KR101098664B1 - 제어봉 구동장치용 모터 집합체 - Google Patents

제어봉 구동장치용 모터 집합체 Download PDF

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이병진
김진선
방상윤
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 모터집합체(110)는, 상기 구동 샤프트(S)의 상부 일 지점과 체결 또는 체결 해제되면서 상방 또는 하방으로 이송되는 상부 체결 수단(2, 5, 7, 9, 10 및 11)과, 상기 구동 샤프트(S)의 하부 일 지점과 체결 또는 체결 해체되면서 상방 또는 하방으로 이송되는 하부 체결 수단(4, 6, 9, 10', 11, 17, 18, 19 및 20)과, 상기 상부 체결 수단(2, 5, 7, 9, 10 및 11)을 상방 또는 하방으로 이송시키는 상부 체결 수단 이송 수단(1, 8, 9 및 12)과, 상기 하부 체결 수단(4, 6, 9, 10', 11, 17, 18, 19 및 20)을 상방 또는 하방으로 이송시키는 하부 체결 수단 이송 수단(3, 8', 9 및 12)을 포함한다. 그리고, 상기 상부 체결 수단 이송 수단(1, 8, 9 및 12)의 이송 거리(L1)와 상기 하부 체결 수단 이송 수단(3, 8', 9 및 12)의 이송 거리(L1)가 동일하도록 구성된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 상부 체결 수단(2, 5, 7, 9, 10 및 11)의 이송 거리(L3)와 상기 하부 체결 수단(4, 6, 9, 10', 11, 17, 18, 19 및 20)의 이송 거리(L4)와의 차이를 이용하여 상기 상부 체결 수단(2, 5, 7, 9, 10 및 11)과 상기 구동 샤프트(S)의 체결시 요구되는 여유갭(C) 및 상기 하부 체결 수단(4, 6, 9, 10', 11, 17, 18, 19 및 20)과 상기 구동 샤프트(S)의 체결시 역시 일정한 여유갭(C 이거나 C 보다 큰)을 생성시켜 상기 구동샤프트(S) 및 상기 상/하부 체결 수단의 상/하부 걸쇠 집합체(5 및 6)의 마모를 최소화 하며 3가지 구동메카니즘(양단구동, 상단고정/하단구동, 상단구동/하단고정)을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

제어봉 구동장치용 모터 집합체{Motor Assembly For Control Element Drive Mechanism}
본 발명은 원자로에 사용되는 제어봉구동장치(Control Element Drive Mechanism, CEDM)에 관한 것이고, 보다 상세하게는 본 발명은 제어봉구동장치의 모터집합체(Motor Assembly) 및 모터집합체의 새로운 구동메카니즘(Drive Mechanism)에 관한 것이다.
제어봉구동장치(Control Element Drive Mechanism, CEDM)는 원자로헤드 상부에 설치되어 원자로의 반응도를 조절하기 위한 제어봉을 구동할 수 있는 전기적 구동장치를 말한다. 모터집합체(Motor Assembly)는 제어봉구동장치의 한 기기로 제어봉구동장치 제어시스템(CEDM Control System)으로부터 받은 전기신호에 따라 제어봉구동장치 코일집합체로부터 제어봉 구동에 필요한 자력을 공급받아 제어봉(Control Element Assembly)과 결합된 연장봉(Extension Shaft Assembly, ESA)을 구동시키는 기기를 말한다.
도 1은 종래의 원전용 제어봉구동장치를 도시하고 있다.
도 1a에 도시된 것과 같이 제어봉구동장치(1000)는 원자로 헤드(2000) 상부에 설치되어 있다.
도 1b에는 제어봉구동장치(1000)의 상세 구성이 도시되어 있다.
도시된 것과 같이, 제어봉구동장치(Control Element Drive Mechanism, 1000)는 모터집합체(Motor Assembly, 100), 상부 슈라우드 집합체(Upper Shroud Assembly, 200), 상부 압력하우징 집합체(Upper Pressure Housing Assembly, 300), 코일스택 집합체(Coil Stack Assembly, 400), 연장봉 집합체(Extension Shaft Assembly, 500), 모터하우징 집합체(Motor Housing Assembly, 600) 및 냉각 슈라우드 집합체(Cooling Shroud Assembly, 700)로 구성된다.
종래의 모터집합체(100)의 인양 방식은 1개의 인양갭(3개의 구동코일; 인양코일 1개, 걸쇠코일 2개)만을 이용하는 싱글 스텝(Single Step) 방식과 2개의 인양갭(4개의 구동코일; 인양코일 2개, 걸쇠코일 2개)을 이용하는 더블 스텝(Double Step) 방식으로 나눌 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 기존의 더블 스텝 방식의 모터집합체(100)의 상세 구성도를 도시하고 있다.
도시된 것과 같이, 모터집합체(100)는 제어봉을 인출 또는 삽입하기 위해 코일스택 집합체(400)의 구동 코일(인양코일 2개, 걸쇠코일 2개)로부터 구동 샤프트(S)의 인출(Withdrawal), 삽입(Insertion) 및 유지(Holding)에 필요한 전자기력을 공급 받는다. 4개의 구동 코일은 각각 구동 샤프트(S)를 인양(Lift)하기 위한 상부 인양 코일(Upper Lift Coil, 1) 및 하부 인양 코일(Lower Lift Coil, 3)과, 구동 샤프트(Drive Shaft, S)와 체결되는 상부 걸쇠 집합체(5) 및 하부 걸쇠 집합체(6)를 각각 구동시키는 상부 걸쇠 코일(Upper Latch Coil, 2) 및 하부 걸쇠 코일(Lower Latch Coil, 4)로 구성된다.
상, 하부 걸쇠 집합체(5, 6)는 걸쇠, 링크 및 복수개(예: 3개)의 체결용 핀을 포함한다.
걸쇠 하우징 집합체(Latch Housing Assembly, 7)는 상부 걸쇠 집합체(Upper Latch Assembly, 5) 및 하부 걸쇠 집합체(Lower Latch Assembly, 6)를 수용한다. 걸쇠 하우징 집합체(7)는 걸쇠하우징, 인서트, 체결너트 등을 포함한다.
그리고, 고정 인양 자석(Statonary Lift Magnet-Upper/Lower, 8 및 8') 및 이동 인양 자석(Movable Lift Magnet, 9)이 상하부에 각각 마련되어 상부 인양 코일(1) 및 하부 인양 코일(3)에 고전압이 인가되면 작동되어 구동 샤프트(S)을 인양하거나 상하부 이송거리 (L1', L2') 만큼 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)의 체결위치를 이동시키게 되고 상하부 인양갭 (L1', L2') 이 닫힌 이후에는 고전압에서 저전압으로 전환되면서 인양 상태 및 체결위치 이동 상태를 유지시킬 수 있도록 한다.
이동 걸쇠 자석(Movable Latch Magnet, 10)은 이동 인양 자석(9) 하부에 배치되고, 상부 걸쇠 집합체(5) 또는 하부 걸쇠 집합체(6)와 연결되어 있다. 상부 걸쇠 집합체(5) 또는 하부 걸쇠 집합체(6)는 이동 걸쇠 자석(10)이 상방으로 이동하는 경우 각각 구동 샤프트(S)에 결합되고, 이동 걸쇠 자석(10)이 걸쇠 스프링(Latch Spring, 11)의 복원력 및 이동 걸쇠 자석(10)의 자중에 의해 하부로 이동하는 경우 구동 샤프트(S)와 결합이 해제된다. 상부 걸쇠 코일(2) 또는 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압이 인가되면 이동 걸쇠 자석(10)은 상승하고 상하부 걸쇠갭(L3')이 닫히면서 상부 걸쇠 집합체(5) 또는 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 상하부 걸쇠갭(L3')이 닫힌 이후에는 고전압에서 저전압으로 전환되면서 체결 상태를 유지시킬 수 있도록 한다.
