KR20130022385A - 압력 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는, 요구되는 설계 요건을 만족시키면서 경량화를 도모할 수 있는 압력 용기를 제공하는 것이다.
다각 형상의 상벽(1)과, 이 상벽(1)의 하방에 설치된 다각 형상의 저벽과, 상벽(1)의 주연과 저벽의 주연 사이에 설치되는 측벽(2)과, 상벽(1)의 주연과 측벽(2)의 상단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 상측 곡면부(3)와, 저벽의 주연과 측벽(2)의 하단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 하측 곡면부를 갖는 압력 용기이며, 상벽(1)의 중앙의 상벽 중앙부(1a)의 두께와, 상측 곡면부(3)의 두께와, 상벽 중앙부(1a)와 상측 곡면부(3) 사이에 형성된 상벽 환 형상부(1b)의 두께가 이 순서대로 작아지고, 저벽의 중앙의 저벽 중앙부의 두께와, 하측 곡면부의 두께와, 저벽 중앙부와 하측 곡면부 사이에 형성된 저벽 환 형상부의 두께가 이 순서대로 작아지도록 형성되어 있다.

Description

압력 용기{PRESSURE VESSEL}

본 발명은, 압축기용 가스 쿨러 등에 사용되는 압력 용기에 관한 것이다.

일반적으로, 압력 용기에 있어서, 역학적으로 가장 적합한 형상은 구형이며, 이어서 원통형이다. 그러나, 예를 들어 압축기용 가스 쿨러로서 사용되는 압력 용기의 경우, 다른 주요 부품, 부재나 배관계와의 접속, 압력 용기 내에 수납하는 열교환기의 형상, 또한 압력 용기 자신의 설치 장소 등을 고려할 필요가 있다. 따라서, 장치 내의 공간을 유효하게 이용하기 위해서는, 그 형상을 직육면체로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 직육면체 형상의 압력 용기가 개시되어 있다. 또한, 직육면체 형상의 압력 용기로서는, 압축기용 가스 쿨러에 한정되지 않고, 다른 기계, 장치에 있어서도 흔히 사용되고 있는 형상이다.

또한, 압력 용기에는 강성이나 강도상의 설계 요건이 요구된다. 상기 특허문헌 1에 기재된 직육면체 형상의 압력 용기에 있어서는, 그 요구되는 설계 요건을 만족시키기 위해 용기의 외주에 격자 형상의 리브가 설치되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2003-106668호 공보

일반적으로 압력 용기로서는, 요구되는 설계 요건을 만족시키면서, 가능한 한 경량화를 도모하고자 한다고 하는 요구가 있다. 그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 압력 용기는, 용기의 외주에 설치한 리브만큼 중량이 증대되어 있어 경량화를 도모할 수 있다고는 할 수 없었다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 요구되는 설계 요건을 만족시키면서 경량화를 도모할 수 있는 압력 용기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은, 압력 용기의 각 벽에는, 수용하는 고압 매체의 내압이 작용함으로써 발생하는 응력의 분포에 불균일이 발생하고 있는 것에 착안하였다. 즉, 각 벽에는, 상대적으로 작은 응력밖에 발생하고 있지 않은 부분이 있고, 이들 부분은 과잉으로 보강된 구조로 되어 있는 것에 착안하였다. 따라서, 압력 용기의 중량 증대에 직결되는 리브를 설치하는 구조 대신에, 발생하고 있는 응력 분포의 불균일을 해소하도록, 과잉으로 보강되어 있는 부분을 절삭함으로써, 재료를 삭감하여 경량화를 도모할 수 있는 것에 상도하였다.

본 발명은 이러한 관점으로부터 이루어진 것이며, 다각 형상의 상벽과, 이 상벽의 하방에 설치된 다각 형상의 저벽과, 상기 상벽의 주연과 그들에 대응하는 상기 저벽의 주연 사이에 설치되는 측벽과, 상기 상벽의 주연과 상기 측벽의 상단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 상측 곡면부와, 상기 저벽의 주연과 상기 측벽의 하단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 하측 곡면부를 갖는 압력 용기이며, 상기 상벽의 중앙의 상벽 중앙부의 두께와, 상기 상측 곡면부의 두께와, 상기 상벽 중앙부와 상기 상측 곡면부 사이에 형성된 상벽 환 형상부의 두께가 이 순서대로 작아지고, 상기 저벽의 중앙의 저벽 중앙부의 두께와, 상기 하측 곡면부의 두께와, 상기 저벽 중앙부와 상기 하측 곡면부 사이에 형성된 저벽 환 형상부의 두께가 이 순서대로 작아지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 용기를 제공한다.

