TWI596648B - 無電極燈 - Google Patents

Description

無電極燈

本發明係關於一種無電極燈，特別是一種可提供全光譜連續輻射之無電極燈。

現有氣體放電燈技術中，如高壓汞燈、低壓汞燈、短弧氙氣燈、長弧氙氣燈、金屬鹵素燈、高強度放電燈(HID燈)等，通常係透過填充各式氣體或添加劑至燈體中，並藉由電極激發填充之物質來提供不同範圍及比例的光譜。

然而，由於所填充之物質具有不同的老化特性，長時間的使用及作用時所產生的高溫使得電極與添加劑容易產生化學反應，而導致氣體放電燈的光譜改變及強度衰減。再者，使用於前述氣體放電燈技術的燈具，其外部常裝設有外部濾光器以調整光譜的輸出，然而該外部濾光器的架設將降低整體燈源的發光功效，且其中的濾光片亦容易受長時間的光照影響而老化。

為突破上述缺點，無電極燈(亦稱為電漿燈或等離子燈)因此問世。同屬氣體放電燈的無電極燈，係於一密封透明的燈體內填充化學惰性氣體和一或多種活性成分(如汞、硫、硒、碲、或金屬鹵化物)，並透過一射頻或微波能量來激發填充之物質而提供光源。

無電極燈的使用壽命長達約40,000至90,000小時，遠高於目前已知的發光體(含LED)，且在長期使用下仍能保持一致的光譜特性，再 者，其光譜之演色性CRI>95是所有當前發光體中最近似陽光的。

自1970年代起，Childs等學者帶動無電極之微波硫燈之研究。微波硫燈是一種以微波驅動之全光譜無電極燈，該微波硫燈係於石英泡殼內填充硫，並藉由2,450MHz的微波輻射來激發，使硫被加熱至極高溫而形成電漿態，進而產生連續光譜。微波硫燈具有高光效、使用壽命長、光譜連續、無汞污染、良好的流明維持率、瞬時啟動等優點，且大約73%的發光落在可見光譜範圍，而有害的紫外線成分不到1%。

無電極燈之相關技術在許多篇專利文獻上都有揭露，例如，美國專利US 5404076、US 5866980A、US 6469444B1、US 5606220A、US 5866981A、US 6633111B1、US 2010/0117533A1等，然而該等文獻多係針對藉由調整填充物質之種類及條件，以使燈具之光譜範圍、發光效率、及顯色性能更符合普通照明之應用。

在產業上，太陽光模擬器(Solar Simulator)係廣泛應用於太陽能電池(Photovoltaic Cell、或稱光伏電池)系統的性能評估。太陽光模擬器係藉由光學系統的設計以獲得與於地球表面所接收之自然太陽光照特性一致的光源，從而確保精確且可再現的測試結果。

為整合和規範太陽光模擬器的光譜特性與量測，已於國際上訂立如IEC 60904-9、ASTM E927-10、JIS C 8912、CNS 13059-9等標準，及IEC 61215、IEC 61646等光電元件的試驗規範。依據該等規範，一標準之太陽能電池(光伏電池)的量測應以強度為100mW/cm2之AM 1.5G之標準入射光源進行。

如第1圖所示，在習知技術中，使用於普通照明之現有硫燈 之發光光譜分佈較窄，所發射之光主要落在可見光光譜範圍內，落在紫外光光譜與紅外光光譜的比例都偏低，故無法滿足上述規範，因此在改良上多利用(氙氣)放電燈和鹵素燈之不同組合來作為太陽光模擬器之標準光源。另外，亦可通過設置適當的濾光器對所發出的光譜進行校正。

而如美國專利US 5866980A與US 6469444B1所述，儘管可藉由在硫燈中添加微量金屬鹵化物來修正硫燈之光譜性能，然而由於過量的金屬鹵化物易與硫產生化學反應，進而導致硫燈難以啟動或無法重複點燈的問題，且金屬鹵化物的添加比例有一定限制，故欲藉由添加微量金屬鹵化物來擴大紫外光與紅外光之光譜範圍的效果也相當有限。

