KR20200052944A - 자외선 램프 시스템 및 그의 동작 및 구성 방법 - Google Patents
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Abstract
자외선 램프 시스템이 제공된다. 자외선 램프 시스템은, (a) 전구; (b) 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론; 및 (c) 적어도 하나의 마그네트론에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 전원 공급 장치를 포함하며, 상기 전원 공급 장치는 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 전기 에너지를 변조시도록 적응된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 2017년 11월 3일자로 출원된, 미국 임시 특허 출원 번호 제62/581,301호의 이익을 주장하며, 그 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
기술분야
본 발명은 자외선 램프 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자외선 램프 시스템뿐만 아니라 이러한 시스템을 동작 및 구성하는 개선된 방법에 관한 것이다.
자외선(UV) 램프 시스템은 UV 경화와 같은 어플리케이션들에서 여러 해 동안 사용되어 왔다. 많은 종래 산업용 고 와트수 무전극 UV 경화 램프 시스템은 마이크로파 에너지(RF)를 일반적인 타원형 리플렉터 캐비티로 유도하는 도파관들에 장착된 2개의 마그네트론들로 구동되는 관형 무전극 전구 엔벨로프를 포함하는 약 변조식 10 인치 길이 램프(조사기 모듈)를 기반으로 했다. 이러한 변조식 조사기는 가변 길이의 적용을 위해 지속적인 UV 경화 구역을 제공하도록 단대단(end to end)으로 배치될 수 있다. 미국 특허 번호 제4,042,850호는 이러한 종래 시스템의 세부 사항들을 예시하며, 그 전체가 본원에 참조로서 통합된다.
마그네트론은 출력 안테나로부터, RF를 전구를 포함한 리플렉터 캐비티로 보내는, 램프 내부의 금속 도파관으로 마이크로파를 방출한다. 무전극 관형 석영 전구에는 스펙트럼 출력을 수정하고 향상시키기 위해 아르곤과 같은 쉽게 이온화되는 가스와 금속 할로겐 염과 같은 다른 첨가제들과 함께 소량의 수은으로 채워져 있다. 2개의 마그네트론 각각에 의해 생성된 고주파수(예를 들어, 2.45GHz), 고전력(예를 들어, 최대 3kW RF) 전기장은 전구 내부의 가스를 높은 에너지 레벨로 여기시켜, 선형 인치당 평균 전력이 최대 600 와트인 수은 및 첨가제들을 기화 및 이온화시킨다. 기화된 분자들의 결과적인 높은 에너지 충돌로 인해 전구가 일부 가시광선 및 적외선도 포함하는 다량의 UV 에너지를 방출하게 한다. 요오드화철 첨가제(Iron Iodide additive)와 같은 특정 전구 충전 첨가제로 가능한 향상된 UV 출력은 무전극 UV 램프의 주요 장점들 중 하나이다.
각 조사기 모듈의 전원은 케이블들에 의해 해당 조사기 모듈에 연결된 전용 전원 공급 장치에서 공급된다. 전원 공급 장치는 높은 DC 전압에서 두 개의 마그네트론들을 구동시키기 위해 전압 변환 구성요소들을 포함해야 한다. 이는 정상적으로 각각의 개별 엔진이 단일 마그네트론에 연결된 한 쌍의 전압 변환 엔진들을 수반한다. 전원 공급 장치 인클로저는 또한 사용자 및 기계 전력 레벨 제어 및 디스플레이 인터페이스, 마그네트론 필라멘트 제어 로직, 보호 인터록(interlock) 기능 등과 같은 추가 서비스들을 위한 많은 다른 구성요소들을 포함한다.
전압 변환 구성요소들은 변압기, 다이오드 및 캐패시터를 사용하여 AC 라인 전압을 정류하고 출력을 마그네트론들에 의해 사용된 훨씬 더 높은 DC 전압으로 변환하는 철공진 원리에 기초할 수 있다. 이들은 또한 보다 현대적이고 효율적인 솔리드 스테이트 고주파 스위칭 구성요소들에 기초할 수 있다.
철공진 및 스위치 모드 전원 공급 장치 둘 다는 현재 시장에서 이용 가능하며, 전술한 바와 같이 10 인치 마이크로파 램프 조사기를 구동시키기 위해 상호 교환 가능하게 사용되고 있다. 두 전원 공급 장치 설계들 각각은 이점들 및 단점들을 갖는다.
