專利名稱：用來形成安全膜的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力釋放系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于壓力釋放系統(tǒng)的改進(jìn)的安全膜組件，并涉及用于形成和制造安全膜的裝置和方法。
背景技術(shù)：
壓力釋放組件通常用作系統(tǒng)中的安全裝置，在這種系統(tǒng)中含氣體或者液體形式的各種加壓流體。當(dāng)該系統(tǒng)內(nèi)的壓力達(dá)到一不安全的水平時，壓力釋放組件就會從該系統(tǒng)排出流體。許多緊急的狀況(包括火災(zāi)和系統(tǒng)故障)可能產(chǎn)生危險的壓力水平，需要立即釋放壓力以保護(hù)系統(tǒng)安全。
一般來說，壓力釋放組件包括一安全膜，該安全膜密封于一對支承件或者安全蓋之間。該壓力釋放組件通常夾持或用其它方式密封設(shè)置在加壓系統(tǒng)內(nèi)的一對傳統(tǒng)的管子凸緣之間。一根管子將加壓流體引導(dǎo)至該壓力釋放組件的一側(cè)，而另一根管子則提供一通往安全容器的出口或者可以開放于周圍環(huán)境。諸支持件包括一中心開口，該中心開口將該安全膜的一部分暴露于系統(tǒng)內(nèi)的加壓流體。當(dāng)流體壓力達(dá)到入口與出口側(cè)之間一預(yù)定的壓力差時，該安全膜的暴露部分就會裂開。破裂的安全膜形成一允許流體通過出口逸出的排放通道，從而降低系統(tǒng)內(nèi)的壓力。
安全膜通常呈圓頂形，并既能正向作用又能反向作用。在正向作用安全膜中，圓頂?shù)陌紓?cè)對著加壓流體，使膜片的材料處于張力之下。在反向作用安全膜中，圓頂?shù)耐箓?cè)對著加壓流體，使膜片的材料處于壓力之下。在反向作用安全膜(也稱為反向變形安全膜)中，當(dāng)流體壓力超過預(yù)定水平并且膜片結(jié)構(gòu)的材料不能夠承受該壓力時，該膜片的圓頂將會變形并且開始翻轉(zhuǎn)。這種翻轉(zhuǎn)或者變形將在膜片的特定點開始，該點稱為初始翻轉(zhuǎn)點。隨著膜片繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，膜片的材料會通過一開口裝置而撕裂，從而形成排放通道以釋放加壓流體。
這兩種型式的膜片通常都包括刻痕線(薄弱區(qū)域)，以促成膜片開口。在反向變形安全膜中，膜片在翻轉(zhuǎn)時沿著刻痕線撕裂。該膜片的選定部分通常是無刻痕的，用作一鉸鏈區(qū)域，以保護(hù)膜片避免在破裂時碎裂而與加壓流體一道逸出。另外，人們已經(jīng)知道壓力釋放組件可包括安全件，以幫助打開該膜片并且吸收由膜片破裂所產(chǎn)生的能量，以避免膜片裂成碎片。
在系統(tǒng)壓力變得不安全的緊急情況下，重要的是盡可能快地降低壓力。美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)規(guī)程確立了壓力釋放系統(tǒng)的流體流率的最低性能要求。在膜片破裂時所產(chǎn)生的開口的大小和形狀對流體逸出系統(tǒng)的速率是一個限制因素。具有大的、無阻礙的開口的破裂膜片的性能要好于具有小的、受阻礙的開口的破裂膜片，因為在大的、無阻礙的開口上的速度頭損失(即壓力降)將小于在較小的或者有阻礙的開口上的速度頭損失。較低的速度頭損失所轉(zhuǎn)化成的流阻(Kr)較小，從而使通過膜片的流率較高。
調(diào)節(jié)膜片設(shè)計的不同方面，包括膜片的可破裂部分的尺寸以及刻痕線的位置，可以控制膜片破裂時所形成的開口的尺寸和形狀。較大的膜片就可能產(chǎn)生較大的開口。
影響流阻的另一因素是加壓系統(tǒng)內(nèi)的流體的性質(zhì)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，安全膜開口度的不同取決于系統(tǒng)內(nèi)流體的性質(zhì)。通常，膜片在氣體環(huán)境中破裂要比在液體環(huán)境破裂得更充分。這樣，為了滿足所需的流阻性能要求，如果該膜片要用于一液體場合，即使該液體處于與一類似氣體場合相同的壓力下，膜片的設(shè)計也可能要求不同。
影響流阻的膜片設(shè)計的又一因素是膜片的可破裂部分的厚度。由較薄材料制成的膜片要比用較厚材料制成的膜片更容易彎曲。這樣，對于在相同流體壓力下破裂的膜片，較薄的膜片要比相應(yīng)的較厚膜片更容易完全打開而產(chǎn)生大的、無阻礙的開口。
然而，由較薄材料制成的膜片要比較厚膜片更易受到損壞。對于安全膜的任何損壞都可能改變膜片的實際破裂壓力。對于膜片材料必須較薄以便在所需低壓下破裂的低壓反向變形膜片的場合，就特別容易產(chǎn)生這種情況。較薄的低壓膜片在安裝時更容易損壞，這可能會犧牲膜片的結(jié)構(gòu)完整性，使膜片在顯著地低于所需破裂壓力的壓力下翻轉(zhuǎn)。在這些情況下，膜片的材料并不如預(yù)期的那樣裂開，并且膜片可能完全翻轉(zhuǎn)而不裂開。這樣，反向變形膜片就象一正向作用膜片那樣起作用，流體壓力使膜片材料處于張力之下。由于膜片材料的抗拉強(qiáng)度大于相應(yīng)的壓縮強(qiáng)度，所以膜片可能不裂開而產(chǎn)生排放通道，直到系統(tǒng)內(nèi)的壓力顯著地超過所需的破裂壓力。這一過壓狀態(tài)可能導(dǎo)致對系統(tǒng)的損壞，而安全膜的目的就是要預(yù)防這種情況。
安全膜是根據(jù)其在一損壞狀況下的性能來標(biāo)定等級的。這種標(biāo)定一般稱為膜片的損壞安全比，它是通過將受損安全膜破裂的實際壓力除以該安全膜所需的或額定的破裂壓力來確定。具有1以下的損壞安全比的一受損膜片將在所需的破裂壓力下破裂，或者在加壓流體達(dá)到所需壓力之前破裂，從而避免對系統(tǒng)造成任何損壞。
安全膜的另一重要的性能指標(biāo)是膜片的破裂精度。在材料、制造和安裝上的差異都可能導(dǎo)致從外觀上看制造得相同的任意兩個膜片不在相同的壓力下破裂。因此，在具有相同額定壓力的膜片中，實際破裂壓力通常存在差異。對于當(dāng)前的安全膜設(shè)計和制造方法，安全膜通常在低于額定壓力5％的一壓力下破裂，或者，在額定壓力低于40psig時，通常在低于額定壓力2psig的一壓力下破裂。這樣，為預(yù)防過早發(fā)生膜片破裂并提供一安全余量，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作壓力不應(yīng)超過該系統(tǒng)中所使用的安全膜的額定壓力的90％。
鑒于以上敘述，需要一種既能夠在液體場合又能夠在氣體場合提供較低的流阻Kr的壓力釋放組件。還需要使安全膜具有一精確的、能夠重復(fù)的破裂壓力，從而能夠用于較高的生產(chǎn)能力。還需要一種具有較低損壞安全比的安全膜，因而在液體場合或在氣體場合，不慎損壞的反向變形膜片不會產(chǎn)生潛在而危險的過壓狀況。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在一種可避免現(xiàn)有技術(shù)的壓力釋放組件的一個或多個限制和缺點的壓力釋放組件。本發(fā)明的優(yōu)點和目的在下面的描述中部分地敘述，并且將通過該描述而部分地清楚，或者可以通過對本發(fā)明實施來認(rèn)識。本發(fā)明的優(yōu)點和目的將通過所附權(quán)利要求書中所具體指明的構(gòu)件和組合來實現(xiàn)和達(dá)到。
為了達(dá)到這些優(yōu)點，按照本發(fā)明，如本文所具體化并概括描述的，本發(fā)明旨在一種對安全膜進(jìn)行刻痕的裝置，該安全膜包括一環(huán)形凸緣和一呈圓頂形的可破裂部分。該裝置包括第一部件和一第二部件。第一部件具有一開口，并且構(gòu)制成與安全膜的可破裂部分的第一側(cè)相接合。第二部件設(shè)置在安全膜的可破裂部分的第二側(cè)上，并與第一部件上的開口對齊。第二部件在圓頂形狀的頂點處或其附近與可破裂部分接合，并使可破裂部分的一部分相對于第一部件移動，從而在圓頂形狀的頂點處或其附近產(chǎn)生一刻痕。
