Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung von Metall-Halogenid-Pellets,
welche die Eigenschaften einer lichtemittierenden Quelle von
Hetallhalogenidlampen aufweisen.
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Entsprechend einem Trend der letzten Jahre,
ist ein Schlaglicht auf eine verschiedene Zahl von
Entladungslampen, enthaltend ein Metallhalogenid oder
sogenannte Metallhalogenidlampen, geworfen worden, und die
Nachfrage danach steigt auf Grund der guten Leistung der
Farbechtheit des davon emittierten Lichtes rasch an. Es
ist ein ziemlich wesentliches Erfordernis für das
Metallhalogenid als der lichtemittierenden Quelle von
Metallhalogenidlampen, dass das Metallhalogenid eine extrem hohe
Reinheit, bezogen auf Wasserstoff und Sauerstoff, sowie
auf Wasser, Oxyden und Hydroxyden und Verunreinigungen,
enthaltend Wasserstoff und/oder Sauerstoff, aufweisen.
Dies ist so, weil diese Verunreinigungen bereits in
Spurenmengen, einen Anstieg der Entladungsspannung für die
Zündung der Lampe verursachen, und damit letztendlich das
Versagen der Lampenzündung bewirken, zusammen mit einem
höheren Verbrauch der Elektrode, so dass die
Beständigkeit der Lampe absinkt.
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Das Füllrohr für die Einführung eines
Metallhalogenids in eine Entladungslampe während des
Herstellungsverfahrens von Metallhalogenidlampen weist
üblicherweise einen geringen Durchmesser auf, in Anbetracht der
nachfolgenden Versiegelung durch Schweissen, so dass es
wünschenswert ist, dass das Metallhalogenid in die Lampe
in Form von kleinen Pellets durch das Füllrohr eingeführt
wird und die Pellets Dimensionen und Gewichte aufweisen,
welche so einheitlich wie möglich sind, um ihre
Einführung in die Entladungslampe zu erleichtern. Eines der
herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Pellets, ist
das Verfahren des Kompressionsformens durch Verwendung
einer Metallform, aber herkömmliche Vorgehensweisen für
die Pelletisierung eines Metallhalogenids sind nicht für
die Herstellung von Metall-Halogenid-Pellets geeignet,
welche in Metallhalogenidlampen als lichtemittierende
Quelle verwendet werden, weil viele Metallhalogenide eine
hohe Hygroskopie aufweisen, die Absorption von
Feuchtigkeit durch das Metallhalogenid während des Verfahrens des
Kompressionsformens ist mehr oder weniger unvermeidlich.
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In Anbetracht des oben beschriebenen Problems
von Metall-Halogenid-Pellets, schlägt das US Patent Nr.
3,676,534 ein Verfahren zur Herstellung von
Metall-Halogenid-Pellets vor, welche als lichtemittierende Quelle in
einer Metallhalogenidlampe geeignet sind, gemäss welchem
ein Metallhalogenid, enthaltend Sauerstoff, als
Verunreinigungsbestandteil auf eine Temperatur, welche höher als
der Schmelzpunkt des Metallhalogenids liegt, erhitzt
wird, und während das Metallhalogenid zu mindestens
teilweise in einem geschmolzenen Zustand ist, ein
Wasserstoffhalogenid, ein Gemisch aus Wasserstoffhalogenid und
Wasserstoff oder ein Gemisch von Halogengas und
Wasserstoff, von welchem das Halogen demselben Element
entstammt wie das Halogen des Metallhalogenids, wird in die
Schmelze des Metallhalogenids eingeblasen, um so die
sauerstoffenthaltenden Verunreinigungen im Metallhalogenid,
welche nicht Wasser sind, in Wasser oder eine flüchtige
Verbindung umzuwandeln, welche durch Auswaschen aus dem
Gas entfernt werden können, und das so gereinigte
geschmolzene Metallhalogenid wird in eine Atmosphähre eines
Schutzgases, wie etwa Hehum, durch ein
Vibrationsfüllrohr
übergeführt, um dort in Metall-Halogenid-Pellets
verfestigt zu werden.
