微波激发无电极放电灯泡和微波激发放电照明系统 【技术领域】
本发明涉及一种微波激发无电极放电灯泡和使用该灯泡的微波激发放电照明系统。
背景技术
日本专利早期公布No.10-69890公开了一种由微波激励发光的微波激发无电极放电灯泡。该灯泡包含一种溴化铟和氩的填充物。然而，因为该灯泡发出的发光效率低，所以并不令人满意。
专利文献WO92/08240公开了一种类似微波激发无电极放电的灯泡。该灯泡包含硒或硫以及少量稀有气体但不包含汞的填充物。该灯泡发出的放射光谱其特征在于产生550nm的相当强的绿光，导致令人眼不习惯的绿白色光(greenish white)。可以使用颜色补偿滤光器，但这会降低发光效率。因此需要在高发光效率情况下，提供一种几乎白色的光。
有鉴于此，人们发现将汞与特殊稀土卤化物和卤化钠的混合物组合在一起可以产生几乎白色的光并能提高发光效率。事实上，微波激发的灯泡中加入汞可以延长微波能量从灯泡表面进入灯泡内部的穿透深度，因此可以在提供光输出的灯泡中增加有效发光区域。
美国专利No.5,363,015公开了一种由13.56MHz地射频(RF)电磁场激发的无电极放电灯泡或灯。该灯泡包含卤化镨、稀土卤化物、卤化钠和卤化铯的填充物。制造该灯泡的汞不受限制，并设计成由与微波大不相同的13.56MHz的射频激励。因此，如果汞加到一定含量，该灯泡会遭受由汞本身固有的高气压所造成的在灯泡开启和灯泡保持运行之间灯泡阻抗的强烈不匹配。因此，如果RF产生源与灯泡保持运行时提供的阻抗相匹配，那么灯泡的开启会很困难。另一方面，如果RF源与灯泡开启时提供的阻抗相匹配，那么由于合成能量(resulting power)的反射，很可能会造成灯泡在运行至稳定工作状态之前熄灭或在稳定发光状态时发光效率低。
【发明内容】
考虑到上述问题，本发明提供一种改进的微波激发无电极放电灯泡和使用该灯泡的微波激发放电照明系统。依照本发明该灯泡装入含有稀土卤化物、卤化钠、汞和稀有气体的混合物的填充物。该稀土卤化物至少是从包括卤化铈和卤化镨的一组中选择的一个。当包含有与汞结合的卤化铈和/或卤化镨的灯泡由微波激励时，可以以很高的发光效率产生几乎白色的光。
卤化铈可以是至少从包括碘化铈、溴化铈和氯化铈的一组中选择的一个。同样地，卤化镨是至少从包括碘化镨、溴化镨和氯化镨的一组中选择的一个。
更适宜地，为了增加灯泡体(the volume of the bulb)内产生光的有效发光区域，灯泡体内的汞含量至少为2mg/cm3，从而提高发光效率。
包含的稀土卤化物和卤化钠的摩尔比为相应的稀有元素与钠的摩尔比为1∶1至1∶10，最适宜地是1∶3.5至1∶5.5。在此摩尔比范围内，很容易调节灯的亮度而同时不伴随大的光的相关色温(correlated colortemperature)的变化。
本发明还提供了一种微波激发放电照明系统包括：一个微波产生器，一个放置装入上述填充物的无电极放电灯泡的微波腔(microwave cavity)，一个引导微波至微波腔的波导(waveguide)，以至于该微波腔产生一个激发该填充物的电磁场用以发射光辐射(luminous radiation)于所述微波腔外。因此，系统能够使灯泡以提高了的发光效率产生几乎白色的光。
结合附图从下面的实施例的说明可更清楚地阐明本发明的这些目的和其他目的以及其优点。
【附图说明】
图1为根据本发明优选实施例的微波激发放电照明系统的透视图；
图2为上述照明系统的剖面图；
