원자력 시설 해체를 위한 극저온 절단 시스템 {Cryogenic cutting system for decommissioning nuclear facilities}

본 발명은 원자력 시설 해체를 위한 극저온 절단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 원자력 시설 해체시 발생되는 고방사화된 해체 폐기물의 절단 기술로 극저온의 고압 액체 질소가 이송되는 과정에서 기화되는 것을 방지하기 위한 극저온 절단 시스템에 관한 것이다.

해체 폐기물이란, 노후화된 원자력 시설의 해체 과정에서 발생되는 부산물을 말한다. 이러한 해체 폐기물은 인체 및 환경에 유해하므로, 그 처리가 중요하다. 따라서, 장기적으로 방사선 장해로부터 인간 및 환경을 보호하기 위한 목적으로, 해체 폐기물을 압축 처리, 소각 처리 및 해체 처리한다. 이 중 해체 처리는 원자력 시설 기기의 교환 및 사용 정지에 의해 생성되는 기기류 방사성 폐기물을 절단하는 처리이다. 이 같은 해체 처리에는 열분해 시스템이나 기계적 분해 시스템이 이용되었다.

하지만, 상기의 열분해 시스템이나 기계적 분해 시스템은 방사성 폐기물을 절단하는 과정에서 2차 폐기물을 발생시키는 문제점이 있었다. 이에 대한 대안 시 스템으로 개발된 것이 극저온 절단 시스템이다. 이 극저온 절단 시스템은 방사성 폐기물 절단을 실행하는데 고압의 액체 질소를 이용하는 것으로, 2차 폐기물의 발생을 방지할 수 있다.

종래의 극저온 절단 시스템은 고압의 액체 질소를 기기류 방사성 해체 폐기물과 같은 타겟이 위치해 있는 챔버로 이송시켜 고압의 액체 질소를 통해 타겟을 절단 처리한다. 그러나, 이 고압의 액체 질소가 이송되는 과정에서 압력이 일정하게 유지되는 것이 이상적이나, 이송 과정에 위치한 장치들과 외부와의 온도차에 의해 고압의 액체 질소가 기화되는 현상이 발생한다. 이에 따라, 액체 질소의 압력이 낮아져 챔버까지 고압의 압력을 일정하게 유지할 수 없게 된다. 그 결과, 종래의 극저온 절단 시스템에서 챔버에 유입된 액체 질소는 방사성 해체 폐기물을 절단할 수 있을 만큼의 압력을 갖지 못하게 되어 방사성 폐기물의 해체 처리가 어려웠다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 액체 질소의 이송 경로 상에 배치된 감쇠기 및 이송 배관에 냉매를 공급하고 그 외관에 진공 공간을 마련함으로써, 방사성 해체 폐기물 절단에 이용되는 액체 질소가 이송 과정에서 기화되는 것을 방지할 수 있는 방사성 해체 폐기물의 극저온 절단 시스템을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 방사성 해체 폐기물의 극저온 절단 시스템은, 극저온 상태의 액체 질소가 저장된 저장 탱크, 상기 저장 탱크로부터 상기 극저온 상태의 액체 질소가 유입되면, 상기 액체 질소를 증압시켜 극저온 상태 고압 액체 질소로 형성하는 증압 실린더, 상기 증압 실린더에 연결되고, 단열을 위한 진공 공간을 포함하며, 상기 증압 실린더로부터 전달된 상기 극저온 상태 고압 액체 질소의 온도를 유지시켜 이송하는 제1 이송 배관, 상기 제1 이송 배관과 연결되고, 단열을 위한 진공 공간을 포함하며, 상기 제2 이송 배관으로부터 상기 극저온 상태 고압 액체 질소가 유입되면 냉매를 공급하여 온도를 유지시키고 상기 극저온 상태 고압 액체 질소가 균일한 압력을 갖도록 하는 감쇠기, 상기 감쇠기에 연결되고, 단열을 위한 진공 공간을 포함하며, 상기 감쇠기로부터 전달되는 상기 극저온 상태 고압 액체 질소의 온도를 유지시켜 이송하는 제2 이송 배관, 상기 제2 이송 배관으로부터 이송된 상기 극저온 상태 고압 액체 질 소에 연마제를 혼합하여 혼합물을 생성하고, 상기 혼합물을 분사하는 혼합 챔버 및 절단을 위한 타겟이 장착되어 상기 혼합 챔버를 통해 분사되는 상기 혼합물에 의해 상기 타겟을 절단하는 절단 작업대를 포함한다.

