u.D.C.る21.327.534.2
水銀ランプの放電開始機構
The
StartingofMercury
Lampswith
StartingElectrode
広
田
泰
輔*
坂
井
卓*
Taisuke Hirota TakashiSakai
内
容
梗
概
水択ランプが良市命化され 従来よりも広範F附こ,過軒な条件で使用されるようになi),その円滑な起動が ますます重要になってきた`、 本純子㌧でほ,まず水銀ランプの放電開始電jFミが特性を代末する伯としてどのような意味をもっているかを検 iテ寸し/た。 っぎに,現在の照明月川く鎌ラソプのほとんどすべてに採用されている起動補助電極による放電閉的について, ランプ製作両二後の様相および影響要レ]などについて調杏を行ない,放電開始助成効米を分析した。1.緒
言
放電現象における放電開始の機構を完今に説明しうる理論が確う1 されていない現在,水銀ランプの放電開軌 とくに大多教の照明用 水銀ラソプに採用されている起動補助放電によ〔て引き起こされる 二1三放電の放電開始機構を定量的に誘導することはほとんど不=一能で ある。放電開析の機構そのものは,いわゆる什UFの水銀放屯管であ る蛍光ランプの起動機構からもある得度の推定はでき,またそのよ うな観点かF)の検討も見受けられる(1)r,しかし起動補助棒による放 電開始についてはまとまった検討例がすくない。 一方,放電開始に閲し実際の南端としての水銀ランプな考えた場 合,放電開始電圧の値は常に電源電庁によってきまる,ある一定値 以下であることが経済的に要求され,しかも実際の使用条件が常軌も から冬期尿外の低温までを6,000時間とか12,000時間という長時間 の使用に耐えねばならないという過酷な条件を負わされている。ま た起動補助電極以外で,放電開脚こ関係する他の要田,たとえば1三上 入ガス圧などほ起動に有利な条件と他の特性である明るさや寿命に 有利な条件とは相反する場合が多く,どの程度の伯を一変協点とする かも商品としての水銀ランプの特性に関連してくる。このような放 電開始の問題は,ランプが今後ますます高件能長ポ命化されるにと もなって,その実主命期間中の起動を完全に保証するというノ∴くでます ます重要となってくる。本報では,製作初期の水銀ランプの放電開 始に関し,まず現象的な面かF)現状を調査,分析したものであー), 土類命期間中の謂要田の変化については′割愛する。2.水銀ランプの放電開始
2.1各種の放電開始補助手段 蛍光ランプの放電閃析においてほ,電停に起きる局部放電が,巾 電極間の主放電開始電圧を低下せしめる決定的要l人1であることはよ く知らオtている(1)(,水銀ランプの起動補助梅の動作も原期「伽こはま ったくこれと同一であると考えられる。 現在の照明用水銀ランプの大多数には起動補助椒が採梢されてい る。放電灯の起動補助手段としては■Ⅰ--くから第1図に示すように種 種のものが考えられている(2)。これに)各柏方式のう、ら,水銀ランプ については(B)方式が採用されており,この場合の起動補助極の数 により弟2図のような効果があらわれる。さらに(D)あるいは(E) に属する外部近接導体についても策1表のように比較検討がなされ ている(8-。これF)は梢造的な補助手段であるが,最近では1;寸入ガス であるア′レゴンにネオンを高い比率で混合することによる効果も検 討さjlている(4)。また,波高値の高い安定掛こよるひずみ波形を利 ローモランプ株式会社人森工場 第1同 構造的な放電開始補助手段例 220 80 州 へL′) 世神想定神立 100 It-400 15mmIIR 起動抽仙棒が1′〕の域†ナ 2/り州J㌫い托什け)州舞†ナ (A) rB) 什:I (川 (I二J しFl -40 -20 0 2() ㍍‖1f】jJ.