CN100408219C - 用来形成安全膜的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种用来形成一安全膜的装置和方法。该安全膜包括一环形凸缘和一具有圆顶形状的可破裂部分，用于对该安全膜进行压痕的装置包括：具有一开口的一第一部件，该第一部件构制成与该可破裂部分的第一侧相接合；以及设置在该可破裂部分的第二侧上并与第一部件上的开口对齐的一第二部件，该第二部件适于在圆顶形状的顶点处或其附近与该可破裂部分相接合，并适于使该可破裂部分的一部分相对于该第一部件移动，从而在该可破裂部分上于该圆顶形状的顶点处或其附近产生一刻痕。该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。

Description

用来形成安全膜的装置和方法
本申请是申请号为00807486.0、申请日为2000年5月12日、发明名称为“安全膜组件”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及压力释放系统。更具体地说，本发明涉及一种用于压力释放系统的改进的安全膜组件，并涉及用于形成和制造安全膜的装置和方法。
背景技术
压力释放组件通常用作系统中的安全装置，在这种系统中含气体或者液体形式的各种加压流体。当该系统内的压力达到一不安全的水平时，压力释放组件就会从该系统排出流体。许多紧急的状况(包括火灾和系统故障)可能产生危险的压力水平，需要立即释放压力以保护系统安全。
一般来说，压力释放组件包括一安全膜，该安全膜密封于一对支承件或者安全盖之间。该压力释放组件通常夹持或用其它方式密封设置在加压系统内的一对传统的管子凸缘之间。一根管子将加压流体引导至该压力释放组件的一侧，而另一根管子则提供一通往安全容器的出口或者可以开放于周围环境。诸支持件包括一中心开口，该中心开口将该安全膜的一部分暴露于系统内的加压流体。当流体压力达到入口与出口侧之间一预定的压力差时，该安全膜的暴露部分就会裂开。破裂的安全膜形成一允许流体通过出口逸出的排放通道，从而降低系统内的压力。
安全膜通常呈圆顶形，并既能正向作用又能反向作用。在正向作用安全膜中，圆顶的凹侧对着加压流体，使膜片的材料处于张力之下。在反向作用安全膜中，圆顶的凸侧对着加压流体，使膜片的材料处于压力之下。在反向作用安全膜(也称为反向变形安全膜)中，当流体压力超过预定水平并且膜片结构的材料不能够承受该压力时，该膜片的圆顶将会变形并且开始翻转。这种翻转或者变形将在膜片的特定点开始，该点称为初始翻转点。随着膜片继续翻转，膜片的材料会通过一开口装置而撕裂，从而形成排放通道以释放加压流体。
这两种型式的膜片通常都包括刻痕线(薄弱区域)，以促成膜片开口。在反向变形安全膜中，膜片在翻转时沿着刻痕线撕裂。该膜片的选定部分通常是无刻痕的，用作一铰链区域，以保护膜片避免在破裂时碎裂而与加压流体一道逸出。另外，人们已经知道压力释放组件可包括安全件，以帮助打开该膜片并且吸收由膜片破裂所产生的能量，以避免膜片裂成碎片。
在系统压力变得不安全的紧急情况下，重要的是尽可能快地降低压力。美国机械工程师协会(ASME)规程确立了压力释放系统的流体流率的最低性能要求。在膜片破裂时所产生的开口的大小和形状对流体逸出系统的速率是一个限制因素。具有大的、无阻碍的开口的破裂膜片的性能要好于具有小的、受阻碍的开口的破裂膜片，因为在大的、无阻碍的开口上的速度头损失(即压力降)将小于在较小的或者有阻碍的开口上的速度头损失。较低的速度头损失所转化成的流阻(Kr)较小，从而使通过膜片的流率较高。
调节膜片设计的不同方面，包括膜片的可破裂部分的尺寸以及刻痕线的位置，可以控制膜片破裂时所形成的开口的尺寸和形状。较大的膜片就可能产生较大的开口。
影响流阻的另一因素是加压系统内的流体的性质。业已发现，安全膜开口度的不同取决于系统内流体的性质。通常，膜片在气体环境中破裂要比在液体环境破裂得更充分。这样，为了满足所需的流阻性能要求，如果该膜片要用于一液体场合，即使该液体处于与一类似气体场合相同的压力下，膜片的设计也可能要求不同。
影响流阻的膜片设计的又一因素是膜片的可破裂部分的厚度。由较薄材料制成的膜片要比用较厚材料制成的膜片更容易弯曲。这样，对于在相同流体压力下破裂的膜片，较薄的膜片要比相应的较厚膜片更容易完全打开而产生大的、无阻碍的开口。
然而，由较薄材料制成的膜片要比较厚膜片更易受到损坏。对于安全膜的任何损坏都可能改变膜片的实际破裂压力。对于膜片材料必须较薄以便在所需低压下破裂的低压反向变形膜片的场合，就特别容易产生这种情况。较薄的低压膜片在安装时更容易损坏，这可能会牺牲膜片的结构完整性，使膜片在显著地低于所需破裂压力的压力下翻转。在这些情况下，膜片的材料并不如预期的那样裂开，并且膜片可能完全翻转而不裂开。这样，反向变形膜片就象一正向作用膜片那样起作用，流体压力使膜片材料处于张力之下。由于膜片材料的抗拉强度大于相应的压缩强度，所以膜片可能不裂开而产生排放通道，直到系统内的压力显著地超过所需的破裂压力。这一过压状态可能导致对系统的损坏，而安全膜的目的就是要预防这种情况。
安全膜是根据其在一损坏状况下的性能来标定等级的。这种标定一般称为膜片的损坏安全比，它是通过将受损安全膜破裂的实际压力除以该安全膜所需的或额定的破裂压力来确定。具有1以下的损坏安全比的一受损膜片将在所需的破裂压力下破裂，或者在加压流体达到所需压力之前破裂，从而避免对系统造成任何损坏。
安全膜的另一重要的性能指标是膜片的破裂精度。在材料、制造和安装上的差异都可能导致从外观上看制造得相同的任意两个膜片不在相同的压力下破裂。因此，在具有相同额定压力的膜片中，实际破裂压力通常存在差异。对于当前的安全膜设计和制造方法，安全膜通常在低于额定压力5％的一压力下破裂，或者，在额定压力低于40psig时，通常在低于额定压力2psig的一压力下破裂。这样，为预防过早发生膜片破裂并提供一安全余量，系统标准工作压力不应超过该系统中所使用的安全膜的额定压力的90％。
鉴于以上叙述，需要一种既能够在液体场合又能够在气体场合提供较低的流阻Kr的压力释放组件。还需要使安全膜具有一精确的、能够重复的破裂压力，从而能够用于较高的生产能力。还需要一种具有较低损坏安全比的安全膜，因而在液体场合或在气体场合，不慎损坏的反向变形膜片不会产生潜在而危险的过压状况。
发明内容
因此，本发明旨在一种可避免现有技术的压力释放组件的一个或多个限制和缺点的压力释放组件。本发明的优点和目的在下面的描述中部分地叙述，并且将通过该描述而部分地清楚，或者可以通过对本发明实施来认识。本发明的优点和目的将通过所附权利要求书中所具体指明的构件和组合来实现和达到。
为了达到这些优点，按照本发明，如本文所具体化并概括描述的，本发明旨在一种对安全膜进行刻痕的装置，该安全膜包括一环形凸缘和一呈圆顶形的可破裂部分。该装置包括第一部件和一第二部件。第一部件具有一开口，并且构制成与安全膜的可破裂部分的第一侧相接合。第二部件设置在安全膜的可破裂部分的第二侧上，并与第一部件上的开口对齐。第二部件在圆顶形状的顶点处或其附近与可破裂部分接合，并使可破裂部分的一部分相对于第一部件移动，从而在圆顶形状的顶点处或其附近产生一刻痕。该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
在另一方面，本发明旨在一种在安全膜上产生一刻痕的方法，该安全膜包括一环形凸缘和一呈圆顶形的可破裂部分。按照该方法，用具有一开口的第一部件支承可破裂部分的第一侧。与第一部件上的开口对齐的第二部件在圆顶形状的顶点处或其附近与可破裂部分的第二侧相接合，以使可破裂部分的一部分相对于第一部件移动，从而在安全膜的可破裂部分的顶点处或其附近产生一刻痕。该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
