JP6095249B2 - Drive screw clearance expanding method and control rod drive mechanism using these drive screws - Google Patents
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Description
本発明は、駆動ねじ及び制御棒駆動機構に係り、改良型沸騰水型原子炉(ABWR)に適用するのに好適な駆動ねじ及び制御棒駆動機構の技術分野に属する。 The present invention relates to a drive screw and a control rod drive mechanism, and belongs to the technical field of a drive screw and a control rod drive mechanism suitable for application to an improved boiling water reactor (ABWR).
ABWRの原子炉圧力容器(RPV)内には、複数の燃料集合体が装荷された炉心が配置され、減速材を兼ねた冷却材(軽水)が存在する。燃料集合体の相互間に挿入される制御棒(CR)がRPV内に配置されており、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、CRの炉心からの引抜き、及びCRの炉心への挿入によって行われる。CR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によって上下方向に移動される。 In the reactor pressure vessel (RPV) of ABWR, a core loaded with a plurality of fuel assemblies is disposed, and there is a coolant (light water) that also serves as a moderator. Control rods (CR) inserted between the fuel assemblies are arranged in the RPV, and reactor power control during reactor start-up and shutdown, reactivity compensation and load following is controlled from the CR core. Is pulled out and inserted into the core of the CR. The CR is connected to a control rod drive mechanism (CRD) provided at the bottom of the RPV and is moved up and down by the CRD.
CRDの一例が特開2009−174941号公報の図3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。駆動ねじ及び駆動ねじのボールナットに載置さ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CRに連結される。中空ピストン内に配置される駆動ねじのねじ軸とボールナットが噛み合っている。駆動ねじのねじ軸は、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、駆動ねじのねじ軸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、中空ピストンと連結したCRが炉心に挿入または引抜きされ、原子炉出力が制御される。 An example of the CRD is shown in FIG. 3 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-174941. The CRD has an outer tube, and a guide tube is installed in the outer tube. A drive piston and a hollow piston mounted on the ball nut of the drive screw and extending upward are arranged in the guide tube. The upper end of the hollow piston is connected to CR. A screw shaft of a drive screw disposed in the hollow piston and a ball nut are engaged with each other. The screw shaft of the drive screw is connected to the rotating shaft of the electric motor and is rotated by the electric motor. The ball nut moves up and down by the rotation of the screw shaft of the drive screw, and moves the hollow piston up and down. As a result, the CR connected to the hollow piston is inserted into or extracted from the reactor core, and the reactor power is controlled.
一般的な駆動ねじは大気中環境で使用されるため、ボール走行面およびボールに潤滑剤を塗布して駆動ねじのねじ軸、ボールナット、ボール間の相互の潤滑性を高めている。 Since a general drive screw is used in an atmospheric environment, a lubricant is applied to the ball running surface and the ball to enhance the mutual lubricity between the screw shaft of the drive screw, the ball nut, and the ball.
しかし、CRDの駆動ねじは水中環境下で使用されることから一般的な駆動ねじのような潤滑性が期待できないため、駆動ねじのねじ軸、ボールナット、ボール間の相互の摩耗環境は苛酷な条件となっている。 However, since the CRD drive screw is used in an underwater environment, lubrication like a general drive screw cannot be expected, so the mutual wear environment between the screw shaft, ball nut and ball of the drive screw is severe. It is a condition.
摩擦の状態によって、駆動ねじのねじ軸のボール走行面に凸状の盛り上りが発生すると、ねじ軸の回転が阻害され、ねじ軸を回転するためのトルクが増加する。 If a convex bulge occurs on the ball travel surface of the screw shaft of the drive screw due to the state of friction, the rotation of the screw shaft is hindered, and the torque for rotating the screw shaft increases.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、駆動ねじのねじ軸のトルク増加を抑制するための駆動ねじの隙間拡大方法及びそれら駆動ねじを用いた制御棒駆動機構を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a drive screw gap expanding method for suppressing an increase in torque of the screw shaft of the drive screw and a control using the drive screw. It is to provide a rod drive mechanism.
