KR102360746B1 - 분사 노즐 구조체 - Google Patents

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Abstract

분사 노즐 구조체가 개시된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 분사 노즐 구조체는 열유체를 이송하는 튜브에 냉각수를 분사시키는 분사 노즐 구조체로서, 내부에 냉각수가 이동되는 유로 및 유로를 지나 유동하는 냉각수가 튜브 측으로 분사되는 분사구를 구비하는 몸체; 몸체의 분사구 주위에 구비되며, 튜브의 외주면 일부를 감싸도록 형성되는 분사 가이드를 포함하고, 분사 가이드의 내측면과 튜브의 외주면과의 사이에 분사구로부터 분사된 냉각수가 이동되는 공간이 형성되는, 분사 노즐 구조체가 제공된다.

Description

분사 노즐 구조체{INJECTION NOZZLE STRUCTURE}
본 발명은 분사 노즐 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기의 튜브를 냉각하기 위한 분사 노즐 구조체에 관한 것이다.
일반적으로 널리 사용되는 냉난방장치 중 많은 경우가, 열교환기를 포함하는 장치를 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.
한편 원자력 발전의 경우, 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 등 다양한 기술에 널리 개시되어 있다.
이와 같은 잔열 제거용 열교환기의 일 유형으로서, 열유체를 이송하는 튜브의 주변에서 열교환매체를 분사하여 열교환매체의 증발을 유도함으로써 튜브를 냉각시키는 방식이 이용되기도 한다. 그러나, 이 때, 열교환매체를 분사시키는 분사구가 튜브의 외주면 일측을 향해서만 분사되는 경우, 튜브의 외주면 중 분사구와 인접한 부분은 충분히 냉각될 수 있으나, 분사구가 향하는 방향과 반대되는 영역에 위치하는 외주면은 열교환매체와의 충분한 접촉이 불가하여 냉각 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 열유체를 이송하는 튜브의 외주면 전체에 대하여 냉각수를 충분히 접촉시킬 수 있는 분사 노즐 구조체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열유체를 이송하는 튜브에 냉각수를 분사시키는 분사 노즐 구조체로서, 내부에 상기 냉각수가 이동되는 유로 및 상기 유로를 지나 유동하는 상기 냉각수가 상기 튜브 측으로 분사되는 분사구를 구비하는 몸체; 상기 몸체의 상기 분사구 주위에 구비되며, 상기 튜브의 외주면 일부를 감싸도록 형성되는 분사 가이드를 포함하고, 상기 분사 가이드의 내측면과 상기 튜브의 외주면과의 사이에 상기 분사구로부터 분사된 상기 냉각수가 이동되는 공간이 형성되는, 분사 노즐 구조체가 제공된다.
이 때, 상기 분사구는 원형 단면을 가지도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 분사구는 단면이 상기 튜브의 연장 방향으로 연장되는 슬릿 형태로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 분사구는 상기 튜브의 연장 방향을 따라 복수개 형성되되, 서로 이격되어 배치될 수 있다.
이 때, 상기 몸체의 유로는 상기 복수개의 분사구에 대응되도록 복수개 형성될 수 있다.
이 때, 상기 분사 가이드는 상기 튜브의 연장 방향에 수직하는 단면이 호 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 분사 가이드의 단면은 반원 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 분사 가이드는 상기 분사구를 기준으로 대칭이 되도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 튜브는 원기둥 형상으로 연장되어 형성될 수 있다.
이 때, 상기 튜브는 나선 형태로 연장되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분사 노즐 구조체는 튜브의 외주면 일부를 감싸도록 형성되는 분사 가이드를 도입함으로써, 갭쿨링 효과와 코안다 효과를 함께 이용하여 튜브의 외주면 전체에 대하여 냉각수를 충분히 접촉시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 튜브를 함께 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 튜브를 측면에서 바라본 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체의 분사구가 원형 단면을 가지도록 형성된 것을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체의 분사구가 슬릿 형태로 형성된 것을 도시한 사시도이다.
