KR20140103334A - 형상 최적화 헤더들 및 그 제조 방법들 - Google Patents

Abstract

형상 최적화 헤더(200)가 본 명세서에 개시되어 있으며, 이는 유체를 수납하도록 동작하는 외피(202)로서, 외피의 벽 두께 및/또는 내경은 외피(202) 내의 유체 유량의 변화 및/또는 압력의 변화에 따라 변하는 외피(202)와, 외피(202)와 소통하고 외피(202) 내로 유체를 전달하도록 동작하는 튜브들(204)을 포함한다. 본 명세서에는 외피에 튜브들을 고정 부착하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있으며, 여기서, 외피는 유체를 수집하도록 동작하고, 외피의 벽 두께 및/또는 내경은 외피 내의 유체 유량의 변화 및/또는 압력의 변화에 따라 변하고, 튜브들은 외피와 소통하며, 외피 내로 유체를 전달하도록 동작한다.

Description

형상 최적화 헤더들 및 그 제조 방법들 {SHAPE OPTIMIZED HEADERS AND METHODS OF MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 형상 최적화 헤더들 및 그 제조 방법들에 관한 것이다.

화학 플랜트들 및 발전 설비들 같은 산업적 플랜트들은 유체들(예를 들어, 스트림 및/또는 기타 증기들)을 수집하기 위해 헤더들을 사용하는 경우가 많다. 이들 헤더들 및 관련 분배 하드웨어는 항상 균일한 벽 두께들을 갖는 원형 단면 형상을 소유한다. 이들 형상 속성들은 이들이 가용한 파이프로부터, 판들을 압연 및 시임 용접함으로써 또는 원심 캐스팅에 의해 쉽게 제조될 수 있기 때문에 선택된다. 제조의 용이성은 벽 두께 뿐 아니라 헤더 형태의 형상을 좌우한다.

도 1은 현용의 상업적으로 입수할 수 있는 헤더(100)(본 명세서에서 "비교예 헤더"라고도 지칭됨)의 정면도 및 측면도를 도시한다. 도 1로부터 볼 수 있는 바와 같이, 헤더(100)는 균일한 원형 단면 내경 "d" 및 균일한 벽 두께 "t"로 이루어진 외피(102)를 포함하며, 이는 그 길이를 따라 헤더에 진입하는 튜브들의 어레이(104)와 소통한다. 외피(102)는 튜브들의 어레이(104)를 통해 외피 내로 배출되는 유체를 수집하도록 동작한다.

외피(102)는 제1 단부(106)와, 제1 단부(106)에 대향한 제2 단부(108)를 포함한다. 제1 단부(106)는 외측에 대해 밀봉되어 있으며, 제2 단부(108)는 헤더(100) 내에 수납된 유체의 외부로의 배출을 허용하는 출구 포트(도시 생략)와 소통한다.

도 1에 도시된 도면에서, 헤더(100) 내로의 증기 압력 및/또는 유체 유량은 제1 단부(106)에 가장 근접한 튜브들의 어레이(104)에서 최저이고, 대향 단부에 가장 근접한 튜브들의 어레이(104)에서 최고이다. 외피(102)의 내경 "d"는 외피(102) 내의 압력 강하를 고려하여 결정된다. 이는 튜브들의 어레이(104)가 시스템 내의 체류를 제어하는 것을 보증하기 위해 이루어진다. 또한, 외피(102)의 직경(d)은 헤더 자체 내의 마찰 손실들을 제한하도록 하는 방식으로 계산된다. 이 내경(d)은 그 후 외피(102)를 제조하기 위해 사용되는 파이프의 보어를 한정한다. 전체 내경이 유체 유입 외피(102)의 누적 유동에 기초하기 때문에, 도 1에 도시된 헤더 디자인은 출구 평면 이외에서는 필요한 것보다 크며, 결과적으로, 효율적 디자인에 필요한 것보다 많은 양의 재료를 사용한다. 이는 재료 비용을 증가시키고, 필요한 것 보다 플랜트 내에 더 많은 공간을 점유하며 고가인 헤더들을 초래한다.

헤더들을 제조하기 위해 더 고가의 재료들이 사용되는 경우, 이들 구 디자인들은 실현불가하게 비싸지게 될 것이다. 정비 비용과 구성요소 가동중단들을 감소시키면서 비용 절약들이 가능한 형태들 및 벽 두께를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 현용의 기존 헤더 디자인들만큼 길거나 더 긴 시간 기간들 동안 플랜트 내에 존재하는 조건들 하에서 동작할 수 있는 헤더들 및 관련 분배 시스템들을 제조하는 것이 바람직하다.

