KR101501185B1 - 외압용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내압 성능이 우수하며, 최적의 구조 설계를 통해 외압용기에 작용하는 복합 하중이 작용하더라도 실재 재료가 받는 응력은 인장 내지 압축의 단순 응력만 발생되도록 함으로써 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하도록 한 외압용기에 관한 것으로, 양단이 반구형이고 중앙부가 원통형으로 이루어지며, 상기 중앙부는 외부를 향해 돌출되는 복수의 마운트부가 설치되는 내부 프레임, 양 단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부에 결합되어 마운트부를 연결하는 복수의 인장 지지체 및 양 단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부에 결합되어 내부를 외부로부터 차단하여 격리시키며, 상기 인장 지지체에 의해 지지가 되는 복수의 커버부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

외압용기{External pressure vessel}

본 발명은 외압용기(外壓容器)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 새로운 구조의 채택을 통해 우수한 내압(耐壓) 특성을 구비하면서도 하중(荷重)에 대한 응력(應力) 설계 및 재료 선택이 용이하도록 한 외압용기에 관한 것이다.

내압 또는 외압을 받는 용기는 일반적으로 양단이 반구형이고 중앙부가 원통형으로 제작되는데, 이와 같은 구조는 내압용기(internal pressure vessel)에서는 안정(stable)한 특성을 가지며 용기의 벽 두께가 얇아도 내압 성능이 우수한 특징이 있다. 여기서, 내압용기의 원통형의 중앙부는 주로 양단을 향한 인장력만 받게 된다.

한편, 잠수함 등에서와 같이 외압을 받는 경우에도 내압용기와 같이 양단이 반구형으로 중앙부가 원통형인 용기를 사용하지만 내압의 경우와 달리 중앙부는 압축과 굽힘 하중과 같이 복합적인 하중을 받는 불안정한 구조이어서 좌굴(collapse)이 되기 쉬우며, 따라서 재료의 강도에 비해 견딜 수 있는 압력이 낮으며 우수한 특성을 가진 고가(高價)의 고장력(High Yield)재료를 사용하더라도 내압 성능이 낮으며, 이러한 이유로 내압 성능을 높이기 위해서는 용기 벽을 두껍게 설계해야 하므로 제작이 어려워지는 문제점이 있다. 또한, 외압용기는 국부 재료 강도 및 형상 불완전성으로 인해 국부 좌굴이 발생하기가 용이하여 내압 용기와 달리 높은 수준의 진원도(眞圓度)가 요구되고 용기 직경(直徑)이 클수록 이런 현상은 심하게 되어 용기 크기에 한계를 주는 요인이 되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 방법의 예로, 일본 공개특허공보 제2009-121628호(2009.6.4.공개)는 금속제의 코어재 외면(外面)에 섬유강화수지층을 형성하여 좌굴을 방지할 수 있으며 강도가 높은 외압용기를 제공하고 있다.

그러나 이와 같은 종래기술은 섬유강화수지층만으로 실질적으로 외압에 대한 좌굴을 충분히 방지하기 어려우며, 코어재와 섬유강화수지층의 결합방법, 양자의 배치 등 실제 설계 및 제작에도 많은 어려움이 있는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 제2009-121628호(2009.6.4.공개)

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 내압 성능이 우수한 외압용기를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 최적의 구조 설계를 통해 외압용기에 작용하는 복합 하중이 작용하더라도 실재 재료가 받는 응력은 인장 내지 압축의 단순 응력만 발생되도록 함으로써 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하도록 한 외압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 하중을 견디기 위한 내력 구성과 용기 내외부를 차단하는 실링 구성이 분리 형성됨으로써 내력 구성과 실링 구성 각각의 기능에 충실한 재료의 선택이 가능한 등의 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있도록 한 외압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 복합응력이 작용하는 용기에 비해 부재들을 단순 기능 소재로 제작할 수 있고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 분리 제작 및 결합, 이동 및 해체 보관이 가능하고 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있도록 한 외압용기를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명인 외압용기는,

양단부와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 중앙부로 이루어지며,

상기 중앙부는,

외부를 향해 돌출되는 복수의 마운트부가 설치되는 내부 프레임,

양단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부에 결합되어 마운트부를 연결하는 복수의 인장 지지체 및

양단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부에 결합되어 내부를 외부로부터 차단하여 격리시키며, 상기 인장 지지체에 의해 지지가 되는 복수의 커버부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인장 지지체는 와이어 또는 스트립으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 커버부는,

