CN101213636A - 包括分子辐射体和添加剂的低压放电灯 - Google Patents

Abstract

在设有气体放电容器的低压气体放电灯中，氢的添加带来如下好处：等离子体效率的提高以及冷点温度的降低，在这种冷点温度实现最佳效率，这种气体放电容器包括气体填料，这种气体填料带有放电保持成分，这种放电保持成分包括a)分子辐射体混合物，b)作为添加剂的氢和c)缓冲气体，这种低压气体放电灯还设有用于产生和保持低压气体放电的装置。

Description

包括分子辐射体和添加剂的低压放电灯

技术领域

本发明涉及配有气体放电容器的低压气体放电灯，这种放电容器封闭气体填料，这种气体填料包括放电保持成分，这种放电保持成分包括分子辐射体和缓冲气体，这种低压气体放电灯还配有用于产生和保持低压气体放电的装置。

背景技术

由低压气体放电进行的光发生以电荷载流子尤其是电子但也有离子由电磁场强烈地加速以使与灯的气体填料中的气体原子或分子的碰撞导致这些原子或分子电离或以其它方式受激到较高的能量状态而不被电离的原理为基础。在气体填料的受激原子或分子返回到接地状态时，或多或少的激发能的实质性部分被转化成辐射。

常规的低压荧光气体放电灯包括在气体填料中的汞，以及在气体放电容器的内侧上的磷光体涂层。汞低压气体放电灯的缺陷在于汞蒸汽基本上以高能量发射辐射，但看不到电磁频谱的UV-C范围，这种电磁频谱的的UV-C范围的辐射必须由磷光体转化成带有较低能量水平的可视辐射。在此过程中，能量差异被转化成并不希望的热辐射。

此外，气体填料中的汞越来越被视为对环境有害和有毒的物质，必须尽可能多地在目前的大规模制造中避免这种物质，尤其这种物质的使用、制造和处理对环境带来威胁。

因此，将易于蒸发的金属成分配给低压放电灯的一些新式设计，这些易于蒸发的金属成分称为“分子辐射体”，这种分子辐射体根本不包括汞，因而对环境无污染，并至少部分地在电磁频谱的可视范围内发射。

不过，由于低压灯的第一个发明包括分子辐射体，所以一直以来在努力降低来自这些灯的辐射产生的功效。这种努力一直以来所面临的主要问题是如在前面所提及的那样的在频谱的可视部分之外的UV辐射的产生。此外，放电容器必须足够地热，以就分子辐射体蒸发至理想的温度T_opt。

例如，US2002047525公开了一种低压气体放电灯，这种低压气体放电灯设有气体放电容器，这种气体放电容器含有气体填料，这种气体填料带有作为放电保持化合物的铟化合物和缓冲气体，这种低压气体放电灯还设有电极和用于产生和保持低压气体放电的装置。

这种含铟低压气体放电灯在可视范围和UV范围内发射。斯托克司位移减少且紫外线范围内的辐射输出所带来的能量浪费降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压气体放电灯，这种低压气体放电灯具有尽可能地接近于电磁频谱的可视范围的辐射。本发明的另一个目的在于改进这种放电灯的功效。

根据本发明，通过设有气体放电容器的低压气体放电灯来实现这种目的，这种气体放电容器封闭气体填料，这种气体填料带有放电保持成分，这种放电保持成分包括a)分子辐射体混合物，b)作为添加剂的氢和c)缓冲气体，这种低压气体放电灯还设有用于产生和保持低压气体放电的装置。

本发明的实质在于，与不包括氢的气体填料相比，包括氢的气体填料的化学性质允许在更凉的水平运行这种灯。

本发明的灯的另一种优点在于，这种灯主要发射分子辐射而不是原子辐射，这就产生无峰值或突变的更平滑频谱，并且也可产生较好的色彩重现指数。

此外，这种灯可调光、具有相对较低的闪动且在关闭时填料的压力低。在无电极实施方案中，这种灯具有相对较长的工作寿命，且在整个工作寿命期间往往保持均匀的频谱输出。这种灯也能够快速启动。

