CN1222012C - 无电极灯 - Google Patents

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Abstract

一种无电极灯包括含有放电气体填充物的外壳(1)；磁芯(7)；围绕磁芯(7)缠绕的电感线圈(6)；用于给电感线圈(6)输送电流以驱动无电极灯的驱动器；用于接收被输送到无电极灯的功率的灯座(10)；和热耦合到磁芯(7)和灯座(10)并用于将磁芯(7)中产生的热量传导到灯座(10)的导热装置(8、9)。

Description

无电极灯
技术领域
本发明涉及一种电灯，特别涉及在20kHz-1MHz的频率工作的无电极灯。
背景技术
近来市场上已经引入了一种无电极荧光灯，用于室内、户外、工业上和商业上的应用。无电极灯的优点是除去了作为常规荧光灯的寿命限制因数的内部电极和加热灯丝。因此，无电极荧光灯的寿命基本上高于常规荧光灯的寿命，并能达到100000小时。
市场上引入的由通用电器公司(“Genura”)制造的无电极荧光灯在2.65MHz的频率工作并用于室内一般照明。这种灯代替了R30白炽灯并具有在23W总功率的1100流明光输出。该Genura灯的寿命为15000小时，比白炽灯的寿命长。该Genura灯的缺点是原始成本高，部分原因是由于需要防止电磁干扰，还有部分原因是由于在2.65MHz工作的电路成本。如果无电极荧光灯在100kHz的低频工作，则可以克服这两个缺陷。
在由Popov等人申请的美国专利申请US 09/083820和由Chamberlain等人申请的US 09/303951(本申请人要求该美国专利的优先权并且该专利的代理人与本申请的代理人相同)中介绍了在50-500kHz的低频工作的无电极荧光灯。这些灯采用了由MnZn材料制成的铁氧体磁芯、编织(Litz)线和从凹腔壁和铁氧体磁芯除去热量并将热量传输到灯固定器上的铝冷却结构。铝冷却结构包括在铁氧体磁芯内部的铝筒和焊接到灯固定器上的铝基座。发现这种方法和构形对于保持铁氧体磁芯的温度在居里点以下非常有效。
然而，在很多灯应用中(例如常规白炽灯的代替品)，大的和重的金属(铝或铜)灯座由于其大的尺寸和重量而不合适。而且，白炽灯的代替品需要使用应该与灯座耦合的爱迪生式灯座。另外，灯座的直径不应当大于为60mm的白炽灯泡的直径。
铁氧体磁芯靠近金属底座将产生对金属底座的磁场干扰，导致线圈/铁氧体磁芯功率损失增加。实际上，由线圈产生的磁场在金属底座中感应涡流，产生功率损失并降低组合线圈/结构质量因数Q。结果是，灯功率效率以及效力降低了。
需要在灯座内部将灯驱动器和灯匹配网络结合并将它们与爱迪生式灯座耦合，这使冷却排放结构更复杂。实际上，灯座内部的温度不应该超过-100□C以提供驱动器部件的完整性。采用能承受更高温度的部件将导致驱动器的成本更高，因而灯的成本也高了。
发明内容
本发明包括无电极荧光灯，该灯包括含有放电气体填充物(例如惰性气体和汞蒸汽的混合物)的玻璃外壳。铁氧体磁芯和由编织线制成的感应线圈设置在凹腔内部。冷却结构包括设置在凹腔内部的金属(铝、铜)管和利用具有高导热性的材料热耦合到爱迪生式灯座上的陶瓷筒。
本发明的目的是提供保持铁氧体磁芯温度在居里点以下的冷却结构。
本发明的又一目的是提供在放置驱动器和匹配网络的灯座的内部的低温T＜100□C。
本发明的另一目的是提供在冷却结构中和在灯座中的低功率损失，以便提供高灯功率效率和效力。
本发明再一目的是设计在100Hz的低频具有高质量因数的线圈，以便提供低线圈功率损失和高灯功率效率。
