JP2000042448A - 遠心分離機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地震による大振動発生時に回転体と静止体と
の接触を防止しつつ、通常運転時の軸受荷重を小さく抑
えて軸受寿命をより長く保つ。 【解決手段】 遠心分離機は、遠心分離用の回転容器
１、回転軸２および回転軸２を支持部４に対して回転自
在かつ揺動自在に片持ち支持する軸受装置７を備えてい
る。回転軸２と支持部４との間に振動吸収機構５が介設
されている。この振動吸収機構５は、回転軸２と支持部
４との間に並列に設けられた主ばね４２及び主減衰器４
１と、この主減衰器４１に対して直列に設けられた微小
振動吸収機構４０とを有している。この微小振動吸収機
構４０は、互いに並列に設けられた副ばね４４及び副減
衰器４３を有すると共に、これらの副ばね４４及び副減
衰器４３が、それぞれ主ばね４２のばね定数Ｋ1 及び主
減衰器４１の減衰係数Ｃ1 より小さいばね定数Ｋ2 及び
減衰係数Ｃ2 を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に原子力燃料の
再処理プラントにおいて使用済み燃料溶解液から不溶解
固形分を分離除去するための、回転軸が片持ち支持され
た構造の遠心分離機に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力燃料の再処理プラントにおいて
は、原子炉から取り出された使用済み燃料から有用成分
を取り出して燃料として再利用するために、化学的な分
離処理を行う。その際、使用済み燃料溶解液から事前に
不溶解固形分を分離除去する必要があり、この分離のた
めに各種の技術が使用されている。中でも、大規模な商
用再処理プラントでは一般に、処理容量が大きく二次廃
棄物の発生も少ない遠心分離機（遠心清澄機）が使用さ
れることが多い。

【０００３】このような遠心分離機の従来例（特開昭６
１―２９１０５２、特開昭６２―１４９５７）が、図９
に示されている。ここで、再処理プラントの主要な機器
は、放射性物質の閉じ込めと放射線の遮蔽のため、一般
にセルと呼ばれる部屋に設置される。そして、図９に示
す遠心分離機も、同様にセル内に設置されるが、保守整
備の容易性を考慮して、駆動部分がセルの天井を形成す
る遮蔽床３上に配置され、回転軸２が遮蔽床３の開口部
を貫通して下方へ延びる構造を有している。

【０００４】すなわち、回転軸２に連結された回転容器
１内には放射性物質が入れられるが、この回転容器１と
駆動部分との間は遮蔽床３によって遮蔽されているた
め、駆動部分に直接作業員がアクセスして、保守整備作
業を行うことができる。そして、図９に示す遠心分離機
は、駆動部分と回転容器１とを離すため、回転軸２を片
持ち支持する構造を採っている。

【０００５】上記駆動部分は、遮蔽床３上に固定された
軸受台４、この軸受台４上に取り付けられた駆動モータ
１１、および回転軸２の上端部に対応して軸受台４内に
設けられた軸受装置７等を有している。

【０００６】上記駆動モータ１１は、フレキシブルカッ
プリング１２を介して回転軸２の上端部に連結されてい
る。また、上記軸受装置７は、回転軸２を回転自在に支
持するための一対の転がり軸受８と、回転軸２を軸受台
４に対して揺動自在に支持するための球面軸受６とを有
している。そして、軸受装置７の下端部と軸受台４との
間に、振動吸収機構としてのばね９および減衰器（オイ
ルダンパ）１０が介設されている。

【０００７】このように構成された遠心分離機におい
て、回転容器１および回転軸２からなる回転体１, ２の
一次固有振動モードは、上記球面軸受６の位置が零とな
り、回転容器１の下端部が最大変位となる振り子振動モ
ードとなる。この振動モードにおける一次固有振動数
は、上記ばね９のばね定数によって左右されるが、通常
は、この一次固有振動数付近の回転数での共振の影響を
考慮して、極力回転エネルギーの低い低回転速度域で通
過できるように、数Ｈｚに設定されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
数Ｈｚの周波数域は、地震周波数の卓越領域とほぼ一致
している。そして、この遠心分離機は高速回転機械であ
ると共に再処理プラントの主要機器であるため、万一地
震による大振動発生時に回転体１, ２が静止部分と接触
して異常をきたすようなことがあれば、再処理プラント
自体の運転停止に至る等の大きな影響を及ぼすことにな
る。

