硫黄ランプ

硫黄ランプ（硫黄ランプとも呼ばれる）は、マイクロ波放射によって励起された硫黄プラズマによって光が生成される、高効率の 全 スペクトル無電極照明システムです。これらはプラズマランプの特殊なタイプであり、最も近代的なランプの 1 つです。この技術は 1990 年代初頭に開発され、有望視されていましたが、1990 年代後半までに商業的に成功することはありませんでした。2005 年以降、ランプは商業用に再び製造されています。

硫黄ランプは、ゴルフボール大 (30 mm) の石英ガラス製電球で構成されており、細いガラスの軸の先に数ミリグラムの硫黄粉末とアルゴンガスが入っています。電球はマイクロ波共鳴金網のケージに収められています。家庭用電子レンジに使用されているマグネトロンとよく似たマグネトロンが、導波管を介して2.45 GHz のマイクロ波を電球に照射します。マイクロ波のエネルギーによってガスが 5 気圧まで励起され、硫黄が極度に加熱されて明るく輝くプラズマが形成され、広い範囲を照らすことができます。電球はかなり熱くなるため、溶けないように強制空冷する必要がある場合があります。電球は通常、すべての光を一方向に向けるために放物面反射鏡の焦点に配置されます。  

従来の電極を使用して硫黄を励起することは不可能です。なぜなら、硫黄は金属電極とすぐに反応して破壊してしまうからです。コーティングされた電極を使用する特許出願については、以下の「将来の展望」で説明します。電極がないため、従来のランプで使用されるものよりもはるかに多様な発光物質を使用できます。

電球の設計寿命は約 60,000 時間です。マグネトロンの設計寿命はドイツ/イギリスに拠点を置く Plasma International によって改良され、同じ期間持続できるようになりました。

硫黄ランプのウォームアップ時間は、周囲温度が低い場合でも、蛍光ランプを除く他のガス放電ランプに比べて著しく短くなっています。20 秒以内に最終光束の 80% に達し、停電後約 5 分でランプを再起動できます。

最初のプロトタイプランプは5.9kWユニットで、システム効率は1ワットあたり80ルーメンでした。^[1] 最初の生産モデルは1ワットあたり96.4ルーメンでした。後のモデルでは冷却ファンをなくし、発光効率を1ワットあたり100ルーメンまで向上させることができました。^[2]

比較すると、コスト効率に優れた市販の LED チップは、ワットあたり約 160 ルーメン (2023 年) の効率で利用可能で、動作環境に応じて、50,000 時間後には通常、光出力が 10% 低下します。

硫黄プラズマは主に二量体分子 (S _{2 ) で構成され、}分子発光によって光を生成します。原子発光とは異なり、発光スペクトルは可視スペクトル全体にわたって連続しています。放出される放射線の 73% は可視スペクトルにあり、赤外線エネルギーはわずかで、紫外線は 1% 未満です。

スペクトル出力は 510 ナノメートルでピークに達し、光は緑がかった色調になります。相関色温度は約 6,000ケルビンで、CRIは 79 です。ランプは光の質に影響を与えずに 15% まで調光できます。

マゼンタフィルターを使用すると、光に温かみを与えることができます。このようなフィルターは、ワシントンDCの国立航空宇宙博物館のランプに使用されていました[ 3 ^]

電球に他の化学物質を加えると、色の再現性が向上する可能性があります。臭化カルシウム(CaBr ₂ ) を添加した硫黄ランプ電球は、同様のスペクトルに加えて、625 nm の赤色波長にスパイクを生成します。^[4]ヨウ化リチウム(LiI) やヨウ化ナトリウム(NaI) などの他の添加剤を使用して、出力スペクトルを変更することもできます。^{[5] [6] [7]}

この技術は、1990年にエンジニアのマイケル・ユーリー、物理学者のチャールズ・ウッド、およびその同僚によって考案されました。米国エネルギー省の支援を受けて、1994年にメリーランド州ロックビルのフュージョン・ライティング社（フュージョン・システムズ社のフュージョンUV部門から分離独立）によってさらに開発されました。その起源は、半導体および印刷産業における紫外線硬化に使用されるマイクロ波放電光源にあります。フュージョンUV部門は後にスペクトリス社に売却され、フュージョン・システムズの残りの部分はイートン社に買収されました。

同様の仕様の生産モデルは 2 つだけ開発されました。1994 年の Solar 1000 と、以前のモデルを改良した 1997 年の Light Drive 1000 です。

