CH704934A2 - Vakuumventil-Balg. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Balg (8) vorgesehen, welcher einen Hauptströmungsweg, der durch ein Ventilelement geöffnet oder geschlossen werden kann, und welches Ventilelement in Kontakt mit einem Ventilsitz steht oder sich von diesem wegbewegt, von einer Antriebseinheit, zum Antreiben des Ventilelementes mittels eines Stabes, welcher von diesem Balg (8) umschlossen ist, trennt. Der Balg (8) ist abwechselnd und kontinuierlich entlang einer peripheren Wand eines metallischen Rohres und in axialer Richtung dieses metallischen Rohres, mit ringförmigen Tal-Bereichen, welche sich nach innen des metallischen Rohres wölben und mit ringförmigen Berg-Bereichen, welche sich nach aussen dieses metallischen Rohres wölben, versehen. Tal R / Berg R, was der Quotient von Tal R zu Berg R ist, liegt im Wertebereich von 1.15 und 1.70, wobei Tal R der Radius des Kurvenverlaufs des Tal-Bereichs im Querschnitt ist, und Berg R der Radius des Kurvenverlaufs des Berg-Bereichs im Querschnitt ist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vakuumventil-Balg für die Verwendung in einem Vakuumventil, um eine Antriebseinheit für das Antreiben eines Ventilelementes von einem unter Luftunterdruck stehenden Hauptströmungsweg zu trennen.

[0002] In der Regel, wie beispielsweise in der Japanischen ungeprüften Patent Anmeldung Nr. 2004-340 344 offenbart, wird bei einem Vakuumventil, auch als Hochvakuum-L-Ventil bekannt, eine Antriebseinheit für ein Ventilelement mittels eines formgepressten Balges vom einem unter Luftunterdruck stehenden Hauptströmungsweg getrennt. Dies entspricht im Wesentlichen dem Vakuumventil gemäss Fig. 3, mit Ausnahme des detaillierten Aufbaus des Balges.

[0003] Dieser Aufbau soll hier im Detail beschrieben werden. Das Vakuumventil umfasst einen ersten Hauptanschluss, einen zweiten Hauptanschluss, wobei entweder der erste Hauptanschluss mit einer Vakuumkammer und der zweite Hauptanschluss mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, oder umgekehrt, einen ringförmigen Ventilsitz, welcher in einen Hauptströmungsweg, welcher die oben genannten Hauptanschlüsse eines Gehäuses verbindet, eingeformt ist, ein scheibenförmiges Ventilelement, welches mit dem Ventilsitz in Kontakt kommt oder von diesem Abstand nimmt, und dabei den Hauptströmungsweg öffnet oder schliesst, und eine Antriebseinheit, um einen Stab axial anzutreiben, welcher Stab mit dem Ventilelement verbunden ist, um das Ventilelement zu veranlassen eine Öffnungs- und Schliessbewegung auszuführen. Um die Antriebseinheit des Ventilelementes von dem im Gehäuse verlaufenden und unter Luftunterdruck stehenden Hauptströmungsweg zu trennen, ist ein ausdehn- und zusammenziehbarer, formgepresster Balg zwischen der Peripherie des scheibenförmigen Ventilelementes und dem Gehäuse derart vorgesehen, dass dieser den Stab umgibt.

[0004] Typischerweise wird der oben beschriebene bekannte Vakuumventil-Balg mittels hydrostatischer Umformung hergestellt, wobei mehrere ringförmige Formkörper mit gleichen Intervallen um ein unbearbeitetes Rohr aus Metall angeordnet werden, und dieses an beiden Enden in flüssigkeitsdichtender Weise abgedichtet wird, und in das unbearbeitete Rohr eine unter Hochdruck stehende Flüssigkeit eingebracht wird, welche dazu führt, dass diejenigen Partien des äusseren Randes des unbearbeiteten Rohres, welche nicht in Kontakt mit den ringförmigen Formkörpern stehen, sich nach Aussen wölben, und der Abstand zwischen den mehreren ringförmigen Formkörpern reduziert wird, und die Bereiche des unbearbeiteten Rohres, welche ringförmig nach Aussen gewölbt wurden, als Berg-Bereiche fungieren, und die ringförmigen Bereiche, welche nicht gewölbt wurden als Tal-Bereiche fungieren.

[0005] Typischerweise, ist dieser umgeformte Balg so geformt, dass der Radius des Kurvenverlaufs des Berg-Bereichs im Querschnitt (Berg R) gleich ist dem Radius des Kurvenverlaufs des Tal-Bereichs im Querschnitt (Tal R). Wenn der umgeformte Balg in einem Vakuumventil befestigt und verwendet wird, und der Balg sich expandiert und kontrahiert, führt die wirkende Spannung dazu in den Tal-Bereichen, eher als in den Berg-Bereichen, einen Ermüdungsbruch zu verursachen. Für gewöhnlich wird im mittleren Bereich der Seitenfläche eines Tal-Bereichs des Balges (Bereich a in Figur 1) ein Riss erzeugt, was im Ablauf zum Ende der Lebensdauer führt.

