DE3431792C2 - Faltenbalgvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Faltenbalgvorrichtung mit mehreren Vertiefungen und Wülsten in Expansions- und Kontraktionsrichtung dient als bewegliches Bauteil eines Vakuum-Schaltrohres. Die Wandstärke eines mittleren Abschnittes in Expansions- und Kontraktionsrichtung gesehen beträgt das 1,2fache der Wandstärke eines benachbart dem mittleren Abschnitt angeordneten Abschnittes oder mehr. Der mittlere Abschnitt hat drei oder mehr Wülste.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Faltenbalgvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Eine derartige Faltenbalgvorrichtung kann insbesondere in einem Druckbehälter, wie einem Vakuum-Schaltrohr, eingesetzt werden, um abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Druckbehälters zu wirken. Im allgemeinen ist ein Vakuum-Schaltrohr wie in den F i g. 1 bis 3 gezeigt aufgebaut, wobei

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein konventionelles Vakuum-Schaltrohr mit einem Faltenbalg;

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen konventionellen Langhub-Faltenbalg;

F i g. 3 einen Faltenbalg in ausgebeultem Zustand
zeigen.

Dia Öffnungen an beiden Enden eines Druckbehälters 1 aus isolierendem Werkstoff sind mittels einer stationären Endplatte 2 und einer beweglichen Endplatte 3 abgeschlossen. Das Innere des so gebildeten geschlossenen Druckbehälters wird bis zu einem vorgegebenen Vakuumzustand evakuiert. Eine stationäre Stange 6 durchsetzt die stationäre Endplatte 2 und ist damit verbunden, während eine bewegliche Stange 7 die bewegliche Endplatte 3 axial mittels einer Betätigungsvorrichtung (nicht gezeigt) beweglich durchsetzt. Ein Paar Elektroden 4, 5 sind an den entgegengesetzten Enden der stationären und der beweglichen Stange 6, 7 angebracht, wobei die an der beweglichen Stange angebrachte Elektrode 5 in und außer Kontakt mit der Elektrode 4 abhängig von der Bewegung der beweglichen Stange 7 gebracht werden kann. Zwischen der beweglichen Endplatte 3 und der beweglichen Stange 7 ist ein Faltenbalg 8 so angeordnet, daß der Vakuumbehälter im Vakuumzustand abgedichtet bleibt und die bewegliche Stange 7 zu einer Bewegung in axialer Richtung befähigt wird Bezugszeichen 9 bezeichnet Abschirmteile, welche die Elektroden 4 und 5 sowie die station? re und die bewegliche Stange 6 und 7 umgeben.

Es ist eine Faltenbalgvorrichtung gemäß F i g. 2 vorgeschlagen worden, die eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des Vakuum-Schaltrohres nach F i g. 1 darstellt. Der Druckbehälter 1 nach F i g. 2 enthält ein Gas oder ein Gasgemisch, das einer Druckverringerung bis zum Ausmaß eines Hochvakuums unterworfen worden ist Die bewegliche Endplatte 3, welche eine zentrale öffnung aufweist, ist mit dem unteren Ende des Druckbehälters 1 fest verbunden, und die bewegliche Stange 7 ist durch die zentrale öffnung der beweglichen Endplatte 3 in axialer Richtung mittels einer nicht gezeigten Betätigungsvorrichtung beweglich hindurchgesteckt. Der Faltenbalg 8, dessen eines Ende fest mit der beweglichen Stange 7 und dessen anderes Ende fest mit der beweglichen Endplatte 3 verbunden ist, ist aus einem dünnwandigen Metallrohr gefertigt und hat mehrere Vertiefungen Sb und Wülste 8a in Expansions- und Kontraktionsrichtung. Im mittleren Bereich des Faltenbalges 8 ist ein Zwischenstück 10 eingefügt, das auf dem äußerer. Umfang der beweglichen Stange 7 gleiten kann, wenn diese zu einer Bewegung in axialer Richtung veranlaßt wird.