在另一方面，本发明旨在一种在安全膜上产生一刻痕的方法。按照该方法，用一具有一开口的第一部件支承安全膜坯件的第一侧。与第一部件上的开口对齐的第二部件在安全膜坯件的中心处或其附近与安全膜坯件的第二侧相接合，以使安全膜坯件的一部分相对于第一部件移动，从而在安全膜坯件的中心处或其附近产生一刻痕。安全膜坯件的一部分受一加压流体的作用而使安全膜坯件的所述部分形成一具有圆顶形状的可破裂部分，使该刻痕设置在圆顶形状的顶点处或其附近。该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
按照另一方面，本发明旨在一种用坯件形成安全膜的装置。该装置包括一构制成可固定地紧固该坯件的外周边的夹具。该夹具具有一构制成使一加压流体对准坯件的未夹持部分的通道。该加压流体作用于坯件的未夹持部分上，以使该坯件的未夹持部分相对于夹具移动。随着该未夹持部分相对于夹具移动，一具有凹面形状的模具接纳坯件的该未夹持部分，使坯件的该未夹持部分形成一可破裂部分，该可破裂部分具有基本对应于模具凹面形状的圆顶形状。随着该未夹持部分相对于夹具移动，设置在该模具内并从该模具的凹面形状突出的的一构件与坯件的该未夹持部分相接合，从而在圆顶形状的顶点处或其附近形成一刻痕。该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
在另一方面，本发明旨在一种用坯件形成安全膜的方法。按照该方法，夹持住该坯件的外周边，并将一加压流体对准该坯件的一中心部分。该加压流体使坯件的中心部分相对于外周边移动入具有凹面形状的一模具内。该坯件的中心部分形成一可破裂部分，该可破裂部分具有基本对应于该模具的凹面形状的圆顶形状。随着该中心部分形成圆顶形状，一从该模具的凹面形状突出的构件与坯件的中心部分相接合而在圆顶形状的顶点处或其附近形成一刻痕。该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
按照另一方面，本发明旨在一种待密封于一加压系统中的安全膜组件。该组件包括一安全膜，该安全膜构制成在暴露于具有一预定压力的流体时翻转。可破裂部分限定一通过它的开口。在安全膜和加压系统之间设置有一衬套，该衬套构制成于覆盖并密封安全膜的可破裂部分上的开口。
按照另一方面，本发明旨在一种待与一加压系统密封接合的安全膜。该安全膜包括一环形凸缘和一可破裂部分，该可破裂部分构制成在暴露于具有一预定压力的流体时就破裂。可破裂部分呈具有一凸面和一对应的凹面的圆顶形状，并在圆顶的顶点处设置有一顶点结构部分。该顶点结构部分包括一形成于凹面和凸面的至少一个表面上的折痕。
在另一方面，本发明旨在一种待密封于一加压系统中的安全膜组件。该安全膜组件包括一具有呈圆顶形状的一可破裂部分的安全膜，该可破裂部分包括形成圆顶区域的一凸面和一对应的凹面。该可破裂部分包括一刻痕线，该刻痕线具有第一和第二端，并产生一薄弱线，该可破裂部分在安全膜的可破裂部分暴露于超过一预定压力的流体时沿着该线撕裂。邻接于该安全膜的凹面设置有一安全件。该安全件包括一凸缘和一铰链，该铰链限定第一和第二凹穴，这两个凹穴构制成在安全膜破裂时接纳可破裂部分与刻痕线相应端相邻的区域。
应予理解，以上的总体描述以及下面的详细描述仅仅是示范性的和解释性的，因而不是对所要求保护的本发明进行限制。
附图说明
结合于本说明书中并且形成本说明书一部分的附图示出了本发明的一实施例，它们与本说明书一起用于说明本发明的原理。附图中，
图1是本发明的设置在一对管子凸缘之间的一对支承件和一安全膜的剖视图；
图2是本发明的一安全膜和一安全件的俯视图；
图3a图2的安全膜和安全件沿Z-Z线剖开的剖视图；
图3b是图2的安全膜和安全件的另一实施例沿Z-Z线剖开的剖视图；
图4是图2的安全膜和安全件沿Y-Y线剖开的剖视图；
图5是本发明的设置在一对管子凸缘之间的一对支承件和一安全膜的剖视图，表示该安全膜处于破裂状态；
图6是本发明的具有一中心刻痕的一安全膜的立体图；
图7是图6的安全膜的剖视图；
图8和9是本发明的中心刻痕的另一实施例的俯视图；
图10是本发明的用于在一安全膜上产生一刻痕的装置的剖视图；
图11是用于在一安全膜内产生一刻痕的一冲头尖端的另一实施例的剖视图；
图12a-12c是本发明的一冲头尖端的端面视图；
图13是本发明的用于在一安全膜上产生一刻痕的另一装置的剖视图；
图14是图13的装置的局部剖视图，表示该冲头尖端与安全膜的可破裂部分相接合；
图15是本发明的在可破裂部分上具有一开口的一安全膜的俯视图；
图16是一安全膜组件的侧视图，该组件包括一在可破裂部分上具有一开口的安全膜；
图17是本发明的一安全件的另一实施例的俯视图；
图18是图17的安全件的侧视图；以及
图19是按本发明的一个方面形成有一刻痕的一安全膜的剖视图。
具体实施方式
下面详细参照本发明目前最佳的实施例，这些实施例的例子示于附图中。附图中尽可能用相同的标号表示相同或相似的零件。图1中表示本发明的压力释放组件的一示范性的实施例，该压力释放组件总的由标号20表示。
按照本发明，提供了一压力释放组件，该组件包括：一入口支承件，该支承件限定一用于引导一加压流体的入口孔；一出口支承件，该支承件限定一用于释放该加压流体的出口孔；以及一安全膜。该安全膜具有一可破裂部分，该可破裂部分包括限定一圆顶区域的一凸面和一对应的凹面。该安全膜还包括一用于密封接合于入口与出口支承件之间的凸缘，以便使凹面与出口孔对齐，并使凸面与入口孔对齐。在所示的实施例中，该压力释放组件表示为一预施扭矩的压力释放组件。然而，本发明还可与非预施扭矩的压力释放组件一起使用，或者用作一焊接组件的一个构件。
如此处所具体化的以及如图1中所表示的，压力释放组件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，并且具有一系列围绕该入口孔的内螺纹螺栓孔43(图1中仅示出其中之一)。出口支承件32限定一出口孔36，并具有一系列对应于入口支承件30的螺栓孔43的螺栓孔41(图1中仅示出其中之一)。入口和出口支承件可以是安全盖、管子凸缘或者能够使安全膜与加压系统密封接合的任何组合。
而且，如图1中所示，一安全膜44设置于入口支承件30和出口支承件32之间。安全膜44包括一凸缘48和一可破裂部分45。凸缘48通过过渡区域49连接于可破裂部分45。本发明的安全膜和安全件还可用于卫生环境，其中将用众所周知的卫生设备与该安全膜相接合。
可破裂部分45具有一圆顶形状，该圆顶形状包括一凹面46和一凸面47，它们限定一总的标以35的圆顶区域。当凸缘48与入口和出口支承件30和32接合时，可破裂部分45与入口孔34和出口孔36对齐。在一优选实施例中，凸面47延伸入入口孔34中，而凹面则面对出口孔36。然而，本发明的各个方面可用于凸面延伸入出口孔的正向作用膜片。
如图2中所示，可破裂部分45包括一刻痕线80，该线具有第一端84和第二端86。最好，刻痕线80在圆顶形状的可破裂部分的凹面上转换划一条大约300°的弧线。本发明能够与各种不同形状的刻痕线一起使用，例如一条间断的刻痕线，其刻痕大致划出一条弧线，但包括一系列未刻痕材料的间隙。该刻痕线也可以完全地圈划该膜片的可破裂部分，但包括一个部分，在该部分处的刻痕线深度浅于其余部分的刻痕线深度。对于本发明，刻痕线的深度发生变化的点应认为是刻痕线的第一和第二端。
如下面更详细地描述的，刻痕线80在可破裂部分上产生一薄弱线，膜片材料在暴露于具有一预定压力的流体时沿着该薄弱线撕裂。虽然目前最佳的实施例在圆顶本身上提供刻痕线，但该刻痕线也可以设置在其它部位，例如膜片的圆顶与凸缘之间的过渡区域，或是在该凸缘本身上。