[0006] Um das oben beschriebenen Problem, nämlich dass ein Ermüdungsbruch im Tal-Bereich des umgeformten Balges auftritt, zu überwinden, führte der gegenwärtige Erfinder Experimente und Computersimulationen durch, um die maximale Spannung und Änderungen der Verteilung derselben, welche von Änderungen verschiedener Parameter hervorgerufen werden, und spezifischer, um das Ausgleichen der durch Änderung der Anzahl von Berg-Bereichen des Balges, der Dicke des metallischen Rohres, welches den Balg bildet und der Dicke eines Halters am Ende des Balges, erzeugte Deformierbarkeit zu untersuchen. Als ein Ergebnis wurde gefunden, dass einfache und effektive Mittel für den Ausgleich der Spannungen, welche auf die äusseren ringförmigen Berg-Bereiche und die inneren ringförmigen Tal-Bereiche wirken, wenn der Vakuumventil-Balg so weit wie möglich expandiert und kontrahiert wird, darin bestehen die Radii des Kurvenverlaufs in den Tal- und Berg-Bereichen im Querschnitt (Tal R und Berg R) relativ zueinander abzugleichen, um die Lebensdauer des Balges zu verlängern.

[0007] Die vorliegende Erfindung basiert auf den obigen Erkenntnissen, und eine technische Aufgabe daraus besteht darin, die Spannungen, welche auf die inneren ringförmigen Tal-Bereiche und die äusseren ringförmigen Berg-Bereiche wirken, wenn der Vakuumventil-Balg so weit wie möglich expandiert und kontrahiert wird, auszugleichen, um die Lebensdauer des Balges zu verlängern, und dies durch das Abstimmen der Radii des Kurvenverlaufs der Tal- und Berg-Bereiche im Querschnitt auf einen geeigneten Wertebereich.

[0008] Ausserdem soll der Vakuumventil-Balg hauptsächlich derart verwendet werden, dass die axiale Länge des Balges, bei welcher das Ventilelement in einer Position, bei welcher es in Kontakt mit dem Ventilsitz steht, als die freie Länge des Balges fungiert oder derart, dass die axiale Länge des Balges, bei welcher das Ventilelement in einer Position, bei welcher es in Kontakt mit dem Ventilsitz steht, als die Länge fungiert, welche von der freien Länge ausgedehnt ist zu einer Position, bei welcher das Ventilelement in Kontakt mit dem Ventilsitz steht. Deshalb ist es in jedem Fall wünschenswert, dass die Spannungen, welche auf die Tal- und Berg-Bereiche wirken, wenn der Balg expandiert und kontrahiert wird, so gleich wie möglich gemacht werden. Als ein Ergebnis einer Untersuchung der vom gegenwärtigen Erfinder ausgeführten obigen Computer Simulation, wurde gefunden, dass es, wie unten näher beschrieben, ein effektiver Weg, um den Grad der Metall-Ermüdung als Folge von wiederholter Spannung auszugleichen, ist, beim Bestimmen einer geeigneten Wertebereiches des Quotienten aus den Radii des Kurvenverlaufs der Tal- und Berg-Bereiche im Querschnitt (Tal R / Berg R), auf die Spannungs-Amplitude in den Tal- und Bergbereichen, während das Ventilelement eine Öffnungs-/Schliessbewegung ausübt, Bezug zu nehmen, unabhängig davon, wie weit der Balg auseinandergezogen ist (Kompressionsverhältnis, unten beschrieben), wenn das Ventilelement in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz steht.

[0009] Ein anderer technischer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein geeignetes Verhältnis von Tal R zu Berg R, auf Basis der obigen Erkenntnisse, zu erhalten.

[0010] Zu diesem Zweck, schafft die vorliegende Erfindung einen Vakuumventil-Balg, welcher an einem Vakuumventil befestigbar ist, welches einen Hauptströmungsweg umfasst, welcher mit einem scheibenförmigen Ventilelement, welches mit einem Ventilsitz in Kontakt stehen oder sich davon wegbewegen kann, geöffnet oder geschlossen werden kann, und eine Antriebseinheit, um das Ventilelement über einen Stab anzutreiben, derart dass der Stab von diesem Balg umgeben ist um den Hauptströmungsweg von der Antriebseinheit zu trennen. Der Balg ist abwechselnd und kontinuierlich entlang einer peripheren Wand eines metallischen Rohres und in axialer Richtung dieses metallischen Rohres, mit ringförmigen Tal-Bereichen, welche sich nach innen des metallischen Rohres wölben und mit ringförmigen Berg-Bereichen, welche sich nach aussen dieses metallischen Rohres wölben, versehen. Tal R / Berg R, was der Quotient von Tal R zu Berg R ist, liegt im Wertebereich von 1.15 und 1.70, wobei Tal R der Radius des Kurvenverlaufs des Tal-Bereichs im Querschnitt ist, in einem Zustand, in welchem keine äusseren Kräfte vom Stab auf den Balg wirken.

