KR100664601B1 - 광원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전구(1), 상기 전구 내에 배치된 필라멘트(2), 그리고 상기 필라멘트(2)용의 가열 장치(3)를 포함하며, 상기 필라멘트(2)는 가시 광선과 열복사를 모두 방출하는 광원, 특히 백열등에 관한 것으로, 상기 가열 장치(3)는 상기 필라멘트(2)를 간접적으로 가열하는 가열 소자(4)를 포함하여 전력과 가시광선 출력간에 높은 변환 효율을 갖도록 설계 구성된다.

광원, 백열등, 전구, 필라멘트, 가열소자, 간접가열

Description

광원 {LIGHT SOURCE}

본 발명은 광원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전구, 전구 내에 배치된 필라멘트 및 필라멘트용 가열 장치를 구비하며, 필라멘트가 가시광선과 열복사(heat radiation)를 모두 방출하는 백열등(incandescent lamp)에 관한 것이다.

상기한 유형의 광원은 오랫동안 실용적인 측면에서 알려져 왔고, 그 디자인 및 크기가 매우 다양하다. 이와 관련하여, 예를 들어 백열등은 전기적 광원으로 알려져 있으며, 그 내부에 전기적인 주울 열(Joule heat) 수단으로써 가능한 한 최고 온도에 이르게 하는 텅스텐 필라멘트를 가지는 것이 보통이다. 이 과정에서, 온도 복사(temperature radiation)가 발생한다. 백열광 필라멘트의 광 수율(light yield)은 온도가 증가함에 따라 상당히 증가한다. 이에 비해, 예를 들어 고압 및 저압 설계의 불활성 가스, 수은, 나트륨 및 금속 할로겐화물 방전(discharge lamp)등과 같은 방전등은 이른바 복사의 비열원(nonthermal source)으로 알려져 있다.

지금까지 알려진 전기적으로 동작되는 유형의 광원은 전력을 가시광선 출력으로 변환하는데 있어 매우 비효율적인 단점이 있다. 변환 효율은 겨우 30%를 넘는다. 소비되는 전력의 가장 큰 부분은 주로 열의 형태로 비경제적으로 낭비된다.

알려진 광원의 효율 증가 가능성은 전구 후방(bulb back)의 내면에서 필라멘트나 글로우 와이어(glow wire)로 반사되어 필라멘트나 글로우 와이어로부터 복사되는 열에 달려 있다. 그 결과, 필라멘트나 글로우 와이어는 일종의 역가열(back heating)을 경험한다. 이것은 동일한 필라멘트 온도에 도달한 후에는 반사 없이 가열하는 것에 비해 더 적은 전력을 필요로 할 것이다. 전구를 통해 방출되는 가시광선 출력은 이 경우에 동일하게 유지된다. 이상적인 경우에, 방출되는 가시광선 출력 및 전구가 흡수하는 열손실에 상응하는 전력만을 필요로 할 것이다. 따라서, 변환 효율은 반사되는 열복사 부분에 의해 개선된다. 이론적으로, 만약 텅스텐등(tungsten lamp)의 표준 열손실을 약 25% 기준으로 하고, 전구 내면 거울 코팅부(mirror coating)의 복사 흡수를 무시한다면, 75% 또는 140 루멘/와트 (lumen/watt) 만큼 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여, 예를 들어 유전체 거울 코팅부는 일반적으로 0.1%의 흡수율을 갖는다.

예를 들어 99.9%의 반사율(reflecting power)을 갖는 전구 내면 거울 코팅부의 경우에, 통계적으로 거울 코팅부의 재료에 매번 1000분의 1의 광자가 흡수될 것이다. 그러므로 전구 내로의 복사에 대한 반사인 경우에, 광자 속(photon flux)은 전구 내에 완전히 흡수될 때까지 전구의 내면 상에서 단지 1000번의 반사를 경험한다. 반사 경로 상에서, 광자 속이 필라멘트 또는 글로우 와이어에 충돌하여 그곳에서 흡수될 확률은 반사하는 전구의 체적 또는 반사하는 전구의 표면에 대한 필라멘트의 체적 또는 필라멘트의 표면 비율에 비례한다.

