KR20160129557A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

복수의 플레이트를 적층하여 조립되는 열교환기에 있어서, 원자로용기 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 내측면의 폭이 상기 원자로용기의 중심부를 향해 갈수록 좁아지도록, 서로 마주보는 측면에 형성되는 테이퍼부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기에 관한 것이다. 이에 의해, 배치공간이용 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 원자로용기 내부에 배치되어, 배치공간의 손실을 저감하는 열교환기에 관한 것이다.

인쇄기판형 열교환기는 영국 Heatric 사(US 4665975A, 1987.05.19 공개)에서 개발되어 일반 산업분야에 매우 다양하게 이용되고 있다.

인쇄기판형 열교환기는 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)에 의한 조밀한 유로배치 및 확산접합 기술을 이용하여 열교환기의 판 사이의 용접을 없앤 구조의 열교환기이다.

이로써, 인쇄기판형 열교환기는 고온 고압의 환경에 대한 내구성이 강하고, 고집적도와 우수한 열교환 성능 등의 장점을 가짐에 따라 냉난방시스템, 연료전지, 자동차, 화학 공정, 의료기기, 원자력, 정보 통신 장비, 극저온 환경 등의 증발기, 응축기, 냉각기, 라디에이터, 열교환기, 반응기 등 매우 다양한 분야로 적용범위가 확대되고 있다. 또한, 인쇄기판형태의 제작 기술은 광화학적 식각 기술(Photo-chemical etching technique)을 이용하므로 일반 가공 방식보다는 매우 자유롭게 유로를 가공할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 예 중의 하나로 활용할 판형 열교환기는 100년 넘게 산업계에서 광범위하게 적용되고 있다. 판형(plate type) 열교환기는 일반적으로 판을 압출하여 유로를 형성하여 결합시킨다. 이에 따라 인쇄기판형 열교환기와 적용분야는 유사하나 압력이 낮은 저압 환경에서 더 많이 이용되고 있다. 판형 열교환기의 열교환 성능은 인쇄기판형 열교환기에 비해 작고, 쉘 앤 튜브(shell and tube)형 열교환기에 비해 우수한 특성이 있다. 또한 판형 열교환기는 인쇄기판형 열교환기에 비해 제작이 간편한 특성이 있다.

본 발명에서 플레이트형 열교환기 또는 증기발생기라 함은, 특별한 언급이 없는 한, 일반적인 판형과 인쇄기판형 열교환기 또는 증기발생기뿐만 아니라 플레이트(판)의 가공 방법이나 접합 방법에 차이가 있는 경우의 열교환기 또는 증기발생기를 모두 포괄적으로 지칭한다.

한편, 도 1a 내지 도 1d는 일체형 원자로에서 사각형태의 증기발생기 모듈(11)이 각각 다양한 개수로 배치된 모습을 보여주는 평면도이다.

도 1a에 8대의 증기발생기 모듈(11)이, 도 1b에 12대의 증기발생기 모듈(11)이, 도 1c에 18대의 증기발생기 모듈(11)이, 도 1d에 16대의 증기발생기 모듈(11)이 원자로용기(10) 내부에 원주방향을 따라 배치되어 있다.

그러나, 상기 원자로용기(10) 내부에 증기발생기가 배치되는 경우에 서로 인접한 증기발생기 모듈(11) 사이에 형성되는 사공간(dead space)으로 인해 원자로용기(10) 내부의 공간손실이 커서, 플레이트형 증기발생기의 큰 장점 중의 하나인 증기발생기의 공간 최소화를 최대한 살리기 어려운 단점이 있다. 또한, 원자로용기(10) 내부에 배치되는 증기발생기의 개수 대비 열교환 효율이 떨어지므로, 즉 사공간으로 인해 증기발생기가 많은 공간을 차지하므로, 원자로용기(10)의 크기를 축소하는데 한계가 있다.

또한, US 8272429 B2의 특허문헌을 참조하면, 원형 용기 내부에 사각형 형태의 열교환기가 배치되고, 열교환기에 수평유로가 배치되는 구조가 제시되어 있으나, 이는 원전의 고유 유동 흐름 방향과 일치하지 않으므로, 정상운전 시의 유동 저항을 증가시키고, 사고 시의 자연순환 흐름을 저하시키는 단점이 있고, 사각형 형태로 많은 사공간을 차지하므로 콤팩트한 일체형 원자로를 구성하는데 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 일 목적은, 판형 또는 인쇄기판형 열교환기를 원자로용기 내부에 배치할 경우에 배치공간의 손실을 최소화함에 따라 원자로용기의 크기를 최적화시킬 수 있는 열교환기를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열교환기는 복수의 플레이트를 적층하여 조립되는 열교환기로서, 원자로용기 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 내측면의 폭이 상기 원자로용기의 중심부를 향해 갈수록 좁아지도록, 서로 마주보는 측면에 형성되는 테이퍼부를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 열교환기의 외형이 다각형 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수의 플레이트는 각각 서로 다른 유로분률을 가질 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 플레이트는 확산접합에 의해 조립될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 플레이트는 개스킷 또는 용접 어느 하나에 의해 조립될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수의 플레이트 중 적어도 하나는 타 플레이트와 유로가 형성된 폭이 다른 부분을 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 열교환기의 양쪽 측면이 절단된 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기는 복수의 플레이트를 적층하여 조립되는 열교환기로서, 원자로용기 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 전체 면에 유로가 형성되는 플레이트를 적층하여 조립되는 복수의 플레이트집합체를 포함하고, 상기 복수의 플레이트집합체는, 제1플레이트집합체; 및 상기 제1플레이트집합체의 양쪽 측면에 각각 결합되고, 측면의 가로길이가 상기 제1플레이트집합체보다 더 짧은 제2플레이트집합체로 구성될 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트집합체에 각각 헤더가 설치될 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 복수의 플레이트집합체는 하나의 헤더에 의해 연결될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예 또는 다른 일 예에 따르면, 상기 플레이트 사이에 유로의 손상 여부를 감시하기 위한 감시유로를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예 또는 다른 일 예에 따르면, 상기 복수의 플레이트 중 2차 유로를 형성하는 플레이트는 상기 2차 유로에 유로저항부를 구비할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예 또는 다른 일 예에 따르면, 상기 복수의 플레이트 중 1차 유로를 형성하는 플레이트 또는 2차 유로를 형성하는 플레이는 적어도 일부가 개방된 개방형 또는 유선형 구조의 유로를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예 또는 다른 일 예에 따르면, 상기 복수의 플레이트에 형성되는 1차 유로, 2차 유로 및 감시유로 중 어느 하나의 유로는 서로 겹쳐진 두 개의 플레이트 사이에 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예 또는 다른 일 예에 따르면, 상기 제2 내지 제n플레이트집합체는, 측면의 가로길이가 제2플레이트집합체에서 제n플레이트집합체로 갈수록 점점 짧아질 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 플레이트형 열교환기 및 증기발생기를 다양한 형상으로 제작가능하여 원자로용기 내부에 열교환기 또는 증기발생기를 효율적으로 배치할 수 있고, 원자로용기의 내부공간 활용도를 효율적으로 높일 수 있다.

