JPS5939604B2 - 液圧直線駆動用減速緩衝装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、部材を圧力容器中に挿入するのに、例えば原
子炉の制御棒を移動するのに特に有用な液圧、即ち流体
作動式駆動機構に関する。

既知型式の発電用原子炉、例えば米国イリノイ州シカゴ
近郊のドレスデン原子力発電所で使用されている原子炉
では、炉心が多数の離間した燃料集合体を自己持続型核
分裂反応を行い得る配列に配置して構成されている。

炉心は圧力容器内に収容され、冷却材および中性子減速
材双方としての作用をなす動作流体、例えば軽水中に沈
められる。

各燃料集合体は、代表的にはほぼ正方形断面の管状流れ
チャンネルで、適当な燃料物質、例えばウランまたはプ
ルトニウム酸化物を含む縦長燃料要素または燃料棒の配
列体を囲み、燃料棒配列体を上部および下部タイプレー
ト間に支持してなる。

燃料集合体は互に離間した配列関係で圧力容器内で上部
炉心グリッドと下部炉心支持プレートとの間に支持され
る。

各燃料集合体の下部タイプレートにはノーズピースが形
成され、このノーズピースが炉心支持プレートに設けら
れたソケットにはまって加圧冷却材供給室との連通を達
成する。

ノーズピースには開口があけられ、ここを通って加圧冷
却材が上向きに燃料集合体流れチャンネル内を流れて、
燃料要素から熱をうばう。

この型式の代表的な燃料集合体が、例えばり、Ａ、ブエ
ニア（Ｖｅｎｉｅｒ ）らの米国特許第３，６５４，０
７７号に示されている。

燃料要素または棒の例が米国特許第３．３７８，４５８
号に示されている。

中性子吸収物質を含む多数の制御棒を選択的に燃料集合
体間の空間または間隙に挿入して炉心の反応度を制御す
ることができる。

例えば米国特許第３，０２０，８８７号に示されている
ような周知の炉心構造では、制御棒ブレードが十字形横
断面形状を有し、各制御棒のブレードの「ウィング」を
隣接する４つの燃料集合体間の空間に挿入することがで
きる。

前記米国特許第３，０２０，８８７号に示されているよ
うに、適当な制御棒駆動機構を設けて、制御棒を炉心に
選択的に出入れし、かくして制御棒中の中性子吸収物質
による中性子の核分裂を起さない捕獲によって、中性子
数を、従って炉心出力レベルを制御することができる。

通常用いられる硼素を含めて適当な中性子吸収物質が前
記米国特許第３，０２０，８８７号に記載されている。

平常の原子炉出力運転中は、全制御棒の相当数、例えば
半分以上を炉心から引き抜く。

残りの制御棒を種々の程度に挿入して原子炉出力レベル
および分布を制御する。

原子炉を緊急停止することが必要になった場合には、制
御棒駆動機構を作動させてすべての制御棒を迅速に炉心
内に完全に挿入する。

（かかる動作は通常「スクラム」または緊急停止と呼ば
れている。

）このようなスクラム動作は、駆動機構および制御棒の
急加速、高速挿入、そして付随的に挿入行程の終点付近
での移動部品の急減速を必然的に伴なう。

例えば、従来周知のシステムではスクラム速度が５フイ
一ト／秒（１５２ｃｒｆＬ／秒）程度である。

従って代表的な制御棒駆動機構には、駆動機構への過大
な機械的衝撃を避けるために、制御または減速構造、例
えば減圧緩衝器が設けられている。

か５る減速構造の数例が米国特許第３，０２０，８８７
号および第３，０２０，８８８号に記載されている。

前記米国特許第３，０２０，８８７号のＦｉｇ、４に示
されているように、制御棒駆動装置はシリンダ内に直線
移動自在に装着された中空主駆動ピストンを具え、この
主駆動ピストンが中空割出し管を支持する。