가능한 한 최대의 필라멘트의 역가열을 달성하기 위하여, 전구의 내면에서 최소한의 반사가 있은 후에 광자 속이 필라멘트에 충돌하여 그곳에서 흡수되도록 필라멘트 표면이 넓은 경우가 유리할 것이다.

그러나, 필라멘트 표면을 넓게 한 경우, 필라멘트의 전기 저항이 더 적어져, 정상(normal) 필라멘트 표면 또는 정상 필라멘트 단면(cross section)의 경우에 비해 빛을 방출하는 데 필요한 필라멘트 온도에 도달하기 위해 필라멘트에서 실질적으로 더 큰 전류를 필요로 하므로 불리하다. 이것은 광원을 사용하는 사용자에 대한 안전성 문제를 유발시킬 수 있다. 요약하면, 가능한 한 최대로 넓은 필라멘트 표면에 대하여 불리한 높은 전류를 필요로 하므로 딜레마가 존재한다.

따라서, 본 발명은 간단한 수단과 신뢰성 있는 방법으로 높은 변환 효율을 달성할 수 있는 처음에 설명한 유형의 광원을 기술하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징을 갖는 광원에 의해 달성된다. 따라서, 광원은 가열 장치가 필라멘트를 간접 가열하는 가열 소자를 포함하도록 설계되고 구성된다.

본 발명에 따라서, 필라멘트용 개별 가열 소자의 개발이 놀랄 만큼 간단한 방법으로 상기한 목적을 달성한 다는 것을 알았다. 이 경우에, 필라멘트는 가열소자에 의해 간접적으로 가열되는데, 이것은 필라멘트를 전기 저항 작용과 무관하게 구성할 수 있다는 매우 큰 장점을 제공한다. 그 결과로서, 전구 내면에서 반사되는 열복사에 대해 높은 흡수율(absorptibr power)을 나타내는 넓은 표면 필라멘트를 구현할 수 있다. 필라멘트 가열을 위해 필요한 수단은 필라멘트 구성과 관계없 이 구현될 수 있다. 그 결과, 안전하게 관리될 수 있는 전류로 동작하는 가열 장치를 구현할 수 있다. 가열 장치와 필라멘트 사이의 전기 접촉은 더 이상 필요하지 않다.

따라서, 본 발명의 광원은 높은 신뢰성을 가지며 간단한 수단으로 높은 변환 효율을 달성할 수 있는 광원을 의미한다.

열복사에 대해 가능한 한 가장 유리한 흡수 작용의 관점에서는, 필라멘트를 스트립(strip) 또는 매우 일반적으로 평면 필라멘트(flat filament)로 설계 구성할 수 있을 것이다. 또한 매우 일반적으로 필라멘트를 볼륨 필라멘트(volume filament), 즉 공간 체적을 점유하거나 체적을 형성하는 필라멘트로서 만들 수 있다. 특히, 필라멘트를 컵 또는 실린더 재킷(cylinder jacket) 형태로 만들 수 있다. 이와 관련하여, 완전한 실린더 재킷 또는 실린더 재킷의 일부, 특히 반(half) 실린더 재킷의 형태로 구성할 수 있다. 실질적으로 완전한 실린더 재킷인 경우, 그러한 재킷은 그 측면을 개방하거나 축방향으로 홈을 형성하여 개방되도록 만들 수도 있다. 이것은 필라멘트의 열 팽창 작용에 대해 유리하다.

전구 내면에서 반사되는 열복사의 특히 효과적인 흡수를 보증하기 위하여, 실린더 재킷의 직경 또는 그 일부 또는 그 반은 전구 직경에 비해 약간 작을 뿐이다. 이 경우에 특히, 필라멘트를 전구의 세로축과 동심(concentric) 및/또는 동축 관계를 갖도록 전구 내에 배치할 수 있다.