본 명세서에는 유체를 수집하도록 동작하는 외피로서 외피의 내경 및/또는 벽 두께는 압력의 변화 및/또는 외피 내의 유량의 변화에 따라 변하는 외피와, 외피 내와 소통하고 외피 내로 유체를 전달하도록 동작하는 튜브들을 포함하는 형상 최적화 헤더가 개시되어 있다.

본 명세서에는 외피에 튜브들을 고정 부착하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있으며, 외피는 유체를 수집하도록 동작하고, 외피 내의 유체 유량의 변화 및/또는 압력의 변화에 따라 외피의 벽 두께 및/또는 내경이 변하며, 튜브들은 외피와 소통하고 외피 내로 유체를 전달하도록 동작한다.

도 1은 현용의 상업적으로 입수할 수 있는 헤더(100)(본 명세서에서 "비교예 헤더"라고도 지칭됨)의 정면도 및 측면도를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 도 1의 비교예 헤더의 형상 최적화 형태를 도시하는 도면.
도 4는 외피의 단면적이 제1 단부(206)로부터 제2 단부(208)까지 단계적 방식으로 증가되는 것을 제외하면, 도 2의 헤더(200)를 묘사하는 예시적 실시예의 정면도.
도 5a는 복수의 출구들을 갖는 헤더(100)를 위한 비교예 구성(종래 기술)을 도시하는 도면.
도 5b는 본 발명에 따른 복수의 출구들을 갖는 도 5a와 동일한 헤더를 위한 형상 최적화 구성을 도시하는 도면.
도 6a는 중앙 티(tee)를 갖는 헤더(100)를 위한 비교예 구성(종래 기술)을 도시하는 도면.
도 6b는 본 발명에 따른 단일 출구를 갖는 동일 헤더(200)를 위한 형상 최적화 구성을 도시하는 도면.
도 7a는 도 6a의 외피(102)의 벽과 튜브(104)가 접촉하는 지점에서 비교예 헤더 벽(100)의 단면도를 도시하는 도면.
도 7b는 도 6b의 형상 최적화 헤더(200)의 벽의 단면도를 도시하는 도면.

이제, 다양한 실시예들이 도시되어 있는 첨부 도면들을 참조로 이하에서 본 발명을 더 완전하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 다수의 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명이 전체적이고 완전해지게 하고, 본 기술 분야의 숙련자들에게 본 발명의 범주를 완전하게 전달하도록 제공된 것이다. 유사 참조 번호들은 전체에 걸쳐 유사 요소들을 지칭한다.

요소가 다른 요소 "위에" 있는 것으로 언급될 때, 직접적으로 다른 요소 위에 있을 수 있거나, 그 사이에 개입 요소들이 존재할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 "직접적으로 위에" 존재한다고 언급될 때, 어떠한 개입 요소들도 존재하지 않는다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "및/또는"은 관련하여 나열된 항목들 중 임의의 것 및 그들 중 하나 이상의 모든 조합들을 포함한다.

비록, 용어들 제1, 제2, 제3 등이 본 명세서에서 다양한 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이들 용어들에 의해 한정되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다. 이들 용어들은 단지 일 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로부터 구별하기 위해 사용되는 것이다. 따라서, 후술된 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 교지들로부터 벗어나지 않고, 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션이라 명명될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적이며, 한정을 의도하지는 않는다. 본 명세서에서 사용될 때, 단수형 형태들 "일(부정관사)" 및 "이(정관사)"는 문맥상 명시적으로 달리 나타나지 않는 한, 마찬가지로 복수 형태들을 포함하는 것을 의도한다. 또한, 용어들 "포함하다" 및/또는 "포함하는" 또는 "내포하다" 및/또는 "내포하는"은 본 명세서에서 사용될 때 설명된 특징들, 영역들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 영역들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들 및/또는 그 그룹들의 존재나 추가를 배제하지 않는다.

또한, "하부" 또는 "저부" 및 "상부" 또는 "상단" 같은 상대적 용어들은 도면들에 예시된 바와 같은 다른 요소에 대한 하나의 요소의 관계를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에 도시된 배향에 추가로 장치의 다른 배향을 포함하는 것을 의도한다는 것을 이해할 것이다. 예로서, 도면들 중 하나의 장치가 반전되는 경우, 다른 요소들의 "하부" 측부에 있는 것으로 설명된 요소들은 이때, 다른 요소들의 "상부" 측부들에 배향된다. 따라서, 예시적 용어 "하부"는 도면의 특정 배향에 따라서 "하부" 및 "상부"의 배향 양자 모두를 포함할 수 있다. 유사하게, 도면들 중 하나의 장치가 반전되는 경우, 다른 요소들 "아래" 또는 "밑"에 있는 것으로 설명된 요소들은 이때 다른 요소들의 "위"에 배향된다. 따라서, 예시적 용어들 "아래" 또는 "밑"은 위 및 아래의 배향 양자 모두를 포함할 수 있다.

