JP6209531B2 - Shape optimized header and manufacturing method thereof - Google Patents
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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。
BACKGROUND The present disclosure relates to a header having an optimized shape and a manufacturing method thereof.
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。 Industrial plants such as chemical plants and power generation facilities often use headers to collect fluids (eg, steam and / or other steam). These headers and associated distribution hardware always have a circular cross-sectional geometry of uniform wall thickness. Such geometric attributes are selected because they can be easily manufactured from off-the-shelf pipes, by rolling and seam welding plates or by centrifugal casting. Manufacturing ease determines the shape and wall thickness of the header geometry.
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。
FIG. 1 shows a front view and a side view of a commercially available header 100 (also referred to herein as a “comparison header”). As can be seen from FIG. 1, the
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。
The
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。
In the drawing shown in FIG. 1, the steam pressure and / or fluid flow rate into the
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。 Since more expensive materials are used to manufacture the header, these older designs can be cost prohibitive. It is desirable to use geometries and wall thicknesses that allow cost savings while at the same time reducing maintenance costs and component failures. It is also desirable to produce a header and associated distribution system that can operate under existing conditions in the plant for the same or longer period as an existing header design.
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。
A shell and a tube that act to collect fluid, wherein the inner diameter and / or wall thickness of the shell changes with changes in pressure in the shell and / or changes in fluid flow rate. Disclosed herein is a shape-optimized header comprising: a tube in communication with the shell and acting to transfer fluid into the shell.
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。 A method comprising fixedly attaching a tube to a shell, wherein the shell acts to collect fluid, the inner diameter and / or wall thickness of the shell being a change in pressure and / or a change in fluid flow in the shell. A method is disclosed herein that varies with and the tube is in communication with the shell and acts to transfer fluid into the shell.
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。
DETAILED DESCRIPTION The invention will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which various embodiments are shown. However, the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Throughout, the same symbols indicate the same elements.
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。 When one element is “on” another element, it is understood that the one element may be directly on another element or there may be intervening elements between them. . In contrast, when one element is “directly on” another element, there are no intervening elements present. As used herein, “and / or” includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.
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。 Although the terms first, second, third, etc. may be used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or sections, these elements, components, It is understood that regions, layers and / or sections should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another element, component, region, layer or section. That is, a first element, component, region, layer or section described below may be referred to as a second element, component, region, layer or section without departing from the disclosure of the present invention. .
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。 The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular description is intended to include the plural unless the context clearly indicates otherwise. “Including” and / or “including”, or “having” and / or “having”, as used herein, refers to the feature, region, integer, step, operation, element mentioned It is further understood that identifying the presence of and / or a component does not exclude the presence or addition of one or more other features, regions, integers, steps, operations, elements, components and / or groups thereof. The
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。 Further, relative terms such as “lower” or “lower” and “upper” or “upper” herein refer to the relationship of one element to another, as illustrated in the drawings. It may be used here to illustrate. Relative terms are intended to include various orientations of the device in addition to the orientation shown. For example, if a device in one of the drawings is flipped, an element that has been described as “lower” of the other element will now be oriented “upper” of the other element. . Thus, the typical term “lower” can include both “lower” and “upper” orientations, depending on the particular orientation of the drawing. Similarly, when a device in one of the drawings is flipped, an element described as being “below” or “below” another element is now oriented “below” the other element. Will be. The typical term “down” or “down” can include both up and down orientations.
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。 Unless defined otherwise, all terms used herein (including technical and scientific terms) have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Have Terms as defined in commonly used dictionaries should be construed as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art and this disclosure, and are not so explicitly defined here As long as it is not interpreted in an idealized or overly formal sense.
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。 Exemplary embodiments will now be described with reference to cross-sectional views that are schematic illustrations of idealized embodiments. This predicts, for example, deviations from the example shape as a result of manufacturing techniques and / or tolerances. That is, the embodiments described herein should not be construed as limited to the particular shapes of the regions as exemplified herein, but include, for example, shape shifts resulting from manufacturing. For example, a region illustrated or described as flat may typically have coarse and / or non-linear features. Furthermore, the illustrated acute angles may be rounded. That is, the illustrated regions are schematic in nature, and their shapes are not intended to exemplify the exact shape of a region, nor are they intended to limit the scope of the claims herein. .
“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。 The connective word “includes” encompasses connective words such as “consisting essentially of” and “consisting of”.
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。 All numerical ranges disclosed herein include endpoints. In addition, all numbers and values in any range (including those not expressly stated herein) are understood to be inherently included in the invention. All numbers included here are compatible.
