アークランプ
IMAX映写システムで使用される15 kWキセノンショートアークランプ。
蛍光顕微鏡の水銀アークランプ。
クリプトンロングアークランプ（上）がキセノン閃光管の上に示されています。レーザー励起に用いられるこの2つのランプは、電極、特に陰極（左側）の形状が大きく異なります。

アークランプまたはアーク灯は、電気アーク(ボルタアークとも呼ばれる) によって光を生成するランプです。

炭素アーク灯は、空気中の炭素電極間のアークで構成され、1800年代の最初の10年間にハンフリー・デービーによって発明され、最初の実用的な電灯でした。[ 1 ] [ 2 ] 1870年代から街路や大きな建物の照明に広く使用され始めましたが、20世紀初頭に白熱灯に取って代わられました。 [ 1 ]サーチライトや映写機 など、高強度の点光源が必要な、より特殊な用途では第二次世界大戦後まで使用され続けました。炭素アークランプは現在、これらの用途のほとんどでは廃止されていますが、高強度紫外線光源として今でも使用されています。

この用語は現在、ガラス球内のガスを通して金属電極間のアークによって光を生成するガス放電ランプを指す。一般的な蛍光灯は低圧水銀アークランプである。[ 3 ]キセノンアークランプは高輝度の白色光を発し、映写機やサーチライトなど、かつて炭素アークを使用していた多くの用途で現在使用されている。

手術

アークとは、ガスがイオン化される際に発生する放電です。ランプに高電圧パルスを印加することでアークを「点火」または「点灯」させ、その後、放電を低電圧で維持することができます。「点灯」には、点火装置と安定器を備えた電気回路が必要です。安定器はランプと直列に接続され、2つの機能を果たします。

電源が最初に投入されると、イグナイタ/スタータ（ランプに並列接続）がバラストとスタータに小さな電流を流します。これにより、バラストの巻線内に小さな磁場が生成されます。しばらくして、スタータはバラストからの電流を遮断します。バラストは高いインダクタンスを持つため、電流を維持しようとします（バラストは電流の変化に抵抗します）。しかし、「回路」が存在しないために、電流を維持することはできません。その結果、ランプが接続されているバラストに瞬間的に高電圧が発生します。ランプはこの高電圧を受け、管/ランプ内でアークを「点火」します。回路はこの動作を繰り返し、ランプが十分にイオン化されてアークを維持できるまで続けます。

ランプがアーク放電を続けると、安定器は2つ目の機能を果たし、ランプを点灯させるのに必要な電流に制限します。ランプ、安定器、点火装置は互いに定格が一致しているため、これらの部品は故障した部品と同じ定格のものに交換する必要があります。そうしないと、ランプは点灯しなくなります。

ランプから発せられる光の色は、温度と時間によって電気特性が変化するため変化します。雷も同様の原理で発生し、大地と嵐の雲の間に生じる高い電位差（電圧）によって大気がイオン化されます。

動作中のクリプトンアークランプ。

アークランプのアーク温度は数千度に達することがあります。外側のガラス管は500度に達することもあるため、メンテナンスを行う前に、電球が十分に冷えていることを確認する必要があります。これらのタイプのランプは、電源を切ったり、電源が切れたりすると、数分間は再点灯できません（コールドリストライクランプと呼ばれます）。しかし、一部のランプ（主に蛍光灯や省エネランプ）は、電源を切るとすぐに再点灯できます（ホットリストライクランプと呼ばれます）。

1975年にカナダのバンクーバーにあるブリティッシュコロンビア大学のデイビッド・カムとロイ・ノッドウェルによって発明されたヴォルテック水壁プラズマアークランプは、300kW（120万カンデラ）を超える出力を持つ、最も強力な連続点灯光源として、1986年と1993年にギネス世界記録に認定されました。[ 4 ]

