JPH1010264A

JPH1010264A - 制御棒駆動機構

Info

Publication number: JPH1010264A
Application number: JP8165510A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Sato; 能文佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】電動機から駆動力を制御棒に伝達するマグネ
ットカップリングのすべりが検出できる制御棒駆動機構
を提供する。【解決手段】本発明に係る制御棒駆動機構は、原子炉
下部のハウジング９内に設けられ、電動機５１の回転を
中空ピストン昇降機構１４，１５，１６に伝達して中空
ピストン１９を昇降させ、制御棒５を炉心３内に挿入・
引抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハ
ウジング９の下端部に設けられたスプールピース５６
と、前記電動機５１の回転軸１１に接続されるアウター
ヨーク６０と、このアウターヨーク６０に設けられたア
ウター磁石５５と、前記スプールピース５６内部に設け
られたインナーヨーク６１と、このインナーヨーク６１
に設けられたインナー磁石５４と、このインナー磁石５
４の回転検出手段２０１とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は沸騰水型原子炉（以
下ＢＷＲという）に使用されている制御棒駆動機構（以
下ＣＲＤという）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は一般のＢＷＲを示す概略構成図
である。図に示すように、原子炉圧力容器１内には、減
速材を兼ねる冷却材２が収容される一方、原子炉圧力容
器１の中央下部には炉心３が配置され、炉心シュラウド
４により取り囲まれている。炉心３には多数の燃料集合
体（図示せず）が装荷され、４体一組の燃料集合体間に
制御棒５が挿脱自在に収容される。

【０００３】このＢＷＲにおいて、冷却材２は炉心３内
を上方に向かって流れ、その間に炉心３から核分裂連鎖
反応により発生する熱を冷却材２に伝達し、冷却材２を
加熱し、加熱された冷却材２は水と蒸気の気液二相流と
なって炉心３上方へ移動し、炉心３から気水分離器６に
案内される。

【０００４】気液二相流の冷却材は、気水分離器６で水
と蒸気に分離された後、蒸気は蒸気乾燥器（図示せず）
を経て主蒸気配管から蒸気タービン系に送られて蒸気タ
ービンを駆動させる。蒸気タービン系で仕事をした蒸気
は、復水器で凝縮されて復水となった後、原子炉復水・
給水系（図示せず）を経て原子炉圧力容器１内に給水と
して再び戻される。

【０００５】一方、気水分離器６で分離された水はダウ
ンカマ部７を流下し、原子炉復水・給水系を通って送ら
れてくる給水と混合した状態で炉心３下部に案内され、
再び炉心３に導かれる。

【０００６】また、原子炉圧力容器１の炉心３には、原
子炉の起動・停止や炉出力調整のため、制御棒５が制御
棒駆動機構８により出し入れされる。この制御棒駆動機
構８は原子炉圧力容器１の底部１ａから下方に延びるＣ
ＲＤハウジング９内に収容される一体構造物であり、Ｃ
ＲＤハウジング９の下部フランジ９ａにボルト接合によ
り固定される。

【０００７】制御棒駆動機構８は図１４に示されるよう
に電動駆動型の制御棒駆動機構であり、下部に電動機１
０が取り付けられ、この電動機１０の回転軸１１はギア
カップリング機構１２を介して制御棒駆動機構８の駆動
軸１３に連結される。この駆動軸１３はボールねじ軸１
４に回転一体に連結され、このボールねじ軸１４にはボ
ールナット１５が螺合している。

【０００８】このボールナット１５には、対をなすロー
ラ１６がガイドチューブ１７の内周面に形成された軸方
向の取付板１８を挟持するように取り付けられている。
また、ボールナット１５の上方には、中空ピストン１９
が載置され、この中空ピストン１９は上端に取り付けら
れたカップリング２０を介して制御棒５に連結される。
また、電動機１０には電磁ブレーキ２１が取り付けら
れ、この電磁ブレーキ２１を作動することにより電動機
１０を停止させる。この電磁ブレーキ２１の下端にはシ
ンクロ位置検出器２２が設けられ、このシンクロ位置検
出器２２により制御棒５の位置を検出する。

【０００９】そして、電動機１０の上部でギアカップリ
ング機構１２の周囲には、モータブラケット２３が配設
されており、このモータブラケット２３の上部には一次
冷却水の隔壁としてのスプールピース２４が固定されて
いる。このスプールピース２４には、駆動軸１３が貫通
しており、駆動軸１３のシール部材としてグランドパッ
キン２５を使用している。そして、それ以外の静止シー
ル部ではゴム製のＯリング２６，２７を使用している。

【００１０】このように構成された制御棒駆動機構８に
おいて、電動機１０を回転駆動させることにより、回転
軸１１および駆動軸１３を介してボールねじ軸１４が回
転し、このボールねじ軸１４の回転によりボールナット
１５が上下動するようになっている。その際、ボールナ
ット１５はローラ１６を介し取付板１８により回転が規
制されて上下動し、このボールナット１５の上下動によ
り中空ピストン１９を介して制御棒５が上下動する。こ
の制御棒５の上下動により、炉心３への挿入・引き抜き
量が調整され、炉出力が制限される。

【００１１】次に、ＢＷＲに緊急事態が発生して、原子
炉をスクラムさせる場合について設明する。すなわち、
原子炉スクラム時には、ＣＲＤハウジング９の下部フラ
ンジ９ａに接続されたスクラム挿入配管３３から注入口
３４を介して中空ピストン１９の下面側に高圧駆動水は
供給される。この高圧駆動水の供給により、ボールナッ
ト１５上に設置されている中空ピストン１９が上方に押
し上げられ、制御棒５を炉心３内に高速で挿入させるこ
とにより、原子炉はスクラムされる。ここで、中空ピス
トン１９のスクラム位置は、リードスイッチ３５を有す
るスクラム位置検出器３６により中空ピストン１９に取
り付けられた磁石１５０の位置を検出することで、検出
される。

