DE2121489C2 - Verfahren zur Herstellung eines Metallbalgs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbalgs aus gewellten Ringscheiben mit aufeinander passenden Querschnitten, deren Innen- und Außenränder abwechselnd miteinander verschweißt werden.

Zur Herstellung von Metallbälgen dieser Art ist es bekannt, entweder gewellte Ringscheiben miteinander zu verschweißen (US-PS 32 33 632), oder durch Walzen (Rollen) von Wellen in entsprechend -{ünnwandige, geschweißte oder nahtlose Rohre auf kaltem Wege herzustellen, wobei nach Notwendigkeit eine Einschaltung von Wärmebehandlungen zwischen den einzelnen Arbeitsgängen erfolgen kann (CH-Zeitschrift »Technische Rundschau«, Nr. 8 vom 24.2.1967, Seiten 5 und 7). Es ist ferner bekannt, daß derartige Metallbälge zur Herstellung von Pumpen verwendbar sind (US-PS 13 41 669). Eine Schwierigkeite bei der Verwendung bekannter Metallbälge für Balgpumpen besteht darin, daß im Dauerbetrieb im allgemeinen Längenänderungen von lediglich 5—10% zulässig sind, so daß nur ein verhältigmäßig kurzer Pumpenhub möglich ist, so daß beispielsweise Gase nur mit verhältnismäßig geringem Wirkungsgrad gefördert werden können, insbesondere wenn eine praktisch zufriedenstellende Lebensdauer erzielt werden soll.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbalgs anzugeben, der insbesondere in Balgpumpen verwendbar ist, welcher Metallbalg ein möglichst geringes Restvolumen und einen verhältnismäßig langen Pumpenhub ermöglicht. Ferner soll durch die Verwendung eines derartigen Metallbalgs in einer Pumpe ein möglichst hohes Kompressionsverhältnis bei hoher Standzeit des Balgs erzielt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß identisch ausgebildete Ringscheiben miteinander verschweißt werden, und daß nach dem Verschweißen zur Ausbildung einer entgegengesetzten Neigung der angrenzenden Ringscheiben ein Ausdehnen des Balgs auf gleiche, durch entfernbare Abstandshalter bestimmte axiale Abstände zwischen den Rändern erfolgt und in dieser Lage eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Mit einem derartigen Verfahren gemäß der Erfindung kann ein Metallbalg hergestellt werden, der auf weniger als ein Viertel seines ausgezogenen Zustands zusammengedrückt werden kann.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Pumpe mit einem Metallbalg gemäß der Erfindung;
Fig.2 eine auseinandergezogene perspektivische

ίο Ansicht eines Teils der Einrichtung in F i g. 1;

F i g. 3 eine Fotografie einer Schnittansicht durch eine Seite des Balgs in F i g. 1;

Fig.4A eine Fotografie eines Vertikalschnitts durch ^en BaJg in Fig. 1, wobei der Balg vollständig zusammengedrückt ist; und

Fig.4B eine entsprechende Fotografie, wobei der Balg vollständig ausgezogen ist.

Die in F i g. 1 dargestellte Pumpe hat eine Druckkammer in der Form eines Balgs 10, welcher aus ringförmigen Membranen aus Edelstahl besteht welche miteinander verschweißt sind. Der Baig 10 ist so ausgebildet, daß er eine verhältnismäßig lange Hubstrecke hat, aber trotzdem ein minimales Restvolumen. Tatsächlich berühren sich die Membranen des Balgs, obwohl sie in F i g. 1 der Obersicht halber in einem gewissen Abstand dargestellt sind. Der Balg 10 ist so ausgebildet, daß er ein verhältnismäßig großes Kompressionsverhältnis hat, aber dennoch eine hohe Lebensdauer. Die genauere Ausbildung des Balgs soll in Verbindung mit den F i g. 3 und 4 näher erläutert werden.

Der Balg 10 ist in einem im wesentlichen rechteckigen Gehäuse 12 angeordnet. Das obere Ende 10a des Balgs 10 ist an einem Kopfteil 14 befestigt, welcher die Oberseite des Gehäuses 12 abschließt. Das untere Ende 10b des Balgs ist mit einem Antriebsglied 16 verbunden, welches in dem Gehäuse 12 durch einen Exzenter 18 hin- und herbewegt wird. Der Exzenter 18 wird durch einen Elektromotor 22 angetrieben, dessen Abtriebswelle 22a mit dem Exzenter 18 verbunötn ist.

