JP6048659B2 - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばヒートポンプなどを用いて加熱生成された給湯用の湯水や、その他の流体を貯留するのに用いられるタンク、およびそのようなタンクを製造するための製造方法に関する。

タンクの一例として、特許文献１〜３に記載のものがある。
これらの文献に記載されたタンクは、筒状の胴体部材の端部に、椀状の鏡板を嵌合し、かつ溶接したものである。ただし、胴体部材の端部の開口周縁部、または鏡板の開口周縁部のいずれか一方は、先端側ほど外径が小さくなる傾斜筒状部として形成されており、この傾斜筒状部が他方の開口周縁部の内側に差し込まれている。また、溶接としては、たとえばＴＩＧ溶接が用いられ、この溶接は、胴体部材や鏡板の外側から行なわれている。
このような構成によれば、胴体部材や鏡板の外側から溶接を行なうことができるために、この溶接作業が容易化される。また、胴体部材と鏡板との開口周縁部どうしを嵌合接触させた状態で溶接することができるために、溶接品質を良好にすることも可能である。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

図５を参照して説明すると、たとえば、鏡板８の開口周縁部８０に傾斜筒状部８１を形成し、かつこの部分を胴体部材９の開口周縁部９０に差し込んだ状態でこれらに溶接を施した場合に、傾斜筒状部８１と開口周縁部９０との間には、隙間３Ａが生じる。符号７０は、溶接のビード部を示している。従来においては、隙間３Ａの奥部には、傾斜筒状部８１の外周面と開口周縁部９０の内周面とが所定の角度θ１で交差して直接繋がった１つの角部Ｃ３が形成された構造となる。このような構造は、タンク内に圧力変動が生じたり、あるいはタンクが熱膨張や熱収縮を生じたような場合に、角部Ｃ３に応力集中を生じ易い。したがって、タンクの耐久性を高める上で改善の余地がある。

また、前記した角度θ１が小さいと、隙間３Ａにおいて腐食（隙間腐食）が生じ易くなる不具合も生じ、タンクの耐久性がより低くなってしまう。これを解消するには、角度θ１を大きくすればよいが、この角度θ１を大きくし過ぎると、開口周縁部８０，９０の密接度合いが小さくなり、溶接不良を生じ易くなる。さらに言うと、本発明者は、タンクの溶接手段として、従来一般的に行なわれていたＴＩＧ溶接などに代えて、レーザ溶接を用いることを着想したものであるが、レーザ溶接を施す場合において、前記の角度θ１が過大であると、図４（ｂ）を参照して後述するように、溶融池が破れて溶接対象箇所に孔あきを生じる可能性が高くなる。

特公平２−４４６２７号公報 特開２００９−１８３９６３号公報 特許第３９３６７９６号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、胴体部材と鏡板との溶接部分の品質が良好であって、特定の箇所に応力集中が生じることを緩和し得るとともに、隙間腐食なども生じ難く、耐久性に優れるタンク、およびこのようなタンクを適切に
製造することが可能なタンクの製造方法を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるタンクは、筒状の胴体部材と、椀状の鏡板と、を備えており、前記胴体部材および前記鏡板の互いに対応する一対の開口周縁部のうち、一方の開口周縁部は、先端側ほど外径が小さくなる傾斜筒状部を有する形態とされ、前記傾斜筒状部が他方の開口周縁部の内側に差し込まれた状態において、前記一対の開口周縁部どうしが溶接され、前記傾斜筒状部の外周面と前記他方の開口周縁部の内周面との間に、隙間が形成されている、タンクであって、前記隙間の奥部には、前記溶接のビード部による壁面部が前記隙間に対面した状態で存在し、前記傾斜筒状部の外周面および前記他方の開口周縁部の内周面が、前記胴体部材の径方向に離間した状態で前記壁面部に交差して繋がった２つの角部が形成されており、前記溶接は、レーザ溶接であり、前記傾斜筒状部の外周面と前記他方の開口周縁部の内周面との夾角は、１６〜２４°の範囲内とされていることを特徴としている。
ここで、本発明でいう「胴体部材の径方向」とは、胴体部材が円筒状の場合には、胴体部材の半径方向(直径方向)であることは勿論のこと、胴体部材が角筒状の場合には、実質的に前記半径方向に相当する方向（胴体部材の軸長方向と直交する方向）の意である。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、胴体部材および鏡板の一方に形成された傾斜筒状部と他方の開口周縁部との間に形成された隙間の奥部には、溶接のビード部による壁面部が隙間に対面して存在し、かつこの壁面部に対して交差して繋がった２つの角部が胴体部材の径方向に離間した状態で形成されている。本発明のこのような構造によれば、隙間の奥部に１つの角部のみが形成されていた従来技術と比較すると、タンク内に圧力変動が生じたり、あるいはタンクが熱膨張や熱収縮したような際に、隙間の奥部に応力集中を生じ難くする作用が得られる。したがって、タンクの耐久性を高めることが可能である。
加えて、傾斜筒状部の外周面と他方の開口周縁部の内周面との夾角を、比較的小さめにした場合であっても、前記隙間の奥部には、微小幅の領域が長い寸法で形成されないようにすることも可能となる。したがって、隙間腐食が生じ難くなる効果も得られる。隙間腐食を防止することを目的として前記夾角をさほど大きくする必要はない。その結果、一対の開口周縁部どうしを密接させた状態で溶接することが容易となり、溶接不良を生じ難くする効果も得られる。

