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CN111554562A - 无电极灯 - Google Patents

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CN111554562A
CN111554562A CN202010428648.4A CN202010428648A CN111554562A CN 111554562 A CN111554562 A CN 111554562A CN 202010428648 A CN202010428648 A CN 202010428648A CN 111554562 A CN111554562 A CN 111554562A
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李昆达
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Abstract

本发明关于一种由微波驱动的无电极灯，该无电极灯提供含紫外光、可见光和红外光的全光谱连续辐射，且包括由无汞金属卤化物组成的第一填充组成。借此，可使该无电极灯具有环保、高光效、使用寿命长、低光衰等优点，并符合AM 1.5G的标准，进而应用于太阳光模拟器的领域。

Description

无电极灯
本申请是2016年06月06日申请的，发明名称为“无电极灯”，申请号为201610395576.1的中国发明专利申请的分案申请
技术领域
本发明是关于一种无电极灯，特别是一种可提供全光谱连续辐射的无电极灯。
背景技术
现有气体放电灯技术中，如高压汞灯、低压汞灯、短弧氙气灯、长弧氙气灯、金属卤素灯、高强度放电灯(HID灯)等，通常是通过填充各式气体或添加剂至灯体中，并借由电极激发填充的物质来提供不同范围及比例的光谱。
然而，由于所填充的物质具有不同的老化特性，长时间的使用及作用时所产生的高温使得电极与添加剂容易产生化学反应，而导致气体放电灯的光谱改变及强度衰减。再者，使用于前述气体放电灯技术的灯具，其外部常装设有外部滤光器以调整光谱的输出，然而该外部滤光器的架设将降低整体灯源的发光功效，且其中的滤光片亦容易受长时间的光照影响而老化。
为突破上述缺点，无电极灯(亦称为等离子灯或等离子灯)因此问世。同属气体放电灯的无电极灯，是于一密封透明的灯体内填充化学惰性气体和一或多种活性成分(如汞、硫、硒、碲、或金属卤化物)，并通过一射频或微波能量来激发填充的物质而提供光源。
无电极灯的使用寿命长达约40,000至90,000小时，远高于目前已知的发光体(含LED)，且在长期使用下仍能保持一致的光谱特性，再者，其光谱的演色性CRI>95是所有当前发光体中最近似阳光的。
自1970年代起，Childs等学者带动无电极的微波硫灯的研究。微波硫灯是一种以微波驱动的全光谱无电极灯，该微波硫灯是于石英泡壳内填充硫，并借由2,450MHz的微波辐射来激发，使硫被加热至极高温而形成等离子态，进而产生连续光谱。微波硫灯具有高光效、使用寿命长、光谱连续、无汞污染、良好的流明维持率、瞬时启动等优点，且大约73％的发光落在可见光谱范围，而有害的紫外线成分不到1％。
无电极灯的相关技术在许多篇专利文献上都有披露，例如，美国专利US 5404076、US 5866980A、US 6469444B1、US 5606220A、US 5866981A、US 6633111B1、US 2010/0117533A1等，然而这些文献多是针对借由调整填充物质的种类及条件，以使灯具的光谱范围、发光效率、及显色性能更符合普通照明的应用。
在产业上，太阳光模拟器(Solar Simulator)是广泛应用于太阳能电池(Photovoltaic Cell、或称光伏电池)系统的性能评估。太阳光模拟器是借由光学系统的设计以获得与于地球表面所接收的自然太阳光照特性一致的光源，从而确保精确且可再现的测试结果。
