微波同轴腔等离子体灯的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种微波同轴腔等离子体灯，包括有金属圆盘底座、谐振腔外导体、圆形金属盖盘，谐振腔外导体设置在金属圆盘底座上，圆形金属盖盘盖合在谐振腔外导体顶部，谐振腔外导体内设置内导体，谐振腔外导体侧部插入有同轴型探针，同轴型探针插入内导体上，内导体顶部安装无电极圆柱形灯泡。本发明可以应用于各种微波激发等离子体灯的谐振腔，实现对微波能量的聚集，产生较高的电场强度，从而使灯泡内部气体电离，形成高亮度的等离子体光源。
【专利说明】微波同轴腔等离子体灯
【技术领域】
[0001]本发明涉及等离子体光源领域，具体是一种微波同轴腔等离子体灯。
【背景技术】
[0002]目前，日常照明光源中使用的灯丝或金属电极，极大地限制了光源的寿命。因为灯泡电极的蒸发会引起较大的光衰减，而且电极与玻璃的密封长时间工作很容易漏气，减少了光通量和光源的寿命。
[0003]微波激发等离子体灯具有无电极、寿命长、无光衰、节能环保、光效高等优点，具有广泛的应用前景。在微波等离子灯中，激励探针发射微波能量到谐振腔中，并在谐振腔表面的灯泡处形成较强的电场强度，激发灯泡内气体电离和放电，产生高亮的光源。目前，现有微波等离子体灯技术主要采用陶瓷谐振腔，其中陶瓷部分体积较大，结构复杂，烧结困难，并需要陶瓷表面金属化，工艺复杂。更重要的是，由于陶瓷材料存在介质损耗，导致大量的微波功率在谐振腔中被陶瓷吸收，不但产生大量的热引起腔体温度升高，而且降低了灯泡吸收的能量和等离子体灯的发光效率。
[0004]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种微波同轴腔等离子体灯，以解决现有技术陶瓷谐振腔结构工艺复杂和介质损耗较大的问题。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:包括有金属圆盘底座、谐振腔外导体、圆形金属盖盘，所述谐振腔外导体为导电金属材料制成的中空筒状结构，谐振腔外导体同轴设置在金属圆盘底座上，由金属圆盘底座在谐振腔外导体底部筒口处封闭谐振腔外导体，所述圆形金属盖盘盖合在谐振腔外导体顶部筒口处，由圆形金属盖盘在谐振腔外导体顶部筒口处封闭谐振腔外导体，谐振腔外导体内同轴设置有内导体，内导体底端紧密垂直连接在金属圆盘底座上，通过金属圆盘底座构成内导体与谐振腔外导体之间的短路连接结构，所述圆形金属盖盘中心开有通孔，且内导体顶端伸入圆形金属盖盘中心通孔中，所述内导体顶端设置有半球形凹槽，半球形凹槽中安装有无电极圆柱形灯泡，且无电极圆柱形灯泡从圆形金属盖盘露出，还包括圆形陶瓷环，圆形陶瓷环由外径较小的上段和外径较大的下段构成，且圆形陶瓷环上段外径与圆形金属盖盘中心通孔直径匹配，圆形陶瓷环内设有竖向的通腔，通腔直径与内导体外径匹配，通腔顶端在圆形陶瓷环顶面设置为缩口，缩口的口径与无电极圆柱形灯泡外径匹配，圆形陶瓷环的下段的高度远小于谐振腔外导体空腔的高度，圆形陶瓷环下段侧面开有未贯通圆形陶瓷环的盲孔，所述圆形陶瓷环通过通腔装配在内导体顶部，圆形陶瓷环上段伸入圆形金属盖盘中心通孔中并露出圆形金属盖盘中心通孔，且圆形陶瓷环顶面缩口套在无电极圆柱形灯泡上，所述谐振腔外导体上部侧面设有方形平面，方形平面中间开有耦合通孔，方形平面上安装有法兰，法兰中间开有与耦合通孔同轴连通的圆通孔，所述法兰圆通孔中插入有同轴型探针，且同轴型探针伸入谐振腔外导体内并插入圆形陶瓷环侧面盲孔中。
[0006]所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述金属圆盘底座、谐振腔外导体材质选用高导电率金属材料，可选用铝，或者铝合金，或者铜，其中优选铝合金。
