JP4625844B2 - 振動が低減された管束装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、原子炉、電気ヒーター、または流体が管や他の要素を流れる、あらゆる平行の管状形の集合体等の装置における、熱交換器、凝縮器および管や棒状要素の集合体を有する類似の流体取扱い機器等の管束装置に関する。

シェルチューブ型熱交換器、並びにフローダンパおよび整流器等の類似アイテムの流体取扱い装置等の管束機器では、束にまとめられた管を利用して、流体が機器を通るように導く。このような管束において、一般に、管の内側を通る流体流と管の外側を横切る流体流が存在する。束における管の構成は、管が取り付けられる管板により設定される。１つの共通の管の構成は、矩形や正方形の形態であり、管は、互いに直交して配列された各対または列の間の管レーン（ｌａｎｅ）（管間の直線路）がある状態で整列して置かれる。この形態において、各管は、管束の周縁部を除いて８つの他の管に隣接し、かつその管の列を隣接する２つの列から分離する管レーンを横切って対応する管と直接対向する。三角形の管形態においては、互い違いの列にある管が互いに整列されて、各管は６つの他の管（２つの隣接する管は同じ列に、および４つの管は隣接する２つの列にある）に隣接するようになる。

機器のサイズを小さくすることによって資本コストを削減するか、或いは生産性要素を増加させるために、既存の交換器における処理量を増加させることが、しばしば望まれる。交換器における処理能力の増大を評価する時に経験される共通の限界的な要因は、管の流動励起振動による損傷が隠れていることである。管の周りの流体流パターンは、管束において、系統立ったまたはランダムな振動特性の流動励起振動を生じることがあり、かつ管と周囲の流体との間に熱伝導が起こる熱交換器等の装置の場合には、流体が循環することで温度と流体の密度が変化し、かつ管の周りの流れが振動の可能性を高めることがある。これらの振動が一定の臨界振幅に達すると、束に損傷が生じることがある。管の振動の問題は、熱交換機器が元の管と材質の種類が異なる管を取り付けられる場合、例えば、比較的硬い材質が軽量の管に取り替えられた場合に深刻になり得る。流動励起振動はまた、機器に一層厳しい動作条件が要求される場合にも発生するかもしれない。例えば、他の既存の機器が改良されて、以前は十分であった熱交換器が、新しい条件下において、流動励起振動するようになる場合等である。振動は、熱交換器にまだ流れがあるが熱伝導を起こしていない場合や、ロッドや棒状要素の集合体を有する他の管束装置に、熱伝導の有無に関わらず流れがある場合に、一定の条件下でも経験することがある。

様々な異なる機器設計を展開して管の振動の問題に取り組んできた。一例はロッドバッフル設計である。ロッドバッフル熱交換器は、ロッドバッフルを利用して管を支持し、管を振動に対して固定するシェルチューブ型熱交換器である。更に、ロッドバッフルを使用して、シェル側の流れの不均等な分布を少なくし、かつシェル側の流れを均一にできる。用語「バッフル」とは、管束長に沿って１５ｃｍ毎位に置かれる環状リングを称し、その中で複数の支持ロッドの端部が接続されてケージ状の管支持構造を形成する；従って用語「ロッドバッフル」となる。しかしながら、ロッドバッフル交換器は、従来のシェルチューブ型交換器よりも約３０〜４０％高価な傾向にあり、流動励起振動のせいで、この種の管束装置が故障するという状況がある。ロッドバッフル熱交換は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されている。

特許文献３で説明されているように、ロッドバッフル設計の表面凝縮器等への特定の応用および発電所での応用は、長手方向の流れによる恩恵を受け、シェル側の圧力損失が最小限にされるかもしれない。シェル側の圧力損失の低減は、ロッドバッフルの間隔を増大してロッドバッフルの数を削減することにより、或いは、管のピッチの寸法、即ち、管の中心から測定される、管の２つの隣接する列の間の距離を増大することで管の数を削減することにより、得られるかもしれない。バッフル間隔の増大は、通常あまり好ましい選択ではない。なぜなら、バッフルの間隔が増大すると、流動励起管振動の発生する可能性が高くなるからである。管のピッチ寸法を増大することにより管の数を削減すると、ロッドバッフル間の長手方向の流れに対するシェル側の圧力損失は低減されるが、支持ロッドの直径を特大にする必要があり、ロッドバッフルの圧力損失の増加をもたらし、それにより、長手方向の流れにおける、管の数の削減によりもたらされたシェル側の圧力損失の低減をすべて相殺するかもしれない。これはまた、指定の管の数のためにシェルの直径が増大したことで、より高価な交換器となる。特許文献３に記載されているロッドバッフル設計では、ロッドバッフル構成の圧力降下の問題に取り組む試みを説明している。