在另一方面，本發(fā)明旨在一種在安全膜上產(chǎn)生一刻痕的方法，該安全膜包括一環(huán)形凸緣和一呈圓頂形的可破裂部分。按照該方法，用具有一開口的第一部件支承可破裂部分的第一側(cè)。與第一部件上的開口對齊的第二部件在圓頂形狀的頂點處或其附近與可破裂部分的第二側(cè)相接合，以使可破裂部分的一部分相對于第一部件移動，從而在安全膜的可破裂部分的頂點處或其附近產(chǎn)生一刻痕。
在另一方面，本發(fā)明旨在一種在安全膜上產(chǎn)生一刻痕的方法。按照該方法，用一具有一開口的第一部件支承安全膜坯件的第一側(cè)。與第一部件上的開口對齊的第二部件在安全膜坯件的中心處或其附近與安全膜坯件的第二側(cè)相接合，以使安全膜坯件的一部分相對于第一部件移動，從而在安全膜坯件的中心處或其附近產(chǎn)生一刻痕。安全膜坯件的一部分受一加壓流體的作用而使安全膜坯件的所述部分形成一圓頂形狀，使該刻痕設(shè)置在圓頂形狀的頂點處或其附近。
按照另一方面，本發(fā)明旨在一種用坯件形成安全膜的裝置。該裝置包括一構(gòu)制成可固定地緊固該坯件的外周邊的夾具。該夾具具有一構(gòu)制成使一加壓流體對準(zhǔn)坯件的未夾持部分的通道。該加壓流體作用于坯件的未夾持部分上，以使該坯件的未夾持部分相對于夾具移動。隨著該未夾持部分相對于夾具移動，一具有凹面形狀的模具接納坯件的該未夾持部分，使坯件的該未夾持部分形成一基本對應(yīng)于模具凹面形狀的圓頂形狀。隨著該未夾持部分相對于夾具移動，設(shè)置在該模具內(nèi)的一構(gòu)件與坯件的該未夾持部分相接合，從而在圓頂形狀的頂點處或其附近形成一刻痕。
在另一方面，本發(fā)明旨在一種用坯件形成安全膜的方法。按照該方法，夾持住該坯件的外周邊，并將一加壓流體對準(zhǔn)該坯件的一中心部分。該加壓流體使坯件的中心部分相對于外周邊移動入具有凹面形狀的一模具內(nèi)。該坯件的中心部分形成一基本對應(yīng)于該模具的凹面形狀的圓頂形狀。隨著該中心部分形成圓頂形狀，一構(gòu)件與坯件的中心部分相接合而在圓頂形狀的頂點處或其附近形成一刻痕。
按照另一方面，本發(fā)明旨在一種待密封于一加壓系統(tǒng)中的安全膜組件。該組件包括一安全膜，該安全膜構(gòu)制成在暴露于具有一預(yù)定壓力的流體時翻轉(zhuǎn)。可破裂部分限定一通過它的開口。在安全膜和加壓系統(tǒng)之間設(shè)置有一襯套，該襯套構(gòu)制成于覆蓋并密封安全膜的可破裂部分上的開口。
按照另一方面，本發(fā)明旨在一種待與一加壓系統(tǒng)密封接合的安全膜。該安全膜包括一環(huán)形凸緣和一可破裂部分，該可破裂部分構(gòu)制成在暴露于具有一預(yù)定壓力的流體時就破裂?？善屏巡糠殖示哂幸煌姑婧鸵粚?yīng)的凹面的圓頂形狀，并在圓頂?shù)捻旤c處設(shè)置有一頂點結(jié)構(gòu)部分。該頂點結(jié)構(gòu)部分包括一形成于凹面和凸面的至少一個表面上的折痕。
在另一方面，本發(fā)明旨在一種待密封于一加壓系統(tǒng)中的安全膜組件。該安全膜組件包括一具有呈圓頂形狀的一可破裂部分的安全膜，該可破裂部分包括形成圓頂區(qū)域的一凸面和一對應(yīng)的凹面。該可破裂部分包括一刻痕線，該刻痕線具有第一和第二端，并產(chǎn)生一薄弱線，該可破裂部分在安全膜的可破裂部分暴露于超過一預(yù)定壓力的流體時沿著該線撕裂。鄰接于該安全膜的凹面設(shè)置有一安全件。該安全件包括一凸緣和一鉸鏈，該鉸鏈限定第一和第二凹穴，這兩個凹穴構(gòu)制成在安全膜破裂時接納可破裂部分與刻痕線相應(yīng)端相鄰的區(qū)域。
應(yīng)予理解，以上的總體描述以及下面的詳細(xì)描述僅僅是示范性的和解釋性的，因而不是對所要求保護(hù)的本發(fā)明進(jìn)行限制。


結(jié)合于本說明書中并且形成本說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的一實施例，它們與本說明書一起用于說明本發(fā)明的原理。附圖中，圖1是本發(fā)明的設(shè)置在一對管子凸緣之間的一對支承件和一安全膜的剖視圖；圖2是本發(fā)明的一安全膜和一安全件的俯視圖；圖3a圖2的安全膜和安全件沿Z-Z線剖開的剖視圖；圖3b是圖2的安全膜和安全件的另一實施例沿Z-Z線剖開的剖視圖；圖4是圖2的安全膜和安全件沿Y-Y線剖開的剖視圖；圖5是本發(fā)明的設(shè)置在一對管子凸緣之間的一對支承件和一安全膜的剖視圖，表示該安全膜處于破裂狀態(tài)；圖6是本發(fā)明的具有一中心刻痕的一安全膜的立體圖；圖7是圖6的安全膜的剖視圖；圖8和9是本發(fā)明的中心刻痕的另一實施例的俯視圖；圖10是本發(fā)明的用于在一安全膜上產(chǎn)生一刻痕的裝置的剖視圖；圖11是用于在一安全膜內(nèi)產(chǎn)生一刻痕的一沖頭尖端的另一實施例的剖視圖；圖12a-12c是本發(fā)明的一沖頭尖端的端面視圖；圖13是本發(fā)明的用于在一安全膜上產(chǎn)生一刻痕的另一裝置的剖視圖；圖14是圖13的裝置的局部剖視圖，表示該沖頭尖端與安全膜的可破裂部分相接合；圖15是本發(fā)明的在可破裂部分上具有一開口的一安全膜的俯視圖；圖16是一安全膜組件的側(cè)視圖，該組件包括一在可破裂部分上具有一開口的安全膜；圖17是本發(fā)明的一安全件的另一實施例的俯視圖；圖18是圖17的安全件的側(cè)視圖；以及圖19是按本發(fā)明的一個方面形成有一刻痕的一安全膜的剖視圖。
具體實施例方式
下面詳細(xì)參照本發(fā)明目前最佳的實施例，這些實施例的例子示于附圖中。附圖中盡可能用相同的標(biāo)號表示相同或相似的零件。圖1中表示本發(fā)明的壓力釋放組件的一示范性的實施例，該壓力釋放組件總的由標(biāo)號20表示。
按照本發(fā)明，提供了一壓力釋放組件，該組件包括一入口支承件，該支承件限定一用于引導(dǎo)一加壓流體的入口孔；一出口支承件，該支承件限定一用于釋放該加壓流體的出口孔；以及一安全膜。該安全膜具有一可破裂部分，該可破裂部分包括限定一圓頂區(qū)域的一凸面和一對應(yīng)的凹面。該安全膜還包括一用于密封接合于入口與出口支承件之間的凸緣，以便使凹面與出口孔對齊，并使凸面與入口孔對齊。在所示的實施例中，該壓力釋放組件表示為一預(yù)施扭矩的壓力釋放組件。然而，本發(fā)明還可與非預(yù)施扭矩的壓力釋放組件一起使用，或者用作一焊接組件的一個構(gòu)件。
如此處所具體化的以及如圖1中所表示的，壓力釋放組件20包括一入口支承件30和一出口支承件32。入口支承件30限定一入口孔34，并且具有一系列圍繞該入口孔的內(nèi)螺紋螺栓孔43(圖1中僅示出其中之一)。出口支承件32限定一出口孔36，并具有一系列對應(yīng)于入口支承件30的螺栓孔43的螺栓孔41(圖1中僅示出其中之一)。入口和出口支承件可以是安全蓋、管子凸緣或者能夠使安全膜與加壓系統(tǒng)密封接合的任何組合。
而且，如圖1中所示，一安全膜44設(shè)置于入口支承件30和出口支承件32之間。安全膜44包括一凸緣48和一可破裂部分45。凸緣48通過過渡區(qū)域49連接于可破裂部分45。本發(fā)明的安全膜和安全件還可用于衛(wèi)生環(huán)境，其中將用眾所周知的衛(wèi)生設(shè)備與該安全膜相接合。
可破裂部分45具有一圓頂形狀，該圓頂形狀包括一凹面46和一凸面47，它們限定一總的標(biāo)以35的圓頂區(qū)域。當(dāng)凸緣48與入口和出口支承件30和32接合時，可破裂部分45與入口孔34和出口孔36對齊。在一優(yōu)選實施例中，凸面47延伸入入口孔34中，而凹面則面對出口孔36。然而，本發(fā)明的各個方面可用于凸面延伸入出口孔的正向作用膜片。
如圖2中所示，可破裂部分45包括一刻痕線80，該線具有第一端84和第二端86。最好，刻痕線80在圓頂形狀的可破裂部分的凹面上轉(zhuǎn)換劃一條大約300°的弧線。本發(fā)明能夠與各種不同形狀的刻痕線一起使用，例如一條間斷的刻痕線，其刻痕大致劃出一條弧線，但包括一系列未刻痕材料的間隙。該刻痕線也可以完全地圈劃該膜片的可破裂部分，但包括一個部分，在該部分處的刻痕線深度淺于其余部分的刻痕線深度。對于本發(fā)明，刻痕線的深度發(fā)生變化的點應(yīng)認(rèn)為是刻痕線的第一和第二端。
