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白熱電球（白熱ランプ、白熱電球とも呼ばれる）は、ジュール熱によってフィラメントが発熱し、発光することで光を発生させる電灯です。フィラメントはガラス製の電球の中に収められており、電球内部は真空状態、または不活性ガスが充填されています。これは、フィラメントの酸化を防ぐためです。電流は、ガラスに埋め込まれた端子または配線を通してフィラメントに供給されます。電球ソケットは、フィラメントを機械的に支え、電気的に接続します。
白熱電球は、1.5ボルトから約300ボルトまで、幅広いサイズ、光出力、電圧定格で製造されています。外部の電圧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様に動作します。そのため、白熱電球は家庭用および商業用照明、テーブルランプ、自動車用ヘッドライト、懐中電灯などの携帯用照明、装飾照明や広告照明など、幅広い用途で広く使用されるようになりました。
白熱電球は、他の種類の電灯に比べて効率がはるかに低い。消費エネルギーの5%未満しか可視光に変換されず、残りは熱として放出される。[ 1 ] [ 2 ]一般的な白熱電球の光効率は、120V電球で1ワットあたり16ルーメン（lm /W） 、230V電球 で13 lm/Wであるのに対し、コンパクト蛍光 灯は60 lm/W 、一般的な白色LEDランプは100 lm/Wである。[ 3 ]その結果、白熱電球の市場シェアはLED電球に比べて低下している。これは、エネルギー消費を削減することを目的とした政府の禁止措置によって加速されている。これらの禁止措置は、場合によっては物議を醸している。
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・スワンとゼネラル・エレクトリックのトーマス・エジソンより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、効果的な白熱材料、他の実装よりも高い真空度、集中電源からの電力供給を経済的に実現可能にする高い抵抗、大規模照明システムに必要な関連部品の開発という4つの要素の組み合わせにより、他のものを凌駕することができたと結論付けている。しかし、ジョセフ・スワンの白熱電球はエジソンのものより前に発明され、十分に実用的であったため、1881年にはロンドンで実際に設置され、日常的に使用されていた。
歴史家のトーマス・ヒューズは、エジソンの事業成功は、彼が電気照明の包括的な統合システムを開発したことに起因すると述べている。
そのランプは彼の電気照明システムの小さな構成要素であり、エジソンのジャンボ発電機、エジソンの主電源と給電線、そして並列配電システムと同様に、システムの効果的な機能にとって特に重要なものではなかった。発電機や白熱電球を発明し、同等の創意工夫と卓越性を持っていた他の発明家たちは、自らが照明システムへの導入を主導しなかったために、長い間忘れ去られてしまった。
1761年、エベネゼル・キナーズリーはワイヤーを白熱させることに成功した。[ 7 ]しかし、そのようなワイヤーは空気中で非常に急速に溶けたり酸化したり（燃えたり）する傾向があった。[ 8 ]ライムライトは、酸素水素トーチで酸化カルシウムを白熱させることで、19世紀初頭に舞台照明として普及した。[ 9 ]
1802年、ハンフリー・デービーは、英国王立研究所の地下室に設置された2,000個の電池からなる「巨大な電池」[ 10 ]を用いて、白金の薄い帯に電流を流すことで白熱灯を作り出した。白金は融点が非常に高いため選ばれた。明るさも持続時間も十分ではなかったため実用的ではなかったが、その後75年間にわたる多数の実験者の努力の先駆けとなった。[ 12 ]デービーはまた、 2つの木炭の間に大電流を流すことで電気アークを実証した。
その後40年間、炭素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。[ 8 ]炭素アーク自体は暗く紫色で、エネルギーの大部分を紫外線で放出していたが、正極は炭素の融点のすぐ下まで加熱され、太陽光に非常に近い白熱光で非常に明るく輝いた。[ 13 ]アーク灯は炭素棒を非常に速く燃焼させ、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、広い範囲を照らすのにしか実用的ではなかったため、研究者たちはランプを家庭での使用に適したものにする方法を探し続けた。[ 8 ]
19世紀の最初の3四半期にわたり、多くの実験家が白金線やイリジウム線、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、一部は特許を取得した。[ 14 ]
1835年、ジェームズ・ボウマン・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、一定の電灯を実演した。彼は「1.5フィートの距離から本を読むことができる」と述べた。しかし、彼は電灯の開発をそれ以上進めなかった。[ 15 ]
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。[ 16 ]
1840年、イギリスの科学者ウォーレン・デ・ラ・ルーは、コイル状の白金フィラメントを真空管に封入し、そこに電流を流した。[ 17 ]この設計は、白金の融点が高いため高温で動作し、真空チャンバー内には白金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、白金のコストが高かったため、商業利用には不向きだった。
1841年、イギリスのフレデリック・デ・モリンズは、真空管内に白金線を使用した設計の白熱電球の最初の特許を取得しました。彼は炭素も使用しました。 [ 18 ] [ 19 ]
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た。[ 20 ] [ 21 ]彼の発明は商業的に生産されることはなかった。[ 22 ]
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身の邸宅で白熱電球の実演を一般公開した。彼の電球はブロワ城博物館に展示されている。[ a ]
1859年、モーゼス・G・ファーマーは白金フィラメントを使用した白熱電球を製作した。[ 23 ]トーマス・エジソンは後にマサチューセッツ州ボストンの店でこの電球を目にし、ファーマーに電灯事業について助言を求めた。
1872年、ロシア人のアレクサンドル・ロディギンは白熱電球を発明し、1874年にロシアの特許を取得しました。彼はガラス製の受器に、細くなった2本の炭素棒をバーナーとして使用し、密閉して窒素を充填し、最初の炭素棒が消費されたら2番目の炭素棒に電流が流れるように電気的に配置しました。[ 24 ]後に彼は米国に住み、アレクサンドル・ド・ロディギンと改名し、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、タングステンのフィラメントを持つ白熱電球の特許を申請し、取得しました。[ 25 ]
1874年7月24日、ヘンリー・ウッドワードとマシュー・エバンスは、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。彼らはランプの商業化に成功せず、1879年に特許権をトーマス・エジソンに売却した[ 26 ]。 (エジソンは、並列回路で接続されたランプという斬新な特許権を必要としていた。) [ 27 ] [ 28 ]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[ 29 ] 。
