JP2019178843A - 伝熱管の振動防止装置、熱交換器及びボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】振動抑制のため管群を構成する個々の伝熱管をスペーサやフィンで連結する場合、応力集中によるクラックなどの発生を防止し、かつスペーサやフィンを設けるときの施工性を改善する。【解決手段】一実施形態に係る伝熱管の振動防止装置は、並列に配置された複数の伝熱管の振動を防止するための伝熱管の振動防止装置であって、前記複数の伝熱管は、第１伝熱管と、前記第１伝熱管に隣接して配置される第２伝熱管とを少なくとも含み、前記第１伝熱管における前記第２伝熱管と対面する位置に溶接される第１パッド、及び前記第２伝熱管における前記第１伝熱管と対面する位置に溶接される第２パッドを含む一対のパッドと、前記第１パッドに一端側が溶接され、前記第２パッドに他端側が溶接されたフィンと、を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、伝熱管の振動防止装置、該振動防止装置を備える熱交換器及びボイラに関する。

ボイラ、加熱炉、熱交換器等において、通常、伝熱管群は、ガス流路中において高温燃焼ガス流に対して直交する方向へ配置される場合が多い。この場合、伝熱管群の振動を抑制することが大きな課題となる。
ガス流路に配置された管群で考慮すべき振動の形態としては、次の３形態がある。
（ａ）カルマン渦とガス流路を形成するダクトに発生する定常波とが一致して起こる共振
（ｂ）カルマン渦と管の固有振動数とが一致して起こる共振
（ｃ）ガス流の流力弾性によって発生する管の自励振動

このうち、（ａ）に対する対策として、ダクトによって形成されるガス流路を分割するようにバッフル板を設けることで、ダクトに発生する定常波の振動数を変え、これによって共振を回避することが考えられる。また、（ｂ）及び（ｃ）に対する対策として、管群の中間部分を何らかの方法で固定することで管群の固有振動数を変え、これによって、共振や自励振動を回避することが考えられる。
（ｂ）及び（ｃ）に対する対策として、特許文献１には、管群の中間部を拘束バンドで挟んで固定する手段が開示され、特許文献２には、管群の中間部をサポート板で両側から挟んで固定する手段が開示されている。

特開昭６２−１０６２９３号公報 実開昭６１−１５４４７６号公報

特許文献１及び２に開示された手段は、管群を拘束バンドやサポート板で挟んで固定するだけであり、これらの拘束部材が管群に溶接されていないので、管群の防振強度はあまり向上しない。また、拘束部材が管群に溶接されていないので、管群と拘束部材間の熱伝達量は少ない。従って、伝熱管の場合、高温雰囲気下で、拘束部材に対して管内を流れる被加熱媒体の冷却効果があまり及ばない。そのため、温度拘束部材の温度が高くなり過ぎ、熱膨張によって管の拘束が緩んだり、拘束部材が焼損する虞がある。そのため、これらの拘束部材では、７００℃以上の高温環境下では適用できない。

上記（ｂ）及び（ｃ）に対する別な対策として、管群を構成する個々の管をスペーサやフィンで連結して固定する手段がある。この手段では、高温となるスペーサやフィンに耐熱性を有するステンレス鋼やＣｒ合金を用いると、炭素鋼などで構成される伝熱管との間で異材間溶接となり、両者の熱膨張率の違いにより昇温時に溶接部に熱応力が集中し、クラックが発生する虞がある。また、管と管とに挟まれた位置にスペーサやフィンを溶接する作業は施工性が悪く、かつ管の間の間隔にはばらつきがあるので、施工性がさらに悪くなるという問題がある。

一実施形態は、振動抑制のため管群を構成する個々の伝熱管をスペーサやフィンで連結する場合、応力集中によるクラックなどの発生を防止し、かつスペーサやフィンを設けるときの施工性を改善することを目的とする。

（１）一実施形態に係る伝熱管の振動防止装置は、
並列に配置された複数の伝熱管の振動を防止するための伝熱管の振動防止装置であって、
前記複数の伝熱管は、第１伝熱管と、前記第１伝熱管に隣接して配置される第２伝熱管とを少なくとも含み、
前記第１伝熱管における前記第２伝熱管と対面する位置に溶接される第１パッド、及び前記第２伝熱管における前記第１伝熱管と対面する位置に溶接される第２パッドを含む一対のパッドと、
前記第１パッドに一端側が溶接され、前記第２パッドに他端側が溶接されたフィンと、
を備える。