再参见图1，在入口支承件30和出口支承件32之间最好有一定位销68延伸通过安全膜44的凸缘48。定位销68可确保入口支承件30正确地与出口支承件32对齐，并确保安全膜44正确地定位于支承件30和32之间。在该组件正确定位时，入口孔34与出口孔36对齐而产生一流体通道，该通道由安全膜44的可破裂部分45阻塞。可以按对称或非对称的方式围绕该支承件而设置附加的定位销，以进一步控制安全膜与支承件的相对位置。
通过螺栓孔41设置有一系列帽螺钉40(在图1中仅示出其中之一)而与内螺纹螺栓孔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，用以容纳帽螺钉40的头部。帽螺钉40与螺栓孔41和43的接合将出口支承件32朝入口支承件30拉，以使安全膜44的凸缘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包括一对应的座面79，以使安全膜44的凸缘48接合。座面78可包括一咬合密封件或其它类似的密封装置，以便与该凸缘形成密封。或者，在入口支承件30和凸缘48之间可设置一O形圈或密封圈以形成该蜜封。
如图1中所示，压力释放组件20设置在一圆形入口管22和一圆形出口管28之间。入口管22包括一入口流体通道64和一入口管子凸缘24。出口管28包括一出口流体通道66和一出口管子凸缘26。
最好，入口管子凸缘24包括一凸面74，该凸面与入口支承件30上的一对应的面75相接合，出口管子凸缘26包括一凸面76，该凸面与出口支承件26上的一对应的面77相接合。一系列螺栓构件60将入口管子凸缘24朝出口管子凸缘26拉，以便与该压力释放组件20形成密封。
最好，从入口支承件30延伸出来的一U形定位夹具38与入口管子凸缘24中的一开口58接合，以确保该压力释放组件20正确地定位于管子凸缘之间。U形定位夹具38还可确保入口支承件30相邻于入口管子凸缘24而设置，从而防止压力释放组件20颠倒安装在管子凸缘中。当入口流体通道64与入口孔34、出口孔36和出口流体通道66对齐时，压力释放组件20正确地定位于入口管子凸缘24和出口管子凸缘26之间，以产生一由安全膜44的可破裂部分45阻塞的流体通道。
入口管22连接于一含有加压流体的系统或容器(未图示)。该流体既可以气体形式也可以是液体形式。入口管22将加压流体引导至压力释放组件20和安全膜44的暴露的可破裂部分45。可破裂部分45构制成在流体压力达到一预定水平而表示在系统或容器内存在过压时破裂。通过改变安全膜设计的不同参数，包括但不局限于圆顶形部分的高度、膜片厚度、刻痕线的深度和位置，可以控制膜片的破裂压力。
在膜片沿刻痕线80破裂或者撕开时，产生一通过该膜片的开口。该开口允许流体自入口孔34流至出口孔36并进入出口流体通道66，从而降低该系统或容器中的压力。根据该系统或容器内流体的性质，出口流体通道66可以将流体释放至周围环境或释放至一安全容器(未图示)。
按照本发明，该压力释放组件包括一相邻于安全膜的凹面而设置的安全件。该安全件包括一铰链，该铰链具有向下延伸入由膜片的可破裂部分产生的圆顶区域并横向穿过该圆顶区域而延伸至一点的一肘节，该点位于刻痕线所圈划的区域内或位于连接刻痕线两端的一弧线所圈划的区域内。一舌片沿基本垂直于该安全件的凸缘的方向从该肘节延伸出来并延伸入出口支承件的出口孔。尽管舌片端部可以与由该凸缘所产生的平面基本对齐，但该舌片最好延伸通过安全件的凸缘。本发明考虑可使铰链相对于该凸缘成一角度，使铰链延伸入出口孔并朝出口支承件延伸。本发明还考虑到，该铰链可以具有一基本扁平的形状。
如图1中所示，一安全件50定位于安全膜44和出口支承件32之间，它大致支承安全膜的过渡区域。最好，安全件50是与安全膜44和出口支承件32分开的一单独结构。然而，安全件50可以通过点焊或任何其它方式连接于安全膜或出口支承件32或者与它们形成一体，以便使诸结构保持于一起。
安全件50包括一凸缘62和一铰链52。安全件50的凸缘62具有与凸缘48或安全膜44基本相同的总体形状，并且密封于压力释放组件20内，在安全膜凸缘与出口支承件32之间。最好，如图2中所示，凸缘62包括一系列孔82，这些孔可以与定位销68相接合(参见图1)。
如图3a中所示，铰链52包括一肘节53和一舌片54。肘节53从凸缘62延伸入圆顶区域35。在所示实施例中，肘节53的横截面呈直线状。然而，肘节53可以具有其它的横截面，例如一大致遵循可破裂部分轮廓的弧形横截面。最好，肘节53并不接触可破裂部分45，从而在肘节与可破裂部分之间留一个间隙51。然而，在安全膜处于未破裂状态时，肘节53可以接触可破裂部分45。
参见图1和2，肘节53的外边向下延伸入圆顶区域35。外边53也横穿圆顶区域35而延伸至一点，这个点位于刻痕线80所圈划的区域内，或者位于连接刻痕线80的端84和86的一条弧线所圈划的区域内。肘节53的外边形成一大致的直线，在安全膜破裂时，可破裂部分将沿此直线弯曲。在目前一较佳的实施例中，外边53延伸到一个点，该点位于由刻痕线80所圈划的区域或者由连接该刻痕线两端的一弧线所圈划的区域内、但与该区域直接相邻。铰链的这一实施例可以预防碎裂，还能够在膜片破裂时使所产生的开口的尺寸最大，从而使破裂的膜片上的压降或速度头损失达到最小，并且实现较低的流阻Kr。
如图4中所示，铰链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，这凹形面对肘节53与安全膜44的可破裂部分45之间的间隙51(参见图3b)。最好，第一和第二凹穴90和92分别相邻于刻痕线80的第一和第二端而设置。刻痕线80的第一和第二端84和86可以分别终止于直接位于第一和第二凹穴90和92的一个点(如图2中所示)。或者，刻痕线的第一和第二端84和86可以分别终止于一个直接与第一和第二凹穴90和92对齐或刚好不到这两个凹穴的点。
如图1-4中所示，舌片54从肘节53延伸出来并进入出口孔36。最好，如图2中所示，舌片54包括一主直线部分55，它带有两个基本上直的侧片56，这两侧片从该主直线部分55朝出口安全件32延伸。最好，如图2所示，侧片56和主直线部分55之间的角87是钝角，但本发明考虑可使角87为一直角或一锐角。更好的是，角87大于主直线部分55与延伸通过主直线部分55的对应端的一半径线89之间的角。还要好的是，角87在约130°到160°的范围内。
在图1所示的实施例中，侧片56朝出口安全件32延伸。最好，在膜片处于未破裂的状态时，侧片56紧邻于、但不接触出口安全门32。
在另一实施例中，如图3b所示，舌片54包括一舌片支架57，该支架从舌片的端部朝出口支承件32伸出。最好，舌片支架57延伸到一个紧邻于、但不与出口支承件32相接触的点。该支持结构的其它实施例很容易为本技术领域的技术人员所清楚。
参见图2，安全件50最好包括一系列应力增加件88。每个应力增加件88从凸缘62延伸出来，并延伸入该安全膜的可破裂部分45的圆顶区域35。每个应力增加件88终止于一个或多个应力集中点。最好，至少两个应力增加件的应力集中点与该安全膜的可破裂部分45上的刻痕线80对齐。如下面将更详细说明的，应力集中点在安全膜翻转时接触该安全膜的可破裂部分，以确保可破裂部分撕裂，从而产生一供流体逸出的流动通道。
安全件在各应力增加件之间可包括凹进的或“切出”区域。这些“切出”区域在安全膜的过渡区域的支承件中产生间隙。如在下面更详细说明的，安全膜的支承件中的间隙也有助于确保可破裂部分撕裂而产生一供流体逸出的流动通道。这些切出的区域可以位于围绕安全件环面的一些选定位置，或者可以围绕该整个环面或基本上整个环面(例如，除了铰链区域)有规则地隔开。
如上面所述的并且参见图1，入口流体通道64将气体或液体形式的加压流体引导至入口孔34和安全膜44的可破裂部分45。在所示的实施例中，加压流体接触安全膜44的凸面47，从而使该膜片的材料处于一压力之下。该压力的大小对应于该流体的压力。在流体的压力达到一预定的水平以及该压力超过安全膜的可破裂部分的结构强度和材料强度时，圆顶形部分将开始变形或者翻转。
