ナトリウム蒸気ランプ
ナトリウム蒸気ランプは、励起状態のナトリウムを使用して589 nm付近の特性波長の 光を生成するガス放電ランプです。
このようなランプには、低圧と高圧の2種類があります。低圧ナトリウムランプは非常に効率の良い電気光源ですが、黄橙色の光を出すため、街灯など屋外照明にしか使用できません。[ 1 ]高圧ナトリウムランプは低圧ランプよりも広いスペクトルの光を発しますが、それでも他の種類のランプよりも演色性は劣ります。[ 2 ]低圧ナトリウムランプは黄橙色の単色光しか出さないため、夜間の色覚を阻害します。
片端自己始動型ランプは、マイカディスクで絶縁され、金属キャップ付きのホウケイ酸ガラスガス放電管（アーク管）に収められています。 [ 3 ] [ 4 ]これには、街路照明に使用されるガス放電ランプであるナトリウム蒸気ランプが含まれます。[ 5 ] [ 6 ] [ 3 ] [ 4 ]
発達
低圧ナトリウムアーク放電ランプは、ナトリウム蒸気の腐食作用に耐えるガラスの開発により、1920年頃に初めて実用化されました。このランプは1パスカル未満の圧力で動作し、波長589.0ナノメートルと589.6ナノメートルのナトリウム輝線を中心としたほぼ単色の光スペクトルを生成しました。しかし、黄色の光を生成するため、その用途は色覚を必要としない用途に限られていました。[ 7 ]
高圧ナトリウムランプの研究は、英国と米国の両国で行われました。ナトリウム蒸気の圧力を高めると、ナトリウムの発光スペクトルが広がり、生成される光は、589 nm 領域の上下でより多くの波長で放出されるようになりました。水銀放電ランプに使用されている石英材料は、高圧ナトリウム蒸気によって腐食されました。高圧ランプの実験室での実証は 1959 年に実施されました。ゼネラル・エレクトリックによる焼結酸化アルミニウム材料 (光透過率を向上させるために酸化マグネシウムが添加) の開発は、商用ランプの製造における重要なステップでした。この材料は 1962 年までにチューブの形で利用可能になりましたが、チューブを密閉して必要な電極を追加するには、追加の技術が必要でした。この材料は石英のように溶融することができなかったためです。発光管のエンド キャップは、動作中に 800 °C (1,470 °F) にも達し、ランプがオフになると室温まで冷えるため、電極端子と発光管シールは、繰り返される温度サイクルに耐える必要がありました。この問題は、GEネラパーク工場のマイケル・アーレンダッシュ[ 8 ]によって解決されました。最初の商用高圧ナトリウムランプは1965年に米国、英国、オランダの企業から発売されました。導入当時、400ワットのランプは1ワットあたり約100ルーメンの光を発していました。[ 7 ] [ 9 ]
1970年代初頭には単結晶人工サファイア管も製造され、HPSランプに使用されました。効率はわずかに向上しましたが、製造コストは多結晶アルミナ管よりも高かったです。[ 7 ]
低圧ナトリウム
低圧ナトリウム（LPS）ランプには、ガス放電を開始するためのペニング混合物に固体ナトリウムと少量のネオンとアルゴンガスを含むホウケイ酸ガラスのガス放電管があります。放電管は直線状（SLIランプ） [ 10 ]またはU字型です。ランプが最初に始動すると、ナトリウム金属を温めるために薄暗い赤/ピンクの光（ネオンとアルゴンから）が放出されます。数分以内にナトリウム金属が蒸発すると、放出は一般的な明るい黄色に変わります。これらのランプは、平均589.3 nmの波長（実際には589.0 nmと589.6 nmで非常に接近した2つの主要なスペクトル線）の実質的に単色光を生成します。この狭い帯域幅のみで照らされた物体の色を識別するのは困難です。
LPSランプは、内部の放電管の周りに断熱用のガラス真空外囲器を備えており、これにより効率が向上しています。初期のLPSランプは、取り外し可能なデュワージャケット（SOランプ）を備えていました。[ 11 ]断熱性を向上させるために、永久真空外囲器を備えたランプ（SOIランプ）が開発されました。[ 12 ]ガラス外囲器にインジウムスズ酸化物の赤外線反射層をコーティングすることでさらなる性能向上が図られ、現在の低圧ナトリウムランプの標準タイプであるSOXランプが誕生しました。[ 13 ]
