(57)【要約】  外部から動力を供給される自己洗浄式のストレーナであって、長期間に渡って稼動することが可能であるストレーナは、流体が一定速度でストレーナに向かう流体をそらすために形成された下面を有し、それにより羽根車はデブリをより効率的に排出することができる飛来物シールドと、適切な形状を有し、モーターにより駆動され、ストレーナ取水口付近に、局部的な半径方向外向きに流体の流れを発生させる羽根車とを含む。また、自己洗浄式ストレーナは、羽根車の正反対に取り付けられた、取水口面のデブリ除去を支援するためのブラシを含む。羽根車はストレーナの取水口面を通り過ぎる際に、ストレーナ内に局部的な逆流を引き起こし、それによりストレーナからデブリ粒子が除去される。
2007501943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストレーナの自己洗浄の方法であって、
飛来するデブリから前記ストレーナの取水口面を保護する段階と、
前記ストレーナの前記取水口面の付近に半径方向内向きの流体の流れを発生させる段階と、
前記ストレーナを通過する前記流体の前記半径方向内向きの流れを偏向させる段階と、
前記ストレーナの前記取水口面の付近に半径方向外向きの局部的な流体の流れを発生させる段階と、
半径方向外向きの前記局部的な流体の流れを、前記ストレーナの前記取水口面の実質的全域に通過させ、それにより前記ストレーナの前記取水口面から１つ又は複数のデブリ粒子を除去する段階と、を含む方法。
【請求項２】
前記ストレーナの前記取水口面を保護する段階は、飛来物シールドを提供する段階を含み、
前記半径方向内向きの流体の流れを偏向させる段階は、前記飛来物シールドの下面を利用したものであり、
前記半径方向内向きの流体の流れを偏向させる段階は、前記ストレーナを通過する実質的に一定な流速を作り出し、それにより加速流に付随する付加的なヘッドロスを防止するものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記飛来物シールドの前記下面は、以下の数式に基づいて形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【数１】
2007501943.tif 000012
（ここで、ｈ（ｒ）は、前記ストレーナの前記取水口面と前記飛来物シールドの前記下面の内面との距離を表し、これは半径方向位置の関数で示される。ｒｉは前記ストレーナの最小の内半径を表し、これより半径が小さい部分では流体の流れは存在しない。Ｒは前記ストレーナの外半径を表す。Ｗは前記流体の接近流速を表す。Ｖは前記ストレーナ取水口を通過する前記一定の流速を表す。）
【請求項４】
前記飛来物シールドの前記下面は、以下の数式に基づいて形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【数２】
2007501943.tif 000013
（ここで、ｈ（ｒ）は前記ストレーナの取水口面と前記飛来物シールドの下面との距離を表し、これは半径上の位置の関数で示される。）
【請求項５】
前記ストレーナを通過する前記流体の局部的な逆流を発生させる段階と、
前記局部的な逆流を前記ストレーナ上の実質的全域に通過させ、それによる１つ又はそれ以上のデブリ粒子を前記ストレーナから除去する段階と、を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
半径方向外向きの局部的な流体の流れの発生、及び半径方向外向きの前記局部的な流体の流れの、前記ストレーナの前記取水口面上の実質的全域の通過は両方とも、適切に形成された回転プラウにより達成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ストレーナの前記取水口面をブラッシングする段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ストレーナの取水口を飛来物デブリから保護するために配置された飛来物シールドと、
前記飛来物シールドと前記ストレーナの前記取水口面との間に配置された羽根車と、
前記羽根車に取り付けられ、前記羽根車に前記ストレーナの前記取水口面の実質的全体を通過させることができる駆動モーターと、を含むことを特徴とする自己洗浄式ストレーナ装置。
【請求項９】
前記飛来物シールドの下面は、前記ストレーナを通過する実質的に一定流速の半径方向内向きの流体の流れを偏向させるように形成され、
前記羽根車の上部エッジは、前記飛来物シールドの前記下面から実質的に一定の隙間を有するように形成され、
前記羽根車の下部エッジは、前記ストレーナの前記取水口面から実質的に一定の隙間を有するように形成され、