그 구성에 따라, 필라멘트는 전구의 내부를 하나 이상의 반 공간(half space) 또는 부분 공간(subspace)으로 나눌 수 있다.

전구는 매우 넓은 외부 표면을 가져서 예를 들어 열복사의 흡수에 의해 발생된 표면의 열을 대류 냉각이나 기타 강제 냉각을 사용하여 방산할 수 있다. 필라멘트 및 전구의 크기와 형상은 상응하는 방식으로 상호 조화될 수 있다.

기본적으로, 필라멘트는 텅스텐(tungsten), 및/또는 레늄(rhenium), 및/또는 지르코늄(zirconium), 및/또는 니오븀(niobium)을 함유할 수 있다. 이와 관련하여, 광원 특성에 대한 각각의 요구에 대해 조정할 수 있다. 필라멘트는 마지막 언급한 물질을 소결 형태(sintered form)로 함유할 수 있다.

또한, 필라멘트는 적어도 일부를 비금속으로 구성할 수 있다. 이것은 필라멘트의 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다.

매우 높은 표면 온도 및 가시광선 영역에서 매우 높은 광 흐름(light current)에 대해, 필라멘트는 적어도 일부를 탄탈 카바이드(tantalum carbide), 및/또는 레늄 카바이드, 및/또는 니오븀 카바이드, 및/또는 지르코늄 카바이드로 구성할 수 있다. 이것은 보통의 알려진 텅스텐 필라멘트 램프에 비해 높은 표면 온도에 도달할 수 있도록 한다.

구체적으로, 가열 소자는 전류에 의해 가열되는 백열 소자일 수 있다. 필라멘트는 백열 소자의 열복사에 의해 가열된다. 백열 소자는 필라멘트와 관계없이 필요로 하는 램프 출력에 적합하도록 만들 수 있다. 특히 간단한 방법으로, 백열 소자는 가열 코일일 수 있다.

백열 소자에 의한 특히 유리한 필라멘트 가열의 관점에서, 후자는 필라멘트가 형성하는 공간 또는 그 반(half 공간) 내에, 바람직하게는 실린더 재킷이나 반(half) 실린더 재킷 내에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 백열 소자로부터 복사된 열의 거의 가장 큰 부분을 필라멘트가 흡수한다. 필라멘트가 예를 들어 실린더 재킷의 반과 같이 단면(section)으로 개방된 몸체(body)로서 설계되는 경우, 백열 소자는 빛의 생성에 더 기여할 수 있을 것이다. 이 경우에, 백열 소자는 필라멘트의 형상에 의해 미리 정해진 방향으로 방출한다. 광원은 필라멘트가 빛을 방출하는 데 필요한 온도로 가열되기 이전에 이미 빛을 방출할 수 있을 것이다. 광원의 활성화와 빛 방출 사이의 시간지연은 따라서 대부분 피할 수 있다.

특히 간단한 방법으로, 백열 소자를 텅스텐으로 형성할 수 있다. 이 경우에, 종래의 텅스텐 가열 코일을 사용할 수 있다.

구조상 매우 간단한 방식으로, 필라멘트는 가열 소자 또는 백열 소자용 전력 공급 도체에 장착될 수 있어, 전구 내에 필라멘트를 위한 추가적인 유지수단이 불필요하다.

가열된 백열 소자로 필라멘트의 가열을 대체하거나 이에 더하여, 필라멘트를 간접 가열하기 위하여 전구 내부 또는 외부에 자기 인덕터를 배치할 수 있다. 때문에 간단한 방법으로 필라멘트를 간접 가열할 수 있다.

전구 내면의 반사 작용을 최적화하기 위하여, 전구는 가시광선을 투과시키며, 그 내면에 거울 코팅부를 가질 수 있다. 특히 유리한 방법으로는, 거울 코팅부는 유전체의 다층 코팅일 수 있다. 이로써 특정 스펙트럼을 선택적으로 반사 또는 투과시키는 거울 코팅부가 제공되며, 이것은 열복사 부분의 대부분을 반사시키고 가시광선 복사 부분을 투과시킨다.

