KR20060135474A - 압력 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 용기에 관한 것으로, 다수개의 실린더 압력 용기를 조합하고, 조합된 각 실린더 압력 용기의 연결부 사이에 실린더 압력 용기를 구획하는 보강판을 설치함으로써 규격화된 사각 단면을 갖는 컨테이너 내에 설치되어 운반되는 압력 용기의 단면적을 최대로 하여 하나의 컨테이너에 운반되는 가스의 양을 최대로 할 수 있으며, 이로 인해 저장되는 가스의 양을 향상시켜 이송 및 운반이 간편하고, 실린더 압력 용기 내에 발생될 수 있는 압력 불균형을 방지하며, 전체 외벽 부분에 균일한 응력의 분포가 가능하여 보다 안정적인 가스의 저장이 가능한 압력 용기를 제공하기 위한 것으로, 그 기술적 구성은 내부에 천연 가스를 저장 및 수용하기 위한 압력 용기에 있어서, 원통형상체로서, 다수개로 구비되되 각 외주연의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합된 용기본체; 다수개의 덮개로 구비되되 각각의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합되고, 상기 조합된 용기본체의 양 단부에 각각 설치되는 덮개부; 판체형상체로서, 직사각형 형상으로 형성되되 상기 조합된 용기본체의 각 연결부 내주연에 형성되는 접지면에 각각 구비되어 각 공간을 구획하는 보강판; 및 판체형상체로서, 상기 보강판의 양 단부에 구비되되 그 일측 단부가 상기 덮개부의 연결부 내주연에 형성되는 덮개접선면에 맞닿도록 타원형상으로 형성되는 보조보강판; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

압력 용기, 용기본체, 덮개, 보강판, 보조보강판, 결합편, 결합홈, 컨테이너

Description

압력 용기{Pressure Vessel}

도 1은 종래기술에 의한 단일 원통형 압력 용기를 개략적으로 나타내는 사시도,

도 2는 종래기술에 의한 단일 원통형 압력 용기가 컨테이너 내에 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 압력 용기를 나타내는 사시도,

도 4는 A-A'선 단면도,

도 5는 B-B'선 단면도,

도 6은 본 발명에 의한 압력 용기를 나타내는 분해사시도,

도 7은 본 발명에 의한 압력 용기가 규격화된 컨테이너 내에 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 단면도,

도 8은 본 발명에 의한 압력 용기의 원환 속에 유발되는 내력을 나타내는 도면,

도 9는 본 발명에 의한 압력 용기에 따른 원통 및 구형 압력 용기에 작용하는 응력을 나타내는 도면,

도 10은 본 발명에 의한 압력 용기에 따른 축응력과 원주응력이 동시에 작용할 경우 변형 정도를 나타내는 도면,

도 11은 본 발명에 의한 압력 용기의 기본형에 내압이 작용하는 경우 반경 방향의 신장량을 나타내는 도면,

도 12는 본 발명에 의한 압력 용기의 기본형에 따른 두 개의 실린더형 압력 용기 단면의 조합부에 작용하는 힘을 나타내는 도면,

도 13은 본 발명에 의한 압력 용기의 기본형에 따른 두 개의 실린더형 압력 용기의 조합 시 기하학적 형상에 따른 보강판의 두께가 조합 각도에 따라 변화되는 모습을 나타내는 도면,

도 14는 본 발명에 의한 압력 용기의 개념도,

도 15는 본 발명에 의한 압력 용기의 두께를 각기 달리한 모습을 나타내는 도면,

도 16은 본 발명에 의한 압력 용기의 두께가 동일한 모습을 나타내는 도면,

도 17은 본 발명에 의한 압력 용기가 컨테이너 내에 설치된 모습과 단일의 압력 용기가 컨테이너에 설치된 모습을 비교하는 도면.

** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 압력 용기, 3 : 컨테이너,

10 : 용기본체, 11 : 연결부,

13 : 접지면, 30 : 덮개부,

31 : 연결부, 33 : 덮개접선면,

37 : 덮개, 50 : 보강판,

70 : 보조보강판.

본 발명은 압력 용기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수개의 실린더 압력 용기를 조합하고, 조합된 각 실린더 압력 용기의 연결부 사이에 실린더 압력 용기를 구획하는 보강판을 설치함으로써 규격화된 사각 단면을 갖는 컨테이너 내에 설치되어 운반되는 압력 용기의 단면적을 최대로 하여 하나의 컨테이너에 운반되는 가스의 양을 최대로 할 수 있는 압력 용기에 관한 것이다.

일반적으로, 대부분의 천연 가스(Natural Gas)의 해상 운송은 생산지에서 천연 가스를 -163℃로 액화하여 액화 천연 가스(LNG, Liquified Natural Gas) 상태로 운송하고 있다.

이러한 액화 천연 가스를 운송하기 위해서는 적재, 하역 및 저장에 필요한 액화 및 재기화 설비를 필요로 하며, 이러한 장치를 설치 및 운용하는 데에는 막대한 비용이 소요된다.

즉, 천연 가스 산지에서 기체 상태의 천연 가스를 액화시키기 위해서는 많은 비용의 장치를 필요로 하며, 운반 시에도 -163℃를 유지하기 위하여 특수 설계된 LNG 선박을 이용하여야 하고, 운반된 액화 가스를 각 수용자에게 보내기 위해서는 액화된 가스를 다시 기화시키는 장치를 필요로 한다.

