JP2013539593A - エネルギー効率の良いランプ - Google Patents

Abstract

第１端および第２端を有し、それらの間に長手方向の長さを画定する照明管が開示される。前記照明管は、電界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、磁界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設され、前記磁界が前記電界と実質的に垂直になるように配設された磁石とを備え、前記電界および前記磁界が一緒に前記照明管に沿って長手方向の電子経路を提供し、前記電界陽極および前記電界陰極の少なくとも一方が前記照明管表面上に平滑塗膜を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー効率の良いランプに関し、さらに詳しくは、電子とガス粒子の衝突を利用して光子を発生するランプに関するが、それに限定するものではない。

従来のランプは白熱ランプ、および蛍光ランプをはじめ様々な種類の放電ランプを含む。白熱ランプは、明るく輝く温度まで加熱されるフィラメントを含む。

放電ランプは典型的には、適切なガス（単数または複数）が充填されたガラス管を備え、電子はその運動エネルギーの一部がガスの分子に伝達されるように加速され、それによって分子中の電子が適切なエネルギー準位に励起する。励起した電子は次いで、光子を放出して元のエネルギー準位に戻る。このプロセスは量子物理学では周知である。蛍光ランプは典型的には、衝突によって放出される追加の非可視エネルギーが可視光に変換されかつ効率を向上するように、電子または紫外線が衝突したときに光または蛍光を発する塗膜をランプの外壁に使用することによって、効果を高める。さらに詳しくは、ガス放電ランプは、イオン化ガスすなわちプラズマに放電することによって光を発生する人工光源の一種である。典型的には、そのようなランプはアルゴン、ネオン、クリプトン、もしくはキセノンのような希ガス、またはこれらのガスの混合物を使用する。大部分のランプは追加の物質、水銀、ナトリウム、および／または金属ハロゲン化物を充填される。動作中、ガスはイオン化され、管内の電界によって加速された自由電子は、ガスおよび金属の原子と衝突する。ガスおよび金属の原子の周りを回る一部の電子はこれらの衝突によって励起され、電子はより高いエネルギー状態になる。電子がその元の状態に戻ると、電子は光子を放出し、可視光または紫外線が生じる。紫外線は次いで、上述の通り、ランプのガラス面の内側の蛍光塗膜によって可視光に変換される。蛍光ランプはおそらく最も良く知られているガス放電ランプである。

ガス放電ランプは長い寿命および高い光効率をもたらすが、白熱ランプより製造が複雑であり、ガス中の正しい電流の流れを達成する電子機器を必要とする。

上記の全ての従来のランプのマイナス面は、それらの効率が比較的低いことである。白熱ランプは８％の効率を有し、最も効率の高い蛍光ランプでさえ２２％を超えることはめったに無い。

効率を測定する別の方法として、使用する電力１ワット当たりに発生するルーメン数がある。標準タングステン白熱ランプは１ワット当たり約１５ルーメンを達成する一方、タングステン・ハロゲン・ランプは１ワット当たり最高３０ルーメンを達成することができ、蛍光ランプは１ワット当たり最大１００ルーメンを達成する。高圧ナトリウムランプはなんとか１ワット当たり１５０ルーメンを達成し、低圧ナトリウムランプはもっと効率が高く、１ワット当たり２００ルーメンを発生するが、マイナス面は演色性が劣ることであり、したがって主に街灯として使用される。

全ての場合に、比較的高い量のエネルギーが変換されて熱エネルギーとして消散し、それは明らかに理想的ではない。様々な種類のガス放電ランプでは、大量のエネルギーが衝突中にガス粒子のイオン化に失われ、電子の大部分は、励起を発生させる正しいエネルギーに達しない。

ヒトの目は黄色に特に敏感であるので、たとえ特定のランプが全体的に効率的でない場合でも、何とか不均衡な量の黄色を発生することができれば、ルーメン／ワットの点ではより効率が高くなることが注目される。

標準蛍光管は１ｃｍ当たり１Ｖ未満の電界を有し、その影響下でイオンは陽極から陰極に移動する。イオンは陰極に衝突し、低エネルギーを有する自由電子の多くが陽極への途中でガス粒子と衝突するので、光子は生成されない。ガス粒子のイオン化はそれ自体、エネルギーの浪費である。全体として、陽極と陰極との間の電子の通路で電子はほとんど制御されない。

本発明の実施形態は、所望のスペクトルで光を効率的に発生させるために、電子の運動エネルギーが実質的に励起エネルギーの範囲内に維持されるように電子に制御を及ぼすことのできる、陰極から陽極への経路を提供する。

本発明の一態様では、第１端および第２端を有し、それらの間に長手方向の長さを画定する照明管であって、
電界を提供するように管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、
磁界を提供するように管に沿って長手方向に配設され、磁界が電界と実質的に垂直になるように配設された磁石と、
を備え、
電界および磁界が一緒に管に沿って長手方向の電子経路を提供し、電界陽極および／または電界陰極が管のガラス上の平滑透明な塗膜として、例えば酸化錫の塗膜として設けられる、
照明管を提供する。

