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Die
Erfindung betrifft einen elastisch verformbaren Membranbalg aus
einer Mehrzahl von im wesentlichen ringförmigen Membranscheiben, deren Ränder wechselseitig
miteinander verschweißt
sind.
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Derartige
elastisch verformbare Membranbälge
sind beispielsweise in der
EP
12 41 388 B1 offenbart und weisen eine Mehrzahl von Ringmembranen
auf, die an ihren inneren und äußeren Rändern wechselweise
miteinander unter Bildung jeweils eines Membranpaares verschweißt sind. Üblicherweise
werden solche Membranbälge
bei Anwendungen mit sehr geringen Drücken, beispielsweise in der
Vakuumtechnik eingesetzt. Sie können
außerdem
auch als bewegliche Trennwand zwischen flüssigen und/oder gasförmigen Medien
dienen. Bei hohem Außendruck
und hoher Druckdifferenz zwischen Außenmedium und Innenmedium wird
der Membranbalg in die so genannte Blocklage zusammengedrückt.
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Hier
kommt der wesentliche Nachteil der bekannten Membranbälge zum
Tragen: Das Verschweißen
der beiden einander zugewandten Ränder der einzelnen Membranscheiben,
die zusammen jeweils ein Membranpaar bilden, erfolgt derart, dass
die Schweißnähte im Querschnitt „tropfenförmig" bzw. in der Form
eines Streichholzkopfes ausgebildet sind. Der Durchmesser dieser „Tropfen" ist größer als
die Gesamtdicke der beiden aneinander liegenden Membranscheiben
und ragt so in seiner Ausdehnung in Richtung der Dicke der beiden
Membranscheiben über
diese hinaus.
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Wie
in der zur Verdeutlichung angefügten 4 erkennbar,
berühren
sich in dieser Blocklage die gegenüber den Membranscheiben vorstehenden Schweißnähte gegenseitig.
Dadurch verbleibt zwischen den jeweils benachbarten Membranscheibenpaaren
ein wenn auch kleiner Abstand bestehen, durch welchen den Membranscheiben – trotz
der Blocklage – die
jeweilige äußere Ab-
bzw. Unterstützung
durch die benachbarte Membranscheibe fehlt.
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Steigt
die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Membranbalges
nun in dieser Position des Balges weiter an, so verformen sich die einzelnen
nicht ausreichend unterstützten
Membranscheiben in den frei gebliebenen Bereich zwischen den Membranpaaren
hinein. Nimmt diese Verformung zu starke Ausmaße an, so kann dies zu einer Zerstörung des
Membranbalges führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Membranbalg vorzuschlagen,
der dazu in der Lage ist, im Vergleich zu den bekannten Membranbälgen höhere Druckdifferenzen
und einen nahezu beliebig hohen Außendruck beschädigungsfrei aufzunehmen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die in Richtung der Dicke den Membranscheiben (also die in
Balgaxialrichtung) gemessene Dicke der Schweißnähte die Gesamtdicke der beiden
zu verschweißenden
Membranscheiben nicht übersteigt.
Dadurch ragen die Schweißnähte erfindungsgemäß nicht über die
Membranscheiben in deren. Dickenrichtung hinaus und so wird sichergestellt,
dass die Membranscheiben in Blocklage flächig aneinander anliegen können und
eine äußere Ab-
bzw. Unterstützung
selbst bei zu hohen Außendrücken aufweisen.
Denn bei größer werdender Druckdifferenz
zwischen Innen- und Außenseite
des Membranbalges werden zwar benachbarte Membranscheibenpaare gegeneinander
gedrückt,
jedoch liegen dabei alle Membranscheiben ohne Abstand dicht und
parallel aneinander, ohne dass sich die einzelnen Membranscheibenpaare
verformen können.
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Hierbei
ist es vorteilhaft, wenn die Schweißnähte im Axialschnitt im Wesentlichen
mit parabelförmiger
Außenbegrenzung
ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass
derart ausgestaltete Ränder
der Schweißnähte ein
Optimum aus Stabilität
und Kompaktheit der Schweißnaht
darstellen.
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Wenn
die Ränder
der Membranscheiben im Bereich der aufzubringenden Schweißnaht im
Wesentlichen parallel an- bzw. aufeinander liegen, können sie
einfach und ohne Hinzufügen
weiterer Elemente miteinander verschweißt werden. Dies ist ebenfalls
im Hinblick auf die Stabilität
der Schweißnaht
von Vorteil, wobei auch Kosten für
entsprechende Verbindungselemente entfallen. Dabei liegen die Ränder der
Membranscheiben vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer
Balgaxialrichtung.
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Zweckmäßig sind
in an sich bekannter Weise die Membranscheiben im wesentlichen zumindest
etwas konisch ausgebildet und weisen in konzentrischen Teilbereichen
(üblicherweise
im mittleren Bereich zwischen den radial äußeren und den radial inneren
Rändern)
ein im Querschnitt im Wesentlichen wellenförmiges Profil auf. Durch diese
Ausgestaltung wird die Flexibilität der Membranbälge erhöht und macht
diese insgesamt für
große
Axialbewegungen geeignet.