有鑑於此，如何改善上述缺失，提供一種無電極燈，以使其可產生全光譜連續輻射並滿足AM 1.5G之標準，實乃此一業界極待解決的問題。

本發明之一目的在於提供一種無電極燈，其所發出之光的光譜可集中在350nm-1,100nm的範圍內，故得以涵蓋紫外光、可見光與紅外光等三部份光譜，並作為模擬太陽標準光源之應用，具有長壽命、極低光衰等特色。

本發明之第一特徵在於：無電極燈的主要填充物質不採用硫成份，而是以活性金屬溴化物為主成份來取代。此改良後之無電極燈能夠避免微波硫燈在光譜表現上之缺點，獲得更寬廣且穩定之光譜分佈。本發明的主要填充物質為金屬溴化物，即：溴化銦、三溴化銻、二溴化鈷、溴化鎂，或這些金屬溴化物的混合物。當燈泡之外徑為3.5cm時，所添加的金 屬溴化物總量可在16mg到40mg範圍內，也就是0.93mg/cm³到2.33mg/cm³的濃度範圍，故與一般具有兩端電極之鹵素燈或複數金屬放電燈中常用之金屬碘化物，二者在性能上還是有很大之不同。

本發明之第二特徵在於：無電極燈的燈泡內可同時添加少量金屬銻。金屬銻的添加將有助於此微波無電極燈之快速啟動，以及可縮短關燈冷卻後再啟動的時間。於先前技術中，有些是使用金屬銦，但本填充金屬銻的組成以溴化銻為主。金屬銻在燈泡發光時可參與高溫電漿反應，冷卻時會過飽和析出於石英內壁上，因此不會產生不良之化學作用。

本發明之第三特徵在於：無電極燈的燈泡內也可添加少量稀土族金屬鹵化物或微量過渡金屬鹵化物。所添加的稀土族金屬鹵化物，包括一種或多種稀土族金屬鹵化物混合物組成，例如稀土族金屬為鏑(Dy)、鈥(Ho)及/或銫(Cs)等。少量稀土族金屬鹵化物也有助於此微波無電極燈快速啟動，以及提高發光效率和顯色性能，克服過去都無法在燈泡積熱下再次啟動，改善後之效果可達到關燈後可立即在30秒內快速啟動的優勢能力。

為達上述目的，本發明由一微波驅動之一無電極燈包含一電磁殼體、一燈泡、一導電性篩網及一磁控管。電磁殼體係具有一微波供應腔，燈泡係藉由一燈體設置於電磁殼體之微波供應腔上，導電性篩網係包覆燈泡設置，且磁控管係可藉由一導波管將所產生之微波提供至微波供應腔內。其中，燈泡內係填充含有一無汞金屬鹵化物之一填充物，且該填充物包含一第一填充組成、一第二填充組成、一第三填充組成及一第四填充組成。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第一填充組成係為具有溴化銦與溴化銻之一第一混合物組成、第二填充組成係為具有活性金屬元素之一第二混合物組成、第三填充組成係為具有一或多種稀土族金屬鹵化物之一第三混合物組成、且第四填充組成係為惰性氣體之一第四混和物組成。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第一混合物組成包括三溴化銻、二溴化鈷及/或溴化鎂。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第二混合物組成包含銻(Sb)。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第三混合物組成包括鏑(Dy)、鈥(Ho)及/或銫(Cs)。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第四混和物組成包括氦氣、氖氣、氬氣及/或氙氣。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第一填充組成、第二填充組成與第三填充組成的濃度係介於0.6-2.9mg/cm³之間。

為達上述目的，本發明之無電極燈之第一填充組成、第二填充組成與第三填充組成的濃度係介於0.9-2.3mg/cm³之間。

為達上述目的，本發明之無電極燈更包含以透光石英構成之一燈泡壁。

為達上述目的，本發明之無電極燈之燈泡所發射之光係為含紫外光、可見光和紅外光之一全光譜連續輻射光。

為讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較 佳之實施例配合所附圖式進行詳細說明。

10‧‧‧無電極燈

1‧‧‧燈體

2‧‧‧燈泡

3‧‧‧電磁殼體

4‧‧‧導電性篩網

5‧‧‧磁控管

6‧‧‧導波管

7‧‧‧微波供應腔

第1圖為先前技術中微波硫燈之連續光譜與AM 1.5G標準之光譜的比較圖；第2圖為本發明中所使用之微波產生器與無電極燈燈座之裝置示意圖；第3圖為依據本發明之第一實施例之無電極燈之連續光譜圖；第4圖為依據本發明之第二實施例之無電極燈之連續光譜與太陽AM 1.5G光譜的比較圖；及第5圖為依據本發明之第三實施例之無電極燈之連續光譜圖。

