JP2015050001A - Near-infrared heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エネルギー利用効率を改善した近赤外ヒーターに関し、特に、フィラメントを用いた光源ならびに熱電子放出源に関する。 The present invention relates to a near-infrared heater with improved energy utilization efficiency, and more particularly to a light source using a filament and a thermionic emission source.
Wフィラメント等に電流を流すことによりフィラメントを加熱し、放射される赤外光を熱として利用するヒーターが広く用いられている。赤外ヒーターのフィラメントによる電力から光への変換効率は、90%以上と高いが、フィラメントを封止するガラス材料が、図1に示すような透過スペクトルを示すため、2μm以上の長波長赤外光成分を吸収する。このため、実際にヒーターとして利用できる赤外光の割合は低くなる。具体的には例えば、図2に示すように、黒体放射エネルギー全体に対して、波長2μm以上の赤外放射光成分は、温度1500Kでは70%以上存在する。波長2μm以上の赤外放射光成分の大部分は、ガラスに吸収されてしまうため、ヒーター効率が悪くなると同時に、ガラスが、長波長赤外光を吸収することによって加熱され、温度が1000K近くになる場合もあり、安全対策が必要である。 2. Description of the Related Art A heater that heats a filament by passing a current through a W filament or the like and uses emitted infrared light as heat is widely used. Although the conversion efficiency from electric power to light by the filament of the infrared heater is as high as 90% or more, the glass material for sealing the filament shows a transmission spectrum as shown in FIG. Absorbs light components. For this reason, the proportion of infrared light that can actually be used as a heater is low. Specifically, for example, as shown in FIG. 2, the infrared radiation component having a wavelength of 2 μm or more is present at 70% or more at a temperature of 1500 K with respect to the entire black body radiation energy. Since most of the infrared radiation component having a wavelength of 2 μm or more is absorbed by the glass, the heater efficiency is deteriorated, and at the same time, the glass is heated by absorbing the long wavelength infrared light, and the temperature is close to 1000K. In some cases, safety measures are necessary.
特許文献1および2には、電球内部に不活性ガスやハロゲンガスを封入することにより、フィラメント温度をより高くして放射スペクトルを短波長化し、波長2μm以上の赤外光の放射を低減しつつ、フィラメント寿命を延ばす試みが開示されている。この構成では、高効率化並びに長寿命化のために、封入ガスの成分並びに圧力の制御が重要となる。 In Patent Documents 1 and 2, an inert gas or a halogen gas is sealed inside a light bulb to increase the filament temperature, shorten the radiation spectrum, and reduce the emission of infrared light having a wavelength of 2 μm or more. Attempts to extend filament life have been disclosed. In this configuration, it is important to control the components of the sealed gas and the pressure in order to increase the efficiency and extend the life.
特許文献3〜5には、電球ガラスの表面に赤外線反射コートを施し、フィラメントから放射された赤外光を反射して、フィラメントに戻し、吸収させる構成が開示されている。この技術を利用することにより、波長2μm以上の赤外光をフィラメントの再加熱に利用することができる。 Patent Documents 3 to 5 disclose a configuration in which an infrared reflection coating is applied to the surface of a bulb glass so that infrared light emitted from the filament is reflected, returned to the filament, and absorbed. By using this technique, infrared light having a wavelength of 2 μm or more can be used for reheating the filament.
特許文献6〜9には、フィラメント自体に微細構造体を作製し、その微細構造体の物理的効果により、赤外放射を抑制し、可視光放射の割合を高めるという構成が提案されている。 Patent Documents 6 to 9 propose a configuration in which a fine structure is produced in the filament itself, and infrared radiation is suppressed and the proportion of visible light radiation is increased by the physical effect of the fine structure.
しかしながら、特許文献1、2のようにハロゲンサイクルを利用する技術は、寿命延伸効果を図ることはできるが、変換効率を大きく改善することは困難であり、現状10%程度の効率改善にとどまる。 However, the technologies using the halogen cycle as in Patent Documents 1 and 2 can achieve a life extension effect, but it is difficult to greatly improve the conversion efficiency, and the efficiency is only improved by about 10% at present.
また、特許文献3〜5のように、赤外放射を赤外線反射コートで反射して、フィラメントに再吸収させる技術は、フィラメントによる赤外光の反射率が70%と高いために再吸収が効率良く起こらない。また、赤外線反射コートで反射された赤外光が、フィラメント以外の他の部分、例えばフィラメント保持部分並びに口金等に吸収され、フィラメントの加熱に利用されない。このため、本技術により、変換効率を大きく改善することは困難である。 In addition, as in Patent Documents 3 to 5, the technology of reflecting infrared radiation with an infrared reflecting coat and reabsorbing the filament to the filament is highly effective in reabsorption because the reflectance of infrared light by the filament is as high as 70%. It does n’t happen well. Further, the infrared light reflected by the infrared reflective coating is absorbed by other parts other than the filament, such as the filament holding part and the base, and is not used for heating the filament. For this reason, it is difficult to greatly improve the conversion efficiency by this technology.
特許文献6〜9のように微細構造により赤外放射光の抑制効果を図る技術は、非特許文献1のように赤外放射スペクトルの極一部分の波長に対して放射増強並びに抑制効果を示す報告は存在するものの、広範囲な赤外光全体に亘って赤外放射光の抑制を図ることは非常に困難である。これは、ある波長が抑制されると、別の波長は増強される性質のためである。このため、本技術を利用して大幅な効率改善を図ることは難しいと考えられている。また、微細構造作製に際して、電子ビームリソグラフィー等の高度な微細加工技術を利用するため、これを使用した光源は非常に高価なものとなる。更に、高温耐熱部材であるW基体上に微細構造を作り込んでも1000℃程度の加熱温度でW基体表面粒子の再結晶化並びに結晶粒成長がおこり、この再結晶化に伴い微細構造部分が破壊されてしまうと言う問題も存在する。 As described in Patent Documents 6 to 9, a technique for suppressing the infrared radiation by the fine structure is a report showing the radiation enhancement and the suppression effect for the wavelength of the extreme part of the infrared radiation spectrum as in Non-Patent Document 1. However, it is very difficult to suppress infrared radiation over a wide range of infrared light. This is because when one wavelength is suppressed, another wavelength is enhanced. For this reason, it is considered difficult to achieve significant efficiency improvements using this technology. In addition, since a fine microfabrication technique such as electron beam lithography is used for producing a fine structure, a light source using this is very expensive. Furthermore, even if a microstructure is formed on the W substrate, which is a high temperature heat-resistant member, the W substrate surface particles are recrystallized and crystal grains grow at a heating temperature of about 1000 ° C., and the microstructure portion is destroyed due to this recrystallization. There is also the problem of being done.
本発明の目的は、電力をガラスに吸収されない近赤外光に効率よく変換することのできるフィラメントを備えたヒーターを提供することにある。 The objective of this invention is providing the heater provided with the filament which can convert electric power into the near infrared light which is not absorbed by glass efficiently.
上記目的を達成するために、本発明では、気密容器と、気密容器内に配置されたフィラメントとを有する近赤外ヒーターを提供する。気密容器は、少なくとも波長2μm未満の近赤外光および可視光を透過し、波長2μm以上の赤外光を吸収する材料によって構成される。フィラメントは、赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備える。 In order to achieve the above object, the present invention provides a near-infrared heater having an airtight container and a filament disposed in the airtight container. The hermetic container is made of a material that transmits at least near infrared light and visible light having a wavelength of less than 2 μm and absorbs infrared light having a wavelength of 2 μm or more. The filament includes an infrared light suppressing structure that suppresses infrared light emission.
本発明によれば、赤外光抑制構造によりフィラメントの赤外光の放射を抑制できるため、電力を近赤外光へ効率よく変換できる。近赤外光は、気密容器に吸収されないため、エネルギー変換効率の高い近赤外ヒーターが得られる。 According to the present invention, radiation of infrared light from the filament can be suppressed by the infrared light suppression structure, so that power can be efficiently converted to near infrared light. Since near-infrared light is not absorbed by the airtight container, a near-infrared heater with high energy conversion efficiency can be obtained.
本発明の実施形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described.
本発明の近赤外ヒーターは、図3に示すように、気密容器2と、気密容器2内に配置されたフィラメント3とを有し、近赤外光を放射する。気密容器2は、少なくとも波長2μm未満の近赤外光および可視光を透過し、波長2μm以上の赤外光を吸収する材料によって構成されている。フィラメント3は、赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備えている。赤外光抑制構造によりフィラメント3の赤外光放射が抑制されるため、フィラメント3に供給された電力を効率よく近赤外光に変換することができる。近赤外光は、気密容器2を透過できるため、効率よく外部に放射されるとともに、気密容器2に吸収されないため、気密容器2の温度上昇を防ぐことができる。 As shown in FIG. 3, the near-infrared heater of the present invention has an airtight container 2 and a filament 3 disposed in the airtight container 2, and emits near-infrared light. The hermetic container 2 is made of a material that transmits at least near-infrared light and visible light having a wavelength of less than 2 μm and absorbs infrared light having a wavelength of 2 μm or more. The filament 3 has an infrared light suppression structure that suppresses infrared radiation. Since the infrared light radiation of the filament 3 is suppressed by the infrared light suppression structure, the power supplied to the filament 3 can be efficiently converted into near infrared light. Since near-infrared light can be transmitted through the hermetic container 2, the near-infrared light is efficiently radiated to the outside and is not absorbed by the hermetic container 2.
気密容器2は、石英ガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、BK7ガラスによって構成されていることが望ましい。これらのガラスは、少なくとも波長2μm未満の近赤外光および可視光を透過する。 The hermetic container 2 is preferably made of quartz glass, silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, Pyrex (registered trademark) glass, or BK7 glass. These glasses transmit near infrared light and visible light having a wavelength of less than 2 μm.
フィラメント3は、赤外光抑制構造として、鏡面に加工された表面を有する構成にすることができる。表面が鏡面に加工されたフィラメントは、反射率が可視光領域および近赤外光領域で低く、赤外光領域で高くなるため、赤外光の放射が抑制され、可視光および近赤外光の放射効率が高められる。フィラメントの反射率が可視光領域および近赤外光領域で低く、赤外光領域で高くなることにより、赤外光の放射が抑制される原理については後で詳しく説明する。表面の粗さは、中心線平均粗さRaが1μm以下、最大高さRmaxが10μm以下、および、十点平均粗さRzが10μm以下、のうちの少なくとも1つを満たすことが望ましい。 The filament 3 can be configured to have a mirror-finished surface as an infrared light suppressing structure. Filaments with a mirror-finished surface have low reflectance in the visible and near-infrared light regions and high in the infrared light region, so that infrared radiation is suppressed, and visible and near-infrared light is suppressed. The radiation efficiency is increased. The principle that the emission of infrared light is suppressed when the reflectance of the filament is low in the visible light region and near infrared light region and high in the infrared light region will be described in detail later. The surface roughness preferably satisfies at least one of a center line average roughness Ra of 1 μm or less, a maximum height Rmax of 10 μm or less, and a ten-point average roughness Rz of 10 μm or less.
