(57)【要約】【課題】レーザで定められ、電解研磨された弱め線の凹所を有する反転作動破裂板、および反転時に破裂板が確実に完全に開口するように反転作動破裂板に電解研磨された弱め線の凹所を形成する改善された方法を提供する。【解決手段】未完成破裂板は、予備膨張させられ、最終膨張させられ、その後、レジスト材料の層が設けられる。レーザを用いて、膨張させられた破裂板の凹面内の所望する弱め線の凹所に対応するレジスト材料の層のすくなくとも一部を除去する。その後、破裂板に電解研磨処理を施し、破裂板のレーザ加工が施された区域から金属を除去し、それによって、所望の構成および材料の厚みに対応する所定の深さの光沢のある、研磨された弱め線の凹所を破裂板に形成する。電解研磨弱された凹所は、中央の高くなったクラウン部によって分けられ、離間して対置された溝部によって定められる。その際、溝部の深さはクラウン部より深い。電解研磨された弱め線の凹所を有する破裂板の破裂／反転圧力は、破裂板の予備膨張圧力を変化させることによって選択的に制御できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対置する表面を持つ比較的薄い金属部材を有し、
前記部材の対置する表面の１つは、前記１つの表面内の凹所によって定められた細長い弱め線を備え、
前記細長い弱め線の凹所は、前記部材の過剰圧力解放領域の輪郭を呈するように構成され、
前記弱め線の凹所は、中央の高くなったクラウン部によって分けられ、離間して対置された溝部によって定められ、
前記溝部は前記クラウン部分よりも深さが深い圧力解放デバイス。
【請求項２】
前記弱め線の凹所は、電解研磨された表面を有する請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項３】
前記弱め線の凹所は、断面が実質的にＷ字型である請求項３に記載の圧力解放デバイス。
【請求項４】
前記クラウン部が概ね逆Ｕ字型である請求項３に記載の圧力解放デバイス。
【請求項５】
前記弱め線の凹所の最大深さは、前記部材の断面の厚みのすくなくとも略７０％±２５％である請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項６】
前記弱め線の凹所の最大深さは、前記部材の断面の厚みのすくなくとも略７０％±１０％である請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項７】
前記弱め線の凹所の最大深さは、前記部材の断面の厚みのすくなくとも略７０％±５％である請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項８】
前記弱め線の凹所の表面は、電解研磨され不活性化された表面である請求項２に記載の圧力解放デバイス。
【請求項９】
前記弱め線の凹所の幅は、略０．００２インチ〜略０．１インチである請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１０】
前記弱め線の凹所の幅は、略０．０１０インチ〜略０．０８０インチである請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１１】
前記溝部の深さは、前記凹所の長さにわたり実質的に均一である請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１２】
前記凹所の各々の溝部の幅は、前記凹所の全幅の略２５％である請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１３】
前記金属部材は膨張部を有し、前記弱め線の凹所は前記金属部材の前記膨張部内に設けられる請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１４】
前記金属部材の前記膨張部は凸面と凹面とを有し、前記弱め線の凹所は前記金属部材の前記凹面に設けられる請求項１に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１５】
前記弱め線の凹所は、前記金属部材の前記膨張部の境界の近くに位置する請求項１４に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１６】
前記弱め線の凹所は、概ねＣ字形形状である請求項１４に記載の圧力解放デバイス。
【請求項１７】
１つの表面を提供する金属材料の板と、
前記板の表面に塗布されたレジスト材料の層と、を有し、
前記レジスト材料の所定の区域は、前記層の他の部分よりも厚さが薄く、しかも前記所定の区域の板の表面に接する状態で前記レジスト材料の残部が存在するように、侵食されている圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項１８】
前記レジスト材料は、所定の線に沿って侵食され、
前記レジスト材料の残部は、前記所定の線に沿って前記板の表面に接触する請求項１７に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項１９】
前記レジスト材料は、概ねＣ字形の線に沿って侵食され、前記レジスト材料の残部は前記Ｃ字形の線に沿って前記板の表面に接触する請求項１７に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２０】
レーザ加工で侵食された区域を備える請求項１７に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２１】
前記金属材料の板は膨張部を有し、前記所定の侵食された区域は前記金属材料板の前記膨張部内にある請求項１７に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２２】
前記板材料の前記膨張部は対置する凸面および凹面を有し、前記所定の区域は前記板材料の凹面上にある請求項２１に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２３】
１つの表面を提供する金属材料の板と、
前記表面に塗布されたレジスト材料の層と、を有し、
前記レジスト材料の層は、レーザ加工された所定の区域を備える圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２４】
前記レーザ加工された所定の区域は、１つの線を呈する形状を成す請求項２３に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２５】
前記レーザ加工された線は、概ねＣ字形である請求項２４に記載の圧力解放デバイスの前段階品。
【請求項２６】
互いに対置する表面を持つ比較的薄い金属部材を有し、
前記部材の対置する表面の１つは、前記１つの表面内の凹所によって定められた細長い弱め線を備え、
前記細長い弱め線の凹所は、前記部材の過剰圧力解放領域の輪郭を呈するように構成され、
前記弱め線の凹所は、底壁面によってつながった、離間して対向した側壁部によって定められ、
前記弱め線の凹所の表面は、平均表面からの平均偏差がおよそ４μインチ以下である光沢表面仕上げが施された圧力解放デバイス。
【請求項２７】
前記弱め線の凹所は、平均表面からの平均偏差がおよそ２μインチ以下である光沢表面仕上げが施された請求項２６に記載の圧力解放デバイス。
【請求項２８】
互いに対置する表面を持つ比較的薄い金属部材を有し、
前記部材の対置する表面の１つは、前記１つの表面内の凹所によって定められた細長い弱め線を備え、
前記細長い弱め線の凹所は、前記部材の過剰圧力解放領域の輪郭を呈するように構成され、
前記弱め線の凹所は、底壁面によってつながった、離間して対向した側壁部によって定められ、
前記弱め線の凹所の前記表面は、前記金属材料の部材の表面仕上げより、少なくとも略６倍平滑である、光沢のある表面仕上げが施される圧力解放デバイス。
【請求項２９】
前記弱め線の凹所は、前記金属部材の表面仕上げより、少なくとも略８倍平滑である光沢表面仕上げが施された請求項２８に記載の圧力解放デバイス。
【請求項３０】
解放デバイスの互いに対置する表面の、少なくとも１つの表面上の一部分に、レジスト材料のバリア層を塗布するステップと、
前記解放デバイスの前記１つの表面上の前記レジスト材料のバリア層の所定の区域をレーザ加工するステップと、
前記レーザ加工された前記レジスト材料の所定の区域に対応する解放デバイスから、金属を除去するステップと、
前記レーザ加工された前記レジスト材料の所定の区域に対応する前記解放デバイスから、すべての金属が除去されないように、金属の除去深さを調整するステップと、を含む比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３１】