ジョセフ・スワン（1828年 - 1914年）はイギリスの物理学者であり化学者であった。1850年、彼は真空にしたガラス球の中で炭化紙フィラメントを使った研究を始めた。1860年までに彼は動作する装置を実証できたが、十分な真空と電力供給がなかったため、球の寿命が短く、光源としても非効率であった。1870年代半ばまでに、より優れたポンプが利用可能になり、スワンは実験を再開した。[ 30 ]
真空ポンプの専門家であるチャールズ・スターンの助けを借りて、1878年にスワンは初期の電球の黒化を回避する処理方法を開発した。これは1880年に英国特許を取得した。[ 31 ] 1878年12月18日、ニューカッスル化学協会の会合で細い炭素棒を使用したランプが実演されたが、数分間しか機能しなかった。スワンは1879年1月17日の別の会合で実演を繰り返し、今度は成功した。[ 32 ] 1879年2月3日、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人に実演された。[ 33 ] [ 32 ]協会の建物は、電気で照明された最初の公共の建物だった。スワンが実演したランプは、細いフィラメントではなく、アーク灯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ために非常に大きな導体が必要であったため、商業的には実用的ではなかったが、比較的高い真空度、炭素導体、および白金のリード線を使用した白熱灯の可能性を示した。この電球は約40時間持続した。[ 33 ]
スワンはその後、より優れた炭素フィラメントの製造と、その両端を取り付ける方法に注力した。1880年代初頭に綿を処理して「パーチメント糸」を製造する方法を考案し、同年、英国特許4933を取得した。[ 31 ]この年から、彼はイギリスの住宅やランドマークに電球を設置し始めた。彼の家、アンダーヒル、ロウ・フェル、ゲーツヘッドは、世界で初めて電球で照らされた家となった。1880年代初頭に彼は会社を設立した。[ 34 ] 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は、スワンの白熱電球で照らされ、世界で初めて完全に電気で照らされた劇場、そして最初の公共建築物となった。[ 35 ]世界で初めて白熱灯で照らされた通りは、1880年にイギリスのニューカッスル・アポン・タインのモズリー通りだった。 [ 36 ] [ 37 ]
トーマス・エジソンは1878年に実用的な白熱電球の開発に関する本格的な研究を開始しました。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出願しました。 [ 38 ] 1880年代初頭に炭素、次にプラチナやその他の金属を使った多くの実験の後、最終的にエジソンは炭素フィラメントに戻りました。[ 39 ]最初の成功したテストは1879年10月22日に行われ、[ 40 ] [ 41 ] 13.5時間続きました。エジソンはこの設計の改良を続け、1879年11月4日までに「銅フィラメントまたはストリップを巻き付けてプラチナ接点線に接続した」電灯の米国特許を出願しました。[ 42 ]特許には「綿糸や麻糸、木の破片、さまざまな方法で巻いた紙」など、炭素フィラメントを作るいくつかの方法が記載されていたが、[ 42 ]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た。[ 43 ] 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応用例となった（ダイナモを使用した最初の船でもあった）。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
ニューヨークの弁護士であるアルボン・マンは、自身の特許とウィリアム・ソーヤーの特許を活用するために、1878年にエレクトロ・ダイナミック・ライト社を設立した。[ 47 ] [ 48 ]数週間後、ユナイテッド・ステーツ・エレクトリック・ライティング社が設立された。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]この会社は、エジソンの白熱電球がコロンビア号に設置されてから約6か月後の1880年秋、ニューヨーク市のマーカンタイル金庫会社で、白熱電球の最初の商業設置を行った。ハイラム・S・マキシムは、USエレクトリック・ライティング社の主任技師であった。[ 50 ]米国での大成功の後、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。北欧諸国で最初のエジソン電球が設置されたのは、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繊維工場の織物工場であった。[ 51 ]
1880年3月4日、エジソンの電球の発明からわずか5か月後、アレッサンドロ・クルートは、気体状のエチルアルコールの存在下で細い白金フィラメントを加熱して純粋な黒鉛でコーティングし、その後高温で白金を昇華させることにより、細い炭素フィラメントを作るプロセスを開発した。1882年、ドイツのバイエルン州ミュンヘンで開催された電気博覧会で、クルートはエジソンの電球よりも効率が良く、より白く明るい光を発する電球を実演した。[ 52 ]
当時エジソンに雇われていたルイス・ラティマーは、炭素フィラメントの熱処理の改良法を開発し、破損を減らし、マキシムフィラメントの特徴的な「M」字型などの新しい形状に成形できるようにした。1882年1月17日、ラティマーは電球フィラメントの改良法である「炭素製造法」の特許を取得し、これはユナイテッド・ステーツ・エレクトリック・ライト社に買収された。 [ 53 ]ラティマーは、フィラメントをワイヤー支持具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。[ 54 ]
イギリスでは、エジソン社とスワン社が合併し、エジソン・アンド・スワン・ユナイテッド・エレクトリック社（後にエディスワン社として知られるようになり、最終的にはソーン・ライティング社に統合された）が設立された。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、合併は実現した。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、米国における特許権をブラッシュ・エレクトリック社に売却した。
米国特許庁は1883年10月8日、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いるため無効であるとの裁定を下した。訴訟は数年間続いた。最終的に1889年10月6日、裁判官はエジソンの「高抵抗の炭素フィラメント」に関する電灯改良のクレームは有効であるとの判決を下した。[ 55 ]
1893年、ハインリヒ・ゲーベルは、高抵抗の細い炭化竹フィラメント、全ガラス製の封筒に収められた白金のリード線、そして高真空を備えた最初の白熱電球を1854年に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取り疑惑に疑問を呈したが、エジソンの特許が失効したため、最終審理で判決が下されることはなかった。2007年に発表された研究では、1850年代のゲーベルランプの話は作り話であると結論づけられている。[ 56 ]
ランプの真空引きの主な難点は、ランプ点灯時に割れた電球内部の水分で、その結果生じた酸素がフィラメントを攻撃することであった。 [ 57 ] 1880年代には、リン酸無水物が高価な水銀真空ポンプと組み合わせて使用された。[ 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、リン蒸気が残りの水分と酸素を化学的に結合する役割を果たすことを発見した。[ 57 ] [ 58 ] 1896年、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を特許取得した。[ 57 ]これにより、800時間持続する経済的な電球の製造が可能になった。彼の特許は1898年にエジソンによって取得された。[ 30 ]