이와 같이 천연 가스를 액화 및 기화시키는 장치는 저온의 액화 천연 가스가 급격한 온도 변화가 발생되지 않도록 온도를 조절해야 하고, 이에 따라 고가의 시설이 필요함은 물론 이를 감시 및 체크하기 위한 많은 수의 작업 인력을 필요로 한다.

또한, 천연 가스를 운반하는 LNG 선의 경우에도 주변 온도의 변화와 관계 없이 탱크 내의 온도가 -163℃를 유지하지 못하면 탱크가 폭발하게 되므로 탱크 내의 온도 유지를 위한 고비용의 장치가 필요함은 물론, 이를 위한 많은 작업 인원을 필요로 한다.

이와 같은 문제점을 해결하고자 최근 에는 천연 가스를 액화시키지 않고, 압축만 하여 운송하는 새로운 형태의 운송 개념이 개발되어 실용화하고 있으며, 이를 이용하여 세계 각국에서는 이러한 신개념의 압축 천연 가스 (CNG, Compressed Natural Gas) 공급을 위한 압력 용기의 개발이 추진되고 있다.

이와 같은 압축 천연 가스의 장점으로는 운송 및 수송 시 기체 상태의 가스 온도를 -163℃로 액화시킬 필요가 없으며, 단순히 상온인 상태에서 압축하면 된다.

따라서, 액화 및 기화에 필요한 별도의 장치를 필요치 않으며, 운반 시에도 저온을 유지할 필요가 없기 때문에 일반 화물 운반 선박으로 보다 용이하게 천연 가스를 운반할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 압축 천연 가스를 운반하는 경우 상온 27℃, 200기압에서 1/240 정도의 압축된 상태로 있기 때문에 압축 천연 가스를 저장하는 압력 용기가 강한 압력을 견딜 수 있도록 최적으로 설계가 이루어져야 한다. 즉, 압력 용기의 어느 한 부 분에도 응력의 집중이 발생되지 않아야 하고, 압력 용기의 모든 면에 균일하게 응력이 분포되는 구조로 이루어져야 한다.

이러한 압축 천연 가스를 저장 및 수용하기 위한 종래의 압력 용기는 도 1에서 도시하고 있는 바와 같이, 단일의 원통형상체로 형성되는 용기본체(110)와 상기 본체(110)의 좌, 우측 양 단부에 구비되는 덮개(111)로 이루어지는 실린더 형상으로 형성된다.

그리고, 상기 용기본체(110)의 내부에는 천연 가스 체취 장소에서 체취된 천연가스를 저장 및 수용하기 위한 소정의 공간이 형성된다.

이렇게 압축 천연 가스가 저장 및 수용된 압력 용기(100)는 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이, 다수개의 프레임에 의하여 상호 연결된 규격화된 사각형상체의 컨테이너(120)의 내부에 설치된 상태로 선박에 실려 압축 천연 가스를 필요로 하는 지역 및 장소의 항만까지 이동 및 이송된다.

그리고, 이동 및 이송된 압력 용기(100)는 컨테이너(120) 내에 설치된 상태로 하역 작업하고, 하역된 압력 용기(100)는 별도의 운반 차량에 의하여 수요자에게 공급된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래기술에 의한 압력 용기는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

즉, 다수개의 프레임에 의하여 상호 연결된 규격화된 사각형상체의 컨테이너 내에 설치된 상태로 선박에 실려 운반되는 압력 용기는 컨테이너와 압력 용기 사이의 공간, 즉 가스가 담겨지지 않은 공간(이하, 무효공간이라 함)이 적어야만 한 번 에 운반할 수 있는 가스의 양이 많아지게 되는 것이다.

그러나, 종래기술에 의한 단일 원통형상의 압력 용기는 그 단면이 단일의 원형으로 형성되어 있어 사각 단면을 갖는 컨테이너 내에서 줄일 수 있는 무효공간에 한계가 있다.

또한, 단순히 무효공간만을 줄이기 위하여 압력 용기의 단면 형상을 원형이 아닌 사각형상으로 변형한다면 중심으로부터 압력 용기의 외벽까지의 거리가 불균일하게 되고, 그에 따라 외벽에 작용하는 힘도 외벽의 위치에 따라 불균일하게 되기 때문에 응력이 집중되는 부위에 균열 등이 발생되며, 압력 용기 내압으로 인해 압력 용기가 쉽게 폭발하여 파손되는 등 안전사고를 발생시킬 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다수개의 실린더 압력 용기를 조합하고, 조합된 각 실린더 압력 용기의 연결부 사이에 실린더 압력 용기를 구획하는 보강판을 설치함으로써 규격화된 사각 단면을 갖는 컨테이너 내에 설치되어 운반되는 압력 용기의 단면적을 최대로 하여 하나의 컨테이너에 운반되는 가스의 양을 최대로 할 수 있으며, 이로 인해 저장되는 가스의 양을 향상시켜 이송 및 운반이 간편하고, 실린더 압력 용기 내에 발생될 수 있는 압력 불균형을 방지하며, 전체 외벽 부분에 균일한 응력의 분포가 가능하여 보다 안정적인 가스의 저장이 가능한 압력 용기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 천연 가스를 저장 및 수용하기 위한 압력 용기에 있어서, 원통형상체로서, 다수개로 구비되되 각 외주연의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합된 용기본체; 다수개의 덮개로 구비되되 각각의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합되고, 상기 조합된 용기본체의 양 단부에 각각 설치되는 덮개부; 판체형상체로서, 직사각형 형상으로 형성되되 상기 조합된 용기본체의 각 연결부 내주연에 형성되는 접지면에 각각 구비되어 각 공간을 구획하는 보강판; 및 판체형상체로서, 상기 보강판의 양 단부에 구비되되 그 일측 단부가 상기 덮개부의 연결부 내주연에 형성되는 덮개접선면에 맞닿도록 타원형상으로 형성되는 보조보강판; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 용기본체가 그 종, 횡 방향으로 상호 조합되어 8개로 구비된다.

