(57)【要約】【課題】熱疲労特性が良好なサーマルスリーブ、及び圧送される高温水に温度分布がある場合でも信頼性が高いポンプを提供する。【解決手段】サーマルスリーブ３０は、ポンプの回転軸１０に外嵌され、少なくとも一部がフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする。ポンプは、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された前記回転軸１０と、この回転軸１０に外装された前記サーマルスリーブ３０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの回転軸に外嵌されるサーマルスリーブであって、
少なくとも一部がフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とするサーマルスリーブ。
【請求項２】
オーステナイト系ステンレス鋼で構成された円筒部と、
フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、前記円筒部の外周側に形成された肉盛溶接部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のサーマルスリーブ。
【請求項３】
オーステナイト系ステンレス鋼で構成された前記回転軸と、この回転軸に外嵌された請求項１または請求項２に記載のサーマルスリーブと、を備えることを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーマルスリーブ及びポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の冷却系統は、炉心から熱をとる一次冷却系と、蒸気発生器を介して一次冷却系から熱を奪い蒸気を作る二次冷却系とから構成されている。この一次冷却系においては、高温水（冷却材、媒体）が加圧器によって沸騰しないように高温高圧に制御されている。
【０００３】
そして、原子炉容器と蒸気発生器の間には、冷却材ポンプ（ポンプ）が配置されており、冷却材ポンプによって原子炉容器と蒸気発生器との間を高温水が循環するようになっている。冷却材ポンプは、例えば特許文献１に示すように、回転軸（主軸）と、ケーシングと、ケーシングカバーとを備え、回転軸を介してインペラが回転し高温水（冷却材）が流れるようになっている。
【０００４】
冷却材ポンプには高温水（冷却材、媒体）が流通するが、冷却材ポンプ内には温度分布が存在し、高温水が冷却材ポンプの低温部に流れたり、低温水が高温部に流れたりする。このような場合には、特に、冷却材ポンプの回転軸に熱疲労が生じる問題がある。そこで、特許文献１では、この問題に対して、回転軸にサーマルスリーブを設置することで、熱疲労の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭６３−５７６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、冷却材ポンプを構成する回転軸やサーマルスリーブなどは、耐食性が良好なオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。このオーステナイト系ステンレス鋼は、熱膨張係数（線膨張係数）が大きいために、大きな熱応力が発生する傾向がある。したがって、サーマルスリーブは冷却材ポンプ内の温度分布によって引き起こされる熱疲労により、疲労き裂が発生・進展してサーマルスリーブの破片が脱落し、回転軸などの部材が損傷する可能性がある。特に、サーマルスリーブは回転軸に取り付けられており、遠心力が負荷されるために熱疲労が生じ易い。そのため、熱疲労特性が良好なサーマルスリーブが要望されている。
【０００７】
また、回転軸にサーマルスリーブを取るつける際には、脱落防止のために焼き嵌めが行われているが、焼き嵌めによって、サーマルスリーブには周方向の引張応力（フープ応力）が作用し、平均応力の影響を受けて熱疲労強度が低下する問題もある。
【０００８】
この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、熱疲労特性が良好なサーマルスリーブ、及び圧送される媒体に温度分布がある場合でも信頼性が高いポンプ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】
【０００９】
本発明者らは、上述したような課題を解決すべく、サーマルスリーブの熱疲労特性を向上させるために、ポンプの回転軸に外装されるサーマルスリーブについて鋭意検討した。その結果、サーマルスリーブの熱疲労特性に大きな影響を与える因子は、引張強さ、熱膨張係数（線膨張係数）、熱伝導率であることを見出した。本発明は、上記の知見に基づき完成させたものであって、その要旨は以下の通りである。
【００１０】
すなわち、本発明のサーマルスリーブは、ポンプの回転軸に外嵌されるサーマルスリーブであって、少なくとも一部がフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴としている。
【００１１】
本発明のサーマルスリーブによれば、少なくとも一部がフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されており、これらのフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼は、引張強さが高いので熱疲労特性が良好となる。さらに、フェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼は、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が大きいので、サーマルスリーブに発生する熱応力振幅を低減でき、熱疲労特性を向上させることが可能となる。具体的には、ポンプの回転軸がオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている場合に、サーマルスリーブの少なくとも一部がフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されていると、サーマルスリーブの熱疲労特性が向上することになる。
