JPH07270573A - 気水分離器および気水分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧力損失とキャリーアンダーとキャリーオー
バーを低減する構造簡単な気水分離器および気水分離装
置を提供する。 【構成】 ライザ管２の上端部に旋回羽根部２ａを設
け、旋回羽根部２ａの上端に単一段の旋回筒、あるいは
大径のものの上端部に小径のものの下端部を挿入して継
ぎ合わせた複数段の旋回筒５，８，１１を接続し、最上
段の旋回筒の上端部に蒸気出口筒１４を挿着し、ライザ
管２の外周に多角形のライザ管プレート３を取り付け、
旋回筒と旋回筒或いは蒸気出口筒挿着部に、内側の旋回
筒或いは蒸気出口筒と外側の旋回筒の隙間を閉塞する円
形プレート１５、１６、１７と、旋回筒プレート７，１
０，１３とを取り付け、排水流路６，９，１２を開設
し、ライザ管プレート３と旋回筒プレート７、１０、１
３を同一位相となるようにした構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は気液二相流を液体と気体
とに気水分離器および前記気水分離器を構成要素とする
気水分離装置に係わり、特に沸騰水型原子炉の炉心から
の水と蒸気の混相流を水と蒸気に分離する気水分離器お
よび気水分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、
原子炉圧力容器内に多数の燃料集合体を装荷した炉心を
有し、この炉心の上方に気水分離器を設置している。気
水分離器は、炉心シュラウドを覆うシュラウドヘッドに
林立状態に設けられ、炉心からの気液二相流を水と蒸気
とに分離させる。分離された蒸気は、蒸気乾燥器に導か
れてさらに湿分が除去され、一方、蒸気から分離された
水は、炉心の周りのダウンカマ部に案内される。

【０００３】図１６は従来の気水分離器の構成を概略示
している。従来の気水分離器８０は、図１６に示すよう
に三重の筒構造を有し、本体ケーシングである外筒８１
内に、中間筒８２と内筒８３（旋回筒８３）が収容さ
れ、この旋回筒８３の下部には、ライザ管８４のラッパ
管部８４ａが一体的に接続されている。

【０００４】旋回筒８３はライザ管８４より太径の筒状
をなし、これと上端でほぼ同径のラッパ管部８４ａに
は、旋回羽根８５が設けられている。この旋回羽根８５
は、ライザ管８４内を上昇する炉心からの気液二相流に
旋回流を付与し、これによって気液二相流は旋回しなが
ら旋回筒８３内を上昇する。

【０００５】旋回羽根８５は、中心ハブ８５ａの周りに
複数、例えば８枚の螺旋状の傾斜翼８５ｂを有し、この
傾斜翼８５ｂが回転することにより、ラッパ管部８４ａ
を通過する気液二相液は、上昇運動と回転運動を付与さ
れ、旋回流となる。気液二相流の旋回流は、遠心分離作
用を受け、蒸気渦流は中心側に、水渦流は旋回筒８３の
内周壁に沿って蒸気渦流を取り囲む形で上昇する。

【０００６】遠心分離作用を受けた水渦流は、旋回筒上
部のピックオフリング８６（ピックオフリングともい
う）で捕捉され、反転して第一放出流路８７に案内され
た水は、旋回筒８３の外周に配設された例えば４本のフ
ローディバイダ（図示せず）で回転動が阻止され、オリ
フィスとして機能するブレイクダウンリング８７ａを経
てダウンカマ上部の炉水に戻される。なお、ブレイクダ
ウンリング８７ａは、第一放出流路８７からダウンカマ
部に放出される流体の流量を制限することにより、水に
含まれる蒸気を上方に戻し、気水分離器のキャリアンダ
ー（水に含まれる蒸気）を最小にするものである。

【０００７】また、この気水分離器８０では、外筒８１
と中間筒８２の間に第二放出流路８８を備えている。こ
の第二放出流路８８は、蒸気と水の渦流の中間の層から
蒸気と水の混合流を集め、水と蒸気の分離の完全化を図
る目的で設置されている。この層状混合流にはかなりの
体積量の蒸気が含まれているので、水から蒸気を分離さ
せ、分離された蒸気を蒸気出口８８ａから蒸気乾燥器の
下部プレナムに放出する。一方、分離された水は、第二
放出流路８８の下端開口からダウンカマ部に案内される
ようになっている。なお、上記第二放出流路８８は、案
内される水の回転動を阻止するため、垂直方向に延びる
チャンバの形に形成されている。

【０００８】また、気水分離器８０の旋回筒８３内の中
心部を上昇した蒸気渦流は、上部のプリドライヤ８９に
案内される。プリドライヤ８９は、蒸気渦流が案内され
るドライヤ内筒（連絡筒）８９ａとこのドライヤ内筒８
９ａを取り囲むドライヤ外筒８９ｂとを有し、二重筒構
造に構成されている。ドライヤ内筒８９ａ内に案内され
た蒸気流の水分は、ピックオフリング９０で捕捉され、
反転してプリドライヤ放出流路９１に案内され、プリド
ライヤ放出流路９１を通ってダウンカマ部に導かれる。
一方、プリドライヤ８９の中心部を上昇した蒸気は、蒸
気乾燥器（図示せず）下方のプレナムに放出され、この
プレナムから蒸気乾燥器に案内されるようになってい
る。

【０００９】なお、上記気水分離器８０は第二放出流路
８８を有する三重筒構造であったが、最近のＢＷＲでは
第二放出流路を省略した二重筒構造の気水分離器もよく
用いられている。

【００１０】このように、従来の気水分離器によれば、
炉心からの気液二相流は、水と蒸気に分離され、分離さ
れた蒸気は蒸気乾燥器下部のプレナム部に放出され、水
はダウンカマ部へ案内される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の気水分離器は、二重筒構造あるいは三重筒構造であ
るため、単位面積に並べられる本数が少なく、１本あた
りが処理する気液二相流量が多くなり、圧力損失が大き
く、ポンプの負荷や自然循環流量の面で不利となる場合
があった。

