KR101624147B1

KR101624147B1 - 3-dimensional heat exchanger

Info

Publication number: KR101624147B1
Application number: KR1020140185508A
Authority: KR
Inventors: 이성재; 송철화
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-05-26

Abstract

The present invention relates to a 3-dimensional heat exchanger. The purpose of the present invention is to perform heat exchange by using two-phase heat transfer mechanism. To effectively perform heat exchange by the two-phase heat transfer mechanism, flow paths have 3-dimensional optimized structure. The dimensional heat exchanger comprises first tubes, second tubes, and third tubes.

Description

A three-dimensional heat exchanger

본 발명은 3차원 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세히는 기존의 열교환기보다 훨씬 신속한 열교환을 실현할 수 있는 고 열유속 3차원 열교환기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional heat exchanger, and more particularly, to a high heat flux three-dimensional heat exchanger capable of realizing much faster heat exchange than a conventional heat exchanger.

열교환기는 일반적으로 고온액체와 저온액체와의 2개의 유체 사이에서 열의 이동을 실시하는 장치를 말하는 것이다. 일반적으로 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등의 장치가 열교환기로서 사용되는 대표적인 장치들이며, 목적으로 하는 유체에 열을 주기 위해 사용되는 전열매체를 열매라고 하며, 이와는 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매라고 한다. 열교환기의 형식에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 금속관을 전열벽으로 하는 것으로, 금속관을 경계로 하여 이종(서로 다른 종류)의 유체들이 서로 격리되며, 금속관을 통해 유체들 간의 열전달이 이루어지게 된다.A heat exchanger generally refers to a device that performs heat transfer between two fluids, a hot fluid and a cold fluid. Generally, typical apparatuses such as a heater, a cooler, an evaporator, and a condenser are used as a heat exchanger. A heat transfer medium used to heat a target fluid is called a " heat ", and conversely, . The most commonly used types of heat exchangers are metal tubes as heat transfer walls. Different types of fluids are isolated from each other with a metal pipe as a boundary, and heat is transferred between fluids through a metal pipe.

이러한 일반적인 열교환기에서 이루어지는 열전달 단계를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 전열벽을 사이에 두고 서로 온도가 다른 두 종의 유체가 격리 수용된 상태에서, 고체상의 전열벽과 유체는 대류에 의해 서로 열전달이 이루어지며, 전열벽 내에서는 전도에 의한 열전달이 이루어지게 된다. 즉 고온액체 수용공간에서는 대류에 의하여 고온액체에서 전열벽으로 열전달이 이루어지고, 전열벽 내부에서는 전도에 의하여 고온액체측에서 저온액체측으로 열전달이 이루어지고, 저온액체 수용공간에서는 대류에 의하여 전열벽에서 저온액체로 열전달이 이루어지게 되는 것이다. 이 때, 전열벽은 상술한 바와 같이 대개 열전도도가 높은 금속재로 만들어지는 경우가 대부분이며, 또한 전열벽에 의해 열흡수 등에 의하여 열전달에 있어서의 손실이 발생하는 것을 방지하기 위해 전열벽은 통상적으로 얇은 두께로 형성된다. 즉 전열벽에서는 열손실이 거의 발생하지 않으며, 결과적으로 전열벽을 사이에 두고 고온액체에서 저온액체로 열이 거의 손실 없이 전달될 수 있게 된다.Hereinafter, the heat transfer step in the general heat exchanger will be described in more detail. As described above, in a state in which two kinds of fluids having different temperatures are isolated from each other with the heat transfer wall interposed therebetween, the solid phase heat transfer wall and the fluid are transferred to each other by convection, and the heat transfer by the conduction is performed in the heat transfer wall . In other words, heat transfer is performed from the high temperature liquid to the heat transfer wall by the convection in the high temperature liquid receiving space, heat transfer is performed from the high temperature liquid side to the low temperature liquid side by the conduction inside the heat transfer wall, And the heat transfer is performed by the low temperature liquid. In this case, most of the heat transfer walls are made of a metal material having a high thermal conductivity, as described above. In order to prevent heat transfer loss due to heat absorption by the heat transfer walls, And is formed to have a thin thickness. That is, heat loss hardly occurs in the heat transfer wall, and as a result, heat can be transferred from the high temperature liquid to the low temperature liquid through the heat transfer wall with little loss.

일반적으로 널리 사용되는 냉난방장치 중 많은 경우가, 이러한 열교환기들을 포함하는 장치들을 순환 사이클로 구성하여 어느 한 공간(일반적으로 실내 공간)에서 다른 한 공간(일반적으로 실외 공간)으로 열을 이동시키는 형태로 이루어진다. 냉방 사이클의 경우 실내 공간의 열을 빼앗아 실외 공간에 버리도록 작동하고, 난방 사이클의 경우 그 반대로 작동하게 된다. 이러한 냉난방장치에 아주 널리 사용되는 열교환기로서 증발기, 응축기 등이 있는데, 증발기의 경우 증발기 외부의 공기로부터 열을 흡수하여 증발기 내부의 열교환매체를 증발시키는 증발열로써 사용하며, 결과적으로 외부 공기를 냉각시키게 된다. 응축기의 경우 반대로 응축기 내부의 열교환매체가 응축되면서 발산되는 열이 응축기 외부의 공기로 전달되어 외부 공기를 가열시키는 역할을 하게 된다. 이와 같이 외부 공기 - 내부 열교환매체 간 열교환이 이루어지도록 형성되는 것이 대다수의 열교환기 기본 구성이다. 그러나 이러한 형태로 열교환기 형태가 한정되는 것은 전혀 아니며, 열교환 대상 유체의 흐름 구조나 열교환장치가 구비되는 시스템 전체 구조 등 다양한 설계 변수에 따라 열교환기는 매우 다양한 형태로 실시되고 있다.
BACKGROUND ART [0002] Generally, a large number of widely used heating and cooling apparatuses are constructed by arranging apparatuses including such heat exchangers in a circulation cycle to transfer heat from one space (generally, an interior space) to another space . In the case of a cooling cycle, it takes the heat of the indoor space to be thrown away into the outdoor space, and in the case of the heating cycle, operates in the opposite direction. In the case of an evaporator, it is used as an evaporation heat for evaporating the heat exchange medium inside the evaporator by absorbing heat from the air outside the evaporator. As a result, the outside air is cooled do. Conversely, in the case of a condenser, the heat exchanging medium inside the condenser condenses and the heat radiated from the condenser is transferred to the air outside the condenser, thereby heating the outside air. The majority of heat exchangers are formed in such a manner that heat exchange is performed between the external air and the internal heat exchange medium. However, the type of the heat exchanger is not limited to this type, and the heat exchanger is implemented in a wide variety of forms according to various design parameters such as the flow structure of the fluid to be heat exchanged and the entire system structure including the heat exchanger.

한편, 원자력 발전에 대하여 설명하면 다음과 같다. 원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 도 1은 일반적인 원자력 발전의 원리를 간략하게 도시하고 있다. 압력 용기(또는 원자로용기라고 칭함)내의 핵연료가 핵분열함에 의하여 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 냉각재로 전달되며, 냉각재는 도 1에 진한 화살표로 표시된 바와 같이 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 냉각재가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기발생기로 전달되며, 증기발생기 내의 물은 열에너지에 의하여 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의하여 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 도 1의 연한 화살표로 표시된 바와 같이 증기발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.The following is a description of nuclear power generation. Nuclear power is generated by rotating the turbine using the energy generated during the fission process to produce electrical energy. Figure 1 briefly illustrates the principle of nuclear power generation in general. As the nuclear fuel in the pressure vessel (or reactor vessel) is fissioned, enormous thermal energy is generated which is transferred to the coolant in the pressure vessel, which is discharged from the pressure vessel as indicated by the dark arrow in FIG. 1, And then flows back into the pressure vessel. The heat energy of the coolant is transferred to the steam generator while passing through the heat exchanger, and the water in the steam generator causes a phase change to the high temperature and high pressure steam by the heat energy. The generated high-temperature and high-pressure steam is supplied to the turbine as shown by the soft arrow in FIG. 1, and the turbine is rotated by the steam, and the generator connected to the turbine rotates together to generate electricity. The steam, which lost its energy by rotating the turbine, is again caused to undergo phase change to become water, which is again recirculated to the steam generator as indicated by the soft arrow in FIG.

