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Elastisch beweglicher Behälter.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein elastisch beweglicher Behälter, der als Vorrichtung zur Förderung (Pumpe) oder Verdichtung (Kompressor) von Flüssigkeiten, gasförmigen Körpern und Dämpfen, als Vorrichtung zur zeitweiligen Unterbrechung und Absperrung von Dampf-und Flüssigkeits- strömen (Ventil), als Ausgleicher von Bewegungen jeder Art, insbesondere zum Ausgleich von Längen- änderungen in Dampf-und Flüssigkeitsleitungen infolge von Temperaturunterschieden und wegen seiner leichten Beweglichkeit zu Steuer-, Regulier-und Signalvorrichtungen sowie dergleichen mehr dienen soll.
Es gibt zwar Behälter mit beweglichen Wandungen, in welchen Ringspannungen praktisch entweder gar nicht auftreten oder trotz ihres Vorhandenseins die Bewegung nicht behindern, wie beispielsweise in den harmonikaartigen Hüllen von wasserlosen Gasbehälter und Blasebälgen oder bei Gummibällen ; jedoch lassen sich in keinem dieser Fälle die Wandungen auf ein beliebig kleines Volumen bis zum Grenzwerte Null zusammenschliessen, ohne dass scharfe Falten entstehen, welche beim elastischen Gummi vorzeitig zu Rissebildungen führen, beiLeder oder gewebeartigen Stoffen aber wegen der stets ausser Betracht fallenden geringen Elastizität nicht mehr von selbst in den Anfangszustand zurückgehen können.
In beiden Fällen hängt die Wirkungsweise von der Eigenart des Werkstoffes ab, dessen Wahl aber in der Regel viel weniger durch die angestrebte Beweglichkeit bedingt ist, als vielmehr durch die notwendige Rücksichtnahme auf Festigkeit, Temperatur usw.
In weiterer Ausgestaltung gibt es auch balgartige Metallmembranen, die so grosse elastische Bewegungen zulassen, dass der Antrieb durch unmittelbare Einwirkung der Schubstange auf den Boden der Membrane erfolgen kann, jedoch erlaubt diese Lösung nur beschränkte Anwendungsmögliehkeiten wegen des grossen schädlichen Raumes.
Immer ist aber mit der Anwendung von Metallmembranen der grosse Nachteil verknüpft, dass schon bei verhältnismässig kleinen Bewegungen unverhältnismässig hohe Materialbeanspruchungen entstehen, welche senkrecht zu den vom Mittelpunkte der Platte ausgehenden Strahlen verlaufen und als Ringspannungen bezeichnet werden. Diese Ringspannungen bewirken entsprechende Dehnungen, welchen das Material wegen der notwendigen festen Verbindung zwischen Zylinder und Membrane nicht folgen kann, so dass am Umfange der Membrane auch noch hohe Schubspannungen auftreten, die mit der Zeit zu einer gewissen Zermürbung des Materials führen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass derartige Membranen tatsächlich nur eine geringe Lebensdauer besitzen.
Es sind ferner zum Ausgleich von Längenänderungen in Dampf-und Flüssigkeitsleitungen ausser den balgartigen Membranen auch rohrähnliche Konstruktionen bekannt, deren Wandungen nach einem Rotationskörper geformt und in der Bewegungsrichtung nach einer Kettenlinie ein-oder ausgebaucht sind, so dass bei Längsverschiebungen ihrer Flanschen im wesentlichen nur Biegungsbeanspruchungen entstehen, welche jeweils von der Tiefe des wellenförmigen Querschnitts senkrecht zur erzeugenden Kettenlinie abhängen.
Demgegenüber wird beim Erfindungsgegenstand, der einen elastisch beweglichen Behälter mit einer in seiner Bewegungsrichtung beliebigen veränderlichen Höhe und einer senkrecht zu seiner Bewegung richtung beliebigen eckigen Querschnittsform darstellt, in Übereinstimmung mit der Seitenzahl dieser Querschnittsform die federnde Behälterwandung zu radial von den Ecken nach der Mitte verlaufenden
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räumliehen Gelenken ausgestaltet, deren dreidimensionale elastische Bewegung diejenigen Widerstände aufhebt, welche die Ursache von Ringspannungen in der Behälterwandung sind.
