БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ РАЗРЯДНАЯ ЛАМПА Российский патент 2000 года по МПК H01J65/04 H01J65/00 

Изобретение относится к осветительным приборам, а именно к электроразрядным лампам, источником свечения в которых является плазма, образующаяся при электрическом разряде в газовой среде. Настоящая лампа может использоваться для освещения открытых площадок и помещений преимущественно большой площади.

Безэлектродные разрядные лампы различных конструкций известны. Их бесспорным преимуществом по сравнению с другими лампами является большой, практически неограниченный срок стабильной работы, т.к. в образовании и поддержании электрического разряда в лампе не принимают участия электроды. Электрический разряд поддерживается в этих лампах с помощью внешнего высокочастотного электромагнитного поля.

Так, известна, например, безэлектродная лампа, состоящая из кварцевой колбы, наполненной газом, содержащим пары редкоземельных металлов или их соединений (например, галогениды названных металлов) [Патент США N 4206387]. Колбу снаружи обвивает катушка индуктивности, соединенная с источником электрической энергии. При пропускании переменного тока через катушку возникает электромагнитное поле, которое посредством индукции поддерживает электрический разряд в газе, наполняющем колбу. Частота внешнего магнитного поля находится в диапазоне - 100 МГц-300 ГГц. В разряде постоянно протекает ионизация молекул газа, образуется плазма, которая дает необходимое свечение в видимом диапазоне.

Известен также способ получения безэлектродного газового разряда как интенсивного источника света [Патент США N 3763392]. Этот способ включает помещение плазмообразующего газа - ксенона в кварцевый сферический контейнер при давлении в нем не ниже 1 атм и воздействие на контейнер снаружи электромагнитной энергией радиочастотного диапазона так, что создается индукционное поле, проходящее через контейнер, происходит ионизация плазмообразующего газа до плазменного состояния, свечение плазмы и отделение ее от стенок контейнера.

Известна безэлектродная разрядная лампа, конструкция которой основывается на описанном выше способе [Патент США N 5519285]. Она состоит из герметично закрытой колбы сферической формы, наружная стенка которой проницаема для света и ограничивает внутреннее пространство этой колбы. Во внутреннем пространстве содержится разрядный газ, в состав которого входят галогениды редкоземельных металлов. Сферическую колбу снаружи охватывают витки внешней индукционной катушки, генерирующей высокочастотное электромагнитное поле, которое воздействует на разрядный газ в ее внутреннем пространстве. Индукционная катушка снабжается высокочастотным током от источника электрической энергии. Для создания предварительного разряда в разрядном газе, наполняющем внутреннее пространство колбы, лампа снабжена предварительным разрядным средством, которое состоит из электрода, выполненного из фольги благородных металлов - золота, платины, серебра, один конец которого находится во внутреннем пространстве колбы а другой заземлен. На этот электрод подается напряжение от дополнительного источника электрической энергии при включении лампы. При этом в колбе возникает предварительный разряд, приводящий к начальной ионизации газа. Затем в ионизованном газе посредством внешнего электромагнитного поля, создаваемого внешней индукционной катушкой и проникающего через поверхность колбы, происходит основной разряд, который принимает форму тора внутри колбы. Это рабочее состояние лампы, когда светящаяся плазма - источник света, имеет форму тора. По наибольшему количеству сходных признаков эта лампа принята за прототип изобретения.

В прототипе, равно как и в других безэлектродных разрядных лампах, уровень рабочих частот внешнего электромагнитного поля очень высок - находится в УКВ радиодиапазоне. При этих частотах, во-первых, велики потери энергии, во-вторых, источники электроэнергии такой частоты дороги, что означает высокую стоимость таких ламп при невысоком КПД. Также лампы известных конструкций имеют ограничения по протяженности и конфигурации участков, свободных от витков внешней индукционной катушки, которые по сути являются рабочими светоиспускающими частями лампы.

Изобретение решает задачу создания безэлектродных разрядных ламп большой мощности, с протяженными рабочими светоиспускающими участками, более высоким относительно ранее известных ламп КПД и более низкой стоимостью.

