JP2013152222A - 漏出事態中のポンプシール用の方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温でもシール機能を強化可能な原子力プラント用のシールを提供する。
【解決手段】ポンプのシャフト１１に対して付勢要素１１０によって駆動される１つまたは複数のクランプ腕部１２０を設け、付勢要素１１０は、クランプ腕部１２０を機能停止開口部１３の故障に関連する温度に応じて駆動され、流体流の遮断を強化する。ポンプを破壊または分解する必要がなく、取付け、作動、操作、解放および／または除去が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力プラントポンプ用の外側シールおよび漏出を軽減するポンプに関する。

図１は、原子炉を通る冷却剤／減速材を駆動するために使用される従来の軽水炉再循環ポンプ１０の図である。図１に示すように、ポンプ１０は、遠心性または他のポンプ機構１９を駆動して、圧力ヘッドまたは原子炉内への流体注入を生成するシャフト１１を含む。従来の再循環ポンプ１０はシールカートリッジ１２を含み、シールカートリッジ１２を通ってシャフト１１が延在する。シールカートリッジ１２は、一般に、ポンプ機構１９などで駆動流体の中に浸される領域と、シャフト１１の頂部など、乾燥しており、駆動機械的エネルギーを受ける領域とにシャフト１１を分離することができる。機能停止開口部１３でシャフト１１がシールカートリッジ１２の中を通っており、機能停止開口部１３は、ポンプ機構１９から上方に、シャフト１１に沿って、かつシールカートリッジ１２の外側を、流体が移動することを一般的に防止し、または実質的に減少させることができる。このようにして、従来の再循環ポンプ１０は、ポンプを通る冷却剤／減速材を損失せずに、原子炉全体で冷却剤／減速材を駆動することができる。

図１に示すように、加圧水型原子炉内のいくつかの従来の再循環ポンプ１０は、ポンプの分解によって取付け可能である、１つまたは複数の内側の有機閉鎖シール１５を含むことができる。整備期間中、または全電源喪失のようなある一時的な出来事の間など、ポンプ１０を使用しない間に、ポンプ機構１９を通る作動流体の温度および圧力により、機能停止開口部１３が冷却剤／減速材を漏出することがある。内側の有機閉鎖シール１５は、機能停止開口部１３の故障に関連する温度で、シールカートリッジ１２内部のシャフト１１に対して永久にシール、および／または固着するための有機Ｏリングを開放する分離型熱的アクチュエータを含むことができ、それによって、原子炉内の温度および圧力によって生じる、シャフト１１および最終的に機能停止開口部１３に沿った漏出を防止し、または減少させることができる。有機Ｏリングは、プラントの停止に関連する時間間隔で取り替えることが必要である場合がある。

WESTINGHOUSE, "Shield Passive Thermal Shutdown Seal for Reactor Coolant Pumps," Product Brochure, April 2011, 2 pages

実施形態の例には、ポンプ機能停止開口部を通る流体の漏出を減少させるための装置、およびそれを使用するポンプが含まれる。実施形態の例は、より高い温度で漏出の可能性、またはそうではなく故障する可能性のある、開口部を通るポンプ内を貫通する駆動シャフトを有するポンプと共に使用可能である。そのようなポンプには、例えば、世界中の商用原子炉内で使用されている再循環ポンプおよび緊急冷却ポンプが含まれるであろう。実施形態の例は、少なくとも１つのクランプ腕部をポンプの外側面上に含み、そのクランプ腕部を力によって駆動することができて、シャフトに対して設置され、そのようなシールが必要である可能性のある場合の温度で機能停止開口部を遮断することができる。その力は、例えば、熱電対アクチュエータの組合せまたはバイメタルばねを含む、温度に基づいて作動する任意の型の付勢要素によって提供され得る。単一またはいくつかのクランプ腕部を使用して、所望のシールおよびポンプの形状に基づくシールを達成することができる。例えば、半円形面を有する２つのクランプまたは単一のシンチクランプが、効果的に円形のポンプシャフトの周囲をシールすることができる。

