ES2353658T3 - Bombilla de plasma con medios para generar en su ampolla una onda resonante ultrasónica. - Google Patents
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Abstract
Bombilla de plasma que comprende una ampolla (11) de cuarzo llena de al menos un elemento de la columna del azufre de la tabla de clasificación periódica de los elementos químicos y medios dispuestos para generar y mantener un plasma en esta ampolla mediante el envío de ondas electromagnéticas de hiperfrecuencia en dicha ampolla (11), caracterizada porque comprende además medios dispuestos para generar una onda resonante ultrasónica en la ampolla (11) de dicha bombilla a partir de una vibración ultrasónica generada en el plasma, en la que dichos medios destinados a la creación de una onda resonante ultrasónica en dicha ampolla (11) no comprenden una ampolla (11) dotada de dos volúmenes (11a,11b) idénticos comunicantes conectados por un canal.
Description
Bombilla de plasma con medios para generar en su
ampolla una onda resonante ultrasónica.
La presente invención se refiere a una bombilla
de plasma que comprende una ampolla de cuarzo que contiene al menos
un elemento de la columna del azufre de la tabla de clasificación
periódica de los elementos químicos y medios dispuestos para
generar y mantener un plasma en esta ampolla mediante el envío de
ondas electromagnéticas de hiperfrecuencia en dicha ampolla.
Entre las bombillas con una buena reproducción
cromática, las bombillas de descarga, fluorescentes, halógenas o
incluso de halogenuros metálicos, tienen todas una eficacia lumínica
muy superior a la de las bombillas de incandescencia. Este es el
motivo por el que han acaparado una gran parte del mercado aunque
contienen sustancias tóxicas, concretamente mercurio en la mayoría
de los casos. El riesgo de residuo tóxico a gran escala resultado
de esto se reconoce como una amenaza medioambiental de primera
importancia. En la Comunidad Europea, los aparatos que contienen
mercurio son objeto de una reglamentación estricta orientada a
limitarlos, incluso a prohibirlos, efectiva desde el 1 de julio de
2006 (Directiva CE 2002/95 del Parlamento Europeo y del Consejo del
27 de enero de 2003, Decisión de la Comisión del 18 de agosto de
2005, Decisión de la Comisión del 13 de octubre de 2005). En lo que
se refiere a los sistemas de iluminación, su retirada progresiva del
mercado se realiza a condición de que surja una tecnología de
sustitución exenta de productos tóxicos. Esta disposición legal
genera, por tanto, un mercado potencial de tamaño considerable.
Una nueva tecnología de iluminación, exenta de
contaminantes, basada en la emisión lumínica de vapores diatómicos
de ciertos elementos de la columna denominada VIA de la tabla de
Mendeleïev, es decir de la tabla periódica de los elementos
químicos, está desarrollándose en diversos países tales como
Alemania, Corea del Sur, Japón, los Países Bajos, Rusia, Suiza y
los EE.UU. La relajación de las moléculas recompuestas tras la
disociación produce una radiación lumínica importante. A una
presión de varios bares, el espectro de la emisión se extiende de
manera continua de 370 a 900 terahercios y su máximo se encuentra en
el campo visible. La energía se aporta por inducción
electromagnética, generalmente con un magnetrón que irradia
aproximadamente a 2,45 gigahercios, con el fin de evitar el
contacto con los electrodos y así prolongar la vida útil de la
ampolla. Obteniéndose así la disociación molecular por
calentamiento, se constata además la emisión de una radiación de
Planck en el infrarrojo. La sustancia activa, que se condensa en
frío, se coloca en una ampolla llena de un gas neutro. Con la
resonancia, se forma una descarga eléctrica, lo que permite evaporar
la sustancia activa. Entonces, se forma el plasma molecular
luminiscente. Cuanto mayor es su temperatura, mayor es su eficacia
lumínica. La resistencia a la temperatura de la ampolla determina
por tanto la eficacia del sistema. Por ello la ampolla es de cuarzo
fundido. La primera bombilla comercializada, denominada
SOLAR-1000 (patente US 5.404.076), está dotada
además de un dispositivo que mantiene su ampolla en rotación a
aproximadamente 2500 t/min. La sustancia activa empleada es azufre
o selenio. La eficacia lumínica de esta bombilla supera 110 Lm/W a
plena potencia (1400 W). Pero, si la rotación de la ampolla se
detiene, su eficacia lumínica disminuye netamente. En ausencia de
ventilación, la potencia inyectada debe además reducirse a la mitad
en el caso del azufre, si no la ampolla se funde. La observación
indica que la facultad que tiene el plasma de absorber las
microondas aumenta con la temperatura, en todo caso hasta un cierto
límite. Esta retroacción positiva conlleva un riesgo de avalancha
térmica. Puede formarse una bolsa de sobrecalentamiento que al
entrar en contacto con la ampolla provoca su rotura. La rotación de
la ampolla permite evitar esto agitando el plasma a alta temperatura
por convección térmica, siendo la aceleración centrípeta
desarrollada, en efecto, ampliamente superior a la gravitación en
la mayor parte de la ampolla, para la bombilla
SOLAR-1000.
