JP2005276556A

JP2005276556A - 白熱電球およびフィラメント

Info

Publication number: JP2005276556A
Application number: JP2004086224A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Okubo; 和明大久保; Mitsuhiko Kimoto; 光彦木本; Makoto Horiuchi; 誠堀内; Yuriko Kaneko; 由利子金子; Mika Sakagami; 美香坂上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】シミュレーションツール等を使用せずに、簡単な構成で均一な温度分布が得られる直線フィラメントを用いた白熱電球およびフィラメントを提供すること。
【解決手段】白熱電球の直線フィラメントに、ステムに挟まれた直線フィラメントの少なくとも一つの端部に所定の大きさのくびれ部分を有することにより、直線フィラメントの温度分布を均一できる。
【選択図】図１

Description

本発明は本発明は、電球及びフィラメントに関する。

白熱電球は、演色性に優れ簡単な使用器具で点灯でき、また歴史的に長く使用されている関係で広く普及している。しかし、フィラメントの発熱による放射を利用する白熱電球は、可視波長域の放射が全体の１０％程度で、それ以外は赤外放射である。このため、ランプ効率は１３（ｌｍ／Ｗ）程度と低いため効率の向上という課題があった。

従来のフィラメントにおいて、フィラメントにくびれやスリットをいれて、長さ方向の温度分布を調整するものがあった（例えば、特許文献１）。図３は、特許文献１に記載されているフィラメントの構成を示すものである。リボン状フィラメントに複数の溝穴を入れることで電流密度分布を制御でき、フィラメントを所望の温度分布にすることができる。
特開２０００−１１８５４号公報（段落番号００２９、図７を参照）

しかしながら、リボン状フィラメントに複数の溝穴を入れるため、構成上非常に複雑になるという課題があった。また、リボン状フィラメントを所望の温度にするため、溝穴の設計にシミュレーションを用いなければならず、非常に手間がかかるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、シミュレーションツール等を使用せずに、簡単な構成で均一な温度分布が得られる直線フィラメントを用いた白熱電球およびフィラメントを提供することにある。

上記従来の課題を解決するため、本発明に係る白熱電球は、直線フィラメントと、前記直線フィラメントの両端に接続された一対のステムと、前記直線フィラメントを取り囲むように設けられたバルブとを備え、前記直線フィラメントは、前記一対のステムに挟まれた部分の少なくとも一方の端部にくびれ部を有し、当該くびれ部は、前記フィラメントの材料の比抵抗温度係数をαとし、前記フィラメント中央部の温度をＴ_Ａ、くびれ部が無い場合の前記くびれ部の位置での温度をＴ_Ｂとした場合、前記くびれ部の前記直線フィラメントの長手方向に垂直な断面積Ｓ_Ｂが、くびれ部が無い場合の前記直線フィラメントの長手方向に垂直な断面積Ｓ_Ａに対して、

である。

好適な実施形態として、前記くびれ部は、前記直線フィラメントの前記一対のステムに挟まれた部分の両端部のそれぞれに設けられている。

好適な実施形態として、前記ステムと前記直線フィラメントとの接続部と前記くびれ部とは、所定の距離が離れている。

好適な実施形態として、前記直線フィラメント表面にはマイクロキャビティアレイが形成される。

好適な実施形態として、前記直線フィラメント表面にはフォトニック結晶の構造体が設ける。

本発明に係るフィラメントは、直線構造であって、当該直線構造の少なくとも一方の端部に、当該一端の端部から中央部へ所定の距離入った箇所にくびれ部を有する。

以上のように本発明は、白熱電球の直線フィラメントに、ステムに挟まれた直線フィラメントの少なくとも一つの端部に所定の大きさのくびれ部分を有することにより、直線フィラメントの温度分布を均一できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電球を示すものである。

図１において、直線フィラメント１０１はタングステンをリボン形状に加工したものであり、従来の白熱電球との大きさの互換性を考えると寸法は長さ５〜３０ｍｍでることが実用的である。本実施形態においては、寸法１９ｍｍを用いた。厚さは０．０５ｍｍ、幅は０．１７ｍｍである。なお、直線フィラメントは、本実施形態のリボン形状だけでなく、棒形状でも良い。一対のステム１０２は直線フィラメント１０１の両端をかしめて接続するとともに直線フィラメント１０１を支持し、かつ給電の電極を兼ねる。バルブ１０３は直線フィラメント１０１を取り囲むように配置され、内部に不活性ガス（希ガスや窒素）が封入されている。本実施形態では、Ａｒ９０％、窒素１０％を前記直線フィラメント１０１が点灯している状態で１気圧になるように封入してある。前記バルブ１０３はフィラメントの寸法によるが、本実施形態では球状部の直径が約６０ｍｍとした。

