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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer fortlaufenden,
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aus mehreren Lagen zusammengesetzten Matte Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Tafeln, Platten oder ähnlichen
Produkten mit einer richtungsabhängigen Festigkeit und insbesondere den Teil eines
Verfahrens zum Herstellen einer Matte aus ausgerichteten kleinen Lignocelluloseteilchen
vor dem Pressen der Matte zur Bildung eines neuen Produktes.
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Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass vorteilhafte richtungsabhängige
Eigenschaften dadurch erhalten werden können, dass langgestreckte kleine Lignocelluloseteilchen
in einer gewünschten Richtung ausgerichtet werden und nicht willkürlich orientiert
werden. Es wurde eine beträchtliche Forschungsarbeit
investiert,
um kommerziell attraktive Verfahren zu entwickeln, langgestreckte kleine Teilchen
während der Herstellung der Matte in einer Richtung auszurichten. Dabei ging die
Entwicklung in zwei Richtungen, nämlich in die mechanische Orientierung und die
elektrische Orientierung.
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Die gegenwärtig neu hergestellten Holzplatten werden unter Verwendung
einer mechanischen Orientierung von langgestreckten kleinen Teilchen hergestellt.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass es möglich ist, kleine langgestreckte
Lignocelluloseteilchen in einem starken elektrischen Feld chargenweise elektrostatisch
auszurichten. Ein Produkt mit kommerzieller Qualität kann unter Verwendung des Chargensystems
hergestellt werden, das in der US-PS 3 843 756 beschrieben wird. Darin ist auch
ein Verfahren zum fortlaufenden Herstellen einer orientierten Matte dargestellt.
Obwohl es sich herausgestellt hat, dass die elektrische Ausrichtung fortlaufend
erfolgen kann,war es nicht möglich,ein kommerziell annehmbares Produkt zu erhalten.
Es stellt sich heraus, dass die Ergebnisse der Ausrichtung leichte Fehler zeigten
und dass die guten Ergebnisse, die mit dem Chargensystem erhalten wurden, dann nicht
erzielbar waren, wenn ein fortlaufendes System verwandt wurde.
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Es war zunächst unklar, warum die guten Ergebnisse bei einem Chargensystem
erhalten werden konnten, bei einer kontinuierlichen System jedoch enttäuschende
Ergebnisse erzielt wurden. Es wurde anfangs versucht, einen Satz von Sekundärelektrodenplatten
in einer Unterdruckkammer unter der sich bewegenden Matte anzuordnen, um eine bessere
Ausrichtung zu erhalten. Auch bei der Anordnung der sekundären Elektroden unter
der Matte konnte das kontinuierliche Verfahren nicht den Erwartungen genügen.
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Ziel der Erfindung ist daher die Lösung des obigen Problems und insbesondere
ein kommerziell attraktives Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer
orientierten fortlaufenden Matte aus Lignocellulosematerial unter Verwendung eines
elektrischen Feldes.
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Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen einer aus mehreren Lagen zusammengesetzten Matte aus in einer Richtung
ausgerichtetem Lignocellulosematerial geliefert, wobei langgestreckte kleine Materialteilchen
dazu gebracht werden, als getrennte und diskrete Objekte durch eine Ausrichtungszone
mit einem elektrischen Feld nach unten zu fallen.
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Eine horizontale Mattenhaltefläche wird unmittelbar unter der Ausrichtungszone
bewegt, um die herabfallenden Teilchen aufzunehmen, wobei sich die langgestreckten
Teilchen überlappen, um eine aus mehreren Lagen zusammengesetzte Matte zu bilden.
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Ein elektrischer Strom geht durch die Matte, um ein in eine Richtung
gehendes elektrisches Feld unmittelbar über der Matte zu erzeugen, wobei das elektrische
Feld in der Bewegungsrichtung der Matte und parallel zur Matte verläuft, um auf
die langgestreckten kleinen Teilchen Kräfte auszuüben, die die Teilchen dazu bringen,
sich mit ihrer längeren Abmessung in der Richtung des elektrischen Feldes auszurichten,
wenn die Teilchen durch die Ausrichtungszone bei der Herstellung der zusammengesetzten
Matte herabfallen. Der elektrische Strom wird in der Matte dadurch erzeugt, dass
die Matte mit Elektroden in Kontakt gebracht wird und ein Spannungsunterschied an
die Elektroden angelegt wird, damit ein elektrischer Strom durch die Matte zwischen
den Elektroden und in Laufrichtung der Matte fliesst.
