介质阻挡放电灯的设计方法.pdf

本发明的目的在于提供一种介质阻挡放电灯的设计方法，可使电极部分的玻璃上不会产生针孔。本发明关于一种介质阻挡放电灯的设计方法，所述介质阻挡放电灯具备在外面设置电流导体层作为外部电极4、5的玻璃管1，依据该灯的规格或者发光条件，设计d、V、ρ或f，使该玻璃管的厚度d、玻璃管上施加的电压V、玻璃管的体积电阻率ρ、灯发光频率f之间满足特定关系。

1.  一种介质阻挡放电灯的设计方法，所述的介质阻挡放电灯具有在外面设置电流导体层作为外部电极的玻璃管，其特征在于，
依据该灯的规格或者发光条件，假设玻璃管的厚度为d[m]、玻璃管上施加的电压为V[Vrms]、玻璃管的体积电阻率为ρ[Ω·m]、灯发光频率为f[Hz]，以k表示电子在玻璃管内漂移速度的相关常数，设计所述d、V、ρ或f，使得满足使用常数k表达的条件式
【公式A】
ρ > k × V 2 × f × d 2 . ]]>

2.  如权利要求1所述的介质阻挡放电灯的设计方法，其特征在于，
所述d、V、ρ或f的设计满足以下条件，即，使用上述玻璃管的电极设置部的玻璃管温度T[K]，用
【公式B】
ρ = exp ( A T + B ) . ]]>
式中，A、B是取决于玻璃材料的种类及组成的常数，
表示该玻璃管的体积电阻率ρ[Ω·m]时，所述玻璃管温度T[K]满足
【公式C】
T < A ln ( k × V 2 × f × d 2 ) - B . ]]>

3.  如权利要求2所述的介质阻挡放电灯的设计方法，其特征在于，
当所述玻璃管的原材料是用于KOVAR(科瓦铁镍钴合金)密封的硼硅酸玻璃时，设定常数A＝14531、B＝-7.9157、k＝29440，设计所述d、V或f。

介质阻挡放电灯的设计方法
技术领域
本发明涉及一种介质阻挡放电灯的设计方法。
背景技术
例如日本专利实开昭61-126559号公报(专利文献1)中，公开了一种将电极配置于灯外部的外部电极型介质阻挡放电灯。图1、图2所示为以往的介质阻挡放电灯构造。在图1、图2中，玻璃管1的内壁上形成有荧光层2，玻璃管1的内部放电空间中充入了混合有水银、以及氖气、氩气、氙气等稀有气体的放电气体3，玻璃管1的两端被封口。玻璃管1的两端外表面上形成有外部电极4、5，其由金属导体层形成。当需要使这种构造的介质阻挡放电灯发光时，就从高频发光装置(逆变器)6向玻璃管1两端的两极4、5间施加高频电压，此时高频功率通过外部电极4、5内侧的玻璃部分的C成分注入到玻璃管1内的放电空间，玻璃管1内产生持续放电，使灯发光。
如图3所示，由于外部电极4、5内侧的玻璃部分有直径约0.1mm的开孔(针孔)10，会产生泄漏，因此往硅造成灯不发光的现象(日本专利特开2001-76682号公报-专利文献2第6栏段落0032)，这也是上述介质阻挡放电灯不发光的原因之一。
这个现象的产生过程如图4所示。即，当电源6接通后，电极4、5内侧玻璃部分的温度T上升，玻璃的电阻值R下降(步骤S1～S5)，当电流I稳定流过玻璃部内，V＝IR成立，产生焦耳热(Q＝I2R)(步骤S7～S11)，其导致玻璃温度进一步上升，进而进入过热模式(步骤S13～S19)。由于此现象，造成该电极部内侧玻璃部分出现针孔。
为防止此针孔现象的产生，专利文献2中公开了一种强制冷却构造，该构造将散热零件安装于电极部，以阻止电极部温度上升，但即使采用该专利文献2的方法，也没有明确将电极温度控制在多少度以下可防止针孔产生，为安全起见，电极温度甚至被降至常温(25℃)左右，而降至常温需要更多强制冷却，因此需要安装大体积的散热零件，从而需要更大的散热零件容纳空间。然而，当使用本介质阻挡放电灯作为例如液晶电视的背光源或者招牌照明光源时，由于框体空间受到限制，因而无法将散热零件安装于电极。这样存在的问题是，以往的构造中没有找到可以确实防止玻璃管电极设置部产生针孔的对策。
【专利文献1】日本专利实开昭61-126559号公报
