DE3323637A1

DE3323637A1 - Elektrodenlose lampe und dafuer vorgesehenes lampengehaeuse

Info

Publication number: DE3323637A1
Application number: DE19833323637
Authority: DE
Inventors: Patrick J. 20850 Laurel Ryan, Md.; Michael G. 20852 Bethesda Ury, Md.; Charles H. 20850 Rockville Wood, Md.
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Heraeus Noblelight America LLC
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1984-01-05
Also published as: JPS5918561A; DE3323637C2; JPH0337277B2; US4504768A

Description

PRINZ, BUNKE & PARTN-ER

Patentanwälte _m- * ^Eujop^an; paQsnt; Attorneys

München ι Stuttgart

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29. Juni 1983

FUSION SYSTEMS CORPORATION

12140 Parklawn Drive

Rockville, Maryland 20852 /V.St.A.

Unser Zeichen: F 951

Elektrodenlose Lampe und dafür vorgesehenes Lampengehäuse

Die Erfindung bezieht sich auf eine unter Verwendung von Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampe sowie ein dafür vorgesehenes Lampengehäuse.

In den letzten Jahren sind mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampen in großem Umfang in der Industrie zum Aushärten von Tinten und Beschichtungen eingesetzt worden. Solche Lampen für industrielle Anwendungszwecke bestehen aus einer Mikrowellenkammer, in der ein sich in Längsrichtung erstreckendes Gehäuse angebracht ist, das ein ein Plasma erzeugendes Medium enthält. Die Mikrowellenkammer besteht aus einem Reflektor zum Reflektieren von Licht, das von dem Gehäuse abgestrahlt wird, sowie aus einem Gitter, das für die in der Kammer vorhandene Mikrowellenenergie undurchlässig, für das ausgesendete Licht jedoch durchlässig ist, damit das Licht aus der Kammer austreten kann. Die Lampe wird mit Hilfe

von Mikrowellenenergie angeregt, die von einem oder von mehreren Magnetrons erzeugt wird und die über Kopplungsschlitze, die im Reflektor angebracht sind, in die Kammer gekoppelt wird.

In der US-PS 3 872 349 ist eine spezielle Ausführungsform einer solchen Lampe in den Figuren 19 und 20 dargestellt. Bei dieser Lampe ist an der Oberseite des Reflektorteils der Kammer ein Mikrowellengehäuse so angebracht, daß ein

^q Teil des Reflektors eine Wand des auf diese Weise entstehenden Wellenleiters bildet; ein Magnetron ist an einem Ende des Wellenleiters angeordnet, und am anderen Ende ist im Reflektor wenigstens ein Kopplungsschlitz angebracht. Es zeigte sich jedoch, daß beim Betrieb dieser mit einem einzigen Magnetron arbeitenden Anordnung eine bevorzugte Absorption von Mikrowellenenergie an einem Ende des Lampengehäuses auftrat, so daß sich dadurch an diesem Ende eine größere Lichtabgabe einstellte.

^In der US-PS 4 042 850 ist eine elektrodenlose Lampe dargestellt, in der zwei Magnetrons verwendet werden; jedes dieser Magnetrons ist über einen zugehörigen Wellenleiter mit Kopplungsschlitzen verbunden, die sich in den jeweiligen Enden der Mikrowellenkammer befinden. Durch Verwendung von zwei Magnetrons und durch eine nahezu gleiche Einstellung der Ausgangsleistungen wird ein ausgeglichener Betrieb erreicht, bei dem von beiden Enden des das Plasma erzeugende Medium enthaltenden Gehäuses etwa die gleiche Lichtabstrahlung erzielt wird.