또한, 다각형 구조로 제작된 증기발생기를 일체형 원자로 내부에 장착하는 경우에 공간 이용 효율이 약 20% 이상 증가된다.

또한, 원자로용기 내부의 주요 기기 및 내부 구조물의 크기 축소로 소요되는 유지보수 공간이 줄어들어, 원자로건물의 크기가 감소하여 원전의 경제성이 향상될 수 있다.

또한, 원자로용기 내부에 플레이트형 열교환기 또는 증기발생기를 콤팩트하게 배치하여 원자로용기의 크기가 감소하므로, 원자로용기 제작비용이 감소하고, 하중 요건이 완화될 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 일체형 원자로에서 사각형태의 증기발생기 모듈이 각각 다양한 개수로 배치된 모습을 보여주는 평면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 열교환기의 다양한 배치 구조를 보여주는 평면도이다.
도 3은 일체형 원자로의 원자로용기 내부에 배치된 증기발생기의 수직단면을 보여주는 개략도이다.
도 4는 종래의 열교환기(직사각형 열교환기)와 본 발명의 열교환기 크기를 비교하기 위한 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 플레이트형 열교환기의 세부형상을 보여주는 평면도 및 측면도이다. 도 5b 및 도 5c는 도 5a에서 A-A 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 플레이트형 열교환기의 세부형상을 보여주는 평면도 및 측면도이다. 도 6b 및 도 6c는 도 6a에서 B-B 단면도이다.
도 7은 도 5c의 플레이트집합체를 보여주는 평면도 및 유로단면 측면도이다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.
도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.
도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.
도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.
도 10c는 유선형 유로가 형성된 플레이트를 보여주는 단면도이다.
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.
도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.
도 11c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 감시용 유로 플레이트를 보여주는 개략도이다.

이하, 본 발명에 관련된 열교환기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 본 명세서에서 플레이트형은 특별히 명시되지 않는 한 판형과 인쇄기판형을 포괄적으로 지칭한다.

본 발명은 플레이트형 열교환기 및 증기발생기(110)의 배치에 관한 것이다.

본 명세서에서 기재된 열교환기는 원전 등에서 발생하는 열에너지를 동력으로 변환시키기 위해 증기를 발생시키는 증기발생기(110)를 포함한다.

본 발명은 복수의 열교환기 또는 증기발생기(110)를 원자로용기(100) 내부에 배치할 경우에 공간손실을 최소화하여 최적화된 크기의 원자로용기(100)를 제공하기 위해 도출된 것이다.

상기 열교환기의 배치공간 손실을 최소화하기 위해 플레이트형 열교환기 및 증기발생기(110)가 다각형 구조를 가지도록 플레이트의 유로 구조를 제공하고, 플레이트의 접합 또는 용접, 조립, 가공을 통해 열교환기 및 증기발생기(110)를 구성하는 방법을 제시한다.

이러한 열교환기나 증기발생기(110)의 배치구조를 적용하는 경우에, 공간의 제약조건이 많은 곳에도 다양한 형태로 플레이트형 열교환기나 증기발생기(110)를 적용할 수 있으며, 일체형 원자로에 적용하는 경우 약 20% 이상의 공간 손실을 제거할 수 있어, 일체형 원자로의 경제성 향상에 크게 기여할 수 있다.

여기서, 본 발명은 판형 또는 인쇄기판형 열교환기에도 적용할 수 있으므로, 적용 대상을 원전의 증기발생기(110)로 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 플레이트형 열교환기 또는 증기발생기(110)는 2가지 실시예로 제조될 수 있다.

예를 들면, 첫째로, 서로 동일한 크기를 갖는 적어도 2개 이상의 플레이트를 적층시켜 증기발생기(110)를 조립하되, 유로가 전체적으로 배치된 플레이트와 유로가 부분적으로 배치된 플레이트를 적층시켜 결합한 후, 유로가 형성되지 않은 부분을 절단함에 따라 다각형 구조의 증기발생기(110)를 제조할 수 있다.

둘째로, 유로가 전체적으로 배치된 적어도 2개 이상의 플레이트를 적층시켜 증기발생기(110)를 조립하되, 서로 다른 크기, 즉 동일한 수직길이(세로)와 서로 다른 수평길이(가로)를 갖는 플레이트를 적층함에 따라 다각형 구조의 증기발생기(110)를 제조할 수 있다.

상기한 실시예에 따라 제조된 열교환기가 원자로용기(100) 내부에 원주방향을 따라 배치될 경우 배치공간의 이용효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 플레이트형을 이용하는 열교환기 또는 증기발생기(110)는 매우 큰 열전달 면적을 만들 수 있어 종래의 쉘 & 튜브형 열교환기 또는 증기발생기(110)에 비해 크기를 대폭 줄일 수 있다.

플레이트형의 경우 열교환 효율이 우수한 종래의 플레이트형 열교환기 기술을 적용할 수 있으며, 유로저항을 감소시키기 위한 일부 개선 사항(유로면적 증가)을 적용하는 경우에도 열교환 효율이 우수해 종래의 쉘 & 튜브형 증기발생기에 비해 크기를 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명을 일체형 원자로에 적용할 경우 증기발생기(110)의 크기가 약 20% 이상 추가로 감소하여 더욱 효과적이다. 이에 따라 원자로용기(100)와 원자로건물의 크기를 줄일 수 있어, 원전의 경제성을 더욱 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 열교환기의 다양한 배치 구조를 보여주는 평면도이다.

본 발명에 따른 열교환기는 원자로용기(100) 내부에 원주방향을 따라 서로 인접하게 배치된다. 열교환기의 개수는 원자로에 따라 달라질 수 있다.

이하에서 설명될 증기발생기(110)는 열교환기의 일 구현예로서, 증기발생기(110)의 형태 및 구성은 열교환기에 동일하게 적용될 수 있다. 그리고, 열교환기의 형태 및 구성도 증기발생기(110)에 동일하게 적용가능하다.

도 2a에 도시된 열교환기는 증기발생기(110)이며, 원자로용기(100) 내부에 8대의 증기발생기(110)가 원주방향을 따라 배치된다. 이 경우 서로 인접한 두 증기발생기(110)의 간격은 대략 45도일 수 있다.

