JP6402170B2 - 熱動後退式アクチュエータを備えたポンプシール - Google Patents

Description

本発明は概して回転軸のシールに関し、詳細には遠心ポンプの熱動シール、さらに詳細にはかかるシールの新型熱動アクチュエータに関する。

加圧水型原子力発電所では、原子炉冷却系により炉心から蒸気発生器へ熱を移送して蒸気を発生させる。蒸気はその後、有用な仕事を発生させるためのタービン発電機の駆動に使用される。原子炉冷却系は、各々が原子炉炉心に接続された、蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプとを有する複数の冷却ループより成る。

原子炉冷却材ポンプは通常、例えば華氏５５０度（２８０℃）、約２，２５０ｐｓｉａ（１５５バール）の高温高圧下で、多量の原子炉冷却材を移動させるように設計された垂直単段遠心ポンプである。このポンプの基本構造は大まかに、下から上へ向かって、液圧部、軸シール部およびモータ部の３つの部分より成る。下方の液圧部には、インペラがポンプ軸の下方端部に装着され、ポンプケーシング内で動作して原子炉冷却材をそれぞれのループに圧送し循環させる。上方のモータ部は、ポンプ軸に駆動結合されたモータを有する。中間の軸シール部は、下方の一次シール組立体（ナンバーワン・シール）、中間の二次シール組立体および上方の三次シール組立体という３つの縦続シール組立体より成る。これらのシール組立体は、通常運転時にポンプ軸に沿い格納空間へ漏洩する原子炉冷却材の量を最小限に抑えることを総合的な目的とし、ポンプ軸上端部近くで当該軸と同心的に配置される。従来技術として知られたポンプ軸シール組立体の代表例は、米国特許第３，５２２，９４８号、３，５２９，８３８号、３，６３２，１１７号、３，７２０，２２２号および４，２７５，８９１号に記載されている。

定常ポンプ圧力バウンダリと回転軸との界面を機械的に密封するポンプ軸シール組立体は、過大な漏洩なしに高いシステム圧力（約２，２５０ｐｓｉ（１５５バール）を閉じ込める能力を備える必要がある。３つのシール組立体は、その縦続構成により圧力を段階的に分圧する。これら３つの機械式ポンプシール組立体は、漏洩制御式シールであり、各段の制御漏洩量を最小限に抑えると共に、一次冷却系からそれぞれのシールリークオフポートへの原子炉冷却材の漏洩が過大にならないように動作する。

ポンプシール組立体は通常、当該シール組立体のところに冷流体を注入するか、一次流体をシール組立体へ到達する前に冷却する熱交換器を使用することにより、一次冷却系温度より十分に低い温度に維持される。これらのシステムに理論上想定される故障が発生すると、当該シール組立体が高温に曝され、シール組立体の制御漏洩量が劇的に増加する可能性が高くなる。炉心内の原子燃料冷却能力が全て喪われる原因が全交流電源喪失にある場合、補給用ポンプを駆動する電力がなければシールからの漏洩液は冷却系に帰還できない。漏洩を制御しても補給手段がなければ、炉心が原子炉冷却材から露出して、炉心損傷に至るという仮説的事態が発生する可能性がある。

したがって、燃料冷却能力全ての喪失と補給用ポンプ能力の喪失とが同時に起こった場合に標準的なシール組立体をバックアップする効果的な方法が必要である。さらに、かかるバックアップシールは、電源喪失または他の原因としての補給用ポンプ能力喪失が発生すると、軸を実質的に密封して漏れが生じないように作動できるのが好ましい。

上記目的は、ポンプ、コンプレッサなどの回転機器が減速するか停止するとき冷却材の通常の漏洩量を制限するように設計された本発明による熱動式運転停止シールにより達成される。本発明の運転停止シールは、回転軸とハウジングとの間に狭い流れ環状部を有する任意の装置の封止に有用である。

運転停止シールは、割りリングが、（ｉ）通常運転時に軸との間に環状部を残して当該軸を取り囲み、（ｉｉ）当該軸が所定の速度より減速するか回転を停止すると当該軸に対して拘束状態になるように設計されている点に特徴がある。この割りリングは、通常のオンライン運転時に軸が回転中、スペーサにより離隔関係に維持される対向端部を有する。軸が減速するか回転を停止してハウジング内の温度が上昇すると、スペーサが割りリングの対向端部から離脱し、割りリングの対向端部が互いに接近して軸を拘束する状態となり、環状部を介して漏洩する冷却材の実質的な部分が遮断される。

好ましくは、運転停止シールは柔軟なポリマーシールリングをも有し、このポリマーシールリングは、割りリングが環状部を介して漏洩する冷却材の実質的な部分を遮断してハウジング内の圧力が上昇すると、回転軸に押し付けられる。

