專利名稱：能量變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具備能夠抑制比規(guī)定波長長的波長輻射的輻射體的能量變換裝置，特別涉及具備變換電能為光能的燈絲的白熾燈。
背景技術(shù)：
作為照明光源、廣泛普及的白熾燈，具有作為熱輻射體(thermalradiator)功能的燈絲，熱輻射體是通過熱輻射(thermal radiation)放出電磁波的輻射源，而熱輻射是通過加在物體的原子或分子上的熱產(chǎn)生輻射(電磁波的輻射)。熱輻射能量由物體的溫度決定，具有連續(xù)的光譜分布。下面，為簡單起見稱熱輻射體為輻射體或燈絲。
白熾燈在彩色再現(xiàn)性上性能優(yōu)越，可通過簡單的使用器具點(diǎn)亮，由于利用了燈絲的發(fā)熱形成的輻射，所以可見光區(qū)的輻射少到全部的10％左右(例如動(dòng)作溫度為2600K時(shí))，更具體的，紅外線輻射的能量密度相對于輻射的全部能量密度的比例占到70％左右，是起支配作用的，另外由白熾燈內(nèi)密封的氣體引起的熱傳導(dǎo)、對流等組成的熱損失也有20％左右。因此，白熾燈的可見光輻射效率低到15lm/W左右，于是研究通過抑制占有輻射體輻射的電磁波全體的約70％的紅外線輻射，來提高可見光輻射的效率。
為了抑制此紅外線輻射，謀求照明效率的提高，現(xiàn)已公開了在燈絲表面形成微細(xì)的凹凸是有效的這樣的報(bào)告(例如專利文獻(xiàn)1)。圖6(a)及(b)表示了專利文獻(xiàn)1中所公開的裝置。圖6所示的裝置具有在鎢絲的表面上配設(shè)邊長為0.35μm的正方形形狀的、深度為7μm的空腔導(dǎo)波管的構(gòu)成。通過采用這樣的構(gòu)成，截?cái)啾纫?guī)定波長(例如700nm以上的波長)長的波長的輻射，達(dá)到提高照明效率的目的。通過圖6的構(gòu)成，照明效率在從2000K到2100K的動(dòng)作溫度上，可提高到以往的6倍。
專利文獻(xiàn)1特開平03-102701號公報(bào)(第6頁左下欄)。
熱平衡狀態(tài)下的熱輻射的光譜，遵循普朗克輻射定律，依賴于溫度。
圖2表示黑體輻射的溫度依賴性的圖表。圖表的縱軸是黑體的分光輻射亮度BλΔλ[單位W·cm-2str-1](Δλ＝10nm)，橫軸是輻射的波長[單位μm]。例如當(dāng)白熾燈的動(dòng)作溫度為1600K時(shí)，通過其燈絲輻射的光的分光亮度分布用圖表中的附有[1600K]的曲線表示，由此曲線可知峰值為波長2μm左右，紅外線的輻射比率較高。
從圖2明顯可知，當(dāng)輻射體的溫度從1200K上升到2000K時(shí)，可見光區(qū)的輻射提高到3位數(shù)以上，而紅外線區(qū)的輻射沒怎么變化，由此可知要想得到效率良好的可見光輻射，最佳方式是將動(dòng)作溫度設(shè)定在2000K以上，特別在利用輻射體作為照明光源的情況下，如果動(dòng)作溫度比2000K低，則紅色變強(qiáng)，不理想。因此輻射體由耐2000K以上的高溫動(dòng)作的鎢絲等的高熔點(diǎn)材料形成。
本發(fā)明者在鎢絲的表面形成微細(xì)的凹凸結(jié)構(gòu)(以下稱為空腔)的陣列，進(jìn)行了各種各樣的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果是在形成每個(gè)尺寸為1μm以下的微細(xì)的空腔陣列的鎢絲上，盡管鎢絲的熔點(diǎn)3650K，但在1200K左右的溫度時(shí)、觀察到了短時(shí)間內(nèi)空腔陣列會(huì)損壞的這一趣味深刻的現(xiàn)象。
如前所述，白熾燈的燈絲必需在2000K以上的高溫下動(dòng)作，另外要求白熾燈的壽命要長，為了抑制紅外線區(qū)的輻射，在將空腔陣列的結(jié)構(gòu)微細(xì)化到超微尺寸時(shí)、如果表面結(jié)構(gòu)消失，不能將那樣的輻射體應(yīng)用到白熾燈、或其他高溫下動(dòng)作的白熾燈中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述情況而產(chǎn)生的，其主要目的在于提供一種延長表面內(nèi)徑在5μm以下的具有空腔結(jié)構(gòu)的輻射體壽命、在高溫下可長時(shí)間穩(wěn)定動(dòng)作的白熾燈。
