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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Grauglaszusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung
derselben. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung Erbium enthaltende
Grauglaszusammensetzungen, die eine niedrige Lichttransmissivität im UV-
und IR-Bereich haben,
während
sie zur selben Zeit eine hohe Lichttransmissivität im sichtbaren Bereich haben,
wodurch derartige Gläser
zur Verwendung als Fenster und Windschutzscheiben in der Automobilindustrie
und dem Gebiet der Architektur geeignet sind, als auch in bestimmten
Ausführungsformen
als Gläser
für Brillen.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Automobilindustrie hat sich seit einer Reihe von Jahren auf die
Farbe grau konzentriert, die manchmal als „neutrales grau" (neutral grey) bezeichnet
wird, als die ästhetische
Farbe der Wahl für
Autofenster. Zur selben Zeit verlangte diese Industrie, als auch
die Brillenglashersteller, dass Transmissionen im UV- und IR-Bereich des Lichtspektrums
minimiert werden. Dies ist auch unter bestimmten Umständen auf
dem Gebiet der Architektur wünschenswert.
Staatliche Regulierungen in der Automobilindustrie verlangen allerdings gleichzeitig,
dass die Transmission des sichtbaren Lichts bei wenigstens 70% oder
höher liegt,
bei bestimmten, wenn nicht sogar allen, Fahrzeugfenstern, wenn diese
von dem Hersteller der Originalausrüstung des Fahrzeugs bereitgestellt
werden (wie z.B. GM, Ford, Chrysler etc. in den USA). Dadurch wird
ein Bedarf in diesen verschiedenen Industrien für ein Glas erzeugt, welches
diese Eigenschaften erreicht.
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Man
sagt, dass ein Glasfenster, eine Windschutzscheibe oder ein anderer
Glasartikel die gewünschte Farbe „grau" hat, die manchmal
auch als „neutrales
grau" bezeichnet
wird, wenn es eine maßgebende
Wellenlänge
(dominant wavelength) von 435 nm und vorzugsweise von 470 nm bis
weniger als 570 nm aufweist, in Kombination mit einer Auslöschungsreinheit
(excitation purity; Pe) von weniger als 4,5%. Dies definiert dann die
Bedeutung des Begriffs „grau", wie er hierin verwendet
wird. Ein noch bevorzugterer Bereich der maßgebenden Wellenlänge, welcher
somit ein noch bevorzugteres „grau" definiert, wie es
hierin verwendet wird, beträgt
480 nm bis 550 nm, und in ähnlicher
Weise beträgt
ein noch bevorzugterer Bereich an Reinheit 0,2-4,5%. Es wurde herausgefunden,
dass das äußere Erscheinungsbild
eines derartigen Glases wie es so definiert ist, von einer wahren „grauen" Farbe ist, anstatt
einen beanstandbaren Einschlag von bronze, grün oder violett oder einer anderen
Farbe aufzuweisen. Diese „graue" Farbe, wie oben
angedeutet, hat einen einzigartigen Bedarf auf dem Automobilmarkt
gefunden, aber sie hat auch einen potenziellen Nutzen in den Märkten der
Architektur und der Brillenglasherstellung.
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Gleichzeitig
mit der Anforderung, dass eine wahre „graue" Farbe erreicht werden muss, besteht
die üblicherweise
verlangte Notwendigkeit, relativ strenge Niveaus an Lichttransmission
zu erreichen, die üblicherweise
definiert werden durch:
Lta als Transmission von sichtbarem
Licht,
UV als Transmission von ultraviolettem Licht,
IR
als Transmission von infrarotem Licht, und
Ts als
Gesamtsolartransmission.
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Um
die Parameter dieser Charakteristiken zu spezifisieren, ist es allgemein
notwendig, die Dicke des Glases anzugeben, die das Subjekt der Messung
ist. Wie hierin verwendet, bedeutet in diesem Zusammenhang der Begriff „eine nominelle
Dicke von 1 mm-6 mm" und
in bestimmten Ausführungsformen „3 mm-4
mm", dass die Charakteristiken
des Glases diejenigen sind, die sich ergeben, wenn die Dicke des
tatsächlichen
Glases, das untersucht wird, auf diese nominellen Dickenbereiche
eingestellt ist. Derartige Dickenbereiche werden in diesem Zusammenhang
allgemein als konventionelle Dicken für Glasscheiben anerkannt, die
durch den Floatglasprozess hergestellt werden, als auch als anerkannte
Dickenbereiche für
die Automobilindustrie.
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Wenn
bei der spezifizierten nominellen Dicke (z.B. 3,2 mm oder 4 mm)
gemessen, kann die richtige Farbcharakteristik, die durch diese
Erfindung erreicht wird, durch die konventionelle CIE LAB-Technik
angegeben werden (s. das US-Patent 5,308,805). Eine derartige Technik
ist in der CIE-Veröffentlichung
15.2 (1986) und ASTM: E-308-90 [Ill.C2° Observer] dargestellt. Lichtdurchlassgrad
(luminous transmittance) (Lta) [2° Observer]
ist eine Charakteristik und ein Begriff, der im Stand der Technik
wohl bekannt ist, und er wird hierin in Übereinstimmung mit seiner wohlbekannten
Bedeutung verwendet [s. US-Patent 5,308,805]. Dieser Begriff ist auch
als Ill. bekannt. Eine sichtbare Transmission (380-780 nm inklusive)
und ihre Messung wird in Übereinstimmung
mit der CIE-Veröffentlichung
15.2 (1986) und dem ANSI-Testverfahren Z26.1 durchgeführt.
