メカニカルシール用シャットダウンシール
【課題】最も機内側に位置するシールのさらに機内側の位置に緊急用のシャットダウンシールを設けることにより、緊急時における被密封流体の機外側への漏洩を確実に防止する。
【解決手段】最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸５側に装着されるフランジ２３の機外側の面と、シールハウジング３の機内側に設けられる熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環保持部２５とを対向するように配設し、該緊急用シール環保持部２５の内周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環２６を設け、緊急用シール環保持部２５と緊急用シール環２６との間に緊急用シール環２６をフランジの機外側の面３０に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴としている。
【解決手段】最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸５側に装着されるフランジ２３の機外側の面と、シールハウジング３の機内側に設けられる熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環保持部２５とを対向するように配設し、該緊急用シール環保持部２５の内周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環２６を設け、緊急用シール環保持部２５と緊急用シール環２６との間に緊急用シール環２６をフランジの機外側の面３０に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に使用されるメカニカルシール用シャットダウンシールに関し、特に、原子炉1次冷却材ポンプの回転軸のシールに好適なメカニカルシール用シャットダウンシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電プラントにおいては、蒸気を発生させる蒸気発生器に炉心から熱を伝えるため、原子炉1次冷却系統が使用されている。そして、蒸気はタービン式発電機を駆動するために用いられる。
図６は、従来の原子炉の冷却系統における複数の冷却ループ５０のうちの１つを概略的に示したものである。冷却ループ５０は、原子炉の炉心５１に閉回路で直列に接続された蒸気発生器５２と、原子炉1次冷却材ポンプ５３とを備えている。
炉心５１から流出する高温の冷却材は、流路５７を経て蒸気発生器５２の入口５４に導かれ、入口５４に連通している１次系管５６に導入される。高温の冷却材は、１次系管５６内において蒸気発生器５２に供給される２次冷却水（図示しない）と熱交換される。２次冷却水は加熱され、その一部がタービン発電機（図示しない）を駆動するため蒸気に変換される。そして、熱交換により温度が下がった１次冷却材は、出口５５から流路５８を介して原子炉1次冷却材ポンプ５３に入り、加圧され、流路５９を通って炉心５１に再循環される。
【０００３】
原子炉1次冷却材ポンプ５３は、多量の冷却材を、高温かつ高圧で閉回路全体に流すことができなければならない。熱交換後に蒸気発生器５２から原子炉1次冷却材ポンプ５３に流れる1次冷却材の温度は、まだ比較的に高く、一般的には約２８８℃（５５０°Ｆ）である。このような温度で1次冷却材を液相で維持するために、1次冷却系統は約１５８ｋｇ／ｃｍ２（２２５０ｐｓｉ）の圧力で作動される。
原子炉1次冷却材ポンプ５３は、縦型単段遠心ポンプであり、基本的には、下部から上部にかけて、水圧部分、軸シール部分及びモータ部分を備えている。
【０００４】
図７は、原子炉1次冷却材ポンプ５３の軸シール部分を示した縦断面図である。
原子炉1次冷却材ポンプ５３のポンプハウジング６０にはシールハウジング６１がボルトで固定され、回転軸６２がポンプハウジング６０の中心を延びるとともにシールハウジング６１内で封止可能に設けられている。回転軸６２の下部部分はインペラー（図示しない）に連結され、上部部分は高出力のモータ（図示しない）に連結されている。ポンプハウジング６０の機内側６３とシールハウジング６１の機外側との間に約１５８ｋｇ／ｃｍ２の圧力差を維持しながら、回転軸６２がシールハウジング６１内で自由に回転し得るように、直列に配置された下部の第１シール装置６５、中間の第２シール装置６６及び上部の第３シール装置６７が、シールハウジング６１内の回転軸６２の周りに設けられている。各シール装置の形式としては種々のものが採用可能であるが、本例では、圧力封止の大部分を行う下部の第１シール装置６５を非接触式とし、第２及び第３シール装置６６、６７を接触式としている。
【０００５】
各シール装置６５、６６、６７は、回転軸６２と共に回転するように取付けられた環状のメイティングリング６８、６９、７０と、シールハウジング６１内に装着された環状のシールリング７１、７２、７３をそれぞれ有している。対をなすメイティングリング６８、６９、７０とシールリング７１、７２、７３とは、それぞれ、互いに対向する上向きの端面と、下向きの端面とを有している。
【０００６】
上記した３つの第１シール装置６５、第２シール装置６６及び第３シール装置６７は、各段階で制御漏洩量を最小とすることができ、また、１次冷却系統からシールリークオフポートへの冷却材の過度の漏洩を防止する。通常の運転において、各シール装置は、１次冷却系統の温度よりも十分に低い温度に維持されるが、これらの系統に理論上考えられる故障ないし損傷が生じた場合、各シール装置は高温にさらされ、各シール装置を故障させる可能性がある。万一、シール装置が故障すると、過度の漏れ率となり、その極限においては、原子炉の炉心に冷却材が行き渡らず、炉心損傷を引き起こす恐れがある。そのため、シール装置をバックアップする手段が必要とされている。
【０００７】
図８は、シール装置が高温にさらされ、封止が万一損なわれた場合のバックアップ手段の一例を示したものである（以下、「従来技術１」という。たとえば、特許文献１参照。）。
この従来技術１では、下部の第１シール装置６５の機外側の位置（図７及び８の符号６４で示す位置）にバックアップ手段を設けたものである。
図８において、回転軸６２にはスリーブ７５が装着され、また、第１シール装置６５のメイティングリング６８がポンプハウジング６０の機内側６３に設けられたホルダー７６によりＯリング７７を介して保持され、さらに、該ホルダー７６は肩リング７８によりＯリング７９を介して保持されている。さらに、肩リング７８は回転軸６２にＯリング７４を介して装着されている。一方、シールリング７１は、機外側に位置して設けられたホルダー８０によりＯリング８２を介して保持され、また、該ホルダー８０は、シールハウジング６１内に固定されたインサート８１の外周面とＯリング８３を介して摺動可能に設けられている。インサート８１の機外側側面とシールハウジング６１内面との間にはＯリング８６が設けられている。
【０００８】
インサート８１は、断面が略Ｌ字型をしており、フランジ部８４に形成された空洞部（図示しない）にバックアップ手段としてのシャットダウンシール８５（二点鎖線で示す）が配設されている。
シャットダウンシール８５は、図示しないが、異常高温に至った際に膨張するワックス、該ワックスにより駆動されるピストン、該ピストンに連結されスペーサ、及び、該スペーサが円周方向の割れ目に挟着されてなるスプリットリングを備えている。
万一、シール装置が高温にさらされた際には、ワックスが膨張してピストンを半径方向外側に駆動し、スプリットリングに挟着されたスペーサをスプリットリングから半径方向外側に引き出す。これにより、スプリットリングが弾性収縮してスリーブ７５の外周面に密着し、機内側６３から機外側への被密封流体の漏洩を防止するようになっている。
【０００９】
なお、従来技術１の他、シール装置部分の温度変化を利用して、被密封流体の漏洩を防止するようにした発明として、特許文献２及び特許文献３に記載のものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０６８６１５号
【特許文献２】特開平２−２６３６９号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０１４０８７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の従来技術１においては、インサート８１の内周部でスプリットリングをスリーブ７５の外周面に密着させてシールするものであるが、異常高温発生の原因の１つとして想定されているＳＢＯ（全電源喪失）を発生させ得る大地震では、シャフトとハウジングの相対振動により、隙間の狭いシャットダウンシールとスリーブ間において接触が生じ、破損する可能性がある。また、スリーブ７５は異常高温の熱及び緊急時の振動により変形され、スリーブ７５とスプリットリングとの間に間隙ができ、該間隙から被密封流体の漏洩が発生するという問題がある。
また、第１シール装置６５には複数個所にＯリング７４、７７、７９、８２、８３、８６が配設されており、異常高温に至った際に、これらのＯリングのシール性が損なわれる可能性がある。万一、シャットダウンシール８５の機内側に位置するＯリング７７、７９、８２及び８３のシール性が損なわれてもシャットダウンシール８５により被密封流体の漏洩は一定程度防止できるが、肩リング７８と回転軸６２との間のＯリング７４、及び、シャットダウンシール８５を装着しているインサート８１とシールハウジング６１との間のＯリング８６が高温にさらされてそのシール性が損なわれると被密封流体の漏洩を防止することができないという問題もある。