前記圧力解放デバイスの所定の線に電解研磨を施し、前記解放デバイスの１つの表面に所定の深さの弱め線の凹所を形成するステップを含む、請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３２】
前記電解研磨を、中央の高くなったクラウン部によって分けられ、離間して対置された、前記クラウン部分よりも深さが深い溝部によって定められた、弱め線の凹所を形成するように、制御するステップを含む請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３３】
前記解放デバイスの１つの表面上の前記レジスト材料を、前記所定の線に沿ってレーザ加工するステップを含み、
前記解放デバイスから金属を除去するステップは、前記所定の線に沿って金属を除去するステップであって、前記解放デバイスの１つの表面内に、所定の深さの弱め線の凹所を形成するように制御される請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３４】
前記解放デバイスの１つの表面に前記レジスト材料を塗布するステップに先立ち、前記解放デバイスの一部を膨張させるステップを含む、請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３５】
前記解放デバイスの前記膨張部は凸面と凹面を有し、
前記レジスト材料を、前記解放デバイスの膨張部の少なくとも凹面に塗布するステップと、
前記解放デバイスの膨張部の凹面上の前記レジスト材料の所定の区域をレーザ加工するステップと、を含む請求項３４に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３６】
前記レジスト材料の前記所定の区域に対応する前記解放デバイスから、電解研磨によって、金属を除去するステップを含む、請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３７】
前記レジスト材料の層を所定の線に沿ってレーザ加工するステップと、
前記圧力解放デバイスから除去する前記金属材料の幅を、前記レーザ加工されたレジスト材料の線の幅を制御することによって、制御するステップとを含む請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３８】
前記電解研磨のステップによって、前記解放デバイスに所定の深さの溝を形成するように前記解放デバイスから金属を除去する請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項３９】
前記解放デバイス内の所望の弱め線に対応する所定の線に沿って前記レジスト材料をレーザ加工するステップを含む請求項３０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項４０】
前記解放デバイス内の前記所望の弱め線に対応する概ねＣ字形の線に沿って前記レジスト材料をレーザ加工するステップを含む請求項３９に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項４１】
前記レジスト材料を、概ね逆Ｕ字形のピークを有する線であって、前記円弧状の線から離れて存在するこの線の両端の間に位置する線に沿ってレーザ加工するステップを含む請求項４０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項４２】
前記レジスト材料を、前記円弧状の線から離れて存在する、前記Ｃ字形の線の対向する末端部において、Ｃ型に曲げられたアーチ状の延長部に沿ってレーザ加工するステップを含む請求項４０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【請求項４３】
前記レジスト材料を、前記円弧状の線から離れて存在する、前記Ｃ字形の線の対向する末端部において、閉じたアーチ状の延長部に沿ってレーザ加工するステップを含む請求項４０に記載の比較的薄い金属製の圧力解放デバイスの作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破裂板の膨張させられた部分内に電解研磨された弱め線の凹所を持つことによって、破裂板が広範囲の過剰圧力設定値のどの設定値においても確実に反転し完全に開口する、膨張させられた滑らかな表面の反転座屈式破裂板アセンブリを作成するための改善された方法に関する。
【０００２】
本発明は、主に、レーザで定められ電解研磨された弱め線の凹所を有する反転作動破裂板、および、反転時に確実に破裂板が完全に開口するように反転作動破裂板に弱め線の凹所を形成する、改善された方法に関する。弱め線の凹所は、破裂板がその弱め線の凹所に沿って確実に完全に開口し、それと同時に反転した破裂板の粉砕化を防止するように設計され、諸条件を考慮して配置される。未完成の破裂板を先ず予備膨張させ、次に最終膨張させ、その後、レジスト材料の層を設ける。レーザを用いて、膨張させた破裂板の凹面内の所望の弱め線の凹所に対応する、レジスト材料の層のすくなくとも一部を除去する。次に、破裂板に電解研磨処理を施し、破裂板のレーザ加工された区分から金属を除去し、所望の形状、および、材料の厚さに対する所定の深さの、光沢研磨された弱め線の凹所を破裂板に形成する。好適な方法では、中央の高くなったクラウン部によって分けられた、離間して対置された溝部によって定められた弱め線の凹所を形成するように電解研磨を制御する。その際、溝部の深さをクラウン部より深くする。弱め線の凹所の対置された溝部は開口において代理機能性を提供するものであり、これにより弱め線に沿って破裂する信頼性が向上し、しかもその耐用年数を低下させることはない。
【０００３】
破裂板のレーザ加工は、レーザ加工の完了時に破裂板の上に比較的薄いレジスト材料の残部が残るように制御することが好ましい。そうすることにより、その後の金属の電解研磨を遅らせたり妨げたりする、レーザビームによる破裂板の表面の著しい酸化を防止することができるだろう。所望の弱め線の凹所を破裂板の１つの表面に定めるためにレーザを用いることにより、製造者は、弱め線の形状および破裂板の表面表示の選択に関して、基本的に無制限の選択肢を提供することができる。
【０００４】
本発明は、衛生的な圧力容器の配管用途において特に有用である、反転作動座屈形破裂板アセンブリに関する。製薬、バイオケミカル、および食品処理装置は常時衛生的な条件を維持することが要求され、そのため通常は蒸気または他の殺菌剤を用いて装置を頻繁に洗浄する必要がある。これらのプロセスは、比較的低い圧力レベルで行われることが多い。したがって、そのような装置または装置に接続する配管内では、およそ２ｐｓｉｇの低い圧力で、過剰圧力は逃がされなければならない。従来から各種の用途に反転作動座屈形破裂板が採用されているが、低い過剰圧力において、狭い範囲の破裂圧力許容度を提供することは困難であるとされてきた。
【０００５】
低い差圧における信頼性の高い破裂板を実現するため、破裂板の１つの区分領域を本体から変形させる力を破裂板に加え、その後、変形した区分領域を初期位置に復帰させる力を破裂板に加えることによって、変形し復帰した区分領域の金属が、残りの、中央の膨張させられた区分の金属に比して、変形した粒構造を有するようになり、破裂板の表面に原料が堆積する問題を防ぐと同時に、要求される破裂板の仕様に合致することが見出されている。変形し復帰した区分領域の金属は、最初に変形させられた区分領域の周りの破裂板材料より高い残留応力を示す。これは、最初に１方向に局部的な区分領域の初期の塑性変形が起こり、次に、同じ局部的な区分領域に、反対方向の塑性変形が起こることによる。
【背景技術】
【０００６】
膨張させられた破裂板の１つの表面に弱め線の凹所または切込み線を有する膨張反転作動破裂板は、従来から知られている。弱め線または切込み線は、一般に、破裂板の凹面に設けられた、反転したときに開口する破裂板の区域を定める十字形の切込み形状のまたは環状の弱め線の凹所である。破裂板が作動するときにその弱め線の凹所に沿って開口するように開口部を定める弱め線がないと、膨張破裂板は反転するが必ずしも完全に開口しない。弱め線の凹所が環状に延在する場合は、弱め線は、通常連続線ではなく、反転および開口時の破裂板の中央部の粉砕を防ぐため、ヒンジ域を提供する。十字形の切込みのある破裂板は、反転時に外側に曲る４つの花弁状片を形成し、同様にその花弁状片の粉砕化を防いでいる。環状の切込み線または弱め線は、低圧用途に適している。何故なら、十字形切込み線のある破裂板に比して、破裂板の作動時に円弧形の切込み線に沿ってより大きな開口部を提供するからである。
【０００７】
これまで、金属製の切込み用金型を用いる方法、レーザを用いて破裂板に溝を形成する方法、または化学エッチングにより破裂板から所望の線に沿って金属を除去する方法を用いて、反転作動破裂板に弱め線が形成されてきた。これらの従来の反転作動破裂板はすべて、まだ解決されていない製造上の問題点を有するか、もしくは各種の用途における動作上の問題点を有している。
