-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Technisches Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Faltenbalg und einen
Vakuumschalter und insbesondere auf einen Faltenbalg zum Abdichten
eines Hebelbereichs, der so angeordnet ist, dass er die Wand einer
Vorrichtung oder eines Gerätes
durchdringt.
-
Allgemeiner
Stand der Technik
-
Im
Allgemeinen werden als ein Mittel zum Übertragen einer Antriebskraft
ohne Verlust der Luftdichtheit zwischen zwei verschiedenen Räumen, z.B. zwischen
einem Vakuum und der Atmosphäre,
in vielen Fällen
Faltenbälge
benutzt. Bei einem Vakuumschalter bewegen z.B. ein außerhalb
des Vakuumschalters vorgesehener Betätigungsmechanismus und ein
den Behälter
durchdringender Hebel in einer Auf- und Abbewegung eine bewegbare
Stange gegen eine feste Stange, um an den jeweiligen Stangen angebrachte
Elektroden miteinander in Kontakt zu bringen oder voneinander zu
trennen. In diesem Fall wird ein Faltenbalg um die bewegbare Stange
herum zur Abdichtung zwischen der Außenseite und der Innenseite
des Vakuumschalters benutzt.
-
Als
Stand der Technik bezüglich
dieses Verfahrens wird weiterhin z.B. das Patent JP A 55-143727
angeführt.
-
Wenn
ein Faltenbalg bei einem solchen Mechanismus nur in einer axialen
Richtung gedehnt und gestaucht wird, treten keine Probleme auf.
Wenn jedoch der Hebel um einen Drehpunkt einer Hauptwelle schwenkbar
ist, um eine bewegbare Elektrode und eine feste Elektrode miteinander
in Kontakt zu bringen oder voneinander zu trennen, wie bei dem in dem
genannten Patent JP A 5-143727 offen gelegten Vakuumschalter, d.h.
wenn das Ausdehnen und Stauchen des Faltenbalgs den Faltenbalg in
Kurven- oder Wellenform verformen, wird der Faltenbalg wiederholt
in Wellenform verformt, so dass sich Spannungen in der Nähe der Verbindungsbereiche
des Faltenbalgs konzentrieren, d.h. in der Nähe des festen Bereichs auf
der Hebelseite und eines festen Bereichs auf der Behälterwandseite,
und in diesen Bereichen können
während
des Betriebs über
viele Jahre Risse entstehen und die Abdichtung zwischen den beiden
Räumen
kann zerstört
werden.
-
In
diesem Fall wird selbstverständlich
die Spannungskonzentration verringert, indem man den Durchmesser
des Faltenbalgs bis zu einem gewissen Maß vergrößert, aber um die Größe des Faltenbalgs zu
erhöhen,
muss auch die Vorrichtung oder das Gerät mit dem Faltenbalg vergrößert werden,
was nachteilig ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung erfolgt unter Berücksichtigung der vorstehend
genannten Aspekte, und ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung
dieser Art von Faltenbalg, bei dem die Spannungskonzentration in
beiden Endbereichen desselben verringert werden kann, ohne die Größe zu erhöhen, und gleichzeitig
die Lebensdauer verbessert werden kann, sowie eines Vakuumschalters
mit dem Faltenbalg.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung werden ein Faltenbalg, ein bewegbarer
Hebel und ein Behälter nach
Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist der Faltenbalg so geformt, dass die Faltenhöhe kontinuierlich
von den beiden Endbereichen zum mittleren Bereich hin zunimmt. Vorzugsweise
ist der Faltenbalg so geformt, dass die Außenseite des Faltenbalgs eine
Bierfass-Form aufweist.
-
Außerdem wird
ein Vakuumschalter nach Anspruch 4 bereitgestellt.
-
Weil
die Federkonstante in einem mittleren Bereich in der Dehnungsrichtung
des Faltenbalgs kleiner als in den Endbereichen in der Dehnungsrichtung
ist, bedeutet dies für den
so geformten Faltenbalg, dass der mittlere Bereich des Faltenbalgs
einen flexibleren Aufbau als die Endbereiche aufweist. Selbst wenn
der Faltenbalg in Kurven- oder Wellenform verformt wird, werden
daher die Spannungen in den Endbereichen zum mittleren Bereich hin
verteilt. Folglich wird die Spannungskonzentration in den Endbereichen
verringert, ohne den Faltenbalg zu vergrößern, und es ist möglich, die
Lebensdauer bzw. Haltbarkeit zu verbessern.
