WO2002027747A1

WO2002027747A1 - Dielektrische barriere-entladungslampe

Info

Publication number: WO2002027747A1
Application number: PCT/DE2001/003345
Authority: WO
Inventors: Werner Berlinghof; Rolf Bäuerle; Gerhard DÖLL
Original assignee: Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2002-04-04
Also published as: US20020163306A1; TW516068B; US6605899B2; EP1232514A1; EP1232514B1; DE50115175D1; DE10048410A1; CN1393026A; CA2392842A1; KR20020085881A; JP2004510302A; CN1217375C; KR100887780B1

Abstract

Das Entladungsrohr einer dielektrischen Barriere-Entladungslampe ist mit Hilfe eines tellerförmigen Verschlusselements verbindungsmittelfrei gasdicht verschlossen. Zu diesem Zweck weist das Entladungsrohr eine Verengung auf, die den Rand des tellerförmigen Verschlusselements ringförmig umschließt.

Claims

Dielektrische Barriere-EntiadungslampeTechnisches GebietDie Erfindung betrifft eine dielektrische Barriere-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Es handelt sich dabei um eine Entladungslampe, bei der entweder die Elektroden einer Polarität oder alle Elektroden, d.h. beiderlei Polarität, mittels ei- ner dielektrischen Schicht von der Entladung getrennt sind (sogenannte einseitig bzw. zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung). Derartige Elektroden werden im folgenden auch verkürzend als „dielektrische Elektroden" bezeichnet. Die Polarität der Elektroden kann dabei im Betrieb durchaus auch wechseln, d.h. jede Elektrode fungiert abwechselnd als Anode bzw. Kathode. Dann ist es allerdings vorteilhaft, wenn sämtliche Elektroden eine dielektrische Behinderung aufweisen. Für weitere Details sei auf die Schrift EP 0 733 266 Bl verwiesen, in der eine besonders bevorzugte Betriebsweise für dielektrische Barriere-Entladungslampen beschrieben ist.Die eingangs erwähnte dielektrische Schicht kann durch die Wand des Ent- ladungsgefäßes selbst gebildet sein, indem die Elektroden außerhalb des Entladungsgefäßes, etwa auf der Außenwand, angeordnet sind. Andererseits kann die dielektrische Schicht auch in Gestalt einer zumindest teilweisen Umhüllung oder Beschichtung mindestens einer innerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Elektrode - im Folgenden auch verkürzend als Innen- elektrode bezeichnet - realisiert sein. Das hat den Vorteil, dass die Dicke der - 2 -dielektrischen Schicht auf die Entladungseigenschaften hin optimiert werden kann. Allerdings erfordern Innenelektroden gasdichte Stromdurchführungen. Dadurch sind zusätzliche Fertigungsschritte erforderlich.Lampen der gattungsgemäßen Art werden insbesondere in Geräten für die Büroautomation (OA = Office Automation), z.B. Farbkopierer und -Scanner, für die Signalbeleuchtung, z.B. als Brems- und Richtungsanzeigelicht in Automobilen, für die Hilfsbeleuchtung, z.B. der Innenbeleuchtung von Automobilen, sowie für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen, z.B. Flüssigkristallanzeigen, als sogenannte „Edge Type Backlights" eingesetzt.In diesen technischen Anwendungsfeldern sind sowohl besonders kurze Anlaufphasen, aber auch möglichst temperaturunabhängige Lichtströme erforderlich. Deshalb enthalten diese Lampen üblicherweise kein Quecksilber. Vielmehr sind diese Lampen typischerweise mit Edelgas, vorzugsweise Xenon, bzw. Edelgasmischungen gefüllt. Während des Lampenbetriebs entste- hen innerhalb des Entladungsgefäßes insbesondere Excimere, beispielsweise Xe2*, welche eine Molekülbandenstrahlung mit einem Maximum bei ca. 172 nm emittieren. Je nach Anwendung wird diese VUV-Strahlung mittels Leuchtstoffe in sichtbares Licht umgewandelt.Stand der TechnikIn der Schrift W098/49712 ist eine rohrförmige Barriere-Entladungslampe mit zumindest einer streifenf örmigen Innenelektrode offenbart. Ein Ende des rohrförmigen Entladungsgefäßes der Lampe ist mit einem Stopfen gasdicht verschlossen, der mittels Glaslot mit einem Teil der Innenwand des Entladungsgefäßes verschmolzen ist. Die streifenförmige Innenelektrode ist durch das Glaslot hindurch als Stromzuführung nach außen geführt, Nachteilig ist, dass zwischen Stopfen und Gefäßwand eine Glaslotschicht als gasdichtes Verbindungsmittel erforderlich ist. Darstellung