JP3939745B2 - エネルギー変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定波長よりも長い波長の放射が抑制された放射体を備えるエネルギー変換装置に関し、特に電気エネルギーを光に変換するフィラメントを備えた白熱電球に関する。

照明光源として広く普及している白熱電球は、熱放射体(thermal radiator)として機能するフィラメントを有している、熱放射体は、熱放射(thermal radiation)によって電磁波を放出する放射源であり、熱放射は、物体の原子または分子に熱を加えることによって生じる放射（電磁波の輻射）である。熱放射エネルギーは、物体の温度で決まり、連続したスペクトル分布を持つ。以下、簡単のため、熱放射体を「放射体」または「フィラメント」と呼ぶことにする。

白熱電球は、演色性に優れ、簡単な使用器具によって点灯されるが、フィラメントの発熱による放射を利用するため、可視波長域の放射が全体の１０％程度と少ない（動作温度が例えば２６００Ｋの場合）。より具体的には、放射の全エネルギー密度に対する赤外放射のエネルギー密度の比率が７０％程度を占め、支配的である。また、白熱電球内の封入ガスによる熱伝導や対流による熱損失が２０％程度もある。このため、白熱電球の可視放射効率は１５ｌｍ／Ｗ程度と低い。そこで、放射体から放射される電磁波全体の約７０％を占めている赤外放射を抑制することにより、可視光放射の効率向上が検討されている。

この赤外放射を抑制し、ランプの効率向上を図るため、フィラメントの表面に微細な凹凸を形成することが効果的であるとの報告がなされている（例えば、特許文献１）。図６（ａ）および（ｂ）は、特許文献１に開示されている装置を示している。図６に示す装置は、タングステンの表面に一辺０．３５μｍの正方形形状を持つ深さ７μｍのキャビティ導波管が配列された構成を有している。このような構成を採用することにより、所定の波長（例えば７００ｎｍ以上の波長）よりも長い波長の放射をカットし、ランプ効率の向上が図られることになる。図６の構成によれば、ランプ効率は２０００Ｋから２１００Ｋの動作温度で従来の６倍に向上すると期待される。
特開平０３−１０２７０１号公報（第６頁左下欄）

熱平衡状態における熱放射のスペクトルは、プランクの放射則に従い、温度に依存する。図２は、黒体放射の温度依存性を示すグラフである。グラフの縦軸は、黒体の分光放射輝度Ｂ_λΔλ［単位：Ｗ・ｃｍ^-2ｓｔｒ^-1］（Δλ＝１０ｎｍ）であり、横軸は放射の波長［単位：μｍ］である。白熱電球の動作温度が例えば１６００Ｋの場合、そのフィラメントから放射される光の分光輝度分布は、グラフ中の「１６００Ｋ」が付された曲線で示される。この曲線によれば、ピークは波長２μｍ程度であり、赤外の放射比率が高いことがわかる。

図２から明らかなように、放射体の温度が１２００Ｋから２０００Ｋに上昇すると、可視域での放射が３桁以上向上するが、赤外域での放射はあまり変化しない。このことからわかるように、効率良く可視放射を得るためには、動作温度を２０００Ｋ以上に設定することが好ましい。特に放射体を照明光源として利用する場合は、動作温度が２０００Ｋより低いと赤みが強くなり、好ましくない。このため、放射体は、２０００Ｋ以上の高温動作に耐えられるタングステンなどの高融点材料から形成されている。

本発明者らが、微細な凹凸構造（以降、「キャビティ」と称する。）のアレイをタングステンの表面に形成し、種々の実験を行った。その結果、個々のサイズが１μｍ以下となる微細なキャビティのアレイが形成されたタングステンでは、タングステンの融点が３６５０Ｋにもかかわらず、１２００Ｋ程度の温度で短時間にキャビティアレイが破壊するという興味深い現象が観察された。

前述のように白熱電球のフィラメントは２０００Ｋ以上の高温で動作する必要があり、また、白熱電球の寿命は長期であることが要求される。赤外域の放射を抑制するために、キャビティアレイの構造をサブミクロンのサイズに微細化した場合に表面構造が消失するのでは、そのような放射体を白熱電球やその他の高温で動作する白熱電球に応用することはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、表面に内径５μｍ以下のキャビティ構造を有する放射体の寿命を延ばし、高温で長時間安定に動作する白熱電球を提供することにある。

