JPH06273571A

JPH06273571A - 気水分離器の部分構造及びその構造を用いた気水分離器並びにその気水分離器を用いた原子炉

Info

Publication number: JPH06273571A
Application number: JP5058766A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Saito; 義則齋藤; Ryuhei Kawabe; 隆平川部; Hisashi Soma; 尚志相馬; Shunji Nakao; 俊次中尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1994-09-30
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JP2970295B2

Abstract

(57)【要約】【構成】スタンドパイプ２上端部には案内羽根４が固定
された旋回胴８を有する気水分離胴６が接続され、さら
に内胴２２が固定された蒸気排出胴２０が接続されてお
り、分離水排出部１２に接続されるレデューサ５０と旋
回胴１０に固定される後退翼形案内羽根４と蒸気排出部
２８に案内羽根６２を固定した案内流路６０と蒸気排出
口案内羽根７０を設置した気水分離器の構成とした。【効果】レデューサ，後退翼形案内羽根，蒸気排出部案
内流路と案内羽根や蒸気排出口案内羽根を気水分離器に
設置して気水分離器の水と蒸気との分離効率の向上が成
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉の炉内構造物に係
り、特に沸騰水型原子炉における水と蒸気の二相流分離
性能の向上および二相流圧力損失の低減を図るのに好適
な原子炉の気水分離機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉は図３０に示す
ように構成されている。

【０００３】即ち、冷却材である軽水を保有する原子炉
圧力容器２００内にはシュラウド２０２が設けられてお
り、このシュラウド内部には炉心２０４が収納されてい
る。

【０００４】そして、この原子炉圧力容器２００の下部
より制御棒駆動機構２０６で制御棒２０８が炉心内に挿
入，引抜きされるように構成されている。

【０００５】そして、冷却材である軽水はこの炉心２０
４内の燃料で加熱されて沸騰し、水と蒸気の混合二相流
となって上昇してシュラウドヘッド２１２に流れる。

【０００６】そしてこのシュラウドヘッド２１２上方に
は多数の気水分離器２１４が接続される。

【０００７】さらにこの気水分離器２１４の上方には蒸
気乾燥器２１６が設置されている。そして、水と蒸気の
混合二相流はこの気水分離器２１４で水と蒸気とに分離
される。

【０００８】気水分離器２１４を上方へ通過して分離さ
れた蒸気は蒸気乾燥器２１６で乾燥された後に主蒸気ノ
ズル２１８から原子炉圧力容器２００外へ排出されて主
蒸気系の主蒸気管（図示せず）を通して発電機を駆動す
るタービン（図示せず）に送出されるように構成されて
いる。

【０００９】また、気水分離器２１４で分離された水は
気水分離器２１４から原子炉圧力容器２００へ戻され
る。

【００１０】この気水分離器２１４で分離された水は、
給水ノズル２２０から供給される給水と原子炉圧力容器
２００内と混合され、その混合された水は冷却材として
インターナルポンプ２２２によって炉心２０４の下方に
送り込まれて炉心２０４へ再循環させている。

【００１１】そして、この気水分離器２１４は図２９の
ごとく構成されている。

【００１２】即ち、多数のスタンドパイプ３０２は図３
０のシュラウドヘッド２１２へ上方から突接される。

【００１３】このスタンドパイプ３０２の下端部はこの
シュラウドヘッド２１２内に開口している。そして、図
２９のこれらスタンドパイプ３０２の上端部にはそれぞ
れ気水分離胴３０６が連通接続されている。

【００１４】これら気水分離胴３０６は外胴３１０とそ
の内部の旋回胴３０８が設置され、両胴の間には、旋回
胴３０８内に通じる分離水排出流路が配備されている。

【００１５】そして、この旋回胴３０８の下端部には案
内羽根３０４が固定される。

【００１６】この案内羽根３０４の下端にはスタンドパ
イプ３０２が連通接続される。

【００１７】そして、このシュラウドヘッド２１２内か
らスタンドパイプ３０２内を上昇した水と蒸気の混合二
相流は案内羽根３０４によって旋回力が与えられて旋回
流となる。

【００１８】旋回胴３０８内部では、混合二相流が旋回
することにより、混合二相流に遠心力が作用する。

【００１９】この時、混合二相流のなかで蒸気と比較し
て密度の大きい水は、旋回胴３０８内壁面に押し付けら
れ、密度の小さい蒸気は旋回胴３０８の中心部付近を上
方へ流れることによって水と蒸気とに遠心分離される。

【００２０】旋回胴３０８内部では混合二相流は環状噴
霧流の流動様式となる。旋回胴308の内周壁方向に分離
された水は、気水分離胴３０６の分離水排出部３１２よ
り分離水排出流路３１６を通して下方へ排出されて炉心
循環水として戻される。

【００２１】一方、旋回胴３０８内部の中心部に分離さ
れた蒸気は、気水分離胴蒸気排出部３１６へ上昇して蒸
気排出胴３２０の内胴３２２内に流入する。

【００２２】旋回胴３０８の平断面積と比較してこの蒸
気排出部３１４の平断面積が狭いので、旋回胴３０８内
の中心部分の混合二相流の旋回エネルギー成分が蒸気排
出胴３２０の内胴３２２内に入る。

【００２３】そして、気水分離胴３０６の上部には蒸気
排出胴３２０が連通接続される。

【００２４】この蒸気排出胴３２０は外胴３２４とその
内部に内胴３２２が設置される。両胴の間には、分離水
排出流路３３０が分離水排出部３２６で内胴３２２内に
連通している。

【００２５】この内胴３２２は蒸気排出部３１４に接続
されて気水分離胴３０６より排出された気水分離胴３０
６で未分離の水を含んだ蒸気を混合二相流として受け入
れて、内胴３２２内部において混合二相流の旋回により
遠心分離する。

【００２６】ここで分離された水は下流の分離水排出部
３２６を通して蒸気排出胴分離水排出流路３３０を通じ
て気水分離器２１４外へ排出されて炉心循環水として戻
される。

【００２７】また蒸気排出胴３２０で再分離された蒸気
は、蒸気排出胴蒸気排出流部３２８を上方へ通過後に蒸
気排出口３６０より排出される。

【００２８】この蒸気排出口３６０より排出された蒸気
は上昇して図３０の蒸気乾燥器216へと送られて乾燥蒸
気とされる。

【００２９】水と蒸気の混合二相流がこの気水分離器２
１４を通過する際には圧力損失を生じる。

【００３０】この圧力損失が大きいと冷却材を循環駆動
するインターナルポンプ２２２内の動力が多く必要とな
り、不経済である。

【００３１】また、この圧力損失が大きいと炉心２０４
を通過する冷却材流量の低流量時において冷却材の流れ
が不安定となり、炉心の制御が不安定となる。

【００３２】このために従来からこの気水分離器２１４
の圧力損失を可能な限り小さく抑えることが望まれてい
た。

【００３３】この圧力損失を小さくするための手段とし
て、気水分離胴内部の圧力損失を低減することが従来よ
り考慮されている。

【００３４】例えば、特開昭62−64989 号公報の開示に
よれば、流れ方向に沿って気水分離胴内径を変化させな
いようにして気水分離胴内部での圧力損失の低減を図っ
ている。

【００３５】従来の気水分離器内での圧力損失は案内羽
根３０４により水と蒸気の混合二相流を旋回流として急
激に流れの方向を変化させることによる二相流圧力損失
が最も大きい。

【００３６】そのためこの案内羽根３０４において旋回
流を生じさせる際の二相流圧力損失を可能な限り小さく
抑えることも望まれていた。

【００３７】この圧力損失を小さくするための手段とし
て、案内羽根の形状に検討を加えることが従来より行わ
れている。

【００３８】例えば、特開昭50−38866 号公報の開示に
よれば、上向きに案内羽根を湾曲させその曲率半径をそ
の内縁端から外縁端へ増加する構造により案内羽根での
二相流圧力損失の低減を図っている。

【００３９】また、特開昭62−64989 号公報の開示によ
れば、気水分離胴内の中心部にのみ流れのひねり角度を
与えたスワール型案内羽根の構造により案内羽根での二
相流圧力損失の低減を図っている。

【００４０】しかしながら、二相流圧力損失の低減を図
るために流れの方向を急激に変えないように案内羽根の
湾曲の曲率半径やひねり角度を小さくすると気水分離器
内の二相流の旋回流速成分も小さくなり、水と蒸気の気
水分離性能は低下する。

【００４１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二相流
圧力損失の低減を図るために流れの方向を急激に変えな
いように案内羽根の湾曲の曲率半径やひねり角度を小さ
くすると気水分離器内の二相流の旋回流速成分も小さく
なり、水と蒸気の気水分離性能は低下する。

【００４２】従って、気水分離器の設計において最も重
要な点は、可能な限りの圧力損失の低減を図って、かつ
水と蒸気の気水分離性能の可能な限りの向上を図ること
である。

