KR102426511B1 - 열교환기 및 이를 구비하는 원전 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 제1 유체가 흐르며 일직선 형상을 갖는 복수의 제1 유로 채널을 구비하는 제1 유로부; 및 상기 제1 유로부와 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치되고, 상기 제1 유체와 열교환되는 제2 유체가 흐르며 지그재그(zigzag) 형상을 갖는 복수의 제2 유로 채널을 구비하는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로 채널은, 평면상에서 바라보았을 때, 상기 제1 및 제2 유로부에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기를 개시한다.

Description

열교환기 및 이를 구비하는 원전{HEAT EXCHANGER AND NUCLEAR POWER PLANT HAVING THE SAME}

본 발명은 플레이트 형태로 이루어지는 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 관한 것이다.

인쇄기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger)는 크기 대비 뛰어난 열전달 성능과 고온 고압 환경에서 운전 가능한 구조적 건전성 때문에 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 얇은 판에 광화학적 방법으로 미세유로를 식각하고, 미세유로가 식각된 판들을 확산 접합하는 과정을 통해 인쇄기판형 열교환기가 제작된다. 이러한 인쇄기판형 열교환기의 제작방법으로 인해 도 1에 도시된 바와 같이 다양한 형상의 미세유로가 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 인쇄기판형 열교환기의 일차측과 이차측에 사용되는 직관형 유로부(11)와 지그재그형 유로부(12)를 평면상에서 각각 바라본 모습을 보인 개념도이다.

도 1을 참조하면, 인쇄기판형 열교환기의 미세유로는 형상에 따라 서로 다른 열수력(thermal hydraulics)적 특성을 갖는다. 도 1에 도시된 직관형 유로부(11)는 복수의 직관형 유로(11a)를 구비하고, 지그재그형 유로부(12)는 지그재그형 유로(12a)를 구비한다.

지그재그형 유로(12a)는 직관형 유로에 비해 열전달 성능이 좋지만 압력손실 또한 증가한다는 단점이 있다. 지그재그형 유로(12a)의 일부분에 직관형 유로(11a)가 도입되면 열전달 성능이 향상되는 정도는 줄어들지만 압력손실의 과도한 증가를 막아준다. 직관형 유로(11a)와 지그재그형 유로(12a)는 단면이 반원 또는 반타원 형상으로 유로의 식각이 용이하고 확산 접합을 위해 충분한 접합 면적을 제공할 수 있어 제작성이 뛰어나므로 인쇄기판형 열교환기에 사용되는 대표적인 유로들이다.

한편, 인쇄기판형 열교환기의 사용목적에 따라 일차측과 이차측에 서로 다른 열수력적 특성이 요구될 수 있다. 예를 들어, 인쇄기판형 열교환기가 원자로의 증기발생기로 사용되는 경우이다. 이때, 인쇄기판형 열교환기의 일차측과 이차측에는 각각 낮은 압력손실과 높은 열전달 성능이 요구된다. 일차측에는 정상운전 중 이차측에 비해 많은 유량이 제공되고 사고 후에는 일차측 냉각재의 원활한 자연순환이 필요하기 때문에 낮은 압력손실이 요구된다. 이차측에는 공급되는 유량이 작고 상변화가 일어나는 이상열전달 구간에 비해 단상열전달 구간의 열전달 성능이 부족하기 때문에, 일체형 원자로와 같이 가능한 작은 크기의 인쇄기판형 열교환기가 필요한 경우에는 이차측에 특히 더 높은 열전달 성능이 요구된다.