[0007]所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述内导体可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。
[0008]所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述圆形陶瓷环选用高热导率绝缘材料，可选用氧化铝，或者氧化铍，或者氧化锆，其中优选氧化铝。
[0009]所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述无电极圆柱型灯泡上下两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极圆柱型灯泡泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，内部包含氩气以及金属卤化物元素，或者包含汞元素。
[0010]所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述圆形陶瓷环由外径较小的上段和外径较大的下段构成，圆形陶瓷环下段外径与谐振腔外导体内腔直径匹配，或者小于谐振腔外导体内腔直径，圆形陶瓷环下段高度与谐振腔外导体内腔高度匹配，圆形陶瓷环上段外径与圆形金属盖盘中心通孔直径匹配，圆形陶瓷环上段高度与圆形金属盖盘中心通孔高度匹配，圆形陶瓷环内设有竖向的通腔，通腔直径与内导体外径匹配，圆形陶瓷环上部侧面开有未贯通圆形陶瓷环的盲孔，所述圆形陶瓷环通过其通腔套装在内导体上，圆形陶瓷环下段的底面与金属圆盘底座相接触，圆环形陶瓷环上段伸入圆形金属盖盘中心通孔中并填满圆形金属盖盘中心通孔，所述同轴型探针穿过谐振腔外导体上部侧面耦合通孔后直接插入圆形陶瓷环侧面盲孔中。
[0011]本发明的益处在于，微波同轴谐振腔等离子体光源可以大大减少了陶瓷的用量，无需陶瓷金属化，工艺简单，减轻了等离子体灯的重量。而且，由于腔体内介质主要为空气，大大减小了腔体的介质损耗，有利于提高等离子灯的发光效率。同时，作为改进，腔体介质也可以采用陶瓷材料，从而增强等离子体灯的散热和工作稳定性，和现有技术相比，同时还可以减小体积并降低重量，因而具有较大的灵活性。
[0012]本发明可以应用于各种微波激发等离子体灯的谐振腔，实现对微波能量的聚集，产生较高的电场强度，从而使灯泡内部气体电离，形成高亮度的等离子体光源。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明微波同轴谐振腔等离子体光源外形示意图。
[0014]图2为本发明微波同轴谐振腔等离子体光源外形主视图。
[0015]图3为本发明同轴腔等离子体光源第一个实施例的内部结构图。
[0016]图4为本发明第一个实施例中圆形陶瓷环的结构图。
[0017]图5为本发明同轴腔等离子体光源第二个实施例的内部结构图。
[0018]图6为本发明第二个实施例中圆形陶瓷环的结构图。
【具体实施方式】
[0019]如图1-图4所示。微波同轴腔等离子体灯，包括有金属圆盘底座2、谐振腔外导体