본 발명의 압력 용기에 따르면, 상대적으로 큰 응력이 발생하는 상벽 중앙부 및 저벽 중앙부의 두께를 크게 하고, 상대적으로 작은 응력밖에 발생하지 않는 상벽 환 형상부 및 저벽 환 형상부의 두께를 작게 함으로써, 압력 용기 전체적으로는, 요구되는 설계 요건을 만족시키면서 재료를 삭감하여 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 압력 용기의 상벽 및 저벽에의 응력 분포의 불균일의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 상벽 중앙부 및 상기 상벽 환 형상부가 곡면으로 접속되고, 상기 상벽 환 형상부 및 상기 상측 곡면부가 곡면으로 접속되고, 상기 저벽 중앙부 및 상기 저벽 환 형상부가 곡면으로 접속되고, 또한 상기 저벽 환 형상부 및 상기 하측 곡면부가 곡면으로 접속되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상벽 및 저벽에 발생하는 응력 분포의 불균일을 해소하기 쉬워져, 보다 압력 용기의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 상측 곡면부의 내면 및 상기 하측 곡면부의 내면이 동일한 곡률 반경을 갖고 있고, 상기 상벽 환 형상부는, 상기 상벽을 상방으로부터 보아 상기 측벽의 내면으로부터 상기 상벽 중앙부를 향해, 상기 저벽 환 형상부는, 상기 저벽을 하방으로부터 보아 상기 측벽의 내면으로부터 상기 저벽 중앙부를 향해, 각각 상기 곡률 반경의 1/2배 내지 2배의 범위에 위치하고 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상벽 및 저벽에 발생하는 응력 분포의 불균일을 해소하면서, 압력 용기의 경량화를 도모하는 것이 용이해진다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 상벽 환 형상부는, 내압 작용시에 상기 상벽 중앙부에 발생하는 플러스(正) 방향의 굽힘 모멘트와, 상기 상측 곡면부에 발생하는 마이너스(負) 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분에 위치하고, 상기 저벽 환 형상부는, 내압 작용시에 상기 저벽 중앙부에 발생하는 플러스 방향의 굽힘 모멘트와, 상기 하측 곡면부에 발생하는 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분에 위치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 상벽에 있어서의 플러스 방향의 굽힘 모멘트와 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 위치, 즉, 응력의 발생이 매우 작게 되어 있는 부분에 상벽 환 형상부가 위치하고, 저벽에 있어서의 동(同) 부분에 저벽 환 형상부가 위치하기 때문에, 이들 상벽 환 형상부 및 저벽 환 형상부의 두께를 한층 더 작게 하는 것이 가능해져, 압력 용기의 가일층의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 측벽은, 당해 측벽에 있어서의 주면(主面)끼리를 연결하는 주면 연결부로부터, 상기 주면의 중앙의 주면 중앙부를 향해 그 두께가 점차 커지는 형상을 갖고 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 측벽에 발생하는 응력 분포의 불균일을 해소하면서, 주면 연결부를 얇게 할 수 있으므로, 더욱 압력 용기의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 측벽의 각 주면은, 상기 주면 연결부와 상기 주면 중앙부 사이에, 상기 주면 중앙부의 두께보다도 큰 두께의 주면 후육부를 갖는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 주면 후육부가 측벽에 발생하는 응력을 부담할 수 있으므로, 즉, 주면 후육부가 측벽 부분에 요구되는 설계 요건의 만족에 기여할 수 있으므로, 주면을 전체적으로 얇게 하는 것이 가능해져 압력 용기의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 상벽 및 상기 저벽은 사각형인 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 압력 용기의 내부 공간을 유효하게 확보하기 쉬워진다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 요구되는 설계 요건을 만족시키면서 재료를 삭감하여 경량화를 도모할 수 있는 압력 용기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 압력 용기의 8분의 1 모델의 사시도.
도 2는 도 1의 모델의 내면을 도시한 상태의 사시도.
도 3은 도 1의 모델의 평면도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ단면의 단면도.
도 5는 직육면체 형상의 압력 용기의 2분의 1 모델의 사시도.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면에 발생하는 굽힘 모멘트의 분포를 설명하는 도면.
도 7은 격자 형상 리브가 설치된 종래 용기의 2분의 1 모델의 사시도.
도 8은 비교예 및 실시예의 해석 결과를 나타낸 도면.
도 9는 도 8의 결과를 그래프로 한 도면.