[0011] Für den obigen Vakuumventil-Balg, ist es vorteilhafter, wenn der R Quotient im Wertebereich von 1.20 und 1.55 liegt.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Vakuumventil-Balges, entspricht die axiale Länge des Balges der freien Länge des Balges, wenn das Ventilelement in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz ist, und ist die freie Länge des Balges um den Totalbetrag der Auslenkung komprimiert, wenn das Ventilelement in seiner voll geöffneten Position steht.

[0013] Ferner ist, in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen Vakuumventil-Balges, wenn das Ventilelement in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz steht, der Balg in einem Zustand, in welchem er aus der freien Länge des Balges auseinandergezogen ist bis auf eine Position, in welcher das Ventilelement in Kontakt mit dem Ventilsitz steht und, wenn das Ventilelement in einer voll geöffneten Position steht, ist der Balg aus der freien Länge des Balges um den Totalbetrag der Auslenkung komprimiert.

[0014] In diesem Fall, die Länge, um die der Balg auseinandergezogen ist, wenn das Ventilelement in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz ist, kann gleich oder kleiner sein als die Länge, mit welcher der Balg kann komprimiert sein wenn das Ventilelement in seiner voll geöffneten Position steht.

[0015] Ausserdem ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das metallische Rohr, welches den Balg bildet, mittels Tiefziehen eines dünnen metallischen Bogens aus rostfreiem Stahl geformt.

[0016] In Übereinstimmung mit der oben im Detail beschriebenen Erfindung, und unter Verwendung von einfachen Mitteln, mit denen das metallische Rohr mittels hydrostatischer Umformung umgeformt wird und durch eine Anpassung der Radii des Kurvenverlaufs der Tal- und Berg-Bereiche des Vakuumventil-Balges im Querschnitt relativ zueinander und durch das Einstellen des Quotienten aus den Radii des Kurvenverlaufs auf einen geeigneten, wie oben beschriebenen Wertebereich, können die auf die Tal- und Berg-Bereiche wirkenden Spannungen so gleich wie möglich gemacht werden, um dadurch die Lebensdauer des Balges zu erhöhen.

[0017] Ausserdem, und in Übereinstimmung mit der Erfindung, und durch das Bestimmen eines geeigneten Wertebereichs für den Quotienten aus den Radii des Kurvenverlaufs der Tal- und Berg-Bereiche (Tal R / Berg R), unter Bezug zu den Spannungsamplituden im Tal- und Berg-Bereich und während das Ventilelement eine Öffnungs-/Schliessbewegung ausübt, kann ein Balg, bei welchem der Grad der Metallermüdung aufgrund wiederholter Spannungen ausgeglichen ist, geschaffen werden, unabhängig davon, wie stark der Balg ausgelenkt wird (Kompressions-Quotient), wenn das Ventilelement in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz steht. Fig. 1<sep>zeigt eine vertikale Querschnittdarstellung durch den relevanten Teil einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumventil-Balges; Fig. 2<sep>zeigt eine perspektivische Schnittbilddarstellung des relevanten Teils der Ausführungsform; Fig. 3<sep>zeigt eine Querschnittdarstellung eines Hochvakuum-L-Ventils mit dem ausführungsgemässen Vakuumventil-Balg; Fig. 4<sep>zeigt ein Daten-Diagramm der Spannungsamplitude des Balges, gemäss Tabelle 1, in Anhängigkeit zum R-Verhältnis; Fig. 5<sep>zeigt ein Daten-Diagramm der Spannungsamplitude des Balges bei einem Kompressions-Verhältnis von 75%, gemäss Tabelle 2, in Abhängigkeit zum R-Verhältnis; Fig. 6<sep>zeigt ein Daten-Diagramm der Spannungsamplitude des Balges bei einem Kompressions-Verhältnis von 50%, gemäss Tabelle 3, in Abhängigkeit zum R-Verhältnis; Fig. 7<sep>zeigt ein Diagramm der Maximalspannungen des Balges bei unterschiedlichen Kompressions-Verhältnissen in Abhängigkeit zum R-Verhältnis.

[0018] Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Vakuumventil-Balges, und Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Vakuumventils mit Balg.

[0019] Vorerst und mit Bezug auf Fig. 3, soll der Aufbau des Vakuumventils, wie für das Anbringen des oben beschriebenen Vakuumventil-Balges verwendet, beschrieben werden. Dieses Vakuumventil umfasst einen ersten Hauptanschluss 3, einen zweiten Hauptanschluss 4, wobei entweder der erste Hauptanschluss 3 mit einer Vakuumkammer und der zweite Hauptanschluss 4 mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, oder umgekehrt, einen ringförmigen Ventilsitz 5, welcher in einen Hauptströmungsweg 2, welcher die Hauptanschlüsse 3 und 4 eines Gehäuses 1 verbindet, eingeformt ist, ein scheibenförmiges Ventilelement 6, welches den Ventilsitz 5 kontaktiert oder davon Abstand nimmt, und dabei den Hauptströmungsweg 2 öffnet oder schliesst, einen Stab 7, welcher mit dem Ventilelement 6 verbunden ist, und eine Antriebseinheit 10, um den Stab 7 axial anzutreiben, um das Ventilelement 6 eine Öffnungs- und Schliessbewegung ausführen zu lassen.

