JP2015507164A - 形状が最適化されたヘッダおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

流体を収集するために作用するシェル（２０２）であって、シェルの内径および／または壁厚は、シェル（２０２）における圧力の変化および／または流体流量の変化とともに変化する、シェルと、管（２０４）であって、管（２０４）は、シェル（２０２）と連通しており、流体をシェル（２０２）内へ移送するように作用する管と、を備える、形状が最適化されたヘッダ（２００）がここに開示される。管をシェルに固定して取り付けることを含む方法であって、シェルは、流体を収集するために機能し、シェルの内径および／または壁厚は、シェルにおける圧力の変化および／または流体流量の変化とともに変化し、管は、シェルと連通しており、流体を前記シェル内へ移送するように作用する、方法がここに開示される。

Description

背景
本開示は、形状が最適化されたヘッダ、およびその製造方法に関する。

化学プラントおよび発電設備などの工業用プラントは、しばしば、流体（例えばスチームおよび／またはその他の蒸気）を収集するためにヘッダを使用する。これらのヘッダおよび関連する分配ハードウェアは、常に、均一な壁厚の円形の横断面ジオメトリを有する。このような幾何学的属性は、既製の管から、または板材を圧延して継目溶接することによって、または遠心鋳造によって、容易に製造することができるという理由から選択される。製造の容易さが、ヘッダジオメトリの形状および壁厚を決定する。

図１は、現在市販されているヘッダ１００（ここでは“比較ヘッダ”とも称される）の正面図および側面図を示している。図１から見て取れるように、ヘッダ１００は、均一な円形の横断面の内径“ｄ”と、その長さに沿ってヘッダに進入する管１０４の配列と連通した壁厚“ｔ”とを有する、シェル１０２を含む。シェル１０２は、管１０４の配列を介してシェル内に排出された流体を収集するように作用する。

シェル１０２は、第１の端部１０６と、第１の端部１０６とは反対側の第２の端部１０８とを有する。第１の端部１０６は外部に対して封止されているのに対し、第２の端部１０８は、出口ポート（図示せず）と連通しており、この出口ポートは、ヘッダ１００に収集された流体の外部への排出を可能にしている。

図１に示された図面では、ヘッダ１００内へのスチーム圧力および／または流体流量は、第１の端部１０６に最も近い管１０４の配列において最も低いのに対し、反対側の端部に最も近い管１０４の配列において最も高い。シェル１０２の内径“ｄ”は、シェル１０２内の圧力降下を考慮することによって決定される。これは、管１０４の配列がシステムにおける抵抗を制御することを保証するために行われる。シェル１０２の直径ｄは、ヘッダ自体における摩擦損失を制限するような形式でも計算される。したがって、この内径ｄは、シェル１０２を製造するために使用される管のボアを規定する。内径全体は、シェル１０２に進入する流体の蓄積流に基づいているので、図１に示されたヘッダ設計は、出口平面において以外は、必要以上に大きくなっており、その結果、効率的な設計のために必要とされるよりも多い量の材料を使用する。これは、材料コストを増大させ、高価で、必要以上にプラントにおいてより大きな空間を占めるヘッダを生じる。

ヘッダを製造するために、より高価な材料が使用されるので、これらの古い設計は、コスト上許されないものとなり得る。コストの節約を可能にするジオメトリおよび壁厚を使用し、それと同時にメンテナンスコストおよび構成部材の故障を低減することが望ましい。既存のヘッダ設計と同じかまたはそれよりも長い期間にわたってプラントにおける既存の条件下で作動することができるヘッダおよび関連する分配システムを製造することも望ましい。

概要
流体を収集するために作用するシェルであって、シェルの内径および／または壁厚は、シェルにおける圧力の変化および／または流体流量の変化とともに変化する、シェルと、管であって、管は、シェルと連通しており、流体をシェル内へ移送するように作用する管と、を備えることを特徴とする、形状が最適化されたヘッダがここに開示される。

管をシェルに固定して取り付けることを含む方法であって、シェルは、流体を収集するために作用し、シェルの内径および／または壁厚は、シェルにおける圧力の変化および／または流体流量の変化とともに変化し、管は、シェルと連通しており、流体をシェル内へ移送するように作用する、方法がここに開示される。

