ランプ材料：包括的なガイド
ランプは、燃える材料に浸した芯やガスランプ、電気ランプなどの他の光生成装置を使用して照明を生み出す装置です。ランプは少なくとも紀元前7万年頃から発明されており、時代とともに異なる材料とデザインが使用されるようになりました。この記事では、ランプを構築するために使用されるさまざまな種類の材料とその特性、機能について探求します。
ランプ材料とは?
ランプ材料とは、ランプまたはその部品を構築するために使用される任意の物質です。ランプ材料は、絶縁材料と導電性材料という2つの主要なカテゴリーに分類できます。絶縁材料は、電流が通過しないもので、ガラス、セラミックス、プラスチックなどが含まれます。導電性材料は、金属や合金など、電流が通過するものです。
絶縁材料は、ランプのバリアやエンクロージャーを形成し、光源を外部要因から保護し、光の色や品質に影響を与えます。導電性材料は、フィラメント、電極、リード線、ベースやエンドキャップなどを形成し、光源への電気接続とサポートを提供します。
ランプ材料の種類
ランプ材料には、さまざまな目的や用途に使用される多くの種類があります。最も一般的なものは以下の通りです。
ガラス
ガラスは、溶けた砂またはシリカと他の物質を混合して作られる透明な材料です。ガラスは、高温と高圧に耐えられ、様々な形状と色に成形できることから、ランプのバリアやエンクロージャーとして広く使用されています。ガラスは、最小限の損失や歪みで光を透過し、化学的に不活性で腐食に強い特性を持っています。
ランプ用のガラスの種類には以下があります。
ソーダライムシリケートガラス：これは最も一般的なタイプのガラスで、低融点を持ち、フィラメントランプに使用されます。シリカを約67%含み、さらにナトリウム酸化物、カルシウム酸化物、および他の添加剤が含まれています。
鉛アルカリシリケートガラス：これはソーダライムガラスよりも高い電気抵抗を持つガラスで、ランプの内部部分に使用されます。鉛酸化物、カリウム酸化物、および他の添加剤が含まれています。
ボロシリケートガラス：これはソーダライムガラスよりも高い温度耐性と低い熱膨張係数を持つガラスで、映画プロジェクターのような高ワット数のランプに使用されます。ホウ素酸化物、アルミニウム酸化物、および他の添加剤が含まれています。
アルミナシリケートガラス：これはボロシリケートガラスよりも熱ショック抵抗が低いが屈折率が高いガラスで、高光度の低ワット数ランプに使用されます。アルミナ、マグネシア、および他の添加剤が含まれています。
石英：これは純粋なシリカまたは二酸化ケイ素から作られるガラスで、非常に高い融点と透明性を持っています。非常高温で動作するタングステンハロゲンランプに使用されます。他の金属やヒドロキシル基は微量しか含まれていません。
ナトリウム耐性ガラス：これはナトリウム蒸気ランプ用に特別に設計されたガラスで、ナトリウム蒸気をイオン化することで強烈な光を生成します。ナトリウム蒸気は強力な還元性を持っており、通常のガラスを急速に黒くする可能性があります。ナトリウム耐性ガラスには、この効果を防ぐために少量のシリカまたは他の容易に還元される酸化物が含まれています。
セラミックス
セラミックスは、粘土または他の無機物質から作られる非金属材料で、加熱して硬化させます。セラミックスは、様々な形状とサイズに成形でき、透明性や半透明性などの異なる光学特性を持つため、ランプに使用されます。セラミックスは高温と高圧に耐えられ、化学的に安定し、腐食に強い特性を持っています。
ランプ用のセラミックスの種類には以下があります。
多結晶金属酸化物セラミックス：これらはアルミナ、マグネシア、または希土類酸化物などの金属酸化物から作られ、加熱して焼結して多結晶体を形成します。これらのセラミックスは、孔隙率と粒径によって透明または半透明になることがあります。高圧ランプ、例えばナトリウム蒸気ランプやメタルハライドライトランプに使用され、高光透過が必要です。
従来のセラミックス：これらは粘土または他の天然物質を水と混合し、所定の形状に成形して焼成する前に形成されます。磁器とステアタイトが含まれます。
磁器：これは高嶺土粘土を長石、石英、および他の添加剤と混合して作られるセラミックスです。良好な機械強度、熱衝撃抵抗、電気絶縁性、および湿潤抵抗性を持っています。ランプのベースやエンドキャップに使用されます。