上記（１）の構成によれば、伝熱管の振動抑制手段として、複数の伝熱管をフィンで連結する場合に、伝熱管とフィンとの間にパッドを介在させるため、高温雰囲気下でフィンの熱膨張などによって発生する熱応力をパッドの応力作用面外への変形によるクッション作用で吸収できる。これによって、溶接部などで発生する応力集中を抑制できる。また、伝熱管とパッドとの溶接部（以下「第１溶接部」とも言う。）は、伝熱管に直接フィンを溶接する場合と比べて溶接長さを長くすることができるので、第１溶接部の溶接長さを長くすることで、第１溶接部に発生する応力集中を緩和できる。さらに、パッドの存在によって伝熱管の間隔を縮小できるので、その分フィンの長さを短縮できる。これによって、伝熱管内を流れる被加熱媒体による冷却作用を受けにくいフィン中央部の昇温を抑制できるため、第１溶接部などで応力集中の発生を抑制できる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記フィンは、前記第１伝熱管および前記第２伝熱管の中心軸を結ぶ基準線からオフセットされた位置に設けられる。
上記（２）の構成によれば、フィンの取付け位置が上記基準線からオフセットされた位置となるので、フィンをパッドに溶接する溶接位置を作業者側へ近づけることができ、溶接作業が容易になる。また、フィンの溶接位置をフィンの両端が両側のパッドに当接した位置に自動的に位置決めできるので、フィンの位置決めが容易になると共に、フィンの大きさを伝熱管同士の間隔に合わせて調整する必要がなくなるため、フィンの製造精度を緩和できる。

（３）一実施形態では、前記（２）の構成において、
前記伝熱管の軸方向に沿って視認したとき、
前記第１パッドと前記第１伝熱管との溶接部は、前記基準線より前記フィン側における前記第１パッドの端部に形成される、前記第１伝熱管の軸方向に沿って延在する一端側溶接部を少なくとも含み、
前記第２パッドと前記第２伝熱管との溶接部は、前記基準線より前記フィン側における前記第２パッドの端部に形成される、前記第２伝熱管の軸方向に沿って延在する一端側溶接部を少なくとも含む。

伝熱管とパッド間の熱伝達及びパッドとフィン間の熱伝達は、夫々溶接部を介して促進される。上記（３）の構成によれば、前記一端側溶接部は、パッドとフィンとの溶接部（以下「第２溶接部」とも言う。）に近い位置に形成できる。これによって、伝熱管、パッド及びフィン間の熱伝達は、互いに近い位置に形成された一端側溶接部及び第２溶接部を介して促進される。また、上記一端側溶接部は、パッドの軸方向長さを長くすることで、溶接長さを増加できる。これによって、一端側溶接部を介して熱伝達を促進できると共に、一端側溶接部に発生する熱応力を拡散できるので、一端側溶接部における応力集中の発生を抑制できる。

（４）一実施形態では、前記（２）又は（３）の構成において、
前記伝熱管の軸方向に沿って視認したときにおける、前記基準線より前記フィン側における前記第１パッドの端部と前記基準線との距離をＨ１’、前記基準線より前記フィン側における前記第２パッドの端部と前記基準線との距離をＨ２’とした場合に、
前記フィンの前記基準線からのオフセット量ｈに対する前記距離Ｈ１’の比率ｈ／Ｈ１’、および前記オフセット量に対する前記距離Ｈ２’の比率ｈ／Ｈ２’は、それぞれ０．３以上０．８以下となるように構成される。

伝熱管の軸方向に沿って視認したとき、フィンが基準線に近い位置にあると、パッドとフィンとの溶接部が作業者から離れるため、フィン溶接時の施工性が悪くなる。また、第２溶接部が第１溶接部（一端側溶接部を含む。）と離れるので、伝熱管とフィンとの間の熱伝達が低下し、フィンの温度が上昇する。これによって、第２溶接部に熱応力が発生しやすくなり、応力集中が起こりやすくなる。他方、フィンが基準線から離れると、伝熱管間距離が大きくなるため、フィンを長く形成する必要があり、そのため、高温雰囲気下では、フィン中央部の温度が上昇しやすくなる。また、フィンが基準線から離れると、振動時にフィンに加わる力のモーメントが大きくなり、振動しやすくなる。
上記（４）の構成によれば、ｈ／Ｈ１’及びｈ／Ｈ２’が、夫々０．３以上０．８以下となるように構成されるため、上記不具合いを解消でき、フィンの昇温を抑制できると共に、振動抑制効果を向上できる。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記第１パッド、前記第２パッド、及び前記フィンの各々は、前記伝熱管の軸方向に沿って延在し、
前記伝熱管の軸方向において、前記第１パッド、及び前記第２パッドの各々の軸方向長さが、前記フィンの軸方向長さより大きくなるように構成される。
上記（５）の構成によれば、第１パッド及び第２パッドを含むパッドの軸方向長さをフィンの軸方向長さより大きく構成することで、第１溶接部を長く形成できる。これによって、第１溶接部に発生する熱応力が拡散されて応力集中を抑制できると共に、伝熱管とパッド間の熱伝達を促進でき、伝熱管内を流れる被加熱媒体によるパッド及びフィンの冷却効果を向上できる。