代替的に、電界陽極および電界陰極の少なくとも一方は、不均一性を含むように形成される。

実施形態では、電界陰極は不均一性をもたらす形状を含む。

実施形態では、磁界は実質的に均一である。

実施形態では、磁石は実質的に均一な磁界をもたらすように一定間隔で配設される。

実施形態では、一定間隔は１５ミリメートル程度の大きさである。

実施形態では、電界は１センチメートル当たり２００ボルト程度の大きさである。

実施形態では、磁界は３００ガウスから１０００ガウス程度の大きさの範囲内である。

実施形態は、経路に電子放出をもたらす放出陰極を含むことができる。

実施形態では、放出陰極は熱陰極であり、電界陰極は冷陰極である。

実施形態では、電界陽極および電界陰極の少なくとも一方はメッシュを含む。

実施形態では、第１および第２端は連続経路をもたらすように接合される。

ランプは低圧管とすることができ、２トル、１トル、および０．５トルの範囲内の圧力を有することができる。

ランプは直流によって動作することができる。

ランプは横径を有することができ、横径に対する長手方向の長さの比は５０：１程度以上の大きさである。

本発明の第２実施形態では、第１および第２端を有する照明管であって、
電界を提供するように管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、
磁界を提供するように管に沿って長手方向に配設され、磁界が電界と実質的に垂直になるように配設された磁石と、
を備え、
電界および磁界が一緒に管に沿って長手方向の電子経路を提供し、
管が２トルを超えない圧力を有する低圧管である、
照明管を提供する。

放出陰極は経路に電子放出をもたらすことができる。陰極は、電子束がグリッドによって管内に加速されるようにした電子銃装置の一部とすることができる。実施形態では、電子銃は遮蔽され、それで銃内でプラズマが形成される。

実施形態では、放出陰極は熱陰極である。放出され加速されプラズマを生じさせる電子は、ガス分子からさらなる電子を放出させ、こうして電子束を増加させる。実施形態では、放出陰極は電界陰極から分離される。

実施形態では、第１および第２端は連続経路をもたらすように接合される。

照明管は横径を有することができ、横径に対する長手方向の長さの比は１００：１程度の大きさとすることができる。

本発明の第３態様では、
長手方向の長さを有する閉鎖空間内に：
実質的に均一な磁界をもたらすステップと、
一実施形態では均一であり、代替的実施形態では不均一性を含む電界をもたらすステップと、
を含み、
電磁界が長手方向の長さに沿って互いに直交方向に発生し、
直交電磁界の下で長手方向の長さに沿って電子を移動させるように、長手方向の長さにおける位置に放出陰極を配置するステップと、
を含む、照明の方法を提供する。

該方法は、電子の運動エネルギーを所望の波長の光子の励起エネルギーに制限し、それによって電子衝突から光子への効率的な変換をもたらすように、電界の値を選択するステップを含むことができる。

該方法は、１平方センチメートル当たり２０ミリアンペアを超えない電流密度を放出陰極にもたらすステップを含むことができる。

該方法は、放出陰極に電力を提供するステップを含むことができ、該電力は、
ランプに提供される全電力に対する割合として５０％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、および５％から成る群の一つの要素を超えない。

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に与えられる材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

用語「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ」は、本明細書では「例（ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｓｔａｎｃｅ又はｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ）として作用する」ことを意味するために使用される。「例示的」として記載されたいかなる実施形態も必ずしも他の実施形態に対して好ましいもしくは有利なものとして解釈されたりかつ／または他の実施形態からの特徴の組み入れを除外するものではない。

用語「任意選択的（所望により）」は、本明細書では、「一部の実施形態に与えられるが、他の実施形態には与えられない」ことを意味するために使用される。本発明のいかなる特定の実施形態も対立しない限り複数の「任意選択的」な特徴を含むことができる。

本明細書では本発明のいくつかの実施形態を単に例示し図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の好ましい実施態様を例示考察することだけを目的としており、本発明の原理や概念の側面の最も有用でかつ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示していることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するのに必要である以上に詳細に本発明の構造の詳細は示さないが、図面について行う説明によって本発明のいくつもの形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る、交差する電磁界を有するライト管を示す簡易略図である。

