KR20210085869A - Heat exchanger manufactured by diffusion bonding for nuclear power plant - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 결정립 조대화가 감소하는 확산접합방식으로 제조된 원자력발전소의 열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a heat exchanger of a nuclear power plant manufactured by diffusion bonding in which grain coarsening is reduced.
원자로에서 생산된 열을 터빈으로 전달하기 위해서는 각각 1차측 과 2차측으로 구분되어 있는 원자로와 터빈 사이에 열교환기가 필요하다. 다양한 열교환기 중 인쇄형기판형 열교환기는 작은 사이즈에도 높은 열효율을 가질 수 있어 소형화가 중요한 SMR 및 차세대 원전 등의 열교환기에 적용될 예정이다.In order to transfer the heat produced in the nuclear reactor to the turbine, a heat exchanger is required between the reactor and the turbine, which are divided into primary and secondary sides, respectively. Among various heat exchangers, the printed board type heat exchanger can have high thermal efficiency despite its small size, so it will be applied to heat exchangers such as SMR and next-generation nuclear power plants, where miniaturization is important.
사이즈가 작은 열교환기는 정밀한 접합을 위해 확산접합 방식으로 제조될 수 있다.The small size heat exchanger can be manufactured by diffusion bonding for precise bonding.
그런데 확산접합에서는 금속판이 고온에 장기간 노출되는데, 이에 의해 금속판의 결정립이 조대화되고 결정립의 조대화에 의해 열교환기의 인장 특성이 저하되는 문제가 있다.However, in diffusion bonding, the metal plate is exposed to high temperature for a long period of time, thereby coarsening the crystal grains of the metal plate, and there is a problem in that the tensile properties of the heat exchanger are deteriorated due to the coarsening of the crystal grains.
따라서 본 발명의 목적은 결정립 조대화가 감소하는 확산접합방식으로 제조된 원자력발전소의 열교환기를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a heat exchanger for a nuclear power plant manufactured by a diffusion bonding method in which grain coarsening is reduced.
상기 본 발명의 목적은 확산접합방식으로 제조된 원자력발전소의 열교환기에 있어서, 서로 마주하며 접합되어 있는 제1금속판과 제2금속판을 포함하며, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판 중 적어도 어느 하나에는 유로를 형성하는 채널이 형성되어 있으며, 상기 제1금속판과 상기 제2금속판은, 상기 제1금속판 및 상기 제2금속판을 포함하는 금속판을 마련하는 단계; 상기 금속판을 냉간가공하는 단계; 및 상기 제1금속판과 상기 제2금속판을 접촉시키고 확산접합을 통해 접합하는 단계를 통해 제조된 것에 의해 달성된다.The object of the present invention is a heat exchanger of a nuclear power plant manufactured by a diffusion bonding method, comprising a first metal plate and a second metal plate facing each other and joined, at least one of the first metal plate and the second metal plate providing a metal plate having a channel forming a flow path, wherein the first metal plate and the second metal plate include the first metal plate and the second metal plate; cold working the metal plate; and contacting the first metal plate and the second metal plate and bonding through diffusion bonding.
상기 제1금속판과 상기 제2금속판은, 각각 독립적으로, 스테인리스 스틸강 및 니켈계합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The first metal plate and the second metal plate may each independently be made of any one of stainless steel and a nickel-based alloy.
상기 제1금속판 및 상기 제2금속판 중 적어도 어느 하나는, 상기 냉간가공 전에 제1결정립 크기, 상기 냉간가공 후에 제2결정립 크기 및 상기 확산접합 후 제3결정립 크기를 가지며, 상기 제2결정립 크기는 상기 제1결정립 크기보다 작을 수 있다.At least one of the first metal plate and the second metal plate has a first grain size before the cold working, a second grain size after the cold working, and a third grain size after the diffusion bonding, and the second grain size is It may be smaller than the first grain size.
상기 제3결정립 크기는 상기 제1결정립 크기의 100% 내지 150%일 수 있다.The third grain size may be 100% to 150% of the first grain size.
상기 열교환기는 소형모듈형원자로에 사용될 수 있다.The heat exchanger can be used in a small modular reactor.
