DE202017105999U1

DE202017105999U1 - Elektrodenlose Plasma-Lichtquelle mit nicht rotierendem Leuchtmittel

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Publication number: DE202017105999U1
Application number: DE202017105999.5U
Authority: DE
Original assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Aurion Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2027-10-01

Abstract

Elektrodenlose Plasmaleuchte mit Hochfrequenz- oder Mikrowellenanregung und einem Leuchtmittel mit Leuchtmittelfüllung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter mit zwei unterschiedlichen Querschnitts-Hauptachsen verwendet wird, in dem 2 Moden mit im Wesentlichen rechtwinklig angeordneten Feldstärken mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten auftreten und in dem sich die Mikrowelleneinspeisung und das Leuchtmittel an unterschiedlichen Stellen in Längsrichtung befinden.

Description

Plasmalampen mit elektrodenloser Mikrowellenanregung sind seit längerer Zeit bekannt, ursprünglich wegen der Schwefel-basierten Leuchtmittelfüllung unter dem Namen „Sulfur Lamp“. Diese Lampen weisen eine sehr hohe Effizienz auf (bis ca. 160 lm/W), die Anregung erfolgt typischerweise bei der Industriefrequenz von 2,45 GHz durch kostengünstig verfügbare Magnetrons.
Zwischenzeitlich wurden die Leuchtmittelfüllungen weiterentwickelt, es sind bei moderaten Abstrichen am Wirkungsgrad (ca. 90 lm/W) Leuchtmittel mit Sonnenspektrum bis hin zu Class A-Qualitäten für Sonnensimulatoren verfügbar. Diese Kombination aus Wirkungsgrad und spektraler Qualität ist derzeit mit keinem anderen Beleuchtungskonzept, wie LED, HID (MH, HPS), CFL, erreichbar.
Die wichtigsten Anwendungen sind

– Gartenbau
– Foto/Film
– Medizintechnik
– Industrielle Beleuchtung
– Architekturbeleuchtung
– Straßenbeleuchtung
– Flugfeldbeleuchtung

