DE3500030A1

DE3500030A1 - Verfahren und vorrichtung zum abgeben kleiner mengen quecksilber aus evakuierten und versiegelten glaskapseln

Info

Publication number: DE3500030A1
Application number: DE19853500030
Authority: DE
Inventors: William A. Rockport Mass. George; Mark W. Framingham Mass. Grossman; Robert Yang Hamilton Mass. Pai
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Flowil International Lighting Holding BV
Priority date: 1984-01-04
Filing date: 1985-01-02
Publication date: 1985-07-18
Anticipated expiration: 2005-01-03
Also published as: GB2153143B; FR2557726B1; FR2557726A1; GB2153143A; GB8500183D0; CA1245605A; US4534742A; DE3500030C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abgeben kleiner Mengen Quecksilber aus evakuierten und versiegelten Glaskapseln

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abgeben einer kleinen Menge Quecksilbers oder dergleichen Material aus einer evakuierten und versiegelten Glaskapsel, wie sie beispielsweise in einer Leuchtstofflampe angeordnet sein könnte.

Es sind bereits Verfahren zum Abgeben von Quecksilber oder anderen Materialien mit hohen Dampfdruckeigenschaften in eine gasgefüllte Entladungsröhre, wie beispielsweise eine Leuchtstofflampe, entwickelt worden.

Die US-PS 36 84 3^5 beschreibt ein Verfahren zum Abgeben von Quecksilber in Verbindung mit einer gasgefüllten Entladungsröhre, speziell einer Ziffernanzeigeröhre, die nach dem Glühprinzip arbeitet. Das Quecksilber oder dergleichen Material ist dabei in einer Kapsel oder Ampulle eingeschlossen und die Kapsel wird dann in die Umhüllung der Röhre eingebracht. Im gewünschten Zeitpunkt während des Herstellungsprozesses wird das Quecksilber freigegeben, indem man die Ampulle zerstört oder deformiert. Diesbezüglich beschreibt die genannte Patentschrift eine Technik, die eine Heizspule verwendet, um die Glaskapsel zu erweichen und zu öffnen. Das in der genannten Druckschrift beschriebene Konzept bezieht sich auf den Einsatz der Energie einer Infrarotstrahlenquelle hoher Intensität. Die quecksilberenthaltende Ampulle ist da-

__n her aus einem infrarotabsoriberenden Glas hergestellt und weist einen Außendurchmesser von 3,8 mm und einen Innendurchmesser von 2,5 mm auf. Dieses Glas absorbiert Strahlung im Wellenlängenbereich von 1 ,u sehr stark und wenn es innerhalb der Glasrohre angeordnet ist, das typischerweise für Leuchtstofflampen verwendet wird, das keine Infrarotstrahlung absorbiert, dann kann die Ampulle bis zu ihrem Erweichungspunkt erwärmt werden, ohne daß dabei die Glasrohre der Leuchtstofflampe be-

schädigt wird. Es kann daher eine helleuchtende Lichtquelle verwendet werden, um die Quecksilber enthaltende Glaskapsel im Inneren einer Leuchtstofflampe zu öffnen. Man hat jedoch festgestellt, daß abhängig vom Volumen der Kapsel und der Masse des in ihr eingeschlossenen Quecksilbers für relativ kleine Verhältnisse der Quecksilbermasse zum Kapselvolumen Probleme beim richtigen und genauen Zerbrechen und Öffnen der Kapsel auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Abgeben kleiner Mengen von Quecksilber oder dergleichen Material aus evakuierten und versiegelten Glaskapseln anzugeben, das speziell zum Abgeben von Quecksilber relativ kleiner Masse im Verhältnis zum Volumen der Kapseln geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und ein System zum Öffnen einer evakuierten und versiegelten Glaskapsel, die ein zu verteilendes Material enthält, sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zum Abgeben kleiner Quecksilbermengen aus einer versiegelten Kapsel, bei dem eine verbesserte Art einer hellstrahlenden Lichtquelle verwendet wird. Dabei vollzieht sich das öffnen der Kapsel genau und vorbestimmt.

Es wird ein Verfahren geschaffen, mit dem eine evakuiorte und versiegelte Kapsel, die ein zu verteilendes Material enthält, geöffnet wird, wobei das Material einen relativ hohen Dampfdruck aufweist und die Kapsel in einer evakuierten Umhüllung eingeschlossen ist. Die

Kapsel wird von einer ersten Lichtquelle in Längsrichtung und von einer zweiten Lichtquelle Im wesentlichen gleichzeitig in Querrichtung bestrahlt. Ein Segment der Kapsel wird von einer Einschnürungsvorrichtung, die um die Kapsel angeordnet ist und die Ausbildung eines Ballons darin während der Bestrahlung behindert, eingeschnürt.