【０００８】
金属製の切込み用金型は、金属材料を加工硬化させ、切込み線における金属の粒構造および密度を変化させる。金属切込み用金型を用いて形成する切込み線の周りの材料は切込み工程中に加工硬化され、それによって、金属の脆性が増加し、ひずみ領域（stress zone）が生成される。金属の脆性およびひずみ領域の増加により、疲労亀裂や応力腐蝕が発生し、その結果破裂板の寿命が制限される。金属切込みの深さを良好な動作に必要な深さにすると、本来の膨張ドームの強度を著しく変化させることになり、それにより、切込みを入れる前の破裂板の初期的膨張動作時に、最終的に、破裂板が反転するのに必要な圧力を予測することが難しくなる。したがって、確実に開口し同時に複数の連続圧力サイクルに耐える、切込み用金型を用いて形成した切込み線を有する反転作動膨張破裂板を製造することは非常に困難である。
【０００９】
レーザビームを用いて反転作動破裂板に切込み線を形成することが提案されてきた。これらの提案は、様々な理由により、商業的に満足するものとして実証されていない。金属の反射率が金属の厚みへのビームの浸透力の調整を難しくし、またそれによって意図する弱め線の凹所の長さに沿って均一な深さの滑らかな凹所を形成することが難しい。さらに、レーザは破裂板を著しく加熱および燃焼させ、金属を酸化させ、金属の冶金特性を変化させる。レーザによって燃焼した弱め線を有する破裂板は、所定の圧力解放値で確実に開口させることに関して信頼度が低いという点だけでなく、所望の使用寿命が得られないという点からも、使用に際して不満足なものであることがわかっている。
【００１０】
先行技術では、区分されたレジスト層によって弱め線が定められた破裂板の化学エッチングも示唆されている。これらは、例えば、米国特許第４，１２２，５９５号、第４，５９７，５０５号、第４，６６９，６２６号、および第４，８０３，１３６号に図示および記載されている。米国特許５９５号の特許権者は、平らな破裂板上に、所望の弱め線のパターンを呈する窓を有するレジスト材料をスクリーン印刷することを示唆している。破裂板が膨張させられた後、酸性溶液が破裂板に散布され、レジスト材料に保護されていない破裂板の部分に一致する弱め線がエッチングされる。破裂板材料の金属表面は、ある程度不規則であり、完全に滑らかではない。これは隣り合った個々の粒がその粒間に谷構造があるピークを有するためである。したがって、酸性エッチング剤が金属の表面に塗布された場合、そのエッチング剤は金属の表面全体に均一に作用しない。その代わり、エッチング剤は、金属粒のより高い表面のピーク部を侵食する場合より、粒間の谷部で、より活発に作用する。谷部の空洞に入ったエッチング剤は、周辺の粒のピーク部に比べて、金属をより急速に侵食するだけでなく、より効率良く侵食すると考えられている。エッチングプロセスに付随する結果により、金属表面の粗さは拡大する。その際、表面不規則性の度合いは、金属がエッチング剤に暴露されている時間とともに増加する。破裂板は、ステンレス鋼、インコネル、Ｈａｓｔａｌｌｏｙ−Ｃ、およびモネルなどの本質的に耐腐食性の材料で製造される。したがって、一般に金属の厚さの７０〜９０％にもおよぶ凹所を侵食し除去するには、これらの本質的に耐腐食性の材料をエッチング用の酸に晒す際、そのエッチング剤を金属の表面に、長い時間、接触させる必要がある。例えば、金属の厚さが０．００４インチの場合は、このエッチングプロセス中に０．００３６インチ侵食しなければならない。
【００１１】
さらに、これらの耐腐食性材料の効果的な侵食を達成するには、選択するエッチング剤は、特定の金属の種類に対してあつらえたものでなければならない。従って、各種の金属に各種の異なる酸が必要となる。特定の破裂板を製造するために用いられる特定の金属は、その用途の仕様に合致するように選択しなければならない。破裂板の用途が異なる場合は、異なる種類の金属の使用が必要である。そのため、エッチングプロセスを用いて耐腐食性の破裂板材料に弱め線を形成するとき、製造者は、特定の耐腐蝕材料を侵食するために最も効率のよい入手可能なエッチング剤を用いなければならない。
【００１２】
特許１３６号の特許権者は、金属の帯にエッチングを施す際、金属帯の供給速度、槽の酸濃度、および槽温度を調整した、適切なエッチング槽内に金属帯を通過させ、所定の深さのエッチング溝を得ることを記載している。この特許権者は、その溝の底部に残る材料を、エッチングされた部分の長さに沿って延在する平坦な膜と、記載している。
【００１３】
エッチングされた弱め線の表面は、エッチング処理の結果、当初の金属の表面仕上げと比べ、さらに粗さが増している。したがって、弱め線を定める金属にかけられる応力は、破裂板の周期の間、拡大し、そのため、破裂板のサイクル寿命が低下する。粗面化された弱め線の溝の表面部の増加は、破裂板のサイクル寿命をさらに低下させる腐蝕効果に対し、その表面部の抵抗力を低下させる。これは、破裂板が所定の位置に取付けられた後、その破裂板が過剰圧力条件による動作が行われずに何年もその位置に残る可能性を考えると重要である。しかしながら、その破裂板に設定された使用寿命の間は、過剰圧力条件が発生した場合、反転作動破裂板が確実に機能することが要求される。
【００１４】
さらに、エッチング処理は、商業ベースで行った場合、各金属の種類に応じた特定のエッチング剤を準備する必要性や、弱め線を定めるに十分な材料の除去にかかる途方もない時間などの多くの理由により経済的に妥当といえない。
【００１５】
低い過剰圧力で開口する、反転作動用に設計された破裂板アセンブリを、繰り返し可能に入手するための、１つの商業的アプローチは、破裂板のドームに意図的にくぼみが形成された反転座屈破裂板を提供することであった。破裂板のドーム部が、そのくぼみの区域において最初に破裂するように、破裂板のドーム区域のくぼみは、意図的に配置される。従って、この破裂板は、先行技術に記載されているくぼみのない破裂板よりも低い過剰圧力において、反転し開口する。
【００１６】
しかしながら、処理が行われている側である、破裂板の膨張させられた区域の凸面にあるくぼみは、そこに食品、製薬などが集中する空洞を提供する。その結果、処理装置を蒸気などによって洗浄することが困難になり、またくぼみに集中した材料を除去するために、破裂板が配置されている部品の分解が必要となることもある。
【００１７】
先行技術で、破裂板の凸面にくぼみを有する破裂板アセンブリの例としては、Ｃｕｌｌｉｎａｎｅらによる、米国特許第６，４９４，０７４が挙げられる。この文献では、裏打ちされた、破裂板の膨張部分の凸面に、強制的に当接された先端の尖ったツールにより、破裂板のドーム形の頂点またはその付近にくぼみを形成する。くぼみの形状、面積、および深さは選択的に可変であるとされている。しかしながら、先行技術の各例では破裂板の膨張部の凸面にあるくぼみは、処理圧力容器に挿入連結される管に取付けられた破裂板の近くに、所定の過剰圧力より検出される、加工処理工程からの材料を集中させる可能性のある空洞を提供する。Ｃｕｌｌｉｎａｎｅらは、くぼみの深さは変更することはできるが、除去することはできないことを示唆している。破裂板に窪みを形成し、次にそれを初期の平滑な表面位置に戻すことにより、破裂板のくぼみ内に材料が集中する問題を防止し、同時にさらに厳しい破裂条件を満足し得る、平滑な表面を有する破裂板が提供されることを、この特許権者等は認識していなかった。さらに、本発明の改善された反転作動破裂板およびその破裂板の製造方法によって、予備膨張圧力を選択的に制御することにより破裂圧力を変更することが可能になる。これは、破裂板の膨張部分のくぼみの除去にかかわらない。
【００１８】
Ｇｒａｈａｍらによる、米国特許第６，３１８，５７６号の図６〜９には、製薬、バイオケミカル、および食品処理装置において従来から用いられる衛生的な破壊および再接続の備品が図示されている。この備品は、反転膨張破裂板アセンブリを収容し、保持するのに適している。この備品は、フランジを有する２つの継手を備え、これらのフランジは緊急解放締付環により、隣接して相互に連続した関係が保たれている。
【００１９】
反転座屈破裂板は、差圧用途に好適である。なぜならば、反転座屈破裂板がその破裂圧力付近で長期間にわたり働かされる場合、順方向作動破裂板を用いる場合には頻繁に発生する疲労や故障を発生することなく、その破裂板の所定の破裂圧力付近において開口するからである。ナイフブレードを用いない座屈破裂板の一連の動作については、一例としてＭｏｚｌｅｙ、米国特許第４，５１２，１７１号に記載されている。
【００２０】
商業的に好ましい衛生的な反転座屈破裂板は、その機器が裂け目、えぐれ、明らかな窪みなどの表面不完全性を有さないことを条件とする、現行のＡＳＭＥ  ＢＰＥ（バイオプロセス装置（Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ））および３−Ａ（乳製品および酪農製品（ｍｉｌｋ  ａｎｄ  ｄａｉｒｙ））標準に準拠することが理想的である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