[0020] Der Aufbau eines Antriebssystems, bei welchem der Antriebsteil 10 das Ventilelement 6 über den Stab 7 antreibt, soll nun beschrieben werden. Bei diesem Antriebssystem ist ein Ende des zum Antreiben vorgesehenen Stabes 7 mittig an der Rückseite des Ventilelementes 6 befestigt, und wird der Stab 7 vom Antriebsteil 10 axial angetrieben. Weil es erforderlich ist, den Antriebsteil 10, welcher von dem Gehäuse 1 für den Hauptströmungsweg 2 separiert ausgebildet ist, von dem das Ventilelement 6 umströmenden Hauptströmungsweg 2, welcher vom Ventilelement 6 geöffnet oder geschlossen wird, und welches Ventilelement 6 in Kontakt mit dem Ventilsitz 5 kommt oder sich von diesem wegbewegt, zu trennen, ist ein ausdehn- und zusammenziehbarer Balg 8 vorgesehen, derart dass der Stab 7 ummantelt ist. Somit ist, wenn die Vakuumpumpe in Betrieb ist, die Aussenseite des Balges 8, welche den Hauptströmungsweg 2 mitbildet, einem Luftunterdruck ausgesetzt, und ist das Innere des Balges einem atmosphärischen Druck ausgesetzt. Darüber hinaus ist zwischen der Rückseite des Ventilelementes 6 und einer Trennwand 11 der Antriebseinheit 10, eine wendeiförmige Rückstellfeder 9 vorgesehen, welche das Ventilelement 6 in eine Richtung zwingt, in welcher das Ventil geschlossen ist.

[0021] Der Stab 7 ragt durch das Gehäuse 1 und ist entlang der Zentralachse desselben angeordnet, und das Basisende desselben reicht durch die Trennwand 11 der Antriebseinheit 10 und ist mit einem in einer Zylinderkammer 12 angeordneten Kolben 13 verbunden. Ausserdem ist eine Stopperhülse 17 am Stab 7 und an der Rückseite des Ventilelementes 6 befestigt, welche Stopperhülse 17 mit seinem Ende mit einem zentralen Rohrteil 11a der Trennwand 11 in Kontakt kommt und dadurch die volle Öffnungsstellung des Ventilelementes 6 begrenzt und den Hub des Ventilelementes 6 bestimmt. Darüber hinaus definiert der Kolben 13 mit der Trennwand 11 eine Druckkammer 14. Weil die Druckkammer 14 mit einer Arbeitsmündung 16 kommuniziert, welche Arbeitsmündung 16 in einer Seitenfläche des Zylinderkörpers 15 angebracht ist, wird das Ventilelement 6, mit Hilfe der Zufuhr eines Druckfluids von aussen zur Arbeitsmündung 16, in eine Richtung weg vom Ventilsitz 5 bewegt.

[0022] Der ausdehnbare und kontrahierbare Balg 8 ist so gestaltet, dass dieser an der Hinterseite des Ventilelementes 6 den Stab 7 und die Rückstellfeder 9 umschliesst. Ein Ende des Balges 8 ist in luftdichter Weise an der Rückseite des Ventilelementes 6 befestigt, und das andere Ende des Balges 8 ist an einer Trägerplatte 8a befestigt, welche zwischen einem Ende des Gehäuses 1 und der Trennwand 11 angeordnet ist. Der Balg 8 ist aus einem metallischen Rohr gefertigt, welches durch Tiefziehen eines dünnen metallischen Bogens aus rostfreiem Stahl besteht. Der Balg 8 ist ein umgeformter Balg, in welchem ringförmige Tal-Bereiche 21, die sich nach innen wölben, und ringförmige Berg-Bereiche 22, die nach einwärts gerichtet sind, abwechselnd und kontinuierlich in der peripheren Wand in axialer Richtung des metallischen Rohres eingeformt sind.

[0023] Wie oben erwähnt, neigt bei einem Vakuumventil mit konventionellem Balg, neigt dieser beim Dehnen und Kontrahieren des Balges zu mehr Spannungen in den Tal-Bereichen als in den Berg-Bereichen. Deshalb tritt im Einsatz oft ein Ermüdungsbruch im Tal-Bereich auf, welcher die Lebensdauer beendet. Hingegen besteht bei dem geformten Balg 8 der vorliegenden Erfindung, aufgrund der Erkenntnis, ein effektiver Weg zur Lösung des obigen Ermüdungsbruch-Problems darin, den R Quotienten, welcher das Verhältnis von Tal R zu Berg R ist, auf einen geeigneten Wertebereich festzulegen, und aufgrund der unten angegebenen Resultate der Experimente und der Computer-Simulation, den R Quotient auf einen geeigneten Wertebereich, d.h. einen Wertebereich, bei welchem die auf die inneren Tal-Bereiche 21 und die äusseren Berg-Bereiche 22 wirkenden Spannungen, wenn der Balg ausgedehnt und kontrahiert wird, so gleich wie möglich sind, festzulegen.