【００１２】気水分離器を用いているプラント、特にＢ
ＷＲにおいては、ポンプや自然対流によって冷却材を循
環させるのが一般的であるが、ポンプ負荷や自然対流に
よる流量は冷却材の圧力損失に依存し、気水分離器の圧
力損失が大きいことは、必然的に装置の大型化や不経済
をもたらす。

【００１３】また、気水分離器を用いているプラントで
は、プラントの運転性の点で水位の制御が重要であり、
その水位は冷却材のインベントリ（流入量）に影響され
る。上記従来の気水分離器は、三重筒構造であるため、
各筒の肉厚部分だけ冷却材のインベントリが少なくなる
ので、水位変化が敏感になり、プラントの運転性や性能
の面で不利となる場合があった。

【００１４】さらに、従来の気水分離器は複雑な三重筒
構造のため構造性の面で不利となる場合がある。また、
気水分離器を林立させた気水分離装置では、個々の気水
分離器を支持する必要があり、構造の面で不利となる場
合があった。

【００１５】また、従来の気水分離器の構造では、気水
分離器のキャリーオーバーやキャリーアンダーの面で改
良すべき点があった。このことを図面を用いて以下に説
明する。

【００１６】図１７は、二重筒構造の従来の気水分離器
を示している。図１７において、遠心分離作用を受けた
水は、液膜１００となって上部のピックオフリング１０
１で捕捉され、反転して旋回筒１０２と外筒１０３で形
成される放出流路１０４に案内される。放出流路１０４
に案内された水は、オリフィスとして機能するブレイク
ダウンリング１０５を経てダウンカマ上部の炉水１０６
に戻される。

【００１７】図１７(b) に明らかに示すように、ピック
オフリング１０１は内縁部が断面鍵型になっており、旋
回筒１０２の内側の液膜１００を捕捉して放出流路１０
４に確実に導けるようになっている。一方、液膜１００
と一緒にピックオフリング１０１に捕捉された一部の蒸
気１０７は放出流路１０４内を下方に流れていく。大部
分の蒸気は、鈎板１０１ａがあるために図示した矢印ｆ
のような流れになり、鈎板１０１ａと板１０１ｂによっ
て形成された角において渦を発生する。その渦流によ
り、液膜１００の一部が巻き込まれ、再び液滴１０８と
なって上部に運ばれ、その結果、キャリーオーバーが増
大する。さらに、ピックオフリング１０１の上方では、
矢印ｖに示すような蒸気の渦が形成され、圧力損失がさ
らに増大する。

【００１８】このように、ピックオフリングで生成され
た渦によって捕捉された水が液滴１０８となって上部に
運ばれるので、気水分離器のキャリーオーバーを増大す
る。これは、発電のためにタービンに直接炉心から蒸気
を供給するＢＷＲにおいて、キャリーオーバーを一定値
以下に制限しなければならない要求に反する。また、ピ
ックオフリング１０１の周辺の渦による圧力損失は、ポ
ンプや圧力容器の大型化をもたらすこととなる。

【００１９】また、従来の気水分離器の構造では、キャ
リーアンダーが増大する問題もあった。図１７(a) に示
すように、遠心分離作用を受けた水の液膜１００は、上
部のピックオフリング１０１で捕捉され、反転して放出
流路１０４に案内されるが、放出流路１０４中には水と
ともに蒸気１０７も相当量混入する。ブレイクダウンリ
ング１０５は、放出流路１０４中の流体の流量・流速を
制限して蒸気を上方に戻すが、それでもある程度の蒸気
が放出流路１０４から垂直下方へダウンカマ部に噴出さ
れる。

【００２０】ところで、気水分離器外側の炉水１０６の
流れは、図１７(a) に示すように下向きの流れを持って
いるため、同じ方向の速度を持つブレイクダウンリング
１０５から排出された蒸気１０７はより下部に運ばれ易
く、これによってキャリーアンダーが増加する。

【００２１】そこで本発明の目的は、上記従来技術の課
題を解決し、圧力損失とキャリーアンダーとキャリーオ
ーバーを低減する構造簡単な気水分離器および気水分離
装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本願請求項１に係る気水
分離器は、気液二相流が上昇するライザ管の上端部に旋
回羽根を備えた旋回羽根部を設け、この旋回羽根部の上
端に単一段の旋回筒、あるいは大径のものの上端部に小
径のものの下端部を挿入して継ぎ合わせた複数段の旋回
筒を接続し、最上段の旋回筒の上端部に蒸気出口筒を挿
着した気水分離器において、前記ライザ管の外周に、ラ
イザ管の外周を囲み、ライザ管とほぼ平行な流路を有す
る多角形のライザ管プレートを取り付け、前記旋回筒と
前記蒸気出口筒の挿着部、および前記複数段の旋回筒の
旋回筒同士の挿着部に、内側の旋回筒あるいは蒸気出口
筒と外側の旋回筒の間の隙間を閉塞する円形プレート
と、外側の旋回筒の外周を囲み、前記ライザ管プレート
と同一多角形の旋回筒プレートを取り付け、前記円形プ
レートと前記旋回筒プレートの下方の外側の旋回筒の壁
体に周方向の排水流路を開設し、前記ライザ管プレート
と前記旋回筒プレートを同一位相となるようにしたこと
を特徴とするものである。

【００２３】本願請求項２に係る気水分離器は、請求項
１に係る気水分離器において、前記旋回筒プレートは、
旋回筒とほぼ平行な流路を有することを特徴とするもの
である。

【００２４】本願請求項３に係る気水分離装置は、請求
項１または請求項２に記載の気水分離器を多数ほぼ垂直
に配設し、各気水分離器のライザ管プレートと旋回筒プ
レートを隣り合う気水分離器のライザ管プレートと旋回
筒プレートの側面とそれぞれ密接させ、最外周の気水分
離器の外側には、隣り合う気水分離器のライザ管プレー
トと旋回筒プレートに接する側面を除くライザ管プレー
トの側面と旋回筒プレートの側面に接し、ライザ管プレ
ートの下方から最上段の旋回筒プレートまでの部分を囲
む外壁を取り付け、前記外壁の旋回筒プレートの上方位
置の一部に、周方向の排水流路を設けたことを特徴とす
るものである。

