JP5622615B2 - 圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばタイヤ製造装置等に用いられる圧力容器に係り、特に、容器内で胴板または鏡板に溶接される天板や底板等の板材溶接部構造に関する。

従来、胴板の上下に鏡板を溶接した容器の内側に、大気圧より高い圧力を受ける圧力容器が広く使用されている。このような圧力容器においては、たとえば容器本体の内部を仕切るように取り付けられて圧力を受ける天板のように、板材の端部を胴板または鏡板の壁面部材に溶接して取り付ける構造がある。

図９は、天板を圧力容器の壁面部材に溶接で取り付ける溶接構造部について、従来構造を示す断面図である。この溶接構造では、板材１の端部が、壁面部材２に対して略Ｔ字形断面となるように、溶接部３により溶接されている。
このような溶接部３は、溶接部の応力集中を緩和するため、テーパ形状やＲ形状等を形成する露出面４となるように、機械加工が施されている。
なお、上述した溶接部３をＲ形状に機械加工することは、たとえば下記の特許文献１に開示されている。

実公平１−２９０５０号公報（第３図等を参照）

ところで、上述した溶接部３の応力集中緩和は、溶接部のテーパ面を長くすることやＲ形状の半径を大きくすることにより延長した露出面４が有効となる。しかし、長いテーパ面や半径の大きいＲ形状とする露出面４の延長には、溶接部３の溶接量を増す必要があるので、結果として溶接による入熱量も増大する。
一方、溶接の入熱量は、板材１と溶接される壁面部材２の板厚ｔによる制限を受ける。このため、上述したテーパ面やＲ形状によって応力集中を緩和しようとすると、溶接量の増加に加えて、壁面部材２の板厚ｔも増加するという問題が生じてくる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、胴板や鏡板のような壁面部材に圧力や荷重を受ける板材を溶接により取り付ける板材の溶接部構造を有する圧力容器において、溶接量や壁面部材板厚の増大を低減または抑制して応力集中を緩和した圧力容器を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る圧力容器は、容器本体の内部を仕切るように取り付けられて圧力や荷重を受ける部材の端部が、前記容器本体の壁面部材に溶接により形成される溶接部を介して取り付けられる溶接構造部を有する圧力容器であって、前記溶接構造部に少なくとも第１の形状変位点と第２の形状変位点とが、所定の間隔を有して、前記容器本体の前記内部側に設けられており、前記第２の形状変位点が、前記壁面部材の板厚ｔを厚さｄだけ減じて形成され、前記第１の形状変位点が、前記部材の下面から溶接止端までの距離Ｌ _０ にわたって形成され、前記溶接止端から、前記第２の形状変位点が開始される第２の形状変更開始点までの距離がＬ _１ であり、かつ、前記第２の形状変位点が、前記第２の形状変更開始点から第２の形状変更終了点までの距離Ｌ _２ にわたって形成され、Ｌ _０ 、Ｌ _１ 、Ｌ _２ 及びｄが、前記溶接後の溶接脚長をＷとすれば、０≦Ｌ _０ ≦Ｗ、０≦Ｌ _１ ≦５Ｌ _０ 、０≦Ｌ _２ ≦９Ｌ _０ −Ｌ _１ 、０≦ｄ≦０．８ｔを満たすことを特徴とするものである。

このような圧力容器によれば、溶接構造部に溶接部を含む少なくとも第１の形状変位点と第２の形状変位点を設けたので、応力集中部を分散させることにより溶接構造部の応力ピーク値を低減することが可能になる。この場合に好適な形状変位点としては、たとえばテーパ形状やＲ形状等に形成された段差部を壁面部材に設けることである。

このような本発明の圧力容器は、たとえば容器の内部でタイヤの加硫を行うタイヤ製造装置に用いることが望ましい。

上述した本発明によれば、溶接構造部に溶接部を含む少なくとも２箇所の形状変位点を設けることにより応力集中部が複数箇所に分散するので、圧力容器の溶接構造部に作用する応力ピーク値を低減し、圧力容器の機械寿命を向上させることができる。
すなわち、溶接構造部は、溶接部の溶接量を増大させるテーパ形状やＲ形状等の延長による溶接部の応力集中緩和を回避できるようになるため、溶接費や溶接歪みの低減が可能になり、さらに、壁面部材となる胴板や鏡板は、溶接量の増大がないため、入熱量の制限による板厚増加もなくなり、材料費、製缶費及び輸送費の低減が可能になる。