別の設計は、「エッグクレート」型設計である。しかしながら、これはロッドバッフル設計よりも更に高価であり、しかも管の故障をもたらすことがある、管がガタガタと音を立てる状況が発生する。ガタガタいう音は、支持体と管の外径との間の間隙があるために、管支持体にぶつかる管の動きによるものである。束を組み立てている時に、エッグクレート支持体を通して管を挿入させるために、間隙は必要である。それゆえ、経済的観点および動作上の観点から、ロッドバッフル設計が、出発点として成功の見込みがあると考えられる。

良好な機器設計に加えて、管の振動を低減するために他の手段を取ってもよい。管支持装置またはこれらの支持装置としての管支柱が、一般に知られており（本願明細書で参照される）、流動励起振動を制御するため、および管の過剰な動きを回避するために、管束に挿入されてもよい。多くの管支持体または管支柱が提案されており、かつ市販されている。例えば、特許文献５（ウィリアムズ（Ｗｉｌｌｉａｍｓ））、特許文献６（ハーン（Ｈａｈｎ））、特許文献７（ハーン）および特許文献８（ハーン）には、振動を低減するために管束に挿入することができる、異なるタイプの管支柱または管支持体が記載されている。改良された管支柱が、２００３年６月２４日出願の「Ａｎｔｉ−Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｕｂｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ」と題された特許文献９（Ａ．Ｓ．ワンニ（Ｗａｎｎｉ）、Ｍ．Ｍ．カラノグ（Ｃａｌａｎｏｇ）、Ｔ．Ｍ．ルーディー（Ｒｕｄｙ）、およびＲ．Ｃ．トモタキ（Ｔｏｍｏｔａｋｉ））特許文献１０および２００５年５月１３日出願の特許文献１１（２００４年６月１８日出願の特許文献１２の優先権を主張している）で示されている。

米国特許第４，３４２，３６０号明細書 米国特許第５，３８８，６３８号明細書 米国特許第５，５５３，６６５号明細書 米国特許第５，６４２，７７８号明細書 米国特許第４，６４８，４４２号明細書 米国特許第４，９１９，１９９号明細書 米国特許第５，２１３，１５５号明細書 米国特許第６，４０１，８０３号明細書 米国特許出願第１０／８４８，９０３号明細書 米国特許公開第２００５０００６０７５Ａ１号明細書 米国特許出願第１１／１２８，８４４号明細書 米国特許仮出願第６０／５８０，９８４号明細書 米国特許出願第１１／１２８，８８４号明細書 ＥＰ第０５０７６３４８．１号明細書

そこで本発明者らは、管束装置、例えば、従来のロッドバッフルタイプの熱交換器よりも効率的で、信頼性があり、製作が簡単で、かつ安価であると思われる熱交換器を立案する。本発明によれば、ロッドバッフルと似た管支持ケージ（ＴＳＣ）が管長に沿って広範な位置、例えば６０〜１００ｃｍ毎に離れて置かれており、それにより、ロッドバッフル支持体が一般に約１５ｃｍ以下離れて置かれている従来のロッドバッフル装置と比べて、このような管束の製作が非常に簡単で安価になる。管束は、管支持ケージ間に、好ましくはケージ間に延在する管部分の中間点に管支柱を挿入することによって強化される。管支柱の好ましいタイプは、上記で参照された同時係属の特許文献９、特許文献１０に記載されているタイプであるが、他の支柱を使用してもよい。

本発明によれば、管は、各管レーンのＴＳＣ位置でロッドまたはフラットバーによって支持され、ケージが１つおきに管レーンに設けられるロッドバッフル設計と比較される。ロッドバッフル設計には、軸方向の位置に交互に、水平および垂直に互い違いの管レーンにある支持ロッドのある、４種類の異なるバッフルが必要であるが、本発明では、より単純に２種類のみが必要である：一方は水平のロッド（またはフラットバー）および他方は垂直のロッド（またはフラットバー）である。他の利点としては、本発明は、管の支持が不十分なことによる管のガタガタする音だけでなく、ガタガタする音によって悪化される、流動励起振動の可能性もないようにするか、または低減する。ガタガタする音は、ロッドバッフルタイプの交換器では、ロッドの直径が隣接する管の間隔にほとんど等しくない限り、本質的に避けられないと考えられていることが多い。しかしながら、ロッドと隣接する管との間の間隙が小さくなる程、束の組立てがより難しく、費用がかかることになる。

一般的には、本発明による管束装置は、管に沿って軸方向に管支持支柱のセットと交互に管支持ケージを使用する。各ケージの管支持部材の配向は、軸方向に隣接する各ケージの管支持部材に対して、軸方向に回転され、および各セットの管支持支柱の配向は、軸方向に隣接する各セットの管支持支柱に対して、軸の周りを回転される。様々な異なるタイプの管支持支柱、好ましくは、わずかに管をそらしてケージの支持部材と係合させるタイプであり、長手方向に延びている細片を含み、細片の各面には、***状管係合ゾーンの連続的な横列があり、それは、細片の両面から側方に外側に延びて、支柱が挿入される管レーンの両側にある管と係合するタイプの管支持支柱を使用してもよい。