직육면체 형상의 압력 용기에 내압이 작용하는 경우, 당해 용기는 기본적으로 구체에 근접하도록 변형한다. 우선, 이 점에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하면서 설명한다. 도 5는 직육면체 형상의 압력 용기의 2분의 1 모델의 사시도이다. 또한, 도 5에는, 직육면체 형상의 압력 용기 중 상벽이 도시되어 있다.

도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 단면에 작용하는 굽힘 모멘트의 분포도를 모식적으로 도시하고 있다. 도 6에 있어서의 A부에서는, 곡률을 감소시키는 방향, 즉, 플러스 방향의 굽힘 모멘트가 작용한다. 한편, B부에서는, 곡률을 증가시키는 방향, 즉 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 작용한다. 이때, Z부 근방에서는, 굽힘 모멘트의 플러스 마이너스(正負)가 역전되기 때문에, 모멘트가 제로, 혹은 매우 작은 상태로 된다.

본 실시 형태는, 압력 용기의 형상을, 상기한 바와 같이 분포하는 모멘트의 크기에 대략 대응시키는 것이다. 즉, 기본적으로는, 모멘트의 절대값이 큰 부분의 두께를 크게 하고, 절대값이 제로, 혹은 작은 부분의 두께를 작게 하는 것이다.

이와 같이, 압력 용기의 두께를 모멘트의 크기에 맞춘 것으로 함으로써, 용기가 전체적으로 균일하게 하중을 부담하기 때문에, 낭비가 없는 형상으로 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 종래의 직육면체 형상의 압력 용기는, 상대적으로 작은 굽힘 모멘트밖에 발생하고 있지 않은 부분이라도, 상대적으로 큰 굽힘 모멘트가 발생하고 있는 부분과 동일한 두께의 리브를 갖는 형상이었으므로, 그 부분이 과잉으로 보강된 잉여 두께로 되어, 중량 증대로 이어지고 있었다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 압력 용기의 8분의 1 모델의 사시도이다. 즉, 본 실시 형태의 압력 용기는, X, Y, Z의 각 방향의 중앙에 대해 대칭인 형상이므로, X, Y, Z의 각 방향의 각각의 중앙에서 절단한 8분의 1의 모델을 사용하여 설명한다. 또한, 도 1에서는, 본 실시 형태의 압력 용기 중 상벽의 일부가 도시되어 있다. 도 2는 도 1에 도시한 모델을 -Z 방향으로부터 본 상태, 즉, 상벽의 내면을 도시한 상태의 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 압력 용기의 8분의 1 모델은, 상벽(1)과, 상벽(1)과 도시하지 않은 저벽 사이에 설치된 측벽(2)과, 상벽(1)의 주연과 측벽(2)의 상단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 상측 곡면부(3)를 갖고 있다. 이 압력 용기(1)는 또한, 그 내부에 열교환기나 배관 등을 갖지만, 이들은 도시를 생략하고 있다.

상벽(1)은, 그 중앙의 상벽 중앙부(1a)와, 이 상벽 중앙부(1a)의 주위에 환 형상으로 형성된 상벽 환 형상부(1b)를 갖고 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 상벽(1)의 상방으로부터 보아, 상벽 환 형상부(1b)의 외측 단부 테두리는, 상벽(1)의 인접하는 각 변의 연결부 부근, 즉, 후술하는 코너부(3b) 부근에서는, 내측 단부 테두리에 비해 코너부(3b)의 형상을 따르는 형상을 나타내고 있다. 즉, 상벽 환 형상부(1b)의 내측 단부 테두리와 외측 단부 테두리의 간격은, 코너부(3b) 부근에서 넓고, 상벽(1)의 각 변의 중앙부 부근에서 좁게 되어 있다. 그리고, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 상벽(1)은, 상벽 중앙부(1a)가 가장 두껍게, 상벽 환 형상부(1b)가 가장 얇게 되어 있고, 상벽 중앙부(1a)로부터 상벽 환 형상부(1b)에 걸쳐 점차 두께가 작아지는 동시에 그 외면이 곡면으로 접속된 형상을 갖고 있다. 또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 상벽(1)의 외면에 있어서의 상벽 중앙부(1a)로부터 상벽 환 형상부(1b)에 걸친 X축 방향의 경사 구배는, Y축 방향의 그것에 비해 크게 되어 있다. 이것은, 본 실시 형태의 상벽(1)이 Y축 방향으로 긴 직사각형이기 때문이다. 구체적으로, 상벽 중앙부(1a)의 두께는, 상벽 환 형상부(1b)의 두께의 5배 내지 8배인 것이 바람직하다. 그리고, 상벽 환 형상부(1b)의 외주에서 후술하는 상측 곡면부(3)와 접속하고 있다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상벽(1)의 내면은 평탄하게 형성되어 있다.

