(57)【要約】本発明は産業活動で使用する導管（１）に関し、この導管(１)は特殊な形状を有している。特に、導管（１）は低振幅螺旋形状として形成されており、これは導管（１）を通じて流れる流れに旋回を生じさせる。この旋回流は幾多の利点を与える。特に、導管を用いることができる用途は石油生産ライザー、フローライン、井戸に用いる下げ孔のための生産管、流体移送のためのパイプライン、静的ミキサ、屈曲管、継手等、ペンストック、吸入管、化学物物、石油化学製品、製剤用途の反応炉、熱交換器、冷却ボックス、廃棄物処理のための焼却炉及び加熱炉、静的分離機、及び空気吸入口を含む。
2008513709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小さな振幅の螺旋形状を用いる石油生産ライザー及び陸上又は沖合で使用するためのフローライン。
【請求項２】
小さな振幅の螺旋形状を用いる油、ガス、水、又は地熱井の中の下げ孔のための生産管。
【請求項３】
小さな振幅の螺旋状の幾何学を使用する炭化水素、飲用水、廃水、及び下水、スラリー、粉体、食品又は飲料製品、或いは任意の単相又は多相流体の輸送のためのパイプライン。
【請求項４】
小さな振幅の螺旋状の幾何学を使用する化学薬品注入、及び食品、化学物質、石油化学製品、及び調剤処理のための静的ミキサー。
【請求項５】
屈曲管や継手等であり、平坦な屈曲管等の上流側の低振幅螺旋形状管の長さに関係して、前記屈曲管等の周りに旋回流を生成する屈曲管や継手。
【請求項６】
水力発電のためのペンストック及び吸出管であって、低振幅螺旋形状を用いるペンストック及び吸出管。
【請求項７】
化学物質、石油化学製品、及び製剤の用途の反応炉であって、低新譜螺旋形状を用いる反応炉。
【請求項８】
発電機、冷凍冷却ボックス、及び空気分離冷却ボックスにおける熱交換器であって、低振幅螺旋形状を用いる熱交換器。
【請求項９】
廃棄物処理用焼却炉及び加熱炉であって、低振幅螺旋形状を用いる焼却炉及び加熱炉。
【請求項１０】
工業的処理に用いられ、異なる密度を有する流体の混合物が存在する静分離機であって、低振幅螺旋形状を用いる静分離機。
【請求項１１】
低振幅螺旋形状を用いる空気吸入器。
【請求項１２】
内炎機関のための吸入器であって、低振幅螺旋形状を用いる吸入器。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明は産業活動に使用するための導管であって、特定の幾何形状を有する導管に関する。
【０００２】
多くの工業的処理は、プラント又は機械の一部から他のものへの流体の移送を必要としており、これは通常は導管の使用によりなされている。流体は導管を通過する間に処理することもでき、これは例えば、加熱、照射、化学反応などである。
【０００３】
配管も同様に用いられており、特に長距離の流体移送に用いられるものは、通常は直管であって、その中心線が直線であり、且つ配管の壁が中心線に対して平行をなしている。
【０００４】
しかしながら、配管のために在来のものに代わる幾何形状を採用できることが判明しており、これは直管よりも優れた多くの利点を提供できる。特に、低振幅螺旋として形成された管は、直管よりも優れた幾つかの重要な利点を示す。
【０００５】
「低振幅螺旋」とは、管の中心線が実質的に螺旋経路に追従し、且つ螺旋の振幅が管系の内径の半分以下であることを意味するものとする。
【０００６】
このように螺旋として形成された導管要素に流体が入ると、ほぼ直ぐに旋回流が形成される。旋回流には、通常の流れよりも多くの利点がある。乱流及びそれに関連する圧力損失(並びにエネルギー損失)を低減することができる。更に、断面上で混和される結果、管を横切る流速のプロファイルは、従来の管における流れよりも一層に均一（若しくは鈍的）になるので、旋回流はプランジャとして機能する傾向があり、管壁の汚れを取り除く。
【０００７】
殆どの場合、旋回流は、低振幅螺旋への入口の僅かな管径内の管の全幅に亘って形成されることが判明している。更に、旋回流に付随する断面積に亘る二次的運動は、中芯部内の流体に、及び管壁における流体と中芯部内の流体との間に、相当な質量、モーメント及び熱伝達をもたらす。
【０００８】
ここで用いる用語「螺旋の振幅」とは、中心線の平均位置から側方端までの変位の範囲を意味する。従って、この振幅は螺旋状中心線の全横方向幅の半分である。管径の断面積は、管系の長さに沿って通常は実質的に一定であるが、要求される特定の特性に応じて変化させることができる。
