感应耦合介电屏障放电灯的制作方法

专利名称：感应耦合介电屏障放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及介电屏障放电灯。具体地，本发明涉及用于流体处理系统、发光系统和其它用途的介电屏障放电灯。
背景技术：
介电屏障放电灯是众所周知的，并且用于其中期望提供特定波长电磁辐射的多种用途。例如，一些用途包括废水处理和/或饮用水的消毒。这些用途可以需要波长在约100 nm至280 nm之间的紫外辐射。其它用途包括产生用于一般照明的要求波长在约380 nm和 750 nm之间的可见光。
介电屏障放电灯通常可以具有任何形态。一种最简单形态的介电屏障放电灯包括外管和同轴内管，在外管与同轴内管之间形成环状放电室。环状放电室将内管内的电极与在外管外部附近的对电极隔开。该环状放电室通常包含惰性气体或稀有气体(例如氙气)， 一旦在放电室内弓I发气体放电(特别是介电屏障放电)，则该惰性气体或稀有气体放出初级辐射。在介电屏障放电期间，氙气分子分离成离子和电子并且变成氙气等离子体。当氙气等离子体被激发到特定的能级时，在等离子体内形成准分子。该准分子在一定寿命后分开， 释放出氙气等离子体的峰值波长约为172 nm的光子。可利用沉积在外管的内部上的发光层将此能量转变到175 nm至280 nm的范围内。至少外管可以由半透明材料(例如石英)形成，以传输用于水或空气消毒或者其它用途的紫外辐射。
现有技术的系统还可以包括缠绕在公用磁芯周围的升压变压器，该升压变压器将电源电压或第一电压转变成施加在电极和对电极上的第二电压。然而，升压变压器通常必须包括连接到电源和灯体的物理连接。在使用中，变压器与灯体之间的连接(例如，电接触) 易受流体和腐蚀的影响。另外，现有技术的介电屏障放电灯对流体高效处理的主要问题是 对流体的辐射水平高于或低于进行充分处理所需的水平。 发明内容
本发明提供一种用于流体处理系统的介电屏障放电灯组件。该灯组件可以包括感应次级绕组(inductive secondary)、稱合到感应次级绕组的第一和第二电极、以及包括介于第一电极与第二电极之间的介电屏障的灯。该介电屏障可以限定包含放电气体的放电室，并且第一电极和第二电极中的一个可以在放电室内延伸。感应次级绕组可以适合于接收来自附近的感应初级绕组(inductive primary)的功率从而促进放电室中的介电屏障放电。所产生的介电屏障放电可以产生用于空气或水处理或者其它用途的紫外光。
在一个实施例中，灯包括与外管间隔的内管，以限定它们之间的放电间隙。在第一电极与第二电极之间施加高电压可以导致放电间隙中的放电，从而穿过灯的外部将光发射到周围的流体。周围的流体(例如水)可以任选地起电极的延伸的作用。任选地，灯组件可以包括导电网，该导电网耦合到电极并被施加到灯外部。进而任选地，灯组件可以包括电可容构件，该电可容构件与灯间隔以便在两者之间容纳流体。例如，电可容构件通常可以将流体与第一电极和第二电极中的一个或两个电极分隔开从而防止流体的电离化。
在另一个实施例中，提供一种基站。灯组件可以被可移除地接收在基站内，并且基站可以包括为灯组件提供无线功率源的感应初级绕组。基站还可以包括初级电路，该初级电路具有控制器、灯脉冲驱动器、灯传感器、和水流量传感器。控制器可以电耦合到灯脉冲驱动器，以便用一系列短时间脉冲驱动感应初级绕组。控制器可以监测来自灯传感器和水流量传感器的反馈，以便控制灯脉冲驱动器的性能。
在又一个实施例中，感应次级绕组和灯可以是同轴的，并且感应次级绕组可以在灯的至少一部分附近延伸。可以彼此同轴关系来布置感应初级绕组和感应次级绕组，感应次级绕组包括磁芯并且限定小于由感应初级绕组所限定的内半径的外直径。替代地，感应次级绕组可以限定大于由感应初级绕组所限定的外直径的内半径，感应初级绕组包括磁芯。灯组件可以包括次级壳体，次级壳体至少部分地封装感应次级绕组并且与基站至少部分地相互配合。
在再一个实施例中，基站可以包括流体质量传感器。该流体质量传感器可以具有电连接到控制器的输出，并且该流体质量传感器可构造成确定被处理流体的特性，包括例如流体浊度、PH值或温度。基于流体质量传感器的输出，控制器可以控制或改变从灯组件中发出的紫外光的强度。任选地，灯可以包括发光层以将所辐射的光转变到紫外波长，或者灯可以包括气体，以在没有发光层的帮助的情况下发射紫外辐射。
在又一个实施例中，灯组件可 以适合于被现有基站驱动，该现有基站用于被以无线方式提供动力的气体放电灯、被以无线方式提供动力的白炽灯、或者其它被以无线方式提供动力的装置。在此实施例中，灯组件可以包括灯脉冲驱动器，该灯脉冲驱动器电连接在感应次级绕组与第一和第二电极之间。灯脉冲驱动器可以适合于将感应次级绕组中感应产生的第一时变电压转变成施加在第一电极和第二电极上从而引起放电室中的介电屏障放电的第二时变电压。