상벽 중앙부(1a)는, 고압 매체의 내압이 작용함으로써 당해 상벽 중앙부(1a)에 발생하는 응력이 용기 내에서 가장 크기 때문에, 그 두께가 상벽(1)에 있어서 가장 커지도록 형성되어 있다. 또한, 이 상벽 중앙부(1a)의 외면은, 평탄해도 좋고, 외측으로 볼록하게 된 곡면 형상이라도 좋다.

상벽 환 형상부(1b)는, 상벽(1)을 상방으로부터 보아 측벽(2)에 있어서의 주면(2a)의 내면으로부터 상벽 중앙부(1a)를 향해, 후술하는 상측 곡면부(3)의 내면의 곡률 반경 r의 1/2배 내지 2배의 범위에 위치하도록 형성된다. 보다 바람직하게는, 상벽 중앙부(1a)에 발생하는 플러스 방향의 굽힘 모멘트와, 상측 곡면부(3)에 발생하는 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분, 즉, 굽힘 모멘트의 합계가 제로, 혹은 매우 작은 상태로 되어 있는 부분에 형성된다. 이 상벽 환 형상부(1b)의 외면은, 상측 곡면부(3)의 외면과 곡면으로 접속되어 있다.

측벽(2)은, 상벽(1)의 주연과 저벽의 주연 사이에 설치되어 있다. 측벽(2)은, 도 1에 있어서의 XZ면과 평행한 면을 이루는 주면(2a) 및 YZ면과 평행한 면을 이루는 주면(2a)과, 이들 주면(2a)끼리를 연결하는 주면 연결부(2b)를 갖고 있다. 그리고 각 주면(2a)은, 당해 주면(2a)의 중앙의 주면 중앙부(2c)와, 주면 연결부(2b)와 주면 중앙부(2c) 사이에 형성된 주면 후육부(2d)를 갖고 있다.

주면(2a)은, 주면 후육부(2d)의 부분을 제외하고, 주면 연결부(2b)측의 단부로부터 주면 중앙부(2c)에 걸쳐 점차 두께가 커지는 동시에 그 외면이 곡면으로 접속된 형상을 갖는다. 즉, 주면(2a)은, 주면 연결부(2b)측의 단부가 가장 얇게 되어 있고, 그 주면 연결부(2b)측의 단부로부터 주면(2a)에 있어서 가장 두껍게 형성된 주면 후육부(2d)에 걸쳐 점차 두께가 커지는 동시에 그 외면이 곡면으로 접속된 형상을 갖고 있다. 그리고 주면 후육부(2d)의 부분에서 일단 두께가 최대로 되지만, 그 인접 부분으로부터 주면 중앙부(2c)에 걸쳐 점차 두께가 커지는 동시에 그 외면이 곡면으로 접속된 형상을 갖고 있다. 구체적으로, 주면 중앙부(2c)의 두께는, 주면 연결부(2b)측의 단부의 두께의 2배 내지 4배인 것이 바람직하다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 주면(2a)의 내면은 평탄하게 형성되어 있다.

주면 연결부(2b)는, 서로 직교하는 방향으로 확대되는 주면(2a)끼리를 연결하는 부분이며, 외측으로 볼록하게 된 곡면 형상을 나타낸다. 이 주면 연결부(2b)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 주면(2a)의 평탄한 내면끼리를 연결하는 곡면 형상의 내면을 갖는다.

