JP5738776B2 - 圧力逃がし弁のための形状記憶合金トリガー - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

圧力容器は、一般に、例えば水素、酸素、天然ガス、窒素、プロパン、および他の燃料の貯蔵など、圧力下で種々の流体を収容するために使用される。適したコンテナ材料は、熱硬化性または熱可塑性樹脂によって共に結合された、巻かれたガラス繊維フィラメントまたは他の合成フィラメントのラミネート層を含む。ポリマーまたは他の非金属弾性のライナーまたはブラダーが、しばしば複合材シェル内に配設されて、容器を封止し、内部流体が複合材料に接触することを防止する。容器の複合材構成は、重量が軽いこと、ならびに、腐食、疲労、および完全破損に対する耐性などのいくつかの利点をもたらす。これらの特性は、圧力容器の構成において主要な力の方向に通常配向される強化繊維またはフィラメントの高い比強度に起因している。

図１，２は、例えば米国特許第５，４７６，１８９号に開示されているような長尺状の圧力容器１０を図示しており、米国特許第５，４７６，１８９号は、参照によって本明細書に援用される。容器１０は、複数の端部１４を有する本体部１２を備えている。通常アルミニウムで構成されるボス１６は、容器１０の一端または両端に設けられ、容器１０の内部と連通するためのポートを提供する。容器１０は、外側複合材シェル１８によって覆われた内側ポリマーライナー２０から形成される。この場合、「複合材」は、例えばフィラメント巻き構造またはフィラメント積層構造などの繊維強化樹脂マトリクス材料を意味する。複合材シェル１８は全ての構造負荷を分離し、ライナー２０はガス障壁をもたらす。

圧力容器が高熱にさらされると、火炎の場合と同様に、熱は、容器内のガスの圧力を増加させる。典型的な鋼製容器の場合、１つまたは複数の破裂ディスクが、容器の端部ポートにおける弁体内に設けられる。これらのディスクは、圧力増加に反応して、タンクが破裂する前にガスを放出する。

しかしながら、複合材容器の場合、複合材は、鋼のように熱くならないので、圧力は、同じようにタンク内で上昇しない（このため、圧力増加によって作動される圧力放出弁は適切ではない）。しかしながら、熱にさらされ続けると、複合材容器内の圧力が増加して、最終的には、破裂が生じることにより、ガスの制御されない放出および／または爆発をもたらす。

先行技術では、複数の温度センサが、タンクに沿った個別の場所に配置される。こうしたセンサは、タンク用の１つまたは複数の圧力逃がし弁に動作可能に結合される。こうした結合は、電気的に、化学的に、機械的に、または加圧ラインによって達成されてもよい。ある例では、複数の個別のセンサは、タンクの外側に沿って延びる加圧管内に締結される。しかしながら、いくつかの商品（たとえば高圧ガス）の輸送を規制する一部の当局は、輸送中に加圧されるラインまたはマニホールドの使用を抑制している。さらに、タンク上の個別の場所に配置されたセンサの使用は、センサ範囲にないタンクの部位を残している。
［概要］
本開示は、弁と、長尺状の形状記憶合金要素とを備える装置を説明する。弁は、第１の位置にあるレバーを備え、第１の位置にあるレバーにより弁が閉じる。長尺状の形状記憶合金要素は、レバーに接続された第１の端部を有する。形状記憶合金要素は、第１の長さを有するように引っ張られていて、形状記憶合金要素の少なくとも一部分が、当該形状記憶合金要素のオーステナイト変態温度の温度またはオーステナイト変態温度を超える温度に曝されて、形状記憶合金要素が第１の長さ未満の第２の長さに縮まることにより、形状記憶合金要素の第１の端部がレバーを第２の位置まで牽引して、弁が開かれる。

本概要は、以下の詳細な説明でさらに説明する概念を簡略化した形態で導入するために提供される。本概要は、開示された主題または特許請求された主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、また、開示された主題または特許請求された主題のそれぞれの開示された実施形態または全ての実施を説明することを意図していない。具体的には、一実施形態に関して本明細書で開示される特徴は、別の実施形態にも同等に適用可能であってよい。さらに、本概要は、特許請求された主題の範囲を決定するときの補助として使用されることを意図していない。多くの他の新規な利点、特徴、および関係は、本説明が進むにつれて明らかになるであろう。次に続く図および説明は、例証的な実施形態をより詳細に例示する。