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Dieses Verfahren ist jedoch nicht ohne
Probleme, insbesondere wenn zwei oder mehr Arten von
Metallhalogeniden in Zusätzen in einem geschmolzenen Zustand zu
reinigen und zu pelletisieren sind, weil verschiedene
Metallhalogenide naturgemäss verschiedene Dampfdrücke bei
der gleichen Temperatur aufweisen, um so eine Veränderung
der Zusammensetzung in Bezug auf das Verhältnis der
verschiedenen Metallhalogenide durch die selektive
Verdampfung zu bewirken. Darüber hinaus, sind geschmolzene
Metallhalogenide bei hoher Temperatur im allgemeinen
äusserst reaktiv und ätzend gegenüber einer Vielfalt von
Materialien, welche sonst gegenüber ätzenden Verbindungen
widerstandsfähig sind, so sehr, dass sie starke
Verätzungen von Quarzglas (geschmolzene Kieselerde) hervorrufen,
welches das am meisten verwendete Material zur
Herstellung von Geräten darstellt, die bei einer solchen
Hochtemperaturreaktion mit ätzenden Halogenverbindungen
verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung hat dementsprechend
als Zielsetzung, eine Verbesserung des Verfahrens zur
Herstellung von Pellets von Metallhalogeniden zu liefern,
welche Eigenschaften aufweisen, die sie für
lichtemittierende Quellen von Metallhalogenidlampen durch ihren
aussergewöhnlich niedrigen Gehalt an Verunreinigungen, wie
etwa Wasser, Hydroxyde und ähnlichem, geeignet machen,
durch Bewältigung der oben beschriebenen Probleme und
Nachteile in den Verfahren des Standes der Technik. Das
erfindungsgemässe Verfahren ist nicht nur absolut frei
vom Problem der ätzenden Wirkung auf die Geräte, sondern
ist auch nicht unter Beschränkungen in bezug auf die Art
oder die Arten der Metallhalogenide unterworfen, um so
eine hohe Produktivität in der Zubereitung von Metall-
Halogenid-Pellets zu gewährleisten.
Beschreibung der Erfindung
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist
dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung von Metall-
Halogenid-Pellets in Form einer Scheibe oder eines
Zylinders, bei welchem der Durchmesser von 1,0 mm nicht
überschritten wird und die Höhe oder Länge von 3,0 mm nicht
überschritten wird, umfassend die Schritte des
Pulverisierens eines Metallhalogenids, von welchem der
Feuchtigkeitsgehalt als Verunreinigung von 5 ppm pro
Gewichtseinheit nicht überschritten wird, in pulverisierte Teilchen
und Kompressionsformen der pulverisierten Teilchen in
einer Metallform, eine Verbesserung, welche die
Durchführung der Schritte des Pulverisierens des Metallhalogenids
und des Kompressionsformens der pulverisierten Teilchen
in einer Metallform unter einer Schutzgasatmosphäre wird,
welche einen Taupunkt von -60ºC oder weniger aufweist,
umfasst.
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Wie oben beschrieben, besteht das
charakteristischste Merkmal der Verbesserung, welche durch die
Erfindung geliefert wird, in der Ausführung der Schritte
des feinen Pulverisierens eines Metallhalogenids mit
niedrigem Feuchtigkeitsgehalt und des Kompressionsformens
der feinen Teilchen des Metallhalogenides in einer
Atmosphäre eines Schutzgases mit einem extrem niedrigen
Feuchtigkeitsgehalt, wie er mittels des Taupunktes,
welcher bei -60ºC oder weniger liegt, definiert wird. Die
unter den oben genannten Bedingungen hergestellten
Metall-Halogenid-Pellets enthalten nur eine sehr geringe
Menge an Verunreinigungen, wie etwa Wasser, Hydroxyde und
ähnliches, welche die Leistung der Pellets als
lichtemittierende Quelle von Metallhalogenidlampen
beeinträchtigen.
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Da das primäre Ziel der vorliegenden
Erfindung in der Bereitstellung von Metall-Halogenid-Pellets
besteht, welche als lichtemittierende Quelle von
Metallhalogenidlampen geeignet sind, ist der gemäss der
vorhegenden Erfindung erhaltene Vorteil umso bemerkenswerter,
wenn das Metallhalogenid aus der Gruppe, bestehend aus
Bromiden und Jodiden eines Elements der seltenen Erden
und eines Alkalimetallelementes, ausgewählt wird. Ein
Metallhalogenid, welches dieser Klasse angehört, das
naturgemäss ein unhydratisiertes Salz ist, welches kein
Kristallisationswasser enthält, kann durch verschiedene
bekannte Methoden zubereitet werden, aber es ist
wesentlich, dass das Metallhalogenid in bezug auf seinen
Feuchtigkeitsgehalt, welcher 5 ppm pro Gewichtseinheit nicht
überschreiten sollte, hochgradig gereinigt ist, so dass
die aus den Metallhalogeniden hergestellten Pellets als
lichtemittierende Quelle für Metallhalogenidlampen
zufriedenstellend sind. Solche Metallhalogenide mit
geringem Feuchtigkeitsgehalt können durch Unterwerfung eines
herkömmlichen Metallhalogenids als Ausgangsmaterial unter
eine Reinigungsprozedur durch Sublimation erhalten
werden, obwohl sich dies nicht darauf besonders beschränken
muss.