【００１２】
また、前記サーマルスリーブは、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された円筒部と、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、前記円筒部の外周側に形成された肉盛溶接部と、を備える構成とされても良い。
【００１３】
この場合、サーマルスリーブの円筒部がオーステナイト系ステンレス鋼で構成され、サーマルスリーブの熱疲労が発生しやすい円筒部の外周側に肉盛溶接部が形成されていることになる。そして、この肉盛溶接部を構成するフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、引張強さが高く、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が大きいので、サーマルスリーブの熱疲労特性を向上させることができる。
さらに、肉盛溶接部には、予め圧縮の残留応力が残存しているので、疲労強度特性が改善され、熱疲労が生じ難くなり、このサーマルスリーブを用いたポンプの信頼性を向上させることができる。
また、熱疲労が生じ易い箇所にのみ選択的に肉盛溶接をする場合、製造コストを低減することができる。
【００１４】
また、本発明のポンプは、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された前記回転軸と、この回転軸に外嵌された上記のサーマルスリーブと、を備えることを特徴としている。
【００１５】
本発明のポンプによれば、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された回転軸と、上述のようなサーマルスリーブとを備える構成とされており、回転軸が熱疲労特性の良好なサーマルスリーブで外装されているので、回転軸をサーマルスリーブで確実に保護することができる。また、サーマルスリーブの熱疲労特性が良好なので、サーマルスリーブの破片がポンプ中に脱落することが抑制され、回転軸をはじめとするポンプの部材に損傷を与えることを抑制できる。
したがって、ポンプの動作の信頼性を向上させることが出来る。また、ポンプの使用寿命を長くすることも可能となる。ここで、ポンプとは、具体的には加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の冷却材ポンプなどが挙げられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱疲労特性が良好なサーマルスリーブ、及び圧送される高温水に温度分布がある場合でも信頼性が高いポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る冷却材ポンプの概略説明図である。
【図２】第一の実施形態に係るサーマルスリーブの概略説明図である。（ａ）は主軸の軸線を通る断面の概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】実用材料の熱伝導率と熱膨張係数の関係を示すグラフである。
【図４】第二の実施形態に係るサーマルスリーブの概略説明図である。（ａ）は主軸の軸線を通る断面の概略図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】第二の実施形態に係るサーマルスリーブの製造方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第一の実施形態）
以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に本発明の実施形態に係る冷却材ポンプ１（ポンプ）を示す。冷却材ポンプ１は、例えば加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の一次冷却系に用いられるポンプである。
【００１９】
冷却材ポンプ１は、図１に示すように、上下方向に延在し軸線回りに回転可能に設けられた回転軸１０と、回転軸１０の先端（下端）に設けられるインペラ２０と、回転軸１０に外装されたサーマルスリーブ３０と、これらを覆うケーシング６０と、ケーシング６０の外方に突出する冷却水入口４１と、冷却水出口４２と、を備えている。そして、ケーシング６０には、冷却材（高温水、媒体）を吸い込む冷却材吸込ノズル５１と、冷却材を吐出する冷却材吐出ノズル５２が形成されている。
【００２０】
この冷却材ポンプ１においては、電動機によって回転軸１０が回転し、先端部に一体的に取り付けられたインペラ２０が一体的に回転するように構成されており、冷却材吸込みノズルから吸い込まれた冷却材（高温水）がインペラ２０によって冷却材吐出ノズル５２へと流動されるようになっている。また、冷却材ポンプ１は、冷却水入口４１から冷却水（低温水）が注水され、インペラ２０の上方の回転軸１０の周囲が冷却されるようになっている。
【００２１】
冷却材吸込ノズル５１から流入する冷却材は、３７３℃未満の高温水である。この高温水は、より具体的には約３００℃である。また、冷却水入口４１から流入する冷却水は約３０℃の低温水である。
【００２２】