現在市販されているヘッダ１００（ここでは“比較ヘッダ”とも称される）の正面図および側面図を示している。 本発明による、図１の比較ヘッダの形状が最適化された態様を示している。 シェルの断面積が第１の端部２０６から第２の端部２０８へ段階的に増大させられていることを除き、図２のヘッダ２００を示している典型的な実施の形態の正面図である。 複数の出口を有するヘッダ１００の比較構成（従来技術）を示している。 本発明による、複数の出口を有する、図５Ａの同じヘッダの、形状が最適化された構成を示している。 中央Ｔ字管を有するヘッダ１００の比較構成（従来技術）を示している。 本発明による、１つの出口を有する、同じヘッダ２００の、形状が最適化された構成を示している。 管１０４が図６Ａのシェル１０２の壁部と接触する箇所における比較ヘッダ壁部１００の断面図である。 図６Ｂの、形状が最適化されたヘッダ２００の壁部の断面図を示している。

詳細な説明
ここで、様々な実施の形態が示されている添付の図面を参照して発明を以下により完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの様々な形態において具体化されてよく、ここに示された実施の形態に限定されると解されるべきではない。むしろ、これらの実施の形態は、この開示が徹底した完全なものとなり、かつ当業者に発明の範囲を完全に伝達するように提供されている。全体を通じて同じ符号は同じ要素を指示する。

１つの要素が別の要素“上に”あるというときは、１つの要素は別の要素上に直接にあってもよく、またはそれらの間に介在する要素が存在してもよいと理解される。対照的に、１つのエレメントが別の要素“上に直接に”あるというときは、介在する要素は存在しない。ここで使用される場合、「および／または」とは、関連する列挙されたアイテムのうちの１つ以上のいずれかおよび全ての組合せを含む。

様々な要素、構成要素、領域、層および／またはセクションを説明するために本明細書において第１、第２、第３などの用語が使用されることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／またはセクションはこれらの用語によって限定されるべきでないことが理解される。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層またはセクションを別の要素、構成要素、領域、層またはセクションから区別するためだけに使用される。つまり、以下で説明される第１の要素、構成要素、領域、層またはセクションは、本発明の開示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層またはセクションと称することができる。

本明細書において使用される用語は、特定の実施の形態を説明するためだけのものであり、限定することを意図したものではない。ここで使用される場合、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、単数の記載は複数も含むことが意図されている。“含む”および／または“含んでいる”、または“有する”および／または“有している”は、本明細書で使用される場合、言及された特徴、領域、整数、ステップ、作動、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上のその他の特徴、領域、整数、ステップ、作動、要素、構成要素および／またはそれらのグループの存在または付加を排除しないことがさらに理解される。

さらに、“下側の”または“下部”および“上側の”または“上部”などの相対的な用語は、ここでは、図面に例示されたような、１つの要素の、別の要素に対する関係を説明するためにここでは使用されることがある。相対的な用語は、図示された向きに加えて、装置の様々な向きを含むことが意図されている。例えば、図面のうちの１つにおける装置が反転されると、他の要素の“下側”にあると説明されていた要素は、今度は他の要素の“上側”に向きづけられることになる。従って、“下側”という典型的な用語は、図面の特定の向きに応じて、“下側”および“上側”の向きの両方を含むことができる。同様に、図面のうちの１つにおける装置が反転されると、他の要素の“下”または“下方”にあると説明されていた要素は、今度は他の要素の“上”に向きづけられることになる。“下”または“下方”という典型的な用語は、上下の両方の向きを含むことができる。

そうでないことが定義されない限り、本明細書において使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する技術の分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されたような用語は、関連技術およびこの開示の文脈における意味と一貫する意味を有するものと解されるべきであり、ここにそのように明示的に定義されない限り、理想化されたまたは過剰に形式的な意味に解されることはない。

理想化された実施の形態の概略的な例示である横断面図を参照して、典型的な実施の形態がここで説明される。これにより、例えば、製造技術および／または公差の結果としての例示の形状からのずれが予測される。つまり、ここに説明された実施の形態は、ここに例示されたような領域の特定の形状に限定されると解されるべきではなく、例えば製造から生じる形状のずれを含む。例えば、平坦として例示または説明された領域は、通常、粗いおよび／または非線形の特徴を有してよい。さらに、例示された鋭角は、丸みづけられていてよい。つまり、図示された領域は、本質的に概略的であり、それらの形状は、ある領域の正確な形状を例示しようとするものではなく、本願の請求項の範囲を限定しようとするものではない。