1、圆形金属盖盘5，谐振腔外导体I为导电金属材料制成的中空筒状结构，谐振腔外导体I同轴设置在金属圆盘底座2上，由金属圆盘底座2在谐振腔外导体I底部筒口处封闭谐振腔外导体1，圆形金属盖盘5盖合在谐振腔外导体I顶部筒口处，由圆形金属盖盘5在谐振腔外导体I顶部筒口处封闭谐振腔外导体1，谐振腔外导体I内同轴设置有内导体8，内导体8底端紧密垂直连接在金属圆盘底座2上，通过金属圆盘底座2构成内导体8与谐振腔外导体I之间的短路连接结构，圆形金属盖盘5中心开有通孔，且内导体8顶端伸入圆形金属盖盘5中心通孔中，内导体8顶端设置有半球形凹槽，半球形凹槽中安装有无电极圆柱形灯泡6，且无电极圆柱形灯泡6从圆形金属盖盘5露出，还包括圆形陶瓷环7，圆形陶瓷环7由外径较小的上段和外径较大的下段构成，且圆形陶瓷环7上段外径与圆形金属盖盘5中心通孔直径匹配，圆形陶瓷环7内设有竖向的通腔，通腔直径与内导体8外径匹配，通腔顶端在圆形陶瓷环7顶面设置为缩口，缩口的口径与无电极圆柱形灯泡6外径匹配，圆形陶瓷环7下段的高度远小于谐振腔外导体空腔的高度，圆形陶瓷环7下段侧面开有未贯通圆形陶瓷环7的盲孔，圆形陶瓷环7通过通腔装配在内导体8顶部，圆形陶瓷环7上段伸入圆形金属盖盘5中心通孔中并露出圆形金属盖盘5中心通孔，且圆形陶瓷环7顶面缩口套在无电极圆柱形灯泡6上，谐振腔外导体I上部侧面设有方形平面，方形平面中间开有耦合通孔，方形平面上安装有法兰3，法兰3中间开有与耦合通孔同轴连通的圆通孔，法兰3圆通孔中插入有同轴型探针4，且同轴型探针4伸入谐振腔外导体I内并插入圆形陶瓷环7侧面盲孔中。
[0020]金属圆盘底座2、谐振腔外导体I材质选用高导电率金属材料，可选用铝，或者铝合金，或者铜，其中优选招合金。
[0021]内导体8可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。
[0022]圆形陶瓷环7选用高热导率绝缘材料，可选用氧化铝，或者氧化铍，或者氧化锆，其中优选氧化铝。
[0023]无电极圆柱型灯泡6上下两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极圆柱型灯泡6泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，内部包含氩气以及金属卤化物元素，或者包含汞元素。
[0024]如图5、图6所示。圆形陶瓷环7由外径较小的上段和外径较大的下段构成，圆形陶瓷环7下段外径与谐振腔外导体I内腔直径匹配，或者小于谐振腔外导体I内腔直径，圆形陶瓷环7下段高度与谐振腔外导体I内腔高度匹配，圆形陶瓷环7上段外径与圆形金属盖盘5中心通孔直径匹配，圆形陶瓷环7上段高度与圆形金属盖盘5中心通孔高度匹配，圆形陶瓷环7内设有竖向的通腔，通腔直径与内导体8外径匹配，圆形陶瓷环7上部侧面开有未贯通圆形陶瓷环7的盲孔，圆形陶瓷环7通过其通腔套装在内导体8上，圆形陶瓷环下段的底面与金属圆盘底座2相接触，圆环形陶瓷环7上段伸入圆形金属盖盘5中心通孔中并填满圆形金属盖盘5中心通孔，同轴型探针4穿过谐振腔外导体I上部侧面耦合通孔后直接插入圆形陶瓷环7侧面盲孔中。
[0025]本发明提供一种用于等离子体光源的微波同轴谐振腔，结构简单，减小了腔体的介质损耗，可以有效提高等离子灯的发光效率。本发明其微波工作频率可以为100MHz-3GHz之间的任意频率范围，注入的微波功率为50W到1500W之间。
[0026]本发明实施例的同轴谐振腔等离子体光源的外形结构如图1所示，其中圆形金属同轴谐振腔外导体I底部通过金属圆盘底座2与内导体实现短路连接并封闭。微波能量通过外导体侧面的探针耦合进入谐振腔。谐振腔外导体I的上半部分有一方形平面，平面上开耦合孔，平面外部通过螺钉连接法兰3，法兰中间有圆孔。通过此法兰圆孔和外导体耦合孔插入同轴型探针4，同轴型探针4插入谐振腔内部。在谐振腔外导体I上部有圆形金属盖盘5，通过螺钉与谐振腔外导体I实现连接，圆形金属盖盘5中间有一圆孔，无电极圆柱形灯泡6和圆形陶瓷环7的上部分透过此圆孔露出圆形金属盖盘5。图2为本发明同轴腔等离子体灯的外形主视图。
