JP2005083785A - 制御棒駆動機構及びこれに用いる回り止め機構 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の着脱に伴って確実に回り止め機構を動作させることができ、高い信頼性を確保することができる制御棒駆動機構及びこれに用いる回り止め機構を提供する。
【解決手段】ハウジング６の下端部に着脱可能に設けられ、ボールねじ１３を回転駆動させる電動機７と、ハウジング６内における電動機７との対向部に固定されたホルダ１８と、電動機７の着脱に伴い、ホルダ１８に対し電動機７の取り付け方向に摺動するプランジャ１９と、このプランジャ１９の動作に連動してホルダ１８に対して回動するように取り付けられ、電動機７がハウジング６から取り外された際には、先端部がギアカップリング１１に噛合し、電動機７がハウジング６に取り付けられた際には、ギアカップリング１１から離間するロッキングカム２２とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、原子力プラントに使用する制御棒駆動機構に係り、さらに詳しくは、駆動装置取り外し時における制御棒上下動用のボールねじの回り止め機構及びこれを用いた制御棒駆動機構に関する。

一般に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の圧力容器には、減速材を兼ねた冷却材が収容されるとともに、原子炉圧力容器の中央部には多くの燃料集合体が装荷された炉心が配置される。燃料集合体の間には制御棒（ＣＲ）が挿入・引抜自在に設置されており、原子炉の起動・停止、反応度補償、負荷追従等の制御は、炉心に対し制御棒を挿入・引抜することにより行われる。この制御棒は、原子炉圧力容器の下部に備わる制御棒駆動機構（ＣＲＤ）によって昇降駆動される。

この制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器の下部に接続したハウジング内において、制御棒の下端に連結した中空ピストンをボールねじに螺合したボールナット上に載置するよう構成されており、ボールねじを電動機によって回転させボールナットを上下動させることにより、制御棒を昇降駆動するようになっている。一般に、電動機は、その出力軸がボールねじに対しカップリングを介して連結されており、非駆動時には、電動機の電磁ブレーキによる保持力によってボールねじの回転を防止している。そのため、制御棒駆動機構の点検を行う際等に、制御棒が下限位置よりも上昇した位置にある状態で電動機が取り外されると、ボールねじの回転抑止力が失われ、ボールねじの回転に伴って制御棒が落下する。

そこで、電動機取り外し時の制御棒の落下を防止するために、電動機を取り外すとこれに伴って爪体が側方に突出し、カップリングの周囲に設けた溝に対し突出した爪体を噛合させることにより、ボールねじの回転を抑止する回り止め機構を設けたものがある（例えば、特許文献１等参照）。

特開平５−２８８８７９号公報

上記従来技術においては、上方に行くに連れてカップリングに近付くガイド路が形成された下方突起を爪体に設け、この爪体のガイド路に対し、電動機上面に突設したアーム先端のローラを嵌め合わせてある。これにより、電動機の着脱に伴うローラの鉛直方向の動きが、ガイド路を介して爪体の水平方向の動きに変換され、電動機を取り外せば爪体がカップリングの溝に強制的に押し込まれる一方、取り付ければ溝から引き抜かれるようになっている。しかしながら、この従来技術のように、斜めに設けたガイド路によって上下方向のローラの動きを水平方向の爪体の動きに変換する場合、ローラ及び爪体のガイド路部分が電動機の着脱の際に互いに強く押し付けられて摩耗し、電動機の着脱を繰り返すうちに所望の動作を得ることができなくなる場合がある。また、ローラがうまくガイド路に噛み合わず、爪体を確実にカップリングに対し押し引きすることができない場合もあった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、電動機の着脱に伴って確実に回り止め機構を動作させることができ、高い信頼性を確保することができる制御棒駆動機構及びこれに用いる回り止め機構を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、原子炉圧力容器に対して固定したハウジングと、このハウジング内に回転自在に設けたボールねじと、前記ハウジングの下端部に着脱可能に設けられ、前記ボールねじを回転駆動させる電動機と、前記ハウジング内に固定されたホルダと、前記電動機の着脱に伴い、前記ホルダに対し前記電動機の取り付け方向に摺動するプランジャと、このプランジャの動作に連動して前記ホルダに対して回動するように取り付けられ、前記電動機が前記ハウジングから取り外された際には、先端部が前記ボールねじに連結されて回転する回転部材に噛合し、前記電動機が前記ハウジングに取り付けられた際には、前記回転部材から離間するロッキングカムとを備える。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記プランジャに、前記ホルダから突出する方向に力を付勢する付勢手段を備える。

