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Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit auf Leuchtmittel.
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Als Leuchtmittel werden vorliegend Quellen von im Sichtbaren, im Ultravioletten oder im Infraroten liegender optischer Strahlung verstanden, die mit elektrischer Energie betrieben werden.
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Prinzipiell ist es wünschenswert, Leuchtmittel mit einem vertretbaren Energieaufwand sehr hell zum Leuchten zu bringen. Bereits vorgeschlagen wurde, ein Gasvolumen durch Zuführung elektrischer Hochfrequenzenergie soweit zu erregen, dass ein leuchtendes Plasma entsteht.
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Eine Vorrichtung zur Plasmaerregung mit Mikrowellen ist aus der
DE 103 35 523 B4 bekannt, in welcher eine Mikrowellenleiterzuleitung sich verzweigt und daran Stegelektroden gebildet sind, deren Länge zu einer Mikrowellenphasenverschiebung führt.
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Eine Mikrowellen verwendende Plasmaerzeugungsvorrichtung ist weiter beispielsweise bekannt aus der
US 4,908,492 . Dort wird eine zylindrische HF-Leiteranordnung mit einem zylindrischen äußeren Leiter und einem wendelförmigen inneren Leiter vorgeschlagen, zwischen denen Mikrowellenenergie zugeführt wird. Innerhalb der wendelförmigen Spule soll ein Entladungsrohr angeordnet werden. Beschränkungen hinsichtlich der Abmessungen und der Form sollen eliminiert sein und es soll hinreichend viel Energie in das Gas beziehungsweise Plasma einkoppelbar sein. Erwähnt wird die Verwendung als Lichtquelle hoher Helligkeit und kurzer Wellenlänge für Zwecke optischer Reaktionen.
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Aus der
US 5,072,157 ist eine Entladungsröhrenanordnung mit einer Erregungsvorrichtung und mit einer Entladungsröhre bekannt, welche aus lichtdurchlässigem, dielektrischem Material gebildet ist. Die Erregungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, Oberflächenwellen in der Füllung der Entladungsröhre zu erregen. Dabei ist mindestens ein Impedanzanpassungsnetzwerk zwischen einer Einkopplungsstelle und einer Hochfrequenzleistungsquelle vorgesehen.
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Aus der
US 4,049,940 , die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, ist eine Vorrichtung bekannt, in welcher ein Plasma in einer Gassäule durch Erregung einer Oberflächenwelle mit Hochfrequenzenergie erzeugt wird. Das Oberflächenwellenerzeugungsmittel zur Hochfrequenzenergie-Einkopplung erstreckt sich nur über einen Teil der Gassäule und es wird soviel Leistung im erregenden elektrischen Feld zur Verfügung gestellt, dass sich das erzeugte Plasma über den entsprechenden Teil der Gassäule hinaus ausdehnt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Gassäule in einem länglichen, isolierten Gehäuse umfasst, wobei eine erste metallische Röhre, die an beiden Seiten offen ist, und eine zweite Röhre, die die erste umgibt, sodass eine koaxiale Anordnung erhalten wird, vorgesehen sind.
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Zwar ist die Mikrowellenerregung der Gasvolumina in Leuchtmitteln nach dem Stand der Technik per se vorteilhaft und erwünscht, weil so beispielsweise hohe Leuchtdichten erzielt werden können. Nachteilig ist aber, dass im Regelfall die Verwendung resonanter Strukturen erforderlich ist, was dem Betrieb mit preiswerteren Breitbandenergiequellen entgegensteht; zudem ist oftmals eine Abschattung des Leuchtvolumens durch die umgebenden Strukturen verursacht beziehungsweise eine Abschirmung der eingekoppelten Hochfrequenzenergie erforderlich.
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Es ist wünschenswert, zumindest einen Teil der erwähnten Probleme einer wenigstens partiellen Linderung zuzuführen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Somit schlägt die vorliegende Erfindung in einem ersten Grundgedanken ein Leuchtmittel mit einem Gasvolumen und einer koaxialen HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung zur Erregung desselben mit evaneszenten Feldern von Oberflächenwellen vor, wobei vorgesehen ist, dass die koaxiale HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung einen in das Gasvolumen geführten Zentralleiter aufweist.