本发明另外的目的是提供能在100kHz工作因而导致总的低成本系统的无电极荧光灯。
附图的简要说明
图1A和图1B是本发明第一实施例的截面图，示出了具有金属管和金属筒的无电极紧凑型荧光灯。
图2A和2B是表示金属管8的顶部边缘如何设置的视图。
图3A、3B和3C表示在磁芯7附近由磁性材料盘产生的磁场的变形。
图4是本发明第二实施例的截面图，示出了具有金属管和陶瓷“裙部”的无电极紧凑型荧光灯。
图5是表示铁氧体磁芯和其中放置驱动器的包封区域的起动温度的曲线。
图6是表示对于三个驱动频率：101kHz、135kHz和170kHz的作为总灯功率的函数的线圈/铁氧体磁芯功率损失的曲线。
图7是表示对于图1A中所示的冷却结构作为驱动频率的函数且RF功率为23W的灯功率效率和效力的曲线。
实施本发明的最佳方式
参见图1A，由玻璃制成的球形外壳1具有凹腔2，其中排气管3位于凹腔2内部并在其轴向上(或可能偏离轴向)。排气管3从外壳底部4延伸。填充惰性气体(氩、氪等)的压力为0.1-5乇(13.3Pa-665Pa)。图1B是沿着A-A’线截取的图1A中所示的无电极荧光灯的截面图。
汞齐(或汞分配器)5位于排气管3中并控制外壳中的汞蒸汽压。由多股线(编织线)制成的线圈6围绕铁氧体磁芯7缠绕。铁氧体磁芯7由MnZn材料制成(参见由Chamberlain等人申请的美国专利申请US 09/303951)并设置在凹腔2中。通过由具有高导热性和低RF功率损失(低涡流)的金属如铝、铜等制成的冷却结构的帮助，线圈6和铁氧体磁芯7的温度保持在居里点以下(＜220□C)。该冷却组件包括位于铁氧体磁芯7内部的金属管8和位于爱迪生式灯座内部并且外径接近于爱迪生式灯座的内径的圆筒9(圆筒形部分)。
为使金属管对线圈/铁氧体电感的影响最小化，金属管的顶部边缘位于铁氧体磁芯内部，在该处磁场没有径向分量。通过以这种方式设置金属管8的顶部边缘，与金属管8的顶部边缘设置成从铁氧体磁芯7的顶部突出的情况相比，提高了线圈/铁氧体电感。这里，术语“顶部边缘”定义为比另一边缘更远离爱迪生式灯座10的金属管8的两个边缘之一。
图2A表示金属管8的顶部边缘设置成不从铁氧体磁芯7的顶部突出(即金属管8的顶部边缘位于铁氧体磁芯7的空心部分内部)的状态。图2B表示金属管8的顶部边缘设置成从铁氧体磁芯7的顶部突出距离d的状态。在如图2A所示那样设置金属管8的顶部边缘的情况中，线圈/铁氧体电感La为387.4μH，电阻分量为0.602Ω，质量因数Q为404.2。在如图2B所示那样设置金属管8的顶部边缘和d＝5mm的情况中，线圈/铁氧体电感La为384.3μH，电阻分量为0.794Ω，质量因数Q为303.8。正如可以理解的，当金属管8的顶部边缘从铁氧体磁芯7的顶部突出时，线圈/铁氧体电感减少了并且电阻分量增加了。因此，线圈功率损失增加了。此外，金属管8不希望地被金属管8的突出部分中产生的涡流加热到高温。
金属管8热耦合到铁氧体磁芯7上。这里，表达方式“金属管8也耦合到铁氧体磁芯7”简单地表示金属管8和铁氧体磁芯7设置成使热量可以在金属管8和铁氧体磁芯7之间传输热量。这个表达方式不限于表示金属管8和铁氧体磁芯7互相接触。在整个说明书中，表达方式“热耦合”定义为表示相同的状态。
金属管8和圆筒9互相焊接在一起或由一个部件制成。换言之，金属管8的一端热耦合到圆筒9上。
圆筒9还热耦合到爱迪生式灯座10上。这样，来自铁氧体磁芯7和腔壁2的热量经过金属管8传输到圆筒9，然后排放到爱迪生式灯座10。