본 발명의 원자력 시설 해체를 위한 극저온 절단 시스템에서, 상기 감쇠기는 제1 직경의 유입구 및 배출구를 포함하며 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가지고, 상기 증압 실린더로부터 유입되는 상기 극저온 상태의 고압 액체 질소가 균일한 압력을 갖도록 하는 감쇠기 관, 상기 제2 직경보다 큰 제3 직경을 가져 상기 감쇠기 관을 둘러싸며, 상기 극저온 상태의 고압 액체 질소의 온도를 유지하기 위한 냉매가 공급되는 냉매 공급관, 상기 제3 직경보다 큰 제4 직경을 가져 상기 냉매 공급관을 둘러싸며, 상기 진공 공간을 포함하는 진공관 및 상기 감쇠기 관, 상기 냉매 공급관 및 상기 진공관의 양 단부에 볼트를 이용하여 고정되는 연결 플랜지를 포함한다.

또한, 상기 제1 및 제2 이송 배관은 제1 직경의 유입구 및 배출구를 포함하며 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가지며, 상기 감쇠기로부터 유입되는 상기 극저온 상태의 고압 액체 질소를 상기 혼합 챔버로 이송시키는 액체 질소 이송관, 상기 제2 직경보다 큰 제3 직경을 가져 상기 액체 질소 이송관을 둘러싸며, 상기 극저온 상태 고압 액체 질소의 온도를 유지하기 위한 냉매가 이송되는 냉매 이송관 및 상기 제3 직경보다 큰 제4 직경을 가져 상기 냉매 이송관을 둘러싸며, 상기 진공 공간을 포함하는 진공관을 포함한다.

한편, 상기 감쇠기 관은 Ni-Cr-Mo 합금강으로 이루어지고, 상기 냉매 공급관 및 상기 진공관은 SUS 304 스테인레스 강으로 이루어진 것이 바람직하다. 또한, 상기 액체 질소 이송관은 Ni-Cr-Mo 합금강으로 이루어지고, 상기 냉매 이송관 및 상기 진공관은 SUS 304 스테인레스 강으로 이루어진 것이 바람직하다. 그리고, 상기 진공관은 1torr 내지 10 ^-3 torr 범위의 중진공도를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상기 증압 실린더는, 유압 모터, 상기 유압 모터의 양 측에 각각 연결되며, 서로 상이한 단면적을 갖는 제1 및 제2 피스톤 및, 상기 제1 피스톤과 제2 피스톤 각각에 연결되어 상기 저장 탱크로부터 유입된 상기 극저온 상태의 액체 질소가 채워지는 제1 및 제2 실린더를 포함한다.

이 경우, 상기 증압 실린더는 상기 제1 피스톤과 제2 피스톤의 단면적 비율에 대응되는 고압을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 피스톤과 제2 피스톤의 단면적 비율은 1:10 내지 1:24일 수 있다. 그리고, 상기 증압 실린더는 200~600Mpa 이상의 압력을 갖는 상기 극저온 상태의 고압 액체 질소를 형성할 수 있다.

한편, 상기 혼합 챔버는 내부에 공기를 포함하는 알루미나 하우징, 상기 알루미나 하우징의 상부면에 형성되어 상기 이송 배관과 연결되며, 상기 이송 배관으로부터 상기 극저온 상태 액체 질소를 이송받는 오리피스, 상기 알루미나 하우징 일 측에 형성되며, 연마제를 공급하여 상기 알루미나 하우징 내부에서 상기 공기, 상기 극저온 상태 액체 질소 및 상기 연마제가 혼합되어 절단을 위한 혼합물을 형성하도록 하는 연마제 공급 채널 및, 상기 혼합물을 상기 절단 작업대 상에 장착된 상기 타겟에 포커싱하여 분사하는 분사 노즐을 포함한다.

상기 혼합 챔버에서 상기 오리피스는 0.08㎜ 내지 0.8㎜의 내경을 가질 수 있으며, 사파이어, 루비 및 다이아몬드 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 극저온 상태의 고압 액체 질소 이송 경로 상에 배치된 감쇠기 및 이송 배관에 냉매를 공급하고, 그 외곽에 진공 공간을 마련함으로써, 방사성 해체 폐기물과 같은 타겟의 절삭에 이용되는 극저온 상태의 고압 액체 질소가 이송 과정에서 기화되는 것을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 고압 액체 질소의 극저온 상태를 타겟에 분사하기 직전까지 유지할 수 있게 되어 방사성 해체 폐기물의 절단이 용이해진다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 극저온 절단 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 극저온 절단 시스템(100)은 제어 장치(110), 저장 탱크(120), 증압 실린더(130), 제1 이송 배관(190), 감쇠기(140), 제2 이송 배관(150), 혼합 챔버(160), 분사 노즐(170) 및 절단 작업대(180)를 포함한다.