본 발명에 따르면 결정립 조대화가 감소하는 확산접합방식으로 제조된 원자력발전소의 열교환기가 제공된다.According to the present invention, there is provided a heat exchanger for a nuclear power plant manufactured by a diffusion bonding method in which grain coarsening is reduced.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소의 열교환기의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소의 열교환기에 사용된 단일 금속판을 나타낸 것이고,
도 3은은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소의 열교환기의 제조방법에서 공정에 따른 결정립 크기 변화를 나타낸 것이다.1 is a cross-sectional view of a heat exchanger of a nuclear power plant according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 shows a single metal plate used in a heat exchanger of a nuclear power plant according to an embodiment of the present invention,
3 is a diagram illustrating a change in grain size according to a process in a method of manufacturing a heat exchanger of a nuclear power plant according to an embodiment of the present invention.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.The present invention will be described in more detail below with reference to the drawings.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.Since the accompanying drawings are only an example shown in order to explain the technical idea of the present invention in more detail, the spirit of the present invention is not limited to the accompanying drawings. In addition, in the accompanying drawings, the size and spacing may be exaggerated differently from reality in order to explain the relationship between each component.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소의 열교환기에 대해 설명한다. 본 발명에서의 원자력발전소는 특히 소형모듈형원자로(SMR)일 수 있다.A heat exchanger of a nuclear power plant according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 . The nuclear power plant in the present invention may in particular be a small modular reactor (SMR).
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소의 열교환기의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소의 열교환기에 사용된 단일 금속판을 나타낸 것이다.1 is a cross-sectional view of a heat exchanger of a nuclear power plant according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a single metal plate used in a heat exchanger of a nuclear power plant according to an embodiment of the present invention.
열교환기(1)는 판상의 제1금속판(10)과 제2금속판(20)이 교대로 적층되어 형성되어 있다.The
금속판(10, 20)을 제1금속판(10)을 예시로 설명하면, 도 2와 같이 전체적으로 판상 형태이며 일방향으로 따라 길게 연장된 채널(11)이 다수 형성되어 있다.When the
채널(11, 21)은 열교환기(1)에서 온수 유로 또는 냉수 유로가 되어 서로 반대방향으로 흐르면서 열교환이 이루어진다.The
각 금속판(10, 20)은 매우 얇으며 두께(d1)는 수mm 단위일 수 있으며, 이에 한정되지는 않으나, 1mm 내지 5mm일 수 있다.Each of the
금속판(10, 20)은 오스테나이트 스테인리스강 및 니켈계합금으로 제조될 수 있다. 특히 원자력 발전에서 활용할 수 있는 금속 재료인 스테인리스 스틸강 304, 316, 347과 니켈계합금 600, 617, 230으로 제조될 수 있다.The
제1금속판(10)과 제2금속판(20)은 서로 다른 재질일 수 있으며, 두께가 다를 수도 있다. 또한 열교환기(1)에는 제1금속판(10) 및 제2금속판(20) 외에 다른 채널 형태를 가진 금속판이 추가로 포함될 수 있다.The
본 발명에서는 제1금속판(10)과 제2금속판(20)을 냉간가공한 후에 확산접합을 통해 결합시킨다. 필요에 따라 제1금속판(10)과 제2금속판(20) 중 어느 하나만을 냉간가공한 후 확산접합시킬 수도 있다.In the present invention, after cold working the
냉간가공은 금속 재료에 추가적인 열을 가하지 않은 상태에서 롤러나 프레스를 이용해 소성변형을 통해 형상을 변형하는 가공법이다. 냉간가공 과정 동안 금속 내 조직이 변형을 받아 조직 내에 결정립이 파괴되고 전위 등이 발생하게 되지만 추가적인 열처리를 가하게 되면 금속 조직이 다시 균질화된다(재결정화). Cold working is a processing method that deforms the shape through plastic deformation using rollers or presses without additional heat applied to the metal material. During the cold working process, the structure in the metal is deformed, and the grains are destroyed and dislocations are generated in the structure.
