気水分離器、気水分離方法および原子炉
【課題】簡素な構造で、気水分離性能が高い気水分離器を提供する。
【解決手段】 原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気中の水を分離する気水分離器であって、蒸気が流入して上昇する第１の流路７ａと、第１の流路７ａと連通し、第１の流路７ａを通過した蒸気が下降する第２の流路２ａと、第２の流路２ａと連通し、第２の流路２ａを通過した蒸気が上昇する第３の流路１ａと、を備え、第１の流路７ａ、第２の流路２ａおよび第３の流路１ａは、外周側から内周側に順次形成されている。
【解決手段】 原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気中の水を分離する気水分離器であって、蒸気が流入して上昇する第１の流路７ａと、第１の流路７ａと連通し、第１の流路７ａを通過した蒸気が下降する第２の流路２ａと、第２の流路２ａと連通し、第２の流路２ａを通過した蒸気が上昇する第３の流路１ａと、を備え、第１の流路７ａ、第２の流路２ａおよび第３の流路１ａは、外周側から内周側に順次形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と蒸気との二相流から水と蒸気を分離する気水分離器、気水分離方法および原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉においては、原子炉の炉心で発生した熱によって原子炉内で蒸気を発生させ、その蒸気によってタービンや発電機を回転駆動させている。一方、加圧水型原子炉においては、一次冷却系と二次冷却系とに分かれている。一次冷却系では、原子炉の炉心で発生した熱によって高温水を造り出し、この高温水が蒸気発生器内の熱交換器に送られる。この熱交換器で二次冷却系の水が沸騰して蒸気となり、その蒸気によってタービンや発電機を回転駆動させている。
【０００３】
このようにしてタービンに送られる蒸気は、湿分を除去する必要があることから、原子炉や蒸気発生器で発生した蒸気と水との二相流から水が除去される。そのため、一般的な原子炉には、気水分離器やドライヤなどが複数設けられている。
【０００４】
図１９は一般的な沸騰水型原子炉の構成と水や蒸気の流れを示す立断面構成図である。なお、図１９および図２０において、実線の矢印は水の流れを、破線の矢印は蒸気の流れを、それぞれ示している。
【０００５】
図１９に示すように、原子炉圧力容器１５は、中央部よりやや下部に多数の燃料集合体を収納する炉心１６が配置されている。この炉心１６を構成するシュラウドの上端開口は、シュラウドヘッド２４により閉塞されている。このシュラウドヘッド２４には、気水分離器２１のスタンドパイプ１７が複数立設されている。この気水分離器２１の上方には、ドライヤ２２が配設されている。
【０００６】
次に、水の流れおよび蒸気の流れについて説明する。
【０００７】
図１９に示すように、給水管２０から原子炉圧力容器１５内へ導かれた水は、シュラウドの下部から炉心１６に導入される。この炉心１６の熱エネルギーによって水は沸騰し、スタンドパイプ１７においては水と蒸気との二相流となっている。
【０００８】
気水分離器２１は、上記スタンドパイプ１７、スワラー１８、およびバレル２５を備えており、スワラー１８とバレル２５とで水を遠心分離する構造になっている。遠心分離された水は、水面４下に導かれて給水管２０から流入した水と混合して原子炉圧力容器１５内を再循環する。一方、気水分離器２１によって大部分の水が除去された蒸気は、ドライヤ２２でさらに湿分が除去された後、主蒸気管１９を通って原子炉圧力容器１５の外に導かれ、図示しないタービンへと送られる。
【０００９】
次に、スワラー１８で遠心分離された液膜の除去方法について図２０を用いて説明する。図２０は従来の気水分離器を示す立断面図である。
【００１０】
図２０に示すように、スワラー１８で遠心力を受けることによって、比重の大きい水は、バレル２５内面に液膜８を形成する一方、バレル２５の中央は、主に蒸気が流れる。液膜８は、バレル２５の内径側に配置されたピックオフリング２６によってバレル２５外周に形成された排水管２７にかき出され、この排水管２７を下降して気水分離器２１の周囲の水面４に排出される。
【００１１】
ところで、気水分離器の構造に関しては、旋回羽根による遠心分離によってバレル内面に形成された液膜の除去手段の一つとして、特許文献１に記載された技術は、バレルの周方向にスリットを形成してバレル周囲に排水するという技術である。また、特許文献２に記載された技術は、ピックオフリングを３段有する気水分離器において、第１段から第３段までのピックオフリングの直径を調整することで、キャリーオーバーの低減を図る技術である。これらに示すように従来の技術は、バレル内面を上昇する液膜を除去する構造になっている。
【００１２】
なお、以下の説明では、気水分離器上部から流出する蒸気に含まれる液滴の重量比をキャリーオーバーという。また、各段のピックオフリングで気水分離した水に含まれる蒸気の重量比をキャリーアンダーという。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−７９３２３号公報
【特許文献２】特開平１１−３２６５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したような各特許文献を含む従来の気水分離器では、気水分離器に流入した二相流は、旋回羽根による遠心分離作用によってバレル内面に液膜を形成し、ピックオフリングやバレルに設けられた孔やスリットによって液膜が除去される。この液膜は、ピックオフリングなどの除去部材に到達するまでは上昇し、その液膜厚さは、二相流のクオリティや上昇流速に依存する。ここで、上記二相流のクオリティとは、二相流状態での蒸気の質量割合である。つまり、クオリティが高いということは、蒸気が多くなり、水が少なくなることである。
【００１５】
そのため、気水分離器に流入する二相流のクオリティのばらつきが大きい場合は、ピックオフリング幅や形状の最適化が困難である問題がある。また、ピックオフリングで除去されなかった液膜は、遠心力の低下などによってキャリーオーバーが高くなる可能性があった。
【００１６】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、簡素な構造で、気水分離性能が高い気水分離器、気水分離方法および原子炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る気水分離器は、原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気中の水を分離する気水分離器であって、前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る気水分離方法は、原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気を分離する気水分離方法であって、外周側から内周側に第１の流路、第２の流路および第３の流路が順次形成され、前記蒸気が前記第１の流路に流入して上昇する第１蒸気上昇ステップと、前記第１蒸気上昇ステップの後に、前記第１の流路を通過した蒸気が前記第２の流路を下降する蒸気下降ステップと、前記蒸気下降ステップの後に、前記第２の流路を通過した蒸気が前記第３の流路を上昇させる第２蒸気上昇ステップと、を有することを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明に係る原子炉は、炉心の熱によって発生した蒸気中の水を気水分離器により分離する原子炉であって、前記気水分離器は、前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡素な構造で、高い気水分離性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は本発明に係る気水分離器の第１実施形態を示す概形図、（ｂ）は立断面図である。
【図２】図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線における平断面図である。
【図３】本発明に係る気水分離器の第２実施形態を示す立断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線における平断面図である。
【図５】本発明に係る気水分離器の第３実施形態を示す立断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線における平断面図である。
【図７】本発明に係る気水分離器の第４実施形態を示す立断面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における平断面図である。
【図９】本発明に係る気水分離器の第５実施形態を示す立断面図である。
