KR102314119B1

KR102314119B1 - 이동형 증기 공동 냉각장치

Info

Publication number: KR102314119B1
Application number: KR1020200057384A
Authority: KR
Inventors: 이성재; 박현식; 배황; 류성욱; 이선일; 양진화; 전병국; 방윤곤
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2040-05-13

Abstract

본 발명의 한 실시예는 이동체에 회동 결합구조로 구비되는 냉각관을 높이방향으로 세운 상태에서 냉각관의 상부에 형성되는 저압의 증기 공동과 냉각재의 중력 순환을 이용하여 냉각관에 연결되는 발열체를 냉각시킬 수 있는 이동형 증기 공동 냉각장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치는 이동체에 구비되어 냉각재를 저장하는 냉각수조, 이동체의 길이방향을 따라 길게 형성되어 냉각재의 저장과 이동 경로를 구비하며, 발열체의 열전달부가 냉각재의 이동 경로에 일부 연결되는 결합구조를 갖는 냉각관, 그리고 이동체에 일측이 고정 결합되며, 타측이 냉각관에 연결되어 냉각관을 이동체의 길이방향 또는 높이방향으로 구동시키는 구동부를 포함하며, 구동부의 구동으로 냉각관을 높이방향으로 길게 세운 상태에서 냉각관의 상부에 형성되는 저압의 증기 공동과 냉각재의 중력 순환을 이용하여 냉각관에 연결되는 발열체를 냉각시킬 수 있다.

Description

이동형 증기 공동 냉각장치{MOVING TYPE STEAM CAVITY COOLING SYSTEM}

본 발명은 이동형 증기 공동 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 발열체를　냉각하기 위해 발열체 또는 발열체에 구비되는 방열부의　냉각　유로에 냉매를 공급함으로써 발열체를 냉각하였다. 발열체의 표면을 냉매로 냉각하는 경우 발열체 또는 방열부의 열저항과 냉매 내의 열저항이 발생될 수 있다. 이러한 상태에서 발열체를 냉각할 경우에는 발열체의 표면에서 냉매까지의 열저항이 커져 냉각효율이 감소될 수 있다.

한편, 발열체의 사용환경에 따라 발열체가 큰 경우 또는 발열체가 고정된 상태에서 기존 냉각장치의 효율이 떨어지면 발열체가 냉각되기 전까지는 발열체의 사용이 제한될 수 있다. 따라서, 발열체의 냉각 문제가 발생시 발열체의 냉각효율을 증대시킬 수 있고 필요에 따라 이동이 가능한 이동형 냉각장치의 개발이 요구된다.

관련 선행문헌으로 일본공개특허 2019-060515는 "이동체의 냉각 시스템"을 개시한다.

일본공개특허 2019-060515

본 발명의 한 실시예는 이동체에 회동 결합구조로 구비되는 냉각관을 높이 방향으로 세운 상태에서 냉각관의 상부에 형성되는 저압의 증기 공동과 냉각재의 중력 순환을 이용하여 냉각관에 연결되는 발열체를 냉각시킬 수 있는 이동형 증기 공동 냉각장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치는 이동체에 구비되어 냉각재를 저장하는 냉각수조, 이동체의 길이방향을 따라 길게 형성되어 냉각재의 저장과 이동 경로를 구비하며, 발열체의 열전달부가 냉각재의 이동 경로에 일부 연결되는 결합구조를 갖는 냉각관, 그리고 이동체에 일측이 고정 결합되며, 타측이 냉각관에 연결되어 냉각관을 이동체의 길이방향 또는 높이방향으로 구동시키는 구동부를 포함하며, 구동부의 구동으로 냉각관을 높이방향으로 길게 세운 상태에서 냉각관의 상부에 형성되는 저압의 증기 공동과 냉각재의 중력 순환을 이용하여 냉각관에 연결되는 발열체를 냉각시킬 수 있다.

냉각관의 길이방향을 따라 일측에 연장 형성되어 냉각수조로부터 공급되는 냉각재의 저장과 냉각관으로 냉각재의 공급 경로를 형성하는 보조 냉각관을 더 포함할 수 있다. 냉각관과 보조 냉각관의 사이에 구비되어 냉각관과 보조 냉각관을 연결하는 연결관을 더 포함할 수 있다. 여기서, 연결관은 유연배관을 포함할 수 있다.

