高壓鈉燈的製作方法
2023-10-19 01:53:42
專利名稱：高壓鈉燈的製作方法
技術領域：
本發明涉及高壓鈉燈。
背景技術：
高壓鈉燈因其效率高、壽命長故廣泛地用於道路照明和隧道照明等方面。
作為構成高壓鈉燈的發光管的外圍器具的材料，一般使用具有透光性的半透明的多結晶體氧化鋁陶瓷。在該多結晶體氧化鋁陶瓷中，為了適當控制晶粒的生長，添加微量的氧化鎂(MgO)。
已經知道，這種高壓鈉燈的效率(1m/W)隨著發光管的管壁負荷(這裡，定義為當設燈的輸入為W(W)、發光管的內徑為r(cm)、電極間的距離為L(cm)時，由公式W/πrL來表示的值)的增加而上升。這是因為伴隨管壁負荷的增大，發光管的管壁溫度上升，發光管的熱損耗降低。另一方面，燈的壽命時間隨著該管壁負荷的增大而變短。這是因為，同樣是伴隨管壁負荷的增大而使發光管的管壁溫度上升，所以，在亮燈時，封入的鈉因與多結晶體氧化鋁陶瓷的反應或向發光管外部擴散而消失的比例增加，光束維持率大幅度下降。
因此，現有的高壓鈉燈為了兼顧高效率和長壽命，設定在管壁負荷為15W/cm2～19W/cm2(穩定亮燈時的管壁溫度為1000℃～1200℃)的範圍內工作。
但是，現在，希望實現效率更高、壽命更長的高壓鈉燈。
因此，作為構成這種高壓鈉燈的發光管的外圍器具的材料，提出使用添加了100ppm～800ppm的氧化鎂、200ppm～1200ppm的氧化鋯(ZrO2)、10ppm～300ppm的氧化釔(Y2O3)的多結晶體氧化鋁陶瓷(例如，參照專利文獻1)。這是考慮到氧化鋯和氧化釔即使在管壁溫度高時，也能夠提高其對鈉的耐腐蝕性(降低鈉和多結晶體氧化鋁陶瓷的反應性)。
為了延長這種高壓鈉燈的壽命，要求由陶瓷密封材料密封的部分具有很高的氣密性，且陶瓷密封材料對鈉具有很高的耐腐蝕性。
因此，作為這種高壓鈉燈使用的陶瓷密封材料的組成，已知的有包含45.0重量％的Al2O3、36.4重量％的CaO、13.9重量％的BaO和4.7重量％的MgO的材料(例如，參照專利文獻2)。除此之外，還有包含35～45重量％的Al2O3、25～40重量％的CaO、5～20重量％的BaO、8～30重量％的SrO和不超過4重量％的從B2O3、MgO、SiO2、TiO2和ZrO2的組中選出的至少一種材料(例如，參照專利文獻3)，或者是包含35～50重量％的Al2O3、35～50重量％的CaO、1～10重量％的Y2O3和1～15重量％的SrO的材料(參照專利文獻4)。
專利文獻1特開平8-17396號公報專利文獻2美國專利第3588577號說明書專利文獻3特公昭58-6715號公報專利文獻4特公昭56-19318號公報為了實現高效率、長壽命的高壓鈉燈，發明人試製了使用由分別添加例如500ppm的MgO、400ppm的ZrO2和50ppm的Y2O3的多結晶體氧化鋁陶瓷形成的外圍器具的高壓鈉燈，並對其特性進行了評價。
結果，當點亮時間大於等於14000小時時，有些燈的電極保持部的被陶瓷密封材料密封的部分(以下稱作『外圍器具的端部』)發生裂縫，不亮了。例如，點亮時間經過18000小時的裂縫發生率在將管壁溫度設定為1000℃時是1％，在將管壁溫度設定為1100℃時是3％，在將管壁溫度設定為1150℃時是5％，在將管壁溫度設定為1200℃時是13％。如果按照過去的高壓鈉燈的額定壽命12000小時，就不能說實現了點亮時間達到14000小時才不能點亮的『長壽命』(本發明人的目標是點亮時間達到額定壽命的兩倍的24000小時才不能點亮的『長壽命』)。況且，當為了實現『高效率』而增大管壁負荷使管壁溫度升高時，則裂縫發生率高，要實現『高效率長壽命』是一個難度相當大的課題。