本発明は特に、環状部の流体の温度が所定温度より上昇するとスペーサを割りリングの対向端部間から離脱させて、割りリングを環状部の当該割りリングに覆われた部分を狭窄または実質的に封止できる拘束状態にする改良型アクチュエータ付きシールを提供する。アクチュエータは、内部でピストンが軸方向に移動可能な軸方向部分を有し、上端部と下端部とが当該ピストンの周りで密封されたシリンダを有する。ピストンの一方の端部はスペーサに接続される。キャビティが、シリンダ内の上端部と下端部との間において、ピストンを少なくとも部分的に取り囲む空間を占める。ピストンの軸方向部分は、スペーサが割りリングの対向端部間に位置するとき、キャビティ内の空間を貫通する。ピストンの軸方向部分は直径が異なる２つ以上の軸方向部分より成り、そのうちの最大直径の軸方向部分はピストンの移動方向において小さい直径の軸方向部分より先にあるため、ピストンが移動するとスペーサが当該割りリングの当該対向端部から離脱する。キャビティ内の当該空間の少なくとも一部を或る材料が占める。ピストンがこの材料を軸方向に貫通している。この材料は、温度上昇により膨張し、その温度が所定温度を超えると、ピストンに及ぼす力により、スペーサを対向端部間から離脱させる方向へピストンを移動させる。ピストンの直径が異なる２つ以上の軸方向部分の少なくとも一部の外周領域に力がかかるのが好ましい。

一実施態様において、アクチュエータは、キャビティの下端部においてキャビティとピストンとの間で支持された第１のシールと、キャビティの上端部においてキャビティとピストンとの間で支持された第２のシール（２０６）とを含み、第１および第２のシールは材料をキャビティ内に実質的に封じ込める作用をする。第１のシールおよび第２のシールはＰＥＥＫ製のカップシールであるのが好ましい。この実施態様では、第１および第２のシールのうちの片方または両方用のバックアップシールを含むことができる。バックアップシールはＯリングシールであるのが好ましく、ＯリングシールはＥＰＤＭ製またはＨＮＢＲ製であるのが望ましい。べつの実施態様では、キャビティ内の圧力が所定の値を超えると圧力を解放するように、第１のシールの支持体または第２のシールの支持体が設計されており、材料は流体と熱連通している。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

従来の原子炉冷却系の１つの冷却ループを示す概略図であり、蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプが原子炉と直列接続されて閉ループシステムを形成している。

原子炉冷却材ポンプの軸シール部の一部切欠き斜視図であり、シールハウジングと、シールハウジング内でポンプ軸を取り囲むように配置された下方の一次シール組立体、中間の二次シール組立体および上方の三次シール組立体とを断面図で示している。

図２の原子炉冷却材ポンプのシールハウジングおよびシール組立体の一部を示す拡大断面図である。

本発明を利用可能な軸シール装置の断面図であり、図２および３に示す下方の一次シールを拡大して示す。

図４に示す一次シール挿入材の拡大部分であり、ポンプ軸の一部と、熱動機械式ピストンによりスペーサを割りリングから離脱させる本発明の運転停止シールとを斜線で示す。

ピストンが完全延伸位置にあり、スペーサが本発明による利益が得られる運転停止シールの割りリングの対向端部間に挿入された、図５に略示するピストン装置の拡大図である。

ピストンが作動されて、スペーサを割りリングの対向端部間から離脱させる前の状態を示す、先行技術で使用される図８のピストン装置の断面図である。

図７に示す運転停止シールのスペーサを離脱させるために使用できる、本発明に基づく改良型作動機構の断面図である。

本発明の第２の実施態様のピストン装置を示す断面図である。

図９に示す実施態様の線Ａ‐Ａに沿う断面図である。

図９および１０に示す実施態様の運転停止シールを組み込んだ一次シール挿入材の拡大部分である。

以下の説明において、同一参照記号はいくつかの図面を通して同一のまたは対応する部品を指すものである。また、以下の説明において、前方、後方、左、右、上方へ、下方へなどの方向を示す用語は便宜的に使用する用語であって、限定を意図する用語として解釈すべきでないことを理解されたい。

先行技術の原子炉冷却ポンプ

本発明を理解する上で、本発明が適用される１つの環境について理解するのが有用である。ただし、当然のことながら、本発明は他にも多くの用途がある。図１は、従来の原子炉冷却系の複数の原子炉冷却材ループ１０のうちの１つを示す概略図である。冷却材ループ１０は、原子炉１６と直列接続されて閉ループ冷却系を形成する蒸気発生器１２および原子炉冷却材ポンプ１４を含む。蒸気発生器１２は、その入口プレナム２０および出口プレナム２２と連通する一次伝熱管１８を含む。蒸気発生器１２の入口プレナム２０は原子炉炉心１６の出口と流れ連通関係を形成するように接続されており、閉ループ系の流路２４（通称はホットレッグ）に沿って当該炉心から高温の冷却材を受け取る。蒸気発生器１２の出口プレナム２２は、閉ループ系の流路２６に沿って原子炉冷却材ポンプ１４の入口部側と流れ連通関係に接続されている。原子炉冷却材ポンプ１４の出口圧力側は、原子炉炉心１６の入口と流れ連通関係を形成するよう接続され、比較的低温の冷却材を閉ループ系のコールドレッグの流路２８に沿って原子炉炉心へ送り込む。

冷却材ポンプ１４は冷却材を高圧で圧送して閉ループ系を循環させる。詳細には、原子炉１６から出た高温冷却材が、蒸気発生器１２の入口プレナム２０へ流入し、入口プレナムと連通関係の伝熱管１８を通される。高温の冷却材は、伝熱管１８を流れる間、従来型手段（図示せず）を介して蒸気発生器１２へ供給される低温の給水と熱交換する。給水は加熱され、その一部が蒸気に変換されてタービン発電機（図示せず）の駆動に使用される。熱交換により温度が低下した冷却材はその後、冷却材ポンプ１４を介して原子炉１６へ再循環される。

