JP4728243B2 - 改良された熱交換器のハウジングと封止部分 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に熱交換器と熱交換器を構成する方法とに関わる。

平行なチューブの大きなアレイを有する熱交換器と熱交換化学反応器とがこの分野で知られている。このような物のための従来の設計の仕方は、設計標準の中で体系的に整理されている。「管形」熱交換器の「シェル側面（shell side）」として普通言及されているチューブの表面の外側で流れの通路を迂回する流れの漏れは、著しく熱パフォーマンスの設計を制限している。

延長熱伝導表面を有するチューブの使用と特別に密に充填されたアレイのチューブの使用とのような様々な技術が、熱交換器内の単位体積当たりの熱伝導領域を好都合に増加させるように用いられている。このような構成は、コンパクトで費用効果の高い熱交換構造の構成において重要である。しかしながら、このような構成の使用は、管形熱交換器における流れの迂回の問題を悪化させている。したがって、熱交換器産業は、チューブをはるかに離間することにより、そして、熱交換器のコンパクトさと費用効果の高さとを減少させる（しばしばフィンとして言及される）延長熱伝導表面をほとんど設けないか全く設けないことにより、流れの迂回の効果を制限することを試みてきた。代わりに、熱交換器産業は、チューブの外側のいかなる所定の流通路においても漏れを制限するように封止部材を設けることにより流れの迂回の効果を制限することを試みてきた。しかしながら、これらの流れの迂回を制限する方法は、いくつかの厳しい制限を有している。

Ｕｇｇｅｒｓｂｙによる米国特許Ｎｏ．２，５９５，８２２（以下、「‘８２２特許」）に記述されている方法は、金属から形成され、丸められた外側形状を備えている弾性的な部材を提供している。このような部材は、管形熱交換器として言及されている熱交換器のように丸められている平面形状を備えているチューブ熱交換アレイに制限されている。さらに、これら部材は、極めて荒い又は局所的な表面の不完全性のある表面に対して封止する能力において制限がある。前記‘８２２特許は、比較的実用的ではない方法を記述している。これは、多くの管形熱交換器は、巻かれたプレートを溶接することにより製造された、丸められたシェルを有しており、このように、局所的な不規則性は、困難で並びに／もしくは高価な機械加工又は研磨によってのみ除去されることができるからである。多くの場合、構成の物理的なサイズと材料とのために、表面仕上げを‘８２２特許に記述されている方法を使用するために十分に改善することは、完全に非実際的である。最後に、前記‘８２２特許における発明の金属部材は、クリープ変形が始まる温度より下での適用に制限されている。実は、金属部材の応力を緩和するのに十分高い動作温度で金属部材を使用することでさえ、封止を設けることにおいて、この金属部材を実質的に比較的効果的ではなくしている。このように、４００℃より上の温度は完全に問題外であり、２００℃より上の温度は、長い時間の露出で機能の部分的な損失を引き起こし得る。

前記‘８２２特許に記述されている方法の代わりの方法は、Ｆｏｒｂｅｓたちによる米国特許Ｎｏ，４，７３３，７２２（以下では「‘７２２特許」）に記述されている。この‘７２２特許は、ポリマー材料から製作され特別に設計された形状を有する弾性的な部材を記述している。この封止部材は、前記‘８２２特許の部材における表面仕上げへの敏感性に関する問題を克服している。しかしながら、この‘７２２特許に記述されている弾性的な部材は、前記‘８２２特許において記述されている弾性的な部材よりもさらに厳しい温度制限を有している。

封止部分を用いて迂回流を制限する問題は、チューブの外側の流通路における局所的な例外的に大きな圧力勾配を有する熱交換器においてより悪くなる。このタイプの交換器の例は、管状交換器製造者協会（Ｔｕｂｕｌａｒ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）（ＴＥＭＡ）標準用語においてシェルタイプＦとして指定され複数通路でＵ字形状のチューブ（U-tube）の熱交換器である。設計標準は、このような交換器の封止部分に対する必要を認めており、改良された通路間の（inter-pass）封止部分が、Ｓｍｉｔｈによる米国特許Ｎｏ．４，７７８，００５（以下「‘００５特許」）に記述されている。この‘００５特許に記述されている改良された封止部分は、弾性的な金属部材であり、この部材は、ガスの差圧により活発に（active）負荷がかけられている。このような封止部分は、まだある程度まで‘８２２特許に記述されている円形の封止部分の欠点を有しているが、この活発な特性により利益を得ている。

ＴＥＭＡ標準用語は、長手方向に分割されていないシェルの中で異なるシェル側面通路を有する交換器を認めることさえしていない。このことは、このような設計における有害な漏れを妨げる従来技術の無能力を示している。Ｌｏｍａｘたちによる米国特許Ｎｏ．６，４９７，８５６（以下「‘８５６特許」）は、アレイのチューブとこれらチューブの外側の複数通路の流れとを用いている熱交換化学反応器を記述している。前記‘８５６特許により明らかにされたタイプの熱交換反応器の構造において、チューブの外側の流通路の間の最大温度が８００℃より高く、このように、前記‘８２２特許に記述されている方法を用いるには熱すぎる。前記‘８５６特許で記述されている装置において必要されているバーナーは、流路の間の仕切りを横断する著しい圧力降下を発生することができる。この圧力降下は、従来の構成技術を用いると、有害な流れの迂回を著しく増加させる。さらに、前記‘８５６特許に記述されている装置は、特に、延長熱伝導表面を設けることによりパフォーマンスが高められることを意図されており、このように、前記熱交換反応器の中での圧力降下と漏れとをさらに増加させている。

