(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を取り囲む運転停止シールであって、
前記運転停止シールは回転軸の回転が減速するかまたは停止した後該回転軸を取り囲む環状部の流体が運転停止シールを介して漏洩するのを防止し、
前記運転停止シールは、
対向端部を有し、前記回転軸の回転中前記環状部の一部を画定する内径が前記回転軸から離隔するように前記回転軸を取り囲む拘束自在の割りリングと、
前記割りリングの対向端部間に位置して、前記回転軸の通常動作時は前記対向端部間の環状空間を維持し、前記流体の温度が所定温度以上になると前記対向端部間から離脱して前記割りリングを拘束状態にして前記環状部の一部を狭窄または実質的に封止できるようにするスペーサと、
前記環状部の一部を画定する内径が前記回転軸の回転中は前記回転軸から離隔するように前記回転軸を取り囲み、前記割りリングから液体の流れ方向において上流に前記回転軸に沿って離隔したほぼ剛性の保持リングと、
前記割りリングと前記保持リングの間で前記回転軸を取り囲み、前記環状部の一部を画定する内径が前記回転軸の回転中は前記回転軸から離隔し、前記割りリングが前記環状部内を前記回転軸の方へ移動して拘束状態になると発生する圧力差により前記回転軸の方へ押圧される柔軟なポリマーリングとより成る運転停止シール。
【請求項２】
前記ポリマーリングは前記所定温度に近いガラス遷移温度を有する請求項１の運転停止シール。
【請求項３】
前記ポリマーはＰＥＥＫポリマーである請求項２の運転停止シール。
【請求項４】
前記所定の温度は約３００°Ｆ（１４９℃）またはそれより高い温度である請求項１の運転停止シール。
【請求項５】
スペーサは、溶融指数が載荷荷重２．１６ｋｇ、１９０℃で少なくとも２５g/ １０min、ガラス遷移温度が約２１８°Ｆ、溶融温度が約２５５°Ｆの線形低密度ポリエチレンより成る請求項１の運転停止シール。
【請求項６】
前記割りリングを前記柔軟なポリマーリングに対して実質的に前記回転軸の軸線方向に付勢するように配置されたばねを含む請求項１の運転停止シール。
【請求項７】
前記ばねは波形ばねである請求項６の運転停止シール。
【請求項８】
前記ポリマーリングは中実の連続するリングである請求項１の運転停止シール。
【請求項９】
前記ポリマーリングの厚さは約０．２５インチである請求項１の運転停止シール。
【請求項１０】
前記割りリングの内径は前記回転軸の直径より大きいが、差は０．００１インチ以内である請求項１の運転停止シール。
【請求項１１】
前記スペーサに固着され、前記環状部内の流体温度が前記所定温度になるかそれより上昇すると応答して前記スペーサを前記割りリングの対向端部間から引き出す温度応答性アクチュエータを含む請求項１の運転停止シール。
【請求項１２】
前記温度応答性アクチュエータは、シリンダ内を運動自在なピストンであり、前記ピストンは前記所定温度における前記シリンダ内の材料の状態変化に応答して前記スペーサを
前記割りリングの対向端部間から引き出す請求項１１の運転停止シール。
【請求項１３】
前記材料はワックスである請求項１２の運転停止シール。
【請求項１４】
前記ワックスはオクタコサンである請求項１３の運転停止シール。
【請求項１５】
前記保持リングは少なくとも一部がポリマーで被覆されている請求項１の運転停止シール。
【請求項１６】
前記割りリングは前記対向端部から約１８０°離れたところで半径方向に増径した周部分を有する請求項１の運転停止シール。
【請求項１７】
前記割りリングまたは前記回転軸は１７−４ステンレス鋼により構成される請求項１の運転停止シール。
【請求項１８】
前記保持リングの内径は保持リングと前記回転軸の間に約０．００３インチ（０．００８ｃｍ）と０．０６５インチ（０．１７ｃｍ）の間の押し出しギャップを形成する請求項１の運転停止シール。
【請求項１９】
前記柔軟なポリマーリングにかかる圧力降下は約０．２psia（０．０１４バール）より小さいかそれに等しい請求項１８の運転停止シール。
【請求項２０】
前記回転軸とインターフェイスする前記保持リングの底部は約０．２またはそれ未満の摩擦係数を有する請求項１の運転停止シール。
【請求項２１】
インペラがモータに、前記モータとインペラの間に回転自在に支持された回転軸を介して連結されたポンプであって、
前記モータとインペラとの間の回転軸の周りに介在するシールハウジングは前記回転軸を取り囲む運転停シールを有し、前記運転停止シールは前記回転軸の回転が減速するかまたは停止した後前記回転軸を取り囲む環状部の流体が運転停止シールを介して漏洩するのを防止し、前記運転停止シールは、
対向端部を有し、前記回転軸の回転中前記環状部の一部を画定する内径が前記回転軸から離隔するように前記回転軸を取り囲む拘束自在の割りリングと、
前記割りリングの対向端部間に位置して、前記回転軸の通常動作時は前記対向端部間の環状空間を維持し、前記流体の温度が所定温度以上になると前記対向端部間から離脱して前記割りリングを拘束状態にして前記環状部の一部を狭窄または実質的に封止できるようにするスペーサと、
前記環状部の一部を画定する内径が前記回転軸の回転中は前記回転軸から離隔するように前記回転軸を取り囲み、前記割りリングから液体の流れ方向において上流に前記回転軸に沿って離隔したほぼ剛性の保持リングと、
前記割りリングと前記保持リングの間で前記回転軸を取り囲み、前記環状部の一部を画定する内径が前記回転軸の回転中は前記回転軸から離隔し、前記割りリングが前記環状部内を前記回転軸の方へ移動して拘束状態になると発生する圧力差により前記回転軸の方へ押圧される柔軟なポリマーリングとより成るポンプ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は一般的に回転軸のシールに係り、さらに詳細には、液体用遠心ポンプの熱動運転停止シールに係る。
【技術分野】
【０００２】
加圧水型原子力発電所では、原子炉冷却系により原子炉から蒸気発生器へ熱を移送して蒸気を発生させる。蒸気はその後、有用な仕事を発生させるためのタービン発電機の駆動に使用される。原子炉冷却系は、各々が原子炉炉心に接続され、蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプとを有する複数の別個の冷却ループを含む。
【０００３】
原子炉冷却材ポンプは通常、多量の原子炉冷却材を、例えば５５０°Ｆ（２８８℃）と２，２５０psia（１５５バール）の高温高圧で移動させるように設計された垂直単段遠心ポンプである。このポンプの基本構造は大まかに、下から上へ向かって液圧部、軸シール部及びモータ部の３つの部分より成る。下方の液圧部は、ポンプの下方端部に装着され、ポンプケーシング内で動作して原子炉冷却材を圧送しそれぞれのループに循環させるインペラを有する。上方のモータ部はポンプの回転軸を駆動するよう結合されたモータを有する。中間の軸シール部は、下方の一次組立体（ナンバーワン・シール）、中間の二次組立体及び上方の三次組立体である３つの縦続シール組立体を含む。シール組立体はポンプ軸上端部近くにおいて該軸と同心的に配置され、通常の運転状態時にポンプ軸に沿い格納空間へ漏洩する原子炉冷却材の量を最小限に抑えることを共通目的とする。従来技術において知られたポンプ軸シール組立体の代表例は米国特許第３，５２２，９４８号；３，５２９，８３８号；３，６３２，１１７号；３，７２０，２２２号及び４，２７５，８９１号に記載されている。