der ErfindungEs ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorgenannten Nachteil zu vermeiden und eine dielektrische Barriere-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer verbesserten, Verbindungsmittelfreien Verschlusstechnik bereitzustellen.Diese Aufgabe wird bei einer Lampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.Ferner wird Schutz für ein Verfahren zu Herstellung dieser Lampe gemäß den Merkmalen des Verfahrensanspruchs beansprucht.Erfindungsgemäß ist das Entladungsrohr der dielektrischen Barriere- Entladungslampe zumindest an einem seiner beiden Enden mit Hilfe eines tellerförmigen Verschlusselements verbindungsmittelfrei gasdicht verschlossen, indem das bzw. jedes der beiden Verschlusselemente an dem jeweiligen Ende innerhalb des Entladungsrohres angeordnet und über seinen gesamten Umfang unmittelbar mit der Innenwand des Entladungsrohres gasdicht verbunden ist. Wie weiter unten detailliert ausgeführt ist, geschieht dieses gasdichte Verbinden, indem die Innenwand und der Rand des tellerförmigen Verschlusselements bis zur jeweiligen Erweichungstemperatur erwärmt werden. Dafür wird der Kürze wegen auch der Begriff „Verschmelzen" verwendet, der allerdings dahingehend verallgemeinert zu verstehen ist, dass die Materialien der beiden zu verbindenden Elemente nicht unbedingt innig miteinander verschmolzen sein müssen. Wesentlich ist nur, dass eine gasdichte Verbindung durch Erwärmen der beiden zu verbindenden Elemente bis zum jeweiligen Erweichungspunkt und anschließendes miteinander in Kontakt bringen derselben entsteht, ohne zusätzliches Verbindungsmittel. Außerdem ist das Entladungsrohr im Bereich der Verschmelzung entlang des gesamten Umfangs derart verengt, dass die Verengung den Rand des tellerförmigen Verschlusselements ringförmig umgibt. Der Begriff „tellerförmiges Verschlusselement" ist dabei dahingehend verallgemeinert zu ver- stehen, dass dieses Verschlusselement lediglich dazu geeignet sein muss, in das Entladungsrohr eingeschoben zu werden und das Ende des Rohres in der beschriebenen Weise verschließen zu können. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um eine kreisförmige Scheibe. Geeignet sind aber auch andere Ausgestaltungen sofern sie nur einen kreisförmigen Umfang aufweisen, bei- spielsweise ein zylinderförmiger Stopfen o.a..Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser Entladungslampe sieht das Bereitstellen des tellerförmigen Verschlusselements vor, wobei dessen Durchmesser geringfügig kleiner gewählt wird als der Innendurchmesser des Entladungsrohrs. Dieses tellerförmige Verschlusselement wird an einem zu verschließenden Ende des Entladungsrohrs derart eingeführt, dass zunächst ein ringförmiger Spalt verbleibt, typisch im Bereich von einigen Hundert Mikrometern, beispielsweise ca. 100 μm bis 300 μm. Die geeignete Spaltweite ergibt sich einerseits aus der Anforderung, dass das tellerförmige Verschlusselement möglichst gut in das Entladungsrohr einführbar sein soll. Andererseits muss der Spalt am Ende der Herstellung des Entladungsgefäßes auch wieder gasdicht geschlossen werden. Insofern ist es vorteilhaft, wenn der Spalt nicht übermäßig weit ist, da ansonsten die Verengung entsprechend tief auszuführen ist. Vorteilhaft ist es außerdem, zuvor sowohl das tellerförmige Verschlusselement als auch das zu verschließenden Ende des Entladungsrohrs vorzuheizen. Anschließend wird das Verschlusselement und das Entladungsrohr im Bereich des Verschlusselements bis zur Erweichungstemperatur erwärmt. Bei Erreichen der Erweichungstemperatur wird das Entladungsrohr schließlich derart verengt, dass sich der gesamte Rand des Verschlusselements mit der Entladungsrohrwand im Bereich der Verengung gasdicht verbindet.Zum Zwecke der Verengung wird beispielsweise mittels einer Rolle aus hochschmelzendem Material, z.B. einer Graphitrolle, der erweichte Teil der Wand des Entladungsrohrs auf den Rand des Verschlusselements gedrückt, wobei die Rolle bezüglich des Umfangs des Entladungsrohres rotiert. Bei den oben genannten typischen Spaltweiten hat sich eine radiale Tiefe der Verengung von einigen Zehntel Millimeter, typisch im Bereich von ca. 