JP2007515615A - 管束支持具 - Google Patents

Abstract

支持する管の方向に沿って間隔をあけて複数の横支持プレートを備える管束の支持具であり、この支持プレートは管を収容するための開口部を備え、該複数の支持プレートは部分バッフル支持要素とエキスパンデッドメタル支持要素とを含む。

Description

本発明は、管の束用の支持具、特に支持する管の方向に沿って一定間隔をあけて設けられた（部分バッフルとして公知の）複数の横支持プレートを備えた支持具に関する。

管の束の主な適用分野は、円筒多管式熱交換器である。円筒多管式熱交換器は円筒容器を備え、その内部に容器の縦方向に延びた管の束が配置されている。特に管の束は平行な管からなる束でもよく、また管束とも称される。

周知のように、円筒多管式熱交換器は、管束の管を通る流体（管側）と該管の外側の空間を通る流体（シェル側）との間で熱を伝達する間接熱交換器である。円筒多管式熱交換器の詳細は、例えば非特許文献１に記載されている。管の端部は管板に固定される。管束は熱交換器の最も重要な部分である。この熱交換器は、２つの管板を円筒容器の各端部に１つづつ備えるか、又は熱交換器がＵ字管交換器の場合には円筒容器の一方の端部に１つの管板を備えることができる。

例えば流体の流れによって生じる振動に起因する管の損傷を防止するために、管の中間部分も支持しなければならないことが分かる。管の中間部分を支持するため、通常、管支持具は軸方向に間隔をあけて設けられた横支持プレートを備える。しばしば、支持プレートは支持シート又は支持バッフルとも称される。

本発明は、いわゆる部分バッフルを支持プレートとして備える熱交換器に関する。いくつかの種類の部分バッフルが非特許文献１に記載されている。従来の部分バッフルは円形の金属プレートから作られ、この金属プレートから円形部分（「窓」）が切除され、該プレートの残りに複数の開口部が穴開け又は切断され、それに管を通すことができる。しばしば、例えばいわゆるダブル部分バッフル構成、又は窓内無管型の構成において使用するために、２つの円形部分が両側にて切除される。

部分バッフルは管を支持するだけでなく、シェル側を通る流体の流れにも影響を与える。したがって、バッフルの設計はさらに熱伝達を考慮して決められる。熱伝達を最適化するために、一定量の流体のクロスフローがシェル内にて管束上で望まれるとき、部分バッフル管支持具が用いられる。

特定の実際の用途での具体的な要件に対して、部分バッフルの構成を一定の制限内で適合させることができる。例えば、部分バッフルを形成するために切除した円の直径の割合であるいわゆるバッフル・カットを具体的に選択できる。１つの部分バッフル中の大きなバッフル・カットにより相対的に低い圧力低下を生じるが、窓を通って延びる管の相対的に大きな部分が支持されないままとなる。通常は少なくとも１部分バッフルおきに管を支持しようとするので、通常採用される最大のバッフル・カットは４５％である。

管が窓を通って延びているとき、管が支持されていない最大長さ（「不支持管長」という）は、部分バッフルの間隔の少なくとも２倍である。したがって、支持プレートの数が機械的な支持の観点だけから要求される数の少なくとも２倍であることは、部分バッフル管支持具に必須である。部分バッフルは熱交換器の費用に実質的に影響しているので、バッフル間の空間を最大化することが試みられる。不支持管長が大きくなりすぎると、振動の問題が生じ得る。

他の熱交換器の構成では、窓を通って延びる管はない。例えば、非常に高い垂直な熱交換器（例えば大規模な工業プロセスにおいて供給原料／流出液の熱交換器として用いられる「テキサスタワー」と称されるものなど）では、単一部分バッフルが一般に一定の間隔で配置され、シェルに沿って管束上に流体の所望のクロスフローを達成すべく窓が交互に反対側に設けられる。最適な流体の流れ及び最適な水圧性能（特に最小の圧力低下）のために所望される間隔は、振動に対する良好な機械的支持のために要求される間隔よりも十分に長くできるので、いくつかの追加の支持部分バッフルが、各々２つの窓を有し、単一部分バッフル間に配置される。これらの追加の要素は、管支持具全体のかなりのコスト要因となる。

