DE3842971A1

DE3842971A1 - Entladungslampe hoher intensitaet mit quellenfreiem elektrischem feld und anregungsspule dafuer

Info

Publication number: DE3842971A1
Application number: DE3842971A
Authority: DE
Inventors: John Melvin Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1989-07-13
Also published as: DE3842971C2; GB2213318B; GB2213318A; JPH02139897A; JPH0580799B2; GB8829933D0; FR2625367B1; NL8802925A; FR2625367A1; US4812702A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Spule zum Anregen einer Plasma-Entladung, und mehr im besonderen eine neue Hochfrequenz- Spule zum Anregen eines sichtbares Licht erzeugenden Plasmas in einer Entladungslampe hoher Intensität (HID-Lampe) mit quellen freiem elektrischem Feld, wobei die Spule eine Gestalt hat, die einen verminderten Lichtfluß der Entladungslampe blockiert.

Es ist bekannt, daß sichtbares Licht von einem Entladungsplasma erzeugt werden kann, das durch einen Hochfrequenzstrom angeregt wird. Dieser Hochfrequenzstrom wird durch eine Spule geliefert, die sich allgemein außerhalb der Lampe befindet, in der die Entladung angeregt wird, wobei die Spule nicht nur eine befrie digende Kupplung in das Entladungsplasma, sondern auch geringe Hochfrequenz-Widerstandsverluste und eine geringe physische Größe aufweisen muß, damit der größte Teil des Lichtes, das von dem Entladungsplasma emittiert wird, nicht durch die Spule selbst blockiert wird, sondern benutzt werden kann. Die übliche Anregungsspule ist ein langer Solenoid, abgeleitet von einzel nen Solenoidspulen aus Kupferrohr, wie es üblicherweise mit Wasserkühlung für Plasma-Brenner beim Kristallwachstum, der Herstellung von Faseroptik und ähnlichem benutzt wird.

Im Stande der Technik beschriebene Spulen, wie die becherförmi ge Spule der US-PS 38 60 854, der kurze Solenoid der US-PS 37 63 392 und die kleinen Entladungslampen hoher Intensität am Ende eines Koaxialkabels nach den US-PSsen 39 42 058 und 39 43 404 haben alle eine geringe optische Wirksamkeit und Spulenverluste, die reduziert werden können.

Gemäß der Erfindung umfaßt eine Anregungsspule zum Stimulieren eines Entladungsplasmas hoher Intensität in einer elektroden losen Entladungslampe bzw. einer Entladungslampe mit quellen freiem elektrischem Feld mindestens eine Wicklung eines Leiters, die allgemein auf der Oberfläche eines Ringes angeordnet ist, der einen im wesentlichen rhomboidischen oder V-förmigen Quer schnitt auf jeder Seite der Mittellinie der Spule hat. Die Spu le kann im wesentlichen symmetrisch um eine Ebene herum ausge bildet sein, die durch die Maxima des Ringes verläuft. Der Hauptradius der Spule ist von der Art, daß die Lampe so in die Spu le eingesetzt werden kann, daß die Spule einen koplanaren ring förmigen Plasma-Entladungsbogen in der Lampe induziert, wenn die Spule mit einer Hochfrequenz-Leistungsquelle verbunden ist.

In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform wird zwischen der Spule und der Leistungsquelle ein angezapftes Reaktanz (kapa zitiv oder induktiv)-Impedanz-Anpassen benutzt. Es kann eine abgeglichene geschlitzte Spule benutzt werden. Vorzugsweise sollte so viel als möglich von der Anregungsspule beim Doppel ten des Hauptradius des Bogenringes liegen, um eine hohe Kupp lung zu ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Anregungsspule zum Stimulieren eines Bogenentladungsplasmas hoher Intensität in einer elektrodenlosen Entladungslampe zu schaffen. Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung, die sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung ergeben, werden gemäß der Erfindung gelöst.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht einer HID-Lampe und einer Anre gungsspule mit einer einzigen Wicklung, die zur Würdigung verschiedener Prinzipien der vorlie genden Erfindung brauchbar ist;

Fig. 1b eine Schnittansicht der Kombination aus Lampe und Spule der Fig. 1a, die zusätzliche Stellen der Anregungsspule zeigt;

Fig. 1c eine Seitenansicht eines Teiles einer HID-Lampe, die eine mögliche Anregungsspulen-Konfiguration mit vielen Wicklungen zeigt;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teiles einer HID-Lampe und einer derzeit bevorzugten Ausführungsform einer Anregungsspule gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a ein schematisches Diagramm des Ersatzschaltbil des der Anregungsspule und der Hilfselemente der Fig. 2;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teiles einer anderen HID-Lampe und einer anderen derzeit bevorzugten Ausführungsform der Anregungsspule der vorlie genden Erfindung;

Fig. 3a ein schematisches Diagramm des Ersatzschaltbil des der Anregungsspule und der Hilfselemente der Fig. 3 und

Fig. 4, 4a und 4b Ersatzschaltbild, schematische Seitenan sicht und Draufsicht einer anderen derzeit be vorzugten Anregungsspule mit mehreren Wicklungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.

