DE3400067A1 - Bildroehre - Google Patents

Description

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PHN 10.5^7 K .3- 10-10-1983

"Bildröhre"

Die Erfindung betrifft eine Bildröhre mit einem evakuierten Aussenkolben mit einem im wesentlichen rechteckigen Bildfenster, das an seiner Innenseite mit einem
Bildschirm ausgerüstet ist und vor diesen Aussenseite im

wesentlichen parallel dazu ein lichtdurchlässiges zweites Fenster angeordnet ist, wobei durch den Raum zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster eine lichtdurchlässige Kühlflüssigkeit flieset.

Eine derartige Röhre ist aus der offengelegten

W niederländischen Patentanmeldung 8ΟΟ336Ο bekannt. Der

Bildschirm einer derartigen Bildröhre enthält häufig eine Leuchtstoffschicht, auf der mit Hilfe eines Elektronenstrahls ein Raster beschrieben wird. Durch den Elektronenbeschuss steigt die Temperatur des Bildschirms an, wodurch

^⁵ die Lichtausbeute des Bildschirms reduziert wird. Dieser
Effekt wird als Thermodrosseiung (thermal quenching) bezeichnet. Er tritt insbesondere bei Bildröhren für Projektionsfernsehen auf, wobei zum Erhalten der erforderlichen grossen Helligkeiten die Bildschirme von Elektronenstrahlen

^ mit grossen Strahlströmen abgetastet werden. Zum Unterbinden des Absinkens der Lichtausbeute ist es aus der erwähnten offengelegten niederländischen Patentanmeldung
8ΟΟ336Ο bekannt, das Bildfenster und den damit verknüpften Bildschirm zu kühlen. Dies geschieht auf die eingangs erwähnte Weise. Ein Nachteil dieser Kühlungsart ist jedoch, dass in der Kühlflüssigkeit Inhomogenitäten des Brechungsindexes auftreten, die in Form van Brechungsmustern im
dargestellten Bild zum Ausdruck kommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

³^ eine Bildröhre zu schaffen, die diesen Nachteil nicht hat und bei der ausserdem die Wärmekapazität der Kühlflüssigkeit optimal ausgenutzt wird.

Diese Aufgabö wird mit einer Bildröhre der ein-

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gangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch, gelöst, dass die Ein- und Austrittsöffnungen des Raums einander gegenüberliegen tlnd im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie ein Schnitt durch den Raum senkrecht zur Fliessrichtung haben, wobei zumindest die Eintrittsöffnung sich stromlinienförmig erweiternd in eine Kammer mündet, deren Abmessungen grosser als der Abstand zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster sind, und wobei dieser Abstand und die Viskosität der Kühlflüssigkeit derart gewählt sind, dass die Strömung der Kühlflüssigkeit durch den Raum laminar ist.

Diese Laminarströmung bietet den Vorteil, dass der Temperaturgradient und daher der Dichtegradient homogen über die Fläche des Bildfensters verläuft. Da in der Kühlflüssigkeit im Raum vor dem Bildfenster keine Wirbelungen auftreten, die von verhältnismässig grossen Temperatur- und Dichtegradienten begleitet werden, treten keine Inhomogenitäten des Brechungsindexes der Kühlflüssigkeit auf, die Brechungsmuster im dargestellten Bild verursachen (der sog. Schlieren-Effekt). Eine Laminarströmung der Kühlflüssigkeit entsteht, wenn der Abstand zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster vorzugsweise kleiner als 1 mm ist. Die Untergrenze des Abstands zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster wird nur durch die Genauigkeit bestimmt, mit der es möglich ist, einen engen Raum zu bilden. Dies hängt u.a. von der Ebenheit des Bildfensters und des zweiten Fensters ab (10 bis 20 /um).

Zum Erreigen einer besonders wirksamen Kühlung ist es ausserdem zweckmässig, eine Kühlflüssigkeit mit einer hohen Wärmekapazität und einer verhältnismässig niedrigen Viskosität zu verwenden. Es ist insbesondere die niedrige Viskosität, die bei einer nicht sorgfältig ausgebildeten Eintrittsöffnung die genannten Wirbelungen verursacht. Deshalb muss das Einströmen und vorzugsweise auch das Ausströmen der Kühlflüssigkeit stromlinienartig erfolgen, um Wirbelungen zu vermeiden.