图3所示为放电之前产生的穿过系统放电管的场强度；
图4所示为放电之后产生的穿过系统放电管的场强度；
图5为灯泡发光的光谱分布图；
图6为带有同样填充物但设有电极的灯泡发光的光谱分布图；
图7为上述灯泡的输入瓦数与发光效率的关系图；
图8为上述灯泡的汞密度和相对效率的关系图；
图9所示为汞含量较少的灯泡的发光强度；
图10所示为汞含量较多的灯泡的发光强度；
图11为根据本发明第二个实施例的放电灯泡的输入瓦数与发光效率的关系图；
图12为上述灯泡的输入瓦数与相关色温的关系图；
图13为该灯泡发光的输入瓦数与来自位于u-v色度座标的黑体轨迹的色度偏差(chromaticity deviation)[Duv]的关系图；
图14为上述灯泡与相关色温(CCT)的不同输入瓦数以及不同的Na与Pr的摩尔比的关系图；和
图15为上述灯泡发光的光谱分布图。
【具体实施方式】
参照图1和图2，图中显示了依据本发明的优选实施例的微波激发无电极放电照明系统。该系统包括：微波产生器10或产生例如具有频率为2.45GHz的微波能量的磁电管；微波腔20，其形式为空腔谐振器，其中放置一个放电灯泡50。该产生器10安装于一个底座30之上，并通过伸长的波导40连接到微波腔20上，该波导40具有109mm×54.5mm的矩形横截面和用于将微波能量传输给微波腔20的连接槽42。
将微波腔20制作成半球形状，其具有高度为75mm的抛物面碗状物(paraboloidal bowl)21和封闭腔顶部的直径为190mm的圆形顶板22。抛物面碗状物21由例如对可见光有较高反射率的铝板制成；顶板22则是由例如可以透过可见光而不能透过微波能(microwave power)的金属网制成。该抛物面碗状物21和顶板22互相电联接以组成电磁屏蔽。
灯泡50由熔凝的石英做成密封结构并置于腔20的中心并依靠石英制造的杆(sub)51支撑于抛物而碗状物21的底部。灯泡50通常是外部直径为27mm，内部直径为25mm的球形。装入灯泡内部的填充物包括30托(Torr)氩、40mg汞、5mg碘化铈和10mg的碘化钠的混合物，得到的铈与钠(Ce∶Na)的摩尔比约为1∶7。下面将具有上述组成的灯泡称为例子1。
为了电离并激发灯泡50中的气体来产生光，微波腔20设计成使到达连接槽42的频率为2.45GHz的微波能量共振的形式。在气体放电的最初阶段，汞主要用于气体放电。由于通过气体放电产生的热的影响而使灯泡壁的温度上升，例如在室温下为固态的碘化铈和碘化钠的卤化金属被气化分离成相应的金属原子和卤素原子。由此，金属原子(铈或钠)被激发来产生可见光，该可见光直接或经过抛物面碗状物21的内表面反射后穿过顶板22。
如图3所示，在开始放电之前，灯泡50置于腔20之中来接收穿过灯泡50的场强度。如图4所示，在放电开始后，会在灯泡内部产生导电等离子体来抵消该场，并仅仅在灯泡壁的附近留有场强较高的区域。这样，强烈的可见光仅产生于灯泡壁的附近。如图5，其显示了得到的光的光谱分布，其证明了“Ce”产生覆盖广泛可见光范围的光波长度，而Na主要产生波长大约为590nm的光。无电极灯泡获得的光谱分布与包含相同填充物的、有电极的并通过镇流器对电极施加AC电压激励的灯泡获得的光谱分布大不相同。图6显示了带电极的灯泡的光谱分布并显示出在某种意义上与图5中Na发光的光谱有很大的差异，即在大约590nm波长的地方，光强度降低幅度很大。也就是说，因为带电极的灯泡在灯泡的中心产生放电，在灯泡中心的由Na产生的光会受到自吸收，即在到达灯泡壁之前钠原子被重新吸收，因此不能完全传播出灯泡壁，这样会导致降低由“Na”产生的光的发光效率。相反，本实施例的无电极灯泡能够基本上没有由Na产生的光的重新吸收，从而确保提高的发光效率。
