JP2003507878A - 光 源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガラス球（１）と、ガラス球（１）内に配置されたフィラメント（２）と、フィラメント（２）用の加熱装置（３）とを含み、フィラメント（２）は、可視光および熱放射の両方を放出し、電力と可視光出力との間の変換効率が高くなるように設計および構成されており、加熱装置（３）が、フィラメント（２）を間接的に加熱する加熱素子（４）を含む光源、特に白熱電球。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

本発明は、ガラス球と、ガラス球内に配置されたフィラメントと、フィラメン
ト用の加熱装置とを含み、フィラメントが、可視光および熱放射の両方を放出す
る光源、特に白熱電球に関する。

【発明の背景】

上記形式の光源は、長年にわたる実践から周知になっており、さまざまな構造
および寸法で存在している。これに関して言うと、たとえば、白熱電球が電気光
源として周知であり、これでは、タングステンフィラメントを電気ジュール熱で
可能な最高温度にすることが一般的である。この方法で温度放射が発生する。温
度が上昇すると、白熱フィラメントの光発生量が相当に増加する。それに加えて
、いわゆる非熱放射源、たとえば、不活性ガス、水銀、ナトリウムおよびメタル
ハライド放電ランプなどの高圧および低圧構造の放電ランプも周知である。 これまで知られているもののすべてにおいて、電気作動式の光源には、電力の
可視光出力への変換が非常に非効率的であるという欠点がある。変換は、３０％
を超えるにすぎない。消費電力の最大部分は、不経済的にも主に熱の形で消散す
る。 従来の光源の効率を増加させる可能性は、フィラメントまたはグローワイヤか
ら放射された熱をガラス球の内側で反射してフィラメントまたはグローワイヤに
戻すことにある。その結果、フィラメントまたはグローワイヤが一種のバックヒ
ートを行う。その結果、同一フィラメント温度に達した後に必要な電力が、反射
を伴わない加熱時より少なくなる。この場合、ガラス球を透過する可視光出力は
同じままである。理想的なケースでは、放出される可視光出力と、ガラス球によ
って吸収される熱消散とに対応する電力だけが必要であろう。したがって、反射
された熱放射分だけ変換効率が改善される。理論的には、タングステンランプの
約２５％の標準熱消散を基準とした場合で、ガラス球の内側の鏡面被膜の放射吸
収を無視した場合、それによって変換効率を７５％、すなわち１４０ルーメン／
ワットまで増加させることが可能である。これに関して、たとえば、誘電鏡面被
膜の吸収率は一般的に０．１％である。 ガラス球の内側の鏡面被膜の反射率がたとえば約９９．９％である場合、統計
的に鏡面被膜の材料に１０００分の１の光子が吸収されるであろう。したがって
、ガラス球内での放射光の反射の場合、光子束がガラス球の内側で１０００回反
射されるだけで、光子束がガラス球に完全に吸収されることになる。反射路上で
光子束がフィラメントまたはグローワイヤに衝突してそこで吸収される確率は、
反射ガラス球体積または反射ガラス球表面に対するフィラメント体積またはフィ
ラメント表面の比に比例する。 したがって、フィラメントの可能な最大バックヒートを達成するためには、大
きいフィラメント表面が存在して、ガラス球の内側で可能な最小限の反射が行わ
れた後に光子束がフィラメントに衝突してそこで吸収されるようにすることが好
都合であろう。 しかし、この場合、フィラメント表面を大きくすると、フィラメントの電気抵
抗が小さくなって、光放出に必要なフィラメント温度に達するためにフィラメン
トに必要な電流が、通常のフィラメント表面または通常のフィラメント断面積の
場合より相当に大きくなる点で不都合である。これによって、光源のユーザの安
全上の問題が生じるであろう。要約すると、可能な最大フィラメント表面と、そ
れに必要であるが不都合な大電流とに関するジレンマがある。 したがって、本発明の目的は、最初に記載した形式であって、簡単な手段で確
実に高い変換効率を達成できるようにする光源を記載することである。 上記目的は、請求項１の特徴機構を備えた光源によって達成される。したがっ
て、光源は、加熱装置が、フィラメントの間接的加熱を行う加熱素子を含むよう
に設計および構成されている。 本発明によれば、フィラメント用の個別の加熱素子の開発によって、上記目的
