等离子体灯
技术领域
本实用新型总体上涉及照明技术。具体地,本实用新型提供了一种使用具有宽度大于长度的介电波导本体的无电极等离子体照明装置的方法和装置,不过其也可以设置在其他空间构造中。本实用新型可以应用于许多应用场合,诸如:体育场、安全设施、停车场、军事及国防、街道、大小建筑物、车辆前灯、飞机着陆、桥梁、仓库、紫外线水处理、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、显微镜、投影仪及显示器、以及类似的应用。
背景技术
从很早开始,人类已使用各种技术来照明。早期人类依靠火来在黑暗时照亮洞穴。火常常会消耗木材来作为燃料。木材燃料不久便被来源于油及油脂的蜡烛所取代。此后蜡烛至少部分地被灯所取代。某些灯通过油或其他能源来供以燃料。煤气灯曾经很受欢迎,且对于户外活动(诸如野营)仍是很重要的。在十九世纪后期,托马斯爱迪生,这个历史上最伟大的发明家之一,构想出了白炽灯,白炽灯使用处于灯泡内、耦接至一对电极的钨丝。许多常规的建筑物及住宅仍使用通常被称作爱迪生灯泡的白炽灯。尽管非常成功,但爱迪生灯泡会消耗很多能量且通常效率低。
对于某些应用场合,荧光照明取代了白炽灯。荧光灯通常包括含有气态材料的灯管,其耦接至一对电极。电极耦接至电子镇流器,该电子镇流器帮助使来自荧光照明的放电发光。常规的建筑物结构常常使用荧光照明,而非相对的白炽照明。荧光照明比白炽照明更高效,但常常具有更高的初始成本。
Shuji Nakamura开创了高效的蓝发光二极管,该蓝色发光二极管是固态灯。蓝色发光二极管形成白色固态灯的基础,白色固态灯常常是处于涂有黄色荧光体材料的灯泡内的蓝色发光二极管。蓝光激发荧光体材料发出白色照明。蓝色发光二极管已使照明工业发生了巨大变革,取代了用于住宅、建筑物、以及其他结构的传统照明。
另一种照明形式通常被称作无电极灯,该无电极灯能放出用于高强度应用场合的光。Frederick M.Espiau是研制改进的无电极灯的先驱者之一。这种无电极灯依靠实心陶瓷谐振器结构,该谐振器结构耦接至封装在灯泡中的填充物。灯泡经由RF馈电器(feeds)耦接至谐振器结构,该RF馈电器将功率(power)传递至填充物,以使填充物放电产生高强度照明。该实心陶瓷谐振器结构已经被限制于介电常数大于2。这样的实心陶瓷波导的一个实例在美国专利No.7,362,056中进行了描述,该专利以引证方式结合于此。尽管有些成功,但无电极灯仍有许多局限性。作为一个实例,无电极灯对于通用照明应用没有广泛地成功开展。此外,传统的灯还使用高频率并具有相对大的尺寸,这常常是笨重且难于制造和使用的。在本说明书的通篇中且特别是在下文中对传统灯的这些及其他局限性进行描述。
由上可见,高度期望改进的照明技术。
实用新型内容
本实用新型提供了一种使用无电极等离子体照明装置的方法和装置,该无电极等离子体照明装置具有优选地宽度大于长度的介电波导本体。本实用新型可以应用于许多应用场合,诸如:体育场、安全设施、停车场、军事及国防、街道、大小建筑物、车辆前灯、飞机着陆、桥梁、仓库、紫外线水处理、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、显微镜、投影仪及显示器、以及类似的应用。
一种无电极等离子体灯包括波导本体,该波导本体具有至少一种固体介电材料。本体具有一直径和横切该直径的一长度。在一个具体实施方式中,本体的直径小于本体的长度。灯还具有RF电源(power source),该电源被构造成以大约在本体内谐振的频率来将功率提供给本体。波导本体具有包括直径的至少一部分和长度的一个或多个部分的有效长度,以使频率在波导体内谐振。灯还具有邻近本体放置以接收来自本体的功率的填充物,等离子体灯的该填充物能够在从本体接收到功率时形成等离子体。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,填充物设置在一灯泡中,灯泡被构造成圆柱形、环形、和卵形。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,长度被选择成实现来自多个谐振频率的一确定谐振频率。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,多个谐振频率小于约900MHz。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,多个谐振频率小于约500MHz。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,多个谐振频率小于约250MHz。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,多个谐振频率小于约150MHz。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体进一步至少包括流体材料。