水銀灯
始動後約 15 秒で175ワットの水銀灯が点灯します。
175W水銀灯のクローズアップ。発光管の底部にある小さな斜めの円筒は、始動電極に電流を供給する抵抗器です。

水銀灯は、気化した水銀を介した電気アークを利用して光を生成するガス放電ランプです。[ 1 ]アーク放電は、通常、より大きなソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラスのバルブ内に取り付けられた小さな石英ガラス製アーク管に限定されます。[ 1 ]外側のバルブは透明または蛍光体でコーティングされています。どちらの場合も、外側のバルブは断熱性、光が生成する紫外線からの保護、および石英ガラス製アーク管の便利な取り付けを提供します。[ 1 ]

水銀灯は白熱電球よりもエネルギー効率が高く、発光効率は35～55ルーメン/ワットです。[ 1 ] [ 2 ] その他の利点としては、電球寿命が24,000時間程度と長く、光出力が高いことが挙げられます。[ 1 ] [ 2 ] これらの理由から、水銀灯は工場、倉庫、スポーツ競技場などの広い面積の頭上照明や街灯に使用されています。透明な水銀灯は、水銀のスペクトル線の組み合わせにより、緑がかった光を生成します。[ 2 ]これは人間の肌の色 によく合わないため、このようなランプは通常、小売店では使用されません。[ 2 ] 「色補正」水銀電球は、外側の電球の内側に赤い波長で発光する蛍光体を配置することでこの問題を克服し、より白い光とより優れた色彩 表現を提供します。

水銀灯は約1気圧の内部圧力で動作し、特殊な器具と電気安定器が必要です。また、最大光出力に達するまで4～7分のウォームアップ時間が必要です。水銀灯は、メタルハライドランプの高効率と優れた色バランスにより、時代遅れになりつつあります。[ 3 ]

起源

クーパー・ヒューイットのランプ、1903年
高圧水銀灯の製造、1965年

チャールズ・ホイートストンは1835年に水銀蒸気中の放電スペクトルを観察し、そのスペクトルに紫外線線が含まれていることを発見しました。1860年には、ジョン・トーマス・ウェイが大気圧下で空気と水銀蒸気の混合気中で動作するアークランプを照明に使用しました。[ 4 ] ドイツの物理学者レオ・アロンズ（1860–1919）は1892年に水銀放電を研究し、水銀アークをベースとしたランプを開発しました。[ 5 ] 1896年2月、イギリスのハーバート・ジョン・ダウジングとH・S・キーティングは水銀蒸気ランプの特許を取得しました。これは、一部の人々から真の水銀蒸気ランプの最初の例と考えられています。[ 6 ]

広く普及した最初の水銀灯は、1901年にアメリカの技術者ピーター・クーパー・ヒューイットによって発明された。[ 7 ]ヒューイットは1901年9月17日に米国特許682,692を取得した。 [ 8 ]ヒューイットは1903年に、より満足のいく色品質を持つ改良版を作り、それが最終的に産業用途で広く利用されるようになった。[ 7 ] 水銀灯の紫外線は1910年までに水処理に利用されるようになった。ヒューイットのランプは大量の水銀を使用していた。1930年代には、オスラム-GEC社、ゼネラル・エレクトリック社などにより開発された現代形式の改良型ランプにより、水銀灯が一般照明に広く使用されるようになった。

動作原理

管内の水銀は常温では液体である。ランプが最大限の光出力を発揮するには、水銀を気化・イオン化する必要がある。 [ 1 ]ランプの始動を容易にするために、第3の電極が一方の主電極の近くに設置され、抵抗器を介してもう一方の主電極に接続されている。水銀に加えて、管内には低圧のアルゴンガスが充填されている。電力が供給されると、アルゴンをイオン化するのに十分な電圧があれば、イオン化したアルゴンガスは始動電極と隣接する主電極の間に小さなアークを発生させる。イオン化したアルゴンが伝導すると、そのアークの熱によって液体の水銀が気化し、次に2つの主電極間の電圧によって水銀ガスがイオン化される。2つの主電極間にアークが発生し、ランプは主に紫外線、紫色、青色の輝線で放射する[ 9 ]。液体水銀の継続的な蒸発により、発光管圧力はランプのサイズに応じて2～18バールに上昇します。この圧力上昇により、ランプはさらに明るくなります。[ 10 ] [ 11 ]ウォームアッププロセス全体には約4～7分かかります。