（３）上記（２）において、また好ましくは、前記付勢手段は、バネである。

（４）上記（３）において、さらに好ましくは、前記バネは複数設けられている。

（５）上記（１）において、また好ましくは、前記プランジャは、自重によってホルダに対して摺動可能である。

（６）上記（１）において、また好ましくは、前記ロッキングカムは、自重によって回動可能なよう、回動支点に対し重心位置が偏心している。

（７）上記（１）において、また好ましくは、前記プランジャは、前記電動機との接触面が平滑に形成されている。

（８）上記目的を達成するために、また本発明は、制御棒駆動機構のハウジング内に固定されたホルダと、前記電動機の着脱に伴い、前記ホルダに対し前記電動機の取り付け方向に摺動するプランジャと、このプランジャの動作に連動して前記ホルダに対して回動するように取り付けられ、前記電動機が前記ハウジングから取り外された際には、先端部が前記制御棒駆動機構のボールねじに連結されて回転する回転部材に噛合し、前記電動機が前記ハウジングに取り付けられた際には、前記回転部材から離間するロッキングカムとを備える。

本発明によれば、プランジャが電動機の取り付け方向に摺動し、このプランジャの動作に連動して回動するロッキングカムによってボールねじの回転を拘束することにより、プランジャの摩耗を低減することができ、電動機の着脱に伴って確実に回り止め機構を動作させることができるので、安全性を向上させ高い信頼性を確保することができる。

以下、本発明の制御棒駆動装置及びこれに用いる回り止め機構の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の制御棒駆動機構及びこれに用いる回り止め機構の一実施の形態を適用する原子炉圧力容器の一部断面図である。
図１において、原子炉圧力容器１は、内部に減速材を兼ねた冷却材を収容するとともに、その中央部に多くの燃料集合体が装荷された炉心が配置されている。制御棒（ＣＲ）２は、これら燃料集合体の間に挿入及び引抜自在に設置され、原子炉圧力容器１の下方にあって、下鏡部に貫通して設けた制御棒駆動機構（ＣＲＤ）３によって昇降駆動されるようになっている。この制御棒駆動機構３は、原子炉の反応度制御を目的として、制御棒２と一体的に構成され、原子力プラントの運転及び安全上の重要性が特に高いものである。

図２は、本発明の制御棒駆動機構の一実施の形態の全体構成を表す縦断面図である。
この図２に示すように、制御棒駆動機構３のハウジングは、原子炉圧力容器１の下鏡部に接続するハウジング４と、このハウジング４の下部フランジにアウターチューブ５を介しボルト締結したスプールピース６とで構成されている。スプールピース６の下端部には、制御棒駆動機構３の駆動源である電動機７が着脱可能に設けられている。この電動機７の下部には、電磁ブレーキ８、シンクロ位置検出器９が取り付けられ、電動機７と一体構成されている。

電動機７の出力軸１０は、ギアカップリング１１を介してスプールピース６内に回転自在に支持された駆動軸１２に連結されている。この駆動軸１２は、ハウジング４内に回転自在に設けられたボールねじ１３に連結されており、したがって、電動機７の出力軸１０は、ギアカップリング１１及び駆動軸１２を介してボールねじ１３に接続される。

