Свариваемое испаряемое газоулавливающее устройство, имеющее высокий выход бария

 

Использование: изобретение относится к "свариваемому" испаряемому газоулавливающему устройству с высоким выходом бария. Сущность: испаряемое газоулавливающее устройство может быть герметизировано свариванием и способно высвобождать количества бария не менее 300 мг для использования в кинескопах традиционного типа или плоских дисплеях. Устройство включает контейнер, в котором находится смесь порошкообразного сплава BaAl₄ и никеля в форме брикета, на верхней поверхности которого находится изменяемое количество радиальных углублений; внутри брикета предусматривается несплошной металлический элемент. Устройство дает возможность управлять мгновенным испарением бария, исключает увеличение объема брикетов из порошков, выброс частичек из него и частичное расплавление контейнера, обеспечивая нормальную работу трубки кинескопа. 14 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Настоящее изобретение относится к "свариваемому" испаряемому газоулавливающему устройству с высоким выходом бария. Как известно, испаряемые газоулавливающие материалы в основном используются для поддержания вакуума во внутреннем пространстве кинескопов для телевизоров и компьютерных мониторов. Использование испаряемых газоулавливающих материалов во внутреннем пространстве плоских дисплеев, которое находится сейчас на стадии разработки, также исследуется.

Газоулавливающий материал, который повсеместно используют в кинескопах, представляет собой металлический барий, который осаждают в виде тонкой пленки на внутренние стенки трубки. Для получения этой пленки используются устройства, известные в данной области как испаряемые газоулавливающие устройства, которые вводят в трубку во время ее изготовления. Эти устройства содержат открытый металлический контейнер, содержащий внутри соединение бария и алюминия, BaAl₄, и порошки никеля, Ni, в весовом отношении около 1: 1. Испарение вызывают путем индукционного нагрева устройства посредством катушки снаружи этого кинескопа, в активируемом процессе, также определяемом как "мгновенное испарение", когда температура порошков достигает значения около 800^oC, имеет место следующая реакция: BaAl₄ + 4Ni ---> Ba + 4NiAl Эта реакция является сильно экзотермической и повышает температуру порошков до около 1200^oC, при этом происходит испарение бария; затем пары бария оседают после сублимации на стенках трубки с образованием металлической пленки. Испаряемые газоулавливающие устройства хорошо известны в технике, например, патент США 5118988 на имя автора настоящего патента описывает газоулавливающие устройства, в которых образованы углубления на свободной поверхности брикета из порошков для замедления распространения тепла в брикете по окружности, тем самым давая возможность управлять мгновенным испарением бария. В патенте США 3558962 описывается газоулавливающее устройство, в котором металлический элемент, предпочтительно проволочная сетка, погружен в брикет из порошков в характерном положении с целью получения более однородной температуры во внутреннем пространстве брикета из порошков.

Процесс изготовления кинескопов, как обычных, так и плоского типа, включает стадию сваривания друг с другом двух стеклянных частей, который производят при так называемой операции "Герметизации свариванием", вызывая плавление или размягчение стеклянного припоя с температурой плавления около 450^oC между двумя частями в присутствии воздуха. В обычных кинескопах газоулавливающее устройство может быть введено после герметизации свариванием через горлышко, предусмотренное для корпуса электронной пушки, однако в этом случае размер газоулавливающего устройства обуславливается диаметром горлышка, и точное позиционирование устройства внутри кинескопа является сложным. С другой стороны, в случае плоских дисплеев является практически невозможным позиционировать газоулавливающее устройство после стадии герметизации свариванием. Как следствие, производители кинескопов проявляют возрастающую тенденцию к вставке газоулавливающего устройства перед герметизацией свариванием. Во время стадии герметизации свариванием газоулавливающее устройство при температуре около 450^oC соприкасается с атмосферными газами и парами, высвобождающимися из легкоплавкого стеклянного припоя. Главным результатом является поверхностное окисление никеля. Во время мгновенного испарения бария оксид никеля вступает с алюминием в сильно экзотермическую реакцию, которую трудно контролировать: это может привести к увеличению объема брикета из порошков, к выбросу частичек из него и к частичному расплавлению контейнера, таким образом являясь затруднением для нормальной работы газоулавливающего устройства и трубки в целом. Эти проблемы теоретически могут быть преодолены путем использования устройства с меньшим количеством порошка во время операции мгновенного испарения, это должно вести к более контролируемому испарению бария, но с более длительным временем испарения, что не может быть приемлемым в производстве кинескопов.