Wie aus den F i g. 1 und 2 ersichtlich ist. ist das obere Ende 10a des Balgs 10 an der Unterseite der mittleren Schulter 32a einer Ringplatte 32 angeschweißt, deren äußere Schulter 32b in einer ringförmigen Gegenbohrung 34 in der Oberseite des Gehäuses 12 sitzt. Die Oberseite der Platte 32 hat eine verhältnismäßig flache ringförmige Ausnehmung 36. Zwei kleine kreisförmige öffnungen 38 und 42 stehen mit dem Innenraum des Balgs 10 in Verbindung und bilden den Einlaß bzw. den Auslaß der Pumpe.

Eine Ventileinrichtung 44 in F i g. 2 paß in die Ausnehmung 36. Das Antriebsglied 16 hat einen vergrößerten ringförmigen oberen Abschnitt 16a, an dessen Kanic das Ende 10i> des Balgs angeschweißt ist. Der innere Vorsprung 32c(F i g. 1) der Platte 32 bildet einen hcrabragenden Zylinder, welcher sich in den Balg 10 erstreckt und als Anschlag dient, wenn der Balg vollständig zusammengedrückt ist. Wenn also der Balg vollständig zusammengedrückt wird, greift die Unterseite des Zylinders 32c an der Oberseite des Antriebsglieds 16 an, um ein Zusammendrücken des Balgs über dessen Belastungsgrenze zu verhindern. Der Zylinder 32c füllt ferner den Raum in dem zusammengedrückten Balg aus, so daß dessen Restvolumen sehr gering ist, wie später noch näher erläutert werden soll.

Wenn die Pumpe in Betrieb gesetzt wird, wird Gas durch den Einlaßkanal 100 (Fig. 2) eingesaugt, wenn der Balg 10 ausgedehnt wird, während das Gas durch den Auslaßkanal 101 hinausgedrückt wird, wenn der

Balg zusammengedrückt wird. Die Strömungsrichtung des Gases in dem Balg 10 ist durch den Pfeil A und die Strömungsrichtung aus dem Balg 10 ist durch den Pfeil B angedeutet. Der Strömungsweg des eintretenden Gases erfährt durch die Ausbildung der Ventileinrichtung 44 nur zwei rechtwinkelige Umlenkungen in dem Balg 10. Dadurch hat die Pumpe verhältnismäßig gute Strömungseigenschaften, so daß eine maximale Gasmenge in den PaIg während jeder Ausdehnung eingezogen wird.

Der Balg 10 besteht aus einer Anzahl von Membranen 130 (F i g. 3) die übereinander angeordnet sind. Jede Membran ist wellig ausgebildet, um sie flexibler zu machen. Die inneren Kantenbereiche 130a angrenzender Membranen werden fluchtend aufeinandergelegt und mit einer kontinuierlichen Schweißnaht 132 entlang des gesamten Umfangs verbunden. In entsprechender Weise werden die äußeren Kantenbereiche angrenzender Membranen fluchtend aufeinandergelegt und durch eine kontinuierliche Schweißnaht 134 verbunden. Dann wird die äußere Kante 130ό der obersten Membran 130 mit einer Schweißnaht 136 mit der Unterseite der Platte 32 (F i g. 1) verschweißt. Die äußerste Kante der untersten Membran wird an der Stelle 138 mit der Oberseite des Flanschs 16a (Fig. 1) des Antriebsglieds verschweißt Deshalb bildet der Balg 10 eine gasdichte Kammer, weiche in axialer Richtung zusammendrückbar bzw. ausdehnbar ist.

Bei den meisten Anwendungsfällen bestehen der Balg, die Ventile und die anderen Komponenten der Pumpe, die normaler Weise mit dem betreffenden Gas in Berührung gelangen, aus Edelstahl oder einem anderen vergleichbaren Material, welches durch das betreffende Gas oder das entsprechende Fluid nicht angegriffen wird.

Die Konstruktion dieses Kompressors unterscheidet sich wesentlich von bekannten Pumpen mit einem Balg, weil die Membranen 130 (F i g. 3) zunächst alle identisch ausgebildet sind. Dies bedeutet, daß sie alle in gleicher Weise ausgestanzt und ausgeformt werden können, um identische Ringe herzustellen, die keinen Anstieg haben. Die Ringmembranen werden dann abwechselnd an ihren inneren und äußeren Kanten verschweißt. Da die Membranen 130 alle gleich ausgebildet sind, fluchten ihre Kantenteile 130a gegeneinander, während dieses Schweißvorgangs. Deshalb sind die Schweißnähte 132, welche die Innenkanten angrenzender Membranen verbinden, verhältnismäßig siark. Dasselbe Vorgehen erfolgt, wenn die äußeren Kanten der angrenzenden Membranen verschweißt werden. Die Kantenbereiche 130Λ angrenzender Membranen werden fluchtend aufeinandergelegt und ihre äußere Kanten können durch eine kleine gleichförmige Schweißnaht 134 miteinander verbunden werden. Selbst nach einer vollständigen Ausbildung des Balgs haben die einzelnen Membranen 130 immer noch keine definierte Steigung. In diesem Zustand würde jedoch der Balg 10 nicht zufriedenstellend arbeiten.

