ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК H01J65/04 

Изобретение относится к заявленному в ограничительной части и тем самым относится к осветительному средству.

Под осветительными средствами в данном случае понимают источники оптического излучения в видимом, в ультрафиолетовом или в инфракрасном диапазоне, которые работают от электрической энергии.

В принципе, желательно получать от осветительных средств яркое свечение при разумном расходе энергии. Уже было предложено возбуждать газовый объем за счет подачи электрической высокочастотной энергии до тех пор, пока не возникнет светящаяся плазма.

Устройство для возбуждения плазмы с помощью микроволн известно из DE 10335523 В4, в котором подвод проводника микроволн разветвляется, и на нем выполнены мостиковые электроды, длина которых ведет к смещению фаз микроволн.

Использующее микроволны устройство для возбуждения плазмы известно, например, из US 4908492. Там предлагается цилиндрическое устройство ВЧ-проводников с цилиндрическим наружным проводником и внутренним проводником в форме спирали, между которыми подается энергия микроволн. Внутри катушки в форме спирали должна располагаться газоразрядная трубка. Ограничения габаритов и формы следует исключить, и должен обеспечиваться ввод в газ или же плазму достаточного количества энергии. Упоминается использование в качестве источника света высокой яркости и короткой длины волн в целях оптических реакций.

Из US 5072157 известна структура газоразрядных трубок с устройством возбуждения и с газоразрядными трубками, которая выполнена из проницаемого для света диэлектрического материала. Устройство возбуждения выполнено для того, чтобы возбуждать поверхностные волны в наполнителе газоразрядных трубок. При этом предусмотрена по меньшей мере одна сеть для корректировки импеданса между точкой разрядки и источником высокочастотной мощности.

Из US 4049940, который рассматривается как ближайший уровень техники, известно устройство, в котором плазма создается в газовом столбе за счет возбуждения поверхностной волны высокочастотной энергией. Средство для возбуждения поверхностной волны для ввода высокочастотной энергии распространяется только по одной части газового столба, в возбужденном электрическом поле предоставляется столько мощности, что созданная плазма распространяется за пределы соответствующей части газового столба. В одном примере осуществления газовый столб заключен в продолговатый, изолированный корпус, причем предусмотрены первая металлическая трубка, открытая с обеих сторон, и вторая трубка, которая окружает первую, в результате чего получают коаксиальное расположение.

Хотя возбуждение микроволн газового объема в осветительных средствах из уровня техники в настоящее время предпочтительно и желательно, поскольку, например, можно достичь высокой яркости. Однако недостаток заключается в том, что обычно требуется использование резонансных структур, что противостоит работе с экономическими широкополосными источниками энергии, к тому же часто окружающие структуры вызывают отключение светящегося объема или же необходимо экранирование введенной высокочастотной энергии.

Желательно, по меньшей мере, частично смягчить, по меньшей мере, часть упомянутых проблем.

Эта задача решена в осветительном средстве, содержащем газовый объем, заключенный в стеклянную колбу с образованием светящегося газового пространства, которое по меньшей мере в значительной мере, предпочтительно полностью, свободно от экранирования, и содержащем устройство ввода ВЧ-энергии, предназначенное для возбуждения газового объема с помощью поверхностных волн и содержащее структуру ввода, имеющую коаксиальную оболочку, переднюю плату, соединительную щель для ввода поверхностных волн, а также введенный в газовый объем центральный проводник, гальванически отделенный от структуры ввода и газового объема, расположенный на продольной оси коаксиальной оболочки и на расстоянии от структуры ввода выступающий за коаксиальную оболочку, причем в выступающей за коаксиальную оболочку области центральный проводник еще находится внутри газового объема и тем самым содержится в газовом объеме, что во время работы обеспечивает возможность создания поверхностной волны, проходящей вдоль центрального проводника за пределы структуры ввода, и перевода газового объема в состояние плазмы.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах его формулы.

Тем самым настоящее изобретение в первой основной идее предлагает осветительное средство с газовым объемом и коаксиальным устройством ввода ВЧ-энергии для возбуждения исчезающими (затухающими) полями поверхностных волн, причем предусмотрено, что коаксиальное устройство ввода ВЧ-энергии имеет введенный в газовый объем центральный проводник.

За счет того что используется центральный проводник, то есть расположенный на оси коаксиального устройства ввода ВЧ-энергии, созданный свечением плазмы свет, прежде всего, не затеняется им.

Следует указать на то, что, хотя центральный проводник, предпочтительно, расположен точно по центру на оси коаксиального устройства ввода ВЧ-энергии, возможны отличия, предпочтительно только незначительные отличия от центрального положения. Это удешевляет осветительное средство в той мере, что в случае необходимости требуется меньшая точность изготовления. Но важно, чтобы газовый объем окружал центральный проводник. Так, выходящий из пространства плазмы свет не затеняется структурой ввода.