上記した目的を達成する代表的な本発明は、制御棒駆動機構内に設けられ、駆動軸を介し電動機の回転運動を上下運動に変換し中空ピストンを昇降させる水中環境下で使用される駆動ねじであって、前記駆動ねじは、ねじ軸と、複数のボールを介し前記ねじ軸と噛み合うボールナットを備え、前記駆動ねじのボール走行面は、曲率中心の異なる二つの円弧の組み合わせによるゴシックアーチ状となっており、前記駆動ねじのボール走行面を形成する2つの曲面のそれぞれと曲率中心点との距離をR、前記2つの曲面の曲率中心点の間の距離をL(但し、L>0)、前記ボールの直径をDとした場合、隙間係数A=((2×R−L)−D)÷(2×R−L)(隙間係数Aは0.03よりも大きく0.17よりも小さい)、上記関係式を満たすように前記ねじ軸のボール走行面の溝形状を決めて、前記ねじ軸のボール走行面と前記ボールの隙間を拡大させることを特徴とする駆動ねじの隙間拡大方法である。 A typical present invention that achieves the above-described object is a drive screw that is provided in a control rod drive mechanism and is used in an underwater environment in which the rotary motion of an electric motor is converted into a vertical motion via a drive shaft and the hollow piston is moved up and down. The drive screw includes a screw shaft and a ball nut that meshes with the screw shaft via a plurality of balls, and the ball travel surface of the drive screw has a Gothic arch shape formed by a combination of two arcs having different centers of curvature. R is the distance between each of the two curved surfaces forming the ball running surface of the drive screw and the center of curvature, and L is the distance between the center of curvature of the two curved surfaces (where L> 0). ), Where D is the diameter of the ball, the clearance coefficient A = ((2 × RL) −D) ÷ (2 × RL) (the clearance coefficient A is greater than 0.03 and greater than 0.17). So that the above relational expression is satisfied. Decide groove shape of the ball running surface of the screw shaft, a gap enlargement process of the driving screw, characterized in that to enlarge the gap between the ball running surface and the balls of the screw shaft.
本発明によれば、駆動ねじのねじ軸のボール走行面の凸状の盛り上りによるねじ軸のトルク増加を抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the torque increase of the screw shaft by the convex rise | swell of the ball running surface of the screw shaft of a drive screw can be suppressed.
本発明の実施例を以下に説明する。 Examples of the present invention will be described below.
実施例1のボール小径化による隙間拡大を施した駆動ねじが適用されるCRDを、図1を用いて詳細に説明する。 A CRD to which a drive screw having a gap enlarged by reducing the ball diameter of the first embodiment is applied will be described in detail with reference to FIG.
