CN110168266A - 压力泄放模块 - Google Patents

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Abstract

公开了一种压力泄放模块，例如，破裂盘模块或爆裂板模块。压力泄放模块可包括：第一膜(10)，该第一膜被构造成密封容纳系统的开口并且被构造成当所容纳系统中的压力达到预定爆裂压力时爆裂打开。第二膜(20)可以结合到第一膜以与第一膜形成膜间隙(30)。膜间隙(30)可被构造成防止容纳系统中的背压改变使第一膜(10)爆裂打开所需的爆裂压力。压力泄放模块可以为低压外壳提供优势和/或提供温度稳定性和/或背压稳定性。

Description

压力泄放模块
技术领域
本公开总体上涉及压力泄放模块，例如破裂盘模块或爆裂板模块。更具体地，本公开涉及这样一种压力泄放模块，其在背压下提供改善的稳定性，在温度变化下提供改善的稳定性，和/或用于与通常低压的外壳一起使用，例如可以容纳电池。
背景技术
压力泄放装置通常用作容纳气体或液体形式的加压流体的系统中的安全装置，或者容纳可能导致潜在危险的压力增加的挥发性(例如，可燃)条件的容纳系统中的安全装置。当系统中的压力达到预定水平时，通常在其达到不安全水平之前，压力泄放装置将从系统排出流体。一类压力泄放装置(膜压力泄放装置)包括例如破裂盘和爆裂板，也称为防爆门。
压力泄放装置可以具有任何数量的材料和形状。压力泄放装置通常由金属制成；然而，它们可以由聚碳酸酯片、织物、弹性体或材料的组合制成。压力泄放装置可以是矩形、圆形、梯形、三角形或任何适合给定应用的定制形状。
一种膜式压力泄放装置即破裂盘可用于响应于潜在危险的超压情况来泄放来自加压系统的压力。通常，破裂盘具有凸缘，该凸缘密封在一对支撑构件或安全头之间，形成压力泄放组件。然后，在加压系统中，可以将压力泄放组件夹紧或以其它方式密封地设置在一对传统的管道凸缘之间或一对螺纹配件之间，或者附接到一个这样的螺纹配件，或者通过使用机械配件诸如那些被设计用于乳制品用途的配件，或者通过特殊凸缘装置外部的夹具的生物技术工业。压力泄放组件可以使用诸如硬焊、钎焊、卷边或机械夹紧的技术来安装，以将部件的夹层保持在一起。第一管道将加压流体传导到压力泄放组件的一侧，并且第二管道提供通向安全容器的出口或可以对环境开放。支撑构件包括中心开口，其将破裂盘的一部分暴露于系统中的加压流体。当流体的压力达到入口侧和出口侧之间的预定压差时，破裂盘的暴露部分将破裂。破裂的盘形成通风路径，允许流体通过出口逸出，以降低系统中的压力。
破裂盘也可用于从系统泄放压力而不放置在两个管凸缘之间。例如，加压系统可具有出口构件或开口，流体可通过该出口构件或开口排出或泄放到例如环境或容器中。破裂盘可以安装在这样的出口构件或开口处，以控制可以释放的流体的压力。例如，破裂盘可以焊接到出口构件或焊接以覆盖出口开口。附加地或替代地，破裂盘可通过夹紧、螺栓连接、铆接或任何其它合适的机构附接到加压系统的出口。
破裂盘通常具有圆顶形、圆形、圆锥形、截头圆锥形或其它大致弯曲的可破裂部分，并且可以是正向作用的或反向作用的。在正向作用破裂盘的可破裂部分的凹侧暴露于加压系统的情况下定位正向作用破裂盘，使盘处于张紧状态。因此，当达到超压状况时，即，当系统压力超过安全或所需水平时，破裂盘可通过向外破裂来泄放压力。相反，在反向作用破裂盘(也称为反向屈曲破裂盘)的凸侧暴露于加压系统的情况下定位反向作用破裂盘，使盘的材料处于压缩状态。因此，当达到超压状史时，破裂盘可能会弯曲并反向，即，反向并撕开以排出加压流体。进一步的破裂盘技术可以是平坦的并且以拉伸加载的方式响应。
反向屈曲破裂盘在反向时可能自身破裂。可替代地，可以设置额外的特征以促进破裂。例如，物理特征，例如刻痕线和剪切线(以及其它弱化区域，也称为弱化线)，可用于促进破裂盘的打开并控制破裂盘的开口图案。例如，在反向屈曲盘中，当盘反向时，盘将沿刻痕线撕开。盘的选定部分可以保留未刻痕，用作铰链区域，以防止盘在破裂时碎裂，并且来自盘的碎片与来自加压系统的流体一起逸出。破裂盘的从该破裂盘的其余部分局部地撕开的中央部分可以称为“瓣”。
可以设置其它特征以促进反向屈曲、拉伸加载或平坦的破裂盘的破裂，例如切割结构或应力集中点，其可以在达到其激活压力时接触破裂盘，从而确保发生破裂。示例性切割结构包括一个或多个刀片(例如，由BS&B Safety Systems提供的四部分刀片，作为商业上可获得的RB-90TM反向屈曲盘的一部分，或者由BS&B Safety Systems提供的三件式三部分刀片，作为商业上可获得的DKB VAC-SAFTM破裂盘的一部分)和圆形齿环(例如，像BS&BSafety Systems提供的那样，作为市售JRSTM破裂盘的一部分)。其它示例性切割结构可以沿着可破裂部分的周边定位。其它示例性切割结构可以定位成X形、Y形或不规则Y形，设计成在反向时与可破裂部分接合。
当破裂盘打开时，它可能产生破碎的风险，即，打开的盘(瓣)的一个或多个部分将被撕掉并且与泄放的流体一起被带到下游的风险。可以通过使用位于破裂盘下游的铰链来控制破碎。
