DE2340859A1 - Verfahren zur herstellung elektrischer vorrichtungen mit abgeschmolzenen kolben - Google Patents
Verfahren zur herstellung elektrischer vorrichtungen mit abgeschmolzenen kolbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Herstellung
elektrischer Vorrichtungen mit abgeschmolzenen Kolben, wie Lampen, Röhren u. dgl..
Im besonderen beruht die vorliegende Erfindung in der Art und Weise, in welcher flüchtige und/oder gasförmige
Bestandteile in Kolben während der Herstellung von Lampen, Röhren u. dgl. eingeführt werden, für welches
Einführen der genannten Bestandteile u.a. auch die Bezeichnung "Dosieren" ("dosing") bekanntgeworden
ist.
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Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung
elektrischer Vorrichtungen mit Kolben, die Dosierungen von mindestens einem flüchtigen und/oder gasförmigen
Bestandteil enthalten, wird eine abgedichtete Kapsel, die einen Dosierungsstoff enthält, in einen Kolben
gebracht, der Kolben abgeschmolzen und hierauf die Kapsel dadurch perforiert, daß ein Strahl aus einem
Lasergerät durch den Kolben gerichtet und auf die Oberfläche der Kapsel fokussiert wird, wodurch der
Dosierstoff in das Innere des Kolbens freigegeben wird.
Das Verfahren ist insbesondere auf Entladungslampen, wie Leuchtstofflampen, anwendbar, wenn es auch nicht
auf diese beschränkt ist. Beispielsweise kann das Verfahren
zur Herstellung von Wolframhalogen-Glühlampen verwendet werden. In diesem Falle ist der Dosierstoff
innerhalb der abgedichteten Kapsel ein flüchtiges Halogenid oder Halogen. Bei der Herstellung einer Leuchtstofflampe
enthält die abgedichtete Kapsel normalerweise Quecksilber allein, während bei der Herstellung anderer
Formen von Entladungslampen die Kapsel beispielsweise
Quecksilber oder Natrium zusammen mit zusätzlichen Stoffen enthält, die einverleibt werden, um bestimmte Entladungseigenschaften sicherzustellen. Es ist bei der Herstellung
einer Leuchtstofflampe wichtig, einen Bereich ihres Kolbens frei von Leuchtstoff zu halten, damit dieser BeusLch für
den Laserstrahl transparent ist.
Bei der Durchführung des Verfahrens können die abgedichteten Kapseln Stoffe enthalten, welche die gasförmigen
Füllungen und/oder Zündgase in den fertigen Vorrichtungen bilden. Die abgedichteten Kapseln können aus irgendeinem
Material hergestellt werden, das durch die intensive Erhitzung, welche durch den fokussierten Laserstrahl ent-
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wickelt wird, aufgebrochen werden kann» Ein geeignetes Lasergerät kann für diesen Zweck einen Strahlungsimpuls
von einer Energie von etwa 10 Joules bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikron liefern, welcher Impuls etwa eine
Millisekunde dauert. Wenn diese Energie auf einen Fleck von einem Durchmesser von etwa 1/2 Millimeter fokussiert
wird, bricht sie Kapseln aus Metall und sogar aus Glas oder Siliciumdioxid auf, ohne jedoch den Kolben zu beschädigen,
vorausgesetzt, daß der Strahl so defokussiert wird, daß er eine Fläche des Kolbens gleich 10 qmm oder
mehr überdeckt.
Bei der Herstellung von Vorrichtungen, wie Lampen, ist es vorzuziehen, in der Kapsel ein Metall einzuschliessen,
das über eine "Getterkapazität" verfügt, oder die Kapsel selbst aus diesem Metall herzustellen. Die Kapsel kann
für diesen Zweck aus Aluminium hergestellt werden, das sich mit Sauerstoff verbinden kann und dadurch als Getter
wirkt. Das Gettermaterial wird durch das Aluminium gebildet, das aus der Kapsel verdampft, wenn auf diese
der fokussierte Laserstrahl gerichtet wird, da das verdampfte Aluminium sich auf den benachbarten Teil des Lampenkolbens
niederschlägt. Die Verwendung' von Aluminium ist besonders vorteilhaft beim Dosieren von Lampen mit
Quecksilber, da Quecksilber und Aluminium ein Amalgam bilden, das ein besonders wirksames Getter ist.
Gettern kann bei der Herstellung eines Hochvakuums angewendet und als chemisches Pumpen betrachtet werden
(siehe z.B. Vacuum Technology. Eine Einführung von L.G. Carpenter, erschienen bei Adam Hilger, London (1970)),
und wird auch angewendet, um ausgewählte Gase zu entfernen, die in Vorrichtungen, wie elektrischen Lampen mit
gewählten Füllungen, unerwünscht sind.
