JP6378306B2 - 管端部の接合部に対する摩擦撹拌溶接処理及びそれにより製造された製品 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［分野］
本開示は、例えばシェルアンドチューブ熱交換器等の熱交換器に対する摩擦撹拌溶接に関する。
［背景］
摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）を施されたシェルアンドチューブ熱交換器は、例えば海洋熱エネルギー変換、加熱式淡水化、及び他の比較的低温プロセス等といった船舶グレード用途のために開発されてきた。さらに、ＦＳＷ処理は、温度や圧力が高めの状況で稼働する他の熱交換器内でも使用されている。シェルアンドチューブ熱交換器に適用されているようなＦＳＷ処理では、固相接合や撹拌処理が用いられるが、ここでは、管壁の各端部を、回りを取り囲む管板材内に入れて、異種金属を導入することも、金属粒子構造に悪影響を与えることもせずに「撹拌」する。

熱交換器内では、管束のいずれの端においても、従来のシェルアンドチューブ熱交換器と同様の設計で、管が管板内に挿入されている。各管の端部は、ＦＳＷ処理前には通常フレア状に成形されている。このフレア状に成形すること、もしくは管端部を拡張することで、ＦＳＷ処理中に加えられる力に対抗しながら、各管を所定の位置に留めることができる。

ＦＳＷ処理によって、機械的に圧延された管の端部と周囲の管板材との間に通常ならば存在するであろう隙間が排除される。隙間を排除することは、腐食作用がある海水環境において長寿命を有することが可能な熱交換器を得るのに望ましい。しかしながら、管の端部をフレア状に成形する処理、または管の端部を拡張する処理は、特に海水環境では隙間腐食が始まる場所になり得る望ましくない隙間や局所的に歪んだ箇所をもたらし得る場合もある。
［概要］
本説明は、シェルアンドチューブ熱交換器を製造する方法を述べている。ここで、管の端部は管板に固定されている一方で、管の端部近傍に隙間または局所的な変形をもたらすことなく、加えられたＦＳＷの力に対抗している。具体的には、管の端部をフレア状に成形することも拡張することもせずに、締まりばめを用いて管端部を管板内に係止する。その後、ＦＳＷ処理を用いて、管の端部を管板に溶接する。

管及び管板は、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、または他の金属及びそれらの合金を含むが、これらに限定されない、シェルアンドチューブ熱交換器アセンブリに一般的に使用されている任意の金属で作られ得る。

締まりばめは、管端部をフレア状に成形することや拡張することを回避するあらゆる適切な方法で実現可能である。一実施形態では、管端部表面または管板表面の局所的な変形及び隣接する表面の間のかじりによって、取り付けられた管端部がＦＳＷ処理中に生じる軸方向に加えられる大きな荷重を受けて外されることを防ぐのに十分な保持力をもたらすことができる。

局所的な変形の一例として、管端部にある、管のローレット加工された外面がある。締まりばめを実現する他の例としては、例えば起伏や低フィン設計等といった外部特徴を有する配管や、取り付け中に変形して締まりばめの中で管端部を所定の位置に効果的に係止する、外側に高くなった特徴を有する管を使用することが挙げられるが、これらに限定されない。

一実施形態において、管を管板に接続する処理は、管板に隣接する管の端部をフレア状に成形することも拡張することもなく、管の端部を管板にある穴に挿入し、管端部と管板との間を、管端部を管板内に係止する締まりばめの状態にする。その後、管端部に管板に対するＦＳＷを施す。

他の実施形態において、熱交換器は、第１管板を含み、第１管板は、複数の穴と、内側と、外側とを有している。複数の管は、第１端を有しており、第１端は、第１管板にある穴のうちの対応する１つの中に、各第１端と第１管板との間で締まりばめをした状態で配置され、各管の第１端はフレア状に成形されても拡張されてもない。各管の第１端には、第１管板の外側で、第１管板に対するＦＳＷが施されている。