도 5는 코안다 효과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 나선 튜브를 함께 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 나선 튜브를 측면에서 바라본 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체가 적용된 원자로의 피동 무한 냉각 구조체를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 튜브를 함께 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 튜브를 측면에서 바라본 측면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체의 분사구가 노즐 형태로 형성된 것을 도시한 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체의 분사구가 슬릿 형태로 형성된 것을 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 고온의 열유체를 이송하는 튜브(40)의 외주면에 저온의 냉각수(22)를 분사함으로써, 튜브(40) 및 튜브(40)의 내부에 존재하는 열유체를 냉각시키는 냉각 장치이다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 튜브(40)의 외주를 감싸도록 형성되는 분사 가이드(30)를 구비하여 코안다 효과(Coanda effect)를 유도함으로써 튜브의 외주면(46, 48)의 둘레 방향 전체에 대하여 냉각수(22)를 접촉시킬 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 튜브(40)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)의 주요 구성 및 효과에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 내부에 냉각수(22)가 이동되는 유로(21)가 형성되는 몸체(20)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 몸체(20)는 일단부가 냉각수 공급원(미도시)과 연결되며, 타단부가 분사 가이드(30)에 연결되는 부재이다. 즉, 몸체(20)는 냉각수 공급원으로부터 공급된 냉각수(22)가 튜브(40)를 향해 분사되기 전까지 일정 압력을 가지고 일 방향으로 이동되는 통로로서 기능할 수 있다. 이 때, 몸체(20)의 내부에는 냉각수가 이동될 수 있는 공간인 유로(21)가 형성될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)의 몸체(20)는 일측에 분사구(50)를 구비할 수 있다. 여기서 분사구(50)는 유로(21)의 일단부에 형성되는 개구로서, 몸체(20) 내부의 유로(21)를 지나 유동하는 냉각수(22)가 이를 통해 튜브(40) 측으로 분사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 분사구(50)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 일례로, 도 3을 참조하면, 분사구(50)는 원형의 단면을 가지는 통상의 노즐 형태(52)로 형성될 수 있다. 이 때, 원형 단면을 가지는 노즐 형태의 분사구(52)를 튜브(40)의 연장 방향을 따라 복수개 형성함으로써 튜브(40)에 대하여 냉각수(22)가 접촉하는 면적을 확대할 수 있다. 또한 이와 같이 원형 단면을 가지는 노즐 형태의 분사구(52)를 형성할 경우, 냉각수(22)를 강한 수압으로 분사하기에 적합할 수 있다.
이와는 달리, 도 4를 참조하면, 분사구(50)는 튜브(40)의 연장 방향으로 길게 연장되는 슬릿 형태(54)로 형성될 수도 있다. 이 경우, 몸체(20)의 유로(21) 역시 슬릿 형태의 분사구(54)에 대응될 수 있도록 폭을 가지는 형태로 형성될 수 있다. 이 때, 슬릿 형태의 분사구(54)도 노즐 형태의 분사구(52)와 마찬가지로 튜브의 연장 방향을 따라 복수개 형성될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에서, 이미 전술한 바와 같이 유로(21)는 복수개 형성될 수 있다. 이 때, 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 유로는 튜브(40)의 연장 방향을 따라 서로 이격 되도록 배치될 수 있다. 그러나, 이와는 달리 몸체(20) 내에 단일한 유로가 형성될 수도 있다. 즉, 튜브(40)의 연장 방향 전체에 대응하는 폭을 가지는 하나의 거대한 유로가 형성되되, 분사구(50)만 복수개 배치할 수도 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 몸체(20)와 연결되는 분사 가이드(30)를 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 분사 가이드(30)는 몸체(20)의 단부 중 튜브(40)와 인접하는 단부에 배치되어 튜브(40)를 감싸도록 형성될 수 있다. 즉, 분사 가이드(30)는 튜브(40)의 외주면(46) 둘레에 대응되는 형상으로 만곡 형성됨으로써, 튜브(40)의 연장 방향에 수직하는 단면이 호 형상을 가질 수 있다. 일례로, 분사 가이드(30)의 단면은 도 2과 같이, 반원 형상을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에서, 분사 가이드(30)의 형상이 반원 형상에 제한되는 것은 아니며, 중심각이 180도인 반원 형상 외에도 다양한 중심각을 가지는 호 형상으로 형성될 수 있다.
