Kathodenstrahlröhren

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre mit einem Grundkörper, der zumindest von einem Bildschirm, einem Trichterkörper und einem Parabelbereich gebildet ist. Zur Verbesserung des Implosionsschutzes ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in den Grundkörper zumindest eine Sollbruchstelle eingebracht ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Kathodenstrahlröhren, speziell eine Fernsehröhre. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Implosionssicherheit von Kathodenstrahlröhren zu erhöhen.

[0002] Eine Kathodenstrahlröhre gliedert sich in folgende Bereiche: Den Trichterhals, der die Elektronenstrahlkanone enthält und zylindrisch ausgebildet ist; dem Parabelbereich, um den herum die Ablenkspule zur Führung des Elektronenstrahls angeordnet ist und der in der Regel eine runde oder auch rechteckförmige, anwachsende Querschnittsfläche aufweist; dem Trichterkörper, dessen Querschnittsfläche stetig zunimmt und in der Regel von einer runden oder ovalen in eine rechteckige Form übergeht, bis die Querschnittsfläche des Bildschirmes erreicht ist. Trichterkörper und Bildschirm werden über Kontakflächen, im folgenden Lötkanten genannt, miteinander verbunden.

[0003] Weiterhin wird in der Regel ein sogenanntes Implosionsband auf den Steg des Bildschirmes aufgebracht, um der statischen Verformung und damit den erzwungenen Spannungen entgegenzuwirken. Eine solche Röhre ist in Fig. 1 dargestellt.

[0004] Die Röhre selbst steht bekanntlich innen unter Vakuum. Dadurch wird in den Glasteilen eine komplexe, mehr oder weniger hohe Spannung erzeugt. Durch sehr schnelle Termperaturänderungen oder/und äußere Beschädigung kann eine solche Kathodenstrahlröhre implodieren. Entstehende Glassplitter werden u.a. auch durch Streuung durch den Bildschirm wieder nach außen geschleudert, was zu erheblichen Verletzungen führen kann.

[0005] In der Vergangenheit wurden einige Methoden beschrieben, um die Fernsehröhre implosionssicherer zumachen, was u.a. in folgenden Patenten nachzulesen ist: US 5,055,934; US 4,943,862; US 4,158,419.

[0006] Häufig zu finden ist, dass die Implosionssicherheit durch ein sogenanntes Implosionsband verbessert werden soll. Ein solches Implosionsband wird in der Regel auf den Steg des Bildschirmes geschrumpft, es sind allerdings auch andere Spannmöglichkeiten im Gebrauch, wie zum Beispiel beschrieben in US 4,567,626. Dadurch soll der Verformung des Bildschirmes, die durch das innere Vakkum hervorgerufen wird, entgegengewirkt werden. Der Bildschirm soll somit physikalisch stabilisert werden. Durch ein solches Implosionsband wird im Grund nichts anderes gemacht, als bestimmte Verformungen einzuschränken. Bei einer eintretenden Implosion können daher immer noch entstehende Glassplitter durch den Bildschirm geschleudert werden. Daher birgt eine solche Lösung immer noch ein realtiv großes Gefahrenpotential. Weiterhin ist im Patent US 4,158,419 angegeben, dass das Prinzip eines Implosionsbandes, so wie es oben beschrieben ist, nicht auf alle Bildschirmtypen anwendbar ist, wie z.B. bei Flachbildschirmen. Auch für große Fernsehröhren ist ein Implosionsband nicht mehr geeigent (Patent US 4,943,862).

[0007] Weitere Möglichkeiten des Implosionsschutzes bei Kathodenstrahlröhren sind Vorsätze, die auf dem Bildschirm aufgebracht werden. Solche Vorsätze können zum Beispiel eine Vorsatzschreibe sein, wie sie zum Beispiel im Patent US 4,204,231 beschrieben ist, oder spezielle Coatings (wie zum Beispiel Harze; beschrieben zum Beispiel im Patent US 4,943,862). Diese Maßnahmen können zwar ein Herausschleudern von entstehenden Glassplittern bei einer Implosion vermeiden, indem zum Beispiel das Harz die entstehenden Glassplitter bindet, allerdings hat ein solches Verfahren auch diverse Nachteile. Das Aufbringen jedes einzelnen Coatings, beziehungsweise jeder Vorsatzscheibe, ist ein weiterer Prozeßschritt, der zum Einen teuer ist und zum Anderen auch Fehlerpotentiale bietet, wie zum Beispiel das Entstehen von Blasen, Unreinheiten, usw. Tritt ein solcher Fehler auf, so ist der beschichtete Bildschirm in der Regel nicht mehr in der weiteren Porzeßkette verwendbar. Es entstehen somit weitere Mehrkosten durch einen erhöhten Ausschuss. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass ein so bearbeiteter Bildschirm nach dem Ende seiner Lebensdauer nicht ohne Aufbereitung (Abtrennen der Beschichtungen) recycelt werden kann. Gerade dieser Punkt stellt im Zuge des steigenden Umweltschutzes einen entscheidenden Nachteil dar.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kathodenstrahlröhre bzw. eine Fernsehröhre, zu finden, die gegenüber den bekannten, bisher eingesetzten, einen verbesserten Implosionsschutz bietet.

