JPH11503263A - マイクロ波放射で無電極ランプを励起させる装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 可視光を発生するために無電極ランプを励起する装置。マイクロ波エネルギ供給源（２２）が無電極ランプ（１１）を包囲する円筒状の空胴（１０）へ結合されている。円筒状の空胴（１０）は無電極ランプ（１１）から発生された光を通過させる金属メッシュから構成されている側壁及び端部壁（１０ａ）を有している。円筒状の空胴（１０）内の電界強度はランプ中心（１１ｂ）より上側の領域（１１ａ）において増加される。この増加された電界強度はバルブ表面にわたりより一様な温度を発生し、その際にランプ（１１）内のガス分子のプラズマ加熱割合を増加させる。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波放射で無電極ランプを励起させる装置発明の詳細な説明 本発明は、無電極ランプを励起させる装置の分野に関するものである。特に、 改良した照明効率で無電極ランプを一様に発光させる装置について記載する。 無電極ランプは、過去においては、１００，０００ルーメンを超える高強度の 放射光を発生するために使用されている。これらの装置は屋内及び屋外の両方の 適用場面において産業上の照明において使用される。無電極ランプの利点の中で 、寿命の向上は１０，０００及び２０，０００時間の間である。更に、その他の 従来の光源よりもより大きな電力効率が得られる。 無電極ランプは、殆ど赤外線光、紫外線光又は可視光を射出するように設計す ることが可能である。可視光が必要とされる適用場面においては、無電極ランプ は殆ど可視光を発生させるために硫黄又はセレンが充填される。例えば水銀等の その他の物質のその他のランプは、これらの光の波長が必要とされる産業上の適 用において紫外線光及び赤外線光を発生するために使用することが可能である。 硫黄及びセレンを充填したランプは、ランプ内の局所的な温度によって影響を 受けることのある光出力を有している。これらのガスを充填したランプは、ラン プの表面が一様に加熱されていない場合には、特にその頂部に沿って暗いバンド が表われる。ランプのより温度が低い部分は、変色を発生させる場合があり、そ れはランプ表面の残部とは不均衡に光を吸収する。 バルブ内の温度差は、ランプを収容している共振空胴内に支持されているマイ クロ波エネルギの不均一な電磁界分布の結果であることが非常に多い。不均一な 電磁界分布は不均一な放電を発生し、それは「スラッジ」、即ちより高い程度の 硫黄分子を含む暗いガスを発生し、それはランプの性能を劣化させる。従って、 ランプ内の局所的な温度差の影響を回避するために、バルブのマイクロ波による 照射はランプの表面にわたって一様なものであるべきである。 無電極ランプの照明効率に影響を与えるその他の条件としては、マイクロ波エ ネルギ供給源と空胴との間に発生される周辺部電磁界と無電極ランプとの間の相 互作用がある。ランプは空胴とマイクロ波エネルギ供給源との間の結合用電磁界 を変形させる場合があり、インピーダンス不整合及び結果的に発生する電力損失 を導入し、システム効率を低下させる。発明の要約 無電極ランプをマイクロ波エネルギで効率的に照射することが本発明の目的で ある。 本発明のより特定的な目的は、無電極ランプをその表面全体にわたり一様に加 熱するマイクロ波照射電磁界を提供することである。 本発明の更に別の目的とするところは、マイクロ波で照射される無電極ランプ によって発生される可視光の量を増加させることである。 これら及びその他の本発明の目的は、無電極ランプ周りの電磁界分布を改良し 、従って温度が低くなるランプの部分を上昇又は増加する電界強度に露呈させる マイクロ波照射システムによって提供される。本無電極ランプは、空胴軸周りに 円筒状の空胴内において回転すべく支持されている。該円筒状の空胴は、開口さ せた表面を有しており、それはマイクロ波エネルギによって励起された場合に無 電極ランプによって発生される光を射出させる。 