CN100350550C - 灯泡形无电极放电灯和无电极放电灯点亮装置 - Google Patents

Abstract

发光管(101)的最大直径为大于等于60mm小于等于90mm，发光管(101)的管壁负荷为大于等于0.07W/cm²小于等于0.11W/cm²，在具有凹入单元(102)的灯泡形无电极放电灯中，具有使凹入单元(102)的直径Dc与凹入单元(102)顶上和发光管101的顶部的间隔Δh的关系满足Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]的构成。

Description

灯泡形无电极放电灯和无电极放电灯点亮装置

技术领域

本发明涉及灯泡形无电极放电灯和无电极放电灯点亮装置。

背景技术

近年来，从保护地球环境和经济性的观点出发，与白炽灯泡比较效率约高5倍、寿命也约长6倍的有电极的灯泡形荧光灯在住宅和旅馆等中代替白炽灯泡正在广泛应用中。进一步，最近，除了一直以来存在的有电极的灯泡形荧光灯外，正在开始普及无电极的灯泡形荧光灯。无电极荧光灯因为没有电极所以寿命进而比有电极荧光灯长2倍以上，期待它今后会越来越普及。

在已有白炽灯泡中已经提出了各种各样的形状，并进行了实用化，但是最广泛使用的是具有洋梨型形状的白炽灯泡。这是被称为在JISC7710-1988中定义的A型的形状，国际上也根据IEC 60887-1988进行同样的定义，在美国和欧洲等也按照该标准设置了同样的标准。点亮白炽灯泡的灯具多数都是以使用这种A型的白炽灯泡为前提的。因此在实用上要求灯泡形荧光灯也能够提供特别与这种A型白炽灯泡近似的形状和大小。

一般使用的上述A型白炽灯泡的尺寸，例如在输入功率100W的白炽灯泡的情形中具有直径约60mm，从灯泡顶上到灯口前端的高度约110mm的大小，为了代替白炽灯泡，灯泡形荧光灯的尺寸不显著地越出上述尺寸是重要的。

与白炽灯泡不同，上述荧光灯是作为由涂敷在外管灯泡(发光管)上的荧光体将受到放电激励的汞放出的紫外线变换成可见光的光源起作用的。在该汞放出的紫外线中，特别是波长为253.7nm的明线由荧光体变换到可见光的效率也很高。即，荧光灯的效率由253.7nm的紫外明线的放射效率决定。荧光灯中的该效率，由灯泡内的汞的原子密度，换句话说由蒸气压所决定，当约为6mTorr(约798mPa)时效率最高。这与汞液滴在摄氏40℃前后的饱和蒸气压相当。因此，为了设计高效率的荧光灯，希望外管灯泡的至少温度最低的地方(以下称为最冷点)的温度在40℃附近。这是因为过剩的汞蒸气在最冷点成为液滴。

可是通常，在以代替白炽灯泡为目的的灯泡形荧光灯中，若与直管荧光灯等比较，相对于投入到灯泡中的功率来说灯泡的尺寸过小。因此工作时发光管的温度升高，要在摄氏40℃附近从原理上来说是困难的。即，与直管荧光灯等比较，灯泡形荧光灯因为每单位表面积的功率大，所以不能够充分进行从灯泡表面的散热，使发光管的温度升高。

作为对付现有技术的课题的对策，例如有日本特开平11-31476号专利公报中揭示的那种使用汞合金的方法。它是通过由汞合金吸附工作时由于温度上升产生的比最佳值过剩的汞蒸气，将工作时的汞蒸气压控制在最佳值附近的方法，从而可以使用具有汞蒸气压控制功能的Bi-In系和Bi-Pb-Sn系等的汞合金。

另外，作为别的对策方法，如日本特开2001-325920号专利公报中揭示的那样，在发光管温度最低的部分设置向发光管的外侧隆起的部分，局部增加散热，由此，使该部分温度为在摄氏40℃附近的方法。

但是，在使用汞合金的方法中，因为当从灯温度低的熄灯状态点亮灯时，使汞合金的温度上升再次放出吸附的汞需要时间，所以存在着从点亮后到灯得到充分亮度的亮度上升过程，需要数分钟以上的时间那样的课题。

另外，在为了改进亮度的上升，不使用汞合金而是将汞液滴封入发光管内，在发光管的外壁上设置隆起部分的方法中，虽然具有将最冷点的温度控制在摄氏40℃附近的效果，但是对于隆起部分的玻璃强度总是有某种程度的减弱而变得容易破碎。进一步，因为白炽灯泡不存在这种隆起部分，所以当代替白炽灯泡使用时，存在着从审美的观点来看不能令人满意的课题。

本发明就是鉴于这些问题提出的，本发明的主要目的是提供用与已有技术不同的方法将最冷点的温度控制在适当的范围内的灯泡形无电极放电灯和无电极放电灯点亮装置。

发明内容

与本发明有关的第1灯泡形无电极放电灯具有：封入含有汞和稀有气体的放电气体的发光管、设置在上述发光管的附近的感应线圈、向上述感应线圈供给高频功率的点亮电路、和与上述点亮电路电连接的灯口，使上述发光管、上述感应线圈、上述点亮电路、和上述灯口一体地构成，上述发光管具有大致球形状或大致旋转椭圆形状，在上述发光管中的上述点亮电路一侧，设置插入上述感应线圈的凹入单元，上述凹入单元在上述点亮电路一侧具有开口单元，其横截面为大致圆形的筒形状，并且，在上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位具有抑制上述放电气体对流的功能，上述发光管的最大直径为大于等于60mm小于等于90mm，稳定点亮时的上述发光管的管壁负荷为大于等于0.07W/cm²小于等于0.11W/cm²，而且，使上述凹入单元中的上述开口单元的端面作为基准的上述发光管的高度(h)与上述发光管的上述最大直径(D)之比(h/D)大于等于1.0小于等于1.3，当令上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的上述凹入单元的顶面和与上述凹入单元的上述顶面对置的上述发光管的顶部的间隔为Δh，上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]的关系。

