메탈할라이드 램프

Metal-halide lamp
금속 할로겐화물 램프 전구(아크 튜브 실드가 있는 타입 /O)
175와트 메탈할라이드 램프의 스펙트럼
야구장의 금속 할로겐화 투광 조명
금속 할로겐화물 램프는 1912년 Charles Proteus Steinmetz에 의해 발명되었고 현재 세계 거의 모든 도시에서 사용되고 있다.

금속 할로겐화물 램프는 기화된 수은과 금속[1][2] 할로겐화물(브롬 또는 요오드 금속의 혼합물)의 가스 혼합물을 통해 전기 아크로 빛을 내는 전기 램프입니다.이것은 고강도 방전(HID) 가스 방전 [1]램프의 한 종류입니다.1960년대에 개발된 수은 증기 램프와 [1]비슷하지만 석영 아크 튜브에 추가적인 금속 할로겐화 화합물이 들어 있어 빛의 효율성과 색 재현을 개선합니다.가장 일반적으로 사용되는 금속 할로겐화합물은 요오드화 나트륨이다.아크관이 작동 온도에 도달하면 나트륨은 요오드로부터 분리되고 금속이 이온화되면서 나트륨 D 라인의 램프 스펙트럼에 주황색과 빨간색이 추가됩니다.그 결과 메탈할라이드 램프는 와트당 [2]약 75~100루멘의 높은 발광효율을 가지고 있으며 이는 수은증기광의 약 2배, 백열광의[1] 3~5배이며 강렬한 백색광을 발생시킨다.램프의 수명은 6000~15,000시간입니다.[2][3]높은 CRI 백색의 가장 효율적인 광원 중 하나인 2005년 현재 금속 할로겐화물은 조명 산업에서 [1]가장 빠르게 성장하고 있는 분야였습니다.주차장, 스포츠 경기장, 공장 및 소매점과 [1]같은 상업, 산업 및 공공 장소의 넓은 오버헤드[2] 조명, 주거용 보안 조명, 자동차 헤드램프(일반적으로 "제논 헤드라이트"라고 함) 및 실내 대마초 재배 작업에 사용됩니다.

램프는 가스와 아크가 들어 있는 작은 용융 석영 또는 세라믹 아크 튜브로 구성되어 있으며,[1][3] 생성된 자외선을 걸러내는 코팅이 있는 대형 유리 전구 안에 들어 있습니다.4~20기압에서 작동하며, 전기 밸러스트뿐만 아니라 안전하게 작동하기 위한 특수 고정 장치가 필요합니다.금속 원자는 대부분의 [1]광출력을 생산한다.최대 [2]출력에 도달하려면 몇 분간의 예열 시간이 필요합니다.

사용하다

금속 할로겐화물 램프는 상업, 산업 및 공공 공간, 주차장, 스포츠 경기장, 공장, 소매점 등 실내 및 실외에서 일반 조명 용도로 사용되며 주거용 보안 조명도 자동차 및 특수 용도로 사용됩니다.

금속 할로겐화물 램프는 자동차 전조등에 사용되며, 다른 할로겐화물 램프에 일반적으로 사용되는 아르곤 대신 전구에 제논 가스가 사용되기 때문에 일반적으로 "제논 헤드램프"로 알려져 있습니다.

이러한 램프가 널리 사용되는 또 다른 방법은 사진 조명 및 무대 조명 기구에 있으며, 일반적으로 MSD 또는 HMI 램프로 알려져 있으며 일반적으로 150, 250, 400, 575 및 1,200와트 정격, 특히 지능형 조명에서 사용됩니다.

스펙트럼이 넓고 효율이 좋아 실내 재배, 특히 대마초에 사용되며 산호를 [4][5]위해 고휘도 광원을 필요로 하는 암초 아쿠아리스트에게 매우 인기가 있습니다.

