专利名称：无电极等离子体灯阵列设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及利用无电极等离子体灯来产生电磁辐射(包括可见光、紫外线和红外线)的设备和方法。本实用新型提供由射频源驱动的等离子体灯，而无需使用位于气体填充容器(灯泡)内部的电极。更具体地，本实用新型涉及建立无电极等离子体灯阵列。 这种无电极等离子体灯阵列可应用于如下应用场合，诸如体育场、安全设施、停车场、军事和防御设施、街道、大型和小型建筑物、车辆头灯、飞行器着陆、桥梁、仓库、紫外线水处理、 紫外线环氧树脂固化、半导体加工、退火、加热、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、投影仪和显示器，以及类似的应用场合。
背景技术：
等离子体灯提供非常亮的宽频带光，并且在诸如全面照明、投影系统和工业处理的应用场合中非常实用。现今制造的典型的等离子体灯包含气体和痕量物质的混合物，利用流经密集电极的强电流来激发所述混合物以形成等离子体。但是，这种结构会经受电极的损耗，因此寿命有限。由微波源驱动的无电极等离子体灯克服了与电极损耗有关的问题，从而得到了寿命更长、光谱稳定且效率更高的灯。传统的构造包括封装在灯泡中或形成波导的介电体内的密封凹部中的等离子体填充物，其中微波能量由诸如固态功率放大器或磁控管的源提供，并被引入到波导内进而电阻性地(resistively)加热等离子体。美国专利申请 No. 20090322240A1 和美国专利 7，291，985,7, 362，056 和 6，737，809 提供了其他实例，每一篇文献均以引证方式结合于此。为了从无电极等离子体灯实现更高的电磁辐射输出 (例如，更高的流明)，需要更大的灯泡和更高功率的射频源。尽管在紧凑外形格局(form factor)的情况下可利用射频功率超过1000W的诸如磁控管的微波源，但磁控管没有固态功率放大器所具有的可靠性。虽然有可能通过结合多个固态功率放大器来从固态功率放大器实现更高的射频输出功率，但这会由于合并器(combiner)而造成射频损失并影响射频源的整体效率。使用处于较低工作频率的功率放大器可提高功率放大器的效率。而且，使用更大的灯泡提高了在较低的工作频率下耦合于灯泡的射频能量，但难以优化系统的性能以便使功率放大器的效率最优且灯泡的耦合最佳。此外，在一些应用场合中，即使不是不可能，也难以从单个的大灯泡实现均勻的电磁分布。此外，某些高流明/电磁辐射应用所需的电源巨大且低效。而且，在一些应用场合，希望具有改变照明条件(色温、CRI、分布等等) 的能力。从上述可见，非常需要用于改进照明的技术。
实用新型内容本实用新型提供了利用无电极等离子体灯产生电磁辐射(包括可见光、紫外线和红外线)的设备和方法。更具体地，本实用新型提供无需使用电极的由射频源驱动的无电极等离子体灯阵列和相关的方法。这种无电极等离子体灯阵列可应用于如下应用场合，诸如体育场、安全设施、停车场、军事/防御设施、街道、大型和小型建筑物、桥梁、仓库、农业、 紫外线水处理、紫外线环氧树脂固化、半导体加工、退火、加热、建筑照明、舞台照明、医疗照明、投影仪和显示器等。根据本实用新型的第一方面，提供了一种无电极等离子体灯阵列设备，所述设备包括从1到X的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN 的阵列构造布置，其中M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；多个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，所述多个射频电源中的每个包括射频输出端和控制输入端，所述多个射频电源各自包括从1到X的所述控制输入端； 以及控制器，被配置用于所述多个射频电源，并耦接于所述控制输入端，所述控制器被配置成选择性地调节来自所述多个射频电源的射频功率。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，进一步包括一个或多个光电探测器。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，进一步包括支撑结构。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，进一步包括换热器。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，进一步包括壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，进一步包括换热器和壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述支撑结构配置成用于体育场照明。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述支撑结构配置成用于剧场照明。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述灯通过球形接头并利用伺服电机耦接于所述支撑结构。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射红外线电
磁辐射。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射紫外线电
磁辐射。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射紫外线电