正如可以理解的，金属管8和圆筒9用做将铁氧体磁芯7中产生的热量传输到爱迪生式灯座10的导热装置。爱迪生式灯座10连接到在无电极荧光灯外部的导线，以便接收输送给无电极荧光灯的功率，因此在使用无电极荧光灯时产生的热量通过爱迪生式灯座10被传输到无电极荧光灯的外部。
圆筒9具有可以耦合到爱迪生式灯座10的螺纹的螺纹。圆筒9和爱迪生式灯座10通过螺纹互相耦合。
其中金属管8的顶部边缘设置在铁氧体磁芯7的内部以便提高线圈/铁氧体电感的图2A中所示的导热装置不必有图1A所示的结构。导热装置可以具有任何其它结构，只要它具有将铁氧体磁芯7的热量传导到无电极荧光灯的外部即可。利用这些其它结构，与金属管8的顶部边缘从铁氧体磁芯7的顶部突出的情况相比，通过在铁氧体磁芯7的空心部分内部设置金属管8的顶部边缘，导热装置可以提供提高线圈/铁氧体电感的效果。
代替金属管8，可采用由陶瓷材料形成的管。为了有效地将铁氧体磁芯7中产生的热量传导到爱迪生式灯座10并限制磁场在管8和圆筒9中产生涡流，管8和圆筒9优选由具有高导热性和高电阻的材料形成。具体地说，管8和圆筒9优选由导热性为20W/m·K或以上和电阻为2Ω·m或以上的材料形成。管8和圆筒9可以由金属材料例如铜或铝、和/或陶瓷材料如氧化铝、氮化铝或碳化硅形成。
铁氧体板11增加了线圈/铁氧体有效磁导率μeff和线圈/铁氧体电感Lc，结果是提高了线圈/铁氧体质量因数Q(在f＝100kHz时，Q＝550)，并降低了线圈/铁氧体功耗Ploss。因而，该灯具有高功率效率(η＝PPl/Plamp＝(Plamp-Ploss)/Plamp)和高效力。
铁氧体板11由磁性材料形成并使由流过线圈6的电流产生的磁场变形。铁氧体板11设置成使得通过铁氧体磁芯7的至少一部分磁通量穿过铁氧体板11。换言之，铁氧体板11磁性耦合到铁氧体磁芯7上。
铁氧体板11例如是由与铁氧体磁芯7相同的材料形成的盘。
图3A示意性地示出了在没有铁氧体板11的情况下由流过线圈6的电流在铁氧体磁芯7附近产生的磁场。如图3A所示，在不存在铁氧体板11的情况下，磁通量50通过圆筒9(部分901)。当圆筒9由能产生涡流的材料(例如金属材料)形成时，由于磁通量50通过圆筒9，在圆筒9中产生涡流。这样，产生线圈功率损失并降低了灯效力。产生涡流的圆筒9的部分被加热以具有其升高的温度。圆筒9的温度升高对位于区域13中的灯驱动器和匹配网络具有有害影响，而且降低了管8和圆筒9作为将铁氧体磁芯7中产生的热量传导到爱迪生式灯座10的导热装置的能力。
图3B示出了铁氧体板11位于铁氧体磁芯7的底部时，磁场的变形情况。在图3B中，与图3A相比，作为提供铁氧体板11的结果，磁场的空间扩展变小了，外壳1外部的磁通量的数量变小了。因此，通过圆筒9的磁感应线的数量减少了。由于限制了在圆筒9中产生涡流，可防止圆筒9由于涡流而具有高温。在如图3A所示的金属管8的部分902中可以产生涡流。在铁氧体板11位于铁氧体磁芯7的底部的情况下，如图3B所示，也可以限制金属管8的部分902由于涡流的产生而具有高温。
正如可以理解的，铁氧体板11用做用于减小由流过线圈6的电流产生的磁场施加于金属管8和圆筒9的热影响的衰减装置(即导热装置)。该导热装置不必具有图1A所示的结构。导热装置可以具有任何其它结构，只要它具有将铁氧体磁芯7的热量传递到无电极荧光灯的外部的功能即可。利用这些导热装置的其它结构，铁氧体板11可以用做用于减小施加于导热装置的热影响的衰减装置。
由于提供的铁氧体板11可以防止在金属管8和圆筒9中产生涡流，因此金属管8和圆筒9可以由具有低电阻的材料形成。可用于金属管8和圆筒9的材料的这种宽选择性优选允许采用具有高导热性的各种各样的材料，结果是改进了金属管8和圆筒9用做导热装置的功能。