보조 냉각관의 일측과 냉각수조 사이에 연결되는 제1 배관, 그리고 제1 배관에 구비되어 냉각재의 유입 흐름을 단속하는 제1 제어밸브를 포함할 수 있다. 냉각관의 일측과 냉각수조 사이에 연결되는 제2 배관, 그리고 제2 배관에 구비되어 냉각재의 배출 흐름을 단속하는 제2 제어밸브를 포함할 수 있다.

냉각관의 내부에서 증기 공동이 발생되는 위치에 길게 구비되어 냉각재와 증기의 흐름을 분리하는 유동 분리판을 더 포함할 수 있다.

냉각수조는 상부가 개구된 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 발열체는 이동체에 탈부착 결합관계로 구비될 수 있다.

구동부는 냉각관의 일측에 고정 결합되어 냉각관의 고정 결합상태를 지지하는 고정부, 그리고 이동체의 일측에 고정 결합되며, 고정부가 회동 결합구조로 연결되는 회동부를 포함할 수 있다.

본 발명의 한 실시예는 이동체에 구비되는 냉각관의 대기 방열작용과 냉각관 내부로 공급되는 냉각재의 중력 순환과 냉각관의 상부에 형성되는 증기 공동을 이용하여 냉각관에 연결되는 발열체의 냉각을 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각관이 높이방향으로 길게 세워진 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 냉각관이 높이방향으로 길게 세워진 상태를 도시한 도면이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 이동형 증기 공동 냉각장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각관이 높이방향으로 길게 세워진 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 냉각관이 높이방향으로 길게 세워진 상태를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치는 냉각수조(100), 냉각관(110), 구동부를 포함하며, 구동부의 구동으로 냉각관(110)을 높이방향으로 길게 세운 상태에서 냉각관(110)의 상부에 형성되는 저압의 증기 공동과 냉각재의 중력 순환을 이용하여 냉각관(110)에 연결되는 발열체(300)를 냉각시킬 수 있다.

냉각수조(100)는 이동체(10)에 구비되어 냉각재를 저장할 수 있다. 냉각수조(100)는 상부가 개구된 형상으로 이동체(10)에 일체로 형성될 수 있다. 냉각수조(100)는 상부가 개구된 형태의 저장탱크 형상으로 형성되어 이동체(10)에 결합구조로 구비될 수도 있다. 냉각수조(100)는 냉각관(110)과 연결되어 냉각재의 저장과 이동 경로를 형성함으로써 발열체(300)를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 발열체(300)는 이동체(10)에 탈부착 결합관계로 구비될 수 있다. 발열체(300)는 이동체(10)에 결합될 수 있으며, 발열체(300)의 사용환경에 따라 이동이 곤란한 경우 이동체(10)를 발열체(300)의 위치로 이동하여 냉각관(110)과 연결시킬 수 있도록 구현할 수 있다. 그리고 발열체(300)는 내부에 열전달부(310)가 구비되며, 열전달부(310)는 일부가 냉각관(110)의 내부에 연결되어 냉각재와 접할 수 있다. 열전달부(310)는 열전달관 형태로 구비될 수 있다. 따라서 냉각관(110)의 내부에 저장된 냉각재와 열전달부(310)가 접하여 발열체(300)로 냉각 열이 전달됨에 따라 발열체(300)를 냉각시킬 수 있다. 냉각관(110)은 냉각수조(100)에 연결되며, 냉각재의 유입을 위한 배관과 냉각재의 배출을 위한 배관을 포함할 수 있다. 냉각관(110)은 냉각수조(100)에 저장된 냉각재를 냉각관(110)으로 공급하며, 냉각관(110)으로 전달된 발열체(300)의 열은 냉각재의 공급으로 냉각될 수 있다.