本発明は、主に矩形の管の配置に適用できるが、連続的なケージと支柱のセットを配置タイプに応じて軸回転させることで、三角形の構成にも適用可能である。矩形配置においては、ケージの支持部材は、水平から垂直、また水平へと連続的に９０°回転され、支柱の連続的なセットの配列に対しても同様である。三角形の管の配置においては、回転は、連続的な位置において６０°または１２０°となる。三角形の配置を使用することで、指定数の管に対するシェルの直径を小さくすることによる安価な交換器の製作が可能となるが、１つの欠点は、支持構造が直列の配置程強くないことである。

本願明細書および特許請求の範囲において、「垂直」および「水平」という用語は、管支持ケージの要素の配向および支柱の配向に対して、関連した意味で使用される。即ち、互いに対するおよび装置の軸に対する、支持ケージ要素や支柱の相対配向を指す。それゆえ、「垂直」配向と述べる場合は、配向が真の垂直または真の水平であるかを意味せずに、配向が特定の「水平」配向に対して直角であることを意味する。これはとりわけ、熱交換器の軸自体が垂直または水平である場合に適用されるので、支持ケージも支柱も全て真の水平にあることになる。それゆえ、管支持ケージの要素および支柱の配向に関して「垂直」および「水平」と述べる場合は、管束装置の長手方向軸がそれ自体真の水平であり、かつ互いに対する特定の配向は真ではないと、仮定される。例えば、長手方向軸が真の水平である熱交換器において、管支持ケージの要素を真の水平／垂直に対して４５°の角度になし得るが、それでも互いに対しては「垂直」および「水平」である。長手方向軸が垂直の熱交換器においては、全管支持ケージの要素全てが真の水平にあるが、それにもかかわらず、長手方向軸の周りでそれらの互いに対する配向が直角である場合、「垂直」および「水平」であると考えられる。

通常、ケージは、管長に沿って管支柱のセットと交互に、支柱セット１、ケージ１、支柱セット２、ケージ２、支柱セット３、ケージ３、支柱セット４等となる。ケージの配向は、連続的な軸方向の位置において長手方向軸の周りを回転されるので、ケージ２はケージ１に対して、およびケージ３はケージ２に対して回転される；連続的に２回９０°回転する矩形配置において、ケージ３は、ケージ１と同じ配列に戻ることになる。三角形の管の配置において、６０°の倍数の回転（即ち、６０°または１２０°、更に連続的に回転することにより先の配列に戻る）が、各軸方向位置において行われる。同様に、支柱セットの配向は、束の軸に沿って次に隣接する支持ケージの支持ロッドに平行して支柱が挿入される状態で、連続的な軸方向の位置において長手方向軸の周りを回転されるのが好ましい。そのようにして、矩形の管の配置においては、支柱セット２は支柱セット１に対して、および支柱セット３は支柱セット２に対して９０°回転され、連続的に２回９０°回転することにより、支柱セット３は、支柱セット１と同じ配列に戻ることになる。三角形の管の配置において、連続的に３回６０°回転すると元の配列に戻ることになる。

管束の製作において、管は、各管支持ケージを貫いて、一方のまたは両方の管板まで挿入されて、隣接する管の列の間に画定された管レーンを備える束を形成する。ここで、各ケージの支持部材が互いに離隔されて、管と支持部材との間にクリアランス即ち遊びがあるようにするので、管と支持部材との間にクリアランスがいくらかあるのが望ましい。管は、クリアランスがいくらかあることで管支持ケージにはまるので、従来の固く密着したロッドおよびバッフル設計よりも容易に管を挿入することが可能である。管支柱は次いで、１つまたは複数のケージからの管に沿った各位置で、画定された管レーンに挿入される。支柱は、軸方向に隣接する支持ケージの管支持部材と平行して整列するように挿入されて、管の間をより離れさせるので、支柱は、隣接するケージの支持部材に対してクリアランスを取るようにされ、かつ各管を一つのまたは別の支持部材に対して保持する。このような方法で、管束の製作が容易になり、最終品の、剛性、耐振動性管束を達成できる。

図１は、熱交換器、凝縮器、核燃料棒装置、または流体が流れる平行管の秩序配列の他のあらゆるタイプで使用できる管束を示す概略図である。便宜上略して、本発明は、装置に関して熱交換器として説明するが、本発明の原理に従って他の管束装置を構成してもよい。管束は、従来の方法で、例えば、交換器が温度差が小さくても作動するならば２枚の固定管板で、或いは、より一般的には、１枚の固定管板と１枚の遊動管板で、または１枚の固定管板のみを有するＵ字管束で、周囲のシェルにはめられる。

