JP2001183489A

JP2001183489A - 気水分離器及び沸騰水型原子炉

Info

Publication number: JP2001183489A
Application number: JP36829399A
Authority: JP
Inventors: Michio Murase; 道雄村瀬; Shunji Nakao; 俊次中尾; Naoyuki Ishida; 直行石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-06
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP3762598B2

Abstract

(57)【要約】【課題】気水分離器の高い気水分離性能を維持しつつ
圧力損失を低減させ、またこの気水分離器を備える沸騰
水型原子炉の炉心出力の増加を可能とすることで経済性
を向上させる。【解決手段】スタンドパイプ１２１がシュラウドヘッ
ド４に接続して上方に立設しており、その上端にはディ
フューザ１２２が接続されている。ディフューザ１２２
内部にはスワラー１２３が内設されている。スワラー１
２３は、軸中心に位置するハブ１２４とその周囲に設置
する複数の旋回羽根１２５で構成されている。ハブ１２
４は、半球状の下端部１２４ａと直径の小さい円柱状の
本体部１２４ｂとで構成され、複数の旋回羽根１２５は
円柱状の本体部１２４ｂの外周上とディフューザ１２２
の内周上の間を渡すように設置されている。ハブ１２４
の直径ｄと第1段内筒１２６の直径Ｄの比を0.13≦ｄ／
Ｄ≦0.25の範囲にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉で発生した
蒸気を冷却水から分離する気水分離器と、原子炉圧力容
器の内部に複数の気水分離器を配置した沸騰水型原子炉
に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントでは、蒸気タービン
の健全性を維持するため、原子炉の加熱で発生した蒸気
を冷却水から分離する気水分離器と、分離された蒸気に
含まれる液滴を除去する蒸気乾燥器とで構成される気水
分離システムが使用されており、蒸気に含まれる液滴量
を一定値以下にして蒸気タービンに供給する。

【０００３】ここで従来の気水分離器は一般的に特開平
１０−１９７６７８号公報に示すような構成を有し、原
子炉で発生した蒸気と冷却水の混合流体は気水分離器の
下端に位置するスタンドパイプに流入し、次いでスタン
ドパイプの上端に接続されるディフューザ内部で軸中心
に位置するハブとその周囲に固定設置する旋回羽根とで
構成したスワラーを通過することにより遠心力が付与さ
れて旋回流となる。

【０００４】さらに、ディフューザと同じ径にある第１
段内筒と、第１段内筒の外側に設置する第１段外筒と、
それらの上方に同軸で設置される第１段ピックオフリン
グと第１段環状板とで構成する第１段気水分離部をディ
フューザの上端に接続しており、旋回流の気液混合流が
第１段内筒の内部に流入する。そして第１段内筒内で比
較的密度の高い冷却水が外周側に液膜となり、中心側の
液滴を含む蒸気とに分離される。分離された蒸気は第１
段内筒の上方に位置する第１段ピックオフリングの内側
を通過し、その他の液膜の大部分は第１環状板と第１段
外筒により誘導されて外部に排水される。

【０００５】第１段ピックオフリングを通過した蒸気は
まだ遠心力を有していくらかの液滴を含んでいる状態に
あり、さらに第１段気水分離部と同じ構成にあって第１
段ピックオフリングの上方に設置する第２段気水分離部
の内部（第２段内筒の内部）に流入して遠心力により蒸
気から液滴が分離され外部に排水される。

【０００６】このように従来の気水分離器は、遠心力の
付与の小さい起動時においても必要な気水分離性能が確
保できるように気水分離部を多段で設置する構成となっ
ている。また、特開平１０−１９７６７８号公報の図面
にはスワラーのハブの形状を逆円錐型にしたものが示さ
れている。

【０００７】一方、近年においては電気料金の低減を目
的として、炉心における熱出力と発電量の増加を可能に
できるよう、冷却水の再循環経路中における気水分離器
の圧力損失の低減が要望されている。

【０００８】そこで気水分離器の圧力損失を低減する公
知技術として、特開平４−３０１７９６号公報に記載の
ものがある。この公知技術は、第１段気水分離部を縮小
管とピックオフリングで構成し、スワラーに相当する旋
回装置を第２段気水分離部と第３段気水分離部に配置
し、水平断面流路の中央の一部分にのみ旋回装置を配置
することにより圧力損失を低減するものである。

【０００９】また、加圧型原子炉の蒸気発生器における
気水分離器の圧力損失を低減する公知技術として、実開
平８−１３６１号公報に記載のものがある。この公知技
術は、スタンドパイプと第１段内筒との間にディフーサ
がなく、流速が相対的に低い第１段内筒にスワラーを設
置することにより圧力損失を低減するものである。

【００１０】一方、気水分離器の気水分離性能を向上す
る公知技術として、特開平６−２７３５７１号公報に記
載のものがある。この公知技術は、第２段内筒を第１段
ピックオフリングより小さくして第２段内筒での遠心力
を増加することにより気水分離性能を向上するものであ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には以下の課題が存在する。まず従来の一般的な
気水分離器では高い気水分離性能が得られる。ここで、
従来は高い気水分離性能を得るために特開平１０−１９
７６７８号公報の図面に示されるようにスワラーのハブ
形状を逆円錐型にすることが必要であると考えられてい
た。つまり、スワラー中の旋回羽根のハブ側とディフュ
ーザ側の出口角度を比較した場合、ディフューザ側より
ハブ側の方が羽根を周方向に展開した場合の羽根長さが
短くなっているため、必然的に出口角度もハブ側が小さ
くなる。このように出口角度が小さくなると一般的に
は、流出する流体に対して与えられる遠心力も小さくな
る。気水分離器の場合、遠心力が小さくなると気水分離
性能が低下する。これを解消するため、ハブ形状を逆円
錐型とすることで、冷却水を外周側に押し出す構成とな
っている。

【００１２】しかし、このような従来技術によるハブの
構成は気水分離性能を向上させる反面、通過する気液混
合流の圧力を損失させる要因となり、従って上述した炉
心における熱出力と発電量の増加を妨げていた。

【００１３】また、特開平４−３０１７９６号公報の技
術においては、第１段気水分離部にスワラーが設置され
ていないため、圧力損失を低減できるが気水分離性能が
低下する。また、スワラーに相当する旋回装置を第２段
気水分離部と第３段気水分離部に配置し、水平断面流路
の中央の一部分にのみ旋回装置を配置することにより圧
力損失を低減できるが、気水分離性能が低下する。一般
に、圧力損失を低減すると気水分離性能が低下する相反
事象となる。

【００１４】また、実開平８−１３６１号公報の技術に
おいては、加圧水型原子炉の蒸気発生器の気水分離器を
対象としており、ディフューザや直径の細いスタンドパ
イプ（後述）を備えて構成していないことから沸騰水型
原子炉および改良型沸騰水型原子炉には適用できないも
のにある。

【００１５】一方、特開平６−２７３５７１号公報の技
術においては、遠心力を増加することにより気水分離性
能を向上することができるが、圧力損失の低減は考慮さ
れていない。

