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メタルハライドランプは、気化した水銀と金属ハロゲン化物（臭素またはヨウ素と金属の化合物）の気体混合物に電気アークを通すことで光を生成する電気ランプです[ 1 ] [ 2 ] 。これは高輝度放電（HID）ガス放電ランプの一種です[ 1 ]。1960年代に開発されたこのランプは、水銀蒸気ランプ[ 1 ]に似ていますが、石英アーク管内に追加の金属ハロゲン化物化合物が含まれており、光の効率と演色性が向上しています。最も一般的に使用される金属ハロゲン化物化合物はヨウ化ナトリウムです。アーク管が動作温度に達すると、ナトリウムがヨウ素から解離し、金属がイオン化することでナトリウムD線からランプのスペクトルにオレンジ色と赤色が加わります。その結果、メタルハライドランプはワットあたり約75～100ルーメンという高い発光効率を持ち[ 2 ] 、これは水銀灯の約2倍、白熱灯の3～5倍に相当し[ 1 ]、強い白色光を発します。ランプ寿命は6,000～15,000時間です[ 2 ] [ 3 ] 。 2005年現在、高演色性白色光 の最も効率的な光源の1つとして、メタルハライドランプは照明業界で最も急速に成長している分野です。[ 1 ]駐車場、スポーツアリーナ、工場、小売店などの商業施設、工業施設、公共施設の 広範囲の天井照明[ 2 ]、住宅のセキュリティ照明、自動車のヘッドランプ（一般的に「キセノンヘッドライト」として知られています）、屋内での大麻栽培などに使用されています。
ランプは、ガスとアークを含む小型の溶融石英またはセラミックアーク管で構成され、より大きなガラス球（またはコンパクトランプの場合は、発生する紫外線を遮断するためのコーティングが施された石英球）で覆われています。 [ 1 ] [ 3 ]ランプは4～20気圧の圧力で動作し、安全に動作させるには特別な器具と電気安定器が必要です。光出力の大部分は金属原子によって生成されます。[ 1 ]ランプは、最大光出力に達するまでに数分のウォームアップ期間が必要です。[ 2 ]
メタルハライドランプは、商業施設、工業施設、公共スペース、駐車場、スポーツアリーナ、工場、小売店など、屋内および屋外の一般照明用途に用いられるほか、住宅の防犯照明にも使用されます。自動車や特殊用途も、その他の使用分野です。
メタルハライドランプは自動車のヘッドライトに使用されており、一般的には「キセノンヘッドランプ」と呼ばれています。これは、他のハロゲンランプで一般的に使用されるアルゴンガスの代わりに、ランプが温まる前に点灯時に最小限の光を提供するキセノンガスが電球内に使用されているためです。
このようなランプのもう1つの一般的な用途は、写真撮影用照明や舞台照明器具であり、これらは一般的にMSDランプまたはHMIランプとして知られており、特にインテリジェント照明では、 150、250、400、575、1,200ワットの定格で一般的に使用されています。
広範囲のスペクトルと優れた効率性から、屋内栽培用途、特に大麻栽培に使用され、サンゴ用の高輝度光源を必要とするリーフアクアリストの間で非常に人気がありました。 [ 4 ] [ 5 ]しかし、LEDは両方の用途でメタルハライドをほぼ完全に置き換えており、純粋主義者がまだ使用しているだけです。[ 6 ]
非常によく似た水銀蒸気ランプなどの他のガス放電ランプと同様に、メタルハライドランプは、電気アークでガスの混合物をイオン化することによって光を生成します。メタルハライドランプでは、コンパクトなアーク管に、アルゴン、ネオンまたはキセノン、水銀、およびヨウ化ナトリウムやヨウ化スカンジウムなどのさまざまな金属ハロゲン化物の混合物が含まれています。 [ 7 ]金属ハロゲン化物の特定の混合物は、相関色温度と強度に影響を与えます（たとえば、光をより青くまたは赤くします）。点灯すると、ランプ内のアルゴンガスが最初にイオン化され、これにより、印加された始動電圧で2つの電極間のアークが維持されます。次に、アークと電極によって発生した熱が水銀と金属ハロゲン化物をプラズマにイオン化し、温度と圧力が動作条件まで上昇するにつれて、ますます明るい白色光を生成します。
アーク管は、5～50気圧以上[ 8 ]（70～700psiまたは500～5000kPa）および1000～3000 ℃ [ 9 ]で動作します。 他のすべてのガス放電ランプと同様に、メタルハライドランプは負性抵抗を持ち（自己安定型ランプは例外）、ランプを流れる電流を調整しながら適切な始動電圧と動作電圧を提供するための安定器が必要です。メタルハライドランプが使用するエネルギーの約24%が光を生成します（効率は65～115lm / W ） [4]ため、効率が通常2～4%の範囲である白熱電球よりも大幅に効率的です。
メタルハライドランプは、電極を備えたアーク管、外側の電球、およびベースから構成されている。
溶融石英アーク管の内部では、トリウムを添加した2つのタングステン電極が両端に封入されており、シリカに溶融されたモリブデン箔シールを通して交流電圧が印加される。光は、この2つの電極間のアーク放電によって実際に発生する。
