DE3920628C2

DE3920628C2 -

Info

Publication number: DE3920628C2
Application number: DE19893920628
Authority: DE
Inventors: Donald C. Germantown Md. Us Lynch; Mohammed Rockville Md. Us Kamarehi; James E. Gaithersburg Md. Us Simpson; Charles H. Rockville Md. Us Wood
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Lighting Inc
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1991-09-12
Also published as: DE3920628A1; DE3920649C2; DE3920649A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb einer elek trodenlosen Lampe in einem Mikrowellenfeld, nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Elektrodenlose Lampen dieser Art sind z. B. aus der DE 33 18 795 A1 bekannt. Sie werden in einem Mikrowellenhohlraum betrie ben, in dem der ein plasmabildendes Medium enthaltende Lampen kolben angeordnet ist. Wird dem Hohlraum Mikrowellenenergie zugeführt, dann wird die Lampe gezündet, und das von ihr aus gesendete Licht verläßt den Hohlraum durch ein Gitter, das typischerweise eine Austrittsfläche des Hohlraums bildet. In diesem Zusammenhang ist auch der Stand der Technik nach den US-Patentschriften 45 32 427, 44 85 332 und 46 83 525 von In teresse.

Bisher wurden in einer solchen Anordnung elektrodenlose Lampen mit einem Durchmesser von 19 mm oder mehr verwendet. Wird die Verwendung einer kleineren Lampe, z. B. mit einem Durchmesser von 12,7 mm oder weniger, gewünscht, dann ist, wie sich heraus gestellt hat, die Kopplung der Lampe an das Mikrowellenfeld in den beim Stand der Technik verwendeten Hohlräumen schlecht, mit dem Ergebnis, daß die Strahlung, die von der Lampe ausge sendet wird, nicht intensiv genug ist.

Man nimmt an, daß der Grund hierfür darin liegt, daß das Ver hältnis der Oberfläche zu dem Volumen der Lampe sich umgekehrt zu dem Durchmesser des Lampenkolbens verhält. Wenn also die Lampe kleiner wird, erhöht sich dieses Verhältnis mit dem Ergebnis, daß bei Mikrowellenenergie-Erregung des plasmabildenden Me diums in der Lampe ein größerer Flächeninhalt pro Volumenein heit zur Energieabsorption aus dem erregten Gas beiträgt. Die Wärmeabgabe an den Lampenkolben erhöht sich also tendenziell bei kleineren Lampen, und ein Feld, das einen geeigneten Strah lungspegel aus einer größeren Lampe erzeugt, ist nicht in der Lage, einen solchen mit einer kleineren Lampe zu erzeugen.

Elektrodenlose Lampen, die in koaxialen Übertragungsleitungen anstelle von Mikrowellenhohlräumen betrieben werden, können durchaus kleiner sein, vgl. z. B. die US-Patentschriften Nr. 39 43 403 und 39 93 927, jedoch ist bei solchen Anordnungen von Nach teil, daß sie aufgrund ihrer Charakteristik einen Teil der Lampenausgangsleistung verdunkeln und außerdem zu Lichtbogen bildung führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen Lampe bereitzustellen, die eine gute Ankopplung des Mikrowellenfeldes auch bei einem sehr kleinen Lampendurchmesser von 12,7 mm oder weniger gewährlei stet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung erfin dungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Höhe des Hohlraums konventioneller Ausdehnung wesentlich vermindert werden kann, um eine deutliche Erhöhung des elektrischen Feldes in dem Bereich der kleinen Lampe zu erreichen, nach der Beziehung

C = A/d,
in der
C = Kapazität
A = Plattenfläche
d = Plattenabstand (Höhe des Hohlraums),

wenn ein Mikrowellenmodus gewählt wird, der unabhängig von der Höhe des Hohlraums ist und elektrische Feldlinien aufweist, die parallel zu der Höhe verlaufen.

Dies führt zu einem kürzeren Leuchtenhohlraum als bis jetzt bekannt ist, mit dem Endergebnis, daß Strahlungspegel von der kleinen Lampe ausgesendet werden, die höher sind als die, die beim Stand der Technik erzeugt werden können.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Be zugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

In den angeführten Zeichnungen ist

Fig. 1 ein Modusdiagramm für einen geraden kreisförmigen Zylinder,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der Erfindung,

Fig. 3 eine Darstellung der elektrischen Feldlinien in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung noch eines Ausführungs beispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine Bilddarstellung eines bevorzugten Ausführungs beispiels der Erfindung,

Fig. 7 ein Detail des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6,

Fig. 8 ein Detail des in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 verwendeten Wellenleiters,

Fig. 9 eine Bilddarstellung eines weiteren Ausführungsbei spiels der Erfindung.

Wie schon oben erwähnt wurde, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß ein Modus gewählt wird, der elek trische Feldlinien bereitstellt, die parallel zur Höhe des Hohlraums verlaufen, und wenn das Vorhandensein eines solchen Modus unabhängig von der Höhe des Hohlraums ist, dann kann die Höhe des Hohlraums gegenüber konventioneller Ausführungen wesentlich vermindert werden, um ein erheblich stärkeres elektrisches Feld nahe der Lampe bereitzustellen.

