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ハロゲンランプ（タングステンハロゲンランプ、石英ハロゲンランプ、石英ヨウ素ランプとも呼ばれる）は、タングステンフィラメントを透明な小型の封筒に封入した白熱電球です。封筒には、不活性ガスと少量のハロゲン（ヨウ素や臭素など）の混合ガスが充填されています。ハロゲンガスとタングステンフィラメントの反応により、ハロゲンサイクルと呼ばれる化学反応が起こり、蒸発したタングステンがフィラメント上に再析出することで、フィラメントの寿命が延び、封筒の透明度も維持されます。これにより、フィラメントは同等の出力と寿命を持つ通常の白熱電球よりも高い温度で動作することが可能になり、光束効率と色温度も高くなります。ハロゲンランプは小型であるため、プロジェクターや照明用の小型光学システムにも使用できます。小さなガラス製の封筒は、より温度の低い、より大きな外側のガラス製の球体で覆われている場合があり、内側の球体を汚染から保護し、球体を機械的に従来のランプにより近いものにします。[ 1 ]
標準的な白熱電球やハロゲン電球は、 LED電球やコンパクト蛍光灯に比べて効率がはるかに劣るため、多くの場所で既に禁止されているか、禁止されつつあります。
炭素フィラメントランプは、封筒の黒ずみを防ぐために塩素を使用しており、1882年にUS Electric Lighting Co.のエドワード・スクリブナーによって特許が取得され[ 2 ]、塩素を充填した「NoVak」ランプは1892年に販売された[ 3 ]。
ヨウ素の使用は1933年の特許[ 4 ]で提案され、タングステンがフィラメントに周期的に再析出することも説明されていた。1959年、ゼネラル・エレクトリック社はヨウ素を使用した実用的なランプの特許を取得した[ 4 ] 。 [ 5 ]
2009 年、EUおよびその他のヨーロッパ諸国は白熱電球の禁止を開始しました。指向性主電源電圧ハロゲン電球の製造と輸入は 2016 年 9 月 1 日に禁止され、指向性のないハロゲン電球は 2018 年 9 月 1 日に禁止されました。 [ 6 ]オーストラリアは、欧州連合の方針に合わせるため、2020 年 9 月 [8 ]の予定より遅れて、 2021 年 9 月より 10W を超える一部のハロゲン電球をエコハロゲン電球に置き換えました。[ 7 ] 2021 年 6 月、英国政府も気候変動対策の一環として、9 月よりハロゲン電球の販売を終了する計画を発表しました。[ 10 ]
通常の白熱電球では、蒸発したタングステンは主に電球の内面に付着し、電球が黒ずみ、フィラメントが徐々に弱くなって最終的に切れてしまいます。しかし、ハロゲンが存在することで、この蒸発したタングステンとの間で可逆的な化学反応サイクルが成立します。このハロゲンサイクルによって電球は清潔に保たれ、電球の寿命を通して光出力がほぼ一定に維持されます。中程度の温度では、ハロゲンは蒸発するタングステンと反応し、生成されたハロゲン化物は不活性ガス充填部内を移動します。しかし、ある時点で電球内部の高温領域に到達すると、ハロゲン化物は解離し、タングステンがフィラメント上に放出され、ハロゲンが再び反応を繰り返すようになります。しかし、この反応が成功するためには、電球のエンベロープ全体の温度が従来の白熱電球よりもかなり高くなければなりません。ハロゲン蒸気がタングステンと結合してフィラメントに戻るためには、ガラスエンベロープの内側の温度が250 °C (482 °F) [ 11 ]を超える必要があります。そうでないと、タングステンがガラスに付着してしまいます。[ 12 ] 300 ワットの管状ハロゲン電球を最大出力で運転すると、すぐに約540 °C (1,004 °F)の温度に達しますが、500 ワットの通常の白熱電球はわずか180 °C (356 °F)で、75 ワットの通常の白熱電球はわずか130 °C (266 °F)でしか動作しません。[ 13 ]