[0009] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in den Grundkörper zumindest eine Sollbruchstelle eingebracht ist.

[0010] Bei dieser Anordnung weist die Kathodenstrahlröhre unter normaler Vakuumbelastung eine ausreichende Festigkeit auf, während sie bei einer schlagartigen Stoßbelastung mit einem Geschoss nach VDE 0864 an der Sollbruchstelle definiert bricht. Dadurch wird der Glasauswurf nach vorne, der zu erheblichen Sicherheitsrisiken führt, verhindert, beziehungsweise minimiert. Darüber hinaus wird die Kathodenstrahlröhre gewichtsreduziert. Dies bedeutet, dass weder die Wanddicke vergrößert werden muß, noch zusätzliche Bauteile auf die Kathodenstrahlröhre aufgebracht werden müssen. Weiterhin bleibt die Fernsehröhre recycelfähig, ohne dass weitere Arbeitsschritte zum Trennen von Materialien notwendig sind.

[0011] Die erfindungsgemäße Sollbruchstelle kann in Form einer definierten Schwächung des Materials eingebracht sein. Darunter wird im Folgenden verstanden, dass sich die Steifigkeit des Röhrenmaterials (in der Regel Glas) an einer definierten Stelle der Röhre abrupt ändert, zum Beispiel durch einen eingebracht Nut, beziehungsweise eine Kerbe, beziehungsweise eine Art Perforation, beziehungsweise eine gezielte Verletzung, die in die Kathodenstrahlröhre eingebracht wird, oder eine abrupte, scharfkantige Änderung der Wanddicke.

[0012] Solche Materialschwächungen können sowohl bei der heißformgebenden Herstellung, als auch nach der Heißformgebung, zum Beispiel durch Fräsen, Bohren, Ätzen oder Ähnlichem, eingebracht werden. Eine solche Schwächung des Materiales kann sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite der Röhre angebracht werden.

[0013] Eine Sollbruchstelle bietet die Möglichkeit, aus Implosionsgründen bisher dickwandig ausgeführte Bereiche der Röhre wie zum Beispiel die Schirmfrontseite, dünnwandiger auszuführen und dennoch eine sichere Röhre zu erhalten. Dadurch wird zusätzlich Material und damit Gewicht und Kosten gespart.

[0014] Für die Implosionsursache an Kathodenstrahlröhren wurden zwei Überlegungen angstellt:

1. Der Einschlag ist so stark, dass die Röhre beim Auftreffen eines "Geschosses " zerstört wird. In diesem Fall herrscht auf der Innenseite, gegenüberliegend der Seite, wo das Geschoss auftrifft, eine so hohe Zugspannung, dass der Bildschirm von diesem Punkt aus sternförmig bricht und implodiert.

2. Hat der Einschlag eine geringere Energie, so dass der Bildschirm beim Auftreffen des Geschosses nicht spontan reißt, breitet sich eine Stoßwelle in der Röhre von vorn nach hinten aus. Bei ausreichend hohem Energie-Eintrag reißt die Röhe in der Regel an der Stelle des kleinsten Querschittes, da sich hier die Spannungen konzentrieren. Diese Stelle ist in der Regel der Parabelbereich.

[0015] Diese beiden Brucheigenschaften wurden durch Experimente bestätigt.

[0016] Weiterhin wurde die Überlegung angestellt, dass eine Sollbruchstelle im günstigsten Fall in den Regionen der Röhre angebracht werden sollte, in denen unter reiner Vakuumbelastung schon hohe Spannungen herrschen. Dadurch soll ein Rissfortschritt positiv unterstützt werden. Hierfür kommen prinzipiell vier Bereiche in Betracht:

1. Schirmumlaufkante

2. Stegbereich im Schirm

3. Parabelbereich

4. Trichterbereich

[0017] Finite-Elemten Berechnungen wurden durchgeführt, um die Spannungen in einer Kathodenstrahlröhre mit Sollbruchstellen zu simulieren. Der Grundgedanke liegt darin, dass die Zugspannung, erzeugt durch einen Geschoß-Einschlag, auf der Frontseite in der Mitte des Bildschirmes, an der Sollbruchstelle höher sein soll, als auf der Innenseite des Bildschirmes beim Geschoß-Auftreffpunkt. Dadurch soll gewährleistet werden, dass die Röhre an der Sollbruchstelle reißt. Voraussetzung dabei ist aber, dass die Röhre unter reiner Vakuum-Belastung den erzeugten Zugspannungen standhält.