なお、上記の特許文献２及び３に記載の発明においても、従来技術１と同様の問題がある。
【００１２】
本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたもので、最も機内側に位置するシールのさらに機内側の位置に、機器の異常高温時においてもシール性が損なわれることのない緊急用のシャットダウンシールを設けることにより、緊急時における被密封流体の機外側への漏洩を確実に防止できるメカニカルシール用シャットダウンシールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第１に、定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの機外側の面と、シールハウジングの機内側に設けられる熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環保持部とを対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の内周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をフランジの機外側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第２に、第１の特徴において、緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の内周に金属Ｏリングを設けることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第３に、第１又は第２の特徴において、緊急用シール環保持部がオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属（例えばＳＵＳ３１６）から形成され、緊急用シール環がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属（例えばＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０）から形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第４に、第１又は第２の特徴において、緊急用シール環保持部の内周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の外周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、緊急用シール環はインバーから形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第５に、第１ないし第４のいずれか１つの特徴において、緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第６に、定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの外周側に設けられる熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環保持部と、シールハウジングの機内側に突出する突出部とが対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の外周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をシールハウジングの機内側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第７に、第６の特徴において、緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の外周に金属Ｏリングを設けることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第８に、第６又は第７の特徴において、緊急用シール環保持部がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属（例えばＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０）から形成され、緊急用シール環がオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属（例えばＳＵＳ３１６）から形成され、シールハウジングの機内側に突出する突出部がオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属（例えばＳＵＳ３１６）から形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第９に、第６又は第７の特徴において、緊急用シール環保持部の外周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の内周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はインバーから形成され、緊急用シール環はオーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第１０に、第６ないし第９のいずれか１つの特徴において、緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールにおいて、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に異常高温により作動する緊急用シール手段を設けることにより、メカニカルシールの機内側において遮断が行われるので、被密封流体の機外側への漏洩を確実に防止することができる。
（２）遮断時には、緊急用シール環の裏面に機内側の圧力が作用し、差圧により緊急用シール環には遮断する方向の力が作用されるため、より一層の遮断効果を発揮することができる。
（３）緊急用シール環保持部に設けられる金属Ｏリングは耐熱性を有するので、異常高温時においても、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
（４）緊急用シール環保持部と緊急用シール環との係合が凹凸形状によりなされることにより、シャットダウンシールの作動する条件が精度よく設定でき、また、シャットダウンシールの誤作動を防止でき、さらに、固着による作動不良を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
【図２】図１のＡ部を示すもので、シャットダウン時の状態を示している。
【図３】本発明の実施の形態２に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
【図４】図３のＢ部を示すもので、シャットダウン時の状態を示している。
【図５】本発明の実施の形態３に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分の要部を示した縦断面図であって、（ａ）は通常の運転状態を、（ｂ）はシャットダウン時の状態を示している。
【図６】従来の原子炉の冷却系統における複数の冷却ループのうちの１つを概略的に示した説明図である。
【図７】従来技術１の原子炉冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図である。
【図８】従来技術１のシャットダウンシールを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００２０】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分１を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
原子炉１次冷却材ポンプのポンプハウジング２にはシールハウジング３がボルト４で固定され、回転軸５がポンプハウジング２の中心を上向きに延びるとともにシールハウジング３内で封止可能に設けられている。回転軸５の下部部分はインペラー（図示しない）に連結され、上部部分は高出力のモータ（図示しない）に連結されている。ポンプハウジング２の機内側６とシールハウジング３の機外側との間に約１５８ｋｇ／ｃｍ２の圧力差を維持しながら、回転軸５がシールハウジング３内で自由に回転し得るように、直列に配置された下部の第１シール装置７、中間の第２シール装置８及び上部の第３シール装置９が、シールハウジング３内の回転軸５の周りに設けられている。各シール装置の形式は種々のものが採用可能であるが、本例では、圧力封止の大部分を行う下部の第１シール装置７を非接触式とし、第２及び第３シール装置８、９を接触式としている。
【００２１】
各シール装置７、８、９は、回転軸５と共に回転するように取付けられた回転側密封要素であるところのメイティングリング１０、１１、１２と、シールハウジング３側に装着された静止側密封要素であるところのシールリング１３、１４、１５をそれぞれ有している。対をなすメイティングリング１０、１１、１２とシールリング１３、１４、１５とは、それぞれ、互いに対向する上向きの端面１６、１７、１８と、下向きの端面１９、２０、２１とを有している。