図２は交差する電磁界中の典型的な電子の経路を示す理論図である。

図３Ａは、図１の交差する電磁界中の荷電粒子のための電子経路全体における速度または運動エネルギーの理論的グラフである。

図３Ｂは、従来の放電ランプの場合のエネルギーの理論的グラフである。図３Ｃは、本発明の実施形態に係るランプの場合のエネルギーの理論的グラフである。

図３Ｄは、本発明の実施形態に係る無限電子経路を提供する分割管ランプを示す略図である。

図４は、図１に示した種類の電子経路を提供するように形成されたランプの斜視図である。

図５は、図４のランプの端部の詳細を示す簡易図である。

図６は、電子を放出するための熱陰極、メッシュ電界陰極、および管に沿って電界を維持するための電界陽極、ならびにそれぞれのコネクタを示す簡易図である。

図７は、本発明の実施形態に係る、磁石が管内に組み立てられかつシーリングキャップで封止される、図６の部分を示す簡易図である。

図８は、本発明の実施形態に係る、図７の組立体の陰極の下からの図を示す簡易図である。

図９は、シーリングキャップの無い状態の図７の組立体を示しかつ構成部品保持器を例証する簡易図である。

図１０は、本発明の実施形態に係る、管内に挿入される前に構成部品保持器と共に保持される電極および磁石を示す簡易図である。

図１１は、陰極、陽極、および磁石をまとめて保持する図１０の構成部品保持器の１つの拡大詳細図である。

図１２は、明確にするために右手磁石および陽極が取り除かれた、管内に挿入される図１１の組立体を示す。

図１３は、矩形管が陽極および陰極の挿入および磁石の外部装着を受け入れる、本発明に係るランプの第２実施形態の矩形管の簡易図である。

図１４は、磁石が外部に装着され、全てが外部円管内に嵌め込まれた、図１３の矩形管を示す簡易図である。

図１５は、矩形管内の陽極および陰極の内部装着、および構成部品保持器を用いた磁石の外部装着を示す簡易図である。

図１６は、本発明の第３実施形態に係るランプ用の長手方向電極を持つ環状管を示す簡易図である。

図１７は、図１６の環状管に装着されたメッシュ陰極を例証し、かつそれに対する電気的接続を示す簡易図である。

図１８は、カバーが取り外された状態で図１６の環状ランプ用のケーシングを示す。

図１９は、構成部品保持器を用いた図１６のリング内の陽極および陰極の装着を示す。

図２０は、図１９と同様に装着された陽極および陰極に磁石が追加され、全体が図１８のケーシング内に挿入された状態を示す。

図２１は、環状管用の装着された陽極および陰極用の電気コネクタを示す簡易図である。

図２２は、図３Ｄの実施形態に係る分割管ランプを示す簡易図である。

図２３は、分割管ランプが本発明の実施形態に従ってどのように構成されるかを示す簡易断面図である。

図２４は、図２３の断面図のさらなる斜視図である。

図２５は、分割部が紙面に沿っている、本発明の実施形態に係る分割管ランプの斜視図である。

図２６は、分割部が端を手前にして示された、図２５の分割管ランプの斜視図である。

図２７は、図１のライト管用の変形電子銃を示す簡易図である。

本発明は、管、低圧のガス、および管の長さに沿って制御された加速度で粒子を加速するように互いに直角を成す電磁界で構成されるランプを含む。制御された加速度は、電子の運動エネルギーを可視域および／または紫外域の光子の生成に適したレベルに維持することができる。こうして粒子の衝突は光子を発生し、したがってイオン化、発熱等はほとんど排除される。

電界は、粒子の加速を助けるためにわずかに不均一になるように設計することができる。

ランプの設計および構成は、ランプ内の粒子間の衝突中の放電およびイオン化を軽減、または防止さえするように行なうことができる。

放電およびイオン化を回避する方法の１つは、放出電子の電流密度が１平方センチメートル当たり２００ｍＡ未満になるように放出陰極を構成することである。さらに、放出陰極は総ランプ電力の５０％未満を消費するように構成かつ給電することができる。さらに詳しくは、放出陰極は、総ランプエネルギーの４０％未満、または３５％未満、または３０％未満、または２５％未満、または２０％未満、または１５％未満、または１０％未満、または５％未満を消費し、各々の場合に照明の効率を高めることができる。

放出陰極における電流密度に関する要点は、電流密度が高いと陰極に電子雲が発生する傾向があり、次いでそれはさらなる電子の放出を妨げるということである。低い電流密度は雲の形成を回避し、電子は個別電子として挙動し、したがってプロセスの効率を高める。

本発明による装置および方法の原理および操作は、図面および付随する説明を参照してより良く理解されることができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に述べられるか又は図面に示される構成要素の構造および配置の細部に限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、あるいは、様々な方法で実施、または、実行される。また、本明細書中において用いられる表現法および用語法は説明のためであって、限定として見なされるべきでないことを理解しなければならない。

ここで図１を参照すると、それは、第１端１２および第２端１３を有する照明管１０の断面を示す一般化された図である。電界陽極１４および電界陰極１６は、電界をもたらすように管に沿って長さ方向に配設される。

磁石２０および２２は、磁界をもたらすように管に沿って長さ方向に配設され、磁石は、結果的に生じる磁界が実質的に電界に直交するように、陽極および陰極に関して配設される。

電磁界は一緒に、以下でさらに詳述するように、管に沿って長さ方向に螺旋を描く電子経路をもたらすことができる。電子経路は図のＸ次元に沿って螺旋状を描き、管の一端で放出された電子が電子経路に沿って管の遠端まで移動することができるように形成される。

ここで図２を参照すると、それは、電子が管内の直交する電磁界内に置かれたときに従動することが分かる典型的な経路を示す理論図である。電子は、電界が電子を陽極に向かって半径方向に加速するときの低速状態と、磁界が加速電子を管の長さに沿って引っ張るときの高速状態との間を循環しながら、経路上を螺旋状に進む。磁界が電子を陽極から引き離すときに、電界による加速は低減され、電子の運動エネルギーのレベルを制御することができる。

そのような電子経路の狙いは、どの電子も、標準的な電子放電ランプのようにできるだけ多くの衝突をもたらすのではなく、できるだけ多くの光子を生じることを確実にするように、電子の通路を制御することである。この目的のために、電極および強い電界が強い磁界に対して垂直に設けられる。螺旋経路は、説明するように、ガス粒子との衝突が無いときに、電子の速度およびエネルギーが適度に安定した状態を維持することを確実にする。電子が他のどんな粒子とも衝突しなければ、電子は管の全長を移動し、かつエネルギーを維持する。管内の例えば非荷電ガス粒子との低エネルギー衝突があった場合、弾性衝突が生じ、エネルギーの損失は実質的に生じない。しかし、衝突がエネルギーを引き渡すと、光子が放出され、電子はそのエネルギーを低減する。磁界は運動が無くなるので電子に対する影響を持つことを停止し、代わりに電界が電子を管の陽極に向かって上方に加速し始める。電子が加速すると、磁界は再び効力を持ち始め、電子は管の長手方向に引っ張られるようになる。電子はすぐに光子を放出できるエネルギー準位に戻る。

ここで図３Ａを参照すると、それは、衝突が無いときの電子経路における電子の速度または運動エネルギー準位を示す簡易グラフである。速度または運動エネルギーは最大と零との間を循環する。

ここで図１に戻って、電界陽極１４および電界陰極１６のどちらかは、固体としてではなく、メッシュとして設けることができる。メッシュの使用は２つの効果を有する。第一に電界は不均一であり、それは粒子を加速するのに役立つ。第二に、発生した光が管を出ることができる。一実施形態では、電界陰極をメッシュにすることができ、陽極を反射性にすることができる。別の実施形態では、陽極および陰極の両方、または陽極だけをメッシュで作ることができる。

磁界は、例えば磁石を一定間隔で配置する結果として、実質的に均一にすることができ、電界は、説明したように、メッシュのため実質的に不均一にすることができる。

例えば磁石は、３００ガウスの磁界をもたらすように１５ミリメートル程度の一定間隔で配置することができる。電界は１センチメートル当たり２００ボルト程度にすることができる。