걸쇠 스프링(11)은 이동 인양 자석(9)과 이동 걸쇠 자석(10) 사이에 배치되어 전원이 차단되면 이동 인양 자석(9)으로부터 이동 걸쇠 자석(10)을 빠르게 분리시켜 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)와 구동 샤프트(S) 간의 체결을 빠르게 해제시키는 역할을 수행한다.
인양 스프링(Lift Spring, 12)은 고정 인양 자석(8)과 이동 인양 자석(9) 사이에 배치되어 전원이 차단되면 고정 인양 자석(8)으로부터 이동 인양 자석(9)을 빠르게 분리시켜 구동 샤프트(S)와 결합한 상태에서는 구동 샤프트(S)를 상하부 인양갭(L1', L2') 만큼 하강시키고 구동 샤프트(S)와 분리된 상태에서는 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)의 체결위치를 낮추는 역할을 수행한다.
정렬탭(Alignment Tab, 13)은 걸쇠 하우징 집합체(7)의 회전을 방지하며센터 스페이서(Center Spacer, 16) 및 하부 고정체(Lower Stop, 14)의 위치에 걸쇠 하우징 집합체(7)를 정렬시키며, 하부 고정체(14) 및 조절 너트(Adjustment Nut, 15)는 걸쇠 하우징 집합체(7) 및 정렬탭(13)을 가이드 한다.
센터 스페이서(16)는 상부 걸쇠 하우징 집합체(7)와 하부의 고정 인양 자석(8) 사이에 배치되어 정렬탭(13)을 수용한 상태로 가이드 하며 상부 걸쇠 하우징 집합체(7)와 하부의 고정 인양 자석(8')이 일정한 간격을 유지하도록 하면서 상하부 걸쇠 집합체(5, 6) 간에 정확한 거리를 갖도록 한다.
이상의 구성에 따라, 기존의 더블 스텝 방식에서는 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)와 구동 샤프트(S)의 체결시 상하부 걸쇠 코일(2, 4)에 전원이 인가되면 이동 걸쇠 자석(10, 10')이 걸쇠갭(L3', 예: 약 0.375 인치)만큼 이동하면서 이동 인양 자석(9)과 결합하며, 구동 샤프트(S)와의 마모를 최소화하기 위해 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)와 구동 사프트(S) 간의 여유갭(C) 만큼의 여유를 두고 체결이 이루어진다. 이 여유갭(C)은 상부 인양갭(L1', 예: 7/16 인치)과 하부 인양갭(L2', 예: 3/8 인치)의 갭 차이를 이용하여 상, 하부가 번갈아 가며 체결/이송되는 구동 과정(삽입 과정 또는 인출 과정)에서 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)와 구동 사프트(S) 간에 자연스럽게 발생하는 갭으로써 이를 통해 구동 샤프트(S)와의 결합시 발생하는 마모를 최소화할 수 있다.
모터집합체(100)의 상하부에는 동일한 2개의 걸쇠 자석 집합체(Latch & Magnet Assembly)가 설치되어 있으며, 상부 인양 코일(1)은 상부 인양갭(L1', 예: 7/16 인치)만큼 상부 걸쇠 자석 집합체(Upper Latch & Magnet Assembly)를 수직이동 시키며 하부 인양 코일(3)은 하부 인양갭(L2', 예: 3/8 인치)만큼 하부 걸쇠 자석 집합체(Lower Latch & Magnet Assembly)를 수직이동 시킨다.
상부 걸쇠 자석 집합체(5, 7, 9, 10, 11)는 상부 걸쇠 집합체(5)와, 상부의 걸쇠하우징 집합체(7), 상부의 이동 인양 자석(9), 상부의 이동 걸쇠 자석(10) 및 상부의 걸쇠 스프링(11) 등으로 구성된다.
하부 걸쇠 자석 집합체(6, 7, 9, 10, 11)는 하부 걸쇠 집합체(6)와, 하부의 걸쇠하우징 집합체(7), 하부의 고정 인양 자석(8), 하부의 이동 인양 자석(9), 하부의 이동 걸쇠 자석(10) 및 하부 걸쇠 스프링(11) 등으로 구성된다.
이와 같이, 종래의 더블 스텝 방식에서는 특유의 구동 메커니즘을 이용하여 구동부의 마모를 최소화하였으나 1회 싸이클당 구동거리를 단 한가지(예: 3/4인치 = 19.1mm)로밖에 구현할 수 없다는 단점이 있다.
또한, 종래의 더블 스텝 방식에서는 상하부 인양갭 및 상하부 걸쇠갭을 모두 이용하여야 1회 사이클이 완성되므로 1회 사이클당 구동거리를 일정 수준의 거리 이하(예: 3/4인치 = 19.1mm) 보다 작게 설계하기가 어려운 구조를 가진다.따라서, 보다 세밀한 전기 출력제어를 위해 요구되는 구동거리 요건(예: 10 mm 또는 그 이하)를 충족시키기 어렵다는 문제가 있다.
더구나, 종래의 모터집합체(100)에서는 구동 샤프트(S)의 삽입과정에서 상부 걸쇠 집합체(5)로부터 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중 이동(Load Transfer)이 발생할 때 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)를 잡고 소정 거리(예: 13/32 인치)만큼 자유낙하 하면서 이동함에 따라 하부 걸쇠 집합체(6)와 구동 샤프트(S) 간의 마찰마모가 발생하여 하부 걸쇠 집합체(6)의 수명을 단축시킬 수 있다는 문제가 있다.
한편, 싱글 스텝(Single Step) 방식의 경우, 하부 걸쇠는 고정되고 상부 걸쇠가 순차적으로 상하로 이동하면서 제어봉을 인출, 삽입하여 핵반응도를 조절하도록 설계되었다. 싱글 스텝 방식은 1회 사이클당 구동거리가 더블 스텝 방식의 일반적인 구동거리(예: 3/4 인치)보다 작게 구현이 가능하다(예: 5/8 인치).
그러나, 싱글 스텝 방식 역시 더블 스텝 방식과 마찬가지로 1회 싸이클당 구동거리를 한가지(예: 5/8 인치, 10 mm)로밖에 설정할 수 없다는 문제는 여전히 가지고 있다.
또한, 싱글 스텝 방식에서는 1개의 걸쇠가 상하로 이동하면서 구동되므로 동일 구동거리 대비 가이드 튜브(Guide Tube) 및 걸쇠 등 구동부품의 마모량이 증가한다.
또한, 싱글 스텝 방식에서는 1회 사이클당 구동거리를 기존 구동거리(예: 5/8 인치)보다 크게, 예컨대 더블 스텝 방식의 구동거리(예: 3/4 인치)로 설계할 경우, 인양 코일(Lift Coil)에 인가되는 전류값이 크게 증가하여야 하며 이는 인양코일의 성능저하(예: 코일 열화)의 요인으로 작용하여 원전의 운전기간 동안 코일집합체의 수명을 보증하기 힘들게 되고, 코일열화로 인한 발전소 정지사고가 발생될 소지가 증가하게 된다.