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Dadurch, dass ein Zentralleiter, also ein auf der Achse der koaxialen HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung angeordneter Zentralleiter verwendet wird, ist das durch Plasmaleuchten erzeugte Licht zunächst nicht durch diesen abgeschattet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl der Zentralleiter bevorzugt exakt zentral auf der Achse der koaxialen HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung liegt, Abweichungen, bevorzugt nur geringe Abweichungen von einer Zentrallage möglich sind. Dies verbilligt das Leuchtmittel insoweit, als gegebenenfalls eine geringere Fertigungspräzision erforderlich ist. Relevant ist aber, dass das Gasvolumen den Zentralleiter umgibt; so wird das aus dem Plasmaraum austretende Licht nicht durch die Koppelstruktur abgeschattet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung erzeugt besonders effizient Oberflächenwellen, was vorteilhaft ist, da Oberflächenwellen eine allenfalls geringe elektromagnetische Abstrahlung aufweisen. Demgemäß ist eine Abschirmung nicht erforderlich beziehungsweise es müssen allenfalls nur sehr geringe Abschirmmaßnahmen ergriffen werden. Dies ist insoweit vorteilhaft, als die Abschirmung typisch zu einer signifikanten Verringerung der Effizienz, das heißt des Wirkungsgrades der von Mikrowellen betriebenen Lampen beziehungsweise Leuchtmittel geführt haben.
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Es ist möglich und bevorzugt, das Gasvolumen als Hochdruckvolumen auszulegen, um Beleuchtungszwecken zu dienen. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Leuchtmittel mit hoher Brillanz, das heißt hoher Farbtemperatur und großer Leuchtdichte, gewünscht wird. Erwähnt sei hier etwa die Beleuchtung im Innenbereich, wobei durch geeignete Gasfüllungen usw. gegebenenfalls sogar eine gewünschte Farbtemperatur erzielt werden kann. Der Druck im Inneren von Hochdrucklampen kann einige Bar betragen.
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Dass die vorliegende Erfindung auch für Niederdrucklampen einsetzbar ist, die mit Drücken im Bereich bis einige Millibar arbeiten, sei ebenfalls erwähnt. Auch hier kann entstehende UV-Strahlung entweder unmittelbar als solche abgestrahlt und verwendet oder über Fluoreszenzstoffe in für jeweilige Beleuchtungs- und/oder Bestrahlungszwecke geeignetere Spektralbereiche gewandelt werden.
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Alternativ ist es möglich, einen mittleren Druck für das Gasvolumen zu wählen, was dann vorteilhaft ist, wenn das Leuchtmittel kurzwellige optische Strahlung, das heißt im Ultravioletten liegende Strahlung, erzeugen soll, die direkt verwendet werden soll oder -etwa über herkömmliche Fluoreszenzmittel in sichtbare Strahlung umgesetzt werden soll. Auf diese Weise können beispielsweise Leuchtmittel zur Erzeugung von biologisch wirksamer Strahlung, etwa zur Wasserdesinfektion in Klärwerken oder für die Lebensmittelindustrie genauso bereitgestellt werden wie Leuchtmittel, mit denen in Lackieranlagen oder dergleichen photochemische Reaktionen ausgelöst werden, das heißt zum Beispiel ein Aushärten von Beschichtungen, Klebstoffen und dergleichen initiiert wird.
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Es sei erwähnt, dass bei den Leuchtmitteln der vorliegenden Erfindung einleuchtenderweise insbesondere deren Hüllkörper, die typisch aus geeigneten Glassorten bestehen werden, mit Fluoreszenzfarbstoffen u. ä. versehen sein können, um in per se bekannter Weise für die Umwandlung der im Leuchtmittel erzeugten UV-Strahlung in die gewünschten Spektralbereiche zu sorgen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass je nach gewünschtem Druckbereich und Einsatzzweck das Leuchtmittel entsprechend angepasst sein wird. So können gegebenenfalls druckabhängig unterschiedliche Dicken für den das Gasvolumen umgebenden Kolben gewählt werden und/oder unterschiedliche Materialien, beispielsweise im Falle von UV-Mitteldruckstrahlern Materialien, die besonders gut UV-durchlässig sind, beispielsweise Quarzglas. Dabei sei darauf hingewiesen, dass das Gasvolumen typisch länglich ausgedehnt sein wird, also etwa in einem länglich ausgedehnten Zylinder oder dergleichen angeordnet ist.
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Die Koaxialleitung ist typisch zur Energieeinspeisung beziehungsweise zur Energieleitung in der Grundmode des Koaxialleiters ausgelegt. Insoweit handelt es sich bei dem Leuchtmittel der vorliegenden Erfindung um ein nichtresonantes System, was wiederum ermöglicht, das Leuchtmittel breitbandig zu betreiben, das heißt beispielsweise eine breitbandig Hochfrequenz-Energiequelle zu verwenden oder sogar gepulst, auch kurz gepulst Energie einzuspeisen. Es besteht ein wesentlicher Vorteil gegenüber Hohlraumresonatorstrukturen, da dort auf Grund der Resonatoreigenschaft ein breitbandiges Pulsen nicht möglich ist; damit sind dort kurze, das heißt besonders breitbandige Impulse, nicht erzeugbar. Überdies kann durch die Ermöglichung einer nichtresonanten Erregung auch eine insoweit verringerte Anforderung an die Präzision der Hochfrequenz-Energiequelle erreicht werden, was wiederum die Kosten senkt.