電磁界分布に関する制御は、本発明の好適実施例においては、ＴＥ_1l2共振モ ードをサポートするように円筒状の空胴を構成することによって達成される。こ のモードにおいては、電界の上昇する部分を通常はより低い温度状態に留まる無 電極ランプの部分に 隣接して位置させることが可能であり、電界強度を増加させ、従ってランプの通 常温度が低い部分の温度を上昇させることが可能である。 本発明のその他の実施例においては、円筒状の空胴壁内に局所的な不連続部を 導入し、ランプの残部よりも通常温度が低い無電極ランプの部分上における電界 強度を増加させる。図面の簡単な説明 図１は無電極バルブから光を発生する装置の正面図である。 図２は図１の装置の端面図である。 図３は図１の装置の平面図である。 図４ＡはＴＥ₁₁₁モードで励起された場合の円筒状の空胴内における電界分布 を示している。 図４ＢはＴＥ₁₁₂モードから改良された電磁界分布を示している。 図５Ａは無電極ランプの上部近くにおいて電界を増加させるためにその長さに 沿って収縮部を有する円筒状の空胴を示した断面図である。 図５は図５Ａの平面図である。 図６Ａは無電極ランプの上部近くにおいて電界を増加させるために円筒状の空 胴内に支持させた絞りを示している。 図６Ｂは図６Ａの平面図である。 図７Ａは無電極ランプの上部近くにおいて電界を増加させるために円筒状の空 胴内におけるトロイド状のリングを示している。 図７Ｂは図７Ａの断面図である。好適実施例の説明 図１，２，３を参照すると、無電極ランプ１１から光を発生するための装置の 正面図、端面図及び平面図が夫々示されている。無電極ランプ１１は、本発明の 好適実施例においては、硫黄又はセレンのいずれかを収容しており、それは、マ イクロ波エネルギで励起されると、主に可視光を発生する。図１の装置は、ハウ ジング２０を有しており、それは上部に沿って開放しており、且つマグネトロン ２２へフィラメント電流を供給するためのフィラメント変圧器２６、無電極ラン プ１１を回転させるためのモータ１４、及びマグネトロン２２へ冷却用の空気を 供給するための冷却用ファン２５を取囲んでいる。 マグネトロン２２は約２．４５ＧＨｚで動作する市販のマグネトロンである。 マグネトロン２２は、導波路セクション２３へ結合されているアンテナ２２ａを 有しており、導波路セクション２３はハウジング２０内へ進入しており且つハウ ジング２０の上 部を閉塞している。導波路セクション２３は、マグネトロン２２からのマイクロ 波エネルギを導波路の上部壁上の長手軸スロット２４へ結合させる。スロット２ ４を介して結合されたマイクロ波エネルギは、円筒状の空胴１０の長手軸に沿っ て端部１０ａへ向かって伝搬する。 無電極ランプ１１はカップリング１３を介してモータ１４へ結合されているシ ャフト１２上に支持されている。無電極ランプ技術において公知の如く、数百Ｒ ＰＭでのランプ１１の回転は、一様なプラズマ１１を形成し、且つランプ１１に 対して円周方向の温度一様性を与え、従ってその寿命を長期化させる。 無電極ランプ１１は円筒状の空胴１０内に示されており、それは、電磁放射を 円筒状の空胴内に閉込める一方ランプ１１からの光を射出するための開口表面を 有することが可能である。円筒状の空胴１０は、側壁及び端部壁１０ａを有して おり、それらは、光を射出させる金属製メッシュ又はスクリーンから構成するこ とが可能である。 空胴の開口部分１０は、導波路２３の表面にボルト締めされている円筒状のフ ランジ１５へクランプ１９によってクランプされており、ハウジング２０の上部 を形成している。透明な保護ドーム１６が空胴１０の上に配置されている。 ランプ１１はランプ中心１１ｂより上方の上部部分１１ａを有しており、それ はランプ１１の残部に関して局所的な温度差に露呈される。空胴１０内において ＴＥ₁₁₁モードがサポートされている場合は、ランプ部分１１ａの領域における 電界は強度が減少しており、且つ特に領域１１ａにおけるランプのマイクロ波照 射は非一様であり、ランプ１１の不均一な加熱を発生させる。 