【０００４】
定常ポンプ圧力境界と回転軸の界面を機械的に密封するポンプ軸シール組立体は、過大な漏洩なしに高いシステム圧力（約２，２５０psi（１５５バール）を閉じ込める能力を備える必要がある。３つのシール組立体の縦続構成により圧力が段階的に分圧する。これら３つの機械式ポンプシール組立体は漏洩制御型シールであり、各段の制御漏洩量を最小限に抑えると共に一次冷却系からそれぞれのシール漏洩ポートへの原子炉冷却材の過大な漏洩を阻止するように動作する。
【０００５】
ポンプシール組立体は通常、該シール組立体での冷流体の注入またはシール組立体への到達前に一次流体を冷却する熱交換器の使用の何れかにより一次冷却系温度より十分に低い温度に維持される。これらのシステムに理論上想定される故障が発生すると、シール組立体の制御された漏洩を劇的に増加させる可能性のある高い温度に該シール組立体が曝される。燃料冷却能力が全て喪われる原因が全交流電源喪失にある場合、非常用ポンプを駆動する電力がなければシールのリークオフは冷却系に復帰できない。非常用の手段がない状態で制御された漏洩が起こると原子炉冷却材が炉心を覆えず、炉心損傷に至るという仮説的事態が発生する。
【０００６】
従って、燃料冷却能力全ての喪失と非常用ポンプ能力の喪失とが同時に起こった場合に標準的なシール組立体をバックアップする効果的方法に対する必要性が存在する。さらに、かかるバックアップシールは、好ましくは、電源喪失または非常用ポンプ能力喪失の他の原因が発生すると作動して漏洩がないように軸を実質的に密封するよう動作しなければならない。
【発明の概要】
【０００７】
上記目的は、本発明によると、ポンプ、コンプレッサなどのような軸シールを介する冷却材の通常漏洩を制限するように設計された回転機器の回転軸用熱動運転停止シールであって、減速または回転停止時に熱動するシールより達成される。本発明の運転停止シールは回転軸とハウジングの間の狭い流れ環状部を有する任意の装置の封止に有用である。運転停止シールは、加圧水型原子炉の原子炉冷却材ポンプのような遠心ポンプを封止するために設計されたものである。図２は、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーが加圧水型原子炉の一次系に高温水を高圧で循環させるために使用するタイプの原子炉冷却材ポンプ（ＲＣＰ）を示す。
【０００８】
運転停止シールは、（ｉ）割りリングが通常運転時に軸と割りリングの間に環状部を残して該軸を取り囲み、（ｉｉ）軸が所定の速度以下に減速するか回転停止すると割りリングが該軸を拘束するよう設計されている点の特徴がある。この割りリングは、軸が通常のオンライン運転時で回転中、スペーサにより離隔関係に維持される対向端部を有する。軸が減速するか回転を停止してハウジング内の温度が上昇すると、スペーサは割りリングの対向端部から離脱し、割りリングの対向端部が互いに接近するため割りリングが軸を拘束する状態となり、流れ環状部を介する冷却材の漏洩の実質的な部分がブロックされる。一実施例において、スペーサは溶融可能な材料で形成される。第２の実施例において、スペーサは受動的に作動される装置により割りリングから引き外される。
【０００９】
運転停止シールは柔軟なポリマーシールリングも有するが、このポリマーシールリングは、割りリングが環状部を介する冷却材の漏洩をブロックしてハウジング内の圧力が上昇すると該軸に押し付けられる。さらに別の実施例において、リングの環状体の円形性は、開位置に拘束された状態でリングの割れ部分からほぼ１８０°離れた部分を半径方向に厚くすることにより改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、蒸気発生器及び原子炉冷却材ポンプが閉ループ系を形成するよう原子炉に直列に接続された従来型原子炉冷却系の１つの冷却ループを示す概略図である。
【図２】図２は原子炉冷却材ポンプの軸シール部の一部を破断した斜視図であり、シールハウジング及び該シールハウジング内に位置してポンプ軸を取り囲む下方の一次、中間の二次及び上方の三次シール組立体を横断面で示す。
【図３】図３は、図２の原子炉冷却材ポンプのシールハウジング及びシール組立体の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】図４は本発明を利用可能な軸シール装置の断面図であり、図２及び３の下方の一次シールの拡大図である。
【図５】図５はポンプ軸及び本発明の運転停止シールの一部をハッチングで示す図４の一次シールの挿入材の拡大部分であり、運転停止シールは通常の運転温度を超えると分解するように設計された割りリングスペーサを使用する。
【図６】図６は、加圧水型原子炉をシミュレーションする環境において本発明の運転停止シールの運転停止試験中に採取したデータを示すグラフである。
【図７】図７は、スペーサを割りリングから離脱させるために熱動機械式ピストンを使用する本発明の運転停止シールの第２の実施例を用いる図５と同様な図である
【図８】図８は、ピストンが完全延伸位置にあり、スペーサが本発明の割りリングの開端部間に挿入された図７に略示するピストン装置の拡大図である。
【図９】図９は、スペーサが割りリングの開端部間の位置から離脱する作動時前の状態にある図８のピストン装置を示す断面図である。
【図１０】図１０は、加圧水型原子炉をシミュレーションする環境で本発明の運転停止シールを用いて運転停止時に採取したデータを示すグラフであり、作動温度に到達後約４５秒未満の期間内に運転停止シールが冷却材の流れを有効にブロックする態様を示す。
【図１１】図１１は、本発明の運転停止シール用の改良型割りリングを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明において、同一参照記号はいくつかの図面を通して同一または対応の部品を指すものである。また、以下の説明において、前方、後方、左、右、上方へ、下方へなどの用語は便宜的に使用する用語であって限定を意図するものとして解釈すべきでないことを理解されたい。
【００１２】
従来型原子炉冷却ポンプ
図１を参照して、該図は従来型原子炉冷却系の複数の冷却材ループの１つを示す概略図である。冷却材ループ１０は、原子炉１６と直列に接続されて閉ループ冷却系を形成する蒸気発生器１２及び原子炉冷却材ポンプ１４を含む。蒸気発生器１２は、その入口プレナム２０及び出口プレナム２２と連通する一次伝熱管１８を含む。蒸気発生器１２の入口プレナム２０は原子炉炉心１６の出口と流れ連通関係を形成するように接続されており、閉ループ系統の通称がホットレッグの流路２４に沿って原子炉炉心から高温の冷却材を受取る。蒸気発生器１２の出口プレナム２２は閉ループ系統の流路２６に沿って原子炉冷却材ポンプ１４の入口吸引側と流れ連通関係に接続されている。原子炉冷却材ポンプ１４の出口圧力側は原子炉炉心１６の入口と流れ連通関係を形成するよう接続されて、閉ループ系統のコールドレッグの流路２８に沿って比較的低温の冷却材を原子炉炉心へ送り込む。