“含む”というつなぎ言葉は、“から実質的に成る”および“から成る”などのつなぎ言葉を包含している。

ここに開示された全ての数値範囲は、終点を含む。加えて、任意の範囲における全ての数および数値（ここで明らかに述べられていないものも含む）は、本来的に発明に含まれると理解される。ここに含まれた全ての数値は、互換性がある。

ヘッダの作動中に生じる局所的な作動応力および流体（例えば水、スチームおよび／またはその他の蒸気または流体）の速度のために最適化された断面積および壁厚を有する、形状が最適化されたヘッダおよび関連する導管（以下では“形状が最適化されたヘッダ”と称する）がここに開示される。形状が最適化されたヘッダは、可変の断面積および／または壁厚のシェルを有する。ヘッダのシェルの特定の部分の断面積および／または壁厚は、流入する流体のヘッドにおける蓄積流と、接続管のジオメトリとの組合せ、およびシェルのその特定の部分における流体の速度および／または流入する流体の化学的組成とにより、局所的な流れおよび局所的な応力に比例して変化している。形状が最適化されたヘッダは、ヘッダがより高い応力（流入管のジオメトリによる）および流体流速を生じるこれらの局所的な部分においてのみ、（同じヘッダの他の断面積および壁厚よりも）より大きな断面積および場合によってはより大きな壁厚を有するような形式で設計されている。

出口に近い部分よりも低い流速を生じるシェルのこれらの部分は、図１に示されたような慣用の形式で設計されたシェルの対応する断面積および壁厚よりも、小さな断面積および小さな壁厚を有する。

結果として生じる、形状が最適化されたヘッダは、作動中に生じる局所的な応力および流速に応じて複数の断面積および壁厚を有することができる。１つの実施の形態では、形状が最適化されたヘッダは、様々な部分において生じる流体の化学的特性に応じて、異なる構成材料を使用することもできる。形状が最適化されたヘッダは、図１に示されたヘッダにおいて使用されるものよりも高価な特別な材料から形成することができるが、最適化された設計により、図１のヘッダが同じ特別の材料から形成された場合よりもコストを減じることができる。

これらの形状が最適化されたヘッダは、プラントにおいて占有する床面積および体積空間がより少なく、図１に示された形式で設計されたヘッダと同じまたはより長い期間にわたって作動中に使用することができるという点でも有利である。

図２は、図１の比較ヘッダの形状が最適化された態様を示している。図２において、形状が最適化されたヘッダ２００は、円形の横断面内径を有する（円錐形部分の形式での）シェル２０２を有し、円形の横断面内径は、（応力および／または流体流量が最も低い端部における）最小直径値ｄ₁から、（応力および／または流体流量が最大である）反対側の端部における最大直径値ｄ₂へ変化している。壁厚も、（応力および／または流体流量が最も低い端部における）最小壁厚ｔ₁から、（応力および／または流体流量が最大である）反対側の端部における最大壁厚ｔ₂まで変化している。

ヘッダ２０２は、第１の端部２０６と、第１の端部２０６とは反対側の第２の端部２０８とを有する。第１の端部２０６は外部に対して封止されている（すなわち外部からの流体は第１の端部２０６を通ってシェル２０２に進入するまたはシェル２０２から流出することはできない）のに対し、第２の端部２０８は、出口ポート（図示せず）と連通しており、この出口ポートは、外部へのヘッダ２００の排出を可能にしている。図２は、第１の端部２０６から第２の端部２０８への、ヘッダの断面積の滑らかな線形の変化と、壁厚の滑らかな線形の変化とを示しているが、その他の変化が用いられてもよい。例えば、断面積または厚さの変化は、局所的な応力および／またはヘッダ内への流体流量にしたがって非線形（例えば指数関数またはスプライン関数にしたがって変化した曲線、不連続な形式でランダムに変化した曲線、またはそれらの組合せ）であってもよい。ヘッダ２００の内面２１８または外面２２０は、連続的に変化する面であってもよいか、または不連続に変化する面（すなわち階段関数と類似の変化を有するもの）であってもよいか、またはそれらの組合せであってもよい。