さらにこのような構成によれば、次に述べる本発明のタンクの製造方法の効果のうち、レーザ溶接による効果、および所定の夾角を１６〜２４°の範囲内に設定したことによる効果と同様な効果が得られる。

本発明の第２の側面により提供されるタンクの製造方法は、筒状の胴体部材および椀状の鏡板の互いに対応する一対の開口周縁部のうち、一方の開口周縁部に、先端側ほど外径が小さくなる傾斜筒状部を形成し、この傾斜筒状部を他方の開口周縁部の内側に差し込む組付工程と、この組付工程の後に、前記一対の開口周縁部どうしを溶接する工程と、を有しており、本発明の第１の側面により提供されるタンクを製造するための方法であって、前記組付工程においては、前記傾斜筒状部の外周面と他方の開口周縁部の内周面との夾角を、１６〜２４°の範囲内に設定し、前記溶接は、レーザ溶接とすることを特徴としている。

このような構成によれば、次に述べるような効果が得られ、本発明の第１の側面により
提供されるタンクを適切に製造することができる。
第１に、レーザ溶接は、高速かつ低入熱での溶接が可能であり、母材の熱歪みを少なくできるといった利点を有することに加え、局所加熱による高密度エネルギ加工が可能であるため、深い溶融層を母材の所望の位置に正確に形成することが可能である。したがって、レーザ溶接を用いれば、胴体部材および鏡板の一方の傾斜筒状部と他方の開口周縁部との間に形成された隙間の奥部に、溶接のビード部による壁面部を隙間に対面させた状態で形成することが、容易かつ適切に実現できることとなる。
第２に、前記の夾角を１６〜２４°の範囲内に設定することにより、次のような効果が得られる。
まず、前記夾角が、１６°未満である場合には、前記隙間の幅が過小となる。この場合においては、前記隙間の奥部に溶接のビード部を仮に形成したとしても、傾斜筒状部の外周面と、これに対面する開口周縁部の外周面とは、隙間の奥部において直接繋がってしまい、隙間の奥部には、実質的に１つの角部が形成されるに過ぎない状態となる。これに対し、前記夾角を１６°以上とすれば、隙間の奥部に２つの角部を適切に形成することが可能となる。
一方、前記夾角が、２４°を超える角度とされた場合には、傾斜筒状部と他方の開口周縁部とが隙間を介して大きく離間することとなる。この場合には、他方の開口周縁部に対してその外側からレーザ溶接を施す際に、この開口周縁部に形成された溶融池が破れ、溶接不良（開口周縁部の孔あき）が生じ易くなる。これに対し、本発明では、そのようなことも適切に防止することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

（ａ）は、本発明に係るタンクの一例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すタンクの製造前の分解断面図である。 図１（ａ）に示すタンクの製造工程の一例を示す断面図である。 本発明の他の例を示す要部断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明との対比例を示す要部断面図である。 従来技術の一例を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１（ａ）に示す本実施形態のタンクＴは、たとえばヒートポンプ方式やコージェネレーションシステム方式の給湯装置用の貯湯タンクとして用いられるものであり、円筒状の胴体部材１と、椀状の一対の鏡板２とを溶接して構成されている。これら胴体部材１や鏡板２は、たとえばステンレス製である。本実施形態では、一対の鏡板２の形状およびサイズが同一に揃えられているが、これらの形状やサイズは相違していてもよい。

図１（ｂ）に示すように、鏡板２の開口周縁部２０の先端側には、先端側ほど外径が小さくなるように傾斜した傾斜筒状部２１が形成されている。この傾斜筒状部２１の傾斜角度α１（後述する夾角α１と同一）は、１６〜２４°の範囲内であり、好ましくは、２０°とされている。一方、胴体部材１の端部の開口周縁部１０には、そのような傾斜筒状部は形成されていない。傾斜筒状部２１は、開口周縁部１０の内側に差し込まれており、このようにして互いに嵌合した一対の開口周縁部１０，２０は互いに溶接されている。この溶接は、後述するように、溶加材を用いないレーザ溶接である。

