JP2008298206A - ラプチャディスク及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】設定された圧力で開口すると共に、高い遮音性を有するラプチャディスクを提供する。
【解決手段】ラプチャディスク１は、流体用の容器又は配管５に設けられた開放口６を大気に対して封鎖する状態で設けられ、容器又は配管５の内圧力が所定の設定圧力以上となった際に開口して、内圧力を減圧する。ラプチャディスク１は、容器又は配管５の側に位置する第１受圧部２と、大気の側に位置する第２受圧部３と、第１受圧部２と第２受圧部３との間に形成された密閉空間４と、を有する。密閉空間４は、第１受圧部２から第２受圧部３へ伝達される音響を減衰させる音響減衰手段として構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体用の容器又は配管に設けられた開放口を大気に対して封鎖する状態で設けられ、当該容器又は当該配管の内圧力が所定の設定圧力以上となった際に開口して、当該内圧力を減圧するラプチャディスクに関する。また、ラプチャディスクを排気管に設けたエンジンに関する。

流体用の容器や、例えばエンジンの排気管のような配管において流体圧が上昇した場合に、当該容器や当該配管の破損を防止する目的で、予め耐圧の低い箇所を設け、当該低耐圧の箇所を破裂させることによって減圧する技術が知られている。例えば、液体用タンク等に設けられる破開式安全弁として、図５に示すように、タンク上部に成形した開放口の開口部をラプチャディスクにて封止したものがある。タンクの内圧が異常に上昇した際に、その圧力によってラプチャディスクが破裂することにより、タンク内の圧力を圧開放口の開口部から外部へ逃がし、タンクの破裂事故を防止する。ラプチャディスクとしては、ニッケル等の金属薄膜の内面側に厚さ０．０３ｍｍ程度のポリテトラフルオラエチレン（ＰＴＦＥ）膜を設けたものが汎用的に利用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２７７６７４１号公報（第２段落等）

汎用的なラプチャディスクは、例えば１０気圧（ａｔｍ）程度の設定された圧力で破裂する必要があるため、上述したように比較的薄く形成される。そのため、例えば、エンジンの排気管の中の排気ガスが脈動するような、容器や配管の中の流体圧の変動に伴って、ラプチャディスクの受圧面が振動し、音響となって開放口から騒音を放射する場合がある。つまり、ラプチャディスクは遮音性能が低く、ラプチャディスクが保護する容器や配管の中の騒音が大きい場合には、その騒音がラプチャディスクを透過してしまうこととなる。騒音の透過を抑制するため、遮音性能が高い板、即ち面密度の高い板を用いてラプチャディスクを構成することが考えられる。しかし、面密度の高い板は高い剛性を有するため、設定した圧力で破裂する必要のあるラプチャディスクへの適用は現実的ではない。高層ビルなどにおいては放射される騒音が特に問題となるが、有事の圧力開放に影響を及ぼすため開放口を遮蔽することも好ましくなく、騒音対策が困難である。

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、設定された圧力で開口すると共に、高い遮音性を有するラプチャディスクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る、流体用の容器又は配管に設けられた開放口を大気に対して封鎖する状態で設けられ、当該容器又は当該配管の内圧力が所定の設定圧力以上となった際に開口して、当該内圧力を減圧するラプチャディスクの特徴構成は、
前記容器又は前記配管の側に位置する第１受圧部と、
前記大気の側に位置する第２受圧部と、
前記第１受圧部と前記第２受圧部との間に形成された密閉空間と、を有し、
前記密閉空間が、前記第１受圧部から前記第２受圧部へ伝達される音響を減衰させる音響減衰手段として構成されている点にある。

