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Verfahren und Vorrichtung zur allseitig gleichmäßigen Ver-
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netzung von strangförmigem Gut, z.B. der Isolierung elektrischer Kabel
oder Adern, mittels gerichteter energiereicher Strahlung Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren für die Führung und Umlenkung strangförmigen Gutes in gerichteter
energiereicher Strahlung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft vornehmlich
alle biegbaren strangförmigen Güter mit von der Biegeebene annähernd unabhängigem
Widerstandsmoment wie Schläuche, Rohre, Kabelisolierungen oder Kabelmäntel und ist
andwendbar z.B.
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in Verbindung mit W-Strahlen, Elektronenstrahlen oder Gamma-Strahlen.
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Den häufigsten Fall stellen z.B. in der Kabeltechnik zylindrische
Hüllen aus einem zu vernetzenden Werkstoff dar, die einen Leiter mit kreis- oder
sektorförmigem Querschnitt umgeben, wobei es sich um Leiterisolierungen oder um
Kabelmäntel mit einer Wanddicke von einigen zehntel Millimetern bis zu einigen Zentimetern
handeln kann. Der Durchmesser der so umhüllten Leiter reicht ebenfalls von einigen
zehntel Millimetern bis zu mehr als 10 Zentimetern.
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Die in Linearbeschleunigern erzeugten Elektronen verlassen die Strahlerzeugungsanlage
durch ein etwa 40 um dickes Titanfenster und treffen in erster Näherung unindirektional
auf den zu bestrahlenden Gegenstand wie ein zu vernetzendes strangförmiges Gut auf.
Auch die Fortbewegung der energiereichen
v Elektronen in dem bestrahlten
Werkstoff erfolgt näherungsweise in der ursprünglichen Strahlungsrichtung. Elektronen
durchlaufen daher nicht nur unterschiedlich große effektive Matertalwanddicken,
sondern es wird die Isolierung teilweise durch den Leiter abgeschattet.
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Bei der Strahlungsvernetzung werden zu vernetzende strangförmige,
wickel bare Güter daher üblicherweise mehrfach unter dem Elektronenstrahl h-tndurchgerUhrt,
wobei eine Richtungsumkehr Uber Rollen oder Walzen dafür sorgt, daß auch die üblicherweise
durch Metall-Liter größeren Querschnitts entstehende Abschattung zu vernetzenden
Werkstoffes vermieden wird (DE-PS 20 58 044). Hierbei läßt sich Jedoch die fiktive
Wanddickenvergrößerung an den beiden Seiten eines hohlzylindrisch angenommenen Gutes,
z.B. Schutzmantel eines Kabels, nicht vermeiden, da sich die Elektronen durch den
Kunststoff hindurch in erster Näherung geradlinig fortbewegen.
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Nach Maßgabe der wichte und halber ftktiver Wanddicke in Strahlungsrichtung
bemißt sich die erforderliche Beschleunigerspannung. Sie ist wesentlich höher als
sie theoretisch aufgrund der radialen Materialwanddicke zu sein braucht. Uberdies
entsteht durch den geschilderten Umstand und durch Verfahrensspeziflsche Besonderheiten,
auf die hier nicht näher eingegangen wird, eine ungleichmäßige Vernetzung. Dies
ist um so ausgeprägter, Je kleiner das Wanddicken/Durchrnesser-Verhältnis ist.