一実施形態における、記載された熱交換器を利用可能な従来のＯＴＥＣ発電システムの配置の模式図である。 本明細書に記載されている一実施形態に係るシェルアンドチューブ熱交換器の断面図である。 図２の熱交換器の管板のうちの１つの端面図である。 図３Ａの領域Ａ−Ａの拡大図である。 一例示的実施形態に係る管のうちの１つを図示している。 締まりばめを形成するための一例示的実施形態を示す管の端部を図示している。 締まりばめを形成するための別の例示的実施形態を示す管の端部を図示している。 ＦＳＷ前における管のうちの１つと管板との接合の詳細を示す断面図である。 締まりばめを形成するための別の例示的実施形態を図示している。 図５及び図６にそれぞれ示された管とともに用いられる図８の実施形態を図示している。 管板における穴のうちの１つを通る断面図であって、管板の穴に取り付けられた図８の実施形態を図示している、断面図である。

［詳細な説明］
本説明はシェルアンドチューブ熱交換器を製造する方法を説明し、ここでは、管に管板に対するＦＳＷを施す前に、管の端部をフレア状に成形することも拡張することもせずに、締まりばめを用いて管の端部を管板に係止する。その後、ＦＳＷ処理を用いて、管の端部を管板に溶接する。

その結果得られるシェルアンドチューブ熱交換器は、陸上、水上、または水中のいずれにおいても、あらゆる熱交換用途に使用可能である。しかしながら、記載されたシェルアンドチューブ熱交換器は、隙間腐食が始まる場所を形成し得る、管の端部近傍での隙間や局所的な変形を排除するので、塩水環境において特に有利である。

本発明の概念の説明に役立つように、ＯＴＥＣシステムにおけるシェルアンドチューブ熱交換器の特定の適用について説明する。ただし、シェルアンドチューブ熱交換器は、ＯＴＥＣシステムでの使用に限定されるのではなく、あらゆる熱交換用途に使用可能であることは認識されるべきである。

さらに、本発明の概念は、シェルアンドチューブ熱交換器において使用することに限定されるのではなく、隙間腐食が始まる場所を形成し得る、管の端部近傍での隙間や局所的な変形を排除する方法を含むが、これに限定されない方法で、ＦＳＷを用いて管を支持構造に接続することが望ましいあらゆる熱交換器の用途に使用可能である。よって、本明細書及び請求項で用いられる管板という用語は、別段の指示がない限り、管を固定することになるあらゆる支持構造を広く包含することを意図している。

図１は、従来のＯＴＥＣ発電システム１００の配置の模式図である。ＯＴＥＣシステムの全体構造及び動作は当業者には周知である。ＯＴＥＣシステム１００は、例えば大洋、海、塩水湖、または淡水湖等のあらゆる適切な水域に配備可能である。

この実施形態において、システム１００は、海上プラットフォーム１０２と、タービン発電器１０４と、閉ループ導管１０６と、蒸発器１１０−１と、凝縮器１１０−２と、船殻１１２と、複数のポンプ１１４，１１６，１２４と、流体導管１２０，１２２，１２８，１３０とを含んでいる。閉ループ導管１０６は、作動流体１０８を、蒸発器１１０−１，凝縮器１１０−２，及びタービン発電器１０４を通じて送るための導管である。

蒸発器１１０−１は、表面領域の温海水からの熱を作動流体１０８に伝達することによって、作動流体を蒸発させるように構成されているシェルアンドチューブ熱交換器であり得る。

凝縮器１１０−２もまた、蒸発した作動流体１０８からの熱を深水領域からの冷海水に伝達することにより、蒸発した作動流体１０８を凝縮させて液体形態へと戻すように構成されているシェルアンドチューブ熱交換器であり得る。