したがって、これらの冷却材（高温水）と冷却水（低温水）が混ざる領域においては、水温に温度分布があり、冷却材ポンプ１の内部において高温とされた部材が低温水と接する場合や低温とされた部材が高温水と接する場合に、熱疲労が発生しやすくなる。具体的には、回転軸１０及びサーマルスリーブ３０に生じる温度変化は、１００℃〜２００℃程度である。また、回転軸１０及びサーマルスリーブ３０は、回転軸１０が回転することで生じる遠心力の影響を受けてさらに熱疲労が生じやすくなっている。
【００２３】
図２に第一の実施形態に係る回転軸１０とサーマルスリーブ３０の拡大図を示す。
回転軸１０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒形状をしており、この回転軸１０にはサーマルスリーブ３０が外装されている。この回転軸１０は、冷却材ポンプ１の主軸であり、本実施形態においては、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。
【００２４】
サーマルスリーブ３０は、回転軸１０を熱疲労から保護する保護材としての機能を有するものである。サーマルスリーブ３０は、円筒形状をしており、回転軸１０の外表面側に嵌めこまれている。このサーマルスリーブ３０は、具体的には、焼嵌めによって回転軸１０に嵌めこまれて製造される。
【００２５】
本実施形態においては、サーマルスリーブ３０は、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されている。
フェライト系ステンレス鋼としては、具体的には、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４０５などが挙げられる。
【００２６】
マルテンサイト系ステンレス鋼としては、具体的には、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ１、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４２９Ｊ１、ＳＵＳ４４０などが挙げられる。
【００２７】
次に、サーマルスリーブ３０の構成材料の選定方法について説明する。
発明者らの検討によれば、サーマルスリーブ３０を構成する材料の疲労限度は、引張強さに比例することが確認されており、疲労限度を向上させるためには、引張強さの高い材料を選定する必要がある。
【００２８】
また、温度ゆらぎの熱応力振幅は簡易的に以下の式で表されることが知られている。
ε＝１／２×（Ｅ×α×ΔＴ）×Δσ*max／（１−ν）
（Ｅ：ヤング率、ν：ポアソン比、α：熱膨張係数、ΔＴ：温度差、Δσ*max：最大無次元応力範囲であり、Ｂｉが大きいほど大きな値となる）
ここで、Ｂｉ＝ｈ×ｔ／λである。
（ｈ：熱伝達係数、ｔ：板厚、λ：熱伝導率）
【００２９】
上記の式から、熱応力振幅に影響を及ぼす材料因子としては、ヤング率、ポアソン比、熱膨張係数、熱伝導率が挙げられる。しかしながら、鋼材料においては、ヤング率とポアソン比は、材料ごとに大きな差はないので、熱膨張係数と熱伝導率がサーマルスリーブ３０を構成する材料の選定基準となる。
【００３０】
図３に、各種合金の熱伝導率と熱膨張係数の関係を示す。図３においては、横軸が線膨張係数、縦軸が熱伝導率となっている。線膨張係数が小さい材料としてインバー（Ｃｕ−Ｎｉ（−Ｃｒ）系合金）が挙げられ、熱伝導率が大きい材料としてＡｌＮや純クロムが挙げられるが、これらの材料は軽水炉で用いられた実績はなく、さらに、構造材料としてサーマルスリーブを構成することは難しいため、実際に適用することは困難である。
また、鉄・炭素鋼は、腐食の問題が生じる問題がある。
また、純ニッケルは、めっき材料として用いることが考えられるが、冷却材ポンプ１に適用することは現実的には難しい。また、製造コストが大きくなる問題もある。
したがって、本実施形態においては、サーマルスリーブ３０を構成する材料として、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の一次系で実績があり、熱膨張係数が小さく、かつ強度が高いフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼を用いている。
【００３１】
本発明の実施形態に係るサーマルスリーブ３０によれば、サーマルスリーブ３０が、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が大きなフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されているので、熱応力振幅を低減でき、熱疲労特性を向上させることができる。また、これらのフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼は、引張強さが大きいので、熱疲労特性をさらに向上させることができる。
【００３２】
また、本実施形態に係る冷却材ポンプ１によれば、回転軸１０に上述のような熱疲労特性が良好なサーマルスリーブ３０が外装されているので、冷却材ポンプ１の動作の信頼性を向上させることができるとともに、使用寿命を長くすることが可能となる。
【００３３】
（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態に係る冷却材ポンプ１は、回転軸１０及びサーマルスリーブ１３０の構成が異なること以外は、第一の実施形態に係る冷却材ポンプ１と同一の構成であり、詳細な説明を省略する。
第二の実施形態に係る冷却材ポンプ１は、図４に示すように、回転軸１０と、回転軸１０の外周を覆うサーマルスリーブ１３０とを備えている。
【００３４】
回転軸１０は、冷却材ポンプ１の主軸であり、第二の実施形態においては、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。
【００３５】