【００４３】本発明の第１目的は気水分離効果の向上に
あり、第２の目的は気水分離器段階での気水分離効果を
高めた沸騰水型原子炉を提供することにある。

【００４４】

【課題を解決するための手段】上記第１目的を達成する
ため第１手段は、気液二相流に旋回力を付与する案内羽
根と、前記案内羽根で旋回流とされた気液二相流を受け
入れる気水分離胴と、前記気水分離胴よりも胴径が小さ
く且つ前記気水分離胴に前記気水分離胴の中央部分の流
れを受け入れるように接続された蒸気排出胴とを備えた
気水分離器において、前記接続の手段は、前記中央部分
の流れの入り口流路面積が前記蒸気排出胴の前記流れの
受け入れ流路面積よりも広いレデューサであることを特
徴とした気水分離器の部分構造であり、同じく第２手段
は、気液二相流に旋回力を付与する案内羽根と、前記案
内羽根で旋回流とされた気液二相流を受け入れる気水分
離胴と、前記気水分離胴よりも胴径が小さく且つ前記気
水分離胴に前記気水分離胴の中央部分の流れを受け入れ
るように接続された蒸気排出胴とを備えた気水分離器に
おいて、前記案内羽根は、前記気液二相流の下流側に羽
根が後退している後退翼型を成していることを特徴とし
た気水分離器の部分構造であり、同じく第３手段は、気
液二相流に旋回力を付与する案内羽根と、前記案内羽根
で旋回流とされた気液二相流を受け入れる気水分離胴
と、前記気水分離胴よりも胴径が小さく且つ前記気水分
離胴に前記気水分離胴の中央部分の流れを受け入れるよ
うに接続された蒸気排出胴とを備えた気水分離器におい
て、前記蒸気排出胴の蒸気排出部の中央部分に、前記蒸
気排出部の高さ以上の高さに流体入り口を、前記蒸気排
出部の高さ以下の高さ流体出口を、それぞれ備えた蒸気
排出部案内流路が装備され、前記蒸気排出部案内流路の
前記流体出口に前記流体出口から下方へ出る流体に対し
て前記旋回流と同方向の旋回を付与する他の案内羽根を
備えていることを特徴とした気水分離器の部分構造であ
り、同じく第４手段は、気液二相流に旋回力を付与する
案内羽根と、前記案内羽根で旋回流とされた気液二相流
を受け入れる気水分離胴と、前記気水分離胴よりも胴径
が小さく且つ前記気水分離胴に前記気水分離胴の中央部
分の流れを受け入れるように接続された蒸気排出胴とを
備えた気水分離器において、前記蒸気排出胴の蒸気排出
部に前記旋回流を旋回方向から上方向に矯正する蒸気排
出口案内羽根を装備してあることを特徴とした気水分離
器の部分構造であり、同じく第５手段は、第１手段と第
２手段と第３手段と第４手段とのいずれか少なくとも一
つの気水分離器の部分構造を備えていることを特徴とし
た気水分離器であり、同じく第６手段は、第５手段にお
いて、蒸気排出胴は上下方向に複数個直列多段に接続さ
れて下段の蒸気排出胴の中央部分の気液二相流を上段の
蒸気排出胴が受け入れるように連通されており、前記蒸
気排出胴は上段にゆくに従い胴径が小さくされており、
前記蒸気排出胴間の前記連通接続手段は、前記中央部分
の気液二相流の入り口流路面積が前記上段の蒸気排出胴
の前記気液二相流の受け入れ流路面積よりも広い他のレ
デューサであることを特徴とした気水分離器であり、同
じく第７手段は、第６手段において、下段の蒸気排出胴
の胴長は上段の蒸気排出胴の胴長よりも相対的に長くさ
れていることを特徴とした気水分離器であり、同じく第
８手段は、第６手段において、請求項６において、下段
の蒸気排出胴の胴長は上段の蒸気排出胴の胴長よりも相
対的に短くされていることを特徴とした気水分離器であ
り、上記第２目的を達成するための第９手段は、原子炉
炉心と、前記原子炉炉心に対して抜き差し方向の移動が
可能な制御棒と、前記原子炉炉心を囲むシュラウドと、
前記シュラウドのシュラウドヘッドに林立して前記シュ
ラウド内と連通した複数のスタンドパイプと、前記スタ
ンドパイプに連通接続した複数の気水分離器と、前記複
数の気水分離器の上方に配備された蒸気乾燥器とを原子
炉圧力容器内に内蔵し、前記制御棒を前記抜き差し方向
へ駆動する制御棒駆動機構を備えている沸騰水型原子炉
において、前記気水分離器として請求項５の気水分離器
を備え、前記蒸気乾燥器は中央部が空の環状型を成して
いることを特徴とした沸騰水型原子炉であり、同じく第
１０手段は、第９手段において、複数の気水分離器の水
平間隔は制御棒駆動機構の制御棒への延長部分が通過で
きる間隔とされ、前記延長部分は環状型の蒸気乾燥器の
中央部と前記間隔を通過して前記制御棒に至っているこ
とを特徴とした沸騰水型原子炉であり、上記第１目的を
達成するための第１１手段は、処理対象の流体の旋回半
径領域が上段にいくに従い小径と成る遠心分離方式の気
液分離手段を上下多段に直列的に連通接続し、前記気液
分離手段に処理対象の流体を旋回状態で通す気水分離器
において、前記連通接続部分に、旋回速度の増速手段を
備えることを特徴とした気水分離器であり、同じく第１
２手段は、蒸気の通る流路の上流側に気水分離器を、下
流側に蒸気乾燥器を備えた設備において、前記気水分離
器と前記蒸気乾燥器とで除去する湿分分離量の比は３０
以上で前記気水分離器が多いことを特徴とした気水分離
器である。

【００４５】

【作用】第１手段によれば、案内羽根により旋回力を受
けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用により
湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、ここ
で再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。気液二
相流が蒸気排出胴内へ入る際には、レデューサを通過す
るのであるが、その通過時に、この気液二相流は下流に
いくに従いレデューサ内流路断面の旋回半径の減少する
から、旋回流速成分は増加して遠心力を増加させる。第
１手段の部分構造を採用することで、気液二相流の旋回
流速成分は増加して蒸気排出胴内に入るから、この蒸気
排出胴における水と蒸気の気水分離効率は向上する作用
を気水分離器に与えることが出来る。

【００４６】第２手段によれば、案内羽根により旋回力
を受けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用に
より湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、
ここで再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。気
液二相流が案内羽根により旋回される際には、その案内
羽根に気液二相流の湿分が水滴となって付着し、その水
滴は気液二相流とともに気水分離胴の内周壁面側へ案内
羽根で誘導され、その誘導力は、案内羽根が後退翼型で
あるから、強く発生し、第１手段の部分構造を採用する
ことで、中央に気相としそれより外周囲に液層とする分
離効果が良く成される。

【００４７】第３手段によれば、案内羽根により旋回力
を受けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用に
より湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、
ここで再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。蒸
気排出胴の蒸気排出部から排出される蒸気は旋回成分を
すくなからず備えているから、蒸気排出部の中央部でそ
の中央より外側に比べて圧力が低くなり、その蒸気排出
部内への逆流が発生しやすい。その逆流は、蒸気排出部
案内流路に導かれて蒸気排出胴内に誘導され、旋回力を
他の案内羽根により与えられた上で蒸気排出胴内に入れ
られ、蒸気排出胴内の流体の旋回力の抑制作用を低減す
る。このため、第３手段を採用すると、旋回力の抑制や
蒸気の逆流による湿分分離効果の低減が阻止出来、湿分
分離効果が向上する。

【００４８】第４手段によれば、案内羽根により旋回力
を受けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用に
より湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、
ここで再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。蒸
気流が蒸気排出胴の蒸気排出部から排出される際には、
その蒸気流が蒸気排出胴の蒸気排出部において蒸気排出
口案内羽根により旋回方向から上方向に変更され、旋回
による圧力損失が低減され、案内羽根を通過する気液二
相流の速度を高めて旋回速度成分を高め、気水分離胴や
蒸気排出胴内での遠心分離効果を向上することが出来る
ようになる。第４手段を採用することにより、圧力損失
の低減と、それに基づく気水分離効果の向上作用とが得
られる。

【００４９】第５手段によれば、第１手段と第２手段と
第３手段と第４手段との内、少なくとも一つの手段によ
る上述の作用を備えることにより、気水分離器の気水分
離効果の向上作用が得られる。

【００５０】第６手段によれば、第５手段による作用に
加えて、直列多段の蒸気排出胴によりより良く気水分離
が成されるほかに、気液二相流がその直列多段間を通過
する際には、気液二相流は他のレデューサによる旋回速
度成分の増速作用を受けるから、なお一層遠心分離によ
る分離効果が良く成される。

【００５１】第７手段によれば、第６手段による作用に
加えて、気液二相流中の液相量が少ない場合などには元
々気液二相流の平均密度が小さいから、下段の蒸気排出
胴ない気液二相流流路を長くして気水分離度合いが上段
の蒸気排出胴よりも増大させ、上段の圧力損失をより低
減する。

【００５２】第８手段によれば、第６手段による作用に
加えて、気液二相流の平均密度が大きい状態で圧力損失
が大きくなりやすい下段の蒸気排出胴は気液二相流の流
路長さが短くなり、気液二相流の平均密度が小さい状態
の上段の蒸気排出胴は気液二相流の流路長さが長くなる
ので、圧力損失を低減できる。

【００５３】第９手段によれば、制御棒駆動機構により
駆動される制御棒により制御された炉心により冷却材が
加熱されて気液二相流が発生しシュラウド内を上昇し、
シュラウドヘッドに至る。その気液二相流はシュラウド
ヘッドからスタンドパイプを上昇して気水分離器に流入
し、第５手段による気水分離作用を受け、その作用を受
けた蒸気は蒸気乾燥器により湿分除去作用を受ける。第
５手段による気水分離作用は従来例よりも効率が良いか
ら、蒸気乾燥器の湿分除去に関する負荷が軽減される作
用が得られ、蒸気乾燥器が簡略化できる。

【００５４】第１０手段によれば、第９手段による作用
に加えて、制御棒駆動機構により制御棒を原子炉圧力容
器の上方から上下に駆動できる作用が得られる。

【００５５】第１１手段によれば、処理対象の流体が上
段の消え貴分離手段に移行するごとに旋回速度の増速手
段で処理対象の流体の旋回速度成分が増速される作用を
受け、強力な遠心分離作用が処理対象流体に継続的に加
えられ、気液分離効率が高まる作用が得られる。

【００５６】第１２手段によれば、気水分離器が蒸気乾
燥器に対して湿分分離用の比が３０以上と多く蒸気乾燥
器の湿分除去に関する負担を軽減する作用が得られる。

【００５７】

【実施例】以下に、本発明の第１実施例を説明する。

【００５８】冷却材を保有している図２の原子炉圧力容
器４００内には、シュラウド４０２が設けられている。

【００５９】そのシュラウド４０２内部には炉心４０４
が収納されている。

【００６０】そして、この原子炉圧力容器４００の下部
より制御棒駆動機構４０６で制御棒４０８が炉心４０４
内に挿入及び引抜きされるように構成されている。

【００６１】そして、冷却材である軽水は、この炉心４
０４内の燃料により加熱されて沸騰し、水と蒸気の混合
二相流となって上昇し、シュラウドヘッド４１２に流れ
る。このシュラウドヘッド４１２には多数のスタンドパ
イプ２が連通接続され、個々のスタンドパイプ２に一台
ずつの気水分離器４１４が連通接続される。