Infolgedessen wird hier die Beweglichkeit unter sonst gleichbleibenden Voraussetzungen als Durchmesser, Überdruck u. dgl. nur abhängig von der Wandstärke des Behälters, nicht aber von seiner räumlichen Gestaltung und Quer- sehnittsform, so dass von allen Möglichkeiten zur Vergrösserung der Bewegung das Höchstmass erreicht wird.
Diese Bewegung beruht auf der Ausschaltung der Ringspannungen, deren Wirkungsweise aus Fig. l a und l b hervorgeht, in welchen eine quadratische, ringsum frei aufliegende, dünnwandige Platte dargestellt ist, deren Diagonalen bis zu dem mittleren schraffierten Flächenstück, dessen Seitenlänge 2 a ist, aufgeschnitten sind.
Bei einer Belastung des letzteren nimmt das so entstandene Gebilde die in der Seitenansicht
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ist, kann eine Formänderung im dargestellten Sinne nur insoweit erfolgen, als die vier Trapezflächen D in der Richtung ihrer parallelen Seiten und in ihrer vollen Breite elastisch nachgeben und das neue Gebilde zu einem Pyramidenstumpf geschlossen werden kann.
Dieser Vorgang lässt sich ebenso auch in der umgekehrten Entwicklung darstellen, indem man zwei gleich grosse, abgestumpfte Pyramiden von beliebiger Seitenzahl (Fig. 1b) mit ihren beiden Grundflächen zu einem geschlossenen Hohlkörper vereinigt und denselben alsdann durch Aufschneiden seiner diagonalen
Kanten in zwei ebene Scheiben gemäss der Fig. la zusammenklappen lässt. Während dieser Bewegung lösen sich die trapezförmigen Pyramidenflächen voneinander los, wobei an jedem Eckpunkte von aussen nach innen zu verlaufende Ausschnitte entstehen, welche die erforderliche Dehnung der Trapezfläehen in der Richtung ihrer parallelen Seiten anzeigen für den Fall ; dass die ursprüngliche Verbindung der diagonalen Kanten wiederhergestellt werden soll.
Da für die notwendige Längenänderung der vier Trapezflächen eine ungleich grössere Kraft erforderlich ist als zur Durchbiegung des in Richtung der Diagonalen aufgeschnittenen Gebildes, so folgt, dass bei der Durchbiegung einer geschlossenen, ringsum frei aufliegenden Platte oder Pyramidenfläche der überwiegende und allein massgebende Widerstand in den Ringspannungen liegt.
Beim Erfindungsgegenstand treten keinerlei Ringspannungen auf. Diejenigen Widerstände, welche als Ursache der Ringspannungen bei Platten und räumlichen Gebilden in Erscheinung treten und damit bei elastischen Formänderungen das überwiegende und massgebende, bei geometrischen Formänderungen aber das alleinige und ausschliessliche Hindernis darstellen, werden durch die Anordnung von räumlichen
Gelenken, die in den Fig. 2-4 mit G bezeichnet sind, aufgehoben.
Hiebei wird unter geometrischen Formänderungen räumlicher Gebilde und Platten (die ebene Platte kann in diesem Zusammenhange als Grenzfall des räumlichen Gebildes angesehen werden) jede Veränderung eines an sich beweglichen theoretischen Systems unter der Voraussetzung reibungsloser Gelenke in den Verbindungen von Kanten und Flächen verstanden. Diese Voraussetzung lässt sich in Wirklichkeit nur bei räumlichen Stabgebilden annähernd erfüllen. Für Behälter kommen lediglich Verbindungen mit einem gewissen Biegungswiderstand in Frage, und es werden alle unter dieser Voraussetzung eintretenden Formänderungen eines an sich beweglichen theoretischen Systems als solche elastischer Art bezeichnet.