필라멘트의 경우 백열 소자를 완전히 둘러싸지 않아, 열복사는 또한 백열 소자에서 전구 내면으로 직접 방출된다. 이 내면으로부터, 열복사는 차례로 필라멘트에서 반사된다.

또, 필라멘트로부터 반사되는 열복사는 전구 내면으로부터 반사되므로 필라멘트 역가열의 원인이 된다. 전체로서, 본 발명의 광원은 복사로 램프(radiation furnace lamp)로 설명될 수 있으며, 전구는 적외선 복사에 대해 내부적으로 가열되는 복사로를 형성한다.

가능한 한 최대로 넓은 필라멘트 표면은 높은 광 출력을 갖는 광원을 구성할 수 있도록 한다. 또한 필라멘트나 백열 소자의 표면 온도와 관계없이 광원의 색온도(color temperature)를 조정할 수 있다. 특정 스펙트럼을 선택적으로 반사 또는 투과시키는 거울 코팅부에 의해, 전구로부터 방출된 복사 출력의 투과되는 스펙트럼 분포를 미리 정할 수 있어 색온도를 미리 정할 수 있다.

동일한 광 출력을 갖는 종래의 광원에 비해, 특히 백열 소자와 필라멘트 둘 다의 표면 온도를 낮출 수 있으므로, 한편 백열 소자의 전체 복사 출력은 가시광선 복사 출력과 광원의 열 손실률(thermal dissipation power)의 합에만 상당해야 한다. 그러나, 반사되어 재흡수되는 열복사 부분 또는 적외선 복사 출력 부분에 의해, 종래의 유사한 온도 복사체(radiator)의 전체 복사 출력에 비해 더 적다. 스테판-볼쯔만 법칙에 따라서, 전체 비열복사(specific heat radiation)는 온도의 함수이므로 본 발명에 따른 광원의 백열 소자는 종래의 유사한 열 광원의 직접 가열되는 필라멘트와 비교해 볼 때 더 낮은 온도에서 동작될 수 있다. 한편, 또 비교 를 위해, 필라멘트의 더 크고 더 차가운 표면이 동등한 가시광선 흐름을 생성할 수 있기 때문에 필라멘트의 표면 온도를 더 낮게 조정할 수 있다. 이와 관련하여, 필라멘트 표면은 새롭고, 부가적인 구조상의 자유도(degree of freedom)를 형성한다.

한편, 필라멘트를 상대적으로 낮은 온도로 동작시킬 수 있고, 동시에 전구 내면에 최대한 가까이 있는 매우 큰 표면으로 인해 증발 방해가 발생할 수 있어, 필라멘트 재료(material)의 상대적으로 낮은 증발을 달성할 수 있다.

전구 내면에서 증발되고 배치되는 필라멘트 재료로 인해, 전구 내면 또는 전구 내면의 거울 코팅부에서의 반사율(reflectivity)은 감소되고, 전구 또는 거울 코팅부의 흡수 및 열 손실은 각각 증가된다. 따라서 범위(extent)를 최대로 하기 위하여 필라멘트 재료의 증발을 최소화하는 것이 바람직하다.

필라멘트 재료의 증발을 최소화하기 위하여, 전구는 브롬 및/또는 요오드를 함유하는 불활성 가스 및/또는 할로겐 가스를 포함할 수 있다. 그래서, 텅스텐 필라멘트의 경우에 정상(normal) 텅스텐 요드화물 순환(circulation)을 발생시킬 수 있다.