[0027]本发明第一种实施例，谐振腔主要采用空气介质，以达到极低的导体损耗，同时，采用少量的陶瓷材料使微波激发等离子体发光时灯泡实现良好的散热。如图3所示，金属圆盘底座2与谐振腔外导体I通过螺纹结构实现良好的导电连接，内导体8与金属圆盘底座2垂直并紧密连接。其中，内导体可以为实心结构，也可以为中空结构，或者内部填充陶瓷等高热导率材料。谐振腔外导体I上部有一方形平面，平面中间开耦合孔，平面外部通过螺钉连接法兰3，法兰中间有圆孔。通过此法兰圆孔和外导体耦合孔插入同轴型探针4。在内导体顶端，有一个半球形的凹槽，凹槽内放入无电极圆柱形灯泡6,无电极圆柱形灯泡6与内导体凹槽通过粘接实现固定紧密相连。
[0028]在内导体的顶部周围，有圆形陶瓷环7，如图4所示，圆形陶瓷环7上段外径Dl较小，缩口内直径dl与无电极圆柱形灯泡6外径相同；下段外直径D2较大，大于上部外径D1，通腔直径d2与内导体直径相同，下段的高度远小于谐振腔外导体空腔的高度。安装时，圆形陶瓷环7下段内径直接插入内导体顶端，圆形陶瓷环7的上段紧紧环绕在无电极圆柱形灯泡6底部的周围。圆形陶瓷环7可以采用氧化铝、氧化铍、氧化锆或其它陶瓷材料烧结或者加工而成，优先选用氧化铝材料，也可选用其他高热导率绝缘材料。在圆形陶瓷环7下部的侧面上有一个盲孔，装配时，同轴型探针4的内导体插入谐振腔内部，前端伸进圆形陶瓷环7侧面的盲孔内，并与谐振腔内导体8保持一定距离。
[0029]在同轴腔上部有圆形金属盖盘5，通过螺钉与同轴腔外导体实现连接，圆形金属盖盘5中间有一圆孔，无电极圆柱形灯泡6和内部圆形陶瓷环7的上部分透过此圆孔露出圆形金属盖盘5。
[0030]如上的无电极圆柱型灯泡6，两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料制成，内部包含氩气以及金属卤化物元素，也可以包含汞元素以便于灯的启动。
[0031]本发明第二种实施例，谐振腔内部主要采用陶瓷材料作为介质，利用陶瓷材料高热导率的特点，从而可以增强等离子体灯的散热能力，降低灯泡连续运行时的工作温度，从而提高系统稳定性，此外，还可以大大减小整个谐振腔的尺寸，降低整个等离子体灯的体积和重量。该谐振腔内部结构如图5所示，和第一种实施例的区别在于内部圆形陶瓷环的结构不同，尤其是长度更长。如图5，本实施例中圆形陶瓷环为圆柱状陶瓷环，下段高度较长，与谐振腔外导体I内腔高度相同，陶瓷环下段的底面与金属圆盘底座2相接触。圆形陶瓷环结构如图6所示，陶瓷环上部外径Dl小于下部外径D2，上部高度hi远小于下部高度h2，陶瓷环内部中空，内直径d与谐振腔内导体外径相同，陶瓷环下部高度h2与谐振腔外导体I内腔高度相同并匹配，陶瓷环下部外径D2小于或者等于外导体I的内腔直径。陶瓷环侧面有一盲孔，同轴型探针通过法兰孔和外导体侧面的圆孔直接伸进陶瓷环此盲孔内。
[0032]使用时，微波能量从侧面探针处馈入，经过谐振腔的选频和储能，微波能量在灯泡处聚集，形成较高的电场强度，可以击穿灯泡内气体电离产生等离子体，由于灯泡大部分外露，因而等离子体辐射产生的光便可以作为高亮度的光源。
[0033] 按照本发明的方法和结构，设计了两个同轴型谐振腔作为示范。采用第一个实施例的结构，设计了谐振频率为440MHz的空气谐振腔，测试结果与理论计算一致，证明了本发明技术上的可行性。此外，采用第二个实施例的结构，设计了一个氧化铝陶瓷介质谐振腔，谐振频率为230MHz，长度仅为85mm，大大减小了腔体的尺寸和重量。
【权利要求】
