JP4590221B2 - 耐振動性管支持体 - Google Patents

Description

本発明は、管ステークと通常呼ばれる管支持体装置に関する。これは、熱交換器および類似の流体取扱い装置における管束に有用である。

シェル−チューブ型熱交換器や、それに類する流体取扱い装置などの管束装置では、束にまとめられた管を用いて、流体が装置を通って導かれる。そのような管束においては、典型的には、管の内側を通る流体流と、管の外側を横切る流体流の両者が存在する。束における管の配置は、管が取付けられる管シートによって設定される。管に対する１つの共通の配置は、方形形態であり、管は、整列された並びで、各対または並びの間に管レーン（ｌａｎｅ）（管の間の直線路）を有して取付けられる。これは、互いに直交して整列される。この形態において、各管は、管束の周縁部を除いて８本の他の管に隣接し、管レーンを横切って対応する管と直接対向する。この管レーンは、その並びを２つの隣接する並びから分離する。三角形の管形態においては、別の並びの管は、互いに整列され、その結果各管は、隣接する６本の他の管に隣接する（同じ並びにおける２本の隣接する管、および２つの隣接する並びにおける４本の管である）。

管周りの流体流のパターン、並びに流体の温度および密度の変化（流体が循環する際に、管内部および管の周りを流れる２つの流体間の熱交換の結果として生じる）は、管束の振動特性による流動励起振動を生じさせることがある。これらの振動が、ある臨界的な振幅に達した際には、束の損傷が生じる恐れがある。熱交換装置に対する管交換で、元の管と異なる物質の管を用いた場合、例えば、比較的剛性ある物質をより軽量の管で置き換えた場合に、管振動の問題は悪化しうる。流体励起振動はまた、装置がより過酷な運転要求に付された際に、例えば他の既存の装置が品質向上された際に生じうる。以前には満足だった熱交換器が、新しい条件下では流体誘起振動に付されることになる。交換器は依然として流れるストリーム内にあるが、伝熱は起こらないというある条件下でさえも、振動に遭遇することがありうる。

管振動の低減に、良好な装置設計は別として他の方法を用いうる。管支持装置または管ステークを、これらの支持装置が通常知られるように（この明細書で引用されるように）管束内に設置して、流動励起振動を抑制し、管の過剰な運動を防止しうる。多数の管支持体または管ステークが提案され、また市販されている。特許文献１（ウィリアムズ（Ｗｉｌｌｉａｍｓ））に記載された１つの形式は、通路の頂部と底部表面の間の距離が、管束における隣接する並び間の距離と同じである（即ち、実質的に管レーンの寸法と同じである）Ｕ型配置を有する。この形式のステークは、束における並びの間に挿入され、管束の周縁部で、管の部分にかみ合う弓形の部分によって端部で固定される。その結果ステークは、束における並びの間の、適切な位置に固定される。この形式のステークは、典型的には耐腐食性金属（例えば、厚さ０．７〜１．２ｍｍの３０４ステンレススチール）からなり、繋がれた管束に必要な剛性と、Ｕ型通路の十分な弾性の両者が提供され、ステークが、束における管の間で、列に挿入されることが可能となる。

耐振動性管ステークの他の形態は、特許文献２（ハーン（Ｈａｈｎ））に記載される。これは、柔軟なＶ型の細片（ｓｔｒｉｐ）に製作され、これらのＶ型断面の開放端において、細片の縦軸に垂直に、サドルが形成されるステークを開示する。サドルは、管ピッチに等しいピッチ（サドル管の距離）で、また管束における管の半径に見合った半径で、細片に形成され、その結果サドルは、管レーンの一方の側で管とかみ合う。これらの管とサドルの間のかみ合わせにより、管束内の場所に管が固定される。細片の弾力性が、Ｖ配置によってもたらされたばね型作用と結びついて、Ｖ字の腕が開き、ステークの有効な全幅が減少することを可能にし、更にステークが、管レーンの両側で管にかみ合うことを可能にする。その結果Ｖ型ステークは、管の２つの並びの間の場所に固定される。

類似形式の管ステークが、特許文献３（ハーン（Ｈａｈｎ））に記載される。これは、２つの管レーン間に挿入されたＵ型ステークを開示する。Ｕ字の閉じた端部が、束における周縁部の管の１つの上にある。Ｖ型断面の開放端にサドルが形成され、束中の単一の並びにおける、管の反対側とかみ合う。Ｕ型ステークは、ステークの２本の腕の間に伸びる適切な留め具によって、束の管周りの適切な場所に留められる。

特許文献１に示される形式の押さえのある配置について、１つの問題は、ステークは、その選択された管レーンの場所に固定されるものの、各個別の管に対して明確な場所を与えないことである。管は、管レーンに平行であり、かつステークに平行な１つの面において、自由に振動するままである。特許文献３に示された設計には、別の問題が存在する。即ち、Ｕ型ステークによって囲周された並びの中の管は完全に支えられるものの、ステークの１つによって直接囲周されない、即ちＵ型ステークの閉じた端部の１つに保持される管束の周縁部の管（これらは、Ｕ型ステークの端部によって囲周されない、互い違いになった並びにおける外側の管である）は、自由に動き、これらの管における振動は、ある種の条件下で予期されうる。加えて、管支持の波形は、その完全な深さに達する前に移行領域を有することから、最も外側の管のそれぞれに隣接する２つの管はいずれも、いかなる振動の軽減も受けない。