Faltenbalgventile, Vakuumschalter und dgl. sind als Vorrichtungen bekannt, welche eine Faltenbalgvorrichtung für die Luftabdichtung eines Behälters und für die gleichzeitige Zulassung einer axialen Bewegung einsetzen. Bei solchen Vorrichtungen ist es erforderlich, die Beanspruchung für einen Wulst 8a der Faltenbalgvorrichtung so zu verringern, daß die Faltenbalgvorrichtung einen langen Hub und eine lange Gebrauchsdauer hat. Folglich muß eine Faltenbalgvorrichtung zahlreiche Wülste 8a haben, wobei im Ergebnis das Verhältnis Länge zu Durchmesser (LJD) der Faltenbalgvorrichtung im allgemeinen den Wert 1,5 übersteigt. Jedoch ist der Bau einer Faltenbalgvorrichtung mit großem LJD-Verhältnis sehr schwierig. Demgemäß wurden mehrere Faltenbälge in Mehrstufenanordnung hintereinander geschaltet, um die gewünschte Leistung zu erhalten.

Der Betrieb einer Faltenbalgvorrichtung variiert mit den Betriebsbedingungen, wie den verwendeten Gasen oder Flüssigkeiten, Drücken usw. Im allgemeinen wird eine Faltenbalgvorrichtung unter einer Druckdifferenz zwischen ihrem Inneren und ihrem Äußeren betrieben. Wenn eine Faltenbalgvorrichtung mit großem LJD-Verhältnis verwendet wird, tritt eine Verformung des Faltenbalges 8 im wesentlichen in L-Gestalt im Mittelabschnitt auf, mit anderen Worten ein sogenanntes Ausknick- oder Beul-Phänomen. Um einen solchen Nachteil zu vermeiden, ist bei der Faltenbalgvorrichtung 8 das Zwischenstück 10 an einer soichen Stelle eingesetzt, an welcher ein Ausbeulen des Faltenbalges 8 auftreten kann.

Somit tritt das Beul-Phänomen der Faltenbalgvorrichtung mit großem LJD-Verhältnis auf, wenn eine ausreichende Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren tier Faltenbalgvorrichtung eintritt.

Ist ein Zwischenstück 10 zum Vermeiden des Bculcns nicht vorgesehen, dann tritt eine übermäßige Beanspru-

chung des Balges an der Beulstelle auf. Im Ergebnis verhindert die Bewegung der Faltenbalgvorrichtung in axialer Richtung eine Verlängerung der Lebensdauer selbst dann, wenn die Anzahl der Wülste Sa zahlreich ist, um die Schwingungsamplitude je Wulst zu vermindern. Selbst bei Verwendung eines Zwischenstückes 10 zum Verhindern des Beulens treten Nachteile auf, wie Auftreten von Verformung aufgrund Verschleißes zwischen der Stange 7 und dem Zwischenstück 10 oder Scheuern der beweglichen Stange 7 am Zwischenstück 10, so daß eine sanfte Gleitbewegung der beweglichen Stange 7 behindert wird, oder Anhaften aufgrund von Anbacken (Anbrennen). Wenn die bewegliche Stange 7 schnell bewegt wird, tritt eine Verzögerung der Bewegung des Zwischenstückes 10 zur Vermeidung des Beulens zu den Zeitpunkten von Beginn und Stop der Bewegung der beweglichen Stange auf, wodurch eine große Kraft auf den Faltenbalg 8 ausgeübt wird, welche die Lebensdauer der Faltenbalgvorrichtung vermindert

Es ist eine Faltenbalgvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (US-PS 42 95 496), die aus einem Polymermaterial becteht, welches durch eine spiralige Textil- oder Kunststoffeinlage verstärkt ist und an axial im Abstand befindlichen Bereichen außen durch eine Fiiament-Umwicklung verstärkt ist, um in diesen Bereichen eine radiale Ausweitung der als flexibler Schlauch einzusetzenden Faltenbalgvorrichtung zu vermeiden, so daß eine innere Spiralfedereinlage auch unter erhöhtem Innendruck an Ort und Stelle gehalten wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Faltenbalgvorrichtung langen Hubes und langer Gebrauchsdauer aus Metall zu schaffen, die äußerst zuverlässig ist und eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen das Ausknicken oder Beulen aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Im Geger satz zu Anspruch 4 ist bekannt, Abschnitte einer Faltenbalgvorrichtung an den Endflächen der Wülste zu verbinden (GB-PS 10 56 660). Es ist ferner bekannt, Abschnitte gleicher Wandstärke einer Faltenbalgvorrichtung über ein Anschlußstück zu verbinden (DE-PS 1142 257). Schließlich sind bei einer Faltenbalgvorrichtung aus einem Elastomermaterial verdickte Enden bekannt (CH-PS 4 48 646).

