JP4072092B2 - Ｔｄｒ測定システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被覆導体により取り囲まれる内部導体を備え、被覆導体と内部導体がフランジ部を貫通して共通に導かれるブッシング関する。本発明は更にそのようなブッシングの使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常「同軸ブッシング」とも称されるブッシングは一般に、電気信号又はパルスを第１空間領域から例えば壁又はシールドを貫通して第１空間領域から分離された第２空間領域に伝送するために用いられる。壁又はシールドは、信号又はパルスを導くために備えられる電気導体を貫通させ、かつフランジ部を貫通して閉鎖される開口を備える。このフランジ部の領域には、通常内部導体と、それを取り囲む被覆導体とを備え、それらはフランジ部を貫通し、フランジ部の第１側から第２側への電気的接続を行う。
【０００３】
かかるブッシングは、例えば診断又は監視用として、固有の全閉容器の内室へ電気信号やパルスを導出入する必要がある場合に特に重要である。この種の用途への適用例が、容器内における両媒体間の境界層の位置決定又は監視、特に充填レベルの検知のために用いられる、所謂ＴＤＲ（時間−ドメイン−反射）測定法である（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
この測定法は、特に容器内を従来と同様に覗き見ることができず、従って境界層又は充填レベルの位置特性値を直接には決定できないとき、例えばアンテナの中心導体とこれを同軸状に取り囲む被覆導体との間のインピーダンスが突然変化してアンテナシステムに導入される電磁パルスが部分的に反射されるという効果を利用できる場合に適用される。このインピーダンスの急変は、例えば上記のように形成したアンテナをガス状の雰囲気から液体に浸す際に生じる。なぜなら当該インピーダンスは中心又は内部導体と被覆導体との間の静電容量、つまり中心導体と被覆導体との間の空間を満たす媒体の誘電率に依存するからである。監視すべき媒体に浸したアンテナに導入された電磁パルスは媒体の表面で部分的に反射される。通常は短絡しているアンテナ終端で、更なる反射が生じる。更に、アンテナでの電磁パルスの伝播速度は既知なので、境界層で反射されるパルスとアンテナ終端で反射されるパルスの間の伝播時間差は境界層の位置を表す物理量、即ち境界層の位置の特徴を表す位置特性値を検知する手段として使える。ここでは、伝播時間差と位置特性値との間にほぼ比例関係があるという事実を用いる。
【０００５】
【特許文献１】
独国特許第１９９５８５８４号明細書
【特許文献２】
米国特許第４７８６８５７号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、例えば閉鎖容器内の媒体を診断又は監視すべくこの方法を用いるため、電気パルスを外部から容器内、又は逆方向に伝送する必要がある。しかし他方、容器内の媒体の状態と特性に従い、容器の封止性に関する特に高度な手段を保障することが必要であるか少なくとも大きな意味を持つことがある。場合により容器内に生じる動作パラメータ、例えば媒体の圧力や温度等に従い、各電磁パルスの導出入のためのブッシングに特に高度な要求が生じる。このことは、例えばＴＤＲ測定法が一定の状況下で一定の媒体に対し適用不能という結果を招く。
【０００７】
従って本発明の課題は、設計的に比較的高圧力又は高温度又は高圧力・高温度の容器にも適用できる前記の型のブッシングを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明により、フランジ部の第１側に内部導体と該導体を取り囲む被覆導体とで形成される第１空間領域を、フランジ部の第２側に内部導体と該導体を取り囲む被覆導体により形成される第２空間領域に対し、複数の封止リングで封止することで解決される。
【０００９】
ここで「フランジ部」なる語は、一般に特に移動可能に構成され、開口を閉じるカバーやストッパの形で設けられる壁部分やそれと同様のものを意味する。例えば原子力発電所の炉心取付けセンサヘッドやランスヘッド等が対象となる。
【００１０】
