JP5646413B2

JP5646413B2 - 圧力容器

Info

Publication number: JP5646413B2
Application number: JP2011182508A
Authority: JP
Inventors: 保人片岡; 裕充濱口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: CN102954214A; US20130048646A1; KR20130023120A; US8960485B2; JP2013044388A; CN102954214B

Description

本発明は、圧縮機用ガスクーラー等に用いられる圧力容器に関する。

一般的に、圧力容器において、力学的に最も適した形状は球形であり、次いで円筒形である。しかしながら、例えば、圧縮機用ガスクーラーとして用いられる圧力容器の場合、他の主要部品、部材や配管系との接続、圧力容器内に収納する熱交換器の形状、さらに、圧力容器自身の設置場所等を考慮する必要がある。よって、装置内の空間を有効に利用するためには、その形状を直方体とすることが好ましい。例えば、特許文献１には、直方体形状の圧力容器が開示されている。なお、直方体形状の圧力容器としては、圧縮機用ガスクーラーに限らず、他の機械、装置においてもよく使用されている形状である。

また、圧力容器には剛性や強度上の設計要件が要求される。上記特許文献１に記載の直方体形状の圧力容器においては、その要求される設計要件を満足するために容器の外周に格子状のリブが設けられている。

特開２００３−１０６６６８号公報

一般に、圧力容器としては、要求される設計要件を満足しつつ、できる限り軽量化を図りたいというニーズがある。しかしながら、上記特許文献１に記載の圧力容器は、容器の外周に設けた格子状のリブの分だけ重量増となっており、軽量化を図ることができているとはいえなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、要求される設計要件を満足しつつ、軽量化を図ることができる圧力容器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは、圧力容器の各壁には、収容する高圧媒体の内圧が作用することによって生じる応力の分布に、不均一が発生していることに着目した。すなわち、一定高さの格子状のリブが設けられた各壁には、相対的に小さな応力しか生じていない部分があり、これらの部分は過剰に補強された構造となっていることに着目した。よって、圧力容器の重量増の原因となる一定高さの格子状のリブを設ける構造に換えて、発生している応力分布の不均一を解消するように、過剰に補強されている部分のリブを削ることで、材料を削減して軽量化を図ることができることに想到した。

本発明はこのような観点からなされたものであり、四角形の上壁と、この上壁の下方に設けられた四角形の底壁と、前記上壁の周縁とそれらに対応する前記底壁の周縁との間に設けられる側壁と、前記上壁の周縁と前記側壁の上端とを外側に凸となった曲面で接続する上側曲面部と、前記底壁の周縁と前記側壁の下端とを外側に凸となった曲面で接続する下側曲面部と有する圧力容器であって、前記上壁の外面に第１方向に延びるように形成された上壁第１リブと、前記上壁の外面に前記第１方向と直交する第２方向に延びるように形成された上壁第２リブと、前記上側曲面部の外面に前記上壁第１リブと連設するように形成された上側曲面部第１リブと、前記上側曲面部の外面に前記上壁第２リブと連設するように形成された上側曲面部第２リブと、前記底壁の外面に前記第１方向に延びるように形成された底壁第１リブと、前記底壁の外面に前記第２方向に延びるように形成された底壁第２リブと、前記下側曲面部の外面に前記底壁第１リブと連設するように形成された下側曲面部第１リブと、前記下側曲面部の外面に前記底壁第２リブと連設するように形成された下側曲面部第２リブと、前記側壁の外面に前記上側曲面部第１リブ及び前記下側曲面部第１リブを連接するように形成された側壁第１リブと、前記側壁の外面に前記上側曲面部第２リブ及び前記下側曲面部第２リブを連接するように形成された側壁第２リブとを有し、前記上壁第１リブにおいて前記上壁の中央の上壁中央部を通る中央上壁第１リブは、その中央部に位置する中央上壁第１リブ中央部と、前記上側曲面部第１リブと連設される中央上壁第１リブ連設部と、前記中央上壁第１リブ中央部と前記中央上壁第１リブ連設部との間に当該中央上壁第１リブにおいて最も薄く形成された中央上壁第１リブ薄肉部とを有し、前記底壁第１リブにおいて前記底壁の中央の底壁中央部を通る中央底壁第１リブは、その中央部に位置する中央底壁第１リブ中央部と、前記下側曲面部第１リブと連設される中央底壁第１リブ連設部と、前記中央底壁第１リブ中央部と前記中央底壁第１リブ連設部との間に当該中央底壁第１リブにおいて最も薄く形成された中央底壁第１リブ薄肉部とを有していることを特徴とする圧力容器を提供する。