【００１６】従って本発明の第１の目的は、高い気水分
離性能を維持しつつ圧力損失の低減を可能とする気水分
離器を提供することにある。また本発明の第２の目的
は、気水分離器の圧力損失を低減するとともに高い気水
分離性能を維持することにより、炉心の出力を増加して
経済性を向上した沸騰水型原子炉を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】（１）上記第１の目的を
達成するために、本発明は、円筒状の第１段内筒と、第
１段内筒の上方に配置した第１段ピックオフリングおよ
び第１段環状板と、第１段内筒の外部を取り囲むように
配置した第１段外筒とで第１段気水分離部を構成し、円
筒状のスタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディ
フューザを接続し、このディフューザの上端に第１段内
筒を接続し、ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラ
ーにより気液混合流に遠心力を与え、第１段内筒の内壁
に遠心力で分離された液体で液膜を形成させて第１段ピ
ックオフリング、第１段環状板、第１段外筒により液膜
を排水し、さらに第１段気水分離部の上方に少なくとも
第２段気水分離部を接続して多段構成とし、第１段ピッ
クオフリングを通過した液膜や蒸気中の液滴を分離する
気水分離器において、スワラーをディフューザの内部に
配置し、ハブを半球状の下端部と概略円柱状の本体部と
で構成し、複数の旋回羽根をハブの本体部に設置したも
のとする。

【００１８】これにより、従来技術では半球状の下端部
と逆円錐状の本体部とでハブを構成して複数の旋回羽根
を逆円錐状の本体部に設置しているためハブの上部直径
が大きくなり旋回羽根の出口での流路面積が小さくなる
のに対し、半球状の下端部と概略円柱状の本体部とでハ
ブを構成して複数の旋回羽根を概略円柱状の本体部に設
置することにより旋回羽根の出口での流路面積を拡大す
ることができ、従来技術と同じ周方向流速にして高い気
水分離性能を維持しつつ、従来技術より低い軸方向流速
にすることができるため、流速の二乗に比例する圧力損
失を大幅に低減することができる。

【００１９】（２）上記第１の目的を達成するために、
本発明は、円筒状の第１段内筒と、第１段内筒の上方に
配置した第１段ピックオフリングおよび第１段環状板
と、第１段内筒の外部を取り囲むように配置した第１段
外筒とで第１段気水分離部を構成し、円筒状のスタンド
パイプの上端に流路面積を拡大するディフューザを接続
し、このディフューザの上端に第１段内筒を接続し、ハ
ブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液混
合流に遠心力を与え、第１段内筒の内壁に遠心力で分離
された液体で液膜を形成させて第１段ピックオフリン
グ、第１段環状板、第１段外筒により液膜を排水し、さ
らに第１段気水分離部の上方に少なくとも第２段気水分
離部を接続して多段構成とし、第１段ピックオフリング
を通過した液膜や蒸気中の液滴を分離する気水分離器に
おいて、スワラーを第１段内筒の下部に配置し、ハブを
半球状の下端部と概略円柱状の本体部とで構成し、複数
の旋回羽根をハブの本体部に設置したものとする。

【００２０】これにより、上記（１）の気水分離器と同
様に半球状の下端部と概略円柱状の本体部とでハブを構
成して複数の旋回羽根を概略円柱状の本体部に設置する
ことにより旋回羽根の出口での流路面積を拡大すること
ができるため高い気水分離性能を維持しつつ圧力損失を
大幅に低減することができ、さらに、圧力損失の大部分
を占めるスワラーを流速が低い第１段内筒の下部に設置
することにより流速の二乗に比例する圧力損失を一層低
減することができる。

【００２１】（３）上記（１）又は（２）の気水分離器
において、好ましくは、ハブの上部に円錐と半球とで構
成される上端部を接続したものとする。

【００２２】これにより、上記（１）もしくは（２）の
気水分離器において、ハブの上部に円錐と半球とで構成
される上端部を接続することによりハブ上方での後流渦
の発生を防止することができ、圧力損失をなお一層低減
することができる。

【００２３】（４）上記（１）から（３）のいずれか１
つの気水分離器において、好ましくは、ハブの本体部の
直径をｄ、第１段内筒の直径をＤとしたとき、ｄとＤの
比を0.13≦ｄ／Ｄ≦0.25の範囲に設定したものとする。

【００２４】これにより、従来技術ではハブの本体部の
直径ｄと第１段内筒の直径Ｄとの比が0.35≦ｄ／Ｄ≦0.
60の範囲であるのに対し、上記（１）から（３）のいず
れか１つの気水分離器において、ハブの本体部の直径ｄ
と第１段内筒の直径Ｄとの比を0.13≦ｄ／Ｄ≦0.25の範
囲に設定することにより旋回羽根の出口での流路面積を
拡大して軸方向流速を低下することができ、高い気水分
離性能を維持しつつ、流速の二乗に比例する圧力損失を
確実に低減することができる。

【００２５】（５）上記（１）から（３）のいずれか１
つの気水分離器において、好ましくは、旋回羽根の回転
数をφ、枚数をＮとしたとき、φとＮを0.92≦φＮ^0.85
≦1.25の範囲に設定したものとする。

【００２６】これにより、上記１（１）から（３）のい
ずれか１つの気水分離器において、旋回羽根の回転数φ
と枚数Ｎを0.92≦φＮ^0.85≦1.25の範囲に設定すること
により、流体を旋回羽根の変化に追従させることがで
き、圧力損失を低減しつつ高い気水分離性能を実現する
ことができる。

【００２７】（６）上記（１）から（３）のいずれか１
つの気水分離器において、好ましくは、第１段内筒と第
１段外筒との間に複数の仕切板を設け、仕切板の上端を
旋回羽根の回転方向と逆方向に傾斜させたものとする。

【００２８】これにより、上記（１）から（３）のいず
れか１つの気水分離器において、第１段内筒と第１段外
筒との間に複数の仕切板を設けて仕切板の上端を旋回羽
根の回転方向と逆方向に傾斜させることにより、第１段
気水分離部での排水性能を向上し、圧力損失を低減しつ
つ気水分離性能を向上することができる。この気水分離
性能の向上を旋回羽根の出口角度の変更などによる圧力
損失の一層の低減に反映することができる。

【００２９】（７）上記（１）から（３）のいずれか１
つの気水分離器において、好ましくは、第１段ピックオ
フリングの内径と第２段気水分離部の内筒の内径を等し
くしたものとする。

【００３０】これにより、遠心力が半径に逆比例するこ
とから、上記（１）から（３）までのいずれか１つの気
水分離器において、第１段ピックオフリングの内径と第
２段内筒の内径を等しくすることにより、従来技術での
直径の増大による遠心力の低下を防止して気水分離性能
を向上することができる。この気水分離性能の向上を旋
回羽根の出口角度の変更などによる圧力損失の一層の低
減に反映することができる。

【００３１】（８）上記第２の目的を達成するために、
本発明は、原子炉圧力容器の内部に複数の気水分離器を
配置した沸騰水型原子炉において、気水分離器が上記
（１）から（７）までのいずれか１つの気水分離器であ
るものとする。

【００３２】これにより、上記（１）から（７）までの
いずれか１つの気水分離器を使用することにより高い気
水分離性能を維持しつつ圧力損失を大幅に低減すること
ができ、炉心の流量と出力を増加して経済性を向上した
沸騰水型原子炉を実現することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。まず、本発明による気水分離器を用
いた改良型沸騰水型原子炉の構成及び作動の概略を図１
を用いて説明する。