이 때, 분사 가이드(30)는 튜브(40)를 감싸되, 튜브의 외주면(46)으로부터 소정 두께 이격 되도록 배치된다. 따라서 튜브(40)의 외주면(46)과 이를 둘러싸는 분사 가이드(30)의 내측면(32) 사이에는 분사구(50)로부터 분사된 냉각수(22)가 튜브(40)의 외주면(46)을 따라 이동되도록 갭쿨링 공간(G)이 형성될 수 있다. 이러한 갭쿨링 공간(G)에 의해 냉각수(22)가 튜브(40)를 감싸면서 이동되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 튜브(40)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 분사 가이드(30)는 튜브(40)를 감싸는 내측면(32)과 외부로 노출된 외측면(34)을 구비할 수 있다. 이 때, 내측면(32)의 일부에는 몸체(20)의 유로(21)를 따라 이동된 냉각수(22)가 튜브(40) 측으로 분사되는 분사구(50)가 배치될 수 있다. 이러한 분사구(50)를 통해 분사된 냉각수(22)는 튜브의 외주면(46)에 부딪힌 뒤 산발적으로 흩어지는 것이 아니라, 분사 가이드(30)에 의해 형성되는 갭쿨링 공간(G)을 따라(도 2의 화살표 방향으로) 이동될 수 있다. 그 결과, 냉각수(22)와 튜브의 외주면(46) 사이의 접촉면적이 증가되어 튜브(40)와 냉각수(22) 사이의 열 교환이 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 다시 도 2를 참조하면, 분사 가이드(30)는 튜브 외주면(46, 48) 중 일부(46)만을 감싸도록 형성된다. 상세하게, 튜브(40)의 외주면(46, 48)은 분사 가이드(30)에 의해 둘러 싸인 제1면(46)과, 제1면(46)과 달리 분사 가이드(30)에 의해 감싸지지 않고 외부에 노출되는 제2면(48)로 나눌 수 있다. 이 때, 제1면(46)은 분사 가이드(30)와의 사이에 형성되는 갭쿨링 공간(G)에 의해 효과적으로 냉각될 수 있음은 이미 살펴본 바와 같다.
도 5는 코안다 효과를 설명하기 위한 개념도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 나선 튜브를 함께 도시한 사시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체와 이에 의해 냉각되는 나선 튜브를 측면에서 바라본 측면도이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 코안다 효과를 이용함으로써, 갭쿨링 공간(G)이 형성되지 않는 튜브(40)의 제2면(48)에도 냉각수(22)를 효과적으로 접촉시킬 수 있다. 코안다 효과란, 유체가 곡면과 접촉하면서 흐를 때 직선으로 흐르는 대신 곡면의 곡률을 따라서 흐르는 현상을 말한다. 즉, 도 5에 도시되는 바와 같이 원형 튜브 외벽에 유체를 분사하면 유체의 발향이 원형 튜브 표면을 따라 휘어지는 현상을 의미할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 원형 튜브(42), 즉 도 1에 도시된 바와 같이, 원기둥 형상으로 연장되며 연장 방향에 수직하는 단면이 원 형상을 이루는 튜브(42)에 적용될 수 있다. 따라서 분사 가이드(30)에 의해 둘러싸여 있지 않은 제2면(48)은 원형의 곡면을 형성할 수 있다. 그 결과 냉각수(22)는 갭쿨링 공간(G)에 의해서 곡면인 제1면(46)을 접촉하며 흐르다가, 분사 가이드(30)가 존재하지 않는 제2면(48)에서도 상술한 코안다 효과에 의하여 곡면 형상의 제2면(48)을 따라 연속적으로 흐를 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 분사 가이드(30)와 인접하지 않는 제2면(48)에 대해서도 효과적으로 냉각수(22)를 공급함으로써 냉각 효율을 극대화할 수 있다.
