ともに始動の容易さを確保するためには周囲温
度、電源電圧、放電管内に混入する希ガスの種類
やそれらの混入比率及び放電管内圧力等により決
まる種々の条件下で夫々異なつた特定の範囲内の
磁束密度の値を選択する必要があることがわかつ
た。このように周囲温度及び電源電圧に関し比較
的厳しい条件の下で確実に始動するとともに所定
時間内にチラツキを停止できる装置の一般的存在
は従来確認されていなかつた。本発明はこのよう
な装置を提供しようとするものである。以下に本
発明について詳細に説明する。 第１図ａは本発明の一実施例を示す略線的切り
欠き側面図、同図ｂはａ図におけるＬ−Ｌ線断面
図である。第１図において１０は厚み方向に着磁
された直方体状のフエライト永久磁石であり、該
永久磁石１０はその磁極面（底面）が直管型けい
光放電管２０の上方側面部の長手方向のほぼ全長
と一定間隔をもつて対向する如くして前記けい光
放電管２０の上側に設けられた反射板３０の下面
に取付けられている。前記けい光放電管２０はそ
の内部に水銀とともに希ガスが封入された型式の
ものであり、ガラス管４０の内面にはけい光体５
０が塗布されている。また該ガラス管４０の両端
内部にはステム60が封着され、該ステム６０に植
設されたリード線７０によつて支持されたフイラ
メント８０には電子放射生物質が塗布されて電極
をなしている。更に前記ガラス管４０両端部には
夫々２本の口金ピン９０を有する口金９１が設け
られている。第２図ａは本発明の他の実施例を示
す略線的切り欠き側面図、同図ｂはａ図における
L′−L′線断面図である。第２図において、前述の
第１図との対応部には同一符号を附して詳細な説
明は省略するが、１０′は厚み方向に着磁された
曲板状のフエライト永久磁石であり、該永久磁石
１０′は直管型けい光放電管２０上方側面部に、
その上方側面部の長手方向のほぼ全長にわたつて
沿うように貼着されている。尚第１図ｂ及び第２
図ｂにおいては磁束分布の様子を点線で略記して
ある。本発明の装置の構成は上述の如きものであ
るが、本発明者等は先ず管内封入希ガスとしてク
リプトン100％のものを用いた40Wクラス試作け
い光放電管（放電管１）及び管内封入希ガスとし
てアルゴン60％、クリプトン40％のものを用いた
40Wクラス省電力型けい光放電管（放電管２）に
ついて夫々実験を行なつた結果次の様な事実を確
認した。即ち、磁界をかけない状態において、放
電管周囲温度と、点灯してからチラツキが停止す
るまでの時間（以下チラツキ停止時間という。）
との間には、第３図のグラフに示す関係がある。
即ち、放電管の種類と電源電圧が一定であれば周
囲温度が低い程チラツキ停止時間が長くかかると
いう関係が存在し、また放電管の種類と放電管周
囲温度が一定であれば電源電圧が低下するとチラ
ツキ停止時間が長くなる関係が存在する。 また同一の放電管については、放電管周囲温度
Taをパラメータとしたときの放電管中心の磁束
密度とチラツキ停止時間との関係は40Wクラス試
作けい光放電管の特性を示す第４図のグラフの様
になる。すなわち放電管中心の磁束密度を高くす
る程チラツキ停止時間を短縮することができる
が、周囲温度が低くなる程同一のチラツキ停止時
間に対し大きな放電管中心の磁束密度を要する。 尚、前述における放電管中心の磁束密度は放電
管の一断面内における平均磁束密度とほぼ等しい
値になるものである。以下に述べる様に本発明者
等は放電管の一断面内における平均磁束密度を表
わす場合に、その値の代りに放電管中心の磁束密
度の値を用いても実用上さしつかえないという重
要な事実を実験的に確認し得たのであり、この様
な重要な知見を得て本発明は完成へ導かれた。 一般に放電管内の管径方向の電荷密度は零次ベ
ツセル関数で表現され、管径方向の電荷密度分布
は第５図ａに示した様に放電管中心部Ｂで最大と
なり管壁に近い程小さい傾向を有する。換言すれ
ば放電管内の電荷は放電管中心及びその近傍に集
中的に存在しているということである。このこと
は、放電管のチラツキ防止の目的で印加する磁界
は、前述の様に電荷が集中的に存在している放電