【００１２】上述の従来の制御棒駆動機構８において
は、駆動軸１３が一次冷却水の隔壁としてのスプールピ
ース２４を貫通しており、駆動軸１３のシール部材とし
てグランドパッキン２５を使用している。そして、それ
以外の静止シール部ではゴム製のシールを使用している
ため、一次冷却水を完全にシールすることは不可能であ
り、若干の漏洩を許容している。また、グランドパッキ
ン２５およびゴム製のＯリング２６，２７は非金属材料
からなっているため、経年劣化し、定期的に交換する必
要がある。また、その結果メンテナンス頻度が高くなる
課題があった。

【００１３】そこで、この問題を解決するために、前記
電動機１０の回転動力をマグネットの磁力で圧力隔壁を
介して非接触に前記ボールネジ軸１４に伝達して、圧力
隔壁の貫通部が不要となる制御棒駆動機構が特願平７−
３２５５７号として出願されている。

【００１４】この特願平７−３２５５７号に記載された
発明について、図１５を参照して説明する。制御棒駆動
機構５０は電動駆動型制御棒駆動機構であり、原子炉圧
力容器１の底部１ａから下方に延びるように配設された
ＣＲＤハウジング９の下部フランジ９ａにボルト締めに
て固定されている。

【００１５】制御棒駆動機構５０はその下部にステッピ
ングモータなどの電動機５１が取り付けられ、この電動
機５１からの回転駆動力はマグネットカップリング５２
を介して駆動軸５３に伝達される。マグネットカップリ
ング５２は、駆動軸５３の下部に配設され、被駆動側の
第１マグネットしてのインナー磁石５４と、このインナ
ー磁石５４の外側に一次冷却水壁としてのスプールピー
ス５６を隔てて、電動機５１軸に設けた駆動側の第２マ
グネットとしてのアウター磁石５５とから構成されてい
る。これらインナー磁石５４およびアウター磁石５５は
いずれも円筒状のマグネットを縦に偶数個等分割し、半
径方向に着磁して磁極を交互に配列した構造である。

【００１６】図１５のＡ−Ａ線矢視断面図を図１６に示
して、マグネットカップリングの構造と原理を簡単に説
明する。なお、図が複雑になるのを避けるため、モータ
ブラケット５７等は省略している。この図１６は８極の
ラジアル型マグネットカップリングを用いた場合の例で
ある。磁石は円筒を縦に分割した形状で図中に示す矢印
の方向に磁化されており、隣の磁石とＮ極、Ｓ極の向き
が交互になるようにアウターヨーク６０、インナーヨー
ク６１に取り付けられている。この図に示したインナー
ロータ６７とアウターロータ６４の相対的な回転位置関
係は、磁極の吸引力と反発力のバランスのとれた安定的
な位相である。このような安定位相は、８極マグネット
カップリングの場合は４つ存在する。

【００１７】なお、アウター磁石５５とインナー磁石５
４の間にはスプールピース５６下部に設けられた圧力隔
壁５８がある。インナーロータ６７とアウターロータ６
４が図１７に示すように、前記の安定位相に対して角度
のずれを持つ場合（以下、この角度をずれ角とい
う。）、アウター磁石５５とインナー磁石５４間の吸引
力と反発力により、ずれをなくし安定位相に戻そうとす
るトルクが生じる。このトルクとずれ角の関係は、一般
に図１８のグラフのようになる。ずれ角度が３６０÷２
÷極数［ｄｅｇ］（例の８極マグネットカップリングで
は、２２．５度）でトルクは最大になり（以下、最大静
止トルクという。）これ以上の角度ではトルクは減少し
はじめ、３６０÷極数［ｄｅｇ］（本例では４５度）で
は０となる。この３６０÷極数［ｄｅｇ］を以下、すべ
り発生角度という。すべり発生角度以上の角度では、逆
にずれ角を進めて隣の安定位相に近寄らせようとするト
ルクが働く。

【００１８】従って、マグネットカップリングは最大静
止トルク以上のトルクを負荷することはできず、これ以
上のトルクが加わってずれ角度が４５度を越えた場合、
インナーロータ６７とアウターロータ６４は隣の安定位
相まで相対的に回転し、負荷を取り除いても元の安定位
相には戻らなくなる。これをマグネットカップリングの
すべりと呼んでいる。後述のように、マグネットカップ
リングを適用した制御棒駆動機構の場合、すべりが発生
するのを防ぐため、想定される負荷トルクに対し、十分
な余裕を持ったトルク設計を行う必要がある。

【００１９】図１５に戻って、駆動軸５３はボールねじ
軸１４に連結され、駆動軸５３の回転駆動力はボールね
じ軸１４に伝達される。このボールねじ軸１４、ボール
ナット１５およびローラ１６により、中空ピストン昇降
機構が構成されるのは、図１４に示された従来例と同様
である。

【００２０】また、電動機５１の上部で、マグネットカ
ップリング５２の周囲には、モーターブラケット５７が
配設されている。そして、スプールピース５６とＣＲＤ
ハウジング９の下部フランジ９ａとの間のシール部材に
は、メタルＯリング６６が用いられ、このメタルＯリン
グ６６により一次冷却水の漏洩が防止されるとともに、
ゴム製のＯリングに比べメンテナンス頻度を低くしてい
る。

