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ANTIIONY McNAMEE, PRES COT, LANCASHIRE (ENGLAND) JOB FERGUSON, LIVEPOOL,
17, LANCASHIRE(ENGLAND) Kompressibler Metallbalg.
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Die Erfindung betrifft einen kompressiblen Metallbalg mit einer Vielzahl
von konkaven Kreisringen aus Blech, die axial zu-einander ausgerichtet und an ihren
inneren und äußeren Rändern miteinander so verbunden sind, daß die Konkavitäten
der. Kreisringe abwechselnd einander zugewandt und voneinander abgewandt sind0 Die
Erfindung betrifft gleichermaßen ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Metallbalges
wie auch dessen Verwendung beispielsweise in Kompressoren oder anderen Maschinen,
bei welchen ein solcher Balg anstelle eines Druckkolbens verwendet wird.
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Wird vorrangig der zuletzt angesprochene Verwendungszweck tdr Kompressoren
zum Ersatz der dabei allgemein verwendeten Druckkolben
betrachtet,
so sollte klar sein, daß ein derartiger kompressibler Metallbalg eine Reihe von
Eigenschaften besitzen muß, um den dabei vorliegenden Betriebsbedingungen zu gendgen.
Der Metallbalg muß eine so ausreichende Festigkeit besitzen, daß er die dauerhaften,
mechanischen Biegebeanspruchungen iiber lange Zeit aushält. Er muß weiterhin vergleichsweise
hohe Innendrücke (oder Aubendrücke) aushalten, ein vergleichsweise hohes volumetrisches
Leistungsvermögen und ein ebenso hohes Verdichtungsverhältnis besitzen, frei von
natürlichen Resonanzerscheinungen sein, und es darf bei ihm schließlich nicht zu
einem gegenseitigen Aufprallen der einzelnen Kreisringe kommen, wenn sich der Balg
mit relativ hohen Geschwindigkeiten zusammenzieht bzw. dehnt.
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In der GB-PS 438 404 sind Kompressoren dargestellt und beschrieben,
bei welchen derartige kompressible Metallbalgen verwendet werden. Die Form der einzelnen
Kreisringe, aus denen jeder Balg besteht, ist nicht näher beschrieben, jedoch zeigt
die Zeichnung, daß es sich dabei um konisch gewölbte Kreisringscheiben handelt.
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In der Beschreibung ist weiterhin nichts darüber ausgesagt, wie diese
Balgen beschaffen und wie die konische Auswölbung der einzelnen Kreisringscheiben
gewählt werden muß, damit die vorerwähnten Eigenschaften erhalten werden.
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Einige dieser Eigenschaften können bei Balgen erhalten werden, welche
in der GB-PS 474 753 dargestellt und beschrieben sind.
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Diese Balgen bestehen aus einer Reihe dünner, flacher Kreisringscheiben
aus Metall, die abwechselnd an ihren Innenrändern und an ihren Außenrändern praktisch
nur kantenseitig miteinander verschweiß sind. Diese Metallbalgen sind normalerweise
geschlossen, so daß die Oberflächen benachbarter Scheiben aneinander anliegen, und
sie werden für den Arbeitshub gedehnt, so daß bei ihnen also ein umgekehrtes Arbeitsprinzip
vorliegt wie bei den Metallbalgen der vorliegend interessierenden Art, die normalerweise
geöffnet sind und für den Arbeitshub zusammengedrückt werden. Fllr diese bekannten
Balgen kann allgemein festgestellt werden, daß ihr voluoetrisches Leistungsvermögen
bei niedrigen Innendrücken vergleichsweise
hoch ist, daß es aber
bei vergleichsweise hohen Innendrücken schwierig ist, die benachbarten Scheiben
zur gegenseitigen Oberflächenberührung zu bringen, so daß dann das volumetrische
Leistungsvermögen unbefriedigend ist. Bei solchen vergleichsweise hohen Innendrücken
kommt es dabei außerdem zu einer erhöhten Materialbeanspruchung der Scheibenränder,
so daß eine vorzeitige Werkstoffermüdung auftritt, die zu einem Brechen der Balgen
führen kann.
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In der GB-PS 759 849 ist noch ein Kompressor dargestellt und beschrieben,
der ebenfalls mit Balgen ähnlich denjenigen gemäß GB-PS 474 753 ausgerüstet ist.
Unterschiedlich ist dabei, daß diese Balgen durch eine von außen einwirkende Druckflüssigkeit
zusammengedrückt werden, so daß die Druckdifferenz, welcher der Balg ausgesetzt
ist, auf eine vernachlässigbare Größe reduziert wird.
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Aus diesen Gründen kann ein Balg dieser Art aus einem vergleichsweise
dünnen, frei biegbarem Material hergestellt werden, beispielsweise aus Kupfer geringer
Dicke.