衛生的な条件において特に有用である、本発明の反転作動破裂板は、凸面および対置する凹面を含む中央膨張部を有し、その中央膨張部はフランジ部に囲まれている。膨張部の凸面は滑らかであり、実質的に連続した構造である。膨張させられた部分の区切られた金属の領域は、破裂板の膨張させられた部分の他の金属に比べて、変化した粒構造を有している。膨張させられた部分の区切られた金属の領域は、１つの好適な実施態様では、破裂板のフランジ部分よりも膨張部の最上部に近いところに位置する、概ね環状の外側境界を有する区分された領域を定める。この区分された領域は、膨張させられた部分の本体から物理的に転置させられ、その後その元の位置に戻された領域である。この区分された領域の変化した粒構造は塑性変形による金属の歪み硬化に起因するもので、膨張させられた部分の他の領域に比べ、この区域領域は高い残留応力を示す。
【００２２】
膨張反転作動破裂板は、破裂板の凹面にレーザで定められ電解研磨された弱め線を有する比較的薄い金属部材である。弱め線の凹所は、好ましくはC字形であり、そのC字形の対向する先端部の間にヒンジ部を有して、破裂板の膨張部分と破裂板の周方向に延在するフランジ部との間の過渡域の近くではあるが内側に配置される。弱め線の凹所は、離間し対向する側壁面によって定められ、その側壁面は底面によって連結され、その弱め線の凹所の表面は電解研磨により光沢表面仕上げされ、その表面仕上げは、金属部材の表面仕上げに比べて、少なくともおよそ６倍、好ましくはおよそ８倍平滑である。電解研磨された凹所の表面仕上げは、平均表面からの平均偏差が好ましくは４マイクロインチ以下であり、最も好ましくは２マイクロインチ以下である。このように、電解研磨処理によって形成される弱め線の凹所は、離間し対向する溝部によって定められ、溝部は中央の高くなったクラウン部によって分けられる。溝部はクラウン部よりも深さが深く、そのため、凹所の断面は一般にW字型である。
【００２３】
反転作動破裂板の好ましい製造方法は、最初に治具内の未加工破裂板の中央部に圧縮空気を加え、その中央部を予備膨張させる。その治具にポストを配置する。その際、未完成破裂板を予備膨張させるための所定の速度において未完成板の中央部に対して圧縮空気を加えた時に、ポストが未完成板の中央部に係合し中央部を変形させるようにポストを配置する。ポストに当接して未完成板が予備膨張することによって、未完成板の中央部、好ましくは、膨張した中央部の中心からある程度外れた位置に比較的小さい窪みが形成される。ポストが引っ込んだ後、破裂板は、その最終ドーム高さまで膨張させられる。
【００２４】
破裂板の予備膨張部の変形された区分の金属領域は、破裂板の予備膨張部の他の金属に比較し、変化した粒構造を有する。破裂板の１つの好適な実施態様では、ポストを用いて破裂板の予備膨張部の１区分を変形させるが、この変形させられた区分は、破裂板のフランジ部より、膨張させられた部分の最上部に近い位置に、概ね環状の外側境界を有する。膨張部の本体から物理的に転置させられた、この区分された領域は、破裂板の最終膨張中に初期位置に復帰させられる。局部的な区分された領域が最初に１つの方向に塑性変形させられ、次いで同じ局部的な区分された領域が反対方向に塑性変形させられた結果、変形し復帰したこの区分された領域の金属は、最初に変形させられた区分領域の周りの破裂板の材料よりも高い残留応力を示す。
【００２５】
転置し元の位置に復帰した、破裂板の領域は、局部的な区域において、２方向に応力を加えられる。この２方向の応力は合計すると、最終膨張中に破裂板の膨張させられる部分の本体に加えられる応力よりも大きい。処理装置からの材料を集中させる可能性のある窪みや凹みのない膨張部を有する結果、保守や洗浄が容易である破裂板になる。さらに、破裂板の膨張部の１つの区域領域を変形およびその後復帰させることにより、製薬、バイオケミカルおよび食品処理分野で使用する際に必要とされる破裂許容特性を有する破裂板を生成することができる。これらの分野における仕様では、狭い許容差を有する低破裂圧力破裂板製品が求められる。
【００２６】
破裂板の膨張部に、膨張部の本体より大きな引張強さを有する領域を備える衛生的な破裂板を製造する１つの方法では、平坦な未完成破裂板を治具内に配置し、変形ポストを、膨張部の中心となる位置から幾分外れた位置で破裂板の表面と係合するように配置する。変形ポストは、好ましくは、半球形状の未完成板との係合端を有する。ポストの直径は、未完成板に所定の広がりの窪みを形成するように選択される。所定の広がりは、破裂板のサイズ、破裂板を製造する材料、未完成金属板の引張強さ、未完成板に形成する膨張部分の直径、破裂板の膨張部の中心軸となる位置に対する窪みの位置、および最終製品の差圧仕様に応じて決められる。
【００２７】
未完成板を治具中に保持しながら、変形ポストに当接する未完成破裂板の表面に予備膨張圧力を加えて、未完成板に部分的な膨張を起こし、同時に、変形ポストと係合している未完成板の部分的に膨張された凸面上に窪みを形成する。予備膨張圧力を加えられる部分の直径は、破裂板の最終膨張部の直径に相当することが好ましい。
【００２８】
次に、変形ポストを引っ込め、または、予備形成された未完成板を別の最終膨張用のポストのない治具内に配置する。破裂板の予備膨張の凹面に十分な圧力を加え、破裂板の中央部の最終膨張を行い、同時に先に破裂板内に形成された窪みを、変形ポストによって破裂板本体に窪みを形成する前の、破裂板の他の部分に対する初期位置に復帰させる。その結果、破裂板の凸面凹面の両面は、材料を集中させて蒸気などの清浄剤による装置の洗浄の邪魔や妨げとなる可能性のある突起や窪みのない、平滑な面になる。
【００２９】
最初に所定の規模と深さの窪みを未完成板本体の膨張する部分に形成し、次いでその窪みのある金属を初期の位置に復帰させる窪みを除去する２工程プロセスにより、窪みがあってその後復帰した区域は、その区分領域における金属の塑性変形の結果、破裂板の最終膨張させられた他の部分よりも残留応力が高くなる。変化した粒構造を持つこの区分領域は、膨張部の全面積に比較すると相対的に小さく、硬化された加工物であり、高い引張りおよび圧縮強度を示す。したがって、この区分領域は破裂板の凸面に過剰圧力が加えられると、膨張部の他の部分とは異なる挙動を示す。
【００３０】
未完成破裂板の予備膨張および最終膨張の後、破裂板をレジスト材料の溶液に浸漬することにより、少なくとも膨張破裂板の凹面に、最も一般的には破裂板の両面にレジスト材料の層を設ける。ラッカーの組成物は好適なレジスト材料である。レジスト材料が硬化した後、レーザビームを用いて膨張破裂板の凸面からレジスト材料の一部を除去する。その際、最も一般的には、破裂板の膨張部と周辺の平坦な平面部との間の移行領域に隣接するが、内側に離間させられたＣ字形の線に沿って除去する。レーザビームがドーム形の未完成板の凹面に沿って移動するようにビームを制御し、未完成破裂板の表面にレジスト材料の僅かな残部だけを残して、ほとんどすべてのレジスト材料を除去する。破裂板に所望の弱め線の凹所の範囲を定めるように、しかし、ビームの移動経路に沿った金属の表面との直接接触およびそれゆえの酸化を許さないように、レーザビームを制御することが好ましい。
【００３１】
レーザ加工した破裂板を次に、酸性薬剤槽を備える電解研磨装置中に配置する。好ましい薬剤は、その溶液自体が金属の表面に有意にエッチングを施す種類のエッチング溶液ではない。破裂板は電気的回路で接続されていて、その回路では、破裂板がアノードとして機能し、槽中の導電要素がカソードとして機能する。破裂板／アノードに電圧がかかると、それによって、槽の酸性薬剤が、電解研磨により、レジスト材料で保護されていない破裂板の区域の金属の除去をすぐに開始する。弱め線の電解研磨は、電解研磨により形成される凹所の深さが未完成破裂板の厚さのおよそ７０％±２５％〜およそ７０％±５％になるまで継続する。その後、レジスト材料を除去し、究極の反転作動破裂板を洗浄にかける。
【００３２】
この電解研磨手順により、破裂板の膨張部に、破裂板の表面のレジスト材料中のレーザ加工線に対応する凹所を形成する。電解研磨された凹所は、中央の高くなったクラウン部によって分けられ、離間して対置する溝部によって定められる。溝部の深さは、クラウン部よりも深い。弱め線の凹所の対向する溝部は、弱め線の長さにわたって金属の引き裂きにおける代替機能性を提供し、それによって、破裂板の使用寿命を通じて、破裂板の所定の部分が確実に完全開口することを確保する。
【００３３】