달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들을 포함)은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전들에 규정된 것들 같은 용어들은 본 발명 및 관련 기술의 내용의 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에 명시적으로 규정되지 않은 한 이상화된 또는 과도하게 정형화된 의미로 해석되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다.

예시적 실시예들은 이상화된 실시예의 개략적 예시들인 단면도들을 참조로 본 명세서에 설명된다. 이 때문에, 예로서, 제조 기술들 및/또는 공차들의 결과로서의 예시들의 형상들로부터의 변형들이 예상된다. 따라서, 본 명세서에 설명된 실시예들은 본 명세서에 예시된 바와 같은 영역들의 특정 형상들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 대신, 예로서, 제조로부터 초래되는 형상들의 편차들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 예로서, 평면으로서 예시 또는 설명된 영역은 통상적으로 거친 및/또는 비선형적 특성들을 가질 수 있다. 또한, 예시된 날카로운 각도들은 라운드형일 수 있다. 따라서, 도면들에 예시된 영역들은 본질적으로 개략적이며, 이들 형상들은 영역의 정확한 형상을 예시하는 것을 의도하지 않으며, 본 발명의 청구범위의 범주를 제한하는 것을 의도하지 않는다.

연결 용어 "포함하는"은 "~을 주 구성요소로하여 구성되는" 및 "~로 구성되는" 같은 연결 용어들을 포함한다.

본 명세서에 개시된 모든 수치 범위들은 종점들을 포함한다. 추가적으로, 주어진 범위 내의 모든 숫자들 및 수치 값들(본 명세서에 명시적으로 언급되지 않은 것들을 포함)은 본 발명 내에 의도적으로 포함되는 것으로 이해된다. 본 명세서에 포함된 모든 수치 값들은 상호교체가능하다.

본 명세서에는 헤더들의 동작 동안 조우하는 유체들(예를 들어, 물, 증기 및/또는 다른 증기들이나 유체들)의 국지화된 동작 응력 및 속도들을 위해 최적화된 벽 두께들 및 단면적들을 갖는 형상 최적화 헤더들 및 관련 도관들(이하, 형상 최적화 헤더들")이 개시되어 있다. 형상 최적화 헤더들은 가변적 단면적들 및/또는 벽 두께들의 외피들을 갖는다. 헤더 및/또는 벽 두께의 외피의 특정 부분의 단면적은 유입 유체의 헤더 내에서의 누적 유동 및 연결 튜브들의 형상의 조합에 기인한 국지적 유동 및 국부 응력, 유체의 속도 및/또는 외피의 그 특정 부분에서의 유입 유체의 화학 조성에 비례하여 변한다. 형상 최적화 헤더들은 헤더가 더 높은 응력(유입 튜브들의 형상에 기인하여) 및 유체 속도들과 조우하는 그 국지적 부분들에서만 더 큰 단면적들을 갖도록, 그리고, 가능하게는 더 큰 벽 두께들(동일한 헤더의 벽 두께들 및 다른 단면적들보다)을 갖도록 하는 방식으로 설계된다.

출구(들)에 근접한 것들보다 낮은 유체 속도들을 받는 외피의 단면들은 도 1에 도시된 것과 같은 종래의 방식으로 설계된 대응하는 단면적들 및 외피의 벽 두께들보다 작은 단면적들 및 작은 벽 두께들을 갖는다.

결과적 형상 최적화 헤더들은 동작 동안 조우하는 국부 응력 및 유체 속도들에 따라 다수의 단면적들 및 벽 두께들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 형상 최적화 헤더들은 또한 다른 단면들에서 조우하는 유체의 화학성에 따라 다른 구성 재료들을 사용할 수 있다. 형상 최적화 헤더들은 도 1에 도시된 헤더들에 사용되는 것들보다 고가인 특수한 재료들로 이루어질 수 있지만, 최적화된 디자인에 기인하여, 도 1의 헤더가 동일한 특수한 재료들로 구성되는 경우보다 덜 비쌀 수 있다.

이들 형상 최적화 헤더들은 또한 플랜트 내의 더 적은 플로어 공간과 용적 공간을 사용하며 도 1에 도시된 방식에서 설계된 헤더들보다 더 긴 시간 기간들 동안 또는 그 만큼 긴 기간 동안 동작에 사용될 수 있다는 점에서 유리하다.