철공진 전원 공급 장치들을 사용하는 마이크로파 구동 램프 시스템들은 일반적으로 높은 리플 마그네트론 전류 특성들을 가지므로 높은 리플 UV 출력을 생성한다. 제2 마그네트론을 위한 변압기는 일반적으로 3상 공급 라인의 상이한 레그(제1 마그네트론을 위한 레그와는 상이함)로 전력을 공급받으므로, 제2 마그네트론의 리플은 제1 마그네트론과의 위상차가 120°가 될 수 있다. 철공진 전원 공급 장치들은 솔리드 스테이트 전원 공급 장치들에 비해 효율이 떨어지는 경향이 있다. 철공진 전원 공급 장치들은 무거운 변압기들로 인해 매우 무겁다(예를 들어, 최대 4배 더 무거움). 슬롯 아킹(arcing) 및 마그네트론 내부 아킹 또는 모딩(moding)은 낮은 리플 솔리드 스테이트 전원 공급 장치들에 비해 발생하는 높은 피크 전류 및 전압으로 인해 높은 리플 전원 공급 장치들을 사용할 때 더욱 상당한 문제가 되는 경향이 있다. 철공진 전원 공급 장치들은 전세계적으로 사용되는 다양한 라인 전압들 및 주파수들(50 또는 60Hz)에 대해 별도의 버전들을 가져야 한다. 마그네트론 RF 출력 전력은 또한 초당 100-120 배로 거의 0에 가깝게 떨어질 수 있으며, 평균 전력보다 훨씬 높은 레벨에서 피크에 이를 수 있다. 마찬가지로, 전구의 한쪽 단부에서 나오는 UV 출력은 각각의 마그네트론 전류의 변조 리플을 밀접하게 따른다. 일반적으로 전원 공급 장치에는 3상 AC 전원이 연결되어 있어 하나의 마그네트론이 제2 마그네트론으로부터 위상을 벗어난 상태로 동작될 수 있다. 이 경우, 램프의 초점면에서 UV의 혼합은 높은 파급 효과가 일부 완화될 것이다. 그러나, 초점면에서의 리플은 램프의 더 먼 단부으로부터의 기여가 적기 때문에 램프 모듈의 단부들을 항해 가장 분명하게 나타낸다. 변조된 UV 출력의 이러한 낮은 지점은 경화될 코팅의 모든 영역이 균일하게 경화되지 않을 수 있기 때문에 램프 아래를 통과하는 고속 경화 어플리케이션들에 문제가 될 수 있다. 와이드 웹 어플리케이션들에서, 단대단으로 적층된 복수의 램프 모듈을 사용하면, 특히 인접한 두 마그네트론이 동위상에서 작동할 때 동일한 높은 리플 문제로 인해 다른 영역보다 덜 경화된 영역이 있을 수 있다.
무전극 UV 램프용으로 설계된 최신 솔리드 스테이트 DC 스위칭 전원 공급 장치들은 보다 정밀한 전력 레벨 제어와 같은 향상된 기능들으로 수년 동안 사용해왔다. KHz 범위 이상의 스위칭 주파수를 사용하면 잔물결 없이 사실상 연속적인 UV 출력을 제공한다. 이들은 또한 철공진 전원 공급 장치들에 대해 위에서 언급된 단점들을 겪지 않는다.
그러나, 연속적인 리플이 없는 출력 전원 공급 장치들로 동작될 때 주요 문제는 통상적으로 적층 전구 유형을 수직으로 동작시킬 때 전구의 축을 따라 "색상 분리"라고 말해왔다. 많은 경화 어플리케이션들(예를 들어, 특정 회전 보틀(bottle) 또는 캔(can) 어플리케이션들, 특정 광섬유 인출 타워 어플리케이션들, 등)은 수직 램프 방향을 사용하는 경향이 있다. "D" 전구 유형(예를 들어, 요오드화철 첨가제를 가짐) 및 "V" 전구 유형(예를 들어, 요오드화 갈륨 첨가제를 가짐)과 같은 고성능 적층 전구들은 둘 다 낮은 리플 공급에 의해 수직으로 동작될 때 색 분리를 겪는다. UVA 출력의 우수한 향상으로 인해 “D” 유형 전구들이 널리 사용되며, UVV 대역에서는 “V” 전구 유형이 향상된다. 그러나, 전구 축이 기울어지거나 수직 방향으로 사용될 때 전구 내부에 충전재의 적절한 분포를 유지할 수 없다. 이러한 전구들 및 다른 적층 전구들 모두 DC 전원으로 수직으로 동작될 때 성능이 저하되고 비효율적이 된다.
종래의 전구(예를 들어, 다양한 직경의 9 인치 길이의 실린더)가 비-수평(non-horizontal)(예를 들어, 수직, 각진 구조 등) 구조로 동작될 때, 전구 충전 및 첨가제는 전구의 바닥으로 더 많이 이동하여 바람직하지 않은 동작 조건을 초래하는 경향이 있다. 전구의 상반부에 대한 마이크로파 결합(Microwave coupling)은 충분한 기화된 충전재가 남아 있지 않아 크게 감소되고 전체 UV 출력은 약 25% 감소된다. 또한 전구는 전구의 하반부에서 정상보다 상당히 뜨겁게 동작하는 경향이 있다. 예를 들어, 지나치게 높은 피크 전구 벽 온도(예를 들어, 1150 °C 이상)는 균일하지 않은 벽 하중으로 인해 발생할 수 있으며, 전구 수명을 크게 줄일 수 있고, 심하게 과열된 전구 엔벨로프로 인해 심각한 전구 엔벨로프 고장을 일으킬 수 있다.
