EP2618362A1 - Leuchtmittel und Betriebsverfahren dafür - Google Patents
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- EP2618362A1 EP2618362A1 EP13000279.3A EP13000279A EP2618362A1 EP 2618362 A1 EP2618362 A1 EP 2618362A1 EP 13000279 A EP13000279 A EP 13000279A EP 2618362 A1 EP2618362 A1 EP 2618362A1
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- H01J65/042—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field
- H01J65/044—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field the field being produced by a separate microwave unit
Definitions
- the present invention relates to the term claimed above and thus relates to bulbs.
- light sources are sources of visible, ultraviolet or infrared optical radiation which are operated with electrical energy.
- the exciting field in the gas-filled space in which the plasma is ignited not in all places has a strength that is sufficient for plasma ignition.
- the electromagnetic field used for plasma excitation has a spatially limited penetration depth when the high-frequency alternating field is coupled in transmission or as a surface wave, which is particularly strong in lamps operated with medium and low pressure plasmas with pressures up to several 100 mbar; Such lamps are of particular importance for industrial applications, as UV lamps, energy-saving lamps and fluorescent lamps.
- the low penetration depth causes a comparatively low heating of the gas in the discharge space. If it is not possible with a given power to ensure a sufficient temperature for a plasma discharge in the entire discharge space, either a higher power must be coupled or a drop in the efficiency can be accepted.
- a discharge tube assembly with an excitation device and a discharge tube which is formed of translucent, dielectric material.
- the excitation device is designed to excite surface waves in the filling of the discharge tube.
- at least one impedance matching network is provided between a coupling-in point and a high-frequency power source.
- the gas column is comprised in an elongate, insulated housing, wherein a first metallic tube, which is open on both sides, and a second tube, which surrounds the first, so that a coaxial arrangement is obtained, are provided.
- a high-frequency lamp for low and high pressure applications that seeks to improve properties in terms of efficiency, emission spectrum, cost and longevity.
- a high-frequency signal is coupled via a shielded RF line circuit in a designated as ionization glass flask, wherein one or two electrodes in a surrounded with quartz glass and filled with gases or optionally metal vapors and / or halogens ionization protrude or surrounded with quartz glass and externally contact ionization chamber filled with gases and optionally metal vapors and / or halogens and / or sulfur to effect ionization.
- This known lamp is supposed to be used as a high-pressure as well as a low-pressure gas discharge lamp; she wants herself through it be characterized in that it has a small punctiform or a large spherical Ionisations Scheme depending on the design with large current flows and thus high color temperatures with a coverage up to several Quadratdezimetern, so that the adjustment of the light output can be varied over a wide range.
- the inventor of the present application has proposed a luminous means and a method for operating a luminous means, in which high-frequency waves are coupled into a gas volume for generating and maintaining plasma with only little shadowing, a small construction is achieved, broadband transmissivity for high-frequency waves in the Component is guaranteed, the self-consumption or idle consumption is very low and the high-frequency wave can be easily transported into the interior of the bulb.
- a light source with a gas volume and a coaxial RF energy coupling device for excitation thereof with surface waves are provided that the coaxial RF energy coupling device has a guided in the gas volume central conductor.
- the temperature in the discharge space of the luminous means influences the efficiency
- lamps be actively cooled, which makes it possible to couple very high powers and, moreover, contributes to a thermal stabilization.
- the cooling of lamp bodies can take place here by a fluid flow and is for example common in systems for UV curing of paints.
- thermal stabilization of luminaires provides to rotate the lamp body. This is known, for example, from sulfur lamps, in which the complete discharge vessel is rotated to avoid local overheating, which is technically complicated.
- the object of the present invention is to provide new products for commercial use.
- a gas discharge vessel in particular lighting means, having a body having at least one discharge space and a means for reducing the heat losses, in particular luminous bodies, that the means for reducing the heat losses is a space at least partially enclosed by the discharge space.
- the enclosed space may also be filled with material, such as glass or other material, where it may be completely or partially filled.
- material such as glass or other material
- the enclosed space may also be filled with material, such as glass or other material, where it may be completely or partially filled.
- the arrangement is also suitable for illuminants whose discharge space is electrodeless.
- the space at least partially enclosed by the discharge space can be configured geometrically in such a way that a desired area results in the discharge chamber in which the gas discharge takes place. In order to a certain power density is made possible. It is typically no separate heat supply or removal required.
- the space is at least partially enclosed by the discharge space, the heat loss is minimized by radiation at the same time, since at least a portion of the reaching in the at least partially enclosed space thermal radiation passes back into the discharge space.
- the boundary wall between partially enclosed space and discharge space for the wavelength of the respective heat radiation is not or not completely transparent, it will heat up and accordingly emit heat radiation of different wavelength at least in part to an opposite boundary wall, so that at least by re-absorption a reduction in radiation is obtained.