管束１０は、多くの平行管１１（２本を示す）を矩形構成に備える。即ち、管レーン１２（１つを示す）が管の列の間にあり、管の列が直交して２方向に延在している状態である。管は、従来の方法で管板１３、１４に管束の各端部で固定されており、そして管板は、交換器のシェルに取付けられる。

管は、管長に沿って間隔をおいて管支持ケージで支持される。管支持ケージには、２種類、即ち、垂直型管支持ケージ（ＴＳＣ−Ｖ）と水平型管支持ケージ（ＴＳＣ−Ｈ）がある。垂直型および水平型の管支持ケージは、管長に沿って交互にあるので、管は順に、垂直に、そして次に水平に支持される。管支持ケージの構造は、従来のロッドバッフルと似ており、管支持ロッドまたはフラットバー２０の端部が環状リング２１に弦のように（ｃｈｏｒｄａｌｌｙ）収容されるように、管支持ロッドまたはフラットバーは環状リングを横断している。通常、管支持ロッドの断面図は円形や矩形（好ましくは正方形）であり；矩形断面のロッドはバーと称されるが、便宜上略して、環状リングを横断する部材を、その断面形状に関わらず「ロッド」と称する。ロッドは、リングの側面に直接溶接されてもよく（その肉厚全体にわたって）、或いはより複雑な構造では、環状リングの窪みまたは穴に収容されており、前記窪みまたは穴は、ロッドの断面に適した形状、例えば、円形ロッドには、ドリルあけによって形成された円形窪みまたは穴があり、ロッドは、溶接、ろう付けまたは他の固定手段により、窪みまたは穴に固定される。管支持ケージは、通常、管長に沿って約５０〜２００ｃｍ毎に、ほとんどの場合約６０〜１５０ｃｍ毎に置かれている。支持ケージ／支柱（ｓｔａｋｅ）間のこの距離は、２つの端部では減少し、かつ交換器の中間部分では増大してよい。これは、束の中間部分の軸流速度は、管に平行しており、それゆえ振動をもたらす可能性が低いためである。

管支持ケージを横切って延在するロッドは管レーン毎に置かれるが、各ケージにおいて、全てのロッドは、水平か垂直の一方向にのみ配置されて、それぞれ、図１に示されるようにＴＳＣ−ＨまたはＴＳＣ−Ｖを形成する。２種類の管支持ケージは、管長に沿って軸方向に、ＴＳＣ−Ｖ、ＴＳＣ−Ｈ、ＴＳＣ−Ｖ、ＴＳＣ−Ｈ等、交互にある。

ＴＳＣのロッドの厚み（ケージの平面で測定）は、管の間隔よりもわずかに小さくてよいので、簡単に組立済みのケージに管を挿入できる。これにより束にする作業の負担をかなり少なくする。直径の大きい束では、小さなロッドは流れによってそらされる可能性があり、このため、モジュラスを大きくするためにフラットバー形状の支持ロッドを使用するのが望ましく、軸方向の強度を一層大きくする。しかしながら、ロッドを完全に支持していなくても、全体的な支持システムの有効性は損なわれない。なぜなら、管束に挿入されている管支柱によって、追加的な支持がもたらされているからである。矩形の管の配置においては、支持ロッドの交互の垂直／水平配置によって、各セットの支柱が、隣接するケージのうちの１つの支持ロッドに平行となるので、管は、平行する支持ロッドに対して、しっかりと支柱に保持される。同様に、三角形の管の配置においては、特定の位置における支柱の配向が隣接するケージのうちの１つの支持ロッドに平行していて、管をそのケージのロッドに対してしっかりと保持するのが好ましい。

使用される管支柱は、その目的で一般的に使用されるいかなるタイプでもよい。ただし、管支柱は、管をケージの支持ロッドに対してしっかりと保持するために、管束への挿入の際に、管の分離を増大させるような寸法にされている。それゆえ、寸法が目的に対して満足いくものであれば、例えば、特許文献５（ウィリアムズ）、特許文献６（ハーン）、特許文献７（ハーン）および特許文献８（ハーン）に記載の管支柱が使用されてもよい。しかしながら、好ましい管支柱のタイプは、特許文献９で示されるタイプであり、これは、これらの好ましい管支柱の説明に参照される。同じように使用される他の好ましい管支柱の形状は、２００５年５月１３日出願の特許文献１３に記載され、これは、同じく参照される２００４年６月１８日出願の特許文献１２（特許文献１４に対応）の優先権を主張している。