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Die Wirkung und die Art von Gettermaterialien sind in Chapter 18 unter dem Titel "Getter Materials" des Handbook of Materials and Techniques von Vacuum Devices von
Walter H. Kohl beschrieben, das die Reinhold Publishing Company von New York, Amsterdam und London im Jahre 1967
(Library of Congress Catalogue Card No. 6 7-18288) herausgebracht hat.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben, die einen Endteil
einer Entladungslampe im Schnitt zeigt.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Lampe 10 handelt es sich um eine Leuchtstofflampe mit einem Glasröhrenkolben
11, von dem der Hauptteil der Innenfläche mit einem Leuchtstoffüberzug 12 versehen ist. Der Überzug wird in
an sich bekannter Weise aufgebracht, wobei der äusserste Endbereich des Kolbens 11 von dem Überzug 12 freigehalten
wird. Ein nach innen vorstehender Hals 14 ist mit dem Ende des Kolbens 12 verschmolzen, in welchen Hals 14
zwei Elektrodenzuleitungsdrähte 16 eingeschmolzen sind.
Die Elektrodendrähte 16 tragen einen Elektrodenheizfaden 17 an ihren inneren Enden. Schließlich enthält der Hals
14 ein Absaug- und Gasfüllungsrohr 18, das während der Herstellung der Lampe verwendet wird und das durch den
Hals abgeschmolzen wird.
Bei der Herstellung der Lampe 10 wird zuerst ein Unteraggregat dadurch gebildet, daß die Glühfadenzuleitungsdrähte
16 in den Hals 14 zusammen mit dem Rohr 18 eingeschmolzen werden, welch letzteres in dieser Fertigungsstufe
an beiden Enden offen ist. Eine abgedichtete Kapsel 20, die ein Quecksilberkügelchen 21 enthält,
wird an einem der Zuleitungsdrahte 18 des Unteraggregats
durch einen mit dem Draht 18 verschweißten Abzweigdraht 22 befestigt. Der Abzweigdraht 22 kann dicht um die
Kapsel 20 herumgewickelt werden. Das Formen und Füllen der
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Kapsel wird nachfolgend näher beschrieben.
Sodann wird das Unteraggregat in das eine Ende des ■leuchtstoffbeschichteten Röhrenkolbens 11 eingesetzt·
und eingeschmolzen. Ein ähnliches Unteraggregat wird am anderen Ende des Kolbens 11 eingeschmolzen, so daß
ein abgeschmolzener Verschluß» erhalten wird. Dieses Unteraggregat unterscheidet sich von dem dargestellten
Unteraggregat insofern, als keine Notwendigkeit besteht, eine abgedichtete Kapsel 20 und ein Rohr 18 einzuschliessen.
Als nächstes wird das Rohr 18 an eine Absaug- und Gasfüllungsmas
chine angeschlossen, welche den Kolben 11 absaugt und diesen mit einer Gasfüllung aus Argon bis
zu einem geeigneten Druck füllt. Hierauf wird das Rohr 18 abgeschmolzen.
Nach dem Abschmelzen besteht die nächste Verfahrensstufe darin, daß das Quecksilber 21 innerhalb der Kapsel
freigesetzt wird. Für diesen Zweck wird ein Strahl 25 aus einem Lasergerät durch den transparenten Endbereich 13
des Kolbens 11 gerichtet und auf die Kapsel 20 fokussiert. Durch die hierdurch bewirkte intensive Erhitzung derselben
wird die Kapsel 20 perforiert. Es muß dabei darauf geachtet werden, daß der Strahl 25 nicht auf den Endbereich
13 sondern auf die Kapsel fokussiert wird, da sonst der Bereich 13 stark erhitzt und dadurch perforiert wird.
Die Kapsel muß so gebaut werden, daß sie den Behandlungsbedingungen, die für die Herstellung der Vorrichtung notwendig
sin-d, standhalten. Im besonderen muß sie den Temperaturen standhalten, die beim Abschmelzen und bei einem
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nachfolgenden Backen zum Entgasen beim Absaugen auftr
eten.
Ein verhältnismässig weiches Material, wie Aluminium, kann aus nachfolgend beschriebenen Gründen bevorzugt
werden, jedoch kann eine verhältnismässig große Kapsel notwendig werden, so daß durch die Behandlungstemperatur
die Kapsel infolge des hohen inneren Quecks über dampfdrucks nicht zum Platzen gebracht wird. Gegebenenfalls
kann eine Eisen- oder Stahlkapsel verwendet werden, da sie einem höheren Innendruck standhält.