도 2는 도 1의 비교예 헤더의 형상 최적화 형태를 도시한다. 도 2에서, 형상 최적화 헤더(200)는 d₁의 최소 직경 값(응력 및/또는 유체 유량이 최저인 단부에서)으로부터 대향 단부에서의(응력 및/또는 유체 유량이 가장 큰) 최대 직경 값(d₂)까지 변하는 원형 단면 내경을 갖는 외피(202)(원추형 단면의 형태)를 포함한다. 또한, 벽 두께는 t₁(응력 및/또는 유체 유량이 최저인 단부에서)의 최소 벽 두께로부터 대향 단부에서(응력 및/또는 유체 유량이 최대인) t₂의 최대 벽 두께까지 변한다.

헤더(200)는 제1 단부(206) 및 제1 단부(206)에 대향한 제2 단부(208)를 포함한다. 제1 단부(206)는 외부에 대해 밀봉되고(즉, 외측으로부터 유체가 제1 단부(206)를 통해 외피(202)에 진입하거나 그를 벗어날 수 없고), 제2 단부(208)는 외부로의 헤더(200)의 배출을 가능하게 하는 출구 포트(도시 생략)와 소통한다. 도 2는 헤더의 단면적의 매끄러운 선형 변동 및 제1 단부(206)로부터 제2 단부(208)로의 벽 두께의 매끄러운 선형 변동을 도시하지만, 다른 변형들도 사용될 수 있다. 예로서, 단면적 또는 두께 중 어느 하나의 변동은 헤더 내로의 유체 유량 및/또는 국부 응력에 따라서 비선형적일 수 있다(예를 들어, 지수적 또는 스플라인 함수에 따라 변하는, 불연속 방식으로 임의적으로 변하는 또는 그 조합인 곡선형). 헤더(200)의 내부 표면(218) 또는 외부 표면(220)은 연속적으로 변하는 표면일 수 있거나, 불연속적으로 변하는 표면일 수 있거나(즉, 계단식 함수와 유사한 변동들을 갖는 것) 또는 그 조합일 수 있다.

일 실시예에서, 외피의 벽 두께 및/또는 직경의 증가는 헤더의 다양한 섹션들에서 겪게되는 압력의 국지적 증가에 비례하며, 이하와 같은 수학식(1)에 의해 표현될 수 있다.

(1)

여기서, d₂, d₁, t₂ 및 t₁은 도 2에 표시되어 있으며, 여기서, p₂는 최고 압력이고, p₁은 헤더의 다양한 섹션들에서 조우하는 최저 압력이다.

다른 실시예에서, 외피의 벽 두께의 변화 및/또는 직경의 변화는 외피에서 겪게되는 국지적 압력의 변화에 비례하며 수학식(1a)에 의해 규정된다.

(1a)

여기서, △d₂는 외피의 제2 섹션의 내경의 변화이고, △d₁은 외피의 제1 섹션의 내경의 변화이고, △t₂는 외피의 제2 섹션의 벽 두께의 변화이고, △t₁은 외피의 제1 섹션의 벽 두께의 변화이며, 여기서 △p₂는 외피의 제2 섹션에서 겪는 압력의 변화이고, △p₁은 외피의 제1 섹션에서 조우하는 압력의 변화이다.

또 다른 실시예에서, 외피의 직경 및/또는 벽 두께의 증가는 헤더의 다른 단면들에서 겪게되는 유체 유량의 증가에 비례하며 다음과 같은 수학식(2)로 표현될 수 있다.

(2)

여기서, d₂, d₁, t₂ 및 t₁은 도 2에 표시되어 있으며, 여기서, f₂는 최대 유체 유량이고, f₁은 헤더의 다양한 섹션들에서 조우하는 최소 유체 유량이다.

다른 실시예에서, 외피의 벽 두께의 변화 및/또는 직경의 변화는 외피 내에서 겪는 유체 유량의 변화에 비례하며, 수학식(2a)에 의해 결정된다.

(2a)

여기서, △d₂는 외피의 제2 섹션의 내경의 변화이고, △d₁은 외피의 제1 섹션의 내경의 변화이고, △t₂는 외피의 제2 섹션의 벽 두께의 변화이고, △t₁은 외피의 제1 섹션의 벽 두께의 변화이며, 여기서 △f₂는 외피의 제2 섹션에서 겪는 유체 유량의 변화이고, △f₁은 외피의 제1 섹션에서 조우하는 유체 유량의 변화이다.