如图5中所示，该膜片的反装将会引起该膜片沿着刻痕线80撕裂而形成一膜片瓣103，该膜片瓣的形状由刻痕线80和一将膜片瓣103连接于凸缘48以防止膜片碎裂的膜片铰链102所限定。在持续流体压力下，膜片铰链102相对于凸缘通过间隙51朝安全件50弯曲。由于安全件50的肘节53靠近于膜片铰链102，因而在膜片瓣获得足够的动量而与膜片铰链撕裂之前，该膜片铰链所获得的动量将相对较小，将由于与该肘节的最终接触而受抑制。
如果在膜片的初始弯曲期间膜片并不沿着刻痕线撕裂，那么膜片在该流体的压力下将继续变形并且翻转，直到该膜片接触应力增加件88的应力集中点。应力集中部位将增加刻痕线80中的应力，以促进该膜片的打开。此外，如由安全件的“切出”区域的形状所限定的过渡区域的未受支承的间隙在该膜片的可破裂部分中产生附加的力，以确保膜片打开而产生一供流体排放的通道。
在可破裂部分撕裂并且膜片铰链102由肘节53支承之后，该流体压力所产生的力和膜片瓣103的动量将引起膜片围绕肘节53的外边弯曲。该膜片瓣将围绕肘节53而持续弯曲到接触铰链50的舌片54为止。膜片瓣103与舌片54的接触将使舌片弯曲，直到侧片56接触出口安全件32为止。膜片瓣103在舌片54的任一侧上延伸的部分将缠绕于该舌片并接触侧片56。
根据系统内的压力和膜片瓣移动的动量，舌片54和侧片56可在膜片瓣103的接触下进一步弯曲和变形，以吸收运动的膜片瓣的动能，并停止该膜片瓣的运动。最好，侧片56相对于出口支承件成一角度，这样，如果与该运动的膜片瓣接触的力足够大，它们可以根据角87朝外、或朝内弯曲。通过吸收运动的膜片瓣的动能，该舌片就降低作用于该膜片瓣上的总的力，从而该膜片瓣碎裂。铰链的尺寸以及尤其是肘节和舌片的尺寸选定成这样，铰链将有效地吸收膜片瓣的动能，同时实现一个较大的、无阻碍的流动通道，供加压流体排放。
在所示的实施例中，膜片瓣围绕刻痕线端部的部分将折叠入铰链50的凹穴90和92。凹穴90和92大致从安全件的凸缘62上延伸出来并沿该出口孔的方向延伸。凹穴90和92具有弧形表面，并且构制成可容纳安全膜相邻于刻痕线80各端部84和86的部分，而不产生任何附加的应力集中点。这些凹穴为相邻于刻痕线端部的安全膜材料提供支承。这可减小作用于刻痕线端部的张力，防止安全膜继续撕裂通过刻痕线的端部。这样，这些凹穴有助于防止该膜片瓣与膜片完全分离。在一优选的实施例中，膜片对称地反过来，同时膜片缠绕于相对的凹穴上，从而防止在膜片铰链的任一侧产生任何不均匀的应力。
由膜片的破裂所产生的开口将由该刻痕线的形状和位置以及由该铰链的形状和位置限定。在优选的实施例中，该刻痕线和铰链构制成使该开口的尺寸最大。如第一凹穴、第二凹穴和该肘节的外边所限定的该铰链的形状可以是一大致的直线。或者，如图2中所示，该肘节的外边可以大致是直的，而设置在该肘节的任一侧的凹穴则可以朝该安全件的凸缘倾斜。
在优选的实施例中以及如图4中所示，肘节53的外边包括一大致为直线的部分，该直线部分设置在刻痕线80端部的略微内侧的一个点。该直线部分可以是在由刻痕线80圈划的区域83内侧，但与该区域紧邻。或者，该直线部分可以是在由连接刻痕线80端部84和86的一条弧线85圈划的区域内侧，但与该区域紧邻。为了说明清楚，线85在图中显示出来，但实际上在膜片上并不显示出来。
在膜片瓣103围绕铰链50的外边53弯曲时，瓣的弯曲部分最好在刻痕线80的端部84和86之间形成一大致直的线。这样，膜片瓣103的一最大部分将弯曲到该流体通道的外面。通过这种方式，在该膜片破裂时所产生的开口的尺寸达到最大。
在另一实施例以及如图17和18中所示，安全件50大致是扁平的。在某些场合，例如电气开关装置，压力释放组件所能得到空间迫使出口安全盖和铰链由一平板取代，该平板可用螺栓或其它方式直接连接于该系统。为了有助于防止安全膜在这些情况下碎裂，在该平板内可以限定一铰链。
如图17所示，安全件50包括一铰链52。铰链52包括一舌片53，该舌片限定一大致直的外部，并在铰链的任一侧上限定一凹穴190和192。在所示的实施例中，铰链52与凸缘62处于同一平面上。然而，本发明考虑可以使铰链52弯曲而向下延伸入安全膜的圆顶，或者向上延伸离开该膜片圆顶的凹侧。此外，该铰链的外边可以呈弧形。
最好，凸缘62包括一系列螺栓孔(未图示)，以便让安全件50直接连接于该加压系统。安全膜的凸缘可以用一粘合剂或者通过焊接连接于安全膜的凸缘62。
凹穴190和192相邻于刻痕线80的第一和第二端84和86而设置(参见图2)。刻痕线80的第一和第二端84和86可以终止于直接位于第一和第二凹穴190和192下方的一个点。或者，刻痕线的第一和第二端84和86可以终止于直接位于铰链53的边缘下方的一个点，该铰链边缘限定第一和第二凹穴190和192。
如上面详细描述的，在安全膜打开时，安全膜的瓣103将围绕铰链52弯曲以吸收膜片打开的能量。铰链52可以随着安全膜打开而与瓣103一起弯曲，以进一步地吸收膜片打开的能量。最好，安全件50还包括应力增加件88，如上所述，该应力增加件可确保安全膜沿刻痕线完全打开。
膜片瓣的围绕刻痕线端部的部分将折叠入凹穴190和192。这将减少作用于刻痕线端部的应力的大小，以安全膜继续撕裂通过刻痕线的端部并最终造成膜片瓣碎裂。
在所有使用状况下获得一大的和无阻碍的开口的另一因素是控制该膜片的初始翻转点。膜片的初始翻转点是膜片在加压流体的力的作用下初始变形的点。在一个优选的实施例中，该初始翻转点位于圆顶形的可破裂部分的顶点处。这是在安全膜上的一中心位置，并且也是该可破裂部分上离膜片过渡区域最远的位置。在这一点处的初始翻转可确保该膜片以一对称的形式翻转。
对称的膜片翻转对刻痕膜片和非刻痕膜片都将导致改善的膜片打开。在一刻痕膜片中，对称的翻转可确保沿着整个刻痕线分布一相同的力，这样，该膜片材料将沿着该刻痕线完全地撕裂和充分打开。在一非刻痕膜片中，其中使用一诸如环形齿之类的辅助切割机构刺破并打开膜片，对称的翻转可确保该膜片材料均匀地折叠于该辅助切割机构上。接着，该辅助切割机构将使膜片充分打开，并让膜片瓣围绕该膜片铰链弯曲，使开口的尺寸最大。
按照本发明，可破裂部分的圆顶包括一顶点结构部分。本发明的顶点结构部分在安全膜的可破裂部分中引入一结构薄弱部分，例如，膜片材料的变薄或者拉长。膜片材料的变薄或者拉长会牺牲膜片圆顶的结构整体性。业已发现，在膜片受到一具有一定压力的流体作用时，该安全膜将在该结构薄弱部分处开始其翻转。这样，适当地配置顶点结构部分可控制该膜片的初始翻转点。
还必须注意到，顶点结构部分将降低该安全膜预期的破裂压力。换句话说，具有顶点结构部分的膜片将比不带顶点结构部分的类似膜片在一更低的压力下破裂。值得注意的是，不带顶点结构部分的膜片必须用较薄的材料制成，以便达到与带顶点结构部分的膜片相同的破裂压力。也已经发现，在顶点结构部分的大小和形状与破裂压力的降低量之间存在相关性。通常，较大的顶点结构部分将导致较显著的破裂压力减低。
该顶点结构部分的设想为在安全膜的可靠性和精度方面作大的改进提供了可能，特别是对于那些构制成在低压下破裂的膜片来说。低压膜片通常必须用薄型材料制造，该薄型材料容易损坏。在安装前或在安装过程中对膜片的任何损坏都可能显著地改变该膜片的破裂压力。此外，在安装中的任何不均匀，例如安全盖或者安全膜本身的未对齐、热量引起的不均匀以及螺栓或者凸缘的不灵敏性，都可能进一步改变膜片的破裂压力。由于带顶点结构部分的膜片能够用较厚的材料制成，而这种较厚材料不会有此类问题，因而顶点结构部分的引入将改进安全膜的可靠性。
另外，业已发现，顶点结构部分的尺寸和形状将是确定安全膜破裂压力的决定因素。换句话说，该顶点结构部分的构造将比其它诸如刻痕线的深度和位置之类的结构因素更重要，这些因素以前是会影响该安全膜的破裂压力。