本発明は、内室が極端な運転条件にある容器にもブッシングを適用可能とするには、ブッシング自体で封止性能に関する高度な要求を満たさねばならないとの知見から出発する。フランジ部を貫通する被覆導体に関する限り、そのことは左程問題にならない。と言うのは、それは一般に断面でフランジ部に接続され、特にフランジ部と一体に構成されるからである。しかしフランジ部を貫通する内部導体の貫通部では特別な入念さが要求される。と言うのは、内部導体に対しては電磁パルスの欠落や誤りの無い伝送のためにフランジ部又は外部導体との電気的接触はできるだけ避けるべきだからである。内部導体とフランジ部又は被覆導体との間に必要に応じて形成される空隙又は開放空間によるこのような確実な電気絶縁の問題が必然的に起こるので、この領域ではまず確実な封止が特に重要となる。確実な封止のため一般に形成される空気領域や空間に変形可能な充填材を満たすか、例えば半田付けのような他の流動性接合技術が用いられる。しかし、極端な運転条件の下でもシステムの確実な封止性を保証するため、流動性の封止材を用いるのではなく、機械的手段をベースとした封止作用が適用される。
【００１１】
その際、封止リングに外力を受けたとき適切に選択された変形性を与えることで、特に良好な封止作用を達成できる。このことは同時に封止リングとして金属封止リングを設けることで、特に封止部が高温度であっても達成できる。その場合、金属封止リングは、特に金めっきをした特殊鋼リングとすることができる。
【００１２】
上述のブッシングを用いる際、種々の運転条件の下でフランジ部を通して導かれる内部導体の、フランジ部や被覆導体からの入念な絶縁が必要である。これを保証するには、内部導体をブッシング領域でフランジ部を貫通して特別な方法で空間的に固定せねばならない。そのため、内部導体にブッシング領域でフランジ部により予圧を与えるとよい。この場合、予圧を与える手段は、他の構成態様では、複数のセラミックリングを経て予圧付与側をフランジ部で支持する。それにより、特に確実に内部導体のフランジ部からの絶縁を保証できる。
【００１３】
このブッシングは、所謂ＴＤＲ測定システムに適するよう構成できる。この種の測定システムでは、容器の外部からブッシングを経て容器内室へと伝送される電磁パルスをブッシングでできるだけ小さな面積で反射させねばならない。これを保証すべく、ブッシングの被覆導体と内部導体は、好ましくはそれらにより形成される導体系のインピーダンスがその長手方向に見てほぼ一定になるよう、その断面を内部導体から被覆導体の長手方向に見た位置に応じて設計する。
【００１４】
ブッシングは、境界層の位置特性値をＴＤＲ法に従い検知する測定システム内で用いるとよい。その際、特に有利な構成では、原子核技術設備の原子炉圧力容器内の充填レベルを検知するＴＤＲ測定システム内でのブッシングの使用が考えられる。即ち、この種原子炉圧力容器内には、特に高圧・高温が生じており、充填レベル監視のためにＴＤＲ測定システムを用いるのは限られた条件下でしか可能でない。そこで本発明によるブッシングの使用は、原子炉圧力容器内の充填レベル監視のためにＴＤＲ測定法を使用して初めて、その全運転点で可能になる。
【００１５】
本発明による利点は、特に内部導体貫通部の封止時に機械的封止部を用いることで、特にブッシングの高温・高圧下での安定性が良好に達成される点である。適当な予圧を、特にここで用いるセラミックリングと組み合わせて付与することで、温度や圧力が変化するときも、フランジ部や被覆導体に対する内部導体の絶縁作用に悪影響を及ぼすことなく、ブッシングの高度な封止性能の保持を保証できる。従ってこのブッシングは、その高度な温度および圧力安定性に基づき、特にＴＤＲ測定法への使用、特に例えば原子炉圧力容器内の充填レベル監視等の比較的厳しい条件にある容器内の運転パラメータの監視等の使用にも適する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分は同一符号で示す。
【００１７】
図１のシステム１は、原子核技術設備の閉鎖された原子炉圧力容器２内の媒体Ｍを監視するために設けられている。原子炉圧力容器２は閉鎖構造をなし、図１にのみ示す封じ込め隔壁４の内部に配置されている。信号Ｓの交換のために、原子炉圧力容器２は封じ込め隔壁４を貫通するブッシング８を経て導かれる信号導体６を経て、システム１の信号中継部１０に接続されている。
【００１８】
