KR20040093691A - 높은 열유동을 발산하는 물질을 장기간 저장하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 열 유동을 발산하는 물질을 장기간 저장하는 장치에 관한 것이다.

상기 장치는 상기 물질이 저장되어 놓여지는 컨테이너(14), 열-파이프 효과를 통하여 열을 제거하도록 컨테이너를 둘러싸는 증발기(22)를 포함한다. 상기 증발기(22)는 재킷(28), 물과 같은 냉각 유체로 충진되며 상기 재킷과 일체로 형성된 파이프(32), 및 상기 컨테이너(14)상에서 상기 증발기(22)를 조이는 시스템을 포함한다. 이러한 장치에서, 상기 증발기(22)는 파이프(32)의 전면을 제외하고는 컨테이너(14)과 밀접하게 접촉하지 않는다. 상기 채널(42)에는 파이프(32)의 양측면상에서, 증발기(22)와 컨테이너(14) 사이에 자연대류에 의한 공기 순환이 일어난다.

Description

높은 열유동을 발산하는 물질을 장기간 저장하는 장치 {Installation for the very long storage of products that emit a high heat flux}

열을 발생하는 핵 폐기물과 같은 물질을 장기간 저장하는 것은 컨테이너에서 폐기물을 처리하여 처리된 폐기물을 콘크리트 벽으로 형성된 제한구역의 땅에 형성된 캐비티에 보관된다.

열을 발생하는 물질에 의해 발생한 높은 열유동은 컨테이너의 표면 온도를 안전화하기 위한 냉각 시스템에 의해 제거된다. 이러한 냉각 시스템으로 인하여 컨테이너 구조체와 그에 담겨진 열을 발생하는 물질의 안전성을 담보할 수 있다. 또한 이러한 냉각 시스템으로 인하여 주변벽의 콘크리트의 안전성이 확보된다. 바람직하게는 상기 냉각 시스템은 수동형이다.

프랑스 특허 공개공보 제2791805호에서, 장기간의 저장을 위한 장치는 열을발생하는 재료를 위해 제안되었다. 이러한 장치에서, 오염되지 않는 냉각 회로에 의해 특정 지역으로부터 외부로 배출되기 전에 수동형식으로 별다른 처리과정없이 컨테이너로 나타내어진 밀봉된 배리어에 가능한한 근접하게 열 동력이 추출된다.

보다 상세하게는, 이러한 특허공보는, 컨테이너의 부드러운 외측면과 재킷이 접촉하는 방식으로 컨테이너를 둘러싸는 조여지고 스테이플된 얇은 금속판으로 구성된 유연하고 제거가능한 재킷으로써 그 원통형 전체 표면에 걸쳐서 각각의 컨테이너를 둘러싸는 것을 제안하고 있다. 상기 재킷을 컨테이너의 외측면에 장착하는 것은 상기 재킷을 폐쇄하거나 스테이플링하는 동안 몇몇 지점에서 조임 작용에 의해 이루어진다.

일반적인 간격으로(예를 들면 약 20cm), 외부에서 재킷에는 원형이나 사각형 단면의 수직 파이프가 설치된다. 이러한 파이프는 열전도성의 관점에서 볼 경우, 냉각 유체용 증발기를 형성하도록 상기 재킷에 연결된다. 바람직하게는, 이러한 유체는 액체-증기가 지배하는 2상영역에서 작동하며 그것이 한정되는 회로를 구비한 열파이프를 형성한다. 열 파이프 응축기는 자연 대류에 의해 공기가 자유롭게 순환하는 열교환이 일어나는 지점 외부에 설치된다.

이러한 장치에서, 상기 컨테이너로부터의 열 유동의 전달이 이루어져서, 한편으로는 컨테이너 벽과 재킷을 형성하는 금속판이 직접 접촉하거나, 다른 한편으로는 상기 금속판 및 이를 지지하는 파이프 사이에서 접촉하여서 열 유동 전달이 이루어진다.

프랑스 공개 특허공보 제2791805호에 설명된 다른 실시예에 따르면, 상기 파이프는 용접이나 다른 기계적인 연결 수단에 의해 끝과 끝이 조립되어 상기 재킷 부분과 일체로 된다. 이 경우, 상기 시스템의 열 효율은 컨테이너 및 나란하게 놓인 재킷 영역 사이에서 접촉하는 성능에만 오직 영향을 받는다.

모든 경우에서, 열전달 성능은 접촉 저항이 떨어지면 상승한다. 즉 표면 사이의 접촉부가 가까워지면 열전달 성능이 상승한다. 달리 표현하면, 컨테이너와 그것을 둘러싸는 유연한 재킷 사이에서의 양호한 열 유동 전달은 밀리미터 단위로 한정되는 2개의 벽 사이에서 잔류하는 공기 필름의 두께에 영향을 받는다.

냉각제의 공급은 열 파이프 재킷의 외측면에서 일정한 자연 대류가 일어나는 주변 공기에 의해 이루어진다. 갑작스러운 사고가 발생했을 때의 냉각을 보장하기 위하여, 공기를 강제로 대류시키는 수단이 제공되어 질 수 있다. 재킷이 열 전도성 재료로 만들어지거나 컨테이너와 재킷 사이의 접촉 저항이 낮을 경우, 상기 열전달은 재킷의 외측면에서 증가하게 된다. 또한, 바람직한 실시예에서, 파이프에는 냉각핀이 구비되어 재킷과 주변 공기 사이의 전달면적을 증가시키며 사고시에 사고를 수습할 긴 시간을 제공하게 된다.