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Gesamte
solare Energietransmission (total solar energy transmittance) (Ts)
(300-2100 nm inklusive), integriert
unter Verwendung der Simpson-Regel in 50 nm-Intervallen unter Verwendung von Parry-Moon-Air-Mass
= 2, ist ein weiterer Begriff, der im Stand der Technik wohl bekannt
ist (s. US-Patent 5,308,805). Er wird hierin gemäß seiner wohl bekannten Bedeutung
verwendet. Seine Messung ist konventionell und wohl bekannt.
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Die
Begriffe und Charakteristiken von „Transmission von ultraviolettem
Licht" (% UV), „Transmission von
infraroter Energie" (%
IR), „maßgebende
Wellenlänge" (dominant wavelength;
DW) und „Reinheitsgrad" (z.B. „% Reinheit" oder Pe) sind ebenfalls
wohl bekannte Begriffe im Stand der Technik, wie es auch ihre jeweiligen
Messtechniken sind. Derartige Begriffe werden hierin in Übereinstim mung
mit ihrer wohl bekannten Bedeutung verwendet [s. US-Patent Nr. 5,308,805].
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„Ultraviolette
Transmission" (ultraviolet
transmittance) (% UV) wird hierin unter Verwendung von Parry-Moon-Air-Mass
= 2 gemessen (300-400 nm inklusive), und integriert unter Verwendung
der Simpson-Regel in 10-nm-Intervallen. Eine derartige Messung ist
im Stand der Technik wohlbekannt.
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„Infrarot-Transmission" (infrared transmittance)
(% IR) wird konventionell unter Verwendung der Simpson-Regel und
der Parry-Moon-Air-Mass = 2 über
den Wellenlängenbereich
von 800-2.100 nm inklusive in 50-nm-Intervallen gemessen. Eine derartige
Messung ist im Stand der Technik wohl bekannt.
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„Maßgebende
Wellenlänge" (dominant wavelength)
(DW) wird konventionell berechnet und gemessen in Übereinstimmung
mit der oben erwähnten
CIE-Veröffentlichung
15.2 (1986) und ASTM: E308-90. Ihre Berechnung und Messung ist ebenfalls
im Stand der Technik wohl bekannt. Wie hierin verwendet umfasst
der Begriff „maßgebende
Wellenlänge" daher sowohl die
tatsächlich
gemessene Wellenlänge,
als auch, wenn anwendbar, ihr berechnetes Gegenstück.
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„Auslöschungsreinheit" (excitation purity)
(Pe oder „%
Reinheit") wird
konventionell in Übereinstimmung
mit der CIE-Veröffentlichung
15.2 (1936) und ASTM: E308-90 gemessen.
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Für Autofenster
(inklusive Windschutzscheiben) ist es wünschenswert, dass das Glas
die folgenden Charakteristiken aufweist (wenn bei einer nominellen
Dicke von 3 mm bis 4 mm gemessen und vorzugsweise bei entweder 3,2
mm oder 4 mm, wie es die jeweilige Situation erfordern mag), die
häufig
auch in dem letztendlichen Produkt gewünscht sind:
Lta größer als
70%;
UV weniger als 42%, vorzugsweise weniger als 38%;
IR
weniger als 37%, vorzugsweise weniger als 28%;
Ts weniger als
47%.
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Allgemeinen
gesagt ist es dem Stand der Technik zeitweise gelungen, diese Anforderungen
der Automobilindustrie zu erfüllen,
inklusive dem Erreichen der notwendigen ästhetischen „grauen" Farbe, in dem als die
wesentlichen Bestandteile des Farbanteils in eine ansonsten konventionelle
Silikatglaszusammensetzung (z.B. eine typische Natronkalksilikat-Floatglas-Zusammensetzung)
eine Kombination von Kobalt, gemischt mit einem oder mehreren aus
der Gruppe von Selen, Nickel und Cer, zusammen mit einer wesentlichen
Menge an Eisen, verwendet wird. In vielen Fällen wurde angenommen, dass
diese Kombination kritisch ist, um sowohl eine graue Farbe als auch
die gewünschten
Lichttransmissionseigenschaften zu erreichen, oder zumindest eine „neutrale
Bronzefarbe". Siehe
hier zum Beispiel die US-Patente 4,101,70; 5,061,69; 5,264,400; 5,318,931;
5,380,68; und das japanische Patent JP4-280834.
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Unglücklicherweise
hatten diese Kombinationen nach dem Stand der Technik häufig damit
verbundene unterschiedliche Probleme. Zum Beispiel sollte Cer, welches
ein wohl bekanntes UV-Absorptionsmittel ist, wenn es in Glas in
seiner reduzierten Form Ce3+ vorliegt, aus dem folgenden Grund vermieden
werden. Eisen wird typischerweise in Glas in der Form von Fe2O3 eingeführt, wobei
ein Teil davon zu FeO reduziert werden sollte, um den gewünschten
niedrigen IR-Transmissionswert
zu erreichen. Cer, welches in das Glas in der Form von CeO2 eingebracht wird, ist dafür bekannt,
zweiwertiges Eisen zu dreiwertigem Eisen entweder direkt oder in
einem Wettbewerb mit anderen reduzierenden Stoffen zu oxidieren,
die in der Glasschmelze vorliegen. Daher wird die Koexistenz von
Eisenoxid und Ceroxid unvermeidlich zu einer Abnahme der Konzentration
von FeO in dem Glas führen
und wird daher dessen Infrarotabsorptionsleistung verringern.
