DE2817390A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektrischen perforieren von bahnen - Google Patents

Description

DR.-ING. WALTER ABITZ

DR. DIETER F. MORF ■ G

DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER

Patentanwälte

München,

20. APRIL 1978

Postanschrift / Postal Address Postfach 8ΘΟ1Ο9, 8000 München 8β

Plenzenauerstraße

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PHILIP MORRIS INCORPORATED 100 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Perforieren von Bahnen

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Zusammenfassung der Erfindung

Eine Bahn wird elektrisch mit hoher Lochdichte perforiert, indem eine Wechselspannung an ein der Bahn gegenüberliegendes Elektrodenpaar angelegt wird, während Druckgas dem Elektrodenspalt zugeführt wird- Der Spannungsamplitudenpegel und •der Gasströmungspegel werden so gewählt, dass sie einen Überschlag von Mehrfach-Lichtbögen je Halbwelle ermöglichen, um dabei eine Verringerung des Abstands zwischen benachbarten Perforationen in der Bahn zu gestatten- Ferner wird eine Perforationspraxis angegeben, die die Vorauswahl eines Zigaretten-Filter ende-Papiers abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Papiers einschliesst, sowie eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung der beschriebenen Praktiken, in welcher Elektrodenhalteelemente einstückig damit ausgebildete Gasströmungsleitungen aufweisen und in welcher die Bahnen von einer Kabestan-Antriebseinheit federnd in Anlage an eine Bahnaufwickelrolle gedrückt werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die elektrische Perforation von Bahnmaterial und insbesondere eine Vorrichtung zum Perforieren von Zigaretten-Filterende-Papier.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Herstellung von Tabakerzeugnissen haben die Bemühungen zur Verdünnung, d. h. zur gesteuerten Zufuhr von Luft im Verlauf des Rauchens zur Untersuchung der Perforation der Tabakumhüllung und der Perforation des Filter- oder Zig_are tten-Filterende-Papiers geführt. Da das Filterende-Papier eine wesentlich kleinere Fläche als die Tabakumhüllung aufweist und Teile dieser Fläche nicht nutzbar perforierbar sind, da sie vom Raucher erfasst werden oder mit Klebstoff beschichtet sind, muss die perforierte Fläche je Längeneinheit brauchbarer Fläche erhöht werden, um die gewünschten Verdün-

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nungspegel zu erreichen. Dabei sind Ausgleichserwägungen am Platz, da bei der Erhöhung der Lochfläche je Perforation sich die unterdrückte Lochsichtbarkeit verringert und der Rauchaustritt durch das Filterende-Papier während der Rauchpausen ansteigt. Ein geeigneter Kompromiss besteht darin, die Dichte von Löchern einer ausreichend kleinen Einzelgrösse zu erhöhen, um das Filterende-Papier anscheinend unperforiert und im wesentlichen für Rauch nicht durchlässig zu machen.

Für die verhältnismässig hohen interessierenden Verdünnungspegel und unter Berücksichtigung der für die Perforierung verwendbaren Filterende-Papierflache kommen die Anmelder zu dem Schluss, dass Löcher in einer Grosse von 10 Mikron bis 100 Mikron Durchmesser und in einem gegenseitigen Abstand von weniger 1 mm erforderlich sind. Bei der Prüfung von Filterende-Papieren, die von Handelshäusern mit ausreichender Porosität (d. h. perforierter Fläche) geliefert wurden, fand die Anmelderin, dass die Produkte entweder bezüglich der Lochdichte ungenügend waren oder nicht in einem Fertigungsvolumen zur Verfügung standen. Zwar hat die Anmelderin keine Kenntnis bezüglich der Einzelheiten der Verfahren, mittels welchen diese untersuchten Zigaretten-Filterende-Papiere hergestellt wurden, jedoch war es aus den Locheigenschaften und der Lochdichte offensichtlich, dass die Papiere elektrisch perforiert waren. Gegenüber einem Probepapier, bei dem eine ausreichende Lochdichte ermittelt wurde, hatten anschliessend erhaltene Fertigungsproben des Papiers eine erheblich geringere Lochdichte, was zu dem Schluss führte, dass das Probepapier labormässig hergestellt wurde und bei Massenfertigung nicht reproduzierbar war.

Was die elektrische Perforation von Bahnen betrifft, so ist eine grosse Anzahl früherer Bemühungen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektrischen Perforierung von Bahnen mit hoher Lochdichte zu schaffen.

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Ferner liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein perforiertes Zigaretten-Filterende-Papier zur Verwendung in verdünnten Zigeratten zu schaffen.

Zur Lösung der vorausgehend genannten und weiterer Aufgaben hat die Anmelderin ein elektrisches Perforationsystem entwickelt, bei welchem eine Bahn gegenüber Elektroden bewegt wird, die zwischen sich eine Funkenstrecke bilden, wobei Druckgas und Spannung den Elektroden zugeführt wird, um je Paar einander gegenüberliegender Elektroden Bahnperforationen zu erzielen, die zahlenmässig über der üblichen einzigen Perforation je Halbwelle oder einer entsprechenden Amplitudenschwingung der Spannungsquelle liegen. Durch diese Praxis stellt die Anmelderin ein Zigaretten-Filterende-Papier zur Verfügung, das Löcher einer Grosse aufweist, die von 10 bis zu 100 Mikron im Durchmesser liegen und deren Dichte 155/cm (1000 je Quadratzoll) überschreitet. Hinsichtlich der Porosität liegt ein derartiges Papier in einem Bereich von 10 bis 2500 Goresta-Durchlässigkeitseinheiten und ermöglicht seine Verwendung in Zigaretten mit Verdünnungspegeln von 5 bis 70 %.