이와는 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 도 6에 도시된 것과 같이, 원을 그리며 나선 형태로 연장되는 나선 튜브(44)에 적용될 수도 있다. 즉, 나선 튜브(44) 역시 분사 가이드(30)와 인접하지 않으며, 곡면 형태인 제2면(48)을 포함하므로, 그 결과 갭쿨링 공간(G)을 통과한 냉각수(22)가 코안다 효과에 의해 곡면 형태의 제2면(48)을 따라 흐를 수 있기 때문이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용될 수 있는 구체적인 예시로서, 원자로의 피동 무한 냉각 구조체에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용된 원자로의 피동 무한 냉각 구조체를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용된 원자로의 피동무한 냉각 구조체는 제1격납용기(100), 제2격납용기(200), 제1분리벽(201), 압력평형관(214), 분사관(228), 주입관(242), 및 밸브 개폐부(300)를 구비한다.
제1격납용기(100)는 원자로 용기(122)가 수용되는 에너지 방출공간(110)(ERS; Energy Release Space)을 가진다. 제1격납용기(100)는 원자로 용기(122)에서 방출된 고온고압의 증기 또는 비응축기체가 외부로 나가지 못하도록 하기 위하여 고온고압을 견디도록 제조된다. 따라서, 제1격납용기(100)는 콘크리트 또는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 그러나, 제1격납용기(100)는 이에 한정되지 않고, 내폭성을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 제1격납용기(100)는 특정한 형태에 구애 받지 않고 원자로 용기(122)를 수용할 수 있는 크기와 형태를 갖추면 족하나, 일반적으로 원통형 모양의 형태로 형성된다.
그리고, 제1격납용기(100)는 설치되는 장소가 지상이나 지하에 구애 받지 않는다. 다만, 바람직하게는 지하에 매립되거나 토양(L)에 의해 둘러싸인다.
제1격납용기(100)에 수용된 원자로 용기(122)에는 원자로 노심(124)이 수용될 수 있다. 그리고, 에너지 방출공간(110)에는 원자로 노심(124)으로부터 발생된 열을 이용하여 증기가 생성될 수 있다. 또한, 원자로 용기(122)에는 증기를 외부의 터빈(미도시)으로 순환시키기 위한 증기 발생기 및 유로를 포함하는 원자로 구동 계통을 포함할 수 있다.
제2격납용기(200)는 제1격납용기(100)와 연결되면서 제1격납용기(100)와 구획될 수 있다. 제2격납 용기(200)는 에너지 방출공간(110)의 압력을 전달받는 에너지 흡수공간(210)(EAS; Energy Absorbing Space) 및 원자로 용기(122)로부터 전달된 열을 흡수하여 제2격납용기(200)의 외부로 방출하는 에너지 전달공간(220)(ETS; Energy Transfer Space)을 가질 수 있다. 제2격납용기(200)는 에너지 방출공간(110)에서 전달받은 고온고압의 증기 또는 비응축기체가 외부로 나가지 못하도록 하기 위하여 고온고압을 견디도록 제조된다.
따라서, 제2격납용기(200)는 제1격납용기(100)와 마찬가지로 콘크리트 또는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 제2격납용기(200)는 콘크리트 또는 금속 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 내폭성 및 내부식성을 가지는 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 제2격납용기(200)는 특정한 형태에 구애 받지 않고 원자로 용기(122)로부터 방출된 증기를 냉각시키기 충분한 양의 열매체를 수용할 수 있는 크기와 형태를 갖추면 족하나, 일반적으로 원통형 모양의 형태로 형성된다. 또한, 제1격납용기(100)와 제2격납용기(200)가 전체로서 하나의 원통형 모양의 형태를 갖되 격벽으로 구획되는 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제2격납용기(200)는 설치되는 장소가 지상이나 지하 또는 수중에 구애 받지 않는다. 다만, 바람직하게는 물(S)에 의해 둘러싸이거나 수중에 배치되고, 제1격납용기(100) 근처에 설치된다. 이 때, 물은 해수일 수 있다.
제2격납용기(200)에 구비되는 에너지 흡수공간(210)은 에너지 방출공간(110)과 구획되면서 열매체가 수용될 수 있다. 이 때, 열매체는 물일 수 있다. 에너지 흡수공간(210)의 열매체의 수위는 에너지 방출공간(110)의 압력에 따라 높아지거나 낮아질 수 있다.