磁辐射。[0024]优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射，且所述阵列内的至少又一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型的第一方面的设备，所述支撑结构包括用以增大用作散热器的所述支撑结构的表面积的鳍片。根据本实用新型的第二方面，提供了一种无电极等离子体灯阵列设备，所述设备包括从1到X的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN 的阵列构造布置，其中M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；单个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，所述单个射频电源包括射频输出端；以及从1到X的多个控制器，被配置用于所述单个射频电源，所述控制器被配置成选择性地调节被传送至所述阵列内的每个单独的等离子体灯装置的射频功率。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，进一步包括一个或多个光电探测器。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，进一步包括支撑结构。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，进一步包括换热器。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，进一步包括壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，进一步包括换热器和壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述支撑结构配置成用于体育场照明。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述支撑结构配置成用于剧场照明。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述灯通过球形接头并利用伺服电机耦接于所述支撑结构。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。[0044]优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射，且所述阵列内的至少又一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第二方面的设备，所述支撑结构包括用以增大用作散热器的所述支撑结构的表面积的鳍片。根据本实用新型的第三方面提供了一种无电极等离子体灯阵列设备，所述设备包括从1到X的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN 的阵列构造布置，其中M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；多个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，多个射频电源中的每个均包括射频输出端；以及从1到X的多个控制器，被配置成分别用于所述多个射频电源，所述控制器的每个被配置成选择性地调节被传送至每个等离子体灯装置的射频功率。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，进一步包括一个或多个光电探测器。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，进一步包括支撑结构。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，进一步包括换热器。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，进一步包括壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，进一步包括换热器和壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述支撑结构配置成用于体育场照明。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述支撑结构配置成用于剧场照明。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述灯通过球形接头并利用伺服电机耦接于所述支撑结构。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述多个控制器利用串级链或网状网络进行通信。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述多个控制器利用电力线网络、无线网络、或有线网络的任意组合进行通信。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列用于快速热处理。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射，且所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述阵列内的至少一个等离子体灯配置成发射可见的电磁辐射，所述阵列内的至少另一个等离子体灯配置成发射红外线电磁辐射，且所述阵列内的至少又一个等离子体灯配置成发射紫外线电磁辐射。优选地，根据本实用新型第三方面的设备，所述支撑结构包括用以增大用作散热器的所述支撑结构的表面积的鳍片。根据本实用新型的第四方面，提供了一种无电极等离子体灯阵列设备，所述设备包括从1到X编号的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以 MXN的阵列构造布置，其中M是1以上的整数，且N是2以上的整数；多个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，多个射频电源中的每个均包括射频输出端；以及至少一个控制器，被配置分别用于所述多个射频电源，所述控制器被配置成选择性地调节被传送至所述多个等离子体灯装置中的每一个的射频功率，以调节从所述多个等离子体灯装置中选择的至少一个等离子体灯装置的色温，用于所述阵列构造中的所述多个等离子体灯装置的显色性。在一具体实施方式