如图6和7所示，该顶点结构部分最好是一位于可破裂部分的圆顶形状的顶点处的刻痕140。最好，如图7中所示，刻痕140形成于圆顶的凸面47上，在凸面47上产生一凹部143，并在凹面46上产生一相应的乳突形的凸出物/凹坑144。或者，刻痕140可以形成于圆顶的凹面46上，在凹面46上产生一凹部，并在凸面47上产生一相应的乳突形的凸出物。
如图7所示，刻痕140包括一圆形的外边142。最好，从外边142到过渡区域49的距离沿着刻痕140的外边142在所有部位都是相同的。
如图8和9所示，该刻痕可以具有各种形状。例如，如图8中所示，刻痕140可以是中点与圆顶的顶点相重合的一直线。另外，如图9中所示，刻痕140可以包括在该圆顶的顶点处相交的两条直线。
改变顶点结构部分的尺寸和形状可以在给定大小和材料的膜片的破裂压力方面产生较宽的变化。例如，具有一小刻痕的由0.003″厚的材料制成的1″膜片将比具有较大刻痕的类似膜片在一更高的压力下破裂。这样，改变顶点结构部分的构造可使一特定尺寸和厚度的安全膜适合于各种不同商业场合的具体压力释放需求。
然而，应当注意，为了制造精确地在所需压力下破裂的安全膜，刻痕或者其它顶点结构部分都必须以这样一种方式形成，即确保各膜片间的顶点结构部分的构造是一致的。在授予Mozely的美国专利No.6,006,938中描述了一种在安全膜上形成刻痕的方法。在该专利所描述的方法中，刻痕是“自由形成”的，按照那种方式，在膜片成形时用一工具冲击膜片，而安全膜没有任何额外的支承。如下面的试验数据组所示的，根据这一方法所形成的安全膜不会一致地在一所需的压力下破裂。因此，这一方法不能生产出许多商业场合所需求的、高破裂压力精度的安全膜。
按照本发明，提供了一种在安全膜的圆顶中形成刻痕的装置。该刻痕可以在制造膜片的任何阶段形成。因此，本发明旨在一种在一已经形成的安全膜或者一安全膜坯件上形成刻痕的装置，并旨在一种在膜片圆顶形成时在安全膜上形成刻痕的装置。该刻痕形成装置允许按照可靠的和一致的方式在安全膜上形成刻痕，如在下面的试验数据中所述的，它可以导致在安全膜的破裂精度方面的改进。
如图10中所示，刻痕形成装置148包括一第一部件，该部件最好是一砧座154。砧座154包括限定一开口164的一支承面155。最好，开口164是圆形的，但开口164也可以有其它形状。
支承面155构制成在圆顶形状的顶点处与可破裂部分45的一侧接合，使开口164包围该顶点。支承面155可以具有一较小的宽度，可破裂部分45只有一选定的部分受到支承。或者，支承面155可以具有一符合安全膜圆顶的轮廓并且延伸至膜片过渡区域的形状，这样，开口164外侧的整个可破裂部分45都受到支承。
最好，支承面155与圆顶形状的凹侧相接合，但该支承面也可以与该圆顶形状的凸侧相接合。或者，该砧座可以与安全膜坯件的一侧相接合，如下面更详细说明的，该坯件将最终形成一安全膜。
在所示的实施例中，砧座154的中心线162与可破裂部分45的圆顶形状的顶点对齐。然而，也可以使中心线162偏离该圆顶形状的顶点。
一框架156围绕砧座154。框架156包括一内壁158，该内壁限定一空腔以容纳安全膜的凸缘48。最好，内壁158的高度选择成可确保凸缘48不接触该空腔的底面159，这样，砧座154是安全膜的唯一支承源。另外，内壁158的直径紧密地对应于凸缘48的直径。按照这一方式，内壁158可确保安全膜正确地对齐于砧座154上。
框架156可以包括一个或多个销子160(图10中仅示出一个销子)。销子160构制成与凸缘48上的孔88(参见图6)相接合。销子160与孔88的接合可进一步确保安全膜正确地对齐于砧座154上。
刻痕形成装置148还包括一第二部件，该部件最好是一冲头150，它大致与砧座154上的开口164对齐。在所示的实施例中，冲头150的中心线166与该砧座的中心线162直接对齐。但是，本发明考虑可使冲头150与顶点和/或砧座错开，只要该冲头尖端是在砧座开口164所圈划的区域内即可。
冲头150包括一与可破裂部分45的第二侧相接合的尖端152。随着冲头150相对于砧座154运动，可破裂部分与开口164对应的部分的材料相对于该砧座154被移动。这种强制和受控的移动使膜片材料沿边缘和刻痕的下坡部分，通过拉长、变薄或剪切，相对于周围的膜片材料而变形。
该砧座的与冲头的力相反的支承力将在可破裂部分45的表面上产生一永久变形，例如一折痕200(参见图19)。随着该冲头迫使可破裂部分的材料相对于受该砧座支承的材料发生位移，便产生这一永久变形。最好，膜片的凹面受砧座支承，这样便至少在凹面上形成变形。该变形还可以形成于凸面上或者同时形成于凹面和凸面上。
膜片材料的变形、拉长、变薄或者剪切会在膜片圆顶上产生结构薄弱部分。通过精确地控制冲头和砧座的运动和位置，可以在相继的膜片上形成类似量的变薄、拉长或剪切。按照这一方式，就可以使一系列安全膜的可靠性和精度保持在商业场合所需的水平。
最好，冲头150的运动受精确控制。在优选的实施例中，冲头尖端152的容许运动范围由一测微计调节，它可实现0.0001″的调节量。按照这一方式，安全膜上所产生的该凹痕相对于圆顶顶点的深度可以准确地和精确地受到控制。
或者，冲头尖端152和砧座开口164的尺寸可以相近，使膜片材料剪切移动。如图19中所示，通过剪切可破裂部分45所形成的刻痕140导致外边142具有一尖角。另外，在可破裂部分45的另一侧上形成一折痕200，在所示的实施例中，该另一侧是凹面。冲头的剪切作用还在可破裂部分45内产生一轮廓分明的变薄区域202。这一变薄区域代表结构薄弱部分，该薄弱部分将与初始翻转点场合。
如图11中所示，用于剪切可破裂部分45的材料的冲头尖端152最好包括一凹面168。在冲头尖端152与可破裂部分45接合时，边缘167首先与可破裂部分的弯曲面相接合。这确保在以后的安全膜上形成的每一刻痕都将有基本相同的形状。扁平的冲头尖端将在使用中磨损，并且可能最终导致不均匀和不一致的刻痕。
冲头尖端152的截面可以是任何形状或尺寸。例如，如图12a-12c中所示，冲头尖端152可以具有一圆形截面(参见图12a)、一D形截面(参见图12b)、或者一泪滴状截面(参见图12c)。砧座开口164的形状可以、也可以不构制成与冲头尖端152的截面对应。例如，泪滴状的冲头截面可以结合一圆形砧座开口或一泪滴状砧座开口一起使用。
本发明考虑，刻痕140的构造可以通过凹痕形成装置中的诸多变化而改变。例如，冲头尖端152和砧座开口164的尺寸和形状可以单独地或组合地变化，以改变所得到的刻痕的形状。另外，冲头尖端152和砧座开口164之一或两者可以偏离圆顶形状的顶点，以便进一步改变刻痕的构造。可以预见，以不同形状和尺寸的冲头尖端和砧座开口继续进行试验，将导致能提供最佳工作特性的刻痕构造。
图13和14中示出了用于在形成安全膜时在可破裂部分上形成刻痕的装置160。如在本技术领域中公知的，安全膜通常由称为安全膜坯件的扁平圆片材料制成。平片材料的一部分受气压或液压而形成圆顶形的可破裂部分。
装置160包括一夹具161，该夹具牢固地夹持住一膜片坯件(以虚线172表示)的周边。夹具161包括一支架162和一模具164。支架162包括连接于一加压流体源的一中心通道168。在膜片坯件被牢固地固定于夹具161中时，通道将加压流体(以箭头170表示)引导于膜片坯件中心的未夹持部位上。流体的力作用于膜片坯件的未夹持材料上而使未夹持材料相对于夹具移动入模具164中。
模具164包括面对膜片坯件的一凹面176。随着未夹持材料相对于夹具移动，该材料与凹面176相接合。凹面176的形状限定所得到的可破裂部分45的形状。