単一の管レーンを形成する管の間の距離を調節する通路押さえを用いるステーク設計の１つの欠点は、管レーンが比較的幅広い場合、深い通路押さえが必要とされるか、または他の手段が必要であることである。より複雑な形態の管支持は、特許文献４（ハーン（Ｈａｈｎ））に示される。このステークは、押し付けばねによって分離された２つのＶ型押さえを用いる。押し付けばねは、ステークを管レーンの反対側で管に押し付けて振動を弱める。しかし、この形態のステークの製造は非常に高価である。従って、依然として、別々の部品を用いる複雑さなしに、比較的幅広い管レーンに適合しうる単位ステークが望まれている。

米国特許第４，６４８，４４２号明細書 米国特許第４，９１９，１９９号明細書 米国特許第５，２１３，１５５号明細書 米国特許第６，４０１，８０３号明細書

本発明によれば、管束における流動励起振動による管損傷の可能性を低減するのに有用な管支持装置すなわち管ステークは、細長い部材すなわち細片（ｓｔｒｉｐ）を含む。この細片は、熱交換器、凝縮器その他の管束装置において、管束の管の間で管レーンに挿入されることを目的とする。細片の長さに沿って連続する縦（長手方向の）位置に、山型管かみ合わせ域が、細片を横切って横並びに配置される。即ち、これらの管かみ合わせ域は、細片の両面から、細片の中心面から離れて横方向に伸び、ステークが挿入される管レーンの両側で（管レーンを挟んで）管とかみ合う。好ましくは、管かみ合わせ域は、細片の相反する２面から交互に横方向に伸び、各並びにおける管かみ合わせ域が、並びに沿って、先ず細片の一方の面から、次いで他の面から交互に伸びるように配列される。各横並び内のこの交互配列は、好ましくは、山型管かみ合わせ域が、連続する並びにおける同じ横位置で、細片の一方の面から他の面に交互に伸びる第２の交互配置と共に用いられる。山型管かみ合わせ域は、細片に沿って縦に伸び、管の連続する対（管レーン上で互いに対向し、かつ管の並びにおいて相互に隣接して配置されたもの）をかみ合わせるディンプルまたは波形として適切に形成しうる。一形態においては、山型管かみ合わせ域は、管ステークの内側部分においては波形、かつ外側部分においてはディンプルの形態である。即ち、このハイブリッド配置は、管ステークを管束に容易に挿入することを可能にする。しかし、ひとたびステークが据付けられれば、これは良好な固定をもたらす。

管ステークは、通常の両管形態（方形または三角形管形態のいずれか）で用いうる。ステークは各管レーンに、または管レーンに交互に挿入しうる。各管レーンに挿入された際には、管は、ステークにより両側で支えられる。三角形形態においては、管の間の有効な空隙（管レーンの寸法）がより小さいので、山型管かみ合わせ域の厚さと共にその高さも通常、ステークがこの形態の管レーンの間に挿入されるよう、より小さい。

本発明の管ステークは、ディンプル、波形その他の形態の管かみ合わせ域が形成されるよう、適切に配置された突出部および空隙を装備された口金を用いて押さえるか、突出部および空隙を有するローラー対（組になった頂部ローラーと底部ローラーの間で、突出部と空隙が交互する）を用いて、細片上に山型域を形成することによって、簡便且つ安価に製作しうる。既知形式の管ステークの多くは、この経済的且つ簡便な製作方法に適さない。

本発明の管支持装置または管ステークは、互いに隣接するが、管レーンの反対側にある管を、直接支えるように配列される。管ステークは、隣接する管の並びの間で、管レーンに沿って、管束における管の間に挿入しうる。熱交換器の構成が許せば、ステークを管束の一方の側から他方まで伸びるよう十分に長く製作し、管が、束の全幅にわたって支えられるようにしてもよい。即ち、この場合、管ステークの長さは、束を横切る管レーンの長さにより異なる。しかし多くの場合、通過レーン（ｐａｓｓ ｌａｎｅ）の場所がレーンの不連続を生じ、その結果、束全体を横切ってステークを挿入することは可能でない。そのような場合でも、ステークを、束の長さに沿って異なる角度で束に挿入し、できる限り多くの点で管が支えられるようにすることは可能である。従ってステークは、各位置（軸方向）で、軸方向の次の隣接する場所における挿入方向とは角度的に異なった方向に（管の横面内における異なる角度で）、横方向に束に挿入される。しかしこれは、束のいずれかの部分（通常、周縁部からの接近が妨げられる束の中間）において、ステークにより支持されない管を残すことがある。本発明の管ステークは、その簡単な繰返し配置を考慮すると、束に適した所望の長さに（束全体にわたって伸びるようにも、途中までしか伸びないようにも）、容易に切断しうる。

図１は、方形の管形態について、管束における４本の隣接する管を示す。本発明の管支持装置すなわち管ステークは、２つの管の並びの間で管レーンに挿入される。管レーンＬ（管レーンの一方の側の管１１Ａおよび１１Ｄと、管レーンの他方の側の管１１Ｂおよび１１Ｃとによって定められる）に、金属細片から形成された管ステーク１０が伸びる。当然ながら、完全な管束においては、管１１Ａおよび１１Ｄを含む連続した管の並びと、管１１Ｂおよび１１Ｃから連続する別の並びとによって形成される、列中に伸びる更なる管があり、他の管の並びが従来と同様の方法で配置されて管束を構成する。これらの２つの隣接する並びと他の隣接する管の並びの間の管レーンは、同様に、管束を横切って伸びる。管ステーク１０は、ディンプル型のものであり、山型ディンプル（３個のディンプルからなり、細片を横切る横並び１２、１３、１４、１５に配列されている）の形態で管かみ合わせ域を有する。横並びは、細片の並びの長さ（縦軸）に沿って、連続する縦位置で配列される。即ち、連続する並びの各対が、管レーンの両側に互いに隣接した一対の管を支えるように位置付けされる。従って、並び１２および１３におけるディンプルは、管１１Ａおよび１１Ｂを支え、並び１４および１５におけるディンプルは、並び１１Ｄおよび１１Ｃの管を支える。同様に、同じ管レーンに沿った管の連続した相対向する対は、ディンプルの横並びの連続する対によって支えられる。

