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白熱電球、白熱ランプ、白熱電球は、加熱されて光るフィラメントを備えた電灯です。フィラメントは、酸化からフィラメントを保護するために真空にするか不活性ガスで満たしたガラス電球の中に入っています。電流は、ガラスに埋め込まれた端子またはワイヤによってフィラメントに供給されます。電球ソケットは、機械的なサポートと電気的な接続を提供します。
白熱電球は、1.5 ボルトから約 300 ボルトまで、さまざまなサイズ、光出力、定格電圧で製造されています。白熱電球は外部の調整装置を必要とせず、製造コストが低く、交流でも直流でも同じように機能します。その結果、白熱電球は家庭用および業務用の照明、卓上ランプ、車のヘッドランプ、懐中電灯などの携帯用照明、装飾用および広告用の照明に広く使用されるようになりました。
白熱電球は他の種類の電気照明に比べて効率がはるかに悪いです。消費エネルギーの5%未満が可視光に変換され、残りは熱として失われます。[1] [2] 120 Vで動作する一般的な白熱電球の発光効率は16ルーメン/ワット（lm/W）ですが、コンパクト蛍光灯では60 lm/W 、一般的な白色LEDランプでは100 lm/Wです。[3]
フィラメントによって生成される熱は、インキュベーターのヒートランプ、ラバランプ、エジソン効果電球、イージーベイクオーブン玩具などの用途で使用されます。石英エンベロープハロゲン赤外線ヒーターは、塗料硬化や空間暖房などの工業プロセスに使用されます。
白熱電球の寿命は、他の種類の照明に比べて一般的に短く、家庭用電球の場合は約 1,000 時間であるのに対し、コンパクト蛍光灯の場合は通常 10,000 時間、照明用 LED の場合は 20,000 ～ 30,000 時間です。ほとんどの白熱電球は、蛍光灯、高輝度放電灯、発光ダイオード(LED) ランプに置き換えることができます。一部の政府は、エネルギー消費量を削減するために白熱電球の段階的廃止を開始しています。
歴史
歴史家のロバート・フリーデルとポール・イスラエルは、ジョセフ・スワンやゼネラル・エレクトリックのトーマス・エジソンよりも前に白熱電球を発明した人物を挙げている。[4]彼らは、エジソンのバージョンが最初の実用的な実装であり、4つの要素の組み合わせによって他のものを凌駕することができたと結論付けている。その4つの要素とは、効果的な白熱材料、シュプレンゲルポンプの使用により達成された他の実装よりも高い真空、集中電源からの電力分配を経済的に実行可能にした高い抵抗、および大規模な照明システムに必要な関連コンポーネントの開発である。
歴史家のトーマス・ヒューズは、エジソンの成功は電気照明の総合的な統合システムを開発したおかげだと考えています。
電球は彼の電気照明システムにおける小さな部品であり、エジソンのジャンボ発電機、エジソンの主電源と給電線、並列配電システムと同様に、システムの効果的な機能に不可欠というわけではありませんでした。発電機と白熱電球を発明し、同等の創意工夫と卓越性を備えた他の発明家たちは、照明システムへの導入を主導しなかったため、長い間忘れられてきました。
— トーマス・P・ヒューズ著『転換期のテクノロジー』、WB・ピケット編[5] [6]
商業化前の初期の研究
1761年、エベネザー・キナーズリーは電線を加熱して白熱させることを実証した。[8]しかし、そのような電線は空気中では非常に急速に溶けたり酸化（燃焼）したりする傾向があった。[9] ライムライトは、19世紀初頭に、酸水素トーチで酸化カルシウム片を白熱させるという手法で、舞台照明として人気を博した。[10]
1802年、ハンフリー・デービーは、英国王立研究所の地下室に収容されていた2,000個のセルからなる「巨大な電池」 [11]を使い、非常に融点が高い金属である白金の薄い帯に電流を流して白熱灯を作り出した[12]。明るさも持続時間も十分でなかったため実用的ではなかったが、その後75年間に渡って数多くの実験家が努力する前例となった[13] 。デービーはまた、2つの木炭の間に高電流を流すことで電気アークを実証した。
その後40年間、カーボンアーク灯を実用的な照明手段にするための研究が盛んに行われた。[9]カーボンアーク灯自体は薄暗く紫色で、エネルギーのほとんどを紫外線で放出していたが、正極は炭素の融点よりわずかに低い温度まで加熱され、太陽光に非常に近い白熱光を発した。[14]アーク灯は炭素棒を急速に燃やし、危険な一酸化炭素を放出し、数十キロワットの出力を生み出す傾向があった。そのため、広い範囲を照らす場合にのみ実用的であり、研究者はランプを家庭用に適したものにする方法を模索し続けた。[9]
19世紀の最初の4分の3にわたって、多くの実験者がプラチナやイリジウムのワイヤー、炭素棒、真空または半真空の容器のさまざまな組み合わせで研究を行った。これらの装置の多くは実証され、いくつかは特許を取得しました。[15]
1835年、ジェームズ・ボーマン・リンゼイはスコットランドのダンディーで開かれた集会で定常電球を実演した。彼は「1フィート半の距離から本が読める」と述べた。しかし、彼は電球をそれ以上開発することはなかった。[16]
1838年、ベルギーの石版画家マルセラン・ジョバールは炭素フィラメントを使用した真空雰囲気の白熱電球を発明した。[17]
1840年、イギリスの科学者ウォーレン・デ・ラ・ルーは、コイル状のプラチナフィラメントを真空管の中に閉じ込め、電流を流した。[18]この設計は、プラチナの融点が高いため高温でも動作し、真空にされたチャンバーにはプラチナと反応するガス分子が少なくなり、寿命が延びるという概念に基づいていた。実用的な設計ではあったが、プラチナのコストが高かったため、商業利用には非現実的であった。
1841年、イギリスのフレデリック・ド・モーリンは、真空電球の中にプラチナ線を封入した設計の白熱電球で最初の特許を取得しました。彼は炭素も使用しました。 [19] [20]
1845年、アメリカ人のジョン・W・スターは炭素フィラメントを使用した白熱電球の特許を取得しました。[21] [22]彼の発明は商業的に生産されることはありませんでした。[23] [より良い情報源が必要]
1851年、ジャン・ウジェーヌ・ロベール＝ウーダンはフランスのブロワにある自分の邸宅で白熱電球を公開しました。彼の電球はブロワ城の博物館に展示されています。[a]
1859年、モーゼス・G・ファーマーはプラチナフィラメントを使用した白熱電球を開発した。[24]トーマス・エジソンは後にボストンの店でこの電球の1つを見て、ファーマーに電灯事業についてのアドバイスを求めた。
1872年、ロシアのアレクサンダー・ロディギンが白熱電球を発明し、1874年にロシアの特許を取得した。彼はバーナーとして、ガラスレシーバー内の断面の小さい2本の炭素棒を使用した。この炭素棒は密閉され、窒素で満たされ、最初の炭素棒が消費されると2本目の炭素棒に電流が流れるように電気的に調整されていた。[25]その後、彼は米国に住み、名前をアレクサンダー・デ・ロディギンに改め、クロム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、モリブデン、タングステンフィラメントを使用した白熱電球の特許を申請し取得した。 [26]