상기 증기발생기(110)는 양쪽 측면에 복수의 플레이트를 추가로 배치하여 다각형으로 형성될 수 있다. 이때, 추가로 배치되는 플레이트의 적층방향은 도 2a의 평면도에서 각 증기발생기(110)의 양쪽 측방향이다.

예를 들어, 증기발생기(110)의 수평 단면의 외형은 6각형일 수 있고, 6각형 수평단면형태를 더욱 상세히 살펴보면, 증기발생기(110)의 안쪽 측면(내측 가장자리면)과 바깥쪽 측면(외측 가장자리면)은 서로 평행하며 원자로용기(100)의 반경방향에 대하여 직각을 이룰 수 있다. 또한, 증기발생기(110)의 양쪽 측면의 일부(외측 가장자리면과 가까운 부분)는 원자로 용기의 반경방향과 평행할 수 있고, 증기발생기(110)의 양쪽 측면의 나머지 일부(내측 가장자리면과 가까운 부분)에 테이퍼부가 형성될 수 있다.

상기 테이퍼부는 증기발생기(110)의 바깥쪽 측면에서 안쪽 측면으로 갈수록 안쪽 측면의 폭이 좁아지도록 증기발생기(110)의 양쪽 측면 중 나머지 일부를 형성한다.

또한, 증기발생기(110)의 후면에 입출구 헤더가 구비되어, 증기발생기(110) 내부의 각 플레이트의 유로에 유체를 분배하거나 각 유로로부터 유체를 수집할 수 있다.

도 2b에 도시된 원자로용기(100) 내부에는 12대의 증기발생기(110)가 배치되어 있다.

도 2c에 도시된 원자로용기(100) 내부에는 18대의 증기발생기(110)가 배치되어 있다.

도 2d에 도시된 원자로용기(100) 내부에는 8대의 증기발생기(210)가 배치되어 있다.

다만, 헤더(211)의 형태를 변경하여 증기발생기(210)의 크기를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 헤더(211)의 두께(원자로용기(100)의 반경방향 폭)가 두꺼워지고, 증기발생기(210)의 양쪽 측면에 추가 배치되는 플레이트와 연결되는 헤더(211)의 양쪽 측면부가 경사지게 형성됨에 따라, 증기발생기(210)의 추가 배치되는 플레이트의 길이를 연장시킬 수 있다.

도 2e에 도시된 원자로용기(100) 내부에는 8대의 증기발생기(110)가 배치되어 있다.

다만, 8대의 증기발생기(110)는 4대의 직사각형 증기발생기(11)와 4대의 육각형 증기발생기(110)로 구성될 수 있고, 직사각형 증기발생기(11)와 육각형 증기발생기(110)는 서로 교호적으로 배치될 수 있다.

도 2f에 도시된 원자로용기(100) 내부에는 16대의 증기발생기(110)가 배치되어 있다.

다만, 도 2f에 도시된 증기발생기(11,110) 중 8대는 평면도에서 봤을 때 직사각형의 수평단면형태를 가지는 증기발생기(11)이고, 나머지 8대는 다각형의 수평단면형태를 가지는 증기발생기(110)일 수 있다. 직사각형의 증기발생기(11)와 다각형의 증기발생기(110)는 원주방향을 따라 서로 교호적으로 배치될 수 있다.

도 2a 내지 도 2f에 도시된 다각형 구조의 증기발생기(110)에 따르면, 증기발생기(110)의 배치공간을 약 20% 이상 절감할 수 있다. 다만, 원자로용기(100) 내경이 큰 구조에서는 공간효율 절감효과가 감소하고, 내경이 작은 구조에서는 증가할 수 있다.

도 2e 및 도 2f에 도시된 증기발생기(110)에 따르면, 다각형 구조의 증기발생기(110)와 종래의 직사각형 구조의 증기발생기(11)가 혼합 구성되고, 이는 원자로용기(100) 상부에 장애물 등이 있어서 증기발생기(110)를 용기 안쪽으로 빼내는 구조의 원전에서 증기발생기(11)의 인출을 고려한 것이다.

도 3은 일체형 원자로의 원자로용기(100) 내부에 배치된 증기발생기(110)의 수직단면을 보여주는 개략도이다.

원자로용기(100) 내부 중심부 하측에 노심(12)이 설치되고, 복수의 증기발생기(110)가 원자로용기(100)의 수직중심선을 기준으로 원자로용기(100) 내부 양측에 대칭되도록 배치된다. 복수의 증기발생기(110)는 원자로용기(100)의 수직단면을 기준으로 횡방향(수평방향) 길이에 비해 종방향(수직방향)으로 길게 형성될 수 있다. 증기발생기(110)는 플레이트형 열교환기와 동일하게 구성될 수 있다.

증기발생기(110) 사이에 복수의 제어봉구동장치(13)가 배치되어, 제어봉을 노심(12)으로 삽입하거나 노심(12)에서 제어봉을 인출시킬 수 있다.

원자로용기(100) 상부에 가압기(15)가 설치되어, 냉각재의 비등을 억제하고 운전 압력을 제어할 수 있다.

원자로용기(100) 내부에 원자로냉각재펌프(14)가 설치되어, 일차계통 유체를 순환시킬 수 있다.

증기발생기(110)의 하부 측면에 입구헤더(121)가 설치되고, 입구헤더(121)에 급수계통이 주급수관(16)에 의해 연결되어, 급수계통으로부터 이차계통 유체가 증기발생기(110)로 공급될 수 있다.

증기발생기(110)의 상부 측면에 출구헤더(122)가 설치되고, 출구헤더(122)에 터빈계통이 주증기관(17)에 의해 연결되어, 증기발생기(110)에서 일차계통의 유체로부터 열을 이차계통의 유체로 전달함에 따라, 증기발생기(110)에서 생성된 증기가 터빈계통으로 공급될 수 있다.

증기발생기(110)의 측면에 감시용 헤더(123)가 설치되고, 감시용 헤더(123)에 센서(130)가 설치되어, 증기발생기(110)의 손상 여부를 판단할 수 있다.

도 3에 도시된 원자로용기(100)에 배치된 증기발생기(110)의 작동과정을 설명하기로 한다.

1) 1차유체의 이동경로: 노심(12)에서 열을 전달받아 온도가 상승한 원자로냉각재계통의 1차 유체는 원자로냉각재펌프(14)의 순환동력에 의해 증기발생기(110)의 상부로 유입되고, 플레이트의 한쪽 유로(1차유로)를 따라 흐르며, 2차유체와 열교환한 후 냉각되면서 증기발생기(110) 하부의 1차유체 출구헤더(122)와 방출관을 통해 원자로냉각재계통으로 방출되어 노심(12)으로 다시 유입된다.