また、各シール装置７、８、９には、ニトリルゴムやＥＰＤＭなどのゴムあるいは樹脂などから作製された多数のＯリング４０が装着されている。
【００２２】
上記３つのシール装置のうち、機内側６に最も近い位置に装着された第１シール装置７は、そのメイティングリング１０が回転軸５に装着されたカラー２２により機内側６から支持されるようになっている。カラー２２のさらに機内側６には、メイティングリング１０及びカラー２２を固定するためのフランジ２３が回転軸５に設けられている。フランジ２３の外径は、後記するシールハウジング３の緊急用シール環保持部２５に対向できるように拡大されている。
【００２３】
シールハウジング３の機内側は延長され、緊急用シール環保持部２５が形成される。緊急用シール環保持部２５の内周には、断面略Ｌ字状の緊急用シール環２６が圧入により嵌合され、固定されている。緊急用シール環２６が固定される緊急用シール環保持部２５の内周に金属Ｏリング２７が設けられる。緊急用シール環２６の外向きのフランジ部２８のフランジ２３に対向する面２９は、緊急時にフランジ２３の機外側の面３０に接触させられシール面を形成するものであり、シール面２９にはリング状突起３１が設けられている。
また、緊急用シール環保持部２５と緊急用シール環２６との間には緊急用シール環２６をフランジ２３の機外側の面３０に押圧するコイルスプリング３２が設けられる。
シールハウジング３の機内側の緊急用シール環保持部２５はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から形成される。緊急用シール環保持部２５がシールハウジング３と一体に形成される場合には、シールハウジング３全体をオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６で形成することになるが、緊急用シール環保持部２５を別体として形成してもよい。
一方、緊急用シール環２６は、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属、例えば、ＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０から形成される。
【００２４】
通常の冷却系統の作動温度下では緊急用シール環２６が作動されないように、緊急用シール環２６の外径は緊急用シール環保持部２５の内径より一定のしめ代分だけ大きく設定されている。
緊急用シール環保持部２５に緊急用シール環２６を嵌合し、固定するには、まず、緊急用シール環保持部２５に金属Ｏリング２７及びコイルスプリング３２をセットする。次に、緊急用シール環保持部２５に加熱手段を装着して、緊急用シール環２６の外径より緊急用シール環保持部２５の内径の方が大きくなるまで加熱する。その後、緊急用シール環２６を圧入する。
【００２５】
図２は、図１のＡ部を示したもので、シャットダウン時の状態を示している。
原子炉冷却材ポンプに流れる冷却材の通常の温度は、一般的には約２８８℃であり、緊急用シール環２６は図１の状態に維持されている。
冷却系統に故障ないし損傷が生じた場合、各シール装置７、８、９は異常高温にさらされ、各シール装置を故障させる可能性がある。
今、 各シール装置が異常高温にさらされた場合、緊急用シール環保持部２５及び緊急用シール環２６も異常高温となり、熱膨張率の大きい材料で作製された緊急用シール環保持部２５は、熱膨張率の小さい材料で作製された緊急用シール環２６より径方向においても膨張し、両者の嵌合部に隙間が形成される。この隙間の形成により、緊急用シール環保持部２５の内周と緊急用シール環２６の外周との間の摩擦力よりコイルスプリング３２の弾発力が大きくなると、緊急用シール環２６は機内側６に向けて瞬時に押し出され、フランジ２３の機外側の面３０に押圧される。
【００２６】
緊急用シール環２６のフランジ２３に対向する面２９とフランジ２３の機外側の面３０との接触により、第１シール装置７、中間の第２シール装置８及び上部の第３シール装置９よりも機内側６において遮断が行われるので、被密封流体の機外側への漏洩を防止することができる。
また、遮断時には、緊急用シール環２６の裏面に機内側の圧力が作用し、差圧により緊急用シール環２６には閉じる方向の力が作用される。
さらに、緊急用シール環保持部２５の内周に設けられる金属Ｏリング２７は耐熱性を有するので、異常高温時においても、緊急用シール環保持部２５の内周と緊急用シール環２６の外周との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
【００２７】
〔実施の形態２〕
図３は、本発明の実施の形態２に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
図３において、図１の符号と同じ符号は図１と同じ部材を示しており、詳しい説明は省略する。
【００２８】
図３において、機内側６に最も近い位置に装着された第１シール装置７は、そのメイティングリング１０が回転軸５に装着されたリテーナ２２により機内側６から支持されるようになっている。リテーナ２２のさらに機内側６には、メイティングリング１０及びリテーナ２２を固定するためのフランジ２３が回転軸５に設けられている。フランジ２３の外周側には、緊急用シール環保持部３３が設けられる。該緊急用シール環保持部３３は熱膨張率の小さい材料から作製されるもので、フランジ２３と一体的、あるいは、別体で形成されてもよい。緊急用シール環保持部３３の外周には、熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環３４が嵌合、固定されている。緊急用シール環３４は、断面略Ｌ字状をしており、緊急用シール環３４のフランジ部３５と緊急用シール環保持部３３との間には緊急用シール環３４の機外側の面３７をシールハウジング３の機内側に突出する突出部３６の機内側の面３８に押圧するコイルスプリング３２が設けられている。
【００２９】
緊急用シール環保持部３３はマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属、例えば、ＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０から作製され、緊急用シール環３４はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から作製され、シールハウジングの機内側に突出する突出部３６はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から作製される。
緊急用シール環３４が固定される緊急用シール環保持部３３の外周には金属Ｏリング２７が設けられる。また、緊急用シール環３４の機外側の面３７には、シールハウジング３の突出部３６の機内側の面３８と接触する位置にリング状突起３１が設けられる。
【００３０】
通常の冷却系統の温度下では緊急用シール環３４が作動されないように、緊急用シール環３４の内径は緊急用シール環保持部３３の外径より一定のしめ代分だけ小さく設定されている。
緊急用シール環保持部３３に緊急用シール環３４を嵌合し、固定するには、まず、緊急用シール環保持部３３に金属Ｏリング２７及びコイルスプリング３２をセットする。次に、緊急用シール環３４に加熱手段を装着して、緊急用シール環保持部３３の外径より緊急用シール環３４の内径の方が大きくなるまで加熱する。その後、緊急用シール環３４を圧入する。
【００３１】
図４は、図３のＢ部を示したもので、シャットダウン時の状態を示している。
今、 各シール装置が異常高温にさらされた場合、緊急用シール環保持部３３及び緊急用シール環３４も異常高温となり、熱膨張率の大きい材料で作製された緊急用シール環３４は、熱膨張率の小さい材料で作製された緊急用シール環保持部３３より径方向においても膨張し、両者の嵌合部に隙間が形成される。この隙間の形成により、緊急用シール環保持部３３の外周と緊急用シール環３４の内周との間の摩擦力よりコイルスプリング３２の弾発力が大きくなると、緊急用シール環３４は機外側に向けて瞬時に押し出され、シールハウジング３の突出部３６の機内側の面３８に押圧される。
【００３２】
緊急用シール環３４の機外側の面３７とシールハウジング３の突出部３６の機内側の面３８との接触により、第１シール装置７、中間の第２シール装置８及び上部の第３シール装置９よりも機内側６において遮断が行われるので、被密封流体の機外側への漏洩を防止することができる。
また、遮断時には、緊急用シール環３４の裏面に機内側の圧力が作用し、差圧により緊急用シール環３４には遮断する方向の力が作用される。
さらに、緊急用シール環保持部３３の外周に設けられる金属Ｏリング２７は耐熱性を有するので、異常高温時においても、緊急用シール環保持部３３の外周と緊急用シール環３４の内周との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
【００３３】
〔実施の形態３〕
図５は、本発明の実施の形態３に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分の要部を示した縦断面図であって、（ａ）は通常の運転状態を、（ｂ）はシャットダウン時の状態を示している。
実施の形態３は、実施の形態１及び実施の形態２の緊急用シール環及び緊急用シール環保持部のうち、径方向において内径側に位置する部材を熱膨張係数の小さいインバー（不変鋼）より形成するとともに、両者の係合面を凹凸形状にした点（以下「変更点」という。）で実施の形態１及び実施の形態２と相違するが、それ以外は実施の形態１及び実施の形態２と同じである。
