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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verwendung bei der Herstellung von Zigarettenfiltern. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einfüllen von
teilchenförmigen
Stoffen mit hoher Geschwindigkeit in einzelne Hohlräume, die
im Verlaufe der Zusammenstellung der Filter durch benachbarte, einzelne
Filterkörper
gebildet werden.
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Bei
Verbundfiltern, in denen Hohlräume
vorhanden sind, die mit teilchenförmigen Stoffen gefüllt sind,
ist der Prozentanteil der Füllung
der Hohlräume äussert wichtig.
Dies beruht darauf, dass die Zigarette, wenn sie in den Mund gesteckt
wird, in einer etwa horizontalen Ebene liegt. Dabei zieht die Schwerkraft die
teilchenförmigen
Stoffe vom oberen Bereich der Höhlung
nach unten. Dadurch entsteht oberhalb der teilchenförmigen Stoffe
eine ungeschützte,
unfiltrierte Umleitung, welche die Durchströmung des Rauches nicht behindert.
Die Auswirkung, die diese Umleitung auf die Filterwirkung eines
Filters ausübt,
wurde noch nicht genau untersucht, kann aber möglicherweise unverhältnismässig gross
sein, verglichen mit dem linearen Anteil der Grösse der Umleitung in Bezug
auf die Grösse
des Filterelements. In der Tat bestimmen die Grundlagen einer Fluidströmung, dass
ein Fluid stets die Strömung
des geringsten Widerstandes wählt,
so dass die Filterwirkung der teilchenförmigen Stoffe durch die Anwesenheit
einer solchen Umleitung stark vermindert wird.
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In
der US-Patentschrift Nr. 3'312'152 (Williamson)
ist eine Vorrichtung beschrieben, mit welcher versucht wird, die
Höhlungen
des Filters zu füllen.
Bei der Vorrichtung nach Williamson wird das teilchenförmige Material
in einzelne Räume
zwischen Filterelementen überführt. Die
Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung ist jedoch begrenzt, weil
lediglich die Schwerkraft dazu benutzt wird, die schnell vorgeschobenen
Hohlräume
zu füllen.
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Bekannte
Maschinen des Standes der Technik, beispielsweise diejenigen, die
in den US-Patentschriften Nr. 4'063'494 und 5'908'030 beschrieben sind,
enthalten Magazine, die die Form von Rädern aufweisen und mittels
Schwerkraft gefüllt
werden, und in diese Magazine werden Filtersegmente eingeführt, die
nahe aneinander, jedoch im Abstand voneinander liegen und sich auf
einem Trägerstreifen aus
Papier befinden. Der beladene Streifen wird dann zur Führung und
zum Zusammenbau in eine Mulde eingeleitet und einer Füllstation
zugeführt,
in der das Papier auf Räder
geleitet und dort zu einem Aufnahmetrog geformt wird. Wie in der
US-Patentschrift Nr. 4'015'514 (Nichols) beschrieben
ist, wird quer über
benachbarte Filtersegmente ein Vakuum angelegt, um das Befüllen des
Hohlraumes zu begünstigen.
Weil jedoch sowohl der Abstand der Filtersegmente als auch die Dichte
der Celluloseacetat-Fasern veränderlich
sind, ist es unmöglich,
die Hohlräume
gleichmässig
zu befüllen.
Dies bedeutet, dass das Verfahren zur Aufrechterhaltung eines minimalen
Prozentsatzes der Füllung
so geleitet werden muss, dass die Hohlräume bis über das gewünschte Niveau hinaus gefüllt, d.h. überfüllt werden
müssen. Die
Industrie ist bestrebt, diesen Nachteil auszugleichen, indem kein
hoher prozentualer Füllungsgrad verlangt
wird. Auf diese Weise kann bei dem Verfahren eine hohe Streuung
toleriert werden, unter der Voraussetzung, dass ein ausreichend
hoher Prozentsatz der Füllung
erreicht werden kann.
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Trotz
der Tatsache, dass der von der Industrie verlangte prozentuale Füllungsgrad
niedrig ist, ist es trotzdem sehr erwünscht, den Hohlraum vollständig mit
Körnchen
zu füllen.
Wie oben schon ausgeführt
wurde, kann der Rauch, wenn der Hohlraum nicht ausreichend gefüllt ist,
die jeweilige Füllung
umgehen, so dass es den Teilchen der Füllung unmöglich ist, unerwünschte Bestandteile
aus dem Rauch auszufiltern.