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記第１パッドの内周面は、前記第１伝熱管の外周面と同一の曲率半径を有する円弧状に形成され、
前記第２パッドの内周面は、前記第２伝熱管の外周面と同一の曲率半径を有する円弧状に形成される。
上記（６）の構成によれば、各パッドの内周面の全域が伝熱管の外周面と当接できる。これによって、伝熱管とパッド間の熱伝達が促進されると共に、パッドのクッション作用を高めることができる。従って、パッド及びフィンの冷却効果を向上できると共に、第１溶接部及び第２溶接部の応力集中を抑制できる。

（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、
前記第１パッドは、前記第１伝熱管の線膨張係数と前記フィンの線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料で形成され、
前記第２パッドは、前記第２伝熱管の線膨張係数と前記フィンの線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料で形成される。
上記（７）の構成によれば、第１パッド及び第２パッドが上記線膨張係数を有することで、伝熱管とパッド間の熱伸び差及びパッドとフィン間の熱伸び差を緩和できる。これによって、第１溶接部及び第２溶接部における応力集中を抑制でき、これら溶接部における亀裂発生を抑制できる。

（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記伝熱管の軸方向に沿って視認したときにおける、前記第１パッドの両端間の距離をＨ１、前記第２パッドの両端間の距離をＨ２とした場合に、
前記距離Ｈ１に対する前記第１伝熱管の外径Ｄ１の比率Ｈ１／Ｄ１、および前記距離Ｈ２に対する前記第２伝熱管の外径Ｄ２の比率Ｈ２／Ｄ２は、それぞれ０．６以上０．９以下となるように構成される。

比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２が大きいと、第１溶接部と第２溶接部との距離が大きくなるため、伝熱管からフィンへの熱伝達が低下し、フィンの温度が上昇する。これによって、熱応力が発生しやすくなり、第２溶接部に応力集中が起こりやすくなる。一方、比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２が小さいと、パッドの容積が小さくなるため、パッドのクッション効果が低下し、第１溶接部及び第２溶接部に応力集中が起こりやすくなる。
比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２を０．６以上０．９以下とすることで、上記不具合いを解消して、フィンの温度上昇を抑制できると共に、第１溶接部及び第２溶接部における応力集中の発生を抑制できる。

（９）一実施形態に係る熱交換器は、
並列に配置された複数の伝熱管と、
前記（１）〜（８）の何れかの構成を有する伝熱管の振動防止装置と、
を備え、
前記複数の伝熱管の軸方向と交差する方向に沿うガス流と前記伝熱管を流れる被加熱媒体との間で熱交換が行われるように構成される。
上記（９）の構成によれば、上記（１）〜（８）の何れかの構成を有する振動防止装置を備えるため、パッドのクッション作用と第１溶接部の溶接長さを長くすることで、溶接部に発生する応力集中を抑制できる。これによって、クラックなどの発生を抑制でき、熱交換器を長寿命化できる。また、伝熱管の間にフィンを設けるときの施工性を改善できる。

（１０）一実施形態に係るボイラは、
加熱炉と、
前記加熱炉に設けられ、前記ガス流を形成するバーナと、
前記加熱炉に設けられた前記（９）の構成を有する熱交換器と、
を備える。
上記（１０）の構成によれば、上記（９）の構成を有する熱交換器を備えるため、この熱交換器によって蒸気を生成しながら、該熱交換器を長寿命化できる。これによって、ボイラのメンテナンスが容易になる。また、熱交換器の施工性を改善できる。

（１１）一実施形態では、前記（１０）の構成において、
前記加熱炉は前記ガス流が流入する煙道を備え、
前記熱交換器の少なくとも一部は前記煙道に設けられる。
上記（１１）の構成によれば、上記煙道に設けられた熱交換器によって蒸気を生成しながら、該熱交換器を長寿命化でき、かつ熱交換器の施工性を改善できる。

幾つかの実施形態によれば、伝熱管の振動を抑制できると共に、溶接部に発生する応力集中を抑制してクラックなどの発生を防止でき、かつ高温雰囲気下でフィンの昇温を抑制して焼損を防止できる。また、フィン溶接時の施工性を改善できる。