작동

매우 유사한 수은-증기 램프와 같은 다른 가스 방전 램프와 마찬가지로 금속-할라이드 램프는 전기 아크의 가스 혼합물을 이온화함으로써 빛을 생성합니다.금속할로이드 램프에서 콤팩트 아크관은 아르곤 또는 제논, 수은 및 요오드화나트륨,[6] 요오드화스칸듐 등의 다양한 금속할로이드 혼합물을 포함한다.금속 할로겐화물의 특정 혼합물은 상관된 색 온도와 강도에 영향을 미칩니다(예를 들어 빛을 더 파란색 또는 빨간색으로 만듭니다).시동 시 램프 내 아르곤 가스가 먼저 이온화되며, 이는 인가된 시작 전압으로 두 전극의 아크를 유지하는 데 도움이 됩니다.아크 및 전극에 의해 생성된 열은 수은과 금속의 할로겐화물을 플라즈마로 이온화하며, 플라즈마는 온도와 압력이 작동 조건에 따라 점점 더 밝은 백색광을 생성합니다.

아크 튜브는 5~50 atm 이상[7](70~700psi 또는 500~5000kPa) 및 1000~3000°[8]C에서 작동합니다.다른 모든 가스 방전 램프와 마찬가지로 금속 할로겐화 램프는 음의 저항을 가지므로(필라멘트가 있는 자체 발포 램프는 예외), 램프를 통과하는 전류를 조절하면서 적절한 시작 및 작동 전압을 제공하기 위해 밸러스트가 필요합니다.금속 할로겐화물 램프가 사용하는 에너지의 약 24%는 빛을 발생시켜(효율은 65–115lm/[4]W), 일반적으로 2–4% 범위의 효율성을 갖는 백열전구보다 훨씬 더 효율적입니다.

구성 요소들

150와트 금속 할로겐화물 전구 고정장치 장착, 워밍업 절반 정도 완료

메탈할라이드 램프는 전극이 있는 아크 튜브, 외부 전구 및 베이스로 구성됩니다.

아아크 튜브

용융 석영 아크관 내에는 토륨을 도핑한 텅스텐 전극 2개가 양 끝에 봉입되어 실리카에 용융된 몰리브덴박 씰을 통해 교류전압이 인가된다.그것은 빛이 실제로 만들어지는 두 전극 사이의 호입니다.

수은 증기 외에도, 램프는 다른 금속의 요오드화물 또는 브롬화물을 포함합니다.요오드와 브롬은 주기율표의 할로겐기에 속하므로 이온화되면 할로겐화물이라고 한다.스칸듐과 나트륨은 또한 탈륨, 인듐, 나트륨과 함께 유럽의 삼염 모델에서도 사용된다.더 최근의 유형은 높은 색온도에 디스프로슘을 사용하고 낮은 색온도에 주석을 사용한다.홀뮴과 툴륨은 유럽의 초강력 영화 조명 모델 및 지역 투광 조명용 일광색 금속 할로겐화 램프, 소형 저와트 수 금속 할로겐화 램프 및 스타디움 조명 등에 사용됩니다.갈륨 또는 납은 인쇄 목적으로 특수 고 UV-A 모델에 사용됩니다.사용된 금속의 혼합물이 램프의 색상을 정의합니다.일부 유형은 축제나 연극 효과를 위해 녹색 램프에는 거의 순수한 요오드화 탈륨을 사용하고 파란색 램프에는 인듐을 사용합니다.아크 임피던스를 줄이기 위해 거의 항상 알칼리 금속(나트륨 또는 칼륨)을 첨가하여 아크관을 충분히 길고 간단한 전기 밸러스트를 사용할 수 있도록 한다.방전 개시를 용이하게 하기 위해 아크관에는 통상 아르곤인 귀한 가스를 약 2kPa의 압력으로 냉간 충전한다.Argon 충전 램프는 일반적으로 시동이 매우 느려 최대 광도에 도달하는 데 몇 분 정도 걸립니다. 제논 충전은 자동차 헤드램프에 사용되는 것처럼 비교적 빠르게 시동됩니다.