저장 탱크(120)는 액체 질소를 보관하는 장소이다. 이 저장 탱크(120)는 액체 질소 보관을 위해 내부 압력을 1.5㎫로 유지한다. 또한, 저장 탱크(120)에 저장된 액체 질소는 1.5㎫의 압력에서 77K 온도를 갖는 것으로 극저온 상태이다. 이 경우, 극저온이란, 65~80K 온도 범위가 될 수 있다.

저장 탱크(120)는 그 내부 압력에 의해 액체 질소를 증압 실린더(130)로 전달할 수 있다.

증압 실린더(130)는 저장 탱크(120)로부터 유입된 액체 질소를 증압시키는 동작을 하는 장치로, 두 개의 실린더를 포함하는 복동형 실린더 구조를 갖는다. 구체적으로, 증압 실린더(130)는 유압 모터(131), 제1 피스톤(133a), 제2 피스톤(133b), 제1 실린더(135a), 제2 실린더(135b), 제1 액체 질소 입출부(137a) 및 제2 액체 질소 입출부(137b)를 포함한다.

저장 탱크(120)로부터 전달된 극저온 상태의 액체 질소는 제1 및 제2 액체 질소 입출부(137a, 137b)에 유입된다. 이렇게 유입된 액체 질소는 제1 및 제2 실린더(135a, 135b)로 이동된다.

제1 및 제2 실린더(135a, 135b)에 액체 질소가 채워지면, 제1 및 제2 피스톤(133a, 133b)은 유압 모터(131)에 의해 구동되어 액체 질소를 증압시킬 수 있게 된다. 이 경우, 제1 피스톤(133a)과 제2 피스톤(133b)의 단면적 비율에 대응되는 고압이 형성되는 것으로, 제1 피스톤(133a)과 제2 피스톤(133b)의 단면적 비율에 의해 액체 질소가 증압될 수 있게 된다. 이를 위한 제1 피스톤(133a)과 제2 피스 톤(133b)의 단면적 비율은 1:10 내지 1:24일 수 있다. 이 같은 제1 피스톤(133a)과 제2 피스톤(133b)의 단면적 비율에 따라 증압 실린더(130)는 200~600㎫ 범위의 고압 액체 질소를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 고압 액체 질소는 제1 및 제2 액체 질소 입출부(137a, 137b)를 통해 배출되어 감쇠기(140)에 전달된다. 이러한 증압 실린더(130)의 구동은 제어 장치(110)에 의해 제어될 수 있다.

제1 이송 배관(190a, 190b)은 증압 실린더(130)의 제1 및 제2 액체 질소 입출부(137a, 137b)와 감소기(140)에 각각 연결되어 증압 실린더(130)에서 배출된 극저온 상태 고압 액체 질소를 감쇠기(140)에 전달한다. 구체적으로, 하나의 제1 이송 배관(190a)은 제1 액체 질소 입출부(137a)와 감쇠기(140)에 연결되며, 다른 제1 이송 배관(190b)은 제2 액체 질소 입출부(137b)와 제1 이송 배관(190a)의 일부에 연결되어, 제1 이송 배관(190a)를 통해 극저온 상태 고압 액체 질소가 감쇠기(140)에 전달되는 구조를 갖는다. 이 경우, 도면에 도시된 것과 달리, 다른 제1 이송 배관(190b) 역시 감쇠기(140)에 연결되어, 극저온 상태 고압 액체 질소를 감소기(140)에 직접 전달하는 구조를 가질 수도 있다.

제1 이송 배관(190a, 190b)은 증압 실린더(130)로부터 유입된 극저온 상태 고압 액체 질소를 감쇠기(140)에 전달하기 위한 통로 기능을 하는 것으로, 극저온 상태의 고압 액체 질소를 증압 실린더(130)로부터 유입된 그 상태 그대로 유지시켜 감쇠기에 전달하는 것이 가장 이상적이다. 이를 위해, 제1 이송 배관(190a, 190b)은 극저온 상태의 고압 액체 질소가 기화되지 않도록 냉매가 공급되는 공간과 외부 온도로부터 단열시키기 위한 진공 공간을 포함할 수 있다.