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。 Optimized shape with cross-sectional area and wall thickness optimized for local operating stresses and fluid (e.g. water, steam and / or other steam or fluid) velocities that occur during header operation Headers and associated conduits (hereinafter referred to as “shape optimized headers”) are disclosed herein. The shape-optimized header has a variable cross-sectional area and / or wall thickness shell. The cross-sectional area and / or wall thickness of a particular part of the shell of the header is a combination of the accumulated flow in the head of the incoming fluid and the geometry of the connecting pipe, and the velocity and / or inflow of the fluid in that particular part of the shell Depending on the chemical composition of the fluid to be changed in proportion to local flow and local stress. Shape-optimized headers are more than (in other cross-sectional areas and wall thicknesses of the same header) only in those local areas where the header produces higher stresses (due to the geometry of the inlet pipe) and fluid flow rates It is designed in such a way that it has a large cross-sectional area and possibly a larger wall thickness.
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。 These portions of the shell that produce a lower flow rate than the portion near the outlet are smaller cross-sectional areas and smaller walls than the corresponding cross-sectional areas and wall thicknesses of shells designed in a conventional manner as shown in FIG. Have a thickness.
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。 The resulting shape-optimized header can have multiple cross-sectional areas and wall thicknesses depending on the local stresses and flow rates that occur during operation. In one embodiment, the shape-optimized header may use different construction materials depending on the chemical properties of the fluid that occurs in the various parts. The shape-optimized header can be formed from special materials that are more expensive than those used in the header shown in FIG. 1, but the optimized design makes the header of FIG. The cost can be reduced as compared with the case where it is formed from the above material.
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。 These shape-optimized headers occupy less floor space and volume space in the plant and can be used during operation for the same or longer duration as headers designed in the form shown in FIG. It is also advantageous in that it can be done.
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。
FIG. 2 shows an aspect in which the shape of the comparison header in FIG. 1 is optimized. In FIG. 2, a shape-optimized
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。
The
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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。
FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment showing the
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。 From FIG. 4, the cross-sectional area increases from d 1 to d 2 and d 3 as the pressure increases from p 1 to p 2 and p 3 and / or the fluid flow rate increases from f 1 to f 2 and f 3 . It can be seen that the wall thickness increases from t 1 to t 2 and t 3 .
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。
The
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。
FIG. 6A shows a comparative header with a shape-optimized header for a design with a central tee serving as an outlet. FIG. 6A shows a comparative configuration for a
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。 From FIG. 6B, it can be seen that the cross-sectional area of the shell is largest at the center of the header. This is because this is the region where pressure and / or fluid flow is maximum. Similarly, the wall thickness is maximum at the center. The wall thickness of the shell is the thinnest at both ends 206 and 208 where pressure and / or fluid flow is minimal.
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。
In the absence of tube (204) entry into the wall of the header and / or the absence of any other entry, the wall thickness is determined by the internal pressure that the header must withstand during normal operation, or by an incorrect case As determined, or by other conditions as defined by dominant rules, standards or other design rules. This principle generally applies to the wall thickness in the region where the tube is also fixed to the header wall. However, these areas can be weakened by the addition of tubes to the walls. In addition, these areas have greater utility because all of the fluid entering the header contacts the
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。
In one embodiment, the region where the tube is secured to the wall of the
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。
In one embodiment shown in FIG. 7B, the area of the wall to which the
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。
FIG. 7A is a cross-sectional view of the
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。
FIG. 7B shows a cross-sectional view of the wall of the
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。
The shell of the
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。 In one embodiment, in one method of manufacturing a shape optimized header, a smaller diameter d 1 (corresponding to a lower flow rate f 1 ) and an end opposite the smaller diameter d 1. The shell in the form of a conical section with a larger diameter d 2 (corresponding to a higher flow rate f 2 ) in the part was sealed to prevent fluid from inside the shell from contacting the outside , Having opposite ends. The outlet (or inlet-inlet can also function as an outlet) is then perforated or cut in a portion of the shell. The outlet is used to drain its contents from the shell. A hole is drilled in the shell to accommodate a tube that drains fluid into the shell.
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。 In one embodiment, in one method of manufacturing a shape-optimized header having a smooth increase in cross-sectional area (from the portion of the header that produces low pressure to the portion of the header that produces higher pressure) A sheet metal roll (eg, a metal scroll) is held or fixed at one end, while the opposite end is extended from the fixed end. In addition to being extended in the longitudinal direction, the metal is extended radially outward from the center of the scroll, so that for each turn of the sheet metal, the header diameter increases with length. doing. When the length and diameter reach the desired limits, the overlapping sheets are seam welded or riveted together to form the header shell. The header end may be cut to form two parallel ends. The end of the header may be welded to the shell. One end may be sealed to the outside, while the other end has an opening through which the contents of the header are removed for recycling or Discharged for disposal.