【０００９】
螺旋の振幅が内径の半分未満であるこの種の低振幅螺旋状の導管では、管の内腔に沿って「視線」がある。視線における流れは潜在的に直線経路に追従するが、それは一般に旋回成分を有することが判明している。
【００１０】
本明細書の目的では、用語旋状導管の「相対振幅」は、内径により除した振幅と定義される。螺旋導管の振幅が導管料の内径の半分以下であるので、これは、相対振幅が０．５以下であることを意味する。相対振幅は、０．４５、０．４０、０．３５、０．３０、０．２５、０．２０、０．１５、０．１又は０．０５以下が好ましいであろう。この導管は、同じ断面積を有する通常の直管より全体的にそれほど広くはないので、より小さな相対振幅は、利用可能な側方空間の有効利用を向上させる。更に、より小さな相対振幅は、広い「視線」をもたらすので、導管に沿って圧力計又は他の機器を挿入するためのより広い空間が提供される。しかしながら、非常に小さい相対振幅は、或る状況下では二次的運動及び混和を低減させる。
【００１１】
高いレイノルズ数によれば、旋回流を満足できる程度に誘発しながら、小さな相対振幅を使用できる。これは一般に、高い流速が存在する所定の内径については、依然として旋回流を誘発するのに充分である小さな相対振幅を用いることができるということを意味している。
【００１２】
また、螺旋（又はピッチであり、ピッチとは螺旋の一回転の長さであり、導管の内径定義できる)の角度も流れに影響を及ぼす関連要因である。相対振幅によれば、螺旋角は、配管で運ばれる流体の状態、特に粘性、密度、及び速度に応じて最適化できる。螺旋角は好ましくは６５°以下であり、更に好ましくは５５°、４５°、３５°、２５°、２０°、１５°、１０°、又は５°以下である。
【００１３】
概して、より高いレイノルズ数については、充分な旋回流を達成しつつ、螺旋角度を小さくできるが、低レイノルズ数では、充分な旋回流を生成するには、より大きな螺旋角を必要とする。より速い流れ(より高いレイノルズ数を伴う)については高い螺旋角の使用は一般に望ましいことではなく、壁近傍に淀んだ流体のポケットが生じるおそれがある。従って、所定のレイノルズ数(又はレイノルズ数の範囲)において、螺旋角度は、充分な旋回流を発生させるように極力低くなるように選ぶことが好ましい。特定の実施の形態では、螺旋角は２０°未満である。
【００１４】
低い振幅の螺旋形状を有する管系の長さを図1に示す。この管系１は、円形断面と、外径ＤＥ、内径ＤＩ、及び壁圧Ｔを要する。この管系は一定振幅Ａ（平均から極値まで測定して）、一定ピッチｐ、一定螺旋角θ、及び掃引幅Ｗの螺旋へコイル状されている。管系１は仮想的な包絡線２０を包含しており、その包絡線２０は長さ方向に延伸して、螺旋の掃引幅Ｗに等しい幅を有する。包絡線２０は中心縦軸３０を有するものとみなされ、これはまた螺旋回転軸とも称される。図示の管系１は直線軸３０を有するが、この中心軸は湾曲してもよいことは明らかであり、或いは必要に応じて実際に任意の形状を採ることができる。この管系は、中心線４０を有し、これは中心縦軸３０の周りの螺旋経路に追従する。
【００１５】
振幅Ａは管系内径ＤＩの半分未満であることが判る。振幅をこのサイズよりも低く保つことにより、管系が占める側方スペース及び管系の全長を比較的に小さく保つことができ、同時に管系の螺旋形態は管系に沿う流体の旋回流を促進する。このことは、管系に沿って比較的に広い内腔も与え、これは管系に機器及び装置等を挿通させることを可能にする。
【００１６】
螺旋導管の低振幅の使用は、導管を通じる流体の運動又は輸送に関連する幾多の処理、複数の管内の流体の混和、管内の流体に対する熱及び質量の伝達又は送出、沈着又は汚染が管内で生じる処理、及び化学反応が管内で生じる処理にとって有益である。この使用は単相としての気体又は液体か、或いは多相混和体としての気体、液体、又は固体の任意に組み合わせた混和体の何れにも適用できる。このような導管の使用は相当な経済的影響をもたらす。
【００１７】
例えば、旋回流によって与えられた乱流低減及びそれに関連する圧力降下低減は、適切な条件化では、ポンピングに要する費用を低減できる。
【００１８】