水銀蒸気の他に、このランプには様々な金属のヨウ化物、臭化物、または塩化物が含まれています。ヨウ素、臭素、塩素は周期表のハロゲン族に属し、イオン化すると「ハロゲン化物」と呼ばれます。スカンジウムとナトリウムも一部のタイプで使用されており、ヨーロッパのトライソルトモデルではタリウム、インジウム、ナトリウムが使用されています。ジスプロシウムは高色温度に、スズは低色温度に使用されます。 ホルミウムとツリウムは、非常に高出力の映画用照明モデルや、エリア投光照明用の昼光色メタルハライドランプ、コンパクトな低ワット数メタルハライドランプ、ヨーロッパのスタジアム照明に使用されています。 ガリウムまたは鉛は、印刷用途の特殊な高UV-Aモデルで使用されます。使用される金属の混合物によってランプの色が決まります。祝祭や演劇効果のために、緑色のランプにはほぼ純粋なタリウムのヨウ化物、青色のランプにはインジウムのヨウ化物を使用するタイプもあります。アークインピーダンスを低減するために、アルカリ金属（ナトリウムまたはカリウム）がほぼ必ず添加されます。これにより、アーク管を十分に長くすることができ、シンプルな電気バラストを使用できます。放電開始を容易にするため、通常はアルゴンなどの希ガスが約2kPaの圧力でアーク管内に冷間充填されます。アルゴン充填ランプは一般的に点灯に時間がかかり、最大光量に達するまでに数分を要します。自動車のヘッドランプなどに使用されるキセノン充填ランプは、比較的早く点灯します。
アーク管の両端は、熱を電極に反射させて電極を高温に保ち、熱電子放出を促進するために、白色の赤外線反射性ジルコニウムケイ酸塩または酸化ジルコニウムで外部コーティングされていることが多い。一部の電球では、スペクトルを改善し光を拡散させるために、外側の電球の内側に蛍光体コーティングが施されている。
1980年代半ば、新しいタイプのメタルハライドランプが開発されました。これは、水銀灯や従来のメタルハライドランプで使用されていた石英（溶融石英）アーク管の代わりに、高圧ナトリウムランプで使用されているものと同様の焼結アルミナアーク管を使用しています。この開発により、溶融石英アーク管を悩ませていたイオンクリープの影響が軽減されます。溶融石英アーク管では、寿命中にナトリウムなどの元素が管内に移動する傾向があり、高レベルの紫外線とガスの電離によって電極が侵食され、ランプの点灯・消灯サイクルが発生します。焼結アルミナアーク管はイオンの侵入を防ぎ、ランプの寿命を通してより安定した色を維持します。これらは通常、セラミックメタルハライドランプ、またはCMHランプと呼ばれています。
水銀アーク放電のスペクトルを変化させるために金属ヨウ化物（具体的には、ナトリウム - 黄色、リチウム - 赤、インジウム - 青、カリウムとルビジウム - 深紅、タリウム - 緑）を添加して最初のメタルハライドランプを作成するという概念は、ゼネラル・エレクトリックの「魔術師」チャールズ・プロテウス・スタインメッツによる1912年の特許US1025932に遡ることができます。
長年の進歩により、水銀の使用量は減少してきた。
ほとんどのタイプには、内部部品を保護し熱損失を防ぐために外側のガラスバルブが取り付けられています。外側バルブは、水銀蒸気放電によって発生する紫外線の一部または全部を遮断するためにも使用でき、特殊なドープを施した「UVストップ」溶融石英で構成されている場合があります。紫外線保護は、一般的に、近距離で人が使用する照明を提供するシングルエンド（シングルベース）モデルとダブルエンドモデルで使用されています。高出力モデル、特に鉛ガリウムUV印刷モデルや一部のスポーツスタジアム照明に使用されるモデルには、外側バルブがありません。裸アーク管を使用すると、紫外線を透過させたり、照明器具の光学系内で正確な位置決めを行うことができます。照明器具のカバーガラスは紫外線を遮断するために使用でき、ランプが爆発して故障した場合に人や機器を保護することもできます。
一部のタイプは、10～18,000ワットの様々な出力に対応するエジソンネジ式の 金属ベースを備えています。また、上に示したように両端接続式のタイプもあり、セラミック製のR7s-24ベースと、アーク管内部と外部をつなぐ金属製の接続部を備えています。これらの接続部は、アーク管の熱膨張係数に一致する様々な合金（鉄・コバルト・ニッケルなど）で作られています。
メタルハライドランプのアーク放電は、すべてのガス放電ランプと同様に、負性抵抗特性を持っています。つまり、電球を流れる電流が増加すると、電球にかかる電圧は減少します。電球が交流配線など定電圧源から給電されている場合、電流は電球が破壊されるまで増加し続けます。そのため、ハロゲンランプにはアーク電流を制限するための 電気安定器が必要です。安定器には2種類あります。