【００２１】このような構成の制御棒駆動機構において
は、電動機５１の回転駆動によりマグネットカップリン
グ５２を介して駆動軸５３を回転させる。すなわち、電
動機５１の回転駆動により、駆動側のアウター磁石が回
転し、この回転に伴い被駆動側のインナー磁石５４が回
転することで駆動軸５３を回転させる。駆動軸５３が回
転すると、ボールねじ軸１４を回転させてボールナット
１５を上下動（昇降）させる。このボールナット１５の
昇降に伴って中空ピストン１９を介して制御棒５が上下
動し、炉出力の調整が行われる。

【００２２】また、制御棒５の挿入位置への保持は、電
動機５１自体の保持トルクおよび電磁ブレーキの作用に
よりボールねじ軸１４の回転を規制することにより行わ
れる。

【００２３】一方、原子炉をスクラムさせる場合には、
図１４に示される従来例と同様である。図１５に示され
る従来例では、制御棒駆動機構５０は駆動軸５３の下部
に配設し被駆動側のインナー磁石５４と、このインナー
磁石５４の外側にスプールピース５６を隔てて電動機５
１軸に設けた駆動側のアウター磁石５５とから構成した
マグネットカップリング５２を配置したことにより駆動
軸５３のシール部を不要にしている。従って、スプール
ピース５６を貫通する部品がなくなるため、従来のグラ
ンドパッキンのような軸シール部材を必要としない。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の制御棒駆
動機構においては、マグネットカップリングのすべりが
生じた場合、図１５のシンクロ位置検出器２２で検出し
た制御棒の位置と、実際の制御棒の位置に差が生じ、プ
ラントを運転する上で障害となる可能性がある。この対
策として、想定される最大の負荷トルクを上回る十分な
伝達トルクをマグネットカップリングに持たせた設計を
行うが、さらに、万が一すべりが発生した場合にそれを
検出する手段を設けておけば、原子炉を停止するなどの
必要な対策を早急にすることができ、プラントの信頼性
がさらに高められる。本発明は係る従来の事情に対処し
てなされたものであり、その目的は、マグネットカップ
リングのすべりが検出できる制御棒駆動機構を提供する
ことにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る御棒駆動機構の請求項１に記載された
発明は、原子炉下部に延設されたハウジング内に設けら
れ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピストン昇降機
構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中空ピスト
ンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引抜する
原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハウジング
の下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を封じるス
プールピースと、そのスプールピースの外下部に設けら
れた前記電動機の回転軸に接続されるアウターヨーク
と、このアウターヨークに設けられたアウター磁石と、
前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピストン昇
降機構に接続される前記駆動軸に設けられたインナーヨ
ークと、このインナーヨークに設けられたインナー磁石
と、このインナー磁石の回転検出手段を有するものであ
る。

【００２６】また、請求項２記載の制御棒駆動機構は、
請求項１記載の制御棒駆動機構において、回転検出手段
が、前記インナー磁石と共に回転する駆動軸に設けられ
側表面に凹凸を形成させた回転部材と、この回転部材の
回転水平面に対向して設けられ前記回転部材の側表面に
形成された凹凸との距離を測定する変位検出器を有する
ものである。

【００２７】請求項３記載の制御棒駆動機構は、請求項
１記載の制御棒駆動機構において、インナー磁石の回転
検出手段からの出力と前記電動機の回転軸の軸回転を検
出する回転位置検出手段との出力を比較する出力処理手
段を有するものである。

【００２８】請求項１乃至３に記載の制御棒駆動機構の
構成によれば、インナー磁石の回転位置をアウター磁石
の回転位置と比較することでこれらの磁石のすべりを検
出することができる。

【００２９】請求項４記載の制御棒駆動機構は、請求項
３記載の制御棒駆動機構におけるインナー磁石の回転検
出手段に代えて前記制御棒の挿入・引抜による上下位置
を検出する上下位置検出手段を有するものである。

【００３０】このような構成によれば、インナー磁石と
アウター磁石のすべりを検出できる。請求項５記載の制
御棒駆動機構は、原子炉下部に延設されたハウジング内
に設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピスト
ン昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中
空ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・
引抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハ
ウジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を
封じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部
に設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウター
ヨークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁
石と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピス
トン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたイン
ナーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナ
ー磁石と、前記電動機の電流と電圧の位相差を検出して
電動機のトルクを推定する手段を有するものである。

【００３１】請求項６記載の制御棒駆動機構は、原子炉
下部に延設されたハウジング内に設けられ、電動機の回
転を駆動軸を介して中空ピストン昇降機構に伝達して中
空ピストンを昇降させ、この中空ピストンに係合する制
御棒を原子炉の炉心内に挿入・引抜する原子炉出力の制
御棒駆動機構において、前記ハウジングの下端部に設け
られ原子炉内部の一次冷却水を封じるスプールピース
と、そのスプールピースの外下部に設けられた前記電動
機の回転軸に接続されるアウターヨークと、このアウタ
ーヨークに設けられたアウター磁石と、前記スプールピ
ース内部に設けられ前記中空ピストン昇降機構に接続さ
れる前記駆動軸に設けられたインナーヨークと、このイ
ンナーヨークに設けられたインナー磁石と、前記電動機
の電流波形の周波数分析手段を有するものである。

【００３２】請求項７記載の制御棒駆動機構は、請求項
６記載の制御棒駆動機構における電動機の電流波形の周
波数分析手段に代えて電圧波形の周波数分析手段を有す
るものである。