냉각관(110)은 이동체(10)의 길이방향을 따라 길게 형성되어 냉각재의 저장과 이동 경로를 구비하며, 발열체(300)의 열전달부(310)가 냉각재의 이동 경로에 일부 연결되는 결합구조를 갖는다. 냉각관(110)을 높이방향으로 길게 세운 상태에서 냉각관(110)의 상부에 증기 공동이 형성되며, 냉각관(110)에 연장 형성되는 보조 냉각관(120)을 통해 중력에 의한 냉각재의 자연 순환을 이용하여 냉각관(110)에 연결되는 발열체(300)를 냉각할 수 있다. 즉, 열전달부(310)가 포함된 냉각관(110)을 수직으로 세워 냉각관(110) 상부를 저압 상태로 만들고 증기 공동을 이용하여 발열체(300)를 냉각시킬 수 있다. 냉각관(110)의 내부에서 증기 공동이 발생되는 위치에 길게 구비되어 냉각재와 증기의 흐름을 분리하는 유동 분리판(130)을 더 포함할 수 있다.

냉각관(110)의 길이방향을 따라 일측에 연장 형성되어 냉각수조(100)로부터 공급되는 냉각재의 저장과 냉각관(110)으로 냉각재의 공급 경로를 형성하는 보조 냉각관(120)을 더 포함할 수 있다. 냉각관(110)이 높이방향으로 세워진 상태에서 냉각관(110) 상부의 압력은 냉각관(110) 하부의 압력보다 낮을 수 있다. 냉각관(110)의 상부가 저압 조건인 상태에서 열전달부(310)의 열은 2상 효과를 사용하여 빠르게 제거될 수 있다. 그리고 냉각관(110)의 상부에 보조 냉각관(120)을 수직으로 추가 배열함으로써, 열전달부(310)의 열은 보조 냉각관(120)과 냉각관(110)을 통해 보다 효과적으로 제거될 수 있다.

한편, 냉각관(110)과 보조 냉각관(120)의 사이에 구비되어 냉각관(110)과 보조 냉각관(120)을 연결하는 연결관(190)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 연결관(190)은 주름관 또는 유연배관을 포함할 수 있다. 연결관(190)은 냉각관(110)과 수평한 상태로 보관될 수 있으며, 필요에 따라 냉각관(110)의 높이방향으로 길게 수직한 상태로 세워져 냉각재의 자연 순환을 좀 더 효율적으로 구현할 수 있다. 연결관(190)이 냉각관(110)과 수평상태 또는 수직상태로 용이하게 전환되도록 별도의 동력원을 더 포함할 수 있다.

보조 냉각관(120)의 일측과 냉각수조(100) 사이에 연결되는 제1 배관(140), 그리고 제1 배관(140)에 구비되어 냉각재의 유입 흐름을 단속하는 제1 제어밸브(150)를 포함할 수 있다. 냉각관(110)의 일측과 냉각수조(100) 사이에 연결되는 제2 배관(160), 그리고 제2 배관(160)에 구비되어 냉각재의 배출 흐름을 단속하는 제2 제어밸브(170)를 포함할 수 있다.

구동부는 이동체(10)에 일측이 고정 결합되며, 타측이 냉각관(110)에 연결되어 냉각관(110)을 이동체(10)의 길이방향 또는 높이방향으로 구동시킬 수 있다. 구동부는 냉각관(110)의 일측에 고정 결합되어 냉각관(110)의 고정 결합상태를 지지하는 고정부(200), 그리고 이동체(10)의 일측에 고정 결합되며, 고정부(200)가 회동 결합구조로 연결되는 회동부(210)를 포함할 수 있다. 구동부는 냉각관(110)의 회동을 기계적인 결합구성으로 형성하여 작업자의 수작업으로 구동할 수 있다. 또한, 구동부는 스텝 모터와 같은 동력 발생부를 더 포함하여 냉각관(110)의 회동 움직임을 자동화로 구현할 수도 있다.