결정립의 크기는 금속 조직 내의 결정립이 가지는 평균 사이즈를 의미하며, ASTM E112 방법으로 측정할 수 있다.The size of the grains means the average size of grains in the metal structure, and can be measured by the ASTM E112 method.
확산접합은 용가재를 사용하지 않고 열과 압력에 의해 금속을 접합하는 방법이다. 일반적으로 두 금속판을 붙인 상태에서(하중을 가하거나 하가지 않을 수 있음) 진공이나 불활성 가스 분위기에서 용체화 열처리 온도에 노출하면 금속판의 계면에서 결정립 성장에 의해 금속판이 서로 접합된다.Diffusion bonding is a method of joining metals by heat and pressure without using filler metal. In general, when two metal plates are attached (with or without a load applied) and exposed to a solution heat treatment temperature in a vacuum or an inert gas atmosphere, the metal plates are joined to each other by grain growth at the interface of the metal plates.
냉간가공 후 확산접합을 하면 금속의 결정립 크기를 감소시킬 수 있는데 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. Diffusion bonding after cold working can reduce the grain size of the metal, which will be described in detail with reference to FIG. 3 .
도 3의 (a)와 같이 냉간가공을 수행하기 전 제1금속판(10)과 제2금속판(20)은 각각 d11 및 d21의 결정립 크기를 가진다.As shown in (a) of FIG. 3 , the
도 3의 (b)와 같이 냉간가공을 수행하면 제1금속판(10)와 제2금속판(20)의 결정립은 크기가 감소하여, 각각 d12 및 d22의 결정립 크기를 가진다.When cold working is performed as shown in (b) of FIG. 3 , the crystal grains of the
도 3의 (c)와 같이 양 금속판(10, 20)을 접합시키고 이후 확산접합을 수행하면 도 3의 (d)와 같이 제1금속판(10)과 제2금속판(20)의 결정립은 크기가 증가하여, 각각 d13 및 d23의 결정립 크기를 가진다.When both
제1금속판(10)의 결정립 크기를 예시로 설명하면, d11은 수십 마이크로 미터 수준이고 냉간가공을 통해 d12는 수 마이크로 미터 수준으로 감소한다. 이후 확산접합을 하면 d13은 다시 수십 마이크로 미터 수준으로 증가한다.If the grain size of the
본 발명에 따르면 냉간가공을 통해 결정립이 감소한 상태에서 확산접합을 수행하기 때문에 최종 결정립의 크기(d13)의 증가가 제한된다.According to the present invention, since diffusion bonding is performed in a state in which grains are reduced through cold working, an increase in the size d13 of the final grains is limited.
구체적으로는 냉간가공 후 결정립의 크기(d12)는 원소재의 결정립 크기(d11)의 20% 내지 50%일 수 있으며, 최종 결정립의 크기(d13)는 원소재의 결정립 크기(d11)의 50 내지 200% 또는 100% 내지 150%일 수 있다.Specifically, the size (d12) of the grains after cold working may be 20% to 50% of the grain size (d11) of the raw material, and the size (d13) of the final grains is 50 to 50% of the grain size (d11) of the raw material 200% or 100% to 150%.
기존 방법에서는 결정립 성장(불연속부 제거)을 위해 확산접합이 높은 온도에서 장시간 수행되어 결정립의 크기가 조대화되는 문제가 있었다.In the existing method, there is a problem in that the size of the grains is coarsened because diffusion bonding is performed at a high temperature for a long time for grain growth (removal of discontinuities).
본 발명에 따르면 냉간가공 후 통해 확산접합을 수행하는데, 냉간가공에 의한 재결정화에 의해 확산접합의 온도와 시간에 노출되어도 도 4의 (d)와 같이 결정립의 불연속부가 제거된다.According to the present invention, diffusion bonding is performed after cold working, and even when exposed to the temperature and time of diffusion bonding by recrystallization by cold working, discontinuous portions of crystal grains are removed as shown in FIG. 4(d).