Ein Vorteil einer derartigen dünnen Kühlflüssigkeitsschicht gegenüber einer dickeren besteht darin, dass

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Einflüsse von Unterschieden in den Brechungsindizes der Kühlflüssigkeit, des Bildfenstermaterials und des Materials des zweiten Fensters viel geringer sind als bei einer dickeren Schicht. Bei einem Abstand von etwa 300/um zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster ist die Ktihlflüssigkeitsschicht so dünn, dass eine Anpassung der Brechungsindizes aneinander überflüssig ist. Weniger viskose Flüssigkeiten, wie Wasser oder einer Wasser-Alkohol-Mischung, sind statt der bisher benutzten dickflüssigen Athylenglykol-Lösungen in Wasser verwendbar.

Beim Projektionsfernsehen wird ein auf dem

Bildschirm dargestelltes Objekt mit Hilfe einer Linse oder eines Linsensystems auf einem Projektionsschirm abgebildet. Ein Vorteil der Verwendung einer erfindungsgemässen BiIdröhre ist, dass durch die verhältnismässig dünne Flüssigkeitsschicht die erste Komponente des Projektionslinsensystems näher bei dem darzustellenden Objekt angeordnet werden kann. Dies ist für die Korrektur der Bildfeldkrümmung wichtig, für die eine gekrümmte brechende Oberfläche nahe bei der Objektfläche erforderlich ist. Dazu ist es wünschenswert, dass der Abstand zwischen dem Bildschirm und der Linse nicht grosser als 8 bis 10 mm ist. Bei den meisten Flüssigkeitskühlsystemen mit natürlicher Konvexion, wie sie beispielsweise in der erwähnten «)ffengelegten niederländischen Patentanmeldung 8OO336O und in der Veröffentlichung "A new coolant-sealed cathode ray tube for projection color tv" IEEE Vol. Ce-27, Nr. 3, August I98I, beschrieben ist, ist die Dicke der Flüssigkeitsschicht allein schon 5 mm oder darüber.

Wenn das zweite Fenster die erste Komponente eines Linsensystems ist, wird neben einer guten Kühlung auf einfache Weise eine optische Kopplung zwischen Linsensystem und Bildröhre erhalten.

Wenn das zweite Fenster aus Röntgenstrahlung absorbierendem Glas besteht, ist es möglich, das Bildfenster dünner als die üblichen 8 mm herzustellen, weil die Röntgenstrahlungsabsorption des Bildfensters dann geringer sein kann.

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Bei einer erfindungsgemässen Bildröhre wird eine besonders wirksame Kühlung verwirklicht. Bei einem Kühlflüssigkeitsstrom, beispielsweise einer Wasser-Alkohol-Mischung, von etwa 5 cm /s (θ,3 l/min) kann eine Leistung von etwa 100 Watt abgeleitet werden. Dies bewirkt einen Temperaturanstieg der Kühlflüssigkeit von etwa 5°C. Zum Erhalten der gleichen Kühlkapazität beispielsweise mit Luft ist ein Luftstrom längs des Bildfensters von etwa 17,5 l/s erforderlich.

Bei einem konstanten Volumenstrom der Kühlflüssigkeit bietet ein verhältnismässig kleiner Abstand zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster den Vorteil, dass die Durchflussgeschwindigkeit längs des Bildfensters viel grosser als bei einem grossen Abstand ist. Für einen Kühlflüssigkeitsstrom von 5 cm /s und einen Abstand zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster von 300/um beträgt diese Geschwindigkeit für eine 6-Zoll-Röhre etwa 17 cm/s. Druch diese hohe Geschwindigkeit stellt sich sehr schnell der Gleichgewichtszustand ein. Bei Bildfenstern mit einer Dicke von 8 mm und mit einer Kühlung mit Laminarströmung wurde innerhalb von zwei Minuten der Gleichgewichtszustand festgestellt. Bei den bekannten Projektionsfernsehsystemen mit Konvexionskühlung, wie sie in der erwähnten offengelegten niederländischen Patentanmeldung 8OO336O und in der Veröffentlichung "A new coolant-sealed cathode ray tube for projection color tv" beschrieben wird, dauert das Einstellen des Gleichgewichtszustands viel länger, beispielsweise 30 Minuten.