Die HID-Lampe 10 der Fig. 1a umfaßt einen rohrförmigen Kolben 11, der ein Volumen 12 umschließt, das eine Menge mindestens eines Gases enthält, in dem ein Entladungsbogenplasma 14 auf grund eines Hochfrequenzstromes in einer Anregungsspule 16 er zeugt werden kann, die um das Äußere des Lampenkolbens 11 herum angeordnet ist. Der Hochfrequenzstrom fließt aufgrund einer An regungsquelle 18, die zwischen den Spulenenden 16 a und 16 b eine Spannung V _ab anlegt. Üblicherweise hat das Entladungsbogenplasma 14 die Gestalt eines wulstförmigen Ringes oder einer Ringröhre mit einem Radius r′, der die Dicke des Plasmas festlegt und einem Radius r, der die Größe des Ringes festlegt. Die Anre gungsspule 16 ist ein planarer Ring aus einer einzigen Wicklung mit einer Ebene parallel zur Ebene des Hauptradius r des Bogen ringes.

In Fig. 1b ist die Feststellung veranschaulicht, daß der beste Ort für eine aus einer einzigen Wicklung bestehende Spule 16 zum Koppeln in einen leitenden Entladungsplasmaring 14 geringen Durchmessers am besten ist, wenn sowohl die Spulenschlaufe 16 als auch die Plasmaschlaufe 14 in der gleichen Ebene liegen. Die Anregungsspule 16 liegt somit in der Ebene 14 p und schnei det durch den Plasmaring-Querschnitt, der als gekreuzt-schraf fierter Bereich dargestellt ist. Für einen Ring mit einem mitt leren Durchmesser r erhält man einen Kupplungs-Koeffizienten von etwa 0,36 zwischen diesem Ring und einer Anregungsspule 16 mit einer einzigen Wicklung, wenn letztere einen Radius gleich dem Zweifachen des Radius des Plasmaringes hat, d.h. einen Spulenradius von 2 r in der Ebene 14 p. Weiter wurde festgestellt, daß eine weitere Anregungsspule 16′ aus einer einzigen Wick lung, die in der Plasmaring-Ebene liegt und einen Radius von 3 r hat, einen Kupplungs-Koeffizienten von etwa 0,173 aufweist. Eine Anregungsspule 16′′ dagegen, die den gleichen Radius r wie der Entladungsplasmaring hat, deren Ebene jedoch parallel aber in einem Abstand r darüber liegt, während der Plasmaring sich in der Ebene 14 p befindet, hat einen Kupplungs-Koeffizienten von etwa 0,264, während eine weitere Anregungsspule 16′′′ mit einer einzigen Wicklung mit dem gleichen Durchmesser und einer koplanaren Anordnung, dies jedoch mit einem Abstand 2 r von der Ebene 14 p des Plasmaringes, einen Kupplungs-Koeffizienten von etwa 0,056 hat. Es ist daher sehr vorteilhaft, die gesamte An regungsspule in der Position mit der höchsten Kupplung anzu ordnen, d.h. in der Ebene des Plasmaringes und mit einem mitt leren Radius von 2 r. Üblicherweise hat die Anregungsspule eine Anzahl N von Wicklungen, die größer als eins ist, so daß die Spule mit mehreren Wicklungen um die optimale Ebene herum ange ordnet werden muß, und die Spule als absoluten Minimaldurch messer einen solchen haben muß, der größer ist als der äußere Wanddurchmesser E des Kolbens des Entladungsrohres 11. Eine minimale Blockierung des lichterzeugenden Lampenrohres 11 tritt auf, wenn die mehreren Wicklungen der Anregungsspule 16 die geringstmögliche Ausdehnung in der Richtung senkrecht zur Ebene 14 p des Entladungsplasmaringes haben (hier minimale Abmessun gen in der Vertikal-Ebene für einen horizontal angeordneten Ring 14). Der Widerstand der Spule muß gleichermaßen minimiert werden, um einen minimalen Verlust zu ergeben, während die induktiven Eigenschaften der Anregungsspule gleichzeitig derart sein müssen, daß das richtige Abstimmen und Impedanz-Anpassen der Anregungsspule und ihres Generators 18 bei der dazugehöri gen Hochfrequenz, d.h. einer der üblichen ISM-Frequenzen, wie 13,56 MHz, ausgeführt werden kann.