Die Vorrichtung enthält eine erste Lichtquelle, die längs der Kapsel strahlt, und eine zweite Lichtquelle, die im wesentlichen quer zur Strahlungsrichtung der ersten Lichtquelle quer durch die Kapsel strahlt . Die Kapsel ist mit einer Einschnürungsvorrichtung versehen.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Quecksilberdampfdrucks und der Quecksilberdampfdichte innerhalb eines umschlossenen Raumes oberhalb flüssigen Quecksilbers in Abhängigkeit der Temperatur des flüssigen Quecksilbers;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Technik zum Öffnen von Quecksilber enthaltenden Kapseln unter Verwendung einer hellstrahlenden Lampe;

Fig. 3 eine Seitenansicht, die die Art zeigt, in der die hellstrahlende Lampe mit der Kapsel zusammenwirkt, um an dieser eine sich ausdehnende Blase an einer Kapsel mit hohem Massen-/Volumenverhältnis auszubilden ;

Fig. 4 eine Kapsel zur Aufnahme von Quecksilber und die zugehörige Einschnürungseinrichtung, die dazu geeignet ist, die Kapselhülle zusammenzuhalten, um den Glasfluß in die zu bildende Blase zu beschränken;

Fig. 5 schematisch eine Draufsicht auf eine Projektionslampenanordnung mit zwei Projektionslampen, von denen bei der einen die Glühwendel auf die Kapsel abgebildet wird.und von der anderen das Abbild der Glühwendel die Kapsel kreuzt, um eine Kapsel mit niedrigem Massen-/Volumenverhältnis zu öffnen, und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Projektionslampenanordnung nach Fig. 5·

Es werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Freisetzung kleiner Materialmengen, wie Quecksilber, aus einer eva- ° kuierten und versiegelten Glaskapsel unter Verwendung einer helleuchtenden Lichtquelle beschrieben. Diese evakuierten und versiegelten Glaskapseln können, wenn sie Quecksilber enthalten, in einer Leuchtstofflampe angeordnet sein und haben beispielsweise ein inneres VoIu-

^Q men in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1 cm^ und enthalten kleine Quecksilbermengen in der Größenordnung von 0,1 mg bis 10 mg. Das beschriebene Verfahren ist auch zur Freisetzung oder Verteilung anderen Materials, speziell solchen Materials geeignet, das einen hohen Dampfdruck aufweist.

Es wurde ermittelt, daß das Verfahren, das in der US-PS 36 84 3^5 beschrieben ist, nur für Kapseln mit einem hohen Massen-/Volumenverhältnis brauchbar ist. Probleme erwachsen jedoch, wenn das Verhältnis der Quecksilbermasse zum inneren Kapselvolumen kleiner wird.

Zur Untersuchung der Angelegenheit sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der der Quecksilberdampfdruck und die Quecksilberdichte innerhalb eines abgeschlossenen Raumes oberhalb flüssigen Quecksilbers auf getrennten Achsen als Funktion der Temperatur don f] ürujJRon

BAD ORIGINAL

Silbers aufgetragen sind. Die Werte der Quecksilbermasse, die abgegeben wurde, liegt zwischen 0,1 mg und 10 mg. Die Kapselvolumina liegen zwischen 0,01 und 0,1 cm . Ein relativ niedriges Verhältnis von Quecksilbermasse zu

Kapselvolumen liegt bei 0,1 mg Hg zu 0,1 cm^ Kapselvolumen. In Bezug· auf Fig. 1 bedeutet dies einer maximalen Dampfdichte von 10 ,ug/cm . Gemäß. Fig. 1 ist dies einem Dampfdruck von 10 Torr zugeordnet, wobei vorausgesetzt wird, daß die gesamte Masse in Dampfform vorliegt.

