(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端壁面部に複数の開口部を有して水と蒸気の２相流が上昇する気水上昇管と、該気水上昇管の内部に設けられた旋回羽根と、前記気水上昇管を囲んで設けられて環状のダウンカマー空間を画成する降水胴と、前記気水上昇管及び前記降水胴の上端に所定の空間をもって対向して配設されると共に前記気水上昇管の上方にオリフィスを有するデッキプレートとを具えた気水分離器において、
前記気水上昇管に設けられた前記複数の開口部の開口率が３０〜７０％に設定され、
前記気水上昇管に設けられた開口部は、上下方向に沿って並設された複数の水平なスリットであり、該スリットの高さが前記気水上昇管の厚さの０．５〜２倍に設定されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
請求項１に記載の気水分離器において、前記気水上昇管に設けられた前記開口部と前記旋回羽根との距離が該気水上昇管の内径の１〜２．５倍に設定されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の気水分離器において、前記降水胴の上端壁面部に蒸気の旋回流を排出するガイド部が周方向均等間隔で２個設けられ、前記開口部は前記気水上昇管の周方向に均等間隔で４個設けられ、該４個の開口部のうちの２個の開口部が前記ガイド部に対向して設けられたことを特徴とする気水分離器。
【請求項４】
請求項３に記載の気水分離器において、前記デッキプレートに前記ガイド部から排出される蒸気の旋回流の下流側に位置してベントが設けられたことを特徴とする気水分離器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の気水分離器において、前記旋回羽根のねじれ角度が１５〜３０度に設定されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一つに記載の気水分離器において、前記気水上昇管の内径に対する前記オリフィスの内径の比率が０．７〜０．９に設定されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の気水分離器において、前記気水上昇管の内径に対する前記気水上昇管と前記デッキプレートとの空間高さの比率が０．０５〜０．３に設定されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一つに記載の気水分離器において、前記オリフィスにおける前記デッキプレートからの上突出高さと下突出高さとの比率が２：１〜４：１に設定されると共に、前記上突出高さと前記オリフィスの内径の比率が１：２〜１：３に設定されたことを特徴とする気水分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体と液体の２相流を気液に分離する気水分離器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電するものである。そして、この加圧水型原子炉は、高温高圧の一次冷却水の熱を蒸気発生器を介して二次冷却水に伝え、二次冷却水で水蒸気を発生させるものである。この蒸気発生器は、多数の細い伝熱管の内側を一次冷却水が流れ、外側を流れる二次冷却水に熱を伝えて水蒸気を生成し、この水蒸気によりタービンを回して発電している。
【０００３】
この蒸気発生器は、中空密閉形状をなす胴部内に、その内壁面と所定間隔をもって管群外筒を配設すると共に、この管群外筒内に逆Ｕ字形状をなす複数の伝熱管を配設し、各伝熱管の端部を管板に支持すると共に、中間部を管板から延びるステーロッドにより支持された複数の管支持板により支持して構成され、上部に気水分離器と湿分分離器が配設されている。
【０００４】
従って、胴部の下部に形成された水室を通して複数の伝熱管に一次冷却水が供給される一方、胴部の上部に形成された給水管からこの胴部内に二次冷却水が供給されると、複数の伝熱管内を流れる一次冷却水（熱水）と胴部内を循環する二次冷却水（冷水）との間で熱交換を行われることで、二次冷却水が熱を吸収して水蒸気が生成され、この水蒸気が上昇するときに、気水分離器及び湿分分離器により水と蒸気に分離され、蒸気が胴部の上端部から排出される一方、水は下方に落下する。
【０００５】
従来の気水分離器は、水蒸気が上昇する複数のライザと、このライザの内部に設けられたスワールベーンと、ライザの外側に位置してダウンカマー空間を画成するダウンカマバレルと、ライザ及びダウンカマバレルの上端に所定の空間をもって対向して配設されてオリフィスやベントを有するデッキプレートとから構成されている。
【０００６】
従って、蒸気発生器で生成された蒸気と水の２相流は、各ライザの下端部から導入されて上方に移動し、スワールベーンにより旋回上昇させられ、水はライザの内壁面に付着して液膜流となりながら上昇し、蒸気はライザの上方で旋回しながら上昇する。そして、この蒸気は、主としてオリフィスとベントを通ってデッキプレートの上方へ移送される一方、水はライザの上端部とデッキプレートとの隙間からこのライザの外方に抜け、ダウンカマバレルに流入して流下することとなり、デッキプレートの上へは蒸気のみが流出することとなる。
【０００７】