炭素アークランプ

カバーを外したカーボンアークランプを点火点に置いた状態。このモデルでは電極を手動で調整する必要がある。
「アーチ」効果を示す電気アーク。
デイビーのものと似た液体電池で駆動する初期の実験用炭素アーク灯
皮膚疾患の治療に使用された医療用炭素アークランプ、1909年
1847年にウィリアム・エドワーズ・ステイトとウィリアム・ペトリーによって提案された自己制御型アークランプ

炭素アークランプでは、電極は自由空気中の炭素棒です。ランプを点火するには、棒同士を接触させ、比較的低い電圧でアークを発生させます。[ 1 ] 次に棒をゆっくりと引き離し、電流によってギャップ間のアークを加熱・維持します。炭素棒の先端が加熱され、炭素が蒸発します。[ 1 ] 棒は使用中に徐々に燃え尽きるため、アークを維持するためには、棒間の距離を定期的に調整する必要があります。[ 1 ]

距離を自動的に制御するための独創的な機構が数多く発明されましたが、その多くはソレノイドをベースとしています。最も単純な機械的制御方式の一つ（これはすぐによりスムーズに動作する装置に取って代わられました）では、電極は垂直に設置されます。アークを供給する電流は、上部の電極に取り付けられたソレノイドに直列に流されます。電極の先端が接触している場合（始動時など）、抵抗が低下し、電流が増加し、ソレノイドからの引力が増大して先端が引き離されます。アークが消え始めると、電流が低下し、先端は再び閉じます。

ヤブロチコフキャンドルは、レギュレーターのない単純なアークランプですが、アークを再起動できない (使い捨て) という欠点があり、寿命がわずか数時間に限られています。

スペクトラム

炭素アーク灯が発するスペクトルは、あらゆるランプの中で太陽光に最も近い。初期の電灯の一つであったが、その強烈な光は、通常、広い範囲を照らす用途に限られていた。発明当時は目に見えない波長は知られていなかったが、密閉されていないランプは、太陽光には存在しない大量の赤外線と有害な紫外線を発生することがすぐに発見された。アークをガラス球に封入すれば、これらの目に見えない光線の多くを遮断できることが判明した。しかし、炭素アーク灯はすぐに、より安全で、より効率的で、多用途で、メンテナンスが容易な白熱灯やガス放電灯に取って代わられた。炭素アーク灯は、太陽光に近い光が求められる用途、例えば材料、塗料、コーティングの摩耗、退色、劣化の検査、あるいは地球よりも近い軌道で太陽光にさらされる宇宙船の材料などに現在も使用されている。[ 5 ]

アークは、プラズマ状態に加熱された純粋な炭素蒸気で構成されています。しかし、アークは光出力にほとんど寄与せず、発光しないと考えられています。これは、アークの放射の大部分がスペクトルの紫色および紫外線領域のスペクトル線で発生するためです。炭素スペクトルの大部分は、389 nm（UV-A、可視スペクトルのすぐ外側）を中心とする非常に広い線と、250 nm（UV-B）の非常に狭い線、そしてUV-C領域のその他の弱い線で発生します。

可視光線と赤外線のほとんどは、陽極（アノード）で発生する白熱光によって生成されます。他のアークランプに見られるタングステン陽極は比較的低温ですが、炭素ははるかに高い抵抗を生じ、電子は最も高温の箇所からアノードに進入せざるを得なくなります。その結果、膨大な熱が発生し、炭素が蒸発してアノード表面に窪みが形成されます。この窪みは華氏6000～6500度（摂氏3300～3600度、融点よりわずかに低い温度）に加熱され、白熱光で非常に明るく輝きます。そのため、電極は互いに直角に配置され、アノードが外側を向くことで光出力を遮らないようにすることがよくありました。炭素はあらゆる元素の中で最も高い融点を持っているため、フィルターを使用して赤外線と紫外線の大部分を除去すると、黒体放射が太陽の温度である華氏10,000度（摂氏5500度）にほぼ匹敵する唯一のランプとなります。[ 6 ]