【００６２】この気水分離器４１４郡の上方には蒸気乾
燥器４１６が設置されている。

【００６３】そして、水と蒸気の混合二相流はこの気水
分離器４１４で水と蒸気とに分離され、気水分離器４１
４を通過して分離された蒸気は蒸気乾燥器４１６で乾燥
され、その後に主蒸気ノズル４１８から排出されて主蒸
気系の主蒸気管（図示せず）を通してタービン（図示せ
ず）へ送り出されるように構成されている。

【００６４】また、気水分離器４１４で分離された水は
原子炉圧力容器４００内で給水ノズル４２０から供給さ
れる給水と混合される。この混合された水は冷却材とし
てインターナルポンプ４２２によって炉心４０４の下方
に送り出され炉心４０４へ再循環する。

【００６５】この気水分離器４１４は図１のように構成
されている。

【００６６】即ち、各スタンドパイプ２の下端部はシュ
ラウドヘッド４１２内に開口している。

【００６７】そして、図２のこれらスタンドパイプ２の
上端部にはそれぞれ気水分離胴６が接続されている。

【００６８】これら気水分離胴６は外胴１０とその内部
の旋回胴８を備えており、両胴の間に分離水排出流路１
４が装備される。

【００６９】そして、この旋回胴８の下端部には案内羽
根４が固定されており、この案内羽根４の下端にはスタ
ンドパイプ２が接続される。

【００７０】そして、図２のシュラウドヘッド４１２内
から図１のスタンドパイプ２内を上昇した水と蒸気の混
合二相流は案内羽根４によって旋回流となり、旋回胴８
内部では混合二相流に遠心力が作用する。

【００７１】この時混合二相流のうち蒸気と比較して密
度の大きい水は旋回胴８内壁面に押し付けられ、密度の
小さい蒸気は旋回胴８の中心部付近を上方へ流れること
によって水と蒸気とに遠心分離されるように構成されて
いる。

【００７２】気水分離胴６で分離された水は、気水分離
胴６の分離水排出部１２から分離水排出流路１４を通じ
て気水分離器４１４から排出されて炉心循環水として戻
される。

【００７３】そして、気水分離胴６の上部には蒸気排出
胴２０が接続される。

【００７４】この蒸気排出胴２０は外胴２４とその内部
の内胴２２を備え、両胴の間には蒸気排出胴分離水排出
流路３０が装備される。

【００７５】この内胴２２は、気水分離胴蒸気排出部１
６に接続されていて、気水分離胴６より排出された気水
分離胴６で未分離の水を含んだ蒸気を混合二相流として
内胴２２内部に受け入れる。

【００７６】内胴２２内の混合二相流は旋回により遠心
分離作用を受ける。

【００７７】ここで遠心分離作用で分離された水は下流
の分離水排出部２６を通して蒸気排出胴分離水排出流路
３０より排出されて炉心循環水として戻される。

【００７８】また分離された蒸気は蒸気排出胴蒸気排出
流部２８より排出される。

【００７９】この蒸気は図２の蒸気乾燥器４１６へと送
られて乾燥蒸気とされる。

【００８０】図１の気水分離器４１４は、内胴２２と気
水分離胴蒸気排出部１６との接続手段に混合二相流の旋
回力増幅手段を兼ねてレジューサ５０を採用している。

【００８１】具体的には、気水分離器の旋回胴１０内径
と分離水排出部１２の開口部内径よりも蒸気排出部内胴
２２の内径を小さくし、分離水排出部１２の開口部とこ
の内胴２２と接続し、分離水排出部１２から蒸気排出部
内胴２２まで断面積を絞るレデューサ５０を設置してい
る。

【００８２】また、案内羽根４は、上端または下流端の
気水分離器軸方向位置が内縁端ではより下方側に、外端
では上方側にある後退翼形となっている。

【００８３】また、蒸気排出胴２０の上端の蒸気排出部
２８の中央部に筒形の蒸気排出部案内流路６０を備え
る。

【００８４】その蒸気排出部案内流路６０の両端の開口
部を上下方向に向けて設置し、旋回胴８に設置された案
内羽根４のひねり方向とは逆向きのひねりを持つ蒸気排
出部案内流路内案内羽根６２をその蒸気排出部案内流路
６０の下部内部に固定している。

【００８５】また、気水分離器４１４内部を通過した蒸
気の旋回流を弱めるための蒸気排出口案内羽根７０を蒸
気排出部２８内側壁面に固定している。

【００８６】これら４つの構成部品は、各々単独で気水
分離器に用いても、また複数を組み合せて気水分離器に
用いてもよい。

【００８７】第１実施例の気水分離器では、上述のとお
り、これら４つの構成部品が同時に採用されている。

【００８８】まず、気水分離器にレデューサ５０を採用
したことにより気水分離性能が向上することを説明す
る。

【００８９】この気水分離器４１４内で発生する混合二
相流の圧力損失Δｐは数式１で与えられる。

【００９０】

【数１】

【００９１】ここで、ρ_mとｖ_zはそれぞれ混合二相流
の平均密度と気水分離器軸方向流速成分で、Ｌは混合二
相流が接する流路の気水分離器軸方向長さ、Ｃ₁は比例
定数である。

【００９２】スタンドパイプ２を通って送られてきた水
と蒸気の混合二相流は、まず気水分離胴６内の案内羽根
４により遠心力を受けて遠心分離され、その混合二相流
の一部の水は分離後に分離水排出部１２より分離水排出
流路１４を通って排出される。分離後の蒸気は、蒸気排
出胴２０側に入る。

【００９３】そのためにこの分離水排出部１２を通過す
る前と後の混合二相流の平均密度は変化する。その混合
二相流の平均密度ρmの変化を図３に示す。

【００９４】図３のように、分離水排出部１２通過前の
気水分離胴６内の混合二相流の平均密度は大きく、分離
水排出部１２通過後は混合二相流中の密度の大きい水の
一部が排出されているために蒸気排出胴２０内の混合二
相流の平均密度は小さい。

【００９５】そして、数１より気水分離胴６内の混合二
相流と比較して蒸気排出胴２０内の混合二相流の平均密
度は小さいために蒸気排出胴２０内の圧力損失も小さく
なる。

【００９６】平均密度が小さく圧力損失も小さくなる状
態で旋回流状態の混合二相流は、気水分離胴６から蒸気
排出胴２０内へレデューサ５０を流路として送られる。

【００９７】ここで気水分離胴６から蒸気排出胴２０へ
行くに従い、レデューサ５０により混合二相流の流路断
面積が狭く変化する。

【００９８】このため、混合二相流の気水分離器軸方向
流速成分ｖ_zと旋回流速成分ｖ_θは変化する。その流速
変化をレデューサ５０のない従来例と比較して図４に示
す。図４で、レデューサ５０を設置しない場合では蒸気
排出胴２０に向かって流路断面積は不変であるためにｖ
_zは変化しないが、レデューサ５０を設置した場合には
その流れ方向に向かって流路断面積は減少するためにｖ
_zは増加して圧力損失は増加する。

【００９９】しかし、レデューサ５０を通って蒸気排出
胴２０内へ入る混合二相流の平均密度は小さいためにそ
の圧力損失の増加は小さくなる。

【０１００】また、旋回流速成分ｖ_θはレデューサ５０
を設置しない場合では蒸気排出胴２０に向かって旋回半
径ｒも不変であるためにｖ_θはほぼ変化しないが、レデ
ューサ５０を設置した場合にはその流れ方向に向かって
旋回半径は減少して遠心力を増加させる。

【０１０１】それとともに、旋回する混合二相流には数
式２で与えられる旋回運動における角運動量保存則が成
り立つ。

【０１０２】

【数２】 ω＝ｒ×ｒ_θ＝一定値 …（数２）これは、旋回運動の外部より力の作用がないときには旋
回流速成分ｖ_θと旋回半径ｒとの商である角運動量ωは
常に保存する法則である。

【０１０３】この法則により混合二相流の旋回流速成分
ｖ_θはレデューサ５０で増加して下流の蒸気排出胴２０
内において作用する遠心力も増加する。

【０１０４】さらに気水分離器の水と蒸気の混合二相流
に作用する遠心力Ｆが大きいほど二相流の分離効率ηは
増加し、このＦは数式３の比例関係を持つ。

【０１０５】

【数３】

【０１０６】ここでＣ₃は比例定数、ｖ_θとｒはそれぞ
れ混合二相流の旋回流速成分と旋回半径である。

【０１０７】この数式２と数式３よりレデューサ５０を
設置して旋回半径ｒを減少させ旋回流速成分ｖ_θを増加
させた場合には気水分離器の水と蒸気の分離効率は向上
することが分かる。

【０１０８】以上の気水分離器内の混合二相流の圧力損
失Δｐと分離効率ηの気水分離器軸方向変化をレデュー
サ５０のない従来例と比較すると図５に示すようにな
り、本発明のレデューサ５０を設置した気水分離器を用
いることにより圧力損失の大幅な増加を抑えて気水分離
性能の大幅な向上が得られる。

【０１０９】また、レデューサ５０を設置した気水分離
器を用いることによりその気水分離効率が向上するた
め、従来の気水分離器と比較して旋回胴８内の案内羽根
４のひねり角度を小さくして案内羽根による二相流圧力
損失を低減することも可能であり、原子炉の炉内構造物
である気水分離器の圧力損失の低減と水と蒸気との分離
効率の向上の長所を有する。

【０１１０】つぎに後退翼形の案内羽根４を採用するこ
とによる気水分離性能の向上について図６，図７，図
８，図９を用いて説明する。

【０１１１】図６は気水分離器の案内羽根４の拡大図、
図７は図６のＡ−Ａ′断面での水と蒸気の混合二相流の
軸方向速度成分ｖ_zと旋回流束成分ｖ_θの分布を示す。

【０１１２】また、従来例と本発明の案内羽根４付近の
水滴の運動の概略図をぞれぞれ図８，図９に示す。

【０１１３】従来の案内羽根３０４の中心部の混合二相
流の旋回流束成分ｖ_θは小さいために中心付近に付着し
た水滴５００に作用する遠心力は小さい。

【０１１４】この水滴５００の速度５０２の外周方向に
向かう速度成分も小さい。

【０１１５】また軸方向速度成分ｖ_zは大きいために案
内羽根表面に付着した水膜との摩擦は大きくこの水膜か
ら蒸気への液滴が再発生し易い。

【０１１６】しかし、図９に示すように気水分離器の案
内羽根４の上端または下流端の気水分離器軸方向位置が
内縁端ではより下方側に、外端では上方側にある後退翼
形の案内羽根４とすることで、この案内羽根４に付着し
た水滴５００ａは小さな外周方向速度でも後退翼形の案
内羽根表面をつたってゆくことが容易で、この水滴の流
速ベクトル５０２ａは流速ベクトル５０３ａへと案内羽
根４の外周方向に偏向され易くなる。