[0018] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

in Seitendarstellung und im Schnitt eine Kathodenstrahlröhre gemäß dem Stand der Technik

Fig. 2 bis 4

jeweils in Detailansicht und im Schnitt einen Abschnitt einer Kathodenstrahlröhre

Fig. 5

in Draufsicht und im Schnitt einer Teildarstellung einer Kathodenstrahlröhre

Fig. 6

in Teildarstellung und perspektivischer Ansicht einen Eckbereich einer Kathodenstrahlröhe und

Fig. 7

ein Spannungsdiagramm

[0019] Fig. 1 zeigt eine Kathodenstahlröhre gemäß dem Stand der Technik.

[0020] Im Folgenden werden die vorzusehenden Sollbruchstellen anhand der Fig. 3 bis 6 näher erläutert. Zur weiteren Erläuterung der Geometrien ist in Fig. 2 der Öffnungswinkel ϕ und der Verrundungsradius R dargestellt.

[0021] Fig. 3 zeigt die Sollbruchstelle 9 an der Schirmumlaufkante 8, die als besonders geeignet angesehen werden kann. In Fig. 3, gestrichelt dargestellt, ist die Standardausführung der Schirmumlaufkante 8. Es ist deutlich zu erkennen, dass durch eine solche Sollbruchstelle 9 auch Glasmaterial und damit auch Gewicht und Kosten eingespart werden können. Die Gewichtseinsparung hängt von der Größe des Bildschirmes 4 und der Nuttiefe ab und kann zum Beispiel im Bereich von etwa 0,5 kg bis 2 kg liegen. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung einer Sollbruchstelle 9 ist, dass diese sehr leicht herstellbar ist. Die Zugspannungen in der Schirmumlaufkante 8, die bei einem Geschoß-Einschlag in der Mitte des Bildschirmes 4 erzeugt werden, liegen nach 5 x 10^-4s in einem Bereich von 40 Mpa, was der Spannung auf der Innenseite des Bildschirmes 4 beim Geschoß-Aufschlagpunkt entspricht, was wiederum der oben beschriebenen Vorgabe entspricht. Günstig wirkt es sich aus, wenn eine solche Bruchstelle ganz um den Bildschirm 4 herumläuft. Denkbar ist aber auch, eine solche Einkerbung nur an den Ecken der Diagonalen des Bildschirmes 4 anzubringen, was einer Art Perforation entspricht, die weiter unten beschrieben wird. Diese Aussage gilt grundsätzlich für alle Solbruchstellen 9, die in das Röhrenmaterial eingebracht werden. Die verbleibende Wandstärke an der dünnsten Stelle der Sollbruchstelle 9 sollte einen Wert von 60 % der kleinsten Wandstärke in der Schirm-Front nicht unterschreiten, da ansonsten die statische Vakuumfestigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Wird dieser Wert unterschritten und trotzdem eine sichere Röhre erreicht, so ist der Bildschirm 4 allgemein zu dick ausgelegt und dem zu Folge überflüssig schwer und teuer.

[0022] Fig. 4 zeigt eine Variante einer Kerbe im Bereich des Steges 7 des Bildschirmes 4. Es hat sich am Effektivsten herausgestellt, wenn eine solche Kerbe V-förmig ausgeführt ist und nicht verrundet ist, da dann die erzeugte Kerbwirkung am höchsten ist. Trifft ein Geschoß auf den Bildschirm 4 auf, so wird in der Kerbe innerhalb kürzester Zeit eine Spannung erzeugt, die 100Mpa übertrifft. Aufgrund der rapide ansteigenden Spannung ist eine solche Nut abzurunden mit einem Radius R, da ansonsten damit zu rechnen ist, dass bei jeder noch so kleinen Erschütterung die Röhre implodiert. Als geeignet hat sich ein Verrundungsradius im Bereich von 0,1 mm ≤ R ≤ 10mm herausgestellt. Ist der Radius kleiner, so wird die Kerbwirkung, wie beschrieben, zu groß; wird der Radius größer, läßt die Kerbwirkung rapide nach. Der Öffnungswinkel der Kerbe sollte in einem Bereich von 0° ≤ ϕ ≤ 170° betragen, wobei ϕ =0° einer rechteckförmigen Nut entspricht. Grundsätzlich ist aufgrund der höheren Kerbwirkung eine V-förmige Kerbe vorzuziehen. Solche Kerben, beziehungsweise Nuten, können nicht nur im Bildschirm 4, sondern auch in den Trichterkörper 3, beziehungsweise in den Parabelbereich 2 eingebracht werden, wie zum Beispiel in Fig. 5 dargestellt. Denkbar ist auch eine Kombination von Sollbruchstellen 9. Die verbleibende minimale Wandstärke in der Kerbe sollte einen Wert von 40 % von der eigentlichen Wandstärke in dem jeweiligen Bereich nicht unterschreiten, um die statische Vakuumfestigkeit nicht zu gefährden. Wird dieser Wert unterschritten und trotzdem eine sichere Röhre erreicht, so ist der Bildschirm 4 allgemein zu dick ausgelegt und dem zu Folge überflüssig schwer und teuer.