일 실시예에서, 헤더를 설계하는 한가지 방식에서, 헤더의 길이를 따라 균일한 속도 또는 유체 유량을 유지하는 것이 바람직하다. 유량 또는 속도는 헤더의 단면적에 비례하며, 따라서, 수학식(3)에 나타난 바와 같이 헤더의 내경의 자승에 비례한다.

(3)

여기서, f₂는 외피의 제2 섹션에서 겪는 유체 유량이고, f₁은 외피의 제1 섹션에서 조우하는 유체 유량이며, A₁ 및 A₂는 각각 유체 유동들(f₁ 및 f₂)과 조우하는 외피의 부분들의 단면적들이고, d₁ 및 d₂는 각각 유체 유동들(f₁ 및 f₂)과 조우하는 외피의 부분들에서 헤더의 각각의 내경이다.

헤더의 두께는 헤더 내의 압력에 기인한 균일한 응력을 유지하도록 변한다. 응력은 압력과 직경의 곱을 두께로 나눈 것과 같다. 달리 말하면, 응력은 수학식(4) 및 (5)에 나타난 바와 같이 직경에 비례하지만, 두께에는 반비례한다.

(4)

여기서, p는 헤더의 주어진 부분의 압력이고, d는 헤더의 내경이며, t는 헤더의 벽 두께이다.

(5)

여기서, d₂는 외피의 제2 섹션의 내경이고, d₁은 외피의 제1 섹션의 내경이고, t₂는 외피의 제2 섹션의 벽 두께이고, t₁은 외피의 제1 섹션의 벽 두께이며, 여기서, p₂는 외피의 제2 섹션에서 겪게되는 압력이고, p₁은 외피의 제1 섹션에서 겪게되는 압력이며, σ₂ 및 σ₁은 각각 외피의 제2 섹션 및 제1 섹션에서 받게되는 응력들이다. 수학식들(4) 및 (5)로부터, 주어진 압력에 대하여, 응력은 동일한 양만큼 벽 두께와 직경을 감소시킴으로써 일정하게 유지될 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 4는 외피의 단면적이 제1 단부(206)로부터 제2 단부(208)까지 단계적 방식으로 증가되는 것을 제외하면 도 2의 헤더(200)를 도시하는 예시적 실시예의 정면도이다. 단면적의 이러한 증가는 상기 수학식들(1) 및 (2)에서 보여지는 것과 같이 국지적 압력 및/또는 유체 유량의 증가에 따라 변한다. 단면적이 증가될 때, 벽 두께(t)는 압력 및/또는 유체 유량의 증가를 보상하도록 마찬가지로 증가된다.

도 4로부터, 압력이 p₁으로부터 p₂ 내지 p₃까지 증가할 때 및/또는 유체 유량이 f₁으로부터 f₂ 내지 f₃까지 증가할 때, 단면적이 d₁으로부터 d₂ 내지 d₃까지 증가되고, 벽 두께가 t₁으로부터 t₂ 내지 t₃까지 증가되는 것을 볼 수 있다.

도 2 및 도 4의 헤더들(200)이 각각 제2 단부(208)에서 단일 출구를 가지는 반면, 필요시 둘 이상의 출구들이 존재할 수 있다. 도 5는 복수의 출구들을 갖는 헤더들(200)을 도시한다. 도 5a는 복수의 출구들을 갖는 헤더(100)를 위한 비교예 구성을 도시하고, 도 5b는 복수의 출구들을 갖는 동일 헤더(200)를 위한 형상 최적화 구성을 도시한다. 도 5b에서, 외피(202)의 단면적은 제1 단부(206) 및 제2 단부(208)의 출구들 부근에서 가장 크며, 그 이유는 이들 영역들이 가장 높은 압력들 및/또는 유체 유량들을 겪기 때문이다. 출구 영역들의 벽 두께는 헤더의 다른 영역들에서의 벽 두께보다 더 크다. 상술한 바와 같이, 헤더들의 제1 단부(206) 및 제2 단부(208) 부근에 위치된 출구들은 헤더(200)로부터 헤더에 의해 이송되는 유체 또는 증기를 제거하기 위해 사용된다.

도 6a는 출구로서 기능하는 중앙 티를 갖는 디자인을 위한 형상 최적화 헤더와 함께 비교예 헤더를 도시한다. 도 6a는 중앙 티를 갖는 헤더(100)를 위한 비교예 구성을 도시하고, 도 6b는 단일 출구를 갖는 동일한 헤더(200)를 위한 형상 최적화 구성을 도시한다. 중앙 티(212)는 도 6b에 출구로서 사용되고, 이는 도 6a에서 112로 표시되어 있다.