Es soll eine elektrodenlose Lampe geschaffen werden, die mit nur einem einzigen Magnetron arbeitet und trotzdem einen ausgeglichenen Betrieb ergibt, so daß von den jeweiligen Enden des Lampengehäuses die gleiche Lichtabstrahlung erzielt wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß eine Mikrowellenkammer geschaffen wird, die Kopplungsschlitze aufweist, die in gleichem Abstand von den Enden des Lampengehäuses angeordnet sind, und indem eine Wellenleitervorrichtung geschaffen wird, die eine Wand aufweist, die aus einem Abschnitt der Mikrowellenkammer gebildet ist und die zwei Schlitze enthält. Die Wellenleitervorrichtung enthält Mittel zum Einleiten der Mikrowellenenergie an einer von den zwei Schlitzen gleich weit entfernten Zone, so daß das Magnetron Energie in gleicher Weise zu den beiden Schlitzen koppelt. Wenn die Frequenz der Mikrowellenenergie und die Kammerabmessungen so dimensioniert sind, daß in der Kammer eine symmetrische stehende Welle vorhanden ist, ergibt sich ein ausgeglichenes System, bei dem nach einer kurzen Anlaufperiode etwa die gleiche Lichtabstrahlung von den jeweiligen Enden des Lampengehäuses erhalten wird. Die erhaltene Lampe ist wesentlich kürzer als die in den US-PSen 3 872 349 und 4 042 850 beschriebene Lampe, was ein Faktor ist, der zusätzlich zum neuartigen Aufbau der erfindungsgemäßen Lampe die Verwendung eines einzigen Magnetrons erlaubt.

Da die erwähnte stehende Welle in der Mikrowellenkammer eine in der Mitte der Längenabmessung des Gehäuses liegende Nullstelle hat, fällt die Temperatur der Gehäusemitte wesentlich unter die mittlere Gehäusetemperatur, was zur Folge haben kann, daß die Quecksilberfüllung im Mittelbereich wieder in die flüssige Form kondensiert, so daß der Druck im Gehäuse sinkt und einem befriedigenden Verhalten der Lampe zuwiderläuft. Aus diesem Grund soll gemäß der Erfindung ein solches Kondensieren dadurch verhindert werden, daß das Lampengehäuse von einem Bereich auf jeder Seite der Mitte der Gehäuselänge zur Gehäusemitte hin verjüngt wird, so daß der Innendurchmesser

³^ in der Mitte etwa nur 10 bis 30% so groß wie der Innendurchmesser an den Gehäuseenden ist. Dies hat zur Folge, daß das Gehäuse in der Mitte heißer wird und die Quecksilberfüllung überall im gasförmigen Zustand verbleibt.

Mit Hilfe der Erfindung soll somit eine mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampe geschaffen werden. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Lampe soll in ausgeglichener Weise Licht abstrahlen. Außerdem soll die zu schaffende Lampe besonders gut die Bildung heißer Punkte vermeiden. Bei der mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Lampe soll eine wirksame Ankopplung der Mikrowellenenergie an das. das Plasma formende Medium erzielt werden. Die Quecksilberfüllung soll sich bei dieser Lampe während des Betriebs nicht wieder zur flüssigen Form kondensieren. Außerdem soll mittels der Erfindung ein Lampengehäuse für eine mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampe geschaffen werden.

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer mit Mikrowellen arbeitenden elektrodenlosen Lampe nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Unteransicht der Lampe von Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt der Lampe längs der Linie 3-3 von Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt der Lampe längs der Linie 4-4 von Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht des Lampengehäuses nach der Erfindung ,

Fig. 6 ein Diagramm der bei einem sehr schmalen Aufnahmewinkel gemessenen Lampenabstrahlintensität in Abhängigkeit von der Gehäuseposition,

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Fig· 7 ein Diagramm der Bestrahlungsstärke der Lampe an der Bronnebene in Abhängigkeit von der Gehäuseposition und

Fig. 8 ein Diagramm der Gehäuseoberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Gehäuseposition.

