JP2006177882A

JP2006177882A - 制御棒駆動機構

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Publication number: JP2006177882A
Application number: JP2004373648A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ienaka; 芳浩家中; Koichi Akatsuka; 宏一赤塚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP4294580B2

Abstract

【課題】対向配置された一対の磁気継手要素の間で作用する磁力を増加し、トルク伝達を向上させることができる制御棒駆動機構を提供する。
【解決手段】対向配置された一対の磁気継手要素１３，１４を介し電動機７の回転トルクを伝達して制御棒２を駆動する制御棒駆動機構３において、外側磁気継手要素１４は、内周側に複数の溝部２２ａが形成されたアウタヨーク２２と、アウタヨーク２２の溝部２２ａにそれぞれ挿嵌され磁着した複数の磁石２１とを備え、アウタヨーク２２における磁石２１間の段差部２２ｂの高さ方向寸法Ｌａを磁石２１の高さ方向寸法Ｌｂの半分以下となるように設ける。
【選択図】図１

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わり、さらに詳しくは、対向配置された一対の磁気継手要素を介し電動機の回転トルクを伝達して制御棒を駆動する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。

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された中空ピストンをボールねじに螺合されたボールナット上に載置するよう構成されており、ボールねじを回転させボールナットを上下動させて制御棒を昇降駆動するようになっている。

また従来、ハウジングを挟んで対向配置された一対の磁気継手要素を設け、ハウジング外側の磁気継手要素は電動機の出力軸に連結し、ハウジング内側の磁気継手要素はボールねじへと連結した構造が開示されており（例えば、特許文献１参照）、一対の磁気継手要素の間で作用する磁力を用いて電動機の回転トルクを伝達し、ボールねじを回転させるようになっている。なお、磁気継手要素は、全体として筒状筐体内に磁石を密封収容した構成としている。

特開２００２−１４１８９号公報（第５図及び第９図）

しかしながら、上記従来技術には以下のような改善の余地があった。
すなわち、上記従来の外側磁気継手要素は、図示から明確なように、ヨークの内周側に磁石とほぼ同じ深さ寸法の複数の溝部が形成され、それら溝部に複数の磁石がそれぞれ挿嵌され磁着している。そのため、各磁石の内径側磁極とその側方に隣接するヨークの段差部（言い換えれば、磁性体）との間で磁束が生じ、そのぶんだけ内側磁気継手要素への磁束が減少していた。したがって、対向配置された一対の磁気継手要素の間で作用する磁力、すなわちトルク伝達の面で改善の余地があった。

本発明の目的は、対向配置された一対の磁気継手要素の間で作用する磁力を増加し、トルク伝達を向上させることができる制御棒駆動機構を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、対向配置された一対の磁気継手要素を介し電動機の回転トルクを伝達して制御棒を駆動する制御棒駆動機構において、前記一対の磁気継手要素のうち少なくとも一の磁気継手要素は、一方側に複数の溝部が形成されたヨークと、前記ヨークの溝部にそれぞれ挿嵌され磁着した複数の磁石とを備え、前記ヨークにおける磁石間の段差部の高さ方向寸法を前記磁石の高さ方向寸法の半分以下となるように設ける。

本発明においては、磁気継手要素のヨークにおける磁石間の段差部の高さ方向寸法を磁石の高さ方向寸法の半分以下となるように設ける。これにより、ヨークの段差部（言い換えれば、磁性体）が各磁石の高さ方向側の磁極に隣接しなくなるので、各磁石の高さ方向側磁極における側方への磁束が低減し、そのぶんだけ対向配置された他の磁気継手要素への磁束を増加させることができる。したがって、対向配置された一対の磁気継手要素の間で作用する磁力が増加し、トルク伝達を向上させることができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記ヨークの段差部の高さ方向側に非磁性体を配設する。

上記（１）で説明したようにヨークの段差部の高さ方向寸法を磁石の高さ方向の半分以下としたときに、例えばヨークの段差部の高さ方向側を空隙とすると、周囲の熱環境により空気が熱膨張して磁石等を破損させる可能性が生じる。本発明においては、ヨークの段差部の高さ方向側に空気より熱膨張係数の小さい非磁性体を配設することにより、磁石等の破損を未然に防止することができる。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記非磁性体は、前記ヨーク及び前記磁石に接着する接着剤である。

（４）上記目的を達成するために、また本発明は、対向配置された一対の磁気継手要素を介し電動機の回転トルクを伝達して制御棒を駆動する制御棒駆動機構において、前記一対の磁気継手要素のうち少なくとも一の磁気継手要素は、ヨークと、このヨークの一方側に所定間隔で接合された複数の非磁性体と、これら非磁性体の間にそれぞれ挿嵌され前記ヨークに磁着した複数の磁石とを備える。