い聖(Oc) 第2岡 第1図(B)プ7式における3棒形と4棒形起動 補助辟の放電開始電J二t三の遠い 用する方法(5-,グロースタータを伺いてぺ′レス状過渡電汗三を和辻す る方法(6)なども考えられる。 2.2 放電開始電圧の測定値について 一般に,放電開始そのものが確率的要素を含み,l由卜一件のあるも のでなく,実際の水銀ランプでは,さらに個々のランプによって製 作条件が異なったり,放電に関する外部条件が厳将には測定ごとに 興ってくるので,放電開婦電件の測定値についてほ当然なが仁)統計546 昭和40年3月 第1表 近接導体と内部起動補助極との 起動補助効果の差の1例(8) 日 〕⊥ 起 動 電 極 外 部 刀工 接 噂 体 内 部 補 助 席 電圧詞紫器
「・ト・∼…・+
一「珪
←ニ仙
・几 250 <‖り 八‖り (> 川 …†海空〔読増㌢ 100 温 度(℃) 16 -12 16 -12 堤;仁2芹 放電開始電圧(Ⅴ) 170 300 125 165 純こ人妨ランプ 第3岡 放電開始電圧測定回路 11-ノ川口=
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--30凸c 2()つc 第4岡 個々のラソプの放電開始電圧の洲疋ごとの弟 (〃=5のランプについて,低温,r.削見で各61可測定) 第2表 個々のラソプの放電開始電圧の測定ごとの変動≡笠ll
\ここここ、-\ 20℃ -30℃ 2 1 3 i 4 + 5 1 方 方 ーイ方 方 げ/方 129V 9.9V 7.8ガ 178V 3.1V 0.2ガ 126 8.2 6.5 213 5.0 2.3 124いか
1.9 0.2 168 4.9 3.0 5.3 4.1 158 11.4 7.2 136 11.8 8.7 139 11.27 7.1 12臥2 7.4 5.5 171.2 7.1 4.2 的な考え方が必要となってくる.っそこで,実際のランプで測定値に どの程度のバラツキが存在するかを検討してみる。なお以下に示す 放電開始電圧は,弟3図の回路で,ランプ回路の電圧を10V/sの割 合で上昇した場合の値である。弟4図,弟2表は5個のランプの放 電開始電圧を周囲温度一30℃および20℃でそれぞれ6回測定した 値の分布である。すなわち,測定値の分布ほ個々のランプによって 大幅に異なるが,1個のランプの測定値のバラツキは岡田温厚その ものには影響なく,平均してげ/涼の値で数%程度である。換言すれ ば,1何の測定値の場合,常温での普通の放電開始電斤値ほ130V 程度で,±2げの確率では±13V程度のバラツキを含んでいること になる。 つぎに,ランプによって放電開析電圧がどのように異なるかを調 べると,常温において同一ロットl勺のランプによる測定値の分布は 弟5図のとおりとなる。すなわち,げ/丘で数%得度バラついている。 他方ロット閃のバラツキを含めた同一一-,il種,同一製作条fi二による水 銀ランプ全体のバラツキは標準偏煮で数Ⅴから10V得獲であるの ギ ぎ ∩〓 5 0L
ハU 9 第47巻 第3号 lト400 1川135で n' ̄▼10呂 盲 ̄108 斤 ̄ ̄5.R6 1nO llO 12〔) 比`■にIi獅子ilはIl三(lrl __1一__l 13() 140 第5川 田-・ロットの水銀ランプの肘副詞的電何の分布例 】n 只 ハhU 4 輔 軍 1ト400 n ̄227 \ \ 10 20 30 40 50 ODcヒ35Dcゾ)放1に開始一.にri三′′差(Ⅴ) 第6【受†35℃と0℃における放電開始電圧の差の分布 250 八U ∧U 50 (>) 世紺潜匿固瀬 / H-400 封入A庄 161nmHg 多数のランプについての測別巨 から計算した2Jの範囲 / ー30 -10 10 30 40 周閃温度(Oc) 第7阿 水銀ラソプの放電開始電什の洞.