前記羽根車は、前記ストレーナの前記取水口面上の実質的全域を通過することにより前記流体の局部的な半径方向外向きの流れを発生させ、それにより前記ストレーナの前記取水口から１つ又はそれ以上のデブリ粒子が除去されるように形成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記飛来物シールドの前記下面は以下の数式に基づいて形成されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【数３】
2007501943.tif 000014
（ここで、ｈ(ｒ)は前記ストレーナの前記取水口と前記飛来物シールドの前記下面の内面との間の距離を表し、これは半径方向位置の関数となる。ｒｉは前記ストレーナの最小の内半径を表し、これより半径が小さい部分では流体の流れは存在しない。Ｒは前記ストレーナの外半径を表す。Ｗは前記流体の接近流速を表す。Ｖは前記ストレーナ取水口を通過する前記一定の流速を表す。）
【請求項１１】
前記飛来物シールドの前記下面は以下の数式に基づいて形成されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【数４】
2007501943.tif 000015
（ここで、ｈ(ｒ)は前記ストレーナの前記取水口と前記飛来物シールドの前記下面の内面との間の距離を表し、これは半径方向位置の関数となる。）
【請求項１２】
前記羽根車は、それが前記ストレーナの前記取水口面上の実質的全域を通過することにより、前記流体の前記ストレーナを通過する逆流がさらに発生され、それにより前記ストレーナから１つ又はそれ以上のデブリ粒子が除去されるように形成されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記羽根車の前記上部エッジと前記飛来物シールドの前記下面との間の実質的に一定な前記隙間は０〜１／４インチ（０〜６．３５ｍｍ）の範囲内にあり、
前記羽根車の前記上部エッジと前記ストレーナの前記取水口面との間の実質的に一定な前記隙間は０〜１／４インチ（０〜６．３５ｍｍ）の範囲内にあり、
前記羽根車は、その先端速度の、前記流体が前記ストレーナを通過する前記実質的に一定な流速に対する比率が５〜１５の範囲内にあることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記羽根車の半径方向反対側に取り付けられたブラシを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
飛来物デブリからストレーナの取水口面を保護するために設置された飛来物シールド手段と、
前記飛来物シールドと前記ストレーナの前記取水口面との間に設置された羽根車手段と、
前記羽根車に、前記ストレーナの前記取水口面上の実質的全域を通過させることができる駆動モーター手段と、を有することを特徴とする自己洗浄式ストレーナ機器。
【請求項１６】
前記飛来物シールド手段の下面は、前記ストレーナを通過する実質的に一定流速の半径方向内向きの流体の流れを偏向させるように形成され、
前記羽根車手段は、それが前記ストレーナの前記取水口面上の実質的全域を通過することにより前記流体の局部的な半径方向外向きの流れを発生させ、それにより前記ストレーナの前記取水口から１つ又はそれ以上のデブリ粒子が除去されるように形成されることを特徴とする請求項１５に記載の機器。
【請求項１７】
前記飛来物シールド手段の下面は以下の数式に基づいて形成されることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【数５】
2007501943.tif 000016
（ここで、ｈ(ｒ)は前記ストレーナの前記取水口と前記飛来物シールドの前記下面の内面との間の距離を表し、これは半径方向位置の関数となる。ｒｉは前記ストレーナの最小の内半径を表し、これより半径が小さい部分では流体の流れは存在しない。Ｒは前記ストレーナの外半径を表す。Ｗは前記流体の接近流速を表す。Ｖは前記ストレーナ取水口を通過する前記一定の流速を表す。）
【請求項１８】
前記飛来物シールド手段の下面は以下の数式に基づいて形成されることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【数６】
2007501943.tif 000017
（ここで、ｈ(ｒ)は前記ストレーナの前記取水口と前記飛来物シールドの前記下面の内面との間の距離を表し、これは半径方向位置の関数となる。）
【請求項１９】
