高輝度放電ランプ
高輝度放電ランプ（HIDランプ）は、半透明または透明な溶融石英または溶融アルミナ製の発光管内のタングステン電極間のアークによって光を生成する電気ガス放電ランプの一種です。 [ 1 ]この管には希ガスが充填されており、励起されると目的の光スペクトルを放出する適切な金属または金属塩（水銀、ナトリウム、ヨウ化ナトリウムなど）も含まれていることがよくあります。希ガスにより、アークの初期点火が可能になります。アークが始動すると、金属混合物を加熱して蒸発させます。アークプラズマ内に希ガスが存在すると、金属はスペクトルの可視部分に多くの放出スペクトル線を持つため、一定の入力電力に対してアークによって生成される可視光の強度が大幅に増加します。高輝度放電ランプはアークランプの一種です。
新品の高輝度放電ランプは、赤外線よりも可視光の割合が高いため、蛍光灯や白熱灯よりも消費電力あたりの可視光量が多くなります。しかし、HID照明のルーメン出力は、10,000時間の点灯で最大70%低下する可能性があります。
HID 電球は車のヘッドランプによく使用されます。
工事
HIDランプの発光管には、光度、相関色温度、演色評価数（CRI）、エネルギー効率、寿命といった要求特性に応じて、様々な化学物質が使用されています。HIDランプには以下の種類があります。
これらのタイプのランプの光生成要素は、壁負荷が 1 平方センチメートルあたり 3 ワット (19 W/平方インチ) を超える耐火性エンベロープアーク管内に含まれる、十分に安定化されたアーク放電です。
水銀灯は、最初に市販されたHIDランプでした。当初は青緑色の光を発していましたが、最近のバージョンでは、より落ち着いた色合いの光を出すことができます。しかし、水銀灯は人気が衰え、ナトリウムランプやメタルハライドランプに取って代わられつつあります。
メタルハライドランプやセラミックメタルハライドランプは、テレビや映画の制作、屋内や夜間のスポーツの試合、自動車のヘッドランプ、水槽の照明など、正常な色の見え方が重要となる用途に役立つ中性白色光を発するように作ることができます。
低圧ナトリウムランプは非常に効率が高い。濃い黄橙色の光を発し、実効演色評価数はほぼゼロであるため、その光の下で見たものは単色に見える。そのため、特に写真用セーフライトとして効果的である。高圧ナトリウムランプは、より白い光を発する傾向があるが、それでも特徴的なオレンジピンク色の色合いが残る。現在では、より白い光を発する色補正された新しいバージョンも販売されているが、色を改善するために効率がいくらか犠牲になっている。
蛍光灯と同様に、HIDランプもアーク放電を開始・維持するために安定器が必要です。アーク放電を最初に点弧させる方法は様々で、水銀灯や一部のメタルハライドランプは通常、主電極の1つに近い第3の電極を用いて点弧させますが、その他のランプでは高電圧パルスを用いて点弧させます。
HIDランプに含まれる有毒な水銀の代替品が研究されており、現在も研究が進められています。実験では有望な結果が得られており、将来的には幅広い応用が期待されています。[ 2 ]
放射性物質
一部のHIDランプでは、クリプトン85やトリウムなどの放射性物質が使用されています。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]これらの同位体はランプの始動を助け、ランプの動作特性を向上させます。[ 3 ] [ 5 ]
クリプトン85は気体であり、ランプの発光管内のアルゴンと混合されています。 [ 7 ]固体のトリウムは電極に使用されます。[ 7 ]
これらの同位体は、アルファ型およびベータ型の電離放射線を発生します。この放射線はランプ内部で高い電離を引き起こしますが、ランプから逃げることはできません。[ 5 ]高い電離により、タウンゼント雪崩によるアーク始動が大幅に容易になります。さらに、電極にトリウムが存在すると仕事関数が低下し、これもアーク始動と維持が容易になります。
ランプから逃げる同位体によって生成されるガンマ線の量はごくわずかである。 [ 5 ]
アプリケーション
HIDランプは、通常、広い範囲に高輝度の光が必要とされ、エネルギー効率や光強度が求められる場合に使用されます。これらの場所には、体育館、大規模な公共エリア、倉庫、映画館、サッカースタジアム、[ 8 ]屋外活動エリア、道路、駐車場、歩道などが含まれます。最近では、低ルーメン電球の進歩により、HIDランプは小規模な小売店や住宅環境にも使用されるようになりました。超高性能（UHP）HIDランプは、LCDまたはDLPプロジェクションテレビやプロジェクションディスプレイにも使用されています。
HIDランプは、特に自然の生息地で強い直射日光を必要とする植物にとって、屋内園芸を実用化しました。HIDランプ、特にメタルハライドランプと高圧ナトリウムランプは、屋内園芸の一般的な光源です。また、屋内水槽で熱帯特有の強い太陽光を再現するためにも使用されています。