が驚くほど簡単に達成されることがわかった。この場合、フィラメントが加熱素
子によって間接的に加熱され、このことから、フィラメントをその電気抵抗作用
に無関係に構成できるという大きな利点が得られる。その結果、ガラス球の内側
から反射された熱放射に対して高い吸収能を示す大表面フィラメントを実現する
ことができる。フィラメントを加熱するために必要な装置は、フィラメントの形
状に無関係に実現することができる。したがって、安全に管理することができる
電流で作動する加熱装置を実現することも可能である。加熱装置とフィラメント
との間の電気接続がもはや必要ない。 したがって、本発明の光源は、簡単な手段で確実に高い変換効率を達成するこ
とができる光源を意味する。 熱放射に対する非常に好ましい可能な吸収作用に関して言うと、フィラメント
をストリップの形で、すなわち、ごく一般的には平形フィラメントとして設計お
よび構成することが可能であろう。その変更例として、フィラメントをごく一般
的に体積フィラメントとして、すなわち、空間体積を占める、あるいは体積を有
するフィラメントとして形成することができる。特に、カップまたは円筒形ジャ
ケットの形にフィラメントを形成することができる。これに関して言うと、完全
な円筒形ジャケットか、その一部分、特に半円筒形ジャケットとしての形状が可
能である。ほぼ完全な円筒形ジャケットの場合、そのようなジャケットを側部で
開く、すなわち、軸方向にスロットを設けてもよい。これは、フィラメントの熱
膨張作用の点で好ましい。 ガラス球の内側から反射された熱放射の特に効果的な吸収を保証するために、
円筒形ジャケットの、あるいはその一部分または半分の直径が、ガラス球の直径
よりわずかに小さくなるようにする。この場合は特に、ガラス球内のフィラメン
トをガラス球の長手方向軸線に対して同心状および／または同軸的関係に配置す
ることが可能であろう フィラメントは、その形状によっては、ガラス球の内部の空間を半分またはそ
れ以上に分割することができる。 ガラス球は、熱放射の吸収などによって発生した表面熱を、対流冷却または他
の強制冷却を使用して消散させることが可能であるような大きい外表面を有する
ことができる。フィラメントおよびガラス球の寸法および形状は、対応するよう
に互いに適応させることができる。 基本的に、フィラメントは、タングステンおよび／またはレニウムおよび／ま
たはタンタルおよび／またはジルコニウムおよび／またはニオブを含有すること
ができる。これに関して、光源特性のそれぞれの必要に合わせて調整を行うこと
ができる。フィラメントは、上記物質を焼結形態で含有することができる。 さらに、フィラメントは、少なくとも一部を非金属で構成することができる。
これは、フィラメントの機械的安定性を向上させることができる。 超高温表面温度および可視範囲での超高光流に対して、フィラメントの少なく
とも一部を炭化タンタルおよび／または炭化レニウムおよび／または炭化ニオブ
および／または炭化ジルコニウムで構成することができる。これによって、従来
のタングステンフィラメントランプに一般的な温度より高い表面温度に達するこ
とができるであろう。 具体的に言うと、加熱素子は、電流によって加熱される白熱素子にすることが
できる。フィラメントは、白熱素子の熱放射によって加熱される。白熱素子は、
フィラメントに関係なく、必要なランプ出力に適応させることができる。特に簡
単な方法では、白熱素子は、加熱コイルにすることができる。 白熱素子によるフィラメントの特に好都合な加熱に関して言うと、フィラメン
トによって形成された空間または半空間内、好ましくは円筒形ジャケットまたは
半円筒形ジャケット内に白熱素子を配置することができる。これに関して、白熱
素子から放射された熱のほぼ最大部分がフィラメントによって吸収される。フィ
ラメントが、断面で開いた形態として、たとえば半円筒形ジャケットとして構成
されている時、白熱素子は、光の発生を追加するのにも役立つことができるであ
ろう。この場合、白熱素子は、フィラメントの形状によって予め定められた方向
に放射する。光源は、フィラメントが光放出に必要な温度まで加熱される前に光
を放出することができるであろう。したがって、光源の始動と光放出との間の時
間遅れが大幅に避けられる。 特に簡単な方法では、白熱素子をタングステンで形成することができる。この
