TWI541466B - 真空閥用波紋管 - Google Patents

Description

真空閥用波紋管

本發明，是有關於在真空閥中為了區劃將閥構件驅動的驅動部及真空環境中的主流路所使用的真空閥用波紋管。

習知，例如日本專利公開2004-340344號公報，由成形波紋管區劃閥構件的驅動部及真空環境中的主流路之間的真空閥，是高真空L形閥。除了波紋管的具體構成以外，是與第3圖所示的真空閥實質上相同。

進一步具體說明其構成的話，此真空閥，是具備：與真空泵及真空室的一方連接的第1主通口及與另一方連接的第2主通口、及在外殼內將上述兩主通口形成於連結的主流路中的圓環狀的閥座、及與該閥座離合將上述主流路開閉的碟形的閥構件、及藉由將與此閥構件連結的桿朝軸線方向驅動將上述閥構件開閉動作的驅動部，且為了區劃上述閥構件的驅動部及真空環境中的上述外殼內的主流路，在上述碟形的閥構件的周邊及上述外殼之間，設有將上述桿的周圍圍起來且可伸縮自如的成形波紋管。

上述已知的真空閥用波紋管的製造，通常是在由將兩端液密地密封的金屬筒所構成的素材管的周圍將多數的環狀的模具由等間隔配置，朝該素材管內導入高壓的液體，將該素材管的外周的上述環狀的模具不抵接的部分朝外側 膨出，並且藉由將上述多數的環狀的模具間的間隔縮小地進行，藉由此液壓膨脹成型將素材管朝向外側呈環狀地膨出的部分為山部，未膨出的環狀的部分為谷部。

此成形波紋管，一般，是使上述山部的剖面中的曲率半徑(稱為山R)及上述谷部的剖面中的曲率半徑(稱為谷R)形成同程度，將其安裝在真空閥使用時，伴隨該波紋管的伸縮，與上述山部相比作用於谷部的應力會具有成為疲勞破損的原因的傾向，因此，通常在到達壽命的階段會在該谷部的波紋管中心側面(第1圖的部位a)發生龜裂。

為了解決上述的成形波紋管的谷部的疲勞破損的問題，本發明人確認，對於波紋管的山數、構成波紋管的金屬筒的板厚、伴隨由改變波紋管的端部的支架的板厚所產生的變形性的調整等的各種參數的變更最大應力和該部分布的變化等，由實驗或是電腦進行的模擬的結果，在上述真空閥用波紋管的伸縮時為了達成將作用於外側的環狀的山部及內側的環狀的谷部的應力儘可能地均等化來達成該波紋管的長壽命化，將上述谷部及山部的各剖面中的曲率半徑(谷R及山R)相互地調整是簡單且有效的手段。

本發明，是基於這樣的研究結果，其技術的課題，是藉由將上述谷部及山部的各剖面中的曲率半徑設定在適切的範圍，在上述真空閥用波紋管的伸縮時將作用於內側的環狀的谷部及外側的環狀的山部的應力儘可能地均等化而 達成該波紋管的長壽命化。

且真空閥用波紋管因為原本使用於，閥構件位於與閥座抵接的位置時的該波紋管的軸方向長度為該波紋管的自由長，或是閥構件位於與閥座抵接的位置時的上述波紋管的軸方向長度，為從其自由長伸長至上述閥構件與閥座抵接的位置，無論那一種情況，在波紋管的伸縮時最好將作用於其谷部及山部的應力儘可能地均等化，檢討本發明人所進行的上述的電腦模擬的結果，在求得上述谷部及山部的各剖面中的曲率半徑的比(谷R/山R)是適切的範圍時，參照閥構件進行開閉動作之間的谷部及山部的應力振幅，如以下詳述，無關於閥構件位於與閥座抵接的位置時的波紋管的伸長的程度(後述的壓縮比)，對於由反覆應力所產生的金屬疲勞的程度的均等化確認為有效。

本發明的其他的技術的課題，是基於這樣的研究結果來獲得上述谷R及上述山R的適切的比。

為了解決上述課題，依據本發明的話，可提供一種真空閥用波紋管，是對於具有：藉由碟形的閥構件與閥座離合而被開閉的主流路、及透過桿將上述閥構件驅動的驅動部之真空閥，為了區劃上述主流路及驅動部而將上述桿的周圍圍起來地配設的波紋管，其特徵為：上述波紋管，是藉由在金屬筒的周壁，將：朝該金屬筒的內側膨出的環狀的谷部、及朝該金屬筒的外側膨出的環狀的山部，在該金屬筒的軸線方向交互地連續形成而構成，且在來自上述桿的外力不作用在該波紋管的狀態，將上述谷部的剖面的曲 率半徑設為谷R，將上述山部的剖面的曲率半徑設為山R時，該谷R及山R的比也就是谷R/山R是1.15-1.70的範圍內。