再有，發生這樣的裂縫認為是具有包括由只添加了MgO的多結晶體氧化鋁陶瓷構成的外圍器具的發光管的高壓鈉燈出現的現象，是使用包括由添加了MgO、ZrO2和Y2O3的多結晶體氧化鋁陶瓷形成的外圍器具的發光管引起的特有的問題。
發明內容
本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在於提供一種高效率長壽命的高壓鈉燈，特別是對於具有包括由添加了MgO、ZrO2和Y2O3的多結晶體氧化鋁陶瓷構成的外圍器具的發光管的高壓鈉燈，能夠防止外圍器具的端部發生裂縫。
本發明的第1方面的高壓鈉燈具有發光管，該發光管在由分別至少添加了氧化鎂MgO和氧化釔Y2O3的多結晶體氧化鋁陶瓷構成的外圍器具的兩端部，利用陶瓷密封材料對前端部設有電極的電極保持部進行密封，而且，在其內部至少封入作為發光物質的鈉，上述陶瓷密封材料包含釔。
本發明的第2方面的高壓鈉燈，上述陶瓷密封材料包含氧化釔。
本發明的第3方面的高壓鈉燈，上述陶瓷密封材料的上述氧化釔的含量大於等於1重量％、小於等於20重量％。
本發明的第4方面的高壓鈉燈，上述多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑是10μm～150μm。
本發明的第5方面的高壓鈉燈，上述多結晶體氧化鋁陶瓷的上述氧化釔的添加量是10ppm～150ppm。
再有，在本發明中，將『管壁負荷』定義為當設燈的輸入為W(W)、外圍器具的內徑為r1(cm)、電極間的距離為L(cm)時，由公式W/πr1L表示的值。
此外，本發明中所說『管壁溫度』表示外圍器具內部溫度的最高溫度值，但都知道在試驗上是外圍器具外面的溫度加10℃後的值就是外圍器具內部的溫度，所以，在本發明中，將『管壁溫度』定義為外圍器具外面的溫度加10℃後的值。通常，認為外圍器具的內部溫度最高的部分是外圍器具的中央部。
進而，在本發明中，在外圍器具的任何一處，在和發光管的長度方向的中心軸(相當於後述的『中心軸Y』)垂直的平面上進行切割，利用光學顯微鏡將該截面上任何一處放大100倍後進行觀察，計算位於0.7mm線段上的結晶個數，用該個數去除0.7mm，由此測定『平均結晶粒徑』。
若按照本發明的第1方面的高壓鈉燈，因陶瓷密封材料包含的釔在亮燈時向多結晶體氧化鋁陶瓷擴散，故對於在多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界上部分地出現釔的偏析使另一部分缺乏釔，從而可以抑制減弱該結晶邊界的結合力的情況。結果，可以防止在外圍器具的端部(電極保持部由陶瓷密封材料密封的部分)產生裂縫，可以實現高效率長壽命的高壓鈉燈。
特別是，即使管壁負荷設定在大於19W/cm2小於等於23W/cm2的範圍內也可以防止外圍器具的端部發生裂縫燈不亮或使光束維持率下降。
此外，特別是，當上述陶瓷密封材料中含有氧化釔時，陶瓷密封材料難以和釔進行反應，可以提高光束維持率。進而，可以防止因釔的消失而使燈電壓上升從而導致不亮燈的現象發生。
此外，在上述陶瓷密封材料中含有氧化釔的情況下，通過使上述陶瓷密封材料中的氧化釔的含量大於等於1重量％、小於等於20重量％，可以可靠地抑制多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界結合力的減弱，可以可靠地防止上述裂縫的發生，此外，在電極保持部的密封工序中可以提高作業效率。