[0023] Abbildung 6 zeigt eine Sollbruchstelle 9 im Bereich des Steges 7 in Form einer Perforation. Als Perforation wird im Folgenden bezeichnet eine abrupte Querschnittsverengung des Bildschirmes 4, des Steges 7, des Trichterkörpers 3 oder des Parabelbereichs 2, die über den Umfang mindestens zweimal in regelmäßigen Abständen auftritt. Beispiele hierfür sind zum Beispiel Bohrungen (wie in Abbildung 6 gezeigt), aber auch V- und Längsnuten. Wie oben beschrieben gilt auch bei solchen Perforationen, dass die minimale Wandstärke in einer solchen Sollbruchstelle 40 % der eigentlichen Wandstärke in den jeweiligen Bereich nicht unterschreiten sollte. Wie auch bei der oben beschriebenen Nut an der Schirmumlaufkante 8 werden bei solchen Perforationen schon nach 5 x 10^-4s Spannungen im Bereich von 40 MPa erzeugt.

[0024] In Fig. 7 ist ein Vergleich der Spannungen im statischen und dynamischen Fall gezeigt; statisch bedeutet hier reine Vakuum-Belastung, dynamisch bedeutet Vakuumlast plus Geschoß-Aufschlag nach 0,5ms aus einer Fallhöhe von 300mm. Die Spannungskurve gilt für eine Sollbruchstelle 9, wie sie in Abbildung 3 gezeigt ist. Sie ist aber auch in ihrem prinzipiellen Verlauf auf die anderen, beschriebenen Sollbruchstellen 9 übertragbar. Es ist deutlich zu sehen, dass im Vergleich zur statischen Belastung im Bereich der Sollbruchstelle 9 unter dynamischer Last sehr hohe Zugspannungen erzeugt werden. Der übrige Bereich des Bildschirmes 4 wird vergleichsweise wenig belastet.

Ansprüche

1. Kathodenstrahlröhre mit einem Grundkörper, der zumindest von einem Bildschirm (4), einem Trichterkörper (3) und einem Parabelbereich (2) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in den Grundkörper zumindest eine Sollbruchstelle (9) eingebracht ist.

2. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollbruchstelle (9) in Form einer Steifigkeitsänderung in das Material des Grundkörpers eingebracht ist.

3. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollbruchstelle (9) als Materialquerschnitts-Verjüngung in Form einer Nut, einer Kerbe, einer Perforation, einer scharfkantigen Wanddickenänderung oder als Sackloch ausgebildet ist.

4. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialquerschnitts-Verjüngung zur Außenseite des Grundkörpers hin mit einem Öffnungswinkel von 0° ≤ ϕ ≤ 170° erweitert sind, und/oder
dass die Sollruchstelle (9) an ihrem, der Innenseite des Grundkörpers zugekehrten Bereich verrundet sind, wobei der Verrundungsradius im Bereich zwischen 0,1 mm und 10 mm liegt.

5. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper im Bereich zwischen dem Bildschirm (4) und dem Trichterkörper (3) einen Steg (7) aufweist,
dass die Sollbruchstelle (9) in dem Parabelbereich (2) und/oder in den Trichterkörper (3) und/oder in dem Steg (7) und/oder in den Bildschirm (4) eingebracht ist, und
dass das Verhältnis der Tiefe (TBS) der Sollbruchstelle (9) zur Wanddicke des Parabelbereiches (2), des Trichterkörpers (3), des Steges (7) und/oder des Bildschirmes (4) in dem an die Sollbruchstelle (9) seitlich anschließenden Materialbereich im Bereich zwischen 0,4 und 0,95 liegt.

6. Kathodenstrahlröhe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollbruchstelle (9) in die zwischen dem Bildschirm (4) und dem anschließenden Steg (7) gebildeten Schirmumlaufkanten (8) eingebracht ist.

7. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis von minimaler Wanddicke der Sollbruchstelle (TBS) zur minimalen Wanddicke im Frontbereich des Schirmes T_SCH im Bereich von 0,6 ≤ T_BS/T_SCH ≤ 1,6 liegt.

8. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollbruchstelle (9) umlaufend ausgebildet ist.

9. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollbruchstelle (9) bei der heißformgebenden Herstellung in den Grundkörper eingebracht ist.

10. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sollbruchstelle (9) durch Materialabtrag, beispielsweise durch Fräsen, Bohren oder Ätzen, in den Grundkörper eingebracht ist.

Zeichnung