专利名称：能量转换装置以及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种能量转换装置及其制造方法，尤其是涉及一种抑制红外线的辐射，并能够显示较高的发光效率的照明光源。
背景技术：
人工光源中妨碍实现较高的发光效率的是，在将能量转换为可视光光线时，牺牲可视光光线，并大量辐射人眼感受不到的波长较长的红外线。
白炽灯泡，其具有特征为，不需要稳压器且小巧轻便，并且彩色再现性在人工光源中为最优良的。因此，白炽灯泡成为全世界被广泛使用的照明光源。以往，为提高白炽灯泡的辐射效率，由于辐射体的工作温度升高，因此需试找出红外线区域中辐射量较少的辐射体。从历史上看，其结果，辐射体，从碳丝白炽灯泡到被替换为现在的钨丝。通过采用由钨构成的辐射体，实现比由其它材料构成的辐射体在更高温度下进行工作，这样就可能降低红外线区域中辐射量的比率。
但是，即使经过这样的努力，利用钨丝的当前的白炽灯泡中，可视波段的辐射只有全部的10％。此外的辐射中，红外线辐射占主要70％。并且，通过封入气体通过热传导或对流产生热损失为20％，发光效率为15lm/W。该发光效率，在人工光源中属于最低等级。白炽灯泡的上述性能，在1930年代实现以后，没有得到飞跃性的改善。
另一方面，专利文献1等中公开了一种使来自辐射体的红外线划时代地被抑制，使灯的发光效率得到飞跃性地提高的技术。根据该技术，通过在辐射体的表面形成作为波导管功能的细微的谐振空腔(微谐振空腔cavity)的阵列。就能够抑制规定波长以上的辐射(例如红外线辐射)，选择性地辐射规定波长的电磁波射线。根据专利文献1，记载了以例如约150nm的间隔形成宽约350nm、深度约7μm的谐振空腔，能够抑制比约700nm波长还长的红外线辐射。并且，根据专利文献1，从2000K到2100K的工作温度下的发光效率还能提高到原来的6倍。
并且，专利文献2，公开了一种通过将1根金属细线绕成灯丝，从而抑制红外线辐射的技术。
专利文献1中记载的以往技术中较大的课题之一在于，在辐射体的表面形成纳米级尺寸的谐振空腔阵列，从加工技术的观点看很难。其它课题，存在的问题在于，既便假设能够在辐射体的表面形成了细微的谐振空腔阵列，尽管辐射体的熔点高于3000K，但在1200K的工作温度下，在数分钟的工作时间内谐振空腔会完全破裂。即，根据以往的技术，在数分钟的工作期间，不能获得提高灯发光效率的效果。
另一方面，根据专利文献2中记载的以往技术，因高温工作时的热膨胀导致金属细线延伸时，由于在绕在灯丝周围的状态下的金属细线的排列间隔扩大，因此不能够稳定地抑制规定波长以上的辐射。
专利文献1特开平03-102701号公报；专利文献2特开平04-343381号公报。
发明内容
本发明，就是为解决上述课题，其目的在于，提供一种能量转换装置，其可使抑制规定波长以上的辐射的机构且即使在高温下也能够稳定工作。并且，本发明的另外目的在于，提供一种即使在例如2000K以上的工作温度下，也能够长时间地维持，红外线抑制效果的照明光源(白炽灯泡)。
本发明的能量转换装置，其特征在于，包含辐射电磁辐射线的热源；和辐射抑制部，其对具有比规定波长还要长的波长的红外线的辐射进行抑制。所述辐射抑制部，金属线材的纺织物或编织物(woven or knitted metalwire mesh)形成，所述纺织物或编织物中的网眼开口(opening)，具有比所述规定波长还要小的孔径尺寸(aperture size)。
在优选本实施方式中，所述网眼开口为约四边形，所述四边形的一边小于1μm。
在优选本实施方式中，所述线材的直径小于2μm。
在优选本实施方式中，所述线材由熔点高于2000K的高熔点材料形成。