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Das charakteristischte Merkmal des
erfindungsgemässen Verfahrens besteht in den spezifischen
Bedingungen der Atmosphäre, unter welchen das
Metallhalogenid fein pulverisiert wird und die feinen Teilchen des
Metallhalogenids in Pellets mittels einer Metallform
kompressionsgeformt werden. Es ist nämlich wesentlich für
die Erfindung, dass diese Pulverisierungs- und
Kompressionsformungsschritte in einer Atmosphäre eines
Schutzgases ausgeführt werden, von welchem der Taupunkt nicht
höher als -60ºC ist, um so die Feuchtigkeitsabsorption
durch das Metallhalogenid während der Verarbeitung zu
verhindern, obwohl das Erfordernis bezüglich des
Taupunkts von der Art des speziellen Metallhalogenids
abhängt.
Werden Jodide von verschiedenen metallischen
Elementen als Beispiele von Metallhalogeniden verwendet, ist
zum Beispiel ein Taupunkt von -60ºC oder weniger
ausreichend für das Neodymiumjodid, aber Holmiumjodid und
Thuliumodid müssen in einer Atmosphäre mit einem Taupunkt
von -80ºC oder weniger verarbeitet werden. Beispiele des
Schutzgases schliessen Stickstoff und seltene Gase, wie
etwa Helium und Argon, ein, von welchen Argon in den
meisten Fällen bevorzugt ist, weil Argon das Gas ist,
welches als Füllgas bei der Herstellung von
Metallhalogenidlampen verwendet wird. Um einen niedrigen Taupunkt der
Atmosphäre zu gewährleisten, muss die
Pulverisierungsmaschine und die Formpresse in einer aus Eisen bestehenden
Handschuhschutzkammer installiert werden, welche an eine
Entfeuchtungsmaschine angeschlossen ist. Es versteht sich
von selbst, dass die Oeffnung der Handschuhschutzkammer,
welche mit der äusseren Atmosphäre kommuniziert, mit
einer Doppeltüre versehen sein muss, um das Eindringen
von atmosphärischer Luft durch die Oeffnung zu
minimieren.
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Der Schritt des Pulverisierens des
Metallhalogenids wird unternommen, um feine Teichen des
Metallhalogenids mit einer Teilchengrösseverteilung zu erhalten,
welche für das Kompressionsformen in einer Metallform zur
Herstellung von Pellets geeignet ist. Obwohl die
Teilchengrösseverteilung in bezug auf seine Abhängigkeit von
verschiedenen Bedingungen beim Kompressionsformen nicht
besonders beschränkend ist, ist es bevorzugt, zum
Beispiel, dass das Pulverisieren des Metallhalogenids so
lange ausgeführt wird, bis der Teilchendurchmesser der
pulverisierten Teilchen so weit vermindert ist, dass er
0,2 mm nicht überschreitet, wenn die gewünschten Pellets
einen Durchmesser on 1 mm haben. Die Art der
Pulverisierungsmaschine ist nicht besonders beschränkend und
schliessen Mörser und Pistillen, Maschinenmörser,
Pressmühlen, Kugelmühlen und ähnliche ein. Es Steht
selbstverständlich
frei, gemäss den Bedürfnissen, dass zwei Arten
oder mehr von verschiedenen Metallhalogeniden gemeinsam
in einer einzigen Pulverisierungsmaschine pulverisiert
werden, mit dem Ziel, eine Pulvermischung von verschiede
nen Metallhalogeniden zu erhalten.
