JP3711277B2

JP3711277B2 - 非接触軸支構造の遠心抽出器

Info

Publication number: JP3711277B2
Application number: JP2002365075A
Authority: JP
Inventors: 英樹荻野; 和彦藤咲; 忠博鷲谷
Original assignee: 核燃料サイクル開発機構
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: GB0328170D0; FR2848468A1; GB2397543A; US20040112800A1; GB2397543B; FR2848468B1; JP2004198180A; US6976947B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受を用いた非接触軸支構造の遠心抽出器に関し、更に詳しく述べると、使用済核燃料再処理工程における腐食性ガス及びミスト状液体環境下でのＵ（ウラン）とＰｕ（プルトニウム）の抽出・分離に際し、高信頼性と長寿命化を図ることができるように工夫した非接触軸支構造の遠心抽出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力施設から生じる使用済核燃料の再処理方法の１つにピューレックス法がある。この方法は、周知のように、使用済核燃料を硝酸に溶解し、硝酸酸性水溶液中に溶存しているＵ（ウラン）やＰｕ（プルトニウム）を溶媒抽出操作で分離し回収する方法である。
【０００３】
溶媒抽出操作を行う装置には幾つかの種類があるが、その１つに２相（水相と有機相）の分離を遠心力で行う遠心抽出器がある。この遠心抽出器は、ハウジング内でロータが吊り下げられた状態で回転自在に支持されており、水相と有機相とがロータ外周に供給されてハウジングとロータとの間で混合され、混合相がロータ内部に吸引されてロータ内部の遠心力場で２相に分離され、分離された各相が対応するコレクタへ排出される構造となっている。
【０００４】
このような遠心抽出器は、他の抽出器（例えばミキサ・セトラ抽出装置やパルスカラム抽出装置など）に比べて、処理速度が速いこと、装置の立ち上げ時間が早いために稼働率が向上し設備を簡略化できること、装置を小型に設計できること、溶媒の放射線劣化を低減できること等の利点がある。そのため、高燃焼度・高Ｐｕ富化度の高速増殖炉燃料の再処理には有利であるとされ、研究開発が進められている。
【０００５】
ところで使用済核燃料の再処理工程では、硝酸中に溶解されている核燃料物質をＴＢＰ（リン酸トリブチル）を抽出剤として用いて溶媒抽出するため、硝酸ミストが発生する。従って、遠心抽出器は、このような腐食性ガス及びミスト状液体環境下での使用に耐えうる材質・構造とする必要がある。
【０００６】
従来開発されている核燃料再処理用の遠心抽出器は、そのロータを吊り下げている主軸の支持に転がり軸受を使用したスピンドル構造である。寿命試験の結果から、転がり軸受の内輪、外輪、転動体、及び保持器などの材料にはステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）を使用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前記のように、使用済核燃料の再処理工程で使用する遠心抽出器の内部は、工程上発生する硝酸ミストに曝されるため、転がり軸受の発錆、及び潤滑剤（グリース）の劣化が生じ、エアパージ等の硝酸ミスト対策を行わなければメンテナンスフリーで長時間運転することができない。またステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）に代えてセラミック材料を使用した場合でも、潤滑剤の劣化は避けられず、長時間にわたる連続運転は困難である。
【０００８】