前記羽根車手段は、それが前記ストレーナ上の前記取水口面の実質的全域を通過することにより、前記ストレーナを通過する前記流体の局部的な逆流を更に発生させ、それにより前記ストレーナから１つ又はそれ以上のデブリ粒子が除去されるように形成されることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項２０】
前記羽根車手段の前記上部エッジと前記飛来物シールド手段の前記下面との間の実質的に一定な隙間は０〜１／４インチ（０〜６．３５ｍｍ）の範囲内にあり、
前記羽根車手段の前記上部エッジと前記ストレーナの前記取水口面との間の実質的に一定な隙間は０〜１／４インチ（０〜６．３５ｍｍ）の範囲内にあり、
前記羽根車手段は、その先端速度の、前記流体が前記ストレーナ内を通過する前記実質的に一定な流速に対する比率が５〜１５の範囲内にあることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項２１】
前記ストレーナの前記取水口面から１つまたはそれ以上のデブリ粒子を払いのけることができるブラシ手段を更に含み、
前記ブラシ手段は、前記羽根車手段の半径方向反対側に取り付けられることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から動力を供給される自己洗浄式ストレーナのための方法及び装置に関し、より具体的には、圧力損失が低く、飛来物デブリからのシールドを含む自己洗浄式ストレーナのための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自己洗浄機能を有する、自己推進式のストレーナは、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の非常用炉心冷却系（ＥＣＣＳ）の有用なコンポーネントとなりうる。
【０００３】
冷却水損失事故（ＬＯＣＡ）が発生した場合には、ＥＣＣＳは数ヶ月にも達しうる長期間に渡り稼動し、大量のデブリを含んだ冷却水の再循環を行う必要がある。例えば、適切な自己洗浄式ストレーナは、１９９７年１１月１８日にグリーンほかに取得された、「自己洗浄式ストレーナ」と題された米国特許第５，６８８，４０２号に記述されたような環境のために設計されており、同米国特許の内容は、参照することにより本発明に含まれる。
【０００４】
しかし、そのような設計は、米国内で稼動中の原子炉の約７０％を占める加圧水型原子炉（ＰＷＲ）には適当でない。その主な理由は、ＰＷＲはヘッドロス（圧力損失とも言われる）が大きく、飛来物シールドを有さないことである。それらの理由は、ＢＷＲとＰＷＲの従来型設計の違いを考察することにより、より良く理解されることができる。
【０００５】
ＢＷＲにおいて、圧力容器内部で炉心の減速材及び冷却材として利用される冷却水は、タービンへの蒸気発生源でもある。この点は、冷却水が放射性を有するという問題を生じさせる一方で、原子炉全体の設計を単純化し、図１に示される内部ドライウェル１２、ウィア・ウォール１４（ｗｅｉｒ  ｗａｌｌ）、及び冷却水の圧力抑制プール１６を含む格納構造１０の利用を可能とする。圧力抑制プール１６は、想定される冷却材損失事故（ＬＯＣＡ）発生時の非常用炉心冷却系（ＥＣＣＳ）に用いられる冷却材のヒートシンク及び貯蔵地の役割を果たすなど、いくつかの機能を有する。
【０００６】
ＬＯＣＡ発生後にＢＷＲは運転停止されるが、その後も炉心１８は保守が行われることができる温度まで冷却されなければならない。炉心の冷却には何週間もかかる場合があり、それは圧力抑制プールから非常用冷却材を送り込むことにより行われる。
【０００７】
想定されるＬＯＣＡのパイプ破損は、蒸気が漏出したり、ドライウェル内の断熱材や他の材料を腐食させたりする原因となる。蒸気と、それにより発生した周囲を巻き込むような流れは、大量の繊維状のデブリ物質、パイプ状のグラスファイバー断熱材、塗料の小片、腐食生成物、及び他のデブリをウェットウェル内部に運び込む。このようなデブリは、原子炉容器の詰まりを防止するため、非常用冷却材が炉心に戻される前に除去されなければならない。
【０００８】
さらに、デブリを除去するフィルター自体が、ＥＣＣＳが稼動する数週間／数ヶ月の間、比較的目詰まりすることなく保持されなければならない。そのため、従来技術の自己洗浄式フィルターが必要とされた。
【０００９】
図２は、従来のＰＷＲの概略的な横断面図を示す。
【００１０】
ＰＷＲにおいて、減速材及び冷却材として炉心を通過した冷却水は、タービンに流れ込まず、加圧された第１ループ３０内に保持される。  第１ループは、第２ループ内に蒸気を発生させるための熱交換器に流れ込む。これによりＰＷＲは、より高い圧力および温度にて、より効率的に運転することができるが、その一方で設計が複雑になる。
【００１１】