本発明の重要な利点の１つは、複数のロットの破裂板アセンブリの製造に用いる同一厚みの破裂板材料の反転圧力特性を、それぞれのロットが本質的に同一の反転圧力の仕様を満たしながら、今までに可能であった範囲よりも広い範囲にわたり変化させることができることである。未完成破裂板の予備膨張の間にドームの高さを変化させ、最終膨張のドームの高さを一定に維持することは、最終膨張のドーム高さを変化させ、予備膨張のドーム高さを一定に維持する場合よりも、厚みが同一の材料を用いた破裂板の反転圧力を広い範囲で変化させることができる。これは、高いドーム高さを維持することが有利である液体用途を意図した反転作動破裂板アセンブリの製造において特に重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の好適な概念を具現化する衛生的な反転座屈破裂板アセンブリ１０が図３２に示される。破裂板アセンブリ１０は破裂板１２およびそれに固定される支持リング１４とを備える。破裂板アセンブリ１０は製薬、バイオケミカル、および食品処理などの業界における衛生的な使用に特に適する。従って、破裂板アセンブリ１０の構成部品は、好ましくは、例えば、ステンレス鋼合金、Ｈａｓｔａｌｌｏｙ−Ｃ、モネル、インコネル、およびニッケルなどの多数の従来の耐腐食性金属のどれか１つの耐腐食性金属材料で製造される。破裂板１２は中央の膨張部１６および環状のフランジ部１８を有する。移行ゾーン２０がフランジ部１８の内側の縁と予備膨張部１６ｂの外周のマージンとをつないでいる。
【００３５】
破裂板１２の膨張部１６は、膨張部１６の中心軸から外れた比較的小さい領域２２（図３２および１２）を有する。領域２２の金属は変化した粒構造を有し、膨張部１６の他の部分よりも高い引張り強さを示し、凸面１６ａに窪みをつけ、次にその窪みを初期位置に戻すことによって形成されており、膨張部１６の凸面１６ａは有意な障害物を有さず、平滑である。
【００３６】
破裂板１２の膨張部１６には半円形の弱め線の凹所２４が設けられている。弱め線の凹所２４は図２２に示すように移行ゾーン２０の内側にあり、概ね移行ゾーン２０と相補（complemental）関係にある破裂板の膨張部１６内にある。図２２からわかるように、弱め線の凹所２４は、移行ゾーン２０の長さに沿った、互いに離間した末端部２６および２８を有する。図２２に示す破裂板の実施態様では、弱め線の凹所２４の末端部２６および２８は互いに離れる方向に外側に湾曲し、概ねＣ字形形状を示す。
【００３７】
バックアップリング１４は、破裂板１２のフランジ部１８の下に配置される環状体３０を有する。図３３からわかるように、環状体３０の略円形の縁３２は、環状体３０の縁３２から内側に延伸する、周方向に離間された複数の突起３４を有する。リング３０は、図３３に示すように０〜１１、またはそれ以上の任意の数の突起３４を有することができる。内側に延伸する舌部３６は、リング３０の一部分をなしており、最も外側に下向きの端部３８を有し、また、環状体３０の内側開口部内に突出する。図３４に示される別の実施態様９４では、リング１４は、最も外側に線形縁部９８を含む一体型の内向き部９７が設けられた環状体９６を有する。
【００３８】
支持リング３０の環状体は、組付けられた状態では、留め具４０によって破裂板１２のフランジ部１８に固定される。留め具４０はネジ、仮付け溶接、接着剤または同等の固定手段を含む。バックアップリング１４の舌部３６は、好ましくは弱め線の凹所２４の末端部２６および２８の間に配置され、弱め線の凹所２４によって定められる、破裂板１２の膨張部１６のヒンジ部４２のバックアップとして機能する。突起３４は所定の大きさを有し、膨張部１６の直ぐ下に配置され、膨張部１６を支持するように意図的に配置される。必要ならば、本質的にＺ字形の構成部品４４を破裂板アセンブリ１０の支持リング３０の一部として設けて、取付け中に各々が適切にアセンブリを案内するのを補助するようにしてもよい。同様に、リング９４は、リング１４の構成部品４４と同様の機能を持つＺ字形の構成部品９９を有してもよい。環状のガスケット（図示省略）を、破裂板アセンブリのフランジ部および支持リングに付随するものとして設けてもよい。
【００３９】
破裂板１２は、上述したように、耐腐蝕性材料の板１３から製造されるが、選択された材料の大きなロールから巻出したものでもよい。未完成破裂板１５は、打ち抜き、レーザ切断、またはＥＤＭ切断により板１３から形成される。未完成破裂板１５は、好ましくは、一体型位置決め周辺部タング１７を備える。破裂板１２の製造は，好ましくは２つの段階で行われる。第１段階では、未完成破裂板１５の凸面に窪みを形成するように、破裂板を予備膨張させる。第２段階では、膨張部の窪みのある区分された領域を初期位置に戻すことによって破裂板の膨張部の凸面の窪みを取除くような条件下で破裂板を最終膨張させる。
【００４０】
未完成金属破裂板に所定の構造の窪みを形成する治具４６の概略を図４に示す。なお、これに関し、治具４６の概略図は図示目的のためだけのものであり、意図した結果を実現するための特定の種類の治具を示すためのものではない。治具４６の下方のベースリング４８は、好ましい形状は円筒構造であり、中央開口部５０を有する。治具４６の円筒形の締付環５２は、開口部５０と位置合わせされ、開口部５０と同様の形状および断面形状を持つ中央通路５４を有する。蓋部材５６は締付環５２の通路５４の開口した上端部を閉じる。締付環５２の側壁を貫通する開口部５８は、空気などの気体を締付環５２の内部から逃がす働きをする。図示されていないが、すべての未完成破裂板１５が治具４６の同じ位置に繰返し配置されるように、ベースリング４８および／または締付環５２は各々の未完成破裂板１５のタング１７を相補的に収容するための溝を有する。
【００４１】
細長い変形ポスト６０は通路５４内に配置され、好ましくは、蓋部材５６の下面に当接して配置される支持要素６２に連結される。金属の未完成破裂板１５を支持ベースリング４８上に配置した後、破裂板１５は、図示されるように、通路５４を閉じるように配置された締付環５２とベースリング４８によって、所定の位置に締め付けられる。好適な実施態様では、ポスト６０の最も外側の末端は、図示されているように球形であるが、ポスト６０の末端部は長方形、十字の星形、または他のどんな所望の形状でもよい。ポスト６０の長さは、末端部６４が未完成破裂板１５の表面６６に当接するような長さである。
【００４２】
予備膨張圧力下の空気は、開口部５０を介して治具４６内に導入され、未完成破裂板１５の予備膨張を起こさせる。これによって、破裂板１５の区分された領域６８が、図４に示すように予備膨張部１６ｂの本体から下方向に変形する。窪まされた区分領域６８の深さ、および、その窪みの構造および範囲は、ポスト６０の直径、ポスト６０の球形の末端部６４の形状および半径、および未完成破裂板１５の表面７０に加えられる圧力の関数である。球形の末端部６４を有するポスト６０の場合、窪まされた区分領域６８は概ね球形の部分６８ａおよび、膨張部１６の本体部１６ｂに接続して終わる先細のやや円錐形の表面６８ｂを有する。図７を参照すると、中央の概ね球形の窪まされた区分領域６８ａは、窪まされた区分領域６８ａから外側に放射状に延びる、概ね円形、または楕円形の窪み部６８ｂによって囲まれているのがわかる。未完成破裂板１５に圧力を加えて予備膨張させる間に、通路５４および蓋５６によって定められる空洞内の空気は、締付環５２の開口部５８を介して、通路５４から逃げることができる。
【００４３】
予備膨張工程が終了すると、蓋５６と、共同する変形ポスト６０とは、締付環５２から取り除かれる。十分な圧力を未完成破裂板１５の凹面１６ｃに加え、図９に示すように、破裂板１２の膨張部１６の最終膨張を終了させる。破裂板１２の最終膨張中に加える圧力の総計は膨張部１６を形成する破裂板１２を完全に膨張させるだけでなく、図１０に示すように、窪まされた区分領域６８を初期の位置に戻すことができる程十分である必要がある。こうして、膨張部１６の凸面１６ａは、領域２２を定める区分領域６８を含む全面積にわたり、平滑で、連続している。区分領域６８が窪んで、その後元の位置に戻ることにより、図１３に概略を示すように、領域２２の金属は、変化した粒構造を持つ。
【００４４】
破裂板の予備膨張中に、未完成破裂板１５内で１つの方向に塑性的な金属の変形が生じ、未完成破裂板１５内に窪み６８を形成され、次いで、金属を元の位置、すなわち、区域６８ｂの対置する凹面および凸面が膨張部１６の対置する凹面および凸面の曲率と相補的（complemental）になるような位置に戻す未完成破裂板１５の最終膨張中に、反対の方向に起こる金属の塑性変形によって、区域６８ｂにおける予め設定され選択された圧力での膨張部の反転が開始されることが見出されている。この反転が区域６８ｂの効果的（strategic）な位置において開始することは、区域６８ｂの２つの事前に施された応力の条件に起因するものであり、膨張部１６の形状によるものではない。区域６８ｂの金属の粒構造は、その区域を１つの方向に変形させ、次いで同じ区域を反対の方向に変形させることによって変化しており、その結果発生した金属の構造変化により、区域６８ａは、膨張部１６の表面の残りの区域より先に反転を開始する。区域６８ａにおいて金属に２方向に応力を掛けることによって、弱め線の凹所２４に沿って膨張部１６を確実に反転させ、そして完全に開口させることができる。