開示された主題は、添付の図を参照してさらに説明されるであろう。図では、同じ構造またはシステム要素は、いくつかの図にわたって同じ参照符号によって参照される。
典型的な長尺状の圧力容器の側面図である。 図１のライン２−２に沿って切取った、このような圧力容器の一端を通る部分断面図である。 本開示の圧力逃がし弁のための例示的な形状記憶合金トリガーを組み込んでいる長尺状の圧力容器の側面図である。 圧力逃がし弁が閉鎖位置にある、図３の圧力容器の端部の一部分の概略図である。 圧力逃がし弁が第１の開放位置にある、図３の圧力容器の端部の一部分の概略図である。 圧力逃がし弁が第２の開放位置にある、図３の圧力容器の端部の一部分の概略図である。 容器の各端部で圧力逃がし弁に接続された例示的な形状記憶合金トリガーを組み込んでいる長尺状の圧力容器の側面図である。

上記で特定した図は、開示された主題の１つまたは複数の実施形態を記載しているものの、本開示で述べるように、他の実施形態も想定される。全ての場合において、本開示は、開示された主題を限定ではなく代表として提示する。本開示の原理の範囲および精神内に入る多くの他の変更形態および実施形態が、当業者によって考案され得ることが理解されるべきである。

図は、一定の縮尺で描かれていない可能性がある。具体的には、一部の特徴は、明確にするために、他の特徴に対して拡大され得る。さらに、例えば上方（ａｂｏｖｅ）、下方（ｂｅｌｏｗ）、上方（ｏｖｅｒ）、下方（ｕｎｄｅｒ）、上部（ｔｏｐ）、底部（ｂｏｔｔｏｍ）、側部（ｓｉｄｅ）、右（ｒｉｇｈｔ）、左（ｌｅｆｔ）、垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）、水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）などのような用語が使用される場合、それらの用語は、説明を理解することを容易にするためだけに使用されることが理解される。構造が他の方向に配向されてもよいことは想定されている。
［詳細な説明］
本開示は、具体的には容器が火炎に曝されるときの、例えば複合材円筒状ガス貯蔵容器などの圧力容器の制御された減圧のためのセンサと弁との組立体を提供する。本開示は、圧力に基づいて弁を使用して過剰なガスを除去するというよりもむしろ、容器内からガスを放出するための温度作動式のセンサと弁との組立体２１を提供する。図３に図示されるように、１つの管２２が、圧力容器１０’の外側に搭載され、容器１０’の長さに沿って延在している。例示的な実施形態では、管２２は、ステンレス鋼で作られ、０．２５インチの外径を有する。例示的な実施形態では、管２２は、（図４Ｃに示された）複数の穿孔４０を有し、より自由な熱流が管２２内に入ることができる。圧力除去または放出弁（ＰＲＶ）２４は、管２２における第１の端部２６付近のボス１６’上に搭載される。

例えばワイヤ２８などの長尺状の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素は、約１０％引っ張ること（ワイヤ２８を伸ばすこと）によって「設定（ｓｅｔ）」される。この引っ張りは、ＳＭＡのオーステナイト開始温度未満の温度で達成される。引っ張られたワイヤ２８は、管２２内に挿通され、ＰＲＶ２４のレバー３２に対して固定される。ワイヤ２８の第１の端部３０は、ＰＲＶ２４のレバー３２に取り付けられる。ワイヤ２８の第２の端部３４は、例えば、（例えば機械的締結具によって、またはワイヤ２８における第２の端部３４を覆って管２２における第２の端部３６を加締めることなどによって）管２２における第２の端部３６に取り付けられることなどによって、管２２に対して固定される。例示的な実施形態では、ワイヤ２８における第２の端部３４は、圧力容器１０’に対して位置的に固定される。