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Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile ist es aus EP-OS 00 00
646 bekannt, elektrische Kabel größeren Querschnittes beim Strahlungsvernetzen von
zweifach rotierenden Wicklern ablaufen zu lassen und aufzuspulen, also das strangförmige
Gut unter.dem Elektronenstrahl während der translaten Bewegung zu drehen. Wegen
der bewegten Massen erfordert diese Verfahrenswei se voluminöse, kostspielige Speztaletnrtchtungenn
um das strangförmige Gut unter dem Elektronenstrahl zusätzlich zu der translaten
Bewegung um eine Längsachse zu drehen,
wenn man den Vorteil der
orthogonalen Bestrahlung der Oberfläche ausnutzen will. Zu diesem Zweck müssen um
zwei Achsen dreh- und antreibbare Auf- und Abwickler verwendet werden. Dies bedingt
hohe Anlagekosten. Nachteilig ist hierbei ferner, daß der Materialdurchsatz durch
die Strahlungszone wegen der groben rotierenden Massen sehr stark limitiert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für den Einsatz gerichteter
energiereicher Strahlung zur Vernetzung zylindrischen strangförmigen Gutes mit kleinem
Wanddicken/ Durchmesser-Verhältnis geeignetes Verfahren anzugeben, das die Nachteile
der bekannten Verfahren vermeidet und auf einfache Weise eine allseitig gleichmäßige
Bestrahlung und somit Vernetzung des strangförmigen Gutes gewährleistet. Diese Aufgabe
wird durch die mit den Merkmalen des Anspruches 1 gekennzeichnete Efindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen 2 bis 10
angegeben, von welchen die Ansprüche 2 bis 6 verschiedene Ausführungsvarianten und
Ausgestaltungen des Verfahrens, und die Ansprüche 7 bis 10 die Ausbildung einer
zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung betreffen.
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Durch dieses Verfahren werden die Nachteile unterschiedlicher Strahlungsausbeute
und der dadurch bewirkte unterschiedliche Vernetzungsgrad des bestrahlten Gutes
sowie die Notwendigkeit der Einsatzes höherer Beschleunigerspannungen vermieden.
Das neue Verfahren bringt zugleich die Vorteile einer wesentlich homogeneren Strahlungseinwirkung
im Vergleich zur reinen vertikalen Umlenkung bei gleichzeitiger besserer Strahlungsausnutzung
mit sich» so daß bei schnellerem Produktdurchsatz eine allseitig gleichmäßige Vernetzung
des strangförmigen Gutes unter Einsatz einer geringeren als der bisher üblichen
Beschleunigerspannung gewährleistet ist. Weitere Vorteile liegen in geringeren Beschleunigerkosten
und einer größeren Betriebssicherheit zufolge der geringeren Beschleunigerspannung
sowie in den vergleichsweise geringeren Anlagekosten,
wobei auch
der Schirmungsaufwand vermindert ist. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der Erhöhung
des Wirkungsgrades der zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Vorrichtung.
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Hierzu wird das strangförmige Gut nicht nur mehr als einmal durch
die Bestrahlungszone hindurchgeführt und außerhalb derselben bei seiner Richtungsumkehrung
mindestens einmal auf einer Mantellinie umgelenkt, die von den durch die mittlere
Strahlungsrichtung definierten Mantellinien der vorherigen Passage abweicht, sondern
es erfolgt darüberhinaus die Umlenkung des strangförmtgen Gutes unmittelbar hintereinander
in mehreren Ebenen, deren Senkrechten mit der mittleren Strahlungsrtchtung einen
Winkel von 900 einschließen» jedoch zueinander von 900 verschiedene Winkel bilden.
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Dies kann durch zwei unterschiedliche Verfahrensvarianten erreicht
werden, nämlich eine im folgenden Schrägumlenkung genannte Art der Umlenkung des
strangförmigen Gutes in einer, bezogen auf die mittlere Strahlungsrtehtung, geneigt
angeordneten Umlenkebene, in welcher die Schrägumlenkung an dem strangförmigen Gut
durch seitlich daran angreifende Führungselemente erzwungen wird, und wobei die
durch die Strahlung markierten Mantellinien um den doppelten Neigungswinkel der
Umlenkebene aus der Strahlungsrichtung gedreht werden, und eine als Drehumlenkung
gezeichnete Führung des strangförmigen Gutes. Auch mit dieser erzielt man denselben
Effekt einer in Bezug auf die Strahlungsrichtung torsionsfreien Ob.iektdrehun# Bei
beispielsweise vertikaler Strahlungsrichtung posiert hierzu das strangförmige Gut
die Strahlungszone in horrizontaler Lage und wird anschließend über eine der beiden
von der Strahlung definierten diametralen Mantellinien um 900 in die Strahlungsrichtung
umgelenkt. In dieser nunmehr vertikalen Bewegungsrichtung läuft das strangförmige
Cut tanantlal, also gestreckt auf ein weiteres Umlenkelement-auR, das aber gegenüber
dem ersteren in einer gedrehten vertikalen Umlenkebene angeordnet
ist.