図２は直線フィラメント１０１の寸法形状を示す図である。本実施形態における直線フィラメント１０１は、フィラメント全域にわたり点灯温度が均一になるように断面積を縮小したくびれ部１０４が両端に形成されている。くびれ部１０４と一対にステム１０２との接続は、くびれ部１０４よりも端の部分のそれぞれに、一対のステム１０２のそれぞれが接続されている。すなわち、くびれ部１０４は、一対のステム１０２に挟まれた部分の両端部に設けられている。なお、図２では、直線フィラメント１０１の中央部の点をＡとし、くびれ部１０４の直線フィラメントの中央部側の始まり部分を点Ｂとして以下説明する。

くびれ部１０４は、次のような指針により設計した。なお、設計に際しては、くびれ部１０４の間の直線フィラメント１０４の温度が、１８００Ｋとなるようした。

一般的に、断面積ｓ、長さＬ、比抵抗ρの抵抗物質（本実施形態では、直線フィラメント）に電流Ｉを流したときに発生する熱エネルギーＷは、

となる。また、温度Ｔにおけるρは、３００Ｋでの比抵抗ρ_０とすれば

となる。αは温度係数である。タングステンの場合、ρ_０は８０×１０^−９Ω・ｍ、αは５．３×１０^−３（１／℃）である。

一方、ステファン−ボルツマン（Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎ）の法則では、温度Ｔの物体の単位面積から放射される全エネルギーＷ_ｒ（Ｔ）は、

となる。σは、５．６７０７×１０^−１２（Ｗ・ｃｍ^−２・Ｋ^−４）。

続いて、くびれ部１０４が無い場合の直線フィラメントの長さ方向の温度分布を図４に示す。図４の横軸は直線フィラメント１０１の中央部Ａからステム１０２方向への直線フィラメント１０１上の距離、縦軸はその地点での温度を熱流体シミュレーション（スターＣＤ：シーディーアダプコ社製）結果である。中央部Ａの温度Ｔ_Ａが１８００Ｋのとき、両端のステム１０２がヒートシンクとなるため端部に行くに従い温度が低下する。点Ａから端部方向へ６ｍｍの点Ｂの温度Ｔ_Ｂが１４００Ｋである場合、この温度を１８００Ｋまで上げることができれば、点Ａから点Ｂの温度差がなくなるため熱流が抑えられる。すなわち、点ＡからＢ点までの間の直線フィラメントが１８００Ｋの均一の温度分布が実現できる。

点Ｂの温度Ｔ_Ｂが１４００Ｋから点Ａの温度Ｔ_Ａの１８００Ｋになるためのエネルギーは、両温度の放射に比例するはずである。点Ａおよび点Ｂからの放射エネルギーをそれぞれＷ_ｒＡ、Ｗ_ｒＢとすれば、その放射の比Ｗ_ｒＡ／Ｗ_ｒＢは、（式５）から、

となる。したがって、点Ｂと点Ａとに同じ電流が流れるときに、点Ｂの構造を放射が２．７３倍となるように構成してやればよい。よって、１４００Ｋと１８００Ｋとで物体の放射率がほとんど変わらないとすれば、点Ｂで発生する熱エネルギーを２．７３倍すればよいことになる。

点Ｂでの発生エネルギーは（式３）で与えられ、タングステンの場合、１８００Ｋでの比抵抗をρ_Ａ、１４００Ｋでの比抵抗をρ_Ｂとすれば、ρ_Ａ／ρ_Ｂは、（式４）から

となる。

（式７）と（式３）と（式５）から、Ｂ点の断面積ｓ_Ｂを求めると、Ｓ_Ｂを０．４６ｓ_Ａに絞ることにより点Ｂでの単位長さあたりの発生熱量を２．７３倍にできることがわかる。