ボールねじ１３には、ボールナット１４が螺合して設けられており、ボールナット１４の上部には、ボールねじ１３をその空洞部に収容可能な中空ピストン１５が載置されている。さらに、この中空ピストン１５の上端には、カップリング１６を介し上記制御棒２が連結されている。これにより、電動機７によってボールねじ８を回転させると、ハウジング４内でボールナット１４及びこれに載置された中空ピストン１５が上下方向に移動し、これに伴って中空ピストン１５に連結された制御棒２が昇降駆動することによって、制御棒２の炉心への挿入・引き抜き量が調整され、炉出力が調整されるようになっている。

なお、ボールねじ１３の非駆動時には、上記電磁ブレーキ８の作用によって、電動機７の回転を固定し、出力軸１０の回転を防止することにより、ボールねじ１３の回転動作が抑止され、これによってボールナット１４の上下動を抑止し制御棒２の位置をその時点の位置に保持するようになっている。

上記したように、電動機７、電磁ブレーキ８及びシンクロ位置検出器９は、ユニットとして一体構成されており、制御棒駆動機構３の点検を行う際に取り外されることがある。制御棒２が、下限位置よりも上昇した位置で停止した状態で、電動機７、電磁ブレーキ８及びシンクロ位置検出器９を取り外した場合、電磁ブレーキ８による保持力が失われるため、電動機７の出力軸１０に連結していた回転軸２及びボールねじ１３の回転の拘束が解かれ、ボールナット１４の自重によってボールねじ１３が回転し、ボールナット１４、中空ピストン１５及び制御棒２が落下する。そこで、本実施の形態においては、図２に示したように、スプールピース６内に、電動機７の取り外し時、ボールねじ１３の回転を抑止するための回り止め機構１７が設けてある。

図３及び図４は、本発明の回り止め機構の一実施の形態の詳細構造を表す縦断面図で、図３は電動機７の取り外し時、図４は電動機７の取り付け時の状態を表している。
これら図３及び図４に示すように、回り止め機構１７は、スプールピース６内における電動機７との対向部に、例えばボルト等により固定されたホルダ１８を本体とし、このホルダ１８の内部には、上下方向に摺動することによって、ホルダ１８に出入り可能なプランジャ１９が設けられている。このプランジャ１９は、その摺動方向が、電動機７を取り付ける方向（軸方向、つまり上下方向）と平行であり、電動機７のフランジ面（上端面）に接触し易いよう、電動機７との接触面（下端面）が電動機７のフランジ面とほぼ平行な平滑面となっている。また、プランジャ１９は、上部側が開口したカップ状に形成されており、ホルダ１８との対向部に付勢手段としてのバネ２０を複数（本例では３つ）収容しており、このバネ２０が、プランジャ１９に、ホルダ１８から突出する方向（下方）にバネ力を付勢している。したがって、プランジャ１９は、電動機７が取り付けられているときには、電動機７の上壁面に押し上げられ、バネ２０が縮退してホルダ１８内に収容される一方、電動機７が取り外されるときには、電動機７による押し付け力がなくなり、バネ２０の復元力によって下向きに摺動しホルダ１８の下方に突出するようになっている。

上記プランジャ１９には、ピン２１を介して、ギアカップリング１１の回転を抑止するロッキングカム２２が連結されている。プランジャ１９に設けたピン２１用のピン穴は、後述するロッキングカム２２の回動動作を阻害しないよう、ピン２１に対し水平方向に適当な間隙（遊び）を持たせてある。ロッキングカム２２は、ピン２３を介しホルダ１８に対して鉛直面内を回動可能に取り付けられ、プランジャ１９の上下動に連動してピン２３を支点に回動するようになっている。これによって、ロッキングカム２２は、プランジャ１９の下降時、すなわち電動機７の取り外し時には、その先端がギアカップリング１１の全周に設けた多数の縦溝２４に噛合し（図３参照）、プランジャ１９の上昇時、すなわち電動機７の取り付け時には、先端がギアカップリング１１の縦溝２４から離れ、縦溝２４との噛合が解除されてホルダ１８内に収容されるようになっている（図４参照）。また、このロッキングカム２２は、その重心位置がピン２３よりもギアカップリング１１から遠い側に偏心しており、仮に図４の状態でピン２１による拘束力が解かれても、ほぼ図３の状態まで反時計回りに回動するようになっている。