상술한 바와 같이 원자로에서는 엄청난 열에너지가 발생되며, 원자로에서 사고가 발생하여 정상적으로 작동하지 않을 경우 이 열에너지에 의하여 원자로 시설 자체가 파괴되는 대형 사고가 발생할 위험성이 있다. 따라서 원자로에는 원자로의 손상이 발생했을 경우 원자로를 급속히 냉각해 주기 위한 다양한 안전계통들이 필수적으로 구비된다. 이러한 안전계통들은 원자로의 각부에 냉각재를 보충 공급하는 형태 및 냉각재를 적절한 유로를 따라 순환시켜 원자로의 각부로부터 열을 흡수하여 최종적으로는 외부의 히트 싱크(heat sink)에 버리는 형태로 이루어진다. 이 때, 원자로의 각부와 직접 접촉되었던 냉각재는 환경에 위험한 방사능 물질을 함유하고 있으므로, 이 냉각재 자체가 직접 외부로 배출되어서는 안되며, 단지 열만을 외부로 버릴 수 있도록 구성되어야 한다. 이와 같이 원자로 안전계통에서 외부의 히트 싱크에 열을 버리기 위한 열교환기를, 원자로 기술분야에서는 통상적으로 잔열 제거용 열교환기라고 칭하기도 한다. 이러한 잔열 제거용 열교환기 구성은 한국특허공개 제2009-0021722호("고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동원자로 공동냉각장치") 등 다양한 기술에 널리 개시되어 있다.As described above, there is a risk that a large-scale accident occurs in which a large amount of thermal energy is generated in a nuclear reactor and an accident occurs in the reactor and the nuclear reactor itself is destroyed by the heat energy if the reactor does not operate normally. Therefore, the reactor has various safety systems for rapidly cooling the reactor in the event of damage to the reactor. These safety systems consist of supplementary supply of coolant to each part of the reactor and circulation of the coolant along the proper flow path to absorb heat from each part of the reactor and ultimately to an external heat sink. At this time, the coolant, which has been in direct contact with the reactor core, contains dangerous radioactive materials in the environment. Therefore, the coolant itself should not be discharged directly to the outside, but only the heat should be discharged to the outside. The heat exchanger for rejecting heat from the reactor safety system to the external heat sink is generally referred to as a heat exchanger for removing residual heat in the reactor technology field. Such a heat exchanger for removing residual heat is widely disclosed in various technologies such as Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0021722 ("air / water hybrid type passive reactor co-cooling device for removing residual heat of a core of a hot gas furnace").

상술한 바와 같은 잔열 제거용 열교환기에 있어서, 도 2와 같은 형태의 열교환기도 많이 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같이 잔열 제거용 열교환기는, 고온유체가 흐르는 일차측 유로(1) 및 저온유체가 흐르는 이차측 유로(2)가 내부에 열교환매체를 수용하는 풀(pool) 형태의 수조(3) 내에 구비된 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 구성을 통해 잔열 제거용 열교환기는, 일차측 유로(1) 내를 흐르는 고온유체로부터 수조(3) 내의 열교환매체로 열이 전달되고, 수조(3) 내의 열교환매체로 쌓인 열이 이차측 유로(2) 내를 흐르는 저온유체로 전달됨으로써, 결과적으로 고온유체에서 저온유체로 열을 버릴 수 있게 된다. 이와 같이 기존의 잔열 제거용 열교환기가 일차측 유로(1), 이차측 유로(2), 수조(3)를 포함하는 구성으로 이루어지는 가장 큰 이유는, 상술한 바와 같이 일차측 유로(1) 내를 흐르는 고온유체가 원자로 내 각부와 직접 접촉한 원자로 냉각재로서 위험한 방사능 물질 등을 함유하고 있기 때문이다. 즉 이 고온유체가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 도 2에 나타난 바와 같이 간접적으로 열을 버리는 방식의 구조로 열교환기를 구성하였던 것이다.In the heat exchanger for removing residual heat as described above, a heat exchanger of the type shown in FIG. 2 is often used. As shown in FIG. 2, the heat exchanger for removing residual heat includes a primary side flow path 1 through which a high temperature fluid flows and a secondary side flow path 2 through which a low temperature fluid flows, 3). With this configuration, heat is transferred from the high temperature fluid flowing in the primary side flow path 1 to the heat exchange medium in the water bath 3, and the heat accumulated in the heat exchange medium in the water bath 3 is transferred to the secondary side flow path 2) so that heat can be thrown away from the high temperature fluid to the low temperature fluid. The main reason why the conventional heat exchanger for removing residual heat is composed of the primary side flow path 1, the secondary side flow path 2 and the water tub 3 in this manner is that the inside of the primary side flow path 1 This is because the high-temperature fluid that flows is a reactor coolant in direct contact with the interior of the reactor, and contains dangerous radioactive materials. That is, in order to prevent the high-temperature fluid from flowing out to the outside, as shown in FIG. 2, the heat exchanger is constructed in a structure of indirectly discarding heat.

이처럼 기존의 잔열 제거용 열교환기에서는 상술한 바와 같이 고온유체 → 열교환매체 → 저온유체의 순으로 열전달이 이루어지는데, 상기 수조(3)에 수용되어 있는 열교환매체의 열용량이 크기 때문에 고온유체에서 저온유체로 열이 전달되는 속도가 상당히 느려진다. 보다 상세히 설명하자면, 고온유체에서 상당히 많은 열이 열교환매체로 전달된다 해도, 열교환매체의 열용량이 크면 그 온도가 그리 많이 올라가지 않게 되고, 그러면 열교환매체와 저온유체의 온도차가 크지 않아 열교환매체에서 저온유체로의 열전달이 원활하게 일어나지 못하게 되는 것이다.As described above, in the conventional heat exchanger for removing residual heat, the heat transfer is performed in the order of high temperature fluid → heat exchange medium → low temperature fluid. Since the heat capacity of the heat exchange medium accommodated in the water tank 3 is large, The rate at which heat is transferred to the substrate is significantly slowed. More specifically, even if a considerable amount of heat is transferred from the high-temperature fluid to the heat exchange medium, if the heat capacity of the heat exchange medium is large, the temperature does not increase so much. As a result, the temperature difference between the heat exchange medium and the low- The heat transfer to the heat exchanger can not be smoothly performed.

앞서 설명한 바와 같이 원자로에서 사고가 발생할 경우 막대한 열에너지에 의하여 원자로 자체가 파괴될 위험성이 있으며, 이를 피하기 위해서는 최대한 신속하게 냉각을 하는 것이 필요하다. 이러한 점을 고려할 때 기존의 잔열 제거용 열교환기의 경우 열교환 속도 및 효율에 있어서 상당히 불리하여, 이를 개선해야 한다는 요구가 당업자들 사이에 꾸준히 있어 왔다.
As described above, when an accident occurs in a nuclear reactor, there is a danger that the reactor itself may be destroyed by enormous heat energy. To avoid this, it is necessary to cool it as quickly as possible. Considering this point, existing heat exchangers for removing residual heat are considerably disadvantageous in terms of heat exchange rate and efficiency, and there has been a constant demand among those skilled in the art to improve them.

한국특허공개 제2009-0021722호("고온가스로의 노심 잔열제거를 위한 공기/물 복합형 피동원자로 공동냉각장치")Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0021722 ("air / water combined passive reactor co-cooling device for removing residual heat of core in hot gas furnace")

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하여 열교환이 이루어지도록 하되, 이러한 이상유동 열전달에 의한 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있도록 유로들이 3차원적으로 배치되는 최적화된 구조를 가지는, 3차원 열교환기를 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a two-phase heat transfer mechanism for heat exchange, The present invention provides a three-dimensional heat exchanger having an optimized structure in which channels are three-dimensionally arranged so that heat exchange by heat transfer can be effectively performed.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 열교환기는, 서로 수직한 임의의 3방향을 x축, y축, z축 방향이라 할 때, 관 형태로 형성되어 x축 방향으로 연장되며, 내부에 고온유체가 유통되는 복수 개의 1차측 튜브(110); 관 형태로 형성되어 y축 방향으로 연장되며, 내부에 저온유체가 유통되는 복수 개의 2차측 튜브(120); 관 형태로 형성되어 z축 방향으로 연장되며, 내부에 열교환매체가 유통되되 복수 개의 노즐 구멍(135)이 형성되어 열교환매체를 분사하는 3차측 튜브(130); 를 포함하여 이루어지며, 복수 개의 상기 1차측 튜브(110), 복수 개의 상기 2차측 튜브(120), 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)가 서로 3차원적으로 교차 배열되도록 배치되어 형성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional heat exchanger comprising: a plurality of three-dimensional heat exchangers arranged in a tube shape and extending in the x-axis direction, A plurality of primary tubes (110) through which a high temperature fluid flows; A plurality of secondary tubes 120 formed in a tube shape and extending in the y-axis direction and having a low-temperature fluid flowing therein; A tertiary tube (130) which is formed in a tube shape and extends in the z-axis direction, a heat exchange medium is circulated therein and a plurality of nozzle holes (135) are formed to inject the heat exchange medium; And a plurality of the primary tubes 110, a plurality of the secondary tubes 120, and a plurality of the secondary tubes 130 may be arranged so as to be three-dimensionally crossed with each other .