電球は溶融石英（石英）または高融点ガラス（アルミノケイ酸ガラスなど）で作られていなければなりません。石英は非常に丈夫なので、ガス圧を高くすることができます[ 14 ]。これによりフィラメントの蒸発速度が低下し、同じ平均寿命でより高い温度（したがって発光効率）で動作させることができます。高温領域で放出されたタングステンは、一般的に元の場所に再沈着しないため、フィラメントの高温部分は最終的に薄くなり、故障します。
元素ヨウ素を使用した石英ヨウ素ランプは、GEが1959年に発売した最初の商用ハロゲンランプでした。[ 15 ] [ 16 ]すぐに臭素に利点があることがわかりましたが、元素の形では使用されませんでした。特定の炭化水素臭素化合物は良好な結果をもたらしました。[ 17 ] [ 18 ]フッ素でもフィラメントの再生は可能ですが、その化学反応性が非常に高いため、ランプの他の部分が攻撃されます。[ 17 ] [ 19 ]ハロゲンは通常、希ガス、多くの場合クリプトンまたはキセノンと混合されます。[ 20 ]最初のランプはフィラメント支持にタングステンのみを使用していましたが、一部の設計ではモリブデンを使用しています。たとえば、欧州非対称パッシングビーム用のH4ツインフィラメントヘッドライトのモリブデンシールドなどです。
一定の電力と寿命の場合、すべての白熱電球の発光効率は特定の設計電圧で最大になります。12～24ボルトで動作するハロゲンランプは光出力が良好で、非常にコンパクトなフィラメントは光学制御に特に有利です（図を参照）。20 ～50ワットの多面体反射型「MR」ランプは、元々は8mmフィルムの投影用に考案されましたが、現在ではディスプレイ照明や家庭で広く使用されています。最近では、120Vまたは230Vの電源電圧で直接使用できるように設計された、より広いビームのバージョンも入手可能になりました。
タングステンハロゲンランプは、異なる電圧で動作させた場合、他の白熱ランプと同様の挙動を示します。ただし、光出力は、発光効率は、[ 21 ]寿命に関する通常の関係は、例えば、設計電圧より5%高い電圧で動作させた電球は、約15%多くの光を発し、発光効率は約6.5%向上するが、定格寿命の半分しか持たないと予想される。
ハロゲンランプは、設計電圧でのタングステンの蒸発速度に見合うだけのハロゲンを含んで製造されています。印加電圧を上げると蒸発速度が上がるため、ある時点でハロゲンが不足し、ランプが黒くなることがあります。過電圧での動作は一般的に推奨されません。電圧を下げると蒸発が少なくなり、ハロゲンが多すぎると異常故障につながる可能性があります。電圧がさらに低い場合、電球の温度がハロゲンサイクルを維持するには低すぎる可能性がありますが、この時点では蒸発速度が低すぎて電球が著しく黒くなることはありません。電球が黒くなった場合は、定格電圧でランプを動作させてサイクルを再開することをお勧めします。[ 22 ]ハロゲンランプの調光が成功する状況は数多くあります。ただし、ランプの寿命は予測ほど延長されない場合があります。調光の寿命は、ランプの構造、使用されているハロゲン添加剤、およびこのタイプのランプで調光が通常期待されているかどうかによって異なります。
すべての白熱電球と同様に、ハロゲンランプは近紫外線から赤外線まで連続スペクトルの光を生成します。[ 23 ]ランプのフィラメントは非ハロゲンランプよりも高い温度で動作できるため、スペクトルは青色にシフトし、より高い実効色温度とより高い電力効率の光を生成します。
高温のフィラメントは紫外線領域でいくらかのエネルギーを放出します。少量の他の元素を石英に混ぜることで、ドープされた石英（または選択的光学コーティング）が有害な紫外線を遮断します。硬質ガラスは紫外線を遮断し、自動車のヘッドライトの電球に広く使用されています。[ 24 ]あるいは、ハロゲンランプを通常の白熱電球と同様に外側の電球内に取り付けることもできます。これにより、電球の高温によるリスクも軽減されます。ドープされていない石英ハロゲンランプは、一部の科学、医療、歯科機器でUV-B光源として使用されています。