为整合和规范太阳光模拟器的光谱特性与量测，已于国际上订立如IEC 60904-9、ASTM E927-10、JIS C 8912、CNS 13059-9等标准，及IEC 61215、IEC 61646等光电元件的试验规范。依据这些规范，一标准的太阳能电池(光伏电池)的量测应以强度为100mW/cm2的AM1.5G的标准入射光源进行。
如图1所示，在已知技术中，使用于普通照明的现有硫灯的发光光谱分布较窄，所发射的光主要落在可见光光谱范围内，落在紫外光光谱与红外光光谱的比例都偏低，故无法满足上述规范，因此在改良上多利用(氙气)放电灯和卤素灯的不同组合来作为太阳光模拟器的标准光源。另外，亦可通过设置适当的滤光器对所发出的光谱进行校正。
而如美国专利US 5866980A与US 6469444B1所述，尽管可借由在硫灯中添加微量金属卤化物来修正硫灯的光谱性能，然而由于过量的金属卤化物易与硫产生化学反应，进而导致硫灯难以启动或无法重复点灯的问题，且金属卤化物的添加比例有一定限制，故欲借由添加微量金属卤化物来扩大紫外光与红外光的光谱范围的效果也相当有限。
有鉴于此，如何改善上述缺失，提供一种无电极灯，以使其可产生全光谱连续辐射并满足AM 1.5G的标准，实乃此一业界极待解决的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种无电极灯，其所发出的光的光谱可集中在350nm-1,100nm的范围内，故得以涵盖紫外光、可见光与红外光等三部分光谱，并作为模拟太阳标准光源的应用，具有长寿命、极低光衰等特色。
本发明的第一特征在于：无电极灯的主要填充物质不采用硫成份，而是以活性金属溴化物为主成份来取代。此改良后的无电极灯能够避免微波硫灯在光谱表现上的缺点，获得更宽广且稳定的光谱分布。本发明的主要填充物质为金属溴化物，即：溴化铟、三溴化锑、二溴化钴、溴化镁，或这些金属溴化物的混合物。当灯泡之外径为3.5cm时，所添加的金属溴化物总量可在16mg到40mg范围内，也就是0.93mg/cm3到2.33mg/cm3的浓度范围，故与一般具有两端电极的卤素灯或多个金属放电灯中常用的金属碘化物，二者在性能上还是有很大的不同。
本发明的第二特征在于：无电极灯的灯泡内可同时添加少量金属锑。金属锑的添加将有助于此微波无电极灯的快速启动，以及可缩短关灯冷却后再启动的时间。于先前技术中，有些是使用金属铟，但本填充金属锑的组成以溴化锑为主。金属锑在灯泡发光时可参与高温等离子反应，冷却时会过饱和析出于石英内壁上，因此不会产生不良的化学作用。
本发明的第三特征在于：无电极灯的灯泡内也可添加少量稀土族金属卤化物或微量过渡金属卤化物。所添加的稀土族金属卤化物，包括一种或多种稀土族金属卤化物混合物组成，例如稀土族金属为镝(Dy)、钬(Ho)及/或铯(Cs)等。少量稀土族金属卤化物也有助于此微波无电极灯快速启动，以及提高发光效率和显色性能，克服过去都无法在灯泡积热下再次启动，改善后的效果可达到关灯后可立即在30秒内快速启动的优势能力。
为达上述目的，本发明由一微波驱动的一无电极灯包含一电磁壳体、一灯泡、一导电性筛网及一磁控管。电磁壳体是具有一微波供应腔，灯泡是借由一灯体设置于电磁壳体的微波供应腔上，灯泡所发射的光为包含紫外光、可见光和红外光的一全光谱连续辐射光，导电性筛网是包覆灯泡设置，且磁控管是可借由一导波管将所产生的微波提供至微波供应腔内。其中，灯泡内是填充含有一无汞金属卤化物的一填充物，且填充物包含一第一填充组成、一第二填充组成、一第三填充组成及一第四填充组成，第一填充组成使得灯泡所发射的光为含紫外光、可见光和红外光的全光谱连续辐射光，且第三填充组成使得灯泡在积热下快速启动。第一填充组成为具有溴化铟与溴化锑的一第一混合物组成、第二填充组成为具有活性金属元素的一第二混合物组成、第三填充组成为具有一或多种稀土族金属卤化物的一第三混合物组成、且第四填充组成为惰性气体的一第四混和物组成。
为达上述目的，本发明的无电极灯的第一混合物组成包括三溴化锑、二溴化钴及/或溴化镁。
为达上述目的，本发明的无电极灯的第二混合物组成包含锑(Sb)。
