(57)【要約】内部に管束を備えた円筒胴（３０）を含む円筒容器であり、該管束は、複数の平行な管（１、５、９）と、円筒容器内に管（１、５、９）を支持するための軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材（２１、２２、２３、２４、２５）とを備え、各横支持部材（２１、２２、２３、２４、２５）はエキスパンデッドメタルのシートを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平行な管と、円筒容器内に該管を支持するための軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材とを備え、各横支持部材がエキスパンデッドメタルのシートを含む管束。
【請求項２】
各横支持部材が１枚のエキスパンデッドメタルのシートから作られている、請求項１に記載の管束。
【請求項３】
横支持部材が円筒胴の内径全体に亘って延びている、請求項１又は２に記載の管束。
【請求項４】
横支持部材がセグメント型横支持部材である、請求項１又は２に記載の管束。
【請求項５】
各横支持部材が実質的にエキスパンデッドメタルから作られた円セクターにより形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の管束。
【請求項６】
円セクターが管束に垂直に延びた平面に対して傾斜している、請求項５に記載の管束。
【請求項７】
エキスパンデッドメタルのシートの隙間の大きさが管の直径にほぼ等しい、請求項１〜６のいずれか一項に記載の管束。
【請求項８】
エキスパンデッドメタルのシートの隙間の大きさが管の直径よりも大きく、隣接した横支持部材があらゆる方向にて支持すべく互いにずれて置かれる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の管束。
【請求項９】
円筒胴を有する円筒容器の内部に設けられた請求項１〜８のいずれか一項に記載の管束。
【請求項１０】
熱交換器の一部を形成する円筒胴内に設けられた請求項１〜９のいずれか一項に記載の管束。
【請求項１１】
管束が化学反応器、特にエチレンオキシド反応器の一部を形成する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の管束。
【請求項１２】
円セクター間に延び、交差して配置された縦バッフルをさらに備える、請求項５又は６に記載の管束。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の平行な管と、円筒容器内でこれらの管を支持するための軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材とを備える管束に関する。別の面では、本発明は、内部に管束を備えた円筒容器に関し、また別の面では、本発明は円筒胴と該円筒胴内に配置された管束とを備える熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
管束の用途の重要な分野は、シェルアンドチューブ型(shell-and-tube)の熱交換器である。シェルアンドチューブ型の熱交換器は、内部に管束を備えた円筒容器からなり、この管束は、容器の縦方向に延びた複数の平行な管を含み、さらに、円筒容器内にこれらの管を支持するための軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材を含む。
【０００３】
よく知られているように、シェルアンドチューブ型熱交換器は間接熱交換器であり、管束の管を通る流体（管側）と管の外側の空間を通る流体（胴側）との間で熱を伝達させる。シェルアンドチューブ型熱交換器の詳細は、例えばＰｅｒｒｙのケミカルエンジニアズハンドブック（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’ｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、第５版、１９７３年、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｉｎｃ．、第１１−３〜１１−２１頁に記載されている。管束が、熱交換器の最も重要な部分である。管の端は管板に固定される。熱交換器は、２つの管板、すなわち円筒容器の各端に１つの管板を備えることもできるし、又は熱交換器がＵ型熱交換器の場合には円筒容器の一端に１つの管板を備えることもできる。
【０００４】