例示的な実施形態では、ＰＲＶ２４は、従来の１／４回転弁である。図４Ａは、閉鎖位置にあるＰＲＶ２４を示し、レバー３２が垂直位置にある。こうした従来の１／４回転弁を用いて、レバー３２を約９０°（図４Ｂまたは４Ｃに示された位置まで）回転させることによって、弁が開いて、ガスがボス１６’から漏出することができる。

例示的な実施形態では、ワイヤ２８のオーステナイト変態温度まで、またはその温度を超えて、ワイヤ２８を過熱すると、ワイヤ２８が６〜８％だけ収縮する。そのため、変態されたワイヤの各１フィートについて、ワイヤ２８によって回復された引っ張りは、ワイヤ２８を０．７２〜０．９６インチだけ縮める。ワイヤ２８が短くなると、第１の端部３０は、（０．０６インチのワイヤ径の場合）約１２０ポンドの力で引いて、レバー３２を回動させ、ＰＲＶ２４を開く。例示的な実施形態では、容器１０’の必要な部位を、ワイヤ２８の変態温度に、またはその温度を超えた温度に曝すことで、図４Ｂに図示された開放位置までレバー３２を牽引するのに適切にワイヤ２８が縮まるように、開示されたトリガーが設計される。例示的な実施形態では、ＰＲＶ２４は、ワイヤ２８全体の収縮が１インチでトリガーするように設計されている。ワイヤ２８の端部３０は、図示された実施形態では、レバー３２の端部に取り付けられている一方、ワイヤ３２は、ＰＲＶ２４を開くのに必要とされる変位および牽引力を考慮して、特定の用途に適切なように別の位置でレバー３２に取り付けられ得る。

センサとの弁との組立体２１をトリガーするための熱は、ＳＭＡワイヤ２８の長さに沿ってどこにでも存在し得る。例示的な実施形態では、ＳＭＡワイヤ２８は、容器１０’の実質的に全長に沿って容器表面に平行な実質的に直線で延在するので、圧力容器１０’を当該圧力容器１０’の全長にわたり保護する。他の実施形態では、管２２およびワイヤ２８は、火炎または高温が検出される可能性があるさらなる位置まで延在する。ワイヤ２８の任意の部位が、定められた温度を超えて加熱される場合、ワイヤは、一定の程度だけ収縮することになる。ワイヤ２８が十分に収縮する場合、ワイヤ２８の端部３０の移動がレバー３２を牽引して、ＰＲＶ２４を開く。ＰＲＶ２４がこうして開いた状態で、容器１０’内からの、加圧されたガスが、制御された方式で開いたＰＲＶ２４を通して漏出できる。

したがって、ＳＭＡワイヤ２８は、容器１０’の全長に沿った温度センサとして機能するので、局所的な火炎に反応して、容器１０’からガスを放出することができる。開示されたトリガー構成は、あらゆる長さの容器、さらに、非常に長い圧力容器を保護するのに使用され得る。２つ以上の管２２およびワイヤ２８が、単一の弁２４上で使用され得る。管２２およびワイヤ２８は、一直線の経路に限定されるのではなく、ワイヤ２８が管２２内で可動である限り曲げられ得る。例えば、タンクの一端から他端まで螺旋配置で置かれたＳＭＡワイヤ２８は、タンクの全ての側部に関する保護ならびにタンクの長さについての保護を提供する。管２２は、センサワイヤ２８の性能に悪影響を与える可能性がある環境条件からセンサワイヤ２８を保護する。この構成は、比較的安価なセンサ組立体２１をもたらす。オーステナイト変態温度を超える温度にワイヤ２８が曝されるときにＰＲＶ２４がトリガーされることになるだけであるため、開示されたセンサ組立体２１は誤ったトリガー動作を最小限にする。変態温度は、ワイヤ合金組成によって決定される。１つの例示的な実施形態では、合金は、５４．７９重量％ニッケルおよび４５．２１重量％チタンであり、１００℃（２１２°Ｆ）の変態温度を有する。力の量は、形状記憶要素またはワイヤ２８の断面積（例えば直径）を選択することによって制御され得る。約０．０６インチの直径を有する例示的なワイヤは、周囲温度が特定の合金の変態温度を超えると、約１２０ポンドの引張りを生じる。より大きな力は、より大きな断面積を有するワイヤで達成される。生じる力は、長さおよび温度に本質的に無関係であるので、より高い温度またはより大きな熱入力は、変態によって生じる力を著しく増加または減少させないことになる。センサ組立体２１は、所定場所に置かれると、圧力容器１０’の寿命の間、本質的にメンテナンスフリーである。形状記憶ワイヤ２８は、変態が起こるまで、本質的に応力下にない。