したがって、高い温度と圧力とで動作されるようなチューブ熱交換器に対してシェル側面の流体の漏れと迂回とを減少する熱交換構造を提供することが望ましい。

本発明は、ハウジングと、このハウジングの中に設けられている第１の流通路と、このハウジングの中に設けられているアレイの流路とを有し、この流管のアレイは、前記第１の流通路を通して延びている、熱交換装置を有利に提供する。前記第１の流通路は、前記ハウジングの内面とバッフルプレートとにより規定されている。このバッフルプレートは、前記第１の流通路を越えて延びている延長部分を有している。前記ハウジングは、第１の壁とこの第１の壁から延びているフランジとを備えている第１のハウジング部材と、第２の壁とこの第２の壁から延びているフランジとを備えている第２のハウジング部材とを有している。第１のハウジング部材のフランジと、第２のハウジング部材のフランジとは、前記延長部分の反対側のバッフルプレートの延長部分へのフランジ結合部において結合されている。

本発明は、さらに、バッフルプレートにより部分的に規定されている流通路を有し、このバッフルプレートは,延長部分を有する、熱交換装置のためのハウジングを有利に提供する。この熱交換装置は、さらに、前記流通路を通って延びている流管のアレイを有している。前記ハウジングは、各々が壁とこの壁から延びている少なくとも１つのフランジとを有し、隣接するハウジング部材のフランジは、フランジ結合部で結合されている、複数のハウジング部材を有している。このフランジ結合部は、前記バッフルプレートの延長部分を固定して受けるように構成されている。

本発明は、また、ハウジングと、このハウジングの中に設けられている第１の流通路と、このハウジングの中に設けられている第２の流通路と、実質的にこの第１の流通路を第２の流通路から分離しているバッフルプレートとを備えている熱交換装置を有利に提供している。この装置は、また、前記ハウジングの中に設けられている流管のアレイを有し、この流管のアレイは、前記第１の流通路と、バッフルプレートと、第２の流通路とを通って延びている。プレート部材が、前記第１の流通路の中に設けられている。前記流管のアレイは、このプレート部材を通って延び、このプレート部材は、前記バッフルプレートから所定の距離の所で前記流管のアレイの外面に取着されている。少なくとも１つの熱膨張性材料の層が、前記バッフルプレートとプレート部材との間に設けられ、前記流管のアレイは、少なくとも１つの熱膨張性材料の層を通って延びている。前記少なくとも１つの熱膨張性材料の層は、前記バッフルプレートとプレート部材の間の隙間を実質的に完全に満たしている。

本発明は、ハウジングと、このハウジングの中に設けられている第１の流通路と、このハウジングの中に設けられている第２の流通路と、このハウジングの中に設けられている流管のアレイとを有し、この流管のアレイは、前記第１の流通路と、第２の流通路とを通って延びている、熱交換装置を有利に提供する。封止領域が、前記第１の流通路を前記第２の流通路から実質的に分離している。この封止領域は、前記第１の流通路の部分を規定する第１のバッフルプレートと、前記第２の流通路の部分を規定する第２のバッフルプレートとを有している。前記流管のアレイは、これら第１及び第２のバッフルプレートを通して延びている。耐火ガスケットが、前記第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートとの間に設けられており、前記流管のアレイは、この耐火ガスケットを通して延びている。熱膨張性材料の層が、前記第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートとの間に設けられており、前記流管のアレイは、この熱膨張性材料の層を通って延びている。

本発明は、さらに、バッフルプレートにより部分的に規定されている流通路を有し、このバッフルプレートは、延長部分を有する、熱交換装置を構成する方法を有利に提供する。この熱交換装置は、さらに、前記流通路を通って延びている流管のアレイを有している。前記構成する方法は、各々が壁とこの壁から延びている少なくとも１つのフランジを有している複数のハウジング部材を設ける工程と、フランジ結合部が前記バッフルプレートの延長部分を固定して受け、最終的なハウジング部材は結合されない、隣接するハウジング部材のフランジを前記フランジ結合部で結合する工程とを有する。この方法は、また、流管のアレイを流通路に挿入することと、複数の熱伝導フィンを前記流管のアレイの流管の外面に設けることと、前記最終的なハウジング部材のフランジを隣接するハウジング部材に閉じられたハウジングを構成するように結合することとを有している。

本発明のより完全な理解と、本発明の期待される有利な点の多くとは、以下の詳細な記述を参照して、特に、添付されている図面を関連させて考慮された時に、直ちに明らかになる。

本発明の実施形態が、添付されている図面を参照して以下で記述される。以下の記述では、実質的に同じ機能と配置を有する構成要素は、同じ参照符号により示されており、必要な時だけ反復的な記述がなされる。

図１は、実質的に平行な導管すなわちチューブ２のアレイを有するチューブ熱交換器コアを示している。このチューブ２は、第１の管板３と第２の管板４との間を封止されて接続されている。第１の流体は、前記第１の管板３に封止されて取着されている入口多岐管から、前記アレイのチューブ２のチューブを通って、前記第２の管板４に取着されている第２の多岐管から流れ出ている。これら多岐管は、明解さのためここでは図示されていない。前記アレイのチューブ２は、流れ向き付けバッフルすなわちプレート５を有するこれらチューブの外側面に設けられており、このプレート５は、第２の流体に前記アレイのチューブ２の軸にほぼ垂直に流れを引き起こさせるように用いられている。１以上のバッフル５は、前記第１の流体を搬送する前記アレイのチューブに交差する前記第２の流体の交差流のいくつかの連続した段階を生むように設けられることができる。

前記熱交換器の形状と所望の構成とに依存して、前記バッフルは、所望されている流れを発生させるために弦形の（chorded）部分が互い違いの側で除去されている一般に円形の平面であることができる。図１のバッフルは、好ましい矩形の平面である。本発明は、決して矩形の平面を有するチューブのアレイとバッフルとに制限されずあらゆる所望の平面が設けられることができるが、図１のチューブのアレイ２は、同様に矩形である。