【００３３】請求項８記載の制御棒駆動機構は、原子炉
下部に延設されたハウジング内に設けられ、電動機の回
転を駆動軸を介して中空ピストン昇降機構に伝達して中
空ピストンを昇降させ、この中空ピストンに係合する制
御棒を原子炉の炉心内に挿入・引抜する原子炉出力の制
御棒駆動機構において、前記ハウジングの下端部に設け
られ原子炉内部の一次冷却水を封じるスプールピース
と、そのスプールピースの外下部に設けられた前記電動
機の回転軸に接続されるアウターヨークと、このアウタ
ーヨークに設けられたアウター磁石と、前記スプールピ
ース内部に設けられ前記中空ピストン昇降機構に接続さ
れる前記駆動軸に設けられたインナーヨークと、このイ
ンナーヨークに設けられたインナー磁石と、前記電動機
の負荷トルク検出手段を有し、前記電動機は誘導電動機
であって、前記負荷トルク検出手段は電動機の回転速度
から負荷トルクを検出するものである。

【００３４】請求項５乃至８に記載の制御棒駆動機構の
構成によれば、電動機に加わるトルクを検出すること
で、すべりに伴い発生するトルクの変化を検出すること
ができる。

【００３５】請求項９記載の制御棒駆動機構は、原子炉
下部に延設されたハウジング内に設けられ、電動機の回
転を駆動軸を介して中空ピストン昇降機構に伝達して中
空ピストンを昇降させ、この中空ピストンに係合する制
御棒を原子炉の炉心内に挿入・引抜する原子炉出力の制
御棒駆動機構において、前記ハウジングの下端部に設け
られ原子炉内部の一次冷却水を封じるスプールピース
と、そのスプールピースの外下部に設けられた前記電動
機の回転軸に接続されるアウターヨークと、このアウタ
ーヨークに設けられたアウター磁石と、前記スプールピ
ース内部に設けられ前記中空ピストン昇降機構に接続さ
れる前記駆動軸に設けられたインナーヨークと、このイ
ンナーヨークに設けられたインナー磁石と、前記電動機
の回転軸に加わるトルクまたは電動機に連結された駆動
軸に加わるトルクを検出するトルク検出手段を有するも
のである。

【００３６】請求項１０記載の制御棒駆動機構は、請求
項９記載の制御棒駆動機構において、検出されたトルク
を用いて前記アウター磁石とインナー磁石の間に生じる
すべりを検出するすべり検出手段を有するものである。

【００３７】請求項９および１０記載の制御棒駆動機構
の構成によれば、すべりに伴い生ずるトルクの変化を検
出してすべりの検出が可能である。請求項１１記載の制
御棒駆動機構は、原子炉下部に延設されたハウジング内
に設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピスト
ン昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中
空ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・
引抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハ
ウジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を
封じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部
に設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウター
ヨークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁
石と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピス
トン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたイン
ナーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナ
ー磁石と、前記電動機のステータまたはステータを原子
炉圧力容器に固定する部材に生じる歪みを検出する歪検
出手段を有するものである。

【００３８】請求項１２記載の制御棒駆動機構は、請求
項１１に記載の制御棒駆動機構の歪検出手段に代えて、
回転軸を回転拘束するブレーキまたはブレーキを原子炉
圧力容器に固定する部材に生じる歪みを検出する歪検出
手段を有するものである。

【００３９】請求項１１および１２記載の制御棒駆動機
構の構成によれば、電動機のステータまたはステータを
原子炉圧力容器に固定する部材、あるいは回転軸を回転
拘束するブレーキまたはブレーキを原子炉圧力容器に固
定する部材に生じる歪みを検出することによって、すべ
りに伴い発生するトルクの変化を検出することができ
る。

【００４０】請求項１３記載の制御棒駆動機構は、原子
炉下部に延設されたハウジング内に設けられ、電動機の
回転を駆動軸を介して中空ピストン昇降機構に伝達して
中空ピストンを昇降させ、この中空ピストンに係合する
制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引抜する原子炉出力の
制御棒駆動機構において、前記ハウジングの下端部に設
けられ原子炉内部の一次冷却水を封じるスプールピース
と、そのスプールピースの外下部に設けられた前記電動
機の回転軸に接続されるアウターヨークと、このアウタ
ーヨークに設けられたアウター磁石と、前記スプールピ
ース内部に設けられ前記中空ピストン昇降機構に接続さ
れる前記駆動軸に設けられたインナーヨークと、このイ
ンナーヨークに設けられたインナー磁石と、前記電動機
のステータまたはステータを原子炉圧力容器に固定する
部材に生じる回転加速度を検出する加速度検出手段を有
するものである。

【００４１】請求項１４記載の制御棒駆動機構は、請求
項１３記載の制御棒駆動機構において、加速度検出手段
に代えて、回転軸を回転拘束するブレーキまたはブレー
キを原子炉圧力容器に固定する部材に生じる回転加速度
を検出する加速度検出手段を有するものである。

【００４２】請求項１３および１４記載の制御棒駆動機
構の構成によれば、電動機のステータまたはステータを
原子炉圧力容器に固定する部材、あるいは回転軸を回転
拘束するブレーキまたはブレーキを原子炉圧力容器に固
定する部材に生じる回転加速度を検出することによっ
て、すべりに伴い発生するトルクの変化を検出すること
ができる。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る制御棒駆動機
構の第１の実施の形態（請求項１乃至３に対応）を図１
（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。図１（ｂ）は図１
（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。図１（ａ），
（ｂ）において、図１５と同一部分については同一符号
で示し、その構成の説明は省略する。本実施の形態で
は、インナーロータ６７とともに回転するインナー磁石
５４の回転を検出するために、インナーロータ６７が連
結された駆動軸５３に円板状の回転部材２００を設置し
ている。