Eine mögliche Spulen-Konfiguration zur Erfüllung dieser Krite rien ist die der Spule 20 in Fig. 1c. Hier hat die Spule 20 mehrere leitende Streifen, die auf der äußeren Oberfläche eines vorgestellten Ringes angeordnet sind, der einen Hauptradius r ₁ hat, der in der Abmessung etwa 2 r entspricht und dessen kleine rer Radius r ₂ geringer ist als der Unterschied zwischen dem Radius r ₁ und der Summe des äußeren Lampenrohr-Radius E/2 und der Dicke t der Spulenwicklungen. Diese Spule mit mehreren Wicklungen (bei der im veranschaulichten Querschnitt N=8 ist) ist besonders schwierig herzustellen, außerdem erfordert der beträchtliche Spannungsabfall, der zwischen den gegenüberlie genden Spulenenden 20 a und 20 b gehalten werden muß (und der üblicherweise in der Größenordnung von etwa 1000 Volt für V _ab liegt), eine beträchtliche Trennung zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten 20-1 bis 20-8. Diese Trennung ist nicht leicht zu erreichen, insbesondere wenn sowohl die Dicke t der Wicklungselemente zumindest ausreicht, daß jede Wicklung (re duziert zu einem runden Draht) dick genug ist, um die Hoch frequenz-Randzonenverluste zu vermindern und sich die einzel nen Wicklungen über einen ausreichend kleinen Winkel erstrek ken, um die Lichtblockade zu minimieren. Es muß auch ein ge nügender Abstand zwischen dem Entladungsplasma 14 und der Spule 20 vorhanden sein, um einen vernünftigen Temperaturgradienten von der Temperatur des Bogenplasmas 14 von etwa 5000°K zur Umgebungstemperatur (etwa 300°K) nahe der Spule 20 zu erhal ten, wobei der den Bogen enthaltende Kolben 11 bei einer ver nünftigen Temperatur bleiben muß. Selbst bei einer aus Band geformten Spule 20, bei der die Bänder eine Dicke t von etwa 0,02 mm haben, ist eine solche Spule für eine Herstellung zu geringen Kosten nicht geeignet.

Fig. 2 zeigt eine derzeit bevorzugte Lampe 10′, bei der das lichterzeugende Entladungsplasma 10 benachbart der inneren Oberfläche 11 b eines Kolbens 11 angeregt wird, der die innere Oberfläche 22 b eines zylindrischen positionierenden Kolbens 22 hat, der an der äußeren Oberfläche 11 a des den Bogen enthalten den Kolbens befestigt ist. Gemäß einer derzeit bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anregungsspule 24 um die äußere Oberfläche 22 a des äußeren Kolbens in Form einer Mehrzahl N (hier N=8) von Wicklungen angeordnet, die auf den geneigten Seiten 24′a und 24′b eines vorgestellten Form dornes 24′ kreisförmiger Gestalt liegen, der in der gleichen Ebene 24′ p liegt wie der Entladungsplasmaring 14 und einen im wesentlichen rhomboidischen Querschnitt mit jeder der geneigten Oberflächen 24′a und 24′b bei einem Winkel R von weniger als 80° bis größer als etwa 10° mit Bezug auf die Mittellinien-Ebe ne 24′p hat. Vorteilhafterweise kann man die Spulenwicklungs leiter 24-1 bis 24-8 und 24-1′ bis 24-7′ als auf der Oberfläche eines Ringes mit V-förmigem Querschnitt angeordnet ansehen, wobei der Scheitel des Winkels R im Zentrum 11 c des den Bogen enthaltenden Kolbens liegen kann. Die innere Kante 24′c des Dornes ist in einem Abstand angeordnet, der etwas größer ist als der Abstand C zwischen den innersten Wicklungen, hier 24-4 und 24-5, und dem Ort der mittleren Wicklung 24-4′. Diese Ab messung C ist größer sowohl als die Abmessung A der inneren Oberfläche 11 b des den Bogen enthaltenden Kolbens als auch der Abmessung B der äußeren Oberfläche 22 a des äußeren Kolbens 22. Ein Ende 24 a der Spule beginnt daher am radial entferntesten Ort auf der oberen geneigten Oberfläche 24′a, erreicht eine halbe Wicklung bei der radial gegenüberliegenden Position 24-1′ und vervollständigt eine volle Wicklung bei der Position 24-2. Auf eine Position 24-2′ von eineinhalb Wicklungen folgt die Position 24-3 von zwei vollen Wicklungen sowie die Position 24-3′ von zweieinhalb Wicklungen und die Position 24-4 von drei vollen Wicklungen. Der Mittelpunkt der Spule entlang der inneren "Nasen"-Oberfläche 24′c befindet sich bei der Position 24-4′. Die fünfte volle Wicklung liegt bei der Position 24-5, während die Positionen von 5 1/2, 6, 6 1/2, 7, 7 1/2 und 8 Wicklungen bei den Positionen 24-5′, 24-6, 24-6′, 24-7, 24-7′ und 24-8 liegen.

