JP2016502038A - レーザで規定された開口線を有する圧力解放装置 - Google Patents

Abstract

圧力解放装置およびその製造方法を提供する。圧力解放装置は、同一線上の離間した複数の凹部が配置される超過圧力解放領域を含む。ギャップ部分は、超過圧力解放領域の開口時に所望の性能特性を有する開口線を規定するために、凹部間に点在する。【選択図】図１

Description

関連出願
本願は、その全体が参照として本明細書に組み込まれている２０１２年１０月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／７２０,８００号の優先権の利益を主張する。

発明の分野
本発明は、概して、圧力解放装置に関する。特に、本発明は、複数のギャップ部分が点在する同一線上の複数の凹部を生成するために、レーザを選択的に操作することで形成される開口線を含む圧力解放装置に関する。

先行技術の説明
スコア線は、しばらくの間、所定の超過圧力状態に置かれると開口するディスクの領域を規定するために破裂ディスクで用いられてきた。開口中に、破裂ディスクは、スコア線で裂けて、１つ以上の花弁状部を形成し、花弁状部は超過圧力状態の影響下で１つ以上のヒンジ領域を軸に回転して、加圧流体を開口ディスクから流すことができる。

スコア線は通常、金属製スコアリングダイを用いて形成される。金属製スコアリングダイを用いてスコア線を形成すると、ダイがディスク金属を圧縮し、加工硬化させて、金属の粒子構造を変化させる。この加工硬化により、金属の脆性が増加し、応力領域が生じ得る。この脆性および応力領域は、疲労亀裂や応力腐食の結果として、圧力解放装置の耐久年数を制限する。さらに、ダイ自体が、スコアリング工程中に摩耗して、定期的に交換しなければならないことを考えれば、ディスク製造において、スコア深さを高度に制御することは困難である。この制御の欠如は、ある程度の予測不能性を、ディスクの開口特性に与える。

ダイスコアリングの問題を避けるために、破裂ディスクの開口線を形成する代替の方法が考案されてきた。１つのこのような方法は、電解研磨法で弱め線を形成することを開示する米国特許第７，６００，５２７号に記載されている。この方法では、破裂ディスクにレジスト材料層を設ける。それから、レーザを用いて、所望の弱め線に相当するレジスト材料部分を除去する。次に、ディスクに電解研磨作業を施して、ディスクの表面から金属を除去して、所望深さを有する弱め線を形成する。しかしながら、特にディスク材料が相対的に厚く、所望の線深さに達するために長い電解研磨時間を必要とする場合、電解研磨した弱め線の幅を制御することが困難な場合がある。

直接レーザを用いて、破裂ディスク内に弱め線を加工することも提案されている。米国特許出願公開第２０１０／０１４０２６４号および第２０１０／０２２４６０３号が挙げられる。しかしながら、弱め線が、ディスクの１面に形成される比較的長い連続溝からなり、この溝が、特定の厚さのディスクで発生させることのできる破裂圧力の範囲を制限し得る限りにおいて、これらの文献は従来の弱め線構造を採用している。

本発明の一実施形態では、超過圧力解放領域と、外接フランジ部とを有する圧力解放装置を提供する。超過圧力解放領域は、対向する一対の面と、少なくとも一方の面に形成される開口線とを含む。開口線は、同一線上の離間した複数のレーザ加工凹部を有し、少なくとも一部が、前記超過圧力解放領域の開口時に形成される解放領域花弁状部を規定する。

本発明のさらに他の実施形態では、圧力解放装置に開口線を形成する方法を提供する。超過圧力解放領域と、外接フランジ部とを有する圧力解放装置が設けられる。超過圧力解放領域は、対向する面を有する。開口線は、少なくとも一方の面から材料を選択的に除去し、同一線上の離間した複数のレーザ加工凹部を形成するために、レーザを用いて超過圧力解放領域に形成され、前記開口線は、少なくとも一部が、前記超過圧力解放領域の開口時に形成される解放領域花弁状部を規定する。