【专利文献2】日本专利特开2001-76682号公报
发明内容
本发明鉴于以上那样现有技术中的问题，提供了一种介质阻挡放电灯的设计方法，使用该设计方法设计，可在电极设置部分的玻璃管上不产生针孔。
权利要求1所述的发明是一种介质阻挡放电灯的设计方法，该介质阻挡放电灯具备将电流导体层配置于外面作为外部电极的玻璃管，其特征为，依据该灯的规格或者发光条件，假设该玻璃管的厚度为d[m]、玻璃管上施加的电压为V[Vrms]、玻璃管的体积电阻率为ρ[Ω·m]、灯发光频率为f[Hz]，以k表示电子在玻璃管内漂移速度的相关常数，设计上述d、V、ρ或f，使得满足使用常数k表达的条件式
【公式D】
ρ > k × V 2 × f × d 2 ]]>
权利要求2所述的发明是指权利要求1所述的介质阻挡放电灯的设计方法，其特征为上述d、V、ρ或f的设计满足以下条件，即，使用上述玻璃管的电极设置部的玻璃管温度T[K]，用
【公式B】
ρ = exp ( A T + B ) ]]>
表示该玻璃管的体积电阻率ρ[Ω·m]时，上述玻璃管温度T[K]满足
【公式C】
T < A ln ( K × V 2 × f × d 2 ) - B ]]>
权利要求3所述的发明是指权利要求2所述的介质阻挡放电灯的设计方法，其特征为，当上述玻璃管的原材料是用于KOVAR(科瓦铁镍钴合金)密封的硼硅酸玻璃时，设定常数A＝14531、B＝-7.9157、k＝29440，设计上述d、V或f。
依据本发明，可在电极部玻璃上不产生针孔的条件下，设定介质阻挡放电灯的规格、发光条件，并在实际使用状态下防止电极部出现针孔。
附图说明
图1是以往的介质阻挡放电灯的正面图。
图2是以往的介质阻挡放电灯的轴向剖面图。
图3是表示在以往的介质阻挡放电灯中、产生针孔状态下的剖面图。
图4是表示在以往的介质阻挡放电灯中、产生针孔机理的流程图。
图5是表示外部电极型介质阻挡放电灯中、针孔产生前玻璃内电子传导的说明图。
图6是外部电极型介质阻挡放电灯中、当针孔产生条件成立后的玻璃模型的说明图。
图7是表示本发明的一个实施方式中、所采用的KOVAR密封用硼硅酸玻璃的玻璃温度与体积电阻率ρ之间的关系地曲线图。
图8是介质阻挡放电灯发光时、容易产生电晕放电的位置的说明图。
图9是图8中电晕放电产生部位的放大图。
图10是表示本发明的一个实施方式中、电极施加电压与臭氧浓度间关系的测定结果的曲线图。
标号说明
1  玻璃管
2  荧光层
3  放电气体
4  外部电极
5  外部电极
6  逆变器电源
14  馈电零件
15  馈电零件
A、B  玻璃电阻的相关常数
d  玻璃厚度
S  假设微小电阻为RO时的玻璃微细圆柱的底面积
Dg  玻璃的比热
V  向玻璃施加的电压
Tn-1  受焦耳热影响而温度上升之前的玻璃温度
Tn  受焦耳热影响而温度上升后的玻璃温度
h  玻璃的散热常数
TO  周围温度
Qn-1  焦耳热产生的玻璃发热量
ΔT  受焦耳热影响的玻璃的上升温度
I  流过微小电阻RO的电流
具体实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的实施方式。
本专利申请的发明者们经过反复各种实验，对于在图1、图2所示构造的外部电极型介质阻挡放电灯发光时，产生如图3所示的它的电极4、5内侧玻璃部分出现针孔10的现象，有如下发现。即，本发明者发现在电极部产生针孔的过程中有以下两个阶段。
I.针孔产生的条件(即，进入过热模式的条件)是否成立的阶段。
II.针孔产生的条件成立，进入过热模式后的阶段。
首先，在阶段I，为了进入过热模式，玻璃管1的电极4、5内侧的玻璃部分需要始终满足V＝IR的关系，并需要产生焦耳热。这里，R代表玻璃管1的电极4、5内侧玻璃部分的体积电阻。此外，要使V＝IR始终成立，如图5的模型所示，在施加于灯的高频电压V的半周期内，必须满足至少一个电子能穿过玻璃厚度的条件。一旦此条件成立，则在下一个高频电压V的半周期内，至少一个电子的电流将也同样能反方向穿过玻璃的路径，即对于变换电场有，一个电子的电流流过，因此V＝IR始终成立。此时，由于电流产生焦耳热(Q＝I2R)，因此具备了进入过热模式的条件。