Die genannte der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe sowie weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich klarer aus folgenden Einzelbeschreibung der Praktiken und der Vorrichtung und aus den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht der Bahnperforiervorrichtung,

Fig. 2 eine Vorderansicht, zum Teil im Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 ein sehematisehes elektrisches Schaltbild der Stromkreiselemente für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, und

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. 4θ·

Fig. 4- eine mechanische schematische Darstellung der Bahnrückspul vorrichtung.

Gemäss den Fig. 1 und 2 kann die Bahn 10 eine kontinuierliche Folie eines Zigaretten-Filterende-Papiers sein und wird in den Zeichnungen aus einer nicht dargestellten Bahnvorratsrolle nach rechts bewegt. Unter Bezug auf den ganz rechts liegenden Abschnitt der Fig. 1 sind auf der Bahn 10 zwei punktiert dargestellte Bereiche A und B angegeben. Diese Bereiche haben näherungsweise eine Breite W von 5 mm und einen Abstand S von näherungsweise 24- mm und werden als die Abschnitte der Bahn 10 bezeichnet, die mit hoher Lochdichte perforiert sind.

Entsprechend der üblichen Verfahrensweise bei der Zigarettenherstellung werden einander gegenüberliegende Tabakstangenabschnitte und ein dazwischenliegendes Doppelfilter-Verbin— dungsteil endseitig in Anlage gegeneinander gebracht und mit Zigaretten-Filterende-Papier versehen, um die beiden Tabakstangenabschnitte und das dazwischenliegende Doppelfilterverbindungsteil miteinander zu verbinden. Anschliessend erfolgt ein symmetrischer Schnitt, beispielsweise zwischen den punktierten Bereichen A und B in Fig. 1, um die zusammengebaute Einheit in zwei unabhängige Zigaretten aufzutrennen. Ein derartiges Zigarettenherstellungsverfahren bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung, dient jedoch dazu, zu zeigen, dass bei der schliesslich gefertigten Zigarette,die erfindungsgemäss angebrachten Perforationsflächen im Filterende-Papier eine Lage einnehmen, die in einem wesentlichen Abstand von dem vom Raucher erfassten Ende des Filters liegt.

Beim elektrischen Perforieren der punktierten Flächen A und B der länglichen Bahn 10 werden vier Elektrodengruppen verwendet, die mit EL (hinten links), ER (hinten rechts), FL (vorne links) und FR (vorne rechts) bezeichnet sind. Die rechten und linken Paare der Elektrodengruppen sind in ihren Bauelementen identisch, aber gegenseitig seitlich versetzt,

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so dass jede Gruppe eine Hälite einer jeden der punktierten Flächen A und B perforiert. Dadurch wird die nicht abgestützte Weglänge bei der Bewegung der länglichen Bahn 10 durch das Perforierungssystera verkürzt. Jede Elektrodengruppe enthält fünf Elektroden," die durch die Bezugsziffern -1 bis -5 bezeichnet sind, die zusammen mit der Elektrodengruppenbezeichnung verwendet wird. Die Elektroden in jeder Gruppe sind gleichförmig längs der Bahn 10 im Abstand angeordnet und ferner an einzigartigen Stellen seitlich der Bahn. Unter Bezugnahme auf die Elektrodengruppe EE liegen die Elektroden EE-1 und ER-2 in einem seitlichen Abstand D1 von der Bahn 10, der näherungsweise 1/10 der beabsichtigten Breite der punktierten Fläche A bildet. Ein gleicher seitlicher Abstand ist zwischen dem Eest der Elektroden der Gruppe EE vorhanden und das gleiche gilt für die Elektroden der Gruppe EE bezüglich der Fläche A und für die Elektroden der Gruppen FL und EL bezüglich der Fläche B. Seitlich nebeneinander liegende Elektroden in den Gruppen EE und EL, d. h. EE-1 und EL-5, sind in einem seitlichen Abstand von D2 angeordnet, der ebenfalls näherungsweise 1/10 der Breite der punktierten Fläche A entspricht, und das gleiche gilt für die Elektroden FL-1 und FB-5 bezüglich der Fläche B. Daher liegt jede Elektrode der Reihen der zwanzig Elektroden, die der Bahn 10 im Laufe ihrer Förderung durch die Vorrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 gegenüber liegen, einer einzigartigen seitlichen Subzone der Flächen A und B gegenüber. Bei gewissen Arbeitsbedingungen ist vorgesehen, dass die beiden rechten und linken Gruppen nicht benötigt werden, so dass eine einzelne Elektrodengruppe zur Perforierung einer vollen Bandbreite verwendet werden würde.

Die Elektroden BL-1 bis RL-5 und FL-1 bis FL-5 werden in einer elektrisch isolierenden Platte 12.gehalten, und werden durch Halterungen 14 lösbar mit der Oberseite der Platte verbunden. Die Elektroden erstrecken sich sowohl von den Halterungen 14 nach oben, um von nicht dargestellten elektrichen Leitern erfasst zu werden, als auch von der Platte

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nach unten, um in nadeiförmigen Enden neben der Oberfläche der Bahn 10 zu enden. Eine weitere^elektrisch isolierende Platte 16 ist neben der Unterseite der Bahn 10 angeordnet und trägt Elektroden in einer spaltbildenden Fluchtung mit den von der Platte 12 gehaltenen Elektroden. In dem im Schnitt gezeigten linken Teil der Fig. 2 sind diese unteren Elektroden RL-10 bis RL-50 jeweils in Fluchtung mit den Elektroden RL-1 bis RL-5. Die Elektroden Eß-1 bis RR-5 und FR-1 bis FR-5 werden in einem Plattenelement 18 neben der Oberfläche der Bahn 10 gehalten und ein weiteres Plattenelement 20 trägt eine Elektrode in spaltbildender Fluchtung mit jeder dieser Elektroden. Gemäss Fig. 2 weist die Platte 20 vordere Elektroden FR-10 bis FR-50 auf, die jeweils fluchtend zu den Elektroden FR-1 bis FR-5 liegen.

