(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液二相流を液体と気体とに分離する気水分離器において、
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、
このスタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、当該上側端面の流路面積よりも上方に向けて流路面積を拡大するディフューザと、
このディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第１段内筒と、
この第１段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状空間を形成する第１段外筒と、
この第１段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に前記第１段内筒の内径よりも小径の円形孔を形成した第１段環状板と、
この第１段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を通る流路を形成する第１段ピックオフリングと、
気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及びこのハブを中心にして放射状に取り付ける複数枚の主旋回羽根を含み、前記ディフューザの内壁又は前記第１段内筒の下部側の内壁に前記主旋回羽根の外側縁を固定して、前記いずれかの内壁と前記ハブと前記主旋回羽根とで形成される空間に主旋回流路を形成する主スワラと、
前記ディフューザ又は前記第１段内筒の取り付け箇所の半径よりも幅方向に短く、かつ、前記ハブとつながった第２のハブを中心にして取り付ける補助旋回羽根下端を、前記主旋回羽根の終端よりも下側に位置させ、前記第２のハブと前記各補助旋回羽根とで形成される前記補助旋回羽根に沿った空間に補助旋回流路を形成する補助スワラと、
を備え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、
前記主スワラの前記各主旋回羽根の下部内側に切り欠き部を形成し、
前記補助スワラを、
前記ハブの下部側の一部を前記第２のハブとし、この第２のハブを中心に前記主旋回羽根よりも少ない数の前記補助旋回羽根を取り付け、前記ハブと前記各補助旋回羽根とで形成される空間に補助旋回流路を形成すること、
を特徴とする気水分離器。
【請求項３】
請求項１に記載の気水分離器において、
前記主スワラの前記主旋回羽根の前記ハブを、円柱形状で成形し、この円柱形状のハブの中空内に、前記各主旋回羽根の内側に切り欠き部を形成し、
前記補助スワラを、前記切り欠き部で形成される空間に配置し、前記補助旋回羽根と前記主旋回羽根とが連続した構造になっていること、
を特徴とする気水分離器。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気水分離器において、
前記補助スワラの外径は、前記スタンドパイプの内径より小さいこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の気水分離器において、
前記補助スワラの補助旋回羽根の枚数は、少なくとも１枚であって、前記主スワラの主旋回羽根の枚数よりも少ないこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の気水分離器において、
前記第１段内筒の上側側面に、前記主スワラの前記主旋回羽根の傾き方向とは反対向きの傾きのほぼ帯状の傾斜スリットを形成したこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の気水分離器において、
前記第１段内筒と前記第１段外筒との隙間の上方に位置する前記第１段環状板の面に開口部を形成し、当該開口部に上方に向けて起立する排気管を備えたこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の気水分離器において、
前記第１段外筒が前記ディフューザも囲んでいる長さを有する場合に、
前記第１段外筒の形状が、当該ディフューザよりも下方側に位置する下部側の外径を上部側の外径よりも短く成形したこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の気水分離器において、
気液二相流の流路を形成する多段内筒と、この多段内筒を同心円状に間隔を空けて囲む多段外筒と、この多段外筒の上方側端面の内周縁を塞ぐと共に前記多段内筒の内径よりも小径の多段円形孔を形成した多段環状板と、この多段環状板の前記多段円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記多段円形孔を通る流路を形成する多段ピックオフリングとを含む多段気水分離部を備え、
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の気水分離器を第１段気水分離部として有し、当該第１段気水分離部の上に多段気水分離部を少なくとも１段積層して多段状に接続して流路を形成したこと、
