Meinrad Gartmann, CEO, Mewasa AG & Akiva Goren Mewasa Israel
שרוול מתכת גמיש היכול להתכווץ ולהתארך עד פי שניים מאורכו מיליוני מחזורים. האם זה אפשרי? ואם כן, על איזה צרכים זה עונה?
זה הוא ה- Edge Welded Bellows. מוצר המשמש כמרכיב/אבן יסוד של מוצרים רבים בהם משתמשים בתעשיית המוליכים למחצה, מערכות מוטסות, מערכות ואקום גבוה, כורים גרעיניים ומאיצי חלקיקים, מערכות מכאניות והידראוליות ומערכות אופטיות.
השימוש ההולך וגובר ב- Bellow,
(ל- Bellows אין מילה בעברית – מפוח הוא תרגום שאינו הולם אותו) בשנים האחרונות, הוא תוצאה של היכרות מעמיקה יותר של מהנדסי מכונות רבים המוצאים בו פתרון לאתגרים ההנדסיים העומדים בפניהם.
תמונה 1
תמונה 2 - התכווצות והתארכות ה- Bellow
מהו ה- Edge welded Bellows?
זה הוא שרוול מתכתי גמיש ואלסטי, הבנוי מטבעות המרותכות בהיקפן הפנימי והחיצוני בטכנולוגית Micro Plasma (תמונה מס’ 1) שמבטיחה דיוק, אטימות ועמידות לשנים רבות. הודות למבנה המיוחד, צורת החתך של כל טבעת וגמישותה האלסטית, מתאפשרת תנועה בכמה צירים, וביכולתו של ה- Bellow להתארך בכ- 30% מאורכו החופשי ולהתכווץ בכ- 70% ממנו (תמונה מס’ 2). תכונה זו מקנה לו יתרון על פני כל פתרון הנדסי אחר לשימושים בהן נדרשת שמירה על אטימות מלאה של נוזלים או גזים ושמירה על לחץ או תת לחץ, תוך כדי ביצוע תנועה במספר צירים, בתנאי טמפרטורה משתנה ובמספר גדול של מחזורי תנועה.
ל- Bellow תכונת קפיציות ויש לו מקדם קפיץ קבוע. הוא מחליף גם חומרים אלסטומריים לאיטום (אטמי o-ring או Viton). מגוון החומרים ממנו הוא מיוצר מאפשר שימוש בו בתנאים מגוונים וקורוזיביים. צורותיו השונות של ה- Bellow (עגול, אליפטי, race-track) מאפשרות להתאימו לחללים שונים ובכך מתאפשרת גמישות מכסימלית בנפח מינימאלי. ניתן לתכנן Bellow בצורות שונות בתנאי שפינותיו הן מעוגלות. יש להבדיל בין ה- Edge Welded Bellows וה- HydroFormed Bellows – (תמונה מס’ 3). האחרון הוא שרוול מתכת (פלסטי ופחות אלסטי), שתכונת הגמישות שלו היא בכיפוף, ויכולת נמוכה מאד להתארך או להתכווץ. הוא גם אינו מתוכנן לפעולה בתנועה ארוכה. ל- Edge Welded Bellows יכולת לבצע כיפוף ברדיוס קבוע וגם תנועה צידית (Lateral). יכולתו לבצע תנועות ארוכות במספר רב של מחזורים (עד מיליוני מחזורים), הופכת את ה- Bellow לפתרון אידיאלי לאתגרים מכאניים רבים. הוא מיוצר בד”כ מפלדות אל חלד (St.St. 304/316, Hastelloy, Inconel, Titanium) בעובי של 0.05-0.3 מ”מ. חומרי המבנה המתכתיים של ה- Bellow מאפשרים לרתך אליו חלקים נוספים, כגון אביזרי קצה, מיכלים ועוד.
ה- Bellow אינו מוצר מדף, והוא מיוצר על פי מפרט לקוח/יישום. הוא קיים במידות קוטר מ- 12 מ”מ ועד 1100 מ”מ (1.1 מ’) ואורכו אינו מוגבל.
חברת Mewasa משוויץ, המתמחה בפיתוח וייצור של Edge Welded Bellows ומוצרים המבוססים עליו, בודקת בואקום גבוה (Ultra High Vacuum) את אטימותו של כל מוצר בסיום תהליך הייצור ברמה של .
מה הם שימושיו של ה- Edge welded Bellows
שימושיו של השרוול הגמיש מנצלים את אטימותו המוחלטת ואת גמישותו בכמה צירים בייצור מכלולים באפליקציות שונות.