【図１０】図９のX−X線における平断面図である。
【図１１】本発明に係る気水分離器の第６実施形態を示す立断面図である。
【図１２】図１１のXＩＩ−XＩＩ線における平断面図である。
【図１３】本発明に係る気水分離器の第７実施形態を示す立断面図である。
【図１４】図１３のXＩＶ−XＩＶ線における平断面図である。
【図１５】本発明に係る気水分離器の第８実施形態を示す立断面図である。
【図１６】図１５のXＶＩ−XＶＩ線における平断面図である。
【図１７】本発明に係る気水分離器の第９実施形態を示す立断面図である。
【図１８】図１７のXＶＩＩＩ−XＶＩＩＩ線における平断面図である。
【図１９】一般的な沸騰水型原子炉の構成と水や蒸気の流れを示す立断面構成図である。
【図２０】従来の気水分離器を示す立断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る気水分離器の各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明に係る気水分離器の第１実施形態を示す概形図、（ｂ）は立断面図である。図２は図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線における平断面図である。なお、以下の実施形態における水面および液膜は、図１９および図２０と同一の符号を用いて説明する。また、本実施形態の気水分離器は、図１９に示す気水分離器と同様に、原子炉の原子炉圧力容器内に設置された炉心の熱によって発生する蒸気と水の二相流から水と蒸気とに分離するものである。さらに、図１（ａ）においては、後述するスタンドパイプ７、上面板５などの厚みや、衝突板３、旋回羽根６などの一部の構成を省略して簡略的に図示している。
【００２４】
図１（ａ），（ｂ）および図２に示すように、本実施形態の気水分離器は、径方向に３重管構造に構成されている。この３重管の最外周は、円管状のスタンドパイプ７が配設され、このスタンドパイプ７は、３重管の最内周となる内筒バレル１と上面板５を介して連続して形成されている。すなわち、内筒バレル１は、水面４から離れてスタンドパイプ７の内周側に配置されている。また、スタンドパイプ７と内筒バレル（第２のバレル）１との間には、上端が上面板５の近傍まで延びる３重管の中間となる分離バレル（第１のバレル）２が配設されている。つまり、分離バレル２は、スタンドパイプ７の内径より小さい外径を有している。
【００２５】
したがって、スタンドパイプ７と分離バレル２との間には環状の第１の流路７ａが、分離バレル２と内筒バレル１との間には環状の第２の流路２ａがそれぞれ形成されている。第１の流路７ａと第２の流路２ａとの間であって、上面板５と分離バレル２の上端との間は、折り返し流路５ａが形成されている。そして、内筒バレル１の内周側は、第３の流路１ａが円筒状に形成されている。
【００２６】
ここで、スタンドパイプ７および分離バレル２は、シュラウドヘッド２４（図１９に示す）に立設され、スタンドパイプ７と分離バレル２との間に形成される第１の流路７ａは、シュラウドヘッド２４内と連通状態としている。
【００２７】
分離バレル２と内筒バレル１との間の第２の流路２ａ内には、４枚の旋回羽根６が周方向に一定間隔をおいて設置されている。なお、本実施形態は、旋回羽根６の表面に酸化チタンなどを用いた表面加工を施し、濡れ性を向上させている。分離バレル２の下端と水面４との間において、水面４の近傍には、衝突板３が周方向に一定間隔をおいて取り付けられた複数の接続部材３ａを介して固定されている。この衝突板３は、円形の平板状に形成され、第２の流路２ａから流出する下降流が衝突する。
【００２８】
さらに、本実施形態の気水分離器は、その内部が周囲の水面４と連通するための連通管２８が設置されている。具体的には、図２に示す連通管２８は、分離バレル２およびスタンドパイプ７の双方の下部を貫通している。これにより、分離バレル２内の衝突板３下方の領域は、スタンドパイプ７の外周と連通状態となるため、衝突板３下方に滞留する水は連通管２８を通して外部に排出される。因みに、衝突板３下方は、シュラウドヘッド２４により閉止されている。なお、連通管２８は、図２に示すように分離バレル２内とスタンドパイプ７の外側を連通状態にするため、周方向に少なくとも一つ設置されていればよい。
【００２９】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３０】
原子炉の炉心１６（図１９に示す）の熱によって発生する蒸気と水の二相流は、図１および図２に示すように、まず最外周の環状のスタンドパイプ７と中間の分離バレル２との間に形成された第１の流路７ａに流入する。この第１の流路７ａを上昇した二相流は、スタンドパイプ７の上端の折り返し流路５ａで折り返した後、分離バレル２と内筒バレル１との間に形成された第２の流路２ａを下降する。
【００３１】
この第２の流路２ａには、旋回羽根６が設置されており、この旋回羽根６を通過した二相流には、遠心力が作用して分離バレル２内面に液膜８が形成される。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、水面４近傍に設置された衝突板３に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００３２】
したがって、本実施形態では、分離バレル２の内周面に形成された液膜８は、そのまま水面４に落下することで重力分離されるため、従来のように液膜８を捕獲するための除去構造が不要である。
【００３３】
また、本実施形態では、液膜８から蒸気によって剥がされた水滴９ａは、衝突板３に衝突することによって膜状化するので、上昇する蒸気に随伴することなくキャリーオーバーを低減させることができる。
【００３４】
さらに、本実施形態では、旋回羽根６の濡れ性を向上させているため、旋回羽根６に衝突した水滴９が旋回羽根６の面で膜状化して粗大水滴になり易いので、蒸気に随伴して搬送される水滴９ａを一段と低減させることができる。
【００３５】
このように本実施形態によれば、炉心の熱によって発生した蒸気が流入して上昇する第１の流路７ａと、この第１の流路７ａと連通し、第１の流路７ａを通過した蒸気が下降する第２の流路２ａと、この第２の流路２ａと連通し、第２の流路２ａを通過した蒸気が上昇する第３の流路１ａとを備え、第１の流路７ａ、第２の流路２ａおよび第３の流路１ａは、外周側から内周側に順次形成されていることにより、液膜８を捕獲するための除去構造が不要な簡素な構造となり、二相流のクオリティのばらつきに対してロバスト性が高く、良好な気水分離性能を得ることができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、水面４の水位への依存性が小さく、従来のように分離構造を多段構造にする必要がなくなるため、気水分離器のコンパクト化が図れる。
【００３７】
（第２実施形態）
図３は本発明に係る気水分離器の第２実施形態を示す立断面図である。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線における平断面図である。なお、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して重複する説明は省略する。その他の実施形態も同様とする。
【００３８】
前記第１実施形態の衝突板３は、円形平板状に形成されていたが、本実施形態では、衝突板３０が図３に示すように上方向に凸の曲面形状に形成されている。この衝突板３０は、前記第１実施形態と同様に、分離バレル２の内周側における水面４の近傍に複数の接続部材３ａを介して固定されている。この衝突板３０も第２の流路２ａから流出する下降流が衝突する。
【００３９】
本実施形態において、第２の流路２ａを下降した蒸気は、水面４近傍に設置された上方向に凸の曲面形状を有する衝突板３０に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００４０】
したがって、本実施形態では、液膜８から蒸気によって剥がされた水滴９ａは、衝突板３０に衝突することによって膜状化するものの、膜状になった水は衝突板３０の曲面に沿って水面４に流れ落ちる。そのため、衝突板３０の表面には水が滞留することなく、上昇する蒸気に随伴する水滴９ａを一段と低減させることができる。
【００４１】
このように本実施形態によれば、水面４近傍に設置された衝突板３０を上方向に凸の曲面形状に形成したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、さらにキャリーオーバーの低減を図ることができる。
【００４２】
なお、本実施形態において、衝突板３０の上面に酸化チタンなどを用いた表面加工を行って濡れ性を向上させるか、あるいは衝突板３０の頂部から周縁にかけて放射状に複数の流通溝を形成しておけば、水の除去効果を高めることができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図５は本発明に係る気水分離器の第３実施形態を示す立断面図である。図６は図５のＶＩ−ＶＩ線における平断面図である。