【０１１７】すなわちこの案内羽根４中央部の羽根表面
の水滴を旋回胴８の外周部へ遠心力によって誘導するこ
とが容易であり、旋回胴８内での気水分離器の水と蒸気
の分離効率が後退翼形の案内羽根４にても向上する。

【０１１８】つぎに蒸気排出部案内流路６０と蒸気排出
部案内流路内案内羽根６２を採用したことによる気水分
離性能の向上について図１０，図１１，図１２，図１
３，図１４，図１５を用いて説明する。

【０１１９】図２９の従来例の気水分離器の蒸気排出部
３２８付近の拡大図を図１０に、気水分離器の中心軸と
垂直なＢ−Ｂ′断面での蒸気の旋回流束成分ｖ_θの分布
を図１１に、Ｂ−Ｂ′断面の圧力分布を図１２に、蒸気
排出部３２８付近の気水分離器中心軸を含む断面におけ
る蒸気の流速ベクトルを図１３に示す。

【０１２０】また、本発明の蒸気排出部案内流路６０と
蒸気排出部案内流路内案内羽根６２を設置した蒸気排出
部２８の拡大図を図１４に、図１４における蒸気排出胴
２０のＣ−Ｃ′断面およびＤ−Ｄ′断面での蒸気の旋回
流束成分ｖ_θの分布を図１５に示す。

【０１２１】従来の気水分離器の蒸気排出部３２８にお
いて水と蒸気の混合二相流は図１１に示す流速分布の旋
回流であるために、図１２のように蒸気排出部３２８の
中心部の圧力は低下して、図１３のようにこの蒸気排出
部３２８の中心部で気水分離器の上流側向きの逆流が発
生する。

【０１２２】また、蒸気排出部３２８の中心部では混合
二相流の旋回流速と遠心力は小さくなるために、この出
口中心部付近の水と蒸気は分離されにくい。

【０１２３】しかし、本発明では、図１４の蒸気排出部
案内流路６０により蒸気排出部２８の中央部の逆流を蒸
気排出部の内胴２２内へ誘導して、気水分離器の案内羽
根４と逆ひねりの蒸気排出部案内流路案内羽根６２によ
り強い旋回を与えることが可能である。

【０１２４】これにより図１５のように蒸気排出部２８
の中央部の混合二相流の旋回流速成分を増加させて、逆
流で入ってきた混合二相流の水液滴を遠心力で外周部へ
押しやり水と蒸気との分離効率の向上を図る。

【０１２５】つぎに蒸気排出口案内羽根７０を採用した
ことによる圧力損失の低減効果につき図１６を用いて説
明する。

【０１２６】図１６は、蒸気排出口案内羽根７０を設置
した場合の蒸気排出部２８付近の拡大図で、この案内羽
根７０の通過前後の混合二相流中の水滴はそれぞれ５２
０と５２１で、通過前の水滴５２０の速度ベクトル５３
０は通過後の水滴５２１の速度ベクトル５３１に案内羽
根７０で強制的に変更させる。

【０１２７】蒸気排出口案内羽根７０を通過前の水滴速
度の旋回成分ｕ1θは大きいが、気水分離器の蒸気排出
部２８に気水分離器内部を通過した蒸気の旋回流を低減
するための蒸気排出口案内羽根７０を蒸気排出部２８の
内側壁面に固定して蒸気旋回流の方向を変えて気水分離
器の蒸気排出部２８出口から排出される水滴５２１の速
度ベクトル５３１の旋回流速成分を低減できる。

【０１２８】そして、隣接しあう複数の気水分離器から
排出される蒸気の旋回流同志相互に作用する摩擦により
圧力損失が増加することを抑制し、また旋回流速成分の
持つ運動エネルギーの旋回付与前への回復により気水分
離器の圧力損失が低減する。次に、本発明の第２実施例
を図１７に基づいて以下に説明する。

【０１２９】この実施例は第１実施例がベ−スと成って
おり、変更されている部分は次のとおりである。

【０１３０】即ち、第１実施例における蒸気排出部案内
流路６０と蒸気排出部案内流路案内羽根６２と蒸気排出
口案内羽根７０は気水分離器の構成部品としては採用さ
れていない。

【０１３１】図１７では２個のレデューサ５０ａ，５１
ａで径が異なる２個の蒸気排出胴２０ａ，２１ａが気水
分離胴６と直列と成るように接続されている。

【０１３２】２個の蒸気排出胴２０ａ，２１ａ共に第１
実施例の蒸気排出胴２０と同じ構成を備えており、蒸気
排出胴２１ａは蒸気排出胴２０ａよりも全ての構成部品
が小径に構成されている。蒸気排出胴２１ａの内筒２３
ａや外筒２５ａや分離水排出部２７ａや蒸気排出部２９
ａは、蒸気排出胴２０ａの内筒２２ａや外筒２４ａや分
離水排出部２６ａや蒸気排出部２６ａよりも小径化され
ている。

【０１３３】スタンドパイプ２から気水分離胴６内に入
ってきた混合二相流は、後退翼型の案内羽根４により旋
回力して、気水分離胴６で遠心分離作用を受ける。

【０１３４】遠心分離後の混合二相流は、レデューサ５
０ａで旋回速度が増速されて、内胴２２ａ内に入り、増
速された旋回速度に基づいて遠心分離作用を受ける。

【０１３５】次に、蒸気排出胴２０ａで遠心分離後の混
合二相流は、レデューサ５１ａで旋回速度が再度増速さ
れて、内胴２３ａ内に入り、再度増速された旋回速度に
基づいて遠心分離作用を受けて蒸気排出胴２１ａの蒸気
排出部２９ａから蒸気が排出される。分離後の蒸気は、
気水分離胴６や蒸気排出胴２１ａや蒸気排出胴２０ａで
の分離作用のつど貴水分離器外へ排出される。

【０１３６】さらに、気水分離器内を混合二相流が通過
する際に複数の分離水排出部２６ａ，２７ａより水が排
出されることでスタンドパイプ２に近い上流側の蒸気排
出胴２０ａに比べてより下流側の蒸気排出胴２１ａ内の
混合二相流の蒸気体積率（ボイド率）は大きくなって、
気水分離効果が向上し、この混合二相流の平均密度は小
さくなる。

【０１３７】このために、下流側の蒸気排出胴２１ａを
通過する際の流れの二相流圧力損失は低下する。このた
めに従来例よりも蒸気排出部内胴２３ａの半径を小さく
しても流路断面積の減少による混合二相流の流速増加に
よる圧力損失の増加を低く抑えることが可能である。

【０１３８】また、気水分離効率の向上が図れれば、案
内羽根４の段階で大きな旋回力を加えようとして案内羽
根４のひねり角度を無理に大きくすること無く、小さく
して案内羽根４による二相流圧力損失の低減も図れる。
案内羽根４のひねり角度の減少度合いは、案内羽根４に
よる二相流圧力損失の低減度合いと、得たい気水分離効
率の向上度合いとの兼ね合いで決めれば良い。このよう
に、案内羽根４による二相流圧力損失の低減度合いと、
得たい気水分離効率の向上度合いとの調整に自由度が広
がる。

【０１３９】また、本発明の第３実施例を図１８に基づ
いて以下に説明する。

【０１４０】この実施例は、第２実施例を変更したもの
でり、その変更点は以下のとおりであり、他は第１実施
例と同じである。

【０１４１】即ち、図１７の２組の蒸気排出胴２０ａ，
２１ａの実施例に対し、図１８の２組の蒸気排出胴２０
ｂ,２１ｂとレデューサ５０ｂ,５１ｂは、蒸気排出胴２
０ｂが蒸気排出胴２１ｂよりも気水分離器の中心軸方向
において長く、レデューサ５０ｂがレデューサ５１ｂよ
りも気水分離器の中心軸方向において長くされている。

【０１４２】この構成では、気水分離胴６から蒸気排出
胴２０ｂに入ってくる混合二相流の密度が図１７の場合
と比べて小さい場合には、蒸気排出胴２０ｂでの圧力損
失が少なくなるので、この蒸気排出胴２０ｂを長くして
蒸気排出胴２０ｂでより多くの水滴を分離除去し、蒸気
排出胴２１ｂでさらに水滴を分離除去することにより、
気水分離器としての分離効果をより向上する。

【０１４３】また、本発明の第４実施例を図１９に基づ
いて説明する。

【０１４４】第４実施例では、図１７の第２実施例にお
ける２組の蒸気排出胴２０ａ，21ａと２個のレデューサ
５０ａ，５１ａの気水分離器の中心軸方向の長さを変更
した点が特徴と成っており、他の内容は第２実施例と同
じである。

【０１４５】その変更点は次のとおりである。

【０１４６】即ち、図１９の２組の蒸気排出胴２０ｃ，
２１ｃ内の平均密度が大きい混合二相流を遠心分離する
蒸気排出胴２０ｃの気水分離器の中心軸方向の長さＬ_n
は、平均密度が小さい混合二相流を遠心分離する蒸気排
出胴２１ｃの気水分離器の中心軸方向の長さＬ_n+1より
も短くされる。

【０１４７】同様に、図１９の２組のレデューサ５０
ａ，５１ａについても、レデューサ５０ａ，５１ａの内
の平均密度が大きい混合二相流が通るレデューサ５０ａ
の気水分離器の中心軸方向の長さＳ_nは、平均密度が小
さい混合二相流が通るレデューサ５１ａの気水分離器の
中心軸方向の長さＳ_n+1よりも短くされる。