감쇠기(140)는 제1 이송 배관(190a, 190b)으로부터 전달된 극저온 상태의 고압 액체 질소가 균일한 압력을 가질 수 있도록 한다. 구체적으로, 증압 실린더(130)에서의 제1 및 제2 피스톤(133a, 133b) 구동에 의해 극저온 상태의 고압 액체 질소가 불균일한 맥동파를 포함하는 형태로 감쇠기(140)에 유입될 수 있다. 감쇠기(140)는 이러한 불균일한 맥동파를 제거하여 극저온 상태의 고압 액체 질소가 균일한 압력을 가질 수 있도록 한다.

또한, 감쇠기(140)는 고압 액체 질소를 77K의 극저온 상태로 유지하기 위하여, 냉매가 공급되는 공간과 그 외곽에 외부 온도(대기 온도)로부터 단열시키기 위한 진공 공간을 포함한다. 따라서, 냉매 공급 및 진공을 통해 고압 액체 질소가 외부 온도에 의해 기화되는 것을 방지하여 300㎫ 이상의 고압 액체 질소를 77K의 극저온 상태로 유지시켜 이송 배관(150)에 전달한다.

제2 이송 배관(150)은 감쇠기(140)로부터 유입된 극저온 상태의 고압 액체 질소를 혼합 챔버(160)에 전송하기 위한 통로 기능을 하는 것으로, 극저온 상태의 고압 액체 질소를 감쇠기(140)로부터 유입된 그 상태 그대로 유지시켜 혼합 챔버(160)에 전달하는 것이 가장 이상적이다. 이를 위해, 제2 이송 배관(150)은 극저온 상태의 고압 액체 질소가 기화되지 않도록 냉매가 공급되는 공간과 외부 온도로부터 단열시키기 위한 진공 공간을 포함할 수 있다.

제2 이송 배관(150)의 끝 단은 혼합 챔버(160)에 연결되는 구조로, 이송 배관(150)을 통해 극저온 상태의 고압 액체 질소가 혼합 챔버(160)에 유입될 수 있게 된다.

혼합 챔버(160)는 공기, 연마제와 극저온 상태의 고압 액체 질소를 혼합한 혼합물을 생성하여 분사한다. 이러한 혼합 챔버(160)는 내부에 공기를 포함하는 알루미나 하우징으로 구성되며, 알루미나 하우징의 상부면에 제2 이송 배관(150)과 연결되는 오리피스(미도시)가 형성되어 있다. 이 오리피스는 0.08mm 내지 0.8mm의 내경을 가지며, 사파이어, 루비 및 다이아몬드 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

또한, 혼합 챔버(160)는 하우징 내부의 공기, 오리피스를 통해 유입되는 극저온 상태의 고압 액체 질소, 그리고 연마제 공급 채널(161)을 통해 공급되는 연마제를 혼합하여 절단을 위한 혼합물을 생성한다. 이 경우, 연마제로는 가넷, 알루미늄 산화물, 실리콘 카바이드, 규사, 스틸, 유리 입자 및 구리 슬래그 등이 이용될 수 있다.

혼합 챔버(160)는 그 하부면에 상기 혼합물을 분사시키기 위한 분사 노즐(170)을 포함한다. 이 분사 노즐(170)은 혼합물을 분사하여 절단 처리대(180) 상에 위치한 타겟(예를 들어, 원자력 폐기물)을 절단한다. 이 경우, 분사 노즐(170)을 통해 분사되는 혼합물의 직경은 분사 노즐(170)의 직경과 거의 유사하거나, 동일할 수 있다. 또한, 혼합물은 300㎫ 이상의 극저온 상태 고압 액체 질소를 포함하 는 것으로, 일 예로 혼합물은 0.46㎜의 직경과, 300㎫의 분사 압력과, 약 600m/sec의 분사속도로 분사되어 타겟을 절단한다.

절단 작업대(180)는 타겟이 절단되는 과정에서 발생하는 파편들과, 가스를 흡입하기 위한 흡입구(181)를 포함한다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 극저온 절단 시스템에서 감쇠기의 구성을 구체적으로 나타내는 도면이다. 도 2a는 감쇠기의 축 방향 단면도이며, 도 2b는 감쇠기의 원주 방향 단면도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 감쇠기(140)는 감쇠기 관(141), 냉매 공급관(143), 진공관(145) 및 연결 플랜지(147)를 포함한다.