모델링 작업과 실험이 2미터의 직경의 컨테이너에서 실측으로 행해졌다. 그 결과 프랑스 공개 특허공보 제2791805호에 설명된 성능이 나타났다.

이러한 작업을 계속하고 실용화를 위한 작업이 행해져서 컨테이너와 재킷면 사이에서의 0.3mm 이상의 평균 활동영역을 얻는 것은 어렵다는 것이 나타났다. 프로토 타입에서 얻을 수 있는 이러한 정밀도는 기존의 공구로써 실용화 단계에서 재생하기에 어려움이 있으며, 0.1mm로 활동영역을 감소시키는 시도는 제조단가를 상승시킨다. 그러나, 이러한 평균 활동영역은 장치의 성능에서 가장 중요한 요인이다.

본 발명은 높은 열 유동(heat flux)을 발산하여 열을 발생하는 물질을 장기간동안(50년 이상)보관될 수 있는 저장장치에 관한 것이다.

특히, 이러한 저장장치는 방사된 핵 연료와 같은 핵 폐기물의 장기간 저장에 사용된다. 이러한 물질을 저장함에 있어서 그 물질이 놓여지는 컨테이너의 온도는 제어가능하여야 한다.

다음으로, 도시된 한정적이지 않은 예시와 같이 본 발명의 다양한 실시예가 도면을 참조하여 하기에서 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열을 발생하는 물질을 저장하는 장치의 일부를 도식적으로 도시한 수직 단면도이다.

도 2는 장치에 설치된 컨테이너와 준-선형적으로 접하는, 본 발명에 따른 증발기의 일부를 도식적으로 도시한 수평 단면도이다.

도 3은 열을 발생하는 재료를 보지하는 컨테이너와 면접촉하는 증발기의 케이스를 도식적으로 도시하는, 도 2에 비교되는 도면이다.

도 4는 조임 수단과 연결되며 본 발명의 제 1 실시예에 따른 증발기를 보다 상세하게 나타내는, 도 2 및 도 3에 비교되는 단면도이다.

도 5는 재킷상에 선택적인 냉각핀이 존재함과 아울러 증발기 파이프를 위한 가능한 단면의 세가지 변형을 차례로 도시하는, 도 4에 비교되는 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예의 다른 변형례를 도시하는, 도 4 및 도 5에 비교되는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예의 세가지 변형례를 차례로 도시하는, 도 4 내지 도 6에 비교되는 단면도이다.

도 8은 증발기와 컨테이너 사이에서의 평균 활동영역(mm)과 열을 발생하는 물질을 보지하는 컨테이너의 두께 범위내에서의 평균 온도(℃)의 함수 관계를 도시하는 세가지 곡선[일정한 활동영역의 경우(곡선 A), 파이프 간의 접촉의 경우(곡선 B), 본 발명의 파이프의 전면과 접촉하는 경우(곡선 C)]을 나타내는 그래프이다.

도 9는 컨테이너의 원주면 방향으로 파이프의 축으로부터의 거리(mm)에 따른 열유동(W/㎡)의 분포의 함수[0.01mm의 일정한 활동영역의 경우(곡선 D), 0.3mm의 일정한 활동영역의 경우(곡선 E), 0.3mm의 평균 활동영역과 파이프의 전면이 접촉하는 경우(곡선 F)]를 나타내는 도면 그래프이다.

도 10은 증발기상에 가해지는 조임력(뉴턴 : N)에 따른 컨테이너의 최대온도(℃)의 함수관계를 도시하는 그래프이다.

본 발명의 목적은 프랑스 공개 특허공보 제2791805호에 설명된 장치에 비교되는 열을 발생하는 물질을 장기간 보관하는 장치를 제공하는 것인데, 상기 공보에서 나타난 원래 설계는 기존의 산업용 설비를 이용하여 간단하고 저렴하게 적어도 비교될만한 성능을 나타낸다.

본 발명에 있어서, 열을 발생하는 물질을 장기간 저장하는 장치는 상기 물질을 위한 전어도 하나의 차폐용 컨테이너, 상기 컨테이너를 둘러싸는 재킷을 포함하는 증발기, 상기 재킷과 일체로 되며 냉각 유체로 충진된 다수의 파이프, 상기 컨테이너상에서 상기 증발기를 조이는 조임수단을 포함하는 저장장치로서, 상기 증발기는 내측면을 구비하여 상기 조임수단은 각 파이프의 전면에서만 컨테이너의 외측면과 증발기가 밀접하게 접촉하게 하는 것을 특징으로 한다.

상기 재킷과 컨테이너 사이의 경계면과 같은 민감한 특징에 대한 테스트와 함께 이러한 장치를 설계하고 모델링하는 것은, 파이프의 전면의 한정된 구간으로 컨테이너 및 재킷 사이의 접촉면을 한정시킴으로 인하여, 전통적인 공구와 합리적인 비용으로, 실용화단계에서는 달성하기 어려운 약 0.1mm 길이의 컨테이너와 재킷 사이의 일정한 평균 활동영역을 설정할 때 상기 프랑스 공보 제2791805호에 도시된 선행기술에 따른 장치에서 달성할 수 있었던 바와 같은 수준으로, 컨테이너와 파이프 사이의 효율적인 열전달이 이루어진다는 것을 보여주었다.