더불어, 상기 덮개부는 그 중심부에 구비되는 덮개를 기준으로 그 종, 횡 방향에 8개의 덮개가 상호 소정부분 겹쳐지도록 연결되어 조합된다.

여기서, 상기 용기본체의 갯수 및 덮개부의 덮개 갯수가 가변가능하게 이루어진다.

바람직하게는, 상기 다수개의 용기본체 중 어느 한 용기본체와 그에 인접하는 다른 한 용기본체는 45°내외의 조합 각도로 결합되어 있다.

여기서, 상기 덮개부의 각 덮개가 타원형상으로 형성된다.

그리고, 상기 덮개부의 각 덮개가 반원형상으로 형성된다.

또한, 상기 덮개부의 각 덮개가 접시형상으로 형성된다.

더불어, 상기 덮개부의 각 덮개가 원추형상으로 형성된다.

한편, 상기 보강판의 두께는 일측 용기본체의 외경과 그에 인접한 타측 용기본체의 내경이 상호 연결되는 점(I₁)과 타측 용기본체의 내경과 그에 인접한 일측 용기본체의 외경이 상호 연결되는 점(I₂) 사이의 거리(I₁ ∼ I₂)와 동일하게 이루어진다.

대안적으로는, 상기 보강판의 두께와 상기 보조보강판의 두께가 동일하게 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 압력 용기를 나타내는 사시도이고, 도 4는 A-A'선 단면도이고, 도 5는 B-B'선 단면도이고, 도 6은 본 발명에 의한 압력 용기를 나타내는 분해사시도이고, 도 7은 본 발명에 의한 압력 용기가 규격화된 컨테이너 내에 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 8은 본 발명에 의한 압력 용기의 원환 속에 유발되는 내력을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명에 의한 압력 용기에 따른 원통 및 구형 압력 용기에 작용하는 응력을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명에 의한 압력 용기에 따른 축응력과 원주응력이 동시에 작용할 경우 변형 정도를 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명에 의한 압력 용기의 기본형에 내압이 작용하는 경우 반경 방향의 신장량을 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명에 의한 압력 용기의 기본형에 따른 두 개의 실린더형 압력 용기 단면의 조합부에 작용하는 힘을 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명에 의한 압력 용기의 기본형에 따른 두 개의 실린더형 압력 용기의 조합 시 기하학적 형상에 따른 보강판의 두께가 조합 각도에 따라 변화되는 모습을 나타내는 도면이고, 도 14는 본 발명에 의한 압력 용기의 개념도이고, 도 15는 본 발명에 의한 압력 용기의 두께를 각기 달리한 모습을 나타내는 도면이고, 도 16은 본 발명에 의한 압력 용기의 두께가 동일한 모습을 나타내는 도면이고, 도 17은 본 발명에 의한 압력 용기가 컨테이너 내에 설치된 모습과 단일의 압력 용기가 컨테이너에 설치된 모습을 비교하는 도면이다.

여기서, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여 후술하는 용어 중 "축 방향"은 압력 용기의 중심축 방향을 말하고, "원주 방향"은 상기 중심축을 원형으로 둘러싼 압력 용기의 둘레면을 따르는 방향을 말하며, "반경 방향"은 상기 중심축에서 압력 용기의 둘레면을 향하는 방향을 말하고, "조합 각도"는 도 5에 도시하고 있는 바와 같이, 압력 용기 중심(O′)으로부터 두 개의 압력 용기의 평균반경이 상호 만나는 교점(I)을 연결하는 직선과 두 개의 압력 용기 중심(O′, O″)을 연결하는 직선 사이의 각도 α를 지칭하며, 이하 다른 특별한 정의가 없으면 이에 따르기로 한다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 압력 용기(1)는 용기본체(10)와 덮개부(30)와 보강판(50)과 보조보강판(70)으로 구성된다.

상기 용기본체(10)는 내부에 천연 가스를 저장하기 위하여 소정의 공간을 갖는 원통형상체로서, 다수개로 구비되되, 각 외주연의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합된다. 즉, 상기 용기본체(10)는 다수개의 용기본체(10)들을 종, 횡 방향으로 적층시키되, 압력 용기(1)의 각 용기본체(10)는 45°각도로 조합하여 하나의 일체형으로 형성된다.

상기 덮개부(30)는 다수개의 덮개(37)로 이루어지며, 각 덮개(37)는 타원형상으로 형성되되 소정부분 상호 겹쳐지도록 연결되어 조합되고, 상기 조합된 용기본체(10)의 양 단부에 각각 설치된다.