周知のように、回転機器で使用される軸受の一種として磁気軸受がある。これは、磁力を働かせて軸を浮かせることで回転要素を固定要素に対して非接触で支承する構造の軸受であり、専ら高速回転（例えば１００００ｒｐｍ以上）が要求される回転機器に適用されている。使用済核燃料の再処理工程で用いる遠心抽出器の場合には、回転速度が比較的低いこと（例えば３０００〜４０００ｒｐｍ程度）、磁場の発生に電磁石（コイル）を必要とするため硝酸ミスト等による腐食・劣化の問題があること、などの理由で磁気軸受は使用されておらず、前記のように転がり軸受を使用しているのが現状である。
【０００９】
本発明の目的は、使用済核燃料再処理工程で発生する硝酸ミストなどの腐食性ガスあるいはミスト状液体環境下においても、部品の腐食や劣化の問題が生じず高信頼性が得られ、メンテナンスフリーで長時間にわたる運転が可能な長寿命型の遠心抽出器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロータハウジング内に収容されているロータが、上方に延びる主軸によって吊り下げられた状態で回転自在に軸支されていて、モータで該主軸を回転駆動することによりロータを回転し、ロータ外周に供給される水相と有機相とがロータハウジングとロータとの間で混合され、混合相がロータ内部に吸引されてロータ内部の遠心力場で２相に分離され、分離された各相が排出される構造の遠心抽出器において、前記主軸の外側は前記ロータハウジングと結合する駆動部ハウジングで気密的に取り囲まれており、主軸は上端にスラスト磁性円板を有すると共に周囲にラジアル磁性円筒及びモータロータ部を有し、駆動部ハウジングの内面には、スラスト磁性円板を挟むように上下にスラスト軸受電磁石が組み込まれてそれぞれ非磁性耐腐食性の保護プレートで被覆されると共にラジアル磁性円筒及びモータロータ部に対向してラジアル軸受電磁石及びモータステータ部が組み込まれて非磁性耐腐食性の保護パイプで被覆され、モータロータ部も非磁性耐腐食性の保護キャンで覆われ、主軸の上端近傍部と下端近傍部にそれぞれタッチダウン軸受が配設されていることを特徴とする非接触軸支構造の遠心抽出器である。
【００１１】
ここで、スラスト磁性円板と、それを挟むように上下に設けたスラスト軸受電磁石とがスラスト磁気軸受を構成し、ラジアル磁性円筒と、それに対向するラジアル軸受電磁石とがラジアル磁気軸受を構成することになる。
【００１２】
タッチダウン軸受は、通常運転時には用いられないものであるので、多少の性能低下は許容できる。そのため、転がり軸受でもよいが、転がり軸受の場合には転動体としてセラミックボール等を用いた軸受が好ましい。より好ましくは、タッチダウン軸受としてフッ素樹脂からなる滑り軸受を用いることである。滑り軸受は潤滑剤を必要としないため、その劣化などの問題も生じないからである。タッチダウン軸受は、主軸の上端近傍部とロータの上端近傍部の駆動部ハウジング内壁にそれぞれが配設するのが好ましい。
【００１３】
このように本発明は、各軸受電磁石やモータステータ部などの巻線部品を保護プレートや保護パイプで被覆することによって、腐食環境下での長時間にわたる安定した信頼性の高い動作を実現している点に一つの大きな特徴がある。また、タッチダウン軸受にフッ素樹脂からなる滑り軸受を採用すると、より一層の高信頼性、長寿命化を図ることができ、その点も特徴の一つである。
【００１４】
駆動部ハウジングは、例えば上下両端にフランジを有する円筒状部材と、上端フランジを塞ぐような円板状部材との組み合わせとする。なお、モータロータ部は主軸の軸方向ほぼ中央に位置し、その上下にラジアル磁性円筒が配設されている構造とすると、バランスが良好となるため好ましい。また、両ラジアル磁性円筒に対向するように駆動部ハウジング内壁にそれぞれ磁気検知式の位置センサが組み込まれている構造が好ましい。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明に係る非接触軸支構造の遠心抽出器の一実施例を示す説明図である。遠心抽出器は、下方のロータハウジング１０内に間隙を介してロータ１２が収容されており、該ロータ１２は、上方に延びる主軸１４によって吊り下げられた状態で回転自在に軸支される。