図面の簡単な説明
図１は、本発明に従って製造される開口線が、凹面に形成される膨張破裂ディスクの斜視図である。 図２は、離間した複数の凹部を有する開口線を含む、図１の破裂ディスクの凹面の斜視図である。 図３は、図１の破裂ディスクの凹面の部分図である。 図４は、図１の破裂ディスクの凸面をクローズアップした断面図である。 図５は、図１の破裂ディスクの凹面をクローズアップした断面図である。 図６は、隣接する凹部間で比較的長いギャップ部分を有する開口線を描写した、他の実施形態の破裂ディスクの凹面の斜視図である。 図７は、図６の破裂ディスクの凹面の部分図である。 図８は、隣接する凹部間で比較的短いギャップ部分を有する開口線を描写した、本発明に係る他の実施形態の破裂ディスクの凹面の斜視図である。 図９は、不規則に離間した凹部を有する開口線を描写した、本発明に係る他の実施形態の破裂ディスクの凹面の斜視図である。 図１０は、厚みの薄いギャップ部分を有する代替の開口線を描写した、本発明に係る他の実施形態の破裂ディスクの凹面の部分図である。 図１１は、図１０の破裂ディスクをクローズアップした部分図である。 図１２は、図１０の破裂ディスクの凹面の断面図である。 図１３は、様々な形の凹部を有する開口線を描写した、本発明に係る他の実施形態の破裂ディスクの凹面の部分斜視図である。 図１４は、図１３の破裂ディスクの凹面をクローズアップした部分図である。 図１５は、図１３の破裂ディスクの凹面をクローズアップした断面図である。

以下の本発明の詳細な説明は、様々な実施形態を参照する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように本発明の側面を十分に詳細に説明するように意図されている。本発明の範囲から逸脱することなく、他の諸実施形態を利用することができ、変更を行うことができる。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。本発明の範囲は、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲を伴った、添付された請求項によって定義される。

図１は、反転作動破裂ディスク１０を示す。図１に示す破裂ディスク１０は、本発明が具現化できる圧力解放装置の単なる一例に過ぎないことを理解されたい。例えば、膨張していない、すなわち平坦な破裂ディスク、前方作動膨張破裂ディスク、様々な圧力解放ベント等の、その他の圧力解放装置もまた、本発明によって予期される。本発明は、動作制御および予測可能性が向上することが望ましいとされる幅広い種類の圧力解放装置に適用してもよい。

破裂ディスク１０は、図面を参照して、本明細書中で「膨張部」とも称される中央超過圧力解放部１２と、膨張部１２に外接する環状フランジ部１４とを有する。移行領域１６は、フランジ部１４の内周部を膨張部１２の外側縁につなげている。図１の破裂ディスク１０はまた、破裂ディスク１０の適切な装着を助けるために、周辺位置合わせ要素１８を含む。

破裂ディスク１０の構成部品およびその他の圧力解放装置は、様々な材料から製造できる。ある実施形態では、破裂ディスク１０およびその他の圧力解放装置は、耐腐食性材料で構成してもよい。特定の実施形態では、破裂ディスク１０およびその他の圧力解放装置は、例えば、ステンレス鋼合金、ハステロイ−Ｃ、モネル、インコネル、ニッケル等の、任意の数の従来の耐腐食性金属で構成することができる。

図１に示すように、膨張部１２は、膨張部１２が反転し始めて、その後開口する圧力を制御するのに用いられる反転開始機構１９を含んでもよい。ある実施形態では、反転開始機構１９は、膨張部１２の周辺領域よりも高い引っ張り強度を有する変質した金属粒子構造の領域を有してもよい。高い引っ張り強度の領域を含む一実施形態において、そのような領域は、膨張部１２の頂点あるいはその他の部分に位置してもよい。このような反転開始機構は、その全体が参照として本明細書に組み込まれている米国特許第６，９４５，４２０号に記載されている。その他の実施形態では、反転開始機構１９は、膨張部１２の不連続部を有してもよく、この不連続部は、膨張部１２の近接する部分に対して、その厚さを減らすようにディスク材料を除去したレーザ加工面を有する。このようなレーザ加工反転開始機構は、その全体が参照として本明細書に組み込まれている米国特許出願第１３／５５２，１６５号に記載されている。

