メタルハライドランプ

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^{[1] [2] （金属と}臭素またはヨウ素の化合物）のガス混合物を通して電気アークによって光を生成する電気ランプです。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}メタルハライドランプは、水銀ランプ^[1]に似ていますが、石英発光管に追加の金属ハロゲン化物化合物が含まれており、光の効率と色再現性が向上しています。使用される最も一般的な金属ハロゲン化物化合物は、ヨウ化ナトリウムです。発光管が動作温度に達すると、ナトリウムはヨウ素から解離し、金属がイオン化するにつれて、ランプのスペクトルにナトリウムD線からのオレンジ色と赤色が追加されます。その結果、メタルハライドランプはワットあたり約75～100ルーメンの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^[1]であり、強い白色光を生成します。ランプの寿命は6,000～15,000時間です。^{[2] [3]} 最も効率的な高CRI白色光源の1つとして、メタルハライドは2005年時点で照明業界で最も急速に成長している分野でした。^[1] それらは、駐車場、スポーツアリーナ、工場、小売店などの商業、工業、公共の場所の広範囲の頭上照明^[2]のほか、^[1]住宅の防犯照明、自動車のヘッドランプ（一般に「キセノンヘッドライト」と呼ばれることが多い）、屋内大麻栽培事業にも使用されています。 ^{[アップデート]}

ランプは、ガスとアークを含む小さな溶融石英またはセラミックの アーク管で構成され、より大きなガラス球（または小型ランプの場合は生成される紫外線を遮断するコーティングが施された石英球）内に封入されています。 ^{[1] [3]} 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バラストが必要です。金属原子が光出力の大部分を生成します。^[1]完全な光出力に達するまで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、スポーツ競技場、工場、小売店、住宅の防犯照明など、屋内外の一般的な照明に使用されます。また、自動車や特殊用途にも使用されています。

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、他のハロゲンランプで一般的に使用されるアルゴンの代わりに、ランプが温まる前に点灯すると最小限の光を提供するキセノンガスを電球に使用することから、一般的に「キセノンヘッドランプ」と呼ばれています。

このようなランプのもう一つの広範な用途は、写真照明や舞台照明器具であり、一般的に MSD ランプまたは HMI ランプと呼ばれ、一般的に 150、250、400、575、および 1,200ワットの定格で使用され、特にインテリジェント照明に使用されます。

スペクトルが広く効率が良いため、屋内栽培、特に大麻の栽培に使用され、サンゴ用の高輝度光源を必要とするサンゴ礁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は両方の用途でほぼ完全にメタルハライドに取って代わりましたが、少数の純粋主義者だけがまだそれを保持しています。^[6]

非常によく似た水銀灯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内で混合ガスをイオン化することで光を生成します。メタルハライドランプでは、コンパクトな発光管にアルゴンまたはキセノン、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します（たとえば、光がより青または赤になります）。始動すると、ランプ内のアルゴンガスが最初にイオン化され、印加された始動電圧で2つの電極間のアークを維持するのに役立ちます。次に、アークと電極によって発生した熱によって水銀と金属ハロゲン化物がプラズマにイオン化され、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が生成されます。

発光管は5～50気圧以上^[8]（70～700psi または500～  5000kPa）、1000～3000℃で作動する。^[9] 他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つ（フィラメント付きの安定器付きランプはまれに例外）ため、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供給する安定器が必要となる。メタルハライドランプが使用するエネルギーの約24%が光を生成する（効率65～115lm  / W ）ため、^{[4]メタルハライドランプは効率が通常2～4%の}白熱電​​球よりも大幅に効率的である。

メタルハライドランプは、電極付きの発光管、外電球、およびベースで構成されています。

溶融石英 発光管の内部では、トリウムを添加した2 つのタングステン電極が両端に密封されており、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ます。光が実際に生成されるのは、2 つの電極間のアークです。

水銀蒸気のほかに、ランプにはさまざまな金属のヨウ化物または臭化物が含まれています。ヨウ素と臭素は周期表のハロゲン グループに属しているため、イオン化されると「ハロゲン化物」と呼ばれます。一部のタイプではスカンジウムとナトリウムも使用されており、ヨーロッパのTri-Salt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照明モデルや、エリア投光照明用の昼光色のメタル ハライド ランプ、コンパクトな低ワット数のメタル ハライド ランプ、および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、印刷用の特別な高 UV-A モデルで使用されます。使用される金属の混合によって、ランプの色が決まります。一部のタイプでは、祝祭や演劇の効果のために、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しています。アークインピーダンスを下げるために、ほとんどの場合アルカリ金属（ナトリウムまたはカリウム）が添加され、アーク管を十分に長くして、単純な電気安定器を使用できるようになります。放電の開始を容易にするために、希ガス（通常はアルゴン）が約 2 kPa の圧力でアーク管に冷間充填されます。アルゴン充填ランプは、通常、始動が非常に遅く、最大の光度に達するまでに数分かかります。一方、自動車のヘッドランプに使用されるキセノン充填ランプは、比較的速く始動します。