【０００９】このため、地震による大振動発生時の回転
体１, ２の最大変位（振幅）を、静止部分との接触を避
けるための最小隙間寸法（クリティカルギャップ）ｇ内
に抑えられるように、上記減衰器１０の減衰係数の大き
さを比較的大きく設定している（図６参照）。

【００１０】しかしながら、減衰器１０の減衰係数が大
きくなるほど回転軸２の支持力が大きくなり、回転体
１, ２の変位を小さくすることはできるが、上記軸受装
置７の転がり軸受８の軸受荷重（軸受反力）も常時大き
くなり、軸受寿命が短くなるという問題がある（図７参
照）。

【００１１】本発明は、このような点を考慮してなされ
たものであり、地震による大振動発生時に回転体と静止
体との接触を防止しつつ、通常運転時の軸受荷重を小さ
く抑えて軸受寿命をより長く保つことができるような遠
心分離機を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の手段は、遠心分離
用の回転容器と、この回転容器に連結された回転軸と、
この回転軸を、支持部に対して回転自在かつ揺動自在に
片持ち支持する軸受装置と、前記回転軸と前記支持部と
の間に介在される振動吸収機構とを備え、前記振動吸収
機構は、前記回転軸と前記支持部との間に並列に設けら
れた主ばね及び主減衰器と、この主減衰器に対して直列
に設けられた微小振動吸収機構とを有し、この微小振動
吸収機構は、互いに並列に設けられた副ばね及び副減衰
器を有すると共に、これらの副ばね及び副減衰器が、そ
れぞれ前記主ばねのばね定数及び前記主減衰器の減衰係
数より小さいばね定数及び減衰係数を有することを特徴
とする遠心分離機である。

【００１３】この第１の手段によれば、比較的回転軸の
変位が小さく振動速度の速い通常運転時には、専ら微小
振動吸収機構の副ばね及び副減衰器が回転軸および回転
容器の振動の吸収・抑制を行い、副減衰器の減衰係数よ
り大きい減衰係数を有する主減衰器（および主ばね）は
ほとんど作用しない。

【００１４】一方、地震時による大振動発生時には、微
小振動吸収機構の副ばね及び副減衰器に加えて、副減衰
器より大きい減衰係数を有する主減衰器および主ばねも
振動の吸収・抑制を行うため、回転軸および回転容器の
大振動が効果的に吸収・抑制される。

【００１５】第２の手段は、第１の手段において、前記
微小振動吸収機構の前記支持部に対する変位を一定範囲
内に制限するための変位制限機構を更に備えたものであ
る。この第２の手段によれば、第１の手段において、地
震による大振動発生時に、変位制限機構によって微小振
動吸収機構の支持部に対する変位を制限することで、主
ばね及び主減衰器による振動の吸収・抑制作用をより効
果的に発揮させることができる。

【００１６】第３の手段は、第１の手段において、前記
回転容器および前記回転軸に関する振動系において、前
記主減衰器単独での減衰係数比が０. ０５〜０. ２の範
囲内となり、前記副減衰器単独での減衰係数比が０. ２
以上となるように構成したものである。

【００１７】第４の手段は、第１の手段において、前記
微小振動吸収機構は、変位が大きくなるに従ってばね定
数が大きくなるような非線形特性を有するものである。

【００１８】この第４の手段によれば、第１の手段にお
いて、地震による大振動発生時に、微小振動吸収機構の
ばね定数が増大して、微小振動吸収機構の支持部に対す
る変位が抑制されることで、主ばね及び主減衰器による
振動の吸収・抑制作用をより効果的に発揮させることが
できる。

