DE10015847C2 - Vorrichtung zum Bedampfen von Schwarzweiß- oder Farbbildröhren mit Aluminium - Google Patents

Vorrichtung zum Bedampfen von Schwarzweiß- oder Farbbildröhren mit Aluminium

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bedampfen von Schwarzweiß- oder Farbbildröhren mit Aluminium umfassend eine stirnseitige Einspannvorrichtung und einen keramischen Blitz- Verdampfer.
Schwarzweiß- oder Farbbildröhren werden mit Aluminium bedampft, um eine elektrisch leitende Schicht von einigen 100 nm in den Bildröhren zu erzeugen. Diese Schicht stellt die Elektrode zur Beschleunigung der Elektronen in der funktionsfertigen Bildröh­ re dar.
Die Bedampfung erfolgt in einer Bedampfungsanlage in der zahl­ reiche Vorrichtungen zum Bedampfen von Schwarzweiß- oder Farb­ bildröhren mit Aluminium vorhanden sind. Die einzelne Vorrich­ tung zum Bedampfen einer Bildröhre mit Aluminium besteht aus einem Blitz-Verdampfer und einer Vorrichtung zur Einspannung des Blitz-Verdampfers.
Die Maße der bekannten Blitz-Verdampfer betragen üblicherweise 4 × 6 × 110 mm. In den Verdampfer wird in der Regel eine Kavi­ tät mit rechteckigem Querschnitt (Fig. 1 Schnitt A-A) durch Schleifen oder Fräsen eingearbeitet. Die Kavität hat üblicher­ weise die Dimension 2 × 4 × 40 mm oder 2 × 4 × 60 mm. Die Blitz-Verdampfer werden in der Bedampfungsanlage üblicherweise seitlich eingespannt, wobei die Klemmung auf der Stahleinspan­ nung, die mit einer Nut zur Aufnahme des Verdampfers versehen ist, mittels einer Stahlplatte und Schrauben erfolgt. Die Klem­ mung kann im einfachsten Fall auch mit Hilfe von Schrauben zwi­ schen Stahlplatten erfolgen, wie dies beispeilsweise aus DE 197 35 814 bekannt und in Fig. 1 dargestellt ist. Die Stahlplatten sind über Kabel mit einer Stromquelle verbunden, wobei zur bes­ seren Kontaktierung zwischen Stahlplatte und Verdampfer eine Graphitfolie liegt. Die Breite der seitlichen Einspannung beträgt an den Enden etwa 15 mm, so daß sich mit einer Verdamp­ ferlänge von 110 mm eine aufzuheizende Länge (wirksame Länge) des Blitz-Verdampfers von 80 mm ergibt. Solche üblichen Ein­ spannvorrichtungen sind z. B. in US 5,410,631 beschrieben.
Das Bedampfen der Bildröhren erfolgt folgendermaßen:
In die Kavität des Blitz-Verdampfers wird ein Stück Aluminium (< 100 mg), in der Regel als zylinderförmiger Al-Körper (ein sog. Pellet), gelegt. Über dem Blitz-Verdampfer wird der zu be­ dampfende Bildröhrendeckel in geeigneter Entfernung positio­ niert. Anschließend erfolgt die Evakuierung des Raumes unter­ halb des Bildröhrendeckels, so daß der Blitz-Verdampfer mit der Einspannung in diesem Vakuum liegt (ca. 10-5 mbar).
Durch direkten Stromdurchgang wird der Blitz-Verdampfer erhitzt und das in seiner Kavität liegende Aluminium zunächst aufge­ schmolzen und dann verdampft. Die Zeit, die für diesen Vorgang benötigt wird, beträgt von ca. 40 sec. bis zu 2 min. Die Strom­ dichten, die dabei auftreten, erreichen Werte bis zu 103 A/cm2. Die hohe Strom- und Temperaturbelastung begrenzt die Lebensdau­ er des Blitz-Verdampfers, so daß er üblicherweise nach 500- 900 Aufheizzyklen ausgetauscht werden muß.
Die übliche seitliche Einspannung birgt ein großes Risiko hin­ sichtlich einer unsymmetrischen mechanischen Belastung des Ver­ dampfers beim Einspannen bzw. Anziehen der für die Klemmung be­ nötigten Schrauben. Häufig wird der Verdampfer durch das Anzie­ hen der Schrauben auf Torsion und/oder Biegung beansprucht, was zu thermomechanischen Spannungen im Verlauf des Aufheizzyklus führt. Dies kann zum Versagen des Verdampfers durch Bruch füh­ ren.