なお、このような気水分離器としては、下記特許文献１、２に記載されたものがある。
【０００８】
ところが、このような従来の気水分離器では、ライザの上端部よりダウンカマバレルへ流出した水の大部分は、このダウンカマバレル内を下降するが、一部の水はダウンカマバレルの上部からその外側に抜け出してしまい、ダウンカマバレルの外側を上昇している蒸気に同伴されて、ベントからデッキプレートの上に流出することとなり、気水分離性能が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、下記特許文献３に記載された気水分離器では、ライザの内部に水と蒸気の混合体を旋回上昇させる旋回羽根を設けると共に、ライザの上部開口部より下側で旋回羽根より上側にスリットを設けることで、旋回羽根により混合体をライザの内部を旋回上昇させながら、水を主成分とする第２混合体と、蒸気を主成分とする第３混合体とに分離し、第２混合体を旋回上昇させてスリット高さにまで達した場合に、このスリットを介してダウンカマバレルへ排出するようにしている。
【００１０】
【特許文献１】特開昭４９−０６４９７２号公報
【特許文献２】特開平０５−３４６４８３号公報
【特許文献３】特開２００１−０７９３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、上述した特許文献３に記載された気水分離器にあっては、ライザの上端部にスリットを設け、水を主成分とする第２混合体をスリットを通してダウンカマバレルへ排出することで、水がダウンカマバレルの上部からその外側に流れ出すキャリーアンダー現象をあの程度抑制することができるものの、確実に防止することは困難である。
【００１２】
本発明は上述した課題を解決するものであり、蒸気と水を適正に分離してこの分離した蒸気を確実にオリフィスから上方に排出する一方、分離した水をダウンカマー空間を通して確実に降下可能とすることで、気水分離性能の向上を図った気水分離器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】
【００１３】
上記の目的を達成するための請求項１の発明の気水分離器は、上端壁面部に複数の開口部を有して水と蒸気の２相流が上昇する気水上昇管と、該気水上昇管の内部に設けられた旋回羽根と、前記気水上昇管を囲んで設けられて環状のダウンカマー空間を画成する降水胴と、前記気水上昇管及び前記降水胴の上端に所定の空間をもって対向して配設されると共に前記気水上昇管の上方にオリフィスを有するデッキプレートとを具えた気水分離器において、前記気水上昇管に設けられた前記複数の開口部の開口率が３０〜７０％に設定され、前記気水上昇管に設けられた開口部は、上下方向に沿って並設された複数の水平なスリットであり、該スリットの高さが前記気水上昇管の厚さの０．５〜２倍に設定されたことを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明の気水分離器では、前記気水上昇管に設けられた前記開口部と前記旋回羽根との距離が該気水上昇管の内径の１〜２．５倍に設定されたことを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明の気水分離器では、前記降水胴の上端壁面部に蒸気の旋回流を排出するガイド部が周方向均等間隔で２個設けられ、前記開口部は前記気水上昇管の周方向に均等間隔で４個設けられ、該４個の開口部のうちの２個の開口部が前記ガイド部に対向して設けられたことを特徴としている。
【００１７】
請求項４の発明の気水分離器では、前記デッキプレートに前記ガイド部から排出される蒸気の旋回流の下流側に位置してベントが設けられたことを特徴としている。
【００１８】
請求項５の発明の気水分離器では、前記旋回羽根のねじれ角度が１５〜３０度に設定されたことを特徴としている。
【００１９】
請求項６の発明の気水分離器では、前記気水上昇管の内径に対する前記オリフィスの内径の比率が０．７〜０．９に設定されたことを特徴としている。
【００２０】
請求項７の発明の気水分離器では、前記気水上昇管の内径に対する前記気水上昇管と前記デッキプレートとの空間高さの比率が０．０５〜０．３に設定されたことを特徴としている。
【００２１】
請求項８の発明の気水分離器では、前記オリフィスにおける前記デッキプレートからの上突出高さと下突出高さとの比率が２：１〜４：１に設定されると共に、前記上突出高さと前記オリフィスの内径の比率が１：２〜１：３に設定されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明の気水分離器によれば、上端壁面部に複数の開口部を有して水と蒸気の２相流が上昇する気水上昇管を設け、この気水上昇管の内部に旋回羽根を設け、気水上昇管を囲んで環状のダウンカマー空間を画成する降水胴を設けると共に、気水上昇管及び降水胴の上端に所定の空間をもって対向して気水上昇管の上方にオリフィスを有するデッキプレートを設け、気水上昇管に設けられた複数の開口部の開口率を３０〜７０％に設定したので、水と蒸気の２相流は、気水上昇管の下端部から導入されて上方に移動し、旋回羽根により旋回上昇させられ、水は気水上昇管の内面に付着して液膜流となりながら上昇するが、気水上昇管の上端壁面部に設けられた複数の開口部の開口率が３０〜７０％に設定されているため、水がオリフィスからキャリーオーバーすることなく、また、降水胴の外側へキャリーアンダーすることなく、降水胴のダウンカマー空間に適正に流入して流下する一方、蒸気は気水上昇管の上方で旋回しながら上昇するが、水分を巻き込むことなくオリフィスを通って適正にデッキプレートの上方へ排出されることとなり、その結果、気水分離性能を向上することができる。