フィリップス社製Mini-SOX 18W（低圧ナトリウムランプの中で最小のサイズとなり、後にSOX-Eシリーズに組み込まれた）の開発に続き、[ 14 ]その高効率に貢献した設計上の特徴の一部が、既存の高出力SOXランプにも採用されました。その結果生まれたのが、従来よりもエネルギー効率が高く、低電流で動作するSOX-E（エコノミー）シリーズです。標準のSOXランプの赤いバヨネットキャップの代わりに、黒いバヨネットキャップが付いているので、簡単に見分けることができます。ランプ電力は従来のSOXシリーズに比べて大幅に削減され、放電電流密度が低下し、発光効率が向上しました。これは、断熱性の向上と赤外線反射コーティングの改良によって実現されました。[ 15 ]
LPSランプは、明所照明条件下で測定した場合、最も効率の高い電気光源の一つであり、100 lm/W以上、最大206 lm / Wの輝度を発します。[ 16 ]この高い効率は、発光波長が人間の目の感度ピークに近いことに一部起因しています。LPSランプは主に、忠実な色再現が重要でない 屋外照明（街灯や防犯灯など）に使用されます。
LPSランプは、直線状のランプ形状を持つ低照度の光源であるという点で蛍光灯に似ています。高輝度放電（HID）ランプのように明るいアークを発生せず、より柔らかい光を発するため、グレアが少なくなっています。HIDランプとは異なり、低圧ナトリウムランプは電圧降下（ディップ）が発生してもすぐに元の明るさに戻ります。LPSランプの定格電力は10Wから180Wまでありますが、ランプの長さが長くなると設計上およびエンジニアリング上の問題が発生する可能性があります。
現代のLPSランプの耐用年数は約18,000時間で、経年変化によるルーメン出力の低下はありませんが、消費電力は寿命末期に約10%増加します。これは、消費電力は減少しないにもかかわらず、寿命末期に暗くなり、効率が悪くなる水銀灯HIDランプとは対照的です。
2017年、LPSランプの大手メーカーであるフィリップスライティングは、需要の減少によりランプの生産を中止すると発表しました。[ 17 ]当初、生産は2020年中に段階的に廃止される予定でしたが、この日付は前倒しされ、最後のランプは2019年12月31日にスコットランドのハミルトン工場で生産されました。 [ 18 ]
LPSランプ、バラスト、イグナイター、ソケットは現在も中国台州の千順照明社で製造・販売されている。[ 19 ]
光害に関する考慮事項
天文台の近くやウミガメの産卵地など、光害が考慮される場所では、低圧ナトリウムランプが好まれます（以前はカリフォルニア州サンノゼやアリゾナ州フラッグスタッフで使用されていました）。[ 20 ] [ 21 ] このようなランプは、2つの主要なスペクトル線（他のはるかに弱い線を含む）のみを放射するため、天体観測に対するスペクトル干渉が最も少なくなります。[ 22 ]現在、LPSランプの生産は中止されており、LPSと同様の色スペクトルを持つ狭帯域琥珀色LEDの使用が検討されています。
低圧ナトリウムランプの黄色は、視覚的な空の輝きを最も抑えます。これは主に、暗順応した人間の視覚のプルキンエシフトによるもので、晴天時の大気中の低輝度で散乱する黄色光に対して、目が比較的鈍感になるためです。 [ 23 ] [ 24 ]公共照明が広く普及したことによる影響の一つとして、曇りの夜には、十分な照明のある都市が雲からの反射光で照らされます。ナトリウム灯が都市の照明源となっている場所では、夜空はオレンジ色に染まります。
映画の特殊効果
ナトリウム蒸気プロセス（イエロースクリーンと呼ばれることもある）は、LPSランプの狭帯域特性を利用した映画技法である。カラーネガフィルムは通常、LPSランプの黄色い光に反応しないが、特殊な白黒フィルムはこの光を記録することができる。特殊なカメラを使用して、シーンは2つのスプールに同時に記録される。1つは俳優（またはその他の前景オブジェクト）が記録され、もう1つは後で異なる背景と組み合わせるためのマスクとなる。この技法は当初、ブルースクリーン技術よりも優れた結果をもたらし、1956年から1990年にかけて主にディズニースタジオで使用されていた。この技法を使用した映画の著名な例としては、アルフレッド・ヒッチコックの『鳥』やディズニー映画の『メリー・ポピンズ』と『ベッドかざりとほうき』などがある。その後、ブルースクリーンとグリーンスクリーンの技法やコンピューター画像の進歩によりその差は縮まり、SVPは経済的に非現実的になった。[ 25 ]
