Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Entladungslampe.
Entladungslampen weisen ein geschlossenes und ein Entladungsgas beinhaltendes Entladungsgefäß auf. Entsprechend umfasst ein Verfahren zur Herstellung von Entladungslampen das Einbringen des Entladungsgases und das Verschließen des Entladungsgefäßes.
Es ist bekannt, Entladungsgefäßteile in einem Vakuumofen unter einer Entladungsgasatmosphäre zu fügen und zu verschließen. Vor dem Ausbilden der Entladungsgasatmosphäre wird der die Entladungsgefäßteile einschließende Vakuumofen evakuiert, um unerwünschte Gase aus dem Ofen und Adsorbate von den Entladungsgefäßteilen zu entfernen.
Weiter ist es bekannt, Entladungsgefäße mit einem Pumprohr zunächst auszupumpen und dann mit einem Entladungsgas zu füllen. Im Anschluss an das Füllen werden Pumprohre üblicherweise durch Verschmelzen verschlossen; gegebenenfalls werden überstehende Teile entfernt.
Die
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein hinsichtlich des Füllens und Schließens eines Entladungsgefäßes vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Entladungslampe anzugeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Entladungslampe mit den Schritten: Fügen und Füllen eines offenen Entladungsgefäßes der Entladungslampe mit einem ersten Gas in einer Umgebung aus dem ersten Gas, gekennzeichnet durch den sich anschließenden Schritt: Zufügen eines zweiten Gases zu dem ersten Gas in dem gefügten Entladungsgefäß durch ein von der äußeren Umgebung des Entladungsgefäßes abgetrenntes Zuführvolumen.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden im Folgenden ebenfalls näher erläutert.
Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass das Auspumpen und Füllen eines Entladungsgefäßes über ein Pumprohr mit einem hohen Aufwand verbunden ist: Für das Auspumpen wird eine bestimmte Zeit benötigt, zum Erreichen der gewünschten Reinheit muss eine erhebliche Pumpleistung eingesetzt werden, entsprechende Anlagen sind aufwändig und daher teuer. Gerade bei großen Entladungsgefäßen, etwa bei solchen für Flachstrahler mit einer großen Diagonalen, ist es aufgrund der großen Innenfläche des Entladungsgefäßes (an der Adsorbate haften können) schwer, die gewünschte Reinheit zu gewährleisten. Außerdem gehen beim Auspumpen einige Entladungslampen zu Bruch.
Die Erfindung ist weiter durch den Gedanken motiviert, dass das Fügen, also Verbinden, von Entladungsgefäßteilen und das Füllen von Entladungsgefäßen mit einem Gas gleichzeitig durchgeführt werden können.
Schließlich basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass bei Entladungsgefäßen, die dementsprechend in einer Entladungsgasatmosphäre gefüllt und geschlossen werden, etwa beim Fügen von Entladungslampenteilen unter einer Neon/Xenon-Atmosphäre in einem Durchlaufofen, typischerweise ein Teil des Entladungsgases in die Umgebung entweicht und so verloren geht. Einmal ist dies ökonomisch nachteilig, da einige der typischerweise für Entladungsgase verwendeten Gase, wie etwa Xenon, erheblich zu den Kosten des Herstellungsverfahrens beitragen. Außerdem kann das Entladungsgas Komponenten aufweisen, bei denen ein Entweichen in die Umgebung aus anderen Gründen zu vermeiden ist, etwa bei chemisch sehr reaktiven, umweltschädlichen und/oder giftigen Gasen. Ein Auffangen und Zurückführen des nicht in die Entladungsgefäße eingebrachten Gases erfordert einen zusätzlichen apparativen Aufwand, der erheblich sein kann.
Wie bemerkt, weist das Entladungsgas üblicherweise mehrere Komponenten auf, etwa Helium, Neon, Argon und Xenon. Die Idee der Erfindung ist es nun, die letztlich für das Entladungsgas gewünschten Komponenten auf ein erstes Gas und ein zweites Gas zu verteilen und zunächst ein offenes Entladungsgefäß in einer Umgebung aus dem ersten Gas zu füllen. Schließlich wird das Entladungsgas durch das gezielte Einbringen des zweiten Gases in das Entladungsgefäß komplettiert, nachdem das Entladungsgefäß gefügt und zumindest teilweise geschlossen ist.