原子炉冷却材ポンプ１４は、多量の原子炉冷却材を高温高圧で閉ループ系統を循環させる能力を持つ必要がある。蒸気発生器１２からポンプ１４へ流れる冷却材は、熱交換により冷却されて、原子炉１６から蒸気発生器１２へ流れる熱交換前の温度より実質的に低いが、その温度は通常、華氏約５５０度（２８８℃）で、依然として比較的高い。液状の冷却材をこのような比較的高温に維持するために、当該系統は注入ポンプ（図示せず）により加圧され、その動作圧力は約２，２５０ｐｓｉａ（１５５バール）である。

図２、３からわかるように、先行技術の原子炉冷却材ポンプ１４は一般的に、ポンプハウジング３０の一端がシールハウジング３２で終端する構造である。このポンプのポンプ軸３４はポンプハウジング３０の中心を延び、シールハウジング３２内に封止され、回転自在に装着されている。図示しないが、ポンプ軸３４の底部はインペラに連結される一方、その頂部は高馬力の誘導型電気モータに連結されている。モータが軸３４を回転させると、加圧状態の原子炉冷却材がポンプハウジング３０の内部３６にあるインペラにより原子炉冷却材系を流れる。この加圧状態の冷却材は軸３４に上向きの静水圧負荷を印加するが、それはシールハウジング３２の外側部分が周囲大気に取り囲まれているからである。

ポンプハウジングの内部３６とシールハウジング３２の外側との間に２，２５０ｐｓｉａ（１５５バール）の圧力バウンダリを維持しながらポンプ軸３４をシールハウジング３２内で自由に回転させるために、シールハウジング３２内のポンプ軸３４の周りに、図２および３に示す位置に下方の一次シール組立体３８、中間の二次シール組立体４０および上方の三次シール組立体４２が縦続配置されている。圧力封止（約２，２００ｐｓｉ（１５２バール））の大部分を担う下方の一次シール組立体３８は非接触式静水圧タイプであるが、中間の二次シール組立体４０および上方の三次シール組立体４２は接触式または擦過式の機械タイプである。

ポンプ１４のシール組立体３８、４０、４２はそれぞれ、通常は、ポンプ軸３４と共に回転するように当該軸に装着された環状ランナー４４、４６、４８と、シールハウジング３２内に固定的に装着された環状シールリング５０、５２、５４とを含む。各ランナー４４、４６、４８およびシールリング５０、５２、５４はそれぞれ、対向する上方端面５６、５８、６０および下方端面６２、６４、６６を有する。下方の一次シール組立体３８のランナー４４およびシールリング５０のそれぞれの対向端面５６、６２は常態では互いに接触せず、それらの間を常態ではフィルム状の流体が流れる。一方、中間の二次シール組立体４０のランナー４６およびシールリング５２の対向端面５８、６４、ならびに上方の三次シール組立体４２のランナー４８およびシールリング５４の対向端面６０、６６は、常態では互いに接触するか擦れ合う。

一次シール組立体３８は常態ではフィルムに載るモードで動作するため、シールハウジング３２とそれに回転自在に装着された軸３４との間の環状空間においてリークオフ（漏洩）する冷却用流体を取り扱うための何らかの構成を設ける必要がある。したがって、シールハウジング３２には一次リークオフポート６９があり、リークオフポート７１は、二次シール組立体４０および三次シール組立体４２からの冷却材流体のリークオフを受け入れる。

図４は、図２および３に示すタイプのナンバーワン・シール（下方の一次シール）領域のシールハウジングの断面図であり、ナンバーワン・シールの動作および本発明との関連性のさらなる理解に資するものである。図示の構造物は、内部に圧力チェンバ３５を形成する環状壁３３を備えたハウジング３２と、ハウジング３２内に回転自在に装着された軸３４と、シールランナー組立体４４と、ハウジング３２内に位置するシールリング組立体５０とから成る。前述したように、軸３４は適当なモータ（図示せず）により駆動され、加圧系内に冷却材を循環させる遠心ポンプ（図示せず）のインペラの駆動に使用される。注入水は、ポンプが発生するよりも高い圧力でチェンバ３５へ供給される。ランナー組立体４４は、環状ホルダー７０および環状シールプレート７２から成る。同様に、シールリング組立体５０は、ホルダー７４および環状フェイスプレート７６から成る。

ホルダー７０は軸３４と共に回転するが、それはホルダーが、軸３４上の肩部８０と係合し、スリーブ８２により当該軸に固定された環状支持体７８上に装着されているからである。スリーブ８２は、軸３４と、ほぼＬ字形断面の支持体７８の上方に延びる脚部８４との間で当該軸上に組み込まれている。本発明のこの実施態様を、ポンプ軸上にスリーブを使用するポンプに利用されるものとして説明するが、本発明はスリーブを使用しないポンプ軸にも等しく利用可能であることを理解されたい。ホルダー７０上の肩部８６は脚部８４の上端部に載っており、スリーブ８２上の肩部８８はホルダー７０を支持体８４上に保持する。ピン９０はスリーブ８２の凹部９２に押し込まれてホルダー７０の軸方向スロット９４と係合する。スリーブ８２および支持体７８を軸３４と共に回転させるナット（図示せず）により、軸方向のクランプ力がスリーブ８２および支持体７８にかかる。このピン９０により、軸３４と一緒に回転するスリーブ８２と共に、ホルダー７０が回転する。支持体７８と軸３４との間および支持体７８とホルダー７０との間に、それぞれＯリングシール９６、９８が設けられる。ホルダー７０とフェイスプレート７２との界面１０２にもＯリングシール１００が設けられる。

