JPS6330694A - 流量調整素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野コ 本発明は流量の増大を抑制するための流量調整素子に関
する。

［従来の技術］ 流体が循環するループにおいて、なにがの原因で流量が
増大したシ振動したりすると、流体力が増加するため、
ループ内の構造物が振動し損傷が生じる懸念がある。そ
のため、従来フィードパンク制御（流量検出によりパル
プをコントロールする）Ｋより、流量の変化を抑制する
方法が行われている。しかし、この方法では、応答性が
遅い等の欠点がある。そこで、フィードバック制御でな
く自己制御型の弁゛として、特開昭５７−９０４７０号
、特開昭５５−４０３７３号には流量増大による差圧の
変化とパネカを利用して流路部分を拡大させ応答性よく
流量増大を抑制する弁が、まだ、特開昭５９−１６４４
６８号、特開昭５６−１１３８６８号にはる弁が記載さ
れている。

口発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記公報に記載の弁はいずれも可動部分を有す
るため、信頼性が低く、メンテナンス等が必要であると
いう問題があった。

本発明の目的は、可動部分なしに、流量増大を抑制する
流量調整素子を提供することにある。

［問題点を解決するだめの手段］ 本発明の流量調整素子は、流体が通過する管路内に、断
面が円または楕円の棒または管の複数本を該管路を横切
って千鳥状に配置したものからなる。

［作用コ 本発明者らは、流体が通過する管路内に上記の如き棒ま
たは管の配置が存在すると、あるレイノルズ数以上の流
れ場では流動の抵抗係数が正勾配となるという現象を実
験によシ見出した。そして−般に、流動の抵抗係数が正
勾配になると、圧力損失が急激に増大し、流量増大に対
して抑制するように作用する。本発明はこのことを利用
することにより、急激な流量増大を抑制するものである
。

「実施例］ 第１図は、流体の流れる管路２内に、該管路２の軸線方
向と直角に丸棒３を千鳥状に配置した本発明に基づく流
量調整素子の実施例を示す。実験の結果、第２図のよう
に、あるレイノルズ数９、上の流れ場では流動の抵抗係
数は正勾配となることが確められた。そして流動の抵抗
係数が正勾配になると、第３図に示すように、圧力損失
が急激に増大し、流量増大を抑制するよう九作用するこ
とが確められた。これによ）、急激な流量増大を抑制す
る作用効果が奏せられる。

なお、丸棒３は二列以上の千鳥状配置としてもよく、断
面形状は円形に限らず楕円形でよく、また棒の代シに管
を用いてもよい。また管路２の軸線に対して必ずしも直
角でなく若干斜めに横切るように配置してもよい。

次に、本発明の有効性を調べるために行なった実験につ
込で述べる。第４図に本実験で実験に使用した装置の概
要図を示す。実験装置は、ポンプ４、試験部５、タンク
６よシなる。測定項目は、流−ｊ！：Ｆ、温度Ｔ、試験
部の圧損ΔＰである。試験部５の供試体は第５図に示す
ように千鳥配列の二列の円柱群３を管路２の軸線方向と
直角に管路２内に設置したものであシ、円柱表面の間隔
Ｌｌ、Ｌ２をパラメータとした。実験は、バルブ７の開
度を変えることによ逆流量を制御し、そのときの試験部
５での圧損を測定した。それらの測定値に基づき、つぎ
に示す無次元量を計算し、整理した。

抗力係数Ｃｄ ＣｄＸＵ　ｏｂｓ２ＸＡ　ｏｂｓ／　（２ｇ　）＝ΔＰ
　Ｘ　Ａ　ｆ　１　ｏｗ　・−（１）レイノルズ数Ｒａ Ｒｅ　＝Ｕ　ｏｂｓ　Ｘ　Ｄ　ｏｂｓ　／ν　　　・（
２）ここで、 Ｕｏｂｓ：円柱表面での流れ速度（ｍ／ｓ）＝　Ｆ／　
（Ａ　ｆｌｏｗ−Ａ　ｏｂｓ　）・・・（３）Ａｏｂｓ
：管路２の軸線方向から見た全ての円柱の面積の合計（
ｒｎ”） Ａｆｌｏｗ：円柱の上流側での管路２の面ｆｆｊ（、，
２）Ｄｏｂｓ：円柱の直径（ｍ） ｇ　　：重力加速度（ｍ／Ｓ） である。