증발 문제에 대한 대안 해결법은 필라멘트 및/또는 백열 소자를 필라멘트 및/또는 백열 소자의 재료보다 녹는점이 더 높은 코팅 재료로 코팅함으로써 얻을 수 있다. 이것은 그 녹는점으로 인하여 고체의 온도 의존(temperature-dependent) 증기압의 의존에 달려 있다. 게다가, 코팅 재료의 증착은 표준 필라멘트 재료의 증착 또는 백열 소자 재료의 증착에 비해 더 작은 흡수율(absorptivity)을 나타낸다. 코팅 재료는 녹는점이 매우 높아야 하므로, 예를 들어 탄탈 카바이드(tantalum carbide), 및/또는 레늄 카바이드, 및/또는 니오븀 카바이드, 및/또는 지르코늄 카바이드를 사용할 수 있다.

구조상 넓은 필라멘트 표면을 필요한 결과로서, 매우 높은 광 흐름(light current)을 발생시킬 수 있고, 이를 광원으로부터 방출할 수 있어 본 발명에 따른 광원 하나만으로 넓은 빌딩 내부 또는 외부 지역을 조명할 수 있다.

본 발명의 가르침(teaching)을 개량 및 추가 개발할 수 있는 여러 가능성이 존재한다. 이 때문에, 한편으로는 특허청구범위 제1항의 종속항을 참조할 수 있고, 다른 한편으로는 후술하는 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명을 참조할 수 있다. 도면과 관련한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 함께 본 발명의 가르침에 대한 일반적으로 바람직한 개량 및 추가 개발을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광원에 대한 일 실시예의 측면도이다.

도 2는 도 1의 실시예에 대한 평면도이다.

도 1은 본 발명에 따른 광원에 대한 일 실시예의 측면도이다. 광원은 백열등으로서 설계 구성되며, 필라멘트(2)를 수용하는 전구(1)를 포함한다. 필라멘트(2)를 가열하기 위해 전류를 공급하는 가열 장치(3)가 구비된다. 가열된 필라멘트(2)는 가시광선과 열복사 모두를 방출한다. 가열된 필라멘트(20)의 온도는 약 3000℃ 이다.

광원의 높은 변환 효율과 신뢰성 있는 동작에 관하여, 가열 장치(3)는 필라멘트(2)를 간접적으로 가열하는 가열 소자(4)를 포함한다. 가열 소자(4)는 나선형의 백열 소자이고, 예를 들어 텅스텐으로 이루어질 수 있다. 필라멘트(2)는 실질적으로 실린더 재킷 형태로 구현되며, 따라서 전구(1) 내면에서 반사되는 열복사에 대해 넓은 흡수 표면을 갖는다. 그 결과, 필라멘트(2)는 반사되는 열복사에 의해 효과적으로 역가열된다. 이것은 동일한 광 출력을 갖는 종래 광원의 경우에 필요로 하는 것보다 가열 소자(4)의 온도를 더 낮게 선택할 수 있도록 한다. 결과적으로, 본 발명의 광원은 더 낮은 에너지로 동작할 수 있고, 따라서 종래의 광원보다 더 경제적이다.

실린더 재킷 형태의 필라멘트(2)는 가열 소자(4)를 위한 전력 공급 도체(5)에 간단한 방법으로 장착된다. 가열 소자(4) 또는 나선형의 백열 소자는 필라멘트(2)와 동심 및 동축 관계로 위치한다. 필라멘트(2)는 유사 관 형태(quasi tubular)의 전구(1)와 동심 및 동축 관계로 전구(1) 내에 차례로 배치된다. 실린더 재킷 또는 관(tube) 형태를 갖는 필라멘트(2)는 텅스텐으로 만들어진다.

전구(1)의 하단부(lower end)에, 전류를 공급하는 전기 접촉부(6)를 구비한다. 전기 접촉부(6)는 전구(1)의 하단부와 결합된다.

필라멘트(2)의 직경은 단지 전구(1)의 직경보다 약간 작다.

전구(1)의 내면에는 거울 코팅부(7)가 구비된다. 거울 코팅부(7)는 가열 소자(4) 및/또는 필라멘트(2)로부터 방출되는 열복사를 효과적으로 반사하기 위해 사용된다.