この発明の圧力容器によれば、相対的に小さな応力しか生じない部分、すなわち、上壁中央部を通る中央上壁第１リブにおける中央上壁第１リブ中央部と中央上壁第１リブ連設部との間に位置する部分と、底壁中央部を通る中央底壁第１リブにおける中央底壁第１リブ中央部と中央底壁第１リブ連設部との間に位置する部分とに、リブの高さが中央上壁第１リブ中央部及び中央底壁第１リブ中央部に比べて小さく形成された薄肉部を設けたことで、圧力容器全体としては、要求される設計要件を満足しつつ、材料を削減して軽量化を図ることができる。また、圧力容器の上壁及び底壁への応力分布の不均一の発生を抑制することができる。

また、本発明において、前記上側曲面部の内面及び前記下側曲面部の内面が同じ曲率半径を有しており、前記中央上壁第１リブ薄肉部は、前記上壁を上から見て前記側壁の内面から前記上壁中央部に向かって、前記中央底壁第１リブ薄肉部は、前記底壁を下から見て前記側壁の内面から前記底壁中央部に向かって、それぞれ前記曲率半径の１倍から３倍の範囲に位置していることが好ましい。

このようにすれば、上壁及び底壁に発生する応力分布の不均一を解消しつつ、圧力容器の軽量化を図ることが容易となる。

また、本発明において、前記中央上壁第１リブ薄肉部は、内圧作用時に前記上壁に発生する正方向の曲げモーメントと、前記上側曲面部に発生する負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分に位置し、前記中央底壁第１リブ薄肉部は、内圧作用時に前記底壁に発生する正方向の曲げモーメントと、前記下側曲面部に発生する負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分に位置することが好ましい。

このようにすれば、上壁における正方向の曲げモーメントと負方向の曲げモーメントとが釣り合う位置、すなわち、応力の発生が極めて小さくなっている部分に上壁第１リブ薄肉部が位置し、底壁における同部分に底壁第１リブ薄肉部が位置するので、これらの各第１リブ薄肉部の高さを一層小さくすることが可能となり、圧力容器のさらなる軽量化を図るこができる。

また、本発明において、前記中央上壁第１リブ薄肉部の高さは、前記中央上壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であり、前記中央底壁第１リブ薄肉部の高さは、前記中央底壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であることが好ましい。

このようにすれば、圧力容器に要求される設計要件を満足しつつ、より多くの材料を削減して軽量化を図ることができる。

また、本発明において、前記上壁第１リブにおいて前記上壁中央部以外の領域を通る側方上壁第１リブの高さは、前記中央上壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であり、前記底壁第１リブにおいて前記底壁中央部以外の領域を通る側方底壁第１リブの高さは、前記中央底壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であることが好ましい。

このように、上壁中央部及び底壁中央部以外の領域を通る部分、つまり、相対的に小さな応力しか生じない部分のリブの高さを小さくすることで、圧力容器に要求される設計要件を満足しつつ、より多くの材料を削減して軽量化を図ることができる。

また、本発明において、前記上壁及び前記底壁は前記第１方向に長い長方形であり、前記上壁第２リブにおいて前記上壁中央部を通る中央上壁第２リブと、これに連設される前記上側曲面部第２リブ、前記側壁第２リブ、前記下側曲面部第２リブ及び前記底壁第２リブにおいて前記底壁中央部を通る中央底壁第２リブとは、前記中央上壁第１リブ中央部と同一の高さに形成されていることが好ましい。

このようにすれば、圧力容器において相対的に大きな応力が生じる部分、すなわち、上壁、上側曲面部、側壁、下側曲面部及び底壁における長辺方向の中央部分を、相対的に高さの大きい中央上壁第１リブ中央部と同じ高さの各第２リブで補強することによって、圧力容器に要求される設計要件を満足することが容易となる。

以上のように、本発明によれば、要求される設計要件を満足しつつ、材料を削減して軽量化を図ることができる圧力容器を提供することができる。

本発明の一実施形態の圧力容器の２分の１モデル斜視図である。図１に示したモデルの中央上壁第１リブの拡大側面図である。図１に示したモデルの上側曲面部内面リブを設ける部位を説明する図である。上側曲面部内面リブの第１の形状を示す図である。上側曲面部内面リブの第２の形状を示す図である。直方体形状の圧力容器の２分の１モデルの斜視図である。図６のVII−VII断面に生じる曲げモーメントの分布を説明する図である。格子状リブが設けられた従来容器の２分の１モデルの斜視図である。