水銀灯は負性抵抗デバイスです。つまり、管を流れる電流が増加すると抵抗が減少します。そのため、ランプを電力線などの定電圧源に直接接続すると、ランプを流れる電流が増加し、最終的にはランプが破壊されます。したがって、電流を制限するために安定器が必要です。水銀灯の安定器は、蛍光灯で使用される安定器に似ています。実際、最初の英国の蛍光灯は、80ワットの水銀灯安定器で動作するように設計されました。セルフバラスト水銀灯も利用できます。これらのランプは、アーク管と直列にタングステンフィラメントを使用して、抵抗安定器として機能するとともに、アーク管の黒体放射に連続的な黒体放射を追加します。セルフバラスト水銀灯は、適切な電圧が供給される標準的な白熱灯ソケットにねじ込むことができます。

水銀灯
暗闇のクローズアップ

金属ハロゲン化物

非常に類似したランプ設計であるメタルハライドランプは、水銀とともに様々な金属ハロゲン化物化合物を使用します。ヨウ化ナトリウムとヨウ化スカンジウムが一般的に使用されています。これらのランプは、蛍光体に頼ることなく、はるかに高品質の光を生成することができます。始動電極を使用する場合は、ランプ点灯時に主電極と始動電極間の電位を遮断するための熱短絡スイッチが必ず備わっています。（ハロゲン化物が存在する場合のこの電位は、ガラス/金属シールの破損を引き起こす可能性があります。）より現代的なメタルハライドシステムでは、独立した始動電極は使用されず、代わりに高圧ナトリウム蒸気ランプと同様に 高電圧パルスによってランプが始動されます。

セルフバラストランプ

セルフバラスト（SB）ランプは、内部にタングステンフィラメントを内蔵し、アーク管と直列に接続することで電気安定器として機能する水銀灯です。これは、外部安定器なしで直接電源に接続できる唯一の水銀灯です。これらのランプは白熱灯やハロゲンランプとほぼ同等の効率を持ちますが、寿命が長いという利点があります。始動直後に点灯しますが、通常の水銀灯と同様に、停電した場合は再点灯に数分かかります。フィラメントから発せられる光のため、水銀灯よりもはるかに優れた演色性を備えています。セルフバラストランプは構造が複雑なため、通常、標準的な水銀灯よりも高価です。

手術

色補正された80W高圧水銀灯の半分の明るさまでのウォームアップ

水銀灯を初めて点灯すると、少量の水銀しかイオン化されておらず、発光管内のガス圧が非常に低いため、濃い青色の光を発します。そのため、光の大部分は紫外線水銀帯で発生します。メインアークが点弧し、ガスが加熱されて圧力が高まると、光は可視領域に移行し、高いガス圧によって水銀の発光帯がいくらか広がり、人間の目にはより白く見える光が生成されますが、それでも連続スペクトルではありません。蛍光体のない水銀灯は、最大強度でも明らかに緑がかった色をしています。石英発光管内の圧力は、バルブが動作温度に達すると約 1 気圧まで上昇します。放電が中断された場合 (電源の遮断など)、バルブが十分に冷えて圧力が大幅に低下するまでは、ランプが再点灯することはできません。ランプが再点火するまでに長い時間がかかるのは、高圧によって内部ガスの絶縁破壊電圧（アーク放電開始に必要な電圧、パッシェンの法則）が上昇し、安定器の許容範囲を超えてしまうためです。このため、多くの水銀灯には、水銀灯が再点火するまでのバックアップ光源として機能する補助ランプが搭載されています。この補助ランプは通常、水銀灯と同等かそれに近い明るさのハロゲンランプです。

電気的パラメータ

[ 12 ]

力 電圧 現在
50W 95V 0.60A
80W 115V 0.80A
125W 125V 1.15A
250W 130V 2.15A
400W 135V 3.25A
700W 140V 5.40A
1000W 145V 7.50A

色に関する考慮事項

蛍光体コーティングされた125Wランプの例

緑がかった色合いを補正するため、多くの水銀灯では、外管の内側に蛍光体が塗布されています。この蛍光体は紫外線放射の一部を赤色光に変換します。これにより、電磁スペクトルの赤色端が不足しているため、本来は不足している部分を補うことができます。これらのランプは一般に「色補正」ランプと呼ばれます。現代の水銀灯のほとんどには、このコーティングが施されています。水銀灯に対する当初の不満の一つは、赤色端の光が不足しているため、人が「血の気のない死体」のように見えるというものでした。[ 13 ]蛍光体が使用される以前は、この問題を修正する一般的な方法は、水銀灯を白熱電球と組み合わせて点灯することでした。また、超高圧水銀灯（通常200気圧以上）では、赤色が増す（例えば、連続放射による）ため、現代のメディアプロジェクターに応用されています。屋外では、コーティングされたランプや色補正されたランプは通常、発せられる光の周囲に青い「ハロー」が現れることで識別できます。

