JPH09119539A - ピストン式熱または圧力反応安全装置 - Google Patents

ピストン式熱または圧力反応安全装置

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JPH09119539A
JPH09119539A JP8252635A JP25263596A JPH09119539A JP H09119539 A JPH09119539 A JP H09119539A JP 8252635 A JP8252635 A JP 8252635A JP 25263596 A JP25263596 A JP 25263596A JP H09119539 A JPH09119539 A JP H09119539A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力容器の壊滅的破裂を防止し、可溶合金の
押出しによる故障を防止する安全装置を得ること。 【解決手段】 安全装置（５０）は、加圧容器内または
周囲の温度または圧力のいずれかを超えたときに作動
し、そして、高圧のときでも故障につながる押出しに抵
抗する。安全装置は、入口（５４）、出口（５６）、出
入口に連通した流体流通路（４２）を有する本体（５
２）を備えている。本体は、さらに部材（６０）を有す
る流体逃し通路（５８）と可溶材料からなるプラグ（６
２）とを備えている。部材（６０）は気体および液体に
対しては多孔質ではあるが固体に対しては多孔質ではな
い。プラグ（６２）は、多孔質部材（６０）に隣接して
定置されていて所定の温度で溶融する。第１ピストン
（６６）は流体流通路（４２）内に定置され、入口（５
４）に関して密封状に常態で偏倚されている。第２ピス
トン（６８）は、流体逃し通路（５８）内に定置され、
圧縮力を可溶材料のプラグ（６２）に加える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、加圧容器内または
周囲の所定の温度または圧力が超過したときに、加圧容
器内の圧力を解放するように熱または圧力で作動される
安全装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】加圧気体（ガス）または液体を収容して
いる多くの容器には、圧力または温度が過剰の場合に容
器の破滅的破裂を防止するために、安全弁が設けられて
いる。例えば、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）のような代替燃
料を使用する車両は、可圧気体を収容する１またはそれ
以上の燃料シリンダをボード上に設けることを要求す
る。連邦規制では、火災の場合に、許容できない高圧に
達する前にシリンダからガスを逃すようにする安全弁機
構をシリンダに設けることを要求している。これは、爆
発の潜在性を減じている。
【０００３】許容できる熱反応安全弁をつくるためにい
くつかの試みがなされてきた。例えば、１つの試みは、
圧力容器内の出口通路を閉塞密封する共融金属の可溶プ
ラグを設けることであった。容器を取り囲む温度が共融
金属の臨界点に一旦達すると、プラグが溶け、そして圧
力によって溶融プラグ材料を通路から追い出して、容器
内のガスを排気する制御された逃がし通路をつくる。
【０００４】しかし、大きな問題点は、ほとんどすべて
の市販の共融金属は、高圧にさらされたときに、長時間
にわたって流れ出る（クリープまたは冷間流）傾向があ
り、潜在的なガス漏れ通路をつくる。このために、従来
の可溶プラグ式装置は、共融合金が３５kg/cm2（５００
psig）を超える容器圧力にさらされる用途にはすすめら
れない。しかし、２５０kg/cm2（３６００psig）の公称
反応圧力装置が“安定圧力”の１．２５倍まで温度補償
充填を受ける場合には、圧縮天然ガス燃料タンクは、３
１５kg/cm2（４５００psig）までの圧力に耐えられる。
ＣＮＧ動力車両に用いられるＣＧ−９型圧力安全装置用
の圧縮ガス協会によって採用された基準は、８２℃（１
８０°Ｆ）で試験されたときに、燃料タンク試験圧力の
７０％と２１kg/cm2（３００psig）との間で２６００サ
イクル後に可溶金属の可視流出が起らないこと、また、
