4. FUSION SYSTEMS И ЕЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛАМПЫ

: общие сведения о Fusiom Systems : : патенты Fusion Systems : : патентный «шквал» Fusion Systems : : продукция Fusion Systems :

Компания Fusion Systems и ее разработки уже кратко упоминались в первой главе. Здесь будет дан подробный анализ технической базы ультрафиолетовых ламп Fusion Systems на основе разбора ее основополагающих патентов, а также рассмотрены примеры ее продукции, как современной, так и ставшей уже раритетом, но связанной с новым поколением едиными принципиальными решениями.

 

Компания Fusion Systems Corporation - первое бизнес-предприятие Истлунда. Она была основана им вместе с компаньонами в 1971 году и нацеливалась на область, связанную с термоядерным синтезом на базе идей Fusion Torch. Однако жизнь распорядилась по иному - фирма сконцентрировалась на разработке и производстве ультрафиолетовых плазменных ламп для промышленности. Узкая специализация и ориентация на промышленный сегмент потребления принесли Fusion Systems небывалый коммерческий успех, а ее продукция вошла в историю лучших разработок.

Созданная в 1971 году, компания вышла на рынок со своими уникальными лампами в кратчайший срок и, как уже было сказано в главе 1, вскоре была отмечена престижным дипломом IR-100 журнала Industrial Research Magazine, включившим данную разработку в 100 революционных технологий 1974 года. Такое в науке и бизнесе случается не часто, но факт есть факт - «папа» ХАРПа второй раз подряд попал в «десятку» с первого выстрела.

В 1979 году Истлунд покинул свой успешный бизнес-проект, оставив компанию своим соавторам по изобретениям Дональду Сперо и Майклу Ури, которые продолжали успешно наращивать ее научно - технический и производственный потенциал, совершенствовать продукцию и «штамповать» патент за патентом, число которых со временем перевалило за сотню. Вскоре у Fusion Systems появился целый ряд дочерних компаний, продвигающих ее супер-лампы по всему миру, в т.ч. в США, Китае, Японии, Сингапуре, Германии, Словакии и других странах.

Со временем компания сменила название на Fusion UV Systems, более соответствующее «ультрафиолетовому» профилю продукции (UV - Ultraviolet), а с 2011 года - на Heraeus Noblelight Fusion UV Inc, войдя в состав транснационального холдинга Heraeus Noblelight со штаб-квартирой в Германии. На момент публикациии данного обзора она продолжает успешно работать, удерживая значительную часть рынка ультрафиолетовых излучателей и конвейерных систем на их основе для промышленности.

 

Изобретения, защищенные данными патентами, заложили основы принципиальной схемы и конструкции ультрафиолетовых ламп Fusion Systems, а также определили вектор их дальнейшего совершенстования. Данные изобретения созданы с обязательным участием и при ведущей роли Истлунда. После его ухода процесс патентования продолжился в еще бОльших масштабах, но был уже связан с совершенствованием базовых решений, а также с разработкой технологических линий и процессов с использованием ультрафиолетовых ламп. В пакет базовых входят следующие 4 патента:

Патент US-3872349

Название изобретения Apparatus and method for generating radiation - Устройство и способ генерации излучения.

Дата приоритета: 22.08.1973 года.

Патенты и заявки - аналоги: CA-1024246, DE-2439961.

Авторы: Donald M.Spero, Bernard J.Eastlund, Michael G.Ury.

Патентообладатель: Fusion Systems Corporation.

 

Данное изобретение является базовым для всех ультрафиолетовых излучателей фирмы Fusion Systems. Учитывая его определяющий характер, оно было также запатентовано, кроме США, еще и в Канаде и в ФРГ (см. патенты-аналоги). Суть его предельно проста: источником ультрафиолетового излучения является плазма, получаемая ионизацией газа, заключенного внутри цилиндрической колбы, аналогичной колбе люминисцентных ламп (см. схему в правом верхнем углу рис.4.1). Ионизация осуществляется микроволновым излучением, которое от генератора через волновод подается в камеру, образованную рефлектором ультрафиолетового излучения и сеткой, через которую ультрафиолетовое излучение беспрепятственно проходит. Материалы рефлектора и сетки непрозрачны для микроволнового излучения, поэтому оно все концентрируется в камере и направляется со всех сторон на колбу с газом, что обеспечивает его максимально полезное использование - до 90 процентов его энергии трансформируется в ультрафиолетовое излучение.

Рис.4.1. Базовая схема и конструкция ультрафиолетового излучателя Fusion Systems
по патенту US-3872349

 

2 - микроволновый генератор; 3 - волновод; 4,5,11,12 - фланцы с крепежными отверстиями 6,13,18,23;
17 - рефлектор с планкой-держателем 8; 22 - сетка с планками-держателями 9,10; 19 - газонаполненная колба со штифтами 20,21; 7,14 - держатели колбы 19; 15,16 - микроволновый терминатор.