-
Wenn
außerdem
die Federkonstante des Faltenbalgs im mittleren Bereich verringert
wird, ändert
sich die Faltenhöhe
des Faltenbalgs, d.h. die Faltenhöhe des Faltenbalgs in den Endbereichen wird
kleiner als in dem mittleren Bereich, so dass auch verhindert werden
kann, dass sich die Falten in der Nähe des jeweiligen Endbereichs
berühren.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine vertikale Schnittansicht
eines Faltenbalgs nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
-
2 ist eine vertikale Schnittansicht
eines herkömmlichen
Faltenbalgs.
-
3 ist ein Kennliniendiagramm,
das die auf den herkömmlichen
Faltenbalg einwirkenden Beanspruchungen bzw. Spannungen zeigt.
-
4 ist ein Kennliniendiagramm,
das die auf den Faltenbalg nach der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einwirkenden Beanspruchungen bzw. Spannungen zeigt.
-
5 ist eine Schnittansicht
zur Erklärung der
Funktion eines Faltenbalgs nach einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
6 ist eine vertikale Schnittansicht
eines Vakuumschalters mit dem Faltenbalg nach der vorliegenden Erfindung.
-
7 ist eine Schnittansicht
zur Veranschaulichung eines Positionsverhältnisses zwischen einem Isolierzylinder und
einem Faltenbalg eines Vakuumschalters bei Verwendung des herkömmlichen Faltenbalgs.
-
8 ist eine Schnittansicht
zur Veranschaulichung eines Positionsverhältnisses zwischen einem Isolierzylinder
und einem Faltenbalg eines Vakuumschalters bei Verwendung des Faltenbalgs nach
der vorliegenden Erfindung.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend ausführlich anhand der in den Zeichnungen
gezeigten Ausführungsformen
beschrieben. In 1 ist eine
Schnittansicht eines Faltenbalgs und des äußeren Aufbaus des Faltenbalgs
gezeigt. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Behälterseitenwand
einer Vorrichtung oder eines Geräts
wie z.B. eines Vakuumschalters usw., die so ausgebildet ist, dass
sich zu beiden Seiten der Seitenwand unterschiedliche Räume befinden.
Das Bezugszeichen 35 bezeichnet einen bewegbaren Hebel,
der die Vorrichtungs- oder Gerätebehälterwand
durchdringt und eine Einrichtung im Inneren des Behälters der
Vorrichtung betätigt.
-
Der
bewegbare Hebel 35 ist so angeordnet, dass er die Behälterwand 3 durchdringt,
und so geformt, dass er um einen Drehpunkt einer Hauptwelle 18 außerhalb
des Behälters
schwenkbar ist. Für
einen bewegbaren Hebel ist in einem Durchtrittsbereich des Vorrichtungs-
oder Gerätebehälters ein
Faltenbalg 6 vorgesehen, der sowohl an der Behälterwand 3 als
auch an dem bewegbaren Hebel 35 befestigt ist. Das heißt, der
Faltenbalg ist an seinem einen Ende an dem bewegbaren Hebel und
am anderen Ende an der Behälterwand 3 befestigt.
-
In
diesem Fall ist der Faltenbalg 6 insbesondere wie folgt
geformt. Die Faltenhöhe
H des Faltenbalgs ist in einem mittleren Bereich in der Dehnungsrichtung
größer als
in den Endbereichen in der Dehnungsrichtung. Mit anderen Worten,
die Federkonstante des Faltenbalgs ist in dem mittle ren Bereich
in der Dehnungsrichtung kleiner als in den Endbereichen in der Dehnungsrichtung.
-
Weil
bei einem solchen Faltenbalg der mittlere Bereich des Faltenbalgs
einen flexibleren Aufbau als die Endbereiche aufweist, werden Spannungen
in den Endbereichen des Faltenbalgs zum mittleren Bereich hin verteilt,
selbst wenn eine Kurven- oder Wellenverformung aufgrund einer Bewegung
wie z.B. einer Achsenverschiebungsbewegung in dem Faltenbalg auftritt.
Daher ist die Spannungskonzentration in beiden Endbereichen des
Faltenbalgs geringer.
-
Dies
bedeutet, dass der Faltenbalg im Vergleich zu einem herkömmlichen
Faltenbalg, wenn sich die Hauptwelle 18 außerhalb
des Faltenbalgs 6 befindet, wie in 2 gezeigt, komplexen Bewegungen wie z.B.
einer „Biegebewegung" und „Achsenverschiebungsbewegung" unterliegt. In diesem
Fall tritt in dem Faltenbalg 6 eine Spannungsverteilung auf,
wie sie in 3 gezeigt
ist. In diesem Diagramm gibt die Abszisse die Positionen zwischen
den beiden Enden A–A' des Faltenbalgs
und die Ordinate die Spannungsbeanspruchungen des Faltenbalgs 6 an der
Ober- und Unterseite an.