さらに８２℃（１８０°Ｆ）で試験されたときにタンク
試験圧力の７０％に５００時間さらされた後に可視流出
が生じないことを要求している。
【０００５】これらの厳密な基準に合致させるために、
いくつかの試みがなされてきた。Visnicの米国特許第4,
800,948号、Visnic等の米国特許第4,744,382号、同第4,
744,383号はすべて、可溶プラグ材料の流出を防止する
ために成し遂げにくい流通路を用いた熱反応安全装置を
開示している。Wass等の米国特許第5,197,671号は、共
融合金を有し、かつ、密封プラグに係合する熱トリガを
備えた圧力安全弁を開示している。所定の温度を超えた
とき、トリガが密封プラグを解除してガス流通路を開
く。Ervin等の米国特許第5,255,809号は、可溶プラグの
使用というよりはむしろ圧力安全装置についての異なる
試みを開示している。Ervin等の米国特許は、形状を変
え、そして、温度変化に応答して弁を開く形状記憶合金
を使用している。
【０００６】しかし、検出された温度上昇によって作動
される安全装置は、いくつかの追加の短所をもってい
る。シリンダ内のガスの圧力が温度上昇以外の何らから
の理由によって安全限度を超えて増加した場合、あるい
は、温度上昇が可溶プラグから離れた地点で隔絶され、
しかもシリンダ内の圧力上昇が生じている場合、熱反応
安全装置がこれらの環境の下では作動されない。このよ
うな事情のために、シリンダ内の超過圧力に応答する圧
力反応装置を得ることが望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】圧力容器の壊滅的破裂
を防止し、しかも可溶合金の押出しによる押出しがらみ
の故障を発展させないように信頼性のある作動をする熱
または圧力反応安全装置を当該技術においてはまだ必要
としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、加圧容器内ま
たは周囲の過剰温度または圧力に応答して作動し、か
つ、高圧でさえも押出しがらみの故障に耐える安全装置
を設けることによって、上記要求に応える。安全装置
は、容器内の過剰圧力を解放するように信頼性をもって
作動する。本発明の１つの考え方によれば、安全装置が
設けられ、また、入口、出口、出入口に連通する流体流
通路を有する本体を備えている。本体は、気体および液
体に対しては多孔質ではあるが、固体に対しては多孔質
ではない部材（すなわち、その部材は気体および液体の
通過を許す。）を有する流体逃し通路を備えている。所
定の温度で溶融する可溶材料からなるプラグが流体逃し
通路内の多孔質部材に隣接して定置される。
【０００９】安全装置は、第１および第２ピストンが流
体流通路内に定置される点に特徴がある。第１および第
２ピストンは第１および第２端を有し、また、入口に対
して密封状態に常態で偏倚される。第２ピストンは流体
逃し通路内に定置される。第２ピストンは可溶材料から
なるプラグに対して常態で偏倚され、プラグに圧縮力を
加える。
【００１０】本発明の最適実施例においては、第１およ
び第２ピストンが１またはそれ以上のベルビル・スプリ
ングによって偏倚される。ベルビル・スプリングは第１
ピストンに圧縮力を加えてそれを入口に密封させ、ま
た、第２ピストンおよび可溶プラグに圧縮力を加えて流
体逃し通路を密封する。ベルビル・スプリングの使用
は、適正な圧縮力を与えるさいにそれらの繰返しのため
に好適である。代案として、他の慣用の偏倚機構は、例
えば、つる巻きスプリングのようなベルビル・スプリン
グの代りに用いられてもよい。安全装置は、またそれが
所定の温度に応答して開くように調節されうるように、
第１および第２ピストンにかかる偏倚力を調節するため
の機構をも備えている。このような調節機構は、例え
ば、ピストンにかかる圧縮力を増加または減少させるよ
うに回転される流体逃し通路内定置ねじ付きナットであ
ってもよい。このねじ付きナットは、流体を逃す流体貫
通通路を有している。
【００１１】第１ピストンの第１端は、入口を密封する
ガスケットを受ける座を好ましくは有している。第１お
よび第２ピストンは、第１ピストンの第２端が第２ピス
トン内の環状開口内に滑動自在に受けられるように、好
ましくは一体に組み立てられる。