여기서, 상기 압력 용기(1)는 다수개의 용기본체(10)가 그 종, 횡 방향으로 8개 구비되는 형상으로 형성되며, 상호 연결된 다수개의 용기본체(10) 양 단부에 구비되는 덮개부(30)의 형상은 상기 용기본체(10)의 양 단부 형상과 대응되게 형성되되, 타원형상으로 형성되는 덮개(37)가 그 중심부에 구비되고, 상기 덮개(37)를 기준으로 그 종, 횡 방향에 8개의 덮개(37)가 상호 소정부분 겹쳐지도록 연결되어 조합된다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 용기본체(10)가 8개의 용기본체(10)로 이루어지되, 각 용기본체(10)의 소정부분이 상호 겹쳐지도록 조합되어 연결되고, 상기 용기본체(10)의 양 단부에 구비되는 덮개부(30)가 그 중심부에 구비되는 덮개(37)를 기준으로 그 종, 횡 방향에 8개의 덮개(37)가 구비되는, 즉 상기 덮개부(30)가 상호 소정부분 겹쳐지도록 조합되어 9개의 덮개(37)로 구비되어 있으나, 내부에 저장되는 천연 가스의 양을 늘리기 위하여 상기 용기본체(10)의 갯수와 덮개부(30)의 덮개(37) 갯수가 가변가능하게 이루어지는 것도 가능하다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 덮개부(30)의 각 덮개(37)가 타원형상으로 형성되어 있으나, 다수개로 구비되되 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합되기 용이하다면 상기 각 덮개(37)가 반원형상, 접시형상, 원추형상 중 어느 하나로 형성되는 것도 바람직하다.

여기서, 다수개의 용기본체(10) 중 어느 한 용기본체(10)와 그에 인접하는 다른 한 용기본체(10)는 45°내외의 조합 각도로 결합된다.

그리고, 상기 보강판(50)은 판체형상체로 형성되되, 직사각형 형상으로 형성되며, 그 상, 하부면이 상기 조합된 한 쌍의 용기본체(10) 연결부(11)의 내주연에 형성되는 접지면(13)과 맞닿게 구비된다.

더불어, 상기 보조보강판(70)은 판체형상체로 형성되되, 일측 단부가 상기 덮개부(30)의 각 덮개(37)가 상호 겹쳐지는 연결부(31), 즉 각 연결부(31)의 내주연에 형성되는 덮개접선면(33)에 맞닿도록 상기 덮개접선면(33)의 형상과 대응되는 타원형상으로 형성된다.

상기 보강판(50)과 보조보강판(70)은 보강판의 형상에 의하여 구분되는 구성 요소로서, 각 구성 요소가 별도로 제작되어야 하는 것은 아니다. 즉, 상기 보강판(50)과 보조보강판(70)이 분리된 상태로 제작된 후 상기 조합된 용기본체(10) 및 덮개부(30)의 각 연결부(11, 31)에 용접 등에 의해 접합되어야만 하는 것이 아니라, 제작 단계에서 일체로 제작되는 것도 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

한편, 상기 보강판(50)은 상호 조합된 다수개의 용기본체(10) 중 어느 한 용기본체(10)의 내경과 다른 한 용기본체(10)의 외경이 만나는 점(I₁)과 어느 한 용기본체(10)의 외경과 다른 한 용기본체(10)의 내경이 만나는 점(I₂) 사이의 거리(I₁ ∼ I₂)와 동일한 두께(t)를 가진다.

더불어, 상기 보강판(50)의 양 단부에 결합되는 보조보강판(70) 또한 상기 보강판(50)의 두께와 동일한 두께를 갖는다.

여기서, 다수개의 용기본체(10)를 상호 조합하고, 그 연결부(11)에 보강판(50) 및 보조보강판(70)을 설치하는 경우 고려되어야 할 점은 상기 보강판(50)과 보조보강판(70)의 크기 및 각 용기본체(10)의 조합 각도가 어느 정도로 되어야 하는가이다.

특히, 이러한 조합 각도 선정 시 중요한 점은 다수개의 압력 용기(1)를 결합시킬 때 결합되는 부분에 두께 변화 또는 형상 변화가 발생되어 응력이 특정 부위에 집중되는 것을 방지하여야 하는 것이다.

이를 위해 본 발명에서는 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이, 압력 용기의 중심(O')으로 부터 각 용기본체의 평균반경이 상호 교차하는 지점(I)을 연결하는 직선과 각 용기본체 중심(O′, O″)를 연결하는 직선 사이의 각도, 즉 조합 각도 α가 최적이 될 수 있도록 하는 값을 찾고자 한다.

이에 따라 단일의 원통형과 구형 압력 용기에서의 응력 분포와 변형 정도를 살펴보고, 이러한 단일의 원통형 또는 구형 압력 용기가 상호 조합된 경우 어느 각 도에서 최적의 조합 각도가 되는지를 구하고자 한다.

이를 위하여 두 가지 분석방법을 사용한다. 하나는 각 용기본체의 연결부에 설치되는 보강판의 면적을 이용하여 최적의 조합 각도를 찾아내는 방법이고, 다른 하나는 각 용기본체의 연결부에 설치되는 보강판의 두께를 이용하여 최적의 조합 각도를 찾는 방법으로서, 이는 조합 각도에 따라 변화하는 보강판의 두께와 실제 용접 시 필요한 보강판의 두께를 비교함으로써 최적을 이루는 보강판의 조합 각도를 찾아내는 것이다.

이에 따라, 이하에서는 먼저 압력 용기에 일반적으로 적용할 수 있는 응력 및 변형량 관계식을 살펴 보고, 이를 이용하여 본 발명에 의한 압력 용기에 적용되는 최적을 이루는 보강판의 면적과 이에 따른 최적의 조합 각도를 찾아내는 과정을 설명한다.

여기서, 본 발명은 8개 또는 그 이상의 용기본체(10)가 조합되는 압력 용기(1)를 제시하였으나, 2개의 원통형과 구형 압력 용기의 최적 조합 각도를 찾음으로써 본 발명의 압력 용기(1)에 적용하고자 한다. 이는 조합형 압력 용기의 단면 형상이 조합된 압력 용기의 갯 수에 상관없이 기하학적으로나 역학적으로 동일한 개념 및 이론을 갖기 때문이다.