一実施形態に係るボイラを概略的に示す平面視断面図である。 一実施形態に係るボイラを概略的に示す正面視断面図である。 一実施形態に係る振動防止装置の正面図である。 上記振動防止装置の平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１及び図２は、幾つかの実施形態に係るボイラを示し、図１は、中小型のパッケージボイラ（ガス又は重油焚き）１０（１０Ａ）を示す平面視断面図であり、図２は、大型の石炭焚きボイラ１０（１０Ｂ）を示す正面視断面図である。図３及び図４は、一実施形態に係る伝熱管の振動防止装置の正面図及び平面図である。
図１において、ボイラ１０（１０Ａ、１０Ｂ）の本体は加熱炉１２で構成される。加熱炉１２は、火炉壁に設けられた燃焼バーナ１６及び風箱１８を備え、燃焼バーナ１６には燃料ｆが供給され、風箱１８には空気ａが供給される。燃焼バーナ１６で燃料ｆが着火され、加熱炉１２の内部に高温の燃焼ガス流ｇが形成される。加熱炉１２に熱交換器２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が設けられ、熱交換器２０は後述する複数の伝熱管２８を備え、伝熱管２８を流れるボイラ水が燃焼ガス流ｇで加熱され蒸気が生成される。

幾つかの実施形態では、ボイラ１０（１０Ａ、１０Ｂ）において、加熱炉１２の内部で燃焼ガス流ｇが形成される燃焼空間ｓの下流側に燃焼空間ｓと連通し、燃焼ガス流ｇが流れていく煙道１４を備える。熱交換器２０の少なくとも一部は煙道１４に設けられる。

一実施形態では、図１に示すように、パッケージボイラ１０（１０Ａ）において、燃焼バーナ１６及び風箱１８は加熱炉１２の側壁に設けられる。燃焼空間ｓと煙道１４とは燃焼ガス流ｇの流通路を除き仕切り壁１３で仕切られ、煙道１４には、燃焼ガス流ｇの流れ方向上流側から過熱器２０（２０ｂ）及び複数の蒸発器２０（２０ａ）の順に配置されている。熱交換器２０を構成する後述する伝熱管２８を流れるボイラ水は、蒸発器２０（２０ａ）で蒸気となり、さらに過熱器２０（２０ｂ）で過熱蒸気となる。

一実施形態では、図２に示すように、石炭焚きボイラ１０（１０Ｂ）において、炉壁に蒸発管（不図示）が設けられ、該蒸発管を流れるボイラ水は火熱炉内を上昇する燃焼ガス流ｇによって蒸気となる。加熱炉内の上部燃焼空間ｓに過熱器２０（２０ｂ）及び再熱器２０（２０ｃ）が設けられ、ここで蒸気は燃焼ガス流ｇによってさらに加熱され過熱蒸気となる。通常、過熱器２０（２０ｂ）の辺りで燃焼ガス流ｇは９００℃以上となる。

熱交換器２０は、図３及び図４に示すように、並列に配置された複数の伝熱管２８と、振動防止装置３０とを備える。

図２に示す実施形態では、煙道１４には節炭器２０（２０ｄ）が設けられ、節炭器２０（２０ｄ）で伝熱管２８を流れる蒸気は燃焼ガス流ｇとさらに熱交換し、温度が低下した燃焼ガスは排ガス処理装置（不図示）等を経て排出される。

図３及び図４に示すように、一実施形態に係る振動防止装置３０は、熱交換器２０に設けられる伝熱管群２６を構成する伝熱管２８の振動を防止するために設けられる。
伝熱管群２６を構成する複数の伝熱管２８は間隔を置いて並列に配置される。振動防止装置３０は、複数の伝熱管２８に夫々設けられる複数のパッド３２と、パッド間に架設されるフィン３４とを備える。パッド３２は、隣接する伝熱管２８に設けられたパッドと互いに対面する位置に設けられ、フィン３４の両端は、隣接する伝熱管２８に互いに対面して設けられたパッドに溶接される。同図において、ｗは溶接部を示す。

例えば、図４に示すように、互いに隣接して配置される第１伝熱管２８（２８ａ）及び第２伝熱管２８（２８ｂ）において、第１パッド３２（３２ａ）は、第１伝熱管２８（２８ａ）に設けられ、第２伝熱管２８（２８ｂ）と対面する位置に溶接される。第２パッド３２（３２ｂ）は、第２伝熱管２８（２８ｂ）に設けられ、第１伝熱管２８（２８ａ）と対面する位置に溶接される。フィン３４は、一端側が第１パッド３２（３２ａ）に溶接され、他端側が第２パッド３２（３２ｂ）に溶接される。