僅特什例 で,水銀ランプ全体としては放電開始電圧のバラツキの半分強がロ ット内の個々のランプのバラツキによっているといえる。換言すれ ば,滞温では,ロット内から10本のランプを抜き取F)それぞれを1 ドロずつ測定し,10木のランプの平均値でそのロ、ソトの放電開始電肝 を代表する場合,2げの確率では±7V程度のバラツキを含んでい ることになる。 つぎに,低温になった場合,放電開始電圧の分布がどのように変 化するか。前述のとおi),1本のランプの測定ごとのバラツキは温 度に影響されないが,個々のランプによって低温になることによる 放電閃折電圧上昇の割合が異なってくる。第る図は35℃と0℃で の測定値の差の分布である。このようにランプによって上昇割合に 差があるため,多数のランプについて放電開始電圧の温度特性を測 定した場合,低温になるに従って放電開析電ノ1三の分布に広がりがで てくる。第7図はこの一例である。3.起動補助極による放電開始の状態
3.】放電開始の一般的状態 第8,9図に示すも/,とも削包の起動補助棒の構造について,一般水 銀 ラ ニ垂コイル電極部分に峻化物を塗布する / /
卜
主極と起動極の間隔 ン′ フ ー封入A庄は16mmHg 石英 祈8t ̄実l納椒側ノ了E 梯 溺 柄 j;上 ′左1亡岩芸 「 ̄ ̄ 「 下す 屯源 起動補助抵抗\-し
起動補助極 水奴ラン▼/ \ヰ電瞳 第9岡 水銀ランナノ別j■i‖l糀の悼即実1 第10図 水銀ランプの放`電開始初期のニランゾ電什・ 電流および補助放電電流の関係 的な点灯回路での放電開始状態を考えてみる。 主放電開始直後の状態については比較的詳細な報告も見受けられ るが(7),電Jモ印加から主放電開始までの期間をさらに区分してみる とつぎのように考えられる。 (A)電托印加と同時に補助梓側の主梓と起動補助梅閃にグロー 放電(補助放電)が発生する。 (B)補助放電の発牡により,l勺矧ノ+部がイオン化され二仁放電が 起こりやすいガス状態になると同時に,補助放電を行なっ ている二仁電極の電√・放別・能力も卜対してくる。 (C)上記の過群を絆た後,補助放電を行なっている ̄仁電極から の放射電十がもととなって,いわゆるTownsend機隅で 両主電極間に ̄仁放電が起きる〔、 この間の過程を電磁オシログラフで観察L.た紙製を舞10図にホ すr、ただし,この策10図ほこれらの過程をほっきりさせるため, とくに低温,低電圧の難放電開始状態で観察したものであり,常放
電開
始機
構
心允.i珪什州′ノL川 √シ ー】ケ ラー7、 也別納助輪湖路祇杭ゝ
第11図 補助放電回路の構成 547 納11畑i jミノ.!川j 第】2「実J柄仙庁灯在電流堆形の1例 通常札 止格′百計〔H・近のノ・、㍍J▲条件でほ電忙印加とほとんど同時に二 ̄i二 放電が開始され,+三放電開始前岬)補肋放電波形は通常の方法では観 測できない。もーF〕ろんこの場介でも柚助放電州各を抑つ離した場介 は,主放電は定格電肝什近でほ起こf)がたい場合があり,祁りリJ電極 が主放電開始の助成効果を有していることば明らかである。これら については次項で述べる。 3.2 補助放電の一般的状態 祁助放電の何桁のみについて考えると,川路構成は舞】1図のよ うになる‥ ここで,補助放電の観怒ミを容易にするためモ電梼閃には 電圧を印加しないで 補助放電の克を継続して行な/つた場合の■紳助 放電電流波形を示すと第12図のとおりとなるし)すなわち, (A)放電電拉の非対称件(・、+・法および電子放射能について)の ため,放電波形ほ非対称となっている。 (B)補助放電の開始時に突入電流が流れる場合がある。 Ti二電梅問に放電が起きると,補助放電回路の電圧はランプ電圧に 等しくなる。)