特許 5963311 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5963311

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   G21C 7/14 20060101AFI20160721BHJP

   F16H 25/22 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   G21C7/14 ZGDC

   F16H25/22 M

   F16H25/22 L

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-30545(P2013-30545)

(22)【出願日】2013年2月20日

(65)【公開番号】特開2014-160010(P2014-160010A)

(43)【公開日】2014年9月4日

【審査請求日】2015年1月28日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松下 雄一

(72)【発明者】

【氏名】児玉 俊博

(72)【発明者】

【氏名】原田 清

(72)【発明者】

【氏名】赤塚 宏一

(72)【発明者】

【氏名】土屋 孝浩

【審査官】 後藤 孝平

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−１６９５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７６７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０３９０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０１−０５５３５６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０４−２７８４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２２１８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３２９１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０１０１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５０５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１７９８３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｃ ７／１４

Ｆ１６Ｈ ２５／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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ボールの直径を決めて、前記ねじ軸のボール走行面と前記ボールの隙間及び前記ボールと前記ボールナットのボール走行面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。

【請求項2】

請求項１に記載の駆動ねじの隙間拡大方法において、
上記関係式を満たすように、前記ボールの直径を小さくし且つ前記ねじ軸のボール走行面の溝形状及び前記ボールナットのボール走行面の溝形状を大きくして、前記ねじ軸のボール走行面と前記ボールの隙間及び前記ボールと前記ボールナットのボール走行面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。

【請求項3】

アウターチューブと、
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又は２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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−１７４９４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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ボールの直径を決めて、前記ねじ軸のボール走行面と前記ボールの隙間及び前記ボールと前記ボールナットのボール走行面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。

【発明の効果】

【0010】

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。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係わる改良型制御棒駆動機構の模式断面図

【図2】従来例の駆動ねじの模式断面図

【図3】従来例の駆動ねじのねじ軸、ボールナット、ボールの相互関係を表した一部分の模式断面図

【図4】従来例の駆動ねじのねじ軸、ボールナット、ボール、ねじ軸のボール走行面の凸状の盛り上りの相互関係を表した一部分の模式断面図

【図5】本発明のボール小径化による隙間拡大を実施した駆動ねじの模式断面図

【図6】本発明の駆動ねじの相互関係を表した一部分の模式断面図

【図7】本発明の実施例であり、ボール小径化による隙間拡大を実施した駆動ねじのねじ軸、ナット、ボール、ねじ軸のボール走行面の凸状の盛り上りの相互関係を表した一部分の模式断面図

【図8】本発明の実施例であり、ボール小径化による隙間拡大を実施した駆動ねじのねじ軸、ボールナット、ボールの相互関係を表した一部分の模式断面図

【図9】本発明の実施例であり、電動機により駆動される回転軸に軸封パッキンが装着され、水密にシールされている軸封型制御棒駆動機構の模式断面図

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施例を以下に説明する。

【実施例1】

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

隙間係数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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【実施例2】

【0027】

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。

【0028】

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。

【実施例3】

【0029】

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。

【0030】

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。

【実施例4】

【0031】

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。

【0032】

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。

【実施例5】

【0033】

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。

【符号の説明】

【0034】

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

【図1】

【図9】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】