图5的模型中，电子在玻璃厚度方向上的、电场中的速度Vy可表示为
【公式1】。
v y = μ × E = μ × V d ]]>
这里，V[Vrms]代表施加于玻璃管壁的高频电压(频率：f[Hz])，当一个电子在半周期内无法穿过玻璃厚度d[m]的条件成立，则
【公式2】
d > V y × 1 2 × f = μ × E 2 × f = μ × V d 2 × f ]]>
成立，实际在玻璃内部不会流过电流，也不会产生焦耳热。此时不会出现过热状况，因此不会产生针孔10。但由于整个电极部有电子出入，因此在电路上，看起来电流(I＝V/R)流过高频发光装置和灯之间。
这里，根据V＝IR，当V固定，R因为温度变化而变为1/2时，I成为原来的两倍。即，当电子的速度Vy＝μ×(V/d)成为原来的两倍时，单位时间内通过玻璃部内的电子数量也是原来的两倍，因此电流也变为原来的两倍。
上述【公式2】成立的状态下，即电子不能穿过玻璃厚度d时，玻璃电阻值变为原来电阻值的1/2，电流变为2倍(此时，V、d固定)，即如上所述，电子速度Vy＝μ×(V/d)成为原来的2倍。
此处，μ代表固体状玻璃内电子的漂移速度，可表示为
【公式3】。
μ = k ρ ]]>
其中，k是玻璃的常数，ρ是指玻璃的体积电阻率ρ。将此公式3代入公式1，即1个电子在半周期内无法穿过玻璃厚度d的条件可表现为
【公式4】
d > v y × 1 2 × f = μ × E 2 × f = k ρ × V d 2 × f ]]>
其中d代表玻璃管1的厚度，V代表玻璃管1上施加的电压，ρ代表玻璃管1的体积电阻率ρ，f代表灯的发光频率，k代表电子在玻璃内漂移速度有关的常数。在这个条件式中，让左边分别为d、ρ、V、f，可导出以下公式5～公式8。
【公式5】
d > k × V 2 × f × ρ ]]>
【公式6】
ρ > k × k 2 × f × d 2 ]]>
【公式7】
V < d 2 × 2 × f × ρ k ]]>
【公式8】
F > k × V 2 × ρ × d 2 ]]>
即，通过对灯的规格以及发光条件进行设定，使其满足公式5～公式8的其中一个，便可防止针孔产生。此处，玻璃的体积电阻率ρ可表示为温度T的函数，如
【公式9】
ρ = exp ( A T + B ) ]]>
所示。这里，A、B是取决于玻璃材质的常数。该公式9从表示固体状玻璃内离子传导或电子传导的公认的关系式推导得来，常数A、B如下所述，可通过实测反映体积电阻率ρ相对于玻璃温度变化而变化的曲线图求得。将如此得到的公式9分别代入公式5～公式8，计算不产生针孔的与d、V、T、f有关的条件式，可获得如下公式10～公式13。
【公式10】
d > k × V 2 × f × exp ( A T × B ) ]]>
【公式11】
T < A ln ( k × V 2 × f × d 2 ) - B ]]>
【公式12】
V < d 2 × 2 × f × exp ( A T + B ) k ]]>
【公式13】
f > k × V 2 × d 2 × exp ( A T + B ) ]]>
其中，d代表玻璃管1的厚度，V代表施加于玻璃管1的电压，f代表灯发光频率，k是电子在玻璃内漂移速度有关的常数。
即，通过对灯的规格以及使用条件进行设定，使其满足公式10～公式13的其中一个，便可防止针孔产生。然后，施加于玻璃管的电压V越低，玻璃厚度d越厚，或者频率f越高，则可以说越难产生针孔。
在产生针孔的条件成立、针孔产生过程的第II阶段的动作中，由于电流始终流过玻璃管1内，即V＝IR的关系成立，因此如图6所示，可将玻璃管壁看作以公式14、即
【公式14】