구동부를 이용하여 열전달부(310)가 구비된 발열체(300)와 냉각관(110)을 수직으로 세워 냉각관(110) 상부를 저압 상태로 전환시킬 수 있다. 이러한 저압 조건에서 열전달부(310)의 열을 이상유동 열전달 효과를 이용하여 빠르게 제거할 수 있다. 그리고 냉각관(110) 내부의 열을 외부로 방출하기 위해서 냉각관(110) 상부에 보조 냉각관(120)을 추가로 수직으로 배열함으로써 발열제거 능력을 좀 더 향상시킬 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치의 동작을 설명한다.

먼저, 발열체(300)의 열출력이 없는 경우를 가정하여 냉각관(110)이 이동체(10)의 길이방향을 따라 수평으로 누워있을 때 냉각재 주입 밸브인 제1 제어밸브(150)를 개방한다. 그리고 냉각수조(100)로부터 냉각재를 공급받아 냉각재가 공급되어 저장되는 보조 냉각관(120)과 냉각관(110)에 냉각재를 채운다.

이러한 상태에서 발열체(300)의 열출력이 있을 경우에는 냉각관(110)을 수직으로 세운 후 냉각재 배출 밸브인 제2 제어밸브(170)를 개방한다. 제2 제어밸브(170)가 개방되면 냉각관(110) 내부는 수위(h)가 낮아지면서 저압의 증기 공동이 발생한다. 발열체(300)가 가열된 상태에서 냉각장치를 수직으로 세우고, 냉각관(110)의 냉각재가 냉각수조(100)로 배출되도록 제2 제어밸브(170)를 개방하여 냉각관(110) 내부에서 상부에 저압 증기 공동을 형성한다. 즉, 냉각관(110)이 수직한 형태로 세워지면 냉각관(110)의 상부는 극저압 상태로 된다. 그리고 냉각관(110)의 하부에서 냉각재 배출밸브를 개방하면 냉각관(110) 내부는 수위가 낮아지면서 냉각관(110)의 상부에서 저압의 증기 공동이 발생된다. 발열체(300)의 열은 열전달부(310)를 통해 지속적으로 냉각관(110)의 증기 공동으로 전달된다. 발열체(300)를 안전한 상태로 유지하기 위해서는 열전달부(310)의 열이 냉각관(110)으로부터 지속적으로 제거되어야 한다. 냉각관(110)의 증기 공동으로 전달된 발열체(300)의 열은 대기로 방열하거나 냉각재로 냉각할 수 있다. 냉각관(110)을 둘러싸는 대기의 방열작용이나 냉각관(110) 내부로 유입되어 냉각수조(100)로 배출되는 냉각재의 냉각작용으로 발열체(300)의 열은 냉각될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치는 냉각관(110) 외부의 대기 방열작용과 냉각관(110) 내부로 공급되는 냉각재의 중력 순환과 냉각관(110)의 상부에 형성되는 증기 공동을 이용하여 냉각관(110)에 연결되는 발열체(300)의 냉각을 용이하게 구현할 수 있다.

냉각관(110)은 수직으로 세워진 상태에서 발열체(300)의 열이 외부 공기로 방열되는 방열 굴뚝 기능을 할 수 있다. 냉각관(110)은 수직한 상태에서 상부에서 외부 공기를 통해 내부의 열을 방열시켜 발열체(300)로부터 냉각관(110)으로 전달되는 열을 대기로 방출할 수 있다.

냉각관(110)의 주변에 있는 공기는 자연 대류에 의해 냉각관(110)을 냉각시킨다. 냉각관(110)이 수직하게 세워진 상태에서 상대적으로 차가운 공기가 냉각관(110)의 상부를 통해 냉각관(110)의 하부로 전달된다. 냉각관(110)은 발열체(300)로부터 열을 전달받으며, 냉각관(110)이 열을 전달받으면 냉각관(110) 주변의 공기 온도는 상승하여 상대적으로 뜨거워지고, 공기는 자연스럽게 냉각관(110)을 통해 대기로 방출될 수 있다.

