JP2015156314A - Filament, light source employing the same, and heater - Google Patents

Filament, light source employing the same, and heater Download PDF

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松本 貴裕
Takahiro Matsumoto
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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a filament which improves efficiency in converting electric power into visible light or near infrared light.
SOLUTION: The filament includes a substrate formed from a metal and on a surface layer of the substrate, a predetermined impurity element is doped in the metal. The metal has such a cross point that reflectance is not changed even if a temperature is changed. The impurity element is such an element that, if doped in the metal, reflectance closer to a short wavelength than the cross point of the metal is reduced more greatly than reflectance closer to a long wavelength.
COPYRIGHT: (C)2015,JPO&INPIT

Description

本発明は、エネルギー利用効率を改善したフィラメントに関する。   The present invention relates to a filament with improved energy utilization efficiency.

タングステンフィラメント等に電流を流すことにより、フィラメントを加熱し、電球とする白熱電球が広く用いられている。白熱電球は、太陽光に近い演色性に優れた放射スペクトルが得られ、白熱電球の電力から光への変換効率は95%以上になるが、放射光の波長成分は、図1に示すように赤外放射光成分が90%以上である(図1の3000Kの場合)。このため、白熱電球の電力から可視光への変換効率は、凡そ15 lm/Wと低い値になる。一方、蛍光灯は、電力から可視光への変換効率が約90 lm/Wであり、白熱電球よりも大きい。このため、白熱電球は、演色性に優れているが、環境負荷が大きいという問題がある。   Incandescent light bulbs are widely used in which a current is passed through a tungsten filament or the like to heat the filament to form a light bulb. An incandescent light bulb has a radiation spectrum excellent in color rendering similar to sunlight, and the conversion efficiency from the power of the incandescent light bulb to light is 95% or more, but the wavelength component of the emitted light is as shown in FIG. The infrared radiation component is 90% or more (in the case of 3000K in FIG. 1). For this reason, the conversion efficiency from the electric power of the incandescent light bulb to visible light is as low as about 15 lm / W. On the other hand, the fluorescent lamp has a conversion efficiency from electric power to visible light of about 90 lm / W, which is larger than the incandescent lamp. For this reason, incandescent bulbs are excellent in color rendering, but have a problem of a large environmental load.

白熱電球を高効率化・高輝度化・長寿命化する試みとして,様々な提案がなされている。例えば、特許文献1および2には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、蒸発したフィラメント材料をハロゲン化してフィラメントに帰還させ(ハロゲンサイクル)、フィラメント温度をより高くする構成が提案されている。一般的にこれらはハロゲンランプと呼ばれている。これにより、可視光への電力変換効率の上昇およびフィラメント寿命の延長の効果が得られる。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。   Various proposals have been made as attempts to increase the efficiency, brightness, and life of incandescent bulbs. For example, Patent Documents 1 and 2 have a configuration in which an inert gas or a halogen gas is sealed inside a light bulb, whereby the evaporated filament material is halogenated and returned to the filament (halogen cycle) to increase the filament temperature. Proposed. These are generally called halogen lamps. Thereby, the effect of the increase in the power conversion efficiency to visible light and the extension of a filament lifetime is acquired. In this configuration, it is important to control the components of the sealed gas and the pressure in order to increase the efficiency and extend the life.

特許文献3〜5には、電球ガラスの表面に赤外線反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。これにより、赤外光をフィラメントの再加熱に利用し、高効率化を図っている。   Patent Documents 3 to 5 disclose a configuration in which an infrared reflection coating is applied to the surface of a bulb glass so that infrared light emitted from the filament is reflected, returned to the filament, and absorbed. As a result, infrared light is used for reheating the filament to increase efficiency.

特許文献6〜9には、フィラメント自体に微細構造体を作製し,その微細構造体の物理的効果により,赤外放射を抑制し,可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。   Patent Documents 6 to 9 propose a configuration in which a fine structure is produced on the filament itself, and infrared radiation is suppressed and the ratio of visible light radiation is increased by the physical effect of the fine structure.

特開昭60−253146号公報JP-A-60-253146 特開昭62−10854号公報Japanese Patent Laid-Open No. 62-10854 特開昭59−58752号公報JP 59-58752 A 特表昭62−501109号公報JP-T 62-501109 特開2000−123795号公報JP 2000-123795 A 特表2001−519079号公報JP 2001-519079 特開平6−5263号公報JP-A-6-5263 特開平6−2167号公報JP-A-6-2167 特開2006−205332号公報JP 2006-205332 A

F. Kusunoki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 43, 8A, 5253(2004).F. Kusunoki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 43, 8A, 5253 (2004).

しかしながら,特許文献1,2のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難であり、現状,20 lm/W程度の効率である。   However, the technologies using the halogen cycle as described in Patent Documents 1 and 2 can achieve a life extension effect, but it is difficult to greatly improve the conversion efficiency, and the current efficiency is about 20 lm / W. is there.

