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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Flachlampe mit einem Entladungsgefäß, das im
Wesentlichen aus zwei einander gegenüberliegenden, durch einen elastischen
Rahmen beabstandeten Platten besteht.
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Stand der Technik
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Bei
solchen Gasentladungslampen erfolgt die Lichterzeugung in einem
Entladungsvolumen zwischen den beabstandeten Platten, wobei der
Plattenabstand vergleichsweise gering gegenüber der Länge und meist auch der Breite
der Platten ist. Das Entladungsgefäß einer solchen Lampe hat also
insgesamt eine flache, plattenähnliche
Form, bei der zumindest eine der Plattenseiten zur großflächigen Lichtabgabe
dient und gleichzeitig das Entladungsgefäß eine geringe Bauhöhe aufweist.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Entladungsgefäß einer
Flachlampe zu verbessern.
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Hierzu
richtet sich die Erfindung auf eine Flachlampe mit einem flachen
Entladungsgefäß, das ein
Entladungsvolumen mit zwei Platten, die durch einem Rahmen beabstandet
sind, einschließt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen einen in Richtung des Plattenabstandes
elastisch verformbaren Bereich aufweist.
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Die
Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Flachlampe.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben
und ergeben sich des Weiteren aus der folgenden Beschreibung. Die
Offenbarung ist dabei im Hinblick auf die Vorrichtungskategorie
und die Verfahrenskategorie zu verstehen.
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Aufgrund
ihrer besonderen geometrischen Gestaltung können Flachlampenentladungsgefäße Kräfte aufgrund
einer Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Entladungsgefäßes und
der Atmosphäre
ohne weitere Maßnahmen
nur durch die außenliegenden
Gefäßwände des
Rahmens ableiten. Die Kräfte
führen
dann zu Spannungen in den großflächigen,
dem Druck ausgesetzten Platten und können zum Platzen des Entladungsgefäßes führen. Die Druckdifferenz
ist dabei maßgeblich
durch den Fülldruck
des Innenraums mit einem zur Lichterzeugung verwendeten Gas sowie
dessen Temperatur bestimmt, wobei konventionellerweise ein deutlicher Unterdruck
gegenüber
der das Gefäß umgebenden Atmosphäre herrscht.
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Um
ein Bersten des Entladungsgefäßes zu verhindern,
werden daher konventionellerweise die beabstandeten Platten der
Flachlampe gegeneinander abgestützt,
beispielsweise mit zusätzlichen
Distanzstücken
oder auch mit den Plattenabstand überbrückenden Wölbungen oder Erhebungen zumindest einer
der Platten.
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Die
Idee der vorliegenden Erfindung liegt in einem elastischen Rahmen,
der den Plattenabstand bestimmt. Wirkt aufgrund einer Druckdifferenz
zwischen dem Innenraum des Entladungsgefäßes und der Atmosphäre eine
Kraft auf die Platten, so führt dies
zu einer Abstandsänderung,
indem der elastische Rahmen nachgibt, sodass sich auch das von dem
Entladungsgefäß eingeschlossene
Entladungsvolumen ändert.
Damit gleicht sich der Druck innerhalb des Gefäßes dem Außendruck zumindest bis auf
ein Maß an,
das durch die elastischen Rückstellkräfte des
Rahmens bestimmt ist. Die auf die Platten wirkenden Kräfte reduzieren
sich und somit sinkt das Berstrisiko bzw. können auch größere und/oder
dünnere
Platten verwendet werden. Insgesamt erlaubt die Erfindung also auch
die Herstellung von Flachlampen mit einer größeren Leuchtfläche und/oder
mit dünneren
Platten.