如下面更詳細(xì)地描述的，刻痕線80在可破裂部分上產(chǎn)生一薄弱線，膜片材料在暴露于具有一預(yù)定壓力的流體時沿著該薄弱線撕裂。雖然目前最佳的實施例在圓頂本身上提供刻痕線，但該刻痕線也可以設(shè)置在其它部位，例如膜片的圓頂與凸緣之間的過渡區(qū)域，或是在該凸緣本身上。
再參見圖1，在入口支承件30和出口支承件32之間最好有一定位銷68延伸通過安全膜44的凸緣48。定位銷68可確保入口支承件30正確地與出口支承件32對齊，并確保安全膜44正確地定位于支承件30和32之間。在該組件正確定位時，入口孔34與出口孔36對齊而產(chǎn)生一流體通道，該通道由安全膜44的可破裂部分45阻塞。可以按對稱或非對稱的方式圍繞該支承件而設(shè)置附加的定位銷，以進(jìn)一步控制安全膜與支承件的相對位置。
通過螺栓孔41設(shè)置有一系列帽螺釘40(在圖1中僅示出其中之一)而與內(nèi)螺紋螺栓孔43相接合。最好，在出口支承件32中的螺栓孔41包括一沉孔42，用以容納帽螺釘40的頭部。帽螺釘40與螺栓孔41和43的接合將出口支承件32朝入口支承件30拉，以使安全膜44的凸緣48密封接合。
最好，入口支承件30包括一凸起的座面78，而出口支承件32包括一對應(yīng)的座面79，以使安全膜44的凸緣48接合。座面78可包括一咬合密封件或其它類似的密封裝置，以便與該凸緣形成密封?；蛘?，在入口支承件30和凸緣48之間可設(shè)置一O形圈或密封圈以形成該蜜封。
如圖1中所示，壓力釋放組件20設(shè)置在一圓形入口管22和一圓形出口管28之間。入口管22包括一入口流體通道64和一入口管子凸緣24。出口管28包括一出口流體通道66和一出口管子凸緣26。
最好，入口管子凸緣24包括一凸面74，該凸面與入口支承件30上的一對應(yīng)的面75相接合，出口管子凸緣26包括一凸面76，該凸面與出口支承件26上的一對應(yīng)的面77相接合。一系列螺栓構(gòu)件60將入口管子凸緣24朝出口管子凸緣26拉，以便與該壓力釋放組件20形成密封。
最好，從入口支承件30延伸出來的一U形定位夾具38與入口管子凸緣24中的一開口58接合，以確保該壓力釋放組件20正確地定位于管子凸緣之間。U形定位夾具38還可確保入口支承件30相鄰于入口管子凸緣24而設(shè)置，從而防止壓力釋放組件20顛倒安裝在管子凸緣中。當(dāng)入口流體通道64與入口孔34、出口孔36和出口流體通道66對齊時，壓力釋放組件20正確地定位于入口管子凸緣24和出口管子凸緣26之間，以產(chǎn)生一由安全膜44的可破裂部分45阻塞的流體通道。
入口管22連接于一含有加壓流體的系統(tǒng)或容器(未圖示)。該流體既可以氣體形式也可以是液體形式。入口管22將加壓流體引導(dǎo)至壓力釋放組件20和安全膜44的暴露的可破裂部分45。可破裂部分45構(gòu)制成在流體壓力達(dá)到一預(yù)定水平而表示在系統(tǒng)或容器內(nèi)存在過壓時破裂。通過改變安全膜設(shè)計的不同參數(shù)，包括但不局限于圓頂形部分的高度、膜片厚度、刻痕線的深度和位置，可以控制膜片的破裂壓力。
在膜片沿刻痕線80破裂或者撕開時，產(chǎn)生一通過該膜片的開口。該開口允許流體自入口孔34流至出口孔36并進(jìn)入出口流體通道66，從而降低該系統(tǒng)或容器中的壓力。根據(jù)該系統(tǒng)或容器內(nèi)流體的性質(zhì)，出口流體通道66可以將流體釋放至周圍環(huán)境或釋放至一安全容器(未圖示)。
按照本發(fā)明，該壓力釋放組件包括一相鄰于安全膜的凹面而設(shè)置的安全件。該安全件包括一鉸鏈，該鉸鏈具有向下延伸入由膜片的可破裂部分產(chǎn)生的圓頂區(qū)域并橫向穿過該圓頂區(qū)域而延伸至一點的一肘節(jié)，該點位于刻痕線所圈劃的區(qū)域內(nèi)或位于連接刻痕線兩端的一弧線所圈劃的區(qū)域內(nèi)。一舌片沿基本垂直于該安全件的凸緣的方向從該肘節(jié)延伸出來并延伸入出口支承件的出口孔。盡管舌片端部可以與由該凸緣所產(chǎn)生的平面基本對齊，但該舌片最好延伸通過安全件的凸緣。本發(fā)明考慮可使鉸鏈相對于該凸緣成一角度，使鉸鏈延伸入出口孔并朝出口支承件延伸。本發(fā)明還考慮到，該鉸鏈可以具有一基本扁平的形狀。
如圖1中所示，一安全件50定位于安全膜44和出口支承件32之間，它大致支承安全膜的過渡區(qū)域。最好，安全件50是與安全膜44和出口支承件32分開的一單獨結(jié)構(gòu)。然而，安全件50可以通過點焊或任何其它方式連接于安全膜或出口支承件32或者與它們形成一體，以便使諸結(jié)構(gòu)保持于一起。
安全件50包括一凸緣62和一鉸鏈52。安全件50的凸緣62具有與凸緣48或安全膜44基本相同的總體形狀，并且密封于壓力釋放組件20內(nèi)，在安全膜凸緣與出口支承件32之間。最好，如圖2中所示，凸緣62包括一系列孔82，這些孔可以與定位銷68相接合(參見圖1)。
如圖3a中所示，鉸鏈52包括一肘節(jié)53和一舌片54。肘節(jié)53從凸緣62延伸入圓頂區(qū)域35。在所示實施例中，肘節(jié)53的橫截面呈直線狀。然而，肘節(jié)53可以具有其它的橫截面，例如一大致遵循可破裂部分輪廓的弧形橫截面。最好，肘節(jié)53并不接觸可破裂部分45，從而在肘節(jié)與可破裂部分之間留一個間隙51。然而，在安全膜處于未破裂狀態(tài)時，肘節(jié)53可以接觸可破裂部分45。
參見圖1和2，肘節(jié)53的外邊向下延伸入圓頂區(qū)域35。外邊53也橫穿圓頂區(qū)域35而延伸至一點，這個點位于刻痕線80所圈劃的區(qū)域內(nèi)，或者位于連接刻痕線80的端84和86的一條弧線所圈劃的區(qū)域內(nèi)。肘節(jié)53的外邊形成一大致的直線，在安全膜破裂時，可破裂部分將沿此直線彎曲。在目前一較佳的實施例中，外邊53延伸到一個點，該點位于由刻痕線80所圈劃的區(qū)域或者由連接該刻痕線兩端的一弧線所圈劃的區(qū)域內(nèi)、但與該區(qū)域直接相鄰。鉸鏈的這一實施例可以預(yù)防碎裂，還能夠在膜片破裂時使所產(chǎn)生的開口的尺寸最大，從而使破裂的膜片上的壓降或速度頭損失達(dá)到最小，并且實現(xiàn)較低的流阻Kr。
如圖4中所示，鉸鏈52形成有第一凹穴90和第二凹穴92。第一和第二凹穴最好具有一凹形，這凹形面對肘節(jié)53與安全膜44的可破裂部分45之間的間隙51(參見圖3b)。最好，第一和第二凹穴90和92分別相鄰于刻痕線80的第一和第二端而設(shè)置?？毯劬€80的第一和第二端84和86可以分別終止于直接位于第一和第二凹穴90和92的一個點(如圖2中所示)?；蛘?，刻痕線的第一和第二端84和86可以分別終止于一個直接與第一和第二凹穴90和92對齊或剛好不到這兩個凹穴的點。
如圖1-4中所示，舌片54從肘節(jié)53延伸出來并進(jìn)入出口孔36。最好，如圖2中所示，舌片54包括一主直線部分55，它帶有兩個基本上直的側(cè)片56，這兩側(cè)片從該主直線部分55朝出口安全件32延伸。最好，如圖2所示，側(cè)片56和主直線部分55之間的角87是鈍角，但本發(fā)明考慮可使角87為一直角或一銳角。更好的是，角87大于主直線部分55與延伸通過主直線部分55的對應(yīng)端的一半徑線89之間的角。還要好的是，角87在約130°到160°的范圍內(nèi)。
在圖1所示的實施例中，側(cè)片56朝出口安全件32延伸。最好，在膜片處于未破裂的狀態(tài)時，側(cè)片56緊鄰于、但不接觸出口安全門32。
在另一實施例中，如圖3b所示，舌片54包括一舌片支架57，該支架從舌片的端部朝出口支承件32伸出。最好，舌片支架57延伸到一個緊鄰于、但不與出口支承件32相接觸的點。該支持結(jié)構(gòu)的其它實施例很容易為本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚。