また,特許文献3〜5のように、赤外放射を赤外線反射コートで反射して、フィラメントに再吸収させる技術は、フィラメントによる赤外光の反射率が70%と高いために再吸収が効率良く起こらない。また,赤外線反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分,例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され,フィラメントの加熱に利用されない。このため,本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。現状,20 lm/W程度の効率となる。   In addition, as in Patent Documents 3 to 5, the technique of reflecting infrared radiation with an infrared reflecting coat and reabsorbing the filament to the filament has high efficiency of reabsorption because the reflectance of infrared light by the filament is as high as 70%. It does n’t happen well. Further, the infrared light reflected by the infrared reflective coating is absorbed by other parts other than the filament, such as the filament holding part and the base, and is not used for heating the filament. For this reason, it is difficult to greatly improve the conversion efficiency by this technology. Currently, the efficiency is about 20 lm / W.

特許文献6〜9のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、非特許文献1のように赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するものの、広範囲な赤外光全体に亘って赤外放射光の抑制を図ることは非常に困難である。これは、ある波長が抑制されると,別の波長は増強される性質のためである。このため、本技術を利用して大幅な効率改善を図ることは難しいと考えられている。また,微細構造作製に際して,電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため,これを使用した光源は非常に高価なものとなる。更に,高温耐熱部材であるW基体上に微細構造を作り込んでも1000℃程度の加熱温度でW基体表面粒子の再結晶化並びに結晶粒成長がおこり,この再結晶化に伴い微細構造部分が破壊されてしまうと言う問題も存在する。   As described in Patent Documents 6 to 9, a technique for suppressing the infrared radiation by the fine structure is a report showing the radiation enhancement and the suppression effect for the wavelength of the extreme part of the infrared radiation spectrum as in Non-Patent Document 1. However, it is very difficult to suppress infrared radiation over a wide range of infrared light. This is because when one wavelength is suppressed, another wavelength is enhanced. For this reason, it is considered difficult to achieve significant efficiency improvements using this technology. In addition, since a fine structure such as electron beam lithography is used for manufacturing a fine structure, a light source using this is very expensive. Furthermore, even if a microstructure is formed on the W substrate, which is a high-temperature heat-resistant member, the W substrate surface particles are recrystallized and crystal grains grow at a heating temperature of about 1000 ° C., and the microstructure portion is destroyed due to this recrystallization. There is also the problem of being done.

本発明の目的は、電力を可視光または近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a filament having high efficiency for converting electric power into visible light or near infrared light.

上記目的を達成するために、本発明では金属により形成された基体を有し、基体の表面層には、所定の不純物元素がドープされたフィラメントを提供する。この金属は、温度が変化しても反射率が変化しないクロスポイントをもつ。不純物元素は、金属にドープされた場合に、金属のクロスポイントよりも短波長側において反射率を低減させる元素を選択する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a filament having a base formed of a metal and having a surface layer of the base doped with a predetermined impurity element. This metal has a cross point where the reflectance does not change even if the temperature changes. As the impurity element, an element that reduces the reflectance on the short wavelength side from the cross point of the metal when the metal is doped is selected.

本発明によれば、電力を可視光または近赤外光に変換する効率が高いフィラメントを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the filament with high efficiency which converts electric power into visible light or near-infrared light can be provided.

黒体放射スペクトルを示すグラフ。The graph which shows a black body radiation spectrum. Wの反射率とクロスポイントを示すグラフ。The graph which shows the reflectance and cross point of W. (a)本発明のPをドープしたWのエネルギー準位を示すグラフ、(b)本発明のKをドープしたWのエネルギー準位を示すグラフ。(A) The graph which shows the energy level of W which doped P of this invention, (b) The graph which shows the energy level of W which doped K of this invention. (a)本発明のSmをドープしたWのエネルギー準位を示すグラフ、(b)本発明のLuをドープしたWのエネルギー準位を示すグラフ。(A) The graph which shows the energy level of W which doped Sm of this invention, (b) The graph which shows the energy level of W which doped Lu of this invention. 2500KのWの反射率と放射率を示すグラフ。The graph which shows the reflectance and emissivity of W of 2500K. 3000KのWの反射率と放射率を示すグラフ。The graph which shows the reflectance and emissivity of W of 3000K. 2500KのW(Luドープ)の反射率と放射率を示すグラフ。The graph which shows the reflectance and emissivity of W (Lu dope) of 2500K. 3000KのW(Luドープ)の反射率と放射率を示すグラフ。The graph which shows the reflectance and emissivity of 3000K W (Lu dope). W(Luドープ)フィラメントの光束効率を示すグラフ。The graph which shows the luminous efficiency of a W (Lu dope) filament. 結晶粒内に不純物元素がドープされた金属(W)を示す説明図。Explanatory drawing which shows the metal (W) by which the impurity element was doped in the crystal grain. (a)結晶粒内に不純物元素同士が隣り合わないようにドープされた金属(W)を示す説明図、(b)結晶粒内に不純物元素同士が隣り合わないようにドープされた金属(W)のエネルギー準位を示すグラフ。(A) Explanatory drawing which shows the metal (W) doped so that impurity elements may not adjoin each other in crystal grains, (b) Metal (W) doped so that impurity elements may not adjoin each other in crystal grains ) Is a graph showing the energy level. (a)結晶粒内に不純物元素(隣り合っている)がドープされた金属(W)を示す説明図、(b)結晶粒内に不純物元素(隣り合っている)がドープされた金属(W)のエネルギー準位を示すグラフ。(A) An explanatory view showing a metal (W) doped with an impurity element (adjacent) in crystal grains, (b) a metal (W) doped with an impurity element (adjacent) in crystal grains ) Is a graph showing the energy level.