Fig. 2a zeigt, daß die Induktanz L der Spule 24 zwischen den Spulenenden 24 a und 24 b auf Resonanz mit einer Gesamtabstim mungskapazität C _T abgestimmt werden kann, die zusammengesetzt ist aus der ersten und zweiten in Reihe geschalteten Kapazität 26 und 28. Das Verhältnis der Kapazitäten 26 und 28 wird gleichzeitig mit den Resonanzeinstellungen derart eingestellt, daß die Antriebsimpedanz zwischen den Anschlüssen 10′a und 10′b die Antriebsimpedanz des die Energie liefernden Generators an die Anregungsspule in einer an sich bekannten Weise anpassen.

Die Fig. 3 und 3a zeigen eine weitere derzeit bevorzugte Lampenausführungsform 10′′, bei der die Anregungsspule 30 mit mehreren Wicklungen und einem V-förmigen Querschnitt einen einzigen Resonanzkondensator 32 des Wertes C _T hat, der zwischen den Spulenenden 30 a und 30 b liegt, wobei die Spule am Punkt 30 c zur Impedanzanpassung an den nicht dargestellten Generator einen Abgriff aufweist. In beiden Ausführungsformen 24 und 30 gibt es einen beträchtlichen Abstand zwischen den Wicklungen, selbst wenn die Spule aus einem ziemlich dicken Rohr hergestellt ist, z.B. einem 3 mm-Kupferrohr (mit einem großen Innendurchmesser zur Erleichterung der Strömung eines die Wärme abführenden Strömungsmittels). Die gegenüberliegenden Spulenenden 24 a/24 b bzw. 30 a/30 b sind ausreichend getrennt, um hunderte von Volt Hochspannungspotential auszuhalten. Die abgerundete Draht/Rohr oberfläche ist dem Magnetfluß dargeboten, der nur auf der Außen seite der Spule vorhanden ist, wobei die Dicke von Draht oder Rohr variiert werden kann, um diese Fläche zu verändern. Außer dem ist die Spule von der Entladung weggebogen, um die Licht blockade zu vermindern, während so viele Wicklungen als möglich nahe der Entladungsebene angeordnet sind, um das Kuppeln der Hochfrequenz in das Plasma zu maximieren. Gleichzeitig liegt das maximale Potential der Spule an Punkten, die am weitesten von der Entladung weg sind, um eine E-Entladung zu minimieren und eine H-Anregung zu unterstützen. Eine Wicklungsform ist leicht herzustellen, die dazu benutzt werden kann, eine solche Spule zu bilden, wobei der Abstand zwischen benachbarten Wick lungen bei allen Wicklungspositionen im wesentlichen gleich ist. Es wurde festgestellt, daß die Kupplung für eine Spule mit N=8 Wicklungen aus 3 mm-Kupferrohr (entsprechend 1/8 Zoll) in der Größenordnung von 0,2 liegen kann und zwar für eine Lampe mit einem einen Bogen enthaltenden Kolben mit einem Durch messer in der Größenordnung von etwa 2 cm (entsprechend 0,8 Zoll).