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Kompressible Metallbalgen mit konisch ausgewölbten Kreisringscheiben
der in der GB-PS 438 404 beispielsweise beschriebenen Art besitzen eine Reihe von
Nachteilen. Wenn solche konisch ausgewölbten Kreisringscheiben, die praktisch nach
Art einer BeAleville-Unterlagscheibe gestaltet sind,axial soweit zusammengedrückt
werden, daß ihre inneren und äußeren Randbereiche in derselben Ebene liegen, dann
ist dabei die jeweilige Scheibe nicht in einen vollkommen planaren Zustand überführt,
wie dies an sich vermutet werden könnte, vielmehr besitzt dann die jeweilige Scheibe
eine wellenförmige Krümmung im radialen Querschnitt. Balgens die aus solchen konisch
ausgewölbten Scheiben gebildet sind, können nur durch vergleichsweise sehr hohe
Axialdlicke, die auf die gesamte Außenfläche an den beiden Enden des Balges einwirken,
so ausreichend zusammengcdriickt werden, daß die einander zugeordneten Innenflächen
benachbarter Scheiben vollständig aneinander anliegen. Abgesehen davon, daß solche
hohen Axialdrücke nicht immer zur Verfügung stehen bzw. gebraucht werden, ergibt
die wiederholte Abflachung
und Auswölbung jeder einzelnen Scheibe
eine so hohe Spannungsbeanspruchung, daß eine frühzeitige Werkstoffermüdung auftritt
und deshalb das Leistungsvermögen des Balges rapide absinkt. Die Werkstoffermüdung
kann natürlich auch zu einem Breichen und damit zu einem totalen Ausfall des Balges
führen. Ein weiterer Nachteil ist darin gegeben, daß diese bekannten Balgen ein
im wesentlichen konstantes Federungsvermögen besitzen, durch welches sich ein natürliches
Schwingungsverhalten ergibt, das die Arbeitsgeschwindigkeit beispielsweise eines
Kompressors beträchtlich begrenzt. Ein nicht unbeachtlicher Nachteil ist auch darin
erkennbar, daß beim Zusammendrücken dieser bekannten Balgen bei Erreichung der maximalen
Kompression die Biegebewegung abrupt abgestoppt wird, so daß es beim Aneinanderliegen
der benachbarten Scheiben häufig dazu kommt, daß der Querschnitt jeder Scheibe eine
Verzerrung bzw, Verwindung erfährt.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, einen kompressiblen Metallbalg bereitzustellen,
welcher insbesondere diese Nachteile nicht aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch bei einem Metallbalg der
eingangs genannten Art gelöst, daß der zwischen den beiden Randbereichen jedes Kreisringes
liegende gekrümmte Bereich mit einem Abschnitt positiver Krümmung neben dem jeweiligen
Außenrand und mit einem Abschnitt negativer Krümmung neben dem jeweiligen Innenrand
eine solche Form im radialen Querschnitt hat, daß die natürliche Krümmungskurve
angenähert wird, die erzeugt werden würde, wenn die inneren und äußeren Randbereiche
eines gleich dimensionierten, flachen Kreisringes aus demselben Metall in axialer
Richtung parallel zueinander unter Vermeidung einer Verformung bewegt werden.
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Erfindungsgemäß wird damit also ein kompressibler Metallbalg bereitgestellt,
bei dem die einzelnen Kreisringe im wesentlichen flach aneinander anliegen, wenn
beim ZusammendrUcken des Balges die inneren und äußeren Randbereiche relativ zueinander
in axiale
Richtung bewegt werden. Für die bevorzugte Ausführungsform
erhalten die randseitigen Verbindungsnähte eine radiale Länge bzw.
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Tiefe, die vorzugsweise wesentlich größer ist als die summierten Dicken
der beiden Kreisringe, die durch sie jeweils verbunden sind0 Zur Erleichterung dieses
Verbindens werden dabei die inneren und äußeren Ränder jedes Kreisringes flach ausgeführt
und in zueinander parallele Ebenen gelegt. Das Verbinden kann durch ein Hartlöten,
ein Weichlöten, ein Schweißen oder auf andere Weise erfolgen, bevorzugt ist eine
Schweißung unter Verwendung eines Elektronenstrahls. Bei einem Balg dieser Ausführungsform
behalten die miteinander verbundenen Randbereiche ihre flache Form ebenso bei wie
ihre zueinander parallele Anordnung, wenn beim Zusammendrücken des Balges die einzelnen
Kreisringe in axialer Richtung bewegt werden.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Annäherung des gekrümmten Bereiches
jedes Kreisringes an die definierte natürliche Krümmung kurve bringt für die Arbeitsweise
des Balges eine Reihe unübersehbarer Vorteile. Die einzelnen Kreisringe werden dadurch
beim Zusammendrücken des Balges in ihrem jeweiligen Krümmungsbereich progressiv
flachgedrückt, so daß also die Abschnitte positiver und negativer Krümmung progressiv
in die Ebene des jeweils zugeordneten, flachen Randbereiches hineingedrückt werden.