Jedes der Plattenelemente 12, 16, 18 und 20 enthält ein identisch ausgebildetes Luftleitungs-Netzwerk zur Abgabe von Druckluft oder eines anderen Druckgases auf die Bahn 10 und auf die neben der Bahn 10 liegenden Elektrodenenden. Es wird diesbezüglich auf das Plattenelement 12 Bezug genommen. Eine Einlassleitung 22 erstreckt sich von dem Anschluss 24- weg, um die Längsleitung 26 und die Querleitung 27 zu versorgen, die ihrerseits die Längsleitung 28 versorgen. Die Leitung 28 steht mit einer Querleitung 29 in Verbindung, die ihrerseits eine Längsleitung 30 versorgt. Zweigleitungen, die auf die Elektroden münden, sind jeder der Längsleitungen 26 und 30 zugeordnet. Beispielsweise erstreckt, sich die Zweigleitung 32a von der Längsleitung 30 nach unten zu einer Austrittsöffnung 34 , um die dem Anschluss 24- zugeführte Druckluft auf die Oberfläche der Elektrode RL-Id abzugeben. Eine Zweigleitung 32b erstreckt sich zu einer nicht dargestellten Austrittsöffnung gegenüberliegend der Austrittsöffnung 34-, wo dass weitere Druckluft auf die Elektrode RL-1 auftrifft. Anschlüsse 36, 38 und 40 sind jeweils für die Plattenelemente 16, 18 und 20 vorgesehen. Unter Vervollständigung der Beschreibung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Bauteile ist eine Walze 4-2 drehbar an einer Welle 44- befe-

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stigt und liegt an .der Bahn 10 an, um die Bahn im Laufe ihrer Bewegungen jeweils zwischen den Plattenelementen und 16 und den Plattenelememten 18 und 20 abzustützen. Eine Austrittswalze 46 (Fig. 2) stützt die Bahn 10 bei ihrem Austritt aus dem Raum zwischen den Plattenelementen und 20 ab. Ein nicht dargestelltes Gehäuse ist schwenkbar gehalten, um im wesentlichen die Vorrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 zu umschliessen und ist mit einer Vakuumguelle verbunden, um Ozon und andere Gase abzuführen und wegzuleiten, die während des Betriebs der Vorrichtung erzeugt werden. Das Gehäuse hat seitliche Öffnungen für den Ein- und Austritt der Bahn.

Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Das erfindungsgemässe Elektroden-Energieversorgungssystem ist vorzugsweise ein Wechselstromsystem und v/eist einen Motor 48 auf, der einen Generator 50 über eine mechanische Verbindung 52 antreibt. Das Generatorausgangssignal wird über Leitungen 54, 56 und 58 parallel Spartransformatoren 60, 62, 64 und 66 zugeführt, die aus üblichen Regeltransformatoren gebildet sein können und eine wählbare veränderliche Spannungs-, amplitude jeweils an die Primärwindungen der Transformatoren 68, 70» 72 und 74 liefern. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren sind über die Widerstände 76, 78, 80 und 82 mit den Elektroden gemäss den Fig. 1 und 2 verbunden. Jeder Transformator versorgt eine bestimmte Elektrodengruppe. Entsprechend ist der Widerstand 76 mit der Elektrode RL-1 verbunden, der Widerstand 78 mit der Elektrode RR-1, der Widerstand 80 mit der Elektrode FL-1 und der Widerstand mit der Elektrode FR-1. Die Elektroden in jeder Gruppe sind entsprechend verbunden, wie dies für die Elektrodengruppe RL in Fig. 3 dargestellt ist. Für diese Gruppe sind die Elektroden RL-10 und RL-20 durch einen Leiter 84 verbunden, die Elektroden RL-30 und RL-40 durch einen Leiter 86, die Elektroden RL-2 und RL-3 durch einen Leiter 88 und die Elektroden RL-4 und RL-5 durch einen Leiter 90. Die Elektrode RL-50 ist geerdet. In der dargestellten Schaltkreisanordnung

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sind die Funkenstrecken zwischen fluchtenden Elektroden einer Jeden Gruppe in Eeihe an jeder Transformator-Sekundärwicklung angeschlossen. Die Wicklungen aller Spartransformatoren und Transformatoren sind wie dargestellt geerdet -

Zum Abschluss der Beschreibung der bei der Durchführung der Erfindung verwendeten Vorrichtung wird auf Fig. 4- Bezug genommen. Die Bahn 10 wird von der Walze 4-6 (die vorausgehend in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde) nach unten um die Walze 92 gefördert und von hier aus nach oben. Bei der Aufwärtsbewegung der Bahn von der Walze 92 weg wird sie geringfügig durch die Walze 94- belastet. Diese Walze ist drehbar in einem Hebel 96 gelagert, der selbst um einen Zapfen 98 schwenkbar gehalten ist. Der balancierte Arm 100 ist starr mit dem Hebel 96 zur Drehung mit demselben verbunden. Bei Bruch der Bahn 10 oder einer vorgegebenen Verringerung der Längsspannung der Bahn dreht sich der Hebel 96 unter Schwerkrafteinwirkung im Gegenzeigersinn und bewegt den Arm 100 in Anlage an das Betätigungselement 102 des Schalters 104-, so dass der Schalter geöffnet und die Bahnförderung sowie die Spannungsversorgung zu den Elektrodengruppen unterbricht. Jenseits der Walze 94- ist die Bahn 10 über die Walze 106 geführt und gelangt zur Aufwickel- oder Rückspulwalze 108.

