PT85099B

PT85099B - Sistema de iluminacao fluorescente sem electrodos

Info

Publication number: PT85099B
Application number: PT8509987A
Authority: PT
Original assignee: Intent Patent Ag
Priority date: 1987-06-17
Filing date: 1987-06-17
Publication date: 1993-09-30
Also published as: PT85099A

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se aos sistemas de iluminação. Em particular refere-se aos sistemas de iluminação fluorescente. Mais em particular, a presente invenção refere-se à conversão de radiação ultravioleta na porção visível ldo espectro electromagnético mediante a incidência dos fotões ul travioletas num revestimento fluorescente. A presente invenção refere-se ainda mais particularmente a um sistema de iluminação do tipo fluorescente sem eléctrodos que utiliza um mecanismo de excitação para gerar quer um campo magnético confinado e um campo eléctrico induzido que é substancialmente paralelo e com o mesmo sentido que o campo magnético para acelerar electrões dentro de um volume substancialmente fechado para colisão com átomos da composição gasosa.

N.

TÉCNICA ANTERIOR

São conhecidas na técnica anterior dos sistemas de iluminação os tubos de iluminação do tipo fluorescente. Em geral, esses sistemas de iluminação do tipo fluores cente da técnica anterior incluem uma mistura gases raros tais como néon, ãrgon e possivelmente um gás secundário tal como vapor de mercúrio. Tais tubos fluorescentes da técnica anterior es tão geralmente providos de um par de eléctrodos do tipo filamento que são revestidos com um material que tem a propriedade de emitir facilmente electrões quando aquecidos. Quando se introduz uma corrente eléctrica nos tubos de luz fluorescente da técnica anterior, tais filamentos aquecem e emitem electrões, actuando os filamentos alternadamente como ânodo e como cátodo. Em tais I tubos do tipo fluorescente da técnica anterior, é necessária uma tensão extraordinariamente elevada entre os eléctrodos para iniI ciar a descarga nos gases raros. Assim, tais sistemas de ilumina ! ção fluorescente da técnica anterior necessitam de uma entrada | de energia eléctrica inicial mais elevada e necessitam ainda de utilizar arrancadores e balastros para iniciar a descarga auto-sustentada. A utilização de tais sistemas proporciona um sistema complicado e aumenta os custos de produção desses sistemas de iluminação da técnica anterior.

Em geral, os sistemas de iluminação fluorescente da técnica anterior exigem um tubo fluorescente na generalidade linear ou arqueado cilíndrico com um diâmetro especificado. Os diâmetros de tais tubos fluorescentes são escolhidos para obter um funcionamento eficiente. Assim, tais tubos fluo rescentes da técnica anterior têm desenho limitado em função do rendimento de funcionamento. Em contraste com isso, o sistema de iluminação segundo a presente invenção pode ser feito numa certa variedade de desenhos, incluindo o esférico, o cilíndrico ou outras configurações de acordo com cada aplicação particular. 0 sis tema segundo a presente invenção não é limitado por critérios de desenho, visto operar sem eléctrodos e não depende de um campo eléctrico que se estende de uma extremidade à outra de uma estru tura tubular, como sucede nos sistemas da técnica anterior.

Nos tubos de iluminação do tipo fluc

rescente da técnica anterior, durante cada ciclo de operação, o I fluxo de electrões num só sentido cria uma concentração numa das I extremidades do tubo fluorescente da técnica anterior que permite que os iões se recombinem na parede do tubo com os electrões que eles captam e, em vez da recombinação para produzir a radiação, perde-se energia na parede do tubo. Assim, há nos sistemas da técnica anterior uma limitação no que respeita ao diâmetro mí. nimo, visto que um diâmetro muito pequeno aumentaria a ocorrência da recombinação de electrões com iões sem a produção de radiação ultravioleta.

Os sistemas do tipo fluorescente da técnica anterior são também limitados no que respeita ao rendimento de funcionamento devido à reabsorção da radiação ultravioleta pelo material da composição gasosa metálica. Como os fotões de radiação ultravioleta são emitidos com a colisão de electrões ί e iões, os fotões podem ser atenuados pelo gás metálico. Assim, j a limitação está relacionada com a distância que os fotões têm de percorrer e isso limita com efeito o diâmetro máximo dos sis,j temas de iluminação fluorescente da técnica anterior. A reabsorj! ção ê função, quer da distância que os fotões têm de percorrer, !quer da pressão dos gases no interior dos tubos de iluminação !fluorescente.

Em oposição, o sistema de iluminação segundo a presente invenção não tem as limitações atrás refe ridas, visto que não se verifica a recaptura de electrões por iões nas paredes do sistema de iluminação, visto que a colisão entre iões e electrões é mantida no interior de um volume fechado limitado.

REFERÊNCIAS A PATENTES E PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS

A patente americana N9 4 414 492 in titulada Electronic Ballast System do mesmo inventor e cessionário que a presente invenção e o pedido de patente americano N9 580 624, depositado em 23 de Fevereiro de 1984, intitulado Self^ -regulating electronic ballast system, do mesmo inventor e cessionário que a presente invenção, são aqui incorporadas por refe rência.