模具164包括容纳一部件的一开口150，该部件最好是一冲头150。冲头150包括一尖端152，该尖端在对应于圆顶形状顶点的一个点处或其附近从凹面176突出。最好，冲头150可相对于模具164运动，以改变冲头尖端152突出凹面176距离。模具164还包括一排放通道174，以便在形成安全膜的过程中发生任何问题的情况下让加压流体逸出。
如图14所示，当膜片坯件的材料由加压流体移动时，冲头152与该材料相接合。在坯件材料上继续施加力可使材料围绕冲头尖端挠曲，从而形成刻痕140。刻痕140和刻痕边缘142的形状可以通过改变形成流体的压力来改变。较高的流体压力将使刻痕边缘142的曲率半径较尖。相反，较低的流体压力将使刻痕边缘的曲率半径较大。
通过使安全膜形成于模具和冲头的组合中，所得到的刻痕构造能受到精确控制。具体说，刻痕相对于圆顶顶点的深度可受到精确控制。另外，圆顶相对于膜片凸缘的高度可受到精确控制，该高度是对膜片破裂压力有显著影响的另一因素。这样，可以将安全膜的可靠性和精度保持在商业场合所需的水平。
本发明考虑，冲头尖端152可以具有如图11所示的截面形状以及任何截面形状，例如包括图12a-12c中所示的那些截面。冲头尖端还可以偏离圆顶形状的顶点。
刻痕140的构造还可以通过移动冲头尖端并对膜片圆顶进行再成形来改变。在利用处于第一压力下的一流体形成膜片后，冲头尖端152可以相对于模具的凹形而部分地或者全部地缩回。然后，使安全膜受到处于第二压力下的一加压流体的作用，该第二压力最好低于初始的形成压力。该加压流体将再次作用于膜片上，以使圆顶再成形。由于冲头尖端不再与可破裂部分相接合，因而该流体将起作用而减少刻痕相对于圆顶形状的顶点的深度。按照这一方式，可以改变刻痕的构造。
本发明进一步考虑，具有刻痕的安全膜圆顶可以由安全膜坯件硬冲压而形成。这可以利用构制成可从安全膜坯件产生所需的安全膜圆顶形状的工具来实现。在这一实施例中，冲头是可滑动地设置于该工具中。这允许在具有类似圆顶高度和形状的膜片之间改变刻痕相对于圆顶顶点的深度。如上面所讨论的，刻痕的构造决定安全膜的破裂压力。这样，可很容易地改变本来类似的膜片的破裂压力，以满足不同商业场合的需要。
或者，如图15和16中所示，顶点结构部分可以是安全膜的可破裂部分45中的一开口180。如图15中所示，开口180的中心最好位于可破裂部分45的圆顶形状的顶点处。然而，开口180也可以偏离圆顶形状的顶点。
如图15中所示，开口180最好是圆形的。然而，本发明考虑，开口180可以具有其它的形状，例如三角形、正方形、五角形、六角形或椭圆形。
如图16中所示，一衬套180覆盖并且密封开口182。最好，衬套182是由比安全膜的材料更轻、更柔软的材料制成。最好，衬套182覆盖整个安全膜，但衬套182也可以只延伸超过开口182一小段距离。衬套182可以用一粘接材料或通过焊接而连接于安全膜的任何部位，包括可破裂部分和/或凸缘。
如在以下实例中可以清楚的，业已发现，按照本发明的方法和装置在膜片顶点处进行压痕可以提高安全膜的破裂精度。安全膜是以一给定数量(通常为5-10片)的批量制造的，而在一批中的所有膜片都接受以来自同一制造批的试验膜片的统计抽样为基础的一额定破裂压力。通常，在该批中的所有膜片都将在该额定破裂压力的5％之内破裂。这样，为防止膜片过早破裂，系统的工作压力不应超过膜片的额定破裂压力的90％。增加膜片的精度和可重复性将允许该系统在高于安全膜的额定压力的90％时工作，并且仍然达到一可接受的安全余量。
本发明的安全膜的实际破裂压力要均匀得多。下面的破裂精度试验数据表示对具有以三种不同方法之一所形成的刻痕的安全膜所作的比较试验：(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。
破裂精度试验1-带自由形成的刻痕的膜片：
该破裂精度试验是在具有以“自由形成”方法所形成的刻痕的1.5″膜片上进行的，在该方法中，一工具在成形过程中与膜片圆顶相接合，而不使用模具或其它支架。使具有各种厚度、圆顶高度和刻痕深度的若干构造的膜片破裂，以确定每个膜片的实际破裂压力。接着，对每种构造的膜片的实际破裂压力进行比较，以确定该膜片构造的破裂精度。
  试验序号   膜片尺寸(英寸)   厚度(英寸)   圆顶高度(0.001″)   刻痕深度(0.001″)   样品数量   平均破裂压力(psi)   破裂压力精度<sup>*</sup>
  1   1.5   0.003   126   14.2   10   15.4   5.6
  2   1.5   0.003   152   5.2   8   18.1   2.3
  3   1.5   0.007   251   14.3   6   150   1.0
  4   1.5   0.007   150   11   7   95   5.0
  5   1.5   0.007   142   1   8   122   4.7
  6   1.5   0.007   256   17   10   155   2.8
  7   1.5   0.01   207   3.7   5   318   2.0
  8   1.5   0.01   274   5.1   7   401   4.7
  9   1.5   0.01   234   8   10   353   3.1
  10   1.5   0.01   207   3.7   5   305   5.2
  11   1.5   0.0025   152   12.5   4   10.2   5.1
  12   1.5   0.004   155   12   8   28.4   5.9
  13   1.5   0.004   145   3   8   35.2   7
*将实际破裂压力中的标准偏差的三倍表示为平均额定破裂压力的百分数。
破裂精度试验2-带模具形成的刻痕的膜片
该破裂精度试验是在具有以模具形成的刻痕的1.5″膜片上进行的，如上面更详细说明的。使具有各种厚度、圆顶高度和刻痕深度的若干构造的膜片破裂，以确定每个膜片的实际破裂压力。接着，对每种构造的膜片的实际破裂压力进行比较，以确定该膜片构造的破裂精度。
  试验序号   膜片尺寸(英寸)   厚度(英寸)   圆顶高度(0.001″)   刻痕深度(0.001″)   样品数量   平均破裂压力(psi)   破裂压力精度<sup>*</sup>
  1   1.5   0.003   289   8.9   12   38.2   2.8
  2   1.5   0.003   136   10.4   20   15.1   2.6
  3   1.5   0.006   140   6.7   20   75.7   2.9
  4   1.5   0.007   144   10.7   10   114   1.9
  5   1.5   0.007   268   2.7   5   215   1.3
  6   1.5   0.0025   143   1.2   5   14.7   4.6
  7   1.5   0.003   289   8.9   12   38.8   2.2
  8   1.5   0.003   289   9.3   8   38.3   2.9
  9   1.5   0.003   289   8.8   7   38.5   2.9
  10   1.5   0.003   291   3.7   7   46.4   2.4
  11   1.5   0.003   291   2.8   6   58.1   2.7
  12   1.5   0.003   291   9.1   5   37.6   3.3
  13   1.5   0.003   287   7.1   10   51.3   2.1
