DE3323637C2 - Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen Lampe - Google Patents
Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen LampeInfo
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Abstract
Es wird eine mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampe beschrieben, in der ein einziges Magnetron verwendet wird; ferner wird ein dafür einsetzbares Lampengehäuse beschrieben. Ein längliches Lampengehäuse, das ein plasmabildendes Medium enthält, ist in einer Mikrowellenkammer angeordnet, die aus einem Reflektor und einem Gitter besteht. Der Reflektor enthält zwei Kopplungsschlitze, die jeweils in gleichem Abstand von den Enden des Lampengehäuses angeordnet sind. Es ist eine Wellenleitervorrichtung vorgesehen, die eine Wand aufweist, die von einem die Schlitze enthaltenden Teil des Reflektors gebildet ist und die Mittel zum Einführen von Mikrowellenenergie an einer Zone aufweist, die gleich weit von den zwei Schlitzen entfernt liegt, so daß die Energie gleichmäßig an die Schlitze angekoppelt wird. Wenn die Frequenz der Mikrowellenenergie und die Kammerabmessungen so gewählt sind, daß in der Kammer eine symmetrische stehende Welle entsteht, ergibt sich ein ausgeglichenes System, bei dem nach einer kurzen Anlaufperiode etwa die gleiche Lichtabstrahlung von den beiden Enden des Lampengehäuses erzielt wird. Damit die Gehäusefüllung während des Betriebs an Bereichen mit niedriger Temperatur nicht wieder kondensiert, wird ein verbessertes Gehäuse vorgesehen, bei dem diese Bereiche stark verjüngt sind, damit darin ein heißerer Betrieb erzielt wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen Lampe
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In den letzten Jahren sind mit Mikrowellen arbeitende
elektrodenlose Lampen in großem Umfang in der Industrie zum Aushärten von Tinten und Beschichtungen
eingesetzt worden. Anordnungen zum Betrieb solehe Lampen für industrielle Anwendungszwecke bestehen
aus einer Mikrowellenkammer, in der ein sich in Längsrichtung erstreckender Lampenkolben angebracht
ist, der ein für die Erzeugung von Plasma geeignetes Medium enthält. Die Mikrowellenkammer besteht
aus einem Reflektor zum Reflektieren von Licht, das von der Lampe abgestrahlt wird, sowie aus einem Gitter,
das für die in der Kammer vorhandene Mikrowellencnergie undurchlässig, für das ausgesendete Licht jedoch
durchlässig ist, damit das Licht aus der Kammer e5 austreten kann. Die Lampe wird mit Hilfe von Mikrowellenenergie
angeregt, die von einem oder von mehreren Magnetrons erzeugt wird und die über Kopplungsschlitze, die im Reflektor angebracht sind, in die Kammer
gekoppelt wird.
Aus der US-PS 39 11 318 ist eine Anordnung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt In dieser Druckschrift fehlen jedoch Angaben darüber, wie
die Einkopplung der Mikrowellenenergie im einzelnen erfolgt und wie die Heügkeitsverteilung der Lampe ist.
In der US-PS 38 72 349 ist eine spezielle Ausführungsform einer solchen Anordnung in den F i g. 19 und
20 dargestellt Bei dieser Anordnung ist an der Oberseite des Reflektorteils der Kammer ein Mikrowellengehäuse
so angebracht, daß ein Teil des Reflektors eine Wand des auf diese Weise entstehenden Wellenleiters
bildet; ein Magnetron ist an einem Ende des Wellenleiters angeordnet, und am anderen Ende ist im Reflektor
wenigstens ein Kopplungsschlitz angebracht Es zeigte sich jedoch, daß beim Betrieb dieser mit einem einzigen
Magnetron arbeitenden Anordnung eine bevorzugte Absorption von Mikrowellenenergie an einem Ende des
Lampenkolbens auftrat, so daß sich dadurch an diesem Ende eine größere Lichtabgabe einstellte.