【００３４】原子炉圧力容器１内のシュラウド３内に炉
心２が設置され、炉心２で発生した蒸気は冷却水と混合
状態で上部プレナム８を経由してシュラウドヘッド４に
多数設置された本発明の気水分離器１２０に流入して液
滴を含む蒸気と冷却水に分離される。分離された冷却水
は、給水管１０からの給水と混合してダウンカマ５を通
り、インターナルポンプ６で駆動され、下部プレナム７
を経由して炉心２に再循環される。一方、液滴を含む蒸
気は、蒸気乾燥器５０で液滴を除去した後、主蒸気管９
を経由して蒸気タービンに供給される。蒸気タービンと
発電機を駆動した蒸気は、復水器で凝縮され、給水加熱
器で加熱された後、給水管１０から原子炉圧力容器１に
供給される。

【００３５】次に、本発明の第１実施形態による気水分
離器を図２を用いて説明する。まず図２は本発明の第１
実施形態にある気水分離器１２０の縦断面図であり、気
水分離器１２０はシュラウドヘッド４に接続して上方に
立設したスタンドパイプ１２１と、スタンドパイプ１２
１の上端に接続されたディフューザ１２２と、ディフュ
ーザ１２２の上方に接続された第１段気水分離部１０１
と第２段気水分離部１０２と第３段気水分離部１０３か
らなる多段構成の気水分離部と、ディフューザ内部に設
置されたスワラー１２３とを備え、スワラー１２３はそ
の軸中心に位置するハブ１２４とその周囲に設置された
８枚の旋回羽根１２５とで構成されている。

【００３６】第１段気水分離部１０１はディフューザ１
２２の上端に接続された第１段内筒１２６を有し、第１
段内筒１２６の外周には、その外径より大きい径にある
第１段外筒１２９が同軸で設置されている。第１段外筒
１２９の上端は第１段内筒１２６の上端より高い位置に
あり、第１段内筒１２６の内径より小さい径の丸穴が開
口した第１段環状板１２８が第１段外筒１２９の上端を
密閉しており、さらに第１段環状板１２８の丸穴には同
じ径の第１段ピックオフリング１２７が下方の第１段内
筒１２６の内部に向けて同軸に設置されている。

【００３７】第２段気水分離部１０２は第１段環状板１
２８上に以上と同じように組み立てられた第２段内筒１
３０、第２段外筒１３３、第２段環状板１３２、第２段
ピックオフリング１３１を有し、第３段気水分離部１０
３はさらに第２段環状板１３２上に、同じように組み立
てられた第３段内筒１３５、第３段外筒１３８、第３段
環状板１３７、第３段ピックオフリング１３６を有し、
これらは全て同軸で設置されている。また本実施形態の
気水分離器１２０においては各段気水分離部の内筒１２
６、１３０、１３５同士、外筒１２９、１３３、１３８
同士、環状板１２８、１３２、１３７同士、ピックオフ
リング１２７、１３１、１３６同士はそれぞれ同じ径に
ある。

【００３８】第１段環状板１２８と第２段外筒１３３と
の間、及び第２段環状板１３２と第３段外筒１３８との
間はそれぞれ第２段排水口１３４、第３段排水口１３９
として隙間を設けており、また第１段内筒１２６と第１
段外筒１２９の間に周方向等間隔で複数の仕切板１４０
が設けられている。

【００３９】次に以上のように構成した本実施形態の気
水分離器１２０の作動の概略を以下に説明する。蒸気と
冷却水との混合流体が、上部プレナム８からシュラウド
ヘッド４に接続したスタンドパイプ１２１に流入し、デ
ィフューザ１２２内部に設置されハブ１２４と複数の旋
回羽根１２５とで構成されるスワラー１２３で遠心力を
付与され、それによって第１段内筒１２６内で比較的密
度の高い冷却水が外周側に液膜となり、中心側の液滴を
含む蒸気と分離される。分離された液膜の８０〜９０％
以上は、第１段ピックオフリング１２７と第１段環状板
１２８で分離され、重力により第１段内筒１２６と第１
段外筒１２９の間を流下し排水される。第１段ピックオ
フリング１２７を通過した液膜は、第２段内筒１３０に
流入し、第２段ピックオフリング１３１と第２段環状板
１３２で分離され、重力により第２段内筒１３０と第２
段外筒１３３の間を流下して第２段排水口１３４から排
出され、第１段外筒１２９の外面に沿って流下する。こ
の時、排水とともに第２段排水口１３４から流出した蒸
気は気水分離器１２０の外部を上昇する。蒸気に含まれ
る液滴は、第２段ピックオフリング１３１を通過して第
３段内筒１３５に流入するが、遠心力によって第３段内
筒１３５の内壁に付着し、第３段ピックオフリング１３
６と第３段環状板１３７で分離され、重力により第３段
内筒１３５と第３段外筒１３８の間を流下して第３段排
水口１３９から排出され、第２段外筒１３３の外面に沿
って流下する。この時、排水とともに第３段排水口１３
９から流出した蒸気は気水分離器１２０の外部を上昇す
る。

【００４０】本発明による気水分離器１２０は、従来技
術による沸騰水型原子炉及び改良型沸騰水型原子炉にそ
のまま適用可能であり、例えば（図１を用いて）説明し
たように、液滴の大部分を除去された蒸気は、蒸気乾燥
器５０に流入する。

【００４１】本実施形態の気水分離器１２０におけるス
ワラー１２３の詳細を図３に示す。スワラー１２３は、
軸中心に位置するハブ１２４とその周囲に設置する複数
の旋回羽根１２５で構成され、ディフューザ１２２の内
部に設置されている。図３に示す旋回羽根は８枚である
がこの枚数に限定する必要はなく、単に６枚から８枚程
度にするのが望ましい。ハブ１２４は、半球状の下端部
１２４ａと円柱状の本体部１２４ｂと半球状の上端部１
２４ｃで構成され、複数の旋回羽根１２５は円柱状の本
体部１２４ｂの外周上とディフューザ１２２の内周上の
間を渡すように設置されている。ここで本体部１２４ｂ
は正確な円柱状になくとも、例えばわずかにテーパーの
ついた逆円錐状にあってもよく、また半球状の上端部１
２４ｃについてはなくてもよいし、後述するように円錐
と半球で構成される流線形にしてもよい。

【００４２】図４は第１段気水分離部１０１と仕切板１
４０の詳細図であり、この図において、第１段内筒１２
６と第１段外筒１２９の間の環状排水路に複数の仕切板
１４０が円周方向に等しい間隔で設置されており、第１
段内筒１２６の内壁を旋回しながら上昇し第１段ピック
オフリング１２７で分離された液膜が環状排水路を流下
する際に旋回方向が逆向きになるため、旋回流が仕切板
１４０に衝突する際の圧力損失を低減するよう仕切板１
４０の上端は旋回羽根１２５と逆方向に傾斜させてあ
る。図示する仕切板１４０の枚数は１例であり、４枚に
限定する必要はない。

【００４３】本実施形態の特徴は、スワラー１２３がデ
ィフューザ１２２の内部に設置されていること、ハブ１
２４が少なくとも半球状の下端部１２４ａと円柱状の本
体部１２４ｂとで構成されて複数の旋回羽根１２５は円
柱状の本体部１２４ｂに設置されていること、仕切板１
４０の上端が旋回羽根１２５と逆方向に傾斜しているこ
とである。