クランプ腕部は、所望の温度でのみ機能停止開口部でシャフトに対して設置されるので、実施形態の例は、例えば、故障状況内でのみ、係合し、機能停止開口部を通る流体損失を軽減するのに役立つように、約華氏３００〜３５０度など、機能停止開口部の故障に関連する閾値で駆動可能である。さらに実施形態の例は、ポンプの外側部分上に配置され得るので、実施形態の例は、ポンプを破壊または分解する必要がなく、設置、利用、および除去可能である。実施形態の例は、取り替える必要がない、放射線および温度に強い材料を使用することができる。

実施形態の例は、シールを強化し、所望の方法で実施するためのいくつかの追加の特徴を含むことができる。例えば、クランプ腕部は、腕部とシャフト／機能停止開口部との間の接触を強化し、漏出をさらに減少させるガスケットまたは接着剤など、シール材面を含むことができる。実施形態の例は、一旦作動されると、シール位置にクランプ腕部を維持するために、ラチェット、ロックなどの固定装置もまた使用することができる。バイメタルばねのような受動的付勢要素を使用する場合、固定装置は、ポンプが冷却を開始した後でさえも、強化された機能停止開口部シールを維持することができる。追加の要素もまたポンプの外側に使用可能であり、それらの要素は、ポンプを分解する必要がなく、取付け、解放および／または除去可能である。

実施形態の例は、添付の図面を詳細に説明することにより、より明らかになるであろうが、添付の図面では、同じ構成要素は同じ参照符号によって示され、それらの例は図示の目的のみで付与するものであり、したがってそれらが示す用語に限定するものではない。

原子炉内で使用可能な従来の再循環ポンプの図である。 再循環ポンプシールの実施形態の例の側面図である。 再循環ポンプシールの実施形態の例の上面図である。

これは特許文献であり、それを読み、理解する場合、作製の一般的な広範囲の規則が適用されるべきである。この文献に説明し、示すすべてのことが、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る主題の実施例である。本明細書に開示する、任意の特定の構造的および機能的詳細は、単に実施形態の例を作製し、使用する方法を記載する目的のためのみである。本明細書に具体的に開示されていないいくつかの異なる実施形態は、特許請求の範囲に入り、そのため、特許請求の範囲を多くの代替形態の中で実施することができ、本明細書に説明する実施形態の例のみに限定するものと解釈するべきではない。

第１の、第２のなどの用語は、様々な構成要素を説明するために本明細書で使用することがあるが、これらの要素はこれらの用語に限定されるべきではない。これらの用語を、１つの要素を別の要素と区別する目的でのみ使用する。例えば、第１の要素は第２の要素と呼ばれることがあり、同様に、実施形態の例の範囲とは異ならずに、第２の要素は第１の要素と呼ばれることがある。本明細書で使用すると、「および／または」という用語は、１つまたは複数の関連する記載されている項目の任意の、およびすべての組合せを含む。

ある要素が別の要素に「結合される」、「連結される」、「対合される」、「取り付けられる」または「固定される」と呼ばれる場合、その要素は他の要素に直接的に結合または連結されていることがあり、または介在する要素が、説明する特徴の任意の機能が破壊されない限り、存在することがある。対照的に、ある要素が別の要素に「直接結合される」、または「直接連結される」と述べる場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用する他の語は、そのようなものとして（例えば、「間に」対「直接間に」、「隣接する」対「直接隣接する」など）解釈するべきである。

本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、「唯一の（ｏｎｌｙ）」、「単一の（ｓｉｎｇｌｅ）」および／または「１つの（ｏｎｅ）」などの語で、そうではないと文言により明確に示さない限り、単数形および複数形の両方を含むものと意図する。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、述べる特徴、ステップ、作動、要素、考え方および／または構成要素の存在を特定するが、しかし、それら自体が１つまたは複数の他の特徴、ステップ、作動、要素、構成要素、考え方および／またはそのグループの存在または追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。

以下に考察する構造および作動が説明され、または図面で示される順番とは異なって生じることがある、または、存在することがあることに留意すべきである。例えば、連続して示される２つの作動および／または図面が、含まれる機能／作用に依存して、実際は同時に実施されることがあり、または時々逆の順番で実施されることがある。同様に、以下に説明する実施例の方法の中で個々の作動が、繰り返して、個々に、または連続して実施可能であり、以下に説明する単一の作動に加えて、作動のループまたは他の連続を提供することができる。以下に説明する特徴または機能を有する任意の実施形態は、任意の作動可能な組合せで、実施形態の例の範囲内にあると考えるべきである。