Um eine geeignete Neigung und Gleichmäßigkeit der Membranen 130 zu erzielen, werden kammförmige Abstandshalter entlang dem Umfang des Balgs angeordnet. Jeder Abstandshalter greift an der Schweißnaht 134 aller Kantenlinien des Balgs an und hält einen eingestellten Abstand zwischen diesen Kantenlinien ein. Diese Abstandshalter sind alle identisch ausgebildet, und werden angeordnet, um einen sehr genauen Abstand zwischen allen Membrankanien des Balgs 10 einzuhalten. Die Abstandshalter werden an dem Balg befestigt und dann wird die gesamte Anordnung in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 930⁰C während etwa einer halben Stunde erhitzt Dann erfolgt eine Temperaturbehandlung bei 450⁰C während etwa 4 Stunden.
Schließlich erfolgt eine Temperaturbehandlung bei 1150⁰C während vier Stunden.

Wenn der Balg 10 aus dem Ofen herausgenommen wird und die Abstandshalter entfernt werden, haben die Membranen 130 eine sehr gleichförmige Neigung. Angrenzende Membranen sind in entgegengesetzter Richtung geneigt, wodurch gewellte Ringscheiben gebildet werden, die einen sehr gleichförmigen Abstand entlang der Länge des Balgs und dessen Umfang haben, wie aus den Fi g. 3 und 4b ersichtlich ist. Aufgrund dieser Konstruktion kann dieser Balg entlang einer ungewöhnlich langen Hubstrecke betätigt werden, ohne daß die Schweißnähte reißen oder sonstwie ausfallen. Entsprechend einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein derartiger Balg um mehr als das dreifache seiner zusammengedrückten Länge λ jsgedehnt werden. Wenn der Balg aus seiner vollständig ausgedehnten Lage in F i g. 4b in seine vollständig zusammengedrückte Lage in F i g. 4a zusammengedrückt wird, werden alle gegenüberliegenden Teile von Membranen mit praktisch derselben Bewegung und demselben Ausmaß zueinanderbewegt, wenn der Balg seine vollständig zusammengedrückte Lage annähert Dies bedeutet, daß kein örtlicher Angriff gegenüberliegender Teile angrenzender Membranen auftritt, wenn die Membranen näher aneinandergedrückt werden, wodurch sonst unerwünschte Spannungen auftreten könnten. Der Exzenter 104 und das Antriebsglied 16 (F i g. 1) sind ausgerichtet, so daß die Längsachse des Antriebsglieds, wenn diese den oberen Totpunkt erreicht, mit der Längsachse des Balgs 10 zusammenfällt. Dadurch ist gewährleistet, daß bei der Annäherung des Balgs an dessen vollständig zusammengedrückten Zustand alle Bewegungen der Membranen 130 in der axialen Richtung erfolge.'!. Dies bedeutet, daß die Membranen nicht relativ zueinander gespannt werden, und sich deshalb nicht auf einer Seite dei Achse des Balgs berühren, bevor sie sich auf der anderen Seite berühren. Wenn sich das Antriebsglied 16 im oberen Totpunkt befindet, sind die Membranen vollständig zusammengedrückt, so daß der Balg 10 ein minimales Restvolumen hat. Es ist ersichtlich, daß deshalb der Balg einen ungewöhnlich langen Hub hat, ohne daß Spannungen in den Membranen auftreten könnten, welche Beschädigungen bewirken könnten.

Der Balg 10 kann ferner so zusammengedrückt werden, daß angrenzende Membranen 130 sich fast entlang ihren gesamten Oberflächen berühren, wie in Fig.4a dargestellt äst. Dies bedeutet, daß nur ein sehr geringer Zwiswiienraum zwischen den zusammengedrückten Membranen vorhanden ist.

Im Hinblick darauf, und wegen der Tatsache, daß der Balg eine sehr lange Hubstrecke hat und daß der Zylinder 32c in den Innenraum des Balgs vorragt, beträgt das Restvolumen des Balgs lediglich 17 bis 20% des maximalen Volumens. Dadurch ergibt sich ein besonders hohes Kompressionsverhaltnis des Kompressors von 4 zu 1 oder mehr. Folglich kann ein verhältnismäßig hohes Vakuum an dem Einlaßkanal 100 oder ein verhältnismäßig hoher Druck an dem Auslaßkanal 101 erzeugt werden. Beim Betrieb e^;nes Ausführungsbeispiels mit 1700 bis 2400 Umdrehungen pro Minute kann ein Vakuum an dem Einlaßkanal 115 von 610 mm Quecksilbersäule bei einer Luftströmung von 0 CFM. Dieselbe Pumpe kann einen Druck an dem Auslaßkanal 150 von 3,5 krj/cm²

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erzeugen. Diese Pumpe hat einen Balgdurchmesser von 70 mm, eine Hubstrecke von 8,9 mm und ein Restvolumen von weniger als 20% des Hubvolumens.