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Dazu
weist der erfindungsgemäße Rahmen einen
elastisch verformbaren Bereich auf, der sich vorzugsweise entlang
des gesamten Rahmenumfangs erstreckt. Der elastische Bereich erlaubt
dann eine elastische Änderung
der gesamten Rahmendicke senkrecht zu der Rahmenöffnung. Die Rahmendicke ist
also durch eine (senkrecht zur Rahmenöffnung wirkende) Kraft beeinflusst
und, sofern keine weiteren Kräfte
einwirken, der Abstand der durch den Rahmen beabstandeten Platten
von der Druckdifferenz zwischen dem gasgefüllten Innenraum und der umgebenden
Atmosphäre
des Entladungsgefäßes abhängig.
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Das
Entladungsgefäß einer
erfindungsgemäßen Flachlampe
besitzt also ein flexibles Entladungsvolumen, das sich insbesondere
dem Füllgas anpasst
und dabei eine Druckdif ferenz zum Atmosphärendruck reduziert, und zwar
auch bei erhöhter Betriebstemperatur.
Bei einer bevorzugten Ausführung
kann eine Änderung
des Plattenabstandes durch elastische Verformung des Rahmens erfolgen, bis
die Druckdifferenz in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens
500 mbar, 300 mbar oder 100 mbar beträgt.
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Vorzugsweise
ist der Rahmen (in entspanntem Zustand) entlang seines gesamten
Umfangs von gleicher Dicke, sodass die beidseitigen Begrenzungsflächen der
Rahmenöffnung
parallel zueinander liegen. Folglich liegen bei einer besonders
bevorzugten Form des Entladungsgefäßes auch die durch den (entspannten,
unbelasteten) Rahmen beabstandeten Platten zueinander parallel.
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Die
Platten der Lampe weisen vorzugsweise eine (bevorzugt tragende)
Schicht aus Glas auf und können
eine beliebige, insbesondere rechteckige Umrissform aufweisen.
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Die
Platten können
nur durch den Rahmen beabstandet sein, sodass alle Kräfte auf
diese auch nur durch den Rahmen zwischen diesen übertragen werden. Insbesondere
weist das Entladungsgefäß dann keine
zusätzlichen
Distanzstücke
oder auch weiteren, gegebenenfalls elastischen, Stützelemente für eine mechanische
Verbindung zwischen den Platten auf.
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Vorzugsweise
ist der elastisch verformbare Bereich des Rahmens eine elastisch
biegsame Wand. Wird der Rahmen dann senkrecht zur Rahmenöffnung mit
einer Kraft beaufschlagt, so wird die elastische Wand verbogen,
also so verformt, dass sich die Rahmendicke in dieser Richtung ändert, die Wanddicke
aber nicht wesentlich.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführung
kann das Querschnittsprofil des Rahmens in diesem elastischen oder
auch in einem weiteren Bereich in einer von der Richtung des Plattenabstandes
abweichenden Richtung verlaufen. Durch die so definierte ”schräge” Lage kann
dort der Rahmen ausweichen, also weiter verkippt werden, wenn durch
eine Kraftbeaufschlagung die Dicke des Rahmens senkrecht zur Rahmenöffnung verringert
wird. Ebenso kann der schräg
verlaufende Bereich umkehrt bei einer elastischen Rückstellung
durch eine zunehmende Ausrichtung entlang der Richtung des Plattenabstandes eine
Zunahme der Rahmendicke ermöglichen.
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Dabei
ist auch eine elastisch biegsame Wand denkbar, die in entspanntem
Zustand parallel zum Plattenabstand verläuft, und die bei ihrer Verbiegung
quasi wie ein Gelenk im Anschluss an einen angrenzenden schrägen Bereich
wirkt. Vorzugsweise ist jedoch der schräg verlaufende Bereich selbst
biegeelastisch.
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Einen
solchen schräg
verlaufenden elastischen Bereich kann man sich beispielsweise in
der Form eines üblichen
Faltenbalgs nach dem Stand der Technik vorstellen, also beispielsweise
mit einem falten-, wellen- oder lamellenartigen Wandprofil. Dabei kann
bei einer solchen Ausführung
der elastisch verformbare Bereich des Rahmens auch nur eine einzige
Falte bzw. einzigen halben Wellenzug umfassen.
