DE212009000075U1

DE212009000075U1 - Glühkathodenleuchtstofflampe mit einer Vorrichtung zum Freisetzen von Quecksilber und einem Getter

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Publication number: DE212009000075U1
Application number: DE212009000075U
Authority: DE
Original assignee: SAES Getters SpA
Current assignee: SAES Getters SpA
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2019-06-19
Also published as: AR072307A1; US8598773B2; WO2009156334A1; JP3169463U; US20110074278A1; TW201009886A; CN201966178U; ITRM20080334A1

Abstract

Glühkathodenleuchtstofflampe (10), die ein innen mit Leuchtstoffen beschichtetes Glasrohr (11) aufweist, das zwei Enden (12) aufweist, von denen jedes durch ein Endbauteil (13) verschlossen ist, und das mit einer geeigneten Gasatmosphäre gefüllt ist, mit einer Kathode (15) in der Nähe eines jeden Endes, und das eine zylindrische Metallabschirmung (17) um jede Kathode herum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Abschirmung ein fadenförmiger Quecksilber-Dispenser (20) mithilfe eines metallischen Bauteils (18) in einer solchen Geometrie befestigt ist, dass der Dispenser dem gegenüberliegenden Ende der Lampe zugewandt ist und seine Achse im Wesentlichen parallel zur Achse der Lampe ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glühkathodenleuchtstofflampe, die eine Vorrichtung zum Freisetzen von Quecksilber und ein Getter enthält.
Glühkathodenleuchtstofflampen sind in der Praxis unter der Abkürzung HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp) bekannt, die in der nachfolgenden Beschreibung verwendet wird. Diese Lampen werden üblicherweise bei der Umgebungsbeleuchtung verwendet.
Eine HCFL besteht aus einem Glasrohr, das mit einem geeigneten Gasgemisch (im Allgemeinen aus Argon und Neon oder nur Argon) gefüllt ist, in dem sich einige wenige Milligramm Quecksilber befinden; an beiden Enden der Röhre gibt es die beiden Kathoden, die zum Zünden und Aufrechterhalten der elektrischen Entladung, die die Ursache für die Lichtemission der Lampe ist, im Gas benötigt werden; diese Emission tritt auf, weil die Quecksilberatome unter den Bedingungen, die eingestellt sind, wenn die Lampe eingeschaltet ist, eine ultraviolette Strahlung emittieren, welche durch die Materialien (die sogenannten Leuchtstoffe), welche die Innenseite der Wand des Glasrohrs bedecken, in sichtbares Licht umgewandelt wird. In der Regel haben die zwei Kathoden die Form eines metallischen Filaments (z. B. Wolfram), die langgestreckt sein kann, aber meistens ausgeformt ist, so zum Beispiel die Form einer helixförmigen Spirale aufweist, um ihre Länge zu vergrößern. Das Filament ist mit einem Gemisch aus Alkalierdmetalloxiden (im Wesentlichen Barium-, Calcium- und Strontiumoxiden) beschichtet, welche die Elektronenemissionscharakteristik des Filaments verbessern und deshalb dazu beitragen, die Entladung einzuleiten und den Energieverbrauch der Lampe zu verringern.
Zum Einschalten der Lampe werden die Kathoden der HCFL vorgeheizt, um so die Emission von Elektronen infolge des thermionischen Effekts zu begünstigen und somit das Auslösen der Entladung zu erleichtern; wenn die Lampe eingeschaltet worden ist, dann arbeiten die Kathoden mit einem heißen Betriebspunkt, der als „Hot Spot” bezeichnet wird, der eine Temperatur von über 700°C erreicht. Die Beschichtung des Filaments mit dem Oxidgemisch wird erhalten, indem das Filament mit einem Gemisch aus Barium-, Calcium- und Strontiumkarbonat bedeckt und die thermische Zersetzung dieser Substanzen bewirkt wird, um die entsprechenden Oxide zu erzeugen (durch Aufheizen des Filaments mithilfe des da durch fließenden elektrischen Stromes); dieser Vorgang muss notwendigerweise im Inneren der Lampe während der abschließenden Schritte der Lampenherstellung ablaufen, da es wegen der hohen chemischen Reaktivität dieser Oxide mit einigen Atmosphärengasen nicht möglich ist, ein Filament, das bereits mit den Metalloxiden beschichtet ist, separat herzustellen und es dann in die Lampe einzusetzen. Die Zersetzung der Karbonate in die Oxide erfordert eine Temperatur von etwa 1200°C.
