DE102017122828A1

DE102017122828A1 - Electrodeless plasma light source with non-rotating light source

Info

Publication number: DE102017122828A1
Application number: DE102017122828.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Gesche; Joachim Scherer
Original assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Plasmalampen mit elektrodenloser Hochfrequenz- oder Mikrowellen-Anregung haben einen hohen Wirkungsgrad und weisen exzellente spektrale Eigenschaften auf, was diese Lampen für eine Vielzahl von Beleuchtungsanwendungen interessant macht. Auf dem Markt befindliche Produkte haben entweder ein rotierendes Leuchtmittel bei Leistungen von beispielsweise 2 kW und einer typischen Anregungsfrequenz von 2,45 GHz. Lampen mit statischen Leuchtmittel hingegen arbeiten zum Beispiel bei 300 W und etwas tieferen Frequenzen.
Hier wird erfindungsgemäß eine Plasmalampe mit nicht rotierendem Leuchtmittel beschrieben, die auch bei hohen Leistungen von 1000 W oder mehr und auch bei der typischen ISM-Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz betrieben werden kann. Erreicht wird dies durch eine spezielle Geometrie des zur Mikrowellenübertragung verwendeten Käfigs, der im Querschnitt zwei Hauptachsen mit unterschiedlichen Längen aufweist.

Electroplated high frequency or microwave excitation plasma lamps are highly efficient and have excellent spectral characteristics, making them attractive for a variety of lighting applications. Products on the market either have a rotating light source with powers of, for example, 2 kW and a typical excitation frequency of 2.45 GHz. By contrast, lamps with static lamps, for example, work at 300 W and somewhat lower frequencies.
Here, a plasma lamp with non-rotating light source is described according to the invention, which can be operated even at high powers of 1000 W or more and also at the typical ISM microwave frequency of 2.45 GHz. This is achieved by a special geometry of the cage used for microwave transmission, which has two major axes in cross-section with different lengths.

Description

Plasmalampen mit elektrodenloser Mikrowellenanregung sind seit längerer Zeit bekannt, ursprünglich wegen der Schwefel-basierten Leuchtmittelfüllung unter dem Namen „Sulfur Lamp“. Diese Lampen weisen eine sehr hohe Effizienz auf (bis ca. 160 lm/W), die Anregung erfolgt typischerweise bei der Industriefrequenz von 2,45 GHz durch kostengünstig verfügbare Magnetrons.Plasma lamps with electrodeless microwave excitation have been known for some time, originally due to the sulfur-based bulbs filling under the name "Sulfur Lamp". These lamps have a very high efficiency (up to about 160 lm / W), the excitation is typically done at the industrial frequency of 2.45 GHz by inexpensively available magnetrons.

Zwischenzeitlich wurden die Leuchtmittelfüllungen weiterentwickelt, es sind bei moderaten Abstrichen am Wirkungsgrad (ca. 90 lm/W) Leuchtmittel mit Sonnenspektrum bis hin zu Class A-Qualitäten für Sonnensimulatoren verfügbar. Diese Kombination aus Wirkungsgrad und spektraler Qualität ist derzeit mit keinem anderen Beleuchtungskonzept, wie LED, HID (MH, HPS), CFL, erreichbar.In the meantime, the bulbs have been further developed. Light bulbs with solar spectrum up to Class A qualities for solar simulators are available with moderate efficiency reductions (about 90 lm / W). This combination of efficiency and spectral quality is currently not achievable with any other lighting concept, such as LED, HID (MH, HPS), CFL.