1874年7月24日、ヘンリー・ウッドワードとマシュー・エバンスが、窒素を充填したガラスシリンダーに炭素棒を取り付けたランプのカナダ特許を申請した。彼らはランプの商品化に失敗し、1879年に特許権[27]をトーマス・エジソンに売却した。（エジソンは並列回路に接続されたランプという斬新な特許の所有権を必要としていた。）[28] [29]カナダ政府は、電球を発明したのはウッドワードとエバンスであると主張している。[30]
1880年3月4日、エジソンの電球のわずか5か月後、アレッサンドロ・クルートが最初の白熱電球を作った。クルートは、ガス状のエチルアルコールの存在下で電流を流して加熱し、細いプラチナフィラメントにグラファイトを堆積させてフィラメントを作った。このプラチナを高温で加熱すると、純粋なグラファイトで覆われた細いプラチナフィラメントが残る。1881年9月までに、彼はこの最初の合成フィラメントの成功したバージョンを完成させた。クルートが発明した電球は、エジソンの最初のバージョンの40時間に対して500時間持続した。1882年にドイツのバイエルン州ミュンヘン電気博覧会で、クルートのランプはエジソンのランプよりも効率が良く、より優れた白色光を発した。[31]
1893年、ハインリヒ・ゲーベルは、1854年に高抵抗の細い炭化竹のフィラメント、ガラス製の容器に入ったプラチナのリード線、高真空を備えた最初の白熱電球を設計したと主張した。4つの裁判所の裁判官は、ゲーベルの先見性について疑問を呈したが、エジソンの特許が失効したため、最終審理で判決は下されなかった。2007年に発表された研究論文では、1850年代のゲーベルランプの物語は架空のものであると結論付けられている。[32]
商業化
炭素フィラメントと真空
ジョセフ・スワン（1828-1914）はイギリスの物理学者、化学者。1850年、スワンは真空ガラス電球の中で炭化した紙のフィラメントを使った研究を始めた。1860年までに、彼は実際に動作する装置を実証できたが、十分な真空と十分な電力供給がなかったため、電球の寿命は短く、光源としては非効率だった。1870年代半ばまでに、より優れたポンプが利用できるようになり、スワンは実験に戻った。[33]
1878年、真空ポンプの専門家であるチャールズ・スターンの協力を得て、スワンは電球が早期に黒くなるのを防ぐ処理方法を開発した。これは1880年に英国特許を取得した。[34] 1878年12月18日、細い炭素棒を使用したランプがニューカッスル化学協会の会合で発表され、スワンは1879年1月17日の会合で動作デモを行った。このランプは1879年2月3日にニューカッスル・アポン・タインの文学哲学協会の会合に出席した700人にも披露された。 [35]これらのランプは細いフィラメントではなく、アークランプの炭素棒を使用していた。そのため抵抗が低く、必要な電流を供給するには非常に大きな導体が必要だったため、商業的には実用的ではなかったが、比較的高い真空、炭素導体、およびプラチナの導入線を使用した白熱灯の可能性を実証した。この電球は約40時間持続した。[35]
その後、スワンはより優れた炭素繊維とその両端を取り付ける方法の開発に目を向けた。1880年代初頭、彼は綿花を処理して「羊皮紙糸」を製造する方法を考案し、同年に英国特許4933を取得した。[34]この年から、彼はイギリスの家庭やランドマークに電球を設置し始めた。ゲーツヘッド、ロー・フェル、アンダーヒルにある彼の家は、世界で初めて電球が灯された家となった。1880年代初頭、彼はすでに会社を設立していた。[36] 1881年、ロンドンのシティ・オブ・ウェストミンスターにあるサヴォイ劇場がスワンの白熱電球で照らされ、これは完全に電気で照らされた世界初の劇場であり、世界初の公共建築物となった。[37]世界で初めて白熱電球が灯された通りは、イギリス、ニューカッスル・アポン・タインのモズレー・ストリートである。 1879年2月3日、ジョセフ・スワンの白熱灯によって点灯されました。[38] [39]
トーマス・エジソンは1878年に実用的な白熱電球の開発に真剣に取り組み始めた。エジソンは1878年10月14日に「電灯の改良」に関する最初の特許を申請した。[40] 1880年代初頭に最初は炭素で、その後プラチナや他の金属で多くの実験を行った後、最終的にエジソンは炭素フィラメントに戻った。[41]最初の成功したテストは1879年10月22日で、[42] [43] 13.5時間続いた。エジソンはこの設計を改良し続け、1879年11月4日までに「プラチナ接触線に巻かれて接続された炭素フィラメントまたはストリップ」を使用した電球の米国特許を申請した。[44]特許には「綿や麻の糸、木の添え木、様々な方法で巻いた紙」など、炭素フィラメントを作成する方法がいくつか記載されていましたが、[44]エジソンと彼のチームは後に、炭化した竹のフィラメントが1200時間以上持続することを発見しました。[45] 1880年、オレゴン鉄道航海会社の蒸気船コロンビア号は、エジソンの白熱電球の最初の用途となりました（ダイナモを使用した最初の船でもありました）。[46] [47] [48]
ニューヨークの弁護士アルボン・マンは、 1878年にエレクトロ・ダイナミック・ライト社を設立し、自身の特許とウィリアム・ソーヤーの特許を活用した。[49] [50]その数週間後、米国電気照明会社が組織された。[49] [50] [51]この会社が白熱電球を初めて商業的に設置したのは、1880年秋、ニューヨーク市のマーカンタイル金庫会社でのことだった。エジソンの白熱電球がコロンビア号に設置されてから6か月後のことだった。ハイラム・S・マキシムが米国電気照明会社の主任技師だった。 [52]米国で大成功を収めた後、エジソンが特許を取得した白熱電球は、ヨーロッパでも広く普及し始めた。とりわけ、北欧諸国で最初のエジソン電球は、 1882年3月にフィンランドのタンペレにあるフィンレイソンの繊維工場の織物工場に設置された。 [53]
当時エジソンに雇われていたルイス・ラティマーは、炭素繊維の熱処理方法の改良を開発した。この方法により、破損が減り、マキシムのフィラメントの特徴的な「M」字型のような新しい形状に成形できるようになった。1882年1月17日、ラティマーは電球のフィラメント製造の改良法である「炭素製造プロセス」の特許を取得し、米国電灯会社がこれを購入した。 [54]ラティマーは、フィラメントをワイヤーサポートに取り付けるより良い方法など、他の改良についても特許を取得した。[55]
英国では、エジソン社とスワン社が合併してエジソン・スワン・ユナイテッド・エレクトリック・カンパニー（後にエディスワン社となり、最終的にはソーン・ライティング社に統合）となった。エジソンは当初この合併に反対していたが、最終的には協力せざるを得なくなり、合併が実現した。最終的にエジソンはスワン社の全株式を取得した。スワンは1882年6月に米国特許権をブラッシュ・エレクトリック・カンパニーに売却した。