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Die
Verwendung von Nickel in diesen Zusammensetzungen nach dem Stand
der Technik führte
zum Problem von Nickelsulfidsteinen, die sich in dem Endprodukt
bilden. Selen ist darüber
hinaus während
der Glasherstellung schwierig in dem Glas zu halten. Der Verlust
von Selen erzeugt eine Schwierigkeit beim Steuern der Redox-Reaktion
in dem Glas, was letztendlich die Transmissionswerte nachteilig
beeinflusst. Ohne einige oder alle dieser zuvor genannten Schlüsselbestandteile
könnte
Kobalt, welches an sich mit dem Eisen als das Färbeteil der Glaszusammensetzung
verwendet wird, nicht die gewünschte
Kombination von Lta und grauer Farbe erreichen, wie sie oben definiert
wurde.
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Mehrere
Versuche in der Vergangenheit wurden durchgeführt, um das seltene Erdmetall
Erbium (das üblicherweise
als Er2O3 verwendet
wird und hierin gemäß dieser üblichen
Praxis verwendet wird) als ein Färbemittel
in Automobilfenstern und anderen Glasartikeln zu verwenden. Zum
Beispiel offenbart das zuvor erwähnte
US-Patent 5,264,400 die Verwendung von einem derartigen Bestandteil
in Gläsern
mit sowohl bronze als auch grau gefärbter Farbe. Allerdings, wie
es dort erwähnt
ist, ist die Verwendung von Ceroxid ein wesentlicher Bestandteil
in dieser Zusammensetzung.
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Als
ein weiteres Beispiel verwendet das oben erwähnte japanische Patent Nr.
230834 Er2O3 in
einer Glaszusammensetzung, von welcher dann behauptet wird, dass
sie einen „niedrigen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten" hat. Das Glas verwendet 10-20% B2O3 und wird somit
korrekter Weise als ein Borsilikatglas bezeichnet, anstatt den konventionelleren
Natronkalksilikatgläsern,
die in Autofenstern verwendet werden. Während tatsächlich angegeben ist, dass
Kobalt und Nickel optional sind und keine Verwendung von Se oder
Ce angegeben ist, ist die angegebene maßgebende Wellenlänge dementsprechend
recht hoch, d.h. von 570- 610
nm oder tendiert selbst bei den niedrigeren erreichten Wellenlängen zu
einer unerwünschten
Bronzefarbe, anstatt eine wahre „graue" Farbe zu erreichen, wie sie oben definiert
wurde.
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Unter
Bezugnahme auf die in diesem japanischen Patent '834 vorgestellten Beispiele wird darüber hinaus
gezeigt, dass in den niedrigen Bereichen von Wellenlängen (z.B.
ist die niedrigste genannte Wellenlänge 578 nm) der Gesamteisengehalt
bei einem sehr niedrigen Gehalt von 2,5% eingestellt werden muss
und der Reinheitsgrad betrug sehr hohe 14,2%. Dies führt zu dem
Fazit, dass dieses Patent weder ein wahres „graues" Glas erreicht, noch lehrt, wie ein
solches zu erreichen ist, welches, durch die Verwendung eines hohen
Niveaus an Eisen in dem färbenden
Teil (anstelle dem niedrigen verwendeten Niveau an Eisen) auch zusammen
mit einer wahren „grauen" Farbe gleichzeitig
niedrige UV- und IR- und hohe Lta-Transmissionen erreicht. Es wird tatsächlich angenommen,
dass bei diesen Beispielen, die kein Cer oder andere UV-Absorptionsmittel
verwenden, und mit den niedrigen Niveaus an verwendetem Eisen in
diesen Beispielen, die niedrigere maßgebende Wellenlänge erreichen,
inakzeptabel hohe IR- und UV-Transmissionswerte
das Ergebnis sind.
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Im
Angesicht des oben Gesagten ist es nahe liegend, dass im Stand der
Technik ein Bedarf für
eine neue Glaszusammensetzung existiert, welche die oben genannten
Probleme überwindet,
während
sie die gewünschte
graue Farbe erreicht und die anderen Anforderungen des Solarmanagements
für die
jeweilige Industrie, in der sie verwendet werden soll, erreicht.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, diese und andere Bedürfnisse
im Stand der Technik auszufüllen,
welche dem Fachmann klarer werden, nachdem er die folgende Offenbarung
gelesen hat.
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Überblick über die Erfindung
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Allgemein
gesagt erreicht diese Erfindung die oben beschriebenen Anforderungen
im Stand der Technik, indem sie ein einzigartiges Glas gemäß Anspruch
1 bereitstellt, Glasartikel, die daraus hergestellt sind nach den
Ansprüchen
14-16 und ein einzigartiges Verfahren zum Herstellen des Glases
nach Anspruch 17. In diesem Zusammenhang umfassen die einzigartigen
Glaszusammensetzungen einen färbenden
Teil, der im Wesentlichen, nach Gewichtsprozent, aus folgenden Teilen
besteht:
Bestandteil | Gew.%
(ungefähr). |
Fe2O3 (Gesamteisen) | 0,5-0,8% |
FeO | 0,1-0,25% |
Er2O3 | 0,5-3,0% |
TiO2 | 0-1,0% |
wobei das Glas bei einer nominellen Dicke von 1-6
mm gemessen wird, und vorzugsweise bei 3 mm bis 4 mm (z.B. bei 3,2
mm und 4 mm) eine maßgebende
Wellenlänge
von 435 nm bis weniger als 570 nm hat und eine Auslöschungsreinheit
von weniger als 4,5% hat.