또한, 인쇄기판형 열교환기의 각 판들에는 원활한 확산 접합을 위해 식각된 유로를 제외한 고체 부분인 접합면이 충분한 넓이로 제공된다. 인쇄기판형 열교환기의 접합성은 일차측과 이차측의 유로가 동일한 형상으로 식각되어 접합면이 각 판에서 모두 동일한 위치에 있을 때 가장 좋다. 그러나 앞서 언급한 인쇄기판형 열교환기의 일 예와 같이 동시에 달성하기 어려운 낮은 압력손실과 높은 열전달 성능이 각각 일차측과 이차측에 요구되는 경우에는 동일한 유로를 사용하는 것이 설계최적화 측면에서 어려움을 야기시킬 수 있다. 직관형 유로(11a)가 모든 유로에 사용된다면 부족한 열전달 성능으로 인해 인쇄기판형 열교환기(10)가 비대해지고, 지그재그형 유로(12a)가 모든 유로에 사용된다면 유로의 압력손실이 지나치게 증가한다. 또한, 직관형 유로(11a) 및 지그재그형 유로(12a)가 아닌 다른 형태의 유로들은 직관형과 지그재그형 유로보다는 설계에 유리할 수 있지만, 양립하기 어려운 낮은 압력손실과 높은 열전달 성능이 요구되는 바가 커질수록 최적화가 어려워진다.

따라서, 일차측과 이차측에 각각 직관형 유로(11a)과 지그재그형 유로(12a)가 사용된다면 낮은 압력손실과 높은 열전달 성능을 충분히 만족시킬 수 있다. 도 2는 도 1에 도시된 직관형 유로부(11)와 지그재그형 유로부(12)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 2에 도시된 적층 배치된 상태의 직관형 유로부(11)와 지그재그형 유로부(12)를 정면에서 바라본 단면도이다.

지그재그형 유로(12a)의 기울임 각도(inclination angle; a)가 크고 피치(pitch; P)가 짧을수록 열전달 성능이 향상된다. 따라서 요구되는 열전달 성능이 크지 않은 경우에는 작은 기울임 각도(a)와 긴 피치(P)가 적용 가능하여 일차측과 이차측의 접합면이 크게 엇갈리지 않으나, 열전달 성능을 증가시키기 위해 큰 기울임 각도(a) 또는 짧은 피치(P)가 적용되는 경우에는 그림 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 직관형 유로부(11)와 지그재그형 유로부(12)의 접합면이 대부분 엇갈리게 되어 인쇄기판형 열교환기(10)의 접합성이 현저히 저하될 수 있다.

따라서 인쇄기판형 열교환기(10)의 성능 요구사항을 충족하면서 제작성도 충분히 확보할 수 있는 일차측 유로부와 이차측 유로부의 구성에 대한 개발이 고려될 수 있다.

본 발명의 일 목적은, 일차측 유로와 이차측 유로의 서로 다른 열수력적 특성을 만족시키는 동시에 일차측 유로와 이차측 유로의 접합성을 확보할 수 있는 열교환기 및 이를 구비하는 원전을 제공하는 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환기는, 제1 유체가 흐르며 일직선 형상을 갖는 복수의 제1 유로 채널을 구비하는 제1 유로부; 및 상기 제1 유로부와 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치되고, 상기 제1 유체와 열교환되는 제2 유체가 흐르며 지그재그(zigzag) 형상을 갖는 복수의 제2 유로 채널을 구비하는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로 채널은, 평면상에서 바라보았을 때, 상기 제1 및 제2 유로부에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어진다.

한편, 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 원전은, 원자로의 노심에 의해 가열되는 제1 유체와, 상기 제1 유체와 열교환하는 제2 유체가 순환되도록 이루어지는 열교환기를 포함하는 원전에 있어서, 상기 열교환기는, 상기 제1 유체가 흐르며 일직선 형상을 갖는 복수의 제1 유로 채널을 구비하는 제1 유로부; 및 상기 제1 유로부와 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치되고, 상기 제2 유체가 흐르며 지그재그(zigzag) 형상을 갖는 복수의 제2 유로 채널을 구비하는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로 채널은, 평면상에서 바라보았을 때, 상기 제1 및 제2 유로부에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어진다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면 열교환기는, 제1 유체가 흐르며 일직선 형상의 제1 유로 채널을 구비하는 제1 유로부와, 제1 유체와 열교환하는 제2 유체가 흐르며 지그재그(zigzag) 형상의 제2 유로 채널을 구비하는 제2 유로부를 포함하고, 여기에서, 열교환기를 평면상에서 바라보았을 때, 제2 유로 채널은, 제1 및 제2 유로부에서 제1 및 제2 유로 채널이 형성된 영역을 제외한 영역 즉, 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어진다.