Die Kapsel 20 kann wie folgt hergestellt werden. Ein langes schmales dünnwandiges Aluminiumrohr wird an dem
einen Ende durch Walzen zwischen zwei Hartstahlwalzen ge
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schlossen, die beispielsweise einen Durchmesser von
4 - 6 nun haben können. Durch das Walzen erfolgt eine
Kaltschweissung des Aluminiums, wodurch das geschlossene
Ende w.irksam abgedichtet wird. Das Rohr wird dann vertikal
mit dem geschlossenen Ende nach- unten gelagert
und die für eine Lampe erforderliche Quecksilbermenge
in das Rohr eingefüllt. Die Grosse des Rohres soll das Zwei- bis Dreifache des Durchmessers des Quecksilbe
rkü gelchens betragen, um sicherzustellen, daß das
Quecksilber frei auf den Boden der Röhre fällt. Das Einführen des Quecksilbers kann, falls bevorzugt, mit
Hilfe einer Kanüle erfolgen. Sodann wird das Rohr abgesaugt und, wenn gewünscht, mit Gas, z.B. mit Argon oder
einem die Entladungszündung fördernden Gas, gefüllt. Hierauf
wird das Rohr wieder zwischen den Walzen gewalzt, um das Rohr kaltzuschwexssen und abzudichten, wodurch
die abgedichtete Kapsel 20 erhalten wird.
Die Walzendstufe kann so vorgesehen werden, daß die abgedichtete Kapsel von dem übrigen Rohr abgetrennt wird.
Die übrige Rohrlänge ist dann bereits an ihrem unteren
Ende in Bereitschaft zur Herstellung einer nachfolgenden Kapsel verschlossen. Dieser Vorgang ist mit beträchtlicher
Geschwindigkeit wiederholbar. Das Einführen von . Quecksilber kann, falls erforderlich, durch abwechselndes
Absaugen und unter Druck setzen des Rohres beschleunigt werden.
Die Verwendung von Aluminium als Kapselmaterial hat verschiedene Vorteile, zu denen seine Billigkeit, Leichtigkeit
und Duktilität sowie die Leichtigkeit, mit der es kaltgeschweißt werden kann und sein relativ niedriger
Schmelzpunkt gehören. Aluminium besitzt ferner die wertvolle Eigenschaft, daß es als wirksamer Getter wirken kann,
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Dies ist dadurch bedingt, daß Aluminium sich mit dem restlichen Sauerstoff im abgeschmolzenen Kolben 11 unter
Bildung eines sehr stabilen Oxids verbinden kann. Wenn der Laserstrahl auf die Kapsel 20 fokussiert wird, läßt
sich feststellen, daß das verdampfte Aluminium vorwiegend längs des Laserstrahls zurück, d.h. zur Strahlquelle
wandert. Auf dieser Innenfläche des Kolbens 11 schlägt sich daher ein dünner Getterfilm aus Aluminium, hauptsächlich
im Endbereich 13, nieder. Der Bereich des Films kann dadurch gesteuert werden, daß die Grosse
und Intensität des fokussierten Strahlungsfleckes verändert wird. Eine weitere Getterwirkung kann während des
Gebrauchs auftreten, da Aluminium in Gegenwart einer Bogenentladung die Neigung zum "Zerstäuben" hat.
Die Getterwirkung kann noch dadurch gesteigert werden, daß ein Stück Gettermetall in der Kapsel 20 eingeschlossen
w ird. Für eine Leuchtstofflampe oder eine Quecksilberdampflampe ist es vorzuziehen, ein Gettermetall zu verwenden,
das mit Quecksilber ein Amalgam bildet. Anfänglich wird in der Kapsel ein Überschuß an Quecksilber vorgesehen.
Das zerstäubte Metall und das in der Kapsel nach der Perforation verbleibende Metall regelt dann in an sich
bekannter Weise den Quecksilberdampfdruck innerhalb der Lampe 10 und damit deren Betriebstemperatur.
Aluminium wirkt für sich selbst als hochwirksames Getter in Gegenwart von Quecksilber, so daß dieKombination dieser
beiden Metalle bei der Anwendung der Erfindung auf die Herstellung von Leuchtstofflampen, Quecksilberdampflampen,
vorteilhaft ist. Bei Natriumdampflampen wird Quecksilber oft als Puffer zugesetzt, um die gewünschten
elektrischen Eigenschaften zu erzielen. Wenn das Kapselaluminium
mit Quecksilber benetzt wird, erfährt das Alumi-
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nium eine gewisse Auflösung. Das gelöste. Aluminium kann dann an der Quecksilberoberfläche oxydiert werden. Die
erhaltene Oxidschicht ist kein zäher selbstdichtender .Schutzfilm im Gegensatz zu dem Film, der sich auf festem
Aluminium bildet.