そのため、ＰＷＲは圧力抑制プールを含まず、通常運転時は空の状態の格納サンプ３２、及び別途設けられた燃料交換用水タンク（ＲＷＳＴ）を有するのみである。
【００１２】
ＰＷＲのＬＯＣＡ発生時に、冷却水は原子炉ドレーンから格納構造３４の底部に流入するので、先ず原子炉容器の冷却を開始するために補給水がＲＷＳＴ３４から流し込まれる。ここで、可能な限り早期に、運転員がＲＷＳＴのバルブを閉じ、格納サンプ３２内のポンプを用いて、底部にたまった冷却水の再循環を開始できるような設計がなされる。
【００１３】
しかし、ＢＷＲ同様、ＰＷＲのＬＯＣＡ発生時に格納構造内の冷却水は多量のデブリを含む。このデブリは、破断したパイプから流出した高圧の冷却水が、周囲の配管、機器類、及び構造物から断熱材、塗料、及び他の防護皮膜を引き剥がすことにより生じる。その後、冷却水はデブリを格納サンプへと運ぶ。
【００１４】
ＢＷＲの場合と同様に、冷却水は、原子炉が補修可能となるまで十分に冷却されるよう、数ヶ月オーダーの長期に渡り再循環されなければならない場合がある。この間、いかなるデブリ用スクリーンも、それ自体が洗浄された状態で維持される必要がある。
【００１５】
前記より、ＢＷＲ用のスクリーンは常時、十分多量な冷却水に浸されている一方で、ＰＷＲのデブリ用スクリーンは、初期段階においては水に覆われていないと考えられる。ＬＯＣＡ事故の初期段階においては、大きな速度で移動するパイプや構造体の小片等、相当な大きさのデブリや飛来物が大量に発生する可能性が高い。
【００１６】
大部分のＢＷＲのスクリーンは、内部ドライウェルにより、またそれ自体が冷却水に覆われているため、これらの飛来物から保護される。大部分のＰＷＲのスクリーンはこれらの飛来物に直接さらされており、何らかの方法で保護されない限り、大きな損傷を受ける可能性がある。
【００１７】
二つ目の相違点は、上記のＰＷＲ設計は比較的浅い水面中で稼動しなければならないということである。この条件により、自己洗浄式ストレーナは、ＢＷＲの場合よりも遠くにデブリを排出しなければならない。
【００１８】
ＢＷＲにおいては、一旦ストレーナから物質が除去されれば、それは比較的深いウェットウェル内に沈んでいく。ＢＷＲのように水深がないため、ＰＷＲ用の自己洗浄式ストレーナは、デブリを遠くまで飛ばさなければならないが、そのためにはより効率的な羽根車が必要とされる。
【００１９】
また、ＰＷＲの比較的浅い水面は、非常に小さいスクリーンの圧力損失（ヘッドロスとも言われる）を要求する。大きすぎる圧力損失は、非常用ポンプのキャビテーションを引き起こし、その結果、効率が低下するほか、ポンプが損傷する可能性があり、原子炉への冷却材の流量が減少する。
【００２０】
ＰＷＲにおいて想定されるＬＯＣＡ発生時に水頭が制限されるということは、従来技術のＢＷＲ設計のように、自己洗浄式スクリーンをタービンによる自己出力方式とすることはできないことを意味する。これは、タービンは損失ヘッドが大きく、ＰＷＲの非常用炉心冷却システム（ＥＣＣＳ）の有効吸い込みヘッドの許容されるマージンを概して超えるためである。
【００２１】
ほとんどのＰＷＲの許容される損失ヘッドは概して１．２５メートル以下であるのに対し、米国特許第５，６８８，４０２号に記述された自己洗浄式であり自己出力方式であるストレーナの典型的な損失ヘッドは３メートルである。
【００２２】
そのため、損失ヘッドが低く、飛来物シールドを含み、ＬＯＣＡ事故発生時に効果的となりうる自己洗浄式フィルターが必要とされる。
【発明の開示】
【００２３】
出願書類の相互参照
本出願は、２００３年５月１５日にビラニン他により出願された、「自己洗浄式ストレーナ」と題された米国特許出願第６０／４７０，４９６号に関し、その優先権を主張するものであり、同米国特許出願の内容は参照されることにより本発明の一部を構成する。
【００２４】
本発明は、外部から動力を供給される自己洗浄式ストレーナであって、飛来物シールドを含み、圧力損失が低いストレーナに関する。本発明は、ストレーナを長期間に渡りデブリがない状態に保つための装置及び方法を提供することを目的とする。
【００２５】
好ましい実施形態において、自己洗浄式ストレーナは、流体中に沈められたとき、ストレーナの取水口面の近くに半径方向外向きの局部的な流体の流れを作り出すことにより機能する。
【００２６】
この局部的な半径方向外向きの流れは、モーターにより駆動される適切に形成された羽根車（プラウとも言われる）が、ストレーナの取水口面の近くで回転されることによって作り出されることもでき、その流れがストレーナの取水口面のデブリ粒子を除去する。
【００２７】
好ましい実施形態はまた、遊離物として飛来するデブリからストレーナを保護する遊離物シールド（飛来物シールドとも言われる）を含む。