【００１３】
冷却材ポンプ１４は冷却材を高圧で圧送して閉ループ系統を循環させる。詳細には、原子炉１６から出た高温冷却材が蒸気発生器１２の入口プレナム２０及びそれと連通関係の伝熱管１８へ送られる。高温の冷却材は、伝熱管１８中にある時、従来型手段（図示せず）を介して蒸気発生器１２へ供給される低温の給水と熱交換しながら流れる。給水は加熱され、その一部が蒸気に変換されてタービン発電機（図示せず）の駆動に使用される。熱交換により温度が低下した冷却材はその後、冷却材ポンプ１４を介して原子炉１６へ循環される。
【００１４】
原子炉冷却材ポンプ１４は、多量の原子炉冷却材を高温高圧で移動させて閉ループ系統を循環させる能力を持つ必要がある。熱交換後蒸気発生器１２からポンプ１４を流れる冷却材は熱交換前に原子炉１６から蒸気発生器１２へ流れる冷却材の温度より実質的に低い温度に冷却されているが、その温度は依然として高く、通常は約５５５°Ｆ（２８８℃）である。液状の冷却材をこれら比較的高い温度に維持するために、この系は注入ポンプ（図示せず）により加圧され、動作圧力は約２，２５０psia（１５５バール）である。
【００１５】
図２及び３からわかるように、従来技術の原子炉冷却材ポンプ１４は一般的に、ポンプハウジング３０の一端がシールハウジング３２で終端する構造である。このポンプはまた、ポンプハウジング３０の中心を延びてシールハウジング３２内に封止され該ハウジングに回転自在に装着されたポンプ軸３４を有する。図示しないが、ポンプ軸３４の下方部分はインペラに連結され、一方、その上方部分は高馬力の誘導型電気モータに連結されている。モータが軸３４を回転させると、ポンプハウジング３０の内部３６にあるインペラにより加圧された原子炉冷却材が原子炉冷却材系を流れる。この加圧状態の冷却材は軸３４に上向きの静水圧負荷を印加するが、それはシールハウジングの外側部分が周囲雰囲気で取り囲まれているからである。
【００１６】
ポンプハウジングの内部３６とシールハウジングの外側の間に２，２５０psia（１５５バール）の境界圧力を維持しながらポンプ軸３４をシールハウジング３２内で自由に回転させるために、シールハウジング３２内のポンプ軸３４の周りには図２及び３に示す位置に下方の一次組立体３８、中間の二次組立体４０及び上方の三次シール組立体４２が縦続配置されている。圧力封止（約２，２００psi（１５２バール））の大部分を担う下方の一次シール組立体３８は非接触式の静水圧タイプであるが、中間の二次組立体４０及び上方の三次シール組立体４２は接触式または擦過性の機械式のものである。
【００１７】
ポンプ１４のシール組立体３８、４０、４２はそれぞれ、通常は、ポンプ軸３４と共に回転するように該軸に装着された環状ランナー４４、４６、４８と、シールハウジング３２内に固定的に装着された環状シールリング５０、５２、５４とを有する。ランナー４４、４６、４８及びシールリング５０、５２、５４はそれぞれ対向する上方端面５６、５８、６０及び下方端面６２、６４、６６を有する。下方の一次シール組立体３８のランナー４４及びシールリング５０の対向端面５６、６２は常態では互いに接触せず、それらの間を常態ではフィルム状に流体が流れる。一方、中間の二次シール組立体４０及び上方の三次シール組立体４２のランナー及びシールリング４６、５２及び４８、５４の対向端面５８、６４及び６０、６６は常態では接触するかまたは互いに擦れ合う。
【００１８】
一次シール組立体３８は常態ではフィルムに載るモードで動作するため、シールハウジング３２とそれに回転自在に装着された軸３４の間の環状空間をリークオフ（漏洩）する冷却用流体を取り扱うための何らかの構成を設ける必要がある。従って、シールハウジング３２には一次リークオフポート６９があり、一方、リークオフポート７１は二次シール組立体４０及び三次シール組立体４２からの冷却材のリークオフを受け入れる。
【００１９】
図４は図２及び３に示すタイプのナンバーワン・シールまたは下方一次シールの領域のシールハウジングの断面図であり、ナンバーワン・シールの動作及び本発明との関連性の理解に資するものである。図示の構造物は、内部に圧力チェンバ３５を形成する環状壁３３を備えたハウジング３２と、ハウジング３２内に回転自在に装着された軸３４と、シールランナー組立体４４と、ハウジング３２内に位置するシールリング組立体５０とより成る。前述したように、軸３４は適当なモータ（図示せず）より駆動されて、加圧系内に冷却材の流れを循環させる遠心ポンプ（図示せず）のインペラの駆動に使用される。注入水はポンプが発生するよりも高い圧力でチェンバ３５へ供給される。ランナー組立体４４は環状ホルダー７０及び環状シールプレート７２より成る。同様に、シールリング組立体５０はホルダー７４及び環状フェイスプレート７６より成る。
【００２０】
ホルダー７０は軸３４と共に回転するが、それはホルダーが、軸３４上の肩部８０と係合しスリーブ８２により該軸に固定された環状支持体７８上に装着されているからである。スリーブ８２は該軸と、Ｌ字形断面の支持体７８の上方に延びる脚部８４との間で該軸３４上に組み込まれている。本発明をポンプ軸上にスリーブを使用するポンプに利用されるものとして説明するが、本発明はスリーブを使用しないポンプ軸にも等しく利用可能であることを理解されたい。ホルダー７０上の肩部８６は脚部８４の上端部に載っており、スリーブ８２上の肩部８８はホルダー７０を支持体８４上に保持する。ピン９０はスリーブ８２の凹部９２に押し込まれてホルダー７０の軸方向スロット９４と係合する。スリーブ８２と支持体７８を軸３４と共に回転させるナット（図示せず）により、軸方向のクランプ力がスリーブ８２及び支持体７８にかかる。このピン９０は、ホルダー７０をスリーブ８２と共に回転させ、このスリーブは軸３４と共に回転する。支持体７８と軸３４の間及び支持体７８とホルダー７０の間にはそれぞれＯリングシール９６、９８が設けられる。ホルダー７０とフェイスプレート７２の間にはＯリングシール１００が設けられる。
【００２１】
フェイスプレート７２は、ホルダー７０が作られる材料と実質的に同じ熱膨張係数を有する耐腐食性及び耐侵食性材料で構成され、ホルダー７０は大きい弾性係数を有する。同様に、フェイスプレート７６は、弾性係数が大きいホルダー７４の材料と実質的に同じ熱膨張係数を有する耐腐食性及び耐侵食性材料で構成される。適当な材料の例として炭化物類及びセラミック類がある。ホルダー７４とフェイスプレート７６の界面１０６にはＯリングシール１０４が設けられる。
【００２２】
ホルダー７４は、ほぼＬ字形断面の環状シールリング挿入材１１０の下方に延びる脚部１０８に移動自在に装着されている。挿入材１１０はハウジング３２内に押えねじ１１２により保持される。挿入材１１０とハウジング３２の界面１１６にはＯリング１１４が設けられている。同様に、ホルダー７４と挿入材１１０の脚部１０８の界面１２０にはＯリングシール１１８が設けられている。挿入材１１０に押入されるピン１２２はホルダー７４の回転を阻止する。ピン１２２はホルダー７４のウエル１２４内に延びるが、ウエルの壁１２６とピン１２２の間には、ホルダー７４の軸方向移動を可能にするが回転は制限する十分な間隙が存在する。