2) 2차유체의 이동경로: 급수계통의 급수펌프 순환동력에 의해 증기발생기(110) 하부의 급수 입구헤더(121)로 공급된 2차유체(급수)는 플레이트의 다른 한쪽 유로(2차유로)를 따라 흐르며, 1차유체로부터 열을 전달받아 2차유체는 점차 증기로 바뀌며, 2차유체(증기)는 증기발생기(110) 상부의 2차유체 출구헤더(122) 그리고 증기관(17)을 통해 터빈계통으로 공급된다.

3) 감시용 유로: 1차 유체 또는 2차 유체의 유로가 손상되어, 1차 또는 2차 유체가 감시용 유로로 유출되는 경우, 감시용 유로의 상태가 바뀌고, 감시용 유로의 연결된 유로를 따라 감시용 헤더(123)로 모아져 센서(130)로 계측된다. 기설정값 이상의 이상 상태가 감지되면 열교환기 또는 증기발생기(110) 관련 설비를 중지한다.

도 4는 종래의 열교환기(직사각형 열교환기)와 본 발명의 열교환기 크기를 비교하기 위한 개략도이다.

도 4는 열교환기 내부에 복수의 플레이트가 결합된 모습을 보여주고, 각 플레이트에 유로가 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 열교환기의 형태는 원자로용기의 상부에서 바라본 수평단면형태이다.

도 4에서 위쪽에 위치한 직사각형 플레이트 모듈(11)은 동일한 크기의 플레이트를 결합시킨 것이고, 도 4의 아래쪽에 위치한 다각형 플레이트 모듈(110)은 상기 직사각형 플레이트 집합체의 양쪽 측면(도 4 기준으로 상측면과 하측면)에 서로 다른 크기의 플레이트를 수평선 기준으로 대칭되도록 추가 결합시킨 것이다.

도 4에서 상부의 직사각형 플레이트 모듈(11)은 종래의 열교환기에 사용되는 것이고, 하부의 다각형 플레이트 모듈(110)은 본 발명에 따른 열교환기에 사용될 수 있다.

도 4에 따르면, 본 발명의 열교환기(110)는 종래의 열교환기(11)에 비해 열교환용 플레이트의 추가로 열교환기의 크기가 측방향(도 4에서는 상하방향임, 빗금친 부분)으로 확대되었음을 알 수 있다.

이와 같이 확대된 열교환기(110)는 종래와 동일한 크기의 원자로용기 내부에 동일한 대수로 배치됨에 따라 열교환량을 증가시킬 수 있다. 원자로용기에 확대된 증기발생기가 배치된 경우라면, 일차계통의 유체로부터 더 많은 열량을 이차계통의 유체로 전달함에 따라 증기생성량을 증가시킬 수 있다.

도 5a는 본 발명의 플레이트형 열교환기의 세부형상을 보여주는 평면도 및 측면도이다. 도 5b 및 도 5c는 도 5a에서 A-A 단면도이다.

도 5a의 플레이트형 열교환기는 원자로용기 내부에 수직하게 배치되고, 열교환기의 외형을 이루는 열교환기케이싱(111)과, 열교환기케이싱(111)에 형성된 입구헤더(112a,121), 출구헤더(112b,122)를 포함한다.

열교환기케이싱(111) 상부에 1차계통수용 입구안내부 또는 입구헤더(112a)가 형성되어, 증기발생기(110)의 1차측 입구로 1차계통(원자로냉각재계통) 유체의 유량을 분배하고 유체 유동을 원활하게 형성할 수 있다. 이는 옵션 사항이므로 반드시 설치되어야 하는 것은 아니다.

열교환기케이싱(111) 하부에 1차계통수용 출구헤더(112b)가 형성되어, 증기발생기(110)에서 방출되는 1차계통수를 모아 원자로냉각재계통의 순환유로로 제공할 수 있다. 이는 반드시 갖추어야 하는 구성은 아니며, 원자로냉각재펌프 및 원자로냉각재계통의 특성에 따라 다르게 배치될 수 있다.

열교환기케이싱(111) 하부 측면에 급수용 입구헤더(121)가 형성되고, 급수계통(급수관)이 원자로용기 측면에 설치되는 연결노즐(114)을 통해 급수용 입구헤더(121)와 연결될 수 있다. 열교환기케이싱(111) 상부에 증기용 출구헤더(122)가 형성되고, 터빈계통(증기관)이 원자로용기 측면에 설치되는 연결노즐(114)을 통해 증기용 출구헤더(122)와 연결될 수 있다. 이에 의해, 열교환기케이싱(111) 내부로 급수되거나 증기가 열교환기케이싱(111) 외부로 배출될 수 있다.

도 5b는 열교환기의 측면에 미세그룹단위의 플레이트집합체를 미세그룹별로 서로 다른 크기로 접합 구성한 열교환기를 보여주는 수평단면도이다.

열교환기케이싱(111) 내부에 플레이트집합체(110a,110b)가 구비된다. 플레이트집합체(110a,110b)는 다수개의 플레이트를 적층 결합한 것이다. 각 플레이트에는 고온의 유체가 흐르는 복수의 유로 또는 저온의 유체가 흐르는 복수의 유로를 가진다. 고온 및 저온 유체는 상대적인 것으로서, 열원을 공급하는 유체를 고온 유체라고 하고, 열원을 공급받는 유체를 저온 유체라고 한다. 예를 들어, 고온 유체는 원전에서 일차계통의 유체일 수 있고, 저온 유체는 이차계통의 유체일 수 있다.

고온 유체의 플레이트(110b1)와 저온 유체의 플레이트(110b2)는 서로 교호적(1 대 1)으로 적층 배치되거나, 고온 유체 플레이트(110b1)가 다수개(2개 또는 3개) 연달아 배치된 다음 저온 유체 플레이트(110b2)가 1개 배치될 수 있다. 반대로 고온 유체 플레이트(110b1)가 1개 배치된 다음, 저온 유체 플레이트(110b2)가 다수개 배치될 수 있다.

도 5b에 도시된 열교환기의 중간에 동일한 크기의 플레이트가 적층 결합된 제1플레이트집합체(110a)가 배치되고, 제1플레이트집합체(110a)의 상부측면과 하부측면에 서로 다른 횡방향 길이를 갖는 미세그룹단위의 제2 내지 제n플레이트집합체(110b)가 적층 결합된다.

미세그룹단위의 제2 내지 제n플레이트집합체(110b)는 열교환기의 배치공간 손실 저감을 위해 열교환기에 추가로 배치되는 열교환 플레이트이다.