フェイスプレート７２は、ホルダー７０が作られる材料と実質的に同じ熱膨張係数を有する耐腐食性および耐侵食性材料で構成され、ホルダー７０は大きい弾性係数を有する。同様に、フェイスプレート７６は、弾性係数が大きいホルダー７４の材料と実質的に同じ熱膨張係数を有する耐腐食性および耐侵食性材料で構成される。適当な材料の例として炭化物類およびセラミック類がある。ホルダー７４とフェイスプレート７６との界面１０６にはＯリングシール１０４が設けられる。

ホルダー７４は、ほぼＬ字形断面の環状シールリング挿入材１１０の下方に延びる脚部１０８に移動可能に装着されている。挿入材１１０は、ハウジング３２内に押えねじ１１２により保持される。挿入材１１０とハウジング３２との界面にはＯリングシール１１４が設けられている。同様に、ホルダー７４と挿入材１１０の脚部１０８との界面１２０にはＯリングシール１１８が設けられている。挿入材１１０に押入されるピン１２２は、ホルダー７４の回転を阻止する。ピン１２２はホルダー７４のウエル１２４内に延びるが、ウエル１２６の壁とピン１２２との間には、ホルダー７４の軸方向移動を可能にするが回転は制限するに十分な間隙が存在する。

フェイスプレート７６は、保持リング１３０、クランプリング１３２、ロックリング１３４、複数の押えねじ１３６、およびロックリング１３４とクランプリング１３２との間の押えねじ１３６上に装着された皿ばね１３８を含むクランプ手段１２８によりホルダー７４に固着される。押えねじ１３６は、保持リング１３０、クランプリング１３２、皿ばね１３８を貫通し、ロックリング１３４に螺着される。ホルダー７４の界面１０６には凹部１４０が設けられ、その界面上に、フェイスプレート７６の界面の外径より小さい外径の環状の支点１４２が提供される。保持リング１３０はリッジ１４４を有する内向きに延びるフランジを備えており、このリッジ１４４は支点１４２を越えて延びるフェイスプレート７６の部分１４６と係合する。クランプリング１３２は、ホルダー７４のフェイスプレート１５０と係合するリッジ１４８を備えた内向きに延びるフランジを有する。したがって、押えねじ１３６を締めてクランプリング１３２および保持リング１３０を互いに近付けようとすると、フェイスプレート７６上に支点１４２を中心とする片持ち梁効果を及ぼす力が発生する。クランプ動作時、皿ばね１３８が部分的に圧縮され、フェイスプレート７６がこのクランプ力により変形する。

フェイスプレート７２は、フェイスプレート７６につき説明したのと同様な態様でクランプ手段１５１によりホルダー７０に固着される。ただし、ホルダー７０の界面１０２上の支点１５２は、ホルダー７４上の支点１４２よりもフェイスプレート７２の外径に近い所に位置する。したがって、フェイスプレート７２にかかるクランプ力は、フェイスプレート７６上に発生するような支点１５２を中心とするフェイスプレートの大きな変形を発生させない。所望であれば、支点１４２、１５２を、それぞれに対応するフェイスプレートに関して同じ場所に配置することが可能である。

前述したように、シールリング５０は、軸３４およびシールランナー組立体４４に関して軸方向に限られた移動が可能なように装着される。また、シールリング組立体５０の回転は、シールリングホルダー７４のウエル１２４に緩く嵌合する回転阻止用ピン１２２により制限される。フェイスプレート７６上の封止面１５４は、重力により、フェイスプレート７２上の対向する封止面１５６の方に付勢される。

軸３４により駆動されるポンプの動作について、シールリングホルダー１７４の表面１５８および１６０は、高圧の圧力チェンバ３５の全圧力に曝される。高圧チェンバ３５と、スリーブ８２に隣接する環状低圧領域１６２との間に圧力障壁を設けるのが望ましい。シールリング組立体はこの圧力障壁手段として利用されるが、圧力チェンバ３５からシールプレート７６、７２上のそれぞれの対向シール表面１５４、１５６の間に設けられたシールギャップ１６４を介して領域１６２へ制御量の流体が漏洩できるようにする。

動作時に、軸方向移動可能なシールリング組立体５０の対向する表面にかかる圧力に応じて、当該シールリング組立体の平衡位置が維持される。ギャップ１６４内の流体の厚み、すなわちギャップ１６４を介する漏洩量は、ギャップ１６４の形状により決まる。

シールギャップ１６４が変化してもシールリング組立体５０とランナー組立体４４の相対的位置を自己復元させるために、高圧の端縁部１６６からシールの対向末端間の位置まで厚さが減少する流体流路が設けられている。さらに詳細には、図示の構造において、厚さが減少する流体流路は外方端縁部１６６と、シール面１５４上の１６８に位置する中間同心円との間を延びる。

この構造に示されるように、厚みが減少する流路は、同心円１６８とフェイスプレート７６の外方端縁部１６６との間において、表面１５４をフェイスプレート７２の対向表面１５６からわずかに離れるようにテーパーさせることにより形成する。図示上の表面１５４と表面１５６との間の角度は誇張されている。この構成または構造は、テーパー付き面シールとして知られている。このタイプのシールの動作は、１９６７年１０月１７日にＥｒｌｉｎｇＦｒｉｓｃｈへ付与された米国特許第３，３４７，５５２号に詳しく記載されている。