此外，特別是，因上述多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑是10μm～150μm。故可以進一步抑制釔的偏析，除此之外，結晶之間的接觸表面積變大，可以增加外圍器具的機械強度。因此，可以進一步防止外圍器具的端部發生裂縫，進一步延長使用壽命。
進而，優選上述多結晶體氧化鋁陶瓷的上述氧化釔的添加量是10ppm～150ppm。由此，可以進一步減小釔的偏析量，同時，可以減小封入的鈉因和多結晶體氧化鋁陶瓷的反應或向發光管外部擴散而消失比例，可以防止光束維持率的下降。
圖1是本發明實施方式的高壓鈉燈的局部切口正視圖。
圖2是該高壓鈉燈使用的發光管的正剖面圖。
圖3是該高壓鈉燈使用的發光管的主要部分放大剖面圖。
圖4是表示實驗中使用的陶瓷密封材料的組成的圖。
圖5是表示本發明實施方式的高壓鈉燈的光束維持率(％)的圖。
符號說明
1 高壓鈉燈2 套筒3 外管4 燈頭4a 外殼4b 孔部5 發光管6 起動裝置7，8引線9 電極保持部10 起動輔助導體11 外圍器具12 貫通孔13 陶瓷密封材料14 電極14a 電極棒14b 電極線圈15 放電空間具體實施方式
下面，使用
本發明的最佳實施方式。
如圖1所示，本發明實施方式的燈輸入(額定功率)為360W的高壓鈉燈1總長T1為245mm，外徑R1為50mm。該高壓鈉燈1包括一端封閉、另一端由套筒2封住的、例如由硬質玻璃構成的圓筒狀的外管3、安裝在該外管3的套筒2一側的螺紋式燈頭4、容納在外管3內的發光管5和同樣容納在外管3內的套筒2和發光管5之間的位置上且用來起動發光管5的眾所周知的起動裝置6。
外管3的長度方向的中心軸X和發光管5的長度方向的中心軸Y差不多一致。
將2根引線7、8封入套筒2中。各引線7、8的一端引入外管3內，與發光管5的後述的電極保持部9進行機械的和電的連接。引線7、8的另一端向外管3的外部引出，一根引線7的另一端與燈頭4的外殼4a連接，另一根引線8的另一端與燈頭4的孔部4b連接。
再有，引線7、8通常是將多根金屬線作成一體來構成。
對外管3內部進行真空排氣。
在發光管5的外表面，沿著其長度方向附設起動輔助導體10。
如圖2所示，發光管5包括長度T2為120mm、外徑R2為7.9mm、內徑r1為6.4mm的圓筒狀外圍器具11、插入設在該外圍器具11的兩端的直徑為4.1mm的貫通孔12中且由陶瓷密封材料13進行氣密封的電極保持部9和設在該電極保持部9的前端的電極14。此外，在該發光管5內，分別封入預定量的以鈉汞齊(20重量％的鈉和80重量％的水銀)形態存在的作為發光物質的鈉、作為緩衝氣體的水銀、作為輔助起動的、例如是氙氣的惰性氣體。進而，該發光管5的管壁負荷是21.1W/cm2，這時的管壁溫度變成1240℃。
外圍器具11由以氧化鋁(Al2O3)作為其母體並分別添加了500ppm的氧化鎂(MgO)、400ppm的氧化鋯(ZrO2)和50ppm的氧化釔(Y2O3)的多結晶體氧化鋁陶瓷構成。這裡，作為外圍器具11的材料的多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑因後述的理由而設在10μm～150μm的範圍內，例如是30μm。
電極14由鎢制的電極棒14a和纏繞在該電極棒14a的前端且充填了電子放射性物質(未圖示)的同樣是鎢制的電極線圈14b構成。電極14間的距離L是85mm。
