(57)【要約】  ２つの金属表面間で用いて、熱サイクル中、その２つの表面間での相対運動を可能にするシール。シールは、シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層（１２）を含む。シールは、１つまたは複数のエラストマーＯリング（１５、１６）、１つまたは複数の負荷分配パッキン層（１２）、エラストマーコア（１４）を有する１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層、編組プラスチックパッキン層（１４）に隣接していて、シールの第２の端部に配置されている押出し不可能なパッキン層（１２）、および任意の追加の押し出し不可能なパッキン層（１２）をさらに含む。
2009518613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）第１の流体が通過する中空ケーシングと、
（ｉｉ）前記ケーシング内に配置され、前記第１の流体との熱交換のために第２の流体が通過する複数のチューブ要素を有するチューブスタックと、
（ｉｉｉ）熱交換器チューブシートと多層シールアセンブリとを含むシーリングシステムであって、前記熱交換器チューブシートは、熱交換器チューブシートの開口部を通って延在する複数の前記チューブ要素を有し、各チューブ要素は、チューブ要素と周囲領域との間で熱を交換するために材料が流れるボアを有し、前記多層シールアセンブリは、前記熱チューブシートと前記ケーシングとの間に配置されているシーリングシステムと
を含み、前記多層シールアセンブリが、
ａ）前記シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層と、
ｂ）１つまたは複数のエラストマーＯリングであって、少なくとも１つの押出し不可能なパッキン層に各々が隣接して配置されて、前記１つまたは複数のエラストマーＯリングが、前記シールアセンブリの第１の端部に隣接する前記押出し不可能なパッキン層に隣接するようになっているエラストマーＯリングと、
ｃ）エラストマーコアを有する、１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層と、
ｄ）編組プラスチックパッキン層に隣接し、前記シールの第２の端部に配置された押出し不可能なパッキン層と、
ｅ）任意の追加の押出し不可能なパッキン層と
を含むことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記押出し不可能なパッキン層の少なくとも１つが、編組された金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
負荷分配パッキン層の少なくとも１つが、編組された金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層の少なくとも１つが、ＰＴＦＥを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記シールの第２の端部に隣接する前記押出し不可能なパッキン層が、金属ワイヤを備えた編組プラスチックパッキンを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記エラストマーコアがシリコーンゴムを含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
２つの金属表面間で用いられ、熱サイクル中、前記２つの表面間での相対運動を可能にするシールアセンブリであって、前記シールアセンブリが、
ａ）前記シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層と、
ｂ）１つまたは複数のエラストマーＯリングであって、少なくとも１つの押出し不可能なパッキン層に各々が隣接して配置されて、１つまたは複数のエラストマーＯリングが、前記シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層に隣接するようになっているエラストマーＯリングと、
ｃ）エラストマーコアを有する、１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層と、
ｄ）編組プラスチックパッキン層に隣接し、前記シールの第２の端部に配置された押出し不可能なパッキン層と、
ｅ）任意の追加の押出し不可能なパッキン層と
を含むことを特徴とするシールアセンブリ。
【請求項８】
前記押出し不可能なパッキン層の少なくとも１つが、編組された金属を含むことを特徴とする請求項７に記載のシールアセンブリ。
【請求項９】