도 6b로부터, 외피의 단면적이 헤더의 중심에서 가장 크며, 그 이유는 이 곳이 유체 유량 및/또는 압력이 가장 큰 영역이기 때문이라는 것을 알 수 있다. 유사하게, 벽 두께는 중심에서 가장 크다. 외피의 벽 두께는 압력 및/또는 유량이 최저인 대향 단부들(206, 208)에서 가장 좁다.

헤더의 벽 내로의 튜브(204)의 침투부 및/또는 임의의 침투부의 부재시, 벽 두께는 정상 동작 동안 견디기 위해 헤더가 가져야하는 또는 고장의 경우 또는 규제법들, 표준들 또는 다른 디자인 규정들에 의해 규정되는 바와 같은 다른 조건에 의해 규정되는 바와 같은 내부 압력에 의해 결정된다. 이 원리는 일반적으로 튜브들이 헤더의 벽에 고착되는 영역들의 벽 두께에도 마찬가지로 적용된다. 그러나, 이들 영역들은 벽에 대한 튜브들의 추가에 의해 약화될 수 있다. 또한, 이들 영역들은 헤더에 진입하는 유체들 모두가 튜브들(204)에 접촉하기 때문에 더 큰 양의 활용성을 갖는다. 또한, 헤더에 진입하는 유체들은 유체의 진입 지점에 대한 영역의 인접성에 기인하여 튜브들(204) 주변의 헤더의 영역에 접촉한다. 따라서, 유체가 헤더에 진입하는 영역들은 헤더의 다른 영역들보다 더 신속하게 약화된다.

일 실시예에서, 헤더(200)의 벽들에 튜브들(204)이 고착되는 영역들은 튜브들로부터 외피로의 유체의 진입을 위한 경로들을 제공하기위해 재료의 제거에 기인하여 일반적으로 약화되는 영역에 추가적 보강을 제공하도록 두께가 증가될 수 있다. 또한, 보강은 헤더의 동작 과정 동안 다른 영역들보다 더 큰 활용성을 나타내는 영역에 더 긴 수명을 제공한다. 두께의 이러한 증가는 국지적이며, 튜브들(204)이 헤더에 고정 부착되는 영역들에 적절한 근접도에서만 이루어진다.

도 7b에 도시된 일 실시예에서, 튜브들(204)이 고정 부착되는 벽의 영역들은 외피와 소통하도록 튜브들을 위한 침투부들을 형성함으로써 제거되는 재료를 국지적으로 보상하도록 또는 증가된 활용도에서 발생하는 과도한 마모 및 열화를 극복하기 위해 두껍게 형성된다. 국지적 두께의 이러한 증가는 헤더의 중량을 감소시키고 재료 비용들을 감소시키는 동시에 증가된 수명 성능을 헤더에 제공한다.

도 7a는 튜브(104)가 외피(102)의 벽과 접촉하는 지점에서 비교예 헤더 벽(100)의 단면을 도시한다. 헤더 벽(100)은 튜브(104)가 헤더에 접촉하지 않는 경우 일반적으로 t₄의 두께를 갖는다. 튜브(104)의 존재에 기인한 구조적 약화들을 보상하기 위해, 헤더 벽(100)의 두께는 t₅로 증가된다. 종래의 헤더에서 t₄로부터 t₅로의 두께의 이러한 증가는 최종 헤더의 중량 및 재료 비용들의 증가들을 유발한다.

도 7b는 형상 최적화 헤더(200)의 벽의 단면도를 도시한다. 형상 최적화 헤더(200)에서, 헤더를 위한 벽 두께는 튜브(204)가 헤더에 고정 부착되는 영역들에 적절한 근접도에서 t₅로 증가되는 것을 제외하면 t₄이다. 두께의 이러한 국지적 증가는 헤더의 응력의 균일성을 보증하며, 도 7a의 비교예 헤더의 중량에 비교할 때 중량을 실질적으로 감소시킨다.

헤더(200)의 외피는 철계 합금들, 니켈계 합금들, 탄탈륨계 합금들 및 티타늄계 합금들로 제조될 수 있다.

일 실시예에서, 형상 최적화 헤더를 제조하는 일 방법에서, 더 작은 직경(d₁)(더 낮은 유량(f₁)에 대응)과 더 작은 직경(d₁)에 대향한 단부에서 더 큰 직경(d₂)(더 높은 유량(f₂)에 대응)을 갖는 원추형 단면 형태의 외피는 유체가 외피 내부로부터 외부에 접촉하는 것을 방지하도록 밀봉된 그 대향 단부들을 갖는다. 이때, 출구(또는 입구-입구들도 출구들로서 기능할 수 있음)는 외피의 일부에서 절단되거나 천공된다. 출구는 그 내용물들을 외피로부터 배출하기 위해 사용된다. 구멍들은 유체를 외피 내로 배출하는 튜브들을 수용하기 위해 외피에 천공된다.

