水銀灯・バラストレス水銀灯

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水銀灯の概要

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水銀灯はHID照明としてもっとも普及している放電ランプである。水銀とアルゴンを発光管内に封入し、高い水銀蒸気圧で放電するよう設計されたHIDランプで、安価で寿命が長く大光束を得られるため、一般照明用、投光照明用として広く使用されている。白熱電球よりも高効率長寿命で、約12,000時間の寿命がある。

メタルハライドランプと比較して光束は小さいが保守率が高く、8,000時間点灯時の光束維持率が80%を超えるという運用上の利点があるので、長期間ランプ交換をしない場所に適している。

大光束の照明を得たい場合に採用され、高い輝度で大空間を照らす用途として一般的である。演色評価数が低いため、照射対象の色を正確に表現できない。道路や公園、広場など、演色性よりも効率性を重視する空間の照明として適している。

投光照明として利用する場合、照射対象の色表現が必要であれば、水銀灯ではなくセラミックメタルハライドランプなど演色性の良いランプを利用するのが良い。リフレクタ付きランプや調光ランプなど用途に応じた種類があり、簡素なホルダで点灯でき、かつランプ本体の単価も安価なため、仮設照明としても広く採用されている。

近年はLEDの性能向上が著しく、LED照明が幅広く使用されるようになり水銀灯からの置き換えが進んでいるが、水銀灯は非常に安価なため、まだ現役で使用されている照明である。

水銀灯の種類

水銀灯には「透明形」と「蛍光形」があり、ガラス面の加工方式によって分類されている。演色評価数や色温度に違いがある。

透明形水銀灯

透明形水銀灯は、電球表面が透明になっており、緑がかった青白色の光を放ち、色温度は5,700Kの青白い光を放つ。演色評価数はRa14しかないため、照射対象の色は全て青白くなり、本来の色を表現する事は不可能。

蛍光形水銀灯

蛍光形水銀灯は、ガラスの内面に蛍光体を塗布した水銀灯である。色温度は4100Kとなり、温白~昼白色の光を放つ。演色評価数はRa40まで改善されており、ライトアップにも使用できる。

水銀灯の構造と点灯原理

水銀灯は、発光管を外管に収容した二重構造となっており、メタルハライドランプと同様の形状である。発光管内部には、水銀とアルゴンが封入されており、高い水銀蒸気圧が保たれている。

発光管の両端には、タングステン製の主電極と補助電極が設けられ、電圧を印加すると補助電極と主電極の間に放電が発生する。補助電極は主電極の加熱・保温に用いられ、温められることで電子の放出が促進される。主電極間で放電が安定すると、補助電極と主電極の放電は停止し、主電極間の放電が継続する。

放電によって発生した電子は水銀に接触し、紫外線を多量に放出し、外管内面に塗布された蛍光塗料に紫外線が衝突することで発光する。

外管は紫外線によって発光する蛍光塗料が塗られており、この部分までは紫外線が強く放出されている。もし外管が破損した状態で点灯させると、水銀灯から紫外線が多量に外部に漏れ、人体に悪影響を及ぼすおそれがあるので、損傷した水銀灯は使用せず必ず交換すべきである。ランプが割れた状態で使用してはならない。

水銀灯安定器の原理

水銀灯の発光には安定器が必須で、ランプとソケットだけでは点灯させられない。安定器によって放電が安定して継続し、ランプの点灯を継続できる。

チョークコイルや磁気漏れ変圧器を用いた低力率形と、コンデンサによる力率改善が施された高力率形に分類されているが、新規に採用する場合は高力率形が一般的である。高力率形でも大きな始動電流が流れて回路に負担を及ぼすため、始動電流を低減した低始動電流安定器も存在する。

水銀灯の始動時間と再点灯

水銀灯を点灯させるには、通電後約5分の時間が必要である。始動時は主電極と補助電極のグロー放電が発生し、アーク放電に移行し水銀蒸気圧が高くなるまでは、輝度の低いぼんやりとした光しか放出されない。一定時間経過し、水銀蒸気圧の上昇に伴って輝度が著しく高くなる。

水銀灯は再始動する場合にも時間が必要で、消灯や瞬時電圧低下による立ち消えが起きると、再点灯させるためには再度5分程度の時間を要する。これはHID照明全般における特徴であり、点灯していた水銀灯はガラス管内の水銀蒸気圧が高く、かつ温度が上昇している状態となっていて、再点灯するための放電が発生しない。再点灯するためには、時間を経て発光管の温度が低下し、水銀蒸気圧が低くなるのを待つ必要がある。