【００４５】
支持リング１４は、適切な固定具を用いて、膨張させられた破裂板１２のフランジ部１８に取付けられ、突起３４が切り込み線２４の下で膨張部１６を支持する。舌部３６は、膨張部１６のヒンジ部４２および破裂板１２のタング１７に実質的に位置合わせされる。
【００４６】
破裂板アセンブリ１０は、破裂板１２の凸面１６ａを、保護対象となる装置のプロセス側に対面するようにして、米国特許第６，３１８，５７６号の図６〜９に示される種類のフランジ付きの連結部の間に取付けられるように適合させられている。リング３０のアーム４４は、破裂板アセンブリ１０の取付け時に、フランジ付き連結部の間でのアセンブリの適切な位置に関する情報を提供する取付け機構として機能し、破裂板１２の凸面１６ａが装置の処理側に確実に対面するようにする。アーム４４は、取付けられた破裂板が適切な位置に配置されていることを示す連続可視表示としても機能する。
【００４７】
破裂板アセンブリ１０によって保護する処理容器や配管において、膨張部１６の反転を起こさせるに十分な過剰圧力条件が発生した場合、膨張部１６は、ヒンジ部４２によって保持されながら、弱め線の凹所２４に沿って開口する。反転破裂は、区域６８が定める領域２２において開始する。これは、より高い応力がかかり、区分領域６８の粒構造が変化しているからである。膨張部１６に、高い応力がかかった領域２２が存在するので、膨張部１６の凸面１６ａにかかった過剰圧力が、膨張部１６の反転を開始させ、最終的に弱め線の凹所２４の長さに沿った、膨張部１６の開口を起こさせると考えられている。
【００４８】
上記に詳述したように、破裂板の膨張部１６となるものの１区分を変形させ、次にその区分を初期位置に戻して、平滑で、連続した凸面を形成することにより、破裂板の反転に、区分された領域６８の粒構造の不連続が作用することが期せずして見出された。これを、米国特許第６，４９４，０７４号に図示および記載されている、破裂が負荷の形状の変化およびそれに続く、修正された凸面における応力分布の結果として始まる破裂板に単に設けられた窪みと比較する。
【００４９】
（実施例１）
本発明の好適な方法によって作成され、図１０に示される破裂板１２の１つの例は、好ましくは２ミルの３１６ステンレス鋼で製造され、全体の直径がおよそ２．５インチである。図６に概略を示すように、破裂板１２の予備膨張は、およそ５０ｐｓｉｇの圧力下で行われ、図６に示すように未完成破裂板４４に窪み６８を形成する。図９および１０に概略を示すように、破裂板の最終膨張は２００ｐｓｉｇの圧力下で実施され、ドームの高さがおよそ０．３４インチの膨張破裂板を生成する。最終膨張させられた破裂板に、次に、温度およそ６００°Ｆ（３１６℃）で１０分間熱処理を施し、さらに、破裂板内に残る応力を解放する。膨張部１６の他の金属よりも高い応力がかけられている、破裂板の膨張部の区分された金属の領域６８の外側境界９１（図１２）の僅かな面積は、およそ０．４平方インチである。例示した破裂板の区分領域６８は、膨張部１６の中心軸からおよそ０．３インチ離れている。この破裂板の僅かな（nominal）破裂圧力はおよそ８ｐｓｉｇである。
【００５０】
変形ポスト６０に当接している破裂板を予備膨張させるための治具４６内で、未完成破裂板１５に加える圧力を変化させることによって、最終膨張させられた破裂板の反転圧力、つまり膨張部１６の区域６８が１方向に窪み、その後反対方向に戻して平滑にされている個所において破裂板が反転する時の圧力を同様に変化させることができることが期せずして見出された。予備膨張圧力を増加させて、破裂板の膨張部の最初の窪みを深くし、その後、破裂板の最終膨張時にその窪みを平滑化することにより、破裂板がより低い圧力で反転することが見出された。材料の単方向の変形に比べて、金属に双方向に２段階の加工硬化を施しているため、１方向に窪ませてその後平滑化しない破裂板よりも、破裂板が反転する圧力範囲が広くなる。単一個所において金属を２つの対向する方向に加工硬化させる効果は、金属に単一方向の窪みを設ける場合よりも、いちじるしく広範囲な、前もって定められた反転圧力を提供することがわかった。予測できる反転圧力の範囲が広くなるのは、主に、金属の両方向応力による硬化とそれに付随する粒構造の実質的変化によるものであると考えられる。金属に永久的な１方向に窪みをつける場合、破裂板の反転は、主として力のベクトルの形状に依存すると考えられる。したがって、破裂板を異なる各種の圧力で予備膨張させ、未完成破裂板の膨張部に異なる深さの初期窪みを得て、その後、破裂板の最終膨張により、その窪みを平滑化することによって、その結果得られる破裂板の反転圧力を経験則的に設定することができ、また、後の繰り返しのために、その結果を記録することができる。これらの経験的分析値は、破裂板の製造に用いられる材料の種類、材料の厚み、および破裂板の直径の関数である。
【００５１】
(破裂板の好適な製造方法)
反転作動破裂板に弱め線の凹所を形成する好適な方法では、弱め線は破裂板の膨張部に位置することが好ましい。従って凹所の底部の材料は、使用中の破裂板が機能する操業中は、弱め線が膨張部の外側の破裂板のフランジに位置する場合、引張り状態ではなく、圧縮状態にある。これは、反転作動破裂板の使用圧力が繰り返し、頻繁に変化することを考えると、特に重要である。
【００５２】
図１４および１５に示すように、レジストラッカー材料の１つの層である層１００を、破裂板１２の少なくとも凹状の膨張部１６に塗布する。ラッカーの例としては、ピラミッドプラスチック社（Ｐｙｒａｍｉｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，  Ｉｎｃ．，Ｈｏｐｅ，  Ａｒｋａｎｓａｓ）のＴｏｌｂｅｒ部門から入手可能なＭｉｃｒｏｓｈｉｅｌｄまたはＭｉｃｒｏｓｔｏｐラッカーが挙げられる。最も効果的な方法は容器１０４内のラッカーの浴１０２に破裂板１２を浸漬させることであるが、ラッカーを破裂板１２の膨張部の少なくとも凹面に散布してもよい。
【００５３】
破裂板１２をラッカー浴１０２から取出し、被覆された破裂板を乾燥した後、被覆された破裂板をレーザ１０５内に配置し、破裂板１２の膨張部の凹面に形成される弱め線の凹所を示すラッカー内の２重線がレーザ加工される。適切なレーザとしては、トロダット社（Ｔｒｏｄａｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  本社  Ｗｅｌｌｓ，  Ａｕｓｔｒｉａ）のＴｒｏｔｅｃ部門のＭｏｄｅｌ  Ｓｐｅｅｄｙ  ＩＩ  レーザが挙げられる。このＳｐｅｅｄｙ  ＩＩは６５ワット、ＣＯ２パルスレーザである。破裂板１２の膨張部１６の凹面１６ｃ上のラッカー層１００に、レーザビーム１０７を向け、最終破裂板の所望の弱め線の凹所の形状に対応する線１０６に沿って進むようにレーザをプログラムする。レーザ出力は、レーザヘッド速度およそ１．４インチ／秒で、４．５ワット〜およそ１３ワットに制御される。出力設定は、使用するラッカーの種類やレーザ加工する金属の厚みに依存する。熱吸収はレーザ出力を変化させる主な理由である。レーザ走査速度も可変であり、レーザ出力設定を決定する時に考慮する必要がある。レーザヘッドの速度が速くなると、必要なレーザのエネルギーも増加する。レーザヘッドの速度が遅くなると、必要なエネルギー設定も低くなる。一定のエネルギー供給を維持するための好適な方法は、レーザヘッド速度とレーザ出力レベルの比の値を用いることである。この値は、およそ３．２〜９．２８の範囲内であるべきである。弱め線の凹所の幅を制御する、ラッカーのレーザ加工され侵食された部分は、およそ０．００２〜およそ０．１０インチの範囲、望ましくはおよそ０．０１０〜およそ０．０８０インチの範囲、好ましくはおよそ０．００６〜およそ０．００８インチの範囲内に維持されることが好ましい。
【００５４】
レーザヘッド速度とレーザ出力レベルの比もまた所定の値に維持する。所定の値とは、レーザビームがレーザが接触したラッカーを撹乱および／または除去するが、その下の金属を酸化しないことを保証する値である。なお、レーザが適切に動作すると、ラッカー材料をビームによって除去する一方、金属基材の最上面を被覆および保護するように、ラッカーの非常に薄い残部を残すことがわかっている。金属が酸化せず、またレーザによって除去されないことを保証するように、少なくとも９０％であるが、全量ではない量のラッカーがレーザによって除去されることが好ましい。レーザ加工の目的は、破裂板金属の状態を損なうことなく、これに続いて行う、下の金属の電解研磨処理を行うのに十分なように、レーザ加工した線に沿ってラッカーを少なくとも弱体化および撹乱および／または除去することである。未完成破裂板１５上のラッカー層１００に形成されるレーザ加工線１０６の拡大断面図が図１８に示されている。
