NL8802925A - Excitatiespoel voor een electrodeloze hoge-intensiteitsontladingslamp. - Google Patents

Description

Excitatiespoel voor een electrodeloze hoge-intensiteitsontladings-lamp.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een hoogfrequente (RF) spoel voor het exciteren van een plasma-ontlading, en, meer in het bijzonder, op een nieuwe RF-spoel voor het exciteren van een zichtbaar licht producerende plasma in een electrodeloze hoge-5 intensiteitsontladings (HID)-lamp, waarbij de spoel een vorm heeft met een gereduceerde belemmering van de lichtstroom vanuit de ont-ladingslamp.

Bekend is dat zichtbaar licht uit een ontladingsplasma dat wordt geëxciteerd door een hoogfrequente stroom, kan worden ge-10 produceerd. De hoogfrequente stroom wordt verkregen door een spoel , die zich in het algemeen buiten de lamp waarin de ontlading wordt geëxciteerd, bevindt, waarbij de spoel niet slechts een bevredigende koppeling aan de ontladingsplasma moet hebben, maar ook een laag hoogfrequent weerstandsverlies en een kleine ruimtelijke afmeting, 15 teneinde het merendeel van het licht dat vrijkomt uit de ontlading, het mogelijk te maken te worden gebruikt en niet te worden belemmerd door de spoel zelf. De gebruikelijke excitatiespoel heeft een lange solenoïdale vorm, die wordt afgeleid uit de enkele solenoldale spoelen van koperbuis, die regelmatig worden gebruikt met een waterkoeling, 20 voor het exciteren van plasmafakkels die worden gebruikt bij de fabricage van vezeloptiek door kristalgroei en dergelijke.

Bekende technieken, zoals is geïllustreerd door de Amerikaanse octrooischriften 3.860.854 (kopvormige spoel), 3.763.392 (korte solenoïde), 3.942.058 en 3.943.404 (kleine hoge-intensiteits-25 ontladingslampen aan het einde van een coaxiale kabel) hebben alle.

een laag optisch rendement en spoelverliezen die kunnen worden teruggebracht.

Overeenkomstig de uitvinding wordt een excitatiespoel • 8802925 > -2- voor het stimuleren van een hoge-intensiteitsontladingsplasma in een electrodeloze ontladingslamp gekenmerkt door een geleider met tenminste één winding die in hoofdzaak is gelegen op het oppervlak van een torus met een in hoofdzaak rhomboïde of V-vormige dwarsdoorsnede 5 aan weerszijden van een hartlijn van de spoel.De spoel kan in hoofdzaak symmetrisch zijn ten opzichte van een vlak dat door de maxima van de toroide gaat. De hoofdstraal van de spoel is zodanig dat de lamp binnen de spoel kan worden gebracht zodanig dat de spoel een co-planaire, toroldale plasma-ontladingsboog in de lamp induceert wanneer 10 de spoel is verbonden met een hoogfrequente (RF) voedingsbron.

Volgens een thans de voorkeur gegeven uitvoering wordt een impedantie-aanpassing met een reactantie (capaciteit of inductie) met een aftakking gebruikt tussen de spoel en de voedingsbron. Een gebalanceerde, opgesplitste spoel kan worden gebruikt. Bij voorkeur 15 moet, voor een hoge koppeling, de excitatiespoel zoveel mogelijk voorkomen bij tweemaal de hoofdstraal van de boogtorus.

Bijgevolg is het eén doel Van de onderhavige uitvinding een nieuwe excitatiespoel voor het stimuleren van een hoge-intensi-teitsboogontladingsplasma in een electrodeloze ontladingslamp te 20 verschaffen.

Dit doel en andere doelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden na het lezen van de volgende gedetailleerde beschrijving indien deze in samenhang met de tekeningen wordt beschouwd.

25 Figuur la is een bovenaanzicht van een hoge-intensiteits- ontladingslamp en van een excitatiespoel met een enkele winding, waarbij de figuur nuttig is voor het begrip van enige principes van de onderhavige uitvinding; figuur lb is een doorsnede-aanzicht van de lamp/spoel-30 combinatie van figuur la en de figuur toont aanvullende plaatsen vöor een excitatiespoel; figuur lc is een zij-aanzicht van een gedeelte van een hoge-intensiteitsontladingslamp, welke figuur een mogelijke excitatie-spoelconfiguratie met meer windingen illustreert; 35 figuur 2 is een zij-aanzicht van een gedeelte van een hoge-intensiteitsontladingslamp en een voorkeursuitvoering van een excitatiespoel overeenkomstig de principes van de onderhavige uitvinding; figuur 2a is een schema van de schakeling die wordt .8802625 -3- gevormd door de excitatiespoel en aanvullende elementen van figuur 2; figuur 3 is een zij-aanzicht van een gedeelte van een andere hoge-intensiteitsontladingslamp en een andere voorkeursuitvoering van de excitatiespoel volgens de onderhavige uitvinding; 5 figuur 3a. is een schema van de electrische schakeling van de excitatiespoel en aanvullende elementen van figuur 3; en figuur 4, 4a en 4b zijn respectievelijk een schema, een schematisch zij-aanzicht en een bovenaanzicht van een andere de voorkeur gegeven excitatiespoel met meer windingen overeenkomstig 10 de principes van de onderhavige uitvinding.

