ハロゲンランプの石英バルブについて

ハロゲンランプの知識

ハロゲンランプのガラスバルブには一般的に石英ガラスが使われます。石英ガラスは高温に耐えます(ランプとしての最高使用可能温度は約900℃。ただし800℃を超えないように設計すべきであり、700℃以下が不純物放出も少なく安定します)。これを採用したこともあり、ハロゲンランプは一般電球の容積比約1/50が可能になります。

肉厚も約1mm程度と厚い物が使われます。この肉厚の厚さとバルブの小ささで、ハロゲンランプのバルブは50~100気圧まで耐える物になっています。

ただし安全率を見て一般的なハロゲンランプの封入圧力は常温で3~4気圧、高圧の品種でも6~7気圧です。これが点灯状態になると封入ガスの熱膨張で10~20気圧になっていると考えられます。

石英ガラスは異常とも言えるほど熱膨張率の低い材料です。通常のガラスや金属の数十分の1でしかありません。そのため極めて熱ショックに強く、約900℃の高温の石英ガラスに水をかけても耐えるほどです。通常のガラスは100℃前後の熱ショックにしか耐えません。パイレックスで約180℃です。

石英ガラスは各種の不純物を含みますが、水酸基を多く含むものはハロゲンランプ用のバルブ材料として好ましくありません。これらは点灯中の高温でランプ内空間に染み出し、ランプ内でウォーターサイクルを起こし短寿命不良のランプになります。尚、バルブ温度が600℃以内であれば、このような心配はあまり必要ではありません。

ウォーターサイクルとは、まず水分子が点灯中の高温のタングステンコイルを酸化します。すると酸化タングステンと水素になります。酸化タングステンはすぐに昇華してコイルから蒸発します。その酸化タングステンは比較的低温部で先に生成した水素で還元されてタングステンに戻ります。すると遊離したタングステンと水になり、この水は再度コイルを酸化して酸化タングステンと水素を生じます。つまり少量でも水があればこのウォーターサイクルを起こし、タングステンフィラメントが結果的に激しく蒸発します。

ハロゲンランプの場合にはこれと全く逆の働きをするハロゲンサイクルも同時に起こるので、一見蒸発していないようにみえますが、実際にはコイルはタングステンの激しい蒸発と再付着が起こっており、短時間で表面は凹凸となり、断線に至ります。

このような問題を回避するには、まず水酸基の含有率ができるだけ小さい石英ガラスを選ぶ必要があります。酸-水素炎で溶融させて作った石英ガラスは100ppm以上の水酸基を含み、高温となるハロゲンランプ用としては不適です。電気溶融で作った石英ガラス(GE社の214石英など)はこの値が数ppm以下となり優秀です。

石英とほぼ同等の性質を持つバイコール(コーニング社商品名)は多量の水酸基を含むので、高温のハロゲンランプ用としては不適です。

この水酸基の問題は原材料としての石英ガラスの選択が適切であったとしても、それをハロゲンランプに加工する段階で、石英の内部に浸透させてしまう事があり、注意が必要です。例えばガスバーナの炎には多量の水分が含まれているので、これで加熱して加工すると、多少は水酸基の増加があります。これらを完全に除去するには、石英ガラス加工後に長時間の高温熱処理(800℃以上)で除去するしかありません。

このような問題点を回避する手段の一つとして、前記したような酸素用ゲッターをランプ内に入れるのが有効な場合があります。ただしゲッターを使わなくても水,水酸基,酸素などを極限まで除去、高純度化すればゲッターに頼らなくても高品質,高性能のハロゲンランプは製造でき、その方が正道であるという考え方もあります。

激しいウォーターサイクルの起こったハロゲンランプに起こる特徴的な現象としてフィラメント低温部に針状の結晶が成長するのが観察されます。このようなハロゲンランプは極めて短寿命(定格寿命の1/5程度)です。しかし石英ガラスに含まれる水酸基程度では、このような激しい現象にはならない場合が多く、このようなランプが多発するとすれば、ランプ製造段階での高純度化ができていない(排気不良)と判断すべきです。

石英ガラスは緻密な構造ではありますが、他の物質同様、多少は各種ガスなどを浸透,透過させます。これは温度との関係が大きく、石英ガラスの場合800℃前後から著しく増加します。ハロゲンランプのバルブ温度を800℃以下、できれば700℃以下にするべきなのは、この性質からくるものです。800℃を超えると石英ガラスの中に埋もれていた各種分質が染み出してきますし、逆に封入ガスの成分などがガラスに染み込んでいきます。このようにしてハロゲンランプ内部のガスバランスが変化しますと各種トラブルの原因になります(寿命の短縮、黒化など)

ハロゲンポイントヒーター製品一覧

ハロゲンラインヒーター製品情報

お問い合わせ