破裂ディスク１０の膨張部１２は、凹面１２ａおよび凸面１２ｂを有する。図２に示すように、開口線２０は、膨張部１２の凹面１２ａに形成される。この実施形態では、開口線２０は、膨張部１２の周辺に、実質的に「Ｃ字型」に延びているが、開口線を形成するその他のパターンもまた、本発明によって予期される。例えば、ある実施形態では、開口線は、破裂ディスクの膨張部を横切って延びていてもよく、および／または、十字状のパターンを形成するために少なくとも１つの他の開口線と交差してもよい。

図２および図３を参照すると、開口線２０は、ヒンジ領域２５を協働で規定するように対向する一対の離間した端部領域２１、２３を有する。破裂ディスク１０の開口時に、開口線２０に沿ってディスク材料が裂けることにより、膨張部１２から花弁状部が形成され、ヒンジ領域２５を中心に回転することで、花弁状部の断片化が起こることなく、超過圧力状態が解放される。

開口線２０は、同一線上の複数の凹部２２およびギャップ部分２４を有する。ギャップ部分２４には、凹部２２が点在し、ギャップ部分２４は本質的に、隣接する凹部間に位置している。ここで、用語「同一線上」は、曲線形状および直線形状の両方を指すことができる。凹部２２は、概して、凹面１２ａあるいは凸面１２ｂの一方において、レーザ加工が施されて、ディスク材料の一部が除去されている部分を有する。図示するように、凹部２２は、対向する凸面１２ｂを貫通することなく、凹面１２ａから対向する凸面１２ｂに向かって延びている。したがって、凹部２２は、ディスク材料を完全に貫通するスリットと区別される。ギャップ部分２４は、概して、凹部２２の深さよりも小さい深さを有し、いくつかの実施形態では、開口線２０が形成される面と実質的に同一面上にある。

ある実施形態では、凹部２２が形成されるディスク材料は、単一片の、すなわち非層状材料である。例えば、開口線２０および凹部２２が形成される膨張部１２は、単一のプライあるいはシートを有する。破裂ディスク１０が追加のプライあるいは積層シートを有するか否かにかかわらず、凹部２２は、単層内にのみ含まれており、ディスクを完全に貫通しない。

その他の実施形態では、ディスク１０は、複数のプライあるいは層を有することにより、積層構造を形成することができる。各層は、金属材料、金属間材料、複合材料、セラミック、ガラス、高分子材料、あるいはこれらの組み合わせで構成してもよい。このような実施形態では、凹部２２は、１つ以上の層を完全に貫通してもよいが、一つの層を部分的にのみ延びていてもよい。したがって、先に説明した実施形態のように、積層ディスク構造体において、凹部２２が、その一部にのみ延びている少なくとも１つの層が存在する。このことは、スリットあるいは凹部が、ディスクの他の１つの層を少なくとも部分的に延びることなく、ディスクの層のうち１層を完全に貫通して延びている従来のディスク構造体（例えば、米国特許第５，０８０，１２４号を参照）とは対照的である。

先に述べたように、凹部２２は、レーザ加工により形成できる。超過圧力解放領域の材料の一部を除去するのに適したものであれば、どのような種類のレーザでも用いることができる。しかしながら、熱影響部の発生等により、解放領域材料の金属粒子構造が実質的に変化することのないレーザを選択することが好ましい。しかしながら、凹部２２を形成するために、高速メカニカルフライス加工（例えば、その全体が参照として本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２００９／０３０２０３５号を参照）、電解研磨等の、その他の技術を利用することは、本発明の範囲内である。

図４および図５は、どのように凹部２２が凹面１２ａから凸面１２ｂに向かって延びているのか、および、ギャップ部分２４が凹面１２ａと実質的に同一面上にあることをより詳細に示す。さらに、凹部２２は、実質的に直線的な縁２６ａ〜ｄを有するが、このような縁は、特に、開口線２０が曲線構造である場合に、いくらか少しの曲線を含んでもよい。

本発明に従って製造される開口線は、典型的なスコア線等と比べて、超過圧力解放領域の剛性および完全性が向上している。これにより、開口時のディスクの引き裂きの質をより堅固に制御することが可能となり、いくつかの実施形態では、ある材料厚さで製造されるディスクにおける破裂圧力の範囲を拡大している。凹部およびギャップ部分の相対形状、幅、長さ、および深さを変えることにより、特定の用途に適するようにディスクの開口特性を最適化することができる。さらに、凹部に隣接する圧力解放領域の材料の金属粒子構造を変化させることなく、凹部が形成されるので、金属疲労の問題は、完全になくならないまでも、減少する。