歴史

炭素アーク灯の概念は、19世紀初頭にハンフリー・デイビーによって初めて実証されましたが、その初実証年については文献によって見解が分かれており、1802年、1805年、1807年、1809年と記載されています。デイビーは木炭棒と2000セルの電池を用いて、4インチ（100 mm）の隙間にアークを発生させました。彼は電極を水平に設置し、強い空気対流によってアークがアーチ型になることに着目しました。彼は「アーチランプ」という造語を用い、この装置が一般的に使用されるようになると「アークランプ」に短縮されました。[ 7 ]

19世紀後半、電気アーク灯は公共照明として広く使用されていました。しかし、電気アークのちらつきやヒスノイズの発生は大きな問題でした。1895年、ヘルタ・エアトンは『The Electrician』誌に一連の論文を寄稿し、これらの現象はアークを発生させる炭素棒と酸素が接触することで発生すると説明しました。[ 8 ] [ 9 ] 1899年、彼女は電気技術者協会（IEE）で論文を発表した初の女性となりました。彼女の論文は「電気アークのヒスノイズ」でした。[ 10 ]

アークランプは、それまで実験、電信、娯楽に限られていた電気の商業的利用を初めて実現したものの一つである。[ 11 ]

米国の炭素アーク照明

アメリカ合衆国では1850年以降、アーク灯の商業生産が試みられたが、安定した電力供給の欠如により実現は頓挫した。そこで電気技術者たちはファラデーのダイナモの改良に取り組み始めた。この概念は、ウィリアム・エドワーズ・ステイトやチャールズ・F・ブラッシュなど多くの人々によって改良された。ヤブロチコフ・キャンドルのようなランプが一般的に見られるようになったのは1870年代に入ってからである。1877年、フランクリン研究所はダイナモシステムの比較試験を行った。ブラッシュが開発したダイナモが最も優れた性能を示し、ブラッシュはすぐに改良したダイナモをアーク灯に応用した。その初期の応用例として、 1879年4月29日にオハイオ州クリーブランドのパブリック・スクエアで使用された。 [ 12 ] それにもかかわらず、インディアナ州ウォバッシュは「ブラッシュ・ライト」で照らされた最初の都市であると主張している。 1880年3月31日には4つのライトが点灯しました。[ 13 ] ウォバッシュは4つのライトで街全体を照らすほど小さな街でしたが、クリーブランドのパブリックスクエアのライトはその大きな街の一部しか照らせませんでした。[ 14 ] 1880年、ブラッシュはブラッシュ電気会社を設立しました。

強烈で明るい光は、当時のフィラメントランプの約 200 倍の強さがあり、クリーブランドのパブリック スクエアなどの公共エリアに最適であることがわかりました。

ブラッシュ電気アーク灯の使用は急速に広まりました。 1881年のサイエンティフィック・アメリカン誌は、このシステムが以下のように使用されていると報告しています。 [ 15 ] 圧延工場、製鉄所、店舗で800個、毛織物、綿、麻、絹などの工場で1,240個、大型店舗、ホテル、教会で425個、公園、ドック、避暑地で250個、鉄道駅や店舗で275個、鉱山、製錬所で130個、工場や各種施設で380個、照明所や都市照明で1,500個、イギリスやその他の国で1,200個。合計で6,000個以上が販売されました。

1880年代には3つの大きな進歩がありました。フランティシェク・クジークは1880年に電極の自動調整を可能にする機構を発明しました。アークは小さな管に封入され、炭素の消費を抑制しました（寿命は約100時間に延長されました）。また、炭素棒に金属塩（通常はマグネシウム、ストロンチウム、バリウム、またはフッ化カルシウム）を添加し、光出力を高め、様々な色を生み出す炎アークランプが導入されました。