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体进一步包括至少一种导电材料。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,一种固体导电材料选自金属材料。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体进一步至少包括第二固体介电材料。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体进一步至少包括第三固体介电材料。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体进一步包括一介电材料,相对于该介电材料的更远离灯的填充物的附近区域的一部分,该介电材料在灯的填充物的附近区域内具有更高的介电常数。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,进一步包括封装填充物的灯泡。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体形成一开口,并且灯泡的至少一部分定位于开口中。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,灯泡的至少一部分从开口内延伸至的本体的外表面,以使光透过灯泡而远离本体。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,灯泡具有位于开口外侧的透明部分,光透过透明部分而远离本体。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体具有导电涂层,该导电涂层涂覆在本体的除了将功率从本体提供至填充物的区域之外的外表面上。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,外表面具有导电涂层并且开口暴露了本体的至少一个未涂覆表面,功率通过未涂覆表面从本体提供至填充物。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体具有圆柱棱镜形。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,灯泡定位于接近本体中的功率的电场极大值处。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体的直径小于在大约谐振频率下的本体中的功率的约一个波长。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体的直径等于在大约谐振频率下的本体中的功率的约半个波长。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体的长度小于在大约谐振频率下的本体中的功率的约半个波长。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,电源被构造成在本体中激发零阶贝塞尔模型。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,进一步包括第一馈电器,该第一馈电器耦接至电源以将功率从源提供至本体。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,进一步包括耦接至本体的第二馈电器。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,功率以在大约500MHz至10GHz范围内的频率被提供并且以基础谐振模式在本体内谐振。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体具有横切本体的直径的中心轴线,并且灯泡围绕本体的中心轴线定位。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,进一步包括在基本上平行于本体的中心轴线的方向上插入本体内的探针,探针耦接至电源以将功率从源提供至本体。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,电源包括放大器,灯进一步包括耦接至本体以将来自本体的反馈提供至放大器的馈电器。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体包括大于约2的介电常数。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体的直径小于在谐振频率下的本体中的功率的约一个波长,本体具有大于约2的介电常数,并且本体包括涂有导电材料的外表面。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体具有横切本体的直径的中心轴线,并且灯泡围绕本体的中心轴线定位在接近本体中的功率的电场极大值处,灯进一步包括插入本体内且对准成基本上平行于本体的中心轴线的探针,探针耦接至电源以将功率从电源提供至本体。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体包括:小于大致0.01的损耗因数;大于大致200千伏/英寸的DC击穿阈值;由大于大致200摄氏度的失效温度定量的抗热冲击性;以及小于大致10-5/摄氏度的热膨胀系数。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体主要由至少一种固体介电材料构成并且体积大于灯泡的体积。