なお、試験部５の圧損ΔＰと抵抗係数にとの間には、 ΔＰ＝ＫＸＵ　ｆｌｏｗ２／（２×ｇ）　　　　−（４
）が成立し、円柱表面での流れの速度Ｕ　ｏｂｓおよび
円柱上流側での管路２中の流れの速度Ｕｆｌｏｗを（３
）式ならびにつぎの式 Ｕｆｌｏｗ＝Ｆ／ｋｆｌｏｗ　　　　　　−（５）で消
去し、さらに、（１）式を用いて、圧損ΔＰを消去する
と、抵抗係数にと抗力係数Ｃｄばっぎの関係をみたす。

Ｋ＝Ｃｄｘ（Ａ　ｆｌｏｗＸＡ　ｏｂｓ　）／（Ａ　ｆ
ｌｏｗ−Ａ　ｏｂｓ　）−（６）つぎに、実験結果につ
いて説明する。第６図は抵抗係数Ｃｄとレイノルズ数Ｒ
ｅとの関係を示したものである。抗力係数Ｃｄとレイノ
ルズ数Ｒｅとの関係は、第５図で示した間隔の比ＬＬ／
Ｌ２に依存し、つぎの３つの様式を示す。■　間隔比が
Ｌｌ／Ｌ２：＞１の時には、抗力係数は１〜０．６と小
さい値を示す。

■　逆に、間隔比がＬｌ／Ｌ２（１の時には、抗力係数
は２〜１．２と大きな値を示す。■　間隔比がＬＬ／Ｌ
２〜１の時には、レイノルズ数がＲｅ（２５００００で
は、間隔比Ｌｌ／Ｌ２（１の特性を示し、Ｒｅ＞２５０
０００では、状態が遷移し、間隔比がＬｌ／Ｌ２＞１の
時の特性を示す。

この現象はつぎのように説明される。間隔比がＬｌ／Ｌ
２＞１の時には、第７図に示すような流れとなると考え
られる。すなわち、上流側の円柱３′と下流側の円柱３
“との間隔が大きいため、上流側の円柱３′の間を流れ
る流体は、下流側の円柱３“にさほど大きくは影響され
ずに流れる。その結果、−列の円柱列の特性のように、
レイノルズ数の増加に伴い境界層が層流から乱流に遷移
するため抵抗係数が減少する。一方、間隔比がＬＬ／Ｌ
２（１の時には、第８図に示すように、上流側の円柱３
′と下流側の円柱３“の間隔が狭いため流路が狭められ
、上流側の円柱の間を流れる流体は、通過することを抑
制される。その結果、抵抗係数が大きくなり、第６図に
示したように、抗力係数は大きく彦ると考えられる。

さらに、間隔比がＬ　１　／Ｌ　２〜１０時には、つぎ
のようになると考えられる。すなわち、レイノルズ数が
低い時すなわち低流量時には、上流側の円柱から発生す
る剥離領域が小さいため、下流側の円柱と接触せずに流
れる。その結果、第７図と同じ流動様式となり、抗力係
数も間隔比Ｌｌ／Ｌ２）　１のときの特性を示す。一方
、レイノルズ数が大きい、いわゆる、高流量時には、上
流側の円柱から発生する剥離領域が成長し長くなるため
、下流側の円柱と接するようになり、流路が狭められる
。

その結果、上流側の円柱の間を流れる流体は通過しにく
くなり、抗力係数も増加し、間隔比Ｌｌ　／Ｌ２く１の
ときの特性と同じ傾向を示す。

以上述べたように、間隔比がＬｌ／Ｌ２〜１０時の特性
は、上流側の円柱３′の間を流れが下流側の円柱３“Ｋ
よυ影響されて生じる現象である。したがって、この現
象は、表面が丸い棒が千鳥状に配列され、さらにそれら
の表面の間隔がほぼ等間隔であるならば、生じると考え
られる。

つぎに、流量の増大を抑制する効果について定量的に評
価した。抑制の効果を評価するために、第９図（本発明
のように円柱群を配置したもの）、および第１０図（オ
リフィスのように抵抗係数が一定のもの）の二つの場合
について解析した。解析の基礎式は次に示す通シである
。

ｆｃａＦ／ａｔ　）　ｄｌ／（Ａｆｌｏｗｘｇ　）＝Δ
Ｐｐｕｍｐ−Ｋｘ（Ｆ／Ａｆｌｏｗ）２／（２ｇ）−（
７）ここで、 Ｆ　　　：流量（ｍ３／ｓ） ΔＰｐｕｍｐ　：　ｆンプ揚程（ＦＰりＡｆｌｏｗ　　
：流路面積（ｍ２） Ｋ　　　：抵抗係数（−〕 である。