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Besonders
bevorzugt ist ein Querschnittsprofil des elastischen Bereichs mit
einer verrundeten U-Form, dessen Schenkel parallel zu den Platten verlaufen.
Eine Annäherung
der Platten, verbunden mit der elastischen Stauchung des Rahmens,
führt damit
zu einer Annäherung
der Schenkel und gleichzeitig zu einer stärkeren Krümmung der Basis des U-Profils.
Umgekehrt führt
eine Vergrößerung des Plattenabstandes
zu einer Vergrößerung des
Abstandes der Schenkel bei einer gleichzeitigen Streckung der gekrümmten Basis
in Richtung des vergrößerten Plattenabstandes.
Neben dem U-förmigen
Querschnittsprofil des elastisch verformbaren Bereichs des Rahmens
sind, wie zuvor genannt, weitere Profilformen denkbar; beispielsweise
können
diese einen (kreis- oder ellipsen-) ringsegmentförmigen Profilabschnitt oder
auch einen Querschnitt mit zumindest einem spitzen, stumpfen oder
rechten Winkel aufweisen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
des Entladungsgefäßes sind
vorzugsweise die Platten (direkt) an dem Rahmen befestigt, beispielsweise
geklebt oder bevorzugt angeschmolzen. Dazu kann ein sog. Glaslot
verwendet werden, das durch geeignetes Erhitzen erweicht wird und
eine Verbindung zwischen dem Rahmen und den Platten herstellt.
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Insbesondere
auch bei einer direkten Verbindung zwischen dem Rahmen und den Platten
können der
Rahmen, zumindest in dem an die Platten angrenzenden Bereich, und
die Platten Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen, die sich in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt um
höchstens
einen Faktor 2, 1,5 oder 1,3 voneinander unterscheiden. Durch zunehmend übereinstimmende
Wärmeausdehnungskoeffizienten können Spannungen
zwischen den Platten und dem Rahmen reduziert werden. Dabei sollen
die Wärmeausdehnungskoeffizienten
besonders in dem Temperaturbereich übereinstimmen, dem das Entladungsgefäß während Produktion
und Betrieb ausgesetzt ist und der etwa –20°C bis +500°C betragen kann.
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Der
elastische Bereich kann Metall aufweisen, beispielsweise eine elastisch
biegsame Metallwand. Bei einer bevorzugteren Ausführung ist
der gesamte Rahmen aus Metall gefertigt.
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Zur
Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
eines solchen Rahmens und der Platten wird vorzugsweise ein Metall
mit einem volumenmagnetostriktiven Effekt verwendet, bei dem sich
durch geeignete Legierungskomponenten und deren Konzentrationsverhältnis der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des Metalls an den des Plattenmaterials anpassen lässt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführung
ist dieses Metall eine Eisen-Nickel-Legierung. Diese kann einen
Nickelanteil von zunehmend bevorzugt mindestens 35%, 40%, 43%, und
höchstens 60%,
55%, 50% aufweisen. Diese Eisen-Nickel-Legierungen können auch
noch weitere Legierungsbestandteile und nicht-metallische Bestandteile
enthalten, insbesondere Mangan, Kohlenstoff und Silizium, aber auch
Kobalt, Chrom, Titan, Niob, Molybdän oder Kupfer. Besonders geeignet
sind die so genannten Pernifer-Legierungen,
insbesondere Pernifer 46 und Pernifer 48. Ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten im
relevanten Tempera turbereich passen gut zu praktisch relevanten
Gläsern,
insbesondere modifizierten Kalk-Natron-Gläsern.
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Die
Flachlampe kann insbesondere eine dielektrisch behinderte Gasentladungslampe
sein. Dabei können
die Elektroden flächig
auf nur einer der Platten oder auch auf beiden Platten angebracht sein.