【０１４８】先の数式３より平均密度ρ_mの大きい混合
二相流が通過する流路内の圧力損失Δｐは大きくなる
が、流路長さＬを小さく抑えればΔｐは低減できる。

【０１４９】平均密度ρ_mの大きい混合二相流の接触す
るレデューサ５０ｃの長さ（Ｓ_n）や蒸気排出部内胴２
２ｃの長さ（Ｔ_n）や蒸気排出胴２０ｃの長さ（Ｌ_n）
を平均密度ρ_mの小さい混合二相流の接触するレデュー
サ５１ｃの長さ（Ｓ_n+1）や蒸気排出部内胴２３ｃの長
さ（Ｔ_n+1）や蒸気排出胴２１ｃの長さ（Ｌ_n+1）よりも
短くして圧力損失を低く抑える。

【０１５０】このようにして気水分離器が扱う混合二相
流の平均密度に応じて、第３実施例と第４実施例とを選
択して原子炉に採用すればよい。

【０１５１】本発明の第５実施例を図２０に示す。

【０１５２】本実施例は第１実施例を変更したものであ
り、その変更点は次のとおりである。その他の内容は第
１実施例と同じである。

【０１５３】即ち、第１実施例における部品５０，６
０，６２，７０は採用されていない。そして、蒸気排出
部内胴２２ｄを上流側の気水分離胴６ｄの蒸気排出部１
６ｄの開口部へ延長している。

【０１５４】この例では、後退翼型の案内羽根４で気水
分離効果が向上する上、従来の蒸気排出部３１２から蒸
気排出胴３２０の内胴３２２への流路が拡大されること
無く一定であるから、混合二相流の旋回速度がその拡大
部で大幅に減速することが無い。

【０１５５】このため、蒸気排出胴２２ｄにおける気水
分離作用が図２９の従来例よりも向上する。

【０１５６】本発明の第６実施例を図２１に示す。

【０１５７】第６実施例は、第１実施例を変更したもの
で、以下に述べる変更内容以外は第１実施例と同じであ
る。

【０１５８】第６実施例では、第１実施例における部品
６０，６２，７０は採用されていない。

【０１５９】第１実施例で採用された後退翼型の案内羽
根４は、第６実施例では変更されて、案内羽根４ｅとさ
れる。

【０１６０】この案内羽根４ｅは、後退翼型の案内羽根
であり、図１の案内羽根４と比較して、図２１の如く、
案内羽根４ｅの上端または下流端をより下流側の旋回胴
８ｅ内部まで延長して、案内羽根４ｅによる気水分離効
率の向上が得られる。

【０１６１】また、案内羽根４ｅの上端または下流端を
より下流側の旋回胴８ｅ内部まで延長してあるから、そ
の旋回胴８ｅ内の混合二相流の旋回勢力は強く、気水分
離効果が良くなる上、その旋回力の強さは、下流側の蒸
気排出胴内にまで影響して、蒸気排出胴での気水分離効
果も良くなる。

【０１６２】本発明の第７実施例を図２２に第８実施例
を図２３に示す。

【０１６３】これらの例は、第１実施例である図１の案
内羽根４に以下に述べる変更を加えているものであっ
て、その他は第１実施例と同じである。

【０１６４】即ち、図１の案内羽根４と比較して、図２
２の案内羽根４ｆの下端または上流端をより下流側へ後
退させて案内羽根４ｆの気水分離器軸方向の幅をその内
周部と外周部とで同一にしている。

【０１６５】図２３の案内羽根４ｇでは、その下端また
は上流端を、図２２以上により下流側へ後退させて案内
羽根４ｇの気水分離器軸方向の幅をその内周部に比べて
外周部ではより細くしている。

【０１６６】このようにすれば図１と同様に気水分離効
率の向上の効果が得られるとともに、大きな後退角で、
あるいはそれに加えて先細りの翼形状により気水分離器
の混合二相流とこの後退翼形の案内羽根との接触面積が
低下して案内羽根における二相流摩擦損失の低減も可能
である。

【０１６７】本発明の第９実施例を図２４に示す。

【０１６８】第９実施例は、第１実施例を変更したもの
で、以下に述べる変更内容以外は第１実施例と同じであ
る。

【０１６９】第９実施例では、第１実施例における部品
６０，６２，７０は採用されていない。

【０１７０】第９実施例では、図２４の如く、後退翼型
の案内羽根４ｈの外周径と、スタンドパイプ２ｈと気水
分離胴の旋回胴８ｈとの内径を同一として、構造上及び
製作上の簡略化を果たしている。

【０１７１】この例でも、図１と同様に後退翼型の案内
羽根４ｈやレデューサの採用により気水分離効率の向上
の効果が得られる。

【０１７２】本発明の第１０実施例を図２５に、第１１
実施例を図２６にそれぞれ示す。

【０１７３】第１０，１１実施例は、第１実施例を変更
したもので、以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。

【０１７４】第１０実施例にあっては、第１実施例の蒸
気排出部案内流路６０と蒸気排出部案内流路内案内羽根
６２とが変更されている。

【０１７５】第１実施例に比較して、図２５では蒸気排
出部案内流路６０ｉの下端位置は蒸気排出部案内流路内
案内羽根６２ｉの下端位置と同一の位置としている。

【０１７６】第１実施例に比較して、図２６では蒸気排
出部案内流路６０ｊの上端位置は蒸気排出部案内流路内
案内羽根６２ｊの上端位置と同一の位置としている。こ
のようにしても図１の第１実施例と同様に気水分離効率
の向上の効果が得られる。

【０１７７】本発明の第１２実施例を図２７に示して以
下に説明する。

【０１７８】第１実施例から第１１実施例までのいずれ
かの実施例による複数の気水分離器４１４を沸騰水型原
子炉圧力容器内に組み込んだ実施例を図２７に示す。

【０１７９】前記の本発明による気水分離器の分離効率
の向上の作用により、原子炉圧力容器４００内の上部構
造物である蒸気乾燥器４１６Ｋの負担が軽減され、蒸気
乾燥器４１６Ｋを構成している蒸気乾燥ユニット数を低
減できる。

【０１８０】このため、原子炉の圧力容器４００の内周
部に近い蒸気乾燥ユニットを環状に配置した環状型蒸気
乾燥器４１６ｋにすることが出来る。

【０１８１】この炉内構造物の簡略化が図られることに
よる原子炉の保守性の向上や、原子炉圧力容器のより高
い安全性と信頼性を確保することも可能である。

【０１８２】本発明の第１３実施例を図２８に示して以
下に説明する。

【０１８３】第１実施例から第１１実施例までのいずれ
かの実施例による複数の気水分離器４１４ｍを沸騰水型
原子炉圧力容器内に組み込んだ実施例を図２８に示す。

【０１８４】図２８では、蒸気乾燥器が図２７と同様の
環状蒸気乾燥器４１６ｍとしてある。

【０１８５】さらに気水分離器４１４ｍは従来に比べて
気水分離効率が高いから、従来の原子炉圧力容器と比較
して気水分離器４１４ｍの装備密度はより少なくてす
み、従来よりもまばらな配置と成っている。

【０１８６】そのまばらな気水分離器４１４ｍの間と環
状蒸気乾燥器４１６ｍの中空部を利用して、原子炉圧力
容器４００の上部より制御棒駆動機構４０６ｍの下方延
長部を通して、制御棒４０８ｍを上下に駆動する上部挿
入型制御棒による原子炉制御が行える様になる。

【０１８７】遠心力により気液を分離する軸流遠心式の
気水分離器においては、回転により液滴に作用する遠心
力と中心に向かう気流の抗力とのバランスによって分離
できる液滴径の限界が定まる。

【０１８８】この分離限界液滴径Ｄは数式４で与えられ
る。

【０１８９】

【数４】

【０１９０】ここで、Ｖ_tは周方向速度、Ｖ_rは径方向
速度、μは蒸気の粘性係数、ρは液体の密度、ｒは旋回
胴の半径である。従来のＢＷＲプラント(１３５０ＭＷ
ｅ級)に用いられる気水分離器では、蒸気の粘性係数及
び液体の密度は７０気圧飽和状態の蒸気及び水の値であ
り、旋回胴の半径は１００mm程度である。

【０１９１】また、スタンドパイプ内の平均流速約１０
ｍ／ｓの二相流を４５度の案内羽根で各速度成分に分配
している。従って、数４によると従来の気水分離器の分
離限界液滴径は約９０mmとなり、これより小さい液滴は
蒸気乾燥器において除去し蒸気乾燥器の出口湿り度０.
１ｗｔ％を満足させて、主蒸気系へ放出する。

【０１９２】本発明において、案内羽根及び旋回胴を従
来と同一とし、レデューサ後の内胴の半径を７６mm（流
路面積旋回胴の１／２）とした場合には、角運動量の保
存則から遠心力の効果が大きくなり、分離限界液滴径は
約５０mmとなり従来例に比べより小さな液滴まで気水分
離器において除去できる。更に内胴半径を小さくし、５
４mm（流路面積旋回胴の１／４）とした場合には、分離
限界液滴径は約３０mmとなり、蒸気乾燥器の入口湿り度
の更なる低減が図れる。

【０１９３】ここで、気水分離器内での液滴径分布を環
状噴霧流に関する液滴径に関する植田の式で仮定した場
合、従来例では、流入液滴の約９３％を気水分離器で除
去し、残りの約７％を蒸気乾燥器において除去すること
になる。本発明において、内胴半径を７６mmとした場合
は、気水分離器で流入液滴の約９７％，蒸気乾燥器で約
３％を除去する。この時気水分離器と蒸気乾燥器とで除
去する湿分分離量の比は３０以上となる。また、内胴半
径を５４mmとした場合には、気水分離器において約９
９.５％，蒸気乾燥器において約０.５％液滴を除去す
ることになる。この時気水分離器と蒸気乾燥器とで除去
する湿分分離量の比は約２００となる。

【０１９４】ここでは、水の密度ρ＝７５０（Kg／
ｍ³），蒸気の粘性係数μ＝１８.８０／１０⁶（Ｐａ・
ｓ）として、計算しており、表１の本発明（１）とある
のが湿分分離量の比が３０以上の例であり、表１の本発
明（２）とあるのが湿分分離量の比が約２００の例であ
る。