다각형 열교환기의 측면 가장자리부에 테이퍼부(110c)를 형성하기 위해, 제2 내지 제n플레이트집합체(110b)는 제1플레이트집합체(110a)에서 멀어질수록, 즉 제2플레이트집합체(110b)에서 제n플레이트집합체로 갈수록 각 플레이트집합체의 측면 가로길이(횡방향 길이)가 점점 짧아질 수 있다.

이에 의해, 열교환기의 상부 또는 하부방향으로 가장 바깥쪽에 위치한 길이가 가장 짧은 미세그룹단위의 제n플레이트집합체의 길이를 제외하면, 열교환기의 오른쪽 가장자리부에서 왼쪽 가장자리부로 갈수록 열교환기의 상부측면과 하부측면 사이의 폭이 점점 좁아진다. 이는 열교환기가 원자로용기 내부에 원주방향을 따라 배치될 경우에 열교환기 사이의 간격을 최소로 좁히고 열교환기의 크기를 확대하기 위함이다.

상기 미세그룹단위의 제2 내지 제n플레이트집합체(110b)란 일정한 두께를 갖는 플레이트가 소그룹으로 예를 들면 2개 또는 3개로 그룹을 지어 결합된 플레이트를 말한다. 미세그룹단위의 플레이트 개수는 정해진 값은 아니고 설계조건에 따라 달라질 수 있다. 그리고, 미세그룹단위의 플레이트집합체(110b) 대신에 길이가 서로 다른 낱개의 플레이트가 제1플레이트집합체(110a)의 상부 및 하부 측면에 적층 결합될 수 있다.

도 5c는 열교환기의 측면에 그룹단위의 플레이트집합체(310a,310b)를 그룹별로 서로 다른 크기로 접합 구성한 열교환기를 보여주는 수평단면도이다.

도 5c에 도시된 열교환기의 중간에 동일한 크기의 플레이트가 적층 결합된 제1플레이트집합체(310a)가 배치되고, 제1플레이트집합체(310a)의 상부측면과 하부측면에 서로 다른 횡방향 길이를 갖는 그룹단위의 제2플레이트집합체(310b)가 적층 결합될 수 있다.

여기서, 상기 그룹단위의 플레이트집합체란 일정한 두께를 갖는 플레이트가 예를 들면 4개 내지 6개로 그룹을 지어 결합된 플레이트를 말한다. 그룹단위의 플레이트 개수는 정해진 값은 아니고 설계조건에 따라 달라질 수 있다.

그룹단위의 플레이트집합체(310a,310b)는 미세그룹단위의 플레이트집합체(110a,110b)와 그 기능 및 목적이 동일하지만, 그룹단위의 플레이트 개수가 많고 적음에 차이가 있다.

도 6a는 본 발명의 플레이트형 열교환기의 세부형상을 보여주는 평면도 및 측면도이다. 도 6b 및 도 6c는 도 6a에서 B-B 단면도이다.

도 6a에 도시된 열교환기케이싱(111) 중간 측면에 감시용 헤더(123)가 형성되고, 감시용 헤더(123)에 센서연결부가 연결되어, 감시용 헤더(123)로 유입된 유체의 감지 여부에 따라 열교환기의 손상여부를 판단할 수 있다.

도 6b는 열교환기의 측면에 미세그룹단위의 플레이트집합체(110b)를 미세그룹별로 서로 다른 크기로 접합 구성한 열교환기를 보여주는 수평단면도이다.

도 6c는 열교환기의 측면에 그룹단위의 플레이트집합체(310)를 그룹별로 서로 다른 크기로 접합 구성한 열교환기를 보여주는 수평단면도이다.

도 6a 내지 도 6c은 도 5a 내지 도 5c와 유사하므로, 동일한 구성은 명료한 설명을 위해 생략하기로 한다.

다만, 도 6b 및 도 6c의 고온 유체 플레이트(110b1) 및 저온 유체 플레이트(110b2) 사이에 감시용 플레이트(110b3)가 더 구비되어, 고온 또는 저온 유로의 손상 여부를 감시할 수 있다. 감시용 플레이트(110b3)는 반드시 추가해 설치되어야 하는 것은 아니며, 유로구성의 특성에 따라 유체 플레이트(110b1,110b2)를 활용하여 구성할 수도 있다. 감시용 센서가 감시용 플레이트(110b3)와 연결됨에 따라, 손상 시 각 유로에서 헤더로 전달되는 물리적 또는 화학적 상태변화를 감시할 수 있다.

도 7은 도 5c의 플레이트집합체를 보여주는 평면도 및 유로단면 측면도이다.

도 7의 상부에 위치한 그림은 평면도로서, 길이(폭, 유로 설치 폭)가 서로 동일한 제1플레이트집합체(310a)의 상부 측면과 하부 측면에 각각 길이(폭, 유로 설치 폭)가 서로 다른 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)가 적층 결합된다.

도 7의 하부에 위치한 그림은 왼쪽서부터, 제1플레이트집합체(310a) 중 하나의 플레이트를 보여주는 측면도이고, 그 다음 오른쪽 그림은 제2 내지 제n플레이트집합체(310b) 중 제1플레이트집합체(310a)와 가장 인접하게 배치되는 플레이트집합체(310b1)를 보여주는 측면도이고, 그 다음 오른쪽 그림은 제2 내지 제n플레이트집합체(310b) 중 제1플레이트집합체(310a)와 두번째로 인접하게 배치되는 플레이트집합체(310b1)를 보여주는 측면도이고, 그 다음 오른쪽 그림은 제2 내지 제n플레이트집합체(310b) 중 제1플레이트집합체(310a)와 세번째로 인접하게 배치되는 플레이트집합체(310b3)를 보여주는 측면도이다.

도 7의 평면도에서 제2플레이트집합체(310b)는 유로가 형성되지 않은 부분을 절단 가공한 상태를 보여준다. 도 7의 측면도에서 제2플레이트집합체(310b)는 절단가공 전의 플레이트 모습을 보여준다.

즉, 도 7의 측면도에서 왼쪽 그림으로부터 살펴보면, 제1플레이트집합체(310a) 중 플레이트의 전체 면에 유로(311)가 형성된 모습이다. 그 다음 오른쪽으로 갈수록 유로(311)가 형성되지 않은 부분의 비율이 점점 증가하는 모습이다. 예를 들면, 왼쪽서부터 두번째 플레이트(310b1)의 유로 개수는 6개이고, 그 다음 오른쪽 플레이트(310b2)의 유로 개수는 3개이고, 그 다음 오른쪽 플레이트(310b3)의 유로 개수는 1개이다. 도 7에 도시된 유로 개수는 일례 일뿐 이에 한정되지 않는다. 또한, 도시된 유로(311)의 형상 및 길이 등은 예시 일뿐이다.