例えば流体の流れにより生じる振動を原因とした管への損傷を防ぐために、管の中間部分も支持しなければならないことが分かるであろう。管の中間部分を支持するために、管束は、軸方向に間隔を置いて離して設けられた横支持部材を備える。従来の支持部材はバッフルであり、上述のＰｅｒｒｙの文献にいくつかの種類のバッフルが議論されている。バッフルは管を支持するだけでなく、胴側の流域を制限するので、胴側を通る流体の流れの制御も行う。よって、バッフルの設計も熱伝達を考慮して決められる。
【０００５】
米国特許第２０１８０３７号明細書は、胴側の流域の制限を小さくするように設計された管支持部材を開示する。この刊行物は、複数の平行な管と、円筒容器内にこれらの管の中間部分を支持するために軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材とを備えた管束を開示しており、この横支持部材は、管列間の通路に配置されたロッド又は棒から成る。この横支持部材は、円筒容器の内径よりもやや小さい外径を有する支持リングと、端を支持リングに固定した平行なロッド又は棒とから成る。管束の管が三角形の頂点に配置される場合（このとき管はその中心が正三角形の角点にくるように配置される）、それらの管の間に６０°の角度にて配置され軸方向に間隔を置いた３つの横支持部材からなる組があれば、管をあらゆる方向に支持する上で十分である。また、管が正方形の頂点に配置される場合（このとき管はその中心が正方形の角点にくるように配置される）、それらの管の間に９０°の角度にて配置され軸方向に間隔を置いた２つの横支持部材からなる組があれば、管をあらゆる方向に支持する上で十分である。
【０００６】
既知の横支持部材は支持リングとそれに固定された平行ロッド又は棒とから構成されるので、この既知の横支持部材を備えた管束を製造するのは容易ではない。
【特許文献１】米国特許第２０１８０３７号明細書
【特許文献２】米国特許第５３６６１８８号明細書
【非特許文献１】「ケミカルエンジニアズハンドブック（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’ｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、Ｐｅｒｒｙ、第５版、１９７３年、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｉｎｃ．、１１−３〜１１−２１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、既知のものよりも製造するのが簡単な管束を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このために、本発明による管束は、複数の平行な管と、円筒容器内にこれらの管を支持するための軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材とを備え、各横支持部材がエキスパンデッドメタルのシートから作られる。
【０００９】
エキスパンデッドメタルのシートは、スリットを入れ引き伸ばして隙間を有する交差ラス(lath)の構造にした板金から作られる。その製造は簡単で安い。さらに、これらのシートは、例えばレーザー切断により容易に円形に切断できる。
【００１０】
隙間の大きさは、管の直径とほぼ等しくなるように選択でき、その結果、管は１つの横支持部材によって横方向に支持される。別法として、隙間の大きさは、管の直径よりも大きくでき、その結果、横支持部材が管を１又は２つの横方向にて支持する。この場合、管をあらゆる横方向に支持するには、互いにずらして置かれた２以上の横支持部材が必要とされるであろう。
【００１１】
明細書及び特許請求の範囲における「隙間の大きさが管の直径にほぼ等しい」なる表現は、下限及び上限により制限された横支持部材の隙間の大きさを言うのに用いられる。下限は、管が遊びなしで隙間を通過できる大きさであり、上限は、管より１０％大きい外径を有するゲージ管が遊びなしで隙間を通過できる大きさである。「隙間の大きさが管の直径より大きい」なる表現は、下限により制限された横支持部材の隙間の大きさを言うのに用いられ、この場合の下限は、管束の管の外径よりも５０％大きい外径を有するゲージ管が遊びなしに隙間を通過できる大きさである。実際的な上限は、管の中心線間の距離が標準的な大きさにて配置された２〜４個の平行管からなる管束が遊びなしに隙間を通過できる大きさである。
【００１２】
以下、例として添付図面に関して本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の管束の縦断面の一部を略示し、
