无电极感应放电式低压钠灯的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种无电极感应放电式低压钠灯，包括：灯管，该灯管内填充有单质钠元素；磁芯，该磁芯外绕线圈以产生感应电磁场，该感应电磁场耦合所述灯管内的单质钠元素发光放电。本发明采用感应电磁场耦合钠元素发光放电，无需添加电极，能够极大地改善和提高低压钠灯寿命以及长期使用稳定性。
【专利说明】无电极感应放电式低压钠灯
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种无电极感应放电式低压钠灯。
【背景技术】
[0002]无极灯作为一种长寿命、免维护、高光效及高显色性的照明产品，已经被国内及国际市场广泛接受。常规的无极灯是通过感应耦合灯管内汞元素，进而发光放电的一种电光源产品。常规的无极灯通过高频磁芯发射射频范围的电磁波，耦合激发灯管内的汞原子，进而汞原子发射出的253.7nm紫外线可有效激发三基色或其他光谱组分的光线进行照明。由于无极灯本身没有电极，故可保证其长期(通常可以达到5年或更长时间)使用情况下的稳定、无需替换等特点。无极灯产品在工厂车间照明、道路隧道照明及投光泛光照明工程中均有着显著效果。
[0003]目前以汞作为发光放电物质的无极灯的发射光谱成分均按照荧光灯的光谱成分进行配比，即通过三基色荧光粉填充并发射光谱，其色温通常为2700K?6500K之间，即黄光暖色照明至冷光白光照明。此单一的照明效果，可基本满足目前上述工程渠道应用。
[0004]但目前的无极灯产品光效完全受制于汞元素的紫外线(253.7nm)激发效率和荧光粉(如三基色荧光粉)的转化效率，在此两类效率均达到最高值情况下，基本上产品的光源光效在701m/W-1001m/W之间，无再上升的理论可能性。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种无电极感应放电式低压钠灯，相比传统的汞放电无极灯具有更高的光源效率。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种无电极感应放电式低压钠灯，包括:
[0007]灯管，该灯管内填充有单质钠元素；
[0008]磁芯，该磁芯外绕线圈以产生感应电磁场，该感应电磁场耦合所述灯管内的单质钠元素发光放电。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述灯管为球泡形，所述磁芯内置于所述球泡形灯管包围的腔体空间内。
[0010]根据本发明的一个实施例,所述钠灯的功率为5w至lOOOw，所述球泡形灯管的体积为50cm3至5000cm3,所述磁芯的直径为Icm至8cm,所述磁芯的长度为3cm至20cm,所述磁芯内的磁通密度为50mT至IOOOmT。
[0011]根据本发明的一个实施例，所述灯管弯制为螺旋形，所述磁芯内置于所述螺旋形灯管包围的腔体空间内。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述钠灯的功率为5w至200w，所述螺旋形灯管由单根长直玻璃管弯制而成，该单根长直玻璃管的管径为4_?40mm,该单根长直玻璃管弯制后的长度为0.1m?Im,所述磁芯的直径为Icm至8cm,所述磁芯的长度为3cm至20cm,所述磁芯内的磁通密度为50mT至IOOOmT。[0013]根据本发明的一个实施例，所述灯管的形状为环状管路，所述磁芯为圆环磁环，该圆环磁环套接在呈环状管路的灯管上。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述钠灯的功率为5w至1000?，所述灯管的总长度为IOcm~100cm,所述灯管的直径为4mm~40mm,所述磁芯内的磁通密度为50mT至1000mT,所述磁芯的横截面积为0.5cm2~10cm2。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述灯管的横截面的形状为圆形或非正圆形的异形形状。