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囲む必要のない白熱電球の一種であるネルンストランプを開発した。 [ 59 ] [ 60 ]炭素フィラメントランプの2倍の効率を持つネルンストランプは、金属フィラメントを使用したランプに取って代わられるまで、一時的に人気を博した。
1897年12月1日にアレクサンダー・ロディギン（ロシア、ロディギン）が取得した米国特許US575002Aは、タングステンなどの希少金属で作られたフィラメントについて記述している。ロディギンは、タングステンなどの希少金属を、一時的な基材または骨格として機能する電気加熱された糸状のワイヤー（プラチナ、炭素、金）上に化学処理および熱蒸発させるプロセスを発明した（米国特許575,002）。ロディギンは後にこの特許権をゼネラル・エレクトリック社に売却した。
1902年、シーメンスはタンタルランプフィラメントを開発しました。これは、グラファイト化炭素フィラメントよりも高温で動作できるため、より効率的でした。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非常に長く、複数の内部支持が必要でした。金属フィラメントは使用中に徐々に短くなり、フィラメントは大きなたるみループを付けて取り付けられました。数百時間使用されたランプは非常に壊れやすくなりました。[ 61 ]金属フィラメントは切断して再溶接する性質がありましたが、これは通常、抵抗を低下させ、フィラメントの寿命を短くしました。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ました。この金属は非常に高価だったため、使用済みのランプは一部返金で返品することができました。[ 63 ] 110Vまたは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。
1904 年 12 月 13 日、ハンガリー人のSándor Justとクロアチア人のFranjo Hanaman は、炭素フィラメントよりも長持ちし、より明るい光を発するタングステンフィラメントランプのハンガリー特許 (No. 34541) を取得しました。 [ 30 ]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Tungsram社によって初めて販売されました。このタイプは、多くのヨーロッパ諸国で Tungsram 電球と呼ばれることがよくあります。[ 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と比較してタングステンフィラメントの蒸発が遅くなります。これにより、より高い温度が可能になり、フィラメントの寿命の低下を抑えながら効率を高めることができます。[ 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していた際に、焼結タングステンからフィラメントに加工できる「延性タングステン」を作る方法を開発した。[ 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、電球の黒ずみが軽減されることを発見した。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を使ってさらにコイル状に巻いたコイルコイルフィラメントの特許を取得しました。[ 69 ] [ 70 ] 1921年、三浦淳一は白熱社（東芝の前身）に勤務していた際に、コイルコイルタングステンフィラメントを使用した最初のダブルコイル電球を製作しました。当時、コイルコイルフィラメントを大量生産する機械は存在しませんでした。白熱社は1936年までにコイルコイルフィラメントを大量生産する方法を開発しました。[ 71 ]
1924年から第二次世界大戦勃発までの間、フェブス・カルテルは北米以外の球根製造業者の価格と販売割当量を固定しようと試みた。[ 72 ]
1925年、アメリカの化学者マービン・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方法の特許を取得した。 [ 73 ] 1947年には、電球の内側をシリカでコーティングする方法の特許を取得した。[ 74 ]
1930年、ハンガリー人のイムレ・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プロセスを設計した。彼の発明に基づくクリプトン充填ランプの生産は、 1937年にハンガリーのアイカで、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始まった。[ 75 ]
1964年までに、白熱電球の効率と生産の改善により、一定量の光を提供するコストは、エジソンの照明システム導入時のコストと比較して30分の1に削減された。[ 76 ]
アメリカでは白熱電球の消費が急速に増加した。1885年には、推定30万個の一般照明用ランプが販売され、すべて炭素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当時、アメリカには約5000万個のランプソケットが存在していた。1914年には8850万個のランプが使用され（炭素フィラメントはわずか15%）、1945年にはランプの年間販売数は7億9500万個（1人当たり年間5個以上）に達した。[ 77 ]
一般的なタングステン白熱電球が消費する電力のうち、可視光に変換されるのは5%未満で、残りの大部分は目に見えない赤外線として放出されます。[ 1 ] [ 78 ]放出された赤外線を利用する用途もあり、例えば、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のおもちゃなどがあります。石英エンベロープハロゲン赤外線ヒーターは、塗料の硬化や暖房などの工業プロセスに使用されます。
電球は、発光効率によって評価されます。発光効率とは、放出される可視光の量（光束）と消費される電力の比率です。[ 79 ]発光効率は、ルーメン/ワット（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、1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 ]
同じ量の光量の場合、白熱電球は他のほとんどの種類の電灯よりも多くの電力を消費し、より多くの熱を放出します。空調を使用する建物では、白熱電球の熱出力により空調システムへ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の稼働の必要性を減らしますが、暖房システムは通常、白熱電球よりも低いコストで同じ量の熱を生成できます。
下の表は、数種類の白熱電球の光束効率と発光効率を示しています。光束効率に関するより詳細な表では、より幅広い光源を比較しています。
白熱灯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 ]色覚の基準として使用される光源の基礎は、一定の温度で動作するタングステン白熱灯である。[ 86 ]