図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って見た図を大きい尺度にて略示し、
図３は、横支持部材の隙間の別のサイズを略示し、
図４は、横支持部材のセグメント例を略示し、
図５は、円形セグメントから形成された横支持部材の例を略示し、
図６は、図5の横支持部材の１つの平面図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による管束は、複数の平行な管１、２、３、４、５、６、７、８及び９と、円筒胴３０を有する円筒容器内にこれらの管の中間部分を支持すべく軸方向に間隔を置いて設けられた横支持部材２１、２２、２３、２４及び２５とを備える。図１は管板を有する管の端部を示していないことに留意されたい。
【００１４】
各々の横支持部材は、エキスパンデッドメタルのシート４０から作られる。エキスパンデッドメタルのシート４０は、隙間４２を有する交差ラス４１の構造をなす。明確さのため、図２ではすべてのラスと隙間が参照番号により示されているわけではない。隙間４２の大きさは、管１〜９の外径にほぼ等しいか又はそれより大きくすべきである。
【００１５】
図２から分かるように、横支持部材２１を形成するエキスパンデッドメタルシート４０の隙間の大きさは、管１〜９の外径よりも大きい。よって、横支持部材２１は、下方向にのみ管１〜９を支持する。上方向に管を支持するために、次の横支持部材２２は、横支持部材２１に対してずらされる。図２中の破線にて、次の横支持部材２２のエキスパンデッドメタルシートの隙間５２の縁が示される。
【００１６】
場合によっては、円筒胴３０の内径よりわずかに小さい外径を有する支持リング２７（図１）に、横支持部材のエキスパンデッドメタルシートを固定することもできる。横支持部材の軸方向の間隔が設置及び通常運転中に維持されるのを保証するために、スペーサ要素（図示せず）を備えた連結ロッド（図示せず）によって支持リング２７を連結することができる。
【００１７】
図２に示した本発明の実施態様では、管は水平から４５°の正方形の頂点に配置される。別の実施態様では、正方形の頂点が水平にあり、このことは図２が４５°回転されたことを意味する。この実施態様では、平行な管を横方向（左、右、上及び下）に支持するために、４つの横支持部材が必要となる。
【００１８】
図１及び２に示した本発明の実施態様では、２つの隣接した横支持部材がすべての管を支持する。別法として、各々の横支持部材が横方向すべてにおいて管を支持し、この場合には、エキスパンデッドメタルシートの隙間の大きさは、管の外径にほぼ等しい。
【００１９】
次に図３を参照すると、交互に配置された隣接した２つの横支持部材の一部のみが示されており、これらの横支持部材はエキスパンデッドメタルのシート６０及び６１により作られ、互いにずらして置かれる。エキスパンデッドメタルのシート６０及び６１は、隙間６３を有する交差ラス６２からなる。明確さのために、図３ではすべてのラスと隙間を参照番号により示しているわけではない。隙間６３の大きさは、管６５の外径よりも大きい。図３に示す構成では、管の中心線間の距離７０が標準的な大きさにて配置された管束の平行な４つの管６５が、遊びなしで隙間６３を通ることができる。横支持部材は、あらゆる方向にて支持すべく互いにずらして置かれている。
【００２０】
図１及び２に示した本発明の実施態様では、横支持部材は円筒容器の内径全体に亘って延びる。別法として、横支持部材はセグメント型の横支持部材である。セグメント型支持部材により、熱交換器の胴側を通る流体の流れのクロスフローが可能となる。
【００２１】
図４は、エキスパンデッドメタルからなるいくつかのセグメント型支持部材８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを概略的に示し、その各々は異なる位置に開放したセグメント８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを有する。明確さのため、管束の管は図示していない。このようなセグメント型支持部材を用いることにより、運転中の流れが交互のパターンにて胴を通って案内され、その結果、いくつかのクロスフローが生じる。クロスフローでの熱伝達は、縦の流れの熱伝達よりもよい。
【００２２】