ほとんどのHIDランプは相当量の紫外線を放出するため、ランプ器具部品の紫外線による劣化や、ランプで照らされた染色物の退色を防ぐために、紫外線カットフィルターが必要です。紫外線カットフィルターが故障している、またはフィルターが取り付けられていないHIDランプに曝露すると、日焼けやアーク眼など、人や動物に傷害を与える可能性があります。多くのHIDランプは、外側の紫外線カットガラスが破損した場合、すぐに消灯するように設計されています。
1990年代初頭から、HIDランプが自動車のヘッドランプに採用され始めました。キセノンランプ、すなわち高輝度放電ランプ（HID）は、ヘッドライトの明るさを向上させ、標準的なハロゲンランプでは影に隠れてしまう多くの周辺物体（道路標識や歩行者など）の視認性を向上させます。しかし、明るいヘッドライトはグレア（眩しさ）に関する苦情を引き起こしています。[ 9 ]
HIDランプは、単位電力あたりの光量が非常に大きいため、高性能自転車用ヘッドランプや懐中電灯などの携帯用ライトに使用されています。HIDランプは同等のタングステンハロゲンランプの半分以下の電力しか消費しないため、大幅に小型・軽量な電源を使用できます。
HID ランプは、従来の着陸灯や誘導灯の代わりとして、多くの航空機で一般的に使用されるようになりました。
HIDランプは水中ダイビング用のランプにも使用されています。ハロゲンランプに比べてHIDランプの効率が高いため、同じバッテリーサイズと光出力でより長い点灯時間が得られます。
色温度
HIDランプは様々な色（一般的に色温度と呼ばれます）で提供されており、ケルビン（K）で測定されます。ケルビン色温度スケールは、1000K（アンバー）、3000K（イエロー）、5500K（ホワイト）、8000K（ブルー）、12000K（パープル）の範囲です。
HIDランプは、主にランプのアーク管内の様々な金属添加剤の使用とガス放電プロセスの物理的性質によって、様々な色の光を生成します。[ 10 ]
- 金属添加剤：HIDランプには、希ガス（キセノンなど）を含む混合ガスが充填されたアーク管が内蔵されています。これらの金属添加剤は、様々な色の光を生成するために不可欠です。金属の種類によって、通電時に特定の波長の光を発する性質が異なり、この特性によってランプの色出力が決まります。
- ガス放電プロセス：ランプの動作は、発光管内の電極間に電気アークを発生させることによって行われます。このアークは高熱を発生し、管内のガスと金属添加剤を励起します。励起された原子が基底状態に戻る際に、光の形でエネルギーを放出します。
- スペクトル発光：放出される光のスペクトルは、励起原子のエネルギー準位と金属添加物の特性に依存します。それぞれの金属は特定の波長で光を放出し、その結果、特定の色が生じます。
- 蛍光体コーティング：水銀灯などの一部のHIDランプでは、発光管の内面に蛍光体コーティングが施されています。これらの蛍光体は、励起されたガス原子から放出される紫外線（UV）を吸収し、可視光を再放出します。UV光と放出された可視光の組み合わせにより、より幅広い色スペクトルが生成されます。
- 演色評価数（CRI）：HIDランプは必ずしも優れた演色性で知られているわけではありません。演色性とは、光源が自然光と比較して、物体の本来の色をどれだけ正確に再現するかを指します。HIDランプによってCRI値は異なり、演色性において優れたランプとそうでないランプがあります。
金属添加剤とその濃度を選択することにより、ランプメーカーはさまざまな照明ニーズを満たす、異なる色温度とスペクトル特性を持つ HID ランプを作成できます。
HIDランプの大部分は、自然光に近い5000K～6000Kの色温度範囲で製造されています。これは、スポーツスタジアム、倉庫、プロジェクションテレビ、ガーデニングライトなど、高い輝度が求められる用途に適しています。[ 11 ]
しかし、自動車のヘッドランプなどの特定の用途では、HIDランプは黄色や白から青や紫までほぼすべての色で製造されています。[ 12 ]
人生の終わり
摩耗の要因は、主にオン/オフサイクルと総オン時間の違いです。HIDバーナーがまだ高温で金属塩が再結晶化する前に点火された場合、摩耗が最も大きくなります。
寿命の終わりに、多くの種類の高輝度放電ランプはサイクリングと呼ばれる現象を示します。これらのランプは比較的低い電圧で始動できます。しかし、動作中にランプが加熱すると、発光管内の内部ガス圧が上昇し、アーク放電を維持するためにより高い電圧が必要になります。ランプが古くなると、アークを維持するために必要な電圧が最終的に上昇し、電気安定器によって供給される電圧を超えます。ランプがこの温度まで加熱されると、アークは消えてランプが消えます。最終的にアークが消えると、ランプは再び冷え、発光管内のガス圧が低下し、安定器は再びアークを点火できるようになります。この結果、ランプはしばらく点灯してから消灯を繰り返すことになります。より高度な安定器設計ではサイクリングを検出し、数サイクル後にランプの始動を中止します。電源が切断されて再投入されると、安定器は新たに一連の始動を試行します。