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Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Möglichkeit des nichtresonanten Betriebs ergibt, besteht darin, dass für die verwendeten Bauteile keine besonderen Dimensionen eingehalten werden müssen, um irgendwelchen Resonanzbedingungen zu genügen. Dies erlaubt insbesondere die Verwendung sehr kleiner Strukturen und schafft damit ein hohes Potenzial der Miniaturisierung. Zudem ergibt sich auch dann, wenn etwa die Frequenz der Hochfrequenz-Energiequelle durch thermische Effekte oder dergleichen leicht variiert, keine, jedenfalls keine signifikante Variation der Leuchtstärke, weil die Einkopplung der elektromagnetischen Welle in das Plasma praktisch frequenzunabhängig erfolgt.
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Die Anordnung wird typisch so ausgelegt sein, dass Leistung, die nicht zur Plasmaerzeugung benötigt wird, zurückreflektiert wird. Dabei ist zu beachten, dass die mögliche Leistungsaufnahme des Leuchtmittels nach dem Start variiert, etwa weil die Lampe noch warm werden muss und dadurch energieaufnehmende Prozesse verbessert werden, etwa, weil der Druck durch die Erwärmung noch ansteigt oder dergleichen. Bei Hochdrucklampen kann der Druck auf einige hundert bar ansteigen. Die Selbstregulierung durch Leistungsreflexion ist insoweit vorteilhaft, als keine Leistungsregler vorgeschaltet werden müssen.
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Der Energietransport in das Plasma erfolgt durch evaneszente Felder der Oberflächenwelle, so dass eine galvanische Kopplung nicht zwingend erforderlich ist. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung damit, dass die Mikrowellen nur in einem kleinen Abstand zum Zentralleiter in signifikantem Maß Leistung aufweisen, was die erforderliche Abschirmung verringert. Daher kann der Zentralleiter galvanisch mit dem Gasvolumen verbunden sein, dies ist aber nicht zwingend. Bevorzugt ist vielmehr, wenn der Zentralleiter nicht galvanisch mit dem Gasvolumen verbunden, sondern davon galvanisch getrennt ist. Dies bietet Vorteile, weil der Zentralleiter bei galvanischer Trennung vom Gasvolumen auch nicht mit dem Plasma in Berührung kommen kann. Demgemäß kann der Zentralleiter auch nicht – wie Elektroden sonst – vom Plasma angegriffen werden, was die Haltbarkeit verbessert.
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In einer besonders bevorzugten Variante ragt der Zentralleiter über den koaxialen Mantel hinaus. Dabei befindet sich der Zentralleiter im über den koaxialen Mantel hinausragenden Bereich immer noch bevorzugt innerhalb des Gasvolumens. Der Zentralleiter ist somit in dem Gasvolumen umfasst.
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Der Gasleuchtraum kann zumindest weitgehend, bevorzugt vollständig abschirmungsfrei sein. Es kann in der eigentlichen Kopplungsstruktur eine Plasmaerregung und Oberflächenwellenbildung stattfinden, wobei sich die gebildete Oberflächenwelle entlang des Zentralleiters über die Abschirmung der Kopplungsstruktur hinaus am Zentralleiter entlang erstrecken kann und wobei durch das Hinausragen des Zentralleiters über den ihn anfangs umgebenden koaxialen Mantel zumindest in jenem Bereich, in welchem der Zentralleiter über den Mantel hinausragt, eine vollständige Abschirmungsfreiheit gegeben ist. Da keine Hochfrequenzwellen abgeschirmt werden müssen, wird dort Licht auch nicht abgeschattet.
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Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren zum Betrieb eines Leuchtmittels, bei welchem Hochfrequenzenergie über einen koaxialen Zentralleiter in ein Gasvolumen eingekoppelt wird, insbesondere bei einer Anordnung, wie sie im
US-Patent 4,049,940 , dort allerdings ohne den erfindungsgemäßen koaxialen Zentralleiter, beschrieben ist.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn Hochfrequenzenergie breitbandig oder gepulst eingekoppelt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt in
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1 eine Koppelstruktur für ein Leuchtmittel der vorliegenden Erfindung.