이 때 상기 3차원 열교환기(100)는, 상기 3차측 튜브(130)에 의해 분사된 열교환매체의 증발 및 응축에 의해 상기 1차측 튜브(110) 내 고온유체로부터 상기 2차측 튜브(120) 내 저온유체로 열이 전달되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의하여 열전달이 이루어진다.In this case, the three-dimensional heat exchanger 100 is configured to evaporate and condense the heat exchange medium injected by the tertiary tube 130, Heat transfer is achieved by a two-phase heat transfer mechanism in which heat is transferred to the low-temperature fluid.

또한 상기 3차원 열교환기(100)는, 복수 개의 상기 1차측 튜브(110)가 y축 방향으로 병렬 배열되어 xy 평면에 나란한 1차 xy 평면 배열체(110S)를 형성하며, 상기 1차 xy 평면 배열체(110S) 복수 개가 z축 방향으로 적층 배열되도록 배치되고, 복수 개의 상기 2차측 튜브(120)가 x축 방향으로 병렬 배열되어 xy 평면에 나란한 2차 xy 평면 배열체(120S)를 형성하며, 상기 2차 xy 평면 배열체(120S) 복수 개가 z축 방향으로 적층 배열되도록 배치되되, 상기 1차 xy 평면 배열체(110S) 및 상기 2차 xy 평면 배열체(120S)는 교번 적층 배열되도록 배치되며, 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)는 상기 1차측 튜브(110) 및 상기 2차측 튜브(120)의 교차에 의하여 형성되는 빈 공간에 삽입되는 형태로 배치되어 이루어질 수 있다. 이 때 상기 노즐 구멍(135)은, 상기 3차측 튜브(130)의 최측근에 배치된 상기 1차측 튜브(110)에 상응하는 위치에 형성되도록 이루어질 수 있다.The three-dimensional heat exchanger (100) further includes a plurality of primary tubes (110) arranged in parallel in the y-axis direction to form a primary xy plane arrangement (110S) parallel to the xy plane, A plurality of arrangement bodies 110S are arranged so as to be stacked in the z-axis direction, and a plurality of the secondary tubes 120 are arranged in parallel in the x-axis direction to form a secondary xy-plane arrangement body 120S parallel to the xy plane , A plurality of the second xy plane arrangements 120S are arranged so as to be stacked in the z axis direction, and the primary xy plane arrangements 110S and the secondary xy plane arrangements 120S are arranged so as to be alternately stacked And a plurality of the tertiary tubes 130 may be inserted into a hollow space formed by the intersection of the primary tube 110 and the secondary tube 120. At this time, the nozzle hole 135 may be formed at a position corresponding to the primary tube 110 disposed at the nearest side of the tertiary tube 130.

이 때 상기 3차원 열교환기(100)는, zx 평면에 나란한 평면 형태로 형성되며, y축 방향으로 병렬 배열되되 상기 3차측 튜브(130) 사이에 개재 구비되는 제1유동제어 핀(115); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 제1유동제어 핀(115)은 상기 1차측 튜브(110)에 부착 구비되는 것이 바람직하다.In this case, the three-dimensional heat exchanger 100 includes a first flow control pin 115 formed in parallel with the zx plane and arranged in parallel in the y-axis direction and interposed between the tertiary tubes 130; As shown in FIG. In this case, the first flow control pin 115 may be attached to the primary tube 110.

또한 상기 3차원 열교환기(100)는, yz 평면에 나란한 평면 형태로 형성되며, x축 방향으로 병렬 배열되되 상기 3차측 튜브(130) 사이에 개재 구비되는 제2유동제어 핀(125); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 제2유동제어 핀(125)은 상기 2차측 튜브(120)에 부착 구비되는 것이 바람직하다.Also, the three-dimensional heat exchanger 100 may include a second flow control pin 125 formed in parallel with the yz plane and arranged in parallel in the x-axis direction and interposed between the tertiary tubes 130; As shown in FIG. At this time, the second flow control pin 125 is preferably attached to the secondary tube 120.

또한 상기 3차원 열교환기(100)는, 병렬 배열된 복수 개의 상기 1차측 튜브(110)들의 일측에 연결되어 유체를 유입시키는 1차측 유입로(111); 병렬 배열된 복수 개의 상기 1차측 튜브(110)들의 타측에 연결되어 유체를 배출시키는 1차측 배출로(112); 병렬 배열된 복수 개의 상기 2차측 튜브(120)들의 일측에 연결되어 유체를 유입시키는 2차측 유입로(121); 병렬 배열된 복수 개의 상기 2차측 튜브(120)들의 타측에 연결되어 유체를 배출시키는 2차측 배출로(122); 병렬 배열된 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)들의 일측에 연결되어 유체를 유입시키는 3차측 유입로(131); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.The three-dimensional heat exchanger (100) further includes a primary inlet (111) connected to one side of the plurality of primary tubes (110) arranged in parallel to flow fluid; A primary discharge passage (112) connected to the other of the plurality of primary tubes (110) arranged in parallel to discharge the fluid; A secondary side inflow path (121) connected to one side of the plurality of secondary tubes (120) arranged in parallel to flow the fluid; A secondary side discharge passage (122) connected to the other side of the plural secondary tubes (120) arranged in parallel to discharge the fluid; A tertiary inlet (131) connected to one side of the plurality of tertiary tubes (130) arranged in parallel to flow fluid; As shown in FIG.

또한 상기 3차원 열교환기(100)는, 복수 개의 상기 1차측 튜브(110), 복수 개의 상기 2차측 튜브(120), 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)를 수용하며, 외부와 밀폐되도록 이루어지는 수용부(140); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 3차원 열교환기(100)는, 상기 수용부(140) 내에 고인 열교환매체를 빨아올려 상기 3차측 튜브(130)에 보조 공급하는 보조 공급관(132); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
The three-dimensional heat exchanger 100 includes a plurality of primary tubes 110, a plurality of secondary tubes 120, and a plurality of tertiary tubes 130, (140); As shown in FIG. In this case, the three-dimensional heat exchanger 100 may include an auxiliary supply pipe 132 for sucking up the heat exchange medium accumulated in the accommodating portion 140 and auxiliary supplying the heat exchange medium to the tertiary tube 130; As shown in FIG.

본 발명에 의하면, 기존의 열교환기에 비하여 훨씬 신속한 열교환이 이루어질 수 있게 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 3차원 열교환기는 기존의 열교환기들이 단순히 대류 및 전도와 같은 기본적인 열전달 원리를 이용하여 열교환을 수행하였던 것과는 달리, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하여 열교환이 이루어지도록 하기 때문에, 기존의 열교환기들에 비해 훨씬 신속한 열교환을 실현할 수 있다.According to the present invention, there is a great effect that heat exchange can be performed much faster than the conventional heat exchanger. To be more specific, the three-dimensional heat exchanger of the present invention uses a two-phase heat transfer mechanism, unlike conventional heat exchangers that perform heat exchange using basic heat transfer principles such as convection and conduction. So that heat exchange can be realized much faster than conventional heat exchangers.

특히 본 발명에 의하면, 이러한 이상유동 열전달에 의한 열교환이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있도록, 고온매체가 유통되는 유로 / 저온매체가 유통되는 유로 / 냉각재가 분사되는 유로가 3차원적으로 밀접 배치되는 구조로 되어 있음으로써, 상술한 바와 같은 이상유동 열전달의 효율을 더욱 향상시키는 큰 효과가 있다. 즉 본 발명은 단순히 이상유동 열전달 원리만을 이용하여 열교환을 수행하는 것만이 아니라 이들의 효율을 향상시킬 수 있는 3차원 구조를 열교환기 구조에 도입함으로써, 열교환속도 및 열교환효율을 극대화하는 큰 효과가 있는 것이다.Particularly, according to the present invention, the flow path through which the high-temperature medium flows / the flow path through which the low-temperature medium flows, and the flow path through which the coolant is injected are three-dimensionally closely arranged so that the heat exchange by the abnormal flow heat transfer can be performed more effectively There is a great effect of further improving the efficiency of the abnormal flow heat transfer as described above. That is, the present invention has a great effect of maximizing the heat exchange rate and the heat exchange efficiency by introducing a three-dimensional structure into the heat exchanger structure not only to perform heat exchange using merely the abnormal flow heat transfer principle but also to improve the efficiency thereof will be.