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt

F i g. 4 ein Diagramm, in welchem über dem Druck im Faltenbalg das Beulmaß mit der Wulstanzahl des Faltenbalgs als Parameter aufgetragen ist;

Fi g. 5 ein Diagramm, in welchem über der Wulstanzahl des Faltenbalgs der Druck aufgetragen ist, bei welchem Beulen auftritt;

F i g. 6 einen Querschnitt durch eine Ausführung einer Faltenbalgvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine im Maßstab vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes der Faltenbalgvorrichtung nach F i g. 6;

F i g. 8 ein Diagramm, in welchem über dem Druck im Faltenbalg das Beulmaß aufgetragen ist;

F i g. 9 eine schematische Ansicht einer fünfstufigen Faltenbalgvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher drei Abschnitte des Faltenbalgs großer Wandstärke in einem Zwischenabschnitt und an den oberen und unteren Enden angeordnet sind;

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführung einer Faltenbalgvorrichtung nach der Erfindung, bei welcher ein Anschlußstück in einen Faltenbalg eingesetzt ist;

F i g. 11 einen Schnitt durch eine Verbindung zweier Stücke eines Faltenbalgs gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung und

F i g. 12 einen Querschnitt durch eine andere Ausführung einer Faltenbalgvorrichtung nach der Erfindung.

Im allgemeinen läßt sich ein Beuldruck P (d. h. ein ίο Druck, bei welchem Ausbeulen eines Faltenbalges auftritt) eines Faltenbalges 8 ohne Zwischenstück 10 zum Verhindern eines Beulens gemäß Fig.3 grob mittels der folgenden experimentiell gewonnenen Gleichung ermitteln:

π k

worin A eine durch Innen- und Außendurchmesser sowie die Teilung zwischen benachbarten Wülsten eines Balges bestimmte Konstante, N die ....nzahl der Wülste,

K die Federkonstante und L die natürliche Länge sind. Die natürliche Länge L und die Federkonstante K

sind Funktionen der Wulstanzahl η der Gleichung (1), welche durch folgende Gleichung ersetzt werden kann:

In Gleichung (2) ist der Beuldruck P umgekehrt proportional zum Quadrat der Wulstanzahl n.

Es wurden Versuche unter Verwendung verschiedenen Faltenbälge mit gleichen Innen- und Außendurchmessern, Wandstärken und Teilungen zwischen benachbarten Wülsten, jedoch unterschiedlichen Wulstanzahlen durchgeführt. Eine Druckquelle, wie ein Kompressor, wurde zum Belasten des Faltenbalges mit einem Druck verwendet. Das Beulmaß Δ\ gemäß F i g. 3 wird durch Verändern des vom Kompressor bereitgestellten Druckes verändert. Fig.4 zeigt die Veränderung des Beulmaßes Δ\ in Abhängigkeit von dem ausgeübten Druck. Es wurde gefunden, daß der Beuldruck mit der Veränderung der Wulstanzahl variiert. Die Versuche haben ferner ergeben, daß bei Auftragen de:· Veränderungspunkte des Beulmaßes gemäß F i g. 5 die erhaltene Kurve mit der durch die oben angegebene Gleichung erhaltenen Kurve übereinstimmt. Es ist klar, daß die Abschnitte, in welchen ein Beulen auftritt, auf den mittleren Bereich des Faltenbalges konzentriert sind und daher der Mittelabschnitt des Faltenbalges zur Verhinderung des Beulens verbessert werden sollte. Um das Beul-Phänomen zu eliminieren, sollte ein Faltenbalg mit dicker Wandstärke im Mittelabschnitt angeordnet sein, wo die Beulung stattfindet, um die Steifigkeit des Mittelabschnittes und damit die Widerstandsfähigkeit gegen den Beuldruck zu verbessern.