在本发明的优选实施例中，标称运行时的气相氢的局部压力介于0.1Pa至5Pa之间，以用于改进的等离子体功效。

在优选实施例中，分子辐射体选自一个组，该组由铝、镓、铟、铊、锡和锗的卤化物或它们的混合物形成。

在根据该实施例的灯中，分子气体放电在低压时发生，这种分子气体放电发射辐射，这种辐射包括出现在铝、镓、铟、铊、锡和锗的化合物中的铝、镓、铟、铊、锡和锗的特征线，而这种辐射还包括从320至600nm的范围内的宽阔的连续频谱，这种宽阔的连续频谱源自铝、镓、铟、铊、锡和锗的化合物的分子辐射。

在另一个实施例中，气体填料还包括基本金属，这种基本金属选自由铝、镓、铟、铊、锡和锗或它们的混合物所组成的组，以“填补”灯的发射频谱。

气体填料通常还包括作为缓冲气体的惰性气体，这种惰性气体选自由氦、氖、氩、氪、氙或它们的混合物所组成的组，且惰性气体在标称运行时在工作温度时的气体压力低于100mbar。有利的是，惰性气体在标称运行时在工作温度时的气体压力低于100mbar，且2mbar是优选值。

由于UV灯不包括磷光体，所以可将根据本发明的灯有利地用作日晒灯或消毒灯或固漆灯。

出于整体照明目的，灯可与适当的磷光体结合，如磷光体涂层。在这些实施例中，气体放电容器包括在放电容器壁的内表面或外表面上的磷光体涂层。

在与适当的磷光体结合时，根据本发明的灯具有比常规的低压汞放电灯的总体发光功效高的总体发光功效，因为斯托克司位移所导致的损失少于基于汞的放电。用流明/瓦特表示的“发光功效”限定为由灯发射的光通量与输入灯的总功率之间的比率。

还可通过热反射涂层来进一步提高灯的发光功效，这种热反射涂层将由放电容器壁发射的红外能反射回放电区域。在此区域的温度得到了提高和保持，而并不增加来自激发源的任何输入功率。

根据本发明的低压放电灯可包括用于产生低压气体放电的装置，这些装置选自包括至少一个内电极的装置、包括至少一个外电极的装置和无电极装置。

通过参考附图和实施例就会明白本发明的这些和其它方面，并结合这些附图和实施例对本发明进行说明。

本发明涉及一种低压气体放电灯，这种低压气体放电灯设有气体放电容器，这种气体放电容器包括气体填料，这种气体填料带有放电保持成分，这种放电保持成分包括a)分子辐射体混合物，b)作为添加剂的氢和c)缓冲气体，这种低压气体放电灯还设有用于产生和保持低压气体放电的装置。

在本说明书中，将术语“低压放电”理解为是指一种放电，在这种放电中，灯的运行期间填料的压力保持在大气压力之下。运行时灯中的气体填料的总压力通常会低于200hPa。

根据本发明的低压气体放电灯的设计可包括电极，这些电极作为用于点燃和保持分子气体放电的装置。

包括电极的设计既可以是带有在放电容器中的主电极的本领域中所公知的典型“管灯”类型(TL)，或者这种灯的设计是“介电阻挡放电”类型(DBD)，这种类型的灯在容器之外带有至少一个主电极，或者对于电容运行而言，将两个主电极均布置在容器之外。

具体实施方式

在示于图1中的本发明的一个实施例中，根据本发明的低压气体放电灯包括管状放电容器1，管状放电容器1封闭放电空间。可通过内电极2点燃气体放电，内电极2密封在该管的两个端部。低压气体放电灯包括灯座和灯头3。以公知的方式将电镇流器结合在灯座中或灯头中，这种电镇流器用于控制气体放电灯的点燃和运行。在未在图1中示出的另一个实施例中，还可通过外部镇流器来操作和控制这种低压气体放电灯。

或者，可将气体放电容器实现为由外灯泡包围灯的多弯度或成卷管。

优选用透光材料如玻璃、石英或陶瓷(如氧化铝)制成气体放电容器的壁。

用于在本发明的包括电极的实施例中的电极的适当材料选自镍、镍合金或具有高熔点的金属，尤其是钨和钨合金。还可适当地使用钨与氧化钍或氧化锌的复合材料。通过在电极上提供发射材料，可进一步地降低电极的功函。