【００２５】本願請求項４に係る気水分離器は、旋回し
ながら上昇する気液二相流を案内する内筒と、前記内筒
を取り囲んで内筒との間に分離した液体を放出する放出
流路を形成する外筒と、前記外筒から前記内筒の上方に
延設され、分離された液体を集めて前記放出流路に案内
するピックオフリングとを有する気水分離器において、
前記内筒は、上端部が拡開するように壁体の上端部が外
側に傾斜していることを特徴とするものである。

【００２６】本願請求項５に係る気水分離器は、請求項
４の気水分離器において、前記ピックオフリングの外周
部およびピックオフリングと接続する前記外筒の一部
は、分離された液体を前記内筒から前記放出流路に滑ら
かに案内する連続した曲面形状に形成されていることを
特徴とするものである。

【００２７】本願請求項６に係る気水分離器は、旋回し
ながら上昇する気液二相流を案内する内筒と、前記内筒
を取り囲んで内筒との間に分離した液体を放出する放出
流路を形成する外筒とを有する原子炉圧力容器の気水分
離器において、前記放出流路の末端部分の内筒あるいは
外筒は、放出流路内の流体を垂直下向き方向と角度をな
す方向に噴出するように構成されていることを特徴とす
るものである。

【００２８】本願請求項７に係る気水分離器は、原子炉
圧力容器内の燃料集合体の上方に設けられ、旋回羽根に
よって燃料集合体からの気液二相流を旋回させ、旋回筒
で水と蒸気とに分離する気水分離器において、前記旋回
筒は、周方向に厚肉部分と薄肉部分を有するように内方
に突出する突起部を有し、前記薄肉部分の一部には分離
した水を吐出する吐出し溝が設けられていることを特徴
とするものである。

【００２９】本願請求項８に係る気水分離器は、請求項
７の気水分離器において、前記薄肉部分と厚肉部分と吐
出し溝は、上下方向に位相をずらして形成され、それぞ
れ全体として螺旋状をなすように構成されていることを
特徴とするものである。

【００３０】

【作用】請求項１に係る気水分離器において、ライザ管
は、気液二相流を上方に案内し、旋回羽根は、気液二相
流に旋回流を付与し、旋回筒は旋回運動によって分離し
た形で液体と気体を上方に案内し、円形プレートと上段
の旋回筒あるいは蒸気出口筒の下端部は分離された液体
を捕捉して排水流路から気水分離器の外側に排出する。
この結果、蒸気出口筒からは蒸気のみが排出され、この
蒸気は蒸気乾燥器に案内される。

【００３１】この請求項１の気水分離器によれば、気水
分離器が多重筒構造を有していないので、気水分離器単
体の外径が減少し、所定面積の設置場所に並べられる気
水分離器の本数が増加し、この結果、気水分離器単体の
気液二相流の流入量が少なく、気水分離器の圧力損失が
低下して分離性能も向上する。また、構造が簡単になる
ので気水分離器の構造材の体積が減少し、その減少分に
相当する冷却材のインベントリが増加し、水位変化の割
合を緩和することができる。

【００３２】請求項２に係る気水分離器では、旋回筒プ
レートが旋回筒とほぼ平行な流路を有していることによ
り、旋回筒の上方に排出された分離された液体の一部が
旋回筒プレートの流路を通って下方に落下する。この旋
回筒プレート通過の際に、分離された液体中に混入した
気体は上方に戻され、これによって、さらに気水分離器
全体の分離性能を向上させることができる。

【００３３】請求項３に係る気水分離装置では、気液二
相流は旋回しながら旋回筒内を上昇し、分離された液体
は、上段の旋回筒や蒸気出口筒の下端部と円形プレート
によって捕捉され、排水流路を通って旋回筒プレートが
形成する水平方向の隔壁上に排出される。さらに、旋回
筒プレート上の液体は外壁の排水流路を通って排出され
る。

【００３４】上記外壁および旋回筒プレートは、各気水
分離器を支持する作用を有するので、それぞれの気水分
離器を支持する特別の手段を備える必要がなく、構造簡
単な気水分離装置を得ることができる。

【００３５】請求項４に係る気水分離器では、内筒の上
端部が拡開するように内筒の壁体の上端部が外側に傾斜
しているので、内筒の内側に形成された液膜は内筒の内
面に沿って流れ、内筒の傾斜によりピックオフリングの
上部の板に斜めに衝突する。これによってよりスムーズ
に放出流路に流入し、圧力損失等が減少する。

【００３６】請求項５に係る気水分離器では、ピックオ
フリングの外周部およびピックオフリングと接続する外
筒の一部が、分離された液体を滑らかに案内する連続し
た曲面形状に形成されているので、さらに圧力損失等を
減少させることができる。

【００３７】請求項６に係る気水分離器では、放出流路
の末端部分の内筒あるいは外筒が、流体を垂直下向き方
向と角度をなす方向に噴出するので、最終的に分離され
た液体中に含まれる蒸気が気水分離器周囲の下向きの流
れによって下方に運ばれることなく、比重の差によって
上方に戻され、キャリーアンダー性能を改善することが
できる。

【００３８】請求項７に係る気水分離器では、原子炉の
炉心から出てきた気液２相流はライザ管内を上昇してき
て、旋回羽根により螺旋状の回転運動を付与され内筒内
で旋回流を生じている。このとき、密度の大きな水渦流
は、遠心力によって内筒の内周壁に膜状に張り付くが、
内壁は肉厚部分と肉薄部分があるため、液膜は厚い部分
と薄い部分とに分けられる。ここで、液膜の厚い部分に
は、吐出し溝が設けられているので、液膜が従来に比べ
て厚い状態で排出でき、排出性能が向上する。また、液
膜の厚い部分では飛散する液滴（キャリーオーバー）は
減少する。