【００２３】
また、請求項１の発明の気水分離器によれば、気水上昇管に設けられた開口部を上下方向に沿って並設された複数の水平なスリットとし、このスリットの高さを気水上昇管の厚さの０．５〜２倍に設定したので、スリットへの蒸気の流入を防止することができると共に、水だけをこのスリットから適正にダウンカマー空間に流入することができる。
【００２４】
請求項２の発明の気水分離器によれば、気水上昇管に設けられた開口部と旋回羽根との距離を気水上昇管の内径の１〜２．５倍に設定したので、水と蒸気の２相流は、旋回羽根により旋回上昇させられることで、適正に水と蒸気に分離されてから、水はダウンカマー空間に適正に流入し、蒸気はオリフィスを通って適正に排出されることとなり、気水分離性能を向上することができる。
【００２５】
請求項３の発明の気水分離器によれば、降水胴の上端壁面部に蒸気の旋回流を排出するガイド部を周方向均等間隔で２個設け、開口部を気水上昇管の周方向に均等間隔で４個設け、この４個の開口部のうちの２個の開口部をガイド部に対向して設けたので、旋回羽根により旋回上昇させられることで分離された水はスリットを通り、蒸気と共にガイド部により降水胴の外側へ流れることとなり、水と蒸気を適正に分離したままで処理することができる。
【００２６】
請求項４の発明の気水分離器によれば、デッキプレートにガイド部から排出される蒸気の旋回流の下流側に位置してベントを設けたので、ガイド部を通って降水胴の外側へ排出された蒸気は、ベントから適正にデッキプレートの上方に排出することができる。
【００２７】
請求項５の発明の気水分離器によれば、旋回羽根のねじれ角度を１５〜３０度に設定したので、旋回羽根により２相流に対して適正な旋回力を付与することで、水と蒸気とに確実に分離することができる。
【００２８】
請求項６の発明の気水分離器によれば、気水上昇管の内径に対するオリフィスの内径の比率を０．７〜０．９に設定したので、分離した水がオリフィスからキャリーオーバーすることなく、蒸気だけを適正にオリフィスを通してデッキプレートの上方へ排出することができる。
【００２９】
請求項７の発明の気水分離器によれば、気水上昇管の内径に対する気水上昇管とデッキプレートとの空間高さの比率を０．０５〜０．３に設定したので、分離した水がオリフィスからキャリーオーバーすることなく、また、空間からの蒸気の排出を抑制し、水を適正にダウンカマー空間に流入させることができる。
【００３０】
請求項８の発明の気水分離器によれば、オリフィスにおけるデッキプレートからの上突出高さと下突出高さとの比率を２：１〜４：１に設定すると共に、上突出高さとオリフィスの内径の比率を１：２〜１：３に設定したので、分離した水のオリフィスからのキャリーオーバーを防止することができると共に、降水胴の外側へのキャリーアンダーを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る気水分離器の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００３２】
図１は、本発明の一実施例に係る気水分離器を表す要部概略図、図２は、本実施例の気水分離器を表す一部切欠斜視図、図３は、本実施例の気水分離器の平面図、図４は、ライザに設けられたスリットの概略図、図５は、ライザの設けられたガイド部の概略図、図６は、ガイド部の平面図、図７は、本実施例の気水分離器の上部断面図、図８−１及び図８−２は、スワールベーンの概略図、図９は、スリット開口率に対するキャリーアンダー流量を表すグラフ、図１０は、スリット高さと厚さの比率に対する湿り度及びキャリーアンダー流量を表すグラフ、図１１は、スリットとスワールベーンとの距離に対する湿り度を表すグラフ、図１２は、スワールベーン角度に対する湿り度及び抵抗を表すグラフ、図１３は、本実施例の気水分離器を有する蒸気発生器が適用された加圧水型原子炉を有する発電設備の概略構成図、図１４は、本実施例の気水分離器を有する蒸気発生器を表す概略構成図である。
【００３３】
本実施例の原子炉は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気をタービン発電機へ送って発電する加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）である。
【００３４】
即ち、この加圧水型原子炉を有する発電設備において、図９に示すように、原子炉格納容器１１内には、加圧水型原子炉１２及び蒸気発生器１３が格納されており、この加圧水型原子炉１２と蒸気発生器１３とは冷却水配管１４，１５を介して連結されており、冷却水配管１４に加圧器１６が設けられ、冷却水配管１５に冷却水ポンプ１７が設けられている。この場合、減速材及び一次冷却水としてとして軽水を用い、炉心部における一次冷却水の沸騰を抑制するために、一次冷却系統は加圧器１６により１５０〜１６０気圧程度の高い圧力をかけている。従って、加圧水型原子炉１２にて、燃料として低濃縮ウランまたはＭＯＸにより一次冷却水として軽水が加熱され、高温の軽水が加圧器１６により所定の高圧に維持した状態で冷却水配管１４を通して蒸気発生器１３に送られる。この蒸気発生器１３では、高圧高温の軽水と二次冷却水としての水との間で熱交換が行われ、冷やされた軽水は冷却水配管１５を通して加圧水型原子炉１２に戻される。