Fig. 1, die ein Modendiagramm für einen geraden kreiszylin drischen Hohlraum darstellt, in dem

D = Hohlraumdurchmesser
L = Länge (Höhe) des Hohlraums
f = Frequenz ist,

zeigt deutlich, daß der TM₀₁₀-Modus unabhängig von der Höhe des Hohlraums ist. Ebenso resultiert dieser Modus in elek trischen Feldlinien, die parallel zur zylindrischen Achse des Hohlraums verlaufen.

Es wurde also in einem Ausführungsbeispiel der Anordnung ein gerader kreisförmiger Zylinder verwendet, der im TM₀₁₀-Modus arbeitet, und die Höhe des Hohlraums wurde so abgestimmt, daß das Feld in dem Zentralbereich des Hohlraums am stärksten ist.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt, wo der Hohlraum 2 die zylindrische Wand 4 mit den Enden 6 und 8 aufweist, die jeweils ein Gitter sein können, das im wesent lichen durchlässig für das Licht ist, das von der Lampe ausgesendet wird, während es im wesentlichen undurchlässig für die Mikrowellenenergie ist. Alternativ kann eines der Enden aus festem Metall bestehen, während das andere ein Gitter sein kann.

Die Lampe 10 hat einen Durchmesser von etwa 12,7 mm oder weniger und befindet sich etwa im Durchmesserzentrum des Hohlraums; jedoch muß sie sich nicht genau auf halber Höhe befinden.

Das Magnetron 12 erzeugt Mikrowellenenergie, die in dem er läuternden Ausführungsbeispiel bei 2450 Mhz liegt. Das Magnetron 12 ist über den rechteckigen Wellenleiter 14 und einen Schlitz 16 in der Seitenwand des zylindrischen Hohlraums mit diesem gekoppelt.

Die Lampe 10 wird von einem Arm 20 gehalten, der sich durch einen Motor 22 drehen läßt, um für wirkungsvolle Kühlung zu sorgen, wenn die Lampe bei ihrer Drehung mit (nicht darge stellten) Druckluftströmen beaufschlagt wird.

Das elektrische Feld in dem Hohlraum 2 ist in Fig. 3 gezeigt. Man kann sehen, daß dieses Feld in axialer Richtung des Hohl raums liegt und im Hohlraumzentrum am stärksten ist. Außerdem verstärkt sich das Feld, wenn die Höhe des Hohlraums abnimmt, bis ein Maximalfeld für eine Lampe mit einem gegebenen Durch messer erhalten wird.

In der resultierenden Anordnung wird ein Hohlraum verwendet, dessen Höhe beträchtlich niedriger ist als die des bisher verwende ten. So beträgt die Höhe des Hohlraums in der zylindrischen Anordnung nach dem Stand der Technik 66 mm bei einem Lampendurchmesser von 19,2 mm, während die Höhe des Hohlraums der Lampe nach der vorliegenden Erfindung für einen Lampendurchmesser von 12,7 mm nur 26,9 mm beträgt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung betrug der Lampen-Innendurchmesser 13 mm, die Höhe des Hohlraums 26,9 mm, während sein Durchmesser 76,2 mm betrug.

Die Prinzipien der Erfindung lassen sich genauso auf Hohl räume mit anderer Gestalt anwenden. Fig. 4 zeigt z. B. einen rechteckigen Hohlraum mit geringer Höhe zur Kopplung mit einer sehr kleinen Lampe, die im TE_10m-Modus betrieben wird.

Es ist wohl bekannt, daß eine Leuchte nach ihrem Start gegen über dem Hohlraum eine andere Impedanz aufweist als vor dem Start, und die Betriebsart wird dadurch etwas beeinflußt. Deshalb wird für die vorliegende Offenbarung angenommen, daß die genannten Modi vorhanden sind, ehe die Lampe den Be trieb beginnt.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Hohlraum 30 eine Seitenwand auf, die aus einem oder mehreren Segmenten 32, 34 besteht, von denen jedes ein konischer Ab schnitt ist, und von denen jeder eine reflektierende Innen fläche aufweist. Die Enden des Hohlraums weisen jeweils Gitter 36 und und 38 auf, während hinter dem Hohlraum ein äußerer Reflektor 40 angeordnet ist, der ebenfalls aus Segmenten bestehen kann. Ebenso kann ein äußerer Reflektor teil 42 vor dem Hohlraum angeordnet sein, und dieser kann ebenfalls segmentiert sein.