[0024] Als Folgerung, und um die auf die Tal-Bereiche 21 und die Berg-Bereiche 22 wirkenden Spannungen so ausgeglichen wie möglich zu halten, erweist es sich als effektiv, wenn bei einem Zustand, in welchem keine äusseren Kräfte vom Stab 7 auf den Balg 8 selbst (freie Länge) wirken, dass der R Quotient im Wertebereich von 1.15 und 1.70 liegt, und bevorzugt, dass der R Quotient im Wertebereich von 1.20 und 1.55 liegt.

[0025] Wenn der Balg 8 an der Peripherie des Stabes 7 des Vakuumventils montiert wird, wird er derart eingesetzt, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 steht, der freien Länge des Balges 8 selbst entspricht. Damit entspricht die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in seiner voll geöffneten Position steht, einer Länge, welche um den totalen Auslenkungsbetrag gegenüber der freien Länge des Balges 8 verringert ist, und ist der Balg 8 gegenüber der freien Länge um den totalen Auslenkungsbetrag komprimiert. Daten zum R Quotienten und andere, welche weiter unten beschrieben werden, sind die Daten für die Situation, wo die oben beschriebene Anordnung ausgeführt ist.

[0026] Man beachte, dass die freie Länge des Balges unter der Annahme gewählt sein kann, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz steht, der Länge entspricht, welche gegenüber der freien Länge des Balges 8 ausgedehnt ist, zu einer Position, in welcher das Ventilelement 6 in Kontakt mit dem Ventilsitz steht, und unter der Annahme, dass die axiale Länge des Balges, wenn das Ventilelement in der voll geöffneten Position steht, der um den Auslenkungsbetrag komprimierten freien Länge des Balges entspricht. Dies soll unten detaillierter beschrieben werden.

[0027] Als Nächstes sollen die Ergebnisse der Experimente und der Computer Simulation unten detaillierter beschrieben werden, welche aufgrund der Daten daraus bestätigen, dass der auf den oben beschriebenen Wertebereich eingestellte Quotient R und anderes wirksam sind.

[0028] Zuerst wurden, unter Verwendung von Balg-Teststücken mit einem Aussendurchmesser von 120.0 mm, einem Innendurchmesser D2 von 94.5 mm, einer Ganghöhe von 12.8 mm, einer freie Länge L von 160 mm, einer Dicke von 0.22 mm, und mit 19 Berg-Bereichen, welche als Arbeitsvorlagen 1 bis 14 in Tabelle 1 aufgeführt sind, wobei die Balg-Teststücke einen auf den Radii des Kurvenverlaufs und den jeweiligen Tal R, Berg R Werten basierenden R-Quotienten im Wertebereich von 0.54 bis 2.08 aufwiesen, die Spannung und anderes auf diese Teststücke, welche unten beschrieben werden, bestimmt, unter Bedingungen, bei welchen der Umgebungsdruck innerhalb des Teststück-Balges atmosphärischem Druck und der Aussendruck davon Vakuum entsprach.

[0029] Für jedes Teststück wurde der Spannungswert (Simulationswert), welcher auf jeden der zentralen Bereiche a, und der äusseren peripheren Bereiche b, der Tal-Bereiche 21, sowie der zentralen Bereiche c, und den äusseren peripheren Bereiche d, der Berg-Bereiche 22 wirkt, bestimmt, in einem Zustand, bei welchem eine Kompressionsauslenkung von 40 mm in Richtung der Zentralachse vorlag und im Zustand, bei welchem das Balg-Teststück in einem Zustand der freien Länge belassen wurde, so dass nur eine Differenz zwischen innerem und äusserem Druck wirkte. Darüber hinaus wurde, für jedes Teststück mit dem entsprechenden R Quotient, die Fluktuationsrate der Spannung in jedem der Bereiche a bis d, in dem Fall, wo die obige Kompressionsauslenkung gegeben war und in dem Fall, wo dieses im Zustand der freien Länge belassen wurde, mit anderen Worten, die Spannungsamplitude für jeden der Bereiche, bestimmt, während das Ventilelement 6 eine Öffnungs-/Schliessbewegung zum Ventilsitz 5 ausführte, und welche Ergebnisse in Tabelle 1 dargestellt sind. Zu beachten ist, dass Werte, welche in der Tabelle mit einem Minuszeichen versehen sind Kompressionsspannungen repräsentieren.