더불어 본 발명의 열교환기는 기존의 원자로 냉각을 위해 사용되었던 열교환기에 비하여 열교환속도 및 열교환효율이 훨씬 높기 때문에, 본 발명의 열교환기를 원자로 냉각에 적용할 경우 원자로 냉각 효율을 훨씬 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
In addition, since the heat exchanger of the present invention is much higher in heat exchange rate and heat exchange efficiency than the heat exchanger used for cooling the conventional reactor, the cooling efficiency of the reactor can be significantly improved when the heat exchanger of the present invention is applied to the reactor cooling .

도 1은 일반적인 원자력 발전 원리.
도 2는 기존의 잔열 제거용 열교환기 구성.
도 3은 이상유동 열전달 원리.
도 4는 본 발명의 3차원 열교환기의 한 실시예의 사시도.
도 5는 본 발명의 3차원 열교환기의 상면도.
도 6은 본 발명의 3차원 열교환기의 다른 실시예의 사시도.
도 7은 본 발명의 3차원 열교환기의 또다른 실시예.Fig. 1 shows a general principle of nuclear power generation.
2 shows a conventional heat exchanger structure for removing residual heat.
3 shows anomalous flow heat transfer principle.
4 is a perspective view of one embodiment of a three-dimensional heat exchanger of the present invention.
5 is a top view of a three-dimensional heat exchanger of the present invention.
6 is a perspective view of another embodiment of the three-dimensional heat exchanger of the present invention.
7 is another embodiment of the three-dimensional heat exchanger of the present invention.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 3차원 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a three-dimensional heat exchanger according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)를 이용하여 열전달이 이루어지도록 한다. 도 3은 본 발명에서 사용되는 이상유동 열전달 현상의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하는 본 발명의 열교환기는, 고온의 열교환매체가 흐르는 방출용 튜브(도 3에서는 좌측 튜브), 저온의 열교환매체가 흐르는 흡수용 튜브(도 3에서는 우측 튜브), 그리고 이 두 튜브들에 다른 열교환매체(도 3에서는 냉각수이나, 물론 다른 액체여도 무방하다)를 분사해 주는 노즐, 이 세 가지를 기본적으로 필요로 한다.In the present invention, heat transfer is performed using a two-phase heat transfer mechanism. 3 is a view for explaining the principle of the abnormal flow heat transfer phenomenon used in the present invention. As shown in FIG. 3, the heat exchanger of the present invention using a two-phase heat transfer mechanism includes a discharge tube (left tube in FIG. 3) through which a high temperature heat exchange medium flows, a low temperature heat exchange medium (The right tube in FIG. 3), and a nozzle for spraying the two tubes with another heat exchange medium (which may be coolant or other liquid, of course, in FIG. 3) .

방출용 튜브 내에는 고온의 열교환매체가 흘러가고 있으며, 흡수용 튜브 내에는 저온의 열교환매체가 흘러가고 있다. 기존의 열교환기의 경우에는 이러한 두 튜브를 밀착시켜 줌으로써, 튜브 벽면을 통해 고온측에서 저온측으로 열이 전달되도록 하였으나, 이상유동 열전달 현상을 이용하는 본 발명의 열교환기에서는 그렇게 하지 않고 두 튜브를 적절한 간격으로 이격시켜 둔다.A high-temperature heat exchange medium flows in the discharge tube, and a low-temperature heat exchange medium flows in the absorption tube. In the conventional heat exchanger, heat is transferred from the high temperature side to the low temperature side through the tube wall surface by closely adhering these two tubes. However, in the heat exchanger of the present invention utilizing the abnormal flow heat transfer phenomenon, .

노즐은 방출용 튜브 측에 구비되어, 방출용 튜브로 냉각수를 분사해 준다. 냉각수가 분사되어 그 물방울들이 방출용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 냉각수 물방울들이 방출용 튜브 내의 고온의 열교환매체가 가지고 있는 열을 순간적으로 흡수하여 빠르게 증발하게 된다. 즉 방출용 튜브 외면에서는 냉각수 물방울들에 의하여 급격하게 많은 양의 증발열이 흡수됨으로써 급랭되는 현상이 일어나며(Tube outside: Quenching), 방출용 튜브 내부에서는 고온의 열교환매체가 냉각수 물방울들의 증발열로서 자신이 가지고 있던 열을 빼앗겨 방출하고 냉각되어 응축되는 현상이 일어난다(Tube inside: Condensation).The nozzle is provided on the side of the discharge tube, and the cooling water is sprayed to the discharge tube. When the cooling water is sprayed and the droplets approach or come into contact with the outer surface of the discharge tube, the cooling water droplets absorb the heat of the hot heat exchange medium in the discharge tube instantaneously and rapidly evaporate. In other words, on the outer surface of the discharge tube, a sudden large amount of evaporation heat is absorbed by the water droplets of the cooling water, so that a quenching phenomenon occurs (Tube outside: Quenching), and the high temperature heat exchange medium inside the discharge tube serves as the evaporation heat of the cooling water droplets Heat is dissipated, cooled and condensed (tube inside: condensation).

상술한 바와 같이 방출용 튜브 주변에서 냉각수는 모두 증발하여 증기 상태가 되는데, 이 증기는 방출용 튜브와 이격되어 배치되어 있는 흡수용 튜브와 접촉하게 된다. 이 때 흡수용 튜브에는 저온의 열교환매체가 흐르고 있기 때문에, 증기가 흡수용 튜브 외면에 접근 또는 접촉하면, 증기는 흡수용 튜브 내의 저온의 열교환매체로 순간적으로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 흡수용 튜브 외면에 맺히게 된다. 즉 흡수용 튜브 외면에서는 증기가 저온의 열교환매체로 열을 빼앗겨 응축됨으로써 응축수가 되어 튜브 외면에 맺히거나 흘러내리는 현상이 일어나며(Tube outside: Condensing), 흡수용 튜브 내부에서는 저온의 열교환매체가 증기로부터 열을 흡수함으로써 증발되는 현상이 일어난다(Tube inside: Evaporation).As described above, all of the cooling water around the discharge tube evaporates and becomes a vapor state, which is in contact with the absorption tube disposed apart from the discharge tube. At this time, since the low-temperature heat exchange medium flows through the absorption tube, when the steam approaches or comes into contact with the outer surface of the absorption tube, the steam is momentarily deprived of heat by the low-temperature heat exchange medium in the absorption tube and condensed, . In other words, on the outer surface of the absorption tube, heat is absorbed by the low-temperature heat exchange medium and condensed, so that condensation occurs on the outer surface of the tube. (Tube outside: Condensing) Evaporation occurs by absorbing heat (Tube inside: Evaporation).

이와 같이 이상유동 열전달 현상에서는, 방출용 튜브 및 흡수용 튜브가 서로 이격되어 있되, 노즐에서 분사되는 별도의 열교환매체(도 3의 예시에서는 냉각수)가, 노즐에서 액체 상태로 분사되어 방출용 튜브 근처에서 증발되어 기체 상태가 되었다가 흡수용 튜브 근처에서 응축되어 다시 액체 상태로 되돌아오는 방식으로, 기상 - 액상의 두 상(two-phase)으로 변화해 가면서 열전달을 수행한다.In this abnormal flow heat transfer phenomenon, a separate heat exchange medium (cooling water in the example of FIG. 3) in which the discharge tube and the absorption tube are spaced apart from each other is sprayed in a liquid state from the nozzle, And then the liquid is returned to the liquid state by condensing near the absorption tube, and the heat transfer is performed while changing to two-phase in vapor-liquid phase.

도 2에 도시된 바와 같은 기존의 잔열 제거 열교환기의 구성 및 상술한 이상유동 열전달 원리를 실현하는 장치의 기본 구성을 서로 비교하여 볼 때, 고온유체가 흐르는 일차측 유로 / 저온유체가 흐르는 이차측 유로 / 열교환매체가 수용된 수조의 구성과 일부 유사하다고 보일 수 있다. 그러나 기존의 잔열 제거 열교환기와 이상유동 열전달 장치의 가장 큰 차이점은, 기존의 잔열 제거 열교환기의 경우 열교환매체의 상변화가 일어나지 않는 반면 이상유동 열전달 장치의 경우 열교환매체의 상변화를 주로 이용하여 열전달이 이루어진다는 것이다. 기존의 잔열 제거 열교환기에서는 앞서 설명한 바와 같이 열교환매체의 열용량이 크기 때문에 열전달 속도 자체가 상당히 느리다는 단점이 있었으나, 이상유동 열전달 장치의 경우 열교환매체의 상변화를 이용하여 열전달을 수행하기 때문에 이러한 문제가 원천적으로 배제된다. 따라서 이러한 이상유동 열전달 방식은 기존의 열전달 방식에 비하여 훨씬 빠르고 효과적으로 열전달을 실현할 수 있는 것이다.
In comparison with the structure of the existing residual heat eliminating heat exchanger as shown in FIG. 2 and the basic structure of the apparatus for realizing the above-mentioned abnormal flow heat transfer principle, the primary side flow path in which the high temperature fluid flows / It can be seen that the structure of the water tank containing the oil / heat exchange medium is partially similar. However, the most significant difference between the existing residual heat removal heat exchanger and the abnormal flow heat transfer device is that, in the case of the conventional residual heat removal heat exchanger, the phase change of the heat exchange medium does not occur, . In the conventional heat exchanger, the heat transfer rate itself is considerably slow due to the large heat capacity of the heat exchange medium as described above. However, in the case of the abnormal flow heat transfer apparatus, since the heat transfer is performed using the phase change of the heat exchange medium, Is excluded from the source. Therefore, such an ideal flow heat transfer method can realize heat transfer much faster and more effectively than the conventional heat transfer method.