並び１２におけるディンプルは、図１−ａおよび４に示されるように形成され、２個のディンプルが、細片の一方の面から横方向に外側に伸びて、金属細片の一方の側に、管１１Ｂに向かう方向に伸びる山型管かみ合わせ域１２Ａおよび１２Ｃが形成される。細片の他の側の単一のディンプル１２Ｂは、管１１Ａに向かう方向に伸びる。図４において、細片から管１１Ｂに向かって横方向に伸びるディンプルは実線の円によって示され、管１１Ａに向かって伸びるディンプルは破線の円によって示される。この取決めはまた、図５においても用いられ、細片の面から２つの横方向で伸びる域が示される。次の連続する横並び１３における山型管かみ合わせ域（管１１Ａおよび１１Ｂを支える並びの対を構成）も同様であるが、山型ディンプルは、図１−ｂおよび４に示されるように、線１２の配列に対して互い違いの方式で配列される。この並びにおいて、ディンプル１３Ａおよび１３Ｃは、管１１Ａに向かう方向で伸び、単一のディンプル１３Ｂは、管１１Ｂに向かって外側に伸びる。従って、ディンプルの２つの並び１２および１３は、管レーンＬの反対側にある管１１Ａおよび１１Ｂを支える。同様に、管１１Ｃおよび１１Ｄについては、山型管かみ合わせ域の横並び１４が、横並び１２と同様に配列されたディンプル１４Ａ、１４Ｂおよび１４Ｃとして形成される。横並び１５におけるディンプルの配列は、並び１３のそれに見合う。並び１４における山型管かみ合わせ域は、細片１０の一方の面から管１１Ｃに向かって横方向に外側に伸びるディンプル１４Ａおよび１４Ｃの形態であり、唯一のディンプル１４Ｂは、管１１Ｄに向かって外側に伸びる。並び１５において、ディンプル１５Ｂは、細片１０の一方の面から管１１Ｃに向かって横方向に外側に伸び、ディンプル１５Ａおよび１５Ｂは、管１１Ｄに向かって外側に伸びる。従って、これらの山型管かみ合わせ域は、管１１Ｃおよび１１Ｄにかみ合って、管レーンの反対側で、これらの２つの隣接する管が支えられる。

各横並びに山型管かみ合わせ域を３個有する図１、１Ａおよび１Ｂに示される配列は、幅約４〜６ｃｍ（これは多くの用途に対して簡便である）の管ステークに対して簡便且つ典型的である。しかし、ステークの幅はもっと広くてもよい（例えば約２０ｃｍまで）。この場合、各横並びに多数の山型管かみ合わせ領域が提供される。例えば、５個の山型ディンプルが、細片の両側に交互に３個および２個配列される。奇数個の山型域を用いることは、管かみ合わせ域の最小数である３個により支持の程度を対称的にすることをもたらすが、これは必須ではない。しかし、各横並びにおける山型管かみ合わせ域の数に応じ、他の配列を用いうる。例えば、並び１２および１３を、
並び１２： 上−下−上
並び１３： 下−上−下
のように示す取決めを用いると、４個の山型管かみ合わせ域を有するより幅広い細片における１対の並びは、適切には、次の配列を有する。
並び１ ： 上−下−上−下
並び２ ： 下−上−下−上
しかし、このより幅広い細片において、より多数の山型管かみ合わせ域を用いると、対称的な配置を維持した、管かみ合わせ域の交互配列からの逸脱、例えば、
並び１ ： 上−下−下−上
並び２ ： 下−上−上−下
が可能となる。
（注：呼称「上」および「下」は、真の垂直方向を示すものではなく、単に細片の中心面および面からの相対的な方向を示すにすぎない。）

ディンプルの数は、細片の幅およびディンプルの深さ（または高さ）に応じて変動しうる。ディンプルの全深さ（ｄ）（山〜谷、板の厚みを含む）は、当然に、管（細片の管かみ合わせ域によってかみ合わされるもの）の間の分離幅、即ち管レーンの寸法に関連付けられる。これはまた、管の直径にも応じて変動しうる。これは、ステークが管束内のしかるべき場所にあるときの、かみ合わせが生じるレベル（管に比較して）に、これが影響を及ぼすからである。典型的には、管かみ合わせ域の全深さｄは、管かみ合わせが生じる点における管の間の間隔より０．５〜２ｍｍ、好ましくは０．５〜１．５ｍｍだけ大きい。その結果この点で、同様の大きさの管変形が起こる。ディンプルが管周りに適合するので、実際に起こる正確な変形は、ステークの全深さより小さい。しかし、このステークの深さは、通常、良好な支持と、振動耐性を提供する管変形をもたらし、非常に硬直な管束をもたらすのに適切であることが見出される。ステーク自体の弾力性および管の弾力性は、山型管かみ合わせ域と管の間のかみ合わせに結び付いているが、これらはまた、管をより耐振動性にするだけでなく、ステークを束内のしかるべき場所に保持するものでもある。好ましくは、管かみ合わせ域の全深さ（細片の厚さを含む山〜谷の距離）ｄは、各ステークが管を元の（ｒｅｓｔ）位置から変形させ、その管変形が小さなもの（典型的には約１．５〜２ｍｍ）となるように選択される。これは、通例より少数（典型的には、さもなければ必要とされるであろうより約５０％少ない）のステークを用いることが可能である本形式のステークの特徴である。本形式の管ステークの１つの利点は、細片を過度に圧迫することなく、比較的幅広い管レーンを適応させうることである。これは、管レーン寸法の約半分が、各山型域によって占められるからである。