In dieser Umlenkebene erfährt das strangförmige Gut eine völlige (1800) Richtungsumkehrung,
so daß es nunmehr wieder vertikal verläuft. In dieser Lage wird das strangförmige
Gut tangential von einem Umlenkelement übernommen, das in einer zu dem ersten parallelen
vertikalen Ebene angeordnet ist und das strangförmige Gut um einen zusätzlichen
Drehwinkel von beispielsweise 900 in eine zur Einlaufrichtung parallele Auslaufrichtung
dreht. Während die Winkelangaben als beispielhaft gelten, besteht das wesentliche
dieser Verfahrensvariante darin, das strangförmige Gut unmittelbar aufeinanderfolgend
über Umlenkelemente zu fUhren, die in verschiedenen Ebenen liegen.
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Zusammengehörige Umlenkelemente stellen ein#Umlenkeinheit dar.
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Eine solche Umlenkeinheit kann ihrerseits als eine kohärente Konfiguration
ausgeführt sein, die keine Unterteilung in einzelne Umlenkelemente aufweist, wie
dies beispielsweise bei rollenbesetzten Kurvenbahnen der Fall ist. Sie weist Jedoch
Zonen auf, die die unterschiedlichen Merkmale der eingangs definierten Umlenkelemente
aufweisen.
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Durch die Kombination einer 450 Schrägumlenkung mit zwei parallel
zur Strahlungsrichtung angeordneten Umlenkelementen erfolgt eine viermal 900-Drehung,
wodurch die fiktive Wanddickenzunahme erheblich reduziert wird. Wesentlich ist jedoch,
daß durch die Führung und Umlenkung des strangförmigen Gutes über mehrere gerlngfügtg
gegen die mittlere Strahlungsrichtung geneigte Umlenkelemente bzw. durch den Einsatz
mehrerer, nur kleine Drehwinkel bewirkender Dreh-Umlenkeinheiten die Oberfläche
des Gutes so feinfühlig unter der Elektronenstrahlung gedreht wird, daß auf sehr
viel rationellere Weise dieselben vernetzungstechnischen Verhältnisse erreicht werden,
wie im Falle des um eine Achse gedrehten Objektes.
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Diese fein abgestufte Drehung durch Schräg- und/oder Drehumlenkungen
kann ausschließlich in der vorausgehend beschriebenen Weise oder auch in Kombination
mit parallel zur Strahlungsrichtung angeordneten Umlenkeinheiten erfolgen, die die
Jeweilige 1800 Umkehrung bewirken.
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Besonders wirtschaftlich gestaltet sich die Schrägumlenkung, wenn
man hierzu nicht profilierte Umlenkwalzen verwendet und das strangförmige Gut durch
seitlich angre#fende F'Uhrungselemente bezüglich derorthogonalen Querschnittsfläche
der Walzen in eine geneigte Umlaufebene zwingt. Den gleichen Effekt erzielt man,
wenn man die Achse der Umlenkwalze oder eines profilierten Rollensatzes aus ihrer
senkrecht zur mittleren Strahlungsrichtung verlaufenden Lage herausdreht, wobei
es vorteilhaft ist, wenn beide Umlenksätze in Laufrichtung des strangförmigen Gutes
gleichartig aus der Orthqsonalen zur Strahlungsrichtung herausgedreht werden.
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Wird das schrägumgelenkte strangförmige Gut durch diese Umlenkung,
die bei Gütern mit hoher Biegesteife zu Umlenkradien von bis zum Zehnfachen ihres
Durchmessers führen kann, aus dem Strahlungsbereich herausgeführt, so läßt sich
das strangförmige Gut durch Umlenkeinhetten, die parallel und senkrecht zur Strahlungsrichtung
verlaufen, in die Strahlungszone zurückführen.