駆動ピストンおよび割出し管内に止めピストン管が配置
され、止めピストン管の頂端に止めピストンが位置する
。

駆動ピストンと止めピストン管との間および駆動ピスト
ンとシリンダとの間に密封リングが設けられる。

ここに設けられた制動装置は、駆動ピストン行程の終点
付近かつ止めピストンの直下の止めピストン管にあけら
れた一連の鉛直方向に離間した流体オリフィスを含む。

駆動ピストンがその行程の終点に近づくにつれて、これ
らのオリフィスは密封リングがこのオリフィス上にそし
てオリフィスを越えて通過することで漸次塞がれる。

これにより中空割出し管から外へ出る流体流れに対する
抵抗が漸増し、その結果駆動ピストンに減速力が加わる
。

このシステムの欠点は、減速力が密封リングの両端間に
比較的大きな圧力差を生成することである。

スクラム時間を短くするために、最近ではさらに速い加
速および高い挿入速度（例えば、１０フイ一ト／秒、即
ち３０５ｃＩｒＬ／秒程度）が要求されている。

この結果、減速力も一層大きくなり、かくして密封リン
グ両端間の圧力差が一層大きくなり、密封リングの早期
破損の危険を招く。

本発明の構成では、直線運動生成装置（駆動装置）が、
固定の主シリンダおよび主シリンダ内に往復移動自在に
配置された駆動ピストンを含み、駆動ピストンをその所
定方向への行程の終点付近で制動する緩衝装置をこの駆
動装置に設けて、駆動制動装置とし、この緩衝装置が、
（ａ）主シリンダ内に同軸配置され、緩衝流体を含む固
定の緩衝シリンダと、（ｂ）前記緩衝シリンダ内に同軸
配置され、前記緩衝シリンダから緩衝流体を導く縦穴と
複数個の離間した半径方向穴があけられた固定の緩衝流
体通路形成部材と、（ｃ）前記緩衝流体通路形成部材の
まわりに装着され、前記緩衝シリンダ内に往復移動自在
に配置された環状の緩衝ピストンと、（ｄ）前記緩衝ピ
ストンを前記駆動ピストンの方向に付勢する弾性部材と
、および（ｅ）前記緩衝流体通路形成部材に形成され、
前記緩衝ピストンの移動を制限するために前記緩衝ピス
トンと係合するようになっていて、平常時は前記緩衝シ
リンダを密封して緩衝シリンダからの緩衝流体の流出を
防止する緩衝ピストン止め手段を備え（ｆ）前記駆動ピ
ストンがその行程の終りに近づくとき前記緩衝ピストン
ト駆動ピストンが係合するようになっている。

この構成によれば、前記緩衝ピストンが前記緩衝ピスト
ン止め手段から離脱され前記緩衝シリンダに沿って移動
されて、前記緩衝シリンダ密封を解除し緩衝流体が緩衝
シリンダから前記緩衝流体通路形成部材の離間した半径
方向穴および縦穴を経て流出するのを許容し、前記緩衝
ピストンが前記駆動ピストンにより前記緩衝シリンダに
沿ってさらに駆動されるにつれて前記緩衝ピストンが前
記半径方向穴を順次塞ぎ、これにより前記緩衝シリンダ
からの流体流れに対する抵抗が漸増して前記駆動ピスト
ンに対して漸増する制動力を与える。

次に、本発明の駆動制動装置について更に補足説明する
。

緩衝シリンダ（緩衝室）が止めピストンより内部に形成
され、普通に密封されて、そこに流体が充満している。

緩衝流体通路形成部材は緩衝シャフトの一部として形成
され、当該緩衝シャフトを介して止めピストンに止めピ
ストン管の頂端を止め、また衝撃シャフトを環状の緩衝
ピストンによって囲む。

緩衝シリンダは平常時はこの環状緩衝ピストンによって
密封される。

緩衝シリンダ内に配置された弾性部材（はね）によって
、緩衝ピストンを緩衝シリンダの外へ押すが、緩衝ピス
トンは緩衝シャフト上の緩衝ピストン止め手段と係合し
て、その動きが止められる。

緩衝ピストン止め手段は緩衝シャフトに設けた肩部で形
成できる。

このように、緩衝ピストンと緩衝シャフトにより、緩衝
シリンダを平常時に密封して緩衝シリンダ内の流体の流
出を防止する。

緩衝ピストンの下端にフランジがあって、駆動ピストン
がその挿入行程の終り付近で当該フランジに係合し、緩
衝ピストンを緩衝シリンダ中に押込む。

これにより緩衝シリンダの密封を解除し、流体が緩衝シ
リンダから一連の離間した半径方向穴（オリフィス）お
よび緩衝シャフトの縦（軸線方向）穴を経て流れるのを
許す。

