无电极放电灯、照明装置以及用于制造无电极放电灯的方法.pdf

本发明的无电极放电灯包括：具有基本上是球形的球状部分1a以及从所述球状部分延伸的颈部1b的灯泡1；连接到所述颈部的底座15；在所述球状部分的顶端处形成的凸起部4；感应线圈11a，该感应线圈11a通过在所述灯泡中产生的放电来导致发光。当定义以下关系式时：B＝W/(4×π×(D/20)2)，S＝π×(d/20)2，L＝π×(d/10)，X＝(B×S)/(L×A)，其中，W(W)表示灯输入功率，D(mm)表示所述球状部分的直径，d(mm)表示在所述颈部与所述底座之间的接合面处的部分的直径，A(mm)表示从所述球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离，则所述无电极放电灯满足以下公式：t-6≤10959×X+25≤t+6(公式)，其中，t是在所述无电极放电灯的朝下稳定照明期间在凸起部4的尖端处的温度(℃)。

1.  一种无电极放电灯，包括：
由光透射材料构成的灯泡，在所述灯泡中封闭有惰性气体和水银，所述灯泡具有基本上是球形的球状部分以及从所述球状部分延伸的颈部；
连接到所述颈部的底座；
在所述颈部的相对侧的、所述球状部分的顶端处形成的凸起部，所述凸起部向所述球状部分的外部凸出；以及
感应线圈，所述感应线圈被供应高频电流以用于向所述灯泡施加电磁场，并且所述电磁场触发所述灯泡中的放电以导致发光，
其中，当定义以下关系式时：
B＝W/(4×π×(D/20)²)
S＝π×(d/20)²，
L＝π×(d/10)，
X＝(B×S)/(L×A)
其中，W(W)表示灯输入功率，D(mm)表示所述球状部分的直径，d(mm)表示在所述颈部与所述底座之间的接合面处的部分的直径，A(mm)表示从所述球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离，
则所述无电极放电灯满足以下公式：
t-6≤10959×X+25≤t+6     (公式)
其中，t是在所述无电极放电灯的朝下稳定照明期间在所述凸起部的尖端处的温度(℃)。

2.  根据权利要求1所述的无电极放电灯，
其中，在所述凸起部的尖端处的温度t在从30℃到50℃的范围之内。

3.  一种照明装置，包括：根据权利要求1所述的无电极放电灯，以及用于将高频电流供应给所述无电极放电灯的照明电路。

4.  一种用于制造无电极放电灯的方法，
所述无电极放电灯包括：
由光透射材料构成的灯泡，在所述灯泡中封闭有惰性气体和水银，所述灯泡具有基本上是球形的球状部分以及从所述球状部分延伸的颈部；
连接到所述颈部的底座；
在所述颈部的相对侧的、所述球状部分的顶端处形成的凸起部，所述凸起部向所述球状部分的外部凸出；以及
感应线圈，所述感应线圈被供应高频电流以用于向所述灯泡施加电磁场，并且所述电磁场触发所述灯泡中的放电以导致发光，
所述方法包括以下步骤：
(a)定义以下关系式：
B＝W/(4×π×(D/20)²)，
S＝π×(d/20)²，
L＝π×(d/10)，
X＝(B×S)/(L×A)(公式)
其中，W(W)表示灯输入功率，D(mm)表示所述球状部分的直径，d(mm)表示在所述颈部与所述底座之间的接合面处的部分的直径，A(mm)表示从所述球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离；
(b)获得满足以下公式的X：
t-6≤10959X+25≤t+6，
其中，t是在所述无电极放电灯的朝下稳定照明期间在所述凸起部的尖端处的温度(℃)；