本発明の白熱電球は、容器と、前記容器の内部に配置され、表面の少なくとも一部の領域に複数のキャビティが配列されたフィラメントとを備え、前記フィラメントにおける前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有し、前記容器の内部には、炭素原子を有する分子を含む気体が封入されている。

好ましい実施形態において、前記炭素原子を有する分子を含む気体は、炭化水素を含む。

好ましい実施形態において、前記炭化水素は、一般式Ｃ_nＨ_m（ｎ、ｍは整数）で表される。

好ましい実施形態において、ｍ＝２ｎ＋２の関係が成立する。

好ましい実施形態において、ｎは１以上３以下の整数である。

好ましい実施形態において、前記タングステンおよび炭素を含む層は、タングステンカーバイドを含む層である。

好ましい実施形態において、前記キャビティは、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する機能を有する。

好ましい実施形態において、前記キャビティは、円筒形状を有しており、前記円筒形状の直径は５μｍ以下である。

本発明のエネルギー変換装置は、容器と、前記容器の内部に配置され、表面の少なくとも一部の領域に複数のキャビティが配列された放射体とを備え、前記放射体における前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有し、前記容器の内部には、炭素原子を有する分子を含む気体が封入されている。

本発明の発電装置は、上記のエネルギー変換装置と、前記エネルギー変換装置から放射される放射を電気エネルギーに変換する素子とを備える。

本発明によれば、炭素を含むガスの働きにより、炭素およびタングステンを含む層の蒸発を抑制し、キャビティ構造の崩壊・消失を抑えることが可能になる。これにより、熱エネルギーを効率よく可視光に変化して放射する長寿命の白熱電球が実現される。

本発明者らが種々の実験を行ったところ、炭素およびタングステンを含む層（典型的にはタングステンカーバイドからなるタングステン化合物層）を放射体の表面に形成すると、キャビティアレイの熱的安定性が高められ、表面の微細構造が高温でも壊れず保持されることが確認された（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００１１３０：国際公開ＷＯ２００５／０９１３３５号）。従って、この放射体を白熱電球のフィラメントに用いると、白熱電球の長寿命が実現できると期待された。

しかしながら、本発明者らが更に実験を進めると、通常の不活性ガス雰囲気中ではタングステンカーバイドの蒸発がタングステン以上に進行してしまうため、期待される白熱電球の長寿命化が実現できないことがわかった。

本発明者は、炭素を含むガスを不活性ガス中に添加することにより、放射体の表面に存在するタングステンおよび炭素を含む層の重量減少を抑制できることを見出し、本発明を完成した。

本発明の白熱電球は、表面の少なくとも一部の領域に複数のキャビティ（マイクロキャビティ）が配列されたフィラメント（放射体）と、フィラメントを大気から遮断する容器とを備える。フィラメントにおける前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有し、容器の内部には、炭素原子を有する分子を含む気体が封入されている。タングステンおよび炭素を含む層の典型例は、タングステンカーバイド（ＷＣ）である。

この白熱電球では、フィラメントに電気的または熱的エネルギーが供給されると、そのエネルギーを放射体が放射エネルギーに変換する。本発明では、放射体の表面に存在す多数の微細なキャビティが、その寸法によって規定される所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する。このため、キャビティが存在しない場合に比べると、放射のスペクトルが所定波長以下の領域で相対的に強くなる効果が得られる。

このような放射体を備える装置は、電力を光に変換する照明光源としてだけではなく、太陽エネルギーのスペクトルを太陽電池による変化効率の高いスペクトルに変換するエネルギー変換装置としても利用され得る。

本発明では、フィラメントの容器内に封入されたガス（雰囲気ガス）が重要な働きを示すが、まず、フィラメントの表面に存在するタングステンカーバイド層が微細なキャビティの崩壊を抑制することを説明する。その後、炭素を含むガスが雰囲気ガスに添加することによって得られる効果を説明することにする。

＜タングステン化合物層の寿命試験＞
図３（ａ）は、本発明による白熱電球の実施形態に用いられる放射体３０１の表面を概略的に示す平面図である。図３（ｂ）において点線で囲まれた矩形部分は、放射体３０１の一部表面を拡大した模式図である。図３（ｃ）は図３（ｂ）のＩ−Ｉ'線断面図である。