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Beim
Erreichen (Herstellen) des oben beschriebenen Glases, das den zuvor
genannten einzigartigen färbenden
Anteil hat, ist es bevorzugt, in die Batch-Bestandteile und somit während der
Glasbildung, einen Reduzierungswirkstoff aus einem oder mehreren
Bestandteilen einzufügen.
Bei der Ausübung
von bestimmten Ausführungsformen
umfasst der reduzierende Wirkstoff hierbei (in Gewicht des Batches)
0,01-0,3 Gew.% von Siliziummonoxid (SiO) und 0-0,12 Gew.% metallisches
Silizium (Si). In anderen Ausführungsformen
kann der Reduzierungswirkstoff von einem oder mehreren konventionellen
Reduktionsmitteln für
Glasschmelzen ausgewählt
werden, wie z.B. Saccharose, Zinn, Kohlenstoff oder ähnliches.
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In
diesem Zusammenhang war es vorbekannt (wie es in dem US Patent Nr.
5,569,630 offenbart wird, dass zwei der Erfinder der vorliegenden
Erfindung erteilt wurde), SiO als Reduktionswirkstoff für die Zwecke des
Reduzierens von Cer zu verwenden und um ein farbloses UV absorbierendes
Glas zu erhalten, welches frei von Eisen ist. In der vorliegenden
Erfindung wird die Kombination von zwei niedrigeren Valenzformen
von Silizium verwendet; genauer gesagt wird ein Wirkstoff (optional)
in der Form von metallischem Silizium (Si0) Pulver,
und der andere (Si2+) in der Form von Siliziummonooxid
(SiO) für
die Zwecke des Reduzie rens der Eisen (III) Ionen zu Eisen (II) Ionen
verwendet, wodurch ein wahres „graues" Glas erhalten wird,
mit der verlangten niedrigen IR-Transmission als auch mit niedrigen
UV und hohen sichtbaren Transmissionen, aber ohne die Notwendigkeit
Cer zu verwenden. Tatsächlich
sind die bevorzugten Gläser
dieser Erfindung frei von jeglichem Cer (mit Ausnahme von vielleicht
unbeabsichtigten Spurenmengen in einigen Beispielen). Ein klarer
Vorteil dieser Kombination von Si/SiO als Reduktionswirkstoff ist,
dass während
des Glasschmelzens beide Wirkstoffe in SiO2 umgewandelt
werden, d.h. in die Hauptkomponente in den Matrizen des bevorzugten
Silikatglases, das hierein verwendet wird, ohne die Notwendigkeit
dem Glas irgendwelche Dotiermittel oder andere Reststoffe zuzufügen.
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In
diesem Zusammenhang umfassen bestimmte einzigartige Glaszusammensetzungen,
wie sie durch die Erfindung vorgesehen sind, nach Gewichtprozent:
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Derartige
Zusammensetzungen sind im Wesentlichen frei von Ce, Co, Se und Ni.
Mit dem Begriff „im Wesentlichen
frei" ist gemeint,
dass ein solches Element nicht in einer Menge größer als eine „Spurenmenge" existiert (d.h. üblicherweise als
eine Verunreinigung), und es nicht absichtlich der Mischung zugefügt wird.
Für die
Zwecke dieser Erfindung ist die ungefähre obere Grenze für jedes
Element wie folgt und unterhalb dieser Grenze wird das Element allgemein
als nur in einer „Spurenmenge" vorhanden angesehen.
Natürlich
ist es am meisten bevorzugt, dass das Glas vollständig frei
von jeglicher messbarer Menge derartiger Elemente ist:
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In
derartigen Fällen,
wo diese Grenzen nicht überschritten
sind, kann gesagt werden, dass ein derartiges Element keinen bedeutsamen
Effekt auf die relevanten Solar-Management Eigenschaften des Glases hat,
was daher als die wahre Bedeutung des Begriffes „Spurenmenge" angesehen werden
kann, wie er hierin verwendet wird.
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Der
Begriff „besteht
im Wesentlichen aus" wird
hierin in der üblichen
Weise verwendet, um die wesentlichen Bestandteile zu definieren,
während
andere Farbmittel oberhalb einer Spurenmenge von der Verwendung
ausgeschlossen sind, wie es oben (siehe z.B. Co, Se, Ce, Ni) beschrieben
wurde, und welche die Solar-Management-Eigenschaften
des Glases erheblich beeinflussen würden, wenn sie vorliegen würden.
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Während es
für die
Anwendung dieser Erfindung nicht wesentlich ist, kann theoretisch
festgehalten werden, das diese Erfindung ihre wahre „graue" Farbe durch Annerkennen
(und Nutzen) der bekannten Prinzipien der Farbbildung erreicht,
wonach ein aggromatisches (graues) Glas erhalten werden kann, durch
die Interferenz von nur zwei Farben (blau und rosa (pink)), was,
wenn es richtig gemacht wird, ästhetisch
ansprechender ist (als eine wahre „graue" Farbe), als die sogenannten „grauen" Farben, die zuvor
mit Kombinationen von Farbmitteln wie zum Beispiel Se, Co und Ni
in Kombination mit dem Hintergrund einer blauen Farbe erreicht wurden,
die durch die Eisen (II) Ionen in dem Glass gegeben wurde. In der
vorliegenden Erfindung wird der sehr reine Farbton von hellem Blau
(der für
die Herstellung von wahrem „grau" benötigt wird)
in dem Glas durch die geeignete Reduktion von Fe2O3 zu FeO erreicht (das IR Absorptionsmittel).