図２は、蒸発器１１０−１及び／または凝縮器１１０−２に使用可能なシェルアンドチューブ熱交換器１１０を図示している。この例において、熱交換器１１０は、シェル２０２と、第１流体流入口２０４と、流入マニホールド２０６と、流出マニホールド２０８と、第１流体流出口２１０と、二次流体ポート２１２と、二次流体ポート２１４と、管束を構成する複数の管２１６と、第１管板及び第２管板２２０と、バッフル２２４とを含んでいる。当業者であれば理解されるであろうように、熱交換器１１０は、管２１６を流通する一次流体と、管２１６の各々の外面にわたってシェル２０２を流通する二次流体との間で熱交換をもたらす。一実施形態において、一次流体流入口２０４及び一次流体流出口は、管２１６を流通する海水用である。蒸発器の場合、流体ポート２１２は作動流体の出口ポートとなり得る一方、流体ポート２１４は作動流体の入口ポートとなり得る。凝縮器の場合、流体ポート２１２は作動流体の入口ポートになり得る一方、流体ポート２１４は作動流体の出口ポートになり得る。

熱交換器１１０の構造のさらなる情報は、米国特許第８，４３９，２５０号に開示されており、その全体を参照により本明細書に援用する。
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、管板２２０の各々は、機械的に硬質の板であり、熱交換器１１０の内部チャンバーに対向する内側面２２２（図７）から、マニホールド２０６，２０８のそれぞれに対向する外側面２２３（図７）まで管板２２０内を貫通する複数の穴２１８を含んでいる。各穴２１８は、直径Ｄ１を有する円形であるものとして図示されている。同様に、管板２２０は円形であるものとして図示されているが、熱交換器内での使用に適したあらゆる形状を有し得る。

図４は、管２１６の１つの例を図示している。各管２１６は、第１端２３０及び第２端２３２と、中央流体路２３４とを含み、第１端と第２端との間は長さＬである。図示されている例では、管２１６は、内径ＩＤ１、外径ＯＤ１を有する円筒形状であるものとして示されている。しかしながら、管板２２０内の管２１６及び穴２１８は、例えば矩形や三角形等といった、あらゆる相補的な形状を有し得る。

管２１６及び管板２２０は、例えば、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、または他の金属及びそれらの合金を含み、これらに限定されない、シェルアンドチューブ熱交換器アセンブリに一般的に使用されているあらゆる金属で作られ得る。

管２１６の端部２３０，２３２は、ＦＳＷ処理を用いて、穴２１８にて管板２２０に接合されている。ＦＳＷは、同一材料、または異なる材料の２つの要素を接合する周知の方法である。ＦＳＷは、２つの要素の間の界面へと押し込まれる回転式プローブを用いる。プローブと各材料との間の非常に大きな摩擦力が、プローブの直近にある材料をその融点未満の温度まで加熱させる。これにより、隣接部分が軟化するが、材料は固体の状態のままであるので、元来の材料特性は保持されている。プローブを溶接線に沿って動かすと、２つの要素からの軟化した材料部分に対して後縁に向かって力が加わり、隣り合う領域を溶解させることにより、溶接部を形成する。

上述したように、管端部をフレア状に成形することも拡張することもせずに、締まりばめを用いて、管２１６の端部２３０，２３２を管板２２０の穴内に係止する。その後、ＦＳＷ処理を用いて、管端部を管板に溶接する。

適切な摩擦ばめを形成するために存在する可能性は数多くあり、管端部をフレア状に成形することも拡張することもなく、摩擦ばめを形成するあらゆる技術が使用可能である。管の外面を変更することが可能であり、または、穴２１８の内面を変更することが可能であり、または、管の外面と穴の内面との変更を組み合わせることが使用可能である。

図５は、使用可能な管２５０の端部を図示しており、ここで各端に隣接する管２５０の外面は、ローレット加工２５２されているとともに、ローレット加工された部分と管の終端部との間にはローレット加工されていない平滑部分２５４も有している。ローレット加工された外面を有する適切な管は、オハイオ州ミネルヴァのＥｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｉｎｃから入手可能である。

図５のこの例では、外側をローレット加工された管２５０の外径ＯＤ１は、穴２１８の直径Ｄ１と実質的に等しいか、またはわずかに小さいので、管２５０の端部を穴２１８に挿入し、管２５０の端部と穴２１８との間を締まりばめできる。この締まりばめは、ＦＳＷ処理中に印加される荷重に対抗するのに十分なはずであるから、管の端部を所定の位置に係止し、ＦＳＷ処理中に管が軸方向及び回転方向に動くのを防止する。