【００４４】
本実施形態は、前記第１実施形態および第２実施形態の衝突板に代えて、図５および図６に示すように分離バレル２の内周側における水面４の近傍に漏斗状に形成された液膜案内板１０が設置されている。この液膜案内板１０は、外周縁が分離バレル２の内周面に溶接により固定されている。なお、上記漏斗状とは、下方に向かって次第に縮径するようにテーパ状に形成されていることをいう。
【００４５】
本実施形態において、分離バレル２を下降した液膜８は、液膜案内板１０に沿って水面４に導かれる。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、液膜案内板１０に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００４６】
したがって、本実施形態では、分離バレル２内面に形成された液膜８が直接水面４に流れ込むことなく、液膜案内板１０に沿って流れ込むので、水面４下への気泡巻き込みを抑制することができる。
【００４７】
このように本実施形態によれば、分離バレル２の内周側における水面４の近傍に漏斗状に形成された液膜案内板１０を設置したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、水面４下へのキャリーアンダーの低減を図ることができる。
【００４８】
なお、本実施形態も、前記第２実施形態と同様に、液膜案内板１０の上面に酸化チタンなどを用いた表面加工を行って濡れ性を向上させるか、あるいは液膜案内板１０の上部から下部にかけて放射状に複数の流通溝を形成しておけば、水の除去効果を高めることができる。
【００４９】
（第４実施形態）
図７は本発明に係る気水分離器の第４実施形態を示す立断面図である。図８は図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における平断面図である。
【００５０】
本実施形態は、図７および図８に示すように分離バレル２の水面４近傍に漏斗状の液膜案内板１０が設置され、この液膜案内板１０の開口部を覆うように衝突板３が設置されている。この衝突板３は、例えば周方向に４箇所取り付けた接続部材３ａを介して液膜案内板１０に接続されている。すなわち、衝突板３は、上下方向に所定の隙間を有して液膜案内板１０に接続されている。
【００５１】
本実施形態は、図７および図８に示すように分離バレル２の水面４近傍に漏斗状の液膜案内板１０が設置されており、分離バレル２を下降した液膜８は液膜案内板１０に沿って水面４に導かれる。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、液膜案内板１０の開口部を覆うように設置された衝突板３に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００５２】
したがって、本実施形態では、液膜案内板１０に沿って流れている液膜８に、蒸気の下降流が直接衝突し、液膜８から水滴９ａを巻き上げることや、液膜８内に蒸気が流入することを抑制することができる。
【００５３】
このように本実施形態によれば、分離バレル２の水面４近傍に漏斗状の液膜案内板１０を設置し、この液膜案内板１０の開口部を覆うように衝突板３を設置したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、水面４下へのキャリーアンダーの低減を図るとともに、キャリーオーバーの増加を抑制することができる。
【００５４】
（第５実施形態）
図９は本発明に係る気水分離器の第５実施形態を示す立断面図である。図１０は図９のX−X線における平断面図である。
【００５５】
本実施形態は、図９および図１０に示すように前記第１実施形態の構成に加え、内筒バレル１下端に漏斗状に形成された拡大管１１が例えば溶接により固定されている。すなわち、拡大管１１は、第３の流路１ａにおいて蒸気の上昇する方向に、第３の流路１ａが次第に拡径するように形成されている。
【００５６】
したがって、本実施形態では、第２の流路２ａを通過した蒸気が衝突板３に衝突することなく内筒バレル１内の第３の流路１ａに直接バイパスすることを抑制することができる。また、衝突板３に衝突してから上昇してくる蒸気に随伴した微小水滴を拡大管１１の外周面に衝突させて膜状化させ、粗大水滴になり易くすることができる。その粗大水滴は、水面に落下する。
【００５７】
このように本実施形態によれば、内筒バレル１下端に漏斗状に形成された拡大管１１を固定したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、さらにキャリーオーバーの低減を図ることができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、拡大管１１を第３の流路１ａに向かって、図９において直線的なテーパ状に拡径するように形成したが、これに限定することなく、拡大管１１を図９において円弧状に示されるように形成しても、同様の効果が得られる。
【００５９】
（第６実施形態）
図１１は本発明に係る気水分離器の第６実施形態を示す立断面図である。図１２は図１１のXＩＩ−XＩＩ線における平断面図である。
【００６０】
本実施形態は、図１１および図１２に示すように前記第１実施形態の構成に加え、内筒バレル１の内側に第３の流路１ａを横断するように多孔部材としての衝突網１２が取り付けられている。この衝突網１２の目の細かさは、蒸気に随伴して上昇してくる微小水滴を最も多く捕える大きさと、圧力損失との関係に基づいて適宜選定される。
【００６１】
したがって、本実施形態では、衝突板３に衝突してから上昇してくる蒸気に随伴した微小水滴を衝突網１２に衝突させて粗大化させることができる。このようにして粗大化した水滴は、重力落下し易くなるので、蒸気によって上方に搬送される微小水滴量を低減させることができる。
【００６２】
なお、本実施形態の衝突網１２は、蒸気を通過させる多孔体であれば同様の効果が得られる。
【００６３】
このように本実施形態によれば、内筒バレル１下端に衝突網１２を取り付けたことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、キャリーオーバーを一段と低減させることが可能となる。
【００６４】
（第７実施形態）
図１３は本発明に係る気水分離器の第７実施形態を示す立断面図である。図１４は図１３のXＩＶ−XＩＶ線における平断面図である。
【００６５】
本実施形態は、図１３および図１４に示すように第２の流路２ａから旋回羽根６をなくしている。すなわち、本実施形態は、第２の流路２ａが上方から下方に向かって流路が次第に狭くなるように、内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられている。
【００６６】
また、本実施形態は、分離バレル２の内周側における水面４の近傍に漏斗状に形成された液膜案内板１０が設置されている。この液膜案内板１０は、外周縁が分離バレル２の内周面に溶接により固定されている。
【００６７】
したがって、本実施形態では、図１３に示すように内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられ、第２の流路２ａが上方から下方に向かって流路が次第に狭くなっているので、二相流が外周方向に流れて分離バレル２の内周面に向けて噴出される。すると、この二相流は分離バレル２の内周面に衝突することによって水滴９が分離バレル２の内周面に集まり易くなる。この集まった粗大水滴や液膜は、分離バレル２の内周面に沿って流れる。
【００６８】
そして、分離バレル２の水面４近傍には、漏斗状の液膜案内板１０が設置されており、この分離バレル２を下降した粗大水滴や液膜は液膜案内板１０に沿って水面４に導かれる。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、液膜案内板１０に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００６９】
本実施形態では、分離バレル２の内周面に形成された液膜が直接水面４に流れ込むことなく、液膜案内板１０に沿って流れ込むので、水面４下への気泡の巻き込みを抑制することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられていることにより、旋回羽根６を設置することなく、分離バレル２の内周面に水滴９を集めることができるので、構造を一段と簡素化させることができる。
【００７１】
このように本実施形態によれば、内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられているので、前記第１実施形態の効果に加えて、さらなる構造の簡素化が図ることができる。
【００７２】
