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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der elektrostatischen Separation von
Partikeln; und insbesondere betrifft sie eine neue Elektrode zur
Verwendung in elektrostatischen Separationsverfahren.
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Im
Stand der Technik zu dieser Erfindung sind verschiedene Größen, Formen
und Anordnungen von elektrostatischen Elektroden aufgezeigt, wie sie
zur Separation von Partikeln verwendet werden, die irgendeine der
verschiedenen elektrostatischen Ladungen aufweisen. Im Stand der
Technik ist keine derartige Elektrode mit einer dünnen rechteckförmigen Kastenform
bekannt, wie dies durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird.
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Der
nächstkommende
Stand der Technik ist in dem US Patent Nr. 5,251,762 zu sehen, das
am 12.10.1993 für
J.B. Taylor und A.H. Jackson erteilt und an die Inhaber der vorliegenden
Erfindung übertragen
wurde; sowie das US Patent Nr. 6,064,022, das am 16.05.2000 für A.H. Jackson
erteilt und ebenso auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung überschrieben
wurde. Beide zeigen und beanspruchen eine Separationsvorrichtung,
in der rohrförmige
Elektroden und rohrförmige
Bürsten
zum Reinigen der Elektroden in Maschinen eingesetzt sind, die dazu bestimmt
sind, eine Mischung aus Partikeltypen in die jeweiligen Bestandteile
zu teilen, um so Partikel eines Typs zurück zu gewinnen, die von einem
zweiten Typ von Partikeln separiert wurden.
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Die
Erfindung beschreibt und beansprucht eine neue elektrostatische
Elektrode in der Form eines dünnen
rechteckförmigen
hohlen Quaders mit einem Rahmen, zwei großen rechtwinkligen parallelen Panelen,
die mit dem Rahmen verbunden sind, und zwei schmalen Seitenpanelen,
so dass ein hohler Innenraum verbleibt, der im oberen und unteren
Bereich des Quaders offen ist. Eine oder mehrere dieser Quader-Elektroden
der Erfindung sind auf gegenüberliegenden
Seiten einer zentralen, vertikalen Zuführzone angeordnet, so dass
sie gegenseitig einander zugewandt sind. Das große Panel einer jeden Elektrode,
das den Zuführzonen
zugewandt ist, ist aus einer perforierten Materialplatte konstruiert,
die es den geladenen Partikeln ermöglicht, durch die Perforationen
hindurch zutreten. Der Rahmen, die Front- und Rückplatte der Quaderelektrode
sind elektrisch leitend und werden durch eine Hochspannung geladen.
Die Bodenseite der Quader-Elektrode ist offen, wie das oben geladen.
Die Bodenseite der Quader-Elektrode ist offen, wie das oben beschrieben
ist, um den Partikeln zu ermöglichen,
am Boden der Elektroden auszutreten.
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Die
Separationsvorrichtung und das Verfahren der Erfindung umfassend
zwei oder mehrere Quader-Elektroden, wie sie oben beschrieben sind, die
auf gegenüberliegenden
Seiten einer Zufuhr-Schurre ausgerichtet sind, mit der Zufuhrpartikel in
den Raum zwischen die Elektroden gerichtet werden, wo die Partikel
einer elektrostatischen Ladung unterzogen werden, sowie die Partikel
durch die Ladezone fallen. Die geladenen Partikel werden in Richtung
der geeigneten Quader-Elektrode abgelenkt, die auf Vibrations-Isolatoren
aufgehängt
ist, um den Elektroden zu ermöglichen,
in Schwingung versetzt zu werden, ohne das der Rest der Separatorvorrichtung
vibriert, so dass jegliche anhaftende Partikel von den Elektroden
fallen. Die Partikel fallen eventuell durch eine Splitterzone, die
die durch die elektrostatische Ladung abgelenkten Partikel von denjenigen
Partikeln trennt, die durch die Ladung unbeeinflusst bleiben.