Der Balg kann deshalb bei jedem Arbeitshub vollständig in seine minimale Arbeitslänge
zusammengedrückt werden, wobei dann alle Flüssigkeit aus dem Raum zwischen benachbarten
Kreisringen verdrängt ist. Mittels des erfindungsgemäßen Balges lassen sich deshalb
sehr hohe Kompressionsverhältnisse erreichen. Fur die Arbeitsweise eines derartigen
Balges kann weiterhin davon ausgegangen werden, daß bei der Erhöhung des Innendruckes
eine Abrollbewegung zwischen den Äußenflächen benachbarter Kreisringe auftritt,
welche am jeweiligen Innenrand anfängt und sich dann in radialer Richtung progressiv
verlagert zu dem jeweiligen Außenrand, so daß bei Erreichung des vollen Kompressionsdruckes
die benachbarten Kreisringe eng aneinander anliegen. Diese Rollbewegung wirkt sich
unmittelbar aus in einer Erhöhung der Steifheit des Balges in dem
Ausmaße,
in welchem seine axiale Länge verkdrzt wird, wodurch das natürliche Schwingungsverhalten
in optimaler Weise gedämpft bzw.
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vollständig unterdrückt wird. Wenn der Balg keiner Druckdifferenz
ausgesetzt ist, dann bleibt seine Steifheit im wesentlichen konstand.
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Es kann weiterhin davon ausgegangen werden, daß bei dem erfindungsgemäßen
Balg die Spannungsbeanspruchungen in radialer und in Umfangsrichtung und die Biegebeanspruchungen
in Umfangsrichtung bei jedem voll zusammengedrückten Kreisring vernachlässigbar
klein sind, worin ein wesentlicher Unterschied zu den bekannten Balgen vorliegt.
Die Hauptbeanspruchung, welchen der erfindungsgemäße Balg ausgesetzt ist, ist die
radiale Biegebeanspruchung seiner Kreisringe, die in der Nähe des jeweiligen Innenrandes
am größten ist, Indem diese radiale Biegebeanspruchung eine Wirkrichtung besitzt,
welche der Wirkrichtung des Innendruckes entgegengesetzt ist, kann dadurdider erfindungsgemäße
Balg im Vergleich zu den bekannten Konstruktionen wesentlich höhere Innen drücke
aushalten, weil die radial ausgerichteten Biege spannungen der einzelnen Kreisringe
einen Teil des Innendruckes ausgleichen.
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Der zwischen den Rändern jedes Kreisringes liegende Krüimungsbereich
sollte vorzugsweise einen Verlauf besitzen, welcher identisch ist mit dem Verlauf
der vorstehend definierten natürlichen KrEmmungskurve. Dieser ideale Verlauf kann
unter Berücksichtigung des jeweiligen Verwendungszweckes eines solchen Balges jedoch
auch verlassen werden, wenn von einem davon abweichenden Verlauf im Einzelfall verbesserte
Arbeitsbedingungen erwartet werden können.
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Wird beispielsweise die negative Krümmung im Bereich des Außenrandes
jedes Kreisringes vergrößert, dann ergibt diese Maßnahme eine Vergrößerung des Arbeitshubes,
das Auftreten einer radialen Rollbewegung von innen nach außen zwischen benachbarten
Kreisringen selbst dann, wenn der Balg keiner Druckdifferenz ausgesetzt ist, so
daß dann eine Veränderung der Steifheit des Balges auftritt, wenn sich dessen axiale
Länge ändert, und schließlich hat diese Maßnahme noch eine Erhöhung der radialen
Biegespannungen in Richtung
des Außenrandes jedes Kreisringes ohne
gleichzeitige wesentliche Erhöhung der Maximalspannung jedes Innenrandes zur Folge,
so daß entsprechend höhere Innendrücke zur Beaufschlagung kommen können, welche
nach der vorstehenden Erläuterung durch derartige Biegespannungen teilweise ausgeglichen
werden. Natürlich darf dabei diese negative Krümmung nicht so stark vergrößert werden,
daß die am jeweiligen Außenrand der Kreisringe maximal auftretenden Biegespannungen
einen Wert erreichen, der zu einer Werkstoffermddung führt, Wird andererseits die
negative Krümmung am Außenrand jedes Kreisringes verkleinert, dann erfahren dadurch
auch diese radialen Biegespannungen eine Verkleinerung. In einer solchen Ausführungsform
kann folglich der Balg größeren Außendrücken ausgesetzt werden, und für seine Betriebsweise
ist dann davon auszugehen, daß beim Zusammendrücken des Balges eine Rollbewegung
zwischen benachbarten Kreisringen von außen radial nach innen auftritt, und zwar
selbst dann, wenn der Balg keiner Druckdifferenz ausgesetzt ist, wobei diese Rollbewegung
solange anhalt, bis die benachbarten Kreisringe vollständig flach aneinander anliegen.