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,8 mm, besonders bevorzugt zwi- sehen 0,4 mm und 0,6 mm, beispielsweise 0,5 mm, als ausreichend erwiesen.Bevorzugt wird für das Entladungsrohr und das tellerförmige Verschluss- element die gleiche Glassorte verwendet. Aufgrund der folglich ebenfalls gleichen Ausdehnungskoeffizienten sind die Spannungen kleiner als bei Verwendung eines zusätzlichen Verbindungsmittels wie im Stand der Tech- nik. Dort ist nämlich die Gefahr unvermeidbarer Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Verbindungsmittel, z.B. Glaslot, und dem Entladungsrohr, z.B. aus Natronkalkglas, entsprechend hoch.Die beim Verschmelzen üblicherweise entstehenden Wärmespannungen können durch nachträgliches Tempern abgebaut werden.Die Glasverschmelzung und nachfolgende Temperung können relativ schnell durchgeführt werden, da die zu verschmelzenden Komponenten direkt erwärmt werden können, im Unterschied zum Stand der Technik wo zuerst der Binder aus den Sinterteilen ausgetrieben oder Glasfritten aufge- schmolzen werden müssen.Außerdem ist die erfindungsgemäße Glasverschmelzung billiger, da das zusätzliche Verbindungsmittel entfällt. - 6 -In einer bevorzugten Variante ist die dem Innern des Entladungsgefäßes zugewandte Seite des tellerförmigen Verschlusselements mit einer reflektierenden Schicht, z.B. Ti02, A1203 oder einer Interferenzschicht belegt. Dadurch wird das ansonsten aus der Stirnseite des Entladungsgefäßes austretende Licht zurückreflektiert und so die Leuchtdichte im Randbereich erhöht, was wegen des ansonsten in Richtung zu den Lampenenden hin üblichen Leuchtdichteabfalls ausdrücklich erwünscht ist.Außerdem kann es vorteilhaft sein, das tellerförmige Verschlusselement mit einer Öffnung und einem an diese Öffnung angeformten Pumprohr zu ver- sehen. Auf diese Weise kann die Lampe bei der Herstellung mit Hilfe dieses Pumprohrs evakuiert bzw. befüllt werden. Alternativ kann aber auch auf diese Öffnung und das Pumprohr verzichtet werden, wenn nämlich die Lampe in einer evakuierbaren Kammer, beispielsweise einem Vakuumofen hergestellt wird.Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere-Entladungslampe verwendet die bereits eingangs erwähnten Innenelektroden. Dabei ist mindestens eine Elektrode auf der Innenwand des Entladungsrohres angeordnet und im Bereich der Verengung durch die Verbindung zwischen Innenwand und Verschlusselement hindurch gasdicht nach außen geführt. Das Entladungsrohr ragt etwas über die Verengung hinaus, um eine Kontaktfläche für den Anschlussteil der Innenelektroden zu bieten. Zwar bewirkt die erfindungsgemäße Verbindung eine gewisse Verdrängung der dielektrischen Barriere und insofern wäre auch eine Störung der Funktion dieser dielektrischen Innenelektrode zu erwarten gewesen. Allerdings hat sich überraschenderweise keine negative Auswirkung der lokalen Deformation der dielektrisch behinderten Innenelektrode auf die dielektrisch behinderte Entladung gezeigt. Voraussetzung hierfür ist aber, dass die Verengung genau im Bereich des tellerförmigen Verschlusselements ist. Genauer gesagt - 7 -sollte die axiale Ausdehnung der Verengung im wesentlichen auf die axiale Ausdehnung des tellerartigen Verschlusselements entlang der Innenwand des Entladungsrohres beschränkt sein. Die in der unmittelbaren Nähe der Verengung zwangsweise auftretende halbrunde Krümmung der Elektroden- bahn in Richtung zur Entladungsrohrachse bewirkt zwar lokal eine geometrische Verkürzung der Schlagweite. Allerdings wird dadurch offensichtlich das elektrische Feld in dem der Verschmelzung angrenzenden Bereich in der Weise deformiert, dass sich die in der bereits erwähnten W098/ 9712 beschriebenen Einzelentladungen von dem tellerförmigen Verschlusselement wegbiegen. Dadurch wird die effektive Schlagweite vergrößert und zusätzlich vermieden, dass sich die Einzelentladungen unerwünscht hauptsächlich entlang des tellerartigen Verschlusselements ausbilden. Für weitere Details wird auf das Ausführungsbeispiel verwiesen.Beschreibung der ZeichnungenIm folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nä- her erläutert werden. Es zeigen:Figur 1 ein einseitig