No obstante, esta solución es demasiado
limitante puesto que la parte mecánica disminuye la relación entre
vida útil y sobrecoste. Numerosas publicaciones describen
invenciones con objeto de paliar este defecto. Sin embargo, todos
los lanzamientos comerciales a gran escala han fracasado hasta
ahora. Estos avances tecnológicos todavía no son suficientes puesto
que, o bien el dispositivo comprende aún un movimiento, por ejemplo,
para forzar el paso del aire alrededor de la ampolla, o bien la
ampolla contiene aditivos contaminantes (patentes US 6.157.141, DE
101.27.961 A1), o bien la ampolla es estática y el campo eléctrico
giratorio (patentes US 5.227.698, US 6.476.557 B2, US 6.476.557 B1,
US 6.873.119 B2, US 5.36T226) aunque este campo polarizado se
obtiene a cuenta de un aumento de la complejidad de la estructura de
la cavidad resonante y la imposibilidad de colocar la ampolla en el
exterior de dicha cavidad a través de un acoplamiento
electromagnético. Además, en las bombillas de descarga conocidas,
se prevén medios para evitar los fenómenos de resonancia que tienden
a limitar de manera perjudicial la vida útil de estas
bombillas.
Se conoce, por la publicación internacional WO
01/82332, un dispositivo de alumbrado de filamento para una
bombilla sin electrodos. La presente invención, aunque basada en el
mismo tipo de bombilla sin electrodos que la descrita en esta
publicación, difiere porque esta bombilla no utiliza una onda
ultrasónica resonante para influir sobre las características del
plasma, lo que permite por tanto evitar la rotación de la
ampolla.
Una bombilla sin electrodos también se describe
en la publicación europea EP 0 897 190. No obstante, esta bombilla,
aunque con una composición del medio activo de la misma naturaleza o
de naturaleza diferente que la de la presente invención, presenta
la particularidad de que su ampolla se enfría mediante un chorro de
aire y que el plasma también se estabiliza a través de su geometría.
En la bombilla de esta invención la ampolla, que es de forma
esférica o de forma oblonga con un estrechamiento en la parte
central, recurre a una resonancia acústica para el mantenimiento de
la estabilidad de la descarga eléctrica, estando acoplada la
alimentación de energía mediante una fuente de alta frecuencia
modulada.
La patente US 4 170 746 describe una bombilla de
electrodos con campos de funcionamiento fuera de las bandas de
resonancia acústica del plasma de vapores de mercurio y halogenuros
metálicos. La presente invención difiere de la bombilla objeto de
esta patente porque es sin electrodos y porque funciona en el campo
de la resonancia acústica, campo en el que esta otra bombilla es
inestable. Esta inestabilidad puede conducir a la destrucción de la
ampolla, si ésta está diseñada según las características enunciadas
en esta patente.
La patente US 5 136 170 recurre a una bombilla o
fuente UV excitada por electrodos situados en el exterior de la
ampolla y que utilizan el principio de la descarga silenciosa. Se
aplica una tensión alternativa que puede tener una frecuencia
elevada para permitir la transmisión de energía a través de las
capas dieléctricas. La presente invención no recurre a este tipo de
descarga silenciosa, el modo de acoplamiento es diferente por el
uso de una cavidad de microondas y, además, en esta patente, no
menciona el uso de una resonancia acústica que, es, por su parte,
favorable a la estabilización del plasma de la descarga
eléctrica.
La invención objeto de la publicación
internacional WO 02/101790 se refiere a una bombilla dotada de
electrodos que reciben una tensión alternativa con una frecuencia
inferior o igual a 50 Mhz y que recurre a una antena con
acoplamiento capacitivo situada próxima a la zona de descarga. Esta
antena permite estabilizar la descarga lumínica, pero son
obligatorios materiales con una resistencia a las altas
temperaturas, puesto que la descarga está en contacto con dicha
antena dieléctrica. La bombilla de la presente invención recurre a
una antena de acoplamiento alejada, puesto que no hay dispositivo
en la proximidad de la zona de descarga lo que favorece por tanto
la estabilidad del arco eléctrico. Esta antena puede estar distante
de la ampolla y, por tanto, no hay problemas de resistencia al
calor. Por otro lado, en esta publicación, se utiliza una fuente de
alta frecuencia situada en los megahercios para excitar la descarga
y no se ilustra la resonancia acústica descrita por la presente
solicitud.