-
Aus
dem Diagramm ist ersichtlich, dass eine Spannungskonzentration im
Endbereich S1 des Faltenbalgs 6 auftritt. Weiter gibt es
entsprechend einem Zustand eines Drehwinkels usw. einen Bereich
S2, in dem sich die Faltenspitzen des Faltenbalgs 6 berühren und
die Spannungskonzentration weiter zunehmen kann. Im Gegensatz dazu
nimmt bei dem Faltenbalg 6 nach der vorliegenden Erfindung
die Faltenhöhe
H (siehe 1) kontinuierlich
von den Endbereichen zum mittleren Bereich des Faltenbalgs 6 hin
zu und entsprechend wird die Federkonstante in dem mittleren Bereich
kleiner als in den Endbereichen, wobei die Spannungskonzentration
derart ist, dass die Spannungen des Faltenbalgs 6 in den
Endbereichen zum mittleren Bereich hin verteilt sind, wie in 4 gezeigt. Weil weiterhin
die Faltenhöhe
H1 in den Endbereichen kleiner als die Faltenhöhe H2 in dem mittleren Bereich
ist, kann in hinreichendem Maß verhindert
werden, dass sich die Faltenspitzen in dem Bereich S2 berühren.
-
Weil
in diesem Fall der Faltenbalg so geformt ist, dass sich die Faltenhöhe des Faltenbalgs
von den Endbereichen zum mittleren Bereich hin kontinuierlich ändert, ist
es außerdem
möglich,
die Spannungsbeanspruchungen gleichmäßig in der Dehnungsrichtung
zu verteilen und die Lebensdauer des Faltenbalgs zu verlängern.
-
Wenn
nach der vorstehenden Erklärung
die Federkonstante des Faltenbalgs im mittleren Bereich kleiner
als in den Endbereichen ist, ist der Faltenbalg so geformt, dass
sich die Faltenhöhe
in der Dehnungsrichtung ändert;
andere Möglichkeiten
oder Methoden wie z.B. das Ändern
der Faltenabstände, das Ändern der
Dicke des Faltenbalgs usw. können ebenfalls
in Betracht gezogen werden, um die Federkonstante zu ändern. Obwohl
die Außenseite
des Faltenbalgs in diesem Fall eine Bierfass-Form aufweist, ist
es nicht immer erforderlich, einen solchen Aufbau zu verwenden,
d.h. ein konvexer Aufbau mit einer solchen Form, dass der mittlere
Bereich extrem gedehnt ist, wie z.B. in 5 gezeigt, kann verwendet werden.
-
Wie
bereits vorstehend erläutert,
können
bei dem Faltenbalg nach der vorliegenden Erfindung, weil die Federkonstante
des Faltenbalgs im mittleren Bereich kleiner als in den Endbereichen
ist, selbst wenn die Hauptwelle 18 außerhalb des Faltenbalgs 6 angeordnet
ist, die in den Endbereichen des Faltenbalgs 6 auftretenden
Spannungen zum mittleren Bereich hin verteilt werden, und der Faltenbalg 6 kann im
Vergleich zu einem herkömmlichen
Faltenbalg klein ausgeführt
werden und seine Lebensdauer kann verbessert werden.
-
Bei
einer weiteren, nachstehend anhand von 6 bis 8 beschriebenen
Ausführungsform wird
der Faltenbalg nach der vorliegenden Erfindung in einem Vakuumschalter
eingesetzt. Der Vakuumschalter 1 ist erfindungsgemäß aufgebaut,
und das Innere ist im Vakuum abgedichtet. Am Oberteil eines Metallgehäuses 16 ist
ein Isolierzylinder 2A vorgese hen, und eine feste Stange 4 ist
in dem Vakuumschalter 1 angeordnet und mit einer Metalldichtung 3A an
dem Oberteil des Isolierzylinders 2A befestigt. Weiter
ist am Unterteil des Metallgehäuses 16 ein Isolierzylinder 2C vorgesehen,
und in seinem Inneren wird ein geerdeter Leiter 42 durch
einen Faltenbalg 6C und eine Metalldichtung 3C gehalten.