【００４４】以下に従来技術と対比して本実施形態の特
徴と機能について説明する。まず、従来技術による気水
分離器の詳細について説明する。まず図５は従来技術に
よる気水分離器２０の縦断面図である。この図におい
て、蒸気と冷却水との混合流体は、上部プレナム８から
シュラウドヘッド４に接続したスタンドパイプ２１に流
入し、その途中位置に形成されたディフューザ２２内に
ハブ２４と複数の旋回羽根２５を固定設置して構成する
スワラー２３を通過することで混合流体に遠心力が付与
され、それによって第１段内筒２６内で比較的密度の高
い冷却水が外周側に液膜となり、中心側の液滴を含む蒸
気と分離される。分離された液膜の大部分は、第１段ピ
ックオフリング２７、第１段環状板２８及び第１段外筒
２９で除去・排水される。第１段ピックオフリング２７
を通過した液膜は、第２段内筒３０に流入し、さらに残
る遠心力により第２段ピックオフリング３１、第２段環
状板３２及び第２段外筒３３で除去・排水され、第２段
排水口３４から排出され、第１段外筒２９の外壁に沿っ
て流下する。液滴を含む蒸気は、第２段ピックオフリン
グ３１を通過するが、遠心力により液滴を第３段内筒３
５に付着させ、第３段ピックオフリング３６、第３段環
状板３７及び第３段外筒３８で除去・排水され、第３段
排水口３９から排出され、第２段外筒３４の外壁に沿っ
て流下する。このようにして、気水分離器２０に流入し
た冷却水の約９９％以上が分離・排水される。１％弱の
冷却水は、液滴として蒸気に含まれて蒸気乾燥器５０に
流入する。従来技術による気水分離器２０の気水分離性
能は極めて高いが、圧力損失、特にスワラー２３の圧力
損失が大きい。

【００４５】ここで従来技術による改良型沸騰水型原子
炉の構成と特徴は、従来技術による気水分離器を用いる
以外は、基本的に図１に示した本発明による改良型沸騰
水型原子炉と同様である。気水分離器２０から流出する
蒸気に含まれる液滴は蒸気乾燥器５０で除去し、図１の
蒸気乾燥器スカート１１と原子炉圧力容器１との間に排
水される。蒸気乾燥器５０で液滴を除去した蒸気は主蒸
気管９を経由して蒸気タービンに供給される。このよう
にして、蒸気乾燥器５０に流入した液滴の約９９％が除
去される。つまり、気水分離器２０に流入した冷却水
は、気水分離器２０で約百分の１に、蒸気乾燥器５０で
約１万分の１まで低減される。主蒸気管９での湿分（蒸
気に含まれる液滴の質量流量の割合）の制限値0.1％以
下に対し、約0.01％と極めて良好な気水分離性能が実現
されている。原子炉の炉心２で発生した蒸気を蒸気ター
ビンに供給する沸騰水型原子炉においては、冷却水（液
滴）に含まれる放射性物質を低減し、蒸気タービン系統
の放射線レベルを低減するためにも、良好な気水分離性
能の維持は極めて重要である。現在の蒸気乾燥器５０の
液滴除去性能は極めて高いが、入口での液滴量に制限が
あり、気水分離器２０からの液滴量が大幅に増大すると
対応できなくなる。

【００４６】一方、電気料金の低減が強く求められてお
り、燃料費が安く建設費が高い原子力発電プラントにお
いては建設単価（建設費÷発電量）の大幅な低減が求め
られている。建設単価を低減する最も有効な手段は、炉
心２の熱出力と発電量を増加することである。この場
合、炉心２を冷却するために冷却水流量を増加する必要
があり、熱出力増加により炉心２での蒸気発生量も増加
する。従って、炉心２、上部プレナム８、気水分離器２
０、ダウンカマ５、インターナルポンプ６、下部プレナ
ム７の冷却水再循環経路の圧力損失が増加するため、再
循環経路の全圧力損失の約２０％を占める気水分離器２
０の圧力損失の低減が重要となる。炉心２の圧力損失が
最も大きいが、炉心の圧力損失を低減すると冷却性能が
低下するため、気水分離器２０の圧力損失を低減して炉
心２の冷却水流量を増加し、冷却性能を向上して熱出力
と発電量を増加する方が経済的に有利になる。

【００４７】以上の従来技術における課題を以下で具体
的に説明する。まず改良型沸騰水型原子炉において、万
一、再循環ポンプ（もしくはインターナルポンプ６）が
停止しても、炉心２、上部プレナム８、気水分離器２
０、ダウンカマ５、インターナルポンプ６、下部プレナ
ム７を経由する冷却水の自然循環により炉心２の冷却が
維持される。また、給水管１０から原子炉圧力容器１へ
の給水が停止した場合には、補助給水系により冷却水が
供給されるが、補助給水系が運転されるまで原子炉圧力
容器１内の冷却水により炉心２の冷却が維持される。さ
らに、配管の破断などによる冷却材喪失事故を想定した
場合でも、安全系による給水が開始されるまで原子炉圧
力容器１内の冷却水により炉心２の冷却が維持される。
すなわち、冷却水の自然循環と原子炉圧力容器１内の冷
却水とが沸騰水型原子炉及び改良型沸騰水型原子炉の高
い安全性を維持している。

【００４８】原子炉圧力容器１内に必要な冷却水量を確
保するために、図５に示した気水分離器２０のスタンド
パイプ２１の径を細くし、ディフューザ２２によって流
路面積を拡大している。スタンドパイプ２１の外部は蒸
気を含まない冷却水のみに浸水している状態にあるが、
スタンドパイプ２１の内部容積の約７０％が蒸気であ
り、冷却水の容積は約３０％しかない。従って、スタン
ドパイプ２１の径を太くすると事故時に原子炉圧力容器
１内に貯留する冷却水量の減少が早くなり安全性が低下
するか、もしくは同じ冷却水量を維持するには原子炉圧
力容器１自体を大きくする必要があり経済性が悪化する
ことになる。つまり、気水分離器２０のスタンドパイプ
２１の径が細くディフューザ２２で流路面積を拡大する
ことは、沸騰水型原子炉及び改良型沸騰水型原子炉の高
い安全性と経済性を維持するための必須要件である。

【００４９】一方、図６に示すように、気水分離器２０
のスタンドパイプ２１とディフューザ２２のような
（ａ）拡大管の他に、（ｂ）直管や（ｃ）縮小管の構成
が考えられ、実開平８−１３６１号公報では（ｂ）直
管、特開平４−３０１７９６号公報では（ｃ）縮小管が
使用されている。気体容積比が約７０％と大きい場合に
は、図７に示すように、液体が壁面に集まり直管では壁
面側で液体流量が大きくなることが知られている。ま
た、蒸気より密度が大きい冷却水は流れ方向が変化しに
くいため、縮小管では壁面側で液体流量が一層大きくな
り、拡大管では壁面側で液体流量が低下する。図５に示
した遠心分離型の気水分離器では、遠心力により密度と
運動量が大きい冷却水を壁面側に集めて分離することか
ら、縮小管が最も有利であり、拡大管が不利であること
は明らかである。ディフューザ２２の上方に（ｂ）直管
を延長しても図７の直管の流量分布にするにはその延長
部分が直径の約５倍以上の長さが必要であり、第１段内
筒２６と気水分離器２０の高さが高くなってしまい、ひ
いては原子炉圧力容器１の高さが高くなり経済性が悪化
する。また、ディフューザ２２を設置する構成自体は気
水分離器２０中の圧力損失の低減を目的としているもの
でもあるため、ディフューザ２２の上方に（ｃ）縮小管
を接続すると、その圧力損失低減効果が減少してディフ
ューザ２２を設置する意味がなくなる。そこで、従来技
術による気水分離器２０では、以下のような工夫がなさ
れている。

