熱交換器の寸法測定

多管式熱交換器の種類

多管式熱交換器には固定管板式・遊動頭式・U字管式の3種類があります。

固定管板式熱交換器

固定管板式熱交換器は、シェルに固定された管板にチューブが拡管や溶接で取り付けられています。構造がシンプルで、低コストで製造できるというメリットがあります。一方で、シェルの清掃ができないため、汚れの多い流体や腐食性流体をシェル側に流す熱交換には向いていません。また、シェルやチューブの熱膨張に注意する必要があり、シェル側とチューブ側の流体の温度差が大きい場合はシェルに伸縮継手を用います。

遊動頭（フローティングヘッド）式熱交換器

遊動頭（フローティングヘッド）式熱交換器は、チューブバンドルの一方が管板に、もう一方が拡管や溶接で遊動管板に取り付けられています。シェルとチューブバンドルが接合されていないため、シェルとチューブバンドルは熱膨張に対して自由であるという特徴があります。また、チューブバンドルの脱着が容易であるため清掃・点検・修理などのメンテナンスが可能です。

U字管式熱交換器

U字管式熱交換器は、チューブをU字形に曲げてシェルに挿入しています。シェルとチューブが接合されていないため、遊動頭式熱交換器と同じようにシェルとチューブは熱膨張による変形に対して自由です。また、チューブバンドルを脱着できるためメンテナンスは容易ですが、チューブのU字部分の清掃は困難です。

多管式熱交換器の構造

多管式熱交換器の構造を遊動頭（フローティングヘッド）式熱交換器を例に紹介します。遊動頭式熱交換器は、遊動頭（シェルカバー）・ガスケット・シェル・管板（チューブシート）・仕切り室（チャンネル）・チューブバンドルなどで構成されており、熱交換器の寸法測定ではこれらの位置と役割りを把握しておくことが重要です。

A：遊動頭（シェルカバー）

ナックル状のヘッドをフランジに溶接したものです。シェルにはフランジで接合します。

B：ガスケット

ガスケットは、チャンネルカバー（仕切り室のふた）・チャンネルフランジと管板の間・シェルのフランジ・シェルとシェルカバーなどの気密性を高めるための部品です。

C：シェル

シェルは、熱を交換するチューブバンドルが格納されている部分です。

D：管板（チューブシート）

管板はチューブを支えてシェル側流体とチューブ側流体を区切る部品で、「チューブシート」ともいわれます。管板に取り付けられたチューブは、流体に漏れが発生しないように取り付け部が拡管されて高い気密性を得ています。

E：仕切り室（チャンネル）

仕切り室はチューブ側流体の出入り口で、「チャンネル」ともいわれます。

F：チューブバンドル

熱交換を行うチューブを束ねた部品です。多くのチューブバンドルは、管板・チューブ・バッフルプレートなどで構成されています。

黒矢印：チューブ側流体

赤矢印：シェル側流体

チューブとチューブバンドル

チューブには、「熱交換用鋼管（熱伝達用鋼管）」といわれる鋼管が使われます。熱交換用鋼管には「シームレス鋼管（継目無鋼管）」といわれる継ぎ目のない管と「電気抵抗溶接鋼管」があります。熱伝達用鋼管には、高温・高圧がかかり危険を伴う用途であるため、JISにより材質別に厳しい設計条件・寸法精度、検査基準が設定されています。
しかし、チューブを管板に溶接で接合する場合は、溶接によりひずみが発生する可能性があります。大型の熱交換器ではチューブの全長が数メートル、チューブバンドル直径は2mを超え、チューブバンドルに小口径のチューブを高密度で組み付けなければなりません。また、チューブは高温・低温による熱により伸縮します。
このため、チューブの寸法精度は厳しく測定しなければならず、拡管部では溶接によるひずみや溶け込みを検査する必要があります。さらに、チューブバンドルとシェルとのクリアランスは小さいため、チューブバンドルの出来形の寸法測定も欠かせません。