本發(fā)明的白熾燈具備容器和配置在上述容器的內(nèi)部、在表面的至少一部分的區(qū)域內(nèi)排列的多個(gè)空腔的燈絲，在上述燈絲的上述區(qū)域具有包含鎢和碳的層，在上述容器的內(nèi)部密封有具有碳原子的分子的氣體。
在優(yōu)選方式中，具有上述碳原子的分子的氣體，含有碳?xì)浠衔铩?br> 在優(yōu)選方式中，上述碳?xì)浠衔镆话惚硎緸镃nHm(n、m為整數(shù))。
在優(yōu)選方式中，有m＝2n+2的關(guān)系成立。
在優(yōu)選方式中，n為1以上3以下的整數(shù)。
在優(yōu)選方式中，包含上述鎢和碳的層是包含碳化鎢的層。
在優(yōu)選方式中，上述空腔具有抑制比規(guī)定波長長的波長輻射的功能。
在優(yōu)選方式中，上述空腔具有圓筒形狀，上述圓筒形狀的直徑在5μm以下。
本發(fā)明的能量變換裝置具備容器和配置在上述容器的內(nèi)部、在表面的至少一部分的區(qū)域內(nèi)排列的多個(gè)空腔的輻射體，在上述輻射體的上述區(qū)域具有包含鎢和碳的層，在上述容器的內(nèi)部密封具有碳原子的分子的氣體。
本發(fā)明的發(fā)電裝置具備上述能量變換裝置和變換由上述能量變換裝置輻射的輻射為電能的元件。
發(fā)明效果通過本發(fā)明，通過包含碳的氣體的作用，可抑制包含碳和鎢的層的蒸發(fā)，從而能夠抑制空腔結(jié)構(gòu)的崩潰與消失，由此實(shí)現(xiàn)將熱能效率很高地變化為可見光進(jìn)行輻射的長壽命的白熾燈。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的白熾燈的主視圖。
圖2是表示黑體輻射的分光輻射亮度的圖表。
圖3(a)是表示在本發(fā)明中使用的輻射體表面的俯視圖，(b)是其局部的放大圖，(c)是(b)的I-I’線處截面圖。
圖4(a)及(b)是比較例加熱前后的表面SEM照片，(c)及(d)是關(guān)于本實(shí)施方式的輻射體301的加熱前后的表面SEM照片。
圖5是表示鎢和碳化鎢的紅外線區(qū)的輻射率的測定結(jié)果的圖表。
圖6(a)是具備表面形成空腔陣列的輻射體的以往裝置的俯視圖，(b)是其截面圖。
圖7(a)、(b)及(c)分別是關(guān)于加熱前的燈絲、真空中加熱的燈絲、及在添加CH4氣體(1％重量)的氣體保護(hù)氣中加熱的燈絲的SEM照片。上段為表示樣本的截面全體的截面SEM照片，中段為放大樣本表面附近的截面的截面SEM照片，下段為樣本表面的SEM照片。
圖8是表示本發(fā)明組成的白熾燈的第2實(shí)施方式的立體圖。
附圖文字說明101—玻璃燈泡、102—燈絲(輻射體)、103—密封部、104，105—金屬箔、106，107—外部引線、108，109—芯棒、110—密封氣體、120，310—空腔、301—輻射體。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明者進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)后確認(rèn)如果在輻射體表面形成包含碳和鎢的層(典型的是由碳化鎢組成的鎢化合物層)，則空腔陣列的熱穩(wěn)定性提高，表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)即使在高溫下也不會(huì)被破壞，而能夠被保持(未公開國際申請(PCT/JP2005/001130))。因此，如果將此種輻射體用于白熾燈，則有望實(shí)現(xiàn)白熾燈的長壽命。