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Weiterhin
kann ein Überfüllen der
Höhlung oder
ein Austreten der Teilchen aus den Höhlungen dazu führen, dass
Teilchen an äusseren
Teilen der Vorrichtung oder am Trägerstreifen aus Papier anhaften
und danach nahe der Oberfläche
des Endproduktes eingebettet werden, wodurch ein unschöner Fleck
oder eine unästhetische
Markierung gebildet werden.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zum vollständigen Befüllen von
Filterhohlräumen
auf industriell ausführbare
Weise. Insbesondere werden ein Verfahren und eine Vorrichtung benötigt, die
ein schnelles Befüllen
von Filterhohlräumen
mit Aktivkohle mit einer Geschwindigkeit über 200 m/min ermöglichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundfiltermaterials wird zur
Verfügung
gestellt, welches mehrere Schritte aufweist, und das Verfahren ist im
Patentanspruch 1 definiert.
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Demnach
wird in einem ersten Schritt ein Trägerstreifen aus Papier auf
einem Förderband
vorwärts
bewegt. Ein Längsrand
des Papiers des Trägerstreifens
wird der Länge
nach umgefaltet. Dann werden faserhaltige Filtersegmente im Abstand
voneinander auf dem Trägerstreifen
abgelegt. Durch den Abstand der Filtersegmente entstehen zwischen
diesen Segmenten Hohlräume.
Nun wird der Trägerstreifen
mit den darauf abgelegten Filtersegmenten in eine langgestreckte
Kammer eingeführt,
die zur Führung
und zur Unterstützung
des Papierstreifens dient und den Umfang der mit Papier umgebenen Segmente
fast vollständig
umschliesst und dabei eine enge Füllöffnung gegenüber einer
Einfüllöffnung für Teilchen,
die sich in Vorschubrichtung des Trägerstreifens erstreckt, freilässt. Nahe
an der engen Einfüllöffnung wird
gleichzeitig ein Vakuum oder ein Absaugdruck angelegt, wobei dieser
Unterdruck das nach unten gerichtete Moment eines mittels Schwerkraft
zugeführten
Stromes von teilchenförmigen
Substanzen unterstützt
und gleichzeitig lose Teilchen abzieht. Die Hohlräume werden
gleichzeitig über
eine Länge,
die einem vorbestimmten Vorschubweg des Trägerstreifens entspricht, mit
den teilchenförmigen Substanzen
gefüllt.
Sodann wird der längs
umgefaltete Rand des Papierstreifens wieder zurückgefaltet und angeklebt, um
die Einfüllöffnung zu
verschliessen. Andererseits ist es auch möglich, die Öffnung durch einen Verschlussstreifen
zu verschliessen, und die Filtersegmente sowie die teilchenförmige Substanz
werden eingekapselt. Dann wird der Filterstrang abgelängt, und
die Schnittstellen werden dabei registerhaltig gewählt, wodurch
einzelne Verbundfiltersegmente erzeugt werden.
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Es
ergibt sich als Merkmal, dass Filterhohlräume schnell und vollständig mit
teilchenförmigen Stoffen
wie Aktivkohle gefüllt
werden können.
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Ein
weiteres Merkmal ist, dass die Dichte der Aktivkohle durch Zusatz
eines inaktiven Filtermaterials geregelt werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines teilweise zusammengesetzten Filtersegmentes der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausführung der
Erfindung.
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3a zeigt
in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Befüllen mit teilchenförmiger Substanz.
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3b zeigt
eine perspektivische, versetzt geschnittene Ansicht der Füllvorrichtung
für teilchenförmige Substanzen,
wobei die Schnittebene in der Ebene A in 3a liegt.
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3c ist
eine Vorderansicht des Querschnittes aus 3b.
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3d ist
eine Vorderansicht eines Querschnitts der Füllvorrichtung, für teilchenförmiges Material,
geschnitten in der Ebene B, gemäss 3a.
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3e ist
eine perspektivische Querschnittsansicht der Vorrichtung aus 3a,
im Schnitt entlang der Ebene C in 3d.
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4 ist
ein Fliessdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens.