日本国公開特許公報第０５−２９６６８０号には、協力する複数のシート金属ストリップが窓内に配置されて振動を抑制する支持バッフルプレートが記載されている。個々のシート金属ストリップのすべてに要求される特別な形状ゆえに、製造コストが高い。
日本国公開特許公報第０５−２９６６８０号 Ｐｅｒｒｙ’ｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，第６版，１９８４，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｃ．，ページ１１−３〜１１−２１

発明の概要
本発明の目的は、部分バッフル管支持具における振動に対して簡単に（安価に）機械的支持を行なうことのできる管束支持具を提供することである。

このために、本発明は支持する管の方向に沿って一定の間隔をあけて設けられた複数の横支持プレートを備える管束支持具を提供し、該プレートは、管を収容するための開口部を備え、該複数の支持プレートは部分バッフル支持要素とエキスパンデッドメタル支持要素とを含む。

出願人は、部分バッフル管支持具における機械的支持機能の部分は必ずしも従来の部分バッフル要素により提供される必要はなく、エキスパンデッドメタル要素により有利に提供できることが分かった。エキスパンデッドメタルは、部分バッフルよりもかなり安価に製造できる。というのは、使用する材料が少なく、カッティングが少なく、要する労力が少ないからである。本発明により、部分バッフルが流体の流れを理由に必要とされる所であって機械的支持をも与える所に配置されるように、管支持具を構成することができる。特に振動を防止する更なる機械的支持が、エキスパンデッドメタル要素により提供できる。流体の流れに対するエキスパンデッドメタルの影響は、部分バッフルよりもずっと小さい。

このようにして本発明により、部分バッフル熱交換器を設計する上でより多くの柔軟性が得られる。管の大きさと配列（例えば三角形又は正方形ピッチ）、シェル径、部分バッフルの大きさと間隔などの熱交換器の基本的な設計パラメータは、振動を考慮して妥協することなく流体の流れ、熱伝達性能及び圧力低下を最適にすべく選択することができる。直面し得る振動の問題は、本発明に従ってエキスパンデッドメタル支持要素を配置することにより解決できる。

明細書及び特許請求の範囲で用いられる「支持要素」なる表現は、支持プレートの一部又は支持プレートの全体を意味する。

エキスパンデッドメタル支持要素と部分バッフル支持要素は共に結合支持プレートを形成できる。このためにエキスパンデッドメタルは、部分バッフル支持要素の窓に張られるように配置し得る。このようにして機械的支持を支持プレートの断面全体にわたって付与することができるが、流体だけは窓を通って流れることができる。エキスパンデッドメタルはまた小さいながらも流れをいくらか制限するので、従来の支持部分バッフルに比べて窓の大きさをわずかに大きくするのが望ましい。

また、エキスパンデッドメタル支持プレートの形態のエキスパンデッドメタル支持要素を追加の機械的支持として２つの部分バッフル支持要素の間に配置することも可能である。

別の態様では、エキスパンデッドメタル支持プレートは部分形状を自身が有することができる、すなわち１以上の窓を形成するように１以上の部分を切除することができる。このことは、部分バッフルの窓を管が通らず、かつ流体の流れの乱れを最小にしたまま部分バッフル間での更なる機械的支持が望まれる設計において有利となり得る。

エキスパンデッドメタル支持要素のみから構成された管支持具は、国際特許出願公開第ＷＯ０３／０６７１７０号に開示されている。しかしながら、この刊行物は従来の部分バッフル熱交換器における振動の問題に言及しておらず、従来の部分バッフルとエキスパンデッドメタル支持要素の結合について開示又は示唆してもいない。
以下、添付図面に関してさらに詳細に本発明を説明する。
これらの図において同一又は類似の対象物については同じ符号が使用されている。