本発明によれば、対向配置された一対の磁気継手要素の間で作用する磁力を増加し、トルク伝達を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１の実施形態を図１〜図６により説明する。
図２は、本発明の制御棒駆動機構の一実施形態が適用された原子炉圧力容器の一部断面図であり、図３は、本発明の制御棒駆動機構の一実施形態の全体構成を表す縦断面図である。

これら図２及び図３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、その中央部に多数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、そ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。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。

制御棒駆動機構３のハウジングは、原子炉圧力容器１の下鏡部に接続されたハウジング４と、このハウジング４の下部フランジにアウタチューブ５を介しボルト締結され、一次冷却水の隔壁となるスプールピース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。

ハウジング４（及びアウタチューブ５）内には、上記制御棒２の下端にカップリング８を介し連結された中空ピストン９と、この中空ピストン９が載置されたボールナット１０と、このボールナット１０が螺合され、上端側が中空ピストン９に収容されたボールねじ１１とが設けられている。スプールピース６内には、ボールねじ１１の下端側に連結された伝達軸１２が設けられている。また、スプールピース６を挟んで対向配置された一対の磁気継手要素１３，１４が設けられており、スプールピース６の内側の磁気継手要素１３は伝達軸１２に接続され、スプールピース６の外側の磁気継手要素１４は電動機７の出力軸７ａに接続されている。

そして、電動機７が駆動すると、その出力軸７ａを介し外側磁気継手要素１４が回転し、外側磁気継手要素１４と内側磁気継手要素１３との間で作用する磁力によって回転トルクが伝達されて、内側磁気継手要素１３が回転するようになっている。これにより、内側磁気継手要素１３に接続された伝達軸１２等を介しボールねじ１１が回転し、ボールナット１０及び中空ピストン９が上下方向に移動し、それに伴い制御棒２が昇降駆動する。このようにして制御棒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。

図４は、上記内側磁気継手要素１３の詳細構造を表す縦断面図であり、図５は、図４中断面Ｖ−Ｖによる横断面図である。

これら図４及び図５において、内側磁気継手要素１３は、全体として円筒状筐体内に磁石（永久磁石）１５を密封収容した構成としている。詳細には、上記伝達軸１２が挿通可能な円筒部１６ａ及びこの円筒部１６ａの軸方向一方側（図４中下側）外周部に設けた円環部１６ｂを有するシャフト１６と、シャフト１６の円筒部１６ａの軸方向他方側（図３中上側）外周部に接合された円環状のカラー１７と、シャフト１６の円筒部１６ａの外周側に配設されたインナーヨーク（磁性体）１８と、シャフト１６の円筒部１６ａの外周側及び対応するインナーヨーク１８の内周側にそれぞれ形成された凹部に嵌合するキー１９と、インナーヨーク１８の外周側に磁着され、磁極が互い違いとなるように配置された複数の磁石１５と、シャフト１６の円環部１６ａ及びカラー１７に溶接手段等で接合され、複数の磁石１５の外周側を被覆する円筒状のスリーブ２０とで構成されている。

図６は、本発明の要部である上記外側磁気継手要素１４の詳細構造を表す縦断面図であり、図１は、図６中断面Ｉ−Ｉによる横断面図である。

これら図６及び図１において、外側磁気継手要素１４は、全体として円筒状筐体内に磁石（永久磁石）２１を密封収容した構成としている。詳細には、内周側に複数の溝部２２ａが形成された略円筒状のアウタヨーク（磁性体）２２と、アウタヨーク２２の溝部２２ａにそれぞれ挿嵌され磁着した複数の磁石２１と、これら磁石２１の内周側を被覆する円筒状のスリーブ２３と、複数の磁石２１の軸方向一方側（図６中上側）端部を被覆するカラー２４と、複数の磁石２１の軸方向他方側（図６中下側）端部を被覆するとともに、上記電動機７の出力軸７ａに連結されるエンドキャップ２５と、このエンドキャップ２５の外周側及び対応するアウタヨーク２２の内周側にそれぞれ形成された凹部に嵌合するキー２６とで構成されている。なお、アウタヨーク２２は、カラー２４及びエンドキャップ２５に嵌め込み構造で接合されており、スリーブ２３は、カラー２４及びエンドキャップ２５に溶接手段等で接合されている。

ここで本実施形態の大きな特徴として、アウタヨーク２２の溝部２２ａの深さ方向寸法（言い換えれば、磁石２１間の段差部２２ｂの高さ方向寸法）Ｌａは、磁石２１の高さ方向寸法Ｌｂの半分以下（本実施形態では半分）となるように設けられている。また本実施形態では、アウタヨーク２２の段差部２２ｂとスリーブ２３との間が空隙２７となっている。