Die Antriebsanordnung für die Bahnaufwicklung enthält eine angetriebene_smit einer Welle 112 verkeilte Walze 110, die drehbar am rechten Ende des Aufwicklungs-Steuerarins 114-angeordnet ist. Die Welle 112 ist vorzugsweise an ihrem Umfang mit einer Zahnriemenscheibe verkeilt, die im Eingriff mit einem Zahnriemen 116 steht, so dass die Walze 110 bei der Bewegung der Kette 116 in der durch die Pfeile in Fig. 4-gezeigten Richtung im Gegenzeigersinn angetrieben wird. Der Steuerarm 114- trägt an seinem linken Ende eine Zahnriemenscheibe 118 zwecks relativer Drehung zu ihm, wobei die Zahnriemenscheibe 118 mit der Übertragungswelle 120 verkeilt ist.

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■Ab.

Die Welle 120 weist eine umfangsseitig an ihr verkeilte Zahnriemenscheibe auf, die in Anlage mit einem zweiten Zahnriemen 122 steht. Der Zahnriemen 122 wird in der durch die Pfeile angegebenen Richtung durch einen von einem Tachometer angetriebenen Motor 124 angetrieben, wobei die Ausgangswelle mit einer umfangsseitigen Zahnriemenscheibe verkeilt ist, die in Anlage mit dem Zahnriemen 122 steht. Die Feldwicklung des Motors 124 ist mit der Erregerquelle V durch einen Regelwiderstand 128 verbunden, wodurch die Eördergeschwindigkeit der Bahn 10 vorwählbar ist. Wurde die Wahl getroffen, so wird die Bahngeschwindigkeit durch die Tachometersteuerung im Motor 124 konstant gehalten.

Das Gehäuse I30 trägt den Steuerarm 114 zur Drehung um das linksseitige Steuerarmende. Die Winkelstellung des Arms 114 wird durch die Einstellung des Hebels 132 gesteuert, der einstückig mit dem Arm 114 ausgebildet ist und der drehbar mit dem ausgangsseitigen Betägigungselement 134 des Luftzylinders 136 verbunden ist. Der Zylinder wird über den Einlass 138 mit Druckluft versorgt, so dass der Arm 114 gedreht wird, um die Walze 110 in Antriebsverbindung mit der Bahn 10 zu bringen, nachdem diese um die Walze 108 gelegt wurde. Beim Betrieb erwartet der Motor 124 mittels einer geeigneten Zeitverzögerungsschaltung seine Einschaltung, bis im Zylinder 136 ein ausreichender Luftdruck aufgebaut wurde, um zu gewährleisten, dass sich die Walze 110 in Antriebsverbindung mit der Bahn 10 befindet. Im Laufe der Aufwicklung der Bahn dient der Zylinder 136 dazu, dem Steuerarm 114 eine Spannung zu erteilen, um die Antriebsverbindung der Walze 110 mit der Walze 108 aufrechtzuerhalten.

Zwecks Einführung eines Aspekts der vorliegenden Betriebsweise sei eine Wechselstromquelle betrachtet, die betrieben wird, um 1000 Hz zu liefern. Die Periode je Vollwelle beträgt 0,001 Sekunden oder 1 Millisekunde. Die Halbperiode, d. h. die Dauer eines jeden HsIbzyklusses ist 0,5 ms. Es sei angenommen, dass beim Anlegen einer derarigen Spannung an die einander gegenüberliegenden,einen Spalt bildenden Elek-

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■ Ab-

troden eine Bahn den Spalt mit einer linearen Geschwindigkeit von 27²I- m/min (900 Fuss je Minute) durchläuft. Die lineare Erstreckung der Bahn, die in einer Ealbzyklus-Periode durch die Elektroden hindurchtritt, kann als 2,29 mm errechnet werden. Bei einer derartigen !Frequenz der Spannungsquelle und Bahngeschwindxgkeit erzielt man einen Mindestlochabstand von 2,29 mm Qe Elektrode. Bei bekannten Verfahren werden die Frequenz der Spannungsquelle und die Bahngeschwindxgkeit vorgewählt, um den gewünschten gleichmässigen Lochabstand zu erhalten und die Amplitude der Spannungsquelle wird eingestellt, um die gewünschte Lochgrösse zu erzielen. Dabei kann die Möglichkeit vorgesehen sein, einen der genannten Parameter oder mehrere derselben zu ändern, um für eine Änderung in einem anderen dieser Parameter einen Ausgleich zu schaffen, damit die Gleichmässigkeit des Lochabstands oder die Konstanz der Porosität aufrechterhalten wird.

Bei der nachstehend erörterten Betriebsweise wird ein Abstand benachbarter Löcher von 0,79 mm bei dem vorausgehend genannten Parametern der Bahngeschwindxgkeit (274 m/min) und Frequenz der Spannungsquelle (1000 Hz) erhalten, was eine Verbesserung der Lochdichte von etwa 2,9 gegenüber der durch bekannte Verfahren erzielbaren Lochdichte bedeutet. Eine derartige Verbesserung um einen Faktor von nahezu drei ermöglicht Porositätswerte in einem Zigaretten-Filterende-Papier, das für die gegenwärtig interessierenden Zigaretten mit hohem Verdünnungspegel ausreicht.