在又一个实施例中，灯组件可以包括RF天线、用于与基站进行无线通信的存储器标签(memory tag)、以及任选地感应初级绕组。例如，感应初级绕组可以在通信模式中操作以便从存储器标签中读出数据以及将数据写入存储器标签，诸如被处理水的质量、介电屏障放电灯的光照次数、以及光照时间。此外，感应初级绕组可操作以从存储器标签中读出数据，例如从存储器标签中读出累积的先前操作数据和唯一的灯序列号。通过对给定灯组件的累积操作数据与推荐限值进行比较，基站可以为用户和/或维修人员提供使用信息或者更换灯组件或其它部件的正确时间的提示。在操作中，系统可构造成在每次使用前从存储器标签中读出数据并且可构造成在每次使用后将数据写入存储器标签。将初级线圈用作 RF读出/写入线圈也可以排除对用于射频通信的独立线圈的需要。
基于下面对本发明的描述并结合附图和所附权利要求，本发明的这些和其它特征和优点将变得显见。


图1示出了介电屏障放电灯组件的正视图和透视图。
图2示出了图1的灯组件的竖直剖视图。
图3示出了图1的灯组件的局部分解视图。
图4是基站和灯组件的方框图。
图5是说明随时间推移的灯电压变化的图。
图6是说明随时间推移的驱动电压的变化的图。
图7是说明响应于图6的驱动电压的灯电压变化的图。
图8是水处理系统的操作流程图。
图9示出了包括导电网外电极的介电屏障放电灯组件的竖直剖视图。
图10示出了适合于让流体沿网外电极流动的图9的灯组件的竖直剖视图。
图11是包括基站水质传感器的基站和灯组件的方框图。
图12是包括紫外发光灯或LED的基站和灯组件的方框图。
图13是包括水质传感器的水处理系统的操作流程图。
图14是包括计算机可读灯存储器的基站和灯组件的方框图。
图15是包括水质传感器和计算机可读灯存储器的水处理系统的操作流程图。
图16示出了介电屏障放电灯组件的正视图和透视图，其包括被接收在次级线圈的芯内的初级线圈。
图17示出了图16的灯组件的竖直剖视图。
图18是图16的灯组件的局部分解透视图。
图19是图16的灯组件的局部分解剖视图。
图20是基站和改造的灯组件的方框图。
图21示出了包括过滤器元件的图20的灯组件的竖直剖视图。
图22示出了包括外电极和电可容外套管的灯的竖直剖视图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及被以感应方式提供动力的介电屏障放电灯组件。该灯组件通常包括感应次级绕组、电耦合到感应次级绕组的第一和第二间隔的电极、以及包括介于两个电极之间的介电屏障的灯。如下所述，灯组件可以用于种类广泛的用途，包括例如流体处理系统和发光系统。
现在参考图1-3，示出了根据第一实施例的灯组件并且通常标示为20。灯组件20 包括适合于接收来自附近的感应初级绕组或初级线圈22的无线功率的感应次级绕组或次级线圈24、电耦合到次级线圈24的第一电极26、电耦合到次级线圈24的第二电极28、以及介电屏障放电灯体30。次级线圈24可以包括适合于响应于外部时变电磁场而产生内部电流的任何元件。例如，次级线圈24可以由在轴线周围缠绕一次或多次的导电元件形成； 而在其它实施例中，次级线圈24可以包括冲压或印刷在非导电基板中的导电绕组。第一和第二电极26、28可以是次级线圈24的延伸，或者可以独立地形成并且电耦合到次级线圈24 的各自端部。
灯体30可以是包括介电屏障的任何灯体，并且形成可以是管状、平直、或者适合于特定用途的任何形状。如图2中所示，第一电极26可以沿灯体30的长度纵向地延伸，而在其它实施例中第一电极26可以形成在灯体30内部附近的网格。灯体30可以至少部分地被流体(例如水)包围，流体可以起第二电极28的延伸的作用。第一电极与第二电极可以被至少一个介电屏障31以及放电气体(包括例如氣气、稀有气体、或者稀有气体-齒化物混合物)隔开。如下所述，对第一和第二电极26、28施加高电压势可以导致放电气体所占据区域中的放电，任选地导致将光(例如紫外光)经过灯体30的外部辐射到周围的流体。
也如图1-3中所示，灯组件20可以包括具有小于次级线圈卷筒34的内半径的外半径的环状磁芯36。例如，磁芯36可以设置在第二卷筒34的内部，与次级线圈24径向地间隔。然而，在某些用途中，可能不需要磁芯，并且可以用气体或防水灌封料39填充在第二卷筒34内部的区域。可以用次级壳体38包装次级线圈24、第二卷筒34和磁芯36，并且第一和第二电极26、28轴向地从次级壳体38中突出。如上所述，若需要可以用防水灌封料39 填充次级壳体38的内部，从而密封壳体内的部件并且任选地对壳体内的部件进行防水。如图示的实施例中所示，可以使O形环、密封件或垫圈40介于次级壳体38的内半径与灯体30 的外半径之间，用以进一步密封壳体内部。
虽然图示为包括由介电材料形成的包封大部分第一电极26 的外管31，但灯体30 可以例如包括内管，该内管嵌入外管31并与之间隔从而在内管与外管之间形成放电间隙。 在此构造中，内管和外管的至少一个可以由合适的介电材料(包括例如石英、玻璃或陶瓷) 形成。另外，内管或外管中的至少一个可以由至少部分透明的材料(任选地，石英)形成，从而允许透射来自灯体30内部的光。灯体30还可以包括发光层或涂层，适合于将灯体30中产生的辐射转换成不同的(例如，较高的)波长的光，可以经由部分透明的外管31放射出这种光。例如，涂层可将释放出的光转变成波长为约175 nm和约280 nm之间的杀菌紫外光， 而在其它实施例中发射的波长可以在此范围内或外变化。替代地或另外，灯体30中可以含有适合于不借助于荧光涂层辐射出紫外光的气体，此气体可以包括例如氯化氪，适合于辐射出波长为约220 nm和约240 nm之间、任选地约230 nm的光，而在其它实施例中可使用其它气体。