Wie oben erwähnt wurde, ist es für den Betrieb der Lampe notwendig, dass das darin enthaltene Gasgemisch einige Milligramm Quecksilber enthält; ferner ist es zum Gewährleisten einer guten Arbeitsleistung und Lebensdauer der Lampe notwendig, dass darin ein Gettermaterial vorhanden ist, d. h. ein Material, das in der Lage ist, mit den Spuren der in der Atmosphäre der Lampe vorhandenen Gasverunreinigungen, welche ihre Betriebsparameter verändern könnten, chemisch zu reagieren und sie zu fixieren.
Es sind verschiedene Verfahren für das Einbringen von Quecksilber in die Lampe bekannt. Zum Beispiel kann das Eintropfen von flüssigem Quecksilber verwendet werden, was jedoch Probleme beim Reproduzieren der Dosierung von kleinen Mengen des Metalls sowie eine Verunreinigung der Arbeitsumgebung mit sich bringt; es können poröse Tabletten (aus gesinterter Keramik oder aus Metall), die mit Quecksilber imprägniert sind, verwendet werden, was jedoch die gleichen Nachteile wie das vorige Verfahren aufweist; es können Quecksilberamalgame (zum Beispiel auf der Basis von Zink, Indium, Wismut und deren Gemischen) verwendet werden, was jedoch den Nachteil aufweist, dass Quecksilber während der Fertigungsprozesse der Lampe freigesetzt wird, wenn diese noch nicht versiegelt ist, was zu einem Entweichen des Elements in die Arbeitsumgebung führt; oder es können sogar Glasampullen verwendet werden, die flüssiges Quecksilber enthalten, die dann nach dem Versiegeln der Lampe durch lokales Erhitzen zerbrochen werden können, was aber den Nachteil aufweist, dass eine komplexe Konstruktion und ein komplexes Positionieren in der Lampe erforderlich ist.
In der Vergangenheit hat die Anmelderin Verfahren zum Freisetzen von Quecksilber als Alternative zu den oben betrachteten entwickelt, die auf der Verwendung von intermetallischen Verbindungen von Quecksilber mit Titan und/oder Zirkonium beruhen, und insbesondere auf der Verbindung Ti₃Hg, die unter dem Namen St 505 verkauft wird. Diese Verbindung hat den Vorteil, dass sie bis zu etwa 500°C kein Quecksilber freisetzt und somit in der Lage ist, die thermischen Behandlungen während der Herstellung der Lampe ohne einen Verlust des Elementes zu durchlaufen, welches erst dann, wenn die Lampe verschlossen ist, durch eine Aktivierungsbehandlung (von außen her durch elektromagnetische Induktion) bei einer Temperatur freigesetzt wird, die zwischen 800 und 900°C liegt. Vor kurzem hat der Anmelder für den gleichen Zweck ein Material in den Markt eingeführt, das auf einer Titan-Kupfer-Chrom-Quecksilber-Zusammensetzung beruht, welches in der Internationalen Patentanmeldung WO 2006/008771 A1 offenbart ist und unter dem Namen St 545 verkauft wird.
Diese Materialien können in den Lampen in der Form von Pulvern verwendet werden, die auf einen Metallstreifen aufgewalzt sind, der zum Beispiel ringförmig ist, um die Kathodenabschirmung zu bilden, wie in dem Patent EP 806053 B1 dargestellt ist, oder sie können in einen Metallbehälter einer geeigneten Form eingebracht werden, wie in dem Patent EP 981826 B1 beschrieben ist.
Die für den Betrieb der Lampe nützlichen Gettermaterialien können ein Metall sein, das ausgewählt ist aus Zirkonium, Titan, Vanadium, Niob, Hafnium oder Tantal oder einer Legierung dieser Elemente (insbesondere Zirkonium oder Titan) mit einem oder mehreren Elementen, die aus den Übergangselementen, den Seltenerdmetallen oder Aluminium ausgewählt sind. Die in den Lampen am häufigsten verwendeten Gettermaterialien sind eine Zirkonium-Aluminium-Legierung, die circa 84 Gew.-% Zirkonium enthält, und eine Zirkonium-Kobalt-Seltenerd-Legierung, die circa 80 Gew.-% Zirkonium, 15% Kobalt und 5% seltene Erden enthält. Die Patentschriften EP 806053 B1 und EP 981826 B1 beschreiben das Vorhandensein eines Gettermaterials zusammen mit der Quecksilberverbindung auf der Abschirmung oder im Behälter.
