JP2015159012A - filament - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エネルギー利用効率を改善した光源用フィラメントに関する。 The present invention relates to a light source filament with improved energy utilization efficiency.
タングステン等から成るフィラメントを通電して加熱すると、熱放射が起こる。この熱放射を利用した白熱電球が広く用いられている。しかしながら、熱放射の大部分は赤外域で起こるため、従来のフィラメントは、可視光放射効率が高くない。 When a filament made of tungsten or the like is energized and heated, thermal radiation occurs. Incandescent light bulbs using this heat radiation are widely used. However, since most of thermal radiation occurs in the infrared region, conventional filaments do not have high visible light radiation efficiency.
特許文献1には、電球ガラスの表面に赤外光反射コートを施し、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再吸収させ、フィラメントを再加熱して高効率化を図ることが提案されている。
In
また、特許文献2には、可視光吸収材が添加された白色散乱体でフィラメントを被覆することにより、熱放射された光のうち赤外域の光を白色散乱体で反射してフィラメントに戻し、可視光域の光を選択的に外部に放射させる構造が開示されている。
Further, in
特許文献1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。
As in
一方、特許文献2のように、白色散乱体に可視光吸収材を添加する技術は、白色散乱体の赤外放射を抑制することができるが、可視光吸収材を適切に選択し、添加する必要がある。
On the other hand, as in
本発明の目的は、可視光吸収材の添加されていない白色散乱体を用いて、電力を可視光や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 using a white scatterer to which no visible light absorber is added.
上記目的を達成するために、本発明のフィラメントは、金属製の基材と、基材を覆う白色散乱体層とを有する。白色散乱体層には、厚さ方向に複数の貫通孔が形成されている。貫通孔の半径は、可視光域の長波長端以下である。 In order to achieve the above object, the filament of the present invention has a metal base material and a white scatterer layer covering the base material. In the white scatterer layer, a plurality of through holes are formed in the thickness direction. The radius of the through hole is not more than the long wavelength end of the visible light region.
本発明によれば、可視光吸収材の添加されていない白色散乱体を用いて、電力を可視光や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 using the white scatterer to which no visible light absorber is added.
本発明の一実施形態のフィラメントについて説明する。 A filament according to an embodiment of the present invention will be described.
本発明のフィラメントは、図1のように、金属製の基材2と、基材2を覆う白色散乱体層1とを有する。白色散乱体層1には、厚さ方向に複数の貫通孔11が形成されている。貫通孔11の半径は、可視光域の長波長端以下である。
As shown in FIG. 1, the filament of the present invention has a
白色散乱体層1は、光を散乱する白色散乱体粒子によって構成されている。白色散乱体層1によって基材2を覆うことにより、基材2が熱放射する光は、白色散乱体層1により反射されて基材2に戻される。このとき、白色散乱体層1に、可視光域の長波長端以下(例えば、約0.8μm以下)の半径の貫通孔11を設けたことにより、貫通孔11の半径以下の波長の光、すなわち可視光を含む一部光を、白色散乱体層1の貫通孔11を通過させて、外部に取り出すことができる。
The
光が波長程度のサイズ(径)の貫通孔11を透過する際、その透過率は、以下の式(1)により表される。
式(1)により、光の波長が、貫通孔11の半径より大きいか小さいかによって、透過率は劇的に変化することがわかる。すなわち、半径より長い波長の光は、貫通孔11をわずかしか透過できないが、半径より短い波長の光は、大きな透過率で貫通孔を透過することができる。よって、貫通孔11の半径を、可視光域の長波長端以下(例えば、約0.8μm以下)に設定することにより、波長が貫通孔11の半径以下の光のみを、白色散乱体層1を透過させて外部に放射させることができる。