フィラメントを加熱することにより熱放射されるスペクトルE(l)は、一般的に物体の放射率ε(λ)に依存し、式(1)により表されることが知られている。フィラメントが黒体の場合,放射率ε(λ)は、すべての放射波長に亘って最大値の1を取る。黒体放射スペクトルを図1に示す。

Figure 2015156314
ただし、α=3.747×10 Wμm/m,β=1.4387×10 μmK,である。 It is known that the spectrum E (l) that is thermally radiated by heating the filament generally depends on the emissivity ε (λ) of the object and is expressed by the equation (1). If the filament is a black body, the emissivity ε (λ) takes a maximum value of 1 over all emission wavelengths. The black body radiation spectrum is shown in FIG.
Figure 2015156314
However, α = 3.747 × 10 8 W μm 4 / m 2 and β = 1.4387 × 10 4 μmK.

放射率ε(λ)は、キルヒホッフの法則によって反射率R(λ)と式(2)の関係にあり,W金属では図2に示すように,反射率及び放射率は温度に依存したスペクトルとなる。
(数2)
ε(λ)=1−R(λ), ・・・(2)
The emissivity ε (λ) is related to the reflectivity R (λ) by the equation (2) according to Kirchhoff's law. As shown in FIG. Become.
(Equation 2)
ε (λ) = 1−R (λ), (2)

本発明では、図1の黒体放射スペクトルにおいて,可視光および近赤外光の反射率を不純物元素添加により低減させ、これにより可視光および近赤外光の放射率を高め、可視光および近赤外光の放射効率を向上させる。   In the present invention, in the black body radiation spectrum of FIG. 1, the reflectance of visible light and near-infrared light is reduced by adding an impurity element, thereby increasing the emissivity of visible light and near-infrared light. Improve infrared radiation efficiency.

ところで,一般的に基体金属に不純物元素を添加すると,電子が不純物によって散乱され母体金属の電気抵抗,延いては反射率が低減する。   By the way, in general, when an impurity element is added to a base metal, electrons are scattered by the impurity and the electric resistance and thus the reflectance of the base metal are reduced.

一方、W、Ta、Mo等の一部の高融点金属元素は、図2に示すように反射率が温度に依存しない波長を有することが知られている(図2では1.5μm程度)。この波長は、クロスポイント(Cross Point)またはX Pointと呼ばれている。例えば,W. E. Forsythe and A. G. Worthing, “The Properties of tungsten and the characteristics of tungsten lamps,” Astrophysical Journal 61, 146-185 (1925). に開示されている。   On the other hand, some refractory metal elements such as W, Ta, and Mo are known to have a wavelength whose reflectance does not depend on temperature as shown in FIG. 2 (about 1.5 μm in FIG. 2). This wavelength is called a cross point or X point. For example, W. E. Forsythe and A. G. Worthing, “The Properties of tungsten and the characteristics of tungsten lamps,” Astrophysical Journal 61, 146-185 (1925).

発明者は、クロスポイントを有する高融点金属元素に、所定の不純物元素をドープすることにより、クロスポイントよりも短波長側の反射率を、長波長側の反射率よりも高い割合で低下させることができ,本効果を利用することによって高融点金属フィラメントの可視光および近赤外光の放射率を,従来より高めることが可能となることを見出し、本発明を成すに至ったものである。   The inventor reduces the reflectance on the short wavelength side from the cross point at a higher rate than the reflectance on the long wavelength side by doping the refractory metal element having the cross point with a predetermined impurity element. Thus, by utilizing this effect, it has been found that the emissivity of visible and near-infrared light of a refractory metal filament can be increased compared to the prior art, and the present invention has been achieved.

すなわち、発明者らのシミュレーションによれば、クロスポイントは、Wでは1300−1600nm、Taでは700−900nm、Moでは1100−1400nm付近に存在する。よって、不純物元素のドープにより、クロスポイントよりも短波長側の反射率を、長波長側の反射率よりも高い割合で低下させることにより、赤外光の放射を抑制し、可視光または近赤外光の放射効率を高めることができる。   That is, according to the simulations of the inventors, the cross point exists in the vicinity of 1300 to 1600 nm for W, 700 to 900 nm for Ta, and 1100 to 1400 nm for Mo. Therefore, by doping the impurity element, the reflectance on the short wavelength side from the cross point is reduced at a higher rate than the reflectance on the long wavelength side, thereby suppressing the emission of infrared light, visible light or near red The radiation efficiency of external light can be increased.