R o = exp ( A T + B ) × d S - - - ( 19 ) ]]>
所表示的微小电阻RO的集合体，可通过逐次计算在针孔产生之前由于电阻值下降造成的温度上升，进行模拟。
其中，A、B代表玻璃的常数，d代表玻璃厚度，S代表假设电阻为RO时的玻璃圆柱表面积。
即，如果玻璃部内产生的焦耳热和玻璃温度的关系满足
【公式15】
A，B：玻璃电阻的相关常数
d：玻璃厚度
S：假设微小电阻为RO时，玻璃微细圆柱的底面积
Dg：玻璃的比热
V：玻璃上施加的电压
Tn-1：受焦耳热而上升前的玻璃温度
Tn：受焦耳热而上升后的玻璃温度
h：玻璃的散热常数
To＝周围温度
Qn-1：焦耳热产生的玻璃发热量
ΔT：由于焦耳热造成的玻璃的上升温度
I：流过微小电阻RO的电流
便可得到
【公式16】
Q n - 1 = I 2 R o = V 2 R o ]]>
【公式17】
ΔT = Q n - 1 - h ( T n - 1 - T o ) C pg × D g × d × S ]]>
【公式18】
T_n＝T_n-1+ΔT的关系式，将公式14、公式16、公式17、公式18汇总，可获得下述公式19。
【公式19】
T n = T n - 1 + V 2 exp ( A r n - 1 + B ) × d S - h ( T n - 1 - T 0 ) C pg × D g × d × S ]]>
此公式19与图4所示针孔产生过程的概念相同。
<第1实施方式>
例如，在图1、图2所示构造的外部电极型介质阻挡放电灯中，当使用KOVAR密封用的硼硅酸玻璃作为玻璃管1时，电阻R的相关常数A、B可依据图7的曲线图，计算出A＝14247、B＝-8.5115。然后，从各玻璃厂商获得KOVAR密封用的硼硅酸玻璃后发现，由于各家玻璃成分的不同，A存在2％左右的波动范围，B存在7％左右的波动范围，即A＝14247±2％，B＝-8.5115±7％。尤其是A与B的值越大，玻璃电阻(体积电阻)就越大，公式11中获得的电极部针孔产生的温度上限T也越大，因此在设计这种类型的介质阻挡放电灯时，选择电阻(体积电阻率ρ)高的玻璃十分重要。
因此，本实施方式中，是使A＝14531，B＝-7.9157。
在决定玻璃内电子漂移速度有关的常数k时，发明人在各种条件下反复实验，对针孔产生现象进行了观察。作为发生针孔的实验的一个例子，例如，在公式20所示的发光条件下，产生了针孔。
【公式20】
灯的尺寸：外径φ3mm(厚度d：0.3mm)
外部电极长：两端分别为13mm
外部电极：金属薄膜(厚度约10μm)
灯的电流：5.5mA
发光频率：50kHz
电极温度：190℃
此处，由于使用金属薄膜(厚度10μm)作为外部电极，因此外部电极的热容量比外部电极设置部内侧的玻璃管(厚度0.3mm)的热容量小得多，所以可以认为外部电极表面温度与电极设置部的玻璃管自身温度相等。因此，在计算k时，电极设置部玻璃管的温度T使用的是电极表面温度值。
此外，当使用金属片(厚度0.1mm)等热容量大的材料或者铝带(以粘合剂粘合于玻璃表面，该粘合剂使用热传导性比金属差的硅性树脂等作为基料)作为外部电极时，电极表面的温度将低于电极设置部的玻璃管自身温度，但此时需将热容量以及散热性考虑在内，计算玻璃管自身的温度。例如将金属片(厚度0.1mm)卷在玻璃管上并使用焊锡固定的外部电极，电极设置部玻璃管温度大约比电极表面温度高10～20℃，因此设计灯的规格和发光条件时需要将这些因素考虑在内。
通过以下公式21计算外部电极设置部中玻璃管电容量C[F]。其中，Φ代表灯的外径，d代表厚度，L代表电极长，即玻璃管封口部的尺寸(封口尺寸约为2mm)，εo是真空中的介电常数，εs是玻璃的相对介电常数(KOVAR密封用硼硅酸玻璃时约为5.3mm)。
【公式21】
C = 2 π&epsiv; o &epsiv; s × L ÷ Ln ( φ 2 φ 2 - d ) ]]>