この特徴構成によれば、内圧力を受けて開口する受圧部を２つ有し、それら２つの受圧部の間に密閉空間が形成される。常に内圧力を受ける側に配置された第１受圧部は、内圧力の変化、即ち配管や容器の内部で生じる振動を常態的に受ける。しかし、その振動によって生じる音響は、密閉空間を経由して第２受圧部に達するまでに、その密閉空間によって幾分か減衰される。第２受圧部に達した振動（音響）は、大気に対して、つまりは配管や容器の外部に向かって放射される。しかし、第１受圧部が受けた振動よりも減衰した振動に基づく音響が放射されるために騒音が抑制される。このように、本特徴構成における密閉空間は、第１受圧部から第２受圧部へ伝達される音響を減衰させる音響減衰手段として機能する。また、第１受圧部が内圧力によって開口すると、密閉空間は消滅し、第２受圧部が直ちに内圧力を受けて開口する。従って、内圧力を減圧するラプチャディスクとしての基本機能は良好に維持されている。このように、本特徴構成によれば、設定された圧力で開口すると共に、高い遮音性を有するラプチャディスクを提供することが可能となる。

また、本発明に係るラプチャディスクは、前記密閉空間が、大気圧よりも減圧されて前記音響減衰手段として構成されることを特徴とする。

波動である音響は、媒質の振動によって伝播される。密閉空間を大気圧よりも減圧すると、当然ながら密閉空間内の空気も減少する。従って、音響を伝播させる媒質が減少することとなり、密閉空間を経由して伝播される音響がさらに減衰される。その結果、さらに高い遮音性を有するラプチャディスクを提供することが可能となる。

また、本発明に係るラプチャディスクは、
前記第１受圧部を有する第１部材と、前記第２受圧部を有する第２部材とを備え、前記第１部材が、前記開放口に固定され、前記第２部材が、大気圧よりも減圧された前記密閉空間を介して前記第１部材に固定されることを特徴とする。

この特徴によれば、減圧された密閉空間と大気圧との圧力差によって、第１部材と第２部材とが固定される。第１部材に含まれる第１受圧部が開口していない時には、第１部材と第２部材との間に減圧された密閉空間が存在する。従って、第１受圧面から密閉空間を介して第２受圧面へと伝播される音響を良好に減衰させ、高い遮音性を有することができる。一方、第１受圧部が開口すると、密閉空間が消滅し、第１部材と第２部材とを固定させていた大気圧との圧力差が無くなる。また、内圧力は大気圧よりも大きいため、第２部材は、第１部材から容易に離間される。従って、第２受圧部も開口される。このように、開放口は１つの受圧面、即ち第１受圧面が内圧力によって開口されるだけで、簡単に開放される。その結果、設定された圧力で簡単に開口すると共に、高い遮音性を有するラプチャディスクを提供することができる。また、第２部材は圧力差によって第１部材に固定されているだけであるため、開口していない別の第１部材と組み合わせて再利用することも可能である。

また、本発明に係るラプチャディスクは、さらに、前記密閉空間が、吸音材を充填されて前記音響減衰手段として構成されることを特徴とする。

この特徴によれば、密閉空間に例えばグラスウールなどの吸音材を充填することによって、さらに遮音性を向上させることができる。

また、本発明に係るエンジンは、本発明に係るラプチャディスクが、排気管に設けた開放口を大気に対して封鎖する状態で設けられたことを特徴とする。

エンジンには、駆動サイクルが存在するため、排気ガスの圧力が脈動する。この脈動により、ラプチャディスクを介して開放口から騒音が放出される場合がある。しかし、本発明の特徴的構造を備えたラプチャディスクをエンジンの排気管に設ければ、排気ガスの脈動による騒音を良好に減衰させながら、排気ガスの圧力の過上昇時には開口して安全性を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のラプチャディスク１を配管５の開放口のフランジ部６ａにボルト７を用いて取り付けた場合の例を示す外観斜視図である。図２は、本発明のラプチャディスク１を配管５の開放口６フランジ部６ａにボルト７を用いて取り付けた場合の例を示す断面図である。配管５は、エンジンの排気管であり、燃焼室から１サイクルごとに排気されて脈動する排気ガスが流通する。尚、配管５がエンジン以外のプラントなどに敷設されている場合には、化学材料や燃料や蒸気などの液体や気体などの流体が流通する。図に示すように、ラプチャディスク１は、流体用の配管５に設けられた開放口６を大気に対して封鎖する状態で設けられる。配管５の内圧力が所定の設定圧力以上となると、ラプチャディスク１が開口し、開放口６を介して大気中に内圧力を開放する。以下、本実施形態では、ラプチャディスク１を配管５に取り付けた場合を例として説明するが、当然流体用の容器などにおいてラプチャディスク１を用いてもよい。