주면 중앙부(2c)는, 고압 매체의 내압이 작용하였을 때에 주면(2a)에 발생하는 응력이 주면(2a) 내에서 가장 커지는 부분이므로, 그 두께가 주면(2a)에 있어서 주면 후육부(2d)의 다음으로 크게 형성되어 있다.

주면 후육부(2d)는, 주면 중앙부(2c)의 두께보다도 큰 두께로 형성되어 있다. 구체적으로, 주면 후육부(2d)의 두께는, 주면 연결부(2b)측의 단부의 두께의 3배 내지 6배인 것이 바람직하다. 이 주면 후육부(2d)는, 주면 연결부(2b)와 주면 중앙부(2c)의 대략 중앙 부분에 설치된다.

상측 곡면부(3)는, 상벽(1)의 주연과 측벽(2)의 상단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 부분이며, 상벽(1)의 각 변에 대응하는 변부(3a)와, 인접하는 변부(3a)끼리를 연결하는 코너부(3b)를 갖고 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 변부(3a)는, 상벽(1)의 평탄한 내면과 주면(2a)의 평탄한 내면을 접속하는 곡면 형상의 내면을 갖는다. 코너부(3b)는, 인접하는 변부(3a)의 곡면 형상의 내면끼리를 연결하는 동시에, 상벽(1)의 내면과 주면 연결부(2b)의 내면을 접속하는 곡면 형상의 내면을 갖는다. 이 상측 곡면부(3)의 두께는, 상벽 중앙부(1a)의 두께보다도 작고, 또한 상벽 환 형상부(1b)의 두께보다도 크게 되어 있다. 구체적으로는, 상측 곡면부(3)의 두께는, 상벽 환 형상부(1b)의 두께의 2배 내지 4배인 것이 바람직하다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상측 곡면부(3)의 내면은, 소정의 곡률 반경 r을 갖는 원호 형상으로 형성되어 있다.

또한, 압축기용 가스 쿨러는 주조법에 의해 제조되므로, 본 실시 형태와 같이 두께가 변화되는 형상의 용기라도 제조할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시 형태의 압력 용기에서는, 상대적으로 큰 응력이 발생하는 상벽 중앙부(1a) 및 저벽 중앙부(2a)의 두께를 크게 하고, 상대적으로 작은 응력밖에 발생하지 않는 상벽 환 형상부(1b) 및 저벽 환 형상부(2b)의 두께를 작게 함으로써, 압력 용기 전체적으로는, 요구되는 설계 요건을 만족시키면서 재료를 삭감하여 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상벽 중앙부(1a) 및 상벽 환 형상부(1b)가 곡면으로 접속되고, 상벽 환 형상부(1b) 및 상측 곡면부(3)가 곡면으로 접속되고, 저벽 중앙부 및 저벽 환 형상부가 곡면으로 접속되고, 또한 저벽 환 형상부 및 하측 곡면부가 곡면으로 접속되어 있으므로, 상벽 및 저벽에 발생하는 응력 분포의 불균일을 해소하기 쉬워져, 보다 압력 용기의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상측 곡면부(3)의 내면 및 하측 곡면부의 내면이 동일한 곡률 반경 r을 갖고 있고, 상벽 환 형상부(1b)는, 상벽(1)을 상방으로부터 보아 측벽(2)의 내면으로부터 상벽 중앙부(1a)를 향해, 저벽 환 형상부는, 저벽을 하방으로부터 보아 측벽(2)의 내면으로부터 저벽 중앙부를 향해, 각각 곡률 반경의 1/2배 내지 2배의 범위에 위치하고 있으므로, 상벽(1) 및 저벽에 발생하는 응력 분포의 불균일을 해소하면서, 압력 용기의 경량화를 도모하는 것이 용이해진다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상벽 환 형상부(1b)는, 내압 작용시에 상벽 중앙부(1a)에 발생하는 플러스 방향의 굽힘 모멘트와, 상측 곡면부(3)에 발생하는 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분에 위치하고, 저벽 환 형상부는, 내압 작용시에 저벽 중앙부에 발생하는 플러스 방향의 굽힘 모멘트와, 하측 곡면부에 발생하는 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분에 위치하고 있으므로, 즉, 응력의 발생이 극히 작게 되어 있는 부분에 상벽 환 형상부(1b) 및 저벽 환 형상부가 위치하고 있으므로, 당해 상벽 환 형상부(1b) 및 저벽 환 형상부의 두께를 한층 더 작게 하는 것이 가능해져, 압력 용기의 가일층의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 측벽(2)은, 주면 연결부(2b)로부터 주면 중앙부(2c)를 향해 그 두께가 점차 커지는 형상을 갖고 있으므로, 측벽(2)에 발생하는 응력 분포의 불균일을 해소하면서, 주면 연결부(2b)를 얇게 할 수 있기 때문에, 더욱 압력 용기의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 측벽(2)의 각 주면(2a)은, 주면 연결부(2b)와 주면 중앙부(2c) 사이에, 주면 중앙부(2c)의 두께보다도 큰 두께의 주면 후육부(2d)를 갖기 때문에, 주면 후육부(2d)가 측벽(2)에 발생하는 응력을 부담할 수 있으므로, 즉, 주면 후육부(2d)가 측벽(2) 부분에 요구되는 설계 요건의 만족에 기여할 수 있으므로, 주면(2a)을 전체적으로 얇게 하는 것이 가능해져 압력 용기의 경량화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상기 상벽 및 상기 저벽은 사각형이므로, 압력 용기의 내부 공간을 확보하기 쉬워진다.