In einem Ausführungsbeispiel sind 4 mg Quecksilber in einem Volumen von 0,01 cm enthalten.Dies entspricht

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einer Dichte von 4 χ 10 ug/cm , entsprechend einem

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Druck von 10 bis 10 Torr, wiederum unter der Annahme, daß alles Quecksilber verdampft ist. Die relative Schwierigkeit beim Öffnen einer Kapsel mit niedrigem Massen-/Volumenverhältnis liegt also teilweise darin, daß der Innendruck, der durch vollständige Verdampfung des Quecksilbers erzielbar ist, relativ gering ist. Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum öffnen von mit Quecksilber gefüllten Kapseln, die eine helleuchtende Projektionslampe 10 verwendet, die aus einem Lampenkolben 12, einer Glühwendel 14 und einem inneren Spiegelreflektor 16 besteht. Die Projektionslampe 10 kann eine 150 W-Lampe sein mit einem Parabolspiegel 16. Solche Lampen sind handelsüblich. Die Projektionslampe wird dazu verwendet, einen Teil des in der Kapsel 20 enthaltenen flüssigen Quecksilbers zu verdampfen. Die Strahlung der Projektionslampe 10 erhöht dabei gleichzeitig die Temperatur des Kapselglases so weit, daß es weich wird.

Fig. 2 zeigt eine Kapsel 20, die in einem Leuchtstofflampenkolben 22 angeordnet ist, der üblicherweise eine Glühwendel 24 enthält, die auf bekannte Weise in dem Lampenkolben befestigt ist. Fig. 2 zeigt weiterhin einen Kapselhaltedraht 26, der an der Glühwendel 24 an

deren Anschluß 25 befestigt. Die Art der Kapselhalterung wird später noch im Detail erläutert.

Wenn die Kapsel der Wärme von der Projektionslampe ausgesetzt wird, dann bildet sich eine sich nach außen ausdehnende Blase, wie mit 20a in Fig. 2 dargestellt ist. In dem Augenblick, in welchem das Glas seinen Erweichungspunkt erreicht, ist der Innendruck, der von dem erwärmten Quecksilber erzeugt wird, größer als der Umgebungsdruck ¹^ innerhalb des Leuchtstofflampenkolbens 22, in welchem ein Druck von etwa 2,5 Torr herrscht. Die Blase 20a bricht daher und erlaubt es dem Quecksilberdampf, in den Lampenkolben zu entweichen.

Fig. 3 zeigt weiter Details der gegenseitigen Anordnung von Projektionslampe 10 und zu öffnender Kapsel 20. Fig. 3 zeigt, daß die Lichtstrahlen 18 der Lampenwendel 14 von dem Spiegelreflektor 16 reflektiert und gegen die Kapsel 20 gerade oberhalb von deren festen Sockel 27 gerichtet werden.

Es.wurde festgestellt, daß bei manchen Kapseln der Art, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, die Kapsel zwar anschwillt, sich jedoch nicht öffnet, wenn nicht das Abbild .25 ci_er Projektionslampenwendel dicht auf den Übergangsbereich zwischen der Kapselhülle 21 und ihrem Sockel 27 gerichtet wird.

Zu Fig. 3 ist hervorzuheben, daß innerhalb der Kapselhülle 21 ein Quecksilbertropfen 23 enthalten ist. Fig. zeigt auch anschaulich.die Lichtstrahlen 18, die auf den geeigneten Bereich am übergang zwishen dem Sockel 27 und dem unteren Ende der Kapselhülle 21 gerichtet werden. Wenn dieser Übergangsbereich erwärmt wird, dann entwickelt sich eine sich schnell ausdehnende Blase, die zuverlässig bricht. Die Darstellung nach Fig. 3 geht auch von einem relativ hohen Massen-/Volumenverhältnis aus.

Es entwickelt sich daher ein ausreichender Dampfdruck, wenn die Wärme in geeigneter Weise konzentriert wird, wie es dargestellt ist, um eine geeignete Öffnung zu erzeugen.
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Während die Verfahrensweise nach den Fig. 2 und 3 bei relativ hohem Verhältnis von Masse zu Volumen zufriedenstellend arbeitet, ergeben sich bei Kapseln mit niedrigem Massen-/Volumenverhältnis, wie beispielsweise bei der in Fig. 4 dargestellten Kapsel Schwierigkeiten beim Öffnen, wenn man nur eine einzige Projektionslampe verwendet. Dies rührt teilweise daher, daß der niedrige Innendruck, der zu erwarten ist, die Blase nur sehr langsam entwickelt. Außerdem gibt es zwei weitere Faktoren, die bei solchen Kapseln das Öffnen mit nur einer Projektionslampe schwierig machen. Zum einen bewirkt die Verwendung nur einer einzigen Lampe, die nur einen relativ kleinen Oberflächenbereich der Kapsel erwärmt, daß das Quecksilber sich an anderen Oberlfächenbereichen