在优选本实施方式中，所述高熔点材料，为从钨、钼、铼、钽以及它们的化合物组成的组中选择的至少一种。
在优选本实施方式中，所述热源，是一种钨或钨化合物，在2000K以上的温度下工作。
在优选本实施方式中，所述辐射抑制部，由层叠的金属线材的纺织物或编织物构成，具有限制所述规定波长的电磁波辐射足够厚度。
在优选本实施方式中，所述规定波长为780nm。
根据本发明，能量转换装置的制造方法，包含准备辐射电磁辐射线的热源的工序；准备对具有比规定波长还要长的波长的红外线辐射进行抑制的辐射抑制部的工序；在至少所述热源辐射电磁辐射线的一面侧配置所述辐射抑制部的工序。所述辐射抑制部，由金属线材的纺织物或编织物形成，所述纺织物或编织物中的网眼开口，具有比所述规定波长还要小的尺寸。
在优选本实施方式中，准备所述辐射抑制部的工序，含有一边给所述线材提供拉伸应力一边进行加工的工序。
本发明的装置，包含上述某一种能量转换装置；将所述能量转换装置与大气隔离的透光性真空管；对于所述能量转换装置中含有的所述热源提供功率的机构。
优选本实施方式中，所述装置作为照明光源发挥功能。
本发明的辐射抑制部件，是一种对具有比规定波长还要长的波长的红外线辐射进行抑制的辐射抑制部件，由金属线材的纺织物或者编织物形成，所述纺织物或者编织物中的网眼开口具有比所述规定的波长还要小的尺寸。
发明效果根据本发明，在例如作为白炽灯泡的灯丝发挥功能的能量转换装置中，在热源辐射电磁波一面侧配置由金属线材的纺织物或编织物组成的辐射抑制机构，对规定波长以上的电磁波的辐射进行抑制。因此，能够对来自热源辐射的红外线长时间地进行抑制，由于提高白炽灯泡中可视辐射量对于红外线辐射量的比例，因此具有较高发光效率且较实用的寿命。
并且，辐射抑制机构，由金属线材的纺织物或编织物组成的网眼构成，因此热量较稳定。并且，网眼的网眼开口的尺寸并没有因温度变化而产生显著变动，因此能够稳定地维持较高的辐射效率。
图1(a)表示形成微谐振空腔阵列的现有钨丝的上面图，(b)表示其截面图，(c)表示微谐振空腔破裂后的钨丝的截面图。
图2(a)表示本发明的能量转换装置具有的辐射抑制机构的一例的部分放大立体图；(b)表示金属线材23中的晶粒的朝向的模式图。
图3(a)以及(b)表示本发明的能量转换装置具有的辐射抑制机构(网眼)的构成例的图。
图4表示本发明的能量转换装置的第1实施辐射的图。
图5表示本发明的第1实施方式中辐射抑制机构(网眼)的放大图。
图6表示本发明的能量转换装置的第2实施方式的图。
图中1-辐射体，2-网眼(纺织物物)，3-钨丝，10-钨灯丝，12-微谐振空腔，20-网眼构造物，23-金属线材，25-空隙(网眼的网眼开口)。
具体实施例方式
首先，参照图1(a)到(c)，以下就在以往的白炽灯泡中采用的钨丝的表面形成具有可视光波长程度的尺寸的谐振空腔阵列的情况下，比钨的熔点低很多的工作温度下谐振空腔会破裂的原因进行说明。图1(a)，为在表面形成微谐振空腔阵列的以往钨丝的俯视图，图1(b)，为其截面图。
在图1(a)以及(b)所示的钨丝10的表面形成微谐振空腔12的阵列。各微谐振空腔12的内径，为例如750nm，其深度为例如7μm。这样的微谐振空腔破裂的主要机械作用，可视为是因钨原子的移动(migration)而引起的。即，实际的钨的晶格结构，其原子排列中存在多个紊乱处(晶格缺陷)。该晶格缺陷，表示原子或晶粒为不连续且不规则地排列着，从而形成杂乱的结合组织。这样的结合组织的一部分，即使在没有提供达到活跃蒸发后飞散程度的热能量的情况下，也按照采取稳定结构方式活跃流动(扩散或者移动)。例如，晶粒边界发挥如同铰链那样的作用引起晶粒的流动。