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Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsform
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Es
werden eine Vorrichtung 10 und ein Verfahren 12 zur
Herstellung eines Verbundfiltermaterials 14 mit Hohlräumen 16 (siehe
insbesondere 2), die mit einem teilchenförmigen Material 20 gefüllt sind,
beschrieben. Wie aus 1 hervorgeht, ist der Hohlraum 20 durch
den Zwischenraum zwischen zwei Filterelementen 22 definiert,
welche üblicherweise
in Form von Celluloseacetat-Filtern vorliegen. Der teilchenförmige Stoff 20 ist
bevorzugt Aktivkohle 24, kann aber auch eine beliebige
andere aktive oder inaktive Komponente einschliesslich Sepiolith,
Kieselgel und nichtaktivem Kohlenstoff sein. Diese teilchenförmigen Stoffe 20 können auch
Aromateilchen enthalten.
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Die
Vorrichtung 10, mit deren Hilfe das Verfahren 12 ausgeführt werden
kann, entspricht im wesentlichen derjenigen, die in der US-Patentschrift
Nr. 4'223'597 beschrieben ist
und bei der das Verfahren zum Füllen,
die Füllvorrichtung 12 der
Patentschrift '597
und die Aufnahmeeinrichtung verbessert wurden.
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Es
wird nun Bezug auf 2 genommen, in der die Vorrichtung 10 in
Einzelheiten dargestellt ist. Die Vorrichtung 10 enthält einen
Grundkörper 26,
einen Streifenförderer 30,
einen Trichter 32, ein Förderband 34, einen
Bunker 36 mit einer festen Substanz 20, eine Trennkammer 40 sowie
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes 42, und
die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung sind über Vakuumleitungen (beispielsweise 44, 46)
oder andere Leitungen miteinander verbunden.
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Beim
Betrieb erzeugt die Vorrichtung zur Bildung eines Vakuums 42 einen
Unterdruck in der Trennkammer 40, indem Luft durch die
Abgasleitung 92 nach aussen gefördert wird. Der Zyklon mit
Filter 56 filtert Staub aus der Luft, in der teilchenförmiges Material 20 suspendiert
ist, welches durch die Vakuumleitungen 44 aus der Füllvorrichtung 64 abgezogen
wird. Der Unterdruck evakuiert teilchenförmiges Material, das sich lose
in der Füllvorrichtung 64 befindet, über die
Abzugsschlitze 60, die sich beiderseits der Öffnung 62 gegenüber den
Hohlräumen 16 befindet.
Teilchenförmiges
Material 20 in der Luft fällt in der Trennkammer 40 nach
unten und wird über
das abgedichtete Zellenrad 52, das als Luftschleuse dient,
in den Bunker 36 gefördert.
Das Zellenrad 52 ermöglicht,
dass in der Trennkammer 40 und im Bunker 36 unterschiedliche
Drücke
herrschen, wobei der Druck im Bunker im wesentlichen dem Atmosphärendruck
entspricht. Eine Zufuhrleitung 54 dient dazu, in den Bunker
festes Material 20 einzufüllen, wenn ein Bedarf besteht.
Der Bunker 36 legt auf dem Förderband 34 teilchenförmiges Material 20 ab.
Das Förderband 34 fördert das
feste Material 20 aus dem Bunker 36 an eine Stelle
oberhalb des Trichters 32 und anschliessend in diesen Trichter 32.
Der trichterförmige
Einlass 33 des Trichters 32 besitzt eine weite Öffnung,
die sich in Richtung der Feststoffströmung verengt, wodurch die teilchenförmige Substanz 20 beschleunigt
wird.
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Der
Grundkörper 26 und
die Fördervorrichtung 30 für den Papierstreifen
führen
und positionieren den Streifen 50 (der in 3a gezeigt
ist) in der Füllvorrichtung 64.
Der Trichter 32 leitet festes Material 20 in die
Hohlräume 16.
Das feste Material 20 gelangt durch die Schwerkraft und
in begrenztem Masse unterstützt
durch einen Unterdruck (angelegt über die Abzugsschlitze 60)
vom Förderband 34 in
die Füllvorrichtung.
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Es
wird nun auf die 3a bis 3e, in
denen die eigentliche Füllvorrichtung 64 der
Vorrichtung 10 dargestellt ist, Bezug genommen. Zum Zwecke der Übersichtlichkeit
wurden die Schnitte A und B quer zur Vorschubrichtung und der Schnitt
C entlang der Bewegungsrichtung des Filtermaterials 14 ausgeführt.
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Die
Füllvorrichtung 64 umfasst
einen unteren Grundkörper 66 und
einen Aufsatz mit einem linken Teil 70 und einem rechten
Teil 72. Der untere Grundkörper 66 wird von einem
Verteiler 74 überdeckt,
auf dem der Trichter 32 montiert ist, welcher zwei endständige Kappen 76 und 80 aufweist.