図1において、CRD1は圧力容器100の下部に接続した制御棒駆動機構ハウジング9の内部に収納されたアウターチューブ11と、前記アウターチューブ11の下方に備えられ、耐圧部を介して磁力により回転駆動力を伝達する磁気継手15を有するスプールピース12と、駆動源である電動機7を有するモータユニット8から構成される。
In FIG. 1, a CRD 1 is provided with an
モータユニット上端の駆動軸6は磁気継手15の構成要素である外側磁気継手14へ接続する。この外側磁気継手14は、制御棒駆動機構ハウジング9の下端の耐圧部であるスプールピース12の圧力隔壁を介して磁気継手15の構成要素である内側磁気継手13と磁気的に結合している。
The
内側磁気継手13は駆動軸5と接続し、駆動軸5の上方には駆動ねじのねじ軸3が結合される。このねじ軸3に螺合された駆動ねじのボールナット4がねじ軸3の回転によって昇降する。ボールナット4の上面には、中空ピストン10が載置され、中空ピストン10の先端には、制御棒2が係合されている。
The inner
CRD1は、モータユニット8の電動機7の回転駆動力を磁気継手15を介してねじ軸3に伝達し、ボールナット4を昇降駆動させることにより、制御棒2を昇降駆動する構造となっている。この制御棒2の昇降により、炉心への挿入・引抜量が調整され、原子炉出力が調整される。
The CRD 1 has a structure in which the control rod 2 is driven up and down by transmitting the rotational driving force of the electric motor 7 of the motor unit 8 to the
前記CRD1の従来例の駆動ねじ16を図2〜4に基づいて説明する。
A
従来例の駆動ねじ16は、ねじ軸3、ボールナット4、複数のボール17、ボールチューブ18から構成されている。ボールナット4には、中空ピストン10と制御棒2の質量が鉛直下向きの方向に負荷されている。ねじ軸3の回転により、ねじ軸3に螺合されたボールナット4が昇降し、その際、ボール17が転がりながらボールチューブ18内を通過して、ボール17が循環運動する。ねじ軸3のボール走行面19にボール17が載り、ボール17にボールナット4のボール走行面20が載る相互関係となっている。ボール走行面19とボール17の隙間21、ボール17とボール走行面20の隙間22は小さい隙間となっている。断面形状において、ねじ軸3のボール走行面19とボールナット4のボール走行面20はゴシックアーチ状、すなわち曲率中心の異なる二つの円弧の組み合わせによる形状となっている。また、ねじ軸3のボール走行面19とボールナット4のボール走行面20は対称な形状をしている。
The
ねじ軸3のボール走行面19に凸状の盛り上り23が発生した場合、ねじ軸3のボール走行面19とボール17の隙間24がなくなることで、凸状の盛り上り23がボール17に干渉し、ねじ軸3の回転が阻害される。
When the
前記CRD1の本発明による実施例の駆動ねじ25のボール小径化による隙間拡大方法を図5〜8に基づいて説明する。
A method of enlarging the gap by reducing the ball diameter of the
従来例の駆動ねじ16を構成する部品のうち、複数のボール17を小さい直径のボール26にすることで、隙間を拡大した駆動ねじ25を製作するものである。小さい直径のボール26にすることで、ボール走行面19とボール26の隙間27、ボール26とボール走行面20の隙間28は大きな隙間となる。これにより、ねじ軸3のボール走行面19に凸状の盛り上り23が発生した場合でも、ねじ軸3のボール走行面19とボール26の隙間29が確保されるため、凸状の盛り上り23はボール26に干渉しなくなり、ねじ軸3のトルクが増加することを防止するものである。
Of the components constituting the
図8に駆動ねじの相互関係を表した一部分の模式断面図を示す。駆動ねじ25は、ねじ軸3のボール走行面19とボールナット4のボール走行面20が図8に示す溝形状となっている。ここで、ねじ軸3のボール走行面A19aとねじ軸3のボール走行面A19aを形成する曲面の中心点A33aとの距離をRとする。ねじ軸3のボール走行面B19bとねじ軸3のボール走行面B19bを形成する曲面の中心点B33bとの距離もRとなる。ボール走行面A19aを形成する曲面の中心点A33aとボール走行面B19bを形成する曲面の中心点B33bとの2点間の距離をL、ボール26の直径をDとすると、隙間係数Aは下記式で表現される。
隙間係数A=((2×R−L)−D)÷(2×R−L)
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a part showing the mutual relationship of the drive screws. In the
Clearance coefficient A = ((2 × R−L) −D) ÷ (2 × R−L)
現状の駆動ねじ16の隙間係数Aは0.03である。なお、ボールを小さくして隙間係数Aが0.17以上となるとボールの走行性を阻害するため、隙間係数Aは0.03よりも大きく、0.17よりも小さくするのが望ましい。
The clearance coefficient A of the