參見圖2，安全件50最好包括一系列應(yīng)力增加件88。每個應(yīng)力增加件88從凸緣62延伸出來，并延伸入該安全膜的可破裂部分45的圓頂區(qū)域35。每個應(yīng)力增加件88終止于一個或多個應(yīng)力集中點。最好，至少兩個應(yīng)力增加件的應(yīng)力集中點與該安全膜的可破裂部分45上的刻痕線80對齊。如下面將更詳細(xì)說明的，應(yīng)力集中點在安全膜翻轉(zhuǎn)時接觸該安全膜的可破裂部分，以確保可破裂部分撕裂，從而產(chǎn)生一供流體逸出的流動通道。
安全件在各應(yīng)力增加件之間可包括凹進(jìn)的或“切出”區(qū)域。這些“切出”區(qū)域在安全膜的過渡區(qū)域的支承件中產(chǎn)生間隙。如在下面更詳細(xì)說明的，安全膜的支承件中的間隙也有助于確保可破裂部分撕裂而產(chǎn)生一供流體逸出的流動通道。這些切出的區(qū)域可以位于圍繞安全件環(huán)面的一些選定位置，或者可以圍繞該整個環(huán)面或基本上整個環(huán)面(例如，除了鉸鏈區(qū)域)有規(guī)則地隔開。
如上面所述的并且參見圖1，入口流體通道64將氣體或液體形式的加壓流體引導(dǎo)至入口孔34和安全膜44的可破裂部分45。在所示的實施例中，加壓流體接觸安全膜44的凸面47，從而使該膜片的材料處于一壓力之下。該壓力的大小對應(yīng)于該流體的壓力。在流體的壓力達(dá)到一預(yù)定的水平以及該壓力超過安全膜的可破裂部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料強(qiáng)度時，圓頂形部分將開始變形或者翻轉(zhuǎn)。
如圖5中所示，該膜片的反裝將會引起該膜片沿著刻痕線80撕裂而形成一膜片瓣103，該膜片瓣的形狀由刻痕線80和一將膜片瓣103連接于凸緣48以防止膜片碎裂的膜片鉸鏈102所限定。在持續(xù)流體壓力下，膜片鉸鏈102相對于凸緣通過間隙51朝安全件50彎曲。由于安全件50的肘節(jié)53靠近于膜片鉸鏈102，因而在膜片瓣獲得足夠的動量而與膜片鉸鏈撕裂之前，該膜片鉸鏈所獲得的動量將相對較小，將由于與該肘節(jié)的最終接觸而受抑制。
如果在膜片的初始彎曲期間膜片并不沿著刻痕線撕裂，那么膜片在該流體的壓力下將繼續(xù)變形并且翻轉(zhuǎn)，直到該膜片接觸應(yīng)力增加件88的應(yīng)力集中點。應(yīng)力集中部位將增加刻痕線80中的應(yīng)力，以促進(jìn)該膜片的打開。此外，如由安全件的“切出”區(qū)域的形狀所限定的過渡區(qū)域的未受支承的間隙在該膜片的可破裂部分中產(chǎn)生附加的力，以確保膜片打開而產(chǎn)生一供流體排放的通道。
在可破裂部分撕裂并且膜片鉸鏈102由肘節(jié)53支承之后，該流體壓力所產(chǎn)生的力和膜片瓣103的動量將引起膜片圍繞肘節(jié)53的外邊彎曲。該膜片瓣將圍繞肘節(jié)53而持續(xù)彎曲到接觸鉸鏈50的舌片54為止。膜片瓣103與舌片54的接觸將使舌片彎曲，直到側(cè)片56接觸出口安全件32為止。膜片瓣103在舌片54的任一側(cè)上延伸的部分將纏繞于該舌片并接觸側(cè)片56。
根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的壓力和膜片瓣移動的動量，舌片54和側(cè)片56可在膜片瓣103的接觸下進(jìn)一步彎曲和變形，以吸收運動的膜片瓣的動能，并停止該膜片瓣的運動。最好，側(cè)片56相對于出口支承件成一角度，這樣，如果與該運動的膜片瓣接觸的力足夠大，它們可以根據(jù)角87朝外、或朝內(nèi)彎曲。通過吸收運動的膜片瓣的動能，該舌片就降低作用于該膜片瓣上的總的力，從而該膜片瓣碎裂。鉸鏈的尺寸以及尤其是肘節(jié)和舌片的尺寸選定成這樣，鉸鏈將有效地吸收膜片瓣的動能，同時實現(xiàn)一個較大的、無阻礙的流動通道，供加壓流體排放。
在所示的實施例中，膜片瓣圍繞刻痕線端部的部分將折疊入鉸鏈50的凹穴90和92。凹穴90和92大致從安全件的凸緣62上延伸出來并沿該出口孔的方向延伸。凹穴90和92具有弧形表面，并且構(gòu)制成可容納安全膜相鄰于刻痕線80各端部84和86的部分，而不產(chǎn)生任何附加的應(yīng)力集中點。這些凹穴為相鄰于刻痕線端部的安全膜材料提供支承。這可減小作用于刻痕線端部的張力，防止安全膜繼續(xù)撕裂通過刻痕線的端部。這樣，這些凹穴有助于防止該膜片瓣與膜片完全分離。在一優(yōu)選的實施例中，膜片對稱地反過來，同時膜片纏繞于相對的凹穴上，從而防止在膜片鉸鏈的任一側(cè)產(chǎn)生任何不均勻的應(yīng)力。
由膜片的破裂所產(chǎn)生的開口將由該刻痕線的形狀和位置以及由該鉸鏈的形狀和位置限定。在優(yōu)選的實施例中，該刻痕線和鉸鏈構(gòu)制成使該開口的尺寸最大。如第一凹穴、第二凹穴和該肘節(jié)的外邊所限定的該鉸鏈的形狀可以是一大致的直線?；蛘?，如圖2中所示，該肘節(jié)的外邊可以大致是直的，而設(shè)置在該肘節(jié)的任一側(cè)的凹穴則可以朝該安全件的凸緣傾斜。
在優(yōu)選的實施例中以及如圖4中所示，肘節(jié)53的外邊包括一大致為直線的部分，該直線部分設(shè)置在刻痕線80端部的略微內(nèi)側(cè)的一個點。該直線部分可以是在由刻痕線80圈劃的區(qū)域83內(nèi)側(cè)，但與該區(qū)域緊鄰?；蛘撸撝本€部分可以是在由連接刻痕線80端部84和86的一條弧線85圈劃的區(qū)域內(nèi)側(cè)，但與該區(qū)域緊鄰。為了說明清楚，線85在圖中顯示出來，但實際上在膜片上并不顯示出來。
在膜片瓣103圍繞鉸鏈50的外邊53彎曲時，瓣的彎曲部分最好在刻痕線80的端部84和86之間形成一大致直的線。這樣，膜片瓣103的一最大部分將彎曲到該流體通道的外面。通過這種方式，在該膜片破裂時所產(chǎn)生的開口的尺寸達(dá)到最大。
在另一實施例以及如圖17和18中所示，安全件50大致是扁平的。在某些場合，例如電氣開關(guān)裝置，壓力釋放組件所能得到空間迫使出口安全蓋和鉸鏈由一平板取代，該平板可用螺栓或其它方式直接連接于該系統(tǒng)。為了有助于防止安全膜在這些情況下碎裂，在該平板內(nèi)可以限定一鉸鏈。
如圖17所示，安全件50包括一鉸鏈52。鉸鏈52包括一舌片53，該舌片限定一大致直的外部，并在鉸鏈的任一側(cè)上限定一凹穴190和192。在所示的實施例中，鉸鏈52與凸緣62處于同一平面上。然而，本發(fā)明考慮可以使鉸鏈52彎曲而向下延伸入安全膜的圓頂，或者向上延伸離開該膜片圓頂?shù)陌紓?cè)。此外，該鉸鏈的外邊可以呈弧形。
最好，凸緣62包括一系列螺栓孔(未圖示)，以便讓安全件50直接連接于該加壓系統(tǒng)。安全膜的凸緣可以用一粘合劑或者通過焊接連接于安全膜的凸緣62。
凹穴190和192相鄰于刻痕線80的第一和第二端84和86而設(shè)置(參見圖2)?？毯劬€80的第一和第二端84和86可以終止于直接位于第一和第二凹穴190和192下方的一個點?；蛘?，刻痕線的第一和第二端84和86可以終止于直接位于鉸鏈53的邊緣下方的一個點，該鉸鏈邊緣限定第一和第二凹穴190和192。
如上面詳細(xì)描述的，在安全膜打開時，安全膜的瓣103將圍繞鉸鏈52彎曲以吸收膜片打開的能量。鉸鏈52可以隨著安全膜打開而與瓣103一起彎曲，以進(jìn)一步地吸收膜片打開的能量。最好，安全件50還包括應(yīng)力增加件88，如上所述，該應(yīng)力增加件可確保安全膜沿刻痕線完全打開。
膜片瓣的圍繞刻痕線端部的部分將折疊入凹穴190和192。這將減少作用于刻痕線端部的應(yīng)力的大小，以安全膜繼續(xù)撕裂通過刻痕線的端部并最終造成膜片瓣碎裂。
在所有使用狀況下獲得一大的和無阻礙的開口的另一因素是控制該膜片的初始翻轉(zhuǎn)點。膜片的初始翻轉(zhuǎn)點是膜片在加壓流體的力的作用下初始變形的點。在一個優(yōu)選的實施例中，該初始翻轉(zhuǎn)點位于圓頂形的可破裂部分的頂點處。這是在安全膜上的一中心位置，并且也是該可破裂部分上離膜片過渡區(qū)域最遠(yuǎn)的位置。在這一點處的初始翻轉(zhuǎn)可確保該膜片以一對稱的形式翻轉(zhuǎn)。