바람직하게도, 파이프 사이의 증발기의 내측면은 컨테이너의 외측면의 내측면보다 높은 곡률의 반경을 구비한다.

컨테이너와 각각의 파이프 사이의 접촉구간은 양호하게 다듬어진 표면을 구비하며 특히 파이프의 단면이 원형인 경우의 라인에 한정되지 않기 때문에, 증발기의 내측면은, 각각의 파이프의 전면에서 조임수단에 의해 상기 외측면과 면접촉하는 컨테이너의 외측면에 상보적인 형상의 부품을 구비한다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 파이프는, 바람직하게는 용접에 의해 재킷을 형성하는 거의 원형 단면의 연속적인 구조체 내부에 고정된다. 이 경우, 상기 파이프는 상기 재킷과 컨테이너 사이에 위치되는 냉각 핀을 포함한다.

본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 2개의 재킷 영역 및 이웃하는 파이프 영역이 일체로 형성된 단일 부품을 포함하는 각각의 파이프는 상기 재킷을 형성하기 위하여 모서리끼리 서로 조립된다. 이웃하는 파이프 영역은 용접이나 다른 기계적인 연결수단에 의해 조립된다.

상기 파이프는 거의 사각형이거나 직사각형의 단면을 가진다. 직사각형의 경우, 파이프는 조임 수단에 의해 컨테이너의 외측면에 대하여 폐쇄된 면접촉으로 유지되는 내측면을 구비한 플랜지를 가진다.

선택적으로, 증발기의 외측면은 냉각핀을 포함할 수 있다.

최종적으로, 본 발명의 장점에 따르면, 파이프의 전면에 위치된 외측 구역에서, 상기 증발기는 컨테이너로부터 분리되어 자연 대류에 의해 공기 순환을 위한 수직 채널을 형성한다. 본 발명의 변형예에서, 상기 채널은 부가적인 차폐용 배리어를 형성하는 폐쇄된 회로의 일부분이 된다.

도 1에서, 본 발명에 따른 장치는, 예를 들면, 방사된 핵 연료로 구성된 핵 폐기물과 같은 열을 발생하는 물질을 장기간 저장하기 위한 것을 목적으로 하는 것으로서, 이러한 장치가 도시되어 있다.

일반적인 형상에서, 이러한 장치는 프랑스 공개 특허공보번호 제2791805호에 설명된 것에 비교될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기의 공보는 용이하게 조사될 수 있다.

본 발명을 충분히 이해하는데 있어서, 이러한 장치는 측면으로 형성되고 콘크리트 벽(12)에 의해 바닥을 향하는 폐쇄된 캐비티(10)를 포함한다. 상기 캐비티(10)의 크기는 하나 또는 몇 개의 컨테이너(14)가 보관될 수 있는 정도이어서, 저장되어질 상기 핵 폐기물이 처리될 수 있다. 상기 컨테이너(14)는 원통형 드럼의 형상을 구비하며, 그 축방향이 수직하게 되도록 상기 캐비티(10) 내에 배치된다.각각의 컨테이너(14)와 상기 캐비티(10)의 벽(12) 사이에 공간이 형성되어 자연 대류에 의해 주변의 공기는 순환하게 된다. 따라서, 상기 컨테이너(14)는 받침(17)의 상부의 상기 캐비티(10)의 베이스 상에 안착된다.

상기 캐비티(10)는 상기 컨테이너(14)의 각각의 상부에 제거 가능한 플러그(20)를 포함하는 콘크리트 슬라브(18)에 의해 상부가 폐쇄된다.

외부적인 별도의 에너지를 공급하는 수단 없이 수동적인 방법으로 상기 컨테이너(14)에 담긴 처리된 핵 폐기물에 의해 발산된 열을 측정하기 위하여, 열 파이프가 각각의 컨테이너에 연결된다. 보다 상세하게는, 이러한 열 파이프는 상기 컨테이너(14)를 둘러싸는 증발기(22), 상기 슬라브(18) 위에 위치된 공기 응축기(24), 상기 플러그(20)를 통하여 상기 공기 응축기(24)에 증발기(22)를 연결하는 2개의 덕트(26)를 포함한다. 상기 공기 응축기(24)는 몇 개의 컨테이너(14)에 공통적인 것일 수 있다.

100℃의 물과 같은 냉각 유체는 상기 열 파이프에 위치된다. 상기 열 파이프 내부의 이러한 유체의 상변화(증발/응축)는 상기 컨테이너(14)로 구성된 열원(heat source)으로부터 상기 공기 응축기(24)로 구성된 냉원(cold source)으로 핵 폐기물에 의해 발산되는 열을 전달하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 증발기(22)는 상기 컨테이너(14)의 외측 주변 전체를 완전히 둘러싸는 재킷(28)과 상기 재킷(28)과 일체로 된 다수의 파이프(32)를 포함한다. 상기 파이프(32)는 서로 나란하게 배열되며, 상기 컨테이너의 수직축에도 나란하며, 상기 컨테이너의 전체 주변부에서 서로로부터 동일한 거리만큼 일정하게 이격된다.

