CN1055782C - 无电极放电灯 - Google Patents

Abstract

一种无电极放电灯，其密封在灯管中的放电气体中含有稀有金属卤化物，在初始放电装置中装有辅助电极，辅助电极在灯管的外周边壁上或毗邻该周边壁能与灯管的内部空间静电耦合的位置配置，且由第二高频电源而不是由对绕在灯管上的主感应线圈提供高频电的第一高频电源供电，从而使这种放电灯在启动或再启动时达到平稳照明。

Description

无电极放电灯

本发明总的说来涉及无电极放电灯，更具体地说，涉及一种灯管内没有电极的放电灯，密封在灯管内的放电气体通过从外部对放电气体施加高频电磁场引发而激发发光。

人们已经对上述这种无电极放电灯开展了科研开发工作，以期这种灯有这样一些特点：体积小，但输出仍然高，寿命长，使其可有效地用作高输出的点光源等。

迄今已知，用高频电磁场作用于灯管内的放电气体使其发光的无电极放电灯有各式各样，其中的高频电磁场通常是借助于缠绕在灯管上的感应线圈而起作用的。

这种放电灯，只要在密封于灯管内的放电气体中加入一些水银，初次启动就比较容易，但再次启动就比较困难了。此外，这种灯还有这样的问题，即在照明过程中，灯管内的温度会升高，从而使水银蒸汽压力按指数函数变化，进而使其难以与将高频电流加到感应线圈的高频电源匹配，达不到匹配状态时就会使放电灯闪烁而渐渐熄灭。放电气体中不加入水银之类的发光物质时，较容易与高频电源匹配，但为获取足量的光就得提高气体的压力，从而使初次启动困难。另一方面，给感应线圈加上较高的电压是可以强迫启动放电灯的，但这一来却引来了另一个问题，即为此需要有一个能施加高电压的高频电源，因而须加大作为照明电路的高频电源的体积，从而最终使整个无电极灯的夹具变得庞大。

为解决上述问题，在例如专利权授予H.L.Witting的美国专利4,894,590、4,902,937和4,982,140、专利权授予G.A.Farrall等人的美国专利5,057,750和专利权授予S.A.EI-Hamamsy等人的美国专利5,059,868中提出了各式各样的无电极放电灯，这些放电灯有一个启动装置，借助于主感应线圈，在主放电之前供与主放电分开地进行初始放电之用。

在这些已知的无电极放电灯中，通常由高频电磁场在灯管内产生感应电场使其与电磁场结合，同时促使放电等离子体沿这个感应电场蔓延开。而在这种情况下，由原来用启动装置引起初始放电的局面转入放电等离子体沿感应电场蔓延的局面，会产生这样的问题：等离子体电弧放电转入沿感应电场蔓延的局面需要有较大的能量，而放电灯实际上很难平稳启动。

在以美国专利申请07/790,837作为优先权基础的日本公开专利公报5-217561(但公开日期比本发明要求的优先权日晚)中还提出了采用稀土金属特别是钕的卤化物，但这只对发光的发光颜色有效，不足以改善启动和再启动的性能。

欧洲专利申请EP-0458544A2公开了一种用于无电极高强度放电灯的启动辅助装置，其中一个半环形启动电极设置在弧管外周边与激励线圈相对内周边之间的间隙中，且可从该部位移到离开弧管的位置。但其没有唯独的氙气和碘化钕(NdI₃)混合物放电气体，也没有设在感应线圈轴线端侧上的金属箔型的辅助电极。

因此，本发明的主要目的是提供这样的一种无电极放电灯，这种无电极放电灯不仅解决了上述问题，而且即使放电气体中不采用水银也能改善启动和再启动性能，而无需任何大型高频电源来缩小放电灯的体积。

按照本发明，上述目的是通过这样一种无电极放电灯实现的，该放电灯的高频电流由第一高频电源加到位于灯管发光材料的外周边上的感应线圈，该放电灯中填充有放电气体以借助作用于气体上的高频电磁场激励气体发光，在毗邻灯管的外周围设有一个辅助电极，被电磁耦合到灯管内部空间，以用一个和将高频电流加到感应线圈的所述第一高频电源分开的第二高频电源对辅助电极供电，借助该感应线圈在激励发光前在灯管中产生放电气体的初始放电，其特征在于，该放电气体唯独是氙气和碘化钕(NdI₃)的混合物，且该辅助电极是金属箔的辅助电极，设在所述感应线圈轴线的一个端侧上。