[0016]根据本发明的一个实施例,所述灯管内填充有惰性气体。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述灯管的灯管横切横截面积为0.2cm2至10cm2。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0019]本发明实施例的无电极感应放电式低压钠灯采用磁芯产生的感应电磁场耦合等管内的单质钠元素发光放电，可以有效保证产品长期使用的稳定性和寿命，理论寿命可以接近10万小时；而且感应耦合的方式避免了电极自身的功率损耗，可以增加灯管的发光效率，理论估计该低压钠灯的发光效率接近1601m/W。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例的无电极感应放电式低压钠灯的磁芯产生的感应电磁场的分布示意图；
[0021]图2是本发明第一实施例的无电极感应放电式低压钠灯的灯管的结构示意图；
`[0022]图3是本发明第一实施例的无电极感应放电式低压钠灯的整体结构示意图；
[0023]图4是本发明第一实施例的无电极感应放电式低压钠灯在工作时的感应电磁场分布示意图；
[0024]图5是本发明第二实施例的无电极感应放电式低压钠灯的灯管的结构示意图；
[0025]图6是本发明第二实施例的无电极感应放电式低压钠灯的整体结构示意图；
[0026]图7是本发明第二实施例的无电极感应放电式低压钠灯在工作时的感应电磁场分布示意图；
[0027]图8是本发明第三实施例的无电极感应放电式低压钠灯的整体结构示意图；
[0028]图9是本发明实施例的无电极感应放电式低压钠灯的一种可选的异形灯管的管壁横截面示意图；
[0029]图10是本发明实施例的无电极感应放电式低压钠灯的灯管内钠原子/钠离子浓度以及感应电场的轴向分布示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0031]现有技术中的无极灯通常采用汞作为发光放电物质，但是其光源效率通常在701m/ff~1001m/W之间，效率较低。而钠元素作为传统气体放电灯中低压钠灯和高压钠灯的最主要放电物质，其发光放电时大部分辐射能量都集中在钠元素的589.0nm和589.6nm共振谱线上，适当选取放电条件，可以获得很高的共振辐射效率。目前的低压钠灯可达到1501m/ff以上光效，而高压钠灯也可达到1101m/W以上光效，其光效较常规的汞激发无极灯
要高出50%左右。
[0032]而本发明通过无电极化处理，通过电感感应耦合的方式使得低压钠灯具有长期使用的稳定性和寿命，其理论寿命可接近10万小时。同时，感应耦合的方式避免了电极的自身功率损耗，有利于更加增加灯管的发光效率，理论估计本发明实施例中无电极的低压钠灯发光效率将接近1601m/W。
[0033]在一个实施例中，该无电极感应放电式低压钠灯包括灯管和磁芯，该等管内填充有单质钠元素，该磁芯外绕线圈，磁芯产生的感应电磁场耦合灯管内的单质钠元素发光放电。
[0034]进一步而言，磁芯外绕线圈产生内生磁场，再在空间周围感应产生感应电场，该低压钠灯通过体积、结构以及感应电场耦合的空间形状的调节，可以进一步产生不同的放电参数，例如稱合电压、感应电流等等。
[0035]参考图1，图1示意性地示出了磁芯产生的感应电磁场的空间分布，双圆环形磁环产生的耦合磁通量O。是通过磁环上绕线线圈交变电压信号感应而产生，磁芯内交变磁通量再进一步感应出磁环周围的空间感应电场，包括围绕磁环的感应电场E1和围绕双磁环的内绕环路感应电场E2。感应电场可用于耦合放电物质放电，本发明实施例即通过包括但不限于图1所示的感应电场耦合灯管内的单质钠元素发光放电。
[0036]更进一步而言，该无电极感应放电式低压钠灯的磁芯材质应可有效产生总磁通量，其磁通密度优选为50mT至IOOOmT之间。功率越大，磁芯体积也越大，以保证等管内耦合更多的能量。