Поставленная задача решается тем, что предлагается безэлектродная разрядная лампа, состоящая из колбы, выполненной в форме трубчатого кольцеобразного тела со светопроницаемыми стенками, ограничивающими ее внутреннее пространство; разрядного газа, герметично изолированного во внутреннем пространстве колбы; внешнего кольца, выполненного из магнитопроводящего материала и надетого на колбу, внешней индукционной катушки, обвивающей это кольцо хотя бы одним витком, для генерирования переменного электрического поля во внутреннем пространстве колбы и источника электрической энергии, снабжающего переменным электрическим током внешнюю индукционную катушку.

Колба лампы выполнена, например, из кварцевой трубы, изогнутой таким образом, что она образует замкнутое кольцеобразное тело, а ее внутреннее пространство также принимает кольцеобразную форму.

Снаружи на кварцевую трубу надето с зазором кольцо из магнитопроводящего материала.

Вокруг этого кольца навита внешняя индукционная катушка, подключенная к источнику электрической энергии.

В качестве разрядного газа в лампе может быть использован любой подходящий газ, например инертные газы - аргон, ксенон, неон и другие. Плазма внутри колбы, наполненной этим газом, дает интенсивный свет, пригодный для освещения. Для улучшения световых характеристик лампы к инертному газу добавляется рабочее вещество или смесь таких веществ. Так, при добавлении в разрядный газ элементарной серы свечение лампы приобретает характеристики, близкие к спектральным характеристикам Солнца. Добавление редкоземельных металлов или их соединений, например их галогенидов (NdI3,Csl, NaI и другие), окрашивает плазму в другие желаемые цвета, что также позволяет получать свет, близкий к дневному. При добавлении ртути или ее соединений лампа активно излучает ультрафиолетовый свет и ее можно использовать как бактерицидное средство.

В тех случаях, когда для включения лампы необходимо создать предварительную ионизацию газа во внутреннем пространстве колбы, она оснащается средством для этого, которое состоит из пары электродов, установленных в названном пространстве на расстоянии друг от друга. Средство для предварительной ионизации газа во внутреннем пространстве колбы требуется не всегда. Во многих случаях газ бывает достаточно ионизован сам по себе, например это характерно для паров ртути, и для включения лампы достаточно индуцированного напряжения.

С той же целью лампа может быть снабжена по крайней мере одним дополнительным кольцом из магнитопроводящего материала и по крайней мере одной внешней индукционной катушкой, соединенной с дополнительным источником электрической энергии. В этом случае ионизация под воздействием внешнего магнитного поля будет протекать значительно быстрее и время на "разогрев" лампы минимизируется. Также дополнительное кольцо из магнитопроводящего материала и внешняя индукционная катушка, соединенная с дополнительным источником электрической энергии, служат средством для поддержания устойчивой работы лампы при большой протяженности колбы.

Лампа описываемой конструкции может работать при значительно более низких, чем описанные выше, частотах. Источник электрической энергии, снабжающий внешнюю индукционную катушку переменным электрическим током, имеет частоту 20-100 кГц.

Внутреннее пространство колбы целесообразно снабдить контейнером для твердого и/или жидкого рабочего вещества, если разрядный газ дополнительно содержит рабочее вещество. Этот контейнер должен быть оснащен средством для его нагревания. В рабочем режиме лампы рабочее вещество быстро испаряется из контейнера под воздействием внешнего нагревателя и поступает в плазму, обеспечивая соответствие свечения требуемым характеристикам. При выключении внешнего нагревателя контейнера рабочее вещество скапливается на холодной стенке контейнера, после этого лампа может быть выключена. Лампа может работать при давлении разрядного газа во внутреннем пространстве колбы 10^-1 - 100 мм рт. ст. в зависимости от других характеристик - частоты источника электрической энергии; состава разрядного газа и др.

Работа лампы сопряжена с высокими температурами, поэтому температура колбы может достигать высоких значений. Однако стабильное и эффективное функционирование важной ее детали - кольца из магнитопроводящего материала возможно только при низких температурах. Поэтому названное кольцо (или кольца) надевается на трубу с зазором. В случае, если этого зазора недостаточно для поддержания температуры кольца, оно дополнительно охлаждается водой.