이에 따라, 제1 유체가 흐르는 제1 유로부는 압력손실을 줄일 수 있는 한편, 제2 유체가 흐르는 제2 유로부에 의해서는 높은 열전달 성능을 제공하여 보다 다양한 열교환기 성능요건을 만족시킬 수 있다. 아울러, 제1 및 제2 유로부에서 제1 및 제2 유로 채널을 제외한 제1 및 제2 유로부의 나머지 영역 즉, 제1 및 제2 유로부의 접합면을 형성하는 영역 간 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되어, 제1 및 제2 유로부의 접합성을 충분히 확보할 수 있다. 이에 따라, 열교환기의 제작이 보다 용이하게 이루어질 수 있으며, 열교환기의 구조적 건전성을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 인쇄기판형 열교환기의 직관형 유로부와 지그재그형 유로부를 평면상에서 각각 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 직관형 유로부와 지그재그형 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 적층 배치된 상태의 직관형 유로부와 지그재그형 유로부를 정면에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 제1 유로부와 제2 유로부를 평면상에서 각각 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 6은 도 4에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부의 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다.
도 7은 도 6에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 8은 도 4에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다.
도 9는 도 8에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 10은 도 6에 도시된 제2 유로부의 여러 가지 다른 일 예들을 도시한 개념도이다.
도 11은 도 4에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다.
도 12는 도 11에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 13은 도 11에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다.
도 14는 도 13에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 15는 도 11에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다.
도 16은 도 15에 도시된 제1 유로부와 제2 유로부가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.
도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열교환기를 구비하는 원전을 나타낸 개념도이다.

이하, 본 발명에 관련된 열교환기 및 이를 구비하는 원전에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)의 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)를 평면상에서 각각 바라본 모습을 보인 개념도이다. 도 5는 도 4에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 열교환기(100)는 제1 유로부(110) 및 제2 유로부(120)를 포함한다.

제1 유로부(110)는 제1 유체(f1)가 흐르는 복수의 제1 유로 채널(110a)을 구비한다.

제1 유로 채널(110a)은 도 4에 도시된 바와 같이 일 방향을 따라 연장 형성되며, 일직선 형상을 갖도록 이루어진다. 제1 유로 채널(110a)은 제1 유로부(110)의 길이 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 제1 유로 채널(110a)의 단면은 식각이 용이한 반원 형상 또는 반타원 형상으로 이루어질 수 있다.

제2 유로부(120)는 제1 유체(f1)와 열교환하는 제2 유체(f2)가 흐르는 복수의 제2 유로 채널(120a)을 구비한다. 제2 유로부(120)는 제1 유로부(110)와 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치된다. 예를 들어, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)는 교번되게 순차적으로 적층 배치될 수 있다. 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 접합면이 형성 가능한 영역은, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 서로 마주 하는 일면 중 제1 유로 채널(110a)과 제2 유로 채널(120a)이 각각 형성되지 않은 영역이 될 수 있다. 제2 유로 채널(120a)의 단면은 식각이 용이한 반원 형상 또는 반타원 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 제2 유체(f2)는 제1 유체(f1)보다 낮은 온도록 이루어지며, 제1 유체(f1)와 열교환됨에 따라 액체에서 증기로 변하도록 이루어질 수 있다. 즉, 열교환기(100)는 증기발생기(steam generator)로 이루어질 수 있다.

제2 유로 채널(120a)은, 제2 유로부의 길이 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 제2 유로 채널(120a)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 지그재그(zigzag) 형상을 갖도록 이루어진다.

여기에서, 제2 유로 채널(120a)은 열교환기(100)를 위에서 보았을 때, 다시 말해 XZ 평면과 같은 평면상에서 바라보았을 때, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어질 수 있다.

구체적으로, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)는 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치된다. 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합은 확산 접합(diffused bonding) 방법에 의해 구현될 수 있다. 상기 확산 접합은, 금속 재료를 밀착시켜 접합면 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용하여 금속 재료를 접합하는 기술을 의미한다.