本発明に係る圧力容器の一実施形態を示すもので、（ａ）は圧力容器の壁面部材に対し、天板を溶接で取り付けて段差部を設けた最終状態の溶接構造部を示す断面図、（ｂ）は溶接後で機械加工前の状態にある溶接構造部を示す断面図である。 図１に示した溶接構造部の応力ピーク値について、図９の従来構造と比較した応力比のグラフである。 本発明に係る圧力容器の適用例として、タイヤ製造装置の構造例を示す断面図である。 図１に示した溶接構造部の第１変形例を示す断面図である。 図１に示した溶接構造部の第２変形例を示す断面図である。 図１に示した溶接構造部の第３変形例を示す断面図である。 図１に示した溶接構造部の変形例を示す図で、（ａ）は第４変形例を示す断面図、（ｂ）は第５変形例を示す断面図、（ｃ）は第６変形例を示す断面図である。 図１に示した溶接構造部の第７変形例を示す断面図である。 圧力容器の従来例として、天板を圧力容器の壁面部材に溶接で取り付けた溶接構造部を示す断面図である。

以下、本発明に係る圧力容器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
ここで、本発明に係る圧力容器の適用例として、タイヤ製造装置（タイヤ加硫機）の構造例を図３に示す。図示のタイヤ製造装置１０は、たとえば建設機械等の大型車両用タイヤの加硫に使用されるオートクレーブ（あるいはホットヒーター）と称する装置である。このタイヤ製造装置１０は、日本国内の場合、第一種圧力容器構造規格に基づいて製造される圧力容器である。

タイヤ製造装置１０において、タイヤの加硫に用いられる圧力容器は、上ドーム１１と下ドーム１２とが外気を遮断するように連結環１３を介して着脱自在に連結され、シリンダ１４内の流体圧力（空気、水圧、油圧など）による荷重（プレス力）及び下ドーム１２内の蒸気圧力による荷重を支持している。
加硫するグリーンタイヤ１５を収納したモールド１６は、モールドテーブル１７上に３〜４段重ねられる。なお、図中の符号１８はプレス力を伝達するラム、１９はグリーンタイヤ１５に温水及び冷却水を供給するフレキシブルホース、２０，２１はフレキシブルホース１９を介して供給される温水及び冷却水をグリーンタイヤ１５に噴射して冷却するノズルである。

上述した上ドーム１１は、円筒状の胴板上部に鏡板を溶接したものである。この上ドーム１１には、下ドーム１２及び連結環１３とともに構成される圧力容器の内部を上下に仕切るようにして、板状部材の天板２２が取り付けられている。
この天板２２は、たとえば図１に示すように、板材の端部が容器本体の円筒形上部を形成する壁面部材３０に対して、略Ｔ字形断面となるように溶接をして取り付けられている。以下の説明では、壁面部材３０に天板２２を溶接した溶接部を溶接部４０と呼ぶことにする。

従って、上述したタイヤ製造装置１０の天板２２には、圧力容器内の圧力やシリンダ１４の荷重が作用している。この場合の壁面部材３０は、上ドーム１１を構成する円筒状の胴板、または、この胴板に溶接された鏡板の円筒部となる。
そして、本実施形態の圧力容器は、容器本体の内部を仕切るように取り付けられて圧力や荷重を受ける天板２２の端部が、容器本体の壁面部材３０に対し溶接部４０で取り付けられた図示の溶接構造部を有し、この溶接構造部に溶接部４０を含む少なくとも２箇所の形状変位点を設けてある。

図１（ａ）に示す実施形態の溶接構造部では、溶接部４０の他に、形状変位点として段差部５０が設けられている。この段差部５０は、壁面部材３０の板厚ｔを機械加工等により厚さｄだけ減じる（薄くする）ことにより生じたテーパ面である。
図１（ａ）は、図１（ｂ）に示す溶接後の状態にある溶接部４０′から機械加工を施した機械加工後の最終形状を示している。すなわち、溶接後の溶接部４０′は溶接脚長がＷとされ、この状態から機械加工を受けて最終形状の溶接部４０となり、さらに、溶接部４０の下方には機械加工により板厚ｔを厚さｄだけ薄くした板厚変位点の段差部５０が形成されている。なお、本実施形態の溶接部４０は、露出面４２がテーパ面を形成するように機械加工されている。