図に示すように、略円形のラプチャディスク１には、円の中心側の内部に、開放口６と概ね同軸且つ同径の円盤状の密閉空間４が形成されている。また、この密閉空間４を挟んで、配管５の側に位置する第１受圧部２と、配管５の外側、即ち大気の側に位置する第２受圧部３とが形成されている。ラプチャディスク１の円周側は、開放口６へラプチャディスク１を取り付ける際の当接部として機能し、ボルト７を通すための貫通孔が複数設けられている。配管５の開放口６は、開口端から開放口６の外側に張り出したフランジ部６ａを有している。フランジ部６ａの外形とラプチャディスク１の外形とが一致する必要はない。但し、フランジ部６ａにも、ラプチャディスク１の当接部に設けられた貫通孔と一致する位置にボルト７を通すための貫通孔が設けられている。開放口６のフランジ部６ａと、ラプチャディスク１の円周側の当接部とを貫通孔を一致させて当接させ、当該貫通孔にボルト７を通して、配管５とラプチャディスク１とが締結される。

第１受圧部２は、配管５からの内圧力を常に受ける側に配置されている。従って、内圧力の変化、即ち配管や容器の内部で生じる振動を常に受けることになる。この振動が、音響として、開放口６から大気中に放出されると、騒音となる場合がある。しかし、図２に示すように、音響が大気中に放出されるまでには、密閉空間４と第２受圧部３とを経由する必要がある。配管５の内部から第１受圧部２を透過した音響は、密閉空間４において減衰され、第２受圧部３を透過して大気に放出される音響、即ち騒音は抑制される。従って、密閉空間４は本発明の音響減衰手段として機能する。

配管５の内圧力が上昇し、ラプチャディスク１に設定された所定の設定圧力に達すると、第１受圧部２が破裂し、開口する。これにより、密閉空間４は消滅し、第２受圧部３が配管５の内圧力を受ける。この内圧力は既に設定圧力に達しているため、第２受圧部３も直ちに破裂し、開口する。これにより、開放口６は開口され、上昇した内圧力が減圧される。

ここで、密閉空間４が、大気圧よりも減圧されていると好適である。波動である音響は、媒質の振動によって伝播される。密閉空間４が大気圧よりも減圧されると、当然ながら密閉空間４内の空気も減少する。従って、音響を伝播させる媒質が減少することとなり、密閉空間４を経由して伝播される音響がさらに減衰される。従って、音響減衰手段として機能する密閉空間４の機能が更に向上される。尚、図１及び図２には不図示であるが、ラプチャディスク１には、密閉空間４と外部とを連通し、密閉空間４を減圧した後に封止される減圧孔が設けられると好適である。この減圧孔は、例えばラプチャディスク１の円周側の側面から密閉空間４に向かって設けられる。

図３は、図１及び図２とは異なる実施形態のラプチャディスク１を配管５の開放口６に取り付けた場合の例を示す断面図である。図１及び図２に示したラプチャディスク１と異なり、本例のラプチャディスク１は、分離可能な２つの部材により構成される。２つの部材とは、第１受圧部２を有する第１部材１２と、第２受圧部３を有する第２部材１３である。