이때, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 각각 접합면을 형성하는 영역은, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 제1 유로 채널(110a)과 제2 유로 채널(120a)이 형성되지 않은 나머지 부분을 의미한다. 그리고 이와 같이 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 각각 접합면을 형성하는 전체 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 클 수록, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 확산 접합이 보다 안정적으로 이루어질 수 있으며, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 적층 구조가 보다 견고한 상태로 만들어질 수 있다.

본 발명의 제2 유로 채널(120a)은 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 각각 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되어, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합성을 충분하게 확보할 수 있는 한편, 제1 및 제2 유체(f1,f2)가 흐르는 유로의 식각이 용이하여 제작성이 뛰어난 상기 일직선 형상의 유로와 상기 지그재그(zigzag) 형상의 유로를 적용하여 다양한 성능요건을 만족하는 열교환기(100)를 제공할 수 있다.

한편, 제2 유로 채널(120a)은, 평면상에서 바라보았을 때, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)에서 각각 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 서로 중첩되지 않는 영역보다 크게 형성되도록 이루어질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 유로부(110,120)에서 접합면을 형성하는 영역 중, 열교환기(100)를 평면상에서 바라보았을 때, 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치에 배치되는 것과 함께, 서로 중첩되는 영역이 서로 중첩되지 않는 영역보다 크게 형성되도록 이루어져, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합성을 보다 향상시킬 수 있다.

제1 및 제2 유로 채널(110a,120a)은 열교환기(100)의 제1 및 제2 유로부(110,120) 전체에 적용될 수 있으나, 제1 및 제2 유체(f1,f2)가 각각 출입하는 제1 및 제2 유로부(110,120)의 입구 및/또는 출구 영역을 제외한 열교환기(100)의 나머지 열전달 영역 또는, 주 열전달 영역에만 한정되어 사용될 수 있다.

또한, 제1 유로 채널(110a)와 제2 유로 채널(120a)의 구성은, 해당 열수력적 특성을 활용하기 위해 3D 프린팅 또는 하이브리드(hybrid) 기법을 이용하여 유로를 제작하는 플레이트형 열교환기에도 적용할 수 있다.

이하, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 다른 일 예들에 대하여 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한다.

도 6은 도 4에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다. 도 7은 도 6에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다. 도 8은 도 4에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다. 도 9는 도 8에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다. 도 10은 도 6에 도시된 제2 유로부(120)의 여러 가지 다른 일 예들을 도시한 개념도이다.

도 6 내지 도 10을 참조하면, 제2 유로부(120)의 상기 제2 유로 채널(120a)은 제1 부분(120a1) 및 제2 부분(120a2)을 포함할 수 있다.

제1 부분(120a1)은 제1 유로부(110)의 제1 유로 채널(110a)과 평행하게 유로를 형성하도록 이루어진다.

제2 부분(120a2)은 제1 유로 채널(110a)과 교차하게 유로를 형성하도록 이루어진다.

여기에서, 제2 유로 채널(120a)의 제1 부분(120a1)과 제2 부분(120a2)은 번갈아 배치되어 상기 지그재그(zigzag) 형상을 나타내는 하나의 유로를 형성하도록 이루어질 수 있다. 이와 같은 제2 유로 채널(120a)의 구조에 의하면, 도 4 및 도 5에 도시된 제2 유로 채널(120a)의 지그재그(zigzag) 형상의 유로 구조에 비하여, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 서로 중첩되는 접합면 영역의 넓이를 더 확보하여, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합성을 보다 향상시킬 수 있다. 이와 같은 제2 유로 채널(120a)의 구조는, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 부분(120a1)과 제2 부분(120a2)의 길이 및 서로 간의 간격 등을 다르게 하여 다양한 형태로 디자인될 수 있다. 제1 및 제2 유로부(110,120)의 서로 중첩되는 접합면을 최대화하기 위해, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 서로 중첩되는 접합면의 면적이, 제1 유로 채널(110a)들 사이에 형성되는 접합면들의 면적과 같도록 형성될 수 있다.