【００４４】この回転部材は、スプールピース５６内に
設けられるため、原子炉一次冷却水の圧力障壁である圧
力バウンダリ内に設置されていることになる。回転部材
２００の表面には、凹凸が形成されている。本実施の形
態では、回転部材２００の側面に周期的に多数の溝２２
５を設けて構成される。また、スプールピース５６側面
には、検出対象面である回転部材２００表面に多数の溝
２２５を設けて形成される凹凸との距離を測定して出力
する回転検出手段たる変位測定装置２０１が設置されて
いる。

【００４５】この変位測定装置２０１としては、導体と
の距離を測定できる渦電流変位計、レーザを対象面に照
射して戻るまでの時間から距離を測定するレーザ変位計
などの測定装置を利用することができる。変位測定装置
２０１の出力は信号線を介して電子カウンタとしての機
能を持つ信号処理システム２０２に伝えられる。インナ
ーロータ６７の回転により、変位測定装置２０１と回転
部材２００の側面との距離が周期的に変化するため、こ
の回転に同期した出力が変位測定装置２０１から得られ
る。信号処理システム２０２を用いて、この出力の変動
の周期を数えることでインナーロータ６７の回転した角
度がわかる。また、時間に対する回転角度の推移から、
回転速度を求めることができる。

【００４６】一方、アウターロータ６４の回転位置は、
電動機５１の軸回転を検出するための回転位置検出手段
である回転位置検出器２０３で測定することができる。
回転位置検出器２０３としては、たとえば、従来型制御
棒駆動装置のシンクロ位置検出装置などが利用できる。
回転位置検出器２０３の出力は信号線を介して信号処理
システム２０２に導かれる。この信号処理システム２０
２は、回転位置検出器２０３と変位測定装置２０１の出
力を比較する出力処理手段であり、インナーロータ６７
とアウターロータ６４の回転角度、回転速度などを比較
できる。

【００４７】マグネットカップリングがすべりを生じて
いない場合は、インナーロータ６７の回転位置とアウタ
ーロータ６４の回転位置のずれは、すべり発生角度以内
である。従って、変位測定装置２０１および回転位置検
出器２０３と信号処理システム２０２を用いることで、
すべりの発生を検知することができる。

【００４８】次に本発明に係る制御棒駆動機構の第２の
実施の形態（請求項４に対応）を図２に基づき説明す
る。本実施の形態は、制御棒の上下位置検出手段として
制御棒位置検出装置２０４、および制御棒位置検出装置
２０４と回転位置検出器２０３の出力を比較する信号処
理システム２０５を設けたことが特徴である。制御棒上
下位置の検出は、例えば従来型の制御棒駆動機構のスク
ラム位置検出器３６などと同じ原理で行える。その他に
も、磁歪現象を利用して磁石位置を連続的に検出できる
磁歪センサを用いて、中空ピストン１９に設置する図示
しない磁石の位置を検出することもできる。本実施の形
態では制御棒位置検出装置２０４はＣＲＤハウジング９
外部に設置しているが、これに限らず制御棒駆動機構５
０の内部に配置してもよい。マグネットカップリングに
すべりが生じていなければ、回転位置検出装置２０３か
ら求めた制御棒位置と制御棒位置検出装置２０４で検出
した制御棒上下位置には、すべり発生角度以内の微小な
ずれが生じるわずかな差しかない。従って、信号処理シ
ステム２０５で両者の出力を比較することで、すべりの
発生を検知することができる。

【００４９】次に、本発明に係る制御棒駆動機構の第３
の実施の形態（請求項５に対応）を図３を用いて説明す
る。本実施の形態では、図１５の制御棒駆動機構５０、
スプールピース５６には変更がないので、電動機周辺部
分のみを示す。電源２０７から電気動力は電動機２０６
に供給されるが、この電圧と電流波形を波形処理システ
ム２０８で測定する。電動機２０６として従来型制御棒
駆動機構のステッピングモータや誘導電動機、同期電動
機などの交流電動機が考えられるが、一般にこれらの電
動機は負荷動力すなわち負荷トルクの大きさに伴い、電
流の大きさや、電圧と電流波形の位相差が変化する。従
って、電動機２０６とその電源２０７の間に波形処理シ
ステム２０８を設けることによって、この電流値や位相
差を検出して、その負荷トルクの推定を行うのである。

【００５０】位相の検出は、例えば波形をアナログ−デ
ジタル変換して計算機に取り込んで数値処理を行うなど
の方法で、比較的容易に行うことができる。ここで、す
べり発生時にマグネットカップリング部に起こる力学的
現象について、図４のマグネットカップリング横断面図
を用いて説明する。すべり発生の例として、図３の電動
機２０６で駆動中に、ボールねじ軸１４の破損等の理由
によりインナーロータ６７が回転不能になった場合を考
える。電動機２０６のトルクがマグネットカップリング
の最大静止摩擦トルクより大きい場合は、アウターロー
タ６４はまわり続け、すべりが発生する。ずれ角度がす
べり発生角度より小さい場合、図４（ａ）のアウターロ
ータ６４は、磁力の作用により、インナーロータ６７か
ら図示の方向のトルクを受ける。これは電動機の駆動中
であれば、電動機に負荷トルクとして伝わり、制御棒定
位置保持中であれば電磁ブレーキ２１に伝わる。さらに
アウターロータ６４が回転して、ずれ角度がすべり発生
角度を越えると、図４（ｂ）に示されるように受けるト
ルクの方向は逆になる。すべりが連続して発生すれば、
交互に方向が反転するトルクが観察される。図５にこの
様子を概念的に示した。発生するトルクは、最大値は最
大静止トルクと同程度で、すべり発生角度を境に正負が
反転する。