此外，以I[A]表示灯电流，C[F]表示电容量，f[Hz]表示发光频率，则电极设置部的玻璃管上施加的电压V[Vrms]可依据
【公式22】
V = I 2 π × f × C ]]>
计算得出。
通过以上计算求k的值，可算出k＝34635。此k值也和玻璃管体积电阻相关常数A、B同样，从各玻璃厂商取得KOVAR密封用玻璃管，进行多次实验后发现k有±20％的波动，即k＝34635±20％。尤其，k值越小，玻璃的电阻(体积电阻)就越大，通过公式11获得的产生电极针孔的温度上限T就越大，因此在设计这种介质阻挡放电灯时，选择电阻(体积电阻率ρ)高的玻璃十分重要。鉴于此，优选k波动的下限值，即k＝27708。
使用此常数后可预测，本规格的介质阻挡放电灯在本发光条件下，一旦温度超过170～212℃，在电极部玻璃管上就会产生针孔。因此，为防止玻璃管上产生针孔，可采取下述方法，即(i)延长电极长度，或者使灯的外径更粗，以便降低电极设置部玻璃管上施加的电压，(ii)减小灯的电流，(iii)提高发光频率，(iv)增大玻璃管厚度等。例如，若按照下面公式23的方法设计，可将针孔产生温度提高到213～259℃范围。
【公式23】
灯的尺寸：外径4Φmm(厚度d：0.5mm)
外部电极长：25mm
灯的电流＝4mA
发光频率＝65kHz
灯发光时，逆变器电源6通过馈电构件14、15，向外部电极4、5施加大于等于1325Vrms的电压后，如图8～10所示，在外部电极4、5和玻璃管1(通过寄生电容Cs接地)之间，产生电晕放电A1、A2，并产生臭氧。例如，将灯作为液晶电视所用的背光源装入时，如果产生臭氧，有可能会导致周边零件的老化，缩短产品寿命，因此外部电极上施加的电压应控制在小于等于1300Vrms。而实际上，为保证余量，最好是控制在小于等于1000Vrms，因此在设计灯的规格以及发光条件时，这一点也应当考虑在内。例如，当使用图8所示的悬浮输出型逆变器6使灯发光时，施加于电极本身的电压是施加于灯两端电压的1/2，因此还需要注意施加于灯两端的电压应在小于等于2600Vrms，或者为保证余量，取小于等于2000Vrms更好。
本实施方式所述的设计方法也可以用来确认在当前的介质阻挡放电灯的灯规格及发光条件下，是否可能产生针孔，作为可靠性保证的手段。例如，对规格如公式24所示的用于液晶电视背光源的介质阻挡放电灯进行研究。
【公式24】
灯大小：外径4Φmm(厚度d＝0.5mm)
外部电极：镀焊锡的电极(长23mm)
充入气体：Ne+Ar(10％)[共计50Torr]及水银(约3mg)
玻璃管材料：KOVAR密封用的硼硅酸玻璃
灯电流：5mA
发光频率：65kHz
这种规格下，介质阻挡放电灯的针孔发生温度预测值为201～245℃。但实际上安装于液晶电视时的温度为大约110℃。此时，可得出结论，即该温度与针孔发生的温度预测值之间有足够的余量，因此即使在电极部不安装散热片等散热构件，也不会在电极部玻璃管上产生针孔。如果在电极部安装散热片等进行强制冷却，电极部温度会比灯发光部(没有电极的部分)还要低，结果可能产生的问题是，造成封入灯内的水银集中在电极部，从而导致灯发光部的水银蒸汽枯竭，无法获得充足的亮度，但由于灯发光部的玻璃管表面温度为60℃，电极部比它的温度高，因此在长时间发光时，电极部不会产生这种问题。再者，由于使用浮动输出型逆变器使本灯发光，因此电极部施加电压为820Vrms(灯两端的施加电压为1640Vrms)，由此可以得出结论，在此灯以及发光条件的设计中，不会产生电晕放电。
如上所述，通过本实施方式的介质阻挡放电灯设计方法，可通过决定灯的规格，或者通过设定发光条件，使外部电极4、5内侧玻璃部分不满足产生针孔的条件，从而防止该玻璃部分产生针孔，延长介质阻挡放电灯的使用寿命。
本发明不仅限于外部电极型的介质阻挡放电灯设计，向依据此设计思想制造的介质阻挡放电灯供给功率的电源装置的规格、发光条件、以及包含这些介质阻挡放电灯主电源装置的照明装置也都属于此技术范围之内。