SUMÃRIO DA INVENÇÃO

Ê proporcionado um sistema de ilumi nação fluorescente sem electrodos que inclui um mecanismo de excitação para gerar 1) um campo magnético alternado confinado, 2) um campo eléctrico induzido substancialmente paralelo e com o mesmo sentido que o campo magnético e 3) um campo eléctrico radiante que flui substancialmente perpendicular ao campo magnético confinado. Os campos magnético e eléctrico induzido são aplicados substancialmente à mesma frequência para acelerar e orientar os electrões para a colisão com átomos da composição de gases pré-determinada. Inclui-se um elemento de blindagem electros tática no interior do sistema de iluminação fluorescente sem elêc i trodos, o qual substancialmente envolve o mecanismo de excitaçãõT para manter o campo eléctrico radiante no interior do sistema de j iluminação. Uma ampola envolve o elemento de blindagem electrostática e o mecanismo de excitação. A ampola inclui uma composiI ção gasosa contida no seu interior, sendo a composição gasosa io j nizada por colisão com os electrões acelerados. Os átomos ioniza dos da composição gasosa radiam energia na largura de banda dos ultravioletas do espectro electromagnético, em consequência das colisões e incidem num revestimento de material fluorescente for mado numa superfície interior da ampola para absorver pelo menos uma porção da energia ultravioleta e irradiar de novo a energia absorvida, para fora do sistema de iluminação sob a forma de luz ( visível.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As figuras dos desenhos anexos representam:

A fig.l uma vista em alçado, parcialmente cortada, do sistema de iluminação sem electrodos;

A fig. 2, uma vista em corte do sijs tema de iluminação sem electrodos feito pela linha de corte (2-2) da fig. 1;

A fig. 3, uma vista em corte de uma forma de realização do sistema de iluminação sem electrodos;

A fig. 4, uma vista em alçado de uma forma de realização do sistema de iluminação sem electrodos, que mostra um mecanismo de excitação de íman permanente;

A fig. 5, uma vista em corte da for ma de realização do sistema de iluminação sem electrodos feito pela linha de corte (5-5) da fig. 4, e

A fig. 6, uma vista em corte de uma bobina toroidal revestida.

DESCRIÇÃO DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS

Fazendo agora referência ãs fig. 1 e 2, nelas está representada uma forma de realização preferida do sistema (10) de iluminação do tipo fluorescente sem eléctrodos para a produção de emissão de luz visível tendo um maior ren dimento e uma maior duração de vida de funcionamento quando comparado com os sistemas de iluminação da técnica anterior. O conceito básico do funcionamento do sistema de iluminação (10) é orientado no sentido da produção de radiação ultravioleta pela colisão de electrões com átomos da composição gasosa. A radiação ultravioleta é transportada isotropicamente para um revestimento de uma substância luminescente para com ela chocar, resultando daí a re-emissão da radiação ultravioleta na porção visível do espectro electromagnêtico.

Em particular, o sistema de ilumina ção (10) sem electrodos, como se verá nos parágrafos seguintes produz campos magnéticos e eléctrico estando cada um dos campos magnéticos contido no interior de um volume substancialmente fechado. A combinação de um campo magnético e um campo eléctrico para a focagem de electrões tem sido usada com êxito num certo número de aplicações, tais como a focagem de electrões em aplica ções de tubos de raios catódicos. A ideia da presente invenção orienta-se no sentido de submeter os electrões à combinação de forças geradas pelo campo eléctrico induzido e pelo campo magnético, a fim de aumentar a probabilidade de colisões de electrões com átomos da composição gasosa em relação à probabilidade de co lisão se um electrão fosse transportado sob a acção de apenas um dos campos, donde resultaria uma colisão com átomos do gás moven do-se de maneira aleatória.

Uma das perturbações eléctricas principais no ambiente exterior pode resultar do campo magnético (produzido. A fim de evitar este tipo de perturbação, como se verá nos parágrafos seguintes, a interferência do campo magnético é anulada encerrando o campo magnético no que se designa geralmente por uma garrafa magnética, conceptualmente usada nos dispo sitivos de aceleração elevada de partículas. Como será demonstra do, o sistema de iluminação (10) funciona a uma frequência relativamente elevada, da ordem dos 10,0 MHz e o campo magnético pro duzido, se não fosse encerrado e confinado, possivelmente pertur baria a transmissão de telecomunicações numa ampla área. Como se verá, os efeitos exteriores do campo eléctrico irradiado são minimizados pela introdução de uma blindagem electrostãtica no interior do sistema de iluminação (10).

Nos sistemas de iluminação fluorescente da técnica anterior, proporcionavam-se dois filamentos que funcionam alternadamente como cátodo e como ânodo. Considerando uma alternância, os electrões propagam-se num sentido e produz-se um efeito de campo concentrado, sendo a radiação ultravioleta do plasma contido função do diâmetro do tubo fluorescente. Em tais sistemas da técnica anterior. Os átomos e iões metastãveis podem recombinar-se na parede do tubo e isso pode capturar porções de electrões em vez de os recombinar para produzir radiação. Em geral, os tubos fluorescentes normalizados podem ter um rend_i mento global dentro da gama de 15 a 20%. Confinando a trajectória e a colisão dos electrões no interior de um volume substancialmente fechado, o sistema de iluminação (10) não transporta electrões para a parede de um tubo ou caixa, o que faria baixar o rendimento de luz visível do sistema operativo, como sucede nos sistemas de iluminação fluorescentes normais.

Em geral, dois fenómenos que influenciam o tempo de vida dos sistemas de iluminação fluorescente da técnica antiga dirigem-se para a vida dos filamentos usados que se evapora no decurso de um ciclo de vida de funcionamento, bem como para o aumento de depósitos na superfície interior da composição do revestimento apôs um número pré-determinado de ope rações de acendimento. Este último fenómeno ê em parte devido ã

I deterioração da pressão do gás em consequência do bombardeamento 'continuado por iões de partículas pesadas e/ou electrões.

sistema de iluminação fluorescente (10) sem electrodos inclui um mecanismo de excitação (12) para gerar um campo magnético permanente, um campo magnético confi^ nado e um campo eléctrico induzido que ê substancialmente parale lo e tem o mesmo sentido que o campo magnético alternado. Os cam pos magnético alternado e eléctrico induzido são aplicados substancialmente ã mesma frequência para acelerar e orientar electrões para a colisão com átomos de uma composição gasosa pré-determinada contidos no interior de uma câmara de gás (16) do alojamento (14) fechado do gás. A corrente alterna com uma frequência elevada, como atrás se descreveu, no interior da bobina completamente toroidal (18), cria um gradiente de potencial eléctri co entre as espiras individuais da bobina (18). O gradiente de potencial eléctrico é evidentemente criado devido ao aumento e à diminuição da corrente que passa através das espiras individuais. Do gradiente de potencial eléctrico resulta assim um campo eléctrico substancialmente paralelo ao campo magnético.