1883年10月8日、米国特許庁はエジソンの特許はウィリアム・ソーヤーの先行技術に基づいており無効であるとの判決を下した。訴訟は数年にわたって続いた。最終的に1889年10月6日、判事はエジソンの「高抵抗の炭素フィラメント」による電灯改良の主張は有効であるとの判決を下した。[56]
ランプの真空排気の主な難しさは、電球内部の水分で、ランプが点灯すると水分が分離し、その結果生じた酸素がフィラメントを攻撃した。 [57] 1880年代には、高価な水銀真空ポンプと組み合わせて無水リン酸が使用されました。[58]しかし、1893年頃、これらのポンプを持っていなかったイタリアの発明家アルトゥーロ・マリニャーニ (1865–1939) は、リンの蒸気が残りの水分と酸素を化学的に結合する働きをすることを発見しました。[57] [58] 1896年に彼は、 電球内部にいわゆるゲッターとして赤リンを導入するプロセスの特許を取得しました[57] )。これにより、800時間持続する経済的な電球が製造できるようになりました。彼の特許は1898年にエジソンに取得されました。[33]
1897年、ドイツの物理学者で化学者のヴァルター・ネルンストは、セラミック製のグローバーを使用し、真空や不活性ガスでの封入を必要としない白熱電球の一種であるネルンスト電球を開発しました。 [59] [60]ネルンスト電球は炭素フィラメント電球の2倍の効率があり、金属フィラメント電球に取って代わられるまで一時的に人気がありました。
金属フィラメント、不活性ガス
US575002 1897 年 12 月 1 日の Alexander Lodyguine (ロディギン、ロシア) の特許では、タングステンを含む希少金属で作られたフィラメントについて説明されています。ロディギンは、タングステンなどの希少金属を化学的に処理し、一時的なベースまたは骨格として機能する電気的に加熱された糸状のワイヤ (白金、炭素、金) 上で熱蒸発させるプロセスを発明しました (米国特許 575,002)。ロディギンは後に特許権を GE に売却しました。1902 年、シーメンスは、高温で動作できるため、黒鉛化された炭素フィラメントよりも効率的なタンタルランプ フィラメントを開発しました。タンタル金属は炭素よりも抵抗率が低いため、タンタル ランプ フィラメントはかなり長く、複数の内部サポートが必要でした。金属フィラメントは使用するうちに徐々に短くなり、フィラメントは大きなたるみのあるループで取り付けられました。数百時間使用したランプは非常に脆くなりました。[61]金属フィラメントは破損して再溶接する性質がありましたが、これにより通常は抵抗が減少し、フィラメントの寿命が短くなりました。ゼネラルエレクトリックはタンタルフィラメントの使用権を購入し、1913年まで米国で生産しました。[62]
1898年から1905年頃まで、オスミウムはカール・アウアー・フォン・ウェルスバッハが製造したランプのフィラメントとしても使用されていました。この金属は非常に高価であったため、使用済みのランプを返品して一部返金してもらうことができました。 [63] 110Vや220V用に製造できなかったため、標準電圧回路で使用するために複数のランプを直列に接続しました。これらは主にヨーロッパで販売されました。
タングステンフィラメント
1904年12月13日、ハンガリーのシャーン ドル・ユストとクロアチアの フランジョ・ハナマンは、炭素フィラメントよりも長持ちし、より明るい光を放つタングステンフィラメントランプでハンガリー特許（第34541号）を取得した。 [33]タングステンフィラメントランプは、1904年にハンガリーの会社タングスラムによって初めて販売された。このタイプは、多くのヨーロッパ諸国でタングスラム電球と呼ばれることが多い。[64]電球にアルゴンや窒素などの不活性ガスを充填すると、真空中で動作させる場合に比べてタングステンフィラメントの蒸発が遅くなる。これにより、温度が上昇し、フィラメント寿命の短縮が少なくなり、効率が向上する。 [65]
1906年、ウィリアム・D・クーリッジはゼネラル・エレクトリック社に勤務中に、焼結 タングステンから「延性タングステン」を製造する方法を開発し、フィラメントに使用できるようになりました。[66] 1911年までにゼネラル・エレクトリック社は延性タングステン線を使用した白熱電球の販売を開始しました。[67]
1913年、アーヴィング・ラングミュアは、ランプを真空ではなく不活性ガス（最初は窒素、後にアルゴン）で満たすと、発光効率が2倍になり、電球の黒化が減少することを発見した。[要出典]彼は1916年4月18日にこの装置の特許を取得した。[68]
1917年、バーニー・リー・ベンボウは、コイル状のフィラメントをマンドレルでコイル状に巻くコイルコイルフィラメントの特許を取得した。[69] [70] 1921年、三浦純一は白熱社（東芝の前身）に勤務し、コイル状のタングステンフィラメントを使用した最初の二重コイル電球を開発した。当時は、コイルコイルフィラメントを量産する機械は存在しなかった。白熱社は1936年までにコイルコイルフィラメントの量産方法を開発した。[71]
1924年から第二次世界大戦の勃発までの間、フィーバス・カルテルは北米以外の球根メーカーに対して価格と販売割当量を固定しようとした。[72]
1925年、アメリカの化学者マーヴィン・ピプキンは、電球を弱めることなく電球の内側を曇らせるプロセスの特許を取得しました。 [73] 1947年には、ランプの内側をシリカでコーティングするプロセスの特許を取得しました。[74]
1930年、ハンガリーの イムレ・ブロディはランプにアルゴンではなくクリプトンガスを充填し、空気からクリプトンを得る方法を考案した。彼の発明に基づくクリプトン充填ランプの生産は、 1937年にアイカで始まり、ポラーニとハンガリー生まれの物理学者エゴン・オロワンが共同設計した工場で行われた。[75] [全文引用が必要]
1964年までに、白熱電球の効率と生産の改善により、エジソンの照明システム導入時のコストと比較して、一定量の光を供給するためのコストが30分の1に削減されました。[76]
白熱電球の消費は米国で急速に増加した。1885年には、一般照明用ランプが推定30万個販売され、すべてカーボンフィラメントを使用していた。タングステンフィラメントが導入されたとき、米国には約5000万個のランプソケットがあった。1914年には8850万個のランプが使用され（そのうちカーボンフィラメントはわずか15%）、1945年までにランプの年間販売数は7億9500万個（1人あたり年間5個以上）に達した。[77]
有効性と効率性
一般的な白熱電球で消費される電力の5%未満が可視光に変換され、残りの大部分は目に見えない赤外線として放射されます。[1] [78]電球は、消費される電力に対する可視光の量（光束）の比率である発光効率によって評価されます。 [79]発光効率は、ワットあたりのルーメン（lm/W） で測定されます。