외벽,

상기 외벽의 양단과 그 양단이 결합하고, 내측으로 볼록한 곡면을 구비하는 내벽 및

상기 외벽과 내벽 사이에 상기 외벽과 내벽에 의해 밀폐된 상태로 위치하는 충진체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부 프레임은 십(十)자 또는 격자 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인장 지지체는 장착 후 사전 인장력이 부여되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인장 지지체와 커버부 사이에는 윤활수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양단부는 반구형이고 중앙부는 원통형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부 프레임은 복수로 분리 제작된 후 연결하여 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명인 외압용기는,

첫째, 기존의 외압용기에 비해 내압 성능이 현저히 우수하고,

둘째, 최적의 구조 설계를 통해 외압용기에 작용하는 복합 하중이 작용하더라도 실제 재료가 받는 응력은 인장 내지 압축의 단순 응력만 발생되도록 함으로써 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하며,

셋째, 하중을 견디기 위한 내력 구성과 용기 내외부를 차단하는 실링 구성이 분리 형성됨으로써 내력 구성과 실링 구성 각각의 기능에 충실한 재료의 선택이 가능한 등의 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있으며,

넷째, 기존의 복합응력이 작용하는 용기에 비해 부재들을 단순 기능 소재로 제작할 수 있고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 용접으로 인한 국부적인 열화, 변형 등의 결함이 없으며, 분리 제작 및 결합, 이동 및 해체 보관이 가능하고 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 검사, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있으며,

다섯째, 기존의 외압용기와 같이 전체를 강재로 제작할 필요가 없으므로 전체 중량이 감소되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 외압용기를 도시한 분해사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 외압용기의 중앙부를 도시한 단면도와 커버부와 인장 지지체의 부분단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 외압용기의 중앙부를 도시한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 외압용기 중앙부의 내부 프레임의 일례를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 외압용기 중앙부의 응용례를 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 외압용기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 외압용기를 도시한 분해사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 외압용기의 중앙부를 도시한 단면도와 커버부와 인장 지지체의 부분단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 외압용기의 중앙부를 도시한 분해사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 외압용기 중앙부의 내부 프레임의 일례를 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 외압용기 중앙부의 응용례를 도시한 것으로, 내부 프레임 및 충진체의 형상을 달리한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외압용기(1)는 양단부와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 중앙부(2)로 이루어진다.

여기서, 양단부는 반구(半球)형이고 중앙부(2)는 원통(圓筒)형인 통상의 내압용기(內壓容器)와 같은 형태로 제작될 수 있다.

그러나 종래의 내압용기와는 다르게 상기 중앙부(2)는, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 내부 프레임(10), 복수의 인장 지지체(20), 커버부(30) 등을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 내부 프레임(10)은, 도 4에 도시된 바와 같이 십(十)자 또는 격자 형태로 이루어지며, 외부를 향해 돌출되는 복수의 마운트부(11)가 설치되는 부재로서, 상기 중앙부(2)의 단면 중앙에 위치하게 되며, 외부에 내부로 작용하는 외압에 의해 압축응력이 발생된다.

상기 마운트부(11)는 내부 프레임(10)에서 외부를 향해 돌출되는 각 부분으로서 응력집중에 의한 파손을 방지하기 위해 라운드 가공처리됨이 바람직하다.

상기 내부 프레임(10)에는, 도 3에 도시된 바와 같이 내부가 서로 연통될 수 있도록 통로(12)가 구비될 수 있을 뿐만 아니라 내부 공간을 차단하기 위한 차단용 격벽이 더 구비될 수 있다.

상기 내부 프레임(10)은 상기 중앙부(2)의 길이에 맞추어 일체로 제작될 수 있을 뿐만 아니라, 일정 길이의 복수의 내부 프레임(10)을 각각 제작하여 서로 볼트 결합 등의 기계적 결합이나 용접 등을 통해 연결하여 사용할 수도 있다.

또한, 상기 내부 프레임(10)은 일정 길이로 나누어 각각 제작하되 그 외경이나 단면의 크기를 달리하여 제작하여 조립할 수 있으며, 이때, 상기 복수의 인장 지지체(20), 커버부(30)도 상기 내부 프레임(10)의 외경이나 단면의 크기에 맞게 제작하며, 이를 통해 상기 외압용기(1)의 중앙부(2)는 쉽게 전체 길이에 걸쳐 구간에 따라 외경이나 단면의 크기를 달리하여 제작할 수 있는 이점이 있다.

상기 인장 지지체(20)는 양단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부(11)에 결합되어 마운트부(11)를 연결하는 부재로서, 와이어(Wire) 또는 스트립(Strip) 형태로 제작되며, 복수 개가 구비되며 다중(多重)으로 구비될 수 있다.

더욱 바람직하기에는, 상기 인장 지지체(20)는 2,000~3,000N/㎡의 인장강도를 가지는 피아노용 강선이 사용된다.

상기 인장 지지체(20)는 상기 내부 프레임(10)에 용접이 아닌 볼트 결합 등의 기계적 결합방식에 의해 결합되어 분해 조립이 용이하도록 함이 바람직하다.