如第2圖所示，其為本發明之無電極燈10之示意圖。本發明之無電極燈10包含一燈體1、一燈泡2、一電磁殼體3、一導電性篩網4、一磁控管5及一導波管6。其中，電磁殼體3係具有一微波供應腔7，燈泡2係藉由燈體1設置於電磁殼體3之微波供應腔7上，導電性篩網4係包覆燈泡2設置，且磁控管5係可藉由導波管6將所產生之微波提供至微波供應腔7內。

藉此，當於燈泡2內填充含有一無汞金屬鹵化物之一填充物，且該填充物包含一第一填充組成、一第二填充組成、一第三填充組成及一第四填充組成後予以密封，並使磁控管5提供一頻率為2.45GHz及功率為1kW之微波。接著，將該微波透過導波管6進入至微波供應腔7，同時藉電磁殼體3將微波能量集中，以加熱燈泡2內之填充物，並將其激發至電漿狀態而產生光譜輻射，並讓光線自燈泡2經導電性篩網4之孔洞輸出後，即 可獲得滿足AM 1.5G之標準的全光譜連續輻射光。

於本發明中，為承受無電極燈10運作時所產生之高溫(約600-900℃)，無電極燈10之燈泡2的燈泡壁係以石英製成。另外，根據所需的功率，燈泡2的尺寸通常為10-30立方厘米，而燈泡2內部之填充多介於10-100mbar之間。

接著，將針對本發明之無電極燈10之內部填充進行詳細之說明。相較於習知之無電極燈，本發明之無電極燈10於技術上主要具有三大特徵。

首先，本發明之第一特徵在於：無電極燈10的主要填充物質不採用硫成份，而是以活性金屬溴化物為主成份來取代。此改良後之無電極燈能夠避免微波硫燈在光譜表現上之缺點，獲得更寬廣且穩定之光譜分佈。本發明的主要填充物質為金屬溴化物，即：溴化銦、三溴化銻、二溴化鈷、溴化鎂，或這些金屬溴化物的混合物。

當燈泡2之外徑為3.5cm時，所添加的金屬溴化物總量可在16mg到40mg範圍內，也就是0.93mg/cm³到2.33mg/cm³的濃度範圍，故與一般具有兩端電極之鹵素燈或複數金屬放電燈中常用之金屬碘化物，二者在性能上還是有很大之不同。

接著，本發明之第二特徵在於：無電極燈10的燈泡2內可同時添加少量活性金屬元素銻(Sb)，銻的添加將有助於無電極燈10之快速啟動，並縮短關燈冷卻後再啟動的時間。於部分習知技術中，係透過添加銦(In)以達到相同效果，然而，本發明中之填充組成係以溴化銻為主，所添加之銻在燈具運作時可參與高溫電漿反應，冷卻後會過飽和析出於石英燈 泡壁內，可因此避免其他不良之化學作用。

再者，本發明之第三特徵在於：無電極燈10的燈泡2內可進一步添加少量稀土族金屬鹵化物或過渡金屬鹵化物。該稀土族金屬鹵化物包括至少一種稀土族金屬鹵化物之混合物，且其成分包含鏑(Dy)、鈥(Ho)及/或銫(Cs)。該稀土族金屬鹵化物的添加同樣有助於無電極燈關閉後快速(30秒內)再啟動之功能，以克服習知技術中，燈泡無法在具積熱之情形下再次啟動之缺陷，同時提高燈具之發光效率和顯色性能。

藉由上述特徵，本發明之無電極燈10將因此具有長壽命、極低光衰等優點，再者，相對於傳統的照明應用，本發明之無電極燈10所發出的光譜穩定、連續、且廣泛，其光譜範圍更可同時涵蓋紫外光(於350nm到400nm之間)、可見光與紅外光(於700nm到1,100nm之間)，與自然太陽光之光譜分佈一致，因此可作為符合AM 1.5G標準之太陽光模擬器之標準光源。