상기와 반대로 1회 사이클당 구동거리를 기존 구동거리(예: 5/8 인치)보다 작게 설계할 경우, 동일 누적구동거리 대비 인양횟수 및 걸쇠의 체결횟수가 많아짐에 따라 구동부품의 마모량이 증가하여 전체적으로 모터집합체(100) 및 구동 샤프트(S)의 수명을 단축시키게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 더블 스텝 방식과 싱글 스텝 방식을 모두 구현하여 다양한 운전조건을 수행할 수 있는 제어봉구동장치(CEDM) 모터집합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 1회 싸이클당 구동거리를 다양하게 구현할 수 있는 제어봉구동장치(CEDM) 모터집합체를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 누적구동거리 대비 CEDM 모터집합체의 마모를 최소화하여 CEDM 모터집합체의 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 원자로 헤드(2000) 상부에 설치되는 제어봉 구동장치(1000)의 제어봉을 인출 또는 삽입하기 위한 구동 샤프트(S)를 구동시키는 제어봉 구동 장치(CEDM)용 모터집합체(110)를 제안한다.
본 발명에 따른 모터집합체(110)는, 상기 구동 샤프트(S)의 상부 일 지점과 체결 또는 체결 해제되면서 상방 또는 하방으로 이송되는 상부 체결 수단(2, 5, 7, 9, 10 및 11)과, 상기 구동 샤프트(S)의 하부 일 지점과 체결 또는 체결 해체되면서 상방 또는 하방으로 이송되는 하부 체결 수단(4, 6, 9, 10', 11, 17, 18, 19 및 20)과, 상기 상부 체결 수단(2, 5, 7, 9, 10 및 11)을 상방 또는 하방으로 이송시키는 상부 체결 수단 이송 수단(1, 8, 9 및 12)과, 상기 하부 체결 수단(4, 6, 9, 10', 11, 17, 18, 19 및 20)을 상방 또는 하방으로 이송시키는 하부 체결 수단 이송 수단(3, 8', 9 및 12)을 포함한다.
그리고, 상기 상부 체결 수단 이송 수단(1, 8, 9 및 12)의 이송 거리(L1)와 상기 하부 체결 수단 이송 수단(3, 8', 9 및 12)의 이송 거리(L1)가 동일하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 체결 수단의 이송 거리(L3)와 상기 하부 체결 수단의 이송 거리(L4)와의 차이는 상기 상부 체결 수단 및 상기 하부 체결 수단의 체결시 요구되는 여유갭(C)의 최소 2배인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 체결 수단은, 이동 걸쇠 자석(10)과, 제어봉 구동장치 제어시스템으로부터 전기적 신호(순차적 전원공급)에 따라 상기 이동 걸쇠 자석(10)을 상, 하방으로 이송시키는 상부 걸쇠 코일(2)과, 상기 이동 걸쇠 자석(10)이 상, 하방향 이동함에 따라 상기 구동 샤프트(S)와 체결 또는 분리되는 상부 걸쇠 집합체(5)와, 상기 상부 걸쇠 코일(2)에 전원이 인가되거나 차단될 때 상기 상부 걸쇠 집합체(5)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결 또는 분리를 가능케 하는 자성체 재질로 만들어진 이동 인양 자석(9)과, 상기 상부 걸쇠 코일(2)에 전원이 차단되어 상기 이동 인양 자석(9)과 이동 걸쇠 자석(10) 사이의 전자기력이 감소되면 상기 이동 인양 자석(9)으로부터 상기 이동 걸쇠 자석(10)을 신속하게 분리시킴으로써 상기 상부 걸쇠 집합체(5)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결을 신속하게 분리시키는 걸쇠 스프링(11)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 체결 수단은 상부 또는 하부 중 어느 한 쪽에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 체결 수단은, 이동 걸쇠 자석(10')과, 제어봉 구동장치 제어시스템으로부터 전기적 신호(순차적 전원공급)에 따라 상기 이동 걸쇠 자석(10')을 상, 하방으로 이송시키는 하부 걸쇠 코일(4)과, 상기 이동 걸쇠 자석(10')이 상, 하방향 이동함에 따라 상기 구동 샤프트(S)와 체결 또는 분리되는 하부 걸쇠 집합체(6)와, 상기 하부 걸쇠 코일(4)에 전원이 인가되거나 차단될 때 상기 하부 걸쇠 집합체(6)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결 또는 분리를 가능케 하는 자성체 재질로 만들어진 이동 인양 자석(9)과, 상기 하부 걸쇠 코일(4)에 전원이 차단되어 상기 이동 인양 자석(9)과 이동 걸쇠 자석(10') 사이의 전자기력이 감소되면 상기 이동 인양 자석(9)으로부터 상기 이동 걸쇠 자석(10')을 신속하게 분리시킴으로써 상기 하부 걸쇠 집합체(6)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결을 신속하게 분리시키는 걸쇠 스프링(11)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 체결 수단은, 상기 하부 걸쇠 집합체(6)를 수용하는 하부 걸쇠 하우징(18)과, 상기 이동 걸쇠 자석(10')과 상기 하부 걸쇠 하우징(18) 사이에 배치되며 상기 하부 걸쇠 집합체(6)에 결합되어 상기 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결 또는 체결해제를 가이드하고 상, 하부에 상기 구동 샤프트(S)와의 체결시 필요한 여유갭(C 이거나 C 보다 큰)을 발생시켜 주는 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)와, 상기 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)와 상기 이동 걸쇠 자석(10') 사이에 배치되어 상기 하부 걸쇠 집합체(6)가 상기 구동 샤프트(S)로부터 체결해제되는 경우 상기 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)의 위치를 복귀시키는 복귀 스프링(17)과, 상기 복귀 스프링(17)을 지지하는 스프링 멈치(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 체결 수단은 상부 또는 하부 중 어느 한 쪽에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 모터집합체(110)는, 상기 상부 체결 수단 이송 수단과 상기 하부 체결 수단 이송 수단을 모두 이용하여 상기 구동 샤프트(S)를 구동시키는 더블 스텝 방식과, 상기 상부 체결 수단 이송 수단 또는 상기 하부 체결 수단 이송 수단 중 어느 하나만을 이용하여 상기 구동 샤프트(S)를 구동시키는 싱글 스텝 방식 중 어느 하나를 선택적으로 적용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 모터집합체(110)는, 상기 더블 스텝 방식에서의 1회 싸이클당 상기 구동 샤프트(S)의 구동거리는 상기 싱글 스텝 방식에서의 1회 싸이클 당 상기 구동 샤프트(S)의 구동거리의 2배인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 하기의 효과를 달성할 수 있다.
(1) 기존의 더블스텝(양단구동) 또는 싱글스텝 방식의 구동메카니즘은 1회 사이클당 구동거리가 한가지인 반면에, 본 발명은 양단구동, 상단고정/하단구동, 상단구동/하단고정 등 세가지 방식으로 구동이 가능하다.
이러한 세가지 구동방식은 실제 적용할 경우, 원자력발전소의 핵연료 연소 불균형을 줄일 수 있는 노심설계가 가능하도록 할 뿐 아니라 초기 발전소 운전모드에서는 빠르게 제어봉을 구동시켜 전체적인 열출력을 조절하고 일일부하 추종운전모드에서는 구동거리의 절반으로 제어봉을 구동시킴으로써 보다 정밀하게 노심의 열분포 및 열출력을 조절할 수 있어 일일부하 추종운전을 가능하게 한다.