1.微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:包括有金属圆盘底座、谐振腔外导体、圆形金属盖盘，所述谐振腔外导体为导电金属材料制成的中空筒状结构，谐振腔外导体同轴设置在金属圆盘底座上，由金属圆盘底座在谐振腔外导体底部筒口处封闭谐振腔外导体，所述圆形金属盖盘盖合在谐振腔外导体顶部筒口处，由圆形金属盖盘在谐振腔外导体顶部筒口处封闭谐振腔外导体，谐振腔外导体内同轴设置有内导体，内导体底端紧密垂直连接在金属圆盘底座上，通过金属圆盘底座构成内导体与谐振腔外导体之间的短路连接结构，所述圆形金属盖盘中心开有通孔，且内导体顶端伸入圆形金属盖盘中心通孔中，所述内导体顶端设置有半球形凹槽，半球形凹槽中安装有无电极圆柱形灯泡，且无电极圆柱形灯泡从圆形金属盖盘露出，还包括圆形陶瓷环，圆形陶瓷环由外径较小的上段和外径较大的下段构成，且圆形陶瓷环上段外径与圆形金属盖盘中心通孔直径匹配，圆形陶瓷环内设有竖向的通腔，通腔直径与内导体外径匹配，通腔顶端在圆形陶瓷环顶面设置为缩口，缩口的口径与无电极圆柱形灯泡外径匹配，圆形陶瓷环下段侧面开有未贯通圆形陶瓷环的盲孔，所述圆形陶瓷环通过通腔装配在内导体顶部，圆形陶瓷环上段伸入圆形金属盖盘中心通孔中并露出圆形金属盖盘中心通孔，且圆形陶瓷环顶面缩口套在无电极圆柱形灯泡上，所述谐振腔外导体上部侧面设有方形平面，方形平面中间开有耦合通孔，方形平面上安装有法兰，法兰中间开有与耦合通孔同轴连通的圆通孔，所述法兰圆通孔中插入有同轴型探针，且同轴型探针伸入谐振腔外导体内并插入圆形陶瓷环侧面盲孔中。
2.根据权利要求1所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述金属圆盘底座、谐振腔外导体材质选用高导电率金属材料，可选用铝，或者铝合金，或者铜，其中优选铝合金。
3.根据权利要求1所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述内导体可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。
4.根据权利要求1所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述圆形陶瓷环选用高热导率绝缘材料，可选用氧化铝，或者氧化铍，或者氧化锆，其中优选氧化铝。
5.根据权利要求1所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述无电极圆柱型灯泡上下两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极圆柱型灯泡泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，内部包含氩气以及金属卤化物元素，或者包含汞元素。
6.根据权利要求1所述的微波同轴腔等离子体灯，其特征在于:所述圆形陶瓷环由外径较小的上段和外径较大的下段构成，圆形陶瓷环下段外径与谐振腔外导体内腔直径匹配，或者小于谐振腔外导体内腔直径，圆形陶瓷环下段高度与谐振腔外导体内腔高度匹配，圆形陶瓷环上段外径与圆形金属盖盘中心通孔直径匹配，圆形陶瓷环上段高度与圆形金属盖盘中心通孔高度匹配，圆形陶瓷环内设有竖向的通腔，通腔直径与内导体外径匹配，圆形陶瓷环上部侧面开有未贯通圆形陶瓷环的盲孔，所述圆形陶瓷环通过其通腔套装在内导体上，圆形陶瓷环下段的底面与金属圆盘底座相接触，圆环形陶瓷环上段伸入圆形金属盖盘中心通孔中并填满圆形金属盖盘中心通孔，所述同轴型探针穿过谐振腔外导体上部侧面耦合通孔后直接插入圆形陶瓷环侧面盲孔中。
【文档编号】H01J65/04GK104241082SQ201410478287
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】贾华, 朱梁, 彭承尧, 单家芳, 刘甫坤 申请人:单家芳, 刘甫坤