从下面参照附图所示的本发明一些最佳实施例的详细说明，可以更清楚地了解本发明的所有其它目的和优点。

图1示出了本发明一个实施例中的无电极放电灯的一个方案的原理图，其中放电气体含有稀土金属卤化物，此外，除配备有感应线圈及其第一高频电源外，还配备有辅助电极及其第二高频电源。

图2A至2D用以说明设在图1的无电极放电灯中的辅助电极的工作情况。

图3至11是本发明无电极放电灯其它有关实施例的原理示意图。

图12说明了图11实施例中无电极放电灯的工作情况。

图13示意性示出本发明另一个实施例中无电极放电灯的一个方案。

图14是本发明的另一个实施例中无电极放电灯方案的原理示意图。

图15A和15B是图14无电极放电灯的输出光谱曲线图。

图16示意性示出本发明另一个实施例中无电极放电灯的方案。

图17A和17B是图16无电极放电灯的输出光谱曲线。

图18是本发明另一个实施例中无电极放电灯的原理示意图。

图19是图18实施例中无电极放电灯的片段剖面示意图。

图20是用于本发明无电极放电灯又一个实施例中的薄膜元件的透射率特性曲线。

图21是特性曲线如图20所示的无电极放电灯的输出光谱曲线图。

虽然本发明将参照附图中所示的相应实施例进行说明，但应该理解的是，本发明并不局限于这些实施例，而是包括在本说明书所附权利要求书范围内的所有一切可能有的更改、修改和等效方案。参看图1，图中示出了本发明无电极放电灯的一个实施例，其中无电极电灯有一个灯管11，灯管11呈球面形，最好由诸如石英玻璃之类的透光材料制成，管11中装有含稀土金属卤化物的放电气体，这最好是100乇作为稀有气体的氙气和20毫克作为卤化钕的碘化钕组成的混合气体，密封在管11中。灯管11的周边缠绕有感应线圈12，毗邻灯管11的外表面配备有单辅助电极13。虽然图1中所示的感应线圈12是绕成三圈，但线圈的圈数不一定非要特加限定不可，只要在一圈以上即可。辅助电极13用例如金属箔制成每一边为10毫米宽的正方形，且在此情况下配置在感应线圈12轴线的一端边。

第一高频电源14是为给感应线圈12提供高频电流而设的，从而使线圈12能施加高频电磁场作用到灯管11内的放电气体，使灯管11内的放电气体产生激发发光，这时高频电磁场的作用使灯管11内产生感应电场，于是灯管11中因这个感应电场产生的放电使等离子形成环形。

另一方面，从第二电源往辅助电极13上加高频电压，由于辅助电极13周围产生高频电场，于是产生弦线状初始放电。在此情况下，初始放电是由于为出现在辅助电极13周围的高频电场所加速从而与放电气体的原子碰撞的电子产生电离而产生的。鉴于辅助电极13是单个的，因而如此产生的初始放电只有一端受到辅助电极13的限制，另一端始终保持自由端状态，从而可以较自由地移动。

第一和第二高频电源14和15分别包括：高频发生部分，供高频输出用；放大器部分，供放大高频输出功率用；匹配部分，供与感应线圈12或与辅助电极13进行匹配之用；等等。在实践中，第二高频电源15应将高频电压加到辅助电极13与地的两端上。

现在，在图1所示的无电极放电灯中，高频电压是从第二高频电源15加到辅助电极13和地的两端，因而使初始放电Dp发生在灯管11内靠近辅助电极13的位置，该放电Dp逐渐增长，从辅助电极13的位置向上延伸到管11的另一端边，如图2A和2B中所示。这里，高频电流是从第一高频电源14馈到感应线圈12，初始放电Dp的延伸自由端经感应沿因感应线圈12周围产生的高频电磁场而出现的感应电场进一步延伸，从而形成环形放电通路，如图2C中所示。环形放电形成之后，放电就转入如图2D中所示的那种环形的电弧放电D_A，从而产生放电等离子体，放电气体受激励从而发出强光，于是进入照明状态。进入这个照明状态之后，就不需往辅助电极13上加高频电压。