場合、従来のタングステン加熱コイルを使用することが可能である。 構造的に非常に簡単な方法では、フィラメントを加熱素子または白熱素子用の
電源導体に取り付けることができ、これによってガラス球内にフィラメント用に
追加される保持手段をなくすことができる。 加熱された白熱素子によるフィラメントの加熱の代替として、またはそれに追
加して、フィラメントを間接的に加熱するために、ガラス球の内側または外側に
磁気誘導体を配置することができる。それによっても同様に、フィラメントの間
接的な加熱が簡単に可能になる。 可視光を透過するガラス球の内側の反射作用を最適化するために、ガラス球の
内側に鏡面被膜を設けることができる。特に好ましい方法では、それを誘電多層
被膜にすることができる。それによって、スペクトル選択鏡面被膜が存在し、こ
れは主に熱放射部分を反射し、可視放射光部分を透過する。 白熱素子を完全には包囲していないフィラメントの場合、熱放射も白熱素子か
ら直接的にガラス球の内側へ放出される。熱放射は、この内側からフィラメント
上へ反射される。 同様に、フィラメントから放出された熱放射は、ガラス球の内側から反射され
、したがってフィラメントのバックヒートに役立つ。全体として、本発明の光源
は、ガラス球が赤外線用の内部加熱放射炉を形成している放射炉ランプと言うこ
とができる。 フィラメントの可能な大表面によって、高い光出力を有する光源を構成するこ
とができる。同様に、フィラメントまたは白熱素子の表面温度に関係なく、光源
の色温度を調整することができる。これは、ガラス球から放出される放射光出力
の伝達スペクトル分布を、したがって色温度を予め決定することができるスペク
トル選択鏡面被膜によって行うことができる。 同じ光出力の従来の光源と比較して、一方では白熱素子の放射出力全体を可視
放射光出力と光源の熱消散率との合計に対応させるだけでよいので、特に白熱素
子およびフィラメントの両方の表面温度を下げることができる。しかし、それは
、当該技術分野の同程度の温度放射体の全放射出力より、反射されてから再吸収
された熱放射分または赤外線出力分だけ少ない。ステファン・ボルツマンの法則
に従って、全比熱放射は温度の関数であり、したがって、本発明による光源の白
熱素子は、当該技術分野の同程度の熱光源の直接的に加熱されたフィラメントと
比べて低い温度で作動することができる。他方、同様に比較すると、同程度の可
視光流をフィラメントの大きく低温の表面で発生することができるため、フィラ
メントの表面温度を低温に調整することができる。これに関して、フィラメント
表面は、新規な追加的構造自由度を生じる。 フィラメントを比較的低温で作動させることができるが、また、それに伴って
フィラメント材料の蒸発も比較的低く抑えることができるが、ガラス球の内側に
できる限り接近した非常に大きい表面であるため、妨害蒸発が発生する可能性が
ある。フィラメント材料が蒸発してガラス球の内側に沈着する結果、ガラス球の
内側またはガラス球の内側の鏡面被膜の反射率が低下し、ガラス球または鏡面被
膜の吸収率および熱消散率がそれぞれ増加する。したがって、フィラメント材料
の蒸発をできる限り最小に抑えることが望ましい。 フィラメント材料の蒸発を最小限に抑えるために、ガラス球に不活性ガスおよ
び／またはハロゲンガスを入れることができ、ハロゲンガスは臭素および／また
はヨウ素を含有している。それによって、タングステンフィラメントの場合の通
常のヨウ化タングステン循環を発生することができるであろう。 蒸発問題の別の解決策として、フィラメントおよび／または白熱素子を、フィ
ラメントおよび／または白熱素子の材料より高い融点を有する被覆材料で被覆す
ることができる。これは、固体の融点以上の温度依存型蒸気圧の依存性にある。
さらに、被覆材料の付着層は、標準フィラメント材料または白熱素子の材料の付
着層より低い吸収率を示すことができる。融点が非常に高い被覆材料として、た
とえば、炭化タンタルおよび／または炭化レニウムおよび／または炭化ニオブお
よび／または炭化ジルコニウムを使用することができるであろう。 構造的に必要とされる大きいフィラメント表面の結果として、光源から非常に
高い光流を発生して放出することができ、したがって、大きい建物内部または屋
外区域を本発明による１つの光源だけで照明することができる。 本発明の教示を好都合に改良してさらに発展させるさまざまな可能性が存在す