これを、上記例では、タングステンの場合を例にしてＳ_Ｂを求めたが、タングステン以外の物質を含んだ一般式で記載し直すと、

となる。

なお、本実施形態では、「断面積」とは、直線フィラメントの長手方向に垂直な面の面積をいう。

図５は、本実施形態の直線フィラメント１０４（図２）の点Ｂに断面積Ｓ_Ｂ＝０．５０ｓ_Ａのくびれ部１０４を、点Ａから６ｍｍの位置から２ｍｍの幅で設けた場合の熱流体シミュレーション結果である。図５の横軸は直線フィラメント１０１の中央部Ａからステム１０２方向への直線フィラメント１０１上の距離、縦軸はその地点での温度を熱流体シミュレーション（スターＣＤ：シーディーアダプコ社製）結果を実線で示す。図４のくびれのない場合の温度分布を波線で示す。理解容易のため、図５には、横軸に合わせてフィラメントのくびれの位置も同時に示している。この結果、設けたくびれ部１０４により点Ｂはほぼ１８００Ｋになっている。

また、この直線フィラメントの輝度分布を図６に示す。図６の横軸は直線フィラメント１０１の中央部Ａからステム１０２方向への直線フィラメント１０１上の距離、縦軸はその地点での輝度を図５の温度分布より求めた結果を実線で示す。図４のくびれ部１０４の無い場合の温度分布から求めた輝度分布を波線でしめす。くびれ部１０４による輝度の分布も均一性が広がり、このフィラメントからの光束が向上する事が分かる。

図７に上記の設計で製作した実際の白熱電球を、直線フィラメント１０１が水平となるように点灯し、その直線フィラメント１０１の温度分布を放射温度計へ測定した結果を示す。図７の横軸は直線フィラメント１０１の一方の端部から他方の端部へのフィラメント１０１上の距離、縦軸はその地点での分布温度測定値である。実線は、くびれ部１０４を有したフィラメントを使用した場合の分布温度であり、点線は、くびれ部１０４を有しないフィラメントを使用した場合である。くびれ部１０４の断面積Ｓ_Ｂは、その直線フィラメントの中央部の断面積Ｓ_Ａの０．５０倍のものを用いた。その他のフィラメント寸法は、図２と同様であり、白熱電球の他の構成は上記で説明したものを用いた。図７の結果からわかるように、（式８）で決まる大きさの断面を有するくびれ部１０４を設けることで、くびれ部１０４で囲まれた部分の温度分布が均一となることがわかる。この結果は、シミュレーション結果を示した図５の温度分布とほぼ一致している。一方、くびれ部１０４を有しない直線フィラメントは、両端に接続されたステムから熱が逃げるため、ステムに近づくほど温度が低くなる温度分布を有していることがわかる。なお、解析に使用したシミュレーションモデルも、試作フィラメントに合わせてＳ＝０．５ｓ_０としているため、Ｂ点での温度が若干低い結果となっている。くびれ部１０４を有する直線フィラメントを有した白熱電球は、１８００Ｋでの点灯において、くびれ部１０４を有しない直線フィラメントを有した白熱電球と比較して、全光束は２倍、ランプ効率で３３％向上した。

以上のように、白熱電球において、ステム１０２で挟まれた直線フィラメント１０１の両端部にくびれ部分１０４を有することにより、くびれ部１０４で挟まれた部分のフィラメントの温度分布を均一でき、白熱電球からの光束を増加させ、かつランプ効率（発光効率）を向上させることができる。

なお、本実施形態は、フィラメントの幅方向を狭めてフィラメント断面積の縮小を行っているが、当然、フィラメントの厚さ方向や、幅方向の中央に溝を入れたり、断面形状を変更することにより実現できる。

本実施形態では点Ｂの位置を直線フィラメント１０１の中央の点Ａから６ｍｍとしている。これはステム１０２の位置から約２ｍｍの位置である。ステム１０２はこの場合大きなヒートシンクとなるため直線フィラメント１０１とステム１０２の接続部分は、点Ａが１８００Ｋのとき７００−９００Ｋ程度となる。実施形態に使用したタングステンは１０００Ｋ以上で再結晶が始まり、温度が高くなるに従って結晶粒界が大きくなり弾性がなくなりもろく壊れやすくなる。このため１８００Ｋまで上昇する直線フィラメント１０１の点Ｂとステムとの距離が短いと、タングステンの結晶粒界の変化領域が小さくなるため耐震性が損なわれる。このため点Ｂとステムとの距離を２ｍｍ程度とれば長さ１ｍｍに対して温度傾斜５００Ｋ程度となるので、結晶粒界の変化領域は充分確保されている。すなわち、くびれ部１０４とステム１０２と直線フィラメント１０１との接続部とは、所定の距離を離す方が好ましい。したがって、本実施形態の「くびれ部」とは、直線フィラメントの端部がテーパー状（端に行くに従い幅あるいは断面積が小さくなる形状）ではなく、直線フィラメントの中央から端に行くにしがたい、一端断面積が小さくなり、ステム１０２が接続される部分までに断面積が再び大きくなる「凹形状」である。