(2) 본 발명에서는 상부 인양갭(L1)과 하부 인양갭(L1)을 동일하도록 구성함으로써 상단고정/하단구동과 상단구동/하단고정에서 1회 싸이클당 구동거리를 동일하게 구현할 수 있다.
(3) 본 발명에서는 상부 걸쇠갭(L3)과 하부 걸쇠갭(L4)과의 차이를 이용하여 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결시 필요한 여유갭(C) 확보될 수 있게 하고 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결시 역시 일정한 여유갭(C 이거나 C 보다 큰)이 확보될 수 있다.
(4) 상부 또는 하부의 인양갭을 다양한 거리(예: 3/8 인치에서 5/8 인치까지) 설계함으로써 1회 사이클당 구동거리를 다양하게 구현가능하다(예: 3/8 인치에서부터 1-1/4 인치까지).
(5) 기존 방식의 구동메카니즘에 비해 보다 빠르고, 일일부하추종운전과 같은 보다 세밀한 출력 제어가 필요할 경우 이를 가능케 한다.
(6) 종래의 싱글스텝 또는 더블스텝 방식에 비하여 본 발명은 상하단의 양단 모두가 구동되거나 상하단을 개별적으로 번갈아 가며 구동되는 것이 가능하므로 주요 구동부와 걸쇠 하우징 간의 마모량을 현저히 줄일 수 있고 동일 누적 구동거리 대비 걸쇠간 결합하는 횟수를 줄일 수 있어 모터집합체의 수명을 연장시킬 수 있다.
(7) 복귀 스프링(17), 하부 걸쇠 하우징 집합체(18) 및 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(Movable Latch Housing Segment, 19)에 의해서 하부 걸쇠 집합체(6)와 구동 샤프트(S)와의 체결 및 체결 해제과정에서 발생하는 충격 및 마모를 최소화 하고 양단구동, 상단고정/하단구동, 상단구동/하단고정 등 세가지 방식으로 구동이 가능하게 한다.
도 1은 제어봉 구동장치(CEDM)을 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 모터집합체의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 모터집합체의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 모터집합체에서 하부 걸쇠의 체결 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 모터집합체에서 하부 걸쇠의 체결해제 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예 1(더블스텝, 양단구동)에 따른 인출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예 1(더블스텝, 양단구동)에 따른 삽입 과정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예 2(싱글스텝, 상단구동/하단고정)에 따른 인출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 실시예 2(싱글스텝, 상단구동/하단고정)에 따른 삽입 과정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 실시예 3(싱글스텝, 상단고정/하단구동)에 따른 인출 과정을 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 실시예 3(싱글스텝, 상단고정/하단구동)에 따른 삽입 과정을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에서는 종래 기술과 동일한 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략하고 종래 기술과 차별화된 구성을 중심으로 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 모터집합체(110)의 구성도이다.
고정 인양 자석(8), 이동 인양 자석(9) 및 이동 걸쇠 자석(10 및 10')은 자성체 소재로 만들어져 코일에 전원이 인가되거나 차단되면 코일에 의해 형성되는 전자기력에 의해 각 부재간 갭이 열리거나 닫히게 된다. 일 실시예에 따르면, 고정 인양 자석(8), 이동 인양 자석(9) 및 이동 걸쇠 자석(10 및 10')은 410 마르텐사이트계 스테인레스강이 주로 사용된다.
걸쇠 하우징 집합체(7), 조절 너트(15), 하부 걸쇠 하우징(18), 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19), 스프링 멈치(Spring Retainer, 20), 가이드 튜브(Guide Tube, 21)는 비자성체 소재가 주로 사용되며 주로 300계열의 오스테나이트계 스테인레스강이 주로 사용된다.
하부 고정체(14), 센터 스페이서(16)는 비자성체 소재인 300계열의 오스테나이트계 스테인레스강으로 제작되거나 410 마르텐사이트계 스테인레스강이 주로 사용된다.
정렬탭(13)은 내마모성 소재가 사용되며, 주로 440C 마르텐사이트계 스테인레스강이 주로 사용된다.
상하부 걸쇠 집합체(5, 6) 및 그와 관련된 어셈블리 부품의 소재는 내마모성이 뛰어난 소재로 채택하는 것이 바람직하며, Stellite #6, Stellite #6B, Haynes Alloy 25, Haynes Alloy 36 등의 코발트 합금강이 주로 사용된다.
걸쇠 스프링(11), 인양 스프링(12), 복귀 스프링(17) 등의 탄성 부재는 냉각수 분위기 하에서 내부식성이 요구되어 사용이 검증된 Inconel X-750 소재가 주로 사용된다.
이외에 각 부재를 체결하는데 사용되는 캡스크류(미도시), 로킹컵(미도시) 등의 소재는 300계열의 오스테나이트계 스테인레스강이 주로 사용된다.
그리고, 각 구동부의 내마모 설계를 위해서 특수도금-플라즈마 스프레이 코팅(Plasma Spray Coating), 크롬도금 등이 사용되거나 내마모성이 뛰어난 440C 마르텐사이트계 스테인레스강의 인서트를 추가하여 수명기간 동안 작동이 되도록 설계를 할 수 있다.
또한, 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 모터집합체(110)에서는 상부 인양갭(L1)과 하부 인양갭(L1)을 동일하게 설정하였다.
그리고, 상하부 걸쇠 집합체(5, 6)가 구동 샤프트(S)와 체결할 때 마모를 감소시키기 위해 소정의 여유갭(C)을 마련하였다.
또한, 하부 걸쇠갭(L4)을 상부 걸쇠갭(L3)보다 여유갭(C)의 2배만큼 크게 설정하였다(L4 - L3 = 2 × C). 그러나, 하부 걸쇠갭(L4)과 상부 걸쇠갭(L3)의 차이는 이에 한정되지 않으며, 설계자의 의도에 따라 하부 걸쇠갭(L4)과 상부 걸쇠갭(L3)의 차이는 여유갭(C)의 2배보다 약간 크게 설정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터집합체(110)는 상하부 걸쇠 자석 집합체가 동일한 구조였던 종래의 모터집합체(100)와 달리 하부 걸쇠 자석 집합체를 상부 걸쇠 자석 집합체와 상이하게 구성하였다.
즉, 상부 걸쇠 자석 집합체는 상부 걸쇠 집합체(5)와, 상부의 걸쇠하우징집합체(7), 상부의 이동 인양 자석(9), 상부의 이동 걸쇠 자석(10) 및 상부의 걸쇠 스프링(11) 등으로 구성되며, 이는 종래 모터집합체와 동일하다.
그러나, 하부 걸쇠 자석 집합체는 하부 걸쇠 집합체(6)와, 하부의 고정 인양 자석(8'), 하부의 이동 인양 자석(9), 하부의 이동 걸쇠 자석(10') 및 하부 걸쇠 스프링(11) 등으로 구성되었으며, 복귀 스프링(17), 하부 걸쇠 하우징 집합체(18), 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19) 및 스프링 멈치(20)가 추가로 포함되어 있다.