発明の詳細な説明
図１〜図５を参照する。図１は垂直なシェル-管型の熱交換器１の一部を縦断面図にて示し、図２及び３はそれぞれ線ＩＩ−ＩＩ及びＩＩＩ−ＩＩＩに沿った２つの断面図を示す。熱交換器１はシェル３と管束５を有し、図１では管束のうち管８、９、１０、１１、１２、１３、１４が見える。図１では管束５の支持具は４つの支持プレート１８、１９、２０、２１を備える。これらのプレートは、管８〜１４の長さ方向に沿って互いに固定距離だけ間隔をあけて配置されている。

支持プレート１８、１９及び２１は、図４に拡大して示した従来の部分バッフルである。これらの部分バッフルは円形プレート２５から製造されるが、熱交換器に取り付けられたときに窓、例えば窓２８が形成されるように、該円形プレート２５から部分が切除されている。残りのプレート２５には開口部３０が開けられている。

支持プレート２０は、図５に詳細に示されている結合支持プレートである。結合支持プレート３５は、部分バッフル支持要素３８と、該部分バッフル支持要素３８の開放した窓４２に張られたエキスパンデッドメタル支持要素４０とから形成される。エキスパンデッドメタル要素４０は例えば部分バッフル要素３８及び窓４２の周囲のストリップ４５に溶接し得る。ストリップ４５自体はまた、部分バッフル要素に溶接することもできるが、元の円形プレートから例えばフライス加工で部分バッフル要素３８を形成した残りの部分とすることもできる。

エキスパンデッドメタルは周知の材料であり、シートメタルにスリット構造を付与した後にこのスリット付きシートメタルを引き伸ばすことにより作ることができる。隙間を有するクロスラス（cross-lath）構造（いわゆるストランドと接着部から形成）が形成される。引き伸ばす程度のみならず、スリットの配列や長さによっても、隙間の大きさ、形状及び相対的な配列が決められ、したがって管が隙間を通って最適に支持されるように隙間を設計できる。

通常、隣接した接合部の間のストランドは元のシートメタルの平面から捩じられており、これにより、エキスパンデッドメタルのシートに垂直な流体の流れに対する制限が抑えられる。

支持プレート２０はシェル３の断面全体にわたって、すなわち窓４２においても管を機械的に支持する。したがって、例えば支持プレート１９と支持プレート２１の間での管８の不支持管長はＬ_１である。対照的に、例えば支持プレート１８と支持プレート２０の間での管１４の不支持管長は２Ｌ_１である。このようにして本発明は不支持管長を短くする働きをして振動を抑えることができる。熱交換器１において更に多くの又はすべての支持プレートが結合支持プレート３５であれば、機械的な観点から支持プレートの間隔を広げることができる。

次に図６〜図１１を参照し、本発明の第２の態様を説明する。

図６はテキサス塔熱交換器１０１の一部を縦断面図にて示し、図７及び８はそれぞれ線ＶＩＩ−ＶＩＩ及びＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った２つの断面図を示す。熱交換器１０１は垂直な円筒形シェル１０３と、該シェル１０３の中心部を通って延びる管束１０５とを有する。図６では管１０８、１０９及び１１０が見えている。テキサス塔は例えば高さが２４ｍ、直径が２．５ｍである。

管束１０５の支持具は、支持要素として図６に示された５つの支持プレート１１７、１１８、１１９、１２０、１２１を備える。これらのプレートは、管１０８〜１１０の長さ方向に沿って互いに一定の間隔をあけて配置されている。

支持プレート１１７及び１２１は、図９に拡大して示されている従来の部分バッフル１２４である。これらの部分バッフルは、円形プレート１２５から製造され、夫々のプレートを熱交換器１０１に取り付けたときに窓１２７、１２８が形成されるように該円形プレート１２５から部分が線１２６に沿って切除されている。窓は図示された熱交換器において反対側に配列される。管１０５の大きさ及び配列に基づいて、残りのプレート１２５に開口部１３０が開けられている。窓と反対の部分１３１には開口部は配列されていない。図６に示される熱交換器１０１の構成は、いわゆる窓内無管型の構成であるからである。