また、フィラメント3は、赤外光抑制構造として、TaC層またはHfC層を最表面に備える構成にすることができる。TaCやHfCは高い融点を有し、高温まで加熱できるとともに、赤外波長域の放射が抑えられ、可視光領域および近赤外光領域での放射が大きいという放射特性を有する。よって、TaC層またはHfC層を表面に備えた本実施形態のフィラメント3は、近赤外光の放射効率を高めることが可能となる。即ち、フィラメント3の高温加熱による放射自体の短波長化による高効率化、並びにTaC自体が有する赤外放射を抑えた熱放射が可能となることによって、近赤外光変換効率を高めることができる。なお、フィラメント3の芯材として、WまたはTaを用いることにより、加工の難しいTaCを表面に備えたフィラメントを比較的に容易に製造することが可能になる。 Further, the filament 3 can be configured to have a TaC layer or an HfC layer on the outermost surface as an infrared light suppressing structure. TaC and HfC have a high melting point, can be heated to a high temperature, have a radiation characteristic that radiation in the infrared wavelength region is suppressed, and radiation in the visible light region and near infrared light region is large. Therefore, the filament 3 of this embodiment provided with the TaC layer or the HfC layer on the surface can improve the radiation efficiency of near infrared light. That is, the efficiency of near-infrared light conversion can be increased by enabling high-efficiency by shortening the wavelength of radiation itself by high-temperature heating of the filament 3 and enabling thermal radiation with suppressed infrared radiation of TaC itself. . In addition, by using W or Ta as the core material of the filament 3, it is possible to relatively easily manufacture a filament having TaC which is difficult to process on the surface.
また、フィラメント3は、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆し、基体の可視光領域および近赤外光領域の反射率を低下させる可視光反射率低下膜を備える構成にすることが可能である。これにより、フィラメント3の反射率を可視光で低く、赤外光で高くすることができるため、赤外光の放射が抑制され、近赤外光の放射効率を高めることができる。この場合、可視光反射率低下膜の膜厚は、可視光反射率低下膜表面で反射した可視光および近赤外光と、基体で反射した可視光および近赤外光とを干渉させて強度を低下させるように設定することにより、干渉を利用して可視光および近赤外光の反射率を低下させることができる。 The filament 3 includes a base formed of a metal and a visible light reflectivity lowering film that covers the base as an infrared light suppressing structure and reduces the reflectivity in the visible light region and the near infrared light region of the base. It is possible to configure. Thereby, since the reflectance of the filament 3 can be lowered by visible light and increased by infrared light, the emission of infrared light is suppressed, and the radiation efficiency of near infrared light can be increased. In this case, the film thickness of the visible light reflectance lowering film is such that the visible light and near infrared light reflected by the surface of the visible light reflectance lowering film interfere with the visible light and near infrared light reflected by the substrate, and the film thickness is reduced. By setting so as to reduce the reflectance, the reflectance of visible light and near-infrared light can be reduced using interference.
また、フィラメント3は、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する赤外光反射膜を備える構成にすることが可能である。これにより、フィラメントの反射率を赤外光領域で高めることができるため、赤外光の放射が抑制され、近赤外光の放射効率を高めることができる。赤外光反射膜は、赤外光を透過する材料でそれぞれ構成され、かつ、積層された第1および第2の層の組を含む構成にすることができる。第1の層は、屈折率n1、厚さd1、第2の層は、屈折率n2、厚さd2である場合、赤外光の所定の波長λ1に対して
n1・d1=n2・d2=λ1/4
の関係を満たすようにする。これにより、所定の波長λ1の赤外光を反射することができる。
Moreover, the filament 3 can be configured to include a base formed of metal and an infrared light reflection film that covers the base as an infrared light suppressing structure. Thereby, since the reflectance of a filament can be raised in an infrared light area | region, radiation | emission of infrared light is suppressed and the radiation efficiency of near-infrared light can be improved. The infrared light reflecting film is made of a material that transmits infrared light, and can include a set of first and second layers stacked. The first layer, the refractive index n 1, a thickness d 1, the second layer, the refractive index n 2, when the thickness d 2, n 1 · with respect to a predetermined wavelength lambda 1 of the infrared light d 1 = n 2 · d 2 = λ 1/4
To satisfy the relationship. As a result, infrared light having a predetermined wavelength λ 1 can be reflected.
また、フィラメント3は、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する白色散乱体層を有する構成にすることができる。白色散乱体層には、近赤外光および可視光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されている。これにより、フィラメント3の反射率を、白色散乱体の特性により赤外光領域および可視光領域の広い波長範囲で高め、かつ、可視光吸収材の特性により可視光領域および近赤外光領域で低下させることができる。よって、赤外光の放射を抑制し、近赤外光の放射を高めることができる。可視光吸収材は、白色散乱体にドープされた不純物元素および金属粒子のいずれかを用いることができる。 Moreover, the filament 3 can be made into the structure which has the base material formed with the metal, and the white scatterer layer which coat | covers a base | substrate as an infrared-light suppression structure. A visible light absorbing material that absorbs near-infrared light and light in the visible light region is added to the white scatterer layer. Thereby, the reflectance of the filament 3 is increased in a wide wavelength range of the infrared light region and the visible light region due to the characteristics of the white scatterer, and in the visible light region and the near infrared light region due to the characteristics of the visible light absorber. Can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the emission of infrared light and increase the emission of near infrared light. As the visible light absorber, either an impurity element or a metal particle doped in a white scatterer can be used.
上記赤外光抑制構造により、フィラメント3は、可視光領域および近赤外光領域の少なくとも一部の反射率が40%以下、赤外光領域の少なくとも一部の反射率が80%以上であることが望ましい。 Due to the infrared light suppression structure, the filament 3 has a reflectance of at least part of the visible light region and the near infrared light region of 40% or less and a reflectance of at least part of the infrared light region of 80% or more. It is desirable.
つぎに、反射率が、赤外光領域で高く、可視光領域および近赤外光領域で低い本発明のフィラメントが、高効率で可視光を放射できる原理について図面を用いて説明する。 Next, the principle that the filament of the present invention has a high reflectance in the infrared light region and low in the visible light region and the near infrared light region can emit visible light with high efficiency will be described with reference to the drawings.
本発明のフィラメント3は、理想的には、図4に実線で示したように、波長2μm以上の赤外光領域でほぼ100%に近い反射率を有し、波長2μm未満の近赤外から可視光領域で、反射率が低下し、0%に近い反射率を有する材料で構成されていることが望ましい。このフィラメント3が、電流供給等により加熱されることによって高効率に可視光および近赤外光を発する原理を、黒体放射におけるキルヒホッフの法則に基づいて、以下説明する。 Ideally, the filament 3 of the present invention has a reflectance close to 100% in an infrared light region having a wavelength of 2 μm or more as shown by a solid line in FIG. In the visible light region, it is desirable that the reflectance is reduced and the material has a reflectance close to 0%. The principle that the filament 3 emits visible light and near-infrared light with high efficiency when heated by current supply or the like will be described below based on Kirchhoff's law in blackbody radiation.
自然対流熱伝達の無い条件下(例えば真空中)における材料(ここではフィラメント)の入力エネルギーに対するエネルギー損失は平衡状態では以下の式(1)で与えられる。
(数1)
P(total)=P(conduction)+P(radiation) ・・・(1)
ここで、P(total)は、全入力エネルギー、P(conduction)は、フィラメントに電流を供給するリード線を経て損失されるエネルギー、P(radiation)は、フィラメントが、加熱された温度で外部空間に光を放射して損失するエネルギーである。
The energy loss with respect to the input energy of the material (here, the filament) under conditions without natural convection heat transfer (for example, in a vacuum) is given by the following equation (1) in an equilibrium state.
(Equation 1)
P (total) = P (conduction) + P (radiation) (1)
Where P (total) is the total input energy, P (conduction) is the energy lost through the lead that supplies current to the filament, and P (radiation) is the temperature at which the filament is heated It is the energy lost by radiating light.
ここで重要な点は、基材温度が2500K以上の高温になると、フィラメント3からリード線を経て損失されるエネルギーはわずか5%程度になり、残りの95%以上のエネルギーは光放射によって外部にエネルギー損失されるため、入力電力の殆ど全てのエネルギーは光に代わることが出来る点である。しかしながら、加熱されたフィラメント3が示す放射のうち、気密容器2の吸収が顕著となる2μm以上長波長赤外光領域は、フィラメント加熱温度に依存するが、図2に示したようにかなりの割合を占めるため、そのままでは効率の良い赤外光源とはならない。 The important point here is that when the substrate temperature is higher than 2500K, the energy lost from the filament 3 through the lead wire is only about 5%, and the remaining 95% or more is externally emitted by light radiation. Because energy is lost, almost all of the input power can be replaced by light. However, among the radiation shown by the heated filament 3, the long wavelength infrared light region of 2 μm or longer where the absorption of the hermetic container 2 becomes significant depends on the filament heating temperature, but a considerable proportion as shown in FIG. Therefore, it is not an efficient infrared light source as it is.
ところで、(1)式におけるP(radiation)の項は一般的に、下記式(2)で記述することができる。
(数3)
ε(λ)=1−R(λ) ・・・(3)
By the way, the term of P (radiation) in the equation (1) can be generally described by the following equation (2).
(Equation 3)
ε (λ) = 1−R (λ) (3)
式(2)と式(3)を関連付けて議論すると、仮に反射率が全ての波長に亘って1である材料は、式(3)よりε(λ)=0となり、ひいては、式(2)における積分値が0となるため放射による損失が起こらなくなる。この物理的意味は、P(total)=P(conduction)となるため、少量の入力エネルギーでも光放射による損失が無く、フィラメントが非常に高い温度まで達することを意味している。一方、反射率が全ての波長に亘って0である材料は、完全黒体とよばれ、(3)式よりε(λ)=1となる。この結果、(2)式における積分値は最大となり、ひいては、放射による損失量が最大となる。通常の材料は、放射率ε(λ)が0< ε(λ)<1の間に存在し、かつ、その波長依存性は、劇的に変化することは無い(波長λ、温度Tに対する緩慢な依存性は存在する)。そのため、赤外から可視光領域における光放射は、図4の2点鎖線で示すように略可視から赤外領域に亘って均一に起こる。なお、図4では、議論を簡略化するため全波長領域でε(λ)=1として黒体放射スペクトルをプロットしている。 When the equations (2) and (3) are discussed in association, a material whose reflectance is 1 over all wavelengths is ε (λ) = 0 from the equation (3), and hence the equation (2). Since the integral value at becomes zero, no loss due to radiation occurs. This physical meaning means that since P (total) = P (conduction), there is no loss due to light emission even with a small amount of input energy, and the filament reaches a very high temperature. On the other hand, a material having a reflectance of 0 over all wavelengths is called a complete black body, and ε (λ) = 1 from equation (3). As a result, the integral value in the equation (2) is maximized, and consequently the amount of loss due to radiation is maximized. In ordinary materials, the emissivity ε (λ) exists between 0 <ε (λ) <1, and the wavelength dependence thereof does not change dramatically (wavelength λ, slowness with respect to temperature T). There is a major dependency). Therefore, light emission in the infrared to visible region occurs uniformly from substantially visible to the infrared region as shown by the two-dot chain line in FIG. In FIG. 4, the black body radiation spectrum is plotted with ε (λ) = 1 in the entire wavelength region in order to simplify the discussion.