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Die
neuen Merkmale, die für
die Erfindung als charakteristisch gesehen werden, sind im Detail in
den beigefügten
Ansprüchen
wiedergegeben. Die Erfindung selbst kann jedoch hinsichtlich sowohl
ihrer Organisation und ihres Betriebsverfahrens zusammen mit weiteren
Aufgaben und Vorteilen mit Bezug auf die folgende Beschreibung verstanden
werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen steht, in
denen:
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1 eine
vereinfachte perspektivische Ansicht der Quader-Elektrode der Erfindung
ist,
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2 eine
Front-Draufsicht der Quader-Elektrode aus 1 in einem
Rahmen der elektrostatischen Separationsvorrichtung der Erfindung, wobei
der Rahmen die auf die Quader-Elektrode abgegebene Vibrationsbewegung
von der Apparatur isoliert, in der der Rahmen aufgenommen ist,
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3 ein
vertikaler Querschnitt bei 3-3 aus 1 ist,
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4 eine
vertikale schematische Querschnittsansicht der Zufuhr-Schurre der
erfindungsgemäßen Separationsvorrichtung
ist, in der die allgemeine Anordnung der Elektroden und des Splitters gezeigt
sind,
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5 drei ähnliche
vertikale Querschnittsansichten einer erfindungsgemäßen Elektrode
zeigt, mit der die Bewegungen aufgezeigt sind, die in Verbindung
mit der Vibration der Elektrode stehen; 5A zeigt
keine Vibration; 5B zeigt eine Vibrationskraft,
mit der die Elektrode vertikal nach unten verschoben wird; und 5C zeigt eine Vibrationskraft, mit der
die Elektrode nach oben verschoben wird,
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6 ist
ein Graph, in dem die Rückgewinnung
in % vs. der Produktprobe in % aufgetragen ist, wobei die Separationseffizienten
zweier Elektroden im Stand der Technik mit der erfindungsgemäßen Quader-Elektrode
verglichen werden.
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Separieren, d.h. Abscheiden
verschiedener Partikeltypen unter Anwendung der Gegebenheit, dass
Partikel einheitliche Reaktionen zeigen, wenn sie in einer elektrostatisch
geladenen Umgebung vorliegen. Einige Partikel nehmen die elektrostatische
Ladung an und ändern
ihre eigene Ladung, und andere weisen die Ladung zurück oder
ignorieren diese. Die Partikel können
oder können
nicht in Richtung zur Ladungsquelle gezogen werden, jedoch ist im
jeden Fall der Weg des fallenden Partikels oft dadurch beeinflusst, dass
dieses durch eine Umgebung elektrostatischer Ladungen fällt, wobei
diese Beeinflussung ein Mittel schafft, um den einen Partikeltyp
von einem anderen physikalisch abzuscheiden. Dieses wissenschaftliche
Prinzip ist im Stand der Technik heute gut bekannt und wird dazu
verwendet, unterschiedliche Partikeltypen zu separieren. Gemäß der Erfindung
ist eine neue Elektrode eingesetzt, die in solchen Abscheidungs-Verfahren
als zweckdienlich erkannt wurde. Das Hauptmerkmal der Neuerung liegt
in der Struktur und der Form der Elektrode dieser Erfindung.
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Mit
allgemeinen Bezug zu den 1, 2 und 4 zeigt
die Elektrode der Erfindung die Form eines dünnen rechtwinkligen Quaders
mit zwei großen
parallelen vertikalen Stirnseiten oder -paneelen, die mittels zwei
schmaler paralleler vertikaler Streifen miteinander verbunden sind.
Diese Teile sind miteinander verbunden, um einen großräumigen dünnen Raum
zu umschließen,
der auf der Vorder- und Rückseite
durch die zwei großen
Paneele eingegrenzt und an den zwei Enden durch zwei vertikale Streifen
eingegrenzt ist, und über
einen zentralen Hohlraum mit einer Öffnung am Boden verfügt. Das
große
Stirnpaneel ist porös
um den Durchtritt von Partikeln zu ermöglichen, und das große Rückpaneel
wie auch die zwei Endstreifen sind feste elektrische Leiter, vorzugsweise
Metallschichten.