Bei der Annäherung an das vorliegende Problem wurden Bedingungen gesucht, bei denen Lichtbogen mit höherer Zeitdichte erhalten werden konnten, als dies beim Einzelbogen je Halbzyklus oder einer anderen Spannungssclwingung gemäss bekannten Verfahren möglich war. Gemäss einem Aspekt der zugrunde liegenden Studie wurde das Verfahren des Ausblasens des Funkens in Betracht gezogen, d. h. die Zuführung von Druckgas durch die Funkenstrecke,um das Löschen des Lichtbogens durch die Entfernung ionisierter Medien in der Funkenstrecke zu fördern. Zusätzlich zu diesem Verfahren xirurde eine erhöhte Spannungs-

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zufuhr an die Elektroden vorgesehen, d. h. das Anlegen einer Spannung an die Elektroden mit einem Aplitudenpegel, der erheblich über dem Amplitudenpegel lag, der zum Zünden eines Lichtbogens in einer gegebenen Funkenstreckenlänge durch eine Bahn gegebener Dielektrizitätskonstante erforderlich ist. Wie die nachstehend aufgeführten Ergebnisse zeigen, liefert die richtige Koordinierung dieser beiden Parameter, nämlich Gasströmungspegel und Spannungsamplitudenpegel für eine gegebene FunkenStreckenlänge und dielektrische Durchschlagsfestigkeit ,das Phänomen eines Mehrfach-Durchschlags je Halbzyklus oder äquivalente Spannungsschwingung. Umgekehrt führen Verringerungen im Pegel irgendeines dieser Parameter gegenüber den koordinierten Werten, die einen Mehrfach-Funkenüberschlag erzeugen, zu einer asymptotischen Annäherung an den üblichen Zustand mit Einzellichtbogen. .

Bei einer Gasströmung von 11,3 dm /min (0,40 cubic feet per minute) je Elektrode wird die Wechselspannung (VAG) an den Elektroden gemäss der unten stehenden Tabelle mit den angegebenen Ergebnissen verändert. Die Frequenz der Spannungsquelle wird mit 1000 Hz festgelegt und die Papiergeschwindigkeit mit 1,22 m/min (400 fpm). Die Elektroden haben ein konisches Bogenende mit einem Innenwinkel von 60° und der zwischen ihnen vorhandene Spalt beträgt 0,76 mm (0,030 inch). Die Bahn besteht aus im Handel erhältlichen Ecusta-Kork 52 mm Zigaretten-Filterende-Papier mit 36 g/m Grundgewicht.

Wechselspannung Löcher R1 R2 E3

5000	38	1,0	1,0	1,0
6000	45	1,06	1,18	1,11
7000	49	1,12	1,29	1,15
7500	51	1,15	1,34-	1,17
8500	58	1,19	1,53	1,29

Für die angegebene Frequenz der Spannungsquelle und die angegebene Bahngeschwindigkeit kann der Betrieb mit einem Einzelbogen derart berechnet werden, dass je mm ein Loch erhalten wird,

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oder 39 Löcher je 40 mm Länge. Vie in der Tabelle angegeben ist, bezieht sich der Betrieb mit Einzellichtbogen auf 5000 Volt, was einem Aplitudenpegel entspricht, der etwa das Zweifache des Spalt-Durchschlagspegels (näherungsweise 2500 Volt) entspricht. R1 bestimmt das Verhältnis (Ein-Zeit) der Zeit je Halbzyklus, während welcher der Amplitudenpegel der angelegten Wechselspannung den Spalt-Durchschlagspegel überschreitet, gegenüber der entsprechenden Zeit für 5000 Volt Wechselspannung. R2 bestimmt das Verhältnis der ermittelten Löcher zur Zahl der Löcher, die beim Überschlag eines Einzelbogens erhalten werden. R3 ist das Verhältnis von R2 zu R1. Bei 6000 Volt steigt die Zahl der ermittelten Löcher in einer Bahnlänge von 40 mm auf 45 an, was eine Verbesserung von 1,18 darstellt. Wie mman sieht, ergeben erhöhte Wechselspannungspegel einen Anstieg zu erhöhten Lochdichten, wobei ein Anstieg,der das 1 i/2fache überschreitet, bei einem Wechselspannungspegel von 8500 Volt erhalten wird. Die Werte für R2 und R3 verdeutlichen ferner das Phänomen, wonach die Änderung in der Anzahl Löcher um einen erheblichen Wert ansteigt, der grosser ist als die Verbesserung, die lediglich infolge der erhöhten Ein-Zeit erwartet werden könnte. Somit steigt bei einer Wechselspannung von 8500 Volt die Ein-Zeit um 1,19 (R2) an, während die Lochdichte um einen Faktor von 1,53 (RI) verbessert wird, wobei die weitere Verbesserung jenseits der Ein-Zeit angegeben ist (R3 = 1,29)-

Man hat eine praktische Grenze für die maximale Lochdichte gefunden, die von der perforierten Papierart abhängt. So hat sich für ein bestimmtes Papier gezeigt, dass ein Punkt erreicht wird, wo eine grössere Lochdichte trotz weiteren Anstiegs der Steuerparameter aus Spannungsamplitude und Gasströmung nicht erhalten werden kann. Zwar steigt die Lichtbogenfrequenz an, jedoch nehmen die Lichtbogen ihren Weg durch vorausgehend perforierte Löcher und nicht durch das unperforierte Papier, das unmittelbar zwischen einem Elektrodenpaar liegt. In diesem Falle ist die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der Luft durch einen Weg, der ein vorheriges

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Loch einschliesst, kleiner als die dielektrische Durchschlagsfestigkeit eines geradlinigen Wegs einschliesslich des unperforierten zwisehen den Elektroden liegenden Papiers. Diese Zulstand, d. h- eine Lichtbogenbildung ohne Perforation, wird aufrechterhalten, bis der geradlinige Weg zum Weg des geringsten Widerstands wird.