본 발명에서는 바로 이러한 이상유동 열전달 방식을 이용하여 냉각재의 열흡수가 이루어지도록 함으로써, 기존의 잔열 제거 열교환기에 비하여 훨씬 빠르고 효과적인 냉각을 실현한다. 도 4는 본 발명의 3차원 열교환기의 (아래쪽에서 올려다 본 방향의) 사시도를, 도 5는 본 발명의 3차원 열교환기의 상면도를 각각 도시하고 있다. 이하에서 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 3차원 열교환기의 구성을 보다 상세히 설명한다.According to the present invention, the heat absorption of the coolant is performed by using the ideal flow heat transfer system, thereby achieving much faster and more effective cooling than the existing residual heat eliminating heat exchanger. Fig. 4 is a perspective view of the three-dimensional heat exchanger of the present invention (in a downward direction), and Fig. 5 is a top view of the three-dimensional heat exchanger of the present invention. Hereinafter, the construction of the three-dimensional heat exchanger of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.

본 발명의 3차원 열교환기(100)는, 도시된 바와 같이 1차측 튜브(110), 2차측 튜브(120), 3차측 튜브(130)를 포함하여 이루어지되, 복수 개의 상기 1차측 튜브(110), 복수 개의 상기 2차측 튜브(120), 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)가 서로 3차원적으로 교차 배열되도록 배치되어 형성된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 3차원 열교환기(100)는, 서로 수직한 임의의 3방향을 x축, y축, z축 방향이라 할 때, 관 형태로 형성되어 x축 방향으로 연장되며, 내부에 고온유체가 유통되는 복수 개의 1차측 튜브(110); 관 형태로 형성되어 y축 방향으로 연장되며, 내부에 저온유체가 유통되는 복수 개의 2차측 튜브(120); 관 형태로 형성되어 z축 방향으로 연장되며, 내부에 열교환매체가 유통되되 복수 개의 노즐 구멍(135)이 형성되어 열교환매체를 분사하는 3차측 튜브(130); 를 포함하여 이루어진다.The three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention includes a primary tube 110, a secondary tube 120, and a tertiary tube 130 as shown, ), A plurality of the secondary tubes 120, and a plurality of the secondary tubes 130 are arranged so as to be three-dimensionally crossed one another. More specifically, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention is formed in a tube shape and extends in the x-axis direction when three arbitrary directions perpendicular to each other are referred to as x-axis, y-axis, and z-axis directions A plurality of primary tubes 110 through which a high temperature fluid flows; A plurality of secondary tubes 120 formed in a tube shape and extending in the y-axis direction and having a low-temperature fluid flowing therein; A tertiary tube (130) which is formed in a tube shape and extends in the z-axis direction, a heat exchange medium is circulated therein and a plurality of nozzle holes (135) are formed to inject the heat exchange medium; .

여기에서 '고온유체', '저온유체'라는 용어는 서로에 대하여 상대적인 개념으로 사용되는 것이다. 즉 본 발명의 3차원 열교환기(100)는 기본적으로 '1차측 튜브(110)에 흐르는 유체로부터 2차측 튜브(120)에 흐르는 유체로 열을 전달'시키고자 하는 장치이며, 따라서 1차측 튜브(110)에 흐르는 유체는 항상 2차측 튜브(120)에 흐르는 유체보다 온도가 높은 것이 자명하다. 이러한 의미에서 본 발명에서는 서로 상대적인 개념으로서 '고온유체', '저온유체'라는 용어를 사용하는 것으로, '고온', '저온'이 어떠한 특정 기준 온도에 대하여 높고 낮음을 의미하는 것이 아니다.Here, the terms 'hot fluid' and 'low temperature fluid' are used in relation to each other. That is, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention is basically a device for transmitting heat from a fluid flowing in the primary tube 110 to a fluid flowing in the secondary tube 120, 110 are always higher in temperature than the fluid flowing in the secondary tube 120. In this context, the terms 'hot fluid' and 'low temperature fluid' are used in the present invention as relative concepts, and 'high temperature' and 'low temperature' are not meant to be high or low for any specific reference temperature.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 3차원 열교환기(100)는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)을 이용하여 열전달을 수행한다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 3차원 열교환기(100)는 상기 3차측 튜브(130)에 의해 분사된 열교환매체의 증발 및 응축에 의해 상기 1차측 튜브(110) 내 고온유체로부터 상기 2차측 튜브(120) 내 저온유체로 열이 전달되는 이상유동 열전달 현상(two-phase heat transfer mechanism)에 의하여 열전달이 이루어지도록 이루어진다. 이 때, 본 발명의 3차원 열교환기(100)는 도 4 등에 도시된 바와 같이 1차측 튜브(110), 2차측 튜브(120), 3차측 튜브(130)가 3차원적으로 얽혀 있는 형태로 배치됨으로써, 상술한 바와 같은 이상유동 열전달 현상의 발생 효율을 극대화시킬 수 있다.As described above, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention performs heat transfer using a two-phase heat transfer mechanism. More specifically, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention is formed by evaporating and condensing the heat exchange medium injected by the tertiary tube 130, The heat transfer is performed by a two-phase heat transfer mechanism in which heat is transferred to the low-temperature fluid in the heat exchanger 120. In this case, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention is configured such that the primary tube 110, the secondary tube 120, and the tertiary tube 130 are three-dimensionally entangled The efficiency of occurrence of the abnormal flow heat transfer phenomenon as described above can be maximized.

즉 이상유동 열전달 현상을 이용한다는 것만으로도 기존의 잔열 제거 열교환기에 비해 훨씬 빠른 열전달 속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 3차원적인 배치에 의하여 기존의 이상유동 열전달 현상을 이용하는 열교환장치에 비해서도 훨씬 높은 열전달 속도 및 효율을 얻을 수 있다. 본 발명의 3차원 열교환기(100)에서는, 여러 개의 3차측 튜브(130)에 형성된 수많은 노즐 구멍(135)으로부터 여러 개의 1차측 튜브(110)로 한꺼번에 열교환매체가 분사되고, 이 분사된 열교환매체가 어느 특정한 하나의 1차측 튜브(110)에만 접촉하는 것이 아니라 상당히 무작위적으로 퍼져 접촉하게 되며, 또한 1차측 튜브(110) 표면에서 증발된 증기가 역시 여러 개의 2차측 튜브(120)와 상당히 무작위적으로 접촉하여 열을 전달해 줄 수 있게 되는 바, 이러한 무작위성으로 인하여 전체적인 열전달 속도 및 효율이 훨씬 높아지게 되는 것이다.In other words, by using the abnormal flow heat transfer phenomenon, a heat transfer rate much faster than that of the existing residual heat elimination heat exchanger can be obtained, and in comparison with the heat exchange apparatus utilizing the existing abnormal flow heat transfer phenomenon by the three- Much higher heat transfer rates and efficiencies can be achieved. In the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention, the heat exchange medium is injected at a time from the numerous nozzle holes 135 formed in the plurality of tertiary tubes 130 to the plurality of primary tubes 110, And the vapor evaporated from the surface of the primary tube 110 is also very randomly distributed with the multiple secondary tubes 120. The vaporization of the vapor from the surface of the primary tube 110, So that the overall heat transfer rate and efficiency become much higher due to the randomness.