Ein Ausführungsbeispiel einer mit Mikrowellen arbeitenden elektrodenlosen Lampe nach der Erfindung ist in den

JO Figuren 1 bis 4 dargestellt. Wie aus den Figuren hervorgeht, enthält die Lampe eine Mikrowellenkammer 2, in der ein längliches Lampengehäuse 4 angeordnet ist, das ein ein Plasma bildendes Medium enthält. Die Mikrowellenkammer besteht aus einem metallischen Reflektor und einem metallischen Gitter 8, das in Fig. 1 nur teilweise dargestellt ist, jedoch den gesamten Reflektorboden bedeckt. Der Reflektor 6 hat eine elliptische, parabolische oder andere Form, und er bewirkt die Reflexion von ultraviolettem oder anderem Licht, das von dem Lampengehäuse 4 durch das Gitter 8 aus der Mikrowellenkammer abgestrahlt wird. Das Gitter besteht aus metallischem Material, und es ist für Mikrowellenenergie undurchlässig, während es Strahlung im ultravioletten oder sichtbaren Teil des Spektrums durchläßt. Bei einer Betriebsfrequenz von 2450 MHz kann das Gitter beispielsweise aus Drähten mit einem Durchmesser von 0,043 mm gebildet sein, die in einem Mittenabstand von 0,84 mm angeordnet sind.

Das Lampengehäuse 4 besteht typischerweise aus Quarz; es ist im Reflektor mit Hilfe von Blattfederfingern 10 befestigt, die in Vertiefungen 12 in den Reflektorenden angebracht sind. Der Reflektor weist zwei Kopplungsschlitze 16 und 18 auf, die in gleichem Abstand von den Kammerenden und von den Enden des Lampengehäuses 4 liegen.

Die Mirkowellenenergie wird mit dem in Fig. 1 zu erkennenden Magnetron 20 erzeugt. Zum wirksamen Ankoppeln der erzeugten Energie an die Kopplungsschlitze 16 und 18 und an das im Gehäuse 4 enthaltene Medium ist eine aus Metall bestehende umgekehrte Kastenkonstruktion 22 vorgesehen. Aus den Figuren 1, 3 und 4 geht hervor, daß die Kastenkonstruktion aus Seitenwänden 40, 42, Stirnwänden 44, 46, einem Oberteil 48 und schräg verlaufenden Teilen 50, 52 zusammengesetzt ist. Die Kastenkonstruktion 22 paßt über den Reflektor 6, wie in den Figuren 1 und 4 zu erkennen ist, und sie bildet zusammen mit dem Reflektor eine Mirkowellenleitervorrichtung zum Übertragen der Mikrowellenenergie zu den Kopplungsschlitzen. Das Ankopplungsglied des Magnetrons ist in einer öffnung 24 angeordnet, die gleich weit von den Kammerenden entfernt ist; das Ankopplungsglied ist somit in der Wellenleitervorrichtung in gleichem Abstand von den Kopplungsschlitzen angeordnet. Der Boden der Kastenkonstruktion 22 weist Flansche 24 und 26 auf, die an entsprechenden vom Reflektor abstehenden Flanschen 28 und 30 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben befestigt sein können.

In der bevorzugten Ausführung weist die Kastenkonstruktion 22 in Fig. 4 dargestellte Glieder 32 und 34 auf, die längs der Innenseite der Seitenwände 40 und 4 2 verlaufen und diese Seitenwände mit dem Reflektor verbinden. Die Glieder 32 und 34 bewirken eine Verkürzung der Höhe der Wellenleitervorrichtung, und sie ergeben eine wirksamere Ankopplung der Mikrowellenenergie an die Schlitze 16 und 18. Außerdem sind die Seitenwände der Wellenleitervorrichtung mit Kühllöchern 54 versehen; auch der Reflektor 6 weist an seiner Oberseite Kühllöcher 56 auf, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Die Lampe wird dadurch gekühlt, daß Luft oder ein anderes Kühlgas durch die Wellenleitervorrichtung und die Mikrowellenkammer am Lampengehäuse vorbei geblasen oder gesaugt wird.