ステークの全深さに加えて、細片の金属の厚さおよび剛性もまた、ステークが束に挿入される際の、最終的な管変形を定める要因である。通常、選択された金属について、１〜２ｍｍの細片の厚さは、管を適切に支え、また束に挿入する際の応力に耐える能力を提供するのに十分である。

山型管かみ合わせ域は、必ずしも、円形ディンプルの形態である必要はない。下記の図３、３−ａ、３−ｂ、３−ｃに示すように、それらは、縦に伸びた波形でもよく、また図６および７に示すように、ディンプルと波形の組み合わせでもよい。しかし、管とかみ合うという必須の機能目的が保持される限り、他の配置も可能である。円形ディンプルの形態の管かみ合わせ域は、製作が容易である。しかし、他の形態のディンプル（例えば、三角形、方形、四角形または多角形、或いは楕円形または長円形（競馬場（ｒａｃｅ−ｃｏｕｒｓｅ）の形）のディンプル）を用いてもよい。管かみ合わせ域はまた、波形に見合った適切な幅の細片上に、横に伸びた波形形態であってもよい。管ステークのこの形態は、広げられた幅が、管と横波形の間の向上されたかみ合わせと相俟って、管をより強く支えるという点において有利である。個々にはより高価であるが、管束が依然として適切に支えられながらも、必要なステーク並びがより少なくなりうる。

図１は、方形の管形態で配置された適切な管ステークを示す。ステークはまた、図２に示されるように、三角形の管形態で用いてもよい。図２において、管ステーク２０は、管レーンＬの一方の側の管２１Ａおよび２１Ｄと、管レーンの他方の側の管２１Ｃおよび２１Ｄの間の管レーンを通る。山型管かみ合わせ域の第１の横並び２２は、細片の一方の面から外側に伸び、管２１Ｂにかみ合うディンプル２２Ａおよび２２Ｃと、管２１Ａにかみ合う細片の反対面上の単一のディンプル２２Ｂとによって提供される。次の横並び２３において、ディンプルは、並び２２の同じ横位置におけるディンプルに関して、互い違いに配置される。その結果、管２１Ｂは、ディンプル２３Ａおよび２３Ｃとは細片の反対面の単一のディンプル２３Ｂによって、かみ合わされる。従って、上記の取決めを用いると、並び２２は上−下−上であり、並び２３は下−上−下である。

三角形の管形態の場合、管レーンの反対側の管はいずれも、管ステークによって支えられる。これは、細片の両面から外側に伸びる管かみ合わせ域で支えられる。しかしこの場合、ジグザグの交互する管形態に見合った、ジグザグの交互様式で支えられる。従って、横並びの第１の対（２２、２３）は、管レーンＬの一方の側で管２１Ｂを支えるが、隣接する管の１つ（２１Ａ）は、管レーンの反対側で、この並びの対によって支えられ、またそれに対する支えが、次の連続する並び対の並び（示されない）からも得られる。同様に、管２１Ｄも並びの対２３、２４の管かみ合わせ域によって支えられる。しかし、これらの２つの並びは、管レーンの反対側で２つの管（２１Ｂおよび２１Ｃ）を支える。

三角形の管形態における管の間の有効空隙（管レーンの寸法）は、方形形態のそれより小さいことから、平板の厚さおよびディンプルの全深さ（山〜谷、板の厚さを含む）は、典型的には、方形配列のそれより小さい。上記と同じように、管ステークは、管の間で管レーンに挿入され、管レーンの両側で管とかみ合うまで、しかるべき位置まで押込まれうる。管ステークと管の間の保持力は、金属の弾性およびステーク上の管かみ合わせ域によって維持される。

管かみ合わせ領域が、２つの点で各管の部分にかみ合うディンプルの形態であることは必須ではない。図３に示すように、山型管かみ合わせ域は、管ステークの縦軸に平行に縦に伸び、管の円周りの１つの点で管をかみ合わせる波形の形態で提供されうる。図３において、管ステーク３０は、管レーンの一方の側の管３１Ａおよび３１Ｄ、並びに列の他方の側の管３１Ｂおよび３１Ｃの間で、管レーンＬに挿入される。示された４本の管と通常の様式で並んだ他の管によって、方形の管形態が継続される。管ステーク３０は、連続する横並び３２、３３（管ステークの長さに沿って連続し、束における管の間の間隔に従って間隔を置いて配置される）となるよう配列された縦波形により提供される。波形は、上記のディンプルに類似の様式で配置される。横並びの波形は、山型管かみ合わせ域を形成し、かみ合わせは、管レーンの反対側の隣接する管と、波形の各並びの間で生じる。波形は、管ステーク３０の中心面の両側で伸び、波形３２Ａおよび３２Ｃは、外側に伸びて管３１Ｂにかみ合い、また唯一の波形３２Ｃは、管ステーク３０の中心面の他方の側で外側に伸びて管３１Ａにかみ合う。縦波形の次の横並びにおいては、波形は、並び３２と互い違いに配置され（並び内の同じ横並びの位置における波形に関して）、波形３３Ａおよび３３Ｃは、一方の側で外側に伸びて管３１Ｄにかみ合い、唯一の波形３３Ｂは、細片の反対側から外側に伸びて管３１Ｃにかみ合う。