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Das so erhaltene feine Pulver des
Metallhalogenids wird in Pellets kompressionsgeformt, wobei ein
Gesenk und ein Stempel als Metallform unter einer
Schutzgasatmosphäre verwendet wird, welche einen Taupunkt von
nicht höher als -60ºC aufweist. Es ist wünschenswert,
dass die Metallform mit einer so gross wie möglichen
Anzahl von Gesenken und Stempeln ausgestattet ist, um so
eine Vielzahl von Pellets mittels eines einzigen
Durchlaufs formen zu können, um so die Produktivität zu
verbessern. Der Formdruck ist ein bedeutsamer Faktor,
welcher die Druckfestigkeit der Pellets, die so hergestellt
wurden, beeinflusst, obwohl der genaue Formdruck in
Abhängigkeit der Art des besonderen Metallhalogenids
ausgewählt werden sollte. Im allgemeinen ist ein Druck von
506,6 10&sup5; Pascal (500 kgf/cm²) oder mehr auf die
Druckoberfläche des Formstempels praktisch ausreichend, um
formgepresste Pellets zu erhalten, welche keine
besonderen Probleme bezüglich der mechanischen Festigkeit
aufweisen, unabhängig von der Art der Metallhalogenide. In
bezug auf die Form und Grösse der Metallhalogenidpellets
ist es bevorzugt, dass die Pellets in Form einer Scheibe
oder einer zylindrischen Kolonne mit einem Durchmesser
von nicht mehr als 2,0 mm und einer Höhe oder axialen
Länge von nicht mehr als 3,0 mm aufweisen, um so das
Beladen der Metallhalogenidlampen mit den
Metall-Halogenid-Pellets durch das Einfüllrohr während des
Herstellungsverfahrens der Lampen zu erleichtern. Wenn die
Metall-Halogenid-Pellets unter den oben beschriebenen
Bedingungen gemäss der Erfindung hergestellt werden, kann
der Feuchtigkeitsgehalt der Pellets bei 5 ppm pro
Gewichtseinheit oder weniger gehalten werden, so dass die
Metall-Halogenid-Pellets als lichtemittierende Quelle in
Metallhalogenidlampen ziemlich zufriedenstellend sind.
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Das erfindungsgemässe verbesserte Verfahren
ist für die Herstellung von Pellets aus Halogeniden von
verschiedenen Arten von metallischen Elementen,
einschliesslich der seltenen Erdeelementen, d.h. Yttrium und
die Lanthanidelemente mit einer Atomzahl von 57 bis 71
und Alkalimetallelemente, sowie andere metallische
Elemente, wie etwa Thallium, Zinn, Indium und ähnliche,
anwendbar.
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Im folgenden wird das verbesserte Verfahren
gemäss der Erfindung mehr im Detail mittels eines
Beispiels und eines Vergleichsbeispiels beschrieben, welche
jedoch in keiner Weise den Umfang der Erfindung
beschränken sollen.
Beispiel
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Dysprosiumjodid wurde einer
Entwässerungsreinigung durch das Sublimationsverfahren unterworfen. Der
Feuchtigkeitsgehalt des, auf diese Art und Weise
gereinigten Dysprosiumjodids, war bei 5 ppm pro
Gewichtseinheit oder niedriger, wie durch die Karl-Fischer-Methode
bestimmt wurde. Im nächsten Schritt wurde eine Portion
von 5 g dieses, auf diese Weise entwässerten
Dysprosiumjodids, pulverisiert, indem ein Mörser und eine Pistille
aus rostfreiem Stahl in einer rostfreien
Handschuhschutzkammer, welche mit Argongas mit einem Taupunkt von -85ºC
pulverisiert. Das Pulver des entwässerten
Dysprosiumjodids wurde in einer rostfreien Stahlmetallform in etwa
1500 Pellets kompressionsgeformt, von welchen jedes einen
Durchmesser von 1 mm und eine Höhe von 1 mm aufwies und
etwa 3 mg wog. Dieses Kompressionsformen wurde auch in
der Handschuhschutzkammer ausgeführt. Die benötigte
Gesamtzeit betrug drei Stunden für das Pulverisieren und
Kompressionsformen des Dysprosiumjodids. Der
Feuchtigkeitsgehalt der, auf diese Weise hergestellten Pellets,
wurde durch die Karl-Fischer-Methode bestimmt und ergab
einen Wert von 5 ppm pro Gewichtseinheit oder weniger, so
dass die Dysprosium-Jodid-Pellets sich als ziemlich
zufriedenstellend als lichtemittierende Quelle für
Metallhalogenidlampen herausstellten.
Vergleichendes Beispiel
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Dysprosium-Jodid-Pellets wurden in der
gleichen Weise wie oben hergestellt, mit Ausnahme, dass die
Verfahrensschritte des Pulverisierens und des
Kompressionsformens des entwässerten Dysprosiumjodids in einer,
aus Plastik bestehenden Handschuhschutzkammer, welche mit
Argongas mit einem Taupunkt von -50ºC, gefüllt ist,
ausgeführt wurde. Die benötigte Gesamtzeit betrug drei
Stunden für das Pulverisieren und das Kompressionsformen des
Dysprosiumjodids. Der Feuchtigkeitsgehalt der, auf diese
Weise zubereiteten Pellets, wurde durch die Karl-Fischer-
Methode bestimmt, und ergab einen Wert von 250 ppm pro
Gewichtseinheit, so dass sich die Pellets für die
lichtemittierende Quelle von Metallhalogenidlampen als nicht
geeignet herausstellten.