אחד השימושים הנפוצים ביותר הוא ה- Hermetic Feedthroughs, העברת תנועה צירית-ליניארית, פנימה והחוצה לתוך מיכל/תווך, תוך הפרדה מוחלטת בין האטמוספרה החיצונית ותוך המיכל הנמצא בד”כ בואקום גבוה (UHV), או המוגדר כאזור נקי בתהליך. הפרדה זו מונעת כניסת זיהום ושומרת על הואקום בצורה מוחלטת. מערכות ואקום כאלה נמצאות בשימוש במגוון תעשיות הכוללות בין היתר תנורי ואקום, מכונות ותהליכי ייצור בתעשיית המוליכים למחצה (Semiconductors), במיקרוסקופים ומאיצי חלקיקים הנמצאים בשימוש במכוני מחקר ובכורים גרעיניים ובתעשיית המזון (תמונה מס’ 4). ה- Edge Welded Bellow משמש כאטם גמיש, ויכולתו לשנות את אורכו בכ- 90%, מאפשרת תנועה בתוך סביבה אטומה (ואקום, סביבה אינרטית, סביבה נקייה, סביבה בלחץ). מכלול המשמש באפליקציות אלה, כולל בד”כ את ה- Bellow, את אמצעי החיבור והאיגון ואת אמצעי ההולכה הנדרשים.
תמונה 3 - HydroFormed Bellows
תמונה 4 - Hermetic Feedthroagh
אפליקציות כאלה הן מהסוג של:
Hermetic Feedthroughs
Cryogenic Bellows
Wafer-Lift Bellows
Cassette Elevators
Chamber-Lift Bellows
Connectors
Couplings – Flexible & Torque
Flexible Connectors/Expansion Joints
Lifters
Pedestal Lifts
Pin Lift Actuators
Spindle Assemblies
Vibration Isolators
X-Y-Z Manipulators
שימוש נוסף הוא ב- Accumulators- מיכלים המיועדים לספוג התפשטות של נוזלים או גזים, כתוצאה משינוי טמפרטורה. השימוש הוא בעיקר במערכות קירור (במערכות אלקטרוניות ואלקטרו-אופטיות), בהן יש שימוש בגז (מימן או חנקן) או בנוזל קירור (כדוגמת אתילן-גליקול). עם עליית הטמפרטורה מתפשט הנוזל או הגז במערכת, והתפשטותם מתאפשרת ע”י תנועת ה- Bellow המורכב בתוך ה- Accumulator, תנועה שמגדילה את הנפח העומד לרשות הנוזל/גז. האקומולאטור לפיכך, סופג לתוכו את התפשטות המדיה (תמונה 5). קיימים מספר סוגי אקומולאטורים המאופיינים ע”י סוג המבנה שלהם:
1. Spring Loaded – מבנה האקומולאטור מורכב ממיכל חיצוני, שבתוכו שני חללים המופרדים ע”י ה- Bellow. לחלל אחד מתפשטים הנוזל או הגז, ואילו החלל השני מחובר לאטמוספרה. התפשטות הנוזל והגז הן כנגד קפיציות ה- Bellow ששומר על אטימות מוחלטת של חלל ההתפשטות. במידת הצורך, ניתן להוסיף קפיץ מתכת (תמונה 6) אם מקדם הקפיציות של ה- Bellow אינה גבוה מספיק. מבנה כזה מבטיח יחס ישר בין עליית הלחץ להתפשטות הנפחית, התואמת בד”כ דרישות של מערכות מסוג זה.
תמונה 5 - אקומולטור עם מתגים
תמונה 6 - חתך ב- Spring Loaded Accamulator
2. Gas Loaded – באקומולאטור כזה, ה- Bellow מפריד גם כן בין שני חללים. חלל אחד אטום וממולא בגז מימן בתהליך הייצור. החלל השני משמש להתפשטות הנוזל או הגז שדוחפים את ה- Bellow כנגד המימן הדחוס. אקומולאטור מסוג כזה אינו ליניארי בהתפשטותו. (הוא נקרא גם Hydro-Pneumatic Accumulator).
חברת Mewasa פיתחה לאחרונה אקומולאטור חדש למערכת קירור אוויונית (מוטסת), המפצה על התפשטות נוזל הקירור של המערכת בעת פעולתה. האקומולאטור החדש, מגדיל את הנפח הפנוי לנוזל הקירור, המתפשט עם עליית הטמפרטורה, ומונע בכך את עליית הלחץ במערכת. האקומולאטור כולל גם מתגים חשמליים (מיקרוסוויטשים) הנותנים חיווי בעת פעולתו, ומאפשרים למערכת בקרת הקירור לעבוד בצורה יעילה יותר. האקומולאטור, תוכנן לאורך חיים מכסימלי של 15 שנה, ונבדק במעבדות החברה במאות אלפי מחזורי עבודה
המדמים משך חיים כזה.