具体的には、本発明のフィラメントは、金属により形成された基体を有し、基体の表面層には、金属に所定の不純物元素がドープされている。金属は、温度が変化しても反射率が変化しないクロスポイントをもつ。不純物元素としては、金属にドープされた場合に、金属のクロスポイントよりも短波長側の反射率を、長波長側の反射率よりも大きく低減させる元素を選択して用いる。   Specifically, the filament of the present invention has a base formed of metal, and the surface layer of the base is doped with a predetermined impurity element. The metal has a cross point where the reflectance does not change even if the temperature changes. As the impurity element, an element that, when doped into a metal, reduces the reflectance on the shorter wavelength side than the cross point of the metal to a greater extent than the reflectance on the longer wavelength side is selected and used.

不純物元素は、添加することにより前記金属の消衰係数を小さくする元素を用いる。   As the impurity element, an element that decreases the extinction coefficient of the metal is used.

不純物元素は、金属の結晶内部に含まれ、金属元素と共にエネルギー準位を形成していることが望ましい。例えば、不純物元素は、金属の結晶格子の格子点を置換していることが望ましい。一方、不純物元素は、金属の結晶格子の隣り合う格子点の両方を置換していないことが望ましい。この理由は,不純物元素が金属の結晶格子で隣り合っていると、隣り合った不純物元素が分子状態を形成し,本分子状態のエネルギー準位はクロスポイントよりも長波長側(赤外光側)に位置するようになり,長波長側の反射率を低下させるため、可視光や近赤外光の放射効率の向上が困難となるからである。   The impurity element is preferably contained in the metal crystal and forms an energy level together with the metal element. For example, the impurity element desirably replaces a lattice point of a metal crystal lattice. On the other hand, it is desirable that the impurity element does not replace both adjacent lattice points of the metal crystal lattice. The reason for this is that when the impurity elements are adjacent to each other in a metal crystal lattice, the adjacent impurity elements form a molecular state, and the energy level of this molecular state is longer than the cross point (infrared light side). This is because it becomes difficult to improve the radiation efficiency of visible light and near infrared light.

不純物元素の金属に対する濃度は、0.1mol%以上50mol%以下であることが望ましい。   The concentration of the impurity element with respect to the metal is desirably 0.1 mol% or more and 50 mol% or less.

基体を構成する金属は、W,Ta、Mo、Os,Re,Ir,Ti,Pt,Cr,Pd,Hf,Rh,Nb,Zr,Ni,Co,Fe,V,のいずれかを含むものを用いる。これらは、クロスポイントをもつ高融点金属である。   The metal constituting the substrate includes any of W, Ta, Mo, Os, Re, Ir, Ti, Pt, Cr, Pd, Hf, Rh, Nb, Zr, Ni, Co, Fe, and V. Use. These are refractory metals with cross points.

不純物元素としては、金属基体と添加不純物が作り出すエネルギー準位を考慮して選択する。以下ではW金属にK以下の元素、または、ランタノイドを添加した際に示すエネルギー準位を示す。本エネルギー準位における反射率が低減し(放射率が増大し),不純物添加前と比較して本エネルギー準位における放射強度の増大がおこる。   The impurity element is selected in consideration of the energy level produced by the metal substrate and the added impurity. In the following, energy levels shown when an element below K or a lanthanoid is added to W metal are shown. The reflectivity at this energy level decreases (the emissivity increases), and the radiation intensity at this energy level increases compared to before the addition of impurities.

例えば、原子量がK以下の不純物元素としてKおよびPを好適に用いることができる。一例として、Wに、不純物元素としてPを添加した場合、図3(a)のように、温度3000Kにおいて、波長900nm近傍と1600nm近傍のエネルギー準位を高めることができるため、近赤外光の放射効率を高めることができる。また、Wに、不純物元素としてKを添加した場合、図3(b)のように、温度3000Kにおいて、波長1200nm近傍のエネルギー準位を高めることができるため、近赤外光の放射強度を高めることができる。   For example, K and P can be suitably used as the impurity element having an atomic weight of K or less. As an example, when P is added as an impurity element to W, as shown in FIG. 3A, the energy levels near 900 nm and 1600 nm can be increased at a temperature of 3000 K. Radiation efficiency can be increased. Further, when K is added as an impurity element to W, the energy level in the vicinity of a wavelength of 1200 nm can be increased at a temperature of 3000 K as shown in FIG. be able to.

また、ランタノイドの不純物元素としては、SmおよびLuのいずれかを含むものを用いることができる。例えばWに、不純物元素としてSmを添加した場合、図4(a)のように、温度3000Kにおいて、波長400−800nm近傍のエネルギー準位を高めることができるため、可視光の放射効率を高めることができる。また、Wに、不純物元素としてLuを添加した場合、図4(b)のように、温度3000Kにおいて、波長400−800nm近傍のエネルギー準位を高めることができるため、可視光の放射効率を高めることができる。   Further, as the lanthanoid impurity element, one containing either Sm or Lu can be used. For example, when Sm is added as an impurity element to W, the energy level in the vicinity of a wavelength of 400 to 800 nm can be increased at a temperature of 3000 K as shown in FIG. Can do. Further, when Lu is added as an impurity element to W, the energy level in the vicinity of a wavelength of 400 to 800 nm can be increased at a temperature of 3000 K as shown in FIG. be able to.