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Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vertikalschnittansicht
einer Vorrichtung zur Durchführung eines bekannten Verfahrens unter Verwendung eines
elektrischen Feldes zum Ausrichten kleiner Lignocelluloseteilchen.
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Fig. 2 zeigt in einer grafischen Darstellung die elektrischen Kraftlinien
des elektrischen Feldes, das in einer Ausrichtungszone bei dem bekannten Verfahren
erzeugt wird, das mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine Vertikalschnittansicht einer Vorrichtung
zum Erzeugen eines elektrischen Feldes gemäss eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Fig. 4 zeigt in einer grafischen Darstellung die Kraftlinien des elektrischen
Feldes, das gemäss eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erzeugt wird, um kleine
Lignocelluloseteilchen auszurichten.
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Fig. 5 zeigt eine schematische massgerechte Ansicht eines anderen
Ausführungsbeispiels zum Erzeugen des elektrischer: Feldes gemäss der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 6 zeigt eine schematische massgerechte Ansicht einer weiteren
Vorrichtung zum Erzeugen des elektrischen Feldes gemäss der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 7 zeigt eine schematische Vertikalschnittansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer im allgemeinen stärkeren
Matte gemäss der vorliegenden Erfindung.
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Das bekannte Verfahren zur Herstellung einer Matte verwendet die in
Fig. 1 dargestellte Vorrichtung. Diese Vorrichtung weist eine Einrichtung 10 zum
fortlaufenden Herstellen einer Matte auf, die einen Eingangsstutzen 11 mit einer
Einrichtung 12 zum Eingeben kleiner Teilchen in die Einrichtung aufweist, wobei
die Teilchen als diskrete und unabhängige Teilchen zugeführt werden, die in einem
Luftträgermedium mitgeführt werden.
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Eine Ausrichtungszone 13 ist von Seitenwänden 14 umschlossen.
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Die Seitenwände verlaufen nach unten auf eine sich bewegende horizontale
Mattenhaltefläche 15 zu. Eine Unterdruckeinrichtung 17 ist unter der Mattenhaltefläche
vorgesehen, um die Luft nach unten durch die Mattenhaltefläche zu saugen, damit
die Teilchen auf die Mattenhaltefläche herunterfallen und einander überlappen, um
eine zusammengesetzte Matte 18 zu bilden. Die Mattenhaltefläche 15 ist gewöhnlich
die obere Bahn eines Stetigförderers 2G mit einem luftdurchlässigen Endlosriemen
21. Die bekannte Vorrichtung weist im Abstand voneinander angeordnete Elektroden
22a bis e auf, die oberehalb der sich bewegenden Mattenhaltefläche 15 vorgesehen
sind, so dass sich ein Zwischenraum 25 zwischen den: Elektroden und der Mattenhaltefläche
15 ergibt und somit die hergestellte Matte unterhalb der Elektroden hindurchgehen
kann. Ein nicht dargestellter Hochspannungsgenerator steht mit den Elektroden in
Verbindung, um ein starkes elektrisches Feld zwischen den Elektroden zu entwickeln
und dadurch die kleinen Teilchen auszurichten, wenn sie durch die Ausrichtungszone
nach unten fallen. Die Zone 13, die im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist, weist
zwei Bereiche auf. Der Bereich A liegt zwischen dem oberen Ende der Elektroden und
dem unteren Ende der Elektroden 22, während der Bereich B zwischen dem unteren Ende
der Elektroden und der Mattenhaltefläche 15 liegt.
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Es hat sich herausgestellt, dass das bekannte Verfahren zum Herstellen
einer fortlaufenden orientierten Matte mit der kommerziell erforderlichen Qualität
fragwürdig ist. Es hat sich herausgestellt,
dass das elektrische
Feld im Bereich B beträchtlich von dem ab weicht, was erwartet wurde. Statt wirklich
gleichmässig und horizontal über die ganze Ausrichtungszone 13 zu verlaufen, ändert
sich das Feld im Bereich B stark, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Im Bereich A
verlaufen die Kraftlinien 32 im wesentlichen horizontal, was eine gute Ausrichtung
bewirkt.
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Wenn die kleinen Teilchen jedoch vom Bereich A in den Bereich B fallen,
weichen die Kraftlinien 33 stark von einem horizontalen Verlauf ab, was eher zu
einer vertikalen Ausrichtung führt und die horizontale Ausrichtung in der Ebene
der Matte behindert oder unwirksam machte.