セラミックメタルハライドランプや、エコセラといった高効率HID照明では、再始動時間が長い製品があるため注意が必要である。エコセラなど三重管方式となっている製品では放熱性能が悪く、再始動時間25分という極めて長い設定がなされている。周囲に放熱を阻害するような覆いがある製品では、ランプ温度が低下しにくく、再点灯までに時間が掛かる。

水銀灯と安定器の寿命・耐用年数

水銀灯はランプ寿命6,000~12,000時間を有する長寿命照明で、年間3,000時間定時の点灯であれば、2~4年という長い交換周期を持っている。

対して水銀灯安定器は、JISに定められた標準条件で安定器を使用した場合、平均寿命は40,000時間とされている。照明メーカーは照明器具の交換推奨時期を10年程度としているが、毎日4,000時間程度の点灯であれば、10年間は特段の支障なく使用できる。

実際の現場では、安定器を20年以上という長い期間使用している場合もあるが、安定器から異音や振動が発生し、焼損につながるおそれがあるため早期交換が望まれる。

安定器の寿命は、安定器を校正する巻線、コンデンサ、絶縁物の耐用年数によって決まる。変圧器本体などでも同様であるが、絶縁物は温度が高くなるほど寿命が低下しやすい特性を持っているため、高温多湿の場所に安定器を設置したり、異常電圧による発熱を経験すると、期待寿命が大きく損なわれる。

巻線温度が安定器の寿命に影響し、常に巻線温度80℃以下に維持できれば、安定器を30~40年使用することも可能とされている。しかし、常に低温状態を維持できることは稀であり、周囲温度40℃以下という定格条件において、安定器寿命は8~10年と規定している。

安定器は天井裏に設置されることが多いが、ホコリの堆積、断熱材に覆われるなど、放熱を阻害する原因によって安定器本体が異常発熱し、寿命が短くなることが多々ある。寿命末期の水銀灯ランプを使用すると、温度上昇のおそれが高くなるため、安定器への負担が大きくなる。

電源電圧による水銀灯ランプの寿命変動

水銀灯は、定格電圧で動作させることを前提に設計されているため、供給電圧が高くても低くても寿命が短くなる。メーカーの製品によって若干の違いがあるが、5%の電圧変動で、寿命も同様に3~5%の低下、10%以上の電圧変動で、15~20%の寿命低下を引き起こす。

供給する電源電圧が高すぎると、電極や発光管の消耗が著しい過負荷点灯状態となる。電圧が低すぎる場合も、始動性能が悪くなるため始動電圧異常となり、同様に寿命が低下する。

水銀灯のランプと安定器の価格

近年は水銀灯のLED代替が進んでいるが、現在でも数多くのユーザーが水銀灯を利用しているため、ランプや安定器は供給が続けられている。LEDはイニシャルコストが高いため、新設する照明着として水銀灯を選択するユーザーも数多く存在する。

下記はカタログ定価ベースにおける水銀灯の価格と安定器の価格である。購入個数のまとまりによって価格は変動するが、希望小売価格として一般的に設定されている数値を紹介する。

  • 40~100形:3,000~4,000円(安定器 12,000~13,000円)
  • 200形~400形:4,500~6,500円(安定器 17,000~26,000円)
  • 700形:10,000~11,000円(安定器 30,000~42,000円)
  • 1,000形:14,000~15,000円(安定器 37,000~49,000円)

ランプは、透明形よりも蛍光形の方が価格は高くなる。安定器は、一般型よりも低始動電流型の方が高性能のため価格設定が高くなる。

水銀灯の消費電力と電気代の試算

水銀灯は蛍光灯同様、ランプのW数に対して安定器損失を加えた電力を必要とする。小型の水銀灯では40Wから、スタジアムやゴルフ場などで使用する1000W級の製品まで、多様なラインナップがあるが、これらから選定したランプ定格電力に対し、接続する安定器の損失分を加算する。

水銀灯への入力電力はランプ定格電力の20%となっており、定格電力80Wの水銀灯であれば、入力電力は96W程度となる。水銀灯は始動時に大きな電流が流れる特性があり、その瞬間は消費電力も大きくなるが、この数値を正確に計算できない。

