ハロゲンランプ

---

背景

ハロゲンランプは白熱灯の一種です。従来の白熱灯には、不活性ガスまたはこれらのガス（通常は窒素、アルゴン、クリプトン）の混合物で排気または充填されたガラスエンベロープ内に密封されたタングステンフィラメントが含まれています。フィラメントに電力が供給されると、フィラメントは十分に熱くなり（通常、3,600°F [2,000°C]を超える）、下降できなくなります。つまり、フィラメントが光って発光します。動作中、高温フィラメントから蒸発したタングステンがバルブ壁の内側のクーラーに凝縮し​​、バルブが黒くなります。この黒化プロセスにより、ランプの寿命全体にわたって光の出力が継続的に減少します。

ハロゲンランプには、この黒ずみの問題を解消するためにいくつかの変更が加えられています。ソーダライムガラスの代わりに溶融石英で作られた電球には、少量のハロゲンガス（通常は1％未満の臭素）を混合した白熱灯と同じ不活性ガスが充填されています。ハロゲンはタングステン堆積物と化学的に反応してハロゲン化タングステンを生成します。ハロゲン化タングステンがフィラメントに到達すると、フィラメントの強烈な熱によってハロゲン化物が分解し、タングステンがフィラメントに放出されます。このプロセス（タングステンハロゲンサイクルとして知られています）は、ランプの寿命全体にわたって一定の光出力を維持します。

ハロゲンサイクルが機能するためには、電球の表面が非常に高温である必要があり、通常は482°F（250°C）を超えます。電球が冷たすぎると、ハロゲンが十分に気化しないか、凝縮したタングステンと適切に反応しない可能性があります。つまり、電球はより小さく、石英またはアルミノケイ酸塩として知られる高強度で耐熱性のあるグレードのガラスでできている必要があります。球根は小さく、壁が厚いため通常はかなり強いので、通常よりも高い圧力でガスを充填することができます。これにより、フィラメントからのタングステンの蒸発が遅くなり、ランプの寿命が長くなります。

さらに、電球のサイズが小さいため、安価なアルゴンの代わりに、クリプトンやキセノンなどのより重いプレミアム充填ガスを使用する方が経済的である場合があります。これは、タングステンの蒸発速度を遅らせるのに役立ちます。より高い圧力とより良い充填ガスは、バルブの寿命を延ばし、および/またはより高いフィラメント温度を可能にし、より良い効率をもたらします。プレミアム充填ガスを使用すると、充填ガスによってフィラメントから伝導される熱も少なくなります。これにより、放射によってフィラメントを離れるエネルギーが増え、効率がわずかに向上します。

したがって、ハロゲン電球は、同じワット数の標準的な白熱電球よりも白くて明るく、使用するエネルギーが少なく、長持ちする光を生成します。それらは、従来の白熱電球と比較して、2,000〜4,000時間（約2〜4年）持続する可能性があります。従来の白熱電球は、750〜1,500時間、または1日3時間で約1年間しか動作しません。ただし、ハロゲン電球の方がコストがかかります。

ほとんどのハロゲンランプの電力範囲は20〜2,000ワットです。低電圧タイプの範囲は4〜150ワットです。一部のハロゲンランプは、電球の外側に特別な赤外線反射コーティングを施して設計されており、他の方法では無駄になっている放射熱がランプフィラメントに反射されるようになっています。フィラメントはより高温で燃焼するため、必要なワット数は少なくなります。これらのランプは最大4,000時間持続します。

他の大型白熱灯よりも効率的ですが、タングステンハロゲンランプは、蛍光灯および高輝度放電（HID）ランプタイプに比べて非効率的です。ハロゲンランプは、発生する熱が250〜900°F（121〜482°C）の範囲である可能性があるため、安全上の脅威となる可能性もあります。

歴史

ガラスの煙突を備えた石油ランプは、電気ランプの前身でした。ガス灯も一般的でしたが、明らかな欠点がありました。 19世紀初頭、電熱線（白金）を使用したランプが開発されました。異なるフィラメント材料が使用されるにつれて、より効率的なランプが可能になりました。 1860年、スワンという名前の英国の発明家がカーボンフィラメントランプのデモを行いました。彼とトーマス・エジソンは、1878年頃にようやくこのランプを実用化するために改良しました。エジソンは1880年に最初の成功した電気照明システムを設置しました。