verschlossenes Entladungsrohr,Figur 2a ein Längsschnitt des unverschlossenen Endes des Entladungsrohrs aus Figur 1 mit eingesetztem Verschlusselement,Figur 2b ein Querschnitt durch das Entladungsrohr aus Figur 2a entlang der Linie AA,Figur 3 ein Längsschnitt durch das Ende des Entladungsrohrs aus Figur 1 mit eingeschmolzenem Verschlusselement,Figur 4 den zeitlichen Temperaturverlauf innerhalb eines Ofens während der Herstellung der erfindungsgemäßen Barriere-Entladungslampe, - 8 -Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer fertigen Barriere-Entladungslampe.Die nachfolgenden Figuren 1 bis 3 dienen zur Illustration des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere-Entladungslampe.Figur 1 zeigt ein Entladungsrohr 1 aus Natronkalkglas, das an einem ersten Ende 2 zunächst noch offen, an dem anderen Ende 3 aber bereits mittels einer stumpfen Verschmelzung 4 verschlossen ist.Die Figuren 2a, 2b zeigen das offene Ende 2 des Entladungsrohres 1 in einer schematischen Längsschnitt- bzw. Querschnittdarstellung entlang der Linie AA. Die Innenwand des Entladungsrohres 1 ist bereits mit zwei diametral angeordneten linienf örmigen Innenelektroden 5a, 5b aus Silber versehen, die mit einer dielektrischen Barriere 6a, 6b aus Glas abgedeckt sind. In dem offenen Ende 2 des Entladungsrohres 1 ist außerdem bereits ein tellerförmiges Verschlusselement 7 zentrisch angeordnet. Der Außendurchmesser des tel- lerförmigen Verschlusselements 7 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser abzüglich der Dicke der beiden Innenelektroden 5a, 5b einschließlich ihrer Barrieren 6a, 6b, so dass über den gesamten Umfang ein kleiner Spalt 11 von ca. 100 μm bis 300 μm verbleibt. Das Verschlusselement 7 weist eine zentrische Bohrung 8 auf, an die ein Pumprohr 9 integral angeformt ist.Die Figur 3 zeigt ähnlich wie die Figur 2a das offene Ende 2 des Entladungsrohres 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung, allerdings nach der Verschmelzung des Randes des tellerförmigen Verschlusselements 7 mit dem gegenüberliegenden Teil der Innenwand des Entladungsrohres 1. Die eigentliche Verschmelzung ist in Figur 3 nicht erkennbar, weil der Längs- schnitt entlang der Elektroden 5a, 5b bzw. der Barrieren 6a, 6b geht. Gut erkennbar ist aber die u den Rand oder genauer gesagt die Umfangsfläche des tellerförmigen Verschlusselements 7 herumführende Verengung 10. Die Tiefe der Verengung beträgt ca. 0,5 mm. Erkennbar ist auch die leichte Quetschung der beiden Barrieren 6a, 6b im Bereich der Verengung 10 sowie die halbrunde Krümmung 12a, 12b der Elektroden 5a, 5b in dem unmittelbarer an die Verengung 10 angrenzenden Bereich innerhalb des Entladungsrau- mes.Die Figur 4 zeigt den für eine spannungsfreie Verschmelzung geeigneten zeitlichen Temperaturverlauf innerhalb eines Ofens (nicht dargestellt) bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Lampe. Nach der ca. 50 Sekunden dauernden im wesentlichen linearen Aufheizphase auf eine Temperatur von ca. 640°C wird die Temperatur für ca. 10 Sekunden (s) konstant gehalten. Danach schließt sich die Temperung an, während der die Temperatur innerhalb einer Zeitspanne von ca. 110 s näherungsweise exponentiell auf eine Temperatur von ca. 370°C abgekühlt wird. Die in Figur 3 dargestellte Verschmelzung zwischen tellerförmigem Verschlussteil 7 und der angrenzenden In- nenwand des Entladungsrohres 1 mit Hilfe lokaler Erwärmung bis zum Erweichungspunkt der zu verschmelzenden Komponenten und der anschließenden Verengung 10 - dieser Vorgang wird auch als Einrollung bezeichnet - beginnt kurz vor dem Erreichen der Haltetemperatur von ca. 640°C und dauert typisch ca. 10 s.Im Folgenden wird zusätzlich auf die Figur 5 Bezug genommen, die die fertige Lampe 13 darstellt. Gleiche Merkmale wie in den vorrangegangenen Darstellungen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beiden Innenelektroden und die zugehörigen dielektrischen Barrieren sind in dieser Darstellung nicht erkennbar. Nach dem Befüllen des Entladungsrohres 1 über das Pumprohr 9 wird letzteres zu einer Pumpspitze 14 abgeschmolzen. Danach kann die Lampe bei Bedarf gesockelt werden. - 10 -Patentansprüche