为达上述目的，本发明的无电极灯的第三混合物组成包括镝(Dy)、钬(Ho)及/或铯(Cs)。
为达上述目的，本发明的无电极灯的第四混和物组成包括氦气、氖气、氩气及/或氙气。
为达上述目的，本发明的无电极灯的第一填充组成、第二填充组成与第三填充组成的浓度是介于0.6-2.9mg/cm3之间。
为达上述目的，本发明的无电极灯的第一填充组成、第二填充组成与第三填充组成的浓度是介于0.9-2.3mg/cm3之间。
为达上述目的，本发明的无电极灯更包含以透光石英构成的一灯泡壁。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1为先前技术中微波硫灯的连续光谱与AM 1.5G标准的光谱的比较图；
图2为本发明中所使用的微波产生器与无电极灯灯座的装置示意图；
图3为依据本发明的第一实施例的无电极灯的连续光谱图；
图4为依据本发明的第二实施例的无电极灯的连续光谱与太阳AM 1.5G光谱的比较图；及
图5为依据本发明的第三实施例的无电极灯的连续光谱图。
图中元件标号说明如下：
10 无电极灯
1 灯体
2 灯泡
3 电磁壳体
4 导电性筛网
5 磁控管
6 导波管
7 微波供应腔
具体实施方式
如图2所示，其为本发明的无电极灯10的示意图。本发明的无电极灯10包含一灯体1、一灯泡2、一电磁壳体3、一导电性筛网4、一磁控管5及一导波管6。其中，电磁壳体3是具有一微波供应腔7，灯泡2是借由灯体1设置于电磁壳体3的微波供应腔7上，导电性筛网4是包覆灯泡2设置，且磁控管5是可借由导波管6将所产生的微波提供至微波供应腔7内。
借此，当于灯泡2内填充含有一无汞金属卤化物的一填充物，且该填充物包含一第一填充组成、一第二填充组成、一第三填充组成及一第四填充组成后予以密封，并使磁控管5提供一频率为2.45GHz及功率为1kW的微波。接着，将该微波通过导波管6进入至微波供应腔7，同时借电磁壳体3将微波能量集中，以加热灯泡2内的填充物，并将其激发至等离子状态而产生光谱辐射，并让光线自灯泡2经导电性筛网4的孔洞输出后，即可获得满足AM 1.5G的标准的全光谱连续辐射光。
于本发明中，为承受无电极灯10运作时所产生的高温(约600-900℃)，无电极灯10的灯泡2的灯泡壁是以石英制成。另外，根据所需的功率，灯泡2的尺寸通常为10-30立方厘米，而灯泡2内部的填充多介于10-100mbar之间。
接着，将针对本发明的无电极灯10之内部填充进行详细的说明。相较于已知的无电极灯，本发明的无电极灯10于技术上主要具有三大特征。
首先，本发明的第一特征在于：无电极灯10的主要填充物质不采用硫成份，而是以活性金属溴化物为主成份来取代。此改良后的无电极灯能够避免微波硫灯在光谱表现上的缺点，获得更宽广且稳定的光谱分布。本发明的主要填充物质为金属溴化物，即：溴化铟、三溴化锑、二溴化钴、溴化镁，或这些金属溴化物的混合物。
当灯泡2之外径为3.5cm时，所添加的金属溴化物总量可在16mg到40mg范围内，也就是0.93mg/cm3到2.33mg/cm3的浓度范围，故与一般具有两端电极的卤素灯或多个金属放电灯中常用的金属碘化物，二者在性能上还是有很大的不同。
接着，本发明的第二特征在于：无电极灯10的灯泡2内可同时添加少量活性金属元素锑(Sb)，锑的添加将有助于无电极灯10的快速启动，并缩短关灯冷却后再启动的时间。于部分已知技术中，是通过添加铟(In)以达到相同效果，然而，本发明中的填充组成是以溴化锑为主，所添加的锑在灯具运作时可参与高温等离子反应，冷却后会过饱和析出于石英灯泡壁内，可因此避免其他不良的化学作用。
再者，本发明的第三特征在于：无电极灯10的灯泡2内可进一步添加少量稀土族金属卤化物或过渡金属卤化物。该稀土族金属卤化物包括至少一种稀土族金属卤化物的混合物，且其成分包含镝(Dy)、钬(Ho)及/或铯(Cs)。该稀土族金属卤化物的添加同样有助于无电极灯关闭后快速(30秒内)再启动的功能，以克服已知技术中，灯泡无法在具积热的情形下再次启动的缺陷，同时提高灯具的发光效率和显色性能。