その後、これらのカーボンフィラメントはタンタルに置き換えられ、次にタングステンフィラメントに置き換えられました。これらのフィラメントはカーボンよりもゆっくりと蒸発します。タングステン線を伸ばす工程が完成した後、1911年に最初のタングステンフィラメントランプが導入されました。これらは真空ランプでした。 1913年、ゼネラルエレクトリック社は不活性ガスとコイル状フィラメントを使用したタングステンフィラメントランプを発表しました。 6年後、米国の電球の年間生産量は2億を超えました。今日、ほとんどすべての電気白熱灯はタングステンフィラメントで作られています。

ハロゲンランプに使用されるタングステンハロゲンサイクルは、40年前に最初に考案されテストされました。最初の商用ハロゲン電球のいくつかは1959年に導入されました。それ以来、用途にはスタジオ照明、プロジェクションランプ、車両用ヘッドランプが含まれています。後者は、アルミノシリケートと呼ばれる別のタイプのガラスにつながりました。これは、1970年代初頭にランプに最初に導入されました。これらのガラスのより低い軟化または作動温度は、ハロゲンランプの高速自動製造を可能にしました。

電球産業は、電力が一般の人々に利用可能になるにつれて、20世紀の初めに出現しました。 1980年代初頭までに、約70の米国企業が毎年20億ドル以上の電球とチューブを販売していました。次の10年間で、1990年代初頭の衰退により、電球市場の合計は約29億ドルにしか成長しませんでした。市場は1994年に40億ドル近くに達しましたが、その後数年間は比較的横ばいでした。

1992年、米国は国家エネルギー安全保障法を可決し、より効率的な高度な電球の使用を義務付けました。この法律は、1994年に始まった非効率な蛍光灯や1995年までに他のエネルギー効率の悪い電球の販売を防ぐことを目的としていました。また、いくつかのタイプの蛍光灯、いくつかの白熱反射灯、およびさまざまなフラッドランプを禁止しました。この法律の可決により、球根の価格も4〜6％上昇しました。

この法律は、利益の減少と同様に、1990年代半ばにランプメーカーに刺激を与え、エネルギー消費を削減し、照明を改善し、寿命を延ばし、環境への影響を最小限に抑えることができるランプを提供しました。コンパクト蛍光灯とハロゲン電球は、成長をもたらした2つのタイプでした。したがって、1993年から1998年の期間中、ハロゲンの出荷量は年間15％近く増加しました。 1998年の米国全体の照明器具市場は100億ドルを超えていました。

1997年半ば、消費者製品安全評議会は、不十分な固定具の設計と高温の電球によって引き起こされる火災の危険性のために、家庭内修理のためのハロゲントーチのリコールを調整しました。このリコールの目的は、既存のトーチエールランプに保護ワイヤーバルブガードを後付けすることでした（リコール後に製造されたランプには、すでにこれらのガードが含まれていました）。

ハロゲンを含む他のタイプの電球は、長年にわたって改善を続けており、特別な用途向けに設計されています。ハロゲンランプ技術の最新の進歩は、ハロゲン赤外線反射（IR）ランプです。これらのランプは、はるかに少ない電力（ワット）で同じ光出力（ルーメン）を提供できます。逆に、標準のハロゲンランプと同じワットで大幅に増加したルーメンを提供できます。白熱灯とハロゲンランプで使用される電力のわずか10〜15％が可視光を生成します。電力の大部分は熱（赤外線エネルギー）として放射されます。

これらの新しいランプには、ランプカプセルの外面に適用された赤外線反射コーティングがあり、無駄な赤外線エネルギーの多くをカプセルとタングステンフィラメントに反射します。これはリダイレクトされました ハロゲンと白熱灯のパワーの違いを示すグラフ。エネルギーはフィラメントの温度を上昇させるため、ワット数を増やすことなくより多くの光を生成します。今日、これらのランプは主に、一般照明やアクセント照明またはディスプレイ照明の大規模小売アプリケーションで使用されています。最近、1999年の大晦日のタイムズスクエアボールで180個の新しいハロゲンランプが使用されました。二重エンベロープ設計により、これらのランプの熱分布は白熱灯と同様になります。

原材料

ハロゲンランプの種類に応じて、電球の材質は石英（溶融シリカ）またはアルミノケイ酸塩ガラスのいずれかです。石英ガラスは、タングステン-ハロゲンサイクルに適した耐熱性を備えており、最大1,652°F（900°C）の電球温度を生成します。約120ワットまでの低ワット数のランプには、アルミノケイ酸塩ガラスを使用できます。どちらのガラスも、希望の長さに事前にカットされているか、ランプの製造元によって長さにカットされた円筒形のチューブの形で提供されます。