を特徴とする気水分離器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の複数の気水分離器を、
原子炉圧力容器の内部の下部側に備える炉心の上方に並列に配列して備えること、
を特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項１１】
気液二相流を液体と気体とに分離する気水分離器に組み込まれるスワラアセンブリおいて、
短筒と、
気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及びこのハブを中心にして放射状に取り付ける複数枚の主旋回羽根を含み、前記短筒の内壁に前記主旋回羽根の外側縁を固定して、前記いずれかの内壁と前記ハブと前記主旋回羽根とで形成される空間に主旋回流路を形成する主スワラと、
前記短筒の取り付け箇所の半径よりも幅方向に短く、かつ、前記ハブを通る第２のハブを中心にして取り付ける補助旋回羽根を、前記主旋回羽根の終端よりも下側に位置させ、前記第２のハブと前記各補助旋回羽根とで形成される前記補助旋回羽根に沿った空間に補助旋回流路を形成する補助スワラと、
を組み立てた構造体であることを特徴とするスワラアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ（Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ））と、この沸騰水型原子炉において用いられる気水分離器と、この気水分離器を構成するスワラアセンブリとに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＢＷＲでは、炉心で熱を発生させ、その熱によって冷却材（軽水）を沸騰させ、その際に発生する蒸気を取り出してタービンへ送り、その蒸気によって直接タービンを回して発電させるようになっている。このＢＷＲの原子炉圧力容器内には、下部側に炉心が配置され、上部側に気水分離器が配置されている。そして、その気水分離器は、炉心で発生した熱で沸騰させられた軽水によって生じた蒸気と水との気液二相流を通過させ、この気液二相流に含まれている蒸気と水とを分離して、クオリティ（全質量流量に対する蒸気質量流量の割合）の高い蒸気をタービンへと導く機能を担っている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５３１１８号公報
【特許文献２】特開２００１−１８３４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
気水分離器においては気水分離性能が高く、かつ、圧力損失が少ないことが望ましい。しかし、一般に気水分離性能の向上は圧力損失増加につながる。
【０００５】
そこで、本発明は、気水分離器の圧力損失を低減すると共に気水分離性能を向上させて気水分離器の出口のクオリティ（気液二相流における気体の質量流量割合）を低下させないようにすることを課題とし、炉心流量の増加やそれに伴う炉心出力の増大を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気水分離器は、気液二相流を蒸気と水とに分離するために、ディフューザの内壁又は第１段内筒の下部側の内壁に、外側の主スワラと、この主スワラよりも小さい内側の補助スワラとを同心円状に備える。そして、この気水分離器では、ディフューザ又は第１段内筒の軸中心付近を流れる気液二相流が補助スワラを通過するときに遠心力によって蒸気と水とに分離し、その分離した水を主スワラ側に導いて、主スワラを通過するときに遠心力によって内壁側へ分離する。
【０００７】
そのため、この気水分離器は、流路軸中心付近の気液二相流と、スタンドパイプや第１段内筒の内壁周辺側の気液二相流との挙動の違いに応じて、蒸気と水とを分離することになる。また、この気水分離器では、補助スワラが主スワラよりも小さいので、蒸気の割合の多い流路軸中心付近の圧力損失が小さく抑えられる。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本発明によれば、気水分離器の圧力損失を低減すると共に気水分離性能を向上させて気水分離器の出口の湿分を増加させないようにすること、つまり、気水分離器の出口のクオリティを低下させないようにすることができ、これによって、炉心流量と炉心出力とを増大させても、圧力損失を増大させることなく、効率よく蒸気と水とを分離することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、実施の形態の気水分離器について説明し、この気水分離器を用いる強制循環式ＢＷＲや自然循環式ＢＷＲの構造の概略について説明する。
【００１０】
［気水分離器：構造］
まず、実施の形態の気水分離器の構造について説明する。図１は、本発明の実施の形態の気水分離器の構造を示す縦断面図である。この気水分離器１２は、図示しない炉心側から上昇してくる水と蒸気との気液二相流を流通させて水と蒸気とを分離し、水を炉心側に再循環させると共に蒸気を図示しないタービン側に送出するものである。