【００３９】さらに請求項８に係る気水分離器では、旋
回筒の肉厚部分と肉薄部分と吐出し溝が螺旋形状に形成
されているので、この螺旋状の肉厚部分等が旋回筒内部
の気液二相流の旋回流をより大きくし、さらに気液の分
離性能が向上させる。

【００４０】

【実施例】以下添付の図面を用いて本願発明の実施例に
ついて説明する。 〔第一実施例〕図１は、本実施例の気水分離器の水平断
面、垂直断面、ならびに各構成部分を概略示したもので
ある。本実施例の気水分離器１はライザ管２を有し、こ
のライザ管２は、従来のブレイクダウンリング相当する
位置に、外形が六角形のライザ管プレート３を有してい
る。そのライザ管プレート３の外周部には、他のライザ
管プレート３と組み合わせたときにライザ管２に平行な
ライザ管プレート流路４を形成する溝が付されている。
このライザ管プレート流路４は、ライザ管プレート３の
外周の内側の孔などでもよい。このライザ管プレート流
路４の流路面積は、気水分離器１の性能から決められ
る。

【００４１】旋回羽根が取り付けられるラッパ状の旋回
羽根部２ａは、ライザ管２の上部に形成され、この旋回
羽根部２ａの上端には第一段旋回筒５が接続されてい
る。この第一段旋回筒５の上部には周方向の第一段排水
流路６が開設されている。この第一段排水流路６の上方
位置から第一段旋回筒５の上端までの第一段旋回筒５の
上端部に、第一段旋回筒プレート７が具備されている。

【００４２】同様に、第二段旋回筒８は、上部に第二段
排水流路９を有し、上端部に第二段旋回筒プレート１０
を備えている。さらに、第三段旋回筒１１は、上部に第
三段排水流路１２を有し、上端部に第三段旋回筒プレー
ト１３を備えている。

【００４３】上記旋回筒プレート７，１０，１３の外形
は、ライザ管プレート流路４を除いてライザ管プレート
３と同一の多角形状（本実施例では六角形）であり、位
相もそろっている。

【００４４】第一段旋回筒５の上方に、第二，第三段の
旋回筒８，１１と蒸気出口筒１４が順番に同一中心線を
有するように接続される。第二段旋回筒８の径は第一段
旋回筒５の径より、第三段旋回筒１１の径は第二段旋回
筒８の径より、蒸気出口筒１４の径は第三段旋回筒１１
の径よりそれぞれ小さく形成されている。旋回筒５，
８，１１や蒸気出口筒１４の径や排水流路６，９，１２
の流路面積は、気水分離器１の気水分離性能から決めら
れる。

【００４５】第一段旋回筒５の上端部分は第二段旋回筒
８の下端部分に、また、第二段旋回筒８の上端部分は第
三段旋回筒１１の下端部分に、また、第三段旋回筒１１
の上端部分は蒸気出口筒１４に入り子状に挿着される。
この場合、上段の筒体の下端部は、所定の長さ下段の筒
体の排水流路の部分に突き出すように接続される。その
突き出す長さは、従来のピックオフリングの鈎板と同様
に気水分離性能から決められる。

【００４６】さらに、各旋回筒５，８，１１の周方向排
水流路６，９，１２の上側部分には、第一段旋回筒５を
除く旋回筒８，１１の下端部や蒸気出口筒１４の外周を
取り囲み、外径が下段の旋回筒の内径と等しい円形プレ
ート１５，１６，１７が取り付けられている。

【００４７】続いて、上記気水分離器をＢＷＲの気水分
離装置として用いる場合の一例を図２を用いて説明す
る。

【００４８】図２において、全体を符号１８で示す気水
分離装置は、ＢＷＲのシュラウドヘッド上に、図１で説
明した気水分離器１を林立状態で多数配置し、個々の気
水分離器１は、ライザ管プレート３と旋回筒プレート
７，１０，１３の六角形の側面が隣り合う気水分離器１
のそれと接するように、プレートとプレートの間に隙間
ができないように配設される。

【００４９】最外周の気水分離器１の外側には、隣り合
う気水分離器１のプレートに接していない全てのライザ
管プレートと旋回筒プレートの外側面に接し、ライザ管
プレート３の下方から、第三段旋回筒プレート１３まで
の部分を覆う外壁１９が設けられている。その外壁１９
の旋回筒プレート７，１０が構成する水平方向の隔壁の
上方位置の一部に、周方向の排水流路２０が設けられて
いる。

【００５０】このような気水分離装置１８では、各旋回
筒８，１１や蒸気出口筒１４の下端で下段の旋回筒に突
き出した部分、ならびに円形プレート１５，１６，１７
が、従来の気水分離器のピックオフリングと同じ機能を
持ち、旋回筒５，８，１１の内壁に沿って流れる液相の
分離を行う。

【００５１】また、隣り合う気水分離器の側面と旋回筒
５，８，１１に具備された旋回筒プレート７，１０，１
３が従来の気水分離器の外筒と同じ機能を持ち、周方向
排水流路２０が分離された液体の下向きの排水流路とな
る。

【００５２】さらに、ライザ管２に取り付けられたライ
ザ管プレート３の流路４が従来の気水分離器のブレーク
ダウンリングと同じ機能を持ち、気液分離性能を調整す
ることができる。

【００５３】さらに、ライザ管プレート３や旋回筒プレ
ート７，１０，１３は、隣り合う気水分離器１と接して
いるので、気水分離器１が互いに支持しあい、従来の気
水分離器の支持用の補強材の機能を果たすことができ
る。

【００５４】また、最外周の気水分離器を囲む外壁１９
は、それらの気水分離器１の排水流路６，９，１２から
出る液体の下向きの排水流路を形成するとともに、気水
分離器１全体を支持する機能を果たす。さらに外壁の周
方向排水流路２０は、第二段旋回筒８と第三段旋回筒１
１で分離された液体のダウンカマ部への流路を形成す
る。