モータ１６によって主軸１４を回転駆動することにより、ロータ１２が回転する。これによって、ロータハウジング１０の側壁に設けられている液入口１８、２０から水相と有機相とが供給され、ロータハウジング１０とロータ１２との間隙（混合部２２）でロータ１２の回転により混合され、混合相がロータ１２の下端開口からロータ１２内部に吸引される。そして、ロータ１２内部の遠心力場で２相に分離され、分離された各相がそれぞれ次段に送液される構造である。これらのロータハウジング１０、ロータ１２及び主軸１４は、耐食性構造材料であるステンレス鋼（ここではＳＵＳ３０４）からなる。ロータ１２と主軸１４は一体構造が望ましいが、別体の結合構造でもよい。
【００１６】
主軸１４の外側は前記ロータハウジング１０と結合する駆動部ハウジング３０で完全に（気密的に）取り囲まれている。駆動部ハウジング３０は、上下両端にフランジを有する円筒状部材３２と、上端フランジ３２ａを塞ぐような円板状部材３４の組み合わせからなる。この駆動部ハウジング３０を構成している円筒状部材３２及び円板状部材３４も耐食性構造材料であるステンレス鋼（ここではＳＵＳ３０４）からなる。円筒状部材３２の下端フランジ３２ｂでロータハウジング１０の上面に結合する。
【００１７】
主軸１４は上端にスラスト磁性円板３６を有する。他方、円筒状部材３２の上端フランジ３２ａにはスラスト磁性円板３６を余裕を持って収容可能な凹部が形成され、該スラスト磁性円板３６を挟むように円筒状部材３２の上端フランジ３２ａの凹部底部と円板状部材３４の下面にそれぞれスラスト軸受電磁石３８ａ，３８ｂが組み込まれている。これらスラスト軸受電磁石３８ａ，３８ｂは、磁気コアにエナメル線のコイルを巻装したものである。スラスト磁性円板３６の全面及びスラスト軸受電磁石３８ａ，３８ｂの磁気コアの全面にはリン含有率が高い耐食性重視タイプの無電解ニッケルめっきを施す。また、スラスト軸受電磁石３８ａ，３８ｂの少なくともコイル部分を覆うように、非磁性耐腐食性の円盤状の保護プレート４０，４２を全周溶接により取り付ける。これらの保護プレート４０，４２は、例えばＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６Ｌからなり、板厚は０．３mm程度でよい。これら対向配置されているスラスト磁性円板３６とスラスト軸受電磁石３８ａ，３８ｂによってスラスト磁気軸受が構成される。
【００１８】
主軸１４の上方部外周及び下方部外周にはそれぞれラジアル磁性円筒４６，４８が取り付けられ、他方、それらラジアル磁性円筒４６，４８を取り囲むように駆動部ハウジング３０の円筒状部材３２の内側にはそれぞれラジアル軸受電磁石５０，５２が組み込まれている。ここで、ラジアル磁性円筒４６，４８は、例えば珪素鋼板からなる。必要に応じて、耐食性重視タイプの無電解ニッケルめっきを施してもよい。ラジアル軸受電磁石５０，５２は珪素鋼板からなるコアにエナメル線のコイルを巻装した構造である。これら同軸配置されているラジアル磁性円筒４６，４８とラジアル軸受電磁石５０，５２によってラジアル磁気軸受が構成される。
【００１９】
また主軸１４の中央部外周にはモータロータ部５４が設けられ、他方、該モータロータ部５４を取り囲むように駆動部ハウジング３０の円筒状部材３２の内側にはモータステータ部５６が組み込まれている。モータロータ部５４は珪素鋼板及びアルミニウムなどからなるため、非磁性耐腐食性の保護キャン（例えばＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６Ｌ）５８で被覆し、全周溶接して密閉する。モータステータ部５６は、珪素鋼板からなるコアにエナメル線のコイルを巻装した構造である。これら同軸配置されているモータロータ部５４とモータステータ部５６とによってモータ１６が構成される。
【００２０】