【００３５】
蒸気発生器１３は、原子炉格納容器１１の外部に設けられたタービン１８及び復水器１９と冷却水配管２０，２１を介して連結されており、冷却水配管２１に給水ポンプ２２が設けられている。また、タービン１８には発電機２３が接続され、復水器１９には冷却水（例えば、海水）を給排する供給管２４及び配水管２５が連結されている。従って、蒸気発生器１３にて、高圧高温の軽水と熱交換を行って生成された蒸気は、冷却水配管２０を通してタービン１８に送られ、この蒸気によりタービン１８を駆動して発電機２３により発電を行う。タービン１８を駆動した蒸気は、復水器１９で冷却された後、冷却水配管２１を通して蒸気発生器１３に戻される。
【００３６】
加圧水型原子炉を有する発電設備における蒸気発生器１３おいて、図１０に示すように、胴部３１は、密閉された中空円筒形状をなし、上部に対して下部が若干小径となっている。この胴部３１内には、この胴部３１の内壁面と所定間隔をもって円筒形状をなす管群外筒３２が配設され、下端部が管板３３の近傍まで延設されている。そして、この管群外筒３２は、長手方向における所定間隔離間した位置で、且つ、周方向における所定間隔離間した位置で、複数の支持部材３４により胴部３１に位置決め支持されている。
【００３７】
また、管群外筒３２内には、支持部材３４に対応した高さ位置に複数の管支持板３５が配設されており、管板３３から上方に延設された複数のステーロッド３６によりにより支持されている。そして、この管群外筒３２内には、逆Ｕ字形状をなす複数の伝熱管３７からなる伝熱管群３８が配設されており、各伝熱管３７の端部は管板３３に拡管して支持されると共に、中間部が複数の管支持板３５により支持されている。この場合、管支持板３５には多数の貫通孔（図示略）が形成されており、各伝熱管３７がこの貫通孔内に非接触状態で貫通している。
【００３８】
胴部３１の下端部には、水室３９が固定されており、内部が隔壁４０により入室４１及び出室４２により区画されると共に、入口ノズル４３及び出口ノズル４４が形成され、各伝熱管３７の一端部が入室４１に連通し、他端部が出室４２に連通している。なお、この入口ノズル４３には上述した冷却水配管１４が連結される一方、出口ノズル４４には冷却水配管１５が連結されている。
【００３９】
胴部３１の上部には、給水を蒸気と熱水とに分離する気水分離器４５と、この分離された蒸気の湿分を除去して乾き蒸気に近い状態とする湿分分離器４６が設けられている。また、胴部３１にて、伝熱管群３８と気水分離器４５との間には、胴部３１内に二次冷却水の給水を行う給水管４７が挿入される一方、天井部には蒸気排出口４８が形成されている。そして、胴部３１内には、給水管４７からこの胴部３１内に給水された二次冷却水を、胴部３１と管群外筒３２との間を流下して管板３３にて上方に循環し、伝熱管群３８内を上昇するときに各伝熱管３７内を流れる熱水（一次冷却水）との間で熱交換を行う給水路４９が設けられている。なお、給水管４７には上述した冷却水配管２１が連結される一方、蒸気排出口４８には冷却水配管２０が連結されている。
【００４０】
従って、加圧水型原子炉１２で加熱された一次冷却水が冷却水配管１４を通して蒸気発生器１３の入室４１に送られ、多数の伝熱管４７内を通って循環して出室４２に至る。一方、復水器１９で冷却された二次冷却水が冷却水配管２１を通して蒸気発生器１３の給水管４７に送られ、胴部３１内の給水路４９を通って伝熱管４７内を流れる熱水（一次冷却水）と熱交換を行う。即ち、胴部３１内で、高圧高温の一次冷却水と二次冷却水との間で熱交換が行われ、冷やされた一次冷却水は出室４２から冷却水配管１５を通して加圧水型原子炉１２に戻される。一方、高圧高温の一次冷却水と熱交換を行った二次冷却水は、胴部３１内を上昇し、気水分離器４５で蒸気と熱水とに分離され、湿分分離器４６でこの蒸気の湿分を除去してから、冷却水配管２０を通してタービン１８に送られる。
【００４１】
このように構成された蒸気発生器１３の気水分離器４５にて、図１乃至図３に示すように、気水上昇管としてのライザ５１は円筒形状をなし、下方から蒸気と熱水の２相流が導入可能となっている。このライザ５１内には、旋回羽根としてのスワールベーン５２が設けられており、２相流に対して旋回力を付与することができる。そして、ライザ５１における外側には、このライザ５１を取り囲むように降水胴としてのダウンカマバレル５３が設けられることで、ライザ５１とダウンカマバレル５３との間に環状のダウンカマー空間５４が画成されている。
【００４２】
また、ライザ５１及びダウンカマバレル５３の上方には、所定の空間をもってデッキプレート５５が配設されており、このデッキプレート５５には、ライザ５１の上方に対向してオリフィス５６が形成されると共に、このオリフィス５６に外周側に隣接して２つのベント５７が形成されている。
【００４３】