【００５５】気水分離装置の性能は、一般的にキャリー
アンダーとキャリーオーバーと圧力損失で評価され、い
ずれも値が低いほど分離性能が高いことを意味する。こ
こで、キャリーアンダーは、気水分離器の分離された水
の中に残っている気体の質量分率であり、キャリーオー
バーは気水分離器で分離された気体中の水の質量分率で
ある。図３は従来の気水分離器のＢＷＲ条件での気液二
相流の二相流入量に対するキャリーアンダーとキャリー
オーバーの実験結果である。

【００５６】図３よりキャリーオーバーはどの水位で
も、二相流入量約３〜４×１０⁵ １ｂ／ｈの時に最小
であることがわかる。従来の気水分離器では二相流入量
は約４×１０⁵ １ｂ／ｈである。二相流入量がある程
度以上多くなると、旋回筒の内壁に沿ってできる液膜の
厚さが増し、ピックオフリングの幅より厚くなること
や、液膜の液面での波立ちが多くなるのでキャリーオー
バーが増加する。一方、二相流入量が小さすぎても、旋
回羽根でおこる旋回流が小さくなり、それに伴い遠心力
が小さくなるので気液分離が効率良く行われなくなる。
このような理由でキャリーオーバーは二相流入量対して
下に凸な関係にあると考えられている。

【００５７】一方、キャリーアンダーはどの水位でも二
相流入量が小さいほど低いのがわかる。キャリーアンダ
ーは、液相の下向き流れが気相を引っ張ることによって
起こると考えられている。従って、流速が遅ければ気相
の浮力による上昇力が相対的に大きくなるのでキャリー
アンダーは小さくなる。

【００５８】また、基本的に円管内の流れと同等である
から、気水分離器での圧力損失は流速の２乗にほぼ比例
する。従って、気水分離器において、二相流入量を小さ
くすれば流速も小さくなり、圧力損失も低下する。

【００５９】上記気水分離器の性能は、流入する二相流
の状態や旋回羽根をはじめとする気水分離器の形状で異
なる。これに対して本実施例の気水分離器では、気水分
離性能に関係するライザ管径、旋回羽根の形状、旋回筒
径と長さ、ピックオフリングでの液相と気相の流路面
積、ブレークダウンリング部での排水流路面積を調整す
ることにより、図３で示した従来の気水分離器と熱水力
的に同等に設計が可能である。このように設計した場合
の本実施例の気水分離器の効果について概算・比較す
る。

【００６０】上記二相流入量が約４×１０⁵ １ｂ／ｈ
の従来の気水分離器は、外筒の径が２５４mm、旋回筒の
内径が２２２mm、肉厚が３．２mmであり、ＢＷＲの外径
が５８９３mmのシュラウドヘッドに３５９本並べられて
いる。

【００６１】これに対して本実施例の気水分離器の第一
段旋回筒の径と肉厚と排水流路面積を従来のものと同じ
に設計すると、ライザ管プレート３と旋回筒プレート
７，１０，１３の一辺は１３６mmとなる。この気水分離
器を前記シュラウドヘッドに並べると４２７本並べるこ
とができる。

【００６２】すなわち、全体の二相流入面積が４２７／
３４９倍（＝１．２２倍）となり、気水分離器一体辺り
の二相流入量は１／１．２２倍（＝０．８２倍）とな
る。つまり、二相流入量が従来の約４×１０⁵ １ｂ／
ｈから約３．３×１０⁵ １ｂ／ｈに減少することにな
るのである。この時のキャリーオーバーやキャリーアン
ダーを図３から読み取ると、いずれも従来より同等かそ
れ以下となる。

【００６３】さらに、圧力損失の面では、流入する二相
流の条件が同じであるから、流速の２乗にほぼ比例する
ので、０．８２２倍（＝０．６７倍）となる。つまり、
気液分離性能を向上させながら圧力損失を約３０％低下
させることができるのである。

【００６４】さらに、構造面では、本実施例の気水分離
装置によれば、個々の気水分離器は、隣り合う気水分離
器によって支持されているので、従来のような支持部材
（サポート）が不必要となる。しかも、個々の気水分離
器の構造が従来より明らかに単純であり、多重筒構造に
よる冷却材のインベントリの減少の問題もない。

【００６５】上記本実施例の気水分離装置の変形とし
て、旋回筒プレート７，１０，１３に旋回筒とほぼ平行
な流路を設ける場合もある。この場合、旋回筒プレート
７，１０，１３の流路を通じて、旋回筒から排出された
水に含まれる気相が上の段の旋回筒の排水流路に抜け出
て、キャリーアンダーを低下させる作用・効果がある。

【００６６】このように本実施例の気水分離器と気水分
離装置によれば、気水分離器に流入する二相流量を減少
させられ、これによって気液分離性能を改善しつつ、圧
力損失を低減し、プラントの冷却水ポンプ駆動力を減ら
したり、自然循環流量を増加させることができる。さら
に、構造が簡単であり、個々の気水分離器のサポートが
不必要であるので、気水分離装置の製造性を大幅に向上
させることができる。

【００６７】〔第二実施例〕図４は、本発明の第二実施
例による気水分離器の一部を示している。この気水分離
器は、ピックオフリング部分の形状を除いて全体として
図１７(a) の気水分離器と同様の構造を有している。こ
の気水分離器では、ピックオフリングの内縁部が従来の
鈎板より平板に変更され、内筒３０の上端部が外筒３１
方向に角度θ（約４度）で傾斜している。さらにピック
オフリングの外周部とピックオフリングに接続する外筒
３１の上端部が、全体として円弧状に形成されている。

【００６８】この気水分離器では、内筒３０の内側に形
成された液膜３２は内筒３０の内面に沿って上昇し、内
筒３０の上部で角度θ（約４度）に方向を変え、ピック
オフリングの板３３に斜めに衝突する。衝突した液膜３
２は、外筒３１と板３３で形成されるアール３４に沿っ
てスムーズに反転して内筒３０と外筒３１の間の放出流
路に案内される。