【００２３】
フェイスプレート７６は、保持リング１３０、クランプリング１３２、ロックリング１３４、複数の押えねじ１３６及びロックリング１３４とクランプリング１３２の間の押えねじ１３６上に装着された皿ばね１３８を含むクランプ手段１２８によりホルダー７４に固着される。押えねじ１３６は保持リング１３０、クランプリング１３２、皿ばね１３８を貫通し、ロックリング１３４に螺着される。ホルダー７４の界面１０６には凹部１４０が設けられ、その界面上の、フェイスプレート７６の界面の外径より小さい外径で環状の支点１４２を提供する。保持リング１３０はリッジ１４４を有する内向きのフランジを備えており、このリッジ１４４は支点１４２を越えて延びるフェイスプレート７６の部分１４６と係合する。クランプリング１３２は、ホルダー７４の面１５０と係合するリッジ１４８を備えた内向きフランジを有する。従って、押えねじ１３６を締めてクランプリング１３２及び保持リング１３０を互いに近付けようとすると、フェイスプレート７６上に支点１４２を中心とする片持ちばり効果を及ぼす力が発生する。クランプ動作時、皿ばね１３８は部分的に圧縮され、フェイスプレート７６はこのクランプ力により変形する。
【００２４】
フェイスプレート７２は、フェイスプレート７６につき説明したと同様な態様でクランプ手段１５１によりホルダー７０により固着される。しかしながら、ホルダー７０の界面１０２上の支点１５２は、ホルダー７４上の支点１４２よりもフェイスプレート７２の外径に近い所に位置する。従って、フェイスプレート７２にかかるクランプ力はフェイスプレート７６上に発生するような、支点１５２を中心とするフェイスプレートの大きな変形を発生させない。所望であれば、支点１４２及び１５２をそれらに対応するフェイスプレートに関して同じ場所に配置することが可能である。
【００２５】
前述したように、シールリング組立体５０は軸３４及びシールランナー組立体４４に関して軸方向に限られた運動が可能なように装着される。また、シールリング組立体５０の相対的な運動はシールリングホルダー７４のウエル１２４に緩く嵌合する回転阻止用ピン１２２により制限される。フェイスプレート７６上の封止面１５４は重力によりフェイスプレート７２の対向する封止面１５６の方に付勢される。
【００２６】
軸３４により駆動されるポンプの動作について、シールリングホルダー７４の表面１５８及び１６０は高い圧力チェンバ３５の全圧力に曝される。高圧チェンバ３５と、スリーブ８２に隣接する環状低圧領域１６２の間に圧力障壁を設けるのが望ましい。シールリング組立体５０はこの圧力障壁として利用されるが、圧力チェンバ３５からシールプレート７６及び７２上のそれぞれの対向シール表面１５４と１５６の間に設けられたシールギャップ１６４を介して領域１６２へ制御量の流体が漏洩できるようにする。
【００２７】
動作時、軸方向に移動可能なシールリング組立体５０の対向する表面にかかる圧力に従って該シールリング組立体５０の平衡位置が維持される。ギャップ１６４内の流体の厚み、従ってギャップ１６４を介する漏洩量はギャップ１６４の形状により決まる。
【００２８】
シールギャップ１６４が変化してもシールリング組立体５０とランナー組立体４４の相対的位置をひとりでに復元させるために、高圧の端縁部１６６からシールの対向末端間の位置まで厚さが減少する流体流路が設けられている。さらに詳細には、図示の構造において、厚さが減少する流体流路は外方端縁部１６６と、シール面１５４上の１６８に位置する中間同心円の間を延びる。
【００２９】
この構造に示されるように、厚みが減少する流路は、同心円１６８とフェイスプレート７６の外方端縁部１６６の間において表面１５４をフェイスプレート７２の対向表面１５６からわずかに離れるようにテイパーさせることにより形成する。図示上の表面１５４と表面１５６の間の角度は誇張されている。この構成または構造はフテイパー付き面シールとして知られている。このタイプのシールの動作は１９６７年１０月１２日にErling Frischへ付与された米国特許第３，３４７，５５２号に詳しく記載されている。
【００３０】
本発明の運転停止シール
本発明によると、図５及び７−９に示すように、ポンプ１４に別のシール１７０を設けて、シール冷却能力が喪失すると軸３４と端部シール組立体３８、４０、４２の間の該軸３４に沿う過大な漏洩を阻止するバックアップ安全または運転停止装置として作動させると有利である。図５に示すように、この運転停止シール１７０はナンバーワン・シールまたは一次シール３８の挿入材１１０の環状開口に切削した溝に配置する。運転停止シールの特徴は割りリング１７２にあるが、この割りリングは（ｉ）通常動作時は軸３４との間に環状部を残して該軸３４を取り囲み、（ｉｉ）シール冷却能力喪失後該軸が有意に減速するか停止すると該軸３４に対して拘束状態になるように設計されている。割りリング１７２は軸方向に割れた不連続単片リング部材であり、対向する端部はポンプの通常運転時、スペーサ１７６により離隔関係に維持される。図５において、割りリング１７２の対向端部は“さねはぎ”に切削され、割りリングの端部がオーバーラップすると舌部が溝内に収まる構造である。別の実施例では、対向端部は突合せまたは半重ね斜め継ぎにしてオーバーラップさせる。スペーサ１７６は、図示のように、運転時に対向端部が軸３４上に閉じないようにして環状部１７４を開いた状態に維持することにより漏洩が制御量生じるようにするためギャップ内にある。本発明によると、運転停止シールはシールの温度がシール冷却能喪失の結果として上昇すると、好ましくはポンプ軸の回転が減速または停止すると作動される。スペーサは温度の上昇（軸が有意に減速するかまたは停止するかもしくは他の任意の理由により）に応答して割りリング１７２の対向端部から離脱する。このため、割りリングの対向端部が互いに接近して、対向端部が軸３４に対し拘束状態となり、流れ環状部１７４を介する冷却材の漏洩をブロックする。割りリング及び軸（または軸上にスリーブを使用する場合は軸スリーブ）をかじり傷に強い材料で形成するのが好ましいが、そのようにすると、回転中の軸上で作動されても、封止表面間に漏洩流路を開く楔として働くことがあるかじり傷の玉が形成されない。割りリング及び軸の両方に１７−４ステンレス鋼のような材料を用いると、首尾よく動作することが判明している。一実施例において、スペーサを、温度上昇に応答して分解するかその圧縮強度を有意に失う分解性、例えば溶融性材料で形成する。第２の実施例において、スペーサが受動的に作動される装置により割りリング１７２から引き出されるようにする。何れの実施例においても、軸３４の周りにおいて割りばねと中実の保持シールリング１８０の間の割りばね１７２に柔軟なポリマー製シールリング１７８を配置する。柔軟なポリマー製のシールリング１７８は、割りリングが環状部１７４を介する冷却材の漏洩を制限する時ハウジングの圧力増加により軸に押し付けられるため、封止能力の高いシールが形成される。
【００３１】