図５では、実施の形態１に変更点を適用した場合を示しており、図１の符号と同じ符号は図１と同じ部材を示しており、詳しい説明は省略する。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、緊急用シール環保持部２５の内周には、断面略Ｌ字状の緊急用シール環２６が圧入により嵌合され固定されるが、緊急用シール環保持部２５の内周の上部には凹部３９が形成され、また、緊急用シール環２６の外周の上部には凹部３９に嵌合するように凸部４１が形成されている。緊急用シール環保持部２５はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から形成される。一方、緊急用シール環２６は、熱膨張係数の小さな金属、例えば、インバーから形成されている。
実施の形態１では、通常の冷却系統の作動温度下では緊急用シール環２６が作動されないように、緊急用シール環２６の外径は緊急用シール環保持部２５の内径より一定のしめ代分だけ大きく設定されているが、本実施の形態３では、緊急用シール環保持部２５の凹部３９と緊急用シール環２６の凸部４１とが段部により係合するため、実施の形態１のように、しめ代を設ける必要はない。
【００３５】
緊急用シール環保持部２５に緊急用シール環２６を嵌合し、固定するには、まず、緊急用シール環保持部２５に金属Ｏリング２７及びコイルスプリング３２をセットする。次に、緊急用シール環保持部２５に加熱手段を装着して、緊急用シール環２６の凸部４１の外径より緊急用シール環保持部２５の内径の方が大きくなるまで加熱する。その後、緊急用シール環２６を挿入し、緊急用シール環保持部２５の凹部３９に緊急用シール環２６の凸部４１を嵌合する。
【００３６】
図５（ｂ）は、シャットダウン時の状態を示している。
今、 緊急用シール環保持部２５及び緊急用シール環２６が異常高温にさらされた場合、熱膨張率の大きい材料で作製された緊急用シール環保持部２５は、熱膨張率の小さい材料で作製された緊急用シール環２６より径方向においても膨張し、緊急用シール環保持部２５の内径が緊急用シール環２６の凸部４１の外径よりわずかに大きくなる。この状態においては、緊急用シール環保持部２５の凹部３９と緊急用シール環２６の凸部４１の係合は解除され、コイルスプリング３２の弾発力により、緊急用シール環２６は機内側６に向けて瞬時に押し出され、フランジ２３の機外側の面３０に押圧される。この状態では、緊急用シール環２６の凸部４１が金属Ｏリング２７に当接し、緊急用シール環保持部２５の内周と緊急用シール環２６の外周との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
【００３７】
このように、本例では、緊急用シール環保持部２５と緊急用シール環２６との係合が凹凸形状によりなされるため、焼き嵌めによる係合に比べてシャットダウンシールの作動する条件が精度よく設定できる。また、シャットダウンシールの誤作動を防止できる。さらに、焼き嵌めによる係合におけるような固着による作動不良を防止できるという効果を奏する。
【００３８】
上記においては、実施の形態１に変更点を適用した場合について説明しているが、実施の形態２における緊急用シール環保持部３３の外周に凹部を形成し、緊急用シール環３４の内周に凸部を形成することにより、実施の形態１に変更点を適用した場合と同様のものが得られることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１ 原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分
２ ポンプハウジング
３ シールハウジング
４ ボルト
５ 回転軸
６ 機内側
７ 第１シール装置
８ 第２シール装置
９ 第３シール装置
１０ メイティングリング
１１ メイティングリング
１２ メイティングリング
１３ シールリング
１４ シールリング
１５ シールリング
１６ メイティングリングの上向きの端面
１７ メイティングリングの上向きの端面
１８ メイティングリングの上向きの端面
１９ シールリングの下向きの端面
２０ シールリングの下向きの端面
２１ シールリングの下向きの端面
２２ リテーナ
２３ フランジ
２５ 緊急用シール環保持部
２６ 緊急用シール環
２７ 金属Ｏリング
２８ 緊急用シール環のフランジ部
２９ 緊急用シール環のフランジに対向する面
３０ フランジの機外側の面
３１ リング状突起
３２ コイルスプリング
３３ 緊急用シール環保持部
３４ 緊急用シール環
３５ 緊急用シール環のフランジ部
３６ シールハウジング３突出部
３７ 緊急用シール環の機外側の面
３８ シールハウジングの突出部の機内側の面
３９ 緊急用シール環保持部の凹部
４０ Ｏリング
４１ 緊急用シール環の凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に使用されるメカニカルシール用シャットダウンシールに関し、特に、原子炉1次冷却材ポンプの回転軸のシールに好適なメカニカルシール用シャットダウンシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電プラントにおいては、蒸気を発生させる蒸気発生器に炉心から熱を伝えるため、原子炉1次冷却系統が使用されている。そして、蒸気はタービン式発電機を駆動するために用いられる。
図６は、従来の原子炉の冷却系統における複数の冷却ループ５０のうちの１つを概略的に示したものである。冷却ループ５０は、原子炉の炉心５１に閉回路で直列に接続された蒸気発生器５２と、原子炉1次冷却材ポンプ５３とを備えている。
炉心５１から流出する高温の冷却材は、流路５７を経て蒸気発生器５２の入口５４に導かれ、入口５４に連通している１次系管５６に導入される。高温の冷却材は、１次系管５６内において蒸気発生器５２に供給される２次冷却水（図示しない）と熱交換される。２次冷却水は加熱され、その一部がタービン発電機（図示しない）を駆動するため蒸気に変換される。そして、熱交換により温度が下がった１次冷却材は、出口５５から流路５８を介して原子炉1次冷却材ポンプ５３に入り、加圧され、流路５９を通って炉心５１に再循環される。
【０００３】
原子炉1次冷却材ポンプ５３は、多量の冷却材を、高温かつ高圧で閉回路全体に流すことができなければならない。熱交換後に蒸気発生器５２から原子炉1次冷却材ポンプ５３に流れる1次冷却材の温度は、まだ比較的に高く、一般的には約２８８℃（５５０°Ｆ）である。このような温度で1次冷却材を液相で維持するために、1次冷却系統は約１５８ｋｇ／ｃｍ２（２２５０ｐｓｉ）の圧力で作動される。
原子炉1次冷却材ポンプ５３は、縦型単段遠心ポンプであり、基本的には、下部から上部にかけて、水圧部分、軸シール部分及びモータ部分を備えている。
【０００４】
図７は、原子炉1次冷却材ポンプ５３の軸シール部分を示した縦断面図である。
原子炉1次冷却材ポンプ５３のポンプハウジング６０にはシールハウジング６１がボルトで固定され、回転軸６２がポンプハウジング６０の中心を延びるとともにシールハウジング６１内で封止可能に設けられている。回転軸６２の下部部分はインペラー（図示しない）に連結され、上部部分は高出力のモータ（図示しない）に連結されている。ポンプハウジング６０の機内側６３とシールハウジング６１の機外側との間に約１５８ｋｇ／ｃｍ２の圧力差を維持しながら、回転軸６２がシールハウジング６１内で自由に回転し得るように、直列に配置された下部の第１シール装置６５、中間の第２シール装置６６及び上部の第３シール装置６７が、シールハウジング６１内の回転軸６２の周りに設けられている。各シール装置の形式としては種々のものが採用可能であるが、本例では、圧力封止の大部分を行う下部の第１シール装置６５を非接触式とし、第２及び第３シール装置６６、６７を接触式としている。
【０００５】
各シール装置６５、６６、６７は、回転軸６２と共に回転するように取付けられた環状のメイティングリング６８、６９、７０と、シールハウジング６１内に装着された環状のシールリング７１、７２、７３をそれぞれ有している。対をなすメイティングリング６８、６９、７０とシールリング７１、７２、７３とは、それぞれ、互いに対向する上向きの端面と、下向きの端面とを有している。
【０００６】
上記した３つの第１シール装置６５、第２シール装置６６及び第３シール装置６７は、各段階で制御漏洩量を最小とすることができ、また、１次冷却系統からシールリークオフポートへの冷却材の過度の漏洩を防止する。通常の運転において、各シール装置は、１次冷却系統の温度よりも十分に低い温度に維持されるが、これらの系統に理論上考えられる故障ないし損傷が生じた場合、各シール装置は高温にさらされ、各シール装置を故障させる可能性がある。万一、シール装置が故障すると、過度の漏れ率となり、その極限においては、原子炉の炉心に冷却材が行き渡らず、炉心損傷を引き起こす恐れがある。そのため、シール装置をバックアップする手段が必要とされている。
【０００７】
図８は、シール装置が高温にさらされ、封止が万一損なわれた場合のバックアップ手段の一例を示したものである（以下、「従来技術１」という。たとえば、特許文献１参照。）。
この従来技術１では、下部の第１シール装置６５の機外側の位置（図７及び８の符号６４で示す位置）にバックアップ手段を設けたものである。