ハロゲンランプは、正常に動作するために通常の白熱ランプよりもはるかに高い温度で動作する必要があります。その小さなサイズは、非ハロゲン白熱ランプよりもフィラメントに近い、より小さな外皮表面に熱を集中させるのに役立ちます。非常に高い温度のため、ハロゲンランプは火災や火傷の危険性があります。オーストラリアでは、毎年多数の住宅火災が天井に取り付けられたハロゲンダウンライトに起因するとされています。[ 25 ] [ 26 ]西オーストラリア州消防緊急サービス局は、住宅所有者に代わりに低温で動作するコンパクト蛍光灯または発光ダイオードランプの使用を検討することを推奨しています。[ 27 ]ハロゲントーチフロアランプは、多数の火災を引き起こしたため、寮などの一部の場所で禁止されています。 1992年から1997年の間に、米国消費者製品安全委員会により100件の火災と10人の死亡事故の責任を問われた。 [ 28 ]ハロゲン電球は高温 で動作し、ランプの高さが高いため、カーテンなどの可燃物の近くに来る可能性がある。[ 29 ]一部の安全基準では、特に劇場で使用される高出力（1～2kW）の電球、またはランプに接触しているカーテンや可燃物の発火を防ぐために、ハロゲン電球をグリッドまたはグリル、あるいは器具のガラスと金属のハウジングで保護することを義務付けている。意図しない紫外線（UV）への曝露を減らし、電球が爆発的に破損した場合に高温の電球の破片を封じ込めるために、一般用途のランプには通常、電球の上または周囲にUV吸収ガラスフィルターが付いている。あるいは、ランプ電球にUV放射を遮断するためのドーピングやコーティングを施すこともできる。適切なフィルターを使用すれば、ハロゲンランプは、フィルターなしで同じ有効照度レベルを出す標準的な白熱ランプよりも、ユーザーが浴びる紫外線量が少なくなります。
表面の汚染、特に人間の指先からの油や、ほこりやその他の物質の不均一なコーティングは、加熱時に石英の被覆を損傷する可能性があります。汚染物質はガラスよりも多くの光と熱を吸収するため、ランプを点灯すると電球の表面にホットスポットが発生します。この極端な局所的な熱により、石英はガラス状からガス漏れを起こす弱い結晶状に変化します。この弱化により電球内に気泡が発生し、電球が弱くなり、爆発してガラスの破片が飛び散る可能性もあります。[ 30 ]
小さなガラス製の封筒は、はるかに大きな外側のガラス球で囲まれており、小さなサイズが必要ない場合はいくつかの利点があります。[ 1 ]
ハロゲンランプはさまざまな形状とサイズがあり、電球の直径と、電球に赤外線透過ダイクロイック反射板が内蔵されているかどうかを指定するコーディングシステムに従って指定されます。このようなランプの多くは、「T」で始まる指定があり、「管状」であることを示しています。その後に、管の直径を 8 分の 1 インチで示す数字が続きます。したがって、T3 電球は、直径9.5 mm ( 3 ⁄ 8インチ)の管状ハロゲン電球です。 [注 1 ]指定MRは「多面体反射板」を意味し、その後に続く数字は、電球全体の直径の 8 分の 1 インチに対応します。[注 2 ]ランプに「G」コードがある場合、[注 3 ]これは、ランプがバイピン形状であることを意味し、G の後に続く数字は、ピン間の距離をミリメートルで示し、通常は 4、6.35、または 10 のいずれかです。 G の後に「Y」が続く場合、ランプのピンは通常より太くなります。したがって、G6.35 ランプのピンの直径は 1 mm ですが、GY6.35 ランプのピンの直径は 1.3 mm です。「C」コードがある場合は、フィラメントのコイル数を表します。[ 31 ]両端が円筒形の電球の長さ (「高さ」とも呼ばれる) は、形状係数コードとは別に指定する必要があり、通常はミリメートルで指定します。ランプの電圧とワット数も同様です。したがって、T3 120 V 150 W 118 mmは、直径9.5 mm ( 3/8インチ)で、 120 V で動作し、150 W で、長さが 118 mmの両端が管状の電球を意味します。