Auch in diesem Fall ändert sich die Steifheit des Balges bei einer Veränderung der
axialen Länge. Der Arbeitshub ist vergleichsweise kleiner, und zwar in einem Ausmaß,
welches direkt abhängig ist von der Verkleinerung des negativen Krümmung am Außenrand
jedes Kreisringes.
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Wenn der gekrümmte Bereich jedes Kreisringes der definierten natürlichen
Krümmungskurve folgt, dann wird dadurch ein etwa S-förmiger Radialquerschnitt erhalten,
bei welchem die Bäuche keine übermäßig starke Auswölbung besitzen, vielmehr in die
Länge gestreckt sind. Der eme Bauch verläuft dabei mit positiver Krümmung zwischen
dem flachen Außenrand jedes Kreisringes und einer Stelle, die etwa in der Mitte
zwischen den beiden Rändern liegt, und er setzt sich fort in einer negativen Krümmung,
die wischen dieser etwa mittigen Stelle und dem jeweiligen, flachen Innenrand verläuft.
Die Randbereiche liegen dabei etwa tangential bezüglich des Anfanges des zugeordneten
Krümmungsabschnittes. Die Begriffe
'positive Krümmung" und "negative
Krümmung" sind in diesem Zusammenliiang willkürlich gewählt, um den unterschiedlichen
Krümmung verlauf der beiden Knkmmungsabschnitte besser zu verdeutlichen.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist der Abschnitt negativer
Krümmung des gekrümmten Bereiches jedes Kreisringes gleich mit dem entsprechenden
Verlauf dieses Abschnittes bei der definierten natürlichen Krümmungskurve, während
der Abschnitt positiver Krümmung vergleichsweise stärker gekrümmt ist als der entsprechende
Abschnitt dieser Krümmungskurve0 Bei einer anderen abgewandelten Ausführungsform
sind die Verhältnisse umgekehrt, d.h. der Abschnitt positiver Krümmung ist dabei
vergleichsweise schwächer gekrümmt als der entsprechende Abschnitt der definierten
natürlichen Krümmungskurve0 Die Vorteile, die mit diesen Maßnahmen erzielbar sind,
wurden vorstehend bereits kurz erläutert und werden später nochmals bei der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Weitere vorteillsafte Ausgestaltungen der Erfindung, so auch insbesondere
das Verfahren zum Herstellen solcher kompressibler Metallbalge, sind in den darauf
bezogenen Ansprüchen erfaßt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der beigefügten Zeichnung
schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt: Fig.
i eine Gesamtansicht eines kompressiblen Metallbalges gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teil-Querschnitt durch den Metallbalg gem.
Fig. 1, Figuren 3 und 4 zwei Darstellungen, die zur näheren Erläuterung des Begriffes
einer natürlichen Krümmungskurve benötigt werden, welche für den gekrümmten Bereich
jedes Kreisringes des Metallbalges gem. den Fig. 1 und 2 vorgesehen ist, Fig. 5
in vergrößertem Maßstab einen Teil-Querschnitt durch dell Metallbalg gem. Fig. 1,
wenn dieser teilweise zusammengedrückt ist,
Fig. 6 in entsprechender
Darstellung den Balg in seinem vollständig zusammengedrückten Zustand, Fig0 7 in
vergrößertem Maßstab einen in seinem gekrümmten Bereich der natürlichen Krümmungskurve
folgenden Kreisring, wobei in gestrichelten Linien für den Abschnitt positiver Krümmung
eine stärkere Krümmung angedeutet ist, Fig. 8 eine entsprechende Darstellung, wobei
jedoch hier in gestrichelten Linien für den Abschnitt positiver Krümmung eine schwächere
Krümmung angedeutet ist, Fig. 9 in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung die
Verhältnisse bei einem teilweise zusammengedrückten Baig, bei dem der Abschnitt
positiver Krümmung der Kreisringe bezüglich des Verlaufs der natürlichen Kriimmungskurve
stärker gekrümmt ist, Fig.1O in entsprechender Darstellung die Verhältnisse bei
einem teilweise zusammengedrückten Balg, bei dem der Abschnitt positiver Krümmung
der einzelnen Kreisringe bezüglich der natürlichen Krümmungskurve schwächer gekrümmt
isti Figuren 11 und 12 in entsprechender Darstellung Balge, bei welchen die Innenränder
bzw. die Außenränder benachbarter Kreisringe über Abstandsringe miteinander verbunden
sind, Figuren 13 und 14-in schematischer Darstellung einen Kompressor, der mit einem
Balg in der Ausfuhrungsform gem. Fig. 11 ausgerüstet ist, und Fig15 in schematischer
Darstellung einen anders konstruierten Kompressor, der mit einem Balg in der Ausführüngsform
gem.
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Fig. 9 ausgerüstet ist.