図８において、回転軸６２にはスリーブ７５が装着され、また、第１シール装置６５のメイティングリング６８がポンプハウジング６０の機内側６３に設けられたホルダー７６によりＯリング７７を介して保持され、さらに、該ホルダー７６は肩リング７８によりＯリング７９を介して保持されている。さらに、肩リング７８は回転軸６２にＯリング７４を介して装着されている。一方、シールリング７１は、機外側に位置して設けられたホルダー８０によりＯリング８２を介して保持され、また、該ホルダー８０は、シールハウジング６１内に固定されたインサート８１の外周面とＯリング８３を介して摺動可能に設けられている。インサート８１の機外側側面とシールハウジング６１内面との間にはＯリング８６が設けられている。
【０００８】
インサート８１は、断面が略Ｌ字型をしており、フランジ部８４に形成された空洞部（図示しない）にバックアップ手段としてのシャットダウンシール８５（二点鎖線で示す）が配設されている。
シャットダウンシール８５は、図示しないが、異常高温に至った際に膨張するワックス、該ワックスにより駆動されるピストン、該ピストンに連結されスペーサ、及び、該スペーサが円周方向の割れ目に挟着されてなるスプリットリングを備えている。
万一、シール装置が高温にさらされた際には、ワックスが膨張してピストンを半径方向外側に駆動し、スプリットリングに挟着されたスペーサをスプリットリングから半径方向外側に引き出す。これにより、スプリットリングが弾性収縮してスリーブ７５の外周面に密着し、機内側６３から機外側への被密封流体の漏洩を防止するようになっている。
【０００９】
なお、従来技術１の他、シール装置部分の温度変化を利用して、被密封流体の漏洩を防止するようにした発明として、特許文献２及び特許文献３に記載のものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０６８６１５号
【特許文献２】特開平２−２６３６９号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０１４０８７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の従来技術１においては、インサート８１の内周部でスプリットリングをスリーブ７５の外周面に密着させてシールするものであるが、異常高温発生の原因の１つとして想定されているＳＢＯ（全電源喪失）を発生させ得る大地震では、シャフトとハウジングの相対振動により、隙間の狭いシャットダウンシールとスリーブ間において接触が生じ、破損する可能性がある。また、スリーブ７５は異常高温の熱及び緊急時の振動により変形され、スリーブ７５とスプリットリングとの間に間隙ができ、該間隙から被密封流体の漏洩が発生するという問題がある。
また、第１シール装置６５には複数個所にＯリング７４、７７、７９、８２、８３、８６が配設されており、異常高温に至った際に、これらのＯリングのシール性が損なわれる可能性がある。万一、シャットダウンシール８５の機内側に位置するＯリング７７、７９、８２及び８３のシール性が損なわれてもシャットダウンシール８５により被密封流体の漏洩は一定程度防止できるが、肩リング７８と回転軸６２との間のＯリング７４、及び、シャットダウンシール８５を装着しているインサート８１とシールハウジング６１との間のＯリング８６が高温にさらされてそのシール性が損なわれると被密封流体の漏洩を防止することができないという問題もある。
なお、上記の特許文献２及び３に記載の発明においても、従来技術１と同様の問題がある。
【００１２】
本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたもので、最も機内側に位置するシールのさらに機内側の位置に、機器の異常高温時においてもシール性が損なわれることのない緊急用のシャットダウンシールを設けることにより、緊急時における被密封流体の機外側への漏洩を確実に防止できるメカニカルシール用シャットダウンシールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第１に、定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの機外側の面と、シールハウジングの機内側に設けられる熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環保持部とを対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の内周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をフランジの機外側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第２に、第１の特徴において、緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の内周に金属Ｏリングを設けることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第３に、第１又は第２の特徴において、緊急用シール環保持部がオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属（例えばＳＵＳ３１６）から形成され、緊急用シール環がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属（例えばＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０）から形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第４に、第１又は第２の特徴において、緊急用シール環保持部の内周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の外周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、緊急用シール環はインバーから形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第５に、第１ないし第４のいずれか１つの特徴において、緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第６に、定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの外周側に設けられる熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環保持部と、シールハウジングの機内側に突出する突出部とが対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の外周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をシールハウジングの機内側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明のメカニカルシール用シャットダウンシールは、第７に、第６の特徴において、緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の外周に金属Ｏリングを設けることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第８に、第６又は第７の特徴において、緊急用シール環保持部がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属（例えばＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０）から形成され、緊急用シール環がオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属（例えばＳＵＳ３１６）から形成され、シールハウジングの機内側に突出する突出部がオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属（例えばＳＵＳ３１６）から形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第９に、第６又は第７の特徴において、緊急用シール環保持部の外周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の内周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はインバーから形成され、緊急用シール環はオーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第１０に、第６ないし第９のいずれか１つの特徴において、緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールにおいて、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に異常高温により作動する緊急用シール手段を設けることにより、メカニカルシールの機内側において遮断が行われるので、被密封流体の機外側への漏洩を確実に防止することができる。
（２）遮断時には、緊急用シール環の裏面に機内側の圧力が作用し、差圧により緊急用シール環には遮断する方向の力が作用されるため、より一層の遮断効果を発揮することができる。