緩衝ピストンが緩衝シリンダ中にさらに押込まれるにつ
れて、緩衝ピストンは半径方向穴（オリフィス）を順次
塞ぎ、次々とこれらの穴（オリフィス）を越えて行き、
かくして緩衝シリンダからの流体流れに対する抵抗を増
し、従って制動作用を強める。

駆動ピストンの停止後、緩衝シリンダ内のばねが緩衝ピ
ストンを緩衝シリンダの外へ押し、流体が緩衝シリンダ
内に吸引され、緩衝ピストンが緩衝シャフトの肩部に着
座して再び緩衝シリンダを密封する。

次に図面を参照しながら本発明を具体的に説明する。

第１図に本発明の緩衝（または制動）装置を組込んだ制
御棒用駆動機構を簡略化して示す。

図示のように駆動機構１１は底部にフランジ状部分１３
が形成された主シリンダ１２を含む。

主シリ。ンダ１２はこのフランジ状部分１３により、ハ
ウジング管１４内に支持され、これが、圧力容器などの
底部１６の穴、即ち貫通穴に溶接などにより固着されて
いる。

主シリンダ１２内には、ピストンリングシール１Ｂが設
けられた駆動ピストン１７が移動自在にはまっている。

駆動ピストン１７を制御棒駆動接手スパッド（Ｓｐｕｄ
）１９にインデックス管または割出し管（連結管）２１
で連結する。

割出し管（連結管）２１には一連のラッチ切欠き２２が
間隔をあけて形成され、これらのラッチ切欠き２２はラ
ッチ（ここでは図示してないが、米国特許第３．０２０
，８８７号に示されている）と係合して割出し管の段階
的位置決めを行う。

割出し管２１の内径にはピストンリングシール２４が設
けられた止めピストン２３がはまっている。

止めピストン管２６が底端で主シリンダ１２の底端の穴
に固着され栓２７で密封されており、止めピストン２３
はこの止めピストン管２６に連結されて固定位置に保持
されている。

止めビストン管２６と駆動ピストン１７との間にピスト
ンリング３５によって流体シールを形成する。

止めピストン２３は止めピストン管２６の頂端に、以下
で第２図に関連して詳述する緩衝（または制動）装置２
８を介して連結される。

ここでは説明の都合上簡単に記すと、緩衝装置２８の緩
衝シャフト２９には縦穴３１およびこれと交差する横穴
３２があけられ、これらの穴が止めピストン管２６の内
部とピストン管２６および割出し管２１間の環状空間３
３との間に流体通路を形成する。

駆動機構１１の作動を簡単に説明すると次の通りである
。

上向移動の場合、加圧流体、例えば水を上向駆動用通路
３４を経て駆動ピストン１７の底部に圧送する。

同時に下向駆動用通路３６を低圧側に開口する。

かくして加圧水が駆動ピストン１７を上向きに駆動する
につれて、環状空間３３の水は横穴３２および縦穴３１
を通ってピストン管２６内を下降して通路３６から押出
される。

駆動機構１１の下向き移動の場合、上向き駆動用通路３
４を低圧側に開口し、加圧水を下向き駆動用通路３６に
圧送する。

加圧水はピストン管２６、縦穴３１および横穴３２を通
って環状空間３２に達し、これにより止めピストン２３
と駆動ピストン１７の頂部との間の環状空間３３内の水
が加圧されて駆動ピストン１７を下向きに駆動する。

代表的な例では、駆動機構の下向き移動（制御棒の引抜
き）が段階的増加（１ノツチづつ）でかつ比較的低速で
ある。

他方、上向き移動（制御棒の挿入）は、場合によっては
（例えばスクラム条件下）高速の連続移動である。

このような急速挿入の際、駆動ピストン１７が駆動ピス
トン行程の終点付近で止めピストン２３に近つくので、
駆動系に過剰な機械的衝撃が加わるのを避けるために、
駆動ピストン移動を拘束または停止するとともに移動部
品の運動エネルギーの少くとも実質部分を消散する必要
がある。