【００５０】従来技術によるスワラー２３の部分詳細図
を図８に示す。ハブ２４は半球状の下端部２４ａと逆円
錐状の本体部２４ｂとで構成され、ハブ２４上端の直径
が大きく、ディフューザ２２の傾斜角θｄよりハブ２４
の傾斜角θｈの方が大きくなるよう形成することで、中
央に集まりやすい冷却水を外周側に押し出す構成となっ
ている。また、旋回羽根２５の形状の変化を図９に示
す。横軸はハブ２４側の縁とデフューザ２２側の縁を展
開した周方向位置を示し、縦軸は高さ方向位置を示す。
まず図中の実線Ｃ₁ｉ、Ｃ₁ｏで示す従来技術の旋回羽根
２５の形状について、ディフューザ２２より直径が小さ
いハブ２４側では展開した周方向位置が小さくなるた
め、旋回羽根２５の出口角度θ₁iは外周側θ₁oより小さ
くなることは明らかである。そこで、ハブ２４上端の直
径を大きくして、ハブ２４側の出口角度θ₁iと外周側の
角度θ₁oとの差を小さくし、冷却水が集まるハブ２４側
においても十分な周方向流速と遠心力を付与できるよう
にしている。また、内筒２６、３０、３５、ピックオフ
リング２７、３１、３６、外筒２９、３３、３８を３段
構成にすることで、気液混合流の運動エネルギーが比較
的低い（付与できる遠心力が小さい）原子炉の起動時か
ら、運動エネルギーの高い原子炉の通常運転までの広い
流体条件範囲において、常に高い気水分離性能を維持で
きるようにしている。

【００５１】従来技術による気水分離器２０の気水分離
性能を図１０に示す。横軸は気水分離器２０の入口に流
入する蒸気流量の相対値であり、縦軸は気水分離器２０
出口、即ち蒸気乾燥器５０入口での蒸気に含まれる液滴
流量の相対値である。そして図中の曲線Ｌ_Sは従来技術
の蒸気乾燥器５０に対して流入できる蒸気流量と液滴流
量の制限関係を示す曲線であり、曲線Ｌ₁は上記説明し
た通常の構成にある従来技術の気水分離器２０において
流入する蒸気流量と流出される液滴流量の関係からその
気水分離性能を示す曲線である。

【００５２】この図において、曲線Ｌ_Sが示すように蒸
気流量が増加すると蒸気乾燥器５０に流入できる液滴流
量の制限値が低くなり、この値を超えて蒸気乾燥器５０
に液滴流量が流入すると蒸気乾燥器５０出口での液滴流
量の要求値と蒸気タービンの健全性の維持が困難にな
る。

【００５３】従来技術の気水分離器２０では、このよう
な蒸気乾燥器５０の制限値に対しさらに安全率を掛けて
余裕を持たせた上で最も効率良く運転できるよう設定し
た点を設計条件（図中の座標（１．０、１）の白点
Ｐ_C）とし、この条件に対応する流入蒸気流量と流出液
滴流量を基準値として満たすよう設計されるものとなっ
ている。

【００５４】しかし、従来技術の気水分離器２０の気水
分離性能は極めて高く、実際の運転条件が設計条件に対
して大きく余裕がある（図中で曲線Ｌ₁上にある黒点Ｐ_O
の運転条件が白点Ｐ_Cの設計条件よりも大きく下方に離
れている）ため、基準の運転条件における蒸気流量（図
中横軸の１．０）よりもその１．２倍まで増加させた蒸
気流量での運転が可能であり、即ち炉心２の熱出力を増
加させることができる。

【００５５】一方、現在のニーズは気水分離器２０の圧
力損失の低減である。気水分離性能は設計条件に対して
大きく余裕があることから、気水分離器２０の圧力損失
を低減させるためにスワラー２３を長くし、図９中の破
線Ｃ₂ｉ、Ｃ₂ｏで示すように旋回羽根２５の出口角度θ
₂ｉ、θ₂ｏとして減少し、周方向流速と遠心力を低下し
て圧力損失を低減させるよう構成する方法が考えられ
る。

【００５６】しかしこの場合、図１０に示す気水分離性
能は、同じく破線Ｌ₂で示すように設計条件に近づく
（図中では曲線Ｌ₁が全体的に上方に移って設計条件と
重なっている）ことになる。この場合、全蒸気流量範囲
において液滴流量が増加することになり、この場合に設
計条件と一致している運転条件から少しでも蒸気流量を
増加すると蒸気乾燥器５０の制限を容易に越えることに
なるため、炉心２の出力増加には使用できないことにな
る。従って、上記原子力発電プラントの建設単価低減を
目的として、気水分離器２０の圧力損失を低減させ、且
つ炉心２の出力を増加させたい場合には、高い気水分離
性能の維持、即ち気水分離器２０出口の液滴流量を低く
維持させたまま、なお且つ圧力損失を低減させるといっ
た相反する２つの要求を両立させるよう気水分離器２０
を構成する必要がある。

【００５７】本実施形態の気水分離器１２０は以上の課
題を解決するものである。まず始めに上部プレナム８内
における気液混合蒸気には殆ど速度がなく、その保有す
るエネルギーはほとんどが高圧の圧力エネルギーとして
蓄えられている。そして細管にあるスタンドパイプ２１
に流入した時点で蒸気は気液混合流として加速され、さ
らにスワラー２３を通過して速度エネルギーが増加する
ことにより、その分だけ圧力エネルギーが損失するもの
となる。つまり従来技術による圧力損失の大部分は、ス
タンドパイプ２１とスワラー２３での加速損失であり、
加速損失ΔPaは次式で表せる。 ΔPa = 0.5ρm [Ｖ²-Ｖ_in ²] ≒ 0.5ρmＶ² （式１） ρmは流体の密度、Ｖはスワラー２３出口の平均流速、
Ｖ_inは上部プレナム８内の流速であり、Ｖ_inはＶと比較
して十分小さく無視できる。

【００５８】図１１は従来技術によるスワラー２３（ａ
１、ａ２）と本発明によるスワラー１２３（ｂ１、ｂ
２）を比較して説明する図である。この図において、ス
ワラー２３、１２３出口の平均流速Ｖは、軸方向流速Ｖ
_Zと周方向流速Ｖ_θとを直交成分として構成され、次式
の関係が成立する。Ｖ²＝Ｖ_Z ²＋Ｖ_θ ² （式２）（式１）と（式２）より、次式が成立する。 ΔPa ≒ 0.5ρm (Ｖ_Z ²＋Ｖ_θ ²) （式３）加速損失ΔPaは、ディフューザ２２、１２２によって徐
々に流路面積を拡大すれば圧力損失が小さくなり、その
大部分を回復できる（つまり速度エネルギーを圧力エネ
ルギーに再変換できる）ことは公知である。

【００５９】従って、気水分離器の圧力損失の大部分を
占めるスワラー出口での加速損失ΔPaを低減する方法と
して、以下の方法がある。低減策１：ハブに流線形の上端部を設けて加速損失の一
部を回復する。低減策２：旋回羽根の出口角度θを小さくして周方向流
速Ｖ_θを小さくする。低減策３：ハブの直径を小さくして軸方向流速Ｖ_Zを小
さくする。上記の圧力損失の低減策にはいずれも以下の課題があ
り、従来技術には採用されていない。