In der US-PS 40 42 850 ist eine Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlose Lampe dargestellt,
in der zwei Magnetrons verwendet werden; jedes dieser Magnetrons ist über einen zugehörigen Wellenleiter
mit Kopplungsschlitzen verbunden, die sich in den jeweiligen Enden der Mikrowellenkammer befinden.
Durch Verwendung von zwei Magnetrons und durch eine nahezu gleiche Einstellung der Ausgangsleistungen
wird ein ausgeglichener Betrieb erreicht bei dem von beiden Enden der langgestreckten elektrodenlosen
Lampe etwa die gleiche Lichtabstrahlung erzielt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der bekannten Art zu schaffen, die mit einem einzigen .Magnetron arbeitet und trotzdem gleiche Helligkeit
an beiden Lampenenden ergibt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmalen gelöst. Aufgrund des Aufbaus und der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt
sich nach einer kurzen Anlaufperiode etwa die gleiche Lichtabstrahlung von den jeweiligen Enden des
Lampengehäuses. Die erhaltene Anordnung ist dabei wesentlich kürzer als die in den US-PS 38 72 349 und
40 42 850 beschriebene Lampe, was ein Faktor ist, der zusätzlich zum neuartigen Aufbau der erfindungsgemäßen
Anordnung auf die Verwendung eines einzigen Magnetrons zurückzuführen ist.
Wenn bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung die stehende Welle in der Mikrowellenkammcr
eine in der Mitte der Längsausdehnung der Kammer liegende Nullstelle hat, fällt die Temperatur der
Mitte des Lampenkolbens wesentlich unter die mittlere Kolbentemperatur, was zur Folge haben kann, daß die
Quecksilberfüllung im Mittelbereich wieder in die flüssige Form kondensiert, so daß der Druck im Lampenkolben
sinkt und einem befriedigenden Verhalten der Lampe zuwiderläuft. Aus diesem Grund soll gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die im Patentanspruch 2 gekennzeichnet ist, ein solches Kondensieren
verhindert werden. Die dünnere Ausbildung in der Mitte der konisch verjüngten Bereiche des Kolbens
hat zur Folge, daß der Kolben in der Mitte heißer wird und die Quecksilberfüllung überall im gasförmigen Zustand
verbleibt.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein AusfQhrungsbeispiel einer mit Mikrowellen
arbeitenden Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen Lampe,
F i g. 2 eine Unteransicht der Anordnung von F i g. 1,
F i g. 3 einen Schnitt der Anordnung längs der Linie
3-3 von Fig. 2,
F i g. 4 einen Schnitt der Anordnung längs der Linie 4-4 von F i g. 3,
F i g. 5 eine Ansicht des Lampenkolbens,
F i g. 6 ein Diagramm der bei einem sehr schmalen Aufnahmewinkel gemessenen Lampenabstrahlintensität
in Abhängigkeit von der Kolbenposition,
Fig.7 ein Diagramm der Bestrahlungsstärke der
Lampe an der Brennebene in Abhängigkeit von der Kolbenposition und
Fig.8 ein Diagramm der Kolbenoberflächentemperatur
in Abhängigkeit von der Kolbenposition.
Ein Ausführungsbeispiel einer mit Mikrowellen arbeitenden Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen
Lampe ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt Wie aus den
Figuren hervorgeht, enthält die Anordnung eine Mikrowellenkammer
2, in der ein länglicher Lampenkolben 4 angeordnet ist, der ein ein Plasma bildendes Medium
enthält Die Mikrowellenkammer besteht aus einer metallischen, als Lichtreflektor wirkenden Wand 6 und einem
metalischen Gitter 8, das in F i g. 1 nur teilweise dargestellt ist, jedoch den gesamten Reflektorboden bedeckt
Die Wand 6 hat eine elliptische, parabolische oder andere Form, und sie bewirkt die Reflexion von ultraviolettem
oder anderem Licht, das von dem Lampenkolben 4 durch das Gitter 8 aus der Mikrowellenkammer
abgestrahlt wird. Das Gitter besteht aus metallischem Material, und es ist für Mikrowellenenergie undurchlässig,
während es Strahlung im ultravioletten oder sichtbaren Teil des Spektrums durchläßt. Bei einer Betriebsfrequenz von 2450 MHz kann das Gitter beispielsweise
aus Drähten mit einem Durchmesser von 0,043 mm gebildet sein, die in einem Mittenabstand von 0,84 mm
angeordnet, sind.