【００６９】一方、蒸気は図１７のピックオフリングの
ような鈎板がなくなったので、スムーズに流れることが
可能となり、蒸気の乱れによる液体の飛散も少なくなっ
てキャリオーバーも減少する。むろん、流れがスムーズ
になったことにより、圧力損失も減少する。

【００７０】〔第三実施例〕図５ないし図７は、本発明
の第三実施例による気水分離器４０の種々の変形例を示
している。図５に示す気水分離器４０では、内筒４１と
外筒４２の下部位置にプレート４３が内筒４１の全周に
わたって設けられている。このプレート４３と外筒４２
下端の間の間隙（スリット４４）から、放出流路４６を
通った液膜４５の流体が横方向に噴出される。この噴出
される流体中には蒸気４７が混入されている。

【００７１】気水分離装置の外側の炉水は、下向きの流
れを持っている。従来の気水分離器は、液体とともに蒸
気が下向きに排出されるため、気水分離器外側の液体と
同じ流れ方向の速度を持った蒸気はより下部に運ばれ、
キャリーアンダーが増加する。これに対して、本実施例
の気水分離器４０では、放出流路４６の流体が横向きに
排出されるため、蒸気４７が下向きの水流に運ばれるこ
とが少なく、従来の気水分離器に比べてキャリーアンダ
ーが減少する。

【００７２】図６は上記図５の気水分離器の変形例を示
している。図５と同一部分に同一符号を付して説明を省
略する図６において、放出流路４６の下端部は閉じられ
ており、外筒４２の下端部には多数の穴４８が開設され
ている。

【００７３】この気水分離器では、蒸気４７を含む気液
二相流は放出流路４６中を下降し、外筒の穴４８から水
平方向に噴出される。この水平方向の流速によって、蒸
気４７が気水分離器周囲の下向きの水流によって炉心に
再循環されることが少なくなり、従来の気水分離器に比
べてキャリーアンダーが減少する。

【００７４】図７は上記図５の気水分離器のさらに他の
変形例を示している。図７の気水分離器は、図５の気水
分離器のプレート４３の代わりに、外周部が断面鈎状に
立ち上がった鈎状プレート４９を有している。

【００７５】上記鈎状プレート４９は、外筒４２との間
に上向きのスリットを形成し、気液二相流はこのスリッ
トから垂直上方に噴出される。これにより、下方に運ば
れる蒸気４７が減少し、キャリーアンダーを低減させる
ことができる。

【００７６】〔第四実施例〕次に図８ないし図１５を用
いて、本願発明の第四実施例について説明する。図８は
軽水炉としての強制循環方式の沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）に本実施例の気水分離器を適用した例を示してい
る。なお、自然循環方式のＢＷＲについても、本実施例
の気水分離器を全く同様に適用できるので、説明を省略
する。

【００７７】本実施例の気水分離器５０は、ＢＷＲの原
子炉圧力容器５１内の炉心５２の上方に設置される。炉
心５２は、炉心シュラウド５３によって囲まれた多数の
燃料集合体５４からなる。炉心シュラウド５３の外側と
原子炉圧力容器５１の内周壁との間には、環状のダウン
カマ部５５が形成されている。ダウンカマ部５５の下部
には、原子炉内の冷却材再循環用インターナルポンプ５
６が複数台周方向に間隔をおいて設けられている。この
インターナルポンプ５６により、原子炉圧力容器５１内
の炉水が強制的に循環せしめられるように構成されてい
る。

【００７８】炉心シュラウド５３は、上方からシュラウ
ドヘッド５７によって覆設され、このシュラウドヘッド
５７に多数の気水分離器５０が林立状態で設けられてい
る。これらの気水分離器５０により、炉心５２から出て
くる気液二相流が水と蒸気に分離されるように構成され
ている。気水分離器５０の上方には、蒸気乾燥器５８が
設置されている。この蒸気乾燥器５８により、気水分離
器５０で分離された蒸気がさらにその湿分を取り除かれ
る。湿分が除去された蒸気は主蒸気ノズル５９から図示
しない主蒸気管を経て蒸気タービンに案内され、蒸気タ
ービンを駆動する。なお、図８において、符号６０は制
御棒を示しており、この制御棒６０は、制御棒駆動機構
６１によって駆動される。

【００７９】図９は、上記気水分離器５０の周辺部分を
拡大して示している。図に示すように、気水分離器５０
は、４体１組の燃料集合体５４に対応させて設けられて
いる。

【００８０】図１０は、上記各気水分離器５０の構成を
示している。図１０に示すように、気水分離器５０は、
スタンドパイプ６２、ライザ管６３、旋回羽根部６４、
および内筒６５からなる。旋回羽根部６４は旋回羽根を
有し、この旋回羽根によってライザ管６３を上昇してく
る気液二相流の軸方向流に周方向の流速成分を与えるこ
とができる。この場合、旋回羽根は、周方向の流速成分
のみを与え、半径方向の流速成分を与えないように構成
されている。

【００８１】スタンドパイプ６２に流入した蒸気と水の
混合流は、ライザ管６３を通って旋回羽根部６４に至
り、旋回羽根によって旋回力を与えられ、螺旋状に旋回
しながら内筒６５の内部を上昇していく。この際、比重
の大きい水は遠心力のため内筒６５の内壁に押しつけら
れ、比重の小さい蒸気は内筒６５の中心部（コア）を流
れ、これによって気水分離が行われる。

【００８２】図１１は、図１０の矢印Ａ−Ａ方向に見た
上記内筒６５の断面を示している。本実施例の内筒６５
は図１１に示すように、肉厚部分と肉薄部分を有するよ
うに内包に突出する突起部を有している。また、内筒６
５の肉薄部分には、液膜吐出用の溝（スリット６６）が
設けられている。このため、遠心力の作用で分離された
液膜は、内筒６５の壁の肉薄部分に集まり、その肉薄部
分に設けられたスリット６６から外部に吐出される。