Dies wird durch eine korrekt balancierte Kombination oder Menge
von Si (optional) und SiO erreicht, gefolgt durch die Aggromatisierung
(d.h. „physikalisches
Bleichen oder Entfärben") zu einer wahren
grauen Farbe, wie es hierein beschrieben ist, die durch die Verwendung
von Erbiumoxid erreicht wird, welches die wahre rosa Farbe bereitstellt,
um die notwendige Interferenz zu erzeugen, die in der ästhetisch
ansprechenden grauen Farbe des Glases resultiert.
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Weitere
leichte Farbkorrekturen und, falls gewünscht, eine weitere UV-Absorption
kann durch die Hinzufügung
von Titanoxid erreicht werden. Wie oben angemerkt, ist TiO2 ein optionales Färbemittel und daher ist seine
Menge von 0,0% bis 1,0% in diesem Begriff mit aufgenommen, um zu
zeigen, dass TiO2 als ein positives Färbemittel
betrachtet wird, welches optional oberhalb einer Spurenmenge verwendet
werden kann.
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Die
bevorzugten Gläser
gemäß dieser
Erfindung zeigen allgemein, in Kombination, die folgenden Charakteristiken,
wenn sie bei ihrem beabsichtigten nominalen Dicken gemessen werden:
- a) eine wahre „graue" Farbe, wie sie oben definiert wurde;
- b) eine hohe Transmission von sichtbarem Licht, mit einer Lta
von üblicherweise
gleich oder größer als 70%;
- c) eine niedrige IR-Transmission von weniger als etwa 37% und
vorzugsweise weniger als 28%;
- d) eine niedrige UV-Transmission von weniger als etwa 42% und
vorzugsweise weniger als 38%; und
- e) eine niedrige Gesamtsolartransmission von weniger als 47%.
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In
dem zuvor erwähnten
US Patent Nr. 5,569,630 ist zusätzlich
das Verwenden der Technik des Ansatzes von mehreren Vorbatches offenbart,
wobei die Matrix Komponenten in einer Vorbatch-Mischung verwendet
werden, sowie eine separate Vorbatch-Mischung von CeO2 und
dem Reduktionswirkstoff. In noch einem weiteren Aspekt dieser Erfindung
wurde ein einzigartiges Verfahren der Herstellung des Glases dieser Erfindung
entdeckt, welche die Lehre in dem US Patent Nr. 5,569,630 aufnimmt,
um beim Erreichen von Verbesserungen zu helfen, wie zum Beispiel
Charakteristiken wie Reproduzierbarkeit, optimierte Farbe und weiter verbesserte
UV und IR Transmissionswerte. Zum Beispiel wurde durch die Verwendung
eines derartigen Verfahrens festgestellt, dass die reproduzierbare
Natur der erreichten Solarmanagement-Eigenschaften gegenüber normalen
Techniken optimiert werden kann, wobei alle Bestandteile zusammen
in einem Batch gemischt werden und danach der Batch einfach geschmolzen
wird, um ein Glas zu bilden. Allgemein gesprochen, umfassen diese
einzigartigen Verfahren zur Herstellung der Gläser dieser Erfindung, wie oben
beschrieben, die folgenden Schritte:
- a. Bilden
von wenigstens zwei separaten Vorbatch-Mischungen, welche, wenn
sie zusammen gemischt werden, eine Gesamtbatchmischung bilden, die
umfasst:
Bestandteil
Sand
Eisenoxid
Erbiumoxid
metallisches
Si
SiO (Siliziummonoxid),
wobei die erste Vorbatch-Mischung
umfasst (und vorzugsweise im Wesentlichen daraus besteht):
Bestandteil
Eisenoxid
metallisches
Si
SiO (Siliziummonoxid)
Sand,
und wobei jede verbleibende
Vorbatch-Mischung oder Mischungen die verbleibenden Bestandteile
in der Gesamtbatchmischung enthalten,
- b. Mischen der Bestandteile der ersten Vorbatch-Mischungen zusammen,
separat von den Bestandteilen der verbleibenden Vorbatch-Mischungen,
um die erste Vorbatch-Mischung zu bilden,
- c. Mischen der verbleibenden Bestandteile, um somit wenigstens
eine weitere separate Vorbatch-Mischung zu bilden, wonach,
- d. die Vorbatch-Mischungen miteinander gemischt werden, um eine
Gesamtbatchmischung zu bilden,
- e. Schmelzen der Gesamtbatchmischung, um ein Glas daraus zu
bilden und danach,
- f. Bilden des Glasartikels aus dem Glas.
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Die
Erfindung wird nun in Hinsicht auf bestimmte Ausführungsformen
derselben beschrieben, wobei:
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In
den Zeichnungen
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1 eine
Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs ist, das Fenster und eine Windschutzscheibe
hat, wobei die Gläser
dieser Erfindung verwenden werden.
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2 eine
schematische Vorderansicht eines Wohnhauses ist, das ein Fenster
aufweist, dass aus den Gläsern
dieser Erfindung hergestellt ist.