【００１１】
この気水分離器１２は、スタンドパイプ１２ｂと、ディフューザ１００と、第１段内筒１１０と、外筒（第１段乃至第３段）１２０と、第１段環状板１３０と、第１段ピックオフリング１４０と、主スワラ１５０と、補助スワラ１６０と、を主に備えている。
【００１２】
スタンドパイプ１２ｂは、図示しない炉心側から上昇してくる水と蒸気との気液二相流を下方から上方に向かって流通させる流路を形成する。このスタンドパイプ１２ｂは、後記するように、後記上部プレナムに形成される複数の図示しない孔に並べて挿入されて接続される。この接続は、例えば、溶接によって行われる。
【００１３】
ディフューザ１００は、図１に示すように、ほぼ逆円錐台形状の断面をしている。そのため、このディフューザ１００は、スタンドパイプ１２ｂの上側端面に連通して流路を形成し、その上側端面の流路面積よりも上方（流路の下流）に向けて流路面積を拡大するようになっている。また、このディフューザ１００とスタンドパイプ１２ｂとは、例えば、溶接によって接続される。
【００１４】
第１段内筒１１０は、ディフューザ１００の上側端面に連通して流路を形成する。この第１段内筒１１０とディフューザ１００との接続も、例えば、溶接によって行われる。この第１段内筒１１０には、ハブ１５１と主旋回羽根１５２とを有する主スワラ１５０と、補助スワラ１６０とが、下部側（上流側）に備えられている。なお、主スワラ１５０及び補助スワラ１６０については、後記する。
【００１５】
また、この第１段内筒１１０には、その上側側面に、主スワラ１５０の主旋回羽根１５２の傾き方向とは反対向きの傾きのほぼ帯状の傾斜スリット１１１が形成されている。この傾斜スリット１１１は、第１段内筒１１０の上部側面に全周に渡って均等に形成されている。この傾斜スリット１１１は、後記するように、第１段内筒１１０の内壁を伝わってくる液膜を第１段内筒１１０の側面から排出するものである。
【００１６】
なお、その液膜は、主スワラ１５０によって分離された水が集まったものであり、後記するように、主スワラ１５０及び補助スワラ１６０を経て上昇する気液二相流の旋回に押し流されている。そのため、液膜も、第１段内筒１１０の内壁を沿って流れる。この液膜の旋回流は、気液二相流と同方向の旋回流である。
【００１７】
外筒１２０は、第１段内筒１１０を同心円状に間隔を空けて囲んで環状空間を形成している。そして、この外筒１２０は、図１に示すように、第１段から第３段までの３段階の気水分離部としての機能を、一体の気水分離器１２にした構造にしている。各段階の気水分離機能については、後記する。
【００１８】
第１段環状板１３０は、第１段内筒１１０の上端周縁を環状に塞いで、外筒１２０を上下に分ける。また、この第１段環状板１３０には、第１段内筒１１０の内径よりも小径の円形孔１３１ａが形成されている。
【００１９】
また、第１段ピックオフリング１４０は、円筒体であり、第１段環状板１３０の円形孔１３０ａを形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて円形孔１３０ａを通る流路を形成している。この第１段ピックオフリング１４０は、第１段内筒１１０の内径よりも小径になっている。そして、この第１段ピックオフリング１４０は、第１段内筒１１０の内壁側に近い環状空間の旋回流を、第１段内筒１１０と外筒１２０との間の環状空間に分離し、流路中心の旋回流を上方へ分離させる。
【００２０】
主スワラ１５０は、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ１５１及びこのハブ１５１を中心にして放射状に取り付ける複数枚の主旋回羽根１５２を含んでいる。その主旋回羽根１５２は、例えば、８枚とする。また、この主スワラ１５０は、ディフューザ１００の内壁又は第１段内筒１１０の下部側の内壁に主旋回羽根１５２の外側縁を固定している。これによって、主スワラ１５０は、いずれかの内壁とハブ１５１と主旋回羽根１５２とで形成される空間に主旋回流路を形成している。
【００２１】
補助スワラ１６０は、第１段内筒１１０の軸中心付近の気液二相流を、小さい圧力損失で高いクオリティの蒸気を分離するものである。この補助スワラ１６０の構造及び機能については、図２から図９までを用いて詳細に後記することとする。なお、この気水分離器１２は、ディフューザ１００から第１段環状板１３０までの間が、第１段の気水分離部として機能する。そして、この気水分離器１２は、３段の気水分離部として機能している。続いて、第２段及び第３段の気水分離部として機能する構成について説明する。
【００２２】
この気水分離器１２は、第２段内筒１７０と、第２段排水口１７１と、排気管１７２と、第２段環状板１３１と、第２段ピックオフリング１４１とを備えている。これらを含む、第１段環状板１３０から第２段環状板１３１までの間が、第２段の気水分離部として機能する。
【００２３】