１つの実施の形態では、シェルの直径および／または壁厚の増大は、ヘッダの様々な部分において生じる局所的な圧力上昇に比例しており、以下のように等式（１）によって表すことができる：

ここで、ｄ₂、ｄ₁、ｔ₂およびｔ₁は図２に示されており、ｐ₂は、ヘッダの様々な部分において生じる最高圧力であり、ｐ₁は最低圧力である。

別の実施の形態では、直径の変化および／またはシェルの壁厚の変化は、シェルにおいて生じる局所的圧力の変化に比例し、等式（１ａ）によって決定される：

ここで、Δｄ₂は、シェルの第２の部分の内径の変化であり、Δｄ₁は、シェルの第１の部分の内径の変化であり、Δｔ₂は、シェルの第２の部分の壁厚の変化であり、Δｔ₁は、シェルの第１の部分の壁厚の変化であり、Δｐ₂は、シェルの第２の部分において生じる圧力変化であり、Δｐ₁は、シェルの第１の部分において生じる圧力の変化である。

さらに別の実施の形態では、シェルの直径および／または壁厚の増大は、ヘッダの様々な部分において生じる流体流量の増大に比例しており、以下のように等式（２）によって表すことができる：

ここで、ｄ₂、ｄ₁、ｔ₂およびｔ₁は図２に示されており、ｆ₂は、ヘッダの様々な部分において生じる最大流体流量であり、ｆ₁は最小流体流量である。

別の実施の形態では、直径の変化および／またはシェルの壁厚の変化は、シェルにおいて生じる流体流量の変化に比例し、等式（２ａ）によって決定される：

ここで、Δｄ₂は、シェルの第２の部分の内径の変化であり、Δｄ₁は、シェルの第１の部分の内径の変化であり、Δｔ₂は、シェルの第２の部分の壁厚の変化であり、Δｔ₁は、シェルの第１の部分の壁厚であり、Δｆ₂は、シェルの第２の部分において生じる流体流量の変化であり、Δｆ₁は、シェルの第１の部分において生じる流体流量の変化である。

１つの実施の形態において、ヘッダ、ページ７［０］を設計する１つの形式において、ヘッダの長さに沿って均一な速度または流体流量を維持することが望ましい。流量または速度はヘッダの断面積に比例し、したがって、等式（３）に示したようにヘッダの内径の二乗に比例する：

ここで、ｆ₂は、シェルの第２の部分において生じる流体流量であり、ｆ₁は、シェルの第１の部分において生じる流体流量であり、Ａ₁およびＡ₂は、流体流量ｆ₁およびｆ₂を生じるシェルの部分の断面積であるのに対し、ｄ₁およびｄ₂は、流体流量ｆ₁およびｆ₂を生じるシェルの部分におけるヘッダのそれぞれの内径である。

ヘッダの厚さは、ヘッダにおける圧力により均一な応力を維持するように変化させられている。応力は、圧力と直径の積を厚さで除したものに等しい。言い換えれば、応力は直径に比例するが、等式（４）および（５）に示したように厚さに反比例する：

ここで、ｐは、ヘッダの任意の部分における圧力であり、ｄは、ヘッダの内径であり、ｔは、ヘッダの壁厚である。

ここで、ｄ₂は、シェルの第２の部分の内径であり、ｄ₁は、シェルの第１の部分の内径であり、ｔ₂は、シェルの第２の部分の壁厚であり、ｔ₁は、シェルの第１の部分の壁厚であり、ｐ₂は、シェルの第２の部分において生じた圧力であり、ｐ₁は、シェルの第１の部分において生じた圧力であり、σ₂およびσ₁は、シェルの第２の部分およびシェルの第１の部分においてそれぞれ生じた応力である。等式（４）および（５）から、任意の圧力の場合、応力は、直径および壁厚を同じ大きさだけ減じることにより一定に維持されることが分かる。

図４は、シェルの断面積が第１の端部２０６から第２の端部２０８へ段階的に増大させられていることを除き、図２のヘッダ２００を示している典型的な実施の形態の正面図である。この断面積の増大は、上記の等式（１）および（２）において示されているように局所的な圧力および／または流体流量の増大とともに変化する。断面積が増大させられると、壁厚ｔも増大させられ、圧力および／または流体流量の増大を補償する。