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Vorzugsweise
ist das Entladungsgefäß mit einem
Entladungsgas gefüllt,
das Xenon und besonders bevorzugt eine Mischung mit zumindest Xenon und
Neon aufweisen kann. Ebenso sind auch Gase beispielsweise mit Helium,
Argon, Krypton, den Halogenen, insbesondere Chlor, oder Quecksilber
denkbar.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführung
herrscht im Entladungsgefäß ein Xenon-Partialdruck
von in diesen Reihenfolgen zunehmend bevorzugt mindestens 30 mbar,
50 mbar oder 80 mbar und höchstens
500 mbar, 300 mbar oder 150 mbar.
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Ferner
kann auf einer und bevorzugt auf beiden Platten ein Leuchtstoff
aufgetragen sein, mit dem die spektrale Verteilung, insbesondere
auch die Farbe, des von der Lampe ausgesandten Lichts einstellbar
ist. Es kann aber auch auf einen Leuchtstoff verzichtet werden,
um das UV-Spektrum
unmittelbar zu nutzen.
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Eine
erfindungsgemäße Lampe
kann sowohl dazu ausgelegt sein, das Licht beidseitig, also durch beide
Platten, als auch einseitig durch nur eine der Platten abzugeben.
Bei der letztgenannten Ausführung
kann diejenige Platte, die nicht für den Lichtaustritt vorgesehen
ist, eine reflektierende Schicht aufweisen, um die Lichtabgabe durch
die gegenüberliegende
Platte zu erhöhen.
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Im Übrigen ermöglicht die
Erfindung eine kostengünstige
Produktion von Flachlampen, da, wie oben bereits genannt, keine
zusätzlichen
Vorkehrungen zur (gegenseitigen) Abstützung der gegenüberliegenden
Platten getroffen werden müssen.
Vielmehr können
durch die Reduzierung des Differenzdrucks inner- und außerhalb
des Entladungsgefäßes die
auf die Oberfläche
der Platten wirkenden Kräfte so
reduziert werden, dass bei einer besonders bevorzugten Ausführung die
Platten, zumindest die tragenden Schichten, die vorzugsweise aus
Glas gefertigt sind, jeweils beidseitig plane Oberflächen aufweisen können. Insbesondere
ist kein spezielles, die Statik des Entladungsgefäßes unterstützendes
Relief der Platten nötig.
Die Platten für
ein Entladungsgefäß können dann
einfach von großflächigem, üblichem Plattenmaterial
abgetrennt werden.
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Vorzugsweise
ist zum Füllen
des Lampengefäßes mit
einem Füllgas
zumindest eine der Platten (noch) nicht dicht mit dem Rahmen verbunden.
In einem weiteren Schritt wird/werden zum Abdichten des Entladungsgefäßes dann
diese Platte(n) dicht an dem Rahmen befestigt, beispielsweise unter
Einwirkung von Hitze mit einer aufschmelzenden oder unter Hitze
aushärtenden
Substanz, etwa Glaslot. Sowohl beim Füllen als auch beim Befestigen
der (Glas-)Platten
an dem Rahmen sind hohe Temperaturen bei der Herstellung vorteilhaft,
insbesondere zum Ausheizen der Platten und des Rahmens und beim
erwähnten Befestigen
der Platten an dem Rahmen. Da nach diesen Herstellungsschritten
das Entladungsgefäß wieder
abkühlt,
sinkt im Inneren der Fülldruck.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich
sein können
und sich sowohl auf die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie
beziehen.
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Dabei
zeigt:
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Flachlampe
mit geöffnetem
Entladungsgefäß,
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2 eine
Draufsicht auf die Flachlampe aus 1,
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3 einen
Schnitt durch die Lampe aus 1 während des
Verschließens
des erhitzten Entladungsgefäßes und
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4 einen
Schnitt durch das Entladungsgefäß aus 1 in
geschlossenem Zustand bei Raumtemperatur.
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Bevorzugte Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch das Entladungsgefäß einer erfindungsgemäßen dielektrisch behinderten
Gasentladungslampe mit zwei Platten 1, 2, die
durch einen Rahmen 3 beabstandet sind. Für eine bessere Übersichtlichkeit
wurden die Elektroden, die dielektrische Schicht, die Leuchtstoffbeschichtungen
der Platten 1, 2 und eine re flektierende Beschichtung
der unteren Platte 2 nicht in den Figuren eingezeichnet.