식각에 의해 제2 유로 채널(120a)이 형성되는 경우, 도 10의 (f)에 도시된 바와 같이, 제2 유로 채널(120a)의 제1 부분(120a1)과 제2 부분(120a2)이 직선이 아닌, 곡선으로 연결될 수 있다. 제1 부분(120a1)과 제2 부분(120a2)이 직선으로 연결되지 않는 경우에도, 제1 부분(120a1)과 제2 부분(120a2)이 형성하는 각도가 작지 않으므로, 열교환기(100)의 열수력적 특성은 크게 변하지 않는다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 유로 채널(120a)은, 상기 제2 유체(f2)가 흐르는 방향에 대하여 수직한 단면의 형상이 일정하게 나타나도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 6을 참조하면, 제2 유로 채널(120a)의 C-C' 선에 따른 제1 단면(s1), D-D' 선에 따른 제2 단면(s2) 및 E-E' 선에 따른 제3 단면(s3)을 비교하면, 제2 유체(f2)가 흐르는 방향에 대하여 수직한 단면에 해당하는 제1 단면(s1)과 제2 단면(s2)의 형상이 동일하게 형성되는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 제2 유로 채널(120a)의 구조에 의하면, 제2 유체(f2)의 유동 방향을 따라 유로의 형상이 일정하게 나타나며, 특정 구간에서 유로가 좁아지는 부분이 없으므로, 특정 구간에서 유로의 형상이 달라져 유로가 좁아지는 부분을 갖는 경우에 비하여, 유로가 막히는 현상의 발생 확률을 크게 낮출 수 있다.

이에 반해, 도 8 및 도 9에 도시된, 열교환기(100)의 경우, 제2 유로 채널(120a)의 F-F' 선에 따른 제4 단면(s4), G-G' 선에 따른 제5 단면(s5) 및 H-H' 선에 따른 제6 단면(s6)을 비교하면, 제2 유체(f2)가 흐르는 방향에 대하여 수직한 단면에 해당하는 제5 단면(s5)과 제6 단면(s6)의 형상이 서로 다르게 형성되는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 제2 유로 채널(120a)의 구조에 의하면, 도 6 및 도 7에 도시된 열교환기(100)와는 다른 열수력(thermal hydraulics)적 특성과 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합성을 나타낼 수 있으나, 도 6 및 도 7에 도시된 열교환기(100)에 비하여 유로가 막히는 현상의 발생 확률은 다소 높게 나타날 수 있다.

이하, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 다른 일 예들에 대하여 도 11 내지 도 16을 참조하여 설명한다.

도 11은 도 4에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다. 도 12는 도 11에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다. 도 13은 도 11에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다. 도 14는 도 13에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다. 도 15는 도 11에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)의 또 다른 일 예를 평면상에서 바라본 개념도이다. 도 16은 도 15에 도시된 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)가 적층 배치된 상태를 평면상에서 바라본 모습을 보인 개념도이다.

도 11 내지 도 16을 참조하면, 제1 유로부(110)와 제2 유로부(120)는 각각 제1 연결 유로 채널(110b)과 제2 연결 유로 채널(120b)을 더 구비할 수 있다.

제1 연결 유로 채널(110b)은 복수의 제1 유로 채널(110a) 중 서로 인접하는 제1 유로 채널(110a)을 서로 연결하여 제1 유체(f1)가 흐르는 유로를 형성하도록 이루어질 수 있다.

제2 연결 유로 채널(120b)은 제1 연결 유로 채널(110b)가 유사하게, 복수의 제2 유로 채널(120a) 중 서로 인접하는 제2 유로 채널(120a)을 서로 연결하여 제2 유체(f2)가 흐르는 유로를 형성하도록 이루어질 수 있다.

여기에서, 제2 연결 유로 채널(120b)은, 제2 유로 채널(120a)의 상기 제1 부분(120a1)을 서로 연결하도록 이루어질 수 있다. 이와 같은, 제2 연결 유로 채널(120b)의 구조에 의하면, 제1 부분(120a1)이 일직선 형상을 갖는 제1 유로 채널(110a)과 평행하게 형성되어, 제1 유로 채널(110a)과 같이 일직선 형상을 갖도록 이루어지고, 제2 연결 유로 채널(120b)이 일직선 형상을 갖는 제1 부분(120a1)에 연결되게 형성되므로, 제2 유로 채널(120a)의 형상 변화를 최소화시키며, 제2 연결 유로 채널(120b)을 일직선 형상이 아닌 제2 유로 채널(120a)의 다른 부분에 연결시키는 경우에 비하여 가공 난이도가 줄어들어, 열교환기(100)의 제작성을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 제1 연결 유로 채널(110b)과 제2 연결 유로 채널(120b)은 XZ 평면과 같이 평면상에서 바라보았을 때, 적어도 일부가 서로 중첩되는 위치상에 배치되도록 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 유로부(110,120)에서 접합면을 형성하는 영역이 서로 중첩되는 부분의 영역을 보다 넓게 확보하여, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합성을 더 향상시킬 수 있다.