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Die
erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung
der Erfindung umfasst zwei oder mehrere der Quader-Elektroden, wie
sie oben beschrieben ist, getrennt durch einen zentralen Raum 36,
durch den die zu separierenden Partikel aufgrund der Gravitationskraft
von einem Zufuhr trichter hindurch fallen können, der am oberen Ende des
Freifallraumes 36 angeordnet ist, an einen Splitter 37,
der am unteren Ende des Freifallraumes 36 angeordnet ist,
und danach in Sammeltrichter 38, 39 und 40,
um die separierten Artikel aufzunehmen. Die Quader-Elektroden sind mit
ihren Stirnpanelen 20 so angeordnet, dass sie die Außenbegrenzungen
des Freifallraumes 36 bilden, und ihre Rückpaneele 21 von
den Stirnpanelen 20 nach außen beabstandet sind. Die Vorrichtung umfasst
Vibratoren 28, um die Elektroden zu schütteln, um so viel wie möglich an
Partikeln zu entfernen, die an den Elektroden anhaften können, und
um die Partikel zum Herabfallen in Richtung des Splitters 37 zu
veranlassen und von anderen Partikel zu separieren. Da nur die Elektroden
in Schwingen versetzt werden müssen,
jedoch die restliche Vorrichtung frei von jeglicher Vibration sein
sollte, umfasst die Vorrichtung Vibrationsisolatoren 30 (siehe 2 oder 30, 33, 34 in 3),
die die Vibrationen auf die Elektroden beschränken und verhindern, dass jeglicher Rest
der Ausrüstung
in Schwingung versetzt wird. Der Splitter 37 besteht aus
zwei bewegbaren Schneidkanten, die mit ihren scharfen Rändern so angeordnet
sind, dass sie den nach unten fallenden Partikeln zugewandt sind
und dadurch die Produktpartikel in zwei oder mehr Ströme gemäß ihrer
Positionen in Abhängigkeit
der fallenden Partikelmasse unterteilen. Die elektrische Anziehung
der Elektroden lenkt die fallenden Partikel in denjenigen Abschnitt des
Fallstromes ab, der der elektrischen Anziehung entspricht, wobei
der/die Splitter die Partikel in zwei oder drei Ströme unterteilen,
d.h. in einen Strom des gewünschten
Produktes, in einen Mittelstrom und einen Reject-Strom, womit eine
Abschneidung vervollständigt
ist.
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In 1 der
beigefügten
Zeichnungen ist die erfindungsgemäße Quader-Elektrode gezeigt.
Die Quader-Elektrode hat zwei breite Paneele (Frontpaneel 20 und
Rückpaneel 21)
die durch zwei Endpaneele 22 getrennt sind, um einen dünnen boxenförmigen Innenraum
zu bilden, der eine obere Öffnung 23 haben
kann und eine untere Öffnung 24 hat.
Die gesamte Skelett-Rahmenstruktur 26A der
Elektrode 26 ist gebildet durch Verbinden der Winkelstreben 25,
an denen die Paneele 20, 21 und 22 festgelegt
werden können.
Das Frontpaneel 20 ist porös, um somit den geladenen Zufuhrpartikeln
einen Durchtritt zu ermöglichen,
um das elektrisch geladene Rückpaneel 21 zu erreichen,
dass vorteilhafter Weise eine undurchlässige Metallschicht ist. Die
Endpaneele 22 sind ebenso undurchlässige Metallschichten. Die
Zufuhrpartikel werden in einen Trichter 35 (siehe 4)
gegeben, der in einen Raum 36 führt, der wiederum zwei einander
zugewandte Elektroden trennt, die elektrostatisch geladen sind,
so dass ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden hervorgerufen
ist, das dazu führt,
dass die zuvor geladenen Partikeln angezogen werden, abgestoßen werden
oder durch das elektrosta statische Feld zwischen den zugewandten
Elektroden unbeeinflusst bleiben. Die Porosität des Paneels 20 ermöglicht den
geladenen Partikeln hindurch zu treten, wobei jedoch die Ladungen
in den geladenen Partikeln geändert
werden kann, was dazu führt,
dass das Partikel an der entgegengesetzten Elektrode angezogen wird.