在某个实施方式中，上述直径Dc和上述间隔Δh满足

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]的关系。

优选上述发光管的上述最大直径为大于等于65mm而小于等于80mm，又优选在成为上述发光管的最冷点的上述顶部或其附近不设置隆起部分。

在某个实施方式中，上述感应线圈由铁心和卷绕在该铁心上的线圈构成，在上述铁心上卷绕了上述线圈的部分的、长方向的中心部位位于从上述发光管的上述最大直径存在的平面，向上述点亮电路一侧只离开大于等于8mm小于等于20mm的距离的范围内。

与本发明有关的第2灯泡形无电极放电灯具有封入含有汞和稀有气体的放电气体的发光管、设置在上述发光管的附近的感应线圈、向上述感应线圈供给高频功率的点亮电路、和与上述点亮电路电连接的灯口，使上述发光管、上述感应线圈、上述点亮电路、和上述灯口一体地构成，上述发光管具有大致球形状或大致旋转椭圆形状，在上述发光管中的上述点亮电路一侧，设置插入上述感应线圈的凹入单元，上述凹入单元在上述点亮电路一侧具有开口单元，其横截面为大致圆形的筒形状，并且，在上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位具有抑制上述放电气体对流的功能，上述发光管的最大直径为大于等于55mm小于等于75mm，稳定点亮时的上述发光管的管壁负荷为大于等于0.05W/cm²不到0.07W/cm²，而且，使上述凹入单元中的上述开口单元的端面作为基准的上述发光管的高度(h)与上述发光管的上述最大直径(D)之比(h/D)大于等于1.0小于等于1.3，当令上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的上述凹入单元的顶面和与上述凹入单元的上述顶面对置的上述发光管的顶部的间隔为Δh，上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足Δh≤1.92×Dc-22.4[mm]的关系。

在某个实施方式中，上述直径Dc和上述间隔Δh满足

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]的关系。

优选上述发光管的上述最大直径为大于等于60mm而小于等于70mm。

在某个实施方式中，上述感应线圈由铁心和卷绕在该铁心上的线圈构成，在上述铁心上卷绕了上述线圈的部分的、长方向的中心部位实质上位于上述发光管的上述最大直径存在的平面上。

在某个实施方式中，上述汞不是以汞合金的形态，而是以汞元素的形态封入上述发光管的。

在某个实施方式中，上述稀有气体的封入压力大于等于60Pa小于等于300Pa。

在某个实施方式中，在上述发光管的内表面上形成荧光体层。

与本发明有关的第1灯泡形无电极放电灯点亮装置具有：封入含有汞和稀有气体的放电气体并具有凹入单元的发光管、插入到上述凹入单元的感应线圈、和向上述感应线圈供给高频功率的点亮电路，上述发光管具有大致球形状或大致旋转椭圆形状，上述凹入单元在上述点亮电路一侧具有开口单元，其横截面为大致圆形的筒形状，上述发光管的最大直径为大于等于60mm小于等于90mm，稳定点亮时的上述发光管的管壁负荷为大于等于0.07W/cm²小于等于0.11W/cm²，而且，使以上述凹入单元中的上述开口单元的端面作为基准的上述发光管的高度(h)与上述发光管的上述最大直径(D)之比(h/D)大于等于1.0小于等于1.3，当令上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的上述凹入单元的顶面和与上述凹入单元的上述顶面对置的上述发光管的顶部的间隔为Δh，与上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]的关系。

与本发明有关的第2灯泡形无电极放电灯点亮装置具有：封入含有汞和稀有气体的放电气体并具有凹入单元的发光管、插入到上述凹入单元的感应线圈、和向上述感应线圈供给高频功率的点亮电路，上述发光管具有大致球形状或大致旋转椭圆形状，上述凹入单元在上述点亮电路一侧具有开口单元，具有横截面为大致圆形的筒形状的大致圆筒形状，上述发光管的最大直径为大于等于55mm小于等于75mm，稳定点亮时的上述发光管的管壁负荷为大于等于0.05W/cm²不到0.07W/cm²，而且，使上述凹入单元中的上述开口单元的端面作为基准的上述发光管的高度(h)与上述发光管的上述最大直径(D)之比(h/D)大于等于1.0小于等于1.3，当令上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的上述凹入单元的顶面和与上述凹入单元的上述顶面对置的上述发光管的顶部的间隔为Δh，上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足Δh≤1.92×Dc-22.4[mm]的关系。

