JP2009174941A - 制御棒位置検出装置及び制御棒駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡素化することができ、制御棒の検出精度を高めることができる制御棒位置検出装置を提供する。
【解決手段】ＣＲＤは、ガイドチューブをアウターチューブ内に、中空ピストンをガイドチューブ内に配置する。ボールスピンドルと噛み合うボールナットの上に中空ピストンが載っており、制御棒が中空ピストンの上端部に連結される。ボールスピンドルは電動機によって回転される。制御棒位置検出装置２０は、電動機により回転される入力軸２２、ケーシング２１内に設けられた歯車機構２３、及び位置検出器２８，２９を有する。歯車機構２３は、歯車２４Ａ〜２４Ｅ、及び歯車２４Ａ〜２４Ｅが取り付けられる回転軸２５Ａ〜２５Ｅを含んでいる。位置検出器２８，２９は回転軸２５Ｅに取り付けられる。入力軸２２の回転は歯車２４Ａ〜２４Ｅにより回転軸２５Ｅに伝えられ、位置検出器２８，２９が制御棒の位置を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は，制御棒位置検出装置及び制御棒駆動機構に係り、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用するのに好適な制御棒位置検出装置及び制御棒駆動機構に関する。

一般に，ＢＷＲの原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内には，減速材を兼ねた冷却材が存在する。複数の燃料集合体が装荷された炉心がＲＰＶ内に配置される。燃料集合体の相互間に挿入される制御棒（ＣＲ）がＲＰＶ内に配置されている。原子炉の起動及び停止、反応度補償及び負荷追従等における原子炉出力の制御は，制御棒の炉心からの引き抜き、及び制御棒の炉心への挿入によって行われる。制御棒は，ＲＰＶの底部に設けられた制御棒駆動機構（ＣＲＤ）に連結され、ＣＲＤよって上下方向に移動される。

ＣＲＤの一例が特開２００７−４０７２８号公報の図２１に示されている。ＣＲＤは、アウターチューブを有し、このアウターチューブ内にガイドチューブを設置している。ボールナット及びボールナットに取り付けられて上方に延びる中空ピストンが、ガイドチューブ内に配置される。中空ピストンの上端部が制御棒に連結される。中空ピストン内に配置されるボールスピンドルがボールナットと噛み合っている。ボールスピンドルは、電動機の回転軸に連結され、電動機によって回転される。ボールナットは、ボールスピンドルの回転によって上下動し、中空ピストンを上下動させる。これにより、制御棒が炉心に出し入れされ、原子炉出力が制御される。

ＣＲＤは、炉心の軸方向における制御棒の位置を検出する制御棒位置検出装置を備えている。この制御棒位置検出装置は，電動機の回転軸の回転情報を電気信号で出力する。制御棒位置検出装置は、２つの位置検出器を設けて二重化されている。各位置検出器は、電動機の回転軸に噛み合う別々の歯車機構によってそれぞれ回転され、制御棒の位置をそれぞれ検出する。各歯車機構は、相互に噛み合う複数の歯車を含む歯車列を有している。

ＣＲＤが位置検出器及び歯車機構の組み合わせを二系列備えている理由は、一方の位置検出器が機能しなくなった場合でも，他方の位置検出器で制御棒の位置検出を確実に行えるようにするためである。複数の位置検出器を備えたＣＲＤの例が、特開２００１−２２１８７９号公報及び特開平８−２１８９１号公報に記載されている。

特開２００７−４０７２８号公報 特開２００１−２２１８７９号公報 特開平８−２１８９１号公報

上記した位置検出器及び歯車機構の組み合わせを二系列備えたＣＲＤにおいては、以下に述べる課題が存在することが、発明者らの検討により明らかになった。従来のＣＲＤでは，各位置検出器にそれぞれ噛み合う歯車機構が別々となっているので，各歯車機構の歯車列に含まれる歯車の製作精度が異なっており、その歯車の取り付け位置がずれている。このため，２つの位置検出器がそれぞれ計測する制御棒位置の計測値に違いが生じる。それぞれの位置検出器から出力された制御棒位置の計測値の差が大きくなると，正しい計測値がどちらであるかを判断することが困難になる。このため，それぞれの位置検出器の計測値を同じ値とし，検出精度の幅を一定とするために，それぞれの歯車機構における歯車の加工精度及び取り付け精度を高める必要があった。