这种现象，为若存在细微凹凸的金属表面处于高温状态，则如同液体表面是平滑的那样原子自然流动，其结果，为表面的细微凹凸构造破裂后变成平坦化。图1(c)表示由于高温下产生原子的移动，因此在钨丝10的表面形成的凹凸为平坦化的状态。根据发明者的实验，发现即使在钨丝10的表面形成的微谐振空腔12，处于预想之外的较低温度(例如钨几乎没有蒸发的温度)，也会容易破裂，表面被平滑化。
尤其在微谐振空腔12的尺寸为可视光波长程度(纳米“nm”级)的情况下，更容易引起钨表面的平滑化。对此，有可能是因尺寸为可视波长程度的谐振空腔本身，作为与晶格缺陷相同等级的较小的凹凸构造发挥功能而引起的。
根据以上原因，即使在由钨等构成的以往灯丝的表面形成微小的微谐振空腔，在通常的工作温度下也不能确保实用的寿命。
接着，参照图2(a)以及(b)，就本发明采用的辐射抑制机构进行说明。图2(a)，为表示本发明中作为辐射抑制机构发挥功能的网眼构造物20的一例的部分立体图。图2(b)表示各金属线材23的内部存在的金属晶粒的全体的朝向方向的模式。
根据本发明者的研究，采用具有可视光波长级的直径的超细金属线材23制作的网眼构造物(woven or knitted metal wire mesh)20中，假如即使各个金属线材23的内部存在晶格缺陷，也能判定在超过2000K的高温状态下网眼构造物20的形态几乎没有破裂。这是因为即使构成金属线材23的原子或晶粒在高温状态下获得较大的热能量后流动(migrate)，也可视流动的全体方向为沿着金属线材23的轴方向(线的长度方向)。其结果，按照形成作为微谐振空腔发挥功能的多个空隙而纺织或者编织金属线材23而制作的网眼构造20，为极其热稳定的。这样，在金属表面形成的细微凹凸，或在金属箔上形成的细微的孔，它们的尺寸越小，热量会显著变弱。
可认为本发明中采用的网眼构造物20的热稳定性，因金属线材23的结晶构造而被进一步提高。即，金属线材23，通常为利用金属材料的延展性在1个轴方向延伸而制作的。若产生这样的金属延伸，则由于晶粒沿着图2(b)的箭头方向而取向，因此金属线材23的热稳定性被进一步提高。
本发明，利用如图2(a)所示这样的网眼构造物20，由于在辐射电磁辐射线的辐射体(热源)的特定波长范围内提高辐射效率，因此能够得到高温且具有足够长的寿命的实用高效辐射体。另，网眼构造物20，也不限定于如图2(a)所示形式。图3(a)，为图2的网眼构造物20的俯视图，但也可以纺织金属线材23如图3(b)所示。金属线材23的纺织方法，或编织方法有多种形式，为制作本发明的辐射抑制机构，可广泛采用公知的纺织方法以及编织方法。
为制作网眼构造物20在或者纺织，或者编织金属线材23时，利用金属线材23的延展性，反复进行使金属线材23在途中被弯曲加工的操作。这样的金属线材23的加工，可采用公知的金属网眼制造装置机械地进行。
以下，参照附图就本发明的实施方式进行说明。另，本发明，并不限定于以下说明的实施方式。
(第1实施方式)首先，参照图4就本发明的能量转换装置的第1实施方式进行说明。
如图4所示的本实施方式的能量转换装置，包含通过升温向外部辐射电磁辐射线的热源(以下称作辐射体1)；和在辐射体1的周围设置的辐射抑制机构。作为本实施方式的辐射抑制机构发挥功能的构造物，为纺织细钨丝而制作的网眼2。
辐射体1，通常由作为白炽灯泡的灯丝所利用的材料而适当制作的，但本说明书中的“辐射体”，并不一定限定于在一般的白炽灯泡中发热、发光的灯丝。但是，在将本发明的能量转换装置作为照明光源发挥功能的情况下，辐射体由在白炽灯泡中采用的公知的灯丝材料而形成。
另，辐射体1，具有因所提供的能量(例如电能)而升温，并将该能量转换成电磁辐射线后向外部辐射的功能。