(c)在步骤(a)的所述(公式)中，确定所述灯输入功率W、所述球状部分的所述直径D、在所述接合面处的所述部分的所述直径d、以及从所述球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离A，以使X取在步骤(b)中获得的值。

无电极放电灯、照明装置以及用于制造无电极放电灯的方法
技术领域
本发明涉及无电极放电灯，并涉及使用所述无电极放电灯的照明装置以及用于制造所述无电极放电灯的方法，所述无电极放电灯中的灯泡无电极，在所述灯泡中封闭有惰性气体和发光材料，并通过以下方式来发光：通过向所述灯泡施加通过感应线圈中的高频电流产生的高频电磁场而导致所述灯泡中的放电。
背景技术
无电极放电灯包括灯泡和感应线圈。在灯泡中封闭有惰性气体和发光材料。无电极荧光灯的示例包括例如如下的灯：在该灯中，流过感应线圈的高频电流所产生的感应场导致灯泡中的放电，由此激励作为发光材料的水银。然后来自受激励的水银原子的紫外线辐射撞击荧光体，由此紫外线辐射被转换为可见光。这种无电极放电灯的结构在灯的内部不包括电极。因此，这种灯不会遭受由电极劣化导致的有缺陷的照明，并且与普通的荧光灯相比拥有更长的寿命。
在日本专利申请公开H7-272688和日本实用新型申请公开H6-5006中所公开的无电极放电灯中，铋铟汞齐被用作水银蒸气的供应源。这种汞齐的优点在于，它们在宽范围的环境温度中提供高的光输出。然而，需要高的汞齐温度来释放必要的水银蒸气，以用于实现高的光输出，并且到达所需的温度需要花费时间。因此较长的升高时间是这种汞齐的缺点。某些结果显示，当使用铋铟汞齐时，花费大约一分钟来确保相对于在稳定照明期间的光输出的、60％的光输出。
相反地，日本专利申请公开2001-325920(下文中称为专利文献1)公开了一种无电极放电灯，其中使用纯水银(水银滴)而不是汞齐，其目的在于缩短升高时间。上述文献公开了：在启动灯之后2至3秒内达到最大输出的50％。这种情况的原因在于，在与汞齐的情况相比更低的温度下，水银滴提供高的水银蒸气压力，使得达到所需温度所花费的时间更短。然而，当相对于灯泡体积的输入功率是充足的，和/或当环境温度较高时，灯泡温度升高。结果，水银蒸气压力随后变得过高，导致光输出下降。在上述文献中，通过在灯泡中设置凸起部作为最冷点而将水银蒸气压力控制为适当的值。
当使用水银滴作为水银被封闭在灯中的形式时，难以管理所封入的水银量，因此水银可能变得以比所需量更大的量而被封闭在灯中。就环保而言，以及为了防止由于粘附到荧光体表面而导致的光输出阻塞，封闭在灯中的水银量必须尽可能小。为了解决这些缺点，例如，日本专利申请公开2005-346983(下文中称为专利文献2)公开了以下特征：在灯泡上设置凸起部作为最冷点，并使用Zn-Hg汞齐作为水银被封闭在灯中的形式。
如上所述，专利文献1和专利文献2公开了已知的通过在灯泡上设置凸起部并将水银蒸气压力控制为适当的值来获得高的光输出的方法。当点亮的灯泡朝下(即，处于使得灯泡中部署的底座被布置成朝上的方位)时，凸起部位于灯泡表面上的处于最低温度的位置处(即，凸起部变成最冷点)。根据该最冷点的温度来确定灯泡中的水银蒸气压力，同时通过灯泡中的水银蒸气压力来调控灯的光输出。因此，通过在灯泡中设置凸起部并控制最冷点的温度，可以优化灯泡中的水银蒸气压力，因此可以优化灯的光输出。