負荷分配パッキン層の少なくとも１つが、編組された金属を含むことを特徴とする請求項７に記載のシールアセンブリ。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層の少なくとも１つが、ＰＴＦＥを含むことを特徴とする請求項７に記載のシールアセンブリ。
【請求項１１】
前記シールの第２の端部に隣接する前記押出し不可能なパッキン層が、金属ワイヤを備えた編組プラスチックパッキンを含むことを特徴とする請求項７に記載のシールアセンブリ。
【請求項１２】
前記エラストマーコアがシリコーンゴムを含むことを特徴とする請求項７に記載のシールアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェル・アンド・チューブタイプの熱交換器に関し、特に、浮動チューブシートタイプの交換器のためのパッキン方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシェル・アンド・チューブタイプの熱交換器は、通常、第１の流体が通過する一対の入口／出口管を有するチューブ状シェルまたはケーシングと、ケーシング内に収容されたチューブスタックとを含む。チューブスタックは、上述の第１の流体と熱交換するために第２の流体が通過する略平行なチューブ要素から構成されている。チューブ要素は、一対のサポート部材またはチューブプレート間に延在していて、それらにサポートされている。チューブスタックはまた、チューブプレート間に配置され、チューブ要素を横に延在している複数のバッフルも含む。
【０００３】
第２の流体は、各カバーにおいて、入口／出口ポートにより、チューブスタックに供給される。カバーは、ボルト締めフランジまたはボルトおよびこれらの部品により提供されるラグ構成等、従来の手段によりケーシングに固定されている。第１および第２の流体が混ざるのを防ぐために、熱交換器の一端で、チューブプレートを囲む好適なシーリング構成をカバーとケーシングとの間に介挿し、熱交換器の他端で、チューブプレートに、同じくカバーとケーシングとの間に配置された各パッキンを支える伸長フランジを設ける。フランジはまた、ケーシングに対する支台としても作用し、ケーシング内でチューブストックを軸方向に配置させる役割を果たす。
【０００４】
システムの動作中、第１と第２の流体間で熱伝達が生じる。これは、多くの用途において、チューブ内側にある材料が、外部にある材料と混ざると不利であるためである。このため、チューブと金属チューブシートとの間にそれぞれ密閉シールが必須である。さらに、平行なチューブの温度が高レベルに達するため、平行なチューブとチューブシートとの間のメカニカルシールを破断することなく、チューブは膨張そして収縮できるようにする必要がある。熱応力を緩和する１つの方法は、浮動ヘッド設計を用いることであり、チューブストックの一端が、チューブシートに保持されていて、熱サイクル中、シェルに対して動かすことができる。
【０００５】
浮動ヘッドシェルおよびチューブ熱交換器のいくつかの異なる設計が一般的に用いられている。どの設計も、交換器の熱応力を緩和するという目標は達成しているものの、どの構成にも違った欠点がある。
【０００６】
最も単純な設計は、「プルスルーバンドル」タイプであり、チューブシートの１つが、それとそのガスケットボンネットを、シェル側での検査とクリーニングのために、シェルから完全に引っ張ることができるよう、十分に小さくなっている。この設計の欠点は、多くのチューブを、ボンネットフランジおよびボルトサークルのために、バンドルの端部から省かなければなければならないことである。
【０００７】
省いたチューブを元に戻す浮動ヘッド設計の他のタイプとしては、業界において、「スプリットリング浮動ヘッド」、「外側パックランタンリング浮動ヘッド」および外側パックスタッフィングボックス浮動ヘッド」が挙げられる。これらはいずれも、シールするのが難しく、チューブバンドルでシェルジョイントに漏れやすいという欠点がある。
【０００８】
本発明がこれらの欠点を克服することが望ましい。
【０００９】
以下の開示内容は、本発明の様々な態様に関連しており、簡単にまとめておく。
【００１０】
米国特許公報（特許文献１）には、少なくとも第１の範囲の温度でシールするよう適合された第１のｖ−リングシールを含むシールスタックが開示されている。第１のｖ−リングシールは、少なくとも１つの主ｖ−リングシールと、少なくとも１つの副ｖ−リングシールとを含み、副ｖ−リングシールの少なくとも１つは、主ｖ−リングシールより可撓性がかなり少なく、主ｖ−リングシールをサポートしている。第２のシールが、第１のｖ−リングシールの１つに隣接していて、第２のシールは、第１の範囲の温度より少なくとも低い範囲の温度でシールするよう適合されている。
【００１１】