借由上述特征，本发明的无电极灯10将因此具有长寿命、极低光衰等优点，再者，相对于传统的照明应用，本发明的无电极灯10所发出的光谱稳定、连续、且广泛，其光谱范围更可同时涵盖紫外光(于350nm到400nm之间)、可见光与红外光(于700nm到1,100nm之间)，与自然太阳光的光谱分布一致，因此可作为符合AM 1.5G标准的太阳光模拟器的标准光源。
于本发明的较佳实施例中，无电极灯10的第一填充组成为具有溴化铟与溴化锑的一第一混合物组成、第二填充组成为具有活性金属元素的一第二混合物组成、第三填充组成为具有一或多种稀土族金属卤化物的一第三混合物组成、且第四填充组成为惰性气体的一第四混和物组成。
其中，该第一混合物组成包括三溴化锑、二溴化钴及/或溴化镁；该第二混合物组成包含锑(Sb)及/或铟(In)；该第三混合物组成包括镝(Dy)、钬(Ho)及/或铯(Cs)；该第四混和物组成包括氦气、氖气、氩气及/或氙气。
具体而言，在灯泡2内填充的活性填充组成(即第一填充组成、第二填充组成及第三填充组成的集合)，其浓度应介于0.6-2.9mg/cm3，并以介于0.9-2.3mg/cm3为较佳范围。并且，于无电极灯10中所添加的填充物(尤其为第一填充组成中的无汞金属卤化物及第三填充组成中的稀土族金属卤化物)，可通过改变填充物的种类与浓度来控制此无电极灯10的光谱范围及能量特性。
以下将针对本发明各实施例的技术内容进行详细说明。
于本发明的第一实施例中，是提供了一无电极灯10，无电极灯10采用以石英构成的球形灯泡壁，且其外径为3.5cm，而灯泡内部的体积为17.16cm3，并将灯泡内部的填充物表列如下：
溴化铟(InBr)：7mg
三溴化锑(SbBr3)：22mg
锑(Sb)：6mg
三碘化镝(DyI3)：0.3mg
氙气(Xe)：30torr at 25℃
第一实施例的无电极灯10的灯泡2内所填充的溴化铟、三溴化锑、锑、三碘化镝的总量为35.3mg，也就是第一填充组成、第二填充组成及第三填充组成的浓度为2.06mg/cm3，再将第四填充组成的氙气填充并密封后，将灯泡2插入在具有如图2所示的结构中，于1,200～3,000rpm的转速下旋转，并于2.45GHz和1,000W的条件下即可得到如图3所示的发射光谱。
之后，再借由分光式色彩分析仪与太阳分光光谱仪(sun spectroradiometer)量测由微波激发的无电极灯10的发光光谱，可得到相对色温为5,233K，而在400nm-1,100mm光谱范围的分布结果是如表1与图3所示，该结果符合IEC60904-9(及JIS C 8912)规范中，太阳光模拟器A级光源的要求。由此可知，这些种类及比例的无电极灯10的填充物提供了一个理想的全光域连续频谱及良好光效。
表1 IEC 60904-9规范与第一实施例的无电极灯的光谱分布比较
Figure BDA0002499681800000071
Figure BDA0002499681800000081
接着，于本发明的第二实施例中，提供了另一无电极灯10，无电极灯10同样采用以石英构成的球形灯泡壁，且其外径为3.5cm，而灯泡内部的体积为17.16cm3，并将灯泡内部的填充物表列如下：
溴化铟(InBr)：10mg
三溴化锑(SbBr3)：12mg
锑(Sb)：3mg
二碘化钴(CoI2)：1.0mg
三碘化镝(DyI3)：0.3mg
氙气(Xe)：15torr at 25℃
第二实施例的无电极灯10的灯泡2内所填充的溴化铟、三溴化锑、锑、二碘化钴、三碘化镝的总量为26.3mg，也就是第一填充组成、第二填充组成及第三填充组成的浓度为1.54mg/cm3。接着，将第四填充组成(氙气)填充并将灯泡2密封后，将灯泡2插入如图2所示的结构中，于3,000rpm的转速下旋转，并于2.45GHz和1,000W的条件下即可得到如图4所示的发射光谱。
之后，再借由分光式色彩分析仪与太阳分光光谱仪量测微波激发的该无电极灯的发光光谱，可得到相对色温为5,900K，而于350nm-750mm光谱范围的分布结果是如表2与图4所示，该结果符合JIS C 8933规范中，对于量测非晶质的薄膜太阳能电池与模块所需的太阳光模拟器A级光源的要求。由此可知，这些种类及比例的无电极灯的填充物提供了一个另一理想的全光域连续频谱及良好光效。