[0030] Die Spannungsamplitude zeigt die Fluktuationsrate der Spannung in jedem der Bereiche a bis d, während einer Öffnungs-/Schliessbewegung des Ventilelementes 6. Eine Zunahme der Fluktuationsrate in irgendeinem der Bereiche ist unerwünscht, weil die wiederholte Ausübung von signifikant unterschiedlichen Spannungen zu Metallermüdung führt. Wie auch immer, selbst wenn die Fluktuationsrate klein ist, der Spannungswert selbst darf eine gewisse Grenze nicht überschreiten. Dementsprechend ist es wünschenswert, einen solchen R Quotienten zu verwenden, bei welchem die Fluktuationsrate der Spannung relativ klein ist und bei welchem die maximale Spannung einen gewissen oberen Grenzwert nicht überschreitet.

[0031] Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Spannungsamplitude bei jedem der in Tabelle 1 aufgeführten Bereiche a bis d in Abhängigkeit des R Quotienten. Fig. 4 zeigt, bei einem R Quotienten im Wertebereich von 1.15 bis 1.70, einen relativ niedrigen Wert für die Spannungsamplitude in jedem der Bereiche a bis d, und darüber hinaus, dass beim unteren Grenzwert des obigen Wertebereichs des R Quotienten, die Spannungsamplitude im Bereich a, wo bei einem konventionellen Balg Beschädigungen durch Metallermüdung auftreten, im Wesentlichen dieselbe ist, wie die Spannungsamplitude im Bereich c, wo die Beschädigungen relativ weniger wahrscheinlich sind. Ferner ist die Spannungsamplitude im Bereich d, wo die Möglichkeit des Auftretens einer Metallermüdung am zweithöchsten ist, gegenüber dem Bereich a, genügend klein. Dementsprechend kann gesagt werden, dass sich, mit Blick auf die Vermeidung von Metallermüdung aufgrund wiederholter Spannungen, der untere Grenzwert der oben genannten Bereiche als wünschenswert erweist.

[0032] Andererseits ist beim oberen Grenzwert des Wertebereichs des R Quotienten, die Spannungsamplitude im Bereich a im Wesentlichen dieselbe, wie im Bereich d, und die Werte der Spannungsamplituden selbst sind klein. Wenn der obere Grenzwert überschritten wird, nimmt die Spannungsamplitude im Bereich d zu. Also kann gesagt werden, dass sich, mit Blick auf die Vermeidung von Metallermüdung aufgrund wiederholter Spannungen, der obere Grenzwert ebenfalls als wünschenswert erweist.

[0033] Weiterhin wurden die maximalen Spannungen in den jeweiligen Bereichen a bis d, mit einem R Quotienten im Wertebereich von 1.15 bis 1.70, untersucht. Das Beispiel der Arbeitsvorlage 7 in Tabelle 1 entspricht einem Balg bekannter Art mit einem Tal R und einem Berg R von je 2.0 mm, und die maximale Spannung im Bereich a der Arbeitsvorlage 7, welcher mit höchster Wahrscheinlich zerstört wird, beträgt 599. Im Gegensatz dazu ist, bei den Beispielen der Arbeitsvorlagen 9 bis 12 in Tabelle 1, welche einen R Quotienten im Wertebereich von 1.15 bis 1.70 aufweisen, die maximale Spannung im Bereich a genügend kleiner, als diejenige des Beispiels der Arbeitsvorlage 7. Insbesondere beträgt die maximale Spannung, welche durch die Annahme bestimmt ist, dass sich die Maximalspannung, wenn der R Quotient 1.15 ist, was dem unteren Grenzwert entspricht, proportional zwischen den Werten der Arbeitsvorlage 8 und Arbeitsvorlage 9 ändert, 578, was genügend kleiner ist, als der Wert aus dem Beispiel der Arbeitsvorlage 7. Zudem sind die maximalen Spannungen in den anderen Bereichen b bis d sogar kleiner. Als Ergebnis kann gesagt werden, dass ein R Quotient im Wertebereich von 1.15 bis 1.70 effektiv ist, um Spannungen, welche auf die Tal-Bereiche 21 und Berg-Bereiche 22 wirken, so weit wie möglich auszugleichen.

[0034] Mit Bezug auf Fig. 4soll ein bevorzugter Wertebereich für den R Quotienten betrachtet werden. Es kann gesagt werden, dass es wünschenswert ist einen R Quotienten von 1.20 für die Untergrenze des Wertebereichs des R Quotienten zu verwenden, bei welcher die Spannungsamplitude im Bereich a, wo die Möglichkeit einer Beschädigung hoch ist, kleiner ist, als die Spannungsamplitude im Bereich c, und demzufolge Bereich a, im Vergleich mit den anderen Bereichen, nicht die grösste Spannungsamplitude aufweist; es kann auch gesagt werde, dass es wünschenswert ist einen R Quotienten von 1.55 für die Obergrenze des R Quotienten zu verwenden, bei welcher im Bereich b, wo die Spannungsamplitude bei steigenden R Quotienten zum Minimum abfällt, vernachlässigbar wird; es kann auch gesagt werden, dass die Spannungsamplituden in den anderen Bereichen a, c, und d ähnliche Werte aufweisen und deshalb der Grad der Metallermüdung, aufgrund wiederholter Spannungen, ausgeglichen ist; und demzufolge der Wertebereich des R Quotienten auf 1.20 bis 1.55 festzulegen ist.