また、不純物元素としては、Na,Ca,V,Cr,Mn,Fe,Mo,Tc,Ru,Rh,Pd,Cd,Ta,Ir,および、Reのいずれかを含むものを用いることも可能である。   Further, as the impurity element, it is possible to use an element containing any of Na, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, Ta, Ir, and Re. is there.

所定の不純物元素を添加することにより、金属の反射率を、クロスポイントより短波長側において、長波長側よりも大きな割合で低減させることができる理由を以下に説明する。   The reason why the reflectance of the metal can be reduced at a larger ratio on the short wavelength side than the cross point by adding a predetermined impurity element will be described below.

金属表面からの反射率Rは一般的に以下の式(3)で表現される。ただし、反射の方向は、0°方向(金属表面に垂直)とする。   The reflectance R from the metal surface is generally expressed by the following formula (3). However, the direction of reflection is the 0 ° direction (perpendicular to the metal surface).

R=((n−n)+k)/((n+n)+k), ・・・(3)
ここで,nは、真空の屈折率であり、n=1である。n及びkは、金属のある温度における屈折率及び消衰係数である。
R = ((n 0 −n) 2 + k 2 ) / ((n 0 + n) 2 + k 2 ), (3)
Here, n 0 is the refractive index of vacuum and n 0 = 1. n and k are the refractive index and extinction coefficient of the metal at a certain temperature.

本発明では、金属基体に不純物が添加されることによって形成される特定のエネルギー準位における消衰係数kが小さくなる不純物元素を用いる。クロスポイントより長波長側並びに短波長側において、不純物添加の効果を以下に評価する。   In the present invention, an impurity element having a small extinction coefficient k at a specific energy level formed by adding an impurity to a metal substrate is used. The effect of impurity addition is evaluated below on the long wavelength side and the short wavelength side from the cross point.

Wのクロスポイントよりも長波長側の波長の代表として3000nm,短波長側の波長の代表として800nmを用い、2500Kの温度における屈折率及び消衰係数をシミュレーションにより求める。   The refractive index and extinction coefficient at a temperature of 2500 K are obtained by simulation using 3000 nm as a representative wavelength on the longer wavelength side than the cross point of W and 800 nm as a representative wavelength on the short wavelength side.

このシミュレーションにより求めた波長3000nmで2500KにおけるWの屈折率nは、n=1.35、消衰係数kは、k=6である。また、波長800nmで2500KにおけるWの屈折率nは、n=3.3,消衰係数kは、k=4である。   The refractive index n of W at 2500 K at a wavelength of 3000 nm determined by this simulation is n = 1.35, and the extinction coefficient k is k = 6. The refractive index n of W at 2500 K at a wavelength of 800 nm is n = 3.3, and the extinction coefficient k is k = 4.

不純物添加によってkの値を1程度低減させると仮定すると、波長3000nm,温度2500Kで消衰係数kは、k=5、また、波長800nm,温度2500Kで,k=4となる。また、不純物元素の添加量は微量であるので、屈折率はほとんど変化しない。この際,波長3000nmのkの値を1程度低減させるためには,K,Sb等の不純物を0.1mol%,また,波長800nmのkの値を1程度低減させるためには,Lu等の不純物を0.1mol%,添加した状態を仮定してシミュレーションをおこなった。   Assuming that the value of k is reduced by about 1 by the addition of impurities, the extinction coefficient k is k = 5 at a wavelength of 3000 nm and a temperature of 2500 K, and k = 4 at a wavelength of 800 nm and a temperature of 2500 K. Further, since the amount of the impurity element added is very small, the refractive index hardly changes. At this time, in order to reduce the value of k at a wavelength of 3000 nm by about 1, 0.1 mol% of impurities such as K and Sb, and in order to reduce the value of k at a wavelength of 800 nm by about 1, The simulation was performed assuming that 0.1 mol% of impurities were added.

これらの消衰係数と屈折率を式(3)に代入して、各温度における不純物添加前後の反射率Rを計算により求めると、表1のようになる。   When the extinction coefficient and the refractive index are substituted into the equation (3) and the reflectance R before and after the addition of the impurity at each temperature is obtained by calculation, Table 1 is obtained.