また、本実施形態で担保される本発明では、直線フィラメント１０１の端部にくびれ部１０４を有する構成、すなわち、くびれ部１０４以外には直線フィラメント１０１の温度分布を均一にするためのくびれ部は設けられていない構成である。したがって、本発明は、図３の従来技術のようなリボン状フィラメントの全体に溝穴を設けるものとは構成が異なり、かつ、従来技術のような複数の溝穴構造を形成しなくても良いので、シミュレーション等を使用せずに簡単にくびれ部１０４を設定でき、均一な温度分布を有する直線フィラメント１０１を実現できる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の第２の実施の形態における電球を示すものである。図８において、実施形態１の構成と異なるところは直線フィラメント２０１が垂直の状態で使用する白熱電球で、点灯時に下側となるステム１０２近傍にのみ断面積を縮小した部分であるくびれ部２０４を設けた点である。実施形態１と同一の構成は同一の符号を記して説明を省略する。

直線フィラメント２０１が垂直でステムが下向きで点灯された場合、フィラメントの熱が封入ガスの対流により直線フィラメント２０１の上部集まり、直線フィラメント２０１の最大温度点Ａはフィラメントの中央でなくさらに上部に移る。従って、下側となるステム近傍の直線フィラメント２０１の部分は、より温度が低下しやすくなる。この場合に下側となるステム１０２の近傍にのみ断面積を縮小した部分であるくびれ部２０４を設けることにより、フィラメントの垂直点灯の電球において、フィラメントの長さ方向に温度均一領域を広げることができる。

以上のように、本実施の形態の白熱電球では、直線フィラメント２０１の一端のみにくびれ部２０４を設けるだけで、くびれ部２０１が無いものよりも直線フィラメント２０１の温度分布を改善することが可能である。

（実施の形態３）
図９は、本発明の第３の実施の形態における電球を示すものである。図９において、実施形態１の構成と異なるところはフィラメント表面にマイクロキャビティアレイ３０５を設けた点である。実施形態１と同一の構成は同一の符号を記して説明を省略する。

直線フィラメント１０１はフィラメント全体を鏡面加工して放射率を抑え、その表面に０．７μｍφ、ピッチ１．４μｍのマイクロティキャビティアレイを加工する。このことによりフィラメントの鏡面加工部分の放射率は、きわめて小さくなり、その部分からの熱放射は抑えられる。一方フィラメントのマイクロキャビティ加工部分からの放射は波長１．４μｍ以上の放射率は抑えられているが波長１．４μｍ以下の放射率は、通常のタングステンの２倍以上となる。このためこのフィラメントを通電して温度を上げると、１．４μｍ以上の赤外放射は、通常の白熱電球に比べて、きわめて小さく、逆に、波長１．４μｍから可視波長域にかけて効率よく放射を放出するため、ランプ効率（ｌｍ／Ｗ）は電球より高く、３０〜４０（ｌｍ／Ｗ）が得られる。

以上のように、本実施の形態の白熱電球では、実施形態１の白熱電球の直線フィラメント１０１にマイクロキャビティアレイを形成することにより赤外放射を抑制でき、実施形態１よりもランプ効率を向上させるができる。

（実施の形態４）
図１０は、本発明の第４の実施の形態における電球を示すものである。図１０において、実施形態１の構成と異なるところはフィラメント表面にフォトニック結晶構造１００１を設けた点である。実施形態１と同一の構成は同一の符号を記して説明を省略する。