도 7의 측면도와 같이 구성된 플레이트집합체(310a,310b)를 확산접합 또는 용접 등을 이용하여 결합시킨 후, 도 7의 평면도와 같이 유로가 형성되지 않은 플레이트 또는 플레이트집합체(310b)의 일부를 절단 가공함에 따라 다각형 열교환기(110)를 구성할 수 있다.

도 7에 도시된 플레이트의 유로 형상은 2차 유체의 유로플레이트를 예로 설명하였지만, 1차 유체의 유로플레이트도 도 7과 동일한 개념 및 원리로 열교환기를 구성할 수 있다.

도 8a은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.

도 8a의 가장 위쪽에 도시된 열교환기 플레이트집합체(310a,310b)는 전체 면에 유로가 형성된 제1플레이트집합체(310a)와, 제1플레이트집합체(310a)의 상부 및 하부에 유로가 형성되지 않는 부분을 포함하는 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)로 구성된다. 제1플레이트집합체(310a) 및 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)는 확산접합 또는 용접에 의해 결합될 수 있다. 또한, 제1플레이트집합체(310a) 및 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)는 가장자리부가 서로 볼트로 체결된 후 플레이트 또는 플레이트집합체 사이에 개스킷(gasket)이 설치되어, 기밀을 유지할 수 있다.

상기 개스킷, 확산접합 또는 용접 등의 결합 방법은 플레이트 간 또는 플레이트집합체 간 또는 플레이트 및 플레이트집합체 간 모두 적용가능하다.

그 다음, 접합된 플레이트집합체(310a,310b) 중 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)의 유로가 형성되지 않은 부분을 절단 가공한다.

이어서, 제1플레이트집합체(310a)와 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)의 오른쪽 측면에 한 개의 헤더(122)와 출구노즐연결부(114)를 연결한다.

상기한 공정에 의해, 다각형 열교환기가 제조될 수 있다.

여기서, 각 플레이트 또는 플레이트집합체(310b)의 유로는 유로가 형성되지 않은 절단부 부위와 차단되고(막혀 있고), 헤더(122)와 연결되는 부위와 연통되어 유체의 출입이 가능하다.

도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.

도 8b에 도시된 열교환기 제조방법에 따르면, 헤더(322)의 형태가 다르다. 열교환기의 플레이트집합체(310a,310b)의 길이(폭, 유로 설치 폭)를 연장하기 위해 헤더의 형태를 변경할 수 있다.

도 8b에 도시된 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)의 길이(폭, 유로 설치 폭)가 도 8a에 도시된 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)에 비해 오른쪽(헤더연결부쪽)으로 더 연장된다. 연장된 제2플레이트집합체(310b)를 연결하기 위해 최외곽측 제n플레이트집합체(310b)로 갈수록 헤더(322)의 가로방향 폭이 넓어진다.

도 8b의 제2 내지 제n플레이트집합체(310b)는 그 길이(폭, 유로 설치 폭)가 더 연장된다는 것에 차이가 있지만, 기타 구성은 도 8a의 플레이트집합체(310a)와 유사하므로, 명료한 설명을 위해 생략하기로 한다.

도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.

도 9a에 도시된 열교환기 제조방법에 따르면, 제1플레이트집합체(410a)와 제2플레이트집합체(410b)가 애초에 별도로 제작된다. 즉, 제1플레이트집합체(410a)와 제2플레이트집합체(410b) 모두 전체 면에 유로가 형성된 복수의 플레이트들로 구성된다. 각 플레이트집합체는 확산접합 또는 용접 등에 의해 결합된다. 하지만, 도 7의 열교환기 제조방법에 따르면, 제1플레이트집합체(310a) 및 제2플레이트집합체(310b) 모두 서로 동일한 크기로 절단하여 제작하고, 유로가 전체 면에 형성된 제1플레이트집합체(310a)와 유로가 일부에만 형성된 제2플레이트집합체(310b)를 접합한 후, 유로가 형성되지 않은 제2플레이트집합체(310b)의 일부를 절단한다는 점에서 도 7의 플레이트집합체(310a,310b)와 도 9a 및 도 9b의 플레이트집합체(410a,410b)는 서로 다르다.

그 다음 별도로 제작된 제1플레이트집합체(410a) 및 제2플레이트집합체(410b)는 용접 등에 의해 서로 결합된다.

이어서, 한 개의 헤더(222)로 제1플레이트집합체(410a) 및 제2플레이트집합체(410b)를 연결하여 조립한다. 헤더(222)와 플레이트집합체(410a,410b)는 용접에 의해 결합될 수 있다. 헤더(222)에 출구노즐연결부(214)가 더 설치된다.

이에 의해, 열교환기 제품이 완성될 수 있다.

도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 제조방법을 보여주는 개략도이다.

도 9b에 도시된 열교환기 제조방법에 따르면, 서로 다른 크기를 갖는 제1플레이트집합체(410a) 및 제2플레이트집합체(410b)가 별도로 제작된다는 점에서 도 9a와 유사하지만, 플레이트집합체(410a,410b) 별로 별개의 헤더(222a,222b,222c)를 구비하여 각 플레이트집합체(410a,410b)에 헤더(222a,222b,222c)를 연결한다는 차이점이 있다.

즉, 제1플레이트집합체(410a)와 제2플레이트집합체(410b)를 별도의 제1헤더(222a)(각각의 입구 또는 출구헤더) 및 제2헤더(222b)에 각각 용접하여 연결하고, 제1헤더(222a) 및 제2헤더(222b)를 연결부를 매개로 다시 제3헤더(222c)에 용접하여 연결할 수 있다. 제3헤더(222c)에 출구노즐연결부(214)가 더 설치된다.

이에 의해, 열교환기의 제작이 완료된다.

도 9a 및 도 9b에서 제1플레이트집합체(410a)의 양측면에 제2플레이트집합체(410b)가 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고 제3 내지 제n플레이트집합체를 더 포함할 수 있으며, 제2플레이트집합체에서 제n플레이트집합체로 갈수록 각 플레이트집합체의 횡방향 길이가 짧아질 수 있다.

도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트(510a)의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.

도 10a에 도시된 열교환기 플레이트(510a)에 복수의 1차유로가 상하방향으로 형성되어, 1차 유체가 상하방향으로 흐를 수 있다. 특히, 도 10a에 도시된 유로의 경우에 유체가 상부에서 하방향으로 흐른다. 1차유로 플레이트(510a)는 구간별로 상부로부터 입구영역(511), 주전열부(512), 출구영역(513)으로 구분될 수 있다. 그리고 입구영역(511)의 상부는 입구헤더(512a)에 연결되어, 입구헤더(512a)에서 1차 유체가 각 유로로 분배된다. 주전열부(512)에서는 1차 유체가 인접한 타 플레이트의 주전열부에 흐르는 유체와 열교환한다. 출구영역(513)의 하부는 출구헤더(512b)에 연결되어, 열교환된 유체가 출구헤더(512b)에서 수집된다. 단, 헤더(512a, 512b)는 반드시 설치해야 하는 것은 아니며, 원전에 따라 설치하지 않을 수도 있다.