輝線スペクトル

輝線スペクトルの最も強いピークは[ 14 ] [ 15 ]である。

水銀蒸気の線スペクトル。水銀蒸気ランプの青緑色は、強い紫と緑の線によって生じます。
波長（nm）名称（フォトレジストを参照）色
184.45紫外線（UVC）
253.7紫外線（UVC）
365.0Iライン紫外線（UVA）
404.7Hラインバイオレット
435.8Gライン青
546.1緑
578黄色

低圧水銀灯では、184 nmと254 nmの線のみが使用されます。184 nmの光が吸収されないように、製造工程では溶融シリカが使用されています。中圧水銀灯では、200～600 nmの線が使用されます。これらのランプは、主にUV-A（約400 nm）またはUV-C（約250 nm）を放射するように設計できます。高圧水銀灯は、一般照明用途に広く使用されています。主に青色と緑色を放射します。

紫外線洗浄

低圧 Hg ランプは小型ですが、深紫外線の効率的な光源となります。

低圧水銀蒸気ランプ[ 16 ]は通常、短波長光を透過させるために石英バルブを備えています。合成石英を使用すると、石英の透明性がさらに高まり、 185nmの輝線も観測されます。このようなランプは紫外線殺菌照射に使用できます。[ 17 ] 185nmの輝線は酸素を含む雰囲気中でオゾンを発生させ、洗浄プロセスに役立ちますが、健康被害をもたらすこともあります。

光害に関する考慮事項

光害が特に問題となる場所（例えば、天文台の駐車場）では、低圧ナトリウムランプが適しています。低圧ナトリウムランプは、非常に近い2つの波長で狭いスペクトル線を放射するため、光害を除去するのが最も簡単です。蛍光体を含まない水銀灯は次善策です。水銀灯は、除去する必要がある明確な水銀線を数本しか放射しません。

禁止事項

EUでは、照明目的での低効率水銀灯の使用は2015年に禁止されました。これは、コンパクト蛍光灯での水銀の使用や、照明以外の目的での水銀灯の使用には影響しません。[ 18 ]

米国では、特殊用途の水銀灯用安定器を除き、一般照明用水銀灯用安定器は2008年1月1日以降禁止された。[ 19 ]このため、複数のメーカーが、既存の器具の改造を必要としない、水銀灯器具用の交換用コンパクト蛍光灯（CFL）および発光ダイオード（LED）電球の販売を開始した。米国エネルギー省は、 2010年に提案された水銀灯型HIDランプの規制は、大幅な省エネ効果が得られないため、2015年に実施しないことを決定した。[ 20 ]

紫外線の危険性

水銀ランプの発光管は、目や皮膚に火傷を引き起こす可能性のある短波UV-C放射を大量に放出します。通常、ランプのガラス製外装、そして一部のランプでは蛍光体コーティングもこの放射を遮断します。しかし、ランプの外装が破損した場合は、発光管が点灯し続け、安全上の危険が生じるため、注意が必要です。[ 21 ]米国では、体育館でボールがランプに当たってランプが破損し、短波紫外線による日焼けや眼の炎症を起こした事例が記録されています。 [ 22 ]体育館などの場所で使用する場合、ランプの外管を保護するために、器具には強力な外管ガードまたは外管レンズを取り付ける必要があります。これらの事例を受けて、一部の米国メーカーは、外管ガラスが破損した場合に意図的に消灯する「安全」ランプを製造しました。これは通常、空気中で 燃え尽きる薄いタングステンストリップを電極の1つに接続することで実現されます。

ソーダ石灰ガラスまたはホウケイ酸ガラス製の外管を持つ一般的な水銀灯は、365nmの紫外線を比較的多く放出します。そのため、照明器具に使用されている一部のプラスチックの劣化が早まり、わずか数年の使用で著しく変色してしまうことがあります。特にポリカーボネートはこの問題に悩まされており、ランプの近くに配置された比較的新しいポリカーボネートの表面が、わずか数年で鈍く黄色く変色してしまうことは珍しくありません。

用途

地域と街路の照明

他のタイプのHIDが一般的になりつつありますが、米国、カナダ、日本では、 地域照明や街路照明に水銀灯が今でも使用されることがあります。

UV硬化

印刷業界では、インクの硬化に水銀ランプが使用されています。通常、インクを急速に硬化・定着させるために高出力で使用されます。ランプは密閉されており、人体への曝露を防ぐための保護構造と、発生したオゾンを除去するための特殊な排気システムを備えています。