根据本实用新型优选实施方式的等离子体灯,其中,本体主要由至少一种固体介电材料构成并且体积大于灯泡的体积。
本实用新型提供了一种具有输入耦合元件、输出耦合元件和反馈耦合元件的构造的方法和装置,上述这些耦合元件给灯泡提供电磁耦合,灯泡的功率传递和频率谐振特征很大程度上取决于具有至少两种材料的波导本体。在一个优选实施方式中,本实用新型提供了一种具有改进的可制造性和设计灵活性的布置的方法和构造。其他实施方式可以包括以互补方式与现有耦合元件构造起作用的输出耦合元件和灯泡的集成组件以及用于街道照明应用的相关方法。在一个优选实施方式中,波导本体包括介电常数2以下的介电材料,其减小谐振器的电容。例如,介电材料基本由空气构成(例如,具有约为1的介电常数)。相反地,各种类型的传统无电极灯在波导中使用高介电常数的材料,以减小波导的尺寸。在本实用新型的某些实施方式中,使用诸如空气或流体的介电材料。例如,部分或整个波导填充有空气。将认识到,与由高介电常数材料填充的波导相比,波导的空气填充部分与具有高介电常数材料的传统波导相比RF损耗的量减少了(达到约1分贝),从而改进了性能。此外,通过用空气替代具有高介电常数的材料来填充部分或整个波导,波导的制造成本和重量均减少。同样还有其他益处。在一个具体实施方式中,波导本体的直径小于宽度,这可导致该谐振本体的更大的有效长度,而具有更小的直径则波导体更紧凑且易于装备至一个或多个外形格局(fprm factor)内。根据一个或多个实施方式,谐振本体的更大有效长度导致更低的谐振频率。在一个具体实施方式中,对于用于商业应用场合的制造,本方法和由此得到的结构相对简单且成本低廉。根据实施方式,可以获得这些益处中的一个或多个。本说明书的通篇中且特别是在下文中对这些及其他益处进行了描述。
本实用新型获得了这些益处和已知加工技术背景下的其他益处。但是,通过参照本说明书后面的部分和附图,可实现对本实用新型的本质和优点的进一步理解。
附图说明
通过考虑以下对优选实施方式的描述,并结合阅读在此提供的附图,将获得对本实用新型及其优点的更全面的理解。在附图和描述中,标号标示本实用新型的各种特征,并且同样的标号表示所有附图和描述中同样的特征。
图1是本实用新型的实施方式的具有RF耦合元件和反馈耦合元件的无电极等离子体灯的简图。
图2A是本实用新型的实施方式的具有RF耦合元件而没有反馈耦合元件的无电极等离子体灯的简图。
图2B是图2A中示出的具有RF耦合元件而没有反馈耦合元件的灯的简化透视图。
图3是本实用新型的实施方式的无电极等离子体灯的简图。使用折叠式谐振器/波导结构来获得更紧凑的结构。
图4是本实用新型的另一个实施方式的无电极等离子体灯的简图。该图类似于图3,但是谐振器/波导包含多种介电材料以及可能的空气,以提高该无电极灯的性能。
具体实施方式
根据本实用新型,提供了用于照明的技术。具体地,本实用新型提供了一种使用具有宽度大于长度(但可以是其他空间构造)的介电波导本体的无电极等离子体照明装置的方法和装置。仅以示例的方式,本实用新型可以应用于许多应用场合,诸如:体育场、安全设施、停车场、军事及国防、街道、大小建筑物、车辆前灯、飞机着陆、桥梁、仓库、紫外线水处理、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、显微镜、投影仪及显示器、以及这些的任何组合等。
给出以下描述,以使本领域的普通技术人员能够制造并使用本实用新型并将本实用新型结合到具体的应用场合中。对于本领域的技术人员而言,各种修改、以及在不同应用场合中的各种用途将是显而易见的,并且在此限定的一般性原理可应用于广大范围的实施方式中。因此,本实用新型并非旨在限于所给出的实施方式,而是符合与在此所公开的原理及新颖特征相一致的最宽范围。
在以下的详细描述中,阐述了许多具体细节,以便提供对本实用新型的更透彻的理解。然而,对于本领域的技术人员将显而易见的是,可以无需限于这些具体细节来实践本实用新型。在其他情况下,众所周知的结构和装置以框图形式示出,而非示出细节,以便避免使本实用新型不清楚。
在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征均可由用于相同、等同或相似目的的替换特征来代替,除非另有明确说明。因此,除非另有明确说明,否则所公开的每个特征仅是通用的系列等同或类似特征中的一个实例。