光源の発光効率は、その発光効率と最大発光効率683 lm/Wの比として定義されます。[80] [81]理想的な白色光源はワットあたり約250ルーメンを生成でき、これは発光効率37%に相当します。[82]
同じ光量の場合、白熱電球は他のほとんどのタイプの電灯よりも多くの電力を消費し、多くの熱を放出します。エアコンが使用されている建物では、白熱電球の熱出力によりエアコンシステムの負荷が増加します。[83]照明からの熱は建物の暖房システムを稼働させる必要性を減らしますが、後者は通常、白熱電球よりも低コストで同じ量の熱を生成できます。
以下の表は、数種類の白熱電球の発光効率と効率を示しています。発光効率の長い表では、より広範囲の光源を比較しています。
色の表現
白熱電球が発する光のスペクトルは、同じ温度の黒体放射体のスペクトルに非常に近い。 [85]色知覚の基準として使用される光源の基礎は、定義された温度で動作するタングステン白熱電球である。[86]
蛍光灯、高輝度放電灯、LED ランプなどの光源は、発光効率が高い。これらの装置は、発光によって光を生成する。これらの光は、熱源によって生成される連続スペクトルではなく、目に見えない赤外線放射の「尾」のない特徴的な波長の帯を持っている。スペクトル分布を変更する蛍光体コーティングまたはフィルターを慎重に選択することで、放出されるスペクトルを調整して、白熱光源または他の異なる色温度の白色光の外観を模倣することができる。映画の照明など、色に敏感な作業に使用する場合、これらの光源では、白熱照明の外観を再現するために特別な技術が必要になることがある。[87] メタメリズムは、異なる光スペクトル分布が色の知覚に与える影響を説明する。
照明コスト
白熱電球の初期コストは、その寿命を通じて消費されるエネルギーのコストと比較すると小さい。白熱電球は他のほとんどの照明よりも寿命が短いため、交換が不便であったり高価であったりする場合に重要な要因となる。白熱電球や蛍光灯などの一部のタイプのランプは、経年劣化により発光量が減少するため、不便であったり、完全に故障する前にランプを交換することで有効寿命が短くなったりすることがある。白熱電球の運用コストを他の光源と比較する場合、照明要件、ランプのコストとランプ交換にかかる人件費（有効ランプ寿命を考慮）、使用電気コスト、ランプ運用による暖房および空調システムへの影響を考慮する必要がある。住宅や商業ビルの照明に使用する場合、熱に失われるエネルギーによって、建物の空調システムに必要なエネルギーが大幅に増加する可能性がある。暖房シーズン中、電球によって生成される熱は無駄にならないが、[88]ほとんどの場合、暖房システムから熱を得る方が費用対効果が高い。いずれにせよ、年間を通じて、より効率的な照明システムは、ほぼすべての気候でエネルギーを節約する。[89]
使用禁止措置
白熱電球はCFLやLEDランプなどの代替品よりも多くのエネルギーを消費するため、多くの政府は白熱電球で達成できるよりも高い最低効率基準を設定することで、白熱電球の使用を禁止する措置を導入している。電球禁止措置は、欧州連合、米国、ロシア、ブラジル、アルゼンチン、カナダ、オーストラリアなどで実施されている。欧州委員会は、この禁止により50 億～100 億ユーロの経済効果が得られ、毎年40 TWhの電力が節約され、1,500万トン（330億ポンド）のCO2排出量が削減されると計算している。 [ 90] [91]
白熱電球の使用禁止に反対する意見としては、代替品の初期コストが高いことや蛍光灯の光の質が低いことなどが挙げられます。[92]蛍光灯の健康への影響を懸念する人もいます。[93]
有効性向上に向けた取り組み
市販の白熱電球の効率を改善する研究がいくつか行われてきた。2007年、ゼネラル・エレクトリック社は高効率白熱電球（HEI）プロジェクトを発表した。同社は、当初の生産目標は現在の白熱電球の約2倍の効率だったが、最終的には現在の白熱電球の4倍の効率になると主張した。[94] [95] HEIプログラムは、進捗が遅いため2008年に終了した。[96] [97]サンディア国立研究所 での米国エネルギー省の研究では、当初、フォトニック格子フィラメントの効率を大幅に向上させる可能性があることが示されていた。[94]しかし、その後の研究で、当初有望だった結果は誤りであることが判明した。[98]
さまざまな国で電球の効率向上を義務付ける法律が制定されたことを受けて、フィリップス社はハイブリッド白熱電球を導入した。ハロゲナ・エナジー・セーバー白熱電球は、反射カプセルを使用して以前は無駄になっていた赤外線をフィラメントに反射し、そこから一部が可視光として再放射されるため、従来の白熱電球よりも約30％効率が高く、約23 lm/Wの光を発することができる。[92]このコンセプトは、1980年にデュロテスト社が29.8 lm/Wの光を発する市販製品で初めて採用された。[99] [100]干渉フィルターやフォトニック結晶をベースにしたより高度な反射鏡は、理論的には約270 lm/W（最大効率の40％）まで効率を高めることができる。[101]実験室での概念実証実験では、コンパクト蛍光灯の効率に近い45 lm/Wの光を発している。[101] [102]
工事
白熱電球は、気密ガラスの筐体（エンベロープまたは電球）と、その中に電流が通るタングステン線のフィラメントで構成されています。接点ワイヤと 2 本（またはそれ以上）の導体を備えたベースが、フィラメントへの電気接続を提供します。白熱電球には通常、電球のベースに固定されたステムまたはガラスマウントが含まれており、これにより、電気接点が空気やガス漏れなしでエンベロープを通過できます。ステムに埋め込まれた小さなワイヤが、フィラメントとそのリード線を支えます。
電流によってフィラメントは通常 2,000 ～ 3,300 K (1,730 ～ 3,030 °C、3,140 ～ 5,480 °F) に加熱されますが、これはタングステンの融点 3,695 K (3,422 °C、6,191 °F) よりはるかに低い温度です。フィラメントの温度は、フィラメントの種類、形状、サイズ、および消費電流量によって異なります。加熱されたフィラメントは、連続スペクトルに近い光を発します。放出されるエネルギーの有用な部分は可視光ですが、ほとんどのエネルギーは近赤外線波長の熱として放出されます。
電球
ほとんどの電球は透明ガラスかコーティングガラスでできています。コーティングガラス電球にはカオリン粘土が吹き込まれ、電球の内側に静電的に堆積されています。粉末層がフィラメントからの光を拡散します。粘土に顔料を加えて、発せられる光の色を調整することもできます。カオリン拡散電球は比較的穏やかな光のため、室内照明に広く使用されています。他の種類の色付き電球も作られており、「パーティー電球」、クリスマスツリーのライト、その他の装飾照明に使用されるさまざまな色が含まれています。これらは、ガラスをドーパントで着色することで作られます。ドーパントは、多くの場合、コバルト(青) やクロム(緑)などの金属です。 [103]より自然に見える光を提供するために、ネオジム含有ガラスが使用されることがあります。
