專利名稱：電介質阻擋層放電燈的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電介質阻擋層放電燈。
背景技術：
目前已知的和商業上可得到的低壓放電燈大部分是所謂的緊湊型熒光燈。這些燈填充有包含少量汞的氣體。由于汞是極其有毒的物質，因此最近已經研制出各種新型燈。一種代替充汞熒光燈的極具前景的選擇是所謂的電介質阻擋層放電燈(簡稱DBD燈)。除可以消除汞外，這種電介質阻擋層放電燈還可以提供長壽命和可忽略的預熱時間的優點。
正如在例如美國專利US6,060,828中所詳細描述的，DBD的工作原理基于的是惰性氣體(典型為氙)內的氣體放電。這種放電通過一對電極來維持，至少一個電介質層位于該對電極之間。具有頻率在kHz范圍內的幾kV的電壓施加在該電極對上。通常，具有第一極性的多個電極與具有相反極性的單個電極相聯合。放電期間，在氣體內產生受激準分子(受激分子)，并且當亞穩態的受激準分子分解(dissolve)時發出電磁輻射。這些受激準分子的電磁輻射被適當的發光材料經過類似于在充汞熒光燈中發生的物理過程轉化成可見光。這種類型的放電也稱作電介質阻礙放電。
如上所述，DBD燈必須具有至少一個電極組，該至少一個電極組用電介質與放電氣體分開。已知的是可以利用放電容器的壁本身作為電介質。這樣，可以避免薄膜電介質層。從而這是有利的，因為薄膜電介質層難以制作而且易于惡化。已經提出多種放電容器電極結構來滿足這樣的要求。美國專利US5,994,849披露了一種平面結構，其中放電容器的壁用作電介質。具有相反極性的電極彼此交替地設置。這種配置所具有的優點在于電極不會從至少一側覆蓋著放電容積，而被用來在電極之間設立電場的能量的大部分卻可以從放電容器消散。但是，另一方面，平面燈的結構不能被用在為傳統白熾燈泡而設計的大多數現有的燈座和燈罩內。
美國專利US6,060,828和US5,714,835披露了基本為圓柱形的DBD光源，該光源適合用于傳統的擰入式燈座。這些燈在放電容積內具有單個內電極，該放電容積在放電容器的外表面上被幾個外電極環繞。已經發現，這樣的電極結構并不提供充分同質的光，因為在相對較大放電容積內的放電易于變得不均勻。而且，某些容積部分實際上完全沒有產生有效的放電，特別是遠離兩個電極的那些容積部分。
美國專利US6,777,878披露了具有伸長電極的DBD燈結構，這些伸長電極設置在圓柱形放電容器的壁的內部上并用電介質層覆蓋。在這種結構中，這些電極彼此之間具有相對大的距離，因而需要極高的電壓來啟動點火。為了克服冷啟動的困難，建議在伸長圓柱形放電容器的一端處設置外金屬環。然而，盡管這種燈結構屬于具有傳統伸長圓柱形的DBD燈組，但是卻不能用作白熾燈的替代品。
相應地，就需要一種具有改進放電容器電極結構的DBD燈結構，使得點火容易啟動并易于保持有效，同時不需要高的工作電壓。另外，還需要一種改進的放電容器電極結構，其能夠確保有用放電容積內的電場和放電是同質且強烈的，從而基本上使燈的整個容積可以被有效地使用。因此，期望提供一種DBD燈，除具有改進的放電容器電極設置外，該燈可以相對簡單地制造。而且，期望提供一種放電容器電極結構，根據所用放電氣體、激發電壓、頻率以及激發信號形狀的性質，該放電容器電極結構可以很容易地支持不同類型的電極組結構。另外，為了提供較高的亮度和效率，所提出的電極配置應當將電極的自屏蔽效應降至最小。
發明內容
在本發明的一個例舉性實施方案中，一種電介質阻擋層放電燈包括具有主軸的放電容器，該放電容器封閉著充滿放電氣體的放電容積。該放電容器還包括被所述主軸橫切的端部。至少一個第一類型的電極和至少一個第二類型的電極位于該燈內。所述一個類型的電極被通以電流以用作陰極，所述另一個類型的電極被通以電流以用作陽極。所述電極基本上是直線形伸長的電極，其具有的縱軸基本上平行于所述放電容器的主軸。所述電極設置在所述放電容積內。所述至少一個類型的電極被電介質層隔離開所述放電容積。