Der Verteiler 74 definiert Durchgänge für ein Vakuum, nämlich die
Abzugsschlitze 60, die Kanäle 82 und 84 und
die Ausgänge 86 und 90.
Die Ausgänge 86 und 90 sind
mit den Vakuumleitungen 44 verbunden. Das Vakuum erleichtert
den Einzug der Teilchen 20 in jeden Hohlraum 16,
und gleichzeitig werden Teilchen abgesaugt, die seitlich von der Öffnung 62 auf
die offenen Bereiche des Filtersegments 22 fallen.
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Wie
nun aus 4 hervorgeht, enthält das Verfahren 12 mehrere
Schritte. In einem ersten Schritt 100 bewegt sich ein Papierband,
d.h. der Trägerstreifen 50,
auf dem Bandförderer 30.
Ein Längsrand 102 des
Trägerstreifens 50 aus
Papier wird nach hinten zurückgefaltet,
wodurch eine Falte 104 entsteht. In einem zweiten Schritt 106 werden
aus Fasern erzeugte Filtersegmente 22 im Abstand voneinander
auf den Trägerstreifen 50 aufgelegt.
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Filtersegmenten 22 definiert
Hohlräume 16.
In einem dritten Schritt 108 wird der Trägerstreifen,
zusammen mit den aufgebrachten Filtersegmenten,, 22 entlang
eines Übertragungsweges 110 in
den Grundkörper 26 eingeführt, der
den Umfang der Segmente 22 praktisch vollständig umgibt
und nur eine enge Füllöffnung 62 frei
lässt,
die im allgemeinen eine Breite zwischen 2 und 3 mm aufweist und
gegenüber
einer Einfüllöffnung 112 für teil chenförmiges Material
liegt. Die Einfüllöffnung 112 ist
in Richtung der Bewegung 110 des Trägerstreifens 50 langgestreckt,
was durch den Pfeil Y in 3e angedeutet
ist.
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In
einem vierten Schritt 114 wird gleichzeitig ein Unterdruck
oder ein Vakuum an die Abzugsschlitze 60 an einander gegenüberliegenden
Seiten in der Nähe
der engen Öffnung 62 angelegt,
wobei der Unterdruck ein nach unten gerichtetes Schwerkraftmoment
verstärkt,
wodurch der Strom der teilchenförmigen
Substanz 20 durch das Vakuum begünstigt wird, und lose Teilchen
der Substanz 20 (auch als Überfüllung bezeichnet) absaugt.
Dadurch wird auch vermieden, dass Teilchen 20 zwischen
einem Überlappungsbereich 116 (auf
den dann die Faltung 104 des Streifens aufgeklebt wird)
und der Faltung eingeschlossen werden, wenn der umgefaltete Bereich 104 über die
enge Öffnung 62 zurückgefaltet
wird, um die Öffnung
zu verschliessen. Solche eingeschlossenen Teilchen 20 werden
als Fehlerstellen im Produkt angesehen und können dazu führen, dass eine Produktionscharge
zurückgewiesen
wird. In einem fünften,
gegebenenfalls ausgeführten
Schritt 118 werden dann die durch das Vakuum abgesaugten
Teilchen einer Wiederverwendung zugeführt und wieder unter Druck
gesetzt, wenn sie durch die Luftschleuse 52 hindurchtreten,
und sie werden dann im Bunker 36 wieder abgelagert. Auf
diese Weise werden Fehlerstellen im Erzeugnis vermieden.
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In
einem sechsten Schritt 120 werden die Hohlräume 16 gleichzeitig
mit der teilchenförmigen Substanz 20 über eine
vorbestimmte Länge
L (siehe 3e) gefüllt, die dem Vorschubweg 110 des
Trägerstreifens 50 entspricht.
In einem siebten Schritt 122 wird der umgefaltete Rand 104 wieder
zurückgefaltet
und aufgeklebt, um die Füllöffnung 62 zu
verschliessen. Auf alternative Weise wird ein Verschlussstreifen,
wie er in der US-Patentschrift Nr. 4'225'59
be schrieben ist, auf die Öffnung 62 aufgebracht,
um diese zu verschliessen, und auf diese Weise werden die Filtersegmente 22 und
die teilchenförmige
Substanz 20 eingekapselt, wodurch ein Filtermaterial in
Strangform entsteht, das aus dem Grundkörper 26 austritt.