【０１９５】

【表１】

【０１９６】いずれの例も、第１実施例における気水分
離器の構造から部品６０，６２，７０を削除した構成を
基本モデルとしている。

【０１９７】気水分離器の分離性能が向上した分、蒸気
乾燥器の簡素化が図れる。例えば、蒸気乾燥器の入口湿
り度の低下により蒸気乾燥器の流路面積の低減が可能で
あり、従来約２ｍあった蒸気乾燥器を約１ｍに縮小で
き、その縮小に伴ってそれを格納する原子炉圧力容器の
小型化が可能となる。あるいは、蒸気乾燥器を環状にす
ることによって制御棒の上部挿入が可能となる。

【０１９８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、気液二相流に
たいして気水分離途中で再度旋回速度成分を増強させて
気液分離効果を向上させる作用を気水分離器に与えるこ
とが出来るという効果が得られる。

【０１９９】請求項２の発明によれば、気液二相流に旋
回力を与える案内羽根が水滴を外周方向に誘導しやすい
から気液分離効果を向上させる作用を気水分離器に与え
ることが出来るという効果が得られる。

【０２００】請求項３の発明によれば、気水分離器の蒸
気出口部における逆流を利用して気水分離器内の流体の
旋回を助長するから、遠心分離作用が強化されて、気液
分離効果を向上させる作用を気水分離器に与えることが
出来るという効果が得られる。

【０２０１】請求項４の発明によれば、気水分離器の排
出蒸気を旋回方向から上方向に整流するから、旋回によ
る圧力損失が少なくて気水分離器を通る流体の速度を上
げることが出来、案内羽根による旋回方向偏向後の旋回
速度も大きくなって、遠心分離作用が強化されて、気液
分離効果を向上させる作用を気水分離器に与えることが
出来るという効果が得られる。

【０２０２】請求項５の発明によれば、請求項１と請求
項２と請求項３と請求項４との内、少なくとも一項の発
明による効果を有して気液分離効果の向上した気水分離
器が提供できる効果が得られる。

【０２０３】請求項６の発明によれば、請求項５の発明
による効果に加えて、気液二相流の旋回速度成分を途中
で増速しながら、気液分離を蒸気排出胴で繰返し実行す
ることにより、気液分離効果の向上した気水分離器が提
供できる効果が得られる。

【０２０４】請求項７の発明によれば、請求項６の発明
による効果に加えて、気水分離胴から蒸気排出胴内に入
ってくる気液二相流の平均密度が小さい場合に、圧力損
失を多く受けない内に下段の蒸気排出胴で気液分離を促
進しするという、蒸気排出胴内に入ってくる気液二相流
の平均密度が小さい場合に合理的な気水分離器が提供で
きる。

【０２０５】請求項８の発明によれば、請求項６の発明
による効果に加えて、気水分離胴から蒸気排出胴内に入
ってくる気液二相流の平均密度が大きい場合に、圧力損
失を多く受け易い下段の蒸気排出胴の流路を短くして圧
力損失を抑制して、蒸気排出胴内に入ってくる気液二相
流の平均密度が大きい場合に合理的な気水分離器が提供
できる。

【０２０６】請求項９の発明によれば、原子炉圧力容器
内の蒸気乾燥器の簡略化が成せる沸騰水型原子炉を提供
できるという効果が得られる。

【０２０７】請求項１０の発明によれば、請求項９の発
明による効果に加えて、上方から制御棒を操作すること
の出来る沸騰水型原子炉を乾燥蒸気内の湿分を極力増加
させないで提供できるという効果が得られる。

【０２０８】請求項１１の発明によれば、気水分離器の
流路と中で処理流体の旋回速度成分を増速させることが
出来るから、気水分離器の流路過程で遠心分離作用の低
下を極力抑制して気液分離効果の高い気水分離器を提供
できる。

【０２０９】請求項１２の発明によれば、気水分離器と
蒸気乾燥器との湿分分離量の比を従来になく高めて蒸気
乾燥器の湿分除去に関する負担を軽減できるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による気水分離器の縦断面
図である。

【図２】本発明の第１実施例による沸騰水型原子炉の縦
断面図である。

【図３】本発明の第１実施例による気水分離器内の気液
二相流の平均密度の分布図である。

【図４】本発明の第１実施例による気水分離器内の気液
二相流の平均軸方向流速と平均旋回流速との分布図であ
る。

【図５】本発明の第１実施例による気水分離器内の気液
二相流の圧力損失と分離効率との分布図である。

【図６】図１に示した案内羽根の拡大縦断面図である。

【図７】図６のＡ−Ａ′断面の軸方向流速成分と旋回流
速成分の分布図である。

【図８】従来例の案内羽根付近の水滴運動の概略的表示
図である。

【図９】図１に示した案内羽根付近の水滴運動の概略的
表示図である。

【図１０】従来例の気水分離器の蒸気排出部付近の拡大
図である。

【図１１】図１０のＢ−Ｂ′断面の旋回流速成分の分布
図である。

【図１２】図１０のＢ−Ｂ′断面の圧力分布図である。

【図１３】図１０の蒸気排出部付近の蒸気流速ベクトル
図である。

【図１４】図１の蒸気排出部付近の拡大縦断面図であ
る。

【図１５】図１４のＣ−Ｃ′断面とＤ−Ｄ′断面との旋
回流速成分の分布図である。

【図１６】図１における蒸気排出口案内羽根付近の拡大
縦断面図である。

【図１７】本発明の第２実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図１８】本発明の第３実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図１９】本発明の第４実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図２０】本発明の第５実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図２１】本発明の第６実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図２２】本発明の第７実施例による気水分離器の一部
分の縦断面図である。

【図２３】本発明の第８実施例による気水分離器の一部
分の縦断面図である。

【図２４】本発明の第９実施例による気水分離器の縦断
面図である。

【図２５】本発明の第１０実施例による気水分離器の一
部分の縦断面図である。

【図２６】本発明の第１１実施例による気水分離器の一
部分の縦断面図である。

【図２７】本発明の第１２実施例による沸騰水型原子炉
の縦断面図である。

【図２８】本発明の第１３実施例による沸騰水型原子炉
の縦断面図である。

【図２９】従来の気水分離器の断面図である。

【図３０】図２９の気水分離器を用いた従来の沸騰水型
原子炉の縦断面図である。

【符号の説明】

２…スタンドパイプ、４…案内羽根、６…気水分離胴、
１４，３０…分離水排出流路、２０…蒸気排出胴、２８
…蒸気排出部、５０…レデューサ、６０…蒸気排出部案
内流路、６２…蒸気排出部案内流路案内羽根、７０…蒸
気排出部案内羽根、４００…原子炉圧力容器、４０２…
シュラウド、４０４…炉心、４０６ｍ…制御棒駆動機
構、４０８ｍ…制御棒、４１２…シュラウドヘッド、４
１４,414ｍ…気水分離器、４１６…蒸気乾燥器、４１６
ｍ…環状蒸気乾燥器。

【手続補正書】

【提出日】平成５年４月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】気水分離器の部分構造及びその構造を
用いた気水分離器並びにその気水分離器を用いた原子炉

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【００４０】

【００４１】従って、気水分離器の設計において最も重
要な点は、可能な限りの圧力損失の低減を図って、かつ
水と蒸気の気水分離性能の可能な限りの向上を図ること
である。

【００４２】本発明の第１目的は気水分離効果の向上に
あり、第２の目的は気水分離器段階での気水分離効果を
高めた沸騰水型原子炉を提供することにある。

【００４３】

【００４４】

【００４５】第２手段によれば、案内羽根により旋回力
を受けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用に
より湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、
ここで再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。気
液二相流が案内羽根により旋回される際には、その案内
羽根に気液二相流の湿分が水滴となって付着し、その水
滴は気液二相流とともに気水分離胴の内周壁面側へ案内
羽根で誘導され、その誘導力は、案内羽根が後退翼型で
あるから、強く発生し、第１手段の部分構造を採用する
ことで、中央部での液滴の発生を防止することにより、
分離効果が良く成される。

【００４６】第３手段によれば、案内羽根により旋回力
を受けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用に
より湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、
ここで再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。蒸
気排出胴の蒸気排出部から排出される蒸気は旋回成分を
すくなからず備えているから、蒸気排出部の中央部でそ
の中央より外側に比べて圧力が低くなり、その蒸気排出
部内への逆流が発生しやすい。その逆流は、蒸気排出部
案内流路に導かれて蒸気排出胴内に誘導され、旋回力を
他の案内羽根により与えられた上で蒸気排出胴内に入れ
られ、蒸気排出胴内の中央部の流体の旋回力の増加を促
進する。このため、第３手段を採用すると、旋回力の抑
制や蒸気の逆流による湿分分離効果の低減が阻止出来、
湿分分離効果が向上する。

【００４７】第４手段によれば、案内羽根により旋回力
を受けた気液二相流が、気水分離胴内で遠心分離作用に
より湿分が除去され、蒸気排出胴内へ旋回状態で入り、
ここで再度遠心分離作用を受けて湿分が除去される。蒸
気流が蒸気排出胴の蒸気排出部から排出される際には、
その蒸気流が蒸気排出胴の蒸気排出部において蒸気排出
口案内羽根により旋回方向から上方向に変更され、旋回
による圧力損失が低減され、案内羽根を通過する気液二
相流の速度を高めて気水分離胴及び蒸気排出胴内におけ
る二相流の旋回速度成分を高め、気水分離胴や蒸気排出
胴内での遠心分離効果を向上することが出来るようにな
る。第４手段を採用することにより、圧力損失の低減
と、それに基づく気水分離効果の向上作用とが得られ
る。

【００４８】第５手段によれば、第１手段と第２手段と
第３手段と第４手段との内、少なくとも一つの手段によ
る上述の作用を備えることにより、気水分離器の気水分
離効果の向上作用が得られる。

【００４９】第６手段によれば、第５手段による作用に
加えて、直列多段の蒸気排出胴により良く気水分離が成
されるほかに、気液二相流がその直列多段間を通過する
際には、気液二相流は他のレデューサによる旋回速度成
分の増速作用を受けるから、なお一層遠心分離による分
離効果が良く成される。

【００５０】第７手段によれば、第６手段による作用に
加えて、気液二相流中の液相量が少ない場合などには元
々気液二相流の平均密度が小さいから下段での圧力損失
はより小さくなり、下段の蒸気排出胴内の気液二相流流
路を長くして気水分離度合いが上段の蒸気排出胴よりも
増大し、上段長さを下段よりも相対的に小さくして上段
の圧力損失をより低減する。

