KR101049087B1 - 진공챔버의 용접부 결합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접기술에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 큰 외압을 받는 진공챔버의 결합구조에 관한 것이다.

본 발명은 모판의 용접부위에 단차를 형성하여 외압인 대기압에 의한 하중은 단차가 받을 수 있게 하고, 용접은 기밀에 필요한 최소의 크기로 할 수 있게 하였다. 그리고 용접에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 용접 부위에 트렌치를 형성하였다. 또한 상기 단차와 트렌치를 함께 적용하여 구조강도가 높고, 열변형은 최소화되는 용접구조를 구현하였다.

본 발명의 용접구조를 가진 진공챔버는 아주 높은 구조강도를 가지므로 큰 진공챔버를 제작할 수 있고, 완벽한 기말이 유지되며, 용접에 의한 열변형이 적다. 그리고 본 발명의 용접 구조를 가진 진공챔버는 용접량이 적어 용접인력과 용접봉 그리고 용접에 필요한 에너지가 적게 소요되어, 결국 진공챔버의 제작비용이 크게 절감된다.

진공, 외압, 챔버, 용접설계, 단차, 트렌치

Description

진공챔버의 용접부 결합구조{Welding Structure of Vacuum Chamber}

본 발명은 용접기술에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 큰 대기압인 외압을 받는 진공챔버의 용접부 설계 및 결합구조에 관한 것이다.

최근 반도체 제조, 특수 실험장치의 제조 등의 특수 분야에서 진공분위기에서 용접, 증착, 실험 등의 작업이 이루어지는 경우가 많이 등장하게 되고, 이에 따라 진공분위기를 조성할 수 있는 진공챔버가 요구되고 있다. 그리고 LCD판 등의 대상물이 대형화 되어감에 따라 진공챔버도 점점 더 대형화되어 가고 있다.

진공챔버의 경우 챔버 내부의 공기를 거의 완전히 제거하므로, 내부압력은 0(Zero)기압에 가까워지므로 챔버 내외부의 압력차이는 대기압인 약 1kgf/㎠이 되는데, 진공챔버가 대형화되면 이 대기압에 의한 하중이 엄청나게 작용한다. 여를 들어서 가로 세로 높이 각각 1m인 육면체 챔버의 경우, 한 면이 100cm×100cm = 10000㎠이므로 한 면에 10000kgf, 즉 10톤의 외압에 의한 힘이 작용한다. 진공챔버가 이와 같이 엄청난 외압을 견디려면 챔버의 구조가 큰 압력을 견딜 수 있는 특수한 구조를 가져야 한다. 또한 진동챔버는 내부의 진공도를 유지하기 위하여 완벽한 밀폐구조를 가져야 한다.

과거에는 이와 같이 큰 외압을 견딜 수 있는 밀폐구조를 가진 진공챔버를 제작하는 방법으로 알루미늄 등의 금속블록의 내부를 절삭해 내어 제작하는 방법을 취하였다. 그러나 이와 같은 절삭가공 방법의 경우 소재 블록의 크기에 제한이 있어서 일정 크기 이상의 대형 진공챔버를 제작할 수 없고, 절삭가공에 많은 비용과 시간이 소요될 뿐만 아니라 재료의 낭비도 아주 크다.

상기와 같은 절삭가공에 의한 진공챔버의 제작상의 문제점을 개선하기 위하여 두꺼운 금속판을 용접하여 진공챔버를 제작하는 방법이 시도되고 있다. 그러나 진공챔버의 제작에 있어서, 통상적인 용접에 의한 상자 구조체의 제작방법으로는 상기한 바와 같은 진공챔버의 기본적인 요구조건인 구조강도와 기밀성을 달성할 수 없다. 그리고 통상의 용접방법으로 진공챔버를 제작할 경우 용접부의 크기(각장)가 크고 용접의 단면적이 커서(최소 30배 이상) 작업에 많은 시간이 소요되고, 용접봉이 많이 소요되며, 또한 용접시 가한 열에 의하여 챔버의 열변형이 크게 일어나므로 문제가 된다.

최근에 출원된 국내 공개특허 제10-2007-0054302호는 용접방식에 의한 진공챔버를 게시하고 있는데, 수직판과 수평판이 만나는 곳 또는 두 판이 맞닿는 곳에 통상의 그루브(Groove)용접 이음을 하는 것으로서, 이와 같은 용접구조는 외압에 의한 하중을 모두 용접부위에서 받게 되므로 큰 외압을 받는 진공챔버의 구조로는 적합하지 않다.