In figuur la omvat een hoge-intensiteitsontladings (HID)-lamp 10 een buisomhulling 11 die een volume 12 omvat dat een hoeveelheid van tenminste één gas bevat waarin een ontladings-boogplasma 14 produceerbaar reageert op de stroom van een hoogfre-15 quente (RF) stroom in een excitatiespoel 16 die rond de buitenzijde van de lampomhulling 11 is geplaatst. De hoogfrequente stroom reageert op een excitatiebron 18 die een spanning V . verschaft tussen spoel- ab einden 16a en 16b. Op een kenmerkende wijze is het ontladingsboog-plasma 14 in de vorm van een toroldale ring, of donut, met 20 een binnenstraal r', die de dikte van het plasma bepaalt en een hoofdstraal r, die de afmeting van de ring bepaalt. De excitatiespoel 16 is een planaire ring met een enkele winding in een vlak parallel aan het vlak van de hoofdstraal r van de boogtorus.

Aanvrager heeft gevonden dat de beste plaats voor een 25 spoel 16 met een enkele winding om daarin te worden gesitueerd, voor het koppelen aan een geleidende ontladingsplasmaring 14 met een kleine diameter, die plaats is waarbij zowel de spoelring 16 als de plasmaring 14 in hetzelfde vlak liggen, zie figuur lb. Derhalve ligt de excitatiespoel 16 in het vlak 14b dat de dwarsdoorsnede van de 30 plasmaring (getoond door het gearceerde oppervlak) doorsnijdt. Voor een torus met een gemiddelde straal r, verschijnt een koppelings-coëfficiënt van ongeveer 0,36 tussen deze torus en een excitatiespoel 16 met een enkele winding met een straal die gelijk is aan tweemaal de straal van de plasmatoroïde, dat wil zeggen een spoel-35 straal van 2r, en in het vlak 14b. Ook heeft aanvrager gevonden dat een andere excitatiespoel 16' met een enkele wikkeling, welke spoel ligt in het toroxde vlak en een straal heeft gelijk aan 3r, een koppelingscoëffiënt van ongeveer 0,173 zal hebben; een excitatiespoel .8802825 - _4- * 16*' met een enkele winding met dezelfde straal r als het ontladings-plasma en waarvan zijn vlak parallel is aan, maar op een afstand r boven het vlak 14p van de plasmatoroide is, zal een koppelings-coëfficiënt hebben van ongeveer 0,264, terwijl een andere excitatie-5 spoel 16111 met een enkele winding met dezelfde diameter en coplanair gepositioneerd, maar op een afstand 2r van het toroidale vlak 14p een koppelingscoëfficiënt van ongeveer 0,056 heeft. Het is daarom bijzonder voordelig de gehele excitatiespoel in een positie met de hoogste koppeling te plaatsen, dat wil zeggen in het toroidale 10 vlak en met een gemiddelde straal 2r. Op kenmerkende wijze heeft de excitatiespoel een aantal N windingen dat groter is dan één, zo dat de spoel met meer windingen nog steeds rondom het optimale vlak moet worden geplaatst, waarbij de spoel een absolute minimale dia- · meter heeft die groter is dan de afmeting E van de buitenwand van 15 de ontladingsbuisomhulling 11. Het zal duidelijk zijn dat een minimale belemmering van de lichtproducerende lampbuis 11 verschijnt indien de meervoudige windingen van de excitatiespoel 16 de kleinst mogelijke uitbreiding hebben in de richting loodrecht op het vlak 14p van de ontladingsplasmatorolde (hier minimale afmetingen in het verticale 20 vlak voor een horizontaal geplaatste torus 14). Tegelijkertijd moeten de weerstandseigenschappen van de spoel zijn geminimaliseerd voor een minimaal verlies, terwijl de inductieve eigenschappen van de excitatiespoel tegelijkertijd zodanig moeten zijn, dat een geschikte afstemming en impedantie-aanpassing van de excitatiespoel en zijn 25 generator 18 kunnen worden uitgevoerd bij de bijbehorende hoge fre quentie, bijvoorbeeld bij één van de standaard ISM-frequenties (zoals 13,56 MHz).