따라서, 특히 비-수평(예를 들어, 수직, 각진 방향 등)으로 램프의 동작 동안 UV 램프의 동작을 개선하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 자외선 램프 시스템이 제공된다. 자외선 램프 시스템은, (a) 전구; (b) 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론; 및 (c) 적어도 하나의 마그네트론에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 전원 공급 장치를 포함하며, 상기 전원 공급 장치는 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 전기 에너지를 변조시키도록 적응된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 자외선 램프 시스템의 동작 방법이 제공된다. 상기 방법은, (a) 자외선 램프 시스템의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론을 제공하는 단계; 및 (b) 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 전기 에너지를 변조시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 자외선 램프 시스템의 구성 방법이 제공된다. 상기 방법은, (a) 자외선 램프 시스템의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론을 제공하는 단계; (b) 적어도 하나의 마그네트론에 전기 에너지를 제공하기 위한 전원 공급 장치를 제공하는 단계; (c) 적어도 하나의 마그네트론에 제공된 전기 에너지의 적어도 하나의 변조 파라미터를 변화시키면서 전구의 적어도 하나의 성능 파라미터를 모니터링하는 단계; 및 단계 (d) 단계 (c) 이후 마그네트론에 제공될 전기 에너지에 대한 전류 프로파일을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면들과 관련하여 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 관례에 따르면, 도면들의 다양한 특징들은 크기가 비례하지 않는다는 것이 강조된다. 반대로, 다양한 특징들의 치수들(dimensions)은 명확성을 위해 임의로 확장되거나 축소된다. 도면에는 다음의 그림들이 포함된다:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 자외선 램프 시스템의 블록도이다;
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 또 다른 자외선 램프 시스템의 블록도이다;
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 또 다른 자외선 램프 시스템의 블록이다;
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자외선 램프 시스템의 전원 공급 장치에 의해 제공된 현재 신호들을 예시하는 신호 다이어그램이다;
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 자외선 램프 시스템을 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다; 그리고
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 자외선 램프 시스템을 구성하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 자외선 램프 시스템의 블록도이다;
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 또 다른 자외선 램프 시스템의 블록도이다;
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 또 다른 자외선 램프 시스템의 블록이다;
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자외선 램프 시스템의 전원 공급 장치에 의해 제공된 현재 신호들을 예시하는 신호 다이어그램이다;
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 자외선 램프 시스템을 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다; 그리고
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 자외선 램프 시스템을 구성하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
본 발명의 특정 예시적인 실시예들에 따르면, 자외선 램프 시스템의 하나 이상의 마그네트론을 구동시키는 전류 파형의 유형은 하이브리드 전류 파형이다. 즉, 전류는 정확히 AC 또는 DC가 아니라, 하이브리드(hybrid)이다. 예를 들어, 전류 파형은 듀티 사이클의 큰 퍼센티지(예를 들어, 90 %) 동안 DC 파형일 수 있으며, 그 후 빠르게 한번 떨어지고 상승한다. 다른 전류 파형들이 고려된다. 이러한 전류 파형은 스위치 모드 전원 공급 장치(예를 들어, 솔리드 스테이트 DC 스위칭 전원 공급 장치, 솔리드 스테이트 스위치 모드 전원 공급 장치 등)의 내부 소프트웨어 및 펌웨어를 수정함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 양태들은 예를 들어, 적층 전구 유형으로 수직(또는 각진) 램프 성능을 향상시키면서 동시에 비교적 낮은 UV 출력 리플을 여전히 유지하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 양태들은 스위치 모드 전원 공급 장치의 내부 고전압 엔진 제어 펌웨어의 수정을 수반할 수 있다. 이는 마그네트론에 전달되는 전류의 광범위한 짧은 인터럽트를 도입하고 조작하기 위해 조정될 수 있는 새로운 소프트웨어 정의 파라미터들을 추가함으로써 달성될 수 있다. 이는 예를 들어 비선형(예를 들어, 수직, 각진 구조 등) 어플리케이션들에서, 결국, 전구 성능 향상으로 이어지는 철공진 공급과 유사한 전구에서 플라즈마 역학을 자극할 수 있다.
각각의 마그네트론(예를 들어, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같은 두개의 마그네트론들)에 대한 인터럽트 주파수뿐만 아니라, 전류 인터럽트 특징들(예를 들어, 전력 곡선 형상, 타이밍, 지속 시간 등)의 특성들은 인터럽트를 특성화하기 위해 4개의 조정 가능한 소프트웨어 파라미터들을 사용하여 체계적인 방식으로 평가될 수 있다. 4개의 예시적인 조정 가능한 소프트웨어 파라미터들은, (i) 듀티 사이클(예를 들어, 인터럽트들 사이의 % 시간); (ii) 주파수(예를 들어, 1Hz씩 60 내지 360 Hz와 같은 초당 인터럽트 수); (iii) 위상 오프셋(예를 들어, 위상 각 지연(제1 및 제2 마그네트론 인터럽트들 간 시간차); (iv) 필터 계수(예를 들어, 인터럽트 형태, 즉 마그네트론 전류 인터럽트의 강하 및 상승률 및 크기를 변화시키는 데 사용됨); 및 (v) 마그네트론에 제공된 전기 에너지의 피크 전류를 포함한다.
다양한 파라미터들이 조정됨에 따라 램프 성능을 실시간으로 모니터링하기 위해 다수의 상이한 기구들을 포함하는 테스트 절차가 이용될 수 있다. 예를 들어, 데이터 로거(data loggers)에 연결된 UV 라디오미터(UV radiometers)가 전구를 수평 방향에서 수직 방향으로 회전시킬 때 UV 출력의 변화를 모니터링하고 비교하는데 사용될 수 있다. 사진 및 비디오 기록은 철공진(ferro-resonant) 전원 공급 장치에서 일반적으로 발생하고 또한 실험적 인터럽트 파라미터들의 더 나은 조합들로 다양한 수준들로 발생하는 전구 내의 복잡한 플라즈마 역학을 연구하는 데 사용될 수 있다. 열 화상은 또한 수직 방향에서 발생할 수 있는 전구 엔벨로프(bulb envelope) 온도의 변화를 평가하는데 사용될 수도 있다.