Kürzlich wurde der Einsatz der HCFL in Hintergrundbeleuchtungseinheiten von großformatigen LCD-Anzeigen (größer als 50 Zoll) anstelle von Kaltkathodenlampen (CCFL), die herkömmlicherweise für diesen Zweck verwendet wurden, untersucht. Der durch den Einsatz der HCFL anstelle der CCFL erwartete Vorteil ist eine bessere Lichtausbeute. Um für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Anzeigen verwendet zu werden, müssen diese Lampen einen begrenzten Durchmesser aufweisen, der normalerweise zwischen 4 und 6 mm liegt.
In Anbetracht der von der Kathode erreichten hohen Temperaturen sowohl während der Ausführung der Karbonatumwandlung als auch während der Lebenszeit der Lampe ist die Kathode in den Glühkathodenleuchtstofflampen im Allgemeinen mit einem metallischen Element abgeschirmt, das die Materialverdampfung oder das Sputtern aus dem Filament verhindert. So erzeugt Material, das auf den mit Leuchtstoffen beschichteten Wänden der Lampe abgeschieden ist, tatsächlich schwärzliche Bereiche, Schönheitsfehler, unästhetische Erscheinungen und Zonen der Lampe mit einer geringeren Lichtemission; dieses Element hat im Allgemeinen die Form einer zylindrischen Abschirmung, welche die Kathode umfasst.
Die in EP 806053 B1 beschriebene Lösung, die für die herkömmlichen Lampen mit einem Durchmesser von 2,54 cm (die sogenannten ”T8”-Lampen) geeignet ist, kann nicht in Lampen mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern verwendet werden, da sich beim Biegevorgang des Metallstreifens zum Ausbilden der Abschirmung die auf ihm festsitzenden Pulver wegen der geforderten kleinen Kurvenradien ablösen würden.
EP 981826 B1 beschreibt außer den verschiedenen Geometrien von Quecksilber-Dispensern auch ein Verfahren zum Einsatz von fadenförmigen Dispensern (sogenannte Drahtdispensern), das zu einer Verwendung im Fertigungsprozess von Lampen mit einem kleinen Durchmesser geeignet ist. Das Verfahren besteht in einem Abdichten der Lampe mit einem Dispenser an einem ihrer Enden, in einem Veranlassen von Freisetzen von Quecksilber in der Lampe, und einem anschließenden zweiten Abdichten des Glasrohrs der Lampe an einer solchen Stelle, dass der verbrauchte Dispenser abgesondert wird, der somit nicht in der fertiggestellten Lampe verbleibt. Dieses Verfahren ist effektiv und wird weit verbreitet verwendet, enthält aber einen verhältnismäßig komplexen Arbeitsablauf, den die Hersteller der HCFL eher zu vermeiden suchen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Glühkathodenleuchtstofflampe bereitzustellen, die einen kleinen Durchmesser aufweist und eine Vorrichtung zum Freisetzen von Quecksilber und ein Getter enthält.
Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Glühkathodenleuchtstofflampe gelöst, die aus einem innen mit Leuchtstoffen beschichteten Glasrohr gebildet wird, das zwei Enden aufweist, von denen jedes durch ein Endbauteil verschlossen ist, und das mit einer geeigneten Gasatmosphäre gefüllt ist, mit einer Kathode in der Nähe eines jeden Endes, und das eine zylindrische Metallabschirmung um jede Kathode herum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Abschirmung ein fadenförmiger Quecksilber-Dispenser mithilfe eines metallischen Bauteils (18) in einer solchen Geometrie befestigt ist, dass der Dispenser dem gegenüberliegenden Ende der Lampe zugewandt ist und seine Achse im Wesentlichen parallel zur Achse der Lampe ist.
In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen ist mit dem fadenförmigen Dispenser ein Dispenser gemeint, der eine langgestreckte Struktur aufweist, was bedeutet, dass das Verhältnis zwischen seiner Länge und seiner lateralen Abmessung größer als 2 und dass diese laterale Abmessung gleich oder kleiner als 1,5 mm ist. Für den Fall eines komplexen Querschnitts (wie z. B. eines trapezförmigen) bezieht sich das Verhältnis auf die breiteste laterale Abmessung.
Die Erfindung wird nachfolgend weiter mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine perspektivische, gebrochene Ansicht eines der Enden der Lampe gemäß der Erfindung ist;
2 eine bevorzugte Ausführungsform des Quecksilber-Dispensers zur Verwendung in einer Lampe gemäß der Erfindung zeigt.