以上の構成により、本実施の形態においては、電動機７が取り外されているとき（図３の状態にあるとき）、回り止め機構１７のプランジャ１９は、バネ２０の作用によって下方（電動機７側）に突出した状態で、さらにロッキングカム２２の先端部がホルダ１８から突出してギアカップリングの縦溝２４に係合し、これによりギアカップリング１１が固定されボールねじ１３（図２参照）の回転が抑止された状態となる。この状態から、電動機７がスプールピース６に取り付けられると、電動機７のフランジ面（上端面）が、プランジャ１９に接触し、プランジャ１９を上向きに押圧する。そして、プランジャ１９の内部に設置されたバネ２０の反力よりも大きな押し付け力が作用すると、バネ２０が縮み始めてプランジャ１９が上方向に摺動する。これに伴ってプランジャ１９にピン２１を介して連結したロッキングカム２２が、ピン２３を支点として時計回りに回動し、ロッキングカム２２の先端部がギアカップリング１１の縦溝２４から離間してホルダ１８内に収容され、これによりギアカップリング１１の回転の拘束が解除され、ボールねじ１３が回転可能な状態（図４の状態）に復帰する。

反対に、例えば制御棒駆動機構３の点検の際等に、電動機７を取り外してボールねじ１３の回転を拘束する場合には、上記動作と逆の動作となる。すなわち、電動機７が、スプールピース６から取り外されると、電動機７のフランジ面からの押圧力がなくなり、バネ２０の復元力によってプランジャ１９がホルダ１８の下方に突出する。フランジャ１６が突出すると、これに伴ってロッキングカム２２がピン２３を支点として図４の状態から反時計回りに回動し、その先端部がホルダ１８から突出してギアカップリング１１の縦溝２４に噛合し、ギアカップリング１１の回転を拘束する（図３の状態）。

また、本実施形態においては、バネ２０を複数本設けているため、バネ２０のどれかが損傷し機能しなくなった場合でも、電動機７の取り外し時、残りのバネ２０でプランジャ１９を押し出し、ロッキングカム２２がギアカップリング１１に噛合する。さらに、プランジャ１９内部のバネ２０が全て損傷した場合でも、プランジャ１９の摺動方向が上下方向であるため、電動機７を取り外すと、自重によってプランジャ１９が摺動しホルダ１８の下方に突出する。これに伴い、フランジャ１６と連結されたロッキングカム２２は、ピン２３を支点に回動してギアカップリング１１に噛合し、ボールねじ１３の回転を拘束する。さらには、万一、ピン２３が損傷しプランジャ１９とロッキングカム２２とが連動しなくなったとしても、ロッキングカム２２は、重心位置を前述の如く配置してあることから、ピン２１による拘束力が解かれた場合に、自重の作用によってギアカップリング１１に噛合するように回動する。このように何らかの要因によってピン２３が損傷したとしても、電動機７を取り外せば、自動的にボールねじ１３の回転が拘束される。

ここで、図５及び図６に、本実施形態における回り止め機構１７との比較例として一般的な回り止め機構の一構成例を示す。図５は電動機７が取り外されているときの状態、図６は電動機７が取り付けられているときの状態を表している。但し、これら図５及び図６において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
これら図５及び図６において、本比較例の回り止め機構のホルダ３０は、スプールピース６（図２参照）内におけるギアカップリング１１の近接位置に取り付けられている。プランジャ３１は、下方に向かってギアカップリング１１に近付く摺動方向に設けたガイド溝３２に、ホルダ３０に固定したピン３３を挿通することにより、このピン３３にガイドされて斜めに摺動するようになっている。また、ホルダ３０とプランジャ３１との間にはバネ３４が設けられており、プランジャ３１を斜め下方に付勢している。