そして駆動部ハウジング３０の円筒状部材３２の内側にて、上側ラジアル軸受電磁石５０の下方及び下側ラジアル軸受電磁石５２の上方に、それぞれラジアル磁性円筒４６，４８に対向するように磁気検知式の位置センサ６０，６２が組み込まれる。これらの位置センサ６０，６２は、フェライトコアにエナメル線で巻線を施したものであり、ラジアル磁性円筒４６，４８の位置、ひいては主軸１４の位置を検知する機能を果たす。これらの位置センサ６０，６２の信号をモニタリングすることで、供給液等の外乱の影響で中心部の回転体であるロータが傾いた場合などでも、中心位置に復帰できるように磁気軸受を制御するのに用いられる。
【００２１】
駆動部ハウジング３０の円筒状部材３２の内側に組み込まれる上記のような各種の巻線部品を保護するために、円筒状部材３２の内面には上側ラジアル軸受電磁石５０の上端から下側ラジアル軸受電磁石５２の下端に至るまで非磁性耐腐食性の保護パイプ６４で被覆され、全周溶接により密封構造とする。この保護パイプ６４は、例えばＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６Ｌからなり、板厚は０．３mm程度でよい。
【００２２】
このように本発明の遠心抽出器では、主軸１４の軸方向の軸方向のほぼ中央にモータ１６が位置し、その上下にそれぞれラジアル磁気軸受が間隔をおいて配設されている位置関係となり、モータが内蔵されてスリム化され、バランスよく上下のラジアル磁気軸受で支えられる一体構造となっている。
【００２３】
更に、主軸１４の上端近傍とロータ１２の上端近傍部にて、駆動部ハウジング３０の円筒状部材３２の内壁にはそれぞれフッ素樹脂からなるタッチダウン用滑り軸受６６，６８が配設されている。上方のタッチダウン用滑り軸受６６は、円筒状部材３２の上端部内壁を内側に張り出すようにして、その上端角部に切欠きを設けて取り付け、主軸１４の外周面に僅かな間隔をおいて対向する。下方のタッチダウン用滑り軸受６８は、円筒状部材３２の下端内側角部に切欠きを設けて取り付け、ロータ上端小径部の外周面に僅かな間隔をおいて対向する。これらタッチダウン用滑り軸受６６，６８としては、上記のようにフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂が最適である。
【００２４】
このようにして主軸１４及びその下方に連なるロータ１２は、スラスト磁気軸受及びラジアル磁気軸受によって、非接触状態で回転自在に軸支される。スラスト軸受電磁石３８ａ，３８ｂは駆動部ハウジング側にスラスト荷重を負荷し、ラジアル軸受電磁石５０，５２は駆動部ハウジング側にラジアル荷重を負荷する。そして、モータロータ部５４とモータステータ部５６とからなるモータ１６によって主軸１４を回転駆動することにより、ロータ１２が回転する。タッチダウン用滑り軸受６６，６８は、非常時の回転体（主軸１４及びロータ１２）とハウジング１０，３０との接触を防ぐ。使用済核燃料の再処理工程で用いる遠心抽出器は、回転数が３０００〜４０００ｒｐｍ程度と、高速回転（１００００ｒｐｍ以上）のために磁気軸受を採用している回転機器に比べて比較的低速であるため、タッチダウン軸受として滑り軸受を採用することが可能なのである。
【００２５】
使用済み核燃料の再処理工程では、遠心抽出器で処理する液から硝酸ミストなどの腐食性ガス及びミストが発生し、ハウジング内部は長時間にわたって腐食環境下に曝される。しかし、腐食されやすい巻線部品類は全て耐食性材料（保護プレート４０，４２、保護パイプ６４、及び保護キャン５８）で被覆されるため、腐食の恐れは全くなくなる。また、どうしても腐食環境下に曝されるタッチダウン軸受には、グリース等の潤滑剤を必要としない滑り軸受を採用し且つ耐食性に優れたフッ素樹脂を使用することで腐食・劣化の問題が全て解決できる。このようにして、長期間にわたってメンテナンスフリーで確実に動作する信頼性の高い遠心抽出器が得られる。
【００２６】