Die wichtigsten Anwendungen sind

- Gartenbau
- Foto/Film
- Medizintechnik
- Industrielle Beleuchtung
- Architekturbeleuchtung
- Straßenbeleuchtung
- Flugfeldbeleuchtung

The most important applications are

- Horticulture
- photo / film
- medical technology
- Industrial lighting
- Architectural lighting
- Street lighting
- Airfield lighting

Ein Problem der elektrodenlosen Plasmalampen besteht in der Neigung zu lokalen Überhitzungen im üblicherweise aus Quarzglas gefertigten Leuchtmittelkörper mit einem Durchmesser von typischerweise 20 mm - 30 mm, die zur Zerstörung des Leuchtmittels führen. Die älteren Konstruktionen verwenden aus diesem Grunde ein rotierendes Leuchtmittel, wobei die Rotation eine Verteilung der thermischen Belastung bewirkt, die bei zugeführten Mikrowellenleistungen von typischerweise 1000 W bis 2000 W entsteht. Eine typische Konfiguration mit Einkopplung einer H₁₁-Rundhohlleiter-mode in einen zylindrischen Käfig ist in US5811936A beschrieben. Das rotierende Leuchtmittel ist hierbei nachteilig, da es mit bewegten Teilen verbunden ist, das Leuchtmittel sehr gut ausgewuchtet sein muß und die Achse (der „Stengel“) am Leuchtmittel der Mikrowellen-Einspeisung im Wege ist.A problem of electrodeless plasma lamps is the tendency to local overheating in the usually made of quartz glass lamp body with a diameter of typically 20 mm - 30 mm, which lead to the destruction of the bulb. For this reason, the older constructions use a rotating light source, the rotation causing a distribution of the thermal load which arises at supplied microwave powers of typically 1000 W to 2000 W. A typical configuration incorporating a H ₁₁ waveguide mode into a cylindrical cage is shown in FIG US5811936A described. The rotating light is disadvantageous here, since it is associated with moving parts, the light source must be very well balanced and the axis (the "stem") is on the light source of the microwave feed in the way.

Neuere Produkte verwenden zur Vermeidung des Problems der lokalen Überhitzungen kleinere Leistungen von ca. 300 W in geometrisch kleineren Leuchtmitteln, oft auch mit weniger effizienten Leuchtmittelfüllungen (ca. 70 lm/W). Statt eines Käfigs als Hohlwellenleiter werden hier auch dielektrische Resonatoren verwendet ( EP000001307899B1 , US000008203272B2 , US000008304994B2 , WO002010080828A1 , US000008319439B2 ).Newer products use smaller powers of about 300 W in geometrically smaller light sources to avoid the problem of local overheating, often with less efficient lamp fillings (about 70 lm / W). Instead of a cage as a hollow waveguide, dielectric resonators are also used here ( EP000001307899B1 . US000008203272B2 . US000008304994B2 . WO002010080828A1 . US000008319439B2 ).

Weiterhin wurde versucht, die Bildung von lokalen Plasmasäulen im Leuchtmittel durch Modifikation der Leuchtmittel-Füllung zu verhindern ( US6476557B1 ).Furthermore, attempts have been made to prevent the formation of local plasma columns in the luminous means by modifying the luminous flux filling ( US6476557B1 ).

Andere Ansätze finden sich in: US000008525430B2 , US000008629616B2 , US020130175921A1 , US020140354148A1 , WO002012171564A1 , US020140125225A1 , US000007583013B2 , US000007161303B2 Other approaches can be found in: US000008525430B2 . US000008629616B2 . US020130175921A1 . US020140354148A1 . WO002012171564A1 . US020140125225A1 . US000007583013B2 . US000007161303B2

Die Säulenbildung mit lokaler Überhitzung kann auch vermieden werden, wenn die H₁₁-Welle zirkular polarisiert eingespeist wird, da dann zur linearen Beschleunigungskomponente der Elektronen eine zirkulare Komponente hinzukommt, die die Säulenbildung verhindern kann. WO002014003333A1 beschreibt eine solche Anordnung, bei der ein Zuführungshohlleiter eingesetzt wird, in dem ein Modenwandler für die zirkulare Polarisation eingefügt ist. Bei letzterem Konzept besteht jedoch der Nachteil, dass der Modenwandler bei Fehlanpassung nicht mehr richtig funktioniert. Außerdem ist der Gesamtaufbau sehr platzraubend, aufwändig und teuer.Local overheating can also be avoided when the H ₁₁ wave is fed in a circularly polarized manner, since then a circular component is added to the linear acceleration component of the electrons which can prevent pillar formation. WO002014003333A1 describes such an arrangement, in which a feed waveguide is inserted, in which a mode converter for the circular polarization is inserted. In the latter concept, however, there is the disadvantage that the mode converter no longer works properly in case of mismatching. In addition, the overall structure is very space consuming, complex and expensive.