一般用ランプのガラス球の温度は200～260℃（392～500℉）に達する。高出力動作用または加熱目的で使用されるランプには、硬質ガラスまたは溶融石英製の外被が使用される。[76]
電球の外皮が漏れると、高温のタングステンフィラメントが空気と反応し、茶色の窒化タングステン、茶色の二酸化タングステン、青紫色の五酸化タングステン、黄色の三酸化タングステンのエアロゾルが発生し、近くの表面や電球の内部に堆積します。
ガス充填
現代の電球のほとんどは、フィラメントの蒸発を減らし、酸化を防ぐために不活性ガスで満たされています。ガスの圧力は約70kPa（0.7気圧）です。[104]
ガスはフィラメントの蒸発を減らしますが、著しい熱損失を避けるために充填物を慎重に選択する必要があります。これらの特性のためには、化学的に不活性で、原子量または分子量が大きいことが望ましいです。ガス分子が存在すると、遊離したタングステン原子がフィラメントに押し戻され[要出典]、蒸発が減り、寿命を縮めることなく高温で動作できるようになります (または、同じ温度で動作する場合は、フィラメントの寿命が延びます)。一方、ガスが存在すると、熱伝導と熱対流によってフィラメントから熱が失われ、白熱が減るため効率が低下します。
初期のランプでは、フィラメントを酸素から保護するために真空のみを使用していました。真空にするとフィラメントの蒸発は増加しますが、2 つの熱損失モードが排除されます。現代の小型ランプでも真空を使用するものがあります。
最も一般的に使用される塗りつぶしは次のとおりです。[105]
- 真空。小型ランプに使用されます。フィラメントの断熱性は最高ですが、蒸発は防げません。また、外側のバルブ表面温度を制限する必要がある大型ランプにも使用されます。
- アルゴン（93％）と窒素（7％）。アルゴンは不活性、低熱伝導性、低コストのために使用され、窒素は絶縁破壊電圧を高め、フィラメントの各部間のアーク放電を防ぐために添加される[104]
- 窒素は、プロジェクションランプなどの一部の高出力ランプや、フィラメント部品やリード線が近接しているために高い破壊電圧が必要な場合に使用されます。
- クリプトンは、原子量が大きく、熱伝導率が低い（そのため、より小型の電球を使用できる）ため、アルゴンよりも有利ですが、コストがはるかに高いため、主に小型の電球でしか使用されていません。
- クリプトンとキセノンを混合したもので、キセノンは原子量が大きいため、ガス特性がさらに向上します。ただし、非常に高価なため、その使用は制限されています。キセノンを使用することで得られる改善は、そのコストと比較すると控えめです。
- 水素は、急速なフィラメント冷却が必要な特殊な点滅ランプに使用され、その高い熱伝導性が活用されています。
- ハロゲンは、不活性ガスと少量混合されています。これは、白熱電球の一種であるハロゲンランプに使用されます。
ガス充填時には、電球の黒化を著しく促進する水分が残らないようにする必要があります (下記参照)。
フィラメントに近いガス層（ラングミュア層と呼ばれる）は停滞しており、熱伝達は伝導によってのみ発生します。ある程度の距離でのみ対流が発生し、熱が電球の外被に運ばれます。
フィラメントの向きは効率に影響します。フィラメントと平行なガスの流れ、たとえば垂直（または軸方向）フィラメントを持つ垂直方向の電球は対流損失を減らします。
フィラメントの直径が大きいほど、ランプの効率は上がります。フィラメントが細い低電力の電球は、充填ガスによる効果が少ないため、通常は排気のみを行います。
初期のカーボンフィラメント電球では、一酸化炭素、窒素、水銀蒸気も使用されていました。しかし、カーボンフィラメントはタングステンフィラメントよりも低温で作動するため、熱損失によって利点が相殺され、充填ガスの効果は大きくありませんでした。
製造業
初期の電球は手作業で組み立てられていた。自動機械が開発されると、電球のコストは下がった。1910年にリビーのウェストレイク機械が生産されるまで、電球は一般的に3人の作業員（2人のギャザーと1人のマスターガッファー）のチームが、ペーストを塗った木製または鋳鉄製の型に電球を吹き込んで生産していた。 [106] 1880年代のコーニングガラス工場では、手吹き工程で1時間あたり約150個の電球が生産されていた。[106]
リビー・グラス社が開発したウェストレイクの機械は、オーウェンス・リビーのボトル吹き機を改良したものだった。コーニング・グラス・ワークスはすぐに競合する自動バルブ吹き機の開発を開始し、最初に生産に使用されたのはEマシンだった。[106]
リボンマシン
コーニングは自動化された電球製造機械の開発を続け、1926年にペンシルバニア州ウェルズボロの工場にリボンマシンを設置した。 [107]リボンマシンは電球製造を自動化するこれまでのどの試みよりも優れており、21世紀まで白熱電球の製造に使用されていた。発明者のウィリアム・ウッズはコーニング・グラス・ワークスの同僚であるデイビッド・E・グレイとともに、1939年までに1分間に1,000個の電球を生産する機械を開発した。[106]
リボンマシンは、連続したガラスのリボンをベルトコンベアに沿って通過させ、炉で加熱し、正確に位置合わせされたエアノズルでベルトコンベアの穴から型に吹き込むことで機能します。こうしてガラス電球またはエンベロープが作成されます。この種類の一般的な機械は、電球のサイズに応じて、1時間あたり50,000〜120,000個の電球を製造できます。[108] [109] 1970年代までには、世界中の工場に設置された15台のリボンマシンで白熱電球の全供給量が生産されました。[110]フィラメントとそのサポートはガラスステムに組み立てられ、次にガラスステムが電球に融合されます。空気が電球からポンプで排出され、ステムプレス内の排気チューブが炎で密閉されます。次に電球がランプベースに挿入され、アセンブリ全体がテストされます。 2016年にオスラム・シルバニアのペンシルベニア州ウェルズボロ工場が閉鎖されたことで、米国に残っていた最後のリボンマシンの1つが停止した。[110]
フィラメント
炭素はあらゆる元素の中で最も融点が高く、炭素アークランプでは太陽光にかなり近い白熱光を発することが実証されています。しかし、炭素は圧力に応じて融点に達する前に昇華する傾向があり、真空にした電球はすぐに黒くなります。最初に商業的に成功した電球のフィラメントは、炭化した紙または竹で作られていました。炭素フィラメントは、温度が上がるにつれて電気抵抗が下がる、負の温度係数の抵抗を持っています。そのため、電圧が少し上がるだけでフィラメントが加熱され、抵抗が下がってさらに多くの電力と熱を消費するため、ランプは電源の変動に敏感になりました。
炭素フィラメントは、炭化水素蒸気（通常はガソリン）で加熱して「フラッシュ」され、強度と均一性が向上しました。金属化または「グラファイト化」されたフィラメントは、最初に高温に加熱されてグラファイトに変換され、フィラメントがさらに強化され、滑らかになりました。これらのフィラメントは、金属導体のように正の温度係数を持ち、供給電圧のわずかな変動に対してランプの動作特性を安定させました。