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Die
dargestellte Lampe ist eine Flachlampe, deren Entladungsgefäßgeometrie
im Wesentlichen durch die Platten 1, 2 bestimmt
ist. Die Platten besitzen einen rechteckigen Umriss und legen damit
auch die äußere Form
der Flachlampe, nämlich
ein Rechteck, fest (siehe 2).
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Die
Platten 1, 2 sind aus einem farblosen, hochtransparenten
Kronglas (modifiziertes Kalk-Natron-Glas, hier Schott B270) mit
einer jeweils beidseitig planen Oberfläche und der Rahmen 3 aus
der Eisen-Nickel-Legierung Pernifer 46 oder Pernifer 48 gefertigt.
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Der
Rahmen 3 weist ein U-förmiges
Querschnittsprofil mit nach außen
geöffneten
Schenkeln 8 auf. Dabei dienen die Schenkel 8 des
U-Profils der Auflage der Platten 1, 2, während die
Basis des U-Profils schräge
elastische Bereiche 9 aufweist, die insbesondere auch schräg gegenüber dem
Plattenabstand, also der vertikalen Richtung in 1,
verlaufen. Die Basis des U-Profils weist zwar auch einen (kleinen)
Abschnitt 10 auf, der (nahezu) parallel zur Richtung des
Plattenabstandes verläuft; überwiegend
ist die Wand jedoch schräg
gegenüber
dieser Richtung. Ein Vergleich mit 4 (siehe
unten) zeigt das elastische Verhalten des Rahmens 3, bei
dem sich die Schenkel 8 des U-Profils und damit auch die Glasplatten 1, 2 annähern, indem
die Biegung der schrägen
Bereiche 9 des U-Profils zunimmt, die hier eine elastische
Wand darstellen und eine elastische Rückstellkraft aufbringen. Der
Abschnitt 10 entland des Plattenabstandes verkürzt sich
dabei weiter zugunsten des schrägen
Bereichs 9, der sich zunehmend parallel zu den Platten
ausrichtet.
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1 zeigt
einen Schritt während
der Herstellung der Flachlampe, bei dem auf dem Rahmen 3 bereits
beidseitig entlang seines Umfangs, also etwa des rechteckigen Umrisses
der Platten 1, 2, jeweils eine Raupe 4, 5 eines
Glaslotes, d. h. eines Glasgranulates mit einem Bindemittel, aufgetragen
ist. Hier wird Schott G 018–158
verwendet, das ebenfalls einen passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.
Die obere Platte 1 ist dabei zusätzlich durch (nicht umlaufende)
Glaslot-Distanzstücke 6 gegenüber dem
Rahmen 3 beabstandet, sodass bei diesem Schritt bei einer
Temperatur von 500°C
und einem Druck von 1000 mbar das Füllgas, ein Xe-Ne-Gasgemisch
mit 10% Xenon und 90% Neon, durch den Fügespalt 7 in das Entladungsgefäß eindringt.
Da der Rahmen hier nur durch die Masse der oberen Platte 1 mit
einer Kraft beaufschlagt ist, nimmt er seine (nahezu) maximale Dicke
ein und ist die elastische Wand des Rahmens dabei im Vergleich zu 3 auf dem
dann verlängerten
Abschnitt 10 des Querschnittsprofils entlang der Richtung
des Plattenabstandes gestreckt.
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2 zeigt
in einer Draufsicht auf die rechteckige Flachlampe, dass beide Platten 1, 2 hier
deckungsgleich übereinander
durch den Rahmen 3 beabstandet sind (vgl. auch 1),
wobei der Rahmen 3 zugunsten einer möglichst großen Rahmenöffnung entlang der Ränder der
Platten 1, 2 verläuft. Der Rahmen 3 schließt dabei
nach außen
bündig
mit den Schenkeln 8 seines U-Profils mit den Platten 1, 2 ab. Zwischen
den Platten 1, 2 sind keine weiteren, die Platten
abstützenden
Vorrichtungen angebracht.
