KR101446405B1 - 압력 용기 - Google Patents

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

동판이나 경판과 같은 벽면 부재에 압력이나 하중을 받는 판재를 용접에 의해 설치하는 판재의 용접부 구조를 갖는 압력 용기에 있어서, 그 용접부 구조의 응력 집중을 완화하고, 용접량이나 벽면 부재 판 두께의 증대를 억제한 압력 용기를 제공한다. 용기 본체의 내부를 구획하도록 설치되어서 압력이나 하중을 받는 천장판(22)의 단부가, 용기 본체의 벽면 부재(30)에 용접을 해서 설치되는 용접 구조부를 갖는 압력 용기에 있어서, 용접 구조부에 용접부(40)를 포함하는 적어도 2개소, 즉 용접부(40) 및 단차부(50)의 형상 변위점을 설치했다.

Description

압력 용기{PRESSURE CONTAINER}
본 발명은, 예를 들어 타이어 제조 장치 등에 사용되는 압력 용기에 관한 것이고, 특히 용기 내에서 동판 또는 경판에 용접되는 천장판이나 바닥판 등의 판재 용접부 구조에 관한 것이다.
종래에, 동판의 상하에 경판을 용접한 용기의 내측에, 대기압보다 높은 압력을 받는 압력 용기가 널리 사용되고 있다. 이러한 압력 용기에 있어서는, 예를 들어 용기 본체의 내부를 구획하도록 설치되어서 압력을 받는 천장판과 같이, 판재의 단부를 동판 또는 경판의 벽면 부재에 용접해서 설치하는 구조가 있다.
도 9는 천장판을 압력 용기의 벽면 부재에 용접에서 설치하는 용접 구조부에 대해서, 종래 구조를 도시하는 단면도이다. 이 용접 구조에서는, 판재(1)의 단부가 벽면 부재(2)에 대하여 대략 T자형 단면이 되도록, 용접부(3)에 의해 용접되어 있다.
이러한 용접부(3)는, 용접부의 응력 집중을 완화하기 위해서, 테이퍼 형상이나 R 형상 등을 형성하는 노출면(4)이 되도록, 기계 가공이 실시되고 있다.
또한, 상술한 용접부(3)를 R 형상으로 기계 가공하는 것은, 예를 들어 하기의 특허문헌 1에 개시되어 있다.
일본 실용신안 공고 평1-29050호 공보(도 3 등을 참조)
그런데, 상술한 용접부(3)의 응력 집중 완화는, 용접부의 테이퍼면을 길게 하는 것이나 R 형상의 반경을 크게 함으로써 연장된 노출면(4)이 유효해진다. 그러나, 긴 테이퍼면이나 반경이 큰 R 형상으로 하는 노출면(4)의 연장에는, 용접부(3)의 용접량을 늘릴 필요가 있어서, 결과적으로 용접에 의한 입열량도 증대한다.
한편, 용접의 입열량은, 판재(1)와 용접되는 벽면 부재(2)의 판 두께(t)에 의한 제한을 받는다. 이로 인해, 상술한 테이퍼면이나 R 형상에 의해 응력 집중을 완화하려고 하면, 용접량의 증가에 추가해서, 벽면 부재(2)의 판 두께(t)도 증가한다는 문제가 발생한다.
본 발명은, 상기의 사정에 감안해서 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 것은, 동판이나 경판과 같은 벽면 부재에 압력이나 하중을 받는 판재를 용접에 의해 설치하는 판재의 용접부 구조를 갖는 압력 용기에 있어서, 용접량이나 벽면 부재 판 두께의 증대를 저감 또는 억제해서 응력 집중을 완화한 압력 용기를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해서, 하기의 수단을 채용했다.