-
Außerdem verläuft eine
bewegbare Stange 5 (bewegbarer Hebel), die so angeordnet
ist, dass sie sich in einer Richtung senkrecht zu der oben genannten
festen Stange 4 erstreckt, nach außen und durchdringt einen Wandbereich
des Vakuumschalters 1 und einen Isolierzylinder 2B,
der als Teil der Wand angebracht ist. Die bewegbare Stange 5 ist
drehbar oder schwenkbar durch eine Hauptwelle 18, einen Faltenbalg 6B und
eine Metalldichtung 3B gelagert. An den Enden der festen
Stange 4 und der bewegbaren Stange 5 ist eine
feste Elektrode 8 bzw. eine bewegbare Elektrode 9 vorgesehen,
die jeweils z.B. aus einer Kupfer-Blei-Legierung bestehen. Die Elektroden 8 und 9 werden
durch Drehen oder Schwenken der bewegbaren Stange 5 um
einen Drehpunkt der Hauptwelle 18 außerhalb des Faltenbalgs 6B geschlossen
und geöffnet.
-
Der
an der bewegbaren Stange 5 befestigte und abgedichtete
Faltenbalg 6B ist so geformt, dass die Faltenhöhe H von
den Endbereichen zum mittleren Bereich hin zunimmt, und die Außenseite
weist eine Bierfass-Form auf, wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Nachstehend werden die Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben.
-
Die
bewegbare Stange 5 dreht sich um den Drehpunkt der Hauptwelle 18 außerhalb
des Faltenbalgs 6B. Daher unterliegt der Faltenbalg 6B komplexen
Bewegungen wie z.B. einer „Biegebewegung" und „Achsenverschiebungsbewegung". Weil die Federkonstante
des Faltenbalgs 6B im mittleren Bereich kleiner als in
den beiden Endbereichen ist, ist es möglich, die Spannungskonzentration
im Fußbereich S1
des Faltenbalgs 6B zu verringern, den Faltenbalg 6B kleiner
auszuführen
und seine Lebensdauer zu verbessern.
-
Weiterhin
zeigen 7 und 8 ein Verhältnis zwischen
einem Faltenbalg 6B, 6B' und einem Isolierzylinder 2B, 28', wenn die bewegbare Stange 5 drehbar
angeordnet ist. In 7,
das einen herkömmlichen
Aufbau mit einem herkömmlichen Faltenbalg 6B' zeigt, ist
ein notwendiger Abstand W zwischen dem Faltenbalg 6B' und dem Isolierzylinder 2B' sichergestellt.
In 8 ist ebenfalls ein
notwendiger Abstand W zwischen dem Faltenbalg 6B und dem
Isolierzylinder 2B sichergestellt. Eine gestrichelte Linie
in 8 gibt die Position
des Isolierzylinders 2B' bei
Verwendung des herkömmlichen
Faltenbalgs 6B' wie
in 7 an. Die Größe des Isolierzylinders 2B kann
durch Verwendung des Faltenbalgs 6B, dessen Faltenhöhe in beiden
Endbereichen verringert ist, deutlich reduziert werden. Wie gezeigt,
kann selbst bei reduzierter Größe, weil
die Faltenhöhe
H des Faltenbalgs in beiden Endbereichen kleiner als im mittleren
Bereich ist, ein Abstand zwischen dem Isolierzylinder 2B und
dem Faltenbalg 6B sichergestellt werden, auch beim Drehen
des Faltenbalgs 6B, und der Isolierzylinder 2B kann
daher klein ausgeführt
werden, wodurch auch die Schaltvorrichtung als Ganzes kleiner ausfallen
kann.
-
Wie
in 3 gezeigt, ist die
Spannungsbeanspruchung an dem an der Behälterwand befestigten Ende größer als
an dem an der bewegbaren Stange befestigten Ende. Außerdem ist
ersichtlich, dass die Faltenhöhe
von dem Endbereich auf der Hebelseite zu dem auf der Behälterwandseite
hin abnimmt.
-
Die
vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, wo der Faltenbalg
in einer Vakuumvorrichtung benutzt wird, aber selbstverständlich kann
er auch für
einen Gasbehälter,
einen Flüssigkeitsbehälter usw.
benutzt werden.
-
Wie
vorstehend beschrieben, können
nach der vorliegenden Erfindung ein Faltenbalg, bei dem die Spannungskonzentration
in beiden Endbereichen des Faltenbalgs verringert ist, ohne die
Größe des Faltenbalgs
zu erhöhen,
und der eine verbesserte Lebensdauer besitzt, und ein diesen Faltenbalg
benutzender Vakuumschalter erhalten werden.