對稱的膜片翻轉(zhuǎn)對刻痕膜片和非刻痕膜片都將導(dǎo)致改善的膜片打開。在一刻痕膜片中，對稱的翻轉(zhuǎn)可確保沿著整個刻痕線分布一相同的力，這樣，該膜片材料將沿著該刻痕線完全地撕裂和充分打開。在一非刻痕膜片中，其中使用一諸如環(huán)形齒之類的輔助切割機(jī)構(gòu)刺破并打開膜片，對稱的翻轉(zhuǎn)可確保該膜片材料均勻地折疊于該輔助切割機(jī)構(gòu)上。接著，該輔助切割機(jī)構(gòu)將使膜片充分打開，并讓膜片瓣圍繞該膜片鉸鏈彎曲，使開口的尺寸最大。
按照本發(fā)明，可破裂部分的圓頂包括一頂點結(jié)構(gòu)部分。本發(fā)明的頂點結(jié)構(gòu)部分在安全膜的可破裂部分中引入一結(jié)構(gòu)薄弱部分，例如，膜片材料的變薄或者拉長。膜片材料的變薄或者拉長會犧牲膜片圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)整體性。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在膜片受到一具有一定壓力的流體作用時，該安全膜將在該結(jié)構(gòu)薄弱部分處開始其翻轉(zhuǎn)。這樣，適當(dāng)?shù)嘏渲庙旤c結(jié)構(gòu)部分可控制該膜片的初始翻轉(zhuǎn)點。
還必須注意到，頂點結(jié)構(gòu)部分將降低該安全膜預(yù)期的破裂壓力。換句話說，具有頂點結(jié)構(gòu)部分的膜片將比不帶頂點結(jié)構(gòu)部分的類似膜片在一更低的壓力下破裂。值得注意的是，不帶頂點結(jié)構(gòu)部分的膜片必須用較薄的材料制成，以便達(dá)到與帶頂點結(jié)構(gòu)部分的膜片相同的破裂壓力。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在頂點結(jié)構(gòu)部分的大小和形狀與破裂壓力的降低量之間存在相關(guān)性。通常，較大的頂點結(jié)構(gòu)部分將導(dǎo)致較顯著的破裂壓力減低。
該頂點結(jié)構(gòu)部分的設(shè)想為在安全膜的可靠性和精度方面作大的改進(jìn)提供了可能，特別是對于那些構(gòu)制成在低壓下破裂的膜片來說。低壓膜片通常必須用薄型材料制造，該薄型材料容易損壞。在安裝前或在安裝過程中對膜片的任何損壞都可能顯著地改變該膜片的破裂壓力。此外，在安裝中的任何不均勻，例如安全蓋或者安全膜本身的未對齊、熱量引起的不均勻以及螺栓或者凸緣的不靈敏性，都可能進(jìn)一步改變膜片的破裂壓力。由于帶頂點結(jié)構(gòu)部分的膜片能夠用較厚的材料制成，而這種較厚材料不會有此類問題，因而頂點結(jié)構(gòu)部分的引入將改進(jìn)安全膜的可靠性。
另外，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，頂點結(jié)構(gòu)部分的尺寸和形狀將是確定安全膜破裂壓力的決定因素。換句話說，該頂點結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)造將比其它諸如刻痕線的深度和位置之類的結(jié)構(gòu)因素更重要，這些因素以前是會影響該安全膜的破裂壓力。
如圖6和7所示，該頂點結(jié)構(gòu)部分最好是一位于可破裂部分的圓頂形狀的頂點處的刻痕140。最好，如圖7中所示，刻痕140形成于圓頂?shù)耐姑?7上，在凸面47上產(chǎn)生一凹部143，并在凹面46上產(chǎn)生一相應(yīng)的乳突形的凸出物/凹坑144。或者，刻痕140可以形成于圓頂?shù)陌济?6上，在凹面46上產(chǎn)生一凹部，并在凸面47上產(chǎn)生一相應(yīng)的乳突形的凸出物。
如圖7所示，刻痕140包括一圓形的外邊142。最好，從外邊142到過渡區(qū)域49的距離沿著刻痕140的外邊142在所有部位都是相同的。
如圖8和9所示，該刻痕可以具有各種形狀。例如，如圖8中所示，刻痕140可以是中點與圓頂?shù)捻旤c相重合的一直線。另外，如圖9中所示，刻痕140可以包括在該圓頂?shù)捻旤c處相交的兩條直線。
改變頂點結(jié)構(gòu)部分的尺寸和形狀可以在給定大小和材料的膜片的破裂壓力方面產(chǎn)生較寬的變化。例如，具有一小刻痕的由0.003″厚的材料制成的1″膜片將比具有較大刻痕的類似膜片在一更高的壓力下破裂。這樣，改變頂點結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)造可使一特定尺寸和厚度的安全膜適合于各種不同商業(yè)場合的具體壓力釋放需求。
然而，應(yīng)當(dāng)注意，為了制造精確地在所需壓力下破裂的安全膜，刻痕或者其它頂點結(jié)構(gòu)部分都必須以這樣一種方式形成，即確保各膜片間的頂點結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)造是一致的。在授予Mozely的美國專利No.6,006,938中描述了一種在安全膜上形成刻痕的方法。在該專利所描述的方法中，刻痕是“自由形成”的，按照那種方式，在膜片成形時用一工具沖擊膜片，而安全膜沒有任何額外的支承。如下面的試驗數(shù)據(jù)組所示的，根據(jù)這一方法所形成的安全膜不會一致地在一所需的壓力下破裂。因此，這一方法不能生產(chǎn)出許多商業(yè)場合所需求的、高破裂壓力精度的安全膜。
按照本發(fā)明，提供了一種在安全膜的圓頂中形成刻痕的裝置。該刻痕可以在制造膜片的任何階段形成。因此，本發(fā)明旨在一種在一已經(jīng)形成的安全膜或者一安全膜坯件上形成刻痕的裝置，并旨在一種在膜片圓頂形成時在安全膜上形成刻痕的裝置。該刻痕形成裝置允許按照可靠的和一致的方式在安全膜上形成刻痕，如在下面的試驗數(shù)據(jù)中所述的，它可以導(dǎo)致在安全膜的破裂精度方面的改進(jìn)。
如圖10中所示，刻痕形成裝置148包括一第一部件，該部件最好是一砧座154。砧座154包括限定一開口164的一支承面155。最好，開口164是圓形的，但開口164也可以有其它形狀。
支承面155構(gòu)制成在圓頂形狀的頂點處與可破裂部分45的一側(cè)接合，使開口164包圍該頂點。支承面155可以具有一較小的寬度，可破裂部分45只有一選定的部分受到支承。或者，支承面155可以具有一符合安全膜圓頂?shù)妮喞⑶已由熘聊て^渡區(qū)域的形狀，這樣，開口164外側(cè)的整個可破裂部分45都受到支承。
最好，支承面155與圓頂形狀的凹側(cè)相接合，但該支承面也可以與該圓頂形狀的凸側(cè)相接合。或者，該砧座可以與安全膜坯件的一側(cè)相接合，如下面更詳細(xì)說明的，該坯件將最終形成一安全膜。
在所示的實施例中，砧座154的中心線162與可破裂部分45的圓頂形狀的頂點對齊。然而，也可以使中心線162偏離該圓頂形狀的頂點。
一框架156圍繞砧座154?？蚣?56包括一內(nèi)壁158，該內(nèi)壁限定一空腔以容納安全膜的凸緣48。最好，內(nèi)壁158的高度選擇成可確保凸緣48不接觸該空腔的底面159，這樣，砧座154是安全膜的唯一支承源。另外，內(nèi)壁158的直徑緊密地對應(yīng)于凸緣48的直徑。按照這一方式，內(nèi)壁158可確保安全膜正確地對齊于砧座154上。
框架156可以包括一個或多個銷子160(圖10中僅示出一個銷子)。銷子160構(gòu)制成與凸緣48上的孔88(參見圖6)相接合。銷子160與孔88的接合可進(jìn)一步確保安全膜正確地對齊于砧座154上。
刻痕形成裝置148還包括一第二部件，該部件最好是一沖頭150，它大致與砧座154上的開口164對齊。在所示的實施例中，沖頭150的中心線166與該砧座的中心線162直接對齊。但是，本發(fā)明考慮可使沖頭150與頂點和/或砧座錯開，只要該沖頭尖端是在砧座開口164所圈劃的區(qū)域內(nèi)即可。