상기와 같이 대형 진공챔버를 제작하는 방법으로 용접에 의한 챔버 제작방법이 요구된다.

이러한 용접방식의 진공챔버는 큰 외압에 의한 하중에 견딜 수 있고 또한 완벽하게 기밀이 유지되는 구조여야 한다. 또한 용접의 크기를 최소화하여, 용접 작업을 능률적으로 할 수 있어야 하고, 용접봉을 절약하고, 또한 용접에 의한 열변형을 최소화할 수 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로, 모판의 용접부위에 단차를 형성하여 외압에 의한 하중은 단차가 받을 수 있게 하고, 용접은 기밀에 필요한 최소의 크기로 할 수 있게 하였다.

그리고 용접에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 용접 부위에 트렌치를 형성하였다.

또한 상기 단차와 트렌치를 함께 적용하여 구조강도가 높고, 열변형은 최소화되는 용접구조를 구현하였다.

본 발명의 용접 구조를 가진 진공챔버는 아주 높은 구조강도를 가지므로 큰 진공챔버를 제작할 수 있고, 완벽한 기말이 유지되며, 용접에 의한 열변형이 적다.

그리고 본 발명의 용접 구조를 가진 진공챔버는 용접량이 적어 용접인력과 용접봉 그리고 용접에 필요한 에너지가 적게 소요되어, 결국 진공챔버의 제작비용이 크게 절감된다.

본 발명의 진공챔버는 일정 두께의 금속판을 용접으로 접합하여 구성한 6면체 또는 여타 다면체 혹은 원통형 용기이다. 사용할 수 있는 재질로는 강판, 스텐레스스틸판, 구조용 알루미늄합금판, 동합금판 등의 금속판으로 제한이 없으나, 구조용 알루미늄판(이하, "알루미늄판"으로 약칭함.)이 중량 대비 강도가 높고, 가공이 용이하고, 재료의 내부에 진공도를 저해할 수 있는 금속 증기압(Out Gassing)이 높은 성분이 함유되어 있지 않아 특히 유리하다.

진공챔버의 제작에 사용되는 금속판인 모판의 가장자리에 형성되는 연결구조의 실시예 중의 제1 실시예는 도 1에 도시한 바와 같이, 수평부재(1)과 수직부재(2)의 변에 각각 "ㄱ"자의 단차(11, 21)를 갖는 단차형 구조이다. 그리고 두 부재의 외부 이음매 부분에는 용접이 이루어진 용접부(3)를 갖는다. 수평부재(1)와 수직부재(2)는 챔버가 90도 회전을 하면 수평과 수직이 서로 바뀌나 동일한 구조로 본다.

진공챔버의 경우 사용 중 진공이 이루어지면 압력은 항상 챔버의 외부에서 내부로 작용하므로, 수평부재(1)와 수직부재(2) 상호간에 작용하는 외압에 의한 하 중은 용접부(3)가 받지 않고 모두 각 부재의 단차가 받는다. 이와 같이 용접부(3)에는 하중이 작용하지 않으므로, 용접부(3)는 기밀에 필요한 최소한의 크기로 할 수 있고, 이와 같이 용접부를 최소한의 크기로 하면 용접작업에 필요한 인력과 사용에너지 그리고 용접봉의 소모를 최소화할 수 있어서, 단차를 가공하는 비용을 감안하더라고 더 경제적이고, 구조적으로도 견고하다.

아주 높은 정도의 진공을 요하는 진공챔버의 경우, 용접을 상기와 같이 모서리의 외부 이음매 부분에만 할 경우 단차의 틈에 잔존해 있는 공기가 조금씩 계속 누설되어 나와 진공도를 저하시킬 수 있으므로, 도 2에 도시한 바와 같은 제2 실시예와 같이, 이 챔버 내부의 모서리 이음매 부분에도 기밀을 위한 용접을 하여 용접부(3-1)를 형성하는 것이 좋다.