냉간가공을 통해 금속 내에 전위가 생성되고 결정립이 파괴되었다가 확산접합 시 열처리를 통해 재결정이 일어나고 더 열을 가하면 결정립이 성장되게 된다. 이때의 결정립 성장은 금속 전체에서 발생하며 부수적으로 계면에서도 결정립 성장이 일어나 불연속부가 제거되는 것이다.Dislocations are generated in the metal through cold working and grains are destroyed. During diffusion bonding, recrystallization occurs through heat treatment, and when further heat is applied, grains grow. At this time, grain growth occurs in the entire metal and, incidentally, grain growth occurs at the interface, and discontinuities are removed.
재결정이란 냉간가공된 금속판이 높은 온도에 노출되면 원래의 모양으로 회복하려는 성질을 나타낸다. 이 과정에서 전위가 사라지며 파괴되었던 결정립이 다시 생성이 되는데 원래의 사이즈보다 작게 생성된다. 일반적인 확산접합과 같이 고온에 계속 노출되면 결정립이 커지는데 본 발명에서는 냉간가공된 금속판이 고온에 노출되는 시간을 조절하여 원래 금속판의 결정립 크기와 유사하게 또는 크게 증가하지 않게 만들 수 있다.Recrystallization refers to the property of a cold-worked metal sheet to recover to its original shape when exposed to high temperatures. In this process, dislocations disappear and the destroyed crystal grains are regenerated, which is smaller than the original size. As with general diffusion bonding, when the crystal grains are continuously exposed to high temperature, the grain size increases. In the present invention, the crystal grain size of the original metal sheet can be similarly or not greatly increased by controlling the time during which the cold worked metal sheet is exposed to high temperature.
본 발명에 따르면 확산접합 후에도 결정립의 크기 증가가 제한되기 때문에 열교환기(1)의 기계적 강도 확보가 가능하다.According to the present invention, it is possible to secure the mechanical strength of the
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described embodiments are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited thereto. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to practice the present invention with various modifications therefrom, so the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
Claims (5)
서로 마주하며 접합되어 있는 제1금속판과 제2금속판을 포함하며,
상기 제1금속판과 상기 제2금속판 중 적어도 어느 하나에는 유로를 형성하는 채널이 형성되어 있으며,
상기 제1금속판과 상기 제2금속판은,
상기 제1금속판 및 상기 제2금속판을 포함하는 금속판을 마련하는 단계;
상기 금속판을 냉간가공하는 단계;
상기 제1금속판과 상기 제2금속판을 접촉시키고 확산접합을 통해 접합하는 단계를 통해 제조된 열교환기.In the heat exchanger of a nuclear power plant manufactured by diffusion bonding method,
It includes a first metal plate and a second metal plate that face each other and are joined,
A channel forming a flow path is formed in at least one of the first metal plate and the second metal plate,
The first metal plate and the second metal plate,
providing a metal plate including the first metal plate and the second metal plate;
cold working the metal plate;
A heat exchanger manufactured through the steps of bringing the first metal plate into contact with the second metal plate and joining them through diffusion bonding.
상기 제1금속판과 상기 제2금속판은, 각각 독립적으로, 스테인리스 스틸강 및 니켈계합금 중 어느 하나로 이루어진 열교환기.According to claim 1,
The first metal plate and the second metal plate are each independently made of any one of stainless steel and nickel-based alloy.
상기 제1금속판 및 상기 제2금속판 중 적어도 어느 하나는,
상기 냉간가공 전에 제1결정립 크기, 상기 냉간가공 후에 제2결정립 크기 및 상기 확산접합 후 제3결정립 크기를 가지며,
상기 제2결정립 크기는 상기 제1결정립 크기보다 작은 열교환기.3. The method of claim 2,
At least one of the first metal plate and the second metal plate,
It has a first grain size before the cold working, a second grain size after the cold working, and a third grain size after the diffusion bonding,
The second grain size is smaller than the first grain size heat exchanger.
상기 제3결정립 크기는 상기 제1결정립 크기의 100% 내지 150%인 열교환기.4. The method of claim 3,
The third grain size is 100% to 150% of the first grain size heat exchanger.
상기 열교환기는 소형모듈형원자로에 사용되는 열교환기.5. The method of claim 4,
The heat exchanger is a heat exchanger used in a small modular reactor.
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