[0037]另外，该磁芯的材质可以采用PC95等磁芯材质，但并不限于此。在25°C情况下，25KHZ以上耦合频率及200mT磁通密度以上时，初始磁导率大于5000，单位体积损耗300KW/m3。
[0038]该无电极感应放电式低压钠灯的磁芯耦合电磁场频率可以在30KHZ至20MHZ之间，通过交流交替电磁场能量，使灯管内的放电原子频繁振荡运动，增加等离子体的非碰撞频率并形成钠元素放电维持电弧。
[0039]该无电极感应放电式低压钠灯的灯管可以采用抗钠腐蚀玻璃材料，包括但不限于普通钠-钙玻璃，或填充氧化铝和氧化硼的硅酸盐类玻璃。此类玻璃可以有效保证灯管不与灯管内部的钠单质元素进行化学反应，而且也不会造成钠元素因渗透而导致含量逐步降低的问题。
[0040]此外，该灯管内填充的单质钠元素的含量可以视产品功率的大小而变化，一个优选的范围为0.2mg至20mg之间，例如可以是0.2mg、lmg、5mg、20mg等。
[0041]优选地，该灯管内可以填充惰性气体，包括但不限于单质氖气、单质氩气、单质氪气或其混合类气体，灯管内总气体的气压优选为IO-1OOOPa ;另外，惰性气体尤其是氖氩混合形成的潘宁效应可有效帮助低压钠灯启动。
[0042]优选地，无电极感应放电式低压钠灯的灯管内的气压为0.1Pa-1OPa的低压范围，钠兀素蒸汽发光放电，单位立方厘米的稱合放电功率不大于50W,故属于低气压气体放电灯产品，其放电管电流密度一般在0.02A/cm2至2A/cm2之间，为保证管壁钠离子损失(管壁处的钠离子和电子复合导致损失)不至于过快增加而导致管压增大以及发光效率下降的问题，同时考虑到钠元素本身的共振光谱辐射吸收的几率，故灯管的横切横截面积优选在
0.2cm2至IOcm2之间，而放电管长度则是决定钠灯功率的主要关键参数，为设计5W至1000W的低压无电极钠灯，灯管放电管的轴长度在IOcm至IOOcm之间。
[0043]无电极感应放电式低压钠灯的磁芯材料与灯管的耦合结构决定了灯管形状、灯管冷端温度和内部单质钠元素蒸汽气压以及钠元素放电参数特性等，其结构包括但不限于内置磁芯式无电极感应放电式低压钠灯以及外置磁芯式无电极感应放电式低压钠灯。下面结合具体实施例进行详细说明。
[0044]第一实施例
[0045]第一实施例的无电极感应放电式低压钠灯为内置磁芯式结构，图2示出了第一实施例的低压钠灯的灯管10,该灯管10为球泡形,球泡形灯管10包围有腔体空间11。结合图2和图3，磁芯12插入该腔体空间11内。
[0046]仍然结合图2和图3，磁芯12可以为长直圆柱形，球泡形灯管10内的腔体空间11可以插入一根或多根磁芯12。磁芯12本身外绕绕线，通过磁芯12感应产生的感应磁场进而激发球泡形灯管10内的感应电场，再感应球泡形灯管10内的单质钠元素激发放电，形成稳定的放电环路。
[0047]其中，球泡形灯管10可呈现橄榄椭球体形、正圆球体形等形状，其体积视钠灯的具体功率而定。例如，为保证钠灯功率从5w至IOOOw不等，其泡体形灯管10的体积可从50cm3至5000cm3不等；其圆柱形磁芯12通过插入泡体内的腔体空间11,形成电磁场的球泡灯管稱合；磁芯12的直径可为Icm至8cm不等,长度应在3cm至20cm不等,其体积的确定是以磁芯12内产生的磁通密度而定，而磁通密度同样对应灯管功率，其数值范围为50mT至IOOOmT 之间。
[0048]参考图4，柱状磁芯12内嵌于泡体内的腔体空间而形成垂直于泡体轴的磁通B，内嵌泡体和内嵌的磁芯12可以具有“斜台”结构，以保证磁芯12发射出来的感应磁场能有效在“斜台”涉及平面接收，形成无漏磁通或低漏磁通设计。另外，感应磁场耦合出闭环状感应电场E。由于钠本身最低激发电位约为2.1V，故设计时环状感应电场E的场强要较汞放电无极灯低，即单位空间中感应电场E的强度正弦波形有效值要较汞放电无极灯低。
[0049]第二实施例