米国特許公報（特許文献２）および米国特許公報（特許文献３）には、雄アダプタと、雌アダプタと、雄アダプタと雌アダプタとの間に配置されたパーフルオロエラストマーから本質的になる１つのシェブロンシールリングとを含む複数の別々のリングからなるパッキンが記載されている。シェブロンシールリングは、パッキンの大気端部の方を指している。雌雄アダプタは、実質的に非エラストマーフルオロポリマーおよびポリエーテルエーテルケトンからなる群から選択される高温で安定なポリマー樹脂から本質的になり、シェブロンシールリングは、雌雄アダプタ間に、それらと接触するように配置されている。このパッキンのシーリング性能は改善されている。
【００１２】
米国特許公報（特許文献４）には、グラファイトパッキン材料が記載されている。
【００１３】
米国特許公報（特許文献５）には、腰部がくびれた断面を有するエラストマー本体と、強化面とを含み、前記シーリングリングの一部が、前記シーリングリングの残りの部分よりも可撓性が少ない、シーリングリングが記載されている。エラストマー本体は、シールを形成するための第１のセットの接触表面を提供し、前記強化面は、前記第１のセットの接触表面とは違い、そこから間隔の空いたシールを形成するための第２のセットの接触表面を提供する。
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６，４０６，０２８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７８８，２１６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５４９，２７６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５４２，６８１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，２９７，８０５号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
簡単に述べると、本発明の一実施形態によれば、
（ｉ）第１の流体が通過する中空ケーシングと、
（ｉｉ）ケーシング内に配置され、前記第１の流体との熱交換のために第２の流体を通過する複数のチューブ要素を含むチューブスタックと、
（ｉｉｉ）熱交換器チューブシートと多層シールアセンブリとを順に含むシーリングシステムであって、熱交換器チューブシートは、前記熱交換器チューブシートの開口部を通って延在する複数の前記チューブ要素を有し、各チューブ要素は、チューブ要素と周囲領域との間で熱を交換するために材料が流れるボアを有し、多層シールアセンブリは、チューブシートとケーシングとの間に配置されているシーリングシステムと
が提供され、多層シールアセンブリが、
ａ）シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層と、
ｂ）１つまたは複数のエラストマーＯリングであって、少なくとも１つの押出し不可能なパッキン層に各々が隣接して配置されて、エラストマーＯリングが、シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層に隣接するようになっているエラストマーＯリングと、
ｃ）エラストマーコアを有する、１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層と、
ｄ）編組プラスチックパッキン層に隣接し、シールの第２の端部に配置された押出し不可能なパッキン層と、
ｅ）任意の追加の押出し不可能なパッキン層と
を含む。
【００１６】
熱交換器のさらなる実施形態において、押出し不可能なパッキン層は、編組された金属を含むことができる。
【００１７】
本発明の熱交換器のさらなる実施形態において、負荷分配パッキン層は、編組された金属を含むことができる。
【００１８】
本発明の熱交換器のさらなる実施形態において、１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層は、ＰＴＦＥを含むことができる。
【００１９】
本発明の熱交換器のさらなる実施形態において、シールの第２の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層は、金属ワイヤを備えた編組プラスチックパッキンを含む。
【００２０】
本発明の熱交換器のさらなる実施形態において、エラストマーコアは、シリコーンゴムを含む。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、熱サイクル中、２つの金属表面間で用いられるシールアセンブリが提供され、前記シールアセンブリは、