2010年9月29日由John Tomasko、Paul Goggin和Geof Brazier共同拥有并且标题为RUPTURE DISK的共同拥有的美国专利申请No.12/923,622中公开了一种破裂盘，其公开内容通过引用明确地并入本文。2010年9月29日由John Tomasko、Paul Goggin和GeofBrazier提交、标题为RUPTURE DISK并且公布为PCT Pub.No.WO/2011/041456的共同拥有的专利合作条约申请No.PCT/US10/50779中公开了一种破裂盘，其公开内容通过引用明确地并入本文。使用切割结构的破裂盘组件在共同拥有的美国专利No.4,236,648和5,082,133中有所描述，其内容通过引用明确地整体并入本文。示例性应力集中点在共同拥有的美国专利No.5,934,308中有所描述，其内容通过引用整体明确地并入本文。
破裂盘破裂或激活的预定压差称为“爆裂压力”或“激活压力”。破裂盘额定的爆裂压力称为“标称爆裂压力”。爆裂压力可以通过破裂盘的物理参数来设定，例如材料厚度和圆顶高度(也称为“冠部高度”)。爆裂压力也可以使用各种物理特征来设定，例如压痕。例如，在共同拥有的美国专利No.6,178,983、No.6,321,582、No.6,446,653和No.6,494,074中公开了具有压痕的破裂盘以及制造这种破裂盘的方法，其内容通过引用整体并入本文。
像破裂盘一样，爆裂板也可用于泄放系统的压力。例如，爆裂板可以安装在开口上，流体可以通过该开口排出或释放到例如环境或容器中。爆裂板可以控制流体可以从系统释放的压力。例如，爆裂板可以焊接到出口构件或焊接以覆盖出口开口。附加地或替代地，爆裂板可通过夹紧、螺栓连接、铆接、粘接或任何其它合适的机构附接到加压系统的出口。
上面讨论的破裂盘的许多原理也可以应用于或适用于爆裂板。例如，爆裂板可以有许多合适的材料，包括金属和非金属材料。爆裂板可以采用多种形状，例如，矩形、圆形、不规则形，这取决于所需的应用。爆裂板可以呈现圆顶形、圆形、圆锥形、截头圆锥形或其它大致弯曲的开口部分，并且可以是正向作用的或反向作用的。另外，爆裂板可以是平坦的。爆裂板可设置有物理特征、铰链、切割结构、弱化线、穿过材料的穿孔以及上面结合破裂盘描述的其它特征，以控制或改变爆裂板将打开的压力(即，“打开压力”或“激活压力”)和/或爆裂板在打开时将表现出的特征。
已知的压力泄放装置的激活压力通常受到装置的上游侧(例如，加压系统)和装置的下游侧(例如，当压力泄放装置激活时流体将被排出到其中的容器或其它环境)之间的压差的影响。换句话说，在装置上呈现的增加的背压或下游压力将减小装置两端的压差，从而增加容纳系统内激活装置所需的压力量。相反，降低的背压或下游压力将增加装置两端的压差，从而降低容纳系统内激活装置所需的压力量。
背压对压力泄放装置的影响可能是不期望的。例如，额定在高达1000kPa下安全操作的加压容器可设置有爆裂压力为900kPa的破裂盘，使得破裂盘在达到容器的最大安全压力之前将很好地打开。然而，如果破裂盘受到背压(例如，200kPa的背压)，则破裂盘可能不会打开，直到容器的压力超过安全极限(例如，1100kPa)。需要一种改善这种装置的背压稳定性的机构。
作为背压的不期望的影响的另一个例子，可以为相对低压的密封外壳设置爆裂板，该爆裂板被构造成在非常低的相对压力(例如50kPa)下激活并泄放压力。例如，在锂离子电池的情况下，轻微的压力增加可能表明电池内的不安全化学反应可能导致危险的压力累积并最终导致爆炸。电池的爆裂板旨在防止这种压力增加。然而，如果外壳是密封的，则作用在爆裂板上的压差可能会根据环境周围压力而广泛变化。例如，海平面处的周围压力约为101kPa，而海拔10km处的周围压力仅约为26kPa。因此，构造成在海平面50kPa的相对压力下激活的爆裂板可能会简单地由于气压的变化(例如，在上升到10km的飞机中)而激活，即使外壳内的状况不需要排气也是如此。需要一种改善这种装置的背压稳定性的机构。
压力泄放装置的损坏可能损害装置的完整性并改变其激活压力。这种损坏可能来自机械冲击(例如，与设备外部的物体碰撞)，暴露于刺激性化学品或其它来源。需要一种保护压力泄放装置免受这种外部损坏的机构。在具有低激活压力的压力泄放装置的情况下，对这种机构的需求特别强，因为这种装置可能特别敏感。
如上所述，物理特征(例如压痕)可用于设定或有助于压力泄放装置的激活压力。然而，这些特征可能无法有效地改变某些类型设备的激活压力。例如，在正向作用(即，拉伸加载)的破裂盘的情况下，破裂盘的激活压力受破裂盘的机械属性(例如，材料、厚度和直径)的强烈支配，而表面特征(例如，压痕)的作用可以忽略不计。因此，如果用户无法获得针对给定材料和直径的宽范围的破裂盘厚度，则可能没有多少选项来设置破裂盘的爆裂压力。因此，需要一种额外的机构来调节压力泄放装置的激活压力。
压力泄放装置的性能可取决于其温度。例如，破裂盘的暴裂压力在较高温度下使用时趋于降低，而在较低温度下使用时会增加。这种现象产生了“温度校正因子”(“TCF”)的概念，其被定义为装置在高温下的爆裂压力与装置在20℃的环境温度下的爆裂压力之比。在由不锈钢制造的一种示例性类型的压力泄放装置中，预期的TCF通常相对于温度而言线性减小，如下表所示。
温度℃ 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