감쇠기 관(141)은 증압 실린더(130)로부터 전달되는 극저온 상태의 고압 액체 질소에 포함된 불규칙한 맥동파를 제거하여 전체적으로 균일한 압력이 되도록 한다. 이러한 감쇠기 관(141)은 유입구(141a)를 통해 극저온 상태의 고압 액체 질소가 유입되면, 이의 극저온 상태를 유지시켜 배출구(141b)를 통해 배출시킨다. 이 경우, 극저온 상태를 유지시키기 위해, 감쇠기 관(141)의 외곽에는 냉매가 공급되는 냉매 공급관(143)이 둘러싸여 있다. 이 냉매 공급관(143)은 진공관(145)을 통과하여 연결되는 냉매 공급 튜브(149)를 통해 냉매를 공급받는다. 또한, 냉매 공급관(143)의 외곽에는 단열을 위한 진공관(145)이 둘러싸여 있다. 이 경우, 진공관(145)은 1torr 내지 10 ^-3 torr의 중진공을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 감쇠기 관(141)의 고압 액체 질소는 냉매 공급관(143)에 공급되는 냉매에 의해 극저온 상태를 1차적으로 유지하며, 진공관(145)에 의해 외부 온도에 영향을 받지 않게 되어 2차적으로 유지할 수 있게 된다.

한편, 도 2a를 참조하면, 감쇠기 관(141), 냉매 공급관(143) 및 진공관(145)은 연결 플랜지(147)에 의해 고정된다. 이 경우, 연결 플랜지(147)는 감쇠기 관(141)의 유입구(141a)에 극저온 상태의 고압 액체 질소를 유입시키기 위한 홀(147a)이 형성되어 있으며, 이는 감쇠기 관(141)의 배출구(141b)에 고정되는 연결 플랜지(미도시)에도 형성되어 있다.

또한, 연결 플랜지(147)는 감쇠기 관(141), 냉매 공급관(143) 및 진공관(145) 각각의 위치에 대응되는 지점에 볼트를 이용하여 조임으로써, 감쇠기 관(141), 냉매 공급관(143) 및 진공관(145)을 고정시킬 수 있게 된다.

감쇠기 관(141), 냉매 공급관(143) 및 진공관(145)의 순서로 감쇠기(140)가 구성되기 위해서는 도 2b에 도시된 것과 같은 직경을 가져야 한다. 구체적으로, 감쇠기 관(141)은 제2 직경(D2)을 가지며, 감쇠기 관(141)의 유입구(141a)는 제2 직경(D2)보다 작은 제1 직경(D1)을 가질 수 있다.

또한, 냉매 공급관(143)은 감쇠기 관(141)의 외곽에 위치하는 것으로, 감쇠기 관(141)의 제2 직경(D2)보다 큰 제3 직경(D3)을 갖는다. 그리고, 진공관(145)은 냉매 공급관(143)의 외곽에 위치하는 것으로, 냉매 공급관(143)의 제3 직경(D3)보다 큰 제4 직경(D4)을 갖는다.

예를 들어, 감쇠기(140)는 1000㎜의 길이를 가지고, 감쇠기 관(141)은 145㎜(D2)의 직경을 가질 수 있으며, 유입구(141a)는 10㎜(D1)의 직경을 가질 수 있다. 그리고, 냉매 공급관(143)은 180㎜(D3)의 직경을 가질 수 있으며, 진공관(145)은 250㎜의 직경을 가질 수 있다. 각 관(141, 143, 145)의 직경에 대한 구체적인 수치는 외경에 관한 것이다. 이 같은 수치는 일 예에 불과하며, 설계 환경이나 필요에 의해 변경 가능한 사항이다.

도 3은 도 1에 도시된 극저온 절단 시스템에서 제2 이송 배관의 구성을 구체적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 제2 이송 배관(150)은 액체 질소 이송관(151)을 통해 이송되는 고압 액체 질소의 극저온을 유지하기 위하여 냉매 이송관(153) 및 진공관(155)을 포함한다.

