JP5848102B2 - 軸シール構造及び一次冷却材循環ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ内部の流体の漏洩を防止する軸シール構造及び一次冷却材循環ポンプに関するものである。

原子力発電所に用いられる加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は、核燃料を収容する圧力容器と、加圧器と、二次蒸気を生成する蒸気発生器と、一次冷却材循環ポンプ（ＲＣＰ）などからなる。冷却材（流体）は、一次冷却材循環ポンプの駆動によって、圧力容器、加圧器及び蒸気発生器を結ぶ循環路を流れる。そして、蒸気発生器で生成された二次蒸気がタービンを駆動することによって発電が行われる。

一次冷却材循環ポンプの主軸における軸シール構造として、例えば軸の周囲に軸線方向に沿って３組のシールが設けられる。シールは、ポンプの内側から外側に向かって第１シール（No.1 Seal）、第２シール（No.2 Seal）、第３シール（No.3 Seal）の順に配置されている。これにより、一次冷却材循環ポンプでは、主軸がシールハウジングの中で回転しつつ、ポンプハウジング内部とシールハウジング外部との間が封止される。

特開平５−３０６６８５号公報

一次冷却材循環ポンプの軸シール構造は、約70℃の冷却材（加圧水）を第１〜第３シールの３段のシールで、約15MPaから大気圧まで減圧する。具体的には、加圧水が第１シールで約15MPaから約0.3MPaまで減圧され、第２シールで約0.3MPaから約0.05MPaまで減圧される構造となっている。

しかし、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）時には、通常運転時に70℃程度である加圧水温度が約300℃まで上昇することが想定される。この際に、第２シールに約300℃、約15MPaの加圧水が到達してしまう。第２シールは、この約300℃、約15MPaの加圧水に耐えることができるが、更に安全を考慮する技術が求められているところ、特許文献１では、２個のシールが破裂したのち、一次ポンプの主軸を長手方向に確実に封止する安全装置に関する技術が開示されている。一方、従来の漏洩防止のためのシールは、構造が複雑であるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、流体の漏洩防止において耐久時間を長時間化することが可能な軸シール構造及び一次冷却材循環ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の軸シール構造及び一次冷却材循環ポンプは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る軸シール構造は、ポンプの軸シール構造であって、軸周りにリング状に設けられ、軸の中心方向に移動可能なシールリングと、通常運転時にはシールリングを軸から離隔させており、通常運転時よりも高温になったとき溶融する合成樹脂製の離隔部材とを備え、シールリングは、通常運転時に軸から離隔し、離隔部材が溶融したとき軸側へ移動して軸との間隔を低減する。

この発明によれば、軸周りにリング状に設けられたシールリングは、通常運転時、離隔部材によって軸から離隔させられている。そして、ポンプ内部流体の温度上昇によって、合成樹脂製の離隔部材が高温化して溶融したとき、シールリングを軸から離隔する部材がなくなるため、シールリングが軸側へ移動する。その結果、シールリングは、通常運転時は軸回転を妨げることなく軸から離隔しているが、温度上昇が生じている異常発生状態では軸との間隔が低減して、ポンプ内部の流体の漏洩を防止する。

上記発明において、シールリングを軸側に付勢する付勢部材を更に備え、離隔部材は、通常運転時、シールリングよりも軸側に設けられており、シールリングの軸側への移動を妨げてもよい。

この発明によれば、通常運転時、離隔部材は、付勢部材によって付勢されているシールリングが軸側へ移動することを妨げている。一方、温度上昇によって離隔部材が溶融したとき、シールリングは、付勢部材によって軸側へ移動するため、シールリングと軸との間隔が低減して、ポンプ内部の流体の漏洩が防止される。

上記発明において、シールアッセンブリ上流側領域からシールリングの端部まで結ばれており、ポンプ内部の流体が流入可能である流通路と、通常運転時には流通路を塞ぎ、通常運転時よりも高温になったとき溶融して流通路を開口させる栓部材とを更に備え、栓部材が溶融したとき、流通路へ流入した流体がシールリングを軸の中心方向に移動させてもよい。

この発明によれば、通常運転時は、ポンプ内部の流体が流入可能である流通路が栓部材によって塞がれている。一方、温度上昇によって栓部材が溶融したとき、流通路が開口してポンプ内部の流体が流入する。その結果、流体がシールリングの端部を押圧して、シールリングは軸の中心方向へ移動するため、シールリングと軸との間隔が低減して、ポンプ内部の流体の漏洩が防止される。