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Gemäß den Figuren t und 2 besteht ein kompressibler Metallbalg nach
der vorliegenden Ereindung aus einer Vielzahl konkaver Kreis ringe 1 aus Blech,
die in einer axialen Reihe nebeneinander angeordnet sind0 Die einzelnen Kreisringe
sind an ihren flachen und parallel zueinander liegenden Innenrändern 4 und Außenrändern
5 miteinander verschweißt. Die radiale Länge jeder Schweißnaht etwa und 5A ist im
wesentlichen gleich der Breite der zugeordneten
Ränder 4, 5 der
Kreisringe. Die Schweißnaht ist bevorzugt hergestellt unter Verwendung eines Elektronenstrahles.
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Die radiale Querschnittsform der einzelnen Kreisringe wird im folinden
zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 näher erläutert. Die Rig. 3 zeigt
eine flache Kreisringscheibe 6 aus Blech, deren Außenrand zwischen die beiden Hälften
eines starren Ringes 7 eingeklemmt ist. Ebenso ist der Innenrand dieser flachen
Kreisringsoheibe 6 zwischen die beiden Hälften einer starren Zylinderklemme 8 eingeklemmt.
Wenn die Zylinderklemme 8 in axialer Richtung relativ zu dem Klemmring 7 bewegt
wird, dann verläuft der zwischen dem festgeklemmten Außenrand und dem festgeklemmten
Innenrand liegende Bereich der Kreisringscheibe 6 solange entlang einer natürlichen
Krümmungskurve, wie die festgeklemmten Ränder parallel zueinander liegen. Es ist
klar, daß die axiale Verschiebemöglichkeit der Zylinderklemme 8 mit der beginnenden
Verwindung der Kreisringscheibe aufhört. Dieser Zustand ist in Fig. 4 festgehalten.
Wird bei der hier gezeigten Relativlage der Zylinderklemme 8 bezüglich des Klemmringes
7 die Kreisringscheibe 6 und mit ihr die beiden Klemmen 7, 8 auf eine Temperatur
erhitzt, welche hinsichtlich des Werkstoffes der Kreisringscheibe 6 die Entspannungstemperatur
darstellt, dann behält die Kreisringscheibe nach der nachfolgenden Abkühlung die
hier gezeigte Querschnittsform bei, in welcher also der zwischen den Rändern liegende
gegekrümmte Bereich dem Verlauf einer hiermit definierten natürlichen Krümmungskurve
folgt.
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FUr die einzelnen Kreisringe des erfindungsgemäßen Metallbalges wird
eine dauerhafte Auswölbung in solcher Größenordnung bereitgestellt, daß dann, wenn
beim Zusammendrücken des Balges die einzelnen Kreisringe in ihren flachen Zustand
zurückgedrückt werden, der jeweilige gekrümmte Bereich also dann in die Ebene der
Ränder zu liegen kommt, die von dem jeweiligen Material abhängige Spannung nicht
überschritten wird, bei welcher eine Werkstoffermüdung beginnt. Wenn der Balg zusammengedrückt
ist, dann tritt in den einzelnen Kreisringen t nahe des jeweiligen Innenrandes oine
radikal
ausgerichtete, maximale Biegespannung auf0 In den Fig.
2,, 5 nnd 6 sind die Verhältnisse näher verdeutlicht die bei solchen Kreisringen
auftreten9 deren gekrümmter Bereich jeweils der natürlichen Krümmungskurve folgt0
Wegen dieses Ver lauf 5 ist es möglich, daß die benachbarten Kreisringe bei dem
zusammengedrückten Balg in äußerst enger Berührung flach aneinander anliegen, so
daß dann also in der in Fig 6 gezeigten Weise die gegenüberliegenden Innenflächen
2 und die gegenüberliegenden Außenflächen 3 der einzelnen Kreisringe i genau parallel
zueinan-' der liegen, wobei zwischen den einzelnen Flachen keine Luftschicht eingeschlossen
ist. Durch eine Gegenüberstellung mit den Fig0 2 und 5 ist hierbei erkennbar, daß
es bei dieser Flachlegung der einzelnen Kreisringe an keiner Stelle zu einer Ausbealuxlg
oder einer irgendwie anders gearteten Verformung kommt, D deren Erscheinung zwangsläufig
dann festgestellt werden könnte9 wenn für den gekrümmten Bereich der einzelnen Kreisringe
nicht dieser haturlin che Krümmungsverlauf gewählt -wird.
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Für die Darstellung gem. Fig. 5 sollte noch klargestellt werden, daß
hier ein Zustand für die einzelnen Kreisringe gezeigt ist D der dann eingenommen
wird, wenn der Balg keinem Innendruck ausgesetzt ist. In diesem Fall besitzt der
Balg ein konstantes Federungsvermögen bzw. eine konstante Steifheit.
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Ist der Balg einem Innendruck ausgesetzt, was beispielsweise dann
der.Fall ist, wenn er für die Kompression einer Druckflüssigkeit verwendet wird,
dann wäre hinsichtlich der Flachlegung der einzelnen Kreisringe davon auszugehen,
daß dabei eine progressive Rollbewegung zwischen den einander zugewandten Außenflächen
benachbarter Kreisringe auftritt, die an den jeweiligen Innenrändern 4 beginnt und
sich radial nach außen zu den jeweiligen Außenrändern 5 hin verlagert0 Die Fig.