TCF 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.90 0.89 0.88
在较低温度，低于20℃时，预计TCF增加至1.00以上。
需要一种改善压力泄放装置的温度稳定性的机构，即，减小TCF在一定温度范围内的变化的机制。
本公开的压力泄放模块能满足前述需求中的一个或多个，或者能满足其它需求，或者实现其它优点或特征。
附图说明
包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了若干实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的各方面。
图1是使用反向作用膜的压力泄放模块的剖视图；
图2是包括铰链构件的压力泄放模块的剖视图；
图3是包括平膜的压力泄放模块的另一实施方式的剖视图；
图4是包括两个圆形膜的压力泄放模块的另一个实施方式的剖视图；
图5A至图5C示出了可用在压力泄放模块的实施方式中的膜的实施方式；
图6A至图6D示出了可用在压力泄放模块的实施方式中的膜的另外的实施方式；
图7是使用正向作用膜的压力泄放模块的另一实施方式的剖视图；
图8是与通常低压的外壳一起使用的压力泄放模块的又一实施方式的剖视图。
具体实施方式
现在将详细参照本示例性实施方式，其示例在附图中示出。
图1描绘了示例性压力泄放模块。根据图1的示例，压力泄放模块可包括主膜10和辅屏障膜20。主膜10设置有凸缘部分11和激活部分12。屏障膜20设置有凸缘部分21和激活部分22。如图所示，主膜10和屏障膜20在它们的凸缘部分11、21处结合在一起，从而在激活部分12、22之间形成膜间隙30。
在图1所示的示例中，膜间隙30是由于两个膜的激活部分12、22的冠部高度不同而形成的。换句话说，主膜10具有比屏障膜20高的冠部高度，这导致在它们之间形成膜间隙30。
在一个实施方式中，如图1所示，主膜10可以是入口膜或过程侧膜，其暴露于受控体积51。如图1所示，受控体积51可以是入口管52的内孔，其可以与容器或其它受控体积流体连接。容器可以是正常加压的，或者可以包含能够产生热量和/或压力的挥发性过程(例如，易燃粉尘或其它可燃材料、化学过程)。在这样的实施方式中，屏障膜20可以是出口膜，其暴露于环境或出口系统54。如图1所示，出口系统54是出口管55的内孔。
如图1所示，压力泄放模块的主膜10和屏障膜20的凸缘部分11、21保持在保持器机构(有时称为“安全头”)内，该保持器机构包括入口头42和出口头44。安全头可便于将压力泄放模块安装在系统内。如图所示，例如，安全头可以将压力泄放模块对准在入口管52和出口管55之间，并且可被一个或多个凸缘螺栓58夹在入口管凸缘53和出口管凸缘56之间。然而，还可以想到，压力泄放模块可以直接安装在系统内，包括安装在两个管凸缘之间，而不使用安全头。还可以设想，压力泄放模块和安全头组件可以作为整体模块设置。无论是否设置安全头组件，压力泄放模块的一个实施方式可以以预组装单元运送给客户或最终用户，这可以有助于将模块正确定向和安装到现有系统中。该模块还可设置有确保正确安装的特征，例如定位孔，以便于在现有系统内正确对准和/或防止不正确或不安全的配置。
在一个实施方式中，膜间隙30可以是密封容积，使得主膜凸缘部分11和屏障膜凸缘部分21在它们之间形成流体密封。凸缘部分11、21之间的流体密封可以通过任何合适的机构实现，包括例如连续焊接、粘合剂或环氧树脂或由安全头提供的夹紧装置。凸缘部分11、21之间的流体密封也可以通过机械机构(例如夹具)实现。可以设想，可以在凸缘部分11、21之间设置垫圈或O形环(图1中未示出)，以有助于形成流体密封。还可以设想，凸缘部分11、21中的一者或两者可设置有表面特征(例如，脊)，以帮助形成流体密封。这些表面特征可以相互配合(例如，凸缘部分的配合表面上的相应舌状物和凹槽)。这样的表面特征还可包括尖锐特征，其被构造成“咬合”到相应凸缘部分的材料中，从而在它们之间形成“咬合密封”。
在图1所示的压力泄放模块中，主膜10被构造成响应于受控体积51中的超压状况而激活(即，打开)。更具体地，主膜10被构造成当暴露于预定压差时反向并且破裂或爆裂。可以基于膜的材料、厚度或物理尺寸(例如，直径、厚度、冠部高度、冠部形状)来设定主膜10的爆裂压力。主膜10的爆裂压力也可以基于施加在膜上的物理特征来设定，包括压痕、刻痕线、剪切线、蚀刻线、机加工线或者弱化区域或弱化线。另外，主膜10可包括在其激活时控制其开口的形状和尺寸的特征。如图1所示，主膜10设置有刻痕线23，该刻痕线23限定了当主膜激活时主膜将在其上打开的线。刻痕线23可以形成直线、圆形、部分圆形或任何其它合适的形状。当刻痕线23形成部分圆形或其它部分形状时，它可以在其端点之间留下未刻痕的部分。该未刻痕的部分可以充当铰链以防止打开的膜材料(也称为“瓣”)完全与主膜10的其余部分分离。还可以设想，可设置多个刻痕线(例如，“X”形)。