凹部２２の深さは、特定の圧力解放装置に要求される仕様に従って変えることができる。ある実施形態では、少なくとも１つの凹部２２の深さは、近接する膨張部１２の厚さの約５０％から約９０％の間、約６０％から約８５％の間、あるいは約６５％から約８０％の間である。いくつかの実施形態において、凹部２２の深さは、開口線２０全体にわたって均一であってもよい。その他の実施形態では、凹部２２の深さが、開口線２０の長さに沿って変化する。例えば、開口線２０は、ヒンジ領域２５に隣接し、かつヒンジ領域２５とは反対側の凹部の深さよりも小さい深さを有する凹部２２を有することができる。

積層ディスク構造体においては、レーザ加工によって得られる切削深さの精度により、積層ディスク構造体を製造した後に、凹部２２を構造体に生成することが可能となる。以前は、１つ以上の凹んだ領域を有する多層ディスク構造体を製造するには、まず、単一プライディスク材料に貫通するスリットの加工が行われた。このステップに続いて、スリット入りのディスク材料に封止層を付与する、あるいは、スリット入りディスク材料の上に追加のディスクプライを積層した。しかしながら、本発明は、上述するように、積層ディスク構造体の製造が完了した後に、凹部２２を加工することができる。

凹部の長さおよび幅に関して、凹部２２は、開口線２０の全長にわたって、実質的に均一とする、あるいは、大幅に変えることができる。図２〜５において、凹部２２およびギャップ部分２４は、開口線２０の全長にわたって規則的に離間している。図示するように、凹部２２は、概して、介在するギャップ部分２４より長い。しかしながら、図６〜７では、凹部２２ａが、介在するギャップ部分２４よりも短い破裂ディスク１０を示す。ある実施形態では、開口線２０ａは、図２〜５の開口線２０よりも引き裂きに対する抵抗が増加する。

図８は、凹部２２ｂの長さが、開口線２０ｂの全長にわたって均一であるが、ギャップ部分２４ｂが凹部２２ｂより大幅に短い破裂ディスク１０ｂのさらに他の実施形態を示す。したがって、ある実施形態では、開口線２０ｂは、各ディスクの開口時に、線２０ａよりも引き裂きに対する抵抗が低くなる。

図９は、実質的に均一な凹部２２ｃであるが、可変長ギャップ部分を有する開口線２０ｃを有する例示的な破裂ディスク１０ｃを示す。図示するように、ヒンジ領域２５とは反対側に位置するギャップ部分２４ｃは、端部領域２１および２３に近い側に位置するギャップ部分２４ｄよりも短い長さを有する。したがって、ある実施形態において、開口線２０ｃは、ヒンジ領域２５と対向する領域では引き裂きに対する低い抵抗を示し、ヒンジ領域２５に近づくほど引き裂きに対する高い抵抗を示す。このような構成により、超過圧力解放領域が開口するにつれてエネルギーが吸収され、花弁状部が断片化する可能性が減少する。

前述の具体例を考慮して、所望のディスク開口性能を達成するために、各凹部２２及びギャップ部分２４の特性は、大幅に変更できることが認識できる。

図１０〜１５は、本発明に従って製造される開口線の追加の実施形態を示す。まず図１０〜１２では、膨張部１１２の凹面１１２ａに形成される開口線１２０を有する膨張破裂ディスク１１０を示す。開口線１２０は、交互に配置される複数の凹部１２２およびギャップ部分１２４を有する。しかしながら、上述した実施形態とは異なり、ギャップ部分１２４は、凹面１１２ａと同一面上にない。むしろ、これらのギャップ部分１２４は、凹部１２２よりも深さは小さいが、それら自体は、凹面１１２ａから凹んでいる。このような構造体の製造において、開始チャンネル１３０（図１１を参照）を、（例えば、レーザ加工によって）膨張部１１２の凹面１１２ａにフライス加工することができる。ある実施形態では、チャンネル１３０は、必ずしもそうであるとは限らないが、その全長にわたって実質的に均一とすることができる。チャンネル１３０の所望の深さに達すると、レーザがチャンネル１３０を通過して、ある所定の領域から材料を選択的に除去するために断続的に操作されることで、凹部１２２およびギャップ部分１２４を形成できる。したがって、ギャップ部分１２４は、隣接する凹部１２２間に延びているレーザ加工面１３２を有しているが、このレーザ加工面１３２は、凹部１２２に対して浅い深さに位置している。