次に、本実施形態による作用効果を、従来構造の外側磁気継手要素と比較しながら以下に詳細に説明する。

図７は、従来構造の外側磁気継手要素を表す横断面図であり、図８は、従来の外側磁気継手要素に生じる磁束を説明するための部分拡大横断面図である。なお、これら図７及び図８において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。また図９は、本実施形態による外側磁気継手に生じる磁束を説明するための部分拡大横断面図である。

図７及び図８に示すように、従来の外側磁気継手２８におけるアウタヨーク２９の溝部２９ａの深さ方向寸法（言い換えれば、磁石２１間の段差部２９ｂの高さ方向寸法）Ｌｃは、磁石２１の高さ方向寸法Ｌｂとほぼ同じとなるように設けている。そのため、各磁石２１の内径側磁極とこれに隣接するアウタヨーク２９の段差部２９ｂとの間で磁束が生じ、そのぶんだけ内側磁気継手要素１３側への磁束が減少する。

これに対し図９に示すように、本実施形態による外側磁気継手要素１４は、アウタヨーク２２の段差部２２ｂの高さ方向寸法Ｌａを磁石２１の高さ方向寸法Ｌｂの半分以下となるように設ける。これにより、アウタヨーク２２の段差部２２ｂ（言い換えれば、磁性体）が磁石２１の内径側磁極に隣接しなくなるので、各磁石２１の内径側磁極における側方への磁束が低減し、そのぶんだけ内側磁気継手要素１３への磁束を増加させることができる。したがって、対向配置された一対の磁気継手要素１３，１４の間で作用する磁力が増加し、トルク伝達を向上させることができる。また、本願発明者らは、本実施形態による磁気継手要素１３，１４の伝達トルクを数値解析した結果、従来の磁気継手要素１３，２６の伝達トルクに対し約２〜３％上昇することがわかった。また、磁気継手要素１３，１４における伝達トルクの向上により、例えば過大な回転トルクが掛けられたとき等に発生する外側磁気継手要素１４と内側磁気継手要素との間のすべり現象を抑えることができ、信頼性の向上が図れる。

本発明の第２の実施形態を図１０により説明する。本実施形態は、外側磁気継手要素のアウタヨーク２２における段差部２２ａの内周側（高さ方向側）に非磁性体を配設した実施形態である。

図１０は、本実施形態による外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。なお、この図１０において、上記第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態による外側磁気継手要素１４’は、アウタヨーク２２の段差部２２ａの内周側に非磁性体３０をそれぞれ配設する。非磁性体３０は、例えばアウタヨーク２２及び磁石２１に接着する接着剤であり、液体状態で充填され時間の経過とともに固化するようになっている。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態同様、対向配置された一対の磁気継手要素１３，１４’の間で作用する磁力が増加し、トルク伝達を向上させることができる。また、上記第１の実施形態のようにアウタヨーク２２の段差部２２ｂの内周側を空隙２７とした場合、周囲の熱環境により空気が熱膨張して磁石２１等を破損させる可能性が生じるが、本実施形態においてはアウタヨーク２２の段差部２２ｂの内周側に空気より熱膨張係数の小さい非磁性体３０を配設することにより、磁石２１等の破損を未然に防止することができる。また、第１の実施形態に比べ、磁性体３０を配設することで磁石２１に隣接する側方面積を大きくし、磁石２１の保持力を高めることもできる。

本発明の第３の実施形態を図１１により説明する。本実施形態は、外側磁気継手要素におけるアウタヨークの内周側に所定間隔で複数の非磁性体を接合し、それら非磁性体の間に複数の磁石を挿嵌し磁着した実施形態である。

図１１は、本実施形態による外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。なお、この図１１において上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態による外側磁気継手要素３１は、略円筒状のアウタヨーク３２と、このアウタヨーク３２の内周面３２ａに所定間隔で、溶接手段又は接着剤等により接合された複数の非磁性体３３と、これら非磁性体３３の間にそれぞれ挿嵌されアウタヨーク３２の内周面３２ａに磁着した複数の磁石２１とを備えている。このような構造とすることにより、上記実施形態のアウタヨーク２２の段差部２２ｂがなくなり、各磁石２１の側方には磁性体が存在しないようになる。

以上のような本実施形態においても、上記第１及び第２の実施形態同様、対向配置された一対の磁気継手要素１３，３１の間で作用する磁力が増加し、トルク伝達を向上させることができる。また、非磁性体３３の高さ方向寸法Ｌｄを磁石２１の高さ方向寸法Ｌｂとほぼ同じとすることで、上記第２の実施形態同様、空隙をなくして磁石２１等の破損を未然に防止することができ、磁石２１の保持力を高めることもできる。