HIDランプの摩耗と経年劣化に関連するもう一つの現象は、放射光線の変色（「フェーディング」[ 13 ]）です。一般的に、青色や紫色への変化が観察されます。この変化は最初はわずかで、一般的にはランプが「慣らし運転」している兆候ですが、全体的な動作状態は良好です。しかし、寿命が近づくにつれて、HIDランプは青色と紫色の光しか発していないように見えるようになります。プランクの法則に基づくと、これはアークを維持するために必要な電圧の増加と温度上昇の直接的な結果です。
UHPランプでは、水銀を含んだ石英管が爆発することがあります。[ 14 ]その場合、最大50mgの水銀蒸気が大気中に放出されます。この量の水銀は潜在的に有毒ですが、破損したランプによる主な危険はガラスの切断であり、破損したランプに時折さらされても悪影響はないと予想されます。フィリップスは、破損したランプを取り扱う際には、水銀吸引器、換気または呼吸保護具、目の保護具、および保護服の使用を推奨しています。水銀ランプは常に専門的な廃棄またはリサイクルが必要であり、多くの地域では管轄区域に応じて法的に義務付けられています。[ 15 ]
参考文献
- ^ 「メタルハライドランプ - 仕組みと歴史」edisontechcenter.org . 2023年8月14日閲覧。
- ^ 「高圧放電ランプの水銀を金属亜鉛に置き換える」（PDF） IOP Science . 2011年6月14日閲覧。
- ^ a b「放射線エミッターを含むHIDランプ」(PDF) NEMA。2014年2月20日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年11月6日閲覧。
- ^ Lamp Types、European Lamp Companies Federation、2012年6月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月6日閲覧。
- ^ a b c d照明製品中のイオン化物質(PDF)、欧州ランプ企業連盟、2009年、2014年2月20日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ、 2012年11月6日閲覧。
- ^ NRPB and GRS (2001), Transport of Consumer Goods containing Small Quantities of Radioactive Materials (PDF) , European Commission , archived from the original (PDF) on 25 November 2011 , retrieved 6 November 2012
- ^ a b cトリチウム、クリプトン85、トリウムの放射性同位元素を含む電球の輸送と廃棄による放射線影響の評価、保健保護庁、2011年、2012年5月28日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年11月6日閲覧。
- ^屋外照明に焦点を当てる、4ページ
- ^ 「Stopp den üblen Blendern (邪悪なグレア装置を止めろ)」連邦議会。2024年10月18日閲覧。。
- ^ 「HIDランプ：より速く明るくなる」 NIST 2016年1月6日
- ^ McCowan, Brian; Coughlin, Thomas; Epstein, Gary; Bergeron, Peter (2001). 「産業施設における標準HID照明の代替手段」(PDF) . American Council for an Energy-Efficient Economy .
- ^ 「HIDキセノンカラーチャート - 究極のヘッドライト温度ガイド - XenonPro.com」 www.xenonpro.com . 2023年8月14日閲覧。
- ^ 「HIDバルブの色が変わるのはなぜか？」 propercoat.co.uk 2021年12月16日。
- ^ Jose L. Capovilla (2001年6月3日). 「Philips UHPランプの概要」 . Ercservice.com. 2013年1月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年12月8日閲覧。
- ^ 「Philips デジタルプロジェクション照明製品安全データシート (PSDS)」(PDF) . Philips Lighting. 2008年5月. 2011年10月26日閲覧。