Volume Compensator , –
– אחד האתגרים ההנדסיים העומדים בפני המתכנן הוא מניעת הלמים במערכות הידראוליות דינמיות. שינוי מהירות זרימה פתאומי (סגירת סולונואידים, הפעלת משאבות וכו’) גורם לעליית לחץ פתאומית ורגעית, המסכנת את תקינות המערכת. הפתרון לאתגר זה מבוסס על התכונות האינהרנטיות של ה- Bellow. שימוש בבולמי הלמים (surge arrestors) או מפצי נפח (volume compensators), מונעים בד”כ תופעות אלה. מוצרים אלה בנויים ממיכל שבתוכו מורכב ה- Bellow. תגובתו המהירה של ה- Surge arrestor נובעת מהיותו חסר חיכוך.
High Pressure Hydraulic Accumulator – מצבר הידראולי הוא מיכל “אוגר אנרגיה”, המכיל בתוכו נוזל הידראולי הנתון תחת לחץ חיצוני. לחץ זה מתוחזק ע”י קפיץ או גז נגדיים, המופרדים מהנוזל בעזרת Bellow. מצבר הידראולי משמש במערכות בהן נדרש שימוש מהיר ובלחץ גבוה של נוזל הידראולי, כדי לפצות על מהירות תגובה איטית של משאבה, או לתת מענה לשינויים קטנים בלחץ הנדרש. מצבר כזה יכול לעבוד בלחצים גבוהים של אלפי psi (מאות בר), והוא מיושם במערכות הידראוליות של מטוסים (מערכות היגוי ובלימה), מערכות צידוד של כלי נשק (טנקים, תותחים) ומערכות הנעה. מצבר הידראולי מתוכנן לעמוד בלחצים של מאות אטמוספרות.
High Pressure Accumulators מתוכננים על פי מפרט מדויק של הלקוח ומותאמים ליישומם. שימוש בחומרי מבנה קלים (כגון Titanium) וכן חומרים שאינם מגנטיים, מאפשרים תיכנון מערכות עם מבנה חזק ביותר תוך שמירה על מגבלות משקל בתכנון. קיימת גם אפשרות לחיווי על מצב המיכל.
מהנדסי המכונות נדרשים לעיתים לתת פתרון להנעה מכאנית ללא שימוש במקור של אנרגיה חיצוני. כזה הוא ה- Thermal
Actuator – מפעיל תרמי מכני היוצר תנועה קווית ליניארית, כפונקציה של שינויי טמפרטורה. המפעיל התרמי בנוי משרוול Bellow אטום, הממולא בנוזל מיוחד (סוג של שמן). עם השתנות טמפרטורת העבודה, מתפשט הנוזל ואיתו גם כל המפעיל. ירידת טמפרטורה תגרום לתנועה חזרה. הנוזל מותאם לעבודה בתנאי טמפרטורה קיצוניים (בד”כ מ- -40º ועד +80º). מפעילים כאלה ניתנים לשימוש לדוגמא במערכות אופטיות בהן נדרשת תזוזה יחסית של עדשות. המפעילים מתוכננים ומיוצרים על פי מפרט מדויק של הלקוח, ומתאימים לשימוש במקומות בהם אין מקור אנרגיה, או במקרים בהם נדרשת הורדת עלויות. במקרה כזה, נחסך השימוש במנועי צעד ובבקר מתוחכם ויקר.
גמישותו ואטימותו של ה- Bellows משמשים גם במוצרים נוספים כגון
Mechanical seals, Vibration Dampener ו- Metal Expansion Joints.
שימוש מעניין אחר הוא דווקא בתחום הסיכוך האלקטרוני. גמישותו של ה- Bellow מנוצלת לסיכוך מערכות אלקטרוניות – RFI Shielding בנפח וצורה משתנים שאינם ניתנים למימוש בדרך הנדסית אחרת.
חברת Mewasa בשוויץ, התמחתה במהלך השנים בתכנון וייצור של מצברים הידראוליים, אקומולאטורים ומוצרים נוספים המבוססים על הליבה הטכנולוגית של החברה שהיא ייצור ה- Edge welded bellows. מהנדסי החברה בשוויץ, תומכים במהנדסי תכנון בחברות בינלאומיות בעולם ובישראל ונותנים פתרון לאתגרים טכנולוגיים מורכבים.