管中心及びその近傍に印加するのが有効であるこ
とを意味する。一方第５図ｂに示した様に、磁界
発生源Ｍによる磁界の磁束密度は、一般に磁界発
生源表面からの距離に反比例する。また発明者等
は、第５図ｃに示す様に放電管断面における特定
の点、即ち放電管中心Ｂ、管径軸上で磁界発生源
Ｍに最も近い管壁上の点Ｄ、同じく最も遠い点
Ｅ、管径に直交する管径軸上の管壁上の点Ａ
及びＣ、の中点Ｆ、の中点Ｇ、の中点
Ｈ、の中点Ｉの各点における磁束密度を実測
した結果、それらの平均値が前記放電管中心Ｂに
おける磁束密度の値と略々等しいことを確認し
た。以上の事実からこの種装置においては放電管
の一断面内における平均磁束密度を表わす場合
に、その値の代りに放電管中心の磁束密度の値を
用いる方が実用的であるという知見が得られたの
であり、以下に述べる放電管中心の磁束密度は全
てこの様な趣旨で便宜上用いられているものであ
る。 前掲の第３図及び第４図について述べた様に電
源電圧が低い程、また放電管周囲温度が低い程チ
ラツキ停止のための条件は厳しくなる傾向があ
る。また前述の如く一般に電源電圧が低く周囲温
度が低いことは放電管の始動にとつても厳しい条
件となる。そこで本発明者等は放電管のチラツキ
停止と始動性にとつて実用上最も厳しいと考えら
れる放電管周囲温度Ta＝０℃、電源電圧V_ACが
定格値の90％という条件下で種々実験を行い、放
電管の始動が可能となる限界点及びチラツキ停止
時間が10分となる限界点を求めたところ、多数の
実験により、後に詳述する第６図のグラフに示し
た様な顕著な結果を得た。尚、上述のチラツキ停
止時間10分という設定値は、前掲の第４図からも
観察される様に、点灯後10分以上経過してもチラ
ツキが停止しない場合は終局的にチラツキを停止
させることが不可能であるという臨界的意義を有
するところから選ばれたものである。 前述の実験に供した代表的な放電管の仕様、及
び前述の放電管始動可能限界点（上限）における
放電管中心の印加磁束密度、チラツキ停止時間10
分の点（下限）における放電管中心の印加磁束密
度を以下の第１表に示す。

【表】 但し、 放電管Ａ：40Wクラス試作品 放電管Ｂ：40Wクラス省電力型 放電管Ｃ：110Wクラス省電力型 放電管Ｄ：110Wクラス一般型 第６図は前掲の第１表のデータに基くグラフで
あるが同図においてＸは放電管内に封入された希
ガスの原子量の加重平均値を、前記放電管内希ガ
ス圧力値と管内半径の平方値と管長との三者の積
で除した値である。即ち Ｘ＝管内希ガスの原子量の加重平均値／管内希ガス圧
力×（管内半径）²×管長〔１／Torr・cm³〕……(1) このＸの物理的意義について考察を加えると以
下の様になる。 一般に Pg ：管内希ガス圧力 Vlamp：気内容積 Ng ：管内希ガス原子数 Ｒ ：気体定数 Ｔ ：希ガス封入時の温度〔〓〕 ｒ ：管内半径 ｌ ：管長 とすると、ボイル・シヤルルの法則より Pg・Vlamp＝Ng・Ｒ・Ｔである。 従つて Ng＝Pg・Vlamp／Ｒ・Ｔ∝Pg・Vlamp ＝Pg・π・r²・ｌ∝Pg・r²・ｌ ……(2) 前記(1)式及び(2)式より、(1)式の分母は管内希ガ
ス原子数に比例する量であることがわかる。従つ
て前記Ｘは、放電管内の希ガス原子１個当りの平
均的重さ（に比例する量）を意味する。次に、Ｙ
は放電管中心における印加磁束密度であるが、こ
れは前述の如く、放電管の一断面内の平均磁束密
度を表わしている。本第６図のグラフから観察さ
れる通り、放電管周囲温度Ta＝０℃、電源電圧
V_ACが定格値の90％という条件下においては放電
灯始動可能限界点は、ほぼ Ｙ＝600X＋70 なる直線１上に存在することがわかる。即ち、第
６図において前記直線１の下側の領域においては
放電灯の始動が確実に行なわれ得ることになる。
またチラツキ停止時間10分の点は、略々 Ｙ＝630X−20 なる直線２上に並ぶことがわかる。即ち、前記直
線２の上側の領域（即ち、直線２上よりも磁束密
度が大なる領域）においてはチラツキが確実に停
止され得ることになる。従つて略々 600X＋70＞Ｙ＞630X−20 ……(3) （但しＸ＞０，Ｙ＞０） なる領域においては放電管周囲温度Tr＝０℃、