La presente invención tiene por objeto paliar
los inconvenientes de los sistemas conocidos. Más precisamente, se
refiere a una bombilla sin electrodos que permite evitar recurrir a
un movimiento mecánico sin, no obstante, necesitar aditivos, ni
colocar la ampolla en el interior de una cavidad resonante.
Para ello, la bombilla de plasma según la
invención, tal como se define en el preámbulo, está caracterizada
porque comprende además medios dispuestos para generar una onda
resonante ultrasónica en la ampolla de dicha bombilla a partir de
una vibración ultrasónica generada en el plasma, según la
reivindicación 1.
De manera ventajosa, dichos medios dispuestos
para generar ondas electromagnéticas y mantener el plasma comprenden
un magnetrón.
Preferiblemente, el magnetrón se alimenta por
una alimentación de alta tensión continua conectada al sector
eléctrico.
En una primera forma preferida de realización de
la bombilla según la invención, los medios dispuestos para generar
una vibración ultrasónica en el plasma y generar una onda resonante
ultrasónica en la ampolla de dicha bombilla pueden comprender un
circuito eléctrico pasivo resonante empalmado entre el magnetrón y
la alimentación de alta tensión continua de dicho magnetrón,
teniendo dicho circuito pasivo resonante al menos una frecuencia de
resonancia comprendida entre 15 kilohercios y 200 megahercios.
Según una variante de esta forma de realización,
los medios dispuestos para generar una vibración ultrasónica en el
plasma y generar una onda resonante ultrasónica en la ampolla de
dicha bombilla pueden comprender un modulador activo dispuesto para
inyectar una oscilación eléctrica, cuya potencia espectral ocupa al
menos una banda entre 15 kilohercios y 200 megahercios, entre el
magnetrón y la alimentación de alta tensión continua de dicho
magnetrón.
Dicho modulador puede alimentarse mediante la
alimentación de alta tensión continua del magnetrón por medio de un
puente divisor de resistencias, o alimentarse directamente mediante
el sector eléctrico.
Preferiblemente, dicho modulador se acopla a la
alta tensión entre el magnetrón y la alimentación de alta tensión
continua de dicho magnetrón por medio de un transformador de alto
aislamiento. También puede acoplarse por medio de una derivación
capacitiva de alto aislamiento.
Según otra variante de realización, los medios
dispuestos para generar una vibración ultrasónica en el plasma y
generar una onda resonante ultrasónica en la ampolla de dicha
bombilla pueden comprender un conmutador optoacoplado dispuesto
para introducir una oscilación eléctrica, cuya potencia espectral
ocupa al menos una banda entre 15 kilohercios y 200 megahercios,
entre el magnetrón y la alimentación de alta tensión continua de
dicho magnetrón.
Preferiblemente, el conmutador optoacoplado está
colocado en serie en una derivación resonante empalmada entre el
magnetrón y la alimentación de alta tensión continua de dicho
magnetrón.
Según aún otra variante de realización, los
medios dispuestos para generar una vibración ultrasónica en el
plasma y generar una onda resonante ultrasónica en la ampolla de
dicha bombilla comprenden un elevador de frecuencia dispuesto para
producir una onda de radiofrecuencia, conectada al sector eléctrico,
y dispuesta entre dicho sector eléctrico y un transformador de
radiofrecuencia elevador de tensión que alimenta dicho
magnetrón.
Según otra forma de realización preferida de la
bombilla de plasma, los medios dispuestos para generar una
vibración ultrasónica en el plasma y generar una onda resonante
ultrasónica en la ampolla de dicha bombilla comprenden una fuente
estroboscópica cuya frecuencia de batimiento se encuentra entre 15
kilohercios y 200 megahercios.
Dicha fuente estroboscópica está dotada
ventajosamente de una óptica de colimación reflectiva o refractiva
para focalizar su flujo en el interior de dicha ampolla, estando
dicha óptica de colimación reflectiva o refractiva preferiblemente
integrada en el reflector de la bombilla.
En una forma de realización de la bombilla de
plasma según la invención, dicha ampolla está encerrada en una
jaula de Faraday, estando formada dicha jaula de Faraday por un
reflector cerrado mediante un conductor eléctrico, y el conductor
eléctrico comprende al menos una ventana constituida por una hoja de
material transparente recubierta por una capa delgada de material
eléctricamente conductor.