【００２８】
また、遊離物シールドは、物質をより効率的に除去する羽根車の性能を向上させるように形成された底面を有し、この底面は半径方向内向きに流れ、ストレーナを通過し下方に向かう偏向させる。
ストレーナと浮遊物シールドとの間の環状領域で作動する羽根車は、ストレーナ表面の反対側に何もない場合と比べて優れた性能を示す。また、ストレーナを通過する流量を一定に保つことにより、加速流に付随する付加的なヘッドロスが避けられる。
【００２９】
また、自己洗浄式ストレーナは、ストレーナの取水口面からのデブリ除去を助けるために、羽根車の実質的に正反対の位置に取り付けられるブラシを含むことができる。
【００３０】
羽根車は、それがストレーナの取水口面上を通過して回転されるときに、局部的な逆流がストレーナ内に発生するように形成されることができ、それによりデブリ粒子がストレーナから除去される。
【００３１】
上記及び本発明の他の特徴は、以下の図面を参照することにより、より十分に理解される。
【００３２】
図面の簡単な説明
図１は、格納構造を有する従来型の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の概略的な断面図を示す。
【００３３】
図２は、格納構造を有する従来型の沸騰水型原子炉（ＰＷＲ）の概略的な断面図を示す。
【００３４】
図３は、ここに記述された本発明の思想を実施するために利用されることができる例示的な自己洗浄式ストレーナの各種コンポーネントを示す。
【００３５】
図４は、ここに示された本発明の思想を実施するために利用されることができる他の例示的な自己洗浄式ストレーナの各種コンポーネントを示す。
【００３６】
図５は、米国内の数多くのＰＷＲのＥＣＣＳポンプの有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨ）のマージンをフィート単位で示す。
【００３７】
図６ａは、本発明の好ましい実施形態による羽根車、穴あきプレートまたは上部メッシュプレート、及びブラシの平面図を示す。
【００３８】
図６ｂは、本発明の好ましい実施形態における偏向シールド、羽根車、ブラシ、及び駆動シャフトの側面図を示す。
【００３９】
図７は、速度および寸法を表す記号を図示した、本発明の好ましい実施形態の概略的な断面図を示す。
【００４０】
図８は、流れの場が、回転するプラウ上に座する観察者の目にどのように見えるのかを示す概略図である。
【００４１】
図９は、好ましい実施形態のプラウの設計の詳細を示す。
【００４２】
図１０は、実験結果の表を示す。抗力係数Ｃｄは、半径６インチ（１５２ｍｍ）のストレーナの効力係数Ｃｄは１．５とされた。
【００４３】
図１１は、２つの異なるプラウのギャップについて接近流速に対する先端速度をプロットした図である。
【００４４】
図１２は、ブラシが穴あきプレートにちょうど接触し、プラウギャップが１／４インチ（６．３５ｍｍ）である場合の塗料に関する類似した結果を示す図である。
【００４５】
図１３は、設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるストレーナプレートのヘッドロスを表し、異なる曲線は右側の凡例に示される流速に対応する。
【００４６】
図１４は、設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるストレーナプレートの接近流速を表し、異なる曲線は右側の凡例に示される流速に対応する。
【００４７】
図１５は、設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるプラウ／ブラシの回転を表し、異なる曲線は右側の凡例に示される異なる流速に対応する。
【００４８】
図１６は、設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるプラウ／ブラシの駆動に必要な出力を表し、異なる曲線は右側の凡例に示されることなる流速に対応する。
【００４９】
図１７は、設計曲線を示し、縦軸は、ストレーナがタービンを動力源とする場合に必要となるタービン出力の関数としてプロットされた自己洗浄式ストレーナのタービンのヘッドロスの推定値を表す。
【００５０】
発明を実施するための最良の形態
本発明の思想を理解するためには添付図面を参照することが有益であろう。添付図面中の類似した番号は類似した要素を表す。
【００５１】
図３は、ここに記載された発明の思想を実施するために使用されることができる例示的な自己洗浄式ストレーナの各種コンポーネントを示す。
【００５２】