部分バッフルの間隔Ｌ_２は、最適な流体の流れが得られるように選ばれる。その際、流体の流れは窓１２７及び１２８を通ることで管束１０５と交差する。Ｌ_２の代表的な値は１．５ｍである。間隔Ｌ_２が管の振動を防止するには大きすぎるならば、図１０に示されるプレート１３３のような追加の中間支持プレートが従来のテキサス塔内に取り付けられる。プレート１３３は、両側で２つのセクションが切除されている支持部分バッフルであり、管のための開口部１３４を備える。このような追加の中間支持プレートは、例えば、プレート１１８、１１９、１２０について示したのと同じ位置にて、その窓が窓１２７及び１２８と位置が合うように取り付けられる。

しかしながら、図６〜図８に示された本発明の態様では、中間支持プレート１１８、１１９及び１２０は、図１１に概略的に示したプレート１３５のようなエキスパンデッドメタル支持プレートである。

プレート１３５はダブル部分・エキスパンデッドメタルシート１３６により形成されており、このエキスパンデッドメタルシート１３６は、窓１４２及び１４３を形成するように支持リング１３８と支持ストリップ１４０とに溶接されている。支持プレート１３５は図１０に示す従来の中間プレート１３４よりも十分に安く製造できる。

次に図１２〜図１３を参照し、本発明の第３の態様をこれらの図に関して説明する。

シェル２０３を有し管束２０５がシェル２０３を通って延びている水平熱交換器２０１がその構成例である。図１２は縦断面の一部を示しており、熱交換器をもっと長くできること、及び図示されたものより多くの支持プレートを配列できることが理解されよう。管束２０５は管２０８、２０９、２１０、２１１、２１２、２１３、及び２１４を含む。この図は管板を有する管の端部を示してはいない。

これらの管は部分バッフル２１８、２１９、２２０により支持される。管の振動に対する更なる支持として、エキスパンデッドメタル支持プレート２２１、２２２が配置される。部分バッフル支持要素とエキスパンデッドメタル支持要素が、管２０５の長さ方向に沿って固定間隔にて交互に配置される。隣接した部分バッフル、例えば２１８と２１９の間隔はＬ_３である。

部分バッフル支持要素２１８、２１９、２２０は、図４に示し説明したものと同様のものである。隣接した部分バッフルの中間には、図１３に示すプレート２３５のようなエキスパンデッドメタル支持プレートが配置される。プレート２３５は、例えば１枚のエキスパンデッドメタルを例えばレーザー切断により円形の形状に切断し、支持リング２４５に溶接することによって安価に製造できる。

エキスパンデッドメタル支持プレート２２１、２２２は部分バッフル間の振動を防止するよう働く。例えば管２１４の最大の不支持管長は、隣接した部分バッフルの間隔に等しいＬ_３である。エキスパンデッドメタル支持要素がなければ、不支持管長は隣接した部分バッフルの間隔の２倍になる。このようにして本発明により、隣接した部分バッフルの間隔を、管支持具が部分バッフルだけから作られる場合よりも長くなるように選択できる。よって、シェル側における最適な流体の流れ及び熱伝達が達成されるように、部分バッフルを配置することができ、また、管支持の費用全体を最小にできる。

しかしながら、ある用途では管の振動を考慮することは部分バッフルの最小間隔への制限をもたらすことも起こり得る。これは、所与の熱交換器の容積において熱伝達を最大にするためにシェル内の流体のクロスフローを最大にすることが望まれる場合であり得る。この場合、低バッフルカットの部分バッフルが用いられ、バッフルの間隔を最小にすることが望まれる。これにより、大きな圧力低下が生じるが、部分バッフルの間隔は相対的に短いにもかかわらず管の振動も発生し得る。このような状況では、以前はバッフル間隔を広げ、場合によっては熱交換器の大きさを増す必要があった。しかしながら、本発明により、追加のエキスパンデッドメタル支持プレートが振動の問題を解決できる。追加のエキスパンデッドメタル支持要素を用いることにより熱交換器における管支持の費用はわずかに増大するが、より小さいシェルを使用できるので、熱交換器の費用全体はより安くできる。