일 실시예에서, (더 낮은 압력을 겪는 헤더의 부분들로부터 더 높은 압력들을 겪는 헤더의 부분들까지) 단면적의 매끄러운 증가를 갖는 형상 최적화 헤더를 제조하는 일 방법에서, 시트 금속의 롤(예를 들어, 금속의 스크롤)은 일 단부에서 고정 또는 보유되고, 대향 단부는 고정 단부로부터 연장된다. 금속은 종방향으로 연장되는 것에 추가로 스크롤의 중심으로부터 반경방향 외향 연장되며, 그래서, 시트 금속의 각 권회부에 의해 헤더 직경이 길이를 따라 증가한다. 길이 및 직경이 바람직한 한계들에 도달할 때, 중첩하는 시트들은 함께 시임 용접 또는 리벳 결합되어 헤더의 외피를 형성한다. 헤더의 단부들은 두 개의 평행한 단부들을 형성하도록 절단될 수 있다. 헤더의 단부들은 외피 상에 용접될 수 있다. 일 단부는 외부에 대해 밀봉될 수 있으며, 다른 단부는 개구를 가지고, 이 개구를 통해 헤더의 내용물들이 재순환을 위해 제거되거나 폐기를 위해 배출된다.

단면적 증가의 방향으로 벽 두께를 증가시키는 것이 일반적으로 바람직하기 때문에, 점진적으로 두께가 증가하는 시트 금속의 스크롤은 상술한 바와 같은 헤더를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이런 시트로부터 헤더(외피)를 제조할 때, 가장 얇은 섹션은 고정 보유되고, 스크롤의 가장 두꺼운 섹션은 단면적이 매끄럽게 증가하고 벽 두께가 마찬가지로 증가하는 외피를 제조하기 위해 가장 얇은 섹션으로부터 외향 연장된다.

구멍들은 헤더에 튜브들을 고정 부착하기 위해 외피의 표면에 천공될 수 있다. 튜브들은 상기 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 외피 상으로 용접될 수 있다. 다른 실시예에서, 튜브들은 외피의 벽들에 형성된 나사부들 내로 나사결합되거나 외피에 용접될 수 있다. 일 실시예에서, 외피는 레이저 용접 같은 기술들을 사용하여 튜브들을 둘러싸는 국지적 영역에서 선택적으로 두꺼워질 수 있다. 헤더를 형성하기 위해, 그리고, 국지적 보강을 위해 사용되는 다른 기술들은 통상적 캐스팅, 스프레이 캐스팅, 스프레이 성형 및 분말 야금이다.

다른 실시예에서, 단면적들이 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 계단 함수 방식으로 증가되는(더 낮은 압력을 겪는 헤더의 부분들로부터 더 높은 압력들을 겪는 헤더의 부분들까지) 헤더를 제조하는 다른 방식에서, 변하는 원하는 직경들 및 두께들의 파이프들(스풀들)은 먼저 절단되고, 그 후, 함께 용접 또는 리벳결합되어 헤더를 형성한다. 튜브들 및 헤더의 단부들은 그 후 함께 용접되어 헤더를 형성한다.

형상 최적화로부터 재료 절약들을 달성하는 것에 추가로, 더 얇은 벽들 및 외피들의 사용은 열적 응력들을 감소시키고, 이들 방법들 및 원리들을 사용하여 제조된 헤더 또는 다른 장치들의 내구성 및 수명을 증가시킨다. 다른 장점은 감소된 직경 및 벽 두께는 큰 헤더를 형성하기 위해 다수의 스풀들을 결합하도록 더 작은(더 적게 통과하는) 용접부들을 도출한다는 것이다.

예시된 실시예들을 참조로 본 발명을 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변경들이 이루어질 수 있으며, 균등물들이 그 요소들을 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 그 본질적 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명의 교지들에 대한 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 다수의 변경들이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 안출된 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되지 않는 것을 의도한다.