なお、上記第３の実施形態においては、アウタヨーク３２の内周面３２ａに非磁性体３３を接合した構造を例にとって説明したが、これに限られない。上記第３の実施形態の変形例を図１２及び図１３により説明する。

図１２は、第１の変形例による外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。なお、この図１２において、上記第３の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

第１の変形例による外側磁気継手要素３１’は、アウタヨーク３２’の内周面３２ａに複数の溝部３２ｂを形成し、これら溝部３２ｂに非磁性体３３’を嵌合して接合する。なお、非磁性体３３’におけるアウタヨーク３２’の内周面３２ａ’位置からの高さ方向寸法Ｌｄが、磁石２１の高さ方向寸法Ｌｂとほぼ同じである。この変形例においても、上記第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１３は、第２の変形例による外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。なお、この図１３において、上記第１の変形例と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

第２の変形例による外側磁気継手要素３１”は、アウタヨーク３２”の内周面３２ａに複数の溝部３２ｂを形成し、これら溝部３２ｂに非磁性体３３”を嵌合して接合する。また、アウタヨーク３２”の溝部３２ｂに径方向に貫通するピン穴３２ｃをそれぞれ設け、非磁性体３３”の対応する位置にピン溝３３ａを設け、これらピン穴３２ｃ及びピン溝３３ａにピン３４をそれぞれ挿嵌する。この変形例においても、上記第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図６中断面Ｉ−Ｉによる横断面図であり、本発明の制御棒駆動機構の第１の実施形態を構成する外側磁気継手要素の詳細構造を表す。本発明の制御棒駆動機構の第１の実施形態が適用された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第１の実施形態の全体構成を表す縦断面図である。本発明の制御棒駆動機構の第１の実施形態を構成する内側磁気継手要素の詳細構造を表す縦断面図である。図４中断面Ｖ−Ｖによる横断面図であり、本発明の制御棒駆動機構の第１の実施形態を構成する内側磁気継手要素の詳細構造を表す。本発明の制御棒駆動機構の第１の実施形態を構成する外側磁気継手要素の詳細構造を表す縦断面図である。従来構造の外側磁気継手要素を表す横断面図である。従来構造の外側磁気継手要素に生じる磁力を説明するための部分拡大横断面図である。本発明の制御棒駆動機構の第１の実施形態を構成する外側磁気継手要素に生じる磁力を説明するための部分拡大横断面図である。本発明の制御棒駆動機構の第２の実施形態を構成する外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。本発明の制御棒駆動機構の第３の実施形態を構成する外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。本発明の制御棒駆動機構の第１の変形例を構成する外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。本発明の制御棒駆動機構の第２の変形例を構成する外側磁気継手要素の詳細構造を表す横断面図である。

符号の説明

２制御棒
３制御棒駆動機構
１３内側磁気継手要素
１４外側磁気継手要素
２１磁石
２２アウタヨーク
２２ａ溝部
２２ｂ段差部
３０非磁性体
３１外側磁気継手要素
３２アウタヨーク
３３非磁性体
Ｌａアウタヨークの段差部の高さ方向寸法
Ｌｂ磁石の高さ方向寸法

Claims

対向配置された一対の磁気継手要素を介し電動機の回転トルクを伝達して制御棒を駆動する制御棒駆動機構において、
前記一対の磁気継手要素のうち少なくとも一の磁気継手要素は、一方側に複数の溝部が形成されたヨークと、前記ヨークの溝部にそれぞれ挿嵌され磁着した複数の磁石とを備え、
前記ヨークにおける磁石間の段差部の高さ方向寸法を前記磁石の高さ方向寸法の半分以下となるように設けたことを特徴とする制御棒駆動機構。
請求項１記載の制御棒駆動機構において、前記ヨークの段差部の高さ方向側に非磁性体を配設したことを特徴とする制御棒駆動機構。
請求項２記載の制御棒駆動機構において、前記非磁性体は、前記ヨーク及び前記磁石に接着する接着剤であることを特徴とする制御棒駆動機構。
対向配置された一対の磁気継手要素を介し電動機の回転トルクを伝達して制御棒を駆動する制御棒駆動機構において、
前記一対の磁気継手要素のうち少なくとも一の磁気継手要素は、ヨークと、このヨークの一方側に所定間隔で接合された複数の非磁性体と、これら非磁性体の間にそれぞれ挿嵌され前記ヨークに磁着した複数の磁石とを備えたことを特徴とする制御棒駆動機構。