第２段環状板１３１は、第１段内筒１１０の上端周縁を環状に塞いで、第１段環状板１３０よりも上の外筒１２０を上下に分ける。また、この第２段環状板１３１には、第２段内筒１７０の内径よりも小径の円形孔１３２ａが形成されている。また、第１段ピックオフリング１４１は、円筒体であり、第２段環状板１３１の円形孔１３１ａを形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて円形孔１３１ａを通る流路を形成している。
【００２４】
また、第２段内筒１７０には、その下側側面から第２段排水口１７１と、第１段環状板１３０から上方に延びる排気管１７２とが備えられている。第２段排水管１７１は、第２段ピックオフリング１４１が第１段ピックオフリング１４０と同様にして分離した水を外筒１２０から排出する。
【００２５】
排気管１７２は、第１段環状板１３０の下側に溜まった蒸気を上方に排気する。ここに溜まる蒸気は、排気管１７２が無ければ第１段内筒１１０と外筒１２０との間の水の流れに追随して環状空間を下降していく。一般に原子炉の水位は気水分離器の第一段部中央付近にあり、第１段内筒１１０と外筒１２０との間の環状空間より排出される蒸気はシュラウド８（図１２又は図１３参照）と圧力容器６（図１２又は図１３参照）の内面との間のダウンカマ９（図１２又は図１３参照）に入り込む。このようにダウンカマ９（図１２又は図１３参照）に流れ込む蒸気の量をキャリーアンダーといい、この量が少ない方がインターナルポンプ９０のキャビテーション防止の観点から好ましい。本実施例では排気管１７２を付けることにより、第１段内筒１１０と外筒１２０との間の環状空間に入り、キャリーアンダー増加の原因となる蒸気を排気管１７２を通じて第２段排水口１７１から気水分離器外部に排出することが可能となる。これにより第１段内筒１１０と外筒１２０との間の環状空間から原子炉水位より下に排出される蒸気を減らし、キャリーアンダー量を減少させることが可能となる。なお、第２段排水口１７１は水面より上に位置するのでここからの蒸気の排出量の増加はキャリーアンダー特性に影響は与えない。
【００２６】
次に、第３段の気水分離部として機能する構成について説明する。なお、この構成は、第２段の気水分離部としての構成と同様である。そのため、対応関係について示し、詳細な説明は省略する。気水分離器１２は、第３段の気水分離部として機能するために、第２段内筒１７０と同様の第３段内筒１８０と、第２段排水口１７１と同様の第３段排水口１８１と、排気管１７２と同様の排気管と、第２段環状板１３１と同様の第３段環状板１３２と、第２段ピックオフリング１４１と同様の第３段ピックオフリング１４２とを備えている。なお、第３段環状板１３２には、孔１３１ａと同様の孔１３２ａが形成されている。
【００２７】
それでは、図２から図９を参照して、補助スワラ１６０について説明する。図２は、補助スワラを説明するための図である。図２（ａ）は、第１段内筒を水平方向に切断し、その切断面を上部側から見た図である。図２（ｂ）は、図１に示した主スワラ及び補助スワラ近辺の第１段内筒を示す図である。図２（ｃ）は、ディフューザの下部側から見た図である。図２（ｄ）は、補助スワラの取り付け構造を示す模式図である。
【００２８】
図２（ｃ）に示すように、補助スワラ１６０は、螺旋形状の補助旋回羽根１６１を備えている。ここでは、４枚の補助旋回羽根１６１が示されている。この補助旋回羽根１６１は、第１段内筒１１０の取り付け箇所の半径よりも幅方向に短く形成する。
【００２９】
なお、この補助スワラ１６０の径については、特に、補助スワラ１６０の外径がスタンドパイプ１２ｂの内径よりも小さいことが望ましい。これはスタンドパイプ１２ｂ内でも水は主にスタンドパイプ１２ｂの内面に液膜状に多く存在し、この液膜より内側は蒸気が多い状態となっている。したがって、スタンドパイプ１２ｂの内面付近の水は主スワラ１５０で分離するのが望ましく、それより内側の蒸気が多い部分の水（液滴）を分離するには補助スワラ１６０が圧力損失低減と気水分離性能維持の観点から好ましいからである。
【００３０】
また、補助旋回羽根１６１の枚数は、少なくとも１枚であって、主旋回羽根１５２の枚数よりも少ないことが望ましい。上述のように、補助スワラ１６０はもともと蒸気の割合が多い。したがって、補助スワラ１６０に要求される機能は、補助スワラ１６０の水（液滴）を主旋回羽根１５２に導くことであり、主旋回羽根１５２と同じ気水分離性能は必要でない。このように、スワラ部（主スワラ１５０及び補助スワラ１６０）の径方向の気液二相流状況の違いに応じて、主旋回羽根１５２と補助スワラ１６０の機能を分離しているのが本実施例の特徴である。このように補助スワラ１６０は主旋回羽根１５２程の気水分離性能は要求されないので、補助スワラ１６０の補助旋回羽根１６１の枚数は主旋回羽根１５２より少なくても気水分離性能上、十分である。このことによって、気水分離性能を維持しつつ圧力損失の低減も可能になる。なお、このことは、補助スワラ１６０が、全体的に主スワラ１５０よりも小さい方が望ましいことを示している。また、補助旋回羽根１６１の厚さは、主旋回羽根１５２の厚さよりも薄い方が圧力損失低減および製作性の観点からも望ましい。