In den Figuren müssen die Abmessungen der verschiedenen Elemente und ihr Verhältnis nicht den tatsächlichen entsprechen, sondern wurden absichtlich verändert, um die Lesbarkeit der Figuren zu verbessern.
Die Lampe 10 weist ein Glasrohr 11 auf, das an seinen Enden 12 durch ein Endbauteil 13, gewöhnlich aus Glas, verschlossen ist; in diesem Bauteil sind zwei Halterungen 14 und 14' der Kathode 15 befestigt; aus Gründen der Einfachheit der Darstellung ist die Kathode in der Zeichnung als ein einfaches spiralförmiges Filament dargestellt, das mit den beiden Enden der Halterungen 14 und 14' verbunden ist, aber es könnte auch – wie zuvor dargelegt wurde – komplexere Formen aufweisen, zum Beispiel eine ausgedehntere helixförmige Spirale, die eine Achse aufweist, die mit der Achse der Lampe zusammenfällt, und eine Höhe, die ungefähr gleich jener der Abschirmung ist. An dem flachen Bauteil 13 ist auch eine dritte Halterung 16 befestigt, die gegenüber jenen 14 und 14' und gegenüber der Außenseite elektrisch isoliert ist, welche nur die Aufgabe hat, die Lage einer metallischen Abschirmung 17 zu fixieren, die im Allgemeinen die Geometrie eines Zylinders mit den zwei offenen Grundflächen aufweist, wobei die Achse im Wesentlichen mit jener der Lampe übereinstimmt, und die eine solche Höhe aufweist, dass sie die Kathode in der Richtung senkrecht zur Achse der Lampe abschirmt. Die zwei Halterungen 14 und 14' sind Durchführungen bezüglich des Bauteils 13 (die direkt oder über dieses Bauteil an zwei äußere elektrische Leiter angeschlossen sind) für die Stromversorgung der Kathode. Alternativ dazu kann die Abschirmung, ohne dass eine dritte Halterung 16 benötigt wird, derart an einer der zwei Halterungen 14 und 14' befestigt sein, dass diese weder die zweite Halterung noch das Filament berührt. An dem Ende der Abschirmung 17, das dem Zentrum der Lampe zugewandt ist, ist ein metallisches Bauteil 18 zum Beispiel mittels Schweißpunkten befestigt, das die Form eines Drahtes oder vorzugsweise eines Streifens haben kann (in der Zeichnung ist das letztere beispielhaft gezeigt). Der Abschirmung 17 gegenüberliegend ist zum Beispiel mittels Schweißpunkten am Ende des Drahtes oder Streifens ein fadenförmiger Quecksilber-Dispenser 20 befestigt. Als eine Alternative kann der fadenförmige Dispenser so befestigt sein, dass das metallische Bauteil 18, das als Halterung dient, die Dispenserlänge vollständig oder teilweise überdeckt. Wie oben erwähnt wurde, ist der Dispenser 20 im Wesentlichen parallel zur Achse der Lampe, mit der Bedeutung, dass er parallel oder nur leicht geneigt bezüglich der letzteren ist. Insbesondere soll der Winkel zwischen der Achse der Lampe und dem fadenförmigen Dispenser kleiner als 20° sein. Als eine spezielle Ausführungsform der Erfindung, die besonders mit kleinstem Durchmesser zweckmäßig ist, soll der oben beschriebene Winkel zwischen 20 und 10° liegen, um einen möglichen unerwünschten Abschattungseffekt völlig zu vermeiden. In der Zeichnung ist ein Dispenser des in EP 981826 B1 beschriebenen Typs mit einem trapezförmigen Querschnitt dargestellt, aber es sind andere Formen möglich, insbesondere können andere Querschnitte, die mit den Abmessungseinschränkungen der erfindungsgemäßen Lampe verträglich sind, eine Quadrat- oder Kreisform aufweisen. Ein alternativer zweckmäßiger Dispensertyp ist zum Beispiel in EP 1179216 B1 beschrieben, wobei das Dispensermaterial im Inneren eines Metallrohrs mit offenen Enden und einem verringerten Querschnitt enthalten ist.