US 3 387 116, DE 196 32 581 A1 und DE 41 23 342 C2 offenbaren Widerstandsverdampfer zur Metallbeschichtung umfassend ein Ver­ dampferschiffchen und beidseitige Kontaktblöcke mit planpara­ lellen Kontaktflächen, wobei ein Kontaktblock ortsfest und der gegenüberliegende axial verschieblich mit Federkraft beauf­ schlagt angeordnet ist. Die Kontaktblöcke sind von Stützen gehalten und elektrisch voneinander getrennt und die Einspann­ kraft ist über die Federspannung einstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bedampfen von Schwarzweiß- oder Farbbildröhren mit Aluminium umfassend eine Einspannvorrichtung und einen keramischen Blitz- Verdampfer zur Verfügung zu stellen, welche die Probleme der üblichen Einspannung vermeidet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Einspannvorrichtung (1) aus einem elektrisch isolierenden Grundkörper (2) und zwei Einspannblöcken (3, 4) besteht, wobei der Grundkörper (2) die zwei Einspannblöcke (3) und (4) elektrisch voneinander trennt und die zwei Einspannblöcke (3, 4) den Blitz-Verdampfer (5) an seinen Stirnflächen mittels je einer planparallelen Kontaktflä­ che fixieren und die Stromeinleitung in den Blitz-Verdampfer (5) durch diese planparallelen Kontaktflächen erfolgt, wobei der eine Einspannblock (3) am Grundkörper (2) fixiert ist und der andere Einspannblock (4) axial beweglich ist und mittels einer Feder (6) so vorgespannt werden kann, daß bei eingespann­ tem Verdampfer (5) die Einstellung einer definierten axialen Einspannkraft möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ spannblock (3) mit dem Grundkörper (2) verschraubt ist und der Einspannblock (4) mit Hilfe eines Stiftes (7) gegen Verdrehung gegenüber dem Grundkörper (2) gesichert und formschlüssig mit einer Gewindestange (8) verbunden ist, wobei die Gewindestange (8) im Grundkörper (2) so gelagert ist, daß sie in Längsrich­ tung verschiebbar und in Umfangsrichtung drehbar ist und wobei sich auf der Gewindestange (8) eine Feder (6) und eine Schraube (9) befinden, und die Feder (6) mittels der Schraube (9) vorge­ spannt werden kann, sobald der Blitz-Verdampfer (5) zwischen die planparallelen Kontaktflächen der Einspannblöcke (3) und (4) eingebracht wird.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung. In Fig. 2 erfolgt die formschlüssige Verbindung von Einspannblock (4) mit der Gewindestange (8) durch einen Gewin­ destift (10).
Die Vorspannung der Feder (6) mittels der Schraube (9) erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Werkzeuges, vorzugsweise mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels. Dadurch ist die Einstellung einer definierten Einspannkraft möglich.
Vorzugsweise besteht der elektrisch isolierende Grundkörper (2) aus einer elektrisch isolierenden Keramik, besonders bevorzugt aus einer BN-Keramik.
Vorzugsweise bestehen die Einspannblöcke (3; 4) der Einspann­ vorrichtung (1) aus Stahl, besonders bevorzugt aus Edelstahl.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Feder (6) um eine Teller­ feder oder ein Paket aus Tellerfedern oder um eine Spiralfeder. Vorzugsweise ist die Feder aus einem hochtemperaturfestem Stahl gefertigt, der besonders bevorzugt für Betriebstemperaturen bis 500°C geeignet ist.
Die Stromzufuhr zum Erhitzen des Blitz-Verdampfers erfolgt in üblicher Weise über die Einspannblöcke. Zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen Verdampfer und den Einspannblö­ cken wird vorzugsweise eine Graphitfolie zwischen die jeweilige Verdampferkontaktfläche und die jeweilige Kontaktfläche des Einspannblockes geklemmt.