图7为例子1的灯泡以及相应于日本专利早期公布No.10-69890填充溴化铟InBr的灯泡的输入瓦数与发光效率的关系图。灯泡是在相同环境下使用相同的微波产生系统测试的。图中曲线(a)代表填充碘化铈和碘化钠的例子1的灯泡的发光效率，曲线(c)代表填充InBr的灯泡的发光效率。从图中可以清楚看出，例子1的灯泡证明了其发光效率优于传统的灯泡的发光效率，同时产生几乎白色的光。这是因为铈发光效率高，并且钠没有由于微波激发而自吸收的组合效果。测量例子1的灯泡产生的光，其相关色温(CCT)为3028K，平均彩色再现指数(color rendering index)为65，来自位于u-v色度坐标的黑体轨迹的色度偏差[Duv]为0.006。
同样在此图中，曲线(b)代表将作为例子2的在后面公开的填充碘化钠和代替碘化铈的碘化镨PrI3的灯泡的发光效率。可以确定例子2的灯泡的发光效率比曲线(c)代表的传统灯泡的发光效率高。请注意就此而论，在输入瓦数为400W时，本发明的灯泡的发光效率为大约1501m/W，这比传统的带有溴化铟的微波激发灯泡的发光效率大，约为1.9倍，并且比如上所述的带电极的灯泡大，约为1.5倍。
此外，还研究了为提高发光效率加入到填充物中的汞的量。图8显示了其结果，其中曲线(d)、(e)、(f)分别代表负载为15W/cm2、20W/cm2、25W/cm2的不同的灯泡壁的不同汞含量的相对效率。灯泡壁负载与输入瓦数相应因而直接关系到灯泡的温度和效率。从图中清楚看出加入汞的含量为2mg/cm3或更多时，将很大地提高效率，在微波激发灯泡中尤其能够达到。如果在带电极的灯泡中增加汞的含量，灯泡会受到增加的气体的弹性碰撞以及对流损失，从而降低效率。此外，带电极的灯泡会由于气体对流而引起过高的灯电压或造成不稳定的放电。然而，在微波激发无电极灯泡中，由于气化的汞主要作为一种缓冲气体，所以汞含量的增加会使灯泡的内部阻抗增加。也就是说，汞的电离电压高于卤化物且不在卤化物电离之前电离。
从图9和图10中很容易可以确认汞的上述效果。如上所述，微波激发无电极灯泡只在灯泡壁的附近发光。当加入汞的含量小于2mg/cm3时，相对发光强度如图9的曲线所示。另一方面，当加入汞的含量等于或大于2mg/cm3时，相对发光强度如图10的曲线所示，沿灯泡直径产生的强光的光发射区域随之增加。因此，汞的含量等于或大于2mg/cm3对提高发光效率很有益。此外，由于此效果，等离子体从灯泡壁向内移动一段距离，因此抑制填充物与形成灯泡的石英发生不希望的化学反应，这样能够避免灯泡的磨损从而确保延长灯泡的寿命。然而，汞的加入量最好不大于50mg/cm3，否则可能由于光发射区域过度增加会提高弹性碰撞损失或引起再吸收损失。
可以设计灯泡直径为减小至23mm的外部直径。此灯泡的特征为：输入瓦数为350W时，发光效率为150lm/W，相关色温为3028K，平均彩色再现指数为65，来自位于u-v色度坐标的黑体轨迹的色度偏差[Duv]为0.006。
例子2至4的石英制成的球形灯泡的外部直径为23mm(内部直径为21mm)，装有的填充物包含30Torr氩、30mg汞、8mg以不同的镨与钠的摩尔比的碘化镨与碘化钠的混合物，如下表所示。