また、流量Ｆおよび抵抗係数には、（２）式ならび（５
）式を用いてレイノルズ数、抗力係数と関係づけられる
ので、流量増大特に抗力係数、すなわち、抵抗係数が正
勾配になるように設定した。

解析結果を第１１図、第１２図に示す。第１１図はポン
プの揚程をステップ状に変化させた時の結果である。一
方、第１２図はポンプの揚程がオーバーシュートして落
ち着く場合の結果である。

まず、第１１図について説明する。図にはポンプの揚程
変化時の抵抗係数および流量の時間変化を示す。第９図
に示した本発明のような場合には、第１０図に示したよ
うな抵抗係数一定型の場合に比べ、ポンプ揚程の増加時
に抵抗係数が増加するため、流量の増大が著しく抑制さ
れていることがわかる。

また、第１２図はポンプの揚程がオーバー・シーートシ
て落ち着く場合を示す。第１０図の如き抵抗一定型では
、抵抗係数が一定であるため、ポンプの揚程に追従して
、流量は一旦増大した後、減少して、ある流量に落ち着
く。一方、第９図のような本発明の場合には、ポンプ揚
程の急激な増加により流量も増加するため、抵抗係数が
減少するが、しかし、さらに流量が増加すると、抵抗係
数が正勾配となシ、抵抗も著しく増加するため、流量の
増大が抑制され、その結果、本発明の場合には、抵抗係
数一定型に比べ、流量のピーク値が著しく減少している
ことがわかる。

以下に本発明の応用実施例について説明する。

第１３図は、循環する閉ループのポンプ１７下流側の配
管１８に、第１図で示した流量調整素子１２を設けた実
施例である。この流量調整素子は、流量増大に対して、
抑制効果があるので、ポンプ起動時の流量の急増大を防
止する効果がある。さらに、ループを循環する流量が振
動する場合には、流量の増大を抑制するため、流量の振
動を抑制する効果もある。さらに、配管破断等の事故の
ため閉ループを循環する流量が増大した場合には、流体
力が増え、ポンプ１７を強制的に回転させるモータ１９
の損傷が生じることがあるが、本実施例では、ポンプ１
７下流に設置された流量調整素子１２により流量の増大
が抑制されるので、かかる流量増大時のモータ１９の損
傷を防止し、モータ１９を保護する効果もある。

第１４図は、原子炉の逃がし安全弁１０のライン１１の
下流側に第１図で示した構造の流量調整素子１２を適用
した実施例である。

原子炉では、配管破断等の事故時に、炉心スプレィ系が
早朝に作動できるように、この逃がし安全弁１０が設け
である。すなわち、逃がし安全弁１０からの蒸気の放出
で圧力容器１３内の気圧が早く低下し、スプレィ水の注
入が容易となる。したがって、この逃がし安全弁１ｏが
らの吹き出し流量が多ければ多いほど、圧力容器１３内
の気圧が早く低下し、炉心スプレィが早期に作動できる
。

しかし、逃がし安全弁１０からの吹き出し流量が多くな
ると、サブレジョンプール１４でのこの吹き出し蒸気に
よる動荷重が大きくなシ、サブレジョンプール１４が破
損する可能性もでてくる。そのため、現在の運転中の原
子炉では逃がし安全弁作動後士数秒で炉心圧力が数気圧
以下になるように設計されている。

このような逃がし安全弁のライン１１に第１図で示した
流量調整素子１２を適用したのが、第１４図の実施例で
ある。

第１５図および第１６図に逃がし安全弁作動時の放出流
量と炉心圧力の時間変化を示す。従来例では、逃がし安
全弁が作動すると、流量は急激に増加し、その後、減少
する。一方、本発明実施例では、第１２図と同様、流量
のピーク値が抑えられる。すなわち、サブレジョンプー
ルでの吹き出し蒸気による動荷重は流量の約二乗に比例
するため、動荷重のピーク値は、従来例と比べて、著し
く低減し、サブレジョンプールでの安全余裕が著しく増
加する。

本発明の流量調整素子１２０代シに高抵抗の物体を逃が
し安全弁のラインに設置するアイデアもあるが、その場
合には、第１５図、第１６図に示すように本実施例と同
様、流量のピーク値を低減できるけれども、その後の蒸
気の放出流量が少ないため、炉心圧力の低下が遅くな９
、炉心スプレィ水の作動が遅れる。これに対し、本発明
実施例では、ピーク流量後の放出流量の時間変化は、従
来例と同様であるので、特に問題はない。