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Brille ist, wobei Gläser gemäß dieser
Erfindung verwendet werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 3, während die
Gläser
dieser Erfindung, wie oben festgestellt, eine einzigartige Anwendung
in der Automobilindustrie finden, können sie auch als Flachglas
in der Bauindustrie, für
sowohl Einzelscheibenfenster als auch Doppelscheibenfenster verwendet
werden, die als Isoliergläser
bekannt sind. Sie können
auch als Gläser
für Brillen
verwendet werden. Somit sind in 1 die Windschutzscheibe
W, vordere Seitenscheiben F und hintere Seitenscheiben R Beispiele
für die
Anwendungsbereiche der Gläser
dieser Erfindung. Heckfenster sind ebenfalls möglich, aber sie sind aus Gründen der
Vereinfachung nicht dargestellt. 2 ist ein
typisches Haus H schematisch gezeigt, mit einem konventionellen Fenster
P, dass eine Glasscheibe oder Scheiben (wenn ein Isolierglasfenster
verwendet wird) aufweist, die aus einem Glas gemäß dieser Erfindung gebildet
sind. In 3 ist eine Brille E mit einem
Paar von Gläsern
L bereitgestellt, die aus einem Glas gemäß dieser Erfindung hergestellt
sind. Allgemein finden die Gläser
eine Anwendung, wenn wahre „graue" Gläser gewünscht oder
benötigt
werden, die niedrige UV und IR Transmissionen haben, sowie auch üblicherweise
hohe Lta's.
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Die
bevorzugten Gläser
zur Verwendung in dieser Erfindung verwenden konventionelles Natronkalksilikatflachglas
als ihre Basiszusammensetzung, zu welcher dann bestimmte Bestandteile
hinzugefügt
werden, um einen einzigartigen Färbemittelteil
zu bilden. In dieser Hinsicht sind die verschiedenen Nationkalksilikatgläser von
besonderer Nützlichkeit,
die beim Herstellen von Glasscheiben mittels des Floatprozesses
verwendet werden und allgemein konventionell auf einer Gewichtsprozentbasis
angeben werden, und zum Beispiel die folgenden Basisbestandteile
umfassen:
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Es
können
auch andere geringere Bestandteile, inklusive verschiedener konventioneller
und Läuterungshilfsstoffen,
wie zum Beispiel SO3, umfasst sein. In der
Vergangenheit war es darüber
hinaus bekannt optional kleine Mengen von BaO und B2O3 einzubringen. Vorzugsweise enthalten die
hier vorgestellten Gläser nach
Gewicht 10 bis 15% Na2O und 6 bis 12% CaO.
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Vor
dieser Erfindung hat einer der hieran beteiligten Erfinder die Entdeckung
gemacht und in einer konventionellen Anwendung umgesetzt, dass unter
Verwendung einer bestimmten Menge von B2O3, in Kombination mit Eisen als eine prinzipielle
Komponente in einem Färbemittelteil
eines Glases, B2O3 die
Absorptionsleistung der Eisen (II) und Eisen (III) Eisen synergetisch
modifiziert, wodurch geringere Niveaus an UV, TS und IR Transmissionen
erreicht werden, als sie ansonsten bei einer derart geringen Menge
an Eisen erwartetet würden.
Diese Syn ergie wird in bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung
als ein Verstärkungsfaktor für UV, IR
und TS Transmissionen genutzt, um diese Transmissionen zu minimieren,
ohne die Verwendung von Ceroxid oder anderen bekannten UV oder IR
Absorbern. In bestimmten anderen Ausführungsformen werden optional
kleine Mengen an TiO2 verwendet, um die
UV Absorption weiter zu begrenzen.
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Die
Gläser
dieser Erfindung erreichen, wie es oben angegeben wurde, eine wahre
graue Farbe (oder „neutrales
grau"), anstelle
einer unerwünschten „bronze-", „blaues
grau" oder „grünes grau" Farbe. Eine derartige
wahre „graue" Farbe wird am besten
wie oben erwähnt
definiert, in dem auf die zwei Charakteristiken von: (1) „maßgebende
Wellenlänge", und (2) „Auslöschungsreinheit
(excitation purity)" Bezug
genommen wird. Zur Ergänzung
dieser Definition wird auf die oben erwähnten CIE LAB Koordinaten verwiesen
[Ill. C 2° observer].
Dementsprechend sind daher in dieser Erfindung, die Gläser hierin
wahre „graue" Gläser, da
sie eine maßgebende
Wellenlänge
von 435 nm bis weniger als 570 nm haben, und am bevorzugten zwischen
480 nm-550 nm; verbunden mit einem Reinheitsgrad von weniger als
4,5% und vorzugsweise 0,2% bis 4,5%. Derartige Gläser werden
dann vorzugsweise auch die folgenden CIE LAB Farbkoordinaten [Ill.
C2° observer]
umfassen, wenn sie bei einer nominellen Dicke von etwa 1 mm bis
6 mm gemessen werden (und vorzugsweise für die meisten Anwendungen,
bei etwa 3 mm bis 4 mm):
L* etwa 86-91
a* etwa –2,4 bis
+1,6
b* etwa –5,0
bis +2,0.
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Die
CIE LAB Farbkoordinaten [Ill. C2° observer]
sind am meisten bevorzugt, wenn sie bei einer nominellen Dicke von
3 mm bis 4 mm gemessen werden:
L* etwa 87-89
a* etwa –0,5 bis
+1,0
b* etwa –3,0
bis –1,0.
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Wenn
das Glas im Automobilbereich für
Fenster und/oder Windschutzscheiben verwendet wird, die bestimmten
Minimum-Transmissionseigenschaften für sichtbares Licht entsprechen
müssen
(wie zum Beispiel die zuvor erwähnte
gemessene „Lta"), werden die Glasartikel
dieser Erfindung ein Lta von wenigstens gleich und vorzugsweise
größer als
70% haben und, in bestimmten Ausführungsformen, größer als
72%, und in noch weiteren Beispielen größer als 73% haben.