中，本实用新型提供一种用于大规模热和/或照明应用场合和 /或各个领域中的电磁辐射的阵列。在本实用新型的一具体实施方式
中，提供一种无电极等离子体灯的阵列。该阵列包括安装在一刚性支撑框架上的至少两个无电极等离子体灯。 所述等离子体灯或者由独立的多个射频源供电或者由单个射频源供电。控制器调节传送至该阵列中的各个独立灯的射频功率，从而允许控制输出电磁辐射的强度和分布。阵列中的这些灯可以包括具有不同色温(例如，3000K和6000K)的灯泡。通过改变传送至阵列中的每个灯的射频功率，可以改变分布光在表面上的整体色温和显色指数(color rendering index)。例如，在一般的照明应用场合中，人们将具有将环境光的色温从3000K暖色温度改变至6000K的冷色温度的能力。与使用具有期望光谱的单个灯泡相比，通过选择具有较高效率的两个灯并结合它们的光谱，可提高这种系统的整体效率。在园艺应用场合中，在植物的生命周期期间，需要不同色温的光。调整光源色温的能力允许优化植物的生长。在其他实施方式中，控制器可构造成单独地、共同地或者以任何组合方式控制不止两个灯、一组灯或者整个灯的阵列。在其他实施方式中，用于每个灯的射频源由一微控制器控制，其中射频功率探测器和/ 或光电探测器调节灯的射频功率，从而实现希望的照明条件。阵列中的微控制器可由单个控制器控制，或者可替换地，可通过串级链(daisy chain，菊花链)连接、网状连接(mesh connection)、组合或其他连接方式直接连接于彼此。这些微控制器可通过RS232接口、USB 接口、电源线接口或通过无线电或其他类似接口来相互通信。对于需要均勻紫外线源的工业制造应用场合，例如环氧树脂固化场合，利用具有紫外线光谱的无电极等离子体灯的阵列提供显著的益处。使用独立的多个微控制器来控制阵列中的每个灯的射频功率提供了对大表面面积上的照明式样的控制，并且维持恒定的照明等级，或者允许改变照明式样以实现希望的工艺条件。对于制造或半导体加工中使用的热处理应用场合，人们可使用包括具有红外线光谱的灯泡的无电极等离子体灯阵列。再一次，与使用单个大灯的情况相比，利用无电极等离子体灯的阵列可在大表面面积上实现更好的过程控制。在另一实施方式中，提供一种具有换热器的无电极等离子体灯的阵列。这些无电极等离子体灯安装在传导灯所产生的热量的一刚性支撑框架上。换热器设置在支撑框架的相对侧上，以有效地传递灯所产生的热量。在另一实施方式中，无电极等离子体灯的阵列与一空气流动组件耦接，以提供改进的热传递特征。这些灯安装在传导灯所产生的热量的一刚性支撑框架上。壳体结构包围支撑框架和阵列内的外部灯的侧面。相对侧上的开口允许空气流过壳体结构。如果需要， 可使用风扇来增加流动速度。在一可替换实施方式中，无电极等离子体灯的阵列与换热器和空气流动系统两者耦接，以提供进一步改进的热传递特征。该阵列具有安装在传导灯所产生的热量的一刚性支撑框架上的至少两个无电极等离子体灯。一换热器设置在支撑框架的相对侧上。一壳体结构包围换热器、支撑框架和阵列内的外部灯的侧面。壳体在相对侧上包含两个开口，以允许空气流过壳体结构。当空气流过壳体时，其不仅吸收来自换热器的热量，而且吸收来自支撑框架和灯两者的热量，从而有效地改进阵列的整体热传递特征。在又一实施方式中，提供无电极等离子体灯的可移动阵列。具体地，这些无电极等离子体灯耦接于伺服电机。然后将伺服电机/灯组件安装于一刚性支撑结构上。可控制和调节伺服电机，从而灯的阵列以组合或独立的方式移动，以实现希望的光(或输出电磁辐射)的强度和分布。如果希望，可以将一光电探测器与无电极等离子体灯阵列结合使用，以确定所发射光的强度。光电探测器使得控制系统能够控制输入到阵列的这些灯的射频功率输入等级，从而确保维持恒定的强度等级，并确保将强度和光分布调节至希望等级的能力。在一具体实施方式
中，本实用新型提供了一种使用无电极等离子体灯阵列装置来显色的方法。该方法选择性地调节发送至阵列构造中的多个等离子体灯装置中的一等离子体灯装置的射频功率，以调节用于多个等离子体灯的显色的色温。在一可替换实施方式中， 该方法将射频功率选择性地输出至阵列构造中的等离子体灯装置中的至少一个或多个，以便使阵列的输出照明显色。建立用于各种应用场合的无电极等离子体灯阵列的益处包括对于相同的流明输出(或照明分布)，与传统白炽灯或LED照明阵列相比，这种阵列使用少得多的功率。此外， 使用阵列内的无电极等离子体灯减少了对于承载大量功率的电极的需要，这些电极易于故障。与传统的电极等离子体灯相比，使用位于阵列内的无电极等离子体灯导致改进的热传递特征，以及较长的寿命、更好的流明/强度维持、更好的均勻性和更稳定的光谱。本实用新型利用已知的工艺技术实现了这些益处和其他益处。这些和其他益处在整个说明书中进行描述，且将在下面更具体地描述。页