そして、図１乃至図４に示すように、ライザ５１の上端壁面部には、スワールベーン５２の上方に位置して複数の開口部としての複数のスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄが設けられている。この各スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄは、周方向に均等間隔で所定の角度αの範囲にわたって形成されており、それぞれライザ５１の上下方向に沿って複数並設されている。従って、２相流から分離された水の液膜がライザ５１の上端部まで上昇したとき、水はこのスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄを通してライザ５１とダウンカマバレル５３とで画成されたダウンカマー空間５４に流入することとなる。
【００４４】
また、ダウンカマバレル５３の上端壁面部には、蒸気の旋回流を排出するガイド部５９が周方向に均等間隔で２個設けられている。このガイド部５９は、図３、図５乃至図７に示すように、ダウンカマバレル５３の上端壁面部の一部に切欠部５９ａが形成されると共に、この切欠部５９ａにダウンカマバレル５３の接線方向に沿った壁面部５９ｂ及び底面部５９ｃが固定されて構成されている。そして、４箇所のスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄのうちの２箇所のスリット５８ａ，５８ｃに対向してガイド部５９が設けられている。更に、２つのガイド部５９から排出される蒸気の旋回流の下流側に位置して上述したベント５７の導入部５７ａが設けられている。
【００４５】
従って、２相流から分離された蒸気の一部は、ライザ５１の上端とデッキプレート５５との空間を通り、２つのガイド部５９にガイドされながらダウンカマバレル５３の外側に移動し、各ベント５７を通ってデッキプレート５５の上方へ排出されることとなり、この蒸気による水の巻き上げが防止される。また、２相流から分離された水の一部は、このガイド部５９にガイドされながらダウンカマバレル５３の外側に移動して降下することとなり、蒸気との分離が促進される。
【００４６】
更に、スワールベーン５２は、図８−１に示すように、複数枚（本実施例では、８枚）の羽根５２ａがリング状に配設されて構成され、各羽根５２ａの外周部がライザ５１の内周面に固定されており、ハブを省略した構成となっている。従って、ライザ５１内を下方から上昇する２相流に対して旋回力を付与することができる。なお、図８−２に示すように、ハブ６０ａの周囲に複数枚の羽根６０ｂをリング状に配設してスワールベーン６０を構成してもよい。
【００４７】
また、図１に示すように、ライザ５１の下部には、ダウンカマバレル５３側に水平に突出してキャリーアンダーを抑制するドーナッツ形状をなす抑制板６１が固定されている。従って、２相流から分離された水がライザ５１の上端部まで上昇したとき、この水はライザ５１からダウンカマー空間５４に流入することとなり、このとき、抑制板６１によりウンカマバレル５３の外側へキャリーアンダーが抑制される。
【００４８】
そして、本実施例の気水分離器では、２相流を水と蒸気に適正に分離できるように、形状の最適化を図っている。
【００４９】
まず、図１に示すように、ライザ５１に設けられたスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率が３０〜７０％に設定されており、約５０％に設定することが望ましい。即ち、ライザ５１におけるスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄが形成された領域ｈ1の面積に対するスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率が３０〜７０％となっている。この場合、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率が３０％より低いと、ライザ５１の内周面に沿って上昇した液膜をスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄを通して適正にダウンカマー空間５４に流し込むことができず、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率が７０％を超えると、分離した蒸気がスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄからダウンカマー空間５４に排出されてしまう。即ち、図９に示すように、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率を３０〜７０％に設定することで、キャリーアンダー流量（ここでは、ダウンカマー空間５４への降下流量）を適正量Ｑ1〜Ｑ2に維持することができ、オリフィス５６の上方へのキャリーオーバーと、カウンカマバレル５３の外側へのキャリーアンダーを抑制することができる。
【００５０】