このように隙間係数を0.03以上から0.17以下とすることで、ボールの走行性を阻害することなく、ボール走行面19の凸状の盛り上り23によるねじ軸3の回転に対するトルク増加を抑制できる。
Thus, by increasing the clearance coefficient from 0.03 to 0.17, the torque increases with respect to the rotation of the
前記のボール小径化による隙間拡大を施した駆動ねじ25を図1に示すCRD1に備え付けることで、ねじ軸3のボール走行面19の凸状の盛り上り23によるねじ軸3の回転に対するトルク増加を抑制できる。また、現状の製品においてボールの形状のみを変更すれば良いので、大きな加工を施すことなく実機に適用可能となる。
By providing the CRD 1 shown in FIG. 1 with the
以下実施例1と共通部分は省略して述べる。実施例1では複数のボール17を小さい直径のボール26とすることで、隙間を拡大した駆動ねじ25を製作した。実施例2では、駆動ねじ16のねじ軸3のボール走行面19の溝形状を大きくし、ねじ軸3のボール走行面19とボール17の隙間21を拡大した駆動ねじを製作するものである。実施例1で規定した隙間係数Aは実施例1と同様の値を採用可能することができる。
In the following description, parts common to the first embodiment are omitted. In the first embodiment, the plurality of
実施例2では実施例1の隙間拡大で生じる効果を得ることができる。さらにボールの形状を変更できない場合には、ねじ軸3のボール走行面19を加工することで対応可能となる。
In the second embodiment, it is possible to obtain the effect produced by the gap enlargement in the first embodiment. Further, when the ball shape cannot be changed, it can be dealt with by machining the
以下実施例1と共通部分は省略して述べる。実施例1では複数のボール17を小さい直径のボール26とすることで、隙間を拡大した駆動ねじ25を製作した。実施例3では、ボールナット4のボール走行面20の溝形状を大きくし、ボールナット4のボール走行面20とボール17の隙間22を拡大した駆動ねじを製作するものである。なお、実施例1で規定した隙間係数Aは実施例1と同様の値を採用可能することができる。
In the following description, parts common to the first embodiment are omitted. In the first embodiment, the plurality of
実施例3では実施例1の隙間拡大で生じる効果を得ることができる。さらにボールの形状を変更できない場合には、ボールナット4のボール走行面20を加工することで対応可能となる。
In the third embodiment, it is possible to obtain the effect caused by the gap enlargement in the first embodiment. Further, when the ball shape cannot be changed, it can be dealt with by processing the
以下実施例1と共通部分は省略して述べる。実施例1では複数のボール17を小さい直径のボール26とすることで、隙間を拡大した駆動ねじ25を製作した。本実施例4では、駆動ねじ16の複数のボール17を小さい直径のボール26とし、ねじ軸3のボール走行面19の溝形状を大きくし、ボールナット4のボール走行面20の溝形状を大きくした。これにより、ねじ軸3のボール走行面19とボール26の隙間21を拡大し、ボールナット4のボール走行面20とボール26の隙間22を拡大した駆動ねじを製作するものである。なお、隙間係数Aは実施例1と同様の値を採用可能することができる。
In the following description, parts common to the first embodiment are omitted. In the first embodiment, the plurality of
実施例4でも実施例1の隙間拡大で生じる効果を得ることができる。さらに、単一部品に大きな変更を加える必要がないため、現状の製品において強度等の変更の考慮を最も少なく抑えることが可能となる。 Even in the fourth embodiment, it is possible to obtain the effect produced by the gap expansion in the first embodiment. Furthermore, since it is not necessary to make a large change to a single part, it is possible to minimize the consideration of changes in strength and the like in the current product.