【００１２】多孔質部材は、流体（液体または気体）用
の屈曲流通路をつくる材料から好ましくはできている。
本発明の最適実施例においては、多孔質部材は青銅のよ
うな焼結金属からつくられる。焼結部材は、金属の多数
の小球を一体に圧縮し、そして、それらを一体の部材に
焼結することによって、つくられてもよい。球体間の隙
間は多数の流通路をつくる。このような材料は、固体可
溶材料の押出しに抵抗する。
【００１３】本発明の熱または圧力反応安全装置は、加
圧容器の任意の開口に装着されうるようになっている独
立装置として用いられてもよい。加圧容器に隣接した温
度が所定の限度を超えたとき、または加圧容器内の圧力
が所定の限度を超えたとき、本装置は加圧容器からガス
を解放するように作動する。
【００１４】さらに、本安全装置は、ＣＮＧ動力車両用
圧縮天然ガス収容燃料シリンダのような加圧容器へのお
よびそこから圧縮ガスの流れを制御する２方向弁に容易
に組み付けられうる。本実施例においては、安全装置
は、燃料シリンダの火災または過剰充填の場合における
ようなシリンダ内の過剰ガス圧力を解放することによっ
て、燃料シリンダの破壊を防止する。
【００１５】動作においては、可溶合金プラグは、流体
逃し通路内で第２ピストンと多孔質部材との間で圧縮さ
れる。温度が所定の限度を超えた場合に、プラグ材料が
溶け、そして、第２ピストンによって発生された圧縮力
によって、多孔質部材を通り、逃し通路を抜けて流れ出
る。プラグ材料が流れるので、第２ピストンがプラグ部
材によって以前に占有していた空間内に動く。この第２
ピストンの動きが、シリンダ内のガス圧力によってシリ
ンダへの入口にかぶさるシールを離れさせ、そして、出
口を通るガスの流れを開始させ、これにより生発した圧
力を解放する。代案として、シリンダ内のガス圧力が所
定の限度を超えてはいるが、可溶合金プラグを溶かすの
に十分な温度上昇を伴っていない場合には、スプリング
の偏倚力がそれに打ち勝ち、また、第１ピストンが第２
ピストン内の環状開口内へ上方に動く。再び、シリンダ
内のガス圧力がピストンを動かして、シリンダへの入口
にかぶさるシールを離れさせ、そして、出口を通るガス
の流れを開始させる。
【００１６】したがって、本発明の特徴は、高圧であっ
ても押出しがらみの故障に耐え、しかも容器内に発生し
た圧力を解放するように作動し、容器の壊滅的圧力破裂
を防止する温度および圧力反応安全装置を提供すること
にある。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の熱および圧力反応安全装
置は、気体および液体充填容器を含む圧力解放の要求の
あるいかなる圧力容器にも使用できることは当業者であ
れば明らかではあるが、本発明は、本発明のいくつかの
最適実施例について説明がなされる。これらの実施例の
うちの１つが図１に示されている。図１は第１気体流通
路１４を有する弁本体１２を備えた２方向弁１０を示
す。流通路１４は、加圧容器（図示せず）の内部に連通
している第１端１６から、弁本体の出口ポート（図示せ
ず）に連通する第２端まで弁本体を貫通している。弁本
体１２は、弁が加圧容器の首の対応する組のねじにねじ
込まれるようにする外ねじ２０を有している。可撓Ｏリ
ング２２は、弁本体１２と加圧容器との間を密封する。
弁１０とその構成部品は、真鍮、鋼、ステンレス鋼、ま
たはアルミニウムからつくられてもよく、また、腐食に
耐えるようにメッキまたはその他の表面処理を施されて
いてもよい。
【００１８】気体流通路１４内に弁座２４がある。プラ
ンジャ２８、ポペット・ヘッド３０、ハウジング３２を
有するソレノイド弁２６が気体流通路１４内に定置され
ている。プランジャ２８およびポペット・ヘッド３０
は、気体流通路１４内で滑動できる。スプリング（図示
せず）は、弁座２４に密封関係にポペット・ヘッド３０
に常態で偏倚力をかけている。ソレノイド・コイル（図
示せず）は、作動されたときに、プランジャ２８をポペ
ット・ヘッド３０から離れるように動かし、これによ
り、米国特許第5,452,738号（発明者Borland等）に詳細
に説明されているように、弁座を開かせる。
【００１９】再び図１を参照すると、２方向弁１０は、
弁座２４と流通路の第２端１８との間で気体流通路１４