對於上述真空閥用波紋管，上述R比率，是設定成1.20-1.55的範圍內較佳。

在本發明的真空閥用波紋管的較佳實施例中，上述閥構件位於與閥座抵接的位置時的上述波紋管的軸方向長度是該波紋管的自由長，上述閥構件位於全開位置時上述波紋管，是從該波紋管的自由長只有總變位量被壓縮。

且在本發明的真空閥用波紋管的其他的較佳實施例中，上述閥構件位於與閥座抵接的位置時，上述波紋管是成為從該波紋管的自由長伸長至使上述閥構件與閥座抵接的位置的狀態，上述閥構件位於全開位置時，上述波紋管是對於該波紋管的自由長只有總變位量被壓縮。

此情況時，上述閥構件位於與閥座抵接的位置時，上述波紋管伸長的長度，可以是與上述閥構件位於全開位置時該波紋管被壓縮的長度同等或是其以下。

進一步，在本發明的較佳實施例中，構成上述波紋管的金屬筒，是藉由將不銹鋼製的金屬薄板深拉伸加工而形成。

依據以上詳述的本發明的話，由將真空閥用波紋管的上述谷部及山部的各剖面中的曲率半徑相互地調整，將那些的曲率半徑的比設定成上述的適切的範圍將金屬筒液壓膨脹成型的簡單的手段，就可以達成在上述真空閥用波紋 管的伸縮時將作用於谷部及山部的應力儘可能地均等化，使該波紋管的長壽命化。

且依據本發明的話，在求得上述谷部及山部的曲率半徑的比(谷R/山R)的適切範圍時，參照閥構件進行開閉動作之間的谷部及山部的應力振幅，無論於閥構件位於與閥座抵接的位置時的波紋管的伸長的程度(壓縮比)，皆可以獲得將由反覆應力所產生的金屬疲勞的程度均等化的波紋管。

第1圖及第2圖，是顯示本發明的真空閥用波紋管的實施的一例，第3圖，是例示具備其波紋管的真空閥的構成。

首先，參照第3圖，說明將上述真空閥用波紋管安裝使用的真空閥的構成。此真空閥，是具備：與真空泵及真空室的一方連接的第1主通口3及與另一方連接的第2主通口4、及在外殼1內形成於將兩主通口3、4連結的主流路2中的圓環狀的閥座5、及與該閥座5離合將上述主流路2開閉的碟形的閥構件6、及與此閥構件6連結的桿7、及藉由將該桿7朝軸線方向驅動將上述閥構件6開閉動作的驅動部10。

說明藉由上述驅動部10透過上述桿7將閥構件6驅動的驅動系的構成。在此驅動系中，在上述閥構件6的背面中央部安裝有驅動用的上述桿7的先端部，該桿7雖是 藉由上述驅動部10朝軸線方向被驅動，但是因為有需要區劃：藉由上述外殼1從主流路2被區劃的上述驅動部10、及藉由使上述閥構件6與閥座5離合而被開閉的該閥構件6的周邊的主流路2，所以配設有將上述桿7的周圍圍起來的可伸縮自如的波紋管8。因此，在上述真空泵的作動時，形成主流路2的波紋管8的外側是被放置於真空環境，對於此波紋管的內側是被放置於大氣壓下。且，在上述閥構件6的背面及上述驅動部10的隔壁11之間，設有將該閥構件6朝閉閥方向推迫的螺旋狀的復歸彈簧9。

上述桿7，是在外殼1的內部沿著其中心軸線延伸，其基端是貫通將上述驅動部10區劃形成的隔壁11，並與壓缸室12內的活塞13連結。且，在被安裝於上述閥構件6的背面的上述桿7的周圍，先端部是與上述隔壁11的中心筒部11a抵接來限定閥構件6的全開位置，藉此將設定上述閥構件6的行程用的筒狀的停止器17固定。進一步，上述活塞13，是在與上述隔壁11之間將壓力室14區劃形成，此壓力室14，因為是朝壓缸殼體15的側面中的操作通口16開口，所以藉由從外部朝該操作通口16供給壓力流體，使上述閥構件6朝與閥座5分離的方向被驅動。