凹部１２２およびギャップ部分１２４は、開口線１２０の長さに沿って、長さ、幅、深さ、均一性およびばらつきの点で、上述した凹部２２およびギャップ部分２４と同様に構成できる。図１３〜１５では、凹面１１２ａに形成される開口線１２０ａを有する破裂ディスク１１０ａを示す。凹部１２２ａおよびギャップ部分１２４ａは、代替の幾何学構造を有する。図１４で詳細に示すように、凹部１２２ａは、実質的に菱形となっている。ここで再び、凹部１２２ａの縁は、開口線１２０の全体構成が曲線である場合、正確な平行四辺形を形成しなくてもよい。凹部１２２ａおよびギャップ部分１２４ａのその他の形状もまた、本発明によって予期される。例えば、凹部１２２ａは、円、楕円、長方形、あるいは台形としてもよい。台形について図で説明すると、凹部１２２ｂおよび１２２ｃは、実質的に台形形状に加工され、実質的に平行な側縁を有するギャップ部分１２４ｂによって区切られている。

したがって、本発明に従って形成される開口線は、多くの構成の凹部およびギャップ部分を具備しているのは明らかである。開口線の所望の開口特性を達成するために、上述した構成要素あるいは構造のいずれかを組み合わせることができることが認識される。したがって、本発明の範囲は、上述した実施形態によって制限されるとはみなされない。

Claims (38)