[0050]第二实施例的无电极感应放电式低压钠灯为内置磁芯式结构，图5示出了第二实施例的低压钠灯的灯管20，该灯管20为螺旋形，螺旋形灯管20包围有腔体空间。结合图5和图6，磁芯22插入螺旋形灯管20包围的腔体空间内。
[0051]进一步而言，可以将单根长直玻璃管完成U形，再螺旋弯制成螺旋形灯管20，其形状与目前的螺旋形节能灯的灯管形状类似。其中，该单根长直玻璃管的管径为4mm-40mm,弯制后的长度为0.1m至I米之间。而圆柱形磁芯22插入螺旋形灯管20内的腔体空间，形成耦合在螺旋弯管中的感应电场，其感应方式与上述第一实施例中的球泡形低压钠灯基本类似。同时，磁芯体积、直径和感应磁通密度等与第一实施例中提及的参数基本相同。
[0052]第二实施例的低压钠灯的感应电磁场分布如图7所示。类似地的，磁芯22的磁棒可以设置有“斜台”，可有效接收磁棒发射感应磁场，形成闭合回路，减少漏磁通损失。
[0053]采用此类耦合方式，形成的无电极低压钠灯的功率可以为5W至200W。
[0054]第三实施例[0055]参考图3，第三实施例的无电极感应放电式低压钠灯为外置磁芯式结构。作为一个非限制性的实例，灯管30的形状为环状管路，环状管路状的灯管30上套接圆环磁环结构的磁芯32。进一步而言，可以在环状管路上套接圆环磁环的方式进行结构配接，其中圆环磁环由外绕线圈产生耦合磁场，并在灯管30内形成感应电场，感应电场耦合灯管30内的单质钠元素发光放电。
[0056]其中，灯管30的环路总长度主要由功率决定，例如可以在IOcm至IOOcm之间。灯管30的直径为4mm至40mm之间。外部稱合的圆环磁环状的磁芯32的横截面积同样由磁场磁通密度决定，在50mT至IOOOmT之间，其横截面积为0.5cm2?10cm2。
[0057]根据实际功率在5W至1000W不等的灯管功率，由于灯管30的长度不同，可选择采用单磁环外耦合式或多磁环(大于等于双磁环)外耦合式，也就是磁芯32的数量是I个、2个或更多个。
[0058]相比较的，对于第三实施例中的外置磁芯无电极低压钠灯，其感应磁通是在磁芯32内形成闭合环路，并在灯管30内形成闭合感应电场环路，感应电场耦合钠原子激发发光放电。
[0059]参考图10，进一步而言，相比较于有电极低压钠灯，无电极感应放电式低压钠灯(包括但不限于上述三个实施例的结构)在管壁区域的聚集效应更加明显，即由于感应电磁场是主要的激发放电以及耦合功率的能量来源，通过求解麦克斯韦方程组可知，高强度的感应电场基本处于接近管壁处，并呈现出沿管轴方向向内强度值降低的趋势；因而可知，在接近管壁区域，由于电场强度值强，钠离子浓度增加，钠激发光谱发射强度增强，而贴近管壁时，由于双极性复合，钠离子浓度和激发态钠原子迅速下降至零。由此可知，由于大部分激发态钠原子接近于管壁，故钠共振辐射光谱可直接发射出灯管管壁，从而降低了共振吸收的可能性，因而无电极感应式低压钠灯的灯管管径或泡壳直径可以更大，以保证灯管的整体热效应聚集，保温效果增加，增强灯管冷端温度，以便可达到最佳钠蒸汽压的效果。一般地，根据实际设计，球泡形灯管(如上述第一实施例所示)的泡体体积可从50cm3至5000cm3不等，管状的灯管直径基本在4_至40_之间，可有效提供钠原子蒸汽压力，有效保证发光效率。
[0060]进一步而言，为保证大功率(大于100W)无电极感应放电式低压钠灯不因功率过大而增加过长的灯管轴长度或灯管总长度，可采用非正圆形的异形形状管壁横截面代替正圆形管壁横截面外轮廓，如图9所示的“十”字形。好处在于，采用包括但不限于“十”字形或新月形横截面后，因为双极性扩散程度剧烈而造成钠离子的损耗，灯管内电场强度增加，单位弧长的功率也随之增加，既可缩短灯管长度也可耦合大功率钠放电功率。
[0061]进一步，无论是采用第一至第三实施例中哪一种无电极低压钠灯灯管，其磁芯材料和灯管的安装拼接方式都可通过塑料注塑件、铝压铸件等加以固化成型，但不限于此。其中，由于钠灯本身灯管内钠元素蒸汽压受灯管冷端温度影响，故可灵活选择结构件，例如，塑料注塑件利于结构保温，散热效果差；而铝压铸等金属结构件还可设计散热片，散热效果好。