如上所述以及图4中所示,次级线圈24可以与初级线圈22感应f禹合,初级线圈22 与基站42相关联。基站42可以是适合于提供无线功率源的任何装置，任选地使用现场水处理系统或者其它装置。例如，基站42可以包括2009年I月12日提交的Lautzenheiser 等人的国际专利申请PCT/US2010/020623 (其全部公开内容以参考的方式并入本文中)中所描述的使用现场水处理。当灯组件20被接收在基站42内时，初级线圈22和次级线圈24 可以位于彼此接近的位置从而允许两者之间的感应功率传递。例如，初级和次级线圈22、24 可以任选地分别缠绕在第一和第二同轴卷筒32、34上，彼此径向地偏移。也通过举例，初级和次级线圈22、24可以是同轴的并且以纵向的端到端关系缠绕在第一和第二轴向偏移卷筒32、34上，任选地包括公用的磁芯。在这些构造中，灯组件20因此次级线圈24，可以物理地与基站42分离从而延长基站42的使用寿命，甚至当重复使用中替换多个灯组件20时。 在一些实施例中，基站42将与水、空气或其它流体的供应源流体连通。例如，可以将灯组件 20装入基站42中的水压力容器，并且水压力容器任选地形成水纯化单元的壳体。因为次级线圈24和灯体30能够与初级线圈22分离，用户可以在不使水分暴露于任何直接电连接 (否则可能将灯组件20连接到合适电源)的情况下容易地检查、修理或替换次级线圈24和灯体30。
如上所述，基站42可以是适合于提供无线功率源的任何装置，例如使用现场水处理系统或者其它装置。现在参照图4，基站42可以任选地包括微控制器44、灯脉冲驱动器 46、灯传感器48、水流量传感器50和初级线圈22。另外，灯组件20可以包括次级线圈24和灯体30，其中，初级线圈22和次级线圈24形成感应耦合的可分离的部件。微控制器44可以电耦合到灯脉冲驱动器46并且可操作以驱动初级线圈22。在一些用途中，灯脉冲驱动器 46可以将AC电压(任选地电源电压)转变成用于驱动初级线圈22的合适的脉冲DC波形。 然而，在其它用途中，灯脉冲驱动器46可以将DC电压(例如经调整的电源电压)转变成经调节的脉冲DC波形。在这些和其它构造中，灯脉冲驱动器46可以包括任何合适的驱动电路， 用于提供经调节的输出，包括例如开关电路和/或开关模式电源。在操作中，灯脉冲驱动器 46可以提供具有由微控制器44控制的可变参数(例如，频率、占空比、相位、脉冲宽度、幅度等)的一系列短时间脉冲。通过向初级线圈22施加变电流，而在感应耦合的次级线圈24中产生相应的时变电流。例如，脉冲DC电压可被提供到初级线圈22上然后被释放到地。当在每个脉冲释放时，初级线圈22上的电压和/或电流快速地变化。然后，将次级线圈24中的相应的脉冲波形施加到第一和第二电极26、28从而产生灯体放电间隙中的放电。通常认为次级线圈24中的脉冲波形不必是比初级线圈中的脉冲波形更高的峰电压。
图5示出了灯电压，例如在灯组件20的操作期间在第一和第二电极26、28上的电压。在各驱动脉冲时，第一和第二电极26、28上的灯电压快速地上升至峰值电压，从而开始介电放电。例如,在一些实施例中驱动脉冲可以包括大约4. O V至大约8. O V之间的幅度， 任选地大约6. O V，而在其它实施例中驱动脉冲可以在此范围内或外变化。第一和第二电极26、28上的相应峰值电压可以是足以引起介电屏障放电的任何电压。例如，在一些实施例中，峰值电压可以包括在约3.0 kV和约4. O kV之间的电压，任选地大约3. 4 kV，而在其它实施例中，电极26、28上的峰值电压可以在此范围之内或之外变化。
也如图5中所示，介电放电的频率可以对应于驱动频率，包括例如大约66. 7 kHz 的频率达大约15微秒的时段。另外，驱动频率可以变化至低于或高于大约66. 7 kHz，任选地包括大于100 kHz的频率，包括例如大约300 kHz和大约600 kHz之间的频率，在这些增加的频率下操作可以允许在相应地减小灯体发光强度的情况下减小驱动电压、占空比和/ 或脉冲宽度，并且在某些情况下可以在非连续的频率范围内实现发光 强度的意外增加或加倍。例如，在大于100 kHz的频率(包括在大约300 kHz和大约600 kHz之间的频率下)驱动第一和第二电极26、28可以在衰减到标称水平之前获得大约+3. 4 kV和大约-3. 4 kV的 “双峰”。在小于100 kHz的驱动频率下，灯电压通常将在+3. 4 kV处获得单个峰值，例如接着是图5中所示的标称的-1. O kV值。因为在某些情况下需要相对较高的电压以获得灯体 30中的介电放电，可以响应于灯电压值大于1.0 kV并且任选地大于2. O kV或者大于3. O kV而发生放电。通过改变驱动电压的频率和/或(一个或多个)其它特性，因此微控制器44 可以控制或影响放电间隙中的准分子形成，由此控制或影响从灯体30发出的紫外光的强度。