図１では、放出陰極１８は電子放出をもたらす。放出陰極は電界陰極と分離することができ、管の空間内への電子の実質的点放出であるものをもたらすことができる。典型的には、放出陰極は熱陰極である。

熱放出陰極は、陰極の材料によって８００度ないし１０００度に維持することができる。タングステンはこれより熱くなる。好適な材料は酸化ベリリウムであり、それは約１０００度で電子の優れた放出体になり、他の材料より効率的にこの温度に加熱することができる。典型的に当業者は、全体的に最小エネルギーを使用しかつ適切な量の電子を放出する陰極用の材料を選択するであろう。

陰極は点放電をもたらすことができる。これは、領域全体で放電する既存のランプと対照的である。従来のランプに見られるなだれ放電はイオン化、および光の生成には適さないランダムエネルギーを有する電子の生成に、エネルギーを浪費する。すなわちそれらのエネルギー分布は制御されず、したがって光に対する寄与が低い。実際、それらは主に熱を発生する。本書で説明するように、本発明の実施形態はシステム内の荷電粒子の数を増大させず、放出される電子の数は本質的に陽極によって受容される数である。当初、ガス中に存在する電子雲のため、より多くの電子が受容されることがあるが、最終的に平衡状態に達する。

上記の内容は、従来の放電ランプ対本発明の実施形態のランプのエネルギー分布を検討することによって、よく理解することができる。放電ランプのエネルギー分布を図３Ｂに示す。σによって表わされる「階段関数」は衝突断面関数による理想化された励起であり、２つの間の重複部は光子形成の指標である。見て分かるように、エネルギー分布の比較的小さい部分（尾部）だけがσ関数と重複し、比較的小さい光子形成をもたらす。図３Ｃは、本発明の実施形態に係るランプの予想エネルギー分布を示す。図３Ｃの場合の重複部は明らかにずっと大きく、したがって励起の確率および予想効率は高い。

図３Ｂに対応する電子のランダム運動の場合、ガス分子とのランダム衝突中に励起エネルギーの損失を被る電子は、電界によってそれに注ぎ込まれたエネルギーの約３７％を損失することが注目される。しばしば衝突は光子を発生せず、したがってエネルギーはシステムに逸失する。本発明の実施形態は、励起エネルギーの実質的に全部が直接光子の生成に向けられるように、衝突の範囲が光子を生成する範囲または純粋に弾性である範囲に縮小されることを確実にしようとするものである。

光子が生成される範囲または充分に弾性である範囲に衝突の範囲を縮小する、有利なエネルギー分布は、以下でさらに詳しく説明するように、強い電界で運動する電子に力を加え、こうして電子が到達する最大エネルギーを制限かつ制御する磁界によると理解される。

図３Ｂおよび図３Ｃにおいて、
ｄＮ＝εとε＋ｄεとの間の電子の数、
Ｎ＝任意の一時点における管内の電子の総数
である。

電子の放出に関与する熱陰極は、電子放出密度が大きくならないように、比較的大きい充分な面積を有することができる。従来の放電型ランプと比較して、低い電子密度は、図２および図３Ａに関連して述べたように、電子が管内に流入し、運動を実行することを可能にする。

熱陰極は管の寿命に対する主な制約である。一般的に、陰極の材料の品質を選択することによって、２００００時間から１０００００時間の間の寿命を選択することができる。

衝突が制御され、かつ衝突の増倍が生じないように、管は低圧管とすることができる。衝突の増倍は、対応する光子を生成することなく、イオン化を発生させ、こうしてランプの効率を低減させる。一般的に、ガス放電ランプはおよそ５トルで動作する。本発明のランプは２トル未満、さらにいっそう効率的に１トル未満で動作することができ、０．５トルでより高いレベルの効率が見られる。

管は直流（ＤＣ）によって動作することができる。

横径に対する長手方向の長さの効率比は１００：１程度である。実施例では、この比率は実質的に１００：１である。より高い比率が可能であるが、より強力な磁石が必要である。電極は２０：１を超える比率の長尺形とすることができる。

長さと幅との間にπの関係を有する長さ幅関係の規則は、電子が描くアークによるものである。一般的に、１つの光子の形成のために、約１００のアークが必要になる。

６０ｃｍの望ましい管長の場合、およそ０．６ｃｍの陽極陰極（放出陰極）距離を使用することができる。４０ｃｍの場合、約０．４ｃｍの距離を使用することができる。

１０ｃｍの管長の場合、陽極と陰極との間の距離は実用的なランプにとって小さすぎる。

上記の比率は直管に適用される。

図３Ｄを参照すると、それは、無限電子経路を形成し、したがって管長要件を排除し、かつほとんどどんな光スペクトルおよび望ましいランプサイズでも最大限の効率の達成を可能にするように、管をいかに構成することができるかを示す。管は分割管とすることができ、それによって陰極または陽極は、参照番号３０によって示されるように管の中心に沿って配置され、かつ他の電極３２によって包囲されるので、電子は中心電極３０に沿ってその周りを無限ループで移動する。他の形状、例えば環形、長円形等が可能であり、環形については図２０に関連して下述する。

本質的に、管は、以下でさらに詳述するように、１つ以上の点における点電子放出部を持つ無限軌道になる。

説明の通り、現在記載するランプの構成は、ランプ内の電子の通路の制御を向上することを目的とする。管の全長に沿った通路が得られる。特定の放出陰極または熱陰極１８は電子源として設けられるが、追加の電界陰極１６は、対応する電界陽極１４に対して電界を維持するように、管の長さに沿って延在する。