높은 듀티 사이클은 감소된 인터럽트 지속 시간과 함께 사이클의 더 높은 퍼센티지가 리플 없는 DC 모드에 있기 때문에 색 분리를 방지하는데 효과적인 경우 더 높은 듀티 사이클이 바람직할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 베이스라인 UV 출력을 유지하기 위해 최대 마그네트론 전류 설정의 작은 증가만이 필요할 수 있다. 베이스라인 UV 출력은 수평 방향(예를 들어, 마그네트론에 대한 890mA의 리플 없는 DC 전류)에서 정상적인 UV 성능으로 정의될 수 있다.
5개의 전류 제한 소프트웨어 파라미터들의 많은 조합들을 평가한 후, UV 램프 시스템 성능(예를 들어, 수직 구성의 전구, 각진 구성 등을 포함함)이 이제 스위치 모드 전원 공급 장치를 사용하여 문제가 있는 적층 전구에 대해 복원될 수 있음이 결정되었다. 바람직한 결과를 제공하는 소프트웨어 파라미터들의 특정 조합은 전원 공급 장치 하드웨어 구성요소들을 최소한으로 변경하는 것이 일반적으로 바람직하다. 본질적으로, 본 발명의 양태들은 하나의 주요 단점없이 스위치 모드 전원 공급 장치들(예를 들어, 솔리드 스테이트 DC 전원 공급 장치들, 솔리드 스테이트 스위치 모드 전원 공급 장치들 등) 및 철공진 전원 공급 장치들의 이점들을 결합한다.
스위치 모드 전원 공급 장치에 추가된 고정된 소프트웨어 파라미터 세트는 사용자에 의해 쉽게 턴 온되거나 턴 오프될 수 있으며, 이에 따라 사용자가 특정 애플리케이션(예를 들어, 수평 또는 수직 방향의 적층 전구들)에 대한 풀(full) DC 모드로, 및 (ii) 다른 어플리케이션들(예를 들어, 색상 분리 및 성능 저하를 방지하기 위해 비-수평 방향으로 동작하는 적층 전구들)에 대한 인터럽트 전류 모드로 스위치 모드 전원 공급 장치를 동작시킬 수 있도록 한다. 후술되는 바와 같이, 자외선 램프 시스템은 예를 들어 센서 등을 사용하여 적어도 하나의 마그네트론에 제공될 적절한 모드 (및/또는 전류 프로파일)를 자동으로 결정할 수 있다.
본 발명은 또한 아크 램프(arc lamps)와 같이, 플라즈마를 사용하여 UV를 방출하는 임의의 램프에 유용할 수 있다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 자외선 램프 시스템 (100)을 예시한다. 자외선 램프 시스템(100)은 변조식 전원 공급 장치(modulated power supply)(102) 및 조사기(irradiator)(104)를 포함한다. 조사기(104)는 제1 마그네트론(106a)(안테나(106a1)를 가짐) 및 제2 마그네트론(106b)(안테나(106b1)를 가짐)을 포함한다. 변조식 전원 공급 장치(102)는 전류 신호들(102a 및 102b)을 통해 제1 마그네트론(106a) 및 제2 마그네트론(106b) 각각에 전기 에너지를 제공한다. 마그네트론들(106a, 106b)은 마이크로파 에너지를 도파관(108)으로 방출하고, 도파관(108)은 리플렉터(110)(리플렉터(110)는 또한 냉각 구홀들(110c)을 정의함)에 의해 정의된 슬롯들(110a 및 110b)을 통해 마이크로파 에너지(RF)를 보낸다. 따라서, 마이크로파 에너지는 리플렉터(110)에 의해 정의된 캐비티(cavity)에 제공된다. 마이크로파 에너지는 전구(112)에 의해 수신되고 전구(112)와 상호작용하여, 전구(112)가 주어진 어플리케이션(예를 들어, UV 경화 어플리케이션)에서 원하는 대로 UV 에너지를 방출하게 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전구(112)는 “수평” 구성으로 배열된다. 특정 어플리케이션들에서, 이는 자외선 램프 시스템의 전구를 “수직” 또는 “각진” 구성으로 배열하는 것이 바람직하다는 것이 이해된다. 도 2는 “수직” 구성으로 배열된 전구(212)를 포함하는 자외선 램프 시스템(200)을 예시하는 반면, 도 3은 “각진” 구성으로 배열된 전구(312)를 포함하는 자외선 램프 시스템(300)을 예시한다. 그렇지 않으면, 도 2 내지 3의 다양한 요소들은 도 1을 참조하여 상술한 것과 유사하다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 자외선 램프 시스템(200)은 변조식 전원 공급 장치(202) 및 조사기(204)를 포함한다. 조사기(204)는 제1 마그네트론(206a)(안테나(206a1)를 가짐) 및 제2 마그네트론(206b)(안테나(206b1)를 가짐)을 포함한다. 변조식 전원 공급 장치(202)는 전류 신호들(202a 및 202b)을 통해 제1 마그네트론(206a) 및 제2 마그네트론(206b) 각각에 전기 에너지를 제공한다. 마그네트론들(206a, 206b)은 마이크로파 에너지를 도파관(208)으로 방출하고, 도파관(208)은 리플렉터(210)(리플렉터(210)는 또한 냉각 홀들(210c)을 정의함)에 의해 정의된 슬롯들(210a 및 210b)을 통해 마이크로파 에너지(RF)를 보낸다. 따라서, 마이클파 에너지는 리플렉터(210)에 의해 정의된 캐비티에 제공된다. 마이크로파 에너지는 전구(212)에 의해 수신되고 전구(212)와 상호작용하여, 전구(212)가 주어진 어플리케이션(예를 들어, UV 경화 어플리케이션)에서 원하는 대로 UV 에너지를 방출하게 한다.