そして、段差部５０は、機械加工後の溶接部４０において、天板２２の下面から溶接止端４１までの距離をＬ_０とし、溶接止端４１から段差部５０が開始される形状変更開始点５１までの距離をＬ_１とし、かつ、形状変更開始点５１から形状変更終了点５２までの削り長さ（テーパ形成長）をＬ_２とするように設けられている。
ここで、Ｌ_０、Ｌ_１、Ｌ_２及びｄは、溶接後の溶接脚長、すなわち機械加工前の溶接脚長をＷとすれば、０≦Ｌ_０≦Ｗ、０≦Ｌ_１≦５Ｌ_０、０≦Ｌ_２≦９Ｌ_０−Ｌ_１、０≦ｄ≦０．８ｔとなるように設定されている。なお、溶接部４０′については、必ずしも機械加工を施す必要はなく、従って、図１（ｂ）に示す溶接脚長Ｗは、天板２２の下面から溶接止端４１までの距離のＬ_０以上（Ｗ≧Ｌ_０）あればよい。

このように、天板２２を壁面部材３０に溶接した本実施形態の溶接構造部には、溶接部４０及び段差部５０のような形状変位点が２箇所設けられているので、圧力容器内に作用する圧力等の入力を受けた溶接構造部では、応力集中を受ける位置が２箇所に分散されて応力ピーク値を低減できる。すなわち、溶接構造部の形状変位点が溶接部４０及び段差部５０の２箇所に設けられたことにより、溶接構造部の剛性が低下するとともに、応力ピーク値も低下する。

図２は、図１に示す本願構造及び図９に示す従来構造について、段差部５０の有無以外を同じ条件にして、応力ピーク値の計算予測値を比較したものである。すなわち、上述した構造の溶接構造部において、従来構造の応力ピーク値δｕを基準の１とすれば、段差部５０を設けた本願構造の応力ピーク値δは１以下に小さくなっていることが分かる。
この結果、本実施形態の溶接構造部を有する圧力容器は、機械寿命の向上により優れた耐久性や信頼性を有するものとなる。

また、本実施形態の溶接構造部は、段差部５０を追加したものであるから、溶接部４０の溶接量については従来構造と同じでよい。このため、溶接量の増大回避により溶接費や溶接歪みの低減が可能になる。さらに、壁面部材３０となる胴板や鏡板については、溶接量の増大を回避できたため、入熱量の制限による板厚の増加も回避でき、従って、材料費、製缶費及び輸送費の低減が可能になる。

さて、上述した実施形態（図１（ａ））の形状変位点は、壁面部材３０の板厚ｔを厚さｄだけ減じて形状変更開始点５１から形状変更終了点５２に至るテーパ面の段差部５０を形成した形状であるが、テーパ面とした溶接部４０の露出面４２の形状とともに、その形状に限定されることはない。
図４に示す溶接構造部の第１変形例では、壁面部材３０Ａの板厚を減じて形状変更開始点５１から形状変更終了点５２に至るＲ形状の段差部５０Ａが形成されている。このような段差部５０Ａを設けても、上述した露出面４２がテーパ面の段差部５０と同様の作用効果を得ることができる。

図５に示す溶接構造部の第２変形例では、上述した実施形態及び第１変形例でテーパ面とした溶接部４０の露出面４２が、Ｒ形状の露出面４２Ａを有する溶接部４０Ａに変更されており、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合、段差部５０Ａについては、Ｒ形状をテーパ面に変更した段差部５０を採用してもよい。
図６に示す第３変形例は、図１における溶接止端４１から段差部５０が開始される形状変更開始点５１までの距離であるＬ_１をなくして０とし、溶接止端４１及び形状変更開始点５１が一致したものであり、機械加工により溶接部４０′及び壁面部材３０Ｂに連続するＲ形状が形成されている。この場合の形状変位点は、機械加工後に露出面４２ＢがＲ形状となる溶接部４０Ｂと、同じく機械加工後にＲ形状となる段差部５０Ｂとの２箇所である。なお、溶接部４０Ｂ及び壁面部材３０Ｂに連続するＲ形状に代えて、連続するテーパ面としてもよい。