ステアタイト：これは滑石を粘土と他の添加剤と混合して作られるセラミックスです。磁器よりも電気抵抗、熱伝導率、誘電強度、および寸法安定性が優れています。ランプの絶縁体や支持体に使用されます。
金属
金属は、高い電気伝導性と熱伝導性を持つ元素または合金です。金属は、光源への電気接続とサポートを提供し、表面仕上げによって光を反射または拡散することができます。金属は鋳造、鍛造、切削、溶接などにより様々な形状とサイズに成形できます。
ランプ用の金属の種類には以下があります。
タングステン：これは非常に高い融点（3422°C）と引張強度（1510 MPa）を持つ元素です。白熱電球のフィラメントに使用され、鉄またはモリブデンマンデル上に細い線にして巻きつけて作られます。タングステンフィラメントは熱と蒸発に対して高い耐性を持っていますが、高い電圧を必要とします。
モリブデン：これはタングステンよりも低い引張強度（638 MPa）を持つ元素ですが、高い融点（2610°C）を持っています。フィラメントの支持材やリード線、アークライトの電極に使用されます。モリブデンは一部のガラスと同じ程度の熱膨張係数を持っているため、それらとの密着封止が可能です。
ニッケル：これは中程度の融点（1455°C）と引張強度（758 MPa）を持つ元素です。鉄または鋼の部品に電解メッキすることで硬度と弾性を増すことができます。ニッケルは腐食と酸化に対して高い耐性を持っています。リード線やバイメタルストリップに使用されます。
アルミニウム：これは低い融点（660°C）だが高い引張強度（310 MPa）を持つ元素です。また、軽量（2.7 g/cm³）で非磁性です。表面の薄い酸化層により高い腐食抵抗性を持っています。アルミニウムは入手やすく、価格も安価です。ランプのキャップや反射板に使用されます。
鋼：これは炭素とマンガンやクロムなどの他の元素を含む鉄の合金です。鋼の融点（1370°C – 1530°C）は組成によって変動しますが、高い引張強度（400 MPa – 2000 MPa）を持っています。鋼は延性と鍛造性にも優れています。鋼板は他の金属に比べて強度が高くコストが低いです。鋼板は熱間圧延または冷間圧延で製造され、厚さや表面仕上げによって異なります。鋼板はポーセリンエナメルコーティングを施して外観や腐食抵抗性を向上させることができます。
ステンレス鋼：これはクロム（12% – 30%）とニッケルやモリブデンなどの他の元素を含む鉄の合金です。ステンレス鋼は表面のクロム酸化層により高い腐食抵抗性を持っています。ステンレス鋼は強度（515 MPa – 1035 MPa）、硬さ（95 HRB – 40 HRC）、延性（45% – 60%）、靭性（100 J – 225 J）、疲労強度（275 MPa – 690 MPa）、蠕動変形抵抗（35 MPa – 200 MPa）、摩耗抵抗（0.04 g – 0.4 g）、磨耗抵抗（0.2 mm – 1 mm）、侵食抵抗（0.02 mm – 0.2 mm）、空洞形成抵抗（0 mm – 0.05 mm）、点腐食抵抗（0 mm – 0 mm）、粒界腐食抵抗（0 mm – 0 mm）、電位差による腐食抵抗（0 mV – +50 mV）、微小振動による腐食抵抗（0 mg – <1 mg）、水素脆化抵抗（>100 MPa）、硫化ストレスクラック抵抗（>100 MPa）、炭素化抵抗（>100 MPa）、窒化抵抗（>100 MPa）、酸化抵抗（>1000°C）、硫化抵抗（>800°C）、炭素化抵抗（>800°C）、窒化抵抗（>800°C）、脱炭素抵抗（>800°C）、剥離抵抗（>800°C）、脆化抵抗（>800°C）、熱ショック抵抗（>800°C）などの優れた機械的特性を持っています。特に屋外器具において、腐食性大気への露出がある場合に使用されます。
銅：これは高い電気伝導性（59.6 MS/m）と熱伝導性（401 W/mK）を持つ元素です。銅は延性と鍛造性があり、様々な形状に容易に成形できます。銅はバスバー、スイッチギア、リード線、アークライトの電極などに使用されます。銅は海水に対する腐食抵抗性も優れています。
非鉄系合金：これは鉄を主要成分として含まない合金で、青銅、真鍮、はんだなどが含まれます。