Испаряемые газоулавливающие устройства, которые могут выдержать герметизацию свариванием без изменений или хотя бы без возникновения описанных выше дефектов, определяются как "свариваемые".

Свариваемые газоулавливающие устройства уже производятся и продаются авторами. Эти устройства могут производиться с помощью традиционных технологий, пока не превышаются некоторые критические значения параметров: в частности, невозможно превзойти определенные заданные значения толщины брикета из порошков, поскольку при слишком больших значениях толщины количество тепла, которое выделяется в объеме брикета из порошков, диссипирует слишком медленно, вызывая проблемы, описанные выше. Эмпирически обнаружено, что отношение между количеством бария, содержащимся в устройстве, данным в мг, и диаметром устройства, данным в мм, не должны быть больше, чем примерно 10. По причинам, связанным с производством кинескопов, максимальный возможный диаметр газоулавливающих устройств составляет около 20 мм, так что максимальное количество бария, которое может быть испарено из свариваемых газоулавливающих устройств, изготавливаемых по традиционным технологиям, составляет около 200 мг. Однако кинескопы большого размера требуют количеств испаренного бария, по крайней мере, 300 мг, и это требование не может быть удовлетворено с помощью свариваемых устройств, известных из литературы. Свариваемые газоулавливающие устройства, способные к испарению количеств бария, превышающих 200 мг, будут определены в последующей части описания и в формуле изобретения как "устройства с высоким выходом".

Даже путем пересмотра известных из литературы решений, которые дают возможность получения превосходных результатов в случае несвариваемых газоулавливающих устройств, является невозможным получение свариваемых газоулавливающих устройств с высоким выходом: фактически, делая радиальные углубления на поверхности брикета из порошков, как описано в указанном патенте США 5118988, операция испарения бария после герметизации свариванием вызывает, однако, разбухание самого брикета или выброс частичек из него. В устройствах по патенту США 3558962 металлический элемент, предпочтительно проволочная сетка, погружается в брикет из порошков в специфическом положении. Описан случай, в котором сетка находится в контакте с дном контейнера или даже приварена к самому дну, или прижата к свободной поверхности брикета из порошков. В этом случае оба этих положения сетки также не дают возможности получения свариваемых газоулавливающих устройств, вызывая проблемы, описанные выше.

Производство свариваемых газоулавливающих устройств без ограничений по размерам и, как следствие, устройств с высоким выходом, является целью различных патентов.

В патенте США 4127361, принадлежащем автору данной заявки, описываются газоулавливающие устройства, которые могут быть сделаны свариваемыми посредством защитного слоя из органосиланов, не смотря на его эффективность, этот процесс покрытия слишком медленный и поэтому не приемлем для промышленного производства.

В патенте США 4342662 и патенте Японии Hei 2-6185, оба принадлежат Toshiba, описываются испаряемые газоулавливающие устройства, которые являются свариваемыми (в дальнейшем также просто определяемые как свариваемые газоулавливающие устройства), которые получают путем покрытия всего брикета из порошков стекловидной пленкой оксида бора, содержащей вплоть до 7% оксида кремния, или, соответственно, только никель со стекловидной пленкой только из оксида бария. Производство этих устройств, однако, является сложным, поскольку пленка должна иметь контролируемую и воспроизводимую толщину.

Целью настоящего изобретения является создание испаряемого газоулавливающего устройства, свободного от недостатков, известных из литературы.

По настоящему изобретению эта цель достигается с помощью свариваемого испаряемого газоулавливающего устройства с высоким выходом бария, которое включает: металлический контейнер, открытый сверху; смесь порошков BaAl₄, и Ni в контейнере, сформированную как брикет, на верхней поверхности которого создаются радиальные углубления; несплошной металлический элемент в основном плоской формы и в основном параллельный дну контейнера; причем металлический элемент погружен в брикет из порошков в положении, отдаленном от дна контейнера, и так, чтобы не соприкасаться со свободной поверхностью самого брикета.