图6-7另外示出了根据一个实施例的、初级线圈22上的驱动电压以及第一和第二电极26、28上的相应电压。如图6中所示，驱动电压包括大约+/-5. O V的交流方波，该方波具有大约555. 6 kHz的频率、大约50%的占空比、和大约O. 9微秒的脉冲宽度。虽然在图 6中示出驱动电压的这些参数或特性通常为恒定，但基站微控制器44可以改变这些参数中的一个或多个以便控制所获得的灯体30中的发光输出，如上所述，任选地响应于来自灯传感器48、水流量传感器50或者其它传感器中的一个或多个传感器的反馈。另外，若需要驱动电压可以包括正或负的DC偏置。例如，方波可以包括+5. O V的DC偏置，使得在各脉冲处波形从零摆动到+10. O V。另外，驱动电压可以不同于方波，并且可以包括多种波形，包括例如锯齿波形、三角形波形、正弦波形、或者其组合。图7示出了在灯组件20的操作期间第一和第二电极26、28上的相应电压。初级线圈22中的各驱动脉冲在次级线圈24中并因此在第一和第二电极26、28上产生相应的振荡电压。例如，在t=0处5. O V、0. 9微秒的驱动脉冲在电极26、28上产生+/-1. 5kV的峰值电压，导致灯体30中的多次介电放电。在时间 t=0. 9微秒，驱动脉冲(几乎瞬时地从+5. OV转变为-5. 0V)在电极26、28上产生+/-2.1kV 的峰值电压，再次导致灯体30中的多次介电放电。因此，就各驱动脉冲而言，可以用具有多个局部最大值或最小值的时变电压来驱动电极26、28，任选地导致灯体中相应次数的放电事件。
如上所述，基站微控制器44也可监测来自灯传感器48和/或水流量传感器50的反馈以便优化灯驱动器46的性能。具体地，微控制器44可根据计算公式或查找表确定初级线圈22的功率输出，以便为给定的一组条件(例如，流量、水质、灯泡寿命等)提供期望的灯输出(例如，强度、峰波长等)。图8的流程图中描述了一种用于操作灯组件20的过程。当在步骤62中利用水流量传感器50检测水流量时，在步骤64微控制器44导致将功率输送给初级线圈22。如上所述，微控制器44通过计算公式或者通过使用查找表来决定在步骤62 中输送的功率水平。一般来说，较低的流量需要较低的紫外灯强度，因为当流速较慢时水接触紫外光的曝光时间较长，同样地当水流量较高时通常需要较高的紫外光强度，因为当流速较快时水接触紫外光的曝光时间较短。然而，在某些用途中，灯可以以最高强度操作。另外，基于流量决定功率输出，系统也可基于水流动的时间来调整灯的功率输送。例如，水流动的前30秒会要求较高的功率输送以驱动较高的紫外曝光，在高功率输送的初始时段之后其可降低至稳态水平。同样地，可基于特定系统的需要应用其它时变功率输送特征，在步骤66，微控制器44通过灯传感器48检验灯的操作。如果检验灯是亮的并且处于正确的强度，那么初级电路42将继续将相同的功率输送至初级线圈22 。如果在步骤68需要基于灯传感器48和/或水流量传感器50的输出进行调整，那么所述系统也可调整输送至初级线圈22的功率。如果在步骤70决定不再需要进行水处理，那么在步骤72微控制器44可以停止灯驱动器46的操作。另外，如果在预定数量的失败的灯启动尝试后灯仍然未亮，那么所述系统可在提供表明需要维修或修理的可看见、可听见或可触觉的反馈消息之后关闭。
将根据第二实施例的介电屏障放电灯组件示于图9-10并且通常标示为80。灯组件80在功能和结构上类似于上述灯组件20，并且包括被施加到灯体30外部的导电网84、 以及包封灯体30和导电网84的细长管82。替代地，导电网84可以是被施加到灯体30外部的任何合适的导电层，包括金属连接环、冲压的网格或者其它类似的结构。如任选地在图 9中所示，管82包括第一(开口)端83和第二 (封闭)端85，其中，第一端83可密封地联接到组件壳体。具体地，可将管82的第一端83固定在组件壳体86的环状表面与O形环88 之间，从而至少部分地密封石英管82的内部并且允许进入灯体30进行检查、修理或更换。 管82可由可透紫外光的任何适当材料(包括例如石英或玻璃)形成，如任选地在图10中所示，然而，管82可以是不透明的，包括开口第二端85，用于允许灯体30与管82之间的区域中流动的流体的循环。此实施例的操作与上面结合第一实施例所描述的大致相同，导电网 84起第二电极28的延伸的作用。施加在第一电极26和导电网84上的高电压电流可以导致灯体30中的放电，以及相应的经过灯体30的外部并且任选地经过管82的紫外光辐射。
将根据本发明第三实施例的介电屏障放电灯组件示于图11并且通常标示为90。 此实施例不同于如图4中所示的第一实施例，包括基站水质传感器92。水质传感器92还可以包括电连接到微控制器44的输出。在图示的实施例中，水质传感器92可检测高浊度，任选地需要较高的紫外强度以实现期望的消毒。水质传感器92还可以检测或者替代地检测 PH值、总溶解固体(TDS)、硬度、总有机物含量(T0C)、温度或者其它相关的可测量的水质特性。在此实施例的一个变型中,可以对除水外的流体进行处理,并且选择给定流体的流体质量特性。例如，如果被处理的流体是空气，那么反馈传感器92可测量以下特性，例如温度、 湿度、粉尘浓度或者化学物质浓度。以与上述第一实施例大致相同的方式，微控制器44可以至少部分地基于空气质量传感器92的输出而控制从灯体30中发出的紫外光的强度从而对空气进行适当的消毒或处理。在第三实施例的一个变型中并且如图12中所示，可由除介电屏障放电灯外的光源产生紫外光。例如，紧凑型荧光灯(CFL)、管荧光灯(TFL)、紫外LED、 或者紫外LED的阵列也可用作紫外光源30。正如本领域中所知，各种类型的紫外光源30会需要不同的控制电路调节紫外光强度。例如，灯电流、电压、频率、占空比等(或者其任意组合)可被涉及并且根据给定用途的需要而施加。