Es wurde ein Verständnis gewisser Papierparameter erhalten, das die Bestimmung der optimalen Papierart für eine bestimmte Verwendung erleichtert. Die dielektrische Durchschlagsfestigkeit ist dem Grundgewicht einer jeweiligen Papierart proportional, da mehr Material (Stärke) den Unterschied zwischen dem geradlinigen Weg zusätzlich Papier und dem längeren Weg durch Luft und ein vorausgehend perforiertes Loch erhöht. Die bevorzugte Stärke für Zigaretten-Filterende-Papier ist im Bereich von 0,0127 mm bis 0,254- mm (0.0005 inch bis 0.01 inch).

Es hat sich gezeigt, dass auch die chemische Zusammensetzung des Papiers einen Einfluss auf die maximal erzielbare Lochdichte aufweist, und desgleichen zu einem Materialaufbau an den Elektroden während des Betriebs beiträgt. Dieser Aufbau kann abhängig von seiner Menge und Zusammensetzung die elektrischen Eigenschaften des Lichtbogens verändern und ferner die perforierte Bahn tatsächlich physikalisch einreissen oder durchbrechen. Als bevorzugte Papierbestandteile haben sich, abgesehen von den vorherrschenden strukturellen Fasern, beispielsweise Cellulosefasern, nichtsaure Bestandteile, wie beispielsweise CaCIK, MgCO₅, und TiO^ erwiesen. Zigaretten-Filterende-Papier, das chemisch nicht-sauer gemacht wurde, wird entsprechend bei der erfindungsgemässen Praxis bevorzugt. Saure Stoffe, wie beispielsweise Eisenoxid und Lehm (Kaolinit) verbinden sich leichter mit den Metallelektroden (d. h. Wolfram oder einem anderen geeigneten Metall) und führen zu härteren Aufbaustoffen, die durch das sich bewegende Papier nicht mühelos entfernt werden können und dazu tendieren, schliesslich die Bahn zu durch-

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brechen. Die basischen oder neutralen Papierbestandteile, wie beispielsweise CaCO^₃ MgCO, und TiO₃₅ haften im Gegensatz zu den sauren nicht so leicht an derartigen Metallelektroden. Daher werden an den Elektroden auftretende Ablagerungen leich- · ter durch die sich bewegende Bahn von den Elektroden entfernt und ein Bahnbruch wird deshalb so klein wie möglich gehalten.

Unter kurzer Zusammenfassung des vorausgehenden wird gemäss einem Aspekt der beschriebenen Praxis die Auswahl des Spannungspegels und der Gasströmung relativ zur Spannungsschwingungszeit und Bahngeschwindigkeit derart vorgenommen, dass der Lochabstand kleiner ist als die lineare Erstreckung der den Elektrodenspalt während dieser Spannungsschwingungszeit durchquerenden Bahn. Vorzugspreise wird eine in Längsrichtung und seitlich im Abstand liegende Gruppe von η Elektrodenpaaren verwendet, wobei für jede der Elektrodengruppen gemäss Fig. 1 η gleich fünf ist. Wie dies für die hinteren und vorderen Elektroden gezeigt ist, folgt eine hintere Gruppe seitlich auf die andere hintere Gruppe und eine vordere Gruppe seitlich auf die andere vordere Gruppe.

Gemäss einem weiteren Aspekt der hier beschriebenen Betriebsweise umfasst eine Betriebsweise zur Perforation von Zigaretten-Filterende-Papier eine Vorauswahl des Papiers, abhängig von der chemischen Zusammensetzung, da eine Auswahl einen Einfluss auf die Lochdichte gezeigt hat.

Gemäss anderen Aspekten der Offenbarung enthält eine Vorrichtung vorzugsweise in einem einheitlichen Aufbau eine Elektroden-Halteanordnung und Druckgasleitungen, die gegen abgestützte Elektroden gerichtet sind, wobei Plattenelemente Leitungen und zugehörige Austrittsöffnungen aufweisen, die baulich einstückig damit ausgeführt sind. Um eine erhöhte Verweilzeit einer Bahn in einer gewünschten Stellung während des Laufs der Forderung derselben zu halten, kann ein Elektrodenpaar oder eine Gruppe in Folge mit einem anderen Paar

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oder einer Gruppe in Sichtung der linienartigen Förderung der Bahn angeordnet sein, wobei eine Bahnhalterung anschliessend die Bahn erfasst und im Anschluss an das eine Paar und vor dem anderen Paar angeordnet ist. Die bei dem Perforierungsvorgang verwendete Vorrichtung weist eine Bahnaufwickeleinrichtung auf, die aus einer federnd vorgespannten Kabestan-Anordnung gebildet wird, in der ein schwenkbar beweglicher Steuerarm eine Antriebsverbindung für eine angetriebene Walze aufweist, die die aufgewickelte Bahn erfasst, wobei eine Luftdruck-Spannungsvorrichtung die Anlage der Aufwickelwalze und der angetriebenen Walze während der durch die Bahnaufwicklung verursachten Schwenkbewegung des Steuerarms aufrechterhält.