【００１９】第５の手段は、第４の手段において、前記
微小振動吸収機構として、円筒ゴムを用いたものであ
る。

【００２０】第６の手段は、第４の手段において、前記
微小振動吸収機構として、円筒ステンレスメッシュばね
を用いたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１乃至図８は本発明によ
る遠心分離機の実施の形態を示す図である。なお、図１
および図２に示す本発明の実施の形態において、図９に
示す従来例と同一の構成部分には同一符号を付して説明
する。

【００２２】［第１の実施形態］まず、図１乃至図７に
より本発明の第１の実施形態について説明する。図１に
おいて、遠心分離機は、遠心分離用の円筒状回転容器１
と、この回転容器１に連結された回転軸２とを備えてい
る。具体的には、回転容器１は、その上部開口から供給
管２２を通して供給された処理液（使用済み燃料の硝酸
溶解液）を遠心分離して、清澄液２３を得るように構成
され、この回転容器１の底面中央に上記回転軸２の下端
部が（ナット２５で）固定されている。

【００２３】この回転容器１は、遮蔽床３下方のセル内
に配置され、このセルの天井を形成する遮蔽床３上に駆
動部分が配置されている。そして、上記回転軸２は、遮
蔽床３の開口部を貫通して垂直に延びている。

【００２４】また、上記駆動部分は、遮蔽床３上に固定
された軸受台（支持部）４、この軸受台４上に取り付け
られた駆動モータ１１、および回転軸２の上端部に対応
して軸受台４内に設けられた軸受装置７等を有してい
る。

【００２５】上記駆動モータ１１は、フレキシブルカッ
プリング１２を介して回転軸２の上端部に連結されてい
る。また、上記軸受装置７は、軸受ハウジング７ａと、
この軸受ハウジング７ａ内に保持された一対の転がり軸
受８と、軸受ハウジング７ａの上部に形成された球面軸
受６とを有している。このうち、転がり軸受８は、回転
軸２を回転自在に支持し、球面軸受６は、回転軸２を軸
受台４に対して揺動自在に支持している。また、軸受装
置７の軸受ハウジング７ａ下端部と軸受台４との間に、
複数の振動吸収機構５が介設されている。

【００２６】各振動吸収機構５は、図２に示すように、
上記回転軸２と上記軸受台４との間に並列に設けられた
主ばね（主コイルばね）４２及び主減衰器（主オイルダ
ンパ）４１と、この主減衰器４１に対して直列に設けら
れた微小振動吸収機構４０とを有している。この微小振
動吸収機構４０は、互いに並列に設けられた副ばね（副
コイルばね）４４及び副減衰器（副オイルダンパ）４３
を有すると共に、これらの副ばね４４及び副減衰器４３
が、それぞれ上記主ばね４２のばね定数Ｋ1 及び上記主
減衰器４１の減衰係数Ｃ1 より小さいばね定数Ｋ2 及び
減衰係数Ｃ2 を有している。

【００２７】また、各振動吸収機構５には、微小振動吸
収機構４０の軸受台４に対する変位を一定範囲内に制限
するための変位制限機構５０, ５１が設けられている。

【００２８】ここで、回転容器１および回転軸２からな
る回転体１, ２の一次固有振動モードは、上記球面軸受
６の位置が零となり、回転容器１の下端部が最大変位と
なる振り子振動モードとなる。この振動モードにおける
一次固有振動数は、その一次固有振動数付近の回転数で
の共振の影響を考慮して、始動・停止時に極力回転エネ
ルギーの低い低回転速度域で通過できるように、数Ｈｚ
に設定することが望ましい。そこで、主ばね４２の上記
ばね定数Ｋ1 は、上記一次固有振動数が数Ｈｚとなるよ
うに設定されている。

【００２９】振動吸収機構５は、より具体的には図３
（ａ）に示すように、上記主ばね４２、主減衰器４１お
よび微小振動吸収機構４０を収納する円筒状ケーシング
４５と、このケーシング４５の両端部にボルト固定され
た一対の蓋４６, ４７とを備えている。