これは原油及びガス生産処理を含むパイプラインを介した炭化水素の配送に重要である。例えば、陸上又は沖合で使用する石油生産ライザーとフローラインは、小さな振幅の螺旋形状を有する少なくとも一部分を含むことができる。低振幅螺旋形状はライザー又はフローラインにおける流動力学を改良し、それがフローライン又はライザーを通じる乱流を減少させる結果、圧力損失を減少させる。
【００１９】
フローライン又はライザーは、実質的に垂直でも、実質的に水平でもよく、或いはS字状や懸垂曲線状を含む湾曲形状を有してもよい。フローライン又はライザーは、剛でも可撓でもよく、その二つの任意の組み合わせであってもよい。フローライン又はライザーは、材料の任意の組み合わせから構成でき、補強リングを含めてもよい。
【００２０】
同様に、油、ガス、水、又は地熱井に用いる下げ孔のための生産管系は小さな振幅螺旋形状を使用できる。井戸の少なくとも一部分が小さな振幅の螺旋形状を有する生産管系を含むであろう。 その利点は、乱流の低減、及び圧力損失の低減を含む。
【００２１】
更に、炭化水素の輸送のためのパイプラインは、小さな振幅の螺旋形状を使用でき、乱流の減少した流れ、圧力損失の低減の恩恵を受けるであろう。勿論、他の流体の輸送のためのパイプライン、例えば飲料水、廃水及び下水、スラリー、粉体、食物、飲料製品、或いは全く任意の単相又は多相流体も、小さな振幅の螺旋形状を持たせて、同様な恩恵を受けることができる。
【００２２】
圧力降下の低減が特に利点となる他の領域は、水力発電のための導水路及び救出管に関する。圧力損失の低減は、発電出力の増大を導き、圧力降下の小さな減少でさえも、プラントの寿命に出力の非常に大きな増加を導くことができる。
【００２３】
また、圧力降下の低減は、発電所又は他の実施の形態では、工業的プラントの周囲の蒸気の分布についても重要である。これは、歩留まりを改善するために圧力を可能な限り低いレベルに維持する必要がある化学反応にも重要であり、これは真空化で操作された処理、例えば熱分解によるオレフィンの生産やエチル・ベンゼンからのスチレンの生産を含む。
【００２４】
管内の混和は、化学物質、食品、製薬品、水、及び石油産業を含む多くの産業で重要である。少量の活性薬品が、他の大量の材料の均一分与のために重要となることがある。或る例では、これは薬注として知られている。その例は、様々な材料及び食品への酸化防止剤の添加、及び飲料水への塩素又はアルカリの添加である。低振幅螺旋は、本質的に良好な混和をもたらすので、所望の目的を達成するのに充分な濃度を確実に得るために必要な活性薬品の量を減少させることができ、また、添加物の許容できない高(又は低)濃度が局所的に生じないことを確実にすることができる。
【００２５】
流体の二つ以上の大きな流れを集めて、それらが別々のままで残留しないことを確実にせねばならない場合にも、混和は重要である。更に混和は安定した混和相（好ましくない相分離を防ぐ)として流体を保持することが有益である場合にも重要である。これは原油及びガスの生産で重要である。というのは、ここではガスの分離はスラッキングを生じてパイプラインの容量を減少させ、操作の費用を増大させるためである。実際に、石油生産ライザーとフローラインにおける低振幅の螺旋形状の使用、下げ孔に使用する生産管系、及び炭化水素や他の流体の輸送のためのパイプラインにおける更なる主要な利点は、スラグ流の減少である。改良された位相混和もパイプラインで重要である。というのは、流体中にガス又は空気が保持される傾向があると、それがパイプの高い位置に集まってエアロックを生じる虞があるためである。
【００２６】
パイプラインによる下水の輸送や鉱物の輸送のように、固体の沈殿を防ぎながら、液体により固体を輸送する場合にも混和は重要である。この沈殿作用(並びに鉱物及び／又は炭化水素沈殿)の減少も、石油生産ライザー、フローライン、及び下げ孔用生産管には相当に重要である。沈殿作用の低減は水力発電にも重要である。更に、石油生産ライザー、フローライン、及び下げ孔用生産管系では、改良された混和は水の降下の虞を減少させる。
【００２７】
例として、薬品投与、食品、化学薬品、石油化学製品、及び調剤処理)の安定混和のためには、低振幅螺旋形状を使用できる。その利点は、断面に亘る混和の増大、沈殿又は降下による閉塞の減少を含む。更に上述したように、低振幅螺旋形状は、低減したミキサー圧力損失をもたらすであろう。更に、低振幅螺旋部分に沿って「視線」内腔があるので、従来のミキサーで普通に見られるバッフルプレートやベーンはないので、清掃がより容易になる。これらの利点は保守や摩耗の減少をもたらす。