From equation (1), it can be seen that the transmittance changes dramatically depending on whether the wavelength of light is larger or smaller than the radius of the through
したがって、貫通孔11の半径は、白色散乱体層1から出射させたい光の波長に応じて設定する。例えば、フィラメントを可視光光源として用い、可視光波長のみを白色散乱体層1から出射させたい場合には、貫通孔11の半径は、可視光域の長波長端以下(例えば、約0.8μm以下)であって、赤外波長以下であることが望ましい。具体的には、貫通孔11の半径は、1.0μm以下であることが望ましく、特に0.8μm以下であることが望ましい。また、フィラメントを近赤外ヒーター等の光源として用い、可視光波長のみながらず近赤外光波長も白色散乱体層1から出射させたい場合には、貫通孔11の半径は、5.0μm以下であることが望ましく、特に4.0μm以下であることが望ましい。
Therefore, the radius of the
基材2から放射されて貫通孔11の進入した光は、貫通孔11の内壁で拡散反射されながら、貫通孔11の両端の開口のいずれかから出射される。このとき、白色散乱体層1の外周面側の、貫通孔11の開口から出射された光は、外部に向かって放射される。一方、白色散乱体層1の内周面側(基材2側)の、貫通孔11の開口から出射された光は、基材2に再入射し、基材2によって再吸収される。このため、貫通孔11の内壁で散乱された光の一部が、基材2側に放射されても、実質的なエネルギー損失は無い。よって、貫通孔11の透過率の観点からは、貫通孔11の長さ、すなわち白色散乱体層1の厚さはどのような厚さでもよい。
The light emitted from the
一方、白色散乱体層1の貫通孔11以外の領域を、基材2の放射光が通過しないようにするという観点からは、白色散乱体層1の厚さは、10μm以上に設定することが望ましい。膜厚10μm未満の場合、白色散乱体層1内における散乱光の平均自由行程により、一部の光が、白色散乱体層1を透過する恐れがあるためである。
On the other hand, the thickness of the
また、白色散乱体層1の膜厚が厚すぎると、白色散乱体層1の容積が大きくなって、白色散乱体層1における熱損失が大きくなるため、白色散乱体層1の膜厚は、200μm以下であることが望ましい。
Moreover, since the volume of the
以上のことから、白色散乱体層1の膜厚は、10〜200μmの範囲内であることが好ましい。この範囲内においては熱損失を最小限に抑えつつ、高反射率を維持することができる。
From the above, the thickness of the
貫通孔11は、白色散乱体層1に無数に設けられていることが望ましい。その配置は、ランダムであっても、図1のように配列されていても構わない。
It is desirable that innumerable through
また、白色散乱体層1と基材2との間には、図2のように少なくとも一部に間隙が設けられていることが望ましい。その理由は、フィラメントは、2000℃を超えるような高温に加熱された場合、白色散乱体層1と基材2との間で原子が相互に拡散することがあるためである。白色散乱体層1に基材2の原子が拡散すると、可視〜赤外領域において吸収の中心と成り得るため、白色散乱体層1の赤外光反射機能を低下させてしまう恐れがある。そのため、白色散乱体層1と基材2との間に間隙3を設け、密着しないように構成することが望ましい。
Further, it is desirable that a gap is provided at least partially between the
具体的には、例えば、図3のように、白色散乱体層1を、中空の筒状部材とし、基材2を囲むように配置した構成とすることができる。筒状部材の白色散乱体層1の内径は、基材2、または、巻回された基材2の外径よりも大きく、白色散乱体層1は少なくとも中央部が、基材2に密着していない。図3の場合、基材2に対して、筒状部材の白色散乱体層1の両端が接し、筒状部材を基材2に対して支持している。これにより、白色散乱体層1の両端部以外を基材1に対して間隙3を挟んで配置することができる。また、図3のように、筒状部材の白色散乱体層1の両端を閉じることにより、基材2から放射された光が、筒状部材の白色散乱体層1の端部において、間隙3から外部に漏れ出ることもない。よって、基材に投入されたエネルギーが、貫通孔11から放射される以外の放射で奪われることがなく、少ない投入エネルギーで基材2を高温に加熱することができる。
Specifically, for example, as shown in FIG. 3, the
なお、白色散乱体層1の面積のうち、基材2と接触している領域の面積は、20%以下であることが望ましい。
Of the area of the
また、図4のように、白色散乱体層1は、白色散乱体粒子の径が、基材2に近い側ほど大きくなるように構成することも可能である。この場合、径の大きな白色散乱体粒子1aの一部が、基材2に接触することにより、白色散乱体層1を基材2の表面に対して支持する。よって、接触面積を、白色散乱体層1の全体の面積の20%以下にすることができる。
Further, as shown in FIG. 4, the