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Nach Maßgabe des durch die Schräg- und/oder Drehumlenkung bewirkten
Drehwinkels des strangförmigen Gutes in Bezug auf die mittlere Strahlungsrichtung
erfolgt bei dessen Rückführung in die Bestrahlungszone ein Parallelversatz und damit
eine ungenutzte Lücke. Diese kann dadurch wirksam genutzt werden, daß das zu bestrahlende
Gut, nachdem es die Bestrahlungszone mehrmais durchlaufen hat,wieder in den Einlaufbereich
zurückgeführt wird und über bisher nicht belegte Umlenkelemente bzw. -Einheiten
derart geführt wird, daß nunmehr oder nach weiteren
gleichartigen
Rückführungen alle verfahrensbedingten Freiräume ausgefüllt werden. Die selbe Lückenfüllung
erhält man, wenn die mit einem Strang des Gutes nicht belegbaren Umlenkelemente
bzw.
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-ELnheiten mit einem anderen strangförmigen Gut belegt werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, gleichzeitig sowohl unterschiedliche
strangförmige Güter zu bestrahlen, als auch unterschiedliche oder gleichartite Güter
mit einer unterschiedlichen Strahlendosis zu beaufschlagen, indem unterschiedliche
Durchlaufgeschwindigkeiten zur Anwendung kommen.
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Mittels der zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichteten Vorrichtung
werden die gleichen optimalen Eestrahlungsbedingungen der Rundumbestrahlung wie
bei der Rotationstechnik erzeugt, ohne daß dazu rotierende Auf- und Abwickler benötigt
werden, durch deren rotierende Massen der Materialdurchsatz Limitiert wird.
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Hierbei können normale Auf- und Ab-Doppelwtckler und -Speicher eingesetzt
werden, so daß keine Stillstand zeiten beim Spulenwechsel entstehen.Auch Produkte
kleineren Durchmessers, die aus wirtschaftlichkeitsgründen nicht von langsam umlaufenden
rotierenden Abwicklern gefahren werden können, werden optimal rundum bestrahlt.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 in schematischer
Darstellung die Verhältnisse einer gerichteten Elektronenbestrahlung am Beispiel
eines isolierten elektrischen Leiters, Fig. 2 ein Diagramm mit Elektronenstrahlungsdosis#Verteilungs
kurven für Materialien mit der Dichte ig/cm3, in Abahängigkeit von dem Produkt aus
Dicke und Dichte, Fig. 3 ein Diagramm mit Kurven der zum Vernetzen einer Isolierhülle
erforderlichen Strahlungsenergie in MeV, in Abhängigkeit von der Isolierwanddicke
in mm, bei unterschiedlichen Leiterdurchmessern,
Fig. 4 in schematischer
Darstellung eine Strahlungsvernetzungs vorrichtung, Fig. 5 die Verlagerung eines
Oberflächenpunktes P durch eine Schrägumlenkung auf eine etwa um 900 gedrehte Mantellinie,
Fig. 6 in schematischer Darstellung eine Ausführungsvariante der Vorrichtung, Fig.
7 schematisch eine für die Schrägumlenkung eingerichtete Umlenkeinheit und Fig.
8 ebenfalls in schematischer Darstellung eine andere Ausführungsform einer Umlenkeinhe
1 t.
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Beispielhaft ist in Fig. 1 der Querschnitt durch ein langgestrecktes
Gut 1 in Form eines elektrischen Leiters 12 mit einer Isolierhülle 13 aus einem
durch Strahlung vernetzbaren Material dargestellt. Wie ersichtlich durchlaufen die
in einer vorgegebenen Richtung in eine Strahlungszone 11 emittierten energtereichen
Strahlen verschiedene Bereiche der Isolierhülle 13 mit unterschiedlicher fiktives
Wanddicke, deren maximaler Be~ reich mit 15 bezeichnet ist. Darüberhinaus befindet
sich ein wesentlicher Bereich der Isolierhülle 13 im Strahlungsschatten 14 des elektrischen
Leiters 12, so daß in diesem beschatteten Bereich 14 überhaupt keine Strahlungseinwirkung
und somit auch keine Vernetzung des Materials erfolgen kann.