도 1에 있어서, 상기 파이프(32)는 그 낮은 쪽 단부에서 액상의 물을 분배하는 환형의 분배기(34)에 연결되며, 그 높은 쪽 단부에서 증발된 물을 수집하는 환형의 수집기(36)에 연결된다. 상기 분배기(34)와 수집기(36)는 상기 덕트(26) 중의 하나에 의해 상기 공기 응축기(24)에 별도로 연결되며, 수집기는 상기 플러그(20) 아래에 제거가능한 연결부(38)를 포함한다. 상기 파이프(32)와 수집기(34, 36)는 열 파이프에 담겨진 냉각 유체로 충진된다.

상기 증발기(22)는 조임수단(40)에 의해 제거가능하게 상기 컨테이너(14)에 설치되며, 그 실시예는 도 4를 참고하여 아래에서 설명된다.

도 2에 도시된 본 발명에 따르면, 상기 컨테이너(14)와 마주보는 증발기의 표면이 되는 상기 증발기(22)의 내측면은, 상기 조임 수단(40)이 파이프(32)의 각각의 전면에서 증발기(22)가 컨테이너(14)의 외측면(30)에 접하게 되도록 제조된다. 따라서, 상기 파이프(32) 사이에 위치되는 상기 재킷(28)의 일부는 상기 컨테이너(14)의 외측면(30)으로부터 분리되어, 상기 재킷(28)과 상기 컨테이너(14) 사이에서 균일하거나 가변적인 두께로 수직 채널(42)을 형성한다. 이러한 채널(42)은 자연 대류에 의해 상기 컨테이너(14) 주위에 공기 순환을 일으키는 굴뚝의 일부를 형성한다.

이러한 공기 순환은, 상기 컨테이너에 의해 소산되는 비동력(specific power)에 따라, 상기 컨테이너의 직경에 의해 컨테이너의 높이 또는 그보다 약간 작은 정도까지 대체적으로 층류 또는 난류 유동을 하게 된다. 유동의 난류적 성질은 컨테이너의 냉각 성능을 향상시킨다. 상기 컨테이너의 높이와 상기 수직 채널(42)의 방사상 두께가 증가함에 따라 1kw/㎡ 이상의 비열동력(specific thermal power)이 증진된다.

이러한 테스트는 1kw/㎡ 내지 3kw/㎡ 의 범위, 보다 상세하게는 2.5kw/㎡ 의 비열동력에 의해 수행된다. 그 높이는 2m 내지 5m 사이이며, 최고 높이는 열전달 성능을 향상시킨다. 수직 채널(42)에서의 순환을 증진시키면, 획기적으로 효율이 향상되며, 방사상 두께는 1cm 보다 커야 한다. 그 이유는 이러한 테스트가 4cm 내지 12cm의 방사상 두께 범위에서 수행되었기 때문이다.

환상형상에서, 자연 대류에 의한 굴뚝 효과의 발생은 아래와 같은 세가지 파라미터에 의해 제어된다.

- 굴뚝의 높이; 최근의 경우, 상기 컨테이너가 방사된 연료로 충진되면 굴뚝의 높이는 5 미터 내지 6 미터 사이의 범위이며, 이 경우 매우 강력한 흡입력을 생성한다. 그럼에도 불구하고, 짧아진 길이의 뜨거운 물체로 충진된 컨테이너에 대응하는 1미터의 높이는 동일의 효율을 만들어낸다.

- 열 유동을 생성하는 원통형 컨테이너의 존재; 상기 컨테이너는 열 유동의 훌륭한 생성기이다; 이러한 유동은 원통형 벽 상에서 균일하다고 생각되어 질 수 있다.

- 주어진 직경에서, 상기 컨테이너와 상기 재킷 사이의 환상형 공간 △R의 폭; 이 경우, 환상형 공간(42)의 폭은 이러한 형상에서 대류를 형성하기에 그 혼자만으로는 충분하지는 않다; 따라서, 상기 컨테이너의 반경 R1과 상기 재킷의 반경R2 사이의 관계는 반드시 고려되어야 한다.

상기 공기의 운동은 역장(force field)에 나타난 유동의 부피량의 변동에 의해 야기된다. 자연 대류를 지배하는 지배적 인자는 그라쇼프 계수(Gr)이지만 그 관계는 레일라이 계수를 삽입함으로써 보정된다.

2미터 근방의 직경을 가진 컨테이너에서, 계산에 의하면, 굴뚝 효과가 △R = 1cm 로부터 시작되는 것이 확인된다. 이러한 효과는 약 5 내지 6 cm 의 적정치에 도달하는 △R에 따라 증가한다 (여기서 이러한 적정치의 정의는 자연 대류에 의해 높은 냉각 시스템 성능에 의해 결합된 높은 수율의 열 파이프 증발기의 최대 효용성에 영향을 받는다). 이러한 적정치는 추출된 전체 동력(전도 + 복사 + 채널(42) 에서의 자연 대류 + 외부의 자연 대류)의 약 40%의 자연 대류에 의해 추출된 수치에 대응한다. △R = 4cm이면, 상기 굴뚝 효과에 의해 추출된 동력의 퍼센트는 전체적으로 대략 25 내지 30% 이다. 이러한 수치는 2m의 직경, 1.5m의 높이, 2.5kw/㎡의 열 유동의 모델에서 실험적으로 얻어진 값이다. 상기 수치 △R = 4cm는 40mm × 40mm의 사각형 튜브의 외측 치수에 대응하며, 이러한 내측 단면은 2상의 사이폰 모드(수동 모드)에서 안정적으로 작동하는데 필요하다.