如圖3所示，電極保持部9由長度T3為20mm、外徑R3為4.0mm的有底桶狀的鈮管構成。利用熔接等連接電極保持部9的前端(底部)和電極棒14a。
再有，作為電極保持部9，除了有底的筒狀鈮管之外，還可以使用例如中空狀或棒狀等眾所周知的各種電極保持部。
陶瓷密封材料13厚度為30μm～70μm，其成分至少含有釔(Y)。陶瓷密封材料13中的釔也可以以複合氧化物或磷酸化合物的形態出現，但是，最好以氧化釔(Y2O3)的形態出現。通過以氧化釔的形態出現，可以抑制陶瓷密封材料13和發光管5內的鈉起反應。結果，可以抑制鈉的消失，提高光束的維持率，同時，可以防止因鈉的消失而使燈電壓上升從而不亮燈的情況的發生。
然後，進行確認作為如上所述的本發明的實施方式的燈輸入功率360W的高壓鈉燈1的作用效果用的試驗。
首先，使用具有圖4所示那樣的的組成的各種不同的陶瓷密封材料，分別製作出各100根將電極保持部9氣密封在外圍器具11中的燈輸入為360W的高壓鈉燈(實施例1～實施例8、比較例1～比較例3和現有例1)。使用燈輸入400W的高壓水銀燈用的眾所周知的銅鐵穩定器，像通常那樣點亮各個製作出來的燈，考查了點燈初期時的燈效率(lm/W)、點燈初期時的光束(lm)、顯色評價指數Ra和有無裂縫的發生。對外圍器具11的端部、特別是由陶瓷密封材料密封電極保持部9的部分進行了有無裂縫發生的考查。
並且，實施例1～實施例8以及比較例1～比較例3除了陶瓷蜜蜂材料的組成分別不同這點以外，具有與如上所述的燈輸入360W的高壓鈉燈1相同的結構。
再有，現有例1除了使用由在作為母體的氧化鋁中只添加了為0.1重量％～0.2重量％的氧化鎂的多結晶體氧化鋁陶瓷構成的內徑為7.5mm的外圍器具、管壁負荷設定為18.0W/cm2、管壁溫度設定為1120℃的點之外，是具有和比較例3的燈同樣的結構的燈輸入為360W的高壓鈉燈。
此外，這裡所說的『點燈初期』表示點燈經過100小時的期間。此外，後述的點燈初期的燈效率(lm/W)、點燈初期時的光束(lm)、光束維持率(％)和顯色評價指數Ra的各值分別是各樣品的平均值。
進而，作為點燈條件，將點燈5.5小時再熄燈0.5小時作為1個循環，反覆進行該循環。
實施例1～實施例8和比較例1～比較例3的點燈初期的燈效率都是136(lm/W)，與現有例1的點燈初期的燈效率132(lm/W)相比，提高了3％。此外，點燈初期的光束是48800(lm)，與現有例1的點燈初期的光束47500(lm)相比，提高了3％。實施例1～實施例8、比較例1～比較例3和現有例1的平均顯色評價指數Ra都是25。
此外，在實施例1～實施例8中，對於任何一個樣品，點燈經過24000小時之後外圍器具11的端部沒有出現裂縫。另一方面，在比較例1～比較例3中，點燈經過14000小時之後外圍器具11的端部開始出現裂縫且燈點不亮，點燈經過18000小時之後18％的燈的外圍器具的端部出現裂縫，燈點不亮。再有，雖然在現有例中點燈經過24000小時之後也不發生裂縫，但是，這是因為像上述那樣，現有例的管壁負荷(18.0W/cm2)比實施例1～實施例8和比較例1～比較例3的管壁負荷(21.1W/cm2)小。
對出現這樣的結果的原因進行討論，可以像下面那樣來考察。
首先，在比較例1～比較例3中，通過分析裂縫發生的主要原因，可知該裂縫沿著多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界發生，且特別在該結晶粒邊界偏析出作為多結晶體氧化鋁陶瓷的一種成分的釔。若據此進行推測，釔越偏析，越產生缺乏釔的部分，因該釔的缺乏而使多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界的結合力變弱，從而產生微小的裂縫。進而，在外圍器具11的端部，燈開關時的溫度差顯著增大，對該部分施加很大的熱衝擊，因此，所述微小裂縫逐漸增長，成為真正的裂縫。