然而，當(dāng)本發(fā)明者進(jìn)行更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在通常惰性氣體的氣體保護(hù)氣中，由于碳化鎢的蒸發(fā)在鎢以上進(jìn)行，所以可知被期待的白熾燈的長壽命化是不能實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)通過在惰性氣體中添加包含碳的氣體，能夠抑制存在于輻射體表面的包含鎢和碳的層的重量的減少，完成了本發(fā)明。
本發(fā)明的白熾燈具備在表面的至少一部分區(qū)域排列多個(gè)空腔(微型空腔)的燈絲(輻射體)和將燈絲與大氣隔絕的容器。燈絲的上述區(qū)域，具有包含鎢和碳的層；容器的內(nèi)部密封具有碳原子的分子的氣體。包含鎢和碳的層的典型例是碳化鎢(WC)。
在此白熾燈中，如果供給燈絲電能或熱能，則輻射體就會(huì)將該能量變換為輻射能量。在本發(fā)明中，存在于輻射體的表面的多數(shù)的微型空腔，可抑制由其尺寸決定的、比所定的波長長的波長的輻射，因此和不存在空腔的情況相比，在規(guī)定的波長以下的區(qū)域內(nèi)，能夠得到輻射光譜相對較強(qiáng)的效果。
具備這樣的輻射體的裝置，不僅僅可作為將電能變換為光能的照明電源，還可作為將太陽能的光譜變換為由太陽電池組成的變化效率高的光譜的能量變換裝置加以利用。
在本發(fā)明中，密封在燈絲容器內(nèi)的氣體(保護(hù)氣)顯示了重要的作用，下面首先說明存在于燈絲表面的碳化鎢層抑制微細(xì)的空腔的崩潰的事情，其后說明通過將包含碳的氣體添加保護(hù)氣中得到的效果。
<鎢化合物層的壽命試驗(yàn)>
圖3(a)是概略的表示本發(fā)明的白熾燈的實(shí)施方式中使用的輻射體301表面的俯視圖，在圖3(b)中，虛線圍繞的矩形部分是放大輻射體301的一部分表面的模式圖，圖3(c)是圖3(b)的I-I’線處截面圖。
輻射體整體為寬0.1mm、長10mm、厚0.05mm的帶狀形狀，主要由鎢構(gòu)成，在輻射體301的表面形成具有直徑0.7μm、深1.2μm的圓柱形狀的空腔310的陣列，由于這些空腔310分別在與輻射面平行的面內(nèi)，且具有5μm以下(典型的為1μm以下)的尺寸，所以有時(shí)也稱為微型空腔。
在本實(shí)施方式中，這樣的空腔310略周期性的排列在輻射體301的表面，其排列的間距(相鄰的2個(gè)空腔的中心軸間的距離)設(shè)定為1.4μm。
這樣的空腔310是利用各種微型加工技術(shù)形成的，在本實(shí)施方式中，通過脈沖激光器的照射制成的。象這樣利用脈沖激光器在被處理物的表面形成微型的凹部的方法，例如記載在特開2001-314989號公報(bào)等上。在本實(shí)施方式中，例如照射具有0.1mJ的脈沖能量的脈沖幅度100飛(femto)秒的激光，進(jìn)行微細(xì)加工，由于這樣的激光脈沖的照射形成1個(gè)空腔310，所以需進(jìn)行數(shù)十到數(shù)千次的重復(fù)操作。
該被激光加工的輻射體301裝載在X-Y載物臺上，通過執(zhí)行和此X-Y載物臺的動(dòng)作同步的激光照射，能夠形成如圖3所示的空腔陣列。通過高精度地控制X-Y載物臺的動(dòng)作，能夠任意設(shè)定陣列的排列圖形?？涨?10的內(nèi)徑及深度，可通過調(diào)節(jié)激光脈沖的照射能量密度、電子束光點(diǎn)直徑、照射次數(shù)等，能夠付與任意的大小。
還有，為了同時(shí)形成多數(shù)的空腔，也可應(yīng)用半導(dǎo)體制造領(lǐng)域、MEMS中廣泛利用的光刻及蝕刻技術(shù)。
如圖3(c)所示那樣，在輻射體301的輻射面上，從表面到深度約1.8μm的區(qū)域(表面區(qū)域)是含有包含鎢和碳的層(碳化鎢[WC、W2C])的鎢化合物層，以下僅由鎢化合物層或稱為WC層形成。