아크 튜브의 양끝은 종종 흰색 적외선 반사 규산 지르코늄 또는 산화 지르코늄으로 외부 코팅되어 전극에 열을 반사시켜 고온 및 열전리 방출을 유지합니다.일부 전구는 외부 전구의 내부에 인광 코팅이 되어 있어 스펙트럼을 개선하고 빛을 분산시킵니다.

1980년대 중반에는 수은증기 램프 및 이전의 금속 할로겐화물 램프 설계에 사용되는 석영(융착된 실리카) 아크 튜브 대신 고압 나트륨 램프에 사용되는 것과 유사한 소결 알루미나 아크 튜브를 사용하는 새로운 유형의 금속 할로겐화물 램프가 개발되었습니다.이 개발은 용융된 실리카 아크 튜브를 전염시키는 이온 크리프의 영향을 감소시킨다.나트륨 및 기타 원소는 수명 동안 석영관으로 이동하는 경향이 있으며, 높은 자외선과 가스 이온화로 인해 전극이 침식되어 램프가 순환합니다.소결된 알루미나 아크 튜브는 이온이 슬금슬금 통과할 수 없도록 하여 램프의 수명 동안 보다 일정한 색상을 유지합니다.일반적으로 세라믹 메탈할라이드 램프 또는 CMH 램프라고 합니다.

최초의 금속-할라이드 램프를 만들기 위해 수은 아크 방전의 스펙트럼 수정을 위해 금속 요오드화물(특히 나트륨 - 황색, 리튬 - 적색, 인듐 - 청색, 칼륨 및 루비듐 - 딥 레드, 탈륨 - 녹색)을 첨가하는 개념은 1912년 Charles Proteus Steinmetz에 의해 특허로 추적될 수 있다.ic"을 클릭합니다.

수은의 사용량은 수년간에 걸쳐 감소해 왔다.

외부 전구

대부분의 유형에는 내부 구성 요소를 보호하고 열 손실을 방지하기 위해 외부 유리 전구가 장착됩니다.또한 외부 전구는 수은 증기 방출로 인해 발생하는 UV의 일부 또는 전부를 차단하는 데 사용될 수 있으며, 특수 도프된 "UV 정지" 용융 실리카로 구성될 수 있습니다.자외선 차단은 일반적으로 싱글 엔드(싱글 베이스) 모델과 더블 엔드 모델에 사용되며, 이는 근처에서 사람이 사용할 수 있는 조명을 제공합니다.일부 고성능 모델, 특히 납 갈륨 UV 인쇄 모델 및 일부 유형의 스포츠 스타디움 조명에 사용되는 모델에는 외부 전구가 없습니다.베어 아크 튜브를 사용하면 UV를 전송하거나 조명기구의 광학 시스템 내에서 정확한 위치를 지정할 수 있습니다.조명기구의 커버 글라스를 사용하여 자외선을 차단할 수 있으며 램프가 폭발하여 고장나면 사람이나 장비를 보호할 수도 있습니다.

기초

에디슨 나사 금속 베이스가 있는 타입도 있으며, 정격 전력은 10~18,000와트입니다.다른 유형은 위에서 설명한 것처럼 양끝으로 되어 있으며, R7s-24 베이스는 세라믹으로 구성되어 있으며, 아크 튜브의 내부와 외부 사이의 금속 연결부도 포함되어 있습니다.이들은 아크 튜브와 일치하는 열팽창 계수를 갖는 다양한 합금(예: 철-코발트-니켈)으로 만들어집니다.

발라스트

35W 금속 할로겐화물 전구용 전자 밸러스트

금속 할로겐화물 램프의 전기 아크는 모든 가스 방전 램프와 마찬가지로 음의 저항 특성을 가집니다. 즉, 전구를 통과하는 전류가 증가함에 따라 전구의 전압이 감소합니다.AC 배선과 같은 정전압 소스에서 전구에 전원을 공급하면 전구가 스스로 파괴될 때까지 전류가 증가합니다. 따라서 할로겐화 전구는 아크의 전류를 제한하기 위해 전기 밸러스트가 필요합니다.두 가지 유형이 있습니다.