尽管上面是把高频电流说成是在出现初始放电D_P之后加到感应线圈12上的，但也可以将高频电流加到感应线圈12上，并使加到感应线圈12上的高频电流在产生初始放电D_P后增加。至于放电气体，也可以采用含有其它稀有金属卤化物的混合气体。此外，尽管上面是把辅助电极13说成是由每边10毫米的方形金属箔制成的，但它无论是在大小形状上还是在设置位置上都无须具体加以限制。

这样，应该不难理解，按照上述无电极放电灯，往单型辅助电极13上加高频电压就能产生环形或连续的弦线形初始放电，而且使其转入无电极放电D_A的过程更容易。此外，采用氙气和卤化钕的混合气体作为放电气体，再加上启动时初始放电的显著作用，使照明不难在极短时间内进行。此外，在采用这种放电气体的情况下，在照明过程中达到激发发光的主要是钕，而这个钕的蒸汽压在照明状态下保持较低水平，而且即使在熄灯后立即再次启动也能使灯在一瞬间亮起来。

在本发明无电极放电灯的另一种工作情况下，氙气和碘化钕的混合气体中再加入象碘化铯之类的碘的卤化物，以便可以在照明过程中适当提高钕的较低蒸汽压，从而能够提高发光效率。在本工作情况下，其它组件与图1实施例的相同，只是放电气体有所不同。

在图3所示的本发明无电极放电灯的另一个实施例中，利用了这样一个优点，即给辅助电极23独立设置了第二高频电源25，与缠绕在灯管21上的感应线圈的第一高频电源24分开设置，从而简化了第一和第二高频电源24和25需要的电路设计工作。在此情况下，第二高频电源25的输出部分设置了由彼此并联连接的电感L和电容C组成的并联谐振电路，但也可以采用串联谐电路。在本实施例中，所有其它组件与图1实施例的相同，只是第二高频电源25的输出部分的设计不同。

按照图4所示的本发明无电极放电灯的另一个实施例，给缠绕在灯管31上的感应线圈32提供高频电流的高频电源34，其一个输出端接地，另一个输出端接辅助电极33，从而简化了设计，即第二高频电源装在第一高频电源中。在图4所示的本发明的这个实施例中，所有其它组件也与图1实施例的相同，只是高频电源的配置方式更简单。

在本发明无电极放电灯的图5所示又另一实施例中，由与感应线圈42的第一高频电源44分开的第二高频电源45激励的辅助电极43也配置在线圈42绕灯管41的缠绕位置上。按照这个实施例，初始放电D_P基本上在电弧放电D_A旋转平面的同一个平面内产生，从而使放电状态更容易从初始放电D_P转为环形电弧放电D_A，而且使感应线圈42的启动功率比图1实施例所需的低。除辅助电极43的配置方式不同外，本实施例中的所有其它组件都与图1实施例的相同。

在本发明无电极放电灯的图6所示另一实施例中，辅助电极53是用淀积之类的工艺淀积的金属膜形成在灯管51的外壁表面上。至于淀积的金属，采用例如铂有好处，这样可以提高辅助电极对灯管51的附着，使其比图1实施例的情况更好。就是说，按照图1的实施例，由于辅助电极采用金属箔，因而当金属箔与灯管球面外壁表面充分接触时会产生某些因素，从而使最终接触情况局限于灯管表面上多个点处的接触情况，而且可能使辅助电极周围产生的高频电场放电气体的作用不足。另一方面，在本实施例中，不但可以充分提高辅助电极53对灯管51的粘附程度，而且使辅助电极53周围产生的高频电场对放电气体产生充分的作用。与此同时还可以用较低的能量产生初始放电D_P，从而改善了放电灯的启动性。此外，灯管51保热性能提高，从而在放电气体中混有发光物质时，发光物质的蒸汽压提高，增加了发光量，提高了放电灯的输入/输出效率。包括感应线圈和第一及第二高频电源在内，本实施例中的所有其它组件与图1的上述实施例中的一样。