該電子経路は、できるだけ多くの光子を提供することを確実にする。管の長さに沿った電極は、典型的な放電ランプにおける１ｃｍ当たり１Ｖと対照的に、１ｃｍ当たり２００Ｖ程度の比較的強い電界をもたらす。磁石は、電界に対し直角に３００ガウス程度の比較的強い磁界をもたらす。磁石は、ランプ構造のガス充填部の外側に配置してよい。それらの間の２つのフィールドは衝突間の電子の螺旋経路を画定し、個々の電子の速度‐エネルギー関係は安定に維持される。

電子がガス粒子と衝突しなければ、電子は管の全長を移動し、かつそのエネルギーを維持することができる。ガス粒子との低エネルギー衝突が生じた場合、衝突は弾性であり、上で説明した通り、事実上エネルギーの損失は発生しない。しかし、衝突がエネルギーを引き渡した場合、光子が生成され、粒子は一時的に減速する。磁界は今静止している粒子に対する作用を停止するが、電界はそれを加速し始め、粒子は電界線に沿って管の外壁に向かって移動する。粒子が加速すると、磁界はより大きい効果を持ち始め、管の長さに沿った加速をもたらす。

有限長の管の場合、エネルギー効率は、管の長さと幅の間の関係によって異なり、約１００：１の長さ対幅比で最良のエネルギー出力が得られることが明らかになった。

無限長の管、すなわち環状の管の場合、同等の幅長さ関係は見つからなかった。

典型的なガス放電ランプでは、およそ５トルのガス圧が典型的である。しかし、本発明の実施形態はそれよりかなり低いガス圧を使用することができ、０．５から１トルの範囲が典型的である。より高い圧力が可能であるが、状況によっては、細すぎて実用的でないランプを必要とする。幅に対する１つの制約は、充分に高い磁界をもたらす必要があることである。幅が大きければ大きいほど、所与の磁界をもたらすために大きい磁石が必要になる。

再び図１を参照すると、本発明の実施形態に係る長尺の高効率非放電ガス充填ランプ１０は、ガスまたは複数のガスの組合せが充填された管１２を含むことができる。ガスは例えばネオンまたはアルゴン、およびナトリウムもしくは水銀のような金属蒸気、または任意の他の蒸気さえも含むことができる。

管１２は様々な形状および大きさにすることができるが、上述した比率を用いると効率の改善が達成されることは理解されるであろう。

電界および放出陰極１６および１８はそれぞれ、典型的にはそれらと陽極１４とを管の対向面に配置することによって、陽極１４から間隔をおいて配置することができる。説明した通りメッシュとして設けることのできる電界陰極１６は、ランプ構成のガス充填部の外側で、管のガラス管の内側または外側のいずれかに配置することができる。同じことは電界陽極および磁石にも適用される。磁石がガス充填部の外側であるが外部ガラス壁の内側にある実施形態を、後で図１３〜図１５で説明する。

電界は、ｙ方向に平均強度（Ｖ／ａ）の電界が生じるように、陽極１４および陰極１６、１８の間にＤＣまたはＡＣ電圧のいずれかを印加することによって発生することができる。ここで「ａ」は陽極１４と陰極１６、１８との間の距離である。

１対の対向する磁石は磁北２０および磁南２２を画定し、こうして管１２に磁界を提供することができる。図１から分かるように、磁界の方向はｚ方向に沿っており、電界の方向に対し実質的に垂直である。

電磁界間の比は、イオン化および放電が実質的に防止され、かつ全体的効率が改善されるように、管１２内のガスまたは複数のガスの組合せ、および他のパラメータのみならずガス圧にも従って定めることができる。上述の通り、イオン化および放電は、必ずしも光子をもたらすことなく、ランプ内のエネルギーを使用する。後で説明するように、経路に沿った電子の制御された通過は、電子がイオン化または放電に必要なエネルギー準位に達せず、こうして実質的に全ての衝突が弾性かつエネルギー節約的であるか、あるいはそれらが光子を放出することを確実にする。

電子は放出陰極から放出することができる。電子は、管内に生じる空間的に不均一または均一であるが周期的な電界にさらされる。ひとたび電子が加速し始めると、電子は磁界にもさらされるようになり、管の長さ方向に湾曲する。電磁界の影響下で、電子は、以下でさらに詳述するように、最大限に達するまで連続的に運動エネルギーを獲得し、次いで運動エネルギーは最小限まで低下する。

図３は、衝突の無い状態における電子の加速減速サイクルを示す。サイクルは、電子がガスの粒子にぶつかるまで周期的に繰り返す。特定の条件が満たされることを前提として、電子はガス粒子に対し、結果的にガスの原子内の電子の励起を導く量のエネルギーを伝達し、光子の放出を引き起こす。電子は衝突によって静止または減速するが、次いで電界の影響下で加速し始める。ひとたび充分な運動をするようになると、電子は磁界による影響を受け始め、サイクルが再開する。

管１２内の自由電子の運動の制御は、電磁環境における荷電粒子の軌跡が、図示する実施形態では互いに直交する電磁界の方向、および電磁界の比に依存することに基づく。例示的実施形態では、電磁界の比は、（図３ａに従って）自由電子が獲得する最大運動エネルギーが３ｅＶと８ｅＶとの間、またはさらに詳しくは５ｅＶと７ｅＶとの間になるようにする。

管１２内の自由電子の運動エネルギーは、空間的に不均一な周期的電界と共に磁界を定められた強度および比で印加することによって制限される。制限された運動エネルギーはランプ内の低圧と共に、イオン化および放電を実質的に防止する。さらに、複合電磁界は放出された電子が陽極に向かって直線状の運動を続けることを許さず、エネルギーが周期的に変化し、ｘ方向の変位によりそれらの軌跡は図２に示すように螺旋を描く。