복귀 스프링(17)은 하부 걸쇠 집합체(6)와 구동 샤프트(S)와의 체결 및 체결 해제과정에서 발생하는 충격 및 마모를 최소화하고 하부 걸쇠 집합체(6)와 구동 샤프트(S)와의 체결시 일정한 여유갭(C 이거나 C 보다 큰)을 갖도록 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)의 위치를 하부로 복귀시키는 역할을 한다.
하부 걸쇠 하우징 집합체(18)는 종래 걸쇠 하우징 집합체(7)와 달리 복귀 스프링(17), 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19) 및 스프링 멈치(20)를 추가 수용할 수 있도록 설계변경 되었다. 또한, 하부 걸쇠 하우징 집합체(18)는 하부걸쇠하우징, 인서트, 체결너트 등을 포함한다.
이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)는 하부 걸쇠 하우징 집합체(18)와 이동 걸쇠 자석(10') 사이에 배치되어 이동 걸쇠 자석(10')의 이송에 따라 상하로 이동된다. 우선 하부 걸쇠 코일(4)에 전원이 인가되면 이동 걸쇠 자석(10')이 이동 인양 자석(9) 쪽으로 이동하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되도록 한다. 이때 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)는 하부 걸쇠 하우징 집합체(18)와 함께, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)와 일정한 여유갭(C)을 가지고 체결되도록 하고, 이후 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)가 하부 걸쇠 하우징 집합체(18) 및 하부 걸쇠 집합체(6)와 함께 여유갭의 2배 또는 2배보다 큰 거리를 이동하면서 구동 샤프트(S)를 상부 여유갭(C 또는 C보다 큰) 만큼 추가로 상방으로 들어 올리게 된다.
반대로, 하부 걸쇠 코일(4)에 전원이 차단되면 하부의 이동 걸쇠 자석(10')이 이동 인양 자석(9)로부터 체결이 해제되면서 하부 걸쇠 집합체(6)와 구동 샤프트(S)와의 체결을 해제시키고 복귀 스프링(17)에 의해 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)는 하방으로 이동하여 하부 걸쇠 하우징 집합체(18)에 밀착된다.
스프링 멈치(20)는 일 지점에서 복귀 스프링(17)을 지지한다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조로 본 발명에 따른 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결 및 분리 과정을 상세히 설명한다. 도 4 및 도 5에서 도면의 좌측은 상방이고 도면의 우측은 하방이다.
먼저, 도 4a 내지 도 4c를 참조로 본 발명에 따른 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결 과정을 설명한다.
도 4a는 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되기 전 초기 상태로서 하부의 이동 걸쇠 자석(10')이 하부의 이동 인양 자석(9)과 하부 걸쇠갭(L4) 만큼 이격되어 있고, 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)와 하부의 이동 걸쇠 자석(10)과는 상부 걸쇠갭(L3)만큼 이격되어 있다.
그 다음, 도 4b와 같이, 하부 걸쇠 코일(4)에 전압이 인가되어 이동 걸쇠 자석(10)이 이동 인양 자석(9)측으로 접근하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되면, 이동 걸쇠 자석(10')과 이동 인양 자석(9) 사이의 거리(L6)가 걸쇠 체결을 위한 여유갭(C)의 최소 2배가 된다(L6 = L4 - L3).
이와 같이 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태에서, 도 4c에 도시된 것과 같이 하부 이동 걸쇠 자석(10')이 추가적으로 이동할 수 있는 거리(L6), 즉 여유갭(C)의 최소 2배만큼 이송되어 이동 인양 자석(9)에 밀착됨으로써 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결 과정이 종료된다. 도 4c에 도시된 것과 같이 체결과정이 완료된 상태에서는 하부 이동 걸쇠 자석(10')은 하부 걸쇠 하우징(18)과 하부 걸쇠갭(L4 = L3 + L6)만큼 이격된 상태가 된다.
다음으로, 도 5a 내지 도 5c을 참조로 본 발명에 따른 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결 해제(분리) 과정을 이해를 돕기 위해 단계별로 구분하여 설명한다.
도 5a는 하부 걸쇠 집합체(6)이 구동 샤프트(S)에 체결되어 있는 초기 상태이다. 도시된 것과 같이, 하부 걸쇠 집합체(6)가 하부 걸쇠 코일(4)에 전압이 계속 인가되는 상태로 이동 인양 자석(9)과 하부 이동 걸쇠 자석(10')이 전자기력에 의해 서로 밀착되어 있어 하부 이동 걸쇠 자석(10')이 하부 걸쇠 하우징(18)과 하부 걸쇠갭(L4) 만큼 이격되어 있다.
그 다음, 도 5b와 같이, 하부 걸쇠 코일(4)에 인가되었던 전압이 해제되면 하부 이동 걸쇠 자석(10')이 자중 및 걸쇠 스프링(11)에 의해 이동 인양 자석(9)로부터 이탈하여 하부 이동 걸쇠 자석(10')과 이동 인양 자석(9) 사이가 하부 걸쇠갭(L4) 만큼 이격된다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)로부터 체결이 해제된다.
이 상태에서, 도 5c에 도시된 것과 같이 복귀 스프링(17)에 의해 이동 걸쇠 자석(10)이 L6, 즉 여유갭(C)의 최소 2배만큼 이송되어 하부 걸쇠 하우징(18)에 밀착됨으로써 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결해제(분리) 과정이 종료된다. 도 5c에 도시된 것과 같이, 체결해제 과정이 완료된 상태에서는 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)가 하부 이동 걸쇠 자석(10')과 상부 걸쇠갭(L3 = L4 - L6)만큼 이격된 상태가 된다.
이상 설명한 구성에 따라 본 발명에 따른 모터집합체(110)를 이용하여 제어봉을 인출 및 삽입하는 실시예를 설명하기로 한다.
이하의 실시예에서는 모터 집합체(110)를 구성하는 각종 갭 또는 여유갭을 하기와 같이 설정하였다.
L1(상하부 인양갭) = 3/8 인치
C(상하부 걸쇠 체결을 위한 여유갭) = 1/32 인치
L6 = L3(상부 걸쇠갭) - L4(하부 걸쇠갭) = 2 × C = 1/16 인치
또한, 실제 구동 샤프트(S)의 작동시간은 매우 짧아 구동 샤프트(S)의 인출, 삽입 작동기간 동안에 고전압을 계속 유지할 수도 있지만, 이하의 실시예에서는 각 구동 코일(1, 2, 3, 4)에 고전압이 인가된 후 해당 작동(Glitch)이 일어난 것을 확인한 뒤 저전압으로 전환하도록 구성하였는 바, 그 이유는 구동 코일(1, 2, 3, 4)의 열화를 최소화 하기 위함이다.
1. 실시예 1 (더블 스텝, 양단 구동)
1.1. 인출 과정 (도 6a ~ 도 6i)
(제1단계) 초기상태에서는 상부 인양갭과 하부 인양갭 모두가 열린 상태(L1)에서, 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압이 인가함으로써 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태가 유지된다(도 6a).
(제2단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 상부 인양 코일(1)에 고전압을 인가하면, 상부의 이동 인양 자석(9)이 상부의 고정 인양 자석(8)을 향해 이동하여 상부 인양갭이 닫히고 그 결과 구동 샤프트(S)가 상부 인양갭(L1) 만큼 상승한다(도 6b).