図１は、全体においてここに組み込まれている‘８５６特許の流れの配置を与えるように設定されている熱交換器コアを示している。前記バッフル５は、単純な逆流又は平行流熱交換のような所望されているいかなる種類の流れパターンも実行するように配置されることができる。‘８５６特許において示されている流れの配置において、第２の流体の流れは、封止領域７により２つの分離した流れの通路に分離されることができる。図１において、耐火フェルトガスケットの方法が、前記封止領域７において下側の流れの通路８と上側の流れの通路９との間に用いられている。前記第２の流体は、この第２の流体に空気を含む燃料を加えることと結果の混合物を燃焼させることとのようないくつかの中間のプロセスの後で、これら通路の両方を通って流れることができ、もしくは、異なった第３の流体が、これら通路の１つを流れることができる。いずれの場合にも、流れの通路７、８における流れの流体圧力は異なり,このように前記封止領域を横断して圧力勾配が存在する可能性がある。

複数の熱交換フィンは、熱伝導領域を増加し、腐食に対して保護し、チューブに機械的な支持を与えるように、有利に前記チューブアレイ２のチューブの外側面に位置されることができることはまた銘記されるべきである。図１において、プレートフィン１０と円形リングフィン１１との好ましい組合せが用いられている。また、適合した熱伝導フィン１２を有する領域１２が設けられている。延長熱伝導フィンは、流体の摩擦と圧力の損失とを引き起こし、このように、極めて高い圧力差を交差流段階の間に、特に前記封止領域７を横断して与えることができる。

図１において明らかな１つの特徴は、前記バッフルプレートの様々なサイズである。バッフル５は、前記チューブアレイ２の一端でチューブに平行な流れを妨げる弦形の形状を有しているが、一方で反対の側でこの方向への流れを可能にしている。完全バッフル１３は、他方で、このチューブアレイ２に平行な流れを全く不可能にしている。延長バッフル１５は、長い平面を設けており、これを通って前記チューブアレイ２に平行な流れは不可能になっている一方で、同様のバッフル１６には、局所化された流れを可能にする流体ポート１７がある。

図１に示されている全ての前記バッフルは、小さな延長部分１８を有し、この延長部分１８は、流れの通路と、各流体段階におけるフィンの形成された領域の外側に延びている。この延長部分１８は、前記第２の流体の流れを向き付けるための耐火性配管に合わせるために設けられている。

図２は、シートカバーパン（pan）２０、３０のようなハウジング部材により形成されているハウジング１００の中に流れのための改良された多岐管と、バッフル１３乃至１６とバッフル１９の部分のような熱交換器の外殻の部分を形成している様々なバッフル部とがある構造を示している。本発明の前記ハウジング１００は、漏れがゼロの状態を達成することができる。図２において、前記チューブ熱交換器コア１は、シートメタルカバーパンのようなハウジング部材３０が明確さのために分解図で示されている１つの区画で示されている。前記第２の流体の交差流の方向に平行な複数の矩形のフィン１０の側で、シートメタルカバーパンのような第２のハウジング部材２０が示されている。この第２のカバーパン２０は、前記第２の流体の流れと平行な方向に延ばされ、前記チューブアレイ２の複数の延長熱交換フィン１０と密着させて組み立てられている。前記第２のカバーパン２０には、フランジ２２が４つの側面全てに設けられており、これらフランジ２２は、パン２０の壁２４からほぼ９０°の角度に延びている（もし、ハウジング部材の異なる断面の形態が用いられるならば、この角度は異なることを銘記せよ）。前記フランジ２２は、バッフル延長部分１８に当たっており、実質的に耐流体の仕方でフランジ結合部３６でフランジ２２に結合されている。

前記カバープレート３０には、２つのフランジ３２が対向する側面に設けられており、これらフランジ３２は、壁３４から実質的に９０°の角度で延びている（もし、ハウジング部材の異なる断面の形態が用いられるならば、この角度は異なることを銘記せよ）。これらフランジ３２は、前記バッフル延長部分１８に当たっており、このバッフル延長部分１８と、隣接するカバーパン２０の隣接するフランジ２２とにフランジ結合部３６に沿って結合されている。前記カバープレート３０には、対向する側面に２つのフランジ３３が設けられており、これらフランジ３３は、前記壁３４から実質的にこの壁３４に平行な方向に延びている（もし、ハウジング部材の異なる断面の形態が用いられるならば、この向きは異なることを銘記せよ）。これらフランジ３３は、フランジ結合部３５に沿って隣接するカバーパン２０の隣接するフランジ２２に結合されている。このように、流体不浸透性の多岐管が、前記第２の流体を向き付けるように形成されている。

パンからバッフルへの及びパンからパンへの結合の詳細は、図３における分解図により、比較的明解に理解されることができる。前記熱交換器コア１が、再び示されており、ここでカバーパン２０ａが分解図で示されている。図３は、また、下側の位置の他のカバーパン２０ｂを示している。このカバーパン２０ｂは、前記バッフル５の下の通常の動作位置にある。図３は、２つのカバープレート３０ａ、３０ｂを示しており、これらは、通常の動作位置にある。そして、前記側面のカバーパン２０ｂのフランジ２２ｂと、前記端部カバーパン３０ｂのフランジ３３ｂとの間に前記フランジ結合部３５の位置が直ちに見られることができる。カバープレート３０ａのフランジ３２ａと、カバープレート３０ｂのフランジ３２ｂとは、バッフル５の前記延長部分１８と接触して比較的明確に示されている。前記フランジ結合部３５、３６は、溶接、硬蝋付け、接着、ロールフォーミング又は当業者に明らかな他の方法のような方法により本質的に流体不浸透性に構成されることができる。フランジが、集合体への応力を取り除き、前記バッフル、パン又はこれらの両方の永久的な変形を妨げるように、差異的な熱膨張の下で弾性的に曲がることができるように、前記フランジとバッフル５との結合部で前記フランジ結合部３６を溶接又はロールフォームすることが特に有利である。