放射体３０１は、全体として幅０．１ｍｍ、長さ１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのリボン形状を有しており、主にタングステンから形成されている。放射体３０１の表面には、直径０．７μｍ、深さ１．２μｍの円柱形状を有するキャビティ３１０のアレイが形成されている。これらのキャビティ３１０は、それぞれ、放射面に平行な面内において５μｍ以下（典型的には１μｍ以下）の寸法を有しているため、「マイクロキャビティ」と称する場合がある。

本実施形態では、このようなキャビティ３１０が放射体３０１の表面において略周期的に配列されており、その配列のピッチ（隣接する２つのキャビティの中心軸間の距離）は１．４μｍに設定されている。

このようなキャビティ３１０は、種々の微細加工技術を用いて形成可能であるが、本実施形態では、パルスレーザの照射によって作製している。このようにパルスレーザを用いて被処理物の表面に微細な凹部を形成する方法は、例えば特開２００１−３１４９８９号公報などに記載されている。本実施形態では、例えば０．１ｍＪのパルスエネルギーを有するパルス幅１００フェムト秒のレーザ光を照射して微細加工を行う。このようなレーザパルスの照射は、一つのキャビティ３１０を形成するために数十から数千回繰り返して実行される。

レーザ加工されるべき放射体３０１はＸ−Ｙステージ上に搭載される。このＸ−Ｙステージの動作と同期してレーザの照射を行なうことにより、図３に示すようなキャビティのアレイを形成することができる。Ｘ−Ｙステージの動作を高い精度で制御することにより、アレイの配列パターンを任意に設定することが可能になる。キャビティ３１０の内径および深さは、レーザパルスの照射エネルギー密度、ビームスポット径、照射回数などを調節することにより任意の大きさを付与できる。

なお、多数のキャビティを同時に形成するためには、半導体製造分野やＭＥＭＳで広く利用されているフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いてもよい。

図３（ｃ）に示されるように、放射体３０１の放射面において表面から深さ約１．８μｍまでの領域（表面領域）が、タングステンと炭素とを含む層（タングステンカーバイド［ＷＣ、Ｗ₂Ｃ］を含むタングステン化合物層であり、以下、単に「タングステン化合物層」または「ＷＣ層」とも言う）から形成されている。

本実施形態では、上記のタングステン化合物層を形成するために、タングステンの表面に対して浸炭処理を行なっている。浸炭処理は、金属などの表面を炭化する処理であり、種々の方法が開発されている。例えば、プラズマ浸炭は、炉体・断熱材を陽極、被処理物を陰極とし、アルゴン・水素とメタンやプロパンなどのメタン系炭化水素とを含む混合ガス雰囲気中で、両極間に高圧の直流電圧を印加し、グロー放電を発生させる。グロー放電で生じたプラズマ中での種種の電気化学的作用により、メタンやプロパンから生成されたイオンが被処理物表面に作用し、浸炭が行われる。他の浸炭技術と比べて、被処理物表面の活性化やクリーニング・還元といった効果がある。好ましい実施形態において、浸炭処理温度は、７００〜２９００Ｋ（例えば１４００Ｋ）、浸炭処理時間は４〜４８時間（例えば８時間）に設定される。浸炭処理の条件を調節することにより、形成されるタングステン化合物層の厚さを制御することができる。

上記のタングステン化合物層を形成する方法は、浸炭処理に限定されず、炭素のイオン注入や固相拡散によってタングステン中に炭素などの化合物構成元素を導入することによって行なっても良い。浸炭処理によって形成された層の厚さは１．８μｍ程度である。

以下、浸炭処理を施した放射体のキャビティ３１０の崩壊抑制効果を説明する。

表面に浸炭処理を施した放射体３０１と、表面に浸炭処理を施していない放射体（比較例）を用意し、約１０^-4Ｐａの真空中、２０００Ｋで１０分加熱した。その結果を図４（ａ）および（ｂ）に示す。図４（ａ）および（ｂ）のそれぞれは、比較例の加熱前における表面ＳＥＭ写真および加熱後における表面ＳＥＭ写真である。図４（ｃ）および（ｄ）のそれぞれは、本実施形態に係る放射体３０１の加熱前における表面ＳＥＭ写真および加熱後における表面ＳＥＭ写真である。図４（ｃ）および（ｄ）において示されている放射体の表面は、前述したタングステン化合物層から形成されている。