可以结合图13的流程图对第三实施例的操作进行描述。当在步骤102中由水流量传感器50检测水流量时，在步骤104微控制器44导致将功率输送至初级线圈22。在步骤102中输送的功率水平是由微控制器44利用计算公式或者通过使用查找表而决定的，大致如上所述。在步骤106，微控制器44利用灯传感器108验证灯的操作。如果验证灯是亮的并且处于正确的强度，那么灯脉冲驱动器46将继续将相同的功率输送至初级线圈22。如果在步骤108基于灯传感器48、水流量传感器50和/或水质传感器92的输出需要行进调整，那么系统也可调整输送至初级线圈22的功率。例如，较低的浊度可需要较低的紫外灯强度，而较高的浊度可需要较高的紫外灯强度，类似地，较低的流量可需要较低的紫外灯强度，而较高的流量可需 要较高的紫外灯强度。如果在步骤108中对灯输出进行调整后，在步骤110决定不再需要进行水处理，那么在步骤112微控制器44可以停止灯脉冲驱动器46 的操作。或者处理在步骤106恢复并且继续直到不再需要处理的水。
在本发明的第四实施例中，如图14-15中所示，灯组件20包括RF天线和存储器标签120。RF天线和存储器标签120可以是用于期望用途的任何适当的组合，任选地位于次级壳体38内的RFID标签。结合第一实施例，基站初级电路42还包括次级通信电路122， 该次级通信电路122电连接在微控制器44与初级线圈22之间，用于在通信模式中由上述电源模式驱动初级线圈22。虽然在通信模式中操作，但次级通信电路122驱动初级线圈22 从而任选地传输正弦曲线RF波形从而询问灯组件存储器标签120。通过传输回另一个RF 波形或者通过反射回一部分的询问波形，RF天线和存储器标签120可以产生响应。原来的或反射回的RF波形可进一步对存储在存储器标签120内部的数据进行解码。可以利用次级通信单元122和微控制器44对响应进行解调和解码，由此对存储器标签120进行识别、 计数、或者相互作用。结合图6，当在电源模式中操作初级线圈22时，RF天线和存储器标签 120基本上不受上述初级线圈22中的脉冲波形的影响。另外，在功率传输模式中，初级线圈22可以在充分远离该范围的通信频率的频率处或附近操作。在这方面，在功率输送模式中，次级通信电路122通常不受初级线圈22的影响。另外，初级线圈22可以在通信模式中以充分低的功率水平操作，从而当不在功率传输模式中时使初级线圈22与次级线圈24之间的不期望的功率传输最小化。
因此，本实施例的初级线圈22可以在每次使用前从存储器标签120中读出历史操作数据，任选地与存储在存储器中的唯一的灯组件序列号相关。操作数据可以例如包括处理水的质量、介电屏障放电灯组件的光照次数、和光照时间。操作数据也可以包括特定于单个灯体30的灯偏置条件，例如电压、电流、频率和占空比。此外，本发明的初级线圈22可以在每次使用后将操作数据写入存储器标签120。通过对给定灯泡体的累积操作数据与推荐限值进行比较，本发明的介电屏障放电灯可以为用户和/或维修人员提供替换灯体30或其它部件的正确时间的提示。另外，对于给定的灯体30，介电屏障放电灯可以调整施加到初级线圈22的功率随时间的推移，以补偿灯体30的寿命期间在(一个或多个)期望波长处的估计的发光降低。例如，随时间的推移，微控制器44和灯驱动器46可以提供初级线圈22上的增加的峰值电压，其中增加的峰值电压可以部分地基于用于给定操作期间的灯泡体计算公式或查找表，此外，如果在兼容的灯体群中，偏置条件中存在明显的变化(灯电压、电流、 频率、占空比等)，本发明可以根据用于所附接的灯体30的存储器标签120的已知偏置条件驱动初级线圈22。在这方面，本发明可以延长相应灯体30的使用寿命，从而潜在地提供比已知的现有技术更可靠且更具成本效益的介电屏障放电灯系统。
结合图15的流程图对第四实施例进行进一步描述。当在步骤130中检测水流量 (任选地经由水流量传感器50)时，在步骤132，初级线圈22在通信模式中操作从而从与次级灯组件20相关(或者包含在其中的)存储器标签120中读出无线数据。如上所述，无线数据可以包括累积的先前操作使用数据以及唯一的灯序列号。在步骤134，初级线圈22可以在电源模式中操作在微控制器44和灯驱动器46的控制下向次级线圈24提供功率。在步骤 134中所施加功率的量可以根据不同用途而变化，并且可以至少部分地基于流体流量和累积的先前操作数据而实现期望的灯强度。在步骤136，微控制器44可以评估或者读出灯传感器48的输出，水流量传感器50和/或水质传感器92。在步骤138，系统也可基于来自步骤136的传感器数据以及正在处理流体的体积流量中的任何变化来调整输送至初级线圈 22的功率，如果在步骤140中决定需要对水进行进一步处理，过程在步骤136恢复。然而， 如果在步骤140中决定水不需要进一步处理(例如，进一步用杀菌紫外光辐射)，那么在步骤 142初级线圈22恢复到通信模式从而将无线数据写入包含在次级灯组件20中或与之相关联的存储器 标签120。该数据可以包括例如用于灯体30或者介电屏障放电灯系统的其它部件的累积的操作使用数据。在步骤144，微控制器44可以停止初级线圈22的操作，直到再次在步骤130恢复处理。虽然结合水处理系统进行了描述，但本实施例的被以感应方式提供动力的介电屏障放电灯20组件可以用于处理任何流体，包括除水外的液体或气体流体。