蛍光灯、高輝度放電ランプ、LEDランプなどの光源は、発光効率が高い。これらのデバイス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「裾」がなく、特徴的な波長の帯を持つ。スペクトル分布を変化させ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により、放出されるスペクトルは、白熱光源の外観、または白色光のさまざまな色温度を模倣するように調整できる。映画照明など、色に敏感なタスクで使用する場合、これらの光源は、白熱照明の外観を再現するために特別な技術を必要とする場合がある。[ 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及ぼす影響を説明する。
白熱電球の初期費用は、その寿命期間中に使用するエネルギーの費用に比べると小さい。白熱電球は他のほとんどの照明よりも寿命が短いが、交換が不便または高価な場合は重要な要素となる。白熱電球や蛍光灯など、一部のランプは経年劣化とともに光量が減少する。これは不便な場合もあれば、完全に故障する前にランプを交換することで実効寿命が短くなる場合もある。白熱電球の運転コストを他の光源と比較するには、照明要件、ランプのコスト、ランプ交換の人件費（実効ランプ寿命を考慮）、電気代、ランプの運転が暖房および空調システムに与える影響を含める必要がある。住宅や商業ビルの照明に使用する場合、熱として失われるエネルギーは、建物の空調システムに必要なエネルギーを大幅に増加させる可能性がある。暖房シーズン中は、電球から発生する熱は無駄にならないが[ 88 ] 、ほとんどの場合、建物の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、年間を通して見ると、白熱電球よりも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できる。[ 89 ]
Since incandescent light bulbs use more energy than alternatives such as compact fluorescent lamps (CFLs) and LED lamps, many governments have introduced measures to ban them by setting minimum efficacy standards higher than can be achieved by incandescent lamps. Measures to ban light bulbs have been implemented in the European Union, the United States, Russia, Brazil, Argentina, Canada and Australia, among others. The European Commission has calculated that the ban contributes €5 billion to €10 billion to the economy and saves 40 TWh of electricity every year, translating in CO2 emission reductions of 15 million tonnes (33 billion pounds).[90][91]
Objections to banning incandescent light bulbs include the higher initial cost of alternatives, lower quality of light of fluorescent lamps, and resistance to government regulation.[92] Some people have concerns about the health effects of fluorescent lamps. A 2017 review in the World Journal of Biological Psychiatry reported that blue-rich white LED lighting can suppress melatonin and disrupt sleep and circadian rhythms, with potential implications for mental illness.[93]
Some research has been carried out to improve the efficacy of commercial incandescent lamps. In 2007, General Electric announced a high efficiency incandescent (HEI) lamp project, which they claimed would ultimately be as much as four times more efficient than current incandescents, although their initial production goal was to be approximately twice as efficient.[94][95] The HEI program was terminated in 2008 due to slow progress.[96][97] US Department of Energy research at Sandia National Laboratories initially indicated the potential for dramatically improved efficiency from a photonic lattice filament.[94] However, later work indicated that initially promising results were in error.[98]
Prompted by legislation in various countries mandating increased bulb efficiency, hybrid incandescent bulbs have been introduced by Philips. The Halogena Energy Saver incandescents can produce about 23 lm/W; about 30 percent more efficient than traditional incandescents, by using a reflective capsule to reflect formerly wasted infrared radiation back to the filament from which some is re-emitted as visible light.[92] This concept was pioneered by Duro-Test in 1980 with a commercial product that produced 29.8 lm/W.[99][100] More advanced reflectors based on interference filters or photonic crystals can theoretically result in higher efficiency, up to a limit of about 270 lm/W (40% of the maximum efficacy possible).[101] Laboratory proof-of-concept experiments have produced as much as 45 lm/W, approaching the efficacy of compact fluorescent bulbs[101][102] which is still lower than LED bulbs.