一方、図4に一点鎖線で示すように、例えば2μm以上の長波長赤外光領域で略0%の放射率を有し、これより短波長領域で、略100%の放射率を有する材料を、真空中で加熱した熱放射は、以下の(4)式で表現出来る。
式(4)において、θ(λ−λ0) は、長波長から赤外光のある波長λ0までは放射率が0であり、ある波長λ0よりも短波長の領域では放射率が1である階段関数的振る舞いを示す関数である。得られる放射スペクトルは階段関数的な放射率と黒体放射スペクトルを畳み込んだ形状となり、計算の結果は、図4の破線で示すスペクトルとなる。即ち、式(4)の物理的意味は、フィラメントへの入力エネルギーの小さい低温領域では輻射損失が抑えられており、式(4)のP(radiation)の項が0となるため、エネルギー損失がP(conduction)のみとなり、非常に効率良くフィラメント温度が上昇する。一方、フィラメント温度が高温になり、黒体放射スペクトルのピーク波長がλ0より短くなるような温度領域になると、フィラメントに入力したエネルギーを図4の破線で示したスペクトルのように可視光および近赤外光の放射として損失するようになる。 In equation (4), θ (λ−λ 0 ) has an emissivity of 0 from a long wavelength to a wavelength λ 0 of infrared light, and an emissivity of 1 in a region shorter than a certain wavelength λ 0. It is a function that shows the step function behavior. The obtained radiation spectrum has a shape obtained by convolving the stepwise emissivity and the blackbody radiation spectrum, and the calculation result is a spectrum indicated by a broken line in FIG. In other words, the physical meaning of equation (4) is that the radiation loss is suppressed in the low temperature region where the input energy to the filament is small, and the P (radiation) term of equation (4) is 0, so the energy loss is Only the P (conduction), and the filament temperature rises very efficiently. On the other hand, the filament temperature is a high temperature, the peak wavelength of black-body radiation spectrum is a temperature region as shorter than lambda 0, visible and near-like spectrum shown the energy input to the filament by a broken line in FIG. 4 Loss as infrared radiation.
したがって、上記原理を利用し、赤外光抑制構造をフィラメントに備えることによって、波長2μm以上の長波長赤外光を抑制し、これよりも短い近赤外光および可視光を効率よく放射させることができる。 Therefore, by utilizing the above principle and providing an infrared light suppressing structure in the filament, long wavelength infrared light having a wavelength of 2 μm or more is suppressed, and near infrared light and visible light shorter than this are efficiently emitted. Can do.
(実施形態1)鏡面加工
実施形態1では、赤外光抑制構造として、鏡面に加工された表面を有するフィラメント3について説明する。
(Embodiment 1) Mirror surface processing In Embodiment 1, the filament 3 which has the surface processed into the mirror surface as an infrared-light suppression structure is demonstrated.
一般的な製造方法で製造されたタングステンフィラメントは、表面が砂面構造になる。表面が砂面のタングステンフィラメントの反射率は図5に示す通りである。これに対し、タングステンフィラメントの表面を複数種類のダイヤモンド研磨粒により鏡面研磨すると、図6に示すように、図5の砂面構造のフィラメントよりも波長2μm以上の赤外光領域において、反射率が大きくなる。 A tungsten filament manufactured by a general manufacturing method has a sand surface structure. The reflectance of the tungsten filament whose surface is sand is as shown in FIG. On the other hand, when the surface of the tungsten filament is mirror-polished with a plurality of kinds of diamond abrasive grains, as shown in FIG. 6, the reflectivity is higher in the infrared region having a wavelength of 2 μm or more than the filament having the sand surface structure of FIG. growing.
これにより、鏡面研磨したタングステンフィラメント3は、図6に示すように2μm以上の長波長赤外領域において、図5に示す砂面構造のフィラメントの放射率よりも、低い放射率(放射率=1−反射率)を得ることが可能となる。 Thereby, the mirror-polished tungsten filament 3 has a lower emissivity (emissivity = 1) than the emissivity of the filament having the sand surface structure shown in FIG. 5 in the long wavelength infrared region of 2 μm or more as shown in FIG. -Reflectivity) can be obtained.
鏡面研磨したタングステンフィラメント3の放射率を式(2)に代入して、2μm未満の可視光および近赤外光の放射効率を求めると、砂面構造のフィラメントの1.2倍の効率を得ることが出来る。この理由は、フィラメントを鏡面にすることによって反射率が大きくなり(放射率は小さくなり)、フィラメントの加熱よる長波長赤外放射を反射率の増大の割合に応じて抑制することが可能となるためである。これにより、フィラメント3に入力したエネルギーの多くを、図6に示すように波長2μm未満の近赤外光および可視光成分に変換することが可能となるからである。 Substituting the emissivity of the mirror-polished tungsten filament 3 into the formula (2) to obtain the radiation efficiency of visible light and near-infrared light of less than 2 μm, the efficiency is 1.2 times that of the filament having the sand surface structure. I can do it. The reason for this is that by making the filament a mirror surface, the reflectivity increases (the emissivity decreases), and it becomes possible to suppress long-wavelength infrared radiation due to heating of the filament according to the rate of increase in reflectivity. Because. This is because much of the energy input to the filament 3 can be converted into near-infrared light and visible light components having a wavelength of less than 2 μm as shown in FIG.
鏡面研磨は、表面の粗さが、中心線平均粗さRa1μm以下、最大高さRmax10μm以下、および、十点平均粗さRz10μm以下、のうちの少なくとも1つを満たすように行うことが望ましい。これにより、波長が2μmにおける反射率が、0.9を超える値となり得る。研磨後の粗さをλ/4(波長λ=632.8nm)以下にすることにより、反射率の最大値を0.98程度とすることが可能となり、2μm未満の近赤外光および可視光の放射効率を1.2倍以上に高めることが可能となる。鏡面研磨により長波長赤外光の反射率が、近赤外光の反射率よりも向上する割合が高いので、高い放射制御性(長波長赤外光の抑制)が得られる。 The mirror polishing is desirably performed so that the surface roughness satisfies at least one of a center line average roughness Ra of 1 μm or less, a maximum height Rmax of 10 μm or less, and a ten-point average roughness Rz of 10 μm or less. Thereby, the reflectance at a wavelength of 2 μm can be a value exceeding 0.9. By setting the roughness after polishing to λ / 4 (wavelength λ = 632.8 nm) or less, the maximum reflectance can be reduced to about 0.98, and near infrared light and visible light of less than 2 μm The radiation efficiency can be increased to 1.2 times or more. Since the reflectance of the long-wavelength infrared light is higher than the reflectance of the near-infrared light by mirror polishing, high radiation controllability (suppression of long-wavelength infrared light) is obtained.
なお、図5、図6はフィラメント温度3000 Kにおいて、放射効率を求めているが、フィラメント温度が3000 Kより低温では、鏡面研磨の効果はより顕著に表れる。 5 and 6 show the radiation efficiency at a filament temperature of 3000 K. When the filament temperature is lower than 3000 K, the effect of mirror polishing is more prominent.
また、上記説明では、フィラメント3が、タングステン線である場合を例にとって説明を行ったが、これに拘らず、様々な金属フィラメントに本実施形態の技術を適用可能である。例えば、モリブデン線、コンスタンタン線、タンタル線、レニウム線、ニオブ線、イリジウム線、オスミウム線、クロム線、ジルコニウム線、白金線、バナジウム線、ルテニウム線、ロジウム線、鉄線、ステンレス線、並びにこれらの合金等に適用可能である。 In the above description, the case where the filament 3 is a tungsten wire has been described as an example. However, the technique of the present embodiment can be applied to various metal filaments regardless of this. For example, molybdenum wire, constantan wire, tantalum wire, rhenium wire, niobium wire, iridium wire, osmium wire, chromium wire, zirconium wire, platinum wire, vanadium wire, ruthenium wire, rhodium wire, iron wire, stainless steel wire, and alloys thereof Etc. are applicable.
また、本実施形態では、機械研磨加工によりフィラメント表面の反射率を向上させたが、機械研磨加工に限らず、フィラメント表面の反射率を向上させることができれば他の方法を用いることももちろん可能である。例えば、湿式や乾式のエッチングや、線引き時や鍛造や圧延時に滑らかな型に接触させる方法等を採用できる。 In this embodiment, the reflectance of the filament surface is improved by mechanical polishing. However, the present invention is not limited to mechanical polishing, and other methods can be used as long as the reflectance of the filament surface can be improved. is there. For example, wet or dry etching, a method of contacting a smooth die during drawing, forging or rolling can be employed.
(実施形態2)TaC層またはHfC層
実施形態2では、赤外光抑制構造として、TaC層またはHfC層を最表面に備えるフィラメント3について説明する。TaC並びにHfCは、4000Kを超える融点温度を有し、高温まで加熱できるとともに、図7にTaCの放射スペクトルを例示するように、赤外波長域の放射が抑えられ、可視光領域および近赤外光領域での放射が大きいという放射特性を有する。よって、TaC層またはHfC層を表面に備えた本実施形態のフィラメント3は、近赤外光の放射を高めることが可能となる。即ち、フィラメント3の超高温加熱による放射自体の短波長化による高効率化、並びにTaC並びにHfC自体が有する放射制御性(長波長赤外放射を抑えた熱放射が可能となること)によって、非常に効率の高い赤外光源を作製することが可能となる。具体的には、TaC単体のフィラメントコイルを4000Kに加熱すると、図7に示すように、波長2μm以上に吸収特性を有する気密容器2(ガラス材料)の吸収を受けない放射スペクトルを得ることが可能となる。これにより、現状のハロゲンヒーターの2倍の効率を得ることができる。
(Embodiment 2) TaC layer or HfC layer In Embodiment 2, a filament 3 having a TaC layer or HfC layer on the outermost surface as an infrared light suppressing structure will be described. TaC and HfC have a melting point temperature exceeding 4000 K and can be heated to a high temperature, and as illustrated in the radiation spectrum of TaC in FIG. 7, the emission in the infrared wavelength region is suppressed, and the visible light region and the near infrared region are suppressed. The radiation characteristic is that radiation in the optical region is large. Therefore, the filament 3 of this embodiment provided with a TaC layer or an HfC layer on the surface can enhance near infrared light emission. That is, it is possible to achieve high efficiency by shortening the wavelength of the radiation itself by heating the filament 3 at an extremely high temperature, and the radiation controllability possessed by TaC and HfC itself (allowing for thermal radiation while suppressing long wavelength infrared radiation). It is possible to produce a highly efficient infrared light source. Specifically, when a TaC single filament coil is heated to 4000 K, as shown in FIG. 7, it is possible to obtain a radiation spectrum that is not absorbed by the airtight container 2 (glass material) having an absorption characteristic at a wavelength of 2 μm or more. It becomes. Thereby, the efficiency twice as high as the present halogen heater can be obtained.