Ist das Partikel einmal innerhalb der Boxen-Elektrode 26,
befindet es sich in der Zone des Nullgradienten des elektrostatischen Feldes.
In jedem Fall ist es wichtig, dass Partikel sich in irgendeiner
von ihm gewählten
Richtung bewegen zu lassen, und wenn die Ladung im Wesentlichen Null
wird, das Partikel im Wesentlichen aufgrund der Gravitationskraft
nach unten fällt,
und somit der offene Panelraum 24 am Boden des Elektrodenrahmens wichtig
ist. Nichtsdestotrotz werden einige Partikel dazu tendieren, sich
am Panel 21 anzusammeln, womit sie entfernt werden müssen, um
einen kontinuierlichen Betrieb der Elektrode zu ermöglichen.
Um die Elektrodenfläche
sauber zu halten, wird diese in eine Vibrationsbewegung versetzt,
um die Partikel von der Elektrodenfläche wegzuschütteln und
diese aufgrund der Gravitationskraft in eine Sammelzone zum Verwahren
und/oder zur Weiterbearbeitung fallen zu lassen, um die wertvollen
Partikel zu separieren und die ungewollten Partikel auszusondern.
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In 2 ist
die Art und Weise gezeigt, mit der die bevorzugte Elektrode in der
Abscheidevorrichtung montiert ist, um die Elektrode einer Vibration auszusetzen,
während
die restliche Apparatur nicht in Schwingung versetzt wird. Die Elektrode 26 (in
größerem Detail
in 1 beschrieben) ist in einem Rahmen 26A aufgenommen,
der elektrisch von dem Gehäuse 27 mit
Hilfe von Isolatoren 28 isoliert ist. Eine Hochspannung
wird mittels eines Kabels 46 an die Elektrode 26 angelegt.
Das Kabel 46 wird mit Hilfe eines Arms 47 lose
getragen, der sich von dem Gehäuse 27 erstreckt
und an dem Rahmen 26A mittels einer/mehrerer Schrauben 48 oder
einer anderen bekannten Vorrichtung fixiert ist, so dass eine Hochspannung
an der Elektrode 26 angelegt werden kann. Das Kabel 46 hat
einen Überhang,
so dass die Elektrode 26 durch einen Exzenter-Mechanismus 29 vibriert
werden kann. Die Elektrode 26 ist mittels eines oberen
Trägers 31 und
eines unteren Trägers 32 mit
Isolatoren 30 unterstützt,
die die Elektrode von dem Gehäuse 27 und
von der restlichen Vorrichtung separieren, in der die Elektroden
aufgenommen sind. Somit kann die Elektrode 26 durch den
Exzenter 29 vibriert werden, während die Kombination aus Isolatoren 30 die
Vibration auf die Elektrode begrenzt und unterbindet, dass die restliche
Apparatur in Schwingung versetzt werden kann. Der exzentrische Vibrator
erzeugt eine Schüttelbewegung
durch Rotieren einer außermittigen
Basis, wobei die hierdurch erzeugten Vibrationen zu einem akzeptabeln
Zyklus modifiziert werden, indem die Federn 33 und 34 die eigentlichen
Schüttelvibrationen
der Elektrode umsetzen. Diese Details sind genauer in 3 dargestellt.
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In
der Praxis ist die Elektrode 46 modifiziert, in dem Ausschnitte 45 gebildet
sind, um den Riegel 31 und den Isolator 28 aufzunehmen,
wie das gezeigt ist. Ein Einzeltyp einer Elektrode 26 kann
entweder dazu verwendet werden, das Produkt zu sammeln oder zu verwerfen,
wie das in 4 dargestellt ist.