La presente invención se comprenderá mejor en
referencia a la descripción de diversos modos de realización y a
los dibujos adjuntos en los que:
la figura 1 representa una vista esquemática de
un primer modo de realización de la bombilla de plasma según la
invención,
la figura 2 representa una vista esquemática de
una primera variante del primer modo de realización tal como se
representa mediante la figura 1,
la figura 3 representa una vista esquemática de
una segunda variante del primer modo de realización tal como se
representa mediante la figura 1,
la figura 4 representa una vista esquemática de
una tercera variante del primer modo de realización tal como se
representa mediante la figura 1,
la figura 5 representa una vista esquemática de
una cuarta variante del primer modo de realización tal como se
representa mediante la figura 1,
la figura 6 representa una vista esquemática de
una quinta variante del primer modo de realización tal como se
representa mediante la figura 1,
la figura 7 representa una vista esquemática de
una sexta variante del primer modo de realización tal como se
representa mediante la figura 1,
la figura 8 representa, en perspectiva
seccionada, un segundo modo de realización de la bombilla de plasma
según la invención,
las figuras 9, 10 y 11 representan
respectivamente en sección y en proyección la ampolla de una
bombilla de plasma y
la figura 12 representa en un gráfico de las
mediciones de la potencia espectral de la radiación de una bombilla
de microondas de plasma de azufre, dividida entre la potencia
absorbida por el magnetrón, para la bombilla según el modo de
realización de la figura 3, y en el caso en que el plasma no está
modulado.
En referencia a la figura 1, la bombilla 10 de
plasma, según un primer modo de realización de la invención,
comprende una ampolla 11 y una alimentación 12 de alta tensión
continua (A.T.C), conectada al sector 13 eléctrico, y que
suministra una tensión que es bastante elevada para alimentar un
magnetrón 14. Éste está acoplado a un resonador 15 de
hiperfrecuencia. La ampolla 11 de la bombilla 10 comprende una
varilla 16 de cuarzo, para sujetarla, que está montada en un
sistema de acoplamiento en el exterior del resonador 15 de
hiperfrecuencia. El acoplamiento del magnetrón 14 al resonador 15
se realiza mediante un iris o una antena 17. La bombilla 10
comprende un reflector 18, concretamente un reflector metálico, que
rodea la ampolla 11 y que está cerrado por un conductor 19
eléctrico que deja pasar la luz en forma al menos de una ventana
constituida por una hoja de material transparente recubierta por
una capa delgada de material eléctricamente conductor tal como una
cerámica dopada, por ejemplo ITO o FTO. Esta disposición forma una
jaula de Faraday y tiene como función evitar la fuga de la
radiación de microondas.
Un circuito 20 pasivo resonante de
radiofrecuencia, de tipo LC por ejemplo, se inserta entre la
alimentación 12 y el magnetrón 14. Así, cuando el circuito 20
pasivo resonante de radiofrecuencia se excita por la inestabilidad
del magnetrón 14, añade a la alta tensión continua (A.T.C) una onda
eléctrica, cuya potencia espectral se encuentra mayoritariamente
entre 15 kilohercios y 200 megahercios, para formar una alta tensión
modulada (A.T.M). Estando el ánodo 14a del magnetrón 14 conectado a
tierra, la modulación debe empalmarse en el cátodo 14b del
magnetrón 14, en la rama de alta tensión del circuito. Esta
disposición obliga a aislar fuertemente el modulador, lo que hace
ventajoso el empleo de un circuito pasivo en cuanto a la
construcción. En contrapartida, esta solución no permite controlar
la modulación. El cátodo 14b del magnetrón 14 se acopla a un
circuito 21 de calentamiento que se alimenta por el sector 13
eléctrico a través de un primer filtro 22 antiparásitos. Un segundo
filtro 23 antiparásitos se monta, por otro lado, entre el sector 13
eléctrico y la alimentación 12 de alta tensión. Una autoinductancia
24 de estabilización de la corriente se monta entre la alimentación
12 de alta tensión y el circuito 20 pasivo resonante.
En referencia a la figura 2, la bombilla 30 de
plasma representada, que es una variante de realización de la
ilustrada mediante la bombilla 10 de plasma de la figura 1,
comprende un cierto número de componentes que son idénticos a los
de la bombilla 10 de plasma y que llevan los mismos números de
referencia. Un modulador 31 activo de radiofrecuencia se inserta
entre la alimentación 12 y el magnetrón 14 con objeto de añadir a
la alta tensión continua (A.T.C) una componente ondulante y formar
así la alta tensión modulada (A.T.M). La mayor parte de la energía
de la onda producida por el modulador 31 de radiofrecuencia se sitúa
en una o varias bandas situadas entre 15 kilohercios y 200
megahercios, determinadas por un oscilador 32, del tipo Hartley por
ejemplo. El modulador 31 se alimenta con baja tensión continua. Esta
alimentación se toma sobre la alta tensión mediante un puente 34
divisor, realizado con dos resistencias, respectivamente R1 y R2. Un
regulador 33 de tensión se inserta además entre el puente 34
divisor y el modulador 31.