次に、ライザ５１に設けられたスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄにて、その高さｈｇがライザ５１の板厚δの０．５〜２倍に設定されており、約１倍に設定することが望ましい。この場合、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの高さｈｇがライザ５１の板厚δの０．５倍より低いと、ライザ５１の内周面に沿って上昇した液膜がスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄから排出されにくくなり、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの高さｈｇがライザ５１の板厚δの２倍より高いと、分離した蒸気がスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄからダウンカマー空間５４に排出されてしまう。即ち、図１０に示すように、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの高さｈｇをライザ５１の板厚δの０．５〜２倍に設定することで、オリフィス５６から排出される蒸気の湿り度を適正値ｄ1〜ｄ2に維持することができると共に、キャリーアンダー流量を適正量Ｑ1〜Ｑ2に維持することができる。
【００５１】
また、ライザ５１に設けられたスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄとスワールベーン５２との距離ｈ2がライザ５１の内径Ｄｒｉの１〜２．５倍に設定されており、約１．６倍に設定することが望ましい。この場合、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄとスワールベーン５２との距離ｈ2がライザ５１の内径Ｄｒｉの１倍より短いと、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの位置で２相流から蒸気を十分に分離することができず、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄとスワールベーン５２との距離ｈ2がライザ５１の内径Ｄｒｉの２．５倍より長いと、分離した蒸気がスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄからダウンカマー空間５４に排出されてしまう。即ち、図１１に示すように、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄとスワールベーン５２との距離ｈ2をライザ５１の内径Ｄｒｉの１〜２．５倍に設定することで、オリフィス５６から排出される蒸気の湿り度を適正値ｄ以下に維持することができる。
【００５２】
更に、スワールベーン５２のねじれ角度θが１５〜３０度に設定されており、約２０度に設定することが望ましい。この場合、スワールベーン５２のねじれ角度θが１５度より小さいと、スワールが生成されずに２相流を蒸気と水に確実に分離することができず、スワールベーン５２のねじれ角度θが３０度より大きいと、このスワールベーン５２が２相流の抵抗となって圧力損失が発生してしまう。なお、ハブを有するスワールベーン６０の場合には、ねじれ角度θが２０〜３０度に設定されており、約２５度に設定することが望ましい。即ち、図１２に示すように、スワールベーン５２のねじれ角度θを１５〜３０度に設定することで、オリフィス５６から排出される蒸気の湿り度を適正値ｄ1〜ｄ2に維持することができると共に、ライザ５１内を上昇する２相流の抵抗を適正値Ｒ1〜Ｒ2に維持することができる。
【００５３】
また、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するオリフィス５６の内径Ｄｏｉの比率が０．７〜０．９に設定されている。この場合、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するオリフィス５６の内径Ｄｏｉの比率が０．７より小さいと、オリフィス５６における抵抗が大きくなって蒸気をオリフィス５６から適正に排出することができずに分離性能が低下してしまい、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するオリフィス５６の内径Ｄｏｉの比率が０．９より大きいと、オリフィス５６における抵抗がなくなって液膜がオリフィス５６から排出される、所謂、キャリーオーバー現象が発生してしまう。
【００５４】
また、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するこのライザ５１とデッキプレート５５との空間高さｈｒｇの比率が０．０５〜０．３に設定されている。この場合、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するこのライザ５１とデッキプレート５５との空間高さｈｒｇの比率が０．０５より小さいと、ライザ５１とデッキプレート５５との空間における抵抗が大きくなって水をダウンカマー空間５４に適正に排出することができずにダウンカマバレル５３の外側に流出する、所謂、キャリーアンダー現象が発生してしまい、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するこのライザ５１とデッキプレート５５との空間高さｈｒｇの比率が０．３より大きいと、このライザ５１とデッキプレート５５との空間から多くの蒸気が排出されてしまい、分離性能が低下してしまう。
【００５５】