緩衝機構２８がこの目的に役立つ。

その構造と機能の詳細を第２図に従って説明する。

前述した緩衝シャフト２９はその下端で止めピストン管
２６の頂端に、例えばピン３７で固着されている。

緩衝シャフト２９の頂端には止めピストン２３が、例え
ばピン３８で固着されている。

緩衝シャフト２９には、その底端の開口端から頂部付近
の閉止端までその全長の大部分にわたって段付縦穴３１
が形成されている。

止めピストン２３から下向きに延在する底端開口スカー
トが緩衝シリンダ３９を形成する。

環状の緩衝ピストン４１はその外径が緩衝シリンダ３９
内に滑合する寸法となっており、上端付近にピストンリ
ングシール４２が設けられている。

緩衝ピストン４１の下端には内方および外方双方に延在
する下部フランジ４３が形成され、このフランジ内径は
緩衝シャフト２９の大径部分４４に滑合する寸法となっ
ている。

緩衝ピストン４１の上端には内方に延在する上部フラン
ジ４６が形成され、このフランジ内径は緩衝シャフト２
９の小径部分４７に滑合する寸法となっている。

この小径部分が緩衝流体通路形成部材を構成する。

緩衝ピストン４１の本体部分の内径は緩衝シャフト２９
の外壁との間に環状流体流れ空間４８を画成する寸法と
なっている。

緩衝シリンダ３９内の弾性部材（はね）４９は緩衝ピス
トン４１を緩衝シリンダ３９の外方向へ押圧し、これに
より上部フランジ４６を緩衝シャフト２９の外径移行部
である肩部５１に押し当て係合する。

この肩部が緩衝ピストン止め手段を形成する。

この上部フランジ４６と緩衝ピストン止め手段（肩部）
５１の保合によりシリンダ３９内に水を保持するシール
を形成する。

シャフト２９の緩衝ピストン止め手段付近に環状凹所５
２が形成され、凹所５２は横穴５３により緩衝シャフト
２９の縦穴３１に流体連通する。

所望の緩衝または制動作用を得るために、緩衝シャフト
２９の緩衝シリンダ３９内の小径部分に（緩衝流体通路
形成部材）に一連の小径方向穴５４（１）〜５４（９）
を間隔をあけて形成する。

これらの穴は緩衝シリンダ３９の内部と緩衝シャフト２
９の縦穴３１の上方部分との間に流体流れ通路を形成す
る。

プラグ５６は、例えばピン５７で固着され、流体が縦穴
３１の上方部分から下方部分に直接流れるのを防止する
。

プラグ５６およびピストンフランジ４６と肩部（緩衝ピ
スト〕／止め手段）５１との係合により、制動作用に必
要な水が緩衝シリンダ３９内に保留される。

この緩衝シリンダ３９内への水の密封は、特定の温度お
よび圧力条件下で水がスチームに蒸発（フラッシュ）し
、その結果失なわれるのを防止するのに必要である。

第１図の説明で述べたように、駆動挿入を達成するには
、加圧水を上向き駆動用通路を経て圧送する一方、下向
き駆動用通路を低圧側に開口する。

この低圧はピストン管２６を径で緩衝シャフト２９の縦
穴３１に連通する。

従ってプラグ５６がないと、緩衝シリンダ３９内の水は
、例えば５００ ｐｓ ｉｇ （３５，２１ｖ／ＣＩ？
Ｌ）程度の急激な圧力降下を受ける恐れがある。

このとき水の温度が２５０下（１２１℃）以上であると
、スチームへのフラッシュ（蒸発）が起り、そしてその
結果緩衝水が失なわれる。

上述の通りに緩衝シリンダ３９を密封することによりこ
の問題を解決できる。

緩衝機構２８の作動およびその細部は次の通りである。

前述したような駆動機構の挿入動作時には、駆動ピスト
ン１７がその行程の終点に近づくにつれて、駆動ピスト
ンの上部環状表面（第２図では５８）が緩衝ピストン４
１の下部フランジ４３に係合し、緩衝ピストン４１を緩
衝シリンダ３９中に押込む。

これにより緩衝ピストン４１の上部フランジ４６が緩衝
ピストン止め手段５１から離れ、緩衝ピストン止め手段
５１とのシールを解除し、水が緩衝シリンダ３９から最
初凹所５２を通って、次に半径方向穴５４（１）〜５４
（９）を通って逃げ出す。

流路は、半径方向穴５４（１）〜５４（９）を通って縦
穴３１の上方部分に、横穴５３を外向きに通って環状空
間４８に、横穴５９を内向きに通って縦穴３１の下方部
分に、次いで下向きに止めピストン管２６に達する。