本発明の代わりの実施の形態において、１以上の前記カバーパン２０、３０が、ボルト、ねじ又は他の取り外し可能な固定装置により取着されることができる。このような実施の形態において、前記カバーパン２０、３０の間と、これらカバーパン２０、３０とバッフルプレートの前記延長部分１８との間とに定常的な封止部材を設けることが好ましい。この代わりの実施形態の有利な点は、前記カバーパンが熱交換アレイ２を有する熱交換器コア１を検査し並びに／もしくは洗浄するために、除去されることができることである。この態様は、腐食又は付着物の堆積が、多いと期待されるいくつかの熱交換器の使用条件の下で極めて望ましい。

図示されている実施の形態において、フランジが形成されている結合部が、各パンの上縁と下縁との両方及び各パンの端部にあるため、あらゆる永久的な形成力のある変形が発生する前に実質的な量の弾性的な変形が可能である。この弾性的な変形は、結合部が、フランジの端部の所のような前記パンの壁からある距離の所に位置されており、それによりこのフランジの結合部と壁との間の部分が壁の平面に沿って向き付けられた負荷の下で変形することを可能にしているために、可能である。このように、本発明は、隣接する複数の壁の間の距離が、様々な部分の熱膨張により引き起こされる負荷と前記熱交換器内の熱的な勾配により引き起こされる負荷のような所定の条件の下で延長することを可能にするための延長手段を与えている。このことは、高い熱的な応力がここで実施の形態に示されている導管を用いているチューブ熱交換器の連続する交差流の段階の間に容易に適合されることができるので、本発明の特に有利な態様である。この態様は、延長された熱伝導の形態が用いられている時、また有利である。これらの形態は、交差流の段階ごとに移動される熱の総量を増加し、このことは、各交差流領域を横断する比較的高い熱的勾配と、あらゆる２つの隣接する交差流領域の点の間の比較的高い熱的勾配との結果となるからである。これらの高度に弾性的な結合部の変化している温度に動的に適合する能力は、また、一時的な動作の間と、熱交換器が様々な条件で動作するように設計されている状況において、特に有利である。このように、この装置は、広い温度範囲と温度プロファイルに渡って漏れがなく機能し続けることができる。このように、前記バッフルとパンとは、始動条件で寒い時又は前記熱交換器を通しての温度プロファイルが設計時点での温度プロファイルと極めて異なる設計外の条件において漏れを起こさない。

前記フランジ結合部３５、３６は、隣接する壁の間の距離の膨張が、所定の条件の下で膨張することを可能にする様々な形態を形成している。水平広がったの形態４８は、前記チューブアレイ２の軸に垂直に周期的な間隔で見られることができる。この形態が、配管構造の外側周囲全体に沿って延びているという事実は、また明らかである。前記水平に広がった形態４８は、前記チューブアレイ２に平行な延長的な熱膨張を可能にしている。垂直に広がった形態４９は、また図において明らかである。この垂直に広がった形態４９は、前記チューブアレイ２に垂直な弾性的な拡大を可能にしている。本発明のこの実施形態は、前記チューブアレイ２に平行及び垂直の両方の弾性的な変形に有利に適合している。

本発明の前記カバーパン２０、３０は、動作条件と動作条件と矛盾しないあらゆる材料で構成されることができる。しかしながら、バッフルパンを金属シートストックから構成することは好ましい。この場合、フランジの形態は、典型的なシートメタルプロセスを用いて、とても容易に形成されることができ、流体結合部は、直ちに構成されることができる。正方形又は矩形以外のチューブ並びに／もしくはバッフルアレイの平面が用いられている時、例えば、６角形又は８角形の形状の、適当な形状をしたパンとバッフルとが形成されることができる。従来の円形の平面さえもが、４分の１パネル（又は２分の１パネルなど）として形成されている深くえぐられた（drawn）円形のパンを用いて、そして、従来の円形のバッフルを用いて構成されることができる。この円形のパンにはなお（円形の壁から実質的に９０°の角度で直接フランジに隣接する壁の部分から延びているフランジのような）フランジの形態が設けることができ、多角形のバッフルとパンとに対して記述されたのと同じ方法を用いて結合されることができ、このように、本発明の全ての期待される有利な点を生み出す一方で、従来のシェル構成法（shell construction）よりもはるかに軽い重さと安い製造コストとを有している。

図４は、本発明の前記バッフルとパンとの配管類システムを有するハウジング１００を備えている図１のチューブ熱交換コア１を示している。本発明の柔軟性は、延長されたカバーパネルと延長されたバッフル１５、１６から形成されているバーナーボックス４１を与えていることにおいて明らかである。バーナーフレームチューブ４２は、前記チューブアレイ２に実質的に平行に取着されており、このバーナーフレームチューブ４２には、取着フランジ４３が設けられている。従来の単一（monolithic）のシェルは、厚いプレートに大きな溶接の難しく冗長な適合をすることなく延長されたチャンバを適合することはできず、典型的に、このチャンバよりも小さい減少された領域パイプ（reduced area pipe）を用いており、このように、流れの分布不良の高い潜在性の結果となる。さらに悪いことには、熱い炎管ガスをバーナーから導管で伝えるような高温での応用において、熱を放つ熱伝導が重要になりうる。そして、このような小さな接続は一様でない熱伝導を引き起こし得て、こうして著しい熱的な応力をかけている。

バーナーボックス４１のような前記チューブアレイ２に実質的に平行な複数の入口並びに／もしくは複数の出口に加えて、このチューブアレイ２に垂直である第２の流体の入口は、容易に設けられることができる。これらは、接続４４のような全領域にフランジの形成された（full-area flanged）接続を有する様々な流体接続ポート及び減少された領域チューブすなわちパイプ接続４５、４６を有することができる。前記減少された領域接続からの流れ分布は、追加された多岐管チャンバ４７が延長されたカバーパンを用いて設けられると、著しく改良されることができる。前記バーナーボックス４１のように、前記多岐管チャンバ４７は、単純なパイプ接続と比較されると、極めて一様な流れ分布を可能にしている。これは、延長された部分には、前記熱伝導フィン１０により制限されない多岐管領域があるからである。