구체적으로 도 3을 참조하면, 자외선 램프 시스템(300)은 변조식 전원 공급 장치(302) 및 조사기(304)를 포함한다. 조사기(304)는 제1 마그네트론(306a)(안테나(306a1)를 가짐) 및 제2 마그네트론(306b)(안테나(306b1)를 가짐)을 포함한다. 변조식 전원 공급 장치(302)는 전류 신호들(302a 및 302b)을 통해 제1 마그네트론(306a) 및 제2 마그네트론(306b) 각각에 전기 에너지를 제공한다. 마그네트론들(306a, 306b)은 마이크로파 에너지를 도파관(308)으로 방출하고, 도파관(308)은 리플렉터(310)(리플렉터(310)는 또한 냉각 홀들(310c)을 정의함)에 의해 정의된 슬롯들(310a 및 310b을 통해 마이크로파 에너지(RF)를 보낸다. 따라서, 마이클파 에너지는 리플렉터(310)에 의해 정의된 캐비티에 제공된다. 마이크로파 에너지는 전구(312)에 의해 수신되고 전구(312)와 상호작용하여, 전구(312)가 주어진 어플리케이션(예를 들어, UV 경화 어플리케이션)에서 원하는 대로 UV 에너지를 방출하게 한다.
각각의 변조식 전원 공급 장치들(102, 202 및 302)(또는 스위치 모드 전원 공급 장치와 같은 본 발명의 범위 내의 임의의 변조식 전원 공급 장치)에 의해 제공되는 전기 에너지는 각각의 전구(112, 212 및 312)로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 (어플리케이션에서 원하는 대로) 변조될 수 있다. 보다 구체적으로, 각각의 전류 신호들(예를 들어, 변조식 전원 공급 장치(102)로부터의 전류 신호들(102a, 102b), 변조식 전원 공급 장치(202)로부터의 전류 신호들(202a, 202b), 변조식 전원 공급 장치(302)로부터의 전류 신호들(302a, 302b),)은 각각이 변조되지 않은 전류 신호들(예를 들어, 순수한 DC 신호들)로부터 발생된 광 출력과 비교하여, 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일한 전구(112, 212 및 312)로부터의 광 출력을 제공하도록 변조된다.
변조된 전기 에너지(변조된 전류 신호들 또는 변조된 전류 프로파일 등으로도 지칭됨)는 많은 다양한 방식들로 설명/특성화될 수 있다. 예를 들어, 이러한 변조된 전기 에너지는 펄스 폭 변조되는 변조식 전원 공급 장치의 출력인 것으로 고려될 수 있다. 이러한 펄스 폭 변조는 변조식 전원 공급 장치의 소프트웨어 제어를 사용하여 달성될 수 있다.
이러한 변조된 전기 에너지는 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 전기 에너지를 변조하기 위해 적어도 하나의 마그네트론에(또는 도 1 내지 3에서, 두 개의 마그네트론 각각에) 공급된 전기 에너지를 선택적으로 제거하도록 변조식 전원 공급 장치를 적응시킴으로써 설명/특성화될 수 있다. 전기 에너지를 선택적으로 제거함으로써, 변조식 전원 공급 장치는 전류의 선택적 제거/중단 없는 풀 DC 모드와는 대조적으로, 인터럽트 전류 모드에서 동작하는 것으로 말할 수 있다.
어쨌든, 변조식 전원 공급 장치(예를 들어, 도 1의 변조식 전원 공급 장치(102), 도 2의 변조식 전원 공급 장치(202), 도 3의 변조식 전원 공급 장치(302) 등)는 변조된 전류 프로파일을 제공하기 위해 출력 전류 신호들을 변화시킨다. 도 4는 이러한 변화된 출력 전류 신호들의 예를 예시한다. 구체적으로, 도 4는 제1 전류 신호(402) 및 제2 전류 신호(404)를 예시한다. 예를 들어, 제1 전류 신호(402)는 제1 마그네트론에 제공된 전류 신호(예를 들어, 도 1의 전류 신호(102a) 또는 전류 신호(102b) 중 하나, 도 3의 전류 신호(202a) 또는 전류 신호(202b) 중 하나, 도 3의 전류 신호(302a) 또는 전류 신호(302b) 중 하나, 등)에 대응될 수 있으며, 제2 전류 신호(404)는 제2 마그네트론에 공급된 전류 신호(예를 들어, 도 1의 전류 신호(102a) 또는 전류 신호(102b) 중 하나, 도 3의 전류 신호(202a) 또는 전류 신호(202b) 중 하나, 도 3의 전류 신호(302a) 또는 전류 신호(302b) 중 하나, 등)에 대응될 수 있다.