도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트(610a)의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.

도 10b에 도시된 열교환기 플레이트(610a)의 유로 형상은 개방형이다. 개방형 유로란 서로 인접한 유로끼리 유체 이동이 가능한 유로를 의미한다. 개방형에서는 폐쇄형 유로들 사이에 횡방향의 유로(620)가 더 형성되어, 서로 인접한 유로들 사이에 유체가 흐를 수 있다.

도 10b의 개방형 유로 대신에 유선형 유로 형상을 갖는 플레이트를 구성할 수 있다.

도 10c는 유선형 유로가 형성된 플레이트(710a)를 보여주는 단면도이다.

도 10c에 도시된 유선형 유로는 플레이트(710a) 내부에 구비된 복수의 유로안내돌기부(721) 사이에 형성된다. 유로안내돌기부(721)는 유선형으로 이루어지고, 유선형 유로는 홈(groove) 형태로 오목하게 형성된다. 유로안내돌기부(721)는 횡방향 및 종방향으로 일정한 간격을 두고 형성되고, 종방향으로 이격된 유로안내돌기부(721)는 서로 엇갈리게 배치될 수 있다.

도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 플레이트의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.

도 11a에 도시된 플레이트(810b)는 열교환기의 2차유로 형상을 보여준다.

도 11a에 도시된 플레이트(810b)의 유로형상은 폐쇄형이다. 폐쇄형 유로는 인접한 유로 간의 유체 이동이 없는 유로를 말한다. 2차유로 플레이트는 구간별로 하부에서부터 입구영역(811), 주전열부(812) 및 출구영역(813)으로 구분될 수 있다. 입구영역(811)과 출구영역(813)의 유로는 각각 2차유로 플레이트의 측면 하부에서 일정한 간격으로 이격되면서 수평방향으로 연장되는 수평유로와, 수평유로의 끝에서 수직방향으로 연장되어 주전열부의 유로로 연결되는 수직유로로 구성될 수 있다.

2차 유체는 플레이트(810b)의 측면하부에서 유입되어 플레이트(810b)의 동일한 오른쪽 측면 상부로 방출된다. 하지만, 이러한 유로 형상에 한정되지 않는다.

입구영역(811)의 유로는 입구헤더(812a)와 연결되어, 입구헤더(812a)를 통해 입구영역(811)의 유로로 2차 유체가 분배될 수 있다. 또한, 출구영역(813)의 유로는 출구헤더(812b)와 연결되어, 출구헤더(812b)를 통해 주전달부(813)로부터 유체가 수집될 수 있다.

도 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트(910b)의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.

도 11b에 도시된 플레이트(910b)의 유로형상은 부분개방형이다. 부분개방형 유로는 인접한 유로 간의 유체 이동이 가능한 개방형 유로가 일부에만 형성된 것을 말한다. 예를 들면, 주전열부(912)와 입구영역(911d)의 일부에만 개방형 유로(종방향 유로를 연결하는 횡방향 유로)가 형성된다.

입구영역(911d)의 상류측에 공통헤더부(911a), 유로저항부(911b)(또는 이코노마이저), 유로확대부(911c) 등이 더 구비될 수 있다.

공통헤더부(911a)는 플레이트(910b)의 일 측면 하부에서 수평방향으로 연장되는 복수의 수평유로와, 수평유로에서 수직방향으로 연장되는 복수의 수직유로로 구성될 수 있다. 수직유로는 후술할 유로저항부(911b)의 오리피스(헬리컬 증기발생기의 오리피스에 해당) 유로와 연결되어, 유로저항부(911b)로 유량을 배분한다.

일반적으로 증기발생기로 이용되는 열교환기에 있어서, 유로저항부(911b)는 증기 형성과정에서 유동이 불안정한 현상이 발생할 수 있다. 예를 들면 1차계통으로부터 전달되는 고온의 열량이 주전열부(912)와 입구영역(911d)의 유로마다 동일하게 전달되지 않고 각 유로에 전달되는 열량이 달라서 동일한 양의 2차 유체가 각 유로로 유입되더라도 증기발생시점이 서로 다를 수 있기 때문에 증기형성 시 나타나는 압력파에 의해 각 유로의 유량분배가 불균일해지고 압력이 변동하는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 입구영역(911d)에 유로의 폭을 적절히 좁히고 직선 형태가 아닌 좌우방향으로 굴곡되게 형성된 굴곡형 유로 형태로 유로를 형성하는 경우에 입구영역(911d)의 유로저항이 커지고, 주전열부(912)에서 압력변동이 발생하는 경우에도 입구영역(911d)의 유로저항이 이를 억제해줄 수 있다.

이코노마이저는 쉘 & 튜브형(shell & tube)형 증기발생기에서 튜브 바깥에 있는 쉘쪽을 2차 유체(급수/증기)의 유로로 사용할 경우 입구영역(911d)에서 유동을 안정화하고, 열전달 효율을 증가시킬 수 있다.

유로확대부(911c)는 유로저항부(911b)의 유로와 주전열부(912)의 유로를 연결하는 유로이며, 유로저항부(911b)의 유로에서 주전열부(912)의 유로로 갈수록 유로폭이 점점 커진다. 이에 의해 유동단면적의 증가로 주전열부(912) 이후의 유동저항이 감소한다.

도 11b에 도시된 부분개방형 유로의 경우 저항이 더 작은 부분 유선형으로 구성될 수 있다.

도 11c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트(1010b)의 유로 형상을 보여주는 단면도이다.

도 11c에 도시된 플레이트(1010b)의 유로형상은 개방형이다. 입구영역(1011d), 주전열부(1012) 및 출구영역(1013) 모두에서 개방형 횡방향 유로가 형성되어, 서로 인접한 유로 간에 유체 이동이 형성된다.

도 11c에 도시된 완전개방형 유로의 경우 저항이 더 작은 부분 유선형으로 구성될 수 있다.

각 실시예에서의 유로 형상은 반드시 이에 한정되지 않고 다른 형태로 적용될 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 감시용 유로 플레이트(1110)를 보여주는 개략도이다.