在本發明另一方面的例舉性實施方案中，一種電介質阻擋層放電燈包括具有主軸的放電容器，該放電容器封閉著充滿放電氣體的放電容積。該放電容器還包括被所述主軸橫切的端部。第一類型的電極和第二類型的電極位于所述燈內。所述一個類型的電極被通以電流以用作陰極，所述另一個類型的電極被通以電流以用作陽極。所述電極基本上是直線形伸長的電極，其縱軸基本上平行于所述放電容器的主軸。所述這些電極成組地設置在所述放電容積內，所述組的每一個包括所述第一類型的一個電極和所述第二類型的至少一個電極。所述至少一個類型的電極被電介質層隔離開所述放電容積。
本發明所公開的這種DBD燈比現有技術具有以下幾個優點。可以確保全部使用可用的放電容積來容納兩種類型的電極(陰極和陽極)，并且沒有任何其它的元件設置在放電容器內，從而不會減少有用的放電容積并且不會引起某種屏蔽效應。不同類型的電極設在放電容器內并且彼此平行的這種設置將能夠使用輸出具有kHz范圍內頻率的1-5kV出射電壓的電源。電場的力線的密度大體上比已知傳統的采用外部電極的傳統燈結構的要高。依照本發明的燈可以高效率地工作。除此之外，這種燈還可以提供均勻同質的容積放電，以及較大的照明表面。
參看所附的視圖將說明本發明進一步的細節和優點，在附圖中圖1是具有封閉著不同類型的兩個電極的圓柱形放電容器的電介質阻擋層放電燈的橫截面頂視圖；圖2是具有圖1所示圓柱形放電容器的電介質阻擋層放電燈的橫截面側視圖；圖3是具有不同放電容器和電極設置的DBD燈的另一個實施方案的橫截面頂視圖；圖4是具有圖3所示平坦放電容器的DBD燈的橫截面側視圖；圖5具有封閉著四個電極的圓柱形放電容器的DBD燈的另一個實施方案的橫截面頂視圖；圖6是具有封閉著四個電極的圓柱形放電容器的DBD燈的又一個實施方案的橫截面頂視圖；圖7是具有封閉著一個電極陣列的圓柱形放電容器的DBD燈的再一個實施方案的橫截面頂視圖；圖8是具有封閉著一個電極陣列的圓柱形放電容器的DBD燈的另一個實施方案的橫截面頂視圖；圖9具有相同類型的電極彼此互連并連接在電源上的電極設置的示意性側視圖。
參考數字列表1燈2放電容器3(第一類型)電極4(第二類型)電極5電介質層6主軸7電源8導體9導體10電源電壓a(電介質層的)厚度A(兩個電極之間的)距離d(電極的)直徑具體實施方式
現在參看圖1和2，示出低壓放電燈1的示意性視圖。該燈是電介質阻擋層放電燈(以下也稱作DBD燈)，該放電燈具有的單個放電容器2也用作DBD燈的外殼。放電容器2封閉著充滿放電氣體的放電容積。放電容器的壁上可以涂覆發光層，以將受激氣體發出的短波輻射轉換成可見光。在所示的實施方案中，放電容器基本為圓柱形，并由透明材料制成，該透明材料可以是軟玻璃或硬玻璃，或者可以是對燈發出的波長透明的任何陶瓷材料。為保持較高安全性的原因，還可以采用一單獨的外部外殼(未示出)，該單獨的外部外殼可以由與放電容器相同的材料制成，或者可以由對燈發出的波長透明的任何塑料材料制成。放電容器2和外部的外殼(如果使用的話)由燈座(未示出)機械支撐，該燈座還容納著燈1的接觸端點，燈座可以是標準的插入式、擰入式或卡口燈座。燈座還可以裝有輸出50-200kHz頻率的1-5kV電壓的已知類型的電源，其詳細內容不必在此加以說明。用于DBD燈的電源的工作原理例如披露在美國專利US5,604,410中。
在放電容器2的內部，兩個不同類型的電極3和4設置得基本彼此平行，并且基本平行于放電容器2的主軸6。這些電極被電源(未示出)通以電流，以用作陽極和陰極。這兩個電極都被引導穿過放電容器的同一個端部，從而提供電極與電源之間較方便的連接。該兩個電極中的一個被電介質層5與放電容積隔開。由于DBD燈的工作原理，在不同類型的電極之間必須有電介質隔離層，該電介質隔離層可以避免形成連續電弧。為此，用圖1和2所示的電介質層可足以隔離該兩個電極中的一個。作為電介質層，任何具有足夠高電介質常數并且可以與電極和放電容器結合起來的材料都可以使用。為了沿電極提供同質放電，電介質層沿著放電容器內的電極具有相同的厚度a。電介質層的厚度應當保持得盡可能低，可以大約為0.25mm。若用作電介質層的材料和放電容器的材料相同，則在放電容器的饋通區域內比較容易提供氣密封。