ランプ１１内の硫黄又はセレンの分子は不均一に加熱され且つランプ１１ｂの 中心より上側のランプ１１の部分１１ａにおいて暗く光を透過させない領域を発 生させる場合がある。これは部分１１ａを介して発生される光の量を減少させ、 全体的な光出力を低下させ且つランプ１１の表面にわたっての光出力を非一様な ものとさせる。 図４ａは円筒状の空胴１０内の電磁界分布を示しており、それはランプ１１の 不均衡な加熱の発生源を示している。実線はランプが存在しない場合の円筒状の 空胴１０内においてサポートされるＴＥ₁₁₁伝搬モードの正弦波電界分布を表わ している。領域１１ａに隣接したＴＥ₁₁₁電界分布の部分は電界強度が減少して いる。従って、領域１１ａにおいては無電極ランプによって吸収されるエネルギ はより少なく、電界分布が上昇する部分に対向した領域におけ るよりもより温度が低くなる。 ランプが存在する場合には、電界強度が領域１１ａにおいてどのように迅速に 減少するかを破線で示してあり、その結果温度がより低くなり、硫黄及びセレン を充填したランプにおいて光吸収性のガスを発生する。この光吸収性のガスのた めに領域１１ａにおける光の発生は影響を受ける。 本発明の好適実施例によれば、空胴１０はＴＥ₁₁₂伝搬モードをサポートする 円筒状の空胴である。円筒状の空胴１０は、ＴＥ₁₁₂伝搬モードをサポートする ために「マイクロ波理論及び測定入門（Ｉｎｔｒｏ−ｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍ ｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）」とい う題名の参考書に記載されているように、直円柱形状の空胴に対する従来のモー ドチャートに従って長さ及び寸法を決定することが可能である。図４Ｂに示した ように、ＴＥ₁₁₂モードは、円筒状の空胴の軸に沿ってそれと関連する２つの正 弦波のピークを有する電界分布を与える。２番目の正弦波ピークは、電界の上昇 する増加強度が無電極ランプ１１の領域１１ａに隣接するように位置されており 、領域１１ａにおける電界強度を増加させている。この領域において増加された 電界強度は、領域１１ａの温度を増加させ、無電極ランプ１１ａの上部に形成さ れる光吸収 性のガスの量を減少させる。 円筒状の空胴１０の長さは、スロット２４と関連する周辺部電磁界がランプ１ １と結合することを回避するために、ランプ１１がスロット２０から充分に離れ て支持されるように選択される。 ランプの上部において増加された電界は、より一様な放電を与え且つスラッジ 、即ちランプの発光効率を劣化させるより高い程度の分子が形成されることを防 止する。エネルギの吸収割合は、特に、ランプ内の硫黄プラズマ内においては、 ランプの上部近くにおいて増加され、ガス分子のプラズマ加熱を増加させる。 ＴＥ₁₁₁モードにおいては、電界強度が上昇する空胴のより下側にバルブを位 置させることは、ランプの上部の加熱をより良好なものとさせる。然しながら、 このことはランプの光学的アクセスを減少させ、円筒状の空胴１０と導波路２４ のスロット２４との間の境界において発生される周辺部の電磁界との近接相互作 用を促進させる。 ランプ１１の上部近くの電界強度を局所的に増加させるためのその他の技術を 図５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂに示してある。これらの技術はＴＥ₁₁₂ 共振モードを必要とするものではない。 図５Ａ及び５Ｂは領域１１ａ内において電界強度 を増加させるための収縮部３０を形成するために、ランプの領域１１ａ内におい て空胴１０を幅狭としたことを示している。 図６Ａ及び６Ｂは、ランプ中心１１ｂより上側の領域において電界強度を増加 させるために領域１１ａと対向する位置において円筒状の空胴１０内に位置させ た絞り３１を示している。 図７Ａ及び７Ｂは懸架状態とされたトロイド状即ち環状の金属リング３２を使 用した状態を示しており、それはランプ１１の領域１１ａにおいて電磁界強度を 増加させる。 