サーマルスリーブ１３０は、回転軸１０に外装された円筒部１３１と、この円筒部１３１の外周側に形成された肉盛溶接部１３２と、を備えている。このサーマルスリーブ１３０は、回転軸１０を保護する機能を有するものであり、回転軸１０の外周面側に配置されている。
円筒部１３１は、回転軸１０の軸線方向に延在しており、本実施形態においては、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。
【００３６】
肉盛溶接部１３２は、円筒部１３１の外周面を覆うように形成されており、例えば構造解析やシミュレーションなどによって回転軸１０及びサーマルスリーブ１３０に熱疲労が生じ易いと推測される箇所に優先的に設けられている。この肉盛溶接部１３２は、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されている。本実施形態においては、肉盛溶接部１３２は、圧縮の残留応力を有している。
ここで、具体的には、肉盛溶接部１３２の厚みｔ２は、サーマルスリーブ１３０の厚みｔ１に対して、５０％以内の範囲に設定されていることが必要である。
【００３７】
実際の肉厚制限は、円筒部１３１と肉盛溶接部１３２の材料の組み合わせにより、肉盛溶接後の発生残留応力が最適となるように設定することができる。必要な最小の肉厚については、円筒部１３１の肉盛溶接施工部表面を隙間なく覆っていれば、サーマルスリーブ１３０の熱疲労特性を確実に向上させることが可能となる。
【００３８】
次に、第二の実施形態に係るサーマルスリーブ１３０の製造方法について説明する。まず、回転軸１０に対して肉盛溶接部１３２が形成される前のサーマルスリーブ１４０を加熱し、焼嵌めを行う。次いで、熱疲労が発生しやすい箇所に対してサーマルスリーブ１４０の外周面に機械加工を行い、溝１４２を形成する。このとき、円筒部１３１が形成されることになる。
【００３９】
そして、この溝１４２に肉盛溶接を行い、肉盛溶接部１３２を形成する。このとき、肉盛溶接に用いるビードは、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼とされている。その後、肉盛溶接部１３２に対して、残留応力の緩和を目的とする熱処理を行う。
【００４０】
この肉盛溶接部１３２を形成後に熱処理を施すことで、溶接時に肉盛溶接部１３２に生じた引張の残留応力は緩和される。そして、冷却時には、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成された肉盛溶接部１３２の熱膨張係数は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された回転軸１０及び円筒部１３１の熱膨張係数よりも小さいため、肉盛溶接部１３２の熱収縮は回転軸１０及び円筒部１３１よりも小さくなり、肉盛溶接部１３２には圧縮の残留応力が残存することになる。
【００４１】
こうして、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された円筒部１３１と、この円筒部１３１の外周面側に形成されフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で構成された肉盛溶接部１３２と、を有するサーマルスリーブ１３０が得られる。
【００４２】
第二の実施形態に係る冷却ポンプによれば、サーマルスリーブ１３０の熱疲労が発生しやすい円筒部１３１の外周側に、肉盛溶接部１３２が形成されており、この肉盛溶接部１３２が、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、引張強さが高く、熱膨張係数が小さく、かつ熱伝導率が大きいフェライト系ステンレス鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されているので、サーマルスリーブ１３０の熱疲労特性を向上させることができる。
【００４３】
さらに、肉盛溶接部１３２には、予め圧縮の残留応力が残存しているので、疲労強度特性が改善され、熱疲労が生じ難くなり、サーマルスリーブ１３０の熱疲労特性をさらに向上させることができる。
また、本実施形態においては、熱疲労が生じ易い箇所にのみ選択的に肉盛溶接を行っているので、製造コストを低減することができる。
【００４４】
また、肉盛溶接部１３２が、円筒部１３１の肉盛溶接施工部表面を隙間なく覆っていれば、サーマルスリーブ１３０の熱疲労特性を確実に向上させることが可能となる。
【００４５】
以上、本発明の実施形態であるサーマルスリーブ及び冷却材ポンプ（ポンプ）について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４６】
なお、上記の実施形態においては、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）に用いられる冷却材ポンプを一例として説明したが、その他のポンプに本実施形態に係るサーマルスリーブを適用しても良い。さらに、その他のポンプにおいて、圧送される媒体は高温水に限定されることなく、液体金属や溶融塩などの媒体であっても良い。
【００４７】
また、上記の第二の実施形態においては、円筒部の外周面の一部に肉盛溶接部を形成する場合について説明したが、全面に肉盛溶接部を形成しても良い。
また、円筒部の外周面に一つの肉盛溶接部を形成する場合について説明したが、肉盛溶接部は必要に応じて複数設けられていても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１  冷却材ポンプ（ポンプ）
１０  回転軸
３０、１３０  サーマルスリーブ
１３１  円筒部
１３２  肉盛溶接部
【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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