在某个实施方式中，上述凹入单元中位于与上述开口单元相反一侧的部位的直径Dc比上述凹入单元中位于上述感应线圈的长方向中大致中央部分的部位的直径大。

附图说明

图1是根据本发明的一个优先实施方式的无电极荧光灯的模式图。

图2是表示无电极放电灯内部中的放电气体对流的情况的模式图。

图3是表示无电极放电灯的最冷点温度和总光通量的关系的曲线图。

图4是表示无电极放电灯中的Δh与最冷点温度的关系的曲线图。

图5是表示无电极放电灯中的Δh与凹入单元的轮廓影子的对比度的关系的曲线图。

图6是表示根据本发明的Δh与Dc的高瓦数型无电极放电灯的适宜范围的曲线图。

图7是表示根据本发明的Δh与Dc的低瓦数型无电极放电灯的适宜范围的曲线图。

图8是表示根据本发明的一个优先实施方式的无电极荧光灯的模式图。

图9是表示高瓦数型无电极放电灯中的激励线圈卷绕中心位置和发光管最大直径位置之差ΔC与光通量的关系的曲线图。

图10是表示低瓦数型无电极放电灯中的激励线圈卷绕中心位置和发光管最大直径位置之差ΔC与光通量的关系的曲线图。

图11是表示根据计算机模拟的发光管内的气体流动的模式图。

图12是表示众所周知的无电极荧光灯的一个例子的图。

图13是表示众所周知的无电极荧光灯的其它例子的图。

图14是表示根据本发明的优先实施方式的改变方式的无电极荧光灯的模式图。

具体实施方式

本专利发明者经过许多次的重复实验，找到了不使用汞合金，并且对灯的外观没有影响，能够将最冷点的温度控制在适当的范围内的灯内部的构造物尺寸的最佳范围。

这里，一面参照图2，一面说明如何决定稳定点亮时的发光管的最冷点的温度。图2表示无电极荧光灯在“灯座(高频电源电路203和灯口202)在上”的状态中点亮的情况(以后称为灯座在上点亮)。白炽灯泡通常是在这种灯座在上点亮的状态中使用的。在图2中发光管101具有与JIS C 7710-1988中定义的A型形状的白炽灯泡近似的大致旋转椭圆体形状，由光透过性玻璃，例如碱石灰玻璃形成。凹入单元102具有用与发光管101相同材质形成的大致圆筒形状，在它的开口端103与发光管101熔接。发光管101在从排气管104暂时排气到真空后，当室温时以从60Pa到100Pa的压力作为放电气体封入少量的液状汞(图中未画出)和稀有气体，例如Kr(图中未画出)。此外，这里汞最初是通过没有汞蒸气压控制功能的Zn-Hg而进入发光管101的，但是通过高温从Zn-Hg放出的汞不会再次被Zn-Hg吸附，在暂时开始使用了的无电极荧光灯中，作为汞元素的形态封入。即，即便汞供给源是Zn-Hg，实质上也是作为汞元素的形态封入的。为了防止由于碱石灰玻璃中含有的钠与汞的反应而变黑，在发光管101的内壁面上，涂敷铝保护膜(图中未画出)，在它上面再涂敷荧光体膜(荧光体层)110。另外，在凹入单元102的发光管101一侧的面上，涂敷由铝构成的可见光反射膜(图中未画出)，进一步在它上面涂敷荧光体膜(荧光体层)110。

在凹入单元102的内侧，在由Mn-Zn系的软磁性铁氧体构成的磁芯(铁心)106上，螺线管状地卷绕经绝缘涂敷的铜的绞线(编织线)构成的激励线圈105。激励线圈105的两端线107与配设在由电绝缘性的树脂材料构成的罩子201的内部的高频电源电路(点亮电路)203连接。

通过高频电源电路203，将通过能够从通常的白炽灯泡用灯座直接馈电的灯口202供给的商用电源功率，变换成频率约为400kHz的高频电流，投入到激励线圈105。通过将该高频电流给予激励线圈105，在发光管101内部产生感应电场(图中未画出)。在该感应电场中，加速放电气体中的电子，与稀有气体和汞的原子碰撞，反复进行激励和电离，产生持续放电，如图2所示地产生等离子体。

这里，高频电源电路203加在激励线圈105上的高频电压的频率约为400kHz，但是与实用上一般使用的ISM频带的13.56MHz或数MHz比较，这是低频率。其理由是因为首先，当在13.56MHz或数MHz那样的比较高的频率区域中进行工作时，用于抑制从高频电源电路203产生的线路噪声的噪声滤波器变得大型了，高频电源电路203的体积变大。另外，当从灯放射或传播的噪声为高频噪声时，因为通过法令对于高频噪声设置了非常严厉的限制，所以为了克服这种限制需要设置高价的屏蔽才能使用，成为使成本下降的极大障碍。另一方面，这是由于当在40kHz～1MHz左右的频率区域中进行工作时，因为作为构成高频电源电路203的部件，能够使用作为一般电子设备用的电子部件使用的廉价的通用品，并且可以使用尺寸小的部件，所以能够达到降低成本和实现小型化的目的，其优点很大的缘故。但是，在本构成中不限于400kHz，也能够在40kHz～1MHz范围中的不同频率区域和在13.56MHz或数MHz那样的比较高的频率区域中进行工作。

在图2中，在发光管101内部温度最高的部分一般是将来自激励线圈105的感应电场的能量以放电气体中焦尔加热的形式消耗的等离子体部分。在该等离子体部分中产生的热从发光管101外表面放出到外部气体。从而，在发光管101中离开等离子体部分最远并且与外部气体相接的部分，即发光管101的顶部成为最冷点。当稳定点亮时，通过产生的热量与释放到外部气体的热量之间的平衡，决定最冷点的温度。此外，所谓的稳定点亮时指的是点亮后经过充分的时间(通常从数分钟到数十分钟)，来自等离子体部分、激励线圈105和高频电源电路203的发热和由于外部气体的冷却达到平衡状态，发光管101的温度分布一定，由此决定的蒸气压的汞对发光作出贡献的状态。

其次，说明在这样构成的无电极荧光灯中，最冷点温度对灯效率给予什么样的影响。图3是实际制作图2所示的无电极荧光灯，使周围的环境温度变化并强制地控制最冷点温度，进行测定这时的灯的总光通量的实验的结果。在图3中横轴是最冷点温度(℃)，纵轴是总光通量(lm)。另外，本实验中用的无电极荧光灯具有图2所示的构造，发光管101的最大直径(D)为75mm，从凹入单元102的开口端103测定的发光管101的高度(h)为90mm，在发光管101的内部当室温时以80Pa的压力封入微量的汞液滴和Kr气。发光管101的最大直径处于与发光管101的旋转对称轴正交的平面内，在发光管101的外壁一侧。凹入单元102的直径(外径)为21mm，从凹入单元102的开口端103到测得的凹入单元102的顶上部的高度为58mm。因为发光管101和凹入单元102的厚度约为0.8mm很小，所以各直径和高度也可以将厚度作为误差从而忽略不计，用内径部分等测定直径和高度，也可以严格地换算到厚度程度算出直径和高度的值。此外，凹入单元102，因为是大致圆筒形状的，所以即便在凹入方向的任何地方都具有大致相同的直径，凹入单元102的开口单元和位于相反侧的部位的直径也为21mm。又通过灯口202投入的功率为20W，实际投入到考虑了高频电源电路203中的损耗的发光管101的功率约为18W。在这种条件点亮时的发光管101中的每单位面积的功率，即稳定点亮时的管壁负荷约为0.074W/cm²。此外，对于计算管壁负荷，严格地说需要将发光管101的等离子体中消耗的功率除以发光管101的内表面积。但是，现实中正确地测定等离子体中的消耗功率一般是困难的。因此，这里将可以正确测定的、从高频电源电路203投入到激励线圈105的功率除以发光管101的内表面积算出的值称为管壁负荷。