- a pressure below the atmospheric pressure prevails in the space at least partially enclosed by the discharge space.
- the heat dissipation from the boundary wall is further reduced by heat removal, because first to allow a negative pressure of the discharge space at least partially enclosed space against the environment must be completely completed, which even further reduces convective heat exchange.
- the convective one is Heat exchange, for example, to the faces, reduced. It is therefore obvious that it is particularly advantageous if the space at least partially enclosed by the discharge space is a vacuum space, preferably with a pressure of less than 1/10 of the standard atmospheric pressure.
- the enclosed space may optionally be filled with a certain gas, optionally under reduced pressure, in particular.
- the luminous element is formed from glass, quartz glass and / or glass ceramic. This is advantageous because it allows the use per se of long known and proven materials and, accordingly, the use as per se reliably known manufacturing process.
- the discharge space is arranged at least partially coaxially with the space at least partially enclosed by the discharge space.
- the enclosed space will be central and the discharge space will be arranged around it. But he can partly stand out from this.
- This has advantages, for example, if RF power is to be supplied to the electrodeless discharge space via the central, discharge-free space. That a central arrangement is also possible where the outer wall of the discharge space is not cylindrical, but, for example, flattened or the like, should be mentioned.
- the space at least partially enclosed by the discharge space is completely enclosed by the latter at least on one side, preferably on both sides.
- a luminous means comprises a luminous body, which has a discharge space 1 and a means for thermal stabilization 2, which is formed as a space 2 at least partially enclosed by the discharge space 1.
- the lighting means 1 has external electrodes (not shown), which are arranged on the outer wall of the discharge space 1 in per se known manner and feed high-frequency energy into the substances present in the interior of the discharge space.
- the outer electrodes (not shown) are connected to a suitable high frequency power source of sufficient power.
- the discharge generating bulb has been filled with, for example, indium-argon to achieve discharge with indium iodide as a carrier to achieve the required partial pressures of the indium.
- the luminous element is made of quartz glass in the present embodiment.
- a cylindrical quartz glass body is formed with vertical to the cylinder wall end faces, which are also made of quartz glass. Inside this quartz glass body with cylindrical outer wall is now one with the outer Quartz glass body coaxial inner cylinder provided, which is also closed at its front sides of the vertical end surfaces made of quartz glass (in Fig. 2 not shown).
- a closed, central space is formed by the cylinder wall of the coaxial inner cylinder and the vertical end surfaces of quartz glass and formed by the cylinder wall a boundary wall between the discharge space 1 and at least partially enclosed by this space 2.
- the partially enclosed by the discharge space and against the ambient atmosphere through this together with the vertical end surfaces of quartz glass completely sealed against the ambient atmosphere space is evacuated, here - as preferred - to a pressure of less than 1/10 of the standard atmospheric pressure.
- the plasma discharge generated by the high frequency power has its hottest point away from the central axis of the cylinder. Due to the temperature gradient less heat radiation is received from other areas in the direction of the central axis as in this emitted. However, a considerable part of the radiation emitted in the space 2 partially enclosed by the discharge space 1 will pass through this partially enclosed space 2 in such a way that it again enters the discharge space 1 on the opposite side, where the radiation partly recovers, for example from there existing plasma, can be absorbed. Since the pressure in the space 2 partially enclosed by the discharge space 1 is small, the otherwise occurring convective heat transport to the end surfaces made of quartz glass is also correspondingly irrelevant. The total heat loss of the arrangement according to the invention is thus low.
- the space partially enclosed by the discharge space 1 thus serves for thermal stabilization and can thus be regarded as a means for thermal stabilization.
- Fig. 1b is one of the two cylinder end faces of the discharge space, which in Fig. 1a closed by flat round quartz glass plates, completed by a hemispherical rounding.
- the boundary wall between the discharge space 1 and the partially enclosed by this space 2 is also continued by a hemispherical rounding end.
- the distance between the outer wall and boundary wall is chosen to be as large here in the area of the hemispherical rounding as on the cylinder jacket area.
- Fig. 1c is also the second of the two cylinder end faces in Fig. 1a closed by flat round quartz glass plates, by a hemispherical conclusion of the Discharge space replaced.
- the boundary wall between the discharge space 1 and the partially enclosed by this space 2 is also formed by a hemispherical curve.
- the distance between the outer and boundary wall in the region of the hemispherical curves here chosen to be as large as the cylinder jacket area. It encloses so in the embodiment of Fig. 1c the discharge space 1 the thermally stabilizing space 2 here completely.
- the power density of the excitation power of the gas discharge resulting from a luminous means can easily be optimized.