金属フィラメントは1897年に試され[111]、1904年頃から炭素に取って代わり始めました。タングステンは利用可能な最も高い融点を持っていますが、脆さが大きな障害でした。1910年までに、ゼネラルエレクトリックのウィリアム・D・クーリッジによって延性のある形のタングステンを製造するためのプロセスが開発されました。このプロセスでは、タングステン粉末を棒状にプレスし、その後焼結、スウェージング、そしてワイヤードローイングのいくつかのステップが必要でした。非常に純粋なタングステンは使用中にたるむフィラメントを形成することがわかり、カリウム、シリコン、アルミニウムの酸化物を数百ppmのレベルで非常に少量の「ドーピング」処理（いわゆるAKSタングステン）すると、タングステンフィラメントの寿命と耐久性が大幅に向上しました。[112]
タングステンフィラメントの破損の主なメカニズムは、拡散クリープによる粒界滑りです。 [113]動作中、タングステン線は自身の重量の負荷を受けて応力を受け、高温で発生する拡散により、粒子が回転して滑り始めます。フィラメントのばらつきによるこの応力により、フィラメントが不均一にたわみ、最終的にフィラメントにさらなるトルクがかかります。[113]このたわみにより、必然的にフィラメントが破裂し、白熱電球が使えなくなります。[113]
コイル状フィラメント
ランプの効率を上げるため、フィラメントは通常、コイル状の細いワイヤの複数のコイル（コイルドコイルとも呼ばれる）で構成されています。コイルドコイルフィラメントを使用した電球は、「ダブルコイル電球」と呼ばれることもあります。60ワット120ボルトのランプの場合、タングステンフィラメントのコイルされていない長さは通常580ミリメートル（22.8インチ）です[76]、フィラメントの直径は0.046ミリメートル（0.0018インチ）です。コイルドコイルの利点は、タングステンフィラメントの蒸発速度が、コイルドコイルの直径に等しいタングステンシリンダーの速度であることです。コイルドコイルフィラメントは、同じ表面積と発光パワーのストレートフィラメントよりもゆっくりと蒸発します。その結果、フィラメントはより高温で動作できるようになり、同じ温度のストレートフィラメントよりも長持ちしながら、より効率的な光源が実現します。
製造業者は、ランプフィラメントの異なる形状を英数字コードで指定します。[114]
この画像を正しく表示するには、3D 赤青メガネの使用をお勧めします。
この画像を正しく表示するには、3D 赤青メガネの使用をお勧めします。電気フィラメントは、蛍光灯や真空管の熱陰極の電子源として、または真空管内で電子放出電極を加熱するためにも使用されます。電子源として使用する場合、フィラメントには電子生成量を増やすための特殊なコーティングが施されている場合があります。
フィラメントの蒸発を抑える
通常の動作中、フィラメントのタングステンは蒸発します。より高温で効率の高いフィラメントほど、蒸発が速くなります。[115]このため、フィラメントランプの寿命は効率と寿命のトレードオフになります。トレードオフは通常、一般照明用ランプの場合、1,000 ～ 2,000 時間の寿命になるように設定されています。劇場、写真、映写用ランプの耐用年数はわずか数時間で、コンパクトな形状で高出力と引き換えに寿命が短くなっています。長寿命の一般用ランプは効率が低いですが、コンパクト蛍光灯や LED ランプが開発される前は、電球の交換が難しい用途で役立っていました。
アーヴィング・ラングミュアは、真空ではなく不活性ガスが蒸発を遅らせることを発見した。定格約25ワット以上の一般用白熱電球は現在、主にアルゴンと少量の窒素の混合物で満たされている[ 116 ] 。またはクリプトンが時々使用される。[117]不活性ガスはフィラメントの蒸発を減らすが、フィラメントから熱を伝導するため、フィラメントが冷えて効率が低下する。圧力と温度が一定であれば、ガスの熱伝導率はガスの分子量とガス分子の断面積によって決まる。分子量が高いガスは、分子量と断面積の両方が大きいため、熱伝導率が低くなる。キセノンガスは分子量が高いため効率が向上するが、より高価なため、小型のランプでの使用に限られる。[118]
フィラメントのノッチングは、フィラメントの蒸発が不均一なために発生します。フィラメントに沿った抵抗率の小さな変化により、抵抗率の高い箇所に「ホットスポット」が形成されます。 [77]直径がわずか 1% 変化すると、耐用年数が 25% 減少します。[76]フィラメントの抵抗は温度に大きく依存するため、温度が高い箇所は抵抗が高くなり、より多くのエネルギーを消費してより高温になります。これは正のフィードバックループです。これらのホットスポットはフィラメントの残りの部分よりも速く蒸発し、その箇所の抵抗を永久に増加させます。このプロセスは、それ以外は健全に見えるフィラメントに、おなじみの小さな隙間ができたところで終わります。
直流で動作するランプはフィラメント表面にランダムな階段状の凹凸が生じ、交流で動作するランプに比べて寿命が半分になることがあります。この影響を打ち消すためにタングステンとレニウムの異なる合金を使用することができます。[119] [120]
ガス入り電球のフィラメントが破断すると電気アークが発生し、それが端子間に広がり非常に大きな電流が流れる可能性があるため、意図的に細いリード線や、より複雑な保護装置が電球に内蔵されたヒューズとして使用されることが多い。 [121]アーク放電の可能性を減らすために、高電圧ランプではより多くの窒素が使用される。[116]
電球の黒ずみ
従来のランプでは、蒸発したタングステンは最終的にガラス管の内面に凝縮し、管を黒くします。真空状態の電球の場合、黒く変色するのは管の全表面にわたって均一です。不活性ガスを充填すると、蒸発したタングステンはガスの熱対流に運ばれ、管の最上部に優先的に堆積し、管のその部分だけが黒くなります。IEC 60064 規格に従ってテストした場合、定格寿命の 75% で初期の光出力の 93% 以下しか得られない白熱電球は不合格とみなされます。光損失はフィラメントの蒸発と電球の黒化が原因です。[122]電球の黒化の問題の研究は、熱電子放出の発見、真空管の発明、およびミラーやその他の光学コーティングの製造に使用される蒸発堆積につながりました。[123] [124] [125]
電球内のごく少量の水蒸気でも、ランプの暗さが著しく増す可能性がある。水蒸気は高温のフィラメントで水素と酸素に分解する。酸素はタングステン金属を攻撃し、その結果生じた酸化タングステン粒子はランプのより低温の部分に移動する。水蒸気からの水素は酸化物を還元し、水蒸気を再形成してこの水循環を継続する。[77] 500,000個のランプに1滴の水が散布されると、暗さが著しく増加する。 [ 76]ランプ内には、動作中にランプ部品から焼き出される可能性のある酸素と反応するゲッターとして、ジルコニウムなどの物質が少量配置されている。 [126]