在本實(shí)施方式中，為了形成上述鎢化合物層，對于鎢的表面實(shí)行滲碳處理，滲碳處理是指碳化金屬等的表面的處理，已開發(fā)了各種方法，例如等離子滲碳是將爐體、絕熱材料作為陽極，被處理物作為陰極，在包含氬、氫和甲烷、丙烷等的甲烷系碳?xì)浠衔锏幕旌媳Ｗo(hù)氣體中，在兩極間施加高壓的直流電壓，使其發(fā)生輝光放電；通過輝光放電中產(chǎn)生的等離子體中的種種電化學(xué)作用，將甲烷、丙烷生成的離子作用于被處理物表面，進(jìn)行滲碳。和其他的滲碳技術(shù)相比，具有被處理物表面活性化、清洗還原的效果。在優(yōu)選方式中，滲碳處理溫度設(shè)定在700～2900K(例如1400K)、滲碳處理時(shí)間設(shè)定為4～48小時(shí)(例如8小時(shí))，通過調(diào)節(jié)滲碳處理的條件，能夠控制形成鎢化合物層的厚度。
形成上述鎢化合物層的方法，并不限定為滲碳處理，也可通過碳離子的注入、固相擴(kuò)散，在鎢中導(dǎo)入碳等的化合物的構(gòu)成元素來實(shí)施。通過滲碳處理形成的層的厚度為1.8μm左右。
以下說明實(shí)施了滲碳處理的輻射體的空腔310的崩潰抑制效果。
準(zhǔn)備表面實(shí)施了滲碳處理的輻射體301和表面未實(shí)施滲碳處理的輻射體(比較例)，在約10-4Pa的真空中、2000K下加熱10分鐘，其結(jié)果如圖4(a)及(b)所示。圖4(a)及(b)分別是比較例加熱前的表面SEM照片及加熱后的表面SEM照片，圖4(c)及(d)分別是關(guān)于本實(shí)施方式的輻射體301的加熱前的表面SEM照片及加熱后的表面SEM照片，圖4(c)及(d)所示的輻射體的表面由上述的鎢化合物層形成。
由圖4可知，關(guān)于本實(shí)施方式的輻射體的空腔結(jié)構(gòu)在加熱測試后完全沒有變化，但在比較例的輻射體中，其空腔結(jié)構(gòu)崩潰，達(dá)到了不能認(rèn)識出其痕跡的狀態(tài)，由此可以確認(rèn)在鎢輻射體表面形成包含碳的層，可以提高空腔陣列的熱穩(wěn)定性，使表面微細(xì)結(jié)構(gòu)即使在高溫下也不損壞、被保持。
在上述例子中，利用了厚度約2μm的鎢化合物層，但為了提高空腔的熱穩(wěn)定性，大致認(rèn)為具有數(shù)十nm以上厚度的鎢化合物層是非常充分的。
<鎢化合物層的壽命試驗(yàn)>
下面針對由碳化鎢組成的鎢化合物層的壽命進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明。在本試驗(yàn)中，分別在減壓氬氣中及大氣壓氬氣中測定碳化鎢(WC成分)及鎢(W成分)樣本的加熱前后的重量變化，確認(rèn)有無蒸發(fā)。
在本試驗(yàn)中，為了測定有無蒸發(fā)，如圖3所示的空腔310不設(shè)計(jì)在樣本的表面，使用圓盤狀的樣本，樣本的尺寸為直徑20mm、厚度4mm；加熱條件為2023K(1750℃)、100小時(shí)，其結(jié)果如表1所示。
(I)減壓條件的情況

保護(hù)氣Ar壓力10-4Pa加熱條件1750℃、100小時(shí)(II)大氣壓條件的情況

保護(hù)氣Ar
壓力大氣壓加熱條件1750℃、100小時(shí)在表1中分別表示了針對W成分及WC成分，在加熱前后各5次測量的重量[g]、重量的平均值及加熱前后的平均值差。表1的(I)表示了爐內(nèi)充滿壓力10-4Pa的Ar氣時(shí)的測定結(jié)果，表1的(II)表示了爐內(nèi)充滿大氣壓的Ar氣時(shí)的測定結(jié)果，表1中將對于平均值的平均值差的比率也用重量ppm表示。
表1的(I)、(II)可知，W成分的重量僅在減壓Ar氣體中減少，而在大氣壓下的Ar氣體中沒有變化，另一方面，WC成分的重量不依賴于保護(hù)氣的壓力而減少。重量的減少可認(rèn)為是由于樣本表面層的至少一部分蒸發(fā)而產(chǎn)生的，也就是說WC成分的表面物質(zhì)由于在保護(hù)氣Ar中的加熱而蒸發(fā)，因此可以說即使在燈絲表面形成WC層，由于WC層的蒸發(fā)，也可能造成空腔結(jié)構(gòu)的崩潰。
<碳化鎢層的蒸發(fā)抑制機(jī)構(gòu)>
在本試驗(yàn)中，和上述試驗(yàn)相同使用未形成空腔的WC成分及W成分作為樣本，各樣本的尺寸和上述試驗(yàn)相同，直徑20mm、厚度4mm。將這些樣本在添加包含碳的氣體的惰性氣體中加熱，測定加熱前后的重量變化，加熱條件為2023K、50小時(shí)。
