DE3823766C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ändern der Emissions­ eigenschaften einer elektrodenlosen Lampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektrodenlose Lampen enthalten allgemein einen Mikrowellen­ hohlraum, in dem ein Lampenkolben angebracht ist, der ein plasmabildendes Medium enthält. Dieses Medium wird mit Hilfe von Mikrowellen, Hochfrequenz oder anderer elektromagnetischer Energie erregt, wodurch ein Plasma erzeugt wird, das Strahlung im Ultraviolettbereich, im sichtbaren Bereich oder im infra­ roten Bereich des Spektrums aussendet.

In einer typischen elektrodenlosen Lampe wird die elektrische Energie dem Hohlraum und dem Lampenkolben mit einer konstanten geometrischen Ausrichtung des elektromagnetischen Feldes zuge­ führt, was innerhalb des Volumens des Lampenkolbens zu heißen Bereichen und somit zu einer Ungleichmäßigkeit der von ver­ schiedenen Bereichen des Lampenkolbens ausgesendeten Strahlung sowie der Wandtemperaturen führt. Ungleichmäßige Wandtempera­ turen schränken die der Lampe zuführbare Energie übermäßig ein, und eine ungleichmäßige Lichtaussendung ist für manche Anwendungsfälle unerwünscht.

Die Verteilung der Lichtintensität in einer elektrodenlosen, mit Mikrowellen betriebenen Lampe ist eine komplexe Funktion von vielen Variablen, einschließlich der elektrischen Energie, der plasmabildenden Bestandteile im Lampenkolben sowie der geometrischen Ausgestaltung der Mikrowellenenergiezufuhr, des Mikrowellenresonanzhohlraums und des Lampenkolbens. Die un­ gleichmäßige Verteilung des Lichts kann bei der Ausführung der Reflektoren in machen Fällen kompensiert werden, doch ist es nicht immer möglich, das Problem der ungleichmäßigen Lichtaus­ sendung auf diese Weise zu lösen; es sind daher verbesserte Verfahren zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Intensität des Lichts erwünscht, das von einer elektrodenlosen Lampe ausge­ strahlt wird.

Elektrodenlose Lampen übertragen eine große Wärmeenergiemenge auf die Lampenkolbenoberfläche. Die dem plasmabildenden Medium und dem Plasma mittels Mikrowellen zugeführte elektrische Energie, die nicht an die Umgebung abgestrahlt wird, wird durch Leitung, Konvektion und Strahlung vom Lampenkolben ab­ sorbiert. Die thermische Belastung des Lampenkolbens, die, wie oben erwähnt wurde, typischerweise ungleichmäßig ist, macht eine Kühlung des Lampenkolbens erforderlich, damit er gegen Temperaturen geschützt wird, die ihn erweichen oder sogar schmelzen würden.

In der DE-OS 33 18 795 ist eine elektrodenlose Lampe beschrie­ ben, deren Lampenkolben mit Kühlgas beaufschlagt wird und sich dabei dreht. Dies führt zu im wesentlichen gleichmäßigen Tem­ peraturen an Punkten auf der Oberfläche des Lampenkolbens in­ nerhalb einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse liegt, also längs Linien konstanter Breite. Zur Erzielung einer symmetri­ schen Temperaturverteilung in Azimutrichtung um die Drehachse genügen realtiv niedrige Drehzahlen von beispielsweise 300 Um­ drehungen pro Minute, weil die Wärmekapazität des Lampenkol­ bens zu Abkühlzeiten im Bereich von Sekunden führt, d.h. zu Abkühlzeiten, die größer als die Periodendauer der Umdrehung ist. Trotz der Kühlung und der Rotation sind die Emissionsei­ genschaften dieser elektrodenlosen Lampe für manche Anwen­ dungsfälle noch unbefriedigend. Dies wird zurückgeführt auf Ungleichmäßigkeiten der Temperaturen an der Oberfläche des Lampenkolbens längs Linien konstanter Länge, d.h. längs Groß­ kreisen, die durch die Pole führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße elektrodenlose Lampe so zu betreiben, daß ihre Emissionseigen­ schaften im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Lichtab­ gabe veränderbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lampenkolben mit einer Drehzahl von wenigstens 1000 Umdrehun­ gen pro Minute gedreht wird.

Durch die Erfindung wird die Temperaturverteilung an der Ober­ fläche des Lampenkolbens auch in polarer Richtung gleichmäßi­ ger, was zu einer gleichmäßigeren Abstrahlung der Lampe über jeweilige Spektralbereiche führen kann. Dies kann dadurch er­ klärt werden, daß bei rascher Rotation des Lampenkolbens die Wärmekonvektion innerhalb des Kolbens durch die Zentrifugal­ kraft so modifiziert wird, daß die durch die zur Drehachse ge­ neigte Richtung des elektrischen Feldes in der Äquatorzone des Kolbens erhöhte Temperatur wieder abgesenkt wird.

Ferner ermöglicht die Erfindung, den Leistungspegel zu erhö­ hen, mit dem die elektrodenlose Lampe betrieben wird.