媒体Ｍとして、本実施形態では原子炉圧力容器２内に原子核技術設備の一次冷却媒体として用いる水Ｗを入れている。水Ｗは原子炉圧力容器２の下部空間領域に過冷却かつ純粋状態で存在する。その上部空間領域で、原子炉圧力容器２内に配置された原子核燃料部材の加熱作用が生じ、そこには水Ｗとそこに生じた蒸気泡Ｄとの相混合体、即ち溶相体Ｗ、Ｄが存在する。原子炉圧力容器２内の更に上部の空間領域には完全に蒸気化した一次冷却媒体、即ち完全蒸気Ｄが存在する。かくして原子炉圧力容器２内に保有された媒体Ｂは、水Ｗと溶相体Ｗ、Ｄの間に第１境界層１２、溶相体Ｗ、Ｄと蒸気Ｄとの間に第２境界層１４を備える。
【００１９】
本原子核技術設備の運転時、非常に多数の運転パラメータの監視を行う。その際、特に境界層１２、１４の位置を監視することが望まれ、又は必要である。例えば境界層１４の位置は「スウェルレベル」とも称され、その監視は充填レベル測定部を経て行われる。
【００２０】
システム１は境界層１２、１４の位置特性値を時々刻々と検知し監視する。そのためシステム１は、所謂ＴＤＲ測定法に従って構成される。この種のＴＤＲ測定のため、原子炉圧力容器２内にほぼ垂直に配置されたアンテナ１６が設けられる。アンテナ１６は同軸アンテナの形に構成され、原子炉圧力容器２からブッシング１８を経て外部へ導出され、信号線６に接続される。アンテナ１６は中心導体２０を含み、該導体２０を同軸ケーブルの形でほぼ円筒状に被覆するよう構成された被覆導体２２が同心的に取り囲んでいる。被覆導体２２には大きい穴又は小さい穴があけられ、それにより被覆導体２２は図には明示しない多数の平衡補償開口を備えている。こうすることで媒体Ｍが中心導体２０と被覆導体２２との間の中間室内に入り込むのを保証できる。中心導体２０と被覆導体２２は、アンテナ終端２４で短絡されている。
【００２１】
境界層１２、１４の位置決めのため、この種アンテナ１６では、そのインピーダンスが局部的にも中心導体２０と被覆導体２２の間の静電容量に対応するという効果を利用する。上記インピーダンスは中心導体２０と被覆導体２２の間の中間室を満たす同じ媒体Ｍの誘電率に対応する静電容量を経て測定される。そして境界層１２、１４を通過すると、それに応じアンテナ１６の局部インピーダンスが急変する。その際アンテナ１６に生ずる電磁パルスは部分的に伝送され、部分的に反射される。従って境界層１２、１４でアンテナ１６に導かれた電磁パルスは、特徴信号として利用できる反射パルスを出力する。アンテナ１６の各セグメントでの電磁信号の伝播速度を考慮し、アンテナ終端２４に対する境界層１２又は１４の相対位置に対応する特性値、即ち原子炉圧力容器２内の、例えば媒体Ｍの充填レベルに対する特性値を検知すべく、特に境界層１２、１４で反射したパルスとアンテナ終端２４で反射したパルスとの間の伝播時間差を利用する。
【００２２】
ＴＤＲ測定法による境界層１２、１４の位置決定を実施可能にするため、シールド線として構成した信号線６を経てアンテナ１６に接続されたシステム１は適当な回路要素を備える。システム１は特に必要に応じた電磁パルスを生成するパルス発生器３０を含む。該発生器３０は信号中継部１０を経て信号線６に接続され、パルス発生器３０で生じた電磁パルスはアンテナ１６に導入される。システム１は更に信号中継部１０に接続された判別制御ユニット３２を含む。判別制御ユニット３２は、一方で記憶装置３４、他方で出力装置３６、本実施例ではディスプレイに接続されている。自明の如く、判別制御ユニット３２は所定の動作を遂行する上で必要な他の回路要素、例えば入力装置にも接続される。
【００２３】
ＴＤＲ測定法による位置特性値の決定を行うべく、パルス発生器３０内で生じたパルスを原子炉圧力容器２の内室に配置したアンテナ１６に導く。その際、アンテナ１６で受信した多数の反射パルスを時系列データとして測定する。そのとき、パルスの時間的経過に従い形成される応答信号の中で、境界層１２又は１４に対応する反射パルスを同定し、伝播時間の測定に基づく位置決定に用いる。
【００２４】
図２に縦断面図で示すブッシング１８は、核技術設備の原子炉圧力容器２のためのＴＤＲ測定装置への応用に特化した構成となっている。そのためブッシング１８は、同軸ブッシングの形で内部導体４０とそれを囲む被覆導体４２を含み、一方では原子炉圧力容器２の内室における交番するか極端な圧力挙動が存在する場合でも、特に高度な封止性能を持つように設計される。
【００２５】