将根据第五实施例的介电屏障放电灯组件示于图16-19并且通常标示为150。灯组件150在功能和结构上类似于上述灯组件20和80，并且还包括被接收在次级线圈24的芯内的初级线圈22。具体地，以彼此为同轴关系布置初级和次级线圈22、24，并且次级线圈 24限定大于由初级线圈22所限定外直径的内径。初级线圈22还可以包括磁芯36，并且当将灯组件150固定在基站42内时，初级和次级线圈22、24可以径向地间隔。根据需要，初级和次级线圈22、24可以包括相同数量的绕组或者不同数量的绕组，并且可以由不同尺度的金属线形成，如图17中所示。灯组件150还可以包括介于初级线圈22与次级线圈24之间的内部灌封料39，用于密封任选地防水次级线圈24以及第一和第二电极26、28。初级线圈22可以形成基站42的一部分并且可以包括例如用于电连接到灯脉冲驱动器46或其它合适电源(包括AC和DC电源)的第一和第二标签。在使用中，可以将灯组件150经过次级壳体38中的轴向开口 152压入配合或者可移除地固定到基站42，从而允许次级线圈24对准在同轴内初级线圈22的附近。有利地，磁芯36仍然是基站42而不是灯组件150的部件， 潜在地降低与更换灯组件150相关的材料和制造成本。灯组件150可以如上所述用于流体处理系统，并且可以应用于需要紫外、红外或可见光谱的光照的其它用途。例如，可将灯组件150并入诸如聚光灯、闪光灯、灯的装置或者并入烹调或制造过程固定装置，以将适当光谱的光输送到给定用途。其它例子包括紫外光固化材料处理、一般照明用途以及加热灯。
将根据第六实施例的介电屏障放电灯组件示于图20-21并且通常标示为160。灯组件160在功能和结构上类似于上述灯组件，并且还适合于将感应耦合的次级线圈中的第一驱动电压转变成用于第一和第二电极的第二驱动电压。例如，灯组件160还可以适合于将通常与气体放电灯(例如，CFL和TFL灯)和白炽灯相关的驱动电压转变成适用于介电屏障放电灯的驱动电压。在这发明，灯组件160可以用作基站和/或镇流器的改造灯组件，例如通常适合于驱动气体放电灯和/或白炽灯。
现在参照图20-21，灯组件160可以包括次级线圈162、电连接到次级线圈162的脉冲驱动电路164、以及电连接到脉冲驱动电路164或位于其中的第一和第二电极168、 170,电极中的至 少一个连接到灯体166。次级线圈162相对于初级线圈172是可移除的，初级线圈任选地与基站42相关，大致如上面关于图4中所述。脉冲驱动电路164可以包括适合于将AC电压转变成DC电压的任何电路(包括例如整流器)，脉冲驱动电路164还可以包括产生用于灯体166的期望驱动电压的开关电路。例如，脉冲驱动电路164可以将第一时变驱动电压转变成包括一系列具有可变参数的短时间脉冲的第二时变驱动电压。这些可变参数可以如上所述直接地或间接地影响灯体166的发光输出，并且可以包括例如频率、时间段、 占空比、脉冲宽度、幅度、及其组合。然后，将第二时变电压施加到第一和第二电极168、170 上从而引起灯体166中的放电。
也如图21中所示，灯组件160可以任选地包括过滤器组件，过滤器组件从流动的流体中除去颗粒物和有机污染物。在一个实施例中，过滤器组件可以包括位于流体源与灯体166之间的流道中的炭块过滤器174。例如，炭块过滤器174可以是圆柱形的并且/或者可以尺寸设置成径向地环绕灯体166沿其长度的大部分。也任选地如图21中所示，流动的流体可以径向地向内流经炭块过滤器174，过滤器174可以包括大量的活性炭颗粒，用于除去大部分的颗粒物和有机污染物。该流道可以大致在轴向方向继续沿灯体166进行以增强流动流体对于任选地来自灯体166的杀菌辐射的暴露，然后流动流体经过灯组件160的上表面上的轴向布置的环状环176排出。图中显示第二电极170从脉冲驱动电路164向下延伸，电连接到反射性的且任选地导电的套管178从而形成第二电极170的延伸。在本实施例中，套管178由不锈钢形成，而在其它实施例中套管178由铝或者适合于该用途的任何其它材料形成。进而任选地，第二电极170可以包括本文中所述的任意构造，包括例如如上面结合图1-3描述的导电的流体电极、如上面结合图9-10 —般性描述的网状电极、或者下面结合图22描述的电极和电可容套管。
在使用中，与基站42相关的微控制器或反馈电路180可以在初级线圈172中产生时变电流。时变电流可以基于传感器输出而变化，包括例如灯传感器输出182和/或水流量传感器输出184，大致如图4中描述的。当将次级线圈162紧密地耦合到初级线圈172时， 例如当将灯组件160固定在基站42内时，初级线圈172可以在次级线圈162中引起相应的时变电流。可以使灯组件160因而次级线圈162和过滤器174物理地与基站42分离，从而在重复使用中当更换多个灯166和过滤器174时延长基站42的使用寿命。