이러한 에너지 흡수공간(210)은 에너지 방출공간(110)의 압력을 전달받아 사이펀 효과를 이용하여 에너지 흡수공간(210)에 수용된 열매체를 에너지 전달공간(220)으로 이동시키면서, 에너지 방출공간(110) 내부의 급격한 압력상승을 완화한다.
에너지 흡수공간(210) 상측에 구비되는 에너지 전달공간(220)은 에너지 방출공간(110)과 구획되면서 에너지 흡수공간(210)과 구획된다. 이 때, 제1분리벽(201)을 통하여 에너지 흡수공간(210)과 구획된다. 에너지 전달공간(220)의 압력은 에너지 방출공간(110)의 압력에 따라 변할 수 있다. 또한, 압력평형관(214)을 통해 에너지 방출공간(110)과 에너지 흡수공간(210)을 연결하여 에너지 방출공간(110)과 에너지 흡수공간(210)은 압력이 서로 잘 전달된다.
한편, 제1분리벽(201)은 에너지 전달공간(220)과 에너지 흡수공간(210) 사이에 배치되고, 제2격납용기(200)와 마찬가지로 고온고압의 증기 또는 비응축기체가 외부로 나가지 못하도록 하기 위하여 고온고압을 견디도록 제조된다.
한편, 압력평형관(214)은 역 U자형으로 형성되어, 에너지 흡수공간(210)의 열매체가 압력평형관(214)을 통해 에너지 방출공간(110)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 압력평형관(214)의 상측은 에너지 전달공간(210)의 상측보다 높게 위치할 수 있다. 에너지 방출공간(110)의 압력이 증가하면, 증가된 압력은 압력평형관(214)을 통해 에너지 흡수공간(210)으로 전달될 수 있다.
이에 따라, 원자로 용기(122)가 과열되어 에너지 방출공간(110)의 온도가 증가하면, 증가한 온도에 의해 압력이 증가하며, 증가한 압력은 압력평형관(214)을 통해 에너지 흡수공간(210)으로 전달될 수 있다. 에너지 흡수공간(210)의 압력이 증가하면, 에너지 흡수공간(210)에 수용된 열매체를 가압할 수 있다.
분사관(228)는 압력평형관(214)에 의해 가압된 에너지 흡수공간(210)의 열매체를 에너지 전달공간(220)으로 유동시킬 수 있다. 또한, 분사관(228)는 열매체를 에너지 전달공간(220)으로 분사하는 방식으로 유동시킬 수 있으며, 분사관(228)의 에너지 전달공간(220)측 일단이 노즐 형태를 갖거나, 노즐이 설치될 수 있다.
열매체 주입관(242)은 에너지 전달공간(220)의 열매체를 에너지 방출공간(110)으로 유입시키도록 에너지 전달공간(220)과 에너지 방출공간(110)을 연결할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용된 원자로의 피동무한 냉각 구조체는 제1 냉각 유로(130)를 구비한다.
제1 냉각 유로(130)는 원자로 용기(122)의 열을 에너지 전달공간(220)으로 전달할 수 있다. 제1 냉각 유로(130)에는 열흡수매체가 이동될 수 있다. 열흡수매체는 물일 수 있다. 제1 냉각 유로(130)에는 원자로 용기(122)로부터 열을 흡수하는 제1열교환기(132) 및 흡수한 열을 방열하는 제2열교환기(134)가 설치될 수 있다. 열흡수매체는 제1열교환기(132)로부터 열을 흡수하고, 제2열교환기(134)에서 열을 방출할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열교환기(132)는 전술한 원자로 구동 계통의 증기 발생기일 수 있다. 제1열교환기(132)가 원자로 구동 계통의 증기 발생기인 경우, 제1 냉각 유로(130)는 원자로 구동 계통의 유로 배관의 어느 지점에서 분기되거나 합류될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1열교환기(32)는 증기 발생기와 다른 별개의 구성일 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용된 원자로의 피동무한 냉각 구조체는 에너지 전달공간(220)에 배치되는 포화증기압 냉각챔버(226) 및 기준기압챔버(227)를 구비할 수 있다.