Für den zweiten Füllschritt wird ein Zuführvolumen verwendet, dass von der Umgebung des Entladungsgefäßes abgetrennt ist, also nicht allein die Umgebung bildet. Hier wird nicht ein Austausch des Inneren des Entladungsgefäßes mit der vollständigen Umgebung des Entladungsgefäßes verwendet, sondern das zweite Gas auf ein bestimmtes Volumen begrenzt und damit gezielt eingesetzt. Unter Umgebung wird hier also die äußere Umgebung des Entladungsgefäßes, nicht der Entladungsraum darin verstanden. In Betracht kommen, worauf jeweils noch näher eingegangen wird, sowohl das Zuführen durch eine Leitung für das zweite Gas und eine Verbindung der Leitung mit einer entsprechenden Befüllöffnung des Entladungsgefäßes als auch die Unterbringung eines mit dem zweiten Gas gefüllten separaten Volumens in dem Entladungsgefäß zur späteren Vermischung der beiden Gase durch Öffnung dieses Volumens nach dem vollständigen Verschließen des Entladungsgefäßes. Im ersten Fall ist das Zuführvolumen außerhalb des Entladungsgefäßes, aber nur ein kleiner Teil seiner Umgebung und von der restlichen Umgebung getrennt. Im zweiten Fall liegt es in dem Entladungsgefäß und ist schon dadurch und durch eine weitere Begrenzung von der äußeren Umgebung getrennt. In beiden Fällen geht es darum, das zweite Gas gezielt und in nicht zu großen Mengen bzw. unter Vermeidung einer Verbreitung in die Umgebung einzusetzen.
Durch das Fügen nach dem ersten Füllschritt wird das Entladungsgefäß zwar vorzugsweise aber nicht notwendigerweise vollständig gasdicht abgeschlossen. So könnte nach dem Schließen auch ein vergleichsweise kleines Loch in der Entladungsgefäßwand verbleiben, durch welches das zweite Gas eingebracht wird. Es kann aber dazu auch wieder geöffnet werden. Alternativ kann das Entladungsgefäß abgeschlossen werden und das gesonderte Volumen mit dem zweiten Gas bereits enthalten.
Insgesamt wird mit der Erfindung also ein Füllschritt mit dem zweiten Gas in der vollständigen Umgebung des Entladungsgefäßes, etwa in einem Durchlaufofen, vermieden.
Es ist entsprechend vorteilhaft, die vergleichsweise günstigen oder chemisch unbedenklicheren Komponenten des Entladungsgases dem ersten Gas zuzuschlagen - die anderen Komponenten dem zweiten Gas.
Da ein Verlust oder eine Ausbreitung des zweiten Gases klein gehalten oder sogar ausgeschlossen werden kann, kann evtl. auch auf eine ggf. aufwendige Rückgewinnung von Komponenten des zweiten Gases verzichtet werden.
Die Erfindung ermöglicht also ein gezieltes Einbringen bestimmter Entladungsgaskomponenten mit dem zweiten Gas. Das zweite Gas und das erste Gas sollen sich also erfindungsgemäß unterscheiden, insbesondere sollen die Komponenten, mit denen ein Befüllen in einer oder aus einer vollständigen Umgebung des Entladungsgefäßes günstig ist, ganz oder zumindest im Wesentlichen dem ersten Gas zugeordnet werden und entsprechend andere Komponenten, bei denen ein gezieltes Einbringen von besonderem Vorteil ist, vor allem dem zweiten Gas zugeordnet werden. Dies lässt sich anhand des Partialdrucks der Entladungsgaskomponenten auch quantifizieren: Es ist bevorzugt, wenn das zweite Gas eine Komponente aufweist, deren Partialdruck in dem Entladungsgas zu zumindest 70 % durch das zweite Gas bedingt ist, noch bevorzugter zu zumindest 90 % bzw. sogar 98 %. In anderen Worten: Das Entladungsgas soll zumindest eine Komponente enthalten, die im Wesentlichen oder praktisch ausschließlich auf den Befüllschritt mit dem zweiten Gas zurückgeht.