水銀灯は「白熱電球より省エネルギー」「蛍光灯より大光束を得られる」というメリットがあったが、現在ではLED照明が爆発的に普及し、超小型照明から大型照明まで幅広くラインナップされるようになった。LED照明によって水銀灯を代替可能となり、新規案件でも水銀灯を選択する機会が少ない。

水銀灯をLED照明に交換することで、消費電力は1/4程度まで削減することが可能とされており、即時点灯・立ち消え防止・発熱量低減など、LEDへの交換に数多くのメリットがある。

100Wの水銀灯を10時間点灯させた場合、電気代を22円/kwhとして計算すると、100W / 1000 × 22円/kwh × 10時間 = 22円の電気代が掛かる。1時間あたりに換算すると2.2円程度である。

水銀灯のLED代替計画と注意点

水銀灯は歴史が古く、長期に渡り効率化が図られてきたが、現在ではセラミックメタルハライドランプやLEDランプが開発され、省エネルギーの観点から水銀灯の置き換えも進んでいる。

セラミックメタルハライドランプは効率が高く、100lm/Wという高効率であり、水銀灯から置き換えることで消費電力の低減が可能。交換により電気エネルギーの削減につながる。照明用途のLEDも高効率化が進み、70lm/Wを超えるような高効率な製品が開発されている。今後数年を掛けて効率を改善し、150~200lm/Wという超高効率化に向けて開発・研究が進められている。

水銀灯とLED照明の比較

水銀灯をLEDに交換する場合、同一の照度を確保するための消費電力は、60~70%削減可能。400Wの水銀灯を使用している場合、100~130W程度の消費電力にまで低減可能であり、消費電力の削減だけでなく、電源配線への負担を低減することもでき非常に合理的である。

水銀灯の寿命は12,000hであるが、LED照明は40,000~60,000時間と極めて長寿命であり、8~10年はランプ交換が不要である。大出力の水銀灯ランプは高所など交換が難しい場所に設置されることが多いので、ランプ交換のメンテナンス労務の削減というメリットも期待できる。

他にも数多くのメリットがあり、器具本体からの発熱量低減による換気・空調負荷の低減、水銀灯にはない即時点灯性の良さ、多様な色温度の選定が可能、演色性の高さにより商業施設などでも使用可能など、水銀灯からLEDに交換することで、大きな環境性の向上を図れる。放出する紫外線量が少ないため虫をあまり寄せないという効果もある。

水銀灯をLEDに置き換える場合、本体の重量が非常に大きくなる点には注意が必要である。LED照明は高温に弱いため、放熱機構が照明器具の大部分を占める。400W級の水銀灯であれば、その重さは3~4倍である。天井材や支持材に大きな負担を与える事が考えられるため、落下防止にも配慮が必要である。

LED照明は高温に弱く、一般のLED器具は35℃以上の周囲温度空間に設置すると、寿命が著しく短くなる。本来40,000~60,000時間の長寿命を持つLED照明は、周囲温度が上昇することにより、期待寿命を大きく下回り、場合によっては10,000時間以下で不点灯となる事も考えられる。

体育館や天井の高い工場など、高所は周囲温度が40~60℃という高温になっていることがあるので、有効な熱抜き処理をするか、空調された空間でなければLED照明の能力を発揮できない。設置する場合は周辺温度に十分注意を要する。

バラストレス水銀灯

バラストレス水銀灯は、水銀灯を点灯させるために必須な安定器をランプに内蔵することで、別置きの安定器を省略できる水銀灯である。演色評価数はRa49程度を示す。水銀灯特有の青みの強い光と、電球のような赤い光を混合した、カクテル光を放出する。

バラストレス水銀灯に電圧を印加した瞬間、フィラメントが点灯するため一定の明るさを確保できる。発光管は約3分で安定するため、すぐに所定の明るさを確保できる。再点灯時間も5分程度と、HID照明の中では早いといえる。

バラストレス水銀灯の寿命は一般水銀灯よりも若干短いが、6,000~9,000時間の寿命を持っている。白熱電球と比較すれば、非常に長い寿命といえる。

バラストレス水銀灯は、発光管とフィラメントが二重点灯するので、口金に近い側と、電球先端の発光は違って見える。均一に光が必要な環境には向いていないため、選定には注意が必要である。安定器の設置された回路に取付けられないため、既存の水銀灯回路を改修する場合は安定器を取り外す必要がある。

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