[0062]在一个优选的实例中，低压钠灯为保证钠蒸汽压在0.4Pa时的最大共振辐射效率，其灯管冷端温度优选在260°C左右，例如255°C至265°C。由于低压钠灯不属于单位体积大功率高强度气体放电，其单位立方厘米耦合功率一般不超过50W以上，故在上述第一至第三实施例中，可在灯管及磁环结构成型后再套保温透明玻璃泡体(例如，玻璃的透射率大于98%)，其玻璃泡体内壁还可涂覆氧化铟等红外反射层，同时泡体内抽成高真空(高真空环境还可通过添加消气剂等产生)，以减少气体对流和传导引起的热损耗，进一步改善保温机制。
[0063]综上，本发明的无电极感应放电式低压钠灯通过磁芯产生的感应电磁场感应耦合放电管内的钠原子，形成钠元素放电及发出钠特有光谱谱线。由于采用感应电磁场能量方式发光放电，此放电灯管无需添加电极，能够极大改善和提高了低压钠灯寿命和长期使用稳定性。
[0064]本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，包括: 灯管，该灯管内填充有单质钠元素； 磁芯，该磁芯外绕线圈以产生感应电磁场，该感应电磁场耦合所述灯管内的单质钠元素发光放电。
2.根据权利要求1所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述灯管为球泡形，所述磁芯内置于所述球泡形灯管包围的腔体空间内。
3.根据权利要求2所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述钠灯的功率为5w至IOOOw,所述球泡形灯管的体积为50cm3至5000cm3,所述磁芯的直径为Icm至8cm,所述磁芯的长度为3cm至20cm,所述磁芯内的磁通密度为50mT至1000mT。
4.根据权利要求1所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述灯管弯制为螺旋形，所述磁芯内置于所述螺旋形灯管包围的腔体空间内。
5.根据权利要求4所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述钠灯的功率为5w至200w，所述螺旋形灯管由单根长直玻璃管弯制而成，该单根长直玻璃管的管径为4mm?40mm,该单根长直玻璃管弯制后的长度为0.1m?Im,所述磁芯的直径为Icm至8cm,所述磁芯的长度为3cm至20cm,所述磁芯内的磁通密度为50mT至1000mT。
6.根据权利要求1所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述灯管的形状为环状管路，所述磁芯为圆环磁环，该圆环磁环套接在呈环状管路的灯管上。
7.根据权利要求6所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述钠灯的功率为5w至IOOOw,所述灯管的总长度为IOcm?100cm,所述灯管的直径为4mm?40mm,所述磁芯内的磁通密度为50mT至IOOOmT,所述磁芯的横截面积为0.5cm2?10cm2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述灯管的横截面的形状为圆形或非正圆形的异形形状。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述灯管内填充有惰性气体。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的无电极感应放电式低压钠灯，其特征在于，所述灯管的灯管横切横截面积为0.2cm2至10cm2。
【文档编号】H01J61/22GK103762153SQ201410060088
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】李文鹏, 李维德 申请人:江苏立德照明产业有限公司