.AO- Die Frequenz der vom Magnetron 20 erzeugten Mikrowellenenergie und die Längsabmessung der Kammer 2 sind so dimensioniert, daß während des Betriebs in der Mikrowellenkammer eine symmetrische stehende Welle vorhanden ist, die in der Mitte der Längsausdehnung der Kammer ein

Minimum oder eine Nullstelle hat. Bei dieser Erregung koppelt die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Mikrowellenkopplungsanordnung die Mikrowellenenergie so an das Gehäuse 4, daß dieses in ihrer gesamten Länge eine IQ ausgeglichene Abstrahlung erzeugt.

Dies ist in Fig. 6 dargestellt, in der in einem Diagramm die Lampenausgangsintensität in bezug auf die Lampenposition in Längsrichtung bei einem sehr schmalen Aufnahmewinkel dargestellt ist, so daß jeweils nur der Lichtbeitrag gemessen wird, der an der speziellen angegebenen Gehäuseposition abgestrahlt wird. Es ist zu erkennen, daß an den beiden Enden des Gehäuses gleiche Intensitätsmaxima auftreten und daß ein symmetrischer und ausgeglichener Betrieb erzielt wird. Der Grund dieses Verhaltens ist nicht völlig klar, jedoch wurde festgestellt, daß zunächst ein unausgeglichener Betrieb eintritt, während innerhalb einiger Sekunden nach der Inbetriebnahme der ausgeglichene Betrieb erreicht wird. Wenn die Lampe nicht in Betrieb ist, kondensiert das vom Quecksilber oder einem anderen Material gebildete Füllgas in Form von Flüssigkeitströpfchen an der Gehäusewand. Da die Kondensation über die Gehäuselänge ungleichmäßig erfolgt, ist der Anfangsbetrieb unausgeglichen. Es wird jedoch angenommen, daß in Bereichen mit größerer Quecksilberkonzentration mehr Mikrowellenenergie absorbiert wird, so daß diese Bereiche heißer werden und einen lokalen Druckanstieg bewirken, was wiederum zur Folge hat, daß das Plasma in Zonen mit niedrigerem Druck abfließt, so daß Druckschwankungen ausgeglichen werden und eine ausgeglichene Lichtabstrahlung herbeigeführt wird. In Versuchen wurde festgestellt, daß bei der Inbetriebnahme

\ die zwei in Fig. 6 dargestellten Maxima ungleich waren, jedoch innerhalb mehrerer Sekunden nach der Zündung ein ausgeglichener Zustand eintrat.

Wenn die in Fig. 1 dargestellte Lampe in einer Prozeßstraße eingesetzt wird, wird eine Abstrahlung mit gleicher Intensität in der Brennebene längs des Mittelbereichs der Lampe erwünscht. Die Lampe ergibt eine maximale Bestrahlungsstärke in ihrer Mitte, da direkte, von de^r gesamten Länge des Lampengehäuses ausgehende Strahlen zusammen mit den von den Reflektoren reflektierten Strahlen nahe des Mittelbereichs auf die Brennebene auftreffen. Ein Diagramm der Bestrahlungsstärke in der Brennebene abhängig von der Gehäuseposition ist in Fig. 7 dargestellt; um eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke in der Mitte zu erreichen, müssen die in Fig. 6 dargestellten Maxima gleich sein.

Da gemäß Fig. 6 in der Mitte des Gehäuses ein Minimum der Energieabsorption auftritt, zeigt dieser Bereich die Neigung, sich abzukühlen, so daß die Quecksilberfüllung in den flüssigen Zustand kondensieren kann, was den Lampenwirkungsgrad herabsetzt und auch noch andere nachteilige Auswirkungen auf den Lampenbetrieb hat. Es wird daher ein neuartiges Lampengehäuse geschaffen, damit ein solches Kondensieren verhindert wird und die Füllung im gesamten Gehäuse im gasförmigen Zustand gehalten wird.