また本実施例の遠心抽出器は、分解・組立が容易に行える構造に工夫されている。図１において、駆動部ハウジング３０の円板状部材３４を円筒状部材３２から取り外し、更に主軸１４からスラスト磁性円板３６を取り外すと、駆動部ハウジング３０とロータハウジング１０との結合を切り離すだけで、各種の巻線部品やタッチダウン用滑り軸受６６，６８などが取り付けられている駆動部ハウジング３０の円筒状部材３２をそっくり引き上げることができる。その後、ラジアル磁性円筒４６，４８及びモータロータ部５４などが取り付けられている主軸１４及びロータ１２を引き抜くことができる。このため、部品交換などメンテナンスを必要とする場合でも、容易に且つ迅速に対応できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は上記のように、磁気軸受に必要な腐食されやすい巻線部品類及びモータ関連部品を全て耐食性材料で被覆保護した遠心抽出器であるから、軸受潤滑剤（グリース等）が不要となり、腐食性液体等及び放射線によるグリースの劣化の問題が発生せず、非接触で回転駆動することができるため、信頼性が向上し、長時間にわたってメンテナンスフリーで運転することが可能となる。
【００２８】
また、どうしても腐食環境下に曝されるタッチダウン軸受に耐食性に優れたフッ素樹脂からなる滑り軸受を採用すると、より一層信頼性が向上し、長寿命化を図ることができる。
【００２９】
駆動部ハウジングを、上下両端にフランジを有する円筒状部材と、上端フランジを塞ぐような円板状部材との組み合わせとすると、容易に且つ迅速に数ブロックに分解可能となり、メンテナンスが必要な場合でも対応が容易となる。また、モータロータ部は主軸の軸方向ほぼ中央に位置し、その上下にラジアル磁性円筒が配設されている構造とすると、ロータ回転のバランスが良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る非接触軸支構造の遠心抽出器の一実施例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１０ロータハウジング
１２ロータ
１４主軸
１６モータ
３０駆動部ハウジング
３６スラスト磁性円板
３８ａ，３８ｂスラスト軸受電磁石
４０，４２保護プレート
４６，４８ラジアル磁性円筒
５０，５２ラジアル軸受電磁石
５８保護キャン
６４保護パイプ
６６，６８タッチダウン用滑り軸受

Claims

ロータハウジング内に収容されているロータが、上方に延びる主軸によって吊り下げられた状態で回転自在に軸支されていて、モータで該主軸を回転駆動することによりロータを回転し、ロータ外周に供給される水相と有機相とがロータハウジングとロータとの間で混合され、混合相がロータ内部に吸引されてロータ内部の遠心力場で２相に分離され、分離された各相が排出される構造の遠心抽出器において、
前記主軸の外側は前記ロータハウジングと結合する駆動部ハウジングで気密的に取り囲まれており、主軸は上端にスラスト磁性円板を有すると共に周囲にラジアル磁性円筒及びモータロータ部を有し、駆動部ハウジングの内面には、スラスト磁性円板を挟むように上下にスラスト軸受電磁石が組み込まれてそれぞれ非磁性耐腐食性の保護プレートで被覆されると共にラジアル磁性円筒及びモータロータ部に対向してラジアル軸受電磁石及びモータステータ部が組み込まれて非磁性耐腐食性の保護パイプで被覆され、モータロータ部も非磁性耐腐食性の保護キャンで覆われ、主軸の上端近傍部と下端近傍部にそれぞれタッチダウン軸受が配設されていることを特徴とする非接触軸支構造の遠心抽出器。
タッチダウン軸受はフッ素樹脂からなる滑り軸受であって、主軸の上端近傍部とロータの上端近傍部の駆動部ハウジング内壁にそれぞれ配設されている請求項１記載の非接触軸支構造の遠心抽出器。
駆動部ハウジングは、上下両端にフランジを有する円筒状部材と、上端フランジを塞ぐような円板状部材との組み合わせからなり、モータロータ部は主軸の軸方向ほぼ中央に位置し、その上下にラジアル磁性円筒が配設され、両ラジアル磁性円筒に対向するように駆動部ハウジング内壁にそれぞれ磁気検知式の位置センサが組み込まれている請求項１又は２記載の非接触軸支構造の遠心抽出器。