内に定置される手動ロックダウン弁３４を含んでいる。
手動ロックダウン弁３４は、弁および燃料供給系統の圧
力試験が約２５０kg/cm2（３６００ psi）までの正常動
作圧力の範囲の下でそれらが漏れに対し緊密であること
を保証する。手動ロックダウン弁３４は、気体流通路１
４内の第２弁座３６を密封するように、ソケット３５内
でアレン・レンチ（図示せず）のような工具を用いて締
め付けられうる。図示するように、ねじ付きステム３８
は気体流通路１４を密封するように、弁座３６に可撓ガ
スケット４０を締め付けるように回転されてもよい。
【００２０】さらに図１において、弁本体１２はまた第
２気体流通路４２を有している。気体流通路４２は、一
端において加圧容器の内部に連通し、また、他端におい
て弁本体の排気ポート４４に連通している。本発明の熱
および圧力反応安全装置５０は、第２気体流通路４２に
装着される。安全装置５０は、入口５４および出口５６
を有する本体５２を備えている。第２気体流通路４２
は、入口５４と出口５６との間で連通する。本体５２
は、例えば、真鍮のような任意の適当な金属からつくら
れてもよい。
【００２１】本体５２は、可溶材料が以下に詳述するよ
うな条件の下で逃げられるようにする流体逃し通路５８
を有している。流体逃し通路５８を閉塞するものは、気
体および液体には多孔質ではあるが、固体には多孔質で
はない部材６０である。図示するように、部材６０はね
じ付きナット８４内の切欠肩部６１に着座されてもよ
い。好ましくは、部材６０は青銅のような焼結金属から
できている。焼結青銅は、単一体を成形するように一体
に焼結されてしまった多数の小径球の形体をとってもよ
い。球体間の隙間は無数の流体流通路を成形するが、通
路の小面積およびそれらの多くの方向変化のために固体
の通過に抵抗する。当業者にとっては理解されるであろ
うが、部材６０は気体および液体には多孔質ではあるが
固体には多孔質ではなく、かつ、好ましくは屈折した流
路をつくる無数の小流通路を有する特性のある任意の材
料からつくられ、多数の気泡をもっていてもよい。
【００２２】図１に示すように、熱反応安全弁５０は、
可溶材料、好ましくは１０３℃（２１７°Ｆ） の融点
をもつ可溶共融合金のプラグ６２を備えている。このよ
うな可溶合金およびそれらの融点は当該技術においては
周知である。異なる共融合金は、安全装置が開くように
設計された所望の温度にもとづいて選択されてもよい。
プラグ６２は、多孔質部材６０に隣接してかつ第２気体
流通路４２の外に定置される。プラグ６２は、気体流通
路４２内に定置された第１ピストン６６および第２ピス
トン６８に同時に作用する重なった一連のベルビル・ス
プリング６４の圧縮力によって、部材６０に隣接した位
置に維持される。ピストンは好ましくはステンレス鋼か
らつくられる。
【００２３】第１ピストン６６は、第１端７０と第２端
７２とを有している。第１端７０は、例えば、ポリアミ
ド（デュポン社のＶｅｓｐｅｌ（商標））のような密封
自在の弾性材料の可撓ガスケット７４を保持する凹所を
もっている。ガスケット７４は入口５４を密封する。図
示するように、ガスケット７４は、可溶プラグ６２に当
接する第２ピストンの面の表面積よりも小さい表面積を
密封する。このようにしてピストンおよびガスケットを
製造することによって、可溶プラグ６２に作用する力
は、プラグ合金がクリープまたは冷間流れによって押し
出る傾向を弱めるように減少される。したがって、ガス
ケット７４によって密封される領域は直径Ｄ１を有し、
また、第２ピストン６８の面は直径Ｄ２をもつ（Ｄ１＜
Ｄ２）ならば、プラグ６２にかかる圧縮応力はπ／４×
（Ｄ１／Ｄ２）2 を乗じた容器圧力に等しくなる。した
がって、本発明の安全装置の設計は、可溶プラグ６２を
気体流通路４２の外側に定置することにより、屈曲流通
路をもつ多孔質部材６０を設けることにより、また、可
溶プラグにかかる圧縮荷重を減じることによって、可溶
合金によるいかなる可能性のある押出しがらみの故障を
も最少にするように働く。
【００２４】図１にも示すように、第２ピストン６８
は、流体逃し通路５８の側面を密封するためにＯリング
７６を有し、加圧容器からのガスがその通路を通って漏
れることを防いでいる。好ましくは、Ｏリング７６は、