- substances can also be used for the first time or at least simply, the partial pressure of which in the discharge is set by the existing temperature and which would precipitate at cold points, the design of light bulbs undergoes substantial simplifications and expansions.
- thermal stabilization of a gas discharge vessel by a space separate from the discharge space can also bring advantages where it does not depend on the emission of visible radiation, but a gas discharge other reasons is needed.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit auf Leuchtmittel.
- Als Leuchtmittel werden vorliegend Quellen von im Sichtbaren, im Ultravioletten oder im Infraroten liegender optischer Strahlung verstanden, die mit elektrischer Energie betrieben werden.
- Prinzipiell ist es wünschenswert, Leuchtmittel mit einem vertretbaren Energieaufwand sehr hell zum Leuchten zu bringen. Bereits vorgeschlagen wurde, ein Gasvolumen durch Zuführung elektrischer Hochfrequenzenergie soweit zu erregen, dass ein leuchtendes Plasma entsteht.
- Wenn bei Leuchtmitteln ein hochfrequentes Wechselfeld zur Anregung verwendet wird, ist zu beachten, dass das anregende Feld im gaserfüllten Raum, in welchem das Plasma gezündet wird, nicht an allen Stellen eine Stärke besitzt, die zur Plasmazündung ausreicht. vielmehr hat das zur Plasmaerregung verwendete elektromagnetische Feld eine räumlich nur begrenzte Eindringtiefe, wenn das hochfrequente Wechselfeld in Transmission oder als Oberflächenwelle eingekoppelt wird, was sich besonders stark bei Lampen auswirkt, die mit Mittel- und Niederdruckplasmen mit Drücken bis zu einigen 100 mbar betrieben werden; derartige Lampen sind für industrielle Anwendungen von besonderer Bedeutung, als UV-Lampen, Energiesparlampen und Fluoreszenzstofflampen. Gerade bei Leuchtmitteln, in denen die Entladungsräume elektrodenfrei bleiben sollen oder - etwa zur Verwendung chemisch instabiler oder agressiver Substituenten - müssen, ist also die geringe Eindringtiefe der erregenden elektromagnetischen Wechselfelder zu beachten.
- Die geringe Eindringtiefe bedingt eine vergleichsweise geringe Aufheizung des Gases im Entladungsraum. Wenn es mit einer gegebenen Leistung nicht gelingt, eine für eine Plasmaentladung ausreichende Temperatur im gesamten Entladungsraum zu gewährleisten, muss entweder eine höhere Leistung eingekoppelt werden oder ein Absinken des Wirkungsgrades in Kauf genommen werden.
- Um ein Leuchtmittel gleichwohl mit hohem Wirkungsgrad betreiben zu können, sind bereits verschiedene Arten der Einkopplung vorgeschlagen worden.
- So ist eine Vorrichtung zur Plasmaerregung mit Mikrowellen zum Beispiel aus der
DE 103 35 523 B4 bekannt, in welcher eine Mikrowellenleiterzuleitung sich verzweigt und daran Stegelektroden gebildet sind, deren Länge zu einer Mikrowellenphasenverschiebung führt. - Eine weitere Mikrowellen verwendende Plasmaerzeugungsvorrichtung ist beispielsweise bekannt aus der
US 4,908,492 . Dort wird eine zylindrische HF-Leiteranordnung mit einem zylindrischen äußeren Leiter und einem wendelförmigen inneren Leiter vorgeschlagen, zwischen denen Mikrowellenenergie zugeführt wird. Innerhalb der wendelförmigen Spule soll ein Entladungsrohr angeordnet werden. Beschränkungen hinsichtlich der Abmessungen und der Form sollen eliminiert sein und es soll hinreichend viel Energie in das Gas beziehungsweise Plasma einkoppelbar sein. Erwähnt wird die Verwendung als Lichtquelle hoher Helligkeit und kurzer Wellenlänge für Zwecke optischer Reaktionen. - Aus der
US 5,072,157 ist eine Entladungsröhrenanordnung mit einer Erregungsvorrichtung und mit einer Entladungsröhre bekannt, welche aus lichtdurchlässigem, dielektrischem Material gebildet ist. Die Erregungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, Oberflächenwellen in der Füllung der Entladungsröhre zu erregen. Dabei ist mindestens ein Impedanzanpassungsnetzwerk zwischen einer Einkopplungsstelle und einer Hochfrequenzleistungsquelle vorgesehen. - Aus der
US 4,049,940 ist eine Vorrichtung bekannt, in welcher ein Plasma in einer Gassäule durch Erregung einer Oberflächenwelle mit Hochfrequenzenergie erzeugt wird. Das Oberflächenwellenerzeugungsmittel zur Hochfrequenzenergie-Einkopplung erstreckt sich nur über einen Teil der Gassäule und es wird soviel Leistung im erregenden elektrischen Feld zur Verfügung gestellt, dass sich das erzeugte Plasma über den entsprechenden Teil der Gassäule hinaus ausdehnt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Gassäule in einem länglichen, isolierten Gehäuse umfasst, wobei eine erste metallische Röhre, die an beiden Seiten offen ist, und eine zweite Röhre, die die erste umgibt, so dass eine koaxiale Anordnung erhalten wird, vorgesehen sind. - Aus dem Aufsatz "Application of an antenna excited high pressure microwave discharge to compact discharge lamps" von M Kando, T. Fukaya, Y. Ohishi, T. Mizojiri, Y. Morimoto, M. Shido und T. Serita, in J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 144026 (10pp) ist ein weiteres mit Mikrowellenenergie erregtes Leuchtemittel bekannt.