図２は、ポンプの機能停止開口部１３の周りに取り付けられた、温度依存機能停止開口部シール１００の図である。図２に示すように、実施形態の例であるシール１００は、シールクランプ１２０に連結されている温度感応性付勢要素１１０を含む。付勢要素１１０およびシールクランプ１２０の両方が、選択されたポンプの機能停止開口部１３の周りに取り付けられるような形状および寸法になっている。例えば、付勢要素１１０をシールカートリッジ１２とシールクランプ１２０との間に結合することができ、シールクランプ１２０を付勢要素１１０に結合されているシールカートリッジ１２の上面に摺動可能に取り付けることができる。または、例えば、付勢要素１１０を別の近傍の静的構造物とシールクランプ１２０との間に結合することができる。実施形態の例の温度依存機能停止開口部シール１００は、機能停止開口部１３の周りなど、シールカートリッジ１２の外部に、シールクランプ１２０で取り付けられるので、実施形態の例のシール１００は、シールカートリッジ１２および／またはシールカートリッジ１２を含むポンプを分解または破壊する必要なく、取付け、利用、除去および／または操作可能である。

温度感応性付勢要素１１０は、ポンプが閾値温度に達する場合、機能停止開口部１３をシールまたは実質的に遮断する方法で、シールクランプ１２０を付勢するように構成されている。閾値温度を、機能停止開口部１３の故障および／または漏出の温度に対応するように選択することができる。例えば、要素１１０は、機能停止開口部１３の過熱、および起こり得る故障に関連する温度で熱膨張を経験するバイメタルばねであることができる。熱膨張により、そのようなバイメタルばねが、そのばねが取り付けられている相対的に静的な構造物から離れて、シャフト１１の方へシールクランプ１２０を押すことができる。

特定の例では、シールカートリッジ１２、したがって、実施形態の例の開口部シール１００の通常の作動温度は、約華氏１００〜１３０度であることがある。原子炉冷却に関連する電力の喪失という事態の間、温度は比較的早く上昇し、華氏５３５度に達することがある。そのような例では、温度感応性付勢要素１１０用に使用可能なバイメタルばねは、例えば約華氏２５０〜３００度など、華氏１００〜１３０度の通常の作動温度を越える閾値温度で、識別して膨張し、したがって、クランプ１２０を付勢する材料から選択され得る。このようにして、クランプ１２０は、作動温度または軽微の過熱状態では付勢される可能性はないが、しかし、機能停止開口部１３の故障および漏出によって生じる長期にわたる過渡状態に関連する温度で付勢され、依然として付勢された状態であることになる。これにより、作動中にクランプ１２０がシャフト１１と接触することを防止し、したがって、回転するシャフト１１とクランプ１２０との間の接触からの損傷に対する可能性を防止し、減少させることができる。

温度感応性付勢要素１１０用の別の閾値温度が所望され、達成されることがある。例えば、付勢要素１１０がバイメタルばねである場合、適切な材料選択および構成により、異なる安定状態作動温度および／または機能停止開口部１３故障温度を説明する、他の閾値温度での係合を生成することができる。同様に、他の型の温度感応性付勢要素１１０が、バイメタルばねに加えて実施形態の例で使用可能であり、例えば、温度感応性アクチュエータまたは熱電対および変換器などが含まれる。バイメタルばねおよび類似の機構が、作動するための外部電力を必要としないという有利さを提供することができ、それらは、作動している原子力プラント内で見られる状況に対して適応力があり、および／または従来の原子力プラントで見られる様々な型のポンプのシールカートリッジに相対的に容易に取り付けられる材料から作製される。

クランプ１２０は、首尾よく、故障した機能停止開口部１３を通る漏出をシールし、および／または減少させるために、いくつかの異なる構成を取ることができる。図３に示すように、実施形態の例の２つの温度依存機能停止開口部シール１００は、シャフト１１に対して設置される三日月形クランプ１２０によってシャフト１１の反対側に、シールカートリッジ１２上に、取付け可能である。別法として、単一の実施形態の例の開口部シール１００をクランプ１２０と共に使用することができ、クランプ１２０は機能停止開口部１３の周りのシャフト１１の周囲全体をシールするシンチクランプであってよい。様々な形状の任意の数のクランプ１２０および／またはクランプ１２０と任意に関連する、温度感応性付勢要素１１０を使用することができて、所望の形状をもたらし、機能停止開口部１３に一定のシールを達成することができる。