この運転停止シールは、本発明の譲受人に譲渡され、２０１３年１月２２日に発効した米国特許第８，３５６，９７２号に詳細に記載されている。同特許に記載の運転停止シールは、図５〜７に示すように、シール冷却能力を喪失した場合に、ポンプの軸３４とシール組立体３８、４０、４２との間の当該軸３４に沿う過大な漏洩を阻止するように作動可能なバックアップ安全装置または運転停止装置として別のシール１７０がポンプ１４に設けられている。図５に示すように、この運転停止シール１７０は、一次シール（ナンバーワン・シール）３８の挿入材１１０の環状開口に切削した溝に配置する。この運転停止シールは、（ｉ）割りリング１７２が通常運転時に軸３４との間に環状部１７４を残して当該軸３４を取り囲み、（ｉｉ）シール冷却能力喪失後に当該軸が有意に減速するか回転を停止すると当該割りリングが当該軸３４に対して拘束状態になるように設計されている、という特徴がある。割りリング１７２は軸方向に割れた不連続単片リング部材であり、その対向端部はポンプの通常運転時、スペーサ１７６により離隔関係に維持される。図５において、割りリング１７２の対向端部は“さねはぎ”形状に切削され、割りリングの端部が重なり合うと舌部が溝内に収まる構造である。別の実施態様では、対向端部は突合せまたは相欠き留め継ぎによって重なり合う。スペーサ１７６は、図示のようにギャップ内にあり、運転時に割りリング１７２の対向端部が軸３４上で閉じないようにして、環状部１７４を開いた状態に保って制御量の漏洩が生じるようにする。図５に示す実施態様に従って、運転停止シールは、シールの温度がシール冷却能喪失の結果として上昇し、さらに好ましくはポンプ軸の回転が減速または停止すると、作動する。スペーサは、温度の上昇（軸の回転が有意に減速もしくは停止するか、または他の任意の理由による）に応答して割りリング１７２の対向端部から離脱する。このため、割りリングの対向端部が互いに接近して、対向端部が軸３４に対し拘束状態となり、流れ環状部１７４を介する冷却材の漏洩が封じられる。割りリングおよび軸（または軸上にスリーブを使用する場合は軸スリーブ）を擦り傷に強い材料で形成するのが好ましく、そうすることにより、回転中の軸上で作動しても、封止表面間に漏洩流路を開く楔として働くことがある擦り傷の玉が形成されない。割りリングおよび軸の両方に１７−４ステンレス鋼のような材料を用いると、首尾よく動作することが判明している。軸３４の周りの、割りリング１７２と中実な保持シールリング１８０との間に、割りリングに当たるように柔軟なポリマー製シールリング１７８を配置するのが好ましい。柔軟なポリマー製シールリング１７８は、割りリングが環状部１７４を介する冷却材の漏洩を制限する時に、ハウジング内の圧力増加により軸に押し付けられるため、封止能力の高いシールが形成される。

図５は、図４の原子炉冷却材ポンプに取り付けられた前述したタイプの運転停止シール１７０を概略的に示す。図５の運転停止シールは、シール冷却能力喪失後、ポンプ軸３４の減速時または回転停止時に作動するよう設計されている。この運転停止シールは、ポンプハウジング内に位置して軸３４を取り囲む。図２〜４に示すタイプの原子炉冷却材ポンプの場合、運転停止シールを収容できるように、ナンバーワン・シールの挿入材を、頂部フランジの内径部分を一部切削して改造することが可能である。この運転停止シール１７０は、作動されるまでは、改造前にナンバーワン・シールの挿入材が占めていた空間内に実質的に完全に収まるため、当該シールと軸３４との間の環状部１７４には実質的な変化がない。このようにして、環状部１７４を軸３４に沿って流れる冷却材の流れは、回転機器の通常運転時に実質的に妨げられることはない。

図５に示す運転停止シール１７０は、割りリング１７２の対向端部を開いた状態に保つ後退可能なスペーサ１７６により構成される。後退可能なスペーサ１７６は、図６に関して後述するピストン１８６のような熱応答機械式装置１８４により作動される。スペーサ１７６が割りリング１７２の端部から後退させられると、割りリング１７２はぱちんと閉じて軸３４の周りで拘束状態となり、改造されたナンバーワン・シール挿入材１１０内に保持されたままである。割りリング１７２は波形ばね１８２上にあり、当該ばねは割りリング１７２をシールリング１７８に対して押し上げ、当該シールリングは保持リング１８０に押圧される。環状部１７４を介する流れが遮られることにより生じる圧力降下もまた、割りリング１７２およびシールリング１７８を押し上げるため、全ての封止表面間で緊密な封止が得られる。割りリング１７２は波形ばね１８２上にあり、当該ばねは割りリング１７２を一次シールリング１７８に対して押し上げて、初期の封止接触を生ぜしめるため、割りリング１７２にかかる圧力降下が一次シールリング１７８にも作用する。