【００３１】
また、この補助旋回羽根１６１は、ハブ１５１を中心にして取り付ける。さらに、この補助旋回羽根１６１は、主旋回羽根１５２の終端よりも下側（上流側）に位置させている。なお、この補助旋回羽根１６１の形状及び機能は、図５から図８までを用いて説明するため、後記する。
【００３２】
この補助スワラ１６０は、ハブ１５１と補助旋回羽根１６１とで形成される補助旋回羽根１６１に沿った螺旋状空間を補助旋回流路としている。なお、ここでは、主スワラ１５０のハブ１５１を補助スワラ１６０でも兼用して一体のものとしているが、別体としてもよい。この場合、ハブ１５１に対して第２のハブと呼び、この第２のハブはハブ１５１と同軸を通る。そして、互いの端面同士が接続するようにしておけばよい。また、ハブ１５１の径を主旋回羽根１５２が接続される部分と補助旋回羽根１６１が接続される部分で変えてもよい。
【００３３】
つまり、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す補助スワラ１６０は、図２（ｄ）に示すように、第１段内筒１１０の内壁に取り付けられた主スワラ１５０の下部に、主スワラ１５０と一体に同一のハブ１５１に取り付けた構造になっている。
【００３４】
次に、補助スワラ１６０の取り付け構造の他例１を示す。図３は、補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。図３（ａ）は、図２（ａ）に相当する図である。図３（ｂ）は図２（ｄ）に相当する図である。図３（ａ）（ｂ）に示すように、主スワラ１５０の主旋回羽根１５２の中心軸部分は、切り欠き状態になっている。そして、補助スワラ１６０が、その中心軸部分に配置されている。この場合の補助スワラ１６０は、ハブ１５１に補助旋回羽根１６１を取り付け、補助旋回羽根１６１を主旋回羽根１５２に接続した構造になっている。
【００３５】
次に、補助スワラ１６０の取り付け構造の他例２を示す。図４は、補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。図４（ａ）は、図２（ａ）に相当する図である。図４（ｂ）は図２（ｄ）に相当する図である。図４（ａ）（ｂ）に示すように、主スワラ１５０の主旋回羽根１５２（図４（ａ））の中心軸部分は、切り欠き状態になっている。そして、補助スワラ１６０が、その中心軸部分に配置されている。ここまでの構造は、図３の構造と同一である。この補助スワラ１６０は、ハブ１５１に補助旋回羽根１６１を取り付けた構造になっている。一方、主スワラ１５０は、主旋回羽根１５２を環状ハブ１５３に取り付けた構造になっている。そして、補助スワラ１６０が、その環状ハブ１５３内に挿入されて一体に取り付けられている。この場合、主スワラ１５０と補助スワラとを別々に組み立てた後に、一体に組み付け作業を行うことができる。また、環状ハブ１５３は、複数の孔１５３ａを形成して多孔状とし、補助スワラ１６０から周方向に飛び出した液滴の主スワラ１５０への流入阻害を防止するようになっている。
【００３６】
続いて、補助旋回羽根１６１の形状及び機能について、図５から図８までを用いて説明する。図５は、２枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。図５（ａ）は、２枚の補助旋回羽根を下側から見た図を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＬ−Ｌ断面方向から見た図を示している。図５（ｃ）は、図５（ａ）のＭ−Ｍ断面方向から見た図を示している。
【００３７】
この場合、２枚の補助旋回羽根１６１及び補助旋回羽根１６２が、ハブ１５１を軸中心にして、それぞれ１８０度の範囲をカバーする螺旋を描くようにハブ１５１に取り付けられている。なお、図２に示した、４枚の補助旋回羽根１６１がハブ１５１に取り付ける場合には、ハブ１５１を軸中心にして、例えば、９０度ごとの範囲をカバーするように螺旋を描くように取り付ければよい。
【００３８】
図６は、１枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。図６（ａ）は、１枚の補助旋回羽根を下側から見た図を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＯ−Ｏ断面方向から見た図を示している。この場合、１枚の補助旋回羽根１６３が、ハブ１５１を軸中心にして、３６０度の範囲をカバーする螺旋を描くようにハブ１５１に取り付けられている。
【００３９】
図７は、１枚の補助旋回羽根を用いた場合の他例の模式図である。図７（ａ）は、１枚の補助旋回羽根を下側から見た図を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＰ−Ｐ断面方向から見た図を示している。この場合、１枚の補助旋回羽根１６４が、ハブ１５１を軸中心にして、５４０度（１周半）の範囲をカバーする螺旋を描くようにハブ１５１に取り付けられている。
【００４０】