次に、表面にTaC層を備えたフィラメント3の製造方法を図8(a)〜(d)を用いて説明する。TaCは固くて脆い性質を有するため、TaCを巻き回してフィラメント形状にすることは難しいため、以下のような工程で、Wを芯材として表面にTaC層を備えたフィラメント3を製造する。まず、図8(a)に示すようにワイヤ状のW基材30を用意して真空槽内に配置し、真空中で1500〜2000℃で加熱し、W基材30表面に付いているWO2等の酸化膜を除去する。W基材30の加熱時には、放射温度計によりW基材30表面から放射されている熱スペクトルを測定し、W基材30の表面の温度を評価することにより、WO2等の酸化膜が全て除去されたかどうか確認できる。具体的には、W基材30の実温度に対して、WO2等の酸化膜は低い温度を示すが、表面の酸化膜が加熱により全て除去され、W基材30のW金属が露出したならば、W基材30の表面が高温になる。これを観測することにより、酸化膜がすべて除去できたことを確認できる。 Next, the manufacturing method of the filament 3 provided with the TaC layer on the surface will be described with reference to FIGS. Since TaC is hard and brittle, it is difficult to wind TaC into a filament shape. Thus, the filament 3 having a TaC layer on the surface is manufactured using W as a core material in the following steps. First, as shown in FIG. 8A, a W-shaped W base material 30 is prepared and placed in a vacuum chamber, heated in a vacuum at 1500 to 2000 ° C., and attached to the surface of the W base material 30. The oxide film such as 2 is removed. When the W base material 30 is heated, the thermal spectrum radiated from the surface of the W base material 30 is measured by a radiation thermometer, and the temperature of the surface of the W base material 30 is evaluated, so that all oxide films such as WO 2 are formed. You can check if it has been removed. Specifically, the oxide film such as WO 2 exhibits a lower temperature than the actual temperature of the W base material 30, but the surface oxide film is all removed by heating, and the W metal of the W base material 30 is exposed. Then, the surface of the W base material 30 becomes high temperature. By observing this, it can be confirmed that all of the oxide film has been removed.
次に、電子ビーム蒸着、スパッター蒸着等の手法を用いて、W基材30の表面にTa金属を厚さ0.1〜10μm堆積し、Ta層31を形成する(図8(b))。 Next, using a technique such as electron beam vapor deposition or sputtering vapor deposition, a Ta metal is deposited to a thickness of 0.1 to 10 μm on the surface of the W substrate 30 to form a Ta layer 31 (FIG. 8B).
次に、図8(c)のように、Ta層31が形成されたW基材30をコイル状に巻き回す。この後の工程で形成するTaC層32が固くて脆いため、炭化処理の工程の前にコイル状に加工することにより、TaC層32にひび割れや膜剥がれ等が生じるのを防止できる。なお、Ta層31を成膜する工程(図8(b))の前にW基材30をコイル状に巻回し、その後Ta層31を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 8C, the W base material 30 on which the Ta layer 31 is formed is wound in a coil shape. Since the TaC layer 32 formed in the subsequent process is hard and brittle, the TaC layer 32 can be prevented from being cracked or peeled off by being processed into a coil before the carbonization process. Note that the W base material 30 may be wound in a coil shape before the step of forming the Ta layer 31 (FIG. 8B), and then the Ta layer 31 may be formed.
Ta層31の表面のTaO等の酸化膜を除去するため、Ta層31を備えたW基材30を真空槽内に配置し、再び真空中で1500〜2000℃で加熱する。これにより、Ta層31の表面に付いているTaO等の酸化膜を除去し、Ta層31を露出することができる。この加熱の際も、放射温度計によりTa層31の表面温度を測定することにより、酸化膜が全て除去できたかどうかを確認できる。 In order to remove an oxide film such as TaO on the surface of the Ta layer 31, the W substrate 30 provided with the Ta layer 31 is placed in a vacuum chamber and heated again at 1500 to 2000 ° C. in vacuum. Thereby, an oxide film such as TaO attached to the surface of the Ta layer 31 can be removed and the Ta layer 31 can be exposed. Even during this heating, it is possible to confirm whether or not all the oxide film has been removed by measuring the surface temperature of the Ta layer 31 with a radiation thermometer.
酸化膜の除去工程に連続して、図8(d)のように、Ta層31の表面を炭化処理することによってTaC層を形成する。炭化処理は、真空槽内にメタンガス、エタンガス等の炭素源を1200〜2000℃の温度で導入することによって行う。これにより、Ta層31の表面から炭素を浸入させ(浸炭処理)、Ta層31の表面層を炭化水素層32にする。この際、浸炭処理の時間を制御することによって、膜厚方向の炭化の程度を制御することができる。これにより、例えば、最表面がTaCであって、膜厚方向に炭化の程度が徐々に低減したTaC層32を形成することができる。このように、炭素濃度が膜厚方向に分布したTaC層32を形成することにより、熱膨張係数の違いに起因する熱応力により、TaC層32とTa層31とが層間剥離を生じる問題を回避することが出来る。 In succession to the oxide film removal step, the TaC layer is formed by carbonizing the surface of the Ta layer 31 as shown in FIG. Carbonization is performed by introducing a carbon source such as methane gas or ethane gas into the vacuum chamber at a temperature of 1200 to 2000 ° C. Thereby, carbon is infiltrated from the surface of the Ta layer 31 (carburizing treatment), and the surface layer of the Ta layer 31 is changed to the hydrocarbon layer 32. At this time, the degree of carbonization in the film thickness direction can be controlled by controlling the time of the carburizing treatment. Thereby, for example, the TaC layer 32 whose outermost surface is TaC and whose degree of carbonization is gradually reduced in the film thickness direction can be formed. Thus, by forming the TaC layer 32 in which the carbon concentration is distributed in the film thickness direction, the problem of causing delamination between the TaC layer 32 and the Ta layer 31 due to the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient is avoided. I can do it.
また図8(b)の工程において、Ta及びHf金属を共蒸着することによって、上記プロセスは、Ta(x)Hf(y)Cフィラメントを形成することも可能である。Ta(x)Hf(y)Cは、自然界で最も高い融点(4500 K程度)を持つことが知られており、高温加熱可能なフィラメントを形成することが出来る。 Further, in the process of FIG. 8B, the above process can also form Ta (x) Hf (y) C filaments by co-evaporating Ta and Hf metals. Ta (x) Hf (y) C is known to have the highest melting point (about 4500 K) in nature, and can form a filament that can be heated at a high temperature.
また、図9(a)〜(c)のように、W(融点3660 K)と同程度の融点を有するTa(融点3300 K)のワイヤ状基材130を図9(a)のように準備し、上述と同様のプロセスで酸化膜除去した後、図9(b)のようにコイル形状に巻き回した後、図9(c)のように、図8(d)の工程を行ってTaC層32を形成する。この際、TaC層32とTa基材130との間に、Ta2C層131が形成される。また、浸炭処理の時間を十分に長く取ることによって(例えば、2000℃では、TaCの形成は20μm/h)、Ta基材130全体をTaCコイル化することも出来る。 Further, as shown in FIGS. 9A to 9C, a wire-like substrate 130 of Ta (melting point 3300 K) having a melting point similar to W (melting point 3660 K) is prepared as shown in FIG. 9A. Then, after removing the oxide film by the same process as described above, the coil is wound into a coil shape as shown in FIG. 9B, and then the step of FIG. 8D is performed as shown in FIG. Layer 32 is formed. At this time, a Ta 2 C layer 131 is formed between the TaC layer 32 and the Ta base material 130. Further, by taking a sufficiently long carburizing time (for example, at 2000 ° C., the formation of TaC is 20 μm / h), the entire Ta substrate 130 can be formed into a TaC coil.
なお、図8および図9の製造工程において、Taに代えてHfを用いることにより、HfC層を表面に備えたフィラメントも同様に製造することが出来る。 8 and 9, by using Hf instead of Ta, a filament having an HfC layer on the surface can be similarly produced.
また、上記実施例はTaCおよびHfCを例にとって説明を行ったが、これに拘らず、様々な金属化合物をフィラメントの表面層に配置することが可能である。例えば、B4C、SiC、ZrC、AlN、BN、ZrN、HfN、TiN、LaB6、ZrB2、HfB2、等の高温耐熱性合金を用いることが可能である。 In the above embodiment, TaC and HfC have been described as examples. However, various metal compounds can be disposed on the surface layer of the filament regardless of this. For example, high temperature heat resistant alloys such as B 4 C, SiC, ZrC, AlN, BN, ZrN, HfN, TiN, LaB 6 , ZrB 2 , HfB 2 , etc. can be used.
(実施形態3)可視光反射率低下膜
実施形態3では、赤外光抑制構造として基体を被覆し、基体の可視光領域および近赤外光領域の反射率を低下させる可視光反射率低下膜を備えるフィラメント3について図10、図11を説明する。
(Embodiment 3) Visible light reflectance lowering film In Embodiment 3, a base is covered as an infrared light suppression structure, and a visible light reflectance lowering film that lowers the reflectance in the visible light region and the near infrared light region of the base. FIG. 10 and FIG. 11 are described about the filament 3 provided with.
フィラメント3は、W基板またはWワイヤを基体とし、その上に低屈折率材料を可視光反射率低下膜として備える。低屈折率材料としては、例えば、HfO2にY2O3を数mol%から数十mol%の割合で混ぜたYSH(Yttria Stabilized Hafnia)薄膜を用いる。これにより、可視光反射率低下膜表面からの可視光および近赤外光の反射光と、W基体からの可視光および近赤外光の反射光を干渉させて打ち消し合わせ、可視光領域および近赤外光領域の反射率を低下させる。これにより、図10に示すような反射率特性を2500 Kの温度で有するフィラメント3を得ることができる。 The filament 3 includes a W substrate or a W wire as a base and a low refractive index material as a visible light reflectance lowering film thereon. As the low refractive index material, for example, a YSH (Yttria Stabilized Hafnia) thin film in which Y 2 O 3 is mixed with HfO 2 at a ratio of several mol% to several tens mol% is used. As a result, the reflected light of the visible light and near infrared light from the surface of the visible light reflectance lowering film interferes with the reflected light of the visible light and near infrared light from the W substrate to cancel each other. Reduce the reflectance in the infrared region. Thereby, the filament 3 which has a reflectance characteristic as shown in FIG. 10 at the temperature of 2500K can be obtained.
