CN1550029A - 带有多个铁氧体磁芯和感应线圈的无电极低压灯 - Google Patents

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Abstract

一种无电极低压放电灯具有一个长形外壳和至少一个延伸到外壳内的腔。该腔内容纳有多个中空的铁氧体磁芯，它们彼此分开几毫米的距离。每个铁氧体磁芯都具有绕磁芯缠绕的感应线圈。该腔具有位于铁氧体磁芯内部的冷却铜管或杆，其从磁芯上带走热量并将热量转移到焊接在该冷却管/杆上的吸热器内，从而将铁氧体磁芯的温度保持在它们的居里点以下。分别将感应线圈电连接到匹配网络上，所述匹配网络彼此并联连接到高频电源上。在外壳内，分别由磁芯/线圈部件产生的感应耦合等离子体产生沿外壳的纵向轴线均匀分布的紫外线(UV)和可见光辐射。

Description

带有多个铁氧体磁芯和感应线圈的无电极低压灯
技术领域
本发明涉及一种电灯，特别是涉及一种工作在50kHz到3MHz频率之间、并在低压和中压下工作的低压灯(例如，荧光灯)。
背景技术
利用感应耦合等离子体的无电极荧光灯已经广泛地用于室内外的应用中。与使用加热灯丝的传统荧光灯相比，上述这些灯具有更长的使用寿命。但是，目前仅有少量无电极灯出售。它们中的大部分都是球形外壳，如目前可用的灯有：通用电气公司(General Electric Company)的“Genura”牌电灯、飞利浦(Phillips)的“QL”牌电灯和松下电工株式会社(Matsushita ElectricWorks，Ltd.)的“Everlight”牌电灯。它们很少用于一般照明。并且它们不适合用在需要轴向均匀光输出的长形灯的应用中。
最近，在250kHz频率下工作的闭环无电极荧光灯被Osram/Sylvania引入市场，并由Godyak等人记载在美国专利5,834,905中。这种灯具有沿着400mm长的外壳的均匀的光输出，并可以用在隧道照明中。但是，将该灯装在用于隧道照明设备中的多个反射镜内时，这种灯的宽度有点大(140mm)。
Council等人的美国专利5,382,879记载了一种在30MHz和更高的射频(Radio Frequency)下工作的长管状荧光灯。在位于管壁的内部或外部射频电极的作用下，通过在管内产生的电容性放电等离子体产生紫外线(UV)和可见光辐射。但是，由于大部分RF功率用在了鞘层(sheath)的离子加速上，所以在RF频率f＜400MHz时在没有磁场的情况下工作的电容性放电的等离子体效率相对较低。并且，在这样高的频率下灯驱动器的成本是很高的。
Borowiec的美国专利5,760,547记载了带有球状外壳和腔的无电极灯，其中使用了两个独立供电的感应线圈。这样设置使得等离子体沿外壳的轴线扩散开，并导致轴向更加均匀的光输出。但是，这种灯最好是用于在高频(MHz范围)下工作，这种情况下可以使用仅有几匝的感应线圈。为了在低频f＜400kHz下有效地进行工作，无电极灯需要低损耗的铁氧体磁芯。并且，带有球状外壳的灯不具有轴向均匀的等离子体，因此，也就不具有隧道照明中所需要的轴向均匀的辐射。
发明内容
根据本发明，我们已经找到了一种有效的无电极荧光灯，其适用于隧道照明并能在20kHz到3MHz的频率下工作。这种灯包括一玻璃管状抽真空的外壳，该外壳具有大约50mm和2000mm之间的长度以及大约10mm和500mm之间的直径。这种灯进一步包括一个或多个腔，所述腔带有置于腔内的铁氧体磁芯和缠绕在每个磁芯上的线圈。每个磁芯的轴线与腔同轴线或与外壳的轴线共平面。所述腔的长度在大约10mm和1950mm之间。导热冷却杆或管置于每个磁芯内并连接到外部的吸热器上以从磁芯上带走热量。当使用管时，该管的外径在大约在4mm和50mm之间，内径在大约在2mm和48mm之间。对于杆，其外径在大约在4mm和50mm之间。