Eine Ausführung der Faltenbalgvorrichtung ist im folgenden anhand der F i g. 6 und 7 beschrieben, wobei gleiche Bezugsze^: jhen gleiche oder funktionsgleiche Teile bezeichnen. Die bewegliche Stange 7 ist in den Behälter 1 durch die untere Endplatte 3 hindurch eingeführt. Zwei dünnwandige Faltenbälge 11 jeweils mit Vertiefungen 11a und Wülsten llösind in Expansionsund Kontraktionsrichtung gesehen auf beiden Seiten eines dickwandigen Friltenbalges 12 mit zwei Vertiefungen 12a und einem Wulst \2b in Expansions- und Kontraktionsrichtung angeordnet. Das obere Ende des dünnwandigen oberen Faltenbalges ist mit der bewegli-

chen Stange 7 verbunden, während das an die entsprechende Vertiefung 11a anschließende untere Ende des oberen Faltenbalges an der äußeren Endfläche des dickwandigen Faltenbalges 12 anliegt und fest damit verbunden ist, welche an die Vertiefung 12a anschließt. In gleicher Weise sind ein Ende des dünnwandigen unteren Faltenbalges 11 mit der beweglichen Endplatte 3 und das obere Ende mit dem dickwandigen Faltenbalg 12 verbunden. Die Verbindung der beiden Faltenbälge kann entweder durch Hartlöten, wie durch den Buchstaben A angedeutet, oder durch Schweißen, wie durch den Buchstaben Bangedeutet, erfolgen. Die Wandstärke der dünnwandigen Faltenbälge 11 liegt im Bereich zwischen 0,08 mm (wenn der Durchmesser 6 mm beträgt) bis 0,23 mm (wenn der Durchmesser 150 mm beträgt).

Das Diagramm nach F i g. 8 zeigt die Veränderung des Beulmaßes der Faltenbalgvorrichtung mit dem Innendruck. Die in F ig. 8 am weitesten links gezeichnete Kurve zeigt die Leistungsfähigkeit einer Faitenbaigvorrichtung mit 24 Wülsten als Norm. Die durch die Ziffer (1) bezeichnete Kurve zeigt die Leistungsfähigkeit einer Faltenbalgvorrichtung mit 24 Wülsten, wobei ein Abschnitt des Faltenbalges eine Wandstärke, die das 1,4-fache der Wandstärke der übrigen Abschnitte des Faltenbalges beträgt, und zwar bei Ersatz eines Wulstes durch einen Wulst mit größerer Wandstärke, z. B. des 13. Wulstes. Die Kurve (1) zeigt ein leichtes Anwachsen des Beulendruckes ohne jedoch eine bemerkenswerte Wirkung hervorzurufen.

Die mit (2) gekennzeichnete Kurve zeigt die Leistungsfähigkeit einer Faltenbalgvorrichtung mit 24 Wülsten, wobei drei Wülste im Mittelabschnitt der Faltenbalgvorrichtung, nämlich der 12.. der 13. und der 14. Wulst, eine Wandstärke aufweisen, welche das 1,4-fache der übrigen Abschnitte des Faltenbalges beträgt. Die Kurve (2) zeigt einen 2-mal so großen Beuldruck wie bei dem Standard-Fäiicfibäig und söfrni eine exzellente Wirkung.

Eine mit (3) bezeichnete Kurve stellt die Leistungsfähigkeit der Faltenbalgvorrichtung dar, welche den gleichen Auf'jau wie die der Kurve (2) zugrundeliegende Faltenbalgvorrichtung mit der Maßgabe aufweist, daß die Wandstärke im mittleren Abschnitt das 1,2-fache gegenüber der Wandstärke der übrigen Abschnitte des Faltenbalges beträgt. Es ist deutlich, daß der Beuldruck sehr verbessert wird. Aufgrund der Versuchsergebnisse sollte also die Wandstärke des Faltenbalges im mittleren Abschnitt das 1.2-fache oder mehr als die Wandstärke der übrigen Abschnitte betragen. Wenn die Wandstärke das 1,4-fache oder mehr beträgt als die Wandstärke der übrigen Abschnitte, wird der Beuldruck ganz erheblich verbessert. Wenn z. B. die Wandstärke der dünnwandigen Faltenbalgabschnitte 11 1 mm beträgt, beträgt die Wandstärke der dickwandigen Faltenbalgabschnitte 12 mindestens 1,2 mm.

