KR20090131435A - Welding structure of vacuum chamber - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 용접기술에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 큰 대기압인 외압을 받는 진공챔버의 용접부 설계 및 결합구조에 관한 것이다.The present invention relates to a welding technique, and more particularly, to a welded portion design and coupling structure of a vacuum chamber subjected to an external pressure of a large atmospheric pressure.
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.Recently, in a special field, such as semiconductor manufacturing and manufacturing of a special experimental device, many operations such as welding, deposition, and experimentation have been made in a vacuum atmosphere, and accordingly, there is a demand for a vacuum chamber capable of forming a vacuum atmosphere. In addition, as objects such as LCD panels become larger, vacuum chambers are becoming larger and larger.
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. In the case of the vacuum chamber, since the air inside the chamber is almost completely removed, the internal pressure is close to zero (zero), so the pressure difference inside and outside the chamber is about 1 kgf / cm2, which is atmospheric pressure. This works incredibly. For example, in the case of a hexahedral chamber each having a height of 1 m in width and height, since one side is 100 cm × 100 cm = 10000
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.In the past, a method of manufacturing a vacuum chamber having a sealed structure capable of withstanding such a large external pressure was made by cutting the inside of a metal block such as aluminum. However, in the case of such a cutting method, there is a limitation in the size of the material block, so that a large vacuum chamber of a certain size or more cannot be manufactured, and the cutting process is not only expensive and time consuming, but also wastes materials.
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.In order to improve the manufacturing problems of the vacuum chamber by the cutting process as described above, a method of manufacturing a vacuum chamber by welding a thick metal plate has been attempted. However, in the fabrication of the vacuum chamber, the manufacturing method of the box structure by conventional welding cannot achieve structural strength and airtightness, which are basic requirements of the vacuum chamber as described above. And when the vacuum chamber is manufactured by the normal welding method, the welding part is large (length) and the cross-sectional area of the welding is large (at least 30 times or more), which takes a lot of time, takes a lot of welding rods, and This is a problem because the thermal deformation of the chamber is large.
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.Recently published Korean Patent No. 10-2007-0054302 discloses a vacuum chamber by a welding method, which is a conventional groove welding joint where the vertical plate and the horizontal plate meet or the two plates are in contact with each other. However, such a welding structure is not suitable as a structure of a vacuum chamber which is subjected to a large external pressure because all the external loads are received at the welding portion.
상기와 같이 대형 진공챔버를 제작하는 방법으로 용접에 의한 챔버 제작방법이 요구된다.As described above, a method of manufacturing a chamber by welding is required as a method of manufacturing a large vacuum chamber.
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.This welding vacuum chamber should be able to withstand loads due to large external pressures and be completely airtight. In addition, by minimizing the size of the welding, it should be possible to streamline the welding work, to save the electrode and to minimize the heat deformation caused by the welding.
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.The present invention as a means for solving the technical problem as described above, by forming a step in the welded portion of the mother board to be able to receive the load due to the external pressure, the welding can be made to the minimum size required for airtight.
그리고 용접에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 용접 부위에 트렌치를 형성하였다.And trenches were formed in the welded area to minimize thermal deformation due to welding.
또한 상기 단차와 트렌치를 함께 적용하여 구조강도가 높고, 열변형은 최소화되는 용접구조를 구현하였다.In addition, by applying the step and the trench together, a welded structure having high structural strength and minimizing thermal deformation is realized.
본 발명의 용접 구조를 가진 진공챔버는 아주 높은 구조강도를 가지므로 큰 진공챔버를 제작할 수 있고, 완벽한 기말이 유지되며, 용접에 의한 열변형이 적다.Since the vacuum chamber having the weld structure of the present invention has a very high structural strength, it is possible to manufacture a large vacuum chamber, to maintain a perfect end, and to less heat deformation by welding.
그리고 본 발명의 용접 구조를 가진 진공챔버는 용접량이 적어 용접인력과 용접봉 그리고 용접에 필요한 에너지가 적게 소요되어, 결국 진공챔버의 제작비용이 크게 절감된다.In addition, the vacuum chamber having the welding structure of the present invention has a small amount of welding, which requires less welding force, a welding rod, and welding, and thus, a manufacturing cost of the vacuum chamber is greatly reduced.
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.The vacuum chamber of the present invention is a hexagonal or other polyhedron or cylindrical container formed by welding a metal plate of a predetermined thickness by welding. The material that can be used is not limited to metal plates such as steel plate, stainless steel plate, structural aluminum alloy plate, copper alloy plate, etc., but structural aluminum plate (hereinafter abbreviated as "aluminum plate") has high strength to weight and processing. This is particularly advantageous because it does not contain a component having high metal outgassing that can easily inhibit the degree of vacuum inside the material.
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.As shown in FIG. 1, the first embodiment of the connecting structure formed on the edge of the mother plate, which is a metal plate used in the fabrication of the vacuum chamber, is formed on the sides of the horizontal member 1 and the
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.In the case of the vacuum chamber, when the vacuum is applied during use, the pressure always acts from the outside to the inside of the chamber. Therefore, the load by the external pressure acting between the horizontal member 1 and the
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.In the case of a vacuum chamber requiring a very high degree of vacuum, if the welding is performed only at the outer joint of the corner as described above, the remaining air may leak little by little and the vacuum may be lowered. As in the second embodiment as shown in the drawing, it is preferable to form a welded portion 3-1 by welding for airtightness to the corner seam portion inside the chamber.