可设置其它特征以控制膜的开口。例如，如图2所示，铰链构件200可设置在压力泄放模块的下游。在图2中，压力泄放模块包括主膜210和屏障膜220。铰链构件200包括舌状物201，该舌状物可被构造成在膜打开之后捕获主膜210和/或屏障膜220的瓣。以这种方式，铰链构件200和舌状物201可以防止瓣完全撕开。铰链构件200还可设置有一个或多个切割元件或应力集中点202，该切割元件或应力集中点可被构造成在屏障膜220反向时撞击屏障膜220，从而使屏障膜220打开。
返回图1，因为主膜10被构造成响应于压差而激活，所以如果主膜受到背压(即，倾向于抵消受控容积51中的正压力的正压力)，则主膜10发生激活时的控制压力(即，受控体积51内的压力)将会改变。
屏障膜20可被构造成使主膜10不受来自环境或出口系统54的背压的影响。例如，在一个实施方式中，出口系统54可以是受到可变压力的容纳系统。出口系统54可以例如位于室外区域和/或暴露于阳光下。环境温度的增加或暴露于阳光下可以增加出口系统54的温度和压力。在一些情况下，出口系统54的背压可以在5％和15％之间变化。屏障膜20的存在可以消除或至少大大减小出口系统54的增加的压力可以充当主膜10上的背压的程度。结果，受控体积51的压力(在该压力下主膜10将破裂)将基本保持不变。因此，与没有屏障膜的已知压力泄放装置相比，压力泄放模块可以增强系统的可靠性和/或安全性。
屏障膜20可被构造成在比主膜10相对较低的压力下打开。在一个实施方式中，屏障膜20的爆裂压力可以是主膜10的爆裂压力的30％至50％。因此，在主膜10反向和/或激活的情况下，屏障膜20也将被激活以允许流体经由主膜和屏障膜两者中的开口逸出。与主膜10类似，屏障膜20可包括控制何时以及如何打开的特征。如图1所示，例如，屏障膜20可包括刻痕线23或其它弱化线或弱化区域，以控制屏障膜的开口的位置和形状。这种弱化区域可以通过例如化学蚀刻产生。
在一个实施方式中，屏障膜20可包括结构特征，例如压痕，以控制激活压力和/或屏障膜20的反向将被激活时的点。在一个实施方式中，屏障膜20可被构造成直接作为铰链和/或舌状物构件(类似于图2中所示的单独的铰链/舌状物构件)进行作用以在激活后捕获主膜10的瓣。例如，屏障膜也可被构造成即使在屏障膜的外部已经打开之后仍然在中央保持刚性。在这样的实施方式中，屏障膜的刚性部分可以在激活后捕获主膜的瓣。
附加地或替代地，屏障膜20可被构造成在压力泄放模块激活之后转移或重定向逸出流体的流动。在一个实施方式中，屏障膜20可以具有从主膜10的开口偏心的开口，使得这些膜不具有共同的流动轴线，这可以致使逸出的流体围绕辅膜20弯曲。重定向逸出流体的流动可能是期望的，以增加压力泄放模块的安全性。例如，逸出的流体可被重定向为朝向地面和/或远离附近的人。
已经通过测试验证了使用本公开的原理实现的改善的背压稳定性。在测试中，已知的反向作用破裂盘(由BS&B Safety Systems制造的直径为2英寸、厚度为0.008英寸(直径约为50.8毫米，厚度为0.2毫米)的SKr盘)安装在1800立方英寸(29.5升)加压箱上，观察到在80psig(552kPa)的标称爆裂压力下破裂。为了比较，在相同的1800立方英寸加压箱上测试了压力泄放模块。该模块包括两个反向作用破裂盘的组合，这两个反向作用破裂盘进行堆叠以在其间形成膜容积。模块的第一破裂盘(即，暴露于箱内压力的过程侧膜)是0.008英寸厚的SKr盘，其冠部高度为0.45英寸(约11.4mm)。模块的第二破裂盘(即，暴露于背压的通气侧或出口侧膜)是0.004英寸厚的SKr盘，其冠部高度为0.35英寸(约8.9mm)。单独地，0.008英寸厚的SKr盘的额定激活压力为80psig，并且0.004英寸厚的SKr盘的额定激活压力为12.5psig。当作为单个组合的压力泄放模块进行测试时，观察到模块在81psig(558kPa)的标称爆裂压力下破裂。观察到模块即使在受到15psig或30psig(103kPa或207kPa)的背压时仍保持其标称爆裂压力为81psig。在这种背压条件下爆裂之前，标称爆裂压力为81psig的传统破裂盘将分别需要96psig和111psig(662kPa和765kPa)的爆裂压力。因此，如测试结果所证明的，本公开的原理可以提供改善的背压稳定性。
预期可以修改膜间隙30以改善压力泄放模块的性能。例如，膜间隙30可设置有初始压力(或初始真空)以影响主膜10和/或屏障膜20的操作，和/或考虑到压力泄放模块的预期操作条件。膜间隙30可以填充有材料以实现期望的性能。例如，膜间隙30可以填充有惰性气体或不可燃气体，以避免在膜间隙30打开到受控体积51或环境或出口体积54的情况下产生化学反应或燃烧。作为另一个例子，膜间隙30可以填充有特定物质(例如，液体、气体、泡沫或其混合物)以实现期望的结果，包括抗振性、耐温性、耐燃性和温度-压力分布。
进一步预期的是，附加结构可以定位在膜间隙30内。在一个实施方式中，切割构件或应力集中点可以定位在膜间隙30内，以帮助主膜10响应于超压状况而打开。在另一个实施方式中，传感器可以定位在膜间隙30内，以感测其中的温度、压力或其它属性或操作状况。这种传感器可用于满足代码驱动的警报活动或安全响应。这种传感器可用于监测压力泄放模块的完整性。例如，这种传感器可以检测主膜10或屏障膜20是否已经发生泄漏并且需要更换。在压力泄放模块激活的情况下，这种传感器也可用于发送信号。该信号可用于例如产生警报或触发保护措施(例如，将灭火剂释放到逸出流体的路径中)。共同拥有的美国专利No.7,168,333(其全部内容通过引用整体并入本文)公开了用于使用传感器监测体积内的状况的装置、系统和方法。预期美国专利No.7,168,333的原理可与本公开组合，包括关于膜间隙30内的状况。