ａ）シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層と、
ｂ）１つまたは複数のエラストマーＯリングであって、少なくとも１つの押出し不可能なパッキン層に各々が隣接して配置されて、エラストマーＯリングが、シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層に隣接するようになっているエラストマーＯリングと、
ｃ）エラストマーコアを有する、１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層と、
ｄ）編組プラスチックパッキン層に隣接し、シールの第２の端部に配置された押出し不可能なパッキン層と、
ｅ）任意の追加の押出し不可能なパッキン層と
を含む。
【００２２】
本発明は、添付の図面と関連させて、以下の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。
【００２３】
本発明は、好ましい実施形態に関して説明するが、添付の請求の範囲により定義される本発明の趣旨および範囲内に含まれるであろう全ての変形、修正および等価物をカバーするものと考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のシールアセンブリを用いると、熱サイクル中、２つの表面間で相対運動できることが必要とされる、任意の２つの金属表面間をシールすることができる。本発明の実施形態は、浮動ヘッド熱交換器において、シールアセンブリとして用いるのに好適である。本発明は、図面を参照すると最もよく理解できる。
【００２５】
図１に、本発明のシールアセンブリの実施形態の例を示す。シーリングシステムは、スカート（１８）を有するチューブシート（１１）に対してシールする必要のある熱交換器（１０）のシェルまたは他の壁を含む。シールアセンブリ（１２〜１５）は、負荷分配層として作用し得る押出し不可能なパッキン層（１２）を含む。少なくとも１つの押出し不可能なパッキン層は、シールアセンブリの各端に配置されている。
【００２６】
押出し不可能なパッキン層の例は、ケムスターパッキング（ＣｈｅｍＳｔａｒ  Ｐａｃｋｉｎｇ）（フロリダ州、マルベリー（Ｍｕｌｂｅｒｒｙ，ＦＬ））より入手可能な「スタイル（ｓｔｙｌｅ）４９」等の銅ワイヤが編組されたパッキンである。使用中に必要とされる動作圧力および温度下で、フローしたりクリープしたりしない任意のパッキン材料を用いることができる。シールアセンブリは、負荷分配層として作用する追加の押出し不可能なパッキン層（１５）を任意で含むことができる。押出し不可能なパッキン層の他の例は、金属ワイヤを備えた編組プラスチックパッキンである。用いる金属は、ワイヤに限られず、リボン状等他の構造を含むことができる。
【００２７】
図１に示す実施形態は、エラストマーＯリング（１３）をさらに含む。本発明は、図示されるような１つまたは２つのＯリングに限定されない。Ｏリングは、熱交換器の動作条件下で、最適なシーリング性能を与えるのに必要な数とすることができる。当業者であれば、必要以上の実験をすることなく、最適な数のＯリングおよび負荷分配層を求めることができる。好適な材料は、１つまたは複数のエラストマー、特に、フルオロエラストマー、例えば、バイトン（Ｖｉｔｏｎ）（登録商標）（本願特許出願人、デラウェア州、ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ））およびアフラス（Ａｆｌａｓ）（登録商標）（旭硝子（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ）、日本）を含む「Ｏ」リングである。図１の実施形態において、Ｏリングの１つは、シーリングアセンブリの一端にある押出し不可能なパッキン層に隣接している。
【００２８】
負荷分配層を、２つ以上のＯリング間に用いてもよい。負荷分配層が交互にあることは本発明にとって必須ではない。負荷分配層が、シールアセンブリの各端にあるいずれの構成も本発明の範囲内である。
【００２９】
図１に示す実施形態は、編組プラスチックパッキン層（１４）をさらに含む。編組プラスチックパッキン層は、エラストマーコアを覆う編組ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コーティングを含む。図１に示す実施形態には、２つの編組プラスチックパッキン層が示されている。しかしながら、本発明の範囲には、１つおよび任意の数の任意の編組プラスチックパッキン層１４を備えたアセンブリが含まれる。ただし、１つの編組プラスチックパッキン層１４は、シールアセンブリの一端に隣接しているという条件がある。
【００３０】
パッキンフォロワ（１６）は、熱交換器からの漏れを防ぐための調節装置である。