図６および７は、作動前のスペーサ１７６およびアクチュエータ組立体１８４を示す。アクチュエータ１８４は、図６および７に示すように、ばねにより付勢されたスペーサ１７６を拘束するキャンドピストン１８６より成る。そのキャン内には、さらに説明するように、原子炉冷却材ポンプにとって望ましい作動温度、例えば華氏２８０度（１３８℃）で相変化を起こすワックス１８８がある。この相変化が生じると、ワックス１８８の体積が実質的に増加する。例えば、オクタコサンのようなワックスは体積が約１７％増加する。ワックス１８８が相変化して膨張すると、ピストンヘッド１９０をポンプ軸３４から離れる方向に押す。ピストンヘッド１９０が移動すると、ヘッド１９０により定位置に保持されていた玉１９２が外れるため、圧縮状態のばね１９４が伸張し、スペーサ１７６に連結されたプランジャ１９６を後退させる。ばね１９４の伸張につれてプランジャが押され、スペーサ１７６が引き寄せられて、割りリング端部間の位置から後退する。

したがって、熱的作動は以下のように起こる。温度が上昇すると、ワックス１８８の状態が変化して膨張する。ＨＮＢＲ（水素化ニトリルブタジエンゴム）製の２つのＯリングシール１９８はワックスを封じ込めるためのものであり、上部のＯリングはカム１９０の摺動界面を提供する。ワックスの膨張によってカム１９０が並進すると、レース１９２内の玉軸受の作用でプランジャ１９６がハウジング２００から離脱する。玉軸受の離脱後、圧縮ばね１９４がプランジャ１９６をスペーサ１７６と共に上方に並進させ、それにより割りリングを解放し、運転停止シールを作動させる。

改良型ポンプ運転停止シールアクチュエータ

図８に示すのは、改良型熱動後退式アクチュエータである。前述のように、スペーサ１７６の並進によって割りリングが閉じ、運転停止シールが作動できるようになる。温度が上昇してワックス１８８の相転移点に達すると、ワックスの体積が最大約１７％増える。体積を一定に保てば、ワックスの圧力が上昇し、１０，０００重量ポンド毎平方インチ（６８，９４７．６ｋｐａ）を超える。ピストン１９６は、大きな直径Ｄ_１と小さな直径Ｄ_２とを有し、それぞれの断面積はＡ_１およびＡ_２である。圧力（Ｐ）が上昇すると、ピストン１９６に対し、ワックス圧力と断面積の差の積に等しい並進力（Ｆ）がかかる。すなわち、Ｆ＝Ｐｘ（Ａ_１−Ａ_２）である。図８に示すような構成において、スペーサ１７６を割りリングから離脱させるのに十分なピストン行程を実現する典型的なピストン力は、５０〜１００ポンド（２２．７〜４５．４ｋｇ）の範囲である。これは、図７に示す圧縮ばね１９４によって得られる約１５ポンド（６．８ｋｇ）の力より有意に大きい。カップシール２０４、２０６は、ワックス１８８を封じ込める圧力バウンダリを提供する。これらのカップシールはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）製とすることができ、高圧のワックス１８８を封じ込めるために十分な強度を有し、ワックスおよび周囲の原子炉冷却材のいずれとも化学的な適合性がある。Ｏリングシール２０８、２１０、２１２は、原子炉冷却材と適合性のあるＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンＭクラスゴム）製またはＨＮＢＲ製である。作動時にＰＥＥＫシールが破損しても、ＥＰＤＭまたはＨＮＢＲシールが冗長な圧力バウンダリとして機能できる。ＥＰＤＭシールは、ワックスに短時間曝されても耐えられる。端部キャップ２１４はハウジング２１６内で摺動自在であり、複数のせん断ピン２１８によって定位置に固定される。ピストン１９６が全行程を移動してなおワックス圧力が上昇し続ける場合、ピン２１８がせん断されて端部キャップ２１４を解放し、シール２０６がハウジング２１６から離脱して、余分なワックス体積が解放され、圧力が安全な状態にまで下がる。

後退式組立体の全体２０２に大気圧より高い圧力がかかりうるので、ピストン１９６の上部フランジの周りには半径方向に向いた孔２２０が数個設けられている。半径方向の孔２２０がないと、ピストン１９６のヘッドが、係合する端部キャップ２１４を封止する可能性がある。半径方向の孔が存在しない場合、外圧が、ピストン１９６に望ましくない軸方向の力を及ぼすおそれがある。

不要な場合もあろうが、ピストン１９６の露出した外径部をスリーブ２２２で覆い、周囲環境に存在しうる汚染物質からピストンを保護する。このスリーブは、作動温度に達したら溶けるポリプロピレン製にすることができる。あるいは、ピストンの並進時に好ましくない異物を除去するために、ハウジング２１６の端部に小さなワイパーを設けてもよい。

構成が異なるものとして、本発明の別の実施態様を図９に示す。別途の端部キャップ２１４が、螺旋状保持リング２２４により別途のハウジングに固着されている。作動前は、ばね２２６が、ピストン１９６を延伸位置に保つための小さな力を提供する。

ハウジング２１６には少なくとも２つのポケット２２８があり、その領域にあるワックスの入ったチェンバの壁厚はＴ１に減少している。ピストン１９６が全行程を移動してなおワックス１８８の圧力が上昇し続ける場合、ハウジング壁がポケット２２８のところで膨らむことができるため、余分な体積のワックスが解放され、圧力が安全な状態にまで下がる。図９のＡ−Ａ断面を図１０に示す。これは、ポケット２２８の位置におけるハウジング２１６の断面図である。壁の薄い部分（Ｔ１）は、ワックス圧力が過大になると膨らむことができる。壁の厚い部分（Ｔ２）は、ハウジング２１６の構造健全性の維持に資する。