가. 일반적인 원통형과 구형 압력 용기의 응력 및 변형량 관계식들

(1) 내압에 의한 원통형과 구형 압력 용기의 응력 분포

두께가 반경에 비해 작은 압력 용기가 내압을 받을 경우, 원환 속에 유발되는 내력은 도 8에 도시된 바와 같이, 단위 길이의 원환에 대한 평행 조건을 이용하 여 계산할 수 있다.

이때, 힘 F는 원주 방향의 인장력, 즉 원환인장력(Hoop Tension)을 표시하고, q는 원주방향의 단위 길이당 하중, r은 압력 용기본체의 반지름을 나타낸다.

도 8에 도시된 바와 같이 원통의 임의 요소에 작용하는 반경 방향의 외적 하중은 qrdΦ로 qrsinΦdΦ의 수직성분과 qrcosΦdΦ의 수평성분으로 나타낼 수 있다.

여기서, 상기한 힘들의 반경 방향의 수직 성분에 따른 평행 조건을 고려하여 원환인장력 F를 계산하면 다음과 같다.

<수학식 1>

<수학식 2>

원환인장력 F는 원환에 수직한 단면적 A 위에 균일하게 분포한다고 가정한다면 일반 압력 용기의 단위 응력 σ는,

<수학식 3>

이 되고,

또한, 원환의 둘레와 단면에 균일하게 분포되는 원주방향의 변형도 e는,

<수학식 4>

이 된다.

이와 같은 일반적인 원환 단면을 가진 용기에 대한 공식을 이용하여 원통형 압력 용기와 구형 압력 용기에 적용하면 다음과 같다.

(2) 원통형 압력 용기의 표면에 작용하는 응력

도 9은 원통 및 구형 압력 용기본체에 작용하는 응력을 나타내는 도면으로서, 만약 원통형 압력 용기본체에 작용하는 압력을 p, 두께를 h라 하면, 압력 용기본체의 단위길이에 대한 <수학식 3>에서 q = p × 1 = p, A = h × 1 = h이며, 원통형 압력 용기본체의 원주응력(σ₂)은

<수학식 5>

이 되고,

축응력(σ₁)은 원통형 압력 용기의 단면에 작용하는 축방향 하중과 내압의 평형조건으로부터

<수학식 6>

<수학식 7>

이 된다.

(3) 구형 압력 용기의 표면에 작용하는 응력

도 9에 도시된 바와 같이, 동일한 방향으로 내압 p이 작용하는 얇은 구(Sphere)에서 원주응력 σ₂ 과 축응력 σ₁ 이 동일하므로

<수학식 8>

이 된다.

여기서, r은 반지름이며, h는 얇은 구의 두께를 말한다.

(4) 원통형과 구형 압력 용기에 작용하는 응력-변형도 관계식

도 10에 도시된 바와 같이 요소가 축방향의 축응력 σ₁ 과 원주방향의 원주응력 σ₂ 를 받을 때 임의의 한 주축방향에 대한 변형도는 그 방향의 응력에만 지배되는 것이 아니고, 포아송 비의 효과 때문에 그와 직교방향의 응력에 의해서도 영향을 받게 된다.

도 10에서는 축응력과 원주응력이 작용할 때의 변형 정도를 나타내고 있으며, 탄성 한도 내에서의 축방향의 전변형도는 축방향의 축응력 σ₁ 로 인한 양의 축변형도 e₁ = σ₁ /E 와 원주방향의 원주 응력 σ₂ 로 인한 횡수축에서 오는 음의 변형도 e₁ = -μσ₂ /E 의 대수합과 같다.

이와 같은 이론은 원주방향의 전변형도에 대해서도 성립한다.

이축 인장응력이 동시에 작용하는 경우 축방향과 원주방향의 전변형도는,

<수학식 9>

<수학식 10>

이 된다.

여기서, e₁ 과 e₂ 는 각각 축방향과 원주방향의 변형도이며, μ는 포아송의 비, E는 영률이다.

위 식을 응력에 대해 나타내면

<수학식 11>

<수학식 12>

이 된다.

(5) 압력 용기의 반경 방향 변형량

도 11에서 도시하고 있는 바와 같이, 압력 용기에 내압이 작용하는 경우 반경방향의 변형량을 나타내고 있으며, 압력 용기의 내압에 의한 반경방향의 신장량 δ는

<수학식 13>

이 되고,

<수학식 10>을 위의 식에 대입하면 반경방향의 신장량 δ는

<수학식 14>

이 되며,

원통형 압력 용기의 반경방향의 신장량 δ는 <수학식 5>과 <수학식 7>에 의하여

<수학식 15>

이 되고,

구형 압력 용기의 경우 반경방향의 신장량 δ는 <수학식 8>에 의하여

<수학식 16>

이 된다.

나. 본 발명의 압력 용기의 보강판 최적 단면적 및 조합 각도

(1) 구 조합형태의 압력 용기의 구조는 응력의 평행상태를 이루는 중립면에서 조합된다. 상기 조합된 각각의 구 사이 중립면에는 구 사이의 내부공간을 서로 구획하는 보강판이 형성된다.

이와 같이 형성된 보강판의 크기는 조합된 각 구의 결합정도에 관련된 것으 로 보강판은 전체적인 구조의 안정성에 중대한 영향을 미치므로 그 단면적 결정이 상당히 중요한다. 즉, 보강판은 구 조합형 압력 용기본체 내부에 응력 집중을 형성시키지 않도록 하여 응력 평행을 통한 전체구조의 안정성에 기여하게 된다.