全ての図は、多角形のチューブアレイの側面全体を１つのパネルで覆うカバーパネルを示している。いくつかの応用では、前記熱交換コア１のディメンジョンと結合されている運用圧力と温度とは、複数のサブパネルを１つ以上の側面に与えることを望ましくしている。このことは、所定のカバープレートの厚さに対して機械的な応力を減少させ、追加的な熱膨張結合部を与えている。このように、所定の位置に設けられているカバープレートの数と厚さとは、局所的な温度と応力条件とに合うように変化されることができる。

図５は、本発明の熱交換器封止領域７の側断面図である。この封止領域７は、バッフルプレート１３、１５により規定されている。図５は、関連されたプレートフィン１０を有する実質的に平行なチューブ２のアレイを示している。前面及び背面のカバープレート３０は、また示されており、前記延長バッフルプレート１５と完全バッフルプレート１３とに結合されている。前記リングフィン１１は、表現の明確さのため図５から除去されている。

前記バッフルプレートは、これらバッフルプレートを通る穴の表面と、この穴を通る前記チューブアレイ２のチューブとの間に局所的な隙間がある。これら隙間は、選択された製造の方法と熱交換の構造の設計の詳細とに支配されているいかなるディメンジョンも有することができる。追加的な隙間５０は、耐火フェルト封止部分５１と、前記封止領域７の中のカバーパンとの間に存在することができる。この隙間５０は、本発明を用いてハウジングの構成の方法により最小化されることができる。これら隙間は、第１の交差流の流れの通路５２と第２の交差流の流れの通路５３との間の流体輸送に導いている流体リーク路を与えている。前に記されたように、これら２つの通路は、同じ流体又は２つの異なる流体を輸送することができるが、いずれの場合にも差圧が、流れの通路の間に存在する可能性がある。ある構成においては、前記上側の流れの通路５３は、高温バーナー炎管ガスを第１の圧力で含んでいる一方で、前記下側の流れの通路５２は、予熱されたバーナー空気を第２の比較的高い圧力で含んでいる。この場合には、耐火フェルト封止部分５１は、漏れと熱的な応力とを減少するように機能することになる。しかしながら、この耐火フェルト材料の欠点は、すでに記述された。

本発明の一実施の形態は、好ましくは、図５に示されている前記封止領域７を有している。この封止領域７は、通路５３の中の流体が８００℃の熱膨張性材料の運用限界の上の温度であり、通路５２の中の流体が、この熱膨張性材料の運用限界の下である時に、特に有用である。この実施の形態において、前記バッフルプレート１３、１５の間の隙間は、耐火プラスチック繊維と鋳造され又はゆるんだ耐火繊維と詰められている、耐火フェルトガスケット５１のような耐火材料の１以上の層で満たされている。耐火材料は、前記流れの通路５３と接触しているバッフル１５と密着している。この耐火材料は、最初、前記チューブアレイ２のチューブ、バッフル１５及びハウジング１００の内面と封止接触をして設置されている。図５で破線により示されている熱膨張性材料５６の１以上の層が、それから前記耐火材料５１とバッフル１３との間に設けられている。この熱膨張性材料５６は、前記流れの通路５３から十分な耐火物質５１により分離されており、この耐火物質５１は、熱膨張性材料５６の過熱を妨げるように熱的な絶縁体として振舞っている。２つのバッフルは、この分野で知られているようなバッフル支持ロッドへの接続のような機械的な手段、前記チューブ１と密着している延長熱交換フィンの層の間の機械的な束縛又は当業者にとって明らかな他の手段により、本質的に固定された機械的な関係に保持されている。

３００℃より上に過熱するとすぐに、前記熱膨張性材料５６は、バッフル１３、１５の面に垂直に膨張する。この膨張は、前記耐火性物質５１を実質的な圧力にさらす。この圧力の下で、前記耐火性物質５１は、この耐火性物質５１が設置された時よりも高い密度に圧縮される。さらに、この耐火物質５１は、この圧力により前記チューブアレイ２のチューブと前記ハウジング１００の内面との改良された封止接触へと強制される。このハウジング１００のカバープレートは、本質的に固定されており、前記熱膨張性材料５６のチューブに平行な方向への膨張は、このように、前記耐火フェルト材料５１への一様な圧力へと変換されている。

前記耐火材料５１の厚さと熱膨張性材料５６の量との選択は、問題であるこの耐火物質の所望された圧縮と、この耐火物質の運用における期待される収縮と、この熱膨張材料５６の膨張特性と、バッフル、パン（ハウジング）及びこれらの機械的な支持の機械的な強度とにより支配されている。このように、期待される熱交換器の正確なタイプとこの熱交換器の動作条件とに特有の方法で適していることが可能な多くの異なる組合せが可能である。

本発明の好ましい実施の形態において、プレート部材５４が、前記バッフルプレート１３に平行に設けられている。このプレート部材５４は、このバッフルプレート１３からある距離だけ離間されている。このプレート５４は、同一のバッフルプレートであることができ、又は、図５に示されているような延長熱伝導プレートフィンもしくは個々のフィンのアレイであることができる。前記バッフルプレート１３とプレート５４との間の隙間の距離は、バッフル支持ロッドへの接続のような機械的な手段により、前記チューブアレイ２のチューブと密着している延長熱交換フィンの複数の層の間の機械的な束縛により又は当業者に明らかな他の手段により、本質的に固定されて維持されている。