電源電圧V_ACが定格値の90％という条件下におい
ても、確実にその放電管を始動させ得るととも
に、電圧印加から10分以内でチラツキを停止させ
得ることになる。 前掲の第３図及び第４図から推定される通り、
放電管周囲温度Trが０℃よりも高くなり、電源
電圧V_ACも略々定格値を確保できる条件下では、
10分以内でチラツキを停止できる領域は直線２よ
りも下の方に広がることになる。発明者等は実験
の結果以下の第２表に示すデータを得、放電管周
囲温度Ta＝０℃、電源電圧V_ACが定格値通りで
ある条件下で10分以内でチラツキを停止できる領
域として、第６図に示された Ｙ＝630X−50 なる直線３よりも上方の Ｙ＞630X−50 （但し、Ｘ＞０，Ｙ＞０） なる領域の存在を確認した。 しかるに前述の放電管周囲温度Ta＝０℃、電
源電圧V_ACが定格値通りという条件は、チラツキ
停止のためのみならず放電管の始動にとつても
Tr＝０℃、V_ACが定格値の90％という条件よりも
緩やかな条件である。従つてTa＝０℃、V_ACが
定格値の90％なる条件でも放電管が始動できる前
述の直線１の下側の領域では、Ta＝０℃、V_AC
が定格値であれば放電管の始動は当然可能であ
る。即ち略々 600X＋70＞Ｙ＞630X−50 ……(4) （但し、Ｘ＞０，Ｙ＞０） なる領域においては放電管周囲温度Ta＝０℃、
電源電圧V_ACが定格値通りという条件下で確実に
その放電管を始動させ得るとともに、電圧印加か
ら10分以内でチラツキを停止させ得ることにな
る。

【表】 本発明の低圧放電灯装置は、放電管中心の磁束
密度が前記(3)式を満たす値を有する様な磁界を発
生する磁界発生手段を具備しており、これによつ
て放電管の始動性とチラツキ停止にとつて実用上
最も厳しいと考えられる放電管周囲温度Tr＝０
℃、電源電圧V_ACが定格値の90％という条件下に
おいても確実な始動をなし得るとともに10分以内
にチラツキが完全に停止するという効果を得てい
るものである。尚、放電管周囲温度Ta＝０℃で
あつても電源電圧V_ACが定格値であれば、放電管
中心の磁束密度が前記(4)式を満たしていれば、10
分以内にチラツキを停止させることができる。 本発明者等は更に進んで、前述の磁束発生手段
として、第１図ａ及びｂについて述べた様な永久
磁石を用いた場合に、最も効果的な永久磁石の形
状を決定すべく種々検討を加えた。一般に放電管
中心の磁束密度を増加させるとチラツキはより短
時間で停止する様になるとともに効率向上率（即
ち、放電灯効率の向上分の原効率に対する百分
率）もよくなる。一方磁極面の中央部分でその面
から一定距離の点における磁束密度と、当該磁石
の形状（これを、断面積と長さを一定にした場合
における磁石の巾と磁石の厚みとの比で表わす。）
との関係は、第７図に示す様になり、一定体積の
磁石においても磁束密度が最大となる様な形状が
存在することが知見された。本発明者等は上記の
点に着目し、前掲の第１表における実験で用いた
放電管Ｂと同仕様の放電管と、断面積100mm²、長
さ1000mmのフエライト系永久磁石を用いて該永久
磁石の形状と放電管中心磁束密度及びチラツキ停
止時間、効率向上率について実験を行ない第３表
に掲げる様なデータを得た。

【表】 〔但し、チラツキ停止時間は、周囲温度Tr＝
０℃及び電源電圧V_ACが定格値の90％の条件下で
測定。 効率向上率は、周囲温度Ta＝25℃、電源電圧
V_ACは定格値の条件下で、磁界を印加しない場合
の効率に比し何％向上したかを示す。〕 以上の第３表におけるチラツキ停止時間に関す
るデータをグラフに表わせば第８図の様になる。
第８図から観察される様に永久磁石の形状は磁石
の巾と磁石の厚みとの比の値が１乃至２の範囲と
なる場合がチラツキ停止のために最適であると言
える。また永久磁石の形状を上述の様に選択すれ
ば、最もすぐれた効率向上率をも得ることができ
る。尚、上述に於ける磁石形状の検討は、磁石の
断面積と長さとが一定の場合、即ち磁石の体積を
一定とした場合における最適形状を求めるべくな