フィラメント3の製造方法について説明する。まず初めに、W基体を鏡面研磨する。鏡面研磨の程度は、中心線平均粗さ(Ra)1μm以下、最大高さ(Rmax)10μm以下、および、十点平均粗さ(Rz)10μm以下、の少なくとも一つを満たす鏡面である。その理由は、実施形態1で述べた通りである。 A method for manufacturing the filament 3 will be described. First, the W substrate is mirror-polished. The degree of mirror polishing is a mirror surface satisfying at least one of centerline average roughness (Ra) 1 μm or less, maximum height (Rmax) 10 μm or less, and ten-point average roughness (Rz) 10 μm or less. The reason is as described in the first embodiment.
次に、鏡面研磨されたW基体上にYSH膜を50 nm程度コーティングする。本膜のコーティング厚さには、許容範囲が存在し、図11に示すように0nm以上80nm以下と設定する。この範囲に設定することにより、基体自体の有する放射効率以上に放射効率を高めることができる。成膜手法は、電子ビーム蒸着法、スパッター法、CVD法、等種々の手法を用いることができる。成膜後、W基材界面との密着性並びに膜質(結晶性、光学的特性等)を高めるために1500℃〜2500℃の温度範囲でアニーリング処理を行う。 Next, a YSH film of about 50 nm is coated on the mirror-polished W substrate. The coating thickness of this film has an allowable range, and is set to 0 nm or more and 80 nm or less as shown in FIG. By setting within this range, the radiation efficiency can be increased more than the radiation efficiency of the substrate itself. As the film forming method, various methods such as an electron beam evaporation method, a sputtering method, and a CVD method can be used. After the film formation, an annealing treatment is performed in a temperature range of 1500 ° C. to 2500 ° C. in order to improve adhesion with the W substrate interface and film quality (crystallinity, optical characteristics, etc.).
製造されたフィラメント3を加熱することにより、図10に示すような反射率特性(2500K)を示し、2μm以上の長波長赤外放射を抑制し、2μm未満の近赤外光および可視光を高効率で放射することができる。 By heating the manufactured filament 3, the reflectance characteristic (2500 K) as shown in FIG. 10 is exhibited, long wavelength infrared radiation of 2 μm or more is suppressed, and near infrared light and visible light of less than 2 μm are enhanced. Can radiate with efficiency.
可視光反射率低下膜として、本実施形態3ではYSH膜を選択したが、この理由は、高温加熱による誘電体薄膜層の結晶相、延いては結晶相変化に伴う光学定数(屈折率および消衰係数)の急激な変化を抑制できることにある。例えば、HfO2単体では、1600℃の温度で単斜晶から正方晶、2100℃の温度で正方晶から立方晶と相変化するが、Y2O3等の安定化剤を2〜30mol%添加して安定化することによって、室温から2800℃の温度領域まで相変化しない(立方晶)誘電体薄膜層を得ることができる。 The YSH film was selected as the visible light reflectance lowering film in the third embodiment. This is because the optical phase (refractive index and extinction) of the crystal phase of the dielectric thin film layer due to high-temperature heating, and consequently the crystal phase change. The rapid change in the attenuation coefficient) can be suppressed. For example, in the case of HfO 2 alone, the phase changes from monoclinic to tetragonal at a temperature of 1600 ° C. and from tetragonal to cubic at a temperature of 2100 ° C., but 2-30 mol% of a stabilizer such as Y 2 O 3 is added. By stabilizing in this way, a dielectric thin film layer that does not change in phase from room temperature to a temperature range of 2800 ° C. (cubic) can be obtained.
可視光反射率低下膜は、YSH薄膜の他に、2000K以上の融点を有する金属膜、金属の炭化物膜、窒化物膜、ホウ化物膜、酸化物膜、のうちのいずれかを用いることも可能である。例えば、Ta、Os、Ir、Mo、Re、W、Ru、Nb、Cr、Zr、V、Rh、C、B4C、SiC、ZrC、TaC、HfC、AlN、BN、TiN、ZrN、HfN、LaB6、ZrB2、HfB2、CaO、CeO2、MgO、ZrO2、Y2O3、HfO2、Lu2O3、Yb2O3、ThO2、GaNのいずれかまたはこれらの混合体で形成された膜を用いることができる。 In addition to the YSH thin film, any one of a metal film having a melting point of 2000K or higher, a metal carbide film, a nitride film, a boride film, or an oxide film can be used as the visible light reflectance lowering film. It is. For example, Ta, Os, Ir, Mo, Re, W, Ru, Nb, Cr, Zr, V, Rh, C, B 4 C, SiC, ZrC, TaC, HfC, AlN, BN, TiN, ZrN, HfN, LaB 6 , ZrB 2 , HfB 2 , CaO, CeO 2 , MgO, ZrO 2 , Y 2 O 3 , HfO 2 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , ThO 2 , GaN or a mixture thereof The formed film can be used.
可視光反射率低下膜の成膜方法としては、上述の気相成長法以外にも、様々な手法を用いることが出来る。例えば、GaN、SiC等については、既に、高品質の基材が存在するので、所望の厚さに成長させたサファイア基板上のGaN又はSi基板上のSiCを、W基体にメタルボンディングして、エッチングまたはイオン注入でこれらの基板をリフトオフするスマートカット的手法も採用することが可能である。 As a method for forming the visible light reflectance lowering film, various methods can be used in addition to the above-described vapor phase growth method. For example, for GaN, SiC, etc., a high-quality substrate already exists, so GaN on a sapphire substrate grown to a desired thickness or SiC on a Si substrate is metal bonded to a W substrate, It is also possible to adopt a smart cut method in which these substrates are lifted off by etching or ion implantation.
(実施形態4)赤外光反射膜
実施形態4として、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する赤外光反射膜を備えるフィラメント3について説明する。
赤外光反射膜は、2μm以上の長波長赤外光を反射するために配置されている。赤外光反射膜20は、赤外光を反射するために配置されている。図12のように、赤外光反射膜20は、いずれも赤外光を透過する材料、例えば高耐熱性誘電体層でそれぞれ構成された第1の層21および第2の層22の組を少なくともひと組含む。第1の層21の屈折率をn1、厚さをd1、第2の層22の屈折率をn2、厚さをd2とする、赤外光の所定の波長λ(2μm以上)に対して、式(5)を満たす。
(数5)
n1・d1=n2・d2=λ/4 ・・・(5)
(Embodiment 4) Infrared-light-reflecting film As Embodiment 4, the filament 3 provided with the base | substrate formed with the metal and the infrared-light reflecting film which coat | covers a base | substrate as an infrared-light suppression structure is demonstrated.
The infrared light reflection film is disposed to reflect long wavelength infrared light of 2 μm or more. The infrared light reflection film 20 is disposed to reflect infrared light. As shown in FIG. 12, each of the infrared light reflection films 20 includes a set of a first layer 21 and a second layer 22 each made of a material that transmits infrared light, for example, a high heat resistant dielectric layer. Includes at least one pair. A predetermined wavelength λ (2 μm or more) of infrared light, where n 1 is the refractive index of the first layer 21, d 1 is the thickness, n 2 is the refractive index of the second layer 22, and d 2 is the thickness. In contrast, Expression (5) is satisfied.
(Equation 5)
n 1 · d 1 = n 2 · d 2 = λ / 4 (5)
このように屈折率の異なる2種類の層21、22を積層することにより、光の干渉を利用して、所定の波長λ1を中心波長とする所定の波長範囲の赤外光の反射率を高めることができる。 By laminating the two types of layers 21 and 22 having different refractive indexes in this way, the reflectance of infrared light in a predetermined wavelength range having a predetermined wavelength λ 1 as a central wavelength can be obtained using light interference. Can be increased.
また、実施形態4では、広い波長範囲の赤外光を反射するため、図12のように、赤外光反射膜20は、2種類の層21、22の組を複数組積層した構成としている。それぞれの組の反射の中心波長λを異ならせ、積層された各組でそれぞれ少しずつ異なる波長の赤外光を反射させることにより、赤外光反射膜20全体として広い波長範囲の赤外光を反射することができる。第1の層21と第2の層22の屈折率差が大きいほど、反射できる波長幅が大きくなるため、反射したい波長幅に応じて第1の層21と第2の層22の材料を選択する。 In Embodiment 4, in order to reflect infrared light in a wide wavelength range, the infrared light reflecting film 20 has a configuration in which a plurality of sets of two types of layers 21 and 22 are laminated as shown in FIG. . By varying the center wavelength λ of each set of reflections and reflecting infrared light of slightly different wavelengths in each of the stacked sets, infrared light in a wide wavelength range as a whole of the infrared light reflection film 20 can be obtained. Can be reflected. The greater the difference in refractive index between the first layer 21 and the second layer 22, the larger the wavelength width that can be reflected. Therefore, the material of the first layer 21 and the second layer 22 is selected according to the wavelength width to be reflected. To do.
例えば、第1の層21をMgO層とし、第2の層22をSiC層とする。第1の層21および第2の層22の組の数を26組(組20−1〜組20−26)、合計52層積層し、例えば、MgO層21の膜厚を156 nmから94 nmまで、SiC層22の膜厚を116 nmから70 nmまで組ごとに徐々に異なる値に設計することにより、図13に示すように、中心波長λ1〜λ26=1000nm〜10μmの範囲で良好な赤外線反射特性を得ることができる。 For example, the first layer 21 is an MgO layer, and the second layer 22 is an SiC layer. The number of sets of the first layer 21 and the second layer 22 is 26 sets (set 20-1 to set 20-26), for a total of 52 layers. For example, the film thickness of the MgO layer 21 is 156 nm to 94 nm. By designing the film thickness of the SiC layer 22 from 116 nm to 70 nm gradually different values for each group, as shown in FIG. 13, the center wavelength λ 1 to λ 26 is good in the range of 1000 nm to 10 μm. Excellent infrared reflection characteristics can be obtained.