Incandescent light bulbs consist of an air-tight glass enclosure (the envelope, or bulb) with a filament of tungsten wire inside the bulb, through which an electric current is passed. Contact wires and a base with two (or more) conductors provide electrical connections to the filament. Incandescent light bulbs usually contain a stem or glass mount anchored to the bulb's base that allows the electrical contacts to run through the envelope without air or gas leaks. Small wires embedded in the stem in turn support the filament and its lead wires.
An electric current heats the filament to typically 2,000 to 3,300 K (1,730 to 3,030 °C; 3,140 to 5,480 °F), well below tungsten's melting point of 3,695 K (3,422 °C; 6,191 °F). Filament temperatures depend on the filament type, shape, size, and amount of current drawn. The heated filament emits light that approximates a continuous spectrum. The useful part of the emitted energy is visible light, but most energy is given off as heat in the near-infrared wavelengths.
ほとんどの電球は、透明ガラスかコーティングガラスのいずれかです。コーティングガラス電球は、カオリン粘土を吹き込み、電球の内側に静電的に堆積させます。粉末層がフィラメントからの光を拡散します。放出される光の色を調整するために、粘土に顔料を加えることができます。カオリン拡散電球は、比較的柔らかな光のため、室内照明に広く使用されています。その他の色の電球も製造されており、「パーティー電球」、クリスマスツリーライト、その他の装飾照明に使用されるさまざまな色が含まれます。これらは、コバルト（青）やクロム（緑）などの金属であるドーパントでガラスを着色することによって作られます。[ 103 ]ネオジム含有ガラスは、より自然な光を提供するために使用されることがあります。
一般照明用ランプのガラス球は、200～260 ℃（392～500 °F）の温度に達することがあります。高出力動作を目的としたランプや暖房目的で使用されるランプは、硬質ガラスまたは溶融石英製の外殻を備えています。[ 76 ]
電球の被覆が破裂すると、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、紫青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、それが周囲の表面や電球内部に付着する。
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が充填されています。ガスの圧力は約70 kPa (0.7 atm)です。[ 104 ]
The gas reduces evaporation of the filament, but the fill must be chosen carefully to avoid introducing significant heat losses. For these properties, chemical inertness and high atomic or molecular weight is desirable. The presence of gas keeps the tungsten below its vapor pressure, allowing it to be operated at higher temperature without reducing its life (or, for operating at the same temperature, prolongs the filament life). On the other hand, the presence of the gas leads to heat loss from the filament—and therefore efficiency loss due to reduced incandescence—by heat conduction and heat convection.
Early lamps used only a vacuum to protect the filament from oxygen. The vacuum increases evaporation of the filament but eliminates two modes of heat loss. Some small modern lamps use vacuum as well.
The most commonly used fills are:[105]
The gas fill must be free of traces of water, which greatly accelerates bulb blackening (see below).
The gas layer close to the filament (called the Langmuir layer) is stagnant, with heat transfer occurring only by conduction. Only at some distance does convection occur to carry heat to the bulb's envelope.
The orientation of the filament influences efficiency. Gas flow parallel to the filament, e.g., a vertically oriented bulb with vertical (or axial) filament, reduces convective losses.
The efficiency of the lamp increases with a larger filament diameter. Thin-filament, low-power bulbs benefit less from a fill gas, so are often only evacuated.
Early light bulbs with carbon filaments also used carbon monoxide, nitrogen, or mercury vapor. However, carbon filaments operate at lower temperatures than tungsten ones, so the effect of the fill gas was not significant as the heat losses offset any benefits.