保護(hù)氣體由體積比率99％的Ar氣體和1％的甲烷(CH4)構(gòu)成，全體的壓力設(shè)定為大氣壓。
表2表示針對W成分及WC成分，在加熱前后各5次測量的重量[g]、重量的平均值及加熱前后的平均值差。表2中將對于平均值的平均值差的比率也用重量ppm表示。
[表2](III)在保護(hù)氣體中混入CH4的情況

保護(hù)氣CH41％+Ar99％壓力大氣壓加熱條件1750℃、50小時(shí)由表2可知通過加熱，不僅W成分的重量增加，WC成分的重量也增加了；重量增加的原因被推斷為由于保護(hù)氣中存在的碳的作用，使樣本的表面產(chǎn)生了滲碳的結(jié)果。
從本試驗(yàn)結(jié)果可知僅僅在保護(hù)氣中添加CH4這樣的甲烷系碳?xì)浠衔餁怏w，能夠抑制高溫下加熱的WC成分的蒸發(fā)，此效果也可從空腔表面形成了碳化鎢層得到，也就是說通過在輻射體的保護(hù)氣中添加包含甲烷系碳?xì)浠衔锏鹊奶嫉臍怏w，能夠從輻射體的表面抑制WC或C的蒸發(fā)，長時(shí)間地抑制空腔的崩潰。
還有，在本實(shí)施方式中使用了甲烷作為包含碳的氣體，但如果使用丙烷等的用一般式CnH2n+2表達(dá)的烷系碳?xì)浠衔?n為整數(shù))，甚至使用用一般式CnHm表達(dá)的碳?xì)浠衔?n、m為整數(shù))，都可得到同樣的效果。
<空腔陣列結(jié)構(gòu)>
下面，參照圖7，針對表面形成空腔陣列的樣本，說明所進(jìn)行的試驗(yàn)的結(jié)果。
圖7(a)、(b)及(c)分別是關(guān)于加熱前的燈絲、真空中加熱的燈絲、及在添加CH4氣體(1％體積)的氣體保護(hù)氣中加熱的燈絲的SEM照片。上部的照片表示樣本的截面全體，中部的照片表示了放大樣本表面附近的截面，下部的照片是樣本表面的SEM照片。上部及中部的樣本用樹脂覆蓋周圍。
加熱前的燈絲的表面，通過滲碳處理形成了厚度3μm左右的碳化鎢層，各空腔是直徑0.7μm、深度0.7μm的圓柱形狀的孔，排列間距(相鄰的2個(gè)空腔的中心間隔)為1.4μm。
加熱處理任何情況下都在2023K下進(jìn)行24小時(shí)。如圖7(b)所示，在減壓(10-4Pa)的加熱處理后，碳化鎢層蒸發(fā)，空腔陣列也消失。存在碳化鎢層的部分，相當(dāng)于樹脂層和鎢之間的部分，形成了空隙。
另一方面，如圖7(c)所示，在添加了CH4氣體的保護(hù)氣中加熱處理后，碳化鎢層沒有蒸發(fā)，反而其厚度增加，空腔陣列也沒有消失。碳化鎢層變厚的理由認(rèn)為是從保護(hù)氣中向燈絲表面供給了碳，產(chǎn)生了鎢的碳化(和滲碳處理同樣的現(xiàn)象)。
從上述試驗(yàn)明確了通過在保護(hù)氣體中添加包含碳的氣體，即使在超過約2000K的高溫下空腔陣列也不會(huì)消失，能夠長時(shí)間地維持表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
<由本發(fā)明組成的燈的實(shí)施方式>
下面，參照圖1說明由本發(fā)明組成的白熾燈的實(shí)施方式。圖1是表示本實(shí)施方式的構(gòu)成例的圖。
此白熾燈的結(jié)構(gòu)具備發(fā)出輻射光的燈絲(輻射體)102，將燈絲102與大氣隔絕的透光性的玻璃燈泡101，支撐連接燈絲102的電極的芯棒108、109，通過電極108、109電氣的連接燈絲，從而將電源的電能供給燈絲102。
在燈泡101的內(nèi)部，為抑制燈絲的蒸發(fā)，密封由惰性氣體和甲烷系碳?xì)浠衔锝M成的氣體。
通過圖示的白熾燈，由于燈絲102的空腔結(jié)構(gòu)具有熱穩(wěn)定性，所以即使在2000K的動(dòng)作溫度下能夠長時(shí)間持續(xù)顯示紅外線的輻射很少的分光分布的輻射。
一邊參照圖1，一邊更加詳細(xì)地說明此白熾燈的構(gòu)成。
玻璃燈泡101的端部設(shè)計(jì)密封部103，在密封部103的內(nèi)部封裝由鉬組成的金屬箔104、105，芯棒108、109連接金屬箔104、105的一端，芯棒108、109的一部分被封裝在密封部103中。芯棒108、109位于玻璃燈泡101的內(nèi)部的部分連接燈絲102的兩端部，支撐燈絲102；燈絲102位于玻璃燈泡101內(nèi)部的中心軸上；芯棒108、109最好由鎢、鉬等的高熔點(diǎn)金屬形成。
