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Verweis auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der U. S. Provisional Application No. 61/159,005, eingereicht am 03.10.2009.
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Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft elektrodenlose Hochdruck-Entladungslampen (EHID) und insbesondere Felderzeuger für derartige Lampen.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Miniaturisierung von Hochdruck-Entladungslampen (HID) erfordert die Herstellung, Platzierung und Abdichtung von Elektroden in sehr kleinen Entladungsbehältern (auch als Entladungsröhren oder Brenner bezeichnet). Derartige HID-Entladungsröhren bestehen typischerweise aus lichtdurchlässigem Quarz oder lichtdurchlässigen polykristallinen Aluminiumoxid(PCA)-Körpern bei welchen es schwierig ist, eine hermetische Abdichtung zu erhalten, insbesondere bei kleineren Ausmaßen bei Niederenergie-HID-Lampen. Die hohen Herstellungskosten der Elektrodenteile und starkes Schwinden aufgrund von Herstellungs-, Platzierungs- und Handhabungsaspekten vergrößern weiter die Schwierigkeiten, die bei der Massenproduktion von Niederenergie-Elektroden-HID-Lampen auftreten.
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Elektrodenlose HID-Lampen bieten die Möglichkeit, Lampen mit hoher Geschwindigkeit, niedrigen Kosten, überlegener Beständigkeit und Präzision für Niederenergieanwendungen bereitzustellen, sofern die damit verbundenen Probleme mit den Elektroden eliminiert sind. Jedoch bereiten EHID-Lampen mehrere andere Probleme, die in erster Linie mit der Energiekopplung von der Hochfrequenz(HF)-Energieversorgung in das Entladungsrohr zusammenhängen. Beispielsweise wurden luftgefüllte schraubenförmige Resonatoren hergestellt, um HF-Energie in Entladungsröhren in EHID-Lampen einzukoppeln. Schraubenförmige Resonatoren produzieren axiale elektrische Felder in der nahen Umgebung der Entladungsröhren, um das Entladungsmedium in der Entladungsröhre anzuregen. Die Größe des Resonators hängt invers von der Frequenz ab. Hochfrequenz-ISM-Bänder zwischen 915 und 2450 MHz werden verwendet, um elektromagnetische Interferenzeffekte zu vermeiden. Jedoch wird mit sinkender Lampengröße der Felderzeuger größer als die Lampe, was zu optischen Schatteneffekten führt.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Felderzeuger bereitzustellen, der eine verbesserte Miniaturisierung von EHID-Lampen ermöglicht.
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Der Felderzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen schraubenförmigen Resonator, der mit einem dielektrischen Material mit einer hohen relativen Permittivität gefüllt ist (d. h. verglichen mit dem Vakuum, ε = εMaterial/εVakuum; mit εVakuum = 1). Insbesondere hat das elektrische Material eine relative Permittivität größer als ungefähr 3, vorzugsweise größer als ungefähr 5 und weiter bevorzugt mindestens ungefähr 10. Das dielektrische Material ermöglicht, die Größe des Resonators zu reduzieren, und vergrößert die Feldstärke in der Nähe des Entladungsbehälters der Lampe. Im Vergleich dazu hat Luft eine relative Permittivität von ungefähr 1, wohingegen die bevorzugten dielektrischen Materialien zur Verwendung bei dieser Erfindung geschmolzenes Quarz mit einer relativen Permittivität von ungefähr 5 und polykristallines Aluminiumoxid mit einer relativen Permittivität von ungefähr 10 aufweisen. Andere keramische Materialien können auch verwendet werden, beispielsweise Titankeramiken, welche eine relative Permittivität von ungefähr 40 oder mehr haben.
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Die effektive Wellenlänge oder die Wellenlänge λ
g einer elektromagnetischen Welle im Wellenleiter mit einer Wellenlänge λ
0 im leeren Raum, welche sich in einem Medium ausbreitet, hängt von einer relativen Permittivität ε ab:
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Die Verwendung des Dielektrikums mit hoher relativer Permittivität reduziert die effektive Wellenlänge und verkleinert den schraubenförmigen Resonator. Dadurch wird weniger Licht des Entladungsbehälters abgeschattet, der verkleinert werden muss, um die Leistung zu verringern.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass ein kleinerer Generator hergestellt werden kann mit einer erhöhten elektrischen Feldstärke in der Nähe des Entladungsbehälters, was den Startvorgang unterstützt. Der Entladungsbehälter zwischen den beiden schraubenförmigen Resonatoren bildet im Wesentlichen einen verlustbehafteten Kondensator, wenn er in Kontakt mit dem hohen ε Material ist. In der Nähe des Übergangs zwischen dem Entladungsbehälter und dem Resonator wird ein größeres Feld erwartet, als wenn der Resonator nicht gefüllt ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass niedrigere Energien verwendet werden können, ohne den Generator bezüglich seiner Größe sehr zu verändern. Der Übergang hin zu niedrigeren Frequenzen ist wünschenswert, da die Elektronik für HF-Energie bei Energien unterhalb von 900 MHz effizienter ist. Ein unerwarteter Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, einen Zwischen-Windungs-Durchbruch (Inter-Turn-Breakdown) in Luft bei kleinem Abstand zwischen den Spulen zu verhindern, da die Luft durch das dielektrische Material ersetzt ist.