因此，当灯泡被朝下地点亮时，凸起部变为最冷点。因此，可以通过更改凸起部的直径和/或高度来调节(控制)最冷点的温度。然而，当灯泡被朝下地(即，处于使得灯泡中部署的底座被布置成朝上的方位)点亮时，由于凸起部被部署在灯泡的顶部上，因此凸起部的温度升高，使得凸起部变得不再是最冷点。因此，当灯泡被朝下地点亮时，由于目前不能通过凸起部来控制最冷点的温度，因此光输出可能下降。此外，所述输出可能根据灯的照明方向而变化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供无电极放电灯以及提供使用所述无电极放电灯的照明装置和用于制造所述无电极放电灯的方法，所述无电极放电灯允许不管照明方向如何都能获得恒定的光输出。
本发明的无电极放电灯包括：由光透射材料构成的灯泡，在所述灯泡中封闭有惰性气体和水银，所述灯泡具有基本上是球形的球状部分以及从所述球状部分延伸的颈部；连接到所述颈部的底座；在处于所述颈部的相对侧的、所述球状部分的顶端处形成的凸起部，所述凸起部向所述球状部分的外部凸出；以及感应线圈，所述感应线圈被提供有高频电流，用于向所述灯泡施加电磁场，并且所述电磁场触发所述灯泡中的放电以导致发光。在上述无电极放电灯中，当定义了以下关系式时：B＝W/(4×π×(D/20)²)、S＝π×(d/20)²、L＝π×(d/10)、X＝(B×S)/(L×A)，其中W(W)表示灯输入功率，D(mm)表示球状部分的直径，d(mm)表示在颈部与底座之间的接合面处的部分的直径，A(mm)表示从球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离，则该无电极放电灯满足以下公式：
t-6≤10959×X+25≤t+6    (公式A)
其中，t是在所述无电极放电灯的朝下稳定照明的期间在凸起部的尖端处的温度(℃)。
发明人发现：在如上述地定义X时，在X与在朝上稳定照明期间的最冷点的温度T(℃)之间，存在由以下公式(B)给出的相关性：
T＝10959×X+25            (公式B)
因此，通过在公式B中用在朝下稳定照明期间在凸起部的尖端处的温度t替代温度T，来确定用于使在朝上稳定照明期间的最冷点的温度与在朝下稳定照明期间的最冷点的温度(即，在凸起部的尖端处的温度)相等的值X。
考虑到例如多个制品间的变化，发现当X满足上述(公式A)时，可以使得在朝上稳定照明期间的最冷点的温度与在朝下稳定照明期间的最冷点的温度基本上相同。
因此，被设计用于满足上述公式(A)的无电极放电灯允许不管照明方向如何都能获得恒定的光输出。
优选地，在所述凸起部的尖端处的温度t在从30℃到50℃的范围内。这种温度范围允许优化在稳定照明期间的灯泡中的水银蒸气压力，并且允许实现高的光输出。
本发明还提供了一种照明装置，其包括上述无电极放电灯和用于将高频电流提供给所述无电极放电灯的照明电路。该照明装置允许不管照明方向如何都能获得恒定的光输出。
本发明还提供了一种用于制造(用于设计)上述无电极放电灯的方法。该制造方法包括以下的步骤(a)至步骤(c)：
(a)定义以下关系式：
B＝W/(4×π×(D/20)²)，
S＝π×(d/20)²，
L＝π×(d/10)，
X＝(B×S)/(L×A)            (公式C)
其中，W(W)表示灯输入功率，D(mm)表示球状部分的直径，d(mm)表示在颈部与底座之间的接合面处的部分的直径，A(mm)表示从球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离；
(b)获得满足以下公式的X：
t-6≤10959×X+25≤t+6，
其中，t是在所述无电极放电灯的朝下稳定照明的期间在所述凸起部的尖端处的温度(℃)；以及
(c)通过步骤(a)的(公式℃)，确定灯输入功率W、球状部分的直径D、所述接合面的部分的直径d、以及从球状部分的最大直径部分到所述接合面的距离A，以使X取在步骤(b)中获得的值。
