DE3323637C2

DE3323637C2 - Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen Lampe

Info

Publication number: DE3323637C2
Application number: DE3323637A
Authority: DE
Inventors: Patrick J. Laurel Ryan, Md.; Michael G. Bethesda Ury, Md.; Charles H. 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: 1986-03-27
Also published as: US4504768A; DE3323637A1; JPH0337277B2; JPS5918561A

Abstract

Es wird eine mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampe beschrieben, in der ein einziges Magnetron verwendet wird; ferner wird ein dafür einsetzbares Lampengehäuse beschrieben. Ein längliches Lampengehäuse, das ein plasmabildendes Medium enthält, ist in einer Mikrowellenkammer angeordnet, die aus einem Reflektor und einem Gitter besteht. Der Reflektor enthält zwei Kopplungsschlitze, die jeweils in gleichem Abstand von den Enden des Lampengehäuses angeordnet sind. Es ist eine Wellenleitervorrichtung vorgesehen, die eine Wand aufweist, die von einem die Schlitze enthaltenden Teil des Reflektors gebildet ist und die Mittel zum Einführen von Mikrowellenenergie an einer Zone aufweist, die gleich weit von den zwei Schlitzen entfernt liegt, so daß die Energie gleichmäßig an die Schlitze angekoppelt wird. Wenn die Frequenz der Mikrowellenenergie und die Kammerabmessungen so gewählt sind, daß in der Kammer eine symmetrische stehende Welle entsteht, ergibt sich ein ausgeglichenes System, bei dem nach einer kurzen Anlaufperiode etwa die gleiche Lichtabstrahlung von den beiden Enden des Lampengehäuses erzielt wird. Damit die Gehäusefüllung während des Betriebs an Bereichen mit niedriger Temperatur nicht wieder kondensiert, wird ein verbessertes Gehäuse vorgesehen, bei dem diese Bereiche stark verjüngt sind, damit darin ein heißerer Betrieb erzielt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen Lampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den letzten Jahren sind mit Mikrowellen arbeitende elektrodenlose Lampen in großem Umfang in der Industrie zum Aushärten von Tinten und Beschichtungen eingesetzt worden. Anordnungen zum Betrieb solehe Lampen für industrielle Anwendungszwecke bestehen aus einer Mikrowellenkammer, in der ein sich in Längsrichtung erstreckender Lampenkolben angebracht ist, der ein für die Erzeugung von Plasma geeignetes Medium enthält. Die Mikrowellenkammer besteht aus einem Reflektor zum Reflektieren von Licht, das von der Lampe abgestrahlt wird, sowie aus einem Gitter, das für die in der Kammer vorhandene Mikrowellencnergie undurchlässig, für das ausgesendete Licht jedoch durchlässig ist, damit das Licht aus der Kammer e5 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.

Aus der US-PS 39 11 318 ist eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt In dieser Druckschrift fehlen jedoch Angaben darüber, wie die Einkopplung der Mikrowellenenergie im einzelnen erfolgt und wie die Heügkeitsverteilung der Lampe ist.

In der US-PS 38 72 349 ist eine spezielle Ausführungsform einer solchen Anordnung in den F i g. 19 und 20 dargestellt Bei dieser Anordnung ist an der Oberseite des Reflektorteils der Kammer ein Mikrowellengehäuse so angebracht, daß ein 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 Lampenkolbens auftrat, so daß sich dadurch an diesem Ende eine größere Lichtabgabe einstellte.

In der US-PS 40 42 850 ist eine Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten 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 der langgestreckten elektrodenlosen Lampe etwa die gleiche Lichtabstrahlung erzielt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der bekannten Art zu schaffen, die mit einem einzigen .Magnetron arbeitet und trotzdem gleiche Helligkeit an beiden Lampenenden ergibt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Aufgrund des Aufbaus und der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich nach einer kurzen Anlaufperiode etwa die gleiche Lichtabstrahlung von den jeweiligen Enden des Lampengehäuses. Die erhaltene Anordnung ist dabei wesentlich kürzer als die in den US-PS 38 72 349 und 40 42 850 beschriebene Lampe, was ein Faktor ist, der zusätzlich zum neuartigen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung auf die Verwendung eines einzigen Magnetrons zurückzuführen ist.