クランプ１２０および付勢要素１１０は、作動している原子力プラント内の物理的特性を実質的に維持し、係合された場合、機能停止開口部１３を首尾よく遮断し、シールする任意の材料から作製可能であり、それらの材料には、ステンレス鋼、アルミニウム合金、炭素鋼などが含まれる。適応力のある材料が使用される場合、実施形態の例は、付随するポンプの寿命の間中に整備または取り替えをほとんど、またはまったく必要としないことがある。同様に、クランプ１２０および付勢要素１１０は、付勢要素１１０および／またはシールカートリッジ１２の表面に適合するが、妨害しない材料から選択可能である。図３に示すように、クランプ１２０は、機能停止開口部１３の周りに、クランプ１２０、シャフト１１および／またはシールカートリッジ１２間のシールを強化するために、ガスケットとして機能することができるシール材面１２５を含むことができる。例えば、シール材面１２５はクランプ１２０の接触面に取り付けられる、ゴム、磁気、プラスチックおよび／または接着剤層であってよい。

図３に示すように、実施形態の例の開口部シール１００は、一旦温度感応性付勢要素１１０が駆動し、クランプ１２０を付勢して、機能停止開口部１３をシールしてしまうと、クランプ１２０をシール位置に係止する固定装置１３０をさらに含むことができる。例えば、固定装置１３０はクランプ１２０上に取り付けられるラチェット面１３１およびシールカートリッジ１２上または別の関連する面上に取り付けられる、対応するラチェット固定具１３２を含むことができる。一旦クランプ１２０が、原子炉冷却剤の損失または他の漏出状況の場合、機能停止開口部１３を通る９０％を超える流れを効果的にシールまたは遮断するように要求される位置など、シャフト１１に対して実質的に付勢された位置に移動してしまった場合のみ、ラチェット固定具１３２およびラチェット面１３１は、係合および係止するように相対的に配置可能である。

実施形態の例の開口部シール１００をシャフト１１および機能停止開口部１３に対して駆動される位置に係止することによって、ポンプが冷却を開始し、および／または付勢要素１１０が係合後に故障する場合でさえも、機能停止開口部１３は依然として実施形態の例によって実質的にシールされており、したがって、故障後および冷却中の漏出が減少してしまっていることになる。次いで、機能停止開口部１３の追加のシールがもはや必要ではない場合、ラチェット固定具１３２を手動、自動、または遠隔操作で解放して、実施形態の例を係合から外すことができる。外側の配置を実施形態の例のために使用する場合、シールカートリッジ１２または他のポンプ構成要素を破壊または分解することなく、実施形態の例をそのような係合から外すことが可能である。

シャフト１１に沿った漏出および機能停止開口部１３を通る漏出が、ポンプ用の作動流体の過熱および／または過圧力などの環境内の危機である場合、実施形態の例の温度依存機能停止開口部シール１００を任意の新規のまたは既存のポンプ上に取り付けることができる。実施形態の例は、シールカートリッジ１２の外側上で機能するので、シールカートリッジ１２を有するポンプが利用可能であるときはいつでも、実施形態の例の温度依存機能停止開口部シール１００を取り付け、除去し、および／または部分的に係合から外すことができる。実施形態の例の温度依存機能停止開口部シール１００は、機能停止開口部シールの必要を満たす任意の数およびクランプ／付勢要素構成の中に取付け可能である。

実施形態の例の温度依存の機能停止開口部シールはシールカートリッジ１２の外側上に取付け可能であり、所望の温度で選択的に係合するように構成可能であり、および／または破壊的ではない取り付け、係合、係合から外すこと、および除去することが可能であるので、実施形態の例は相対的に容易に配置されて、原子炉冷却の損失および機能停止開口部１３の故障の場合において、原子力プラント内の既存の様々なポンプの機能停止開口部を通る潜在的漏出を制限することができる。例えば、原子炉再循環ポンプ、炉心隔離冷却（ＲＣＩＣ：Ｒｅａｃｔｏｒ Ｃｏｒｅ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ）ポンプまたは高出力の高圧射出冷却（ＨＰＩＣ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ）ポンプがすべて、沸騰水型原子炉内の実施形態の例と共に使用可能である。