도 1 내지 3에 예시된 전원 공급 장치들은 “변조식” 전원 공급 장치들로 라벨링되어 있지만, 본 발명이 특정 실시예들에 따르면, 전원 공급 장치(스위치 모드 전원 공급 장치로도 명칭될 수 있음)는 풀 DC 모드에서 동작될 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어 파라미터 세트는 사용자에 의해 턴 온되거나 턴 오프될 수 있는 전원 공급 장치(예를 들어, 변조식 전원 공급 장치)에 추가될 수 있으며, 이로써 사용자가 (i) 특정 어플리케이션들(예를 들어, 수평 또는 수직 방향으로 비-적층 전구)에 대해 풀 DC 모드로, 및 (ii) 다른 어플리케이션들(예를 들어, 컬러 분리 및 성능 저하를 방지하기 위해 비-수평 방향으로 동작하는 적층 전구들)에 대해 인터럽트 전류 모드로 동작시킬 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 양태들에 따르면, 변조식 전원 공급 장치의 동작은 복수의 어플리케이션들을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 전구 유형/사양, 전구 구성(예를 들어, 수평, 수직, 각진 구성 등), 마그네트론 방향, 원하는 스펙트럼 출력 및 균일성 등과 같은 변수들은 많은 어플리케이션들에 대한 변조식 전원 공급 장치의 전류 프로파일을 구성하는데 사용될 수 있다. 이러한 경우, 자외선 램프 시스템의 동작 동안, 사용자는 사용자에 의해 사용되는 어플리케이션에 기초하여 적절한 전류 프로파일(예를 들어, 소프트웨어를 통한 선택 또는 사용자 인터페이스 등)을 선택할 수 있다.
다른 예들에서, 적절한 전류 프로파일의 선택에 사용되는 적절한 변수(들)/파라미터(들)을 식별하기 위한 센서들이 자외선 램프 시스템에 포함될 수 있다. 그런 다음, 이러한 변수(들)의 존재를 감지할 때, 본 발명에 따른 방법들은 적절한 전류 프로파일을 자동으로 선택하는(및/또는 구현하는) 자외선 램프 시스템을 포함할 수 있다. 특정 예에서, 자외선 램프 시스템은 전구 유형/사양, 램프 방향(예를 들어, 수평, 수직 또는 각과 같은 전구 방향을 포함함), 또는 다른 변수들을 식별하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 이 정보로, 그리고 사전 테스트 또는 실험에 기초하여, 적절한 전류 프로파일(및/또는 전술한 풀 DC 모드 또는 인터럽트 전류 모드와 같은 모드)이 구현 및/또는 선택될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은, "전류 프로파일"이라는 용어는 전원 공급 장치(예를 들어, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같은 변조식 전원 공급 장치)에 의해 자외선 램프 시스템과 관련하여 하나 이상의 마그네트론에 적용될 전기 에너지의 임의의 세부 사항들을 광범위하게 지칭하도록 의도된다. 예를 들어, 도 4는 단독으로 또는 함께 전류 프로파일로 간주될 수 있는 2개의 예시적인 전류 신호들을 예시한다.
본 발명의 양태들은 종래 기술들과 비교하여 많은 이점들을 가져다준다. 쉽게 명백하지 않을 수 있는 이러한 이점 중 하나는 특정 어플리케이션들에 사용되는 전기 에너지의 감소이다. 즉, 본원에 설명된 바와 같은 "변조된" 전기 에너지의 사용을 통해, 피크 전류는 종래의 철공진 전력 공급 시스템들과 비교하여 감소되는 반면, 이러한 시스템들의 이점의 대부분 또는 전부를 달성한다. 이러한 감소된 피크 전류는 더 적은 에너지 사용을 초래하고, 일반적으로 마그네트론과 같은 자외선 램프 시스템의 특정 요소에 대해 더 긴 수명을 초래한다.
도 5 내지 6은 자외선 램프 시스템의 동작 방법 및 자외선 램프 시스템의 구성 방법을 각각 나타내는 흐름도들이다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 흐름도들에 포함된 특정 단계들은 생략될 수 있고; 특정 추가 단계들이 추가될 수 있으며; 상기 단계들의 순서는 설명된 순서로부터 변경될 수 있다.
구체적으로 도 5를 참조하면, 단계 500에서, 자외선 램프 시스템의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하기 위해 적어도 하나의 마그네트론이 제공된다. 예를 들어, 도 1 내지 3 각각은 각각의 자외선 램프 시스템(100, 200, 300)의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하기 위해 제공된 예시적인 마그네트론들(즉, 도 1의 마그네트론들(106a 및 106b), 도 2의 마그네트론들(206a 및 206b), 도 3의 마그네트론들(306a 및 306b), 등)을 예시한다. 단계 502에서, 전원 공급 장치로부터 적어도 하나의 마그네트론에 제공된 전기 에너지는 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 변조된다. 예를 들어, 전기 에너지는 원하는 전류 프로파일을 갖도록 변조될 수 있다. 특정 예에서, 전기 에너지는 펄스 폭 변조를 사용하여 변조될 수 있다. 변조는 또한 원하는 전류 프로파일(예를 들어, 도 4 참조)에 따라 전기 에너지의 선택적 제거/중단으로 간주될 수 있다.