Im Verlauf des Erhitzens eines in einer Einspannvorrichtung be­ festigten Verdampfers kommt es zu einer thermischen Ausdehnung des Verdampfers. Die thermische Ausdehnung eines Blitz- Verdampfers üblicher Dimension bei der Aufheizung von Raumtem­ peratur auf Betriebstemperatur beträgt ca. 1-2 mm. Die Kom­ pensation der thermischen Ausdehnung des Verdampfers im Verlauf der Aufheizung erfolgt in der erfindungsgemäßen Einspannvor­ richtung durch die Feder (6). Es ist daher erforderlich, daß ein ausreichender Federweg (in der Regel mindestens etwa zwei mm) zur Verfügung steht, der in einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Kontakt­ flächen der Einspannblöcke um mindestens die thermische Dehnung des Blitz-Verdampfers zuläßt. Dies ist notwendig, um während der Aufheizung des Blitz-Verdampfers und der Verdampfung des Aluminiums aus dem Blitz-Verdampfer eine Biegebeanspruchung des Blitz-Verdampfers zu vermeiden. Die Federkonstante ist daher vorzugsweise so gewählt, daß bei thermischer Dehnung des Blitz- Verdampfers die zur Verkürzung der Feder um die Länge der ther­ mischen Dehnung des Blitz-Verdampfers notwendige Kraft kleiner ist, als die Kraft, die durch die thermische Dehnung des Blitz- Verdampfers von diesem auf den beweglichen Einspannblock ausge­ übt wird. Voraussetzung dafür ist, daß die Bewegung der Gewin­ destange im Isolationskörper weitgehend reibungsfrei erfolgt.
Liegt eine nicht zu vernachlässigende Reibung zwischen Gewinde­ stange und dem isolierenden Grundkörper vor, so sollte die Fe­ derkraft um die wirkende Reibungskraft vermindert werden, was eine entsprechend geringere Federkonstante D zur Folge hat.
Die Federkonstante D läßt sich beispielsweise wie folgt ab­ schätzen:
Die für Verdampferschiffchen in Bandbedampfungsanlagen aufge­ brachte Einspannkraft beträgt ca. 70 N/cm2, so daß für Blitz- Verdampfer mit dem Querschnitt 4 × 6 mm2 eine Einspannkraft von ca. 16,8 N notwendig ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient für übliches TiB2/BN/AlN Verdampfermaterial beträgt ca. 5- 8 . 10-6 l/K, so daß sich bei einer Betriebstemperatur von ca. 1700°C eine thermische Dehnung von 0,7-1,1 mm für besonders bevorzugt in der erfindungsgemäßen Einspannung einsetzbare Blitz-Verdampfer einer Länge von 80 mm ergibt. Für übliche Blitz-Verdampfer (110 mm Länge)ergibt sich eine thermische Deh­ nung von 0,9-1,5 mm.
Damit läßt sich die vorzugsweise verwendete maximale Federkon­ stante Dmax, unter der Annahme, daß der Federweg s mindestens der thermischen Dehnung des Verdampfers entsprechen muß, für Blitz-Verdampfer der besonders bevorzugten Länge von 80 mm wie folgt abschätzen:
Federkonstante D = Federkraft F/Federweg s
Dmax = 16,8 N/1,1 mm = 15,3 N/mm
Für andere Längen läßt sich der bevorzugte maximale Federkon­ stante Dmax analog berechnen.
Insgesamt ist in der erfindungsgemäßen stirnseitigen Einspann­ vorrichtung eine torsions- und biegefreie Einspannung des Ver­ dampfers realisiert.
Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Ver­ dampfer mit einer verkürzten Verdampferlänge.
Wie erläutert, beträgt die wirksame Länge des in herkömmlicher Weise seitlich eingespannten Blitz-Verdampfers ca. 80 mm, da die restliche Länge für die Fixierung des Verdampfers in der Einspannvorrichtung benötigt wird. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit stirnseitiger Einspannung dagegen ist die wirk­ same Länge des Verdampfers mit der Verdampferlänge identisch, so daß zur Erzielung eines vergleichbaren Verdampfungseffektes wesentlich kürzere Verdampfer verwendet werden können.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so aufgebaut, daß auf einem elektrisch isolierenden Grundkörper zwei Ein­ spannblöcke mit planparallelen Kontaktflächen befestigt sind. In diesem Fall werden verkürzte Blitz-Verdampfer eingesetzt, was zu weiteren Vorteilen im Betrieb führt.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäßen Vorrichtung daher da­ durch gekennzeichnet, daß sie Blitz-Verdampfer einer Verdamp­ ferlänge umfaßt, die dem Abstand der planparallelen Kontaktflä­ chen der erfindungsgemäßen stirnseitigen Einspannvorrichtung im unbelasteten Zustand entspricht.
Die Blitz-Verdampfer haben dabei vorzugsweise eine Verdampfer­ länge von ≦ 90 mm. Besonders bevorzugt haben sie eine Verdamp­ ferlänge ≦ 80 mm. Sie sind damit wesentlich kürzer als herkömm­ liche Standard Blitz-Verdampfer (110 mm).