図７（ａ）〜（ｃ）に示す溶接構造部の各変形例は、機械加工による形状変化の具体例を示している。なお、図中の想像線は、機械加工前の形状である。
図７（ａ）に示す第４変形例では、図中に想像線で示す溶接後の溶接部４０′及び壁面部材３０′から機械加工を施し、Ｒ形状の溶接部４０Ａ及びテーパ面の段差部５０による２箇所の形状変位点を形成している。この場合、天板２２の下面から溶接止端４１までの距離Ｌ_０は、溶接脚長Ｗより小（Ｌ_０＜Ｗ）である。

図７（ｂ）に示す第５変形例では、図中に想像線で示す溶接後の溶接部４０′及び壁面部材３０′から機械加工を施し、連続するテーパ面の溶接部４０Ｃ及び段差部５０Ｃによる２箇所の形状変位点を形成している。この場合、天板２２の下面から溶接止端４１までの距離Ｌ_０は、溶接脚長Ｗより小（Ｌ_０＜Ｗ）である。
図７（ｃ）に示す第６変形例では、図中に想像線で示す溶接後の溶接部４０′及び壁面部材３０′から機械加工を施し、テーパ面の溶接部４０及びテーパ面の段差部５０による２箇所の形状変位点を形成している。この場合、天板２２の下面から溶接止端４１までの距離Ｌ_０は、溶接脚長Ｗより小（Ｌ_０＜Ｗ）である。

図８に示す第７変形例は、形状変位点として略半円形断面を有する凹溝部の段差部５０Ｄを形成したものである。この場合の段差部５０Ｄは、テーパ面の溶接部４０と組み合わせてもよいし、あるいは、Ｒ形状の溶接部４０Ａと組み合わせてもよい。
また、上述した実施形態では、溶接部に１箇所の段差部を加えて合計２箇所の形状変位点を形成しているが、段差部の数については１箇所に限定されることはなく、２箇所以上としてもよい。この場合、溶接部はテーパ面またはＲ形状のいずれでもよく、また、これと組み合わせる１または複数の段差部は、テーパ面、Ｒ形状または略半円形断面の凹溝から選択した１または複数種類の採用が可能である。

また、上述した溶接構造部は、上述したタイヤ製造装置１０の天板２２に限定されることはなく、たとえばタイヤ製造装置１０の圧力容器内に取り付けられる下ドーム１２の底板は勿論のこと、他の圧力容器内部に取り付けられる各種板材にも適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ タイヤ製造装置
１１ 上ドーム
１２ 下ドーム
１３ 連結環
１４ シリンダ
１５ グリーンタイヤ
１６ モールド
２２ 天板
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｄ，３０′ 壁面部材
４０，４０Ａ〜４０Ｃ，４０′ 溶接部
５０，５０Ａ〜５０Ｄ 段差部

Claims (2)

1. 容器本体の内部を仕切るように取り付けられて圧力や荷重を受ける部材の端部が、前記容器本体の壁面部材に溶接により形成される溶接部を介して取り付けられる溶接構造部を有する圧力容器であって、
   前記溶接構造部に少なくとも第１の形状変位点と第２の形状変位点とが、所定の間隔を有して、前記容器本体の前記内部側に設けられており、
   前記第２の形状変位点が、前記壁面部材の板厚ｔを厚さｄだけ減じて形成され、
   前記第１の形状変位点が、前記部材の下面から溶接止端までの距離Ｌ _０ にわたって形成され、
   前記溶接止端から、前記第２の形状変位点が開始される第２の形状変更開始点までの距離がＬ _１ であり、かつ、
   前記第２の形状変位点が、前記第２の形状変更開始点から第２の形状変更終了点までの距離Ｌ _２ にわたって形成され、
   Ｌ _０ 、Ｌ _１ 、Ｌ _２ 及びｄが、前記溶接後の溶接脚長をＷとすれば、０≦Ｌ _０ ≦Ｗ、０≦Ｌ _１ ≦５Ｌ _０ 、０≦Ｌ _２ ≦９Ｌ _０ −Ｌ _１ 、０≦ｄ≦０．８ｔを満たす圧力容器。
2. 容器の内部でタイヤの加硫を行うタイヤ製造装置に用いられる請求項１に記載の圧力容器。

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