所述外壳构造为具有外壁和内壁，在外壁和内壁之间限定出一封闭空间。在该封闭空间内充有惰性气体和诸如汞、镉、钠或类似金属的蒸汽的填充物。内壁限制或围绕该腔2以限定出用来容纳至少一个部件的开口空间，该部件由该铁氧体磁芯和该感应线圈组成。保护涂层沉积在外壳的外壁的内表面以及内壁的内表面上。传统的磷光质涂层沉积在保护涂层上。反射涂层(氧化铝或类似材料)沉积在围绕该腔的内壁上、保护涂层和磷光质涂层之间，用以将紫外线(UV)和可见光反射回外壳壁上。
铁氧体磁芯是由低损耗铁氧体材料(如铁基MnZn或类似材料)制成圆柱体形，并置于该腔内部。每个铁氧体磁芯上都缠绕有感应线圈，该感应线圈电连接到传统的匹配网络上。所有的匹配网络并联连接，并由高频电源，即驱动器供电。驱动器产生20kHz-3000kHz的高频电压，并电连接到电源上。
本发明的一个目的在于提供一种有效的无电极荧光灯，其适用于隧道照明并能在20kHz到3MHz的频率和5W到1000W的功率下工作。
本发明的另一个目的在于提供一种具有外壳的灯，将该外壳设计成包括有适当位置、形状和尺寸的腔，以确保在外壳内具有足够的用于几个等离子体的体积，所述等离子体是有效地产生轴向均匀的可见光和紫外线(UV)辐射所必需的。
本发明的另一个目的在于提供一种具有一部件的灯，该部件包括具有非常低的功率损耗的铁氧体磁芯和感应线圈。
本发明进一步的目的在于提供一种灯，在这种灯中，线圈/磁芯部件位于外壳内，用以避免由每个部件产生的磁场间的相互干扰。
通过下面结合附图和权利要求阅读下列说明，本发明的许多其它的目的、特征和优点对于本领域的技术人员来说将变得更明显。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的带有驱动电路原理图的无电极灯的截面剖视图。
图2是根据本发明第二实施例的带有驱动电路原理图的无电极灯的截面剖视图。
图3是根据本发明第三实施例的带有驱动电路原理图的无电极灯的截面剖视图。
图4是根据本发明第四实施例的带有驱动电路原理图的无电极灯的截面剖视图。
图5示出了根据本发明第一实施例形成的灯和另一个根据现有技术形成的灯在驱动频率f为320kHz，氩气压为120mtorr时，作为灯功率Plamp函数的发光效率ε的曲线。
具体实施方式
参照图1，灯包括具有纵向轴线的长形结构的玻璃制外壳1。该外壳的长度Henv基本上大于管的直径Denv。在优选的实施例中，该外壳1的长度Henv＝300mm，该外壳的直径Denv＝70mm。外壳1具有外壁20和内壁30，在它们之间限定出了一个封闭空间。并且，外壳1形成有直圆柱腔2，该腔以这样的方式延伸，即由内壁30限定并且与外壳1的轴线A-A对齐。腔的直径Dcav和长度Hcav都比外壳的直径和长度小。腔的直径可以大约在5mm和100mm之间。在优选的实施例中，腔的直径Dcav＝25mm，长度Hcav＝290mm。外壳1的底部3密封到腔2的开口端4。小空间5分隔开外壳的顶部6a和腔的顶部6b。在本实施例中，空间5的长度He-c＝10mm。
通过置于排气管7内的汞滴(或汞齐)的温度维持外壳1内的汞蒸汽压力。惰性气体(氩、氪或类似惰性气体)的气压在0.01torr和10torr之间。保护涂层8分别沉积在外壳内表面的外壁20和围绕腔的内壁30的部分上。磷光质涂层9沉积在保护涂层8上。反射涂层10(氧化铝等类似材料)沉积在围绕腔的内壁上的保护涂层8和磷光质涂层9之间。尽管这些涂层在图1中显示的仅为部分沉积，但应该注意，涂层8、9和10的组合基本上在围绕腔的整个部分上沉积，并且涂层8和9的组合基本上在外壳的除围绕腔的部分和管7以外的整个部分上沉积。
等离子体产生装置包括几个感应部件，这些感应部件包括几个中空的铁氧体磁芯，每一个铁氧体磁芯都具有一个感应线圈。在优选的实施例中，包括有三个带铁氧体磁芯11a、11b和11c以及线圈12a、12b和12c的部件。所有部件都放置在腔2内部外壳1的轴线上。在优选的实施例中，三个铁氧体磁芯都具有相同的直径和相同的长度。在其它改型中，这些铁氧体磁芯可能具有不同的长度。