Een mogelijke spoelconfiguratie die neigt te voldoen aan deze criteria is die van een spoel 20 in figuur lc. Hier heeft 30 de spoel 20 een meervoudig aantal geleidende strippen die zijn ge plaatst op het buitenoppervlak van een denkbeeldige torus met een hoofdstraal rl met een afmeting van ongeveer 2r, en een binnenstraal r met een afmeting die kleiner is dan het verschil tussen de straal r^ en de som van de buitenstraal (E/2) van de lampbuis en de dikte 35 t van de spoelwindingsorganen. Het zal duidelijk zijn dat deze spoel met meer windingen (in dit dwarsdoorsnede-aanzicht is dit geïllustreerd voor N=8) niet alleen bijzonder moeilijk is te fabriceren, maar ook dat de spoel zodanig is dat de aanziailijke spanningsval die moet worden gehandhaafd tussen de tegenover liggende spoeleinden .8802925 k -5- 20a en 20b (en die op een kenmerkende wijze van de orde van V , ab van ongeveer 1000 volt is), een substantiële scheiding vereist tussen naburige delen 20-1 tot en met 20-8 van de windingen; in deze scheiding is niet makkelijk te voorzien, in het bijzonder in-5 dien enerzijds de dikte t van de elementen tenminste voldoende is zodanig dat elke winding (teruggebracht tot een ronde draad) groot genoeg is teneinde de hoogfrequente huiddiepteverliezen te reduceren en anderzijds in een voldoende kleine onderspannen hoek is voorzien bij de ontlading teneinde een lichtbelemmering te minimaliseren.

10 Ook zal worden ingezien dat er een voldoendetussenruimte moet zijn tussen het ontladingsplasma 14 en de spoel 14, teneinde een redelijke temperatuursgradiënt vanaf de temperatuur van ongeveer 5000°K van het boogplasma 14 tot een omgevingskamertemperatuur (ongeveer 300°K) bij de spoel 20 te ondersteunen, waarbij toch de boogbevattende 15 omhulling 11 in staat wordt gesteld op een redelijke temperatuur te zijn. Zelfs in het geval van een met stroken gevormde spoel 20, met stroken met een dikte t van ongeveer 0,02 mm, is een dergelijke spoel niet praktisch voor een productie met lage kosten.

Aanvrager geeft de voorkeur aan een lamp 10', 20 zie figuur 2, waarbij het lichtproducerende ontladingsplasma 14 wordt geëxciteerd bij het binnenoppervlak 11b van een omhulling 11, waarbij het binnenoppervlak 22b van een cilindrische plaatsingsomhulling 22 is verbonden met het buitenoppervlak 11a van de boogbevattende omhulling. Volgens één voorkeursuitvoering van deze uitvinding wordt 25 de excitatiespoel 24 aangebracht rondom het buitenoppervlak 22a van de buitenomhulling als een aantal N (hier is N=8) windingen die worden aangebracht op de hellende zijden 24'a en 24'b van een denkbeeldig gevormde doorn 24' met een cirkelvormige vorm in het vlak 24'p als het vlak van de ontladingsplasmatorus 14 en met een 30 in hoofdzaak rhomboide dwarsdoorsnede, waarbij elk schuinlopend oppervlak 24’a en 24‘b een hoek Θ maakt (kleiner dan ongeveer 80° en groter dan ongeveer 10°) ten opzichte van het vlak 24'p door de hartlijn. Op een voordelige wijze kan men de spoelwindings-geleiders 24-1 tot en met 24-8 en 24-1' tot en met 24-7' beschouwen 35 als te zijn gelegen op het oppervlak van een torus met een V-vormige dwarsdoorsnede, waarbij de top van de hoek Θ in het middelpunt 11c van de boogbevattende omhulling kan zijn. De binnenrand 24'c van de doorn is gespatieerd op een afstand die enigszins groter is .8802925 I* -6- dan de afstand C tussen binnenste windingen, hier 24-4, 24-5, en de plaats 24-4' van de middelste winding. Deze afmeting C is groter dan zowel de afmeting A van het binnenoppervlak 11b van de boog-bevattende omhulling als de afmeting B van het buitenoppervlak 22a 5 van de buitenomhulling 22. Aldus begint één einde 24a van de spoel bij de in de radiale richting verst gelegen plaats op het schuine bovenoppervlak 24'a, bereikt een halve winding bij de in radiale richting tegengestelde plaats 24-1' en voltooit het een volledige winding bij de plaats 24-2. Een anderhalve winding-plaats 24-2' 10 wordt gevolgd door een plaats 24-3 met twee volledige windingen, een plaats 24-3' met twee en een halve winding, en een plaats 24-4 met drie volledige windingen. Het middelpunt van de spoel langs het binnenste "neus"-oppervlak 24'c verschijnt op de plaats 24-4'. De vijfde volledige winding verschijnt op de plaats 24-5, waarbij de 15 respectieve 5 1/2, 6, 6 1/2, 7, 7 1/2 en 8 winding-plaatsen op res pectieve plaatsen 24-5', 24-6, 24-6', 24-7, 24-7' en 24-8 zijn.