본 발명의 3차원 열교환기(100)의 구성을 도 5를 참조하여 더욱 구체적으로 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 5는 상술한 바와 같이 본 발명의 3차원 열교환기(100)의 상면도이다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, x축 방향으로 연장되는 복수 개의 상기 1차측 튜브(110)가 y축 방향으로 병렬 배열되어 xy 평면에 나란한 1차 xy 평면 배열체(110S)를 형성하는데, 이러한 상기 1차 xy 평면 배열체(110S) 복수 개가 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 z축 방향으로 적층 배열되도록 배치된다. 또한 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, y축 방향으로 연장되는 복수 개의 상기 2차측 튜브(120)가 x축 방향으로 병렬 배열되어 xy 평면에 나란한 2차 xy 평면 배열체(120S)를 형성하는데, 이러한 상기 2차 xy 평면 배열체(120S) 복수 개가 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 z축 방향으로 적층 배열되도록 배치되되, 상기 1차 xy 평면 배열체(110S) 및 상기 2차 xy 평면 배열체(120S)는 교번 적층 배열되도록 배치된다. 여기에, 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)가 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 상기 1차측 튜브(110) 및 상기 2차측 튜브(120)의 교차에 의하여 형성되는 빈 공간에 삽입되는 형태로 배치됨으로써, 1, 2, 3차측 튜브들(110)(120)(130)이 서로 3차원적으로 얽혀 있는 형태를 형성할 수 있게 된다.The structure of the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 5 is a top view of the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention as described above. As shown in FIG. 5, a plurality of primary tubes 110 extending in the x-axis direction are arranged in parallel in the y-axis direction to form a primary xy-plane arrangement 110S parallel to the xy plane. A plurality of the first xy plane arrangements 110S are arranged so as to be stacked in the z-axis direction as shown in Fig. 5, a plurality of secondary tubes 120 extending in the y-axis direction are arranged in parallel in the x-axis direction to form a secondary xy-plane arrangement body 120S in parallel with the xy plane, A plurality of such secondary xy planar arrangements 120S are arranged to be stacked in the z-axis direction as shown in FIG. 4, wherein the primary xy plane arrangement 110S and the secondary xy plane arrangement ( 120S are arranged so as to be alternately stacked. Here, a plurality of the tertiary tubes 130 are inserted into the empty space formed by the intersection of the primary tube 110 and the secondary tube 120, as shown in Figs. 4 and 5 The first, second, and third side tubes 110, 120, and 130 are three-dimensionally intertwined with each other.

이와 같이 형성된 본 발명의 3차원 열교환기(100)에서, 상기 노즐 구멍(135)은 주변 공간 어느 쪽에든 1차측 및 2차측 튜브들(110)(120)이 배치되어 있으므로 사실상 어느 쪽으로 형성되어 있어도 크게 상관은 없다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 이상유동 열전달 현상은 기본적으로 고온유체로부터 저온유체로 열을 전달하기 위한 것이므로, 상기 노즐 구멍(135)에서 분사되는 열교환매체는 최대한 고온유체가 흐르는 상기 1차측 튜브(110) 쪽으로 분사되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 따라서 상기 노즐 구멍(135)은, 상기 3차측 튜브(130)의 최측근에 배치된 상기 1차측 튜브(110)에 상응하는 위치에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
In the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention thus formed, since the primary and secondary tubes 110 and 120 are disposed on either side of the nozzle hole 135, It does not matter much. As described above, since the abnormal flow heat transfer phenomenon is basically for transferring heat from the high temperature fluid to the low temperature fluid, the heat exchange medium injected from the nozzle hole 135 is transferred to the primary tube 110 through which the high temperature fluid flows, To be sprayed toward the nozzle. Therefore, it is preferable that the nozzle hole 135 is formed at a position corresponding to the primary tube 110 disposed at the nearest side of the tertiary tube 130.

도 6은 본 발명의 3차원 열교환기의 다른 실시예의 사시도를 도시하고 있다. 도 6의 실시예에서는, 도 4에 나타난 본 발명의 3차원 열교환기(100)에, 제1유동제어 핀(115) 및 제2유동제어 핀(125)이 더 구비된다. 도 4와 비교할 때, 도 4는 상기 3차원 열교환기(100)를 아래쪽에서 올려다 본 방향의 사시도이며, 도 6은 상기 3차원 열교환기(100)를 위쪽에서 내려다 본 방향의 사시도이다. 또한 도 6에서는 부가 구비된 핀들(115)(125)을 보다 잘 나타내기 위해 상기 1차측 튜브(110) 및 상기 2차측 튜브(120) 일부가 잘려진 형태로 도시하였다.6 shows a perspective view of another embodiment of the three-dimensional heat exchanger of the present invention. In the embodiment of FIG. 6, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention shown in FIG. 4 further includes a first flow control pin 115 and a second flow control pin 125. 4 is a perspective view of the three-dimensional heat exchanger 100 viewed from the bottom, and FIG. 6 is a perspective view of the three-dimensional heat exchanger 100 viewed from above. 6, a part of the primary tube 110 and the secondary tube 120 are shown in a cut-away form to better illustrate the additional pins 115 and 125.

앞서 설명한 바와 같이 상기 3차측 튜브(130)에서는 열교환매체가 노즐 구멍(135)을 통해 분사되며, 이 분사된 열교환매체는 고온유체가 흐르는 상기 1차측 튜브(110)에 접촉하면서 빠르게 증발하여 기체 상태로 변화하게 된다. 이와 같이 생성된 증기는 무작위적인 방향으로 퍼지면서, 저온유체가 흐르는 상기 2차측 튜브(120)와 접촉하여 응축되거나 또는 다른 1차측 튜브(110)와 접촉하여 증기 상태를 유지하거나 하게 되는데, 이 때 이 증기의 유동 방향을 적절하게 제어해 주는 것이 열교환효율을 더욱 높일 수 있다.As described above, in the tertiary tube 130, the heat exchange medium is injected through the nozzle hole 135, and the injected heat exchange medium rapidly evaporates while contacting the primary tube 110 through which the high temperature fluid flows, . The steam thus generated spreads in a random direction, and is in contact with and condensed with the secondary tube 120 through which the low-temperature fluid flows, or in contact with the other primary tube 110 to maintain the steam state. Proper control of the flow direction of the steam can further increase the heat exchange efficiency.

상기 제1유동제어 핀(115)은, 도 6에 도시된 바와 같이, zx 평면에 나란한 평면 형태로 형성되며, y축 방향으로 병렬 배열되되 상기 3차측 튜브(130) 사이에 개재 구비된다. 즉 상기 제1유동제어 핀(115)은 zx 평면 방향으로 펼쳐진 칸막이 역할을 하는 것이다. 상기 제1유동제어 핀(115)이 구비되면, 상기 3차측 튜브(130)에서 분사된 열교환매체는 가장 가까이 배치되어 있는 상기 1차측 튜브(110)와 접촉하게 된다. 따라서 열교환매체의 증발 즉 상기 1차측 튜브(110) 내 고온유체의 냉각이 보다 효율적으로 이루어지게 된다. 상기 제1유동제어 핀(115)은 상기 1차측 튜브(110)에 부착 구비되는 것이 바람직한데, 좀더 구체적으로는, 도 6에 잘 도시되어 있는 바와 같이 상기 1차측 튜브(110)의 상하에 상기 1차측 튜브(110) 외주면으로부터 수직한 방향으로 돌출된 형태로 구비되도록 할 수 있다.As shown in FIG. 6, the first flow control pins 115 are formed in a planar shape parallel to the zx plane, and are arranged in parallel in the y-axis direction, and are interposed between the tertiary tubes 130. That is, the first flow control pin 115 serves as a partition extending in the zx plane direction. When the first flow control pin 115 is provided, the heat exchange medium injected from the tertiary tube 130 is brought into contact with the primary tube 110 disposed nearest to the first flow control pin 115. Thus, the evaporation of the heat exchange medium, that is, the cooling of the high temperature fluid in the primary tube 110, can be performed more efficiently. The first flow control pin 115 may be attached to the primary tube 110. More specifically, as shown in FIG. 6, And may be provided so as to protrude in a direction perpendicular to the outer circumferential surface of the primary tube 110.

상기 제2유동제어 핀(125)은, 역시 도 6에 도시된 바와 같이, yz 평면에 나란한 평면 형태로 형성되며, x축 방향으로 병렬 배열되되 상기 3차측 튜브(130) 사이에 개재 구비된다. 상기 제2유동제어 핀(125)이 구비되면, 증발된 열교환매체는 지나치게 멀리까지 퍼지지 않고 가까이 배치되어 있는 상기 2차측 튜브(120)와 접촉하게 된다. 따라서 열교환매체의 응축 즉 상기 2차측 튜브(120) 내 저온유체의 가열이 보다 효율적으로 이루어지게 된다. 상기 제2유동제어 핀(125) 역시 상기 제1유동제어 핀(115)과 유사하게 상기 2차측 튜브(120)에 부착 구비되는 것이 바람직하며, 그 구체적인 형태 또한 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제1유동제어 핀(115)과 유사하게 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 6, the second flow control pins 125 are formed in a planar shape parallel to the yz plane, and are arranged in parallel in the x-axis direction, and are interposed between the tertiary tubes 130. When the second flow control pin 125 is provided, the evaporated heat exchange medium does not spread as far as it is, but comes into contact with the secondary tube 120 which is disposed close to the secondary flow tube. Accordingly, the condensation of the heat exchange medium, that is, the heating of the low temperature fluid in the secondary tube 120, can be performed more efficiently. 6, the second flow control pin 125 may be attached to the secondary tube 120 similarly to the first flow control pin 115. Also, as shown in FIG. 6, 1 < / RTI > flow control pin 115 of FIG.