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Es wurde festgestellt, dass die zusammengesetzte Matte 18 tatsächlich
das elektrische Feld unmittelbar über der Mattenfläche kurzschliesst, was dazu führt,
dass sich die Teilchen selbst vertikal ausrichten,und was eine willkürliche Ausrichtung
statt einer Ausrichtung in die Richtung der Mattenbewegung zur Folge hat, wie es
vorher angenommen wurde.
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Dadurch, dass ein elektrischer Strom durch die Matte 18 selbst geleitet
wird, entwickelt sich ein gerichtetes elektrisches Feld in der Bewegungsrichtung
der Matte, wodurch die kleinen Teilchen in der Ebene der Matte und in Laufrichtung
der Matte wirksam ausgerichtet werden und eine sehr zuverlässige Ausrichtung erhalten
wird.
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Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Herstellen einer fortlaufenden,
aus mehreren Lagen zusammengesetzten Matte aus ausgerichtetem Lignocellulosematerial
werden die langgestreckten kleinen Lignocelluloseteilchen mit einem Feuchtigkeitsgehalt
von 6 bis 20 % dazu gebracht, dass sie einzeln als getrennte diskrete Objekte durch
eine Ausrichtungszone fallen, wird eine horizontale Mattenhaltefläche unmittelbar
unter der Ausrichtungszone bewegt, um die herabfallenden Teilchen aufzunehmen,
wobei
sich die langgestreckten Teilchen überlappen und eine fortlaufende, aus mehreren
Lagen zusammengesetzte Matte bilden und wird ein elektrischer Strom in der fortlaufenden
Matte fliessen gelassen, um ein gerichtetes elektrisches Feld unmittelbar über der
Matte in der Ausrichtungszone zu erzeugen, das im wesentlichen parallel zur Mattenhaltefläche
verläuft und dessen Richtung die Bewegungsrichtung der Mattenhaltefläche ist.
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Das elektrische Feld neigt dazu, die langgestreckten kleinen Teilchen
in der Richtung des elektrischen Feldes auszurichten, wenn die Teilchen durch die
Ausrichtungszone bei der Herstellung derzusammengesetzten Matte herabfallen. Ein
derartiges Verfahren ermöglicht es, ein gleichförmiges horizontales elektrisches
Feld üb-er die gesamte Ausrichtungszone einschliesslich des Bereiches B unmittelbar
über der Mattenoberfläche zu erzeugen, um kommerziell annehmbare Ergebnisse zu erhalten
(Fig. 4).
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Dieses Verfahren richtet sich auf die Ausrichtung kleiner Lignocelluloseteilchen,
beispielsweise von Flocken, Fasern, Schnitzeln, Spänen, Splittern, und Teilchen
mit ähnlichen Formen, die durch Schneiden, Mahlen in einer Hammermühle, Schleifen
und ähnliche Verfahren erzeugt werden. Das Haupterfordernis besteht darin, dass
die kleinen Teilchen in Faserrichtung langgestreckt sind, wobei die grössere Abmessung
um ein Vielfaches grösser als die Dicke und wenigstens zweimal grösser als die Breite
ist.
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Vorzugsweise sollte jedes langgestreckte Teilchen mehr als 10mal länger
als dick sein.
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Die elektrischen Eigenschaften von Lignocellulosematerial ändern sich
stark mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials. Es hat sich herausgestellt, dass
beste Ergebnisse dann erhalten werden können, wenn das Material einen-Feuchtigkeitsgehalt
von 6 % bis 20 % auf der Basis des Trockengewichtes hat. Der prozentuale Feuchtigkeitsgehalt
des Materials, berechnet auf der Basis des Trockengewichtes, ist als Nassgewicht
abzüglich des Trockengewichtes, dividiert'durch das Trockengewicht des Materials
x 100 definiert.
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Obwohl die unmittelbare kommerzielle Anwendung des Verfahrens sich
auf die Holzindustrie bezieht, sind auch andere Arten von Lignocellulosematerial
verwendbar, um zusammengesetzte Matten herzustellen, die beim Herstellen von Platten
oder neuen Gegenständen verwandt werden können. Andere Arten von Naturmaterialien
können in Abhängigkeit davon verwandt werden, dass sie käuflich erhältlich sind
und im fertigen Produkt erwünscht sind. Beispielsweise können Baumrinde, Stroh,
Gras, Zuckerrohrrückstände und ähnliche faserartige Materialien verwandt werden.