（第８実施形態）
図１５は本発明に係る気水分離器の第８実施形態を示す立断面図である。図１６は図１５のXＶＩ−XＶＩ線における平断面図である。
【００７３】
本実施形態は、図１５および図１６に示すように前記第１実施形態において、第２の流路２ａと第３の流路１ａが連通する連通孔１ｂを内筒バレル１の周方向に一定間隔をおいて数箇所（本実施形態では４箇所）設け、これらの連通孔１ｂに鉛直下方に延びるドレン管１３がそれぞれ接続されている。
【００７４】
したがって、本実施形態では、環状のスタンドパイプ７を上昇した二相流がスタンドパイプ７の上端で折り返す際に遠心力によって折り返し流路５ａの内周側、つまり内筒バレル１の外周面に水滴９が集まる。これらの水滴９は、第２の流路２ａの内径側に多く集まるため、その水を連通孔１ｂおよびドレン管１３を通じて衝突板３近傍に排出する。すなわち、ドレン管１３は、水を第３の流路１ａに対して離間する側に誘導する。
【００７５】
このように本実施形態によれば、第２の流路２ａと第３の流路１ａを連通する連通孔１ｂを形成し、この連通孔１ｂに流入した水を水面４に誘導するためのドレン管１３を設置したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、折り返し流路５ａでの遠心分離効果が加わるので、旋回羽根６を通過する水分量を低減させることができ、さらにクオリティに対するロバスト性を向上させることが可能となる。
【００７６】
なお、本実施形態では、内筒バレル１に連通孔１ｂを４箇所設け、これらの連通孔１ｂにそれぞれドレン管１３を接続するようにしたが、これに限らず連通孔１ｂをそれ以上設け、一つのドレン管１３の開口部を広く形成し、複数の連通孔１ｂと接続するようにしてもよい。加えて、各連通孔１ｂの水入口側を出口側に比べて広く形成するようにしてもよい。
【００７７】
（第９実施形態）
図１７は本発明に係る気水分離器の第９実施形態を示す立断面図である。図１８は図１７のXＶＩＩＩ−XＶＩＩＩ線における平断面図である。
【００７８】
本実施形態は、前記第８実施形態において、内筒バレル１に設けた第２の流路２ａに連通する連通孔１ｂの上下方向位置に周方向に連続するドレンポケット１４が設置されている。
【００７９】
したがって、本実施形態では、環状のスタンドパイプ７を上昇した二相流がスタンドパイプ上端で折り返す際に遠心力によって折り返し流路５ａの内周側に水滴９が集まるので、その水滴９をドレンポケット１４に捕獲することができる。このドレンポケットで捕獲された水は連通孔１ｂおよびドレン管１３を通じて衝突板３近傍に排出される。
【００８０】
このように本実施形態よれば、第２の流路２ａの水を集めるためのドレンポケット１４と、このドレンポケット１４で集めた水を、第２の流路２ａと第３の流路１ａを連通する連通孔１ｂを通して第３の流路１ａに対して離間する側の水に誘導するためのドレン管１３とを備えることにより、旋回羽根６を通過する水分量を一段と低減させることができ、さらにクオリティに対するロバスト性を向上させることが可能となる。
【００８１】
なお、本実施形態では、ドレンポケット１４が内筒バレル１と平行に上方の延びるように形成したが、これに限らず内筒バレル１に対して外周側に拡がるように形成してもよい。このようにドレンポケット１４を形成することにより、水滴９の捕獲効果を高めることが可能となる。
【００８２】
さらに、以上のように本発明の各実施形態を説明したが、これらの実施形態は、単なる例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。
【００８３】
例えば、ドレン管１３は、衝突板３や液膜案内板１０を貫通または迂回してその下方まで延びるようにしても、あるいは直接スタンドパイプ７の外部へ排出するような構成としてもよい。そして、内筒バレル１、分離バレル２およびスタンドパイプ７は、円筒形として説明したが、これに限らず多角形などに形成してもよい。
【００８４】
また、上述した各実施形態において、第５実施形態から第９実施形態をそれぞれ基本構成とし、これらの各実施形態に第１実施形態から第４実施形態の衝突板３や液膜案内板１０を適宜組み合せることも可能である。
【００８５】
これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８６】
１…内筒バレル（第２のバレル）
１ａ…第３の流路
１ｂ…連通孔
２…分離バレル（第１のバレル）
２ａ…第２の流路
３，３０…衝突板
４…水面
５…上面板
６…旋回羽根
７…スタンドパイプ
７ａ…第１の流路
８…液膜
９…水滴
９ａ…水滴
１０…液膜案内板
１１…拡大管
１２…衝突網（多孔部材）
１３…ドレン管
１４…ドレンポケット
１５…原子炉圧力容器
１６…炉心
２１…気水分離器
２８…連通管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と蒸気との二相流から水と蒸気を分離する気水分離器、気水分離方法および原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉においては、原子炉の炉心で発生した熱によって原子炉内で蒸気を発生させ、その蒸気によってタービンや発電機を回転駆動させている。一方、加圧水型原子炉においては、一次冷却系と二次冷却系とに分かれている。一次冷却系では、原子炉の炉心で発生した熱によって高温水を造り出し、この高温水が蒸気発生器内の熱交換器に送られる。この熱交換器で二次冷却系の水が沸騰して蒸気となり、その蒸気によってタービンや発電機を回転駆動させている。
【０００３】
このようにしてタービンに送られる蒸気は、湿分を除去する必要があることから、原子炉や蒸気発生器で発生した蒸気と水との二相流から水が除去される。そのため、一般的な原子炉には、気水分離器やドライヤなどが複数設けられている。
【０００４】
図１９は一般的な沸騰水型原子炉の構成と水や蒸気の流れを示す立断面構成図である。なお、図１９および図２０において、実線の矢印は水の流れを、破線の矢印は蒸気の流れを、それぞれ示している。
【０００５】
図１９に示すように、原子炉圧力容器１５は、中央部よりやや下部に多数の燃料集合体を収納する炉心１６が配置されている。この炉心１６を構成するシュラウドの上端開口は、シュラウドヘッド２４により閉塞されている。このシュラウドヘッド２４には、気水分離器２１のスタンドパイプ１７が複数立設されている。この気水分離器２１の上方には、ドライヤ２２が配設されている。
【０００６】
次に、水の流れおよび蒸気の流れについて説明する。
【０００７】
図１９に示すように、給水管２０から原子炉圧力容器１５内へ導かれた水は、シュラウドの下部から炉心１６に導入される。この炉心１６の熱エネルギーによって水は沸騰し、スタンドパイプ１７においては水と蒸気との二相流となっている。
【０００８】
気水分離器２１は、上記スタンドパイプ１７、スワラー１８、およびバレル２５を備えており、スワラー１８とバレル２５とで水を遠心分離する構造になっている。遠心分離された水は、水面４下に導かれて給水管２０から流入した水と混合して原子炉圧力容器１５内を再循環する。一方、気水分離器２１によって大部分の水が除去された蒸気は、ドライヤ２２でさらに湿分が除去された後、主蒸気管１９を通って原子炉圧力容器１５の外に導かれ、図示しないタービンへと送られる。
【０００９】
次に、スワラー１８で遠心分離された液膜の除去方法について図２０を用いて説明する。図２０は従来の気水分離器を示す立断面図である。
【００１０】
図２０に示すように、スワラー１８で遠心力を受けることによって、比重の大きい水は、バレル２５内面に液膜８を形成する一方、バレル２５の中央は、主に蒸気が流れる。液膜８は、バレル２５の内径側に配置されたピックオフリング２６によってバレル２５外周に形成された排水管２７にかき出され、この排水管２７を下降して気水分離器２１の周囲の水面４に排出される。
【００１１】
ところで、気水分離器の構造に関しては、旋回羽根による遠心分離によってバレル内面に形成された液膜の除去手段の一つとして、特許文献１に記載された技術は、バレルの周方向にスリットを形成してバレル周囲に排水するという技術である。また、特許文献２に記載された技術は、ピックオフリングを３段有する気水分離器において、第１段から第３段までのピックオフリングの直径を調整することで、キャリーオーバーの低減を図る技術である。これらに示すように従来の技術は、バレル内面を上昇する液膜を除去する構造になっている。
【００１２】
なお、以下の説明では、気水分離器上部から流出する蒸気に含まれる液滴の重量比をキャリーオーバーという。また、各段のピックオフリングで気水分離した水に含まれる蒸気の重量比をキャリーアンダーという。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−７９３２３号公報