管支柱は、管束を強化するために挿入され、支柱は、２つの管支持ケージの間に延在する管部分の中間点あたりの束に挿入される。管はケージからの支持を受けるので、支柱を各管レーンに挿入する必要はない。連続的な位置で同じ管レーンへ管支持支柱を挿入すると束は強くなるが、互い違いの管レーンにのみ支柱を挿入することも可能であり、挿入レーンは、各連続的な位置で交互にあることになる。例えば、支柱を、奇数番号の管レーンの第１の位置に、偶数番号のレーンの第２の位置に等、管束長に沿って連続的な支柱セットの位置において挿入してよい。この交互の支柱挿入は、剛性の少ない管束をもたらすが、流体が束をより自由に流れるようになるという点で利点をもたらすことができる。支柱の挿入方向（配列）は、ケージと同様に交互に行われる。即ち、支柱は、束に挿入される各場所（ｓｔａｔｉｏｎ）即ち位置で異なる方向に挿入される：支柱は、１つの位置では垂直に（ＴＳＳ−Ｖ）、次の管支柱の位置では水平に（ＴＳＳ−Ｈ）挿入されるので、図１に示されるように、管支柱の場所をＴＳＳ−Ｖ、ＴＳＳ−Ｈ、ＴＳＳ−Ｖ、ＴＳＳ−Ｈ等、と説明できる。支柱を隣接するケージの支持ロッドと平行に配列することによって、管がケージの支持部材に対して強く作用して、最終的な束に、満足のいく動作のために必要な剛性を与えるようにする。管支柱の管束への挿入によって、管を支柱の表面から離れさせ、かつこのようにして、管支柱の位置でだけでなく管支持ケージの場所でも同様に管を支持するために、管はわずかに（２ｍｍ以下）そらされる。

バイパスシュラウド２５が、好ましくは管束１０の上部および底部に設けられて、シェル側の流体が長手方向に迂回するのを不可能にする。これらのシュラウドは適切に板金、好ましくはステンレス鋼材料で製作されてもよい。バイパスシュラウドは、最も外側の管に置かれている全面座２６と、各端部にある周辺フランジ２７とから形成されている。フランジは、交換器シェルの内径と適合している円の直径の弦部分（ｃｈｏｒｄａｌ ｓｅｇｍｅｎｔ）なので、管束がシェルに挿入される時、フランジはシェル内部にぴったり合って、シェル側の流体がシュラウドで覆われた領域へ侵入しないようにする。シュラウドは標準的な長さに作られ、かつその多くが、フランジを介してボルト締めされて（或いは端部同士が一緒に留められて）、管全体の、シェル入口および出口への流れが必要な入口端部および出口端部以外の全領域に延在する。シュラウドは、剛性を十分にするために、例えば、間にある管支持ケージと一緒にボルト締めされたフランジ２７を有することにより、管支持ケージに留められる。

三角形の管の配置においては、管支持ケージおよび支柱セットを同様に配置することができるが、この場合、ケージ内の支持ロッドの、連続的な軸方向の各位置での配列は、６０°の倍数で回転されるので、第４の位置で元の配列に戻り（即ち、支持ロッドは０°、６０°、１２０°等で連続的に整列される、支柱を同様の配列パターンに挿入する。隣接する支持ケージの支持ロッドに平行して挿入した支柱を有することの不利益を考慮すると、挿入の典型的な態様が、第１のケージに対して０°、６０°、１２０°の角度変位で示される、ケージの支持ロッドと支柱との相対的な角度位置で、以下のようになる。
ＴＳＣ−０°、ＴＳＳ−０°、ＴＳＣ−６０°、ＴＳＳ−６０°、ＴＳＣ−１２０°、ＴＳＳ−１２０°、ＴＳＣ−０°、ＴＳＳ−０°

管束の組立ては、通常は管をケージ内に挿入して行われ、管と支持ロッドとの間にいくらかの遊びがあることで、支持ロッド間への管のはめ込みが比較的簡単になり、作業が容易になる。管とケージの支持ロッドとの間のクリアランスは一般に約１ｍｍ以下であり、次に支柱が挿入されて、束を締め付け、かつ最終品の、よく支持されている非常に剛性構造の管束をもたらす。この構造技術は、ケージへの管の挿入後に支柱を挿入することによって堅さが得られるので、従来のロッドバッフル設計の構造より非常に容易である。

組立て中、管はケージを貫いて、一方のまたは両方の管板まで挿入される。１枚の管板に収容された、Ｕ形状の管の管束の場合には、ケージは管の自由端に置かれるので、管は単一の管板に固定される。管板が２枚ある束の場合には、管は、通常はケージを貫いて、一方のまたは両方の管板まで通されるので、それに続いて、管は、交換器の設計に従って、例えば溶接によって、または幅広のジョイントで、一方のまたは両方の管板に固定される。

図３は特許文献９、特許文献１０に記載されている管支柱の好ましい形状を示す。このタイプの管支柱としては、内側部分（管束内部）に沿った波形が挙げられ、波形は、管をわずかにそらして、管を弾性支持する一方で、同時に、支柱を束に容易に挿入できるようにし；その外側端で、各支柱はディンプルを有し、ディンプルは、波形と同じ方法で管をわずかにそらすが、最も外側の管にしっかりと係止するので、取り扱いまたは操作中の支柱細片の望ましくない転位の可能性を最小限にする。