直方体形状の圧力容器に内圧が作用する場合、当該容器は基本的に球体に近づくように変形する。まず、この点について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、直方体形状の圧力容器の２分の１モデルの斜視図である。なお、図６では、直方体形状の圧力容器のうち上壁が示されている。

図７は、図６のVII−VII断面に作用する曲げモーメントの分布図を模式的に示している。同図におけるＡ部では、曲率を減少させる方向、すなわち、プラス方向の曲げモーメントが作用する。一方、Ｂ部では、曲率を増加させる方向、すなわちマイナス方向の曲げモーメントが作用する。このとき、Ｚ部近傍では、曲げモーメントの正負が逆転するので、モーメントがゼロ、あるいは非常に小さい状態となる。

本実施形態は、圧力容器の外面に設けるリブの形状を、上記のように分布するモーメントの大きさに略対応させるものである。つまり、基本的には、モーメントの絶対値が大きい部分のリブの高さを大きくし、絶対値がゼロ、あるいは小さい部分のリブの高さを小さくするものである。

このように、圧力容器に設けるリブの高さをモーメントの大きさに合わせたものとすることにより、容器が全体として均一に荷重を負担するので、圧力容器を無駄のない形状とすることができる。換言すれば、一定高さの格子状のリブが設けられた従来の直方体形状の圧力容器は、相対的に小さな曲げモーメントしか生じていない部分であっても、相対的に大きな曲げモーメントが生じている部分と同じ高さのリブを有する形状であったため、その部分が過剰に補強された余肉となっており、重量増につながっていた。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態の圧力容器の２分の１モデルの斜視図である。本実施形態の圧力容器は、Ｚの各方向の中央に対して対称な形状であるため、Ｚの各方向のそれぞれの中央で切断した２分の１のモデルを用いて説明する。なお、図１では、本実施形態の圧力容器のうち上壁が示されている。図２は、図１に示したモデルの中央上壁第１リブを拡大した側面図である。

図１に示すように、本実施形態の圧力容器の２分の１モデルは、上壁１と、上壁１と図示しない底壁との間に設けられた側壁２と、上壁１の周縁と側壁２の上端とを外側に凸となった曲面で接続する上側曲面部３とを有している。この圧力容器１はまた、その内部に熱交換器や配管等を有するが、これらは図示を省略している。

上壁１は、その中央に上壁中央部１ａを有する平面状に形成されており、その外面に、第１方向（Ｙ軸方向）と平行に延びる上壁第１リブと、第１方向と直交する第２方向（Ｘ軸方向）と平行に延びる上壁第２リブとが形成されている。上壁第１リブは、上壁中央部１ａを通る複数の中央上壁第１リブ１ｂと、上壁中央部１ａ以外の領域を通る複数の側方上壁第１リブ１ｆとを有している。また、上壁第２リブは、上壁中央部１ａを通る複数の中央上壁第２リブ１ｇと、上壁中央部１ａ以外の領域を通る複数の側方上壁第２リブ１ｈとを有している。そして、上壁１は、第１方向に長い長方形であり、その内面は平坦に形成されている。

ここで、上壁中央部１ａとは、上壁１における第１方向の中央領域と第２方向の中央領域とが重なる部分、すなわち、上壁１を第１方向に４等分したうちの中央の２区分が占める領域と、上壁１を第２方向に４等分したうちの中央の２区分が占める領域とが重なる部分を指す。

本実施形態では、図１に示すように、中央上壁第１リブ１ｂ、側方上壁第１リブ１ｆ、中央上壁第２リブ１ｇ及び側方上壁第２リブ１ｈは、それぞれ２本ずつ形成されている。そして、上壁１の第２方向の長さを８ｐとすると、上壁１の長辺側の一端から１ｐ及び７ｐの位置に側方上壁第１リブ１ｆが形成されており、３ｐ及び５ｐの位置に中央上壁第１リブ１ｂがそれぞれ形成されている。また、上壁１の第１方向の長さを８ｑとすると、上壁１の短辺側の一端から１ｑ及び７ｑの位置に側方上壁第２リブ１ｈが形成されており、３ｑ及び５ｑの位置に中央上壁第２リブ１ｇがそれぞれ形成されている。

図２に示すように、中央上壁第１リブ１ｂは、上壁中央部１ａに位置する中央上壁第１リブ中央部１ｃと、後述する上側曲面部第１リブ３ｃと連設される中央上壁第１リブ連設部１ｄと、中央上壁第１リブ中央部１ｃと中央上壁第１リブ連設部１ｄとの間に位置し当該中央上壁第１リブ１ｂにおいて最も薄く形成された中央上壁第１リブ薄肉部１ｅとを有している。