これらのランプの生産は1998年に終了しました。^[8] Fusion Lightingは、ベンチャーキャピタルで約9千万ドルを費やした後、2002年初頭から2003年2月にかけてメリーランド州ロックビルの拠点を閉鎖しました。^[9] 彼らの特許はLGグループにライセンスされました。インターネットアーカイブには、 Fusion Lightingの廃止されたWebサイトのコピーがあります。彼らのランプは世界中の100以上の施設に設置されていましたが、その多くは既に撤去されています。

2001 年、中国寧波市の寧波優和新照明源有限公司が独自の硫黄ランプを製造しました。同社の Web サイトは現在オンラインではなく、廃業している可能性がありますが、これらのランプに関する情報はインターネット アーカイブのアーカイブ コピーから入手できます。

LGエレクトロニクスは2006年にプラズマ照明システム（PLS）と呼ばれる硫黄ランプの生産を開始しました。

硫黄ランプは、2010 年代に Hive Lighting 社によって Wasp 1000 として製造されました。ガラス電球を囲むメッシュで識別できます。その後、製造中止となりました。

これらのランプのマグネトロンは、北米でWi-Fi、コードレス電話、衛星ラジオに使用されている2.4 GHz 無線スペクトルに電磁干渉を引き起こす可能性があります。放送への干渉を恐れたSiriusとXM 衛星ラジオは、米国連邦通信委員会(FCC) に請願し、Fusion Lighting にランプの電磁放射を 99.9% 削減するよう強制しました。2001 年、Fusion Lighting はランプの周囲に金属シールドを設置して電磁放射を 95% 削減することに同意しました。

2003年5月、FCCは、2.45GHzで動作する無線周波数照明の帯域外放射制限を定義する手続きを、手続きの記録が古くなっており、フュージョンライティングがそのようなランプの開発を中止したとして終了しました。^[10] 命令は次のように結論づけています。

したがって、当社は、2.45 GHz 帯域のすべての RF ライトの操作を禁止するという衛星無線免許保有者からの要請による救済措置の提供を拒否します。これは、要請された禁止措置が包括的であり、状況に基づいて正当化されないと判断したためです。いずれかの団体が 2.45 GHz帯域で RF ライトを操作し、その結果として衛星無線受信機に有害な干渉を引き起こすという証拠があり、当社の既存の制限が不十分であることが判明した場合、当社はその時点で適切な措置を講じます。

蛍光灯や高輝度放電灯とは異なり、硫黄ランプには水銀が含まれていません。そのため、硫黄ランプは環境に脅威を与えず、特別な廃棄も必要ありません。^[1] さらに、硫黄ランプを使用すると、照明に必要な総エネルギー量を削減できる可能性があります。

現在生産されている硫黄ランプは出力が高いため、ランプから離れた領域に光を分配する必要がある場合が多くあります。これは、導管として 光パイプを使用することで実現できます。

3Mライトパイプは、 3Mが開発した、光を全長にわたって均一に分散させるプリズム面を持つ長い透明な中空の円筒です。 ^[11] ライトパイプは最長 40 メートル (130 フィート) までの長さがあり、短いモジュール ユニットから現場で組み立てられます。ライトパイプは、硫黄ランプの放物面反射鏡に取り付けられます。短いパイプの場合は反対側の端に鏡が、長いパイプの場合は両端にランプが付きます。ライトパイプの全体的な外観は、巨大な蛍光灯に例えられています。ライトパイプ付きの硫黄ランプ 1 つで、数十個のHID ランプを置き換えることができます。国立航空宇宙博物館では、それぞれ 27 メートル (89 フィート) のパイプが付いたランプ 3 つで、94 個の HID ランプを置き換え、照射光量を大幅に増加させました。^[3]

個々のランプの数を減らすと、メンテナンスが簡単になり、設置コストも削減できますが、照明が重要なエリアにはバックアップ システムが必要になる場合もあります。ライト パイプを使用すると、メンテナンスのために簡単にアクセスできるエリアにランプを配置でき、ランプの熱が問題になる可能性のある場所から離すことができます。

二次反射鏡は、ランプの放物面一次反射鏡から出た光線の経路に直接配置される鏡面構造です。二次反射鏡は複雑な形状を持つことができ、光を分割して必要な場所に向けることができます。対象物をスポットライトで照らしたり、光を広げて全体を照らすことができます。