在其它的实施例中，根据本发明的灯不必依赖于电极，而是通过将灯的气体填料与强无线电波或无线电频率辐射感应耦合产生等离子体放电来发光。用在本说明书中的短语“无线电波辐射”以及缩略词“ RF”理解为包括处于常规的无线电频率范围或在常规的微波频率范围内的电磁辐射频率。RF源是RF天线、探针或用于将RF能引入波导管中的类似设备。

无电极灯包括放电容器，这种放电容器具有管状闭环构造。可将这种放电容器制成几乎任何形状，甚至可制成形成闭环放电路径的非对称形状。

在利用感应耦合等离子体的无电极低压气体放电灯中，将感应线圈插入凹状空腔内。感应线圈通常具有几个圈和1至3μH的感应。这种感应线圈由特殊驱动电路通电，这种特殊驱动电路通常包括匹配网络(MNW)。加上由固定频率(通常为2.65MHz或13.56MHz)的驱动电路所产生的RF电压并穿过感应线圈。这种RF电压在灯中感生“电容”RF电场。但放电容器中的电场达到其击穿值时，这种电容RF放电沿着线圈的圈点燃气体混合物。

在其它方面，来自RF源的射频能量由第一变压器铁心和第二变压器铁心感应耦合到无电极灯，且每个变压器铁心具有包围放电容器的环形构造。将RF源连接到第一变压器铁心上的绕组和第二变压器铁心上的绕组。

每个绕组可包括几圈线，这种线的规格足以输送初级电流。将每个变压器构造成以约5至10的系数降低初级电压并升高初级电流。优选RF源在约50kMz至3MHz的范围内，最优选在约100kMz至约400kHz的范围内。

如在示于图1中的实施例通过举例的方式所表明的那样，用磷光体层4涂覆这种灯的气体放电容器的内和/或外表面。源自气体放电的UV辐射激发磷光体层中的磷光体，以发射可视区域5中的光。

磷光体层的化学成分确定光或其色调的频谱。可适当地用作磷光体的材料必须吸收所产生的辐射并将这种辐射以适当的波长范围发射，例如，用于三基色红色、蓝色和绿色，并能够实现高荧光产量。

不必将适当的磷光体和磷光体组合物涂覆到气体放电容器的内侧，也可将它们涂覆到气体放电容器的外侧，因为习惯上所使用的玻璃类型并不吸收UV-A辐射。

可通过在放电容器的外壁上淀积薄的非导电红外反射涂层4′来改进这些实施方式。既可通过蒸发、溅射、涂抹也可通过另一种方法淀积这种反射涂层。所使用的材料为氧化锡或类似的反射材料。这种涂层的功能在于减少容器壁的红外辐射损失，从而升高容器壁的温度或以灯的较低电输入功率实现同样的温度。

还可通过利用热反射外罩来进一步地减少红外辐射所导致的损失。

无论点燃和保持低压放电的模式如何，放电容器封闭含有气体填料的放电区域，这种气体填料包括分子辐射体和氢，但不包括汞或汞化合物。

下面的定义用在本申请中。

术语“标称运行”用于指明运行条件，在这些运行条件中，放电保持成分具有蒸汽压力，这种蒸汽压力使灯的辐射效率至少为用于这种灯的最大辐射效率的80％，用于这种灯的最大辐射效率即一种运行条件，在这种运行条件中，辐射物种的压力最佳。

术语“局部压力”理解为是指在非运行气体放电灯中普遍的局部压力，此时，这种灯的温度等于灯的一个部分的温度，灯的这个部分在灯打开的情况下限定分子辐射体的压力。这通常是灯的放电空间中最冷的点，而灯在25℃的环境温度下运行。