铁氧体板11还用做变形装置，不管是否存在金属管8和圆筒9，该变形装置通过使磁场变形而用于提高无电极荧光灯的功率效率和效力。
图3C示意性地示出了在即不包括管8也不包括形成导热装置的圆筒9但包括铁氧体板11的无电极荧光灯的铁氧体磁芯7附近的磁场。由于提供了铁氧体板11，穿过外壳1的磁通量的数量增加了，因此无电极荧光灯的功率效率和效力提高了。
由非金属材料制成并具有低导热性的热屏蔽件12使区域13与铁氧体磁芯7和铁氧体盘11热绝缘。这里，表达式“热绝缘”定义为包括“限制热传输”的意思。对于热屏蔽件12，优选采用例如导热性为约0.36W/m·K的Xydar。“Xydar”是Amoco Polymers公司的登记商标。用于形成热屏蔽件12的材料优选具有0.4W/m·K或以下的导热性。
热屏蔽件12用做用于限制铁氧体磁芯7中产生的热量传输到驱动器的限制装置。
区域13用于处理灯驱动器和匹配网络(未示出)并保持在100℃以下的温度。由非金属材料(例如塑料)制成的壳体14粘接到灯底部4和爱迪生式灯座10上。在外壳1和凹腔2的内表面上设置保护涂层和荧光体涂层15和16。在外壳1的底部4的内表面上和凹腔2的内表面上设置反射涂层17(氧化铝等)。为使经过底部4和凹腔壁2的可见光损失最小化，底部4的外表面和壁2用反射涂层18(氧化铝等)涂敷。几个玻璃棒19用于在管子3中设置汞齐5。(当该灯在没有汞齐的情况下工作时，就不用玻璃棒)为降低其中设置驱动器和匹配网络的区域13内部的温度，在壳体14中形成几个狭缝20。
本发明的第二实施例如图4所示。冷却装置包括由高导热性材料如氧化铝、铜、铝等制成的管8和具有高导热性的陶瓷“裙部”9(氧化铝、碳化铝等)。整个冷却结构还可以由一块陶瓷制成。由于由涡流产生的损失高，因此不希望采用具有高导热性的金属如铜或铝。为了防止在冷却装置中产生大的涡流，优选冷却装置由具有高电阻的材料形成。用于冷却装置的材料的电阻优选等于或高于铜的电阻(2Ω·m)。为了从铁氧体磁芯7除去热量，用于冷却装置的材料优选具有高导热性。用于冷却装置的材料的导热性优选等于或高于氧化铝的导热性(20W/m·K)。
该冷却装置用做用于将铁氧体磁芯中产生的热量传输到无电极荧光灯外部的导热装置。
来自铁氧体磁芯7和凹腔壁2的热量经过管8被传输到陶瓷9，然后经过对流分散到环境气氛中。由具有低导热性的材料制成的热屏蔽件12也帮助除去热量以传输到驱动器区域13并保持这个区域的温度低于约100℃。
为了进一步降低区域13中的电子部件的温度，可以给壳体单元14增加狭缝20。但是，这是根据灯工作环境而任选的。
在图4所示的第二实施例中，优选管8的顶部边缘与第一实施例一样设置在铁氧体磁芯7的空心部分的内部。
在第一和第二实施例中，外壳1的形状不限于图1A或4中所示的形状。例如，外壳1可以是没有凹腔2的形状。代替玻璃，外壳1可以由陶瓷材料形成。外壳1至少部分是透光的就足够了。
在图5中给出了作为对于95kHz的驱动频率和23W的RF功率的灯起动时间的函数的铁氧体磁芯7的温度Tferr和在区域13内部、在热屏蔽件12附近的温度Tbase。这是在工作约35分钟、两个温度都停止升高之后看到的。铁氧体磁芯7的稳定化温度在175℃左右，这基本上低于220℃的居里点。即使环境温度为40℃，铁氧体温度仍然低于220℃。区域13内部的稳定化温度为约85℃，因此在40℃的环境温度时Tbase仍然低于100℃。