図1、図3のような筒状の白色散乱体層1は、白色散乱体を溶剤に分散させたスラリーを押出成形等により成形後、乾燥させることにより製造することができる。成形した筒状の白色散乱体層1に基材2を挿入し、両端に、白色散乱体粒子を塗布して焼結することにより、基材2に白色散乱体層1を固定できる。同時に、チューブ両端の間隙を塞ぐことができる。これにより、図3の構造のフィラメントを製造できる。
The cylindrical
また、図4のように、サイズの異なる白色散乱体粒子を堆積させた白色散乱体層1は、溶媒に分散させた白色散乱体粒子を電気泳動法により、基材2の周囲に堆積させることにより製造することができる。
Further, as shown in FIG. 4, the
白色散乱体層1に微細な貫通孔11を設ける方法としては、レーザーによる加工方法を用いることができる。例えば、筒状の白色散乱体層1を、押出成形法等により作製した後、レーザーを用いて微細な貫通孔11を無数に、かつ、ランダムに開けることができる。貫通孔11の数は、多ければ多いほど好ましい。レーザー光としては、その波長が、設ける貫通孔11の直径よりも小さいものが好ましい。例えば、エキシマレーザを用いることができる。また、反応性イオンエッチングやプラズマエッチングなどの手法により、貫通孔11を設けることも可能である。
As a method of providing the fine through-
白色散乱体層1は、白色散乱体粒子の平均粒径が1μm以上50μm以下であることが望ましい。また、白色散乱体層1は、大小異なる粒子径を持つ白色散乱体粒子から作製することも可能である。粒子径が大きいほど光の散乱断面積は大きいため、一例としては、基材2に近い内壁に粒子径数ミクロンの大きい粒子が配置されるようにし、外壁に粒子径数百ナノメートルの小さい粒子が配置されるよう、粒子径の勾配をつける。
The
なお、基材2の形状は、任意でよく、直線状であってもよいし、図3のように中央部が周期的に屈曲していてもよいし、巻回されていてもよい。
In addition, the shape of the
基材2を構成する金属材料は、融点2000K以上の金属材料、例えば、HfC(融点4160K)、TaC(融点4150K)、ZrC(融点3810K)、C(融点3800K)、W(融点3680K)、Re(融点3453K)、Os(融点3327K)、Ta(融点3269K)、Mo(融点2890K)、Nb(融点2741K)、Ir(融点2683K)、Ru(融点2583K)、Rh(融点2239K)、V(融点2160K)、Cr(融点2130K)、およびZr(融点2125K)、のいずれか、または、これらのうちのいずれかを含有する合金を用いることができる。
The metal material constituting the
白色散乱体層1の材料としては、例えばHfC、TaC、ZrC、C、W、Re、Os、Ta、Mo、Nb、Ir、Ru、Rh、V、Cr、Zr、SiO2、MgO、ZrO2、Y2O3、6H−SiC、GaN、3C−SiC(立方晶のSiC)、HfO2、Lu2O3、Yb2O3、グラファイト、ダイヤモンド、CrZrB2、MoB、Mo2BC、MoTiB4、Mo2TiB2、Mo2ZrB2、MoZr2B4、NbB、Nb3B4、NbTiB4、NdB6、SiB3、Ta3B4、TiWB2、W2B、WB、WB2、YB4およびZrB12、のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する材料で構成することができる。
Examples of the material of the
本発明は、貫通孔の径を調節することにより、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。可視領域の放射効率の高いフィラメントは、高効率な照明用光源として用いることができる。近赤外領域の放射効率の高いフィラメントは、ヒーター用光源等の熱源として用いることができる。よって、本発明のフィラメントは、例えば、一般照明用光源,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。 The present invention can provide a filament with high radiation efficiency of visible light and near infrared light by adjusting the diameter of the through hole. A filament having high radiation efficiency in the visible region can be used as a light source for illumination with high efficiency. A filament having high radiation efficiency in the near infrared region can be used as a heat source such as a heater light source. Therefore, the filament of the present invention can be used as, for example, a general illumination light source, an automobile light bulb, a projector light source, a liquid crystal backlight light source, and a near infrared heater.