さらに、図５の例では、ＦＳＷ前及びＦＳＷ後の双方における管２５０の内径ＩＤ１は、一方の端部から他方の端部まで一定である。外径ＯＤ１も、ＦＳＷ前及びＦＳＷ後の双方において、管の両端間で実質的に一定である。

一実施形態において、管端部を穴２１８に挿入すると、平滑部分２５４の一部は、ローレット加工された部分２５２の一部とともに、穴内に位置する。
図６は、締まりばめを形成するためのフィンまたは（ねじ山に類似する）起伏２６２を外面に含む管２６０の別の実施形態を図示している。この構造を有する適切な管は、オハイオ州ミネルヴァのＥｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｉｎｃから入手可能である。隙間によって分離されている可撓性のタブ２６６を有する任意の圧入環２６４をフィン２６２の周囲に配置して、締まりばめを強化することもできる。タブ２６６は内側に向かって撓むことによって、フィン２６２上に係止する。あるいは、管が一方向に摺動して穴に入った状態で、環２６４を管板２２０の穴２１８の内部に配置することができるが、タブがフィンと係合するので、環２６４を引き抜くことはできない。別の代替実施形態では、図７に示されるように、環２６４はバッフル２２４内の穴に嵌合するか、または、荷重を支持するためにバッフル２２４と係合することが可能である。

図８は、管の周囲に配置可能な圧入環２７０の例を図示している。環２７０は、図６におけるタブ２６６と同様の可撓性のタブ２７２を有し得る。タブ２７２は、管の強化された外面（例えば図５におけるローレット加工２５２や図６におけるフィン２６２等）と締まりばめを形成するために径方向の内側に向かって撓むように設計されている。環２７０はまた、環における可撓性のタブ２７２のない部分上に、雄ねじ２７４を有し得る。雄ねじ２７４は、管板２２０の側面２２２にある受け穴２７８内、またはバッフル２２４内に形成された穴の両側に形成された、対応する雌めじ２７６（図１０参照）内へとねじ込まれるようになっている。

図１０から明らかなように、受け穴２７８は、管２５０，２６０が摩擦ばめを形成する穴２１８の残りの部分よりも大きな直径を有する。穴２７８の内面には、環２７０の外側にある雄ねじ２７４と係合する雌ねじ２７６が形成されている。

図９Ａは、管板２２０（管板２２０は１つの穴を有する部分のみで示されている）内の穴の内部に固定された管２５０及び環２７０のアセンブリの例を描いている。図９Ｂは、管板２２０（管板２２０は１つの穴を有する部分のみで示されている）内の穴の内部に固定された管２６０及び環２７０のアセンブリの例を描いている。一実施形態において、環２７０は初めに、ローレット加工された管２５０か、フィンを有する管２７０のいずれかの上に圧入される。次に、管及び環のアセンブリを、管板またはバッフルのねじ切りされた穴２７８にねじ込む。

環２７０を管板２２０の受け穴２７８にねじ込むことを支援するために、環２７０はまた、ねじ切りされた部分から突出している拡張円筒状特徴２８０を有し得る。拡張円筒状特徴２８０は、切欠２８２，平面、もしくは他のレンチまたは工具係合構造を有しているので、スパナレンチまたは他の工具を用いて環２７０を回転させることにより、環２７０及び管のアセンブリをねじ切りされた穴２７８内へ締め付ける、及び／または、環を穴から抜き出すことが可能である。

環２７０上及び受け穴２７８上のねじ切り特徴によって、アセンブリ担当者は環−管アセンブリを、管端部が管板の外面２２３と同一平面上になるように管板２２０内へ正確にねじ留め／締め付けできる。この正確なねじ切り特徴により、他の圧入方法を用いることで取り付けの差異が生じる製造公差の問題が解決される。