Em termos globais, a passagem da cor rente através da bobina toroidal (18) cria quer um campo magnéti. co, quer um campo eléctrico induzido que acelera e dirige os elec jtrões numa trajectõria pré-determinada para a colisão com átomos da composição gasosa no interior da câmara (16) que aloja o gãs. A colisão dos electrões com átomos da composição do gás metálico contidos no interior do alojamento fechado (14) do gãs verifica-se internamente dentro dos limites da bobina toroidal (18).

A radiação ultravioleta produzida por essas colisões é depois irradiada para fora em todas as direcções para finalmente ser emitida como luz visível, como se des creverâ nos parágrafos seguintes. A colisão de electrões com iões de um gas metálico contido no interior da câmara (16) de alojamento do gãs produz radiação ultravioleta que é radiada isotropi, camente para fora para chocar com o revestimento (20) de material luminescente aplicado na superfície interior do tubo (22). O revestimento (20) de material luminescente ou qualquer composição semelhante de revestimento absorve pelo menos uma porção da ener

gia ultravioleta que nela incide e irradia de novo a energia absorvida externamente para o sistema de iluminação (10) sem eléctrodos, sob a forma de luz visível.

Como ê claro, o plasma gasoso está contido no interior do alojamento fechado (14) do gãs dentro da câmara de alojamento (16) do gãs do sistema de iluminação (10) sem eléctrodos. A energia ultravioleta gerada no plasma passa através do mecanismo de excitação (12) substancialmente transparente para radiação ultravioleta, para bombardear o revestimento (20) com radiação ultravioleta sem produzir qualquer reacção quí. mica ou degradação estrutural no mesmo. Como se mostrou nos parã !grafos anteriores, isso tem como consequência aumentar o tempo jde vida em funcionamento do sistema de iluminação (10), bem como o aumento do rendimento do sistema de iluminação (10), quando comparado com os sistemas de iluminação fluorescente.

Adicionalmente, o mecanismo de exci. j tação (12) como o proporcionado na forma de realização preferida j: do sistema de iluminação (10) representado nas fig. 1 e 2, proIporciona uma composição gasosa auto-contida, isolada atmosférica mente da ampola (22) , podendo ser mantido o vãcuo dentro da câma ra (24) da ampola para minimizar os efeitos da transferência de calor do mecanismo de excitação (12) para o ambiente exterior.

A estrutura particular do mecanismo de excitação (12) torna-o substancialmente independente da tempe ratura produzida e um tal mecanismo pode ser usado a uma pressão do gãs contido na câmara (15) de alojamento do gãs maior que nos sistemas da técnica anterior.

São conhecidos sistemas de ilumina| ção de alta pressão que podem ser usados para a iluminação públi^ ca e outras aplicações para a emissão de grandes quantidades de luz para grandes ãreas, mas nesses sistemas de alta pressão estão ainda contidos tubos cilíndricos onde as pressões podem atin gir vãrias atmosferas e proporcionar uma intensidade muito eleva da. As tensões aplicadas em tais sistemas de iluminação de alta pressão, que são aplicadas para fazer arrancar o tubo e manter a descarga, são extremamente elevadas e portanto os eléctrodos que têm que ser bombardeados e estão submetidos ao campo eléctrico

estão imersos na composição gasosa, o que afecta de maneira prejudicial a vida de tais sistemas de iluminação que funcionam a pressão elevada.

No sistema de iluminação fluorescen te sem eléctros (10) segundo a presente invenção, não há qualquer composição metálica no interior do mecanismo de excitação (12), com excepção da composição gasosa ou a possível composição metálica que faz parte do alojamento fechado (14) do gás. Assim, para além destas considerações, não hã nada em contacto com o campo eléctrico gerado. No sistema de iluminação (10), o vapor que é ionizado e forma o plasma no interior do alojamento fecha do (14) do gás não está em contacto com a bobina toroidal (18) e apenas contacta com o invólucro interior da câmara (16) de aloja mento do gás.

O mecanismo de excitação (12) inclu a bobina toroidal (18) para gerar os campos magnético alternado e eléctrico. Além disso, o alojamento fechado (14) de confinamen to do gãs, que tem um contorno substancialmente de um toroide, está situado internamente ã bobina (18), como está representado nas fig. 1 e 2. A carga eléctrica passa através da bobina toroidal (18) numa trajectõria helicoidal, como é evidente em face do contorno da bobina representado nas figuras. A alternância da corrente no interior da bobina toroidal (18) cria um gradiente de potencial eléctrico entre as espiras individuais da bobina (18) quando a corrente aumenta ou diminui. Este gradiente induz um campo eléctrico substancialmente paralelo ao campo magnético. O fluxo magnético gerado pela bobina toroidal (18) está totalmen te contido no interior do alojamento (14) fechado de confinamento do gãs. O campo magnético que envolve o alojamento (14) fecha do de confinamento do gâs mantém os electrões num movimento que é de natureza cíclica no interior do alojamento (14) fechado de confinamento do gâs, que proporciona um plasma excitado circulan do entre o diâmetro interior e o diâmetro exterior do alojamento do gás (14). Desta maneira, hã uma concentração de electrões e iões que estão confinados no interior do alojamento (16) do gâs, devido ao campo magnético.