Nach dieser Erklärung ergibt sich der elastisch-räumliche Behälter im Sinne der Fig. 2a und 2b auch aus zwei gleich grossen abgestumpften Pyramiden oder Platten mit beliebig vielen Ecken, die an ihrem Umfange miteinander verbunden werden und entsprechend Fig. 1 an jedem Eckpunkte von aussen nach innen zu verlaufende Ausschnitte von solcher Weite J-J = 2 c erhalten, dass hierin die räumlichen Gelenke G Platz finden.
Letztere können eine der Fig. 3, 4a und 4b dargestellten oder diesen ähnliche Form haben. Sie erhalten ihren Antrieb aus der Bewegung der schrägen Behälterflächen D (Fig. 2), die mit zunehmendem Hube H eine zunehmende Verkleinerung der erwähnten Ausschnitte bzw. Abstände J-J bewirken und infolge ihrer Bewegung einen ständigen Druck auf die Punkte J des Raumgelenkes C ausüben.
Diesem Drucke nachgebend, führt das Raumgelenk eine gleichgerichtete Bewegung aus, deren Vorgang aus den in Fig. 3 gezeichneten beiden Stellungen ersichtlich ist. Die Bewegung des Raumgelenkes stimmt innerhalb genügend weiter Grenzen mit der Bewegung der schrägen Behälterfächen D genau überein, wenn die Abmessungen des Raumgelenkes die Bedingungen für den vorgeschriebenen Bewegungvorgang erfüllen. Hat sich z.
B. durch die Bewegung der Seitenflächen D aus der Stellung H = 0 in
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verringert, wie in Fig. 3 dargestellt, so kann das Raumgelenk G so bemessen werden, dass es nicht nur mit dem Abschluss der Bewegung (entsprechend dem punktiert gezeichneten Zustande) genau denselben Hub IT besitzt wie die Seitenfläche D, sondern auch in allen Zwischenstellungen mit dieser übereinstimmt.
Die Bewegung des Behälters als geschlossene Einheit erfolgt im Sinne der vorstehend gegebenen Erklärung durch elastische Verformung, indem sich die Einzelteile an Stelle reibungsloser Gelenke unter - Überwindung ihres Biegungswiderstandes federnd gegeneinander bewegen. Mit dem Aufhören der äusseren Antriebskraft kehrt der Behälter in seine Anfangsstellung zurück.
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Der Behälter ist in seiner Arbeitsweise eine räumlich wirkende Feder, deren grosse Beweglichkeit auf dem Raumgelenk beruht. Die Bedeutung des Raumgelenks und der in seiner Verbindung mit dem Behälter liegende technische Fortschritt besteht darin, dass für jede beliebig kleine Änderung des Abstandes c jeder beliebig grosse Hub H zwischen den Spitzen L des Raumgelenks hergestellt werden kann.
Beispielsweise kann bei einer Verschiebung des Punktes J um A = 0' o4 mm-wie sie bei elastischen Bewegungen der seitlichen Deckflächen gemäss Fig. 2 für 1 = 57'5 mm etwa eintreten-ein
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jede andere Bewegung des Raumgelenks möglich, wenn es dementsprechend bemessen wird.
Zur Erzielung geringer Bewegungswiderstände sind Wandungen von geringer Stärke und dementsprechend geringen Trägheitsmomenten erforderlich, doch bedürfen dieselben in der Regel einer Sicherung gegen Ausknicken, welche am zweckmässigsten durch eine Verstärkung der schrägen Seiten- flächen D in Form von aufgelegten Platten oder eingepressten Rippen in einer solchen Breite f erfolgt, dass gemäss Fig. 2 die federnde Wirkung der beiden anliegenden Flächenstreifen v bzw. w im notwendigen Ausmasse vorerst gewährleistet ist. Soweit erforderlich, kann im übrigen gemäss Fig. 2 auch zwischen den Raumgelenken G und den Stirnseiten der Verstärkungen ein ähnlicher Flächenstreifen von der Breite u vorgesehen werden.