 

В качестве микроволнового генератора используется магнетрон или клистрон. Излучение производится импульсами с частотой заполнения 2450 МГц и частотой повторения 120 Гц. Газ для колбы выбирается с учетом требуемого спектра излучения (в частности, для ультрафиолетового рекомендуется смесь ксенона с парами ртути). Давление в колбе - от 2-х мм.рт.ст. до 2-х атм.

Источники с возбуждением плазмы в газонаполненной лампе с помощью микроволнового излучения на момент патентования данного изобретения уже были известны. Однако они имели большие энергетические потери и ограниченную мощность излучения. Устранение этих недостатков достигнуто в изобретении двумя способами:

Во-первых, микроволновое излучение, создающее плазму, полностью сконцентрировано и равномерно распределено в непрозрачном для электромагнитных волн и не имеющем резонансов кожухе, который образован оптическим рефлектором и защитной сеткой. Это позволяет направить почти всю микроволновую энергию на облучение ионизируемого газа. Кроме того, эта схема позволяет выбирать оптимальные параметры геометрии оптического излучения для конкретного применения, использовать цилиндрические колбы и набирать из них излучатели требуемого размера.

Во-вторых, геометрия объема плазмы и параметры микроволновой энергии в этом объеме выбранны такими, что достигается нелинейный эффект аномального поглощения энергии плазмой за порогом частоты отсечки (частоты полного отражения от ионизированного слоя), позволяющий существенно поднять энергетический порог излучения.

Патент также описывае важные дополнительные решения, касающиеся воздушного и водяного охлажения излучателя, температура которого может достигать 400°C, различные конструктивные решения вариантов отражателя и защитной сетки, решения, связанные с обеспечением модульности конструкции для компоновки излучателей требуемой мощности и конфигурации путем объединения типовых конструктивных компонентов. Кроме того, патент предусматривает дополнительные варианты подвода микроволновой мощности к излучающему модуля, в т.ч. с двух торцов одновременно или сверху. Последний вариант удобен тем, что в этом случае излучатели можно объединять в линейки, устанавливая их торцом к торцу.

Патент US-3911318

Название изобретения: Method and apparatus for generating electromagnwtic radiation - Способо и устройство для генерации электромагнитного излучения.

Дата приоритета: 04.02.1974 года.

Патенты и заявки - аналоги: Нет

Авторы: Donald M.Spero, Bernard J.Eastlund, Michael G.Ury.

Патентообладатель: Fusion Systems Corporation.

 

Вводное замечание. Данное изобретение вместе в предыдущим первоначально было оформлено одной заявкой N 239149 от 29.03.1972. Однако впоследствии заявка была разделена на две с выдачей двух патентов - описанного в предыдущем параграфе US-3872349 c более ранним приоритетом, и рассматриваемого в данном параграфе US-3911318 с более поздним приоритетом. Такое разделение одного изобретения по одной заявке на два и более самостоятельных изобретений часто встречается в патентной практике, особенно в США.

 

Принципиальное отличие данного изобретения от предыдущего состоит в использовании другого механизма возбуждения излучения, в основе которого лежит ударная ионизация нейтральных атомов электронами и ионами, ускоряемыми продольной плазменной волной, что позволяет достичь еще бОльших мощностей излучения. В этом смысле оно является новым изобретением, а не усовершенствованием предыдущего, хотя по основному пункту формулы они весьма близки, при этом ряд важных отличительных признаков в формулу не попал, хотя они и нашли отражение в описании.

Базовая схема источника в соответствии с описанием (но не с формулой!) приведена на рис. 4.2. От схемы предыдущего изобретения она отличается тем, что электромагнитный экран, в полость которого помещена колба с ионизируемым газом, целиком выполнен из металлической сетки, внутри которой создано осевое постоянное магнитное поле, а конец колбы, обращенный к источнику микроволнового излучения, выполнен сужающимся для создания в плазме градиента плотности под заданным углом к линиям магнитного поля. Последний признак в основной пункт формулы не вошел, хотя и нашел отражение в косвенной формулировке в одном из дополнительных пунктов. Подробнее о положенном в основу данного изобретения физическом принципе и способе его использования см. в описании изобретения.

Рис.4.2. Базовая схема ультрафиолетового излучателя Fusion Systems
по патенту US-3911318

40,11 - волновод (прямоугольная+переходная секции); 22 - колба с ионизируемой средой, в т.ч. 12 - прямой участок, 21 - конический участок; 25 - сетчатый участок волновода; 26,28 - фланцы с отверстиями 27,29; 30 - для крепления колбы 22; 31 - герметизирующий экран для хладоагента; 45,46 - катушки Гельмгольца для создания линейного магнитного поля.