図１（ａ）の要部拡大断面図に示すように、鏡板２には傾斜筒状部２１が設けられてい
るために、傾斜筒状部２１の外周面２１ａと開口周縁部１０の内周面１０ａとの間には、隙間３が形成されている。外周面２１ａと内周面１０ａとの夾角α１は、前記した傾斜角α１と同一である。一方、隙間３の奥部には、溶接のビード部４（溶融凝固金属部）による壁面部４０が隙間３に対面した状態で形成されている。外周面２１ａと内周面１０ａとは、胴体部材１の径方向に適当な寸法Ｌ１だけ互いに離間した状態で壁面部４０に繋がっている。このことにより、隙間３の奥部においては、壁面部４０と外周面２１ａとが交差した角部Ｃ１と、壁面部４０と内周面１０ａとが交差した角部Ｃ２とが形成されている。

次に、前記したタンクＴの製造方法の一例について説明する。

まず、図１（ｂ）に示した胴体部材１および一対の鏡板２を準備した後には、胴体部材１の両端の開口周縁部１０の内側に、各鏡板２の傾斜筒状部２１を差し込み、胴体部材１の両端に各鏡板２を組み付ける組付工程を行なう。
この組付工程の後には、図２に示すように、レーザ溶接加工ヘッド５から開口周縁部１０，２０の嵌合部分に外部からレーザ光を照射し、この部分に溶接を施す。この溶接に用いられるレーザは、たとえば半導体レーザであり、その波長はステンレスが吸収可能な波長域（波長１０００ｎｍ近辺）である。図２の要部拡大断面図に示すように、レーザ光５０は、開口周縁部１０の外周面の端部周辺に照射される。レーザ溶接時には、溶接対象領域に不活性ガスがシールドガスとして供給される。また、胴体部材１および鏡板２は、適当なクランプ部材によって保持された状態でそれらの中心軸周りに回転される。このことにより、開口周縁部１０，２０の全周にわたってレーザ溶接が施される。このようなレーザ溶接に際し、溶加材は必要ではなく、本実施形態では、溶加材を用いていない。
前記したレーザ溶接により、図１（ａ）に示したビード部４を形成し、前記したタンクＴを適切に製造することが可能である。

図４（ａ），（ｂ）は、本発明との対比例を示している（図１および図２の実施形態と同一部位または類似要素には、同一符号を付している）。
同図（ａ）は、隙間３を形成する傾斜筒状部２１の外周面２１ａと開口周縁部１０の内周面１０ａとの夾角α２が、１６°未満とされた対比例１を示している。この場合には、隙間３の全体の幅がかなり微小となり、溶接のビード部４の一部が隙間３の奥部に仮に形成されたとしても、実質的には、このビード４の一部は隙間３に対面するように形成されず、外周面２１ａと内周面１０ａとが直接繋がった状態となる。このため、図１（ａ）で示した隙間３の奥部に２つの角部Ｃ１，Ｃ２を形成した構成を実現することは難しい。加えて、夾角α２が１６°未満の場合には、傾斜筒状部２１を開口周縁部１０の内側に差し込む作業も難しくなる。

一方、図４（ｂ）は、夾角α３が、２４°よりも大きな角度とされた対比例２を示している。この場合には、開口周縁部１０の外周面にレーザ光を照射して溶融池を形成した場合に、この溶融池の下方直近に傾斜筒状部２１が存在しないために、溶融池が破れて溶融金属が流れ落ち、穴あき１９を生じる可能性が高くなる。

本実施形態では、夾角α１が、１６〜２４°の範囲とされているために、前記した対比例１，２のような不具合を生じないようにし、図１（ａ）に示した構造を適切に実現することが可能である。また、溶接手段として、レーザ溶接を用いているために、高速かつ低入熱での溶接が可能となり、溶接箇所近辺の熱歪みを少なくしてタンクＴの品質を良好にしつつ、タンクＴの生産効率を高めることが可能となる。加えて、レーザ溶接は、深い溶融池を所望の位置に正確に形成することが可能であるため、ビード部４の一部を、隙間３の奥部に存在させることも容易かつ適切に実現できる利点が得られる。

次に、前記したタンクＴの作用について説明する。

まず、図１（ａ）に示した隙間３の奥部には、既述したように、溶接のビード部４による壁面部４０が隙間３に対面した状態で存在し、胴体部材１の径方向において互いに離間した２つの角部Ｃ１，Ｃ２が形成されている。このため、隙間３の奥部に１つの角部のみが形成されている構成（図４（ａ）の対比例１や、図５の従来技術）と比較すると、タンクＴ内に圧力変動が生じたり、あるいはタンクＴが熱膨張や熱収縮したような際に、隙間３の奥部に応力集中が生じ難くなる。その結果、タンクＴの耐久性が向上する。