感应线圈可以具有2到200的匝数，并且匝之间的间距是从0.2mm到50mm。这些磁芯是圆柱形的，并且可以具有大约4mm到200mm的长度，大约4mm到98mm的外径和大约2mm到50mm的内径。在优选的实施例中，三个线圈都具有相同的匝数N＝40，和相同的匝间距6.0mm。线圈可以由规格为从#10到#52铜线制成，每条铜线都涂覆有较薄的银层。在优选的实施例中，线圈的线是由具有250条铜制线的多股绞合线(Litz wire)制成的，每条铜制线的规格是#40。在其它改型中，线股数可以是从20到600，规格可以是从#30到#44。
每个线圈都连接到匹配网络上。所有匹配网络13a、13b、13c并联连接到电源(驱动器)14上，并且要进行单独调节以将来自于每个感应部件的反射功率减到最小。将铁氧体磁芯11a、11b和11c彼此隔开几毫米，以将由高频电压产生的交变磁场的相互干扰减到最小，该高频电压由匹配网络12a、13b、13c分别施加到线圈12a、12b、12c上。
交变磁场在外壳内感应方位变化的电压，其激起并维持外壳内的感应耦合等离子体15a、15b和15c。每个等离子体具有环形形状，并大致在对应的铁氧体磁芯的中间平面内具有最大的等离子密度N(z)＝Nmax。在外壳1内激起并保持的三个环形等离子体15a、15b和15c，其占据的体积基本上大于由单个磁芯和线圈部件产生的单个等离子体所占据的体积。这样使得由这三个等离子体15a、15b、15c产生比由单个等离子体产生的更强的紫外线(UV)和可见光辐射。并且，与使用了单个感应部件的灯相比，在具有三个磁芯/线圈部件的灯内，可见光辐射的轴向分布更均匀。
主要由对应的等离子体通过经由腔壁的对流来对每个铁氧体磁芯11a、11b和11c进行加热。为了从铁氧体磁芯上带走热量并将它们的温度保持在居里点(Curie point)以下(＜200℃)，将由铜或其它诸如铝的具有高热导率的材料制成的实心杆16插入到中空的铁氧体磁芯11a、11b、11c内，并焊接到位于外壳底部3下面的吸热器17上。
图2示出了本发明的第二实施例。外壳101形成具有均匀直径的直环形圆柱体，其在相对的纵向末端处开口。外壳具有环形的封闭空间，其沿外壳的纵向轴线B-B延伸，并被限定在外壳的外壁120和内壁130之间。这样，限定了一个由内壁130环绕的、具有均匀直径的直腔102，其以与外壳共轴线的方式沿外壳的轴线延伸，即穿过外壳的中心。外壳的直径Denv基本上小于外壳的长度Henv。腔102的长度Henv基本上等于外壳102的长度，即Hcav＝Henv。腔102的两个开口末端103a和103b密封到外壳101的两个开口末端104a和104b，从而使外壳101形成中空形状。
外壳101填充有气压在0.01torr和10torr之间的惰性气体，如氩、氪或类似气体。通过位于排气管107内的汞滴(或汞齐)的温度来控制诸如汞、钠或类似金属的蒸汽压力。保护涂层108和磷光质涂层109分别沉积在外壳的内表面上的形成外壳的外壁120和围绕腔的内壁130的部分上。反射涂层110在沉积在围绕腔102的内壁130上、保护和磷光质涂层108和109之间。涂层108、109和110的组合基本上沉积在围绕腔的整个部分上，而涂层108和109的组合基本上沉积在外壳除围绕腔的部分和管107以外的整个部分上。
沿外壳轴线在腔102内插入几个感应部件，每一个感应部件都包括铁氧体磁芯111和感应线圈112。在优选的实施例中，使用带有三个磁芯111a、111b和111c以及三个线圈112a、112b、112c的三个部件。
每个感应线圈都电连接到匹配网络上。三个匹配网络113a、113b、113c并联连接到电源(驱动器)114上。当对感应线圈施加足够高的交流电压时，在铁氧体磁芯附近就产生了感应耦合环形等离子体115。最大等离子体密度位于铁氧体磁芯中间平面的附近。三个等离子体115a、115b、115c所占用的体积基本上大于由单个磁芯/线圈部件产生的单个等离子体所占用的体积。这样，由三个等离子体产生的紫外线(UV)和可见光辐射就高于由单个等离子体产生的紫外线(UV)和可见光辐射。并且，在有三个等离子体的情况下，可见光辐射的轴向均匀性更好。