電気的パラメータ
| ランプの種類 | 定格電力（W） | ランプ電力（W） | 公称ランプ電圧（V） | ランプ電流（A） |
|---|---|---|---|---|
| SOX-E | 18 | 18 | 57 | 0.35 |
| 26 | 27 | 69 | 0.45 | |
| 36 | 35 | 120 | 0.35 | |
| 66 | 65 | 123 | 0.62 | |
| 91 | 90 | 173 | 0.62 | |
| 131 | 127 | 250 | 0.62 | |
| ソックス | 35 | 37 | 70 | 0.60 |
| 55 | 56 | 109 | 0.59 | |
| 90 | 91 | 112 | 0.94 | |
| 135 | 135 | 164 | 0.95 | |
| 180 | 185 | 240 | 0.91 |
高圧ナトリウム
高圧ナトリウム（HPS）ランプは、特に大規模な製造施設において産業照明として広く使用されており、植物育成用照明としても広く使用されています。HPSランプには水銀が含まれています。[ 27 ]また、道路、駐車場、警備エリアなどの屋外エリア照明にも広く使用されています。道路照明の設計において適切な計画を立てるには、人間の色覚感度が明所視から薄明視、暗所視へと変化することを理解することが不可欠です。[ 28 ]
高圧ナトリウムランプは非常に効率が高く、明所照明条件で測定した場合、ワットあたり約100ルーメンの効率を示します。より高出力のランプ（例：600ワット）では、ワットあたり約150ルーメンの効率を持つものもあります。
高圧ナトリウムアークは化学的に非常に反応性が高いため、発光管は通常、半透明の酸化アルミニウムで作られています。この構造から、ゼネラル・エレクトリック社は高圧ナトリウムランプのシリーズに「Lucalox」という商標を使用しています。
HPSランプでは、低圧キセノンが「始動ガス」として使用されます。キセノンは、安定な希ガスの中で最も低い熱伝導率とイオン化ポテンシャルを有しています。希ガスであるため、点灯中のランプ内で起こる化学反応を阻害しません。低い熱伝導率により、点灯時のランプの熱損失が最小限に抑えられ、また低いイオン化ポテンシャルにより、冷間時のガスのブレークダウン電圧が比較的低くなり、ランプの始動が容易になります。
「白色」高圧ナトリウムランプ
1986年に導入された高圧ナトリウムランプの派生形である白色HPSランプは、一般的なHPSランプよりもさらに高い圧力を有し、色温度は約2500ケルビン、演色評価数（CRI）は約85で、白熱灯に非常に近い色を呈します。[ 29 ] これらのランプは、カフェやレストランの屋内で美観効果を目的としてよく使用されます。しかし、白色HPSランプはコストが高く、光束効率が低いため、HPSランプに匹敵するものではありません。
白色ナトリウムランプの電気的パラメータ
| 定格電力（W） | ランプ電力（W） | 公称ランプ電圧（V） | ランプ電流（A） |
|---|---|---|---|
| 35 | 33.3 | 98 | 0.47 |
| 50 | 55.5 | 90 | 0.78 |
| 100 | 97 | 98 | 1.31 |
動作原理
 |
金属ナトリウムと水銀のアマルガムはランプの最も冷たい部分に位置し、アーク放電に必要なナトリウムと水銀の蒸気を供給します。アマルガムの温度は、ランプ電力によって大きく左右されます。ランプ電力が高いほど、アマルガムの温度も高くなります。アマルガムの温度が高いほど、ランプ内の水銀とナトリウムの蒸気圧が高くなり、端子電圧も高くなります。温度が上昇するにつれて、一定電流と増加する電圧によって消費されるエネルギーは増加し、最終的には動作電力レベルに達します。所定の電圧に対して、一般的に3つの動作モードがあります。