青銅：これは銅と錫の合金で、亜鉛やリンなどの他の元素を異なる割合で含むこともあります。青銅は強度（200 MPa – 1200 MPa）、硬さ（60 HB – 250 HB）、延性（3% – 40%）、靭性（25 J – 200 J）などの良い機械的特性を持っています。青銅は海水や酸性溶液に対する腐食抵抗性も優れています。青銅は魅力的な色調を持つ特殊な照明器具に使用されます。
真鍮：これは銅と亜鉛の合金で、鉛やニッケルなどの他の元素を異なる割合で含むこともあります。真鍮は強度（200 MPa – 900 MPa）、硬さ（50 HB – 200 HB）、延性（10% – 50%）、靭性（30 J – 150 J）などの良い機械的特性を持っています。真鍮は海水やアルカリ溶液に対する腐食抵抗性も優れています。真鍮は魅力的な色調を持つ特殊な照明器具に使用されます。
はんだ：これは錫と鉛の合金で、銀やアンチモンなどの他の元素を異なる割合で含むこともあります。はんだは低い融点（183°C – 232°C）と高い濡れ性を持ち、金属表面に簡単に接着できます。はんだは金属部品を溶かして固めることで接合します。ランプのキャップの端部で電気接続に使用されます。
ゲッター材料：これはランプの運転中に生成されるガスの不純物を吸収する材料で、これらの不純物はランプの性能を低下させる可能性があります。ガスの不純物には酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、水素、水蒸気などが含まれます。ゲッター材料はシート、ワイヤー、または表面塗布の形式で存在し、加熱または紫外線照射によって活性化されます。ランプに使用されるゲッター材料には以下があります。
バリウム：これは酸素や窒素に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できる元素です。バリウムは白熱電球や蛍光灯の金属ゲッター材料として使用されます。
タンタル：これは酸素や窒素に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できる元素です。タンタルはタングステンハロゲンランプやメタルハライドライトランプの金属ゲッター材料として使用されます。
チタン：これは酸素や窒素に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できる元素です。チタンはナトリウム蒸気ランプや水銀蒸気ランプの金属ゲッター材料として使用されます。
ニオブ：これは酸素や窒素に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できる元素です。ニオブはナトリウム蒸気ランプや水銀蒸気ランプの金属ゲッター材料として使用されます。
ジルコニウム：これは酸素や窒素に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できる元素です。ジルコニウムはナトリウム蒸気ランプや水銀蒸気ランプの金属ゲッター材料として使用されます。
バリウム-タンタル-チタン合金：これはバリウム、タンタル、チタンの合金で、酸素や窒素に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できます。この合金はナトリウム蒸気ランプやメタルハライドライトランプの金属ゲッター材料として使用されます。
赤リン：これは酸素や水蒸気に対して高い親和性を持ち、それらと安定した化合物を形成できる非金属元素です。赤リンは白熱電球や蛍光灯の非金属ゲッター材料として使用されます。
結論
ランプ材料とは、ランプまたはその部品を構築するために使用される物質です。それらは電気特性に基づいて絶縁材料と導電性材料に分類されます。絶縁材料はランプのバリアやエンクロージャーを形成し、導電性材料は光源への電気接続とサポートを提供します。一般的なランプ材料にはガラス、セラミックス、金属、ゲッター材料があります。それぞれの材料は異なる特性と機能を持ち、ランプの性能と外観に影響を与えます。ランプ材料の種類と特性を理解することで、特定のランプアプリケーションや設計に最適な材料を選択することができます。
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