구체적으로, 액체 질소 이송관(151)은 감쇠기 관(141)과 연결되어 감쇠기 관(141)으로부터 극저온 상태의 고압 액체 질소를 전달받아 이송시킨다. 이 경우, 액체 질소 이송관(151)을 통해 이송되는 고압 액체 질소를 극저온 상태로 유지시키기 위해, 액체 질소 이송관(151)의 외곽에는 냉매가 이송되는 냉매 이송관(153)이 둘러싸여 있다. 그리고, 냉매 이송관(153)의 외곽에는 단열을 위한 진공관(155)이 둘러싸여 있다. 이 경우, 진공관(145)은 1torr 내지 10 ^-3 torr의 중진공을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 감쇠기 관(141)의 고압 액체 질소는 냉매 공급관(143)에 공급되는 냉매에 의해 극저온 상태를 1차적으로 유지하며, 진공관(145)에 의해 외부 온도에 영향을 받지 않게 되어 2차적으로 유지할 수 있게 된다.

한편, 도 3을 참조하면, 최내곽에 위치한 액체 질소 이송관(151)은 제2 직경(D2)을 가지며, 액체 질소 이송관(151)의 유입구(151a)는 제2 직경(D2)보다 작은 제1 직경(D1)을 가질 수 있다. 또한, 냉매 이송관(153)은 액체 질소 이송관(151)의 외곽에 위치하는 것으로, 액체 질소 이송관(151)의 제2 직경(D2)보다 큰 제3 직경(D3)을 갖는다. 그리고, 최외곽에 위치한 진공관(155)은 냉매 이송관(153)의 외곽에 위치하는 것으로, 냉매 이송관(153)의 제3 직경(D3)보다 큰 제4 직경(D4)을 갖는다.

예를 들어, 제2 이송 배관(150)은 1500㎜의 길이를 가지고, 액체 질소 이송관(151)은 10㎜(D2)의 직경을 가질 수 있으며, 유입구(151a)는 3㎜(D1)의 직경을 가질 수 있다. 그리고, 냉매 이송관(153)은 20㎜(D3)의 직경을 가질 수 있으며, 진공관(155)은 40㎜의 직경을 가질 수 있다. 각 관(151, 153, 155)의 직경에 대한 구체적인 수치는 외경에 관한 것이다. 이 같은 수치는 일 예에 불과하며, 설계 환경이나 필요에 의해 변경될 수 있다.

한편, 제1 이송 배관(190a, 190b)은 위에 설명한 제2 이송 배관(190a, 190b)의 구성과 동일할 수 있다. 즉, 제1 이송 배관(190a, 190b) 역시 액체 질소 이송관을 통해 이송되는 고압 액체 질소의 극저온을 유지하기 위하여 냉매 이송관 및 진 공관의 구성을 포함하는 것으로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 4a 내지 도 4d는 종래와 본 발명에 따른 감쇠기의 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 4a 및 도 4b는 종래 감쇠기의 온도 분포를 나타내며, 도 4c 및 도 4d는 본 발명에 따른 감쇠기의 온도 분포를 나타낸다. 이 경우, 각 감쇠기의 온도 분포는 CFD(Computation Fluid Dynamics)를 이용한 열전달 해석에 의해 나타낼 수 있다.

종래 감쇠기는 증압 실린더로부터 77K 온도의 극저온 상태의 고압 액체 질소를 유입받아 균일한 압력으로 처리하여 배출시키는 구성만을 포함한다. 즉, 도 2a에 도시된 감쇠기의 구성 중 감쇠기 관(141)에 해당하는 구성만을 포함한다. 이 같은 종래 감쇠기는 Ni-Cr-Mo 합금강으로 이루어져 있다. 도 4a 및 도 4b는 300K의 대기 온도에서 감쇠기의 일 단부에 77K의 고압 액체 질소를 0.15㎏/s의 유량으로 유입시켜 타 단부를 통해 배출되는 과정에서의 감쇠기 온도 분포를 나타낸 것이다.

도 4a는 정상 상태에서의 감쇠기 온도 분포를 나타내며, 도 4b는 과도 상태에서의 감쇠기 온도 분포를 나타낸다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 감쇠기의 일 단부에 유입되는 고압 액체 질소는 약 77K 내지 88K의 온도를 갖는다. 그리고, 이 고압 액체 질소가 감쇠기 내부 공간에서 타 단부 방향으로 흐를수록 그 온도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 감쇠기 중앙부에서는 122K 내지 144K의 온도로 떨어지며, 액체 질소가 배출되는 타 단부에서는 144K 내지 155K의 온도까지 떨어지게 된다. 이는, 감쇠기가 외부의 대기온도의 영향을 받아 그 내부가 대기온도와 유사 또는 동일한 온도로 상승하는 것에 의한 것으로, 그 내부에 흐르는 액체 질소의 온도 역시 상승하게 된다. 따라서, 고압 액체 질소가 기화되는 현상이 발생한다.