於本發明之較佳實施例中，無電極燈10之第一填充組成係為具有溴化銦與溴化銻之一第一混合物組成、第二填充組成係為具有活性金屬元素之一第二混合物組成、第三填充組成係為具有一或多種稀土族金屬鹵化物之一第三混合物組成、且第四填充組成係為惰性氣體之一第四混和物組成。

其中，該第一混合物組成包括三溴化銻、二溴化鈷及/或溴化鎂；該第二混合物組成包含銻(Sb)及/或銦(In)；該第三混合物組成包括鏑(Dy)、鈥(Ho)及/或銫(Cs)；該第四混和物組成包括氦氣、氖氣、氬氣及/或氙氣。

具體而言，在燈泡2內填充之活性填充組成(即第一填充組成、第二填充組成及第三填充組成之集合)，其濃度應介於0.6-2.9mg/cm³，並以介於0.9-2.3mg/cm³為較佳範圍。並且，於無電極燈10中所添加之填充物(尤其為第一填充組成中之無汞金屬鹵化物及第三填充組成中之稀土族金屬鹵化物)，可透過改變填充物的種類與濃度來控制此無電極燈10之光譜範圍及能量特性。

以下將針對本發明各實施例之技術內容進行詳細說明。

於本發明之第一實施例中，係提供了一無電極燈10，無電極燈10採用以石英構成之球形燈泡壁，且其外徑為3.5cm，而燈泡內部之體積為17.16cm³，並將燈泡內部之填充物表列如下：

1.溴化銦(InBr)：7mg

2.三溴化銻(SbBr3)：22mg

3.銻(Sb)：6mg

4.三碘化鏑(DyI3)：0.3mg

5.氙氣(Xe)：30torr at 25℃

第一實施例之無電極燈10的燈泡2內所填充之溴化銦、三溴化銻、銻、三碘化鏑的總量為35.3mg，也就是第一填充組成、第二填充組成及第三填充組成之濃度為2.06mg/cm³，再將第四填充組成之氙氣填充並密封後，將燈泡2插入在具有如第2圖所示的結構中，於1,200~3,000rpm之轉速下旋轉，並於2.45GHz和1,000W之條件下即可得到如第3圖所示之發射光譜。

之後，再藉由分光式色彩分析儀與太陽分光光譜儀(sun spectroradiometer)量測由微波激發之無電極燈10的發光光譜，可得到相對色溫為5,233K，而在400nm-1,100mm光譜範圍之分佈結果係如表1與第3圖所示，該結果符合IEC 60904-9(及JIS C 8912)規範中，太陽光模擬器A級光源之要求。由此可知，該等種類及比例之無電極燈10之填充物提供了一個理想的全光域連續頻譜及良好光效。

接著，於本發明之第二實施例中，提供了另一無電極燈10，無電極燈10同樣採用以石英構成之球形燈泡壁，且其外徑為3.5cm，而燈泡內部之體積為17.16cm³，並將燈泡內部之填充物表列如下：

1.溴化銦(InBr)：10mg

2.三溴化銻(SbBr3)：12mg

3.銻(Sb)：3mg

4.二碘化鈷(CoI2)：1.0mg

5.三碘化鏑(DyI3)：0.3mg

6.氙氣(Xe)：15torr at 25℃

第二實施例之無電極燈10的燈泡2內所填充之溴化銦、三溴化銻、銻、二碘化鈷、三碘化鏑的總量為26.3mg，也就是第一填充組成、第二填充組成及第三填充組成之濃度為1.54mg/cm³。接著，將第四填充組成(氙氣)填充並將燈泡2密封後，將燈泡2插入如第2圖所示之結構中，於3,000rpm之轉速下旋轉，並於2.45GHz和1,000W之條件下即可得到如第4圖所示之發射光譜。