プランジャ３１の下部には、上方に向かってカップリング１１側に傾いたガイド部３５が形成されており、電動機７の上端面に突出させて固定した係合部材（図示せず）がこのガイド部３５に係合するようになっている。また、プランジャ３１におけるギアカップリング１１との対向部は、ギアカップリング１１に向けて突出部３６が設けられており、プランジャ３１が斜めに摺動すると、これに伴って上下に若干スライドしながら水平方向に動作するようになっている。これにより、電動機７が取り外されるとき、バネ３４の付勢力及びガイド部３５に対する電動機７側の係合部材による押圧力によってプランジャ３１が斜め下方に移動し、これに伴い、図５に示すように突出部３６がカップリング１１の縦溝２４に係合する。一方、電動機７が取り付けられるとき、ガイド部３５に対する電動機７側の係合部材からの押圧力によってプランジャ３１が斜め上方に移動し、これに伴い、図６に示すように突出部３６がカップリング１１の縦溝２４から離間する。

しかしながら、この比較例のように、電動機７の着脱の動作（上下方向の動作）を、斜めのガイド部３５を介し突出部３６の水平方向の動作に変換する構成であると、電動機７を着脱するとき、電動機７側の係合部材（図示せず）がガイド部３５に押し付けられ、ガイド部３５及び係合部材間に強い摩擦力が作用するため、これらガイド部３５及び係合部材に摩耗やいわゆるかじり等が生じ易い。また、これと同時にピン３３及びガイド溝３２間にも強く摩擦力が作用するため、ピン３３及びガイド溝３２にも摩耗やかじりが生じ易い。したがって、電動機７の着脱を繰り返すうちに、摩耗量が増大したりかじりが生じたりすると、プランジャ３１が円滑に動作しなくなる可能性がある。また、プランジャ１９が水平方向にも移動するため、前述のように円滑に動作しなくなると、電動機７側の係合部材がうまくガイド溝３２に噛み合わず、プランジャ３１の突出部３６を確実にギアカップリング１１に対し押し引きすることができない可能性もある。

それに対し、本実施の形態によれば、プランジャ１９が電動機７の着脱に伴って上下動する構成であるので、電動機７を取り付ける際には、電動機７のフランジ面によって確実にプランジャ１９を押し上げることができ、電動機７を取り外す際には、バネ２０の復元力自重によって確実にプランジャ１９が下降する。このように、電動機７の着脱に伴って、プランジャ１９が確実に動作するので、ロッキングカム２２を安定に動作させることができる。また、プランジャ１９の動作は、電動機７の取り付け方向と平行であり、この動きをロッキングカム２２の回転運動に変換する構成であるので、図５及び図６の比較例のように、電動機７の着脱方向の動きをプランジャ３１の水平方向の動きに変換する場合に比べて、動作する各部材間に作用する摩擦が少なく、回り止め機構１７に生ずる摩耗量を低減することができる。そのため、経年的な回り止め機構１７の動作の確実性の低下を軽減することができる。以上のように、電動機７の着脱に伴って回り止め機構１７を確実に動作させることができるので、高い信頼性を確保することができる。

また、本実施の形態における回り止め機構１７は、構成的に従来の回り止め機構と同等かそれよりも小型であり、既存のスプールピースに対し、改修なしに取り付けることができる。これにより、高い信頼性を確保しながら、しかも導入費用を最小限に抑えることができる。

図７は、本発明の制御棒駆動機構の他の実施の形態の全体構成を表す縦断面図である。
この図７に示すように、本実施の形態における制御棒駆動機構３Ａには、駆動軸１２の軸封部２５が設けられており、電動機７の出力軸１０からの駆動力は、磁気継手２６を介して駆動軸１２に伝達されるようになっている。その他の構成は、図１〜図４を用いて説明した制御棒駆動機構３と同様の構成であり、同様の部分には図１〜図４と同符号を付し説明を省略する。
このように、先に説明した回り止め機構１７は、磁気継手２６を用いた制御棒駆動機構３Ａにも適用可能であり、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上において、回り止め機構１７は、ギアカップリング１１にロッキングカム２２を係合することによってボールねじ１３の回転を拘束する構成としたが、これに限られず、例えば駆動軸１２等、ボールねじ１３に対し直接的又は間接的に連結され回転する部材（出力軸１２は除く）の外周部に溝を設け、その溝に対しロッキングカム２２を係合する構成も考えられる。また、プランジャ１９を付勢する付勢手段として、バネ２０を例に挙げて説明したが、この付勢手段は必ずしもバネ２０に限られることはなく、例えば、空気の圧縮力によって付勢する手段等、バネに代替する他の手段を用いても良い。これらの場合も、同様の効果が得られる。