劇場、映写機、探照灯、灯台などで使われていた、重くて頑丈なフィラメントを備えた古い高出力ランプの中には、外被の中にタングステン粉末が入っているものがあった。作業員は時々電球を取り外して振ることで、外被の内側に凝結したタングステンの大部分をタングステン粉末でこすり落とし、黒ずみを除去してランプを再び明るくしていた。[127]
ハロゲンランプ
ハロゲンランプは、低圧のハロゲンガスと不活性ガスをランプ内に充填することで、フィラメントの不均一な蒸発を減らし、エンベロープの黒ずみを防止します。ハロゲンサイクルにより、電球の寿命が延び、電球内部のタングステンがフィラメントに再付着して黒ずみを防ぎます。ハロゲンランプは、同等の電力の標準的なガス充填ランプよりも高い温度でフィラメントを動作させることができますが、動作寿命は低下しません。このような電球は通常の白熱電球よりもはるかに小さく、限られたスペースで強力な照明が必要な場合に広く使用されています。光学顕微鏡用の光ファイバーランプは、典型的な用途の 1 つです。
白熱アークランプ
白熱電球の変種では、熱線フィラメントを使用せず、代わりに球状のビーズ電極にアークを当てて熱を発生させた。電極は白熱し、アークは生成される光にほとんど寄与しなかった。このようなランプは、顕微鏡などの科学機器の投影や照明に使用された。これらのアークランプは比較的低い電圧で動作し、エンベロープ内でイオン化を開始するためにタングステンフィラメントを組み込んだ。アークランプのような強力で集中した光を提供したが、操作はより簡単だった。1915年頃に開発されたこれらのランプは、水銀アークランプとキセノンアークランプに取って代わられた。[128] [129] [130]
電気的特性
力
白熱電球は、力率が 1 のほぼ純粋な抵抗負荷です。放電ランプや LED ランプとは異なり、消費される電力は回路の見かけの電力に等しくなります。白熱電球は通常、消費される電力に応じて販売されます。これは主にフィラメントの動作抵抗によって決まります。同じ電圧とタイプの電球が 2 つある場合、電力が高い電球の方がより多くの光を発します。
この表は、さまざまな電力での標準的な120ボルト白熱電球のおおよその典型的な出力をルーメンで示しています。同様の230ボルト電球の光出力はわずかに低くなります。低電流（高電圧）のフィラメントはより細く、同じ寿命のためにはわずかに低い温度で動作させる必要があり、エネルギー効率が低下します。[133]「ソフトホワイト」電球のルーメン値は、通常、同じ電力の透明電球よりもわずかに低くなります。
電流と抵抗
フィラメントの抵抗は温度に依存します。タングステンフィラメントランプの冷間抵抗は、点灯時の抵抗の約1/15です。たとえば、100 ワット、120 ボルトのランプは点灯時に 144 オームの抵抗があります が、冷間抵抗ははるかに低くなります (約 9.5 オーム)。[76] [b]白熱ランプは抵抗負荷であるため、単純な位相制御トライアック 調光器を使用して明るさを制御できます。電気接点には、タングステンランプの高い突入電流特性を持つ回路を制御するように設計されていることを示す「T」定格記号が付いている場合があります。100 ワット、120 ボルトの一般サービスランプの場合、電流は約 0.10 秒で安定し、ランプは約 0.13 秒後に最大輝度の 90% に達します。[135]
身体的特徴
安全性
タングステン電球のフィラメントは、電球が冷えているときは壊れにくいですが、白熱金属の剛性が低いため、高温になるとフィラメントが壊れやすくなります。電球の外側に衝撃が加わると、フィラメントが壊れたり、電流が急激に増加してフィラメントの一部が溶けたり蒸発したりすることがあります。最近の白熱電球のほとんどでは、電球内部の配線の一部がヒューズのような役割を果たしています。つまり、フィラメントが壊れて電球内部でショートが発生すると、配線の可溶部分が溶けて電流を遮断し、電源ラインの損傷を防ぎます。
高温のガラス電球は、冷たい物体と接触すると割れることがあります。ガラスの容器が割れると電球が破裂し、フィラメントが周囲の空気にさらされます。その後、空気によって高温のフィラメントが酸化されて破壊されるのが一般的です。
電球の形
電球の形状とサイズの指定は、国家規格で定められています。一部の指定は、1 つ以上の文字の後に 1 つ以上の数字が続きます (例: A55 または PAR38)。文字は形状を識別し、数字は特定のサイズを示します。
ANSI C79.1-2002、IS 14897:2000 [136]、JIS C 7710:1988 [137]などの国家規格では、電球の形状に関する共通用語が規定されています。
一般的な形状コード
- 一般サービス/一般照明サービス (GLS)
- ほぼ全方向に光が放射されます。クリアまたはフロストからお選びいただけます。
- タイプ:一般型(A)、楕円形 (E)、キノコ型 (M)、サイン型 (S)、管状型 (T)
- 120 V サイズ: A17、19、21
- 230 V サイズ: A55 および 60 [c]
- 高ワット数の一般サービス
- 200ワットを超えるランプ。
- タイプ: 洋ナシ型 (PS)
- 装飾的な
- シャンデリアなどに使用されるランプ。キャンドルサイズの小さい電球には、小さいソケットが使用される場合があります。
- タイプ: キャンドル (B)、ツイストキャンドル、先端が曲がったキャンドル (CA および BA)、炎 (F)、球形 (G)、ランタンチムニー (H)、ファンシーラウンド (P)
- 230 V サイズ: P45、G95
- リフレクター（R）
- 電球内部の反射コーティングが光を前方に向けます。フラッドタイプ (FL) は光を拡散します。スポットタイプ (SP) は光を集中させます。リフレクター (R) 電球は、同じワット数の一般サービス (A) 電球の約 2 倍の光量 (フットカンデラ) を前面中央部に照射します。
- タイプ: 標準反射鏡 (R)、バルジ反射鏡 (BR)、楕円反射鏡 (ER)、クラウンシルバー
- 120 V サイズ: R16、20、25、30
- 230 V サイズ: R50、63、80、95 [c]
- パラボラアルミ反射鏡（PAR）
- パラボラアルミナイズドリフレクター（PAR）電球は、より正確に光を制御します。この電球は、一般サービス（A）の約 4 倍の集中光強度を生み出し、埋め込み照明やトラック照明に使用されます。屋外スポット照明や投光照明には、耐候性ケースが利用できます。
- 120 V サイズ: PAR 16、20、30、38、56、64
- 230 V サイズ: PAR 16、20、30、38、56、64
- スポットビームとフラッドビームのさまざまな広がりがあります。すべての電球と同様に、数字は 1/8 インチ単位で電球の直径を表します。したがって、PAR 16 の直径は 51 mm (2 インチ)、PAR 20 の直径は 64 mm (2.5 インチ) 、 PAR 30 の直径は 95 mm (3.75 インチ)、PAR 38 の直径は 121 mm (4.75 インチ) です。
