CN1293448A - 气体放电灯 - Google Patents

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本发明涉及一种气体放电灯,该放电灯具有一个在其中充满充气压力达到p的填充气的气体放电室和至少一个电容性激发机构。为了提高气体放电灯的发光效率,本发明提出由一种电介质材料制成的电极形成至少一个电容性激发机构,该电极与气体放电室相连接,并且至少围成一个表面积为A和容积为V的中空空间,在其中p·V/A<1333cm·Pa。根据本发明,这种电介质的或电容性的电极的形状被加工得使其具有一个除去与气体放电室的连通部分之外都被真空密封的中空空间。在电极内部围绕容积V的表面积为A,中空空间的尺寸使得p·V/A<1333cm·Pa,填充气压力p的单位为Pa。

Description

气体放电灯
本发明涉及一种气体放电灯，该放电灯具有一个在其中充满充气压力达到p的填充气的气体放电室和至少一个电容性激发机构。
已知的气体放电灯包括一个充满充气压力达到p的填充气的、在其中发生气体放电的气密室以及通常为两个、被封置于所述的放电室中的金属电极。一个电极供给放电电子，这些电子通过第二电极返回外电流电路。电子的供给通常是借助于热离子发射(热电极)进行的，但是也可以由在强电场中的发射得到或直接由离子轰击(离子诱导二次发射)(冷电极)得到。然而，气体放电灯的运行也可以不借助于导电电极。在电感运行模式中，电荷载体直接由高频(在低压气体放电灯的情况下通常高于1MHz)电磁AC场在气体空间中产生。电子在这种电感型灯的放电室内的环路中运动，在这样的运行模式中不存在常规的电极。电容性激发机构在电容型运行模式中常常被用作电极。这些结构是由绝缘体(电介质)构成的，这些材料在一侧接触气体放电，在另一侧与外电流电路导电连接(例如借助于金属接触)。在将AC电压加到电容性激发机构上时，在放电室中产生一个AC电场，电荷载体就是沿该电场的电力线运动。电容型灯类似于高频运行条件下(＞10MHz)的电感性灯，这是因为这里的电荷载体也是在整个气体空间中产生的。激发机构的电介质材料的表面性能在这里是次要的(即所谓的α-放电模式)。在低频下，电容型灯改变了它们的运行模式，而对放电重要的电子必须在最初发射于电介质激发机构的表面并且在所谓的阴极下降区增加，以保持放电。因此，电介质材料的发射性能对于灯的运行(即所谓的γ-放电模式)是至关重要的。在γ-放电模式中，紧邻电介质表面形成一个很有限的等离子边界层，类似于采用冷金属阴极的DC辉光放电的阴极下降区。横跨这一边界层存在一个电压降Us，根据电流密度该电压降可能达到100V以上。由于在边界层消耗的功率反过来不产生光，所以，相应的功率Us·I表示发光的功率损失。I表示通过灯的电流。因此，γ-放电模式的电容耦合型灯具有实际上降低了的发光效率(1m／W)。
气体放电灯需要它们运行所必须的电子驱动器电路，它激发灯中的气体放电，并在电路中为灯提供运行的镇流器。如果在外电路中没有适合的镇流阻抗，那么气体放电灯中的电流将由于放电室中的气体空间中电荷载体的数量上升而增加，以致于达到使灯被迅速破坏的程度。
从美国专利US2624858中可以了解到这样的气体放电灯。采用电容性电极的放电灯是借助于在低于120Hz的运行频率之下具有大于100的高介电常数ε(最好ε＞2000)的电介质材料运行的。在这里，外电压应该在500V和10，000V之间。对于这样的电容性气体放电灯的运行来说，带有电子驱动器单元的电路也是必须的。通过经由电介质材料电容耦合向气体放电灯提供电功率。电介质材料将金属电极与气体放电隔离。电介质材料的高比电容(specific capacitor)特性意味着在金属电极上被诱导出的电荷导致气体放电灯中的填充气的电离和放电。γ-放电模式还导致在气体放电灯中毗邻电解质表面形成等离子边界层，在此出现的较大的功率损失有损于灯的发光效率。
本发明的目的是提供一种具有发光效率增加的、电容性激发的气体放电灯。
该发明目的是这样实现的：提供一个电介质材料电极以构成至少一个电容性激发机构，该电极与气体放电室相连接，并且至少围成一个面积为A和容积为V的中空空间，对此，实际上是p·V／A＜1333cm·Pa。按照已知的方式，气体放电灯包括一个放电室，该放电室是透明的或者是可以透过所需要的辐射的，该放电室有填充气压为P的常用填充气(例如：在低压气体放电灯的情况下是稀有气体或者是加汞的稀有气体)填充。放电室包括至少两个局部被隔开的电极或激发机构其中至少一个被制成电容性激发机构。例如，根据本发明的电容性激发机构还可以与一个金属电极组合。该电容性激发机构是用一个由适合的电介质材料，例如玻璃、陶瓷材料、聚合物，或它们的混合物构成的，并且被设计用于利用导电接触连接外电压源的电极构成。该电容性激发机构还可以包括几层不同电介质材料所构成的层。这种电介质的或电容性的电极的形状要制作的使得它具有一个中空空间。除去与放电室的连接之外，所述的中空空间要以气密方式封闭。在电极的内部，该空间的表面积为A，而所包围的容积为V，对它的测量直到它与气体放电室的连通处。根据本发明，中空空间的尺寸要使得p·V／A＜1333cm·Pa，填充气压p是以Pa为单位给出的。显然，在本发明的范围内各种不同的激发机构的实施例，例如使用共同形成一个电介质电极的平行排列的几个电极，也是可以接受的。
在所述的中空空间进行几个过程，借助于这些过程可以比平面电极情况下更为有效地完成对于维持放电所必须的中性粒子的电离。电子在中空空间的电场中完成振荡运动。比起在平面阴极的等离子边界层中，这使得中空空间中的路径长度更大，并且整个离子化程度更高。此外，在放电的负发光区(等离子边界层和阳极区之间的、低电场和高电离密度的常规区域)所产生的离子在中空空间被捕获且重新回到该阴极。此时，它们对二次电子发射作出贡献。同样，对二次发射作出贡献的其他粒子，例如紫外光子和被激发的亚稳态原子，重新返回阴极的表面。