図２に示す通り、電子は主としてｘ方向に沿って移動するが、電子はｙ方向に最大高さΔｙを超えない。電子の最大エネルギーが約７または８ｅＶである場合、電子の最大高さは陽極１４に達しない。要するに、電子は、それが約Ｖ／３ｅＶの励起水準に達しない限り、陽極１４に到達しない。ここでＶは陽極陰極電圧である。

磁界が終了する経路の端部で、電子は、スパッタリングを回避し、したがって管の寿命を延ばすために、３ｅＶ程度のエネルギーだけで陽極に衝突する。

ここで衝突についてさらに詳細に検討する。ガス粒子にぶつかったときに、電子は減速し、かつ方向が逸れる。電子の運動エネルギーがガス分子の最小励起エネルギーより低い場合、衝突は弾性である。運動エネルギーがより高い場合、励起エネルギーはガス粒子に移転し、光子が放出される。陽極１４と陰極１６、１８との間の電圧が例えば３００Ｖに選択され、可視域の光子に必要な励起エネルギーが３ｅＶである場合、原則として、「弾性」衝突損失を無視し、陰極１８によって放出される単一の電子から１００個の光子を生成することが可能である。

電子の長手方向の螺旋経路は、自由電子のエネルギーを特定の最大値に制限することができ、説明した通り、それはイオン化および放電を排除し、かつ衝突が弾性であるかまたは光子を生成するのに適した励起エネルギーを持つことを確実にする。これは、制限機構を持たず自由電子の運動がランダムである従来の放電ランプとは対照的である。これら従来のランプでは、ガス粒子との衝突はあらゆるどんなエネルギー準位でも起こり、したがって粒子を様々な励起レベルにランダムに励起させる。したがって一部の衝突は、可視光を発生させる。他の衝突は紫外光を発生させ、さらに他の衝突は、対応する光子を生成することなくイオン化または放電を生じさせ、他の衝突は要求される励起レベルに達しない。したがって、従来のランプにおける電子はそれらのランダムなエネルギー準位で陽極１４に衝突し、高エネルギーの衝突は熱を発生し、スパッタリングを生じる。

図１は、上述の通り、ランプの矩形の構成を示す。

ここで図４を参照すると、それは、図１に示す種類の電子経路をもたらすように作成されたランプの斜視図である。管状ランプ４０は、放出陰極を収容することのできる第１端４２を含む。電界陽極および電界陰極は、電界が形成されるように管の長さに沿って両側に延在し、磁石は、磁界が電界に対して直角に形成されるように配置される。説明した通り、電子経路は管に沿って形成される。

図５は、図４のランプの端部５０を示す。電気接続部５２は陽極に正のＤＣ電圧をもたらす。電気接続部５４は陰極に負のＤＣ接続をもたらす。

図６は陽極および陰極の切欠図であり、それぞれの接続部を示す。陽極６２はランプの端部から約５ｍｍの位置でディバイダ６４によって分割され、熱陰極６６の上に別個の電界を形成することができる。メッシュ陰極６８は熱陰極６６と一緒に、負の電圧電位に接続される。熱陰極６６はさらに加熱電源に接続される。

ここで図７を参照すると、それは、ランプ要素が単一のユニット組立体７０として管７２内に挿入される実施形態を示す。ユニット組立体７２は、構成部品保持器８２と一緒に保持される電界陽極７４、メッシュ電界陰極７６、放出陰極７８、および磁石８０を含む。

挿入後に、管は封止用キャップ８４で封止され、空気を排出され、適切なガスを充填される。

ここで図８を参照すると、それは図７の管を陰極の下から見た図である。部品には図７と同じ参照番号が付いており、本図を理解するために必要な場合を除き、説明は繰り返さない。

メッシュ陰極は、管の内側で発生した光を管の外に通過させることを可能にする。光は、直接およびメッシュを介する反射の両方によって通過し、照明を提供することができる。

図９は、構成部品保持器８２によって管７２内に一緒に保持される図７の組立体を、封止用キャップが無い状態で示す簡易図である。

図１０は、ユニット組立体７０の構成の詳細を示す。構成部品保持器またはコネクタ８２は、定められた間隔で陽極７４および陰極７６を掴持する。延長アーム１０５は、磁石８０を陽極と陰極との間に画定される空間の両側に確実に保持する。

図１１は、構成部品保持器１００の１つをさらに詳細に示す。２つの磁石８０が、掴持アーム１０５によって保持器８２の脇１０２および１０４にそれぞれ取り付けられる。円形熱陰極７８およびメッシュ電界陰極７６は、保持器の底部に向けた欠刻部１０６に取り付けられる。陽極７４は、この特定の実施例では陰極から０．９ｃｍ離して、保持器頂部の対応する欠刻部１０８に取り付けられる。

図１２は、ユニット組立体が挿入され、メッシュ陰極を上から示すために陽極および右手磁石が取り外された管７２を示す。光は、メッシュ陰極を介してランプの外に通過することができる。

ここで図１３を参照すると、それは矩形の管を示す。より一般的には、直方体を考慮することができる。

管または直方体１３０は矩形断面を有し、陽極および陰極はその中に挿入される。管は次いでガスを充填される。図１３の実施形態では、以下で説明する通り、磁石は矩形管の外側に装着され、全体が円形断面の外管内に収められる。

図１４に進むと、磁石８０は保持器１３２を用いて管１３０の周りに装着される。次いで全体が第２の円形管１４０内に配置され、封止用キャップ１４２により封止される。

図１５は図１４の構成をさらに詳しく示す。陽極７４および電界陰極７６ならびに熱陰極７８は、元の位置で矩形管１３０内に示される。保持器１３２は管の外部に装着され、管にぴったり嵌合する。磁石８０は両側で保持器１３２のアーム１４４内に嵌め込まれる。