る。このために、一方では請求項１に従属した請求項を、他方では図面を参照し
た好適な実施形態の以下の詳細な説明を参照することができる。図面を参照した
本発明の好適な実施形態の詳細な説明で、教示の一般的に好適な改良およびさら
なる発展を示す。

【発明の実施の形態】

図１は、本発明による光源の実施形態の側部斜視図である。光源は、白熱電球
として設計および構成されており、フィラメント２を収容しているガラス球１を
含む。フィラメント２を加熱するために、加熱装置３が設けられており、これが
電流を与える。加熱されたフィラメント２は、可視光と熱放射の両方を放出する
。加熱されたフィラメント２の温度は、摂氏約３，０００度になるであろう。 光源の高い変換効率と共に信頼性の高い作動を得るため、加熱装置３は、フィ
ラメント２を間接的に加熱する加熱素子４を含む。加熱素子４は、らせん形の白
熱素子であり、たとえば、タングステンで構成することができる。フィラメント
２は、ほぼ円筒形ジャケットの形で実現され、したがって、ガラス球１の内側か
ら反射された熱放射に対する大きい吸収表面を有する。その結果、フィラメント
２は反射された熱放射によって効果的にバックヒートされる。これによって、同
じ光出力において、加熱素子４に対して従来の光源の場合に必要な温度より低い
温度を選択することが可能になる。したがって、本発明の光源は、従来の光源よ
り少ないエネルギで、したがって経済的に作動することができる。 シリンダジャケットの形のフィラメント２は、加熱素子４用の電源導体５に簡
単に取り付けられている。らせん形の加熱素子４すなわち白熱素子は、フィラメ
ント２に対して同心状かつ同軸関係に配置されている。フィラメント２は、ほぼ
管状のガラス球１に対して同心状かつ同軸関係に配置されている。円筒形ジャケ
ットまたは管の形のフィラメント２は、タングステンから形成される。 ガラス球１の下端部に、電流を供給するための電気接点６が設けられている。
電気接点６は、ガラス球１の下端部と一緒に融合されている。 フィラメント２の直径は、ガラス球１の直径よりわずかに小さいだけである。 ガラス球１の内側に鏡面被膜７が設けられている。鏡面被膜７は、加熱素子４
および／またはフィラメント２から放出された熱放射を有効に反射するために使
用される。 加熱素子４および／またはフィラメント２は、融点が非常に高い材料製の被膜
を含むことができる。これによって、フィラメント材料および／または加熱素子
材料の蒸発を減少させることができるであろう。 図２は、図１の実施形態の上面図である。この図面から最もよくわかるように
、フィラメント２は、ガラス球１内にほぼ同心状の関係に配置されており、加熱
素子４はフィラメント２内のほぼ中心に配置されている。 本発明に従った教示のさらなる好適な改良およびさらなる開発に関連して、一
方では本説明の包括的部分が、他方では添付の請求項が参照として援用される。 最後になるが、以上の任意に選択されただけである実施形態は、本発明の教示
を説明するためだけに使用され、それが本実施形態に制限されないことを明確に
強調する必要がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従った光源の実施形態の側部斜視図である。

【図２】 図１の実施形態の上面図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年９月１０日（２００１．９．１０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス球（１）と、該ガラス球（１）内に配置されたフィラ
   メント（２）と、該フィラメント（２）用の加熱装置（３）とを含み、前記フィ
   ラメント（２）が可視光および熱放射の両方を放出する光源、特に白熱電球であ
   って、 前記加熱装置（３）は、前記フィラメント（２）を間接的に加熱する加熱素子
   （４）を含むことを特徴とする光源。
2. 【請求項２】 前記フィラメントは、ストリップの形に、すなわち表面フィ
   ラメントとして構成されていることを特徴とする請求項１記載の光源。
3. 【請求項３】 前記フィラメント（２）は、カップまたは円筒形ジャケット
   の形に、すなわち体積フィラメントとして構成されていることを特徴とする請求
   項１記載の光源。