상기 인장 지지체(20)의 내부에는 이를 내부와 차단하여 덮을 수 있는 덮개(미도시)를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 인장 지지체(20)는 상기 내부 프레임(10)의 전체 둘레에 걸쳐 연결 설치할 수도 있다.

상기 커버부(30)는 양단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부(11)에 결합되어 내부를 외부로부터 차단하여 격리시키기 위한 부재로서, 상기 인장 지지체(20)에 의해 그 하면이 지지된다.

구체적으로, 상기 커버부(30)는, 도 2의 하측에 도시된 바와 같이, 외벽(31), 상기 외벽(31)의 양단과 그 양단이 결합하고, 내측으로 볼록한 곡면을 구비하는 내벽(32) 및 상기 외벽(31)과 내벽(32) 사이에 상기 외벽(31)과 내벽(32)에 의해 밀폐된 상태로 위치하는 충진체(33)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 외벽(31)은 외압용기(1)의 외부에 위치하는 유체가 내부로 유입되는 것을 방지하는 실링 부재로서, 외부의 유체와 접하여 반응하거나 변형 내지 변질되지 않는 특성이 있는 재료를 선택하여 사용함이 바람직하다. 또한, 소음 차폐 등의 기능을 부가할 수도 있다.

이를 통해 외부 유체의 종류에 따라 최적의 외벽 재료의 선택이 가능하다.

상기 내벽(32)은 내측의 상기 인장 지지체(20)와 실제 접촉하는 부분으로서, 상기 인장 지지체(20)와 접촉하여 인장 지지체(20)에 응력집중이 발생되지 않으면서도 인장 지지체(20)에 발생되는 인장응력을 최소화할 수 있는 곡면의 형태가 바람직하다. 필요에 따라 방음 등의 특성이 있는 재료를 코팅하여 사용할 수도 있다.

상기 커버부(30)의 내벽(32)과 인장 지지체(20) 사이에는 상기 커버부(30)의 내벽(32)과 인장 지지체(20) 사이의 마찰에 의해 커버부(30) 등이 파손되지 않도록 윤활수단이 구비되며, 상기 윤활수단으로는 커버부(30) 내벽(32)의 재질 등을 고려하여 일반적으로 사용되는 윤활제를 선택함이 바람직하다.

상기 충진체(33)는 트러스(Truss), 격자 등의 형태로 제작되며, 특별히 재료에 한정을 하지는 않으며, 상기 외벽(31)에 작용하는 하중을 그대로 내벽(32)에 균일 내지 최적 분포로 전달하는 기능을 가지는 형태나 재료이면 충분하며, 본 발명에 따른 외압용기(1)의 전체 형상, 커버부(30)의 필요 형상 등을 고려하여 적절한 형태를 취하도록 구성된다.

상기 외벽 및 내벽의 재질은 외압에 의해 쉽게 찢어지지 않는 재료에서 선택함이 바람직하다.

상기한 바와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 외압용기(1)는 외압이 작용시에 이 외압이 커버부(30)를 통해 분산되어 상기 인장 지지체(20)에 전달되며, 이때 상기 인장 지지체(20)에서는 인장 응력이 주로 발생되며, 상기 내부 프레임(10)에서는 양측의 인장 지지체(20)의 인장력으로 인해 주로 압축 응력이 발생되게 된다.

그러므로 상기 인장 지지체(20)에 대해서는 인장 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 재료를 선택하면 되고, 상기 내부 프레임(10)에 대해서는 압축 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 재료를 선택하면 되며, 커버부(30)는 외부 유체와 접하므로 외부 유체와 접촉하여 부식 방지, 소음 차폐 등의 특성이 우수한 재료를 선택하면 되므로 구성요소마다 요구되는 특성이 단순화되어 재료 선택이 용이하게 되는 등 재료 선택 자유도가 높아지는 이점이 있다.

이와 같은 이점을 활용하여, 상기 인장 지지체(20)는 앞서 언급한 바와 같이 인장 응력에 대해 우수한 피아노용 강선을 사용하고, 내부 프레임(10)은 압축 응력에 대해 우수한 특성을 나타내는 세라믹, 강 등의 저렴한 재료를 선택하여 사용할 수 있다.

한편, 도 1, 도 2 등에서는 단면이 원형인 외압용기(1)에 대해서만 도시되어 있으나, 본 발명에 따른 외압용기는 이와 같은 형상에만 한정하는 것은 아니며, 상기 내부 프레임(10)의 형상이나 구조를 변경하여 필요에 따라 사각형 등의 다양한 형상으로 변경하여 설계 및 제작이 가능하며, 종래의 외압용기와는 달리 단면 형상을 원형으로 하지 않더라도 좌굴 등의 결함이 발생하지 않을 뿐만 아니라 충분한 내압(耐壓) 강도도 가지게 되는 특징이 있다.