スウェーデンのスンツヴァル近郊にあるスンツヴァル＝ヘルノサンド空港では、高さ 30 メートルの塔に取り付けられた硫黄ランプによって飛行場の照明が提供されています。ランプは上向きに向けられ、翼型の二次反射鏡に光を当て、その反射鏡が光を拡散させて下向きに向けます。このようにして、1 つのランプで 30 x 80 メートル (100 x 260 フィート) の領域を照らすことができます。

デンマークのエネルギー会社DONG Energyの本社では、1 つの硫黄ランプの光が多数の鏡面反射板と拡散板に照射され、エントランスホールと建物の外にあるいくつかの彫刻を照らしています。

スウェーデンのルンド大学病院の入り口では、天井の二次反射板が高反射フィルムで覆われていますが、グレアを避けるような形状になっています。さらに、これらのフィルムは光線を分割するマイクロプリズム表面構造を持っているため、グレアの問題のリスクがさらに軽減されます。反射板が光源を偶然に覗き込んだ人の目から遠ざけるという事実は、グレアの問題をさらに排除するのに役立ちます。^[12]

間接照明器具は、その光束のほとんどを天井に向けて上向きに照射します。反射率の高い天井は、拡散性、低輝度、高品質の室内照明の二次光源として機能します。間接照明の主な利点は、間接グレアの可能性を大幅に低減し、直接光源を視認する必要がなくなることです。^[13]

サクラメント市公共事業局（SMUD）本部ビルでは、自立型キオスクの上部に硫黄ランプが2つ設置されている。高さ4.2メートル（13フィート9インチ）の天井には、高反射率（90％）の白い吸音天井タイルが取り付けられている。ランプの光は上向きに照射され、天井で反射して間接照明となる。さまざまな反射要素を選択することで、狭、中、広のビームパターンを作り出すことができる。^[14]

スタジアムの照明など、平らな器具を高い位置に取り付けて光を広範囲に拡散できる用途では、ライトパイプは必要ありません。ヒル空軍基地の照明設備には、ライトパイプ付きのランプや、航空機格納庫の高い位置に取り付けられたダウンライト器具が含まれています。

光ファイバーは硫黄ランプの配電システムとして研究されてきたが、実用的なシステムはこれまで市場に出回っていない。^[15]

硫黄ランプは科学機器の光源として使用できます。

手頃な価格で効率的で長寿命のマイクロ波源の開発は、コスト削減と商業的成功への技術的なハードルです。ランプのプロトタイプは高ワット数（1000 W 以上）のものしか入手できなかったため、光出力の需要が大きくない用途への採用が妨げられていました。硫黄ランプは、マグネトロンと電球を回転させるモーターの寿命、および冷却ファンの騒音に問題があります。ほとんどの硫黄ランプには可動部品があるため、信頼性は依然として重要な問題であり、システムのメンテナンスが市場での採用を妨げる可能性がありますが、能動冷却を必要としない新しい設計のランプが市販されています。^{[2]研究者は、代わりに}円偏波マイクロ波を使用してプラズマ放電を回転させることで、 電球を回転させる必要性をなくすことにある程度成功しています。 ^{[16] [17]他の実験では、}ヨウ化ナトリウム、ヨウ化スカンジウム 、一臭化インジウム（InBr）^{[18] [19]}またはテルル^[20]を光生成媒体として 使用しました。

ランプの設置の多くはテスト目的のみでしたが、ランプが主な照明源として使用されている場所もいくつか残っています。おそらく、その中で最も目立つのは、国立航空宇宙博物館のガラスのアトリウムでしょう。

• 無電極ランプ
• プラズマランプ
• 光源一覧
• 照明技術のタイムライン

• サプリー、カート、「エネルギー省がまばゆいばかりの電球を点灯」、ワシントンポスト、1994 年 10 月 21 日
• サプリー、カート、「明るく燃えても消えない新しい種類の照明」、ワシントンポスト、1994 年 10 月 24 日
• ホルシャ、ジョン、「多くの電球に代わる光源」、ニューヨークタイムズ、1994 年 10 月 26 日
• 「硫黄照明が軌道に乗る」、Environmental Building News、1995 年 7 月
• シュローダー、マイケル、ドレーゼン、ヨチ、「省エネ電球が衛星ラジオの妨げに」、ウォール ストリート ジャーナル、2001 年 8 月 6 日
• 「硫黄照明はもはや軌道に乗っていない」、Environmental Building News、2005 年 8 月