이 때, 포화증기압 냉각챔버(226)는 구 형태로 이루어질 수 있으며, 내부(222)에는 열매체가 수용될 수 있다. 또한 포화증기압 냉각챔버(226)는 분사관(228)과 연결될 수 있다. 포화증기압 냉각챔버(226)는 분사관(228)을 통해 열매체를 공급받을 수 있다.
기준기압챔버(227)는 포화증기압 냉각챔버(226)의 하측에 배치될 수 있다. 기준기압챔버(227)는 열매체를 수용할 수 있다. 기준기압챔버(227)는 포화증기압 냉각챔버(226)의 하측과 연통될 수 있다. 기준기압챔버(227)의 열매체는 에너지 전달공간(220)의 압력을 받으면서 동시에 포화증기압 냉각챔버(226)의 열매체의 압력을 받을 수 있다. 기준기압챔버(227)의 열매체의 수위는 에너지 전달공간(220)의 압력과 포화증기압 냉각챔버(226)의 열매체의 압력에 따라 변할 수 있다. 예를 들면, 포화증기압 냉각챔버(226)의 압력이 증가하면, 포화증기압 냉각챔버(226)의 열매체가 기준기압챔버(227)로 유입될 수 있다. 반대로, 포화증기압 냉각챔버(226)의 압력이 감소하면, 기준기압챔버(227)의 열매체가 포화증기압 냉각챔버(226)로 유입될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용된 원자로의 피동무한 냉각 구조체는 제2 냉각 유로(231)를 더 포함할 수 있다.
제2 냉각 유로(231)는 에너지 전달공간(220) 내에 구비되며, 에너지 전달공간(220) 내의 열을 제2격납용기(200)의 외부로 방출할 수 있다. 제2 냉각 유로(231)의 일단(236)은 제2격납용기(200)의 측면을 관통하여 제2격납용기(200)의 외부와 연결될 수 있다. 제2격납용기(200)의 외부의 냉각수는 제2 냉각 유로의 일단(236)을 통해 제2 냉각 유로(231)로 유입될 수 있다. 제2 냉각 유로(231)의 타단(238)은 제2 냉각 유로의 일단(236)보다 높은 위치에 배치될 수 있다. 제2 냉각 유로의 타단(238)은 제2격납용기(200)의 상측을 관통하여 제2격납용기(200)의 외부와 연결될 수 있다. 제2 냉각 유로(231)의 냉각수는 제2 냉각 유로(231)의 타단(238)을 통해 제2격납용기(200)로 배출될 수 있다.
제2 냉각 유로(231)에는 제3열교환기(232) 및 제4열교환기(233)가 설치될 수 있다.
제3열교환기(232)는 에너지 전달공간(220)에 배치될 수 있다. 제3열교환기(232)는 에너지 전달공간(220)의 열을 제2 냉각 유로(231)의 냉각수로 전달할 수 있다.
제4열교환기(233)는 포화증기압 냉각챔버(226)의 내부(222)에 배치될 수 있다. 제4열교환기(233)는 포화증기압 냉각챔버(226)의 열을 제2 냉각 유로(231)의 냉각수로 전달할 수 있다. 그리고, 제2 냉각 유로(231)의 냉각수가 제2 냉각 유로의 타단(238)을 통해 제2격납용기(200)의 외부로 방출됨에 따라, 제2 냉각 유로(231)는 에너지전달공간(220)의 열을 냉각시킬 수 있다.
또한, 제1 냉각 유로(130)에는 증기방출밸브(138)가 설치될 수 있다. 증기방출밸브(138)는 에너지 방출공간(110)으로 제1 냉각유로(130)를 통해 흐르는 열흡수매체(예: 증기)를 방출할 수 있다.
한편, 원자로의 피동무한 냉각 구조체에서 에너지 흡수공간(210)의 압력이 증가하면, 에너지 흡수공간(210)의 열매체는 분사관(228)을 통해 포화증기압 냉각챔버(226)로 이동되어 수위가 낮아진다. 그리고, 포화증기압 냉각챔버(226)로 이동된 열매체는 기준기압챔버(227)를 통해 에너지 전달공간(220)으로 이동된다.