之後，再藉由分光式色彩分析儀與太陽分光光譜儀量測微波激發之該無電極燈的發光光譜，可得到相對色溫為5,900K，而於350nm-750mm光譜範圍之分佈結果係如表2與第4圖所示，該結果符合JIS C 8933規範中，對於量測非晶質之薄膜太陽能電池與模組所需的太陽光模擬器A級光源之要求。由此可知，該等種類及比例之無電極燈之填充物提供了一個另一理想的全光域連續頻譜及良好光效。

於本發明之第三實施例中，提供了另一無電極燈10，無電極燈10同樣採用以石英構成之球形燈泡壁，且其外徑為3.5cm，而燈泡內部之體積為17.16cm³，並將燈泡內部之填充物表列如下：

1.溴化銦(InBr)：8mg

2.三溴化銻(SbBr3)：21mg

3.銻(Sb)：6mg

4.三碘化鏑(DyI3)：0.6mg

5.氙氣+氬氣(Xe+Ar)：20torr at 25℃

第三實施例之無電極燈10的燈泡2內所填充之溴化銦、三溴化銻、銻、三碘化鏑的總量為35.6mg，也就是第一填充組成、第二填充組成及第三填充組成之濃度為2.07mg/cm³。將第四填充組成(氙氣及氬氣)填充並將燈泡2密封後，將燈泡2插入在具有如第2圖所示的結構中，於3,000rpm之轉速下旋轉，並於2.45GHz和1,000W之條件下即可得到如第5圖所示之發射光譜。

之後，再藉由分光式色彩分析儀與太陽分光光譜儀量測由微 波激發之無電極燈的發光光譜，可得到相對色溫為5,651K，而在350nm-1,100mm光譜範圍之分佈結果係如表3、表4與第5圖所示，該結果符合IEC 60904-9(及JIS C 8912)與JIS C 8933規範中，太陽光模擬器A級光源之要求。由此可知，該等種類及比例之無電極燈10之填充物提供了一個寬廣的全光域連續頻譜及良好光效。

綜合上述，本發明之無電極燈10可產生滿足AM 1.5G之標準的光譜連續輻射，故得以涵蓋紫外光、可見光與紅外光等三部份光譜，並進一步應用於太陽光模擬器之領域中，且具有長壽命、極低光衰等特色。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1‧‧‧燈體

2‧‧‧燈泡

3‧‧‧電磁殼體

4‧‧‧導電性篩網

5‧‧‧磁控管

6‧‧‧導波管

7‧‧‧微波供應腔

Claims (8)

1. 一種由一微波驅動之無電極燈，包含：一電磁殼體，係具有一微波供應腔；一燈泡，係藉由一燈體設置於該電磁殼體之該微波供應腔上；一導電性篩網，係包覆該燈泡設置；以及一磁控管，係可藉由一導波管將所產生之微波提供至該微波供應腔內；其中，該燈泡內係填充含有一無汞金屬鹵化物之一填充物，且該填充物包含一第一填充組成、一第二填充組成、一第三填充組成及一第四填充組成；該第一填充組成係為具有溴化銦與溴化銻之一第一混合物組成、該第二填充組成係為具有活性金屬元素之一第二混合物組成、該第三填充組成係為具有一或多種稀土族金屬鹵化物之一第三混合物組成、該第四填充組成係為惰性氣體之一第四混和物組成，且該第二混合物組成包含銻(Sb)。
2. 如請求項1所述之無電極燈，其中該第一混合物組成包括三溴化銻、二溴化鈷及/或溴化鎂。
3. 如請求項1所述的無電極燈，其中該第三混合物組成包括鏑(Dy)、鈥(Ho)及/或銫(Cs)。
4. 如請求項1所述之無電極燈，其中該第四混和物組成包括氦氣、氖氣、 氬氣及/或氙氣。
5. 如請求項1所述的無電極燈，其中該第一填充組成、該第二填充組成與該第三填充組成的濃度係介於0.6-2.9mg/cm³之間。
6. 如請求項1所述的無電極燈，其中該第一填充組成、該第二填充組成與該第三填充組成的濃度係介於0.9-2.3mg/cm³之間。
7. 如請求項1所述之無電極燈，更包含以透光石英構成之一燈泡壁。
8. 如請求項1所述之無電極燈，其中該燈泡所發射之光係為含紫外光、可見光和紅外光之一全光譜連續輻射光。