別の構成として、ハウジング壁の薄い部分（Ｔ１）が３６０°にわたり連続するものがある。ワックス圧力が過大になった時にアクチュエータはすでに機能しているので、壁の厚い部分（Ｔ２）による構造健全性は必要ではない。

図１１は、一次シールの運転停止シールの挿入材に適用された、別途の後退式アクチュエータの断面図である。

かくして、この改良型アクチュエータは簡素な設計の熱動後退式アクチュエータであり、前述の従来設計よりも大きい力を及ぼし、構成部材が少ない。従来設計のアクチュエータはＨＮＢＲ製Ｏリングを使用するが、このＯリングの期待寿命は、運転年数として望まれる１２年より短い可能性がある。好ましい設計のシール装置は、長寿命のＥＰＤＭ製ＯリングおよびＰＥＥＫシールを使用して、熱動後退式アクチュエータの構成部品のために別個の冗長なバウンダリを提供する。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (13)

1. インペラがモータに、当該モータと当該インペラとの間に回転自在に支持された回転軸（３４）を介して連結されたポンプ（１４）であって、当該モータと当該インペラとの間の当該回転軸の周りに介在するシールハウジング（３２）が、当該回転軸を取り囲み、当該回転軸の回転が減速するか停止した後、当該回転軸を取り囲む環状部（１７４）の流体が当該運転停止シールを介して漏洩するのを防止する運転停止シール（１７０）を有し、当該運転停止シールは、
   対向端部を有し、内径が当該環状部（１７４）の一部を画定し、当該回転軸の回転中は当該内径が当該回転軸から離隔するように当該回転軸（３４）を取り囲む拘束自在の割りリング（１７２）と、
   当該回転軸（３４）の通常動作時は当該割りリング（１７２）の当該対向端部間に位置して、当該対向端部間に環状空間を維持し、当該流体の温度が所定温度以上に上昇すると当該対向端部間から離脱して、当該割りリングが当該環状部（１７４）の一部を狭窄または実質的に封止する拘束状態になるように作動可能なスペーサ（１７６）と、
   流体の流れ方向において当該割りリング（１７２）の上流で当該回転軸（３４）に沿って当該回転軸を取り囲み、内径が当該回転軸の回転中は当該回転軸から離隔して当該環状部（１７４）の一部を画定するほぼ剛性の保持リング（１８０）と、
   当該割りリング（１７２）と当該保持リング（１８０）との間で当該回転軸（３４）を取り囲み、内径が当該回転軸の回転中は当該回転軸から離隔して当該環状部（１７４）の一部を画定し、当該割りリングが当該回転軸の方へ移動し当該環状部内に入る拘束状態になると発生する圧力差により当該回転軸の方へ押圧される柔軟なポリマーリング（１７８）と、
   当該流体の温度が所定温度より上昇すると当該スペーサ（１７６）を当該割りリング（１７２）の当該対向端部間から離脱させ、当該割りリングを拘束状態にして当該環状部（１７４）の一部を狭窄または実質的に封止できるアクチュエータ（１８４）であって、
   軸方向部分を有するシリンダ（２１６）、
   当該シリンダ内で軸方向に移動可能なピストン（１９６）であって、当該ピストンの周りで当該シリンダの上端部と下端部とが密封され、一方の端部が当該スペーサ（１７６）に接続されているピストン（１９６）、
   当該シリンダ（２１６）内の当該上端部と当該下端部との間の、当該ピストン（１９６）を少なくとも部分的に取り囲む空間を占めるキャビティであって、当該スペーサ（１７６）が当該割りリング（１７２）の当該対向端部間に位置する時、当該ピストンの直径が異なる２つ以上の軸方向部分が当該キャビティの空間内にあり、当該ピストンの最大直径の軸方向部分が当該ピストンの移動方向において小さい直径の軸方向部分より先にあるため、当該ピストンが移動すると当該スペーサが当該割りリングの当該対向端部から離脱することを特徴とするキャビティ、
   当該キャビティ内の当該空間の少なくとも一部を占める材料（１８８）であって、当該ピストンが当該材料を軸方向に貫通しており、当該材料が温度上昇に伴って膨張してその温度が所定温度を超えると、当該ピストン（１９６）に及ぼす力により、当該ピストンが当該スペーサ（１７６）を当該対向端部間から離脱させる方向へ移動することを特徴とする材料（１８８）、および
   当該シリンダ（２１６）内に支持されたばね（２２６）であって、当該材料（１８８）の温度が所定温度より低い間は当該スペーサ（１７６）を当該割りリング（１７２）の当該対向端部間に保つ方向に当該ピストン（１９６）を付勢するように構成されたばね（２２６）
   から成るアクチュエータ（１８４）と
   を具備することを特徴とするポンプ（１４）。
2. 前記ピストン（１９６）の前記直径が異なる２つ以上の軸方向部分の少なくとも一部の外周領域に前記の力がかかる、請求項１のポンプ（１４）。
3. 前記キャビティの下端部において前記キャビティと前記ピストン（１９６）との間で支持された第１のシール（２０４）と、前記キャビティの上端部において前記キャビティと前記ピストンとの間で支持された第２のシール（２０６）とを含み、当該第１および第２のシールは前記材料を前記キャビティ内に実質的に封じ込める作用をすることを特徴とする、請求項１のポンプ（１４）。