该制造方法允许实现不管照明方向如何都能获得恒定的光输出的无电极放电灯。
附图说明
图1是根据本发明实施例的无电极放电灯的示意性横截面图；
图2是使用图1的无电极放电灯的照明装置的透视图；
图3是用于说明图1的无电极放电灯的形状的说明图；
图4是示出了图1的无电极放电灯的实验结果的图示；
图5是描述图4的实验结果的图示；
图6A是用于说明具有与图3的形状不相同的形状的另一灯泡的图示；
图6B是用于说明具有与图3的形状不相同的形状的另一灯泡的图示；
图6C是用于说明具有与图3的形状不相同的形状的另一灯泡的图示；以及
图7是其中可以使用本发明的外部线圈型无电极放电灯的示意图。
具体实施方式
图1示出了本实施例的无电极放电灯的横截面图。图2示出了包括本实施例的灯的照明装置的示意图。
该无电极放电灯包括由诸如玻璃之类的光透射材料构成的灯泡1，在灯泡1内部封闭有水银和诸如氩或氪之类的惰性气体。
密封的灯泡1包括：基本上是球形的球状部分1a；从球状部分1a延伸的颈部1b；从颈部1b延伸到球状部分1a的腔体5，在腔体5中插入有下面描述的耦合器11；部署在腔体5内侧的细排气管8，该细排气管8从腔体5的底部朝向该腔体的开口。
凸起部4在在颈部1b的相对侧(即，在图1中的球状部分1a的上端)的、球状部分1a的顶端上形成，并向球状部分1a的外部凸出。
灯泡1和凸起部4的内表面涂有荧光膜3和保护膜2，保护膜2包括诸如Al₂O₃或SiO₂之类的金属氧化物(图中仅示出了这些膜的一部分)。同样地，腔体5的周壁涂有保护膜6和荧光膜7(图中仅示出了这些膜的一部分)。
包括铁镍合金的容器13被封装在细排气管8的内部。在容器13中封闭有用于释放水银的Zn-Hg 12。
由树脂材料等构成的底座15连接到颈部1b。
耦合器11包括：用于产生感应场的感应线圈11a；铁氧体磁芯(未示出)，感应线圈11a所产生的磁通量穿过该铁氧体磁芯；以及基本上是管状的热导体11b，用于耗散感应线圈11a和铁氧体磁芯所产生的热量。耦合器11被适配入底座15中，使得当底座15连接到颈部1b时耦合器11变为插入腔体5中。于是细排气管8变为被部署在热导体11b内部。
如图2所示，使得高频电流流至感应线圈11a的照明电路19经由输出导线18而连接到底座15，由此构成照明装置。照明电路19经由底座15将高频电流提供给耦合器11的感应线圈11a。通过间断地改变操作频率来调整感应线圈11a的输入功率。散热板16设于底座15下方，目的在于防止当点亮该灯时灯泡1的温度升高。
当高频电流流入耦合器11的感应线圈11a时，在感应线圈11a周围产生感应场。该感应场使得灯泡1中的电子加速。电子碰撞随即引起电离和放电。水银原子在放电期间受到激励。受激励的水银原子在其返回到其基态时发射紫外线。这些紫外线在撞击涂覆灯泡1的内壁的荧光膜3以及涂覆腔体5的周壁的荧光膜7时被转换为可见光。由此转换后的可见光被通过灯泡1向外发射。
通过灯泡中的水银蒸气压力来调控灯的光输出。灯泡中的水银蒸气压力又受到灯泡的最冷点的温度的控制。当在灯泡1朝下的情况下(即，在凸起部4朝下的情况下)点亮该灯时，凸起部4在稳定照明期间(下文中称为“在朝下稳定照明期间”)变为最冷点。因此，可以通过以下方式来优化灯泡中的水银蒸气压力并由此优化在朝下稳定照明期间的灯的输出：设计凸起部4的直径和高度，使得在朝下稳定照明期间在凸起部的尖端处的温度为最优。