  1. 유도 밸러스트 - 많은 고정 장치는 형광등과 함께 사용되는 것과 유사한 자기 밸러스트라고도 하는 유도 밸러스트를 사용합니다.이것은 철심 인덕터로 구성되어 있습니다.인덕터는 AC 전류에 임피던스를 제공합니다.램프를 통과하는 전류가 증가하면 인덕터는 전류를 제한적으로 유지하기 위해 전압을 낮춥니다.
  2. 전자 밸러스트 - 가볍고 콤팩트합니다.램프를 구동하기 위해 저주파 사각파 전류로 변환되는 것보다 높은 주파수를 생성하는 전자 발진기로 구성됩니다.유도 밸러스트보다 저항 손실이 낮기 때문에 에너지 효율이 높습니다.단, 고주파 동작은 형광등과 같이 램프 효율을 높이는 것은 아닙니다.이로 인해 아크에 음향 공명이 발생하여 램프 수명이 [9]짧아질 수 있습니다.

펄스 시동 금속 할로겐화 전구는 아크를 타격하는 시동 전극을 포함하고 있지 않으며, 아크를 시작하기 위해 점화기가 고전압(콜드 스트라이크 시 1~5kV, 핫 리스트라이크 시 30kV[10] 이상) 펄스를 생성해야 합니다.전자 밸러스트는 하나의 패키지에 점화기 회로를 포함합니다.American National Standards Institute(ANSI) 램프 밸러스트 시스템 표준은 (일부 최신 제품을 제외하고) 모든 금속 할로겐화물 구성요소에 대한 매개변수를 설정합니다.

색온도

Line graph of relative intensity vs wavelength
385nm, 422nm, 497nm, 540nm, 564nm, 583nm(최고), 630nm 및 674nm의 피크를 나타내는 일반적인 메탈할라이드 램프의 출력 스펙트럼.

더 희고 더 많은 자연광으로 인해, 처음에는 푸른빛을 띤 수은 증기 램프보다 금속 할로겐화 램프가 더 선호되었습니다.특수 금속-할라이드 혼합물의 도입으로 금속-할라이드 램프는 3,000K에서 20,000K 이상의 상관 색온도로 사용할 수 있게 되었습니다.램프에 따라 색온도가 약간 다를 수 있으며, 램프를 많이 사용하는 곳에서 이 효과가 두드러집니다.램프의 색 특성은 램프의 수명에 따라 변화하기 때문에 ANSI 규격에 따라 100시간(양념) 동안 전구가 연소된 후 색상을 측정합니다.펄스 스타트 메탈 할로겐화 램프는 연색이 개선되고 켈빈 분산(±100~200 켈빈)이 제어되었습니다.

메탈-할라이드 램프의 색 온도는 전구에 전원을 공급하는 전기 시스템의 전기적 특성과 전구 자체의 제조 변화에 의해 영향을 받을 수도 있습니다.금속 할로겐화 전구는 낮은 작동 온도 때문에 전원이 부족하면 수은의 증발만으로 인해 광출력이 푸르스름해집니다.이 현상은 아크 튜브가 아직 최대 작동 온도에 도달하지 못하고 할로겐화물이 완전히 증발하지 않은 워밍업 중에 볼 수 있습니다.그것은 또한 조광 밸러스트에서도 매우 뚜렷하다.과전압 전구의 경우는 그 반대이지만, 이 상태는 위험할 수 있으며, 과열과 과압으로 인해 아크 튜브가 폭발할 수 있습니다.

기동 및 준비

Short horizontal glass tube with flattened ends, with light coming from the center, the surroundings are relatively dark
전원 투입 직후 400W 메탈할라이드 램프

내부 아크 챔버의 온도와 압력이 최대 작동 수준에 도달하는 데 시간이 필요하기 때문에 "콜드"(작동 온도 미만) 금속 할로겐화 램프는 즉시 최대 광량 생산을 시작할 수 없습니다.초기 아르곤 아크(또는 자동차의 경우 제논)를 시작하는 데 몇 초가 걸릴 수 있으며, 예열 기간은 램프 유형에 따라 5분까지 걸릴 수 있습니다.이 시간 동안 이 램프는 다양한 금속 할로겐화물이 아크 챔버에서 증발함에 따라 다른 색상을 나타냅니다.