La bombilla 40 de plasma, ilustrada mediante la
figura 3, es una variante de realización de las bombillas 10 y 30
ilustradas mediante las figuras 1 y 2, y comprende un cierto número
de componentes que son idénticos a los de estas bombillas y que
llevan los mismos números de referencia. En esta realización, la
ampolla 11 se dispone en el interior de la cavidad del resonador 15
de hiperfrecuencia acoplado al magnetrón 14. En esta variante, el
modulador 31 de radiofrecuencia no se pone al potencial de la alta
tensión continua (A.T.C), se alimenta mediante el sector 13
eléctrico. El modulador 31 se acopla a la alta tensión continua
(A.T.C) mediante un transformador 41 ó 42 de alto aislamiento
colocado o bien directamente en la línea de alimentación del
magnetrón 14, o bien en una derivación 43 capacitiva. En esta
alternativa, una resistencia 44 de seguridad de valor elevado puede
añadirse en paralelo a la derivación. Esté el transformador en una u
otra de las posiciones 41 ó 42, puede ser provechoso añadirle un
condensador de conexión en paralelo, respectivamente 45 ó 46.
La bombilla 50 de plasma, representada mediante
la figura 4, que es una variante de realización de la ilustrada
mediante la figura 3, comprende un cierto número de componentes que
son idénticos a los de esta bombilla y que llevan los mismos
números de referencia. En esta variante, el modulador 31 se acopla a
la alta tensión continua (A.T.C) mediante una autoinductancia 51 de
acoplamiento de baja tensión empalmada en serie en la parte de baja
tensión de un condensador 52 que forma una derivación capacitiva.
Entre la autoinductancia 51 de acoplamiento de baja tensión y el
condensador 52 se inyecta la corriente alterna de radiofrecuencia
que alimenta el modulador 31. Para que ésta pase por la línea de
alta tensión, el producto de la resistencia dinámica del magnetrón
14 por la capacidad del condensador 52 debe ser superior a la
inversa de la frecuencia de modulación.
Las figuras 5 y 6 representan respectivamente
dos variantes de bombillas 60 y 70 de plasma correspondientes a la
primera forma de realización de la invención. No obstante ciertos
componentes siguen siendo idénticos a los componentes de las
variantes descritas anteriormente y llevan por consiguiente los
mismos números de referencia. En estas realizaciones, se suprime el
modulador 31, pero la alta tensión continua (A.T.C.) se interrumpe
por un conmutador 61 optoacoplado controlado por un oscilador 32.
Éste produce una onda eléctrica cuya energía se sitúa en gran parte
entre 15 kilohercios y 200 megahercios.
En la variante según la figura 5, toda la alta
tensión continua (A.T.C) está interrumpida, el conmutador 61
optoacoplado está colocado en serie aguas abajo de la alimentación
12 de alta tensión continua.
En la versión ilustrada mediante la figura 6, el
conmutador 61 optoacoplado está colocado en serie en una derivación
71 resonante, un circuito LC por ejemplo, empalmado aguas abajo de
la alimentación 12. Sólo se interrumpe la parte de la alta tensión
continua (A.T.C) que se extrae mediante un puente divisor capacitivo
formado por dos capacidades, respectivamente 72 y 73.
Preferiblemente, se empalma un chispómetro 74 en paralelo con el
condensador 72 para protegerlo.
En las cinco variantes ilustradas por las
figuras 1, 3, 4, 5 y 6, puede ser útil insertar en serie una
autoinductancia de estabilización de la corriente 24 a la salida de
la alimentación 12 de alta tensión para estabilizar la corriente
alimentada. En las seis formas de realización según las figuras 1 a
6, la alta tensión modulada o interrumpida (A.T.M) se conecta al
cátodo del magnetrón 14 para alimentarlo. La alimentación 12 de alta
tensión continua puede comprender una regulación de recorte para
controlar la potencia de la bombilla. En este caso, es preferible
insertar un filtro 23 antiparásitos aguas arriba de la alimentación
12.
En referencia a la figura 7, la bombilla 80 de
plasma representada comprende un cierto número de componentes que
son idénticos a los de las bombillas descritas anteriormente y que
llevan los mismos números de referencia. La bombilla 80 comprende
concretamente un elevador 81 de frecuencia que produce una onda de
radiofrecuencia. El amplificador de este elevador 81 de frecuencia,
que se alimenta mediante el sector 13 eléctrico monofásico,
transfiere la mayor parte de la potencia eléctrica absorbida en una
o varias bandas situadas entre 15 kilohercios y 200 megahercios,
determinadas por el oscilador 32 de radiofrecuencia. La onda de
radiofrecuencia (R.F.) así producida atraviesa un transformador 82
de radiofrecuencia elevador de tensión para producir una alta
tensión de radiofrecuencia (A.T.R.F.). Ésta se conecta al cátodo del
magnetrón 14. La tensión es bastante elevada para alimentar el
magnetrón 14 tras haber sido semirrectificada por un diodo 83 de
radiofrecuencia de alta tensión. El elevador 81 de frecuencia puede
comprender una regulación de recorte para controlar la potencia de
la bombilla. En este caso, es preferible insertar un filtro 23
antiparásitos aguas arriba del elevador 81 de frecuencia.