또한, 본 실시 형태의 압력 용기는, 종래의 직육면체 형상의 압력 용기와 같이 리브를 갖고 있지 않으므로, 종래의 압력 용기에 비해 대폭 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 압력 용기의 각 벽에 발생하는 응력 분포에 따라서 당해 용기 자신의 두께를 변화시켰으므로, 용기의 각 벽에의 응력 분포의 불균일의 발생을 억제할 수 있고, 또한 압력 용기 전체에서 효율적으로 부하를 부담할 수 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아닌 특허청구범위에 의해 개시되고, 또한 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 상벽(1) 및 저벽이 사각형인 예에 대해 나타냈지만, 이들은 사각형에 한정되지 않고, 그 밖의 다각형이라도 좋다. 또한, 그 밖의 다각형인 경우도, 사각형의 경우와 마찬가지의 작용, 효과를 발휘한다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 측벽(2)이 주면 후육부(2d)를 갖는 예에 대해 나타냈지만, 이 주면 후육부(2d)를 생략하고, 주면(2a)은, 그 주면 연결부(2b)측의 단부로부터 주면 중앙부(2c)에 걸쳐 점차 두께가 커지는 형상이라도 좋다. 또한, 이 경우, 단순히 주면 후육부(2d)를 생략하는 것만으로는 요구되는 설계 요건을 만족시킬 수 없으므로, 주면 후육부(2d)를 생략하는 동시에, 주면(2a) 전체에서 응력을 부담하도록 당해 주면(2a)의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. 따라서, 주면 후육부(2d)를 갖는 경우에 비해, 경량화를 도모할 수 있는 비율은 작아진다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 상벽 중앙부(1a) 및 상벽 환 형상부(1b)가 곡면으로 접속되고, 상벽 환 형상부(1b) 및 상측 곡면부(3)가 곡면으로 접속되고, 저벽 중앙부 및 저벽 환 형상부가 곡면으로 접속되고, 또한 저벽 환 형상부 및 하측 곡면부가 곡면으로 접속된 예에 대해 나타냈지만, 이들 개소는 모두 평면으로 접속되어 있어도 좋다.

다음에, 본 실시 형태의 압력 용기에 관한 실시예를, 도 7에 도시하는 종래의 직육면체 형상의 압력 용기와 비교하여 설명한다.

[실시예]

도 7에 도시하는 종래의 직육면체 형상의 압력 용기 및 도 1에 도시하는 본 실시 형태의 압력 용기에 있어서 다양한 형상을 바꾼 것의 FEM 해석 모델을 작성하여, 탄소성 해석에 의해 내압 작용시의 응력 및 변위를 비교하였다. 또한, 아울러 중량에 대해서도 비교하였다. 또한, 제1 내지 제6 실시예의 모델의 사이즈 및 재질은 동일하다. 여기서, 본 실시 형태의 압력 용기, 즉, 압축기용 가스 쿨러에 사용되는 압력 용기의 주된 강성, 강도상의 설계 요건은, 다음의 2가지이다.