Im beschriebenen Beispiel mit einer 300 /um dicken Kühlflüssigkeitsschicht in einer 6-Zoll-Röhre beträgt die Verlustleistung durch die viskose Strömung nur etwa 10 mW. Bei Luftkühlung würde bei einem Abstand von 1 cm zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster zum Erhalten der gleichen Kühlkapazität eine Verlustleistungsenergie von mehr als 3 Watt erforderlich sein. Diese Energien sind die Verluste in dem zu kühlenden System. Daneben treten noch Verluste in Gebläsen und Filtern auf, die für eine Luftkühlung benötigt werden. Eine Kühlung mit einer Laminar-

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flüssigkeitsströmung nacli der Erfindung ist daher energetisch, vorteilhafter als Luftkühlung.

Eine Analyse der Wärmeübertragung auf den Laminarkühlflüssigkeitsstrom zeigt, dass nur bei einer dünnen Kühlflüssigkeitsschicht die Wärmekapazität des umlaufenden Kühlmittels optimal ausgenutzt wird. Wenn die Kühlflüssigkeitsschicht dick ist (einige mm), wird die Wärme des Bildfensters nur in einer dünnen Schicht kurz vor dem Bildfenster abgeleitet, während der grössere Teil der Kühlflüssigkeit unerwärmt durch den Raum zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster fliesst.

Versuche haben erwiesen, dass nicht nur der Leuchtstoff zu kühlen ist, sondern auch das Bildfenster der Bildröhre. Luftgekühlte Bildröhren mit einem erzwungenen Luftstrom können nur bis etwa 10 bis I5 Watt Elektronenstrahlleistung und Röhren mit Konvexionskühlung bis etwa 20 Watt betrieben werden* Röhren mit laminarer Flüssigkeitsstromkühlung können ohne Bruchgefahr bis zu Leistungen von 60 bis 80 Watt betrieben werden, weil diese besonders wirksame Kühlung eine isotherme flache Temperaturverteilung auf den Bildschirm zur Folge hat. Die Temperaturverteilung und die damit verknüpfte Spannung im Glas werden bei diesen Röhren nur durch die Wärmeleitung des Glases des Bildfensters, durch die Dicke des Bildfensters und durch die abzuleitende Wärmemenge bestimmt. Dünne Bildfenster werden daher vor den üblichen dicken Bildfenstern mit einer Dicke von etwa 8 mm bevorzugt. Wie gesagt, kann die bei einem dünnen Bildfenster reduzierte Röntgenstrahlungsabsorption durch röntgenstrahlenabsorbierendes Glas des zweiten Fensters übernommen werden.

Versuche mit erfindungsgemässen Röhren mit Bildschirmen mit den üblichen Leuchtstoffen, wie z.B. Willemit (Zn„ SiOr;Mn) und Y„0_:Eu, zeigen, dass die Kühlung keinen grossen Einfluss auf die Ausbeute der Leuchtstoffe hat.

Es ist aber möglich, in den Bildröhren viel grössere Elektronenstrahlströme als üblich zu verwenden und so eine viel grössere Bildhelligkeit zu erhalten.

Bei einer Kühlung mit Laminarströmung der Kühl-

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flüssigkeit nach der Erfindung ha-t die Kühlflüssigkeit die höchste Geschwindigkeit vor dem Bildfenster, wodurch es wenig Probleme mit Luftblasen und Verunreinigungen gibt. An anderen Stellen im Kühlkreis ist die Fliessgeschwindigkeit wegen des grÖsseren Querschnitts der Kühlleitung viel niedriger, wodurch sich mögliche Verunreinigungen absetzen.

Durch die Anwendung der Flüssigkeitskühlung kann das Bildfenster über die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit geerdet werden, so dass keine Probleme mit elektrostatischen Ladungen oder Staub im Lichtweg auftreten.

Im Gegensatz zur Konvexionskühlung, bei der die Bildröhren mit dem Bildschirm vertikal anzuordnen sind, können die erfindungsgemässen Bildröhren in allen Stellungen montiert werden. Dies ist zum Erhalten kleiner Projektionsfernsehanordnungen wichtig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemässe Bildröhre in der Perspektive und zum Teil aufgebrochen und