Предлагаемая структура особо эффективно создает поверхностные волны, что предпочтительно, поскольку поверхностные волны в любом случае имеют незначительное электромагнитное излучение. Согласно этому экранирование практически не требуется, или же в любом случае необходимы только очень незначительные меры по экранированию. Это предпочтительно в том отношении, что экранирование типично ведет к значительному снижению эффективности, то есть коэффициенту полезного действия ламп или же осветительных средств, работающих на микроволнах.

Является возможным и предпочтительным выполнять газовый объем в виде объема под высоким давлением, чтобы служить для освещения. Это действует, прежде всего, в том случае, когда желательно осветительное средство с высокой яркостью, это значит с высокой цветовой температурой и высокой яркостью свечения. Здесь следует, например, упомянуть освещение во внутренних помещениях, причем благодаря подходящим газовым наполнителям и т.п. в случае необходимости также можно достичь желаемой цветовой температуры. Давление внутри ламп высокого давления может составлять несколько бар.

Также следует упомянуть, что данное изобретение также может использоваться для ламп низкого давления, которые работают с давлением в диапазоне до нескольких миллибар. Также и здесь возникающее УФ-излучение может либо как таковое отражаться непосредственно и использоваться, либо преобразовываться флуоресцентными веществами в подходящие для соответствующих целей освещения и/или облучения спектральные диапазоны.

В качестве альтернативы, можно выбрать для газового объема среднее давление, что преимущественно в том случае, если осветительное средство должно создавать коротковолновое оптическое излучение, что означает находящееся в ультрафиолетовом диапазоне излучение, которое должно использоваться непосредственно или преобразовываться, например, посредством обычных флуоресцентных средств в видимое излучение. Таким образом могут быть обеспечены, например, осветительные средства для создания биологически активного излучения, например, для дезинфекции воды в очистительных сооружениях или для пищевой промышленности, так же как и осветительные средства, с помощью которых в системах нанесения лакокрасочного покрытия или подобных им вызываются фотохимические реакции, что приводит, например, к отверждению покрытий, клеев и т.п.

Следует упомянуть, что в осветительных средствах настоящего изобретения очевидным образом, прежде всего, их оболочки, которые обычно выполнены из подходящих сортов стекла, могут быть снабжены флуоресцентными красящими веществами и т.п., чтобы известным на сегодняшний день образом обеспечивать преобразование созданного в осветительном средстве УФ-излучения в желаемые спектральные диапазоны.

Следует указать на то, что в зависимости от желаемого диапазона давления и цели использования осветительное средство может быть соответствующим образом скорректировано. Так, при необходимости, можно выбирать в зависимости от давления различные толщины для окружающих газовый объем колб и/или различные материалы, например в случае УФ-излучателей среднего давления - материалы, которые особо хорошо проницаемы для УФ, например кварцевое стекло. При этом следует указать на то, что газовый объем будет расширяться обычно в продольном направлении, то есть, например, расположен в продольно вытянутом цилиндре или тому подобном.

Коаксиальный трубопровод обычно предназначен для подвода энергии или же для направления энергии в основной моде коаксиального проводника. В этом отношении осветительное средство настоящего изобретения является нерезонансной системой, которая в свою очередь позволяет осветительному средству работать широкополосно, что означает, например, использование широкополосного высокочастотного источника энергии или даже подачу энергии даже импульсно, также короткими импульсами. Существует существенное преимущество по сравнению со структурами объемного резонатора, поскольку там по причине свойства резонатора широкополосное пульсирование невозможно. Тем самым там нельзя создать короткие, а значит, особо широкополосные импульсы. Кроме того, за счет обеспечения возможности нерезонансного возбуждения также можно достичь сниженного в этом отношении требования по точности высокочастотного источника энергии, что опять же снижает затраты.

Еще одно преимущество, которое следует из возможности нерезонансного режима, заключается в том, что для использованных конструктивных деталей не требуется соблюдать особые размеры, чтобы удовлетворять каким-либо резонансным условиям. Это позволяет, прежде всего, использовать очень малые структуры и тем самым создает высокий потенциал миниатюризации. К тому же также в том случае, если, например, частота высокочастотного источника энергии слегка варьируется за счет термических эффектов или тому подобного, не возникает или возникает только незначительное варьирование силы свечения, потому что ввод электромагнитной волны в плазму выполняется на практике в зависимости от частоты.