在本发明无电极放电灯的图7所示另一实施例中，辅助电极63由一束呈刷形的金属导线组成。该辅助电极63的各细金属导线仅与灯管61形成多点接触，同时刷形金属细导线束使多点接触有足够高的密度，以提高高频电场对放电气体的作用，提高的程度大于用象图1实施例中的那种金属箔组成的辅助电极所能达到的程度。换句话说，既可以减少激励辅助电极所需要的电能，又能达到所要求的目的。在本实施例中，所有其它组件，包括灯管61、感应线圈62和第一及第二高频电源64及65都与图1实施例中的相同。

本发明无电极放电灯的图8所示另一实施例中，灯管71为圆柱形构件，感应线圈72缠绕在构件的圆柱形周边上，辅助电极73则设在圆柱形构件的其中一个基本上在扁平轴向的端面上，其它端面则起基本上扁平的主发光辐射表面76的作用。在图1实施例灯管呈球面的情况下，因电感线圈周围出现的高频电磁场而感应出的电场仍然有可能不能充分作用到延长了初始放电D_P的自由端，从而处在线圈所包绕的区域之外，如图2B中所示。在本例情况下，相反，圆柱形灯管71缩短了辅助电极73至初始放电D_P延伸自由端的距离，从而使电场充分作用，进而使放电更容易从初始放电D_P转入电弧放电D_A，提高了放电灯的启动性。在本实施例中，所有其它组件，包括第一和第二高频电源74和75在内，都和图1实施例中的相同。

在本发明无电极放电灯的图9所示另一实施例中，灯管81基本上呈半球面形，因而中心部分基本上呈圆柱形，感应线圈82即绕在该中心部分上，轴向端部表面呈球面，辅助电极83即设在该表面上，另一个轴向端部表面基本上扁平，起主发光辐射表面86的作用。在此实施例中，所有其它组件，包括第一和第二高频电源84和85在内，都和图1或图8实施例中的一样。

在本发明无电极放电灯的图10所示另一实施例中，灯管91呈半压缩的球形，周边鼓起来，感应线圈92即绕在该鼓起的周边上，两轴向端部表面凹下去，辅助电极93即设在其中一个凹下的端部表面上，另一个凹下的端部表面则起主发光表面96的作用。在本实施例中，所有其它组件都和图1实施例中的一样。

在本发明无电极放电灯的图11所示另一实施例中，布局与图8实施例中的相同，但一个轴向端部表面上有辅助电极103的圆柱形灯管101，在感应线圈102内配置得使起主发光辐射表面106作用的另一个轴向端部表面基本上和与线圈102的轴向线垂直相交的中心平面匹配。由于此情况下因感应线圈102周围产生的高频电磁场而产生的感应电场设计得使其在感应线圈102的轴向线的中心部位处最大但在轴向线两侧较小，如图12中所示，因而将灯管101的主发光辐射表面106配置得基本上和与感应线圈102轴向线垂直相交的中心平面107匹配，其作用到初始放电D_P的自由端上的感应电场实际上最强。因此放电能轻易地从初始放电D_P转入环状电弧放电D_A，进一步提高了放电灯的启动性。在本实施例中，所有其它组件，包括辅助电极103和第一和第二高频电源104和105在内，都与图1实施例中的相同。

图13示出本发明无电极放电灯的又一实施例，在该实施例中，主要配置方式与图9的上述实施例相似，但在此情况下，辅助电极113由例如直径6毫类的圆铜箔制成，配置在圆柱形灯管111周边上距绕组线圈区中第一高频电源114对感应线圈112的馈电点最远的位置。在第一高频电源114中，最好装有：高频发生装置114C，放大装置114B，供装置114C的高频输出用；和匹配装置114A，供与感应线圈或辅助电极113阻抗匹配用。

这时电压从第二高频电源115加到辅助电极113引起了初始放电D_P，接着在此情况下电流从第一高频电源114馈到感应线圈112上，促使高频电磁场与感应线圈112垂直相交，最终产生横切该高频电磁场的感应电场。感应电场得以沿感应线圈112的绕组线匝通过，辅助电极113产生的初始放电D_P就在其自由端感应出来，以便沿感应电场的方向延伸，同时产生如图14所示的环形放电，这时初始放电就被引向感应电场中电场强度最大的部分。