図３に示すように、第１部材１２は、図１及び図２と同様に構成された第１受圧部２を底面とする低背の円筒状に形成されている。また、その底面には、さらに円周方向外側に張り出すフランジ部が形成されている。このフランジ部は、開放口６へ第１部材１２を取り付ける際の当接部として機能し、ボルト７を通すための貫通孔が複数設けられている。上述したように、配管５の開放口６のフランジ部６ａにも、ボルト７を通すための貫通孔が、フランジ部に設けられた貫通孔と一致する位置に設けられている。開放口６のフランジ部６ａと、第１部材１２のフランジ部とを貫通孔を一致させて当接させ、当該貫通孔にボルト７を通して、配管５と第１部材１２とが締結される。つまり、第１部材１２は、開放口６に固定される。図３に示した例では、簡略化のため、第１受圧部２と第１部材１２のフランジ部とを同じ厚みで図示しているが、締結時の強度を確保するために、フランジ部を厚くすると好適である。

第２部材１３は、円筒状の第１部材１２の開口端部と当接可能な端部形状を有した皿状に構成される。第１部材１２の開口端部と、第２部材の外周側端部とを当接させることによって、円筒状の第１部材１２の筒内の中空部が、閉じられた空間となる。つまり、第１部材１２と第２部材１３とを当接させ、第１部材１２と第２部材１３との間に形成された中空部を減圧することによって、両部材を固定させて密閉空間４が形成される。図３には不図示であるが、例えば、第１部材１２に、筒状の外周部を介して密閉空間４と外部とを連通し、密閉空間４を減圧した後に封止される減圧孔が設けられると好適である。

つまり、減圧された密閉空間４と大気圧との圧力差によって、第１部材１２と第２部材１３とが固定される。第１部材１２に含まれる第１受圧部２が開口していない時には、第１部材１２と第２部材１３との間に減圧された密閉空間４が存在する。従って、第１受圧面２から密閉空間４を介して第２受圧面３へと伝播される音響を良好に減衰させ、高い遮音性を有することができる。一方、第１受圧部２が内圧力により破裂し、開口すると、密閉空間４が消滅する。密閉空間４の消滅により、第１部材１２と第２部材１３とを固定させていた大気圧との圧力差が無くなる。また、配管５の内圧力は当然、大気圧よりも大きいため、第２部材１３は、第１部材１２から容易に引き離される。従って、第２受圧部３は破裂することなく、開口される。このように、開放口６は１つの受圧面、即ち第１受圧面２が内圧力によって破裂し、開口されるだけで、簡単に開放される。また、第２部材１３は圧力差によって第１部材１２に固定されているだけであるため、開口していない別の第１部材１２と組み合わせて再利用することも可能である。

尚、図１〜図３に例示したラプチャディスク１において、密閉空間４にグラスウールなどの吸音材を充填すると好適である。減圧孔を設けることが困難であるなど、製造上、密閉空間４を減圧することが困難な場合でも、吸音材の充填であれば比較的容易に実施することができる。また、密閉空間４の減圧と共に吸音材を充填すると、さらに遮音性を向上させることができて好適である。

図４は、ラプチャディスクの構造と音響減衰効果との関係を、透過損失の周波数特性によって示すグラフである。このグラフは、コンピュータシミュレーションによって求められたものである。このコンピュータシミュレーションでは、図５に示す一重構造の従来のラプチャディスク１０と、図１及び図２に示す中空構造の本発明に係るラプチャディスク１とについて周波数特性を求めた。また、中空構造のラプチャディスク１に関しては、その密閉空間４を減圧した場合の効果を検証するため、異なる気圧を設定して周波数特性を求めた。具体的には、大気圧と同じ１気圧、減圧した０．５気圧、さらに減圧した０．１気圧である。

以下にシミュレーション条件を示す。一重構造のラプチャディスク１０の受圧部の面密度は２．５ｍｍ厚のステンレスを想定して２０ｋｇ／ｍ²とした。中空構造のラプチャディスク１は、１００ｍｍ厚の空気層が、一重構造のラプチャディスク１０と同様の２０ｋｇ／ｍ²の受圧部に挟まれているものとした。尚、本シミュレーションにおいては、一重構造及び中空構造の何れも、受圧部の曲げ振動の固有周波数と音響周波数とが一致した際に生じるコインシデンス効果による透過損失の低減については考慮していない。