【特許文献２】特開平１１−３２６５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したような各特許文献を含む従来の気水分離器では、気水分離器に流入した二相流は、旋回羽根による遠心分離作用によってバレル内面に液膜を形成し、ピックオフリングやバレルに設けられた孔やスリットによって液膜が除去される。この液膜は、ピックオフリングなどの除去部材に到達するまでは上昇し、その液膜厚さは、二相流のクオリティや上昇流速に依存する。ここで、上記二相流のクオリティとは、二相流状態での蒸気の質量割合である。つまり、クオリティが高いということは、蒸気が多くなり、水が少なくなることである。
【００１５】
そのため、気水分離器に流入する二相流のクオリティのばらつきが大きい場合は、ピックオフリング幅や形状の最適化が困難である問題がある。また、ピックオフリングで除去されなかった液膜は、遠心力の低下などによってキャリーオーバーが高くなる可能性があった。
【００１６】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、簡素な構造で、気水分離性能が高い気水分離器、気水分離方法および原子炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る気水分離器は、原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気中の水を分離する気水分離器であって、前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る気水分離方法は、原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気を分離する気水分離方法であって、外周側から内周側に第１の流路、第２の流路および第３の流路が順次形成され、前記蒸気が前記第１の流路に流入して上昇する第１蒸気上昇ステップと、前記第１蒸気上昇ステップの後に、前記第１の流路を通過した蒸気が前記第２の流路を下降する蒸気下降ステップと、前記蒸気下降ステップの後に、前記第２の流路を通過した蒸気が前記第３の流路を上昇させる第２蒸気上昇ステップと、を有することを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明に係る原子炉は、炉心の熱によって発生した蒸気中の水を気水分離器により分離する原子炉であって、前記気水分離器は、前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡素な構造で、高い気水分離性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は本発明に係る気水分離器の第１実施形態を示す概形図、（ｂ）は立断面図である。
【図２】図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線における平断面図である。
【図３】本発明に係る気水分離器の第２実施形態を示す立断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線における平断面図である。
【図５】本発明に係る気水分離器の第３実施形態を示す立断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線における平断面図である。
【図７】本発明に係る気水分離器の第４実施形態を示す立断面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における平断面図である。
【図９】本発明に係る気水分離器の第５実施形態を示す立断面図である。
【図１０】図９のX−X線における平断面図である。
【図１１】本発明に係る気水分離器の第６実施形態を示す立断面図である。
【図１２】図１１のXＩＩ−XＩＩ線における平断面図である。
【図１３】本発明に係る気水分離器の第７実施形態を示す立断面図である。
【図１４】図１３のXＩＶ−XＩＶ線における平断面図である。
【図１５】本発明に係る気水分離器の第８実施形態を示す立断面図である。
【図１６】図１５のXＶＩ−XＶＩ線における平断面図である。
【図１７】本発明に係る気水分離器の第９実施形態を示す立断面図である。
【図１８】図１７のXＶＩＩＩ−XＶＩＩＩ線における平断面図である。
【図１９】一般的な沸騰水型原子炉の構成と水や蒸気の流れを示す立断面構成図である。
【図２０】従来の気水分離器を示す立断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る気水分離器の各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明に係る気水分離器の第１実施形態を示す概形図、（ｂ）は立断面図である。図２は図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線における平断面図である。なお、以下の実施形態における水面および液膜は、図１９および図２０と同一の符号を用いて説明する。また、本実施形態の気水分離器は、図１９に示す気水分離器と同様に、原子炉の原子炉圧力容器内に設置された炉心の熱によって発生する蒸気と水の二相流から水と蒸気とに分離するものである。さらに、図１（ａ）においては、後述するスタンドパイプ７、上面板５などの厚みや、衝突板３、旋回羽根６などの一部の構成を省略して簡略的に図示している。
【００２４】
図１（ａ），（ｂ）および図２に示すように、本実施形態の気水分離器は、径方向に３重管構造に構成されている。この３重管の最外周は、円管状のスタンドパイプ７が配設され、このスタンドパイプ７は、３重管の最内周となる内筒バレル１と上面板５を介して連続して形成されている。すなわち、内筒バレル１は、水面４から離れてスタンドパイプ７の内周側に配置されている。また、スタンドパイプ７と内筒バレル（第２のバレル）１との間には、上端が上面板５の近傍まで延びる３重管の中間となる分離バレル（第１のバレル）２が配設されている。つまり、分離バレル２は、スタンドパイプ７の内径より小さい外径を有している。
【００２５】
したがって、スタンドパイプ７と分離バレル２との間には環状の第１の流路７ａが、分離バレル２と内筒バレル１との間には環状の第２の流路２ａがそれぞれ形成されている。第１の流路７ａと第２の流路２ａとの間であって、上面板５と分離バレル２の上端との間は、折り返し流路５ａが形成されている。そして、内筒バレル１の内周側は、第３の流路１ａが円筒状に形成されている。
【００２６】
ここで、スタンドパイプ７および分離バレル２は、シュラウドヘッド２４（図１９に示す）に立設され、スタンドパイプ７と分離バレル２との間に形成される第１の流路７ａは、シュラウドヘッド２４内と連通状態としている。
【００２７】
分離バレル２と内筒バレル１との間の第２の流路２ａ内には、４枚の旋回羽根６が周方向に一定間隔をおいて設置されている。なお、本実施形態は、旋回羽根６の表面に酸化チタンなどを用いた表面加工を施し、濡れ性を向上させている。分離バレル２の下端と水面４との間において、水面４の近傍には、衝突板３が周方向に一定間隔をおいて取り付けられた複数の接続部材３ａを介して固定されている。この衝突板３は、円形の平板状に形成され、第２の流路２ａから流出する下降流が衝突する。
【００２８】
さらに、本実施形態の気水分離器は、その内部が周囲の水面４と連通するための連通管２８が設置されている。具体的には、図２に示す連通管２８は、分離バレル２およびスタンドパイプ７の双方の下部を貫通している。これにより、分離バレル２内の衝突板３下方の領域は、スタンドパイプ７の外周と連通状態となるため、衝突板３下方に滞留する水は連通管２８を通して外部に排出される。因みに、衝突板３下方は、シュラウドヘッド２４により閉止されている。なお、連通管２８は、図２に示すように分離バレル２内とスタンドパイプ７の外側を連通状態にするため、周方向に少なくとも一つ設置されていればよい。
【００２９】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３０】
原子炉の炉心１６（図１９に示す）の熱によって発生する蒸気と水の二相流は、図１および図２に示すように、まず最外周の環状のスタンドパイプ７と中間の分離バレル２との間に形成された第１の流路７ａに流入する。この第１の流路７ａを上昇した二相流は、スタンドパイプ７の上端の折り返し流路５ａで折り返した後、分離バレル２と内筒バレル１との間に形成された第２の流路２ａを下降する。
【００３１】
この第２の流路２ａには、旋回羽根６が設置されており、この旋回羽根６を通過した二相流には、遠心力が作用して分離バレル２内面に液膜８が形成される。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、水面４近傍に設置された衝突板３に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００３２】