반면, 본 발명에 따른 감쇠기는 증압 실린더로부터 고압 액체 질소를 유입받아 균일한 압력으로 처리하여 배출시키는 감쇠기 관(141)과, 이 감쇠기 관(141)을 둘러싸는 구조를 가지며 냉매를 공급하는 냉매 공급관(143), 그리고, 냉매 공급관(143)을 둘러싸는 구조를 가지며 진공 공간을 포함하는 진공관(145)을 포함한다. 이들 감쇠기 관(141), 냉매 공급관(143) 및 진공관(145)은 양 단부가 볼트에 의해 연결 플랜지(147)에 고정된다.

또한, 감쇠기 관(141)은 Ni-Cr-Mo 합금강으로 이루어져 있으며, 냉매 공급관(143) 및 진공관(145)은 SUS 304 스테인레스 강으로 이루어져 있다. 그리고, 감쇠기 관(141)에는 77K의 극저온 상태의 액체 질소를 0.15㎏/s의 유량으로 유입시키고, 냉매 공급관(143)에는 냉매를 공급한다. 그리고, 진공관(145)은 10 ^-2 torr의 중진공 상태를 유지하여 감쇠기 관(141)과 냉매 공급관(143)을 외부의 대기온도로부터 단열시킨다. 도 4c 및 도 4d는 300K의 대기 온도에서 감쇠기(140)의 일 단부에 77K의 고압 액체 질소를 0.15㎏/s의 유량으로 유입시켜 타 단부를 통해 배출되는 과정에서의 감쇠기 온도 분포를 나타낸 것이다.

도 4c는 정상 상태에서의 감쇠기 온도 분포를 나타내며, 도 4d는 과도 상태에서의 감쇠기 온도 분포를 나타낸다. 도 4c를 참조하면, 감쇠기 관(141)의 일 단부에 유입되는 고압 액체 질소는 77K의 온도를 갖는다. 이 고압 액체 질소는 감쇠기 관(141) 내부 공간에서 타 단부 방향으로 흐르는 과정에서 온도 변화없이 77K의 온도를 유지한다. 또한, 냉매 공급관(143)의 내부 온도 역시 77K의 온도가 유지되는 것을 알 수 있다. 다만, 진공관(145)은 외부의 대기온도 영향을 받아 그 내부 진공 공간이 다양한 온도 분포를 갖는 것으로 나타나나, 감쇠기 관(141)의 고압 액체 질소 및 냉매 공급관(143)의 냉매는 대기온도에 영향을 받지 않는다.

또한, 도 4d를 참조하면, 과도 상태에서의 감쇠기는 감쇠기의 일 단부에 유입되는 고압 액체 질소는 77K의 온도를 갖는다. 이 고압 액체 질소는 감쇠기 관(141) 내부 공간에서 타 단부 방향으로 흐르는 과정에서 온도가 떨어져 타 단부를 통해 배출되기 직전에 117K의 온도를 갖는다. 또한, 냉매 공급관(143)의 내부 온도는 77K의 온도를 유지하며, 진공관(145)은 외부의 대기온도 영향을 받아 그 내부 진공 공간이 다양한 온도 분포를 갖는 것을 알 수 있다. 이 경우, 과도 상태에서도 감쇠기 관(141)에 유입되어 배출되는 고압 액체 질소의 온도는 종래와 비교할 때, 크게 상승되지 않는 것을 알 수 있다.

도 5a 내지 도 5d는 종래와 본 발명에 따른 이송 배관의 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 5a 및 도 5b는 종래 이송 배관의 온도 분포를 나타내며, 도 5c 및 도 5d는 본 발명에 따른 이송 배관의 온도 분포를 나타낸다. 이 경우, 각 이송 배관의 온도 분포는 CFD(Computation Fluid Dynamics)를 이용한 열전달 해석에 의해 나타낼 수 있다. 또한, 이송 배관은 도 1에 도시된 제1 이송 배관(190a, 190b) 또는 제2 이송 배관(150)이 될 수 있으며, 도 5c 및 도 5d에서는 제2 이송 배관(150)에 대한 온도 분포를 나타낸다.