R7Sは、両端が埋め込み型のシングルコンタクト（RSC）リニアハロゲンランプで、通常は長さが118mm または78mmです。189mm 、254mm 、331mmといった 長さのものもありますが、これらは一般的ではありません。これらのランプは、RSC/R7Sベース上にT3形状をしています。これらはJ型ランプ、T型ランプとも呼ばれます。
ハロゲンヘッドランプは多くの自動車に使用されています。屋外照明システムや船舶用のハロゲン投光器も、商業用およびレクリエーション用として製造されています。現在では、卓上ランプにも使用されています。
タングステンハロゲンランプは、赤外分光法において近赤外光源として頻繁に使用される。
ハロゲンランプは、ハロゲンオーブン、赤外線ヒーター、セラミッククックトップの発熱体です。
強力な管状ハロゲンランプのバンクを使用して、宇宙船の再突入時の熱をシミュレートした。[ 32 ]
固定式ランプは屋内・屋外の投光照明に用いられますが、LEDシステムの改良によりハロゲンランプは次第に取って代わられつつあります。多面体反射板を内蔵した円形スポットライトは、住宅照明や商業照明で広く使用されています。管状ハロゲンランプは小型光源から大量の光を供給するため、建築照明効果のための強力な投光照明や、屋外の広い範囲を照らす照明として使用できます。
低電圧ランプはGU5.3などの2ピン口金を使用するのに対し、主電源電圧ランプは通常のタングステンフィラメントランプと同じ口金、または専用のGU10/GZ10口金を使用します。GU10/GZ10口金は、ダイクロイック反射ランプをアルミ蒸着反射ランプ用の照明器具に使用できないように形状が工夫されており、器具の過熱を防ぎます。これらのランプはすべて、より高効率なLEDバージョンが現在入手可能です。
両端に電気接点を持つ管状ランプは、現在では独立型照明器具や家庭用照明器具に広く用いられています。長さや消費電力（50～300W ）は様々です。より高出力のランプは、250Wまたは500Wの電球を使用した携帯型作業灯として利用されています。
タングステンハロゲンランプは、楕円反射スポットライト、フレネルライト、PARライトなど、劇場やスタジオ（映画やテレビ）で使用される照明器具の大部分に使用されています。
投影ランプは、家庭や小規模オフィス、学校で使用される映画やスライドプロジェクターに使用されます。ハロゲンランプはコンパクトなサイズのため、ポータブルプロジェクターにも適したサイズになりますが、ランプとフィルムの間に熱吸収フィルターを配置して溶融を防ぐ必要があります。ハロゲンランプは、検査用ライトや顕微鏡ステージ照明にも使用されることがあります。ハロゲンランプは初期のフラットスクリーンLCDのバックライトに使用されていましたが、 CCFLや現在ではLEDなどの他のタイプのランプが使用されています。ハロゲンランプは、多くのタイプのレーザープリンターの定着器の加熱要素として使用されています。長い管状のランプが定着ローラーを内側から加熱し、その熱でトナーが紙に溶け込みます。
ハロゲンランプには水銀は含まれていません。ゼネラル・エレクトリック社は、同社の石英ハロゲンランプは有害廃棄物には分類されないと述べています。[ 33 ]
ハロゲンランプ業界は、約4000万個のハロゲントーチ型フロアランプの修理を自主的に実施しました。米国消費者製品安全委員会（CPSC）は、これらのランプが原因で発生した火災189件と死亡事故11件を把握しています。
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