Die schrägen Seitenflächen D dienen aber zugleich auch als Stützpunkte gegen den inneren Überdruck, indem sie zum Zwecke des Antriebes entweder auf mechanischem Wege durch ein starr mit ihnen verbundenes System biegungsfester Gelenkstäbe oder auf elektromagnetischem Wege durch unmittelbare Einwirkung der bewegenden Kräfte ihre zwangsläufige Bewegung erhalten.
In Fig. 2 ist die Entlastung der schrägen Seitenflächen D auf mechanischem Wege dargestellt, der sich ganz allgemein und für jeden Bedarfsfall anwenden lässt. Hienach sind die Seitenflächen D auf die Länge f ihres verstärkten Mittelteils mit den Gelenkstangen S, T starr und biegungsfest verbunden, so dass sie mit diesen stets die gleiche Bewegung um ihren gemeinsamen Drehpunkt ausführen und mit diesen auch stets die gleiche Neigung haben.
Die beiden Gelenkstangen sind in der Mitte gegen die Behälterflanschen P beweglich abgestützt (beispielsweise durch Rollen C) und an den Aussenseiten durch die Scharniergelenke Q miteinander verbunden, wobei die Anordnung mit Hilfe eines geschlitzten Hohlzapfens so getroffen ist, dass die Mittelpunkte von Q mit den Drehpunkten der Seitenflächen D
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und zwecks Regulierbarkeit der Ventile ohne Veränderung des bestehenden Zustandes, gleichgültig, ob die Ventile in Betrieb sind oder nicht.
Während beim Kompressor der schädliche Raum auf ein Minimum zu beschränken ist und mit der in der Fig. 2 gewählten Behälterform für den geschlossenen Zustand tatsächlich fast zu Null wird, indem seitliche Deckflächen D und Raumgelenke G so bemessen werden können, dass sie bei geschlossenem Zustand in ebene Flächen übergehen, brauchen bei der Ausbildung des Behälters für Pumpen und Ventile derartige Rücksichten nicht immer genommen zu werden. Ihre Gestaltung kann beispielsweise im Sinne der Fig. 5 durch Einfügung eines Prismas mit der beliebigen Höhe A beiderseits der Mittelachse oder in einer andern zweckentsprechenden Weise erfolgen, wenn nur die grundsätzliche Forderung erfüllt wird, dass das theoretische System beweglich ist.
Die Anwendung des beweglichen Behälters auf das selbsttätige Ventil einer Kältemaschine zeigen die Fig. 6 und 7, welche sich voneinander nur durch die Anordnung der Schraubenfedern F zum Regulieren der Ventilbewegungen unterscheiden. In Fig. 6 liegt die Feder F innerhalb des Ventilgehäuses, in Fig. 7 ausserhalb desselben. Nachdem die Ventile zwischen den Stutzen A (Fig. 2) und der Saug-bzw. Druckleitung fest eingebaut werden, ist für die aus einem beweglichen Behälter B entstehende Verschiebung ein Ausgleich erforderlich in Gestalt eines zweiten gleich grossen und gleich beweglichen Behälters B.
Beide Behälter ergänzen sich in ihren Bewegungen innerhalb eines Steifrahmens N, an dem sie mit ihren äusseren Flanschen festgehalten sind, während die inneren Flanschen durch ein sie verbindendes Rohrstück R die gleichen Bewegungen nach beiden Richtungen ausführen können.
Mit dieser Anordnung wird aber zugleich auch die Unabhängigkeit der Feder von der vorhandenen Flüssigkeitsspannung gesichert wie bei jedem andern Ventil innerhalb eines festen Gehäuses. Abgesehen vom elastischen Widerstand-also unter der Voraussetzung reibungsloser Gelenke-, befinden sich nämlich die mit dem Rohrstück R zu einem geschlossenen Ganzen vereinigten beiden Behälter in jeder Stellung im Gleichgewicht, und die Feder hat bei geöffnetem Ventil somit nur den Druck der durchströmenden Flüssigkeit auf den Ventilteller aufzunehmen.