Изобретение в дальнейшем будет объясняться со ссылками на чертежи, в которых фиг. 1 представляет некоторые возможные исполнения сплошных металлических элементов; фиг. 2 - 6 представляют поперечные виды в разрезе некоторых возможных исполнений газоулавливающих устройств по настоящему изобретению.

Для целей настоящего изобретения необходимо, чтобы металлический элемент был погружен в брикет из порошков в таком положении, чтобы он был удален от дна и не сливался бы с поверхностью. Фактически индукционный нагрев газоулавливающего устройства осуществляется в основном посредством контейнера и металлического элемента, погруженного в порошок, которые затем передают тепло порошкам газоулавливающего материала. Замечено, что в областях контакта между металлическим элементом и дном контейнера передача тепла к порошкам является особенно эффективной, и имеет место локальный перегрев, если этих областей контакта слишком много или они излишне протяженные, не диссипировавшее тепло вызывает увеличение объема брикета из порошков и, в некоторых случаях, плавление некоторых частей устройства. В противоположность этому, если металлический элемент сливается со свободной поверхностью пакета, сама поверхность подразделяется на области, которые плохо связаны друг с другом и во время мгновенного испарения являются субъектами выброса во внутреннее пространство кинескопа.

Металлический элемент может быть сделан из различных металлов, таких как сплавы железа, сплавы никеля или сплавы алюминия, предпочтительным является использование стали AISI 304 из-за ее простой обработки в холодном виде.

Металлический элемент может иметь различные формы при условии, что он является сплошным и в основном плоским.

Условие несплошности является необходимым, поскольку элемент не будет препятствовать высвобождению паров бария, производимых частью порошков между самим элементом и дном контейнера. Это условие может быть получено с помощью самых различных геометрических форм. Некоторые возможные исполнения представлены на фиг. 1, например, металлический элемент может быть сделан в виде вырезанной металлической пластинки, имеющей форму ромашки, подобно элементу 10 на чертеже, показывающем центральное отверстие для облегчения выхода бария из лежащих ниже порошков, он может быть вырезанной пластинкой, имеющей множество отверстий, распределенных по поверхности либо беспорядочно, либо упорядоченным образом, как показано с помощью элемента 12, или он может быть проволочной сеткой, как описано в указанном патенте США 3558962.

Элемент должен быть в основном плоским, чтобы его можно было погрузить в брикет из порошков, который обычно имеет толщину в несколько миллиметров, без контакта с дном контейнера и выхода на поверхность порошков. Условие, что металлический элемент не должен быть в контакте с дном контейнера, может быть выполнено различными путями. Некоторые исполнения представлены на фигурах 2 - 6, где представлены различные металлические элементы в соответствии с различными способами, используемыми для удержания их на расстоянии от дна, но каждый из различных типов элементов (пластинка, вырезанная в форме ромашки, пластинка с отверстиями, проволочная сетка или другие) могут быть использованы в каждой из конфигураций, описанных далее. Возможное газоулавливающее устройство настоящего изобретения представлено в виде поперечного сечения на фигуре 2; такое устройство 20 получают путем загрузки на дно контейнера 21 первой части 22 порошков, наложения на их верхнюю поверхность плоского металлического элемента 23 и покрытия последнего оставшейся частью порошков 24. Наконец, порошки прессуются в контейнере с помощью пуансона заданной формы, так что на верхней поверхности 25 брикета образуются радиальные углубления 26, 26', ... . Весовое соотношение между количеством порошков, помещенных в контейнер до и после размещения металлического элемента 23, определяет уровень положения самого элемента в указанном плоском слое и поэтому выбирается таким образом, чтобы элемент не выходил на поверхность 25 даже там, где расположены углубления 26, 26', ... ; как правило, хорошие результаты получают тогда, когда такое отношение находится между 1:2 и 1:3. В другом возможном исполнении, как показано на фиг. За, металлический элемент 33 может быть локально деформирован с получением на нем некоторых "установочных выступов" 34; как показано на фиг. 3b, представляющей в поперечном сечении газоулавливающее устройство 30 по настоящему изобретению, когда элемент 33 помещен в контейнере 31, где присутствуют порошки 32, выступы 34 поддерживают заданное расстояние от дна контейнера 35. В этом случае также на верхней поверхности брикета из порошков 36 присутствуют радиальные углубления 37, 37', ... . Опять же, как показано на фиг. 4, представляющей поперечное сечение другого возможного газоулавливающего устройства 40 настоящего изобретения, можно получить выступы 44 на боковых стенках 45 контейнера 41, в котором присутствуют порошки 42, и наложить металлический элемент 43 на выступы 44; на верхней поверхности 46 брикета из порошков формируются углубления 47, 47', ... . Наконец, как показано на фиг. 5, представляющей в поперечном сечении еще одно возможное газоулавливающее устройство 50 по настоящему изобретению, можно получить выступы 54 на дне 55 контейнера 51, содержащего порошки 52, тем самым формируются поддерживающие выступы, на которых может располагаться металлический элемент; также и в этом случае на поверхности брикета из порошков формируются углубления 57, 57', ... . Последняя возможность является предпочтительной в случае, когда используется контейнер, имеющий элементы механического закрепления брикета из порошков, как описано в патенте США 4642516 и показано на фиг. 6; в этом случае металлический элемент 63 фактически может быть только плоским и располагаться на этих элементах 64 механического закрепления. В случаях, которые представлены на фиг. 2 - 6, положение и размер выступов как контейнера, так и металлического элемента, определяют положение последнего таким образом, что оно не должно сливаться с верхней поверхностью брикета из порошков даже там, где расположены радиальные углубления.