如从图3可以看到的那样，最冷点在40℃附近，无电极荧光灯的发光效率最高，并随着最冷点温度的上升而急剧降低。在该实验中用的灯内，在常温即环境温度25℃中的最冷点温度为47.2℃，总光通量为1380lm，成为比最冷点温度为40℃的总光通量的最高值低6％以上的值。如果能够使最冷点温度至少在46℃以下，则可以将总光通量的降低抑制在最高值的约5％以内。因此，本专利发明者回到决定最冷点温度的机理上，研讨抑制最冷点温度的方法。

在考虑上述机理方面重要的是在发光管101内热是如何移动的，但是因为在本实验中用的发光管101内的压力为80Pa而很小，所以可以认为至今发光管101内部的热的移动基本上是通过热传导。即，与以液晶投影仪用的高压汞灯为代表的高亮度放电灯不同，因为在荧光灯内那样的低压放电等离子体中放电气体的压力为1个大气压的数百分之一非常低，所以一直以来都忽视在荧光灯的发光管内的、作为热逸散机构的对流。这里，本专利发明者着眼于从未考虑为对热移动有贡献的对流。

当试着考虑上述荧光灯的发光管101内的对流时，首先，发光管101内的放电气体在等离子体部分被加热，上升到罩子201一侧。另一方面在发光管101的管壁的、与外部气体相接的区域中，因为通过向外部气体的热传导使放电气体冷却，所以放电气体从罩子201一侧下降到发光管101的顶部。结果，可以认为在稳定点亮中在发光管101内存在如图2中的箭头那样的对流。从而，因为在等离子体部分中产生的热不仅通过来自放电气体的热传导而且也通过对流被移送出去，所以来自这种等离子体部分的热的移送路径变得最长，并且，与外部气体相接的部分，即发光管101的顶部应该成为最冷点。当稳定点亮时，能够考虑通过向最冷点的热传导和对流被移送出去的热量与从发光管101外表面释放到外部气体的热量之间的平衡，决定最冷点的温度。

此外，在图2中说明了灯座在上点亮时的情形，但是当反向点亮时，即罩子201在下面那样地点亮时，虽然对流的方向相反，但是远离作为热源的等离子体部分并且与外部气体相接的发光管101的顶部依然与灯座在上点亮时同样地成为最冷点。到最冷点的热的移送路径也是同样的。

这里本专利发明者想到是否可以用某种方法，妨碍从作为发光管101中的最高温度部分的等离子体部分到最冷点的对流，从而控制最冷点的温度。

为了确认上述构想使用热流体模拟技术，计算稳定点亮时的发光管101内的放电气体的运动。结果，如在图2的凹入单元102顶上附近模式地表示的那样，看到在凹入单元102顶上附近放电气体的流动发生很大的混乱。从该结果，想到是否可以通过使凹入单元102接近最冷点，妨碍由从等离子体部分到最冷点的对流引起的热移送，从而控制最冷点的温度上升。

因此，使发光管101的大小一定，试作多个凹入单元102的长度不同的无电极荧光灯，反复进行调查最冷点的温度与凹入单元102的顶上和发光管101的顶部的间隔Δh的相关关系的实验。

其如图4所示，在图4中，横轴表示Δh，纵轴表示最冷点温度。在2条线中，实线表示的是凹入单元102的直径(顶面附近部分)为21mm情形的数据，虚线表示的是凹入单元102的直径为25.4mm情形的数据。如从图4可以看到的那样，Δh越小，即凹入单元102的顶上部和发光管101的顶部的间隔越窄，最冷点的温度下降得越多，另外，看到当凹入单元102的直径(顶面附近部分)越大时这种效果更加显著。即，可以说凹入单元102的顶面附近部分(位于与开口单元相反一侧的部分)具有抑制放电气体对流的功能。

此外，说明在实验中，凹入单元102的直径取为21mm和25.4mm这样2种的理由。凹入单元102在它内侧收容着激励线圈105和磁芯106，进一步将排气管104配置在它的内侧，但是在图2所示的无电极荧光灯中，因为当灯起动时不存在等离子体，所以为了开始放电，在上述激励线圈105中流过稳定点亮时的10倍以上的电流。当这种大电流流过激励线圈105时，在磁芯106的、与激励线圈105的卷绕面平行的截面积不充分地大的情形中，因为发生由于在磁芯106内产生过大的激励磁场引起的饱和现象，所以失去作为磁芯的功能。结果，在发光管101内不能够产生充分的感应电场，不能够使灯点亮。因此，自然对凹入单元102的直径产生下限。另外，相反地当凹入单元102的直径过大时，点亮时等离子体存在的空间，即凹入单元102和发光管101的外壁之间的间隔变小。结果，在该部分中的等离子体的两极性扩散损耗增大，要维持稳定放电是困难的。从这些理由出发，当考虑将代替通常的白炽灯泡作为目的的无电极荧光灯的尺寸和消耗功率时，可以考虑实际上可以使用的凹入单元102的直径在从21mm到25.4mm的范围中及其附近。此外，作为磁性106也可以用软磁性铁氧体以外的材质，例如叠层的薄硅钢板和粉铁芯，这时也可以使凹入单元102的直径小于等于21mm。