为了将每个铁氧体磁芯的温度保持在居里点以下，沿外壳轴线在腔102内插入了两个金属(铜、铝或类似金属)杆或管116a和116b。两个杆(管)116a和116b均热连接(焊接或铜焊)到两个吸热器117a和117b上。在腔的中心处以非常小的空间118将两个杆分隔开。空间118的长度Hsp在0.5mm和10mm之间。在优选的实施例中，Hsp＝1mm。
图3示出了本发明的第三实施例。外壳201形成具有均匀直径的直环形圆柱体，其在相对的纵向末端处开口。外壳具有环形的封闭空间，该封闭空间沿外壳的纵向轴线C-C延伸，并被限定在外壳的外壁220和内壁230之间。在外壳内形成了中心腹板206，用以在外壳的纵向中心处连通环形的封闭空间。这样，通过内壁230以及腹板206围绕限定出具有相同直径的两个腔202a和202b，其沿外壳的轴线共轴线延伸，使得每个腔都由该腹板在其一端部封闭。每个腔都具有一个开口端203a和203b，其被密封到外壳的底部204a和204b上。该腹板206将两个腔的顶部205a和205b彼此分隔开。在优选的实施例中，腹板206的长度H1-2可以是从2mm到50mm。
保护和磷光质涂层208和209沉积在外壳201的内表面上的形成外壁220的部分以及围绕腔202a和202b内壁230的部分上。反射涂层210沉积在内壁230上、保护和磷光质涂层208和209之间。通过位于排气管207内的汞滴(或汞齐)的温度来控制汞蒸汽的压力。惰性气体(氩、氪或类似气体)气压在0.01torr和10torr之间。在优选的实施例中，氩气压大约为0.120torr。涂层208、209和210的组合基本上沉积在围绕腔的整个部分上，而涂层208和209的组合基本上沉积在外壳的除围绕腔的部分和管以外的整个部分上。
感应装置包括几个位于两个凹腔轴线上的感应部件。每个部件包括一个铁氧体磁芯和缠绕在铁氧体磁芯上的感应线圈。每个部件都与邻近部件隔开一定距离Hf-f，该距离的长度可以在2mm到200mm之间变化。在优选的实施例中，使用四个感应部件，在每个腔内有两个部件，每个部件之间的距离Hf-f为10mm。在其它改型中，每个腔都可以具有不同数量的感应部件。
铁氧体磁芯211a、211b和感应线圈212a、212b插入到腔202a内。铁氧体磁芯211c、211d和感应线圈212c、212d插入到腔202b内。在该优选的实施例中，所有线圈都具有相同的匝数40和相同的匝间距1mm。在其它改型中，线圈可以具有从2到200的不同的匝数，以及从0.2到40mm的不同的匝间距。
使用两个金属杆(管)216a和216b将铁氧体磁芯的温度保持在居里点以下。两个杆末端从腔202a和202b中伸出，并分别热连接(焊接或铜焊)到两个吸热器217a和217b上。
四个线圈203a、203b、203c和203d都分别连接到四个匹配网络212a、212b、212c和212d上。调节每个匹配网络以将来自于对应磁芯/线圈部件的反射功率减到最小。所有匹配网络都并联连接到公共电源(驱动器)213上。
由每个磁芯/线圈产生的感应耦合等离子体具有环形形状，在磁芯中间平面的附近具有最大的等离子体密度。由四个单独的等离子体组合后形成的等离子体具有比每个单独等离子体更好的轴向均匀性。因此，由四个感应耦合等离子体产生的紫外线(UV)和可见光辐射在轴向也非常均匀。
图4示出了本发明的第四实施例。外壳301是由直玻璃管制成的，其直径为70mm，长度为440mm。外壳310沿其纵向轴线D-D伸长，并在两个纵向隔开的部分上凹进以形成管状内壁330。内壁330在垂直于外壳的轴线D-D的方向上延伸，以限定出具有均匀直径的腔302a和302b。因此，由内壁330围绕的每个腔在其一个末端处封闭，在外壳内形成由外壳的外壁320和内壁330限定的封闭空间。在图4中所示的优选实施例中，两个腔302a和302b的开口末端密封到外壳上。腔302a和302b的轴线E-E和F-F垂直于外壳301的轴线D-D，并且彼此平行。在其它改型中，腔的轴线彼此不平行而是位于平行的平面上并垂直于轴线D-D。