Wenn bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung die stehende Welle in der Mikrowellenkammcr eine in der Mitte der Längsausdehnung der Kammer liegende Nullstelle hat, fällt die Temperatur der Mitte des Lampenkolbens wesentlich unter die mittlere Kolbentemperatur, was zur Folge haben kann, daß die Quecksilberfüllung im Mittelbereich wieder in die flüssige Form kondensiert, so daß der Druck im Lampenkolben sinkt und einem befriedigenden Verhalten der Lampe zuwiderläuft. Aus diesem Grund soll gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die im Patentanspruch 2 gekennzeichnet ist, ein solches Kondensieren verhindert werden. Die dünnere Ausbildung in der Mitte der konisch verjüngten Bereiche des Kolbens hat zur Folge, daß der Kolben in der Mitte heißer wird und die Quecksilberfüllung überall im gasförmigen Zustand verbleibt.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein AusfQhrungsbeispiel einer mit Mikrowellen arbeitenden Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen Lampe,

F i g. 2 eine Unteransicht der Anordnung von F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt der Anordnung längs der Linie 3-3 von Fig. 2,

F i g. 4 einen Schnitt der Anordnung längs der Linie 4-4 von F i g. 3,

F i g. 5 eine Ansicht des Lampenkolbens,

F i g. 6 ein Diagramm der bei einem sehr schmalen Aufnahmewinkel gemessenen Lampenabstrahlintensität in Abhängigkeit von der Kolbenposition,

Fig.7 ein Diagramm der Bestrahlungsstärke der Lampe an der Brennebene in Abhängigkeit von der Kolbenposition und

Fig.8 ein Diagramm der Kolbenoberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Kolbenposition.

Ein Ausführungsbeispiel einer mit Mikrowellen arbeitenden Anordnung zum Betrieb einer elektrodenlosen Lampe ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt Wie aus den Figuren hervorgeht, enthält die Anordnung eine Mikrowellenkammer 2, in der ein länglicher Lampenkolben 4 angeordnet ist, der ein ein Plasma bildendes Medium enthält Die Mikrowellenkammer besteht aus einer metallischen, als Lichtreflektor wirkenden Wand 6 und einem metalischen Gitter 8, das in F i g. 1 nur teilweise dargestellt ist, jedoch den gesamten Reflektorboden bedeckt Die Wand 6 hat eine elliptische, parabolische oder andere Form, und sie bewirkt die Reflexion von ultraviolettem oder anderem Licht, das von dem Lampenkolben 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.

Der Lampenkolben 4 besteht typischerweise aus Quarz; er ist in der Wand 6 mit Hilfe von Blattfederfingern 10 befestigt, die in Vertiefungen 12 in den Reflektorenden 14 angebracht sind. Die Wand 6 weist zwei Kopplungsschlitze 16 und 18 auf, die in gleichem Abstand von den Kammerenden und «όπ den Enden des Lampenkolbens 4 liegen.

Die Mikrowellenenergie wird mit dem in F i g. 1 zu erkennenden Magnetron 20 erzeugt. Zum wirksamen Ankoppeln der erzeugten Energie an die Kopplungsschlitze 16 und 18 und an das im Kolben 4 enthaltene Medium ist ein aus Metall bestehendes umgekehrtes Mikrowellengehäuse 22 vorgesehen. Aus den Fig. 1, 3 und 4 geht hervor, daß das Gehäuse 22 aus Seitenwänden 40, 42 Stirnwänden 44, 46, einem Oberteil 48 und schräg verlaufenden Teilen 50,52 zusammengesetzt ist. Das Gehäuse 22 paßt über die Wand 6, wie in den F i g. 1 und 4 zu erkennen ist, und sie bildet zusammen mit der Wand 6 eine Mikrowellenleitervorrichtung 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 Kopplungssch'itzen angeordnet. Der Boden des Mikrowellengehäuses 22 weist Flansche 24 und 26 auf, die an entsprechenden von -.»er Wand 6 abstehenden Flanschen 28 und 30 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben befestigt sein können.

In der bevorzugten Ausführung weist das Mikrowellengehäuse 22 in F i g. 4 dargestellte Glieder 32 und 34 auf, die längs der Innenseite der Seitenwände 40 und 42 verlaufen und diese Seitenwände mit der Wand 6 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 Kühllöehern 54 versehen; auch die Wand 6 weist an ihrer Oberseite Kühllöcher 56 auf, wie in F i g. 2 zu erkennen ist Die Lampe wird dadurch gekühlt daß Luft oder ein anderes Kühlgas durch die Wellenleitervorrichtung und die Mikrowellenkammer am Lampenkolben vorbei geblasen oder gesaugt wird.

Die Frequenz der vom Magnetren 20 erzeugten Mikrowelienenergie und die Längsabmessung der Kammer 2 sind so dimensioniert, daß während des Betriebs in der Mikrowellenkargmer 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 F i g. 1 bis 4 dargestellte Mikrowellenkopplungsanordnung die Mikrowellenenergie so an den Kolben 4, daß dieser in seiner gesamten Länge eine 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 Kolbenposition abgestrahlt wird. Es ist zu erkennen, daß an den beiden Enden des Kolbens 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 erre-'jht wird. Wenn die Lampe nicht in Betrieb ist, kondensiert das vom Quecksilber oder einem anderen Material gebildete Füllgas in Form von Flüssigkeitströpfchen an der Koibenwand. Da die Kondensation über die Kolbenlänge 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 festgestelh, daß bei der Inbetriebnahme die zwei in F i g. 6 dargestellten Maxima ungleich waren, jedoch innerhalb mehrerer Sekunden nach der Zündung ein ausgeglichener Zustand eintrat.