在另一个实施方式中，可以在操作期间修改膜间隙30内的状况。膜间隙30可设置有流体供应源，该流体供应源可用于根据需要来增加膜间隙30内的压力。例如，流体供应源可将流体注入膜间隙30中以抵消受控容积51和/或出口容积54中的压力，以防止主膜10和屏障膜20中的任一者或两者打开。具体地，可能的情况是，尽管受控容积51中存在超压，但是出口容积54中的状况可能太不安全而不允许受控容积51排出压力。例如，如果在出口容积54中检测到火花或点火源，则可能不希望从受控容积51中排出可能在与火花或点火源接触时燃烧的材料。为了防止这种接触，可以用额外的流体对膜间隙30加压，以防止主膜10反向和破裂，直到这样做是安全的。
作为另一个例子，预期可以减小膜间隙30内的压力以实现期望的性能。减小膜间隙30中的压力可以例如降低激活主膜10所需的系统压力(在受控容积51中)。以这种方式，压力泄放模块可以预测性地或预防性地操作。在一个示例中，受控容积51中的传感器可以检测即将发生的超压情况(例如，由于点火事件)并且致使膜间隙30中的压力降低以促进主膜10在较低系统压力下破裂。通过操纵膜间隙30内的状况，可以实现对超压情况或其它状况的受控响应。操纵膜间隙30内的状况可以例如改变压力泄放模块的响应性，改变模块的背压稳定性，和/或改变模块的温度稳定性。
在另一个实施方式中，压力泄放模块的一个或多个膜10、20可被构造成通过爆裂或通过表现出抵抗背压的能力的变化来对某些状况作出响应。例如，如果一个或多个膜10、20损坏或其形状发生变化，则膜可以例如通过在较低压力下爆裂或通过表现出较低的背压抵抗来作出响应。这种配置可以为压力泄放模块提供故障安全特征。
压力泄放模块中使用的膜可由任何合适的材料制成，并且主膜10可由与屏障膜20不同的材料制成。可选择材料以实现特定的性能(例如，爆裂压力)或基于应用或环境(例如，热或腐蚀过程)来选择材料。用于膜10、20中的一者或多者的合适材料可包括例如金属、陶瓷、塑料、玻璃或纸。在一个实施方式中，可选择高性能、高成本的材料用于主膜既过程侧膜，例如哈氏合金、钽或钛。可以选择成本较低的材料用于辅膜即通气侧膜，例如不锈钢或塑料。
尽管已经结合图1描述了压力泄放模块包括两个反向作用膜式压力泄放装置的组合，但是本公开不限于该配置。如图3所示，例如，主膜310可以是弯曲的(例如，反向作用的破裂盘)，而屏障膜320可以是基本上平的。此外，预期主膜(过程侧膜)可以是平的，而辅膜(通气侧膜或出口侧膜)是弯曲的。如图4所示，主膜410可以是反向作用的破裂盘，而屏障膜420可以在相反的方向上弯曲(例如，在正向作用方向上弯曲)。可以选择膜的形状以实现期望的性能或外观。在一个实施方式中，可能希望屏障膜具有低的外部轮廓(例如，平的或凹形轮廓)以降低可见性和/或留下空间或其它外部部件。
尽管已经结合图1描述了压力泄放模块包括圆顶形压力泄放装置，但是也可以设想其它形状的压力泄放装置。例如，模块中的第一和/或第二压力泄放装置可以采用平截头体的形状(即，“饼盘”形状)，如图5A所示，具有多个曲率半径的复合圆顶，如图5B所示，或复合倒圆顶，如图5C所示。
尽管总体上在圆形破裂盘式膜方面结合图1描述了压力泄放模块，但是本公开不限于此。预期主膜和屏障膜中的一者或多者可以采用非圆形形状，例如图6A至图6D所示。
在一个实施方式中，膜间隙可以不是完全密封的。例如，屏障膜(例如，图1中的元件20)可以通风或以其它方式使得可渗透到出口环境(例如，图1中的元件54)。气体渗透性可以通过例如排气阀或透气性材料如Gore-Tex提供。在屏障膜中提供这样的通气孔或渗透性可以防止膜间隙30影响主膜(例如，图1中的元件10)的爆裂压力，同时仍然保护主膜免受来自出口侧的冲击、腐蚀或其它潜在的损坏性相互作用的影响。在膜间隙未完全密封的情况下，主膜和屏障膜可以通过不连续接头结合在一起(例如，沿膜凸缘的不连续轨道焊接)。
压力泄放模块可替代地可以使用正向作用(即，拉伸负载)入口膜710、出口膜720和它们之间的膜间隙730，如图7所示。如上所述，正向作用入口膜的激活压力基本上不受表面特征如压痕的影响；因此，设定正向作用入口膜的精确响应压力可能是特别具有挑战性的。因此，作为操纵诸如图7中的正向作用实施方式中的压力泄放模块的激活压力的手段，控制膜间隙730的状况(例如，压力、温度)可能是特别有用的。
压力泄放模块可被构造成装配在预先存在的管道凸缘和预先存在的安全头构件内，从而允许利用本公开的新的且改善的模块容易地替换现有的压力泄放装置。
压力泄放模块可以由一个或多个标准制定组织或认证组织作为单个单元进行认证。已知的压力泄放装置(例如，破裂盘和爆裂板)通常被单独认证或评定，这意味着两个这样的装置(例如，两个破裂盘)的理论组合将需要两个单独的认证或评级。本领域通常避免组合两个这样的单独认证的设备，以避免一个设备的操作可能会干扰另一个设备的预期操作并且不可预测地改变另一个设备的压力等级的风险。本公开通过提供作为单个单元认证或评级的两种或更多种膜式压力泄放装置的组合解决了该问题。