ランプ電圧は放電開始の初期は低く補助放電電流も小 さくなるが安定放電時のランプ電忙は120∼140V鮮度となり,こ の電日三に相ゝ1うした補助放電電流がランプ`安定ノ郎仲常時流れている ことになる.「 3.3 起動補助極の助成効果 補助梅を設けたことによって主電楓岩jの放電開給電群がどの得度 イ灯卜しているかを調べるため,補助板を動作せしめた場合と補助椒 L・_り路を開放した場合について比較した純果を策13図に示す。この 紆果ほ,補助放電そのものはランプの定格電圧が200Vであるのに 対して,-20、+20℃の簡閃で定格電托の40・∼60%′電口三で動作し ていることをホすl_.補助締るご開放した場合の二‡三電棒問の放電は20℃ では定格電駐の80∼100%電肝で点灯するが,0℃になると大仰分グ)ランプは定格電圧でほ′L、!よ灯しなくなり,一20℃では定格の200%以
別8 耶和40年3月 日 1/_
評
500 450 400 350 150 100 50 (己坦騨老医師瀬\補助極を接続
した場合の 主放電開始電圧 1k3・、×書聖言プ
7k38k3 補助放電の開始電圧 H-400 42-20形電極 封入庄16mmHg 30kQ抵抗 下向一た灯 定柵電b三200V 補助極を接続しない城介 の主放電開始電圧 ランプ記号 ′ノ345k3 一一348k3 一-341k3 、\342k3 \▲343k3 1347k3 k3 k3さ…重吉…害
345k3 -30 ー20 10 0 10 周 囲 温度ぐC) 20 30 第13図 補助極の放電開始補助効果の一例¶¶朋
+卜常接続 棉柳川0接皐ノ盲 縮刷!】JO接続 第14図 師助放電電流の ̄方向性にr上る 放電開始補助効果の調香回路 上の電圧が必要となってくる。補助板を動作せしめた場合には-2() ∼+20℃の範閃で60・∼80%電圧で点灯するようになり,主放電の 開始を低下せしめる効果は周用温度が低いはど大となっている。 他方,主電極間の放電開始電圧が低温になるに従って上昇する原 因を考えると次のように推定される。 (A)低温になるに従って水銀の蒸気圧が減少し,封入アルゴン に対する分托が減り,ガス状態そのものが主電極間の放電 に対し不利となってくる。 (B)低温になることにより,主電梅へのガスあるいほ水銀の吸 着などにより等価r伽こ電極の仕事関数が大きくなり放電に 不利となってくる。 したがって,当然のことながら補助梅の効果もつぎのようにF別 して考えることができる。 (イ)補助放電によるイオン生成が,ガス状態を放電破壊しやす いはうにもっていく。 (ロ)補助放電を行なうことにより,主電極の温度上昇およびク リーソアップを行ない,仕事関数を回復せしめる。(ハ)補助放電により,電肝が印加されている主電極間に電子を
200 H-400 三∠ゝ 日限l 爪じ 爪U 5 0 (≧出田意匠餅濯 0 5 均 平㌧ Ⅴ ナJ 7 棚郷淵 の 2 ト33 軌■㍍ 肋ム〓 補場 nU ハリ nU nU nU 2 (>)‥ロ繕澄軍神立 ハU 5 2 0 ∧U O 5 2 〔>一ピ摺潜雫毎、望 0 0 補助蛙ち・し :文=470+α 第47巻 第3 弓・転
.n=1060c 人圧10∼25 30k記抵抗 (3本ステムランプ)1己芭妄`Ⅴ)
仙し転
1む川
手む
L
234+α 168ピ53'L
161(Ⅴ)し
正常 C O 2 第15図 補助放電電流の方向性による 放電開始補助効果の差(1) 第16図 正常な起動補助放電と主極側(〕および(串 の率流補助放電の場合の補助放電電流 供給し,放電破壊のきっかけを作る。この場合,当然なが ドJ,主放電に対しては補助放電を行なっている主電棒から の電子のみが効果を持っている。 つぎにこのような補助極の効果の大略の程度を調べるために弟14図の回路での補助極の効果を測定した。その結果を弟15,1る図