Die Ausdrücke "Polbereich" oder "Polzone" beziehen sich auf diejenigen Bereiche an der Oberfläche des Lampenkolbens, die direkt oder nahe beim Durchgangspunkt der Drehachse liegen.

Die Ausdrücke "Äquatorbereich" oder "Äquatorzone" beziehen sich auf diejenigen Bereiche an der Oberfläche des Lampen­ kolbens, die auf oder nahe dem Großkreis mit der Breite 0 liegen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrodenlosen Lampe, die bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführung ei­ nes Lampenkolbens für eine elektrodenlose Lampe, bei der die Verteilung des strahlenden Materials an der Innenfläche des Kolbens veranschaulicht ist, der langsam gedreht wird,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführung ei­ nes Lampenkolbens für eine elektrodenlose Lampe, bei der die Verteilung eines plasmabildenden Me­ diums an der Innenfläche eines gemäß der Erfindung gedrehten Kolbens veranschaulicht ist, und

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Auswirkung der Drehzahl auf die Temperaturen an den Polarbe­ reichen und an den Äquatorzonen.

Nach Fig. 1 speist ein Magnetron 1 Mikrowellenenergie durch einen Wellenleiter 3 und einen Schlitz 5 in einen Mikrowel­ lenhohlraum 7 ein. Der Hohlraum 7 wird von Reflektorwänden 15 und einem Gitter 9 gebildet. Ein Lampenkolben 17, der als einen Bestandteil eines plasmabildenden Mediums Quecksilber enthält, ist an einem Stab 13 befestigt, der mit Hilfe eines Motors 11 gedreht wird.

Fig. 2 zeigt die Verteilung des lichtemittierenden Quecksil­ berdampfs 25, wenn der Lampenkolben 17 mit einer relativ niedrigen Drehzahl gedreht wird.

Wie Fig. 2 zeigt verläuft die Drehachse 21 des Lampenkol­ bens 17 senkrecht zur Achse 27 des elektrischen Feldes. Die konvektiven Kräfte des elektrischen Feldes wirken auf das Plasma 23 im Lampenkolben 17 so ein, daß eine relativ dicke Schicht aus kühlem Quecksilberdampf 25 in den Polarzonen 31 und eine dünne Schicht in den Äquatorzonen 29 entstehen. Die Oberflächentemperatur ist in der Äquatorzone am höchsten.

Fig. 3 zeigt, wie sich das Drehen des Lampenkolbens 17 mit einer Drehzahl, die wesentlich höher als die Drehzahl des Lampenkolbens nach Fig. 2 ist, auf die Verteilung des küh­ len Quecksilberdampfs auswirkt. Der kühle Quecksilberdampf 25 ist mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung auf der Innenfläche des Lampenkolbens 17 dargestellt. Unter diesen Bedingungen wird die Temperatur in der Äquatorzone auf Werte reduziert, die nahe den Temperaturen an den ande­ ren Oberflächenbereichen ist. Aus der erhöhten Drehzahl re­ sultiert auch eine gleichmäßigere Intensität des von ver­ schiedenen Bereichen des Lampenkolbens abgestrahlten Lichts.

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse eines mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführten Testlaufs zur Bestimmung der Beziehung zwischen der Oberflächentemperatur und der Drehzahl. Die Vorrichtung bestand dabei aus einem kugelförmigen Lampenkol­ ben mit einem Innendurchmesser von 28 mm und einer Füllung aus Argon, Quecksilber und einem Metallhalogenid. Eine Lampe wurde einer Mikrowellenleistung von 1,4 Kilowatt bei 2,45 GHz angekoppelt. Bei Drehzahlen zwischen etwa 100 und 1000 Um­ drehungen pro Minute erfolgte keine merkliche Änderung der Verteilung des kühlen Quecksilberdampfs innerhalb des Lam­ penkolbens. Bei Drehzahlen über etwa 2000 Umdrehungen pro Minute wurde der kühle Quecksilberdampf im wesentlichen gleichmäßig über die Innenfläche des Lampenkolbens verteilt. Wie Fig. 4 zeigt, blieb die Temperatur im Bereich um die Polachse bis zum Erreichen einer Drehzahl zwischen 2000 und 3000 Umdrehungen pro Minute etwa konstant, wobei bei einer solchen Drehzahl die Temperatur anzusteigen begann. Die Tem­ peratur in den Äquatorzonen blieb bis zum Erreichen einer Drehzahl zwischen 1000 und 2000 Umdrehungen pro Minute kon­ stant, wobei die Temperatur bei einer solchen Drehzahl abzu­ sinken begann. Bei etwa 2000 Umdrehungen pro Minute war die Temperatur an den Äquatorzonen und an den Polzonen etwa gleich.

Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, kann die Drehzahl so gewählt werden, daß sehr gleichmäßige Temperaturen an der Oberfläche des Lampenkolbens erreicht werden. Obgleich die Änderungen der Gleichmäßigkeit der Oberflächentemperatur nicht zwangs­ läufig entsprechende Änderungen der Gleichmäßigkeit der Lichtemission hervorrufen, führt bei der Anordnung von Fig. 1 eine Drehzahl von etwa 2000 Umdrehungen pro Minute auch zu einer gleichmäßigen Lichtabstrahlung.

Wie oben erwähnt wurde, können Drehzahländerungen auch Ände­ rungen des von verschiedenen Bereichen der Oberfläche des Lampenkolbens abgestrahlten Spektrums zur Folge haben. Bei­ spielsweise können elektrodenlose Lampen, die für Anwendun­ gen im sichtbaren Bereich ausgelegt sind, mit einer Anzahl von Metallhalogeniden gefüllt sein, die jeweils zu unter­ schiedlichen Teilen des sichtbaren Spektrums beitragen. Im Betrieb können sich einige Arten von Metallhalogeniden von anderen Arten trennen. Das Ergebnis besteht darin, daß von einem Bereich der Lampe im Vergleich zu einem anderen Be­ reich eine unterschiedliche Farbe abgestrahlt wird.

Durch Auswählen der Drehzahl, bei der die additive Trennung oder Farbtrennung auf ein Minimum verringert wird, wird das Verhalten der Lampe für Anwendungsfälle beträchtlich verbes­ sert, in denen eine qualitativ hochwertige Farbbelichtung oder Projektion erforderlich ist.

Die optimale Drehzahl, d.h. die Drehzahl, die die gewünschte Wärme-, Licht- und Farbverteilung ergibt, ist typischerweise für verschiedene Lampenausführungen unterschiedlich. Bei­ spielsweise nimmt die optimale Drehzahl mit einer Vergröße­ rung des Durchmessers des Lampenkolbens ab. Weitere Fakto­ ren, die die optimale Drehzahl beeinflussen können, sind die Abmessungen des Mikrowellenhohlraums, die Mikrowellenfre­ quenz, der Betriebsleistungspegel, die Bestandteile des plasmabildenden Mediums und die Ausrichtung der Drehachse bezüglich der Achse des elektrischen Feldes. Die Verteilung der Wärme, der Lichtintensität und der Farbe ist zwar eine komplexe Funktion von vielen Variablen, jedoch kann die op­ timale Drehzahl in einfacher Weise experimentell durch Dre­ hen des Lampenkolbens unter Beobachtung und Messung der Tem­ peraturen, der Lichtintensitäten und des Spektrums bei ver­ schiedenen Drehzahlen bestimmt werden.

Drehzahlen von mehr als etwa 600 Umdrehungen pro Minute sind typischerweise erforderlich, damit eine meßbare Auswirkung auf die Verteilung der Oberflächenerwärmung, des Lichts oder der Farbe am Lampenkolben erzielt wird. Drehzahlen im Be­ reich von 1500 bis 2500 Umdrehungen pro Minute sind norma­ lerweise erforderlich, um eine Gleichmäßigkeit dieser Emis­ sionseigenschaften für Lampenkolben mit Durchmessern von 1,9 bis 3,8 cm zu erzielen.

Wenn die Drehachse parallel zur Achse des elektrischen Fel­ des verläuft oder mit dieser Achse zusammenfällt, vergrößert das Drehen des Lampenkolbens die Temperaturunterschiede zwi­ schen den Polzonen und den Äquatorzonen und vergrößert außer­ dem die Ungleichmäßigkeit der Lichtemission. Somit ist es bei der Ausführung der Erfindung wichtig, daß die Drehachse richtig auf die Achse des elektrischen Feldes ausgerichtet ist. Zur Vergrößerung der Gleichmäßigkeit zwischen den Polzonen und den Äquatorzonen sollte der Winkel zwischen den zwei Achsen größer als 30° und vorzugsweise nahe 90° sein. Der Lampenkolben ist gemäß der Zeichnung kugelförmig; jedoch können auch Lampenkolben mit von der Kugelform abweichenden Formen bei der Durchführung der Erfindung angewendet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ändern der Emissionseigenschaften einer elek­ trodenlosen Lampe mit einem Lampenkolben, der ein plasmabil­ dendes Medium enthält, an das zur Erzeugung eines lichtemit­ tierenden Plasmas mittels eines elektrischen Feldes elektro­ magnetische Energie angekoppelt wird, wobei der Lampenkolben um eine Achse gedreht wird, die in einem Winkel von etwa 30° bis etwa 90° zur Richtung des elektrischen Feldes verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (17) mit einer Drehzahl von wenigstens 1000 Umdrehungen pro Minute gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lampenkolben (17) eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 1,9 cm bis etwa 3,8 cm verwendet wird und daß der Lampenkolben (17) mit einer Drehzahl von etwa 1500 bis 2000 Umdrehungen pro Minute gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über den Lampenkolben (17) ein Kühlgas geleitet wird, wäh­ rend er gedreht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des elektrischen Feldes auf einen Winkel von etwa 90° zur Drehachse des Lampenkolbens (17) gestellt wird.