上記構成によれば、伝熱管２８とフィン３４との間にパッド３２を介在させるため、高温雰囲気下でフィン３４の熱膨張などによって発生する熱応力を、パッド３２の応力作用面外への変形によるクッション作用で吸収できる。これによって、溶接部ｗなどに発生する応力集中を抑制できる。また、第１溶接部ｗ（ｗ１）は、第２溶接部ｗ（ｗ２）と比べて溶接長さを延長できるので、第１溶接部ｗ（ｗ１）の溶接長さを延長することで、第１溶接部ｗ（ｗ１）に発生する応力集中を緩和できる。さらに、パッドの存在によって伝熱管の間隔を縮小できるので、その分フィンの長さを短縮できる。これによって、伝熱管内を流れる被加熱媒体Ｈｍによる冷却作用を受けにくいフィン中央部の昇温を抑制できるため、第２溶接部ｗ（ｗ２）などで応力集中の発生を抑制できる。被加熱媒体Ｈｍは例えばボイラ水である。

一実施形態では、伝熱管群２６を構成する複数の伝熱管２８は、管径が異なる管の集まりであってもよい。
一実施形態では、伝熱管群２６を構成する複数の伝熱管２８の互いの間隔は、少なくとも一部において異なっていてもよい。

一実施形態では、図４に示すように、フィン３４は、複数の伝熱管２８の中心軸Ｏを結ぶ基準線Ｂからオフセットされた位置に設けられる。
この実施形態によれば、フィン３４の取付け位置が基準線Ｂからオフセットされた位置となるので、フィン３４をパッド３２に溶接する溶接位置を作業者側へ近づけることができ、溶接作業が容易になる。また、フィン３４の溶接位置をフィン３４の両端が両側のパッド３２に当接した位置に自動的に位置決めできるので、フィン３４の位置決めが容易になると共に、フィン３４の大きさを伝熱管同士の間隔に合わせて調整する必要がなくなるため、フィン３４の製造精度を緩和できる。

一実施形態では、図４に示すように、フィン３４の両端に溶接用の開先３６が形成され、開先３６は、溶接時に作業者側へ向くように形成される。即ち、開先３６の開口がフィン３４がオフセットされた方向に向けられるように形成される。これによって、溶接作業がさらに容易になる。
一実施形態では、フィン３４は、長手方向の軸線Ｃが基準線Ｂに対して平行な姿勢を保ったまま基準線Ｂからオフセットされる。これによって、オフセットされた位置でフィン３４の軸方向長さを最小化できる。

一実施形態では、伝熱管２８の軸方向に沿って視認したとき、即ち、図４と同じ方向から視たとき、第１伝熱管２８（２８ａ）と第１パッド３２（３２ａ）との溶接部ｗは、少なくとも一端側溶接部ｗ（ｗ１１）を含む。一端側溶接部ｗ（ｗ１１）は、基準線Ｂよりフィン側における第１パッド３２（３２ａ）の端部に形成され、第１伝熱管２８（２８ａ）の軸方向に沿って延在する。第２伝熱管２８（２８ｂ）と第２パッド３２（３２ｂ）との溶接部ｗは、少なくとも一端側溶接部ｗ（ｗ１２）を含む。一端側溶接部ｗ（ｗ１２）は、基準線Ｂよりフィン側における第２パッド３２（３２ｂ）の端部に形成され、第２伝熱管２８（２８ｂ）の軸方向に沿って延在する。

伝熱管２８とパッド３２間の熱伝達及びパッド３２とフィン３４間の熱伝達は、夫々溶接部ｗを介して促進される。この実施形態によれば、一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）は第２溶接部ｗ（ｗ２）に近い位置に形成できる。これによって、伝熱管２８、パッド３２及びフィン３４間の熱伝達は、互いに近い位置に形成された一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）及び第２溶接部ｗ（ｗ２）を介して促進される。また、一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）は、伝熱管２８の軸方向に沿って延在するため、パッド３２の軸方向長さを長くすることで、溶接部を長く形成できる。これによって、一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）を介して熱伝達を促進できると共に、該一端側溶接部に発生する熱応力を拡散できるので、該一端側溶接部に発生する応力集中を抑制できる。

一実施形態では、図３及び図４に示すように、パッド３２は、正方形又は長方形の四角形を有する板状体で構成され、かつ伝熱管２８の外面に沿うように円弧状に形成される。該板状体の互いに平行な二対の辺のうちの一方は、伝熱管２８の周方向に沿って延在し、他方は伝熱管２８の軸方向に沿って延在する。
一実施形態では、パッド３２の周方向長さは、伝熱管２８の中心に対して１８０度未満の長さを有する。また、一実施形態では、パッド３２の周方向長さは、６０度以上１２０度以下の長さを有している。図４に示した実施形態では９０度の長さを有している。
この実施形態では、一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）に対して基準線Ｂを挟んで反対側に一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）と同様の長さの第１溶接部ｗ（ｗ１）が形成されるため、フィン３４の熱伸びに起因して発生する熱応力の拡散効果をさらに発揮できる。