【００５１】さらに、図３のアウターロータ６４と電動
機２０６の回転軸１１との結合は、電動機２０６の分解
点検を容易にするため、ギアカップリングなどに簡単に
結合解除ができる機械的なカップリングによってなされ
る（図示せず）が、この形式のカップリングには、通常
回転方向の微小なガタがある。このようなガタにより、
前記のトルクの方向が反転する時などに瞬間的に大きな
衝撃トルクがカップリング部に発生して電動機２０６に
伝わる。従って電動機２０６の負荷に、周波数の高いト
ルク成分が含まれるようになる。

【００５２】一方、すべりのない正常な動作状態では前
述のように、定格の負荷トルクが最大静止トルクに比べ
て十分小さくなるよう設計しているので、すべり発生時
のような大きなトルクが電動機２０６に加わることはな
い。

【００５３】本実施の形態は、上記に述べた力学的現象
のうち、すべり発生時に大きなトルクが発生し、しかも
その方向が反転するという特徴に注目してなされたもの
である。電動機の電圧と電流の位相差、または電流値の
変化によって電動機負荷トルクを検出することで、電動
機の駆動中に発生するマグネットカップリングのすべり
を検出することができる。

【００５４】以下に本発明に係る制御棒駆動機構の第４
の実施の形態（請求項６、７に対応）を図６に基づき説
明する。本実施の形態も、第３の実施の形態と同様に図
１５の制御棒駆動機構５０、スプールピース５６には変
更がないので、電動機２０６周辺部分のみを示す。電源
２０７からの電気動力は電動機２０６に供給されるが、
この電流または電圧波形を周波数分析システム２０９で
周波数分析する。本実施の形態は第３の実施の形態で述
べたすべり発生時の力学的現象のうち、周波数の高い負
荷トルク成分が電動機２０６に発生するという特徴に注
目してなされたものである。このような負荷トルクによ
り、電流波形または電圧波形に、正常な駆動中には見ら
れない高い周波数成分が観察されるので、前記の周波数
分析によりすべり発生の検出が可能である。

【００５５】以下に本発明に係る制御棒駆動機構の第５
の実施の形態（請求項８に対応）を図７に基づき説明す
る。本実施の形態では、図１５の制御棒駆動機構５０、
スプールピース５６には変更がないので、電動機周辺部
分のみを示す。本実施の形態では、電動機として誘導電
動機２１０を使用する。この誘導電動機２１０の回転速
度は、負荷トルク検出手段として設けられる回転位置検
出装置２１１とそれに接続されたデータ処理システム２
１２とで検出する。回転位置検出装置２１１としては、
例えば現行の制御棒駆動装置のシンクロ位置検出器２２
などが使用できる。

【００５６】一般に誘導電動機の回転速度は、負荷が０
である場合は交流電源の周波数から決まる同期速度には
それぞれの電動機に固有の一定関係があり、トルク−回
転特性と呼ばれる曲線グラフで表される。従って、誘導
電動機の回転速度を回転位置検出装置２１１で測定し、
データ処理システム２１２を用いてその電動機のトルク
−回転特性から、負荷トルクを求めることが可能であ
る。

【００５７】従って、第３の実施の形態の説明時に述べ
たすべり発生時の負荷トルクの変化を電動機の回転速度
変化として検出し、すべりの発生を検出することができ
る。以下に、本発明に係る制御棒駆動機構の第６の実施
の形態（請求項９、１０に対応）を図８に基づき説明す
る。本実施の形態では、図１５の制御棒駆動機構５０、
スプールピース５６には変更がないので、電動機２１３
周辺部分のみを示す。電動機２１３の回転軸２１５に連
結されたアウターロータ６４と電動機２１３のロータ２
１６との中間部分に、電動機２１３のトルクを検出する
トルク検出器２１４を設けている。トルク検出器２１４
としては、例えば、歪みゲージ式トルク検出器や磁歪式
トルク検出器などを用いることができ、回転軸２１５の
静止時および回転時のトルクが検出できる。このトルク
検出器２１４の出力波形を、データ処理システム２１７
により処理してトルクの大小、方向などの分析を行え
ば、第３の実施の形態の説明時に述べたすべり発生時の
トルクが検出できる。なお、電動機２１３のロータ２１
６下部には電磁ブレーキ２１が設けられている。

【００５８】以下に本発明に係る制御棒駆動機構の第７
の実施の形態（請求項１１、１２に対応）を図９に基づ
き説明する。本実施の形態においても、図１５の制御棒
駆動機構５０、スプールピース５６には変更がないの
で、電動機２１８周辺部分のみを示す。第３の実施の形
態で述べた、すべり発生時にマグネットカップリングに
発生するトルクは、電動機２１８が駆動中であれば、ロ
ータ２１６からステータ２２１に伝達される。このステ
ータ２２１、およびステータ２２１を原子炉圧力容器１
に固定する部材である電動機ケーシング２１９、スプー
ルピース５６、さらには図示しないＣＲＤハウジング
は、このトルクによりねじりが加えられることになる。

【００５９】一方、制御棒の定位置保持中では、回転軸
２１５から電磁ブレーキ２１を介して電動機ケーシング
２１９に伝わるので、電磁ブレーキ２１、電動機ケーシ
ング２１９、スプールピース５６、ＣＲＤハウジングに
ねじりが加えられる。