緩衝ピストン４１をさらに緩衝シリンダ３９中に駆動す
るにつれて、緩衝ピストンの上部フランジ４６が半径方
向穴５４（１）〜５４ （８）を順次塞ぐ。

これにより緩衝シリンダからの水の流れに対する抵抗が
漸増し、かくして移動部品の運動エネルギーが放散され
、必要な制動作用が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御棒駆動機構の概略を示す縦断面図、および
第２図は本発明の駆動緩衝装置を示す縦断面図である。 １１・・・・・・駆動機構、１２・・・・・・主シリン
ダ、１７・・・・・・駆動ピストン、２１・・・・・・
割出し管、２３・・・・・・止めピストン、２６・・・
・・・止めピストン管、２８・・・・・・緩衝装置、２
９・・・・・・緩衝シャフト、３１・・・・・・縦穴、
３２・・・・・・横穴、３９・・・・・・緩衝シリンダ
、４１・・・・・・緩衝ピストン、４３・・・・・・下
部フランジ、４４・・・・・・緩衝シャフトの大径部分
、４６・・・・・・上部フランジ、４７・・・・・・緩
衝シャフトの小径部分（緩衝流体通路形成部材）、４Ｂ
・・・・・・環状流体流れ空間、４９・・・・・・弾性
部材（ばね）、５１・・・・・・緩衝シャフトの肩部（
緩衝ピストン止め手段）、５２・・・・・・凹、所、５
３・・・・・・横穴、５４ （１）〜５４（９）・・・
・・・半径方向穴、５６・・・・・・プラグ、５９・・
・・・・横穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉内に垂直に配置された直線運動生成装置をそ
   のストロークの終点付近で制動する緩衝装置において、
   固定の主シリンダ１２と、該主シリンダ内に往復移動自
   在に配置された駆動ピストン１７及び該駆動ピストンに
   固定された連結管２１と、前記連結管内に配置されて下
   端に開口を有する固定の緩衝シリンダ３９と、前記緩衝
   シリンダ内に同軸に配置され、緩衝シリンダとの間に上
   部環状隙間を形成し、上端を前記緩衝シリンダに固定さ
   れた緩衝シャフト２９と、前記緩衝シリンダと緩衝シャ
   フトの間に形成された前記環状の隙間内に摺動自在に配
   置され、バネ４９によって下方に押されている緩衝ピス
   トン４１とからなり、前記緩衝シャフト内に細長い縦穴
   ３１が形成され、該縦穴の上端は閉じ、且つ下端は開い
   ており、該細長い縦穴の下側部分に半径方向の横穴５９
   が貫通し、そして前記細長い縦穴の上側部分と前記上部
   環状隙間との間に流体通路を形成する為に、複数の比較
   的小さな半径方向の制動穴（５４（１）から５４ （９
   ） ）が緩衝シャフトに形成され、前記緩衝シャフトが
   上側の小径部分４７と下側の大径部分４４とを有し、前
   記緩衝ピストンが、前記緩衝シャフトの小径部分上を滑
   合する上部フランジ４６と前記緩衝シャフトの大径部分
   上を滑合する下部フランジ４３とを有し、該上部フラン
   ジと下部フランジの間で軸方向に、前記緩衝シャフトと
   前記緩衝ピストンの間の環状空間４Ｂが形成され、前記
   緩衝シャフトの前記小径部分と大径部分との間に肩部５
   １を形成し、該肩部には、駆動ピストンが前記緩衝ピス
   トンの下部フランジに接触するまでは、前記緩衝ピスト
   ンの上部フランジが密封状態に接触し、前記細長い縦穴
   は、前記小さな半径方向制動穴の領域における小径の上
   側部分と前記半径方向横穴の領域における大径の下側部
   分とがらなり、そして緩衝シャフトの細長い縦穴の前記
   上側部分と前記下側部分との間に流体密封プラグが配置
   されていることを特徴とする緩衝装置。 ２ 前記流体通路が前記緩衝シャフトの肩部に隣装する
   前記緩衝シャフトの小径部分にあけられた半径方向の穴
   及び前記緩衝シャフトの肩部に隣接する前記緩衝シャフ
   トの小径部分の表面に設けられた凹所を含む特許請求の
   範囲第１項に記載の緩衝装置。