In den Fig. 4, 4a und 4b ist noch eine weitere derzeit be vorzugte Ausführungsform 10′′′ mit einer Anregungsspule 34 ge zeigt, die einen zentralen Abgriff 34 c hat, der im wesentlichen zwischen den gegenüberliegenden Spulenenden 34 a und 34 b ange ordnet ist, so daß die zentrale Wicklung unterbrochen und mit zwei separaten Zuleitungsteilen 34 c-1 und 34 c-2 auf die Grund ebene 33 zurückgeführt ist. Dies ergibt zwei separate wärme leitende Pfade zu der Wärmefalle auf Grundebene, um die Spulen wärme zu entfernen und die Notwendigkeit für ein künstliches Kühlen zu beseitigen. Die Spule 34 mit mehreren Wicklungen und V-förmigem Querschnitt wird mittels eines einzigen Resonanz kondensators 36 abgestimmt und an einem Abgriff 34 d über ein Koaxialkabel 38 von dem Generator mit Energie versehen. Wie am besten in Fig. 4b ersichtlich, ist die Spule aus drei Wicklun gen in ein Paar von Spulen mit jeweils 1 1/2 Wicklungen aufge teilt, wobei sich die obere Hälfte vom oberen Spulenende 34 a bis zur ersten Erdungsleitung 34 c-1 und die untere Hälfte der Gesamtspule vom oberen Ende der zweiten Erdungsleitung 34 c-2 am induktiven Abgriff 34 d vorbei zum unteren Ende 34 b der Spule erstreckt.

Claims

1. Anregungsspule (16) zum Stimulieren eines Plasmas zu einer Entladung hoher Intensität in einer elektrodenlosen Ent ladungslampe (10) mit
mindestens einer Leiterwicklung, die allgemein auf einer äußeren Oberfläche einer vorgestellten Ringform (4), die einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt hat, angeordnet ist und
einer Einrichtung zum Abstimmen der Induktanz des ring förmigen Leiters auf eine erwünschte Resonanzfrequenz.

2. Spule nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Anpassen der Impedanz des ringförmigen Leiters an eine erwünschte Impedanz.

3. Spule nach Anspruch 2, worin die Einrichtung zum Anpas sen der Impedanz die genannte Einrichtung zum Abstimmen einschließt.

4. Spule nach Anspruch 1, worin der Querschnitt der Ring form im wesentlichen symmetrisch um eine Ebene ist, die durch die Maxima des Leiterringes verläuft.

5. Spule nach Anspruch 4, worin der Leiterring eine Vielzahl N von Leiterwicklungen einschließt.

6. Spule nach Anspruch 5, worin N=8 ist.

7. Spule nach Anspruch 5, worin die geneigten Oberflächen des Querschnittes der Ringform sich im wesentlichen am geometrischen Zentrum der Spule zu treffen scheinen.

8. Spule nach Anspruch 5, worin die Spule eine im wesent lichen ganzzahlige Anzahl N von Wicklungen enthält.

9. Spule nach Anspruch 8, worin die geneigten Oberflächen des Querschnittes der Ringform sich im geometrischen Zen trum der Spule zu treffen scheinen.

10. Spule nach Anspruch 9, worin der Mittelpunkt des Spulen leiters innerhalb des Winkels angeordnet ist, der durch die geneigten Oberflächen der Querschnittsform der Spule gebildet wird.

11. Spule nach Anspruch 4, worin jede geneigte Querschnitts oberfläche der Spulenform in einem Winkel mit Bezug auf die genannte Ebene verläuft, der mindestens 10° und nicht mehr als 80° hat.

12. Spule nach Anspruch 1, worin die Spule eine Vielzahl von Wicklungen enthält.

13. Spule nach Anspruch 12, worin der Abstand zwischen den Wicklungen an allen Wicklungspositionen im wesentlichen gleich ist.

14. Spule nach Anspruch 12, weiter umfassend eine Erdungs ebene, die elektrisch mit mindestens einem Punkt entlang der Länge des Spulenleiters verbunden ist.

15. Spule nach Anspruch 14, worin die Erdungsebene im wesent lichen mit dem Mittelpunkt des Spulenleiters verbunden ist.

16. Spule nach Anspruch 1, worin der Leiter einen runden Querschnitt hat.

17. Spule nach Anspruch 16, worin der Leiter hohl ist.

18. Lampe mit einem Entladungsrohr hoher Intensität, das eine äußere Oberfläche aufweist und mit einer Anregungsspule, die benachbart der äußeren Oberfläche des genannten Roh res angeordnet ist, um ein Bogenentladungsplasma im Rohr zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mindestens eine Wicklung eines Leiters hat, die allgemein auf einer äuße ren Oberfläche einer vorgestellten Ringform angeordnet ist, die einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt hat.

19. Lampe nach Anspruch 18, worin die geneigten Oberflächen des Querschnittes der Ringform sich an einem Punkt inner halb des Kolbens des Entladungsrohres hoher Intensität zu treffen scheinen.

20. Lampe nach Anspruch 19, worin der Treffpunkt im wesent lichen im Zentrum des Bodenentladungsplasmas zu liegen scheint.