続いて、補助スワラ１６１の機能について説明する。図８は、補助スワラの機能を説明する模式図である。図８（ａ）は、補助スワラを下方から見たときの気流（蒸気）及び液滴（水）の流れの一例を示す模式図である。図８（ｂ）は、補助スワラ内を横方向から見たときの気流（蒸気）及び液滴（水）の流れの一例を示す模式図である。
【００４１】
この場合、蒸気は、気流に乗って、補助旋回羽根１６１の螺旋に沿って、ハブ１５１の周りを流通する。一方、液滴（水）は、補助旋回羽根１６１に届くと、この補助旋回羽根１６１上を気流によって押されて移動していく。そうすると、液滴（水）は、遠心力によって、次第にハブ１５１から遠ざかる方向に移動する。このようにして、液滴（水）と蒸気とが分離される。
【００４２】
なお、液滴（水）は、補助旋回羽根１６１から周方向に飛び出すと、主旋回羽根１５２（図１、図２等参照）側の気流に乗り、主旋回羽根１５２に到達する。そうすると、補助旋回羽根１６１の場合と同様にして、液滴（水）は遠心力によって、さらに周方向へと導かれ、第１段内筒１１０の内壁に到達する。そして、第１段内筒１１０の内壁に到達した液滴（水）は、内壁面を液膜となって移動し、前記したように、気水分離器１２から排出されていく。
【００４３】
つまり、液滴（水）は、比重が大きく慣性力も大きいので、斜めの補助旋回羽根１６１（主旋回羽根１５２）にぶつかりやすい。また、水（液滴）は、粘性も大きいので、補助旋回羽根１６１（主旋回羽根１５２）に当たると、基本的に、補助旋回羽根１６１（主旋回羽根１５２）に沿って流れる傾向が大きく、かつ、遠心力で外周方向へ導かれる傾向が大きい。これに対して、蒸気は比重や粘性が小さく、また、液滴と違って、連続相をなすので、圧力勾配の影響で旋回流にはなるが、液滴（水）ほど補助旋回羽根１６１（主旋回羽根１５２）に沿って外周方向には導かれない。そのため、補助旋回羽根１６１や主旋回羽根１５２によって、気水分離を行うことができる。
【００４４】
ところで、ハブ１５１の直径ｄと第１段内筒１１０の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）が、０．１３以上０．２５以下となるようにするのが望ましいことは知られている。ここで、下限の０．１３は、主旋回羽根１５２（補助旋回羽根１６０）を第１段内筒１１０内に設置できなくなる製造上の理由として知られている。また、０．２５以下にすることは、圧力損失を少なくすることができるため望ましいが、主旋回羽根１５２のみの構造では、ハブ１５１を細くすると、高い気水分離性能を得られない。そのため、実施の形態のように、補助旋回羽根１６０を設けることによって、少ない圧力損失で、かつ、高い気水分離性能の気水分離器１２を製造することができる。
【００４５】
次に、主スワラ１５０と補助スワラ１６０とを組み合わせた部品としての構造について説明する。ここでは、このような製造途中の部品を、スワラアセンブリと呼ぶこととする。このようなスワラアセンブリは、製造メーカが異なるような場合に流通途中で取引される形態である。
【００４６】
図９は、スワラアセンブリの一例を示す模式図である。このスワラアセンブリ１９０には、第１段内筒１１０（図１等参照）の一部を構成する短筒１１２内に、ハブ１５１に取り付けた主スワラ１５０と補助スワラ１６０とが組み付け固定されている。この構造は、前記した構造の一部を示している。
【００４７】
図１０は、スワラアセンブリの他例を示す模式図である。このスワラアセンブリ１９１にも、第１段内筒１１０（図１等参照）の一部を構成する短筒１１２内に、ハブ１５１に取り付けた主スワラ１５０と補助スワラ１６０とが組み付け固定されている。ただし、このスワラアセンブリ１９１は、補助スワラ１６０が主スワラ１５０よりも下側（上流側）に位置するようにした構造である。つまり、補助スワラ１６０が、主スワラ１５０から突き出たハブ１５１に取り付けられている。
【００４８】
次に、気水分離器１２の変形例について説明する。なお、図１との相違点のみを説明する。図１１は、実施の形態の気水分離器の変形例を示す図１に相当する図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のそれぞれに変形例１及び変形例２を示す。
【００４９】
図１１（ａ）に示すように、この気水分離器１２Ａは、ハブ２５１に取り付けた主旋回羽根２５２を有する主スワラ２５０と、ハブ２５１に同様に取り付けた補助スワラ２６０とを、ディフューザ１００内に備えている。この場合、主旋回羽根２５２は、ディフューザ１００の形状に合わせて、下部側よりも上部側の方の径が大きくなる形状になっている。この例では、旋回による気水分離性能は向上するが、圧力損失低減効果は低下する。
【００５０】
図１１（ｂ）に示すように、この気水分離器１２Ｂは、第１段外筒１２１と第２段外筒１２２と第３段外筒１２３とで３段階の気水分離部の機能を持たせるようにした構造である。また、この気水分離器１２Ｂは、第２段外筒１２２及び第３段外筒１２３の径が、第１段外筒１２１よりも小さくなっている。また、第１段気水分離部の下端付近で外筒１２０の径を小さくして、小径部１２１ａを形成するようにしてもよい。この場合、外筒１２０とスタンドパイプ１２ｂとの間の環状空間の流路幅が小さくなるため、蒸気のキャリーアンダー量を低下できる。