腔302a和302b的开口末端305a和305b密封到外壳的壁上。在本优选的实施例中，腔302a和302b的轴线E-E和F-F之间的间距H1-2为220mm。在其它改型中，如当(形成有)多个腔，例如多达50个时，每个相邻腔之间的间距可以在5mm到500mm之间变化。腔302a和302b的高度Hcav比外壳301的直径Denv＝70mm小。在优选的实施例中，Hcav＝60mm，但在其它改型中，每个腔的高度可以是不同的，并且可以在5mm到200mm之间变化。每个腔302a和302b的直径为25mm，但在其它改型中，每个腔的直径可以是不同的，并可以在5mm到100mm之间变化。
保护和磷光质涂层308和309沉积在外壳301的内表面上的形成外壳的外壁320的部分和围绕腔302a以及302b的内壁330的部分上。反射涂层310沉积在分别围绕腔302a和302b的内壁330上、保护和磷光质涂层308和309之间。通过位于排气管307内的汞滴(或汞齐)的温度维持汞的压力。涂层308、309和310的组合基本上沉积在围绕腔的整个部分上，涂层308和309的组合基本上沉积在外壳除围绕腔的部分和管以外的整个部分上。
在腔302a和302b内分别插入两个铁氧体磁芯311a和311b。在优选的实施例中，两个铁氧体磁芯的高度是相同的，Hf＝60mm。在其它改型中，每个铁氧体磁芯的高度可以在5mm到100mm之间变化。每个铁氧体磁芯的直径是20mm。在其它改型中，每个铁氧体磁芯的直径可以在2mm到490mm之间变化。
线圈312a和312b缠绕在两个铁氧体磁芯311a和311b的每一个上，并分别连接到两个匹配网络313a和313b中的一个上。调节两个匹配网络中的每一个，以将来自于对应感应部件的反射功率减到最小。两个匹配网络313a和313b并联连接到电源(驱动器)314上。
使用两个冷却杆(管)316a和316b将铁氧体磁芯的温度保持在居里点以下。每个冷却杆插入到对应铁氧体磁芯311a和311b的一个中，并焊接(或铜焊)到吸热器317上。
在外壳301内两个腔302a和302b周围激发并保持两个环形等离子体315a和315b。与由单个的感应部件产生的单个等离子体所产生的紫外线(UV)和可见光辐射相比，由两个等离子体产生的紫外线(UV)和可见光辐射沿外壳的轴线D-D更均匀。
图5中的曲线示出了根据本发明第一实施例构成的灯的发光效率ε，其中使用了三个铁氧体磁芯和三个线圈。图5还示出了对于同样的灯但仅具有一个单独的铁氧体磁芯/线圈部件(现有技术)所测量得到的发光效率ε的数据。在此灯中，外壳长度Henv＝300mm，外壳直径Denv＝70mm，腔高度Hcav＝290mm，腔直径Dcav＝25mm。驱动频率f＝320kHz，氩气压p＝120mtorr。
可以看出，在具有三个磁芯/线圈部件的情况下，发光效率比在仅具有单个的磁芯/线圈部件的情况下的发光效率高很多。注意，两种情况下在铁氧体磁芯和线圈内的功率损耗基本上是相同的(为6.5W)。发光效率不同是由于由三个感应部件产生的三个等离子体所占用的外壳体积比由单个磁芯/线圈等离子体占用的体积大。
很明显，在本发明的范围内可以做出各种改型和改变，但是，应该包括在本发明所附的权利要求书的范围内。

Claims (24)

1.一种无电极低压灯，包括：
一抽真空的管状玻璃外壳，所述外壳是长形的，具有一纵向轴线，并具有一外壁和一内壁，在该外壁和该内壁之间限定出一封闭空间，
至少一个延伸到所述外壳内的腔，所述腔由所述内壁限制，以限定出一开口空间；
至少一种金属蒸汽，其填充在该外壳的所述封闭空间内，通过所述外壳的冷点的温度使所述金属的蒸汽压力为可控的，
一种惰性气体，其以高于大约10mtorr的压力填充在所述外壳内；
多个感应部件，其沿所述外壳的所述纵向轴线设置在所述腔内，每个所述感应部件都包括一铁氧体磁芯和缠绕在每个所述铁氧体磁芯上的一感应线圈；
一冷却装置，其置于所述至少一个腔内；和