가열 소자(4) 및/또는 필라멘트(2)는 녹는점이 매우 높은 재료의 코팅을 포함할 수 있다. 이것은 필라멘트 재료 및/또는 가열 소자 재료의 증발을 감소시킨다.

도 2는 도 1의 실시예에 대한 평면도이다. 도 1에서 가장 잘 볼 수 있는 것처럼, 필라멘트(2)는 실질적으로 동심 관계로 전구 내에 배치되고, 가열 장치(4)는 필라멘트(2) 내에 실질적으로 그 중심에 위치된다.

본 발명에 가르침에 대한 더 유리한 개량 및 추가 개발에 관해서는 한편으로는 상세한 설명의 전반적인 부분이 다른 한편으로는 첨부된 청구범위가 함께 참조로 통합된다.

끝으로, 전술한 적극적으로 선택된 실시예는 단지 본 발명의 가르침을 설명하기 위하여 사용되었을 뿐이며, 본 발명을 이것으로 한정하는 것은 아님이 특히 강조되어야 한다.

Claims (24)

1. 전구(1), 상기 전구 내에 배치된 필라멘트(2), 그리고 상기 필라멘트(2)용 가열 장치(3)을 포함하며, 상기 필라멘트(2)는 가시 광선과 열복사를 모두 방출하고, 상기 가열 장치(3)는 상기 필라멘트(2)를 간접적으로 가열하는 가열 소자(4)를 포함하는 광원으로서,

   상기 필라멘트(2)는 실린더 재킷이나 반 실린더 재킷의 형상으로 되어 있고, 상기 가열 소자(4)는, 전류로 가열되는 백열 소자로서, 상기 필라멘트(2)의 내부 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 광원.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에서,

   상기 필라멘트(2)는 축방향으로 연장되어 개방된 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광원.
6. 제5항에서,

   상기 실린더 재킷 또는 상기 반 실린더 재킷의 직경이 상기 전구(1)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 광원.
7. 제1항에서,

   상기 필라멘트(2)는, 상기 전구(1) 내에, 상기 전구(1)와 동심으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광원.
8. 제1항에서,

   상기 필라멘트(2)는 상기 전구(1)의 세로축과 동축으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광원.
9. 제1항에서,

   상기 필라멘트(2)는, 텅스텐, 레늄, 탄탈, 지르코늄, 니오븀, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원.
10. 제1항에서,

    상기 필라멘트(2)는 비금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 광원.
11. 제1항에서,

    상기 필라멘트(2)는, 탄탈 카바이드, 레늄 카바이드, 니오븀 카바이드, 지르코늄 카바이드, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 광원.
12. 제1항에서,

    상기 백열 소자는 가열 코일인 것을 특징으로 하는 광원.
13. 제1항에서,

    상기 백열 소자는 텅스텐으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광원.
14. 제1항에서,

    상기 필라멘트(2)는 가열 소자(4)용 전력 공급 도체(5)에 장착되는 것을 특징으로 하는 광원.
15. 제1항에서,

    상기 전구(1)는 그 내면에 거울 코팅부(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원.
16. 제1항에서,

    상기 거울 코팅부(7)는 유전체의 다층 코팅으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광원.
17. 제1항에서,

    상기 전구(1) 내에 불활성 가스와 할로겐 가스 중 하나 이상이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 광원.
18. 제1항에서,

    상기 전구(1) 내에, 브롬과 요오드 중 하나 이상을 포함하는 할로겐 가스가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 광원.
19. 제1항에서,

    상기 필라멘트와 상기 백열 소자 중 하나 이상에는 코팅 재료가 코팅되고, 상기 코팅 재료는 상기 코팅 재료가 코팅되는 상기 필라멘트 또는 상기 백열 소자의 재료보다 높은 녹는점을 가진 재료인 것을 특징으로 하는 광원.
20. 제19항에서,

    상기 코팅 재료는, 탄탈 카바이드, 레늄 카바이드, 니오븀 카바이드, 지르코늄 카바이드, 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원.
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제

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