上記第1の層21および第2の層22の材料として、高温耐熱性酸化物、例えばCaO、CeO2、Cr2O3、CoO、Dy2O3、Gd2O3、Ga2O3、HfO2、HoO3、SnO2、Fe2O3、La2O3、MgAl2O4、MgO、Nd2O3、NbO、Nb2O3、Os2O3、ReO3、Sm2O3、Sc2O3、SiO、SiO2、SrO、Ta2O5、Tb2O3、ThO2、TiO、Ti2O3、TiO2、UO2、VO2、Yb2O3、Y3Al5O12、Y2O3、ZnO、ZrO2、ZrSiO4、等、また、高温耐熱性窒化物、例えば、GaN、AlN、BN、HfN、NbN、Si3N4、TaN、TiN、VN、ZrN、等、高温耐熱性炭化物、例えば、Be2C、B4C、グラフェン、CNT、ダイヤモンドライクカーボン、Cr3C2、Mo2C、NbC、4H−SiC、6H−SiC、ThC2、TiC、W2C、UC2、VC、ZrC、等、高温耐熱性硫化物、例えば、CdS、ThS2、US、ZnS、等、高温耐熱性ホウ化物、例えば、CrZrB2、MoB、Mo2BC、MoTiB4、Mo2TiB2、Mo2ZrB2、MoZr2B4、NbB、Nb3B4、NbTiB4、NdB6、SiB3、Ta3B4、TiWB2、W2B、WB、WB2、YB4およびZrB12、CrB、MoB2、HfB2、NbB2、TaB2、TiB2、WB2、VB2、ZrB2、等、高温耐熱性ケイ素化物並びにリン化物、例えば、GaP、VSi2、ZrSi2、等のうちのいずれかの材料、もしくは、これらの材料を含有する混合材料で構成することができる。 As the material of the first layer 21 and second layer 22, high-temperature resistant oxide such as CaO, CeO 2, Cr 2 O 3, CoO, Dy 2 O 3, Gd 2 O 3, Ga 2 O 3, HfO 2, HoO 3, SnO 2 , Fe 2 O 3, La 2 O 3, MgAl 2 O 4, MgO, Nd 2 O 3, NbO, Nb 2 O 3, Os 2 O 3, ReO 3, Sm 2 O 3 , Sc 2 O 3 , SiO, SiO 2 , SrO, Ta 2 O 5 , Tb 2 O 3 , ThO 2 , TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , UO 2 , VO 2 , Yb 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , Y 2 O 3 , ZnO, ZrO 2 , ZrSiO 4 , etc., and high-temperature heat-resistant nitrides such as GaN, AlN, BN, HfN, NbN, Si 3 N 4 , TaN, TiN, VN, ZrN, etc. High-temperature resistant carbides, for example, Be 2 C, B 4 C , graphene, CNT, DLC, Cr 3 C 2, Mo 2 C, NbC, 4H-SiC, 6H-SiC, ThC 2, TiC, W 2 C , UC 2 , VC, ZrC, etc., high-temperature heat-resistant sulfides such as CdS, ThS 2 , US, ZnS, etc., high-temperature heat-resistant borides such as CrZrB 2 , MoB, Mo 2 BC, MoTiB 4 , Mo 2 TiB 2, Mo 2 ZrB 2 , MoZr 2 B 4, NbB, Nb 3 B 4, NbTiB 4, NdB 6, SiB 3, Ta 3 B 4, TiWB 2, W 2 B, WB, WB 2, YB 4 and ZrB 12, CrB, MoB 2, HfB 2, NbB 2, TaB 2, TiB 2, WB 2, VB 2, ZrB 2, etc., high-temperature resistant silicate Product and phosphides, e.g., GaP, VSi 2, ZrSi 2, any material of equal or can be composed of a mixed material containing these materials.
なお、ここでは、第1の層21と第2の層22を構成する材料の組み合わせが、各組20−1〜20−26において同じである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、組ごとに、第1の層21と第2の層22の材料の組み合わせを異ならせることももちろん可能である。 In addition, although the case where the combination of the material which comprises the 1st layer 21 and the 2nd layer 22 was the same in each set 20-1 to 20-26 was demonstrated here, this invention is limited to this structure. Of course, the combination of the materials of the first layer 21 and the second layer 22 may be different for each set.
第1の層21と第2の層22の屈折率差は、0.1以上の場合、良好な反射率特性を得ることができるため好ましい。屈折率差が大きいほど、1組の第1の層21と第2の層22で反射できる波長範囲が広くなり、薄膜積層の総数を少なくできるため、特に屈折率差が0.3以上であることが望ましい。 The difference in refractive index between the first layer 21 and the second layer 22 is preferably 0.1 or more because good reflectance characteristics can be obtained. The greater the difference in refractive index, the wider the wavelength range that can be reflected by one set of the first layer 21 and the second layer 22, and the total number of thin film stacks can be reduced. It is desirable.
第1の層21と第2の層22の組の積層は、積層の総数が3層から200層において良好な反射率特性を得ることができる。200層以上になると、応力などによりクラック、はがれを生じ、良好な反射率特性を維持することが難しくなるため、これらを防止する成膜手法を採用することが望ましい。 In the lamination of the set of the first layer 21 and the second layer 22, good reflectance characteristics can be obtained when the total number of the laminations is 3 to 200 layers. When the number of layers is 200 or more, cracks and peeling occur due to stress and the like, and it becomes difficult to maintain good reflectance characteristics. Therefore, it is desirable to employ a film formation technique for preventing these.
(実施形態5)白色散乱体
実施形態5として、金属で形成された基体と、赤外光抑制構造として基体を被覆する白色散乱体層を有するフィラメント3について説明する。白色散乱体層には、可視光領域および近赤外光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されている。
(Embodiment 5) White scatterer As Embodiment 5, a filament 3 having a base formed of metal and a white scatterer layer covering the base as an infrared light suppressing structure will be described. A visible light absorbing material that absorbs light in the visible light region and near infrared light region is added to the white scatterer layer.
フィラメント3の基体は、高い融点を有する金属、例えば、HfC(融点4160K)、TaC(融点4150K)、ZrC(融点3810K)、C(融点3800K)、W(融点3680K)、Re(融点3453K)、Os(融点3327K)、Ta(融点3269K)、Mo(融点2890K)、Nb(融点2741K)、Ir(融点2683K)、Ru(融点2583K)、Rh(融点2239K)、V(融点2160K)、Cr(融点2130K)、およびZr(融点2125K)、のうちのいずれかを含有する材料によって形成する。 The base of the filament 3 is a metal having a high melting point, for example, HfC (melting point 4160K), TaC (melting point 4150K), ZrC (melting point 3810K), C (melting point 3800K), W (melting point 3680K), Re (melting point 3453K), Os (melting point 3327K), Ta (melting point 3269K), Mo (melting point 2890K), Nb (melting point 2741K), Ir (melting point 2683K), Ru (melting point 2583K), Rh (melting point 2239K), V (melting point 2160K), Cr (melting point 2160K) And a material containing any one of Zr (melting point 2125K).
白色散乱体としては、例えば、イットリア(Y2O3)、ハフニア(HfO2)、ルテチア(Lu2O3)、トリア(ThO2)、マグネシア(MgO)、ジルコニア(ZrO2)、イッテルビア(Yb2O3)、ストロンチア(SrO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ベリリウム(BeO)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化テルビウム(Tb2O3)、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化エルビウム(Er2O3)、酸化ツリウム(Tm2O3)、酸化プロメチウム(Pm2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化ユーロピウム(Eu2O3)、酸化ガドリウム(Gd2O3)、酸化セリウム(Ce2O3)、酸化プラセオジウム(Pr2O3)、酸化ネオジウム(Nd2O3)、窒化ジルコニア(ZrN)、窒化チタン(TiN)、窒化アルミニウム(AlN)および、窒化ホウ素(BN)、のうちのいずれかを含有するものを用いる。これらの白色散乱体は、赤外から可視領域にわたって吸収がほとんどなく非常に高い反射特性を示すからである。また、数多くある白色散乱体の中で上記白色散乱体は、フィラメントが効率よく発光する2300K以上の温度領域であっても、真空中下において耐熱性を有し、かつ高い反射特性を維持するからである。白色散乱体の粒子は、粒径が50nm以上50μm以下であることが望ましい。粒子の形状は、光散乱効率の点から充填率が大きく取れる形状が望ましい。基体への被覆手法を考慮すると、対称性の良い球形粒子であることが望ましい。白色散乱体は、表面のダングリングボンドの除去処理および表面の結晶欠陥回復処理のうちの少なくとも一方が施されているとさらに好ましい。 Examples of the white scatterer include yttria (Y 2 O 3 ), hafnia (HfO 2 ), lutecia (Lu 2 O 3 ), tria (ThO 2 ), magnesia (MgO), zirconia (ZrO 2 ), ytterbia (Yb 2 O 3 ), strontia (SrO), calcium oxide (CaO), beryllium oxide (BeO), holmium oxide (Ho 2 O 3 ), terbium oxide (Tb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), oxidation Holmium (Ho 2 O 3 ), Erbium oxide (Er 2 O 3 ), Thulium oxide (Tm 2 O 3 ), Promethium oxide (Pm 2 O 3 ), Samarium oxide (Sm 2 O 3 ), Europium oxide (Eu 2 O 3), gadolinium oxide (Gd 2 O 3), cerium oxide (Ce 2 O 3), praseodymium oxide (P 2 O 3), neodymium oxide (Nd 2 O 3), zirconia nitride (ZrN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride (AlN) and boron nitride (BN), used those containing any of the . This is because these white scatterers show very high reflection characteristics with little absorption from the infrared to the visible region. Among the many white scatterers, the white scatterer has heat resistance under vacuum and maintains high reflection characteristics even in a temperature range of 2300K or more where the filament emits light efficiently. It is. The particles of the white scatterer desirably have a particle size of 50 nm or more and 50 μm or less. The shape of the particles is preferably a shape that allows a large filling rate in terms of light scattering efficiency. Considering the coating method on the substrate, it is desirable that the spherical particles have good symmetry. The white scatterer is more preferably subjected to at least one of surface dangling bond removal treatment and surface crystal defect recovery treatment.
可視光吸収材としては、例えば、白色散乱体にドープされた不純物元素を用いることができる。不純物元素の一例としては、Ce、Eu、Mn、Ti、Sn、Tb、Au、Ag、Cu、Al、Ni、W、Pb、As、Tm、Ho、Er、Dy、Pr、Nd、Pm、Sm、Gd、Yb等を用いることができる。白色散乱体への不純物元素のドープ濃度は、例えば、0.0001%〜50%に設定する。ドープ方法としては、白色散乱体とこれらの不純物元素を混合して固相反応(焼成)を用いてドープする手法、または、白色散乱体酸化物並びに不純物を共に濃硝酸に溶解させてから、しゅう酸塩で共沈させ、これを焼成させる手法、を取ることが出来る。 As the visible light absorbing material, for example, an impurity element doped into a white scatterer can be used. Examples of impurity elements include Ce, Eu, Mn, Ti, Sn, Tb, Au, Ag, Cu, Al, Ni, W, Pb, As, Tm, Ho, Er, Dy, Pr, Nd, Pm, and Sm. , Gd, Yb, or the like can be used. The doping concentration of the impurity element into the white scatterer is set to 0.0001% to 50%, for example. As a doping method, a method in which a white scatterer and these impurity elements are mixed and doped using a solid-phase reaction (firing), or a white scatterer oxide and an impurity are both dissolved in concentrated nitric acid. A method of co-precipitation with an acid salt and firing it can be taken.