圧力放出デバイスはまた、ワイヤ２８が切断される場合にトリガーされるように設定され得る。例示的な実施形態では、レバー３２は、（例えば、ばね３８などによって）図４Ａの「オフ」位置から約９０°の回転角度だけオフセットされる図４Ｃに示される方向に（図４Ａ，４Ｂにそれぞれ示される「オフ」位置と「オン」位置との間のオフセットと反対の方向に）付勢される。そのため、ワイヤ２８が切断され、もはやレバー３２上に牽引力を加えない場合、レバー３２が図４Ｃに図示された位置に自動的にはじかれることにより、ＰＲＶ２４が開く。

図５に図示される別の例示的な実施形態では、ワイヤ２８の第２の端部３４は、第２のＰＲＶのレバーに取り付けられる。ワイヤ２８の第２の端部３４が第２のＰＲＶのレバーに取り付けられることで、２つのＰＲＶが作動できることになり、両方の端部１４’から容器１０’を通気させる。さらに別の実施形態では、開示された管とＳＭＡ弁とセンサとの組立体２１は、例えば火炎鎮圧システムなどの（ＰＲＶだけでなく）あらゆるデバイスを作動させるのに使用され得る。

本開示の主題がいくつかの実施形態を参照して説明されてきたが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更が行われ得ることを当業者は認識するであろう。さらに、一実施形態に関して開示されたあらゆる特徴は、別の実施形態に組み込まれてもよく、その逆もそうである。

Claims (14)

1. 装置であって、
   第１の位置にあるレバーを備える弁であって、該第１の位置にある該レバーにより弁が閉じられる、弁と、
   前記レバーに接続された第１の端部を有する長尺の形状記憶合金要素であって、前記形状記憶合金要素は、第１の長さを有するように引っ張られ、前記形状記憶合金要素の少なくとも一部分を、該形状記憶合金要素のオーステナイト変態温度の温度または該オーステナイト変態温度を超える温度に曝すことで、前記形状記憶合金要素を前記第１の長さ未満の第２の長さに縮めて、該形状記憶合金要素の前記第１の端部が前記レバーを第２の位置へと第１の方向に牽引して、前記弁が開かれる、形状記憶合金要素と、
   前記長尺の形状記憶合金要素が切断されると、前記レバーを前記第１の位置および前記第２の位置とは異なる第３の位置へと前記第１の方向とは反対の第２の方向に付勢する付勢要素であって、該第３の位置へと付勢された前記レバーにより前記弁が開かれる、付勢要素と
   を備える、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記弁は、圧力放出弁である、装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の装置であって、
   圧力容器上に配置される、装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、
   前記弁は、前記圧力容器のボス上に搭載される、装置。
5. 請求項３に記載の装置であって、
   前記長尺の形状記憶合金要素は、前記圧力容器の長さに沿って配置される、装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置であって、
   前記弁は、１／４回転弁である、装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置であって、
   前記形状記憶合金要素の少なくとも一部分が内部に配置される管をさらに備える、装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、
   前記管は、複数の穿孔を備える、装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、
   前記形状記憶合金要素は、位置的に固定されている第２の端部を有している、装置。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、
    前記形状記憶合金要素は、第２の弁における第２のレバーに接続される第２の端部を有している、装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置であって、
    前記レバーの前記第１の位置および前記レバーの前記第２の位置は、９０°の回転角度だけオフセットされる、装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置であって、
    前記第３の位置は、前記レバーの前記第１の位置と前記レバーの前記第２の位置との間のオフセットの回転方向と反対の回転方向に９０°の回転角度だけ前記第１の位置からオフセットされる、装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置であって、
    前記付勢要素は、ばねである、装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置であって、
    前記形状記憶合金要素は、タンクの一端から他端まで螺旋配置である、装置。

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