这些效应产生了这样的结果，即：在比平面电极的情况下低的电压下，在根据本发明的具有中空空间的电极的等离子边界层中可以获得均匀的粒子平衡(在等离子边界层中产生的电荷等于在电极上从等离子中提取的电荷)。因此，具有中空空间的电介质电极的电流-电压特性明显地显示出梯度比平面电极更为平坦。即在施加相同的电压下采用具有中空空间的电介质电极比采用平面电极显然可以获得更高的电流密度。相反，在施加相同的电流密度的情况下，在具有中空空间的电介质电极的等离子边界层中所呈现的电压低于平面电极。功率损失降低至同样的程度，以使得灯的发光效率明显提高。
在根据本发明的气体放电灯的另外一些实施例中，电极至少围成容积V大约等于在气体放电灯运行过程中所形成的等离子边界层的容积的一个中空空间。如果该中空空间的容积的尺寸使得它大致相应于毗邻电解质表面的等离子边界层的容积，具体讲偏差最大值为10％，那么灯的发光效率将获得特别高的增加。
由于等离子边界层是按平面形式形成于电介质电极的内部，所以还可以借助于直径D来说明中空空间最有利的尺寸的确定。提供具有直径D大致相应于两倍边界层厚度的中空空间，具体讲偏差最大值为10％，是特别有利的。在圆筒形中空空间这种特殊的情况下，中空空间的直径D对应于该圆筒的直径。在那种情况下，边界层的厚度等于该圆筒的半径。
在从属权利要求中限定了本发明的特别有利的实施例。
以下将参照附图更为详细地说明本发明的气体放电灯的一些实施例。
图1示出一个具有一个圆筒形气体放电室和一个圆筒形电容性激发机构的气体放电灯；
图2是图1的具有一个电介质电极的圆筒形电容性激发机构的详细示意图；
图3示出一个具有一个弯曲形气体放电室和一个圆筒形电容性激发机构的气体放电灯；
图4是图1的具有若干个平行排列的电介质电极的圆筒形电容性激发机构的详细示意图。
气体放电灯的这些实施例都使用带有具有中空空间的电介质电极的电容性激发机构(表面积为A，而容积为V)，对于该中空空间来说，实际上p·V／A＜1333cm·Pa(p为气体放电室中的填充气的填充气压)。该灯是按照γ-放电模式，即通常是在低于10MHz的频率下运行。
图1示出一个具有一个圆筒形气体放电室2和两个圆筒形电容性激发机构3的气体放电灯1。所述的这两个圆筒形电容性激发机构3的每一个在一端借助于一个气密接头4与气体放电室2相连。此外，还示出一个具有通向电容性激发机构3的电源线6的RF电力网电压源5。气体放电灯1围绕轴7旋转对称。气体放电室2包括一根长度a为500mm和内径p为15mm的玻璃管。所述的气体放电室填充有5mbar的Ar气和5mg的Hg，并且在其内部涂有荧光粉，以使得它发射出所需要的光谱。RF电力网电压源5供给频率为5MHz的500V的平均电压。
在图2中更为详细地显示了图1的圆筒形电容性激发机构3中的一个。它包括一个具有中空空间的圆筒形电介质电极8和一个由电介质材料构成的圆盘，并且在一侧以气密方式封闭电容性激发机构3的盖子9。电介质电极8包括一根长度c为20mm和外径f为2mm的玻璃管。被电极8封闭的中空空间由玻璃管的内径d=1mm确定。在电介质电极8的外圆周上提供了用于接触电源线6的金属层。同时，电介质电极8构成灯1的镇流器，结果使得不必外加镇流器。利用灯1获得了大约40mA的最大平均电流，即20W的平均功率。通过玻璃管8的厚度的变化以及因此电介质激发机构的电容的变化可以改变相应的功率(power connected)或运行频率，结果使得可以适合所提出的任何要求。灯1是按γ-放电模式运行，结果使得在电极上出现等离子边界层，基本上占据了玻璃管8中的中空空间。由于所使用的电介质电极8的中空空间形状，等离子边界层中的功率损失被大大的降低。
在灯1的一个类似的例子中，使用了玻璃以外的不导电的材料作为电极8的电介质。选择适合的材料使得可以改变灯1的运行参数，特别是运行频率和消耗功率，以及使它们适合要求。例如，当使用介电常数ε≈1000(例如BaTiO3、BZT、PLZT)和管状电极厚度为0．5mm的管状电极材料时，可以获得HF范围内的运行频率(大约30MHz)。这使得可以在简化了的电子电路上操纵控制灯1。
图3示出一个具有一个弯曲形状的气体放电室10和一个圆筒形电容性激发机构11的气体放电灯1的第二个实施例。激发机构11在一侧按气密方式与气体放电室10相连，而在另一侧被气密封闭。它们经由设置在激发机构11外侧的电触点与来自电力网电压源5的电源线6相连接。气体放电室10包括一根被弯成U形并且填充有500Pa的Ar气和5mg的Hg的内径为9mm、其内部涂有荧光粉的玻璃管。
在图4中更为详细地显示了图3的圆筒形电容性激发机构11中的一个。圆筒形电容性激发机构11包括几个平行排列的电介质电极8。管状电极8在一侧用盖9密封。盖9也是用一个电介质圆盘制成。在另一侧，借助于玻璃盘12在电介质电极8和气体放电室10之间提供了气密连接。玻璃盘12具有若干孔，结果使得在电极8的空心空间和气体放电室10之间形成开放连通。电容性激发机构11的长度c=20mm，直径g=10mm。平行排列的电介质电极8每一个的内径d=1mm，外径f=2mm，同时长度c=20mm。电极8是用电介质材料，例如专门的BaTiO3制作，它们全部借助于一个导电层外表面导电接触。对于灯1的第二实施例来说，最好使用由铁电材料制成的、具有高度饱和极化度P和最大的可能激发表面积A的激发机构11。P·A的乘积是电力网电压源5每半周期可以传递的最大电荷量。在这个实施例中，还可以在230V和50Hz条件下运行，以便向灯1提供足够强的电流和足够高的功率(大约10W)。这种具有通过本发明的电介质电极8所获得的发光效率提高的灯可以直接在公共电力网上运行，而不需要价格昂贵的电子驱动器电路。