Die vorzugsweise vergleichsweise große Öffnung des Entladungsgefäßes vor dem Fügen erlaubt ein zügiges Füllen des Entladungsgefäßes mit dem ersten Gas bzw. sogar ein Spülen mit diesem, insbesondere bei noch vereinzelten Entladungsgefäßteilen. Durch ein solches Spülen des Entladungsgefäßes mit dem ersten Gas, kann dieses gereinigt und können außerdem weitere Verunreinigungen ferngehalten werden - auch in Form unerwünschter Gase. Auf ein aufwändiges Evakuieren einer Kammer, wie beim Vakuumofen, kann hier verzichtet werden.
Werden Entladungsgefäße in einer Gasatmosphäre vollständig geschlossen, sind die Partialdrücke der Komponenten dieses Gases in dem Entladungsgefäß von der Temperatur des Gases während des Schließens abhängig. Sollen für bestimmte Komponenten des Entladungsgases dadurch bedingte Herstellungstoleranzen vermieden werden, so können diese Komponenten dem zweiten Gas zugeschlagen werden.
Es ist bevorzugt, für den ersten Füllschritt einen Durchlaufofen einzusetzen und dabei das erste Gas in einem Durchlaufofen auch zum Reinigen des Entladungsgefäßes und auch zum Fernhalten von Verunreinigungen zu verwenden. Dazu wird in dem Durchlaufofen eine Strömung des ersten Gases und das Entladungsgefäß etabliert. Je nach Verteilung der Entladungsgaskomponenten auf das erste und zweite Gas, muss - auch bei hohen Umsätzen - ggf. keine Rückgewinnung des ersten Gases durchgeführt werden.
Weiter müssen Durchlauföfen nicht, so wie auf Chargenbasis arbeitende Öfen, ständig von einem ausgekühlten Zustand aus aufgeheizt zu werden, was zeit- und energieaufwendig ist; insbesondere bei großen Öfen für große Lampen.
Das Entladungsgas kann Komponenten enthalten, welche eine Analyse des Entladungsgases mittels Spektroskopie erschweren oder sogar verhindern. Entladungsgaskomponenten, die nicht mitanalysiert werden sollen, können mit dem zweiten Gas in das Entladungsgefäß eingebracht werden. Bei einer Ausgestaltung wird also nach dem zumindest teilweisen Schließen des Entladungsgefäßes und vor dem Einbringen des zweiten Gases eine Spektralanalyse des ersten Gases in dem Entladungsgefäß durchgeführt. Beispielsweise könnte man in diesem Zusammenhang bei einem Xenon-/Neon-Gemisch das Xenon über das zweite Gas einbringen. Neon besitzt wie auch andere leichte Edelgase eine wesentlich höhere Anregungsenergie als Xenon, sodass sich Verunreinigungen durch Spektroskopie der Entladungsstrahlung nachweisen lassen. Wegen der relativ niedrigen Anregungsenergie würde Xenon hierbei in der Regel stören. Eine solche spektroskopische Untersuchung kann beispielsweise mithilfe von Hilfselektroden, etwa einfachen Metallstreifen, außerhalb des Ofens und nach dem ersten Füllschritt durch Zündung einer lokalen Entladung erfolgen. Die Hilfselektroden können danach wieder abgenommen werden, sodass sie den weiteren Herstellungsprozess nicht stören und an der fertigen Lampe nicht vorhanden sind.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird das zweite Gas über einen Füllstutzen in das Entladungsgefäß eingebracht. Der Füllstutzen kann beispielsweise bereits vor dem Schließen des Entladungsgefäßes an einem Entladungsgefäßteil angelegt sein und vor und auch nach diesem Schritt vorzugsweise noch verschlossen sein. Alternativ kann aber etwa auch ein Stutzen auf ein nach dem Schließen verbliebenes Loch des Entladungsgefäßes aufgesetzt werden und durch diesen das zweite Gas eingebracht werden. Anschließend kann dieser Stutzen etwa mit dem Entladungsgefäß verschmolzen werden. Der Füllstutzen kann dann vor dem zweiten Füllschritt geöffnet, etwa aufgebrochen werden.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform der Erfindung wird bei dem ersten Füllschritt und dem Fügen eine Ampulle mit dem zweiten Gas in das Entladungsgefäß eingeschlossen und im Anschluss geöffnet. Auf diese Weise ist es möglich, die in das Entladungsgefäß eingebrachte Menge des zweiten Gases genau zu kontrollieren.