1. Dielektrische Barriere-Entladungslampe (13) mit einem geschlossenen rohrförmigen Entladungsgefäß (1, 4, 7) und mit länglichen Elektroden (5a; 5b), wobei das Entladungsgefäß (1, 4, 7) aus einem an seinen beiden Enden verschlossenen Entladungsrohr (1) besteht, dadurch ge- kennzeichnet, dass zumindest ein Ende des Entladungsrohres (1) mit

Hilfe eines tellerförmigen Verschlusselements (7) verbindungsmittelfrei gasdicht verschlossen ist, indem das bzw. jedes Verschlusselement (7) an dem jeweiligen Ende (2) innerhalb des Entladungsrohres (1) angeordnet und über seinen gesamten Umfang unmittelbar mit der Innen- wand des Entladungsrohres (1) gasdicht verbunden ist, wobei das Entladungsrohr (1) im Bereich der Verbindung entlang des gesamten U - fangs verengt ist derart, dass die Verengung (10) den Rand des tellerförmigen Verschlusselements (7) ringförmig umf asst.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die axiale Ausdehnung der Verengung (10) im wesentlichen auf die axiale Ausdehnung des tellerartigen Verschlusselements (7) entlang der Innenwand des Entladungsrohres beschränkt ist.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die radiale Tiefe der Verengung (10) im Bereich von ca. 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwi- sehen 0,2 mm und 0,8 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,4 mm und

0,6 mm liegt.

4. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Elektrode (5a; 5b) auf der Innenwand des Entladungsrohres (1) angeordnet und im Bereich der Verengung (10) durch die - 11 -

Verbindung zwischen Innenwand und Verschlusselement (7) hindurch gasdicht nach außen geführt ist.

5. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das tellerförmige Verschlusselement (7) eine Öffnung (8) aufweist, an die ein Pumprohr (9) angeformt ist.

6. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dem Innern des Entladungsgefäßes zugewandte Seite des tellerförmigen Verschlusselements mit einer reflektierenden Schicht belegt ist.

7. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladungsrohr über das Verschlusselement (7) hinausragt.

8. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladungsrohr (1) und das tellerförmige Verschlusselement (7) aus der gleichen Glassorte bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung einer Entladungslampe gemäß den Ansprü- chen 1 bis 8 mit folgenden Verfahrensschritten:

• Bereitstellen eines tellerförmigen Verschlusselements (7), dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Entladungsrohrs (1),

• Einführen des tellerförmigen Verschlusselements (7) an einem zu verschließenden Ende (2) des Entladungsrohrs (1) derart, dass ein ringförmiger Spalt verbleibt,

• Erwärmen des Verschlusselements (7) und des Entladungsrohrs (1) im Bereich des Verschlusselements bis zur Erweichungstemperatur, - 12 -

• Verengen des Entladungsrohrs (1) derart, dass der Rand des Verschlusselements (7) mit der Innenwand des Entladungsrohrs (1) im Bereich der Verengung (10) miteinander gasdicht verbunden werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Zwecke der Verengung eine Rolle aus hochschmelzendem Material den erweichten Teil der Wand auf den Rand des Verschlusselements drückt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das tellerförmige Verschlusselement (7) und das zu verschließenden Ende (2) des Entla- dungsrohrs (1) vor dem Einführen vorgeheizt werden.