9 zeigt in diesem Zusammenhang ähnliche Verhältnisse bei einem Balg abgewandelter
Ausführungsform. Diese sich progressiv verlagernde Rollbewegung hat eine progressive
Verkrängung der zwischen den einander zugewandten Innenflächen 2 eingefangenen
Druckflüssigkeit
zur Folge,so daß es auch hier wiederum nicht zu einer Ausbeulung oder einer irgendwie
anders gearteten Verformung der einzelnen Kreisringe kommt und diese final in die
Anordnung überführt werden können, die in Fig. 6 verdeutlicht ist.
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Durch den Innendruck wird allgemein die Spannung erhöht, die in den
einzelnen Kreisringen vorliegt, Wenn sich der Innendruck bei der Verkürzung des
Balges erhöht, dann werden dabei jedoch nicht die normalen Biegespannnngen in radialer
Richtung überschritten, weil wegen der vorgeschilderten, sich progressiv von innen
nach außen verlagernden Rollbewegung eine progressiv wachsende Abstützung zwischen
den benachbarten Kreisringen stattfindet. Die Druckbeanspruchung kann hierbei jedoch
die radialen Biegespannungen nahe dem jeweiligen Außenrand 5 der einzelnen Kreisringe
übersteigen, wodurch unter Umständen die Arbeitsweise des Balges beeinträchtigt
wird0 Da die radial ausgerichtete Biegespannung am Außenrand der einzelnen Kreisringe
entgegengesetzt ausgerichtet ist zu der Wirkungsrichtung des Innendruckes, ist es
möglich, durch zwangsweise Brhöhlung dieser radialen Biegespannungen am Außenrand
5 jedes Kreisringes 1 höhere Innendrücke zu tolerieren. Diese Möglichkeit ist dadurch
gegeben, daß man entsprechend der Fig. 7 den Abschnitt positiver Krümmung stärker
krümmt.
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In Fig. 7 ist in ausgezogenen Linien der Krümmungsverlauf eines Kreisringes
zwischen seinem flachen Innenrand 4 und seinem flachen, dazu parallel angeordneten
Außenrand 5 gezeigt, wenn die natürliche Krümmungskurve eingehalten wird. Der Abschnitt
positiver Krümmung beginnt bei A an der Innenkante des Außenrandes 5, der bezüglich
dieses Abschnittes tangential verläuft. Dieser Abschnitt endet an einer Stelle C,
die etwa in der Mitte ziehen dem Außenrand 5 und dem Innenrand 4 liegt. Der Punkt
C ist gleichzeitig der Anfang des Abschnittes negativer Krümmung, der bei B an der
Außenkante des Innenrandes 4 endet, welcher bezüglich dieses
Abschnittes
wiederum etwa tangential liegt. Die Stelle C muß nicht unbedingt in der Mitte zwischen
den beiden Rändern 4, 5 liegen, sie kann vielmehr auch mehr zu dem Punkt B hin verlagert
sein, was von der jeweiligen Materialwahl, welche für den natürlichen Krümmungsverlauf
maßgebend ist, abhängig ist.
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Eine in dem Punkt C errichtete Normale würde zwei zueinander parallele
Geraden durch die Punkte A und B unter einem jeweiligen Winkel e schneiden. Wird
nun der Abschnitt positiver Krümmung zwischen den Punkten A und C vergrößert, wie
dies in gestrichelten Linien in Fig. 7 dargestellt ist, ohne daß dabei -gleichzeitig
die negative Krümmung des Abschnittes zwischen den Punkten B und C verändert wird,
dann hat dies zur Folge, daß der Punkt A nach A' und der Punkt C nach CX verlagert
wird. Eine in dem Punkt CX errichtete Normale schneidet dann die beiden Geraden
durch die Punkte A und B unter einem vergrößerten Winkel et.
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Wird ein Balg aus Kreisringen gebildet, bei welchen der Abschnitt
positiver Krümmung bezüglich des natürlichen Krttmmungsverlaus in dieser Weise vergrößert
ist, dann tritt dabei während der Verkur zung des Balges, also bei der Kompression,
eine sich progressiv von innen nach außen verlagernde Rollbewegung zwischen den
einander zugewandten Außenflächen benachbarter Kreisringe auf, wie dies in Fig.
9 für die Verhältnisse eines Balges verdeutlicht ist, der keinem Innendruck ausgesetzt
ist. Ist der Balg einem Innendruck ausgesetzt, dann tritt diese Rollbewegung in
verstärktem MaBe auf.