考虑下面对优选实施方式的描述，并与这里提供的附图相结合来阅读，将获得对本实用新型及其优点的更全面理解。在附图和说明中，参考标号表示本实用新型的各个特征，且在所有的附图和说明中，相似的参考标号表示相似的特征。图IA是电容性地耦接于一射频源的气体填充容器的概括示意图。图IB是感应性地耦接于一射频源的气体填充容器的概括示意图。图2A是包括一外部射频放大器的外部谐振器无电极灯的简化透视图。图2B是一替换的包括一外部射频源的外部谐振器无电极灯的简化透视图。图2C是一替换的外部谐振器无电极灯的简化透视图。图2D是一替换的外部谐振器无电极灯的简化透视图。图2E是电介质波导/谐振器无电极等离子体灯的简化图。图3A是无电极等离子体灯的简化框图，示出了具有控制输入端的射频驱动器以及交流直流转换器。图;3B是根据本实用新型的一实施方式的两个无电极等离子体灯的阵列的简化框图，其中每个灯具有独立的射频驱动器，且一个控制器控制两个灯。图3C是根据本实用新型的一实施方式的无电极等离子体灯的阵列的简化框图， 其中每个灯具有独立的射频驱动器，且一个控制器控制所有的灯。图3D是一无电极等离子体灯的阵列的简化框图，其中每个灯具有独立的射频驱动器，且一个控制器连接于阵列中的第一个灯，但阵列中的每个后续的灯以串级链形式连接于前一灯且连接于下一灯。图3E是根据本实用新型的一实施方式的无电极等离子体灯阵列的电路图的简化框图，每个灯独立地耦接于一射频源。图4是根据本实用新型的一实施方式的无电极等离子体灯阵列的电路图的简化框图，所述灯耦接于单个射频源。图5是根据本实用新型的一实施方式的无电极等离子体灯阵列的电路图的简化框图，其中每个射频源向至少两个无电极等离子体灯供电。图6是根据本实用新型的一实施方式的无电极等离子体灯阵列的简化透视图，该阵列在支撑结构内结合有至少一个换热器。图7是根据本实用新型的一实施方式的无电极等离子体灯阵列的简化分解透视图，该阵列结合有壳体结构，该壳体结构允许空气集中流过阵列组件。图8是根据本实用新型的一实施方式的通过一球形接头耦接于一支撑结构的可移动灯的简化透视图，从而通过伺服电机驱动这种移动。图9是根据本实用新型的又一替换实施方式的灯阵列的简化透视图。
具体实施方式
本实用新型提供一种无电极等离子体灯的阵列，以产生更高强度的光(或电磁辐射)分布、或特定的光(或电磁辐射)分布，诸如均勻的光分布，还提供一种改变照明的色温和显色指数的方法。这种无电极等离子体灯的阵列可应用于如下应用场合，诸如体育场、 安全设施、停车场、军事和防御设施、街道、大型和小型建筑物、车辆头灯、飞行器着陆、桥梁、仓库、紫外线水处理、紫外线环氧树脂固化、半导体加工、退火、加热、农业、建筑照明、舞台照明、医疗照明、投影仪和显示器，以及类似的应用场合。图1和图2示出了可用于本实用新型的阵列中的无电极等离子体灯。图IA示出了从射频源110到气体填充容器130的有效能量传递的概括示意图。来自射频源的能量被引导到阻抗匹配网络210，该阻抗匹配网络能够将能量从射频源有效传递到谐振结构220。 这种阻抗匹配网络的实例是E场或H场耦合元件，但也可以采用其他类型。进而，另一阻抗匹配网络230能够高效地将能量从谐振器传递到气体填充容器130。该阻抗匹配网络的实例是E场或H场耦合元件。气体填充容器由适当的材料制成，诸如石英或者其他透明或半透明的材料。气体填充容器填充有惰性气体(如氩气)和荧光体或发光体(如汞、纳、镝、硫磺或金属卤化盐(如三溴化铟、溴化钪或碘化铯))。该容器可同时含有多种荧光体或发光体。根据一具体实施方式
，气体填充容器还可包括金属卤化物或放出电磁辐射放电的其他金属化合物 (piece) 0当然，可存在其他的变化、修改和替换。利用一电容耦合结构131将射频能量传递给灯泡130内的气体填充物。如众所周知的，电容耦合器通常包括有限程度地包围一体积的两个电极，从而主要地利用至少电场 (E场)来耦合能量。如本领域普通技术人员将会认识到的，如这里示意形式示出的，阻抗匹配网络210和230以及谐振结构220可解释为射频源与电容耦合结构之间的分布电磁耦合的等效电路模型。阻抗匹配网络的使用还允许所述源具有除50欧姆之外的阻抗；相对于射频源性能的优点是降低来自射频源的发热或功率消耗。降低来自射频源的功率消耗和损失在能够整体上实现灯的更高的效率。如本领域普通技术人员还将认识到的，阻抗匹配网络 210和230不必相同。图IB示出了从射频源110到气体填充容器130的有效能量传递的概括示意图。来自射频源的能量被引导到阻抗匹配网络210，该阻抗匹配网络能够将能量从射频源有效传递到谐振结构220。进而，另一阻抗匹配网络230能够高效地将能量从谐振器传递到气体填充容器130。利用一感应耦合结构140将射频能量传递给灯泡130内的气体填充物。如众所周知的，感应耦合装置通常包括有限长度(extent)的电线或线圈状的电线并主要利用磁场(H场)来耦合能量。如这里示意形式示出的，阻抗匹配网络210和230以及谐振结构 220可看作是射频源与感应耦合结构之间的分布电磁耦合的等效电路模型。阻抗匹配网络的使用还允许所述源具有除50欧姆之外的阻抗；相对于射频源性能的优点是降低来自射频源的发热或功率消耗。降低来自射频源的功率消耗和损失能够在整体上实现灯的更高的效率。图2A是无电极等离子体灯的透视图，其采用灯体600，灯体的外表面601是导电的并接地。示出了圆柱形的灯体，但也可以采用矩形或其他形状。这种传导性可通过应用导电饰面或通过选择导电材料来实现。传导性饰面的实例是银粉漆，或者可替换地，灯体可由诸如铝的导电材料的薄片制成。集成的灯泡/输出耦合元件组件100穿过开口 610被灯体 600紧密地容纳。灯泡/输出耦合元件组件100包含灯泡130，该灯泡是最终产生照明输出的气体填充容器。位于组件100底部的输出耦合元件120在平面101处接地而达到灯体600及其传导性表面601。来自灯泡的照明输出由外部反射体670收集并引导，该外部反射体或者是导电的，或者如果由介电材料制成则具有导电衬里，并且该外部反射体连接至灯体600并与之电接触。位于组件100顶部的顶部耦合元件125在平面102处经由接地母线710和反射体670接地而达到灯体600。可替换地，如果不存在反射体670，则接地母线与灯体600进行直接电接触。