En todas las variantes descritas anteriormente,
el flujo electromagnético de microondas que inyecta el magnetrón 14
en el resonador 15 de hiperfrecuencia se interrumpe o modula con
objeto de generar una vibración ultrasónica del plasma, lo que
genera una onda resonante ultrasónica en la ampolla 11. Si el cátodo
14b del magnetrón 14 necesita un calentamiento 21, un filtro 22
antiparásitos se empalma preferiblemente aguas arriba de éste para
evitar parasitar el sector 13 eléctrico.
La figura 8 ilustra un segundo modo de
realización de la bombilla de plasma según la invención que es
independiente de la alimentación eléctrica del generador de las
ondas electromagnéticas. En este caso, la bombilla 90 de plasma
comprende una fuente 91 auxiliar estroboscópica de radiación óptica
dirigida a la ampolla 11. Entonces el magnetrón 14 puede
alimentarse mediante una simple alimentación 12 de alta tensión
continua, obteniéndose la vibración ultrasónica del plasma por
absorción de la radiación emitida por la fuente 91 estroboscópica.
Ésta está constituida por una ampolla de descarga o por uno o varios
diodos LED o LÁSER alimentados por una alimentación 92 por
impulsos, cuya potencia espectral ocupa al menos una banda
aproximadamente entre 15 kilohercios y 200 megahercios, determinada
por el oscilador 32. Preferiblemente, la fuente 91 estroboscópica
está dotada de una óptica de colimación reflectiva 93 o refractiva
94 que focaliza su flujo en el interior de la ampolla 11.
Preferiblemente, esta óptica se integra en el reflector de la
luminaria 18.
Las figuras 9, 10 y 11 ilustran la ampolla 11 de
una bombilla de plasma que es, tal como se ha descrito en
referencia a la figura 8, independiente de la alimentación eléctrica
del generador de las ondas electromagnéticas. En esta variante, el
plasma es autooscilante y no es necesario modular el flujo de
energía que permite mantenerlo. La vibración ultrasónica del plasma
se obtiene empleando una ampolla 11 con dos volúmenes 11a y 11b
comunicantes idénticos de radio R. Esta ampolla 11 de cuarzo se
dispone en el extremo de la varilla 16 de cuarzo. Un collarín 110
de cuarzo está soldado alrededor del cuello de paso o canal 112
dispuesto entre los dos volúmenes 11a y 11b, teniendo dicho cuello
preferiblemente un ancho inferior o igual a tres cuartos del radio R
de los volúmenes 11a y 11b. El collarín 110 está recubierto por una
capa delgada de cerámica, por ejemplo óxido de aluminio,
permitiendo reducir el acoplamiento óptico entre los dos volúmenes
11a y 11b. Éstos son preferiblemente simétricos entre sí y la
longitud del canal 112 de paso de un volumen al otro se elige un
poco inferior a su radio medio (R) con objeto de que haya una
interferencia constructiva entre las vibraciones acústicas que se
desarrollan en uno y otro de los volúmenes 11a y 11b en resonancia.
Con volúmenes 11a y 11b de un centímetro de diámetro medio, la
frecuencia de resonancia se establece aproximadamente en 50
kilohercios en el caso en que la sustancia activa es azufre.
La figura 12 es un gráfico que representa la
potencia espectral de la radiación de una bombilla de microondas de
plasma de azufre, dividida entre la potencia absorbida por el
magnetrón. Para estos ensayos, se ha utilizado un magnetrón modelo
Panasonic 2M244-M1. Las mediciones se han realizado
en régimen estacionario para una potencia absorbida de 660 W
incluido el calentamiento del cátodo. La ampolla utilizada es
esférica, su volumen interior es de 11 cm^{3} y se llena con
azufre a 1,47 mg/cm^{3}. Además, es estática y funciona en
ausencia de cualquier enfriamiento forzado. El espectro 121 se
obtiene sin forzar la vibración ultrasónica del plasma. Su potencia
espectral es máxima a aproximadamente 680 THz (longitud de onda en
el aire a 440 nm), la luz por tanto es azulada. El espectro 122 se
obtiene con el dispositivo según el primer modo de realización de la
invención descrito en referencia a la figura 3, por tanto, con la
misma ampolla. Su potencia espectral es máxima a 581 THz (longitud
de onda en el aire a 516 nm), la luz es blanca. La curva 123
representa la función de eficacia lumínica relativa espectral en
visión fotópica, tal como se define por la Comisión Internacional
de Iluminación (CIE), multiplicada por el máximo del espectro
obtenido con el dispositivo 122 según la invención. Se observa que
el desfase espectral se aproxima al máximo de la emisión del de la
sensibilidad del ojo. El dispositivo según la invención aumenta la
eficacia lumínica de 41 a 84 Lm/W, atribuyéndose el consumo de
energía a los bornes del magnetrón. El índice de reproducción
cromática definido por la CIE pasa de 89 a 81. La bombilla por
tanto es adecuada para los empleos más diversos, tanto en interiores
como en exteriores.