*将实际破裂压力中的标准偏差的三倍表示为平均额定破裂压力的百分数。
破裂精度试验3-带砧座形成的刻痕的膜片
该破裂精度试验是在具有以砧座形成的刻痕的1″膜片上进行的，该刻痕在形成膜片圆顶之后形成，如上面更详细说明的。使具有各种厚度、圆顶高度和刻痕深度的若干构造的膜片破裂，以确定每个膜片的实际破裂压力。接着，对每种构造的膜片的实际破裂压力进行比较，以确定该膜片构造的破裂精度。
  试验序号   膜片尺寸(英寸)   厚度(英寸)   圆顶高度(0.001″)   刻痕深度(0.001″)   样品数量   平均破裂压力(psi)   破裂压力精度<sup>*</sup>
  1   1   0.003   190   23.6   9   22.56   2.59
  2   1   0.003   190   25.5   9   22.431   2.5
  3   1   0.003   190   27.6   9   22.40   2.92
  4   1   0.003   190   29.5   9   22.39   1.95
  5   1   0.003   190   29.5   9   22.26   2.79
  6   1   0.003   190   31.4   9   21.79   2.79
  7   1   0.004   190   n/a   10   50.63   2.20
  8   1   0.003   250   n/a   5   35.24   4.3
  9   1   0.011   190   n/a   5   310.1   3.8
  10   1   0.011   250   n/a   5   460.3   1.0
  11   1   0.007   220   n/a   5   151.4   3.9
*将实际破裂压力中的标准偏差的三倍表示为平均额定破裂压力的百分数。
破裂精度概要
下表概括了前述的试验数据。该表表示用于在安全膜圆顶上形成刻痕的不同方法的破裂精度的平均值。
  刻痕形成方法   平均破裂精度<sup>*</sup>
  自由形成的刻痕   4.18
  模具形成的刻痕   2.66
  砧座形成的刻痕   2.79
*表示按照上述试验所确定的破裂精度的平均值。
如上述试验中所示和前表所概括的，具有按本发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。
调整膜片的诸如刻痕线位置之类的其它设计参数，可以对膜片破裂精度提供额外的改进。本发明考虑，与传统安全膜的破裂精度特性相比，具有本发明的顶点结构部分并在膜片的过渡区域内有刻痕线的安全膜也将具有显著改善的破裂精度特性。
本发明的另一好处是损坏安全比降低。膜片的损坏安全比是将一受损膜片的实际破裂压力除以该膜片的额定压力而确定的。以下数据表示按照本发明制成的安全膜在不同损坏类型下的损坏比：
损坏试验：以下损坏试验是在本发明的1″安全膜上进行的。这些安全膜是由0.004″Ni在275psig下形成的，其冠高为0.190″。在未受损状态下试验的这批膜片的平均破裂压力为50.6psig。根据ASME(美国机械工程师协会)标准，可接受的破裂压力容差为额定破裂压力的±5psig。因此，对于本试验的安全膜，最小的可接受破裂压力是48.1psig，而最大的可接受破裂压力是53.1psig。
 损坏类型<sup>*</sup>   平均破裂压力(psig)   实际破裂压力(psig)   损坏比
  无   50.6   50.5   1.00
  无   50.6   50.5   1.00
  对铰链后膜片圆顶的钝性损坏<sup>**</sup>，使得膜片圆顶接触肘节的中点   50.6   51.0   1.01
  对铰链后膜片圆顶的钝性损坏，使得膜片圆顶不接触肘节   50.6   51.0   1.01
  对铰链后的过渡区域的钝性损坏，   50.6   51.0   1.01
  对铰链对面的过渡区域的钝性损坏   50.6   51.0   1.01
  对铰链后的过渡区域的锐性损坏<sup>***</sup>   50.6   49.7   0.98
  对铰链对面的过渡区域的锐性损坏   50.6   50.5   1.00
  对一个应力增加件上面的过渡区域的锐性损坏   50.6   51.0   1.01
  在铰链对面的刻痕线上的锐性损坏   50.6   51.0   1.01
  在铰链对面穿过刻痕线的钝性损坏   50.6   42.5   0.84
  穿过圆顶中心的钝性损坏   50.6   25.0   0.49
  距离中心刻痕3.75mm处对圆顶的锐性损坏   50.6   35.0   0.69
  距离中心刻痕7.5mm处对圆顶的锐性损坏   50.6   45.0   0.89
*膜片圆顶从物理上改变，从而具有在该膜片的可破裂部分的两侧可以看见的特征，这时认为膜片受损坏。
**膜片的钝性损坏是用一基本扁平的、具有圆形截面的扁平物体造成的，例如直径约为0.75″的锤子。
***膜片的锐性损坏是用具有矩形截面尖端的工具造成的，例如尺寸为0.200″×0.040″的螺丝刀。
如以上试验中所示，按照本发明制成的安全膜的损坏安全比约小于1。因此，如果本发明的安全膜在安装之前或之后受损，该膜片仍将在一不大于该膜片的最大可接受破裂压力(在本实例中，这一压力是额定破裂加5％)的压力下破裂。
如前所述，所揭示的压力释放组件可用于一加压系统，该系统既可含有加压气体，也可含有加压液体。按照本发明，提供了一安全膜，对于液体场合和气体场合，它在破裂时都具有较低的流阻Kr。
安全膜的流阻Kr决定了安全膜释放流体以降低系统压力的速率。流阻是破裂的安全膜上的压力降或速度头损失的一个函数。较大的速度头损失会导致较大的Kr，从而导致较低的流体释放速率。美国机械工程师协会(ASME)的标准ASME PTC25对安全膜的流体释放速率确定了性能试验要求。
按照本发明制成的安全膜在液体和气体环境下都具有较低的Kr。安全膜的Kr额定值是通过一标准化的程序确定的。在一个方法中，一具体膜片设计的Kr额定值是通过使三种不同尺寸的安全膜的三个样品在该膜片的最小压力额定值下破裂而确定的。然后，确定这九个破裂膜片的每一个的Kr值。接下来，确定这九个Kr值的平均值和标准偏差。安全膜的Kr额定值等于这九个Kr值的平均值加上这九个Kr值的标准偏差的三倍。以下试验数据表示根据ASME标准在一气体环境中对按照本发明制成的膜片所进行的试验：
如上述试验中所示，本发明的安全膜在气体环境中具有较低的Kr值。虽然对于液体环境的Kr值可能稍高，但本发明在液体条件下仍可提供较低的Kr值。最好，本发明的安全膜在气体和液体场合的Kr均小于约1.6。更可取的是，本发明的安全膜在气体和液体场合的Kr均小于约1.0。最好是，本发明的安全膜在气体和/或液体场合的Kr小于约0.7。
本发明的一个另外的优点在于，安全膜设计在液体场合可提供较低的破裂压力。传统的非碎裂安全膜并不适合于低压液体场合，这是因为在这种场合膜片不能充分打开。然而，本发明的安全膜在低于100psig的工作压力的液体场合可满足ASME性能标准。
本技术领域的技术人员清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以对本发明的安全膜组件进行各种不同的改进和变化。通过本文所揭示的本发明的技术规范和实践，本发明的其它实施例对于本技术领域的技术人员来说是显而易见的。本说明书及实例应被认为是示范性的，本发明的真正范围和精神应由所附权利要求书指明。

Claims (30)