図５及び６は、本発明による横支持部材の別の実施態様を示す。横支持部材９０ａ及び９０ｂの各々は、支持リング９８ａ、９８ｂ内にてエキスパンデッドメタルから作られた４つの円セクター９１ａ、ｂ、９２ａ、ｂ、９３ａ、ｂ、９４ａ、ｂから形成される。円セクターの各々は、管束の軸方向に垂直な平面から傾斜している、すなわち支持リング９８ａ、９８ｂにより定められた平面から傾斜している。この例では、円セクターは、胴９６の直径を中心として傾斜するように配置される。水平面に対する傾斜角は２０〜７０°とするのが適切である。約３０°の角度にて、良好な結果が得られた。機械的な安定性のために、中心軸支持ビーム９９を配置できる。明確さのために、エキスパンデッドメタル円の隙間を通って延びる管束の管は図示していない。
【００２３】
図６は、横支持部材９０ａの平面図を示す。この投影図に見られるように、円セクターは、円形胴の内径全体に亘って延びる。明細書及び特許請求の範囲において「隙間の大きさ」が言及されている場合、垂直面上への隙間の投影の大きさを意味し、これは図６と同様の平面図において見られるような大きさである。
【００２４】
円セグメントがこのように傾斜している場合、流れの一部が円セクターの間のギャップを通って横支持部材を通過することが分かった。また、この構成では、流れに渦巻きが与えられ、それにより熱伝達を改善するクロスフローが生じる。この構成により、より高い流速が可能となり、また停滞ゾーンが存在しないので、汚染する傾向が非常に小さい。
【００２５】
さらに、円セクター間のギャップに沿って１以上の縦バッフルを設置することがが容易にできる。流体が胴側を通って数回通過して流れるようにシェルアンドチューブ型熱交換器を構成するために、縦バッフルを用いることができる。これにより、短い構造の熱交換器の容器が可能になる。特に有利な選択は、図５及び６に示すような実施態様において、円セクター間の境界に沿って、好ましくは胴９６の直径全体に亘って２つの縦バッフルを交差するように設置することである。中心支持ビームは必要ないかもしれない。縦バッフルは胴を４つのセグメントに分離する。これらのセグメントは、流体が４つの胴セグメントの各々を連続的に通過するように流体連通自在に配置されるのが適切である。このようにして、例えば長さが２４ｍで直径が１．５ｍの熱交換器容器の代わりに、長さが６ｍで直径が３ｍの容器が構成できる。これは例えばいわゆる「テキサスタワー」熱交換器であり得る。
【００２６】
本発明はまた、本発明による管束を備えた円筒胴を含んだ円筒容器にも関する。本発明の管束を備えた円筒容器は、シェルアンドチューブ型熱交換器又は反応器であり得る。これは水平位置又は垂直位置にて使用できる。
【００２７】
本発明による管束は、単純な物質であるエキスパンデッドメタルシートから作られた横支持部材を備える。よって、この管束は、既知の横支持部材を有する管束よりも製造するのが容易である。また、本発明の横支持部材は、流体の流れに対する抵抗が小さい。
【００２８】
本発明の特定の用途は、例えばエチレンオキシドの製造に使用されるような胴内に管束を備えた化学反応器に存する。ここではまさに開いた管支持構造が必要とされる。この用途の横支持部材は、例えば米国特許第５３６６１８８号明細書から知られている。この公知の支持部材は、特定の方法にて穴開けされたソリッドディスクから作られている。このような穴空きディスクの製造はかなり費用が高くつく。本発明による横支持部材は簡単な代替物である。まさに開いた支持構造を作るために、適切には横支持部材が複数のエキスパンデッドメタル片を含み、各片は、反応器容器の断面よりも小さく、断面の平面に対して傾斜しており、すべてのエキスパンデッドメタル片は反応器容器の断面に架るように共に連結される。流体は、エキスパンデッドメタルの各片を通りかつ、傾斜した隣接片間の開口を通って流れることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の管束の縦断面の一部を略示する。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って見た図を大きい尺度にて略示する。
【図３】横支持部材の隙間の別のサイズを略示する。
【図４】横支持部材のセグメント例を略示する。
【図５】円形セグメントから形成された横支持部材の例を略示する。
【図６】図5の横支持部材の１つの平面図を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１、２、３、４、５、６、７、８、９    管
２１、２２、２３、２４、２５    横支持部材
２７    支持リング
３０    円筒胴
４０、６０、６１    エキスパンデッドメタルシート
４１、６２    交差ラス
４２、６３    隙間
６５    管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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