反射体670示出为抛物线形状的，灯泡130位于其焦点附近。可设计出多种可能的反射体形状来满足光束方向的需要。例如，所述形状可以是圆锥形、凸形、凹形、梯形、金字塔形、或这些形状的组合，以及其他形状。较短的反馈E场耦合元件635耦合来自灯泡/输出耦合元件组件100的少量射频能量，并向射频放大器210的射频放大器输入端 211提供反馈。反馈耦合元件635穿过开口 612被灯体600紧密地容纳，因此不是与灯体的传导性表面601直接直流电接触。输入耦合元件630与射频放大器输出端212电连接。输入耦合元件630穿过开口 611被灯体600紧密地容纳，因此不是与灯体的传导性表面601 直接直流电接触。然而，输入耦合元件的顶部在平面631处接地而达到灯体600及其传导性表面601。射频功率主要从输入耦合元件630感应性地耦合至灯泡/输出耦合元件组件100， 这通过物理接近、它们的相对长度及它们的接地平面的相对布置来实现。灯泡/输出耦合元件组件的表面637被涂覆以导电饰面或导电材料，并连接至灯体600及其传导性表面 601。灯泡/输出耦合元件组件的其他表面(包括表面638、639和640)没有被涂覆以传导性层。表面640在光学上是透明的或半透明的。通过电磁模拟并通过直接测量发现输入耦合元件630和输出耦合元件120与灯组件100和灯体600之间的耦合是高频选性的。这种频选性在包括输入耦合元件630、灯泡/输出耦合元件组件100、灯体600、反馈耦合元件 635和放大器210的电路中提供了谐振振荡器。该谐振振荡器等同于图IA和图IB中示意性示出的射频源110。图2B是一无电极等离子体灯的透视图，与图2A中所示的不同之处仅在于其射频源，该射频源不是分布式振荡器电路，而是与射频放大器210的射频放大器输入端211电连接的单独的振荡器205。射频放大器输出端212与输入耦合元件630电连接，该输入耦合元件向灯泡/输出耦合元件组件100传递射频功率。输入耦合元件630与灯泡/输出耦合元件组件100中的输出耦合元件之间的耦合的谐振特征与射频源是频率匹配的，以优化射频功率传递。当然，可存在其他的变化、修改和替换。图2C是一无电极灯的透视图，其与图2A中所示的无电极灯相似，除了灯泡组件中的顶部耦合元件125利用接地母线715直接连接至灯体600之外。图2D是一无电极等离子体灯的透视图，其与图2B中所示的不同之处在于其灯/ 输出耦合元件组件100。该灯/输出耦合元件组件具有实心金属(金属柱)120，其在顶部凹入以容纳气体填充容器130。耦合元件的另一端在表面101处接地而达到灯体。一薄层介电材料或难熔金属(如钼)层可用作灯泡与金属柱之间的界面。可替换地，金属柱的顶部或整个金属柱可由难熔金属制成，且其外表面被涂覆以一层高导电性的金属，诸如银或铜。金属柱的内部还可为中空的。在 Espiau，Frederick M ;Brockett，Timothy J.；禾口 Matloubian， Mehran 的"Electrodeless Lamps withExternalIy-Grounded Probes and Improved Bulb Assemblies”以及2008年6月25日提交的美国专利申请序列号No. 61/075，735中描述了等离子体灯装置的实例，其以引证方式结合于此。其他实例包括转让给加利福尼亚州桑尼维尔市Luxim公司的美国专利No. 7，362，056。[0113]图2E是一无电极等离子体灯的透视图，其包括固态电介质波导/谐振器701， 该电介质波导/谐振器将射频能量从射频源205耦合至气体填充容器130。灯泡115的弧形的大部分被电介质波导/谐振器包围。探针640将射频能量耦合到电介质谐振器内° 题为"Electrodeless Lamps withExternalIy-Grounded Probes and Improved Bulb Assemblies”的美国专利申请No. 20090322240A1 ；美国专利No. 7，291，985 ；和美国专利 No. 7，362，056中描述了等离子体灯装置的其他实例。图3A是无电极等离子体灯800的简化框图，其示出了具有控制输入端870、控制输出端875的射频驱动器900以及具有交流输入端860的交流直流转换器840。在这些部件中，射频驱动器包括射频振荡器205、一个或多个放大器210、微控制器850、射频耦合器830 和射频功率探测器820。无电极等离子体灯具有反射体670和光电探测器810，以测量来自灯的输出电磁辐射并向微控制器/射频驱动器提供反馈。微控制器可调节射频振荡器的频率和功率以及供给射频振荡器和放大器的偏压，以调节无电极等离子体灯的射频功率。灯的输入功率等级以及来自灯的反射功率可通过耦合器830和射频功率探测器820测量。利用来自射频功率探测器820和/或光电探测器810的反馈，微控制器可控制射频振荡器和 /或放大器，以实现来自灯的恒定输出或根据期望的参数来改变灯的输出。通过射频源的脉冲宽度调整，微控制器可改变灯的射频输出功率。对于射频驱动器的控制输入端870和控制输出端875可以通过标准接口(如RS232或USB)，或者其可以通过电力线或无线，如 Zigbee0图:3B是本实用新型的一个实施方式的两个无电极等离子体灯的阵列的简化框图，根据本实用新型的实施方式，每个灯具有类似于图3A中射频驱动器的独立的射频驱动器900A和900B，并且一个控制器控制这两个灯。因此，根据灯之间的间隔，每个灯的射频功率输出可独立地改变，并且每个灯的射频功率、照明样式可改变，以实现期望的照明条件。 还期望的是对于每个灯使用具有不同色温的灯泡。例如，一个灯可以具有6000K色温的灯泡，而另一个灯可以具有3000K色温的灯泡。通过结合来自这两个灯泡的光并控制对于每个灯泡的射频功率等级，可将整个源的色温从3000K改变至6000K，并且具有改变显色指数的能力。