在上述閥構件6的背面側中，設有將上述桿7及復歸彈簧9的周圍圍起來的可伸縮自如的上述波紋管8。此波紋管8的一端是氣密地被安裝於上述閥構件6的背面，另一端是被安裝於被設在外殼1的端部及上述隔壁11之間 的支撐托板8a。該波紋管8，是以藉由將不銹鋼製的金屬薄板深拉伸加工而獲得的金屬筒作為素材，在該金屬筒的周壁，將朝外側膨出的環狀的谷部21、及朝向內側的環狀的山部22，形成在該金屬筒的軸線方向交互連續的狀態的成形波紋管。

如前述，在使用習知的成形波紋管的真空閥中，伴隨該波紋管的伸縮，與山部相比作用於谷部的應力具有變高的傾向，因此通常在到達壽命的階段會在谷部疲勞破損，但是在依據本發明的成形波紋管8中，將上述谷R及上述山R的比也就是R比率設定成適切的範圍，對於為了解決上述疲勞破損的問題是有效的，且依據後述的實驗或是電腦模擬的結果，可以將該R比率設定在適切的範圍，即在上述波紋管的伸縮時可以將作用於內側的谷部21及外側的山部22的應力儘可能地設定成均等化的範圍。

結論，上述R比率，在波紋管8本身無來自上述桿7的外力作用的狀態(自由長)時，為1.15-1.70的範圍內的話，對於將作用於谷部21及山部22的應力儘可能地均等化是有效的，進一步，上述R比率是1.20-1.55的範圍內更佳。

將上述波紋管8組裝在真空閥的桿7的周圍情況時，將閥構件6位於與閥座5抵接的位置時的波紋管8的軸方向長度，設定成波紋管8本身的自由長。因此，該閥構件6位於全開位置時的波紋管8的軸方向長度，是成為從波紋管8的自由長將總變位量減去的長度，該波紋管8，是 成為從其自由長只有總變位量被壓縮的狀態。對於以下說明的R比率等的資料，是進行上述組裝的情況者。

又，上述閥構件6位於與閥座5抵接的位置時的波紋管8的軸方向長度，是從該波紋管8的自由長伸長至使上述閥構件6與閥座5抵接的位置的長度，且該閥構件位於全開位置時的波紋管軸方向長度，是成為從該波紋管的自由長只有總變位量被壓縮的狀態的方式，設定上述波紋管的自由長也可以，但是對於這些進一步如後具體詳述。

接著依據那些資料具體說明，經過實驗和電腦模擬確認將上述R比率等設定成上述的數值範圍是有效的結果。

首先，波紋管供試體，是使用外徑D₁為120.0 mm、內徑D₂為94.5 mm、山高度為12.8mm、自由長L為160mm、板厚為0.22mm、山數為19者，且在該波紋管供試體的內側的環境壓力為大氣壓，外側壓力為真空的條件下，如表1模型1-14所示，依據谷R及山R以及那些的曲率半徑，使用具有0.54-2.08的R比率者，對於那些求得以下敘述的應力等。

對於各供試體，是求得在朝中心軸線方向給與40mm的壓縮變位的狀態、及將該波紋管供試體在自由長的狀態只有內外壓力差作用的狀態中的作用於上述谷部21的中心側部位a及外周側部位b、及作用於山部22的中心側部位c及外周側部位d的應力值(模擬值)，進一步，對於各R比率的供試體，求得在給與上述壓縮變位的情況及在上述自由長的狀態的情況中的a-d的各部位的應力及其變 動幅度，即，閥構件6進行閥座5的開閉動作之間的上述各部位的應力振幅，並將那些顯示在表1。又，在表中，將壓縮應力由負顯示。

上述應力振幅，雖是顯示閥構件6的開閉動作時的a-d的各部位中的應力的變動幅度，但是此變動幅度是在其中任一的部位皆變大，是因為差大的應力反覆作用成為金屬疲勞的原因所以不佳，但是該變動幅度即使小，仍無法容許應力值本身成為一定的限度以上，因此，採用上述應力的變動幅度比較小，且，最大應力值本身不超過一定的上限值的R比率較佳。

第4圖，是將上述表1中的a-d的各部位的應力振幅及R比率的關連圖表化者。在同圖中，顯示在R比率為1.15-1.70的範圍的話，a-d的其中任一的部位中的應力振幅也成為比較小的值，且，在上述R比率的範圍的下限值中，在習知的波紋管中由金屬疲勞所導致的破損產生的a的部位的應力振幅，是成為與比較不會產生破損的c的部位的應力振幅幾乎同等，進一步，接著在上述a的部位金屬疲勞發生的可能性較高的d的部位的應力振幅因為充分地變小，所以從避免由反覆應力所產生的金屬疲勞為的觀點，可以說上述範圍的下限值較佳。