在这些条件下，将处于气态的分子辐射体的部分基本上均匀地分布在放电容器中。这种局部压力用作一种测度，这种测度指明某种物质有多少出现在运行中的气体放电灯的气态中。

本领域中熟练的技术人员会明白，可将放电设计成配给受限或蒸汽压力受限，或者是配给和蒸汽压力受限的结合。

在配给受限放电容器中，在电弧的运行期间将所出现的全部分子辐射体蒸发。

蒸汽压力受限设计要求每个分子辐射体的一部分在电弧的运行期间作为冷凝物出现。在运行期间，在放电容器中形成非均匀温度分布。通常形成至少一个热区和至少一个冷区，从而导致穿过放电容器的热梯度。放电容器中的分子辐射体通常移动到放电容器的最冷部分(“冷点”)并且在壁上凝结。

因此，在蒸汽受限灯设计中，填充这些灯的分子辐射体的总质量大于标称运行时气相中的分子辐射体的总质量，要求标称运行时的气相来实现理想的色彩和功效。因此，这种气相与位于放电容器的冷点上的凝结相平衡。由于在气体填料的组分的热化学特性中存在差异，所以填料的凝结相的成分进而气相的成分清楚地取决于灯的放电容器中冷点的温度。

这种冷点温度的值取决于放电容器本身的物理特征并取决于灯的放电保持装置的特征的变动。

根据本发明的灯的设计通常是蒸汽压力受限类型。

对于气体填料来讲，在一个实施例中，利用选自铝、镓、铟、铊、锡和锗的卤化物的分子辐射体。

分子辐射体的量通常在2×10^-11摩尔/cm³至2×10^-8摩尔/cm³的范围内。

应注意到，用在放电容器中的以固体形式的分子辐射体的绝对量可根据使用哪种物质而变化，但这个量总是在运行温度下产生理想的压力范围的量，这种运行温度即在标称运行期间放电容器的温度。

在一些实施例中，放电容器还会含有至少一种或多种基本金属，这种基本金属的示范性而非限制性示例包括铝、镓、铟、铊、锡和锗和它们的混合物。

以标称运行时的局部压力介于0.1与5帕斯卡之间的方式在灯中配给氢。本说明书与“无”氢有关，因为所配给的氢的一部分由这些壁吸收并逐渐由电极材料吸收，或经历化学反应，这种化学反应并不产生气体物种。

放电容器通常还含有缓冲气体，这种缓冲气体的惰性程度并不影响灯的运行，这种缓冲气体起到减少从电弧到放电容器壁的化学输运的缓冲剂的作用，并优选有助于点燃电弧。稀有气体是适当的缓冲气体。虽然任何稀有气体会在某种程度上起作用，但优选的气体为氩(Ar)、氦(He)、氪(Kr)、氙(Xe)和它们的混合物，且尤其优选氩和氩与其它稀有气体的混合物。

缓冲气体通常具有在标称运行时的在最大值为100hPa的范围内局部压力。优选这种压力在1.0与5.0hPa之间的范围内，更优选在2.5hPa。

其它可能的添加剂以及灯的内压和工作温度允许对等离子体功效和发射频谱的成分进行控制。

在将低压放电灯点燃时，用于点燃和保持放电的这种在放电容器内产生电场并在缓冲气体中开始辉光放电。

放电从辉光放电(低功率)快速前进到弧光放电(高功率)，且大量的分子辐射体被蒸发。

电场也在放电区域内将缓冲气体电离。从缓冲气体原子剥脱并由电场加速的电子与分子辐射体的辐射物种碰撞。这样就将一些物种激发至较高能量状态而不被电离。在受激物种从较高能量状态退回时，这些受激物种发射光子、紫外(UV)光子和/或可视光子。

在包括磷光体的实施例中，UV光子与灯的磷光体层中的磷光体相互作用，以产生可视光。

由灯产生的可视光的强度取决于放电容器中蒸发的分子辐射体的局部压力。在分子辐射体的最佳局部压力时，可视光达到其最大强度，且灯以最大功效运行。在小于最佳压力的局部压力时，灯的光强度小于最大值，因为受激物种产生很少的光子。在大于最佳压力的压力时，灯的光强度也小于最大值，因为一些物种与由其它物种所产生的光子碰撞，且这些光子被再次吸收，而且并不产生UV或可视辐射。