 

Основная доля микроволновой энергии, трансформирующейся в оптическое излучение, поступает в плазму с торца колбы, откуда далее распространяется продольной волной. Часть микроволновой энергии, идущая на создание плазмы, проходит в сетчатый участок экрана через отверстие 27 во фланце 26. В качестве плазмообразующей среды может быть использован широкий спектр газов и паров и их смесей в диапазоне давлений от 0,1 до 1 атм. Регулируя состав этой смеси, ее давление, мощность микроволнового излучения и диаметр отверстия 27, можно управлять спектром и мощностью оптического излучения.

Частота микровонового излучения генератора может выбираться в широких пределах от десятков мегагерц до единиц гигагерц, а само излучение может быть постоянным или пульсирующим. Для минимизации потерь в волноводе должна быть создана бегущая волна с минимальным КСВ (коэффициент стоячей волны), что может быть достигнуто выбором размеров конструкции и величины магнитного поля.

Рис.4.3. Варианты ультрафиолетового излучателя Fusion Systems
по патенту US-3911318

 

В патенте описаны также возможные конструктивные варианты устройства (рис.4.3). В частности, микроволновое излучение можно подавать через делитель мощности с двух торцов колбы, что позволяет получить более равномерное по длине колбы оптическое излучение. Если при этом микроволновое излучение подавать радиально и использовать тороидальную колбу, то с торцов через нее можно пропускать обрабатываемый материал, например, полимеризуемую синтетическую нить, которая при этом будет облучаться со всех сторон. Также возможно изменение геометрии светового потока путем использования рефлекторов, линз и других оптических элементов.

Патент US-4042850

Название изобретения: Microwave generated radiation apparatus - Генератор излучения с применением микроволн.

Дата приоритета: 17.03.1976 года.

Патенты и заявки - аналоги: DE-2711278, JPS5744228.

Авторы: Michael G.Ury, Bernard J.Eastlund, Ray S.Braden, Charles H.Wood.

Патентообладатель: Fusion Systems Corporation.

 

В описании данное изобретение позиционируется как улучшение первого изобретения в части повышения КПД, уменьшения времени выхода на режим, минимизации паразитных резонансов, которые ведут к потерям, и повышения равномерности оптического излучения по длине. Колба с плазмообразующей средой здесь точно так же помещена в камеру, образованную рефлектором и сеткой. Микроволновая энергия накачивается в нее сверху радиально, как в одном из вариантов первого изобретения, При этом используются два отдельных микроволновых генератора, а не один с делителем мощности, как во втором изобретении, что позволяет оптимизировать геометрические параметры согласования с камерой, а также разнести их частоты и тем самым минимизировать возможные резонансы и, соответственно, потери.

Рис.4.4. Ультрафиолетовый излучатель Fusion Systems по патенту US-4042850

 

Патент US-4208587

Название изобретения: Method and apparatus for ultraviolet curing of three dimensiomal objects without rotation - Способ и устройство для ультрафиолетовой обработки трехмерных объектов без вращения.

Дата приоритета: 31.08.1976 года.

Патенты-аналоги: нет.

Авторы: Bernard J.Eastlund, Charles H.Wood, Robert W.Couch, Michael G.Ury

Патентообладатель: Fusion Systems Corporation.

 

В отличие от предыдущих, данное изобретение относится не к принципу работы самого излучателя, а к оптической схеме его использования, позволяющей облучать объемные изделия сразу со всех сторон без их вращения. Такое решение позволяет кардинально упростить конвейрные линии, например линии розлива напитков, исключив кинематику вращения бутылок и банок, у которых сушке ультрафиолетовым излучением подвергается наносимая красочная маркировка или наклеиваемые этикетки (см. главу 1, где приводится пример использования данного изобретения на линиях розлива пива компании Coors Beering Co).

Суть данного решения заключается в том, что излучение лампы не фокусируется в одной точке криволинейной поверхности объекта, как это делается при использовании его вращения, а распределяется равномерно по поверхности за счет смещения фокуса вглубь объекта и освещения его двумя лампами с двух противоположных сторон (см. рис.4.5).

Рис.4.5. Использование излучателей Fusion Systems на конвейере по патенту US-4208587

 

Такое решение стало возможным за счет большой мощности излучения УФ ламп Fusion Systems. Несмотря на его простоту и кажущуюся очевидность, его формула отличается большим разнообразием вариантов и содержит 34 пункта, из которых 8 (!) являются независимыми. Они защищают различные варианты размещения длиных ламп относительно конвейера, банок и друг друга, использование разных типов отражателей (эллиптических и параболических), в т.ч. использование и пассивных отражателей. Можно предположить, что целью данного патента было «перекрыть кислород» конкурентам на таком большом рынке, как розлив прохладительных напитков и пива.

