白熱電球

白熱電球：光の歴史を照らした輝きと、その終焉、そして未来

白熱電球は、電流によって加熱されたフィラメントが放つ光を利用した照明器具です。ガラス管の中に高抵抗のフィラメントを封入し、電流を流すことでジュール熱が発生、高温になったフィラメントが光を放つ仕組みです。フィラメント電球、白熱球、白熱バルブなどとも呼ばれ、20世紀の大半において、蛍光灯と並んで世界中で広く使われてきました。しかし、消費電力の大きさから、21世紀に入って省エネルギー性の高いLED電球に急速に置き換えられていきました。日本でも、エネルギー基本計画に基づき段階的な廃止が進められ、2030年にはLEDへの完全移行が想定されています。

白熱電球の特徴

白熱電球が発する光は、黒体放射に近いスペクトルを持ちます。しかし、電力の多くは赤外線や熱に変換されるため、発光効率は低いという弱点がありました。100Wの白熱電球では、可視光線は約10％、赤外線は約72％、残りは熱伝導で消費されます。

一方、演色性に優れているのが大きな特徴です。物体の色を自然な状態で再現する能力が高く、写真、映画、テレビの撮影用照明として広く用いられてきました。演色性の基準となる光源は、白熱電球と特殊な光学フィルターを用いて定義されています。

白熱電球の歴史：発明競争から技術革新へ

19世紀後半、電気照明の開発はアーク灯から始まりましたが、そのまぶしさや騒音から、家庭用照明としては不向きでした。ガス灯も普及していましたが、爆発の危険性や硫黄臭など問題がありました。

そんな中、イギリスのスワンとアメリカのエジソンが白熱電球の開発で競争しました。スワンは先に発明しましたが、フィラメントが太く、実用性に課題がありました。エジソンは、様々な素材を試行錯誤し、1879年に木綿糸を炭化させたフィラメントを用いた実用的な炭素電球を発明、特許を取得し、商用化と大量生産を実現しました。その後、中国・日本から入手した真竹を用いたフィラメントは、細く、点灯・消灯の容易さで広く普及しました。

20世紀に入ると、タングステンのフィラメントが開発され、さらにガス封入による寿命の延長、二重コイル化による効率向上などが進みました。つや消し処理によるまぶしさの軽減やハロゲン電球の開発なども大きな進歩でした。

白熱電球の構造と素材

白熱電球は、フィラメント、導入線、バルブなどから構成されています。フィラメントには通常タングステンが使用され、蒸発を防ぐため、アルゴンや窒素ガスが封入されています。導入線は、フィラメントに電流を供給する部分で、ニッケル線、銅被覆ニッケル鋼線、モリブデン薄箔などが用いられます。バルブはガラス球で、軟質ソーダガラスや硬質硼珪酸ガラス、ハロゲン電球では石英ガラスが用いられます。

白熱電球の種類と分類

白熱電球は、用途、封入ガス、構造、口金、ガラス管球の形状など、様々な点で分類されます。一般形電球、耐震電球、ハロゲン電球、クリプトン電球などがあります。口金は、エジソンベース（E型）が一般的ですが、耐震性を求める用途ではスワンベース（S型）が用いられます。明るさは、かつては燭光で表されていましたが、現在は消費電力（W）で表されます。ただし、他の光源と比較しやすいように、全光束（lm）で表記されるようになっています。

白熱電球の寿命

白熱電球の寿命は、一般的に1000時間程度です。フィラメントの高温による蒸発が寿命を決定づけ、蒸発したタングステンがガラス球内に付着することで光効率が低下します。ガス封入、ハロゲンサイクル、フィラメント構造の工夫などによって寿命の延長が図られてきましたが、戦間期にはカルテルにより寿命が意図的に1000時間に制限されていた時期もありました。

LED照明への移行と課題

省エネルギーの観点から、LED電球への移行が世界的に進んでいます。オーストラリアやフランスなどでは、白熱電球の生産・販売が禁止されています。日本でも、政府の要請やメーカーの自主的な取り組みによって、白熱電球の生産は大幅に減少しました。しかし、白熱電球特有の光の色や熱、そして既存設備との互換性など、LEDへの完全移行にはまだ課題が残されています。特に、バイオレット光の不足による近視増加への懸念、農産物栽培や信号機などでの発熱利用、既存設備との非互換性などが問題となっています。

高効率化への挑戦

白熱電球の高効率化に向けた研究開発は、現在も続けられています。赤外線反射膜による熱の再利用や、メタマテリアルを用いたスペクトル制御技術などが研究されています。LEDを超える高効率な白熱電球が実現すれば、その輝きは再び注目を集めるかもしれません。

もう一度検索