(제3단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 상부 인양 코일(1)에 저전압을 인가하여 상부 인양갭이 닫힌 상태로 유지하면서, 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압을 인가하면, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 이어 추가로 L6(=L4-L3) 만큼 상승된다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)에서 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중이 이동(Load Transfer)되면서 구동 샤프트(S)는 상부 여유갭(C)만큼 상승하여 하부 걸쇠 집합체(6)에 의해 지지되고, 상부 걸쇠 집합체(5)와 구동 샤프트(S) 간의 체결시 필요한 여유갭(C)이 발생한다(도 6c).
(제4단계) 상부 인양 코일(1)에 저전압을 유지하면서 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가한다. 그리고 상부 걸쇠 코일(2)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)로부터 분리된다(도 6d).
(제5단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 상부 인양 코일(1)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 인양갭이 열리면서 상부 걸쇠 집합체(5)의 위치만 상부 인양갭(L1)만큼 하강한다(도 6e).
(제6단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)에 고전압을 인가하면, 하부 인양갭이 닫히면서 구동 샤프트가 하부 인양갭(L1)만큼 상승한다(도 6f).
(제7단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)에 저전압을 인가하고 상부 걸쇠 코일(2)에는 고전압을 인가한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 여유갭(C)의 여유를 가지고 구동 샤프트(S)와 체결된다(도 6g).
(제8단계) 하부 인양 코일(3)에 저전압을 유지하면서 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 인가하고 하부 걸쇠 코일(4)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)로부터 분리되어 구동 샤프트(S)가 상부 여유갭(C)만큼 하강하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 담당하였던 하중이 상부 걸쇠 집합체(5)로 이전(Load Transfer)되고, 구동 샤프트(S)는 상부 걸쇠 집합체(5)에 의해 지지된다(도 6h).
(제9단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 인양갭(L1)이 열리면서 하부 걸쇠 집합체(6)의 위치만 열린 하부 인양갭(L1)만큼 하강하고 초기상태로 복귀한다(도 6i).
이상의 과정에서 구동 샤프트(S)의 1회 싸이클당 이송거리는 하기와 같이 된다.
(인출과정 이송거리 : 더블스텝, 양단구동) = + L1 + C + L1 - C = + 3/8 + 1/32 + 3/8 - 1/32 = + 3/4 (인치) [3/4 인치 상승]
1.2. 삽입 과정 (도 7a ~ 도 7h)
(제1단계) 초기상태에서는 상부 인양갭과 하부 인양갭 모두가 열린 상태(L1)에서, 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압이 인가함으로써 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태가 유지된다(도 7a).
(제2단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 하부 인양 코일(3)에 고전압을 인가하면, 하부 인양갭이 닫히고 하부 걸쇠 집합체(6) 위치만 하부 인양갭(L1) 만큼 상승한다(도 7b).
(제3단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 하부 인양 코일(3)에 저전압을 인가하면서, 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압을 인가하면, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 이어 추가로 L6(=L4-L3) 만큼 상승된다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)에서 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중이 이동(Load Transfer)되면서 구동 샤프트(S)는 상부 여유갭(C)만큼 상승하여 하부 걸쇠 집합체(6)에 의해 지지되고, 상부 걸쇠 집합체(5)와 구동 샤프트(S) 간의 체결시 필요한 여유갭(C)이 발생한다(도 7c).
(제4단계) 하부 인양 코일(3)에 저전압을 유지하면서 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가한다. 그리고 상부 걸쇠 코일(2)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)로부터 분리된다(도 7d).
(제5단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)의 전원을 Off하고 상부 인양 코일(1)에 고전압을 인가한다. 그 결과 하부 인양갭이 열리면서 구동 샤프트(S)가 하부 인양갭(L1)만큼 하강하고, 상부 인양갭이 닫히면서 상부 걸쇠 집합체(5)의 위치만 상부 인양갭(L1)만큼 상승한다(도 7e).
(제6단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 상부 인양 코일(1)에 저전압을 인가하고, 상부 걸쇠 코일(2)에 고전압을 인가한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 여유갭(C)의 여유를 가지고 구동 샤프트(S)와 체결된다(도 7f).
(제7단계) 상부 인양 코일(1)에 저전압을 유지하면서 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 인가하고 하부 걸쇠 코일(4)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)로부터 분리되어 구동 샤프트(S)가 상부 여유갭(C)만큼 하강하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 담당하였던 하중이 상부 걸쇠 집합체(5)로 이전(Load Transfer)되고, 구동 샤프트(S)는 상부 걸쇠 집합체(5)에 의해 지지된다(도 7g).
(제8단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지하면서 상부 인양 코일(1)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 인양갭(L1)이 열리면서 구동 샤프트(S)가 열린 상부 인양갭(L1)만큼 하강하고 초기상태로 복귀한다(도 7h).
이상의 과정에서 구동 샤프트(S)의 1회 싸이클당 이송거리는 하기와 같이 된다.
(삽입과정 이송거리 : 더블스텝, 양단구동) = + C - L1 - C - L1 = + 1/32 - 3/8 - 1/32 - 3/8 = - 3/4 (인치) [3/4 인치 하강]
2. 실시예 2 (싱글 스텝, 상단 구동/하단 고정)
2.1. 인출 과정 (도 8a ~ 도 8g)
(제1단계) 초기상태에서는 상부 인양갭과 하부 인양갭 모두가 열린 상태(L1)에서, 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압이 인가함으로써 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태가 유지된다(도 8a).
(제2단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 상부 인양 코일(1)에 고전압을 인가하면, 상부의 이동 인양 자석(9)가 상부의 고정 인양 자석(8)을 향해 이동하여 상부 인양갭이 닫히고 그 결과 구동 샤프트(S)가 상부 인양갭(L1) 만큼 상승한다(도 8b).
(제3단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 상부 인양 코일(1)에 저전압을 인가하여 상부 인양갭이 닫힌 상태로 유지하면서, 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압을 인가하면, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 이어 추가로 L6(=L4-L3) 만큼 상승된다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)에서 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중이 이동(Load Transfer)되면서 구동 샤프트(S)는 상부 여유갭(C)만큼 상승하여 하부 걸쇠 집합체(6)에 의해 지지되고, 상부 걸쇠 집합체(5)와 구동 샤프트(S) 간의 체결시 필요한 여유갭(C)이 발생한다(도 8c).
(제4단계) 상부 인양 코일(1)에 저전압을 유지하면서 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가한다. 그리고 상부 걸쇠 코일(2)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)로부터 분리된다(도 8d).
(제5단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 상부 인양 코일(1)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 인양갭이 열리면서 상부 걸쇠 집합체(5)의 위치만 상부 인양갭(L1)만큼 하강한다(도 8e).
(제6단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 상부 걸쇠 코일(2)에 고전압을 인가하면, 상부 걸쇠 집합체(5)가 여유갭(C)의 여유를 가지고 구동 샤프트(S)와 체결된다(도 8f).
(제7단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 인가하고 하부 걸쇠 코일(4)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)로부터 분리되어 구동 샤프트(S)가 상부 여유갭(C)만큼 하강하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 담당하였던 하중이 상부 걸쇠 집합체(5)로 이전(Load Transfer)되고, 구동 샤프트(S)는 상부 걸쇠 집합체(5)에 의해 지지된다(도 8g).
이상의 과정에서 구동 샤프트(S)의 1회 싸이클당 이송거리는 하기와 같이 된다.