図４からわかるように、本実施形態に係る放射体のキャビティの構造は、加熱テスト後も全く変化しなかった。しかし、比較例の放射体ではキャビティ構造が崩壊し、その痕跡が認められない状態に至った。このことにより、タングステン放射体の表面に炭素を含む層を形成すると、キャビティアレイの熱的安定性が高められ、表面の微細構造が高温でも壊れず保持されることが確認された。

上記の例では、厚さが約２μｍのタングステン化合物層を用いているが、キャビティの熱的な安定性を高めるには、おそらく数十ｎｍ程度以上の厚さを有するタングステン化合物層があれば充分であると考えられる。

＜タングステン化合物層の寿命実験＞
次に、タングステンカーバイドからなるタングステン化合物層の寿命について行った実験の結果を説明する。本試験では、減圧Ａｒガス中および大気圧Ａｒガス中のそれぞれにおいて、タングステンカーバイド（ＷＣバルク）及びタングステン（Ｗバルク）のサンプルの加熱前後の重量変化を測定し、蒸発の有無を確認した。

本実験では、蒸発の有無を測定するため、図３に示すようなキャビティ３１０はサンプルの表面に設けず、円板状のサンプルを用いた。サンプルの寸法は、直径２０ｍｍ、厚さ４ｍｍである。加熱条件は２０２３Ｋ（１７５０℃）、１００時間とした。その結果を表１に示す。

表１では、ＷバルクおよびＷＣバルクの各々について、加熱前後で５回ずつ測定した重量［ｇ］、重量の平均値、および、加熱前後の平均値差が示されている。表１の（Ｉ）は、炉内が圧力１０^-4ＰａのＡｒガスで満たされている場合の測定結果を示し、表１の（ＩＩ）は、炉内が大気圧のＡｒガスで満たされている場合の測定結果を示している。表１では、「平均値」に対する「平均値差」の比率も重量ｐｐｍで示している。

表１の（Ｉ）、（ＩＩ）からわかるように、Ｗバルクの重量は減圧Ａｒガス中では僅かに減少しているが、大気圧Ａｒガス中では変化していない。一方、ＷＣバルクの重量は、雰囲気ガスの圧力に依存せずに減少している。重量の減少は、サンプルの表面層の少なくとも一部が蒸発したために生じたものであると考えられる。すなわち、ＷＣバルクの表面物質はＡｒガス雰囲気中での加熱によって蒸発する。したがって、フィラメントの表面にＷＣ層を形成していても、ＷＣ層が蒸発することにより、キャビティ構造が崩壊する可能性があるといえる。

＜タングステンカーバイド層の蒸発抑制手段＞
本実験では、前述の実験と同様に、キャビティが形成されていないＷＣバルクおよびＷバルクをサンプルとして用いた。各サンプルの寸法は、前述の実験と同様に、直径２０ｍｍ、厚さ４ｍｍであった。これらのサンプルを、炭素を含むガスを添加した不活性ガス中で加熱し、加熱前後の重量変化を測定した。加熱条件は２０２３Ｋ、５０時間とした。

雰囲気ガスは、体積比率で９９％のＡｒガスと１％のメタン（ＣＨ₄）ガスによって構成し、全体の圧力は大気圧に設定した。

表２は、ＷバルクおよびＷＣバルクについて、加熱前後に５回ずつ測定した重量、その平均値、及び加熱前後の平均値差を示す。表２では、加熱前後における平均値に対する平均値差の比率も重量ｐｐｍで示している。

表２からわかるように、加熱により、Ｗバルクの重量だけでなく、ＷＣバルクの重量も増加している。重量が増加する理由は、雰囲気ガス中に存在する炭素の働きにより、サンプルの表面で浸炭が生じる結果ではないかと推測される。

本実験結果から、雰囲気ガス中にＣＨ₄のようなメタン系の炭化水素ガスを僅かに添加するだけで、高温に加熱したＷＣバルクからの蒸発を抑制できることがわかる。この効果は、キャビティの表面にタングステンカーバイド層が形成されていても得られるものである。すなわち、放射体の雰囲気中にメタン系炭化水素などの炭素を含むガスを添加することにより、放射体の表面からＷＣまたはＣが蒸発することを抑制し、キャビティの崩壊を長時間抑制できる。