したがって、本実施形態では、分離バレル２の内周面に形成された液膜８は、そのまま水面４に落下することで重力分離されるため、従来のように液膜８を捕獲するための除去構造が不要である。
【００３３】
また、本実施形態では、液膜８から蒸気によって剥がされた水滴９ａは、衝突板３に衝突することによって膜状化するので、上昇する蒸気に随伴することなくキャリーオーバーを低減させることができる。
【００３４】
さらに、本実施形態では、旋回羽根６の濡れ性を向上させているため、旋回羽根６に衝突した水滴９が旋回羽根６の面で膜状化して粗大水滴になり易いので、蒸気に随伴して搬送される水滴９ａを一段と低減させることができる。
【００３５】
このように本実施形態によれば、炉心の熱によって発生した蒸気が流入して上昇する第１の流路７ａと、この第１の流路７ａと連通し、第１の流路７ａを通過した蒸気が下降する第２の流路２ａと、この第２の流路２ａと連通し、第２の流路２ａを通過した蒸気が上昇する第３の流路１ａとを備え、第１の流路７ａ、第２の流路２ａおよび第３の流路１ａは、外周側から内周側に順次形成されていることにより、液膜８を捕獲するための除去構造が不要な簡素な構造となり、二相流のクオリティのばらつきに対してロバスト性が高く、良好な気水分離性能を得ることができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、水面４の水位への依存性が小さく、従来のように分離構造を多段構造にする必要がなくなるため、気水分離器のコンパクト化が図れる。
【００３７】
（第２実施形態）
図３は本発明に係る気水分離器の第２実施形態を示す立断面図である。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線における平断面図である。なお、前記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して重複する説明は省略する。その他の実施形態も同様とする。
【００３８】
前記第１実施形態の衝突板３は、円形平板状に形成されていたが、本実施形態では、衝突板３０が図３に示すように上方向に凸の曲面形状に形成されている。この衝突板３０は、前記第１実施形態と同様に、分離バレル２の内周側における水面４の近傍に複数の接続部材３ａを介して固定されている。この衝突板３０も第２の流路２ａから流出する下降流が衝突する。
【００３９】
本実施形態において、第２の流路２ａを下降した蒸気は、水面４近傍に設置された上方向に凸の曲面形状を有する衝突板３０に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００４０】
したがって、本実施形態では、液膜８から蒸気によって剥がされた水滴９ａは、衝突板３０に衝突することによって膜状化するものの、膜状になった水は衝突板３０の曲面に沿って水面４に流れ落ちる。そのため、衝突板３０の表面には水が滞留することなく、上昇する蒸気に随伴する水滴９ａを一段と低減させることができる。
【００４１】
このように本実施形態によれば、水面４近傍に設置された衝突板３０を上方向に凸の曲面形状に形成したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、さらにキャリーオーバーの低減を図ることができる。
【００４２】
なお、本実施形態において、衝突板３０の上面に酸化チタンなどを用いた表面加工を行って濡れ性を向上させるか、あるいは衝突板３０の頂部から周縁にかけて放射状に複数の流通溝を形成しておけば、水の除去効果を高めることができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図５は本発明に係る気水分離器の第３実施形態を示す立断面図である。図６は図５のＶＩ−ＶＩ線における平断面図である。
【００４４】
本実施形態は、前記第１実施形態および第２実施形態の衝突板に代えて、図５および図６に示すように分離バレル２の内周側における水面４の近傍に漏斗状に形成された液膜案内板１０が設置されている。この液膜案内板１０は、外周縁が分離バレル２の内周面に溶接により固定されている。なお、上記漏斗状とは、下方に向かって次第に縮径するようにテーパ状に形成されていることをいう。
【００４５】
本実施形態において、分離バレル２を下降した液膜８は、液膜案内板１０に沿って水面４に導かれる。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、液膜案内板１０に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００４６】
したがって、本実施形態では、分離バレル２内面に形成された液膜８が直接水面４に流れ込むことなく、液膜案内板１０に沿って流れ込むので、水面４下への気泡巻き込みを抑制することができる。
【００４７】
このように本実施形態によれば、分離バレル２の内周側における水面４の近傍に漏斗状に形成された液膜案内板１０を設置したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、水面４下へのキャリーアンダーの低減を図ることができる。
【００４８】
なお、本実施形態も、前記第２実施形態と同様に、液膜案内板１０の上面に酸化チタンなどを用いた表面加工を行って濡れ性を向上させるか、あるいは液膜案内板１０の上部から下部にかけて放射状に複数の流通溝を形成しておけば、水の除去効果を高めることができる。
【００４９】
（第４実施形態）
図７は本発明に係る気水分離器の第４実施形態を示す立断面図である。図８は図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における平断面図である。
【００５０】
本実施形態は、図７および図８に示すように分離バレル２の水面４近傍に漏斗状の液膜案内板１０が設置され、この液膜案内板１０の開口部を覆うように衝突板３が設置されている。この衝突板３は、例えば周方向に４箇所取り付けた接続部材３ａを介して液膜案内板１０に接続されている。すなわち、衝突板３は、上下方向に所定の隙間を有して液膜案内板１０に接続されている。
【００５１】
本実施形態は、図７および図８に示すように分離バレル２の水面４近傍に漏斗状の液膜案内板１０が設置されており、分離バレル２を下降した液膜８は液膜案内板１０に沿って水面４に導かれる。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、液膜案内板１０の開口部を覆うように設置された衝突板３に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００５２】
したがって、本実施形態では、液膜案内板１０に沿って流れている液膜８に、蒸気の下降流が直接衝突し、液膜８から水滴９ａを巻き上げることや、液膜８内に蒸気が流入することを抑制することができる。
【００５３】
このように本実施形態によれば、分離バレル２の水面４近傍に漏斗状の液膜案内板１０を設置し、この液膜案内板１０の開口部を覆うように衝突板３を設置したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、水面４下へのキャリーアンダーの低減を図るとともに、キャリーオーバーの増加を抑制することができる。
【００５４】
（第５実施形態）
図９は本発明に係る気水分離器の第５実施形態を示す立断面図である。図１０は図９のX−X線における平断面図である。
【００５５】
本実施形態は、図９および図１０に示すように前記第１実施形態の構成に加え、内筒バレル１下端に漏斗状に形成された拡大管１１が例えば溶接により固定されている。すなわち、拡大管１１は、第３の流路１ａにおいて蒸気の上昇する方向に、第３の流路１ａが次第に拡径するように形成されている。
【００５６】
したがって、本実施形態では、第２の流路２ａを通過した蒸気が衝突板３に衝突することなく内筒バレル１内の第３の流路１ａに直接バイパスすることを抑制することができる。また、衝突板３に衝突してから上昇してくる蒸気に随伴した微小水滴を拡大管１１の外周面に衝突させて膜状化させ、粗大水滴になり易くすることができる。その粗大水滴は、水面に落下する。
【００５７】
このように本実施形態によれば、内筒バレル１下端に漏斗状に形成された拡大管１１を固定したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、さらにキャリーオーバーの低減を図ることができる。
【００５８】
なお、本実施形態では、拡大管１１を第３の流路１ａに向かって、図９において直線的なテーパ状に拡径するように形成したが、これに限定することなく、拡大管１１を図９において円弧状に示されるように形成しても、同様の効果が得られる。
【００５９】
（第６実施形態）
図１１は本発明に係る気水分離器の第６実施形態を示す立断面図である。図１２は図１１のXＩＩ−XＩＩ線における平断面図である。
【００６０】