本発明実施例における流量調整素子１２は可動部がなく
、メンテナンスフリーとな９、そのだめ、著しく信頼性
が高い。また、流量増大に対する抑制力は、流れの自己
制御により生じるため、応答性も早く、逃がし安全弁の
ような圧力伝播の早い過渡現象に対しても有効である。

また１本実施例では、流量調整素子１２を逃がし安全弁
の下流配管に設置したが、安全弁の上流側配管に設置し
ても同様の効果はある。さらに、現行の原子炉への取υ
付けに際しては、逃がし安全弁のラインに流量調整素子
１２を設置するのみでよいので、改造の費用も安く、特
に問題はない。

第１７図は、原子炉のスプレィ系のポンプ１５の下流配
管１６に、第１図の構造の流量調節素子１２を設けた実
施例でちる。

スプレィ系は配管破断等の緊急事故時に作動して炉心を
冷却する目的で設置されているものであるが、炉心圧力
の大きさによシスグレイ水流量が変化するという問題が
ちる。すなわち、緊急時には逃がし安全弁１０により炉
心圧力は第１５図のように時間の経過と共に下がるよう
な変化をするので、スプレィ系作動時直後には流量は少
なく、末期には多くなる。ところが、一般にスプレィ系
では、炉心に均一に散布できる流量はある決まった量で
ある。すなわち、スプレィ系動作時直後のように流量が
少ない状態のもとでは、スプレィ水はスプレィノズルの
付近しか散布されず、一方、末期のように流量の多い状
態のもとでは、スプレィ水はスプレィノズルから遠方に
のみ散布されるという問題がある。

この問題を解決するために、第１図に示す流量調整素子
１２をスプレィ系配管に適用したのが第１７図の実施例
である。本実施例では、スプレィ系作動時の流量を、第
２図の正勾配となる曲線の最下点となるように、（２）
式および（４）式により該流量調整素子１２の円柱３の
直径を決定する。その結果、スプレィ系作動開始後、炉
心圧力の低下によりポンプの揚程が見掛は状増えて流量
の増加が一時的に生じるとしても第１１図と同様、流量
増加に伴い流量調整素子１２の抵抗が急激に増えて流量
増大が抑制される。その結果、炉心圧力の低下にもかか
わらずスプレィ水流量はほぼ一定となるので、スプレィ
水は常に均一に散布され、前記問題点は解消される。さ
らに、前記実施例同様に、この流量調整素子１２は可動
部がなく、メンテナンスフリーとなり、著しく信頼性が
高い。また、現行の原子炉への取υ付けに際しては、ス
プレィ系のラインに流量調整素子を設置するのみでよい
ので、改造の費用も安く、特に問題はない。

本発明の流量調整素子の別の実施例を第１８図に示す。

本実施例は、前記第１図の実施例と同様、管路２を横切
って円管あるいは円柱３′、３“が互にほぼ等間隔で千
鳥状に配列されたものであるが、上流側の円管（又は円
柱）３′には流体力によシ弾性的に撓み且つ復元力のあ
る金属を使用する。その結果、低流量時には流体力が小
さいので撓み量も小さく、流体は下流の円管（又は円柱
）３”の影響を受けずに流れる。しかし、流量が増すと
、撓み量も増え、下流側と上流側の円管（又は円柱）３
“と３′の隙間が著しく小さくなる。隙間が小さくなる
と流量抵抗が急激に増大し、抵抗係数も前記実施例以上
に正勾配となるため、流量の増大を著しく抑制できる。

本発明の別の実施例を第１９図に示す。本実施例の特徴
は、原子炉の燃料集合体２０を支持する燃料支持金具２
１の冷却材流入口２２にある入口オリフィスの構造を千
鳥状に配列した円柱群３にしたことにある。原子炉の運
転マツプを第２０図に示す。原子炉の起動運転時には、
自然循環ライン、強制循環ラインを経て、定格点にまで
出力を上げる。ところが、図の左上に、流量、出力が振
動する不安定領域が存在するため、自然循環運転から強
制循環運転に切シ替える点（図中のＡ点）で安定余裕が
少なくなるという問題点がある。そのため、従来の原子
炉では、この不安定に対する対策として、燃料支持金具
２１の流入口２２にオリフィス板が設けである。燃料支
持金具２１の流入口にオリフィス板を設けると、炉心全
体の圧力損失に対する単相流部の圧損のウェイトが増え
、安定余裕が増大する。ところが、このような安定余裕
が問題になるのは、自然循環運転から強制循環運転に切
り替えるＡ点だけである。定格点では、安定余裕は十分
にちり、逆に、抵抗の大きいオリフィスを設けたことに
より、流量が減少する。そのため、２ンプ容量の大きい
ものが使用され、コスト高となる問題点がある。しかし
、本発明の千鳥状の円柱群３をオリフィスとして使用す
ると。