沖頭150包括一與可破裂部分45的第二側(cè)相接合的尖端152。隨著沖頭150相對于砧座154運動，可破裂部分與開口164對應(yīng)的部分的材料相對于該砧座154被移動。這種強(qiáng)制和受控的移動使膜片材料沿邊緣和刻痕的下坡部分，通過拉長、變薄或剪切，相對于周圍的膜片材料而變形。
該砧座的與沖頭的力相反的支承力將在可破裂部分45的表面上產(chǎn)生一永久變形，例如一折痕200(參見圖19)。隨著該沖頭迫使可破裂部分的材料相對于受該砧座支承的材料發(fā)生位移，便產(chǎn)生這一永久變形。最好，膜片的凹面受砧座支承，這樣便至少在凹面上形成變形。該變形還可以形成于凸面上或者同時形成于凹面和凸面上。
膜片材料的變形、拉長、變薄或者剪切會在膜片圓頂上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)薄弱部分。通過精確地控制沖頭和砧座的運動和位置，可以在相繼的膜片上形成類似量的變薄、拉長或剪切。按照這一方式，就可以使一系列安全膜的可靠性和精度保持在商業(yè)場合所需的水平。
最好，沖頭150的運動受精確控制。在優(yōu)選的實施例中，沖頭尖端152的容許運動范圍由一測微計調(diào)節(jié)，它可實現(xiàn)0.0001″的調(diào)節(jié)量。按照這一方式，安全膜上所產(chǎn)生的該凹痕相對于圓頂頂點的深度可以準(zhǔn)確地和精確地受到控制。
或者，沖頭尖端152和砧座開口164的尺寸可以相近，使膜片材料剪切移動。如圖19中所示，通過剪切可破裂部分45所形成的刻痕140導(dǎo)致外邊142具有一尖角。另外，在可破裂部分45的另一側(cè)上形成一折痕200，在所示的實施例中，該另一側(cè)是凹面。沖頭的剪切作用還在可破裂部分45內(nèi)產(chǎn)生一輪廓分明的變薄區(qū)域202。這一變薄區(qū)域代表結(jié)構(gòu)薄弱部分，該薄弱部分將與初始翻轉(zhuǎn)點場合。
如圖11中所示，用于剪切可破裂部分45的材料的沖頭尖端152最好包括一凹面168。在沖頭尖端152與可破裂部分45接合時，邊緣167首先與可破裂部分的彎曲面相接合。這確保在以后的安全膜上形成的每一刻痕都將有基本相同的形狀。扁平的沖頭尖端將在使用中磨損，并且可能最終導(dǎo)致不均勻和不一致的刻痕。
沖頭尖端152的截面可以是任何形狀或尺寸。例如，如圖12a-12c中所示，沖頭尖端152可以具有一圓形截面(參見圖12a)、一D形截面(參見圖12b)、或者一淚滴狀截面(參見圖12c)。砧座開口164的形狀可以、也可以不構(gòu)制成與沖頭尖端152的截面對應(yīng)。例如，淚滴狀的沖頭截面可以結(jié)合一圓形砧座開口或一淚滴狀砧座開口一起使用。
本發(fā)明考慮，刻痕140的構(gòu)造可以通過凹痕形成裝置中的諸多變化而改變。例如，沖頭尖端152和砧座開口164的尺寸和形狀可以單獨地或組合地變化，以改變所得到的刻痕的形狀。另外，沖頭尖端152和砧座開口164之一或兩者可以偏離圓頂形狀的頂點，以便進(jìn)一步改變刻痕的構(gòu)造。可以預(yù)見，以不同形狀和尺寸的沖頭尖端和砧座開口繼續(xù)進(jìn)行試驗，將導(dǎo)致能提供最佳工作特性的刻痕構(gòu)造。
圖13和14中示出了用于在形成安全膜時在可破裂部分上形成刻痕的裝置160。如在本技術(shù)領(lǐng)域中公知的，安全膜通常由稱為安全膜坯件的扁平圓片材料制成。平片材料的一部分受氣壓或液壓而形成圓頂形的可破裂部分。
裝置160包括一夾具161，該夾具牢固地夾持住一膜片坯件(以虛線172表示)的周邊。夾具161包括一支架162和一模具164。支架162包括連接于一加壓流體源的一中心通道168。在膜片坯件被牢固地固定于夾具161中時，通道將加壓流體(以箭頭170表示)引導(dǎo)于膜片坯件中心的未夾持部位上。流體的力作用于膜片坯件的未夾持材料上而使未夾持材料相對于夾具移動入模具164中。
模具164包括面對膜片坯件的一凹面176。隨著未夾持材料相對于夾具移動，該材料與凹面176相接合。凹面176的形狀限定所得到的可破裂部分45的形狀。
模具164包括容納一部件的一開口150，該部件最好是一沖頭150。沖頭150包括一尖端152，該尖端在對應(yīng)于圓頂形狀頂點的一個點處或其附近從凹面176突出。最好，沖頭150可相對于模具164運動，以改變沖頭尖端152突出凹面176距離。模具164還包括一排放通道174，以便在形成安全膜的過程中發(fā)生任何問題的情況下讓加壓流體逸出。
如圖14所示，當(dāng)膜片坯件的材料由加壓流體移動時，沖頭152與該材料相接合。在坯件材料上繼續(xù)施加力可使材料圍繞沖頭尖端撓曲，從而形成刻痕140?？毯?40和刻痕邊緣142的形狀可以通過改變形成流體的壓力來改變。較高的流體壓力將使刻痕邊緣142的曲率半徑較尖。相反，較低的流體壓力將使刻痕邊緣的曲率半徑較大。
通過使安全膜形成于模具和沖頭的組合中，所得到的刻痕構(gòu)造能受到精確控制。具體說，刻痕相對于圓頂頂點的深度可受到精確控制。另外，圓頂相對于膜片凸緣的高度可受到精確控制，該高度是對膜片破裂壓力有顯著影響的另一因素。這樣，可以將安全膜的可靠性和精度保持在商業(yè)場合所需的水平。
本發(fā)明考慮，沖頭尖端152可以具有如圖11所示的截面形狀以及任何截面形狀，例如包括圖12a-12c中所示的那些截面。沖頭尖端還可以偏離圓頂形狀的頂點。
刻痕140的構(gòu)造還可以通過移動沖頭尖端并對膜片圓頂進(jìn)行再成形來改變。在利用處于第一壓力下的一流體形成膜片后，沖頭尖端152可以相對于模具的凹形而部分地或者全部地縮回。然后，使安全膜受到處于第二壓力下的一加壓流體的作用，該第二壓力最好低于初始的形成壓力。該加壓流體將再次作用于膜片上，以使圓頂再成形。由于沖頭尖端不再與可破裂部分相接合，因而該流體將起作用而減少刻痕相對于圓頂形狀的頂點的深度。按照這一方式，可以改變刻痕的構(gòu)造。
本發(fā)明進(jìn)一步考慮，具有刻痕的安全膜圓頂可以由安全膜坯件硬沖壓而形成。這可以利用構(gòu)制成可從安全膜坯件產(chǎn)生所需的安全膜圓頂形狀的工具來實現(xiàn)。在這一實施例中，沖頭是可滑動地設(shè)置于該工具中。這允許在具有類似圓頂高度和形狀的膜片之間改變刻痕相對于圓頂頂點的深度。如上面所討論的，刻痕的構(gòu)造決定安全膜的破裂壓力。這樣，可很容易地改變本來類似的膜片的破裂壓力，以滿足不同商業(yè)場合的需要。
或者，如圖15和16中所示，頂點結(jié)構(gòu)部分可以是安全膜的可破裂部分45中的一開口180。如圖15中所示，開口180的中心最好位于可破裂部分45的圓頂形狀的頂點處。然而，開口180也可以偏離圓頂形狀的頂點。
如圖15中所示，開口180最好是圓形的。然而，本發(fā)明考慮，開口180可以具有其它的形狀，例如三角形、正方形、五角形、六角形或橢圓形。
如圖16中所示，一襯套180覆蓋并且密封開口182。最好，襯套182是由比安全膜的材料更輕、更柔軟的材料制成。最好，襯套182覆蓋整個安全膜，但襯套182也可以只延伸超過開口182一小段距離。襯套182可以用一粘接材料或通過焊接而連接于安全膜的任何部位，包括可破裂部分和/或凸緣。
如在以下實例中可以清楚的，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，按照本發(fā)明的方法和裝置在膜片頂點處進(jìn)行壓痕可以提高安全膜的破裂精度。安全膜是以一給定數(shù)量(通常為5-10片)的批量制造的，而在一批中的所有膜片都接受以來自同一制造批的試驗?zāi)て慕y(tǒng)計抽樣為基礎(chǔ)的一額定破裂壓力。通常，在該批中的所有膜片都將在該額定破裂壓力的5％之內(nèi)破裂。這樣，為防止膜片過早破裂，系統(tǒng)的工作壓力不應(yīng)超過膜片的額定破裂壓力的90％。增加膜片的精度和可重復(fù)性將允許該系統(tǒng)在高于安全膜的額定壓力的90％時工作，并且仍然達(dá)到一可接受的安全余量。
本發(fā)明的安全膜的實際破裂壓力要均勻得多。下面的破裂精度試驗數(shù)據(jù)表示對具有以三種不同方法之一所形成的刻痕的安全膜所作的比較試驗(1)自由形成的刻痕，(2)模具形成的刻痕，以及(3)砧座形成的刻痕。