【００８３】すなわち、本実施例の気水分離器５０によ
れば、液膜が厚い部分で液相を吐出・分離するので、よ
り効果的に液膜を排出することが可能となる。

【００８４】図１２は上記第四実施例の変形例を示して
いる。この変形例の気水分離器６７は、スリット６８が
下方で幅が広くなっている点を除いて図１０の気水分離
器６０と全く同一の構成を有している。このように、下
方で広がった形状のスリット６８を設けたのは、液膜が
下方で厚く、上方で薄くなるため、液膜の厚さに応じて
スリットの幅を変化されたからである。

【００８５】上記液膜排出用の溝は、スリット形状に限
られない。たとえば、図１３に示す気水分離器６９はス
リットの代わりに孔７０を多数設けている。また、図１
４に示す気水分離器７１は、下部で大径、上部で小径の
多数の孔７２を有している。

【００８６】次に図１５を用いて、上記第四実施例のさ
らに他の変形例を説明する。図１５の矢印Ｂ−Ｂ，Ｃ−
Ｃ，Ｄ−Ｄにおける断面に示すように、気水分離器７３
は、図１１で説明した肉厚部分と肉薄部分とスリットを
上下方向に少しずつずらして設けている。これにより、
肉厚部分と肉薄部分とスリットは、全体として螺旋状に
なり、気液二相流の旋回流の流速を減衰させることが少
なく、気相と液相の分離性能を向上させることができ
る。

【００８７】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本願請求
項１に係る気水分離器は、一重の筒構造の単純な構成に
よって従来の気水分離器以上の気液分離性能を果たし、
かつ、気水分離器の単体あたりの気液二相流の流入量を
小さくすることができ、これによって気水分離器におけ
る圧力損失を低減させることができる。

【００８８】本願請求項２に係る気水分離器は、旋回筒
プレートに旋回筒とほぼ平行な流路を有し、この流路を
通って、分離された液体に含まれた気相が上段の旋回筒
の排水流路に抜けて、さらにキャリーアンダーを低下さ
せることができる。

【００８９】本願請求項３に係る気水分離装置は、請求
項１または請求項２の気水分離器を多数林立状態で配置
し、ライザ管プレートと旋回筒プレートの側面を互いに
密接させ、最外周の気水分離器の外側に外壁を取り付け
ているので、各気水分離器は隣りの気水分離器によって
支持され、さらに気水分離器の全体を外壁によって支持
することができる。この場合、旋回筒プレートとライザ
管プレートは、分離した水を放出する放出流路をなす。
これにより、この請求項３に係る気水分離装置では、気
水分離装置自体の構造が簡単であり、かつ、気水分離器
を支持する特別なサポートを必要としない。

【００９０】本願請求項４に係る気水分離器は、内筒の
上端部の壁体が外方に傾斜して内筒上端部が拡開してい
ることにより、内筒の内壁に沿って上昇する液膜は、反
転しやすいように角度をもってピックオフリングに衝突
する。これにより、従来ピックオフリングの内縁部に設
けていた鈎板を省略でき、鈎板による渦流の発生を少な
くすることができる。ピックオフリングにおける渦流の
発生が制限されることにより、キャリーアンダー、キャ
リーアンダー、および圧力損失を低減させることができ
る。

【００９１】本願請求項５に係る気水分離器は、請求項
４の気水分離器において、さらにピックオフリングと外
筒がなす角部が滑らかな連続した曲面形状に形成されて
いるので、さらに液膜の流れがスムーズになり、圧力損
失、キャリーアンダー、キャリーオーバーを低減させる
ことができる。

【００９２】本願請求項６に係る気水分離器は、放出流
路の末端部分に気液二相流を横方向あるいは上向きに噴
出する構造、たとえば実施例で説明したようなプレート
あるいは穴を設けているので、噴出された流体に含まれ
た蒸気が気水分離器周囲の下向きの水流によって下方に
運ばれることが少なく、キャリーアンダー性能を改善す
ることができる。

【００９３】本願請求項７に係る気水分離器は、旋回筒
の壁体に内方に突出する突起部を設けて肉厚部分と肉薄
部分を形成し、肉薄部分に分離した水を吐出する吐出し
溝を設けているので、分離された水が肉薄部分に集ま
り、前記吐出し溝から排出される。これは、液膜の厚い
ところで液相を分離することになり、より効果的に液相
を排出することができる。

【００９４】本願請求項８に係る気水分離器は、上記請
求項７に係る気水分離器の肉厚部分と肉薄部分と吐出し
溝を全体として螺旋状になるように、上下に位相をずら
して形成しているので、旋回筒の内壁の螺旋状の溝が気
液二相流の旋回流を減衰さることが少なく、これによっ
て旋回筒における分離性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による気水分離器の斜視図と縦断面図と
構成部分の分解図を対応させて示した図。