전원이 잠시라도 차단되면 램프의 아크가 꺼지고, 핫 아크 튜브에 존재하는 고압으로 인해 아크가 재크라이킹되지 않습니다. 정상적인 점화 스위치에서는 램프를 다시 켜려면 5~10분의 냉각 시간이 필요하지만, 특수 점화 스위치와 특수 설계된 램프의 경우 아크가 즉시 차단될 수 있습니다.e-established.즉각적인 재스트라이크 기능이 없는 고정 장치에서는 순간적인 전원 공급이 중단되면 몇 분 동안 빛이 켜지지 않을 수 있습니다.안전을 위해 많은 금속 할로겐 고정 장치에는 냉각 및 재스트라이크 중에 작동하는 백업 텅스텐 할로겐 백열 램프가 있습니다.금속 할로겐화물이 재스트라이밍되고 따뜻해지면 백열 안전등이 꺼집니다.따뜻한 램프는 또한 완전히 차갑게 시작된 램프보다 최대 밝기에 도달하는 데 더 많은 시간이 걸리는 경향이 있습니다.

대부분의 매달린 천장 램프는 밸러스트와 램프 고정 장치를 조합하여 수동 냉각되는 경향이 있습니다. 즉, 램프를 다시 켜려고 하는 수동 냉각된 램프 밸러스트의 소비 전력과 가열 때문에 뜨거운 램프의 전원을 즉시 복구하는 것이 훨씬 더 오래 걸릴 수 있습니다.

수명 종료 행동

구금속 할로겐화물 램프
35 W 램프 패키지의 픽토그램.지시사항이 많은 이유는 다른 종류의 램프에 비해 사용이 더 복잡하기 때문입니다.

금속 할로겐화물 램프는 일반적으로 할로겐화물 및 아크튜브 흑화의 손실로 인해 출력이 손실되거나 색이 변합니다.그들은 수은 램프와 비슷한 수명을 다하면 작동을 멈춘다.드물게, 온/오프를 전환할 수도 있습니다.일부는 큰 색 변화를 보일 수 있으며 드물게 [11]폭발하기도 합니다.

램프 폭발 위험

모든 금속 할로겐화물 아크 튜브는 화학적 공격, 열응력 및 기계적 진동과 같은 다양한 요인으로 인해 수명 동안 강도가 저하됩니다.램프가 노후화되면 아크 튜브가 변색되어(흔히 어두운 회색 음영이 나타나며), 빛을 흡수하고 뜨거워집니다.결국 튜브가 고장날 때까지 튜브가 계속 약해져 튜브가 파손됩니다.

이러한 고장은 수명 만료와 관련이 있지만 미세한 균열과 같은 눈에 보이지 않는 제조 결함으로 인해 아크 튜브는 새 것이라도 언제든지 고장날 수 있습니다.하지만, 이것은 꽤 드문 일이다.제조업체는 일반적으로 새 램프가 제조업체 구내에서 나오기 전에 이러한 결함을 확인하기 위해 새 램프를 "계절"합니다.

금속 할로겐화물 램프는 상당한 고압(최대 3.4기압)의 가스를 포함하고 있기 때문에 아크 튜브의 고장은 불가피하게 격렬한 사건입니다.아크 튜브 조각이 모든 방향으로 고속으로 발사되어 램프가 파손될 정도의 힘으로 램프의 외부 전구를 타격합니다.고정장치에 2차 격납용기(렌즈, 그릇, 실드 등)가 없는 경우 극도로 뜨거운 파편이 조명 아래 사람과 재산에 떨어져 심각한 부상, 손상 및 가연성 물질이 존재할 경우 건물 화재를 일으킬 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 고정장치는 단단한 유리 전면 커버로 뜨거운 석영 파열을 억제할 수 있어야 합니다.오픈 픽스처 등급의 램프에는 아크 튜브 주위에 석영 튜브가 있어 아크 튜브가 폭발할 경우 램프 파손을 방지합니다.