从图4可见，当表现最冷点温度在小于等于46℃的区域中的Dc和Δh的关系时，根据图6的虚线所示的关系成为下侧的区域，其公式表示为

Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]

得到优选满足该公式的关系的结论。

此外，因为发光管101全体的温度大致由发光管101的每单位面积的投入功率，即管壁负荷决定，所以当设计以代替白炽灯泡作为目的的无电极荧光灯时管壁负荷大，一般具有这里研讨的课题。另外，因为具有这种Dc和Δh的关系，所以也可以在最冷点，即发光管101的顶部或其附近不设置用于冷却的隆起部分，从而，不会产生从由设置隆起部分引起的强度降低和审美观点出发的不合适的情形。

如至此说明了的那样，为了抑制最冷点的温度，如果Δh小，Dc大，则能够得到更大的效果。但是，当为了得到更大的效果使Δh不断减少，或使Dc不断增大时，在发光管101的顶部，最冷点的附近，产生凹入单元102的轮廓的影子那样的新课题。这是由于当从最冷点的附近看时如果Δh减少，或如果Dc增大，则从等离子体部分放射的紫外线被凹入单元102的顶上部遮挡的比例增大而产生的效果。

本专利发明者为了调查能够将该影响阻止在最小限度内的Δh和Dc的关系，使用Δh和Dc不同的多个无电极荧光灯，分别测定发光管101的侧面的最明亮部分和最冷点附近的影子生成的部分的亮度，进行调查影子的强度和Δh、Dc的关系的实验。令发光管101的侧面的亮度为Ss，成为发光管101顶部的影子的部分的亮度为St，该亮度的对比度定义为

C＝(Ss-St)/(Ss+St)

调查Δh和对比度关系为图5所示。在图5中，横轴是Δh，纵轴是上式定义的对比度，表示出对比度的值越大，发光管101的侧面和顶部的亮度之差越大，即影子越显著。实线所示的是Dc为21mm时的结果，虚线所示的是Dc为25.4mm时的结果。如图5所示，看到Δh越小，或Dc越大，对比度越大，轮廓影子的影响变得越显著。

这里，进行对比度达到何种程度时产生不协调感的主观评价实验，得到当对比度的值为0.7左右时，被试验者8人中有2人感到不协调感那样的结果。

在对比度的值为小于等于0.7的区域中，表现Δh和Dc的关系，是图6的实线所示的关系，在该线上面的区域中，可以说能够将凹入单元102的轮廓影子的影响抑制到最小限度。当用公式表现该区域时，得到下列关系。

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]

从上述可见，如果为了成为图6的虚线和实线包围的区域内的关系而设计Δh和Dc，则一面能够使外观上凹入单元102的轮廓影子的影响达到最小限度，一面能够将最冷点温度抑制在小于等于46℃并得到适宜的灯效率。

此外，抑制该轮廓影子的影响具有何等程度的重要性，也与实际使用无电极荧光灯时的使用方式有关。例如，在开口单元中具有扩散板那样的容器内的使用，或设置在比人的视线低的位置上的情形中，轮廓影子的影响就不那么重要。因此，使凹入单元102的轮廓影子的影响达到最小限度的条件不一定是必须的。

另外，图12所示的美国专利第5291091号专利公报中的无电极荧光灯和图13所示的美国专利第5825130号专利公报中的无电极荧光灯那样的已有的众所周知的无电极荧光灯不具有满足上述2个公式的形状。

其次，本专利发明者为了进一步提高发光效率而着眼于等离子体的发生位置。即，如果发生等离子体的中心部分过分接近罩子201，则在发光管101的管壁上的两极性扩散增强，为了维持等离子体而使消费功率增加，效率降低。或相反地，当发生等离子体的中心部分过分接近最冷点时，与凹入单元102产生的对流抑制效果相互抵消，使最冷点的温度上升，仍然使效率降低。推定当发生等离子体的中心部分大致与卷绕在磁芯106的激励线圈105的部分的长方向的中心部分对应，推定该部分与成为发光管101的最大直径的部分一致时，由管壁上的两极性扩散引起的损耗最少。

图11是表示对发光管101内部的气体流动进行计算机模拟，发光管101纵截面中的一半的图。由箭头表示气体的流动。激励线圈105的卷绕长方向的中心部112和发光管101的最大直径部分114的距离ΔC[mm]从最大直径部分114向灯座一侧取为负。在该图中ΔC＝-8[mm]。如从图11可以看到的那样，气体的流动处于凹入单元102和发光管101的中间并且形成将与发光管101的最大直径部分114相接的地方作为中心的旋涡。该流动沿着凹入单元102向着罩子201进行，在罩子201与发光管101重叠的边上从凹入单元102向着发光管101的内壁一侧进行，从那里沿着发光管101的内壁向着发光管101顶部(最冷点)进行。而且，在与凹入单元102的顶上对应的边上从发光管101的内壁向着凹入单元102进行，再次沿凹入单元102向着罩子201一侧进行。

这里，看到在图11中，为了满足Dc和Δh的关系

Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]

可知气体的流动不进入凹入单元102的顶上部分和发光管101的顶部之间的区域116。即，可知高温气体的流动不达到最冷点，起到由凹入单元102进行对流控制的作用。

上述模拟涉及气体的流动，但是除此以外，为了按照上述推定调查发光效率最高的等离子体发生位置，对激励线圈105的到磁芯106上的卷绕位置实施种种变更，进行实验。结果，激励线圈105的卷绕长方向的中心部分112和发光管101的最大直径部分114的距离ΔC与灯的总光通量的关系如图9所示。如从该图可以看到的那样，当ΔC为-8～-30mm时实用上没有问题的发光效率是优选的。当ΔC为-12～-16mm时因为发光效率更高所以更优选，当ΔC为-14mm时因为光通量成为最大，发光效率达到最高所以最优选。这里，与上述推定不同，当ΔC为0mm时光通量不成为最大，其理由是通过使ΔC比-14mm大，激励线圈的卷绕位置中心接近最冷点，高温气体接近最冷点，但是因为管壁负荷大，所以使最冷点温度上升，效率下降。即因为考虑了已有技术没有考虑的激励线圈105的到磁芯106上的卷绕位置和Dc与Δh的关系两者，为了得到最佳效率而进行设定，所以激励线圈105的到磁芯106上的卷绕位置从发光管101的最大直径部分114向负方向一侧偏移。