この円柱群３は流量の増大を防止するので、流量の振動
が抑制され、安定余裕が増大する。安定余裕が増大する
と、その増大分だけ、入口オリフィスの抵抗を小さくで
き、その結果、ポンプの容量が低減でき、コストが安く
なる。

本発明のさらに別の実施例を第２１図に示す。

本実施例では、千鳥状の円柱群３を、燃料集合体２０の
下端部にある下部タイプレート２３の冷却材流入口に適
用したものである。この下部タイグレート２３の圧損は
、燃料支持金具のオリフィス板と同じ役目をするため、
千鳥状の円柱群３を下部タイプレート２３に適用すると
、前記実施例同様、流量の振動が防止できる。その結果
、安定余裕が増大し、その安定余裕の増大分だけ、入口
オリフィスの抵抗を小さくできる。入口オリフィスの抵
抗を小さくできると、ポンプの容量が低減でき、コスト
が安くなる。

［発明の効果］ 本発明の流量調整素子は、流量の増大を抑制する効果が
あるのみならず、可動部がないのでメンテナンスフリー
となり、信頼性が高く、さらに、流体力の自己制御より
抑制力が生じるので、応答性が高いという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流量調整素子の一実施例の断面図、第
２図はその抵抗係数とレイノルズ数の関係を示す図、第
３図は同じく圧力損失とレイノルズ数との関係を示す図
、第４図は本発明の実験に用いた装置の概要図、第５図
（ａ）　、　（ｂ）は実験で使用した供試体の正面図お
よび断面図、第６図は実験結果を衣す図、第７図、第８
図は試験供試体内の流れの様子を表す図、第９図、第１
０図は解析対象を示す図、第１１図、嬉１２図は解析結
果を表す図、第１３図は閉ルーズの配管に本発明を適用
した実施例を示す図、第１４図は原子炉の逃がし安全弁
ラインに本発明を適用した実施例を示す図。 第１５図および第１６図は第１４図における放出流劾の
時間変化および炉心圧力の時間変化を表す図、第１７図
は原子炉スプレィ系に本発明を適用した実施例を表す図
、第１８図は本発明の流量調整素子の他の実施例を示す
断面図、第１９図は燃料支持金具に本発明を適用した実
施例の断面図、第２０図は原子炉運転マツプ、第２１図
は燃料集合体に本発明を適用した実施例の断面図である
。 ２：配管　　　　　　　　３：丸棒 ４：ポンプ　　　　　　　５：試験供試体６：タンク　
　　　　　　１０：逃がし安全弁１１ニライン　　　　
　　１２：流量調整素子１３：圧力容器 １４；サグレションプール １５ニスグレイポンプ　　１７：ポンプ１９：モータ。 第２図 第３図 ノイノルχ敬 第４図 ｂ・−タンク 第５図 第６図 Ｒ６，Ｎｕｍｂ６ｒ　　（） 第１４図 時　　間 昭　　　間 第１７図 １５−　スフしイボフブ　　　　１４・−・サブしツシ
ョンプール第１８図 第２０図 （％） 炉心汎量

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体が通過する流路内に断面円形または楕円形の複
   数の棒または管を前記流路を横切って千鳥状に配置して
   なる流量調整素子。 ２、前記棒または管の相互間隔が等しい特許請求の範囲
   第１項記載の流量調整素子。 ３、前記流路が原子炉の逃がし安全弁の上流側または下
   流側の管路である特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の流量調整素子。 ４、前記流路が原子炉のスプレィ系の管路である特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の流量調整素子。 ５、前記流路が原子炉の燃料支持金具の冷却材流入口で
   ある特許請求の範囲第１項記載の流量調整素子。 ６、前記流路が原子炉の燃料集合体の下部タイプレート
   の冷却材流入口である特許請求の範囲第１項記載の流量
   調整素子。