在金屬箔104、105的另一端部分別連接由鉬組成的外部引線106、107的一端，外部引線106、107的另一端引導(dǎo)到玻璃燈泡101的外部。
燈絲102由幅度0.5mm、厚度0.05mm的帶狀物形成線圈，此線圈的尺寸，長為4.13mm、幅度為1.44mm。
在燈絲102的外表面上，形成能夠抑制比規(guī)定的波長長的波長輻射的空腔結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由直徑0.4μm、間距(空腔的中心軸間的距離)0.8μm、深度1.0μm的圓柱形狀的空腔120的陣列組成，空腔120通過飛秒激光形成。
通過設(shè)定空腔120的直徑為0.4μm，能夠截?cái)嗉s為其直徑2倍的波長的0.8μm以上的波長區(qū)的輻射，空腔120的深度最佳方式為具有比內(nèi)徑大的尺寸。空腔120沒必要在燈絲102全部表面都形成，只形成在燈絲102表面的至少一部分即可。
空腔120的形狀并不限定為圓柱形，也可以是具有想要抑制輻射的波長一半的長度為邊長的四棱柱形狀，還有也可以是具有想要抑制輻射的波長的一半的長度的幅度的槽。也就是說，只要是能夠抑制規(guī)定的波長以上的輻射的構(gòu)造，其形狀是任意的。
在想要提高可見光的發(fā)光效率的情況下，最好設(shè)定截止波長為780nm，即通過設(shè)定很短的截止波長，截?cái)嗫梢姽獾拈L波長區(qū)的一部分，即使燈的色度是帶青色的也沒有關(guān)系。
在燈絲102的表層形成包含鎢和碳的層(鎢化合物層)，此層通過上述的滲碳處理形成，鎢化合物的厚度為1.8μm左右。如果考慮空腔120的崩潰，當(dāng)空腔的直徑為5μm以下時(shí)，特別在1μm以下時(shí)是顯著的，鎢化合物層的效果會(huì)被顯著地發(fā)揮。
玻璃燈泡101的內(nèi)部，密封由惰性氣體和甲烷系碳?xì)浠衔锝M成的氣體，在本實(shí)施方式中，在常溫0.1Mpa的壓力下密封加有體積比率1％甲烷的氬氣，所謂的常溫是指放置白熾燈環(huán)境的室溫。
在本實(shí)施方式中，密封了作為甲烷系碳?xì)浠衔锏捏w積比率為1％的甲烷，也可以密封更多的甲烷。在白熾燈的動(dòng)作中，由于存在于玻璃燈泡101內(nèi)部的雜質(zhì)氣體和氧的結(jié)合會(huì)消耗碳，所以有可能使對碳化鎢蒸發(fā)起抑制效果的碳缺乏。因此，為保證長壽命，也可增加包含碳的氣體的添加量。
還有，在本實(shí)施方式中，作為包含碳的氣體使用了甲烷，但此包含碳的氣體并不限定為甲烷，也可以是丙烷等的其他的甲烷系碳?xì)浠衔?。還有，甲烷、丙烷會(huì)和助燃性氣體反應(yīng)，所以最佳方式是甲烷小于5％，丙烷小于2％。
大家熟知作為同時(shí)密封包含碳的氣體和惰性氣體的以往的電燈，是使用鹵化碳?xì)浠衔餁怏w的鹵素?zé)?，在這樣的鹵素?zé)糁?，?huì)生成鹵素浸蝕鎢燈絲的表面，此種現(xiàn)象稱為鹵素攻擊，促進(jìn)燈絲表面的蒸發(fā)，引起燈絲斷線的問題。例如，在專利第2910203號說明書中說過此類問題，因此，以往有過將包含碳的氣體密封電燈內(nèi)部的情形，但卻不知道象甲烷系碳?xì)浠衔镞@樣的氣體能夠抑制碳化鎢的蒸發(fā)。
在本發(fā)明中作為包含碳的氣體，也可添加鹵化物，但對于鹵化物的密封氣體的體積比率達(dá)到全部的0.5％以上不理想，當(dāng)包含碳的氣體為鹵化物時(shí)，最佳方式是調(diào)節(jié)對于鹵化物的密封氣體的體積比率，使其不滿全體的0.5％。
還有，加入包含碳的氣體，為了各種目的，也可以加入添加了其他元素的密封氣體。
使用由碳化鎢形成的輻射體制造白熾燈的技術(shù)，在本申請人的未公開的國際申請中提到過，以下說明在其優(yōu)先日前沒有將碳化鎢可作為燈絲使用的技術(shù)公告的理由。