至此说明的无电极荧光灯是与100W的白炽灯泡相当的称为所谓的高瓦数型无电极荧光灯。但是与60W的自炽灯泡相当的称为所谓的低瓦数型无电极荧光灯，因为尺寸和管壁负荷与高瓦数型无电极荧光灯不同，所以关于Dc和Δh的关系要进行另外的研讨。下面，说明低瓦数型无电极荧光灯。

低瓦数型无电极荧光灯的形状也与高瓦数型无电极荧光灯大致相同具有图2所示的形状。发光管101的最大直径(D)为65mm，从凹入单元102的开口端103测定的发光管101的高度(h)为72mm，在发光管101的内部当室温时以80Pa的压力封入微量的汞液滴和Kr气。凹入单元102的直径(表示与等离子体部分相接的外直径)为21mm，从凹入单元102的开口端103到测得的凹入单元102的顶上部的高度为58mm。通过灯口202投入的功率为12W，实际投入到考虑了高频电源电路203中的损耗的发光管101的功率为11W。在这种条件下点亮时的发光管101中的每单位面积的功率，即稳定点亮时的管壁负荷约为0.06W/cm²。

与高瓦数型相同，在低瓦数型中，也进行调查最冷点温度和在发光管101顶部的凹入单元102的轮廓影子的影响与Δh和Dc的关系的实验。结果，得到的优选的Δh和Dc的范围是图7的2条直线夹着区域。因为图7的详细说明与图6相同，所以就省略了。从该图得到的优选的Δh和Dc的关系的公式表示为

Δh≤1.92×Dc-22.4[mm]

和

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]

另外，对激励线圈105的到磁芯106上的卷绕位置实施种种变更，进行实验。结果，激励线圈105的卷绕长方向的中心部分112和发光管101的最大直径部分114的距离ΔC与灯的总光通量的关系如图10所示。如从该图可以看到的那样，当ΔC大致为0mm时光通量成为最大，发光效率达到最高而为优选。此外，在低瓦数型中，与高瓦数型不同，因为管壁负荷小，所以如上述推定那样，当ΔC＝0mm时光通量成为最大。

下面，更详细的说明与消耗功率100W的白炽灯泡相当的无电极荧光灯和与消耗功率60W相当的无电极荧光灯的构成。此外，本发明不限定于这些例子。

<与100W用白炽灯泡相当的无电极荧光灯>

图1表示采用上述的研讨结果的、与本发明有关的无电极荧光灯的一个优先实施方式的例子。在与图2中说明的构成相同的构成要素上附加相同的标号，并省略对它们的说明。

在图1中，使由发光管101、激励线圈105和磁心106构成的感应线圈、高频电源电路(点亮电路)203和灯口202构成一体。发光管101具有大致球形状或大致旋转椭圆形状，在发光管101中的高频电源电路203一侧，设置插入感应线圈的凹入单元102，该凹入单元102具有在高频电源电路203一侧具有开口单元的大致圆筒形状，并且，在该凹入单元102中位于与开口单元相反一侧的部位(顶上部分)具有抑制放电气体对流的功能。另外，在磁心106内，配置金属制的，优选是热传导率高的铜或铝制的散热管108，散热管108与同样由铜或铝制的散热部件109连接。通过它们，使点亮中的磁心106和激励线圈105保持在低的温度。通过能够与通常的白炽灯泡用灯座直接连接的灯口202供给的商用电源功率，由高频电源电路203变换成频率为400kHz的高频电流，从激励线圈105的两端线107投入到激励线圈105。另外，为了减少散热部件109中发生的涡电流，在散热部件109和磁芯106的图中的最上部之间设置空间。通过灯口202整个灯泡中消耗的功率为20W，这作为用于代替消耗功率100W的白炽灯泡的灯泡型荧光灯是令人满意的。考虑到这时的高频电源电路203中的损耗的发光管101中的管壁负荷的值约为0.085W/cm²。

在本例中，发光管101的最大直径(D)为70mm，从凹入单元102的开口端103测定的发光管101的高度(h)为80mm，凹入单元102的直径Dc为23mm，Δh为15mm，该构成是在前面说明的图6的2条直线之间的区域中。即，满足

Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]

和

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]的关系，一面能够最大限度地抑制凹入单元102的轮廓影子的影响，一面可以将最冷点温度抑制到46℃以下。此外，凹入单元102因为是大致圆筒形状的，所以即便在凹入方向的任何地方都具有大致相同的直径，位于凹入单元102的开口单元相反侧的部位的直径也为23mm。另外，磁芯106上的卷绕激励线圈105的部分的、在长方向的中心部分和发光管101的最大直径部分的距离ΔC为-14mm±2mm，更优选为-14mm±1mm，取最冷点温度控制和等离子体的电阻之间的平衡使发光效率增大。

在本例中，通过保持与100W相当的白炽灯泡近似的形状和尺寸不变，使凹入单元102的直径Dc与凹入单元102的顶面和与它对置的发光管101的顶部的间隔Δh具有一定的关系，能够控制无电极荧光灯的最冷点的温度，即便不用汞合金也能够提高发光效率。另外，因为使激励线圈105的卷绕长方向的中心部分处于离开发光管101的最大直径部分一定距离范围内，所以能够提高发光效率。即，在以代替白炽灯泡为目的的本发明实施方式的灯泡形无电极放电灯中，通过使凹入单元的直径与凹入单元顶上和发光管顶部的距离具有一定的关系，可以不损失与白炽灯泡近似的外观、尺寸地控制最冷点的温度。因此，能够制成不需要使用汞合金，提高亮度和灯效率两者同时成立的灯泡形无电极放电灯。