在一个实施方式中，压力泄放模块可被构造成响应于温度变化而提供改善的稳定性。已知的膜式压力泄放装置的激活压力可能受到装置温度的显著影响。例如，预计在20℃的系统中运行的破裂盘可能会在比在240℃的系统中运行相同的破裂盘高得多的压力下激活。相反，预计在20℃的系统中运行的破裂盘可能会在比在-50℃的系统中运行相同的破裂盘低得多的压力下激活。结果，已知的膜式压力泄放装置可能在它们可能暴露的温度范围方面受到限制而不存在影响应用设计的激活压力的变化。另外，已知的膜式压力泄放装置在操作温度意外变化时可能表现出不希望的性能。
根据本公开的压力泄放模块例如图1中描绘的模块可被构造成减小温度变化对激活压力的影响。根据示例性图1中的配置，否则可能削弱主膜10的温度增加(即，降低其爆裂压力)将同时增加膜间隙30内的压力。结果，膜间隙压力强化并增强了主膜10，从而抵消了升高温度而削弱主膜10的趋势。以这种方式，与已知的膜式压力泄放装置相比，压力泄放模块在一定温度范围内的爆裂压力可以表现出较小的变化。
已经通过测试验证了使用本公开的原理实现的改善的温度稳定性，其结果总结在下面的图表中。以下图表显示了温度校正因子(“TCF”)和观察到的已知反向作用爆裂盘(“RD”)的爆裂压力，以及在不同温度下观察到的压力泄放模块(“RM”)的爆裂压力。该图表还显示了在“RM”的两个膜之间的膜间隙中观察到的压力变化(“ΔP”)。
温度℃ TCF RD(psig) RM(psig) ΔP(atm) ΔP(psig)
20 1.00 79.72 81.12 0 0
40 0.99 78.74 81.12 0.068224 1.003
60 0.98 77.93 81.3 0.136449 2.005
80 0.97 77.11 81.47 0.204673 3.008
100 0.96 76.29 81.64 0.272898 4.01
120 0.95 75.47 81.81 0.341122 5.013
140 0.94 74.64 81.96 0.409347 6.016
160 0.93 73.8 82.12 0.477571 7.018
180 0.92 72.96 82.26 0.545796 8.021
200 0.90 72.11 82.4 0.61402 9.024
220 0.89 71.26 82.54 0.682245 10.026
240 0.88 70.41 82.67 0.750469 11.029
如图表所示，当温度升至240℃时，观察到在20℃、79.72psig下激活的已知反向作用破裂盘将在70.41psig下激活。在220℃的范围内，-9.31psig的爆裂压力变化对应于0.88的TCF。换句话说，在240℃时，预计破裂盘在20℃时仅在破裂盘的标称额定压力的88％的压力下激活。
相比之下，当温度升高至240℃时，压力泄放模块的爆裂压力没有降低。相反，由于膜间隙内的压力(ΔP)增加，爆裂压力略微上升(1.55psig)，导致TCF为1.02。因此，如上面呈现的测试结果所证明的，本公开的原理可以提供改善的温度稳定性。
尽管上文通过升高的温度在稳定性方面描述了压力泄放模块的温度稳定性，但是本公开还考虑通过降低的温度来改善温度稳定性。例如，随着膜的温度降低，其爆裂压力趋于增加。然而，同时，膜间隙内的压力降低。该降低的压力倾向于抵消爆裂压力的相应增加，从而保持TCF接近1.0并改善温度稳定性。
TCF是构造材料的函数；因此，压力泄放模块的性能可以根据其至少一个部件的构造材料来定制。由于材料具有广泛的耐化学性和相对经济性，因此压力泄放装置的用户通常更喜欢不锈钢结构。已知的不锈钢破裂盘的TCF通常很大。上面介绍的压力泄放模块和爆裂盘数据适用于不锈钢材料。因此，已经示出本公开的原理为需要不锈钢结构的用户提供了显著的益处。
可以预期的是，压力泄放模块的性能(包括其压力稳定性)可以以多种方式修改或调整。例如，可以例如通过调节组成膜的相对冠部高度来调节膜间隙的体积。作为另一个例子，可以在一个或多个组成膜中设置一个或多个表面特征(例如，凹痕)、弱化线、弱化区域或其它特征。作为另一个例子，压力泄放模块的膜间隙可以填充有液体、气体、泡沫和/或其它材料以实现期望的压力响应(例如，可以选择填充材料以改变在膜间隙内观察到的响应于温度变化的ΔP)。类似地，可以修改膜间隙内的初始压力以实现期望的压力响应(例如，膜间隙可以形成部分真空，这可以降低在膜间隙内观察到的响应于温度变化的ΔP的大小)。
本公开的另一个实施方式涉及包含压力泄放模块的至少两个膜之间的选择性相互作用，例如，由暴露于入口或出口压力的表面之间的接触引起的选择性相互作用。这种接触可以是加强的，在这种情况下，可以增加标称爆裂压力。在另一个实施方式中，这种接触可能会减弱，在这种情况下，可以降低标称爆裂压力。表面的选择性和受控接触可以提供有价值的附加机构来校准压力泄放装置的激活压力。进一步预期可以将表面特征设置到至少两个膜中的一个或多个膜，以在膜接触时实现期望的性能。还预期可以在至少两个膜之间放置另外的结构，使得两个膜经由该另外的结构间接地相互作用。