また、本発明に係る一次冷却材循環ポンプは、上記の軸シール構造を備える。
この発明によれば、軸シール構造が設けられていることによって、温度上昇時にポンプ内部の流体の漏洩を防止できる。

この発明によれば、流体の漏洩防止において耐久時間を長時間化することができる。

本発明の第１実施形態に係る軸シール構造における漏洩防止シールを示す縦断面図である。 同実施形態に係る軸シール構造における漏洩防止シールを示す縦断面図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングを示す斜視図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングを示す斜視図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングを示す斜視図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングを示す端面図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングを示す斜視図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングを示す端面図である。 本発明の第２実施形態に係る軸シール構造における漏洩防止シールを示す縦断面図である。 同実施形態に係る軸シール構造における漏洩防止シールを示す縦断面図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールのシールリングと固定リングを示す側面図である。 同実施形態に係る漏洩防止シールの固定リングを示す上面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る軸シール構造について、図１〜図８を用いて説明する。
本実施形態に係る軸シール構造は、例えば原子力発電所に用いられる加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の一次冷却材循環ポンプに適用される。一次冷却材循環ポンプの軸シール構造は、ポンプの内側から外側に向かって第１シール（No.1 Seal）、第２シール（No.2 Seal）、第３シール（No.3 Seal）の順に配置されている。この３組のシールを構成する部材は、総称してシールアッセンブリともいう。そして、本実施形態では、更に第１シールと第２シールの間に漏洩防止シールが設けられる。

以下では、本実施形態の漏洩防止シールについて説明する。漏洩防止シールによって、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）の条件において、シールの安全性を更に向上させることができる。

漏洩防止シールは、一次冷却材循環ポンプ（以下「ポンプ」という。）の軸シール構造におけるシールハウジングにて、主軸１０に面するように主軸１０の周囲に設けられる。漏洩防止シールは、例えばシールリング１と、流通路２と、ばね５と、栓部材６と、離隔部材７などからなる。

シールハウジングは、主軸１０に面して主軸１０周りに設けられる部材であり、主軸１０の軸シール構造の構成部材の一つである。シールハウジングは、図１に示すように複数の部材、例えばシールハウジング分割部材１１，１２，１３などからなる。これらのシールハウジング分割部材１１，１２，１３が互いにボルト結合されることによって、一体化されたシールハウジングとなる。

シールハウジング分割部材１１，１２間には、図１に示すように、金属Ｏリング１４が主軸１０を囲むように設けられる。異常発生時に流体（冷却材）がシールリング収容室４内部へ流入した場合でも、金属Ｏリング１４によって、シールハウジング外部への流体の漏洩が防止される。

ポンプの通常運転時、シールハウジングと主軸１０の間は、隙間が形成されており、主軸１０が軸心周りにスムーズに回転する。

シールリング１は、シールリング収容室４内に設置され、主軸１０の周囲にリング状に設けられる。シールハウジング分割部材１１，１２には、凹状の溝が主軸１０の周囲にリング状に形成されており、シールハウジング分割部材１１，１２が組み合わされることによって、シールリング１を収容することができるシールリング収容室４が形成される。

シールリング１は、温度上昇が生じている異常発生時以外の通常運転時において、図１に示すように、シールリング１の端面１ａが主軸１０から離隔した位置にある。一方、温度上昇が生じると離隔部材７が溶融して流出し、シールリング１は、図２に示すように、主軸１０側へ移動して、端面１ａが主軸１０と接触する。

シールリング１は、主軸１０と接触したときの密着面における密封性、温度上昇時の耐熱性及び圧力上昇時の耐圧性があることが望ましい。また、シールリング１は、主軸１０が通常回転しているときに摺動面となることを考慮して低摩擦係数であることなどが望ましい。シールリング１は、例えばステンレス鋼製である。なお、シールリング１は、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）系の合成樹脂でもよい。

