DE3842971C2

DE3842971C2 -

Info

Publication number: DE3842971C2
Application number: DE3842971A
Authority: DE
Inventors: John Melvin Scotia N.Y. Jp Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1991-05-08
Also published as: GB2213318B; GB2213318A; JPH02139897A; JPH0580799B2; GB8829933D0; FR2625367B1; DE3842971A1; NL8802925A; FR2625367A1; US4812702A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzspule mit mehreren Windungen zum Anregen einer Plasmaentladung in einer im Inneren der Spule angeordneten Entladungslampe.

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 befriedigende 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 einzelnen 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 becherförmige oder die konische 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.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenzspule der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte optische Wirksamkeit und geringere Spulenverluste hat.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spule sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht einer Entladungslampe hoher Intensität (HID)-Lampe und einer Anregungsspule mit einer einzigen Wicklung, die zur Würdigung verschiedener Prinzipien der vorliegenden 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 Windungen 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 Windungen 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 16a und 16b 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 Windung 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 Windung bestehende Spule 16 zum Koppeln in einen leitenden Entladungsplasmaring 14 geringen Durchmessers der ist, wenn sowohl die Spulenschlaufe 16 als auch die Plasmaschlaufe 14 in der gleichen Ebene liegen. Die Anregungsspule 16 liegt somit in der Ebene 14p 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 Windung, wenn letztere einen Radius gleich dem Zweifachen des Radius des Plasmaringes hat, d.h. einen Spulenradius von 2r in der Ebene 14p. Weiter wurde festgestellt, daß eine weitere Anregungsspule 16′ aus einer einzigen Win dung, die in der Plasmaring-Ebene liegt und einen Radius von 3r 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 14p befindet, hat einen Kupplungs-Koeffizienten von etwa 0,264, während eine weitere Anregungsspule 16′′′ mit einer einzigen Windung mit dem gleichen Durchmesser und einer koplanaren Anordnung, dies jedoch mit einem Abstand 2r von der Ebene 14p 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 2r. Üblicherweise hat die Anregungsspule eine Anzahl N von Windungen, die größer als eins ist, so daß die Spule mit mehreren Windungen 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 Windungen der Anregungsspule 16 die geringstmögliche Ausdehnung in der Richtung senkrecht zur Ebene 14p des Entladungsplasmaringes haben (hier minimale Abmessun gen in der Vertikal-Ebene für einen horizontal angeordneten Ring 14). Der Widerstand der Spule muß gleichzeitig 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 Ringes angeordnet sind, der einen Hauptradius r₁ hat, der in der Abmessung etwa 2r entspricht und dessen kleine rer Radius r₂ geringer ist als der Unterschied zwischen dem Radius r₁ und der Summe des äußeren Lampenrohr-Radius E/2 und der Dicke t der Spulenwicklungen. Diese Spule mit mehreren Windungen (bei der im veranschaulichten Querschnitt N=8 ist) ist besonders schwierig herzustellen, außerdem erfordert der beträchtliche Spannungsabfall, der zwischen den gegenüberlie genden Spulenenden 20a und 20b gehalten werden muß (und der üblicherweise in der Größenordnung von etwa 1000 Volt für V_ab liegt), eine beträchtliche Trennung zwischen benachbarten Windungsabschnitten 20-1 bis 20-8. Diese Trennung ist nicht leicht zu erreichen, insbesondere wenn sowohl die Dicke t der Windungselemente zumindest ausreicht, daß jede Windung (re duziert zu einem runden Draht) dick genug ist, um die Hoch frequenz-Randzonenverluste zu vermindern und sich die einzel nen Windungen über einen ausreichend kleinen Winkel erstrec 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 11b eines Kolbens 11 angeregt wird, der die innere Oberfläche 22b eines zylindrischen positionierenden Kolbens 22 hat, der an der äußeren Oberfläche 11a 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 22a des äußeren Kolbens in Form einer Mehrzahl N (hier N=8) von Windungen angeordnet, die auf den geneigten Seiten 24′a und 24′b eines 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 Spulenwindungs 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 11c 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 Windungen, hier 24-4 und 24-5, und dem Ort der mittleren Windung 24-4′. Diese Ab messung C ist größer sowohl als die Abmessung A der inneren Oberfläche 11b des den Bogen enthaltenden Kolbens als auch der Abmessung B der äußeren Oberfläche 22a des äußeren Kolbens 22. Ein Ende 24a der Spule beginnt daher am radial entferntesten Ort auf der oberen geneigten Oberfläche 24′a, erreicht eine halbe Windung bei der radial gegenüberliegenden Position 24-1′ und vervollständigt eine volle Windung bei der Position 24-2. Auf eine Position 24-2′ von eineinhalb Windungen folgt die Position 24-3 von zwei vollen Windungen sowie die Position 24-3′ von zweieinhalb Windungen und die Position 24-4 von drei vollen Windungen. Der Mittelpunkt der Spule entlang der inneren "Nasen"-Oberfläche 24′c befindet sich bei der Position 24-4′. Die fünfte volle Windung liegt bei der Position 24-5, während die Positionen von 5 1/2, 6, 6 1/2, 7, 7 1/2 und 8 Windungen 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 24a und 24b 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 Windungen und einem V-förmigen Querschnitt einen einzigen Resonanzkondensator 32 des Wertes C_T hat, der zwischen den Spulenenden 30a und 30b liegt, wobei die Spule am Punkt 30c zur Impedanzanpassung an den nicht dargestellten Generator einen Abgriff aufweist. In beiden Ausführungsformen 24 und 30 gibt es einen beträchtlichen Abstand zwischen den Windungen, 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 24a/24b bzw. 30a/30b 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 Windungen 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 Windungsform ist leicht herzustellen, die dazu benutzt werden kann, eine solche Spule zu bilden, wobei der Abstand zwischen benachbarten Win dungen bei allen Windungspositionen im wesentlichen gleich ist. Es wurde festgestellt, daß die Kupplung für eine Spule mit N=8 Windungen 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 34c hat, der im wesentlichen zwischen den gegenüberliegenden Spulenenden 34a und 34b ange ordnet ist, so daß die zentrale Windung unterbrochen und mit zwei separaten Zuleitungsteilen 34c-1 und 34c-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 Windungen und V-förmigem Querschnitt wird mittels eines einzigen Resonanz kondensators 36 abgestimmt und an einem Abgriff 34d über ein Koaxialkabel 38 von dem Generator mit Energie versehen. Wie am besten in Fig. 4b ersichtlich, ist die Spule aus drei Windun gen in ein Paar von Spulen mit jeweils 1 1/2 Windungen aufge teilt, wobei sich die obere Hälfte vom oberen Spulenende 34a bis zur ersten Erdungsleitung 34c-1 und die untere Hälfte der Gesamtspule vom oberen Ende der zweiten Erdungsleitung 34c-2 am induktiven Abgriff 34d vorbei zum unteren Ende 34b der Spule erstreckt.