Claims (18)

1. 형상 최적화 헤더에 있어서,
   유체를 수집하도록 동작하는 외피로서, 상기 외피의 내경 및/또는 벽 두께는 상기 외피 내의 유체 유량의 변화 및/또는 압력의 변화에 따라 변하는, 상기 외피; 및
   상기 외피와 소통하고, 상기 외피 내로 유체를 전달하도록 동작하는 튜브들을 포함하는 형상 최적화 헤더.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 단면적 및/또는 벽 두께는 더 낮은 유체 유량 및/또는 더 낮은 압력의 영역으로부터 상기 외피 내의 더 높은 유체 유량 및/또는 더 높은 압력의 영역으로 점진적으로 증가하는 형상 최적화 헤더.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 일부의 내경은 상기 외피의 해당 부분의 국지적 압력에 정비례하는 형상 최적화 헤더.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 벽의 일부의 벽 두께는 상기 외피의 해당 부분의 유체 유량에 정비례하는 형상 최적화 헤더.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 벽 두께의 변화 또는 상기 내경의 변화는 상기 외피에서 겪는 국지적 압력의 변화에 비례하고, 수학식(1a)에 의해 결정되며,
   

   

   (1a)
   여기서, △d₂는 상기 외피의 제2 섹션의 내경의 변화이고, △d₁은 상기 외피의 제1 섹션의 내경의 변화이고, △t₂는 상기 외피의 제2 섹션의 벽 두께의 변화이고, △t₁은 상기 외피의 제1 섹션의 벽 두께의 변화이며, 여기서 △p₂는 상기 외피의 제2 섹션에서 겪는 압력의 변화이고, △p₁은 상기 외피의 제1 섹션에서 조우하는 압력의 변화인 형상 최적화 헤더.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 벽 두께의 변화 또는 상기 내경의 변화는 상기 외피 내에서 겪는 유체 유량의 변화에 비례하고, 수학식(2a)에 의해 결정되며,
   

   

   (2a)
   여기서, △d₂는 상기 외피의 제2 섹션의 내경의 변화이고, △d₁은 상기 외피의 제1 섹션의 내경의 변화이고, △t₂는 상기 외피의 제2 섹션의 벽 두께의 변화이고, △t₁은 상기 외피의 제1 섹션의 벽 두께의 변화이며, 여기서 △f₂는 상기 외피의 제2 섹션에서 겪는 유체 유량의 변화이고, △f₁은 상기 외피의 제1 섹션에서 조우하는 유체 유량의 변화인 형상 최적화 헤더.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 벽 두께의 변화 또는 상기 내경의 변화는 상기 외피 내에서 겪는 응력의 변화에 비례하고, 수학식(5)에 의해 결정되며,
   

   

   (5)
   여기서, d₂는 상기 외피의 제2 섹션의 내경이고, d₁은 상기 외피의 제1 섹션의 내경이고, t₂는 상기 외피의 제2 섹션의 벽 두께이고, t₁은 상기 외피의 제1 섹션의 벽 두께이며, 여기서, p₂는 상기 외피의 제2 섹션에서 겪게되는 압력이고, p₁은 상기 외피의 제1 섹션에서 겪게되는 압력이며, σ₂ 및 σ₁은 각각 상기 외피의 제2 섹션 및 상기 제1 섹션에서 받게되는 응력들인 형상 최적화 헤더.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 형상 최적화 헤더는 상기 헤더 내에 수집된 유체들을 배출하기 위해 사용되는 출구를 더 포함하는 형상 최적화 헤더.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 내경의 증가는 더 낮은 압력의 영역으로부터 더 높은 압력의 영역까지 연속적인 형상 최적화 헤더.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 벽 두께의 증가는 더 낮은 압력의 영역으로부터 더 높은 압력의 영역까지 연속적인 형상 최적화 헤더.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 내경의 증가는 더 낮은 압력의 영역으로부터 더 높은 압력의 영역까지 불연속적인 형상 최적화 헤더.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 외피의 벽 두께의 증가는 더 낮은 압력의 영역으로부터 더 높은 압력의 영역까지 불연속적인 형상 최적화 헤더.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 형상 최적화 헤더는 상기 헤더 내에 수집된 유체들을 배출하도록 동작하는 복수의 출구들을 포함하는 형상 최적화 헤더.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브들과 접촉하는 상기 외피의 섹션의 벽 두께는 증가되는 형상 최적화 헤더.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 외피는 원추형 단면의 형상을 가지는 형상 최적화 헤더.
16. 외피에 튜브들을 고정 부착하는 단계를 포함하고,
    상기 외피는 유체를 수집하도록 동작하고, 상기 외피의 내경 및/또는 벽 두께는 상기 외피 내의 유체 유량의 변화 및/또는 압력의 변화에 따라 변하고, 상기 튜브들은 상기 외피와 소통하며, 상기 외피 내로 유체를 전달하도록 동작하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 외피는 함께 리벳결합되거나 함께 용접되는 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 튜브들은 상기 외피에 용접되는 방법.

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