本实施方式的能量转换装置，由于具有作为辐射抑制机构的以下详细说明的网眼2，因而具有对比预先设定的规定波长还要长的波长的辐射进行抑制的功能。因此，提高规定波长以下的辐射效率。
另，本实施方式的网眼2，其配置为如图4所示包围在辐射体1的周围，但不需要完全覆盖辐射体1的周围，也可以在辐射体1的表面，配置为与辐射应利用的电磁波的部分相面对。例如，在采用一面为镜面抛光后的板状辐射体1的情况下，网眼2其配置只要是与辐射体1的另一面相面对则可。
辐射体1，与例如作为一般的白炽灯泡的构成部件的2根芯柱电连接，并由此接受所提供的电能量。当利用作为照明光源时，辐射体1以及网眼2，配置在透光性真空管的内部，与大气(氧化性氛围气)隔离。辐射体1，通过灯口以及芯柱(电流提供机构)接受由外部提供的电能，并发出焦耳热量后升温·发光。本实施方式中的辐射体1，优选在2000K以上的温度下进行工作。优选辐射体，由钨形成，也可以是由钨化合物、或者其它高熔点金属构成。还有，辐射体的形状，未限定于图中所示，也可以是具有卷成白炽灯泡中采用的螺旋状的灯丝构造。
本实施方式中使用的网眼2，如图5所示，为灯丝3的纺织物。本实施方式中的灯丝3的直径为约390nm，约四边形的网眼开口(openings)的一边的尺寸(openings size)A为约390nm。网眼2中的网眼开口部分，是作为2倍该尺寸A的截止波长780nm的波导管(微谐振空腔)发挥功能的。
另，在温度2000K时，令钨的电阻抗值为59.1μΩ·cm，波长780nm时钨的表面厚度为197nm。另一方面，由于网眼2中钨丝3的线直径为390nm，因此相邻接的多个网眼开口之间相互结合，不能发挥作为具有更大的截止波长的波导管的功能。这表明，网眼2的网眼开口，分别作为微谐振空腔而发挥功能。
本实施方式中，由于具有这样构成的网眼2配置在辐射体1的附近，从辐射体1向网眼2发射的波长比780nm还要长的红外线通过网眼2被反射。这是因为比网眼2的网眼开口(波导管)其网眼开口的尺寸对应的波长还要长波长的辐射模式都不能穿过。其结果，比780nm还要长的波长的辐射(光量子)，为在网眼2中只从钨丝3开始辐射的。本实施方式中，由于网眼2的网眼开口的网眼开口率为25％，因此上述光量子的放射率实际上降低为75％。因此，红外线辐射相对可视光辐射的比例降低了，改善了可视光辐射效率。
如前述，在辐射体1的表面形成作为微谐振空腔(波导管)发挥功能的细微的凹凸部的情况下，会产生的问题在于，在比钨的熔点足够低的温度下谐振空腔会破裂，然而在采用本实施方式的网眼2的情况下，能够避免这样的问题，确保高温下能够长时间地稳定工作。
如前述，在超细的线材中，存在例如晶格缺陷，因此即使在高温状态下按照采用稳定结构那样，即使原子或晶粒产生流动，而其流动是沿着细线的长轴方向而产生的，因此细线本身不会破裂、失效。因此，网眼2，即使在2000K以上的高温下，也能够长时间地、继续正常工作。
这样根据本实施方式，与在热辐射体的表面形成微谐振空腔的情况(参照图1)相比，确保更高的工作温度。其结果，所利用的辐射峰值波长，比基于维恩位移定律所定的峰值波长还要短，与可视区接近。表示这样的辐射特性的能量转换装置，作为照明光源，可发挥更高的发光效率，能代替以往的白炽灯泡。
另，根据由钨丝3形成的网眼2显示的较高耐热性，网眼2也能够配置在高温下工作的辐射体1的附近。
本实施方式的网眼2配置在辐射体1的附近，例如在离辐射体1为1μm以下的间隔的情况下，若通过网眼2的网眼开口看辐射体1，则可将辐射体1作为黑体观察。因此，若通过网眼2的网眼开口的作用，抑制从网眼开口辐射的红外线，则能够增加从网眼2的网眼开口发射的比红外线波长短的区域的放射率。即，增加通过网眼2的网眼开口的可视光线的辐射量，提高可视光线的发光效率。因此，网眼2的一部分或者全体与辐射体1连接也可以。