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Beispielsweise ein Betrieb zwischen 600 und 800 MHz würde die Verwendung relativ günstiger Energie-Elektronik, beispielsweise LDMOS-Technologie, erlauben im Gegensatz zu den teureren und weniger effizienten GaAs-Transistoren für höhere Frequenzen. Obwohl dies Beispiele bei niedrigen Frequenzen sind, sind davon nicht alle umfasst. Lampen wurden schon bei geringen Frequenzen wie 400 MHz betrieben. Ein Zielkonflikt, der bei der Größe der Lampe und der Anregung mit Hilfe von schraubenförmigen Resonatoren auftritt, ist ungewünschte Strahlung oder EMI. Da die umlaufende Länge (πd) der Schraube zunimmt, um gefüllt eine halbe Wellenlänge zu erreichen, wirkt die Schraube als eine Antenne und strahlt effektiv Energie in die Umgebung ab. Daher ist es bevorzugt, die gefüllte umlaufende Länge kleiner als das zu halten, damit die Energie mehr in das Plasma eingekoppelt als als EMI in die Umgebung ausgekoppelt wird. Diese bevorzugte Beziehung kann wie folgt dargestellt werden:
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In Übereinstimmung mit den vorstehenden Aufgaben und Vorteilen wird ein dielektrisch gefüllter Feldgenerator für eine EHID-Lampe bereitgestellt, der einen schraubenförmigen Resonator mit einem zylindrischen dielektrischen Kern und einem schraubenförmigen Leiter aufweist, wobei der dielektrische Kern eine schraubenförmige Nut hat, die entlang seiner Oberfläche im Wesentlichen von einem zum anderen Ende verläuft; der schraubenförmige Leiter ist in der schraubenförmigen Nut angeordnet und an einem Ende mit einer Energieversorgung koppelbar, wobei der dielektrische Kern eine Ausnehmung zum Halten eines Entladungsbehälters hat und dielektrisches Material aufweist, dessen relative Permittivität größer als ungefähr 3 ist.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine EHID-Lampenanordnung bereitgestellt, die zwei gegenüberliegende dielektrisch gefüllte Feldgeneratoren und einen dazwischen angeordneten Entladungsbehälter aufweist; der Entladungsbehälter enthält ein Entladungsmedium und wird an gegenüber liegenden Enden von den Generatoren gehalten; jeder der Generatoren weist einen schraubenförmigen Resonator mit einem zylindrischen dielektrischen Kern und einem schraubenförmigen Leiter auf, wobei der dielektrische Kern eine schraubenförmige Nut aufweist, die entlang seiner Oberfläche im Wesentlichen von einem zum anderen Ende verläuft, wobei der schraubenförmige Leiter in der schraubenförmigen Nut angeordnet ist und an einem Ende mit einer Energieversorgung koppelbar ist und wobei der dielektrische Kern ein dielektrisches Material aufweist, das eine relative Permittivität größer als ungefähr 3 hat; der Entladungsbehälter und die beiden Generatoren sind koaxial entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Seitenansicht einer EHID-Lampenanordnung, die dielektrisch gefüllte Feldgeneratoren in Kombination mit einem Entladungsbehälter zeigt.
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2 ist eine Ansicht eines Endes eines der dielektrisch gefüllten Feldgeneratoren neben dem Entladungsbehälter.
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3 ist ein Schnitt durch den dielektrischen Kern eines schraubenförmigen Resonators.
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4 ist eine weitere Ansicht des in 1 gezeigten Entladungsbehälters.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
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Zu einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Möglichkeiten dieser, wird Bezug genommen auf die folgende Offenbarung und die angehängten Ansprüche in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Zeichnungen.