【００３０】図３（ａ）において、主減衰器４１の周囲
に設けられた主ばね４２の一端は、ばね押さえ板４９ａ
に当接し、他端はケーシング４５内側に形成された段部
４５ａに当接している。主減衰器４１の一端には、上記
ばね押さえ板４９ａを介して第１ロッド４９が連結さ
れ、他端には、ストッパ５０を介して、微小振動吸収機
構４０（副ばね４４及び副減衰器４３）の一端側が連結
されている。そして、微小振動吸収機構４０（副ばね４
４及び副減衰器４３）の他端側は、上記蓋４６に対して
連結されている。

【００３１】この蓋４６の外側には、第２ロッド４８が
固着され、この第２ロッド４８の先端部は上記軸受台４
に対して連結されている。また、上記第１ロッド４９は
蓋４７を貫通して延び、その先端部が上記軸受装置７本
体の下端部に対して連結されている（図１参照）。な
お、第１ロッド４９が貫通する蓋４７の孔部分には、Ｏ
リング等のシール部材５２が配設されている。

【００３２】次に、上記ストッパ５０は、振動吸収機構
５の軸線方向と直交する方向に延びる孔部５０ａを有し
ている。また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、
ストッパ５０の孔部５０ａを貫通するピン５１が、ケー
シング４５に対して固定されている。これらのストッパ
５０の孔部５０ａとピン５１との間には、図３（ｂ）に
示すように、（静止状態において）振動吸収機構５の軸
線方向の両側に、それぞれ一定寸法の隙間δが形成され
ている。

【００３３】そして、これらのストッパ５０とピン５１
とが、微小振動吸収機構４０の軸受台４に対する変位を
一定範囲内（この場合、図３に示す静止状態から±δ）
に制限するための上記変位制限機構５０, ５１を構成し
ている。

【００３４】ここで、本実施形態では、上記回転体１,
２に関する振動系において、上記主減衰器４１単独での
減衰係数比（振動系の臨界減衰係数Ｃc に対する減衰器
の減衰係数の比率）γが０. ０５〜０. ２の範囲内とな
り、上記副減衰器４３単独での減衰係数比γが０. ２以
上となるように構成されている。

【００３５】次に、このような構成よりなる本実施形態
の作用効果について説明する。まず、遠心分離機の通常
運転時において、回転容器１内への不溶解残渣の不均一
な沈殿等による多少の不釣り合いが原因で、回転体１,
２に振動が発生し得る。しかし、この振動による変位
は、地震によって生ずる変位や一次固有振動数を通過す
る際の変位に比べて非常に小さいため、軸受装置７部分
での振動も微小である。そして、地震の周波数が１〜５
Ｈz と低いのに対して、定格回転中の回転体１,２の振
動周波数は、回転数に同期した３０〜５０Ｈz と高い範
囲にある。

【００３６】そして、本実施形態の遠心分離機は、比較
的回転体１, ２の変位（振幅）が小さく振動速度の速い
通常運転時には、専ら微小振動吸収機構４０の副ばね４
４及び副減衰器４３が回転軸２および回転容器１の振動
の吸収・抑制を行い、副減衰器４３の減衰係数Ｃ2 より
大きい減衰係数Ｃ1 を有する主減衰器４１（および主ば
ね）はほとんど作用しない。これは、減衰器は一般に振
動速度に比例した荷重を生ずるからである。

【００３７】例えば、本実施形態のように減衰係数Ｃ1
の主減衰器４１と減衰係数Ｃ2 の副減衰器４３とを直列
に連結した場合の理論的な合成減衰係数Ｃ′は、 Ｃ′＝Ｃ1 ・Ｃ2 ／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ） で表され、主減衰器４１の減衰係数Ｃ1 より小さい値と
なる。