Zwar ist eine vollständige theoretische Erklärung der Erscheinungen, die durch die beschriebene Betriebsweise gemäss dem erstgenannten Aspekt derselben erreicht werden, gegenwärtig nicht bekannt, jedoch wurde gefunden, dass die Erzielung von Löchern in grösserer Anzahl als es durch bekannte Verfahren möglich war, auf einem Mehrfach-Lichtbogenüberschlag beruht, der durch Ausführungsbeispiele und oszilloskopische Beobachtungen nachgewiesen wurde. Dabei wurde gefunden, dass eine Annäherung an den Betrieb mit Einzelbogen zusammen mit einer Änderung der Steuerparameter der Gasströmung und Spannungsamplitudenpegel auftritt.

Wie erwähnt wurde, wird bei der Durchführung der Erfindung vorzugsweise eine Wechselspannung verwendet, so dass zwei Spannungsamplituden-Schwingungen je Zyklus durch den positiven und negativen Halb-Zyklus bestimmt werden, wobei der erstere bei O⁰ beginnt und bei 180° endet, während der letztere bei 180° beginnt und bei 360° endet. Jeder Halb-Zyklus kann gleichgerichtet werden, damit in einer Eichtung liegende Halb-Zyklen erhalten werden. Ferner schliesst die erfindungsgemässe Betriebsweise die Verwendung einer gepulsten Gleichspannung ein, die ebenfalls Spannungsamplituden-

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Schwingungen liefert, die zur Verwendung bei der Erzielung eines Mehrfach-Lichtbogenüberschlags geeignet sind.

Hinsichtlich der Austrittsöffnung 34- (Fig- 2) wurden die tabellarischen Ergebnisse mit einer Düse von 0,785 nrai (1/32 inch) für jedes gegenüberliegende Düsenpaar für jede gegenüberliegende Elektrode erhalten, die mit Luft von 1,38 bar (20 psi) beaufschlagt wurde. Andere verwendete Düsen hatten eine Grosse von 0,392 (1/64 inch) und 1,59 mm (1/16 inch) und lie-

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ferten Gasströmungspegel von 5₅66 dm bis 85 dnr (0.2 bis 3-0 cfm) je Elektrode.

Gemäss der bevorzugten elektrischen Schaltkreisanordnung nach Fig. 3 liegen die Sekundär-Wicklungen eines jeden der Transformatoren 68-74- vorzugsweise 12 000 Volt an die Serienschaltung der fünf Elektrodenpaare. Bei einem Lichtbogen ist die Spannung an jedem Elektrodenspalt in der Grössenordnung von 400 Volt, wodurch eine Überspannung von 10 000 Volt vorgesehen ist. Bei einer Spalt-Durchschlagsspannung von 1500 bis 2500 Volt für typische Zigaretten-Filterende-Papiere, liegt das Überspannungs-Mehrfache zwischen vier und etwa sieben während des Lichtbogenüberschlags. Bei einer alternativen Stromkreisanordnung ist ein Transformator für jedes Elektrodenpaar vorgesehen, der 6000 Volt am Elektrodenpaar liefert und somit ein Überspannungs-Mehrfaches von etwa zwei bis vier.

Verschiedene Abänderungen und Modifikationen können in den vorausgehend beschriebenen Betriebsiveisen und in der Vorrichtung innerhalb des Rahmens der Erfindung eingeführt werden. Somit sind die einzeln beschriebenen .Betriebsweisen und die beschriebene Vorrichtung nur im erläuternden und nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Der Rahmen der Erfindung wird durch die anliegenden Ansprüche festgelegt.

Ende der Beschreibung

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5. Leerseite

Claims (15)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Perforieren einer ebenen Bahn, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

(a) Abstützung eines Elektrodenpaars im Abstand voneinander und einander gegenüberliegend, um dazwischen einen Spalt zum Durchtritt der Bahn zu bilden,

(b) Erzeugung einer Spannung mit einer Folge von Amplitudenausschlägen, wovon jeder zu Zeitpunkten beginnt und endet, die in einer vorgegebenen Zeitspanne voneinander liegen,

(c) Förderung der Bahn in einer linienförmigen Bahn durch den Spalt mit solcher geradliniger Geschwindigkeit, dass ein vorgegebener geradliniger Abschnitt der Bahn während der genannten Zeitspanne den Spalt durchquert und

(d) während des Einleitens von Druckgas auf die Oberflächen der Elektroden bei dem Spalt und in einem spitzen Winkel gegenüber der Bahnebene und Anlegen der -Spannung an die Elektroden, Einstellen

eines Amplitudenpegels der Spannung und eines Strömungspegels für das Druckgas, um in der Bahn Perforationen zu erzeugen, die längs der Bahn einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als der vorgeschriebene geradlinige Bereich.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn eine Dicke im Bereich von 0,0127 mm bis 0,25** mm (0,0005 inch bis 0,010 inch) aufweist, dass der Spannungsamplitudenpegel 5 kV übersteigt und dass der Strömungspegel im Bereich von 5,66 bis 85 dm-^ je Minute (0,2 bis 3,0 cfm) je Elektrode liegt.