Ｖｉｔｏｎ（商標）のようなニトリル・ゴムまたは高温
動作用に設計されたその他の適当な弾性材料からつくら
れる。プラグ６２に対するベルビル・スプリング６４に
よって加えられる圧縮力は、温度が可溶合金の融点を超
えた場合に、溶融材料が通路５８を押し出されることを
確実にする。第２ピストン６８は、第１ピストン６６の
第２端７２が滑動自在に受けられる環状開口６９を有し
ている。
【００２５】２方向弁１０の正常動作中、安全装置５０
は、気体緊密密封を維持する。しかし、弁本体または加
圧容器に隣接した温度が火災の場合のように所定の限度
以上に上昇したならば、火災からの熱が可溶プラグ６２
に伝達してプラグ６２を溶かし、多孔質部材６０を通
り、逃し通路５８から流れ出る（第２ピストン６８に抗
してベルビル・スプリング６４の力によって助けられ
る）。図３に最もよく示すように、同一参照番号は同じ
要素を表しているが、第２ピストン６８に作用するベル
ビル・スプリング６４にかかる圧縮力とガスケット７４
によって密封された面積に作用する容器内のガス圧力に
よる力との組合せが、ピストンおよびスプリング集合体
を可溶合金材料によって占有されていた空間内へ上方に
動かす。安全装置の作動時間は敏速である。この動きは
入口５４および気体流通路４２を開き、そして、容器内
の加圧ガスを矢印で示すようにポート４４を通して外部
に排気する。このガスが逃げるに従って、容器内の圧力
が低下し、壊滅的な破裂を回避させる。
【００２６】同様に、容器内の圧力が容器の過剰充填の
場合、あるいは、温度上昇の（しかし、可溶プラグ６２
の溶融温度には至っていない）場合のように、所定の最
大値を超えたならば、安全装置５０は図４に示すように
作動する（再び、同じ参照番号は同じ要素を示す。）。
図４に示すように、ベルビル・スプリング６４によって
発生されたプリセット圧縮力は、容器内の圧力上昇によ
って超過される。この増加圧力によって第１ピストン６
６を第２ピストン６８の環状開口６９内に矢印方向上方
に動かし、ガスケット７４を入口５４から離れさせる。
ガスは通路４２を通り、矢印に示すようにポート４４か
ら流出する。安全装置５０の作動時間は敏速である。容
器内のガス圧力は、それが所定の最大圧力に達するまで
減少される。そのとき、スプリングの圧縮力は、ピスト
ン６６およびガスケット７４が入口を再密封させるのに
再び十分になっている。このようにして、本発明のこの
実施例においては、安全装置が再使用可能になる。
【００２７】スプリング６４によって発生された圧縮力
は、ナットを必要なだけ締付け、または弛緩させるため
のアレン・レンチのような適当な工具によってねじ付き
ナット８４を回すことによって調節されてもよい。ナッ
ト８４は、溶融可溶合金が流体逃し通路５８を通って逃
げられるように、図示するような環状通路を有してい
る。
【００２８】図２は、本発明の別の実施例を示す。ここ
では、安全装置５０が独立した装置であり、スイベル嵌
合部７８を通して加圧容器内の開口に外部から実質的に
装着されてもよい。図示するように、本体５２は、スイ
ベル嵌合部７８のリップ８２が嵌合されるフランジ部分
８０を有している。安全装置５０は、例えば、排気ポー
ト４４のために簡易な接続を与えるように、完全３６０
°自由に回転する。
【図面の簡単な説明】
【図１】２方向ソレノイド作動弁と一体に構成された本
発明の熱圧力安全装置の一部断面側面図である。
【図２】入側にスイベル・コネクタを有しかつ圧力容器
の開口に嵌合するようになっている本発明の別の実施例
の縦断面図である。
【図３】可溶合金プラグが溶融し、そしてピストンが以
前にプラグが占有していた空間内に変位した熱作用後の
安全装置の一部断面側面図である。
【図４】所定の圧力限度を超過した後の安全装置の一部
断面側面図である。
【符号の説明】
１０…２方向弁 １２…弁本体 １４…第１気体流通路 １６…第１端 １８…第２端 ２６…ソレノイド弁 ２８…プランジャ ３０…ポペット・ヘッ