また，歯車機構を二重化しているため，部品点数が多くなり，歯車及び軸受の損傷、さらには、かじりによる損傷が発生する確率が高くなっている。

本発明の目的は，構造を簡素化することができ、制御棒の検出精度をさらに高めることができる制御棒位置検出装置及び制御棒駆動機構を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、制御棒駆動機構の電動機によって回転される第１回転軸と、この第１回転軸に噛み合った歯車機構と、歯車機構に設けられた第２回転軸に取り付けられ、第２回転軸の回転によって制御棒位置信号をそれぞれ出力する第１位置検出器及び第２位置検出器とを備えたことにある。

１つの回転軸である第２回転軸に第１位置検出器及び第２位置検出器を取り付けているので、歯車機構が１つで済み、制御棒位置検出装置の構造を簡素化することができる。また、同じ回転軸に第１位置検出器及び第２位置検出器を取り付けているので、歯車機構に含まれる各歯車の製作精度及び取り付け位置のずれが、第１位置検出器及び第２位置検出器のそれぞれで検出された各制御棒位置に同じように影響する。このため、第１位置検出器で検出された制御棒位置と第２位置検出器で検出された制御棒位置の差が小さくなるので、第１及び第２位置検出器で検出される各制御棒位置の検出精度がさらに向上する。

本発明によれば，制御棒位置検出装置の構造を簡素化することができ、制御棒の検出精度をさらに高めることができる。

本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤという）の制御棒位置検出装置を、図１〜図３に基づいて説明する。本実施例の制御棒位置検出装置が適用されるＣＲＤを、図３を用いて詳細に説明する。このＣＲＤ５が適用される沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）１を備える。ＲＰＶ１は、下方に向かって伸びる制御棒駆動機構ハウジング（以下、ＣＲＤハウジングという）２を底部に設けている。制御棒案内管３が、ＲＰＶ１内に配置され、ＣＲＤハウジング２の上端部に設置される。制御棒４が制御棒案内管３内に配置される。

ＣＲＤ５は、制御棒駆動機構本体（以下、ＣＲＤ本体という）６、スプールピース１３及び電動機ユニット１７を備える。ＣＲＤ本体６及スプールピース１３はＣＲＤハウジング２のフランジ３２に取り付けられる。電動機ユニット１７はスプールピース１３に取り付けられる。ＣＲＤ本体６はＣＲＤハウジング２内に配置され、スプールピース１３及び電動機ユニット１７はＣＲＤハウジング２外に配置される。

ＣＲＤ本体６は、アウターチューブ（ケーシング）７、ガイドチューブ８、中空ピストン（ピストン部材）９、ボールスピンドル（ボールネジ部材）１０及びボールナット１１を有する。アウターチューブ７はＣＲＤハウジング２内に配置され、ガイドチューブ８はアウターチューブ７内に配置されている。ボールナット１１はボールスピンドル１０と噛み合っている。中空ピストン９がボールナット１１の上に載っている。ボールスピンドル１０の、ボールナット１１より上方に伸びた部分は、中空ピストン９内に配置される。中空ピストンの上端部が、制御棒案内管３内に配置された制御棒４に着脱可能に連結される。

スプールピース１３は、圧力隔壁３３を有しており、駆動軸１４及び内側磁気継手１５を圧力隔壁３３内に設け、外側磁気継手１６を圧力隔壁３３外に設けている。駆動軸１４は、内側磁気継手１５に接続され、及びボールスピンドル１０に連結される。内側磁気継手１５及び外側磁気継手１６は、円筒状をしており、相互間に圧力隔壁３３を挟んで互いに向かい合っている。外側磁気継手１６は駆動軸１９に接続される。内側磁気継手１５及び外側磁気継手１６は、磁気的に結合される継手である。圧力隔壁３３は、ＣＲＤハウジング２の下端を密封する機能を有する。

電動機ユニット１７は、電動機１８、駆動軸１９及び制御棒位置検出装置２０を有する。駆動軸１９は電動機１８に連結される。制御棒位置検出装置２０は、スプールピース１３に取り付けられ、駆動軸１９に連結される。