A fim de manter um sistema que fun9

ciona eficientemente, o sistema de iluminação sem electrodos (10) funciona a uma frequência relativamente elevada e permite aj geração de um campo magnético suficientemente intenso para manter e confinar o sentido da trajectória dos electrões que circulam dentro da câmara (16) de alojamento do gás.

Experimentalmente, o sistema de ilu minação (10) foi operado de maneira eficiente numa gama de frequências da ordem de 0,1 a 50,0 MHz e, numa forma de realização particularmente muito eficiente, o sistema de iluminação (10) foi utilizado operacionalmente a uma frequência de 10,0 MHz.

O diâmetro do fio condutor da bobina toroidal (18) é relativamente pequeno e os intervalos que se’ param as várias espiras da bobina toroidal (18) é relativamente grande, a fim de a radiação ultravioleta que é gerada dentro do |alojamento (14) fechado de confinamento do gás substancialmente ί não ser impedida e bloqueada pela bobina toroidal (18) na passagem da radiação ultravioleta para a composição do revestimento | (20) na superfície interna da ampola ou da caixa da ampola (22). j As várias espiras da bobina toroidal (18) podem ser formadas por || fio condutor da electricidade fino, com um diâmetro da ordem dos 0,5 mm, com um espaçamento entre espiras de aproximadamente 20,0 I mm.

alojamento (14) do gás é formado por uma composição transparente à radiação ultravioleta, que pode ser uma composição de vidro. Se se usar uma composição de vidro, a transparência às radiações ultravioletas significará uma composição de vidro isenta de ferro. Para se ter uma radiação apreciável, ê portanto necessária uma secção transversal do pla£ ma apreciável, tendo em operações experimentais a secção transversal da câmara (16) de alojamento do gás variado entre cerca

2 | de 4,8 cm (0,75 polegadas quadradas) e 6,5 cm (1,0 polegadas quadradas), variando os raios interior e exterior do alojamento em forma de toroide aproximadamente entre 30,0 e 40,0 mm.

O alojamento fechado (14) de confinaraento do gãs contém a composição gasosa pré-determinada, que pode ser uma composição gasosa metálica a uma pressão pré-determinada. A composição gasosa pre-determinada pode ser de mercúrio

ι ãrgon, néon, sódio ou algumas outras composições gasosas anãlo; gas, e a pressão mantida no interior do alojamento (14) do gãs i ί que foi utilizada com exito e aproximadamente 3,0 torr.

!

ί A forma de toroide do alojamento j (14) do gãs é dada apenas com carácter ilustrativo. De facto, o ' alojamento (14) do gãs pode ser quadrada ou rectangular, embora se tenha verificado ser difícil construir um contorno toroidal com um raio interior pequeno relativamente ao diâmetro exterior. No sistema de iluminação (10) segundo a presente invenção, pode fazer-se o contorno completo do toroide em duas partes separadas, : Moldando peças de vidro semicirculares, é possível proporcionar 'duas metades do toroide que podem depois associar-se uma ã outra· 'por soldadura ou qualquer outra técnica análoga, como por selaΐgem com frita de vidro.

| A bobina toroidal (18) é feita de j uma composição metálica substancialmente muito condutora da elec .tricidade, tal como o cobre, a prata ou qualquer combinação dos jmesmos. Como atrás jâ foi mencionado, a bobina toroidal (18) é ;formada por um certo número de espiras, estando essas espiras afastadas umas das outras a uma distância pré-determinada, a fim jde proporcionar uma bobina toroidal (18) que seja substancialmen 1 te transparente à radiação ultravioleta gerada no interior da cã >mara (16) de alojamento do gâs do alojamento fechado (14) de con finamento do gâs. A ligação particular da bobina (18) a uma fonte de energia eléctrica serâ discutida nos parágrafos seguintes.

O campo eléctrico radiado gerado pe la bobina toroidal (18) é irradiado para fora em todas as direcções e pode criar uma influência perturbadora em vários sistemas |de comunicação e sistemas eléctricos semelhantes exteriores ã ampola (22). Assim, o sistema de iluminação fluorescente sem eléctrodos (10) inclui um elemento de blindagem electrostâtica (26) que envolve substancialmente o mecanismo de excitação (12) para conter os campos eléctricos radiados do interior do sistema de iluminação (10). O elemento de blindagem electrostâtica (26) envolve substancialmente a bobina toroidal (18) para impedir a saída do campo eléctrico irradiado para além dos limites do sistema de iluminação (10).

elemento de blindagem electrostá-j tica (26) pode ser formado por um material metálico perfurado, de modo que os fotões da radiação ultravioleta podem passar atra! vês do mesmo, com pequena interferência ou reflexão. 0 elemento de blindagem electrostãtica (26) está electricamente ligada ã terra (28), como se representa esquematicamente na fig. 1, num modo de acoplamento directo, ou em série com um condensador.

Pode empregar-se um outro tipo de blindagem electrostãtica proporcionando um revestimento condutor na face exterior da ampola (22) . Pode usar-se uma pulverização de cloreto de estanho ou qualquer composição análoga para reves tir exteriormente a ampola (22) e conter assim no interior do sistema de iluminação (10). Tal o campo elêctricO| como sucedia para^; o elemento de blindagem electrostãtica (26), o revestimento con dutor ê ligado ã terra (28) , directamente ou através de um condensador ligado em série (não representado).

Assim, a energia ultravioleta que é emitida a partir da câmara (16) de alojamento do gás passa através do alojamento (14) do gás transparente à radiação ultraviole ta, da bobina toroidal (18) e depois através do elemento de blin dagem electrostãtica (26), para incidir no revestimento fluorescente (20) formado na superfície interna da ampola (22) para a sua absorção e nova emissão de energia na faixa visível do espec tro electromagnético. A câmara (24) da ampola, como foi menciona do é mantida com um vácuo elevado para minimizar a absorção da radiação ultravioleta e os efeitos da transferência do calor e a transmissão do mecanismo de excitação (12) para o ambiente ex terior.