米国では、アーク照明システムや改良型ダイナモの特許保護が困難であることが判明し、その結果、アーク照明業界は熾烈な競争にさらされた。ブラッシュの主な競争相手は、エリヒュー・トムソンとエドウィン・J・ヒューストンのチームだった。この2人は1880年にアメリカン・エレクトリック・コーポレーションを設立したが、すぐにチャールズ・A・コフィンに買収され、マサチューセッツ州リンに移転してトムソン・ヒューストン・エレクトリック・カンパニーと改名された。しかし、トムソンは照明システムの改良に関する特許取得において、引き続き主要な発明家としての才能を発揮した。トムソン・ヒューストンの特許弁護士、フレデリック・P・フィッシュの指揮の下、同社は新しい特許権を保護した。コフィンの経営陣はまた、競合他社の買収と合併を積極的に進める方針を同社に導いた。どちらの戦略も電気照明製造業界における競争を緩和させた。1890年までに、トムソン・ヒューストン社は米国で有数の電気製造会社となった[ 16 ]

世紀の変わり目頃、アーク灯システムは衰退しつつありましたが、トムソン・ヒューストン社は都市照明システムに関する重要な特許を保有していました。この支配力により、トーマス・エジソンのエジソン・ゼネラル・エレクトリック社が開発していた白熱灯システムの拡大は鈍化しました。一方、エジソン社は直流配電と発電機の特許を保有していたため、トムソン・ヒューストン社の更なる拡大は阻まれました。しかし、1892年に両社が合併してゼネラル・エレクトリック社が設立されたことで、この拡大への障害は取り除かれました。[ 16 ]

初期の映画スタジオでは、室内の照明にアークランプが使用されていました。しかし、アークランプは非常に強い紫外線を発するため、多くの俳優はカメラから離れているときに紫外線による目の痛みを和らげるためにサングラスをかける必要がありました。この問題は、ランプの前に普通の窓ガラスを一枚追加して紫外線を遮断することで解決されました。トーキーの黎明期には、映画スタジオではアークランプは他の種類の照明に置き換えられました。[ 17 ] 1915年、エルマー・アンブローズ・スペリーは、発明した高輝度カーボンアークサーチライトの製造を開始しました。これは20世紀を通じて、すべての海軍の軍艦で信号や敵の照明に使用されました。[ 18 ] 1920年代には、カーボンアークランプは自然光の代替として、家庭用健康製品として販売されました。[ 19 ]

アークランプはほとんどの用途でフィラメントランプに取って代わられ、映画映写、スポットライト、サーチライトといった特定のニッチな用途にのみ残されました。1950年代から1960年代にかけては、屋外ドライブインプロジェクターのカーボンアークランプ用の高出力直流電源は、通常、モーターと発電機の組み合わせ（交流モーターで直流発電機に電力を供給する）によって供給されていました。これらの用途においても、従来のカーボンアークランプはキセノンアークランプによってほぼ廃止されましたが、少なくとも1982年までスポットライトとして製造されていました[ 20 ]。また、少なくとも一つの目的、すなわち「加速劣化」装置で太陽光をシミュレートし、環境暴露によって材料がどの程度速く劣化するかを推定するという目的で、現在も製造されています[ 21 ] 。 [ 22 ]