Структура обычно рассчитывается так, что мощность, которая не требуется для создания плазмы, отражается обратно. При этом следует учитывать, что возможное потребление мощности осветительным средством после запуска варьируется, например, потому, что лампа еще должна разогреться и за счет этого улучшаются процессы, потребляющие энергию, например, потому что давление еще возрастает при нагреве или тому подобных факторов. В лампах высокого давления давление может возрасти до нескольких сотен бар. Саморегулирование за счет отражения мощности является предпочтительным в том отношении, что не требуется предварительно включать регуляторы мощности.

Подача энергии в плазму осуществляется за счет исчезающих полей поверхностной волны, в результате чего гальваническое связывание требуется не обязательно. Особо предпочтительным в предлагаемой структуре тем самым является то, что микроволны имеют значительную мощность только на небольшом расстоянии до центрального проводника, что уменьшает необходимое экранирование. Поэтому центральный проводник может быть гальванически соединен с газовым объемом, но это не является обязательным. Более того, предпочтительно, если центральный проводник не соединен гальванически с газовым объемом, а гальванически отделен от него. Это предлагает преимущества, поскольку центральный проводник при гальваническом отделении от газового объема также не может соприкоснуться с плазмой. Согласно этому агрессивное воздействие плазмы на центральный проводник, как это обычно для электродов, не возможно, что улучшает срок службы.

В особо предпочтительном варианте центральный проводник выступает за коаксиальную оболочку. При этом центральный проводник в выходящей за коаксиальную оболочку области все еще, предпочтительно, находится внутри газового объема. Тем самым центральный проводник находится в газовом объеме.

Газовое светящееся пространство может быть, по меньшей мере, в значительной мере, предпочтительно полностью, свободным от экранирования. В собственно структуре соединения может происходить возбуждение плазмы и образование поверхностных волн, причем образовавшаяся поверхностная волна вдоль центрального проводника может выходить за экранирование структуры соединения вдоль центрального проводника, и причем за счет выступания центрального проводника за окружающую его изначально коаксиальную оболочку обеспечена полная свобода от экранирования. Поскольку не требуется экранировать никакие высокочастотные волны, свет там также и не затеняется.

Объектом изобретения является также способ эксплуатации предлагаемого в изобретении осветительного средства, предусматривающий широкополосный или импульсный ввод высокочастотной энергии в газовый объем посредством коаксиального центрального проводника, прежде всего в случае структуры, как она описана в US 4049940, но там без предлагаемого коаксиального центрального проводника.

Далее изобретение описывается только в качестве примера со ссылкой чертеж, на котором показана структура подачи для осветительного средства предлагаемого изобретения.

Осветительное средство 1 включает в себя газовый объем 2 и коаксиальное устройство 3 ввода ВЧ-энергии для возбуждения газового объема 2 с помощью поверхностных волн, причем коаксиальное устройство 3 ввода ВЧ-энергии имеет введенный в газовый объем 2 центральный проводник 4.

В данном случае осветительное средство 1 заполнено как осветительное средство низкого давления газом в 30 мбар, здесь, например, аргоном. Газовый объем 2 заключен в вытянутую стеклянную колбу 2а, которая на чертеже только намечена штриховкой. Стеклянная колба при этом не заходит внутрь структуры ввода, а только доходит до нее вплотную. Таким образом предотвращается короткое замыкание подаваемой на внутренний проводник энергии микроволн под воздействием плазмы. В этом стеклянном цилиндре 2а находится центральный проводник 4, гальванически отделенный от остальной структуры ввода.

Структура ввода в данном случае, без учета центрального проводника 4, выполнена так, как сама по себе описана в US 4049940. Здесь также предусмотрено коаксиальное устройство 3а подачи энергии, которое соединено внутри соединительного пространства 3b с емкостной соединительной платой 3c, которая местами плотно приближается к коаксиальной оболочке 3d. Коаксиальная оболочка 3d имеет ось, по которой проходит центральный проводник 4 и соответственно образует с центральным проводником коаксиальное устройство ввода ВЧ-энергии. Структура ввода также имеет соединительную щель 5 для подвода поверхностной волны и переднюю плату 6. Как показывает сравнение с US 4049940, данная структура тем самым отличается от уровня техники, прежде всего, за счет дополнительного центрального проводника 4. Эта публикация в остальном включается в полном объеме в целях раскрытия.

Структура работает следующим образом.

Посредством коаксиального устройства 1 подачи из источника ВЧ-энергии (не показан), который может быть образован в остальной части осветительного средства или отдельно, энергия через коаксиальное устройство подачи и емкостное соединение направляется к газовому объему 2. Емкостное соединение подает энергию в коаксиальную структуру из коаксиальной оболочки 3d и центрального проводника 4 для передачи энергии в основной коаксиальной моде.