1. 対向する一対の面を有する超過圧力解放領域と、
   外接フランジ部とを有する圧力解放装置であって、
   前記超過圧力解放領域は、少なくとも一方の面に形成される開口線を有し、前記開口線は、同一線上に形成される離間した複数のレーザ加工凹部を有し、
   前記開口線は、少なくとも一部が、前記超過圧力解放領域の開口時に形成される解放領域花弁状部を規定することを特徴とする圧力解放装置。
2. 前記レーザ加工凹部の長さが実質的に均一である請求項１に記載の圧力解放装置。
3. 前記レーザ加工凹部の長さが変化する請求項１に記載の圧力解放装置。
4. 前記開口線は、さらに、その間に前記レーザ加工凹部が点在する複数のギャップ部分を有する請求項１に記載の圧力解放装置。
5. 前記ギャップ部分は、前記レーザ加工凹部の深さよりも浅い深さを有する請求項４に記載の圧力解放装置。
6. 前記ギャップ部分は、前記開口線が形成される前記超過圧力解放領域の面と同一面上にある請求項５に記載の圧力解放装置。
7. 前記ギャップ部分は、レーザ加工面を有する請求項５に記載の圧力解放装置。
8. 前記ギャップ部分の長さが実質的に均一である請求項４に記載の圧力解放装置。
9. 前記ギャップ部分の長さが変化する請求項４に記載の圧力解放装置。
10. 前記複数のレーザ加工凹部のうちの少なくとも１つの凹部は、前記開口線が形成される前記一方の面から、前記一対の面の内の他方の面に向かって延びており、前記少なくとも１つの凹部に近接する前記超過圧力解放領域の厚さの５０％〜９０％の深さを有する請求項１に記載の圧力解放装置。
11. 前記圧力解放装置は、金属材料で構成する請求項１に記載の圧力解放装置。
12. 前記超過圧力解放領域の金属粒子構造は、前記開口線の凹部に沿って、かつ前記開口線の凹部に近接して実質的に均一である請求項１１に記載の圧力解放装置。
13. 前記開口線は、実質的にＣ字型であり、前記超過圧力解放領域のヒンジ領域を協働で規定するように離間して対向する端部領域を有する請求項１に記載の圧力解放装置。
14. 前記超過圧力解放領域は、膨張しており、前記一対の面の一方が凸面で、前記一対の面の他方が凹面である請求項１に記載の圧力解放装置。
15. 前記レーザ加工凹部は、前記凹面に形成される請求項１４に記載の圧力解放装置。
16. 前記圧力解放装置は、反転作動破裂ディスクである請求項１５に記載の圧力解放装置。
17. 前記超過圧力解放領域は、反転開始機構を有する請求項１６に記載の圧力解放装置。
18. 前記反転開始機構は、前記超過圧力解放領域の不連続部を有し、前記不連続部は、前記超過圧力解放領域の残りの部分の金属よりも大きい残留応力を呈する変質した金属粒子構造を有する請求項１７に記載の圧力解放装置。
19. 前記反転開始機構は、前記超過圧力解放領域の不連続部を有し、前記不連続部は、その厚さを減らすように金属を除去したレーザ加工面を有する請求項１７に記載の圧力解放装置。
20. 圧力解放装置に開口線を形成する方法であって、
    対向する一対の面を有する超過圧力解放領域と、外接フランジ部とを有する圧力解放装置を準備する工程と、
    少なくとも一方の面から材料を選択的に除去して同一線上の離間した複数のレーザ加工凹部を形成するために、レーザを用いて前記超過圧力解放領域に前記開口線を形成する工程を有し、
    前記開口線は、少なくとも一部が、前記超過圧力解放領域の開口時に形成される解放領域花弁状部を規定することを特徴とする方法。
21. 前記レーザ加工凹部の長さが実質的に均一である請求項２０に記載の方法。
22. 前記レーザ加工凹部の長さが変化する請求項２０に記載の方法。
23. 前記開口線は、さらに、その間に前記レーザ加工凹部が点在する複数のギャップ部分を有する請求項２０に記載の方法。
24. 前記ギャップ部分は、前記レーザ加工凹部の深さよりも浅い深さを有する請求項２３に記載の方法。
25. 前記ギャップ部分は、前記開口線が形成される前記超過圧力解放領域の面と同一面上にある請求項２４に記載の方法。
26. 前記ギャップ部分は、レーザ加工面を有する請求項２４に記載の方法。
27. 前記ギャップ部分の長さが実質的に均一である請求項２３に記載の方法。
28. 前記ギャップ部分の長さが変化する請求項２３に記載の方法。
29. 前記複数のレーザ加工凹部のうちの少なくとも１つの凹部は、前記開口線が形成される前記一方の面から、前記一対の面の内の他方の面に向かって延びており、前記少なくとも１つの凹部に近接する前記解放領域の厚さの５０％〜９０％の深さを有する請求項２０に記載の方法。
30. 前記圧力解放装置の材料は、金属で構成する請求項２０に記載の方法。
31. 前記開口線に隣接する前記超過圧力解放領域は、実質的に均一の金属粒子構造を有し、
    前記少なくとも一方の前記面から材料を除去する工程は、前記開口線に隣接する前記超過圧力解放領域の実質的に均一な金属粒子構造を崩すことなく金属を除去する工程を有する請求項３０に記載の方法。
32. 前記レーザによって形成される前記開口線は、実質的にＣ字型であり、前記超過圧力解放領域のヒンジ領域を協働で規定するように離間して対向する端部領域を有する請求項２０に記載の方法。
33. 前記超過圧力解放領域は、膨張しており、前記一対の面の一方が凸面で、前記一対の面の他方が凹面である請求項２０に記載の方法。
34. 前記レーザ加工凹部は、前記凹面に形成される請求項３３に記載の方法。
35. 前記圧力解放装置は、反転作動破裂ディスクである請求項３４に記載の方法。
36. 前記超過圧力解放領域は、反転開始機構を有する請求項３５に記載の方法。
37. 前記反転開始機構は、前記超過圧力解放領域の不連続部を有し、前記不連続部は、前記超過圧力解放領域の残りの部分の金属よりも大きい残留応力を呈する変質した金属粒子構造を有する、請求項３６に記載の方法。
38. 前記反転開始機構は、前記超過圧力解放領域の不連続部を有し、前記不連続部は、その厚さを減らすように金属を除去したレーザ加工面を有する請求項３６に記載の方法。

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