自己洗浄式ストレーナは、上部取水口メッシュまたはスクリーン４２、側部取水口メッシュまたはスクリーン４４、噴流物または飛来物シールドとポンプエンドの一体型プレート４６、プラウまたは羽根車４８、ブラシ５０、サンプ５２、及び駆動モーター５４を含む。サンプ５２、上部取水口スクリーン４２、及び側部取水口スクリーン４４は、米国内の数多くのサイトに建設された乾式ＰＷＲ格納容器に特有のものである。
【００５３】
サンプ５２は通常は空の状態とされており、想定されるＬＯＣＡ開始時に予想される初期段階の噴流物または飛来物デブリにさらされる場合がある。
【００５４】
噴流物／飛来物シールドとポンプエンドの一体型プレートは、一例として適当な鋼材、コンクリートまたは複合材料等があるがそれらに限定されない適当な材料からなり、上記の初期噴流物および飛来物デブリから自己洗浄フィルターのエレメントを保護するための適当な寸法を有する。
【００５５】
ＬＯＣＡ事故が進行するにつれ、原子炉容器から排出された冷却水又は他の冷却材５６は格納容器の基底部にたまり、その後ＥＣＣＳポンプによりサンプ５２から再循環される。この再循環により原子炉が冷却される。
【００５６】
格納容器の底部にたまった冷却水又は冷却材５６は、ＬＯＣＡを引き起こした破断部分の近くのパイプ及び他の構造物から剥ぎ取られた断熱材や保護皮膜からなる多量のデブリを含む。
【００５７】
この冷却材に運ばれるデブリは、例えば、細かく引き裂かれたグラスファイバー、金属製の反射断熱材、微粒子、及びエポキシ樹脂の塗料片を含むことがあり、これらは冷却材が再循環されるまでに除去されなければならない。
【００５８】
上部及び側部の取水口メッシュ４２及び４４は初期段階においてはこのデブリを取り除くが、一定時間が経過した後はメッシュ自体が目詰まりを起こす。
【００５９】
ＬＯＣＡ発生時には、数ヶ月に及ぶ可能性のある長期間に渡ってＥＣＣＳが必要とされることが予想される。
【００６０】
そのため、この期間を通じてストレーナが機能し続けることができるようにスクリーンを洗浄するための何らかのメカニズムを有することが必要となる。
【００６１】
本発明の好ましい実施形態において、この自己洗浄機能は、駆動モーター５４により駆動されるブラシ５０とプラウ／羽根車４８を組み合わせることによって達成される。駆動モーター５４は、周知のいかなる電気モーター、空気モーター、油圧モーター、又は水力モーターであってもよいが、それらにのみ限定されない。
【００６２】
図３の実施形態において、駆動モーターはサンプ内に直接設置されており、それゆえに飛来物シールド４６により保護される。このような環境下では、駆動モーター５４は、長期間に渡り水面下で稼動する能力の有する必要がある。
【００６３】
図４に示される本発明の別の実施例において、駆動モーターは、ＬＯＣＡによる事故時の予想水位５８よりも上に設置される。このようなモーターは、水中で駆動する能力を有する必要はないが、ＬＯＣＡ発生時の飛来物／噴流物デブリから保護される必要がある。
【００６４】
ストレーナの自己洗浄機能は、上部取水口メッシュ４２上を通過するブラシ５０及び羽根車４８により達成される。
【００６５】
ブラシ５０は、デブリを物理的に取り除くための穴があいた上部取水口メッシュ４２に近接するブリストルを有するが、ブリストルは必ずしも上部取水口メッシュ４２に接触している必要はない。また、ブラシ５０は回転する羽根車４８の釣り合い錘として機能する。
【００６６】
流体が上部取水口メッシュ４２に向かって半径方向内向きに流れる際、回転する羽根車４８は局部的な半径方向外向きの流れを作り出す。この局部的な外向きの流れの遠心作用により、デブリは半径方向外向きに運ばれる。
【００６７】
デブリは流体よりも大きな比重を有するため、デブリは羽根車から離れて流速が減少した後も半径方向外向きに移動し続ける。デブリはこのような方法でストレーナ取水口から遠くに運ばれ、格納容器の床面に沈降する。
【００６８】
後に説明される通り、羽根車４８が適切に設計されれば、羽根車４８付近の流水により、局部的な流体の逆流が生じるようにすることができ、それにより上部取水口メッシュ４２からデブリ粒子が除去される。
【００６９】
好ましい実施形態による自己洗浄式であり外部から動力を供給されるストレーナは、デブリが堆積することがないよう、定期的に洗浄される。そのため、ストレーナのヘッドロスは、ストレーナを通過する水のヘッドロスのみということになる。
【００７０】
ここで重要なのは、デブリの堆積よるヘッドロスは生じないため、自己洗浄式ストレーナのヘッドロスはデブリの種類や量とは無関係であるという点である。
【００７１】
飛来物シールドとポンプエンドの一体型プレート４６は、飛来物シールドとして機能するほか、羽根車４８に隣接する円錐内表面を有する。この円錐内表面は、ストレーナ内に向かう半径方向内向きの流れが一定速度であり続け、加速流に付随するヘッドロスが避けられるように、先細の形状となっている。この形状はまた、羽根車の効率を高める。