Onder verwijzing naar figuur 2a, kan de inductantie L van de spoel 24, tussen de spoeleinden 24a en 24b, worden afgestemd teneinde te resoneren met een totale afstemcapaciteit die bestaat 20 uit een eerste en een tweede capaciteit 26 en 28 die in serie zijn verbonden. De verhouding van de capaciteit 26 en de capaciteit 28 wordt tegelijk met resonantie-afstellingen afgesteld, zodanig dat de ingangsimpedantie tussen de aansluitklemmen 10'a en 10'b zal* passen bij de uitgangsimpedantie van de generator die vermogen 25 aan de excitatiespoel levert, op een bekende wijze.

Onder verwijzing naar figuur 3 en 3a, heeft de excitatiespoel 30 met meer windingen en een V-dwarsdoorsnede, een enkele resonerende condensator 32 met een waarde die is geschakeld tussen de spoeleinden 30a en 30b, waarbij de spoel wordt afgetakt bij een 30 punt 30c voor een impedantie-aanpassing aan de generator (niet getoond). in beide uitvoeringen 24 en 30 is er een aanzienlijke ruimte tussen de windingen, zelfs indien de spoel wordt vervaardigd van een buis met een tamelijk grote diameter, bijvoorbeeld een een-achtste inch koperen buis (met een grote binnendiameter om een 35 stroom van een warmtedissiperende vloeistof te bevorderen). De tegengestelde spoeleinden 24a/24b of 30a/30b zijn op een geschikte wijze gescheiden om een hoogfrequente potentiaal van enige honderden volts te verduren. Het afgeronde draad/buisoppervlak wordt de magne- .8002925 -7- tische flux aangeboden die slechts bestaat aan de buitenzijde van de spoel; de afmeting van de draad of buis kan worden gewijzigd teneinde dit gebied te wijzigen. Verder is de spoel vanaf de ontlading gevouwen teneinde een lichtbelemmering te reduceren, terwijl zo- 5 veel mogelijk windingen worden gelocaliseerd nabij het ontladings- vlak teneinde de hoogfrequente plasmakoppeling te maximaliseren. Tegelijkertijd is de maximale potentiaal over de spoel op plaatsen die het verst zijn verwijderd van de ontlading teneinde een E-mode ontlading te minimaliseren en een H-mode excitatie te versterken. Het 10 zal duidelijk zijn dat het tamelijk gemakkelijk is een wikkelvorm te fabriceren die kan worden gebruikt om een dergelijke spoel met een tussenruimte tussen naburige windingen die in hoofdzaak gelijk is voor alle windingplaatsen, te vervaardigen. Gevonden is dat de koppeling voor een N=8 windingen spoel van een een-achtste inch 15 koperen buis in de orde van 0,2 voor het koppelen aan een lamp met een boogopsluitende omhulling met een diameter van de orde van 2 cm.

Onder verwijzing naar de figuren 4, 4a en 4b, heeft volgens nog een andere voorkeursuitvoering ΙΟ11', een excitatie-20 spoel 34 een middenaftakking 34c die in hoofdzaak tussen tegenover gelegen spoeleinden 34a en 34b is geplaatst, zodat de middelste winding wordt verbroken en teruggeleid naar een aardevlak 33 met twee afzonderlijke leidingdelen 34c-l en 34c-2. Dit verschaft twee afzonderlijke warmtegeleidende paden naar de warmteput van 25 het aardevlak teneinde warmte van de spoel af te voeren en de noodzaak van een kunstmatige koeling te beperken of te elimineren.