【００６０】低減策１：ハブ上端での後流渦の発生を防
止して加速損失の一部を回復するには、図８において、
逆円錐状にあるハブ２４の上部に同じ径の円筒状部品と
円錐状部品と半球状部品で構成される流線形の上端部を
接続し、円錐状部品の狭まり角度を小さくする必要があ
る。このように構成した場合、ハブの重量が３倍以上に
なる。従来技術によるハブ２４は軽量化するために中空
構造にしてある。これは、図１に示すような改良型沸騰
水型原子炉において、燃料交換時にはシュラウドヘッド
４と気水分離器２０を取外し、燃料交換後に再設置を行
う必要があるところ、上記ハブを含んだ気水分離器２０
全体の重量が増加すると、シュラウドヘッド４が変形し
てしまい再設置が困難になるためである。従って、低減
策１の実現には軽量化が必須条件になる。

【００６１】低減策２：図９で説明したように、旋回羽
根の出口角度θを小さくして周方向流速Ｖ_θを小さくす
ると、気水分離性能が大幅に低下する。

【００６２】低減策３：図９で説明したように、ハブの
直径を小さくすると、幾何的にはハブ側の出口角度θ₁
ｉが必然的に小さくなり、図７の拡大管に示したように
ディフューザを持ち中心部に冷却水が集まりやすい気水
分離器ではハブ側（中心部付近）での周方向流速と気水
分離性能が低下する。従って、ハブ側での周方向流速と
気水分離性能の確保が不可欠になる。

【００６３】本発明では、気水分離性能を維持しつつ圧
力損失を低減することを目的としていることから、低減
策２は採用せず、低減策３を主案として低減策１を補助
的に使用する方針としている。

【００６４】ここで、図１１に示す流速ベクトル図を、
ある旋回羽根の半径方向において平均的な値にある断面
上のものとして、ハブ１２４の直径を小さくすることに
より、周方向流速Ｖ_θを維持しつつ、軸方向流速をＶ_Z1
＜Ｖ_Z0として流速Ｖ₁＜Ｖ₀とし、圧力損失を低減できる
よう旋回羽根を形成することは理論上明らかに可能であ
る。しかし、このように圧力損失の低減を目的とした旋
回羽根の構成を、従来技術にあるような半球状の下端部
２４ａと逆円錐状の本体部２４ｂとで構成したハブ２４
に適用しようとすると、ハブ２４下部の直径が過小であ
るため、厚みのある旋回羽根２５を物理的に設置できな
くなるといったことの他、運動量の大きい冷却水は上方
に直進しやすいため逆円錐状の本体部２４ｂに沿う流れ
と上方に直進する流れが合流することにより流体の流れ
が旋回羽根２５に追従するのを阻害する。従って、ハブ
の直径を小さくする場合には、本発明のように半球状の
下端部１２４ａと円柱状の本体部１２４ｂでハブを構成
し、旋回羽根１２５を本体部１２４ｂに設置することが
必須条件になる。

【００６５】図３に示したハブ１２４の直径ｄと第１段
内筒１２６の直径Ｄとの比が圧力損失に及ぼす影響を図
１２に示す。ハブ１２４に流線形の上端部を設けて加速
損失の一部を回復する低減策１の効果（曲線Ｌ_U）とハ
ブの直径ｄを小さくして軸方向流速Ｖ_Zを小さくする低
減策３の効果（曲線Ｌ_d）を分離して示している。図１
２から明らかなように、ハブの直径ｄが小さくなるほど
低減策１の効果が減少し、低減策３の効果が増大する。
これは、ハブの直径ｄを小さくすると、ハブの上方に後
流渦が発生しても渦が小さくなり圧力損失が小さくなる
ためである。ｄ／Ｄを0.25以下にすると、ハブの上方に
発生する後流渦による圧力損失が無視できるようにな
り、流線形の上端部を設ける必要が無くなるため、ハブ
を中空にしなくても従来技術以下の重量にすることがで
きる。従って、本発明においては、直径の比ｄ／Ｄを0.
25以下にする。ｄ／Ｄ≦0.25 （式４）一方、ハブの直径ｄを小さくし過ぎると、旋回羽根を設
置できなくなる他、図９で説明したようにハブ側の出口
角度θ₁iと周方向流速が小さくなり、気水分離性能を維
持できなくなる。ここで図１３はハブ側の周方向流速を
示す説明図であり、従来技術に基づいて気水分離性能を
維持するために必要な周方向流速を評価すると図中の破
線Ｌ_Mに示すようになる。ハブ側の出口角度θ₁iはハブ
の直径ｄに比例し、周方向流速は出口角度θ₁ｉにほぼ
比例するため、気水分離に必要な周方向流速を得るには
直径の比ｄ／Ｄを0.33以上にする必要があり、（式４）
との共通範囲がなくなる。従って、従来技術では、気水
分離性能を維持するために直径の比ｄ／Ｄを大きくして
いた。

【００６６】そこで従来までは、気液混合流の流れが非
常に複雑であるためにスワラー２３内部の流動の様子を
解析することが非常に困難であったところ、近年の計算
機の著しい発達により大規模な三次元解析が可能とな
り、詳細な流動状態を評価した結果、従来予想されてい
たより逆円錐状の本体部２４ｂ（図１１ａ２参照）によ
り流体を外周方向に押し出す効果が小さいこと、出口角
度が小さいハブ側では流動抵抗が小さいため流速が大き
くなること、及び旋回羽根２５の内部での流体混合が大
きいことから、図１３に実線Ｌ_Eで示すように実際には
ハブ側でも大きな周方向流速が得られることが明らかに
なった。

【００６７】この結果から、最低限必要とされる気水分
離性能を得るための周方向流速の値を１．０として同図
中の縦軸に取り、本発明では実線Ｌ_Eがこの１．０から
上方にある範囲に対応するとして、つまり少なくとも必
要最低限の気水分離性能が得られる範囲として、直径の
比ｄ／Ｄを０．１３以上にする。ｄ／Ｄ≧0.13 （式５）（式４）と（式５）より、本発明においては、ハブ１２
４の直径ｄと第１段内筒１２６の直径Ｄの比ｄ／Ｄを以
下の範囲にする。 0.13≦ｄ／Ｄ≦0.25 （式６）図１４に旋回羽根１２５の回転数φを、図１５に旋回羽
根１２５の回転指標と周方向流速Ｖ_θとの関係を示す。
図１４には旋回羽根を２枚のみ示してあるが、流体が旋
回羽根１２５に沿って流出するようにするには一定以上
の回転数φ（即ち、各旋回羽根の設置旋回角度）が必要
であり、これは旋回羽根１２５の枚数Ｎにも依存する。
流体を回転流出させるこれらの因子を１つの数値指標と
してもとめたものを回転指標（φＮ^0.85）とし、図１５
はこういった旋回羽根１２５の回転指標を横軸にとった
ものである。縦軸は周方向流速の断面平均値Ｖ_θを示
し、Ｖ_θ＝１は半径方向における断面平均量から計算し
た値である。実際には複雑な流速分布になるため、流速
分布を積分平均した値は断面平均量から計算した値Ｖ_θ
＝１とは異なり、回転数（即ち回転指標）が小さいと流
体が旋回羽根１２５に追従せず１未満となり、適正な範
囲では流体混合の効果により１以上となり、大きい範囲
では壁面摩擦の影響により壁面で流速が低下するため１
以下に低下する。十分な周方向流速を実現して気水分離
性能を維持するには実際の周方向流速は期待値（Ｖ_θ＝
１）以上とする必要があるが、回転指標を大きくすると
旋回羽根１２５の物量が増加するため周方向流速の極大
点（図中の曲線Ｌ_Rの極大点）が上限となる。従って、
本発明においては、回転指標φＮ^0.85を以下の範囲とす
る。 0.92≦φＮ^0.85≦1.25 （式７）上述したように、気水分離性能には、ハブ１２４の直径
ｄと本体部１２４ｂの形状及び上端部１２４ｃの形状、
旋回羽根１２５の枚数Ｎと回転数φ、旋回羽根１２５の
出口角度θ（平均値）とハブ側の出口角度θ₁iなど多く
の影響因子があり、これらの組合せを実験的に最適化す
ることは極めて困難である。従来では気液混合流の三次
元現象を詳細に解析することは計算機容量と数値安定性
の観点から容易ではなかったが、近年これが可能となっ
て詳細な挙動を評価できたことにより、合理的で適正な
気水分離器の構造と仕様の範囲を特定できたものであ
る。