아크 튜브가 과도하게 검게 변하거나 아크 튜브가 부풀어오르기 시작하거나 라이트 색상이 갑자기 바뀌거나 램프가 점등/소등하기 시작할 경우 램프를 교체하여 아크 튜브가 깨지는 것을 방지할 수 있습니다.

갤러리

  • A low-bay light fixture using a high-wattage metal-halide lamp, of the type used in factories and warehouses

    공장이나 창고에서 사용되는 타입의 고와트 금속 할로겐화 램프를 사용한 저베이 조명기구

  • Metal halide floodlight

    메탈할라이드 투광 조명

  • A Philips MHN-TD 150W/842 (150 watts, 4200 K) linear/tubular metal-halide lamp

    Philips MHN-TD 150W/842(150W, 4200K) 리니어/튜브형 메탈할라이드 램프

  • A Philips MHN-TD 150W/842 linear/tubular metal-halide lamp lit up at half power

    Philips MHN-TD 150W/842 리니어/튜브형 메탈할라이드 램프(반전력으로 점등)

  • A light source using a broad-spectrum metal-halide lamp pointing upward towards the sky

    하늘을 향해 위쪽을 향하는 광스펙트럼 메탈할라이드 램프를 사용한 광원

  • A metal-halide light bank at a softball field

    소프트볼 경기장의 금속 할로겐화물 라이트 뱅크

  • A ceramic metal-halide lamp 70 Watt - screw fixture (aquarium)

    세라믹 메탈 할라이드 램프 70 W - 나사 고정 장치(아카아리움)

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g h Hordeski, Michael F. (2005). Dictionary of energy efficiency technologies. USA: CRC Press. pp. 175–176. ISBN 978-0-8247-4810-4.
  2. ^ a b c d e Grondzik, Walter T.; Alison G. Kwok; Benjamin Stein; John S. Reynolds (2009). Mechanical and Electrical Equipment for Buildings, 11th Ed. USA: John Wiley & Sons. pp. 555–556. ISBN 978-0-470-57778-3.
  3. ^ a b Light Right: A practising engineer's manual on energy-efficient lighting. TERI Press. 2004. pp. 19–20. ISBN 978-81-7993-044-1.
  4. ^ a b "Metal Halide". Venture Lighting. Archived from the original on 2012-02-15. Retrieved 2012-12-14.
  5. ^ "Metal Halide Bulbs: Workhorses of the Industry".
  6. ^ Flesch, Peter (2006). Light and light sources: high-intensity discharge lamps. Springer. pp. 45–46. ISBN 978-3-540-32684-7.
  7. ^ 미국 특허 4171498, Dietrich From 등, "금속 할로겐화물을 함유한 고압 방전등", 1979-10-16 발행
  8. ^ 미국 특허 3234421, Gilbert H. Reiling, "금속 할로겐화물 방전 램프", 1966-02-08 발행
  9. ^ Weibin, Cheng; Yanru, Zhong; Shun, Jin. Suppressing Acoustic Resonance in HID Lamp with Combined Frequency Modulation. ISBN 978-0-7803-9716-3.
  10. ^ "Minimize HID Lighting System Downtime". Electrical Construction & Maintenance. September 1998. Retrieved 20 September 2018. Instant restrike and quick restart systems eliminate the delay in restarting MH lamps after a sag or interruption. They use specially wired CWA ballasts and high-voltage ignitors that produce a high voltage (8kV to 40kV) to restart special lamps.
  11. ^ 고휘도 방전 램프(NASA) 웨이백 머신에 2010-01-13 보관

추가 정보

Wikimedia Commons에는 메탈할라이드 램프와 관련된 미디어가 있습니다.