Claims (5)

1．一种气体放电灯(1)，具有一个在其中充满充气压力达到p的填充气的气体放电室(2)和至少一个电容性激发机构(3)，其特征在于提供至少一个电介质材料电极(8)以构成至少一个电容性激发机构(3)，该电极与气体放电室(2)相连，并且至少围成一个面积为A和容积为V的中空空间，在其中p·V／A＜1333cm·Pa。
2．根据权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于电极(8)至少围成容积大约等于在气体放电灯(1)运行过程中所形成的等离子边界层的容积的一个中空空间。
3．根据权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于电极(8)围成至少一个直径D(d)大约等于在气体放电灯(1)运行过程中所形成的等离子边界层厚度两倍的中空空间。
4．根据权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于提供至少一根长度(c)约为20mm、内径(d)约为1mm和外径(f)为2mm的玻璃管，以形成电极(8)，电极管在一侧按气密方式与气体放电室(2)相连，而在另一侧被气密封闭。
5．根据权利要求1所述的气体放电灯，其特征在于提供至少一根长度(c)约为20mm、内径(d)约为1mm和外径(f)为2mm的非导电的陶瓷材料管(8)，以形成电极(8)，电极管在一侧按气密方式与气体放电室(2)相连，而在另一侧被气密封闭。
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