<与60W用白炽灯泡相当的无电极荧光灯>

图8表示与本发明有关的又一个优先实施方式的例子。在图8中，使由发光管101、激励线圈105和磁心106构成的感应线圈、高频电源电路(点亮电路)203和灯口202构成一体。发光管101具有大致球形状或大致旋转椭圆形状，在发光管101中的高频电源电路203一侧，设置插入感应线圈的凹入单元102，该凹入单元102具有在高频电源电路203一侧具有开口单元的大致圆筒形状，并且，在凹入单元102中位于与开口单元相反一侧的部位(顶上部分)具有抑制放电气体对流的功能，是作为与消耗功率60W的白炽灯泡相当的灯泡型荧光灯的令人满意的构成的实施方式的例子。在该例子中，为了更适合于消耗功率小的灯，发光管101的最大直径(D)为65mm，或从凹入单元102的开口端103测定的发光管101的高度(h)也为72mm，实现灯的小型化。或通过灯口202供给整个灯泡的消耗功率为11W，考虑了这时的高频电源电路203中的损耗的发光管101中的管壁负荷约为0.06W/cm²。另外，因为消耗功率变小，所以不使用金属制的散热管108和散热部件109。但是，在小型灯具内使用等，根据使用条件温度可能上升的情形中，当然也可以使用这些部件。

在本实施方式中，凹入单元102的直径Dc为21mm，Δh为12mm，该构成是在图7的2条直线之间的区域中。即，满足

Δh≤1.92×Dc-22.4[mm]

和

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]的关系，一面能够最大限度地抑制凹入单元102的轮廓影子的影响，一面可以将最冷点温度抑制到45℃以下。另外，关于磁芯106上的卷绕激励线圈105的卷绕部分的长方向的中心部分和发光管101的最大直径部分的距离ΔC为0mm±2mm，更优选为0mm±1mm，即，因为与100W用的比较，管壁负荷小，所以在等离子体的电阻成为最小的ΔC＝0mm中，也能够适当地控制最冷点温度，使发光效率增大。

在本例中，通过保持与60W相当的白炽灯泡近似的形状和尺寸不变，使凹入单元102的直径Dc与凹入单元102的顶面和与它对置的发光管101的顶部的间隔Δh具有一定的关系，与实施方式1同样能够控制无电极荧光灯的最冷点温度，即便不用汞合金也能够提高发光效率。另外，因为使激励线圈105的卷绕长方向的中心部分实质上与发光管101的最大直径部分一致，所以能够提高发光效率。即，在以代替与60W相当的白炽灯泡为目的的本实施方式的灯泡形无电极放电灯中，通过使凹入单元的直径与凹入单元顶上和发光管顶部的距离具有一定的关系，能够不损失与白炽灯泡近似的外观、尺寸地控制最冷点的温度。因此，能够制成不需要使用汞合金，提高亮度和灯效率两者同时成立的灯泡形无电极放电灯。

<改变的方式>

图14表示与本发明有关的又一个优先实施方式的例子。在本方式中，凹入单元102是通过组合2种直径的圆筒形成的。在凹入单元102中，位于与开口单元相反一侧的部位，即凹入单元102的顶面部分122的直径Dc比激励线圈105所处的部分的直径大。通过这样的构成，能够使激励线圈105的长方向中央部分130中的凹入单元121和发光管101内壁的距离充分地大，可以减少由两极性扩散引起的等离子体损耗，并且为了抑制放电气体的对流能够确保顶面部分122的直径Dc充分大。

此外，在至此所述的例子中，记述了在发光管101的内面上涂敷荧光体膜的情形(图中未画出)，但是不涂敷荧光体膜，或使用透过紫外线的材质，例如适当纯度的熔融石英和氟化镁制作发光管，即便作为直接利用来自汞的紫外线那样的无电极灯，也可以控制最冷点温度使紫外线的强度最佳化。

另外，在至此所述的实施方式中，说明了灯本体和高频电源电路203成为一体的情形，但是也同样可以实施使高频电源电路203作为别的物体与灯本体分离地进行设置的方式。

进一步，也可以通过在凹入单元102的顶上部分上涂敷由铝等构成的可见光反射膜和荧光体膜或它们两者，减轻发光管101顶部的凹入单元102的轮廓影子的影响。

另外，在图1和图8中，在凹入单元102的顶上，记载着角具有四角形状，但是不一定需要具有锐利的角。也可以角是圆的或者形成倾斜的顶上部。

进一步，在至此所述的实施方式的例子中，说明了在凹入单元102的内部插入激励线圈105的方式，但是即便在使驱动频率更高，例如使用13.56MHz，将激励线圈105卷绕在发光管101的外侧那样的构成中，同样对凹入单元102的最冷点温度施加影响，能够得到同样的效果。另外，即便在将激励线圈105插入到凹入单元102内的方式中，当驱动频率高，例如使用13.56MHz时，也不一定需要磁芯106。另外，为了能够抑制由激励线圈105生成的高频磁场在金属制的散热部件109内产生的涡电流损耗，将由电传导性低的磁性体，优选是Mn-Zn系或Ni-Zn系的软磁性铁氧体构成的圆板配置在与散热部件109和发光管101的图中最上部之间。

这样，根据本发明，能够提供用与已有技术不同的方法将最冷点的温度控制在适当范围内的灯泡形无电极放电灯和无电极放电灯点亮装置。

产业上利用的可能性

本发明对于提高无电极放电灯点亮装置的发光效率是有用的，特别适合于灯泡形无电极放电灯。

Claims (11)