被覆導体４２とそれにより取り囲まれる内部導体４０は、フランジ部４４を貫通する。フランジ部４４は、寸法的に貫通部材に対応した開口を有し、原子炉圧力容器２内に封止状態で取り付けられる。被覆導体４２は、本実施例ではフランジ部４４と一体に構成され、これら構成要素の組み込み時になんらの封止問題も生じない。しかし、付属する開口を原子炉圧力容器内でストッパ又はねじ止めの形で直接に圧力封止すべく、被覆導体４２を上述のものとは異なり、例えば太くしたり、従来の方法に適合させて形成したりしてもよい。内部導体４０に対し、電磁パルスの誤りや欠落のない伝送のため、被覆導体４２とこれに接続されたフランジ部４４からの確実な絶縁につき全般的に注意すべきである。そのため内部導体４０はこれを囲む空隙を形成しつつ、内部導体４０とフランジ部４４の間の電気的接触を全般的に回避すべくフランジ部４４の開口４６を貫通する。
【００２６】
しかし、この配置構成は、本実施例では原子炉圧力容器２の外側にフランジ部４４の対応する第１側に内部導体４０およびそれを取り囲む被覆導体４２により形成される第１空間領域４８と、本実施の形態では原子炉圧力容器２の内側にフランジ部４４の対応する第２側に内部導体４０およびそれを取り囲む被覆導体４２により形成される第２空間領域５０との間を非封止状態にしてしまうことがあり得る。このような非封止状態を徹底的に排除し、その結果ブッシング１８の特に高度な封止性を全体として保証するため、第１空間領域４８は第２空間領域５０に対して機械的封止部材、即ち複数の封止リング５２により封止する。
【００２７】
封止リング５２の材料の選択に関して、恒常的に高温に曝されると同時に恒常的に高圧に曝される場合でも、高度な封止作用を保証可能なように設計する。そのため封止リング５２は金属封止リングとして構成し、本実施例では金めっきした特殊鋼で形成する。
【００２８】
一方で封止リング５２の封止作用を特別な手段で強化し、他方でフランジ部４４に対する内部導体４０の確実な、空間的な相対的位置決めを保証する、即ち十分な電気絶縁を保証すべく、内部導体４０のフランジ部４４を貫通する領域に予圧を与える。その際、予圧付与手段を複数のセラミックリング５４を経てフランジ部４４に予圧付与側で支持する。そのため内部導体４０を原子炉圧力容器２の内側に対応するフランジ部４４の第２側に、外側へ突出する鍔部を設け、そこに一方の封止リング５２を受ける丸溝を設ける。かくして鍔部５６は、２個の封止リング５２と、その間のセラミックリング５６を経てフランジ部４４の内側に支持され、その結果内部導体４０の長手方向に作用する力は、該導体４０とフランジ部４４の間に電気的接触状態を作ることなく封止リング５２とセラミックリング５４を経てフランジ部４４に伝わる。原子炉圧力容器２の外側に対応するフランジ部４４の第１側で、内部導体４０は適当な場所に、図２に示すねじ５７を備え、これに袋ナット５８がねじ込まれる。袋ナット５８は、内部導体４０に対し同心配置された間隔保持スリーブ６０と他のセラミックリング５４を経て、フランジ部４４の外側で支持される。従って、袋ナット５８の適当な引き締めで、内部導体４０のフランジ部４４を貫通する領域の予圧を調節できる。適切な予圧を与えることで封止リング５２の接触面の押圧が行われ、この予圧の付与により特に高度な封止作用を、場合により封止リング５２の僅かな変形で達成できる。
【００２９】
袋ナット５８の同じ側の領域で、内部導体４０は信号線６の中心導体６４内に滑動可能に支持された終端キャップ６２を経て移行する。被覆導体４２はその領域内で適当な手段、例えば袋ナットにより信号線６の被覆導体に接続できる。
【００３０】
特に高度な封止性を得るべく、ブッシング１８は、フランジ部４４の第１側から第２側、又はそれと逆に電気信号やパルスが通過する際、特に僅かな反射に対しても適合するよう構成される。そのためブッシング１８の構成要素、即ち特に内部導体４０、被覆導体４２、開口４６およびセラミックリング５４はその断面が、各々それらにより形成される導電系のインピーダンスが内部導体４０と被覆導体４２の長軸方向に見てほぼ一定に分布する寸法に設計される。これら構成要素の寸法設計に際し、多数の構成要素を持つ同軸導電系のインピーダンスは、ほぼ各構成要素の直径と各中間介在空間に満たされる媒体の誘電率とに依存するという知識を利用する。例えばブッシング４８の領域では、内部導体４０、フランジ部４４の内壁およびそれらの間に介在する環状の空隙で同軸系が構成される。従ってこの領域の導電系のインピーダンスは、ほぼ内部導体４０の外径ｄ、開口４６の直径Ｄおよび空隙を満たす媒体、即ち空気の誘電率により与えられる。それに対し、そのすぐ上又は下に存在する空間領域では、内部導体４０の外径ｄ、内部導体４０を取り囲むセラミックリング５４の誘電率εを考慮した外径、被覆導体４２の内径Ｄ₂およびセラミックリング５４と被覆導体４２の間の空隙領域における空気の誘電率により導電系の局部インピーダンスが定まる。