본 발명에 관한 압력 용기는, 용기 본체의 내부를 구획하도록 설치되어서 압력이나 하중을 받는 부재의 단부가, 상기 용기 본체의 벽면 부재에 용접을 해서 설치되는 용접 구조부를 갖는 압력 용기이며, 상기 용접 구조부에 상기 용접부를 포함하는 적어도 2개소의 형상 변위점을 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같은 압력 용기에 따르면, 용접 구조부에 용접부를 포함하는 적어도 2개소의 형상 변위점을 설치했으므로, 응력 집중부를 분산시킴으로써 용접 구조부의 응력 피크값을 저감하는 것이 가능하게 된다. 이 경우에 적합한 형상 변위점으로서는, 예를 들어 테이퍼 형상이나 R 형상 등에 형성된 단차부를 벽면 부재에 설치하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 압력 용기는, 예를 들어 용기의 내부에서 타이어의 가황을 행하는 타이어 제조 장치에 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 따르면, 용접 구조부에 용접부를 포함하는 적어도 2개소의 형상 변위점을 설치함으로써 응력 집중부가 복수 개소에 분산하므로, 압력 용기의 용접 구조부에 작용하는 응력 피크값을 저감하고, 압력 용기의 기계 수명을 향상시킬 수 있다.
즉, 용접 구조부는, 용접부의 용접량을 증대시키는 테이퍼 형상이나 R 형상 등의 연장에 의한 용접부의 응력 집중 완화를 회피할 수 있게 되기 때문에, 용접 비용이나 용접 변형의 저감이 가능하게 되고, 또한 벽면 부재로 되는 동판이나 경판은 용접량의 증대가 없기 때문에, 입열량의 제한에 의한 판 두께 증가도 없어지고, 재료비, 제관 비용 및 수송비의 저감이 가능하게 된다.
도 1a는 본 발명에 관한 압력 용기의 일 실시형태를 도시하는 것으로, 압력 용기의 벽면 부재에 대하여, 천장판을 용접으로 설치해서 단차부를 설치한 최종 상태의 용접 구조부를 도시하는 단면도이다.
도 1b는 본 발명에 관한 압력 용기의 일 실시형태를 도시하는 것으로, 용접후에 기계 가공전의 상태에 있는 용접 구조부를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1a에 도시한 용접 구조부의 응력 피크값에 대해서, 도 9의 종래 구조와 비교한 응력비의 그래프이다.
도 3은 본 발명에 관한 압력 용기의 적용 예로서, 타이어 제조 장치의 구조예를 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제1 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제2 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제3 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 7a는 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제4 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 7b는 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제5 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 7c는 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제6 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 도 1a에 도시한 용접 구조부의 제7 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 9는 압력 용기의 종래예로서, 천장판을 압력 용기의 벽면 부재에 용접으로 설치한 용접 구조부를 도시하는 단면도이다.
이하, 본 발명에 관한 압력 용기의 일 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.
여기서, 본 발명에 관한 압력 용기의 적용 예로서, 타이어 제조 장치(타이어 가황기)의 구조예를 도 3에 도시한다. 도시한 타이어 제조 장치(10)는, 예를 들어 건설 기계 등의 대형 차량용 타이어의 가황에 사용되는 오토클레이브(또는 핫 히터)로 칭하는 장치이다. 이 타이어 제조 장치(10)는 일본내의 경우 제1종 압력 용기 구조 규격에 의거해서 제조되는 압력 용기이다.
타이어 제조 장치(10)에 있어서, 타이어의 가황에 사용되는 압력 용기는, 상부 돔(11)과 하부 돔(12)이 외기를 차단하도록 연결 링(13)을 통해서 착탈 가능하게 연결되고, 실린더(14) 내의 유체 압력(공기, 수압, 유압 등)에 의한 하중(프레스력) 및 하부 돔(12) 내의 증기 압력에 의한 하중을 지지하고 있다.
가황하는 그린 타이어(15)를 수납한 몰드(16)는 몰드 테이블(17)상에 3 내지 4단으로 겹쳐진다. 또한, 도면 중의 도면부호(18)는 프레스력을 전달하는 램, 도면부호(19)는 그린 타이어(15)에 온수 및 냉각수를 공급하는 플랙시블 호스, 도면부호(20, 21)는 플랙시블 호스(19)를 통해서 공급되는 온수 및 냉각수를 그린 타이어(15)에 분사해서 냉각하는 노즐이다.
상술한 상부 돔(11)은 원통 형상의 동판 상부에 경판을 용접한 것이다. 이 상부 돔(11)에는, 하부 돔(12) 및 연결 링(13)과 함께 구성되는 압력 용기의 내부를 상하로 구획하도록 해서, 판형상 부재의 천장판(22)이 설치되어 있다.