이하, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 외압용기(1)의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.

먼저, 격벽, 통로(12) 등이 구비된 내부 프레임(10)을 준비하고, 준비된 내부 프레임(10)의 마운트부(11)에 와이어, 스트립 등의 형태로 이루어진 인장 지지체(20)를 길이방향을 따라 일정 간격으로 배치한 후 양단을 볼트 등을 통해 결합한다.

여기서, 내부 프레임(10)에는 지그 장착과 제작 후 내부 장치들을 장착하기 위한 수단이 구비될 수 있다.

또한, 상기 내부 프레임(10), 구체적으로 마운트부(11)에는 결합(장착)되는 인장 지지체(20)에 사전 응력(Prestress)을 주기 위한 수단이나 장치가 더 구비될 수 있다.

상기 내부 프레임(10)에 상기 인장 지지체(20)가 결합되면, 상기 인장 지지체(20)의 상부에 커버부(30)가 안착되는데, 상기 커버부(30)의 안착 전에 윤활 수단이 상기 커버부(30)의 하면이나 인장 지지체(20)에 도포될 수 있다.

상기 커버부(30)가 인장 지지체(20)에 안착되면, 상기 커버부(30)의 양단을 상기 내부 프레임(10)의 마운트부(11)에 고정 결합하게 되며, 상기 커버부(30)의 단부에는 고무, 동(銅) 등의 유연한 재질의 실링 부재가 설치되며, 이와 같이 커버부(30)의 단부에 설치되는 실링 부재는 상기 커버부(30)의 단부와 내부 프레임(10) 사이에 위치하며 실링의 기능을 수행하게 된다.

상기 커버부(30)의 결합이 완료되면, 상기 인장 지지체(20)에 장력을 부여하여 사전 인장력을 부여하게 된다.

상기한 바와 같은 구성과 제조방법을 통해, 본 발명인 외압용기(1)는 구조적인 불균일 등에 의한 좌굴 발생의 위험이 없으므로 기존의 외압용기에 비해 내압 성능이 현저히 우수하고, 최적의 구조 설계를 통해 외압용기(1)에 작용하는 복합 하중이 작용하더라도 실재 재료가 받는 응력은 인장 내지 압축의 단순 응력만 발생되도록 함으로써 재료의 선택이나 허용응력설계가 용이하며, 하중을 견디기 위한 내력 구성과 용기 내외부를 차단하는 실링 구성이 분리 형성됨으로써 내력 구성과 실링 구성 각각의 기능에 충실한 재료의 선택이 가능한 등의 재료 선택의 유연성을 확보할 수 있으며, 기존의 복합응력이 작용하는 용기에 비해 부재들을 단순 기능 소재로 제작할 수 있고, 부재들의 결합에 용접이 이용되지 않음으로써 분리 제작 및 결합, 이동 및 해체 보관이 가능하고 필요한 부재만 교체가 가능하여 제작, 정비, 유지, 보수가 용이하고 제작 및 관리 비용을 절감할 수 있게 되는 것이다.

1: 외압용기 2: 중앙부
10: 내부 프레임 11: 마운트부
12: 통로
20: 인장 지지체
30: 커버부 31: 외벽
32: 내벽 33: 충진체

Claims (8)

1. 양단부와 단면 형상이 길이방향을 따라 일정한 중앙부로 이루어지는 외압용기에 있어서,
   상기 중앙부는,
   외부를 향해 돌출되는 복수의 마운트부가 설치되는 내부 프레임,
   양단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부에 결합되어 마운트부를 연결하는 복수의 인장 지지체 및
   양단부가 서로 이웃하는 한 쌍의 마운트부에 결합되어 내부를 외부로부터 차단하여 격리시키며, 상기 인장 지지체에 의해 지지가 되는 복수의 커버부를 포함하여 구성되며,
   상기 인장 지지체는 와이어 또는 스트립으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 커버부는,
   외벽,
   상기 외벽의 양단과 그 양단이 결합하고, 내측으로 볼록한 곡면을 구비하는 내벽 및
   상기 외벽과 내벽 사이에 상기 외벽과 내벽에 의해 밀폐된 상태로 위치하는 충진체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 내부 프레임은 십(十)자 또는 격자 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 인장 지지체는 장착 후 사전 인장력이 부여되는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 인장 지지체와 커버부 사이에는 윤활수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
6. 청구항 1에 있어서,
   양단부는 반구형이고 중앙부는 원통형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 내부 프레임은 복수로 분리 제작된 후 연결하여 사용되는 것을 특징으로 하는
   외압용기
   
8. 삭제

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