该灯如下工作。用氩以0.1-3.0乇(13.3Pa-399Pa)的压力填充外壳，其中氩的压力取决于外壳的直径和长度。通过汞齐(或汞冷却点)5的温度控制外壳内的汞蒸汽压。60Hz线路电压(100V或220V)施加于位于区域13中的驱动器。高频电压由驱动器产生并经过匹配网络施加于线圈6。在150-200V左右的线圈电压点燃具有低等离子体密度的容性放电。
当线圈电压达到足够高以保持外壳内的自持感应耦合放电的大小时，在外壳中呈现明亮的放电，同时线圈电流和电压降低。这就是灯起动了。线圈起动电压和电流的大小由线圈匝数、外壳内的气体/汞蒸汽压和外壳的几何形状决定。
在优选实施例1和2中，外壳1中的惰性气体(氩)压力约为1乇(约133Pa)。外壳直径为60mm，外壳长度为62mm。电感线圈6为60匝并绕成两层。灯起动电压为1000Vrms。维持感应耦合放电所需要的线圈电压和电流Vm和Im随着RF功率升高而降低。对于60匝的线圈，典型的线圈维持电压Vm从15W的480V变化到40W的350V，线圈电流Im从2.3A(15W)变化到1.6A(40W)。
在灯工作期间灯功率效率取决于线圈和铁氧体磁芯功率损失Ploss。在图1A(第一实施例)中所示的灯中测量的功率损失作为灯功率Plamp的函数在图6中对于三个驱动器频率：101kHz、135kHz和170kHz绘制成曲线。功率损失被确定为对于线圈电流Im但在灯中不存在RF放电时测量的灯正向功率Pf和反射功率Pref之间的差。
从图6可看出，随着灯RF功率增加，线圈/铁氧体功率损失Ploss减小。例如，对于101kHz的频率，功率损失从Plamp＝19.5W的5.6W减小到Plamp＝26W的3.8W。驱动频率的增加导致线圈/铁氧体功率损失降低。例如，在频率为170kHz和灯RF功率为23W时，线圈/铁氧体功率损失为2.4W。在较高频率时Ploss的降低导致较高的灯功率效率，η＝Ppl/Plamp。对于图1A(第一实施例)所述的和在23W的灯RF功率工作的灯，灯功率效率η和灯效力(LPW)作为驱动频率f的函数示于图7中。可以看出，η随着驱动频率增加而增加，即从f＝101kHz的0.81增加到f＝170kHz的0.9。期望灯效力也随着驱动频率而增加。实际上，如图7所示，灯效力从f＝101kHz的65LPW增加到f＝170kHz的73LPW。
这里应该指出，在本发明中所述的和在100kHz的低频工作的灯的效力高于在相同RF功率但在基本上较高的驱动频率2.65MHz工作的Genura无电极荧光灯的效力。
本发明不限于可应用到到无电极荧光灯。例如，本发明可应用于以下无电极灯：其外壳1(图1A和图4)的内壁没有用荧光体涂层16涂敷，因此基于与上述工作原理相同的原理，由放电产生的光直接射出到外壳1的外部。
很明显在本发明的精神和范围内可做出各种改变和修改，我们的意图只由所附权利要求书限制。

Claims (3)

1、一种无电极灯，包括：
一个含有放电气体填充物的外壳；
一个磁芯；
一个围绕磁芯缠绕的电感线圈；
一个用于给电感线圈输送电流以驱动无电极灯的驱动器；
热耦合到磁芯的导热装置，用于将磁芯中产生的热量传导到无电极灯的外部；和
磁性耦合到磁芯的衰减装置，用于减小由流过电感线圈的电流产生的磁场作用于导热装置的热影响，其中
所述衰减装置包括由磁耦合到磁芯的磁性材料构成的盘。
2、根据权利要求1的无电极灯，其中磁性材料与磁芯的材料相同。
3、根据权利要求1的无电极灯，其中：
所述磁芯具有一个空心部分；
所述导热装置包括一个热耦合到磁芯的管子，并且
管子的一端位于空心部分的内部。
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