図５は図４の原子炉冷却材ポンプに取り付けられた本発明の第１実施例による運転停止シール１７０を示す。図５の運転停止シールはシール冷却能力喪失後に作動し、ポンプ軸３４の減速時または回転停止時に漏洩が起きないように封止する。この運転停止シールは
ポンプハウジング内に位置して軸３４を取り囲む。図２−４に示すタイプの原子炉冷却材ポンプの場合、ナンバーワン・シールの挿入材を頂部フランジの内径部分を一部切削することにより改造することが可能である。この運転停止シール１７０は、作動されるまで、改造前ナンバーワン・シールの挿入材が占めていた空間内に実質的に完全に収まるため、該シールと軸３４の間の環状部１７４には実質的な変化がない。このようにして、環状部１７４を軸３４に沿って流れる冷却材の流れは回転機器の通常運転時には実質的にさえぎられることはない。
【００３２】
図５の運転停止シール１７０の作動部分は、割りリング１７２の対向端部を開いた状態に保つ低溶融温度のスペーサ１７６により構成される。例えば、ＡＳＴＭ０１２３８試験により測定した溶融指数が載荷荷重２．１６ｋｇ、１９０℃で少なくとも２５g/ １０min、ガラス遷移温度が２１８°Ｆ（１０３℃）、溶融温度が２５５°Ｆ（１２４℃）の線形低密度ポリエチレンを原子炉冷却材ポンプに用いると有利である。このポリマーにすると、運転停止シール１７０は通常運転時には確実に作動しない。スペーサ１７６が軟化すると、割りリング１７２の閉動作が始まり、改造されたナンバーワン・シールの挿入材に保持されたまま軸３４の周りで拘束状態となる。割りリング１７２によりシールに圧力降下が発生して環状部１７４を介する冷却材の流れが中断される結果、システム圧が割りリング１７２に作用して封止をさらに緊密にし、そしてスペーサ１７６が割りリング１７２の対向端部の間から押し出される。スペーサ１７６が離脱すると、割りリング１７２は一次シールリング１７８に封止を開始させるに十分な封止効果を発揮できる。割りリング１７２は波形ばね１８２に載っているため、このばねにより割りリング１７２が一次シールリング１７８に押し付けられる結果、初期の封止接触が生じ、割りリング１７２にかかる圧力降下が一次シールリング１７８に作用する。可撓性で波形の金属条片である波形ばねは運転停止シールが回転中の軸上に作動する時も圧縮力を維持する。波形ばねは割りリングと共に回転できるかまたは割りリングを故障なしにその表面上で回転させることができる。波形ばねは軸の回転停止後、割りリングまたはポリマーリングが摩耗したとしても緊密な封止を行なえるに十分なばね力を与える。一次シールリング１７８は、割りリング１７２により誘起される非常に大きな圧力降下による作用を受けると軸３４の周りで保持リング１８０に対して上方に拘束される柔軟なポリマー材料の中実リングである。一次シールリング１７８は拘束状態になると大きな圧力降下を発生させるが、この圧力降下が軸３４の周りで保持リング１８０に対して上方にリング１７８をさらに緊密な拘束状態にする。この圧力降下はまた、割りリング１７２及び保持リング１８０を押し上げるため、全ての封止表面間において緊密な封止効果が確実に得られる。後述するＰＥＥＫポリマー製シールリング１７８を用い、ポリマーリングにかかる圧力降下を約０．２psia（０．０１４バール）に制限し、スリーブの直径を８．４７インチ（２１．５ｃｍ）とすると、保持リング１８０の内径を、保持リングとスリーブの間に最大０．０６５インチ（０．１７ｃｍ）、最小０．００３インチ（０．００８ｃｍ）の押し出しギャップを形成する値にほぼ制限するのが好ましいことが確かめられている。この最小ギャップがシールを通過できる異物の最小サイズを設定する。望ましくは、軸とインターフェイスする保持リングの底部は約０．２またはそれ以下、好ましくは０．１２乃至０．２の摩擦係数を有する。
【００３３】
ポリマーリング１７８を使用せず、割りリング１７２だけで軸３４を封止する別の設計によると、形状順応性が小さく、その結果漏洩が大きいシールが得られる。ポリマーリング１７８は真円のゆがみ、カキ傷、へこみ、破片、粗さ及び割りリング１７２がぴったりなじむことができない他の表面異常に順応することができる。ポリマーリング１７８により漏れのないシールが提供されると、封止表面をだめにして有意な漏洩を生ぜしめる漏洩蒸気によるワイヤー・カッティングの恐れはない。ポリマーのもう１つの利点は軸に沿って軸方向に摺動し、軸と共に半径方向にシフトし、しかも緊密な封止効果を失わないという能力である。これは摩擦係数が小さいことと、リングが不連続でないという事実による。封止が一旦始まると、割りリング１７２はポリマーリング１７８が封止を行なうための
条件とは最早なりえない。
【００３４】
図２−４の原子炉冷却材ポンプのポリマーリング１７８は、割りリングが３００°Ｆの温度で最小３５０psi（２４バール）の圧力降下を与えることができると仮定して原子炉冷却材ポンプの圧力及び温度で漏れのない封止をするＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）ポリマーで形成するのが好ましい。ＰＥＥＫは、漏洩率を増加させるだけでなくシールに損傷を与える可能性のある悪条件から原子炉冷却材ポンプのシールを保護するための理想的な作動温度である３００°Ｆ（１４９℃）のガラス遷移温度を有する。３００°Ｆ（１４９℃）のガラス遷移温度を持つということは、ポリマーが軸の周りに順応し、しかも環状部にポリマーを押し出そうとするせん断力に抗する強度を依然として保持するに十分な柔軟性を有することを意味する。ＰＥＥＫはまた、その溶融温度が６００°Ｆ（３１６℃）より高い、例えば６４７°Ｆ（３４２℃）であって、シールがさらされやすい原子炉冷却系の最高温度５６０°Ｆ（２９３℃）まで健全性を確実に維持するという点で理想的である。また、ＰＥＥＫはめだって吸湿性でなく、そのため通常運転時に体積が膨張して環状部を閉じることがない。ＰＥＥＫは予想される９年分の放射性にさらされた後でもその性質（ガラス遷移温度、溶融温度または強度）が変化しない程度にクロスリンクしない。軸とナンバーワン・シール挿入材の間の原子炉冷却材ポンプのシールに狭い環状部があるため、厚さ０．２５インチ（６．３５ｃｍ）のＰＥＥＫ製リングは、その両端間に生じるかもしれない２３５０psi（１６２バール）の原子炉冷却系の全圧力に５７０°Ｆ（２９９℃）の温度で、少なくとも７２時間、また、３５０°Ｆ（１７７℃）及び３７５psi（２６バール）の残留熱除去状態で少なくともさらに４４時間の間耐えることができる。必要なＰＥＥＫがこのように少量であるため、運転停止シールを構成する一次シールリング１７８及びそれ以外の２つのリング１７２、１８０は、ナンバーワン・シール挿入材の内径からの離脱を可能にする体積部にぴったりと収まることが可能であり、その際該挿入材の構造的健全性に何の問題も発生しない。流体、温度、圧力及び間隙に応じて異なるポリマーが必要である。
【００３５】