本実施形態は、図１１および図１２に示すように前記第１実施形態の構成に加え、内筒バレル１の内側に第３の流路１ａを横断するように多孔部材としての衝突網１２が取り付けられている。この衝突網１２の目の細かさは、蒸気に随伴して上昇してくる微小水滴を最も多く捕える大きさと、圧力損失との関係に基づいて適宜選定される。
【００６１】
したがって、本実施形態では、衝突板３に衝突してから上昇してくる蒸気に随伴した微小水滴を衝突網１２に衝突させて粗大化させることができる。このようにして粗大化した水滴は、重力落下し易くなるので、蒸気によって上方に搬送される微小水滴量を低減させることができる。
【００６２】
なお、本実施形態の衝突網１２は、蒸気を通過させる多孔体であれば同様の効果が得られる。
【００６３】
このように本実施形態によれば、内筒バレル１下端に衝突網１２を取り付けたことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、キャリーオーバーを一段と低減させることが可能となる。
【００６４】
（第７実施形態）
図１３は本発明に係る気水分離器の第７実施形態を示す立断面図である。図１４は図１３のXＩＶ−XＩＶ線における平断面図である。
【００６５】
本実施形態は、図１３および図１４に示すように第２の流路２ａから旋回羽根６をなくしている。すなわち、本実施形態は、第２の流路２ａが上方から下方に向かって流路が次第に狭くなるように、内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられている。
【００６６】
また、本実施形態は、分離バレル２の内周側における水面４の近傍に漏斗状に形成された液膜案内板１０が設置されている。この液膜案内板１０は、外周縁が分離バレル２の内周面に溶接により固定されている。
【００６７】
したがって、本実施形態では、図１３に示すように内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられ、第２の流路２ａが上方から下方に向かって流路が次第に狭くなっているので、二相流が外周方向に流れて分離バレル２の内周面に向けて噴出される。すると、この二相流は分離バレル２の内周面に衝突することによって水滴９が分離バレル２の内周面に集まり易くなる。この集まった粗大水滴や液膜は、分離バレル２の内周面に沿って流れる。
【００６８】
そして、分離バレル２の水面４近傍には、漏斗状の液膜案内板１０が設置されており、この分離バレル２を下降した粗大水滴や液膜は液膜案内板１０に沿って水面４に導かれる。一方、第２の流路２ａを下降した蒸気は、液膜案内板１０に衝突してから気水分離器中央の内筒バレル１内における第３の流路１ａを上昇する。
【００６９】
本実施形態では、分離バレル２の内周面に形成された液膜が直接水面４に流れ込むことなく、液膜案内板１０に沿って流れ込むので、水面４下への気泡の巻き込みを抑制することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられていることにより、旋回羽根６を設置することなく、分離バレル２の内周面に水滴９を集めることができるので、構造を一段と簡素化させることができる。
【００７１】
このように本実施形態によれば、内筒バレル１が上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられているので、前記第１実施形態の効果に加えて、さらなる構造の簡素化が図ることができる。
【００７２】
（第８実施形態）
図１５は本発明に係る気水分離器の第８実施形態を示す立断面図である。図１６は図１５のXＶＩ−XＶＩ線における平断面図である。
【００７３】
本実施形態は、図１５および図１６に示すように前記第１実施形態において、第２の流路２ａと第３の流路１ａが連通する連通孔１ｂを内筒バレル１の周方向に一定間隔をおいて数箇所（本実施形態では４箇所）設け、これらの連通孔１ｂに鉛直下方に延びるドレン管１３がそれぞれ接続されている。
【００７４】
したがって、本実施形態では、環状のスタンドパイプ７を上昇した二相流がスタンドパイプ７の上端で折り返す際に遠心力によって折り返し流路５ａの内周側、つまり内筒バレル１の外周面に水滴９が集まる。これらの水滴９は、第２の流路２ａの内径側に多く集まるため、その水を連通孔１ｂおよびドレン管１３を通じて衝突板３近傍に排出する。すなわち、ドレン管１３は、水を第３の流路１ａに対して離間する側に誘導する。
【００７５】
このように本実施形態によれば、第２の流路２ａと第３の流路１ａを連通する連通孔１ｂを形成し、この連通孔１ｂに流入した水を水面４に誘導するためのドレン管１３を設置したことにより、前記第１実施形態の効果に加えて、折り返し流路５ａでの遠心分離効果が加わるので、旋回羽根６を通過する水分量を低減させることができ、さらにクオリティに対するロバスト性を向上させることが可能となる。
【００７６】
なお、本実施形態では、内筒バレル１に連通孔１ｂを４箇所設け、これらの連通孔１ｂにそれぞれドレン管１３を接続するようにしたが、これに限らず連通孔１ｂをそれ以上設け、一つのドレン管１３の開口部を広く形成し、複数の連通孔１ｂと接続するようにしてもよい。加えて、各連通孔１ｂの水入口側を出口側に比べて広く形成するようにしてもよい。
【００７７】
（第９実施形態）
図１７は本発明に係る気水分離器の第９実施形態を示す立断面図である。図１８は図１７のXＶＩＩＩ−XＶＩＩＩ線における平断面図である。
【００７８】
本実施形態は、前記第８実施形態において、内筒バレル１に設けた第２の流路２ａに連通する連通孔１ｂの上下方向位置に周方向に連続するドレンポケット１４が設置されている。
【００７９】
したがって、本実施形態では、環状のスタンドパイプ７を上昇した二相流がスタンドパイプ上端で折り返す際に遠心力によって折り返し流路５ａの内周側に水滴９が集まるので、その水滴９をドレンポケット１４に捕獲することができる。このドレンポケットで捕獲された水は連通孔１ｂおよびドレン管１３を通じて衝突板３近傍に排出される。
【００８０】
このように本実施形態よれば、第２の流路２ａの水を集めるためのドレンポケット１４と、このドレンポケット１４で集めた水を、第２の流路２ａと第３の流路１ａを連通する連通孔１ｂを通して第３の流路１ａに対して離間する側の水に誘導するためのドレン管１３とを備えることにより、旋回羽根６を通過する水分量を一段と低減させることができ、さらにクオリティに対するロバスト性を向上させることが可能となる。
【００８１】
なお、本実施形態では、ドレンポケット１４が内筒バレル１と平行に上方の延びるように形成したが、これに限らず内筒バレル１に対して外周側に拡がるように形成してもよい。このようにドレンポケット１４を形成することにより、水滴９の捕獲効果を高めることが可能となる。
【００８２】
さらに、以上のように本発明の各実施形態を説明したが、これらの実施形態は、単なる例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。
【００８３】
例えば、ドレン管１３は、衝突板３や液膜案内板１０を貫通または迂回してその下方まで延びるようにしても、あるいは直接スタンドパイプ７の外部へ排出するような構成としてもよい。そして、内筒バレル１、分離バレル２およびスタンドパイプ７は、円筒形として説明したが、これに限らず多角形などに形成してもよい。
【００８４】
また、上述した各実施形態において、第５実施形態から第９実施形態をそれぞれ基本構成とし、これらの各実施形態に第１実施形態から第４実施形態の衝突板３や液膜案内板１０を適宜組み合せることも可能である。
【００８５】
これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８６】
１…内筒バレル（第２のバレル）
１ａ…第３の流路
１ｂ…連通孔
２…分離バレル（第１のバレル）
２ａ…第２の流路
３，３０…衝突板
４…水面
５…上面板
６…旋回羽根
７…スタンドパイプ
７ａ…第１の流路
８…液膜
９…水滴
９ａ…水滴
１０…液膜案内板
１１…拡大管
１２…衝突網（多孔部材）
１３…ドレン管
１４…ドレンポケット
１５…原子炉圧力容器
１６…炉心
２１…気水分離器
２８…連通管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気中の水を分離する気水分離器であって、
前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、
前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、
前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、
前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
筒状のスタンドパイプと、
前記スタンドパイプの内周側に配置された第１のバレルと、
前記第１のバレルの内周側に配置された第２のバレルと、を備え、