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Vorzugsweise ist die elektrische Stromdichte durch die Matte hindurch
sehr gleichmässig. Das kann dadurch erreicht werden, dass ein gleichförmiger Spannungsgradient
an die Matte in Richtung der Bewegung der Mattenhaltefläche angelegt wird, um ein
gleichförmiges gerichtetes elektrisches Feld unmittelbar über der Matte zu erzeugen.
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Vorzugsweise wird der gleichmässige Spannungsgradient dadurch erhalten,
dass die Matte mit Elektroden in gleichen Abständen in Kontakt gebracht wird und
Spannungen zwischen die gleich beabstandeten Elektroden angelegt werden, so dass
ein elektrischer Strom in der Matte zwischen den Elektroden in Richtung der Bewegung
der Mattenhaltefläche fliesst, um ein gleichförmiges horizontales elektrisches Feld
parallel zur Mattenoberfläche zu entwickeln.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Elektroden verwandt,
die mit der oberen Aussenfläche der Matte an Stellen im gleichen Abstand voneinander
in Kontakt stehen, damit ein elektrischer Strom durch die Matte zwischen den Elektroden
fliesst (Fig. 4 und 7). Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Kontakt an
der unteren Aussenfläche der Matte vorgesehen, indem die Elektroden an der Mattenhaltefläche
angeordnet werden (Fig. 5).
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Bei einem dritten Ausführungsbeispiel sind elektrisch leitende Vorsprünge
oder fingerförmige Elektroden vorgesehen, die an die Mattenhaltefläche geheftet
sind und sich nach oben in die Matte und nach unten durch die Mattehaltefläche hindurch
erstrecken (Fig. 6).
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Die Stärke der elektrischen Spannung, die an die Elektroden gelegt
wird, variiert mit der Art des Materials,seiner Form und Grösse, seinem Feuchtigkeitsgehalt,
seinem Gewicht und in Abhängigkeit von anderen Einflussfaktoren einschliesslich
des Aufbaues der Herstellungseinrichtung, der Luftströmungsgeschwindigkeit und der.
Geschwindigkeit des Förderers. Vorzugsweise beträgt der Gradient der angelegten
Spannung 1 kV bis 10 kV pro 2,5 cm Mattenoberfläche in Laufrichtung der Matte. Wenn
der Abstand zwischen den Elektroden in Laufrichtung der Matte 25,4 cm beträgt, dann
sollte die an den Elektroden liegende Spannung zwischen 10 kV und 100 kV betragen.
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Die Frequenz der an die Elektroden zu legenden Spannung hängt von
vielen Faktoren ab, die mit der Stärke der Spannung in Verbindung stehen. Es hat
sich herausgestellt, dass die besten Ergebnisse dann erhalten, wenn die Spannungsfrequenz
zwischen 0 und 60 Hz einschliesslich liegt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein zweites
elektrisches Feld über dem ersten elektrischen Feld vorgesehen, wie es in Fig 4
und 7 dargestellt ist, um ein gleichmässices horizontales elektrisches Feld mit
zusätzlicher Tiefe in vertikaler Richtung zu entwickeln.
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Das erfindungsgemässe Verfahren kann mit einer Vorrichtung ausgeführt
werden,die in Fig. 3 dargestellt ist und bei der Elektroden 36 und 37 in Kontakt
mit der Matte selbst an Abständen in Bewegungsrichtung der Mattenhaltefläche 15
vorgesehen sind. Eine Spannung liegt zwischen den Elektroden in der oben beschriebenen
Weise,
damit ein elektrischer Strom in der Matte zwischen den Elektroden fliesst. Der fliessende
elektrische Strom seinerseits erzeugt ein gerichtetes elektrisches Feld in der Richtung
der Bewegung der Matte. Das gerichtete elektrische Feld bewirkt, dass die herabfallenden
kleinen Teilchen sich selbst in der gewünschten Richtung in der Ebene der Matte
ausrichten. In Fig. 3 besteht die Elektrode 36 aus einer leitenden Rollenelektrode,
die sich in Querrichtung unmittelbar über dem Riemen 21 erstreckt und mit der Matte
in Kontakt steht. Die Elektrode 37 weist eine elektrisch leitende Rolle auf, die
in einem körperlichen Kontakt mit der oberen Aussenfläche der Matte steht.
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Eine Spannung liegt zwischen den Elektroden 36 und 37, damit ein elektrischer
Strom in der Matte zwischen den Elektroden 36 und 37 in Bewegungsrichtung des Riemens
21 fliesst und dadurch ein gleichförmiges horizontal gerichtetes elektrisches Feld
unmittelbar über der oberen Aussenfläche der Matte erzeugt wird, wie es in Fig.