締まりばめを形成する他の例としては、図６と同様に、型締め形式のキーを溝を有し得る管上に圧締めすることによって、管板２２０の底側または管のバッフル２２４を係合することができる、係止及びキー形式も可能である。他の実施形態では、キーの代わりに、管板の穴の内面に係止する管上に、先細のフィンまたはくさびを一体に形成することで、締まりばめを形成することもできる。

他の実施形態において、管板２２０の裏面に、図６において外側のフィンまたはねじ山２６２を管２６０上に合致させるねじ山パターンを切ることも可能である。その後、管２６０を、摩擦撹拌溶接に必要な抵抗をもたらす管板２２０の裏面にねじ込むこともできる。

管端部を管板の穴に挿入したら、次に、ＦＳＷを用いて管端部を管板に溶接することが可能である。
管の第２端及び第２管板の場合、米国特許第８，４３９，２５０号に記載のような従来のＦＳＷ処理を用いて、第２端を第２管板に固定してもよく、ここで管の第２端は、管の第２端を伸長した後にＦＳＷを施して、管の第２端を管板に溶接することによって、第２管板に対して固定化される。

［処理例］
以下に、アルミニウム管をアルミニウム管板に固定するために用いられる処理例を説明する。この例示的な処理は、第２管板へは第１管板と同様にはアクセスすることができないので、熱交換器の片側（つまり管板の一方）のみに適用可能であり、両方の管板には適用できない。

本例において、管は、長さが１２インチで、（図５の実施形態と同様に）端部に３インチの平滑管を有し、１インチＮＰＳスケジュール４０の、粗くローレット加工された管であった。管板は、７本の管に対する穴を有する２インチ厚のアルミニウム管板であった。この例示的な処理では、管を支持するための裏支え用アンビル／裏支え力は用いられておらず、管板だけが支持されている。

１．管板は、アルミニウムブロックを、管穴を塞ぐことなく、管板の対向する側の下に置くことによってＦＳＷ用アンビル上に支持されていた。ブロックの高さによって、管がアンビルで止められる前に管が管板の穴をどの程度貫通できるのかが決まった。

２．管の外側及び管板の穴の内側を、イソプロピルアルコール、アセトン、または他の洗浄剤で洗浄した。
３．次に、管を管板の穴に挿入した。反対側の管端部をゴム製の槌を用いて叩き、管が管板の下にあるアンビルに接触するまで管を打ち込んで管板を貫通させた。適切に溶接するためには、管板の穴内には平滑管部分２５４が約０．５インチ残っていて、穴内にある管の残りの部分はローレット加工された部分２５２であった。

４．これまでに、管はかじられる寸前でなければならず、管板内で動いてはいけない。溶接側（つまり管板の外側）では、管端部が管板の外面と同一平面上にあるように管を切断した。

５．次に、溶接面と管の内側とを洗浄した。
６．次に、管をデバリングしたのち、管と管板とにＦＳＷを施す。溶接が進むにつれて、管では軸方向に動くことも回転することも観察されないはずである。

図７は、管板２２０の穴の１つに挿入された管２１６の例を図示し、管は、外面２２３と同一平面上にあるように切断されて、ＦＳＷの準備ができた状態である。図７からわかるように、ＦＳＷの前に、管端部をフレア状に成形したり、または、拡張したりすることはない。むしろ、管の内径及び外径は一定のままである。したがって、記載された方法は、管端部付近に、腐食が始まる場所になる可能性のある、いかなる隙間も他の局所的な変形ももたらさない。

本出願で開示された各例は、全ての点において説明のためであると見なされるべきであり、限定するためであると見なされるべきではない。本発明の範囲は、前述の説明によってではなく、添付の請求項によって示されている。したがって、請求項の均等の意味及び範囲の範疇である全ての変更は、本発明に含まれることが意図されている。

Claims (16)