【００２８】
更に、低振幅螺旋形状の使用により達成される改良された混和（特に熱混和)、及び圧力損失の減少は発電所の熱交換器、冷凍コールドボックス、空気遮蔽冷却ボックス等に特に有益である。
【００２９】
低振幅螺旋導管は、反応に先立つ成分の完全な混和を確実にするためにも用いることができる。これは反応がより完全に生じて材料が効率的に使用されることを保障する。通常、これは触媒の通過に先立つガス状又は液体状の反応剤の混和を伴うであろう。しかしながら、内燃機関を通過する前に燃料と空気を混和するのにこれを使用できることが特に想定される。これは、内燃過程の効率を高めて、未燃焼又は部分的に燃焼した燃料及び固体微粒子の大気へ放出量を減少させるであろう。この最後の改良は、道路輸送に使用される内燃機関の下流の触媒コンバーターの要求を低減すると共に、その性能を改善する。
【００３０】
低振幅螺旋導管は管内の螺旋（旋回）流を確実にして、より鈍い速度プロファイルを発生するので、管内の流体に対する熱伝達率及びその均一性を改良できる。通常の流れでは、管の中心における流体は管壁付近の流体よりもかなり速いので、管が加熱されると、管壁近傍の流体は管中心付近よりも相当に高い温度へ加熱される。
【００３１】
しかしながら、旋回流は鈍い（ひいてはより均一な）速度プロファルを持つので、望ましくない影響をもたらす流体の部分傾向は低減する。低振幅螺旋導管は管の内側の外側との間の低い温度差により若干の熱を移送させる。
【００３２】
これは流れに部品を付加して、何らかの処理（例えば加熱）をなす際に特に有益である。混和の質が悪いと、混合体の一部は処理化におかれるには移動が非情に早く、混合体の一部は処理を被るには非情に遅い。しかしながら、低振幅螺旋形状によれば非情に良好な混和が与えられるので、これは回避でき、より均一な処理が達成される。
【００３３】
これは炉において重要な経済的利点であり、その炉はオレフィン分解炉、再精錬熱分解又は内遮断機のための予熱炉、オレフィンプラントにおける移転ライン交換機、パワーステーションにおける熱交換器、工業的冷凍ユニットのための冷却ボックス、空気分離ユニット]及び冷凍ユニットのための冷却ボックスなどが一般的である。
【００３４】
鈍い速度プロファイルは水力応用にも有益である。タービンは、速度ファイルが鈍く、低振幅の螺旋部分が水力利用に用いられたときに良好に作動する傾向にあるので、水力アプリケーションにおける低振幅螺旋形状部分の使用はこのように能率を増進できる。旋回流の付加的な利点は、水力アプリケーションに関連して、低減したキャビテーション及び低減した管応力を含んでいる。
【００３５】
更に低振幅螺旋形状導管で発生する旋回流の「プランジャ」局面は、微粒子又は他の固体粒子の管内壁への沈着が熱転移に対する遮蔽体を形成するか、又はそれを通じて流れる流体を汚染するか、或いは管を流れる流体の流量を減少させる管内に生じる過程に対して相当な経済的効果を与える。このような微粒子又は他の固体粒子は流体中に存在するか、或いは流体の成分の間の化学反応により形成される。
【００３６】
低振幅螺旋導管の使用は、そのような管内壁への固体沈着を相当に減少させることが予期されるので、その洗浄の前の操作寿命が延伸し、必要な熱料が低減し、閉塞した管に比べて圧力降下が低減する。この効果が非情に経済的な例は、液体パイプラインにおける固体輸送、熱分解によるオレフィンの生成、炉コイルの内側のコークの沈着により炉コイルを保守洗浄のために（代表的には２０日乃至６０日毎に）取り出す必要性がある場合である。同様な効果は再生成処理のための予熱炉などの他の炉においても生じる。
【００３７】
更に、鈍い速度プロファイル及び「プランジャ」観点は、調合及び食品処理で一般的なバッチ処理においては極めて有益である。鈍い速度プロファイル、軸方向分散バッチは低減できるので、ピーク濃度は、従来の構成よりも、相当に速く達成される。これらの特徴は、バッチサイズが小さい場合に特に有益である。更に、「プランジャ流」は、管壁から第１の成分の軌跡を移動させることを付助し、第２の成分に切り替わった後は、バッチ処理における汚染が生じる契機を低減させることを付助する。システムを洗浄するのに必要な時間は、少なくとも、洗浄を実行するのに必要な流体の量に応じて低減される。
【００３８】