Bei der oben beschriebenen Ausführung ist eine dreistufige Konstruktion verwirklicht. Die einander benachbarten Faltenbälge sind direkt miteinander verbunden, wobei ein dickwandiger Faltenbalg 12 \m Mittelabschnitt angeordnet ist. Die gleiche Wirkung kann auch erzielt werden, wenn ein dickwandiger Faltenbalg 12 im Mittelabschnitt in einer Faltenbalgvorrichtung vorgesehen ist, welche eine mehrstufige Konstruktion aufweist Wenn zwei einander benachbarte Faltenbälge zu verbinden sind, kann ein Anschlußstück 13 dazwischen angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann die Verbindung durch Hanlöten A oder durch Schweißen B gemäß F i g. 7 hergestellt werden.

Eine weitere günstige Wirkung kann dadurch erzielt werden, daß dickwandige Faltenbälge 12 sowohl im Mittelabschnitt als auch in den Endabschnitten einer Faltenbalgvorrichtung vielstufiger Konstruktion mit einer Verbindung der verschiedenen Faltenbälge gemäß F i g. 9 vorgesehen werden.

Ferner kann die gleiche positive Wirkung wie bei den vorbeschriebenen Ausführungen erhalten werden, wenn eine Faltenbalgvorrichtung mit Vertiefungen und Wülsten versehen werden, welche umgekehrt wie diejenigen bei der Faltenbalgvorrichtung nach Fig. 6 angeordnet sind. Ein Verbinden der dünnwandigen Faltenbälge und der dickwandigen Faltenbälge ist nicht auf die in F i g. 7 gezeigten Weisen begrenzt, und es ist möglich, eine Verbindung gemäß Fig. 11 vorzusehen, wenngleich die dort gezeigte Verbindung einige Genauigkeit bei der Vorbereitung erfordert.

Bei den oben beschriebenen Ausführungen werden Faitenbaigvuiiiehiüfigen durch ein kontinuierliches Metallrohr ohne Zwischenstücke zwischen den Vertiefungen und angrenzenden Wülsten gebildet. Es ist jedoch auch möglich, eine Faltenbalgvorrichtung durch abwechselndes Verbinden mehrerer Metallrohrstücke jeweils Ende an Ende zum Bilden von Vertiefungen 14a, 15a und Wülsten 14έ>, 156 gemäß Fig. 12 vorzusehen, wobei die Wandstärke des Mittelabschnitts 15 größer als die Wandstärke der angrenzenden Abschnitte 14 gemacht iL-, um die gleiche Wirkung wie bei den oben beschriebenen Ausführungen hervorzubringen.

Wie oben beschrieben, läßt sich der Beuldruck dadurch erhöhen, daß die Wandstärke des Mittelabschnittes einer Faltenbalgvorrichtung größer gemacht wird als diejenige in den benachbarten Abschnitten mit der Folge, daß ein Zwischenstück zum Verhindern eines Ausbeulens vermieden werden kann, welches bei konventionellen Faltenbalgvorrichtungen erforderlich war, und eine Faiter.balgvorrichtung langen Hubes und langer Gebrauchsdauer sowie hoher Zuverlässigkeit erhalten wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Faltenbalgvorrichtung, insbesondere zum Einbau in eine Vakuumschalteinrichtung mit mehreren Vertiefungen (11a, 12a; 14a, 15a; und Wülsten (116, 12Z); 146,15b) in Expansions- und Kontraktionsrichtung, wobei ein mittlerer Abschnitt größere Wandstärke als benachbarte Abschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt des aus Metall bestehenden Faltenbalgs ein gesondertes Bauteil ist, das mit den Endflächen der benachbarten Abschnitte geringerer Wandstärke insbesondere durch Schweißen oder Löten verbunden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des mittleren Abschnittes (12; 15) das 1,2-fache bis 1,4-fache der Wandstärke der benachbarten Abschnitte (11; 14) beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (15) größerer Wandstärke drei oder mehr Wülste (15b) aufweist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte an den jeweiligen Endflächen ihrer Vertiefungen (11a; \4a) miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte miteinander über ein Anschlußstück (13) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß a~ch die Wandstärken beider Endabschnitte (12) ir Expansions- und Kontraktionsrichtung gesehen größe als die Wandstärke von daran angrenzenden Abschnitten (11) ist.