Tabelle 1

[0035]

[0036] Der oben beschriebene Vakuumventil-Balg 8, wenn er an der Peripherie des Stabes 7 des Vakuumventils angebracht ist, ist derart ausgelegt, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 liegt, der freien Länge des Balges 8 selbst entspricht. Wird die freie Länge des Balges so ausgelegt, ist dies vorteilhaft, weil dann der Balg 8 in einem unkomprimierten Zustand im Vakuumventil montiert werden kann, aber es ist unvorteilhaft, weil dann der Betrag der komprimierenden Deformation des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in der voll geöffneten Position steht, grösser ist, als im Fall, wo die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 steht, die auf den Balg 8 wirkende maximale Spannung um den korrespondierenden Betrag erhöht ist. Dennoch kann gesagt werden, dass dies ist ein effektives Mittel ist, um Schäden am Balg 8 zu verhindern, weil, wie oben beschrieben, die Fluktuationsrate der wirkenden Spannung, im Vergleich mit dem konventionellen Beispiel, reduziert werden kann, und kann darüberhinaus gesagt werden, dass die maximale Spannung selbst, nur durch das Einstellen der R Quotienten in den Wertebereich von 1.15 bis 1.70, ebenfalls reduziert werden kann.

[0037] Ausserdem ist es, wie oben beschrieben, ebenfalls möglich die freie Länge des Balges 8 nicht so zu wählen, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 liegt, der freien Länge des Balges 8 selbst entspricht, jedoch so zu wählen, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 liegt, der auseinandergezogenen freien Länge des Balges entspricht, bei welcher das Ventilelement 6 in Kontakt mit dem Ventilsitz 5 kommt, und derart, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in der voll geöffneten Position liegt, der um den totalen Auslenkungsbetrag komprimierten freien Länge des Balges 8 entspricht.

[0038] In diesem Fall, zum Beispiel, dem Fall, wo die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in der voll geöffneten Position liegt, gleich gross ist, wie die bezüglich der Maximal-Auslenkungs-Länge (der Maximal-Hub des Ventilelementes 6) um 75% komprimierte Länge des Balges 8, und dem Fall, wo die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 liegt, gleich gross ist, wie die bezüglich der Maximal-Auslenkungs-Länge um 25% auseinandergezogene Länge des Balges 8, sollen diese Fälle hier als Fälle mit einem Kompressionsquotienten von 75% bezeichnet werden, unter Verwendung des Wertes «75%» auf der Kompressionsseite des Balges 8.

[0039] In Übereinstimmung mit diesem Ausdruck beträgt, bei dem oben mit Bezug auf Tabelle 1 und Fig. 4beschriebenen Beispiel, der Kompressionsquotient des Balges 8100%.

[0040] Als Nächstes sollen, mit Bezug auf die Tabellen 2 und 3, und die dazugehörigen Fig. 5und 6, effektive R Quotienten und anderes beschrieben werden, wenn der Kompressionsquotient 75% und 50% beträgt, d.h. der Fall, dass die axiale Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in der voll geöffneten Position steht, einer bezüglich der Auslenkungslänge (der Maximal-Hub des Ventilelementes 6) des Balges um 75% und 50% komprimierten Länge entspricht.

[0041] Es ist zu beachten, dass, obwohl die Balg-Teststücke in Tabelle 2 und 3 exakt dieselben sind, wie die im Zusammenhang mit den Daten der obigen Tabelle 1 beschriebenen, sind die aufgelisteten Arbeitsvorlagen eine Auswahl, welche nur mit einigen der Arbeitsvorlagen 1 bis 14 aus Tabelle 1 korrespondieren. Tabellen 2 und 3 zeigen, in gleicher Weise wie im Fall von Tabelle 1, die Spannung und die Spannungsamplitude in jedem der Bereiche a bis d für jede Arbeitsvorlage. Tabellen 2 und 3 zeigen die Daten für die Fälle, wo der Kompressionsquotient 75% und 50% beträgt. Das ist, in Tabellen 1 bis 3, weil die Auslenkung des Ventilelementes 640 mm beträgt, und die Auslenkung des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 voll geöffnet ist, jeweils für 40 mm, 30 mm und 20 mm gewählt ist, sind die Kompressionsquotienten, in den Fällen aus den Tabellen 1 bis 3, entsprechend 100, 75 und 50.

[0042] Fig. 5 und 6 sind Diagramme der Spannungsamplitude in jedem Bereich a bis d gemäss Tabellen 2 und 3 in Abhängigkeit zum R Quotienten, analog wie im Fall, wo mit Bezug auf Tabelle 1 und Fig. 4der Kompressionsquotient 100% beträgt, beschrieben. Wenn diese mit Fig. 4verglichen wird, zeigt die Änderung der Spannungsamplitude in jedem der Bereiche a bis d deutlich dieselbe Tendenz für jeden Fall. Dementsprechend, kann gesagt werden, dass ein R Quotient des Balges 8 im Wertebereich von 1.15 bis 1.70 effektiv ist, um die Spannung, welche in den Tal-Bereichen 21 und den Berg-Bereichen 22 wirkt, so gleich wie möglich auszugleichen, unabhängig vom Kompressions-Quotienten. Es ist, für einen besonders bevorzugten Fall, richtig, dass der R Quotient im Wertebereich von 1.20 bis 1.55 liegt.