上壁中央部１ａは、高圧媒体の内圧が作用することによって当該上壁中央部１ａに生じる応力が容器内で最も大きいため、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さは、中央上壁第１リブ１ｂにおいて最も大きくなるように形成されている。そして、中央上壁第１リブ１ｂの高さは、中央上壁第１リブ中央部１ｃから中央上壁第１リブ薄肉部１ｅにかけて次第に小さくなり、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅから中央上壁第１リブ連設部１ｄにかけて次第に大きくなるように形成されている。なお、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅは、第１方向に所定寸法を有するように形成されてもよい。

中央上壁第１リブ薄肉部１ｅは、上壁１を上から見て、側壁２における中央上壁第１リブ連設部１ｄが位置する主面２ａの内面から上壁中央部１ａに向かって、後述する上側曲面部３の内面の曲率半径ｒの０．５倍から３倍の範囲に位置するように形成される。より好ましくは、上壁１に生じる正方向の曲げモーメントと、上側曲面部３に生じる負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分、つまり、曲げモーメントの合計がゼロ、あるいは非常に小さい状態となっている部分に形成される。また、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅの高さは、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さの２分の１以下であることが好ましい。さらには、図７に示すモーメント分布から明らかなように、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅの高さはゼロ、つまり、中央上壁第１リブ中央部１ｃと中央上壁第１リブ連設部１ｄとが離れていてもよい。

側方上壁第１リブ１ｆは、その高さが一様に、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さの２分の１以下となるように形成されている。これは、この側方上壁第１リブ１ｆが位置する部分が、上壁１において相対的に小さな応力しか生じないためである。

中央上壁第２リブ１ｇは、その高さが一様に、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さと同一に形成されている。これは、この中央上壁第２リブ１ｇが位置する部分は、上壁１において相対的に大きな応力が生じるためである。

側方上壁第２リブ１ｈは、その高さが一様に、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さの２分の１以下となるように形成されている。これは、この側方上壁第２リブ１ｈが位置する部分が、上壁１において相対的に小さな応力しか生じないためである。

側壁２は、上壁１の周縁と底壁の周縁との間に設けられている。側壁２は、図１におけるＸＺ面と平行な面をなす主面２ａ及びＹＺ面と平行な面をなす主面２ａと、これら主面２ａ同士を連結する主面連結部２ｂとを有する。そして、ＸＺ面と平行な面をなす主面２ａの外面に、上側曲面部第１リブ３ｃと連設される側壁第１リブ２ｃが形成されており、ＹＺ面と平行な面をなす主面２ａの外面に、上側曲面部第２リブ３ｄと連設される側壁第２リブ２ｄが形成されている。また、各主面２ａの内面は、平坦に形成されている。

主面連結部２ｂは、互いに直交する方向に広がる主面２ａ同士を連結する部分であり、外側に凸となった曲面形状を呈する。この主面連結部２ｂは、各主面２ａの平坦な内面同士を連結する曲面状の内面を有する。

上壁１の短辺が位置する主面２ａにおける中央部分は、その主面２ａ内で相対的に大きな応力が生じる。このため、上側曲面部第１リブ３ｃを介して中央上壁第１リブ１ｂと連設される側壁第１リブ２ｃは、上側曲面部第１リブ３ｃを介して側方上壁第１リブ１ｆと連設される側壁第１リブ２ｃに比して、その高さが大きくなるように形成されている。具体的には、上側曲面部第１リブ３ｃを介して側方上壁第１リブ１ｆと連設される側壁第１リブ２ｃの高さは、上側曲面部第１リブ３ｃを介して中央上壁第１リブ１ｂと連設される側壁第１リブ２ｃの高さの２分の１以下に形成されている。これら側壁第１リブ２ｃは、その上端で上側曲面部第１リブ３ｃと、その下端で図示しない下側曲面部第１リブとそれぞれ接続されている。

上壁１の長辺が位置する主面２ａにおける中央部分は、その主面２ａ内で相対的に大きな応力が生じる。このため、上側曲面部第２リブ３ｄを介して中央上壁第２リブ１ｇと連設される側壁第２リブ２ｄは、上側曲面部第２リブ３ｄを介して側方上壁第２リブ１ｈと連設される側壁第２リブ２ｄに比して、その高さが大きくなるように形成されている。具体的には、上側曲面部第２リブ３ｄを介して側方上壁第２リブ１ｈと連設される側壁第２リブ２ｄの高さは、上側曲面部第２リブ３ｄを介して中央上壁第２リブ１ｇと連設される側壁第２リブ２ｄの高さの２分の１以下に形成されている。これら側壁第２リブ２ｄは、その上端で上側曲面部第２リブ３ｄと、その下端で図示しない下側曲面部第２リブとそれぞれ接続されている。