前記実質的に平行なプレート１３、５４の間の隙間は、上昇された温度で膨張する材料５５で満たされている。好ましい例は、バーミキュライトだけ又は耐火繊維とバインダとの組合せにあるバーミキュライトを有する熱膨張性マットである。特に好ましい材料は、自動車の応用のおける触媒式排気ガス浄化装置要素を抑制するように用いられている熱膨張性マットである。この熱膨張性マット材料は、３００℃から３７５℃の間の温度で膨張し、８００℃もの高い温度で長時間の露出に対して弾性的なままであるその能力において独特である。この材料の使用は、触媒式排気ガス浄化装置モノリス（monolith）を抑制する分野において、そして、防火仕切りのためによく知られている。熱膨張性マットは、マットの厚さに平行によりも垂直に著しく膨張するという独特の特性を有している。したがって、封止部材のみとしてのこの熱膨張性マットの使用は、ここで考察されているタイプのチューブアレイの熱交換器においては、非効果的である。前記熱膨張性マット５５を、自身が互いに関して本質的に固定されて保持されている前記バッフルプレート１３とフィン５４との間に束縛することは、こうしなければ前記バッフルプレート１３の平面に垂直にだけ膨張していたであろうこの熱膨張性マットが前記チューブアレイ２のチューブと流れの通路の周囲との密着封止接触へと強制されることを引き起こしている。この束縛された膨張は、このように、実質的に防漏性接触を隙間を通しての前記流れの通路５２、５３の間の流れを妨げるように応用することが可能である。

前記熱膨張性封止部分５５と熱膨張性材料５６のために用いられる熱膨張性材料は、一度３００℃と３７５℃との間の温度に過熱することにより膨張されると、その膨張された状態を保ち、高温でとても多くの数のサイクルに渡って実質的に弾性的である。このように、封止圧力は、冷たい開始状態から熱い動作状態を通して、本質的に一定の流体漏れ防止の働きを備えて保たれている。

特に好ましい熱膨張性マット製品は、流れる加熱されたガスによる浸食に抗するように構成されている。このように、本発明の束縛されている熱膨張性封止部分は、本来的に浸食による損傷に対して抵抗力を示している。

上の記述に基づいて、改良された封止部分は、上述のような束縛されている熱膨張性封止部分５５を、熱膨張性材料５６と耐火物質５１との複合材を用いている封止領域７と組み合わせることにより得られることができることが直ちに理解されることができる。このような組合せは、図５に示されており、単独で用いられているいずれの方法に比べても、漏れの比較的大きな減少を提供している。

本発明の封止技術は、例外的に本発明の前記ハウジングとバッフルとの組合せでの使用によく適しているが、この封止技術は、また、他の封止方法では達することのできない温度での動作を容易にするように標準的な管形熱交換器においてすぐれた効果で用いられることができることが直ちに理解されることができる。本発明の方法は、管形熱交換の方法の操作性を、流体の通過する複数のシェル側面を有する交換器に拡張し、以前の仕方に対してこのような熱交換器の適用可能性を極めて拡張している。ダクト装置と封止の方法との組合せは、高密度の延長熱伝導フィンを用いて高いパフォーマンスのこうして大きな圧力低下がある複数通路で高温のチューブ熱交換器をさらに確実にしている。

本発明のパンとバッフルとの配管システムの重要な追加的な有利な点は、チューブ熱交換器の組み立てすなわち構成にある。他の管形熱交換器の中には２つの段階で構成されているものがある。前記熱交換コアの構造は、シェルの組み立てから分離して製作され、それからこのシェルの中に挿入されている。この従来の組み立ての手続きは、熱交換器のチューブのコアとシェルとの組み立てにおいて、極めて厳しい許容誤差か、比較的広い許容誤差及び本発明において除去されている流体の漏れを発生させる大きな隙間かのいずれか一方を必要としている。加えて、これらの他の構成において熱交換器コアは、分解される時、損傷をさけるようにとても注意深く取り扱われなければならない。腐食並びに／もしくは付着残余物は、チューブのコアをシェルに結合させる傾向があるので、交換器が腐食性の又は付着物の出る状態で作動されている時にも、コア、シェル又はこれらの両方への損傷をさけることはほとんど不可能である。さらに、熱交換器のこれらの他の構成は、装備の自由なアクセスを可能にするようにコア除去の方向に十分な余地とこのコアが取り出されるために適当な余地とを伴って設置されなければならない。

本発明の好ましい実施の形態において、熱交換器は、一時に１つの交差流通路を、組み立てプロセスをガイドするために前記カバーパンとバッフルとを固定具として用いて組み立てられている。このことは、冗長な熱伝導フィンの勘定が最小にされることができるので、手作業による組み立てを特別に速く進めることを可能にし、フィンは、前記カバーパンの高さに整合するまで加えられている。この方法は、また、シェルの各構成要素がはるかに小さく、このことは、厳しい許容誤差を保持することを大きなシェルを取り扱っている時よりもはるかに簡単にしているので、各部品の許容誤差必要条件を減少させている。このことは、カバーパンのために必要とされている薄いゲージ（gage）の厚さによりさらに補助されている。薄い材料は、正確な形状に容易に構成することができ、組み立ての間にいかなる不整合も直ちに修正されることができるからである。

本発明は、またコアを取り扱うことを容易にしている。バッフルを有する部分的に組み立てられているハウジングは、組み立ての間熱交換器構成要素の重さを支持する構造的な枠台として使われることができるからである。例えば、本発明は、ハウジング部材２０、３０を有するハウジング１００と、バッフルプレート５、１３乃至１６、１９とが、このハウジング１００の一側面に沿って延びているハウジング部材を除いて、組み立てられている場合の熱交換装置を構成する方法を提供し（例えば、図４に示されている１以上のハウジング部材２０を前記ハウジング１００の側面に沿って１つ又は複数の開口部を残すために取り去ること）、それにより作業者が前記コア１を組み立てることを可能にする前記ハウジング１００の側面に沿った開口部を有する枠台を形成している。作業者は、それから流管のアレイ２を流れの通路に挿入し、複数の熱伝導フィン１０をアレイの導管２の流管の外面に前記ハウジング１００の開いている側面を通して設けることができる。一度前記コア１が完全に組み立てられると、その時は、残りのハウジング部材は、閉じられたハウジング１００を形成するように、隣接するハウジングに結合されている。