破裂精度試驗1-帶自由形成的刻痕的膜片該破裂精度試驗是在具有以“自由形成”方法所形成的刻痕的1.5″膜片上進(jìn)行的，在該方法中，一工具在成形過程中與膜片圓頂相接合，而不使用模具或其它支架。使具有各種厚度、圓頂高度和刻痕深度的若干構(gòu)造的膜片破裂，以確定每個膜片的實際破裂壓力。接著，對每種構(gòu)造的膜片的實際破裂壓力進(jìn)行比較，以確定該膜片構(gòu)造的破裂精度。

*將實際破裂壓力中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍表示為平均額定破裂壓力的百分?jǐn)?shù)。
破裂精度試驗2-帶模具形成的刻痕的膜片該破裂精度試驗是在具有以模具形成的刻痕的1.5″膜片上進(jìn)行的，如上面更詳細(xì)說明的。使具有各種厚度、圓頂高度和刻痕深度的若干構(gòu)造的膜片破裂，以確定每個膜片的實際破裂壓力。接著，對每種構(gòu)造的膜片的實際破裂壓力進(jìn)行比較，以確定該膜片構(gòu)造的破裂精度。

*將實際破裂壓力中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍表示為平均額定破裂壓力的百分?jǐn)?shù)。
破裂精度試驗3-帶砧座形成的刻痕的膜片該破裂精度試驗是在具有以砧座形成的刻痕的1″膜片上進(jìn)行的，該刻痕在形成膜片圓頂之后形成，如上面更詳細(xì)說明的。使具有各種厚度、圓頂高度和刻痕深度的若干構(gòu)造的膜片破裂，以確定每個膜片的實際破裂壓力。接著，對每種構(gòu)造的膜片的實際破裂壓力進(jìn)行比較，以確定該膜片構(gòu)造的破裂精度。


*將實際破裂壓力中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍表示為平均額定破裂壓力的百分?jǐn)?shù)。
破裂精度概要下表概括了前述的試驗數(shù)據(jù)。該表表示用于在安全膜圓頂上形成刻痕的不同方法的破裂精度的平均值。

*表示按照上述試驗所確定的破裂精度的平均值。
如上述試驗中所示和前表所概括的，具有按本發(fā)明所形成的刻痕的安全膜要比具有用其它方法所形成的刻痕的膜片具有高得多的破裂精度。
調(diào)整膜片的諸如刻痕線位置之類的其它設(shè)計參數(shù)，可以對膜片破裂精度提供額外的改進(jìn)。本發(fā)明考慮，與傳統(tǒng)安全膜的破裂精度特性相比，具有本發(fā)明的頂點結(jié)構(gòu)部分并在膜片的過渡區(qū)域內(nèi)有刻痕線的安全膜也將具有顯著改善的破裂精度特性。
本發(fā)明的另一好處是損壞安全比降低。膜片的損壞安全比是將一受損膜片的實際破裂壓力除以該膜片的額定壓力而確定的。以下數(shù)據(jù)表示按照本發(fā)明制成的安全膜在不同損壞類型下的損壞比損壞試驗以下?lián)p壞試驗是在本發(fā)明的1″安全膜上進(jìn)行的。這些安全膜是由0.004″Ni在275psig下形成的，其冠高為0.190″。在未受損狀態(tài)下試驗的這批膜片的平均破裂壓力為50.6psig。根據(jù)ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)，可接受的破裂壓力容差為額定破裂壓力的±5psig。因此，對于本試驗的安全膜，最小的可接受破裂壓力是48.1psig，而最大的可接受破裂壓力是53.1psig。

*膜片圓頂從物理上改變，從而具有在該膜片的可破裂部分的兩側(cè)可以看見的特征，這時認(rèn)為膜片受損壞。
**膜片的鈍性損壞是用一基本扁平的、具有圓形截面的扁平物體造成的，例如直徑約為0.75″的錘子。
***膜片的銳性損壞是用具有矩形截面尖端的工具造成的，例如尺寸為0.200″×0.040″的螺絲刀。
如以上試驗中所示，按照本發(fā)明制成的安全膜的損壞安全比約小于1。因此，如果本發(fā)明的安全膜在安裝之前或之后受損，該膜片仍將在一不大于該膜片的最大可接受破裂壓力(在本實例中，這一壓力是額定破裂加5％)的壓力下破裂。
如前所述，所揭示的壓力釋放組件可用于一加壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可含有加壓氣體，也可含有加壓液體。按照本發(fā)明，提供了一安全膜，對于液體場合和氣體場合，它在破裂時都具有較低的流阻Kr。
安全膜的流阻Kr決定了安全膜釋放流體以降低系統(tǒng)壓力的速率。流阻是破裂的安全膜上的壓力降或速度頭損失的一個函數(shù)。較大的速度頭損失會導(dǎo)致較大的Kr，從而導(dǎo)致較低的流體釋放速率。美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)的標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC25對安全膜的流體釋放速率確定了性能試驗要求。
按照本發(fā)明制成的安全膜在液體和氣體環(huán)境下都具有較低的Kr。安全膜的Kr額定值是通過一標(biāo)準(zhǔn)化的程序確定的。在一個方法中，一具體膜片設(shè)計的Kr額定值是通過使三種不同尺寸的安全膜的三個樣品在該膜片的最小壓力額定值下破裂而確定的。然后，確定這九個破裂膜片的每一個的Kr值。接下來，確定這九個Kr值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。安全膜的Kr額定值等于這九個Kr值的平均值加上這九個Kr值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍。以下試驗數(shù)據(jù)表示根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)在一氣體環(huán)境中對按照本發(fā)明制成的膜片所進(jìn)行的試驗


如上述試驗中所示，本發(fā)明的安全膜在氣體環(huán)境中具有較低的Kr值。雖然對于液體環(huán)境的Kr值可能稍高，但本發(fā)明在液體條件下仍可提供較低的Kr值。最好，本發(fā)明的安全膜在氣體和液體場合的Kr均小于約1.6。更可取的是，本發(fā)明的安全膜在氣體和液體場合的Kr均小于約1.0。最好是，本發(fā)明的安全膜在氣體和/或液體場合的Kr小于約0.7。
本發(fā)明的一個另外的優(yōu)點在于，安全膜設(shè)計在液體場合可提供較低的破裂壓力。傳統(tǒng)的非碎裂安全膜并不適合于低壓液體場合，這是因為在這種場合膜片不能充分打開。然而，本發(fā)明的安全膜在低于100psig的工作壓力的液體場合可滿足ASME性能標(biāo)準(zhǔn)。
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可以對本發(fā)明的安全膜組件進(jìn)行各種不同的改進(jìn)和變化。通過本文所揭示的本發(fā)明的技術(shù)規(guī)范和實踐，本發(fā)明的其它實施例對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。本說明書及實例應(yīng)被認(rèn)為是示范性的，本發(fā)明的真正范圍和精神應(yīng)由所附權(quán)利要求書指明。
權(quán)利要求