多个匹配网络，每个匹配网络都连接到每个所述感应线圈上，所述匹配网络彼此并联连接到高频电源上，给所述感应线圈通电，从而在所述外壳的所述封闭空间内在所述感应部件周围分别产生等离子体。
2.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，在所述外壳的所述外壁和所述内壁的内表面上沉积有保护涂层。
3.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，在所述保护涂层上沉积有磷光质涂层。
4.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，在所述外壳的所述内壁的内表面上、所述保护涂层和所述磷光质涂层之间沉积有反射涂层。
5.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述冷却装置置于所述铁氧体磁芯内。
6.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，一吸热器热连接到所述冷却装置上。
7.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述外壳是直的，并且所述外壳的长度在大约50mm和2000mm之间。
8.如权利要求7所述的无电极低压灯，其中，所述外壳的直径在大约10mm和500mm之间。
9.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，一个以上所述腔形成在所述外壳内并沿所述纵向轴线设置。
10.如权利要求9所述的无电极低压灯，其中，该腔的直径在5mm和100mm之间。
11.如权利要求10所述的无电极低压灯，其中，所述腔容纳有多个具有一公共轴线的所述铁氧体磁芯，该公共轴线与所述腔的一公共轴线重合。
12.如权利要求11所述的无电极低压灯，其中，所述铁氧体磁芯中相邻铁氧体磁芯之间沿所述公共轴线的距离为1mm到500mm之间。
13.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述铁氧体磁芯的长度在4mm和200mm之间。
14.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述铁氧体磁芯是圆柱形的，其外径介于4到98mm之间，内径介于2到50mm之间。
15.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述线圈的匝数介于2到200之间，匝间距介于0.2mm到50mm之间。
16.如权利要求15所述的无电极低压灯，其中，所述线圈由多股绞合线制成。
17.如权利要求16所述的无电极低压灯，其中，所述绞合线的股数介于20和600之间。
18.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述冷却装置是一构件，并由具有高热导率和低功率损耗的金属形成。
19.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述至少一个腔具有垂直于所述纵向轴线的轴线。
20.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述高频电源以介于50kHz到3MHz的一频率将介于5W到5000W之间的一高频功率传送给所述匹配网络。
21.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述线圈由铜线制成。
22.如权利要求21所述的无电极低压灯，其中，所述铜线的规格从#10到#28。
23.如权利要求18所述的无电极低压灯，其中，所述构件是直径为1mm到50mm的杆或管。
24.如权利要求1所述的无电极低压灯，其中，所述铁氧体磁芯是矩形形状。
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