（３）緊急用シール環保持部に設けられる金属Ｏリングは耐熱性を有するので、異常高温時においても、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
（４）緊急用シール環保持部と緊急用シール環との係合が凹凸形状によりなされることにより、シャットダウンシールの作動する条件が精度よく設定でき、また、シャットダウンシールの誤作動を防止でき、さらに、固着による作動不良を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
【図２】図１のＡ部を示すもので、シャットダウン時の状態を示している。
【図３】本発明の実施の形態２に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
【図４】図３のＢ部を示すもので、シャットダウン時の状態を示している。
【図５】本発明の実施の形態３に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分の要部を示した縦断面図であって、（ａ）は通常の運転状態を、（ｂ）はシャットダウン時の状態を示している。
【図６】従来の原子炉の冷却系統における複数の冷却ループのうちの１つを概略的に示した説明図である。
【図７】従来技術１の原子炉冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図である。
【図８】従来技術１のシャットダウンシールを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００２０】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分１を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
原子炉１次冷却材ポンプのポンプハウジング２にはシールハウジング３がボルト４で固定され、回転軸５がポンプハウジング２の中心を上向きに延びるとともにシールハウジング３内で封止可能に設けられている。回転軸５の下部部分はインペラー（図示しない）に連結され、上部部分は高出力のモータ（図示しない）に連結されている。ポンプハウジング２の機内側６とシールハウジング３の機外側との間に約１５８ｋｇ／ｃｍ２の圧力差を維持しながら、回転軸５がシールハウジング３内で自由に回転し得るように、直列に配置された下部の第１シール装置７、中間の第２シール装置８及び上部の第３シール装置９が、シールハウジング３内の回転軸５の周りに設けられている。各シール装置の形式は種々のものが採用可能であるが、本例では、圧力封止の大部分を行う下部の第１シール装置７を非接触式とし、第２及び第３シール装置８、９を接触式としている。
【００２１】
各シール装置７、８、９は、回転軸５と共に回転するように取付けられた回転側密封要素であるところのメイティングリング１０、１１、１２と、シールハウジング３側に装着された静止側密封要素であるところのシールリング１３、１４、１５をそれぞれ有している。対をなすメイティングリング１０、１１、１２とシールリング１３、１４、１５とは、それぞれ、互いに対向する上向きの端面１６、１７、１８と、下向きの端面１９、２０、２１とを有している。
また、各シール装置７、８、９には、ニトリルゴムやＥＰＤＭなどのゴムあるいは樹脂などから作製された多数のＯリング４０が装着されている。
【００２２】
上記３つのシール装置のうち、機内側６に最も近い位置に装着された第１シール装置７は、そのメイティングリング１０が回転軸５に装着されたカラー２２により機内側６から支持されるようになっている。カラー２２のさらに機内側６には、メイティングリング１０及びカラー２２を固定するためのフランジ２３が回転軸５に設けられている。フランジ２３の外径は、後記するシールハウジング３の緊急用シール環保持部２５に対向できるように拡大されている。
【００２３】
シールハウジング３の機内側は延長され、緊急用シール環保持部２５が形成される。緊急用シール環保持部２５の内周には、断面略Ｌ字状の緊急用シール環２６が圧入により嵌合され、固定されている。緊急用シール環２６が固定される緊急用シール環保持部２５の内周に金属Ｏリング２７が設けられる。緊急用シール環２６の外向きのフランジ部２８のフランジ２３に対向する面２９は、緊急時にフランジ２３の機外側の面３０に接触させられシール面を形成するものであり、シール面２９にはリング状突起３１が設けられている。
また、緊急用シール環保持部２５と緊急用シール環２６との間には緊急用シール環２６をフランジ２３の機外側の面３０に押圧するコイルスプリング３２が設けられる。
シールハウジング３の機内側の緊急用シール環保持部２５はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から形成される。緊急用シール環保持部２５がシールハウジング３と一体に形成される場合には、シールハウジング３全体をオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６で形成することになるが、緊急用シール環保持部２５を別体として形成してもよい。
一方、緊急用シール環２６は、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属、例えば、ＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０から形成される。
【００２４】
通常の冷却系統の作動温度下では緊急用シール環２６が作動されないように、緊急用シール環２６の外径は緊急用シール環保持部２５の内径より一定のしめ代分だけ大きく設定されている。
緊急用シール環保持部２５に緊急用シール環２６を嵌合し、固定するには、まず、緊急用シール環保持部２５に金属Ｏリング２７及びコイルスプリング３２をセットする。次に、緊急用シール環保持部２５に加熱手段を装着して、緊急用シール環２６の外径より緊急用シール環保持部２５の内径の方が大きくなるまで加熱する。その後、緊急用シール環２６を圧入する。
【００２５】
図２は、図１のＡ部を示したもので、シャットダウン時の状態を示している。
原子炉冷却材ポンプに流れる冷却材の通常の温度は、一般的には約２８８℃であり、緊急用シール環２６は図１の状態に維持されている。
冷却系統に故障ないし損傷が生じた場合、各シール装置７、８、９は異常高温にさらされ、各シール装置を故障させる可能性がある。
今、 各シール装置が異常高温にさらされた場合、緊急用シール環保持部２５及び緊急用シール環２６も異常高温となり、熱膨張率の大きい材料で作製された緊急用シール環保持部２５は、熱膨張率の小さい材料で作製された緊急用シール環２６より径方向においても膨張し、両者の嵌合部に隙間が形成される。この隙間の形成により、緊急用シール環保持部２５の内周と緊急用シール環２６の外周との間の摩擦力よりコイルスプリング３２の弾発力が大きくなると、緊急用シール環２６は機内側６に向けて瞬時に押し出され、フランジ２３の機外側の面３０に押圧される。
【００２６】
緊急用シール環２６のフランジ２３に対向する面２９とフランジ２３の機外側の面３０との接触により、第１シール装置７、中間の第２シール装置８及び上部の第３シール装置９よりも機内側６において遮断が行われるので、被密封流体の機外側への漏洩を防止することができる。
また、遮断時には、緊急用シール環２６の裏面に機内側の圧力が作用し、差圧により緊急用シール環２６には閉じる方向の力が作用される。
さらに、緊急用シール環保持部２５の内周に設けられる金属Ｏリング２７は耐熱性を有するので、異常高温時においても、緊急用シール環保持部２５の内周と緊急用シール環２６の外周との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
【００２７】
〔実施の形態２〕
図３は、本発明の実施の形態２に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分を示した縦断面図であって、通常の運転状態を示している。
図３において、図１の符号と同じ符号は図１と同じ部材を示しており、詳しい説明は省略する。
【００２８】
図３において、機内側６に最も近い位置に装着された第１シール装置７は、そのメイティングリング１０が回転軸５に装着されたリテーナ２２により機内側６から支持されるようになっている。リテーナ２２のさらに機内側６には、メイティングリング１０及びリテーナ２２を固定するためのフランジ２３が回転軸５に設けられている。フランジ２３の外周側には、緊急用シール環保持部３３が設けられる。該緊急用シール環保持部３３は熱膨張率の小さい材料から作製されるもので、フランジ２３と一体的、あるいは、別体で形成されてもよい。緊急用シール環保持部３３の外周には、熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環３４が嵌合、固定されている。緊急用シール環３４は、断面略Ｌ字状をしており、緊急用シール環３４のフランジ部３５と緊急用シール環保持部３３との間には緊急用シール環３４の機外側の面３７をシールハウジング３の機内側に突出する突出部３６の機内側の面３８に押圧するコイルスプリング３２が設けられている。
【００２９】
緊急用シール環保持部３３はマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金など比較的熱膨張係数の小さな金属、例えば、ＳＵＳ４０３又はＴＦ３４０から作製され、緊急用シール環３４はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から作製され、シールハウジングの機内側に突出する突出部３６はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から作製される。