 

 

 

 

Еще в конце 80-х число патентов на ультрафиолетвые лампы Fusion Sustems зашкалило и достигло такой величины, что их номера с трудом помещались на приборные шильдики устройств (см. рис. 4.6). Как видно, первыми идут рассмотренные выше базовые патенты за номерами 3872349, 3911318, 4042850 и 4208587 (патент 3983039, указанный третьим, в данном обзоре к базовым не причислен, т.к. не оказал влияния на отличительные признаки семейства ультрафиолетовых ламп и систем на их основе). В дальнейшем число патентов продолжало неудержимо расти, в т.ч. широко практиковалось патентование на основе международных заявок ВОИС.

Рис.4.6. Шильдик с номерами патентов на лампе Fusion Systems выпуска 1990 года.

 

Особая роль в спектре этих изобретений принадлежит патенту US-4504768 Electrodless lamp using a single magnetron and improoved lamp envelope therefor (Безэлектродная лампа с использованием одного магнетрона и улучшенной колбы, авторы Michael G.Ury, Charles H.Wood, Patrick J.Ryan, приоритет от 30.06.1982). Этот патент окончательно определил такие важные характерные признаки ламп Fusion Systems, как вертикальная компоновка с подводом микроволновой энергии в верхней части излучающего модуля, использование одного микроволнового генератора (магнетрона), а также колбы специальной формы с уменьшенным диаметром в средей части для исключения образования ртутного конденсата вследствие меньшей плотности потока энергии в этом сечении при одногенераторной схеме.

Рис.4.7. Ультрафиолетовая лампа Fusion Systems по патенту US-4504768.

 

Значительное число патентов в этом блоке посвящено вопросам начального зажигания плазмы, вопросам контроля состояния лампы и ее узлов и их защиты от недопустимых режиморв, источникам электропитания магнетронов, а также схемам облучения различных трехмерных объектов, в т.ч. нитеобразных для отверждения их покрытий, а также режимам облучения различных субстанций в различных технологических процессах.

 

Образцы ламп Fusion Systems ранней эпохи еще можно встретить на полках eBay - см., например, рис. 4.8, где представлены две модификации на разные удельные мощности излучения (300 вт/дюйм и 600 вт/дюйм) и с разной шириной излучателей (6 и 10 дюймов).

Рис.4.8. Ультрафиолетовые лампы Fusion Systems выпуска начала 90-х годов.

 

Современные модели имеют имеют тот же типоразмерный ряд по ширине излучателя - 6 и 10 дюймов с возможность стыковки ламп торец в торец для набора линеек заданной длины. Типоразмерный ряд их удельных мошностей излучения несколько расширился с учетом потребностей производства. Лампы стали комплектоваться колбами с разными наполнителями, имеющими различные спектры излучения, и дихроическими рефлекторами с разными спектрами отражения. Они стали оснащаться интеллектуальными цифровыми системами контроля и управления с развитой индикацией и разнообразными защитами от критических режимов. Появилось два вида запуска - «холодного» с временем зажигания до 15 секунд и форсированного «горячего» с временем зажигания от 0 до 5 секунд, а также возможность регулирования мощности оптического излучения. К базовой линейке F300/F600 добавилась линейка «Light Hammer». Полный перечень выпускаемых на момент публикации настоящего обзора ламп Fusion Systems под новым лэйблом Heraues см. в рекламном проспекте Heraeus Noblelight: The Power of Light.

Кроме ультрафиолетовых ламп компания разрабатывает и производит процессинговые ультрафиолетовые системы (UV processing systems), представляющие собой установки, оснащенные ультрафиолетовыми лампами и устройствами перемещения/протяжки через зону облучения дискретных или протяженных изделий (проводов, кабелей, оптоволокна и пр.). Полный перечень процессинговых систем см. в указанном рекламном проспекте.

Рис.4.9. Современная ультрафиолетовая лампа Fusion Systems «Light Hammer».

слева - источник питания, справа - излучатель

 

* * *

Т.о., история компании Fusion Systems и ее уникальных ультрафиолетовых ламп является ярчайшим образцом высокоэффективного сплава передовой научно-технической идеи, грамотного и энергичного ее патентования во всех определяющих вариантах и деталях и плодотворной маркетинговой концепции. Эта интеллектуальная конструкция, будучи помноженной на усилия и энтузиазм двигающихся в едином направлении соавторов-единомышленников, дает уникальный, долгоживущий результат и может служить действенным примером для подражания.

* * * * *

 

 

Опубликовано 15.05.2019. Последнее изменение - нет.

© Janto 2019 Все права защищены