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Die
Gläser
dieser Erfindung erreichen die oben genannten einzigartigen Charakteristiken
insbesondere zum Beispiel in Silikatgläsern, und noch bevorzugter
in Gläsern
des Natronkalksilikattyps, wie er oben definiert wurde, als auch
in Borsilikatgläsern,
durch die Verwendung eines einzigartigen Färbemittelteils, welches eine
relativ hohe Menge an Eisen in Kombination mit Erbiumoxid (Er
2O
3) enthält und nur,
optional, eine kleine Menge an TiO
2, mit
dem Ausschluss irgendwelcher Mengen von Ce, Se, Co und Ni mit Ausnahme
von höchstens
Spurenmengen derselben. Daher bestehen die Färbemittelteile, die durch diese
Erfindung betrachtet werden, im Wesentlichen aus, nach Gewichtsprozent
(von der Gesamtglaszusammensetzung):
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
besteht der Färbemittelteil
der Gläser,
die hierin betrachtet werden, im Wesentlichen aus, nach Gewichtsprozent
(von der Gesamtglaszusammensetzung):
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Besonders
bevorzugt enthält
ein derartiger Färbemittelteil
auch 0,1 bis 0,5% TiO2. Darüber hinaus,
obwohl vielleicht nicht als ein „Färbemittel" klassifizierbar, werden die Gläser in bestimmten
bevorzugten Ausführungsformen
trotzdem auch 0,25 bis 2,0 Gewichts% B2O3 enthalten, und vorzugsweise 0,25-1,0 Gewichts% B2O3, wodurch der
schon bekannte synergetische Verstärkungseffekt erreicht wird,
der oben diskutiert wurde, aber ohne die Farbe nachteilig zu beeinflussen.
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Bestimmte
bevorzugte Glaszusammensetzungen dieser Erfindung werden Allgemein
als Natronkalksilikatgläser
klassifiziert, und umfassen in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
nach Gewichtsprozent 10 bis 15% Na2O und
6 bis 12 % CaO. Noch weitere Ausführungsformen umfassen hohe
Mengen an B2O3 bis zu
12% nach Gewicht, und derartige Gläser werden dann korrekt als
zu der Familie von Borsilikatgläsern
gehörend
bezeichnet.
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Noch
weiter bevorzugte Glaszusammensetzungen dieser Erfindung bestehen
im Allgemeinen im Wesentlichen aus, nach Gewichts%:
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Die
Gläser
dieser Erfindung können
aus Standard-Batch-Mischungen hergestellt werden, unter Verwendung
von wohlbekannten Glasschmelz- und Läuterungstechniken, nachdem
die oben gegebene endgültige
Glasanalyse bekannt ist. Wenn eine einzelne, konventionelle Batch-Technik
zum Bespiel zum Schmelzen verwendet werden soll, würde ein
typisches Batch-Beispiel wie folgt aussehen, basierend auf einer
Gesamtsumme von 100 Teilen nach Gewichtsprozent:
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Wie
oben kurz diskutiert wurde, während
konventionelle Einzelbatch-Schmelztechniken
hier verwendet werden können,
ist es eine einzigartige Feststellung, und damit ein zusätzlicher
Teil dieser Erfindung, indem, aufbauend auf der Lehre des US Patents
Nr. 5,69,630, wenn bestimmte, mehrere Vorbatch-Mischungen von ausgewählten Bestandteilen
durchgeführt
werden, um separate „Vorbatch-Mischungen" herzustellen, danach
gefolgt von einem Durchmischen dieser Vorbatch-Mischungen, um die
endgültige „Gesamtbatch-Mischung" herzustellen, bestimmte
Qualität
verbessernde Charakteristiken in dem endgültigen Glas erreicht werden,
und zwar im Prinzip in der Fähigkeit
in wiederholbaren Batches genauer das optimale Endresultat (Charakteristiken)
zu erreichen, das erreicht werden soll, als auch verbesserte Solar-Management-Eigenschaften. Kurz
gesagt, durch diese Vorbatch-Mischtechnik, die wenigstens zwei Vorbatches
von ausgewählten
Bestandteilen verwendet, wird die Reproduzierbarkeit von Optimierten
(d.h. maximierten oder genaueren) Farb-, UV, IR und Lta Charakteristiken
erreicht.
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In
dieser Hinsicht sollte eine der Vorbatch-Mischungen aus dem eisenenthaltenden
Bestandteil (zum Beispiel Rotfärbemittel
(Rouge)) zusammen mit SiO (Siliziummonoxid) aufgebaut sein und optional
metallischem Si (d.h. den Reduktionswirkstoffen), und vorzugsweise
aus einem Anteil von dem Sand. In bevorzugten Ausführungsformen
wird die Gesamtmenge des Eisens (zum Beispiel Rotfärbemittel)
metallischem Si, und SiO in dieser ersten Vorbatch-Mischung mit
einer kleinen Menge an Sand verwendet und sie werden sorgfältig miteinander
separat von den verbleibenden Batch-Bestandteilen gemischt. Es ist
zum Beispiel bevorzugt, das auf der Basis einer Gesamtmenge von
70 bis 73 Teilen von Sand nach Gewicht von Hundert des Gesamt-Batches, nur
5 bis 13 Teile von Sand in dieser ersten Vorbatch-Mischung verwendet
werden.