ここで図１６を参照すると、それは、本発明のさらなる実施形態の環状管１６０を示す。電界陽極および電界陰極はそれぞれ環状軌道１６２および１６４であり、円の外周の弧を描く磁石１６６が設けられる。放出陰極１６８は、無限経路で管の周りを移動することのできる電子の点放出をもたらすように、リング上の任意の位置に配置することができる。必要ならば、リングの他の場所に追加的放出陰極を追加することができる。

図１７は、環状管１６０に装着されたメッシュ陰極を示す簡易図であり、陰極への電気的接続部１７０を示す。

図１８は、後続の図に関連して説明する通り、陽極、陰極、および磁石を含む組立体が収められる環状管１６０を、頂部カバー１８０が取り外された状態で示す。

図１９は、保持器１９０によって一緒に保持される陽極１６２および陰極１６４を示す。保持器１９０は保持器アーム１９２を含み、磁石は保持器アーム１９２内に収められて、環状組立体を形成する。

図２０は、封着することのできるガラス管１６０およびカバー１８０内に挿入される要素、電界陽極１６２、メッシュ電界陰極１６４、円形磁石１６６、および電子放出陰極１６８の分解組立図である。要素は一緒に、保持器１９０によって保持される。

図２１は、陽極１６２、メッシュ電界陰極１６４、および放出陰極１６８を保持する保持器１９０を示し、陰極用の電気接続部１７０および陽極用の電気接続部２１０を示す。

反射器は光源を備えるか、あるいは陽極もしくは磁石の内面として組み込むことができる。

一実施形態では、磁石は、ガラスに埋め込まれた鉄粒子から作られた透明な磁石である。

上述した実施形態は、効率のために永久磁石およびＤＣ電源を使用するが、電磁石およびＡＣ電源を使用することも可能である。

ここで図２２を参照すると、それは、図３Ｄの実施形態に係る分割管ランプを示す簡易図である。図２２で、ガラス管２２０は中央ディバイダ２２２の両側に低圧不活性ガスを収容する。中央ディバイダ２２２は、ガラス管内の空間を、電界をもたらすグリッド２２３によって包囲された２つのチャンバに分割する。中央ディバイダは、２つのチャンバが端部で接合されて電子のための単一の連続軌道を形成するように、管の端部には達しない。磁石２２４および２２６は両側に垂直磁界をもたらす。第１端２３０からランプへの電気接続部２２８が設けられる。

ここで図２３を参照すると、それは、本発明の実施形態に従って分割管ランプをどのように構成することができるかを示す簡易切欠図である。中央ディバイダ２２２は中心軸に沿って延在し、陰極グリッド２２３によって包囲される。放出陰極２３２は陰極グリッド内に収まる。

図２４は、図２３と同じ切欠図を異なる視点から見たものである。

図２５は、分割２２２が紙面に沿っている、本発明の実施形態に係る分割管ランプの斜視図である。

図２６は、分割２２２が端を手前にして示された、図２５の分割管ランプの斜視図である。

ここで図２７を参照すると、それは、図１のライト管用の変形電子銃２５０を示す簡易模式図である。放出陰極２５２は、陰極から電子を抽出するためにプラスに帯電した電子抽出メッシュ陽極２５６を有する遮蔽ボックス２５４内に配置される。実施形態では、メッシュは、衝撃を受けるとさらなる電子を発生する性質を有する酸化マグネシウムＭｇＯから構成される。メッシュ陽極２５６は、陰極から１０ないし３０ｍｍの間に位置し、陰極に対して正電圧であるグリッドとすることができる。グリッドは、管に沿って水平に電子を引き出しかつ電子銃として機能するように、熱陰極に対して配置される。電子銃は局部放電の原理に基づいて機能する。

陰極の周りの遮蔽２５４は電子束を増強し、かつ局部放電を可能にする。遮蔽が無ければ、電磁界の影響のため、電流は低減するおそれがある。

電界陽極２５８および電界陰極２６０は前述の通り管の両側にあり、磁界に直交する電界をもたらす。電子はグリッドを介して、矢印２６２の方向に放出される。

空間電荷効果を緩和するためにさらなる変形例では、横向きの陰極が設けられ、あるいは電子銃領域の幅全体にわたり間隔をおいて配置された多数の分離陰極が設けられる。それらの間の空間は空間電荷効果を緩和し、放出電子が互いに干渉すること、あるいはさらなる電子の放出が阻止されることを停止する。

電子銃はしたがって１０ｍｍから３０ｍｍの間、例えば典型的には２０ｍｍの管を形成し、管内にプラズマをもたらす。陰極が高温であればあるほど、プラズマは強くなる。管の端に位置する２５６のグリッドは、全体としてのプラズマから電子を吸い出し、ガスからの電子が陰極からの電子に加えられ、それによって電子束を増加させる効果を持つ。

代替的実施形態では、遮蔽ボックスは省くことができる。この場合、局部放電は発生しないが、陰極から熱イオン放出を介して放出される電子は、依然としてグリッドによって加速される。熱イオン放出に依存する場合、グリッドは陰極のずっと近くに、例えば０．５ｍｍから２ｍｍの間の距離に配置することができる。

さらなる変形例は、酸化錫で被覆されたガラスを電界陰極および陽極に使用する。酸化錫の薄層は透明であるので、これまでの実施形態のメッシュとは異なり、照明効果を妨げない。そのような酸化錫の薄層は多少抵抗性があるが、陽極および電界陰極は導電性を要求されず、電界を提供しさえすればよい。これまでの実施形態のメッシュは、不均一な電界を生じた。しかし、酸化錫塗膜は均一電界を提供することができる。

明確にするため別個の実施形態で説明されている本発明の特定の特徴は単一の実施形態に組み合わせて提供することもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで提供することもできる。