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5 zeigt
die Arbeitsweise des Vibrators 29 aus den 2 und 3.
Der Vibrationsmechanismus funktioniert durch Rotieren eines exzentrischen
Gewichts, das normaler Weise in Kombination mit einer oder mehreren
Federn 33, 34 und einer Masse (Elektrode 26)
zusammen arbeitet, was dazu führt,
die Elektrode 26 in Schwingung versetzten zu können und
was die Vibrationsenergie vom Erreichen des Gehäuses 27 abhält. 5A zeigt den Mechanismus in einer mittleren
neutralen Position unterstützt
durch den oberen Träger 31 und
den unteren Träger 32.
Die Mittellinien 41 und 42 zeigen, dass die Träger 31 und 32 während den
durch den Vibrator 29 erzeugten Schwingungen nicht bewegt
sind. Die Federn 33 und 34 werden dann während den
Vibrationen zusammen gedrückt
oder ausgedehnt. 5B zeigt die Positionen
der Bestandteile, wenn der Vibrator 29 seine vollständige Abwärtsbewegung
erreicht hat, wie das durch die großen Pfeile 43 gezeigt ist.
Die Federn 33 und 34 in 5B sind
zusammen gepresst. Bei der in 5C gezeigten
oberen Position sind die Federn 33 und 34 auf
ihre vollständige
offene Position (Pfeil 44) ausgedehnt. Währendessen werden
die Elektroden während
dieser Auf- und Abbewegungen angehoben und abgesenkt, wobei der Trägerrahmen
der Vorrichtung stationär
verbleibt, wie das anhand der Mittellinien 41 und 42 gezeigt
ist, die in den Stützträgern 31 und 32 zentriert
bleiben.
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Der
Vibrator 29 ist eine kommerziell erhältliche Vorrichtung, die an
einer Elektrode 26 mittels Verschraubung, Verschweißung oder
anderen Mitteln festgelegt sein kann, wie dies im Stand der Technik
bekannt ist.
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Wenn
die zugeführten
Partikeln einem elektrischen Feld unterzogen werden, wie es durch
flache Plattenelektroden verursacht wird, wird die aufgebrachte
Kraft auf das Partikel bestimmt durch die Gesamtladung des Partikels
und die elektrostatische Feldstärke,
d.h.: F1 =
qE (1) wobei
F1 die elektrostatische Anziehungskraft
(oder Abstoßung)
ist, q die auf das Partikel induzierte Ladung und e die elektrostatische
Feldstärke,
die zwischen den Elektroden wirkt. Die Gleichung 1 ist für herkömmliche
elektrostatische Abscheider gültig,
die sich ausschließlich
flachen Plattenelektroden bedienen, wobei ein einheitliches elektrisches
Feld zwischen den Elektroden über
die gesamte Länge
der Platten hervorgerufen wird. Im Ergebnis liegt die einzig auf
die Partikel wirkende Kraft in den Oberflächenladungen der Partikel.
Hinsichtlich eines uneinheitlichen elektrischen Feldes muss eine
weitere Kraft aufgrund der räumlichen
Variation des elektrischen Feldes berücksichtigt werden (oder der
Gradient des elektrischen Feldes). Die zusätzliche Kraft wird ausgedrückt durch: F2 =
k∇(E) (2)wo ∇(E)
den elektrischen Feldgradienten bezeichnet und k eine Konstante
ist, die aus experimentellen Messungen gewonnen wird. Die auf die
Partikel wirkende Gesamtkraft beim Durchfall der Partikel durch ein
nicht einheitliches elektrostatisches Feld wird durch Summation
von F1 und F2 erhalten,
d.h.: Ft =
F1 + F2 = qE + k∇(E) (3).