図４を参照すれば、一重構造のラプチャディスク１０に比べて、中空構造のラプチャディスク１は、特に１００Ｈｚ以上の高周波数域において顕著に優位な透過損失を有することがわかる。但し、一重構造のラプチャディスク１０が線形的な周波数特性を示すのに対して、中空構造のラプチャディスク１は、１００Ｈｚ以下の低周波数域において著しく透過損失が低くなる周波数が存在する。これは、中空部の共鳴によって生じるものである。しかし、この共鳴周波数は、中空部、即ち密閉空間４を厚くすることによって、より低周波数側にシフトさせることが可能である。

また、図４を参照すれば、同じ中空構造のラプチャディスク１であっても、中空部、即ち密閉空間４の圧力が低くなるほど透過損失が高くなることがわかる。また、中空部の共鳴により透過損失が低下する周波数も、中空部の圧力が低くなるほど低周波数となっていることがわかる。従って、中空部、即ち密閉空間４を厚くすることに加え、密閉空間４の圧力を低くすることによっても、共鳴周波数をより低周波数側へシフトさせることができる。人間の可聴域は概ね２０Ｈｚ以上であるから、中空構造の厚み及び密閉空間としての中空構造の圧力を調整することによって、ラプチャディスクを介して放射される騒音を大きく減衰させることができる。

以上説明したように、本発明によって、設定された圧力で開口すると共に、高い遮音性を有するラプチャディスクを提供することが可能となる。

本発明は、流体用の容器又は配管に設けられた開放口を大気に対して封鎖する状態で設けられ、当該容器又は当該配管の内圧力が所定の設定圧力以上となった際に開口して、当該内圧力を減圧するラプチャディスクに適用することができる。

本発明のラプチャディスクを配管の開放口に取り付けた場合の例を示す外観斜視図 本発明のラプチャディスクを配管の開放口に取り付けた場合の例を示す断面図 図２とは異なる実施形態のラプチャディスクを配管の開放口に取り付けた場合の例を示す断面図 ラプチャディスクの構造と音響減衰効果との関係を、透過損失の周波数特性によって示すグラフ 従来のラプチャディスクを配管の開放口に取り付けた場合の例を示す断面図

符号の説明

１：ラプチャディスク
２：第１受圧部
３：第２受圧部
４：密閉空間
５：配管
６：開放口
１２：第１部材
１３：第２部材

Claims (5)

1. 流体用の容器又は配管に設けられた開放口を大気に対して封鎖する状態で設けられ、当該容器又は当該配管の内圧力が所定の設定圧力以上となった際に開口して、当該内圧力を減圧するラプチャディスクであって、
   前記容器又は前記配管の側に位置する第１受圧部と、
   前記大気の側に位置する第２受圧部と、
   前記第１受圧部と前記第２受圧部との間に形成された密閉空間と、を有し、
   前記密閉空間が、前記第１受圧部から前記第２受圧部へ伝達される音響を減衰させる音響減衰手段として構成されているラプチャディスク。
2. 前記密閉空間は、大気圧よりも減圧されて前記音響減衰手段として構成される、請求項１に記載のラプチャディスク。
3. 前記第１受圧部を有する第１部材と、前記第２受圧部を有する第２部材とを備え、
   前記第１部材は前記開放口に固定され、前記第２部材は大気圧よりも減圧された前記密閉空間を介して前記第１部材に固定される、請求項２に記載のラプチャディスク。
4. 前記密閉空間は、吸音材が充填されて前記音響減衰手段として構成される、請求項１〜３の何れか一項に記載のラプチャディスク。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のラプチャディスクが、排気管に設けた開放口を大気に対して封鎖する状態で設けられたエンジン。

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