특정 경우, 전구가 수직 방향으로 작동되도록 구성되는 경우, 제1 마그네트론은 수직 구성에서 전구의 하부에 의해 수용되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성될 수 있으며, 제2 마그네트론은 수직 구성에서 전구의 상부에 의해 수용되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 단계 502는 제2 마그네트론으로부터 전기 에너지를 제거하기 전에 제1 마그네트론으로부터 전기 에너지가 제거되는 패턴에 따라 제1 마그네트론 및 제2 마그네트론 각각에 제공된 전기 에너지를 반복적으로 제거 또는 감소시키도록 전원 공급 장치를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
동작 단계 504를 참조하면, 전체 직류 전기 에너지는 자외선 램프 시스템의 다른 어플리케이션을 위해 적어도 하나의 마그네트론에 제공된다. 다른 어플리케이션은 예를 들어, (i) 단계들 500 및 502의 전구와 비교하여 다른 전구, 및 (ii) 단계 502에서 사용된 전구의 구성과 비교하여 전구의 고유한 구성 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 전체 직류 전기 에너지의 어플리케이션은 다른 어플리케이션들(예를 들어, 색상 분리 및 성능 저하를 방지하기 위해 수평이 아닌 방향으로 동작하는 적층 전구들)에 대해 상술된 인터럽트 전류 모드와 대조적으로, 다른 어플리케이션들(예를 들어, 수평 또는 수직 방향으로의 비-적층 전구들)에 대해 상술된 풀 DC 모드와 관련될 수 있다.
구체적으로 도 6을 참조하면, 단계 600에서, 자외선 램프 시스템의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하기 위해 적어도 하나의 마그네트론이 제공된다. 예를 들어, 도 1 내지 3 각각은 각각의 자외선 램프 시스템(100, 200, 300)의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하기 위해 제공된 예시적인 마그네트론들(즉, 도 1의 마그네트론들(106a 및 106b), 도 2의 마그네트론들(206a 및 206b), 도 3의 마그네트론들(306a 및 306b), 등)을 예시한다. 단계 602에서, 적어도 하나의 마그네트론에 전기 에너지를 제공하기 위한 전원 공급 장치가 제공된다. 예를 들어, 도 1 내지 3 각각은 각각의 변조식 전원 공급 장치(102, 202 및 302)를 예시한다. 단계 604에서, 적어도 하나의 마그네트론에 제공된 전기 에너지의 적어도 하나의 변조 파라미터를 변화시키면서 전구의 적어도 하나의 성능 파라미터가 모니터링된다. 전구의 적어도 하나의 성능 파라미터의 예들로는 (i) 전구의 온도(온도는 복수의 온도 값들, 온도 프로파일 등일 수 있음), (ii) 전구의 광 강도 값(광 강도 값은 복수의 광 강도 값들, 광 강도 프로파일 등일 수 있음) 및 (iii) 전구의 스펙트럼 출력(전구의 스펙트럼 출력은 복수의 온도 스펙트럼 출력값들, 스펙트럼 출력 프로파일 등일 수 있음)을 포함한다. 전기 에너지의 저겅도 하나의 변조 파라미터의 예들로는 (i) 전기 에너지의 듀티 사이클, (ii) 전기 에너지에 대한 중단 주파수, (iii) 제2 마그네트론에 대한 전기 에너지 적용에 대한 중단의 위상 오프셋과 비교하여 제1 마그네트론에 적용된 전기 에너지에 대한 중단의 위상 오프셋, (iv) 전기 에너지의 중단의 필터 계수, 및 (v) 마그네트론에 제공된 전기 에너지의 피크 전류를 포함한다. 단계 606에서, 전류 프로파일은 단계 604 이후 마그네트론에 제공될 전기 에너지에 대한 전류 프로파일이 결정된다. 단계 606에서 결정된 전류 프로파일은 (단계 604에 의해 결정된 바와 같은) 전구의 적어도 하나의 성능 파라미터에 대해 허용 가능한 값을 제공하는 데 사용된 적어도 하나의 변조 파라미터의 값들을 포함할 수 있다.
본 발명의 양태들에 따르면, 단계 604 및 606은 복수의 애플리케이션들에 대해 반복될 수 있으며, 각각의 어플리케이션은 (i) 어플리케이션들 중 나머지들과 비교하여 고유한 전구 및 (ii) 어플리케이션들 중 나머지들과 비교하여 고유한 전구 구성 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 도시된 세부 사항들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 청구 범위의 등가의 범위 및 범위 내에서 그리고 본 발명을 벗어나지 않고서 다양한 수정이 상세하게 이루어질 수 있다.