Der Lampenkolben 4 besteht typischerweise aus Quarz; er ist in der Wand 6 mit Hilfe von Blattfederfingern
10 befestigt, die in Vertiefungen 12 in den Reflektorenden 14 angebracht sind. Die Wand 6 weist zwei
Kopplungsschlitze 16 und 18 auf, die in gleichem Abstand von den Kammerenden und «όπ den Enden des
Lampenkolbens 4 liegen.
Die Mikrowellenenergie wird mit dem in F i g. 1 zu erkennenden Magnetron 20 erzeugt. Zum wirksamen
Ankoppeln der erzeugten Energie an die Kopplungsschlitze 16 und 18 und an das im Kolben 4 enthaltene
Medium ist ein aus Metall bestehendes umgekehrtes Mikrowellengehäuse 22 vorgesehen. Aus den Fig. 1, 3
und 4 geht hervor, daß das Gehäuse 22 aus Seitenwänden 40, 42 Stirnwänden 44, 46, einem Oberteil 48 und
schräg verlaufenden Teilen 50,52 zusammengesetzt ist. Das Gehäuse 22 paßt über die Wand 6, wie in den F i g. 1
und 4 zu erkennen ist, und sie bildet zusammen mit der Wand 6 eine Mikrowellenleitervorrichtung zum Übertragen
der Mikrowellenenergie zu den Kopplungsschlitzen. Das Ankopplungsglied des Magnetrons ist in einer
öffnung 24 angeordnet, die gleich weit von den Kammerenden entfernt ist; das Ankopplungsglied ist somit in
der Wellenleitervorrichtung in gleichem Abstand von den Kopplungssch'itzen angeordnet. Der Boden des Mikrowellengehäuses
22 weist Flansche 24 und 26 auf, die an entsprechenden von -.»er Wand 6 abstehenden Flanschen
28 und 30 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben befestigt sein können.
In der bevorzugten Ausführung weist das Mikrowellengehäuse
22 in F i g. 4 dargestellte Glieder 32 und 34 auf, die längs der Innenseite der Seitenwände 40 und 42
verlaufen und diese Seitenwände mit der Wand 6 verbinden. Die Glieder 32 und 34 bewirken eine Verkürzung
der Höhe der Wellenleitervorrichtung, und sie ergeben eine wirksamere Ankopplung der Mikrowellenenergie
an die Schlitze 16 und 18. Außerdem sind die Seitenwände der Wellenleitervorrichtung mit Kühllöehern
54 versehen; auch die Wand 6 weist an ihrer Oberseite Kühllöcher 56 auf, wie in F i g. 2 zu erkennen ist
Die Lampe wird dadurch gekühlt daß Luft oder ein anderes Kühlgas durch die Wellenleitervorrichtung und
die Mikrowellenkammer am Lampenkolben vorbei geblasen oder gesaugt wird.