上の方法で構成されている熱交換器は、熱交換器を移動させることなく前記ハウジング１００の部分を解体することにより、例えば、１つ以上のハウジング部材２０、３０を除去することにより、検査されることができる。このことは、前に記述されたように取り外し可能なハウジング部材２０、３０を選択的に設けることにより、又は、露出されているフランジ結合部を切ることにより、なされることができる。前者は、比較的多くの製造費用とシェルの最終的な漏れの比較的な大きな可能性を被る一方で、後者は、密閉封止された第２の流体の配管を確実にするが、その場所での比較的多くの労働を必要としている。このように、どちらの方法も一般的に好ましくない。いずれの場合も、前記コアは、前記ハウジングから除去される必要がないため、大きな熱交換器に対してもクレーンは必要とされていない。さらに、この熱交換器は、検査又は洗浄のためにコアを除去することを可能にする空間を考慮に入れることなく設置されることができる。このように、前記ハウジングからのコアの除去の間にコアを損傷するいかなる可能性も除去されている。このように、本発明は、腐食される又は付着物のでる運用のために意図されている熱交換器によくあっている。従来のコアの除去で経験された潜在的な力は、考慮される必要がないので、本発明は、また、比較的機械的に頑丈ではない構成要素の使用を可能にしている。

ここで図示され記述されている例示的な実施の形態は、本発明の好ましい実施の形態を表明しており、いずれの仕方でも特許請求の範囲をここに制限することは意味されていない。

本発明の数多くの変更と変形が、上の示唆を考慮すると可能である。そのため、添付されている特許請求の範囲の中で本発明は、ここで特に記述されたのとは違うように実施されることができることが理解されるべきである。

本発明のチューブ熱交換コアの等角投影図を示している。 本発明の流管システムの実施形態の等角投影図を示している。 本発明の流管システムにおける結合部の詳細図を示している。 本発明の流管システムと交換された図１のチューブ熱交換コアの等角投影図を示している。 本発明の束縛された熱膨張性封止部分の側断面図を示している。

Claims (18)