Die Ampulle kann beispielsweise mit Hilfe eines Lasers oder anderer elektromagnetischer Wellen aufgebrochen werden. Ist sie geöffnet, so mischt sich das zweite Gas mit dem ersten Gas, um das Entladungsgas zu bilden.
Es ist bevorzugt, die Ampulle am Rand des Entladungsgefäßes aufzunehmen. Liegt die Ampulle außerhalb des Leuchtfeldes, stört sie das von der Entladungslampe abgegebene Licht nicht. Weiter ist es insbesondere am Rand der Entladungslampe möglich, die Ampulle so aufzunehmen, dass sie die Entladung nicht räumlich einschränkt. Vorzugsweise sind im selben Bereich oder benachbart zu der Aufnahme für die Ampulle nicht beschichtete Entladungsgefäßfenster insbesondere Öffnungen in der Leuchtstoffschicht, um die erwähnte Diagnostik durchführen zu können, vorhanden.
Prinzipiell könnte das erste Gas in eine Rückgewinnung eingebunden werden. Der zweistufige Prozess gemäß dieser Erfindung erlaubt es aber gerade, den Befüllvorgang für solche Gase als zweiten Schritt durchzuführen, sodass das erste Gas einfacher und vorteilhafter Weise verworfen werden kann.
Die Erfindung richtet sich insbesondere auf die Herstellung sogenannter Flachstrahler, bei denen das Entladungsgefäß flach und im Vergleich zur Stärke relativ großformatig ausgebildet ist. Üblicherweise werden die großen Seiten des Flachstrahlers durch zwei im Wesentlichen planparallele Platten gebildet. Die Platten können dabei strukturiert sein und müssen, trotz des Namens "Flachstrahler", nicht im strengen Wortsinn flach sein.
Weiter richtet sich die Erfindung insbesondere auf das Herstellen dielektrisch behinderter Entladungslampen. Hier wird die Leistung zum Unterhalt der Entladung über dielektrisch von dem Entladungsgas getrennte Elektroden kapazitiv in das Entladungsgas eingekoppelt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Offenbarte Einzelmerkmale können auch in anderen als in den gezeigten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Die Figuren zeigen:
Die Entladungsgefäßteile 2 entsprechen Deckel (oben) und Boden (unten) des fertigen Entladungsgefäßes 3. Die Entladungsgefäße 3 sind für dielektrisch behinderte Flachstrahler bestimmt. Die außenliegenden Elektroden bzw. deren Kontaktierung werden auf an sich bekannte Weise in folgenden Verfahrensschritten angebracht (nicht gezeigt).
Die Entladungsgefäßteile 2 durchlaufen vor dem Einbringen in den Ofen 1 bereits an sich bekannte Reinigungs- und Bearbeitungsschritte (nicht gezeigt); so werden etwa vorab die Innenseiten der Entladungsgefäßteile mit einem Leuchtstoff und teilweise einer Reflektorschicht beschichtet.
Der Durchlaufofen 1 weist Heizelemente 7 zum Aufheizen des Ofeninneren auf. Gaszuführungen 8 sind mit weiteren Heizelementen 9 versehen. Das Ofeninnere wird durch die Heizelemente 7 und durch ein über die Gaszuführungen 8 eingebrachtes und mit den Heizelementen 9 erhitztes erstes Gas aufgeheizt.
Zum Fügen der zunächst noch beabstandeten Entladungsgefäßteile 2 sind zwischen diese SF6-Glasstücke als Abstandshalter gelegt. Durch die hohe Temperatur in dem Durchlaufofen 1 erweichen diese und das obere Entladungsgefäßteil 2 senkt sich auf das untere Entladungsgefäßteil 2 ab. Die Ränder der Entladungsgefäßteile 2 sind mit einem Glaslot versehen, das in dem Durchlaufofen 1 angeschmolzen wird und über das die Entladungsgefäßteile 2 gasdicht miteinander gefügt werden.
Vor dem eigentlichen Befüllen müssen die Entladungsgefäßteile bzw. die gefügten Entladungsgefäße in an sich bekannter Weise gereinigt und gespült werden, um Restfeuchtigkeit und eventuelle Restbestandteile organischer Materialien wie Lösungsmittel oder Binderbestandteile zu entfernen.