Ao passo que os sistemas de ilumina ção da técnica anterior exigem a geração de uma tensão elevada para criar uma descarga no interior da composição gasosa encerra da num tubo, o sistema de iluminação (10) utiliza uma tensão relativamente baixa e exige a passagem de uma corrente através da bobina toroidal (18) para gerar os campos magnético e eléctrico para gerar energia suficiente para permitir que se verifiquem as colisões entre electrões e iões dentro da câmara (16) de alojamento do gás e gerar a radiação ultravioleta. Pela operação da

bobina toroidal (18) a uma frequência elevada, a tensão que é usada para excitar o sistema de iluminação (10) é mantida com um' valor mínimo e a corrente que passa na bobina (18) pode ser da ordem de 1,0 a 3,0 A. A bobina toroidal (18) é ligada ao sistema de balastro (30), através dos condutores (34) e (36), que são montados nas superfícies exteriores da armação estrutural (38) feita de um material dieléctrico, que carece de importância para concepção inventiva aqui apresentada. A armação estrutural (38) pode ser formada por um suporte disposto verticalmente, com orelhas (40) dirigidas radialmente e ligadas a uma superfície interior do alojamento (14) fechado de confinamento do gás para manter o mesmo numa posição fixa dentro da ampola (22) . Os conduto!'res eléctricos (34) e (36) são ligados em extremidades opostas à bobina toroidal (18) e ao sistema de balastro (30), respectiva¹ mente.

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balastro (30) pode ser o sistema 'de balastro representado na patente americana N9 4 414 492 intiJtulada Electronic ballast sustem, bem como ser semelhante ao sistema de balastro representado no pedido de patente americano

N<? 580 624, depositado em 23 de Fevereiro de 1984 e intitulado Self-regulating electronic ballast system. Ambos estes sistemas são aqui incorporados por referência.

A ampola (22) envolve o elemento de blindagem electrostãtica (26) e o mecanismo de excitação (12). A ampola (22) inclui uma composição gasosa metálica contida na mes ma e especificamente no interior da câmara (16) de alojamento do gás. Átomos da composição gasosa são ionizados por colisão com electrões acelerados proporcionados pelo mecanismo de excitação (12) e os átomos ionizados da composição gasosa radiam energia ií na gama dos ultravioletas do espectro electromagnético em consequência dessas colisões quer os átomos sejam metastáveis ou iões jjO revestimento (20) de material fluorescente é aplicado numa superfície interior da ampola (22) para absorver pelo menos uma porção da energia ultravioleta e irradiar de novo a energia absorvida para o exterior do sistema de iluminação (10) sob a for• ma de luz visível. O campo eléctrico radiante gerado pela meca. nismo de excitação (12) ê limitado na sua distância de irradia-

ção pelo elemento de blindagem electrostática (26) que impede que a radiação passe para fora do sistema de iluminação (10).

Na forma de realização representada na fig. 3, o sistema de iluminação fluorescente sem electrodos (10') prevê que ampola (22) define a câmara de confinamento (24’l Nesta forma de realização, o mecanismo de excitação (12') é apenas formado pela bobina toroidal (18') que gera um campo magnéti co e um campo elêctrico, sendo o campo eléctrico substancialmente paralelo e no mesmo sentido que o campo magnético, devido ao gradiente de potencial entre as espiras da bobina (18') e está ainda contido no interior do invólucro interno da bobina toroidal (18'). Nesta forma de realização, os electrões no interior do invólucro interno da bobina toroidal (18’) são impulsionados ! numa trajectória helicoidal e são acelerados para a colisão com os átomos da composição gasosa pré-determinada no interior dos limites do invólucro interior formado pela bobina toroidal (18')'. De acordo com a teoria electrodinâmica clássica, os campos magné tico produzidos pela bobina toroidal (18') estão contidos no interior do invólucro toroidal. Assim, no caso da bobina toroidal (18') o fluxo magnético gerado pela bobina toroidal (18') e os electrões fluem no interior do espaço limitado pelas próprias ejs piras da bobina toroidal (18'). O confinamento do campo magnético e significativo pelo facto de impedir a irradiação do campo magnético para o exterior do sistema de iluminação (10').

Nesta forma de realização a câmara de confinamento (24') contém uma composição gasosa metálica. O gás metálico pode ser vapor de mercúrio, cujos iões são atraídos para o campo magnético gerado no interior da bobina toroidal (18'). Os campos eléctrico e magnético gerados pela bobina toro£i dal (18') aumenta a probabilidade de colisão entre os electrões e os iões do gás metálico para além do que se verificaria a partir de electrões livres acelerados por um gradiente de campo constante colidindo com os iões do gás metálico. Energia suficier. te aplicada a estes campos provoca uma radiação na gama dos ultravioletas do espectro electromagnético quando se verificam as colisões, como já se descreveu anteriormente para a forma de rea lização preferida do sistema de iluminação (10) . O campo eléctri.

co radiante gerado pela bobina toroidal (18') é limitado na sua distância de irradiação pela blindagem electrostãtica (26') que é substancialmente o mesmo elemento que forma a blindagem electrostãtica (26) atrás representada· 0 elemento de blindagem elec Trostãtica (26') pode ser uma composição metálica condutora da electricidade perfurada ou uma composição de malhas de crivo, proporcionando os furos um elemento substancialmente transparente relativamente ã radiação ultravioleta gerada no interior do núcleo da bobina toroidal (18'). Prevê-se o revestimento lumines cente (20) na superfície interior da ampola (22) para a absorção da radiação ultravioleta e a re-emissão dessa energia sob a forma de luz visível.