De spoel 34 met meer windingen en een V-dwarsdoorsnede wordt afgestemd door een enkele resonantie-condensator 36 en gevoed aan een aftakpunt 34d vanuit een coaxiale kabel 38 die is verbonden met 30 de generator. Zoals het duidelijkst kan worden gezien in figuur 4b wordt de spoel met drie windingen opgedeeld in een paar spoelen met een anderhalve winding, waarbij het bovenste halve deel zich vanaf een bovenste spoeleinde 34a naar een eerste aardeleiding 34c-l uitstrekt en het onderste halve deel van de volledige spoel zich uit-35 strekt vanaf het bovenste einde van een tweede aardeleiding 34c-2, langs het inductieve aftakpunt 34d naar het onderste spoeleinde 34b.

Ofschoon verscheidene voorkeursuitvoeringen van de excitatiespoel met een zo groot mogelijk percentage van het aantal .8802925 -8- windingen daarvan in of nabij het horizontale vlak dat door de plasmatorus gaat, of op het oppervlak van een denkbeeldige V-vormige ring daar concentrisch omheen, hier bij wijze van een voorbeeld zijn beschreven, zullen vele wijzigingen en modificaties 5 duidelijk zijn voor hen die terzake kundig zijn, zonder het kader van de uitvinding te verlaten.

25

Claims (20)

1. Excitatiespoel voor het stimuleren van een hoge-intensiteitsontladingsplasma in een electrodeloze ontladingslamp, gekenmerkt door een geleider met tenminste één winding die in hoofdzaak is aangebracht op een buitenoppervlak van een denkbeeldige 5 torusvorm met een in hoofdzaak V-vormige dwarsdoorsnede, en or ganen voor het afstemmen van de inductantie van de toroidale geleider op een gewenste resonantiefrequentie.

2. Spoel volgens conclusie 1, gekenmerkt door een orgaan voor het aanpassen van de impedantie van de toroidale ge- 10 leider aan een gewenste impedantie.

3. Spoel volgens concftnie 2, met het kenmerk, dat het impedantie-aanpassingsorgaan de afstemorganen omvat.

4. Spoel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de dwarsdoorsnede van de torusvorm in hoofdzaak symmetrisch is ten 15 opzichte van een vlak dat door de maxima van de geleidertorus gaat.

5. Spoel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de geleidertorus een aantal N geleiderwindingen omvat.

6. Spoel volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat N=8.

7. Spoel volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de schuinlopende oppervlakten van de dwarsdoorsnede van de torusvorm lijken samen te komen in hoofdzaak bij het geometrisch middelpunt van de spoel.

8. Spoel volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de 25 spoel een in hoofdzaak geheel aantal N windingen bevat.

9. Spoel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de schuinlopende oppervlakten van de dwarssnede van de torusvorm lijken samen te komen in hoofdzaak bij het geometrisch middelpunt van de spoel.

10. Spoel volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat .8802925 -10- het middenpunt van de spoelgeleider zich binnen de hoek bevindt die wordt gevormd door de schuinlopende oppervlakten van de dwarsdoorsnede van de spoelvorm.

11. Spoel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat elk 5 schuinlopend dwarsdoorsnede-oppervlak van de spoelvorm onder een hoek ten opzichte van het vlak is van tenminste 10° en niet meer dan 80°.

12. Spoel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de spoel een aantal windingen bevat.

13. Spoel volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de tussenruimte tussen windingen in hoofdzaak gelijk is voor alle plaatsen van windingen.

14. Spoel volgens conclusie 12, gekenmerkt door een aardevlak dat electrisch is verbonden met tenminste één punt langs 15 de lengte van de spoelgeleider.

15. Spoel volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat het aardevlak is verbonden met in hoofdzaak het middenpunt van de spoelgeleider.

16. Spoel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 20 geleider een ronde dwarsdoorsnede heeft.

17. Spoel volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de geleider hol is.

18. Lamp, omvattende een hoge-intensiteitsomtladings-buis met een buitenoppervlak en een excitatiespoel die nabij het 25 buitenoppervlak van de buis is geplaatst voor het produceren van een ontladingsboogplasma in de buis, met het kenmerk,dat de spoel een geleider omvat met tenminste één winding die in hoofdzaak is aangebracht op een buitenoppervlak van een denkbeeldige torusvorm met een in hoofdzaak V-vormige dwarsdoorsnede.

19. Lamp volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de schuinlopende oppervlakten van de dwarsdoorsnede van de torusvorm lijken samen te komen in een punt binnenin de omhulling van de hoge-intensiteitsontladingsbuis.

20. Lamp volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat 35 het punt van samenkomst in hoofdzaak bij het centrum van het ontladings boogplasma lijkt te zijn. -o-o-o-o-o-o-o- 6 8 0 2 9 2 5