등방성 재료로 이루어진 구형 압력 용기본체의 경우 응력의 평행 조건식으로부터 구형 압력 용기의 반지름 및 두께의 비가 결정된다.

도 12은 각 구형 압력 용기가 조합된 단면을 나타낸 도면으로서, 다수개의 구 가운데 어느 하나의 구의 두께는 t₁ , 반경은 r₁ 이고, 다른 구의 두께는 t₂ , 반경은 r₂ 이다.

이때, 각각의 구의 각 조합 각도를 α, β라 할 때, 응력은 <수학식 8>과 같이 등방성재료이므로 축응력 σ₁ 과 원주응력 σ₂ 모두 동일한다.

<수학식 17>

따라서,

<수학식 18>

이 된다.

이때, 각각의 조합된 구의 단위길이당 접선력은

이며, 이 힘에 의해 발생되는 구형 보강판에 대한 반경방향의 힘 성분은

이다.

이 보강판은 내압 작용 시 구형 압력 용기의 굽힘 및 어느 특정부위에의 응력 집중을 방지하기 위해 조합부의 구형 압력 용기와 같은 동일한 정도로 변형되어야 한다.

이와 같이, 특정부위에서의 응력 집중을 방지하는 이유는 응력 집중으로 인하여 압력 용기 내의 어느 특정한 부위에 균열 등이 발생하게 되면 결국 전체 구조의 파괴를 가져오게 하기 때문이다.

특히, 물, 기름 등이 차 있는 일반 용기와는 달리 고압으로 압축된 가스 압력 용기에 발생하는 균열 등은 용기의 갑작스런 폭발을 야기시키므로 이를 막는 것은 상당히 중요하다.

구형 압력 용기가 조합된 경우 반경은 r₁sinα 또는 r₂sinβ 이므로 반경 방향의 변형량은 δ₁ 은 다음과 같다.

<수학식 19>

위의 <수학식 19>에 <수학식 10>과 <수학식 17>을 대입하여 정리하면

<수학식 20>

<수학식 21>

이 된다.

여기서, E는 영률이며, μ는 포아송의 비이다.

보강판의 단면적을 A라 하면 보강판에 작용하는 원주응력은 <수학식 3>으로부터

이다.

구형 압력 용기가 조합된 경우

<수학식 22>

이므로, 보강판에 작용하는 원주응력 σ₂ 은 다음과 같다.

<수학식 23>

<수학식 24>

보강판의 반경방향 신장량(δ₃)은 <수학식 14>에서

을 무시하면 보강판의 변형량은 다음과 같다.

<수학식 25>

<수학식 26>

조합된 구의 변형량(δ₁)과 보강판의 반경방향 신장량(δ₃)은 상호 동일하여야 하므로 두 <수학식 21, 26>으로 부터 보강판의 단면적을 구하면 다음과 같다.

<수학식 27>

<수학식 28>

이와 같이 두 개의 조합된 구형 압력 압력 용기에 사용된 공식은 원통형 압력 용기에도 동일하게 적용할 수 있다.

이는 원통형 압력 용기에 내압이 작용하는 경우 축방향보다 원주방향에 더 큰 응력이 작용하게 되고(<수학식 5, 7> 비교), 이에 따라 원주응력만 고려하면 축응력은 고려하지 않아도 되기 때문이다.

원통형의 원주응력과 구형 압력 용기의 원주응력을 비교하면 각각의 단면적 형상은 동일하고 이에 따라 구형 압력 용기에 작용하는 공식은 동일하게 원통형에도 적용되는 것이다.

(2) 본 발명의 압력 용기의 최적 조합 각도

각 압력 용기 간에 조합 각도, 각 원형 단면의 중심에서 각 원형 단면의 접점까지의 각도를 α, β로 결정한다.

<수학식 18>과 <수학식 19>로부터 압력 용기의 단면이 구 조합형과 동일한 경우 다음과 같이

<수학식 29>

관계식으로 나타나고, <수학식 27>은 다음과 같이 전개된다.

<수학식 30>

그러므로, 각(α + β)에 대한 단면적 A의 최적화를 위한 각도는 α + β = π / 2 이고, <수학식 29>에 대하여 각 α와 β에 대한 관계는 다음과 같다.

<수학식 31>

<수학식 31>을 만족하는 최적의 각은 α = β 인 경우이므로 결국 α = β = 45°가 된다.

다만, 상기 최적의 조합 각도 45°는 실제 제작단계에서 발생하는 제작오차 를 고려하면 45° 주위의 오차 각도(예를 들면, 45°± 2°)도 포함되는 것으로 판단하여야 한다.

또한, 각각의 압력 용기에 작용하는 압력 하중은 상호 동일하므로, 기하학적 형상이 동일할 때 구조적 안정성면에서 가장 안전하다.

그러므로 각각의 압력 용기의 두께, t₁ =t₂ 이고, 반경 r₁ =r₂ 일 때 가장 작은 응력이 발생한다.

그래서, 여기서는 각 압력 용기의 두께는 t₁ = t₂ = t, 반경은 r₁ = r₂ =r 이라고 가정한다.

이상에서는 보강판의 면적에 의한 수식으로 최적의 조합 각도를 찾아내었다.

다음에서는 상기 보강판의 조합 각도에 따라 필요한 보강판의 두께와 실제 용접 시 필요한 보강판의 두께를 상호 비교하여 최적의 조합 각도를 찾아본다.

상호 조합된 압력 용기 내에 형성되는 보강판이 필요로 하는 두께는 Harvey, J.F.,"Theory and Design of Pressure Vessels", Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1985. 에 따르면,

<수학식 24>

이다.