A fim de satisfazer o efeito pelicu lar, a bobina toroidal (18') pode ser feita com um fio cuja composição é altamente condutora da electricidade, tal como fios de cobre ou de prata. No entanto, na presença do vapor de mercúrio, tais materiais muito condutores podem absorver os átomos de mercúrio durante um intervalo de tempo que reduziria os átomos de mercúrio na composição gasosa e em última análise afectaria de maneira prejudicial a saída luminosa do sistema de iluminação (10'). Como se viu na forma de de iluminação fluorescente sem composição gasosa são mantidos fechado de confinamento do gás na toroidal (18), Porém, nesta composição gasosa podem entrar realização preferida do sistema electrodos (10), tais átomos da interiormente ao alojamento (14) e não estão em contacto com a bobi forma de realização, os átomos da em contacto com a bobina toroidal (18') e portanto essa bobina (18') pode ser feita de fio muito condutor da electricidade revestido com um material dieléctrico para impedir a absorção dos átomos de mercúrio. O revestimento ou cobertura (19) como mostra a fig. 6, embora isolante ou pelo menos não tão condutor como o material de cobre e/ou de prata da bobina toroidal não protege a bobina toroidal (18') da absorção dos átomos ou moléculas de mercúrio. Electricamente, a resistência da bobina toroidal (18') ãs altas frequências não é substancialmente afectada pela composição de vapor de mercúrio no interior do sistema de iluminação (10').

As extremidades opostas da bobina

toroidal (18') estão ligadas ao balastro (30) (como se indicou para o sistema de iluminação (10)), através dos condutores eléctricos (34) e (36). O elemento de blindagem electrostática (26') estã acoplado de maneira análoga à terra (28), através de uma porção inferior da ampola (22).

Apresentou-se um processo para proporcionar luz visível a partir de um sistema de iluminação (10, 10') que inclui a utilização de um mecanismo de excitação (12) para acelerar electrões numa trajectória pré-determinada. Os electrões são acelerados numa trajectória cíclica no interior de um invólucro de confinamento substancialmente fechado, mediante J a utilização de uma bobina toroidal (18, 18'), que acelera os ' electrões numa trajectória num recinto fechado toroidal circular»

Os electrões acelerados vão colidir com átomos de uma composição gasosa pré-determinada, sendo estes H ionizados para libertar uma radiação ultravioleta. Os fotões da j radiação ultravioleta passam através das bobinas toroidais (18, 18') e finalmente incidem sobre um revestimento (20) de material ll

I fluorescente no qual a radiação ultravioleta e re-emitida na por ίção visível do espectro electromagnético. O material fluorescente (20) é aplicado como revestimento numa superfície interior da ampola (22), que envolve o mecanismo de excitação (12).

A fase de aceleração dos electrões na trajectória fechada de confinamento inclui a fase de manter a trajectória no interior de um espaço fechado definido pelo invólucro interior da bobina toroidal circular (18, 18').

A fase de manter a trajectória dos electrões inclui além disso a fase de gerar um campo magnético ' confinado e um campo eléctrico que é substancialmente paralelo e com o mesmo sentido que o campo magnético confinado. Mediante a utilização do espaço confinado de forma toroidal gerado pelas bo i binas toroidais (18, 18'), o campo magnético é mantido no interior do contorno de forma toroidal. Assim, fazendo passar uma corrente eléctrica através das bobinas toroidais (18, 18’), os electrões são impelidos ciclicamente através do espaço fechado de confinamento interior de forma toroidal, para chocar com áto! mos da composição gasosa pré-determinada.

Na forma de realização preferida re

presentada nas fig. 1 e 2, os átomos da composição gasosa pré-dé i terminada são mantidos no interior da câmara (16) de alojamento I i - i | gás formada no interior do alojamento (14) de confinamento do I i gâs. A bobina toroidal (18) é enrolada em torno da superfície ex || terior do alojamento (14) fechado de confinamento do gâs. Nesta i; forma de realização preferida, a câmara (24) da ampola do alojaI jmento (22) da ampola é evacuada para produzir um vácuo. Assim, os electrões acelerados que passam no interior da câmara (16) de alojamento do gás de forma toroidal colidem com átomos da compoi sição gasosa, resultando uma radiação ultravioleta em consequêni ~ ~ - I cia da ionizaçao. A radiaçao ultravioleta passa através do aloja

I mento fechado (14) de confinamento do gás que é formado por uma ! j composição substancialmente transparente à radiação ultravioleta, tal como vidro de quartzo fundido.

II A radiação ultravioleta passa de'J pois através do elemento da blindagem electrostãtica (26) para íl jl incidir sobre o material fluorescente ou revestimento luminescen te (20) , que re-emite a energia incidente sob a forma de luz vi¹¹ sível.

I Na forma de realização representada ” na fig. 3, os electrões acelerados são accionados ciclicamente í₍ numa trajectória substancialmente circular no interior do invólu ' cro formado pela bobina toroidal (18'). A bobina toroidal (18'), J como sucedia com a bobina toroidal (18) e feita com fio relativa mente fino, ficando as várias espiras individuais suficientemeni’ te afastadas para proporcionar um elemento substancialmente il L transparente para a passagem através do mesmo da radiaçao, ultra |! violeta formada em consequência da ionização dos átomos da compc íl sição gasosa quando se verifica a colisão com os electrões acele jl rados. Nesta forma de realização, os átomos da composição gasosa | são proporcionados no interior da câmara (24') da ampola mas a i colisão em geral apenas se verifica no interior no espaço interior ao invólucro de forma toroidal formada pela bobina toroidal (18’) .