Erfindungsgemäß wurde eine Anordnung gesucht, bei der ein Leuchtmittel (1) in einem Käfig (2) platzsparend und effizient mit Mikrowellenenergie versorgt wird, ohne dass sich dabei lokale Überhitzungen, insbesondere durch Plasmasäulen verursacht, bilden. Die Mikrowellenfelder sollten dabei lokal im Leuchtmittel zumindest teilweise zirkular oder elliptisch polarisiert und nicht von einer reflexionsarmen Wellenausbreitung in einem Hohlleiter abhängig sein.According to the invention, an arrangement was sought in which a light source ( 1 ) in a cage ( 2 ) is supplied with microwave energy in a space-saving and efficient manner, without causing local overheating, in particular caused by plasma columns. The microwave fields should be at least partially circularly or elliptically polarized locally in the light source and should not be dependent on a reflection-poor wave propagation in a waveguide.

Gelöst wurde dies durch einen beidseitig typischerweise durch einen Kurzschluss geschlossenen Wellenleiter mit mehreckigem Querschnitt (2), der teilweise als lichtdurchlässiger Käfig und teilweise massiv ausgeführt ist. Die Mikrowelleneinspeisung (3) erfolgt typischerweise, aber nicht zwingend, über ein Magnetron (4) und ist direkt an einer Stelle des Wellenleiters angeordnet, während das Leuchtmittel an einer anderen Stelle sitzt.This was solved by a waveguide with polygonal cross-section (typically closed by a short circuit on both sides) ( 2 ), which is partly designed as a translucent cage and partially solid. The microwave feed ( 3 ) typically, but not necessarily, via a magnetron ( 4 ) and is located directly at a location of the waveguide while the illuminant is in a different location.

Der Querschnitt des Wellenleiters (2) besitzt zwei Hauptachsen a und b, die so gewählt sind, dass zwei Moden mit orthogonaler Feldstärke ausbreitungsfähig sind, die eine unterschiedliche Ausbreitungskonstante haben. Bei korrekter Auslegung führt dies dazu, dass am Einspeisepunkt eine lineare Polarisation und an der Position des Leuchtmittels eine zirkulare Polarisation vorliegt. In dieser Anordnung ist also der Modenwandler mit dem Leuchtmittel und der Einspeisung integriert. Für die ISM-Frequenz 2,45 GHz liegt der Bereich der Hauptachsen a und b für einen Rechteckquerschnitt vorzugsweise im Bereich von 60 mm und 120 mm, die Länge des Wellenleiters bei ca. 200 mm, wobei diese Länge erfindungsgemäß ggfs. auch größer gewählt werden kann.The cross-section of the waveguide ( 2 ) has two major axes a and b, which are chosen so that two modes with orthogonal field strength are propagatable, which have a different propagation constant. If correctly dimensioned, this results in a linear polarization at the entry point and a circular polarization at the position of the illuminant. In this arrangement, the mode converter is thus integrated with the lighting means and the feed. For the 2.45 GHz ISM frequency, the range of the principal axes a and b is for a rectangular cross-section preferably in the range of 60 mm and 120 mm, the length of the waveguide at about 200 mm, this length according to the invention, if necessary, can also be selected to be larger.