(인출 과정 이송거리 : 싱글스텝, 상단구동/하단고정) = + L1 + C - C = + 3/8 + 1/32 - 1/32 = + 3/8 (인치) [3/8 인치 상승]
2.2. 삽입 과정 (도 9a ~ 도 9g)
(제1단계) 초기상태에서는 상부 인양갭과 하부 인양갭 모두가 열린 상태(L1)에서, 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압이 인가함으로써 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태가 유지된다(도 9a).
(제2단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압을 인가하면, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 이어 추가로 L6(=L4-L3) 만큼 상승된다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)에서 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중이 이동(Load Transfer)되면서 구동 샤프트(S)는 상부 여유갭(C)만큼 상승하여 하부 걸쇠 집합체(6)에 의해 지지되고, 상부 걸쇠 집합체(5)와 구동 샤프트(S) 간의 체결시 필요한 여유갭(C)이 발생한다(도 9b).
(제3단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가한다. 그리고 상부 걸쇠 코일(2)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)로부터 분리된다(도 9c).
(제4단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지한 상태로 상부 인양 코일(1)에 고전압을 인가하면, 상부 인양갭이 닫히고 상부 걸쇠 집합체(6)의 위치만 상부 인양갭(L1) 만큼 상승한다(도 9d).
(제5단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 상부 인양 코일(1)에 저전압을 인가하면서, 상부 걸쇠 코일(2)에 고전압을 인가한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 여유갭(C)의 여유를 가지고 구동 샤프트(S)와 체결된다(도 9e).
(제6단계) 상부 인양 코일(1)에 저전압을 유지하면서 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 인가하고 하부 걸쇠 코일(4)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)로부터 분리되어 구동 샤프트(S)가 상부 여유갭(C)만큼 하강하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 담당하였던 하중이 상부 걸쇠 집합체(5)로 이전(Load Transfer)되고, 구동 샤프트(S)는 상부 걸쇠 집합체(5)에 의해 지지된다(도 9f).
(제7단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지하면서 상부 인양 코일(1)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 인양갭(L1)이 열리면서 구동 샤프트(S)가 열린 상부 인양갭(L1)만큼 하강하고 초기상태로 복귀한다(도 9g).
이상의 과정에서 구동 샤프트(S)의 1회 싸이클당 이송거리는 하기와 같이 된다.
(삽입 과정 이송거리 : 싱글 스텝, 상단구동/하단고정) = + C - C - L1 = + 1/32 - 1/32 - 3/8 = - 3/8 (인치) [3/8 인치 하강]
3. 실시예 3 (싱글 스텝, 상단 고정/하단 구동)
3.1. 인출 과정 (도 10a ~ 도 10g)
(제1단계) 초기상태에서는 상부 인양갭과 하부 인양갭 모두가 열린 상태(L1)에서, 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압이 인가함으로써 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태가 유지된다(도 10a).
(제2단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압을 인가하면, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 이어 추가로 L6(=L4-L3) 만큼 상승된다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)에서 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중이 이동(Load Transfer)되면서 구동 샤프트(S)는 상부 여유갭(C)만큼 상승하여 하부 걸쇠 집합체(6)에 의해 지지되고, 상부 걸쇠 집합체(5)와 구동 샤프트(S) 간의 체결시 필요한 여유갭(C)이 발생한다(도 10b).
(제3단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가하고 상부 걸쇠 코일(2)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)로부터 분리된다(도 10c).
(제4단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)에 고전압을 인가한다. 그 결과 하부 인양갭이 닫히면서 구동 샤프트(S)가 닫힌 하부 인양갭(L1)만큼 상승한다(도 10d).
(제5단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)에 저전압을 인가하고 상부 걸쇠 코일(2)에 고전압을 인가한다. 그 결과, 상부 걸쇠 집합체(5)가 여유갭(C)의 여유를 가지고 구동 샤프트(S)와 체결된다(도 10e).
(제6단계) 상부 걸쇠 코일(2) 및 하부 인양 코일(3)에 저전압을 유지하면서 하부 걸쇠 코일(4)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)로부터 분리되어 구동 샤프트(S)가 상부 여유갭(C)만큼 하강하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 담당하였던 하중이 상부 걸쇠 집합체(5)로 이전(Load Transfer)되고, 구동 샤프트(S)는 상부 걸쇠 집합체(5)에 의해 지지된다(도 10f).
(제7단계) 상부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가하고 하부 인양 코일(3)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 인양갭이 열리면서 하부 걸쇠 집합체(6)의 위치만 열려진 하부 인양갭(L1)만큼 하강하고 초기상태로 복귀한다(도 10g).
이상의 과정에서 구동 샤프트(S)의 1회 싸이클당 이송거리는 하기와 같이 된다.
(인출 과정 이송거리 : 싱글스텝, 상단고정/하단구동) = + C + L1 - C = + 1/32 + 3/8 - 1/32 = + 3/8 (인치) [3/8 인치 상승]
3.2. 삽입 과정 (도 11a ~ 도 11g)
(제1단계) 초기상태에서는 상부 인양갭과 하부 인양갭 모두가 열린 상태(L1)에서, 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압이 인가함으로써 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)에 체결된 상태가 유지된다(도 11a).
(제2단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 하부 인양 코일(3)에 고전압을 인가하면, 하부 인양갭이 닫히고 하부 걸쇠 집합체(6) 위치만 하부 인양갭(L1) 만큼 상승한다(도 11b).
(제3단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지한 상태로 하부 인양 코일(3)에 저전압을 인가하면서, 하부 걸쇠 코일(4)에 고전압을 인가하면, 하부 걸쇠 집합체(6)가 구동 샤프트(S)에 체결되고 이어 추가로 L6(=L4-L3) 만큼 상승된다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)에서 하부 걸쇠 집합체(6)로 하중이 이동(Load Transfer)되면서 구동 샤프트(S)는 상부 여유갭(C)만큼 상승하여 하부 걸쇠 집합체(6)에 의해 지지되고 상부 걸쇠 집합체(5)와 구동 샤프트(S) 간에는 체결시 필요한 여유갭(C)이 발생한다(도 11c).
(제4단계) 하부 인양 코일(3)에 저전압을 유지하면서 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 인가하면서, 상부 걸쇠 코일(2)의 전원을 Off한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 구동 샤프트(S)로부터 분리된다(도 11d).
(제5단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 하부 인양 코일(3)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 인양갭이 열리면서 구동 샤프트(S)가 하부 인양갭(L1)만큼 하강한다(도 11e).
(제6단계) 하부 걸쇠 코일(4)에 저전압을 유지하면서 상부 걸쇠 코일(2)에 고전압을 인가한다. 그 결과 상부 걸쇠 집합체(5)가 여유갭(C)의 여유를 가지고 구동 샤프트(S)와 체결된다(도 11f).
(제7단계) 상부 걸쇠 코일(2)에 저전압을 유지하면서 하부 걸쇠 코일(4)의 전원을 Off한다. 그 결과 하부 걸쇠 집합체(6)는 구동 샤프트(S)로부터 분리되어 구동 샤프트(S)가 상부 여유갭(C)만큼 하강하면서 하부 걸쇠 집합체(6)가 담당하였던 하중이 상부 걸쇠 집합체(5)로 이전(Load Transfer) 되고, 구동 샤프트(S)는 상부 걸쇠 집합체(5)에 의해 지지되면서 초기상태로 복귀한다(도 11g).
이상의 과정에서 구동 샤프트(S)의 1회 싸이클당 이송거리는 하기와 같이 된다.