(1) 최고 사용 압력 1.14㎫시의 최대 변위량(이하,「요건 1의 값」이라 함)을 2.5㎜ 이하로 하는 것

(2) 최소 내압(耐壓) 파괴 강도 8.19㎫시의 최대 응력(이하,「요건 2의 값」이라 함)을 430㎫ 이하로 하는 것

또한, 이하 본 실시 형태를 실시예를 기초로 설명하지만, 본 실시 형태는 그 요지를 넘지 않는 한, 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

(비교예)

도 7은 격자 형상의 보강 리브를 갖는 종래의 직육면체 형상의 압력 용기의 해석 모델이다. 본 모델은 쉘 요소 모델이며, 대칭성을 근거로 하여 상측 2분의 1 모델로 하고 있다. 본 모델의 사이즈는, 판 두께 중심에 있어서의 값이, 세로 772.5㎜, 가로 631㎜ 및 높이 180㎜이고, 판 두께는 17㎜이다. 또한, 리브의 높이는 26.5㎜(쉘 모델 상은 26.5＋17/2＝35㎜), Y 방향 리브의 두께는 23㎜, X 방향의 리브의 두께는 46㎜이다.

이 비교예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 254㎏, 요건 1의 값은 1.36㎜, 요건 2의 값은 425㎫였다.

(제1 실시예)

다음에, 도 1에 도시한 본 실시 형태의 압력 용기(1)의 제1 실시예에 대해 설명한다. 본 모델의 내면 사이즈는, 세로 755.5㎜, 가로 614㎜ 및 높이 163㎜이다. 또한, 재질은, FCD450을 사용하였다. 제1 실시예에서는, 최고 사용 압력 1.14㎫ 작용시의 허용 응력을 85㎫로 한 압력 용기(1)의 형상에 대해 해석을 행하였다. 이 제1 실시예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 287㎏, 요건 1의 값은 0.56㎜, 요건 2의 값은 355㎫였다.

(제2 실시예)

제2 실시예에서는, 최고 사용 압력 1.14㎫ 작용시의 허용 응력을 100㎫로 한 압력 용기(1)의 형상에 대해 해석을 행하였다. 이 제2 실시예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 254㎏, 요건 1의 값은 0.68㎜, 요건 2의 값은 359㎫였다.

(제3 실시예)

제3 실시예에서는, 최고 사용 압력 1.14㎫ 작용시의 허용 응력을 125㎫로 한 압력 용기(1)의 형상에 대해 해석을 행하였다. 이 제3 실시예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 222㎏, 요건 1의 값은 0.97㎜, 요건 2의 값은 380㎫였다.

(제4 실시예)

제4 실시예에서는, 최고 사용 압력 1.14㎫ 작용시의 허용 응력을 150㎫로 한 압력 용기(1)의 형상에 대해 해석을 행하였다. 이 제4 실시예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 198㎏, 요건 1의 값은 1.18㎜, 요건 2의 값은 401㎫였다.

(제5 실시예)

제5 실시예에서는, 최고 사용 압력 1.14㎫ 작용시의 허용 응력을 175㎫로 한 압력 용기(1)의 형상에 대해 해석을 행하였다. 이 제5 실시예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 180㎏, 요건 1의 값은 1.47㎜, 요건 2의 값은 419㎫였다.

(제6 실시예)

제6 실시예에서는, 최고 사용 압력 1.14㎫ 작용시의 허용 응력을 200㎫로 한 압력 용기(1)의 형상에 대해 해석을 행하였다. 이 제6 실시예에 있어서는, 용기 전체의 중량은 168㎏, 요건 1의 값은 1.69㎜, 요건 2의 값은 429㎫였다.

이상의 결과를 표로 한 것을 도 8에, 그래프로 한 것을 도 9에 각각 나타낸다.

도 8 및 도 9로부터 명백한 바와 같이, 제2 실시예 내지 제6 실시예의 압력 용기가 설계 요건을 만족시키는 동시에, 종래의 압력 용기보다 경량화를 도모할 수 있는 것을 이해할 수 있다. 특히, 제6 실시예의 압력 용기에서는, 종래의 압력 용기와 거의 동등한 강도 특성을 확보하면서, 종래의 압력 용기의 약 66％의 중량으로 할 수 있다. 또한, 최적화 해석시의 허용 응력이 각 실시예 사이의 값일 때, 압력 용기의 형상, 부피 분포 등은, 도 1 및 도 2와 마찬가지의 형상, 부피 분포로 된다.