発光管の端は、熱を電極に反射させて電極を高温に保ち、熱電子放出を維持するために、外側が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コーティングされていることがよくあります。一部の電球では、スペクトルを改善して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ます。

1980 年代半ばに、水銀灯や以前のメタルハライドランプ設計で使用されていた石英 (溶融シリカ) 発光管の代わりに、高圧ナトリウムランプで使用されていたものと同様の焼結 アルミナ発光管を使用する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。この開発により、溶融シリカ発光管を悩ませるイオンクリープの影響が軽減されます。寿命の間に、ナトリウムやその他の元素が石英管に移動する傾向があり、高い紫外線放射とガスのイオン化により電極が侵食され、ランプのサイクルが発生します。焼結アルミナ発光管はイオンの侵入を許さないため、ランプの寿命全体にわたってより一定の色を維持します。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 ランプと呼ばれます。

最初のメタルハライドランプを作成するために、水銀アーク放電のスペクトル修正（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）のために金属ヨウ化物を追加するという概念は、 「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・シュタインメッツが 1912 年に取得した特許 US1025932 にまで遡ることができます。

長年の進歩により、使用される水銀の量は減少しました。

ほとんどのタイプには、内部コンポーネントを保護し、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。外側のバルブは、水銀蒸気放電によって生成される紫外線の一部またはすべてを遮断するためにも使用でき、特別にドープされた「UV ストップ」溶融シリカで構成できます。紫外線保護は、近くの人間に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 モデルで一般的に使用されています。一部の高出力モデル、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、外側のバルブがありません。むき出しのアーク管を使用すると、紫外線を透過したり、照明器具の光学システム内で正確に位置決めしたりできます。照明器具のカバー ガラスを使用して紫外線を遮断したり、ランプが爆発して故障した場合に人や機器を保護したりすることもできます。

いくつかのタイプには、10 から 18,000 ワットのさまざまな定格電力に対応するエジソン スクリュー メタル ベースが付いています。その他のタイプは、上図のように両端がセラミック製の R7s-24 ベースと、アーク管の内部と外部の間の金属接続部を備えたものです。これらは、アーク管の熱膨張係数に一致するさまざまな合金 (鉄コバルトニッケルなど) で作られています。

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の電気アークには負の抵抗特性があります。つまり、電球を流れる電流が増加すると、電球にかかる電圧が減少します。電球が AC 配線から直接供給されるなど、定電圧源から電力を供給される場合、電流は電球が破壊されるまで増加します。したがって、ハロゲン電球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。次の 2 つのタイプがあります。

1. 誘導性バラスト- 多くの器具は、蛍光灯で使用されるものと同様の誘導性バラスト（磁気バラストとも呼ばれる）を使用しています。これは鉄心インダクタで構成されています。インダクタは AC 電流に対してインピーダンスを示します。ランプを流れる電流が増加すると、インダクタは電圧を下げて電流を制限します。
2. 電子安定器- より軽量でコンパクトです。電子発振器から高周波を生成し、それを低周波の矩形波電流に変換してランプを駆動します。誘導性安定器よりも抵抗損失が低いため、エネルギー効率に優れています。ただし、高周波動作では蛍光灯のようにランプ効率は上がりません。アーク内で音響共鳴を引き起こし、ランプ寿命を短くする可能性があります。 ^[10]

パルス始動式メタルハライド電球には、アークを点火する始動電極がないため、アークを始動するために高電圧パルス（コールドストライクで1～5kV、ホット再点火で30kV以上^[11]）を生成するイグナイタが必要です。電子バラストには、イグナイタ回路が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では、すべてのメタルハライド部品（一部の新しい製品を除く）のパラメータが定められています。

メタルハライドランプは、生成される光がより白く、より自然なため、当初は青みがかった水銀灯よりも好まれていました。特殊なメタルハライド混合物の導入により、相関色温度が3,000 K から 20,000 K を超えるメタルハライドランプが利用できるようになりました。色温度はランプごとにわずかに異なる場合があり、この影響はランプを多数使用する場所で顕著になります。ランプの色特性はランプの寿命中に変化する傾向があるため、色はANSI規格に従って電球を 100 時間点灯 (シーズニング) した後に測定されます。パルス始動メタルハライドランプは、プローブ始動メタルハライドランプと比較して発光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 (±100 ～ 200 ケルビン) がより制御されています。プローブ始動メタルハライドランプでは始動電極が必要なく、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、電球に電力を供給する電気システムの電気的特性や電球自体の製造ばらつきによっても左右されます。動作温度が低いためにメタルハライド電球の電力が不足すると、水銀だけが蒸発するため、光出力が青みがかります。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、ハロゲン化物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、調光安定器でも非常に顕著です。過電力の電球の場合は逆のことが当てはまりますが、この状態は危険であり、過熱と過圧によりアーク管が爆発する可能性があります。

冷たいメタルハライドランプは、内部アークチャンバー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、すぐには完全な光量を発揮できません。最初のアルゴンアーク (または自動車の場合はキセノン) の開始には数秒かかる場合があり、ウォームアップ時間は 5 分ほどかかることがあります (ランプの種類によって異なります)。この間、さまざまなメタルハライドがアークチャンバー内で蒸発するため、ランプはさまざまな色を呈します。

電源が遮断されると、ランプのアークが消え、高温の発光管内の高圧によりアークの再点弧が防止されます。通常の点火装置では、ランプを再起動する前に 5 ～ 10 分の冷却期間が必要ですが、特殊な点火装置と特別に設計されたランプを使用すると、アークを即座に再確立できます。即時再点弧機能のない器具では、瞬間的な電源喪失により数分間照明が点灯しない可能性があります。安全上の理由から、一部のメタルハライド器具には、冷却および再点弧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付いています。メタルハライドが再点弧して温まると、白熱安全ランプはオフになります。温まったランプは、完全に冷えた状態で始動したランプよりも、最大の明るさに達するまでに時間がかかる傾向があります。

ほとんどの吊り天井ランプは、安定器とランプ器具を組み合わせた受動冷却方式を採用しています。

メタルハライドランプは、通常、ハロゲン化物の損失と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、オン/オフ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]

すべてのメタルハライド発光管は、化学的な侵食、熱応力、機械的振動により、寿命が進むにつれて強度が低下します。ランプが古くなると、発光管は変色し (多くの場合、暗い灰色になります)、光を吸収して熱くなります。発光管は弱くなり続け、最終的には故障して発光管が破損します。

製造上の欠陥により、アーク管の早期故障が発生する場合があります。製造業者は、販売前に新しいランプを「シーズニング」して、そのような欠陥がないか確認することがあります。

メタルハライドランプには、かなりの高圧 (最大 3.4 気圧) のガスが含まれているため、アーク管の故障は必然的に激しい現象となります。アーク管の破片によって外側のバルブが破損し、熱いガラスの破片が下にいる人や物に落ちる可能性があります。熱い破片は火災の危険をもたらす可能性があります。器具は、硬いガラスのカバーで熱い破片を封じ込めるように設計されているか、破損を防ぐためにアーク管を囲む石英管を備えたランプ用に設計されている場合があります。

発光管が極度に黒ずんでいる場合、発光管が膨張し始めた場合、光の色が突然変化した場合、またはランプがオンとオフを繰り返すようになった場合は、ランプを交換することで発光管の破損を回避できる場合があります。

• 
  工場や倉庫で使用されるタイプの高ワット数のメタルハライドランプを使用した低天井照明器具
• 
  メタルハライド投光器
• 
  フィリップスMHN -TD 150W/842 (150 ワット、4200 K) 直管型/管状型メタルハライドランプ
• 
  フィリップスMHN-TD 150W/842リニア/チューブラーメタルハライドランプが半分の電力で点灯
• 
  広帯域スペクトルのメタルハライドランプを使用した光源を上空に向けて照射する
• 
  ソフトボール場のメタルハライドランプ
• 
  セラミックメタルハライドランプ 70 ワット - ネジ留め式 (水槽)

• アークランプ
• 水銀中アークヨウ化物ランプ- 映画撮影で使用される高出力メタルハライドランプ
• 水銀灯
• ナトリウムランプ
• ネオンランプ
• 硫黄ランプ
• チャールズ・プロテウス・シュタインメッツ

ウィキメディア・コモンズには、メタルハライドランプに関連するメディアがあります。

• ウェイマス、ジョン（1971）。放電ランプ。マサチューセッツ州ケンブリッジ：MITプレス。ISBN 978-0-262-23048-3。
• レイモンド・ケイン、ハインツ・セル『ランプ革命：50年間の進歩の記録（第2版）』フェアモント・プレス社、2001年ISBN 0-88173-378-4