본 발명의 3차원 열교환기(100)에서는, 상기 제1유동제어 핀(115)만 구비되게 할 수도 있고, 상기 제2유동제어 핀(125)만 구비되게 할 수도 있으며, 또는 상기 제1, 2유동제어 핀(115)(125) 모두 구비되게 할 수도 있다. 물론 상기 제1, 2유동제어 핀(115)(125) 둘 다 구비되도록 할 경우 단위 공간의 구분이 가장 명확하고 알기 쉽게 이루어짐으로써 열교환기의 성능 분석 등을 하기에 훨씬 용이해진다는 장점이 있으나, 구조가 너무 복잡해지게 될 수 있으며 이에 따라 제작이 난해해지게 될 수도 있다. 이러한 점을 고려하면 상기 제1, 2유동제어 핀(115)(125) 중 어느 한 가지만 구비되게 할 수 있는데, 바람직하게는, 상기 열교환기(100)의 가장 주요한 목적은 상기 1차측 튜브(110) 내를 흐르는 고온유체로부터 열을 빼앗는 것이므로, 상기 제1유동제어 핀(115)만 구비되도록 할 수 있다.
In the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention, only the first flow control pin 115 may be provided, or only the second flow control pin 125 may be provided. Alternatively, Both of the flow control pins 115 and 125 may be provided. Of course, when both of the first and second flow control pins 115 and 125 are provided, the separation of the unit spaces is most clearly and easily understood, which makes it much easier to analyze the performance of the heat exchanger. However, The structure may become too complicated, which may make the fabrication difficult. In this regard, it is possible to provide only one of the first and second flow control pins 115 and 125. Preferably, the main purpose of the heat exchanger 100 is to prevent the primary tube 110 So that only the first flow control pin 115 can be provided.

본 발명의 3차원 열교환기(100)는, 상술한 바와 같이 1, 2, 3차측 튜브들(110)(120)(130)이 3차원적으로 얽혀 배치되도록 함으로써 이상유동 열전달 원리에 의한 열교환효율 및 속도를 극대화한다. 이 때 상기 1, 2, 3차측 튜브들(110)(120)(130)에는 고온유체, 저온유체, 열교환매체가 유통되는데, 물론 각 튜브들 각각에 모두 별도로 유체의 유입 및 배출을 위한 유입관 및 배출관이 연결되어 있도록 할 수도 있다. 또는, 보다 장치 구성을 간소화할 수 있도록, 도 5(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 병렬 배열된 복수 개의 상기 1차측 튜브(110)들의 일측에 연결되어 유체를 유입시키는 1차측 유입로(111), 병렬 배열된 복수 개의 상기 1차측 튜브(110)들의 타측에 연결되어 유체를 배출시키는 1차측 배출로(112), 병렬 배열된 복수 개의 상기 2차측 튜브(120)들의 일측에 연결되어 유체를 유입시키는 2차측 유입로(121), 병렬 배열된 복수 개의 상기 2차측 튜브(120)들의 타측에 연결되어 유체를 배출시키는 2차측 배출로(122), 병렬 배열된 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)들의 일측에 연결되어 유체를 유입시키는 3차측 유입로(131)를 더 포함하여 이루어지도록 할 수도 있다. 부연하자면, 1차측 또는 2차측 튜브들(110)(120)에는 고온유체 또는 저온유체가 통과하여 흘러가야 하기 때문에 유입로 및 배출로가 구비되지만, 3차측 튜브(130)의 경우에는 유입된 열교환매체가 노즐 구멍(135)을 통해 분사되기 때문에 배출로가 필요하지 않으므로 유입로만 구비된다.The three-dimensional heat exchanger 100 according to the present invention is configured such that the first, second, and third side tubes 110, 120, and 130 are three-dimensionally entangled so as to perform the heat exchange efficiency And maximizes speed. At this time, a high-temperature fluid, a low-temperature fluid, and a heat exchange medium are circulated through the first, second, and third tubes 110, 120, and 130. Of course, And the discharge pipe may be connected. Alternatively, as shown in FIG. 5 (B), in order to simplify the structure of the apparatus, a plurality of primary side inflow passages 111 A primary discharge passage 112 connected to the other of the plurality of primary tubes 110 arranged in parallel to discharge the fluid, a plurality of secondary tubes 120 connected to one side of the plurality of secondary tubes 120 arranged in parallel, A secondary side discharge passage 122 connected to the other side of the plurality of secondary side tubes 120 arranged in parallel to discharge the fluid, a plurality of the secondary side tubes 130 arranged in parallel And a third inlet 131 connected to one side of the first inlet 131 and the second inlet 131 for introducing the fluid. In the case of the tertiary tube 130, the flow of the heat exchanged in the primary side or the secondary side of the tubes 110 and 120 is controlled by flowing the hot fluid or the low temperature fluid through the inflow path and the discharge path. Since the medium is jetted through the nozzle hole 135, the discharge path is not necessary, and therefore, only the inflow path is provided.

물론 이는 하나의 실시예일 뿐으로, 예를 들어 도 5(A)에 도시된 바와 같은 어느 하나의 1차 또는 2차 xy 평면 배열체(110S)(120S)를 구성하는 1차측 또는 2차측 튜브들(110)(120)이 서로 연결되어 사행 유로(serpentine channel) 형태를 형성하게 하고, 그 끝단부에만 상기 1차측/2차측 유입로/배출로(111)(112)(121)(122)가 연결되게 구성할 수도 있는 등, 유로의 형태는 적절하게 변경 실시될 수 있다.
Of course, this is only one embodiment, for example, in primary or secondary tubes (not shown) which constitute any one of the primary or secondary xy planar arrangements 110S, 120S as shown in Figure 5 (A) 110 and 120 are connected to each other to form a serpentine channel and the primary side / secondary side inflow passages / exhaust passages 111, 112, 121 and 122 are connected The shape of the flow path may be suitably changed.

도 7은 본 발명의 3차원 열교환기의 다른 실시예로서, 상술한 바와 같이 1, 2, 3차측 튜브들(110)(120)(130)을 수용하는 수용부(140)를 더 포함하는 형태를 도시하고 있다. 도 7 역시 도 4와 마찬가지로 아래쪽에서 올려다 본 방향으로 도시되었다. 도시된 바와 같이, 상기 수용부(140)는 복수 개의 상기 1차측 튜브(110), 복수 개의 상기 2차측 튜브(120), 복수 개의 상기 3차측 튜브(130)를 수용하며, 외부와 밀폐되도록 이루어질 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 3차원 열교환기(100)는 기존의 원자로에 구비되는 잔열 제거 열교환기를 대체할 수 있도록 개발된 것인 바, 원자로에 구비될 가능성을 고려하여야 한다. 본 발명의 3차원 열교환기(100)가 원자로에 구비될 경우, 1차측 튜브(110)에 흐르는 고온유체는 원자로 내 각부를 통과하며 열을 흡수해 온 냉각수가 될 것이며, 2차측 튜브(120)에 흐르는 저온유체는 히트 싱크 쪽으로 열을 버릴 수 있도록 순환하는 열교환매체(통상적으로 냉각수)가 될 것이다. 또한 3차측 튜브(130)로 공급되는 열교환매체 역시 통상적으로는 냉각수가 될 수 있다. 물론 1차측 튜브(110) 및 2차측 튜브(120)는 그 자체가 외부와 밀폐되어 있기는 하나, 원자로에 구비되는 모든 장치들은 안전성을 최대화하여야 하며, 원자로 내 각부와 직접 접촉함으로써 방사능을 함유하게 된 고온유체가 일부라도 누출될 가능성을 배제할 수 없으므로, 이에 대한 대비책이 필요하다. 상기 수용부(140)는 바로 이러한 경우를 위한 안전장치로서 기능할 수 있다. 즉 1차측 튜브(110)에서 약간의 누출이 발생한다 하더라도, 고온유체는 결국 상기 수용부(140) 내에만 고이게 되고 외부로는 배출되지 않으므로, 방사능 유출 위험성을 훨씬 낮출 수 있는 것이다.7 illustrates another embodiment of a three-dimensional heat exchanger according to the present invention. As shown in FIG. 7, the three-dimensional heat exchanger of the present invention further includes a receiving portion 140 for receiving the first, second and third tubes 110, 120, Respectively. Fig. 7 is also shown in the upward direction from below as in Fig. The receiving portion 140 receives a plurality of the primary tubes 110, the plurality of secondary tubes 120, and the plurality of the tertiary tubes 130 and is hermetically sealed to the outside . As described above, the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention has been developed to replace a residual heat eliminating heat exchanger provided in a conventional reactor, and thus it is necessary to consider the possibility of being installed in a nuclear reactor. When the three-dimensional heat exchanger 100 of the present invention is installed in a reactor, the high-temperature fluid flowing in the primary tube 110 will pass through the interior of the reactor, The cold fluid flowing in the heat sink will be a heat exchange medium (typically cooling water) that circulates to allow heat to be thrown away toward the heat sink. Further, the heat exchange medium supplied to the tertiary tube 130 may also be cooling water. Of course, although the primary tube 110 and the secondary tube 120 are hermetically sealed to the outside, all the devices installed in the reactor must maximize the safety, It is impossible to exclude the possibility that a part of the high temperature fluid leaks out. Therefore, a countermeasure is needed. The receiving portion 140 can directly function as a safety device for this case. That is, even if a slight leakage occurs in the primary tube 110, the high-temperature fluid eventually becomes solid in the accommodating portion 140 and is not discharged to the outside, so that the risk of radiation leakage can be much lower.