【００５１】
［ＢＷＲの概要］
前記実施の形態の気水分離器１２は、再循環ポンプによって軽水を強制的に循環させる強制循環式ＢＷＲと、自然対流によって軽水を循環させる自然循環式ＢＷＲとに搭載して、機能させることができる。そこで、以下では、強制循環式ＢＷＲ及び自然循環式ＢＷＲの構造を説明し、各前記実施の形態における気水分離器１２の機能を説明する。
【００５２】
［強制循環式ＢＷＲ］
図１２は、実施の形態の気水分離器を搭載した強制循環式ＢＷＲの構成を示す図である。この強制循環式ＢＷＲ１Ａは、前記した構造の複数の気水分離器１２を円筒状の原子炉圧力容器（以下「圧力容器」という）６の上部側に収納している。以下、この収納容器６内の構造について説明する。
【００５３】
この圧力容器６の中空内の下側には、圧力容器６と同心の円筒状の炉心シュラウド（以下「シュラウド」という）８が設置されている。このシュラウド８には、一番下部に炉心下部プレナム（以下「下部プレナム」という）１０が設けられ、この下部プレナム１０の上部に炉心７が収容されている。また、この炉心７の上部には、炉心上部プレナム（以下「上部プレナム」という）１１ｃが設けられている。この上部プレナム１１ｃの上部には、シュラウドヘッド１２ａが設けられている。なお、圧力容器６とシュラウド８との間には、ダウンカマ９と呼ばれる環状空間が形成され、軽水の循環路として機能している。
【００５４】
そして、このシュラウドヘッド１２ａには、所定の数の冷却材通過用の図示しない孔が設けられている。その孔には、複数の気水分離器１２のスタンドパイプ１２ｂが挿入され、複数の気水分離器１２が並列に配列して並ぶようになっている。つまり、炉心７の上方側と気水分離器１２側とを結ぶ流路が、上部プレナム１１ｃを介して接続されている。また、この気水分離器１２の上方には、蒸気乾燥器１３が備えられている。また、圧力容器６の側壁には、給水入口ノズル１７と、蒸気出口ノズル１５とが備えられている。また、圧力容器６の下部には、インターナルポンプ９０が備えられている。
【００５５】
この強制循環式ＢＷＲ１Ａでは、炉心７で発生した蒸気は水との気液二相流で上部プレナム１１ｃを経由して、シュラウドヘッド１２ａに取り付けられた各気水分離器１２に流入する。そして、各気水分離器１２では、流入する気液二相流が下方から上方へと流通する。この気水分離器１２では、その流通軸中心付近の気液二相流が補助スワラ１６０（図１等参照）によって蒸気と水とに分離され、蒸気は軸に沿って上方へ流通し、水（液滴）は遠心力によって周方向へ移動させられる。
【００５６】
そして、この気水分離器１２では、周側を流通する気液二相流が主スワラ１５０（図１等参照）によって蒸気と水に分離させられる。この際、補助スワラ１６０（図１等参照）によって分離させられた水が軸中心側から流れて混入し、その水も主スワラ１５０（図１等参照）の流れに乗り、遠心力によって分離させられる。この気水分離器１２によっても取り除くことのできなかった湿分を含む蒸気は、気水分離器１２の上方に位置する蒸気乾燥器１３に送られる。
【００５７】
この蒸気乾燥器１３でさらに湿分を除去された蒸気（飽和蒸気）は、蒸気出口ノズル１５から送り出され、タービン２に供給される。そして、その蒸気は、タービン２を駆動して図示しない発電機によって発電させた後に、復水器３で凝縮され、給水ポンプ４によって送り出されて給水加熱器５で加熱された後に、給水入口ノズル１７から冷却水（軽水）として圧力容器６に戻される。
【００５８】
一方、気水分離器１２が分離した水は、給水入口ノズル１７から給水された軽水と混合されてダウンカマ９を通り、下部プレナム１０を経由して炉心７に再循環する。このとき、インターナルポンプ９０により、ダウンカマ９から下部プレナム１０に向けて流力が、強制的に与えられている。
【００５９】
［自然循環式ＢＷＲ］
図１３は、実施の形態の気水分離器を搭載した自然循環式ＢＷＲの構成を示す図である。この自然循環式ＢＷＲ１も、強制循環式ＢＷＲ１Ａ（図１２参照）と同様に、前記した構造の複数の気水分離器１２を円筒状の圧力容器６の上部側に収納している。以下、この収納容器６内の構造について説明する。
【００６０】
この自然循環式ＢＷＲ１は、圧力容器６内に収納する炉心７で発生するボイド、すなわち蒸気（気相）と飽和温度の液相の冷却材の混合した密度の低い冷却材と、給水入口ノズル１７から供給される給水と混合された液相の冷却材との比重差によって自然循環に必要な駆動力を得るものである。
【００６１】
圧力容器６の中空内の下側には、圧力容器６と同心の円筒状のシュラウド８が設置されている。このシュラウド８の下方には、下部プレナム１０が設けられ、この下部プレナムの上方に炉心７が収容されている。そして、この炉心７の上方には、炉心７から上昇してくる気液二相流を上方に導いて自然循環駆動力を増加させるチムニ１１が備えられている。また、このチムニ１１の上部には、上部プレナム１１ｃが備えられている。この上部プレナム１１ｃの上端は、シュラウドヘッド１２ａで閉じられている。