Die Wirkung der reflektierenden Seitenwand des Hohlraums 32, 34 und der rückwärtigen und vorderen äußeren Reflektoren 40 und 42 soll einen Gesamtreflektor gewünschter Gestalt bereitstellen, um das von der Lampe 37 ausgesendete Licht zu reflektieren. Der Reflektor ist als aus Segmenten bestehend dargestellt, er kann jedoch statt dessen eine mehr oder weniger durchgängige Oberfläche aufweisen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen Lampe nach der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Lampe 56 ist in dem zylindrischen Hohlraum 52 mit dem Kopp lungsschlitz 66 in der zylindrischen Seitenwand angeordnet. Das Magnetron 68 sorgt für die Mikrowellenenergie, die durch den Wellenleiter 70 mit dem Hohlraum gekoppelt ist. Der Wel lenleiter ist um das Magnetron gebogen, wie aus Fig. 8 deut lich wird, und besteht aus den Teilen 71, 72 und 73, die bezüglich einander gebogen sind.

Die Lampe 56 wird von dem Lampenarm 58 gehalten, der von dem Motor 60 gedreht wird, während Druckluft aus der Düse 62 auf die Lampe beaufschlagt wird, um sie zu kühlen. Fig. 7 zeigt deutlich, daß der Lampenarm in einem Winkel (von 110° bis 130°) zur Richtung des elektrischen Feldes angeordnet ist, was zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über der Lampe im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 führt, wo der Lampenarm rechtwinklig zur Richtung des elek trischen Feldes liegt. Während in Fig. 6 nur eine Kühldüse 62 gezeigt ist, können zusätzliche Düsen verwendet werden, und in einem Ausführungsbeispiel befand sich eine zweite Düse unter der Düse 62 in Fig. 6.

Fig. 9 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hohlraum mit quadratischem Querschnitt dar. In diesem Ausführungsbeispiel wird Energie von dem Magnetron 88 durch den Wellenleiter 92 über den Kupplungsschlitz 94 mit dem Hohlraum 82 gekoppelt, während der Lampenarm 87 die Lampe 86 so hält, daß sie in einem Winkel zum elektrischen Feld gedreht werden kann, der ungleich 90° ist. Diese Lampe ähnelt der in Fig. 4 gezeigten und ist im TE₁₀₁-Modus zu betreiben.

Die Erfindung offenbart also eine verbesserte Anordnung zum Betrieb elektrodenloser Lampen, die es ermöglichen, starke elektrische Felder mit kleinen Lampen zu koppeln.

Claims

1. Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen Lampe in einem Mikrowellenfeld, mit einem Mikrowellenhohlraum (2, 3, 52),

- in dessen Zentrum die elektrodenlose Lampe (10, 56) angeord net ist,
- der über einen Kopplungsschlitz (16, 66) und einen Wellen leiter (14, 70) mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen vorgegebener Frequenz verbunden ist, und
- bei dem wenigstens eine der die Höhenausdehnung begrenzenden Endflächen (6, 8, 36, 38) aus einem Gitter besteht, das für das Licht der elektrodenlosen Lampe im wesentlichen durch lässig und für die Mikrowellenenergie im wesentlichen un durchlässig ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die elektrodenlose Lampe (10, 56) einen Durchmesser von etwa 12,7 mm oder weniger hat,
- daß die Abmessungen des Mikrowellenhohlraums (2, 32, 52, 82) in einem solchen Verhältnis zu der Frequenz der Mikro wellen stehen, daß vor dem Start der elektrodenlosen Lampe (10, 56, 86) in dem Mikrowellenhohlraum sich ein Modus aus bildet, der unabhängig von der Höhenausdehnung des Mikrowel lenhohlraumes ist und der elektrische Feldlinien umfaßt, die in dem Bereich nahe dem Zentrum des Mikrowellenhohlraumes parallel zur Höhenausdehnung des Mikrowellenhohlraumes ver laufen und
- daß die Höhenausdehnung des Mikrowellenhohlraumes auf einen Wert eingestellt ist, der so klein ist, daß in dem Bereich nahe dem Zentrum des Mikrowellenhohlraumes die Feldstärke am höchsten ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenhohlraum (2) ein Kreiszylinder ist, der im TM₀₁₀- Modus betrieben wird (Fig. 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenhohlraum ein rechteckiges Parallelepiped ist, das im TE₁₀₁-Modus betrieben wird (Fig. 4).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Parallelepipeds quadratisch ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsschlitz (16) in der zylindrischen Wand (4) des Mikro wellenhohlraumes (2) angeordnet ist und seine Längsausdehnung in Umfangsrichtung liegt (Fig. 2).

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der elektrodenlosen Lampe etwa 12,7 mm, der Durch messer des Mikrowellenhohlraumes etwa 19 mm und die Höhe des Mikrowellenhohlraumes etwa 27 mm beträgt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des Mikrowellenhohlraumes (30) wenigstens an der Innenseite aus reflektierendem Material besteht und mindestens einen konischen Abschnitt aufweist (Fig. 5).

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrodenlose Lampe (56) an einem drehbaren Lampenarm (58) befestigt ist, der bezüglich der Richtung des elektrischen Feldes in einem von 90° verschiedenen Winkel angeordnet ist (Fig. 6).