Контейнер устройства по настоящему изобретению может быть любым из контейнеров, известных из литературы. Как правило, его делают из стали, предпочтительно типа AISI 304 или 305 из-за легкости ее обработки в холодном виде путем штамповки и хорошей устойчивости к условиям окисления во время операции герметизации кинескопа свариванием. Форма указанного контейнера по существу представляет собой короткий цилиндр, закрытый снизу и открытый сверху, хотя возможны различные модификации этой основной формы, такие как, например, выступы на дне или на боковых стенках, как описано ранее.

Брикет из порошков состоит из смеси порошкообразного BaAl₄ и порошкообразного никеля. Размер частиц порошков BaAl₄ обычно меньше, чем около 250 микрон, размер частиц порошков никеля обычно меньше, чем около 60 микрон. Весовое отношение между двумя материалами обычно составляет между около 1,2: 1 и 1:1,2; предпочтительно, это весовое отношение составляет около 1:1. Брикет из порошков локально формируется путем загрузки смеси сыпучих порошков в контейнер и их прессования с помощью соответствующих пуансонов. На верхней поверхности этого брикета формируют необходимые углубления в радиальном направлении в разном количестве, от 2 до 8, как описано в указанном патенте США 5118988.

Устройство по настоящему изобретению также могут быть получены в азотсодержащей версии: в настоящей области известно использование газоулавливающих устройств, содержащих небольшие количества соединений азота, таких как нитрид железа, Fe₄N, нитрид германия, Ge₃N₄, или промежуточных нитридов железа и германия. Предназначение этих компонентов является создание малых давлений азота в кинескопе во время стадии мгновенного испарения бария, давая, таким образом, возможность получения более широкого и однородного осаждения бария.

Изобретение будет далее иллюстрироваться с помощью последующих примеров. Эти не ограничивающие примеры представляют некоторые исполнения, предназначенные для ознакомления специалистов в данной области с практикой настоящего изобретения и для представления наилучшего возможного способа осуществления изобретения.

Пример 1.

Газоулавливающее устройство изготавливают путем использования контейнера из стали AISI 304, он имеет диаметр 20 мм и высоту 4 мм, причем на дне имеются выступы высотой 1 мм, подобные представленным на фиг. 5. Внутри контейнера расположена сетка из стали AISI 304 с ячейками шириной 1,5 мм, расположенная на выступах на дне. В контейнер загружают гомогенную смесь, которая состоит из 775 мг порошкообразного BaAl₄ с общим содержанием бария 403 мг и 875 мг порошкообразного никеля. Смесь порошков затем прессуют внутри контейнера с помощью пуансона такой формы, чтобы образовать на поверхности брикета 4 радиальных углубления. Полученный таким образом образец обрабатывают при 450^oC в течение 1 часа на воздухе для имитации условий герметизации свариванием. Затем образец помещают в стеклянную колбу, которая соединяется с системой откачки, колбу откачивают и проводят испытание на испарение бария, следуя способу, описанному в стандарте ASTM F 111-72, при этом нагревая устройство посредством радиочастотных электромагнитных волн в течение 35 сек с такой мощностью, чтобы испарение началось через 15 сек после начала нагрева. Результаты испытаний представлены в таблице 1, в которой указаны замечания относительно деталей испарения и отношение остатка и испаренного количества бария.