- Die
DE 10 2009 022 755 A1 beschreibt eine Hochfrequenzlampe für Nieder- und Hochdruckanwendungen, die Eigenschaften im Hinblick auf Wirkungsgrad, Emissionsspektrum, Kosten und Langlebigkeit zu verbessern sucht. Dazu soll bei einer Hochfrequenzlampe ein Hochfrequenzsignal über eine geschirmte HF-Leitungsschaltung in einen als Ionisationskammer bezeichneten Glaskolben eingekoppelt werden, wobei eine oder zwei Elektroden in eine mit Quarzglas umgebene und mit Gasen beziehungsweise gegebenenfalls Metalldämpfen und/oder Halogenen gefüllte Ionisationskammer ragen oder eine mit Quarzglas umgebene und mit Gasen und gegebenenfalls Metalldämpfen und/oder Halogenen und/oder Schwefel gefüllte Ionisationskammer von außen kontaktieren, um eine Ionisation zu bewirken. Diese bekannte Lampe soll angeblich als Hochdruck- wie auch als Niederdruckgasentladungslampe einsetzbar sein; sie will sich dadurch auszeichnen, dass sie je nach Auslegung einen kleinen punktförmigen oder einen großen kugelförmigen Ionisationsbereich mit großen Stromflüssen und somit hohen Farbtemperaturen mit einer Abdeckung bis zu mehreren Quadratdezimetern aufweist, so dass die Einstellung der Lichtleistung angeblich über einen großen Bereich variiert werden kann. - Verwiesen sei auch auf den Aufsatz "Compact Sulfur Lamps Operated by Antenna-Excited Microwave Discharge" von Takafumi Mizojiri, Mitsuru Ikeuchi, Yukihiro Morimoto, and Masashi Kando im Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 10, 2008, pp. 8012-8016. Darin wird eine Schwefellampe mit über Antennen erregter Mikrowellenentladung beschrieben.
- Weiter ist vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein Leuchtmittel und ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmittels vorgeschlagen worden, bei welchen hochfrequente wellen in ein Gasvolumen zur Plasmaerzeugung und -erhaltung bei nur geringer Abschattung eingekoppelt werden, eine kleine Bauweise erreicht wird, eine breitbandige Transmissivität für Hochfrequenzwellen im Bauteil gewährleistet wird, der Eigenverbrauch beziehungsweise Leerlaufverbrauch sehr gering ist und die hochfrequente Welle ohne weiteres in das Innere des Leuchtmittels transportiert werden kann. Dazu soll bei einem Leuchtmittel mit einem Gasvolumen und einer koaxialen HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung zur Erregung desselben mit oberflächenwellen vorgesehen werden, dass die koaxiale HF-Energie-Einkopplungsvorrichtung einen in das Gasvolumen geführten Zentralleiter aufweist.
- Obgleich die verschiedenen Einkopplungsvorrichtungen zum Teil einen Betrieb mit recht ordentlichem Wirkungsgrad ermöglichen, ist es wünschenswert, diesen weiter zu steigern und/oder auch mit anderen Elektrodengeometrien usw. zu erhalten.
- Im Hinblick darauf, dass die Temperatur im Entladungsraum des Leuchtmittels den Wirkungsgrad beeinflusst, ist auch schon vorgeschlagen worden, den Leuchtkörper mit einem Mittel zur Verringerung der Wärmeverluste zu versehen. Dabei wurde um den Entladungsraum herum ein Vakuum vorgesehen, um Wandverluste zu verringern. Dies ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, von High Intensity Discharge-Lampen bekannt. Durch die thermische Isolierung werden Konvektionsverluste am Lampenkörper verringert.
- Weiter ist auch schon vorgeschlagen worden, dass Lampen aktiv gekühlt werden, was es erlaubt, sehr hohe Leistungen einzukoppeln und überdies zu einer thermischen Stabilisierung beiträgt. Die Kühlung von Lampenkörpern kann hierbei durch einen Fluidstrom erfolgen und ist beispielsweise gebräuchlich bei Anlagen zur UV-Aushärtung von Lacken.