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Es
empfiehlt sich, dass der Bereich der Ränder der Membranscheiben ein
im wesentlichen geradliniges ebenes Profil aufweist. Dies ist im
Hinblick auf das Verschweißen
der Ränder
der Membranscheiben von Vorteil, da so keine gekrümmten oder abgewinkelten
Bereiche verschweißt
werden müssen
und ebenfalls keine Längenunterschiede
der Membranscheiben zueinander ausgeglichen werden müssen. Die
Ränder
der zu verschweißenden
Membranscheiben können
dann einfach plan aufeinander gelegt und mittels einer Schweißnaht verbunden
werden.
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Zur
Erhöhung
der Druckfestigkeit bei gleich bleibender Flexibilität ist es
vorteilhaft, den Membranbalg wenigstens zweilagig auszuführen. Dabei werden
wenigstens zwei vorzugsweise zueinander identisch geformte Membranscheiben
mit wenigstens zwei weiteren vorzugsweise zueinander identisch geformten
Membranscheiben unter Bildung eines Membranpaares verschweißt. Auch
hier liegt die Schweißnahtdicke
unterhalb der Dicke der wenigstens vier Lagen des Membranpaares.
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Für die inneren
Ränder
der Ringmembranen ist es vorteilhaft, wenn die im Wesentlichen senkrecht zur
Balgaxialrichtung liegenden Membranflächen im Bereich der inneren
Ränder
einen Winkel im Bereich zwischen 0° und 10° zur Senkrechten der Balgaxialrichtung
aufweisen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Laseroptik,
welche durch die beengten Platzverhältnisse im Bereich der inneren
Ränder
der Membranscheiben vorzugsweise außerhalb der Membranebene angeordnet
ist und dadurch ebenfalls einen Winkel zu der Senkrechten zur Balgaxialrichtung
aufweist, durch die Winkelstellung der Membranflächen im Bereich der inneren
Ränder
wieder nahezu senkrecht auf die Stirnseiten der Membranscheiben
ausgerichtet werden kann und somit eine sichere und reproduzierbare
Verschweißung
sichergestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist die Breite der jeweiligen Schweißnähte in Balgradialrichtung (das
ist die Dicke gemessen senkrecht zu der Dickenrichtung der Membranscheiben)
zumindest etwa halb so groß wie
die Höhe
der Schweißnähte in Axialrichtung
(das ist die Dicke der Schweißnähte gemessen
in Richtung der Dicke der Membranscheiben). Hiermit ist gewährleistet,
dass die Schweißnaht
hinreichend dimensioniert ist, was nicht nur die Stabilität der Schweißnaht, sondern
ebenfalls die Lebensdauer des gesamten Membranbalges erhöht.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile
lassen sich insbesondere dadurch erzielen, dass die Schweißnähte mittels
eines Lasers vorzugsweise Festkörper- oder
Scheibenlasers einer Laserschweißeinrichtung erzeugt werden.
Denn hierdurch können
die Schweißnähte mit
hoher Präzision
und mit den gewünschten
geringen Abmessungen einfach, schnell und dauerhaft hergestellt
werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
und aus der Zeichnung; dabei zeigt
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Membranbalgs im Axialschnitt;
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2 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Membranbalgs
im Axialschnitt;
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3 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen in Blocklage
befindlichen Membranbalgs im Axialschnitt;
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4 einen
Ausschnitt eines in Blocklage befindlichen Membranbalgs des Standes
der Technik im Axialschnitt; und
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5 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen mehrlagigen
Membranbalgs.
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In 1 ist
schematisch der Aufbau eines Membranbalgs 1 dargestellt,
der eine Mehrzahl konischer Membranscheiben 2 aufweist,
von denen jeweils zwei benachbarte Scheiben 2a, 2b ein
Membran(scheiben)paar 3 bilden. Die Membranscheiben sind
an ihren radial inneren Rändern 4 und
an ihren radial äußeren Rändern 5 jeweils
wechselseitig mit den radial inneren Rändern 4 und den radial äußeren Rändern 5 der
benachbarten Membranscheiben zur Herstellung des Membranbalges 1 miteinander
verschweißt.
Am Beispiel aus 1 gezeigt erhält man den
Membranbalg 1, indem jeweils der innere Rand 4a einer
Membranscheibe 2a mit dem inneren Rand 4b der
darüber
angeordneten Membranscheibe 2b verschweißt ist und
indem der äußere Rand 5a der Membranscheibe 2a mit
dem äußeren Rand 5c der darunter
angeordneten benachbarten Membranscheibe 2c verschweißt ist.