なお、本実施形態では炭素を含むガスとしてメタンを用いたが、プロパンなどの一般式Ｃ_nＨ_2n+2で表されるメタン系炭化水素（ｎは整数）、更には、一般式Ｃ_nＨ_mで表される炭化水素（ｎ、ｍは整数）を用いても同様な効果を期待できる。

＜キャビティアレイ構造＞
次に、図７を参照しながら、キャビティアレイを表面に形成したサンプルについて行った実験結果を説明する。

図７（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、加熱前のフィラメント、真空中で加熱したフィラメント、およびＣＨ₄ガス（１体積％）が添加された雰囲気中で加熱されたフィラメントに関するＳＥＭ写真を示している。上段の写真はサンプルの断面全体を示し、中段の写真はサンプルの表面付近の断面を拡大して示している。下段の写真は、サンプルの表面ＳＥＭ写真である。上段および中段のサンプルは、周囲を樹脂で覆っている。

加熱前のフィラメントの表面には、浸炭処理により、厚さ３μｍ程度のタングステンカーバイド層を形成した。各キャビティは、直径０．７μｍ、深さ０．７μｍの円柱形状の穴であり、配列ピッチ（隣接する２つキャビティの中心間隔）は、１．４μｍである。

加熱処理は、いずれの場合も、２０２３Ｋで２４時間行った。図７（ｂ）に示すように、減圧（１０^-4Ｐａ）中での加熱処理後、タングステンカーバイド層は蒸発し、キャビティアレイも消失した。タングステンカーバイド層が存在した部分は、樹脂層とタングステンとの間の部分に相当し、空隙が形成されている。

一方、図７（ｃ）に示すように、ＣＨ₄ガスが添加された雰囲気中での加熱処理後は、タングステンカーバイド層は蒸発せず、むしろ、その厚さが増加し、キャビティアレイも消失しなかった。タングステンカーバイド層が厚くなった理由は、雰囲気ガスからフィラメントの表面に炭素が供給され、タングステンの炭化（浸炭処理と同様の現象）が生じたためであると考えられる。

以上の実験から明らかなように、炭素を含むガスを雰囲気ガス中に添加することにより、約２０００Ｋを超える高温でも長時間キャビティアレイが消失することなく表面の微細構造が維持された。

＜本発明による電球の実施形態＞
次に、図１を参照しながら、本発明による白熱電球の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の構成例を示す図面である。

この白熱電球は、放射光を発するフィラメント（放射体）１０２と、フィラメント１０２を大気から遮蔽する透光性のガラスバルブ１０１と、フィラメント１０２に接続された電極を支持するステム１０８、１０９と、電極１０８、１０９を介してフィラメント１０２に電気的に接続され、フィラメント１０２に電源からの電力を供給するための構造とを備えている。

バルブ１０１の内部には、フィラメントの蒸発を抑制するため、不活性ガスとともにメタン系炭化水素からなるガスが封入されている。

図示される白熱電球によれば、フィラメント１０２のキャビティ構造が熱的に安定なため、２０００Ｋの動作温度でも赤外域放射の少ない分光分布を示す放射を長期間継続することが可能である。

図１を参照しつつ、この白熱電球の構成を更に詳しく説明する。

ガラスバルブ１０１の端部は封止部１０３が設けられており、封止部１０３の内には、モリブデンからなる金属箔１０４、１０５が封着されている。金属箔１０４、１０５の一端には、ステム１０８、１０９が接続されている。ステム１０８、１０９の一部は、封止部１０３に封着されている。ステム１０８、１０９のうち、ガラスバルブ１０１の内部に位置する部分は、フィラメント１０２の両端部に接続され、フィラメント１０２を支持している。フィラメント１０２は、ガラスバルブ１０１内の中心軸上に位置している。ステム１０８、１０９は、タングステンやモリブデンなどの高融点金属から形成されることが好ましい。

金属箔１０４、１０５の他端部には、モリブデンからなる外部リード線１０６、１０７の一端部がそれぞれ接続されている。外部リード線１０６、１０７の他端部は、ガラスバルブ１０１の外部に導出されている。

フィラメント１０２は、幅０．５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのリボンがコイルを形成している。コイルの寸法は、長さが４．１３ｍｍ、幅が１．４４ｍｍである。