2 zeigt den Quecksilber-Dispenser 20 mehr im Detail, dessen Behälter 21 durch einen metallischen Streifen ausgebildet ist, der im Allgemeinen in nickelplatiertem Eisen ausgeführt ist, in die Form eines trapezförmigen Querschnitts mit einem Schlitz 22 auf der oberen Seite gebogen ist, und in dessen Innerem ein Gemisch 23 vorliegt, das aus Pulvern aus einem Material gebildet wird, das in der Lage ist, beim Erhitzen Quecksilber freizusetzen, und aus einem Gettermaterial in einem Gewichtsverhältnis zwischen 9:1 und 4:6, wobei die bevorzugten Materialien St 505 und St 545 für das Freisetzen von Quecksilber und als Gettermaterial eine Zirkonium-Aluminium-Legierung sind, die circa 84 Gew.-% Zirkonium enthält, welche durch die Anmelderein unter dem Namen St 101 verkauft wird. Die typischen Abmessungen dieses Dispensers sind circa 1,0–1,2 mm für die größte Seite des Trapezoids und circa 0,8–1,0 mm für die Höhe und eine Länge, die zwischen circa 2 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 4 und 8 mm liegt, abhängig von der erforderlichen Quecksilbermenge in einer speziellen Lampe.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Abstand zwischen der Abschirmung 17 und dem Dispenser 20, gemessen an der Stelle der maximalen Annäherung (in 1 durch d gekennzeichnet), nicht kleiner als 1 mm sein darf, um eine zu starke Überhitzung des Dispensers während der Umwandlung der Karbonate von Barium, Calcium und Strontium in deren Oxide zu vermeiden; sollte das auftreten, so könnte es zu einer vorzeitigen Absonderung von Quecksilber führen, das verloren gehen würde, weil dieser Vorgang unter einem Gasstrom und während des Pumpens ausgeführt wird, wenn die Lampe noch nicht verschlossen ist. Umgekehrt ist der Maximalwert dieses Abstandes nicht kritisch für die Arbeit des Dispensers, aber obwohl bevorzugt ist, dass er nicht zu groß ist, um zu verhindern, dass sich der Dispenser zu weit im Inneren der Lampe ”erstreckt”, was zu störenden. Abschattungseffekten in der Lampe führen könnte, haben die Erfinder erkannt, dass ein empfehlenswerter Maximalabstand circa 5 mm ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/008771 A1 [0007]
EP 806053 B1 [0008, 0009, 0012]
EP 981826 B1 [0008, 0009, 0013, 0021]
EP 1179216 B1 [0021]

Claims

Glühkathodenleuchtstofflampe (10), die ein innen mit Leuchtstoffen beschichtetes Glasrohr (11) aufweist, das zwei Enden (12) aufweist, von denen jedes durch ein Endbauteil (13) verschlossen ist, und das mit einer geeigneten Gasatmosphäre gefüllt ist, mit einer Kathode (15) in der Nähe eines jeden Endes, und das eine zylindrische Metallabschirmung (17) um jede Kathode herum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Abschirmung ein fadenförmiger Quecksilber-Dispenser (20) mithilfe eines metallischen Bauteils (18) in einer solchen Geometrie befestigt ist, dass der Dispenser dem gegenüberliegenden Ende der Lampe zugewandt ist und seine Achse im Wesentlichen parallel zur Achse der Lampe ist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mit den zwei Enden von zwei Halterungen (14, 14'), die Durchführungen bezüglich des Endbauteils (13) der Lampe sind, verbunden ist und die Abschirmung (17) von einer der Halterungen gehalten wird und elektrisch gegenüber der anderen Halterung und der Kathode isoliert ist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung von einer dritten Halterung (16) gehalten wird, welche ihrerseits an dem Endbauteil (13) befestigt und elektrisch gegenüber den Halterungen (14, 14') und gegenüber der Außenseite isoliert ist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil, an dem der Quecksilber-Dispenser befestigt ist, die Form eines Drahtes oder Streifens (18) aufweist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quecksilber-Dispenser einen trapezoidförmigen Querschnitt und einen Schlitz entlang der gesamten Länge der Seite aufweist, die der größten Seite des Trapezoids entspricht.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dispenser ein Gemisch aus Pulvern eines Materials, das in der Lage ist, durch Erhitzung Quecksilber freizusetzen, und ein Gettermaterial enthält.
Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis zwischen dem Quecksilber freisetzenden Material und dem Gettermaterial zwischen 9:1 und 4:6 ist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zwischen der Abschirmung und dem Dispenser, gemessen an der Stelle der maximalen Annäherung, zwischen 1 und 5 mm ist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispenserachse und die Achse der Lampe einen Winkel gleich oder kleiner als 20° bilden.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispenserachse und die Achse der Lampe einen Winkel bilden, der zwischen 20° und 10° liegt.