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Weiterhin
besitzen die Membranscheiben 2 ein im Querschnitt wellenartiges
Profil, welches konzentrisch angeordnet ist und zur Erhöhung der
Elastizität
und zur Erzeugung von Axialbewegungen dient. Üblicherweise sind die Membranscheiben
im Wesentlichen konisch und gleich – allerdings jeweils paarweise
spiegelbildlich – aufgebaut,
um bei. Einsatz in einem Membranbalg ein formschlüssiges Aufeinanderliegen
bei Druckbelastung zu ermöglichen. Dabei
liegt die Membranscheibe 2a mit bezogen auf 1 nach
unten offenem Konuswinkel an der darüber angeordneten Membranscheibe 2a mit
nach oben offenem Konuswinkel und an der darunter angeordneten Membranscheibe 2c mit
nach. oben offenem Konuswinkel usw. an.
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In
den 2 und 3 sind Ausschnitte des erfindungsgemäßen Membranbalgs 1 gezeigt,
die die Erfindung verdeutlichen: Hierbei ist in 2 zu erkennen,
dass die jeweiligen Membranscheiben 2a, 2c durch
eine Schweißverbindung 10 miteinander verbunden
sind, deren Oberfläche 9 parabel-
bzw. teilkreisförmig
gekrümmt
ausgeführt
ist und deren Dicke 8 maximal der Gesamtdicke 7a + 7c der
beiden einzelnen Membranscheiben 2a, 2c entspricht.
Die in Radialrichtung R des Balges gemessene Breite 6 der Schweißnaht 10 (das
ist die senkrecht zur Dickenrichtung der Membranscheibe 2a bzw. 2c gemessene
Schweißnahtdicke)
ist dabei größer als
die Dicke 7a bzw. 7c einer einzelnen Membranscheibe 2a, 2c bzw.
zumindest etwa halb so groß wie
die im wesentlichen in Axialrichtung A des Balges gemessene Höhe 8 der
Schweißnähte 10 (das
ist die Dicke der Schweißnähte gemessen
in Richtung der Dicke der Membranscheiben).
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Bei
großer
Außendruckbelastung
ergibt sich dann der Zustand gemäß 3 für den erfindungsgemäßen Membranbalg 1 an
dessen Rändern 5, 5a, 5b, 5c.
Hier kann man nun erkennen, dass die Membranscheiben 2, 2a, 2b, 2c bündig und
flächig
und vor allem ohne die Bildung eines Zwischenraumes aneinander anliegen.
Hierdurch unterstützen
sich die Membranscheiben gegenseitig und sorgen dafür, dass
sie selbst bei extremen Außendruckbelastungen
in der in 3 gezeigten Blocklage keine
Beschädigungen
erfahren.
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In 4 ist
ein Membranbalg 11 des Standes der Technik dargestellt,
wie er unter Druckbelastung in Axialrichtung zusammengedrückt wurde: Hierbei
sind Ränder 15, 15a, 15b von
im wesentlichen parallel aufeinander liegenden Membranscheiben 12, 12a, 12b mit
Hilfe von Schweißverbindungen 13, 13a, 13b miteinander
verbunden, welche eine tropfenförmige
Oberfläche 14 besitzen,
wobei der Durchmesser des „Tropfens" größer ist
als die Summe der Dicken 15a, 15b der beiden Membranscheiben 12a, 12b.
Die so gebildeten Membranscheibenpaare liegen mit einem Teil ihrer
Schweißverbindungen
(mit dem Bezugszeichen 17 angedeutet) aufeinander. Dabei
entsteht – da
der Durchmesser der Schweißverbindungen 13 größer ist
als die Summe der Dicken 15a, 15b der jeweiligen
zusammengeschweißten
Membranscheiben 12a, 12b, gemessen in Richtung
der Dicke der Membranscheiben, ein Abstand 16 zwischen
den jeweiligen zusammengeschweißten
Membranscheibenpaare. Wird nun die Druckbelastung weiter erhöht, so verformen
sich die einzelnen Membranscheiben in Folge der fehlenden Abstützung in
den Bereich der Abstände 16 und
zerstören
dadurch den Balg 11.
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5 zeigt
einen mehrlagigen Membranbalg 1 im Zustand großer Außendruckbelastung
entsprechend 3. Den vorherigen Figuren entsprechende Bauteile
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Hier sind immer zwei
identische Membranscheiben (2a, 2d) mit dazu korrespondierenden
ebenfalls identischen Membranscheiben (2c, 2e)
zu einem Membranpaar verschweißt.
Diese Kombination ergibt in vorteilhafter Weise eine höhere Druckfestigkeit bei
annähernd
gleicher Membranbalgflexibilität.
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Zusammengefasst
wird durch die vorliegende Erfindung mit einfachen, aber effektiven
Maßnahmen
ein ansonsten unveränderter
und ebenso dimensionierter Membranbalg geschaffen, der die Aufnahme
von weitaus größeren – nahezu
unbegrenzten – Außendruckbelastungen
als bei den bisher bekannten Membranbälgen ermöglicht.