Sea cual sea el modo de realización de la
bombilla según la invención, la vibración ultrasónica del plasma
genera una onda resonante ultrasónica en la ampolla, lo que genera
los fenómenos siguientes:
- Expansión del plasma. La gravitación ya no
imprime prácticamente ningún efecto en la forma del plasma y éste
se extiende a la mayor parte del volumen de la ampolla. Así, la
excitación de la ampolla se uniformiza, lo que es favorable para la
eficacia de la luminaria.
- Agitación del plasma a alta temperatura.
Mediante esto, la onda acústica eleva el umbral de temperatura a
partir del cual aparece la avalancha térmica.
- Desfase espectral de la emisión óptica. El
desfase espectral procede de que la emisión óptica se debe al
retorno de las moléculas biatómicas de un cierto estado electrónico
excitado al nivel electrónico fundamental y que cada nivel de
energía electrónica es una función distinta de la distancia
interatómica. En el presente caso, la desviación entre los dos
niveles electrónicos es una función decreciente de la energía
vibratoria de las moléculas diatómicas. Según el principio de
Franck-Condon, la energía vibratoria no cambia
durante una transición. La energía del fotón, que es igual al salto
de energía electrónica, disminuye por tanto con la energía
vibratoria de las moléculas. Ahora bien, la absorción de la onda
acústica en un gas es el hecho de la excitación de las vibraciones
en las moléculas poliatómicas. Por tanto, en virtud de lo anterior,
la absorción de la onda acústica desfasa la emisión óptica en el
sentido decreciente de la energía de los fotones, es decir, en el
sentido decreciente de la frecuencia.
- Aumento del rendimiento termodinámico del
plasma, que es la relación de la radiación óptica respecto al flujo
de energía de microondas absorbida, y, por consiguiente, aumento
también de la eficacia lumínica de la bombilla. El efecto de este
fenómeno es visible en las mediciones representadas en la figura 12.
Sabiendo que el rendimiento del magnetrón era del 70%, se constata
que el rendimiento termodinámico pasa del 41% al 63% gracias al
dispositivo según la invención. Este fenómeno está ligado al hecho
de que la relajación de las vibraciones en una molécula poliatómica
es netamente más lenta que la relajación de los otros modos de
energía interna, la rotación y la traslación. El tiempo de
relajación vibracional es del orden de 10 microsegundos. Por tanto,
cuando el periodo de la onda resonante acústica es próximo a este
valor, la absorción acústica introduce un desfase importante de la
energía vibratoria de las moléculas, es decir, una desviación entre
su nivel de energía efectivo y el que tendrían en el equilibrio
termodinámico local. La absorción acústica es máxima en la
oposición de fase, así como la velocidad de variación de la energía
interna de las moléculas diatómicas en la ampolla. Resulta un
aumento de la disociación molecular, del doblamiento del estado
electrónico excitado y, por tanto, también de la producción de
fotones ópticos.
- Confinamiento acústico del plasma. Una puesta
en resonancia acústica de la ampolla puede generar impulsos de
temperatura más fuertes en el núcleo del plasma que en la periferia,
en las capas en contacto con la ampolla. La energía reflejada en
las paredes converge, en efecto, en el centro de la ampolla. Así, la
resonancia acentúa la modulación térmica del plasma en su
núcleo.
Claims (17)
1. Bombilla de plasma que comprende una ampolla
(11) de cuarzo llena de al menos un elemento de la columna del
azufre de la tabla de clasificación periódica de los elementos
químicos y medios dispuestos para generar y mantener un plasma en
esta ampolla mediante el envío de ondas electromagnéticas de
hiperfrecuencia en dicha ampolla (11), caracterizada porque
comprende además medios dispuestos para generar una onda resonante
ultrasónica en la ampolla (11) de dicha bombilla a partir de una
vibración ultrasónica generada en el plasma, en la que dichos
medios destinados a la creación de una onda resonante ultrasónica en
dicha ampolla (11) no comprenden una ampolla (11) dotada de dos
volúmenes (11a,11b) idénticos comunicantes conectados por un
canal.
2. Bombilla de plasma según la reivindicación 1,
caracterizada porque dichos medios dispuestos para generar
ondas electromagnéticas y mantener el plasma comprenden un
magnetrón (14).