可視光吸収材としては、金属粒子を用いることも可能である。金属粒子は、一例としては、W、Ta、Mo、Au、Ag、Cu、Al、Ti、Ni、Co、Cr、Si、V、Mn、Fe、Nb、Ru、Pt、Pd、Hf、Y、Zr、Re、Os、Ir等の粒子を用いることができる。この場合、金属粒子の粒径は、2nm以上5μm以下であることが好ましい。白色散乱体への金属粒子の添加濃度は、例えば、0.0001%〜50%に設定する。添加方法としては、白色散乱体とこれらの不純物元素を混合して共蒸着し、その後、焼成して白色散乱体中に金属微粒子の結晶を成長させる方法、または、白色散乱体に上記金属イオンを、イオン注入装置を利用して打ち込み、その後、焼成して白色散乱体中に金属微粒子の結晶を成長させる方法、を用いる。白色散乱体中に添加された金属粒子は、教会のステンドグラスのように、金属の種類並びに粒径に応じて可視光領域の吸収波長並びに吸収量を制御出来るため、種々の吸収帯を形成することが可能となる。例えば、Auの微粒子の粒径を2nmから5nmに変化させることによって、ステンドグラスの色をピンクから深緑に変化させることが可能となるが、これは、物理的には、金属微粒子表面で起こる光の局在共鳴吸収効果による透過光変化(補色)に起因する。即ち、粒子サイズが小さい場合は短波長の光を吸収し、粒子サイズが大きくなるにつれて長波長の光を吸収する。白色散乱体に金属微粒子添加した吸収も本原理に基づく。 Metal particles can also be used as the visible light absorbing material. Examples of the metal particles include W, Ta, Mo, Au, Ag, Cu, Al, Ti, Ni, Co, Cr, Si, V, Mn, Fe, Nb, Ru, Pt, Pd, Hf, Y, Particles such as Zr, Re, Os, and Ir can be used. In this case, the particle size of the metal particles is preferably 2 nm or more and 5 μm or less. The concentration of the metal particles added to the white scatterer is set to 0.0001% to 50%, for example. As an addition method, a white scatterer and these impurity elements are mixed and co-deposited, and then fired to grow metal fine crystal crystals in the white scatterer, or the above metal ions are added to the white scatterer. , Using an ion implantation apparatus, and then firing and growing a crystal of metal fine particles in a white scatterer. The metal particles added to the white scatterer form various absorption bands because the absorption wavelength and the amount of absorption in the visible light region can be controlled according to the type and particle size of the metal, as in the stained glass of a church. It becomes possible. For example, by changing the particle size of Au fine particles from 2 nm to 5 nm, the stained glass color can be changed from pink to deep green. This is due to a change in transmitted light (complementary color) due to the local resonance absorption effect of the. That is, when the particle size is small, it absorbs short wavelength light, and as the particle size increases, it absorbs long wavelength light. Absorption by adding fine metal particles to a white scatterer is also based on this principle.
また、フィラメントの基体は、表面が鏡面に研磨加工されていることが好ましい。その条件は実施形態1で説明した通りである。 Moreover, it is preferable that the surface of the filament substrate is polished to a mirror surface. The conditions are as described in the first embodiment.
フィラメント3の製造方法について説明する。Wフィラメント等の高温耐熱性線材又は基板を基体とし、その上に、図14に示すような形状のイットリア(Y2O3)、ジルコニア(ZrO2)、ハフニア(HfO2)、ルテチア(Lu2O3)、トリア(ThO2)、または、これらを混合し高温での相変化が起こらないように安定化した高温耐熱性白色散乱体、を塗布する。白色散乱体を塗布する理由は、図15に示すように、白色散乱体が、赤外から可視領域に亘って吸収が無く非常に高い反射率特性を示すからである。また、数多ある白色散乱体の中で上記白色散乱体を選定した理由は、2500K以上の温度領域で耐熱性を有する材料であるからである。 A method for manufacturing the filament 3 will be described. A high-temperature heat-resistant wire such as a W filament or a substrate is used as a base, and yttria (Y 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), hafnia (HfO 2 ), lutecia (Lu 2 ) having a shape as shown in FIG. O 3 ), tria (ThO 2 ), or a mixture thereof, and a high-temperature heat-resistant white scatterer stabilized so as not to cause a phase change at a high temperature is applied. The reason for applying the white scatterer is that, as shown in FIG. 15, the white scatterer has no absorption from the infrared region to the visible region and exhibits a very high reflectance characteristic. The reason why the white scatterer is selected from among many white scatterers is that it is a material having heat resistance in a temperature range of 2500K or higher.
この白色散乱体を塗布されたフィラメントは、電流供給等により加熱されることによって高効率に近赤外光を発する。この物理的過程は2段階に分かれる。第1段階は、白色散乱体により、一旦全ての放射を抑制する状況を作り出す。仮に反射率が全ての波長に亘って1である材料は、式(3)よりε(λ)=0となり、ひいては、式(2)における積分値が0となるため放射による損失が起こらなくなる。この物理的意味は、P(total)=P(conduction)となるため、少量の入力エネルギーでも光放射による損失が無く、フィラメントが非常に高い温度まで達することを意味している。(本加熱物体を外から見たら、放射が無い為、高温か低温か、触ってみるまで全く温度が判らない状況。)赤外から可視領域に亘った広範囲の波長で吸収が無く非常に高い反射率特性(非常に低い放射率特性)を示すのが本白色散乱体の特長である。この白色散乱体をフィラメントに緊密に塗布または成膜することによって、金属フィラメントの欠点である長波長赤外領域での反射率低下を抑制することが出来る。 The filament coated with the white scatterer emits near-infrared light with high efficiency when heated by current supply or the like. This physical process is divided into two stages. The first stage creates a situation that once suppresses all radiation by a white scatterer. If a material whose reflectance is 1 over all wavelengths is ε (λ) = 0 from equation (3), and the integrated value in equation (2) is 0, no loss due to radiation occurs. This physical meaning means that since P (total) = P (conduction), there is no loss due to light emission even with a small amount of input energy, and the filament reaches a very high temperature. (If the heated object is seen from the outside, there is no radiation, so the temperature is not known until it is touched, whether it is hot or cold.) Very high without absorption in a wide range of wavelengths from the infrared to the visible region A characteristic of the white scatterer is that it exhibits reflectance characteristics (very low emissivity characteristics). By coating or forming the white scatterer closely on the filament, it is possible to suppress a decrease in reflectance in the long wavelength infrared region, which is a defect of the metal filament.
図16に、鏡面研磨されたW基体が示す反射率並びに2500Kに加熱された際に示す放射スペクトルを示す。また、図15には、鏡面研磨されたW基体上にLu2O3白色散乱体を塗布した際に示す反射率並びに2500Kに加熱された際に示す放射スペクトルを示す。図15において、紫外部並びに7μm以上の波長における赤外部の低反射率部分は、各々、Lu2O3の伝導帯エネルギー吸収(紫外部)、並びにLu2O3の光学フォノン吸収(赤外部:1TOフォノン、1LOフォノン、2TOフォノン、2LOフォノン、等)によるものである。 FIG. 16 shows the reflectivity of the mirror-polished W substrate and the emission spectrum when heated to 2500K. FIG. 15 shows the reflectance shown when a Lu 2 O 3 white scatterer is coated on a mirror-polished W substrate and the emission spectrum shown when heated to 2500K. In FIG. 15, the low reflectivity portion of the infrared region and the infrared region at a wavelength of 7 μm or more are the conduction band energy absorption of Lu 2 O 3 (ultraviolet portion) and the optical phonon absorption of Lu 2 O 3 (infrared portion: 1TO phonon, 1LO phonon, 2TO phonon, 2LO phonon, etc.).
しかし、図15から明らかなように、白色散乱体のみで被覆した場合には、可視光および近赤外光領域の反射率も高いため、効率良く可視光および近赤外光が放射されない。そこで、近赤外領域の反射率を低減(放射率を増大)させるために、不純物添加、金属微粒子添加、等の技術を利用し、可視光並びに近赤外光領域に吸収を作り出す。一例として、Lu2O3白色散乱体にTa微粒子を2%程度ドープすることによって、図17に示すように、可視光および近赤外光領域の反射率を低下させることができるため、近赤外光および可視光の放射率を高めることができる。 However, as is apparent from FIG. 15, when only the white scatterer is coated, the visible light and near infrared light are not efficiently emitted because the reflectance in the visible light and near infrared light regions is high. Therefore, in order to reduce the reflectivity in the near infrared region (increase the emissivity), techniques such as addition of impurities and addition of metal fine particles are used to create absorption in the visible light and near infrared light regions. As an example, doping the Lu 2 O 3 white scatterer with Ta fine particles of about 2% can reduce the reflectance in the visible light and near infrared light regions as shown in FIG. The emissivity of external light and visible light can be increased.
なお、ここで、粒子径並びに白色散乱体厚みを、光散乱理論:光拡散方程式を用い最適化する。
(数7)
T(L)=(l*/L) ・・・(7)
ここで、Lは白色散乱体の厚さとなる。
Here, the particle diameter and the white scatterer thickness are optimized using the light scattering theory: light diffusion equation.
(Equation 7)
T (L) = (l * / L) (7)
Here, L is the thickness of the white scatterer.
吸収が存在しない場合、T(L)+R(L)=1となるので、反射率Rを99.9%程度にしたい場合には、透過率Tを0.1%程度にする必要がある。ここで、フィラメントに溜め込まれている熱エネルギーを損なわない程度の体積並びに厚さに白色散乱体を塗布しなければならないとすると、フィラメント半径を1mmとしておよそこの1/10の0.1mmを白色散乱体の厚さとする必要がある。ところで散乱断面積の計算より、l*の平均自由行程と白色散乱体の粒子半径とは略同程度と見積もられるので、結局、厚さL=100 mm、白色散乱体の半径R=100 nmと求めることが出来る。これ以下のサイズの粒子径を選定することによって、エネルギー損失無く放射制御をおこなうことが可能となる。 When there is no absorption, T (L) + R (L) = 1. Therefore, when the reflectance R is desired to be about 99.9%, the transmittance T needs to be about 0.1%. Here, assuming that the white scatterer must be applied to a volume and thickness that does not impair the thermal energy stored in the filament, the filament radii is 1 mm, and this white scatterer is approximately 1/10 of this 1 mm. It is necessary to make it thick. By the way, from the calculation of the scattering cross section, the mean free path of l * and the particle radius of the white scatterer are estimated to be approximately the same, so the thickness L = 100 mm and the white scatterer radius R = 100 nm. You can ask. By selecting a particle size smaller than this, radiation control can be performed without energy loss.
(実施形態6)
実施形態6として、本発明のフィラメントを用いた近赤外ヒーターについて説明する。
(Embodiment 6)
As a sixth embodiment, a near infrared heater using the filament of the present invention will be described.
図3は、本実施形態の近赤外ヒーターの断面図である。近赤外ヒーターは、気密容器2と、気密容器2の内部に配置されたフィラメント3と、フィラメント3の両端に電気的に接続されると共にフィラメント3を支持する一対のリード線4、5と、フィラメント3を支持するアンカ6とを備えて構成される。リード線4、5とアンカ6は、気密容器2内に配置された絶縁性のマウント7により支持されている。マウント7の基部は、気密容器2の封止部8によって支持されている。封止部8には、封止金属(金属箔)14、15とリード棒16、17が配置されている。 FIG. 3 is a sectional view of the near-infrared heater of the present embodiment. The near infrared heater includes an airtight container 2, a filament 3 disposed inside the airtight container 2, a pair of lead wires 4 and 5 electrically connected to both ends of the filament 3 and supporting the filament 3, And an anchor 6 that supports the filament 3. The lead wires 4 and 5 and the anchor 6 are supported by an insulating mount 7 disposed in the hermetic container 2. The base portion of the mount 7 is supported by the sealing portion 8 of the airtight container 2. Sealing metals (metal foils) 14 and 15 and lead bars 16 and 17 are arranged in the sealing portion 8.