管ステークが、管レーンに図３に示されるように挿入される場合、波形と管の間の固定かみ合わせは、ディンプルが管の円周周りの２つの点で管とかみ合い、管の表面に弓形の２つの点で明確に固定される、図１および２のディンプル配置の場合より明確でない。しかし波形型は、より広範囲の管分離に有用であるという利点を有する。管ステークの金属の厚さおよび山型管かみ合わせ波形の寸法を適切に選択することによって、管ステークと管の間の摩擦かみ合わせが、管をしかるべき位置に保持する。波形の全深さ（ｄ）（山〜谷、板の厚さを含む）は、通常、管の間の間隔（即ち、ステークが挿入される管レーンの反対側における隣接する管の間の間隔）より約０．５〜１．５ｍｍだけ大きくし、管が望ましく支えられ、管ステークが管の間のしかるべき位置に保持されるようにする。しかし、ステークが各管レーンに挿入され、その結果管が両側からステークによって支えられる場合、ステークの全深さｄを、管レーンの寸法に等しくしうる。従って一般には、ステークの全深さは、管の間の分離より０〜２ｍｍだけ大きい。

しかし、波形の管ステークを、波形の長さおよび全深さの両項目の観点から寸法取りして、図３−ｃに示されるように管レーンに挿入し、連続する横並びの各対が、管レーンの反対側で１対の隣接する管とかみ合う（即ち、各波形が、管レーンの同じ側で２つの隣接する管にかみ合い、列の各側の管が、横並びの各対における波形の間に収まる）ようにしてもよい。図３−ｃにおいて、ステーク３０は図３と同様に管レーンＬに挿入されているが、波形３２Ａおよび３２Ｃが管３１Ｂの一方の側でかみ合い、波形３３Ｂが管３１Ｂの他の側（即ち、管３１Ｂにおける、管レーンＬに面する弓形表面の異なる点）でかみ合う。波形３３Ｂはまた、弓形の一部で管３１Ｃともかみ合い、管レーンＬに面するその弓形の他の部分が、細片の長さに沿った次の連続する波形３４Ａとかみ合い、他の波形（示されない）が、波形３２Ａおよび３２Ｃに類似の様式で、３４Ａに類似に管３１Ｃに向かって外側に伸びる。同様に、管レーンＬの反対側においては、管３１Ａは、弓形の一部において波形３２Ｃとかみ合い、弓形の他の部分において、波形３３Ａおよび３３Ｃとかみ合う。波形３３Ａおよび３３Ｃはまた管３１Ｄともかみ合い、管３１Ｄはまた、これについては波形３４Ｂともかみ合う。このように、波形は、ステークの長さに沿って固定された位置で管とかみ合うことによって、ステークを明確に保持する。このように用いられる場合、波形は、管の表面に最も接近した部分によって定められる管レーンの端を越えて伸びる（即ち、管レーンの端を越えて管の間の領域まで伸びる）ので、波形の全深さｄは、波形形態が図３に示されたように用いられた場合とは異なる（管のサイズを勘案する）。図１に示されたディンプル形態についてもそうであるが、この場合のステークの全深さは、好ましくは、管の間の分離より０．５〜２ｍｍだけ大きい。管サイズに対して、ステークの厚さおよび波形の寸法を適切に選択することにより、管束におけるステークは、適切かつ明確に配置される。

管束に管支持ステークが挿入される場合、ステークが束内の適切な場所に到るまで、山型管かみ合わせ域を、管を越えて押し進めなければならない。管ステークのディンプル型については、ステークがしかるべき位置に到るまで、ディンプルの各並びを、面する管の各対の間の空隙を通って押し進めなければならない。管かみ合わせ域の全深さ（板の厚さを含む山〜谷）は、好ましくは管の間の間隔より大きいことので、管は、ディンプルが通るように若干湾曲しなければならない。このことは、ステークがその最終的な位置にある場合、それをしかるべき位置に保持するが、管の各並びの湾曲に対する耐性に打ち勝たなければならないので、そのことは、挿入をずっとより困難なものにする。山型の波形を用いる変型は、この点でより良好であり、挿入はより容易になるが、ひとたびステークがしかるべき位置に到ると、そのような多点保持を有さないことが犠牲となる。以下に述べ、また図６および７に示す管ステークのハイブリッド形態により、ディンプル形態の良好な管保持能力を維持しつつ、波形の変型におけるより容易な挿入能力が提供される。

管ステークのハイブリッド形態において、山型管かみ合わせ域は、ステークの内側端（管束の中心部に挿入される端部）で山型波形の形態であり、ステークの外側端（管束の周縁部にある端部）でディンプルの形態である。前記のように、管かみ合わせ域は、細片の長さに沿って連続する縦位置で、細片を横切って横並びで配置され、細片の両面から、細片の中心面から離れて横方向に伸びて、ステークが挿入される管レーンの反対側で管とかみ合う。ステークの内側端の波形は、束における管の間で、より容易に滑動し、ステークが、束により容易に挿入されることを可能にする。一方、ステークの外側端のディンプルは、束の周縁部近くで管と連結して、良好なステーク位置および保持能力が提供される。