[0043] Darüberhinaus wird, aus den Tabellen 1 bis 3 ebenso wie aus dem Inhalt der Figur 7, welche die Maximalspannungen in Abhängigkeit der Änderung des R Quotienten zeigen, wenn die Kompressionsquotienten 100, 75 und 50 betragen, offensichtlich, dass wie in den Tabellen 2 und 3, bei welchen die Kompressionsquotienten 75 und 50 betragen, dargestellt, die maximalen Spannungen geringer werden, als diejenigen mit dem Kompressionsquotienten 100 aus Tabelle 1.

[0044] Es sollte in Fig. 7 beachtet werden, dass die Maximal-Spannung einen tiefen Wert zeigt, wenn der Kompressionsquotient 50% beträgt und der R Quotient um 1.0 bis 5.0 liegt; weshalb gesagt werden kann, dass dieser Wertebereich sehr effektiv ist, um Schäden beim Balg zu verhindern.

[0045] Darüberhinaus machen die oben aufgezeigten Daten zum Kompressionsquotienten offensichtlich, dass es möglich ist, einen Balg, mit welchem Schäden effektiv verhindert werden, dadurch zu schaffen, dass die expandierte Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz 5 steht, gleich gross (ein Kompressionsquotient von 50%) oder kleiner als (ein Kompressionsquotient von 50% oder mehr) die komprimierte Länge des Balges 8, wenn das Ventilelement 6 in der voll geöffneten Position steht, gewählt ist.

Tabelle 2

[0046]

Tabelle 3

[0047]

Claims (6)

1. Vakuumventil-Balg, welcher an einem Vakuumventil, mit einem Hauptströmungsweg (2), welcher von einem scheibenförmigen Ventilelement (6) geöffnet oder geschlossen werden kann, welches Ventilelement in Kontakt mit einem Ventilsitz (5) stehen oder sich von diesem weg bewegen kann, und mit einer Antriebseinheit (10), um das Ventilelement (6) über einen Stab (7) anzutreiben, derart befestigt ist, dass der Stab (7) ummantelt ist, um den Hauptströmungsweg (2) von der Antriebseinheit (10) zu trennen, wobei der Balg (8) geformt ist, um diesen mit ringförmigen Tal-Bereichen (21), welche sich bei einem metallischen Rohr nach innen wölben und mit ringförmigen Berg-Bereichen (22), welche sich bei diesem metallischen Rohr nach Aussen wölben, abwechselnd und kontinuierlich in axialer Richtung und entlang einer peripheren Wand dieses metallischen Rohres zu versehen, und wobei Tal R / Berg R, was der Quotient von Tal R zu Berg R ist, im Wertebereich von 1.15 und 1.70 liegt, wobei Tal R der Radius des Verlaufs des Tal-Bereichs (21) im Querschnitt ist, und Berg R der Radius des Verlaufs des Berg-Bereichs (22) im Querschnitt ist, in einem Zustand, in welchem keine äusseren Kräfte vom Stab (7) auf den Balg (8) wirken.

2. Vakuumventil-Balg nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Tal R / Berg R, was der Quotient von Tal R zu Berg R ist, im Wertebereich von 1.20 und 1.55 liegt.

3. Vakuumventil-Balg nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Balges (8) der freien Länge des Balges (8) entspricht, wenn das Ventilelement (6) in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz (5) steht und die freie Länge des Balges (8) um einen totalen Auslenkungsbetrag komprimiert ist, wenn das Ventilelement (8) in einer voll geöffneten Position steht.

4. Vakuumventil-Balg nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Ventilelement (6) in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz (5) steht, der Balg (8) in einem Zustand ist, in welchem er über die freie Länge des Balges (8) auf eine Position, wo das Ventilelement (6) in Kontakt mit dem Ventilsitz (5) steht, ausgedehnt ist, und wenn das Ventilelement (6) in einer voll geöffneten Position steht, der Balg (8) um einen totalen Auslenkungsbetrag aus der freien Länge des Balges (8) komprimiert ist.

5. Vakuumventil-Balg nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Ventilelement (6) in einer Position mit Kontakt mit dem Ventilsitz (5) steht, die Länge, mit welcher der Balg (8) gedehnt ist, gleich oder kleiner als die Länge, um welche der Balg (8) komprimiert ist, wenn das Ventilelement (6) in der voll geöffneten Position steht.

6. Vakuumventil-Balg nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Rohr, welches den Balg (8) bildet, durch Tiefziehen eines metallischen Bogens aus rostfreiem Stahl geformt ist.