이후 냉각관(110) 내부는 열전달부(310) 외부의 열에 의하여 급격한 이상유동 열전달이 일어난다. 열전달이 일어나는 동안에는 냉각재가 배출시 내부에서 냉각재 유출입이 불규칙적으로 일어날 수 있다. 열전달부(310) 상부에서 발생된 증기는 냉각관(110)의 상부에 위치한 보조 냉각관(120)으로 올라가게 되며, 증기 응축이 발생되어 유동 분리판(130)에서 물과 증기 유동이 분리되어 흘러내려오는 자연 순환으로 발열체(300)의 열을 냉각시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이동형 증기 공동 냉각장치는 발열체(300)와 냉각관(110)을 수직 배열하고 보조 냉각관(120)을 수직 배열하여 열전달부(310) 상부에서 발생된 증기는 냉각관(110)의 상부를 통해 보조 냉각관(120)으로 올라가며, 증기 응축이 발생되어 유동 분리판(130)에서 물과 증기 유동이 분리되어 흘러내려오는 자연순환으로 증기 공동을 이용하여 발열체(300)의 열을 냉각시킬 수 있다. 또한, 발열체(300)의 사용환경에 따라 발열체(300)의 이동이 곤란한 상태에서 발열체(300)의 냉각이 필요한 경우, 발열체(300)의 위치로 용이하게 이동하여 발열체(300)와 냉각관(110)을 연결시킴으로써 발열체(300)를 냉각시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 ; 이동체 100 ; 냉각수조
110 ; 냉각관 120 ; 보조 냉각관
130 ; 유동 분리판 140 ; 제1 배관
150 ; 제1 제어밸브 160 ; 제2 배관
170 ; 제2 제어밸브 190 ; 연결관
200 ; 고정부 210 ; 회동부
300 ; 발열체 310 ; 열전달부

Claims

이동체에 구비되어 냉각재를 저장하는 냉각수조,
상기 이동체의 길이방향을 따라 길게 형성되어 상기 냉각재의 저장과 이동 경로를 구비하며, 발열체의 열전달부가 상기 냉각재의 이동 경로에 일부 연결되는 결합구조를 갖는 냉각관, 그리고
상기 이동체에 일측이 고정 결합되며, 타측이 상기 냉각관에 연결되어 상기 냉각관을 상기 이동체의 길이방향 또는 높이방향으로 구동시키는 구동부
를 포함하며,
상기 구동부의 구동으로 상기 냉각관을 높이방향으로 길게 세운 상태에서 상기 냉각관의 상부에 형성되는 저압의 증기 공동과 상기 냉각재의 중력 순환을 이용하여 상기 냉각관에 연결되는 상기 발열체를 냉각시키는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제1항에서,
상기 냉각관의 길이방향을 따라 일측에 연장 형성되어 상기 냉각수조로부터 공급되는 상기 냉각재의 저장과 상기 냉각관으로 상기 냉각재의 공급 경로를 형성하는 보조 냉각관을 더 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제2항에서,
상기 냉각관과 상기 보조 냉각관의 사이에 구비되어 상기 냉각관과 상기 보조 냉각관을 연결하는 연결관을 더 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제3항에서,
상기 연결관은 유연배관을 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제2항에서,
상기 보조 냉각관의 일측과 상기 냉각수조 사이에 연결되는 제1 배관, 그리고
상기 제1 배관에 구비되어 상기 냉각재의 유입 흐름을 단속하는 제1 제어밸브를 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제5항에서,
상기 냉각관의 일측과 상기 냉각수조 사이에 연결되는 제2 배관, 그리고
상기 제2 배관에 구비되어 상기 냉각재의 배출 흐름을 단속하는 제2 제어밸브를 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제1항에서,
상기 냉각관의 내부에서 증기 공동이 발생되는 위치에 길게 구비되어 상기 냉각재와 증기의 흐름을 분리하는 유동 분리판을 더 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제1항에서,
상기 냉각수조는 상부가 개구된 형상으로 형성되는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제1항에서,
상기 발열체는 상기 이동체에 탈부착 결합관계로 구비되는 이동형 증기 공동 냉각장치.
제1항에서,
상기 구동부는
상기 냉각관의 일측에 고정 결합되어 상기 냉각관의 고정 결합상태를 지지하는 고정부, 그리고
상기 이동체의 일측에 고정 결합되며, 상기 고정부가 회동 결합구조로 연결되는 회동부를 포함하는 이동형 증기 공동 냉각장치.