1.一种灯泡形无电极放电灯，其特征在于：具有

含有不是以汞合金的形态、而是以汞元素的形态封入的汞和稀有气体的放电气体的发光管；

设置在所述发光管的附近的感应线圈；

向所述感应线圈供给高频功率的点亮电路；和

与所述点亮电路电连接的灯口，

使所述发光管、所述感应线圈、所述点亮电路、和所述灯口一体地构成，

所述发光管具有球形状或旋转椭圆形状，

在所述发光管中的所述点亮电路一侧，设置插入所述感应线圈的凹入单元，

所述凹入单元在所述点亮电路一侧具有开口单元，其横截面为圆形的筒形状，并且，在所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位具有抑制所述放电气体对流的功能，

所述发光管的最大直径为大于等于60mm小于等于90mm，

稳定点亮时的所述发光管的管壁负荷为大于等于0.07W/cm²小于等于0.11W/cm²，而且，

使以所述凹入单元中的所述开口单元的端面作为基准的所述发光管的高度h与所述发光管的所述最大直径D之比h/D大于等于1.0小于等于1.3，

当令所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的所述凹入单元的顶面和与所述凹入单元的所述顶面对置的所述发光管的顶部的间隔为Δh，所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足

Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]的关系，

所述感应线圈由铁心和卷绕在该铁心上的线圈构成，

在所述铁心上卷绕了所述线圈的部分的、在长方向的中心部位位于从所述发光管的所述最大直径存在的平面，向所述点亮电路一侧只离开大于等于8mm小于等于20mm的距离的范围内。

2.根据权利要求1所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：所述直径Dc和所述间隔Δh满足

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]的关系。

3.根据权利要求1或2所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：所述发光管的所述最大直径为大于等于65mm小于等于80mm。

4.一种灯泡形无电极放电灯，其特征在于：具有

含有不是以汞合金的形态、而是以汞元素的形态封入的汞和稀有气体的放电气体的发光管；

设置在所述发光管的附近的感应线圈；

向所述感应线圈供给高频功率的点亮电路；和

与所述点亮电路电连接的灯口，

使所述发光管、所述感应线圈、所述点亮电路、和所述灯口一体地构成，

所述发光管具有球形状或旋转椭圆形状，

在所述发光管中的所述点亮电路一侧，设置插入所述感应线圈的凹入单元，

所述凹入单元在所述点亮电路一侧具有开口单元，其横截面为圆形的筒形状，并且，在所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位具有抑制所述放电气体对流的功能，

所述发光管的最大直径为大于等于55mm小于等于75mm，

稳定点亮时的所述发光管的管壁负荷为大于等于0.05W/cm²不到0.07W/cm²，而且，

使以所述凹入单元中的所述开口单元的端面作为基准的所述发光管的高度h与所述发光管的所述最大直径D之比h/D大于等于1.0小于等于1.3，

当令所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的所述凹入单元的顶面和与所述凹入单元的所述顶面对置的所述发光管的顶部的间隔为Δh，所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足

Δh≤1.92×Dc-22.4[mm]的关系，

所述感应线圈由铁心和卷绕在该铁心上的线圈构成，

在所述铁心上卷绕了所述线圈的部分的、在长方向的中心部位位于所述发光管的所述最大直径存在的平面上。

5.根据权利要求4所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：

所述直径Dc和所述间隔Δh满足

Δh≥1.16×Dc-17.4[mm]的关系。

6.根据权利要求4或5所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：

所述发光管的所述最大直径为大于等于60mm小于等于70mm。

7.根据权利要求1所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：所述稀有气体的封入压力大于等于60Pa小于等于300Pa。

8.根据权利要求1所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：在所述发光管的内表面上形成荧光体层。

9.根据权利要求1或4所述的灯泡形无电极放电灯，其特征在于：所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc比所述凹入单元中位于所述感应线圈的长方向中的中央部分的部位的直径大。

10.一种无电极放电灯点亮装置，其特征在于：具有

含有不是以汞合金的形态、而是以汞元素的形态封入的汞和稀有气体的放电气体、具有凹入单元的发光管；

插入到所述凹入单元的感应线圈；和

向所述感应线圈供给高频功率的点亮电路，

所述发光管具有球形状或旋转椭圆形状，

所述凹入单元在所述点亮电路一侧具有开口单元，其横截面为圆形的筒形状，

所述发光管的最大直径为大于等于60mm小于等于90mm，

稳定点亮时的所述发光管的管壁负荷为大于等于0.07W/cm²小于等于0.11W/cm²，而且，

使以所述凹入单元中的所述开口单元的端面作为基准的所述发光管的高度h与所述发光管的所述最大直径D之比h/D大于等于1.0小于等于1.3，

当令所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的所述凹入单元的顶面和与所述凹入单元的所述顶面对置的所述发光管的顶部的间隔为Δh，与所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足

Δh≤1.15×Dc+1.25[mm]的关系，

所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径Dc比所述凹入单元中位于所述感应线圈的长方向中的中央部分的部位的直径大。

11.一种无电极放电灯点亮装置，其特征在于：具有

含有不是以汞合金的形态、而是以汞元素的形态封入的汞和稀有气体的放电气体、具有凹入单元的发光管；

插入到所述凹入单元的感应线圈；和

向所述感应线圈供给高频功率的点亮电路，

所述发光管具有球形状或旋转椭圆形状，

所述凹入单元在所述点亮电路一侧具有开口单元，具有横截面为圆形的筒形状的圆筒形状，

所述发光管的最大直径为大于等于55mm小于等于75mm，

稳定点亮时的所述发光管的管壁负荷为大于等于0.05W/cm²不到0.07W/cm²；而且，

使以所述凹入单元中的所述开口单元的端面作为基准的所述发光管的高度h与所述发光管的所述最大直径D之比h/D大于等于1.0小于等于1.3，

当令所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的所述凹入单元的顶面和与所述凹入单元的所述顶面对置的所述发光管的顶部的间隔为Δh，所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径为Dc时，满足

Δh≤1.92×Dc-22.4[mm]的关系，

所述凹入单元中位于与所述开口单元相反一侧的部位的直径Dc比所述凹入单元中位于所述感应线圈的长方向中的中央部分的部位的直径大。

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