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。 Since it is generally desirable to increase the wall thickness in the direction of increasing cross-sectional area, sheet metal scrolls of increasing thickness can be used to produce headers as described above. When manufacturing a header (shell) from such a thin plate, the thinnest part is held fixed, whereas the thickest part of the scroll has a smoothly increased cross-sectional area and wall thickness. In order to produce a growing shell, it is extended outward away from the thinnest part.
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。 Holes may be drilled in the surface of the shell to secure the tube to the header. The tube may be welded to the shell as shown in FIGS. 2-5 above. In another embodiment, the tube may be threaded into threads formed in the shell wall or welded to the shell. In one embodiment, the shell may be selectively thickened in a local area surrounding the tube by using techniques such as laser welding. Other techniques used to form the header and for local strengthening are conventional casting, spray molding, thermal spray molding, and powder metallurgy.
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。 In another embodiment, a header whose cross-sectional area is increased in a step function fashion as shown in FIG. 4 (from a portion of the header that produces lower pressure to a portion of the header that produces higher pressure). In another form of manufacture, tubes (spools) of varying desired diameter and thickness are first cut and then welded or riveted together to form a header. The header and tube ends are then welded together to form the header.
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。 In addition to achieving material savings from shape optimization, the use of thinner walls and shells reduces thermal stress and the life cycle and durability of headers or other equipment manufactured using these methods and principles To increase. Another advantage is that the reduced diameter and wall thickness results in smaller weldments (fewer passes) to join multiple spools to form a larger header.
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。 Although the invention has been described with reference to exemplary embodiments, various modifications can be made without departing from the scope of the invention, and equivalents may be substituted for the elements of the embodiments. It will be understood. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the disclosure of the invention without departing from the basic scope thereof. Accordingly, the invention is not limited to the specific embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention.
Claims (18)
複数の円筒を含み、流体を収集するために作用するシェルであって、該シェルの前記複数の円筒の内径は、第1の端部から第2の端部まで増大し、前記第1の端部は外部に対して封止されており、前記第2の端部は出口ポートと流体連通している、シェルと、
複数の管であって、該複数の管の各々は、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、複数の管と、を備えており、
前記複数の管が前記第1の端部に近い位置から前記第2の端部に近い位置に渡って配置され、
前記複数の管から流入した流体は、前記シェル内を通って前記出口ポートへ移送され、
前記シェルの前記複数の円筒の壁厚は、前記第1の端部から前記第2の端部まで増大する、ことを特徴とする、形状が最適化されたヘッダ。 In the header with optimized shape,
A shell including a plurality of cylinders and acting to collect fluid, wherein the inner diameter of the plurality of cylinders of the shell increases from a first end to a second end, the first end A shell that is sealed to the outside and wherein the second end is in fluid communication with the outlet port;
A plurality of tubes, each of said plurality of tubes, said in fluid shell and communicates, acts to transfer the fluid into said shell comprises a plurality of tubes, and
The plurality of tubes are disposed from a position close to the first end to a position close to the second end;
The fluid flowing in from the plurality of tubes is transferred to the outlet port through the shell,
The shape-optimized header, wherein the wall thickness of the plurality of cylinders of the shell increases from the first end to the second end.
前記第1の端部に配置され、第1の内径と第1の壁厚を有する第1の円筒部分と、
前記第1の円筒部分に接続し、前記第1の内径よりも長い第2の内径と前記第1の壁厚よりも厚い第2の壁厚を有する第2の円筒部分と、
前記第2の端部に配置され、前記第2の内径よりも長い第3の内径と前記第2の壁厚よりも厚い第3の壁厚を有する第3の円筒部分と、を備える、請求項1または2に記載の形状が最適化されたヘッダ。 The plurality of cylinders are
A first cylindrical portion disposed at the first end and having a first inner diameter and a first wall thickness;
A second cylindrical portion connected to the first cylindrical portion and having a second inner diameter that is longer than the first inner diameter and a second wall thickness that is greater than the first wall thickness;
A third cylindrical portion disposed at the second end and having a third inner diameter that is longer than the second inner diameter and a third wall thickness that is greater than the second wall thickness. Item 3. A header in which the shape according to item 1 or 2 is optimized.
前記第2の円筒部分に前記複数の管の内の前記第1の数よりも多い第2の数の管が接続され、
前記第3の円筒部分に前記複数の管の内の前記第2の数よりも多い第3の数の管が接続される、請求項3に記載の形状が最適化されたヘッダ。 A first number of tubes of the plurality of tubes is connected to the first cylindrical portion;
A second number of tubes greater than the first number of the plurality of tubes is connected to the second cylindrical portion;
The shape-optimized header according to claim 3, wherein a third number of tubes greater than the second number of the plurality of tubes are connected to the third cylindrical portion.