本発明はその特定の実施形態によって説明してきたが、多くの別法、変更および変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更および変形すべてを包含するものである。本明細書中で言及した刊行物、特許および特許願はすべて、個々の刊行物、特許または特許願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用または確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。

Claims (34)

1. 第１端および第２端を有し、それらの間に長手方向の長さを画定する照明管であって、
   電界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、
   磁界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設され、前記磁界が前記電界と実質的に垂直になるように配設された磁石と、
   を備え、
   前記電界および前記磁界が一緒に前記照明管に沿って長手方向の電子経路を提供し、前記電界陽極および前記電界陰極の少なくとも一方が前記照明管表面上に平滑塗膜を含む、照明管。
2. 前記磁界は実質的に均一である、請求項１に記載の照明管。
3. 前記磁石は実質的に均一な磁界をもたらすように一定間隔で配設される、請求項２に記載の照明管。
4. 前記一定間隔は１５ミリメートル程度の大きさである、請求項３に記載の照明管。
5. 前記電界は１センチメートル当たり２００ボルト程度の大きさである、請求項１に記載の照明管。
6. 前記磁界は３００ガウスから１０００ガウス程度の大きさの範囲内である、請求項１に記載の照明管。
7. 前記経路に電子放出をもたらす放出陰極をさらに含む、請求項１に記載の照明管。
8. 前記放出陰極は、複数の分離した陰極、及び前記銃の幅を横切る介在空間を含む、請求項７に記載の照明管。
9. 前記放出陰極からの電子を加速するために前記放出陰極の近くにグリッドをさらに含む、請求項７に記載の照明管。
10. 前記グリッドは酸化マグネシウムを含む、請求項９に記載の照明管。
11. 前記放出陰極のまわりを遮蔽することをさらに含む、請求項９に記載の照明管。
12. 前記放出陰極は熱陰極であり、前記電界陰極は冷陰極である、請求項７に記載の照明管。
13. 前記平滑塗膜は酸化錫の透明層を含む、請求項１に記載の照明管。
14. 前記第１および第２端は連続経路をもたらすように接合される、請求項１に記載の照明管。
15. 低圧管である、請求項１に記載の照明管。
16. ２トル、１トル、および０．５トルからなる群の一つの要素を超えない圧力を有する、請求項１５に記載の照明管。
17. 直流によって動作される、請求項１に記載の照明管。
18. 横径を有し、前記横径に対する前記長手方向の長さの比は５０：１程度以上の大きさである、請求項１に記載の照明管。
19. 第１および第２端を有し、それらの間に長手方向の長さを画定する照明管であって、
    電界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、
    磁界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設され、前記磁界が前記電界と実質的に垂直になるように配設された磁石と、
    放出陰極と、電子銃から前記電界及び前記磁界によって一緒に画定される電子経路中に前記照明管に沿って長手方向に電子を加速するように配置された電子銃と、
    を含む照明管。
20. 前記放出陰極のまわりを遮蔽することをさらに含む、請求項１９に記載の照明管。
21. 前記放出陰極は、複数の分離した陰極、及び前記銃の幅を横切る介在空間を含む、請求項１９に記載の照明管。
22. 第１および第２端を有し、それらの間に長手方向の長さを画定する照明管であって、
    電界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、
    磁界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設され、前記磁界が前記電界と実質的に垂直になるように配設された磁石と、
    を備え、
    前記電界および前記磁界が一緒に前記照明管に沿って長手方向の電子経路を提供し、前記電界陽極および前記電界陰極の少なくとも一方は、不均一性を含むように形成される、照明管。
23. 前記電界陰極は不均一性をもたらす形状を含む、請求項２２に記載の照明管。
24. 第１および第２端を有する照明管であって、
    電界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設された電界陽極および電界陰極と、
    磁界を提供するように前記照明管に沿って長手方向に配設され、前記磁界が前記電界と実質的に垂直になるように配設された磁石と、
    を備え、
    前記電界および前記磁界が一緒に前記照明管に沿って長手方向の電子経路を提供し、
    前記照明管が２トルを超えない圧力を有する低圧管である、照明管。
25. １トルおよび０．５トルからなる群の一つの要素を超えない圧力を有する、請求項２４に記載の照明管。
26. 前記経路に電子放出をもたらす放出陰極をさらに含む、請求項２４に記載の照明管。
27. 前記放出陰極は熱陰極である、請求項２６に記載の照明管。
28. 前記放出陰極は前記電界陰極とは分離されている、請求項２６に記載の照明管。
29. 前記第１および第２端は連続経路をもたらすように接合される、請求項２４に記載の照明管。
30. 横径を有し、前記照明管の前記横径に対する長手方向の長さの比は１００：１程度の大きさである、請求項２４に記載の照明管。
31. 長手方向の長さを有する閉鎖空間内に：
    ２トルを超えない低圧をもたらすステップと、
    実質的に均一な磁界をもたらすステップと、
    電界をもたらすステップと、
    を含み、
    前記電界及び前記磁界が前記長手方向の長さに沿って互いに直交方向に発生し、
    直交する前記電界及び前記磁界の影響下で前記長手方向の長さに沿って電子を移動させるように、前記長手方向の長さにおける位置に放出陰極を配置するステップと、
    を含む、照明の方法。
32. 電子の運動エネルギーを所望の波長の光子の励起エネルギーに制限し、それによって電子衝突から光子への効率的な変換をもたらすように、前記電界の値を選択するステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
33. １平方センチメートル当たり２０ミリアンペアを超えない電流密度を前記放出陰極にもたらすステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
34. 前記放出陰極に電力を提供するステップをさらに含み、前記電力は、ランプに提供される全電力に対する割合として５０％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、および５％からなる群の一つの要素を超えない、請求項３１に記載の方法。
    

Images