Die Getterwirkung kann daher andauern, bis der ganze
zur Verfügung stehende Sauerstoff in stabiles Oxid umgewandelt ist. Die Getterwirkung kann durch Erhitzen der
abgedichteten Kapsel auf etwa 2500C eingeleitet und gefördert
werden. Auf diese Weise kann in unerwünschter Weise und unvermeidbar in den abgedichteten Kapseln verbliebener
Sauerstoff vor dem Einbau in Lampenkolben unschädlich gemacht werden.
Das Aluminium/Quecksilber-Amalgam ist ein besonders wirksames
Getter, Bei Versuchen hat es sich als möglich erwiesen, praktisch allen freien Sauerstoff aus der abgedichteten
Kapsel, die anfänglich Luft vom Normzustand enthält, durch Glühen der Kapsel eine Stunde lang bei
2500C zu entfernen. Normalerweise wird natürlich eine abzudichtende Kapsel abgesaugt oder mit einem inerten
Gas statt mit Luft gefüllt.
Die abgedichtete Kapsel 20 wurde als an einem der Zuleitungsdrähte
16 angeordnet beschrieben, wo sie ein bleibendes Merkmal der fertigen Lampe bleibt. Die Kapsel
könnte s1ä:tdessen auch innerhalb eines Stengelansatzes
angeordnet werden, der in das Innere des Kolbens mündet. Der Stengelansatz kann ein Seitenarm oder ein geeignet
bemessener Pumpstutzen, wie bei 18 gezeigt, sein, der in dieser Fertigungsstufe einen Teil des Kolbens
bildet. Nach dem Freisetzen seines Inhalts in den Kolben
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-40-
kann der Stengelans atz mit einer Abschmelzspitze versehen
und dadurch vom Kolben zusammen mit der verbrauchten Kapsel gelöst werden.
Laseraktivierte Getterverfahren sind in der Patentanmeldung
vom gleichen Anmeldetag mit dem Titel "Verfahren zum Gettern in einer Kammer" beschrieben.
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Claims (1)
- Patentansprüche :Γ 1.1 Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Vor-" richtung mit einem Kolben, der eine Dosierung eines oder mehrerer flüchtiger und/oder gasförmiger Bestandteile enthält, bei welchem eine abgedichtete Kapsel, die einen Dosierstoff enthält, innerhalb eines Kolbens angeordnet wird, der dann abgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gefüllte Kapsel zur Freigabe des Dosierstoffes nach dem Abschmelzen des Kolbens dadurch geöffnet wird, daß ein Strahl aus einem Lasergerät ausserhalb des Kolbens auf die Oberfläche der Kapsel fokussiert wird.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel durch ein Rohr aus einem duktilen Metall gebildet wird, welches Rohr zum Verschliessen des einen Endes gewalzt, abgesaugt und mit einem Dosierstoff beschickt wird, worauf das Rohr nochmals zur Bildung einer abgedichteten Kammer, welche den Dosierstoff umschließt, gewalzt wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel an einer Halterung innerhalb des Kolbens bleibend befestigt wird.409807/0935Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel innerhalb eines Stengelansatzes am Kolben angeordnet wird, der zum Inneren des Kolbens offen ist, welche Kapsel zum Freisetzen des Dosierstoffes geöffnet wird und der Stengelansatz sodann abgebrochen und aus dem Kolben zusammen mit der leeren Kapsel entfernt wird.5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - H zur Anwendung für die Herstellung einer regenerativen Wolframhalogenlampe, dadurch gekennzeichnet, daß als Dosierstoff innerhalb der Kapsel (20) ein flüchtiges Halogenid oder Halogen verwendet wird.6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4 zur Verwendung für die Herstellung einer Dampfentladungslampe, dadurch gekennzeichnet, daß als Dosierstoff innerhalb der Kapsel Quecksilber verwendet wird.7. Verfahren nach Anspruch 6 zur Anwendung für die Herstellung einer Leuchtstofflampe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel benachbart dem einen Ende eines leuchtstoffbeschichteten Kolbens angeordnet wird, welche Leuchtstoffbeschichtung an einem Endbereich des Kolbens benachbart der Kapsel weggelassen wird, um den Laserstrahl durch den Kolben hindurchtreten zu lassen, damit er die Kapsel erreicht.409807 /093 b234G8598. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel einen Stoff enthält oder aus diesem hergestellt ist, der Gettenirkung zeigt.9. Elektrische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß diese nach dem Verfahren gemäß den vorangehenden Ansprüchen hergestellt worden ist.10. Elektrische Vorrichtung mit einem abgeschmolzenen Kolben, innerhalb welchem eine abgedichtete Kapsel angeordnet ist, die Dosierstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) für eine Strahlung zumindest teilweise transparent ist und dass die Kapsel (20) aus einem Material hergestellt ist, welches durch die Hitze perforiert werden kann, die entsteht, wenn ein Strahl (25) aus einem Lasergerät auf diese fokussiert wird.409Ö0 7/0936Leerseite
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