前記第2の円筒部分が前記第1の長さよりも長い第2の長さを有し、
前記第3の円筒部分が前記第2の長さよりも長い第3の長さを有している、請求項5に記載の形状が最適化されたヘッダ。 The first cylindrical portion has a first length;
The second cylindrical portion has a second length that is longer than the first length;
6. The shape optimized header of claim 5, wherein the third cylindrical portion has a third length that is longer than the second length.
複数の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、複数の円筒を含み、流体を収集するために作用し、前記シェルの前記複数の円筒の内径は、第1の端部から第2の端部まで増大し、前記第1の端部は外側に対して封止されており、前記第2の端部は出口ポートと流体連通しており、前記複数の管は、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し、
前記複数の管が前記第1の端部に近い位置から前記第2の端部に近い位置に渡って配置され、
前記複数の管から流入した流体は、前記シェル内を通って前記出口ポートへ移送され、
前記シェルの前記複数の円筒の壁厚は、前記第1の端部から前記第2の端部まで増大する、
ことを特徴とする、方法。 A method of manufacturing a header comprising:
Including fixing and attaching a plurality of tubes to the shell;
The shell includes a plurality of cylinders and serves to collect fluid, and the inner diameter of the plurality of cylinders of the shell increases from a first end to a second end, and the first end The second end is in fluid communication with the outlet port, the plurality of tubes are in communication with the shell, and transfers the fluid into the shell. Act to
The plurality of tubes are disposed from a position close to the first end to a position close to the second end;
The fluid flowing in from the plurality of tubes is transferred to the outlet port through the shell,
The wall thickness of the plurality of cylinders of the shell increases from the first end to the second end;
A method characterized by that.
前記第1の端部に配置され、第1の内径と第1の壁厚を有する第1の円筒部分と、
前記第1の円筒部分に接続し、前記第1の内径よりも長い第2の内径と前記第1の壁厚よりも厚い第2の壁厚を有する第2の円筒部分と、
前記第2の端部に配置され、前記第2の内径よりも長い第3の内径と前記第2の壁厚よりも厚い第3の壁厚を有する第3の円筒部分と、を備え、
前記方法は、
前記第1の端部に配置された第1の封止部材を前記第1の円筒部分に接続する段階と、
前記第1の円筒部分を第1のフランジに接続する段階と、
前記第1のフランジを前記第2の円筒部分に接続する段階と、
前記第2の円筒部分を第2のフランジに接続する段階と、
前記第2のフランジを前記第3の円筒部分に接続する段階と、
を含む、請求項11乃至13のいずれかに記載の方法。 The plurality of cylinders are
A first cylindrical portion disposed at the first end and having a first inner diameter and a first wall thickness;
A second cylindrical portion connected to the first cylindrical portion and having a second inner diameter that is longer than the first inner diameter and a second wall thickness that is greater than the first wall thickness;
A third cylindrical portion disposed at the second end and having a third inner diameter longer than the second inner diameter and a third wall thickness greater than the second wall thickness;
The method
Connecting a first sealing member disposed at the first end to the first cylindrical portion;
Connecting the first cylindrical portion to a first flange;
Connecting the first flange to the second cylindrical portion;
Connecting the second cylindrical portion to a second flange;
Connecting the second flange to the third cylindrical portion;
The method according to claim 11, comprising:
前記第2の円筒部分に前記複数の管の内の前記第1の数よりも多い第2の数の管を接続する段階と、
前記第3の円筒部分に前記複数の管の内の前記第2の数よりも多い第3の数の管を接続する段階と、を含む、請求項14に記載の方法。 Connecting a first number of tubes of the plurality of tubes to the first cylindrical portion;
Connecting a second number of tubes greater than the first number of the plurality of tubes to the second cylindrical portion;
Connecting a third number of tubes greater than the second number of the plurality of tubes to the third cylindrical portion.
前記第2の円筒部分が前記第1の長さよりも長い第2の長さを有し、
前記第3の円筒部分が前記第2の長さよりも長い第3の長さを有している、請求項16に記載の方法。 The first cylindrical portion has a first length;
The second cylindrical portion has a second length that is longer than the first length;
The method of claim 16, wherein the third cylindrical portion has a third length that is longer than the second length.
18. A method according to any of claims 11 to 17, wherein the wall thickness of the portion of the shell that contacts the plurality of tubes is increased.
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