在該提出的實施方案中，這些電極是由良好的導體材料如銀或銅制成的直線形伸長的棒狀導線。電極的直徑d優選為大約1mm。也可以使用管狀電極，以減少制造電極所用的材料和重量。平行電極3和4之間的距離A并不嚴格要求，但是隨著該距離的增加，激勵電壓的大小也隨著增加。對于2-5kV的激勵電壓，已經發現2mm和5mm的電極距離A是合適的。為了使激勵電壓不超出3kv的限制，不同類型的相鄰電極3和4之間的距離A不應超過3mm。該電極距離也稱作放電間隙，其值影響著放電容器2內放電過程的一般參數。
圖3和4示出具有不同放電容器電極結構的DBD燈。在放電容器2的內部，不同類型的兩個電極3和4設置得基本上彼此平行，并且平行于放電容器2的主軸6。這些電極被電源(未示出)通以電流，以用作陽極和陰極。這兩個電極被引導穿過放電容器相對的端部，從而提供在端部的饋通區域處較方便地將電極固定到放電容器上。與圖1和2不同，在圖3和4示出的這個實施方案中，該兩個電極都被電介質層5與放電容積隔離開。如上所述，也可以不必要向該兩類電極都施加電介質層，但是當在放電容器的饋通區域內形成氣密封時這可能是有利的。與第一實施方案的另一個不同之處在于該放電容器具有帶有略圓形角區域的矩形橫截面。這種放電容器配置可以用來提供更加同質分布的電場，同時還可以在放電容器2內提供更加同質的氣體激發。已經發現，通過增加電極的數目，可以提高電場的同質性，并因而提高放電分布的同質性。接下來的實施方案示出具有至少一種類型的一個電極的不同電極配置。
在圖5和6中，示出具有不同類型的四個電極的DBD燈。在圖5示出的實施方案中，有第一類型的一個電極3(陽極/陰極)和圍繞著該第一類型電極的第二類型的三個電極4(陰極/陽極)。若第二類型的這些電極4與第一類型的電極3之間的距離不同，則放電在彼此相鄰設置的不同類型的電極之間產生。若第二類型的這些電極4與第一類型的電極3之間的距離相同，則放電在第一類型的電極3與第二類型的電極4之間隨機產生，由此在放電容器內提供更加同質的放電分布。為了在所有電極3和4之間產生放電，還很重要的是這些電極的參數(厚度，長度，電介質隔離)應當相同。在這種配置中，四個電極構成一個組，每次只有一對有效的電極產生放電。在圖6示出的實施方案中，在放電容器2內有第一類型的兩個電極(陽極/陰極)和第二類型的兩個電極(陰極/陽極)。在這種配置中，兩個不同類型的電極構成一組(對)電極，只有一個電極分配給兩種類型中的一個，從而可以同時(在每個激發間隔內)確立兩個放電路徑。根據可以同時產生兩個放電路徑這樣的事實，相對于圖5所示具有相同數目電極的實施方案，這種配置的亮度可以加倍。如果一對電極之間的距離小于各對電極之間的距離，則將形成兩個恒定的放電路徑。然而，如果該四個電極配置在正方形的四個拐角點處，如圖6所示，例如一對電極之間的距離與各對電極之間的距離相同，則將形成可以產生更加同質氣體激發的放電路徑。
如果在放電容器內使用幾組電極的電極陣列，則可以獲得更好亮度的DBD燈。在這樣的位于放電容器內的幾組電極陣列中，同時放電(concurrentdischarge)路徑的數目等于陣列內組的數目。每組包括第一類型的一個電極(陽極/陰極)和第二類型的至少一個電極(陰極/陽極)。若一組電極內各個電極之間的距離不同，則放電發生在彼此相鄰設置的不同類型的電極之間。若不同類型的電極之間的距離相同，則放電隨機發生在第一類型的電極與第二類型的電極之間，由此在放電容器內部提供更加同質的放電分布。為了在每個電極之間產生放電，還很重要的是這些電極的參數(厚度，長度，電介質隔離)應當相同。