緊急用シール環３４が固定される緊急用シール環保持部３３の外周には金属Ｏリング２７が設けられる。また、緊急用シール環３４の機外側の面３７には、シールハウジング３の突出部３６の機内側の面３８と接触する位置にリング状突起３１が設けられる。
【００３０】
通常の冷却系統の温度下では緊急用シール環３４が作動されないように、緊急用シール環３４の内径は緊急用シール環保持部３３の外径より一定のしめ代分だけ小さく設定されている。
緊急用シール環保持部３３に緊急用シール環３４を嵌合し、固定するには、まず、緊急用シール環保持部３３に金属Ｏリング２７及びコイルスプリング３２をセットする。次に、緊急用シール環３４に加熱手段を装着して、緊急用シール環保持部３３の外径より緊急用シール環３４の内径の方が大きくなるまで加熱する。その後、緊急用シール環３４を圧入する。
【００３１】
図４は、図３のＢ部を示したもので、シャットダウン時の状態を示している。
今、 各シール装置が異常高温にさらされた場合、緊急用シール環保持部３３及び緊急用シール環３４も異常高温となり、熱膨張率の大きい材料で作製された緊急用シール環３４は、熱膨張率の小さい材料で作製された緊急用シール環保持部３３より径方向においても膨張し、両者の嵌合部に隙間が形成される。この隙間の形成により、緊急用シール環保持部３３の外周と緊急用シール環３４の内周との間の摩擦力よりコイルスプリング３２の弾発力が大きくなると、緊急用シール環３４は機外側に向けて瞬時に押し出され、シールハウジング３の突出部３６の機内側の面３８に押圧される。
【００３２】
緊急用シール環３４の機外側の面３７とシールハウジング３の突出部３６の機内側の面３８との接触により、第１シール装置７、中間の第２シール装置８及び上部の第３シール装置９よりも機内側６において遮断が行われるので、被密封流体の機外側への漏洩を防止することができる。
また、遮断時には、緊急用シール環３４の裏面に機内側の圧力が作用し、差圧により緊急用シール環３４には遮断する方向の力が作用される。
さらに、緊急用シール環保持部３３の外周に設けられる金属Ｏリング２７は耐熱性を有するので、異常高温時においても、緊急用シール環保持部３３の外周と緊急用シール環３４の内周との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
【００３３】
〔実施の形態３〕
図５は、本発明の実施の形態３に係るメカニカルシール用シャットダウンシールを装着した原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分の要部を示した縦断面図であって、（ａ）は通常の運転状態を、（ｂ）はシャットダウン時の状態を示している。
実施の形態３は、実施の形態１及び実施の形態２の緊急用シール環及び緊急用シール環保持部のうち、径方向において内径側に位置する部材を熱膨張係数の小さいインバー（不変鋼）より形成するとともに、両者の係合面を凹凸形状にした点（以下「変更点」という。）で実施の形態１及び実施の形態２と相違するが、それ以外は実施の形態１及び実施の形態２と同じである。
図５では、実施の形態１に変更点を適用した場合を示しており、図１の符号と同じ符号は図１と同じ部材を示しており、詳しい説明は省略する。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、緊急用シール環保持部２５の内周には、断面略Ｌ字状の緊急用シール環２６が圧入により嵌合され固定されるが、緊急用シール環保持部２５の内周の上部には凹部３９が形成され、また、緊急用シール環２６の外周の上部には凹部３９に嵌合するように凸部４１が形成されている。緊急用シール環保持部２５はオーステナイト系ステンレス鋼などの比較的熱膨張係数の大きな金属、例えば、ＳＵＳ３１６から形成される。一方、緊急用シール環２６は、熱膨張係数の小さな金属、例えば、インバーから形成されている。
実施の形態１では、通常の冷却系統の作動温度下では緊急用シール環２６が作動されないように、緊急用シール環２６の外径は緊急用シール環保持部２５の内径より一定のしめ代分だけ大きく設定されているが、本実施の形態３では、緊急用シール環保持部２５の凹部３９と緊急用シール環２６の凸部４１とが段部により係合するため、実施の形態１のように、しめ代を設ける必要はない。
【００３５】
緊急用シール環保持部２５に緊急用シール環２６を嵌合し、固定するには、まず、緊急用シール環保持部２５に金属Ｏリング２７及びコイルスプリング３２をセットする。次に、緊急用シール環保持部２５に加熱手段を装着して、緊急用シール環２６の凸部４１の外径より緊急用シール環保持部２５の内径の方が大きくなるまで加熱する。その後、緊急用シール環２６を挿入し、緊急用シール環保持部２５の凹部３９に緊急用シール環２６の凸部４１を嵌合する。
【００３６】
図５（ｂ）は、シャットダウン時の状態を示している。
今、 緊急用シール環保持部２５及び緊急用シール環２６が異常高温にさらされた場合、熱膨張率の大きい材料で作製された緊急用シール環保持部２５は、熱膨張率の小さい材料で作製された緊急用シール環２６より径方向においても膨張し、緊急用シール環保持部２５の内径が緊急用シール環２６の凸部４１の外径よりわずかに大きくなる。この状態においては、緊急用シール環保持部２５の凹部３９と緊急用シール環２６の凸部４１の係合は解除され、コイルスプリング３２の弾発力により、緊急用シール環２６は機内側６に向けて瞬時に押し出され、フランジ２３の機外側の面３０に押圧される。この状態では、緊急用シール環２６の凸部４１が金属Ｏリング２７に当接し、緊急用シール環保持部２５の内周と緊急用シール環２６の外周との二次シールとしての機能が損なわれることはない。
【００３７】
このように、本例では、緊急用シール環保持部２５と緊急用シール環２６との係合が凹凸形状によりなされるため、焼き嵌めによる係合に比べてシャットダウンシールの作動する条件が精度よく設定できる。また、シャットダウンシールの誤作動を防止できる。さらに、焼き嵌めによる係合におけるような固着による作動不良を防止できるという効果を奏する。
【００３８】
上記においては、実施の形態１に変更点を適用した場合について説明しているが、実施の形態２における緊急用シール環保持部３３の外周に凹部を形成し、緊急用シール環３４の内周に凸部を形成することにより、実施の形態１に変更点を適用した場合と同様のものが得られることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１ 原子炉１次冷却材ポンプの軸シール部分
２ ポンプハウジング
３ シールハウジング
４ ボルト
５ 回転軸
６ 機内側
７ 第１シール装置
８ 第２シール装置
９ 第３シール装置
１０ メイティングリング
１１ メイティングリング
１２ メイティングリング
１３ シールリング
１４ シールリング
１５ シールリング
１６ メイティングリングの上向きの端面
１７ メイティングリングの上向きの端面
１８ メイティングリングの上向きの端面
１９ シールリングの下向きの端面
２０ シールリングの下向きの端面
２１ シールリングの下向きの端面
２２ リテーナ
２３ フランジ
２５ 緊急用シール環保持部
２６ 緊急用シール環
２７ 金属Ｏリング
２８ 緊急用シール環のフランジ部
２９ 緊急用シール環のフランジに対向する面
３０ フランジの機外側の面
３１ リング状突起
３２ コイルスプリング
３３ 緊急用シール環保持部
３４ 緊急用シール環
３５ 緊急用シール環のフランジ部
３６ シールハウジング３突出部
３７ 緊急用シール環の機外側の面
３８ シールハウジングの突出部の機内側の面
３９ 緊急用シール環保持部の凹部
４０ Ｏリング
４１ 緊急用シール環の凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの機外側の面と、シールハウジングの機内側に設けられる熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環保持部とを対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の内周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をフランジの機外側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴とするメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項２】
緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の内周に金属Ｏリングを設けることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項３】
緊急用シール環保持部が緊急用シール環に比べて熱膨張係数の大きな金属材料から形成され、緊急用シール環が緊急用シール環保持部に比べて熱膨張係数の小さな金属材料から形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項４】