Obwohl eine derartige Pumpe eine relativ lange Hubstrecke hat, und bei derart hohen Drehzahlen arbeitet, hat sie trotzdem eine verhältnismäßig große Lebensdauer. Dies ist zu einem großen Teil auf die Gleichförmigkeit des Abstands zwischen den Membranen zurückzuführen, wie oben beschrieben wurde. Es wird fernei angenommen, daß dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß geringere Spannungen im Bereich der Schweißnähte 132 und 134 erzeugt werden. Dies ist andererseits darauf zurückzuführen, daß die Grenzbereiche 130a und 130t angrenzender Ringmembranen aneinander in dem Bereich der Schweißnähte anliegen, selbst wenn der Balg sich in seinem vollständig ausgedehnten Züsiäiiu befindet, der in den F i g. 3 und 4b dargestellt ist. Als Folge davon werden irgendwelche auftretenden Spannungen von den Kanten der Membranen und den Schweißnähten 132 und 134 zu dem Zentrum der Membranen verteilt. Wenn also der Balg betätigt wird, biegen sich die Membranen 130 in solchen Teilen, die innerhalb ihrer Kanten liegen. Deshalb sind Brüche in der Nähe der Schweißnähte verhältnismäßig selten.

Deshalb kann eine derartige Pumpe bei vielen Anwendungsfällen Verwendung finden, bei denen eine vollständige druckdichte Kammer mit einem Kompressionsverhältnis erforderlich ist, welches mit bekannten

Pumpen mit einem Balg nicht erzielbar ist. Beispielswei- 30 {

se kann diese Pumpe als Vakuumpumpe für Teilchenzähler oder für Geräte zur Gasanalyse Verwendung fin- ' den. Sie ist ferner für Meßeinrichtungen zur Bestimmung der Luftversuchung verwendbar, wobei die geförderten Gase die Dichtung einer üblichen Kolbenpumpe angreifen könnten und diese nach einer verhältnismäßig geringen Benutzungsdauer unbrauchbar machen wurden. Die beschriebene Pumpe gewährleistet deshalb einen zuverlässigen Dauerbetrieb, insbesondere bei solchen Anwendungsfällen, bei welchen eine korrodierende Atmosphäre vorhanden ist, und wobei eine zuverlässige Abdichtung für eine geeignete Arbeitsweise der angeschlossenen Geräte erforderlich ist.

Für gewisse Anwendungsfälle kann es wünschenswert sein, ein größeres komprimiertes Volumen vorzusehen. Beispielsweise kann ein größeres Volumen wünschenswert sein, damit die Pumpe selbst dann weiterarbeitet, wenn der Ansaugkanal oder der Druckkanal durch Verunreinigungen des Gases blockiert werden, welches durch die Pumpe gefördert wird. Wenn die Pumpe verunreinigte Gase fördert, kann deshalb auch eine periodische Ausspülung mit einem flüssigen Lösungsmittel durchgeführt werden. Ein größeres Volumen kann ferner wünschenswert sein, wenn durch die Pumpe ein Fluid in der Nähe dessen Siedepunkt geförden wird, so daß eine gewisse Flüssigkeitsmenge mit der Gasströmung bewegt wird. Dies kann in einfacher Weise erzielt werden, indem die Form des Exzenters 14 geändert wird, so daß die Pumpe eine kürzere Hubstrecke und damit ein größeres Restvolumen in dem eo Balg beim oberen Totpunkt aufweist. Dadurch kann allerdings nur ein schlechteres Vakuum an dem Pumpeneingang erzeugt werden. Jedoch kann immer noch ein beträchtlicher Unterdruck erzeugt werden, der beispielsweise 508 mm Quecksilbersäule beträgt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallbalgs aus gewellten Ringscheiben mit aufeinanderpassenden Querschnitten, deren Innen- und Außenränder abwechselnd miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß identisch ausgebildete Ringscheiben miteinander verschweißt werden, und daß nach dem Verschweißen zur Ausbildung einer entgegengesetzten Neigung der angrenzenden Ringscheiben ein Ausdehnen des Balgs auf gleiche, durch entfernbare Abstandshalter bestimmte axiale Abstände zwischen den Rändern erfolgt und in dieser Lage eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.

Z Metallbalg, der gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der geschweißte Metallbalg auf weniger als ein Viertel seines ausgezogenen Zustands zusammendrückbar ist.