In einem achten Schritt 124 wird dann dieses Filtermaterial
in einzelne Filter zerschnitten, wobei der Schnitt mit Passgenauigkeit ausgeführt wird,
derart, dass mitten durch die Filtersegmente 22 aufgetrennt
wird, und man erhält
einzelne Verbundfiltersegmente, die zusammen mit Papier und Tabak
zu einer Zigarette weiterverarbeitet werden.
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Experimentelle
Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Anwendung des Verfahrens 12, und
unter Benutzung der Vorrichtung 10 der Erfindung,, der
Prozentsatz der Füllung
bis zu einem Füllgrad
von 95% direkt proportional der Strömungsgeschwindigkeit der teilchenförmigen Substanz
ist. Daher ermöglicht
das Verfahren 12 die leichte und genaue Einstellung des
Prozentgrades der Füllung
auf die Vorgaben eines Kunden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung besteht die teilchenförmige Substanz 20 aus
einer Aktivsubstanz (Aktivkohle 24) und einer inaktiven
Substanz (beispielsweise einem inerten Füllstoff 25). Die Form
der Körnchen
ist sehr wichtig, sowohl für
eine aktive als auch für
eine inaktive teilchenförmige
Substanz, da diese Eigenschaft die Geschwindigkeit beeinflusst,
mit der die Substanz gegen die enge Öffnung des Hohlraumes beschleunigt werden
kann. Auf diese Weise kann die Menge an Aktivkohle 24 im
Filter auf der Grundlage von Versuchen angepasst und optimiert werden.
Weiterhin kann die Auswirkung der aktiven Substanz 24 auf den
Geschmack und die Filtereigenschaften der Zigarette ebenfalls eingestellt
werden. Eine Einstellung der Menge an Aktivkohle 24 ist
auf diese Weise (durch Zugabe eines Füllstoffes) notwendig, weil
es nicht möglich
ist, die Grösse
der Höhlung 16 zu
vermindern, da die Länge
der Öffnung 62 zwischen
den Filterelementen 22 veränderlich ist (d.h. die Geschwindigkeit
des Betriebes der Gesamtvorrichtung ist derart, dass die Filterelemente 22 auf
dem Trägerstreifen 50 nicht
sehr genau angeordnet werden können
und ihr Abstand gegenüber
einer idealen relativen Position um bis zu 0,5 mm in jeder Richtung schwanken
kann). Weiterhin ist Aktivkohle 24, das am meisten verwendete
und am besten zugängliche aktive
Filtermaterial, nur in einem einzigen Zustand lieferbar. Es ist
nicht möglich,
die Aktivkohle 24 zu einem wirtschaftlichen Preis in einem
Zustand zu erhalten, der beispielsweise nur 50% aktiv ist. Ausserdem kann
der Prozentanteil von aktiver im Vergleich zu inaktiver Substanz
dadurch genau eingestellt werden, dass man die aktive und die inaktive
Substanz schon vor dem Einleiten des Gemisches in den jeweiligen Bunker 40 der
Anlage 10 vermischt.
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Gemäss einem
Vorteil der Erfindung ist es möglich,
das Abfüllen
mit einer Geschwindigkeit von 250 m/min auszuführen, d.h. fünfmal schneller
als mit anderen vergleichbaren Verfahren, die den Filterhohlraum
vollständig
füllen.
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Gemäss einem
weiteren Vorteil der Erfindung ist es nun möglich, die Filterhohlräume als Funktion
der Zufuhrgeschwindigkeit und der Länge der gestreckten Füllöffnung vollständig zu
füllen
(eine Füllung
bis zu 100 kann erhalten werden).
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Zahlreiche Änderungen
und Anpassungen sind bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung möglich.
Es wurden bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung als Veranschaulichung gezeigt und beschrieben, und
in der oben stehenden Beschreibung wird eine ganze Anzahl von Änderun gen,
Abweichungen und Ersatzhandlungen in Betracht gezogen. In manchen
Fällen
können
einige Merkmale der vorliegenden Erfindung benutzt werden, ohne
dass eine entsprechende Verwendung anderer Merkmale vorgenommen
wird. Demgemäss soll
die oben stehende Beschreibung in ihrem weitesten Sinne verstanden
werden, und zwar lediglich zum Zwecke einer Veranschaulichung und
als Beispiel. Der Geltungsbereich der Erfindung ist lediglich durch die
anliegenden Patentansprüche
eingeschränkt.