図４から、圧力がｐ₁からｐ₂そしてｐ₃へ増大するおよび／または流体流量がｆ₁からｆ₂そしてｆ₃へ増大するとともに、断面積がｄ₁からｄ₂そしてｄ₃へ増大しており、壁厚はｔ₁からｔ₂そしてｔ₃へ増大していることが見られる。

図２および図４におけるヘッダ２００はそれぞれ第２の端部２０８に１つの出口を有するが、望まれるならば２つ以上の出口を設けることができる。図５は、複数の出口を有するヘッダ２００を示している。図５Ａは、複数の出口を有するヘッダ１００のための比較構成を示しているのに対し、図５Ｂは、複数の出口を有する、同じヘッダ２００のための、形状が最適化された構成を示している。図５Ｂにおいて、シェル２０２の断面積は、第１の端部２０６および第２の端部２０８における出口の近くで最大となる。なぜならば、これらの領域は、最も高い圧力および／または流体流量を生じるからである。出口領域における壁厚は、ヘッダの他の領域における壁厚よりも大きい。上述のように、ヘッダの第１の端部２０６および第２の端部２０８の近くに配置された出口は、ヘッダ２００から、ヘッダによって搬送されている流体または蒸気を除去するために使用される。

図６Ａは、出口として機能する中央Ｔ字管を有する設計のための、形状が最適化されたヘッダと共に、比較のヘッダを示している。図６Ａは、中央Ｔ字管を有するヘッダ１００のための比較構成を示しているのに対し、図６Ｂは、１つの出口を有する、同じヘッダ２００のための、形状が最適化された構成を示している。中央Ｔ字管２１２は、図６Ｂでは出口として使用されているが、図６Ａには１１２として示されている。

図６Ｂから、シェルの断面積がヘッダの中央において最も大きいことが分かる。なぜならば、これは、圧力および／または流体流量が最大である領域だからである。同様に、壁厚は中央において最大である。シェルの壁厚は、圧力および／または流体流量が最小である両側の端部２０６および２０８において最も薄くなっている。

ヘッダの壁部内への管（２０４）突入および／またはあらゆるその他の突入の不在の場合、壁厚は、ヘッダが通常運転中に耐えなければならない内部圧力によって決定されるか、または誤った場合によって規定されるように、または優勢な規則、基準またはその他のデザインルールによって規定されるようなその他の条件によって決定される。この原理は、概して、管がヘッダの壁部にも固定されている領域の壁厚に適用される。しかしながら、これらの領域は、壁部への管の付加によって弱められる恐れがある。加えて、これらの領域は、ヘッダに進入する流体の全てが管２０４と接触するので、より大きな実用性を有する。ヘッダに進入する流体は、流体の進入箇所への領域の近接により、管２０４の周囲のヘッダの領域にも接触する。したがって、流体がヘッダに進入する領域は、ヘッダの他の領域よりも速く弱められる。

１つの実施の形態では、管がヘッダ２００の壁部に固定されている領域は、管からシェルへの流体の進入のための通路を提供するための材料の除去により通常弱められる領域への付加的な強化を提供するために、厚さが増大させられていてもよい。強化は、ヘッダの作動の経過の間に他の領域よりも大きな使用量を有する領域に、より長いライフサイクルをも提供する。この厚さの増大は局所的であり、管２０４がヘッダに固定して取り付けられている領域に適切に近接してのみ引き受けられる。

図７Ｂに示された１つの実施の形態では、管２０４が固定して取り付けられた壁部の領域は、シェルと連通するために管のための突入部を形成することによって除去された材料を局所的に補償するために、または増大した使用量とともに生じる摩耗および劣化を克服するために、厚くされている。この局所的厚さの増大は、ヘッダに、増大したライフサイクルを提供すると同時に、ヘッダの重量を低減し、材料コストを低減する。

図７Ａは、管１０４がシェル１０２の壁部と接触する箇所における比較ヘッダ壁部１００の断面図である。ヘッダ壁部１００は、通常、管１０４がヘッダに接触させられていないならば厚さｔ₄を有する。管１０４の存在による構造的な弱まりを補償するために、ヘッダ壁部１００の厚さはｔ₅に増大させられている。慣用のヘッダにおけるｔ₄からｔ₅への厚さのこの増大は、材料コストの増大および完成したヘッダの重量の増大を生じる。