制御棒位置検出装置２０は、ケーシング２１、入力軸２２及び歯車機構（減速機構）２３を有する。歯車機構２３は、歯車２４Ａ〜２４Ｅ、回転軸２５Ａ〜２５Ｅ及び位置検出器２８，２９を有する。ケーシング２１がスプールピース１３に取り付けられる。駆動軸１９が、環状の入力軸２２内に挿入され、入力軸２２に嵌合される。複数の歯車を含む歯車機構２３がケーシング２１内に設置されている。回転軸２５Ａ〜２５Ｅがケーシング２１内に配置される。軸受２６Ａ〜２６Ｅ及び２７Ａ〜２７Ｅがケーシング２１に設置されている。歯車２４Ａ〜２４Ｅはピンによって別々に回転軸２５Ａ〜２５Ｅに取り付けられている。回転軸２５Ａは、両端部が軸受２６Ａ及び軸受２７Ａによって支持されている。回転軸２５Ｂは、両端部が軸受２６Ｂ及び軸受２７Ｂによって支持されている。回転軸２５Ｃは、両端部が軸受２６Ｃ及び軸受２７Ｃによって支持されている。回転軸２５Ｄは、両端部が軸受２６Ｄ及び軸受２７Ｄによって支持されている。回転軸２５Ｅは、軸受２６Ｅ及び軸受２７Ｅによって支持されている。回転軸２５Ａに取り付けられた歯車２４Ａは、入力軸２２の外面に形成された歯車と噛み合っている。回転軸２５Ｂに取り付けられた歯車２４Ｂは、回転軸２５Ａに形成された歯車と噛み合う。回転軸２５Ｃに取り付けられた歯車２４Ｃは、回転軸２５Ｂに形成された歯車と噛み合う。回転軸２５Ｄに取り付けられた歯車２４Ｄは、回転軸２５Ｃに形成された歯車と噛み合っている。回転軸２５Ｅに取り付けられた歯車２４Ｅは、回転軸２５Ｄに形成された歯車と噛み合う。歯車２４Ａ〜２４Ｅは、駆動軸１９、すなわち、入力軸２２の周囲に配置される（図２参照）。位置検出器２８，２９は、ケーシング２１に取り付けられると共に、回転軸２５Ｅに並んで連結されている。制御棒位置検出装置２０は，一対の位置検出器２８，２９を設けることによって制御棒４の位置検出を二重化している。本実施例では、２つの位置検出器２８，２９が１つの回転軸（回転軸２５Ｅ）に二段重ねで取り付けられている。

ＢＷＲの運転中において、制御棒４による原子炉の出力制御について説明する。電動機１８の駆動によって、駆動軸１９が回転し、外側磁気継手１６が回転する。外側磁気継手１６及び内側磁気継手１５は磁石を有している。それぞれの磁気継手の磁力により外側磁気継手１６が回転すると、内側磁気継手１５も回転する。内側磁気継手１５の回転は、駆動軸１４によりボールスピンドル１０に伝えられる。ボールスピンドル１０の回転によって、ボールスピンドル１０と噛み合うボールナット１１は下降する。ボールナット１１がガイドチューブ８の内面に形成されて軸方向に延びるガイド溝（図示）と噛み合っているので、ボールスピンドル１０が回転してもボールナット１１の回転は阻止され、ボールナット１１がＣＲＤ５の軸方向に移動する。ボールナット１１の下降により制御棒４が炉心（図示せず）から引抜かれる。このため、原子炉出力が上昇する。

電動機１８を逆回転させると、駆動軸１９，１４及びボールスピンドル１０が逆回転し、ボールナット１１が上昇する。このため、制御棒４が炉心に挿入され、原子炉出力が低下する。

駆動軸１９の回転は、入力軸２２を介して回転軸２５Ａに伝えられ、歯車２４Ａが回転する。歯車２４Ａの回転は、歯車２４Ｂ，歯車２４Ｃ，歯車２４Ｄ及び歯車２４Ｅに順次伝えられ、回転軸２５Ｅが回転する。このため、位置検出器２８，２９は同時にＣＲＤ５で操作された制御棒４の炉心内での位置をそれぞれ検出する。位置検出器２８，２９でそれぞれ検出された制御棒の各位置検出信号（電気信号）は、ケーブル３１により制御装置３０に出力される。制御装置３０は、入力した各位置検出信号を制御棒４の炉心軸方向の位置情報に変換し、中央制御室内の操作盤に設けられた表示装置（図示せず）に出力する。炉心軸方向における制御棒４の位置情報は、表示装置に表示される。