低振幅螺旋導管の使用は、化学反応が管又はチューブ内で生じする場合の材料の重要な経済性を与える。改良された混和と、より一定の熱伝達の組み合わせは、歩留まりを向上させて、反応（燃焼を含む）の完了を促進する。歩留まりの向上は下流側の分離コストも削減させる。これが重要である処理の例は、オレフィン生成及び同様な気相反応であり、例えばベンゼンを形成するためのトルエンの分解、ブタジエンへのブタン−１の変換である。 そのような反応が供給原料の各分子のために生成物の１個以上の分子の生産に関する場合、反応炉とその下流側の配管系における低圧力降下は、低振幅螺旋形状配管の使用により達成でき、低い平均圧力から付加的な利点が与えられる。というのは、生成分子が再結合して原料又は他の望ましくない水の副産物を形成する可能性が減少するためである。更に、化学物質、石油化学製品、及び調剤用途の反応炉における低振幅螺旋形状の使用は、反応路チューブにおける炭素沈着を減少させ、これは特に、石油化学産業で重要である。
【００３９】
改良された混和及びより一定の熱伝達は、多量の過剰な空気量(反応の化学定量論によって必要とされたよりも多くの)を伴うことなく燃焼反応の完成を促進する。これは特に焼却炉やごみ処理炉に重要であり、そこでは、環境と人間の健康に有害な化学物質、及び/又は、粒子が大気中に放出されないように、完全な反応を確実なものとすることが必要である。これは、燃焼ガスが未だ熱い間に、それを大気中へ向わせる前に、低振幅螺旋として形成された導管区画を通過させることにより防止でき、且つ完全な燃焼が保障される。炉を通じる旋回流の世代は燃焼の速度、効率、及び廃棄物の除去を増大させるであろう。
【００４０】
二つ以上の異なる相を含んでいる流れと共に使用されると、低振幅螺旋部分は、異なる密度を持っている流体の混和物を「線状」に分離するために使用できる。旋回流によって形成された渦巻は、遠心力の効果によって、混和物の高密度の成分を管壁に向かって移動させ、且つ低密度の成分を中心線へ向って移動させる傾向にある。適宜な配置構成によって、高い（又は低い）密度成分を取り除いて、残りの成分は向上した凝縮性を呈した状態にとどめることができる。この処理は、更なる同様な線状静分離機を用いて反復できる。この分離は液体からガスを分離するために使用でき、特に石油化学産業における閉塞の減少を付助するように用いることができる。
【００４１】
これと同様な試みとして、後続の液体における粒子の濃縮度は上昇しているか下降しているかの何れであるかの判別に使用することができる。これは管中心近傍から液体を抜き出すか、管壁壁面から抜き出すかの何れかにより達成される。
【００４２】
更に、低振幅螺旋部分に起因する旋回流は、特定の物質を流れから取り出すために用いることができる。これは特に空気採取に重要である。空気採取は空気が必要とされる幾多の状況で用いられており、特に燃焼及び／又は冷却に空気を必要とする乗物において用いられている。ヘリコプター空気採取は特に粉塵分離のために通常必要とされており、粉塵がエンジンへ到達するのを防ぐが、低振幅螺旋形状により生成された旋回流を、分離フィルタを必要とすることなく、空気流から粉塵を分離するように用いることができる。
【００４３】
更に、旋回流は、当該区画の下流の直管へ或る程度の距離をもって連続する低振幅螺旋部分に起因することが判明している。従って低振幅螺旋導管の区画は、構造体（例えばT又はY継手、マニホールド、及び／又は導管断面積の切り替え）の上流へ挿入でき、ここでは低振幅螺旋部分により生成された旋回流が流れの分離、滞留、流れの不安定を抑制するので、ポンピングのコスト及び管の腐蝕や磨耗に対して有益である。屈曲部、継手等における旋回流の特別な利点は、流れの分離を抑制し、圧力損失の減少、堆積及び沈殿の減少、キャビテーションの低減、流れの安定性の増大をもたらすことである。屈曲部の前に位置する低振幅螺旋形状管は、屈曲管内の粒子状物質腐蝕も抑制し、これは特に発電機への燃料供給に関して特に有益である。
【００４４】
当業者には低振幅螺旋形状が幾多の状況において様々な利点を与えることが明白であろう。
【図１】
2008513709.tif 000003
【国際調査報告】
2008513709.tif 000004
2008513709.tif 000005
2008513709.tif 000006
2008513709.tif 000007
2008513709.tif 000008
2008513709.tif 000009