フランジ

フランジは部品どうしをガスケットで挟んで、部品を接合し気密性を得ます。このため、形状や寸法の精度が低いと、流体が漏れる原因になります。たとえば、フランジ座がひずんでいると、ガスケットにかかる力が均一にならず、設計どおりの気密性を実現することができません。また、軸方向に対するフランジ面の角度が設計どおりでないと、取り付けが困難であるばかりでなく、フランジを固定するボルトの締め付け力でフランジが変形したり強度が大きく低下します。
このようなことから、フランジの形状や寸法は、特に高圧力を受ける部分では高い精度が求められます。また、製造時ばかりではなく、チューブの交換や清掃といったメンテナンス時にも寸法測定は必要不可欠です。

寸法測定のポイント

多管式熱交換器において最も重要となる測定ポイントは、チューブとフランジの形状と寸法です。
ここでは、この2つの部品の寸法測定のポイントについて説明します。

チューブとチューブバンドル

チューブの全長・外径はもちろん、チューブの軸の中心のブレを示す同軸度、チューブバンドルに取り付けた後のチューブ間の平行度などが重要な測定のポイントになります。
チューブをチューブバンドルに取り付けるときのチューブ間ピッチは、チューブの外径により決定されます。チューブの外径が19mm（3/4in）では25mm、25.4mm（1in）では32mmであり、外径の1.2倍以上とされています。また、長さは3m（10ft）や6m（20ft）といった長いチューブを高密度でチューブバンドルに収めなければなりません。チューブのわずかな寸法や形状の誤差は、チューブバンドルを組み立てた際に各部に応力を発生させる原因になるため、特に高精度な測定が必要です。

フランジ

フランジの寸法測定では、フランジの軸方向に対するフランジ面の角度、直角度や平面度などが重要な測定のポイントになります。
フランジは、ガスケットを挟んで部品どうしをボルトで接合します。フランジにはボルトによる強力な締め付けトルクが発生し、この力でガスケットを押し付けて気密性を実現します。このとき、フランジの角度が軸方向に対して正しい角度でないと締め付けトルクが不均等になってガスケットの一部がつぶれたり、フランジが変形する場合があります。また、フランジ面にうねりなどがあると、ガスケットを十分に押し付けることができなくなります。フランジの寸法や形状の誤差はガスケットの嵌合不良につながり、それは流体の漏れといった大きなトラブルの原因になるため、入念な測定が必要です。

チューブの全長・角度・平行度

チューブの長さは、短いもので3m（10ft）、長いものでは6m（20ft）のものが多く使われています。コンベックスによる測定には2名以上の作業者が必要で、実施のたびに値が異なるため正確な測定は困難です。たとえば、チューブの平行度はダイヤルゲージを動かして測定します。しかし、ダイヤルゲージを当てる角度や強さによって測定値が変わるため、作業者による測定値のバラつきが発生します。また、指定されている軸線上で測定を繰り返さなければならないため、測定作業は長時間におよびます。
「WMシリーズ」なら、測定ポイントにプローブを当てるだけで測定できます。平行度や各部の角度も、チューブの基準要素と対象要素にプローブを当てるだけで測定は完了。短時間かつ1人で測定でき、作業者による測定値のバラつきはありません。また、設計値に対する公差値の判定も瞬時に確認することができます。

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管板各部の寸法・平面度

大型の熱交換器では、管板の直径は数メートルにおよびます。管板の平面度をダイヤルゲージで測定するには、チューブの平行度の測定と同様、対象物またはダイヤルゲージを動かして倣い測定を行う必要があります。しかし、ダイヤルゲージや大きな管板を正確に動かすことは困難であり、測定誤差の発生は避けられません。
「WMシリーズ」は、どこにでも設置することができるポータブル設計ですので、対象物を動かす必要はありません。対象物の近くに測定機を設置し、すぐに測定を開始することができます。平面度は対象物を動かすことなく、基準要素と対象要素の測定ポイントにプローブを当てるだけで測定可能。管板の段差など各部の寸法も、簡単に測定することができます。

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