上側曲面部３は、上壁１の周縁と側壁２の上端とを外側に凸となった曲面で接続する部分であり、上壁１の各辺に対応する辺部３ａと、隣接する辺部３ａ同士を連結する隅角部３ｂとを有している。そして、上壁１の短辺に位置する辺部３ａの外面に、中央上壁第１リブ１ｂ及び側方上壁第１リブ１ｆと連設される上側曲面部第１リブ３ｃが形成されており、上壁１の長辺に位置する辺部３ａの外面に、中央上壁第２リブ１ｇ及び側方上壁第２リブ１ｈと連設される上側曲面部第２リブ３ｄが形成されている。また、辺部３ａは、上壁１の平坦な内面と主面２ａの平坦な内面とを接続する曲面状の内面を有する。隅角部３ｂは、隣接する辺部３ａの曲面状の内面同士を連結するとともに、上壁１の内面と主面連結部２ｂの内面とを接続する曲面状の内面を有する。そして、上側曲面部３の内面は、所定の曲率半径ｒを有する円弧状に形成されている。

上壁１の短辺が位置する辺部３ａにおける中央部分は、その辺部３ａ内で相対的に大きな応力が生じる。このため、中央上壁第１リブ１ｂと連設される上側曲面部第１リブ３ｃは、側方上壁第１リブ１ｆと連設される上側曲面部第１リブ３ｃに比して、その高さが大きくなるように形成されている。具体的には、側方上壁第１リブ１ｆと連設される上側曲面部第１リブ３ｃの高さは、中央上壁第１リブ１ｂと連設される上側曲面部第１リブ３ｃの高さの２分の１以下に形成されている。また、中央上壁第１リブ１ｂと連設される上側曲面部第１リブ３ｃの高さは、中央上壁第１リブ中央部１ｃと同じ高さに形成されている。

上壁１の長辺が位置する辺部３ａにおける中央部分は、その辺部３ａ内で相対的に大きな応力が生じる。このため、中央上壁第２リブ１ｇと連設される上側曲面部第２リブ３ｄは、側方上壁第２リブ１ｈと連設される上側曲面部第２リブ３ｄに比して、その高さが大きくなるように形成されている。具体的には、側方上壁第２リブ１ｈと連設される上側曲面部第２リブ３ｄの高さは、中央上壁第２リブ１ｇと連設される上側曲面部第２リブ３ｄの高さの２分の１以下に形成されている。また、中央上壁第２リブ１ｇと連設される上側曲面部第２リブ３ｄの高さは、中央上壁第２リブ１ｇと同じ高さに形成されている。

また、圧力容器に内圧が作用した際、曲げモーメントにより、上壁１の短辺が位置する辺部２ａにおける中央部分よりも、上壁１の長辺が位置する辺部３ａにおける中央部分の方が大きな引張応力が生じる。そのため、図３に示すように、上壁１の長辺が位置する辺部３ａの内面における中央部分に上側曲面部内面リブ３ｅを設け、当該部分を補強することが好ましい。なお、この上側曲面部内面リブ３ｅは上側曲面部３の内面に設けられるものであるため、容器の外面からは視認されないが、図３では、説明のために外面から見えるように表示している。この上側曲面部内面リブ３ｅは、図３や図４に示すように辺部３ａの長手方向に沿って延びる直線状であってもよく、図５に示すように、上側曲面部３の内面の曲面状の部分に架け渡す形状のものであってもよい。また、上側曲面部内面リブ３ｅを直線状に設ける場合、図３に示すように、上壁１の短辺側の一端から２ｑないし６ｑの範囲に設けることが好ましい。

ここで、圧力容器の外周を囲むように連接された各第２リブの高さは、圧力容器の外周の全範囲において一様な高さに形成されている。すなわち、中央上壁第２リブ１ｇと、これに連接される上側曲面部第２リブ３ｄ、側壁第２リブ２ｄ、下側曲面部第２リブ及び中央底壁第２リブのそれぞれ高さは同一に形成されている。また、側方上壁第２リブ１ｈと、これに連接される上側曲面部第２リブ３ｄ、側壁第２リブ２ｄ、下側曲面部第２リブ及び側方底壁第２リブのそれぞれ高さは同一に形成されている。