分子分光法

高圧水銀蒸気ランプ（および一部の特殊設計メタルハライドランプ）は、アークプラズマの高い電子温度により、ミリ波およびテラヘルツ波において有用な広帯域連続光（「ノイズ」）エネルギーを提供することから、分子分光法に応用されています。イオン化水銀の主紫外線輝線（254 nm）は、T = 11,500 Kの黒体と相関します。この特性により、これらのランプは、このような周波数を発生できる非常に簡便で安価な光源の一つとなっています。例えば、標準的な250ワットの一般照明用水銀ランプは、120 GHzから6 THzまでの大きな出力を生成します。さらに、高温の石英発光管から、中赤外線のより短い波長が放射されます。紫外線出力と同様に、ガラス製の外管はこれらの周波数ではほとんど不透明であるため、この目的のためには外管を取り外す（または専用ランプでは省略する）必要があります。[ 23 ]

投影

超高性能ランプまたは UHP ランプと呼ばれる特殊な超高圧水銀蒸気ランプは、 DLP、3LCD、LCoSプロジェクターなどのデジタルビデオ プロジェクターでよく使用されます。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e f「水銀放電管の色は何色ですか？ – handlebar-online.com」。
  2. ^ a b c d Schiler, Marc (1997). Simplified Design of Building Lighting, 4th Ed . USA: John Wiley and Sons . p. 27. ISBN 978-0-471-19210-7。
  3. ^ Gendre, Maxime F. (2011). 「2世紀にわたる電気光源のイノベーション」(PDF) . アイントホーフェン照明技術研究所、アイントホーフェン工科大学、オランダ。2016年8月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年4月3日閲覧。{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  4. ^ Gendre, Maxime F. Two Centuries of Electric Light Sources Innovations Archived 2016-08-24 at the Wayback Machine . p. 4. (PDF) . 2012-01-02に取得。
  5. ^ Child, Clement D. (2002) Electric Arcs-Experiment Upon Arcs Between Different Electrodes in Various Environments、Watchmaker Publishing、 ISBN 0-9726596-1-7、88ページ
  6. ^パーキン、フレデリック・モルヴォ（1911年1月1日）「水銀灯と紫外線の作用」ファラデー協会紀要6 （ 2月号）：199-204。doi：10.1039/TF9110600199 – pubs.rsc.org経由。
  7. ^ a b b, CV (1921). 「ピーター・クーパー・ヒューイット」 . Nature . 108 (2710): 188– 189. Bibcode : 1921Natur.108..188B . doi : 10.1038/108188b0 .
  8. ^ Hewitt, Peter Cooper (1900). 「電気ランプの製造方法」 . 米国特許US682692A.
  9. ^シフ、エリック（2001年12月4日）「ネオンライトはどのように機能するのか？」サイエンティフィック・アメリカン。 2019年4月16日閲覧。
  10. ^ Whelan, M. 「水銀灯」エジソン技術センター。2017年11月24日閲覧。
  11. ^ 「水銀灯」ランプテック。2017年11月24日閲覧。
  12. ^ 「ポランプカタログ」（PDF） .
  13. ^ハル、ジャネット・スター「Mercury Vapor Lights」 。2015年5月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  14. ^中性水銀（Hg I）の持続線. Physics.nist.gov. 2012年1月2日閲覧。
  15. ^ Nave, Carl R. (2010). 「原子スペクトル」 . HyperPhysicsウェブサイト. ジョージア州立大学物理天文学部. 米国. 2011年11月15日閲覧。
  16. ^ 「Crystec Technology Trading GmbH、低圧水銀蒸気ランプ」。
  17. ^ 「UV光による表面洗浄」 Crystec Technology Trading GmbH。
  18. ^水銀灯の段階的廃止www.osram.co.uk. 2015年3月18日閲覧。
  19. ^エネルギー省 §431.286 エネルギー保全基準およびその発効日。 2020年6月30日閲覧。
  20. ^ HIDランプ最終決定DOE 2015-12-02 2017-10-14閲覧
  21. ^ 「Duro-Test Safe-T-Vapor」www.lamptech.co.uk . 2022年11月6日閲覧。
  22. ^ Thun, MJ; Altman, R.; Ellingson, O.; Mills, LF; Talansky, ML (1982). 「水銀灯の故障による眼合併症」. Ann Ophthalmol . 14 (11): 1017–20 . PMID 7181332 . 
  23. ^光学ガラスEdmund optics、2025年3月12日閲覧

さらに読む

  • ウィキメディア・コモンズにおける水銀灯関連メディア
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