本発明を水平及び垂直の熱交換器に同様に適用できることは明らかである。

支持プレートはシェル内に任意の適当な方法で取り付けることができる。部分バッフルを取り付ける従来の方法は、管に平行に配置されたスペーサーロッドを用い、それらをシェル及び部分バッフルに溶接することである。これらのロッドは、同様にエキスパンデッドメタル支持要素の支持リングに溶接できる。

本発明の多くの用途では、エキスパンデッドメタル支持要素は、管が通るのにちょうど十分な大きさの隙間を有するのが好ましく、それにより、各管は実質的に遊びなしで４つの辺から支持される。典型的には、この場合、最大で管より１０％大きな直径のゲージが隙間を通過できるような大きさである。隙間のこの大きさは、例えば図１及び１２に関して説明した好ましくは各エキスパンデッドメタル支持要素が管を十分に支持する態様の場合に好ましい。

しかしながら、いくつかの管が通過できるほど大きな隙間を有するエキスパンデッドメタルを使用できることも明らかである。この場合、何枚かのエキスパンデッドメタルを、例えば中間のエキスパンデッドメタルが図６に関して説明した態様の要素を支持するように管がすべての側から支持されるよう協力すべく配置するのが適切である。このようないくつかのエキスパンデッドメタルシートの適切な構成がＷＯ０３／０６７１７０に記載されている。他の適切なエキスパンデッドメタルの配置や種類、及びエキスパンデッドメタルの隙間の配列や形状については、欧州特許出願第０３０７７４６３．２号（本発明の最初の出願日（優先日）には未公開）に記載されている。

本発明により支持された熱交換器の第１の態様の縦断面図を概略的に示す。 図１のＩＩ−ＩＩに沿った断面図を概略的に示す。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図を概略的に示す。 支持部分バッフルを概略的に示す。 部分バッフル支持要素とエキスパンデッドメタル支持要素とから形成された結合支持バッフルを概略的に示す。 本発明により支持された熱交換器の第２の態様の縦断面図を概略的に示す。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面図を概略的に示す。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った断面図を概略的に示す。 別の支持部分バッフルを概略的に示す。 テキサス塔において中間の支持プレートとして使用される従来の部分バッフルを概略的に示す。 本発明による中間のエキスパンデッドメタル支持プレートを概略的に示す。 本発明により支持された熱交換器の第３の態様の縦断面図を概略的に示す。 本発明による別のエキスパンデッドメタル支持要素を概略的に示す。

符号の説明

１…熱交換器
３…シェル
５…管束
８、９、１０、１１、１２、１３、１４…管
１８、１９、２０、２１…支持プレート
２８…窓
３０…開口部
３８…部分バッフル支持要素
４０…エキスパンデッドメタル支持要素

Claims (5)

1. 支持する管の方向に沿って間隔をあけて配置され且つ管を収容するための開口部を備えた複数の横支持プレートを有する管束用支持具であって、前記複数の横支持プレートは部分バッフル支持要素とエキスパンデッドメタル支持要素とを含む管束用支持具。
2. 前記複数の支持プレートが部分バッフル支持要素とエキスパンデッドメタル支持要素とから形成された結合支持プレートを含む、請求項１に記載の管束用支持具。
3. エキスパンデッドメタル支持要素が、部分バッフル支持要素と夫々の直径の円との間に形成された窓に張られるように配置される、請求項２に記載の管束用支持具。
4. エキスパンデッドメタル支持要素の少なくとも１つが、２つの部分バッフル支持プレートの中間に配置された支持プレートを形成する、請求項１に記載の管束用支持具。
5. 中間のエキスパンデッドメタル支持要素が支持部分プレートを形成する、請求項４に記載の管束用支持具。