気密容器2は、上述したように、少なくとも波長2μm未満の近赤外光および可視光を透過し、波長2μm以上の赤外光を吸収する材料によって構成されている。 As described above, the hermetic container 2 is made of a material that transmits at least near-infrared light and visible light having a wavelength of less than 2 μm and absorbs infrared light having a wavelength of 2 μm or more.
リード線4、5の下端は、金属箔の封止金属14、15に溶接されている。リード棒16、17の上端は、封止金属14、15に溶接され、下端は封止部8から外部に引き出されている。封止部8は、封止金属14、15とリード線4、5の下端部とリード棒16、17の上端部を、ピンチシール溶着(ガラスを溶かして押しつぶして封止)した構造である。これにより、リード棒16、17から、フィラメント3へ外部から電流を供給することができる。封止金属14、15を封止部に配置してピンチシール封止する理由は、本フィラメントを3000K以上の高温で使用した際に、気密容器2が破損(ガラスが割れる)するのを防ぐためである。即ち、気密容器2の材質が低熱膨張率であるのに対し、金属リード線4、5、並びに金属リード棒16、17が一般的に高熱膨張率であるため、高温動作時には大きな熱膨張の相違が生じるが、封止金属14、15は、その厚みならびに材質により、熱膨張の相違により生じる応力を緩和する。 The lower ends of the lead wires 4 and 5 are welded to metal foil sealing metals 14 and 15. The upper ends of the lead bars 16, 17 are welded to the sealing metals 14, 15, and the lower ends are drawn out from the sealing portion 8. The sealing portion 8 has a structure in which the sealing metals 14 and 15, the lower ends of the lead wires 4 and 5, and the upper ends of the lead rods 16 and 17 are pinch-sealed (melted and sealed by melting glass). Thereby, current can be supplied from the lead rods 16 and 17 to the filament 3 from the outside. The reason why the sealing metals 14 and 15 are arranged in the sealing portion to perform pinch sealing is to prevent the hermetic container 2 from being broken (breaking the glass) when the filament is used at a high temperature of 3000K or higher. It is. That is, the material of the airtight container 2 has a low coefficient of thermal expansion, whereas the metal lead wires 4 and 5 and the metal lead rods 16 and 17 generally have a high coefficient of thermal expansion. However, the sealing metals 14 and 15 relieve the stress caused by the difference in thermal expansion depending on their thickness and material.
フィラメント3として、実施形態1〜5のフィラメント3を用いる。図3では一例として、線材形状のフィラメントを螺旋状に巻き回しているが、フィラメント形状はこの形状に限らず、棒状や板状等の所望の形状にすることができる。また、気密容器2の内部は、10−3〜10+7Paの圧力状態となっている。 As the filament 3, the filament 3 of Embodiments 1 to 5 is used. In FIG. 3, as an example, filaments in the form of wire rods are spirally wound. However, the filament shape is not limited to this shape, and may be a desired shape such as a rod shape or a plate shape. Moreover, the inside of the airtight container 2 is in a pressure state of 10 −3 to 10 +7 Pa.
近赤外ヒーターの形状は、管球構造に限定されるものではなく、加熱すべき対象の形状に対応させて所望の形状にすることができる。例えば、図18は、フィラメント3を用いた線状構造の近赤外ヒーターの断面図である。図18において、図3の近赤外ヒーターと同じ構成には、同じ符号を付している。図18の近赤外ヒーターは、気密容器2が、直線状の管であり、フィラメント3は、管状の気密容器2の軸に沿って配置されている。環状の気密容器2の両端に、封止部8、9がそれぞれ配置されている。気密容器2は、少なくとも波長2μm未満の近赤外光および可視光を透過し、波長2μm以上の赤外光を吸収する材料によって構成されている。 The shape of the near-infrared heater is not limited to the tube structure, and can be a desired shape corresponding to the shape of the object to be heated. For example, FIG. 18 is a cross-sectional view of a linear infrared near-infrared heater using the filament 3. In FIG. 18, the same components as those of the near-infrared heater of FIG. In the near-infrared heater of FIG. 18, the airtight container 2 is a straight tube, and the filament 3 is arranged along the axis of the tubular airtight container 2. Sealing portions 8 and 9 are respectively disposed at both ends of the annular airtight container 2. The hermetic container 2 is made of a material that transmits at least near-infrared light and visible light having a wavelength of less than 2 μm and absorbs infrared light having a wavelength of 2 μm or more.
フィラメント3の両端には、一対のリード線4、5の一端が接続されている。リード線4、5の他端は、封止部8、9内に配置された封止金属(金属箔)14、15に接続されている。封止金属14、15には、リード棒16、17の一端が接続され、リード棒16、17の他端は、封止部8、9から外部に引き出されている。封止部8、9は、図3の管球構造と同様に、封止金属14、15とリード線4、5の端部とリード棒16、17の端部をピンチシール溶着した構造である。 One end of a pair of lead wires 4 and 5 is connected to both ends of the filament 3. The other ends of the lead wires 4 and 5 are connected to sealing metals (metal foils) 14 and 15 disposed in the sealing portions 8 and 9. One end of the lead rods 16 and 17 is connected to the sealing metals 14 and 15, and the other ends of the lead rods 16 and 17 are drawn out from the sealing portions 8 and 9. The sealing portions 8 and 9 have a structure in which the end portions of the sealing metals 14 and 15, the lead wires 4 and 5, and the end portions of the lead rods 16 and 17 are welded to each other in the same manner as the tube structure of FIG. .
図18の線状構造の近赤外ヒーターにおいて、フィラメント3は、線材形状のフィラメントを螺旋状に巻き回していたものを用いてもよいし、棒状や板状等の所望の形状のものを用いることができる。気密容器2の内部の圧力は、図3の管球構造と同様に設定する。 In the near-infrared heater having a linear structure shown in FIG. 18, the filament 3 may be a wire-shaped filament wound in a spiral shape or a desired shape such as a rod shape or a plate shape. be able to. The pressure inside the airtight container 2 is set in the same manner as the tube structure in FIG.
本発明のフィラメント3は、実施形態1〜5で述べたように2μm以上の赤外波長領域の反射率が高く、近赤外光領域および可視光領域の反射率が低いため、赤外光の放射を抑制することができる。よって、近赤外光の発光効率が高く、エネルギー変換効率の高い近赤外ヒーターを得ることができる。 As described in the first to fifth embodiments, the filament 3 of the present invention has a high reflectance in the infrared wavelength region of 2 μm or more and a low reflectance in the near infrared light region and the visible light region. Radiation can be suppressed. Therefore, a near-infrared heater having high near-infrared light emission efficiency and high energy conversion efficiency can be obtained.
なお、上述してきた各実施形態のフィラメント3は、気密容器2が10−3Pa等の高真空状態では、可視光反射率低下膜11等の昇華が生じる場合もあるが、その場合には、気密容器2にAr等の不活性ガスを105〜107Pa程度の高圧力で封入して膜の昇華を抑えるようにすればよい。また、Ar等の不活性ガスに替えて、適宜、不活性ガスに数%程度の酸素ガス、窒素ガス、ハロゲンガス、炭素系ガス、またはこれらの混合ガスを利用することによっても膜の昇華を抑え、長寿命を図ることが可能となる。 The filament 3 of each embodiment described above may cause sublimation of the visible light reflectance lowering film 11 or the like when the hermetic container 2 is in a high vacuum state such as 10 −3 Pa, but in that case, An inert gas such as Ar may be sealed in the hermetic container 2 at a high pressure of about 10 5 to 10 7 Pa to suppress sublimation of the film. Further, in place of an inert gas such as Ar, the film can be sublimated as appropriate by using about several percent oxygen gas, nitrogen gas, halogen gas, carbon-based gas, or a mixed gas thereof. Therefore, it is possible to achieve a long life.
本実施形態では、本発明の近赤外ヒーターは、暖房用ヒーター、自動車暖房用ヒーター、融雪用加熱源、コピー機内のトナー定着用ヒーター等として好適である。 In the present embodiment, the near-infrared heater of the present invention is suitable as a heater for heating, a heater for automobile heating, a heat source for melting snow, a heater for fixing toner in a copying machine, and the like.
2…気密容器、3…フィラメント、4…リード線、5…リード線、6…アンカ、8…封止部、9…口金 2 ... Airtight container, 3 ... Filament, 4 ... Lead wire, 5 ... Lead wire, 6 ... Anchor, 8 ... Sealing part, 9 ... Base
Claims (14)
前記気密容器は、少なくとも波長2μm未満の近赤外光および可視光を透過し、波長2μm以上の赤外光を吸収する材料によって構成され、
前記フィラメントは、前記気密容器に吸収される前記赤外光の放射を抑制する赤外光抑制構造を備えることを特徴とする近赤外ヒーター。 A near-infrared heater having an air-tight container and a filament disposed in the air-tight container and emitting near-infrared light,
The airtight container is made of a material that transmits at least near infrared light and visible light having a wavelength of less than 2 μm and absorbs infrared light having a wavelength of 2 μm or more,
The near-infrared heater, wherein the filament includes an infrared light suppression structure that suppresses radiation of the infrared light absorbed by the airtight container.
前記気密容器は、石英ガラス、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、BK7ガラスによって構成され、
前記フィラメントは、前記気密容器に吸収される前記赤外光の放射を抑制し、近赤外光および可視光を放射させる赤外光抑制構造を備えることを特徴とする近赤外ヒーター。 A near-infrared heater having an air-tight container and a filament disposed in the air-tight container and emitting near-infrared light,
The airtight container is composed of quartz glass, silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, Pyrex (registered trademark) glass, BK7 glass,
The near-infrared heater, wherein the filament includes an infrared light suppression structure that suppresses radiation of the infrared light absorbed in the hermetic container and emits near-infrared light and visible light.
前記白色散乱体層には、可視光領域および近赤外光領域の光を吸収する可視光吸収材が添加されていることを特徴とする近赤外ヒーター。 The near-infrared heater according to any one of claims 1 to 3, wherein the filament has a base formed of metal and a white scatterer layer that covers the base as the infrared light suppressing structure. ,
The near-infrared heater, wherein a visible light absorbing material that absorbs light in a visible light region and a near-infrared light region is added to the white scatterer layer.
n1・d1=n2・d2=λ1/4
の関係を満たし、前記所定の波長λ1の赤外光を反射することを特徴とする近赤外ヒーター。 The near-infrared heater according to claim 7, wherein the infrared light reflection film includes a set of first and second layers each made of a material that transmits infrared light and laminated. When the first layer has a refractive index n 1 and a thickness d 1 , and the second layer has a refractive index n 2 and a thickness d 2 , n 1 with respect to a predetermined wavelength λ 1 of infrared light · d 1 = n 2 · d 2 = λ 1/4
The near-infrared heater is characterized in that the infrared light having the predetermined wavelength λ 1 is reflected.
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