Claims

1. Hochfrequenzspule mit mehreren Windunen zum Anregen einer Plasmaentladung in einer im Inneren der Spule angeordneten elektrodenlosen Entladungslampe, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (24-1 bis 24- 8, 24-1′ bis 24-7′) der Spule auf einer räumlichen Fläche liegen, die der Oberfläche eines Ringes (24′) mit im wesentlichen V-förmigen Querschnitt entspricht.

2. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die gegeneinander geneigten Oberflächen (24′a, 24′b) des Ringes (24′) im wesentlichen im geometrischen Mittelpunkt der Spule (24) zu treffen scheinen.

3. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von jeder der geneigten Oberflächen (24′a, 24′b) und der Mittelebene (24′p) der Spule (24) eingeschlossene Winkel mindestens 10° und nicht mehr als 80° beträgt.

4. Hochfrequenzspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erdungsebene (33) mit mindestens einem Punkt einer Spulenwindung verbunden ist (Fig. 4).

5. Hochfrequenzspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungsebene mit dem Mittelpunkt des die Spule bildenden Leiters verbunden ist.

6. Hochfrequenzspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spule bildende Leiter hohl ist.

7. Hochfrequenzspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Resonanzfrequenz mindestens ein Kondensator mit der Spule verbunden ist.