Figure 2015156314
Figure 2015156314

表1より、Wは、不純物添加により消衰係数kが1程度低減することにより、クロスポイントより短波長側では反射率の低減が16%起こる(1−0.52/0.62)のに対して,クロスポイントより長波長側では、反射率の低減は9%(1−0.82/0.87)程度しか生じないことがわかる。このように、クロスポイントを挟んで、反射率の低下の度合いが異なる大きな理由の一つは,クロスポイントより長波長側では、一般的に消衰係数が大きいため、不純物元素添加により,消衰係数が小さな割合でしか低下せず、反射率の低下の作用が小さくなるのに対して,クロスポイントより短波長側では、消衰係数が小さいため、若干の不純物元素の添加により,消衰係数が大きな割合で低下し、反射率も大きな割合で低下することによる。   From Table 1, W decreases the reflectance by 16% on the shorter wavelength side than the cross point by reducing the extinction coefficient k by about 1 (1−0.52 / 0.62). On the other hand, it can be seen that the reflectance is reduced only by about 9% (1−0.82 / 0.87) on the longer wavelength side than the cross point. As described above, one of the major reasons that the degree of decrease in reflectance across the cross point is different is that the extinction coefficient is generally large on the longer wavelength side than the cross point. The coefficient decreases only at a small rate and the effect of decreasing the reflectivity is small. On the other hand, the extinction coefficient is small on the shorter wavelength side than the cross point. Is reduced at a large rate, and the reflectance is also decreased at a large rate.

そこで,本発明は、クロスポイントよりも短波長側で、長波長側よりも大きな割合で消衰係数を低減させる不純物元素をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、不純物元素が金属の結晶格子を置換する原子遷移によって形成されるエネルギー準位を求め、エネルギー準位から消衰係数を求めた。すなわち、金属基体中に存在する不純物元素が作り出す原子スペクトルが、消衰係数、ひいては反射率に反映される。シミュレーションにより選択した具体的な不純物元素は、上述した通りである。   Therefore, the present invention has obtained an impurity element that reduces the extinction coefficient at a shorter wavelength side than the cross point and at a larger rate than the long wavelength side by simulation. In the simulation, the energy level formed by the atomic transition in which the impurity element replaces the metal crystal lattice was obtained, and the extinction coefficient was obtained from the energy level. That is, the atomic spectrum created by the impurity element present in the metal substrate is reflected in the extinction coefficient and thus the reflectance. Specific impurity elements selected by simulation are as described above.

つぎに、比較例として、不純物を添加しないWフィラメントの反射率、放射スペクトル、可視光放射効率を2500K、3000Kについてシミュレーションによって求めた結果を図5,図6にそれぞれ示す。図5、図6のように、2500Kの温度では、可視光の光束効率は12.2 lm/W,3000Kの温度では29.3 lm/Wである。   Next, as comparative examples, the results of obtaining the reflectance, radiation spectrum, and visible light radiation efficiency of 2500 K and 3000 K by simulation for W filaments without added impurities are shown in FIGS. 5 and 6, respectively. As shown in FIGS. 5 and 6, the luminous efficiency of visible light is 12.2 lm / W at a temperature of 2500K, and 29.3 lm / W at a temperature of 3000K.

これに対し、不純物元素Luを濃度1.0mol%でドープしたW基材の反射率、放射スペクトル、可視光放射効率を2500K、3000Kについてシミュレーションによって求めた結果を図7,図8にそれぞれ示す。図7、図8のように、不純物元素を添加することによって、2500Kの温度では可視光の光束効率を28.8 1m/W,3000Kの温度では64.0 lm/Wと比較例のほぼ倍の効率が得られる。   On the other hand, the reflectance, radiation spectrum, and visible light radiation efficiency of the W base material doped with the impurity element Lu at a concentration of 1.0 mol% are obtained by simulation for 2500K and 3000K, respectively. As shown in FIGS. 7 and 8, by adding an impurity element, the luminous efficiency of visible light is 28.8 1 m / W at a temperature of 2500 K, and 64.0 lm / W at a temperature of 3000 K, which is almost double that of the comparative example. Efficiency is obtained.

なお、不純物元素の添加量としては、上述したように、フィラメント基材に対して0.1〜50mo1%の濃度であることが好ましい。その理由は,不純物の添加量がこれより多いと合金となってしまうためである。合金は、上述した原子遷移的な考え方が成り立たなくなり,合金のエネルギーバンドを形成し始めるため,エネルギーが広がり、図7,図8に示したような可視光領域における急峻な反射率の低減を図ることが出来なくなる。即ち,濃度が高すぎると所望の波長への反射率の低減効果を果たすことが出来なくなる。一方,不純物の添加量がこの範囲に示す濃度より少ないと,消衰係数の低減幅が小さくなり、十分な反射率低減を果たすことが出来ない。このため,不純物添加による放射制御性を獲得することが困難となる。   As described above, the impurity element is preferably added at a concentration of 0.1 to 50 mol 1% with respect to the filament base material. The reason is that if the amount of impurities added is larger than this, an alloy is formed. In the alloy, the above-described concept of atomic transition does not hold, and since the energy band of the alloy starts to be formed, the energy spreads and the sharp reflectance in the visible light region as shown in FIGS. 7 and 8 is reduced. Can not do. That is, if the concentration is too high, the effect of reducing the reflectance to a desired wavelength cannot be achieved. On the other hand, if the added amount of impurities is less than the concentration shown in this range, the reduction range of the extinction coefficient becomes small, and sufficient reflectance reduction cannot be achieved. For this reason, it becomes difficult to obtain radiation controllability by adding impurities.