도 12에 도시된 감시용 유로 플레이트(1110)에 감시용 유로(1111)가 형성된다. 단, 감시용 유로(1111)는 반드시 감시용 유로 플레이트(1110)에 형성되어야 하는 것은 아니며, 1차유로 플레이트 또는 2차유체 플레이트의 일면에 형성될 수도 있다. 감시용 유로 플레이트(1110)는 1차 유체 플레이트와 2차 유체 플레이트 사이에 배치되고, 감시용 유로(1111)는 1차유로 또는 2차유로의 크기보다 상대적으로 크기가 훨씬 작은 미세유로로 형성된다. 감시용 유로는 격자형태로 이루어질 수 있다. 감시용 유로(1111)는 개방형 유로이며, 서로 인접한 유로, 즉 수평유로 및 수직유로 간에 유체이동이 가능하도록 서로 연결되어 있다. 그리고, 감시용 유로 모두는 헤더에 연결된다. 이에 의해, 1차 유체 플레이트 또는 2차 유체 플레이트의 어느 한 군데에서 손상이 발생한 경우에 소통되는 감시용 유로를 따라 전달되어 물리적 또는 화학적 상태가 헤더로 수집되어 센서로 감지될 수 있다.

감시용 유로(1111)는 유로의 크기가 매우 작으므로, 1차 유체 플레이트와 2차 유체 플레이트 사이의 열전달 저항을 최소화시킬 수 있다. 또한, 미세유로의 적용에 따라 1차 유로-감시용 유로-2차 유로 사이의 간극이 좁아짐에 따라 발생하는 구조적 영향을 최소화할 수 있다.

또한, 감시용 유로(1111)는 복수의 플레이트 사이에 형성되고, 확산접합 또는 용접에 의해 서로 결합된 복수의 플레이트 사이에 틈새가 발생하는 경우를 대비해 이를 감지하는 감시용 유로를 별도로 구비할 수 있다.

감시용 유로(1111)는 이중으로 설치될 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 배치공간 이용 효율을 증가시키기 위한 다양한 형태의 플레이형 열교환기 및 이의 제조방법을 제공함에 따라 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 플레이트형 열교환기 및 증기발생기를 다양한 형상으로 제작이 가능하므로 효율적인 공간 배치가 가능하다.

둘째, 다각형 구조의 증기발생기를 제작하여, 일체형 원자로의 원자로용기 내부에 장착된 경우에 공간 이용 효율이 약 20% 이상 증가하므로, 원자로용기의 크기가 감소하여 원전의 경제성이 향상된다.

셋째, 원자로용기 내부의 주요 기기 및 내부 구조물의 크기가 줄어들어 소요되는 유지보수 공간이 감소해 원자로건물의 크기가 감소하므로, 원전의 경제성이 향상된다.

넷째, 콤팩트한 구성의 플레이트형 열교환기나 증기발생기의 채용으로 하중 요건이 완화될 수 있다.

다섯째, 감시용 미세유로를 함께 설치하여 플레이트형 열교환기 및 증기발생기의 유지 보수 어려움을 완화할 수도 있다.

여섯째, 감시용 미세유로 설치로 플레이트형 열교환기(또는 증기발생기)의 이상이 감지되는 경우 플레이트형 열교환기(또는 증기발생기) 및 원자로 가동을 정지시킴으로써, 한쪽 유로 유체가 반대쪽 유로로 전파되기 전에 사고를 종료할 수 있어 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

일곱째, 플레이트형 열교환기 중 인쇄기판형 열교환기 또는 증기발생기는 입출구 노즐을 제외한 열전달이 발생하는 핵심 부분에 용접부를 제거할 수 있다.

이상에서 설명된 열교환기는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

12 : 노심
13 : 제어봉구동장치
14 : 원자로냉각재펌프
15 : 가압기
16 : 급수관
17 : 증기관
100 : 원자로용기
110 : 증기발생기
110a,310a,410a : 제1플레이트집합체
110b,310b,410b : 제2플레이트집합체
110b1 : 고온 유체 플레이트
110b2 : 저온 유체 플레이트
510a,610a,710a,810b,910b,1010b : 플레이트
110c,310c : 테이퍼부
111 : 열교환기케이싱
112a,512a,612a,712a,812a,912a,1010a : 입구헤더
112b,512b,612b,712b,812b,912b,1010b : 출구헤더
121 : 입구헤더
122 : 출구헤더
123 : 감시용 헤더
130 : 센서
222,322 : 헤더
222a : 제1헤더
222b : 제2헤더
222c : 제3헤더
214,314 : 출구노즐연결부
721 : 유로안내돌기부
511,611,711,811,911d,1011d : 입구영역
911a,1011a : 공통헤더
911b,1011b : 유로저항부
911c,1011c : 유로확대부
512,612,712,812,912,1012 : 주전달부
513,613,713,813,913,1013 : 출구영역
1110 : 감시용 플레이트
1111 : 감시용 유로

Claims (14)

1. 복수의 플레이트를 적층하여 조립되는 열교환기에 있어서,
   원자로용기 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 내측면의 폭이 상기 원자로용기의 중심부를 향해 갈수록 좁아지도록, 서로 마주보는 측면에 형성되는 테이퍼부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   외형이 다각형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트는 각각 서로 다른 유로분률을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 플레이트는 확산접합에 의해 조립되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트 중 적어도 하나는 타 플레이트와 유로가 형성된 폭이 다른 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제1항에 있어서,
   양쪽 측면이 절단된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 복수의 플레이트를 적층하여 조립되는 열교환기에 있어서,
   원자로용기 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 전체 면에 유로가 형성되는 플레이트를 적층하여 조립되는 복수의 플레이트집합체를 포함하고,
   상기 복수의 플레이트집합체는,
   제1플레이트집합체; 및
   상기 제1플레이트집합체의 양쪽 측면에 각각 결합되고, 측면의 가로길이가 상기 제1플레이트집합체보다 더 짧은 제2 내지 제n플레이트집합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 플레이트집합체에 각각 헤더가 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트집합체는 하나의 헤더에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 플레이트 사이에 유로의 손상 여부를 감시하기 위한 감시용 유로를 더 포함하는 열교환기.
11. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트 중 2차 유로를 형성하는 플레이트는 상기 2차 유로에 유로저항부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
12. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트 중 1차 유로를 형성하는 플레이트 또는 2차 유로를 형성하는 플레이는 적어도 일부가 개방된 개방형 또는 유선형 구조의 유로를 포함하는 열교환기.
13. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트에 형성되는 1차 유로, 2차 유로 및 감시유로 중 어느 하나의 유로는 서로 겹쳐진 두 개의 플레이트 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
14. 제7항에 있어서,
    상기 제2 내지 제n플레이트집합체는, 측면의 가로길이가 제2플레이트집합체에서 제n플레이트집합체로 갈수록 점점 짧아지는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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