本実施例は、１つの歯車機構２３を有し、この歯車機構２３の回転軸２５Ｅに２つの位置検出器２８，２９を取り付けているので、制御棒位置検出装置２０の構造を簡素化することができる。また、１つの歯車機構２３の回転軸２５Ｅに２つの位置検出器２８，２９を取り付けているので、２つの位置検出器２８，２９を一つの回転軸２５Ｅで回転できるため，位置検出器２８，２９の回転が同位相となる。これにより、位置検出器２８で検出された制御棒位置と位置検出器２９で検出された制御棒位置の差が小さくなり、位置検出器２８，２９で検出される各制御棒位置の検出精度が向上する。位置検出器２８，２９には一つの歯車機構２３により回転力が伝えられるので、歯車機構２３に含まれる各歯車の製作精度及び取り付け位置のずれが、位置検出器２８，２９で検出された各制御棒位置に同じように影響する。これによっても、位置検出器２８で検出された制御棒位置と位置検出器２９で検出された制御棒位置の差が小さくなるので、位置検出器２８，２９で検出される各制御棒位置の検出精度がさらに向上する。一つの歯車機構２３が設けられ位置検出器２８，２９の回転力を伝える歯車列が一列になるので、制御棒位置検出装置２０の部品点数を削減できる。このため，制御棒位置検出装置２０の部品損傷の確率も低下し，その位置検出装置の信頼性を向上できる。

特開２００１−２２１８７９号公報の図１に記載された制御棒駆動機構は、電動機の下方に減速ギア及び２つの位置検出器を配置し、電動機の回転軸に減速ギアを連結して減速ギアの回転軸に２つの位置検出器を取り付けている。これに対し、本実施例の制御棒駆動機構は、制御棒位置検出装置２０を電動機１８より上方に配置している。このため、本実施例の制御棒駆動機構は、特開２００１−２２１８７９号公報に記載された制御棒駆動機構よりも軸方向の長さが短縮され、より小型化されている。

制御棒位置検出装置２０は、一つの歯車機構２３に含まれる歯車２４Ａ〜２４Ｅが入力軸２２の周囲に配置されているので、軸方向の厚みを薄くすることができる。ＣＲＤ５の軸方向の長さを短縮することができる。

制御棒位置検出装置２０を備えた本実施例のＣＲＤ５は、制御棒位置検出装置２０を簡素化し、部品点数を少なくすることができるので、制御棒位置検出装置２０の慣性力を低減できる。このため、ＣＲＤ５による制御棒４の操作を迅速に行うことができる。

本発明の他の実施例である実施例２のＣＲＤの制御棒位置検出装置を、図４を用いて説明する。本実施例の制御棒位置検出装置２０Ａは、実施例１の制御棒位置検出装置２０に磁気シールド部材３４を付加した構成を有する。磁気シールド部材３４は、位置検出器２８と位置検出器２９の間に配置され、回転軸２５Ｅを取り囲んでいる。本実施例では、回転軸２５Ｅは非磁性材で構成されている。

本実施例の制御棒位置検出装置２０Ａは、実施例１で生じる効果を得ることができる。本実施例は、位置検出器２８と位置検出器２９の間に磁気シールド部材３４を配置しているので、位置検出器２８と位置検出器２９のお互いの電気的な影響、すなわち、電磁誘導による電気位置信号が変動し誤差となることを緩和することができ、制御棒位置検出装置２０の高性能化（上記の電磁誘導による変動を抑えることができるため電気信号が安定し誤差が小さくなる）を実現することができる。また、回転軸２５Ｅが非磁性材で構成されているので、位置検出器２８と位置検出器２９のお互いの電気的な影響をさらに緩和することができ、制御棒位置検出装置２０のより高性能化することができる。