△R = 약 6 내지 7cm를 넘어서면, 상기 굴뚝 타입의 효과는 더 이상 증가하지않으며, 이것은 △R > 10 cm 인 경우의 자유 공간에서 자유 대류를 향하여 감소시키는 경향이 있다.

이러한 수치는 열 파이프(전도에 의해 최대한 추출을 함으로써 얻을 수 있는)와 자연 굴뚝 대류에 의해 동력 추출의 결합된 위치에서 적절하게 된다.

본 발명의 주제인 시스템의 성능은 최적의 상태에서의 약 20%이다. 컨테이너에서 균일하게 생성된 동력에 있어서, 이러한 결과는 컨테이너의 표면 온도를 약 10 내지 20℃(재료의 특성에 따라 결정됨)의 표면 온도로 현저하게 낮추거나 열 유동이 2 내지 3kw/㎡ 가 되게 한다. 따라서, 이러한 추가적인 사항은 매우 중요하다.

도 2에 도식적으로 도시된 바와 같이, 상기 증발기(22)와 상기 컨테이너(14) 사이의 접촉은 각각의 파이프(32)에 수직하게 위치된 컨테이너(14)의 모선에 대응하는 준-선형 영역에 한정될 수 있다.

추가적 열 교환성능을 향상시키기 위해, 증발기(22)의 내측면은 각각의 튜브(32)의 우측에서 한정된 폭으로 그 형상이 도 3에 도시된 컨테이너(14)의 외측면(30)의 형상에 상보적인 부품(44)을 포함한다. 조임 수단(40 : 도 4)은 컨테이너(14)의 외측면(30)과 접하는 폐쇄면에 이러한 부품(44)을 보지할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 3의 표면 접촉부와 같은 도 2의 준-선택 접촉부는 컨테이너(14)의 외측면(30)의 반경보다 큰 곡률의 반경을 가진 상태로 파이프(32) 사이에서 증발기(22)에 내측면을 제공함으로써 형성된다. 따라서, 비한정적인 실시예로서, 반경이 1000mm인 컨테이너의 경우에, 파이프(32) 사이에 위치된 증발기(22)의 부품은 약 1200mm의 반경을 가진다. 증발기와 컨테이너 사이의 최대 활동영역은 예를 들면 0.85mm이다. 도 2에 도시된 바와 같은 준-선택 접촉부의 경우, 평균 활동영역은 채널(42)의 내부에서 약 0.45mm이다.

도 4에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에서, 상기 재킷(28)은 일정 거리에서 컨테이너(14)를 둘러싸는 작은 두께와 거의 원형에 가까운 단면의 연속적인 구조체의 형태이다. 이러한 구조체는 예를들면 금속판으로 구성된다. 상기 파이프(32)는 적절한 수단에 의해 상기 재킷(28)의 내부에 고정된다. 바람직하게도, 이러한 고정부는 용접 포인트에 의해 더욱 견고하게 된다.

도 4는 조임 수단(40)의 가능한 실시예를 도시한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 증발기(22)는 모선을 따라 개방되어 있으며, 컨테이너(14)의 축에 나란하게 배향된 2개의 마주보는 모서리(22a)를 포함한다. 조임 수단(40)은 2개의 모서리(22a) 사이에서 설정된다. 보다 상세하게는, 상기 조임 수단(40)은 외측으로 행하는 표면상에서 증발기의 모서리(22a)를 따라 고정된 부품(48)에 형성된 구멍을 가로지르는 다수의 볼트(46)를 포함한다. 코일형 압축 스프링(50)은 증발기(22)와 컨테이너(14) 사이의 가능한 다양한 팽창공간을 가정하여 조임력을 실질적으로 일정하게 유지하는 방식으로 각각의 볼트(46) 상에 장착된다.

도 5는 도 4에 도시된 발명의 제 1 실시예의 변형예를 도시한다. 실제적으로, 이러한 변형례는 그 반대를 나타내는 것으로부터 벗어나 서로에게로부터 분리되어 이루어진 선택적인 해결책임을 이해해야 한다.

도 5에 도시된 다른 변형례는 우선 파이프(32)의 형상에 대한 것이다. 따라서, 어떠한 경우에라도, 이러한 파이프는 원형, 사각형, 또는 직사각형이며, 길이방향으로 납작한 형상이다. 이러한 열적 배출 현상은 파이프의 전면에 위치된 증발기의 일부와 컨테이너 사이의 접촉면이 증가할 때 효율이 향상된다. 즉 원형의단면의 파이프는 사각형의 단면을 가진 파이프로 변화된다. 비록, 이러한 접촉면의 범위는 충분히 낮아서 별다른 어려움 없이 긴밀하게 접촉될 수 있다.

비한정적인 예시로서, 파이프(32)는 200mm 마다 설치될 수 있으며, 파이프의 단면이 사각형인 경우 40×40mm 또는 60×60mm가 된다.

도 5의 우측에 도시된 바와 같이, 파이프(32)와 환상의 공간(42)의 공기 순환기 사이의 열 교환은, 재킷(28)과 컨테이너(14) 사이에 위치된 냉각핀(32a)을 구비한 파이프에 의해 향상된다. 이러한 핀(32a)은 어떠한 단면의 파이프(32)에도 추가될 수 있으며, 성형된 형상이라면 상기 파이프로써 단일의 부품으로 만들어질 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 단면이 원형인 파이프가 사용되는 경우에, 상기 컨테이너(14)의 일측에 플랜지(52)를 구비한 각각의 파이프(32)를 준비함으로써 열교환성능이 향상된다. 플랜지(52)의 내측면은 상기 컨테이너(14)의 외측면(30)에 대하여 밀접하게 면접촉한다.