然而，当如图2所示地在灯泡1朝上的情况下(即，在凸起部4朝上的情况下)点亮灯时，点亮的灯泡1的温度在稳定照明期间(下文中称为“在朝上稳定照明期间”)由于放电热量而升高。由于灯泡中的对流，在灯泡顶部处(在凸起部4侧)的温度变得比灯泡底部(在底座15侧)的温度更高，因此凸起部4变得不再是最冷点。
发明人测量了在朝上稳定照明期间、在部署在灯泡底部的底座15附近的灯泡1的表面温度。结果显示，最冷点出现在颈部1b与底座15之间的接合面10(即，颈部1b在其处弯出底座15并接触到空气的部分)附近。这似乎是由于在底座内的灯泡的部分保持其表面温度而导致的。因此，在朝上稳定照明期间，接合面10变为控制灯泡1中的水银蒸气压力的部位。
接合面10的温度取决于例如输入到灯的功率、灯泡的形状、灯泡的尺寸以及所述接合面的尺寸而变化。接下来，基于图3来说明关于在朝上稳定照明期间变为最冷点的所述接合面的温度的设计系数。为了清楚起见，参照JIS C7710中提出的G型灯泡来进行以下说明。
可以将灯泡大致划分成基本上是球形的球状部分1a以及连接到底座15的颈部1b。发明人提取了球状部分1a的直径D(mm)、在颈部1b与底座15之间的接合面10处的部分的直径d(mm)、以及从球状部分1a的最大直径部分到接合面10的距离A(mm)作为设计系数，并通过改变这些设计系数的值来制造各种灯。通过在朝上状态下使用各种灯输入而点亮这些灯来评估这些灯。结果在图4中示出。
在图4中，坐标轴中的T表示在25℃的环境温度时接合面10的温度(最冷点的温度)。为了标识最冷点，测量了除了接合面10的温度之外的、在灯泡的各个部分处的温度。接合面10的温度被确认为最冷点的温度。
在横坐标轴中，X表示由灯泡的形状和灯输入确定的值，发明人将其定义为：
X＝(B×S)/(L×A)        (公式1)
在该公式中，B是通过将灯输入功率W(W)除以伪灯泡表面积(直径为D的球形的表面积)而获得的伪灯泡壁负荷(W/cm²)，并且B被定义为B＝W/(4×π×(D/20)²)。此外，S是接合面10的横截面面积(cm²)，并被定义为S＝π×(d/20)²。L是接合面10的外周长长度，并被定义为L＝π×(d/10)。
图4中的结果显示，在由灯泡形状和灯输入定义的值X与在朝上稳定照明期间变为最冷点的接合面10的温度T之间存在相关性。当所述相关性被得出如图5所示时，可以将所述相关性表示为下面的公式2。
T＝10959X+25            (公式2)
公式2允许确定用于在朝上稳定照明期间实现期望的最冷点温度T的值X。可以通过以下方式来确定使得在朝上稳定照明期间的最冷点温度与在朝下稳定照明期间的最冷点温度相同的值X：在公式2中用在朝下稳定照明期间在凸起部4的尖端处的温度t来替代温度T。
考虑例如多个制品间的变化，发现当X满足下面的公式3时可以使得在朝上稳定照明期间的最冷点温度与在朝下稳定照明期间的最冷点温度基本上相同：
t-6≤10959X+25≤t+6    (公式3)
其中t(℃)是在朝下稳定照明期间在凸起部的尖端处的温度，T在从图5导出的范围t-6≤T≤t+6之内变化。
对X有贡献的系数是灯输入功率W(W)、球状部分1a的直径D(mm)、在接合面10处的部分的直径d(mm)、以及从球状部分1a的最大直径部分到接合面10的距离A(mm)。因此，通过定义灯输入功率W、球状部分1a的直径D、在接合面10处的部分的直径d、以及从球状部分1a的最大直径部分到接合面10的距离A以使X取基于(公式3)获得的值，可以使得在朝上稳定照明期间的最冷点温度(即，接合面10的温度)与在朝下稳定照明期间的最冷点温度(即，在凸起部4的尖端处的温度)基本上相同。结果，可以实现允许在并不根据照明方向而改变光通量的情况下获得恒定的光输出的无电极放电灯。