За счет поданной энергии вдоль центрального проводника образуется поверхностная волна, которая проходит вдоль центрального проводника за пределы структуры ввода и тем самым также входит в область продолговатой стеклянной колбы вне собственно структуры ввода, это значит проходит за ту сторону передней платы 6, и газовый объем приводится в состояние плазмы.

Ввод выполняется без необходимости соблюдения резонансных условий, в результате чего без проблем возможен импульсный режим. Измерения показали, что не излучается значительной микроволновой мощности.

Хотя выше описывалось использование колбы из стекла, это не является обязательным. Прежде всего, но не исключительно, например, в лампах высокого давления возможно использование подходящих керамик. Также, скорее, возможно использование гальванически не отделенного внутреннего проводника для осветительного средства высокого давления с керамическими изоляторами.

Обобщая, были описаны осветительное средство и способ для эксплуатации осветительного средства, в котором высокочастотные волны вводятся в газовый объем для создания и сохранения плазмы при только незначительном затенении, достигается небольшая конструкция, обеспечивается широкополосная трансмиссивность для высокочастотных волн в конструктивной детали, очень мало собственное потребление или же потребление на холостом ходу и высокочастотная волна может без проблем подаваться внутрь осветительного средства.

Изобретение относится к осветительному средству с газовым объемом и коаксиальным устройством ввода ВЧ-энергии для его возбуждения с помощью поверхностных волн. При этом предусмотрено, что коаксиальное устройство (3) ввода ВЧ-энергии имеет введенный в газовый объем (2) центральный проводник (4), гальванически отделенный от структуры ввода и газового объема, расположенный на продольной оси коаксиальной оболочки и на расстоянии от структуры ввода выступающий за коаксиальную оболочку, причем в выступающей за коаксиальную оболочку области центральный проводник еще находится внутри газового объема и тем самым содержится в газовом объеме, что во время работы обеспечивает возможность создания поверхностной волны, проходящей вдоль центрального проводника за пределы структуры ввода, и перевода газового объема в состояние плазмы. Технический результат- повышение эффективности осветительного средства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Осветительное средство (1), содержащее газовый объем (2), заключенный в стеклянную колбу (2а) с образованием светящегося газового пространства, и устройство (3) ввода ВЧ-энергии, предназначенное для возбуждения газового объема с помощью поверхностных волн и содержащее структуру ввода, имеющую коаксиальную оболочку (3d), переднюю плату (6) и соединительную щель (5) для ввода поверхностных волн, отличающееся тем, что устройство (3) ввода ВЧ-энергии также содержит введенный в газовый объем центральный проводник (4), гальванически отделенный от структуры ввода и газового объема, расположенный на продольной оси коаксиальной оболочки и на расстоянии от структуры ввода выступающий за коаксиальную оболочку, причем в выступающей за коаксиальную оболочку области центральный проводник еще находится внутри газового объема и тем самым содержится в газовом объеме, что во время работы обеспечивает возможность создания поверхностной волны, проходящей вдоль центрального проводника за пределы структуры ввода, и перевода газового объема в состояние плазмы.

2. Осветительное средство по п. 1, отличающееся тем, что:
- либо газовый объем является газовым объемом под высоким давлением и при этом, предпочтительно, предназначен для светильников с высокой яркостью,
- либо газовый объем является газовым объемом под низким давлением и осветительное средство предназначено для целей создания УФ и/или целей освещения,
- либо газовый объем является газовым объемом под средним давлением и при этом, предпочтительно, осветительное средство предназначено для создания биологически и/или химически активного излучения, прежде всего для дезинфекции воды с помощью УФ-излучения.

3. Осветительное средство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что устройство (3) ввода ВЧ-энергии выполнено с коаксиальным проводником, предназначенным для подвода энергии и/или направления энергии в основной моде.

4. Осветительное средство по п. 3, отличающееся тем, что оно выполнено для возбуждения газового объема с помощью нерезонансной энергии.

5. Осветительное средство по п. 2, отличающееся тем, что устройство ввода ВЧ-энергии выполнено для ввода импульсной энергии и/или широкополосной ВЧ-энергии и/или включает в себя импульсный или широкополосный источник ВЧ-энергии.

6. Осветительное средство по п. 5, отличающееся тем, что оно предназначено для саморегулирования за счет отражения мощности.

7. Осветительное средство по одному из пп. 1, 2, 4-6, отличающееся тем, что светящееся газовое пространство свободно, предпочтительно полностью свободно, от экранирования.

8. Осветительное средство по п. 3, отличающееся тем, что светящееся газовое пространство свободно, предпочтительно полностью свободно, от экранирования.

9. Способ эксплуатации осветительного средства по одному из предыдущих пунктов, характеризующийся тем, что ВЧ-энергию вводят широкополосно и/или импульсно.