Das nach der Erfindung ausgebildete Lampengehäuse ist in Fig. 5 dargestellt; es weist zylindrische Abschnitte 70 und 72 auf, die sich von Bereichen beiderseits der Mitte 76 der Längserstreckung zur Mitte hin in einer konischen Form stark verjüngen. Der Innendurchmesser in der Mitte beträgt nur 10 bis 30% des Innendurchmessers an den Enden. Es sind zwar bereits Lampengehäuse mit geringfügig verjüngten Mittelbereichen angewendet worden,

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42 · jedoch sind die Gehäuse bisher nie zum Zweck der Temperatursteuerung in der Mitte verjüngt worden.

Der kleine Innendurchmesser am Mittelbereich 76 hat zur Folge, daß dieser Bereich heißer wird, als dies bei unverändertem Durchmesser der Fall wäre. Ein Diagramm der Gehäuseoberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Gehäuseposition ist in Fig. 8 dargestellt. Wie zu erkennen ist, tritt die kleinste Temperatur zwar immer noch in der Mitte des Gehäuses auf, jedoch wir die Temperatur im Bereich zwischen 500⁰C bis 550⁰C gehalten, ist also hoch genug, das Kondensieren des Quecksilbers zu verhindern.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des Lampengehäuses 9 mm, während der Innendurchmesser der Gehäusemitte nur 1,5 mm beträgt. Wenn im Mittelbereich ein wesentlich größerer Durchmesser verwendet würde, würde die Kondensation auftreten, und ein einwandfreier Betrieb würde nicht erreicht.

In einer verwirklichten Ausführungsform der Erfindung hat die Mikrowellenkammer eine Länge von 15,5 cm und an der Unterseite eine Breite von 10,8 cm. Die Kopplungsschlitze waren im Abstand von 3,8 cm von den Kammerenden angebracht, und das Lampengehäuse war so ausgebildet, wie oben beschrieben wurde. Die Kastenkonstruktion 22 hat die gleiche Länge und die gleiche Breite wie die Kammer, während die Enden 6,7 cm hoch sind und die Oberseite 5,4 cm lang ist. Das Magnetron gibt Mikrowellenenergie mit einer Nennfrequenz von 2450 MHz ab.

Es ist eine mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose ³^ Lampe beschrieben worden, bei der mit einem einzigen Magnetron ein ausgeglichener Betrieb erzielt wird;

ferner ist ein verbessertes Lampengehäuse für die Verwendung in dieser Lampe beschrieben worden. Wie zu erkennen ist, ist nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden, so daß Abwandlungen und Änderungen dieser Ausführungsform im Rahmen der Erfindung liegen. Beispielsweise ist es möglich, anstelle der Verwendung von zwei Kopplungsschlitzen auch mit mehreren Kopplungsschlitzpaaren zu arbeiten, die jeweils symmetrisch bezüglich der Kammermitte angeordnet sind. Das beschriebene Lampengehäuse weist zwar nur einen verjüngten Abschnitt auf, jedoch kann auch ein Gehäuse mit mehreren verjüngten Abschnitten verwendet werden, wenn die in der Kammer erzeugte stehende Welle anstelle einer einzigen Nullstelle mehrere Nullstellen'aufweist.

Claims

PRINZ, BU.NKE &..PARTNER

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29. Juni 1983

FUSION SYSTEMS CORPORATION

12140 Parklawn Drive

Rockville, Maryland 20852 /V.St.A.