【００３１】
各空間領域で、個々の構成要素の直径は誘電率を考慮して、内部導体４０の長手方向に結果的に生ずるインピーダンスが略一定になるよう選択する。その際フランジ部４４を貫通する領域に機械的構成要素の装着のための十分な場所を用意すべく、内部導体４０と被覆導体４２は図２から判るように本来の信号線６の寸法に比較してその断面がフランジ部４４の近くで拡大される。断面の拡大、特に円錐形状の断面領域６６での拡大により、幾何学的関係の変化にもかかわらずインピーダンスを不変に保つことができる。
【００３２】
ブッシング８は、必要に応じブッシング１８と同様の形式に構成できる。
【発明の効果】
本発明によれば、内部導体貫通部の封止時に、機械的封止部材を使用することで特にブッシングの高温・高圧の下での安定性を良好に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子炉圧力容器内の充填レベルを監視するシステムを概略的に示す図。
【図２】図１のブッシング１８の縦断面図。
【符号の説明】
１ システム、２ 原子炉圧力容器、４ 封じ込め隔壁、６ 信号線、８、１８ブッシング、１０ 信号中継部、１２、１４ 境界層、１６ アンテナ、２０、２２、４０、４２ 導体、２４ アンテナ終端、３０ パルス発生器、３２ 記憶装置、３６ 出力装置、４４ フランジ部、４６ 開口、４８、５０ 空間領域、５２ 封止リング、５４ セラミックリング、５６ 鍔部、５７ ねじ、５８ 袋ナット、６０ 間隔保持スリーブ、６２ 終端キャップ、Ｄ 蒸気、Ｗ，Ｄ 溶相体、Ｍ 媒体、Ｗ 水

Claims (5)

1. 原子核技術設備の原子炉格納容器内の充填レベルを検知し又は境界層（１２、１４）の位置特性値を検知するためのＴＤＲ測定システムにおいて、
   原子炉格納容器（２）又は封じ込め隔壁（４）内のブッシング（１８）を介して信号線（６）と結合されたアンテナ（１６）を備え、
   前記ブッシング（１８）は、前記原子炉格納容器（２）又は封じ込め隔壁（４）と気密に結合されるフランジ部（４４）と、該フランジ部（４４）の開口（４６）を通して前記容器（２）又は隔壁（４）の内外に延びる内部導体（４０）と、
   該内部導体（４０）を取り囲み、前記フランジ部（４４）を経て前記容器（２）又は隔壁（４）の内外に延びる被覆導体（４２）と、
   該被覆導体（４２）により容器又は隔壁の外側に形成される第１空間領域（４８）と容器又は隔壁の内側に形成される第２空間領域（５０）とを気密に封止するためにフランジ部（４４）の開口（４６）を挟んで容器又は隔壁の内外側にそれぞれ設けられたセラミックリング（５４）とを備え、
   外側のセラミックリング（５４）は内側導体（４０）に対し同心配置された間隔保持スリーブ（６０）の端面に接し、
   内側のセラミックリング（５４）は、内側導体の鍔部（５６）に接し、
   前記フランジ部（４４）の内側のセラミックリング（５４）に接する面と、前記鍔部（５６）のセラミックリング（５４）に接する面とには、それぞれ金属封止リング（５２）が設けられたことを特徴とするＴＤＲ測定システム。
2. 前記フランジ部が被覆導体と一体に形成されたことを特徴とする請求項１記載のＴＤＲ測定システム。
3. 前記内部導体（４０）がブッシングの領域で前記フランジ部（４４）により予圧を付与される請求項１又は２記載のＴＤＲ測定システム。
4. 前記予圧を付与する手段の前記フランジ部（４４）に面する側が、複数のセラミックリング（５４）を経て前記フランジ部（４４）で支持された請求項３記載のＴＤＲ測定システム。
5. 前記被覆導体（４２）と前記内部導体（４０）の各断面が、それらにより形成される導体系の電気的インピーダンスが長手方向に見てほぼ一定になるように構成されている請求項１から４の１つに記載のＴＤＲ測定システム。

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