이 천장판(22)은, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 판재의 단부가 용기 본체의 원통형 상부를 형성하는 벽면 부재(30)에 대하여, 대략 T자형 단면이 되도록 용접을 해서 설치되어 있다. 이하의 설명에서는, 벽면 부재(30)에 천장판(22)을 용접한 용접부를 용접부(40)라고 부르기로 한다.
따라서, 상술한 타이어 제조 장치(10)의 천장판(22)에는, 압력 용기내의 압력이나 실린더(14)의 하중이 작용하고 있다. 이 경우의 벽면 부재(30)는 상부 돔(11)을 구성하는 원통 형상의 동판, 또는 이 동판에 용접된 경판의 원통부가 된다.
그리고, 본 실시형태의 압력 용기는, 용기 본체의 내부를 구획하도록 설치되어서 압력이나 하중을 받는 천장판(22)의 단부가, 용기 본체의 벽면 부재(30)에 대하여 용접부(40)로 설치된 도시의 용접 구조부를 갖고, 이 용접 구조부에 용접부(40)를 포함하는 적어도 2개소의 형상 변위점을 설치하고 있다.
도 1a에 도시하는 실시형태의 용접 구조부에서는, 용접부(40)의 이외에, 형상 변위점으로서 단차부(50)가 설치되어 있다. 이 단차부(50)는, 벽면 부재(30)의 판 두께(t)를 기계 가공 등에 의해 두께(d)만 줄이는(얇게 한다) 것에 의해 발생한 테이퍼면이다.
도 1a는, 도 1b에 도시하는 용접후의 상태에 있는 용접부(40')로부터 기계 가공을 실시한 기계 가공 후의 최종 형상을 도시하고 있다. 즉, 용접후의 용접부(40')는 용접 다리 길이가 W로 되고, 이 상태로부터 기계 가공을 받아서 최종 형상의 용접부(40)로 되고, 또한 용접부(40)의 하방에는 기계 가공에 의해 판 두께(t)를 두께(d)만큼 얇게 한 판 두께 변위점의 단차부(50)가 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태의 용접부(40)는 노출면(42)이 테이퍼면을 형성하도록 기계 가공되어 있다.
그리고, 단차부(50)는, 기계 가공 후의 용접부(40)에 있어서, 천장판(22)의 하면으로부터 용접 지단(41)까지의 거리를 L0으로 하고, 용접 지단(41)으로부터 단차부(50)가 개시되는 형상 변경 개시점(51)까지의 거리를 L1로 하고, 또한 형상 변경 개시점(51)으로부터 형상 변경 종료점(52)까지의 절삭 길이(테이퍼 형성 길이)를 L2로 하도록 설치되어 있다.
여기서, L0, L1, L2 및 d는 용접후의 용접 다리 길이, 즉 기계 가공전의 용접 다리 길이를 W로 하면, 0≤L0≤W, 0≤L1≤5L0, 0≤L2≤9L0-L1, 0≤d≤0.8t로 되도록 설정되어 있다. 또한, 용접부(40')에 대해서는, 반드시 기계 가공을 실시할 필요는 없고, 따라서 도 1b에 도시하는 용접 다리 길이(W)는 천장판(22)의 하면으로부터 용접 지단(41)까지의 거리의 L0 이상(W≥L0)이면 된다.
이와 같이, 천장판(22)을 벽면 부재(30)에 용접한 본 실시형태의 용접 구조부에는, 용접부(40) 및 단차부(50)와 같은 형상 변위점이 2개소 설치되어 있으므로, 압력 용기내에 작용하는 압력 등의 입력을 받은 용접 구조부에서는, 응력 집중을 받는 위치가 2개소로 분산되어서 응력 피크값을 저감할 수 있다. 즉, 용접 구조부의 형상 변위점이 용접부(40) 및 단차부(50)의 2개소에 설치된 것에 의해, 용접 구조부의 강성이 저하하는 동시에, 응력 피크값도 저하한다.