第二類型的電極可以設置成二維周期點陣，第一類型的電極可以設置在點陣區格中間。在圖7和8所示的優選實施方案中，電極設置成六角點陣(類似于蜂窩圖案)。六角形的設置是優選的，因為六角點陣與其它周期點陣例如方形點陣相比具有相對高的填充密度。這意味著放電容器2的有用容積可以以這種方式進行最有效地填充，至少在當希望將(∑iVi)/Ve比最大化時，其中Vi是第i個電極的容積，Ve是放電容器2的容積。
放電容器2內的電極3和4的數目可以根據燈1的尺寸或期望的功率輸出而變化。例如，七個，十九個或三十七個電極可以形成六角形塊。
電介質阻擋層放電(也稱作電介質阻礙放電)由第一組互連的電極3和第二組互連的電極4產生。術語“互連”指的是電極3和4位于共同的電勢上，即在一組內它們彼此相連，如圖9所示。第一類型的電極3其末端彼此相連，并經由導體8與電源7的一個端子相連，第二類型的電極4其末端彼此相連，并經由導體9與電源7的另一個端子相連。電源7連接到電源電壓10上。為了確保對該兩個電極組更好地觀察，在附圖中，第二類型的電極4(陰極/陽極)為白色，而第一類型的電極3(陽極/陰極)為黑色。相同類型的電極可以在放電容積內部或放電容積外部進行互連。不同類型的電極可以在放電容器相同的端部被引導穿過放電容器。放電容器的端部被主軸橫切。另外，還可以使第一類型的電極在放電容器的第一端部被引導穿過放電容器，而第二類型的電極在與該第一端部相反的第二端部被引導穿過放電容器。
在圖7所示的實施方案中，不同類型的兩個相鄰電極之間的距離大約為3-5mm。該距離也稱作放電間隙，其值也影響著放電容器2內放電過程的一般參數。
如圖7和8所示，第一類型和第二類型的電極3和4都設置在六角點陣的陣點上。在圖7所示的實施方案中，第二類型的六個(三個在拐角點上)電極包圍著第一類型的一個電極。在這種配置中，不同類型的電極的數目是不同的。該六角點陣由13個第一類型的電極和24個第二類型的電極總共37個電極形成。從而，這意味著在激發13期間，同時并且獨立的放電路徑可以在這些電極之間形成，由此提供更加良好的亮度和高輸出的光強度。
在圖8所示的實施方案中，在一行內僅有相同類型的電極，交替類型的電極位于相鄰的行內。在這種配置中，不同類型的電極的數目是類似的。這種六角點陣由20個第一類型的電極和17個第二類型的電極總共37個電極形成。從而，這就意味著在激發17期間，同時并且獨立的放電路徑可以在這些電極之間形成，由此提供更加良好的亮度和更高輸出的光強度。
為了提供可見光，將放電容器2的內表面15覆蓋發光材料層(未示出)。作為發光材料，本領域公知的許多含磷化合物和混合物都可以使用，因此在此不必詳細說明。發光層將受激準分子去激的UV輻射轉換成可見光。
該發光層可以涂敷在放電容器2的內壁或外壁上。如果在放電容器周圍設置單獨的外殼，則發光層還可以覆蓋著該單獨外殼的內表面。在任何情形下，外殼都優選為不透明而僅是半透明的。這樣，放電容器2內相對薄的電極3和4僅僅是可以看得見的，并且燈1還可以提供更加均勻的照明外表面。當然，也可以用發光層覆蓋放電容器或外殼的外表面，但是在這樣的情形中放電容器2必須在UV范圍內基本是不吸收的，否則燈將會具有很低的效率。
在所示的所有這些實施方案中，優選的是，從制造的視點來看，電介質層5的壁厚基本上是恒定的，并且確保在放電容器2內沿電極全部長度有著均勻的放電。電介質層的厚度必須保持得盡可能的低，可以為大約0.25mm。
最后，必須注意的是，放電容器內電場的參數和電介質阻擋層放電的效率還取決于一些其它的因素，例如激發頻率，激發信號形狀，氣壓和成份，等等。這些因素在本領域是公知的，并不構成本發明的一部分。
本發明提出的這種電極放電容器配置具有下面一些優點。首先，一個放電容器2可以比多個薄壁、彎曲的放電容器更加有效地制造。其次，可以在放電容器內使用相對多數目的電極，以在每一次都提供大量的微放電，由此產生同質分布的放電和高亮度的DBD燈。