以下、本発明の一実施例について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
白色散乱体として、酸化ハフニウム(HfO2)を用いて、無数の貫通孔11を有するチューブ状の白色散乱体層1を作製した。
A tube-shaped
まず、粒径1.0μmの白色散乱体粒子を用いて、押出成形法により厚さ約50μmの白色散乱体層1の中空状チューブを作製した。白色散乱体チューブの内径(中空の径)は、500μmとした。
First, a hollow tube of the
次に、レーザー加工により、半径約0.8μm程度以下の貫通孔11を無数に、かつ、ランダムに設けた。
Next, innumerable and random through
この白色散乱体層1の中空部分に、タングステン基材2(φ=100μm)を通した。チューブ状の白色散乱体層1の両端を、タングステン基材2に固定するため、酸化ハフニウムの粉末をエタノールに高濃度に分散させスラリー状を、チューブの両端に塗布した。その後1500℃で焼成し、チューブの両端とタングステン基材2を接合した。
A tungsten substrate 2 (φ = 100 μm) was passed through the hollow portion of the
これにより、図3のように、チューブ状の白色散乱体層1の中央部では、基材2と白色散乱体層1との間に間隙があり、両端部が基材2に接合されたフィラメントを製造した。
Thereby, as shown in FIG. 3, in the central part of the tube-shaped
フィラメントに通電加熱する際、タングステン基材2で高温になる部分は中央付近であり、基材2両端は、中央部よりも温度が低い。このため、両端が基材2に接触しているチューブ状の白色散乱体層1は、劣化させることなくタングステン基材2上に保持される。
When the filament is energized and heated, the portion of the
最終的に、タングステン基材2の両端をリード線につないで、白熱電球フィラメントを作製した。
Finally, both ends of the
図5に、実施例のフィラメントに電力を供給した場合の、温度と投入電力との関係を示す。比較例として、白色散乱体層1を設けていないタングステン基材2についても温度と投入電力との関係を示す。
FIG. 5 shows the relationship between temperature and input power when power is supplied to the filament of the example. As a comparative example, the relationship between the temperature and the input power is also shown for the
図5から、実施例のフィラメントは、白色散乱体層1があることで、少ない投入電力でフィラメントが高温に達しているのがわかる。すなわち、実施例のフィラメントは、投入したエネルギーが比較例よりも損失しておらず、フィラメントとしての効率が高いことがわかる。
From FIG. 5, it can be seen that the filament of the example reaches the high temperature with a small input power due to the presence of the
図6および図7に、本実施例のフィラメントと、白色散乱体層1を設けていない比較例のタングステン基材2の反射スペクトルおよび放射スペクトルをシミュレーションにより求めた結果をそれぞれ示す。実施例のフィラメント、比較例と比べ、可視光領域の反射率が低く、赤外光領域の反射率が高い。また、赤外光放射が抑制され、可視光放射が高くなっていることがわかる。可視光放射効率は、比較例が2500Kで12.4 lm/Wであるのに対し、本実施例のフィラメントは、22.5 lm/Wとなり、81%の効率改善効果が得られていることがわかった。
FIGS. 6 and 7 show the results obtained by simulation of the reflection spectrum and the emission spectrum of the filament of this example and the
このように、フィラメント基材2を、貫通孔11を有する白色散乱体層1で覆うことにより、赤外領域での放射が小さく、可視領域での放射が大きい、効率の良い白熱電球フィラメントが得られる。
Thus, by covering the
1…白色散乱体層、2…基材、3…間隙、11…貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記白色散乱体層には、厚さ方向に複数の貫通孔が形成され、前記貫通孔の半径は、可視光域の長波長端以下であることを特徴とするフィラメント。 A metal substrate and a white scatterer layer covering the substrate;
The white scatterer layer has a plurality of through holes formed in a thickness direction, and the radius of the through holes is equal to or less than a long wavelength end of a visible light region.
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