一実施形態では、複数のパッド３２は、基準線Ｂを中心に対称となる位置に配置される。この実施形態によれば、フィン３４を基準線Ｂのどちら側に配置したとしても、第１溶接部ｗ（ｗ１）と第２溶接部ｗ（ｗ２）間の距離を同一とすることができる。従って、現場の作業条件に応じてフィン３４を配置する側を選択できる。

一実施形態では、伝熱管２８の軸方向に沿って視認したとき、即ち、図４と同じ方向から視たとき、基準線Ｂよりフィン側における第１パッド３２（３２ａ）の端部と基準線Ｂとの距離をＨ１’、基準線Ｂよりフィン側における第２パッド３２（３２ｂ）の端部と基準線Ｂとの距離をＨ２’としたとき、フィン３４の基準線Ｂからのオフセット量ｈに対する距離Ｈ１’の比率ｈ／Ｈ１’、及びオフセット量ｈに対する距離Ｈ２’の比率ｈ／Ｈ２’は、夫々０．３〜０．８の範囲となるように構成される。

伝熱管２８の軸方向に沿って視認したとき、フィン３４が基準線Ｂに近い位置にあると、フィン３４の溶接時の施工性が悪くなる。また、第２溶接部ｗ（ｗ２）が第１溶接部ｗ（ｗ１）（一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）を含む。）と離れるので、伝熱管２８とフィン３４との間の熱伝達が低下するため、フィン３４の温度が上昇する。これによって、第２溶接部に熱応力が発生しやすくなり、応力集中が起こりやすくなる。他方、フィン３４が基準線Ｂから離れると、伝熱管間距離が大きくなるため、フィン３４の軸方向長さを長く形成する必要がある。そのため、高温雰囲気下では、フィン中央部の温度が上昇しやすくなる。また、フィン３４が基準線Ｂから離れると、振動時にフィン３４に加わる力のモーメントが大きくなり、振動しやすくなる。
この実施形態によれば、比率ｈ／Ｈ１’及び比率ｈ／Ｈ２’が、夫々０．３〜０．８となるように構成されるため、上記不具合いを解消でき、フィン３４の昇温を抑制できると共に、振動抑制効果を向上できる。

一実施形態では、比率ｈ／Ｈ１’及び比率ｈ／Ｈ２’は、夫々０．４５〜０．６５となるように構成される。

一実施形態では、図３に示すように、第１パッド３２（３２ａ）、第２パッド３２（３２ｂ）及びフィン３４の各々は、伝熱管２８の軸方向に沿って延在する。また、伝熱管２８の軸方向において、第１パッド３２（３２ａ）及び第２パッド３２（３２ｂ）を含むパッド３２の軸方向長さは、フィン３４の軸方向長さより大きくなるように構成される。
この実施形態によれば、一端側溶接部ｗ（ｗ１１、ｗ１２）を含む第１溶接部ｗ（ｗ１）を長く形成できるため、第１溶接部ｗ（ｗ１）に発生する熱応力を拡散して応力集中を抑制できると共に、伝熱管２８とパッド３２間の熱伝達を促進できるため、パッド３２及びフィン３４の冷却効果を向上できる。

一実施形態では、図４に示すように、複数のパッド３２の内周面は、夫々伝熱管２８の外周面と同一の曲率半径を有する円弧状に形成される。
この実施形態によれば、パッド３２の内周面の全域が伝熱管２８の外面と当接できる。これによって、伝熱管２８とパッド３２間の熱伝達が促進され、パッド３２及びフィン３４の冷却効果を向上できる。また、パッド３２のクッション作用を高めることができるので、第１溶接部ｗ（ｗ１）及び第２溶接部ｗ（ｗ２）における応力集中の発生を抑制できる。

一実施形態では、複数のパッド３２（３２ａ）は、夫々伝熱管２８の線膨張係数とフィン３４の線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料で形成される。
この実施形態によれば、パッド３２が上記線膨張係数を有することで、伝熱管２８とパッド３２間の熱伸び差及びパッド３２とフィン３４間の熱伸び差を緩和できる。これによって、第１溶接部ｗ（ｗ１）及び第２溶接部ｗ（ｗ２）における応力集中を抑制でき、これら溶接部における亀裂発生を抑制できる。