また、オリフィス５６におけるデッキプレート５５からの上突出高さＨｏｒ1と下突出高さＨｏｒ2との比率が２：１〜４：１に設定されると共に、上突出高さ上突出高さＨｏｒ1とオリフィス５６の内径Ｄｒｉの比率が１：２〜１：３に設定されている。この場合、オリフィス５６における上突出高さＨｏｒ1が低かったり、オリフィス５６の内径Ｄｒｉが小さいと、キャリーオーバー現象が発生しやすくなる。
【００５６】
ここで、上述のように構成された本実施例の気水分離器４５の作用について説明する。
【００５７】
蒸気と熱水との２相流は、ライザ５１の下部から導入されて上昇し、スワールベーン５２によって旋回力を受けて上昇し、質量差に応じた旋回半径の違いにより熱水を主成分とする流体と、蒸気を主成分とする流体とに分離される。そして、質量の軽い蒸気を主成分とする流体は、ライザ５１の中心軸付近を中心とした小さな旋回半径でライザ５１内を旋回上昇し、オリフィス５６やベント５７を通してデッキプレート５５の上方へと排出される。一方、質量の重い熱水を主成分とする流体は、蒸気を主成分とする流体よりも大きな旋回半径でライザ５１内を旋回しながら上昇し、ライザ５１とデッキプレート６０との間の空間からダウンカマバレル５３のダウンカマー空間５４に導入され、このダウンカマー空間５４を降下する。
【００５８】
このとき、蒸気と熱水の２相流は、スワールベーン５２によって旋回力を受けることで蒸気と水が分離され、水が液膜としてライザ５１の内面に沿って上昇するが、ライザ５１の上端部にスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄが形成されているため，一部の液膜流がこのスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄから外部に排出されることとなり、オリフィス５６から熱水がキャリーオーバーすることなく、ダウンカマバレル５３のダウンカマー空間５４に適正に流入して流下させることができる一方、蒸気はライザ５１の上方で旋回しながら上昇するが、熱水のキャリーオーバーがないため、水分を巻き込むことなくオリフィス５６を通って適正にデッキプレート５５の上方へ排出させることができる。
【００５９】
また、ライザ５１の上方では、２相流から分離された蒸気の一部がこのライザ５１の上端とデッキプレート５５との空間を通り、ガイド部５９にガイドされながらダウンカマバレル５３の外側に移動し、ベント５７を通ってデッキプレート５５の上方へ排出される。そのため、蒸気を効率良くベント５７に導くこととなり、また、ガイド部５９により水面と隔離されるために蒸気による水の巻き上げが防止され、気水分離性能が促進される。また、２相流から分離された水の一部は、このガイド部５９にガイドされながらダウンカマバレル５３の外側に移動して降下することとなり、蒸気との分離が促進される。
【００６０】
このように本実施例の気水分離器にあっては、ライザ５１の内部にスワールベーン５２を配設し、このライザ５１の外側にダウンカマバレル５３を設けることで環状のダウンカマー空間５４を画成し、ライザ５１及びダウンカマバレル５３の上方に所定の空間をもってデッキプレート５５を配設してオリフィス５６とベント５７を形成し、ライザ５１に設けられた複数のスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率を３０〜７０％に設定している。
【００６１】
従って、水と蒸気の２相流は、ライザ５１の下端部から導入されて上方に移動し、スワールベーン５２により旋回上昇させられ、水はライザ５１の内面に付着して液膜流となりながら上昇するが、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄの開口率が３０〜７０％に設定されているため、水がオリフィス５６からキャリーオーバーすることなく、また、ダウンカマバレル５３の外側へキャリーアンダーすることなく、ダウンカマー空間５４に適正に流入して流下する一方、蒸気はライザ５１の上方で旋回しながら上昇するが、水分を巻き込むことなくオリフィス５６を通って適正にデッキプレート５５の上方へ排出されることとなり、その結果、気水分離性能を向上することができる。
【００６２】
また、本実施例では、ライザ５１に設けられた複数のスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄを上下方向に沿って並設された複数の水平なスリットとし、このスリット高さくきをライザ５１の厚さδの０．５〜２倍に設定しており、スリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄへの蒸気の流入を防止することができると共に、水だけをこのスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄから適正にダウンカマー空間５４に流入することができる。
【００６３】
更に、ライザ５１に設けられた複数のスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄとスワールベーン５２との距離Ｈ2をライザ５１の内径の１〜２．５倍に設定しており、水と蒸気の２相流がスワールベーン５２により旋回上昇させられることで、適正に水と蒸気に分離されてから、水はダウンカマー空間５４に適正に流入し、蒸気はオリフィス５６を通って適正に排出されることとなり、気水分離性能を向上することができる。