根据本公开的另一个实施方式，压力泄放模块可以与通常低压的外壳一起使用。通常低压的外壳的一个示例可以是电池，例如锂离子电池组。已知的通常低压的外壳可设置有具有低激活压力的压力泄放装置。在一些情况下，激活压力可以在约3psi至10psi(约20kPa至70kPa)的范围内。通常，具有这种低激活压力的压力泄放装置可能易碎并且容易损坏，无论是通过机械方式(例如，冲击)还是暴露于恶劣环境(例如，水或腐蚀性化学品)。本公开考虑通过使用屏障膜或覆盖物来为低激活压力泄放装置提供保护。诸如喷水、浸水或岩石和石头的临时冲击通过引起机械背压而至少暂时地改变泄放装置的激活压力，这对于低压外壳的整体安全性是不期望的。
图8中示出了包括屏障膜或盖的低压泄放模块的实施方式。如图所示，压力泄放模块设置有主膜810和屏障膜820，主膜810和屏障膜820之间形成膜间隙830。膜810和820可以使用类似于上面结合图1的膜10和20所述的机构(例如，焊接、粘合剂、夹紧和/或垫圈)结合在一起。压力泄放模块可以安装成覆盖外壳850的出口。如图8所示，压力泄放模块保持在凸缘853、856之间；然而，压力泄放模块可以安装在没有凸缘的外壳上。例如，压力泄放模块可以粘附、焊接、铆接或以其它方式直接结合到外壳的表面，或者以另一种合适的方式安装到外壳上。
在图8的实施方式中，主膜810被构造成响应于外壳的受控体积851内的预定压力而激活或打开。屏障膜820被构造成在比主膜810低的激活压力下激活或打开。例如，如果外壳在高达5psi的压力下被评定为安全，则主膜810可被构造成响应于4psi或5psi的压力而激活或打开，并且屏障膜820可被构造成响应于3psi或4psi的压力而激活。以这种方式，当主膜810激活时，预期辅膜820也会激活。
在一个实施方式中，膜间隙830可被构造成实现增加的背压稳定性和/或温度稳定性，如上文结合图1所示的实施方式所述。另外或可替代地，膜间隙830内的状况可以被感测和/或控制，以监测或修改模块性能，如上面结合图1所示的实施方式所述。
当与密封的通常低压的外壳(例如电池)结合使用时，背压稳定性对于低压泄放模块可能是特别重要的。已知的低压外壳可能需要在相对低的压差(例如2psi(14kPa))下通过已知的压力泄放装置排出压力。然而，由于诸如海拔之类的因素，环境压力可能变化很大。例如，海平面处的环境压力约为101kPa，而海拔10km处的环境压力仅约为26kPa。结果，被构造成在海平面处在14kPa相对压力下激活的压力泄放装置可以简单地由于气压的变化(例如，在上升到10km的飞机中)而激活，即使外壳内的条件不需要通风。由如图8(和图1)中所示的模块提供的背压稳定性可以增加坚固性并允许用于密封的低压外壳的更宽范围的使用(例如，在各种海拔)。
图8中的屏障膜820可被构造成保护主膜810免受损坏。例如，屏障膜820可以防止来自外部环境的机械冲击。附加地或替代地，屏障膜820可以防止暴露于危险或腐蚀性元素，例如水或腐蚀性化学物质。屏障膜820可以是气密的，从而形成完全密封的膜间隙830并允许间隙830相对于周围环境具有不同的压力。可替代地，屏障膜820可以是透气的，或者设置有透气部分(例如，排气阀或透气织物部分，例如Gore-Tex)，使得屏障膜820可以允许膜间隙830与周围环境保持相同的压力，同时将可能有害的材料例如水、化学品、灰尘等留在外面。在一个实施方式中，屏障膜820可以穿设有一个或多个穿孔821，这些穿孔可以部分地或者完全穿过屏障膜820的厚度。穿孔821可以用于促进或控制屏障膜820可以打开的方式。还可以设置其它特征，例如上面描述的压痕、弱化线和弱化区域，以便于或控制屏障膜820可以打开的方式。穿孔821可以用密封件822密封。密封件822可以是气密的和/或液密的。在一个实施方式中，密封件822可以是硅树脂珠。在另一个实施方式中，密封件822可以是透气织物，例如Gore-Tex。
尽管未在图8中示出，但是可以设置铰链或保持机构以在激活之后保持主膜810和/或屏障膜820附接到容器。
可以为主膜810和屏障膜820选择任何合适的材料。例如，主膜810可以由金属形成以实现可预测的压力响应，而屏障膜820可以由塑料形成以实现所需的防止撞击和/或暴露于危险或腐蚀性材料的保护。
在一个实施方式中，诸如图8中所示的压力泄放模块可以满足国际电工委员会(IEC)标准，例如国际保护标记或入口保护标记(IP)60529标准，以防止物体、灰尘或水侵入。例如，压力泄放模块可被构造成满足IP67标准或IP68标准，以防止灰尘和水进入。压力泄放模块可被构造成满足这样的标准，其中，例如，它与诸如电池外壳的电气外壳一起使用。
在压力泄放模块与包含易燃材料或过程的外壳一起使用的情况下，可能需要将阻火器与压力泄放模块结合，以在压力泄放模块激活时防止或减少从外壳中出现的火焰。阻火器可以采用网或蜂窝的形式，其可以由金属、陶瓷、塑料或其它合适的材料制成。
在诸如图8中所示的低压泄放模块的一个实施方式中，低压泄放模块可被构造用于在特定温度范围内操作。例如，模块可被构造成在-40℃至+75℃之间的温度下操作。