- Eine andere Art der thermischen Stabilisierung von Leuchtkörpern sieht vor, den Leuchtenkörper zu rotieren. Dies ist beispielsweise von Schwefellampen bekannt, bei denen das komplette Entladungsgefäß zur Vermeidung lokaler Überhitzungen in Rotation versetzt wird, was aber technisch aufwendig ist.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
- Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
- Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird somit bei einem Gasentladungsgefäß, insbesondere Leuchtmittel, mit einem zumindest einen Entladungsraum und ein Mittel zur verringerung der Wärmeverluste aufweisenden Körper, insbesondere Leuchtkörper, vorgeschlagen, dass das Mittel zur Verringerung der Wärmeverluste ein vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossener Raum ist.
- Ausgehend von der Erkenntnis, dass sich dann, wenn die Einkopplung wandnah erfolgt und am Ort der Einkopplung eine vergleichsweise hohe Temperatur herrscht, die kälteste Stelle eines Entladungsraums nach dem Stand der Technik nicht mehr zwingend an dessen Außenwandung befinden muss, wird eine Ausgestaltung des Leuchtmittels vorgeschlagen, die dazu beiträgt, die Temperatur der Gasentladung zu erhöhen beziehungsweise die Temperatur derselben zu stabilisieren.
- Dazu wird ausgenutzt, dass ein vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossener Raum geringere Wärmeverluste mit sich bringt. Einerseits wird nämlich die Konvektion verringert. Dies gilt selbst dann, wenn der umschlossene Raum nur partiell umschlossen und insoweit einseitig offen ist. Vorliegend ist der Begriff "umschlossen" also als "umgeben" zu verstehen und, soweit sich nichts Anderes aus dem Zusammenhang ergibt, muss nicht zwingend als "abgeschlossen" verstanden werden. Selbst dann ist nämlich eine Wärmeabfuhr aus dem Bereich hoher Temperatur im Entladungsraum bereits schon wesentlich verringert, weil Teilchen aus dem Bereich besonders hoher Temperatur durch die Wand an der ungehemmten konvektiven und/oder Diffusionsbewegung in eine kältere Zone gehindert sind. Es sei zudem erwähnt, dass es sich bei dem umschlossenen Raum nicht zwingend um einen Hohlraum handeln muss. Vielmehr kann der umschlossene Raum auch mit Material gefüllt sein, etwa mit Glas oder einem anderen Material, wobei er vollständig oder partiell gefüllt sein kann. Es sei erwähnt, dass durch das Vorhandensein eines (Festkörper-)Materials zwar aufgrund der gegenüber einem Bereich mit Gas verringerten Drucks höheren Wärmekapazität gerade während einer Anlaufphase womöglich sogar mehr Wärmeenergie aus der Gasentladungszone abströmt, dass aber nach Aufwärmen des Zentralbereichs das wärmegleichgewicht gerade durch die höhere Wärmekapazität besser stabilisiert wird. Damit ergeben sich insbesondere dann Vorteile, wenn die Gasentladung lange betrieben wird und ein anfängliches Anlaufverhalten unkritisch ist oder kompensiert werden kann. Es sei erwähnt, dass gegebenenfalls etwa Wandungen besonders dick gestaltet werden können, um so das Einbringen zusätzlichen Materials mit vom Gefäßkörper abweichenden Ausdehnungskoeffizienten und die damit verbundenen Nachteile vermeiden zu können und gleichwohl eine erhöhte Wärmekapazität vorzusehen.
- Es findet also eine Stabilisierung der Temperatur im Leuchtmittelinneren statt. Auf diese Weise kann ohne bewegliche Teile auch bei einer elektrodenlosen Anregung ein besonders günstiger Betrieb ermöglicht werden. Die Anordnung ist zugleich einsichtigerweise auch für Leuchtmittel geeignet, deren Entladungsraum elektrodenlos ist.
- Hingewiesen sei darauf, dass der vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossene Raum geometrisch so ausgestaltet werden kann, dass sich in der Entladungskammer ein gewünschter Bereich ergibt, in welchem die Gasentladung stattfindet. Damit wird eine bestimmte Leistungsdichte ermöglicht. Dabei ist typisch keine separate Wärmezu- oder -abfuhr erforderlich.