水 銀 ラ ン プ 珊 50L_ -30 20 ン∴ニ串潜琵掴㍍ 1川)kエ! ノ1()3() lト4り〔 J12-2(川三屯轍 ノ\11ミ16mmllg 井n= ̄4州 -+/招快Hj) 10 0 10 20 30 J〕Ⅰ哨i去1度(勺C) 40 第17図 抵抗値による放電開始電圧の差の一例 H-4(カ 600 00 00 00 00 5 4 3 2 〈と世騨凛匪紳封 100 0 30 一20 袖山纏をJl卜▲な・い域で㌻ 補助板剛 ̄主電極へのイオン衝撃およひ 主権間への`荘丁供給作相のない場合 主電極への7E千衝撃が存在Lない場合 / \ ?ぺ++ 神仙鰍二よる月山戊効果 でほ棚へない部1} 10 0 統=1=ふJ空(□c) 神仙極の効果が合計された城′㌻ 10 20 30 節18上司 紳助睦の効果分解快哉l旦L瑚 にホす。これし■Jを餐約すると次のとおりである。 (1)普通の補助放電の場合と王冠趣からのみ竜十放射を子J■なっ ている整流補助放電の場合とでは,主放電i一別台への助成効 果ほほとんど同一である。 (2)補助梅からのみ電ナ放射を行なっている堆統帥助放電の域 伽よ,助成効果は低い。 (3)換言すれは+㍉言己(2)の場合には前.言d補助極効果の(ハ)お よび補助放電による主電極へのイオン衝撃が存在しない場 合であり,さらに(1)の場合には補助放電による主電極へ の電子衝撃が存在しない場合に相当するわけである。(1) の場合の効果が普通の補助放電の場合とほとんど同一であ ることから推定して,紬助梅の助成効果の大部分ほ前述 の=′)と(ハ)にあるものと考えられる。 〉_Jぎに,補助放電の大きさによって助成効果がいかに変化するか を,起動補助抵抗の値を変えて調べた結果の一例を弟け図に示す。 すなわち,助成効果は細助放電の大きさに比例して大となり,ある 値以上になると飽和する傾向をもっている。)第18図ほ以上のよう な調査から補助榛の効果を模型的に揃いたものである。
4.補助極による放電開始に及ぼすニ,三の要因
4.1ランプの点灯方向による影響 点灯方向による放電開始への影響は理論上はないはずであるが, 実際には,たとえば,普通の什側に補助極が設けられている構造で は,補助極側が下側で点灯されている場合,ランプ消灯後内管が冷 却するに従って,内管内の水銀がもっとも早く冷却される補助板および補助極側の主極に付着し,極端な場合は主桓の酸化物が水銀膜
放 電 l ̄iH 始機
構
549 ン∴¶一担潜監縛ポL斗七、小て+山 140 12() Ⅰ()n/j孝
;三+_
・川:純的王軒,宜閑肘掛・二 (_-川:卜肘.に開始1邑土‖二 トト4りり 42-2りけj′-し佃 A.16t¶m11F 250c n二10 60 80 100 120 140 卜J′りき1ウニ灯放電例始新一1三(Vl(1ヒ㌔■「:三三誌‡■与J望(喜一?ミラセi!てt讐慧警ノ空言ヂ始さ川音′山側珊fい二)
第19図(1)点灯の方向による放電開始電圧の差(常温) 1別) 0 6 0 ハリ 4. り山 「己世紺意匠騨革こl叫机荘→ nU n‖V l 80 80 0〔じ Il=9 100 120 140 ユ60 180 ■†ご向き一別r放1は聞貯屯=三(V) 第19担】(2)ノ烹灯の方向による放電開始電圧の差(0℃) 2()0 181) 160 0 120 .′ 川十+紳潜医村牢ご■平山〔-い一→ 10(1 120 140 160 川り ■.・二灯町立偶姑`一にr-‡(V.)厨