도 2는, 도 1a에 도시하는 본원 구조 및 도 9에 도시하는 종래 구조에 대해서, 단차부(50)의 유무 이외를 동일 조건으로 해서, 응력 피크값의 계산 예측값을 비교한 것이다. 즉, 상술한 구조의 용접 구조부에 있어서, 종래 구조의 응력 피크값(δu)을 기준의 1로 하면, 단차부(50)를 설치한 본원 구조의 응력 피크값(δ)은 1이하로 작아져 있는 것을 알 수 있다.
이 결과, 본 실시형태의 용접 구조부를 갖는 압력 용기는, 기계 수명의 향상에 의해 우수한 내구성이나 신뢰성을 갖게 된다.
또한, 본 실시형태의 용접 구조부는 단차부(50)를 추가한 것이기 때문에, 용접부(40)의 용접량에 대해서는 종래 구조와 동일해도 된다. 이로 인해, 용접량의 증대 회피에 의해 용접 비용이나 용접 변형의 저감이 가능하게 된다. 또한, 벽면 부재(30)로 되는 동판이나 경판에 대해서는, 용접량의 증대를 회피할 수 있었기 때문에, 입열량의 제한에 의한 판 두께의 증가도 회피할 수 있고, 따라서 재료비, 제관 비용 및 수송비의 저감이 가능하게 된다.
그런데, 상술한 실시형태(도 1a)의 형상 변위점은, 벽면 부재(30)의 판 두께(t)를 두께(d)만큼 줄여서 형상 변경 개시점(51)으로부터 형상 변경 종료점(52)에 이르는 테이퍼면의 단차부(50)를 형성한 형상이지만, 테이퍼면으로 한 용접부(40)의 노출면(42)의 형상과 함께, 그 형상으로 한정되지 않는다.
도 4에 도시하는 용접 구조부의 제1 변형예에서는, 벽면 부재(30A)의 판 두께를 줄여서 형상 변경 개시점(51)으로부터 형상 변경 종료점(52)에 이르는 R 형상의 단차부(50A)가 형성되어 있다. 이러한 단차부(50A)를 설치해도, 상술한 노출면(42)이 테이퍼면의 단차부(50)와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
도 5에 도시하는 용접 구조부의 제2 변형예에서는, 상술한 실시형태 및 제1 변형예에서 테이퍼면으로 한 용접부(40)의 노출면(42)이 R 형상의 노출면(42A)을 갖는 용접부(40A)로 변경되어 있고, 상술한 실시형태와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 단차부(50A)에 대해서는, R 형상을 테이퍼면으로 변경한 단차부(50)를 채용해도 좋다.
도 6에 도시하는 제3 변형예는, 도 1a에 있어서의 용접 지단(41)으로부터 단차부(50)가 개시되는 형상 변경 개시점(51)까지의 거리인 L1을 없애서 0으로 하고, 용접 지단(41) 및 형상 변경 개시점(51)이 일치한 것이며, 기계 가공에 의해 용접부(40') 및 벽면 부재(30B)에 연속하는 R 형상이 형성되어 있다. 이 경우의 형상 변위점은, 기계 가공 후에 노출면(42B)이 R 형상으로 되는 용접부(40B)와, 동일한 기계 가공 후에 R 형상으로 되는 단차부(50B)의 2개소이다. 또한, 용접부(40B) 및 벽면 부재(30B)에 연속하는 R 형상 대신에, 연속하는 테이퍼면으로도 좋다.
도 7a 내지 도 7c에 도시하는 용접 구조부의 각 변형예는, 기계 가공에 의한 형상 변화의 구체예를 도시하고 있다. 또한, 도면 중의 상상선은 기계 가공전의 형상이다.
도 7a에 도시하는 제4 변형예에서는, 도면 중에 상상선으로 도시하는 용접후의 용접부(40') 및 벽면 부재(30')로부터 기계 가공을 실시하고, R 형상의 용접부(40A) 및 테이퍼면의 단차부(50)에 의한 2개소의 형상 변위점을 형성하고 있다. 이 경우, 천장판(22)의 하면으로부터 용접 지단(41)까지의 거리(L0)는 용접 다리 길이(W)보다 작은(L0<W) 것이다.