ステークのこの形式においては、ステークの外側端のディンプルの横並びの数は、ステーク挿入の容易性および明確なステークの保持に付随する相対的な重要性に応じて、多かれ少なかれ、所望で選択されうる。通常の長さ（約２０〜５０ｃｍ）のステークにおいては、典型的にはディンプルの３〜１０列の並びが、良好なステークの保持を保証するのに適切である。管束周縁部における管配置によっては、外側の管の並びは、最も外側のディンプルの並びによって、一方の側でのみ支えられうる。しかし、十分な数のディンプル並びを提供することによって、適切なステーク保持がもたらされうる。

図６は、方形の管形態について、管束における８本の隣接する管を示す。本発明の管支持装置または管ステーク４０は、管の２つの並びの間で、管レーンＬに挿入される。管ステーク４０は、金属細片から形成され、列の一方の側の管４１Ａ、４１Ｃ、４１Ｅおよび４１Ｇ、並びに管レーンの他方の側の管４１Ｂ、４１Ｄ、４１Ｆおよび４１Ｈによって定められた管レーンＬ内で伸びる。完全な管束においては、更なる管が存在する。これは、連続する管の並びによって形成された並びを形成して伸び、また他の管の並びが、類似の通常の様式で配列され、管束を構成する。これら２つの隣接する並びと、他の隣接する管の並びの間の管レーンは、同様に、管束を横切って伸びる。管ステーク４０は、山型管かみ合わせ域の４個の横並び４２、４３、４４、４５を、細片を横切って伸びる、山型の一般に円形のディンプルの形態で有する。並び４５は波形４６の第１の並びと一体化され、一体化されたディンプル／波形は、ステークの端部に準円形のディンプル４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃを、内側端に線状の波形４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを有する鍵穴型の管かみ合わせ域を形成する。図７は、Ａ、Ｂ、Ｃで示された縦線、および４２、４３、４４で示された横並びでディンプルの配列を示す。その結果ディンプルは、並びおよび線によって、各並び４２、４３、および４４における４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃなどとして、並びに各並び４６、４７における波形４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃなどとして、また連続して更に、ステークの長さに沿って示されうる。

並び４２〜４５におけるディンプルのように、並び４７およびその先における波形は、各横並びを横切り、また各軸線Ａ、Ｂ、Ｃに沿って、交互配列で細片の各面から外側に伸びる。図７においては、波形が形成された側を示すのに、同じ取決めが用いられる。実線は、一方の方向で伸びる波形を示す。破線は、細片の面から反対方向である。上記されるように、並び４６の波形は、ディンプル４５Ａ、４５Ｂおよび４５Ｃの連続として形成される。これは、細片の同じ側で外側に伸びる。その結果、並び４５における各ディンプル、およびその対応する波形４６は、旧型鍵穴のような形の連続する山型の管かみ合わせ域を形成する。これは、管を支えるという目的では必要ないものの、細片上に生じる応力を低減するものである。

横並びは、細片の長さ（縦軸）に沿って、連続する縦位置で配列される。連続する並びの各対は、管レーンＬの一方の側で互いに隣接する１対の管を支えるように位置を定められる。各並び（最も外側の並びを除く）は、互いに隣接するが、管レーンの反対側にある１対の管を支える。従って、並び４２および４３は、管レーンＬの一方の側で管４１Ａを、列の他方の側で管４１Ｂを支える。同様に、並び４４および４５は、細片の各側で外側に伸びるディンプルによって、管レーンの反対側で管４１Ｃおよび４１Ｄを支える。

並び４２におけるディンプルは、図７に示されるように形成される。即ち、細片から横方向に、細片の一方の側の管（４１Ｂ、４１Ｄ、４１Ｆ、４１Ｈ）に向かって伸びるディンプルは、実線の円（例えば４２Ａ、４２Ｃ）によって示され、管レーンの反対側の管（４１Ａ、４１Ｃ、４１Ｅ、４１Ｇ）に向かって伸びるディンプルは、破線の円（例えば４２Ｂ、４３Ａ、４３Ｃ）によって示される。図７においては、これは、図４で用いられたと同じ取決めによって示され、実線は細片から一方の方向で盛上げられたディンプルを示し、破線の円によって、他方向の突出されたディンプルが示される。従って、単一の軸線（細片の長さに沿う、図２の線Ａ、Ｂ、およびＣとして示される）上にあるディンプルは、先ず、細片の面から一方の方向で、次いで他の方向で、と互い違いになっている。このようにして、支持は、管に対して、規則的な繰返し様式で提供される。

図３および３−ｃに示される配置においてそうであるように、波形の長さ（縦方向）を設定して、（図３におけるように）波形の各並びが、管レーンの反対側で１対の隣接する管とかみ合うようにしてもよく、収められた配列（図３−ｃにおけるように）において、列の同じ側で１対の隣接する管とかみ合うようにしてもよい。