Early bulbs were laboriously assembled by hand. After automatic machinery was developed, the cost of bulbs fell. Until 1910, when Libbey's Westlake machine went into production, bulbs were generally produced by a team of three workers (two gatherers and a master gaffer) blowing the bulbs into wooden or cast-iron molds, coated with a paste.[106] Around 150 bulbs per hour were produced by the hand-blowing process in the 1880s at Corning Glass Works.[106]
The Westlake machine, developed by Libbey Glass, was based on an adaptation of the Owens-Libbey bottle-blowing machine. Corning Glass Works soon began developing competing automated bulb-blowing machines, the first of which to be used in production was the E-Machine.[106]
Corning continued developing automated bulb-production machines, installing the Ribbon Machine in 1926 in its Wellsboro, Pennsylvania, factory.[107] The Ribbon Machine surpassed any previous attempts to automate bulb production and was used to produce incandescent bulbs into the 21st century. The inventor, William Woods, along with his colleague at Corning Glass Works, David E. Gray, had created a machine that by 1939 was producing 1,000 bulbs per minute.[106]
The Ribbon Machine works by passing a continuous ribbon of glass along a conveyor belt, heated in a furnace, and then blown by precisely aligned air nozzles through holes in the conveyor belt into molds. Thus the glass bulbs or envelopes are created. A typical machine can produce 50,000 to 120,000 bulbs per hour, depending on the size of the bulb.[108][109] By the 1970s, 15 ribbon machines installed in factories around the world produced the entire supply of incandescent bulbs.[110] The filament and its supports are assembled on a glass stem, which is then fused to the bulb. The air is pumped out of the bulb, and the evacuation tube in the stem press is sealed by a flame. The bulb is then inserted into the lamp base, and the whole assembly tested. The 2016 closing of Osram-Sylvania's Wellsboro, Pennsylvania plant meant that one of the last remaining ribbon machines in the United States was shut down.[110]
Carbon has the highest melting point of any element, and in carbon arc lamps it had been demonstrated to produce incandescence fairly close to that of sunlight. However, carbon has a tendency to sublimate before reaching its melting point depending on pressure, which led to rapid blackening of vacuumed bulbs. The first commercially successful light bulb filaments were made from carbonized paper or bamboo. Carbon filaments have a negative temperature coefficient of resistance—as they get hotter, their electrical resistance decreases. This made the lamp sensitive to fluctuations in the power supply, since a small increase of voltage would cause the filament to heat up, reducing its resistance and causing it to draw even more power and heat even further.
Carbon filaments were "flashed" by heating in a hydrocarbon vapor (usually gasoline), to improve their strength and uniformity. Metallized or "graphitized" filaments were first heated to high temperature to transform them into graphite, which further strengthened and smoothed the filament. These filaments have a positive temperature coefficient, like a metallic conductor, which stabilized the lamps operating properties against minor variations in supply voltage.
金属フィラメントは1897年に試作され[ 111 ]、1904年頃から炭素に取って代わり始めた。タングステンは利用可能な金属の中で最も高い融点を持つが、脆さが障害となっていた。1910年までに、ゼネラル・エレクトリック社のウィリアム・D・クーリッジによって延性のあるタングステンを製造するプロセスが開発された。このプロセスでは、タングステン粉末を棒状にプレスし、焼結、スウェージング、線引きのいくつかの工程が必要であった。非常に純度の高いタングステンでは、使用中に垂れ下がるフィラメントが形成されることがわかった。また、数百万分の数百のレベルでカリウム、ケイ素、アルミニウム酸化物によるごくわずかな「ドーピング」処理（いわゆるAKSタングステン）を行うことで、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することがわかった。[ 112 ]
タングステンフィラメントの故障の主なメカニズムは、現在でも拡散クリープによって緩和される粒界すべりです。[ 113 ]動作中、タングステン線は自重の負荷によって応力を受け、高温で発生する拡散により、結晶粒が回転してすべり始めます。この応力は、フィラメントのばらつきにより、フィラメントが不均一にたるみ、最終的にフィラメントにさらなるトルクをもたらします。[ 113 ]このたるみが必然的にフィラメントの破断を引き起こし、白熱電球を役に立たなくします。[ 113 ]
ランプの効率を向上させるために、フィラメントは通常、コイル状の細いワイヤーを複数巻いたもので、コイルドコイルとも呼ばれます。コイルドコイルフィラメントを使用する電球は、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巻き戻し長さは通常580ミリメートル（22.8インチ）[ 76 ]で、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、フィラメントワイヤー自体の表面に沿って電球内のガスの流れが少なくなることです。代わりに、ガスはコイルドコイル全体の外側だけを流れるため、材料の蒸発とワイヤーからの熱損失の両方が減少します。[ 114 ]コイル状のフィラメントは、同じ表面積と発光電力を持つ直線状のフィラメントよりも蒸発が遅いため、電球の寿命が長くなります。フィラメントに保持される熱量が増えるため、フィラメントの温度が高くなり、結果として光源の効率が向上します。
電気フィラメントは、蛍光灯や真空管の熱陰極において電子源として、あるいは真空管において電子放出電極を加熱するために使用される。電子源として使用される場合、電子生成量を増加させる特殊なコーティングが施されることがある。
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。より高温で効率の良いフィラメントはより速く蒸発します。[ 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。このトレードオフは通常、一般照明に使用されるランプの寿命が1,000～2,000時間になるように設定されています。劇場、写真、およびプロジェクターランプは、コンパクトな形状で高出力を得るために寿命を犠牲にしているため、有用寿命がわずか数時間しかない場合があります。長寿命の一般サービス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、電球の交換が困難な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。定格出力が約25ワットを超える一般用白熱電球には、現在、主にアルゴンと少量の窒素の混合物[ 116 ]、またはクリプトン[ 117 ]が充填されている。不活性ガスはフィラメントの蒸発を減らす一方で、フィラメントから熱を伝導するため、フィラメントが冷却され、効率が低下する。一定の圧力と温度では、ガスの熱伝導率は、ガスの分子量とガス分子の断面積に依存する。分子量が大きいガスは、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大きいため効率が向上するが、高価でもあるため、小型ランプでの使用に限られる[ 118 ] 。
Filament notching is due to uneven evaporation of the filament. Small variations in resistivity along the filament cause "hot spots" to form at points of higher resistivity;[77] a variation of diameter of only 1% will cause a 25% reduction in service life.[76] Since filament resistance is highly temperature-dependent, spots with higher temperature will have higher resistance, causing them to dissipate more energy, making them hotter – a positive feedback loop. These hot spots evaporate faster than the rest of the filament, permanently increasing the resistance at that point. The process ends in the familiar tiny gap in an otherwise healthy-looking filament.