3. Perforierte Bahn, erhalten durch Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

4. Vorrichtung zum Perforieren einer ebenen Bahn, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Teile enthält:

(a) eine Elektrodenanordnung, die ein Paar Elektroden enthält, die im Abstand einander gegenüberliegen, um zwischen sich einen Spalt zum Durchtritt der Bahn zu bilden,

(b) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung mit einer Folge von Amplitudenausschlägen, wovon jede zu einem Zeitpunkt beginnt und endet, die um eine vorgewählte Zeitspanne im Abstand voneinander liegen,

(c) eine Einrichtung zur Förderung der Bahn in einer linienförmigen Bewegung durch den Spalt und mit solcher geradliniger Geschwindigkeit, dass ein vorgeschriebener geradliniger Bereich der Bahn während der genannten Zeitspanne durch den Spalt hindurchtritt, und

(d) eine Einrichtung zur Abgabe von Druckgas auf die Oberflächen der Elektroden bei dem Spalt unter einem spitzen Winkel gegenüber der Bahnebene mit einem . solchem Strömungspegel und eine Spannungszuführvorrichtung zu den Elektroden mit solchem Amplitudenpegel, dass in der Bahn Perforationen erzeugt werden, die längs der Bahn in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner ist als der vorgeschriebene lineare Bereich.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung eine Gruppe von η Paaren von einander gegenüberliegenden Elektroden aufweist, um eine kontinuierliche seitliche Erstreckung der Breite VJ eines länglichen Bahnmaterials zu perforieren, wobei die Elektrodenpaare der genannten Gruppen dem genannten Bereich gegenüberliegend gehalten werden und unter einem seitlichen Abstand von W geteilt durch η zwischen seitlich benachbarten Elektrodenpaaren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung eine zweite Gruppe von η Paaren von einander gegenüberliegenden Elektroden aufweist, die dem genannten Bereich gegenüberliegend gehalten werden und in Längsrichtung von der erstgenannten Gruppe getrennt sind, wobei seitlich benachbarte Elektrodenpaare der genannten zweiten Gruppe einen seitlichen Abstand von W" geteilt durch η aufweisen, und die genannte zweite Gruppe seitlich folgend auf die erstgenannte Gruppe gehalten wird, so dass jede derartige Gruppe einer einzigartigen seitlichen Erstreckung des genannten Bereichs gegenüberliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Spannungserzeugung eine Wechselstromspannung erzeugt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5_} dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung die Elektrodenpaare in Längsrichtung aufeinanderfolgend gegenüber der Bahn hält und die Einrichtung zum Anlegen der Spannung diese an die erste Elektrode in einer derartigen Elektrodenpaarfolge neben einer Seite der Bahn und die letzte Elektrode in der genannten Elektrodenpaarfolge neben der anderen Seite der Bahn anlegt.

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9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die genannte Spannung eine Wechselspannung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt (d) teilweise ausgeführt wird, indem das Druckgas aus getrennten Austrittsstellen abgegeben wird, so dass gegeneinander gerichtete Druckgasströme in den Spalt abgegeben werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (d) eine Anzahl getrennt angeordneter Öffnungen (34) zur Abgabe seitlich gegeneinander gerichteter Druckgasströme in den Spalt enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein erstes und zweites Plattenelement (12, 16; 18, 20), die das genannte Elektrodenpaar (RL-I, RL-IO etc.) tragen, wobei die Einrichtung zur Zufuhr von Druckgas erste und zweite Leitungen (26, 27, 28, 29, 30) aufweist, die sich jeweils innerhalb der ersten und zweiten Plattenelemente (12, 16; 18, 20) getrennt zu ersten und zweiten Austrittsöffnungen (34) neben dem genannten Elektrodenpaar erstrecken.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten ersten und zweiten Leitungen und die genannten ersten und zweiten Austrittsöffnungen jeweils baulich einstückig mit den genannten ersten und zweiten Plattenelementen ausgebildet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Bahnfördervorrichtung, die eine Bahnaufwickelwalze (108) enthält, und eine Antriebsanordnung für diese Walze, die eine Walze (110), eine Antriebsanord-

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nung (122, 124) zum Antrieb dieser Walze, eine Steuerarmanordnung (114) zur Halterung der Walze (110) an vorgegebener Stelle des Steuerarms zwecks treibender Anlage der Walze (110) an der Aufwickelwalze (108) aufweist, sowie eine Einrichtung zur kraftschlüssigen Halterung der Steuerarmanordnung (114) an einer weiteren Stelle derselben, die von der genannten Stelle entfernt liegt, und eine Einrichtung (134, 136)> um den Steuerarm vorzuspannen, um dadurch die Antriebsverbindung zwischen der Walze (110) mit der Aufwickelwalze (108) während der Schwenkbewegung des Steuerarms im Laufe des Aufwickeins der Bahn durch die Aufwickelwalze aufrechtzuerhalten.

15. Vorrichtung zum Perforieren einer Bahn, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Teile enthält:

(a) eine Elektrodenanordnung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (RL-I, RLrIO, etc.),

(b) erste und zweite Plattenelemente (12, 16; 18, 20), die im Abstand voneinander angeordnet sind, um zwischen sich einen Spalt zum Durchtritt der Bahn zu bilden,

(c) eine Einrichtung (34) zur Abgabe einer Vielzahl von Druckluftströmen auf jede der genannten Elektroden, wobei die Einrichtung zur Abgabe des Druckgases diametral gegenüberliegende Austrittsöffnungen neben den Elektroden bildet,

(d) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung, die im Zeitablauf AmplitudenschwinKungen aufweist und zum Anlegen dieser erzeugten Spannung an die Elektrodenanordnung, und

(e) eine Einrichtung zur Förderung der Bahn längs eines linienförmigen Förderwees durch den Spalt.

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