緊急用シール環保持部がオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、緊急用シール環がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金のいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項５】
緊急用シール環保持部の内周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の外周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、緊急用シール環はインバーから形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項６】
緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項７】
定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの外周側に設けられる熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環保持部と、シールハウジングの機内側に突出する突出部とが対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の外周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をシールハウジングの機内側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴とするメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項８】
緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の外周に金属Ｏリングを設けることを特徴とする請求項７記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項９】
緊急用シール環保持部が緊急用シール環に比べて熱膨張係数の小さな金属材料から形成され、緊急用シール環が緊急用シール環保持部に比べて熱膨張係数の大きな金属材料から形成され、シールハウジングの機内側に突出する突出部が緊急用シール環保持部に比べて熱膨張係数の大きな金属材料から形成されることを特徴とする請求項７又は８記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１０】
緊急用シール環保持部がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金のいずれか１つから形成され、緊急用シール環がオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、シールハウジングの機内側に突出する突出部がオーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１１】
緊急用シール環保持部の外周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の内周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はインバーから形成され、緊急用シール環はオーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１２】
緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１】
定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの機外側の面と、シールハウジングの機内側に設けられる熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環保持部とを対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の内周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をフランジの機外側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴とするメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項２】
緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の内周に金属Ｏリングを設けることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項３】
緊急用シール環保持部が緊急用シール環に比べて熱膨張係数の大きな金属材料から形成され、緊急用シール環が緊急用シール環保持部に比べて熱膨張係数の小さな金属材料から形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項４】
緊急用シール環保持部がオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、緊急用シール環がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金のいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項５】
緊急用シール環保持部の内周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の外周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、緊急用シール環はインバーから形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項６】
緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項７】
定常運転状態逸脱に伴う異常高温時の回転軸停止後に作動するメカニカルシール用シャットダウンシールであって、最も機内側に位置するメカニカルシールの機内側に位置して回転軸側に装着されるフランジの外周側に設けられる熱膨張率の小さい材料から作製された緊急用シール環保持部と、シールハウジングの機内側に突出する突出部とが対向するように配設し、該緊急用シール環保持部の外周に通常の作動温度下で固定されるように熱膨張率の大きい材料から作製された緊急用シール環を設け、緊急用シール環保持部と緊急用シール環との間に緊急用シール環をシールハウジングの機内側の面に押圧するように作用する弾性部材を設けることを特徴とするメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項８】
緊急用シール環が固定される緊急用シール環保持部の外周に金属Ｏリングを設けることを特徴とする請求項７記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項９】
緊急用シール環保持部が緊急用シール環に比べて熱膨張係数の小さな金属材料から形成され、緊急用シール環が緊急用シール環保持部に比べて熱膨張係数の大きな金属材料から形成され、シールハウジングの機内側に突出する突出部が緊急用シール環保持部に比べて熱膨張係数の大きな金属材料から形成されることを特徴とする請求項７又は８記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１０】
緊急用シール環保持部がマルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、チタン合金のいずれか１つから形成され、緊急用シール環がオーステナイト系ステンレス鋼から形成され、シールハウジングの機内側に突出する突出部がオーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１１】
緊急用シール環保持部の外周に凹部が形成され、該凹部に嵌合するように緊急用シール環の内周に凸部が形成されるとともに、緊急用シール環保持部はインバーから形成され、緊急用シール環はオーステナイト系ステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【請求項１２】
緊急用シール環が断面略Ｌ字状であり、シール面にリング状突起を設けることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載のメカニカルシール用シャットダウンシール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２４１７２４（Ｐ２０１２−２４１７２４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９０５５（Ｐ２０１１−１０９０５５）
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００１０１８７９）イーグル工業株式会社 (119)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【出願人】（０００１０１８７９）イーグル工業株式会社 (119)
【Ｆターム（参考）】
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