第1理由在于碳化鎢與鎢相比，紅外線區(qū)的輻射率高，如果紅外線區(qū)的輻射率高，則可見光的發(fā)光效率會(huì)下降，所以沒被作為追求可見光發(fā)光效率的電燈采用；第2理由在于與鎢的熔點(diǎn)(約3650K)相比，碳化鎢的熔點(diǎn)約3175K，低了數(shù)百K左右。
圖5是表示測定鎢和碳化鎢的紅外線區(qū)的輻射率的結(jié)果的一例的圖表，橫軸為波長，縱軸為輻射率。由圖5可知在紅外線區(qū)的輻射，碳化鎢(WC)比鎢(W)強(qiáng)。例如，與波長在2.5μm的鎢的輻射率為20％相對，同一波長的碳化鎢的輻射率為70％，其結(jié)果是占有碳化鎢輻射全體的可見光的比率變低。因此，由碳化鎢制作燈絲時(shí)，與鎢燈絲相比，可見光區(qū)的發(fā)光效率顯著地下降，最終不能作為電燈使用。
根據(jù)白熾燈的開發(fā)史，在發(fā)明白熾燈初期的時(shí)候，使用了蒸發(fā)速度大且紅外線輻射率高的碳燈絲的電燈(愛迪生的碳燈)，然而在后來，碳燈絲被置換為具有金屬中最高熔點(diǎn)的鎢燈絲。從這樣的歷史經(jīng)緯中，存在了不使用比鎢的熔點(diǎn)低的碳化鎢的技術(shù)常識，因此，作為電燈的燈絲，一直認(rèn)為不應(yīng)該使用輻射效率差且比鎢熔點(diǎn)低的碳化鎢。
與此相對，本發(fā)明的輻射體大膽使用了在可見光區(qū)輻射效率相對低的碳化鎢，由于表面具備微細(xì)的空腔結(jié)構(gòu)，所以能夠充分地抑制紅外線輻射，使碳化鎢原本表示的很高的輻射率充分地抑制到低水平上。另外，為了提高輻射效率，與使用鎢燈絲的場合相比，也可使動(dòng)作溫度變低。由此可知，以往不使用的碳化鎢變成了最適合電燈用的燈絲。
特別的，在本發(fā)明中作為密封氣體同時(shí)使用了惰性氣體和甲烷系碳?xì)浠衔?，所以能夠抑制燈絲表面的碳化鎢層的蒸發(fā)，設(shè)計(jì)在燈絲上面的空腔也不會(huì)崩潰，實(shí)現(xiàn)了耐于長時(shí)間使用的電燈。
(實(shí)施方式2)以下說明作為本發(fā)明組成的能量變換裝置的實(shí)施方式的熱電變換裝置(發(fā)電裝置)。
圖8模式的表示了本實(shí)施方式中的熱電變換裝置的構(gòu)成。圖示的裝置具備從外部吸收太陽光(電磁波)等的能量，輻射特定波長的電磁波的輻射體40，將輻射體40與從大氣中隔絕的容器46，接收此輻射體40輻射的電磁波、變化為電能的變換器(例如光電電池)44。在圖8的例子中，在輻射體40和變換器44之間附加地配置了阻斷不需要的波長區(qū)的濾波器42。在容器46的內(nèi)部密封體積比率1％的甲烷(CH4)和99％的Ar氣體，全部的氣體介質(zhì)壓力為1個(gè)大氣壓。
輻射體40主要具有由鎢形成的本體部分，其表面形成了提高特定波長區(qū)域的輻射效率的空腔陣列，在輻射體40的表面、形成空腔的部分，和實(shí)施方式1相同，形成包含鎢和碳的層(碳化鎢層)。這樣的輻射體40，通過在其表面形成的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可選擇地輻射特定波成的電磁波，此特定波長被選擇在變換器44能夠效率很高地吸收電磁波的波長區(qū)域內(nèi)。
通過集光太陽熱等的方法照射輻射體40，供給輻射體40能量，從被高溫(例如2000K以上)加熱的輻射體40上輻射特定波長區(qū)域的電磁波。通過濾波器42接收了這樣的電磁波輻射的變換器44，能夠效率很高地將其變換為電能。
通常的太陽光含有很多變換器44形成的變換效率很低的波長區(qū)的電磁波，通過使用本發(fā)明的輻射體40(及濾波器42)，能夠供給變換器44變換效率很高的波長區(qū)的電磁波，所以能夠提高光-熱-電變換系統(tǒng)的全部效率。這樣的熱電變換裝置，通過光以外的能量，通過加熱輻射體40也能生成電能，所以能夠在光-熱-電變換系統(tǒng)以外的發(fā)電裝置中利用。
還有，利用具有這樣波長選擇性的輻射體的熱電發(fā)電系統(tǒng)，已在特開2003-332607號公報(bào)等中公開，但此特開2003-332607號公報(bào)僅僅公開了使用鎢材料的輻射體，完全沒說過微細(xì)結(jié)構(gòu)通過加熱易崩潰、蒸發(fā)的事情。