管支柱４０は金属の細片から形成され、両側を管で画定された管レーンＬに延在する。完成品の管束においては、連続する管の列によって形成される列に延在する管が更にあり、類似の従来の方法で配置された他の管列と共に管束を構成する。これらの隣接する２つの列の間および管の他の隣接する列の間にある管レーンは、同様に管束にわたって広範囲にある。管支柱４０には、細片に延在する、***した、一般的に円形ディンプルの形態の***状管係合ゾーンの、６列の横列４１、４２、４３、４４、４５、４６があり、列４６は波形の第１の列４７と一つになるので、組み合わさったディンプル／波形が、支柱の外端に向かって擬似円形ディンプルと、内端に向かって線形波形とを有するカギ穴形状の管係合ゾーンを形成している。この支柱の形状は、特許文献９、特許文献１０の図６および７に示されており、この支柱の形状の詳細な説明について述べられている。

ディンプルの横列は、細片長（長手方向軸）に沿って長手方向の連続的な位置に配置される：連続的な列の各対は、管レーンＬの片側にある互いに隣接する対の管を支持するように位置決めされ、各列（最も外側の列を除く）は、互いに隣接するが管レーンの両側にある対の管を支持する。それゆえ、列４１および４２は、管レーンＬの一方の側で管５０Ａ、およびレーンの他方の側で管５０Ｂを支持する。同様に、列４３および４４は、細片の各側で外側に延びるディンプルによって、管レーンの両側にある管５１Ａおよび５１Ｂを支持する。列４５および４６のディンプルは、管５２Ａおよび５２Ｂを支持するとともに、列４６のディンプルは、波形４７の第１の横列と一つとなり、管５３Ａおよび５３Ｂに対して弾性支持をもたらす。次の列の波形４８は、管５４Ａおよび５４Ｂを支持する。

列４１および４２のディンプルは、断面図Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙで示されるように形成され、並びに波形は断面図Ｐ−ＰおよびＱ−Ｑに示される。波形の長さ（長手方向に）は、波形の各列が（図３に示すように）管レーンの両側にある隣接する管の対と係合するか、または入れ子状の配置において、２列の波形の端部間に形成される凹部でレーンの両側にある隣接する管の対と係合するように設定できる。

図３に示される、各横列に３つの***状管係合ゾーンのある配置は、都合が良く、幅が約４〜６ｃｍの管支柱に典型的であり、多くの応用に都合が良い。しかしながら、支柱の幅は、例えば約２０ｃｍ以下等、それより大きいかもしれず、この場合、特許文献９、特許文献１０に記載されるように、各横列に多くの***状管係合領域、例えば、細片の側面に交互に３つと２つ配置される５つの***状ディンプルを設けることができる。

管支柱にある***状管係合ゾーンの横列の配置は、管支柱と管が使用されている管束内で前記管支柱と管との間に望ましい係合を生じるものである。管束内にパスレーンを設けるために、***状管係合ゾーン（ディンプル、波形）の連続的な横列間の距離を、束内の管の配置に一致して、対応して増大させてもよい。

各管支柱は、各管支柱が挿入される管レーンの両側にある管に係合するので、互い違いの管レーンへの支柱の挿入によって、管束の外周内で管２列に支持をもたらす。束を横切る管レーンの長さを変更する結果、束の周縁部で数本の管が、他方の側の管を支持しない支柱からの支持を受けるかもしれない。これは、それらの管に与えられる支持の効果を減少させるが、束内の最後の対の管から延在している支柱の長さが比較的短いので、少なくとも支柱の片持ち端部によって、片側にあるこれらの外側の管に、いくらか効果的な支持が与えられる。

管支持支柱と同様にケージも、金属で適切に形成され、使用される管束の環境において耐腐食性がある。通常、水および他の環境の双方に耐腐食性を持たせるためには、ステンレス鋼が良好であるが、チタン等の他の金属を使用してもよい。二相ステンレス鋼が好ましい塩化物腐食が予期されなければ、ステンレスＳＳ３０４が適切である。クロム、ニッケルおよび場合によりモリブデンの合金元素を様々な量で含む二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトをほぼ均等な割合で混合された微細構造（ゆえに共通の識別子が「二相」）が特徴である。高含有のクロム、ニッケルおよびモリブデンに基づいた化学組成によって、高レベルの耐粒界面腐食性と耐孔食性がもたらされる。窒素を添加することで、侵入型固溶体メカニズムによって構造的な硬化を促進し、靭性を与えなくても降伏強度値および極限強度値が上昇する。更に、二相の微細構造によって、従来のステンレス鋼と比較して高い耐孔食性と耐応力腐食割れ性が保証される。二相ステンレス鋼は、高熱伝導性で熱膨張係数が低く、耐硫化物応力腐食性が良好で、かつオーステナイト鋼よりも熱伝導度が高いだけでなく、加工性と溶接性も良好であることでも有名である。二相ステンレス鋼は、その合金成分によって耐食性能が様々であるグレード群である。通常、熱交換器の働きには２３０４、２２０５等の二相グレードで十分であるが、認識されている耐食性要件に従って、最終的な選択がなされる。