前記第１の流路は、前記スタンドパイプと前記第１のバレルとの間に形成され、
前記第２の流路は、前記第１のバレルと前記第２のバレルとの間に形成され、
前記第３の流路は、前記第２のバレルの内周側に形成され、
さらに前記スタンドパイプと前記第２のバレルを結合して前記第１の流路および前記第２の流路上方を閉塞する上面板を有することを特徴とする請求項１に記載の気水分離器。
【請求項３】
前記第２のバレルの下方に、前記第２の流路を通過して下降した蒸気が衝突する衝突板を設置したことを特徴とする請求項２に記載の気水分離器。
【請求項４】
前記衝突板は、上方向に凸の曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
【請求項５】
前記第１のバレルの内面に、前記第２の流路を通過して前記第１のバレルの内周面に形成された液膜を前記第１バレルの径方向内側に誘導するための案内板を設置したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項６】
前記第２の流路に旋回羽根が設置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項７】
前記第２のバレルの下端に、前記第３の流路において前記蒸気の上昇する方向に、前記第３の流路が次第に拡径する拡大管を固定したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項８】
前記第２のバレルの内側に、前記第３の流路を横断するように設けられた多孔部材を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項９】
前記第２のバレルが上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられて前記第２の流路が下方に向かって狭く形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の気水分離器。
【請求項１０】
前記第２の流路と前記第３の流路を連通する連通孔と、この連通孔に流入した水を前記第３の流路に対して離間する側に誘導するドレン管を設置したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項１１】
前記第１のバレルの外周面に設けられたドレンポケットを有し、前記ドレンポケットに捕捉された水が前記連通孔に流入するよう構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の気水分離器。
【請求項１２】
原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気を分離する気水分離方法であって、
外周側から内周側に第１の流路、第２の流路および第３の流路が順次形成され、
前記蒸気が前記第１の流路に流入して上昇する第１蒸気上昇ステップと、
前記第１蒸気上昇ステップの後に、前記第１の流路を通過した蒸気が前記第２の流路を下降する蒸気下降ステップと、
前記蒸気下降ステップの後に、前記第２の流路を通過した蒸気が前記第３の流路を上昇させる第２蒸気上昇ステップと、
を有することを特徴とする気水分離方法。
【請求項１３】
炉心の熱によって発生した蒸気中の水を気水分離器により分離する原子炉であって、
前記気水分離器は、
前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、
前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、
前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、
前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする原子炉。
【請求項１】
原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気中の水を分離する気水分離器であって、
前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、
前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、
前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、
前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
筒状のスタンドパイプと、
前記スタンドパイプの内周側に配置された第１のバレルと、
前記第１のバレルの内周側に配置された第２のバレルと、を備え、
前記第１の流路は、前記スタンドパイプと前記第１のバレルとの間に形成され、
前記第２の流路は、前記第１のバレルと前記第２のバレルとの間に形成され、
前記第３の流路は、前記第２のバレルの内周側に形成され、
さらに前記スタンドパイプと前記第２のバレルを結合して前記第１の流路および前記第２の流路上方を閉塞する上面板を有することを特徴とする請求項１に記載の気水分離器。
【請求項３】
前記第２のバレルの下方に、前記第２の流路を通過して下降した蒸気が衝突する衝突板を設置したことを特徴とする請求項２に記載の気水分離器。
【請求項４】
前記衝突板は、上方向に凸の曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
【請求項５】
前記第１のバレルの内面に、前記第２の流路を通過して前記第１のバレルの内周面に形成された液膜を前記第１バレルの径方向内側に誘導するための案内板を設置したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項６】
前記第２の流路に旋回羽根が設置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項７】
前記第２のバレルの下端に、前記第３の流路において前記蒸気の上昇する方向に、前記第３の流路が次第に拡径する拡大管を固定したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項８】
前記第２のバレルの内側に、前記第３の流路を横断するように設けられた多孔部材を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項９】
前記第２のバレルが上方から下方に向かって外周方向に傾斜するように取り付けられて前記第２の流路が下方に向かって狭く形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の気水分離器。
【請求項１０】
前記第２の流路と前記第３の流路を連通する連通孔と、この連通孔に流入した水を前記第３の流路に対して離間する側に誘導するドレン管を設置したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の気水分離器。
【請求項１１】
前記第１のバレルの外周面に設けられたドレンポケットを有し、前記ドレンポケットに捕捉された水が前記連通孔に流入するよう構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の気水分離器。
【請求項１２】
原子炉の炉心の熱によって発生した蒸気を分離する気水分離方法であって、
外周側から内周側に第１の流路、第２の流路および第３の流路が順次形成され、
前記蒸気が前記第１の流路に流入して上昇する第１蒸気上昇ステップと、
前記第１蒸気上昇ステップの後に、前記第１の流路を通過した蒸気が前記第２の流路を下降する蒸気下降ステップと、
前記蒸気下降ステップの後に、前記第２の流路を通過した蒸気が前記第３の流路を上昇させる第２蒸気上昇ステップと、
を有することを特徴とする気水分離方法。
【請求項１３】
炉心の熱によって発生した蒸気中の水を気水分離器により分離する原子炉であって、
前記気水分離器は、
前記蒸気が流入して上昇する第１の流路と、
前記第１の流路と連通し、前記第１の流路を通過した蒸気が下降する第２の流路と、
前記第２の流路と連通し、前記第２の流路を通過した蒸気が上昇する第３の流路と、を備え、
前記第１の流路、前記第２の流路および前記第３の流路は、外周側から内周側に順次形成されていることを特徴とする原子炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−３７３１９（Ｐ２０１２−３７３１９Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６２４２（Ｐ２０１０−１７６２４２）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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