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「光・ひかり」の豆知識 ハロゲン電球技術解説

ハロゲン電球技術解説

ハロゲン電球の特長

ハロゲンサイクルの働きで小形、高効率、長寿命設計の電球です。
色温度の高い白い光です。
点灯中の黒化による光束低下を防ぎ、最後まで明るく使えます。
赤外反射膜やダイクロイックミラー付ハロゲン電球は熱の少ないクールな光が得られるため、広い用途にご使用できます。

ハロゲン電球

ハロゲン電球の特長

ハロゲン電球は白熱電球の一種です。形状としては、

  • 一般的な片口金タイプ
  • ミラーと一体になったもの
  • 両口金タイプ

があります。ハロゲン電球のガラス球は白熱電球と比べ高温になる為に、高温に耐える石英ガラスなどが使われています。ガラス球内には不活性ガスに加えて微量のハロゲン族原子(I,Br,Cl,F)からなるガスが封入されています。

ハロゲン電球の特長

ハロゲン電球の発光原理

白熱電球と同様にタングステンフィラメントに通電することでフィラメントが白熱化して発光します。白熱電球では点灯中のタングステンフィラメントの温度が高いとタングステンが蒸発し、ガラス管内面に付着すると黒化現象を生じて光束が徐々に低下していきます。ハロゲン電球はこの黒化現象を防ぎ、高効率・長寿命を実現するために開発された電球です。その基本的な原理は、封入ガスに含まれる微量のハロゲン族元素(I,Br,Cl,F)と蒸発したタングステンによる、化学的な循環反応(ハロゲンサイクル)に基いています

ハロゲンサイクル

フィラメントから蒸発したタングステン(W)はハロゲン(X)と結合し、揮発性の「タングステンハライド(WX2)」を形成します。
タングステンハライドは、ガラス管内がある温度以上になっている限り、管内壁に付着することはなく、管内を移動します。
タングステンハライドは、高温のフィラメント付近でタングステンとハロゲンに分解します。
分解したタングステンはフィラメントの近くに付着し、一方のハロゲンはガラス管壁に向かって拡散します。
ランプ管内のタングステンとハロゲンは1〜4の反応を繰り返します。

ハロゲンサイクル

ハロゲン電球は、ハロゲンサイクルを点灯中維持する為に、ガラス球の管壁温度が250℃以上になるよう設計されています。従ってハロゲン電球では、高温に耐える強度の高いガラスを用いる必要があります。その結果として、ガラス球を小型化でき、また、点灯中のガラス管内の圧力を高められることにより、フィラメントからのタングステンの蒸発も抑制できるので、高効率・長寿命となります。

赤外線反射膜付ハロゲン電球の構造・原理

ハロゲン電球の中には、ガラス球の表面に「赤外線反射膜」が付いているものもあります。この赤外反射膜は透明で屈折率の違う2つの物質の多層膜で作られており、可視光線を透過して赤外放射だけを反射する性質を持っています。赤外放射(熱線)がフィラメントに戻されるので、フィラメントが加熱され、効率が高められます。また、外へ放出される赤外放射が減少するので、熱の少ないクールな光になります

赤外線反射膜付ハロゲン電球の構造・原理

ダイクロイックミラーの構造・原理

赤外反射膜の技術を応用した反射鏡(ミラー)が「ダイクロイックミラー」です。赤外反射膜とは逆に赤外放射を後方に透過して、可視光線を反射します。約80%の赤外放射が透過され、前方に照射される熱は20%にまで減少します。また、ダイクロイックミラーに取付けた前面ガラスは反射面の汚れを防ぎ、紫外放射の減少、高温のガラス球からの保護の効果があります

ダイクロイックミラーの構造・原理

ハロゲン電球の特性

電源電圧変動特性と寿命に対する影響

電圧変動による寿命、光束などの平均的な変化は次のようになります。

電圧

寿命・光束との関係

使用電圧が高い場合

明るくなりますが、寿命が大幅に縮みます。

使用電圧が低い場合

寿命は長くなりますが、色温度が低くなり、明るさが低下し、不経済です。

電源電圧変動特性

光束の変化

ハロゲン電球はハロゲンサイクルの働きで、点灯中の光束の低下が少なく、初期の明るさ、分光温度が寿命期間中に殆ど変化しません。

紫外放射特性

ハロゲン電球は、ガラス球に主として石英ガラスを使用している為、フィラメントから微量の紫外放射を透過します。(メーカーによっては、赤外反射膜等を利用して紫外放射をカットしている製品も存在します。)

残存率(ハロゲンランプの寿命について)

ハロゲン電球の寿命は白熱電球と同じように残存曲線で表されます。定格寿命は残存率が50%になる時間です

残存曲線

ハロゲン電球の調光

ハロゲンサイクルを円滑に行わせる為にガラス球の管壁温度が250℃以上になっていることが必要ですが、調光によって点灯電圧を下げると250℃以下になることがあります。この場合、ハロゲンサイクルが円滑に行われず、黒化を防ぐ作用が低下するものの、同時にフィラメントの温度も下がりタングステンの蒸発も僅かになる為、黒化は殆ど発生しません。しかし、温度が下がっているとはいえフィラメントの一部がハロゲン族元素の浸食を受けます。この為点灯電圧を下げた場合には白熱電球を調光した場合と同じ程度の長寿命化は期待できませんが調光することは実用的に十分可能です。

分光分布

赤外反射膜やダイクロイックミラーと組み合わせたランプでは、フィラメントのみのランプと分光分布が変わってきます。

安全に使用するための注意点

警告

  • 紙や布などで覆ったり、燃えやすいものに近づけないでください。
  • 点灯方向に指定のある電球は必ず指定方向で使用してください。
  • 取付け、取り外し、器具などの掃除のときは必ず電源を切ってください。
  • ガラス球内部の圧力が高いので、落下、物との衝突等で傷をつけないようにしてください。
  • 適合した器具(ソケット等)で指定されたワット数の電球を必ず使用してください。

注意

  • 点灯中や消灯直後は電球が熱いので、素手で触れてはなりません。
  • 平素から素手や汚れた手袋では触れないで下さい(ガラス球の劣化防止の為)
  • ソケットに確実に取付けてください。また、ソケットの接点部の破損などがないかよくご確認の上でご使用ください。
  • 酸、引火性のガスなどの近くでの使用はおやめください。
  • 点灯中に間近で長時間ランプを見つめないでください。
  • 一般ハロゲン電球は集魚灯用に使用しないでください。(破損や寿命短縮の原因になります。)
  • 原則として、雨や水滴のかかる場所や湿度の高い場所、粉塵の多いところでは使用なさらないでください。
  • 塗料などを塗らないでください。
  • 振動・衝撃を与えないでください。
  • 使用済みの電球は割らずに廃棄してください。