【００５１】第８手段によれば、第６手段による作用に
加えて、気液二相流の平均密度が大きい状態で圧力損失
が大きくなりやすい下段の蒸気排出胴は気液二相流の流
路長さが短くなり、気液二相流の平均密度が小さい状態
の上段の蒸気排出胴は気液二相流の流路長さが長くなる
ので、圧力損失を低減できる。

【００５２】第９手段によれば、制御棒駆動機構により
駆動される制御棒により制御された炉心により冷却材が
加熱されて気液二相流が発生しシュラウド内を上昇し、
シュラウドヘッドに至る。その気液二相流はシュラウド
ヘッドからスタンドパイプを上昇して気水分離器に流入
し、第５手段による気水分離作用を受け、その作用を受
けた蒸気は蒸気乾燥器により湿分除去作用を受ける。第
５手段による気水分離作用は従来例よりも効率が良いか
ら、蒸気乾燥器の湿分除去に関する負荷が軽減される作
用が得られ、蒸気乾燥器が簡略化できる。

【００５３】第１０手段によれば、第９手段による作用
に加えて、制御棒駆動機構により制御棒を原子炉圧力容
器の上方から上下に駆動できる作用が得られる。

【００５４】第１１手段によれば、処理対象の流体が上
段の気液分離手段に移行するごとに旋回速度の増速手段
で処理対象の流体の旋回速度成分が増速される作用を受
け、強力な遠心分離作用が処理対象流体に継続的に加え
られ、気液分離効率が高まる作用が得られる。

【００５５】第１２手段によれば、気水分離器が蒸気乾
燥器に対して湿分分離量の比が３０以上と多く蒸気乾燥
器の湿分除去に関する負担を軽減する作用が得られる。

【００５６】

【実施例】以下に、本発明の第１実施例を説明する。

【００５７】冷却材を保有している図２の原子炉圧力容
器４００内には、シュラウド４０２が設けられている。

【００５８】そのシュラウド４０２内部には炉心４０４
が収納されている。

【００５９】そして、この原子炉圧力容器４００の下部
より制御棒駆動機構４０６で制御棒４０８が炉心４０４
内に挿入及び引抜きされるように構成されている。

【００６０】そして、冷却材である軽水は、この炉心４
０４内の燃料により加熱されて沸騰し、水と蒸気の混合
二相流となって上昇し、シュラウドヘッド４１２に流れ
る。このシュラウドヘッド４１２には多数のスタンドパ
イプ２が連通接続され、個々のスタンドパイプ２に一台
ずつの気水分離器４１４が連通接続される。

【００６１】この気水分離器４１４群の上方には蒸気乾
燥器４１６が設置されている。

【００６２】そして、水と蒸気の混合二相流はこの気水
分離器４１４で水と蒸気とに分離され、気水分離器４１
４を通過して分離された蒸気は蒸気乾燥器４１６で乾燥
され、その後に主蒸気ノズル４１８から排出されて主蒸
気系の主蒸気管（図示せず）を通してタービン（図示せ
ず）へ送り出されるように構成されている。

【００６３】また、気水分離器４１４で分離された水は
原子炉圧力容器４００内で給水ノズル４２０から供給さ
れる給水と混合される。この混合された水は冷却材とし
てインターナルポンプ４２２によって炉心４０４の下方
に送り出され炉心４０４へ再循環する。

【００６４】この気水分離器４１４は図１のように構成
されている。

【００６５】即ち、各スタンドパイプ２の下端部はシュ
ラウドヘッド４１２内に開口している。

【００６６】そして、図２のこれらスタンドパイプ２の
上端部にはそれぞれ気水分離胴６が接続されている。

【００６７】これら気水分離胴６は外胴１０とその内部
の旋回胴８を備えており、両胴の間に分離水排出流路１
４が装備される。

【００６８】そして、この旋回胴８の下端部には案内羽
根４が固定されており、この案内羽根４の下端にはスタ
ンドパイプ２が接続される。

【００６９】そして、図２のシュラウドヘッド４１２内
から図１のスタンドパイプ２内を上昇した水と蒸気の混
合二相流は案内羽根４によって旋回流となり、旋回胴８
内部では混合二相流に遠心力が作用する。

【００７０】この時混合二相流のうち蒸気と比較して密
度の大きい水は旋回胴８内壁面に押し付けられ、密度の
小さい蒸気は旋回胴８の中心部付近を上方へ流れること
によって水と蒸気とに遠心分離されるように構成されて
いる。

【００７１】気水分離胴６で分離された水は、気水分離
胴６の分離水排出部１２から分離水排出流路１４を通じ
て気水分離器４１４から排出されて炉心循環水として戻
される。

【００７２】そして、気水分離胴６の上部には蒸気排出
胴２０が接続される。

【００７３】この蒸気排出胴２０は外胴２４とその内部
の内胴２２を備え、両胴の間には蒸気排出胴分離水排出
流路３０が装備される。

【００７４】この内胴２２は、気水分離胴蒸気排出部１
６に接続されていて、気水分離胴６より排出された気水
分離胴６で未分離の水を含んだ蒸気を混合二相流として
内胴２２内部に受け入れる。

【００７５】内胴２２内の混合二相流は旋回により遠心
分離作用を受ける。

【００７６】ここで遠心分離作用で分離された水は下流
の分離水排出部２６を通して蒸気排出胴分離水排出流路
３０より排出されて炉心循環水として戻される。

【００７７】また分離された蒸気は蒸気排出胴蒸気排出
流部２８より排出される。

【００７８】この蒸気は図２の蒸気乾燥器４１６へと送
られて乾燥蒸気とされる。

【００７９】図１の気水分離器４１４は、内胴２２と気
水分離胴蒸気排出部１６との接続手段に混合二相流の旋
回力増幅手段を兼ねてレデューサ５０を採用している。

【００８０】具体的には、気水分離器の旋回胴１０内径
と分離水排出部１２の開口部内径よりも蒸気排出部内胴
２２の内径を小さくし、分離水排出部１２の開口部とこ
の内胴２２と接続し、分離水排出部１２から蒸気排出部
内胴２２まで断面積を絞るレデューサ５０を設置してい
る。

【００８１】また、案内羽根４は、上端または下流端の
気水分離器軸方向位置が内縁端ではより下方側に、外端
では上方側にある後退翼形となっている。

【００８２】また、蒸気排出胴２０の上端の蒸気排出部
２８の中央部に筒形の蒸気排出部案内流路６０を備え
る。

【００８３】その蒸気排出部案内流路６０の両端の開口
部を上下方向に向けて設置し、旋回胴８に設置された案
内羽根４のひねり方向とは逆向きのひねりを持つ蒸気排
出部案内流路内案内羽根６２をその蒸気排出部案内流路
６０の下部内部に固定している。

【００８４】また、気水分離器４１４内部を通過した蒸
気の旋回流を弱めるための蒸気排出口案内羽根７０を蒸
気排出部２８内側壁面に固定している。

【００８５】これら４つの構成部品は、各々単独で気水
分離器に用いても、また複数を組み合せて気水分離器に
用いてもよい。

【００８６】第１実施例の気水分離器では、上述のとお
り、これら４つの構成部品が同時に採用されている。

【００８７】まず、気水分離器にレデューサ５０を採用
したことにより気水分離性能が向上することを説明す
る。

【００８８】この気水分離器４１４内で発生する混合二
相流の圧力損失Δｐは数式１で与えられる。

【００８９】

【数１】

【００９０】ここで、ρ_mとｖ_zはそれぞれ混合二相流
の平均密度と気水分離器軸方向流速成分で、Ｌは混合二
相流が接する流路の気水分離器軸方向長さ、Ｃ₁は比例
定数である。

【００９１】スタンドパイプ２を通って送られてきた水
と蒸気の混合二相流は、まず気水分離胴６内の案内羽根
４により遠心力を受けて遠心分離され、その混合二相流
の一部の水は分離後に分離水排出部１２より分離水排出
流路１４を通って排出される。分離後の蒸気は、蒸気排
出胴２０側に入る。

【００９２】そのためにこの分離水排出部１２を通過す
る前と後の混合二相流の平均密度は変化する。その混合
二相流の平均密度ρ_mの変化を図３に示す。

【００９３】図３のように、分離水排出部１２通過前の
気水分離胴６内の混合二相流の平均密度は大きく、分離
水排出部１２通過後は混合二相流中の密度の大きい水の
一部が排出されているために蒸気排出胴２０内の混合二
相流の平均密度は小さい。

【００９４】そして、数１より気水分離胴６内の混合二
相流と比較して蒸気排出胴２０内の混合二相流の平均密
度は小さいために蒸気排出胴２０内の圧力損失も小さく
なる。

【００９５】平均密度が小さく圧力損失も小さくなる状
態で旋回流状態の混合二相流は、気水分離胴６から蒸気
排出胴２０内へレデューサ５０を流路として送られる。

【００９６】ここで気水分離胴６から蒸気排出胴２０へ
行くに従い、レデューサ５０により混合二相流の流路断
面積が狭く変化する。

【００９７】このため、混合二相流の気水分離器軸方向
流速成分ｖ_zと旋回流速成分ｖ_θは変化する。その流速
変化をレデューサ５０のない従来例と比較して図４に示
す。図４で、レデューサ５０を設置しない場合では蒸気
排出胴２０に向かって流路断面積は不変であるためにｖ
_zは変化しないが、レデューサ５０を設置した場合には
その流れ方向に向かって流路断面積は減少するためにｖ
_zは増加して圧力損失は増加する。

【００９８】しかし、レデューサ５０を通って蒸気排出
胴２０内へ入る混合二相流の平均密度は小さいためにそ
の圧力損失の増加は小さくなる。

【００９９】また、旋回流速成分ｖ_θはレデューサ５０
を設置しない場合では蒸気排出胴２０に向かって旋回半
径ｒも不変であるためにｖ_θはほぼ変化しないが、レデ
ューサ５０を設置した場合にはその流れ方向に向かって
旋回半径は減少して遠心力を増加させる。