1. 一种用于对一安全膜进行压痕的装置，该安全膜包括一环形凸缘和一具有圆顶形状的可破裂部分，该装置包括：
具有一开口的一第一部件，该第一部件构制成与该可破裂部分的第一侧相接合；以及
设置在该可破裂部分的第二侧上并与第一部件上的开口对齐的一第二部件，该第二部件适于在圆顶形状的顶点处或其附近与该可破裂部分相接合，并适于使该可破裂部分的一部分相对于该第一部件移动，从而在该可破裂部分上于该圆顶形状的顶点处或其附近产生一刻痕，其中该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一部件是一砧座，该第二部件是一冲头。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，该可破裂部分包括一凹侧和一对应的凸侧，该砧座与该可破裂部分的凹侧相接合。
4. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，它进一步包括一框架，该框架具有限定一空腔的一内壁，该空腔构制成容纳该安全膜的凸缘。
5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，该空腔的直径紧密地对应于该凸缘的直径，使得该空腔的内壁确保该安全膜在该砧座上正确对齐。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，该环形凸缘包括至少一个开口，该框架包括一销子，该销子配置成与该开口相接合而使该安全膜在砧座上对齐。
7. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，该冲头包括具有一圆形截面的一尖端，该砧座上的该开口呈圆形。
8. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，该冲头尖端的外径与该砧座上的开口的尺寸基本相同，使得该可破裂部分的所述部分受剪切移动。
9. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，该冲头包括一尖端，该尖端的形状不同于砧座上的该开口的形状。
10. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，该冲头尖端的截面形状包括由一弦所连接的一弧线，该砧座开口基本呈圆形。
11. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，该冲头尖端具有一泪滴状的截面，砧座开口基本呈圆形。
12. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，该砧座上的开口的中心线与圆顶形状的顶点重合，该冲头的中心线偏离于该圆顶形状的顶点。
13. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，该冲头包括具有一凹面的一尖端。
14. 一种用于在一安全膜上形成一刻痕的方法，该安全膜包括一环形凸缘和一具有一圆顶形状的可破裂部分，该方法包括以下步骤：
用具有一开口的一第一部件支承该可破裂部分的第一侧；以及
在圆顶形状的顶点处或其附近使与第一部件上的开口对齐的一第二部件与该可破裂部分的第二侧相接合，以使该该可破裂部分的一部分相对于该第一部件移动，从而在该安全膜的可破裂部分的顶点处或其附近产生一刻痕，其中该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第一部件是一砧座，该砧座上的开口的中心线与该圆顶形状的顶点对齐。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，该第二部件是一冲头，该冲头的中心线偏离于该圆顶形状的顶点。
17. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第二部件使该可破裂部分的所述部分剪切移动。
18. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第二部件在离开该圆顶形状的顶点一预定距离处移动该可破裂部分的所述部分。
19. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，它进一步包括在形成刻痕之后使膜片再成形以降低该刻痕深度的步骤。
20. 一种在一安全膜上形成一刻痕的方法，包括以下步骤：
用具有一开口的一第一部件支承一安全膜的第一侧；
在该安全膜坯件的中心处或其附近使与第一部件上的该开口对齐的一第二部件与该安全膜坯件的第二侧相接合，以使安全膜坯件的一部分相对于该第一部件移动，从而在该安全膜坯件的中心处或其附近产生一刻痕；以及
使该安全膜坯件的一部分受到一加压流体的作用，以使该安全膜坯件的所述部分形成一具有圆顶形状的可破裂部分，并使该刻痕位于该圆顶形状的顶点处或其附近，其中该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，该第一部件是一砧座，该砧座上的开口的中心线与该安全膜坯件的中心对齐。
22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，该第二部件是一冲头，该冲头的中心线偏离于该安全膜坯件的中心。
23. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，该第二部件使该安全膜坯件的所述部分剪切移动。
24. 一种由一坯件形成一安全膜的装置，包括：
一夹具，它构制成可紧固地固定该坯件的外周边，该夹具具有一通道，该通道构制成将一加压流体对准该坯件的未夹持部分，该加压流体作用于该未夹持部分上而使该坯件的未夹持部分相对于该夹具移动；
一模具，它具有一凹形，该凹形构制成在该坯件的未夹持部分相对于该夹具移动时容纳该未夹持部分，并使该坯件的未夹持部分形成一可破裂部分，该可破裂部分具有基本对应于该模具的凹形的圆顶形状；以及
一设置在该模具中并从该模具的凹形突出的部件，该部件构制成在该坯件的未夹持部分相对于夹具移动时与该未夹持部分相接合，从而在圆顶形状的顶点处或其附近形成一刻痕，其中该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
25. 如权利要求24所述的装置，其特征在于，该部件是一冲头，该冲头的中心线与圆顶形状的顶点对齐。
26. 如权利要求25所述的装置，其特征在于，该部件是一冲头，该冲头具有一圆形的截面。
27. 如权利要求24所述的装置，其特征在于，该部件是一冲头，该冲头包括具有一凹面的一尖端。
28. 一种由一坯件形成一安全膜的方法，包括以下步骤：
夹持住该坯件的外周边；
使一加压流体对准该坯件的一中心部分，以使该中心部分相对于该外周边而移动入一具有一凹形的模具；
使该坯件的中心部分形成一可破裂部分，该可破裂部分具有基本对应于该模具的凹形的圆顶形状；以及
在该中心部分形成圆顶形状时使一从该模具的凹形突出的部件与该坯件的中心部分相接合，以在该圆顶形状的顶点处或其附近形成一刻痕，其中该可破裂部分在该安全膜受到一预定的压力差作用时在该刻痕处开始翻转。
29. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
从该模具取出该部件；以及
使具有一第二压力的一加压流体对准该中心部分，以降低该刻痕相对于该圆顶形状顶点的深度。
30. 如权利要求28所述的方法，其特征在于，它进一步包括：通过相对于该模具调节该部件，控制该刻痕相对于圆顶顶点的深度。
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