シールリング１は、例えば図３〜図８に示すように、分割部材であり、互いに組み合わされて一つのシールリング１が構成される。シールリング分割部材１Ａとシールリング分割部材１Ｂは、接合部分において隙間がないように、シップラップＳが形成されてもよい。この構成により、図６の矢印に示す流体の流れを低減できる。ポンプの通常運転時、シールリング分割部材１Ａとシールリング分割部材１Ｂは、図３に示すように離隔部分が設けられて、シールリング１の半径が長い状態である。一方、温度上昇が生じて離隔部材７が溶融して流出したとき、シールリング分割部材１Ａとシールリング分割部材１Ｂは、図４に示すように離隔部分がなくなり、シールリング１の半径が短くなり、シールリング１と主軸１０が接触する。

流通路２は、ポンプ室側（シールアッセンブリ上流側領域）とシールリング収容室４とを結んでおり、ポンプ内部の流体が流入可能な空間である。通常時は、図１に示すように、流通路２の端部３にて栓部材６によって流通路２は封じられている。そのため、第１シール側のポンプ室の高圧流体が流通路２内部へ流入することはない。このとき、第１シール側のポンプ室の圧力は約15MPaであり、流通路２の内部は約0.3MPa程度に保たれている。一方、温度上昇が生じると栓部材６が溶融して、図２に示すように、ポンプ室の高圧（最大約18MPa、最大約340℃（過渡条件））の流体が流通路２内へ流入する。流入した流体は、シールリング収容室４へ到達する。このとき、流通路２の内部の圧力は、最大約18MPaまで上昇する。

栓部材６は、ポンプの通常運転時には流通路２を塞ぎ、通常運転時よりも高温になったとき溶融し流出して流通路２を開口させる。栓部材６は、約150℃の溶融温度、耐放射線劣化、耐熱劣化の観点から、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどの合成樹脂である。ポンプの通常運転時は、流体温度が約70℃であり、栓部材６は、常時流体に晒されているが、連続耐熱温度が80℃以上120℃以下のポリエチレン、ポリプロピレンであれば栓部材６の材料として使用できる。また、ポリエチレン、ポリプロピレンは、対放射線性を有することが一般的に知られている。

そして、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）時には、ポンプ通常運転時に約70℃である流体（加圧水）温度が約300℃まで上昇することが想定される。この温度上昇途中で、栓部材６は、溶融して流通路２の下流側へ流れ、流通路２が開口する。その結果、流通路２及びシールリング収容室４内は、高圧流体で満たされることになる。

ばね５は、シールリング収容室４内に設けられ、シールリング１に対して主軸１０側と反対側に設置されている。ばね５は、シールリング１を主軸１０側へ与圧、付勢している。ばね５は、例えばＳＵＳ製の圧縮コイルばねであり、ポンプの通常運転時は縮まっており、温度上昇によって離隔部材７が溶融し流出すると、離隔部材７の嵩分だけ伸張する。すなわち、ばね５は、離隔部材７が溶融するような温度上昇に伴い、シールリング１を主軸１０側へ移動させる。

離隔部材７は、シールリング収容室４内に設けられ、主軸１０側に設置されている。離隔部材７は、シールリング１の端面１ａよりも主軸１０から離れた位置にある段差面１ｂと、シールリング収容室４の内壁面との間に挟まれる。これにより、離隔部材７は、ポンプの通常運転時には、シールリング１を主軸１０の外周面から離隔させる。一方、離隔部材７は、通常運転時よりも高温になったとき溶融して流出する。例えばポンプ通常運転時に約70℃である流体（加圧水）温度が約150℃まで上昇したとき、離隔部材７は、溶融して第２シール側へ流れ、ばね５や流通路２を経た流体がシールリング１を主軸１０側へ移動させる。離隔部材７は、溶融温度、耐放射線劣化、耐熱劣化の観点から、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどの合成樹脂である。

次に、本実施形態の漏洩防止シールの動作について説明する。
ポンプの通常運転時、漏洩防止シールは図１に示す状態であり、栓部材６を隔てて、第１シール側のポンプ室の圧力は約15MPaであり、流通路２の内部は約0.3MPa程度に保たれている。また、流体の温度は、約70℃である。このとき、離隔部材７によって、シールリング１は主軸１０から離隔した位置にあり、シールリング１の端面１ａと主軸１０の間には隙間が設けられている。その結果、主軸１０は、軸心周りにスムーズに回転できる。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）で、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）が生じると、流体の温度は、約300℃まで上昇することが想定される。この温度上昇をトリガーにして、栓部材６と離隔部材７が溶融して流出し、流通路２及びシールリング収容室４内が高圧になる。その結果、流体圧力とばね５の付勢力によって、シールリング１が主軸１０側へ移動する。そして、シールリング１と主軸１０が接触、密着することによって、流体が漏洩防止シールよりも下流へ漏洩することを防止できる。