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Wenn der Abschnitt positiver Krümmung in der beschriebenen Weise stärker
gekrümmt wird, dann tritt natürlich an dem Punkt Al, welcher in Wirklichkeit eine
Umfangslinie darstellt, eine größere Biegespannung in radialer Richtung auf. Folglich
muß in diesem Zusammenhang festgehalten werden, daß dieser Vergrößerung des Krümmungsverlaufs
dieses Abschnittes nur so groß gewählt werden darf, daß die zur Verhinderung einer
Werkstoffermüdung maximal zulässige Spannung nicht erreicht wird.
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In Fig. 8 sind die Verhältnisse verdeutlicht, wenn der Abschnitt positiver
Krümmung bezüglich des natürlichen Kriimmungsverlaufs weniger stark gekrümmt wird.
Der Punkt A ist dabei nach A'1 und der Punkt C ist nach C" verlagert, so daß dann
eine in diesem Punkt C" errichtete Normale einen kleineren Schnittwinkel ett mit
den beiden Geraden durch die Punkte A und B ergibt. Wird der Abschnitt positiver
Krümmung auf diese Weise bezüglich des natUrlichen Krümmungsverlaufs verkleinert,
dann tritt beim Zusammendrücken des Balges, der aus derartigen Kreisringen gefertigt
ist, eine sich progressiv von außen nach innen verlagernde Rollbewegung zwischen
den einander zugewandten Innenflächen 2 benachbarter Kreisringe auf, wie dies in
Fig. 10 verdeutlicht ist. In diesem Fall treten dann an dem Punkt A kleinere Biegespannungen
in radialer Richtung auf. Ein Balg dieser Konstruktion kann höheren Außendrücken
ausgesetzt werden, weil diesen höheren Außendrücken die an den Innenrändern der
einzelnen Kreisringe erzeugten Biegespannungen entgegenwirken. Ein Balg dieser Konstruktion
ist deshalb bei dem Kompressor gem. den Fig. 13 und 14 verwendet, der später näher
erläutert wird.
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Wenn ein Balg dieser Konstruktion einem Außendruck ausgesetzt wird,
dann wird seine Kompressionswirkung in dem Ausmaße kleiner, in welchem sich der
Balg seinem voll geschloseenen, also seinem vollständig verkürzten Zustand nähert.
Die Kompressionswirkung ist dann deshalb weniger wirknngsvoll und auch langsamer,
weil dann die Angriffsfläche für die Druckflüssigkeit an den Außenflächen 3 der
einzelnen Kreisringe 1 zunehmend kleiner wird. Wird demgegenuber, wie in Fig. ii
gezeigt, vorgesehen, daß die Innenränder 4 benachbarter Kreisringe 1 über Abstandsringe
10 miteinander verbunden werden, dann kann dadurch auf einfachste Weise die Gesamtlänge
des Balges vergrößert werden, wobei jedoch nicht die Sohließwirkung, also die Flachlegung
der einzelnen Kreisringe beim Zusasmendrücken des Balges, beeinträchtigt wird. Mit
dieser Maßnahne kann folglich die Kompressionswirkung verbessert werden, wenn der
Balg einem Außendruck ausgesetzt wird.
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Gleichartig kann bei einem einem Innendruck ausgesetzten Balg die
Kompressionswirkung verbessert werden, ifanz hierbei gem. Fig.
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12 zwischen die Außenränder 5 benachbarter Kreisringe 1 Abstandsringe
11 eingefügt werden.
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Anhand der Fig. 13 und 14 werden nachfolgend die Verhältuisse bei
einem Luftkompressor näher erläutert der mit einem Balg der erfindungsgemäßen Konstruktion
ausgerüstet ist. Die Konstruktion des in seiner Gesamtheit mit 26 bezeichneten Balges
ist die gleiche wie diejenige des Balges gem3 Fig0 11. Der Balg ist an seinem einen
Ende an der oberen Innenwand einer Klammer 20 befestigt, die einen zylindrischen
Abschnitt 21 aufweist, in welchem ein Kolben 22 verschieblich geführt ist, Das freie
Ende des Balges 26 ist durch eine angeschweißte Kreisscheibe 28 verschlossen, die
einen bezüglich des Balges konzentrisch angeordneten Plungerkolben 29 trägt. Die
axiale Länge dieses Plungerkolbens 29 entspricht etwa der Höhe von drei Abstandsringen
27, vergr^ert um die Gesamtdicke aller Kreisringe, aus welchen der Balg 26 gebaut
ist0 Sein Durchmesser ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Abstandsringe
27. In die obere Wand der Kammer 20 sind Luft-Einlaß- und Auslaßventile 30, 31 eingebaut,
deren Durchlaßöffnungen mit 32 und 33 bezeichnet sind. Das Einlaßventil 30 steuert
die Luft zum fuhr in das Innere des Balges 26, während das Auslaßventil 31 den Ausstoß
der verdichteten Luft steuert.
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Die Kammer 20 ist mit einer geeigneten Druckflüssigkeit 25, wie 01,
gefüllt. Der Kolben 22 wird durch eine Kurbel 23 und einen daran angelenkten Verbindungslenker
24 in dem zylindrischen Abschnitt 21 hin und her verschoben, so daß der Balg 26
durch die Druckflüssigkeit 25 abwechselnd zusammengedrückt und gedehnt wird.