なお、通常、圧縮機用ガスクーラーは鋳造法により製造されるため、本実施形態のようにリブの高さが変化する形状の容器であっても製造することができる。

以上のように、本実施形態の圧力容器では、相対的に小さな応力しか生じない部分、すなわち、上壁中央部１ａを通る中央上壁第１リブ１ｂにおける中央上壁第１リブ中央部１ｃと中央上壁第１リブ連設部１ｄとの間に位置する部分と、底壁中央部を通る中央底壁第１リブにおける中央底壁第１リブ中央部と中央底壁第１リブ連設部との間に位置する部分とに、リブの高さが中央上壁第１リブ中央部１ｃ及び中央底壁第１リブ中央部に比べて小さく形成された薄肉部を設けたことで、圧力容器全体としては、要求される設計要件を満足しつつ、材料を削減して軽量化を図ることができる。また、圧力容器の上壁及び底壁への応力分布の不均一の発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、上側曲面部３の内面及び下側曲面部が同じ曲率半径ｒを有しており、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅは、上壁１を上から見て側壁２の内面から上壁中央部１ａに向かって、中央底壁第１リブ薄肉部は、底壁を下から見て側壁２の内面から底壁中央部に向かって、それぞれ曲率半径ｒの１倍から３倍の範囲に位置しているので、上壁１及び底壁に発生する応力分布の不均一を解消しつつ、圧力容器の軽量化を図ることが容易となる。

また、本実施形態では、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅは、内圧作用時に上壁１に発生する正方向の曲げモーメントと、上側曲面部３に発生する負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分に位置し、中央底壁第１リブ薄肉部は、内圧作用時に底壁に発生する正方向の曲げモーメントと、下側曲面部に発生する負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分に位置するので、これらの各薄肉部の肉厚を一層小さくすることが可能となり、圧力容器のさらなる軽量化を図るこができる。

また、本実施形態では、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅの高さは、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さの２分の１以下であり、中央底壁第１リブ薄肉部の高さは、中央底壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であるので、要求される設計要件を満足しつつ、さらに材料を削減して軽量化を図ることができる。

また、本実施形態では、側方上壁第１リブ１ｆの高さは、中央上壁第１リブ中央部１ｃの高さの２分の１以下であり、側方底壁第１リブの高さは、中央底壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下である。このように、上壁中央部１ａ及び底壁中央部以外の領域を通る部分、つまり、相対的に小さな応力しか生じない部分のリブの高さを小さくすることで、圧力容器に要求される設計要件を満足しつつ、より多くの材料を削減して軽量化を図ることができる。

また、本実施形態では、上壁１及び底壁が第１方向に長い長方形であり、中央上壁第２リブ１ｇと、これに連設される上側曲面部第２リブ３ｄ、側壁第２リブ２ｄ、下側曲面部第２リブ及び中央底壁第２リブとは、中央上壁第１リブ中央部１ｃと同一の高さに形成されている。よって、圧力容器において相対的に大きな応力が生じる部分、すなわち、上壁１、上側曲面部３、側壁２、下側曲面部及び底壁における長辺方向の中央部分を、相対的に高さの大きい中央上壁第１リブ中央部１ｃと同じ高さの各第２リブで補強することによって、圧力容器に要求される設計要件を満足することが容易となる。

さらに、本実施形態では、圧力容器に発生する応力分布に応じてリブの高さを変化させたため、容器の各壁への応力分布の不均一の発生を抑制することができ、かつ、圧力容器全体で効率よく負荷を負担することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、上壁１及び底壁が長方形である例について示したが、これらは長方形に限らず、正方形であってもよい。上壁１及び底壁が正方形の場合、上壁第２リブは、上壁第１リブと同様の形状、すなわち、その中央に高さの大きい中央上壁第２リブ中央部を有し、この中央上壁第２リブ中央部と上側曲面部第２リブ３ｄに連接される中央上壁第２リブ連設部との間に、高さの小さい中央上壁第２リブ薄肉部を有する形状となる。底壁第２リブについても同様である。

また、上記実施形態では、第１方向に連接された各第１リブ及び第２方向に連接された各第２リブが、それぞれ４本ずつである例について示したが、これらのリブの本数は何本ずつであってもよい。ただし、上壁中央部１ａと底壁中央部とを通る各第１リブ及び各第２リブが、少なくとも１本ずつは必要である。