(삽입 과정 이송거리 : 싱글 스텝, 상단고정/하단구동) = + C - L1 - C = + 1/32 - 3/8 - 1/32 = - 3/8 (인치) [3/8 인치 하강]
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
1000: 제어봉 구동장치(CEDM) 2000: 원자로 헤드
100, 110: 모터집합체 200: 상부 슈라우드 집합체
300: 상부 압력하우징 집합체 400: 코일스택 집합체
500: 연장봉 집합체 600: 모터 하우징 집합체
700: 냉각 슈라우드 집합체 1: 상부 인양 코일
2: 상부 걸쇠 코일 3: 하부 인양 코일
4: 하부 걸쇠 코일 5: 상부 걸쇠 집합체1 )
6: 하부 걸쇠 집합체1 ) 7: 걸쇠 하우징 집합체2 )
8, 8': 고정 인양 자석 9: 이동 인양 자석
10, 10': 이동 걸쇠 자석 11: 걸쇠 스프링
12: 인양 스프링 13: 정렬탭
14: 하부 고정체 15: 조절 너트
16: 센터 스페이서 17: 복귀 스프링
18: 하부 걸쇠 하우징 집합체3 ) 19: 이동 걸쇠 하우징 세그먼트
20: 스프링 멈치 21: 가이드 튜브
[주석]
1) 상, 하부 걸쇠 집합체는 걸쇠, 링크 및 복수개(예: 3개)의 체결용 핀을 포함한다.
2) 걸쇠 하우징 집합체는 걸쇠하우징, 인서트, 체결너트 등을 포함한다.
3) 하부 걸쇠 하우징 집합체는 하부걸쇠하우징, 인서트, 체결너트 등을 포함한다.

Claims (9)

  1. 원자로 헤드(2000) 상부에 설치되는 제어봉 구동장치(1000)의 제어봉을 인출 또는 삽입하기 위해 구동 샤프트(S)를 구동시키는 제어봉 구동장치용 모터집합체(110)로서,
    상기 구동 샤프트(S)의 상부 일 지점과 체결 또는 체결 해제되면서 상방 또는 하방으로 이송되는 상부 체결 수단과,
    상기 구동 샤프트(S)의 하부 일 지점과 체결 또는 체결 해제되면서 상방 또는 하방으로 이송되는 하부 체결 수단과,
    상기 상부 체결 수단을 상방 또는 하방으로 이송시키는 상부 체결 수단 이송 수단과,
    상기 하부 체결 수단을 상방 또는 하방으로 이송시키는 하부 체결 수단 이송 수단을 포함하고,
    상기 상부 체결 수단 이송 수단의 이송 거리(L1)와 상기 하부 체결 수단 이송 수단의 이송 거리(L1)가 동일하도록 구성된 것을 특징으로 하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 체결 수단의 이송 거리(L3)와 상기 하부 체결 수단의 이송 거리(L4)와의 차이는 상기 상부 체결 수단 및 상기 하부 체결 수단의 체결시 요구되는 여유갭(C)의 최소 2배인 것을 특징으로 하는 제어봉 구동장치용 모터집합체(110).
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 체결 수단은,
    이동 걸쇠 자석(10)과,
    전기적 신호에 따라 상기 이동 걸쇠 자석(10)을 상, 하방으로 이송시키는 상부 걸쇠 코일(2)과,
    상기 이동 걸쇠 자석(10)이 상, 하방향 이동함에 따라 상기 구동 샤프트(S)와 체결 또는 분리되는 상부 걸쇠 집합체(5)와,
    상기 상부 걸쇠 코일(2)에 전원이 인가되거나 차단될 때 상기 상부 걸쇠 집합체(5)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결 또는 분리를 가능케 하는 자성체 재질로 만들어진 이동 인양 자석(9) 과,
    상기 상부 걸쇠 코일(2)에 전원이 차단되어 상기 이동 인양 자석(9)과 이동 걸쇠 자석(10) 사이의 전자기력이 감소되면 상기 이동 인양 자석(9)으로부터 상기 이동 걸쇠 자석(10)을 분리시킴으로써 상기 상부 걸쇠 집합체(5)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결을 분리시키는 걸쇠 스프링(11)
    을 포함하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  4. 제3항에 있어서, 상기 상부 체결 수단은 상부 또는 하부 중 어느 한 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  5. 제1항에 있어서, 상기 하부 체결 수단은,
    이동 걸쇠 자석(10')과,
    전기적 신호에 따라 상기 이동 걸쇠 자석(10')을 상, 하방으로 이송시키는 하부 걸쇠 코일(4)과,
    상기 이동 걸쇠 자석(10')이 상, 하방향 이동함에 따라 상기 구동 샤프트(S)와 체결 또는 분리되는 하부 걸쇠 집합체(6)와,
    상기 하부 걸쇠 코일(4)에 전원이 인가되거나 차단될 때 상기 하부 걸쇠 집합체(6)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결 또는 분리를 가능케 하는 자성체 재질로 만들어진 이동 인양 자석(9)과,
    상기 하부 걸쇠 코일(4)에 전원이 차단되어 상기 이동 인양 자석(9)과 이동 걸쇠 자석(10') 사이의 전자기력이 감소되면 상기 이동 인양 자석(9)으로부터 상기 이동 걸쇠 자석(10')을 분리시킴으로써 상기 하부 걸쇠 집합체(6)와 상기 구동 샤프트(S)와의 체결을 분리시키는 걸쇠 스프링(11)
    을 포함하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  6. 제5항에 있어서, 상기 하부 체결 수단은,
    상기 하부 걸쇠 집합체(6)를 수용하는 하부 걸쇠 하우징(18)과,
    상기 이동 걸쇠 자석(10')과 상기 하부 걸쇠 하우징(18) 사이에 배치되며 상기 하부 걸쇠 집합체(6)에 결합되어 상기 하부 걸쇠 집합체(6)의 체결 또는 체결해제를 가이드하고 상, 하부에 상기 구동 샤프트(S)와의 체결시 필요한 여유갭을 발생시켜 주는 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)와,
    상기 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)와 상기 이동 걸쇠 자석(10') 사이에 배치되어 상기 하부 걸쇠 집합체(6)가 상기 구동 샤프트(S)로부터 체결해제되는 경우 상기 이동 걸쇠 하우징 세그먼트(19)의 위치를 복귀시키는 복귀 스프링(17)과,
    상기 복귀 스프링(17)을 지지하는 스프링 멈치(20)
    를 포함하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  7. 제3항에 있어서, 상기 하부 체결 수단은 상부 또는 하부 중 어느 한 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 체결 수단 이송 수단과 상기 하부 체결 수단 이송 수단을 모두 이용하여 상기 구동 샤프트(S)를 구동시키는 더블 스텝 방식과,
    상기 상부 체결 수단 이송 수단 또는 상기 하부 체결 수단 이송 수단 중 어느 하나만을 이용하여 상기 구동 샤프트(S)를 구동시키는 싱글 스텝 방식 중 어느 하나를 선택적으로 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 더블 스텝 방식에서의 1회 싸이클당 상기 구동 샤프트(S)의 구동거리는 상기 싱글 스텝 방식에서의 1회 싸이클 당 상기 구동 샤프트(S)의 구동거리의 2배인 것을 특징으로 하는 제어봉 구동 장치용 모터집합체(110).
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