通過本實(shí)施方式，在輻射體40表面的空腔的熱穩(wěn)定性通過包含鎢和碳的層和保護(hù)氣體中的碳而提高，能夠長時(shí)間地、很高地維持發(fā)電系統(tǒng)的可靠性的同時(shí)，使輻射體40在更高溫下的動(dòng)作成為可能，也能夠靈活地適應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)的高輸出化，其結(jié)果是本實(shí)施方式的裝置作為利用太陽光的發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)Φ厍虻沫h(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)非凡。
(產(chǎn)業(yè)上利用的可能性)本發(fā)明的白熾燈具備含有長時(shí)間在高溫下不會(huì)崩潰的空腔的輻射體，所以能夠提供高效地壽命很長的照明裝置，作為一般的照明非常有用。另外，也能應(yīng)用于要求高效電燈等的店鋪使用等。
權(quán)利要求
1.一種白熾燈，具備容器；和燈絲，其配置在上述容器的內(nèi)部，在表面的至少一部分的區(qū)域排列了多個(gè)空腔，在上述燈絲中的上述區(qū)域具有包含鎢和碳的層，在上述容器的內(nèi)部密封有氣體，該氣體包含具有碳原子的分子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白熾燈，其特征在于，包含具有上述碳原子的分子的氣體包含碳?xì)浠衔铩?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的白熾燈，其特征在于，上述碳?xì)浠衔锟捎靡话闶紺nHm表示，其中n、m為整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的白熾燈，其特征在于，m＝2n+2的關(guān)系成立。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的白熾燈，其特征在于，n為1以上3以下的整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白熾燈，其特征在于，包含上述鎢和碳的層是包含碳化鎢的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白熾燈，其特征在于，上述空腔具有抑制比規(guī)定的波長長的波長的輻射的功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的白熾燈，其特征在于，上述空腔具有圓筒形狀，上述圓筒形狀的直徑在5微米以下。
9.一種能量變換裝置，具備容器；和輻射體，其配置在上述容器的內(nèi)部，在表面的至少一部分的區(qū)域排列了多個(gè)空腔，在上述輻射體中的上述區(qū)域具有包含鎢和碳的層，在上述容器的內(nèi)部密封有氣體，該氣體包含具有碳原子的分子。
10.一種發(fā)電裝置，具備權(quán)利要求9所述的能量變換裝置和將自上述能量變換裝置輻射出的輻射變換為電能的元件。
全文摘要
本發(fā)明的白熾燈，在表面的至少一部分區(qū)域排列能夠抑制比規(guī)定波長長的波長的輻射的多個(gè)空腔(120)的輻射體(燈絲102)，將燈(102)與大氣隔絕的玻璃燈泡(101)。在燈絲(102)的上述區(qū)域，具有包含鎢和碳的層(碳化鎢)，在玻璃燈泡(101)的內(nèi)部密封含有碳的氣體及惰性氣體。
文檔編號H01K1/50GK1842891SQ20058000101
公開日2006年10月4日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者木本光彥, 大久保和明, 堀內(nèi)誠, 金子由利子, 坂上美香 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社