一実施形態では、伝熱管２８は炭素鋼で構成され、パッド３２は２Ｃｒ鋼で構成され、フィン３４はステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０等）で構成される。これら材料の線膨張係数は、炭素鋼＜２Ｃｒ鋼＜ＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０等のステンレス鋼、という関係にある。従って、２Ｃｒ鋼で構成されたパッド３２を炭素鋼で構成された伝熱管２８とＳＵＳ３０９、ＳＵＳ３１０等のステンレス鋼で構成されたフィン３４との間に介在させることで、伝熱管２８とフィン３４との熱伸び差によって第１溶接部ｗ（ｗ１）及び第２溶接部ｗ（ｗ２）に発生する応力集中を抑制できるため、これら溶接部における亀裂発生を抑制できる。

一実施形態では、伝熱管２８の軸方向に沿って視認したとき、即ち、図４と同じ方向から視たとき、第１パッド３２（３２ａ）の両端間の距離をＨ１とし、第２パッド３２（３２ｂ）の両端間の距離をＨ２としたとき、距離Ｈ１に対する第１伝熱管２８（２８ａ）の外径Ｄ１の比率Ｈ１／Ｄ１、及び距離Ｈ２に対する第２伝熱管２８（２８ｂ）の外径Ｄ２の比率Ｈ２／Ｄ２は、夫々０．６〜０．９の範囲に入るように構成される。

比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２が大きいと、第１溶接部ｗ（ｗ１）と第２溶接部ｗ（ｗ２）との距離が大きくなるため、伝熱管２８からフィン３４への熱伝達が低下し、フィン３４の温度が上昇する。これによって、熱応力が発生しやすくなり、第２溶接部ｗ（ｗ２）に応力集中が起こりやすくなる。一方、比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２が小さいと、パッド３２の容積が小さくなるため、パッド３２のクッション効果が低下し、第１溶接部ｗ（ｗ１）及び第２溶接部ｗ（ｗ２）に応力集中が起こりやすくなる。
比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２を０．６〜０．９の範囲内とすることで、上記不具合いを解消して、フィン３４の温度上昇を抑制できると共に、第１溶接部ｗ（ｗ１）及び第２溶接部ｗ（ｗ２）における応力集中の発生を抑制できる。

一実施形態では、比率Ｈ１／Ｄ１及び比率Ｈ２／Ｄ２は、夫々０．７５〜０．８５の範囲に入るように構成される。これによって、パッド３２のクッション効果を保持しながら、伝熱管２８からフィン３４への熱伝達の低下を回避できる。

図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態に係る熱交換器２０は、並列に配置された複数の伝熱管２８（図３及び図４参照）と、幾つかの上記実施形態に係る振動防止装置３０とを備える。熱交換器２０においては、複数の伝熱管２８の軸方向と交差する方向に沿う燃焼ガス流ｇと伝熱管２８を流れる被加熱媒体Ｈｍ（例えばボイラ水）（図４参照）との間で熱交換が行われるように構成される。
この実施形態によれば、振動防止装置３０を備えるため、パッド３２のクッション作用と第１溶接部ｗ（ｗ１）の溶接長さを長くすることで、溶接部ｗに発生する応力集中を抑制できる。これによって、クラックなどに発生を抑制でき、熱交換器２０を長寿命化できる。また、伝熱管２８の間にフィン３４を設けるときの施工性を改善できる。

幾つかの実施形態に係るボイラ１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、図１及び図２に示すように、燃焼ガス流ｇを形成する燃焼バーナ１６を備える加熱炉１２で構成される。加熱炉１２は熱交換器２０を備える。
この実施形態によれば、熱交換器２０は、伝熱管群２６を構成する伝熱管２８の振動を抑制する振動防止装置３０を備えるため、熱交換器２０を長寿命化できる。従って、ボイラ１０のメンテナンスが容易になる。また、熱交換器２０の施工性を改善できる。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、加熱炉１２は燃焼ガス流ｇが流入する煙道１４を備え、熱交換器２０の少なくとも一部は煙道１４に設けられる。この実施形態によれば、煙道１４に設けられた熱交換器２０によって蒸気を生成しながら、熱交換器２０を長寿命化でき、かつ熱交換器２０の施工性を改善できる。

幾つかの実施形態によれば、例えば、ボイラなどの加熱炉に設けられる伝熱管の振動を抑制しつつ、溶接部に発生する応力集中を抑制してクラックなどの発生を防止でき、かつ高温雰囲気下でフィンの昇温を抑制して焼損を防止できる。また、フィン溶接時の施工性を改善できる。