도 7b에 도시하는 제5 변형예에서는, 도면 중에 상상선에서 도시하는 용접후의 용접부(40') 및 벽면 부재(30')로부터 기계 가공을 실시하고, 연속하는 테이퍼면의 용접부(40C) 및 단차부(50C)에 의한 2개소의 형상 변위점을 형성하고 있다. 이 경우, 천장판(22)의 하면으로부터 용접 지단(41)까지의 거리(L0)는 용접 다리 길이(W)보다 작은(L0<W) 것이다.
도 7c에 도시하는 제6 변형예에서는, 도면 중에 상상선에서 도시하는 용접후의 용접부(40') 및 벽면 부재(30')로부터 기계 가공을 실시하고, 테이퍼면의 용접부(40) 및 테이퍼면의 단차부(50)에 의한 2개소의 형상 변위점을 형성하고 있다. 이 경우, 천장판(22)의 하면으로부터 용접 지단(41)까지의 거리(L0)는 용접 다리 길이(W)보다 작은(L0<W) 것이다.
도 8에 도시하는 제7 변형예는, 형상 변위점으로서 거의 반원형의 단면을 갖는 오목 홈부의 단차부(50D)를 형성한 것이다. 이 경우의 단차부(50D)는 테이퍼면의 용접부(40)와 조합해도 좋고, 또는 R 형상의 용접부(40A)와 조합해도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 용접부에 1개소의 단차부를 추가해서 합계 2개소의 형상 변위점을 형성하고 있지만, 단차부의 수에 대해서는 1개소로 한정되지는 않고, 2개소 이상으로 해도 좋다. 이 경우, 용접부는 테이퍼면 또는 R 형상의 어느 것이든 좋고, 또한 이것과 조합하는 1 또는 복수의 단차부는 테이퍼면, R 형상 또는 거의 반원형의 단면의 오목 홈으로부터 선택한 1 또는 복수 종류의 채용이 가능하다.
또한, 상술한 용접 구조부는 상술한 타이어 제조 장치(10)의 천장판(22)에 한정되지 않고, 예를 들어 타이어 제조 장치(10)의 압력 용기내에 설치되는 하부 돔(12)의 바닥판은 물론, 다른 압력 용기 내부에 설치되는 각종 판재에도 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.
10 : 타이어 제조 장치
11 : 상부 돔
12 : 하부 돔
13 : 연결 링
14 : 실린더
15 : 그린 타이어
16 : 몰드
22 : 천장판
30, 30A, 30B, 30D, 30' : 벽면 부재
40, 40A 내지 40C, 40' : 용접부
50, 50A 내지 50D : 단차부

Claims (2)

  1. 용기 본체의 내부를 구획하도록 설치되어서 압력이나 하중을 받는 부재(22)의 단부가, 상기 용기 본체의 벽면 부재(30)에 용접에 의해 형성되는 용접부를 개재하여 설치되는 용접 구조부를 갖는 압력 용기에 있어서,
    상기 용접 구조부에 적어도 제1의 형상 변위점(40)과 제2의 형상 변위점(50)이, 소정의 간격을 갖고, 상기 용기 본체의 상기 내부측에 설치되어있고,
    상기 제2의 형상 변위점(50)이, 상기 벽면 부재의 두께(t)를 두께(d)만큼 줄여서 형성되고,
    상기 제1의 형상 변위점(40)이, 상기 부재의 하면으로부터 용접 지단(41) 까지의 거리 L0에 걸쳐 형성되고,
    상기 용접 지단(41)으로부터 상기 제2의 형상 변위점(50)이 개시되는 제2의 형상 변경 개시점(51) 까지의 거리가 L1이며, 또한,
    상기 제2의 형상 변위점(50)이, 상기 제2의 형상 변경 개시점(51)으로부터 제2의 형상 변경 종료점(52)까지의 거리 L2에 걸쳐 형성되고,
    L0, L1, L2 및 d는, 상기 용접 후의 용접 다리 길이를 W로 하면, 0＜L0≤W, 0＜L1≤5L0, 0＜L2≤9L0-L1, 0＜d≤0.8t를 만족하는, 압력 용기.
  2. 제1항에 있어서, 용기의 내부에서 타이어의 가황을 행하는 타이어 제조 장치에 사용되는, 압력 용기.
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