例子2 例子3 例子4 氩 30Torr 30Torr 30Torr 汞 30mg 30mg 30mg 碘化镨 6.2mg 4mg 3.1mg 碘化钠 1.8mg 4mg 4.9mg Pr∶Na的摩尔比 1∶1 1∶3.5 1∶5.5
例子2至4用于评估考虑到包括相关色温、发光效率、调光性能(dimmingperformance)和灯泡寿命的特征的最佳Pr与Na的摩尔比。
与例子1的图7相似，图11为例子2至4的不同的输入瓦数与发光效率(lm/W)的关系图，其中曲线(g)、(h)、(i)分别代表例子2、3、4。从图中可以看出，在输入瓦数300W至350W的范围之间，例子2至4的灯泡的改进的效率比已提到的例子1中的有电极灯泡的效率高，为1.5倍。
图12显示了例子2至4在不同输入瓦数的相关色温(K)，其中曲线(j)、(k)、(l)分别代表例子2、3、4。从此结果可以看出通过改变Pr与Na的摩尔比，可以非常容易地改变灯泡的色温，而例子3和例子4的灯泡能够在不同的输入瓦数的情况下保持相对平稳的色温，这对于调节灯泡而不伴随可察觉的颜色变化尤其有益。请注意，与带电极的灯泡相比，例子1和例子2的灯泡也能够在不同的输入瓦数下使色温的变化较小。而且，可商用的传统的金属卤化物灯泡在调节时会遭受很大的色温变化。对此，在调节性能时的颜色稳定方面本发明的灯泡要优于传统的灯泡。
图13表示了例子2至例子4的来自位于u-v色度坐标的黑体轨迹的色度偏差[Duv]，用1000乘以Duv以提供一简单的校准标准，其中-12至+12的Duv代表自然的白光。曲线(m)、(n)、(o)分别代表例子2、3、4。从结果中可以看出当Pr与Na的摩尔比变得越大时，所得到的光越趋向于真正的白色。这样，为提供尽可能接近于白色的光，具有摩尔比为1∶3.5至1∶5.5的例子3和例子4是最可取的。
图14显示了相关色温(CCT)与不同输入瓦数以及与基于例子2至4的结果外推的Pr与Na的不同摩尔比的关系图，其中，曲线(p)、(q)、(r)和(s)分别代表在输入瓦数为200W、250W、300W和350W时灯泡运行的CCT。通过对结果进行评估可以很清楚看到，在灯泡使用于有些白色光就足够的各种照明环境下，Pr∶Na的摩尔比为1∶1至1∶10可以使该灯泡的CCT为5000K至2000K；在要求灯泡产生几乎白色的光的情况下，Pr∶Na的摩尔比为1∶1至1∶7使该灯泡的CCT为5000K至3000K；在除了要求灯泡产生几乎白色的光的同时要求具有较长的照明寿命，例如高天棚安装灯(high bay mounted lamp)或街灯的情况下，Pr∶Na的摩尔比为1∶1至1∶4使该灯泡的CCT为4200K至3200K。
图15示范性地示出了例子3的光谱分布，由于微波激发在波长为590nm的附近没有Na再吸收以及由于镨的加入扩大了波长分布组合作用的结果提高了灯泡的发光效率。
在上面的例子中，仅用碘化铈和碘化镨分别代表卤化铈和卤化镨，请注意，因为电离的铈和镨用于产生光，溴化铈和氯化铈同样也能够用作卤化铈，溴化镨和氯化镨同样也能够用作卤化镨。此外，虽然没有在说明书中特别说明，也可以将任何一种卤化铈与任何一种卤化镨组合，因为电离的铈和镨与电离的钠组合用于有效地产生几乎白色的光。
虽然上面的具体实施例中微波腔采用的是半球形，它也可以是例如多面体、椭圆回旋体的一部分或圆柱体等其他适当的形状。同样，灯泡可以制作成任何合适的形状。另外，也可以不用例子中的波导而是用同轴电缆作为替代来传输微波。对此，可以通过天线而不是例子中的连接槽将波导连接到微波腔。