従来、第２シールは、約300℃、約15MPaの加圧水に耐えることができるが、本実施形態の漏洩防止シールによって、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）の条件において、シールの安全性を更に向上させることができる。また、シールリング１は、ステンレス鋼製であることから、通常運転時やＳＢＯ時の耐久性にも問題がない。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図９〜図１２を用いて説明する。
第１実施形態では、シールリング１がシールリング収容室４内部に設けられる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。以下で説明するとおり、シールリング２１がシールハウジング分割部材１２，１３よりも主軸１０側に設置される場合でも、同様に流体の漏洩を防止できる。

シールリング２１は、主軸１０の周囲にリング状に設けられる。シールリング２１は、図１１に示すように、周方向の一部に開口を有する。これにより、シールリング２１は、ポンプの通常運転時において、図９に示すように、主軸１０から離隔した位置に設けられる。一方、温度上昇が生じると離隔部材２２が溶融して流出し、シールリング２１は、図１０に示すように、主軸１０側へ移動して、シールリング２１が主軸１０と接触する。なお、シールリング２１の周方向に設けられた開口に離隔部材２２と同様の合成樹脂が設置されてもよい。この合成樹脂は、ポンプの通常運転時において、シールリング２１の開口を維持させ、温度上昇が生じると溶融して流出し離隔部材２２の開口を閉鎖させる。

シールリング２１は、第１実施形態と同様に、例えばステンレス鋼製である。なお、シールリング２１は、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE） 系の合成樹脂でもよい。

流通路２は、ポンプ室側（シールアッセンブリ上流側領域）とシールリング１の端部とを結んでおり、ポンプ内部の流体が流入可能な空間である。通常時は、図９に示すように、流通路２の端部３にて栓部材６によって流通路２は封じられている。そのため、第１シール側のポンプ室の高圧流体が流通路２内部へ流入することはない。一方、温度上昇が生じると栓部材６が溶融して流出し、図１０に示すように、ポンプ室の高圧流体が流通路２内へ流入する。流入した流体は、シールリング１の端部へ到達してシールリング１を押圧する。流通路２は、周方向に１箇所又は複数箇所で設けられてもよい。複数箇所に設けられることによって、流体がシールリング１を確実に移動させることができる。

ばね２３は、一端側がシールリング２１内に挿入され、他端が固定リング２４に固定されている。ばね２３は、伸張するときシールリング１を主軸１０側へ与圧、付勢する。ばね２３は、例えばＳＵＳ製の圧縮コイルばねであり、ポンプの通常運転時は合成樹脂コーティングによって縮まった状態で固定されている。ばね２３は、温度上昇によってばね２３に施された合成樹脂コーティングと離隔部材２２が溶融して流出すると、伸張する。すなわち、ばね５は、合成樹脂コーティングや離隔部材７が溶融するような温度上昇に伴い、シールリング２１を主軸１０側へ移動させる。

離隔部材２２は、リング状の部材であり、シールリング２１よりも主軸１０側に設置されている。離隔部材２２は、ポンプの通常運転時には、シールリング２１を主軸１０の外周面から離隔させる。一方、離隔部材２２は、通常運転時よりも高温になったとき溶融して流出する。例えばポンプ通常運転時に70℃である流体（加圧水）温度が約150℃まで上昇したとき、離隔部材２２は、溶融して第２シール側へ流れ、ばね２３や流通路２を経た流体がシールリング１を主軸１０側へ移動させる。離隔部材２３は、溶融温度、耐放射線劣化、耐熱劣化の観点から、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどの合成樹脂である。

固定リング２４は、シールリング２１の一端部、かつ主軸１０の周囲に設けられるリング状の部材である。固定リング２４は、離隔部材２２と合成樹脂コーティングされたばね２３を表面に固定させており、離隔部材２２とばね２３を介してシールリング２１を固定リング２４側に設置させている。