또한, 제1 실시예 내지 제6 실시예의 압력 용기에서는, 코너부를 제외하고 거의 용기 전체에 걸쳐 표리면 모두 대략 균일한 응력으로 되어, 용기가 전체적으로 낭비 없이 하중을 분담하는 결과로 되었다. 이에 반해, 도 7에 도시한 종래 용기의 경우, 본 실시 형태의 실시예와 비교하여 광범위하게 상대적으로 저응력으로 되는 부분이 발생하므로, 용기 전체에서 효율적으로 하중을 분담할 수 없는 결과로 되었다.

1 : 상벽
1a : 상벽 중앙부
1b : 상벽 환 형상부
2 : 측벽
2a : 주면
2b : 주면 연결부
2c : 주면 중앙부
2d : 주면 후육부
3 : 상측 곡면부
3a : 변부
3b : 코너부

Claims (7)

1. 다각 형상의 상벽과, 이 상벽의 하방에 설치된 다각 형상의 저벽과, 상기 상벽의 주연과 상기 저벽의 주연 사이에 설치되는 측벽과, 상기 상벽의 주연과 상기 측벽의 상단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 상측 곡면부와, 상기 저벽의 주연과 상기 측벽의 하단부를 외측으로 볼록하게 된 곡면으로 접속하는 하측 곡면부를 갖는 압력 용기이며,
   상기 상벽의 중앙의 상벽 중앙부의 두께와, 상기 상측 곡면부의 두께와, 상기 상벽 중앙부와 상기 상측 곡면부 사이에 형성된 상벽 환 형상부의 두께가 이 순서대로 작아지고, 상기 저벽의 중앙의 저벽 중앙부의 두께와, 상기 하측 곡면부의 두께와, 상기 저벽 중앙부와 상기 하측 곡면부 사이에 형성된 저벽 환 형상부의 두께가 이 순서대로 작아지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 용기.
2. 제1항에 있어서, 상기 상벽 중앙부 및 상기 상벽 환 형상부가 곡면으로 접속되고, 상기 상벽 환 형상부 및 상기 상측 곡면부가 곡면으로 접속되고, 상기 저벽 중앙부 및 상기 저벽 환 형상부가 곡면으로 접속되고, 또한 상기 저벽 환 형상부 및 상기 하측 곡면부가 곡면으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 용기.
3. 제1항에 있어서, 상기 상측 곡면부의 내면 및 상기 하측 곡면부의 내면이 동일한 곡률 반경을 갖고 있고,
   상기 상벽 환 형상부는, 상기 상벽을 상방으로부터 보아 상기 측벽의 내면으로부터 상기 상벽 중앙부를 향해, 상기 저벽 환 형상부는, 상기 저벽을 하방으로부터 보아 상기 측벽의 내면으로부터 상기 저벽 중앙부를 향해, 각각 상기 곡률 반경의 1/2배 내지 2배의 범위에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 압력 용기.
4. 제1항에 있어서, 상기 상벽 환 형상부는, 내압 작용시에 상기 상벽 중앙부에 발생하는 플러스 방향의 굽힘 모멘트와, 상기 상측 곡면부에 발생하는 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분에 위치하고, 상기 저벽 환 형상부는, 내압 작용시에 상기 저벽 중앙부에 발생하는 플러스 방향의 굽힘 모멘트와, 상기 하측 곡면부에 발생하는 마이너스 방향의 굽힘 모멘트가 균형이 맞는 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는, 압력 용기.
5. 제1항에 있어서, 상기 측벽은, 당해 측벽에 있어서의 주면끼리를 연결하는 주면 연결부로부터, 상기 주면의 중앙의 주면 중앙부를 향해 그 두께가 점차 커지는 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는, 압력 용기.
6. 제5항에 있어서, 상기 측벽의 각 주면은, 상기 주면 연결부와 상기 주면 중앙부 사이에, 상기 주면 중앙부의 두께보다도 큰 두께의 주면 후육부를 갖는 것을 특징으로 하는, 압력 용기.
7. 제1항에 있어서, 상기 상벽 및 상기 저벽은 사각형인 것을 특징으로 하는, 압력 용기.

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