진공챔버의 또 다른 실시예로서 제3 실시예는, 도 3에 도시한 바와 같이, 수직부재(2)의 변에 돌기(12)를 형성하고 수평부재에는 홈(22)을 형성하여, 홈에 돌기가 삽입되도록 한 구조이다. 그리고 두 부재의 외부 이음매 부분에는 용접이 이루어진 용접부(3)를 갖는다.

아주 높은 정도의 진공을 요하는 진공챔버의 경우, 상기 제2 실시예와 같은 이유로 도 4에 도시한 제4 실시예와 같이, 제3 실시예의 챔버 내부의 모서리 이음매 부분에도 기밀을 위한 용접을 하여 용접부(3-1)를 형성하는 것이 좋다.

상기와 같은 구성으로 제작된 진공챔버의 측면 결합형상은 도 5와 같다. 이와 같은 측면 구조에 상기와 같은 용접 구조로 바닥을 결합하고, 상면에는 통상적인 진공챔버의 것과 같은 덮개가 부착된다. 경우에 따라서는 사용상의 편의를 위하 여 상면과 하면을 모두 개폐할 수 있도록 상하면에 모두 덮개가 부착될 수도 있다.

진공챔버의 또 다른 실시예인 제5 실시예는 도 6과 같이 상기 제1 실시예의 용접부 주위에 용접길이를 따라 트렌치(Trench, 4)를 형성한 것이다.

용접부는 통상의 용접과 같이 용접부에 그루브(Groove)를 형성하여 그루브 용접을 하는 것이 경제적이나, 이와 같은 통상적인 용접방법은 특히 알루미늄과 같이 열전달이 잘되는 재료에 적용할 경우 가열 범위가 넓어져서 재료의 열변성이 많이 일어나서 강도가 저하되고, 용접후 제품의 열변형이 크게 발생하여 문제가 되는 경우가 있다. 용접부의 주위에 상기와 같은 트렌치(4)를 형성하면, 용접부위의 열이 주변으로 전달되는 것이 상당히 저감되어 용접시 수반되는 열의 영향을 최소화할 수 있고, 따라서 용접에 의한 재료 강도의 저하 또는 제품의 열변형이 상당히 개선된다. 용접은 트렌치 외곽의 돌기가 만나는 곳에 끝단이음 용접으로 한다. 필요에 따라서는 트렌치 외곽의 돌기가 만나는 곳에 끝단이음 용접 대신 그루브 용접으로 할 수도 있다.

제6 실시예는 도 7과 같이 상기 제2 실시예의 용접부 주위에 용접길이를 따라 트렌치(Trench, 4)를 형성한 것이다. 목적 및 효과는 상기 제5 실시예와 같다.

제7 실시예는 도 8과 같이 상기 제3 실시예의 용접부 주위에 용접길이를 따라 트렌치(Trench, 4)를 형성한 것이다. 목적 및 효과는 상기 제5 실시예와 같다.

제8 실시예는 도 9와 같이 상기 제4 실시예의 용접부 주위에 용접길이를 따라 트렌치(Trench, 4)를 형성한 것이다. 목적 및 효과는 상기 제5 실시예와 같다.

제9 실시예는 도 10과 같이 수평부재(1)와 수직부재(2)에 돌기나 요철을 형성하지 않고, 용접부의 주변에 트렌치(4)를 형성한 두 판을 직접 용접한 것이다. 이 실시예의 경우 외압에 의한 하중을 용접부(3)에서 직접 받으므로, 외압에 의한 하중을 적게 받는 소형 진공챔버에 적용할 수 있다.

제10 실시예는 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 제10 실시예에 챔버의 내부에도 용접부 주변에 트렌치를 형성하고 용접을 한 것으로서, 높은 진공도를 요구하는 소형 진공챔버에 적용된다.

제11 실시예는 도 12에 도시한 바와 같이 두꺼운 수직부재(2)와 얇은 수평부재(1)를 이용하여 진공챔버를 제작할 때 적용되는데, 두꺼운 수직부재(2)에만 용접부의 주변에 트렌치를 형성하고 수평부재(1)는 그대로 두고 챔버의 외부만 끝단이음 용접을 한다. 이 경우 얇은 수평부재(1)는 외압에 견딜 수 있도록 보강재를 사용할 수 있다.

제12 실시예는 도 13에 도시한 바와 같이, 상기 제 11 실시예에 챔버의 내부에도 수직 부재에 용접부 주변에 트렌치를 형성하고 용접을 한 것으로서, 높은 진공도를 요구하는 진공챔버에 적용된다.

본 발명은 산업용, 연구용, 또는 의료용으로 사용되는 진공챔버의 제작에 이용된다.

도 1은 단차이음 구조에 외부만 용접한 실시예이다.

도 2는 단차이음 구조에 내외부를 모두 용접한 실시예이다.

도 3은 홈이음 구조에 외부만 용접한 실시예이다.

도 4는 홈이음 구조에 내외부를 모두 용접한 실시예이다.

도 5는 단차이음 구조로 제작된 진공챔버의 벽체구조이다.

도 6은 단차이음 구조에 트렌치를 구비하여 외부만 용접한 실시예이다.

도 7은 단차이음 구조에 트렌치를 구비하여 내외부를 모두 용접한 실시예이다.

도 8은 홈이음 구조에 트렌치를 구비하여 외부만 용접한 실시예이다.

도 9는 홈이음 구조에 트렌치를 구비하여 내외부를 모두 용접한 실시예이다.

도 10은 홈이음 구조없이 트렌치를 구비하여 외부만 용접한 실시예이다.

도 11은 홈이음 구조없이 트렌치를 구비하여 내외부를 모두 용접한 실시예이다.

도 12는 두꺼운 수직부재의 외부에 트렌치를 구비하여 얇은 수평부재와 외부에만 용접한 실시예이다.

도 13은 두꺼운 수직부재의 내외부에 트렌치를 구비하여 얇은 수평부재와 내외부에 용접한 실시예이다.

Claims (11)

1. 서로 맞물리는 "ㄱ"자 단차를 갖는 수평부재(1)와 수직부재(2)가 단차 부위에서 서로 맞물리고, 상기 수평부재(1)와 수직부재(2)가 서로 맞물리는 이음매의 외부가 용접으로 결합되고, 수평부재(1)와 수직부재(2)의 용접부위는 용접선을 따라 열전달을 차단하기 위한 트렌치(4)가 형성되는, 진공챔버의 용접부 결합구조.
2. 제1항에 있어서, 수평부재(1)와 수직부재(2)가 서로 맞물리는 이음매의 내부에도 용접이 되고, 수평부재(1)와 수직부재(2)의 내부 용접부위도 용접선을 따라 열전달을 차단하기 위한 트렌치(4)가 형성되는,진공챔버의 용접부 결합구조.
3. 면의 가장자리에 홈(12)이 형성된 수평부재(1)와 변에 상기 홈(12)에 결합되는 돌기(22)를 가진 수직부재(2)가 홈(12)과 돌기(22)가 서로 맞물려 결합되고, 상기 수평부재(1)와 수직부재(2)가 서로 맞물리는 이음매의 외부가 용접으로 결합되고, 수평부재(1)와 수직부재(2)의 용접부위는 용접선을 따라 열전달을 차단하기 위한 트렌치(4)가 형성되는, 진공챔버의 용접부 결합구조.
4. 제3항에 있어서, 수평부재(1)와 수직부재(2)가 서로 맞물리는 이음매의 내부에도 용접이 되고, 수평부재(1)와 수직부재(2)의 내부 용접부위도 용접선을 따라 열전달을 차단하기 위한 트렌치(4)가 형성되는, 진공챔버의 용접부 결합구조.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 두께가 얇은 수평부재(1)와 상기 수평부재(1)의 가장자리에 세워지는 것으로서 외부에 가장자리로부터 일정간격을 두고 트렌치가 형성된 두께가 두꺼운 수직부재(2)로 구성되고, 상기 수평부재(1)와 수직부재(2)의 트렌치의 외곽이 용접으로 결합되는, 진공챔버의 용접부 결합구조.
9. 제8항에 있어서, 수평부재(1)와 수직부재(2)가 서로 맞물리는 이음매의 내부에도 용접이 되고, 수직부재(2)의 내부 용접부위도 용접선을 따라 열전달을 차단하기 위한 트렌치(4)가 형성되는, 진공챔버의 용접부 결합구조.
10. 제1항 내지 제4항, 제8항, 그리고 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수평부재(1)와 수직부재(2)의 재질은 구조용 알루미늄합금인 것을 특징으로 하는, 진공챔버의 용접부 결합구조.
11. 삭제

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