另一方面，在上述R比率的範圍的上限值中，因為上述a及d的部位中的應力振幅是成為幾乎相同，且，兩應力振幅本身的值也變小，超過其上限值的d的部位中的應力振幅增大，所以從避免由反覆應力所產生的金屬疲勞的 觀點，可以說上述上限值也較佳。

且考察上述R比率為1.15-1.70的範圍中的上述a-d的各部位的最大應力的話，表1中的模型7的例，是谷R及山R皆2.0mm即相當於已知的波紋管者，該模型7中的最破損容易a的部位的最大應力值是599，對於此，在表1中的R比率是屬於1.15-1.70的範圍的模型9-12的例中，a的部位的最大應力皆比上述模型7的例更低很多，特別是，R比率的下限值也就是1.15的情況中的最大應力，是假定在模型8及模型9之間比例變動並求得其的話，成為578，比模型7的例低很多，進一步，對於其他的b-d的部位的最大應力是更小，其結果上述R比率是1.15-1.70的範圍內，對於將作用於谷部21及山部22的應力儘可能地均等化，可以說有效。

參照上述的第4圖考察更佳的R比率的範圍的話，上述R比率的範圍的下限，是破損的可能性較高的a的部位中的應力振幅是成為比c的部位中的應力振幅更小，其結果，採用a的部位與其他的部位相比不具有最大的應力振幅處的R比率也就是1.20，且，R比率的上限，是無視應力振幅隨著R比率增大而成為最小的b的部位，其他的a、c及d的部位中的應力振幅是成為相互近似的值，其結果採用由反覆應力所產生的金屬疲勞的程度被均等化的1.55，可以說藉此將上述R比率的範圍設成1.20-1.55更佳。

上述的真空閥用波紋管8，是將其組裝於真空閥的桿7的周圍的情況時，將閥構件6位於與閥座5抵接的位置時的波紋管8的軸方向長度，是設定成波紋管8本身的自由長。如此設定波紋管8的自由長的情況時，將對於真空閥的該波紋管8的組裝可以在該波紋管8為非壓縮的狀態下進行的點是有利的，但是與該閥構件6位於與閥座5抵接的位置時的該波紋管8的軸方向長度被設定成比該波紋管8的自由長大的情況時相比，閥構件6位於全開位置時的波紋管8的壓縮變形量會變大，只有其作用於波紋管8的最大應力變大的點是不利的。但是，如上述，只將R比率設定成1.15-1.70，與習知例相比就可減小作用的應力的變動幅度，且，最大應力值本身也可以下降的點，對於 波紋管8的破損的防止，可以說是有效的手段。

且如上述，不將閥構件6位於與閥座5抵接的位置時的波紋管8的軸方向長度作成波紋管8本身的自由長，而是將上述閥構件6是位於與閥座5抵接的位置時的該波紋管8的軸方向長度，是從該波紋管的自由長伸長至使閥構件6與閥座5抵接，且，該閥構件6是位於全開位置時的波紋管8的軸方向長度，是從該波紋管8的自由長只有總變位量被壓縮的方式，設定上述波紋管8的自由長也可以。

此情況時，對於例如，上述閥構件6是位於全開位置時的波紋管8的軸方向長度，是該波紋管8的最大變位長(閥構件6的最大行程)壓縮了75%的長度，且，對於該閥構件6是位於與閥座5抵接的位置時的上述波紋管8的軸方向長度，是對於該波紋管8的上述最大變位長伸長了25%的長度的情況，在此，使用該波紋管8的壓縮側的「75%」的數值，記載為壓縮比是成為75%。

依據此記載的話，參照表1及第4圖說明的上述的例，波紋管8的壓縮比成為100%。

接著，參照表2及表3、及對應那些的第5圖及第6圖說明，對於閥構件6位於全開位置時的波紋管8的軸方向長度，被設定成對於該波紋管的變位長(閥構件6的最大行程)壓縮了75%及50%的長度的壓縮比75%及50%的情況時，有效的R比率等。

又，表2及表3中的波紋管供試體，雖是與上述說明 的表1的資料完全相同，但是其模型，是取樣了對應表1中的模型1-14的一部分者，在該表2及表3中，對於各模型，與表1的情況同樣，顯示a-d的各部位的應力及應力振幅。表2及表3是壓縮比75%及50%的情況的資料，即，表1-表3的情況，閥構件6的變位皆是40mm，閥構件6的全開時中的波紋管8的變位因為各別為40、30、20mm，所以表1-表3的情況的壓縮比，是各別成為100、75、50。