実施例1から実施例4により隙間を拡大した駆動ねじを、図9に示す電動機32により駆動される回転軸6に軸封パッキン31が装着され、水密にシールされている軸封型制御棒駆動機構30に用いた場合においても、上記実施例の隙間拡大で生じる効果を得ることができる。
A shaft seal type control rod drive in which the shaft seal packing 31 is mounted on the
1 制御棒駆動機構(CRD)
2 制御棒
3 ねじ軸
4 ボールナット
5 駆動軸
6 モータユニット上端の駆動軸
7 電動機
8 モータユニット
9 制御棒駆動機構ハウジング
10 中空ピストン
11 アウターチューブ
12 スプールピース
13 内側磁気継手
14 外側磁気継手
15 磁気継手
16 従来例の駆動ねじ
17 ボール
18 ボールチューブ
19 ねじ軸のボール走行面
19a ねじ軸のボール走行面A
19b ねじ軸のボール走行面B
20 ボールナットのボール走行面
21 ねじ軸のボール走行面とボールの隙間
22 ボールとボールナットのボール走行面の隙間
23 凸状の盛り上り
24 ねじ軸のボール走行面とボールの隙間
25 隙間拡大を施した駆動ねじ
26 小さい直径のボール
27 ねじ軸のボール走行面とボールの隙間
28 ボールとボールナットのボール走行面の隙間
29 ねじ軸のボール走行面とボールの隙間
30 軸封型制御棒駆動機構
31 軸封パッキン
32 電動機
33a 曲面の中心点A
33b 曲面の中心点B
35 ガイドチューブ
100 圧力容器
1 Control rod drive mechanism (CRD)
2
19b Ball running surface B of screw shaft
20 Ball running surface of
33b Center point B of curved surface
35
Claims (2)
前記駆動ねじは、ねじ軸と、複数のボールを介し前記ねじ軸と噛み合うボールナットを備え、
前記駆動ねじのボール走行面は、曲率中心の異なる二つの円弧の組み合わせによるゴシックアーチ状となっており、
前記駆動ねじのボール走行面を形成する2つの曲面のそれぞれと曲率中心点との距離をR、前記2つの曲面の曲率中心点の間の距離をL(但し、L>0)、前記ボールの直径をDとした場合、
隙間係数A=((2×R−L)−D)÷(2×R−L)
(隙間係数Aは0.03よりも大きく0.17よりも小さい)、
上記関係式を満たすように前記ねじ軸のボール走行面の溝形状を決めて、前記ねじ軸のボール走行面と前記ボールの隙間を拡大させることを特徴とする駆動ねじの隙間拡大方法。 A drive screw provided in a control rod drive mechanism and used in an underwater environment for converting a rotary motion of an electric motor to a vertical motion via a drive shaft and raising and lowering a hollow piston,
The drive screw includes a screw shaft and a ball nut that meshes with the screw shaft via a plurality of balls,
The ball running surface of the drive screw has a Gothic arch shape by a combination of two arcs with different centers of curvature.
The distance between each of the two curved surfaces forming the ball running surface of the drive screw and the curvature center point is R, and the distance between the curvature centers of the two curved surfaces is L (where L> 0), If the diameter is D,
Clearance coefficient A = ((2 × R−L) −D) ÷ (2 × R−L)
(Gap coefficient A is larger than 0.03 and smaller than 0.17),
Decide groove shape of the ball running surface of the screw shaft so as to satisfy the above relational expression, the clearance expanding method of a driver screw, characterized in that to enlarge the gap between the ball and the ball running surface of the screw shaft.
前記アウターチューブ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、請求項1に記載の方法により隙間拡大をした前記駆動ねじと、
前記駆動ねじの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中空ピストンと、
前記ねじ軸を回転させる電動機を備えたことを特徴とする制御棒駆動機構。 An outer tube,
A guide tube disposed in the outer tube;
The drive screw disposed within the guide tube and having a gap enlarged by the method of claim 1;
A hollow piston placed on the ball nut of the drive screw and having an upper end connected to the control rod;
A control rod drive mechanism comprising an electric motor for rotating the screw shaft.
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