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Für den dielektrisch gefüllten Feldgenerator der vorliegenden Erfindung ist ein schraubenförmiger Resonator derart ausgebildet, dass die effektive Wellenlänge von den Ausmaßen des schraubenförmigen Leiters und der dielektrischen Konstante des Ladungsmaterials abhängt (Eq. 1). Der Durchmesser des schraubenförmigen Leiters ist in etwa invers proportional zu der Quadratwurzel der relativen dielektrischen Permittivität (Eq. 2). Daher könnte der Radius des schraubenförmigen Leiters gleich bleiben, jedoch ist die Länge reduziert, um eine Viertelwellenlängen-Resonanzbedingung entlang der gesamten Helix zu erzeugen (siehe beispielsweise
U. S. Patent No. 5,113,121 ). Das Verkürzen der Länge verringert die gesamten Ausmaße der Kombination bestehend aus dem Entladungsbehälter und dem Generator und verbessert die mechanische Stabilität. Das Verringern des Durchmessers verringert die Abschattung des Entladungsbehälters durch den Feldgenerator. Mit sinkendem Durchmesser des Entladungsbehälters wird auch die Möglichkeit, die Energie handzuhaben, verringert, da sich die Hitze, die zu den Wänden des Entladungsbehälters strömt, durch Konvektion, Leitung oder Infrarotstrahlung ausbreiten muss. Die laterale Oberfläche des Entladungsbehälters sinkt proportional mit seinem Durchmesser. Die exakte Größe des Entladungsbehälters und die Fähigkeit, die Energie handzuhaben, hängt von der darin enthaltenen Chemie ab, von der Effektivität der Konvertierung der Plasma-Energie in Licht, das durch die Wand des Entladungsbehälters tritt, und von dem Wandmaterial und von dessen spektralem Emissionsvermögen. Beispielsweise kann sich eine Energie von 30 W in einer EHID-Lampe ausbreiten bei Verwendung eines Quarzentladungsbehälters, der eine Hg- und Na-Sc-Iodid-Füllung enthält und der einen inneren Durchmesser von 2 mm, einen äußeren Durchmesser von 3 mm und eine innere Länge von 6 mm hat, bei geeigneter Kühlung, guter Wartung und einer Lebensdauer in der Größenordnung von 10.000 Stunden.
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Der Resonator enthält einen Grundschild, das nicht bis zur Unbegrenztheit entfernt ist, und ein zentraler Abschnitt des Resonators ist mit einem dielektrischen Material mit einer hohen relativen Permittivität gefüllt, das vorzugsweise eine polykristalline Aluminiumoxid (PCA) Keramik aufweist, welches gegossen, extrudiert oder geschnitten ist, sodass es schraubenförmige Nuten aufweist in welcher das leitende Element des Resonators, beispielsweise eine schraubenförmige Leitung, angeordnet ist. Eine derartige Helix kann auf das PCA geschraubt werden. Der PCA hat eine Ausnehmung an einem Ende, um die Entladungsröhre aufzunehmen. Ein gegenüberliegender schraubenförmiger Resonator hat eine weitere Ausnehmung, welche ein anderes Ende des Entladungsbehälters aufnimmt. Alternativ dazu kann feuerfester Klebstoff verwendet werden, um den Entladungsbehälter in seiner Position festzulegen.
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In den Figuren ist eine EHID-Lampenanordnung 1 gezeigt, die zwei dielektrisch gefüllte Feldgeneratoren 2, einen Entladungsbehälter 26, und Isolatorauflagen 20 aufweist. Der Entladungsbehälter 26 kann Quarz, oder eine transparente oder lichtdurchlässige Keramik wie beispielsweise polykristallines Aluminiumoxid, Saphir, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxynitrid oder Yttrium-Aluminium-Almandin aufweisen. Der Entladungsbehälter 26 hat eine Entladungskammer 16, welche eine chemische Füllung 18 und ein Füllgas enthält. Das Füllgas ist grundsätzlich ein inertes Gas wie Xenon, wobei auch andere Gase wie Argon oder Krypton verwendet werden können. Die chemische Füllung könnte nur Quecksilber sein oder könnte eine von den grundsätzlich bekannten chemischen Füllungen sein, die bei Hochdruckentladungslampen verwendet werden, beispielsweise Halide oder reine Metalle. Die Form des Entladungsbehälters 26 ist im Wesentlichen zylindrisch mit leicht gewölbten Enden 34 (siehe 4). Der Entladungsbehälter 26 kann jedoch auch andere geometrische Formen aufweisen, beispielsweise wie ein gerader Zylinder, eine Ellipse oder eine Kugel. Die Energiequelle ist ein Hochfrequenzoszillator oder eine Oszillatorverstärkervorrichtung, die im Wesentlichen eine einzige sinusförmige Frequenz im Bereich von 400 MHz bis 12 GHz erzeugt mit einem bevorzugten Betrieb innerhalb des ISM-Bandes zwischen 915 MHz und 2,545 GHz. Die aktiven Vorrichtungen in dem Oszillator sind entweder Vakuumröhrenvorrichtungen, wie beispielsweise Magnetfeldröhren oder vorzugsweise Festkörperkomponenten wie LDMOS-Transistoren, GaAs FET's, SiC-Transistoren oder ähnliche Festkörperkomponenten. Die Energiequelle kann auch ein aktives oder passives Impedanz-Abstimmungs-Netzwerk aufweisen, um ein Abstimmen der Impedanz zwischen der Quelle und der Ladung (dem Resonator und dem Entladungsbehälter) bereitzustellen, da das darin enthaltene Plasma Zündungs-, Glüh- und Bogenphasen durchläuft. Ein derartiges Abstimmen der Impedanzen ist notwendig, um zu verhindern, dass reflektierte Energie die Ausgänge der Energiequelle beschädigt.