- ランプが消えて電流が流れなくなります。
- ランプはチューブ内の液体アマルガム（飽和蒸気）で動作します。
- ランプは、すべてのアマルガムが蒸発した状態（不飽和蒸気）で作動しています。
ランプ抵抗は電圧とほとんど相関がないため、最初と最後の状態は安定していますが、2 番目の状態は不安定です。電流が異常に増加すると電力が増加し、アマルガムの温度が上昇して抵抗が低下し、さらに電流が増加します。これにより暴走効果が発生し、ランプは高電流状態 (#3) にジャンプします。実際のランプはこれほどの電力を処理できるように設計されていないため、これは壊滅的な故障につながります。同様に、電流が異常に低下するとランプが消えます。ランプの望ましい動作状態は 2 番目の状態です。ランプが時間の経過とともに燃焼するにつれて、アマルガムがリザーバーからゆっくりと失われる方が、アマルガムが完全に蒸発した場合よりもランプの特性に与える影響が少ないためです。その結果、平均ランプ寿命は 20,000 時間を超えます。
実用上、ランプは誘導性安定器と直列に接続された交流電圧源によって駆動されます。これにより、定電圧ではなくほぼ一定の電流がランプに供給され、安定した動作が保証されます。安定器は通常、抵抗損失によるエネルギーの無駄を最小限に抑えるため、単なる抵抗性ではなく誘導性です。ランプは交流サイクルの各ゼロ電流点で実質的に消灯するため、誘導性安定器はゼロ電流点に電圧スパイクを発生させることで再点灯を補助します。
ランプからの光は水銀とナトリウムの原子輝線から構成されていますが、ナトリウムのD線が支配的です。この線は圧力（共鳴）によって極めて広がり、アークのより低温の外層での吸収によって自己反転するため、ランプの演色性が向上します。さらに、D線発光の赤色部分は、アーク内の水銀原子からの ファンデルワールス力によってさらに圧力広がりします。
欧州および英国の高圧ナトリウムランプの電気パラメータ
| ランプの種類 | 定格電力（W） | ランプ電力（W） | 公称ランプ電圧（V） | ランプ電流（A） |
|---|---|---|---|---|
| 息子 | 35 | 35 | 85V±15 | 0.53 |
| 50 | 50 | 85V±15 | 0.76 | |
| 70 | 70 | 90V±15 | 0.98 | |
| 100 | 100 | 100±15 | 1.20 | |
| 150 | 150 | 100±15 | 1.80 | |
| 250 | 250 | 100±15 | 3.00 | |
| 400 | 392 | 100±15 | 4.60 | |
| 600 | 605 | 110±15 | 6.10 | |
| ソンT | 1000 | 960 | 100±15 | 10.60 |
| ソンエ | 1000 | 1000 | 110±15 | 10.60 |
アメリカ製高圧ナトリウムランプの電気的パラメータ
| ランプの種類 | 定格電力（W） | ランプ電力（W） | 公称ランプ電圧（V） | ランプ電流（A） |
|---|---|---|---|---|
| S76 | 35 | 35 | 52 | 0.83 |
| S68 | 50 | 50 | 52 | 1.18 |
| S62 | 70 | 70 | 52 | 1.60 |
| S54 | 100 | 100.4 | 55 | 2.10 |
| S55 | 150 | 150 | 55 | 3.20 |
| S56 | 150 | 150 | 100 | 1.80 |
| S66 | 200 | 200 | 100 | 2.40 |
| S50 | 250 | 250 | 100 | 3.00 |
| S67 | 310 | 310 | 100 | 3.60 |
| S51 | 400 | 400 | 100 | 4.60 |
| S145 | 430 | 430 | 116 | 4.25 |
| S106 | 600 | 600 | 110 | 6.20 |