此外,权利要求中没有明确地声明执行特定功能的“用于......的装置(means for)”或者执行特定功能的“用于......步骤(step for)”的任何语句不应解释为在35U.S.C.第112节第6段中规定的“装置”或“步骤”的款项。具体地,这里的权利要求中的“...的步骤(step of)”或“...的动作(act of)”的使用不旨在援引35U.S.C.第112节第6款的规定。
请注意,如果使用,描述词左、右、前、后、顶部、底部、前进、后退、顺时针和逆时针,仅是为了便利的目的而使用,而不旨在暗示任何特定的固定方向。相反,它们用来表示物体的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外,术语“第一”和“第二”或其他的类似描述不必然暗示顺序,而是应该用普通含义来解释。
图1是本实用新型的实施方式的简图。此图仅是一个实例,在此该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变型、修改、以及替换。谐振器/波导100由介电常数小于2的介电材料120制成。在一个具体实施方式中,该介电材料包括空气,其介电常数约为1。在各种实施方式中,谐振器100包括多种介电材料,诸如空气、流体及其他材料。介电材料的表面覆盖有导电层,或者可替换地,谐振器/波导可以由金属壳体制成并且填充有介电材料。气体填充容器(灯泡)130通过导电层中的孔和电介质而部分地插入谐振器/波导内。该气体填充容器填充有惰性气体(如氩气或氙气)和发光体(如汞、钠、镝、硫)或金属卤化盐(如三溴化铟、溴化钪、碘化铊、溴化钬(Holmium Bromide)、碘化铯或其他类似材料)(或者其可同时含有多种发光体)。RF耦合元件150和反馈耦合元件160通过导电层中的孔而插入谐振器/波导内。反馈耦合元件比RF耦合元件短。将认识到,反馈耦合元件160具有相比RF耦合元件150较短的长度是专门设计的,以提供适当的谐振频率。
RF功率放大器110连接于反馈耦合元件与RF耦合元件之间。反馈耦合元件160通过RF连接器165连接至RF功率放大器的输入端112。RF放大器的输出端111连接至与RF耦合元件150连接的RF连接器155。谐振器/波导与反馈耦合元件、放大器以及RF耦合元件一起形成一谐振电路,并且在恰当的振动条件下,该谐振电路将振荡并且RF放大器将提供RF功率给谐振器/波导。谐振器/波导将RF能量耦合至气体填充容器,导致惰性气体电离并且使发光体汽化,从而导致从灯115发射强光。
图2A是本实用新型的另一个实施方式的简图。此图仅是一个实例,在此该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变型、修改、以及替换。此实施方式类似于图1,除了谐振器/波导不具有反馈耦合元件。代替地,RF源105与RF放大器110一起被用来将RF功率提供至谐振器/波导进而提供至灯。
图2B是图2A中示出的具有RF耦合元件而没有反馈耦合元件的无电极等离子体灯的简化透视图。示出了圆柱形的灯本体,但是可以使用矩形或其他形状。此图仅是一个实例,在此该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变型、修改、以及替换。
图3是本实用新型的另一个实施方式的无电极等离子体灯的简图。此图仅是一个实例,在此该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变型、修改、以及替换。此实施方式类似于图2A,但是改为使用折叠式谐振器/波导结构300,以实现使用介电常数小于2的介电材料320的更紧凑结构。
图4是本实用新型的另一个实施方式的无电极等离子体灯的简图。此图仅是一个实例,在此该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变型、修改、以及替换。此实施方式类似于图3,但是谐振器/波导400包括多种介电材料420和430,以提高无电极灯的性能。谐振器/波导的局部还可以填充有空气或真空,以降低谐振器/波导的总的RF损耗并且提供灯的性能。
根据一个实施方式,本实用新型提供了一种等离子体灯。该等离子体灯包括波导本体,该波导本体包括至少一种固体介电材料。该波导包括一本体,该本体具有一直径和横切该直径的一长度,其中,本体的直径小于本体的长度。在一个实施方式中,本体进一步至少包括流体材料。在另一个实施方式中,本体进一步包括至少一种导电材料。例如,一种固体导电材料选自金属材料。在一个具体实施方式中,本体进一步包括至少第二固体介电材料。作为一个实例,本体进一步包括至少第三固体介电材料。根据应用场合,本体可进一步包括这样的介电材料,相对于更远离灯的填充物附近区域的介电材料部分,该介电材料在灯的填充物的附近区域内具有更高介的电常数。
在一个实施方式中,本体具有导电涂层,该导电涂层在本体的除了将功率从本体提供至填充物的区域之外的外表面上。例如,外表面具有导电涂层以及暴露了本体的至少一个未涂覆表面的开口,通过该未涂覆的表面将功率从本体提供至填充物。本体可以是圆柱棱镜形(cylindrical prismshape,圆柱形)。