【００６０】本発明では、上に挙げた部材のねじり歪み
を検出する手段を設け、すべり発生時のトルクに伴うね
じり歪みを検出する。図９では、ねじりを検出する手段
の一例として、電動機ケーシング２１９の表面に歪検出
器２２０とその出力を処理するデータ処理システム２２
２を設置した場合を示している。歪検出器２２０として
は、例えば、歪みゲージを検出できるようにその設置方
法が決められる。なお、歪検出器２２０の設置位置は図
９に限らず、前述したすべり発生に伴うトルクによって
ねじりを受ける部材上であればどこでもよい。

【００６１】以下に本発明に係る制御棒駆動機構の第８
の実施の形態（請求項１３、１４に対応）を図１０乃至
図１２に基づいて説明する。本実施の形態においても図
１５の制御棒駆動機構５０、スプールピース５６におい
ては変更がないので、電動機２２３の周辺部分のみを示
す。電動機２２３には、電動機２２３周方向の加速度を
検出する加速度センサ２２４が設置されている。そのＡ
−Ａ‘断面を図１１に示す。電動機２２３にねじり振動
が発生すると、加速度センサ２２４で振動の角加速度が
測定できる。

【００６２】すべりに伴い発生するトルクは電動機２２
３にねじるが、特に第３の実施の形態の説明時に述べた
機械的なカップリングのガタによる高い周波数の成分の
トルクは、大きな角加速度のねじり振動を発生させる。
これを加速度センサ２２４で検出することで、すべりを
検出できる。

【００６３】加速度センサ２２４は複数設置したほう
が、より確実に角加速度を検出できる。例えば、図１１
のように、電動機軸２１５を基準に点対称に加速度セン
サ２２４を２個設置する。加速度センサ２２４は図に示
すｙ方向（加速度検出方向と平行な方向）の直進加速度
を用いれば、図１２に示すように、直進振動の場合は正
負の等しい出力が得られるのに対し、回転の場合は正負
の異なった出力になるため、これらを容易に区別するこ
とができる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の制御棒駆動
機構においては、請求項１乃至４記載の発明では、第１
マグネットの回転位置検出を行い、第２マグネットの回
転位置と比較することで、マグネットカップリングのす
べりを検出することができ、プラントの信頼性をさらに
向上させることができる。

【００６５】請求項５乃至１４記載の発明においては、
すべりに伴い、マグネットカップリングで発生するトル
クを、電流機電流・電圧の位相差や、電流値、電動機ケ
ーシングなどに生じるねじり歪みなどの変化から検出
し、すべりを検出できる。この結果、プラントの信頼性
をさらに向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る制御棒駆動機構の第１の
実施の形態を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ
−Ｂ線矢視断面図。

【図２】本発明に係る制御棒駆動機構の第２の実施の形
態を示す縦断面図。

【図３】本発明に係る制御棒駆動機構の第３の実施の形
態を示す縦断面図。

【図４】（ａ）、（ｂ）ともにマグネットカップリング
部のすべり発生時に起こる力学的現象を説明するための
概念図。

【図５】マグネットカップリング部のすべり発生時に起
こる力学的現象を説明するための概念図。

【図６】本発明に係る制御棒駆動機構の第４の実施の形
態を示す縦断面図。

【図７】本発明に係る制御棒駆動機構の第５の実施の形
態を示す縦断面図。

【図８】本発明に係る制御棒駆動機構の第６の実施の形
態を示す縦断面図。

【図９】本発明に係る制御棒駆動機構の第７の実施の形
態を示す縦断面図。

【図１０】本発明に係る制御棒駆動機構の第８の実施の
形態を示す縦断面図。

【図１１】本発明に係る制御棒駆動機構の第８の実施の
形態における加速度センサの設置位置を示す概念図。

【図１２】（ａ）は、本発明に係る制御棒駆動機構の第
８の実施の形態における加速度センサの直進加速度の出
力例を示す概念図、（ｂ）は回転加速度の出力例を示す
概念図。