各横並びに山型管かみ合わせ域を３個有する図７に示された配列は、幅約４〜６ｃｍ（これは多くの用途に対して簡便である）の管ステークに対して簡便且つ典型的である。しかし、ステークの幅はもっと広くてもよい（例えば約２０ｃｍまで）。この場合、多数の山型管かみ合わせ域が、各横並びに提供されうる。例えば、５個の山型ディンプルが、細片の両側に交互に３個および２個配列される。奇数個の山型域を用いることは、管かみ合わせ域の最小数である３個により支持の程度を対称的にすることをもたらすが、これは必須ではない。しかし、各横並びにおける山型管かみ合わせ域の数に応じ、他の配列を用いうる。例えば、並び４２および４３を、
並び４２： 上−下−上
並び４３： 下−上−下
のように示す取決めを用いると、４個の山型管かみ合わせ域を有するより幅広い細片における１対の並びは、適切には、次の配列を有する。
並び１ ： 上−下−上−下
並び２ ： 下−上−下−上
しかし、このより幅広い細片において、より多数の山型管かみ合わせ域を用いると、対称的な配置を維持した、管かみ合わせ域の交互配列からの逸脱、例えば、
並び１ ： 上−下−下−上
並び２ ： 下−上−上−下
が可能となる。
（注：上記のように、呼称「上」および「下」は、真の垂直方向を示すものではなく、単に細片の中心面および面からの相対的な方向を示すにすぎない。）

山型管かみ合わせ域の横並びを管ステーク上に置くことは、管ステークと、それらが用いられている管束内の管の間に、望ましいかみ合わせを提供するものである。管束内の通過レーンを調節するために、山型の管かみ合わせ域（ディンプル、波形）の連続する横並び間の距離を、対応して、束における管の配列と一致させて増大してもよい。

図面からわかるように、各管ステークは、管レーンの反対側で管とかみ合い、その結果各管レーンにステークを挿入すると、管束の外側周縁部で、２つの管の並びを支える。束の周縁部においては、他の側で管を支えないステークによって支えられる管がいくつかありうる。これは、それらの管に与えられる有効な支えを低減する。しかし、束内の管の最後の対から外側に伸びるステークの長さは比較的短いので、これらの外側の管には、少なくともステークの片持ち端（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ ｅｎｄ）によって、一方の側でいくらかの効果的な支えが与えられる。

ステークと管の間の摩擦かみ合わせは、ステークを束内に保持するが、管ステークの端部に管かみ合わせ鉤を付けて、管レーンの一方の側で管の端部を引っ掛け、一方方向にステークが引っ込むことを防止してもよい。或いは、ステークをＵ型またヘアピン配置に折り曲げてもよい。これは、効果的に、弓形の管かみ合わせ部位により、一端に、連接された１対のステークを有する。この配置は、３個の管の並びを補強し、同時に、束の一端において周縁部の管に固定されたヘアピン（弓形の部位）の閉じた端部によって、ステークの更なる明確な位置付けがもたらされる。各ステークは、３個の管の並びを同時に補強するので、Ｕ型の管ステークを、交互に並びの上に挿入し、管束における各管並びを補強しうる。所望により、ヘアピンの腕の間に伸びるボルトなどの保持部品によって、その長さに沿った１箇所以上の点に、更なるステークの保持を提供してもよい。金属バンドが通過しうる小さな穴を、ステークの端部に打抜くことによって、単一線のステークに対する更なる固定（Ｕ配置には形成されない）を提供しうる。この金属バンドを、例えば連接ロッド（管束の外側の管円周に隣接する管束装置に利用可能である）に固定すると、管支持体が管を下方に滑る可能性が低減される。

管ステークは、用いられる管束装置の環境において耐腐食性である金属から、適切に作製される。通常、水および他の環境の両者において耐腐食性であるためには、ステンレススチールが満足なものである。デュプレックスステンレススチールが好ましい場合、塩素腐食が予測される場合を除いて、ステンレスＳＳ ３０４が適切である。ある種の合金元素（クロム、ニッケルおよび任意にモリブデン）を種々の含有量で含むデュプレックスステンレススチールは、ほぼ等しい比率のフェライトおよびオーステナイトの混合微細構造によって特性付けられる（従って、共通の名称「デュプレックス（Ｄｕｐｌｅｘ）」を有する）。高含有量のクロム、ニッケルおよびモリブデンに基く化学組成は、高レベルの粒間およびピッチング腐食耐性をもたらす。窒素の添加は、進入型固溶メカニズムによって、構造的硬化を促進する。これは、降伏強度および極限強度を、靭性を損なうことなく高める。更に、２相微細構造は、通常のステンレススチールと比較して、ピッチングおよび応力腐食割れに対して、より高い耐性を保証する。それらはまた、高い熱伝導性、低い熱膨張係数、良好な硫化物応力腐食耐性、およびオーステナイト鋼より高い熱伝導性、同様に良好な作業性および溶接性が顕著である。デュプレックスステンレススチールは、その合金含有量によって腐食性能が異なるグレードのファミリーである。通常、２３０４、２２０５などのデュプレックスグレードが、熱交換器使用に適切であり、最終的な選択は、許容された腐食耐性要求に一致させられる。

管ステークの管束への挿入は、先ずステークの全厚さ（ディンプルまたは他の山型域を含む）より若干厚く、傾斜した端部を有する金属バーを挿入し、その後ステークをしかるべき位置に挿入し、金属バーをゆっくり除去して、管および管ステークの適切な固定を確実にすることによって促進される。また、バーを類似の様式で用いて、ステークの除去を促進してもよい。ステークは、経験、または関連装置に対する振動研究によって決定される軸方向の位置に挿入されうる。ステークは、異なる軸位置、異なる横方向で束に挿入されうる。例えば、第１の軸位置においては垂直方向、第２の位置においては水平方向とし、管束の長さに沿って連続する軸位置において、これを交互に繰り返す様式で続く。