这还可有助于提高所述源的整体效率，例如在3000K和6000K的源比4500K的源更加能量有效的情况下，可用两个较低流明输出的3000K和6000K的源结合来得到4500K 的源。虽然图中示出了外部控制器，但期望的是该阵列在没有外部控制器的情况下起作用， 而是仅利用射频驱动器内部的微控制器。而且，两个射频驱动器可利用电力线连接或无线连接来相互通信。图3C是本实用新型的一个实施方式的无电极等离子体灯的阵列的简化框图，根据本实用新型的实施方式，其中每个灯具有类似于图3A中的射频驱动器的独立的射频驱动器，且一个控制器控制所有的灯。在该图中，示出了六个无电极等离子体灯，但是，还可使用其他大小的阵列。控制器与射频驱动器之间的连接可以通过接口(如RS232或USB)，或者其可以通过电力线或无线连接。还期望的是灯的射频驱动器相互直接通信，而无需利用单独的控制器。图3D是本实用新型的一个实施方式的无电极等离子体灯的阵列的简化框图，其中每个灯具有独立的射频驱动器。一个控制器连接于阵列中的第一个灯，但阵列中的每个相继的灯以串级链形式连接于前一个灯且连接于下一个灯。控制器与射频驱动器之间的连接可以通过接口(如RS232或USB)，或者其可以通过电力线或无线连接。还期望的是灯的射频驱动器相互直接通信，而无需利用独立的控制器。取代串级链形式，射频驱动器通过网状网络连接。图3E是本实用新型的一个实施方式的阵列装置的电路的简化框图。该阵列包括从1到x(其中x> 1)编号且以MXN的阵列构造布置的多个无电极等离子体灯。可替换地，可以1 XN的线性阵列布置，其中M是沿第一轴线布置的灯的数量，而N是沿通常垂直于第一轴线的第二轴线布置的灯的数量。该阵列包括从1到X编号的多个射频电源。每个射频功率源包括射频输出端和控制器。射频电源的射频输出端直接耦接于阵列内的等离子体灯。控制器可独立地控制每个射频电源的输出功率。位于每个等离子体灯处的光电探测器可向控制器提供反馈。控制器调节从射频电源传送至每个灯的射频功率的量，从而有效地控制从每个单独的灯所发出的电磁辐射的强度，以及该强度的分布。控制从每个单独的灯所发出的电磁辐射的强度的能力确保可实现一致的强度等级(如果需要的话)。形成一致的照明区域允许阵列构造适合于大量工业应用场合，例如聚合物固化、光刻胶固化、退火或油漆干燥。另外，该阵列可用于油墨固化应用或聚合物微成型应用。这种聚合物微成型应用包括制造微光学系统和/或微流体装置的制造。该阵列还可用在涉及环氧树脂固化的应用场合中。这种环氧树脂固化的应用包括建立用于工业机床的模具以及在印刷电路板上封装电路。该阵列还可用在紫外线水处理系统中以及半导体制造应用的快速热处理中。在这些应用中使用无电极等离子体灯阵列的一个优点在于，阵列内的灯具有高的每流瓦(lumens perwatt)特征。因此，使用这种阵列比之前的阵列成本更低廉且效率高。该阵列可构造成发射可见光、红外线或紫外线电磁辐射。可使用发射以上类型的电磁辐射的灯的任何组合，从而形成发射不同波长的电磁辐射的阵列。图4是本实用新型的另一实施方式的阵列装置的电路的简化框图。如同前一实施方式，该阵列包括从1到x(其中X > 1)的且以MXN的阵列构造布置的多个无电极等离子体灯，或者替换地，以IXN的线性阵列布置。在该实施方式中，单个射频电源向整个阵列供电。该射频电源包括直接耦接于从1到X(其中X > 1)编号的多个控制器的射频输出端。 这些控制器通过反馈构造直接耦接于每个单独的等离子体灯。该反馈构造允许控制器确定被传送至灯的射频功率的量。该控制器调节从单个射频源传送至灯的功率，从而控制所发射的电磁辐射的强度。如之前所讨论的，这种控制允许阵列适应于各种应用场合。图5是本实用新型的另一实施方式的阵列装置的电路的简化框图。该阵列包括从 1到x(其中x> 1)编号且以MXN的阵列构造布置的多个无电极等离子体灯。该阵列包括多个射频电源。每个射频电源包括射频输出元件。每个射频电源用于对阵列内的多个灯供电。射频输出元件直接耦接于多个控制器，对应于由射频电源提供功率的每个灯。控制器的数量从1到X，如同阵列中灯的数量。如同前一实施方式，控制器通过反馈环耦接于每个灯。这些控制器用来调节从每个射频电源传送至阵列中的每个单独灯的功率的量，从而控制所发射的电磁辐射的强度。如之前所讨论的，这种控制允许阵列适应于各种应用场合。在本实用新型的一替换实施方式中，阵列内的每个无电极等离子体灯包括单独的换热器。换热器可通过任何适当的机构提供，以从灯和射频驱动器吸走热量。换热器允许从灯和射频驱动器更有效地驱散热能，从而确保更长的装置寿命并提高可靠性。[0124]图6是本实用新型的包括换热器的阵列系统的简化透视图。该系统包括多个无电极等离子体灯。所述多个灯由导热的框架支撑。这些灯可通过任何适当的方式耦接于框架， 例如焊接或螺栓连接，只要通过射频输出耦合元件传导的热量连接至支撑框架，以将热量传递至支撑框架。框架可由强度足以支撑这种阵列的任何导热材料制成。这些灯可以或者由单一射频源供电或者由多个射频源供电。整个阵列可以任何方式定位于需要曝光的任何媒介上方。这种媒介可包括用于紫外线水处理的水、光刻胶、或需要固化的任何其他媒介。 该阵列还可定位于杆柱的顶部上，以用于街道照明、体育场照明、或需要大量光的其他应用场合。由于是导热的，热量从灯传递到支撑结构。于是，支撑结构将热量传递至周围环境， 从而有效地传递灯所产生的热量。一换热器结合到支撑结构中，以进一步提高阵列的热传递特征。一个换热器或一系列换热器可结合到刚性支撑结构内，或者设置在支撑结构的对面、背面或侧面。换热器用来进一步将热量传导出支撑结构，从而提高阵列的整体热传递特征。可使用各种换热器，包括类似于许多常用空调器中所使用的换热器的管壳式(shell and tube)换热器。这种换热器利用蒸气压缩冷冻循环从支撑结构带走热量。在一替换实施方式中，支撑结构的换热器与阵列中的灯相结合，其中阵列中的每个灯具有单独的换热器。