第5圖及第6圖，是與參照表1及第4圖說明的上述的壓縮比為100%的情況同樣，將表2及表3中的a-d的各部位的應力振幅及R比率的關連圖表化者。將其與第4圖相比的話，a-d的各部位中的應力振幅的變動的傾向，無論那一種情況時皆明顯顯示相同傾向，因此，波紋管8的上述R比率，是無論於壓縮比皆在1.15-1.70的範圍內，對於將作用於谷部21及山部22的應力儘可能地均等化，可以說是有效的。對於上述R比率進一步最好是1.20-1.55的範圍也同樣。

且如表2及表3，壓縮比為75、50的情況，最大應力與表1的壓縮率100的情況時相比變小，可從表1-表3明白，但是也可從將壓縮比為100、75及50的情況的最大應力對應R比率的變化併記的第7圖的內容明白。

又，在第7圖中應注意的是，壓縮比是50%的情況時，在R比率為1.0-5.0附近，最大應力是顯示較低的值，可以說此範圍對於波紋管的破損防止是非常地有利的 範圍。

且參照有關於上述的壓縮比的資料的話，上述閥構件6位於與閥座5抵接的位置時的波紋管8的伸長長度，是與該閥構件6位於全開位置時的波紋管8的壓縮長度同等(壓縮比50%)或是其以下(壓縮比50%以上)的話，可以獲得可以有效防止破損的波紋管。

1‧‧‧外殼

2‧‧‧主流路

3‧‧‧第1主通口

4‧‧‧第2主通口

5‧‧‧閥座

6‧‧‧閥構件

7‧‧‧桿

8‧‧‧波紋管

8a‧‧‧支撐托板

9‧‧‧復歸彈簧

10‧‧‧驅動部

11‧‧‧隔壁

11a‧‧‧中心筒部

12‧‧‧壓缸室

13‧‧‧活塞

14‧‧‧壓力室

15‧‧‧壓缸殼體

16‧‧‧操作通口

17‧‧‧停止器

21‧‧‧谷部

22‧‧‧山部

[第1圖]顯示本發明的真空閥用波紋管的實施例的主要部分縱剖面圖。

[第2圖]上述實施例中的主要部分切斷立體圖。

[第3圖]具備上述實施例的真空閥用波紋管的高真空L形閥的剖面圖。

[第4圖]顯示如表1所示的波紋管的應力振幅的資料及R比率的關連的圖表。

[第5圖]顯示如表2所示的壓縮比75%的波紋管的應力振幅的資料及R比率的關連的圖表。

[第6圖]顯示如表3所示的壓縮比50%的波紋管的應力振幅的資料及R比率的關連的圖表。

[第7圖]顯示不同壓迫比的波紋管的最大應力及R比率的關連的圖表。

8‧‧‧波紋管

21‧‧‧谷部

22‧‧‧山部

a‧‧‧中心側部位

b‧‧‧外周側部位

c‧‧‧中心側部位

d‧‧‧外周側部位

Claims (3)

1. 一種真空閥用波紋管，是對於具有：藉由碟形的閥構件與閥座離合而被開閉的主流路、及透過桿將上述閥構件驅動的驅動部之真空閥，為了區劃上述主流路及驅動部而將上述桿的周圍圍起來地配設，在外側放置在真空環境且內側放置在大氣壓下的狀態使用的波紋管，其特徵為：上述波紋管，是藉由在金屬筒的周壁，將：朝該金屬筒的內側膨出的環狀的谷部、及朝該金屬筒的外側膨出的環狀的山部，在該金屬筒的軸線方向交互地連續形成而構成，在來自上述桿的外力未作用的狀態的該波紋管的軸方向長度為自由長，該自由長大於該波紋管的外徑，上述波紋管形成為：在上述閥構件抵接於閥座的閉閥位置成為上述自由長或伸長狀態，並且在上述閥構件離開閥座的全開位置成為被壓縮狀態；在上述閉閥位置波紋管伸長的長度，是與在上述全開位置波紋管被壓縮的長度同等或是其以下，在上述波紋管在自由長的狀態，將上述谷部的剖面的曲率半徑設為谷R，將上述山部的剖面的曲率半徑設為山R時，設定為上述谷R大於上述山R，且該谷R及山R的比也就是谷R/山R是1.15-1.70的範圍內，但不包含1.25-1.70。
2. 如申請專利範圍第1項的真空閥用波紋管，其中，上述谷R及山R的比也就是谷R/山R是1.20-1.55的 範圍內，但不包含1.25-1.55。
3. 如申請專利範圍第1或2項的真空閥用波紋管，其中，構成上述波紋管的金屬筒，是藉由將不銹鋼製的金屬薄板深拉伸加工而形成。