另一方面，在實施例1～實施例8中，陶瓷密封材料13包含的釔在點燈中向多結晶體氧化鋁陶瓷擴散，難以產生像上述那樣的釔缺乏的部分，所以，可以認為多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界的結合力不會變弱，能夠維持很強的結合力。
再有，具有由對作為像現有例1那樣的母體的氧化鋁中只添加0.1重量％～0.2重量％的氧化鎂的多結晶體氧化鋁陶瓷構成的外圍器具的高壓鈉燈，即使陶瓷密封材料不包含釔，其外圍器具的端部也不會發生裂縫。
在實施例1～實施例6中，當對在和上述同樣的點燈條件下進行點燈且點燈經過24000小時為止的光束維持率(％)進行考察時，得到了圖5所示的結果。
再有，光束維持率(％)是將點燈經過100小時後的光束設為100時的比例。
由圖5可知，在實施例1～實施例6中，點燈經過24000小時後的光束維持率大於等於86.5％。在現有例1中，點燈經過12000小時後的光束維持率是87.5％，此外，通常，若光束維持率大於等於85％，認為實用上沒有問題，所以，該值在實際使用時是足夠的。
如上所述，若按照本發明實施方式的高壓鈉燈的結構，可以提高燈的初期特性(燈效率和光束)，而且，即使點燈經過24000小時，也可防止外圍器具11的端部發生裂縫，可以實現高效率和長壽命。而且，管壁負荷設定在21.1W/cm2(穩定點燈時的管壁溫度是1240℃)，與現有的高壓鈉燈的管壁負荷(15W/cm2～19W/cm2)相比，設定值提高了10％以上，儘管如此，即使在點燈經過24000小時之後也可以得到足夠的光束維持率。
此外，製作了一種燈輸入為360W的高壓鈉燈，除了通過改變外圍器具11的內徑使管壁負荷改變這一點之外，具有和實施例1同樣的結構，當和上述同樣對製作的各個燈考查燈的各種特性時，可以確認若管壁負荷在大於19W/cm2、小於等於23W/cm2(穩定點燈時的管壁溫度大於1200℃、小於等於1300℃)的範圍內，能夠得到和上述同樣的效果。
這裡，為了通過可靠地抑制多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界的結合力變弱來可靠地防止裂縫的發生、並且提高電極保持部9的密封工序中的作業效率，氧化釔的含量最好是大於等於1重量％、小於等於20重量％。當氧化釔的含量不滿1重量％時，陶瓷密封材料13包含的釔向多結晶體氧化鋁陶瓷的擴散量不足，恐怕不能很好地維持多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒邊界的結合力。另一方面，當氧化釔的含量超過20重量％時，陶瓷密封材料13的熔點過高，在電極保持部9的密封工序中，必須將陶瓷密封材料13的加熱溫度設定得很高，有使作業效率降低之虞。
此外，作為外圍器具11的材料的多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑最好設定在10μm～150μm的範圍內。由此，可以防止外圍器具11的透光率的下降，同時，可以利用多結晶體氧化鋁陶瓷的結晶粒阻止多結晶體氧化鋁陶瓷中的釔在多結晶體氧化鋁陶瓷中移動。因此，可以進一步抑制釔的偏析，此外，結晶之間的接觸表面積變大，可以增加外圍器具11的機械強度。因此，可以進一步防止外圍器具11的端部發生裂縫，進一步延長使用壽命。