存在满足公式3的X的许多组合。根据灯和/或灯类型(例如G型、P型或A型)的规范来确定灯输入功率W和球状部分的直径D。然后剩余的变量为在接合面处的部分的直径d(mm)以及距离A(mm)，因此通过定义在接合面处的部分的直径d(mm)和距离A(mm)来确定X。又根据耦合器11的大小来设置腔体5的直径以及在接合面处的部分的直径d。由此距离A成为确定的。
在以上步骤中，通过定义灯输入功率W、球状部分1a的直径D、在接合面10处的部分的直径d、以及从球状部分1a的最大直径部分到接合面10的距离A以使X取基于公式3获得的值，可以实现在朝上稳定照明期间的最冷点温度与在朝下稳定照明期间的最冷点温度基本上相同的无电极放电灯。
如上文所述，可以通过调节凸起部4的直径和/或高度来控制(调节)在朝下稳定照明期间的最冷点(凸起部4)的温度。最冷点的温度优选地在从30℃到50℃的范围内，以优化灯泡中的水银蒸气压力。因此，借助于通过公式3使用在凸起部的尖端处的、在从30℃到50℃范围内的温度t来确定X，可以实现不管照明方向如何都能够提供高的光输出的无电极放电灯。
接下来，基于示例和比较性示例来说明本发明的效果。
(示例)
具有25(mm)的高度的凸起部被设置于A型灯泡上，该A型灯泡具有直径D为160(mm)的球状部分。灯输入功率W(W)为150(W)，并且灯被朝下地点亮。在稳定照明期间在凸起部4的尖端处的温度为40℃。
在基于上述公式(3)来确定X时，对于在朝下稳定照明期间在凸起部的尖端处的40℃的温度，获得以下公式：
0.00082≤X≤0.00192
首先，以使得X为0.00082的方式来制造灯，该灯具有在接合面10处的部分的直径d(mm)以及从球状部分1a的最大直径部分到接合面10的距离A(mm)。在此，取决于耦合器11的大小，在接合面10处的部分的直径d为50(mm)，并且确定距离A(mm)以使X为0.00082。所制造的灯被朝上地点亮，并且灯输入功率W(W)为150(W)。
结果，对于在朝下稳定照明期间的100％的光通量，在朝上稳定照明期间获得96.3％的光通量。
当灯被制造以使X为0.00192时，在朝上稳定照明期间获得96.8％的光通量。
(比较性示例)
在与上述示例相同的条件下制造灯，但使得X为0.0007。结果，在朝上稳定照明期间获得93.8％的光通量。
类似地，当灯被制造以使X为0.002时，在朝上稳定照明期间获得94.4％的光通量。
已经发现，X偏离上述范围越远，取决于照明方向的光强度差就变得越大。
如上文所述，通过以满足上述公式3的方式制造灯，可以使在朝上稳定照明期间的光通量值与在朝下稳定照明期间的光通量值之间的差保持为不大于5％，并且可以实现不管照明方向如何都具有高的光输出的无电极放电灯。
不用说的是，上述公式所应用于的灯泡形状不限于本实施例中示出的形状，该公式对于包括基本上是球形的球状部分的灯泡是有效的。具有其它形状并具有基本上是球形的球状部分的灯泡的示例包括例如图6A至6C所示的根据JIS C7710的P型灯泡、PS型灯泡和A型灯泡。如同上述实施例中那样，所有这种灯泡均可被设计以使得在朝上稳定照明期间的最冷点的温度与在朝下稳定照明期间在凸起部的尖端处的温度基本上相同。
为了说明本实施例，已经使用了耦合器11被插入设于灯泡中的凹入腔体5中的内部线圈型无电极放电灯。但是，不用说的是，本发明也可以用于如图7所示的感应线圈20被设于灯泡外部的外部线圈型无电极放电灯。
因此，显然可以在不背离本发明的技术范围的情况下对上述实施例进行诸多修改。因此，除了在权利要求中陈述的限定之外，本发明不限于本发明的任何特定实施例。