Em ambas as formas de realização re presentadas nas fig. 1 e 2, bem como na fig. 3, a fase de ioniza I ção da composição gasosa pré-determinada é seguida pelo transpor

te isotrópica da radiação ultravioleta para o material fluorescente (20) do tubo, formado na superfície interior da ampola ou alojamento (22).

Quer na forma de realização preferi da quer na secundária do sistema de iluminação (10) , prevê-se a blindagem electrostática (26) e (26’) que envolve o mecanismo de excitação (12) e (12') para proporcionar uma barreira de protecção electrostática para o campo eléctrico produzido pelo mecanis mo de excitação (12) e (12'). Ambos os elementos de blindagem electrostática (26) e (26') são formados por um crivo de malha ou por um material metálico perfurado por forma que os referidos elementos sejam substancialmente transparentes para a radiação 'ultravioleta que passa do mecanismo de excitação (12) e (12') pa ί ra o revestimento (20) de material fluorescente formado na super flcie interior da ampola (22).

Fazendo agora referência às fig. 4 je 5, nelas está representado o sistema de iluminação sem elêctro dos (10), que pode ser uma outra forma de realização do sistema j de iluminação sem eléctrodos (10) ou (10') representados nas fig. il, 2 e 3, respectivamente. O sistema de iluminação (10) baseia!-se na ideia de que é possível reduzir a corrente necessária pa|ra gerar uma intensidade pré-determinada do campo magnético usan do a soma vectorial de um campo magnético constante proveniente de imanes permanentes alinhados perpendicularmente ao campo magnético confinado das bobinas (18) ou (18').

Na forma de realização representada nas fig. 4 e 5, o mecanismo de excitação (12) inclui ímans permanentes (42) e (44) destinados a estabelecer um campo magnético constante que é substancialmente perpendicular ao campo magnético alternado descrito anteriormente. 0 campo magnético permanente soma-se portanto vectorialmente com o campo alternado para produzir uma maior intensidade de campo.

Por conseguinte, o sistema de ilumi. nação (10) terá uma intensidade pré-determinada do campo magnético utilizando uma corrente menor através da bobina (18) que a que seria fornecida às bobinas (18) ou (18').

Para fins ilustrativos, o íman per18 manente

face oposta do íman (42). 0 íman permanente (42) é colocado por cima do eixo da secção transversal do alojamento (14') do gás e

no interior da abertura central do toroide.

ii As faces magnéticas do íman perma'' nente (42) são substancialmente paralelas ao plano formado pelo i ~

I toroide. 0 íman permanente (44) está montado numa posição simétrica como a imagem num espelho do íman permanente (42) por baixo do eixo do alojamento (14') do gás. 0 íman permanente (44) ten as suas faces magnéticas orientadas de maneira oposta à do íman (42) .

| Para fins ilustrativos, o íman per! manente (42) tem o seu polo sul voltado para o íman permanente ΐ (44). Correspondentemente, o íman permanente (44) está então I orientado de uma maneira tal que o seu polo norte está voltado ipara o íman (42). Esta orientação pré-determinada dos ímans (42) e (44) permite que o campo magnético entre as faces exteriores ₍· dos imanes (42) e (44) passe através da secção transversal do to ·; roide formado pela bobina toroidal (18) ou alojamento fechado [[confinado (14') do gás, de modo tal que o campo magnético permal! nente é perpendicular ao campo nele contido. Evidentemente, o circuito magnético ê completado pelo campo magnético que se for:ma entre os polos magnéticos dos imanes (42) e (44) que estão voltados um para o outro na abertura central do contorno toroidal geral.

Embora a presente invenção tenha si i

hdo descrita em ligação com formas de realização específicas da !| mesma, deve entender-se que podem utilizar-se diversas variantes [[diferentes das que foram atrás descritas, sem nos afastarmos do |i espírito ou dos objectivos da presente invenção. Por exemplo, po | dem substituir-se os elementos específicamente descritos por ele [mentos equivalentes, certas características poderão ser usadas independentemente de outras características e, em certos casos, podem inverter-se ou intercalar-se as posições particulares dos elementos, tudo sem sair do espírito ou dos objectivos da presen

I te invenção, como se definem nas reivindicações anexas.

Claims

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos, caracterizado por compreender:

a) meios de excitação para gerar 1) um campo magnético confinado,
2) um campo eléctrico induzido substancialmente paralelo e com o mesmo sentido que o referido campo magnético, e 3) um campo eléctrico radiante perpendicular ao referido campo magnético confinado, sendo os referidos campos magnético e elêctrico induzido aplicados substancialmente à mesma frequência para acelerar e orientar electrões para a colisão com átomos de uma composição gasosa pré-determinada, incluindo os referi, dos meios de excitação uma bobina toroidal para gerar os refe ridos campos magnético e eléctrico induzido e um alojamento fechado de confinamento do gás com um contorno substancialmen te de forma toroidal posicionado no interior da referida bobi. na toroidal;

b) um elemento de blindagem electrostãtica que envolve substancialmente os referidos meios de excitação para conter o referido campo eléctrico radiante no interior do referido sistema de iluminação;

c) um elemento em forma de ampola que envolve o referido elemento de blindagem electrostãtica e os referidos meios de excita ção, tendo a referida ampola contida no seu interior a referi da composição gasosa, sendo os átomos desta composição gasosa ionizados pela referida colisão com os referidos electrões acelerados, irradiando os referidos átomos ionizados da compo sição gasosa energia ba banda dos ultravioletas do espectro electromagnético em consequência das referidas colisões; e,

d) um revestimento de material fluorescente numa superfície inte rior da referida ampola para absorver pelo menos uma porção da referida energia ultravioleta e radiar de novo a referida i energia absorvida para fora do referido sistema de iluminação sob a forma de luz visível.