Unser Zeichen: F 951

Patentansprüche

Elektrodenlose Lampe zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, gekennzeichnet durch eine Mikrowellenkammer mit einer sich in einer ersten Richtung
erstreckenden Ausdehnung, ein in der Mikrowellenkammer angeordnetes Lampengehäuse, das ein ein Plasma bildendes Medium enthält und das eine sich in der ersten
Richtung erstreckende Ausdehnung hat, zwei in der
Mikrowellenkammer angeordnete Kopplungsschlitze, die
jeweils in der ersten Richtung näher bei einem Ende

des Lampengehäuses als bei der Gehäusemitte angeordnet sind, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenenergie und eine Vorrichtung zum Ankoppeln der erzeugten Mikrowellenenergie an die Kopplungsschlitze in der Mikrowellenkammer, wobei die Kopplungsvorrichtung eine Wellenleitervorrichtung enthält, die aus einem einzigen Mikrowellengehäuse besteht, das von mehreren Wandteilen gebildet ist und eine sich in der ersten Richtung erstreckende Ausdehnung hat, wobei eines dor

Viandteile aus einem Abschnitt der Kammer besteht, der di<? zwi· i Kopp] umjiKschl itzo enthüll , und wobei das Mikrowellengehäuse Mittel enthält, mit deren Hilfe Mikrowellenenergie an einer Zone eingeführt werden kann, die zwischen den Kopplungsschlitzen etwa in gleichem Abstand in der ersten Richtung liegt.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Kopplungsschlitze in der ersten Richtung in gleichem Abstand von einem zugehörigen Ende des Mikrowellengehäuses liegt.
3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in der ersten Richtung erstreckende Ausdehnung die Längenausdehnung der Mikrowellenkammer, des Lampengehäuses und des Mikrowellengehäuses ist.
4. Mit Mikrowellen arbeitende Plasmalampe zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, gekennzeichnet durch eine Mikrowellenkammer aus einer Reflektorvorrichtung und einem Gitterteil, wobei die Mikrowellenkammer eine Längenausdehnung hat, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, ein in der Mikrowellenkammer mit einer Erstreckung in der ersten Richtung angeordnetes längliches Lampengehäuse, das ein ein Plasma bildendes Medium enthält, zwei Kopplungsschlitzen in der Reflektorvorrichtung, die etwa in gleichem Abstand von den Kammerenden und von den Enden des Lampengehäuses an Stellen angebracht sind, die näher bei den Lampengehäuseenden als bei der Lampengehäusemitte liegen, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie und eine Vorrichtung zum Ankoppeln der erzeugten Mikrowellenenergie an die Kopplungsschlitze in der Reflektorvorrichtung, wobei die Kopplungsvorrichtung ein einziges Mikrowellengehäuse bildet, das eine Ausdehnung in der

ersten Richtung hat und von mehreren Wandteilen gebildet ist, von denen eines einen Abschnitt der Reflektorvorrichtung bildet, der die zwei Kopplungsschlitze enthält, wobei das Mikrowellengehäuse Mittel zum Einleiten von Mikrowellenenergie an einer Zone aufweist, die in der ersten Richtung etwa im gleichen Abstand zwischen den Kopplungsschlitzen liegt.
5« Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie so in das Mikrowellengehäuse eingeschoben ist, daß die Mikrowellenenergie in dieses Gehäuse eingeführt wird.
6. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der erzeugten Mikrowellenenergie und die Ausdehnung der Mikrowellenkammer in der ersten Richtung so dimensioniert sind, daß bei Anregung der Lampe mit der Mikrowellenenergie eine stehende Welle entsteht, die in der ersten Richtung symmetrisch in der Kammer liegt und wenigstens eine Nullstelle in der Kammer aufweist.
7. Längliches Lampengehäuse mit einem in ihm enthaltenen, ein Plasma bildenden Medium, dadurch gekennzeichnet, daß seine Form längs des größten Teils seiner Länge zylindrisch ist, während Bereiche beiderseits der Mitte der Längenausdehnung zur Gehäusemitte hin konisch verjüngt ausgebildet sind, und daß der Innendurchmesser an der Mitte 10% bis 30% des Innendurchmessers an den zylindrischen Abschnitten beträgt.