1. ハウジングと、
   このハウジングの中に設けられ、このハウジングの内面とバッフルプレートとにより規定され、このバッフルプレートは延長部分を備え、この延長部分が越えて延びている第１の流通路と、
   前記ハウジングの中に設けられ、且つ入口多岐管管板と出口多岐管管板との間を延びるように設けられ、前記第１の流通路を通って延びている流管のアレイとを具備し、
   前記バッフルプレートは、前記入口多岐管管板と前記出口多岐管管板との間の位置に設けられ、
   前記ハウジングは、第１の壁とこの第１の壁から延びているフランジを有している第１のハウジング部材を備え、また、このハウジングは、第２の壁とこの第２の壁から延びているフランジとを有している第２のハウジング部材をさらに備え、そして、
   第１のハウジング部材の前記フランジと第２のハウジング部材の前記フランジとの両方は、１つのフランジ結合部でバッフルプレートの前記延長部分に、この延長部分の対向する側面で結合され、
   前記流管のアレイは、前記バッフルプレートを通って延びている、
   バッフルプレートの前記延長部分は、このバッフルプレートの周囲全体の周りに延び、そして
   熱交換装置は、前記ハウジングの中に設けられこのハウジングの追加的な内面に規定され前記流管のアレイが通って延びている、第２の流通路をさらに具備し、
   前記第１の流通路の中に設けられ、前記流管のアレイが通って延び、前記バッフルプレートから所定距離の所で前記流管のアレイの外面に取着されているプレート部材と、
   前記バッフルプレートと、プレート部材との間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びており、前記バッフルプレートとプレート部材との間の隙間をほぼ完全に満たしている、熱膨張性材料の少なくとも１つの層とをさらに具備する熱交換装置。
2. 前記熱膨張性材料の少なくとも一つの層は、約３００℃より上の温度で膨張する材料で構成されている請求項１に係る熱交換装置。
3. 前記第２の流通路は、この第２の流通路を越えて延びている延長部分を有している追加的なバッフルプレートによりさらに規定され、前記流管のアレイは、この追加的なバッフルプレートを通って延び、追加的なバッフルプレートの前記延長部分は、この追加的なバッフルプレートの周囲全体の周りに延びており、また、
   前記ハウジングは、第３の壁とこの第３の壁から延びているフランジとを備えている第３のハウジング部材を有し、そして
   第２のハウジング部材の前記フランジと第３のハウジング部材の前記フランジとは、追加的なバッフルプレートの前記延長部分に、この延長部分の対向する側面で結合されており、さらに
   熱交換装置は、
   前記バッフルプレートと、追加的なバッフルプレートとの間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている耐火ガスケットと、
   前記バッフルプレートと、追加的なバッフルプレートとの間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている熱膨張性材料の層とをさらに具備する請求項１に係る熱交換装置。
4. 前記耐火ガスケットと熱膨張性材料の層とは、前記バッフルプレートと追加的なバッフルプレートとの間の隙間をほぼ完全に満たしている請求項３に係る熱交換装置。
5. 前記熱膨張性材料の層は、約３００℃より上の温度で膨張する材料で構成されている請求項３に係る熱交換装置。
6. ハウジングと、
   このハウジングの中に設けられている第１の流通路と、
   このハウジングの中に設けられている第２の流通路と、
   前記第１の流通路を前記第２の流通路から実質的に分離しているバッフルプレートと、
   前記ハウジングの中に設けられ、前記第１の流通路とバッフルプレートと第２の流通路とを通って延びている流管のアレイと、
   前記第１の流通路の中に設けられ、前記流管のアレイが通って延びており、前記バッフルプレートから所定の距離で前記流管のアレイの外面に取着されているプレート部材と、
   前記バッフルプレートとプレート部材との間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている熱膨張性材料の少なくとも１つの層とを具備し、
   この熱膨張性材料の少なくとも１つの層は、前記バッフルプレートとプレート部材との間の隙間をほぼ完全に満たしている熱交換装置。
7. 前記熱膨張性材料の少なくとも１つの層は、約３００℃より上の温度で膨張する材料で構成されている請求項６の熱交換装置。
8. 前記熱膨張性材料の少なくとも１つの層は、バーミキュライトで構成されている請求項６の熱交換装置。
9. 前記熱膨張性材料の少なくとも１つの層は、さらに耐火ファイバとバインダとで構成されている請求項８の熱交換装置。
10. ハウジングと、
    このハウジングの中に設けられている第１の流通路と、
    このハウジングの中に設けられている第２の流通路と、
    このハウジングの中に設けられ、前記第１の流通路と第２の流通路とを通って延びている流管のアレイと、
    前記第１の流通路を前記第２の流通路から実質的に分離している封止領域とを具備し、この封止領域は、
    前記第１の流通路の一部分を規定し、前記流管のアレイが通って延びている第１のバッフルプレートと、
    前記第２の流通路の一部分を規定し、前記流管のアレイが通って延びている第２のバッフルプレートと、
    前記第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートとの間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている耐火ガスケットと、
    前記第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートとの間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている熱膨張性材料の層とを有している熱交換装置。
11. 前記耐火ガスケットと熱膨張性材料の層とは、前記第１のバッフルプレートと第２のバッフルプレートとの間の隙間をほぼ完全に満たしている請求項１０の熱交換装置。
12. 前記熱膨張性材料の層は、約３００℃より上の温度で膨張する材料で構成されている請求項１０に係る熱交換装置。
13. 前記熱膨張性材料の層は、バーミキュライトで構成されている請求項１０に係る熱交換装置。
14. 前記熱膨張性材料の層は、さらに耐火ファイバとバインダとで構成されている請求項１３に係る熱交換装置。
15. 前記第１の流通路の中に設けられ、前記流管のアレイが通って延びており、前記第１のバッフルプレートから所定の距離で前記流管のアレイの外面に取着されているプレート部材と、
    前記第１のバッフルプレートとプレート部材との間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている熱膨張性材料の少なくとも１つの層とをさらに具備し、
    この熱膨張性材料の少なくとも１つの層は、前記第１のバッフルプレートとプレート部材との間の隙間をほぼ完全に満たしている請求項１０に係る熱交換装置。
16. 前記熱膨張性材料の少なくとも１つの層は、約３００℃より上の温度で膨張する材料で構成されている請求項１５に係る熱交換装置。
17. ハウジングと、
    このハウジングの中に設けられ、このハウジングの内面とバッフルプレートとにより規定され、このバッフルプレートは延長部分を備え、この延長部分が越えて延びている第１の流通路と、
    前記ハウジングの中に設けられ、前記第１の流通路を通って延びている流管のアレイとを具備し、
    前記ハウジングは、第１の壁とこの第１の壁から延びているフランジを有している第１のハウジング部材を備え、また、このハウジングは、第２の壁とこの第２の壁から延びているフランジとを有している第２のハウジング部材をさらに備え、そして、
    第１のハウジング部材の前記フランジと第２のハウジング部材の前記フランジとは、フランジ結合部でバッフルプレートの前記延長部分に、この延長部分の対向する側面で結合され、
    前記流管のアレイは、前記バッフルプレートを通って延び、
    バッフルプレートの前記延長部分は、このバッフルプレートの周囲全体の周りに延び、そして
    熱交換装置は、前記ハウジングの中に設けられこのハウジングの追加的な内面に規定され前記流管のアレイが通って延びている、第２の流通路をさらに具備し、
    熱交換装置は、
    前記第１の流通路の中に設けられ、前記流管のアレイが通って延び、前記バッフルプレートから所定距離の所で前記流管のアレイの外面に取着されているプレート部材と、
    前記バッフルプレートと、プレート部材との間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びており、前記バッフルプレートとプレート部材との間の隙間をほぼ完全に満たしている、熱膨張性材料の少なくとも１つの層とをさらに具備する熱交換装置。
18. ハウジングと、
    このハウジングの中に設けられ、このハウジングの内面とバッフルプレートとにより規定され、このバッフルプレートは延長部分を備え、この延長部分が越えて延びている第１の流通路と、
    前記ハウジングの中に設けられ、前記第１の流通路を通って延びている流管のアレイとを具備し、
    前記ハウジングは、第１の壁とこの第１の壁から延びているフランジを有している第１のハウジング部材を備え、また、このハウジングは、第２の壁とこの第２の壁から延びているフランジとを有している第２のハウジング部材をさらに備え、そして、
    第１のハウジング部材の前記フランジと第２のハウジング部材の前記フランジとは、フランジ結合部でバッフルプレートの前記延長部分に、この延長部分の対向する側面で結合され、
    前記流管のアレイは、前記バッフルプレートを通って延び、
    バッフルプレートの前記延長部分は、このバッフルプレートの周囲全体の周りに延び、そして
    熱交換装置は、前記ハウジングの中に設けられこのハウジングの追加的な内面に規定され前記流管のアレイが通って延びている、第２の流通路をさらに具備し、
    前記第２の流通路は、この第２の流通路を越えて延びている延長部分を有している追加的なバッフルプレートによりさらに規定され、前記流管のアレイは、この追加的なバッフルプレートを通って延び、追加的なバッフルプレートの前記延長部分は、この追加的なバッフルプレートの周囲全体の周りに延びており、また、
    前記ハウジングは、第３の壁とこの第３の壁から延びているフランジとを備えている第３のハウジング部材を有し、そして
    第２のハウジング部材の前記フランジと第３のハウジング部材の前記フランジとは、追加的なバッフルプレートの前記延長部分に、この延長部分の対向する側面で結合されており、さらに
    熱交換装置は、
    前記バッフルプレートと、追加的なバッフルプレートとの間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている耐火ガスケットと、
    前記バッフルプレートと、追加的なバッフルプレートとの間に設けられ、前記流管のアレイが通って延びている熱膨張性材料の層とをさらに具備する熱交換装置。

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