【００６８】図１６は直径の比ｄ／Ｄが０．２５で、回
転指標が０．９５程度にある本実施形態の気水分離器１
２０の気水分離性能を実線Ｌ₃で示したものである。破
線Ｌ₁で示す従来技術の気水分離器より、広い蒸気流量
の範囲でより少ない液滴流量を実現できることが明らか
に分かる。従って、本発明によれば、このように気水分
離性能を維持・向上しつつ、図１２に示すように圧力損
失を大幅に低減可能とした気水分離器として構成される
ものとなる。

【００６９】次に、図４に示した仕切板１４０の効果に
ついて説明する。第１段ピックオフリング１２７により
分離された液膜は、第１段環状板の誘導により仕切板１
４０の上方まできた時点でもまだ大きな周方向流速を有
しており、仕切板１４０がない場合には摩擦損失により
周方向流速が徐々に低下するため周方向流速を有効に利
用できないが、仕切板１４０を設けた場合には仕切板１
４０により周方向流速が下方の排水方向に偏向されるた
め排水が促進される。しかし、このような効果も仕切板
１４０の上端に傾斜がない場合には、流れが仕切板１４
０に衝突することでエネルギーを損失するためあまり期
待できないところ、仕切板１４０の上端を傾斜させて形
成することで損失を最小限にして排水を促進でき、気水
分離性能を向上させることができる。気水分離性能の向
上分を旋回羽根１２５の出口角度θの減少に反映すれ
ば、気水分離性能を維持して一層の圧力損失の低減が可
能になる。

【００７０】本発明による気水分離器１２０は沸騰水型
原子炉及び改良型沸騰水型原子炉（図１参照）にそのま
ま適用でき、炉心2の出力を増加して経済性を向上する
ことができる。運転中の原子炉においても、シュラウド
ヘッド４と気水分離器２０を一体で交換すれば、炉心２
の出力を増加して経済性を向上することができる。

【００７１】次に、図１７及び図１８を用いて本発明に
よる第２実施形態の気水分離器を説明する。図１７は第
２実施形態の気水分離器２２０の縦断面図、図１８はス
ワラー部２２３の詳細図である。第１実施形態と第２実
施形態の主な相違点としては、第１実施形態においてス
ワラー１２３をデイフューザ１２２内部に設けているの
に対し、第２実施形態においてはスワラー２２３を第1
段内筒２２６の下部に設けている点があり、その他にも
ハブ２２４の上部に円錐と半球とで流線形に構成された
上端部２２４ｃを設けている点、及び第1段ピックオフ
リング２２７の直径と第2段内筒２３０の直径を等しく
している点がある。

【００７２】本実施形態の特徴は、ハブ２２４と複数の
旋回羽根２２５で構成されるスワラー２２３を第1段内
筒２２６の下部に設けていること、ハブ２２４に円錐と
半球とで構成される流線形の上端部２２４ｃを設けてい
ること、旋回羽根２２５の出口角度θを小さくしている
こと、及び第1段ピックオフリング２２７の直径と第2段
内筒２３０の直径を等しくしていることである。

【００７３】ハブ２２４の直径ｄと第１段内筒２２６の
直径Ｄの比は第1実施形態と同様に0.13≦ｄ／Ｄ≦0.25
の範囲であり、旋回羽根２２５の回転数φと枚数Ｎの関
数である回転指標は第1実施形態と同様に0.92≦φＮ
^0.85≦1.25の範囲にしている。従って、第1実施形態と
同等の効果を得ることができ、気水分離性能を維持しつ
つ圧力損失を大幅に低減することができる。ハブ２２４
の直径ｄを小さくしているため、ハブ２２４の上端部２
２４ｃを流線形とした効果は小さいが、図１２に示した
ように圧力損失を数％低減することができる。

【００７４】また前述したように、加速損失ΔPaはディ
フューザ２２２によって徐々に流路面積を拡大すれば圧
力損失が小さくなりその大部分を回復できることは公知
であり、そのためディフューザ２２２通過後の流速が低
い第１段内筒２２６の下部に圧力損失の大部分を占める
スワラー２２３を設置することで、流速の二乗に比例す
る圧力損失を一層低減することができる。

【００７５】また遠心力は半径に逆比例することから、
図５の従来技術や図２に示す第1実施形態のように第2段
内筒１３０の直径を第1段ピックオフリング１２７の直
径より大きくすると遠心力が低下して第2段気水分離部
での気水分離性能が相対的に低下する。本実施形態にお
いては、第2段内筒２３０の直径を第1段ピックオフリン
グ２２７の直径と等しくすることにより遠心力の低下を
防止し、第2段気水分離部での気水分離性能を向上して
いる。したがって、旋回羽根２２５の出口角度θを小さ
くして第1段気水分離部での気水分離性能を低下しても
第3段気水分離部までの気水分離性能を維持することが
でき、出口角度θの減少により圧力損失の一層の低減を
実現することができる。第３段内筒２３５の直径を第２
段ピックオフリング２３１の直径と等しくすることによ
り遠心力の低下を防止して第３段気水分離部での気水分
離性能を向上することができるが、図１７から容易に推
定できるように第3段ピックオフリング２３６の直径が
過小となり、圧力損失が増加する。また、図５の従来技
術や図２の第1実施形態と比較して、第2段内筒２３０と
第2段外筒２３３及び第３段内筒２３５と第３段外筒２
３８が小さくなり、気水分離器２２０の全体の重量を軽
量化することができる。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、沸騰水型原子炉に配置
する気水分離器において、従来技術では半球状の下端部
と逆円錐状の本体部とでハブを構成して複数の旋回羽根
を逆円錐状の本体部に設置しているためハブの上部直径
が大きくなり旋回羽根の出口での流路面積が小さくなる
のに対し、半球状の下端部と円柱状の本体部とでハブを
構成して複数の旋回羽根を円柱状の本体部に設置するこ
とにより旋回羽根の出口での流路面積を拡大することが
でき、従来技術と同じ周方向流速にして高い気水分離性
能を維持しつつ、従来技術より低い軸方向流速にするこ
とができるため、流速の二乗に比例する圧力損失を大幅
に低減することができる。