白熱フィラメントにはタングステンを使用しています。タングステンは、ドーピング（少量の他の材料を追加）と熱処理プロセスを使用して製造されたワイヤーの形で受け取られます。ドーパントは、タングステンをコイルに加工するために必要な延性を生み出し、動作中の歪みを防ぐのに役立ちます。シーリングに使用されるモリブデンは、スプールにホイルとワイヤーの形で受け入れられます。セラミック、ガラス、または金属で作られたベースはプレハブです。

製造時に使用されるガスには、アルゴン、窒素、クリプトン、キセノン、臭素、水素、酸素、および天然ガスまたはプロパンガスが含まれます。これらのガスのほとんどはタンクまたはシリンダーで供給され、一部は液体の形で供給されます。 ナチュラル ガスはガス会社から配管されています。

デザイン

ランプの電気的特性は、フィラメントワイヤの寸法と形状または形状によって決まります。動作電圧が高いほど、ワイヤを長くする必要があります。より高いワット数の場合、より太いワイヤーが必要です。フィラメントは、ランプの用途に応じて、さまざまな構成のコイルの形に巻かれています。

最も一般的な構成は、ラウンドコア、フラットコア、およびダブルフィラメントとして知られています。特別な場合には、変調（光生成の最大の効果のため）およびセグメント化（光の均一な分布のため）のいずれかの他の構成が使用されます。フィラメントはまた、軸方向または横方向の2つの方向に向けられています。両端のシリンドリカルランプでは、向きは常に軸方向です。シングルエンドランプでは、方向はアプリケーションによって決定されます。

製造プロセス

一部のランプコンポーネントはさまざまな場所で製造され、最終組み立てが行われる工場に出荷されます。製造の自動化の程度は、ランプの用途、販売量、販売価格によって異なります。シングルエンド石英ハロゲンランプのプロセスについて説明します。

コイルを作る

• 1細くて真っ直ぐなワイヤーは発光特性が悪く、電球にフィットしにくいため、高速ボビンに似た自動機を使用してコイル状に巻かれています。ラウンドコアフィラメントを作成するには、各タムを円筒形のロッド上に次のタムに隣接してらせん状に配置します。フラットコアフィラメントには長方形のロッドが使用されています。ダブルフィラメントの場合、ワイヤーは最初に非常に細い一次コイルに巻かれ、次にこれが2番目のより厚いコアの周りにもう一度巻かれます。したがって、大量のワイヤを非常に小さなスペースに収めることができます。

  ハロゲン電球は溶融石英でできており、白熱灯と同じ不活性ガスを少量混合して充填しています。ハロゲンガス。ハロゲンはタングステン堆積物と反応してハロゲン化タングステンを生成します。ハロゲン化タングステンは、高温のフィラメントに到達すると分解します。破壊により、タングステンがフィラメントに放出され（タングステン-ハロゲンサイクルとして知られています）、ランプの寿命全体にわたって一定の光出力が維持されます。

電球の形成

• 2ガラス管を所定の長さに切断した後、排気管を上部に取り付ける必要があります。まず、ガス/酸素の火を使用してチューブの上部を加熱します。タングステンカーバイドホイールは、軟化したガラスを折り返して、小さな穴を含むドーム形状を形成します。
• 3排気管と呼ばれる小さなガラス管を穴に入れ、大きな管に溶かして接合します。この小径のチューブは、シール操作中にランプから空気を洗い流し、排気プロセス中に空気を排出して充填ガスを導入する手段として使用されます。このプロセスは、特殊な回転機械で実行されます。

マウントの作成

• 4次に、マウントを作成します。まず、小さな円筒形の石英棒に予備成形されたタングステン線を埋め込んで橋を作ります。フィラメントはこれらのサポートワイヤに溶接され、モリブデンシーリングフォイルとアウターリードで構成されるアウターリードアセンブリに溶接されます。
• 5完成したマウントは、洗浄のために1,925°F（1,050°C）の水素炉に送られます。このプロセスは、ランプの動作中にタングステンフィラメントに損傷を与える可能性のある酸化物をすべて除去します。

シーリング

• 6プレスシールと呼ばれる機械を使用して、バルブ内部のマウントを密閉します。マウントは電球に挿入され、両方の部品がしっかりと保持されます。次に、バルブの下部をガス/酸素バーナーを使用して約3,272°F（1,800°C）に加熱し、石英を柔らかくします。 20〜60 psiの圧力で動作するステンレス鋼のプレスパッドは、気密シールを形成するモリブデン箔に石英を押し付けます。この操作中、バルブは不活性ガス（窒素またはアルゴン）でフラッシュされ、空気が除去され、マウントが酸化するのを防ぎます。アウターリードはプレスの端から突き出ており、ランプをランプベースに電気的に接続する手段を提供します。