【００７２】
ストレーナのヘッドロスを最小化することの意義は、米国内の数多くのＰＷＲのＥＣＣＳポンプの吸込みヘッド（ＮＰＳＨ）のマージンをフィート単位で示した図５より理解されることができる。ここでＮＰＳＨのマージンとは、ポンプ取水口での有効ＮＰＳＨ（ＮＰＳＨＡ）からポンプの必要ＮＰＳＨを引いたものと定義される。
【００７３】
図５の５５基のＰＷＲのうち、２６基はＮＰＳＨマージンが２フィート（０．６ｍ）より小さく、３６基はＮＰＳＨマージンが４フィート（１．２ｍ）より小さい。そのため、効果的な自己洗浄式ストレーナはヘッドロスが小さくなければならない。
【００７４】
図６ａは、本発明の好ましい実施形態の羽根車４８、穴あきプレート又は上部取水口メッシュ４２、及びブラシ５０の平面図を示す。
【００７５】
図６ｂは、本発明の好ましい実施形態のシールド４６、羽根車４８、及びブラシ５０の側面図を示す。
【００７６】
羽根車４８及びブラシ５０は、ドライブシャフト５０を介して取り付けられたモーターにより駆動される。
【００７７】
本発明の好ましい実施形態に付随するヘッドロスは無視できるほど小さく、ストレーナ表面を覆う穴あきプレートの流体力学的ヘッドロスから推定されることができる。
【００７８】
このヘッドロスは近似的に以下の数式により表される。
【００７９】
【数１】
2007501943.tif 000003
【００８０】
ここで、ｈは水のヘッドロスをフィート単位で表し、Ｖはストレーナへの接近流速をｆｔ／ｓｅｃで表し、Ｃｖはストレーナプレートを通過する流れの縮流部を表し、ηはストレーナプレートの全領域に対する開放領域の比を表す。
【００８１】
開放領域が４０％であり、縮流部がＣｖ＝０．７であると仮定すると、接近流速の関数としての損失ヘッドは以下の表で表されることができる。
【００８２】
【表１】
2007501943.tif 000004
【００８３】
したがって、接近流速がおおよそ０．２ｆｔ／ｓｅｃ（０．０６ｍ／ｓｅｃ）未満に保たれれば、ヘッドロスは１ｆｔ（０．３ｍ）未満となる。
【００８４】
ＰＷＲサンプのスクリーンへの接近流速は、一般的に約０．２ｆｔ／ｓｅｃ（０．０６ｍ／ｓｅｃ）未満である。
【００８５】
本改良発明は、ＰＷＲのＥＣＣＳシステムに組み込まれることができ、プラウ及びブラシはデブリが堆積することにより生じるサンプの受動的スクリーンの圧力損失を実質的に除去するため、実際にプラントの安全マージンを改善することができる。
【００８６】
図７は、本発明の好ましい実施形態の概略的な断面図であり、速度と寸法の記号について説明する。
【００８７】
ここで、ｈ（ｒ）はストレーナ面と噴流物／飛来物の偏向プレートの内面との距離を表し、それは半径上の位置の関数となる。ｒは、ストレーナプレートの内面の最小半径を表し（実質的にシャフト半径となる）、それより短い半径ではサンプへの流れは発生しない。Ｒは、自己洗浄式ストレーナの外面の半径を表し、Ｖはストレーナの接近流速を表し、Ｗはストレーナ取水口における流速を表す。
【００８８】
好ましい実施形態において、遠心作用のための羽根車４８は、装置の取水口における流速であるＷよりもはるかに大きな速度で回転することができる。
【００８９】
ＶとＷが一定であり、半径に依存しないと仮定すると、質量保存により、噴流物偏向プレートのクリアランスｈ（ｒ）は以下の数式によって示されることになる。
【００９０】
【数２】
2007501943.tif 000005
【００９１】
これは、Ｖを近似的にＷと等しいと仮定するか、Ｖ＝ηＷ（ηは近似的に１に等しい）と仮定することにより簡略化される。これらの近似を用いれば、プレートのクリアランスは以下の数式で表される。
【００９２】
【数３】
2007501943.tif 000006
【００９３】
そして、ｒｉ≦ｒ≦＜Ｒである。
【００９４】
ｒ／ｒｉ≧０．１なので、クリアランスは半径に従って線形的に増加する。すなわち、以下の数式の通りとなる。
【００９５】
【数４】
2007501943.tif 000007
【００９６】
この線形化により、板状の材料から容易に形成される円錐形状が用いられることができるため、簡略化がなされる。
【００９７】
ここで、Ｖは近似的にＷと等しいため、プラウはΩＲ＞＞Ｗとなるような回転速度Ωにて回転することができる。この条件下では、デブリに働く遠心分離作用がデブリを半径方向外向きに噴出し、洗浄されたストレーナ表面にすぐに引き戻されることがないよう、デブリを飛ばしてストレーナから除去する。この速度は厳密にはプラウの設計、ならびにデブリの比重及び形状に依存する。