尽管上面已经将压力泄放模块的某些实施方式描述为响应于超压情况而被动地起作用，但是本公开不限于这些实施方式。例如，可以设想，可以使用致动器(例如，主动致动)打开压力泄放模块，例如气体发生器、烟火致动器或螺线管驱动的机械冲击装置。当与致动器结合时，压力泄放模块可以提供受控或“按需”泄放的压力。可以使用控制器和/或响应于来自传感器的信号来控制致动器。例如，如果检测到潜在的危险情况(例如火花或压力突然升高)，则可以发送信号以使致动器打开压力泄放模块以允许压力从系统中逸出。
可以预期，一个实施方式的各个特征可被添加到或替代另一个实施方式的各个特征。因此，覆盖由不同实施方式之间的不同特征的替代和替换产生的实施方式均在本公开的范围内。
上述实施方式和布置仅旨在作为预期的装置和方法的示例。考虑到本文公开的说明书和实践，其它实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。说明书和示例旨在仅被视为示例性的。

Claims (21)

1.一种压力泄放模块，该压力泄放模块包括：
主膜；以及
辅膜；
其中，所述主膜被构造成密封容纳系统的开口；
其中，所述主膜被构造成当所述容纳系统中的压力达到预定爆裂压力时爆裂打开；
其中，所述辅膜结合到所述主膜以在所述主膜和所述辅膜之间形成膜间隙；
其中，所述辅膜暴露于背压；并且
其中，所述膜间隙被构造成防止所述背压改变使所述主膜爆裂打开所需的爆裂压力。
2.根据权利要求1所述的压力泄放模块，其中，所述主膜的所述预定爆裂压力是第一爆裂压力，其中，所述辅膜具有第二爆裂压力，并且其中，所述第二爆裂压力小于所述第一爆裂压力。
3.根据权利要求1所述的压力泄放模块，其中，所述膜间隙是密封的。
4.根据权利要求1所述的压力泄放模块，该压力泄放模块还包括：
铰链构件，其中，所述辅膜位于所述主膜和所述铰链构件之间。
5.根据权利要求1所述的压力泄放模块，其中，所述主膜具有凸缘，并且所述辅膜具有凸缘；所述压力泄放模块还包括：
入口安全头，该入口安全头位于所述主膜的所述凸缘附近；以及
出口安全头，该出口安全头位于所述辅膜的所述凸缘附近；
其中，所述入口安全头和所述出口安全头被构造成将所述主膜和所述辅膜保持在所述入口安全头和所述出口安全头之间。
6.根据权利要求5所述的压力泄放模块，其中，当被夹持在所述安全头装置内时，实现了所述主膜和所述辅膜之间的密封。
7.根据权利要求1所述的压力泄放模块，该压力泄放模块还包括：
位于所述膜间隙内的传感器，该传感器被构造成感测所述膜间隙内的操作状况。
8.根据权利要求1所述的压力泄放模块，该压力泄放模块还包括：
控制所述膜间隙内的压力的机构。
9.根据权利要求1所述的压力泄放模块，其中，所述膜间隙容纳流体。
10.根据权利要求9所述的压力泄放模块，其中，所述流体是液体。
11.根据权利要求1所述的压力泄放模块，其中，所述膜间隙容纳泡沫。
12.一种压力泄放系统，该压力泄放系统包括：
具有开口的入口管；
具有开口的出口管；以及
压力泄放模块，该压力泄放模块包括：
主膜；以及
屏障膜；
其中，所述屏障膜与所述主膜形成流体密封，并且其中，所述屏障膜在所述主膜和所述屏障膜之间形成膜间隙；
其中，所述压力泄放模块在所述入口管的所述开口和所述出口管的所述开口之间形成流体密封；
其中，所述压力泄放模块被构造成响应于所述入口管内的设定压力而爆裂打开；并且
其中，所述屏障膜被构造成防止因所述出口管内的背压变化达到预定水平而改变所述压力泄放模块的所述设定压力。
13.根据权利要求12所述的压力泄放系统，其中，所述预定水平的背压高达所述压力泄放模块的所述设定压力的约40％。
14.一种压力泄放系统，该压力泄放系统包括：
具有开口的入口管；
具有开口的出口管；以及
压力泄放模块，该压力泄放模块包括：
主膜；以及
屏障膜；
其中，所述屏障膜与所述主膜形成流体密封，并且其中，所述屏障膜在所述主膜和所述屏障膜之间形成膜间隙；
其中，所述压力泄放模块在所述入口管的所述开口和所述出口管的所述开口之间形成流体密封；
其中，所述压力泄放模块被构造成响应于所述入口管内的设定压力而爆裂打开；
其中，所述屏障膜被构造成在操作温度的预定范围内保持所述压力泄放模块的所述设定压力。
15.根据权利要求14所述的压力泄放系统，其中，所述操作温度的预定范围在20℃至240℃的范围内。
16.一种用于通常低压的外壳的压力泄放系统，该压力泄放系统包括：
包含通常低压的过程的外壳，该外壳限定出口开口；
密封所述出口开口的主膜，该主膜还被构造成响应于所述外壳内的预定压力而打开；以及
结合到所述主膜和外壳的屏障膜，其中，所述屏障膜覆盖所述主膜，并且其中，所述屏障膜被构造成响应于所述主膜打开而打开。
17.根据权利要求16所述的压力泄放系统，其中，所述屏障膜在所述主膜和所述屏障膜之间形成膜间隙。
18.根据权利要求17所述的压力泄放系统，其中，所述膜间隙提升所述主膜的背压稳定性。
19.根据权利要求17所述的压力泄放系统，其中，所述膜间隙提升所述主膜的温度稳定性。
20.根据权利要求16所述的压力泄放系统，其中，所述屏障膜在所述主膜和外部环境之间形成IP67或IP68密封。
21.根据权利要求16所述的压力泄放系统，其中，所述屏障膜被构造成保护所述主膜免受外部环境中的物体的冲击。
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