Die Frequenz der vom Magnetren 20 erzeugten Mikrowelienenergie
und die Längsabmessung der Kammer 2 sind so dimensioniert, daß während des Betriebs
in der Mikrowellenkargmer eine symmetrische stehende
Welle vorhanden ist, die in der Mitte der Längsausdehnung
der Kammer ein Minimum oder eine Nullstelle hat Bei dieser Erregung koppelt die in den F i g. 1 bis 4
dargestellte Mikrowellenkopplungsanordnung die Mikrowellenenergie so an den Kolben 4, daß dieser in
seiner gesamten Länge eine ausgeglichene Abstrahlung erzeugt
Dies ist in Fig.6 dargestellt, in der in einem Diagramm
die Lampenausgangsintensität in bezug auf die Lampenposition in Längsrichtung bei einem sehr
schmalen Aufnahmewinkel dargestellt ist, so daß jeweils nur der Lichtbeitrag gemessen wird, der an der speziellen
angegebenen Kolbenposition abgestrahlt wird. Es ist zu erkennen, daß an den beiden Enden des Kolbens
gleiche Intensitätsmaxima auftreten und daß ein symmetrischer und ausgeglichener Betrieb erzielt wird. Der
Grund dieses Verhaltens ist nicht völlig klar, jedoch wurde festgestellt, daß zunächst ein unausgeglichener
Betrieb eintritt, während innerhalb einiger Sekunden nach der Inbetriebnahme der ausgeglichene Betrieb erre-'jht
wird. Wenn die Lampe nicht in Betrieb ist, kondensiert das vom Quecksilber oder einem anderen Material
gebildete Füllgas in Form von Flüssigkeitströpfchen an der Koibenwand. Da die Kondensation über die
Kolbenlänge ungleichmäßig erfolgt, ist der Anfangsbetrieb unausgeglichen. Es wird jedoch angenommen, daß
in Bereichen mit größerer Quecksilberkonzentration mehr Mikrowellenenergie absorbiert wird, so daß diese
Bereiche heißer werden und einen lokalen Druckanstieg bewirken, was wiederum zur Folge hat, daß das Plasma
in Zonen mit niedrigerem Druck abfließt, so daß Druckschwankungen ausgeglichen werden und eine ausgeglichene
Lichtabstrahlung herbeigeführt wird. In Versuchen wurde festgestelh, daß bei der Inbetriebnahme die
zwei in F i g. 6 dargestellten Maxima ungleich waren, jedoch innerhalb mehrerer Sekunden nach der Zündung
ein ausgeglichener Zustand eintrat.
Wenn die in Fig. 1 dargestellte Anordnung in einer
Prozeßstraße eingesetzt wird, wird eine Abstrahiung mit gleicher Intensität in der Brennebene längs des Mittelbereichs
der Lampe erwünscht. Die Lamps ergibt eine maximale Bestrahlungsstärke in ih.-er Mitte, da
direkte, von der gesamten Länge des Lampenkolbens ausgehende Strahlen zusammen mit den von der lichtreflektierenden
Wano. reflektierten Strahlen nahe des Mittelbereichs auf die Brennebene auftreffen. Ein Diagramm
der Bestrahlungsstärke in der Brennebene abhängig von der Kolbenposition ist in F i g. 7 dargestellt;
um eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke in der Mitte
zu erreichen, müssen die in F i g. 6 dargestellten Maxima gleich sein.
Da gemäß F i g. 6 in der Mitte des Kolbens ein Minimum der Energieabsorption auftritt, zeigt dieser Bereich
die Neigung, sich abzukühlen, so daß die Quecksilberfüllung
in den flüssigen Zustand kondensieren kann, was den Lampenwirkungsgrad herabsetzt und
auch noch andere nachteilige Auswirkungen auf den Lampenbetrieb hat. Der Lampenkolben wird daher so
ausgebildet, daß ein solches Kondensieren verhindert wird und die Füllung im gesamten Kolben im gasförmigen
Zustand gehalten wird.
Der besonders ausgebildete Lampenkolben ist in Fig. 5 dargestellt; es weist zylindrische Abschnitte 70
und 72 auf, die sich von Bereichen beiderseits der Mitte 76 der Längserstreckung zur Mitte hin in einer konischen
Form stark verjüngen. Der Innendurchmesser in der Mitte beträgt nur 10 bis 30% des Innendurchmessers
an den Enden. Es sind zwar bereits Lampenkolben mit geringfügig verjüngten Mittelbereichen angewendet
worden, jedoch sind die Kolben bisher nie zum Zweck der Temperatursteuerung in der Mitte verjüngt
worden.
Der kleine Innendurchmeser am Mittelbereich 76 hat zur Folge, daß dieser Bereich heißer wird, als dies bei
unverändertem Durchmesser der Fall wäre. Ein Diagramm der Kolbenoberflächentemperatur in Abhängigkeit
von der Kolbenposition ist in Fig.8 dargestellt.