如上说明，由于本实施方式中使用的网眼2，为1根或多根金属线材的纺织物的或编织物，因此与专利文献2中公开的绕制细线的构造相比，优点在于网眼开口部的尺寸难以随着温度而变动。
另，优选网眼2的网眼开口的一边的尺寸A为1μm以下。若截止波长超过作为尺寸A的2倍的2μm，则通过网眼的红外线辐射的比例增加。
网眼2配置在辐射体1的附近，在网眼2的网眼开口作为黑体发挥功能的情况下，在比截止波长短的波长的全波长区域的放射率为黑体等级(放射率＝约1)。这种情况下，一般的钨的红外线区域的放射率，当波长小于1.5μm时(以下称作“短波长区域”)为0.4，当波长在1.5μm以上(以下称作“长波长区域”)则为0.2。因此，若在这两个区域实现黑体等级的放射率(＝1)，则长波长区域的放射率的增加比例比短波长区域的放射率的增加比例高。于是，相对可视辐射量的红外线辐射量反而却增加了，与没有设置网眼2的情况相比，发光效率更降低了。这样，根据维恩位移定律，在温度2000K时黑体辐射的最大值也可根据位于波长1500nm附近而推测。另，由于需要通过可视光线区域的光，因此下限为380nm。
另一方面，优选金属线材的直径为2μm以下。若采用具有这样尺寸的直径(线径)的线材制作网眼开口的尺寸为1μm的网眼，则其网眼开口的网眼开口率为10％，实用效率得到提高了。
更优选线材的直径为780nm以下。若线材的直径为780nm以下，则可使波长780nm以上的光量子本身难以被线材吸收/辐射。其结果，由于降低了从线材发射的红外线辐射量，因此红外线辐射量相对由网眼2产生的可视辐射量的比例降低，进一步提高发光效率。
线材的直径的下限，设定为线材中采用的金属材料的表皮厚度的程度。若为钨，则由于相对波长780nm的表面厚度为约197nm，因此线材具有197nm以上的直径。
另，线材的材料，不限于钨，也可以是钼、铼、钽、或者它们的化合物。
在利用本发明的能量转换装置，作为发出人眼可感觉到的光的照明光源的情况下，网眼中采用的线材，具有2000K以上的熔点，优选在2000K以上的温度下由可稳定地进行工作的高熔点材料形成。要使照明光源的光色不得为不自然的红色程度较深的光色，则需要400nm的较短波长的辐射含有适当的比例，这是因为优选热辐射体的工作温度在2000K以上。
作为辐射抑制机构发挥功能的网眼，可以是纺织物，也可以是编织物。编织物，与纺织物相比，难以拆开，形状维持性较好。
金属线材的截面形状，可以是约圆形的，也可以是约四边形的。规定作为波导管发挥功能的网眼开口部的面(波导管的内壁面)，由线材的外围面的一部分构成。因此，当线材的截面形状为约四边形时，线材中，规定网眼的网眼开口的区域能够按照具有平面形状那样构成网眼。线材中，就作为波导管的内壁面发挥功能的部分的面积，与线材的截面形状为圆形的情况相比，约四边形的情况较大。
作为波导管的内壁面发挥功能的线材的4个侧面部分，分别具有相对与相面对的侧面部分为约平行的关系，因此从辐射体的表面看，网眼开口部的立体角为相对较小。这样，当线材的截面形状为圆形时，从辐射体的表面看，网眼开口部的立体角为相对较大。因此，与线材的截面形状为圆形的情况相比较，约四方形的情况一方，从网眼开口部开始的辐射泄漏能够比较小。
第2实施方式接着，参照图6就本发明的能量转换装置的第2实施方式进行说明。
图6所示的实施方式中，辐射抑制机构由多个网眼2的层叠体构成。各网眼2的构成，与关于实施方式1的说明同样。本实施方式中，通过层叠网眼2使层叠的各网眼2的网眼开口的位置相互匹配，就能够使作为波导管(微谐振空腔)发挥功能的网眼开口的深度(波导管长度)实际变大。其结果，即使层叠的网眼2其配置为与辐射体1有少许偏离，假如网眼2的网眼开口的深度为网眼2的网眼开口的尺寸的1.5以上，则由于来自网眼2的网眼开口的可视放射率可上升到黑体等级，因此认为发光效率增加了。