Dabei gelten als Feder in obigem Sinne auch die beiden beweglichen Behälter B, wenn gemäss Fig. 7 die Schraubenfeder aussen liegt und der Ventilteller V mit dem Rohrstück R in fester Verbindung steht. Demgegenüber ist gemäss Fig. 6 bei innenliegender Schraubenfeder eine Trennung der Funktionen insofern möglich, als die beweglichen Behälter lediglich zur Regulierung der Feder vorgesehen sind und diese selbst der alleinigen Sicherung des Abschlusses dient. In diesem Falle sind Ventilteller V und Rohrstück R in ihren Bewegungen voneinander unabhängig.
Die Regulierung der Federspannung erfolgt in beiden Fällen durch eine Schraube M, die sich im Gewinde eines vom Rahmen N gehaltenen Ringes U auf und ab bewegen lässt und ihre Bewegung auf die Schraubenfeder F und die beiden Behälter B überträgt.
Die in Fig. 6 und 7 entwickelten Konstruktionen für selbsttätige Ventile können grundsätzlich auch auf das Absperrventil übertragen werden, wenn dieses gemäss Fig. 8 in eine Rohrleitung eingebaut ist, jedoch dienen die beiden beweglichen Behälter B hier lediglich zum Ausgleich ihrer Bewegungen innerhalb der beiden feststehenden Flanschen. Das Rohrstück R betätigt das mit ihm verbundene Teller- ventil V und ist zu diesem Zwecke nach Massgabe der big. 8 durch das starr und unbeweglich auf ihm befestigte Gewindestück W zu einer Schraubenspindel ausgestaltet, die bei Drehung der zugehörigen Mutter M die gewünschte Öffnung des Ventils bewirkt, wobei die beiden Behälter B in bekannter Weise dieser Bewegung folgen.
Die als Handrad geformte Mutter M hält gleichzeitig die beiden äusseren Ventilkörper X und Y durch entsprechende Gestaltung ihrer Führungsleisten E in fester gegenseitiger Verbindung und erfüllt auf diese Weise die Aufgabe des in Fig. 6 und 7 vorgesehenen Steifrahmens N.
Bei Eekventilen und Ablaufhähnen ist nur ein beweglicher Behälter B erforderlich, und man ersieht aus der Darstellung gemäss Fig. 9, dass der bewegliche Behälter zur Herstellung einer absolut dichten Verbindung als Ersatz für jede Stopfbüchse verwendet werden kann, wenn die durch ihn zu übertragenden Bewegungen in den mit der Eigenart der Konstruktion gegebenen Grenzen liegen.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind die Kompensatoren zum Ausgleich von Längenänderungen in Dampf-und Flüssigkeitsleitungen infolge Temperaturänderungen, wobei zur Erzielung einer bestimmten Bewegung mehrere Behälter zu einem geschlossenen Ganzen hintereinander geschaltet werden. Dasselbe gilt für die Verwendung zu Zerstäubern und ähnlichen Apparaten, bei welchen eine möglichst grosse Bewegung in Verbindung mit einem möglichst kleinen Umfange der Behälter erwünscht ist.
Die Behälter können in einer einheitlichen Wandstärke ausgeführt werden und erfahren nur durch die beiden Flanschen und soweit erforderlich in den Mittelteilen der seitlichen Deckflächen D eine kräftige biegungsfeste Verstärkung durch aufgelegte Platten oder Rippen von der Breite f.
Die Herstellung des Behälters in seiner einheitlichen Stärke kann in der Weise erfolgen, dass derselbe mit Hilfe der Ziehpresse in zwei vollkommen gleichen Hälften gezogen und sodann längs seines Umfanges in geeigneter Weise geschlossen wird, wobei die notwendige Überlappung auf die elastische Bewegung des Ganzen ohne nennenswerten Einfluss ist.
Diese Art der Herstellung gilt auch für Pumpen gemäss Fig. 5, wobei die beiden Hälften mit der beliebigen Höhe h nahtlos gezogen werden können.