Die Blitz-Verdampfer bestehen vorzugsweise aus für keramische Verdampfer üblichen Materialien wie z. B. einem Material auf TiB2-AlN-BN-Basis oder aus Graphit mit pyrolytischer BN- Beschichtung.
Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung Blitz- Verdampfer mit einer elliptischen Außenkontur. Der Blitz- Verdampfer besitzt zudem vorzugsweise eine Kavität die im Quer­ schnitt durch den Blitz-Verdampfer dreiecksförmig ist. Die bei­ den Seitenflächen der dreiecksförmigen Kavität können dabei ge­ rade oder konvex oder konkav gekrümmt sein. Der tiefste Punkt der Kavität kann als Radius ausgebildet sein. Solche Formen von Außenkontur und Kavität sind in der deutschen Patentanmeldung DE A 199 56 811 beschrieben.
Folgende Vorteile werden mit einer erfindungsgemäßen stirnsei­ tigen Einspannung im Vergleich zu einer herkömmlichen seitli­ chen Einspannung erzielt:
  • - Torsions- und biegefreie Einspannung des Verdampfers
  • - Gewährleistung des elektrischen Kontaktes in allen Betriebs­ zuständen durch eine Feder
  • - Kompensation der thermischen Ausdehnung des Verdampfers durch eine Feder
  • - Reduzierung der Verdampferlänge unter Beibehaltung der Gebrauchseigenschaften, insbesondere des Blitz-Verhaltens.
Beispiel
Aus üblichem keramischen Material für Blitz-Verdampfer (beste­ hend aus TiB2, BN und AlN) wurden Blitz-Verdampfer folgender Abmessungen gefertigt:
  • a) Maß: 4 × 6 × 110 mm; Kavität: 2 × 4 × 60 mm (geschliffen)
  • b) Maß: 4 × 6 × 80 mm; Kavität: 2 × 4 × 60 mm (geschliffen)
Die gefertigten Blitz-Verdampfer unterscheiden sich ausschließ­ lich in ihrer Länge.
Die üblichen Blitz-Verdampfer mit 110 mm Länge wurden in übli­ cher Weise seitlich eingespannt, wobei die Klemmung des Blitz- Verdampfers auf einer mit einer Nut versehenen Stahl­ einspannung mittels einer Stahlplatte und Schrauben erfolgte (Standardeinspannung).
Die Blitz-Verdampfer mit einer Länge von 80 mm wurden in einer erfindungsgemäßen Entspannvorrichtung eingespannt. Für beide Einspannungen wurde zur besseren Kontaktierung zwischen Stahl­ platte und Verdampfer bzw. Einspannblöcken und Verdampferstirn­ seiten eine Graphitfolie eingeklemmt.
Fig. 3 und 4 zeigen den Stromverlauf [A] in Abhängigkeit der Zeit [s] für Standardverdampfer in einer Standardeinspannung (Fig. 3) und für Verdampfer in einer erfindungsgemäßen Ein­ spannvorrichtung (Fig. 4) für folgenden Flash-Zyklus:
  • a) Einschalten der Spannung nach 3 sec.
  • b) 3-28 sec: 4,5 V (Vorheizspannung)
  • c) 28-53 sec: 9,0 V (Flash-Spannung)
  • d) Abschaltung der Spannung nach 53 sec.
In den jeweiligen Blitz-Verdampfer wurde ein Aluminiumpellet in Form eines Zylinders mit einer Masse von 100 mg eingelegt.
Der Flash-Zyklus wurde für beide Versuchsanordnungen mehrfach wiederholt. Die entsprechenden Stromkurven sind in den Fig. 3 und 4 jeweils übereinander aufgetragen.
Nach dem Einschalten der Spannung steigt in beiden Fällen (Fig. 3 und Fig. 4) der Strom, der durch den jeweiligen Blitz- Verdampfer fließt, stark an. Während die Spannung 25 sec kon­ stant gehalten wird, steigt die Temperatur im Blitz-Verdampfer an und erreicht asymptotisch eine für die angelegte Spannung maximale Temperatur, was zu einem asymptotisch, auf einen kon­ stanten Wert sinkenden Strom führt. Die Erhöhung der Spannung nach 28 sec. führt wiederum zu einem sehr raschen Anstieg des elektrischen Stromes und einer weiteren Steigerung der Tempera­ tur des Blitz-Verdampfers. Zunächst fällt die Stromstärke wie beim Einschalten der Vorheizspannung ab. Sobald der Blitz- Verdampfer so heiß geworden ist, daß das Aluminium erweicht und die Oberfläche der Kavität benetzt, steigt die Stromstärke je­ doch stark an, da das sich ausbildende Aluminiumbad wie ein pa­ rallel geschalteter, niederohmiger Widerstand wirkt. Mit zuneh­ mender Verdampfung steigt die Stromstärke zunächst stark an und fällt dann wieder ab, bis das Aluminium vollständig verdampft ist. Anschließend stellt sich eine konstante Verdampfertempera­ tur ein, was sich in einer konstanten Stromstärke äußert. In Fig. 3 und Fig. 4 ist deutlich zu erkennen, daß der Zeitpunkt der Aluminiumverdampfung im Fall der Verwendung einer erfin­ dungsgemäßen Einspannvorrichtung und eines beschriebenen Blitz- Verdampfers wesentlich besser reproduzierbar ist.