支持支柱を構成する細片部材は、更に厚みやモジュラスが必要な場合、互いに密接に入れ子状になっている２つ以上の細片から作成されてもよい。場合によっては、例えば、深く成形作業を施すのが難しいチタンから細片を形成する場合、薄い部分の細片からわずかに浅くサドルを形成し、次に２つの細片を一緒に重ねて所望の合計の厚みやサドルの深さにすることによって、細片に必要な深さ（一方のサドルの底部から対向するサドルの底部まで）を与えるのが望ましくなるかもしれない。従って、２００５年５月１３日出願の特許文献１３（特許文献１２に基づく）に示される支柱の２つの細片形成の場合には、最終品の、完全に組み立てられた支持装置の各側に、入れ子状に互いに重ねられた２つの細片があり、事実上４つの細片があることになる。２００５年５月１３日出願の特許文献１３（特許文献１２に基づく）の図３に示される、単一の細片の改良形態の場合には、互いに重ねられた入れ子状配置において合計２つの細片があることになる。このように構成された支持装置は、溶接またはリベット締め等により、端部で、または場合によるとその間で一緒に留められた入れ子状の細片を有してもよい。

特許文献９、特許文献１０、および２００５年５月１３日出願の特許文献１３（特許文献１２に基づく）に記載されるように、支柱は管束に挿入されてもよい。即ち、バーを使用して管をある程度分離することにより、支柱の挿入を容易にするか、代わりに、圧力ホースを使用して管を膨張させて互いに離れさせることにより、支柱を簡単に挿入できるようにし、その後ホースをそらし束から取り外す。

本発明による、管支持ケージと管支柱によって支持されている管を備える管束の簡略図である。 本発明に従って使用される垂直型および水平型の管支持ケージの簡略図である。 本発明に従って使用される固定管支柱の部分断面図である。

Claims (17)