プレスされた電球の排気と充填

• 7プレスされたバルブは、排気装置のハロゲンガスで満たされています。この機械は、真空ポンプを使用してバルブから空気を排出し、充填システムを使用して、ハロゲンガス混合物を排気管からバルブに導入します。ランプの内部圧力を高くするには、最初にランプを大気圧以上に充填し、次にバルブを液体窒素にスプレーまたは浸漬します。液体窒素は、充填ガスを大気圧以下に冷却して凝縮します。次に、ガス/酸素の火災により、バルブの上部にある排気管が溶けて先端が形成され、ガスがバルブに閉じ込められます。ガスは周囲温度まで温まると膨張し、その結果、ランプが加圧されます。

ベースの取り付け

• 8ランプのベースは、電気的な接続と取り付けを提供します。形状は、国内および国際規格で定義されています。基地にはいくつかの種類があります。シングルエンドランプの場合、ガラス、セラミック、または金属ベースが使用されます。これらは通常、高温、湿気、熱応力に対して優れた耐性を持つ特殊なセメントでガラス球に接着されるか、機械的に取り付けられます。セメントフリーの接続は、特別な用途に使用されます。

パッケージング

• 9最終テスト後、アプリケーションに応じて、ランプは手動または自動でボックスにパッケージ化されます。小売店に販売されるランプは個別にパッケージ化されています。

品質管理

プレス/シールプロセスの後に圧力テスト（充填圧力に応じて40〜100気圧）を実施し、動作中にランプが破裂しないことを確認します。一部のランプは100％テストされていますが、通常はランダムサンプルが取得されます。充填プロセスの後、ランプを回転機械に置き、数分間点灯させることにより、ランプの漏れをテストします。大きな漏れがある場合、ランプは白黄色に変わります。大きな機械的欠陥がある場合、ランプは通常アークアウトします。各ロットからのランダムサンプルもテストされ、すべての仕様（ワット、温度、光出力、および寿命）が満たされていることを確認します。

副産物/廃棄物

欠陥のあるクォーツは廃棄またはリサイクルされます。時々排気管は再利用されます。廃タングステンは回収され、スクラップとして販売されます。テストに失敗した完成したランプは廃棄されます。ただし、ランプメーカーは、リサイクル不可能な廃棄物を削減するために、より環境に優しい材料を使用し続けています。

一部のハロゲンランプは、ランプのベースに鉛はんだを使用して作られています。鉛は毒性の高い物質であるため、鉛を含む製品は環境保護庁のTCLP（毒性特性浸出手順）に合格する必要があります。そうでない場合は、有害廃棄物として分類し、一部の州では特別処分規則に従う必要があります。一部のランプメーカーは、鉛フリーはんだを使用することでこの問題を回避しています。

未来

タングステンハロゲンランプの出荷台数は、白熱灯の出荷台数を上回り、2003年には年率7.7％増の5,800万台になると予測されています。これは、トラックおよび埋め込み式照明、テーブルランプおよびフロアランプ、その他の一般照明および作業照明などの住宅および商業用途でのハロゲンの受け入れの高まりを反映しています。

多くの用途でハロゲンランプの使用が増加しているにもかかわらず、中国、韓国、台湾、日本、フィリピン、メキシコ、ドイツ、とハンガリー。輸入品との競争に加えて、他の要因が単価の下落に寄与し、2003年の出荷のバリューゲインを年間5.3％から1億8000万ドルに制限します。市場シェアを獲得するために、一部のメーカーは値上げを制限します。さらに、規模の経済と生産技術の改善は、単価の引き下げに役立ちます。

ハロゲンランプメーカーはまた、優れた照明特性、より高い効率、およびより低コストで改善された寿命を備えた電球を開発し続けます。特別なアプリケーションのニーズを満たすために、新しく改良された設計が提供されます。より環境的に安全なランプが製造され続け、廃棄物を削減するために製造プロセスがより効率的になります。

照明製品の世界市場は、世紀の変わり目までに約280億ドルに達すると予想されていました。米国は、この市場のシェアを現在の30％を超えて拡大すると予想されています。米国の電球およびランプ会社も、合弁会社の設立または施設の買収により、海外に拡大しています。北米の照明器具の市場は、2005年までに150億ドルを超えると予想されています。

白熱灯は、米国市場で引き続き支配的であり、大規模な住宅および輸送機器市場での実質的な使用に基づいて、販売台数の80％以上、市場価値の50％以上を占めます。白熱灯市場の成熟、他の種類のランプとの競争、住宅および自動車セクターの減速により、白熱灯の需要の伸びは業界平均を下回ります。