【０１００】それとともに、旋回する混合二相流には数
式２で与えられる旋回運動における角運動量保存則が成
り立つ。

【０１０１】

【数２】 ω＝ｒ×ｖ_θ＝一定値 …（数２）これは、旋回運動の外部より力の作用がないときには旋
回流速成分ｖ_θと旋回半径ｒとの積である角運動量ωは
常に保存する法則である。

【０１０２】この法則により混合二相流の旋回流速成分
ｖ_θはレデューサ５０で増加して下流の蒸気排出胴２０
内において作用する遠心力も増加する。

【０１０３】さらに気水分離器の水と蒸気の混合二相流
に作用する遠心力Ｆが大きいほど二相流の分離効率ηは
増加し、このＦは数式３の比例関係を持つ。

【０１０４】

【数３】

【０１０５】ここでＣ₃は比例定数、ｖ_θとｒはそれぞ
れ混合二相流の旋回流速成分と旋回半径である。

【０１０６】この数式２と数式３よりレデューサ５０を
設置して旋回半径ｒを減少させ旋回流速成分ｖ_θを増加
させた場合には気水分離器の水と蒸気の分離効率は向上
することが分かる。

【０１０７】以上の気水分離器内の混合二相流の圧力損
失Δｐと分離効率ηの気水分離器軸方向変化をレデュー
サ５０のない従来例と比較すると図５に示すようにな
り、本発明のレデューサ５０を設置した気水分離器を用
いることにより圧力損失の大幅な増加を抑えて気水分離
性能の大幅な向上が得られる。

【０１０８】また、レデューサ５０を設置した気水分離
器を用いることによりその気水分離効率が向上するた
め、従来の気水分離器と比較して旋回胴８内の案内羽根
４のひねり角度を小さくして案内羽根による二相流圧力
損失を低減することも可能であり、原子炉の炉内構造物
である気水分離器の圧力損失の低減と水と蒸気との分離
効率の向上の長所を有する。

【０１０９】つぎに後退翼形の案内羽根４を採用するこ
とによる気水分離性能の向上について図６，図７，図
８，図９を用いて説明する。

【０１１０】図６は気水分離器の案内羽根４の拡大図、
図７は図６のＡ−Ａ′断面での水と蒸気の混合二相流の
軸方向速度成分ｖ_zと旋回流速成分ｖ_θの分布を示す。

【０１１１】また、従来例と本発明の案内羽根４付近の
水滴の運動の概略図をぞれぞれ図８，図９に示す。

【０１１２】従来の案内羽根３０４の中心部の混合二相
流の旋回流速成分ｖ_θは小さいために中心付近に付着し
た水滴５００に作用する遠心力は小さい。

【０１１３】この水滴５００の速度５０２の外周方向に
向かう速度成分も小さい。

【０１１４】また軸方向速度成分ｖ_zは大きいために案
内羽根表面に付着した水膜との摩擦は大きくこの水膜か
ら蒸気への液滴が再発生し易い。

【０１１５】しかし、図９に示すように気水分離器の案
内羽根４の上端または下流端の気水分離器軸方向位置が
内縁端ではより下方側に、外端では上方側にある後退翼
形の案内羽根４とすることで、この案内羽根４に付着し
た水滴５００ａは小さな外周方向速度でも後退翼形の案
内羽根表面をつたってゆくことが容易で、この水滴の流
速ベクトル５０２ａは流速ベクトル５０３ａへと案内羽
根４の外周方向に偏向され易くなる。

【０１１６】すなわちこの案内羽根４中央部の羽根表面
の水滴を旋回胴８の外周部へ遠心力によって誘導するこ
とが容易であり、旋回胴８内での気水分離器の水と蒸気
の分離効率が後退翼形の案内羽根４にても向上する。

【０１１７】つぎに蒸気排出部案内流路６０と蒸気排出
部案内流路内案内羽根６２を採用したことによる気水分
離性能の向上について図１０，図１１，図１２，図１
３，図１４，図１５を用いて説明する。

【０１１８】図２９の従来例の気水分離器の蒸気排出部
３２８付近の拡大図を図１０に、気水分離器の中心軸と
垂直なＢ−Ｂ′断面での蒸気の旋回流速成分ｖ_θの分布
を図１１に、Ｂ−Ｂ′断面の圧力分布を図１２に、蒸気
排出部３２８付近の気水分離器中心軸を含む断面におけ
る蒸気の流速ベクトルを図１３に示す。

【０１１９】また、本発明の蒸気排出部案内流路６０と
蒸気排出部案内流路内案内羽根６２を設置した蒸気排出
部２８の拡大図を図１４に、図１４における蒸気排出胴
２０のＣ−Ｃ′断面およびＤ−Ｄ′断面での蒸気の旋回
流速成分ｖ_θの分布を図１５に示す。

【０１２０】従来の気水分離器の蒸気排出部３２８にお
いて水と蒸気の混合二相流は図１１に示す流速分布の旋
回流であるために、図１２のように蒸気排出部３２８の
中心部の圧力は低下して、図１３のようにこの蒸気排出
部３２８の中心部で気水分離器の上流側向きの逆流が発
生する。

【０１２１】また、蒸気排出部３２８の中心部では混合
二相流の旋回流速と遠心力は小さくなるために、この出
口中心部付近の水と蒸気は分離されにくい。

【０１２２】しかし、本発明では、図１４の蒸気排出部
案内流路６０により蒸気排出部２８の中央部の逆流を蒸
気排出部の内胴２２内へ誘導して、気水分離器の案内羽
根４と逆ひねりの蒸気排出部案内流路案内羽根６２によ
り強い旋回を与えることが可能である。

【０１２３】これにより図１５のように蒸気排出部２８
の中央部の混合二相流の旋回流速成分を増加させて、逆
流で入ってきた混合二相流の水液滴を遠心力で外周部へ
押しやり水と蒸気との分離効率の向上を図る。

【０１２４】つぎに蒸気排出口案内羽根７０を採用した
ことによる圧力損失の低減効果につき図１６を用いて説
明する。

【０１２５】図１６は、蒸気排出口案内羽根７０を設置
した場合の蒸気排出部２８付近の拡大図で、この案内羽
根７０の通過前後の混合二相流中の水滴はそれぞれ５２
０と５２１で、通過前の水滴５２０の速度ベクトル５３
０は通過後の水滴５２１の速度ベクトル５３１に案内羽
根７０で強制的に変更させる。

【０１２６】蒸気排出口案内羽根７０を通過前の水滴速
度の旋回成分ｕ１θは大きいが、気水分離器の蒸気排出
部２８に気水分離器内部を通過した蒸気の旋回流を低減
するための蒸気排出口案内羽根７０を蒸気排出部２８の
内側壁面に固定して蒸気旋回流の方向を変えて気水分離
器の蒸気排出部２８出口から排出される水滴５２１の速
度ベクトル５３１の旋回流速成分を低減できる。

【０１２７】そして、隣接しあう複数の気水分離器から
排出される蒸気の旋回流同志相互に作用する摩擦により
圧力損失が増加することを抑制し、また旋回流速成分の
持つ旋回運動エネルギ−から、気水分離器軸方向の運動
エネルギ−への回復により気水分離器の圧力損失が低減
する。

【０１２８】次に、本発明の第２実施例を図１７に基づ
いて以下に説明する。

【０１３５】次に、蒸気排出胴２０ａで遠心分離後の混
合二相流は、レデューサ５１ａで旋回速度が再度増速さ
れて、内胴２３ａ内に入り、再度増速された旋回速度に
基づいて遠心分離作用を受けて蒸気排出胴２１ａの蒸気
排出部２９ａから蒸気が排出される。分離後の蒸気は、
気水分離胴６や蒸気排出胴２１ａや蒸気排出胴２０ａで
の分離作用のつど気水分離器外へ排出される。

【０１４５】その変更点は次のとおりである。

【０１５１】本発明の第５実施例を図２０に示す。

【０１５６】本発明の第６実施例を図２１に示す。

【０１６７】本発明の第９実施例を図２４に示す。

【０１７９】前記の本発明による気水分離器の分離効率
の向上の作用により、原子炉圧力容器４００内の上部構
造物である蒸気乾燥器４１６Ｋの負担が軽減され、蒸気
乾燥器４１６Ｋを構成している蒸気乾燥器ユニット数を
低減できる。

【０１８０】このため、原子炉の圧力容器４００の内周
部に近い蒸気乾燥器ユニットを環状に配置した環状型蒸
気乾燥器４１６ｋにすることが出来る。

【０１８９】

【数４】

【０１９３】ここで、気水分離器内での液滴径分布を環
状噴霧流に関する液滴径に関する植田の式で仮定した場
合、従来例では、流入液滴の約９３％を気水分離器で除
去し、残りの約７％を蒸気乾燥器において除去すること
になり、この時気水分離器と蒸気乾燥器とで除去する湿
分分離量の比は約１３となる。本発明において、内胴半
径を７６mmとした場合は、気水分離器で流入液滴の約９
７％，蒸気乾燥器で約３％を除去する。この時気水分離
器と蒸気乾燥器とで除去する湿分分離量の比は３０以上
となり、この湿分分離量の比は、従来の約２倍となる。
また、内胴半径を５４mmとした場合には、気水分離器に
おいて約９９.５％，蒸気乾燥器において約０.５％液
滴を除去することになる。この時気水分離器と蒸気乾燥
器とで除去する湿分分離量の比は約２００となる。

【０１９４】ここでは、水の密度ρ＝７５０（Kg／
ｍ³），蒸気の粘性係数μ＝１８.８０／１０⁶(Ｐａ・
ｓ）として、計算しており、表１の本発明（１）とある
のが湿分分離量の比が３０以上の例であり、表１の本発
明（２）とあるのが湿分分離量の比が約２００の例であ
る。

【０１９５】

【表１】

【０１９７】気水分離器の分離性能が向上した分、蒸気
乾燥器の簡素化が図れる。例えば、蒸気乾燥器の入口湿
り度の低下により蒸気乾燥器の流路面積の低減が可能で
あり、気水分離器と蒸気乾燥器とで除去する湿分分離量
の比が３０以上である表１の本発明（１）の気水分離器
を用いると従来約２ｍあった蒸気乾燥器を約１ｍに縮小
でき、その縮小に伴ってそれを格納する原子炉圧力容器
の小型化が可能、あるいは、蒸気乾燥器を環状にするこ
とによって制御棒の上部挿入が可能となる。