直線フィラメント１０１はフィラメントの表面にフォトニック結晶を加工する。加工は、実施形態１の直線フィラメント１０１の平面の上にフォトニック結晶を構成するロットを積み上げていくことで可能である。フォトニック結晶は、図１０に示す「井」形構造で、縦横のロッドは幅約０．５μｍ、高さ約０．７５μｍでロッドの間隔を１．５μｍで構成した。このことによりフォトニック結晶加工部分からの放射は波長３μｍ以上の放射率は抑えられているが波長１．５μ〜１．９μｍおよび２．５μｍ付近に放射率の高い領域が得られ、通常のタングステンの２倍以上となる。このためこのフィラメントを通電して温度を上げると、３μｍ以上の赤外放射は、通常の白熱電球に比べて、きわめて小さく、逆に、波長３μｍから可視波長域にかけて効率よく放射を放出するため、ランプ効率（ｌｍ／Ｗ）は電球より高く、３０〜４０（ｌｍ／Ｗ）が得られる。なお、ロッド間隔を０．５μｍが実現できれば、波長１μｍ以上の赤外放射を抑制し、０．５〜０．７μｍに放射率の増加領域が得られるようになり、さらなるランプ効率の向上が期待できる。

以上のように、本実施の形態の白熱電球では、実施形態１の白熱電球の直線フィラメント１０１にフォトニック結晶の構造体を設けることにより赤外放射を抑制でき、実施形態１よりもランプ効率を向上させるができる。

なお、実施形態１〜４は白熱電球について説明したが、ヒーター用のフィラメントとして実施形態１〜４のフィラメントを使用しても良い。すなわち、フィラメントは、直線構造であり、その直線構造の少なくとも一方の端部に、一方の端部からフィラメントの中央部へ所定の距離入った箇所にくびれ部を有するものであり、そのくびれ部を（式８）で決まる断面積であれば良い。「所定の距離」は、フィラメントを接続する部位の耐熱温度やフィラメント自身の硬さや使用環境等から適宜必要に応じて設計すれば良い。

本発明の電球およびフィラメントは、フィラメントの長さ方向に均一な温度分布が得られることによりランプ効率が向上することから、高効率の照明用電球やヒータ用フィラメント等として有用である。

本発明の実施の形態１における電球の概略を示す図本発明の実施の形態における直線フィラメントの寸法形状を示す図従来のフィラメント形状を示す図直線フィラメント１０１にくびれ部１０４が無い場合のフィラメントの長さ方向の温度分布をシミュレーションで求めた図直線フィラメント１０１にくびれ部１０４がある場合のフィラメントの長さ方向の温度分布をシミュレーションで求めた図直線フィラメント１０１にくびれ部１０４がある場合のフィラメントの長さ方向の輝度分布をシミュレーションで求めた図直線フィラメント１０１にくびれ部がある場合と無い場合のフィラメントの長さ方向の温度分布をの実測値を示す図本発明の実施の形態２における白熱電球の概略を示す図本発明の実施の形態３における白熱電球の概略を示す図本発明の実施の形態４における白熱電球の概略を示す図

符号の説明

１０１，２０１直線フィラメント
１０２ステム
１０３バルブ
１０４，２０４くびれ部
９０１マイクロキャビティアレイ
１００１フォトニック結晶

Claims

直線フィラメントと、
前記直線フィラメントの両端に接続された一対のステムと、
前記直線フィラメントを取り囲むように設けられたバルブとを備え、
前記直線フィラメントは、前記一対のステムに挟まれた部分の少なくとも一方の端部にくびれ部を有し、当該くびれ部は、前記フィラメントの材料の比抵抗温度係数をαとし、前記フィラメント中央部の温度をＴ_Ａ、くびれ部が無い場合の前記くびれ部の位置での温度をＴ_Ｂとした場合、前記くびれ部の前記直線フィラメントの長手方向に垂直な断面積Ｓ_Ｂが、くびれ部が無い場合の前記直線フィラメントの長手方向に垂直な断面積Ｓ_Ａに対して、

である、白熱電球。
前記くびれ部が、前記直線フィラメントの前記一対のステムに挟まれた部分の両端部のそれぞれ設けられている、請求項１に記載の白熱電球。
前記ステムと前記直線フィラメントとの接続部と前記くびれ部とは、所定の距離が離れている、請求項１または２に記載の白熱電球。
前記直線フィラメント表面にマイクロキャビティアレイを形成した、請求項１から３までの何れか一つに記載の白熱電球。
前記直線フィラメント表面にフォトニック結晶の構造体を設けた、請求項１から３までの何れか一つに記載の白熱電球。
直線構造であって、当該直線構造の少なくとも一方の端部に、当該一端の端部から中央部へ所定の距離入った箇所にくびれ部を有する、フィラメント。