1. 管を管板に接続する方法であって、
   前記管板に隣接する前記管の管端部をフレア状に成形することも拡張することもなく、前記管端部と前記管板との間を、前記管端部を前記管板内に係止する締まりばめの状態で、前記管端部を前記管板の管板穴に挿入することであって、前記締まりばめは、前記管の外面を変更すること、前記管板穴の内面を変更すること、または、前記管の前記外面を変更することと前記管板穴の前記内面を変更することとの双方によって形成されている、前記管端部を前記管板の管板穴に挿入することと、
   前記管の周囲に環を取り付けることと、
   前記管板穴内に、または前記管板とは分離されているバッフルにある穴内に、前記環を少なくとも部分的に嵌合することと、
   前記管を前記管板に摩擦撹拌溶接することと
   を備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記締まりばめは、ローレット加工またはフィンを含むように前記管の前記外面を変更することによって形成されている、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記環は、径方向の内側に向かって撓むことで前記管の前記外面と係合することが可能な複数の可撓性のタブを含んでいる、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、
   前記環は、さらに雄ねじを含み、前記管板穴または前記バッフルにある前記穴は、その内面に雌ねじを含み、前記環上の前記雄ねじを前記雌ねじに係合させるように、前記環を前記管板穴内または前記バッフルにある前記穴内にねじ込む、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、
   前記環はさらに、前記管板穴または前記バッフルにある前記穴に対する前記環の回転を促進して、前記環を前記管板穴または前記バッフルにある前記穴へねじ込んだり、前記管板穴または前記バッフルにある前記穴から抜き出したりする工具嵌合構造を含み、該工具嵌合構造に嵌合する工具を使用して、前記環を前記管板穴内または前記バッフルにある前記穴内へねじ込む、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   前記管端部が前記管板の１つの面と同一平面上になるまで、前記環を前記管板穴または前記バッフルにある前記穴へねじ込むことを備える、方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、
   前記管及び前記管板は、熱交換器の一部を形成する、方法。
8. 熱交換器であって、
   複数の穴と、内側と、外側とを有する第１管板と、
   第１端と第２端とを有する複数の管であって、各管の前記第１端が、前記第１管板にある前記穴のうちの対応する１つの中に、各第１端と前記第１管板との間が締まりばめの状態で配置されている、複数の管と
   を備え、
   各管の前記第１端は、前記第１管板の前記外側で前記第１管板に摩擦撹拌溶接され、
   各管の前記第１端はフレア状に成形されても拡張されてもない、熱交換器。
9. 請求項８に記載の熱交換器であって、さらに、
   複数の穴と、内側と、外側とを有する第２管板を備え、
   各管の前記第２端は、前記第２管板にある前記穴のうちの対応する１つの中に配置され、
   各管の前記第２端は、前記第２管板の前記外側で前記第２管板に摩擦撹拌溶接されている、熱交換器。
10. 請求項９に記載の熱交換器であって、
    前記管は、円筒状であり、前記第１端から前記第２端まで一定の直径を有している、熱交換器。
11. 請求項８に記載の熱交換器であって、
    各管の前記第１端が摩擦強化構造を設けられた外面を有しているか、または、各管板の穴の内面に摩擦強化構造が設けられているか、または、各第１端の前記外面と各管の穴の前記内面との双方に摩擦強化構造が設けられている、熱交換器。
12. 請求項９に記載の熱交換器であって、
    各管の前記第１端は、ローレット加工またはフィンが設けられた外面を有している、熱交換器。
13. 請求項９に記載の熱交換器であって、さらに、
    前記管の各々の周囲に配置された環を備え、
    前記環は、対応する前記管板の穴内に、または前記管板とは分離されているバッフルにある対応する穴内に部分的に嵌合している、熱交換器。
14. 請求項１３に記載の熱交換器であって、
    各環は、径方向の内側に向かって撓むとともに、対応する前記管の外面と係合する複数の可撓性のタブを含んでいる、熱交換器。
15. 請求項１４に記載の熱交換器であって、
    各環は、さらに雄ねじを含み、
    各管板の穴または各バッフルの穴は、その内面に雌ねじを含み、
    各環上の前記雄ねじは、前記雌ねじに係合されている、熱交換器。
16. 請求項１５に記載の熱交換器であって、
    各環は、さらに、その一端に、前記管板の穴またはバッフルの穴に対する前記環の回転を促進する工具嵌合構造を含む、熱交換器。

Images