フィラメント１０２の外表面には、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制するキャビティ構造が形成されている。このキャビティ構造は、直径０．４μｍ、ピッチ（キャビティの中心軸間の距離）０．８μｍ、深さ１．０μｍの円柱形状のキャビティ１２０のアレイから構成されている。キャビティ１２０は、フェムト秒レーザによって形成されている。

キャビティ１２０の直径を０．４μｍに設定することにより、その直径の約２倍の波長である０．８μｍ以上の波長領域の放射をカットオフすることが可能になる。キャビティ１２０の深さは、内径よりも大きいサイズを有していることが好ましい。キャビティ１２０は、フィラメント１０２の表面の全体に形成される必要はなく、フィラメント１０２の表面の少なくとも一部に形成されていればよい。

キャビティ１２０の形状は、円柱に限定されない。放射を抑制したい波長の半分の長さを一辺に持つ四角柱形状であってもよく、さらに放射を抑制したい波長の半分の長さの幅を持つ溝であってもよい。すなわち、所定の波長以上の放射を抑制することができる構造であれば、その形状は任意である。

可視光の発光効率を高めたい場合、カットオフ波長を７８０ｎｍに設定することが好ましい。ただし、カットオフ波長を短く設定することにより、可視光の長波長領域の一部をカットして、電球の色味を青っぽくしてもかまわない。

フィラメント１０２の表層には、タングステンおよび炭素を含む層（タングステン化合物層）が形成されている。この層は、前述した浸炭処理によって形成されている。タングステン化合物層の厚さは１．８μｍ程度である。キャビティ１２０の崩壊を考えると、キャビティの直径が５μｍ以下の場合、特に１μｍ以下の場合に顕著であり、タングステン化合物層の効果が顕著に発揮される。

ガラスバルブ１０１の内部には、不活性ガスとともにメタン系炭化水素からなるガスが封入されている。本実施形態では、体積比率で１％のメタンをアルゴンに加えたガスを常温時で０．１ＭＰａの圧力で封入している。「常温時」とは、白熱電球が放置される環境の室温のことである。

本実施形態では、メタン系炭化水素としての体積比率が１％となるメタンを封入しているが、より多くのメタンを封入しても良い。白熱電球の動作中に、ガラスバルブ１０１の内部に存在する不純物ガスや酸素と結合することにより炭素が消費され、タングステンカーバイドの蒸発抑制効果に寄与する炭素が欠乏する可能性がある。このため、長寿命を保証する目的で、炭素を含むガスの添加量を増加させても良い。

なお、本実施形態では、炭素を含むガスとしてメタンを用いているが、炭素含むガスはメタンに限定されず、プロパンなどの他のメタン系炭化水素であってもよい。なお、メタンやプロパンは支燃性ガスと反応するため、メタンは５％未満、プロパンは２％未満が好ましい。

炭素を含むガスを不活性ガスとともに封入した従来の電球としては、ハロゲン化炭化水素ガス（例えばＣＨ₃Ｂｒ）を用いるハロゲン電球が知られている。このようなハロゲン電球の内部では、ハロゲンが生成され、タングステンフィラメントの表面を浸蝕する。この現象は、ハロゲンアタックと称され、フィラメント表面の蒸発を促進し、フィラメントを断線させる問題を引き起こす。例えば、特許第２９１０２０３号明細書は、そのような問題に言及している。このように、従来から、炭素を含むガスが電球の内部に封入される場合はあったが、メタン系炭化水素のようなガスがタングステンカーバイドの蒸発を抑制することは知られていない。

本発明では、炭素を含むガスとしてハロゲン化物を添加しても良いが、ハロゲン化物の封入ガスに対する体積比率が全体の０．５％以上となることは好ましくない。炭素を含むガスがハロゲン化物の場合は、ハロゲン化物の封入ガスに対する体積比率が全体の０．５％未満になるように調節することが好ましい。

なお、炭素を含むガスに加え、種々の目的のため、他の元素が添加される封入ガス中に加えられていても良い。

タングステンカーバイドから形成された放射体を用いて白熱電球を製造する技術は、本出願人による国際出願（ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００１１３０：国際公開ＷＯ２００５／０９１３３５号）に開示されているが、その優先日より前にタングステンカーバイドをフィラメントとして利用する技術が報告されていない理由を、以下に説明する。