【００５５】
図１７に示すレーザ加工された破裂板の例では、レーザ加工線１０６が実質的にＣ字形の形状をしており、外側に向いた曲線の末端部２６および２８を有し、これらの末端部は、破裂板の膨張部１６の事前に選択したヒンジ幅に等しい距離だけ互いに離間している。
【００５６】
図２２に示すように、レーザ加工した破裂板の凹面には、膨張部１６とフランジ部１８との間の移行ゾーンに隣接する金属部材の膨張部内に、電解研磨処理によって、光沢のある鏡面状の弱め線の凹所が形成される。この弱め線の凹所は、レーザ加工された線１０６の形状に一致している。電解研磨装置は、好ましくは、電解研磨容器、水洗容器、および乾燥機から構成される。電解研磨容器は、リン酸および硫酸の混合物を含有する酸性溶液を含む。適切な商品名の市販の配合物は、モレクトリック社（Ｍｏｌｅｃｔｒｉｃｓ，  Ｉｎｃ．，  Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，  Ｏｈｉｏ，  ａｓ  ＰＯＷＥＲ  ＫＬＥＥＮ  ５００）から入手可能である。
【００５７】
図２２に示すように、レーザ加工された破裂板１２は容器１１０に含まれる酸性溶液１０８に浸漬され、温度はおよそ１３０°Ｆ（５４℃）に維持される。酸性槽の温度は、酸性溶液の濃度と成分の関数である。酸性溶液１０８に浸漬されたカソード１１２およびアノード１１４として機能する破裂板１２は調整可能な電源に接続される。
【００５８】
電解研磨装置の酸性溶液は、溶液に加えられた電流と組み合わされ、破裂板上のラッカー層のレーザ加工した区域によって定められた線に沿って破裂板の膨張部の凹面から金属を効率よく除去する。電解研磨装置は、光沢のある、ミラー状の表面をそのままにして、金属を攻撃（attack）して除去するという特異な機能を有する。電解研磨装置の動作は、主に、金属にＷ字形凹所１１６を形成し、その際、凹所の表面１１８は、高くなったクラウン部１２４によって分けられ、互いに離間し対向する溝部１２０および１２２によって定められる。溝部１２０および１２２の深さはクラウン部１２４より深い。弱め線の凹所１１６の最大深さは、破裂板材料の断面厚みの少なくとも７０％±２５％であることが好ましい。望ましくは、凹所１１６の深さは破裂板の断面厚みの少なくとも７０％±１０％、好ましくは破裂板材料の厚みの少なくとも７０％±５％である。好適な実施態様では、凹所１１６の溝部１２０および１２２の各々は、凹所の幅全体のおよそ２５％の溝部である。
【００５９】
破裂板に電解研磨を施し、電解研磨された凹所１１６を形成した後、溶剤でラッカーを除去する。好ましいラッカー除去方法は、電解研磨した破裂板を、ラッカーシンナーまたは、ピラミッドプラスチック社のＴｏｌｂｅｒ部門から入手可能な「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ  Ｃ」の主成分であるＮ−メチル−２−ピロリドンなどの他の適切な溶剤に浸漬することである。電解研磨した破裂板１２の表面からラッカーを除去した後、その部品を、電解研磨装置の洗浄容器中で温水ですすぎ、その後、電解研磨装置の乾燥器中で乾燥させる。
【００６０】
破裂板の表面内の所望する弱め線の凹所に対応して定められた線を、破裂板上を覆うラッカー層に形成する際にレーザを利用することの特に重要な利点は、レーザが様々な任意の所定の構造の経路に追従するようにプログラムできることである。例えば、図１７、２０、２２、および２４の好適に例示される破裂板では、弱め線２４を定める電解研磨された凹所１１６は、外側に湾曲した、半円形の末端部２６および２８をヒンジ部４２の両側に有している。図２４に示すように外側に湾曲した曲線状の末端部２６および２８の場合は、破裂板１２の膨張部１６の中央部分が反転すると、弱め線に力が加わり、その結果、凹所１１６の溝部１２０および１２２の１つ、または両方が裂け、これらの力は、曲線の末端部２６および２８において外側に向けられ、アセンブリ１０の下の支持リング１４の本体３０に向かう。このようにして、本体３０は、破裂板のヒンジ部４２に引裂に対する付加的な抵抗力を提供し、破裂板１２の膨張部１６の中央の開口部が分裂してしまうことを防ぐ。
【００６１】
弱め線の他の構造が図２５〜２８、および３０に示されている。図２５に示す破裂板１２ａは弱め線の凹所２４ａの末端部２６ａおよび２８ａが、図２４の実施態様では外側に向いていたものが、内側に湾曲して、互いに向かい合っている。末端部２６ａおよび２８ａは本質的に末端部２６および２８と同じ位置に配置されている。
【００６２】
破裂板１２ｂの図２６の実施態様では、弱め線の凹所２４ｂの末端部２６ｂおよび２８ｂは同じく外側に湾曲しているが、弱め線の凹所２４ｂの半径は一定でない。必要ならば、弱め線の凹所２４ｂは、破裂板１２のヒンジ部４２に直接対置する、外側に方向を変えたピーク部３０ｂを呈するように形成することもできる。弱め線の凹所２４ｂのピーク部３０ｂは、破裂板１２の反転時に、膨張部１６の中央部の開口を促進させる。曲げ力がピーク部３０ｂの頂に集中するので、破裂板のフランジ部１８からの中央部の分離は、ピーク部３０ｂにおいて開始する。図２７に示す、破裂板１２ｃの実施態様の弱め線の凹所２４ｃの半径は一定ではなく、この例では、破裂板１２のヒンジ部４２に対置するピーク部３０ｃが膨張部１６の中心に向かって内側に湾曲している。
【００６３】
図２８に示す１２ｄの実施態様では、弱め線の凹所２４ｄの末端部２６ｄおよび２８ｄは円形で、互いに離間し、破裂板１２のヒンジ部４２の両側に配置されている。末端部２６ｄおよび２８ｄを弱め線の凹所２４ｄの両端部に備えることは、弱め線の凹所２４ｄにかかる引裂力を案内して拡散する機能を果たす。円形の末端部２６ｄおよび２８ｄは、弱め線の両端部において、曲げ力を案内して拡散することにより、破裂板１２の膨張部１６の中央部のヒンジ部４２の引裂に対する抵抗力として貢献する。この弱め線の凹所２４ｄの末端部２６ｄおよび２８ｄにおける引裂力の拡散は、膨張部１６の開口時にその中央部が分裂することを防ぐ。
【００６４】
図２９では、破裂板１２eは、図２４に示す破裂板１２と同様の構成であるが、電解研磨装置で凹所１１６を形成すると同時に、電解研磨により破裂板の表面に製造元、または顧客のロゴ１３０などの固有の画像を形成することができる。ロゴなどの他、固有の識別番号や型式標示などを破裂板１２の膨張部１６に電解研磨で画像形成することができる。
【００６５】
図３０の他の実施態様では、破裂板１２ｆは、破裂板１２ｆの弱め線の凹所２４ｆの両端に円形空洞２６ｆおよび２８ｆを有する。図３１の断面図からわかるように、円形空洞２６ｆおよび２８ｆの各々は中央隆起部３０ｆを有する。円形空洞２６ｆおよび２８ｆは、弱め線の凹所２４ｆにかかる引裂力を案内して拡散する機能を果たし、それにより、開口時に膨張部１６の中央部分の分裂を起こす引き裂きに対して、破裂板１２ｆの膨張部１６ｆの中央部分のヒンジ部４２ｆの引裂に対する抵抗力として貢献する。
【００６６】
弱め線の画像を形成するためにレーザを利用することにより、破裂板１２の製造者は、無限の多様性のある電解研磨が施された画像の任意の１つを破裂板１２上のラッカー層に与えることができ、それを、弱め線の凹所の電解研磨中に、破裂板の表面に移すことができる。
【００６７】
図３５のグラフは、破裂板１２の膨張部１６に電解研磨された弱め線の凹所１１６を備えることが、破裂板１２の膨張部１６の中央部分の反転を起こすのに必要な圧力を変えたり、または影響を及ぼしたりしないことを実証する結果を示す。これは多くの理由から重要なことである。
【００６８】
所定の材料、厚み、および直径を有する、切込み線のない反転作動破裂板で、所定の高さに膨張した中央部分を有する破裂板は、所定の圧力で反転するが、開口すべき破裂板の区域を定める弱め線を備えていない限り、破裂板の反転した部分は開口しない。しかしながら、破裂板の膨張部またはフランジ部のいずれかに切れ目が入れられている（scored）と、破裂板は切れ目が入れられていない破裂板とは異なる圧力で、反転して開口する。これは、切込み金型により切込み区域が加工硬化すること、および切込み線に隣接する破裂板に応力が発生するのに対してヒンジ部には応力が同じようにはかからないことによる。破裂板の膨張部の反転を起こさせるに必要な圧力は、金型による加工硬化の程度、切込み線の深さ、常時使用に起因する金型の状態、切込み時に金型へ加える圧力などの各種の金型切込み設定条件、切込みの深さが長さ方向に不揃いとなる切込み時の金型の揺れ、板材料の長さにわたり発生する金属特性の固有差、および特定の条件や顧客の要求を満足する破裂板の製造に必要な金属の種類などの関数に基づく。このため、破裂板に切込みを入れたときに、切込みを入れない破裂板と比較した、破裂板の膨張部の反転を起こさせるのに必要な圧力は予測不可能である。
【００６９】
（実施例２）