パルススタート式メタルハライドランプにはアークを発生させる始動電極がなく、アークを発生させるために高電圧（ コールドストライクで1～5kV、ホットリスタートで30kV以上 [ 11 ] ）パルスを生成する点火器が必要です。電子バラストには点火回路が1つのパッケージに含まれています。米国規格協会（ANSI）のランプバラストシステム規格は、すべてのメタルハライドコンポーネント（一部の新しい製品を除く）のパラメータを定めています。
生成される光がより白く自然であるため、メタルハライドランプは当初、青みがかった水銀蒸気ランプよりも好まれました。特殊なメタルハライド混合物の導入により、メタルハライドランプは現在、相関色温度が3,000 Kから20,000 Kを超えるものまで入手可能です。色温度はランプごとにわずかに異なる場合があり、この影響は多くのランプが使用されている場所で顕著になります。ランプの色特性は寿命中に変化する傾向があるため、ANSI規格に従って、電球を100時間（シーズニング）点灯させた後に色を測定します。パルススタートメタルハライドランプは、プローブスタートメタルハライドランプと比較してアーク管の形状が優れているため、演色性が向上し、ケルビン変動がより制御されています（±100～200ケルビン）。プローブスタートメタルハライドランプは、始動電極を必要とせず、ハロゲン化物の圧力と温度を高くすることができます。
メタルハライドランプの色温度は、ランプに電力を供給する電気系統の電気的特性や、ランプ自体の製造上のばらつきによっても影響を受けることがあります。メタルハライドランプの電力が不足している場合、動作温度が低いため、水銀の蒸発のみによって光出力が青みがかってしまいます。この現象は、アーク管がまだ完全な動作温度に達しておらず、ハロゲンが完全に蒸発していないウォームアップ中に見られます。また、調光バラストを使用した場合にも非常に顕著です。電力が過剰に供給されている場合はその逆ですが、この状態は過熱と過圧によりアーク管が爆発する可能性があり、危険です。
冷間型メタルハライドランプは、内部アークチャンバー内の温度と圧力が完全な動作レベルに達するまでに時間がかかるため、すぐに全光量を発することはできません。アルゴンアーク（自動車用ではキセノンアーク）の初期点火には数秒かかる場合があり、ウォームアップ期間はランプの種類によっては最大5分にも及ぶことがあります。この間、アークチャンバー内で様々なメタルハライドが気化するため、ランプは様々な色を発します。
電源が遮断されると、ランプのアークは消滅し、高温のアーク管内の高圧によってアークの再点火が妨げられます。通常の点火装置では、ランプを再起動するまでに5～10分の冷却時間が必要ですが、特殊な点火装置と特別に設計されたランプでは、アークをすぐに再確立できます。瞬時再点火機能のない器具では、瞬間的な停電で数分間点灯しないことがあります。安全上の理由から、一部のメタルハライドランプ器具には、冷却中および再点火中に動作するバックアップのタングステンハロゲン白熱ランプが備えられています。メタルハライドランプが再点火して温まると、白熱安全ランプは消灯します。また、温まったランプは、完全に冷えた状態のランプよりも、最大輝度に達するまでに時間がかかる傾向があります。
吊り下げ式の天井照明のほとんどは、安定器とランプ器具が一体化したパッシブ冷却方式を採用している。
メタルハライドランプは、通常、ハロゲン化物の損失やアーク管の黒化により、出力が低下したり、色が変わったりします。寿命が尽きると、水銀ランプと同様に動作しなくなります。まれに、点滅を繰り返すこともあります。大きな色の変化が見られるものもあり、まれに爆発することもあります。[ 12 ]
メタルハライドアーク管は、化学的腐食、熱応力、機械的振動などにより、使用期間を通じて強度が低下します。ランプが古くなると、アーク管は変色し（多くの場合、濃い灰色になります）、光を吸収して温度が上昇します。管は徐々に弱くなり、最終的には破損して破断します。
アーク管の早期故障は、製造上の欠陥が原因で発生する可能性があります。製造業者は、販売前にこのような欠陥がないかを確認するため、新品のランプを「慣らし運転」する場合があります。
メタルハライドランプは、最大3.4気圧という非常に高い圧力のガスを内包しているため、アーク管の破損は必然的に激しい現象となります。アーク管の破片が外側のバルブを破損させ、高温のガラス片が下の人や物に落下する可能性があります。高温の破片は火災の危険性も伴います。そのため、器具は硬質ガラスカバーで高温の破片を封じ込めるように設計されているか、アーク管を石英管で囲んで破損を防ぐように設計されている場合があります。
アーク管が過度に黒ずんだり、膨張し始めたり、光の色が急に変化したり、ランプが点滅を繰り返したりする場合は、ランプを交換することでアーク管の破損を防ぐことができます。
瞬時再点火およびクイック再起動システムは、電圧低下または中断後のMHランプの再起動の遅延を解消します。これらのシステムは、特殊な配線が施されたCWAバラストと高電圧点火器を使用し、高電圧（8kV～40kV）を発生させて特殊なランプを再起動します。