Лампа работает следующим образом.

Колба выполнена в форме кольца из кварцевой трубы круглого сечения. Внутреннее пространство колбы имеет кольцеобразную форму и герметично закрыто. Во внутреннее пространство колбы помещены пары ртути. На кварцевую трубу надето магнитопроводящее кольцо. Вокруг этого кольца намотана внешняя индукционная катушка из проводящей электрический ток проволоки, которая соединена с источником тока. При включении лампы происходит подача напряжения на внешнюю индукционную катушку от основного источника питания. Внешняя катушка индуцирует переменное магнитное поле, которое локализуется в магнитопроводящем кольце. Переменное магнитное поле, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует переменное электрическое поле в контуре, охватывающем силовые линии магнитного поля. Поскольку внутреннее пространство колбы охватывает магнитопроводящее кольцо (в котором сосредоточены силовые линии переменного магнитного поля), то переменное электрическое поле, направленное вдоль оси колбы, приводит к электрическому пробою начально ионизованного газа и далее электрический разряд поддерживается под действием внешнего переменного магнитного поля в магнитопроводящем кольце. Так образуется замкнутый плазменный шнур по всей длине внутреннего пространства кольцеобразной колбы, который является источником света в лампе.

Если в конструкции лампы предусмотреть некоторые усовершенствования относительно базового решения, то она может работать следующим образом Колба выполнена в форме прямоугольного, замкнутого подобно кольцу тела из кварцевой трубы круглого сечения. Внутреннее пространство колбы имеет кольцеобразную форму и герметично закрыто. Во внутреннее пространство колбы помещен аргон при давлении до 5 мм рт. ст. В контейнер для рабочего вещества, который имеет форму углубления в стенке трубы с ее внутренней стороны и соответственно выступа - с внешней, помещена твердая элементарная сера. Контейнер снабжен внешней спиралью накаливания с внешней стороны трубы, соединенной с источником тока, которая нагревается при прохождении через нее тока, это тепло передается сере и она испаряется. На трубу надето магнитопроводящее кольцо. Вокруг этого кольца намотана внешняя индукционная катушка из проводящей электрический ток проволоки, которая соединена с источником тока частотой 20-100 кГц. Во внутреннем пространстве колбы установлены в противоположных углах прямоугольника пусковые электроды, соединенные с источником электрической энергии.

При включении лампы происходит одновременно подача напряжения на пусковые электроды от вспомогательного высоковольтного трансформатора и на внешнюю индукционную катушку от основного источника питания. При этом между пусковыми электродами возникает электрический разряд тлеющего типа, приводящий к начальной ионизации газа во внутреннем пространстве колбы. Внешняя катушка индуцирует переменное магнитное поле, которое локализуется в магнитопроводящем кольце. Переменное магнитное поле, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует переменное электрическое поле в контуре, охватывающем силовые линии магнитного поля. Поскольку внутреннее пространство колбы охватывает магнитопроводящее кольцо (в котором сосредоточены силовые линии переменного магнитного поля), то переменное электрическое поле, направленное вдоль оси колбы, приводит к электрическому пробою начально ионизованного газа. После этого подача напряжения на пусковые электроды прекращается и электрический разряд поддерживается исключительно под действием внешнего переменного магнитного поля в магнитопроводящем кольце. Так образуется замкнутый плазменный шнур по всей длине внутреннего пространства кольцеобразной колбы, который является источником света в лампе.

На чертеже изображена описываемая лампа, где 1 - внешняя индукционная катушка, соединенная с источником электрической энергии, 2 - кольцо из магнитопроводящего материала, 3 - колба из светопроницаемого материала, выполненная в форме изогнутой в виде прямоугольника трубы, 4 - внутреннее пространство колбы, куда помещается разрядный газ.

Из чертежа и предыдущего описания видно, что рабочая часть лампы, непосредственно дающая освещение, имеет большую протяженность и может иметь любую геометрическую форму: правильную и неправильную - в зависимости от потребностей. Например, для освещения большой площадки она может огибать периметр этой площадки, полностью повторяя его форму.