도 7에서, 가능한 다른 변형례가 본 발명의 제 2 실시예에 따른 증발기로서 도시된다.

이러한 제 2 실시예에서, 재킷(28)과 파이프(32)는 단일의 부품으로 만들어진다. 보다 상세하게는, 각각의 파이프(12)는 상기 재킷(28)의 2 부분(28a)과 단일의 부품으로 만들어진다. 수평면의 단면에서, 각각의 부분(28a)은 2개의 연이어지는 파이프(32) 사이의 재킷의 길이의 절반에 해당하는 길이를 가진 원호 형상을 가진다. 이웃하는 파이프(32)의 부분(28a)은 모서리와 모서리를 맞대고 조립되어컨테이너(14)의 모선을 따라 재킷(28)을 형성한다.

상기 영역(28a)의 모서리와 모서리를 조립하는 것은 도 7에 도시된 바와 같은 피시 조인트(fish joint)와 같은 기계적 연결 수단(56)에 의해 또는 용접(54)에 의해 달성된다.

파이프(32)가 원형의 단면을 가진다면, 파이프는, 본 발명에 따른 제 1 실시예의 프레임워크 내에서 도 6을 참고하여 플랜지(52)를 포함한다. 플랜지(52)는 컨테이너(14)의 외측 원통형상의 내면에 상보적인 내측면으로 구성된다. 이 경우, 증발기와 결합된 조임 수단은 컨테이너(14)의 외측면에 대하여 어떠한 활동영역 없이 밀착면의 플랜지(52)의 내측면을 유지한다.

파이프(32)와 2개의 재킷 영역(28a)으로 일체로 구성된 각각의 부품은 컨테이너(14)로부터 이격되어 외측으로 향하는 면상에 하나 또는 그 이상의 냉각핀(58)을 구비한다. 도 4 내지 도 6에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에서, 이러한 냉각 핀(58 : 도 5)이 고려될 수 있다. 이 경우, 핀(58)은 재킷(28)을 형성하는 금속판의 외측면 상에 그것을 용점함으로써 추가될 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 조임 수단은, 도 4를 참고하여 도시된 바와 같이 제 1 실시예에 사용된 것과 유사하다.

출원인에 의해 제작된 마무리 가공된 요소의 모델은, 놀랍게도, 본 발명에 따른 열 파이프 튜브(32)에 수직하게 컨테이너(14)와 접촉하는 한정된 면(0.01mm의 활동영역에 대응)을 구비한 증발기(22)로 인하여 프랑스 공개 특허공보 제2791805호에 설명된 선행기술의 증발기를 사용하여 얻어지는 열 특성과 동일한 열특성을얻을 수 있는데, 상기 프랑스 공보에서 0.1mm 의 균일한 활동영역은 증발기와 컨테이너 사이의 전체적 경계면에서 얻어진다. 그 결과, 증발기(22)의 전체면에서 0.1mm 의 균일한 활동영역을 얻는 것 보다 파이프(32)에 대하여 수직하게 접촉하는 제한된 국부적인 접촉점을 얻는 것이 훨씬 용이하기 때문에, 산업적인 관점에서 볼 경우 특히 유용하다.

이러한 결과는 도 8에 도시되는데, 도 8의 가로축은 증발기(22)와 컨테이너(14) 사이의 평균 활동영역(mm)을 나타내고 세로축은 컨테이너(14)의 두께에서의 평균 온도(℃)를 나타내는 수직 좌표계를 나타낸다. 보다 상세하게는, 곡선 A는 선행기술의 증발기의 경우에 대응하는 것으로서 균일한 활동영역이 증발기와 컨테이너 사이에서 고려되며, 곡선 B는 파이프 사이에서의 컨테이너와 국부적으로 접촉하는 증발기의 경우에 대응하며, 곡선 C는 파이프(32)의 전면에서 컨테이너(14)와 국부적으로 접촉하는 본 발명에 따른 증발기(22)의 경우에 대응한다.

하기의 표 1이 나타내는 바와 같이, 열 파이프의 효율은 파이프(32) 하에서 상기 활동영역에 영향을 받으며 작은 범위에서 증발기(22)와 컨테이너(14) 사이의 평균 활동영역에 영향을 받는다. 예를 들면, 컨테이너의 최대 온도가 155℃로 고정되면, 표 1에서 나타나듯이, 본 발명에 다른 파이프(14)의 전면의 접촉부와 0,5mm의 평균 활동영역으로써 결과가 나타난다. 이러한 결과는 달성하기 어려운 선행기술에 따른 0.1mm의 균일한 활동영역의 경우에 얻어지는 것과 비견될 수 있는 결과이다.