Das Grundprinzip der Erfindung ist in dargestellt. zeigt die elektrische Feldverteilung im Querschnitt des Wellenleiters (2) nach für die beiden bei erfindungsgemäß gewählten Abmessungen ausbreitungsfähigen Hohlleitermoden. Diese beiden Moden werden durch die Mikrowelleneinspeisung (3) gemeinsam angeregt und superponieren. Am Ort der Mikrowelleneinspeisung ist dabei die Polarisation im Wesentlichen linear, während am Ort des Leuchtmittels (1) lokal elliptische oder zirkulare Polarisation auftritt.The basic principle of the invention is in shown. shows the electric field distribution in the cross section of the waveguide ( 2 ) to for the two waveguide modes propagatable in accordance with the invention selected dimensions. These two modes are controlled by the microwave feed ( 3 ) together stimulated and superponieren. At the location of the microwave feed, the polarization is essentially linear, while at the location of the light source ( 1 ) local elliptical or circular polarization occurs.

Die einfachste Querschnittsgeometrie ist demnach rechteckig. Da jedoch bei Verwendung eines Magnetrons (5) als Mikrowellenanregung dieses vorzugsweise in den Wellenleiter (1) eingeführt wird, um beide Moden geeignet anzuregen, kann eine Ecke des rechteckigen Querschnitts des Wellenleiters (1) abgeschrägt werden. Diese Konfiguration ist in dargestellt. Aus Symmetriegründen können die anderen Ecken auch abgeschrägt werden, wodurch sich ein achteckiger Querschnitt ergibt, wie er gleichfalls in dargestellt ist.The simplest cross-sectional geometry is therefore rectangular. However, when using a magnetron ( 5 ) as microwave excitation of this preferably in the waveguide ( 1 ) is introduced to excite both modes suitably, a corner of the rectangular cross-section of the waveguide ( 1 ) beveled. This configuration is in shown. For reasons of symmetry, the other corners can also be bevelled, resulting in an octagonal cross-section, as he also in is shown.

Andere Ausführungsformen, z. B. mit Abrundungen, sind erfindungsgemäß möglich. Entscheidend ist dabei, dass es mindestens 2 Hauptachsen und mindestens zwei ausbreitungsfähige Moden mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten gibt.Other embodiments, for. B. with rounding, are possible according to the invention. Decisive here is that there are at least two main axes and at least two modes capable of propagation with different propagation constants.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5811936 A [0004]
EP 000001307899 B1 [0005]
US 000008203272 B2 [0005]
US 000008304994 B2 [0005]
WO 002010080828 A1 [0005]
US 000008319439 B2 [0005]
US 6476557 B1 [0006]
US 000008525430 B2 [0007]
US 000008629616 B2 [0007]
US20130175921 A1 [0007]
US 020140354148 A1 [0007]
WO 00/2012171564 A1 [0007]
US 020140125225 A1 [0007]
US 000007583013 B2 [0007]
US 000007161303 B2 [0007]
WO 002014003333 A1 [0008]

Claims

Electrodeless plasma lamp with high-frequency or microwave excitation and a lamp with illuminant filling, characterized in that a waveguide with two different cross-sectional principal axes is used in which two modes with substantially rectangular field strengths occur with different propagation constants and in which the microwave feed and the Bulbs are located at different locations in the longitudinal direction.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide is short-circuited at both ends for the modes capable of propagation.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that for excitation a microwave magnetron is used.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that at the location of the lighting means, the electric fields have an elliptical or a circular polarization.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide has a rectangular cross section.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide has an octagonal cross-section.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide has an n-shaped cross-section.

Electrodeless plasma lamp after Claim 5 - 7 , characterized in that the corners are rounded.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide has an elliptical cross section

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide is partially transparent as a lattice structure.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide is partially translucent designed as a transparent and conductive coated quartz.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide is partially translucent designed as a transparent and conductive coated glass.

Electrodeless plasma lamp after Claim 1 , characterized in that the waveguide is partially transparent as a transparent and conductive coated ceramic.