Lamps operated on direct current develop random stairstep irregularities on the filament surface which may cut lifespan in half compared to AC operation; different alloys of tungsten and rhenium can be used to counteract the effect.[119][120]
Since a filament breaking in a gas-filled bulb can form an electric arc, which may spread between the terminals and draw very heavy current, intentionally thin lead-in wires or more elaborate protection devices are therefore often used as fuses built into the light bulb.[121] More nitrogen is used in higher-voltage lamps to reduce the possibility of arcing.[116]
In a conventional lamp, the evaporated tungsten condenses on the inner surface of the glass envelope, darkening it. For bulbs that contain a vacuum, the darkening is uniform across the entire surface of the envelope. When a filling of inert gas is used, the evaporated tungsten is carried in the thermal convection currents of the gas, and is deposited preferentially on the uppermost part of the envelope, blackening just that portion of the envelope. Study of the problem of bulb blackening led to the discovery of thermionic emission, the invention of the vacuum tube, and evaporation deposition used to make mirrors and other optical coatings.[122][123][124]
電球内部のごくわずかな水蒸気でも、ランプの暗さが著しく増加する可能性があります。水蒸気は高温のフィラメントで水素と酸素に解離します。酸素はタングステン金属を攻撃し、生成され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します。水蒸気からの水素は酸化物を還元し、水蒸気を再生してこの水のサイクルを継続します。[ 77 ] 50万個のランプに1滴の水が分散すると、暗さが著しく増加します。[ 76 ]ランプ内部には、動作中にランプ部品から焼き切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少量の物質が配置されています。[ 125 ]
劇場、映写、サーチライト、灯台などで使用されていた、重くて丈夫なフィラメントを備えた古い高出力ランプの中には、封筒の中にタングステン粉末がばらばらに入っているものがあった。時々、作業員は電球を取り外して振ることで、封筒の内側に凝縮したタングステン粉末の大部分をこすり落とし、黒ずみを取り除き、ランプを再び明るくした。[ 126 ]
ハロゲンランプは、ランプ内部に不活性ガスとともに低圧のハロゲンガスを充填することで、フィラメントの不均一な蒸発を抑制し、ランプ本体の黒ずみを防止します。ハロゲンサイクルは、ランプ内部のタングステンをフィラメントに再析出させることで、ランプの寿命を延ばし、黒ずみを防ぎます。ハロゲンランプは、同等の出力を持つ標準的なガス封入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、動作寿命を損なうこともありません。このようなランプは通常の白熱電球よりもはるかに小型で、限られた空間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、その代表的な用途の一つです。
A variation of the incandescent lamp did not use a hot wire filament, but instead used an arc struck on a spherical bead electrode to produce heat. The electrode then became incandescent, with the arc contributing little to the light produced. Such lamps were used for projection or illumination for scientific instruments such as microscopes. These arc lamps ran on relatively low voltages and incorporated tungsten filaments to start ionization within the envelope. They provided the intense concentrated light of an arc lamp but were easier to operate. Developed around 1915, these lamps were displaced by mercury and xenon arc lamps.[127][128][129]
Incandescent lamps are nearly pure resistive loads with a power factor of 1. Unlike discharge lamps or LED lamps, the power consumed is equal to the apparent power in the circuit. Incandescent light bulbs are usually marketed according to the electrical power consumed. This depends mainly on the operating resistance of the filament. For two bulbs of the same voltage, and type, the higher-powered bulb gives more light.
The table shows the approximate typical output, in lumens, of standard 120 volt incandescent light bulbs at various powers. Light output of similar 230 V bulbs is usually slightly less, even though in this table the opposite holds true at 25 W. The lower current (higher voltage) filament is thinner and has to be operated at a slightly lower temperature for the same life expectancy, which reduces energy efficiency.[132]
The lumen values for "soft white" bulbs will generally be slightly lower than for clear bulbs at the same power.
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、動作時の抵抗の約 1/15 です。たとえば、100 ワット、120 ボルトのランプは、点灯時の抵抗が 144 オームですが、冷間抵抗ははるかに低く (約 9.5オーム) なります。[ 76 ] [ b ]白熱ランプは抵抗負荷であるため、単純な位相制御TRIAC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特徴である高い突入電流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 ボルトの一般用ランプの場合、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。[ 134 ]
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切れにくいですが、熱くなると白熱金属の剛性が低下するため、フィラメントはより脆弱になります。電球の外側に衝撃が加わると、フィラメントが切れたり、電流が急激に増加して一部が溶けたり蒸発したりすることがあります。現代の白熱電球のほとんどでは、電球内部のワイヤーの一部がヒューズのように機能します。フィラメントが切れて電球内部で短絡が発生すると、ヒューズ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。
高温のガラス球は、冷たい物体に触れると割れることがあります。ガラスの外装が割れると、球は内破し、フィラメントが外気にさらされます。すると、通常は外気によって高温のフィラメントが酸化され、破壊されます。
電球の形状とサイズは、各国の規格で定められています。一部の規格は、1つ以上の文字とそれに続く1つ以上の数字で構成されており、例えばA55やPAR38のように、文字は形状を、数字は代表的なサイズを表しています。
ANSI C79.1-2002、IS 14897:2000 [ 135 ]、JIS C 7710:1988 [ 136 ]などの国家規格は、電球の形状に関する共通の用語を規定している。
Large lamps may have a screw base or a bayonet base, with one or more contacts on the base. The shell may serve as an electrical contact or only as a mechanical support. Bayonet base lamps are frequently used in automotive lamps to resist loosening by vibration. Some tubular lamps have an electrical contact at either end. Miniature lamps may have a wedge base and wire contacts, and some automotive and special purpose lamps have screw terminals for connection to wires. Very small lamps may have the filament support wires extended through the base of the lamp for connections. A bi-pin base is often used for halogen or reflector lamps.[139]
In the late 19th century, manufacturers introduced a multitude of incompatible lamp bases. General Electric's "Mazda" standard base sizes were soon adopted across the US.