将根据第七实施例的介电屏障放电灯组件示于图22并且通常标示为190。灯组件190在功能和结构上类似于上述灯组件，并且还包括与灯体30间隔的电可容套管192，用于在两者之间容纳静止或流动的流体。套管192可由显现期望的电容率的任何材料形成， 包括透明、半透明和不透明的材料，并且通常可以是非导电的。例如，套管192可以是透明的介电体(诸如石英或玻璃)、或者不透明或半透明的介电体(诸如陶瓷、塑料或泡沫)、或者根据需要其它合适的材料。套管192可以包括开口端194，从而允许在灯体30与套管192 之间的区域中流动流体的循环。灯组件190还可以包括设置在套管192的外部附近并且与流动流体间隔的导电层196。导电层196可以电连接到第二电极28，起第二电极28的延伸的作用，用以提供在灯体30中第一电极26与导电层196之间的均匀且通常为径向的电场。 在这方面，时流动的流体与第一和第二电极26、28分离，从而防止不需要的流体电离化，例如。对第一和第二电极26、28施加高电压差可以导致灯体30内放电间隙中的放电，从而导致经过灯体30外部的光辐射，大致如上 所述。灯体30还可以包括发光层或涂层，其适合于将所辐射的光转变成杀菌紫外光，替代地或另外，灯体30可以含有气体，例如氯化氪气，适合于不借助于荧光涂层辐射紫外光。任选地，套管192还可以包括反射内层或涂层，用以进一步增强施加在灯体30与套管192之间的区域中的杀菌光或其它光。
虽然上述系统和方法描述涉及介电屏障放电灯，但应当指出的是本发明的系统和方法也可以适用于除介电屏障放电灯外的多种灯系统，包括气体放电灯、白炽灯和发光二极管，例如上述系统和方法可以基于灯输出并且/或者基于流体的特性来改进现有的或随后开发的灯的控制。也通过举例，上述系统和方法可以适用于除水处理系统外的系统，包括例如使用气体放电灯、介电屏障放电灯、白炽灯、发光二极管和其它灯的发光系统，无论是现在已知或者以后开发的。
以上的描述是本发明的实施例。在不背离所附权利要求限定的本发明精神和更广方面的情况下可以做出各种变更和变化，这可利用根据专利法的原理加以解释，包括等效物的原则。对采用单数的元件的任何描述，例如冠词“一”、“一个”、“该”或“所述”的使用不应理解成将该元件限制在单数。
权利要求
1.一种灯组件，包括 适合于接收来自感应初级绕组的功率的感应次级绕组，所述感应次级绕组能够与所述感应初级绕组分离； 电耦合到所述感应次级绕组的第一和第二电极，所述第一和第二电极彼此间隔；以及 灯，所述灯包括介于所述第一和第二电极之间的介电屏障，其中，所述感应次级绕组适合于接收来自所述感应初级绕组的功率并且适合于将功率提供至所述第一和第二电极以促进所述灯中的介电屏障放电。
2.如权利要求1所述的灯组件，其中，所述介电屏障限定包含介电气体的放电室。
3.如权利要求1所述的灯组件，其中，所述第一和第二电极中的一个至少部分地在所述灯中延伸。
4.如权利要求1所述的灯组件，还包括至少部分地围绕所述感应次级绕组的次级壳体，所述次级壳体适合于与相应的初级壳体至少部分地相互配合。
5.如权利要求1所述的灯组件，还包括与所述灯间隔的电可容套管以允许它们之间的流体。
6.如权利要求5所述的灯组件，还包括导电元件，所述导电元件电连接到所述第二电极并且基本环绕所述套管，以在所述灯组件中感应大致径向取向的电场。
7.如权利要求1所述的灯组件，其中，所述感应次级绕组限定小于由所述感应初级绕组限定的内半径的外半径，所述感应次级绕组与所述感应初级绕组大致是同轴的。
8.如权利要求1所述的灯组件，其中，所述感应次级绕组限定大于由所述感应初级绕组限定的外半径的内半径，所述感应次级绕组与所述感应初级绕组大致是同轴的。
9.如权利要求1所述的灯组件，还包括脉冲驱动器电路，所述脉冲驱动器电路电连接在所述感应次级绕组与所述第一和第二电极之间，以将由所述感应次级绕组接收的第一电压转变成施加到所述第一和第二电极上的第二电压。
10.一种流体处理系统,包括 基站，所述基站包括适合于产生时变电流的感应初级绕组，所述基站限定流体流道；以及 灯组件，所述灯组件适合于被所述基站可移除地支撑，所述灯组件包括感应次级绕组、第一和第二间隔的电极以及介于所述第一电极与第二电极之间的介电屏障，以响应于所述感应初级绕组中的时变电流而促进介电屏障放电，其中，所述介电屏障放电产生用于在所述基站流体流道中处理流体的杀菌光。
11.如权利要求10所述的流体处理系统，其中，所述介电屏障限定包含放电气体的介电室。
12.如权利要求11所述的流体处理系统，其中，所述第一和第二电极中的一个在所述介电室内延伸。
13.如权利要求10所述的流体处理系统，其中，所述灯组件可操作以辐射紫外光。
14.如权利要求10所述的流体处理系统，其中，所述感应次级绕组限定小于由所述感应初级绕组限定的内半径的外半径，所述感应次级绕组与所述感应初级绕组大致是同轴的。
15.如权利要求10所述的流体处理系统，其中，所述感应次级绕组限定大于由所述感应初级绕组限定的外半径的内半径，所述感应次级绕组与所述感应初级绕组大致是同轴的。
16.如权利要求10所述的流体处理系统，其中，所述基站可操作以感测所述流体的特性。
17.如权利要求16所述的流体处理系统，其中，所述灯限定输出，并且其中，所述基站包括微控制器，所述微控制器基于所感测的流体特性改变灯输出。