カーボンアーク照明は、他の映画映写方法にも影響を与えました。映画を2,000フィートのリールに巻き付けて輸送・映写し、2台の映写機を「切り替え」するという方法は、映写機のランプハウスに使用されていたカーボンロッドの寿命が約22分（これは、24フレーム/秒で映写した場合のフィルム量に相当）だったことに起因しています。映写技師は、（溶接工の鏡のような覗き穴を通して）ロッドの消耗を目で確認し、フィルムリールを交換する際にカーボンロッドを交換していました。2台の映写機を切り替える方式は、1970年代にキセノン映写ランプの登場によりほぼ姿を消し、1台の映写機プラッターシステムに取って代わられました。しかし、映画は2,000フィートのリールに巻き付けて映画館に輸送され続けました。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e Whelan, M. (2013). 「アークランプ」 .リソース.エジソン技術センター. 2014年11月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月22日閲覧。
  2. ^サスマン、ハーバート・L. (2009). 『ビクトリア朝のテクノロジー：発明、革新、そして機械の台頭』 ABC-CLIO. p. 124. ISBN 9780275991692。
  3. ^チェン・カオ（1990年）「蛍光灯」『産業用配電・照明システム』電気工学・電子工学誌第65巻、ニューヨーク：デッカー社、350頁。ISBN 978-0-8247-8237-5蛍光灯は低圧水銀アークによって点灯されます。
  4. ^ボイヤー、ロジャー（1994年）『新たなイノベーター：カナダ人はどのように知識基盤型経済を形成しているのか』トロント：ジェームズ・ロリマー・アンド・カンパニー社、  20頁、ISBN 978-1-55028-463-8。
  5. ^ゴダード宇宙センター出版物、1959-1962、第2巻、 M. SchachとJH. Boeckel著 - アメリカ航空宇宙局、1967年、571ページ
  6. ^ハーマン・グッドマン著『臨床医学と外科』第35巻- アメリカ臨床医学誌、1928年、159-161ページ
  7. ^スリンゴ、ウィリアム、ブルッカー、アーサー（1900年）『電灯職人のための電気工学』ロンドン：ロングマンズ・グリーン社、607頁。OCLC 264936769。 
  8. ^オークス、エリザベス・A（2007年）『世界の科学者百科事典』（第2版）ニューヨーク：ファクト・オン・ファイル、p.35。ISBN 9781438118826。
  9. ^ Bruton, Elizabeth (2018). 「ヘルタ・エアトンの生涯と物質文化」 . Science Museum Group Journal .ロンドン・サイエンス・ミュージアム. doi : 10.15180/181002 . S2CID 240796451. 2019年5月23日閲覧。 
  10. ^ Ayrton, Hertha (1899年6月). 「電気アークのヒス音」. Journal of the Institution of Electrical Engineers . 28 (140): 400– 436. doi : 10.1049/jiee-1.1899.0020 .
  11. ^ギルバート、ジェラード。批評家の選択、インディペンデント、2011年10月6日
  12. ^ 「Cleveland+ Public Art」（PDF） . Positively Cleveland . 2008年. p. 3. 2008年5月17日時点のオリジナル（パンフレット）からのアーカイブ。 2009年5月18日閲覧。
  13. ^ロードサイドアメリカ
  14. ^ Brush Lights、クリーブランド、 2008年5月17日アーカイブ、 Wayback Machine
  15. ^ 「The Brush Electric Light」 . Scientific American . 44 (14). 1881年4月2日. 2011年1月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。; またオハイオ・メモリー・コレクションのカバー複製。 2016年3月13日にWayback Machineでアーカイブ。
  16. ^ a bデイヴィッド・F・ノーブル著『アメリカ・バイ・デザイン：科学、技術、そして企業資本主義の台頭』（ニューヨーク：オックスフォード大学出版局、1977年）、6-10ページ。
  17. ^ H. Mario Raimondo-Souto『映画写真史 1891-1960』マクファーランド・アンド・カンパニー、2007年 ISBN 0-7864-2784-0、84ページ
  18. ^ ICB DearとPeter Kemp編、「Sperry, Elmer Ambrose」、 The Oxford Companion to Ships and the Sea、第2版（ニューヨーク：オックスフォード大学出版局、2006年）。ISBN 0-19-920568-X
  19. ^ 「Eveready Carbon Arc Sunshine Lamp Advertisements」 . The Einhorn Press. 2009年6月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年11月11日閲覧。
  20. ^ 「アーカイブコピー」（PDF）www.film-tech.com . 2001年6月13日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2022年1月13日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  21. ^ Center, Copyright 2015 Edison Tech. 「アークランプ - 仕組みと歴史」 www.edisontechcenter.org 。 2017年6月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年1月13日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  22. ^ 「/sugaのインデックス」 。 2015年4月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年4月16日閲覧。

参考文献

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