図７Ｂは、形状が最適化されたヘッダ２００の壁部の断面図を示している。形状が最適化されたヘッダ２００において、ヘッダのための壁厚は、管２０４がヘッダに固定して取り付けられている領域の適切な近傍において壁厚がｔ₅に増大させられているのを除き、ｔ₄である。厚さのこの局所的な増大は、図７Ａの比較ヘッダの重量と比較した場合に重量を実際に減じながらヘッダにおける応力の均一性を保証する。

ヘッダ２００のシェルは、鉄基合金、ニッケル基合金、タンタル基合金およびチタン基合金から製造されていてよい。

１つの実施の形態では、形状が最適化されたヘッダを製造する１つの方法において、より小さな直径ｄ₁（より低い流量ｆ₁に対応する）と、より小さな直径ｄ₁とは反対側の端部における、より大きな直径ｄ₂（より高い流量ｆ₂に対応する）とを有する円錐形部分の形式のシェルは、シェル内部からの流体が外部に接触することを防止するように封止された、互いに反対側の端部を有している。次いで、出口（または入口−入口は出口としても機能することができる）は、シェルの一部において穿孔または切断されている。出口は、シェルからその内容物を排出させるために使用される。流体をシェル内へ排出する管を収容するために、シェルに孔が穿孔されている。

１つの実施の形態では、（低圧を生じるヘッダの部分から、より高い圧力を生じるヘッダの部分への）断面積の滑らかな増大を有する、形状が最適化されたヘッダを製造する１つの方法において、薄板金のロール（例えば金属のスクロール）が一方の端部に保持または固定されているのに対し、反対側の端部は、固定された端部から延長させられている。金属は、長手方向に延長させられていることに加え、スクロールの中央から半径方向外方へ延長させられており、これにより、薄板金の各回転ごとに、ヘッダの直径は、長さとともに増大している。長さおよび直径が所望の限界に達すると、重なり合った薄板は、互いにシーム溶接またはリベット留めされ、ヘッダのシェルを形成する。ヘッダの端部は、２つの並列の端部を形成するように切断されてもよい。ヘッダの端部は、シェルに溶接されてもよい。一方の端部は、外部に対して封止されていてもよいが、他方の端部は、開口を有しており、この開口を通ってヘッダの内容物はリサイクルのために除去されるまたは廃棄のために排出される。

断面積を増大させる方向で壁厚を増大させることが一般的に望ましいので、次第に厚さが増大している薄板金のスクロールを、上述のようなヘッダを製造するために使用することができる。このような薄板からヘッダ（シェル）を製造する際に、最も薄い部分は固定されたまま保持されているのに対し、スクロールの最も厚い部分は、断面積が滑らかに増大しておりかつ壁厚も増大しているシェルを製造するために、最も薄い部分から離れて外方へ延長させられている。

管をヘッダに固定して取り付けるためにシェルの表面に孔が穿孔されてもよい。管は、上の図２〜図５に示したようにシェルに溶接されてもよい。別の実施の形態では、管は、シェルの壁部に形成されたねじ山に螺合させられてもよい、またはシェルに溶接されてもよい。１つの実施の形態では、シェルは、レーザ溶接などの技術を使用することによって、管を包囲する局所的領域において選択的に厚くされていてよい。ヘッダを形成するためにおよび局所的強化のために使用されるその他の技術は、慣用の鋳造、噴霧成形、溶射成形、および粉末冶金である。

別の実施の形態では、断面積が（より低い圧力を生じるヘッダの部分からより高い圧力を生じるヘッダの部分へ）図４に示したように階段関数形式で断面積が増大しているヘッダを製造する別の形式において、変化する所望の直径および厚さの管（スプール）が、まず切断され、次いで、互いに溶接またはリベット留めされ、これにより、ヘッダを形成する。ヘッダおよび管の端部は、次いで、互いに溶接され、ヘッダを形成する。

形状最適化から材料節約を達成することに加え、より薄い壁部およびシェルの使用は、熱応力を減じ、これらの方法および原理を用いて製造されたヘッダまたはその他の装置のライフサイクルおよび耐久性を高める。別の利点は、減じられた直径および壁厚が、より大きなヘッダを形成するために複数のスプールを接合するためのより小さな溶接物（より少ないパス）を生じるということである。

典型的な実施の形態を参照して発明を説明したが、発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が加えられてよく、前記実施の形態の要素の代わりに均等物が代用されてよいことが理解されるであろう。加えて、発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を発明の開示に適応させるために、多くの変更がなされてよい。従って、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施の形態に発明は限定されない。