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Die dielektrisch gefüllten Feldgeneratoren 2 werden jeweils an einem Ende von Isolator-Auflagen 20 gestützt, die auf gegenüberliegenden Seiten eine Erdleitung 24 und eine Energieleitung 22 aufweisen. Eine derartige Auflage kann eine Mikro-Streifenleitung sein, die auf einem Aluminiumsubstrat ausgebildet ist, wie es aus der Mikrowellenschaltkreisindustrie bekannt ist. Die dielektrisch gefüllten Feldgeneratoren 2 weisen einen schraubenförmigen Resonator 12 und einen elektromagnetischen Interferenzschild (EMI) 8 auf. Der EMI-Schild 8 (gezeigt in 1 im Querschnitt) weist vorzugsweise ein zylindrisches Netz aus einem leitenden Material auf, das im Wesentlichen konzentrisch mit dem schraubenförmigen Resonator 12 ausgebildet ist. Alternativ dazu kann das zylindrische Netz durch eine lichtdurchlässige Quarzröhre ersetzt werden, die mit einem lichtdurchlässigen leitenden Medium wie einem Indium-Zinnoxidfilm beschichtet ist. Der Durchmesser des EMI-Schilds 8 sollte zwischen 1,5- und 10-mal größer sein als der Durchmesser eines schraubenförmigen Leiters 30. In dem in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der EMI-Schild 8 etwas über jedes Ende des schraubenförmigen Resonators 12 hinaus und ist über die Erdleitung 24 geerdet. Der schraubenförmige Resonator 12 weist einen dielektrischen Kern 4 und den schraubenförmigen Leiter 30 auf. Der dielektrische Kern ist vorzugsweise aus einem zylindrischen Stück von polykristallinem Aluminiumoxid gebildet, das so geformt (beispielsweise durch Spritzgießverfahren oder isostatisches Pressen) oder bearbeitet ist, dass es eine schraubenförmige Nut 6 hat, die sich entlang seiner äußeren Oberfläche im Wesentlichen von einem Ende zum anderen Ende erstreckt. In der schraubenförmigen Nut 6 ist der schraubenförmige Leiter 30 angeordnet, der vorzugsweise in Form eines Metalldrahtes ist, der in die schraubenförmige Nut 6 eingewunden ist. Alternativ dazu kann der schraubenförmige Leiter 30 eine metallische Füllung aufweisen, die gegossen oder auf andere Weise in der Nut 6 angeordnet ist. Der schraubenförmige Leiter 30 des Resonators 12 ist mit der Energieleitung 22 an dem distalen Ende 36 des schraubenförmigen Leiters 30 verbunden. Das proximale Ende 10 des dielektrischen Kerns 4 hat eine Ausnehmung 32 zum Halten des Entladungsbehälters 26 an seinem Ort (2 und 3). Die Ausnehmung 32 hat vorzugsweise eine Kontur, die zu den Enden 34 des Entladungsbehälters 26 korrespondiert, so dass der Entladungsbehälter 26 fest dazwischen gehalten wird und in Kontakt mit den zwei dielektrischen gefüllten Feldgeneratoren 2 ist. Die Ausnehmung 32 ist vorzugsweise konzentrisch mit dem schraubenförmigen Resonator 12, mit dem Entladungsbehälter 26 und den Feldgeneratoren 2 entlang und koaxial mit einer gemeinsamen Achse 41 angeordnet.
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Wobei gezeigt und beschrieben wurde was derzeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erachtet werden, ist es für die zuständigen Fachmänner offensichtlich, dass unterschiedliche Änderungen und Modifikationen hierin vorgenommen werden können, ohne den Geist der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen beschrieben, zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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