【図２】図１の気水分離器を多数組み合わせて構成した
気水分離装置を示した斜視図。

【図３】気水分離器単体への気液二相流の流入量とキャ
リーアンダーとキャリーオーバーの関係を示したグラ
フ。

【図４】内筒の上端部を拡開させた本発明による気水分
離器の一部を示した断面図。

【図５】放出流路の下端部に気液二相流を水平方向に噴
出するスリットを設けた本発明による気水分離器の縦断
面図。

【図６】放出流路の下端部に気液二相流を水平方向に噴
出する穴を設けた本発明による気水分離器の縦断面図。

【図７】放出流路の下端部に気液二相流を上向きに噴出
する鈎状プレートを設けた本発明による気水分離器の縦
断面図。

【図８】本発明による気水分離器を適用した強制循環方
式のＢＷＲの全体を示した縦断面図。

【図９】図８の強制循環方式のＢＷＲの一部を拡大して
示した縦断面図。

【図１０】旋回筒に肉厚部分と肉薄部分とスリットを設
けた本発明による気水分離器を示した側面図。

【図１１】図１０の気水分離器のＡ−Ａ矢視方向断面
図。

【図１２】旋回筒に肉厚部分と肉薄部分と下方に拡開す
るスリットを設けた本発明による気水分離器を示した側
面図。

【図１３】旋回筒に肉厚部分と肉薄部分と多数の孔を設
けた本発明による気水分離器を示した側面図。

【図１４】旋回筒に肉厚部分と肉薄部分と下方ほど大径
の多数の孔を設けた本発明による気水分離器を示した側
面図。

【図１５】旋回筒に肉厚部分と肉薄部分と水吐出し用の
スリットを螺旋状に設けた本発明による気水分離器を示
した図。

【図１６】従来の気水分離器の縦断面図。

【図１７】従来の気水分離器のピックオフリングにおけ
る気相および液相の流れを説明した図。

【符号の説明】

１ 気水分離器 ２ ライザ管 ２ａ 旋回羽根部 ３ ライザ管プレート ４ ライザ管プレート流路 ５ 第一段旋回筒 ６ 第一段排水流路 ７ 第一段旋回筒プレート ８ 第二段旋回筒 ９ 第二段排水流路 １０ 第二段旋回筒プレート １１ 第三段旋回筒 １２ 第三段排水流路 １３ 第三段旋回筒プレート １４ 蒸気出口筒 １５ 円形プレート １６ 円形プレート １７ 円形プレート １８ 気水分離装置 １９ 外壁 ２０ 排水流路 ３０ 内筒 ３１ 外筒 ３３ 板 ３４ アール ４０ 気水分離器 ４１ 内筒 ４２ 外筒 ４３ プレート ４４ スリット ４６ 放出流路 ４８ 穴 ４９ 鈎状プレート ５０ 気水分離器 ６３ ライザ管 ６４ 旋回羽根部 ６５ 内筒 ６６ スリット ７３ 気水分離器 ７４ スリット

フロントページの続き (72)発明者 片 岡 一 芳 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 師 岡 慎 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気液二相流が上昇するライザ管の上端部に
   旋回羽根を備えた旋回羽根部を設け、この旋回羽根部の
   上端に単一段の旋回筒、あるいは大径のものの上端部に
   小径のものの下端部を挿入して継ぎ合わせた複数段の旋
   回筒を接続し、最上段の旋回筒の上端部に蒸気出口筒を
   挿着した気水分離器において、 前記ライザ管の外周に、ライザ管の外周を囲み、ライザ
   管とほぼ平行な流路を有する多角形のライザ管プレート
   を取り付け、 前記旋回筒と前記蒸気出口筒の挿着部、および前記複数
   段の旋回筒の旋回筒同士の挿着部に、内側の旋回筒ある
   いは蒸気出口筒と外側の旋回筒の間の隙間を閉塞する円
   形プレートと、外側の旋回筒の外周を囲み、前記ライザ
   管プレートと同一多角形の旋回筒プレートを取り付け、
   前記円形プレートと前記旋回筒プレートの下方の外側の
   旋回筒の壁体に周方向の排水流路を開設し、 前記ライザ管プレートと前記旋回筒プレートを同一位相
   となるようにしたことを特徴とする気水分離器。
2. 【請求項２】前記旋回筒プレートは、旋回筒とほぼ平行
   な流路を有することを特徴とする請求項１記載の気水分
   離器。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の気水分離
   器を多数ほぼ垂直に配設し、各気水分離器のライザ管プ
   レートと旋回筒プレートを隣り合う気水分離器のライザ
   管プレートと旋回筒プレートの側面とそれぞれ密接さ
   せ、 最外周の気水分離器の外側には、隣り合う気水分離器の
   ライザ管プレートと旋回筒プレートに接する側面を除く
   ライザ管プレートの側面と旋回筒プレートの側面に接
   し、ライザ管プレートの下方から最上段の旋回筒プレー
   トまでの部分を囲む外壁を取り付け、 前記外壁の旋回筒プレートの上方位置の一部に、周方向
   の排水流路を設けたことを特徴とする気水分離装置。
4. 【請求項４】旋回しながら上昇する気液二相流を案内す
   る内筒と、 前記内筒を取り囲んで内筒との間に分離した液体を放出
   する放出流路を形成する外筒と、 前記外筒から前記内筒の上方に延設され、分離された液
   体を集めて前記放出流路に案内するピックオフリングと
   を有する気水分離器において、 前記内筒は、上端部が拡開するように壁体の上端部が外
   側に傾斜していることを特徴とする気水分離器。
5. 【請求項５】前記ピックオフリングの外周部およびピッ
   クオフリングと接続する前記外筒の一部は、分離された
   液体を前記内筒から前記放出流路に滑らかに案内する連
   続した曲面形状に形成されていることを特徴とする請求
   項４に記載の気水分離器。
6. 【請求項６】旋回しながら上昇する気液二相流を案内す
   る内筒と、前記内筒を取り囲んで内筒との間に分離した
   液体を放出する放出流路を形成する外筒とを有する原子
   炉圧力容器の気水分離器において、 前記放出流路の末端部分の内筒あるいは外筒は、放出流
   路内の流体を垂直下向き方向と角度をなす方向に噴出す
   るように構成されていることを特徴とする気水分離器。
7. 【請求項７】原子炉圧力容器内の燃料集合体の上方に設
   けられ、旋回羽根によって燃料集合体からの気液二相流
   を旋回させ、旋回筒で水と蒸気とに分離する気水分離器
   において、 前記旋回筒は、周方向に厚肉部分と薄肉部分を有するよ
   うに内方に突出する突起部を有し、 前記薄肉部分の一部には分離した水を吐出する吐出し溝
   が設けられていることを特徴とする気水分離器。
8. 【請求項８】前記薄肉部分と厚肉部分と吐出し溝は、上
   下方向に位相をずらして形成され、それぞれ全体として
   螺旋状をなすように構成されていることを特徴とする請
   求項７に記載の気水分離器。