2- Sistema de iluminação fluorescente sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido campo eléctrico induzido dos referidos meios de excitação acelerar os referidos electrões e o referido campo maçj nético dos referidos meios de excitação orientar os referidos electrões numa trajectória helicoidal pré-determinada.

- 3- Sistema de iluminação fluorescente sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir imanes permanentes para estabelecer um campo magnético substancialmente constante que flui perpendicularmente ao referi do campo magnético confinado.

Sistema de iluminação fluorescente sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os referidos imanes permanentes incluírem um par de imanes em forma de disco posicionados substancialmente no interior da aber tura interior do referido contorno toroidal do referido alojamen to fechado de confinamento do gãs.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido alojamento fechado de confinamento do gás conter no seu interior a composição gasosa pré-determinada.

Sistema de iluminação fluorescente ! sem electrodos de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a referida composição gasosa pré-determinada incluir uma composi.

ção gasosa metálica.

Sistema de iluminação fluorescente sem elêctrodos de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a referida composição gasosa pré-determinada ser mantida no inte rior do referido alojamento fechado de confinamento do gás a uma pressão pré-determinada.

Sistema de iluminação fluorescente sem elêctrodos de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a referida composição gasosa pré-determinada incluir pelo menos uma composição de um gás raro.

I Sistema de iluminação fluorescente i sem electrodos de acordo com a reivindicação 8, caracterizado

I por a referida composição gasosa metálica ser mercúrio.

10jj Sistema de iluminação fluorescente

H sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ’! por o referido alojamento fechado de confinamento do gás ser fei. !j to com uma composição de material transparente à radiação ultra!' violeta.

- 11* _ i

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o referido material transparente à radiação ultravioleta ser uma composição de quartzo.

í - 12- íl Sistema de iluminação fluorescente ! sem electrodos de acordo com a reivindicação 10, caracterizado ! por o referido alojamento fechado de confinamento do gás ser for |mado por uma composição de vidro transparente ã radiação ultravioleta.

I

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida bobina toroidal ser formada por uma composição me tálica substancialmente muito condutora da electricidade.

- 14- i Sistema de iluminação fluorescente ! sem electrodos de acordo com a reivindicação 13, caracterizado !| por a referida composição metálica da bobina ser cobre.

- 15- -

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 13, caracterizado ^!por a referida composição metálica ser prata.

- 16- -

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a referida composição metálica da bobina ser formada por pelo menos por um dos elementos do grupo formado por cobre e prata.

Sistema de iluminação fluorescente i sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ' por a referida bobina toroidal ser formada por um certo número

I de espiras, estando as referidas espiras afastadas umas das outras de uma distância pré-determinada para que a referida bobina toroidal seja substancialmente transparente à referida radiação ultravioleta.

Sistema de iluminação fluorescente i sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida blindagem electrostãtica ser formada por uma composição de material condutor da electricidade.

Sistema de iluminação fluorescente sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por a referida blindagem electrostãtica ser um elemento perfurado para permitir a passagem da radicação ultravioleta através do mesmo.

- 20- Sistema de iluminação fluorescente i sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por a referida blindagem electrostãtica estar electricamente ligada à terra.

- 21- 25

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por incluir um balastro ligado aos referidos meios de excitação para activar os referidos meios de excitação.

Sistema de iluminação fluorescente i sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida ampola definir uma câmara fechada, estando a refe j rida blindagem electrostãtica, os meios de excitação e a referi-j j da composição gasosa pré-determinada colocados no interior da re’ ferida câmara fechada.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por a referida bobina toroidal ser formada por um certo numero de espiras feitas de uma composição metálica substancialmente muito condutora da electricidade.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a fig. 22, caracterizado por a refe rida bobina toroidal ser revestida com um metal.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por a referida bobina toroidal ser feita de uma composição metálica contendo pelo menos um elemento do grupo formado por cobre e prata.

- 26- Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por o referido revestimento metálico da bobina ser formado por uma composição de material dieléctrico.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por a referida bobina toroidal incluir uma película de ferro aplicada por deposição catódica.

- 28- Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por cada uma das referidas espiras da bobina toroidal estar afajs tada da espira seguinte de uma distância pré-determinada suficiente para manter a referida bobina toroidal substancialmente transparente à energia de radiação ultravioleta que passa através da mesma.

T7

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por a referida bobina toroidal ser susceptível de ser operada a uma frequência pré-determinada aproximadamente dentro da banda de 0,1 a 50,0 MHz.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 29, caracterizado por a referida frequência de operação pré-determinada da referida bobina toroidal ser de aproximadamente 10,0 MHz.

- 31- -

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por a referida blindagem electrostãtica ser formada por uma composição de material condutor da electricidade.

- 32- -

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 31, caracterizado por o referido material condutor da electricidade da blindagem electrostãtica ser perfurado.

- 33- 28

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 31, caracterizado por a referida blindagem electrostãtica ser formada por um crivo condutor da electricidade.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 31, caracterizado por a referida blindagem electrostãtica estar ligada electricamente à terra.

- 35- Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por a referida composição gasosa pré-determinada ser uma composjL ção gasosa metálica.

Sistema de iluminação fluorescente sem eléctrodos de acordo com a reivindicação 35, caracterizado por a referida composição gasosa metálica ser mantida no interior da referida câmara fechada a uma pressão pré-determinada.

- 37- Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 35, caracterizado por a referida composição gasosa metálica ser mercúrio.

- 38- Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido material fluorescente ser formado por uma composi. |ção luminescente.

Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 38, caracterizado por incluir um balastro ligado à referida bobina toroidal para activar electricamente a referida bobina toroidal a uma frequência pré-determinada.

- 40- Sistema de iluminação fluorescente sem electrodos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir imanes permanentes posicionados junto dos referidos meios de excitação para aumentar a intensidade do campo magnético confinado.