wieder niederschlägt, wodurch der maximale Innendruck der Kapsel wieder herabgesetzt wird. Man kann dies durch Verwendung einer zweiten Projektionslampe vermeiden, die die gesamte Länge der kapsel bestrahlt. Weiterhin ist zu beachten, daß wenn die Kapsel erwärmt wird, die Blase sich an dem Abbild der Lampenwendel zu entwickeln beginnt. Dabei fließt jedoch eine solch große Menge Glas aus dem benachbarten Bereich in die Blase, daß die Wandstärke der Blase niemals· dünn genug wird, um zu einem Platzen der Blase zu führen. Dieses Problem wurde dadurch ° gelöst, daß man Einschnürungsmittel 34, wie in Fig. 4 dargestellt, verwendet, um den Fluß von Glas in die Blase zu beschränken.

Fig. 4 zeigt daher eine Kapsel 30, die eine Länge von etwa 1 cm und einen Durchmesser von etwa 3,8 mm und einen Innendurchmesser von etwa 2,5 mm hat. Die Kapsel hat festere Enden 32, wie in Fig. 4 dargestellt, sie

kann aber auch überall gleiche Wandstärke aufweisen. Fig. 4 zeigt auch die Einschnürungsmittel 34 als Tragdraht, der die Kapsel in zwei Windungen umgibt. Der Tragdraht 34 ist vorzugsweise ein Edelstahldraht. Die Tragdrahtschleifen weisen einen Abstand A in der Größenordnung von 2 bis 2,5 mm auf. Dieser Abstand entspricht ungefähr der Größe des Abbildes der Lampenwendel, so daß in Bezug auf das Lampenwendelabbild quer zur Kapsel der größte Wärmeanteil in diesem Abstand A konzentriert wird.

Fig. 5 zeigt die bevorzugte Anordnung zum Sprengen oder Öffnen einer Kapsel mit geringem Massen-/Volumenverhältnis. Es sei hierzu auch auf Fig. 6 verwiesen, die eine perspektivische Darstellung der Anordnung mit zwei Projektionslampen zum Öffnen der Kapsel zeigt. Man erkennt in den Fig. 5 und 6 ein Ende einer Leuchtstoffröhre 40, die eine Glühwendel 42 enthält. Ein Tragdraht 44 bildet eine Einrichtung zum Halten der Kapsel 45 innerhalb der Leuchtstoffröhre 40. Er bildet zum Teile eine Einschnürungsvorrichtung zum Begrenzen des Glasflusses in die zu bildende Blase. Der Tragdraht 44 ist am einen Anschlußstift 46 der Glühwendel 42 befestigt. In Verbindung mit der Kapsel 45 sei hervorgehoben, daß in Fig. 5 die Kapsel mit der daran ausgebildeten Blase 45a dargestellt ist, die gestrichelt eingezeichnet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Kapsel 45 auch in anderer Weise innerhalb der Leuchtstoffröhre

angeordnet sein.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Projektionslampen 50 und Innerhalb des Lampenkolbens 51 der Lampe 50 sind ein Reflektor 52 und eine Glühwendel 54 angeordnet. In gleicher Weise sind im Lampenkolben 62 der zweiten Projektionslampe 60 ein Lampenreflektor 64 und eine Glühwendel 66 angeordnet. Die Glühwendel 54 der Lampe 50 wird durch den Reflektor 52 in Längsrichtung auf die Kapsel 45 ab-

gebildet. In Bezug auf die Lampe 60 verläuft das Abbild der Glühwendel 66 quer über die Kapsel 45. Das Abbild der Glühwendel der Projektionslampe 60 wird auf den Zwischenraum A nach Fig. 4 gerichtet. Es sei auch festgehalten, daß die Blase 45a im wesentlichen unter einem Winkel von 45 zwischen den Projektionslampen 50 und 60 ausgebildet wird. Die Projektionslampen 50 und 60 sind in Bezug auf die Kapsel 45 vorzugsweise in einem Winkel von 90 zueinander angeordnet.

Die zwei Projektionslampen 50 und 60 werden zur Ausbildung einer dünnwandigen Blase in Betrieb gesetzt, die nach einer Ausdehnung um ungefähr 10 mm platzt. Die Richtung, in der sich die Blase ausbildet, ist in Fig. 5 in gestrichelten Linien dargestellt. Die Blase erstreckt sich im wesentlichen in eine Richtung zwischen den Projektionslampen 50 und 60.