図５に示す実施例において、割りリング１７２は斜め継ぎでオーバーラップする端部を有する。割りリング１７２のこれら２つの端部間には、該端部が相互方向に摺動することにより、割りリング１７２を曝される可能性のある温度範囲にわたり直径がわずかに変異するポンプ軸にぴったり合わせるに十分なギャップが設けられる。割りリングの対向端部について選択される形状にかかわらず、割りリングの直接対向端部間に、作動温度において軸周を包み時でも互いに接触しないようにするに十分なギャップを設ける必要がある。しかしながら、このギャップは、スペーサが離脱した時に有意な差圧が発生するのを阻止するほど大きなものであってはならない。このギャップは割りリングと軸の加熱度合いの差を補償する必要がある。従って、割りリング１７２は軸の許容誤差または熱膨張に敏感であってはならない。割りリング１７２の内径は作動温度で封止される軸の直径より大きいが、差は０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）以内である。割りリング１７２の頂部、底部及び内径の表面は少なくとも１６ＲＭＳ表面仕上げ値を有するが、このＲＭＳは仕上げの粗さの指標である。
【００３６】
ＰＥＥＫポリマーを用いる利点は、作動後、系から圧力が取り除かれると、ＰＥＥＫポリマーが８時間もの間漏洩のない封止を行なった後でも軸から後退し、作業員が容易に取り外せるという点である。有利なことに、切断または切削をしないでもＰＥＥＫポリマーを取り外すことができるため、異物が残留する懸念がない。ポリマーは封止状態が長くなる場合、拘束状態を維持するが、ハンマーで軽く叩くと容易に取り外せる。
【００３７】
保持リング１８０の頂部にＰＥＥＫポリマーを被覆することにより、シールハウジングの許容誤差及び表面条件に敏感でないシールを得ることが可能である。保持リング１８０は原子炉冷却材ポンプのシール用としてはタイプ４１０ステンレス鋼で良い。運転停止シ
ールのコンポーネントは、保持リング１８０が焼嵌めされる（焼嵌めにより全てのリング及びばねがナンバーワン・シール挿入材に確実に捕捉される）ナンバーワン・シール挿入材と同じまたは同様な熱膨張係数を持つ必要がある。温度が５６０°Ｆ（２９３℃）に上昇すると、熱膨張係数に違いがあれば、保持リングは変形し、ＰＥＥＫリング１７８を均等に支持せず、該リングが押し出されて破損する可能性がある。保持リング１８０の頂部表面は少なくとも３２ＲＭＳの表面仕上げ値を持つのが好ましく、運転停止シールを取り付けた後、この頂部表面はナンバーワン・シール挿入材のフランジの環状表面と同平面である。図６は加圧水型原子炉をシミュレーションする環境において本発明の運転停止シールのプロトタイプを使用し運転停止試験時に採取したデータを示すものである。
【００３８】
図７は、熱トリガー式ピストンによりスペーサを後退位置に引き寄せて、割りリングをポンプ軸の周りに閉じる本発明の運転停止シール１７０の第２の好ましい実施例を示す。図７の運転停止シールはシール冷却能力の喪失後作動し、ポンプ軸３４が減速中か回転停止中時に洩れのない封止を行なうように設計されている。運転停止シールはポンプハウジング内にあって、軸３４を取り囲んでいる。図２−４に示すタイプの原子炉冷却材ポンプの場合、ナンバーワン・シール挿入材１１０は頂部フランジの内径を部分的に切削することにより改造可能である。運転停止シール１７０は、作動されるまで、改造前のナンバーワン・シール挿入材が占めていた空間内に完全に収納されるため、シール１７０と軸３４の間の環状部１７４に変化はない。従って、軸に沿い環状部を流れる冷却材の流れは回転機器の通常運転時には実質的にさえぎられるものではない。
【００３９】
この好ましい実施例の運転停止シールの作動部分は、割りリング１７２の対向端部を開いた状態に保つ後退自在のスペーサ１７６により構成される。後退自在のスペーサ１７６は本願明細書に記載するピストン１８６のような熱応答機械式装置１８４により作動される。スペーサ１７６が割りリング１７２の端部から後退させられると、割りリング１７２はぱちんと閉じて軸３４の周りで拘束状態となり、改造型ナンバーワン・シール挿入材１１０内に保持されたままである。割りリング１７２は波形ばね１８２上にあり、該ばねは割りリング１７２をシールリング１７８に対して押し上げ、該シールリングが保持リング１８０に押圧される。環状部１７４を介する流れがさえぎられることにより生じる圧力降下はまた、割りリング１７２及びシールリング１７８を押し上げるため、全ての封止表面間で緊密な封止が得られる。
【００４０】
軸３４とナンバーワン・シール挿入材１１０の間の原子炉冷却材ポンプのシールに狭い環状部１７４があるため、厚さ０．２５インチ（６．３５ｍｍ）の割りリング１７２はその両端間で経験する２，３５０psi（１６２バール）の原子炉冷却系の全圧に、５５２°Ｆ（２８９℃）及び５７０°Ｆ（２９９℃）の温度で、少なくとも２８時間、また３５０°Ｆ（１７７℃）及び３７５psi（２６バール）の残留熱除去条件で少なくともさらに４４時間、耐えることができる。割りリング１７２はこのように十分小さいものであるため、運転停止シール１７０を構成する割りリング１７２、シールリング１７８及び保持リング１８０は、ナンバーワン・シール挿入材１１０の内径から離脱するに許容可能な体積にぴったり収まることが可能であり、ナンバーワン・シール挿入材１１０の構造的健全性については何の問題もない。後退自在のスペーサ１７６は熱応答機械式装置（またはアクチュエータ）１８４により割りリング１７２の端部から後退させられる。図７及び８は通常運転時におけるスペーサ１７６とアクチュエータ１８４の相対位置を示す。アクチュエータ１８４の軸は軸３４の軸線に垂直であり、ポンプハウジングの凹部に収まっている。原子炉冷却材ポンプでは、アクチュエータ１８４はナンバーワン・シール挿入材１１０のフランジに形成した孔部内にあり、フランジの内径の一部は運転停止シールリングのために除去されている。
【００４１】
図９は作動前のスペーサ１７６及びアクチュエータ１８４を示す。アクチュエータ１８
４は図７、８及び９に示すように、ばねにより付勢されたスペーサ１７６を缶内に置いたピストン１８６より成る。その缶内には、さらに説明するように、原子炉冷却材ポンプにとって望ましい温度、例えば２８０°Ｆ（１３８℃）で相変化を起こすワックス１８８がある。この相変化が生じるとワックス１８８の体積が実質的に増加する。例えば、オクタコサンのようなワックスは体積が約１７％増加する。ワックス１８８が相変化して膨張すると、ピストンヘッド１９０をポンプ軸３４から離れる方向に押す。ピストンヘッド１９０が移動すると、ヘッド１９０により定位置に保持されていたボール１９２が外れるため、圧縮状態のばね１９４を伸張して、スペーサ１７６に連結されたプランジャ１９６を後退させる。ばね１９４が伸張するにつれて押されるプランジャ１９６はスペーサ１７６を引き寄せるため、スペーサ１７６が割りリング端部間の位置から後退する。スペーサ１７６を割りリング１７２から後退させるためにばね１９４が克服する必要のある摩擦力が腐食性生物により増加しないようにするため、スペーサ１７６にクロム炭化物を被覆してもよい。アクチュエータの熱応答するワックス１８８を、２６５−２８０°Ｆ（１２９−１３８℃）で相変化して運転停止シールを作動するように処方してもよい。２８２°Ｆ（１３９℃）以上になると、原子炉冷却材ポンプのシールは非常に不安定で予測不能な混合流（蒸気と水）を遭遇する。シールのリークオフのための警告温度は１８０−１９０°Ｆ（８２−８８℃）であり、運転停止温度は２２５−２３５°Ｆ（１０７−１１３℃）である。作動温度を２６０−２８０°Ｆ（１２７−１３８℃）にすると、潜在的に不安定な状態に対する保護を与えながら最大のマージンが得られる。