【図１３】沸騰水型原子炉の構造を示す概念図。

【図１４】制御棒駆動機構の従来例を示す縦断面図。

【図１５】マグネット型制御棒駆動機構の構造を示す縦
断面図。

【図１６】マグネット型制御棒駆動機構の駆動原理を説
明するための横断面図。

【図１７】マグネット型制御棒駆動機構の駆動原理を説
明するための横断面図。

【図１８】マグネットカップリングのずれ角度とトルク
の関係を示す概念図。

【符号の説明】

１…原子炉圧力容器１ａ…底部２…冷却材３…炉心４…炉心シュラウド５…制御棒６…気水分離器７…ダウンカ
マ部８…制御棒駆動機構９…ＣＲＤハ
ウジング９ａ…下部フランジ１０…電動機１１…回転軸１２…ギアカ
ップリング機構１３…駆動軸１４…ボール
ねじ軸１５…ボールナット１６…ローラ１７…ガイドチューブ１８…取付板１９…中空ピストン２０…カップ
リング２１…電磁ブレーキ２２…シンク
ロ位置検出器２３…モータブラケット２４…スプー
ルピース２５…グランドパッキン２６…Ｏリン
グ２７…Ｏリング３１…上部ガ
イド３２…皿ばね機構３３…スクラ
ム挿入配管３４…注入口３５…リード
スイッチ３５…リードスイッチ３６…スクラ
ム位置検出器５０…制御棒駆動機構５１…電動機５２…マグネットカップリング５３…駆動軸５４…インナー磁石５５…アウタ
ー磁石５６…スプールピース５７…モータ
ブラケット５８…圧力隔壁６０…アウタ
ーヨーク６１…インナーヨーク６４…アウタ
ーロータ６７…インナーロータ１９９…スプ
ールピース２００…回転部材２０１…位置
検出装置２０２…信号処理システム２０３…回転
位置検出装置２０４…制御棒位置検出装置２０５…信号
処理システム２０６…電動機２０７…電源２０８…波形処理システム２０９…周波
数分析システム２１０…誘導電動機２１１…回転
位置検出装置２１２…データ処理システム２１３…電動
機２１４…トルク検出器２１５…回転
軸２１６…ロータ２１７…デー
タ処理システム２１８…電動機２１９…電動
機ケーシング２２０…歪検出器２２１…ステ
ータ２２２…データ処理システム２２３…電動
機２２４…加速度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉下部に延設されたハウジング内に
設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピストン
昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中空
ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引
抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハウ
ジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を封
じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部に
設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウターヨ
ークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁石
と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピスト
ン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたインナ
ーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナー
磁石と、このインナー磁石の回転検出手段とを有するこ
とを特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項２】前記回転検出手段は、前記インナー磁石
と共に回転する駆動軸に設けられ側表面に凹凸を形成さ
せた回転部材と、この回転部材の回転水平面に対向して
設けられ前記回転部材の側表面に形成された凹凸との距
離を測定する変位検出器とを有することを特徴とする請
求項１記載の制御棒駆動機構。
【請求項３】前記インナー磁石の回転検出手段からの
出力と前記電動機の回転軸の軸回転を検出する回転位置
検出手段との出力を比較する出力処理手段を有すること
を特徴とする請求項１記載の制御棒駆動機構。
【請求項４】前記インナー磁石の回転検出手段に代え
て前記制御棒の挿入・引抜による上下位置を検出する上
下位置検出手段を有することを特徴とする請求項３記載
の制御棒駆動機構。
【請求項５】原子炉下部に延設されたハウジング内に
設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピストン
昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中空
ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引
抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハウ
ジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を封
じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部に
設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウターヨ
ークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁石
と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピスト
ン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたインナ
ーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナー
磁石と、前記電動機の電流と電圧の位相差を検出して電
動機のトルクを推定する手段とを有することを特徴とす
る制御棒駆動機構。
【請求項６】原子炉下部に延設されたハウジング内に
設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピストン
昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中空
ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引
抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハウ
ジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を封
じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部に
設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウターヨ
ークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁石
と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピスト
ン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたインナ
ーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナー
磁石と、前記電動機の電流波形の周波数分析手段とを有
することを特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項７】前記電動機の電流波形の周波数分析手段
に代えて電圧波形の周波数分析手段を有することを特徴
とする請求項６記載の制御棒駆動機構。
【請求項８】原子炉下部に延設されたハウジング内に
設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピストン
昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中空
ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引
抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハウ
ジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を封
じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部に
設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウターヨ
ークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁石
と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピスト
ン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたインナ
ーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナー
磁石と、前記電動機の負荷トルク検出手段とを有し、前
記電動機は誘導電動機であって、前記負荷トルク検出手
段は電動機の回転速度から負荷トルクを検出することを
特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項９】原子炉下部に延設されたハウジング内に
設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピストン
昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中空
ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引
抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハウ
ジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を封
じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部に
設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウターヨ
ークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁石
と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピスト
ン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたインナ
ーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナー
磁石と、前記電動機の回転軸に加わるトルクまたは電動
機に連結された駆動軸に加わるトルクを検出するトルク
検出手段とを有することを特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項１０】前記検出されたトルクを用いて前記ア
ウター磁石とインナー磁石の間に生じるすべりを検出す
るすべり検出手段を有することを特徴とする請求項９記
載の制御棒駆動機構。
【請求項１１】原子炉下部に延設されたハウジング内
に設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピスト
ン昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中
空ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・
引抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハ
ウジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を
封じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部
に設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウター
ヨークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁
石と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピス
トン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたイン
ナーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナ
ー磁石と、前記電動機のステータまたはステータを原子
炉圧力容器に固定する部材に生じる歪みを検出する歪検
出手段とを有することを特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項１２】前記歪検出手段に代えて、前記回転軸
を回転拘束するブレーキまたはブレーキを原子炉圧力容
器に固定する部材に生じる歪みを検出する歪検出手段を
有することを特徴とする請求項１１記載の制御棒駆動機
構。
【請求項１３】原子炉下部に延設されたハウジング内
に設けられ、電動機の回転を駆動軸を介して中空ピスト
ン昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、この中
空ピストンに係合する制御棒を原子炉の炉心内に挿入・
引抜する原子炉出力の制御棒駆動機構において、前記ハ
ウジングの下端部に設けられ原子炉内部の一次冷却水を
封じるスプールピースと、そのスプールピースの外下部
に設けられた前記電動機の回転軸に接続されるアウター
ヨークと、このアウターヨークに設けられたアウター磁
石と、前記スプールピース内部に設けられ前記中空ピス
トン昇降機構に接続される前記駆動軸に設けられたイン
ナーヨークと、このインナーヨークに設けられたインナ
ー磁石と、前記電動機のステータまたはステータを原子
炉圧力容器に固定する部材に生じる回転加速度を検出す
る加速度検出手段とを有することを特徴とする制御棒駆
動機構。
【請求項１４】前記加速度検出手段に代えて、前記回
転軸を回転拘束するブレーキまたはブレーキを原子炉圧
力容器に固定する部材に生じる回転加速度を検出する加
速度検出手段を有することを特徴とする請求項１３記載
の制御棒駆動機構。