【００６４】
また、ダウンカマバレル５３の上端壁面部に蒸気の旋回流を排出するガイド部５９を周方向均等間隔で２箇所に設け、ライザ５１に設けられた４箇所のスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄのうちの２箇所のスリット５８ａ，５８ｃをガイド部５９に対向して設けると共に、このガイド部５９から排出される蒸気の旋回流の下流側に位置してベント５７を設けている。
【００６５】
従って、スワールベーン５２により旋回上昇させられることで分離された水はスリット５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄを通り、蒸気と共にガイド部５９によりダウンカマバレル５３の外側へ流れることとなり、ガイド部５９を通ってダウンカマバレル５３の外側へ排出された蒸気は、ベント５９から適正にデッキプレート５５の上方に排出されることとなり、水と蒸気を適正に分離したままで排出処理することができる。
【００６６】
また、スワールベーン５２のねじれ角度θを１５〜３０度に設定しており、スワールベーン５２により２相流に対して適正な旋回力を付与することで、水と蒸気とに確実に分離することができる。
【００６７】
そして、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するオリフィス５６の内径Ｄｏｉの比率を０．７〜０．９に設定しており、分離した水がオリフィス５６からキャリーオーバーすることなく、蒸気だけを適正にオリフィス５６を通してデッキプレート５５の上方へ排出することができる。
【００６８】
また、ライザ５１の内径Ｄｒｉに対するこのライザ５１とデッキプレート５５との空間高さｈｒｇの比率を０．０５〜０．３に設定しており、分離した水がオリフィス５６からキャリーオーバーすることなく、また、空間からの蒸気の排出を抑制し、水を適正にダウンカマー空間５４に流入させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明に係る気水分離器は、蒸気と水を適正に分離してこの分離した蒸気を確実にオリフィスから上方に排出する一方、分離した水をダウンカマー空間から確実に降下可能とすることで、気水分離性能の向上を図ったものであり、いずれの種類の気水分離器にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施例に係る気水分離器を表す要部概略図である。
【図２】本実施例の気水分離器を表す一部切欠斜視図である。
【図３】本実施例の気水分離器の平面図である。
【図４】ライザに設けられたスリットの概略図である。
【図５】ライザの設けられたガイド部の概略図である。
【図６】ガイド部の平面図である。
【図７】本実施例の気水分離器の上部断面図である。
【図８−１】スワールベーンの概略図である。
【図８−２】スワールベーンの概略図である。
【図９】スリット開口率に対するキャリーアンダー流量を表すグラフである。
【図１０】スリット高さと厚さの比率に対する湿り度及びキャリーアンダー流量を表すグラフである。
【図１１】スリットとスワールベーンとの距離に対する湿り度を表すグラフである。
【図１２】スワールベーン角度に対する湿り度及び抵抗を表すグラフである。
【図１３】本実施例の気水分離器を有する蒸気発生器が適用された加圧水型原子炉を有する発電設備の概略構成図である。
【図１４】本実施例の気水分離器を有する蒸気発生器を表す概略構成図である。
【符号の説明】
【００７１】
１３  蒸気発生器
３１  胴部
３２  管群外筒
３７  伝熱管
３８  伝熱管群
４５  気水分離器
４６  湿分分離器
４７  給水管
５１  ライザ（気水上昇管）
５２，６０  スワールベーン（旋回羽根）
５３  ダウンカマバレル（降水胴）
５４  ダウンカマー空間
５５  デッキプレート
５６  オリフィス
５７  ベント
５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ  スリット（開口部）
５９  ガイド部
６１  抑制板
【図１】
0005285212.tif 000002
【図２】
0005285212.tif 000003
【図３】
0005285212.tif 000004
【図４】
0005285212.tif 000005
【図５】
0005285212.tif 000006
【図６】
0005285212.tif 000007
【図７】
0005285212.tif 000008
【図８−１】
0005285212.tif 000009
【図８−２】
0005285212.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0005285212.tif 000012
【図１１】
0005285212.tif 000013
【図１２】
0005285212.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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