【００４２】
この設計の運転停止シールは、停止した軸上で漏洩がないように封止するが、完全に非封止型のナンバーワン・シール（非封止型ナンバーワン・シールの重大性については後述する）をもってしても、２０rpmの回転速度で、軸を休止するに必要な時間を超える時間の間漏洩のない封止を行なうことができる。２０rpmは原子炉冷却材ポンプのモータ軸受の油の楔作用が効かず原子炉冷却材ポンプの軸が直ちに停止するおおよその速度である。モータ軸受が非常に小さい摩擦抵抗を与えながら軸が原子炉冷却材ポンプの漸近減速により最も長く回転するのがこの速度範囲である。運転停止シールが軸に加えるトルクは、運転停止シールに有意な損傷が生じて漏洩のない封止が崩壊する十分前に原子炉冷却材ポンプを休止するに十分な大きさである。
【００４３】
この設計の運転停止シールは５０rpmで回転中の軸上で作動されると平均速度１gpm（３．７８５lpm）で漏洩を制御することができる。５０rpmは原子炉冷却材ポンプのモータのトリップが１分遅すぎる場合に軸が回転する近似速度である。運転停止シールは、完全な非封止型ナンバーワン・シールをもってしても、軸を休止するに要する時間を超える時間の間この回転に耐えることができる。従って、この設計の運転停止シールはシール冷却能力を全て喪失する事象にオペレータが反応できるマージンを提供する。
【００４４】
静止状態の軸上で漏洩のない封止を行なえるように最適化されるが、原子炉冷却材ポンプのナンバーワン・シールに関連する運転停止シールの幾つかのコンポーネントは、運転停止シールが封止すべき時に封止を行い、封止すべきでない時は封止をしない特性を有する。運転停止シールは、封止をするだけでなく、原子炉冷却材ポンプの封止を損なわず、あるいはコンポーネントを損傷しない。これらの特性により、運転停止シールは全速力で回転する軸上での作動に耐え且つプラントオペレータが原子炉冷却材ポンプを安全に停止させる操作をするに十分に長い時間の間耐えることができる。一部の状況では、この運転停止シールは全速力の軸上での封止に無期限に耐えることができるため、原子炉冷却材ポンプまたはプラントは運転停止を全く必要としない。これらの状況下で軸が休止すると、運転停止シールはシール冷却能力を全て喪失する事象において封止を行なえる、即ち１gpm未満に抑えられることが証明されている。
【００４５】
この設計の運転停止シールは、全シール冷却能力喪失事象において該シールを損傷から
保護するだけでなく該シールを押圧して封止機能を発揮させるナンバーワン・シールの特性の利点を利用する。ナンバーワン・シールの保護特性は、そのフェイスプレート上のテイパー角度が収斂する結果、シールのリークオフが差圧に反応しないようになるためである。そのように、ナンバーワン・シールは、通常の動作範囲に留まる間誤作動された運転停止シールと共に圧力を担うことができる。運転停止シールは、ナンバーワン・シールの性能が原子炉冷却材ポンプのトリップを必要とするような程度に劣化する前に系統の差圧の８０％を誘導しなければならない。
【００４６】
運転停止シールがそれにかかる系統差圧の１００％を担うことができても、ナンバーワン・シールはそのフェイスプレートの瞬時の擦過に耐えることができる。系統差圧の１００％が運転停止シールにかかる場合、ナンバーワン・シールはそれ自体の重量により接触力を与える。ナンバーワン・シールによる封止がないこの最も極端なケースでは、運転停止シールはこの大きさの差圧を約１２秒間担うことができるが、その後摩耗して軸から解放され、圧力分担を開始し、これがさらなる摩耗を惹き起こす圧力を制限する。
【００４７】
運転停止シールが回転中の軸上で作動すると、損傷は自己制限される。割りリングは、その端部が互いに当接する時の割りリングの円周長に軸の円周長が減少する点まで該軸を摩耗させることができるに過ぎない。割りリングの端部間のギャップは該リングが熱膨張しても端部が当接しないように設計されている。従って、そのギャップは非常に小さい。この円周長の減少は摩耗による軸直径の減少の３倍である。軸の限界摩耗量は人が触っただけではほとんど感知できないものである。摩耗のこの限界はrpmまたは回転持続時間とは無関係である。
【００４８】
摩耗の自己制限性のため、軸及び割りリングに感知可能な摩耗が生じないように保護されるだけでなく、ポリマーリング及び他のコンポーネントも保護される。摩耗が最大になってしまうと、運転停止シールはもはや、ポリマーリングを軸周に拘束状態にするに十分に封止効果を発揮しない。従って、摩耗はこれ以上進まない。運転停止シールが開くにつれてナンバーワン・シールが差圧をますます担うようになると、運転停止シールを摩耗させる力がますます小さくなる。
【００４９】
保持リングは全速で回転する軸上での作動に耐えて下流のコンポーネントを保護するように最適化される。かかる耐性を与えるために、その下側表面には、ポリマーリングとの間の摩擦を減少させるように表面処理した耐摩耗性被覆を施す。保持リングは、軸との間の環状部を通過可能な摩耗粒子のサイズを制限することにより下流のシステム及びコンポーネントを保護する。運転停止シールが破局的破損を受けた場合、破片は小さくない限り運転停止シールの領域に含まれるため、破片は安全に通過できるであろう。
【００５０】
ばねを摩耗から保護するのは、ポリマーリングが摩耗するにつれてばねの負荷がますます小さくなるためである。負荷が小さくなれば摩耗率も小さくなる。
【００５１】
誤って作動されても、運転停止シールがひどい損傷を受けるかまたはナンバーワン・シールを損傷することもないだけでなく、この運転停止シールは全シール冷却能力喪失時に軸が停止すれば封止作用を発揮する可能性がある。シール冷却能力が全て喪失すると、温度が５５０°Ｆ（２８８℃）以上になる。この設計の運転停止シールはこのこと及びそれに付随して温度が系統に及ぼす影響を利用するものである。著しい温度上昇に対してナンバーワン・シールが応答すると、そのテイパー角度が元に戻され、シールが開いて、漏洩量を増加させる。５５０°Ｆ（２８８℃）の温度で、ナンバーワン・シールの漏洩量は２２gpm（８３lpm）である。運転停止シールは流量及び温度のこの増加を２つの点で利用する。流量の増加により割りリングと軸の間の環状部にかかる自己制限性の差圧が有意に増加する。この差圧によりポリマーリングによる封止が誘導される。さらに、封止を行なう
のにポリマーリングによる支援が加わるということは、温度の上昇によりポリマーの機械的特性が減少することである。そのため、温度が上昇するに従って、ポリマーリングを拘束状態にするに要する差圧が小さくなる一方、割りリングにより発生される差圧が大きくなる。５５０°Ｆ（２８８℃）の温度で、環状部は約９００psid（６．２１MPad）を発生させる一方、ポリマーリングを閉じるのに１００psid（２８９kPad）が必要となる。
【００５２】