通过将一换热器结合到与每个单独灯上的换热器相结合的支撑结构内，提高了阵列的热能扩散特征。图7是本实用新型一替换实施方式的分解透视图，该实施方式结合了具有气流的壳体结构，以帮助将热量从支撑结构传递走。如同之前的实施方式，在该实施方式中，阵列包括安装在一导热刚性支撑结构上的无电极等离子体灯。壳体结构以灯的底部未被覆盖的方式包围整个支撑结构和阵列的外部灯的侧面。壳体结构在结构的相对壁上包括开口，以提供让足够强的气流通过而被引导通过阵列的通道。所述开口的尺寸设计成在阵列内产生最大量的气流。气流可以是对流的或者由风扇帮助的。随着空气行进通过支撑结构和灯， 空气吸收灯所产生的热量，从而有效地提高阵列的热传递特征。在本实用新型的再一实施方式中，将通过前一实施方式的设计而具有气流的壳体结构与换热器结合，以提供进一步改进的热传递特征。如同之前的实施方式，该组件包括附接于导热的支撑结构的灯。将至少一个换热器或者结合在实际的支撑结构内，或者安置在支撑结构的侧面上，优选地与灯所附接的侧面相对。前一实施方式的壳体结构以灯的底部未被覆盖的方式包围换热器、支撑结构以及阵列的外部灯。该支撑结构还可包括鳍片(fin， 散热片)，以提供用作组件内的散热器的更大的表面积。该壳体结构在结构的相对壁上包括开口，其提供让气流通过而被引导通过阵列的手段。这样，空气不仅流过灯，而且流过支撑结构和换热器，从而从组件的所有这三个部件驱散热量。可通过任何适当的装置提供气流， 包括但不限于风扇。如图8所示，在本实用新型的另一实施方式中，通过使用伺服电机，提供无电极等离子体灯的可移动阵列。每个灯通过一允许灯沿期望的方向移动的接头耦接于一伺服电机。球形的(例如)接头是导热的并直接耦接于支撑结构，以确保将热量传递至支撑结构， 从而允许将热量有效地从灯传递走。伺服电机通过一阻热隔离物与接头热绝缘，该阻热隔离物与接头接触，进而控制接头，且将最少的热量传递至伺服电机。伺服电机优选地通过一不用来在每个灯内产生等离子体的独立的电源供电。伺服电机可以关联地通过单个控制系统被控制，或者单独地通过多个控制系统被控制。可移动灯阵列增加了这种等离子体灯阵
1列的应用场合的数量，诸如三维物体的固化、以及在音乐会或剧场照明系统中使用。在又一实施方式中，将光电探测器与阵列一起用来控制光强度等级。该光电探测器设置在阵列的照明范围内。因此，光电探测器的输出信号可控制所发射出的光的强度。一反馈控制系统连接于光电探测器并用来控制传送至灯的射频功率的量小。这样，控制系统确保灯发射出恒定的强度等级的光。图9是根据本实用新型的另一替换实施方式的灯阵列的简化透视图。如图所示，灯阵列将热能和/或电磁辐射引至作为面板示出的媒介。这种媒介可包括经受叠片 (lamination)或测试的太阳能电池板、环氧树脂或光刻胶的退火/固化或其他类似处理、 叠片、和紫外线水处理、以及多种其他处理。在一具体实施方式
中，该阵列可用在快速热退火处理中，如半导体电子器件中所使用的那些处理。通过使用光电探测器和控制器的反馈， 可对于阵列中的每个灯独立地调节射频功率，从而实现期望的照明或发热特征。无电极灯的其他实例和细节可在以Frederick Μ. Espiau,Timothy J. Brockett和 Mehran Matloubian 的名义于 2009 年 6 月 22 日提交的名为 “Electrodeless Lamps with Externally-Grounded Probes and Improved BulbAssemblies，，的 PCT/US2009/048174 中找到，该申请已共同转让，并以引证方式结合于此。尽管以上是具体实施方式
的全面描述，但可以使用各种修改、替换构造及等同物。 因此，以上描述和说明不应该认为是限制本实用新型的范围，本实用新型的范围由所附权利要求限定。
权利要求1.一种无电极等离子体灯阵列设备，其特征在于，所述设备包括从1到X的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN的阵列构造布置，其中M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；多个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，所述多个射频电源中的每个包括射频输出端和控制输入端，所述多个射频电源各自包括从1到X的所述控制输入端；以及控制器，被配置用于所述多个射频电源，并耦接于所述控制输入端，所述控制器被配置成选择性地调节来自所述多个射频电源的射频功率。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括一个或多个光电探测器。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括支撑结构。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括换热器。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括换热器和壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。
7.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述灯通过球形接头并利用伺服电机耦接于所述支撑结构。
8.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述支撑结构包括用以增大用作散热器的所述支撑结构的表面积的鳍片。