- Da der Raum vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossen ist, wird zugleich der Wärmeverlust durch Abstrahlung minimiert, da zumindest ein Teil der in den zumindest partiell umschlossenen Raum gelangenden Wärmestrahlung wieder in den Entladungsraum zurück gelangt. Selbst dann, wenn die Begrenzungswand zwischen partiell umschlossenem Raum und Entladungsraum für die Wellenlänge der jeweiligen Wärmestrahlung nicht oder nicht vollständig transparent ist, wird sie sich erwärmen und dementsprechend Wärmestrahlung anderer Wellenlänge zumindest zum Teil an eine gegenüberliegende Begrenzungswand abgeben, so dass zumindest durch Re-Absorption eine Verringerung der Abstrahlung erhalten wird.
- Es ist also nur durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leuchtmittelkörpers und ohne Vorsehen zusätzlicher bewegter Teile möglich, die Temperatur im Gasentladungsinneren zu erhöhen und zu stabilisieren, eine gewünschte Leistungsdichte auch in elektrodenlosem Betrieb vorzusehen und einen insgesamt hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
- Es ist vorteilhaft, wenn im vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossenen Raum ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks herrscht. In einem solchen Fall wird die Wärmeabfuhr von der Begrenzungswand durch Wärmeabfuhr noch weiter verringert, weil zunächst zur Ermöglichung eines Unterdrucks der vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossene Raum gegen die Umgebung vollständig abgeschlossen sein muss, was konvektiven Wärmeaustausch noch weiter verringert. Überdies ist auch durch die Verringerung des Drucks selbst der konvektive Wärmeaustausch, zum Beispiel zu den Stirnflächen, reduziert. Es ist daher einsichtig, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossene Raum ein Vakuumraum ist, bevorzugt mit einem Druck von weniger als 1/10 des Standard-Atmosphärendrucks. Aufgrund der stärkeren Ausprägung der beschriebenen Effekte ist es insbesondere bevorzugt, den Druck nicht über 1/100 des Standard-Atmosphärendrucks zu wählen; noch weiter bevorzugt ist es, einen Druck um oder unter 1/1000 des Atmosphärendrucks zu verwenden. Noch weiter verringerte Drücke sind verwendbar; allerdings sind die beschriebenen positiven Effekte dadurch nicht mehr wesentlich ausgeprägter, während gleichzeitig der technologische Aufwand steigt. Dass der umschlossene Raum gegebenenfalls mit einem bestimmten Gas, gegebenenfalls unter insbesondere verringertem Druck, gefüllt sein kann, sei erwähnt.
- Es ist vorteilhaft, wenn zum Erregen eines Plasmaleuchtens Mittel zur Mikrowelleneinkopplung vorgesehen sind. Wie dargelegt, ist ungeachtet der oftmals geringen Eindringtiefe eine hohe Leistungsdichte durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erzielbar. Es ist zugleich möglich und vorteilhaft, wenn die Mikrowelleneinkopplung mit elektrodenfreiem Entladungsraum erfolgt, insbesondere durch die äußere Wand des Entladungsraumes. Dies erlaubt es, die Wahl des im Entladungsraum vorhandenen Mediums unabhängig davon zu treffen, ob mit typischerweise für Elektroden verwendeten Materialien chemische Reaktionen auftreten. Dank der gleichzeitig durch die geometrische Auslegung möglichen Einstellung der Leistungsdichte eröffnet die Erfindung so auch hinsichtlich der Wahl des im Entladungsraum vorhandenen Mediums erhebliche Freiheiten, was etwa für die Erzielung eines bestimmten abzustrahlenden Spektrums ganz erhebliche Vorteile bietet.
- Es ist möglich, dass der Leuchtkörper aus Glas, Quarzglas und/oder Glaskeramik gebildet ist. Dies ist vorteilhaft, weil es die Verwendung per se lange bekannter und erprobter Materialien und entsprechend die Verwendung als per se zuverlässig bekannter Herstellungsverfahren erlaubt.
- Es ist vorteilhaft, wenn der Entladungsraum zumindest partiell koaxial zum vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossenen Raum angeordnet ist. Mit anderen Worten wird der umschlossene Raum zentral liegen und der Entladungsraum um ihn herum angeordnet werden. Er kann aber zum Teil aus diesem herausragen. Dies hat zum Beispiel Vorteile, wenn bei elektrodenlosem Entladungsraum über den zentralen, entladungsfreien Raum (auch) HF-Leistung zugeführt werden soll. Dass eine zentrale Anordnung auch dort möglich ist, wo die Außenwand des Entladungsraums nicht zylindrisch ist, sondern zum Beispiel abgeflacht oder dergleichen, sei erwähnt.
- Es sei als vorteilhaft auch erwähnt, dass der vom Entladungsraum zumindest partiell umschlossene Raum von diesem wenigstens einseitig, bevorzugt beidseitig vollständig umschlossen ist. So ergeben sich die Vorteile der Erfindung in besonderem Maß.
- Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durch:
- Fig.1 a-c
- verschiedene erfindungsgemäße Anordnungen von Entladungsraum und davon zumindest partiell umschlossenem Raum;
- Fig. 2
- eine perspektivische Darstellung zur Ausführungsform von
Fig. 1a . - Nach
Fig. 1 umfasst ein Leuchtmittel einen Leuchtkörper, der einem Entladungsraum 1 und ein Mittel zur thermischen Stabilisierung 2 aufweist, das als ein vom Entladungsraum 1 zumindest partiell umschlossener Raum 2 gebildet ist. - Das Leuchtmittel 1 weist im vorliegenden Fall Außenelektroden auf (nicht dargestellt), die an der Außenwand des Entladungsraumes 1 in per se bekannter Weise angeordnet sind und hochfrequente Energie in die im Inneren des Entladungsraum vorhandenen Substanzen einspeisen. Die Außenelektroden (nicht dargestellt) sind mit einer geeigneten Hochfrequenzleistungsquelle ausreichender Leistung verbunden.
- In einem Ausführungsbeispiel wurde das Leuchtmittel zur Erzeugung einer Entladung etwa mit Indium-Argon gefüllt, um eine Entladung mit Indiumiodid als Carrier zum Erreichen der benötigten Partialdrücke des Indiums zu erreichen.
- Der Leuchtkörper ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Quarzglas hergestellt.
- In
Fig. 1a ist dabei ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein zylindrischer Quarzglaskörper mit auf die Zylinderwand senkrechten Stirnflächen gebildet ist, die ebenfalls aus Quarzglas hergestellt sind. Im Inneren dieses Quarzglaskörper mit zylindrischer Außenwand ist nun ein mit dem äußeren Quarzglaskörper koaxialer Innenzylinder vorgesehen, der an seinen Stirnseiten ebenfalls von den senkrechten Endflächen aus Quarzglas abgeschlossen ist (inFig. 2 nicht dargestellt). - Damit ist durch die Zylinderwandung des koaxialen Innenzylinders und die senkrechten Endflächen aus Quarzglas ein geschlossener, zentraler Raum gebildet und durch die Zylinderwandung eine Begrenzungswand zwischen Entladungsraum 1 und dem von diesem zumindest partiell umschlossenen Raum 2 gebildet.
- Es sei erwähnt, dass hier - wie insbesondere in den anderen Ausführungsbeispielen auch - die geometrische Auslegung so gewählt werden kann, dass sich ein bestimmter Gasentladungsquerschnitt ergibt und damit eine optimale Leistungsdichte verwendet werden kann.
- Der vom Entladungsraum partiell umschlossene und gegen die Umgebungsatmosphäre durch diesen gemeinsam mit den senkrechten Endflächen aus Quarzglas vollständig gegen die Umgebungsatmosphäre verschlossene Raum ist evakuiert, hier - wie bevorzugt - auf einen Druck von weniger als 1/10 des Standard-Atmosphärendrucks.
- Im Betrieb wird Leistung über die Aubenelektroden in den Entladungsraum eingekoppelt, wo eine Plasmaentladung nahe der Außenwand stattfindet und dementsprechend nahe der Außenwand die höchsten Temperaturen herrschen.
- Die durch die Hochfrequenzleistung erzeugte Plasmaentladung hat ihre heißeste Stelle entfernt von der Mittelachse des Zylinders. Aufgrund des Temperaturgradienten wird in Richtung der Mittelachse weniger Wärmestrahlung von anderen Bereichen empfangen als in diese abgegeben. Ein erheblicher Teil der in den vom Entladungsraum 1 partiell umschlossenen Raum 2 emittierten Strahlung wird diesen partiell umschlossenen Raum 2 aber so durchlaufen, dass er auf der gegenüberliegenden Seite wieder in den Entladungsraum 1 eintritt, wo die Strahlung überdies zum Teil wieder, zum Beispiel vom dort vorhandenen Plasma, absorbiert werden kann. Da der Druck im vom Entladungsraum 1 partiell umschlossenen Raum 2 gering ist, ist der sonst stattfindende konvektive Wärmetransport an die Endflächen aus Quarzglas darüber hinaus entsprechend unbeachtlich. Der Gesamtwärmeverlust der erfindungsgemäßen Anordnung ist somit gering. Der vom Entladungsraum 1 hier partiell umschlossene Raum dient somit der thermischen Stabilisierung und kann somit als Mittel zur thermischen Stabilisierung angesehen werden.