本發明并不限于所示和所公開的各個實施方案，其它的元件、改進和改變也應當包含在本發明的范圍內。例如，對于本領域的熟練人員，很明顯許多其它形式的放電容器2或外殼可以應用于本發明的目的，例如，外殼可以具有三角形、方形或六角形的橫截面。因而，這些電極可以設置成各種類型的點陣，例如方形(立方形)或非周期點陣，然而，這些實施方案優選采用具有基本相同形狀、均勻尺寸的電極的周期性點陣。同時，電極的材料也可以改變。
權利要求
1.一種電介質阻擋層放電燈，包括a)具有主軸(6)的放電容器(2)，該放電容器封閉著充滿放電氣體的放電容積，該放電容器還包括被所述主軸(6)橫切的端部；b)至少一個第一類型的電極(3)和至少一個第二類型的電極(4)，所述一個類型的電極被通以電流以用作陰極，所述另一個類型的電極被通以電流以用作陽極，所述電極(3，4)基本上是直線形伸長的電極，其縱軸基本上平行于所述放電容器的主軸(6)；c)所述電極(3，4)設置在所述放電容積內；以及d)所述至少一個類型的電極(3)被電介質層(5)與所述放電容積隔離開。
2.如權利要求1所述的燈，其中所述電極(3，4)成組地設置在所述放電容積內，所述組的每一個包括所述第一類型的一個電極(3)和所述第二類型的至少一個電極(4)。
3.如權利要求2所述的燈，其中在所述各個電極組內，所述第二類型的電極(4)相對于所述第一類型的電極(3)隔開相等的距離。
4.如權利要求3所述的燈，其中所述第二類型的電極(4)設置成二維周期點陣，所述第一類型的電極(3)設置在所述點陣區格的中間。
5.如權利要求4所述的燈，其中所述第二類型的電極(4)設置成六角點陣，所述第一類型的電極(3)設置在所述六角點陣區格的中間。
6.如權利要求1所述的燈，其中相同類型的電極在所述放電容積內互連。
7.如權利要求6所述的燈，其中不同類型的電極在相同的端部被引導穿過所述放電容器。
8.如權利要求6所述的燈，其中所述第一類型的電極在第一端部被引導穿過所述放電容器，所述第二類型的電極在相反于所述第一端部的第二端部被引導穿過所述放電容器。
9.如權利要求1所述的燈，其中所述放電容器包括形成外殼的透明材料壁，所述壁覆蓋有發光層。
10.一種電介質阻擋層放電燈，包括a)具有主軸(6)的放電容器(2)，該放電容器封閉著充滿放電氣體的放電容積，該放電容器還包括被所述主軸(6)橫切的端部；b)第一類型的電極(3)和第二類型的電極(4)，所述一個類型的電極被通以電流以用作陰極，所述另一個類型的電極被通以電流以用作陽極，所述電極(3，4)基本上是直線形伸長的電極，其縱軸基本上平行于所述放電容器(2)的主軸(6)；c)所述電極(3，4)成組地設置在所述放電容積內，所述組的每一個包括所述第一類型的一個電極(3)和所述第二類型的至少一個電極(4)；以及d)所述至少一個類型的電極(3)被電介質層(5)與所述放電容積隔離開。
全文摘要
一種電介質阻擋層放電燈(1)包括具有主軸(6)的放電容器(2)，該放電容器封閉著充滿放電氣體的放電容積，還包括被所述主軸(6)橫切的端部。至少一個第一類型的電極(3)和至少一個第二類型的電極(4)位于該燈內。所述一個類型的電極和所述另一個類型的電極被通以電流以分別用作陰極和陽極。所述電極基本上是直線形伸長的電極，其具有的縱軸基本上平行于所述放電容器(2)的主軸(6)。所述電極(3，4)設置在所述放電容積內。所述至少一個類型的電極(3)被電介質層(5)與所述放電容積隔離開；其中電極(3，4)還可成組地設置在所述放電容積內，每一個組包括所述第一類型的一個電極(3)和所述第二類型的至少一個電極(4)。
文檔編號H01J65/00GK1744275SQ200510106738
公開日2006年3月8日 申請日期2005年7月6日 優先權日2004年7月6日
發明者拉喬斯·賴克, 阿蒂拉·阿戈德, 薩博爾克斯·貝利茲奈, 拉茲洛·杰卡布, 彼得·里克特 申請人:通用電氣公司