-20L)し n--8 180 20U 第19糾(3)ノ、一丈灯の方向による放電開始電圧の差 でおおわれた状態が肉眼で観察できる。このような状態でほ当然の ことでほあるが補助放電そのものの放電開始電圧が高くなることが 予想される。第19図ほこれらについての実験結果であり,つぎの550 脚和40年3月 30 0 0 2 くE∽N.一×)些櫨磐磐紳紳堂宝簿 l一卜40t) 42-16斤子一基他 者温200VElりJロ(補助肘巌は 主柾0側電流で′Jミす) 舟山n=3豆 ,丈フ′▲ ̄▲ ̄ ̄ ̄ ̄ ×3k〔ユ 1()k 30k 10 15 20 25 AI寸人トミノ=mmHg) ム潤 +計 立 日 リJ 3 〔J 3 3 22し Ⅵし 22 ランノNr〉 一・一-12015
謹呈喜言宣重
き壬…吉富喜
\12016芯0
第47巻 第3号 仙() 395 390 22■(: 30 第20L…くIJ三寸人アノL二∫'-ンLLておよび起動補助机杭による 補助放電電流の点 30 0 ∧U 2 一く∈∽N.-×)空値饗唱(固騨車宅建 H-400 A封入仕16mⅡ】Hg 常温200V帥爪(補則肘壷こ・士 乍魅0伸帽流でホす) 3kム2 10k 30k 42-16作手 42-20彬 4D-16作手 421)-10庁う 第211文l侶梅〃 ̄)川違ニーー∴[び′1±励補助航肌による 補助放電電流の;rモ .車コイル \健化物 /∴毛コイ/し 、\ 倍化物 惟化物 ′く′ \\42-16杵壬 \42-20咋三 \421卜1(川: \ \ \ゝ\-4D-16作壬 第221渕 第21図の災験に使用した電極の構造 ように結論できる。 (A)椚助放電のl朋台`老壮ほ上向きノよ灯の場合, ̄卜向きノ∴紙 ̄rよリ nU n入U >∴→いほ二だn担封宗-荘 0 ハU nU (U O 4 3 2 1 爪U lllll (L■′■〉世辞忠臣田老村 「亡出御潜蜜柑+至近固≠ ハリ 爪U O nU O 5 4 3 2 1 竹し 2 2 C 2 2 9 0 ハ‖V 2 ▼7 ̄NrI /12016 -12015 ′119別 /12009 -12031 150 1′l(1 130 12() \11964 \1196BllO lOO 100 ラン70No 11968 12015 170 160 150 1401弘130
1984 100 ランプN(l 100 120 550 500 450 400 3500 20c 2(c ー2¢c 100 12009 ノ11968 /11964 --12015 、-12016 11203l ノ11984 100 ′一11968 一-11984 一-12009  ̄、12016=こ壬謂言丘
 ̄\12015 100 ー12009 -12031 -11968ミ壬照4
111964 100 Jl・二灯時間(h) .1■王灯時間(h) 第23凶 初周のノ∴川1こよる放電開始諸因子の変化例 (H【400,42【16形電極) 高くなり,その差は侶弧で約5V,0℃以 ̄卜では約20Vで ぁる√ノ (B)抽助放電の旧約そのものも低温になるに従って高くなる が,-20℃程度でも絶対値そのものは上向き点灯による上 舛帆対を考慮に入れても定格電壮に対して十分余裕のある 値である。 (C)_しミ放電開始そのものはL卜点灯の差が認められない。この 原州よ,■七電極への水銀付着による克汐響が補助放電によっ て解消されるためと推定さjLる。 4.2 起動補助抵抗による影響 起動補助拭抗の他による主放電開始への影響は前記第18図でそ の傾向はわかるが,この起動補助抵抗の相違は,換言すれば補助放 電′右派の伯およぴその波形の影響とみなすことができる。さらに, 純助放電そのものは電極の構造や封入アルゴン圧によっても影響さ れるわけであり,これらについての実験結果を第20∼22図にホす。 すなわち,つぎのような傾向を持つといえる(〕 (A)机杭値が3k上1梓度になってくると補助放電そのものが1ミ ニ女起となり,異常波高値が記錬されるようになる。(放穏 の形態が異なってくる)(B)異常波高値は封入アルゴン圧が高いはど発生しやすい。ま
た,主電極の構造によっても影響を受け,10kn程度の抵 抗値でも発生する場合がある。水