- In der Ausführungsform von
Fig. 1b ist eine der beiden Zylinderstirnflächen des Entladungsraums, die inFig. 1a durch ebene runde Quarzglasplatten verschlossen sind, durch eine halbkugelförmige Rundung abgeschlossen. Zudem ist endseitig die Begrenzungswand zwischen dem Entladungsraum 1 und dem von diesem partiell umschlossenen Raum 2 ebenfalls durch eine halbkugelförmige Rundung fortgesetzt. Der Abstand zwischen Außenwand und Begrenzungswand ist im Bereich der halbkugelförmigen Rundung hier so groß gewählt wie am Zylindermantelbereich. - In
Fig. 1c ist auch die zweite der beiden Zylinderstirnflächen, die inFig. 1a durch ebene runde Quarzglasplatten verschlossen sind, durch einen halbkugelförmigen Abschluss des Entladungsraums ersetzt. Wiederum ist die Begrenzungswand zwischen dem Entladungsraum 1 und dem von diesem partiell umschlossenen Raum 2 ebenfalls durch eine halbkugelförmige Rundung gebildet. Wiederum ist auch der Abstand zwischen Außen- und Begrenzungswand im Bereich der halbkugelförmigen Rundungen hier so groß gewählt wie am Zylindermantelbereich. Es umschließt so im Ausführungsbeispiel vonFig. 1c der Entladungsraum 1 den thermisch stabilisierenden Raum 2 hier vollständig. - Es ergeben sich vergleichbare Effekte wie beim Ausführungsbeispiel von
Fig. 1a . Wiederum wirkt der vom Entladungsraum 1 umschlossene Raum 2 im Betrieb thermisch stabilisierend; die stabilisierende Wirkung ist dabei - entsprechend des vollständigeren Umschließens - aber sogar besser. - Zusammenfassend wurde somit vorstehend ein neues Leuchtmittel vorgeschlagen, bei welchem im Inneren des Entladungsraumes ein davon getrennter Raum zur thermischen Stabilisierung vorgesehen ist. Durch diesen wirken sich wiederum Variationen der Umgebungstemperatur weniger stark aus und Inhomogenitäten in der Entladung können zumindest reduziert werden. Dies gilt auch, wenn - wie bei Leuchtmitteln mit elektrodenfreien Entladungsräumen - die Annahme nicht mehr zutrifft, dass das Temperaturprofil ausgehend vom Mittelpunkt einer Entladung abfällt.
- Durch Dimensionierung und Formgebung von Entladungsgefäß und Vakuumraum ist die sich bei einem Leuchtmittel ergebende Leistungsdichte der Anregungsleistung der Gasentladung leicht optimierbar. Da zugleich durch die vorliegende Erfindung auch Stoffe erstmals oder zumindest einfacher verwendbar werden, deren Partialdruck in der Entladung durch die vorhandene Temperatur eingestellt wird und die an zu kalten Stellen ausfallen würden, erfährt der Entwurf von Leuchtmitteln wesentliche Erleichterungen und Erweiterungen. Insbesondere wird es so möglich, quecksilberfreie Leuchtmittel zu schaffen, was besondere Vorteile bietet.
- Es sei erwähnt, dass, obgleich die vorstehende Beschreibung sich überwiegend auf ein Leuchtmittel bezogen hat, die thermische Stabilisierung eines Gasentladungsgefäbes durch einen vom Entladungsraum getrennten Raum auch dort Vorteile bringen kann, wo es nicht auf die Emission von sichtbarer Strahlung ankommt, sondern eine Gasentladung aus anderen Gründen benötigt wird.
Claims (8)
- Körper mit Gasentladungsgefäß, insbesondere Leuchtmittel
mit einem
zumindest
einen Entladungsraum
und
ein Mittel zur thermischen Stabilisierung
aufweisenden
Körper, insbesondere Leuchtkörper,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur thermischen Stabilisierung
ein
vom Entladungsraum
zumindest partiell
umgebener
Raum
ist. - Leuchtmittel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im vom Entladungsraum zumindest partiell umgebener Raum ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks vorgesehen ist.
- Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Entladungsraum zumindest partiell umgebene Raum ein Vakuumraum ist, bevorzugt mit einem Druck von weniger als 1/10 des Standard-Atmosphärendrucks, insbesondere bevorzugt weniger als 1/100 des Standard-Atmosphärendrucks,
oder dass der zumindest partiell umgebene Raum wenigstens partiell mit Material gefüllt ist. - Leuchtmittel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erregen eines Plasmaleuchtens Mittel zur Mikrowelleneinkopplung vorgesehen sind.
- Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinkopplung mit elektrodenfreiem Entladungsraum erfolgt, insbesondere durch die äußere Wand des Entladungsraumes.
- Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtkörper aus Glas, Quarzglas und/oder Glaskeramik gebildet ist.
- Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum zumindest partiell koaxial zum vom Entladungsraum zumindest partiell umgebenen Raum angeordnet ist.
- Leuchtmittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Entladungsraum zumindest partiell umgebene Raum von diesem wenigstens einseitig vollständig umschlossen ist.
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