白熱電球のフィラメント

白熱電球(はくねつでんきゅう、英語: incandescent lamp[1]filament lamp)とは、ガラス球内のフィラメント抵抗体)のジュール熱による輻射を利用した電球である。フィラメント電球ともいう。ジョゼフ・スワンが発明・実用化したが、本格的な商用化はトーマス・エジソンによるものが最初。

特徴編集

電源直流交流のどちらでも使用可能である。瞬間的に電流が途切れてもフィラメントの赤熱は持続するため、交流電源の場合でもチラツキはない。

電球の光のスペクトル黒体放射に近く、電力の多くが赤外線に変換されるため発光効率は低い。日常用いられる100Wガス入り白熱電球では、可視光の放射に使用される電力は10%程度であり、赤外放射は72%で、残りは熱伝導により消費される。一方で、一般の人工光源の中では演色性に特に優れており、写真や映画、テレビの撮影光源として広く利用される。演色性の基準となる光源は、専用の白熱電球と特殊なフィルターの組み合わせで定義されている(CIE標準光源)。

部品編集

 
白熱電球の構造
1.バルブ 2.不活性ガス 3.フィラメント 4&5.内部導入線 6.吊り子 7.マウント 8.外部導入線(ヒューズ線) 9.口金 10.絶縁材 11.中心電極
フィラメント
白熱電球の発光部分本体。
導入線
サポート線(内部導入線)
導入線のうち、バルブ内部分。ニッケル線などが用いられる。
封着線(封着部導入線)
導入線のうち、バルブを貫通する部分。通常ジュメット線(銅被覆ニッケル鋼線)。ハロゲンランプではモリブデン薄箔が用いられる。
外部導入線
銅線が用いられる。
ヒューズ
外部導入線のうちの1つはフィラメント折損時等に発生するアーク放電による過電流を防ぐため、ヒューズとなっている。コンスタンタン線が用いられる。
アンカ(吊り子)
フィラメントを支える補助線。モリブデン線が用いられる。
バルブ
フィラメント部を封入したガラス球。通常軟質ソーダガラス、ときに硬質硼珪酸ガラス。ハロゲンランプでは石英ガラスが用いられる。

白熱電球の分類編集

用途による分類編集

封入ガスによる分類編集

ソケットの分類編集

Eはネジ式の口金(エジソンベース、Edison screw)を指す。自動車用など耐震性を要求される用途ではS、即ちスワンベース(引っ掛け式)を用いる。英国では普通の電球にもスワンベースの電球を用いる場合がある。

  • E39 - 200W以上の大型の電球用である。
  • E26 - 一般の電球ソケット、特殊用途以外は200Wまでである(IEC 60061-1(7004-21A-2))
  • E17 - 小型の電球ソケット、クリプトン電球に多い(IEC 60061-1(7004-26))
  • E12 - 常夜灯や表示灯などに使われるソケット。
  • E11 - ハロゲン電球に用いられる。
  • E10 - 豆電球用。懐中電灯や表示灯に用いられる。

照度編集

白熱電球の明るさはかつてはカンデラ(cd)にほぼ等しい)を単位とする光度で表されていたが、現在はワット(W)を単位とする消費電力で表現されている[2]。ただし、Wで表示するのは白熱電球だけとなり、他の光源である電球形蛍光灯とLED電球はルーメン lmで表示する事と業界団体の規定で定められている。

寿命編集

現在、市販されている白熱電球の多くは1000時間程度の寿命を持つ。ただ使用環境によっては電圧の高い(日本では許容最大値である110ボルトがかかる)場合もあり、この場合は100ボルトの電球では寿命が短くなる。そのため、特に記載はないが、110ボルトの電圧を想定した電球も販売されている[3]。電圧が定格より下がると、効率が低下する一方で寿命は向上する(照度参照)。

高温(2200 - 2700°C)となるフィラメントではその構成する素材(今日ではほとんどがタングステンとなっている)が点灯時間の累積と共に徐々に蒸発し、細くなることで素材強度がなくなり、最後に折損(俗に言う「球切れ」)することで寿命となる。また昇華したタングステンがガラス球内に付着し、可視放射効率低下の原因ともなる。フィラメントを真空中に置いた真空電球ではこの昇華が大きい。

ガラス球内を不活性ガスで満たすことで昇華を抑えることが出来るが、ガス中への熱伝導による損失が大きくなる。今日用いられる白熱電球のほとんどがこのガス入り白熱電球と呼ばれるタイプのもので封入する不活性ガスとしては通常、希ガスが用いられるがその分子量が大きいもの程熱伝導による損失が少なくなるため窒素アルゴン以外に高価なクリプトンあるいはキセノンを用いたものもある。

封入ガスにハロゲンヨウ素臭素塩素あるいはその化合物)を微量混合し、ガラス球部が高温になるように設計することで、昇華したタングステンをフィラメントへと還元するようにしたものもある(ハロゲンランプ)。