여기서, t₁ , t₂ : 원통 압력 용기본체의 두께, α,β : 각각의 원통 압력 용기본체의 조합 각도를 말한다.

또한, 기하학적 형상에 따른 보강재의 두께 결정은 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 원통 압력 용기본체 중 하나의 원통 압력 용기본체의 내경과 다른 압력 용기본체의 외경이 만나는 점(I₁) 사이의 거리(I₂ ∼ I₁)를 보강재의 두께(t)로 하였다.

이와 같이, 기하학적 형상에 의한 보강재의 두께를 판단기준의 하나로 삼는 이유는 두 개의 압력 용기본체가 서로 접촉하는 경우, I₁ 과 I₂ 사이의 거리 (I₂ ∼ I₁)보다 작거나, 큰 두께를 가진 보강재를 압력 용기본체의 접촉면에 용접하는 경우 상기 보강재는 압력 용기본체와 연속된 곡면을 형성하지 못하고, 불연속된 면을 가지게 되기 때문이다.

이러한 불연속면은 응력 집중의 주요한 원인이 되므로, 이를 제거하는 것은 무엇보다 중요한 문제가 된다. 따라서, 불연속면을 제거하기 위하여 기하학적 형상에 의하여 보강재의 두께를 결정하게 된다.

이와 같이 수식에 의한 값과 기하학적 형상에 의하여 도출된 값은 다음 <표 1>에 나타나 있다. 여기서, 원통형 압력 용기본체와 보강판 그리고 머리부의 두께는 ASME Code에 따라 계산되었으며, 수식과 기하학적 형상에 따른 최적의 조합 각도를 찾기 위하여 t₁ 과 t₂ 의 두께는 동일하게 각각 89mm로 하였다.

<표 1>

<표 1>에서 도시하고 있는 바와 같이, 조합 각도에 따른 보강판의 두께 변화에 의하면 기하학적 형상에 의한 값과 수식에 의한 보강판의 두께가 서로 일치함을 알 수 있다.

이를 통해 알 수 있듯이 원형 압력 용기본체 내부에 불연속면이 형성되지 않는 두께인 기하학적 형상과 수식에 의하여 보강판의 두께는 45°에서 최적임을 알 수 있다.

지금까지 두 개의 방식에 의하여 조합 각도를 찾아낸 결과, 보강판의 면적에 관한 수식을 이용하여 최적의 조합 각도를 찾아내는 방식과, 보강판의 두께에 관한 수식을 이용하여 조합 각도에 따라 변화하는 보강판의 두께와 실제 용접 시 필요한 보강판의 두께를 비교하는 방식, 모두 조합 각도가 45°일 때 최적의 값을 가진다.

따라서, 원통 압력 용기본체를 조합하는 경우, 조합 각도를 45°로 하여 접착을 하고, 조합부에는 보강판을 형성한다.

이하, 본 발명에 의한 압력 용기의 결합관계 및 설치관계를 설명한다.

상기 압력 용기에 작용하는 압력은 200bar 이며, 재질은 API X80을 적용하며, 도 14, 도 15, 도 16, 도 17을 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7과 비교 및 참조하여 설명한다.

먼저, 다수개의 용기본체(10)를 그 종, 횡 방향으로 소정부분 상호 연결되게 조합시킨 형태로서, 각각의 용기본체(10)가 상호 45°의 조합 각도를 이룰 수 있도록 결합되어 있으며, 상기 각 덮개(37)의 장축과 단축의 비가 2 : 1인 타원형으로 각 연결부(11, 31)에서 조합된 경우를 가정하였다.

다만, 상기 각 덮개(37)의 조합 각도는 덮개(30)의 형상에 따라 가변될 수 있으며, 상기 각 덮개(37)가 타원형이라면 조합 각도는 원통형의 용기본체(10)와 마찬가지로 45°내외가 될 것이다.

실제 실시에 있어서는 상기 덮개부(30)의 각 덮개(37) 형상이 타원형으로 형성되는 것이 바람직하나, 반원형 또는 접시형, 원추형으로 형성되는 것도 가능하다. 이는 타원형의 경우 각 덮개(37)가 돌출되어 있으므로 동일한 길이를 갖는 용기본체(10)라면 타원형이 반원형, 접시형, 원추형에 비하여 가스를 수용하는 유효공간이 증가하게 된다.

여기서, 8개의 조합형 용기본체(10)의 1/4 모델의 형상은 도 14, 도 15, 도 16에 도시되어 있는 바와 같이, 단일 원형형 용기본체(10)의 반경은 r₁, r₂, r₃ 이다.

이때, 상기 압력 용기(1)는 설치 및 적용되는 컨테이너(3)의 단면 길이의 ℓ/6을 가진다. 여기서, r₂와 r₃는 압력 용기(1)와 보강판(50)의 조합부로서 조합 각도가 45°이며, 구조적 안전성을 고려하여 반경이 같도록 하였다.

이때, r₁의 크기에 따라 압력 용기(1) 단면의 최적치가 결정되므로 최적의 유효 공간을 제시하는 ℓ/6을 반경으로 하였다. 이는 r₁이 작을 경우 r₂와 r₃의 반경이 커지게 되고, 반대로 r₁이 커질 경우 컨테이너 각 가장자리부 및 r₂와 r₃의 반경이 작아지게 되어 유효 공간이 감소하기 때문이다.