4. 【請求項４】 前記フィラメントは、半円筒形ジャケットとして構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の光源。
5. 【請求項５】 前記フィラメント（２）は、開放した長手方向スロット付き
   円筒形ジャケットとして構成されていることを特徴とする請求項１記載の光源。
6. 【請求項６】 前記円筒形ジャケットまたは半円筒形ジャケットの直径は、
   前記ガラス球（１）の直径よりわずかに小さいだけであることを特徴とする請求
   項３乃至５の１項記載の光源。
7. 【請求項７】 前記フィラメント（２）は、前記ガラス球（１）内に同心状
   の関係に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の１項記載の光源。
8. 【請求項８】 前記フィラメント（２）は、前記ガラス球（１）の長手方向
   軸線に対して同軸的関係に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の１
   項記載の光源。
9. 【請求項９】 前記フィラメント（２）は、タングステンおよび／またはレ
   ニウムおよび／またはタンタルおよび／またはジルコニウムおよび／またはニオ
   ブを、好ましくは焼結形態で含有することを特徴とする請求項１乃至８の１項記
   載の光源。
10. 【請求項１０】 前記フィラメントは、少なくとも一部が非金属で構成され
    ていることを特徴とする請求項１乃至９の１項記載の光源。
11. 【請求項１１】 前記フィラメントは、少なくとも一部が炭化タンタルおよ
    び／または炭化レニウムおよび／または炭化ニオブおよび／または炭化ジルコニ
    ウムで構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の１項記載の光源。
12. 【請求項１２】 前記加熱素子（４）は、電流によって加熱される白熱素子
    であることを特徴とする請求項１乃至１１の１項記載の光源。
13. 【請求項１３】 前記白熱素子は、加熱コイルであることを特徴とする請求
    項１２記載の光源。
14. 【請求項１４】 該白熱素子は、前記フィラメント（２）によって形成され
    た空間または半空間、好ましくは円筒形ジャケットまたは半円筒形ジャケット内
    に配置されていることを特徴とする請求項１２または１３記載の光源。
15. 【請求項１５】 前記白熱素子は、タングステンで形成されていることを特
    徴とする請求項１２乃至１４の１項記載の光源。
16. 【請求項１６】 前記フィラメント（２）は、前記加熱素子（４）用の電源
    導体（５）に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至１５の１項記載
    の光源。
17. 【請求項１７】 前記フィラメントの間接的加熱用に、前記ガラス球内に磁
    気誘導体が配置されていることを特徴とする請求項１乃至１６の１項記載の光源
    。
18. 【請求項１８】 前記フィラメントの間接的加熱用に、前記ガラス球の外側
    に磁気誘導体が配置されていることを特徴とする請求項１乃至１７の１項記載の
    光源。
19. 【請求項１９】 前記ガラス球（１）は、その内側に鏡面被膜（７）を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１８の１項記載の光源。
20. 【請求項２０】 前記鏡面被膜（７）は、誘電多層被膜によって形成されて
    いることを特徴とする請求項１９記載の光源。
21. 【請求項２１】 前記ガラス球（１）内に不活性ガスおよび／またはハロゲ
    ンガスが入っていることを特徴とする請求項１乃至２０の１項記載の光源。
22. 【請求項２２】 前記ハロゲンガスは、臭素および／またはヨウ素を含有す
    ることを特徴とする請求項２１記載の光源。
23. 【請求項２３】 前記フィラメント（２）および／または白熱素子は、フィ
    ラメント材料および／または白熱素子の材料より高い融点を有する被覆材料で被
    覆されていることを特徴とする請求項１乃至２２の１項記載の光源。
24. 【請求項２４】 前記被覆材料は、炭化タンタルおよび／または炭化レニウ
    ムおよび／または炭化ニオブおよび／または炭化ジルコニウムを含有しているこ
    とを特徴とする請求項２３記載の光源。