在本发明无电极放电灯的图14所示另一实施例中，在灯管121外周边不绕有感应线圈122的部分，必要时，所有其它各部分上设有热绝缘膜123和123a。热绝缘膜123和123a可以由诸如铂、金、银之类的金属薄膜制成，且具有高透光性。在目前的情况下，高频电从高频电源124提供给感应线圈122，激发发光是通过感应线圈122周围产生的高频电磁场影响放电气体发生的，而灯管121的热辐射则因热绝缘薄膜123和123a的存在而受到抑制，因此灯管121最冷部分的温度比不加热绝缘薄膜的情况高，因而增加了发光物质的蒸发量，从而提高了蒸汽压，这样就可以改善放电灯再启动时的工作性能。

我们发现，当例如灯管121制成外径27毫米、管内充有100乇的氙气并加入15毫克NdI₃和5毫克的CsI时，在输入为200瓦且不设热绝缘薄膜的情况下，发光效率和色温分别可达40流明/瓦和10,500K，但在设有铂热绝缘薄膜的另一种情况下，发光效率和色温则分别为38流明/瓦和5,500K，因此增设了热绝缘薄膜可以显著降低色温而不致使效率大幅度下降。图15A中示出了灯管121有热绝缘薄膜123和123a情况下的光输出光谱与波长的关系曲线，图15B则示出灯管121有热绝缘薄膜情况下的光输出光谱与波长的关系曲线。将这些曲线图彼此加以比较时，不难理解，增设铂制成的热绝薄膜123和123a可以有效地减少光的短波长的输出量，从而降低了色温。

在本发明的图16所示无电极放电灯另一实施例中，灯管131在其外周边不绕有感应线圈132的部分设有导电薄膜133和133a，该薄膜用铂、金、钢等金属薄膜或薄片制成，例如象ITO之类的透明导电薄膜、导电陶瓷薄膜等。在此情况下，高频电从高频电源134提供给感应线圈132，发光物质受感应线圈132周围产生的高频电磁场的影响而产生激发发光，且在导电薄膜133和133a上产生感应电流，该薄膜因薄膜中产生的电流损失而被加热，从而加热灯管，提高了灯管最冷部分的温度，且随着发光物质汽化量的增加，可以提高发光效率。

当例如将灯管131制成外径18毫米、管内充有100乇的氙气再加上15毫克的NdI₃和5毫克的CsI时，在不增设导电薄膜133和133a的情况下，输入为150瓦时的效率达35流明/瓦，而增设铂制成的导电薄膜133和133a的另一种情况下，在相同输入下的效率则提高到45流明/瓦。图17A示出了设有导电薄膜133和133a情况下的输出光谱与波长的关系曲线，图17B则示出不设导电薄膜时输出光谱与波长的关系曲线。将这两张图彼此比较一下可以看出，增设铂制成的导电薄膜可以降低光在较短波长侧的输出量。

在本发明无电极放电灯的图18和19所示另一实施例中，灯管141覆盖有高导热率的透光导热薄膜143，最好将管子的整个外周边表面都覆盖住，具体如图19中所示。在此情况下，感应线圈142的高频电是从高频电源144提供的，发光物质受到线圈142周围产生的高频电磁场的影响而使管内产生激发发光，并在感应线圈附近产生，且在灯管141内表面达到最高温度的热量通过导热薄膜143传送到灯管另一个温度较低的部分，因而相对提高了灯管141外周边的温度，从而增加了发光物质的蒸发量，进而提高了蒸汽压，提高了灯在光输出方面的效率。

当例如将灯管141制成外径为23毫米、管内充有100乇氙气并加有作为发光物质的20毫克NdI₃-C_sI时，在不设上述导热薄膜的情况和在250瓦输入下的效率为63流明/瓦，而在管子上形成作为导热薄膜143的2微米厚的钻石薄膜时，在同样250瓦输入下的效率则提高到76流明/瓦。在此情况下，钻石的导热率为2,000瓦/米K，比作为灯管141材料的石英玻璃的导热率高9倍多，而且钻石薄膜基本上透明，光通过其中几乎不衰减，因而是制造导热薄膜143的优异材料。导热薄膜143的这种材料也可以采用诸如氧化铍、氮化铝、碳化硅等之类性能接近钻石的材料。敷设覆盖着灯管的导热薄膜143可以采用下列其中一种的不同方法：例如，电离金属化法，热灯丝CVD(化学汽相淀积)法，等离子CVD法等。