第１の理由は、タングステンカーバイドはタングステンよりも赤外域の放射率が高いことにある。赤外域の放射率が高いと、可視光の発光効率が低下し、可視光の発光効率を求める電球としては採用されない。第２の理由は、タングステンの融点（約３６５０Ｋ）に比べて、タングステンカーバイドの融点が約３１７５Ｋと数百Ｋ程度も低いことにある。

図５は、タングステンおよびタングステンカーバイドの赤外域における放射率を測定した結果の一例を示すグラフである。横軸は波長であり、縦軸は放射率である。図５からわかるように、タングステン（Ｗ）よりもタングステンカーバイド（ＷＣ）の方が赤外域での放射が強い。例えば波長２．５μｍにおけるタングステンの放射率は２０％であるのに対して、同一波長におけるタングステンカーバイドの放射率は７０％である。その結果、タングステンカーバイドからの放射全体に占める可視域光の比率が低くなってしまう。このため、タングステンカーバイドからフィラメントを作製すると、タングステンフィラメントよりも可視域における発光効率が著しく低下し、電球としては到底利用できなくなる。

白熱電球の開発史によれば、白熱電球が発明された初期の頃は、蒸発速度が大きく、しかも赤外放射率の高い炭素フィラメントを使用する電球（エジソンの炭素電球）が使用されていた。しかし、その後において炭素フィラメントは、金属の中で最も高い融点を持つタングステンフィラメントに置き換えられてきた。このような歴史的経緯から、タングステンよりも融点が低いタングステンカーバイドは使わないという技術常識が存在していた。このため、電球のフィラメントとして、放射効率が悪く、かつ、タングステンよりも融点が低いタングステンカーバイドを使用するべきではないと考えられてきた。

これに対し、本発明の放射体は、可視域における放射効率が相対的に低いタングステンカーバイドを敢えて用いている。しかし、表面に微細なキャビティ構造を具備しているため、赤外放射を充分に抑制することができ、タングステンカーバイドが本来的に示す高い赤外放射率を充分に低いレベルに抑制することが可能となる。また、放射効率が高まるため、タングステンフィラメントを使用する場合に比べて動作温度を低くすることもできる。これらのことから、従来からは使用されていなかったタングステンカーバイドを電球用のフィラメントとして好適に使用できるようになる。

特に、本発明では、封入ガスとして不活性ガスとともにメタン系炭化水素ガスが用いているため、フィラメント表面のタングステンカーバイド層の蒸発が抑制され、フィラメントの上面に設けたキャビティも崩壊せず、長時間の使用に耐える電球を実現できるようになる。

（実施形態２）
次に、本発明によるエネルギー変換装置の実施形態として、熱電変換装置（発電装置）を説明する。

図８は、本実施形態における熱電変換装置の構成を模式的に示している。図示されている装置は、太陽光（電磁波）などのエネルギーを外部から吸収し、特定波長の電磁波を放射する放射体４０と、この放射体４０を大気から遮断する容器４６と、放射体４０から放射される電磁波を受け取り、電気エネルギーに変化する変換器（例えば光起電力電池）４４とを備えている。図８の例では、放射体４０と変換器４４との間に不要な波長域を遮断するフィルタ４２が付加的に配置されている。容器４６の内部には、体積比率で１％のメタン（ＣＨ₄）と、９９％のＡｒガスとが封入されて、全体の雰囲気圧力は１気圧である。

放射体４０は、主としてタングステンから形成された本体部分を有しているが、その表面には、特定波長域の放射効率を高めるキャビティのアレイが形成されている。放射体４０の表面において、キャビティが形成されている部分には、実施形態１と同様に、タングステンおよび炭素を含む層（タングステンカーバイド層）が形成されている。このように放射体４０は、その表面に形成された微細構造により、特定波長の電磁波を選択的に放射するが、この特定波長は変換器４４が効率よく電磁波を吸収する波長域内に選択されている。

太陽熱を集光するなどの方法によって放射体４０を照射して放射体４０にエネルギーを供給すると、高温（例えば２０００Ｋ以上）に加熱された放射体４０から特定波長域の電磁波が放射される。このような電磁波の放射を、フィルタ４２を介して受けとった変換器４４は、効率よく電気エネルギーに変換することができる。

通常の太陽光には、変換器４４による変換効率の低い波長域の電磁波が多く含まれているが、本発明の放射体４０（およびフィルタ４２）を用いることにより、変換効率の高い波長域の電磁波を変換器４４に供給できるため、光−熱−電気変換システムにおける全体の変換効率が高められる。このような熱電変換装置は、光以外のエネルギーによって放射体４０を加熱することによっても電気エネルギーを生成できるため、光−熱−電気変換システム以外の発電装置に利用できる。