18.如权利要求17所述的流体处理系统，其中，所述灯输出包括在一个或多个杀菌波长处的发光强度。
19.如权利要求10所述的流体处理系统，其中，所述感应初级绕组能够在功率传输模式中操作，并且能够在通信模式中操作。
20.如权利要求16所述的流体处理系统，其中，所述灯组件包括RF天线以及用于与所述感应初级绕组通信的相关的存储器标签。
21.如权利要求10所述的流体处理系统，还包括脉冲驱动器电路，所述脉冲驱动器电路电连接在所述感应次级绕组与所述第一和第二电极之间，以将由所述感应次级绕组接收的第一电压转变成施加在所述第一和第二电极上的第二电压。
22.一种用于形成灯组件的方法，包括 提供介电屏障，所述介电屏障限定适合于容纳放电气体的介电室； 提供感应次级绕组，所述感应次级绕组适合于响应于时变电磁场产生交流电流，所述感应次级绕组包括第一和第二电极；以及 使所述介电屏障介于所述第一和第二电极之间以形成适合于接收来自初级线圈的功率的自完备的灯组件，所述初级线圈能够与所述次级线圈分离。
23.如权利要求22所述的方法，还包括将发光层涂布到所述介电屏障以辐射紫外光。
24.如权利要求22所述的方法，还包括将所述自完备的灯组件固定在次级壳体内，所述次级壳体适合于与相应的初级壳体可移除地相互配合。
25.一种操作灯组件的方法，包括 提供基站，所述基站包括感应初级绕组； 提供灯组件，所述灯组件包括感应次级绕组、第一和第二间隔的电极以及灯，所述灯包括介于所述第一和第二电极之间的介电屏障；以及 在所述感应初级绕组中产生具有大于100 kHz的频率的时变电流，以在所述灯中引起介电屏障放电。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述产生步骤包括在所述感应初级绕组中产生具有在大约300 kHz和600 kHz之间的频率的时变电流。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述时变电流在所述第一和第二电极上引起脉冲驱动电压。
28.如权利要求25所述的方法，还包括根据灯输出改变所述频率。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述灯输出包括在一个或多个杀菌波长处的发光强度。
30.如权利要求25所述的方法，还包括对于所述时变电流限定占空比和脉冲宽度中的一个，并且根据灯输出改变所述占空比和所述脉冲宽度中的所述一个。
31.如权利要求25所述的方法，还包括将在所述感应次级绕组中引起的第一时变电压转变成第二时变电压并且将所述第二电压施加到所述第一和第二电极上以在所述灯中引起介电屏障放电。
32.一种用于具有流体流道的流体处理系统的基站，所述基站包括 感应初级绕组，所述感应初级绕组适合于向具有感应次级绕组的灯组件提供无线功率源； 驱动器电路，所述驱动器电路电耦合到所述感应初级绕组并且适合于用时变电压驱动所述感应初级绕组；以及 流体传感器，所述流体传感器适合于检测所述流体流道中的流体特性，其中，所述驱动器电路适合于基于所检测的流体特性控制所述感应初级绕组中的时变电压。
33.如权利要求32所述的基站，其中，所述灯组件包括介电屏障放电灯、气体放电灯、白炽灯和发光二极管之一。
34.如权利要求32所述的基站，其中，所述流体特性包括流量、温度、pH值、浊度、总有机物含量、总溶解固体含量、硬度及其组合之一。
35.如权利要求32所述的基站，还包括适合于检测灯输出的灯传感器，所述驱动器电路能够基于所检测的灯输出而操作。
36.如权利要求35所述的基站，其中，所述灯输出包括在一个或多个杀菌波长处的发光强度。
37.如权利要求36所述的基站，还包括微控制器，所述微控制器适合于基于所检测的流体特性和所检测的灯输出来控制所述驱动器电路的操作。
全文摘要
公开了例如用于流体处理系统的介电屏障放电灯组件(20)。该灯组件包括感应次级绕组(24)、耦合到感应次级绕组的第一和第二电极(26、28)、以及包括介于第一和第二电极之间的介电屏障的灯(30)。该介电屏障限定包含放电气体的放电室。感应次级绕组适合于接收来自附近的感应初级绕组的功率，以在放电室中促进介电屏障放电。所得到的介电屏障放电可产生紫外光，用于处理空气或水或者用于其他用途。此外，公开了用于流体处理系统的基站，包括感应初级绕组(22)，该感应初级绕组(22)适合于向灯组件提供无线功率源，该灯组件例如包括介电屏障放电灯、气体放电灯、白炽灯或发光二极管并且具有感应次级绕组。该基站还包括驱动器电路和流体传感器，该驱动器电路适合于用时变电压驱动感应初级绕组，该时变电压基于流体特性而被控制，该流体传感器适合于检测所述流体特性。
文档编号C02F1/32GK103026457SQ201180038187
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月3日 优先权日2010年6月4日
发明者K.韦茨丁斯, M.E.迈尔斯, J.K.施万内克, D.A.米克霍夫, D.L.斯奎尔斯, W.T.小斯托纳, M.J.诺尔孔克, R.B.拜尔斯马, M.J.莉莉 申请人:捷通国际有限公司