Claims (20)
- 자외선 램프 시스템에 있어서,
전구;
상기 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론; 및
상기 적어도 하나의 마그네트론에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 전원 공급 장치를 포함하며, 상기 전원 공급 장치는 상기 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 상기 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 상기 전기 에너지를 변조시도록 적응되는, 자외선 램프 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 상기 램프로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 상기 전기 에너지를 변조시키기 위해 상기 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 전기 에너지를 선택적으로 제거하도록 적응되는, 자외선 램프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 펄스 폭 변조를 사용하여 상기 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 상기 전기 에너지를 변조시키도록 적응되는, 자외선 램프 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 마그네트론은 (i) 상기 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 제1 마그네트론, 및 (ii) 상기 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 제2 마그네트론을 포함하는, 자외선 램프 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 상기 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 상기 제1 마그네트론 및 상기 제2 마그네트론 각각에 제공된 상기 전기 에너지를 변조시키도록 적응되는, 자외선 램프 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 전구는 수직 방향으로 동작되도록 구성되고, 상기 제1 마그네트론은 상기 수직 구성에서 상기 전구의 하부에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성되며, 상기 제2 마그네트론은 상기 수직 구성에서 상기 전구의 상부에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성되는, 자외선 램프 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 상기 제2 마그네트론으로부터 상기 전기 에너지를 제거하기 전에 상기 제1 마그네트론으로부터 상기 전기 에너지가 제거되는 패턴에 따라 상기 제1 마그네트론 및 상기 제2 마그네트론 각각에 제공된 상기 전기 에너지를 반복적으로 제거 또는 감소시키기 위해 동작시키도록 구성되는, 자외선 램프 시스템.
- 자외선 램프 시스템의 동작 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 상기 자외선 램프 시스템의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론을 제공하는 단계; 및
(b) 상기 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 상기 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 전기 에너지를 변조시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제8항에 있어서, 단계 (b)는 상기 램프로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 상기 전기 에너지를 변조시키기 위해 상기 적어도 하나의 마그네트론에 공급된 전기 에너지를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, 단계 (b)는 상기 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록, 펄스 폭 변조를 사용하여, 상기 적어도 하나의 마그네트론에 제공된 전기 에너지를 변조시키는 단계를 포함하는, 단계.
- 제8항에 있어서, 단계 (a)는 상기 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 제1 마그네트론을 제공하는 단계, 및 상기 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 제2 마그네트론을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제11항에 있어서, 단계 (b)는 상기 전구로부터의 광 출력이 강도 및 스펙트럼 출력 중 적어도 하나에서 보다 균일하도록 상기 제1 마그네트론 및 상기 제2 마그네트론 각각에 제공된 전기 에너지를 변조시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 전구는 수직 방향을 동작되도록 구성되고, 상기 제1 마그네트론은 상기 수직 구성에서 상기 전구의 하부에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하돋록 구성되며, 상기 제2 마그네트론은 상기 수직 구성에서 상기 전구의 상부에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성되는, 방법.
- 제13항에 있어서, 단계 (b)는 상기 제2 마그네트론으로부터 상기 전기 에너지를 제거하기 전에 상기 제1 마그네트론으로부터 상기 전기 에너지가 제거되는 패턴에 따라 상기 제1 마그네트론 및 상기 제2 마그네트론 각각에 제공된 상기 전기 에너지를 반복적으로 제거 또는 감소시키도록 상기 전원 공급 장치를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제8항에 있어서, (c) (i) 단계 (a) 및 (b)의 전구와 비교하여 다른 전구 및 (ii) 단계 (b)에서 사용된 전구의 구성과 비교하여 상기 전구의 고유한 구성 중 적어도 하나를 포함하는 상기 자외선 램프 시스템의 적용을 위해 상기 적어도 하나의 마그네트론에 풀(full) 직류 전기 에너지를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 자외선 램프 시스템의 구성 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 상기 자외선 램프 시스템의 전구에 의해 수신되도록 구성된 마이크로파 에너지를 방출하도록 구성된 적어도 하나의 마그네트론을 제공하는 단계;
(b) 상기 적어도 하나의 마그네트론에 전기 에너지를 제공하기 위한 전원 공급 장치를 제공하는 단계;
(c) 상기 적어도 하나의 마그네트론에 제공된 상기 전기 에너지의 적어도 하나의 변조 파라미터를 변화시키면서 상기 전구의 적어도 하나의 성능 파라미터를 모니터링하는 단계; 및
(d) 단계 (c) 이후 상기 마그네트론에 제공될 상기 전기 에너지에 대한 전류 프로파일을 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제16항에 있어서, 단계 (d)는 상기 전구의 적어도 하나의 성능 파라미터에 대한 허용 가능 값을 제공하기 위해 적어도 하나의 변조 파라미터의 값들을 포함하도록 상기 전류 프로파일을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나이 성능 파라미터는 (i) 상기 전구의 온도, (ii) 상기 전구의 강도, 및 (iii) 상기 전구의 스펙트럼 출력 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 저기 에너지의 상기 적어도 하나의 변조 파라미터는 (i) 상기 전기 에너지의 듀티 사이클, (ii) 상기 전기 에너지에 대한 중단 주파수, (iii) 제2 마그네트론에 대한 상기 전기 에너지 적용에 대한 중단의 위상 오프셋과 비교하여 제1 마그네트론에 적용된 상기 전기 에너지에 대한 중단의 위상 오프셋, (iv) 상기 전기 에너지의 중단의 필터 계수, 및 (v) 상기 적어도 하나의 마그네트론에 제공된 상기 전기 에너지의 피크 전류 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제16항에 있어서, 단계 (c) 및 (d)는 복수의 어플리케이션들에 대해 반복될 수 있으며, 각각의 상기 어플리케이션들은 (i) 상기 어플리케이션들 중 나머지들과 비교하여 고유한 전구 및 (ii) 상기 어플리케이션들 중 나머지들과 비교하여 고유한 전구 구성 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
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