另一方面，當多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑超過150μm時，結晶之間的接觸表面積變小，外圍器具11的機械強度變弱，可能容易在外圍器具11的端部發生裂縫。相反，當多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑不到10μm時，結晶粒邊界過多，因放電發出的光在通過外圍器具11時被該結晶粒邊界吸收，結果，有使外圍器具11的透光率降低之虞。
再有，在上述實施方式中，以燈輸入為360W的高壓鈉燈為例進行了說明，但是，對於例如燈輸入為70W～1000W的高壓鈉燈，也可以得到和上述同樣的效果。
此外，在上述實施方式中，作為外圍器具11的材料，說明了使用對氧化鋁母體分別添加了氧化鎂、氧化鋯和氧化釔的多結晶體氧化鋁陶瓷的情況，但是，即使使用添加了除上述添加物之外還添加氧化鈧、氧化鏑、氧化鋱和氧化鉿等的外圍器具，也可以得到和上述同樣的效果。當然，氧化鋯不是必需的，也可以只添加氧化鎂和氧化釔，此外，使用取代氧化鋯而將氧化鈧、氧化鏑、氧化鋱和氧化鉿等和氧化鎂、氧化釔一起添加的外圍器具，也可以得到和上述同樣的效果。
對於各添加物的添加量，可以根據添加物的種類或數量等適當決定，但是，例如，當作為添加物分別添加氧化鎂、氧化鋯和氧化釔時，最好分別添加100ppm～800ppm的氧化鎂、200ppm～1200ppm的氧化鋯和10ppm～300ppm的氧化釔。特別是氧化釔的添加量最好設定在10ppm～150ppm的範圍內。這樣，可以進一步抑制上述釔的偏析量，同時，可以減小封入的鈉因與多結晶體氧化鋁陶瓷的反應或向發光管5的外部擴散而消失的比例。因此，可以防止光束維持率的下降。進而，為了進一步抑制釔的偏析量，最好將氧化釔的添加量設定在100ppm以下。
工業上利用的可能性本發明對於具有包括由特別添加了MgO、ZrO2和Y2O3的多結晶體氧化鋁陶瓷形成的外圍器具的發光管的高壓鈉燈，可以防止在外圍器具的端部發生裂縫，可以應用於必需要高效率且長壽命的用途。
權利要求
1.一種高壓鈉燈，其特徵在於，具有發光管，該發光管在由分別至少添加了氧化鎂MgO和氧化釔Y2O3的多結晶體氧化鋁陶瓷構成的外圍器具的兩端部，利用陶瓷密封材料對前端部設有電極的電極保持部進行密封，而且，在其內部至少封入作為發光物質的鈉，上述陶瓷密封材料包含釔。
2.如權利要求1記載的高壓鈉燈，其特徵在於，上述陶瓷密封材料包含氧化釔。
3.如權利要求2記載的高壓鈉燈，其特徵在於，上述陶瓷密封材料的上述氧化釔的含量大於等於1重量％、小於等於20重量％。
4.如權利要求1～3的任何一項記載的高壓鈉燈，其特徵在於，上述多結晶體氧化鋁陶瓷的平均結晶粒徑是10μm～150μm。
5.如權利要求1～4的任何一項記載的高壓鈉燈，其特徵在於，上述多結晶體氧化鋁陶瓷的上述氧化釔的添加量是10ppm～150ppm。
全文摘要
高壓鈉燈具有發光管(5)，發光管(5)在由分別至少添加了氧化鎂(MgO)和氧化釔(Y
文檔編號H01J61/36GK1922714SQ20058000589
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月9日 優先權日2004年2月25日
發明者桐生英明, 池田隆, 和田雅人 申請人:松下電器產業株式會社