このようにして、実施形態および方法の例が説明されているが、当業者なら、やはり以下の特許請求の範囲に当てはまるが、決まった実験によって実施形態の例が変形および代替可能であることを理解するであろう。例えば、いくつかの実施形態の例は所望の温度で受動的に係合しているものとして説明されるが、実施形態の例は、熱電対または熱エネルギー放射モニタなど、ポンプ内で正確に直接的に温度を測定し、閾値温度で駆動する温度センサと共に等しく使用可能である。さらに、実施形態の例および方法は、一時的な全電源喪失などの事故の事態中にポンプが故障し、または漏出する可能性がある場合、任意の原子炉に結合して使用され得ることを理解されたい。そのような変形形態は、以下の特許請求の範囲の範囲とは異ならないと見なされるべきである。

１０ 軽水炉（ＬＷＲ：ｌｉｇｈｔ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ）再循環ポンプ
１１ シャフト
１９ ポンプ機構
１２ シールカートリッジ
１５ 閉鎖シール
１３ 機能停止開口部
１００ 温度依存機能停止開口部シール
１１０ 温度感応性付勢要素
１２０ シールクランプ
１２５ シール材面
１３０ 固定装置
１３１ ラチェット面
１３２ ラチェット固定具

Claims (10)

1. シャフト（１１）および前記シャフトの周りの機能停止開口部（１３）を有する原子力プラントポンプ（１０）用の外側シール（１００）であって、
   前記機能停止開口部（１３）をシールするために、前記機能停止開口部（１３）で前記シャフト（１１）に対して設置されるように形成されているクランプ腕部（１２０）と、
   前記クランプ腕部（１２０）に結合されている温度依存付勢要素（１１０）であって、前記機能停止開口部（１３）の故障に関連する温度でのみ、前記シャフト（１１）の方へ前記クランプ腕部（１２０）を駆動するように構成されている、温度依存付勢要素（１１０）と
   を備える、外側シール（１００）。
2. 前記温度依存付勢要素（１１０）がバイメタルばねである、請求項１記載の外側シール（１００）。
3. 前記温度が約華氏３００度である、請求項２記載の外側シール（１００）。
4. 前記クランプ腕部（１２０）が前記シャフト（１１）の外側に一致する三日月形状を含む、請求項１記載の外側シール（１００）。
5. 前記クランプ腕部（１２０）に取り付けられたシール材面（１２５）をさらに備え、前記シール材面（１２５）が前記機能停止開口部（１３）のシールを強化するように構成されている、請求項４記載の外側シール（１００）。
6. 前記機能停止開口部をシールする位置に前記クランプ腕部を係止するように構成されている固定装置であって、前記クランプ腕部（１２０）上のラチェット面（１３０）および前記クランプ腕部（１２０）に固定されており、前記ラチェット面（１３０）に係合するように配置されているラチェット固定具（１３２）を含む固定装置をさらに備える、請求項１記載の外側シール（１００）。
7. 漏出を軽減するポンプ（１０）であって、
   回転し、前記ポンプ（１０）に機械的な動力を供給するように構成されているシャフト（１１）と、
   前記ポンプ（１０）の外側面を形成するシールカートリッジ（１２）であって、機能停止開口部（１３）を形成し、前記機能停止開口部（１３）を貫通して前記シャフト（１１）が前記シールカートリッジ（１２）内を通っている、シールカートリッジ（１２）と、
   前記シャフト（１１）の周りの、前記シールカートリッジ（１２）の前記外側上のクランプ腕部（１２０）と、
   閾値温度で前記シャフト（１１）の方へ前記クランプ腕部（１２０）を付勢するために、前記クランプ腕部（１２０）に結合されている温度依存付勢要素（１１０）と
   を備える、ポンプ（１０）。
8. 前記ポンプ（１０）が、沸騰水型原子炉駆動の原子力プラント内の原子炉再循環ポンプである、請求項７記載のポンプ（１０）。
9. 前記クランプ腕部（１２０）および前記付勢要素（１１０）が、作動している原子炉環境で、それらの物理的特性を実質的に維持するように構成されている材料から製造される、請求項８記載のポンプ（１０）。
10. 前記クランプ腕部（１２０）と併せて、前記シャフト（１１）の周囲全体をシールするように構成されている、対応するクランプ腕部（１２０）をさらに備える、請求項７記載のポンプ（１０）。