이렇게 곡률(반경)의 차이로 r₁과 r₂의 반경을 갖는 원통형 용기본체(10)의 두께 차이가 발생하여 용기본체(10)의 연속된 곡면을 형성하지 못하게 되며, 응력집중의 원인이 되므로 r₁,의 두께를 r₂,및 r₃ 와 같도록 하였다.

이때, 상기 조합된 용기본체(10)의 내부에 구비되는 보강판(50)은 그 단면이 격자형상으로 형성되며, 상기 보강판(50)의 두께는 상기한 바와 같이 하나의 용기본체(10) 외경과 다른 하나의 용기본체(10) 내경이 연결되는 점과 하나의 용기본체(10) 외경과 다른 하나의 용기본체(10) 내경이 만나는 점 사이의 거리와 동일한 두께를 갖으며, 상기 보강판(50)의 양 단부에 구비되는 보조보강판(70) 또한 보강판(50)과 동일한 두께를 갖는다.

상기한 바와 같은 구조로 이루어지는 압력 용기(1)는 각각 2.236m인 정사각형 단면을 갖는 컨테이너(3)에 설치되며, 이를 위하여 중심부에 구비되는 용기본체 (10)를 기준으로 그 종, 횡 방향으로 적층되는 8개의 용기본체(10)의 경우 각각의 지름은 r₁은 0.688m, r₂와 r₃ 는 1.054m이다.

만약, 컨테이너(3)에 단일의 압력 용기를 설치할 경우 이는 2.078m의 지름을 갖게 된다.

한편, 단일의 실린더가 가지는 내부면적은 3.39m²이고, 중심부에 구비되는 용기본체(10)를 기준으로 그 종, 횡 방향으로 적층되는 8개의 용기본체(10) 조합형의 경우 3.865m²이다. 따라서, 전체적인 단면적은 약 14%가 증가되었다는 것을 알 수 있다.

따라서, 용기본체(10)를 기준으로 그 종, 횡 방향으로 적층되는 8개의 용기본체(10) 조합형이 기존 단일의 실린더에 비하여 더 큰 단면적을 가지고 있으며, 이에 따라 많은 양의 가스를 동일한 크기를 가진 컨테이너 내에 담을 수 있다.

이제까지 살펴본 컨테이너의 크기와 실린더의 크기는 모든 설명을 위한 예시로 200기압의 API X80을 재질로 한 결과에 불과하며, 예를 든 치수에 한정되지 않고, 압력 및 재질의 변화에 따른 동일한 형상을 가진 모든 원통 조합형 용기본체라면 어떠한 것이라도 본 발명의 권리범위에 속하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 다수개의 실린더 압력 용기를 조합하고, 조합된 각 실린더 압력 용기의 연결부 사이에 실린더 압력 용기를 구획하는 보강판을 설치함으로써 규격화된 사각 단면을 갖는 컨테이너 내에 설치되어 운반되는 압력 용기의 단면적을 최대로 하여 하나의 컨테이너에 운반되는 가스의 양을 최대로 할 수 있으며, 이로 인해 저장되는 가스의 양을 향상시켜 이송 및 운반이 간편하고, 실린더 압력 용기 내에 발생될 수 있는 압력 불균형을 방지하며, 전체 외벽 부분에 균일한 응력의 분포가 가능하여 보다 안정적인 가스의 저장이 가능하다는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (11)

1. 내부에 천연 가스를 저장 및 수용하기 위한 압력 용기에 있어서,

   원통형상체로서, 다수개로 구비되되 각 외주연의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합된 용기본체(10);

   다수개의 덮개(37)로 구비되되 각각의 소정부분이 겹쳐지도록 상호 연결되어 조합되고, 상기 조합된 용기본체(10)의 양 단부에 각각 설치되는 덮개부(30);

   판체형상체로서, 직사각형 형상으로 형성되되 상기 조합된 용기본체(10)의 각 연결부(11) 내주연에 형성되는 접지면(13)에 각각 구비되어 각 공간을 구획하는 보강판(50); 및

   판체형상체로서, 상기 보강판(50)의 양 단부에 구비되되 그 일측 단부가 상기 덮개부(30)의 연결부(31) 내주연에 형성되는 덮개접선면(33)에 맞닿도록 타원형상으로 형성되는 보조보강판(70);

   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용기본체(10)가 그 종, 횡 방향으로 상호 조합되어 8개로 구비되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 덮개부(30)는 그 중심부에 구비되는 덮개(37)를 기준으로 그 종, 횡 방향에 8개의 덮개(37)가 상호 소정부분 겹쳐지도록 연결되어 조합되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 용기본체(10)의 갯수 및 덮개부(30)의 덮개(37) 갯수가 가변가능하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 다수개의 용기본체(10) 중 어느 한 용기본체(10)와 그에 인접하는 다른 한 용기본체(10)는 45°내외의 조합 각도로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 덮개부(30)의 각 덮개(37)가 타원형상으로 형성되는 것을 특징으로 하 는 압력 용기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 덮개부(30)의 각 덮개(37)가 반원형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 덮개부(30)의 각 덮개(37)가 접시형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
9. 제1항에 있어서,

   상기 덮개부(30)의 각 덮개(37)가 원추형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 보강판(50)의 두께는 일측 용기본체(10)의 외경과 그에 인접한 타측 용 기본체(10)의 내경이 상호 연결되는 점(I₁)과 타측 용기본체(10)의 내경과 그에 인접한 일측 용기본체(10)의 외경이 상호 연결되는 점(I₂) 사이의 거리(I₁ ∼ I₂)와 동일하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 용기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 보강판(50)의 두께와 상기 보조보강판(70)의 두께가 동일하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 압력 용기.

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