【００６２】
このシュラウドヘッド１２ａには、所定の数の冷却材通過用の図示しない孔が設けられている。その孔には、複数の気水分離器１２のスタンドパイプ１２ｂが挿入され、複数の気水分離器１２が並列に配列して並ぶようになっている。つまり、チムニ１１側と気水分離器１２側とを結ぶ流路が、上部プレナム１１ｃを介して接続されている。
【００６３】
また、この気水分離器１２の上方には、蒸気乾燥器１３が備えられている。また、圧力容器６の側壁には、給水入口ノズル１７と、蒸気出口ノズル１５とが備えられている。なお、シュラウドヘッド１２ａとスタンドパイプ１２ｂと気水分離器１２は一体に組み立てられており、燃料交換時には、一体でチムニ１１の上端から取り外せるようになっている。
【００６４】
この自然循環式ＢＷＲ１でも、炉心７で発生した蒸気は液滴との気液二相流でチムニ１１を通り、上部プレナム１１ｃを経由して、シュラウドヘッド１２ａに取り付けられた各気水分離器１２に流入する。そして、各気水分離器１２では、流入する気液二相流が下方から上方へと流通する。この気水分離器１２では、その流通軸中心付近の気液二相流が補助スワラ１６０（図１等参照）によって蒸気と水とに分離され、蒸気は軸に沿って上方へ流通し、水は遠心力によって周方向へ移動させられる。
【００６５】
そして、この気水分離器１２では、周側を流通する気液二相流が主スワラ１５０（図１等参照）によって蒸気と水に分離させられる。この際、補助スワラ１６０（図１等参照）によって分離させられた水が軸中心側から流れて混入し、その水も主スワラ１５０（図１等参照）の流れに乗り、遠心力によって分離させられる。したがって、気水分離器１２は、気相の飽和蒸気（蒸気）と、液相の飽和水（滴液）とに分離する。この気水分離器１２によっても取り除くことのできなかった湿分を含む蒸気（飽和蒸気）は、気水分離器１２の上方に位置する蒸気乾燥器１３に送られる。そして、その飽和蒸気は、蒸気乾燥器１３を経て、蒸気出口ノズル１５からタービン２に導かれ発電に供される。
【００６６】
一方、給水入口ノズル１７から供給される冷却材（軽水）は、気水分離器１２で分離された飽和水と混合され、ダウンカマ９を下降し、下部プレナム１０を経由してシュラウド８内に流入し、炉心７によって加熱される。炉心７からの加熱によって冷却材は、飽和状態の気液二相流となり、この気液二相流はチムニ１１、上部プレナム１１ｃ、スタンドパイプ１２ｂを経て、気水分離器１２に流入する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態の気水分離器の構造を示す縦断面図である。
【図２】図２は、補助スワラを説明するための図である。
【図３】補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。
【図４】補助スワラの他の取り付け構造を示す図である。
【図５】２枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。
【図６】１枚の補助旋回羽根を用いた場合の模式図である。
【図７】１枚の補助旋回羽根を用いた場合の他例の模式図である。
【図８】補助スワラの機能を説明する模式図である。
【図９】スワ螺旋ブリの一例を示す模式図である。
【図１０】スワ螺旋ブリの他例を示す模式図である。
【図１１】実施の形態の気水分離器の変形例を示す図１に相当する図である。
【図１２】実施の形態の気水分離器を搭載した強制循環式ＢＷＲの構成を示す図である。
【図１３】実施の形態の気水分離器を搭載した自然循環式ＢＷＲの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１        自然循環式ＢＷＲ
１Ａ      強制循環式ＢＷＲ
７        炉心
１２      気水分離器
１２Ａ    気水分離器
１２Ｂ    気水分離器
１２ｂ    スタンドパイプ
１００    ディフューザ
１１０    第１段内筒
１１２    短筒
１２０    外筒
１３０    第１段環状板
１４０    第１段ピックオフリング
１５０    主スワラ
１５１    ハブ
１５２    主旋回羽根
１６０    補助スワラ
１６１    補助旋回羽根
【図１】
0004422691.tif 000002
【図２】
0004422691.tif 000003
【図３】
0004422691.tif 000004
【図４】
0004422691.tif 000005
【図５】
0004422691.tif 000006
【図６】
0004422691.tif 000007
【図７】
0004422691.tif 000008
【図８】
0004422691.tif 000009
【図９】
0004422691.tif 000010
【図１０】
0004422691.tif 000011
【図１１】
0004422691.tif 000012
【図１２】
0004422691.tif 000013
【図１３】
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