| S111 | 750 | 750 | 120 | 7.00 |
| S52 | 1000 | 1000 | 250 | 4.70 |
人生の終わり
耐用年数の終わりに、飽和高圧ナトリウム (HPS) ランプはオンとオフを繰り返し始めることがあります。電極からスパッタされた物質が発光管を黒ずませるため、発光管はより多くの放射光を吸収し、より高温で動作します。温度上昇はガス圧の上昇を引き起こし、発光管の電圧降下を増加させます。最終的に、電気安定器はアーク放電を維持するのに十分な電圧を供給できなくなります。ランプが加熱すると、アークが消えてランプが消えます。アークが消えるとランプが再び冷却し、発光管内のガス圧が低下し、電気安定器が再びアークを点火できるようになります。その結果、ランプはしばらく点灯してから消えます。通常は純白または青みがかった白色で始まり、赤橙色に変わってから消えます。一部のイグナイタ設計では、バラストとイグナイタを複数の高電圧パルスによる劣化から保護するために、数サイクル後にランプの始動を断念します。電源が除去され、再度供給されると、バラストは新たな一連の起動を試行します。
不飽和高圧ナトリウムランプは、寿命末期に異なる故障を示します。ナトリウムアマルガムがすべて蒸発するため電圧上昇が起こらず、寿命末期でもサイクル動作は発生しません。ナトリウムがすべて消費されると、ランプは水銀蒸気放電による緑色の光を発しながら点灯します。
LPSランプの故障は、点灯サイクルには至りません。ランプは点灯しないか、始動段階の鈍い赤色の光を放ち続けます。別の故障モードでは、発光管に小さな穴が開き、そこからナトリウム蒸気が外側の真空バルブに漏れ出します。ナトリウムは凝縮して外側のガラスに鏡面を形成し、発光管の一部が遮られます。ランプは正常に動作し続けることがよくありますが、発生する光の多くはナトリウムコーティングによって遮られ、照明が得られません。[ 36 ]
減少と段階的なLEDへの廃止
2010年代半ば以降、世界中の多くの都市当局は、環境問題（特に気候変動）とエネルギー消費の節約（LEDは比較してはるかに効率的であるため）を理由に、ナトリウム蒸気ランプを段階的に廃止し、発光ダイオード（LED）街路灯に切り替え始めています。 [ 37 ] [ 38 ]しかし、これらのランプは通常、4500～5000Kの範囲の白色光を発するように製造されています（ナトリウムランプは1400～2700Kです）。これらは、技術的な故障に加えて、健康上の懸念や人々の美観に対する嫌悪感など、さまざまな問題を抱えています。[39 ]フロリダ州タイタスビルや近くのケネディ宇宙センターなどの一部の自治体では、従来のナトリウムランプよりも「暖色系」のオレンジ/琥珀色の光を発するLED街路灯を設置しています 。
ギャラリー
- トロントの高圧ナトリウム街灯
最大輝度で点灯している低圧ナトリウム街灯- 点灯していない35W LPS/SOXランプ
- LPSランプのウォーミングアップ
- ほぼ最大輝度で稼働中の35 W LPS/SOXランプ
- 高圧ナトリウム蒸気ランプ
- 高圧ナトリウムランプの稼働
- 高圧ナトリウムランプ フィリップス SON-T マスター 600 W
- ナトリウム蒸気街灯
- 暗闇のクローズアップ
参照
- アークランプ – 電気アークによって光を生み出すランプ
- 高輝度放電ランプ - 電球の種類（HID）
- アメリカ合衆国の街路照明の歴史
- 光害 – 環境における過剰な人工光
- 光源のリスト – 光を生成する装置とプロセス
- 水銀蒸気ランプ – 水銀蒸気を通した電気アークを利用した光源
- メタルハライドランプ – ランプの種類
- ネオンランプ – ガス放電に基づく光源
- 街灯 – 道路や小道の脇にある高くなった光源
- 硫黄ランプ - 照明システム
参考文献
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外部リンク
- 放電ランプ博物館
- この発明でディズニーは数百万ドルを稼ぎましたが、その後失ってしまいました！ - Corridor Crew、YouTubeより（2024年） - 映画の特殊効果で使われるナトリウム蒸気灯システムを再現