(57)【要約】  シェルアンドチューブタイプの熱交換器用の管束（１０）が支持システムを有し、支持システムが、単純な製造を可能にし、管（１２）の固定支持を提供して、振動および振動に関連する問題を軽減する。管束は、離隔されたケージ（２２）によって支持された管から構成され、ケージ（２２）が支持ロッド（２６）を有し、支持ロッド（２６）は、隣接する管との十分な隙間を提供するようにサイズ設定され、交互位置および交互向きで構成され、それにより、４つの広く離隔されたケージの組が完全な支持ネットワークを形成する。振動を回避するために固定支持を保証するために、支持ステーク（３０）の組が、ケージに隣接して（またはケージの間に）挿入されて、ケージの支持ロッドに対して管を偏倚させる。これにより、製造が簡単になるが、固定支持システムが維持される。【選択図】図１
2011515648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管束デバイスであって、
互いに平行に配置され、長手方向軸を有する管束を画定する管であって、行および列をなして配列され、隣接する行をｘ管レーンが離隔し、隣接する列をｙ管レーンが離隔する管；
バッフル・フレームを含む第１の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、第１の向きに、１つおきの前記ｘ管レーン内に延在する第１の管支持ケージ；
バッフル・フレームを含む第２の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、前記第１の向きに対してある角度をなす第２の向きに、１つおきの前記ｙ管レーン内に延在する第２の管支持ケージ；
バッフル・フレームを含む第３の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、前記第１の向きに、前記第１の管支持ケージに対して１レーンだけずらされて、１つおきの前記ｘ管レーン内に延在する第３の管支持ケージ；
バッフル・フレームを含む第４の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、前記第２の向きに、前記第２の管支持ケージに対して１レーンだけずらされて、１つおきの前記ｙ管レーン内に延在する第４の管支持ケージ；および
前記管束に挿入された少なくとも１組の管支持ステークであって、前記管支持ケージの１つに隣接しているが、それからは離隔されており、隣接する前記管支持ケージの前記管支持部材の少なくともいくつかに対して実質的に平行であり、かつそれとずらされて１つおきのレーン内にある管支持ステーク
を含み、
前記第１、第２、第３および第４の管支持ケージが、前記各ｘ管レーンおよび各ｙ管レーン内に配設された前記管支持部材の格子を共同で画定する組を形成し、
前記管支持部材が、前記ｘ管レーンまたはｙ管レーンの幅の９０〜９８％の間の厚さを有し、そのことにより、前記各管とそれに隣接する前記管支持部材の間に自由空間を画定し、
前記管支持ステークが、隣接する前記管支持部材に対して前記管を偏倚させる
ことを特徴とする管束デバイス。
【請求項２】
前記各管支持ケージが、前記ｘ管レーンまたはｙ管レーンの幅の９５％であることを特徴とする請求項１に記載の管束デバイス。
【請求項３】
前記各管支持ケージが、前記長手方向軸に沿って測定して少なくとも３００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項１に記載の管束デバイス。
【請求項４】
前記各管が、１２〜２２ｍｍの範囲内の直径を有し、前記各管支持ケージが、長手方向軸に沿って測定して５００〜７００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項１に記載の管束デバイス。
【請求項５】
前記各管が、１９ｍｍの直径を有し、前記各管支持ケージが、６００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項４に記載の管束デバイス。
【請求項６】
前記各管が、２３〜４０ｍｍの範囲内の直径を有し、前記各管支持ケージが、１１００〜１３００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項１に記載の管束デバイス。
【請求項７】
前記各管が、２５．４ｍｍの直径を有し、前記各管支持ケージが、１２００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項６に記載の管束デバイス。
【請求項８】
前記各管支持ケージに隣接して配設された１組の前記管支持ステークが存在することを特徴とする請求項１に記載の管束デバイス。
【請求項９】
前記組内の隣接する前記管支持ケージの間に配設された１組の前記管支持ステークが存在することを特徴とする請求項１に記載の管束デバイス。
【請求項１０】
管束デバイスであって、
互いに平行に配置され、長手方向軸を有する管束を画定する管であって、行および列をなして配列され、隣接する行をｘ管レーンが離隔し、隣接する列をｙ管レーンが離隔する管；
バッフル・フレームを含む第１の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、第１の向きに、１つおきの前記ｘ管レーン内に延在する第１の管支持ケージ；
前記管束に挿入された第１の組の管支持ステークであって、前記第１の管支持ケージに隣接しているが、それからは離隔されており、前記管支持部材の少なくともいくつかに対して実質的に平行であり、かつそれとずらされている第１の組の管支持ステーク；
バッフル・フレームを含む第２の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、前記第１の向きに対してある角度をなす第２の向きに、１つおきの前記ｙ管レーン内に延在する第２の管支持ケージ；
前記管束に挿入された第２の組の管支持ステークであって、前記第２の管支持ケージに隣接しているが、それからは離隔されており、前記管支持部材の少なくともいくつかに対して実質的に平行であり、かつそれとずらされている第２の組の管支持ステーク；
バッフル・フレームを含む第３の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、前記第１の向きに、前記第１の管支持ケージに対して１レーンだけずらされて、１つおきの前記ｘ管レーン内に延在する第３の管支持ケージ；