Wenn die in Fig. 1 dargestellte Anordnung in einer Prozeßstraße eingesetzt wird, wird eine Abstrahiung mit gleicher Intensität in der Brennebene längs des Mittelbereichs der Lampe erwünscht. Die Lamps ergibt eine maximale Bestrahlungsstärke in ih.-er Mitte, da direkte, von der gesamten Länge des Lampenkolbens ausgehende Strahlen zusammen mit den von der lichtreflektierenden Wano. reflektierten Strahlen nahe des Mittelbereichs auf die Brennebene auftreffen. Ein Diagramm der Bestrahlungsstärke in der Brennebene abhängig von der Kolbenposition ist in F i g. 7 dargestellt; um eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke in der Mitte

zu erreichen, müssen die in F i g. 6 dargestellten Maxima gleich sein.

Da gemäß F i g. 6 in der Mitte des Kolbens 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. Der Lampenkolben wird daher so ausgebildet, daß ein solches Kondensieren verhindert wird und die Füllung im gesamten Kolben im gasförmigen Zustand gehalten wird.

Der besonders ausgebildete Lampenkolben 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 Lampenkolben mit geringfügig verjüngten Mittelbereichen angewendet worden, jedoch sind die Kolben bisher nie zum Zweck der Temperatursteuerung in der Mitte verjüngt worden.

Der kleine Innendurchmeser am Mittelbereich 76 hat zur Folge, daß dieser Bereich heißer wird, als dies bei unverändertem Durchmesser der Fall wäre. Ein Diagramm der Kolbenoberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Kolbenposition ist in Fig.8 dargestellt. Wie zu erkennen ist, tritt die kleinste Temperatur zwar immer noch in der Mitte des Kolbens auf, jedoch wird die Temperatur im Bereich zwischen 500⁰C bis 550° C gehalten, ist also hoch genug, das Kondensieren des Quecksilbers zu verhindern.

In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts des KoI-bengehäuses 9 mm, während der Innendurchmesser der j^Qlbenrriitte nur 1,5 mm beträft, ^^snn im Mittsibereich 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 der Lampenkolben war so ausgebildet, wie oben beschrieben wurde. Das Mikrowellengehäuse 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 Lampe beschrieben worden, bei der mit einem einzigen Magnetron ein ausgeglichener Betrieb erzielt wird; ferner ist ein verbesserter Lampenkolben für die Verwendung in dieser Lampe beschrieben worden. Es ist auch möglich, anstelle der Verwendung von zwei Kopplungsschlitzen auch mit mehreren Kopplungsschlitzpaaren zu arbeiten, die jeweils symmetrisch bezüglich der Kammermitte angeordnet sind. Der beschriebene Lampenkolben weist zwar nur einen verjüngten Abschnitt auf. jedoch kann auch ein Kolben mit mehreren verjüngten Abschnitten verwendet werden, wenn die in der Kammer erzeugte stehende Welle anstelle einer einzigen Nüüsteüe mehrere Nullstellen aufweist. es

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Betrieb einer langgestreckten elektrodenlosen Lampe, mit einer langgestreckten Mikrowellenkammer, in der die elektrodenlose Lampe angeordnet ist, mit zwei Kopplungsschlitzen in der Nähe der Enden einer als Lichtreflektor ausgebildeten Wand der Mikrowellenkammer, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie und mit einer WelleDleitvorrichtung zur Ankopplung der Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie an die Kopplungsschlitze, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie aus einem einzigen Magnetron (20) besteht, daß die Wellenleitvorrichtung aus einem Mikrowellengehäuse (22) besteht, von dem ein Wandteil aus der lichtreflektierenden Wand (6) der Mikrowellenkammer (2) besteht, wobei das Magnetron in der Mitte der Längsausdehnung des Mikrowellengehäuses auf einem der lichtreflektierenden Wand gegenüberliegenden Wandteil (48) angebracht ist und die Kopplungsschlitze (16,18) in gleichem Abstand von den Enden der Mikrowellenkammer (2) angeordnet sind, daß die Frequenz des Magnetrons und die Länge der Mikrowellenkammer so bemessen sind, daß sich in der Mikrowellenkammer eine stehende Mikrowelle mit wenigstens einer Nullstelle in der Längsausdehnung der Mikrowellenkammer ausbildet, und daß der Kolben {-*) der elektrodenlosen Lampe in den Bereichen beiderseits j^der NvUstelle in der Längsausdehnung konisch verjüngt ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch ΐ, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Kolbens (4) der elektrodeiilosen Lampe in der Mitte der konisch verjüngten Bereiche 10% bis 30% des Innendurchmessers an den zylindrischen Enden beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrowellengehäuse (22) zwei Teile (32, 34) aufweist, die zwei Seitenwände (40,42) mit der lichtreflektierenden Wand (6) verbinden, so daß sich eine Verkleinerung der Höhe des Mikrowellengehäuses ergibt.

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