【００３８】一方、地震による大振動発生時には、振動
周波数は低いが、より大きな外力と変位が生ずるため、
副減衰器４３の減衰係数Ｃ2 より大きい減衰係数Ｃ1 を
有する主減衰器４１（および主ばね４２）が振動の吸収
・抑制を行うため、回転軸２および回転容器１の大振動
が効果的に吸収・抑制される。

【００３９】特に、本実施形態では、図４に示すよう
に、地震による大振動発生時においてロッド４９に大き
な変位が生ずると、変位制限機構のストッパ５０がピン
５１にぶつかって、微小振動吸収機構４０の軸受台４に
対する変位が制限されるため、振動荷重が全て主減衰器
４１および主ばね４２に作用することになる。従って、
主減衰器４１および主ばね４２振動の吸収・抑制作用を
より効果的に発揮させることができる。

【００４０】すなわち図５に示すように、通常運転時の
微小変位では上記合成減衰係数Ｃ′で示される小さな減
衰力で振動を吸収するが、地震による大変位発生時に
は、減衰係数が自動的に主減衰器４１の減衰係数Ｃ1 ま
で増大し、より大きな減衰力で振動を吸収することがで
きる。このような作用は、電気力やセンサー等を用いる
ことなく機械的に生ずるように構成されているため、停
電等の影響を受けず、非常に信頼性の高いものである。

【００４１】ここで、図７に示すように、軸受装置７の
転がり軸受８に作用する荷重（軸受反力）は、理論的に
は減衰器の減衰係数に比例して増大し、これに伴って軸
受寿命が急激に低下する。

【００４２】そして、本実施形態では、圧倒的に運転時
間の長い通常運転時には、専ら微小振動吸収機構４０の
より小さい（図７で言うところの「本来望ましい」）減
衰係数Ｃ2 を有する副減衰器４３（および副ばね４４）
が作用し、軸受装置７の転がり軸受８に加わる荷重が小
さく抑えられるため、軸受寿命をより長く保つことが可
能となる。

【００４３】また、地震による大振動発生時には、主減
衰器４１および主ばね４２の作用で回転軸２および回転
容器１の大振動が効果的に吸収・抑制されるため、回転
軸２や回転容器１の静止体との接触を防止することがで
きる。すなわち、図６に示すように、主減衰器４１のよ
り大きな減衰係数Ｃ1 の作用で、地震による大振動発生
時の回転体１, ２の最大変位（振幅）を、静止部分との
接触を避けるための最小隙間寸法（クリティカルギャッ
プ）ｇ内に抑えることができる。

【００４４】［第２の実施形態］次に、図８により本発
明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、
上記振動吸収機構５に代えて、図８に示すような振動吸
収機構５′を備えた点で第１の実施形態と異なり、その
他の構成は図１および図２に示す上記第１の実施形態と
同様である。

【００４５】具体的には図８に示すように、本実施形態
の振動吸収機構５′は、上記振動吸収機構５に対して、
上記変位制限機構５０, ５１を省略すると共に、上記微
小振動吸収機構４０に代えて円筒ゴムからなる微小振動
吸収機構５３を有している。この円筒ゴムからなる微小
振動吸収機構５３は、変位が大きくなるに従ってばね定
数が大きくなるような非線形特性を有している。このよ
うな非線形特性を有する微小振動吸収機構としては、円
筒ゴムの他に円筒ステンレスメッシュばねを用いること
もできる。

【００４６】なお、非線形特性を有するばね機構として
は、一般的にはピッチを徐々に変化させたコイルばね
や、複数の金属ばねの組合せ等が考えられるが、構造の
簡素化等の観点からは、上記円筒ゴムまたは円筒ステン
レスメッシュばねを用いる方が有利である。

【００４７】次に、このような構成よりなる本実施形態
の作用効果について説明する。本実施形態によれば、地
震による大振動発生時に、微小振動吸収機構５３のばね
定数が増大して、微小振動吸収機構５３の軸受台４に対
する変位が抑制されることで、主ばね４２及び主減衰器
４１による振動の吸収・抑制作用をより効果的に発揮さ
せることができる。