9.一种无电极等离子体灯阵列设备，其特征在于，所述设备包括从1到X的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN的阵列构造布置，其中M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；单个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，所述单个射频电源包括射频输出端；以及从1到X的多个控制器，被配置用于所述单个射频电源，所述控制器被配置成选择性地调节被传送至所述阵列内的每个单独的等离子体灯装置的射频功率。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，进一步包括一个或多个光电探测器。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，进一步包括支撑结构。
12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，进一步包括换热器。
13.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，进一步包括壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。
14.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，进一步包括换热器和壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述灯通过球形接头并利用伺服电机耦接于所述支撑结构。
16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述支撑结构包括用以增大用作散热器的所述支撑结构的表面积的鳍片。
17.一种无电极等离子体灯阵列设备，其特征在于，所述设备包括从1到X的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN的阵列构造布置，其中M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；多个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，多个射频电源中的每个均包括射频输出端；以及从1到X的多个控制器，被配置成分别用于所述多个射频电源，所述控制器的每个被配置成选择性地调节被传送至每个等离子体灯装置的射频功率。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，进一步包括一个或多个光电探测器。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，进一步包括支撑结构。
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，进一步包括换热器。
21.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，进一步包括壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。
22.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，进一步包括换热器和壳体，该壳体具有允许加压气体流通过所述设备的多个开口。
23.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述灯通过球形接头并利用伺服电机耦接于所述支撑结构。
24.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述多个控制器利用串级链或网状网络进行通信。
25.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述多个控制器利用电力线网络、无线网络、或有线网络的任意组合进行通信。
26.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述支撑结构包括用以增大用作散热器的所述支撑结构的表面积的鳍片。
27.一种无电极等离子体灯阵列设备，其特征在于，所述设备包括从1到X编号的多个等离子体灯装置，其中X大于1，所述多个等离子体灯装置以MXN 的阵列构造布置，其中M是1以上的整数，且N是2以上的整数；多个射频电源，分别耦接于所述多个等离子体灯装置，多个射频电源中的每个均包括射频输出端；以及至少一个控制器，被配置分别用于所述多个射频电源，所述控制器被配置成选择性地调节被传送至所述多个等离子体灯装置中的每一个的射频功率，以调节从所述多个等离子体灯装置中选择的至少一个等离子体灯装置的色温，用于所述阵列构造中的所述多个等离子体灯装置的显色性。
专利摘要本实用新型提供了一种无电极等离子体灯阵列设备，其利用多个等离子体灯来产生大量的电磁辐射(可见的、红外线、紫外线、或者可见的、红外线、和紫外线的组合)。该设备包括从1到X的以M×N的阵列构造布置的多个等离子体灯装置，其中X大于1，M是至少为1的整数，且N是至少为2的整数；多个射频电源，分别耦接于多个等离子体灯装置，多个射频电源中的每个包括射频输出端和控制输入端，多个射频电源各自包括从1到X的所述控制输入端；以及控制器，被配置用于多个射频电源，并耦接于控制输入端，控制器被配置成选择性地调节来自多个射频电源的射频功率。
文档编号H05B41/36GK202166010SQ20112017062
公开日2012年3月14日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年6月11日
发明者弗雷德里克·M·埃斯皮奥, 迈赫兰·马特路比安, 道格拉斯·A·道蒂 申请人:托潘加科技有限公司