Claims (18)

1. 形状が最適化されたヘッダにおいて、
   流体を収集するために作用するシェルであって、該シェルの内径および／または壁厚は、前記シェルにおける圧力の変化および／または流体流量の変化とともに変化する、シェルと、
   管であって、該管は、前記シェルと連通しており、前記流体を前記シェル内へ移送するように作用する管と、を備えることを特徴とする、形状が最適化されたヘッダ。
2. 前記シェルの断面積および／または壁厚は、前記シェルにおける、より低い圧力および／またはより低い流体流量の領域から、より高い圧力および／またはより高い流体流量の領域へ次第に増大している、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
3. 前記シェルの一部分の内径は、前記シェルのその部分における局所的な圧力に正比例する、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
4. 前記シェルの壁部の一部分の壁厚は、前記シェルのその部分における流体流量に正比例する、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
5. 前記内径の変化および／または前記シェルの壁厚の変化は、前記シェルにおいて生じる局所的圧力の変化に比例し、等式（１ａ）によって決定される：
   

   

   ここで、Δｄ₂は、シェルの第２の部分の内径における変化であり、Δｄ₁は、シェルの第１の部分の内径における変化であり、Δｔ₂は、シェルの第２の部分における壁厚の変化であり、Δｔ₁は、シェルの第１の部分の壁厚の変化であり、Δｐ₂は、シェルの第２の部分において生じる圧力変化であり、Δｐ₁は、シェルの第１の部分において生じる圧力の変化である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
6. 前記内径の変化および／または前記シェルの壁厚の変化は、前記シェルにおいて生じる流体流量の変化に比例し、等式（２ａ）によって決定される：
   

   

   ここで、Δｄ₂は、シェルの第２の部分の内径の変化であり、Δｄ₁は、シェルの第１の部分の内径の変化であり、Δｔ₂は、シェルの第２の部分における壁厚の変化であり、Δｔ₁は、シェルの第１の部分の壁厚であり、Δｆ₂は、シェルの第２の部分において生じる流体流量の変化であり、Δｆ₁は、シェルの第１の部分において生じる流体流量の変化である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
7. 前記内径の変化および／または前記シェルの壁厚の変化は、前記シェルにおいて生じる応力の変化に比例し、等式（５）によって決定される：
   

   

   ここで、ｄ₂は、シェルの第２の部分の内径であり、ｄ₁は、シェルの第１の部分の内径であり、ｔ₂は、シェルの第２の部分の壁厚であり、ｔ₁は、シェルの第１の部分の壁厚であり、ｐ₂は、シェルの第２の部分において生じる圧力であり、ｐ₁は、シェルの第１の部分において生じる圧力であり、σ₂およびσ₁は、シェルの第２の部分およびシェルの第１の部分においてそれぞれ生じる応力である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
8. 前記形状が最適化されたヘッダは、前記ヘッダに収集された流体を排出するために使用される出口をさらに有する、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
9. 前記内径の増大は、より低い圧力の領域からより高い圧力の領域まで連続的である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
10. 前記シェルの壁厚の増大は、より低い圧力の領域からより高い圧力の領域まで連続的である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
11. 前記内径の増大は、より低い圧力の領域からより高い圧力の領域まで不連続である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
12. 前記シェルの壁厚の増大は、より低い圧力の領域からより高い圧力の領域まで不連続である、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
13. 前記形状が最適化されたヘッダは、前記ヘッダに収集された流体を排出するために作用する複数の出口をさらに有する、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
14. 前記管と接触する前記シェルの部分の壁厚は、増大されている、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
15. 前記シェルは、円錐形部分の形状を有する、請求項１記載の形状が最適化されたヘッダ。
16. 管をシェルに固定して取り付けることを含み、前記シェルは、流体を収集するために作用し、前記シェルの内径および／または壁厚は、前記シェルにおける圧力の変化および／または流体流量の変化とともに変化し、管は、前記シェルと連通しており、流体を前記シェル内へ移送するように作用することを特徴とする、方法。
17. 前記シェルは、互いにリベット留めまたは互いに溶接される、請求項１６記載の方法。
18. 前記管は、前記シェルに溶接される、請求項１６記載の方法。

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