1. 互いに平行に、かつ管束の長手方向軸に平行に列をなして配置される管を備え、また前記管の列を分離する管レーンを備える管束装置であって、
   前記管は、
   （ｉ）互いに離隔され、かつ輪状リングに固定された細長い平行管支持部材からなる１の管支持ケージであって、前記平行部材はそれぞれ、隣接する管の列の間にある管レーンを通って、前記管の長手方向を横切って延びる第１の管支持ケージ；
   （ｉｉ）互いに離隔され、かつ輪状リングに固定された細長い平行管支持部材からなる第２の管支持ケージであって、前記平行管支持部材はそれぞれ、隣接する管の列の間にある管レーンを通って、管の長手方向を横切って延びており、前記部材はまた、管束の軸の周りを、前記第１の管支持ケージの管支持部材に対して回転した状態で配置されている第２の管支持ケージ；
   （ｉｉｉ）第１の位置において、管の列間にある管レーンに、管束の軸に沿って挿入された第１セットの管支持支柱であって、前記支柱は、各支柱が挿入される前記列の両側で前記管を係合する、細長い部材からなる第１セットの管支持支柱；および
   （ｉｖ）第２の位置において、管の列間にある管レーンに、管束の軸に沿って挿入された第２セットの管支持支柱であって、前記支柱は、各支柱が挿入される列の両側で前記管を係合する、細長い部材からなり、前記支柱はまた、管束の軸の周りを、前記第１セットの管支持支柱の支柱に対して回転した状態で配置されている第２セットの管支持支柱
   によって支持されていることを特徴とする管束装置。
2. 前記管は、平行管の直交する列からなる矩形の形状に配置され、
   前記第１および第２の管支持ケージは、各ケージの前記管支持部材が、他のケージの前記管支持部材に対して、管束の軸の周りで直角に回転した状態で配置されており、
   前記管支持支柱の第１および第２のセットは、各セットの前記管支持支柱が、他のセットの前記管支持支柱に対して、軸の周りを直角に回転した状態で配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の管束装置。
3. 前記管支持支柱のセットは、前記管束に沿って軸方向に、前記第１の管支持ケージと前記第２の管支持ケージの間に置かれていることを特徴とする請求項２に記載の管束装置。
4. 管支持ケージは、前記管束に沿って軸方向に、前記第１セットの管支持支柱と前記第２セットの管支持支柱の間に置かれていることを特徴とする請求項２に記載の管束装置。
5. 互いに平行に、かつ管束の長手方向軸に平行に列をなして配置される管を備え、また前記管の列を分離する管レーンを備える管束装置であって、
   前記管は、
   （ｉ）前記管に沿って、軸方向に離隔された複数の位置にある複数の管支持ケージであって、前記各ケージは、互いに離隔され、かつ輪状リングに固定された細長い平行管支持部材からなり、前記平行部材のそれぞれは、隣接する管の列の間にある管レーンを通って、前記管の長手方向を横切って延びる複数の管支持ケージ；および
   （ｉｉ）前記管に沿って、軸方向に離隔された複数の位置にある複数セットの管支持支柱であって、各セットは、管の列間にある管レーンに挿入された複数の平行の細長い部材からなり、各支柱が挿入される列の両側で前記管を係合する複数セットの管支持支柱
   によって支持されており、
   各ケージの前記管支持部材は、軸方向に隣接するケージの前記管支持部材に対して、管束の軸の周りを回転した状態で配置されており、
   各セットの支持支柱の前記管支持支柱は、軸方向に隣接するセットの前記管支持支柱に対して、管束の軸の周りを回転した状態で配置されている
   ことを特徴とする管束装置。
6. 前記管支持支柱のセットは、前記管束に沿って軸方向に２つの管支持ケージの間に置かれ、
   前記管支持ケージは、前記管束に沿って軸方向に管支持支柱の２つのセットの間に置かれている
   ことを特徴とする請求項５に記載の管束装置。
7. 前記管は、平行管の直交する列からなる矩形の形状に配置されており、
   前記管支持ケージは、各ケージの前記管支持部材が、軸方向に隣接する各ケージの前記管支持部材に対して、軸の周りで直角に回転した状態で配置されており、
   管支持支柱の前記セットは、各ケージの前記管支持部材が、軸方向に隣接する各セットの前記管支持支柱に対して、管束の軸の周りで直角に回転した状態で配置されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の管束装置。
8. 前記管支持ケージは、前記管に沿って軸方向に、前記管支持支柱のセットと交互にあることを特徴とする請求項７に記載の管束装置。
9. 各セットの前記管支持支柱は、隣接する管支持ケージの前記管支持部材に平行であることを特徴とする請求項１または５に記載の管束装置。
10. 前記管支持支柱の各セットの前記管支持支柱は、隣接する管の列の間にある管レーンを交互に通って延びていることを特徴とする請求項１または５に記載の管束装置。
11. 前記管は、平行管の列を断面三角形状を形成するように配列されており、
    各ケージの前記管支持部材は、軸方向に隣接する各ケージの前記管支持部材に対して、管束の軸の周りを回転した状態で配置されており、
    各セットの管支持支柱は、他のセットの前記管支持支柱に対して、管束の軸の周りを回転した状態で配置されている
    ことを特徴とする請求項１または５に記載の管束装置。
12. 前記管は、平行管の列を断面三角形状を形成するように配列されており、
    各ケージの前記管支持部材は、軸方向に隣接する各ケージの前記管支持部材に対して、管束の軸の周りを６０°の倍数で回転した状態で配置されており、
    各セットの管支持支柱は、他のセットの前記管支持支柱に対して、管束の軸を周りを６０°の倍数で回転した状態で配置されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の管束装置。
13. 前記ケージの平面における前記管支持部材の厚みは、前記管の間の距離未満であることを特徴とする請求項１または５に記載の管束装置。
14. 前記管は、前記支持支柱の作用によって前記支持部材に対して密接に保持されていることを特徴とする請求項１または５に記載の管束装置。
15. 各管支持支柱は、長さ方向に延びる細長片からなり、
    前記細長片は、前記細長片の各面に、細長片に沿って長さ方向に連続する位置に置かれた、管と係合する***ゾーンの複数からなる横列を複数有し、
    前記***ゾーンは、前記細長片の両方の面から側方に外側に延びて、前記支柱が挿入される前記管レーンの両側にある向い合った管と係合している
    ことを特徴とする請求項５に記載の管束装置。
16. 各管の一端を収容する少なくとも１枚の管板および管支持ケージに管が挿入されて、互いに平行に、かつ管束の長手方向軸に平行に列をなして配置され、管レーンが前記管の列を分離している状態の管の管束を形成し、
    少なくとも１つの前記管支持ケージは、輪状リングに固定された細長い平行管支持部材からなり、
    前記平行部材のそれぞれは、前記管の長手方向を横切って延びていて、隣接する管の列の間にある管レーンを画定し、
    前記支持部材は、互いに離隔されていて前記管と前記支持部材との間に遊びがある管束装置の製造方法であって、
    隣接する管支持ケージの前記管支持部材に平行に整列された前記管の列の間に画定された管レーンにおいて、前記管に沿って、各管支持ケージから離隔された位置で、少なくとも１セットの管支持支柱を、前記管束に挿入する工程を含み、
    前記支柱は、各支柱が挿入される列の両側で前記管を係合する細長い部材からなり、各管は、支持ケージの管支持部材に対して密接に保持されていることを特徴とする方法。
17. 管束装置は、請求項１〜１５のいずれかに記載の構造を有することを特徴とする請求項１６に記載の製造方法。

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