또한, 제1 연결 유로 채널(110b)과 제2 연결 유로 채널(120b)은, 열교환기(100)를 평면상에 바라보았을 때, 동일한 형상을 갖도록 형성되며, 모든 영역이 서로 중첩되는 위치상에 배치되도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 연결 유로 채널(110b)과 제2 연결 유로 채널(120b)이 갖는 유로의 폭과 길이가 서로 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열교환기(100)를 평면상에서 바라보았을 때, 제1 및 제2 연결 유로 채널(110b,120b) 중 어느 일부만 중첩되는 경우에 비하여, 제1 및 제2 유로부(110,120)의 접합성을 높여, 열교환기(100)의 제작성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 실시예에 원전(20)에 대하여 도 4 내지 도 16과 함께 도 17을 더 참조하여 설명한다.

도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열교환기(100)를 구비하는 원전(20)을 나타낸 개념도이다.

도 17을 참조하면, 원전(20)은 핵반응을 발생시키는 원자로를 포함한다. 원전(20)은, 핵연료를 포함하는 원자로의 노심(21a)에서 핵연료의 핵분열로 발생하는 열에너지를 전력으로 전환시키도록 이루어진다. 원자로의 노심(21a)은 원자로 용기(21)의 내부에 수용된다. 또한, 원전(20)은 내부에 상기 원자로 용기(21)를 수용하여 원자로 용기(21)를 보호하고, 사고 발생 시 외부 환경으로 방사성 물질의 누출을 막도록 이루어지는 격납부(미도시)를 포함할 수 있다.

원전(20)은, 원자로의 노심(21a)에 의해 가열되는 제1 유체(A)와, 제1 유체(A)와 열교환하는 제2 유체(B)가 대향류로 유동 하면서 순환하도록 이루어지는 열교환기(100)(또는, 증기발생기)를 포함한다. 여기에서, 상기 열교환기(100)은 앞서 도 4 내지 도 16을 참조하여 설명한 열교환기(100)와 동일하거나 유사한 특징 및 효과를 갖도록 이루어질 수 있다.

또한, 원전(20)은 급수 격리밸브(22a), 주증기 격리밸브(22b), 원자로냉각재펌프(23) 및 가압기(24)를 더 포함할 수 있다.

급수 격리밸브(22a)와 주증기 격리밸브(22b)는 열교환기(100)(또는, 증기발생기)와 연결되는 급수계통과 터빈계통의 배관상에 설치되어 사고 또는 유지보수 상황의 발생 시 개폐 가능하도록 이루어진다.

원자로냉각재펌프(23)는 원자로냉각재 즉, 제1 유체(A)를 펌프 동력에 의해 강제 순환시키도록 구성된다.

가압기(25)는, 포화 온도 및 포화 압력 이내의 과압 상태를 유지하여, 제1 유체(A)가 순환하면서 원자로냉각재계통 내부에서 증기로 변화하지 않도록 상기 원자로냉각재계통을 가압한다.

전술한 내용은 단지 예시적인 것에 불과하며, 설명된 실시예들의 범주 및 기술적 사상을 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

10 : 인쇄기판형 열교환기
11 : 직관형 유로부
11a : 직관형 유로
12 : 지그재그형 유로부
12a : 지그재그형 유로
20 : 원전
21 : 원자로 용기
21a : 노심
22a : 급수 격리밸브
22b : 주증기 격리밸브
23 : 원자로 냉각재 펌프
24 : 가압기
100 : 열교환기
110 : 제1 유로부
110a : 제1 유로 채널
110b : 제1 연결 유로 채널
120 : 제2 유로부
120a : 제2 유로 채널
120a1 : 제1 부분
120a2 : 제2 부분
120b : 제2 연결 유로 채널