１０ ボイラ
１２ 火熱炉
１３ 仕切り壁
１４ 煙道
１６ 燃焼バーナ
１８ 風箱
２０ 熱交換器
２０（２０ａ） 蒸発器
２０（２０ｂ） 過熱器
２０（２０ｃ） 再熱器
２０（２０ｄ） 節炭器
２６ 伝熱管群
２８ 伝熱管
２８（２８ａ） 第１伝熱管
２８（２８ｂ） 第２伝熱管
３０ 振動防止装置
３２ パッド
３２（３２ａ） 第１パッド
３２（３２ｂ） 第２パッド
３４ フィン
３６ 開先
Ｂ 基準線
Ｃ 軸線
Ｈｍ 被加熱媒体
Ｏ 中心軸
ａ 空気
ｆ 燃料
ｇ 燃焼ガス流
ｗ 溶接部
ｗ（ｗ１） 第１溶接部
ｗ（ｗ２） 第２溶接部
ｗ（ｗ１１、ｗ１２） 一端側溶接部

Claims (11)

1. 並列に配置された複数の伝熱管の振動を防止するための伝熱管の振動防止装置であって、
   前記複数の伝熱管は、第１伝熱管と、前記第１伝熱管に隣接して配置される第２伝熱管とを少なくとも含み、
   前記第１伝熱管における前記第２伝熱管と対面する位置に溶接される第１パッド、及び前記第２伝熱管における前記第１伝熱管と対面する位置に溶接される第２パッドを含む一対のパッドと、
   前記第１パッドに一端側が溶接され、前記第２パッドに他端側が溶接されたフィンと、
   を備えることを特徴とする伝熱管の振動防止装置。
2. 前記フィンは、前記第１伝熱管および前記第２伝熱管の中心軸を結ぶ基準線からオフセットされた位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の伝熱管の振動防止装置。
3. 前記伝熱管の軸方向に沿って視認したとき、
   前記第１パッドと前記第１伝熱管との溶接部は、前記基準線より前記フィン側における前記第１パッドの端部に形成される、前記第１伝熱管の軸方向に沿って延在する一端側溶接部を少なくとも含み、
   前記第２パッドと前記第２伝熱管との溶接部は、前記基準線より前記フィン側における前記第２パッドの端部に形成される、前記第２伝熱管の軸方向に沿って延在する一端側溶接部を少なくとも含むことを特徴とする請求項２に記載の伝熱管の振動防止装置。
4. 前記伝熱管の軸方向に沿って視認したときにおける、前記基準線より前記フィン側における前記第１パッドの端部と前記基準線との距離をＨ１’、前記基準線より前記フィン側における前記第２パッドの端部と前記基準線との距離をＨ２’とした場合に、
   前記フィンの前記基準線からのオフセット量ｈに対する前記距離Ｈ１’の比率ｈ／Ｈ１’、および前記オフセット量に対する前記距離Ｈ２’の比率ｈ／Ｈ２’は、それぞれ０．３以上０．８以下となるように構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の伝熱管の振動防止装置。
5. 前記第１パッド、前記第２パッド、及び前記フィンの各々は、前記伝熱管の軸方向に沿って延在し、
   前記伝熱管の軸方向において、前記第１パッド、及び前記第２パッドの各々の軸方向長さが、前記フィンの軸方向長さより大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の伝熱管の振動防止装置。
6. 前記第１パッドの内周面は、前記第１伝熱管の外周面と同一の曲率半径を有する円弧状に形成され、
   前記第２パッドの内周面は、前記第２伝熱管の外周面と同一の曲率半径を有する円弧状に形成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の伝熱管の振動防止装置。
7. 前記第１パッドは、前記第１伝熱管の線膨張係数と前記フィンの線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料で形成され、
   前記第２パッドは、前記第２伝熱管の線膨張係数と前記フィンの線膨張係数との間の線膨張係数を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の伝熱管の振動防止装置。
8. 前記伝熱管の軸方向に沿って視認したときにおける、前記第１パッドの両端間の距離をＨ１、前記第２パッドの両端間の距離をＨ２とした場合に、
   前記距離Ｈ１に対する前記第１伝熱管の外径Ｄ１の比率Ｈ１／Ｄ１、および前記距離Ｈ２に対する前記第２伝熱管の外径Ｄ２の比率Ｈ２／Ｄ２は、それぞれ０．６以上０．９以下となるように構成されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の伝熱管の振動防止装置。
9. 並列に配置された複数の伝熱管と、
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の伝熱管の振動防止装置と、
   を備え、
   前記複数の伝熱管の軸方向と交差する方向に沿うガス流と前記伝熱管を流れる被加熱媒体との間で熱交換が行われるように構成されることを特徴とする熱交換器。
10. 加熱炉と、
    前記加熱炉に設けられ、前記ガス流を形成するバーナと、
    前記加熱炉に設けられた請求項９に記載の熱交換器と、
    を備えることを特徴とするボイラ。
11. 前記加熱炉は前記ガス流が流入する煙道を備え、
    前記熱交換器の少なくとも一部は前記煙道に設けられることを特徴とする請求項１０に記載のボイラ。

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