1.一種用于對一安全膜進(jìn)行壓痕的裝置，該安全膜包括一環(huán)形凸緣和一具有圓頂形狀的可破裂部分，該裝置包括具有一開口的一第一部件，該第一部件構(gòu)制成與該可破裂部分的第一側(cè)相接合；以及設(shè)置在該可破裂部分的第二側(cè)上并與第一部件上的開口對齊的一第二部件，該第二部件適于在圓頂形狀的頂點處或其附近與該可破裂部分相接合，并適于使該可破裂部分的一部分相對于該第一部件移動，從而在該可破裂部分上于該圓頂形狀的頂點處或其附近產(chǎn)生一刻痕。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該第一部件是一砧座，該第二部件是一沖頭。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該可破裂部分包括一凹側(cè)和一對應(yīng)的凸側(cè)，該砧座與該可破裂部分的凹側(cè)相接合。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，它進(jìn)一步包括一框架，該框架具有限定一空腔的一內(nèi)壁，該空腔構(gòu)制成容納該安全膜的凸緣。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，該空腔的直徑緊密地對應(yīng)于該凸緣的直徑，使得該空腔的內(nèi)壁確保該安全膜在該砧座上正確對齊。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，該環(huán)形凸緣包括至少一個開口，該框架包括一銷子，該銷子配置成與該開口相接合而使該安全膜在砧座上對齊。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該沖頭包括具有一圓形截面的一尖端，該砧座上的該開口呈圓形。
8.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該沖頭尖端的外徑與該砧座上的開口的尺寸基本相同，使得該可破裂部分的所述部分受剪切移動。
9.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該沖頭包括一尖端，該尖端的形狀不同于砧座上的該開口的形狀。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該沖頭尖端的截面形狀包括由一弦所連接的一弧線，該砧座開口基本呈圓形。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該沖頭尖端具有一淚滴狀的截面，砧座開口基本呈圓形。
12.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該砧座上的開口的中心線與圓頂形狀的頂點重合，該沖頭的中心線偏離于該圓頂形狀的頂點。
13.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該沖頭包括具有一凹面的一尖端。
14.一種用于在一安全膜上形成一刻痕的方法，該安全膜包括一環(huán)形凸緣和一具有一圓頂形狀的可破裂部分，該方法包括以下步驟用具有一開口的一第一部件支承該可破裂部分的第一側(cè)；以及在圓頂形狀的頂點處或其附近使與第一部件上的開口對齊的一第二部件與該可破裂部分的第二側(cè)相接合，以使該該可破裂部分的一部分相對于該第一部件移動，從而在該安全膜的可破裂部分的頂點處或其附近產(chǎn)生一刻痕。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，該第一部件是一砧座，該砧座上的開口的中心線與該圓頂形狀的頂點對齊。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該第二部件是一沖頭，該沖頭的中心線偏離于該圓頂形狀的頂點。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，該第二部件使該可破裂部分的所述部分剪切移動。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，該第二部件在離開該圓頂形狀的頂點一預(yù)定距離處移動該可破裂部分的所述部分。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，它進(jìn)一步包括在形成刻痕之后使膜片再成形以降低該刻痕深度的步驟。
20.一種按照權(quán)利要求14所述的方法形成有一刻痕的安全膜。
21.一種在一安全膜上形成一刻痕的方法，包括以下步驟用具有一開口的一第一部件支承一安全膜的第一側(cè)；在該安全膜坯件的中心處或其附近使與第一部件上的該開口對齊的一第二部件與該安全膜坯件的第二側(cè)相接合，以使安全膜坯件的一部分相對于該第一部件移動，從而在該安全膜坯件的中心處或其附近產(chǎn)生一刻痕；以及使該安全膜坯件的一部分受到一加壓流體的作用，以使該安全膜坯件的所述部分形成一圓頂形狀，并使該刻痕位于該圓頂形狀的頂點處或其附近。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該第一部件是一砧座，該砧座上的開口的中心線與該安全膜坯件的中心對齊。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該第二部件是一沖頭，該沖頭的中心線偏離于該安全膜坯件的中心。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該第二部件使該安全膜坯件的所述部分剪切移動。
25.一種按照權(quán)利要求21所述的方法形成有一刻痕的安全膜。
26.一種由一坯件形成一安全膜的裝置，包括一夾具，它構(gòu)制成可緊固地固定該坯件的外周邊，該夾具具有一通道，該通道構(gòu)制成將一加壓流體對準(zhǔn)該坯件的未夾持部分，該加壓流體作用于該未夾持部分上而使該坯件的未夾持部分相對于該夾具移動；一模具，它具有一凹形，該凹形構(gòu)制成在該坯件的未夾持部分相對于該夾具移動時容納該未夾持部分，并使該坯件的未夾持部分形成一基本對應(yīng)于該模具的凹形的圓頂形狀；以及一設(shè)置在該模具中的部件，該部件構(gòu)制成在該坯件的未夾持部分相對于夾具移動時與該未夾持部分相接合，從而在圓頂形狀的頂點處或其附近形成一刻痕。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，該部件是一沖頭，該沖頭的中心線與圓頂形狀的頂點對齊。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，該部件是一沖頭，該沖頭具有一圓形的截面。
29.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，該部件是一沖頭，該沖頭包括具有一凹面的一尖端。
30.一種由一坯件形成一安全膜的方法，包括以下步驟夾持住該坯件的外周邊；使一加壓流體對準(zhǔn)該坯件的一中心部分，以使該中心部分相對于該外周邊而移動入一具有一凹形的模具；使該坯件的中心部分形成一基本對應(yīng)于該模具的凹形的圓頂形狀；以及在該中心部分形成圓頂形狀時使一部件與該坯件的中心部分相接合，以在該圓頂形狀的頂點處或其附近形成一刻痕。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括以下步驟從該模具取出該部件；以及使具有一第二壓力的一加壓流體對準(zhǔn)該中心部分，以降低該刻痕相對于該圓頂形狀頂點的深度。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，它進(jìn)一步包括通過相對于該模具調(diào)節(jié)該部件，控制該刻痕相對于圓頂頂點的深度。
33.一種按照權(quán)利要求30所述的方法形成的安全膜。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用來形成一安全膜的裝置和方法。該安全膜包括一環(huán)形凸緣和一具有圓頂形狀的可破裂部分，用于對該安全膜進(jìn)行壓痕的裝置包括具有一開口的一第一部件，該第一部件構(gòu)制成與該可破裂部分的第一側(cè)相接合；以及設(shè)置在該可破裂部分的第二側(cè)上并與第一部件上的開口對齊的一第二部件，該第二部件適于在圓頂形狀的頂點處或其附近與該可破裂部分相接合，并適于使該可破裂部分的一部分相對于該第一部件移動，從而在該可破裂部分上于該圓頂形狀的頂點處或其附近產(chǎn)生一刻痕。
文檔編號F16K17/16GK1765537SQ20051009214
公開日2006年5月3日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月13日
發(fā)明者D·卡利男, J·戴利, S·法韋爾, B·洛, M·魯科, J·托馬斯科, G·克萊因, G·布雷熱 申請人:Bs&B安全體系股份有限公司