Für die beiden Versuchsanordnungen wurde die Lebensdauer der Blitz-Verdampfer ermittelt, wobei das Kriterium für die Lebens­ dauer die vollständige Verdampfung des Aluminiums während des vorgegebenen Flash-Zyklus war.
Der übliche Blitz-Verdampfer in der Standardeinspannung er­ reichte eine Zykluszahl von 857 Flashes. Der erfindungsgemäß zu verwendende Blitz-Verdampfer erreichte in der erfindungsgemäßen Einspannvorrichtung mit 1.154 Flashes eine ca. 30% höhere Le­ bensdauer, was auf die verbesserten Einspannbedingungen zurück­ zuführen ist, zumal sowohl das ausgewählte Material als auch die Strombelastung für beide Versuchsanordnungen identisch wa­ ren.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Bedampfen von Schwarz-Weiß- oder Farbbild­ röhren mit Aluminium umfassend eine Einspannvorrichtung und einen keramischen Blitz-Verdampfer, wobei die Einspannvor­ richtung (1) aus einem elektrisch isolierenden Grundkörper (2) und zwei Einspannblöcken (3, 4) besteht, wobei der Grundkörper (2) die zwei Einspannblöcke (3) und (4) elekt­ risch voneinander trennt und die zwei Einspannblöcke (3, 4) den Blitz-Verdampfer (5) an seinen Stirnflächen mittels je einer planparallelen Kontaktfläche fixieren und die Strom­ einleitung in den Blitz-Verdampfer (5) durch diese planpa­ rallelen Kontaktflächen erfolgt, wobei der eine Einspann­ block (3) am Grundkörper (2) fixiert ist und der andere Ein­ spannblock (4) axial beweglich ist und mittels einer Feder (6) so vorgespannt werden kann, daß bei eingespanntem Ver­ dampfer (5) die Einstellung einer definierten axialen Ein­ spannkraft möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ spannblock (3) mit dem Grundkörper (2) verschraubt ist und der Einspannblock (4) mit Hilfe eines Stiftes (7) gegen Ver­ drehung gegenüber dem Grundkörper (2) gesichert und form­ schlüssig mit einer Gewindestange (8) verbunden ist, wobei die Gewindestange (8) im Grundkörper (2) so gelagert ist, daß sie in Längsrichtung verschiebbar und in Umfangsrichtung drehbar ist und wobei sich auf der Gewindestange (8) eine Feder (6) und eine Schraube (9) befinden, und die Feder (6) mittels der Schraube (9) vorgespannt werden kann, sobald der Blitz-Verdampfer (5) zwischen die planparallelen Kontaktflä­ chen der Einspannblöcke (3) und (4) eingebracht wird.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssige Verbindung von Einspannblock (4) mit der Gewindestange (8) durch einen Gewindestift (10) erfolgt.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Grundkörper (2) aus einer elektrisch isolierenden Keramik besteht.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspannblöcke (3, 4) aus Stahl beste­ hen.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feder (6) eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket oder eine Spiralfeder ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Blitz-Verdampfer (5) eine Verdampfer­ länge besitzt, die dem Abstand der planparallelen Kontakt­ flächen der Einspannblöcke (3, 4) im unbelasteten Zustand entspricht.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitz-Verdampfer eine Länge von 90 mm hat.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitz-Verdampfer eine elliptische Außenkontur besitzt.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitz-Verdampfer eine Kavität, die im Querschnitt durch den Blitz-Verdampfer dreiecksförmig ist, besitzt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Blitz-Verdampfer aus keramischem Ver­ dampfermaterial auf Basis von TiB2-AlN-BN oder aus Graphit mit pyrolytischer BN-Beschichtung besteht.
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