Das Ofeninnere wird über die Gaszuführungen 8 mit dem ersten Gas, einer Helium/Neon-Mischung, geflutet. Dabei wird die Helium/Neon-Mischung mit einem ausreichenden Druck eingebracht, um einen ständigen Strom durch das Ofeninnere und die Öffnungen 5 und 6 des Durchlaufofens zu gewährleisten. Zwischen den zunächst noch beabstandeten Entladungsgefäßteilen 2 befindet sich, neben den SF6-Glasstücken, innerhalb des Durchlaufofens ausschließlich das durch die Gaszuführungen 8 eingebrachte erste Gas. Sobald die SF6-Glasstücke weich werden, wird das erste Gas beim Absenken des oberen Entladungsgefäßteils 2 auf das untere Entladungsgefäßteil 2 eingeschlossen.
Ein Herstellungsverfahren unter Verwendung eines Durchlaufofens mit mehreren Ofenkammern in denen verschiedene Arbeitsschritte durchgeführt werden, ist in der
Bevorzugt findet zum Öffnen der Ampullen ein IR-Laser Verwendung. Es können beispielsweise auch Mikrowellen eingesetzt werden. Jedenfalls können durch Energieeinkopplung in Teilbereiche der Ampullen Temperaturgradienten erzeugt werden, die durch Materialspannungen zum Bruch führen. Dazu sind die Teilbereiche, etwa Ampullenspitzen, beispielsweise metallbeschichtet.
Das Entladungsgefäß ist 40 cm breit, 70 cm lang und im Mittel innen 0,3 cm hoch, stellenweise jedoch auch bis zu 0,55 cm hoch (lichte Höhe innen). Die Ampullen haben 1 mm starke Wände aus Quarz, sind 67 cm lang und haben einen Innendurchmesser von 3 mm. Bei einem Xenon-Druck von 10 bar innerhalb der Ampullen 12 (bei Raumtemperatur) ergibt sich ein Xenon-Partialdruck von 0,1 bar innerhalb des Entladungsgefäßes 3, wenn die Ampullen durch Lasereinstrahlung geöffnet werden und sich das Xenon in dem Entladungsgefäß 3 verteilt hat (bei Raumtemperatur).
Vor dem Öffnen der Ampullen wird das Emissionsspektrum der He/Ne-Mischung untersucht. Verunreinigungen können so festgestellt werden und die Produktion weiterer mangelhafter Entladungslampen vermieden werden.
Das Füllvolumen 15 ist über ein erstes Ventil 17 mit einem Gasauslass verbunden und über ein zweites Ventil 18 mit einem Gaseinlass. Es verfügt ferner über eine angedeutete Heizung 19. Das Füllvolumen 15 ist Bestandteil einer weiteren Vorrichtung zum Befüllen, also nicht des Durchlaufofens, und umgreift den Füllstutzen 13 in der hier skizzierten Weise. Der Außenbereich des Füllstutzens 13 und das Innere des Füllvolumens 15 werden durch einen Spülschritt unter Verwendung der beiden Ventile 17, 18 und des Gaseinlasses und -auslasses gereinigt. Optional kann bei geschlossenem zweiten Ventil und geöffnetem ersten Ventil auch zu Reinigungszwecken abgepumpt werden.
Der Füllstutzen 13 wird durch eine nicht gezeichnete mechanische Einrichtung (Durchführung in das Füllvolumen 15) oder auch durch IR-Laser- oder Mikrowellenbestrahlung auf einer Metallbeschichtung an seinem Ende geöffnet, um ein zweites Gas in das Innere des Entladungsgefäßes einzubringen, das zuvor über den Gaseinlass in das Füllvolumen 15 eingebracht wurde. Hierbei wird ein Gasdruck eingestellt, der nach Öffnung des Füllstutzens 13 zu der gewünschten Entladungsgasmischung in dem Entladungsgefäß selbst führt.
Der Füllstutzen 13 kann durch Abschmelzen und Abziehen mit einer Flamme in von sogenannten Pumpstengeln in der Lampentechnik allgemein bekannter Weise gekürzt und verschlossen werden, wenn der zweite Befüllschritt abgeschlossen ist. Er besteht vorzugsweise aus demselben Glasmaterial aus dem auch das Deckglas des Entladungsgefäßes besteht.
In der geschilderten Weise kann alternativ zu der zuvor anhand
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.