Ein Problem der elektrodenlosen Plasmalampen besteht in der Neigung zu lokalen Überhitzungen im üblicherweise aus Quarzglas gefertigten Leuchtmittelkörper mit einem Durchmesser von typischerweise 20 mm–30 mm, die zur Zerstörung des Leuchtmittels führen. Die älteren Konstruktionen verwenden aus diesem Grunde ein rotierendes Leuchtmittel, wobei die Rotation eine Verteilung der thermischen Belastung bewirkt, die bei zugeführten Mikrowellenleistungen von typischerweise 1000 W bis 2000 W entsteht. Eine typische Konfiguration mit Einkopplung einer H₁₁-Rundhohlleitermode in einen zylindrischen Käfig ist in US5811936A beschrieben. Das rotierende Leuchtmittel ist hierbei nachteilig, da es mit bewegten Teilen verbunden ist, das Leuchtmittel sehr gut ausgewuchtet sein muß und die Achse (der „Stengel“) am Leuchtmittel der Mikrowellen-Einspeisung im Wege ist.
Neuere Produkte verwenden zur Vermeidung des Problems der lokalen Überhitzungen kleinere Leistungen von ca. 300 W in geometrisch kleineren Leuchtmitteln, oft auch mit weniger effizienten Leuchtmittelfüllungen (ca. 70 lm/W). Statt eines Käfigs als Hohlwellenleiter werden hier auch dielektrische Resonatoren verwendet ( EP000001307899B1 , US000008203272B2 , US000008304994B2 , WO002010080828A1 , US000008319439B2 ).
Weiterhin wurde versucht, die Bildung von lokalen Plasmasäulen im Leuchtmittel durch Modifikation der Leuchtmittel-Füllung zu verhindern ( US6476557B1 ).
Andere Ansätze finden sich in: US000008525430B2 , US000008629616B2 , US020130175921A1 , US020140354148A1 , WO002012171564A1 , US020140125225A1 , US000007583013B2 , US000007161303B2
Die Säulenbildung mit lokaler Überhitzung kann auch vermieden werden, wenn die H₁₁-Welle zirkular polarisiert eingespeist wird, da dann zur linearen Beschleunigungskomponente der Elektronen eine zirkulare Komponente hinzukommt, die die Säulenbildung verhindern kann. WO002014003333A1 beschreibt eine solche Anordnung, bei der ein Zuführungshohlleiter eingesetzt wird, in dem ein Modenwandler für die zirkulare Polarisation eingefügt ist. Bei letzterem Konzept besteht jedoch der Nachteil, dass der Modenwandler bei Fehlanpassung nicht mehr richtig funktioniert. Außerdem ist der Gesamtaufbau sehr platzraubend, aufwändig und teuer.
Erfindungsgemäß wurde eine Anordnung gesucht, bei der ein Leuchtmittel (1) in einem Käfig (2) platzsparend und effizient mit Mikrowellenenergie versorgt wird, ohne dass sich dabei lokale Überhitzungen, insbesondere durch Plasmasäulen verursacht, bilden. Die Mikrowellenfelder sollten dabei lokal im Leuchtmittel zumindest teilweise zirkular oder elliptisch polarisiert und nicht von einer reflexionsarmen Wellenausbreitung in einem Hohlleiter abhängig sein.
Gelöst wurde dies durch einen beidseitig typischerweise durch einen Kurzschluss geschlossenen Wellenleiter mit mehreckigem Querschnitt (2), der teilweise als lichtdurchlässiger Käfig und teilweise massiv ausgeführt ist. Die Mikrowelleneinspeisung (3) erfolgt typischerweise, aber nicht zwingend, über ein Magnetron (4) und ist direkt an einer Stelle des Wellenleiters angeordnet, während das Leuchtmittel an einer anderen Stelle sitzt.
Der Querschnitt des Wellenleiters (2) besitzt zwei Hauptachsen a und b, die so gewählt sind, dass zwei Moden mit orthogonaler Feldstärke ausbreitungsfähig sind, die eine unterschiedliche Ausbreitungskonstante haben. Bei korrekter Auslegung führt dies dazu, dass am Einspeisepunkt eine lineare Polarisation und an der Position des Leuchtmittels eine zirkulare Polarisation vorliegt. In dieser Anordnung ist also der Modenwandler mit dem Leuchtmittel und der Einspeisung integriert. Für die ISM-Frequenz 2,45 GHz liegt der Bereich der Hauptachsen a und b für einen Rechteckquerschnitt vorzugsweise im Bereich von 60 mm und 120 mm, die Länge des Wellenleiters bei ca. 200 mm, wobei diese Länge erfindungsgemäß ggfs. auch größer gewählt werden kann.
Das Grundprinzip der Erfindung ist in dargestellt. zeigt die elektrische Feldverteilung im Querschnitt des Wellenleiters (2) nach für die beiden bei erfindungsgemäß gewählten Abmessungen ausbreitungsfähigen Hohlleitermoden. Diese beiden Moden werden durch die Mikrowelleneinspeisung (3) gemeinsam angeregt und superponieren. Am Ort der Mikrowelleneinspeisung ist dabei die Polarisation im Wesentlichen linear, während am Ort des Leuchtmittels (1) lokal elliptische oder zirkulare Polarisation auftritt.
Die einfachste Querschnittsgeometrie ist demnach rechteckig. Da jedoch bei Verwendung eines Magnetrons (5) als Mikrowellenanregung dieses vorzugsweise in den Wellenleiter (1) eingeführt wird, um beide Moden geeignet anzuregen, kann eine Ecke des rechteckigen Querschnitts des Wellenleiters (1) abgeschrägt werden. Diese Konfiguration ist in dargestellt. Aus Symmetriegründen können die anderen Ecken auch abgeschrägt werden, wodurch sich ein achteckiger Querschnitt ergibt, wie er gleichfalls in dargestellt ist.
Andere Ausführungsformen, z. B. mit Abrundungen, sind erfindungsgemäß möglich. Entscheidend ist dabei, dass es mindestens 2 Hauptachsen und mindestens zwei ausbreitungsfähige Moden mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten gibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5811936 A [0004]
EP 000001307899 B1 [0005]
US 000008203272 B2 [0005]
US 000008304994 B2 [0005]
WO 002010080828 A1 [0005]
US 000008319439 B2 [0005]
US 6476557 B1 [0006]
US 000008525430 B2 [0007]
US 000008629616 B2 [0007]
US 020130175921 A1 [0007]
US 020140354148 A1 [0007]
WO 002012171564 A1 [0007]
US 020140125225 A1 [0007]
US 000007583013 B2 [0007]
US 000007161303 B2 [0007]
WO 002014003333 A1 [0008]

Claims

Elektrodenlose Plasmaleuchte mit Hochfrequenz- oder Mikrowellenanregung und einem Leuchtmittel mit Leuchtmittelfüllung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter mit zwei unterschiedlichen Querschnitts-Hauptachsen verwendet wird, in dem 2 Moden mit im Wesentlichen rechtwinklig angeordneten Feldstärken mit unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten auftreten und in dem sich die Mikrowelleneinspeisung und das Leuchtmittel an unterschiedlichen Stellen in Längsrichtung befinden.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter an beiden Enden für die ausbreitungsfähigen Moden kurzgeschlossen ist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung ein Mikrowellen-Magnetron verwendet wird.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort des Leuchtmittels die elektrischen Felder eine elliptische oder eine zirkulare Polarisation aufweisen.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter einen achteckigen Querschnitt aufweist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter einen n-eckigen Querschnitt aufweist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken abgerundet sind.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter einen elliptischen Querschnitt aufweist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter teilweise lichtdurchlässig als Gitterstruktur ausgeführt ist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter teilweise lichtdurchlässig als transparent und leitend beschichtetes Quarz ausgeführt ist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter teilweise lichtdurchlässig als transparent und leitend beschichtetes Glas ausgeführt ist.
Elektrodenlose Plasmaleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter teilweise lichtdurchlässig als transparent und leitend beschichtete Keramik ausgeführt ist.