- 多面反射鏡（MR）
- 多面反射電球は通常、サイズが小さく、低い電圧（多くの場合 12 V）で動作します。
- 国際関係論
- 「HIR」はGE社が赤外線反射コーティングを施したランプに付けた名称である。熱の逃げが少ないため、フィラメントはより高温で効率的に燃焼する。[138]オスラム社は同様のコーティングを「IRC」と呼んでいる。[139]
ランプベース
大型ランプには、ねじ込み口金または差し込み口金が付いており、口金には1つ以上の接点がある。シェルは電気接点として機能することもあれば、機械的なサポートとしてのみ機能することもある。差し込み口金ランプは、振動による緩みを防ぐために自動車用ランプでよく使用される。一部の管状ランプには、両端に電気接点がある。小型ランプにはくさび型口金とワイヤ接点があり、一部の自動車用および特殊用途のランプには、ワイヤに接続するためのねじ端子がある。非常に小型のランプでは、接続のためにフィラメントサポートワイヤがランプの口金を通して延長されていることがある。バイピン口金は、ハロゲンランプやリフレクターランプでよく使用される。[140]
19 世紀後半、メーカーは互換性のない多数のランプ ベースを導入しました。ゼネラル エレクトリックの「マツダ」標準ベース サイズは、すぐに米国全土で採用されました。
ランプのベースは、セメントで電球に固定することも、ガラス電球に成形されたくぼみに機械的に圧着して固定することもできます。
光学システムで使用することを目的としたランプには、フィラメントが光学システム内で正確に配置されるように、位置合わせ機能を備えたベースが付いています。ねじ込みベース ランプは、ランプをソケットに取り付けると、フィラメントの向きがランダムになる場合があります。
電球ソケットの接点により、電流がベースからフィラメントに流れます。ソケットは電気接続と機械的なサポートを提供し、ランプが切れたときに交換できるようにします。
光出力と寿命
白熱電球は供給電圧の変化に非常に敏感です。これらの特性は実用上および経済的に非常に重要です。
ランプの定格電圧に近い 供給電圧Vの場合：
- 光出力はV 3.4にほぼ比例する
- 消費電力はV 1.6にほぼ比例します
- 寿命はV −16にほぼ比例する。
- 色温度はV 0.42にほぼ比例する[115]
電圧を5%下げると電球の寿命は2倍になるが、光出力は約16%低下する。長寿命電球は交通信号灯などの用途でこのトレードオフを利用している。使用する電気エネルギーは電球のコストよりも高いため、一般用電球は長寿命よりも効率を重視している。目的は光コストを最小限に抑えることであり、ランプのコストを最小限に抑えることではない。[76]初期の電球の寿命は最大2500時間だったが、1924年にフィーバス・カルテルは寿命を1000時間に制限することに合意した。[141] 1953年にこれが暴露されると、ゼネラル・エレクトリックと他の大手アメリカメーカーは寿命を制限することを禁止された。[142]
上記の関係は、標準定格条件の電圧が数パーセントしか変化しない場合にのみ有効ですが、低電圧で作動するランプは、光出力が大幅に低下するにもかかわらず、定格電圧で作動するランプよりはるかに長く持続する可能性があることを示唆しています。「センテニアル ライト」は、カリフォルニア州リバモアの消防署で 1901 年以来ほぼ継続的に点灯しているとギネス世界記録に認定されている電球です。ただし、この電球は 4 ワットの電球と同等の光を発します。同様の話は、1908 年 9 月 21 日以来点灯しているテキサス州の 40 ワットの電球にも当てはまります。この電球はかつてオペラハウスに置かれ、著名人が立ち止まってその輝きを眺めていましたが、1977 年に地元の博物館に移されました。[143]
写真照明に使用されるフォトフラッドランプは寿命よりも光出力を重視しており、寿命がわずか2時間しかないものもあります。フィラメントの上限温度は金属の融点です。最も融点が高い金属はタングステンの3,695 K (3,422 °C; 6,191 °F) です。たとえば、寿命が50時間の投影用電球は、融点より50 °C (122 °F) 低い温度でのみ作動するように設計されています。このようなランプは、ワットあたり最大22ルーメンの明るさを達成できますが、750時間の一般用ランプでは17.5ルーメンです。[76]
同じ定格電力でも異なる電圧用に設計されたランプは発光効率が異なります。たとえば、100ワット、1000時間、120ボルトのランプは、ワットあたり約17.1ルーメンの光を発します。230ボルト用に設計された同様のランプはワットあたり約12.8ルーメンしか発しませんが、30ボルト（電車の照明）用に設計されたランプはワットあたり19.8ルーメンもの光を発します。[76]低電圧ランプは、同じ定格電力でもフィラメントが太くなります。同じ寿命でも、フィラメントが蒸発するまでに、より高温で動作する可能性があります。
フィラメントを支えるために使用されるワイヤーは、フィラメントを機械的に強化しますが、熱を奪うため、効率と長寿命の間に別のトレードオフが生じます。多くの一般用 120 ボルト ランプでは追加のサポート ワイヤーを使用しませんが、「過酷な使用」または「振動使用」用に設計されたランプでは、5 本ものサポート ワイヤーが使用されることがあります。低電圧ランプでは、フィラメントはより太いワイヤーで作られているため、追加のサポート ワイヤーは必要ありません。
非常に低い電圧は、リード線がフィラメントから熱を逃がしすぎるため非効率的です。そのため、白熱電球の実用的な下限は1.5ボルトです。高電圧用の非常に長いフィラメントは壊れやすく、ランプのベースを絶縁するのが難しくなるため、照明用のランプは定格電圧が300ボルトを超えるものは作られていません。[76]一部の赤外線加熱素子はより高い電圧用に作られていますが、これらは端子が広く離れた管状の電球を使用しています。
参照
説明ノート
- ^ 上記のランプの多くは、ヒューストン、エドウィン J. & ケネリー、AE (1896)「電気白熱照明」、ニューヨーク：WJジョンストン社、pp. 18–42（インターネットアーカイブ経由）に図解および説明されています。
- ^ エジソンの研究チームは、ランプのフィラメント材料の抵抗の温度係数が負に大きいことを認識しており、1878年から1879年にかけて、電流を安定させるための自動調整器またはバラストの考案に注力した。1879年になってようやく、自己制限型ランプを製造できることが認識された。[134]
- ^ ab サイズはミリメートル単位で測定されます。Aシリーズ電球も参照してください。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、白熱電球に関連するメディアがあります。
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- 白熱電球のフィラメントのスローモーションビデオ
- 2016年にオスラム・シルバニアで稼働中のリボンマシン