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Man erhält nur dann eine optimale Strahlungsabsorption des zu behandelnden
Werkstoffes, wenn die absorbierte Dosis zu beIden Seiten der zylindrischen Isolierhülle
gleich groß ist. Diese Verhältnisse sind durch die Kurven A, B, C und D in dem Diagramm
der Fig. 2 veranschaulicht. Sie gelten für Materialien der Dichte lg/cm3 und für
unterschiedliche Beschleunigerspannungen, nämlich bei der Kurve A für 0,lot MeV,
bei der Kurve B für 0,7 MeV, bei der Kurve C für 1,0 MeV und bei den Kurven D fUr
2,0 MeV.
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In dem Diagramm sind in der Abszissenrichtung mit unterbrochenen Linien
a, b, c und d die Punkte gleicher absorbierter Dosis verbunden, Die Länge dieser
Verbindungslinien a, b, c, d ist ein Maß für die Jeweils optimale Materialschichtdicke,
beispielsweise bei der Vernetzung von Folien- oder Bandmaterial aus durch Strahlungseinwirkung
vernetzbarem Kunststoff. Im Fall isolierter Leiter mit Kreisquerschnitt wird Jedoch
die Wanddicke zu beiden Seiten des Leiters 12 um einen der in Fig.
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1 gezeigten fiktiven Wanddicke 15 entsprechenden Faktor vergrößert.
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In dem Diagramm der Fig. 3 ist durch die Kurven E, F, G und H bezüglich
eines Leiterdurchmessers von 1 mm bzw. 10 mm, 50 mm und 100 mm veranschaulicht,
um wieviel die Beschleunigerspannung der auf der Ordiante in MeV eingesetzten Strahlungsenergie
erhöht werden muß zur Erzielung einer Durchvernetzung der Bereiche 15 fiktiver Wanddicke,
wenn nicht die ganze Oberfläche des strangförmigen Gutes 1 orthogonal bestrahlt
werden kann, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, sowie auch bei der bekannten einfachen
Umkehrung des strangförmigen Gutes und Rückführung desselben durch die Strahlungszone
11 mit dieser hiernach zugekehrten (zuvor beschatteter) Unterfläche. Daraus geht
hervor, daß bei einem Leiterdurchmesser von 100 mm das Isolierungswanddickenverhältnis
bereits 5:1 beträgt. Das heißt aber, daß für die optimale Bestrahlung einer 4 mm
dicken Isolierhülle 13 auf einem solchen Leiter 12 der Kurve H bei etner 3 Materialdichte
von lg/cm eine Beschleunigerspannung von zumindest 4,3 MeV erforderlich ist. Bei
allseitig gleichmäßiger orthagonaler Bestrahlung ist Jedoch diese Beschleunigerspannung
von 4,3 MeV ausreichend für eine optimale Wanddicke des Werkstoffes von mehr als
20 mm, entsprechend der unterbrochenen Linie K in Fig. 5.
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Um den gleichen Effekt wie bel einer orthagonalen Bestrahlung herbeizuführen,
ist eine mehrfache graduelle Schrägumlenkung bzw. Drehumlenkung des strangförmigen
Gutes 1 vor bzw. nach
jedem Durchgang desselben durch die Strahlungszone
ll mittels einer Vorrichtung vorgesehen, wie sie schematisch in Fig. 4 dargestellt
ist. Diese umfaßt eine Strahlungsquelle 8, z.B.
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einen Elektronenstrahlbeschleuniger mit einem Titanfenster in einem
Luftstrecken-Abstandsbereich von etwa PO cm über der Strahlungszone 11, durch welche
das langgestreckte Gut 1 mit mehrfacher Schräg- oder Drehumlenkung hindurchgeführt
wird, und zu beiden Seiten derselben angeordnete Umlenkeinheiten 6, die mit z.B.
schräggelagerten Umlenkelementen 2, 3 bzw. 9, 10 der nachstehend beschriebenen Art
zur gleichzeitigen Umlenkung mit Teildrehung des langgestreckten Gutes eingerichtet
sind.