표 1

	컨테이너 내부의 평균온도(℃)
평균 활동영역(mm)	균일한 활동영역(mm)	파이프 전면의 접촉부	파이프 사이의 접촉부
0.01	138
0.05		140	150
0.1	153
0.3	175	149	186
0.5	193	155	203
1	224
3	283

본 발명에 따르면, 파이프(32)의 전면에서 증발기(22)와 컨테이너(14) 사이에서 접촉하는 0.5mm의 평균 활동영역이 존재한다는 것(모델링의 경우 0.01mm인 경우)은, 이러한 활동영역이 파이프(32)에 대하여 수직한 상태에서 아무 가치가 없는 것이며, 2개의 이웃하는 파이프(32) 사이에서 증발기에 의해 중앙부가 원호의 단면으로 1mm 이하의 선형임을 의미한다. 이러한 구조는 종래의 공구에 완벽하게 실용화 가능하다. 사실, 동일한 열 수율을 얻는데 있어서, 상기 접촉지역이 파이프(32)의 전면에 국한되는 상태에서 평균 활동영역을 다섯배로 배가시키는 것이 가능하다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 접촉지역은 준-선형이거나, 바람직하게는, 컨테이너의 높이 너머로 연장되는 협소한 표면의 형상일 수 있다.

도 9에서, 열 유동의 방출(W/㎡)은 증발기(22)에 의해 형성된 원호의 단면상에서 파이프의 축으로부터의 거리(mm)에 대한 함수로서 도시된다. 보다 상세하게는, 이러한 방출은 증발기(22)와 컨테이너(14) 사이에서 0.01mm로 활동영역이 균일한 경우에 D 로 표시되며, 0.3mm로 활동영역이 균일한 경우에는 E 로 표시되며, 0.3mm의 평균 활동영역과 파이프 전면에서 선접촉하는 경우에는 F 로 표시된다.

도 9에서 나타나듯이, 열 유동의 분포는 증발기와 컨테이너 사이의 활동영역의 특성에 영향을 받는다. 특히, 대부분의 열 유동은 파이프(32)에 인접한 구역으로 전달되며, 이러한 현상은 파이프 하에서 활동영역이 감소할 때 강화된다. 따라서, 0.3mm의 일정한 활동영역의 경우, 열 유동의 절반은 파이프(곡선 E)로부터 출발하여 31mm 전송되며, 0.01mm의 일정한 활동영역의 경우(곡선 D) 이러한 거리는 18mm 에 도달하게 되며, 파이프 하에서 0.3mm의 평균 활동영역(곡선 F)으로 선접촉하는 경우에는 17mm에 도달하게 된다. 도 9에 도시된 결과는 본 발명에 따른 파이프(32)에 수직하게 접촉하는 지배적인 접촉점을 확인한다. 이러한 결과는 열 테스트용 모델을 사용하여 실험적으로 확인될 수 있다.

파이프(32) 하에서 면접촉을 선접촉으로 교체함으로써, 이러한 현상은 강조된다. 결과적으로, 파이프(32) 하에서 전송된 열 유동의 전체량의 절반 정도이다.

조임 수단(40)에 의해 증발기(22)에 가해진 조임력의 영향도 고려되어진다. 그 결과는 도 10에 도시된다. 이러한 도면은 조임력(뉴턴 :N)과 컨테이너의 최대온도(℃)의 함수로 나타내어진다. 조임력이 0에서 4000N으로 증가되면 온도는 내려가게 되며, 조임력이 4000N을 넘어서면 아무런 영향을 미치지 않는다. 도 4에 도시된 바와 같은 조임 수단(40)으로 인하여 특별한 문제없이 4000N의 수치에 도달할 수 있게 된다.

도 7을 참조하여 설명되는 제 2 실시예(재킷 영역(28a)과 파이프(32)가 하나로 일체가 된것)와 도 2의 준-선형 접촉의 원리를 조합함으로써 얻어지는 본 발명에 따른 증발기(22)는, 도 2를 참조하여 위에서 지적된 수치(1000mm의 반경의 컨테이너, 1200mm의 곡률 반경의 증발기, 0.85mm의 최대 활동영역, 파이프하에서 준-선형 접촉)로 우선 테스트 되었다. 이러한 증발기가 실제적으로는 달성하기 힘든 컨테이너에 대한 0.01mm의 평균 활동영역을 구비한 선행 기술인 증발기와 열적으로 균등하다는 점은 실험으로 확인된다.

이러한 과정 다음으로, 상기 증발기(22)는 도 3이 특징(면접촉)과 본 발명의 제 2 실시예를 조합함으로써 제조되었다. 이 경우, 선행기술의 특징에서 나타나는 문제점을 겪을 위험 때문에 파이프(32)에 수직한 접촉면은 너무 폭이 넓지 않아야 한다. 2000mm 직경의 컨테이너(14)에서, 40 내지 60mm의 폭의 접촉 지역은 증가된 열적 수율 및 복잡하지 않은 제품을 얻을 수 있는 좋은 징조이다.

재킷(28)의 가장 큰 부분은 열 유동의 통로에서 매우 부분적인 영역만을 가지기 때문에, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명된 제 1 실시예는 세 번째 실험 단계를 이룬다. 실제적으로, 이러한 실시예는 제조 단가를 낮춘 상태에서 허용가능한 열적 수율을 유지할 수 있게 한다. 파이프(32)의 외측 치수와 동일한 컨테이너(14)로부터 일정거리 이격된 재킷(28)을 교체함으로써, 모든 제조 오차는 제거된다. 상기 재킷(28)은 파이프(32)를 둘러싸거나 컨테이너(14) 상에 그것을 보지할 수 있는 연속적인 원형 구조를 형성한다.