本発明の制御棒駆動機構及びこれに用いる回り止め機構の一実施の形態を適用する原子炉圧力容器の一部断面図である。 本発明の制御棒駆動機構の一実施の形態の全体構成を表す縦断面図である。 本発明の回り止め機構の一実施の形態の詳細構造を表す縦断面図で、電動機が取り外されているときの状態を表している。 本発明の回り止め機構の一実施の形態の詳細構造を表す縦断面図で、電動機が取り付けられているときの状態を表している。 本発明の回り止め機構との一比較例の詳細構造を表す縦断面図で、電動機が取り外されているときの状態を表している。 本発明の回り止め機構との一比較例の詳細構造を表す縦断面図で、電動機が取り付けられているときの状態を表している。 本発明の制御棒駆動機構の他の実施の形態の全体構成を表す縦断面図である。

符号の説明

１ 原子炉圧力容器
３，３Ａ 制御棒駆動機構
４ ハウジング
６ スプールピース（ハウジング）
７ 電動機
１１ ギアカップリング（回転部材）
１２ 駆動軸（回転部材）
１３ ボールねじ
１８ ホルダ
１９ プランジャ
２０ バネ（付勢手段）
２２ ロッキングカム

Claims (8)

1. 原子炉圧力容器に対して固定したハウジングと、
   このハウジング内に回転自在に設けたボールねじと、
   前記ハウジングの下端部に着脱可能に設けられ、前記ボールねじを回転駆動させる電動機と、
   前記ハウジング内に固定されたホルダと、
   前記電動機の着脱に伴い、前記ホルダに対し前記電動機の取り付け方向に摺動するプランジャと、
   このプランジャの動作に連動して前記ホルダに対して回動するように取り付けられ、前記電動機が前記ハウジングから取り外された際には、先端部が前記ボールねじに連結されて回転する回転部材に噛合し、前記電動機が前記ハウジングに取り付けられた際には、前記回転部材から離間するロッキングカムと
   を備えたことを特徴とする制御棒駆動機構。
2. 請求項１記載の制御棒駆動機構において、前記プランジャに、前記ホルダから突出する方向に力を付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする制御棒駆動機構。
3. 請求項２記載の制御棒駆動機構において、前記付勢手段は、バネであることを特徴とする制御棒駆動機構。
4. 請求項３記載の制御棒駆動機構において、前記バネは複数設けられていることを特徴とする制御棒駆動機構。
5. 請求項１記載の制御棒駆動機構において、前記プランジャは、自重によってホルダに対して摺動可能であることを特徴とする制御棒駆動機構。
6. 請求項１記載の制御棒駆動機構において、前記ロッキングカムは、自重によって回動可能なよう、回動支点に対し重心位置が偏心していることを特徴とする制御棒駆動機構。
7. 請求項１記載の制御棒駆動機構において、前記プランジャは、前記電動機との接触面が平滑に形成されていることを特徴とする制御棒駆動機構。
8. 制御棒駆動機構のハウジング内に固定されたホルダと、
   前記電動機の着脱に伴い、前記ホルダに対し前記電動機の取り付け方向に摺動するプランジャと、
   このプランジャの動作に連動して前記ホルダに対して回動するように取り付けられ、前記電動機が前記ハウジングから取り外された際には、先端部が前記制御棒駆動機構のボールねじに連結されて回転する回転部材に噛合し、前記電動機が前記ハウジングに取り付けられた際には、前記回転部材から離間するロッキングカムと
   を備えたことを特徴とする回り止め機構。
   

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