Es sei auch hervorgehoben, daß das in der Kapsel enthaltene Quecksilber im wesentlichen vollständig entweicht, wenn sich die Kapsel öffnet. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten Öffnungsverfahren, wie beispielsweise mit Hilfe von Laserstrahlen, mit denen ein Loch oder ein Sprung in der Kapsel erzeugt wird, ohne das Quecksilber daraus wirksam herauszutreiben.

Die Technik nach der vorliegenden Erfindung stellt nicht nur ein zuverlässiges und vollständiges Öffnen der Kapsel sicher, sondern macht die Öffnung auch groß genug, um ein vollständiges Entweichen der Quecksilberdämpfe aus der Kapsel zu ermöglichen.

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Claims

D« G BEZOLD n.. , u, „ GTE PRODUCTS CORPORATION *ϋ™Γ^'^Ν 100 W. 10th Street, """"""" ' Wilmington, Delaware, USA SOOo MÜNCHEN 'J.- P 19 141-514 Verfahren und Vorrichtung zum Abgeben kleiner Mengen Quecksilber aus evakuierten und versiegelten Glaskapseln Patentansprüche

1. Verfahren zum Öffnen einer evakuierten, verschlossenen Glaskapsel, die ein abzugebendes Material

2g. relativ hohen Dampfdrucks enthält und in einem evakuierten Raum angeordnet ist, gekennzeichnet durch: Bestrahlen der Kapsel mit einer ersten Lichtquelle, die in Längsrichtung auf der Kapsel abgebildet wird, im wesentlichen gleichzeitiges Bestrahlen der

„₀ Kapsel mit einer zweiten Lichtquelle, die im wesentlichen quer zum Bild der ersten Lichtquelle auf der Kapsel abgebildet wird, Einschnüren eines Ausschnitts der Kapsel mittels Einschnürmitteln, um die Kapsel herum, die die Ausbildung der während der Bestrahlung auftretenden Blase einschränken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nz e i ch η e t, daß die Lichtquellen relativ zur Kapsel

so angeordnet werden, daß die Lichtquellen im Winkel von 90° zueinander stehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ekennzeichnet, daß die Kapsel mit einer hellleuchtenden Lampe bestrahlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel mit Hilfe einer Drahtschleife eingeschnürt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnüreinrichtung an einer Glühwendel der Entladungs-

röhre befestigt wird.

6. Anordnung zum Öffnen einer evakuierten und verschlossenen Glaskapsel, die ein abzugebendes Material relativ hohen Dampfdrucks enthält und in einer Ent-

ladungsröhre angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine erste Lichtquelle (50), die in Längsrichtung auf der Kapsel (20) abgebildet wird, einer zweiten Lichtquelle (60), die im wesentlichen quer zum Abbild der ersten Lichtquelle (50) quer auf der Kapsel (20) abgebildet wird, und Einrichtungen (34) zum Einschnüren eines Teilbereichs der Kapsel (20), wobei die Einschnürungseinrichtungen (34) über einen Bereich wirksam sind, der dem Abbildungsbereich der zweiten Lichtquelle (60) entspricht und um die Kapsel (20) so ange-

ordnet sind, daß sie die Ausbildung einer zu bildenden Blase beschränken.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Licht-

quellen (50, 60) in Bezug auf die Kapsel (20) so angeordnet sind, daß sie mit dieser einen Winkel von 90 zueinander bilden.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g ekennzeichnet, daß die Blase (20a) zwischen den ersten und zweiten Lichtquellen (50, 60) ausgebildet wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lichtquellen (50, 60) helleuchtende Lampen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die helleuchtenden Lampen Projektionslampen sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungseinrichtungen Drahtschleifen (34) sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch g e k e η nz e i ch η e t, daß die Drahtschleifen (3¹O wenigstens zwei Schleifen umfassen, die um die Kapsel gebunden sind und einen gegenseitigen Abstand (A) aufweisen.

13- Anordnung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η nz e i ch η e t, daß der Abstand (A) der Drahtschleifen in der Größenordnung von 2,0 bis 2,5 mm liegt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch Einrichtungen (25) zum Befestigen der Einschnürungseinrichtungen (34) an der Glühwendel (24) der Entladungsröhre (22).