また、上記実施形態では、側方上壁第１リブ１ｆ、側方上壁第２リブ１ｈ、側方底壁第１リブ及び側方底壁第２リブが、それぞれ所定高さを有する例について示したが、これらのリブが設けられる位置は、相対的に小さな応力しか生じないため、これらのリブはすべて省略することができる。

また、上記実施形態では、中央上壁第１リブ中央部１ｃ及び中央上壁第１リブ薄肉部１ｅと、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅ及び中央上壁第１リブ連設部１ｄと、中央底壁第１リブ中央部及び中央底壁第１リブ薄肉部と、中央底壁第１リブ薄肉部及び中央底壁第１リブ連設部とが、それぞれ直線状に接続された例について示したが、これらの箇所はすべて曲線状に接続されていてもよい。

次に、本実施形態の圧力容器についての実施例を、図８に示す一定高さの格子状のリブが設けられた従来の直方体形状の圧力容器と比較して説明する。

図８に示す従来の直方体形状の圧力容器、及び図１に示す本実施形態の圧力容器のＦＥＭ解析モデルを作成し、弾塑性解析により内圧作用時の応力分布を比較した。また、併せて重量についても比較した。ここで、本実施形態の圧力容器、すなわち、圧縮機用ガスクーラーに用いられる圧力容器の主な剛性、強度上の設計要件は、最小耐圧破壊強度８．１９ＭＰａ時の最大応力（以下、「設計要件値」という。）を４３０ＭＰａ以下とすることである。

なお、以下、本実施形態を実施例を基に説明するが、本実施形態はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されない。

（比較例）
図８は、従来の直方体形状の圧力容器の解析モデルである。本モデルはシェル要素モデルであり、対称性を踏まえて上側２分の１モデルとしている。本モデルのサイズは、板厚中心における値が、縦７７２．５ｍｍ、横６３１ｍｍ及び高さ１８０ｍｍであり、板厚は１７ｍｍである。また、リブの高さは２６．５ｍｍ（シェルモデル上は２６．５＋１７／２＝３５ｍｍ）、Ｙ軸方向リブの厚さは２３ｍｍ、Ｘ軸方向のリブの厚さは４６ｍｍである。

この比較例においては、容器全体の重量は２５４ｋｇ、設計要件値は４０４ＭＰａであった。

（実施例）
次に、図１に示した本実施形態の圧力容器１の実施例について説明する。本モデルのサイズは、縦７７２．５ｍｍ、横６３１ｍｍ及び高さ１８０ｍｍであり、板厚は１７ｍｍである。また、中央上壁第１リブ中央部１ｃ及び中央上壁第２リブ１ｇの高さを上記比較例と同じ２６．５ｍｍ（シェルモデル上は２６．５＋１７／２＝３５ｍｍ）とし、中央上壁第１リブ薄肉部１ｅ、側方上壁第１リブ１ｆ及び側方上壁第２リブ１ｈの高さを、中央上壁第１リブ中央部１ｃの２分の１の１３．２５ｍｍ（シェルモデル上は１３．２５＋１７／２＝２１．７５ｍｍ）とした。そして、材質は、ＦＣＤ４５０を用いた。

この実施例においては、容器全体の重量は容器全体の重量は２２４．４ｋｇ、設計要件値は４０８ＭＰａであった。

以上の結果より、本実施例の圧力容器は、要求される設計要件を満足するとともに、従来の圧力容器に比べて約１２％の軽量化を図ることができていることが確認された。

また、本実施例の圧力容器では、ほぼ容器全体にわたって略均一に応力が分布しており、容器が全体として無駄なく荷重を分担する結果となった。これに対し、図８に示した従来容器の場合、本発明の実施例と比較して広範囲に相対的に低応力となる部分が発生するため、容器全体で効率良く荷重を分担できていない結果となった。

１上壁
１ａ上壁中央部
１ｂ中央上壁第１リブ（上壁第１リブ）
１ｃ中央上壁第１リブ中央部
１ｄ中央上壁第１リブ連設部
１ｅ中央上壁第１リブ薄肉部
１ｆ側方上壁第１リブ（上壁第１リブ）
１ｇ中央上壁第２リブ（上壁第２リブ）
１ｈ側方上壁第２リブ（上壁第２リブ）
２側壁
２ａ主面
２ｂ主面連結部
２ｃ側壁第１リブ
２ｄ側壁第２リブ
３上側曲面部
３ａ辺部
３ｂ隅角部
３ｃ上側曲面部第１リブ
３ｄ上側曲面部第２リブ
３ｅ上側曲面部内面リブ