При этом лампа не требует источника радиочастот УКВ-диапазона и работает при частотах в сотни и тысячи раз ниже, чем ранее известные, что снижает стоимость ее и повышает КПД.

Изобретение относится к осветительным приборам, а именно к разрядным лампам, источником свечения в которых является плазма, образующаяся при электрическом разряде в газовой среде. Настоящая лампа может использоваться для освещения открытых площадок и помещений преимущественно большой площади. Технический результат заключается в создании безэлектродных разрядных ламп большой мощности, с протяженными рабочими светоиспускающими участками, высоким относительно ранее известных ламп КПД и более низкой стоимостью. Безэлектродная разрядная лампа содержит колбу, выполненную в форме трубчатого кольцеобразного тела, стенки которой светопроницаемы и ограничивают ее внутреннее кольцеобразное пространство, разрядный газ, заполняющий внутреннее пространство колбы, внешнюю индукционную катушку для генерирования переменного магнитного поля во внутреннем пространстве колбы, которая хотя бы одним витком охватывает кольцо из магнитопроводящего материала, надетого на названную колбу, и источник электрической энергии, снабжающий переменным электрическим током внешнюю индукционную катушку. Разрядным газом, заполняющим внутреннее пространство колбы, является газ из ряда инертных, к которому могут быть добавлены пары рабочих веществ (серы, редкоземельных металлов, галогенидов этих металлов, ртути и др.). 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Безэлектродная разрядная лампа, включающая колбу, стенки которой светопроницаемы и ограничивают ее внутреннее пространство, разрядный газ, заполняющий внутреннее пространство колбы, внешнюю индукционную катушку для генерирования переменного магнитного поля, источник электрической энергии, снабжающий переменным электрическим током внешнюю индукционную катушку, отличающаяся тем, что колба выполнена в форме трубчатого кольцеобразного тела с кольцеобразным внутренним пространством, а внешняя индукционная катушка охватывает по крайней мере одним витком кольцо из магнитопроводящего материала, которое надето с зазором на названную колбу. 2. Безэлектродная разрядная лампа по п.1, отличающаяся тем, что разрядным газом, заполняющим внутреннее пространство колбы, является газ из ряда инертных. 3. Безэлектродная разрядная лампа по п.2, отличающаяся тем, что разрядный газ дополнительно содержит пары рабочего вещества. 4. Безэлектродная разрядная лампа по п.3, отличающаяся тем, что рабочим веществом, содержащимся в разрядном газе, является сера. 5. Безэлектродная разрядная лампа по п.3, отличающаяся тем, что рабочим веществом, содержащимся в разрядном газе, являются редкоземельные металлы. 6. Безэлектродная разрядная лампа по п.3, отличающаяся тем, что рабочим веществом, содержащимся в разрядном газе, являются галогениды редкоземельных металлов. 7. Безэлектродная разрядная лампа по п.3, отличающаяся тем, что рабочим веществом, содержащимся в разрядном газе, является ртуть или ее соединения. 8. Безэлектродная разрядная лампа по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена средством для создания предварительного электрического разряда во внутреннем пространстве колбы, которое состоит из пары электродов, установленных в названном пространстве на расстоянии друг от друга. 9. Безэлектродная разрядная лампа по п.1, отличающаяся тем, что источник электрической энергии снабжает внешнюю индукционную катушку переменным электрическим током частотой 20 - 100 кГц. 10. Безэлектродная разрядная лампа по п.3, отличающаяся тем, что внутреннее пространство колбы снабжено контейнером для твердого и/или жидкого рабочего вещества, оснащенным средством для его нагревания. 11. Безэлектродная разрядная лампа по п.1, отличающаяся тем, что давление разрядного газа во внутреннем пространстве колбы 10^-1 - 100 мм рт.ст. 12. Безэлектродная разрядная лампа по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по крайней мере одним дополнительным кольцом из магнитопроводящего материала и по крайней мере одной внешней индукционной катушкой, соединенной с дополнительным источником электрической энергии. 13. Безэлектродная разрядная лампа по п.1 или 12, отличающаяся тем, что кольцо из магнитопроводящего материала охлаждается водой.