Пример 2.

Испытание примера 1 повторяют со смесью, включающей вещество - источник азота, образованной из 785 мг порошкообразного никеля, 825 мг порошкообразного BaAl₄ и 40 мг Fe₄N. Результаты испытания представлены в таблице 1.

(Сравнительный) пример 3.

Повторяют испытания примера 1, но без добавления проволочной сетки в брикет из порошков. Результаты испытания представлены в таблице 1.

(Сравнительный) пример 4.

Повторяют испытания примера 1, но с использованием для прессования порошков в контейнере плоского пуансона, так что брикет не получает радиальных углублений. Результаты испытания представлены в таблице 1.

(Сравнительный) пример 5.

Повторяют испытания примера 1, но используя контейнер с плоским дном и размещая проволочную сетку на его дне. Результаты испытания представлены в таблице 1.

(Сравнительный) пример 6.

Повторяют испытания примера 1, но, используя образец, в котором сетка сливается с поверхностью брикета из порошков: этот образец получают путем загрузки смеси порошков в контейнер, размещения поверх порошков сетки и прессования всего вместе с помощью плоского пуансона. Результаты испытания представлены в таблице 1.

Как ясно из результатов в таблице, только устройства по настоящему изобретению (примеры 1 и 2) видимо являются свариваемыми, поскольку они не демонстрируют проблем, связанных с набуханием или выбросом брикета из порошков или с расплавлением контейнера; кроме того, эти устройства позволяют получать выход бария 300 мг или более. В противоположность этому, со всеми остальными устройствами существуют проблемы набухания или выброса порошков, полного или частичного, или даже происходит расплавление всего устройства.

Формула изобретения

1. Свариваемое испаряемое газоулавливающее устройство с высоким выходом бария, содержащее металлический контейнер, открытый сверху, смесь порошкообразного BaAl₄ и никеля в контейнере в форме брикета, на верхней поверхности которого выполнены радиальные углубления, несплошной металлический элемент, по существу, плоской формы и параллельный дну контейнера, отличающееся тем, что металлический элемент погружен в брикет порошков в положении, удаленном от дна контейнера так, чтобы не сливаться со свободной поверхностью самого брикета.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что металлический элемент, погруженный в брикет порошков, выполнен в виде вырезанной металлической пластинки, имеющей форму ромашки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что металлический элемент, погруженный в брикет порошков, выполнен в виде вырезанной металлической пластинки, имеющей множество отверстий, распределенных по ее поверхности.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что металлический элемент, погруженный в брикет порошков, выполнен в виде проволочной сетки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на дне контейнера размещена первая часть брикета порошкообразного BaAl₄ и никеля, на которой расположен плоский металлический элемент, покрытый оставшейся частью брикета из порошкообразного BaAl₄ и никеля, на верхней поверхности которого имеются радиальные углубления.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что металлический элемент снабжен выступами, выполненными в виде установочных выступов, и погружен в брикет порошков, так что установочные выступы находятся в контакте с дном контейнера, при этом на верхней поверхности брикета порошков имеются радиальные углубления.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что боковые стенки открытого сверху контейнера снабжены выступами, которые поддерживают плоский металлический элемент, при этом на верхней поверхности брикета порошков предусмотрены радиальные углубления.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на дне открытого сверху контейнера предусмотрены выступы, которые поддерживают плоский металлический элемент, при этом на верхней поверхности брикета порошков предусмотрены радиальные углубления.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что выступы на дне контейнера имеют круглую форму.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частицы порошков BaAl₄ имеют размер, меньший, чем 250 мкм.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что частицы порошков никеля имеют размер, меньший, чем 60 мкм.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что порошки BaAl₄ и никеля представлены в весовом отношении, составляющем между около 1,2:1 и 1:1,2.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что порошки BaAl₄ и никеля представлены в весовом отношении около 1:1.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что углубления на поверхности брикета порошков представлены в количестве от 2 до 8.

15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что смесь порошков также включает вещество - источник азота, выбранное из нитрида железа, нитрида германия или промежуточных нитридов железа и германия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7