前記管束に挿入された第３の組の管支持ステークであって、前記第３の管支持ケージに隣接しているが、それからは離隔されており、前記管支持部材の少なくともいくつかに対して実質的に平行であり、かつそれとずらされている第３の組の管支持ステーク；
バッフル・フレームを含む第４の管支持ケージであって、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持部材が固定されており、前記管支持部材は、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、前記管支持部材は各々、前記第２の向きに、前記第２の管支持ケージに対して１レーンだけずらされて、１つおきの前記ｙ管レーン内に延在する第４の管支持ケージ；および
前記管束に挿入された第４の組の管支持ステークであって、前記第４の管支持ケージに隣接しているが、それからは離隔されており、前記管支持部材の少なくともいくつかに対して実質的に平行であり、かつそれとずらされている第４の組の管支持ステーク
を含み、
前記第１、第２、第３および第４の管支持ケージが、前記各ｘ管レーンおよび各ｙ管レーン内に配設された前記管支持部材の格子を共同で画定する組を形成し、前記各管支持ケージが、前記長手方向軸に沿って測定して少なくとも３００ｍｍの距離だけ離隔され、
前記管支持ステークが、隣接する前記管支持部材に対して前記管を偏倚させる
ことを特徴とする管束デバイス。
【請求項１１】
前記管支持部材が、前記ｘ管レーンまたはｙ管レーンの幅の９０〜９８％の間の厚さを有し、そのことにより、前記各管とそれに隣接する前記管支持部材の間に自由空間を画定することを特徴とする請求項１０に記載の管束デバイス。
【請求項１２】
前記各管支持ケージが、前記長手方向軸に沿って測定して少なくとも６００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項１０に記載の管束デバイス。
【請求項１３】
前記各管支持ケージが、前記長手方向軸に沿って測定して少なくとも１２００ｍｍの距離だけ離隔されることを特徴とする請求項１０に記載の管束デバイス。
【請求項１４】
前記管支持ステークが、複数の離隔された突出部を有し、前記突出部が、隣接する前記管のための座部を形成することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項１５】
前記離隔された突出部が、離隔された窪みおよび離隔された波形のうちの一方であることを特徴とする請求項１４に記載の管束デバイス。
【請求項１６】
前記管支持ステークが、複数の離隔されたサドルを有し、前記各サドルが、隣接する管のための座部を形成することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項１７】
前記管支持ステークのいくつかが、複数の離隔された窪みを有し、前記管支持ステークのいくつかが、複数の離隔されたサドルを有し、前記窪みおよびサドルが、隣接する前記管のための座部を形成することを特徴とする請求項１６に記載の管束デバイス。
【請求項１８】
前記管支持ステークの少なくともいくつかが、隣接する前記管のための座部を形成する窪みとサドルの組合せを有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項１９】
前記各管支持部材が、平坦なバーであることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項２０】
前記各バッフル・フレームが、中央切欠窓を有するプレートから形成されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項２１】
シェルと、前記管束を支持する前記シェルに接続された管シートを更に備えることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項２２】
前記管束が、入口領域を形成する第１の端部および出口領域を形成する第２の端部を有し、前記管束デバイスが、前記第１の端部と第２の端部のうち一方に隣接する、前記管束内に挿入された少なくとも１つの追加の管支持ステークを更に備えることを特徴とする請求項１〜２１のいずれかに記載の管束デバイス。
【請求項２３】
熱交換用の流体を輸送するための管束を有する熱交換器であって、
互いに平行に配置され、長手方向軸を有する管束を画定する管であって、行および列をなして配列され、隣接する行をｘ管レーンが離隔し、隣接する列をｙ管レーンが離隔する管；
４種の管支持ケージの組であって、各々バッフル・フレームを含み、前記バッフル・フレームに、複数の平行な管支持バーが固定されており、前記管支持バーは、前記長手方向軸に実質的に垂直な平面内にあり、
前記４種の管支持ケージの組は、前記長手方向軸に沿った軸方向に離隔され、そのことにより、前記管支持ケージの組のうちの２つの前記管支持バーが、１つおきの前記ｘ管レーン内で第１の向きに延在し、また前記管支持ケージの組のうちの他の２つの前記管支持バーが、１つおきの前記ｙ管レーン内で、前記第１の向きに対してある角度をなす第２の向きに延在する４種の管支持ケージの組；および
前記管束に挿入された少なくとも１組の管支持ステークであって、前記管支持ケージの１つに隣接しているが、それからは離隔されており、編組構成を有する隣接する前記管支持ケージの前記管支持部材の少なくともいくつかに対して実質的に平行であり、かつそれとずらされており、前記管を支持するための座部を有して形成される管支持ステーク
を含み、
前記４種の管支持ケージの組が、前記各ｘ管レーンおよび各ｙ管レーン内に配設された前記管支持バーの格子を共同で画定し、前記各管支持ケージが、前記組内の別の前記管支持ケージから前記長手方向軸に沿って測定して少なくとも３００ｍｍの距離だけ離隔され、
前記管支持バーが、前記ｘ管レーンまたはｙ管レーンの幅の最大で９８％の厚さを有し、そのことにより、前記各管とそれに隣接する前記管支持バーの間に自由空間を画定し、
前記管支持ステークが、前記管を前記座部で支持し、隣接する前記管支持バーに対して前記管を偏倚させる
ことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、原子炉、電気加熱器、または管若しくは他の要素を通る流体の流れを有する平行な円筒形状の任意の集合体などのデバイスにおける、熱交換器、凝縮器、および管若しくはロッド状要素の集合体を有する同様の流体取扱い機器などの管束デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
シェルアンドチューブ熱交換器などの管束機器、およびフローダンパや整流器など流体取扱いデバイスの同様のアイテムは、機器を通して流体を伝達するために束状に組織された管を利用する。そのような管束では、典型的には、管の内部を通る流体流れと、管の外部にわたる流体流れとが存在する。束内の管の構成は、管が設置される管板によって定められる。管に関する１つの一般的な構成は、互いに直交して整列された、各対または列の間の管レーン（管間の直線経路）を有する整列された列として設置された管を有する長方形または正方形構成である。この構成では、各管は、管束の周縁以外では８つの他の管に隣接し、その列を隣接する２つの列から分離する管レーンを挟んで、対応する管に直接対向する。三角形管構成では、各管が６つの他の管（同じ列内の２つの隣接する管と、２つの隣接する列内の４つの管）に隣接するように、１つおきの列にある管が互いに整列される。
【０００３】
機器サイズを減少することによって資本コストを減少するために、または生産性因子を増加するために、しばしば、既存の交換器のスループットの増加が望まれる。交換器でのレートの増加を評価するときに関連する一般的な制限因子は、管の流れ誘発振動損傷の可能性である。管の周りの流体流れパターンは、管束内で、組織された振動性質またはランダムな振動性質の流れ誘発振動をもたらすことがある。
【０００４】
管と周囲の流体との間で熱伝達が行われる熱交換器などのデバイスの場合には、流体が管の周りを循環して流れるときに、流体の温度および密度の変化により、振動の可能性が高まることがある。これらの振動が何らかの臨界振幅に達する場合、束の損壊が生じることがある。管振動問題は、熱交換機器が元の管とは異なる材料で作製された管に交換される場合、例えば比較的剛性の材料が、より軽量の管で置き換えられる場合に悪化することがある。また、機器がより厳しい動作要件を課されるときに、例えば、他の既存の機器が最新のものにされ、以前には満足のいくものであった熱交換器が、新たな条件下では流れ誘発振動を受けるときに、流れ誘発振動が生じることもある。熱交換器が流れの中に依然としてあり、しかし熱伝達が生じない特定の条件下で、更には、熱伝達を伴う、または伴わない、流れの中にロッドまたはロッド状要素の集合体を有する他の管束デバイスにおいて、振動が生じることさえありうる。
【０００５】
振動損壊は、稼動中のプラントにおけるほとんどの状況に関して多大なコストを伴う事態である。熱交換器は数千の管を有することがあるが、ただ１つの管の故障が、プロセス・ユニットを停止させることがあり、それによりかなりの経済的な損失をもたらす。従って、振動を低減するまたはなくすことが、非常に望ましい目標である。振動の可能性を最小にする別の利点は、ガス圧縮機の動力消費を大幅に減少させることができ、エネルギーコストが大幅に節約されるので、ガス圧縮機を備える回路内で軸方向のシェル側の流れの使用を可能にすることである。
【０００６】
いくつかの様々な機器設計が、管振動の問題に対処するために改良されている。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、管を支持するため、および振動に対して管を固定するためにロッド・バッフルを利用するシェルアンドチューブタイプの熱交換器である。更に、ロッド・バッフルを使用して、シェル側の流れの不均一な分布を減少し、より均一なシェル側の流れを生み出すことができる。用語「ロッド・バッフル」は、ケージ状管支持構造を形成するために複数の支持ロッドの端部が内部で接続された、管束の長さに沿って約１５ｃｍごとに配置された管状リングを意味する。
【０００７】
しかし、ロッド・バッフル交換器は、従来のシェルアンドチューブ交換器よりも約２０〜４０％高価になる傾向がある。更に、この種の管束デバイスが流れ誘発振動により故障する状況が生じている。ロッド・バッフルに関わる重要な問題は、ロッド間に管を装填するのが難しいことである。固定支持を提供して振動を最小限にするために、ロッドの間隔は管の直径に非常に近くされる。いくつかの構成では、ロッドの直径は、管間のレーンのサイズとほぼ同じである。これにより、非常に慎重に管をケージに通すことが必要となり、設置に関わる難しさおよび時間を大幅に増す。ロッド・バッフル熱交換器は、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。
【０００８】
特許文献３で説明されているように、表面凝縮器およびパワー・プラント用途など、ロッド・バッフル設計の特定の用途において、シェル側圧力損失を最小限にして長手方向の流れから利益を得ることができる。シェル側圧力損失の減少は、ロッド・バッフル間隔を増大し、それによりロッド・バッフルの数を減少することによって達成されることがあり、または、管ピッチ寸法、即ち、管の中心から測定される隣接する２つの管列の間の距離を増加することによって管の数を減少することによって達成されることがある。バッフル間隔の増大は、流れ誘発管振動発生の可能性を高めるので、バッフル間隔を増大することは、通常は魅力的な選択肢でない。管ピッチ寸法を大きくすることによって管の数を減少させることは、ロッド・バッフル間での長手方向の流れに関してシェル側圧力損失を減少させるが、大きな支持ロッド直径を必要として、ロッド・バッフル圧力損失の増加をもたらし、これは、管の数を減少させることで得られた長手方向の流れのシェル側圧力損失の減少をすべて相殺してしまうことがある。これはまた、指定された管の数に関してシェル直径が増加することにより、交換器をより高価なものにする。特許文献３に記載されるロッド・バッフル設計は、ロッド・バッフル構成の圧力降下問題に対処する試みである。長手方向の流れのシェル側圧力損失の大幅な増加を回避するように意図された設計の別の例が、特許文献４に記載されている。
【０００９】
代替設計は、「エッグクレート（Ｅｇｇｃｒａｔｅ）」および「スクウェアワン（Ｓｑｕａｒｅ  Ｏｎｅ）」設計である。しかし、これらは、ロッド・バッフル設計よりも更に高価になる可能性があり、しかも、管故障を引き起こす可能性がある管チャタリングをなくさない。チャタリングは、支持機構と管外径の間の間隙により、管が管支持機構にぶつかる動きである。間隙は、束が構成されるときにエッグクレートまたはスクウェアワン支持機構を通して管を挿入することができるようにするために必要とされる。従って、経済面および動作面から、ロッド・バッフル設計がより有望な出発点である。
【００１０】
良好な機器設計に加えて、管振動を低減するために他の手段が取られることもある。管支持デバイス、またはこれらの支持デバイスとして一般に知られている（本明細書で言及される）管ステークが、流れ誘発振動を制御するため、および管の過剰な移動を防止するために管束内に設置されることがある。いくつかの管支持機構または管ステークが提案され、市販されている。例えば、Ｗｉｌｌｉａｍｓに付与された特許文献５、Ｈａｈｎに付与された特許文献６、Ｈａｈｎに付与された特許文献７、Ｈａｈｎに付与された特許文献８が、振動を低減するために管束内に挿入することができる様々なタイプの管ステークまたは管支持機構を記載している。改良された管ステークが、どちらもＷａｎｎｉらに付与された特許文献９および特許文献１０に示され、それらの内容を参照により本明細書に援用する。
【００１１】
ロッド・バッフル・タイプの従来の熱交換器よりも効果的であり、確実であり、製造が容易であり、かつ安価であると考えられる管束デバイスが開発されており、特許文献１１および特許文献１２に開示されており、それらの内容を参照により本明細書に援用する。そのデバイスでは、ロッド・バッフルと同様の管支持ケージが、管の長さに沿ってより離れた位置で、例えば５０〜２００ｃｍごとに離して、大抵の場合には約６０〜１５０ｃｍごとに離して配置され、それにより、そのような管束の製造は、ロッド・バッフル支持機構が典型的には約１５ｃｍ以下だけ離して配置される従来のロッド・バッフル・デバイスに比べてはるかに簡単に、かつ安価になる。ロッド・バッフル設計においてケージが１つおきの管レーン内に提供されるのとは対照的に、管は、ケージ位置で各管レーン内にあるロッドまたは平坦なバーによって支持される。管束は、好ましくはケージ間の管範囲の中点で、管支持ケージ間に管ステークを挿入することによって補強される。このシステムは効果的であるが、振動緩和を依然として保証しながら単純な製造法で製造することができる代替の設計を提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，３４２，３６０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３８８，６３８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５５３，６６５号明細書
【特許文献４】米国特許第５，６４２，７７８号明細書
【特許文献５】米国特許第４，６４８，４４２号明細書
【特許文献６】米国特許第４，９１９，１９９号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２１３，１５５号明細書
【特許文献８】米国特許第６，４０１，８０３号明細書
【特許文献９】米国特許第７，０３２，６５５号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００５／０２７９４８７号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，０７３，５７５号明細書
【特許文献１２】米国特許第７，２１９，７１８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のいくつかの態様は、互いに平行に配置され、長手方向軸を有する管束を画定する管であって、隣接する行を離隔するｘ管レーンおよび隣接する列を離隔するｙ管レーンを有して行列として配列された管を備える管束デバイスを対象とする。管束デバイスは、バッフル・フレームを備える第１の管支持ケージであって、１つおきのｘ管レーン内で第１の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定された、第１の管支持ケージと、バッフル・フレームを備える第２の管支持ケージであって、１つおきのｙ管レーン内で第１の向きに対してある角度で第２の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定された、第２の管支持ケージと、バッフル・フレームを備える第３の管支持ケージであって、第１の管支持ケージから１レーンだけずらされた１つおきのｘ管レーン内で第１の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定された、第３の管支持ケージと、バッフル・フレームを備える第４の管支持ケージであって、第２の管支持ケージから１レーンだけずらされた１つおきのｙ管レーン内で第２の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定された、第４の管支持ケージとを備える。少なくとも１組の管支持ステークが、隣接する管支持ケージの管支持部材の少なくともいくつかに実質的に平行に、かつそれらと交互のレーンにずらして、管支持ケージの１つに隣接して、かつそれから離隔されて管束内に挿入される。第１、第２、第３、および第４の管支持ケージが、各ｘ管レーンおよび各ｙ管レーン内に配設された管支持部材の格子を共同で画定する組を形成する。管支持部材が、ｘ管レーンまたはｙ管レーンの幅の８０〜９８％の間の厚さを有し、それにより、各管と隣接する管支持部材との間に自由空間を画定する。管支持ステークが、隣接する管支持部材に対して管を偏倚させる。
【００１４】
１組の管支持ステークは、各管支持ケージに隣接して配設することができる。１組の管支持ステークは、組内の隣接する管支持ケージ間に配設することができる。
【００１５】
また、本発明のいくつかの態様は、互いに平行に配置され、長手方向軸を有する管束を画定する管であって、隣接する行を離隔するｘ管レーンおよび隣接する列を離隔するｙ管レーンを有して行列として配列された管を含む管束デバイスを対象とする。デバイスは、バッフル・フレームを備える第１の管支持ケージであって、１つおきのｘ管レーン内で第１の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定された、第１の管支持ケージと、管支持部材の少なくともいくつかに実質的に平行に、かつそれらからずらして、第１の管支持ケージに隣接して、かつ第１の管支持ケージから離隔されて管束内に挿入される第１の組の管支持ステークとを更に備える。第２の管支持ケージが、バッフル・フレームを備え、１つおきのｙ管レーン内で第１の向きに対してある角度で第２の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定され、第２の組の管支持ステークが、管支持部材の少なくともいくつかに実質的に平行に、かつそれらからずらして、第２の管支持ケージに隣接して、かつそれから離隔されて管束内に挿入される。第３の管支持ケージが、バッフル・フレームを備え、第１の管支持ケージから１レーンだけずらされた１つおきのｘ管レーン内で第１の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定され、第３の組の管支持ステークが、管支持部材の少なくともいくつかに実質的に平行に、かつそれらからずらして、第３の管支持ケージに隣接して、かつそれから離隔されて管束内に挿入される。第４の管支持ケージが、バッフル・フレームを備え、第２の管支持ケージから１レーンだけずらされた１つおきのｙ管レーン内で第２の向きにそれぞれ延在する複数の平行な管支持部材が、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定され、第４の組の管支持ステークが、管支持部材の少なくともいくつかに実質的に平行に、かつそれらからずらして、第４の管支持ケージに隣接して、かつそれから離隔されて管束内に挿入される。第１、第２、第３、および第４の管支持ケージが、各ｘ管レーンおよび各ｙ管レーン内に配設された管支持部材の格子を共同で画定する組を形成する。各管支持ケージが、長手方向軸に沿って測定して少なくとも３００ｍｍの距離だけ離隔される。管支持ステークが、隣接する管支持部材に対して管を偏倚させ、それにより、流れ誘発振動の可能性に耐えるように管を補強する。
【００１６】
追加の管支持ステークが、管束の入口および出口に隣接して設けられることがあり、これらの領域において管のための追加の支持を提供する。管支持ステークは、複数の離隔された窪みおよび波形を有することができる。
【００１７】
更に、本発明は、熱交換用の流体を輸送するための管束を有する熱交換器であって、互いに平行に配置され、長手方向軸を有する管束を画定する管であって、隣接する行を離隔するｘ管レーンおよび隣接する列を離隔するｙ管レーンを有して行列として配列された管を有する熱交換器を対象とする。管束は、１組の４つの管支持ケージを含む。各管支持ケージが、バッフル・フレームを備え、複数の平行な管支持バーが、長手方向軸に実質的に垂直な平面内でバッフル・フレームに固定される。１組の４つの管支持ケージが、長手方向軸に沿って軸方向で離隔され、２つの管支持ケージの管支持バーが、交互のｘ管レーン内で第１の向きに延在し、他の２つの管支持ケージの管支持バーが、交互のｙ管レーン内で第１の向きに対してある角度で第２の向きに延在する。少なくとも１組の管支持ステークが、編組構成内で隣接する管支持ケージの管支持部材の少なくともいくつかに実質的に平行に、かつそれらからずらして、管支持ケージの少なくとも１つに隣接して、かつそれから離隔されて管束内に挿入される。管支持ステークは、管を支持するために座部を有して形成される。１組の４つの管支持ケージが、各ｘ管レーンおよび各ｙ管レーン内に配設された管支持バーの格子を共同で画定し、各管支持ケージが、組内の別の管支持ケージから長手方向軸に沿って測定して少なくとも３００ｍｍの距離だけ離隔される。管支持バーが、ｘ管レーンまたはｙ管レーンの幅の最大で９８％の厚さを有し、それにより、各管と隣接する管支持バーとの間に自由空間を画定する。管支持ステークが、管を座部で支持し、隣接する管支持バーに対して管を偏倚させる。
【００１８】
本発明のこれらおよび他の態様は、特に図面と共に以下の詳細な説明に鑑みれば明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】管支持ケージおよび管ステークの拡大された詳細を示す、本発明による管支持ケージおよび管ステークによって支持された管を有する管束の簡略概略図である。
【図２】図１の管束と共に使用する管ステークの拡大図である。
【図３】図１の管束と共に使用する別の管ステークの拡大図である。
【図４】従来のロッド・バッフル束の側面斜視図である。
【図５】管束の端部に追加の管ステークを有する図１の管束の変形形態の簡略概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面中の同様の要素には、同じ参照符号を付す。
【００２１】
本明細書および特許請求の範囲において、用語「垂直」および「水平」は、管支持ケージの要素およびステークの向きに関して相対的な意味合いで使用され、即ち、互いに関する、かつデバイスの軸に関する支持ケージ要素またはステークの相対向きを表す。従って、「垂直」の向きという表現は、向きが、指定された「水平」の向きに直交することを意味し、向きが真に垂直または真に水平であることは示唆しない。これは、熱交換器自体の軸が垂直または水平であり、従ってすべての支持ケージおよびステークが真に水平であるときに特に当てはまる。即ち、管支持ケージの要素およびステークの向きに関する「垂直」および「水平」という表現は、管束デバイスの長手方向軸がそれ自体、真に水平であり、指定された向きは互いに関するものであり、真のものではないという仮定の下で成される。例えば、真に水平の長手方向軸を有する熱交換器では、管支持ケージの要素は、真の水平／垂直に対して４５°の角度でよいが、それでも互いに関しては「垂直」および「水平」である。垂直な長手方向軸を有する熱交換器では、すべての管支持ケージのすべての要素が真に水平であるが、それにも関わらず、長手方向軸の周りでの互いに関するそれらの向きが直交する場合には「垂直」および「水平」とみなされる。
【００２２】
本発明を、シェルアンドチューブタイプの熱交換器を参照して説明する。この熱交換器では、熱交換器管の束が、シェル内部で管シートの間に固定され、液体が、熱交換を行うために管内および管の周りを通される。このタイプの管束は、説明するように熱交換器において、或いは凝縮器、核燃料ロッド・デバイス、または流体が流れる平行な管の任意の他のタイプの秩序立った構成において使用することができる。便宜上、簡潔にするために、本発明を熱交換器としてのデバイスを参照して説明するが、他の管（またはロッド）束デバイスも本発明の原理に従って構成されることがある。管束は、周りを取り囲むシェル内に従来の様式で装着され、例えば交換器が小さな温度差しか有さずに動作する場合には２つの固定された管シートを有し、またはより一般的には１つの静止管シートと１つの浮動管シートを有し、或いはＵ字形管束がただ１つの（静止）管シートを有する。
【００２３】
図４は、ロッド・バッフル支持システムを使用する従来の熱交換管束１００を示す。知られているように、束１００は、複数の細長い熱交換器管１０２から構成され、熱交換器管１０２は、平行に配設されて、各端部で管シート１０４によって固定される。管１０２は、管レーンによって互いに離隔される。熱交換器管１０２の長さに沿って、約１５０ｍｍごとに複数のロッド・バッフル１０６が配設される。各ロッド・バッフル１０６は、環状リング１０８として形成され、環状リング１０８は、リング１０８を横切って延在する支持ロッド１１０の端部を支持する。図示のように、支持ロッド１１０は、管１０２の間のレーン内で束を横切って延在する。この構成により、束を通る液体の流れによって誘発される振動を低減させることができる。このシステムでは、各支持ロッド１１０のサイズ公差を慎重に設計しなければならない。管１０２を密接させて支持するためには、バッフル１０６を通して管１０２を定位置に装填するために小さな隙間しか提供されず、これにより、装填が難しくなり、製造コストが高くなる。しかし、より簡単な管装填を提供するためにロッド１１０を小さくすると、束は、特にシェル入口および出口で振動損壊を回避することができなくなる。
【００２４】
図１は、これらの問題に対処するように設計された管束１０を示す。以下に説明するように、管束１０は、より大きなスループットに対応するように、かつ既存の交換器よりも小さくなるように設計される。これらの条件は、管束内での速度をより速くし、振動が発生しやすくなることがある。
【００２５】
管束１０は、いくつかの平行な管１２を長方形配置で備え、即ち、管１２の行１４と管１２の列１５が２方向に延在し、ｘ管レーンおよびｙ管レーン１６が、それぞれ管行１４および管列１５の間に画定される。図面から分かるように、簡潔にするために、いくつかの行、列、およびレーンのみに符号が付されているが、これらの参照符号は、それぞれ各行、列、およびレーンを表すものと意図されていることを理解すべきである。管１２は、従来の様式で、管束の各端部で管シート１８、２０に接続される。これらの管シート１８、２０は、交換器のシェル内に設置される。当然、例えば三角形配置を含めた、束１０内部での管１２の他の配置も可能である。それに従って、管支持部材２６に適合するように、レーン空間１６を調節する必要がある。
【００２６】
管１２は、管１２の長さに沿って間を置いて配設された管支持ケージ２２によって支持される。管支持ケージ２２は、４つの異なるタイプのものであり、これらのタイプが束にわたって繰り返し配設され、図面では符号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤで表される。各管支持ケージ２２は、中央切欠窓を有するリング２４またはプレート・バッフルから形成される。複数の管支持部材またはロッド２６が、中央開放領域を横切って延在し、それらの端部でリング２４に固定される。より効率良く、より安価に組み立てられるように、ケージ２２を予め製造しておくことができる。
【００２７】
ロッド２６は、任意の形状でよいが、好ましくはバッフルに溶接された平坦なバーの形状である。当然、ロッド２６は、円形、長方形、または正方形断面を含めた任意の形状でよく、本明細書では、それらの断面形状に関わらず、簡便および簡明のために「ロッド」と呼ぶ。ロッド２６は、リング２４の側部に（リング２４の壁厚さにわたって）直接溶接されることがあり、または、より複雑な構造では、ドリルによって形成された、ロッドの断面に合うように適切に形作られた環状リング２４の凹部またはアパーチャ内に受け取られ、ロッドは、溶接、ろう付け、または他の固定手段によって凹部またはアパーチャ内に固定される。
【００２８】
ロッド２６の厚さは、管レーン１６に比べて小さいことが好ましい。管１２を挿入するためにロッド２６の周りに十分な隙間を提供するために、ロッドの厚さは、レーンの幅の９８％、好ましくは９０％〜９８％の範囲内にすることができる。平坦なバーとして構成されるロッド２６の場合、この厚さは、バーの幅を意味する。例えば、ロッド２６は、管レーン１６の約９５％の幅でよい。特に、２つの隣接する管の間隔として測定した管レーンが６．３５ｍｍである場合、ロッドは、６．０〜６．２ｍｍの厚さにされる。これにより、予め製造されているケージ２２内に管１２を容易に挿入することができるようになり、これは、束装填をかなり簡単な作業にする。大きな直径の束では、小さなロッドは流れによって撓められることがあり、このため、より大きな弾性、その結果としてより大きな軸方向強度を有するように、ロッド２６として平坦なバーを使用することが望ましいことがある。また、主要なバーを補強するためにいくつかのクロスバーを使用することも想定されている。しかし、ロッド２６による支持が全くなくても、支持システム全体の効果は低減しない。なぜなら、以下に説明するように、管束内に挿入される管ステークによって追加の支持が提供されるからである。
【００２９】
上述したように、ケージ２２の４つの異なる構成が存在する。４つのタイプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを図１に示し、図の下側に左から右に並んでいる。異なる構成は、束１０内に設置されるときのケージ２２の向きに関係する。本明細書で使用する用語「水平」および「垂直」は、隣接する要素同士の相対位置を示すために説明的に使用する。従って、要素同士の相対向きは変えずに、アセンブリ全体を回転させる、従って向きを変えることができることを理解すべきである。
【００３０】
図示のように、第１のタイプＡは、水平に配設されたロッド２６を有し、これらのロッド２６は、リング２４の下部から始まり、１つおきの水平な行１４の間にあるｘ管レーン１６内に配設されるように離隔される。第２のタイプＢは、垂直に配設されたロッド２６を有し、これらのロッド２６は、リング２４の左部から始まり、１つおきの垂直な列１５の間にあるｙ管レーン１６内に配設されるように離隔される。第３のタイプＣは、水平に配設されたロッド２６を有し、これらのロッド２６は、リング２４の上部から始まり、１つおきの水平な行１４の間にあるｘ管レーン１６内に配設されるように離隔される。第４のタイプＤは、垂直に配設されたロッド２６を有し、これらのロッド２６は、リング２４の右部から始まり、１つおきの垂直な列１５の間にあるｙ管レーン１６内に配設されるように離隔される。従って、各ケージ２２は、ただ１つの方向に向けられたロッド２６を有する。これにより、タイプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つのケージ２２の各組が、管１２の各行１４および各列１５の間にあるあらゆるレーン１６内にロッド２６を提供し、束を完全に支持する。
【００３１】
各管支持ケージ２２は、束１０の長さに沿って間を置いて位置決めされる。この構成では、間隔が従来の支持ケージよりも広く、例えばケージ２２間で少なくとも３００ｍｍである。間隔は、ケージ２２間で６００ｍｍ（直径１９．０５ｍｍの管に関して）および１２００ｍｍ（直径２５．４ｍｍの管に関して）にすることができる。望まれる場合には、支持ケージ／ステーク間の距離は、交換器の中央部分では広げることができる。なぜなら、束１０の中央部分での軸方向速度は管に平行であり、従って振動を生じる可能性が低いからである。ケージ２２は、例えば図４で見られるように、タイ・バーまたはタイ・ロッド１１２によって互いに固定される。
【００３２】
ロッド２６の大きさの減少、より少ないケージ２２の使用、およびロッド２６の１つおきの構成により、ケージ２２を通る管１２の装填を簡単に達成することができる。管１２が装填された後、管支持ステーク３０の挿入によって追加の振動防止支持が提供されて、束として配設された管１２を補強する。
【００３３】
図１の上側の並びを参照すると、振動防止（ＡＶ）管支持ステーク３０の４つの異なる構成が、ＡＶ−Ａ、ＡＶ−Ｂ、ＡＶ−Ｃ、およびＡＶ−Ｄとして左から右に示されている。各位置での管支持ステーク３０は、同じ方向に配設され、１つおきの行または列の間にあるレーン内に配設される。構成ＡＶ−Ａは、２つの管支持ステーク３０を利用し、これらのステーク３０は、どちらも水平に配設され、隣接するケージ２２のロッド２６が位置決めされたレーン１６からずれた２つの隣接する行１４の間にあるレーン１６内に配設される。これは、図１でＡケージ２２の構成をＡＶ−Ａステーク構成と比較することによって理解することができる。
【００３４】
同様に、構成ＡＶ−Ａは、２つの管支持ステーク３０を利用し、これらのステーク３０は、列１５の間にあるレーン１６内に垂直に配設され、束の左部から始まる。構成ＡＶ−Ｂは、２つの管支持ステーク３０を利用し、これらのステーク３０は、行１４の間にあるレーン１６内に水平に配設され、束の上部から始まる。構成ＡＶ−Ｄは、２つの管支持ステーク３０を利用し、これらのステーク３０は、列１５の間にあるレーン１６内に垂直に配設され、束の右部から始まる。ケージ２２と同様に、この構成によって、４つの構成の各組が、それぞれ行１４および列１５の間にあるあらゆるｘ管レーンおよびｙ管レーン１６内に管支持ステーク３０を提供する。当然、束がより多くの管１２から構成される場合には、より多くのロッド２６およびより多くの管支持ステーク３０が各位置で使用される。ロッド２６と、対応する管支持ステーク３０とが交互のレーン１６内に配設される限り、各行１４および各列１５が完全に支持される。例えば円周方向に巻かれた編組ケーブルおよび／またはクランプによって、すべての管支持ステーク３０が各位置で結合されることがある。
【００３５】
図１で見られるように、ケージ２２と管支持ステーク３０の位置も交互である。各隣接するケージ２２のタイプおよび管支持ステーク３０の構成は、同様に方向付けられる。例えば、ケージ・タイプＡは、水平に向けられたロッド２６を有し、これらのロッド２６は、構成ＡＶ−Ａの水平に向けられた管支持ステーク３０と交互のレーン内に配設される。これは、各隣接する対応付けられた対、即ちＢとＡＶ−Ｂ、ＣとＡＶ−Ｃ、ＤとＡＶ−Ｄにも当てはまる。
【００３６】
長方形の管配列では、支持ロッド２６の１つおきの垂直／水平配設により、各組での管支持ステーク３０が、隣接するケージ２２の一方の支持ロッド２６と平行になり、従って管１２は、支持ステーク３０によって、それらと平行である支持ロッド２６に対して堅く保持される。三角形の管配列では、所与の位置での支持ステーク３０の向きが、隣接するケージ２２の一方の支持ロッド２６と平行であり、そのケージ２２のロッド２６に対して管を堅く保持することが好ましい。当然、三角形配列では、管の間隔がわずかに広くなり、ケージおよびステークの交互の向きは、９０度でない角度でよい。従って、各組でのロッドおよびステークによって成される形状は、正方形ではなく菱形になることがある。
【００３７】
交互の構成は、より自由な流体の流れが束を通ることができるようにする点で利点がある。管支持ステーク３０と隣接するケージ２２の支持ロッド２６との平行な位置合わせ、およびずらした構成は、あらゆる管１２を支持ロッド２６またはステーク３０に対して付勢する効果を有し、最終的な束に、良好な動作のために束が必要とする剛性を与える。管束内への管支持ステーク３０の挿入は、支持ステーク３０の表面から離れるように管１２を押し、管１２をロッド２６に向けて偏倚させる。この効果は、編みかご（ｗｏｖｅｎ  ｂａｓｋｅｔ）と同様である。このようにすると、管１２がわずかに（最大で２ｍｍ）偏位され、管支持ステーク位置のみならず管支持ケージ位置でも管支持が提供される。
【００３８】
管支持ステーク３０がケージ２２間のあらゆる範囲で必要とされるわけではないので、２組のケージ間の束の長手方向中心には支持ステークが設けられないことに留意されたい。これは、特に、入口ノズルと出口ノズルの間の１つまたは複数の中央領域付近で当てはまる。なぜなら、シェル流れは、大部分は軸方向であり、振動損壊を引き起こす傾向が非常に小さいからである。特定の束構成および振動の分析によっては、他の位置でも管支持ステーク３０をなくすことができる。特定の設計は、用途に特有のものとなる。
【００３９】
本発明の一変形形態が図５に例示される。この変形形態では、管束５０は、ＡＶ−Ａ’およびＡＶ−ＡＤ’に配置された追加の管支持ステーク３０を含み、束の入口領域および出口領域で管の追加の束補強を提供して、束の管すべてが良好に支持されることを保証する。管束がＵ字湾曲形状である（即ち、入口領域と出口領域が束の同じ側にある）場合、追加の管支持ステークは、１つの位置（即ちＡＶ−Ａ’またはＡＶ−ＡＤ’）にだけ提供すればよいことが想定されている。
【００４０】
管支持ステーク３０は、ケージの支持ロッドに対して管を堅く保持するために管束内への挿入時に管の離隔距離を増加させるように寸法設定されているという条件で、任意の構成を有することができる。従って、例えばＷｉｌｌｉａｍｓに付与された特許文献５、Ｈａｈｎに付与された特許文献６、Ｈａｈｎに付与された特許文献７、Ｈａｈｎに付与された特許文献８に記載される管ステークを、それらの寸法がこの目的に申し分のないものであるという条件で使用することができる。しかし、好ましい管ステークのタイプは、Ｗａｎｎｉらに付与された特許文献９に示されるタイプのものであり、窪み管支持機構と呼ばれるこれらの好ましい管ステークの説明に関してこの特許を参照する。同様に使用することができる管ステークの別の好ましい形態は、特許文献１０に記載されており、サドル管支持機構と呼ばれるこれらの好ましい管ステークの説明に関してこの特許出願を参照する。これらのタイプの組合せを使用することもできる。これらのタイプの支持機構の完全な詳細は、本明細書に援用する上記の特許および特許出願に開示されており、また、やはり参照により本明細書に援用する特許文献１１にもこのタイプの支持構成が開示されている。
【００４１】
図２を参照すると、窪み管支持ステーク４０が、管１２の間のレーン内に配設されて示されている。窪み管支持ステーク４０は、各隣接する管１２ごとに座部を形成するように離隔された一連の隆起部分、波形、または窪み４４を有する細長い本体を有するステークまたはストリップ４２として形成される。図３は、剛性の材料からなる２つのシート５４から形成されたステーク５２として形成されたサドル管支持機構５０を示し、各シート５４が、丸みを付けられた中央カップ５８を有する対向した隆起区域５６または波形を有し、中央カップ５８が、各隣接する管１２ごとに座部を形成する。当然、座部を形成する異なる構成および方法も可能である。これらの構成は、簡単な挿入を可能にするとともに、管を定位置に確実に係止する。また、それらの構成の製造は経済的である。
【００４２】
これらのタイプの管支持機構またはステークでは、管に面する波形が、管をわずかに偏位させるように働いて管のための弾性支持を提供し、それと同時に支持ステークを束内に容易に挿入できるようにする。各管支持ステークは、その外縁部に窪みを有し、窪みは、同様に管をわずかに偏位させるが、最も外側の管に対してより確実に係止して、取扱い中または動作中の管支持ステークの望ましくない変位の可能性を最小限に抑える。本発明は、窪みおよび／または波形を有する管支持機構に関連して使用することを意図されていない。管をロッドに対して押し付けるまたは偏倚させるために、他の支持デバイスを管レーンの内部で使用することもできることが想定されている。
【００４３】
望まれる場合には、シェル側流体の長手方向迂回を防ぐために、バイパス・シュラウドを管束１０の上下に設けることができる。これらのシュラウドは公知であり、最も外側の管に当接する平坦な面と、各端部にある周縁フランジとを有して形成される。フランジは、交換器シェルの内径に一致する直径の円の弦であり、従って、管束がシェル内に挿入されるとき、フランジは、シェルの内部に密接に適合して、シュラウド領域内へのシェル側流体の浸入を妨げる。シュラウドは標準的な長さで形成することができ、シェル入口および出口への流れが必要とされる入口端部および出口端部以外のすべての領域で管を覆って延在するように、シュラウドのいくつかをフランジを介してボルトで固定する（または他の方法で端部同士を締結する）ことができる。シュラウドは、適切な剛性を得られるように、例えば、間に管支持ケージを挟んでフランジを一緒にボルトで締結することによって、管支持ケージに固定される。
【００４４】
三角形の管配列では、管支持ケージおよび管支持ステークの組を同様に配設することができるが、この場合、各連続する軸方向位置にあるケージ内の支持ロッドの位置合わせが６０°の倍数だけ回転され、それにより、４番目の位置で最初の位置合わせに戻り（即ち、支持ロッドは、０°、６０°、１２０°などで連続的に位置合わせされる）、ステークも同様の位置合わせパターンで挿入される。管支持ステークが、隣接する支持ケージの支持ロッドと平行に挿入されることが望ましいと仮定すると、典型的な挿入モードは、ケージ支持ロッドおよび管支持ステークの相対角度位置が第１のケージに関して０°、６０°、１２０°の角度変位で示されるものである。三角形の管配列では、ケージ支持ロッドを収容するために、管１２の間隔が従来の配列よりもわずかに広げられることがある。
【００４５】
組立て中、管１２は、ケージ２２を通して挿入され、かつ一方または両方の管シート１８、２０に挿入される。１つの管シートに受け入れられるＵ字管を有する管束の場合、管１２の自由端にケージ２２が置かれ、次いで管１２がただ１つの管シートに固定される。２つの管シートを有する束の場合、管１２は通常、ケージ２２を通して、一方または両方の管シート内に進められ、その後、交換器設計に従って、例えば溶接によって、または拡径継手を用いて管シートの一方または両方に固定される。
【００４６】
上記の説明では、ピッチおよび管寸法が一定である配列を説明したが、本明細書で開示されるアセンブリを、変化するピッチまたは変化する管寸法を有する管の行に対して機能するように構成することもできることを当業者には理解されたい。例えば、管支持機構の座部の間隔または曲率を簡単に修正することができる。更に、本明細書における構成に様々な変更および修正を施すことができ、それらが添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内にあることが、当業者には理解される。
【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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【国際調査報告】
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