また、隙間３の奥部が前記したような構造とされているために、隙間３の奥部がかなりの微小幅になることが回避される。したがって、隙間腐食も生じ難くなる。たとえば、ＳＵＳ４４４などのステンレス鋼においては、臨界隙間深さが４０μｍであり、溶接隙間の幅が４０μｍとなる位置が、溶接隙間の奥部から２ｍｍ以下であれば、隙間腐食は生じないとの報告がある（日本材料学会 Number267, Volume48, Part2 March 9, 2009「最近のステンレス鋼の開発・適用状況」）。このような報告内容に照らせば、本実施形態のタンクＴを、隙間３に腐食（隙間腐食）が生じないものとすることが可能である。したがって、タンクＴの耐久性をより向上させることができる。

図３は、本発明の他の実施形態を示している。
同図においては、溶接のビード部４が、傾斜筒状部２１の内周面２１ｂ側に露出しないように形成されている。なお、図１（ａ）に示した構成においては、傾斜筒状部２１の内周面２１ｂ側にビード部４が露出している。図３に示す本実施形態の構造は、レーザ溶接の入熱を図１（ａ）の場合よりも少なくすることによって実現できる。
本実施形態によれば、ビード部４が、傾斜筒状部２１の内周面側に露出していない分だけ、図１（ａ）に示す構造と比較して、ビード部４が腐食し難くなる効果が得られる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るタンクの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。同様に、本発明に係るタンクの製造方法の各工程の具体的な構成は、種々に変更自在である。

上述した実施形態では、鏡板に傾斜筒状部を設け、かつ胴体部材には傾斜筒状部を設けていない構成としたが、本発明は、これに限定されない。上述した実施形態とは反対に、胴体部材に傾斜筒状部を設け、かつ鏡板には傾斜筒状部を設けない構成としてもよい。また、鏡板および胴体部材のいずれか一方に、傾斜筒状部を設けた場合、他方に傾斜筒状部を設ける必要はない。ただし、あえて他方の開口周縁部を傾斜筒状に形成するといった手段を採用してもかまわない（傾斜筒状部が差し込まれる開口周縁部は、必ずしも非傾斜筒状でなくてもよい）。

本発明に係るタンクの製造方法では、レーザ溶接が用いられるが、このレーザは、半導体レーザによるものに限定されず、他の種類のレーザを用いてもよい。レーザ溶接では、溶加材を用いる必要がないが、あえて溶加材を用いてもよい。本発明に係るタンクは、給湯装置用の貯湯タンクに限らず、これ以外のタンクとして構成することができる。したがって、その材質もステンレスに限定されず、貯留対象流体の種類に応じて変更可能である。

Ｔ タンク
α１ 夾角
１ 胴体部材
２ 鏡板
３ 隙間
４ ビード部
１０ 開口周縁部（胴体部材の）
１０ａ 内周面（開口周縁部１０の）
２０ 開口周縁部（鏡板の）
２１ 傾斜筒状部
２１ａ 外周面（傾斜筒状部の）
４０ 壁面部（ビード部による）

Claims (2)

1. 筒状の胴体部材と、椀状の鏡板と、を備えており、
   前記胴体部材および前記鏡板の互いに対応する一対の開口周縁部のうち、一方の開口周縁部は、先端側ほど外径が小さくなる傾斜筒状部を有する形態とされ、
   前記傾斜筒状部が他方の開口周縁部の内側に差し込まれた状態において、前記一対の開口周縁部どうしが溶接され、前記傾斜筒状部の外周面と前記他方の開口周縁部の内周面との間に、隙間が形成されている、タンクであって、
   前記隙間の奥部には、前記溶接のビード部による壁面部が前記隙間に対面した状態で存在し、前記傾斜筒状部の外周面および前記他方の開口周縁部の内周面が、前記胴体部材の径方向に離間した状態で前記壁面部に交差して繋がった２つの角部が形成されており、
   前記溶接は、レーザ溶接であり、
   前記傾斜筒状部の外周面と前記他方の開口周縁部の内周面との夾角は、１６〜２４°の範囲内とされていることを特徴とする、タンク。
2. 筒状の胴体部材および椀状の鏡板の互いに対応する一対の開口周縁部のうち、一方の開口周縁部に、先端側ほど外径が小さくなる傾斜筒状部を形成し、この傾斜筒状部を他方の開口周縁部の内側に差し込む組付工程と、
   この組付工程の後に、前記一対の開口周縁部どうしを溶接する工程と、
   を有しており、
   請求項１に記載のタンクを製造するための方法であって、
   前記組付工程においては、前記傾斜筒状部の外周面と他方の開口周縁部の内周面との夾角を、１６〜２４°の範囲内に設定し、
   前記溶接は、レーザ溶接とすることを特徴とする、タンクの製造方法。

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