3. Bombilla de plasma según la reivindicación 2,
caracterizada porque el magnetrón (14) se alimenta mediante
una alimentación (12) de alta tensión continua conectada al sector
(13) eléctrico.
4. Bombilla de plasma según las reivindicaciones
2 a 3, caracterizada porque los medios dispuestos para
generar una vibración ultrasónica en el plasma y generar una onda
resonante ultrasónica en la ampolla (11) de dicha bombilla
comprenden un circuito (20) eléctrico pasivo resonante empalmado
entre el magnetrón (14) y la alimentación (12) de alta tensión
continua de dicho magnetrón (14).
5. Bombilla de plasma según la reivindicación 4,
caracterizada porque dicho circuito (20) pasivo resonante
tiene al menos una frecuencia de resonancia comprendida entre 15
kilohercios y 200 megahercios.
6. Bombilla de plasma según las reivindicaciones
2 a 3, caracterizada porque los medios dispuestos para
generar una vibración ultrasónica en el plasma y generar una onda
resonante ultrasónica en la ampolla (11) de dicha bombilla
comprenden un modulador (31) activo dispuesto para inyectar una
oscilación eléctrica, cuya potencia espectral ocupa al menos una
banda entre 15 kilohercios y 200 megahercios, entre el magnetrón
(14) y la alimentación (12) de alta tensión continua de dicho
magnetrón (14).
7. Bombilla de plasma según la reivindicación 6,
caracterizada porque dicho modulador (31) se alimenta
mediante la alimentación (12) de alta tensión continua del
magnetrón (14) por medio de un puente (34) divisor de
resistencias.
8. Bombilla de plasma según la reivindicación 6,
caracterizada porque dicho modulador (31) se alimenta
directamente mediante el sector (13) eléctrico.
9. Bombilla de plasma según la reivindicación 6,
caracterizada porque dicho modulador (31) está acoplado a la
alta tensión entre el magnetrón (14) y la alimentación (12) de alta
tensión continua de dicho magnetrón por medio de un transformador
(41) de alto aislamiento.
10. Bombilla de plasma según la reivindicación
6, caracterizada porque el modulador (31) está acoplado a la
alta tensión entre el magnetrón (14) y la alimentación (12) de alta
tensión continua de dicho magnetrón por medio de una derivación
(52) capacitiva de alto aislamiento.
11. Bombilla de plasma según las
reivindicaciones 2 a 3, caracterizada porque los medios
dispuestos para generar una vibración ultrasónica en el plasma y
generar una onda resonante ultrasónica en la ampolla (11) de dicha
bombilla comprenden un conmutador (61) optoacoplado dispuesto para
introducir una oscilación eléctrica, cuya potencia espectral ocupa
al menos una banda entre 15 kilohercios y 200 megahercios, entre el
magnetrón (14) y la alimentación (12) de alta tensión continua de
dicho magnetrón (14).
12. Bombilla de plasma según la reivindicación
11, caracterizada porque el conmutador (61) optoacoplado está
colocado en serie en una derivación (71) resonante empalmada entre
el magnetrón (14) y la alimentación (12) de alta tensión continua
de dicho magnetrón.
13. Bombilla de plasma según la reivindicación
3, caracterizada porque los medios dispuestos para generar
una vibración ultrasónica en el plasma y generar una onda resonante
ultrasónica en la ampolla (11) de dicha bombilla comprenden un
elevador (81) de frecuencia dispuesto para producir una onda de
radiofrecuencia, conectado al sector (13) eléctrico, y dispuesto
entre dicho sector (13) eléctrico y un transformador (82) de
radiofrecuencia elevador de tensión que alimenta dicho magnetrón
(14).
14. Bombilla de plasma según las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque los medios
dispuestos para generar una vibración ultrasónica en el plasma y
generar una onda resonante ultrasónica en la ampolla (11) de dicha
bombilla comprenden una fuente (91) estroboscópica cuya frecuencia
de batimiento se encuentra entre 15 kilohercios y 200
megahercios.
15. Bombilla de plasma según la reivindicación
14, caracterizada porque dicha fuente (91) estroboscópica
está dotada de una óptica de colimación reflectiva (93) o
refractiva (94) para focalizar su flujo en el interior de dicha
ampolla (11).
16. Bombilla de plasma según la reivindicación
15, caracterizada porque dicha óptica de colimación
reflectiva (93) o refractiva (94) está integrada en el reflector
(18) de la bombilla.
17. Bombilla de plasma según la reivindicación
1, caracterizada porque dicha ampolla (11) está encerrada en
una jaula de Faraday, estando formada dicha jaula de Faraday por un
reflector (18) cerrado por un conductor (19) eléctrico, y porque el
conductor (19) eléctrico comprende al menos una ventana constituida
por una hoja de material transparente recubierta por una capa
delgada de material eléctricamente conductor.
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