図３５のグラフにおいて、直径２インチのステンレス鋼製破裂板で、各厚みが０．００２インチの８個の破裂板に行った圧力試験の結果を、Ｙ軸を破裂／反転圧力を、Ｘ軸を予備膨張圧力のパーセントとしてグラフに示した。４個の破裂板は電解研磨された凹所を有し、他の４個の破裂板は電解研磨された凹所を有しておらず、従って、表面は平滑であった。破裂板はすべて、実施例１に記載した２００ｐｓｉの最終膨張圧力を用いて形成された。図３５のグラフのＸ軸上の予備膨張圧力のパーセントは最終膨張圧力の２００ｐｓｉのパーセントとして表されている。
【００７０】
これらの圧力試験により、電解研磨された凹所のない試料は、１０％〜２５％の範囲の圧力で予備膨張されると、予備膨張圧力に依存して１０ｐｓｉ〜５０ｐｓｉの範囲内で反転することが実証された。予期しなかったことであるが、電解研磨された凹所を有する試料は、各例において予備膨張の程度に依存する、電解研磨された凹所のない破裂板と実質的に同じ圧力において反転および破裂した。
【００７１】
予備膨張圧力のパーセントおよび予備膨張の程度の違いにより破裂板の破裂／反転圧力が変化しており、最終膨張圧力ではなく、予備膨張圧力のパーセントを単に変化させるだけで所定の破裂／反転圧力の範囲が得られることを、グラフは示している。
【００７２】
レーザを用いて破裂板の表面のラッカー層に定められた弱め線をレーザ加工し、電解研磨した弱め線の凹所を形成する、本発明の反転作動破裂板製造方法は、ステンレス鋼などの耐腐食性材料に弱め線をエッチングする作業に固有の従来から未解決の多くの問題点を克服することがわかった。耐腐食性材料に必要な深さの凹所を得るために度が外れた長い時間が必要となるだけでなく、さらに、その結果エッチングされた表面は粗く、そのため、破裂板が最も弱い個所で腐蝕障害を受けやすい。さらに、製造環境において、制作工程の管理が難しく、特に、エッチング溶液およびエッチング条件は常に変化するため、エッチング処理を行う各金属にあわせて異なるエッチング剤を用いなければない。
【００７３】
上述の発明の好ましい形態は、例示的に用いられているに過ぎず、本発明の範囲を解釈する際に、限定的な意味で用いられるべきではない。上記に例示された実施態様に対する自明の変更は、本発明の要旨を逸脱することなく本技術分野の当業者が容易に行うことができるものであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、本発明にかかる反転作動破裂板の製造に用いられる金属板材料の長さを示す概略図である。
【図２】図２は、図１の金属板材の部分的平面図であり、図１の金属板材料から形成される未完成破裂板の輪郭を点線で示す。
【図３】図３は、図２の金属板材料から形成される未完成破裂板の概略平面図である。
【図４】図４は、未完成破裂板を予備膨張するための装置の概略断面図であり、装置は未完成板の１つの表面に窪みを形成するための変形ポストを備える。
【図５】図５は、実質的に図４の線５−５に沿った水平断面図である。図は矢印の方向に見下ろした図である。
【図６】図６は、図４に示す治具を用いる予備膨張工程を示す概略断面図である。未完成破裂板の１つの区分された領域が未完成板本体から変形している。
【図７】図７は、予備膨張させられた破裂板の部分拡大概略図である。予備膨張させられた破裂板は部分的に膨張した凸面に、変形ポストによって生成された窪みのある区分領域を有し、この窪みは変形ポストによって形成されたものである。
【図８】図８は、図６の線８−８に沿った水平断面図である。図は矢印の方向に見下ろした図である。
【図９】図９は、図４に示す治具の概略断面図であり、予備膨張させられた破裂板の凹面に圧力を加えて、破裂板の最終膨張を起こさせる方法を示す。
【図１０】図１０は、ポストが除去された図６に示す治具の概略断面図であり、予備膨張させられた破裂板の凹面に十分な圧力を加えて、破裂板の最終膨張を起こさせ、膨張部のすでに窪まされている区分領域を、破裂板の中央部の予備膨張時に窪みが形成される以前の初期位置まで復帰させる様子を示す。
【００７５】
【図１１】図１１は、最終膨張させられた破裂板の概略断面図である。破裂板の中央部の初期の窪みが、破裂板の最終膨張時に滑らかな状態に戻されている。
【図１２】図１２は、図１１に示す膨張破裂板の平面図である。滑らかな状態に戻された破裂板の初期の窪み区分が点線の円で示されている。
【図１３】図１３は、破裂板の膨張部の一部分を示す拡大断面図である。破裂板の膨張部の、初期に窪んでいて元の位置に戻された区分領域の変化した粒構造の概略が、膨張部の残りの部分の金属と比較して示されている。
【図１４】図１４は、高速乾燥ラッカー材料を用いて図１２の膨張破裂板をコーティングする方法の１つを示す概略図である。
【図１５】図１５は、ラッカーでコーティングされた膨張破裂板の概略中央断面図である。
【図１６】図１６は、レーザビームを用いて、破裂板の膨張部に形成すべき所望の弱め線を定めるレーザ加工線を、ラッカー層に形成する方法を示す概略図である。
【図１７】図１７は、破裂板の平面図であり、破裂板に形成する弱め線の凹所の構造を定めるレーザ加工された線の１つの形態を示す。
【図１８】図１８は、図１７の１８−１８線に実質的に沿った垂直拡大部分断面図であり、矢印の方向に見た図である。
【図１９】図１９は、破裂板のラッカー層のレーザ加工線に沿って、破裂板の膨張部に弱め線の凹所を形成するための電解研磨装置の概略を示す垂直断面図である。
【図２０】図２０は、破裂板の平面図である。図１９の電解研磨装置を用いて、破裂板の膨張部に電解研磨された凹所が形成されている。
【００７６】
【図２１】図２１は、破裂板の研磨部に形成された電解研磨された凹所を示す部分拡大概略断面図である。
【図２２】図２２は、ラッカー層のレーザ加工された線に対応する電解研磨された凹所を有する破裂板の平面図である。ラッカーは除去されている。
【図２３】図２３は、図２２の２３−２３線に沿った拡大部分垂直断面図であり、破裂板の膨張部の電解研磨された凹所の断面形状を示す。
【図２４】図２４は、本発明の１つの実施態様に係る電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所の対向する先端部が外側に湾曲し、互いに離れる方向に延伸している。
【図２５】図２５は、本発明の他の実施態様に係る、破裂板に電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所は、互いに向かい合っていて、離間して対向している先端部を有する。
【図２６】図２６は、本発明の更なる実施態様に係る、破裂板に電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所の半径が一定でなく、外側に湾曲する先端部を有し、弱め線の凹所の、破裂板の膨張部のヒンジ部に対置する部分は、外側に向いた概ねＶ字形のピーク部を有する。
【図２７】図２７は、本発明の更なる実施態様に係る、電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所の半径が一定でなく、外側に湾曲する先端部を有し、弱め線の凹所の、破裂板の膨張部のヒンジ部に対置する部分は、内側に向いた概ねＶ字形のピーク部を有する。
【図２８】図２８は、本発明の更なる実施態様に係る、電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所は、離間し対向する概ね円形の両先端部を有する。
【図２９】図２９は、本発明の更なる実施態様に係る、電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所は、互いに向き合っていて、離間して対向する、内側に湾曲した先端部を有し、破裂板の膨張部には、識別目的のための電解研磨ロゴが設けられている。
【図３０】図３０は、本発明の更なる実施態様に係る、電解研磨された凹所を有する反転作動破裂板の平面図である。この実施態様では弱め線の凹所は、離間し対向する、概ね円形の空洞を、弱め線の先端部に有する。
【００７７】
【図３１】図３１は、弱め線の１つの端部の空洞を通る３１−３１線に沿った拡大垂直断面図であり、矢印の方向に見た図である。
【図３２】図３２は、本発明に係る衛生的な反転座屈破裂板アセンブリの斜視図である。
【図３３】図３３は、反転座屈破裂板アセンブリを構成する部品を示す分解図である。
【図３４】図３４は、図３２に示す破裂板アセンブリの一部を構成する支持リングの別の形態を示す斜視図である。
【図３５】図３５は、破裂板の開口面積を定める電解研磨された弱め線の凹所を有する破裂板の反転圧力が、弱め線を持たない破裂板の反転圧力と、本質的に同じであることを実証するグラフである。なお、切込み弱め線を有する反転作動破裂板ではそうはならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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