종래 이송 배관은 감쇠기로부터 고압 액체 질소를 전달받아 혼합 챔버에 이송시키는 구성만을 포함한다. 즉, 도 3에 도시된 이송 배관의 구성 중 액체 질소 이송관(151)에 해당하는 구성만을 포함한다. 이 같은 종래 이송 배관은 Ni-Cr-Mo 합금강으로 이루어져 있다. 도 5a 및 도 5b는 300K의 대기 온도에서 이송 배관을 통해 77K의 액체 질소를 0.15㎏/s의 유량으로 이송시키는 과정에서의 이송 배관의 온도 분포를 나타낸 것이다.

도 5a는 제2 이송 배관의 입구측 온도 분포를 나타내며, 도 5b는 이송 배관의 출구측 온도 분포를 나타낸다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이송 배관의 입구측에 전달되는 고압 액체 질소는 극저온 상태인 77K의 온도를 갖는다. 그러나, 이송 배관의 출구측에 전달된 고압 액체 질소는 243K 내지 266K 범위의 온도를 갖는 것으로,이송 배관의 입구측에서 출구측으로 흐를수록 그 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 이는, 이송 배관이 외부의 대기온도에 영향을 받아 그 내부가 대기온도와 유사 또는 동일한 온도까지 상승하는 것에 기인하는 것이다. 이에 따라, 이송 배관에 흐르는 고압 액체 질소의 온도 역시 상승하게 된다. 따라서, 고압 액체 질소가 기화되는 현상이 발생하며, 이는 액체 질소의 압력 저하로 나타난다.

반면, 본 발명에 따른 제2 이송 배관(150)은 감쇠기(140)로부터 고압 액체 질소를 전달받아 이송시키는 액체 질소 이송관(151)과, 이 액체 질소 이송관(151)을 둘러싸는 구조를 가지며 냉매를 공급하는 냉매 이송관(153), 그리고, 냉매 이송관(153)을 둘러싸는 구조를 가지며 진공 공간을 포함하는 진공관(155)을 포함한다.

또한, 액체 질소 이송관(151)은 Ni-Cr-Mo 합금강으로 이루어져 있으며, 냉매 이송관(153) 및 진공관(155)은 SUS 304 스테인레스 강으로 이루어져 있다. 그리고, 액체 질소 이송관(151)에는 77K의 액체 질소를 0.15㎏/s의 유량으로 유입시키고, 냉매 이송관(153)에는 냉매를 공급한다. 그리고, 진공관(155)은 10 ^-2 torr의 중진공 상태를 유지하여 액체 질소 이송관(151)과 냉매 이송관(153)을 외부의 대기온도로부터 단열시킨다. 이 같은 구조의 이송 배관에서 고압 액체 질소가 입구측에서 출구측으로 이송되는 과정의 온도 분포는 도 5c 및 도 5d와 같다. 이 경우, 이송 배관(150) 외부의 대기 온도는 300K이다.

도 5c는 제2 이송 배관(150)의 입구측 온도 분포를 나타내며, 도 5d는 이송 배관(150)의 출구측 온도 분포를 나타낸다. 도 5c를 참조하면, 이송 배관의 입구측에 전달되는 고압 액체 질소는 77K의 온도이다. 또한, 도 5d를 참조하면, 고압 액체 질소는 이송 배관의 출구측에서 77K의 온도를 갖는 것으로, 입구측에서의 극저온 상태의 온도를 유지하는 것을 알 수 있다. 이 같이, 냉매 이송관(153)을 통해 냉매를 이송시켜 고압 액체 질소의 온도를 극저온으로 유지할 수 있으며, 진공관(155)을 통해 외부의 대기온도를 단열시킴으로써 고압 액체 질소가 외부 온도에 영향을 받아 기화되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 극저온 절단 시스템을 나타내는 도면,

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 극저온 절단 시스템에서 감쇠기의 구성을 구체적으로 나타내는 도면,

도 3은 도 1에 도시된 극저온 절단 시스템에서 제2 이송 배관의 구성을 구체적으로 나타내는 도면,

도 4a 내지 도 4d는 종래와 본 발명에 따른 감쇠기의 온도 분포를 나타내는 도면, 그리고,

도 5a 내지 도 5d는 종래와 본 발명에 따른 이송 배관의 온도 분포를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 구성에 대한 부호 설명 *

100 : 극저온 절단 시스템 110 : 제어 장치

120 : 저장 탱크 130 : 증압 실린더

140 : 감쇠기 150 : 제2 이송 배관

160 : 혼합 챔버 170 : 분사 노즐

180 : 절단 작업대 190a, 190b : 제1 이송 배관