されたものであるから、視点をかえれば一定の効
果を得るために価格が最低となる様な磁石形状を
知り得たと言うこともできる。 尚、本発明の磁界発生手段としては、第１図及
び第２図について説明した様な直方体状もしくは
曲板状の永久磁石を用いたもののほか、第９図に
示す様に、ほぼ等間隔で一列に整列配置された複
数の永久磁石１１，１１のＮ極と、該Ｎ極と同様
に整列配置された複数の永久磁石１１′，１１′の
Ｓ極とが放電管２１を挾んで夫々対向する様に構
成された態様のものや、第１０図に示す様にほぼ
等間隔で一列に整列配置された複数の永久磁石１
２，１２の各磁極面が放電管２２の外側壁に対向
し、且つ前記各永久磁石１２，１２の放電管２２
の外側壁に対向する磁極面の極性は、相隣り合う
もの同士で交互に異なる様に構成された態様のも
のでもよく、また第１１図に示す様にほぼ等間隔
で一列に整列配置された電磁石１３，１３の同極
性の磁極面の夫々が放電管２３の外側壁に対向す
る様に構成された態様のものを用いてもよい。第
１１図におけると同様の電磁石配置をもつて各電
磁石への励磁電流の向きを相隣り合う同士で交互
に逆にすれば、第１０図における構成のものと同
様の磁束分布をもつものになることは勿論であ
る。尚、第９図、第１０図及び第１１図の夫々の
構成においては磁束分布の様子を点線で略記して
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明の一実施例としての装置を示
す略線的切り欠き側面図、同図ｂはａにおけるＬ
−Ｌ線断面図、第２図ａは本発明の他の実施例と
しての装置を示す略線的切り欠き側面図、同図ｂ
はａにおけるL′−L′線断面図、第３図は放電管周
囲温度とチラツキ停止時間の一般的関係を示すグ
ラフ、第４図は放電管中心の磁束密度とチラツキ
停止時間との一般的関係を示すグラフ、第５図
ａ，ｂ及びｃは放電管内の一断面における夫々電
荷密度分布、磁束密度分布及び測定点の関係とを
説明する図、第６図は本発明における諸量の数値
限定の臨界的意義を説明するグラフ、第７図は磁
石の形状と発生磁束との関係を示すグラフ、第８
図は磁石の形状とチラツキ停止時間との関係を示
すグラフ、第９図、第１０図及び第１１図は夫々
磁界発生手段の構成例を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細長い管の両端に電極を有しその管内に水銀
   と共に希ガスが封入された低圧放電管に対し、磁
   界発生手段による静磁界を、前記放電管内の電界
   と交叉するように管内の陽光柱のほぼ全域にわた
   つて印加せしめるように構成した低圧放電灯装置
   において、 前記静磁界が、 周囲温度０℃、電源電圧が定格値の90％である
   条件に対し、 前記放電管の横断面内における前記静磁界の平
   均磁束密度をＹ〔ガウス〕、前記放電管内に封入さ
   れた希ガスの原子量の加重平均値を前記希ガスの
   圧力と管内半径の平方値と管長との三者の積で除
   した値をＸ〔１／Torr・cm³〕としたとき、略々 600X＋70＞Ｙ＞630X−20 （但し、Ｘ＞０，Ｙ＞０） なる範囲内の値をとる様になされたことを特徴と
   する低圧放電灯装置。 ２ 細長い管の両端に電極を有しその管内に水銀
   と共に希ガスが封入された低圧放電管に対し、磁
   界発生手段による静磁界を、前記放電管内の電界
   と交叉するように管内の陽光柱のほぼ全域にわた
   つて印加せしめるように構成した低圧放電灯装置
   において、 前記静磁界が、 周囲温度０℃、電源電圧が定格値である条件に
   対し、 前記放電管の横断面内における前記静磁界の平
   均磁束密度をＹ〔ガウス〕、前記放電管内に封入さ
   れた希ガスの原子量の加重平均値を前記希ガスの
   圧力と管内半径の平方値と管長との三者の積で除
   した値をＸ〔１／Torr・cm³〕としたとき、略々 600X＋70＞Ｙ＞630X−50 （但し、Ｘ＞０，Ｙ＞０） なる範囲内の値をとる様になされたことを特徴と
   する低圧放電灯装置。