4 dargestellt ist.
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Statt der Elektroden 36 und 37 oder zusätzlich zu den Elektroden 36
und 37 kann der Riemen 21 mit Elektroden 40 versehen sein, die an den Riemen 21
in Abständen in Längsrichtung angeheftet sind.
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Die Elektroden 40 verlaufen quer über den Riemen 21 und stehen dann,
wenn sie an der oberen Bahn des Förderers angeordnet sind, in körperlichem Kontakt
mit der Unterfläche der Matte. Elektrische Spannungen können in verschiedener Weise
an die Elektroden angelegt werden. Fig. 5 zeigt elektrische Bürsten 41, die an der
Seite der oberen Bahn des Riemens entlang angeordnet sind, um mit den Elektroden
40 in elektrischem Kontakt zu stehen. Verschiedene elektrische Schaltungen können
dazu verwandt werden, einen annähernd gleichmässigen Spannungsgradienten an die
Matte zu legen.
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Eine andere Möglichkeit, die elektrische Spannung an die Matte zu
legen, besteht darin, elektrisch leitende Vorsprünge oder fingerartige Elektroden
50 am Riemen 21 vorzusehen, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, so dass die fingerförmigen
Elektroden nach oben in das Innere der Matte verlaufen, um mit dem Mattenmaterial
in
körperlichem Kontakt zu stehen. Ähnliche Bürstenkommutatoren
51 können dazu verwandt werden, die Spannung an die Elektroden zu legen. Es gibt
verschiedene Möglichkeiten, mit dem Mattenmaterial einen elektrischen Kontakt herzustellen,
während die Matte hergestellt wird, um eine Spannung anzulegen, damit ein elektrischer
Strom in der Matte in Laufrichtung der Matte fliesst und damit ein gleichmässiges
horizontal gerichtetes elektrisches Feld unmittelbar über der oberen Aussenfläche
der Matte erzeugt wird, das in Fig. 4 dargestellt ist.
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Bei vielen Anwendungsformen kann es wünschenswert sein, die herabfallenden
kleinen Lignocelluloseteilchen einem elektrischen Feld mit beträchtlich grösserer
Tiefe als dem Feld auszusetzen, das nur durch einen Strom erzeugt wird, der durch
die Matte fliesst. Es können folglich zusätzliche Elektroden über der Matte in ähnlicher
Weise wie es bei der bekannten Vorrichtung in Fig. 1 der Fall ist,angeordnet werden,
um ein zweites elektrisches Feld zu erzeugen, das das Feld unmittelbar über der
Mattenoberfläche integriert und ergänzt.
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Fig. 4 zeigt grafisch die Integration der beiden elektrischen Felder
in der Ausrichtungszone 13. Fig. 4 zeigt die Anordnung der Elektroden 60 über der
Matte im Abstand voneinander in Laufrichtung der Matte, um ein zweites gerichtetes
elektrisches Feld im Bereich A zu erzeugen, das in der Stärke und der Richtungdem
elektrischen Feld im Bereich B komplementär ist, das durch den elektrischen Strom
erzeugt wird, der durch die Matte fliesst. Die Kraftlinien in beiden Bereichen A
und B verlaufen im wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Mattenoberfläche,
um für ein annähernd gleichmässiges horizontales Feld über die gesamte Ausrichtungszone
13 zu sorgen.
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Die Matte 18 kann in jeder gewünschten Stärke dadurch hergestellt
werden, dass mehrere in Reihe angeordnete Herstellungskammern,v,erwandt werden,
die eine Vielzahl von in Abstand voneinander angeordneten Elektroden 70 in Kontakt
mit der Mattenoberfläche
aufweisen. Eine elektrische Schaltung
71 steht mit einer Hochspannungsquelle 72 in Verbindung, um eine passende Spannung
zwischen die benachbarten Elektroden 70 anzulegen.
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Ein zweiter Elektrodensatz 80 kann oberhalb der Matte vorgesehen sein,
um die vertikale Tiefe der Ausrichtungszone 13 über der Matte auszudehnen und die
Zeit zu verlängern, während der jedes kleine Teilchen den elektrischen Feldkräften
zur Ausrichtung ausgesetzt ist. Eine Spannung liegt zwischen dem zweiten Satz der
Elektroden 70, um ein elektrisches Feld im oberen Bereich der Ausrichtungszone zu
erzeugen, das in seiner Richtung und Stärke gleich dem elektrischen Feld ist, das
durch die an die Matte gelegte Spannung erzeugt wird.
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