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. As another embodiment of the vacuum chamber, as shown in FIG. 3, the
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.In the case of a vacuum chamber requiring a very high degree of vacuum, as in the fourth embodiment shown in FIG. 4 for the same reason as the second embodiment, welding is performed for airtightness to the corner seam inside the chamber of the third embodiment. It is good to form the weld part 3-1.
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.Side coupling shape of the vacuum chamber manufactured in the above configuration is as shown in FIG. The bottom is joined to the side structure by the welding structure as described above, and the top surface is attached with a cover such as that of a conventional vacuum chamber. In some cases, a cover may be attached to both the upper and lower surfaces to open and close both the upper and lower surfaces for convenience of use.
진공챔버의 또 다른 실시예인 제5 실시예는 도 6과 같이 상기 제1 실시예의 용접부 주위에 용접길이를 따라 트렌치(Trench, 4)를 형성한 것이다.In the fifth embodiment, which is another embodiment of the vacuum chamber,
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. It is economical to weld grooves by forming grooves on the welds as in normal welding, but such a conventional welding method has a wider heating range when applied to a material with good heat transfer such as aluminum. There is a case that a large amount of thermal deformation occurs, the strength is lowered, and a large amount of thermal deformation occurs after welding, which is a problem. If the
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.In the sixth exemplary embodiment,
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.In the seventh embodiment,
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.In the eighth embodiment,
제9 실시예는 도 10과 같이 수평판(1)과 수직판(2)에 돌기나 요철을 형성하 지 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.In the ninth embodiment, as shown in FIG. 10, two plates having the
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.As shown in FIG. 11, the tenth embodiment is formed by forming a trench around the welded portion in the chamber and welding in the tenth embodiment, and is applied to a small vacuum chamber requiring high vacuum degree.
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 수평판(1)은 그대로 두고 챔버의 외부만 끝단이음 용접을 한다. 이 경우 얇은 수평부재(1)는 외압에 견딜 수 있도록 보강재를 사용할 수 있다.The eleventh embodiment is applied when fabricating a vacuum chamber using a thick
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.As shown in FIG. 13, the twelfth embodiment is formed by forming a trench around the weld portion in a vertical member in the eleventh embodiment and welding the same, and is applied to a vacuum chamber requiring high vacuum degree.
본 발명은 산업용, 연구용, 또는 의료용으로 사용되는 진공챔버의 제작에 이용된다.The present invention is used in the manufacture of vacuum chambers used for industrial, research or medical purposes.
도 1은 단차이음 구조에 외부만 용접한 실시예이다.1 is an embodiment in which only the outside is welded to the stepped joint structure.
도 2는 단차이음 구조에 내외부를 모두 용접한 실시예이다. 2 is an embodiment in which both the inside and the outside are welded to the stepped joint structure.
도 3은 홈이음 구조에 외부만 용접한 실시예이다.3 is an embodiment in which only the outside is welded to the groove joint structure.
도 4는 홈이음 구조에 내외부를 모두 용접한 실시예이다. 4 is an embodiment in which both the inside and the outside are welded to the groove joint structure.
도 5는 단차이음 구조로 제작된 진공챔버의 벽체구조이다.5 is a wall structure of the vacuum chamber made of a stepped joint structure.
도 6은 단차이음 구조에 트렌치를 구비하여 외부만 용접한 실시예이다.6 is an embodiment in which only the outside is welded by providing a trench in a stepped joint structure.
도 7은 단차이음 구조에 트렌치를 구비하여 내외부를 모두 용접한 실시예이다. FIG. 7 is an embodiment in which a trench is provided in a stepped joint structure to weld both inside and outside.
도 8은 홈이음 구조에 트렌치를 구비하여 외부만 용접한 실시예이다.8 is an embodiment in which only the outside is welded by providing a trench in the groove fitting structure.
도 9는 홈이음 구조에 트렌치를 구비하여 내외부를 모두 용접한 실시예이다. 9 is an embodiment in which a trench is provided in a grooved joint structure to weld both inside and outside.
도 10은 홈이음 구조없이 트렌치를 구비하여 외부만 용접한 실시예이다.10 is an embodiment in which only the outside is welded with a trench without a grooved structure.
도 11은 홈이음 구조없이 트렌치를 구비하여 내외부를 모두 용접한 실시예이다. 11 is an embodiment in which both inside and outside are welded with a trench without a grooved structure.
도 12는 두꺼운 수직부재의 외부에 트렌치를 구비하여 얇은 수평부재와 외부에만 용접한 실시예이다.12 is an embodiment in which a trench is provided outside the thick vertical member to be welded only to the thin horizontal member.
도 13은 두꺼운 수직부재의 내외부에 트렌치를 구비하여 얇은 수평부재와 내외부에 용접한 실시예이다.FIG. 13 illustrates an example in which a thin horizontal member is welded to the inside and the outside by providing trenches inside and outside the thick vertical member.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |