JP2002048489A - 管と管板とのシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝熱管の外周を確実にシールすることができ
るシール構造を提供する。 【解決手段】 断熱材４０の外面に沿って管板４２が配
置されている。該孔４４，４６に伝熱管４８の端部近傍
が挿通され、保持環５０、押圧環６０、シール材７０、
ボルト８０等によって管板４２に固定されると共に伝熱
管４８の外周がシールされている。押圧環６０の挿入部
６４を保持環５０の直筒面５２内に挿入させると共に、
ボルト８０を開口６６に通し、次いでナット８２をボル
ト８０に締め込むことにより押圧環６０がシール材７０
を強く押圧する。そして、シール材７０がテーパ面５４
から反力を受けることにより該シール材７０が伝熱管４
８の外周面に強く密着し、伝熱管４８の外周が気密にシ
ールされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器などにお
ける管と管板とのシール構造に関するものである。詳し
くは、本発明は、各種燃焼排ガスの排熱回収を行うセラ
ミックス熱交換器のセラミックス製伝熱管とそれを支持
する管板とのシール構造に適用するのに好適なシール構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種燃焼排ガスから排熱回収を行うため
に従来から多く用いられているものにシェルアンドチュ
ーブ型の熱交換器がある。これは高温の燃焼ガスなどの
加熱ガスが流れる缶体内に被加熱ガスの流れる伝熱管が
複数本設置されている構造を有している。この伝熱管の
材質としてはステンレス鋼管が多く用いられるが、ガス
組成によって非常に腐食性の高い場合、あるいはガス温
度が８００℃を超える高温の場合は伝熱管としてセラミ
ックス管が用いられる。

【０００３】この熱交換器においては、伝熱管と管板と
の熱膨張差に起因する熱的応力を緩和するために、前記
セラミックス管とそれらを支持する管板の間にクリアラ
ンスを設けることが行われているが、このクリアランス
からガスのリークは回避されるべきである。特に、高温
ガス可燃性成分や、有害なガスを含む場合は、このガス
リークは十分確実に防止されるべきである。

【０００４】このセラミックス管とそれらを支持する管
板とのシール構造に関して、特公平１−４４９５４があ
る。同号公報のシール構造は、管板と該管板の挿通孔に
挿通された管とのシール構造において、間隙を有して該
管を囲む環を該管毎に該管板に固設し、該間隙にはサン
ドを充填するとともに、該サンド層の管軸方向両端には
サンド漏出防止手段を設けてなるものである。第５〜７
図は、この特公平１−４４９５４号公報に記載のシール
構造を示す断面図であり、第５図は伝熱管による熱交換
部の断面図、第６図は第５図のＡ部の拡大図、第７図は
別の伝熱管のシール構造を示す拡大図である。

【０００５】第５図に示される通り、熱交換器１は耐火
物などで構築された煙道２を横切って配設されている。
この熱交換器１は複数本のセラミックス製の伝熱管３、
これらを支持する管板４，５、被加熱ガスの入口側ヘッ
ダー６、出口側ヘッダー７を主たる要素として構成され
ている。煙道２と熱交換器１との間には熱交換器１に固
設された係止具８、耐熱性シール材９、押圧具１０が配
設され、押圧具１０で耐熱性シール材９を係止具８の方
向に押圧して、加熱ガスのリークが防止されている。

【０００６】金属製の管板４，５の加熱ガス側にはそれ
ぞれ耐火材１１が内張りされており、さらに被加熱ガス
入口側の管板５の被加熱ガス側には断熱板１２が内張り
されている。一方、被加熱ガス出口側の管板４の被加熱
ガス側は直接、被加熱ガスにさらされている。また、出
口側ヘッダー７にも断熱材１２が内張りされている。

【０００７】第６図に示すシール構造にあっては、管板
４及び耐火材１１に設けられた挿通孔１３、貫通孔１４
に伝熱管３が挿通されている。管板４の被加熱ガス側に
は、内周に雌ネジを有する環１５が固設されており、こ
の環１５は伝熱管３の外側を間隙を有して囲んでいる。
この間隙には耐熱性の無機質のサンド１６が充填されて
いる。サンド１６としては珪藻土、珪砂、シリカ粉、コ
ージライト粉、グラフアイト粉、窒化ホウ素粉などが用
いられる。

【０００８】サンド層の伝熱管軸方向の両端にはアスベ
ストロープ、合成無機繊維ロープなどの可撓性を有する
紐状体１７，１８が介在せしめられて、サンド１６がサ
ンド層から漏出するのを防止している。さら環の雌ネジ
に対応する雄ネジを有する押圧環１９により紐状体１８
を紐状体１７の向きに押圧している。

【０００９】このように、サンド１６は伝熱管３と環１
５との間隙にぴったりと充填されることとなり、この部
位において加熱ガスと被加熱ガスとは気密にシールされ
る。

【００１０】なお、セラミックス製の伝熱管３の内部に
は表面を酸化処理された中実のステンレス鋼製丸棒２０
が伝熱管３とは離隔して同軸に配置されている。この丸
棒２０は、丸棒２０と押圧環１９との間に介在せしめら
れた弾性体２１により所定位置に軸方向、半径方向の相
対変位を許容されつつ保持されている。

【００１１】第７図のシール構造では、第６図における
ねじ締めに代えてフランジ締めが採用されている。即
ち、伝熱管３の外周には短尺のセラミックス製の環状の
ストッパ２２が無機質耐熱性の接着層２３によって接合
されている。挿通孔１３に内接するように環１５が管板
４に固設され、環１５の他端にはフランジ２４が固設さ
れている。押圧環１９の一端にもフランジ２５が固設さ
れ、両フランジ２４，２５をボルト締めすることにより
紐状体１８を紐状体１７に向けて押圧している。伝熱管
３の内部には第６図における丸棒２０に代えて表面を黒
化されたステンレス製の中空管２６が位置せしめられ、
中空管２６は押圧環１９に固定された載置台２７の上に
載置され、かつ、押圧環１９に固定されたガイド２８に
より、許容範囲を越える中空管２６の移動が抑止されて
いる。中空管２６の端面は連通孔２９を除いてふさがれ
ている。管板４の加熱ガス側には可撓性を有する耐熱性
無機繊維製のブランケット３０が内張りされており、同
様のブランケット３１がストッパ２２の周辺にも施され
ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】第５〜７図に示された
特公平１−４４９５４では、管と管板はサンド層を介し
て支持されており、このサンド層により気密シールされ
る。このサンド層はセラミックス製伝熱管３と環１５と
の間に挿入され押圧環１９により押圧され気密に充填さ
れるが、押圧環１９の少しの位置ずれでサンド層に粗密
が出来やすく、これによるガスリークの問題が発生する
可能性がある。また、位置ずれだけでなく押圧環１９と
伝熱管３とのクリアランスの部分のサンド１６は押圧さ
れないが、これもサンド層の粗密の原因となりガスリー
クを生じさせることがある。

【００１３】本発明は、このような問題点を解消し、ガ
スリークを確実に防止することができる管と管板とのシ
ール構造を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項１）の管
と管板とのシール構造は、管板に設けられた挿通孔に管
が挿通され、該管の外周に配置された保持環の内周と該
管の外周との間にシール材が充填され、該保持環の一端
側から保持環内に挿入された押圧環によって該シール材
が押圧されている管と管板とのシール構造において、該
保持環の内周面に、該保持環の他端側ほど小径となるテ
ーパ面が設けられていることを特徴とするものである。

【００１５】本発明（請求項３）の管と管板とのシール
構造は、管板に設けられた挿通孔に管が挿通され、該管
の挿通孔の内周と該管の外周との間にシール材が充填さ
れ、該挿通孔の一端側から保持環内に挿入された押圧環
によって該シール材が押圧されている管と管板とのシー
ル構造であって、該挿通孔の内周面に、該挿通孔の他端
側ほど小径となるテーパ面が設けられていることを特徴
とするものである。

【００１６】かかる管と管板とのシール構造にあって
は、押圧環によって押圧されたシール材がテーパ面によ
って反力を受けて管の外周面に強く押し付けられるよう
になり、管の外周面が気密にシールされるようになる。

【００１７】請求項１の構造の保持環の内周面は、前記
一端側の大径の直筒面（真直ぐな円筒状の面）と、前記
他端側の小径の直筒面と、これらの直筒面同士の間のテ
ーパ面とからなることが好ましい。請求項３において
も、管の挿通孔の内周面は、前記一端側の大径の直筒面
と、前記他端側の小径の直筒面と、これらの直筒面同士
の間のテーパ面とからなることが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して実施の形態
について説明する。第１図（ａ）は第１の実施の形態に
係る管と管板とのシール構造を示す断面図、第１図
（ｂ）は保持環と押圧環との係合関係を示す斜視図であ
る。

【００１９】耐火材などよりなる断熱材４０の外面に沿
って管板４２が配置されている。これらの断熱材４０及
び管板４２を貫通するように伝熱管４８の挿通孔４４，
４６が設けられており、該孔４４，４６に伝熱管４８の
端部近傍が挿通されている。

【００２０】この伝熱管４８の端部近傍が保持環５０、
押圧環６０、シール材７０、ボルト８０等によって管板
４２に固定されると共に伝熱管４８の外周がシールされ
ている。

【００２１】保持環５０の内周面は、大径の直筒面５２
と、小径の直筒面５６と、これらの直筒面５２，５６間
のテーパ面５４とからなる。この小径の直筒面５４を管
板４２側とし、大径の直筒面５２をそれと反対側とする
ように該保持環５０が伝熱管４８に外嵌されている。テ
ーパ面５４は、直筒面５２側から直筒面５６側へ向って
徐々に小径となるように形成されている。保持環５０と
管板の間には、キャスタブル耐火物もしくは、その他の
耐熱性シール材でシールされている。保持環５０と管板
は溶接などで一体構造とされてもよい。

【００２２】押圧環６０は、フランジ部６２と、該フラ
ンジ部６２から同軸的に突設された環状の挿入部６４と
を備えてなり、フランジ部６２にはボルト８０の挿通用
の開口６６が設けられている。なお、この押圧環６０
は、円形であってもよく、楕円形であってもよい。楕円
形とすれば、占める面積が小さくて足りる。

【００２３】ボルト８０は管板４２に対し溶接等により
固設されたスタッドボルトとして設けられている。な
お、ボルトは、管板４２、耐熱材４０を貫通させて固定
するようにしてもよい。また、ボルトが腐食性ガスにさ
らされるような場合は、セラミックスのボルトを使用し
てもよい。

【００２４】耐熱性の粉体又は粉粒体よりなるシール材
７０が保持環５０の内周側に充填され、押圧環６０によ
って押圧される。なお、シール材７０が保持環５０の小
径の直筒面５６に入り込まないように紐状のシール部材
７２が伝熱管４８の外周に沿って装着され、直筒面５６
と伝熱管４８との間の隙間を閉鎖している。図示はしな
いが、押圧環６０の内周面と伝熱管４８の外周面との間
にシール材７０が入り込まないように紐状のシール部材
を伝熱管４８の外周に装着してもよい。保持環５０の大
径の直筒面５２と押圧環６０の外周面との間にシール材
７０が入り込まないように紐状のシール部材（図示略）
を配置してもよい。

【００２５】押圧環６０の挿入部６４を保持環５０の直
筒面５２内に挿入させると共に、ボルト８０を開口６６
に通し、次いでナット８２をボルト８０に締め込むこと
により押圧環６０がシール材７０を強く押圧する。そし
て、シール材７０がテーパ面５４から反力を受けること
により該シール材７０が伝熱管４８の外周面に強く密着
し、伝熱管４８の外周が気密にシールされる。これによ
り、第1図（ａ）の断熱材４０よりも左方側の高温ガス
が孔４４，４６の内周面と伝熱管４８の外周面との間を
通ってリークすることが確実に防止される。

【００２６】なお、上記のテーパ面５４は、伝熱管４８
の管軸心方向に対して３０〜６０°特に４０〜５０°の
角度となっていることが好ましい。

【００２７】このテーパ面５４は円錐形状となっている
が、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の保持環５
０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄのように、凸に湾曲した
テーパ面５４Ａ、凹に湾曲したテーパ面５４Ｂ、凹に屈
曲したテーパ面５４Ｃ、凸に屈曲したテーパ面５４Ｄ等
のテーパ面であってもよい。また、テーパ面の途中や端
部に伝熱管４８の管軸方向と垂直な垂直面が設けられて
もよい。ただし、十分なシール性能を得るためには、保
持環の大径直筒面と小径直筒面との間の１／２以上特に
３／４以上はテーパ面よりなることが好ましく、とりわ
け、かかる垂直面を設けることなく大径直筒面５２，５
２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄと小径直筒面５６，５６
Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄとの間はテーパ面５４，５
４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ，５Ｄ等のみにて構成するのが好
ましい。

【００２８】なお、開口６６は、ボルト８０の締め込み
作業の効率を向上させるために第８図、第９図に示す開
口６６’，６６”のような形状をしてもよい。

【００２９】第２図及び第３図は、本発明の第２及び第
３の実施の形態を示す第１図（ａ）と同一部分の断面図
である。

【００３０】第２図では、保持環５０を省略し、管板４
２Ａの伝熱管４８の挿通孔にシール材７０の保持部を設
けている。この保持部は、大径の直筒面７４と、テーパ
面７６と、小径の直筒面７８とからなる。テーパ面７６
は、直筒面７４から直筒面７８に向って徐々に小径とな
る円錐形状のものである。このテーパ面７６も、第４図
のように湾曲又は屈曲したテーパ面とされてもよく、そ
の途中又は端部に伝熱管４８の管軸方向と垂直な垂直面
を備えていてもよい。ただし、上記のテーパ面５４と同
様に、１／２以上特に３／４以上はテーパ面とされるこ
とが好ましい。

【００３１】シール部材７２を伝熱管４８の外周に装着
した後、このテーパ面７６と直筒面７４の内側にシール
材７０を充填する。押圧環６０の挿入部６４を直筒面７
４内に押し込むと共にボルト８０をフランジ部６２の開
口６６に通し、ナット８２を締め込み、挿入部６４によ
ってシール材７０を強く押圧する。このシール材７０が
テーパ面７６に反力を受けて伝熱管４８の外周面に密着
し、十分に気密なシールが得られる。

【００３２】第３図の実施の形態では、保持環９０のフ
ランジ部９８をボルト８０及びナット８２によって管板
４２に固定し、保持環９０の内周に押圧環１００を螺嵌
させ、この押圧環１００によってシール材７０を押圧し
ている。

【００３３】この保持環９０の内周面は、大径の直筒面
９２と、テーパ面９４と、小径の直筒面９６とからな
る。テーパ面９４は、直筒面９２から直筒面９６に向っ
て徐々に小径となる円錐形状のものである。このテーパ
面９４も、第４図のように湾曲又は屈曲したテーパ面と
されてもよく、その途中又は端部に伝熱管８の管軸方向
と垂直な垂直面を備えていてもよい。ただし、上記のテ
ーパ面５４と同様に、１／２以上特に３／４以上はテー
パ面とされることが好ましい。保持環９０と管板の間に
は、キャスタブル耐火物もしくは、その他の耐熱性シー
ル材でシールされている。保持環９０と管板は溶接など
で一体構造とされてもよい。

【００３４】シール部材７２を伝熱管４８の外周に装着
した後、このテーパ面９４と直筒面９２の内側にシール
材７０を充填する。押圧環１００の外周面に設けた雄ネ
ジを直筒面９２の内周面に設けた雌ネジに螺合させ、押
圧環１００を強く締め込み、該押圧環１００によってシ
ール材７０を強く押圧する。このシール材７０がテーパ
面８４に反力を受けて伝熱管４８の外周面に密着し、十
分に気密なシールが得られる。

【００３５】管板４２には、保持環９０が係合する座ぐ
り状の凹部１１０が伝熱管挿通孔４６の周囲に設けられ
ている。

【００３６】なお、第２図及び第３図においても、伝熱
管４８と押圧環６４，１００との間のシール部材や、直
筒面７４，９２と押圧環６４，１００との間のシール部
材（いずれも図示略）を設けてもよい。

【００３７】本発明において、シール材７０としては前
記従来例のサンド１６と同様の材料のほか、キャスタブ
ル耐火物（水を加えない粉粒状のもの）や、このキャス
タブル耐火物を水で硬化させたものなどを用いることが
できる。特に、キャスタブル耐火物に水を加えて混練し
てペーストとし、このペーストを保持環や挿通孔内に充
填してから押圧環を挿入するのが好ましい。

【００３８】

【発明の効果】以上の通り、本発明は、シール材をテー
パ面によって伝熱管の外周面に押し付けるようにしたも
のであり、伝熱管外周を確実にシールし、高温ガスのリ
ークを確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１図（ａ）は第１の実施の形態に係る管と管
板とのシール構造を示す断面図である。第１図（ｂ）は
保持環と押圧環との係合関係を示す斜視図である。

【図２】第２の実施の形態に係る管と管板とのシール構
造を示す断面図である。

【図３】第３の実施の形態に係る管と管板とのシール構
造を示す断面図である。

【図４】テーパ面の他の形状例を示す断面図である。

【図５】従来構造を備えた熱交換器の要部断面図であ
る。

【図６】従来の管と管板とのシール構造を示す断面図で
ある。

【図７】従来の管と管板とのシール構造を示す断面図で
ある。

【図８】開口の別の形状例を示す正面図である。

【図９】開口のさらに別の形状例を示す正面図である。

【符号の説明】

４０ 断熱材 ４２，４２Ａ 管板 ４４，４６ 伝熱管挿通孔 ４８ 伝熱管 ５０ 保持環 ５２，５６ 直筒面 ５４ テーパ面 ６０ 押圧環 ６４ 挿入部 ６６，６６’，６６” 開口 ７０ シール材 ７２ シール部材 ７４ 直筒面 ７６ テーパ面 ８０ ボルト ９０ 保持環 ９２，９６ 直筒面 ９４ テーパ面 １００ 押圧環 １１０ 凹部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管板に設けられた挿通孔に管が挿通さ
   れ、該管の外周に配置された保持環の内周と該管の外周
   との間にシール材が充填され、 該保持環の一端側から保持環内に挿入された押圧環によ
   って該シール材が押圧されている管と管板とのシール構
   造において、 該保持環の内周面に、該保持環の他端側ほど小径となる
   テーパ面が設けられていることを特徴とする管と管板と
   のシール構造。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記保持環の内周面
   は、前記一端側の大径の直筒面と、前記他端側の小径の
   直筒面と、これらの直筒面同士の間の前記テーパ面とか
   らなることを特徴とする管と管板とのシール構造。
3. 【請求項３】 管板に設けられた挿通孔に管が挿通さ
   れ、該管の挿通孔の内周と該管の外周との間にシール材
   が充填され、 該挿通孔の一端側から保持環内に挿入された押圧環によ
   って該シール材が押圧されている管と管板とのシール構
   造であって、 該挿通孔の内周面に、該挿通孔の他端側ほど小径となる
   テーパ面が設けられていることを特徴とする管と管板と
   のシール構造。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記管の挿通孔の内
   周面は、前記一端側の大径の直筒面と、前記他端側の小
   径の直筒面と、これらの直筒面同士の間の前記テーパ面
   とからなることを特徴とする管と管板とのシール構造。