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Wie dieser Effekt der Schräg- oder Drehumlenkung mittels solcher Umlenkelemente
2, 3 bzw. 4 der Umlenkeinheiten 6 herbeigeführt wird, ist aus den Figuren 5 und
6 ersichtlich. In Fig. 5 ist ein Umlenkelement 4 in Form einer mit einem Neigungswinkel
von z.B. 450, vermehrt oder vermindert um einen zusätzlichen Jeweils gleichen oder
auch unterschiedlichen Drehwinkel gelagerten Profllrolle 10 gezeigt. Um diese wird
das langgestreckte Gut 1 herumgeführt, wobei es nebst der so bewirkten Umlenkung,
entsprechend dem Neigungswinkel der Profilrolae 10, die Relativlage seiner Mantellinien
in Bezug auf seine Längsachse so verändert, daß ein beim Auflaufen des Gutes 1 gegen
oben weisender Punkt P beim Ablauf des Gutes eine mit P' bezeichnete mehr oder weniger
laterale Lage einnimmt. Es versteht sich, daß auf diese Weise für alle Punkte bzw.
Mantellinien der Oberfläche des langgestreckten Gutes 1 die gleiche Drehverlagerung-herbelgeführt
wird.
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Durch die in Fig. 6 gezeigte Kombination eines z.B. als geneigte Profilrolle
10 ausgebildeten Umlenkelementes 4 mit zwei parallel zur Strahlungsrichtung angeordneten
Umlenkelementen 2 bzw. 3, die zu einer Umlenkeinheit 6 zusammengefaßt sein können,
erfolgt eine graduelle vollständige Rundum-Verdrehung des Gutes 1 bei
viermaligem
Durchgang durch die Strahlungszone 11 mit gleichmäßiger orthagonaler Bestrahlung
einer jeweils teilweise unterschiedlichen Partie seiner Oberfläche mit überdeckenden
Randbereichen.
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Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann unter der Voraussetzung einer stets
gleichbleibenden Länge des strangförmigen Gutes 1 zumindest eine der bei dessen
Umlenkung die Oberflächendrehung bewirkenden Umlenkeinheiten 6 als glatter, d.h.
nicht profilierter Umlenkzylinder 9 ausgebildet sein, der um eine senkrecht zur
Strahlungsrichtung verlaufende Achse drehbar angeordnet ist. Um diesen sind als
an dem strangförmigen Gut 1 seitlich angreifende Führungselemente 5 mit entsprechenden
Abständen eine Anzahl von vorzugsweise um ihre zur Achse des Umlenkzylinders 9 senkrecht#Längsachsen
drehbare Wälzkörper in verschiedenen Ebenen sowie in - entsprechend der herbeizuführenden
Schrägumlenkung des Gutes - versetzten Lagen angeordnet, welche die Schräglage des
Gutes bei dessen Umlenkung erzwingen. Derartige Umlenkzylinder 9 werden bevorzugt
für die Strahlungsvernetzung von strangförmigem Gut mit geringen Querschnittsabmessungen
von weniger als etwa 15 mm eingesetzt.
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Den gleichen Effekt wie mit dem Umlenkzylinder 9 mit glatter Oberfläche
und seitlich an dem strangförmigen Gut angreifenden Führungselementen 5 erhält man
bei auf einer gemeinsamen Achse angeordneten profilierten Umlenkrollen 10, wenn
man die gemeinsame Achse aus der Orthagonalen zur mittleren Strahlungsrichtung herausdreht.
Auf diese Weise werden alle Umlenkrollen 10 um denselben Winkel geneigt. Dies kann
gleichermaßen mit einer zweien Umlenkeinheit 6 geschehen, wodurch ein kleineres
absolutes Maß des erforderlichen Drehwinkels erzielt wird.
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Insbesondere bei großen Querschnittsabmessungen des strangförmigen
Gutes und damit gegebenen großen Biegeradien ist es vorteilhaft, jede Umlenkrolle
10 oder jede mit Umlenkrollen 10
besetzte Umlenkeinheit 6 für sich
zu lagern, wie dies in Fig. 8 veranschaulicht ist. Die Umlenkelemente 2, #, 4 bzw.
Umlenkeinheiten 6 werden dann in mehreren parallel zueinander verlaufenden Reihen
hintereinander oder Ubereinander angeordnet.
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Dies ist insbesondere vorteilhaft für die graduelle Verdrehung von
dtckwandigem strangförmigem Gut.