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Nach 1 umfasst ein allgemein mit 1 bezeichnetes Leuchtmittel 1 ein Gasvolumen 2 und eine koaxiale HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung 3 zur Erregung des Gasvolumens 2 mit Oberflächenwellen, wobei die koaxiale HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung 3 einen in das Gasvolumen 2 geführten Zentralleiter 4 aufweist.
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Das Leuchtmittel 1 ist vorliegend als Niederdruck-Leuchtmittel mit einem Gas von hier 30 mbar, hier beispielsweise mit Argon, gefüllt. Das Gasvolumen 2 ist in einem langgestreckten Glaskolben 2a umschlossen, der in 1 nur gestrichelt angedeutet ist. Der Glaskolben erstreckt sich dabei nicht bis ins Innere der Koppelstruktur 3, sondern nur bis dicht davor. So wird ein Kurzschluss der auf den Innenleiter zu koppelnden Mikrowellenenergie durch das Plasma vermieden. In diesem Glaszylinder 2a liegt, galvanisch von der weiteren Koppelstruktur 3 getrennt, der Zentralleiter 4.
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Die Koppelstruktur
3 ist vorliegend, abgesehen vom Zentralleiter
4, gebildet wie in
US 4,049,940 per se beschrieben. Vorgesehen ist eine hier gleichfalls koaxiale Energiezuleitung
3a, die im Inneren eines Kopplungsraums
3b mit einer kapazitiven Kopplungsplatte
3c verbunden ist, welche sich bereichsweise eng an einen Koaxialmantel
3d annähert. Der Koaxialmantel
3d hat eine Achse, auf welcher der Zentralleiter
4 verläuft und bildet demnach mit dem Zentralleiter eine koaxiale HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung. Die Kopplungsstruktur
3 hat weiter einen Koppelschlitz
5 zum Aufprägen der Oberflächenwelle und eine Frontplatte
6. Wie der Vergleich mit der
US 4,049,940 zeigt, unterscheidet sich die vorliegende Anordnung somit insbesondere durch den zusätzlichen Zentralleiter
4 vom Stand der Technik. Dieses Schutzrecht wird im übrigen zu Offenbarungszwecken vollumfänglich eingegliedert.
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Die Anordnung wird betrieben wie folgt:
Über die koaxiale Zuleitung 1 wird aus einer HF-Energiequelle (nicht gezeigt), die im übrigen Teil des Leuchtmittels oder separat gebildet sein kann, Energie über die koaxiale Zuleitung und die kapazitive Kopplung zu dem Gasvolumen 2 hin geleitet. Die kapazitive Kopplung koppelt Energie in die Koaxialstruktur aus Koaxialmantel 3d und Zentralleiter 4 zur Energieweiterleitung in einer Koaxialgrundmode.
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Durch die zugeführte Energie bildet sich eine Oberflächenwelle entlang des Zentralleiters aus, die entlang des Zentralleiters über die Koppelstruktur hinaus erstreckt ist und sich somit auch in den Bereich des länglichen Glaskolbens außerhalb der eigentlichen Koppelstruktur, das heißt jenseits der Frontplatte 6 erstreckt und es wird das Gasvolumen in den Plasmazustand versetzt.
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Die Einkopplung erfolgt, ohne dass Resonanzbedingungen eingehalten werden müssen, so dass ein Pulsbetrieb ohne weiteres möglich ist. Messungen haben ergeben, das keine signifikanten Mikrowellenleistungen abgestrahlt werden.
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Während vorstehend die Verwendung eines Kolbens aus Glas beschrieben wurde, ist dies nicht zwingend erforderlich. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, kommt etwa bei Hochdrucklampen auch die Verwendung von geeigneten Keramiken in Frage. Auch kommt die Verwendung eines galvanisch nicht getrennten Innenleiters für Hochdruckleuchtmittel mit keramischen Isolatoren eher in Frage.
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Zusammenfassend wurden somit ein Leuchtmittel und ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels beschrieben, bei welchen hochfrequente Wellen in ein Gasvolumen zur Plasmaerzeugung und -erhaltung bei nur geringer Abschattung eingekoppelt werden, eine kleine Bauweise erreicht wird, eine breitbandige Transmissivität für Hochfrequenzwellen im Bauteil gewährleistet wird, der Eigenverbrauch beziehungsweise Leerlaufverbrauch sehr gering ist und die hochfrequente Welle ohne weiteres in das Innere des Leuchtmittels transportiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10335523 B4 [0004]
- US 4908492 [0005]
- US 5072157 [0006]
- US 4049940 [0007, 0026, 0032, 0032]