【００３１】
編組プラスチックパッキン層（１４）にとって好適な弾性コアは、シリコーンゴムである。ただし、本発明はシリコーンに限定されず、シールの使用要件に好適な任意のゴムを用いることができる。好適なＰＴＦＥパッキンとしては、セプコ（Ｓｅｐｃｏ）（アラバマ州、アラバスタ（Ａｌａｂａｓｔｅｒ，ＡＬ））および本願特許出願人（デラウェア州、ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ））より入手可能なものが例示される。
【００３２】
本発明の実施形態はまた、本発明のシールアセンブリの実施形態を含む浮動ヘッド熱交換器にも関する。図２を参照すると、浮動ヘッド熱交換器の断面の概略図が示されている。熱交換器は、第１の流体が通過する中空ケーシング２０を含む。ケーシングは、２つの端部２２、２５を有している。チューブスタック２１は、ケーシング内に配置され、前記第１の流体との熱交換のために、第２の流体が通過する複数のチューブ要素を含んでいる。チューブバンドルは、チューブスタック２１とケーシング端部２２、２５とを含む。チューブスタックの一端は、一端２５にある何らかの手段により固定されている。固定する手段は、本発明を限定するものではない。他端（２２’）のチューブは、熱応力により自由に動く。シーリングシステムは、順に、チューブシート２３と、本発明のシールアセンブリが固定されるギャップ２４とを含んでおり、可撓性シールにシェル２０を提供しながら、チューブシートを動かすことができる。複数の前記チューブ要素は、前記熱チューブシートにおいて開口部を通って延在しており、各チューブ要素は、チューブ要素と周囲領域との間で熱を交換するために材料が流れるボアと、チューブシートとケーシングとの間でギャップ２４に配置されたシールアセンブリとを有する。シールアセンブリは、順に、シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層と、１つまたは複数のエラストマーＯリングであって、少なくとも１つの押出し不可能なパッキン層に各々が隣接して配置されて、エラストマーＯリングが、シールアセンブリの第１の端部に隣接する押出し不可能なパッキン層に隣接するようになっているエラストマーＯリングと、エラストマーコアを有する１つまたは複数の編組プラスチックパッキン層と、編組プラスチックパッキン層に隣接し、シールの第２の端部に配置された押出し不可能なパッキン層と、負荷分配層として作用する任意の追加の押出し不可能なパッキン層とを含む。
【００３３】
参照番号２８および２９は、それぞれ、チューブの側部流体入口と出口を示している。シェル入口は、参照番号２６により示され、シェル出口は、参照番号２７により示されている。
【００３４】
本発明は、多数の編組パッキンリングをパッキンシステムとして用いる従来技術の熱交換器システムのコストおよび漏れの量を大幅に減じる。多数の編組パッキンリングシールシステムを用いるカランドリア（すなわち、リボイラー）は、本発明のＯリングシールアセンブリシステムに匹敵していた。多数の編組パッキンリングシステムの３つのカランドリアは、漏れを減じるために、約２か月毎に、３つのカランドリアにおいて、パッキンシステムの交換が必要であった。これら３つのカランドリア全てを維持するコストは、約＄２５、０００／年であった。比較すると、本発明のＯリングシールアセンブリパッキンシステムを用いると、３つのカランドリアにおいて、漏れは減じるばかりでなく、止まった。さらに、２年にわたって、パッキンシステムの交換は必要なかった。パッキンを周期的に締める、年間の維持コストは、＄１０００／年未満まで減じた。このように、本発明によれば、従来技術のパッキンシステムよりも大幅な改良が示される。
【００３５】
従って、本発明によれば、以上規定した目的と利点を完全に満足する改良された熱交換器シールが提供されることは明白である。本発明を、特定の実施形態により説明してきたが、当業者にとって、多くの変形、修正および変更が明白であることは歴然としている。従って、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲に含まれるかかる変形、修正および変更は全て包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のシールの実施形態の詳細な断面を示す図である。
【図２】本発明の熱交換器の断面の概略図を示す。
【図１】
2009518613.tif 000003
【図２】
2009518613.tif 000004
【国際調査報告】
2009518613.tif 000005
2009518613.tif 000006
2009518613.tif 000007
2009518613.tif 000008