ポリマーリング全体が摩耗し、軸がその自己制限寸法にまで摩耗しても、運転停止シールはシール冷却能力全喪失時においても流れ制限装置として機能する。狭くなった環状部が流量をナンバーワン・シールだけによる最良のケースの流量以下に制限する。
【００５３】
ポリマーリングは、その物理的性質が運転停止シールが作動する設計温度以下で大きいため自己保護性を有する。従って、設計温度以下の温度では軸の拘束に抵抗する。これにより、設計温度に近付くまでポリマーリングの健全性が保護され、維持される。
【００５４】
割りリングは、該リングが封止する取外し可能なスリーブが軸に装着されておれば斜め継ぎでなくて突合せ端部にすることができる。スリーブの直径及び表面仕上げを厳密に制御するのであれば、単純設計の割りリングを用いることができる。しかしながら、この割りリングのサイズは室温から作動温度への通常の膨張を許容するように選択しなければならない。リングの直径が大きすぎると、小さすぎるのを同様に漏洩が起こりやすい。リングの端部が大きすぎると当接して、円周長全体がスリーブに接触することができない。小さすぎると、端部間に、流量減少させるかポリマーリングを拘束状態にする十分な差圧を発生させることなく流れが逃げるギャップが存在する。
【００５５】
割りリングを閉じる力を２つの制約内に制御する必要がある。まず第１に、後退するアクチュエータのスペーサが割りリングの端部間から離脱するのを阻止するほど強過ぎてはならない。第２に、この閉じる力は軸周に十分な接触状態を生ぜしめて差圧を最大にするに十分な大きさでなければならない。
【００５６】
温度上昇に対する典型的な応答に反して、この用途におけるＰＥＥＫは強度が増加し結晶化して環状部から押し出されないよう抵抗する。この現象は、ポリマーリングにかかる非常に大きい差圧によりこのポリマーリングに実質的な圧縮応力が印加されると同時に、運転停止シールの作動時遭遇する温度の大きな上昇により大きな熱応力が印加されることによる。この圧縮により、一次シールリング１７８は、熱膨張による通常の場合と違って半径方向に歪むことができない。そのため、材料に熱エネルギーが加えられる結果、膨張でなくて、材料内で分子変化が生じる。
【００５７】
ポリマーがそのガラス遷移温度を通過すると、分子がそれらの再配置に要するエネルギーレベルに到達する。このため、通常通りポリマーがより非晶質になり、その特性、特に引張り及び曲げ特性が低下し始める。その材料の粘性を考慮しなければならないため圧縮特性が同じレートで低下することはない。拘束状態にある材料を加熱すると、その材料が歪むことができないなら内部応力が発生する。歪むことが出来ない場合、エネルギーは材料の分子構造により別のモードで“吸収”される必要がある。運転停止シールのポリマーリングの場合、その分子鎖の振動に非常に多くのエネルギーが注ぎ込まれるため、“低エネルギー”の互いに支持する状態に移行する。ＰＥＥＫのような半結晶質ポリマー材料では、互いに支持する状態への移行は結晶化である。これにより材料の分子密度が増加する（１．２６g/ccから１．３５g/cc）。同様に、ポリマーの鎖の切断が起こると、余分な分子自由度が分子の再配置を助け、分子構造が寄木細工状になって結晶化がさらに進む。
【００５８】
その結果、ＰＥＥＫリングの機械的特性が実質的に増加するが、これは原子炉冷却系の圧力と温度が同時に印加されるからである。換言すれば、最初に温度上昇がＰＥＥＫの機械的特性を低下させて、ＰＥＥＫが拘束状態となり封止を開始できるようにする。割りリングの封止が開始されると、圧縮力が増加しそれと熱応力とが組み合わされる。押し出しに対する抵抗がもうこれ以上押し出しに抵抗できない点まで急速に増加する。運転停止シールの用途では、軸の保持リングにより形成される環状部へ押し出されるＰＥＥＫの体積はリングの全体積の約２％に限定される。これは８時間を超えて、５７０°Ｆ（２９９℃）及び２３５０psid（１６２バール）に曝される時間とは無関係である。曝される時間が８時間未満では、リングは永続的に変形しない。そのため、圧力と温度が除去されると、リングは元の寸法に復帰し、ナンバーワン・シールの漏洩路が復元される（しかしながら、割りリングは拘束状態のままである）。しかしながら、曝される時間が少なくとも８時間では、ＰＥＥＫは結晶化して後戻りできず、体積がわずかに減少する（約７％減少）。従って、リングはその内径が“収縮”し、依然として軸／スリーブに堅くクランプされたままである。
【００５９】
図１０は、加圧水型原子炉をシミュレーションする環境において本発明の好ましい実施例である運転停止シールのプロトタイプを用いる運転停止テスト時に採取したデータを採取する。図１０は、プロトタイプのシールが作動温度に到達した約４５秒未満後において冷却材の流れを事実上停止させることを示す。
【００６０】
図１１は、割りリングが、制限された開位置にある間、軸３４とナンバーワン・シール挿入材１１０の間の環状部１７４に突出しないようにするための本発明の運転停止シールの割りリング１７２の別の改良型を示す。割りリング１７２の短いセグメント１９８、例えばその円周の２乃至５度、好ましくは３度のセグメントは、割りリングの開口２００に対向する１８０度のところで剛性化されている。半径方向に広くしたセグメント１９８がなければ、割りリングはギャップ２００に対して９０度優先的に膨張するため、開口２００から１８０度離れた所に集中して卵形に歪む。領域１９８を剛性化すると、応力がより均等に分布するようになるため、より真円に近い内径が得られる。このようにすると、割りリング１７２の内径は、環状部１７４内の蒸気の流れを乱さないように一緒に同心円でなければならならないナンバーワン・シール挿入材１１０の内径の形状にぴったり合うことになる。
【００６１】
従って、これらの実施例は例えば、全交流電源喪失による停電により惹き起こされるシール冷却能力の全喪失が発生した場合に原子炉冷却材ポンプを封止するように設計される。これらの運転停止シールは、米国原子力規制委員会の事業所停電規則の条件（炉心を４乃至８時間の必須の対処期間の間保護すること）、その付則Ｒの条件（火災時に発電所を７２時間以内に冷温停止に持ち込むこために加圧器の制御を維持するべく冷却材を適切な量確保すること）、また、米国火災保護協会基準８０５規則（５５０°Ｆ（２８８℃）で、シールが１８３gpm（６９３lpm）漏洩するのを阻止すること）を満たすものである。また、この運転停止シールは電力会社のためのシステム性能軽減指数マージンを有意に改善する。
【００６２】
本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者にとっては、これらの詳細事項に対する種々の変形例及び設計変更は開示全体に照らして想到しうることが理解できるであろう。従って、図示説明した特定の実施例は例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及び任意且つ全ての均等物の全幅を与えられるべきであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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