Fig. 2 schematisch eine Farbfernsehprojektionsanordnung.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Bildröhre in der Perspektive und zum Teil aufgebrochen dargestellt. Die Glashülle 1- ist mit einem im wesentlichen rechteckigen Bildfenster 2, einem Konus 3 und einem Hals k ausgerüstet. Im Hals k befinden sich Mittel (hier nicht sichtbar) zum Erzeugen zumindest eines Elektronenstrahls, der beim Betrieb der Röhre abgelenkt wird und auf dem Bildschirm 5 an der Innenseite des Bildfensters 2 ein Raster beschreibt. Der Bildschirm 5 besteht aus einem Leuchtstoff oder aus einem Muster verschiedener Leuchtstoffbereiche. Parallel zum Bildfenster 2 ist ein zweites Fenster 6 mit Hilfe einer Abdichtung 7 angeordnet, die an einen um das Bildfenster angeordneten Kragen 8 anliegt. Zwischen dem Bildfenster 2 und dem zweiben Fenster 6 befindet sich ein Raum 9» durch den die Kühlflüssigkeit hindurchfliesst. Der Abstand zwischen dem Bildfenster 2 und dem zweiten Fenster 6 be-

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trägt 3OO/um. Die Ein- und Austrittsöffnungen 10 (hier ist nur die Eintrittsöffnung dargestellt) haben im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie ein Schnitt durch den Raum 9 senkrecht zur Flussrichtung, die mit Pfeilen 11 angedeutet ist. Die Ein- und Austrittsöffnungen 10 münden in Kammern 12, die mit Ein- und Austrittsröhren 13 versehen sind. Die Kammern 12 (insbesondere die Kammer nahe bei der Eintrittsöffnung), die stromlinienförmig an die Ein- und Austrittsöffnungen angeschlossen sind, werden für die geeignete hydrodynamische Ein- und Ausfuhr der Kühlflüssigkeitsströmung benötigt. Der stromlinienförmige Anschluss wird dadurch erhalten, dass die Wände Ik etwa entlang der Stromlinien in der Flüssigkeit verlaufen. Diese Kammern 12 haben Abmessungen, die grosser sind als der Abstand zwischen dem Bildfenster 2 und dem zweiten Fenster 6.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Farbfernsehprojektionssystem. Es enthält drei Bildröhren 20, 21 und 22 nach Fig. 1. Die Ein- und Austrittsröhre I3 der drei Röhren sind derart miteinander verbunden, dass die Räume, durch die die Kühlflüssigkeit hindurchfliesst, zueinander in Serie geschaltet sind. Die mittels der Pumpe 23 umlaufende Kühlflüssigkeit wird im Kühler Zk gekühlt. Da das Bildfenster 2 ziemlich dünn ist, absorbiert es die in den Bildröhren erzeugte Röntgenstrahlung ungenügend. Deshalb ist das zweite Fenster 25 und/oder eine der folgenden Linsenkomponenten 26 und 27 aus einem röntgenstrahlenabsorbierenden Glas hergestellt.

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Claims (7)

1. PHN 10.5^7 & 10-10-1983

   PATENTANSPRÜCHE:

   Λ1 Bildröhre mit einem evakuierten Aussenkolben mit einem im wesentlichen rechteckigen Bildfenster, das an seiner Innenseite mit einem Bildschirm ausgerüstet ist und vor dessen Aussenseite im wesentlichen parallel dazu ein lichtdurchlässiges zweites Fenster angeordnet ist, wobei durch den Raum zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster eine lichtdurchlässige Kühlflüssigkeit fliesst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Austrittsöffnungen des Raums einander gegenüberliegen und

   1Q im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie ein Schnitt durch den Raum senkrecht zur Fliessrichtung haben, wobei zumindest die Eintrittsöffnung sich stromlinienförmig erweiternd in eine Kammer mündet, deren Abmessungen gröaser als der Abstand zwischen dem Bildfenster und dem zweiten Fenster sind, und wobei dieser Abstand und die Viskosität der Kühlflüssigkeit derart gewählt sind* dass die Strömung der Kühlflüssigkeit durch den Raum laminar ist.
2. 2. Bildröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte Abstand kleiner als 1 mm ist.
3. 3. Bildröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte Abstand etwa gleich 300 /um ist.
4. k, Bildröhre nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit eine Wasser-Alkohol-Mischung ist.
5. 5. Bildröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fenster die erste Komponente eines Linsensystems ist.
6. 6. Bildröhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fenster aus Röntgenstrahlung absorbierendem Glas besteht.
7. 7. Farbfernsehprojektionsanordnung mit drei Bildröhren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

   PHN 10.547 0 Q 10-10-1983

   gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitsstrom durch die drei in Serie geschalteten Kühlräume der Bildröhren fliesst