また,不純物元素を添加する基材の表面層の厚みとしては、基材表面より100nm以内とことが望ましい。この理由は,これより深くに不純物を添加しても,不純物からの放射が基材に再吸収されるため、100nmより深くに存在する不純物の添加効果が、表面の放射特性には影響しないためである。   Further, the thickness of the surface layer of the base material to which the impurity element is added is preferably within 100 nm from the base material surface. This is because even if impurities are added deeper than this, radiation from the impurities is reabsorbed by the base material, so that the effect of adding impurities existing deeper than 100 nm does not affect the radiation characteristics of the surface. It is.

図9は、本発明の、不純物元素Luを濃度1.0mol%ドープしたWフィラメントの放射効率を,フィラメント加熱温度に対してプロットしたグラフである。図9のように、1500K以上において、比較例の不純物添加しないWフィラメントの2倍程度の放射効率が得られている。   FIG. 9 is a graph in which the radiation efficiency of the W filament doped with the impurity element Lu of 1.0 mol% according to the present invention is plotted against the filament heating temperature. As shown in FIG. 9, at 1500 K or higher, radiation efficiency about twice that of the W filament without impurities added in the comparative example is obtained.

つぎに、本発明による、不純物元素をドープしたフィラメントの製造方法について説明する。まず、金属基体を、予め焼結し、結晶粒の成長を完了させる。例えば、W金属では、1500−2000K程度の温度で焼結することにより、結晶粒を成長させることができる。その後,基体の表面に、不純物元素の層を成膜する。例えば、蒸着等の気相成長法を用いることができる。その後、基体を再加熱し、不純物元素を金属基体の表面層にドープする。再加熱の温度は、結晶粒成長温度より100−500K程度低温とする。これにより,金属基体の表面層の結晶粒の内部に、不純物元素が一様にドープされたフィラメントを製造することができる。   Next, a method for producing a filament doped with an impurity element according to the present invention will be described. First, the metal substrate is pre-sintered to complete crystal grain growth. For example, in W metal, crystal grains can be grown by sintering at a temperature of about 1500 to 2000K. Thereafter, an impurity element layer is formed on the surface of the substrate. For example, a vapor phase growth method such as vapor deposition can be used. Thereafter, the substrate is reheated and the impurity element is doped into the surface layer of the metal substrate. The reheating temperature is about 100-500K lower than the crystal grain growth temperature. Thereby, a filament in which the impurity element is uniformly doped inside the crystal grains of the surface layer of the metal substrate can be manufactured.

図10に、金属の結晶粒11の内部に、不純物元素10がドープされている様子を模式的に示す。不純物元素は、上述したように、結晶粒11の結晶格子点の金属元素を置換していることが好ましい。   FIG. 10 schematically shows a state in which the impurity element 10 is doped inside the metal crystal grains 11. As described above, the impurity element preferably replaces the metal element at the crystal lattice point of the crystal grain 11.

また、図11(a)には、Wの結晶格子点を置換している不純物元素10(例えばK)が、他の不純物元素(K)と並んでいない(Wの結晶格子点で隣り合っていない)様子を模式的にしめす。この場合、不純物元素が添加されたフィラメントのエネルギー準位をシミュレーションにより求めると、図11(b)のように、波長1200nm付近で高まる。   In FIG. 11A, the impurity element 10 (for example, K) that replaces the W crystal lattice point is not aligned with the other impurity element (K) (it is adjacent to the W crystal lattice point). (Not shown) In this case, when the energy level of the filament to which the impurity element is added is obtained by simulation, it increases in the vicinity of a wavelength of 1200 nm as shown in FIG.

一方、図12(a)には、Wの結晶格子点を置換している不純物元素10(例えばK)が、別の不純物元素10(K)と並んでいる(Wの結晶格子点で隣り合っている)様子を模式的に示す。この場合、不純物元素が添加されたフィラメントのエネルギー準位が高まる位置は、図12(b)のように、長波長側(波長3000nm付近)にシフトする。このため、可視光および近赤外光の放射強度を高め、赤外光の放射強度を抑制することが難しくなる。   On the other hand, in FIG. 12A, the impurity element 10 (for example, K) replacing the W crystal lattice point is aligned with another impurity element 10 (K) (adjacent at the W crystal lattice point). Is schematically shown. In this case, the position where the energy level of the filament to which the impurity element is added increases is shifted to the long wavelength side (near the wavelength of 3000 nm) as shown in FIG. For this reason, it becomes difficult to increase the radiation intensity of visible light and near-infrared light, and to suppress the radiation intensity of infrared light.