表2 JIS C 8933规范与第二实施例中无电极灯的光谱分布比较
Figure BDA0002499681800000091
于本发明的第三实施例中，提供了另一无电极灯10，无电极灯10同样采用以石英构成的球形灯泡壁，且其外径为3.5cm，而灯泡内部的体积为17.16cm3，并将灯泡内部的填充物表列如下：
溴化铟(InBr)：8mg
三溴化锑(SbBr3)：21mg
锑(Sb)：6mg
三碘化镝(DyI3)：0.6mg
氙气+氩气(Xe+Ar)：20torr at 25℃
第三实施例的无电极灯10的灯泡2内所填充的溴化铟、三溴化锑、锑、三碘化镝的总量为35.6mg，也就是第一填充组成、第二填充组成及第三填充组成的浓度为2.07mg/cm3。将第四填充组成(氙气及氩气)填充并将灯泡2密封后，将灯泡2插入在具有如图2所示的结构中，于3,000rpm的转速下旋转，并于2.45GHz和1,000W的条件下即可得到如图5所示的发射光谱。
之后，再借由分光式色彩分析仪与太阳分光光谱仪量测由微波激发的无电极灯的发光光谱，可得到相对色温为5,651K，而在350nm-1,100mm光谱范围的分布结果是如表3、表4与图5所示，该结果符合IEC 60904-9(及JIS C 8912)与JIS C 8933规范中，太阳光模拟器A级光源的要求。由此可知，这些种类及比例的无电极灯10的填充物提供了一个宽广的全光域连续频谱及良好光效。
表3 IEC 60904-9规范与第三实施例中无电极灯的光谱分布比较
Figure BDA0002499681800000101
表4 JIS C 8933规范与第三实施例中无电极灯的光谱分布比较
Figure BDA0002499681800000102
综合上述，本发明的无电极灯10可产生满足AM 1.5G的标准的光谱连续辐射，故得以涵盖紫外光、可见光与红外光等三部分光谱，并进一步应用于太阳光模拟器的领域中，且具有长寿命、极低光衰等特色。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种由一微波驱动的无电极灯，其特征在于，包含：
一电磁壳体，是具有一微波供应腔；
一灯泡，是借由一灯体设置于该电磁壳体的该微波供应腔上，该灯泡所发射的光为包含紫外光、可见光和红外光的一全光谱连续辐射光；
一导电性筛网，是包覆该灯泡设置；以及
一磁控管，是可借由一导波管将所产生的微波提供至该微波供应腔内；
其中，该灯泡内是填充含有一无汞金属卤化物的一填充物，且该填充物包含一第一填充组成、一第二填充组成、一第三填充组成及一第四填充组成，该第一填充组成使得该灯泡所发射的光为含紫外光、可见光和红外光的该全光谱连续辐射光，且该第三填充组成使得该灯泡在积热下快速启动；
该第一填充组成为具有溴化铟与溴化锑的一第一混合物组成、该第二填充组成为具有活性金属元素的一第二混合物组成、该第三填充组成为具有一或多种稀土族金属卤化物的一第三混合物组成、且该第四填充组成为惰性气体的一第四混和物组成。
2.如权利要求1所述的无电极灯，其特征在于，该第一混合物组成包括三溴化锑、二溴化钴及/或溴化镁。
3.如权利要求1所述的无电极灯，其特征在于，该第二混合物组成包含锑(Sb)。
4.如权利要求1所述的无电极灯，其特征在于，该第三混合物组成包括镝(Dy)、钬(Ho)及/或铯(Cs)。
5.如权利要求1所述的无电极灯，其特征在于，该第四混和物组成包括氦气、氖气、氩气及/或氙气。
6.如权利要求1所述的无电极灯，其特征在于，该第一填充组成、该第二填充组成与该第三填充组成的浓度是介于0.6-2.9mg/cm3之间。
7.如权利要求1所述的无电极灯，其特征在于，该第一填充组成、该第二填充组成与该第三填充组成的浓度是介于0.9-2.3mg/cm3之间。
8.如权利要求1所述的无电极灯，更包含以透光石英构成的一灯泡壁。
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