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Die
verbleibenden Batch-Bestandteile können dann durch Vermischen
derselben in einer weiteren separaten Vorbatch-Mischung zusammengesetzt
werden oder in zwei oder mehr Vorbatch-Mischungen, bevor sie mit
der Eisen und Reduktionswirkstoff enthaltenden ersten Vorbatch-Mischung
vermischt werden. In bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung
werden die verbleibenden Bestandteile in zwei zusätzlichen Vorbatch-Mischungen
gebildet. Die erste zusätzliche
Vorbatch-Mischung (d.h. die zweite Vorbatch-Mischung) wird aus einem
Teil des Natroncarbonats gebildet, und des gesamten Titanoxids (falls
dieses verwendet wird) und des Erbiumoxids. Die zweite zusätzliche
Vorbatch-Mischung (d.h. die dritte Vorbatch-Mischung) wird dann aus
den verbleibenden Bestandteilen gemacht, welche somit normalerweise
den Rest des Sands beinhalten (zum Beispiel 60 bis 65 Teile und
vorzugsweise 61,5 Teile pro Hundert) und Natroncarbonat, und die
Gesamtmenge an Dolomit, Kalkstein, Borsäure und Salt Cake, die in dem
Schlussbatch verwendet werden sollen.
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Nachdem
jede separate Vorbatch-Mischung separat gut durchmischt ist, um
eine im Wesentlichen homogene pulverförmige Mischung zu bilden, werden
anschließend
zwei oder mehr Vorbatch-Mischungen gut miteinander vermischt, um
die Gesamt (oder Schluss)-Batch-Mischungen zu bilden. Dann werden
konventionelle Schmelz- und Läuterungstechniken
verwendet, um ein geschmolzenes Glas zu bilden, aus dem flache Glasscheiben
oder andere Artikel geformt werden können.
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Es
wurde festgestellt, dass durch die Verwendung von wenigstens zwei
Vorbatch-Mischungen,
wobei das Eisen von dem Siliziummonoxid (SiO) und dem metallischen
Si (falls verwendet) isoliert ist, Gläser erzeugt werden können, die
von einer wesentlich besser vorhersehbaren und häufig optimierten Natur sind,
was ihre Farb- und anderen Solar-Management-Eigenschaften angeht.
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Während es
nicht wesentlich für
die Ausübung
dieser Erfindung ist, ist es theoretisch möglich, das dieses Verfahren
der mehrfach Vorbatch-Technik des Isolierens und gründlichen
Mischens des Eisens, Siliziummonoxids und des Siliziummetalls in
einer separaten Vorbatch-Mischung zu der Bildung von Aggregaten
oder „Clustern" in dem Batch führt, die
einen „quasi
Bestandteil" des
Batch bilden. Dieser Quasibestandteil umfasst dann alle „Teilnehmer" (d.h. Fe2O3, SiO und Si,
die „gelöst" in einer kleinen
Menge von Sand vorliegen) der oben beschriebenen Reaktionen des
Reduzierens von Eisen (III) Ionen zu Eisen (II) Ionen durch die
zwei unteren Valenzformen des Siliziums. In dem ein Quasibestandteil
aus diesen Reaktanten gebildet wird, wird die Wahrscheinlichkeit
des Zusammentreffens derselben erhöht, wodurch die Vollständigkeit
der chemischen Reaktionen in der Schmelze erhöht wird und in Gläsern resultiert,
die eine besser vorhersagbare (reproduzierbare) Natur haben, was
ihre Farb- und Solar-Management-Eigenschaften
angeht. Die obigen Reaktionen sind ebenfalls in diesem Quasibestandteil
(Vorbatch) Ansatz für
die Menge der verwendeten Bestandteile optimiert, wodurch eine effektivere
Verwendung des SiO ermöglicht
wird, welches relativ teuer ist.
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Die
Folgenden stellen Beispiele dieser Erfindung dar:
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Beispiele
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Glasproben,
die die Zusammensetzung und Eigenschaften in der unten gezeigten
Tabelle aufweisen, wurden unter Verwendung der Mischtechnik mit
drei Vorbatch-Mischungen, wie sie oben beschrieben wurde, aus den
Bestandteilen gebildet, die in der ersten Spalte dieser Tabelle
aufgelistet sind. Der Bestandteil, der als „Fe2O3" aufgeführt ist,
ist Gesamteisen und wurde als konventionelles Rotfärbemittel
(Rouge) dem ersten Vorbatch zugefügt, welches ebenfalls metallisches
Silizium enthält
(wenn verwendet), Siliziummonoxid, und einen Anteil (5 bis 13 Teile
von Hundert) des Gesamtssands. Der zweite Vorbatch enthielt dann
das Erbiumoxid, Titanoxid (wenn verwendet) und etwa 1/3 des verwendeten
Gesamtnatronkarbonats. Der dritte Vorbatch enthielt den Rest der
Bestandteile wie aufgelistet. Die drei Vorbatch-Mischungen wurden
dann miteinander vermischt, um die Gesamtbatch-Mischungen zu bilden.
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Die
Gesamtbatch-Mischung wurde dann in einem elektrischen Ofen in einem
konventionellen Schmelztiegel bei einer Temperatur im Bereich zwischen
1430°C und
1520°C geschmolzen.
Das geschmolzene Glas wurde dann zum Vermessen der Proben (zum Beispiel
Scheiben von 2 Zoll Durchmesser) in Formen gegossen, bei 620°C für eine ½ Stunde
geglüht
und auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das abgekühlte
Glas wurde poliert, um etwa 4 mm oder 3,2 mm dicke Muster zu präparieren,
welche dann unter Verwendung von konventionellen Praktiken vermessen
wurden, wie es oben beschrieben wurde.
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Nachdem
der Fachmann im Besitz der obigen Offenbarung ist, werden ihm viele
Merkmale, Modifikationen und Verbesserungen klar werden. Derartige
Merkmale, Modifikationen und Verbesserungen werden daher als ein
Teil dieser Erfindung angesehen, wobei der Rahmen der Erfindung
durch die folgenden Ansprüche bestimmt
wird.