よって、本発明では、不純物元素は、金属の隣り合う結晶格子点に位置しないようにドープすることが望ましい。これは、製造時の不純物ドープ時の加熱温度や、不純物元素のドープ元素並びに濃度を調節することにより実現することができる。   Therefore, in the present invention, it is desirable that the impurity element is doped so as not to be located at the adjacent crystal lattice point of the metal. This can be realized by adjusting the heating temperature at the time of impurity doping during manufacturing, and the doping element and concentration of the impurity element.

上述してきたように、本発明によれば、不純物元素を添加することにより、可視光および近赤外光の放射効率の高いフィラメントを提供できる。近赤外領域の放射効率を高めることにより、効率の良い加熱をおこなうことが可能なヒーター用光源を構成でき、可視領域の放射効率を高めることにより、高効率な照明用光源を構成することが出来る。よって、照明用光源,自動車用電球,プロジェクター用光源,液晶バックライト光源,近赤外ヒーターとして用いることが可能である。   As described above, according to the present invention, a filament having high radiation efficiency of visible light and near infrared light can be provided by adding an impurity element. By increasing the radiation efficiency in the near infrared region, a heater light source capable of performing efficient heating can be configured, and by increasing the radiation efficiency in the visible region, a highly efficient illumination light source can be configured. I can do it. Therefore, it can be used as an illumination light source, an automobile light bulb, a projector light source, a liquid crystal backlight light source, and a near infrared heater.

10…不純物元素、11…結晶粒 10 ... impurity element, 11 ... crystal grain

Claims (13)

金属により形成された基体を有し、
前記基体の表面層には、所定の不純物元素がドープされ、
前記金属は、温度が変化しても反射率が変化しないクロスポイントをもち、
前記不純物元素は、前記金属にドープされた場合に、前記金属のクロスポイントよりも短波長側の反射率を、長波長側の反射率よりも大きく低減させる元素であることを特徴とするフィラメント。
Having a substrate formed of metal;
The surface layer of the substrate is doped with a predetermined impurity element,
The metal has a cross point where the reflectance does not change even if the temperature changes,
The filament characterized in that the impurity element is an element that, when doped into the metal, reduces the reflectance on the short wavelength side from the cross point of the metal to a greater degree than the reflectance on the long wavelength side.
請求項1に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、ドープすることにより前記金属の消衰係数を小さくする元素を用いることを特徴とするフィラメント。   2. The filament according to claim 1, wherein the impurity element is an element that reduces an extinction coefficient of the metal by doping. 請求項1または2に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、前記金属の結晶内部に含まれ、前記金属元素と共にエネルギー準位を形成していることを特徴とするフィラメント。   3. The filament according to claim 1, wherein the impurity element is contained in a crystal of the metal and forms an energy level together with the metal element. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、前記金属の結晶格子の格子点を置換していることを特徴とするフィラメント。   4. The filament according to claim 1, wherein the impurity element replaces a lattice point of the crystal lattice of the metal. 5. 請求項4に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、前記金属の結晶格子の隣り合う格子点の両方を置換していないことを特徴とするフィラメント。   5. The filament according to claim 4, wherein the impurity element does not replace both adjacent lattice points of the crystal lattice of the metal. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載のフィラメントであって、前記不純物元素の前記金属に対する濃度は、0.1mol%以上50mol%以下であることを特徴とするフィラメント。   6. The filament according to claim 1, wherein a concentration of the impurity element with respect to the metal is 0.1 mol% or more and 50 mol% or less. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載のフィラメントであって、前記金属は、W,Ta、Mo、Os,Re,Ir,Ti,Pt,Cr,Pd,Hf,Rh,Nb,Zr,Ni,Co,Fe,および、Vのいずれかを含むことを特徴とするフィラメント。   The filament according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal includes W, Ta, Mo, Os, Re, Ir, Ti, Pt, Cr, Pd, Hf, Rh, Nb, Zr, A filament comprising any one of Ni, Co, Fe, and V. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、原子量がK以下の元素、または、ランタノイドであることを特徴とするフィラメント。   The filament according to any one of claims 1 to 7, wherein the impurity element is an element having an atomic weight of K or less, or a lanthanoid. 請求項8に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、K、P、SmおよびLuのいずれかを含むことを特徴とするフィラメント。   The filament according to claim 8, wherein the impurity element includes any one of K, P, Sm, and Lu. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載のフィラメントであって、前記不純物元素は、Na,Ca,V,Cr,Mn,Fe,Mo,Tc,Ru,Rh,Pd,Cd,Ta,Ir,および、Reのいずれかを含むことを特徴とするフィラメント。   8. The filament according to claim 1, wherein the impurity element is Na, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, Ta, or Ir. , And any one of Re. 請求項1ないし10のいずれか1項に記載のフィラメントであって、前記不純物元素がドープされる前記基体の表面層は、100nm以下の厚みであることを特徴とするフィラメント。   11. The filament according to claim 1, wherein the surface layer of the base body doped with the impurity element has a thickness of 100 nm or less. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載のフィラメントを用いた光源。   A light source using the filament according to claim 1. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載のフィラメントを用いた赤外ヒーター。   An infrared heater using the filament according to any one of claims 1 to 11.
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