フィラメントの温度を高く設定すると放射光中の可視光成分が多くなり、発光効率が上昇するが、その分フィラメントの蒸散も大きくなり、電球の寿命が短くなる。ハロゲンランプの場合、フィラメントの温度が同じならば通常のガス入り白熱電球の数倍の寿命となるが、その温度を高く設定し、寿命は同じだが効率が高い電球とすることもできる。

フィラメントの温度を低く設定し、長寿命化した製品も存在する。例えばキセノンランプの中には、効率が低く光色も赤色味が強くなる代わりに10000時間前後の寿命を持つものがあり、電球交換の頻度を減らす必要がある、交換が困難な場所(高所など)で用いられている。交流点灯の場合、ダイオードによりフィラメントに流れる電流を半減させ効率と引き換えに寿命を延ばすという手法もある。

他に寿命を伸ばす手法としては、制御回路により、フィラメントが切れることが多い電源投入時に流れるラッシュカレント(電源投入の瞬間からフィラメントの温度が安定するまでの間、規格の8倍程度の電流が流れてしまう現象。消灯時の冷えたフィラメントの抵抗値は点灯中の高温時に比べ低いために発生する。突入電流とも言う)を軽減し、電源投入時のストレスを減らすというものがある。

フィラメントは、通常単コイルまたは二重コイル(小径のコイルを巻き、そのコイル線で大径のコイルを巻く)となっている。これはフィラメントの封入ガスとの接触面積を減らすことで、熱伝導を抑え発光効率を改善するとともにその寿命を延長するのに有効である。

歴史編集

19世紀後半、電気照明にはアーク灯がもてはやされていた[4]。しかし、アーク灯は花火のような灯りでバチバチという音も伴うもので屋内の照明にはまぶしすぎるものだった[4]。一般家庭の室内照明にはガス灯が普及していたが、爆発の危険性もあるほか室内の壁が黒ずむ問題もあり、硫黄臭やアンモニア臭が発生することもあった[4]。また、ガス灯は大量の酸素を必要としたため、室内の人にめまいや頭痛を引き起こすこともあった[4]

そこで19世紀半ば以来、電気エネルギーを利用した白熱光による照明の開発に20人以上の発明家が取り組んだ[5]。イギリスではジョゼフ・スワンとトーマス・エジソンが開発を競っており、スワンはエジソンの1年前に白熱電球を発明したことになったが、スワンのフィラメントは径が4mmと太く利便性等の問題があった[6]

エジソンはフィラメントの材料に白金を試していたが加熱するとガスが出て寿命が短くなる問題があった[6]。そこで炭素処理を施した厚紙を使ったが最終的には竹を使用することになった[6]。エジソンは中国と日本に部下を派遣し、最終的に粘着性と柔軟性に富む京都・八幡の真竹がフィラメントに採用された[6]。エジソンの開発した電球のフィラメントは径が0.4mmと細く、自由に付けたり消したりするのに優れた特長をもった[6]

エジソンは高抵抗のランプを使用することで電圧100Vに電球を並列に接続しそれぞれ独立して点滅できるようにするとともに、ソケットをねじ式にして自由に交換できるようにした[4]。そして各需要家に発電所から電気を供給するためのシステムを構築した[4]

電球形蛍光灯・発光ダイオード(LED)照明への移行編集

21世紀に入り家庭向けには電球形蛍光灯LED電球への移行が進んでいる

使用中止に向けた法令等編集

地球温暖化防止・環境保護として、白熱電球の生産・販売を一切終了し電球形蛍光灯やLED電球への切替を消費者やメーカーに促す動きが世界的に広がっている。オーストラリアフランスやアメリカ(州による)などは白熱電球の生産・販売が今後法律で禁止される。

日本では、2008年4月、2012年末までに生産と販売を自主的にやめるよう電機メーカーなどに要請する方針を甘利明経済産業大臣(当時)が表明した[7]。これに応える形で東芝ライテックは同年4月14日2010年度を目途に白熱電球の生産を原則中止すると発表し[8]、2010年3月17日に国内大手電機メーカーで初めて白熱電球生産事業より撤退。続いて三菱電機照明も(当初の2012年より1年前倒しし)2011年3月限りで生産を終了(一部製品を除く)、NECライティングパナソニック ライティングデバイスも2012年内に生産を終了した。ただしこれらの要請や自粛は、とくに大手メーカーにとって利益率の高いLEDの生産に力を傾けたいという意向にある程度沿ったものである。