Wie zu erkennen ist, tritt die kleinste Temperatur zwar immer noch in der Mitte des Kolbens auf, jedoch wird
die Temperatur im Bereich zwischen 5000C bis 550° C gehalten, ist also hoch genug, das Kondensieren des
Quecksilbers zu verhindern.
In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Innendurchmesser
des zylindrischen Abschnitts des KoI-bengehäuses 9 mm, während der Innendurchmesser der
j^Qlbenrriitte nur 1,5 mm beträft, ^^snn im Mittsibereich
ein wesentlich größerer Durchmesser verwendet würde, würde die Kondensation auftreten, und ein einwandfreier
Betrieb würde nicht erreicht.
In einer verwirklichten Ausführungsform der Erfindung hat die Mikrowellenkammer eine Länge von
15,5 cm und an der Unterseite eine Breite von 10,8 cm. Die Kopplungsschlitze waren im Abstand von 3,8 cm
von den Kammerenden angebracht, und der Lampenkolben war so ausgebildet, wie oben beschrieben wurde.
Das Mikrowellengehäuse 22 hat die gleiche Länge und die gleiche Breite wie die Kammer, während die Enden
6.7 cm hoch sind und die Oberseite 5,4 cm lang ist. Das Magnetron gibt Mikrowellenenergie mit einer Nennfrequenz
von 2450 Mhz ab.
Es ist eine mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampe beschrieben worden, bei der mit einem einzigen
Magnetron ein ausgeglichener Betrieb erzielt wird; ferner ist ein verbesserter Lampenkolben für die Verwendung
in dieser Lampe beschrieben worden. Es ist auch möglich, anstelle der Verwendung von zwei Kopplungsschlitzen
auch mit mehreren Kopplungsschlitzpaaren zu arbeiten, die jeweils symmetrisch bezüglich der
Kammermitte angeordnet sind. Der beschriebene Lampenkolben weist zwar nur einen verjüngten Abschnitt
auf. jedoch kann auch ein Kolben mit mehreren verjüngten Abschnitten verwendet werden, wenn die in der
Kammer erzeugte stehende Welle anstelle einer einzigen Nüüsteüe mehrere Nullstellen aufweist. es
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen Lampe, mit einer langgestreckten
Mikrowellenkammer, in der die elektrodenlose Lampe angeordnet ist, mit zwei Kopplungsschlitzen
in der Nähe der Enden einer als Lichtreflektor ausgebildeten Wand der Mikrowellenkammer, mit einer
Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie und mit einer WelleDleitvorrichtung zur Ankopplung
der Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie an die Kopplungsschlitze, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie aus einem
einzigen Magnetron (20) besteht, daß die Wellenleitvorrichtung aus einem Mikrowellengehäuse (22) besteht,
von dem ein Wandteil aus der lichtreflektierenden Wand (6) der Mikrowellenkammer (2) besteht,
wobei das Magnetron in der Mitte der Längsausdehnung des Mikrowellengehäuses auf einem der
lichtreflektierenden Wand gegenüberliegenden Wandteil (48) angebracht ist und die Kopplungsschlitze (16,18) in gleichem Abstand von den Enden
der Mikrowellenkammer (2) angeordnet sind, daß die Frequenz des Magnetrons und die Länge der
Mikrowellenkammer so bemessen sind, daß sich in der Mikrowellenkammer eine stehende Mikrowelle
mit wenigstens einer Nullstelle in der Längsausdehnung der Mikrowellenkammer ausbildet, und daß
der Kolben {-*) der elektrodenlosen Lampe in den Bereichen beiderseits j^der NvUstelle in der Längsausdehnung
konisch verjüngt ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch ΐ, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser des Kolbens (4) der elektrodeiilosen Lampe in der Mitte der konisch
verjüngten Bereiche 10% bis 30% des Innendurchmessers an den zylindrischen Enden beträgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrowellengehäuse (22)
zwei Teile (32, 34) aufweist, die zwei Seitenwände (40,42) mit der lichtreflektierenden Wand (6) verbinden,
so daß sich eine Verkleinerung der Höhe des Mikrowellengehäuses ergibt.
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