在某些实施方式中,本体的直径约小于大约在谐振频率下本体中的功率的一个波长。在一个具体实施方式中,本体的直径约等于大约在谐振频率下本体中的功率的半个波长。在又一个实施方式中,本体的长度约小于大约在谐振频率下本体中的功率的半个波长。
在一个特定实施方式中,本体包括约大于2的介电常数。本体的直径约小于在谐振频率下本体中的功率的一个波长。本体具有约大于2的介电常数。本体包括涂有导电材料的外表面。本体具有横切本体直径的中心轴线,并且灯泡围绕本体的中心轴线定位于接近本体中功率的电场极大值(electric field maxima)处。灯进一步包括一个插入本体内且基本平行于本体的中心轴线对准的探针,该探针耦接至源以将功率从该源提供至本体。更特别地,本体的特征在于:(1)损耗因数(loss tangent,损耗角正切)大致小于0.01,(2)DC击穿阈值大致大于200千伏/英寸,(3)由大致大于200摄氏度的失效温度定量的抗热冲击性,以及(4)热膨胀系数大致小于10-5/摄氏度。
等离子体灯进一步包括电源,该电源被配置成以大约在本体内谐振的频率将功率提供至本体。例如,该源被构造成在本体中激发零阶贝塞尔模型。在一个实施方式中,等离子体灯进一步包括耦接至所述源以将功率从所述源提供至本体的第一馈电器和耦接至本体的第二馈电器。例如,功率以约500 MHz至10 GHz范围内的频率被提供并且以基础谐振模式(fundamental resonant mode,基础共振模)在本体内谐振。
根据应用场合,本体主要由至少一种固体介电材料构成并且体积大于灯泡的体积。在一个实施方式中,本体主要由至少一种固体介电材料构成并且体积大于灯泡的体积。例如,本体主要由至少一种固体介电材料构成并且体积大于灯泡的体积。
该波导本体具有有效长度,该有效长度包括直径的至少一部分和长度的一个或多个部分以使频率在本体内谐振。该长度选择成实现来自多个谐振频率的确定谐振频率。多个谐振频率可小于大约900 MHz。在一个具体实施方式中,多个谐振频率小于约500 MHz。在另一个具体实施方式中,多个谐振频率小于约250 MHz。在又一个具体实施方式中,多个谐振频率小于约150 MHz。
等离子体灯进一步包括邻近本体定位以接收来自本体的功率的填充物。当从本体接收功率时,等离子体灯的填充物能够形成等离子体。例如,填充物设置在灯泡中,并且该灯泡被构造成圆柱形、环形和卵状。例如,灯泡封装填充物。在一个实施方式中,本体形成一开口并且灯泡的至少一部分定位于该开口中。在一个具体实施方式中,灯泡的至少一部分从开口内延伸至本体的外表面,从而使光穿过灯泡而远离本体。例如,灯泡具有定位于开口外侧的透明部分,光穿过该透明部分而远离本体。在一个实施方式中,灯泡定位于接近本体中功率的电场极大值处。例如,本体具有横切本体的直径的中心轴线,并且灯泡围绕本体的中心轴线定位。
在一个实施方式中,等离子体灯还包括在基本平行于本体的中心轴线的方向上插入本体内的探针。该探针耦接至所述源,以将功率从该源提供至本体。该源包括一放大器。馈电器耦接至本体,以将来自本体的反馈提供至放大器。
根据另一个实施方式,本实用新型提供了一种用于制造无电极等离子体灯的方法。该方法包括提供一种包括具有至少一种固定介电材料的波导本体的等离子体灯,其中,该本体具有一直径和横切直径的长度,并且本体的直径大于本体的长度。该方法还包括以大约在本体内谐振的频率将功率耦合至本体。该方法进一步包括将填充物接近本体定位,以接收来自本体的功率,以便形成发光等离子体。该方法进一步包括将功率从本体提供至填充物以形成发光等离子体。该方法还包括在形成发光等离子体之后调节功率的频率。该方法还包括通过形成在本体表面中的开口来发送来自等离子体的光。作为一个实例,该表面涂有导电材料。
在一个实施方式中,该方法包括将填充物封装在灯泡中,并且将功率基本上包含在本体的除了接近灯泡的至少一个区域以及功率耦合于源与本体之间的至少一个区域之外的外表面处。该方法包括使功率以基础谐振模式在本体中谐振。该方法还包括使功率以基本上与本体的长度无关的谐振模式在本体中谐振。
根据又一个实施方式,本实用新型提供了一种用于制造无电极等离子体灯的方法。该方法包括提供一种等离子体灯。该等离子体灯包括一波导本体,该波导本体包括至少一种介电常数大于2的介电材料,其中,本体具有直径和横切直径的长度,并且本体的直径大于本体的长度。该方法包括将微波功率以大约在本体内谐振的频率耦合至本体中。该方法进一步包括将微波功率从本体提供至发光等离子体。
在各种实施方式中,该方法包括使功率以由本体直径确定的基础谐振模式在本体中谐振。例如,该基础谐振模式与本体的长度无关。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施方式和优点,对于本领域的技术人员将显而易见的是,在不背离这里的实用新型概念的前提下,许多修改都是可能的。因此,除了所附权利要求的精神以外,本实用新型不受限制。