4. 前記第１のシール（２０４）および前記第２のシール（２０６）がカップシールである、請求項３のポンプ（１４）。
5. 前記カップシール（２０４、２０６）がＰＥＥＫ製である、請求項４のポンプ（１４）。
6. 前記第１および第２のシール（２０４、２０６）のうちの片方または両方向けのバックアップシール（２０８、２１０）を含む、請求項３のポンプ（１４）。
7. 前記バックアップシール（２０８、２１０）がＯリングシールである、請求項６のポンプ（１４）。
8. 前記ＯリングシールがＥＰＤＭ製またはＨＮＢＲ製である、請求項７のポンプ（１４）。
9. 前記キャビティ内の圧力が所定の値を超えると圧力を解放するように、前記第２のシール（２０６）の支持体が構成されている、請求項３のポンプ（１４）。
10. 前記材料（１８８）が前記流体と熱連通している、請求項１のポンプ（１４）。
11. 前記ピストン（１９６）にかかる前記の力が、前記ばね（２２６）が及ぼす力より実質的に大きい、請求項１のポンプ（１４）。
12. 前記キャビティの壁の少なくとも一部が薄い壁厚（Ｔ１）を有し、前記キャビティ内の圧力が設計値を超えると当該壁部分が膨らんで前記キャビティ内の圧力を安全なレベルに引き下げるように構成された、請求項１のポンプ（１４）。
13. インペラがモータに、当該モータと当該インペラとの間に回転自在に支持された回転軸（３４）を介して連結されたポンプ（１４）の運転停止シール（１７０）であって、当該モータと当該インペラとの間の当該回転軸の周りに介在するシールハウジング（３２）が、当該回転軸の軸方向部分を取り囲み、当該運転停止シールが当該回転軸の回転が減速するか停止した後、当該回転軸を取り囲む環状部（１７４）の流体が当該運転停止シールを介して漏洩するのを防止し、
    対向端部を有し、内径が当該環状部（１７４）の一部を画定し、当該回転軸がポンプに取り付けられて回転している間は当該内径が当該回転軸から離隔するように当該回転軸（３４）を取り囲む拘束自在の割りリング（１７２）と、
    当該回転軸（３４）の通常動作時は当該割りリング（１７２）の当該対向端部間に位置して、当該対向端部間に環状空間を維持し、当該流体の温度が所定温度より上昇すると当該対向端部間から離脱して、当該割りリングを当該環状部（１７４）の一部を狭窄または実質的に封止する拘束状態にするように作動可能なスペーサ（１７６）と、
    ポンプに取り付けられると、流体の流れ方向において当該割りリング（１７２）の上流で当該回転軸（３４）に沿って当該回転軸を取り囲み、内径が当該回転軸の回転中は当該回転軸から離隔して当該環状部（１７４）の一部を画定するほぼ剛性の保持リング（１８０）と、
    ポンプに取り付けられると、当該割りリング（１７２）と当該保持リング（１８０）との間で当該回転軸（３４）を取り囲み、内径が当該回転軸の回転中は当該回転軸から離隔して当該環状部（１７４）の一部を画定し、当該割りリングが当該回転軸の方へ移動し当該環状部内に入る拘束状態になると発生する圧力差により当該回転軸の方へ押圧される柔軟なポリマーリング（１７８）と、
    当該流体の温度が所定温度より上昇すると当該スペーサ（１７６）を当該割りリング（１７２）の当該対向端部間から離脱させ、当該割りリングを拘束状態にして当該環状部（１７４）の一部を狭窄または実質的に封止できるアクチュエータ（１８４）であって、
    軸方向部分を有するシリンダ（２１６）、
    当該シリンダ内で軸方向に移動可能なピストン（１９６）であって、当該ピストンの周りで当該シリンダの上端部と下端部とが密封され、一方の端部が当該スペーサ（１７６）に接続されているピストン（１９６）、
    当該シリンダ（２１６）内の当該上端部と当該下端部との間の、当該ピストン（１９６）を少なくとも部分的に取り囲む空間を占めるキャビティであって、当該スペーサ（１７６）が当該割りリング（１７２）の当該対向端部間に位置する時、当該ピストンの直径が異なる２つ以上の軸方向部分が当該キャビティの空間内にあり、当該ピストンの最大直径の軸方向部分が当該ピストンの移動方向において小さい直径の軸方向部分より先にあるため、当該ピストンが移動すると当該スペーサが当該割りリングの当該対向端部から離脱することを特徴とするキャビティ、
    当該キャビティ内の当該空間の少なくとも一部を占める材料（１８８）であって、当該ピストンが当該材料を軸方向に貫通しており、当該材料が温度上昇に伴って膨張してその温度が所定温度を超えると、当該ピストン（１９６）に及ぼす力により、当該ピストンが当該スペーサ（１７６）を当該対向端部間から離脱させる方向へ移動することを特徴とする材料（１８８）、および
    当該シリンダ（２１６）内に支持されたばね（２２６）であって、当該材料（１８８）の温度が所定温度より低い間は当該スペーサ（１７６）を当該割りリング（１７２）の当該対向端部間に保つ方向に当該ピストン（１９６）を付勢するように構成されたばね（２２６）
    から成るアクチュエータ（１８４）と
    を具備することを特徴とする運転停止シール（１７０）。