한편, 상기 3차측 튜브(130)에서 분사되는 열교환매체는 1차측 및 2차측 튜브들(110)(120)과 상변화하면서 접촉한 후 결국 응축되어 액체 상태가 되는데, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 수용부(140)가 구비될 경우, 이 열교환매체는 상기 수용부(140) 내에 고여 수용되게 된다. 이 때 상기 수용부(140) 내에 고인 열교환매체를 다시 상기 3차측 튜브(130)로 공급하여 열교환매체를 재사용할 수 있게 함으로써, 열교환매체 공급량을 보다 절약할 수 있다. 이를 위하여 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 3차원 열교환기는 상기 수용부(140) 내에 고인 열교환매체를 빨아올려 상기 3차측 튜브(130)에 보조 공급하는 보조 공급관(132)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도면 상에서는 상기 보조 공급관(132)이 상기 3차측 튜브(130) 중 하나와 직접 연결되어 있는 것으로 도시되었으나, 상기 보조 공급관(132)이 복수 개 구비되어 복수 개의 3차측 튜브(130) 각각과 모두 연결되도록 이루어질 수도 있으며, 또는 도 5(B)에 도시된 바와 같은 상기 3차측 유입로(131)에 연결되어 원래 3차측 튜브(130)로 공급되고 있던 열교환매체에 섞이도록 할 수도 있는 등, 다양한 변경 실시가 가능하다.
Meanwhile, the heat exchange medium injected from the tertiary tube 130 is phase-changed and contacted with the primary and secondary tubes 110 and 120, and is finally condensed to become a liquid state. As shown in FIG. 7, When the accommodating portion 140 is provided, the heat exchange medium is accumulated in the accommodating portion 140. At this time, the heat exchange medium, which is stored in the storage portion 140, is supplied again to the tertiary tube 130 to reuse the heat exchange medium, so that the amount of the heat exchange medium to be supplied can be further reduced. 7, the three-dimensional heat exchanger further includes an auxiliary supply pipe 132 for sucking up the heat exchange medium accumulated in the accommodating portion 140 and auxiliary supplying the heat exchange medium to the tertiary tube 130 . Although the auxiliary supply pipe 132 is shown as being directly connected to one of the tertiary tubes 130 in the drawing, a plurality of auxiliary supply pipes 132 may be provided to connect each of the plurality of tertiary tubes 130 Or may be mixed with the heat exchange medium originally supplied to the tertiary tube 130 by being connected to the tertiary inlet 131 as shown in Fig. 5 (B) It is possible to carry out.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.

100: (본 발명의) 3차원 열교환기
110: 1차측 튜브
111: 1차측 유입로 112: 1차측 배출로
115: 제1유동제어 핀
120: 2차측 튜브
121: 2차측 유입로 122: 2차측 배출로
125: 제2유동제어 핀
130: 3차측 튜브
131: 3차측 유입로
132: 보조 공급로 135: 노즐 구멍
140: 수용부100: Three-dimensional heat exchanger (of the present invention)
110: primary side tube
111: primary inlet flow path 112: primary outlet flow path
115: first flow control pin
120: secondary side tube
121: Secondary inlet path 122: Secondary outlet path
125: second flow control pin
130: tertiary tube
131: Third side inlet
132: auxiliary supply path 135: nozzle hole
140:

Claims

When three arbitrary directions perpendicular to each other are referred to as x-axis, y-axis, and z-axis directions,
A plurality of primary tubes (110) formed in a tube shape and extending in the x axis direction and having a high temperature fluid flowing therein;
A plurality of secondary tubes 120 formed in a tube shape and extending in the y-axis direction and having a low-temperature fluid flowing therein;
A tertiary tube (130) which is formed in a tube shape and extends in the z-axis direction, a heat exchange medium is circulated therein and a plurality of nozzle holes (135) are formed to inject the heat exchange medium;
And,
A plurality of the primary tubes 110, a plurality of the secondary tubes 120, and a plurality of the secondary tubes 130 are disposed so as to be three-dimensionally crossed with each other,
The heat transfer phenomenon of heat transfer from the high temperature fluid in the primary tube 110 to the low temperature fluid in the secondary tube 120 due to evaporation and condensation of the heat exchange medium injected by the tertiary tube 130 two-phase heat transfer mechanism). < / RTI >

delete

2. The three-dimensional heat exchanger (100) according to claim 1, wherein the three-dimensional heat exchanger
A plurality of primary tubes 110 are arranged in parallel in the y-axis direction to form a primary xy plane arrangement 110S in parallel with the xy plane. A plurality of the primary xy plane arrangements 110S are arranged in the z- Arranged so as to be stacked,
A plurality of secondary tubes 120 are arranged in parallel in the x-axis direction to form a secondary xy plane arrangement 120S in parallel with the xy plane, and a plurality of the secondary xy plane arrangements 120S are arranged in the z- Are arranged in a stacked manner,
The primary xy planar arrangement 110S and the secondary xy plane arrangement 120S are arranged to be alternately stacked,
Wherein a plurality of the tertiary tubes (130) are arranged in a manner to be inserted into a hollow space formed by intersection of the primary tube (110) and the secondary tube (120).

4. The apparatus according to claim 3, wherein the nozzle hole (135)
(110) disposed at a nearest side of the tertiary tube (130).

2. The three-dimensional heat exchanger (100) according to claim 1, wherein the three-dimensional heat exchanger
A primary side inflow path (111) connected to one side of a plurality of the primary tubes (110) arranged in parallel and for introducing a fluid;
A primary discharge passage (112) connected to the other of the plurality of primary tubes (110) arranged in parallel to discharge the fluid;
A secondary side inflow path (121) connected to one side of the plurality of secondary tubes (120) arranged in parallel to flow the fluid;
A secondary side discharge passage (122) connected to the other side of the plural secondary tubes (120) arranged in parallel to discharge the fluid;
A tertiary inlet (131) connected to one side of the plurality of tertiary tubes (130) arranged in parallel to flow fluid;
Further comprising a third heat exchanger.

4. The three-dimensional heat exchanger according to claim 3, wherein the three-dimensional heat exchanger (100)
a first flow control pin 115 formed in a plane shape parallel to the zx plane and arranged in parallel in the y axis direction and interposed between the tertiary tubes 130;
Further comprising a third heat exchanger.

7. The apparatus of claim 6, wherein the first flow control pin (115)
And is attached to the primary tube (110).

4. The three-dimensional heat exchanger according to claim 3, wherein the three-dimensional heat exchanger (100)
a second flow control pin 125 formed in parallel with the yz plane and arranged in parallel in the x-axis direction and interposed between the tertiary tubes 130;
Further comprising a third heat exchanger.

9. The apparatus of claim 8, wherein the second flow control pin (125)
And is attached to the secondary tube (120).

2. The three-dimensional heat exchanger (100) according to claim 1, wherein the three-dimensional heat exchanger
A receiving portion 140 receiving a plurality of the primary tubes 110, a plurality of the secondary tubes 120, and a plurality of the secondary tubes 130 and sealing the external tubes 140;
Further comprising a third heat exchanger.

11. The apparatus of claim 10, wherein the three-dimensional heat exchanger (100)
An auxiliary supply pipe 132 for sucking up the heat exchange medium accumulated in the accommodating portion 140 and auxiliary supplying the heated heat exchange medium to the tertiary tube 130;
Further comprising a third heat exchanger.