Lamp bases may be secured to the bulb with a cement, or by mechanical crimping to indentations molded into the glass bulb.
Lamps intended for use in optical systems have bases with alignment features so that the filament is positioned accurately within the optical system. A screw-base lamp may have a random orientation of the filament when the lamp is installed in the socket.
Contacts in the lightbulb socket allow the electric current to pass through the base to the filament. The socket provides electrical connections and mechanical support, and allows changing the lamp when it burns out.
Incandescent lamps are very sensitive to changes in the supply voltage. These characteristics are of great practical and economic importance.
For a supply voltage V near the rated voltage of the lamp:
電圧を 5% 下げると電球の寿命は 2 倍になりますが、光出力は約 16% 低下します。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ます。一般サービスランプは、使用する電気エネルギーのコストが電球のコストよりも高いため、長い動作寿命よりも効率を重視します。目的は、ランプのコストではなく、光のコストを最小限に抑えることです。[ 76 ]初期の電球の寿命は最大 2500 時間でしたが、1924 年にPhoebus カルテルが寿命を 1000 時間に制限することに合意しました。[ 140 ] 1953 年にこれが暴露されると、ゼネラル エレクトリックや他の主要なアメリカのメーカーは寿命を制限することを禁じられました。[ 141 ]
上記の関係は、標準定格条件付近で電圧が数パーセント変化した場合にのみ有効ですが、低電圧で動作するランプは、定格電圧で動作するランプよりもはるかに長く使用できることを示しています。ただし、光出力は大幅に低下します。「センテニアルライト」は、1901年からカリフォルニア州リバモアの消防署でほぼ連続して点灯している電球としてギネス世界記録に認められています。しかし、この電球は4ワットの電球と同等の光を発します。1908年9月21日から点灯しているテキサス州の40ワットの電球についても同様の話をすることができます。かつてはオペラハウスにあり、著名人がその輝きを見に立ち寄り、1977年に地域の博物館に移されました。[ 142 ]
写真撮影用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、中にはわずか2時間しか持たないものもあります。フィラメントの最高温度は金属の融点です。タングステンは最も融点の高い金属で、3,695 K (3,422 °C; 6,191 °F)です。例えば、50時間寿命のプロジェクター用電球は、その融点より50 °C (122 °F)低い温度でのみ動作するように設計されています。このようなランプは、750時間寿命の一般用ランプの17.5ルーメン/ワットと比較して、最大22ルーメン/ワットを達成できます。[ 76 ]
同じ電力定格でも、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、1 ワットあたり約 17.1 ルーメンを生成します。230 V 用に設計された同様のランプは、1 ワットあたり約 12.8 ルーメンしか生成せず、30 ボルト (列車の照明) 用に設計されたランプは、1 ワットあたり最大 19.8 ルーメンを生成します。[ 76 ]低電圧ランプは、同じ電力定格でフィラメントが太くなっています。フィラメントが蒸発するまでの寿命が同じであれば、より高温で動作できます。
The wires used to support the filament make it mechanically stronger, but remove heat, creating another tradeoff between efficiency and long life. Many general-service 120-volt lamps use no additional support wires, but lamps designed for "rough service" or "vibration service" may have as many as five. Low-voltage lamps have filaments made of heavier wire and do not require additional support wires.
Very low voltages are inefficient since the lead wires would conduct too much heat away from the filament, so the practical lower limit for incandescent lamps is 1.5 volts. Very long filaments for high voltages are fragile, and lamp bases become more difficult to insulate, so lamps for illumination are not made with rated voltages over 300 volts.[76] Some infrared heating elements are made for higher voltages, but these use tubular bulbs with widely separated terminals.
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）エジソン特許1200。
The Consolidated Company was the successor of the Electro-Dynamic Light Company of New York, the first company organized in the United States for the manufacture and sale of electric incandescent lamps, and the owner of a large number of patents of date prior to those upon which rival companies were depending. ... The United States Electric Lighting Company was organized in 1878, a few weeks after the Electro-Dynamic Company
The United States Electric Lighting Company was organized in 1878, a few weeks after the Electro-Dynamic Light Company
The United States Electric Lighting Company was organized in 1878 a few weeks after the Electro-Dynamic company, and was the successor of the oldest company in the United States for the manufacture of electric power apparatus
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