なおミニクリプトン電球は「交換用途に絞って」生産が継続されている(東芝ライテックは2014年限りでミニクリプトン電球生産からも撤退)。

福島第一原発事故の影響編集

福島第一原子力発電所事故の影響によって電力事情が逼迫しているとし、細野豪志環境大臣兼原発担当大臣(当時)は「節電を促す観点から消費電力の多い白熱電球の販売を自粛するよう電器店に呼びかけ、消費者には消費電力の少ないLED電球や電球型蛍光灯への買い換えを呼びかけていく」方針を明らかにすると共に、2012年6月13日経済産業省環境省は白熱電球の製造業家電量販店など関係する業界に製造や販売の自粛を要請した。これは家庭用・産業用とも、電球形蛍光灯、あるいはLED照明への転換をさらに促すこととなる[9][10][11]。この要請を受け、パッケージに代替製品への移行を勧める文言を加えながら家庭用製品の生産を続けていたパナソニック ライティングデバイスも、上記のとおり当初の2013年春より約半年前倒しの2012年10月末で生産を終了した[12]

切り替えにおける課題編集

  • 蛍光灯やLED照明には紫外線に近い可視光線であるバイオレット光が含まれないため、蛍光灯やLED照明を使用すると生活環境からバイオレット光が欠如してしまう。バイオレット光に近視を防ぐ効果が確認されたことから、蛍光灯やLED照明の使用と近視の世界的な増加に関係がある可能性を慶応大学医学部が指摘している[13]
  • 蛍光灯は高い周波数で明滅しているため、撮影に影響を及ぼすことがある。また蛍光による光源であるため演色性も劣る。
  • LED照明は電源回路により高周波ノイズを発生させることがあるため、電波暗室などの電磁波測定施設、ラジオなどの無線装置周辺など、電波・ノイズに影響を受けやすい環境には向かない。
  • 多くのLED照明は断熱材に覆われた環境で使用できない(LEDや点灯回路の放熱が必須であるため)。
  • 非常用照明器具として使用する場合(非常用照明器具としての認定は電球と灯具とのセットであるため指定以外の電球は使用できず、器具自体の交換が必要となる)。
  • 農産物のビニールハウス栽培養鶏ブロイラー)など、照明の役割と同時に白熱電球の発する熱を利用する用途。及び赤外線を利用する作物の光周性制御のため。
    • 特に積雪地帯の信号機は白熱電球の発熱を融雪に利用しているため、発熱の少ないLED電球では信号機本体に着雪しやすく、信号の認識が困難(いわゆる「白信号」状態)になりやすい。実際に信号機の着雪が原因の事故も発生している。更には支柱が曲がる恐れもある。

高効率化の可能性編集

可視光の発光効率を重視する用途ではLEDにとってかわられたが、白熱電球にもいまだ効率改善の余地がある。

従来より、ガラス球部分に赤外線反射膜(通常、多重干渉膜によるダイクロイックミラー)を形成し、赤外線を電球内に閉じ込めて、フィラメントの加熱のために再利用されるよう設計された製品は存在する。

また、メタマテリアルを利用してスペクトルを制御することで可視光線の比率を高める方法が挙げられており、これを用いればLEDを上回る高効率も実現可能とされている[14]。ただし、実現には光の波長に相当する微細加工(ナノテクノロジー)が必要である。

脚注編集

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  1. ^ 文部省日本物理学会編『学術用語集 物理学編』培風館、1990年。ISBN 4-563-02195-4
  2. ^ あくまで明るさの目安としてwが使われており、実際の消費電力は高効率白熱電球等では、W表示より低いことがある。
  3. ^ 型番等で110Vと謳っているものもある。三洋電機 ホワイト電球
  4. ^ a b c d e f 松本栄寿 『「はかる」世界』玉川大学出版部、2000年、154頁
  5. ^ 松本栄寿 『「はかる」世界』玉川大学出版部、2000年、153頁
  6. ^ a b c d e 松本栄寿 『「はかる」世界』玉川大学出版部、2000年、155頁
  7. ^ 読売新聞 2008年4月5日朝刊 11面記事から一部を引用。
  8. ^ 東芝ライテック2008年4月14日付プレスリリース
  9. ^ 政府、白熱電球の販売自粛を要請”. ITmedia (2012年6月13日). 2012年6月14日閲覧。
  10. ^ 高効率な照明製品の普及促進を関係団体に協力要請しました〜「あかり未来計画」キックオフ会合の開催〜”. 経済産業省 (2012年6月13日). 2012年6月14日閲覧。
  11. ^ ただし、上記のようにLED電球や電球型蛍光灯の製造コストは高く、必然的に販売価格も高くなる。そのため、安価で売れるという理由で、2013年4月現在でも朝日電器など一部のメーカーでは白熱電球の製造を続けており、家電量販店その他の小売店では、白熱電球の販売を続けている(参照)。
  12. ^ パナソニック 2012年7月12日付プレスリリース
  13. ^ 現代社会に欠如しているバイオレット光が近視進行を抑制することを発見-近視進行抑制に紫の光-”. 2019年5月7日閲覧。
  14. ^ 高原淳一. “メタマテリアルによる熱輻射の制御に向けて”. 大阪大学大学院基礎工学研究科. 2019年4月26日閲覧。

関連項目編集