【００７７】また本発明によれば、沸騰水型原子炉に配
置する気水分離器において、同様に半球状の下端部と円
柱状の本体部とでハブを構成して複数の旋回羽根を円柱
状の本体部に設置することにより旋回羽根の出口での流
路面積を拡大することができるため高い気水分離性能を
維持しつつ圧力損失を大幅に低減することができ、さら
に、圧力損失の大部分を占めるスワラーを流速が低い第
１段内筒の下部に設置することにより流速の二乗に比例
する圧力損失を一層低減することができる。

【００７８】また本発明によれば、気水分離器を配置す
る沸騰水型原子炉において、上記いづれかの気水分離器
を使用することにより高い気水分離性能を維持しつつ圧
力損失を大幅に低減することができ、炉心の流量と出力
を増加して経済性を向上した沸騰水型原子炉を実現する
ことができる。また、運転中の原子炉の気水分離器を交
換することにより炉心の出力を増加して経済性を向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】改良型沸騰水型原子炉の縦断面図である。

【図２】本発明の第1実施形態による気水分離器の縦断
面図である。

【図３】本発明の第１実施形態によるスワラー部の上面
図（図３ａ）と詳細縦断面図（図３ｂ）である。

【図４】本発明の第１実施形態による第1段気水分離部
の横断面図（図４ａ）と縦断面図（図４ｂ、図４ｃ）で
ある。

【図５】従来技術による気水分離器の縦断面である。

【図６】気水分離器の基本タイプを示す説明図である。

【図７】各基本タイプにおける液体流量の分布を示す説
明図である。

【図８】従来技術によるスワラー部の詳細縦断面図であ
る。

【図９】スワラー部の旋回羽根を周方向に展開した説明
図である。

【図１０】従来技術による気水分離器の気水分離性能の
説明図である。

【図１１】従来技術（図１１ａ１、ａ２）と本発明の第
1実施形態（図１１ｂ１、ｂ２）によるスワラー部の比
較説明図である。

【図１２】ハブの直径と圧力損失の関係を示す説明図で
ある。

【図１３】ハブの直径とハブ側の周方向流速の関係を示
す説明図である。

【図１４】本発明の第１実施形態による旋回羽根の回転
数を示す説明図である。

【図１５】旋回羽根の回転指標と周方向流速の平均値の
関係を示す説明図である。

【図１６】本発明の第1実施形態による気水分離器の気
水分離性能を示す説明図である。

【図１７】本発明の第２実施形態による気水分離器の縦
断面図である。

【図１８】本発明の第２実施形態によるスワラー部の詳
細縦断面図である。

【符号の説明】

１原子炉圧力容器２炉心３シュラウド４シュラウドヘッド５ダウンカマ６インターナルポンプ７下部プレナム８上部プレナム９主蒸気管１０給水管１１スカート２０、１２０、２２０気水分離器２１、１２１、２２１スタンドパイプ２２、１２２、２２２ディフューザ２３、１２３、２２３スワラー２４、１２４、２２４ハブ２４ａ、１２４ａ、２２４ａハブ下端部２４ｂ、１２４ｂ、２２４ｂハブ本体部１２４ｃハブ上端部（半球状）２２４ｃハブ上端部（流線形）２５、１２５、２２５旋回羽根２６、１２６、２２６第１段内筒２７、１２７、２２７第１段ピックオフリング２８、１２８、２２８第１段環状板２９、１２９、２２９第１段外筒３０、１３０、２３０第２段内筒３１、１３１、２３１第２段ピックオフリング３２、１３２、２３２第２段環状板３３、１３３、２３３第２段外筒３４、１３４、２３４第２段排水口３５、１３５、２３５第３段内筒３６、１３６、２３６第３段ピックオフリング３７、１３７、２３７第３段環状板３８、１３８、２３８第３段外筒３９、１３９、２３９第３段排水口５０蒸気乾燥器１０１第１段気水分離部１０２第２段気水分離部１０３第３段気水分離部１４０仕切板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田直行茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内Ｆターム(参考） 4D053 AA01 AB02 BA06 BB02 BB08 BC03 BD01 CA23 CA25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の第１段内筒と、前記第１段内筒の
上方に配置した第１段ピックオフリングおよび第１段環
状板と、前記第１段内筒の外部を取り囲むように配置し
た第１段外筒とで第１段気水分離部を構成し、円筒状の
スタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフュー
ザを接続し、このディフューザの上端に前記第１段内筒
を接続し、ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラー
により気液混合流に遠心力を与え、前記第１段内筒の内
壁に遠心力で分離された液体で液膜を形成させて前記第
１段ピックオフリング、前記第１段環状板、前記第１段
外筒により前記液膜を排水し、さらに前記第１段気水分
離部の上方に少なくとも第２段気水分離部を接続して多
段構成とし、前記第１段ピックオフリングを通過した液
膜や蒸気中の液滴を分離する気水分離器において、前記スワラーを前記ディフューザの内部に配置し、前記
ハブを半球状の下端部と概略円柱状の本体部とで構成
し、前記複数の旋回羽根を前記ハブの前記本体部に設置
したことを特徴とする気水分離器。
【請求項２】円筒状の第１段内筒と、前記第１段内筒の
上方に配置した第１段ピックオフリングおよび第１段環
状板と、前記第１段内筒の外部を取り囲むように配置し
た第１段外筒とで第１段気水分離部を構成し、円筒状の
スタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフュー
ザを接続し、このディフューザの上端に前記第１段内筒
を接続し、ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラー
により気液混合流に遠心力を与え、前記第１段内筒の内
壁に遠心力で分離された液体で液膜を形成させて前記第
１段ピックオフリング、前記第１段環状板、前記第１段
外筒により前記液膜を排水し、さらに前記第１段気水分
離部の上方に少なくとも第２段気水分離部を接続して多
段構成とし、前記第１段ピックオフリングを通過した液
膜や蒸気中の液滴を分離する気水分離器において、前記スワラーを前記第１段内筒の下部に配置し、前記ハ
ブを半球状の下端部と概略円柱状の本体部とで構成し、
前記複数の旋回羽根を前記ハブの前記本体部に設置した
ことを特徴とする気水分離器。
【請求項３】請求項１又は２記載の気水分離器におい
て、前記ハブの上部に円錐と半球とで構成される上端部
を接続したことを特徴とする気水分離器。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項記載の気水
分離器において、前記ハブの前記本体部の直径をｄ、前
記第１段内筒の直径をＤとしたとき、ｄとＤの比を0.13
≦ｄ／Ｄ≦0.25の範囲に設定したことを特徴とする気水
分離器。
【請求項５】請求項１乃至３のいずれか１項記載の気水
分離器において、前記旋回羽根の回転数をφ、枚数をＮ
としたとき、φとＮを0.92≦φＮ^0.85≦1.25の範囲に設
定したことを特徴とする気水分離器。
【請求項６】請求項１乃至３のいずれか１項記載の気水
分離器において、前記第１段内筒と前記第１段外筒との
間に複数の仕切板を設け、前記仕切板の上端を前記旋回
羽根の回転方向と逆方向に傾斜させたことを特徴とする
気水分離器。
【請求項７】請求項１乃至３のいずれか１項記載の気水
分離器において、前記第１段ピックオフリングの内径と
前記第２段気水分離部の内筒の内径を等しくしたことを
特徴とする気水分離器。
【請求項８】原子炉圧力容器の内部に複数の気水分離器
を配置した沸騰水型原子炉において、前記気水分離器が請求項１乃至７のいずれか１項記載の
気水分離器であることを特徴とする沸騰水型原子炉。