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3 zeigt
einen weiteren Herstellungsschritt, der auf den in 1 dargestellten
folgt und bei dem die Temperatur auf 550°C, d. h. 823 K, erhöht ist.
Bei dieser Temperatur ist das Glaslot 4, 5, 6 stark
erweicht und dichtet das Entladungsgefäß, nachdem die Distanzstücke 6 erweicht
und zusammengesunken sind. Dadurch sind der Innenraum des Entladungsgefäßes und
die Atmosphäre
voneinander gasdicht getrennt, wobei in beiden jeweils unverändert gegenüber 1 ein
Druck von etwa 1 bar herrscht.
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4 zeigt
einen weiteren Folgeschritt bei der Herstellung der Flachlampe als
Schnitt durch das geschlossene Flachlampenentladungsgefäß nach dem
Abkühlen
auf eine Raumtemperatur von 22°C, d.
h. 295 K. Durch die Abkühlung
von 823 K auf 295 K hat sich das Entladungsvolumen mit dem Füllgas verringert
und ist der Druck gesunken. Durch die resultierende Druckdifferenz
gibt der Rahmen 3 erfindungsgemäß dieser Kraftbeaufschlagung
elastisch nach. Folglich reduziert sich das Entladungsvolumen bei
Raumtemperatur entsprechend dem Temperaturverhältnis auf etwa 36% des Entladungsvolumens bei
823 K aus 3. Dadurch ändert sich der Innendruck nur
unwesentlich, nämlich
nur entsprechend der Zunahme der Rückstellkräfte des elastisch verformten
Rahmens 3, wobei dieser jetzt eine stärkere Krümmung der Basis 9 seines
U-förmigen
Querschnittsprofils aufweist.
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Im Übrigen zeigt
nicht nur das Füllgas
eine temperaturabhängige
Ausdehnung, sondern auch das Glas der Platten 1, 2 und
das Metall des Rahmens 3.
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Das
Glas besitzt folgende mittlere thermische Längenausdehnungskoeffizienten α in 10–6K–1 für die jeweils
angege benen Temperaturbereiche: α (20°C; 100°C) = 7,8; α (20°C; 200°C) = 8,8; α (20°C; 300°C) = 9,4, α (20°C, 400°C) = 9,8; α (20°C; 500°C) = 10,3.
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Die
erwähnten
Legierungen Pernifer 46 und 48 sind Eisen-Nickel-Legierungen mit etwa 45,0–46,0 Gew-%
bzw. 47,0–49,0
Gew-% Nickel, maximal 0,8 Gew-% Mangan, maximal 0,5 Gew-% Silizium
und maximal 0,1 Gew-% Kohlenstoff und zeigen einen optimierten volumenmagnetostriktiven
Effekt. Sie sind nämlich
an die Längenausdehnungskoeffizienten
des Glases der Platten 1, 2 und des Glaslotes
angepasst und weisen folgende mittlere thermische Längenausdehnungskoeffizienten α in 10–6K–1 in
Abhängigkeit
von der Temperatur auf: und zwar α (20°C, 100°C) = 8,4
bzw. 9,8; α (20°C; 200°C) = 8,0 bzw.
9,2; α (20°C; 300°C) = 7,5
bzw. 8,8; α (20°C; 400°C) = 7,4
bzw. 8,6; α (20°C; 500°C) = 8,4
bzw. 9,1.
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Dadurch
treten zwischen den Gläsern
und dem Metall des Rahmens 3 nur geringe Spannungen auf,
sodass das Risiko von Spannungsrissen oder sogar des Berstens des
Entladungsgefäßes deutlich reduziert
ist.
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Ferner
können
bei der erfindungsgemäßen Flachlampe
auch Druckschwankungen, beispielsweise durch die Betriebstemperatur
der Lampe, durch den elastischen Rahmen vorteilhaft reduziert werden.