ド ３４…手動ロックダウン弁 ３８…ねじ付きステム ４０…ガスケット ４２…第２気体流通路 ５０…安全装置 ５２…本体 ５４…入口 ５６…出口 ５８…流体逃し通路 ６０…多孔質部材 ６１…肩部 ６２…プラグ ６４…ベルビル・スプリング ６６…第１ピストン ６８…第２ピストン ７２…第２端 ７８…スイベル嵌合部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595025914 7887 Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｖｉｌｌａ ｇｅ Ｄｒｉｖｅ，Ｄａｙｔｏｎ，Ｏｈｉ ｏ 45459−3959，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａ ｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ (72)発明者 ロビン・エヌ・ボーランド アメリカ合衆国ペンシルバニア州15317, マクマーレー，シュフィールド・レーン 132 (72)発明者 ジェームズ・アール・ダニエルズ アメリカ合衆国ペンシルバニア州15057, マクドナルド，オーチャード・ストリート 111

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入口（５４）、出口（５６）、該出入口
    に連通した流体流通路（４２）を有する本体（５２）か
    らなり、該本体はさらに気体および液体に対しては多孔
    質ではあるが、固体に対しては多孔質にはならない部材
    （６０）と、該部材に隣接していて所定の温度で溶融す
    る可溶材料からなるプラグ（６２）とを有する流体逃し
    通路（５８）を備えるようになっている安全装置（５
    ０）において、第１ピストン（６６）が前記流体流通路
    内に定置され、該第１ピストンは第１および第２端（７
    ０，７２）を有し、かつ、前記入口に対して密封状態に
    常態で偏倚され、第２ピストン（６８）は前記流体逃し
    通路内に定置され、該第２ピストンは前記安全装置が温
    度または圧力のいずれかによって作動されるように、常
    態で前記プラグに対して偏倚され、かつ、該プラグに圧
    縮力を加えることを特徴とした安全装置。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２ピストンは１または
    それ以上のベルビル・スプリング（６４）によって偏倚
    されていることを特徴とした請求項１記載の安全装置。
  3. 【請求項３】 前記第１ピストン（６６）の第１端（７
    ４）は、前記入口を密封するガスケット（７４）を有し
    ていることを特徴とした請求項１または２記載の安全装
    置。
  4. 【請求項４】 前記第２ピストン（６８）は、前記第１
    ピストン（６６）の第２端（７２）を滑動自在に受ける
    ための環状開口（６９）を有していることを特徴とした
    請求項１から３までの任意の一項に記載の安全装置。
  5. 【請求項５】 前記部材（６０）は、一体に焼結された
    金属球体からなることを特徴とした請求項１から４まで
    の任意の一項に記載の安全装置。
  6. 【請求項６】 前記プラグ（６２）が前記流体流通路
    （４２）内にないことを特徴とした請求項１から５まで
    の任意の一項に記載の安全装置。
  7. 【請求項７】 前記入口上にスイベル嵌合部（７８）を
    有することを特徴とした請求項１から６までの任意の一
    項に記載の安全装置。
  8. 【請求項８】 前記第１および第２ピストンにかかる偏
    倚力を調節するための機構を有していることを特徴とし
    た請求項１から７までの任意の一項に記載の安全装置。
  9. 【請求項９】 前記調節機構は、前記流体逃し通路（５
    ８）内に定置されたねじ付きナット（８４）からなるこ
    とを特徴とした請求項８記載の安全装置。
  10. 【請求項１０】 開口を有する加圧容器と、該開口に装
    着された請求項１の安全装置との組合せであって、該容
    器に隣接した温度が所定の限度を超えたとき、または、
    該容器内の圧力が所定の限度を超えたとき、該加圧容器
    からガスを解放することを特徴とした集合体。
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