구체적으로, 분사관(228)은 포화증기압 냉각챔버(226) 내 제2열교환기(134)를 향하여 열매체를 분사할 수 있다. 여기서 분사관(228)의 일례로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)가 적용될 수 있다. 즉, 분사 가이드를 구비하는 분사 노즐 구조체(10)가 나선 튜브 형태로 형성될 수 있는 제2열교환기(134)의 주위를 둘러싸도록 배치할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 비록 제2열교환기(134)의 외측 중 일 방향을 향하여 분사하더라도 코안다 효과에 의하여 제2열교환기(134)의 외측 전체에 대하여 열매체를 충분히 접촉시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 원자로의 피동 무한 냉각 구조체에 구비된 제2열교환기(134)의 방열 성능을 향상시킬 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)의 적용이 제2열교환기(134)에만 한정되는 것은 아니며, 원자로의 피동 무한 냉각 구조체에 포함된 다양한 열교환기와 인접하여 설치될 수 있음을 밝혀둔다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 분사 노즐 구조체(10)에 의해 냉각되는 튜브(일례로, 원형 튜브 또는 나선 튜브)의 외주면에서 분사구(50)와 인접한 면(46)에 대해서는 분사 가이드(30)에 의해 갭쿨링 공간(G)을 형성함으로써, 냉각수를 충분히 접촉시킬 수 있다. 또한 분사구(50) 측과 인접하지 않는 외주면(48)에 대해서도 코안다 효과를 이용하여 효과적으로 냉각수를 공급할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐 구조체(10)는 열교환기를 구성하는 튜브의 외주면 전체에 대하여 냉각수를 충분히 접촉시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 분사 노즐 구조체 20 몸체
21 유로 22 냉각수
30 분사 가이드 32 분사 가이드의 내측면
34 분사 가이드의 외측면 40 튜브
42 원형 튜브 44 나선 튜브
46 튜브의 제1면 48 튜브의 제2면
50 분사구 52 노즐 형태의 분사구
54 슬릿 형태의 분사구 G 갭쿨링 공간
100 제1격납용기 200 제2격납용기
210 에너지 흡수공간 220 에너지 전달공간

Claims (10)

  1. 열유체를 이송하는 튜브에 냉각수를 분사시키는 분사 노즐 구조체로서,
    내부에 상기 냉각수가 이동되는 유로 및 상기 유로를 지나 유동하는 상기 냉각수가 상기 튜브 측으로 분사되는 분사구를 구비하는 몸체;
    상기 몸체의 상기 분사구 주위에 구비되며, 상기 튜브의 외주면 일부를 감싸도록 형성되는 분사 가이드를 포함하고,
    상기 분사 가이드의 내측면과 상기 튜브의 외주면과의 사이에 상기 분사구로부터 분사된 상기 냉각수가 이동되는 공간이 형성되며,
    상기 분사 가이드는 상기 튜브의 외주면이 상기 튜브의 연장 방향을 기준으로 상기 분사 가이드에 의해 둘러싸인 제1면과, 상기 분사 가이드에 의해 감싸지지 않고 외부로 노출되는 제2면으로 구분되도록 상기 튜브의 외주면 중에서 일측부에만 배치되는 분사 노즐 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사구는 원형 단면을 가지도록 형성되는, 분사 노즐 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사구는 단면이 상기 튜브의 연장 방향으로 연장되는 슬릿 형태로 형성되는, 분사 노즐 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사구는 상기 튜브의 연장 방향을 따라 복수개 형성되되, 서로 이격되어 배치되는, 분사 노즐 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 몸체의 유로는 상기 복수개의 분사구에 대응되도록 복수개 형성되는, 분사 노즐 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 가이드는 상기 튜브의 연장 방향에 수직하는 단면이 호 형상을 가지도록 형성되는, 분사 노즐 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분사 가이드의 상기 단면은 반원 형상을 가지도록 형성되는, 분사 노즐 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 가이드는 상기 분사구를 기준으로 대칭이 되도록 형성되는, 분사 노즐 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 가이드는 상기 튜브 중에서 원기둥 형상으로 연장되어 형성되는 튜브와 인접하여 배치되는, 분사 노즐 구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 가이드는 상기 튜브 중에서 나선 형태로 연장되어 형성되는 튜브와 인접하여 배치되는, 분사 노즐 구조체.
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