本形式のステークについての、その良好なステーク保持能力に加えての他の主な利点は、その単純性である。特許文献２および３に示されたステークとは異なる。これは、金属細片を縦方向（ＵまたはＶ型通路を形成）および横向き（管受けサドルを形成）の２方向で圧縮成形すること、即ち、大きな機械（圧縮力が１０トン（メートル法）にもなる）を含む高価な操作を必要とする。対照的に、本ステークの管かみ合わせ域は、横方向の単一の圧縮操作（低圧縮力の単純な圧縮機で、ステークの長さに沿って連続して圧縮することにより、数列のディンプルまたは波形の並びを一度に製作する）によって形成されうる。
勿論、２つの圧縮ロールを用いることは、大規模な製造に対して最も経済的な選択であることを示す。しかし、これは必ずしも必要ではなく、より大きな資産を利用しなくとも、より安価でより簡単な装置を用いることができる。

本発明の管ステークが管を支える、方形配列の熱交換器における４本の管の断面図である。 図１の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。 図１の線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。 三角形の管配置を有する熱交換器における、ステークの両側で山型管かみ合わせ域が交互に伸びて管を支える管ステークを示す。 図２の断面線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。 図２の断面線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。 ステークの両側で交互に伸びる縦波形を有する管ステークを用いる方形配列の配置における、管束の４本の管の断面図である。 図３の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。 図３の線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。 管束における管に関して異なる位置に配置された、図３の管ステークを示す。 図１の管ステークの図であり、山型管かみ合わせ域の交互配列を示す。 図３の管ステークの図であり、山型管かみ合わせ域の交互配列を示す。 管ステークがステークの両側で交互する山型かみ合わせ域を有し、ステークの外側端部のディンプルおよびその内側部分の波形で管を支える、方形配列の熱交換器における８本の管の断面図である。 図６の管ステークの平面図である。

符号の説明

Ｌ 管レーン
１０ 管ステーク
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ 管
１２、１３、１４、１５ 並び
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 山型かみ合わせ域、ディンプル
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ 山型かみ合わせ域、ディンプル
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ 山型かみ合わせ域、ディンプル
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ 山型かみ合わせ域、ディンプル
２０ 管ステーク
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ 管
２２、２３、２４ 並び
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ ディンプル
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ ディンプル
２４Ａ、２４Ｂ ディンプル
３０ 管ステーク
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ 管
３２、３３ 並び
３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ 波形
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ 波形
３４Ａ、３４Ｂ 波形
４０ 管ステーク
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆ、４１Ｇ、４１Ｈ 管
４２、４３、４４、４５、４６、４７ 並び
４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ ディンプル
４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ ディンプル
４４Ａ、４４Ｂ ディンプル
４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃ 準円形ディンプル
４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ 波形
４７Ａ、４７Ｂ 波形

Claims (11)

1. 管列を分離する管レーンと列をなして管が配列された、管束のための管支持装置であって、
   前記装置は、一対の相反する面と複数連続する横方向の管支持並びとを有する、縦に細長く伸びた細片を含み、前記管支持並びが細片に沿って連続する縦位置に配置され、
   前記各管支持並びが複数の山型管かみ合わせ域を有し、
   前記複数の山型管かみ合わせ域の少なくとも２つが、相反する面の対の一方から横方向に外側に伸び、複数の山型管かみ合わせ域の少なくとも１つが、相反する面の対の他方から横方向に外側に伸び、
   前記複数の山型管かみ合わせ域が、横方向に外側に伸びて、管束における管と管レーンの両側でかみ合い、
   管支持装置における少なくとも２つの前記管支持並びの各々の少なくとも１つの山型管かみ合わせ域により、管束における少なくとも１本の管がかみ合わされる、
   ことを特徴とする管支持装置。
2. 各横並びにおける前記管かみ合わせ域が、前記細片の一方および他方の面から交互に外側に伸びることを特徴とする請求項１に記載の管支持装置。
3. 隣接する横並びの対応する横位置における前記管かみ合わせ域が、前記細片の反対面から外側に伸びることを特徴とする請求項１に記載の管支持装置。
4. 前記山型管かみ合わせ域が、前記細片のそれぞれの面から外側に伸びる山型ディンプルを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の管支持装置。
5. 前記山型管かみ合わせ域が、前記細片のそれぞれの面から外側に伸びる、縦に伸びた波形を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の管支持装置。
6. 前記細片の前記横並びが、一方の端部においては山型ディンプルを含み、他端においては縦に伸びた波形を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の管支持装置。
7. 複数の山型ディンプルおよび複数の縦に伸びた波形の横並びを有し、山型波形の並びに続く山型ディンプルの並びは、山型波形の並びと融合して、各ディンプルが、前記細片の長手方向の軸に沿った同じ縦線における波形の端部と融合することを特徴とする請求項７に記載の管支持装置。
8. 管列を分離する管レーンと列をなして配列された管を含み、管レーンに配置された請求項１〜７のいずれか１項に記載の管支持装置によって管が支えられる、ことを特徴とする管束装置。
9. 管の並びと管レーンが直交した方形形態で、管が管レーンに配置された前記管支持装置によって支えられる、ことを特徴とする請求項８に記載の管束装置。
10. 管の並びと管レーンが直交した方形形態で、前記管束における管が配列され、管が管レーンに配置された前記管支持装置によって支えられ、前記管かみ合わせ域の隣接する横並びの各対が、管レーンの両側で１対の隣接する管とかみ合う、ことを特徴とする請求項８に記載の管束装置。
11. ジグザグ状の交互配列の管の並びと、管レーンに配置された前記管支持装置によって管が支えられる管の並びの間の管レーンとを有する三角形形態で、前記管束における管が配列される、ことを特徴とする請求項８に記載の管束装置。

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