前述した実施例の各々は、結合用スロット２４から発生するフリンジフィール ド即ち周辺部の電磁界との結合を回避するために、ランプ１１をスロット２４か ら充分離した距離に維持する目的を達成している。更に、ハウジング２０からの ランプ１１の高さは、ランプに対する充分な光学的なアクセスを可能としている 。 従って、バルブにおいての局所的な温度差を回避し、従って光出力を増加させ る無電極バルブを効率的に照射させる技術を幾つかの実施例に関して説明した。 当業者は、以下の請求の範囲によってより完全に記載される本発明の更にその他 の実施例を認識する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カマレヒ，モハマッド アメリカ合衆国，メリーランド 20878, ゲチスバーグ，オーエンズ グレン テラ ス 15526 (72)発明者 ユーリー，マイケル アメリカ合衆国，メリーランド 20817, ベセスダ，イースト ハルバート ロード 6518 (72)発明者 ターナー，ブライアン アメリカ合衆国，メリーランド 21773, マイヤーズビル，ダウン コート 9087

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロ波エネルギで無電極ランプを励起する装置において、 マイクロ波エネルギ供給源、 前記マイクロ波エネルギ供給源へ結合されており、その長さの一部に沿って複 数個の光射出用の開口を具備しており、その長さに沿って正弦波的に変化する電 界を有するマイクロ波エネルギをサポートする円筒状の空胴、 前記マイクロ波供給源を前記円筒状の空胴へ結合させることから発生する周辺 部電磁界から離れた位置において前記円筒状の導波路内に支持されており、且つ その中心より上側の部分が前記空胴の長さに沿って強度が増加する電界によって 照射されるように位置されており、それによりその表面全体にわたり実質的に一 定の照射を受取る無電極ランプ、 を有する装置。 ２．請求項１において、前記無電極ランプが回転自在に支持されている無電極 ランプを励起する装置。 ３．請求項１において、前記円筒状の空胴がＴＥ₁₁₂動作モードをサポートす べく選択された長さ及び直径を有している無電極ランプを励起する装置。 ４．請求項１において、前記円筒状の導波路が電界強度を増加させるためにそ の長さに沿って絞りを 有している無電極ランプを励起する装置。 ５．請求項１において、前記円筒状の導波路が、前記伝搬するマイクロ波エネ ルギの方向において電界強度を増加させるために前記円筒状導波路の長さに沿っ て環状リングを有している無電極ランプを励起する装置。 ６. 高強度可視光を発生する装置において、 一端部においてマグネトロンを支持すると共に反対側の端部において前記マグ ネトロンへ強制的に空気を供給する冷却用ファンを支持しており且つそれを貫通 して延在する被駆動シャフトを具備するモータを有するハウジング、 前記被駆動シャフト上に支持されている無電極ランプ、 前記ハウジング上に支持されており、前記無電極ランプを包囲しており、且つ 前記ハウジングを介して前記マグネトロンへ結合されている光射出用円筒状空胴 、 を有しており、マイクロ波エネルギが前記空胴へ結合され、前記空胴はランプ中 心より上側の領域で前記無電極ランプの先端部に隣接した領域において強度が増 加する電界をサポートし、その際に前記ランプにおける局所的な温度変動を減少 させる、装置。 ７．請求項６において、前記空胴がＴＥ_1l2モード 電磁波をサポートする装置。 ８．請求項６において、前記空胴が前記無電極ランプの中心より上側に位置さ れており、前記ランプ中心より上側の領域において電界強度を増加させる手段を 有している装置。 ９．請求項８において、前記ランプ中心より上側に位置されている手段が前記 空胴内に収縮部を有している装置。 １０．請求項８において、前記ランプ中心より上側に位置されている手段が絞 りを有している装置。 １１．請求項８において、前記ランプ中心より上側に位置されている装置が前 記空胴に接続されている環状リングを有している装置。