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Ein
wesentliches Merkmal der Quader-Elektrode 26 liegt darin,
dass sie einen abgeschirmten Bereich mit einem geringeren Feldgradienten
schafft und Partikel davon abhält,
zurückprallen
zu lassen, nachdem sie von der richtigen positiven oder negativen
Elektrode angezogen worden sind. Dieses Ergebnis kann den angezogenen
Partikeln und dem Hindurchtreten durch die perforierte Elektrode (1,
Frontpaneel 20) zugeschrieben werden, wobei der Gradient
des elektrischen Feldes zwischen Frontpaneel 20 und dem
Rückpaneel 21 vernachlässigbar
ist. Deshalb wird der zweite Term in Gleichung 3 reduziert und die
Partikel können
einfacher von dem elektrischen Feld durch Kombination der Gravitationskraft
und der mechanischen Unterstützung durch
die Vibratoren 29 entfernt werden.
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6 zeigt
grafisch, dass die Boxen-Elektrode der Erfindung wirkungsvoller
arbeitet als die Rohrelektrode oder Plattenelektrode aus dem Stand der
Technik. Höhere
Ausbeute- Prozentsätze werden mit
der Quader-Elektrode im Vergleich zu den Separationssystemen im
Stand der Technik zu geringen Produktdurchsatz-Prozenten erzielt.
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Wie
das aus der obigen Beschreibung der Vorrichtung zu entnehmen ist,
umfasst das Verfahren zum elektrostatischen Abscheiden einer Zufuhrmischung
zweier Partikeltypen gemäß der Erfindung das
Zuführen
der Mischung an das obere Ende eines Freifallraumes zwischen zwei
beabstandeten rechteckigen Elektroden, die auf gegenüberliegenden
Seiten des Freifallraumes spiegelbildlich zueinander angeordnet
sind, wobei jede Elektrode einen Rahmen, eine perforierte elektrisch
leitfähige
Stirnplatte und eine elektrische leitfähige feste Rückplatte
parallel zueinander aufweist, die mit dem Rahmen einen dünnen quaderförmigen Raum
bilden; Anwenden einer Hochspannung mit entgegengesetzten Ladungsvorzeichen
an den Elektroden, wobei dieselbe Spannung an der Stirnplatte und
der Rückplatte
anliegt, um den elektrischen Gradienten zwischen ihnen zu minimieren
und dadurch eine Partikelabscheidung zu erhöhen; Vorbeiführen entgegengesetzt
elektrostatisch geladener Zuführpartikel
durch die perforierten Platten an die Rückplatten der Elektroden; und
Rückgewinnung
der separierten Partikel von den Elektroden.
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Das
Verfahren kann auch ein Zuweisen separierter Partikel in dem Freifallraum
in einem einstellbaren Splitter angrenzend an ein unteres Ende des
Freifallraumes umfassen; und Sammeln des rückgewonnenen Partikel-Mittelgutes
im Allgemeinen zentral mit Partikelrückständen angrenzend an der einen
Elektrode und Partikelprodukten angrenzend an der anderen Elektrode.
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Das
Verfahren weist ferner das Versetzen des Rahmens in Vibration auf,
um jegliche Partikel, die zeitweilig an einer Elektrode anhaften,
hiervon abzuschütteln.
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Die
Montage der Vibrationsisolatoren zwischen den Elektroden und dem
Träger
zur Isolierung von Vibrationen von jedem Vibrator auf den Träger ist bevorzugt.
Die Montage des einen Trägers
innerhalb und in einem oberen Abschnitt einer Elektrode und eines
anderen Trägers
unterhalb eines Bodens einer Elektrode schafft eine Steuerung für die abwärtigen und
aufwärtigen
Vibrationen der Elektroden. Zusätzlich
schaffen die Vibrationsisolatoren die erforderliche Unterstützung, um
die Elektroden in von der vertikalen abweichenden Winkeln anzuordnen,
wie das beispielsweise in 4 gezeigt
ist, oder mit einem größeren Abstand
im oberen Abschnitt als am Boden der Elektroden.