这里，灯管141覆盖上作为导热薄膜的钻石薄膜之后，要测定灯管的壁温，测定结果是，管壁靠近感应线圈142且产生等离子体的部分，其温度比没有导热薄膜的情况低大约150℃，而最冷部分的温度则比没有导热薄膜时的情况上升大约120℃。在较冷部分温度上升的情况下，发光效率提高了，同时较热部分温度下降时，减少了加到灯管141上的热负荷。此外，当导热薄膜143由氧化铍制成时，250瓦输入下的发光效率为70流明/瓦，靠近感应线圈142处产生等离子体部分，其温度下降大约90℃，同时最冷部分的温度上升大约80℃。因此知道，这样可以得出接近钻石薄膜的功能。

在本发明的另一实施例中，在灯管的整个外周边覆盖了钛酸钡薄膜。例如，灯管为直径23毫米高15毫米的圆柱形灯管，管中充有100乇的氙气加上15毫克的NdI₃和5毫克的CsI。在灯管不覆以钛酸钡薄膜的情况下，200瓦输入下的发光效率为63流明/瓦，最冷部分的温度约为680℃，而在灯管覆以钛酸钡薄膜的情况下，同一功率输出下的发光效率为70流明/瓦，最冷部分的温度约为710℃，表明性能大大提高了。在此情况下，钛酸钡薄膜的透光度良好，如图20所示。此外还发现，如图21中所示，光输出光谱与波长的关系曲线与图15A和17A比较显然是优异的。

在图14、16和18所示的无电极放电灯的上述诸实实施中，虽然没有具体说明，但确是装有由第二高频电源供电的辅助电极的初始放电装置，而使启动变得容易的初始放电是按早先所述各实施例的方式进行的。此外应理解的是，图13、14、16和18所示实施例中早先所述以外的其它组件都和早先所述实施例中的相同，而且具有相同的功能。

此外，在本发明的无电极放电灯中，总的说来，同时使用充入灯管中的稀土金属卤化物和装有固定在灯管上的辅助电极的初始放电装置，这使本发明与传统不配有初始放电装置但采用稀土金属卤化物的无电极放电灯大不相同，具体如下表中所示：

        填充气体           启动时间     再启动时间本发明    NdI₃-CsI，Xe        2毫秒           2毫秒

      NdI₃-TlI-InI，Xe    2毫秒           35秒不使用初始  NdI₃-CsI，Xe         启动不了      启动不了放电装置    NdI₃-TlI-INI，Xe     启动不了      启动不了就上表中的启动和再启动时间测定了感应线圈两端的电压。这里，“启动”一词是指放电灯自上一次熄灯10小时以上之后的启动，“再启动”一词是指放电灯稳定照明时熄灯之后马上亮灯。另外，“启动不了”表示放电灯即使感应线圈两端加上3.0千伏电压也启动不了的情况。

此外，本发明在设计上可作种种修改。例如，虽然在上述实施例中初始放电装置的辅助电极是指单辅助电极，但也可以在灯管绕有感应线圈的区域周围的外周边上设一对对置着的初始电极。此外还可以采用三个或以上的辅助电极配置在灯管上。这里可以不设第二高频电源与辅助电极配用，供电可以只用第一高频电源，即令感应线圈和辅助线圈共用这一个高频电源。

Claims (2)

1.一种无电极放电灯，其中的高频电流由第一高频电源加到位于灯管发光材料的外周边上的感应线圈，该放电灯中填充有放电气体以借助作用于气体上的高频电磁场激励气体发光，在毗邻灯管的外周围设有一个辅助电极，被电磁耦合到灯管内部空间，以用一个和将高频电流加到感应线圈的所述第一高频电源分开的第二高频电源对辅助电极供电，借助该感应线圈在激励发光前在灯管中产生放电气体的初始放电，其特征在于，该放电气体唯独是氙气和碘化钕(NdI₃)的混合物，且该辅助电极是金属箔的辅助电极，设在所述感应线圈轴线的一个端侧上。

2.根据权利要求1的放电灯，其特征在于，所述混合气体包括100乇的氙气和20mg的碘化钕。

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