Claims

四角形の上壁と、この上壁の下方に設けられた四角形の底壁と、前記上壁の周縁とそれらに対応する前記底壁の周縁との間に設けられる側壁と、前記上壁の周縁と前記側壁の上端とを外側に凸となった曲面で接続する上側曲面部と、前記底壁の周縁と前記側壁の下端とを外側に凸となった曲面で接続する下側曲面部と有する圧力容器であって、
前記上壁の外面に第１方向に延びるように形成された上壁第１リブと、
前記上壁の外面に前記第１方向と直交する第２方向に延びるように形成された上壁第２リブと、
前記上側曲面部の外面に前記上壁第１リブと連設するように形成された上側曲面部第１リブと、
前記上側曲面部の外面に前記上壁第２リブと連設するように形成された上側曲面部第２リブと、
前記底壁の外面に前記第１方向に延びるように形成された底壁第１リブと、
前記底壁の外面に前記第２方向に延びるように形成された底壁第２リブと、
前記下側曲面部の外面に前記底壁第１リブと連設するように形成された下側曲面部第１リブと、
前記下側曲面部の外面に前記底壁第２リブと連設するように形成された下側曲面部第２リブと、
前記側壁の外面に前記上側曲面部第１リブ及び前記下側曲面部第１リブを連接するように形成された側壁第１リブと、
前記側壁の外面に前記上側曲面部第２リブ及び前記下側曲面部第２リブを連接するように形成された側壁第２リブとを有し、
前記上壁第１リブにおいて前記上壁のうち内圧作用時に最も大きな応力が生じる上壁中央部を通る中央上壁第１リブは、前記上壁中央部に位置する中央上壁第１リブ中央部と、前記上側曲面部第１リブと連設される中央上壁第１リブ連設部と、前記中央上壁第１リブ中央部と前記中央上壁第１リブ連設部との間であって前記上壁のうち内圧作用時に前記上壁中央部よりも小さな応力が生じる部位に位置しかつ当該中央上壁第１リブにおいて最も薄く形成された中央上壁第１リブ薄肉部とを有し、
前記底壁第１リブにおいて前記底壁のうち内圧作用時に最も大きな応力が生じる底壁中央部を通る中央底壁第１リブは、前記底壁中央部に位置する中央底壁第１リブ中央部と、前記下側曲面部第１リブと連設される中央底壁第１リブ連設部と、前記中央底壁第１リブ中央部と前記中央底壁第１リブ連設部との間であって前記底壁のうち内圧作用時に前記底壁中央部よりも小さな応力が生じる部位に位置しかつ当該中央底壁第１リブにおいて最も薄く形成された中央底壁第１リブ薄肉部とを有しており、
前記上側曲面部の内面及び前記下側曲面部の内面が同じ曲率半径を有しており、
前記中央上壁第１リブ薄肉部は、前記上壁を上から見て前記側壁の内面から前記上壁中央部に向かって、前記中央底壁第１リブ薄肉部は、前記底壁を下から見て前記側壁の内面から前記底壁中央部に向かって、それぞれ前記曲率半径の０．５倍から３倍の範囲に位置していることを特徴とする圧力容器。
前記中央上壁第１リブ薄肉部は、内圧作用時に前記上壁に発生する正方向の曲げモーメントと、前記上側曲面部に発生する負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分に位置し、前記中央底壁第１リブ薄肉部は、内圧作用時に前記底壁に発生する正方向の曲げモーメントと、前記下側曲面部に発生する負方向の曲げモーメントとが釣り合う部分に位置することを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
前記中央上壁第１リブ薄肉部の高さは、前記中央上壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であり、前記中央底壁第１リブ薄肉部の高さは、前記中央底壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力容器。
前記上壁第１リブにおいて前記上壁中央部以外の領域を通る側方上壁第１リブの高さは、前記中央上壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であり、前記底壁第１リブにおいて前記底壁中央部以外の領域を通る側方底壁第１リブの高さは、前記中央底壁第１リブ中央部の高さの２分の１以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧力容器。
前記上壁及び前記底壁は前記第１方向に長い長方形であり、
前記上壁第２リブにおいて前記上壁中央部を通る中央上壁第２リブと、これに連設される前記上側曲面部第２リブ、前記側壁第２リブ、前記下側曲面部第２リブ及び前記底壁第２リブにおいて前記底壁中央部を通る中央底壁第２リブとは、前記中央上壁第１リブ中央部と同一の高さに形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力容器。
前記上壁及び前記底壁は正方形であり、
前記上壁第２リブの形状は、前記上壁第１リブのそれと同一に形成されており、前記底壁第２リブの形状は、前記底壁第１リブのそれと同一に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力容器。