制御棒位置検出装置２０Ａを備えたＣＲＤ５も、実施例１のＣＲＤ５で生じる効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例３のＣＲＤの制御棒位置検出装置を、図５を用いて説明する。本実施例の制御棒位置検出装置２０Ｂは、実施例１の制御棒位置検出装置２０における歯車２４Ａ〜２４Ｅを別々に回転軸２５Ａ〜２５Ｅの該当する回転軸にレーザ溶接により取り付けた構造を有する。

本実施例は、ピンではなくレーザ溶接により歯車２４Ａ〜２４Ｅを回転軸２５Ａ〜２５Ｅに取り付けているので、歯車２４Ａ〜２４Ｅのそれぞれはボスが不要になる。このため、回転軸２５Ａ〜２５Ｅの長さを短くすることができ、制御棒位置検出装置２０Ｂの、ＣＲＤ５の軸方向における厚みが、制御棒位置検出装置２０のその厚みよりも薄くすることができる。本実施例におけるＣＲＤ５の軸方向の長さは、実施例１におけるその長さよりもさらに短縮することができる。本実施例は、実施例１で生じる効果も得ることができる。

本発明の好適な一実施例である、ＢＷＲに適用されるＣＲＤに用いられる実施例１の制御棒位置検出装置の縦断面図である。 図１に示す制御棒位置検出装置の平面図である。 図１に示す制御棒位置検出装置を適用した本発明の位置実施例であるＣＲＤの縦断面図である。 本発明の他の実施例である、ＢＷＲに適用されるＣＲＤに用いられる実施例２の制御棒位置検出装置の縦断面図である。 本発明の他の実施例である、ＢＷＲに適用されるＣＲＤに用いられる実施例３の制御棒位置検出装置の縦断面図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…制御棒駆動機構ハウジング、５…制御棒駆動機構、６…制御棒駆動機構本体、７…アウターチューブ、８…ガイドチューブ、９…中空ピストン、１０…ボールスピンドル、１１…ボールナット、１３…スプールピース、１４，１９…駆動軸、１５…内側磁気継手、１６…外側磁気継手、１７…電動機ユニット、１８…電動機、２０，２０Ａ，２０Ｂ…制御棒位置検出装置、２１…ケーシング、２２…入力軸、２３，２３Ａ…歯車機構、２４Ａ〜２４Ｅ…歯車、２５Ａ〜２５Ｅ…回転軸、２８，２９…位置検出器、３４…磁気シールド部材。

Claims (7)

1. 制御棒駆動機構に連結された制御棒の位置を検出する制御棒位置検出装置において、
   前記制御棒駆動機構の電動機によって回転される第１回転軸と、この第１回転軸に噛み合った歯車機構と、前記歯車機構に設けられた第２回転軸に取り付けられ、前記第２回転軸の回転によって制御棒位置信号をそれぞれ出力する第１位置検出器及び第２位置検出器とを備えたことを特徴とする制御棒位置検出装置。
2. 前記歯車機構は、前記第１回転軸の回転を減速して前記第２回転軸に伝える複数の歯車を備えている請求項１に記載の制御棒位置検出装置。
3. 前記複数の歯車は前記第１回転軸の周囲に配置されている請求項２の制御棒位置検出装置。
4. 前記第１位置検出器と前記第２位置検出器の間に、磁気シールド部材を配置した請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の制御棒位置検出装置。
5. 前記第２回転軸が非磁性材で構成されている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の制御棒位置検出装置。
6. 前記歯車機構に含まれる前記複数の歯車は、これらの歯車が取り付けられる各回転軸に、ピン部材及びレーザ溶接のいずれかにより固定されている請求項１に記載の制御棒位置検出装置。
7. ケーシングと、前記ケーシング内に配置されたガイドチューブと、前記ガイドチューブ内に配置されたボールネジ部材と、このボールネジ部材と噛み合うボールナットと、前記ボールナットの上に置かれ、上端部が制御棒に連結されるピストン部材と、前記ボールネジ部材を回転させる電動機と、制御棒位置検出装置とを備え、
   前記制御棒位置検出装置は、前記電動機によって回転される第１回転軸と、この第１回転軸に噛み合った歯車機構と、前記歯車機構に設けられた第２回転軸に取り付けられ、前記第２回転軸の回転によって制御棒位置信号をそれぞれ出力する第１位置検出器及び第２位置検出器とを有することを特徴とする制御棒駆動機構。

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