또한, 왕관 형상의 환상의 공간은 상기 재킷과 컨테이너 사이에 형성된다. 이러한 공간은 도 2의 채널(42)에 대응된다. 이것은 굴뚝 효과의 전개를 촉진하여, 대기의 공기가 자연 대류의 영향하에서 수직하게 순환하도록 채널을 따라 유동하게 하여, 그 구동은 컨테이너(14)의 열 동력에 의해 이루어진다. 따라서, 컨테이너와 바로 접촉하는 것으로부터 결과가 발생하기 때문에 매우 효과적인 독립적 수동 냉각이 가능해진다. 이러한 냉각 효과는 컨테이너와 접하는 열 파이프의 냉각 성능을 상승시킨다. 이러한 실시예에서의 전체 수율은 낮은 제조 단가로 선행기술의 수율보다 크다.

재킷(28) 외부의 공기의 자연 대류는 크게 영향을 받지 않으며 이러한 현상은 2개의 선행하는 현상에 추가된다.

수직 채널(42)에서의 이러한 난류 유동은 매우 효과적이어서, 유동 회로에 의해 제거되는 열 유동을 감소시킬 수 있게 된다. 이러한 감소는 두가지 점에서 유용하다. 첫째로, 갑작스러운 파손이 유동 회로에 영향을 미치면, 처리하기 위한 지연 시간이 길어지며, 둘째로, 아주 장시간 동안, 열 유동의 감소를 고려하여 유동 회로의 활동성을 감소시키는 날짜가 현저하게 길어진다.

본 발명에 따른 실시예의 변형례는 당업자에게 알려진 수단을 사용하여 폐쇄 회로에서 수직 채널(42)에서 순환하는 공기를 추출하는 것을 포함한다. 또한, 이러한 변형례는 보충적인 차폐를 위한 밀봉된 배리어를 형성하거나, 가능한 사고의 경우에서 안전성을 확보하고, 공기를 저장하는데 열이 영향을 미치는 것을 피할 수 있는 장점을 제공한다.

전술한 사항 중에서, 재킷(28)은 지점에서 콘크리트 구조물과 마주보는 스크린으로써 역할을 하며, 그것은 2면에서 냉각되며 파이프(32)와 열적 연속성이 없으므로 그 온도는 선행 기술에 사용된 재킷의 온도보다 낮다.

결국, 본 발명에 따른 장치의 고성능으로 인하여 사용된 재료의 열전도성이 가 열 수율에 거의 기여하지 않는다. 따라서, 설계자는 선행기술보다 재료의 선택의 폭이 훨씬 넓다.

Claims (15)

1. 열을 발생하는 물질을 위한 적어도 하나의 차폐용 컨테이너(14), 상기 컨테이너(14)를 둘러싸는 재킷(28)을 구비하는 증발기(22), 냉각 유체로 충진되고 재킷(28)과 일체로 형성된 다수의 파이프, 및 상기 컨테이너(14) 상에서 증발기(22)를 조이는 조임수단(40)을 포함하는 열을 발생하는 물질을 장기간 저장하기 위한 저장장치에 있어서,

   상기 증발기(22)는 내측면을 구비하여 상기 조임수단(40)에 의해 상기 증발기(22)가 각 파이프(32)의 전면에서만 컨테이너(14)의 외측면(30)과 밀접하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 열을 발생하는 물질을 장기간 저장하기 위한 저장장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 증발기(22)의 내측면은 파이프(32) 사이에서 컨테이너(14)의 외측면(30)의 곡률반경보다 큰 곡률반경을 가지는 것을 특징으로 하는 열을 발생하는 물질을 장기간 저장하기 위한 저장장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 증발기(22)의 내측면은, 각 파이프(32)의 전면에서, 상기 조임수단(40)에 의해 상기 외측면과 밀접하게 면접촉하는 컨테이너(14)의 외측면(30)과 상보적인 형상의 부품(44)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 파이프(32)는 재킷(28)을 형성하는 거의 원형 단면의 연속적인 구조체 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 파이프(32)는 용접에 의해서 상기 재킷(28)의 내측에 고정되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 파이프(32)는 상기 재킷(28)과 컨테이너(14) 사이에 위치된 냉각 핀(32a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저장장치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   각각의 파이프(32)는 2개의 재킷 영역(28a)과 하나의 부품으로 만들어지며, 이웃하는 파이프(32)와 일체로 형성된 상기 재킷영역(28a)은 상기 재킷(28)을 형성하도록 모서리와 모서리가 조립되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   이웃하는 파이프(32)와 일체로 형성된 상기 재킷(28a)은 용접부(54)에 의해조립되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   이웃하는 파이프(32)와 일체로 형성된 재킷영역(28a)은 기계적인 연결수단(56)에 의해 조립되는 것을 특징으로 하는 저장장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 파이프(32)는 거의 사각형 또는 직사각형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 저장장치.
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 파이프(32)는 거의 원형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 저장장치.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 파이프(32)는 조임수단(40)에 의해 컨테이너(14)의 외측면에 대하여 밀접하게 면접촉하는 하나의 외측면을 가진 플랜지(52)를 구비하는 것을 특징으로 하는 저장장치.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 증발기(22)의 외측면은 냉각핀(58)을 구비하는 것을 특징으로 하는 저장장치.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 파이프(32)의 전면에 위치된 구간에서 이격되어, 상기 증발기(22)는 컨테이너(14)로부터 일정거리 이격되어 위치되어, 자연 대류에 의해 공기 순환을 위한 수직 채널(42)을 형성하는 것을 특징으로 하는 저장장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 채널(42)은 차폐체를 구성하는 폐쇄 회로의 일부인 것을 특징으로 하는 저장장치.