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Die Fig. 14 zeigt den Balg 26 in seinem völlig zusammengedrückten
Zustand. Der Plungerkolben 29 reduziert dabei das freie Volumen des zusammengedrückten
Balges, woraus sich in Verbindung mit der vollständigen Schließung der Kreisringe
hohe Verdichtungsverhiltnisse ergeben.
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Die Kreisringe der kompressiblen Metallbalgen gem. der vorliegenden
Erfindung sind aus einem vergleichsweise dicken Blech hergestellt. Ihr Außendurchmesser
beträgt etwa 20 cm, ihr Innendurohmesser etwa 10 cm und ihre Dicke etwa 0,8 bis
0,9 mm im Falle einer Herstellung aus martensitischen, rostfreiem Stahls Es kön-2
nen damit Innendrücke zwischen etwa 10,5 und 35 kg/¢m2 erreicht werden, ohne daß
die Grenze beginnender Werkstoffermüdung überschritten wird, und Balgen dieser Konstruktion
halten außerdem Biegeschwingungen in der Größenordnung von mehr als 109 Hertz ohne
weiteres aus. Werden die Balgen durch die Einwirkung einer äußeren Druckflüssigkeit
zusammengedrückt, dann können ohne weiteres Innendrücke in der Größenordnung von
etwa 3 000 Atmosphären toleriert werden, wobei festgestellt werden kann, daß dieser
Druckwert sogar noch weit überschritten werden kann bei Balgen mit nichtdynamischem
Verhalten.
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Wird für die einzelnen Kreisringe das vorstehende Verhältnis von etwa
0,006 zwischen dem mittleren Durchmesser und der Dicke eingehaltene dann wird dadurch
ein Balg nützlicher Steifheit erhalten, bei dem die beim Zusammendrücken auftretende
Rollbewegung diese Steifheit innerhalb weiter Grenzen verändern kann. Diese sich
verändernde Steifheit kann dazu ausgenutzt werden, die Ausdehnung des Balges nach
erfolgter Kompression zu unterstützen.
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Ein Anwendungsfall ist hierzu in Fig. 15 schematisch gezeigt.
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Die Fig. 15 zeigt in schematischer Darstellung einen Kompressor, bei
welchem oin Stirnnocken zum Zusammendrücken des Balges in der einen Richtung verwendet
wird, dessen Ausdehnung in der entgegengesetzten Richtung durch die Steifheit herbeigeführt
wird, sofern dies die Stellung des Stirnnockens erlaubt. Der Stirnnocken 45 wird
durch eine Welle 47 gedreht und die auf den Stirnnocken axial einwirkende Schubkraft
wird durch ein Schublager 46 und ein Gehäuse 48 aufgefangen. Ein mit der Welle 47
fluchtender Wellenstumpf 42 trägt in exzentrischer Anordnung eine Nockenrolle 43
und wird in einer Führung 44 axial geführt. Das Federungsvermögen des Balges 40,
an dessen angeschweißter Verschlußplatte 41 der
Wellenstumpf 42
befestigt ist, bewirkt die Berührung fischen der Rolle 43 und dem Strinnocken 45,
durch dessen Drehung der Balg zusanimengedrückt wird0 Wenn in der torstehenden Beschreibung
darauf hingewiesen wird, daß es für einige Ausführungen des Balges zweckmäßig ist,
den Abschnitt positiver Krümmung jedes Kreisringes bezüglich des definierten natürlichen
Krümmungsverlaufes stärker oder schwächer zu krümmen, dann ist hier natürlich auch
eine Bezugnahme gewählt zu dem Abschnitt negativer Krümmung. Dieselben Wirkungen
können natürlich auch erzielt werden, wenn dieser Abschnitt negativer Krümmung in
seinem Verhältnis zu dem Abschnitt positiver Krümmung stärker oder schwächer gekrümmt
wird. Die Sur den erfindungsgemäßen Metallbalg geltend gemachten Vorteile sind auch
dann erzielbar, wenn die einzelnen Kreisringe nicht krgisförmig ausgeführt sind,
also beispielsweise eine Ovalform oder eine beliebige andere Form besitzen. Die
einzelnen Kreisringe können auch aus mehr als einem Blech bestehen, d.b, die Kreisringe
können lamelliert ausgeführt sein.
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Zur Abrundung des einleitend kurz erläuterten Standes der Technik
wird noch abschließend verwiesen auf die US-PS 3 090 043, in welcher Balgen dargestellt
und beschrieben sind, für welche dünne Vielfachscheiben verwendet sind, die zur
Vermeidung einer Verformung im vollständig zusammengedrückten Zustand eine kompliziert
verwundene Querschnittsform aufweisen. In dieser Druckschrift sind im übrigen einige
der Probleme näher erläutert, welche mit der vorliegenden Erfindung auf sehr einfache
Weise beherrscht werden0