蒸汽压力接着也取决于放电容器内的冷点的温度。最佳冷点温度为如200℃，在这种最佳冷点温度时，现有技术的灯的放电容器内的压力处于最佳值。因此，为了确保灯的可视光输出处于最大值且灯以最大功效运行，有必要对现有技术的灯管的冷点温度进行调节，以通过适当的结构性措施将最佳冷点温度保持在200℃。对灯的直径和长度进行选择，以在25℃的外部温度时的运行期间获得在如200℃的范围的内部温度。

根据本发明，可降低最佳冷点温度值T_opt，填料压力在此最佳冷点温度值T_opt达到最佳值。

用于保持实质上最大强度的灯的光输出的根据本发明的灯的最佳冷点温度是如185℃。

由于放电容器壁的温度较低，所以可实现较少的热损失。例如，这可用于在较低功率密度时运行灯，而且还有机会获得更高的辐射效率。

本发明的优点的最佳证据来自于带有和不带有氢的弧光管的性能的直接比较。

示于图2中的用于氯化铟放电的示例的曲线表明，若有氢的话，可将“冷点”的T_opt从200℃降低到185℃。同时，等离子体的效率从不带有氢的44％增加到47％。并不改变等离子体的频谱发射。

在不加上氢的情况下，较冷的放电容器壁附近的气体填料的自吸收特征往往起到限制较低冷点温度时的灯的功效的作用。

在特定实施例中，用熔融石英制成放电容器，这种放电容器长度为25cm，直径为2.5cm，并设有用导电材料制成的外电极。将放电容器排空，然后同时将0.1mg的氯化铟和0.05mg的铟加入。而且也引入在环境温度下的以2.5hPa的压力的氩。将0.2、0.5或1的体积百分比的氢加到氩缓冲气体中。从外部源将具有13.56MHz的频率的高频场加入，并且在185℃的运行冷点温度时测量最大等离子体效率。

在图2中，作为冷点温度T_opt的函数的等离子体效率连同获得用于无氢添加剂的灯的曲线一起示出。所给出的结果用于不同的运行时间之后的充有2.5hPa的氩缓冲气体的灯，这种氩缓冲气体含有0％、0.2％、0.5％和1％的氢。

这些曲线表明，若有氢的话，T_opt从200℃降低到185℃。等离子体的效率从不带有氢的44％增加到47％。并不改变等离子体的频谱发射。

附图说明

图1示意性地示出了在低压气体放电灯中光的产生，这种低压气体放电灯包括气体填料，这种气体填料含有加上氢的铟(1)化合物。

图2示出了作为低压气体放电灯的冷点T_opt的函数的等离子体效率，与不含氢的灯相比，这种低压气体放电灯包括气体填料，这种气体填料含有氯化铟和作为添加剂的不同量的氢。

Claims (9)

1.一种低压气体放电灯，所述低压气体放电灯设有气体放电容器，所述气体放电容器封闭气体填料，所述气体填料带有放电保持成分，所述放电保持成分包括a)分子辐射体混合物，b)作为添加剂的氢，和c)缓冲气体，所述低压气体放电灯还设有用于产生和保持低压气体放电的装置。

2.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：气相氢的局部压力介于0.1Pa与5.0Pa之间。

3.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述分子辐射体混合物选自一个组，所述组由铝、镓、铟、铊、锡和锗的卤化物或它们的混合物形成。

4.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述气体填料还包括基本金属，所述基本金属选自由铝、镓、铟、铊、锡和锗或它们的混合物所组成的组。

5.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述气体填料包括缓冲气体，所述缓冲气体选自由氦、氖、氩、氪、氙或它们的混合物所组成的组。

6.如权利要求5所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述缓冲气体在标称运行时的局部压力低于100hPa。

7.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述低压气体放电灯包括磷光体涂层。

8.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述低压气体放电灯包括红外反射涂层。

9.如权利要求1所述的低压气体放电灯，其特征在于：所述用于产生低压气体放电的装置选自包括至少一个内电极的装置、包括至少一个外电极的装置和无电极装置。

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