Claims (13)

1. 제1 유체가 흐르며 일직선 형상을 갖는 복수의 제1 유로 채널을 구비하는 제1 유로부; 및
   상기 제1 유로부와 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치되고, 상기 제1 유체와 열교환되는 제2 유체가 흐르며 지그재그(zigzag) 형상을 갖는 복수의 제2 유로 채널을 구비하는 제2 유로부를 포함하고,
   상기 제2 유로 채널은, 평면상에서 바라보았을 때, 상기 제1 및 제2 유로부에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어지고,
   상기 제2 유로 채널은,
   상기 제1 유로 채널과 평행하게 형성되는 제1 부분; 및
   상기 제1 유로 채널과 교차하게 형성되는 제2 부분을 포함하고,
   상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 번갈아 배치되어 하나의 유로를 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 유로 채널은, 평면상에서 바라보았을 때, 상기 제1 및 제2 유로부에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 서로 중첩되지 않는 영역보다 크게 형성되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 유로 채널은, 상기 제2 유체가 흐르는 방향에 대하여 수직한 단면의 형상이 일정하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 유로 채널의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분은, 직선 또는 곡선 형태로 이어지게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유로부는,
   인접하는 상기 제1 유로 채널을 서로 연결하여 상기 제1 유체가 흐르는 유로를 형성하는 제1 연결 유로 채널을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 유로부는,
   인접하는 상기 제2 유로 채널을 서로 연결하여 상기 제2 유체가 흐르는 유로를 형성하는 제2 연결 유로 채널을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 유로부는,
   인접하는 상기 제2 유로 채널을 서로 연결하여 상기 제2 유체가 흐르는 유로를 형성하는 제2 연결 유로 채널을 더 구비하고,
   상기 제2 연결 유로 채널은, 상기 제2 유로 채널의 상기 제1 부분을 서로 연결하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유로부는, 인접하는 상기 제1 유로 채널을 서로 연결하여 상기 제1 유체가 흐르는 유로를 형성하는 제1 연결 유로 채널을 더 구비하며,
   상기 제2 유로부는, 인접하는 상기 제2 유로 채널을 서로 연결하여 상기 제2 유체가 흐르는 유로를 형성하는 제2 연결 유로 채널을 더 구비하고,
   상기 제1 및 제2 연결 유로 채널은, 평면상에 바라보았을 때, 적어도 일부가 서로 중첩되는 위치상에 배치되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연결 유로 채널은, 평면상에 바라보았을 때, 동일한 형상을 갖도록 형성되고, 모든 영역이 서로 중첩되는 위치상에 배치되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유체는, 상기 제1 유체보다 낮은 온도로 이루어지고, 상기 제1 유체와 열교환됨에 따라 액체에서 증기로 변하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로 채널은, 상기 제1 및 제2 유체가 각각 출입하는 상기 제1 및 제2 유로부의 입구 영역과 출구 영역을 제외한 주 열전달 영역 중 적어도 일부에 마련되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
13. 원자로의 노심에 의해 가열되는 제1 유체와, 상기 제1 유체와 열교환하는 제2 유체가 순환되도록 이루어지는 열교환기를 포함하는 원전에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 제1 유체가 흐르며 일직선 형상을 갖는 복수의 제1 유로 채널을 구비하는 제1 유로부; 및
    상기 제1 유로부와 마주하는 일면이 접합되어 적층 배치되고, 상기 제2 유체가 흐르며 지그재그(zigzag) 형상을 갖는 복수의 제2 유로 채널을 구비하는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로 채널은, 평면상에서 바라보았을 때, 상기 제1 및 제2 유로부에서 접합면을 형성하는 영역 중 서로 중첩되는 영역이 차지하는 비율이 최대로 형성되는 위치상에 배치되도록 이루어지고,
    상기 제2 유로 채널은,
    상기 제1 유로 채널과 평행하게 형성되는 제1 부분; 및
    상기 제1 유로 채널과 교차하게 형성되는 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 번갈아 배치되어 하나의 유로를 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 원전.

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