固定リング２４は、図１１及び図１２に示すように、周方向の一部に開口２４ａを有する。開口２４ａには、離隔部材２２と同様の合成樹脂材２５が設置されてもよい。この合成樹脂材２５は、ポンプの通常運転時において、開口２４ａを維持させ、温度上昇が生じると溶融して流出し開口２４ａを閉鎖させる。その結果、固定リング２４は、直径が短縮し、主軸１０側へ移動する。そして、固定リング２４に固定されているばね２３とともに、シールリング２１が主軸１０側へ移動する。

次に、本実施形態の漏洩防止シールの動作について説明する。
ポンプの通常運転時、漏洩防止シールは図９に示す状態であり、栓部材６を隔てて、第１シール側のポンプ室の圧力は約15MPaであり、流通路２の内部は約0.3MPa程度に保たれている。また、流体の温度は、約70℃である。このとき、離隔部材２２によって、シールリング１は主軸１０から離隔した位置にあり、シールリング２１と主軸１０の間や、離隔部材２２と主軸１０の間には隙間が設けられている。その結果、主軸１０は、軸心周りにスムーズに回転できる。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）で、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）が生じると、流体の温度は、約300℃まで上昇することが想定される。この温度上昇中の温度をトリガーにして、栓部材６、離隔部材２２、及びばね２３に施された合成樹脂コーティングが溶融して流出し、流通路２内の圧力が上昇する。その結果、流体圧力とばね２３の付勢力によって、シールリング２１が主軸１０側へ移動する。そして、シールハウジング分割部材１３と主軸１０の間に固定されるまでシールリング２１が移動し、シールリング２１が主軸１０とシールハウジング分割部材１３に接触、密着する。その結果、流体が漏洩防止シールよりも下流へ漏洩することを防止できる。また、シールリング２１の第１シール側の受圧面積が第２シール側よりも大きいため、シールリング２１は、流体差圧によって主軸１０とシールハウジング分割部材１３に接触した状態が維持される。

従来、第２シールは、約300℃、約15MPaの加圧水に耐えることができるが、本実施形態の漏洩防止シールによって、全交流電源喪失（ＳＢＯ：Station Black Out）の条件において、シールの安全性を更に向上させることができる。また、シールリング２１は、ステンレス鋼製であることから、通常運転時やＳＢＯ時の耐久性にも問題がない。

なお、上記第１及び第２の実施形態では、流通路２が設けられることによって、ばね５，２３の付勢力だけでなく流体の圧力を利用することによって、シールリング１，２１を軸１０側に移動させている。一方、本発明は、上記実施形態の流通路２が設けられずに、ばね５，２３の付勢力だけで、シールリング１，２１を軸１０側に移動させるようにしてもよい。これにより、離隔部材７，２２が溶融して流出した後、流体の圧力を利用していないが、ばね５，２３の付勢力によって、ポンプ内部の流体の漏洩を防止できる。

１ シールリング
２ 流通路
５ ばね（付勢部材）
６ 栓部材
７ 離隔部材
１０ 主軸（軸）

Claims (3)

1. ポンプの軸シール構造であって、
   軸周りにリング状に設けられ、軸の中心方向に移動可能なシールリングと、
   通常運転時には前記シールリングを前記軸から離隔させており、前記通常運転時よりも高温になったとき溶融する合成樹脂製の離隔部材と、
   シールアッセンブリ上流側領域から前記シールリングの端部まで結ばれており、ポンプ内部の流体が流入可能である流通路と、
   前記通常運転時には前記流通路を塞ぎ、前記通常運転時よりも高温になったとき溶融して前記流通路を開口させる栓部材と、
   を備え、
   前記シールリングは、前記通常運転時に前記軸から離隔し、前記離隔部材が溶融したとき前記軸側へ移動して前記軸との間隔を低減し、
   前記栓部材が溶融したとき前記流体が前記流通路へ流入し、前記流通路へ流入した前記流体が前記シールリングを前記軸の中心方向に移動させる軸シール構造。
2. 前記シールリングを前記軸側に付勢する付勢部材を更に備え、
   前記離隔部材は、前記通常運転時、前記シールリングよりも前記軸側に設けられており、前記シールリングの前記軸側への移動を妨げる請求項１に記載の軸シール構造。
3. 請求項１又は２に記載の軸シール構造を備える一次冷却材循環ポンプ。

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