【００４８】また、上記第１の実施形態のように、副コ
イルばね４４及び副オイルダンパ４３を有する微小振動
吸収機構４０と変位制限機構５０, ５１とを備えた振動
吸収機構５を用いる場合に比べ、振動吸収機構５′の全
体構造を簡素化すると共に、ケーシング４５′を短縮し
て振動吸収機構５′の寸法を小型化することができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、圧倒的に運転時間の長
い通常運転時には、専ら（微小振動吸収機構の）より小
さい減衰係数を有する副減衰器および副ばねが作用し、
軸受装置に加わる荷重が小さく抑えられるため、軸受寿
命をより長く保つことが可能となる。また、地震による
大振動発生時には、主減衰器および主ばねの作用で回転
軸および回転容器の大振動が効果的に吸収・抑制される
ため、回転軸や回転容器の静止体との接触を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による遠心分離機の第１の実施形態の全
体構造を示す縦断面図。

【図２】図１に示す遠心分離機の振動吸収原理を示すた
めの模式図。

【図３】(a) は、図１に示す遠心分離機の振動吸収機構
を示す縦断面図、(b) は、(a)のＢ―Ｂ線断面図。

【図４】図３(a) に示す振動吸収機構における、大変位
時の状態を示す図。

【図５】図１に示す遠心分離機の振動吸収機構におけ
る、変位による減衰係数の変化を示すグラフ。

【図６】遠心分離機における、減衰器の減衰係数と回転
体変位との関係を示すグラフ。

【図７】遠心分離機における、減衰器の減衰係数と、軸
受反力および軸受寿命との関係を示すグラフ。

【図８】本発明による遠心分離機の第２の実施形態にお
ける、振動吸収機構を示す縦断面図。

【図９】従来の遠心分離機の全体構造を示す縦断面図。

【符号の説明】

１ 回転容器 ２ 回転軸 ４ 軸受台（支持部） ５ 振動吸収機構 ７ 軸受装置 ４０ 微小振動吸収機構 ４１ 主減衰器（主オイルダンパ） ４２ 主ばね（主コイルばね） ４３ 副減衰器（副オイルダンパ） ４４ 副ばね（副コイルばね） ５０, ５１ 変位制限機構 ５３ 円筒ゴム（微小振動吸収機構）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遠心分離用の回転容器と、 この回転容器に連結された回転軸と、 この回転軸を、支持部に対して回転自在かつ揺動自在に
   片持ち支持する軸受装置と、 前記回転軸と前記支持部との間に介在される振動吸収機
   構とを備え、 前記振動吸収機構は、前記回転軸と前記支持部との間に
   並列に設けられた主ばね及び主減衰器と、この主減衰器
   に対して直列に設けられた微小振動吸収機構とを有し、 この微小振動吸収機構は、互いに並列に設けられた副ば
   ね及び副減衰器を有すると共に、これらの副ばね及び副
   減衰器が、それぞれ前記主ばねのばね定数及び前記主減
   衰器の減衰係数より小さいばね定数及び減衰係数を有す
   ることを特徴とする遠心分離機。
2. 【請求項２】前記微小振動吸収機構の前記支持部に対す
   る変位を一定範囲内に制限するための変位制限機構を更
   に備えたことを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
3. 【請求項３】前記回転容器および前記回転軸に関する振
   動系において、前記主減衰器単独での減衰係数比が０.
   ０５〜０. ２の範囲内となり、前記副減衰器単独での減
   衰係数比が０. ２以上となるように構成したことを特徴
   とする請求項１記載の遠心分離機。
4. 【請求項４】前記微小振動吸収機構は、変位が大きくな
   るに従ってばね定数が大きくなるような非線形特性を有
   することを特徴とする請求項１記載の遠心分離機。
5. 【請求項５】前記微小振動吸収機構として、円筒ゴムを
   用いることを特徴とする請求項４記載の遠心分離機。
6. 【請求項６】前記微小振動吸収機構として、円筒ステン
   レスメッシュばねを用いることを特徴とする請求項４記
   載の遠心分離機。