本发明的能量转换装置，可适用于例如白炽灯泡的灯丝部分，普通家庭当然能够适用，还能用于店铺或自动车的前照灯等用途中。并且，在必要的波长范围内辐射效率较高，因此减少浪费，有助于节省能源，有益于地球环境保护。
权利要求
1.一种能量转换装置，备有热源，其辐射电磁辐射线；和辐射抑制部，其对具有比规定波长还要长的波长的红外线的辐射进行抑制，所述辐射抑制部，由金属线材的纺织物或者编织物形成，所述纺织物或者编织物中的网眼开口，具有比所述规定波长小的尺寸。
2.根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述网眼开口大致为四边形，所述四边形的一边小于1μm。
3.根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述线材的直径为2μm以下。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述线材由熔点高于2000K的高熔点材料形成。
5.根据权利要求4所述的能量转换装置，其特征在于，所述高熔点材料，为自钨、钼、铼、钽以及它们的化合物构成的组中选择的至少一种。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述热源，是钨或者钨化合物，在2000K以上的温度下工作。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述辐射抑制部，由层叠的金属线材的纺织物或编织物构成，层叠的所述纺织物或者所述纺织物的合计厚度，对于限制所述规定波长的电磁波的辐射足够厚。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的能量转换装置，其特征在于，所述规定波长为780nm。
9.一种能量转换装置的制造方法，包括准备辐射电磁辐射线的热源的工序；准备对具有比规定波长还要长的波长的红外线的辐射进行抑制的辐射抑制部的工序；及至少在所述热源辐射电磁辐射线的一面侧配置所述辐射抑制部的工序，所述辐射抑制部，由金属线材的纺织物或编织物形成，所述纺织物或编织物中的网眼开口，具有比所述规定波长还要小的尺寸。
10.根据权利要求9所述的能量转换装置的制造方法，其特征在于，准备所述辐射抑制部的工序，包括一边对所述线材提供拉伸应力一边进行加工的工序。
11.一种装置，包含权利要求1所述的能量转换装置；将所述能量转换装置与大气隔离的透光性真空管；及对包含在所述能量转换装置中的所述热源提供电能的机构。
12.根据权利要求11中所述的装置，其特征在于，作为照明光源发挥作用。
13.一种辐射抑制部件，其对具有比规定波长还要长的波长的红外线的辐射进行抑制，由金属线材的纺织物或者编织物形成，所述纺织物或者编织物中的网眼开口具有比所述规定波长小的尺寸。
全文摘要
一种能量转换装置，包含从外部获取能量，通过升温辐射电磁辐射线的热源(辐射体1)；对具有比规定波长还要长的波长的红外线的辐射进行抑制的辐射抑制部(网眼2)。网眼(2)，由金属线材的纺织物的或编织物构成，所述纺织物或编织物中的网眼开口，具有比所述规定波长小的尺寸。
文档编号G02B5/26GK1813333SQ20048001836
公开日2006年8月2日 申请日期2004年11月8日 优先权日2003年11月25日
发明者堀内诚, 木本光彦, 大久保和明, 金子由利子, 坂上美香 申请人:松下电器产业株式会社