なお、このような波長選択性を有する放射体を用いる熱起電力発電システムは、特開２００３−３３２６０７号公報などに開示されているが、この特開２００３−３３２６０７号公報には、タングステン材料を用いた放射体しか開示されておらず、微細な構造が加熱によって崩壊・蒸発することについては何も言及されていない。

本実施形態によれば、放射体４０の表面におけるキャビティの熱的安定性が、タングステンおよび炭素を含む層と雰囲気ガス中の炭素によって高められているため、発電システムの信頼性を長時間にわたって高く維持することができるとともに、放射体４０のより高温での動作が可能になるため、発電システムの高出力化にもフレキシブルに対応できる。この結果、本実施形態の装置は、太陽光を利用する発電システムとして地球環境保護に大いに貢献することができる。

本発明の白熱電球は、高温においても長時間崩壊しないキャビティを有する放射体を備えるため、高効率で寿命の長い照明装置を提供できるので、一般照明として有用である。また、高効率の電球等が要求される店舗用等の用途にも応用できる。

本発明の実施形態１における白熱電球の正面図である。 黒体放射の分光放射輝度を示すグラフである。 （ａ）は、本発明において使用される放射体表面を示す平面図、（ｂ）は、その部分拡大図、（ｃ）は、（ｂ）のＩ−Ｉ'線断面図である。 （ａ）および（ｂ）は比較例の加熱前後における表面ＳＥＭ写真、（ｃ）および（ｄ）は本実施形態に係る放射体３０１の加熱前後における表面ＳＥＭ写真である。 タングステンおよびタングステンカーバイドの赤外域における放射率の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、キャビティアレイが表面に形成された放射体を備える従来の装置の上面図、（ｂ）は、その断面図である。 （ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、それぞれ、加熱前のフィラメント、真空中で加熱したフィラメント、およびＣＨ₄ガス（１重量％）が添加された雰囲気中で加熱されたフィラメントに関するＳＥＭ写真である。上段はサンプルの断面全体を示す断面ＳＥＭ写真、中段はサンプルの表面付近の断面を拡大した断面ＳＥＭ写真、下段はサンプルの表面ＳＥＭ写真である。 本発明による白熱電球の第２の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１０１ ガラスバルブ
１０２ フィラメント（放射体）
１０３ 封着部
１０４、１０５ 金属箔
１０６、１０７ 外部リード線
１０８、１０９ ステム
１１０ 封入ガス
１２０、３１０ キャビティ
３０１ 放射体

Claims (10)

1. 容器と、
   前記容器の内部に配置され、表面の少なくとも一部の領域に複数のキャビティが配列されたフィラメントと、
   を備え、
   前記フィラメントにおける前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有し、
   前記容器の内部には、炭素原子を有する分子を含む気体が封入されている、白熱電球。
2. 前記炭素原子を有する分子を含む気体は、炭化水素を含む、請求項１に記載の白熱電球。
3. 前記炭化水素は、一般式Ｃ_nＨ_m（ｎ、ｍは整数）で表される、請求項２に記載の白熱電球。
4. ｍ＝２ｎ＋２の関係が成立する、請求項３に記載の白熱電球。
5. ｎは１以上３以下の整数である、請求項４に記載の白熱電球。
6. 前記タングステンおよび炭素を含む層は、タングステンカーバイドを含む層である請求項１に記載の白熱電球。
7. 前記キャビティは、所定の波長よりも長い波長の放射を抑制する機能を有する、請求項１に記載の白熱電球。
8. 前記キャビティは、円筒形状を有しており、前記円筒形状の直径は５μｍ以下である請求項１に記載の白熱電球。
9. 容器と、
   前記容器の内部に配置され、表面の少なくとも一部の領域に複数のキャビティが配列された放射体と、
   を備え、
   前記放射体における前記領域は、タングステンおよび炭素を含む層を有し、
   前記容器の内部には、炭素原子を有する分子を含む気体が封入されている、エネルギー変換装置。
10. 請求項９に記載のエネルギー変換装置と、
    前記エネルギー変換装置から放射される放射を電気エネルギーに変換する素子、と、
    を備える、発電装置。

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