【００９８】
プラウから見た流れの場は図８に概略的に示されたようになる。
【００９９】
プラウの正面に到達するデブリは、大きな速度で半径方向外向きに排出される。他のデブリがスクリーンに付着していたとしてもブラシにより掃き出され、プラウにより遠心力を与えられる。
【０１００】
このシステムのヘッドロスは、プラウの回転速度がデブリの沈着速度よりも大きいと仮定すると、自己洗浄式ストレーナ自体の損失ヘッドと等しくなる。
【０１０１】
この回転運動の時間的尺度は以下の数式で表されることができる。
【０１０２】
【数５】
2007501943.tif 000008
【０１０３】
沈着時間とは、デブリがストレーナの半径部分を通過するのに要する時間であり、以下の式で表される。
【０１０４】
【数６】
2007501943.tif 000009
【０１０５】
ストレーナを洗浄された状態に保つための必要条件は以下の式で表される。
【０１０６】
【数７】
2007501943.tif 000010
【０１０７】
したがって、ＲΩ＞＞２πＷとなる。
【０１０８】
プラウの先端速度ＲΩは、ストレーナ取水口の流速の２π倍よりも大きいことが好ましい。ストレーナ面と噴流物／飛来物の偏向プレートとの間のギャップの好ましい関数形式であるｈが上に与えられているが、半径方向の変化率は線形化されることも、一定とされることもできる。
【０１０９】
プラウとブラシはサンプ用ストレーナの表面上のどの部分に用いられることもでき、性能及び安全性を向上させるため、多数のプラウおよびブラシが使用されることができる。
【０１１０】
好ましい実施形態の設計は、直径１フィート（０．３ｍ）の自己洗浄式ストレーナを用いて試験された。
【０１１１】
以下の試験によりプラウ及びブラシを駆動するために必要なトルクが測定され、抗力係数Ｃｄの設計値が決定された。
【０１１２】
また、この試験によりプラウ及びブラシのストレーナ面及びエンドプレートからのクリアランスとして大きな値が決定されたが、それによっても堆積したデブリのストレーナからの除去が可能であった。
【０１１３】
また、この試験においては、より正確にデブリの圧力損失を模擬するため、現物に近いデブリの実寸大流速が用いられた。
【０１１４】
好ましい実施形態の試験において、低速回流水槽の流速は約６００ｇｐｍとされ、ストレーナの半径は６インチ（１５２ｍｍ）とされた。
【０１１５】
接近流速の最大値は１．６ｆｔ／ｓｅｃ（０．４９ｍ／ｓｅｃ）であり、スカート高さ（取水口側部メッシュとも言われる）は３インチ（７６ｍｍ）、つまりストレーナ半径の半分とされた。
【０１１６】
ストレーナの偏向シールドは、ストレーナ表面とプラウ、及び偏向シールドとプラウのギャップを調節するために移動可能となるように、棒状のレールに取り付けられた。
【０１１７】
試験中に、全流量がストレーナプレートの表面を通過し、ストレーナプレートの圧力損失が最大になるようにスカート部分には覆いがされたが、これはプラウ及びブラシ組立体によるデブリ除去の限度試験のためである。
【０１１８】
好ましい実施形態におけるプラウの設計の詳細は図９に示される。
【０１１９】
この図面はＲが６インチ（１５２ｍｍ）以外の場合には拡大・縮小されることができる。
【０１２０】
図１０は、これらの試験の結果を示す表であり、半径６インチ（１５２ｍｍ）のストレーナ用の効力係数Ｃｄは１．５と決定された。
【０１２１】
自己洗浄式ストレーナがデブリを除去する能力は、デブリがストレーナに詰まるかどうかを観察することにより定性的に評価された。
【０１２２】
グラスファイバーと塗料片の２種類のデブリが別々に試験された。
【０１２３】
グラスファイバー断熱材は、ＮＵＲＥＧ６２２４に定められた粒度分布に従ってＬＯＣＡによるデブリを模擬するために、断熱材を細かい小片に切り刻むことにより作成された。絶縁材は手作業で切り刻まれ、試験区間に設置される前に湿らされた。約５〜１０ミリの厚さで、１／４インチ×１／４インチ（６．３５ｍｍ×６．３５ｍｍ）〜１インチ×１インチ（２５．４ｍｍ×２５．４ｍｍ）のアメロン（Ａｍｅｒｏｎ）社製エポキシ塗料チップが使用された。
【０１２４】
デブリを用いた試験のため、接近流速およびストレーナの毎分回転数が一定にされ、断熱材が加えられた。どの時点でデブリがストレーナに付着しなくなるかを決定するため、ストレーナの毎分回転数がゆっくりと大きくされた。デブリが試験設備の底部に沈んでしまい、それ以降ストレーナに吸い寄せられることがない場合には、デブリが追加された。
【０１２５】
図１１は、２の異なるプラウのギャップについて接近流速に対する先端速度をプロットしたものである。各々の線は、ストレーナからグラスファイバーを除去するために必要な最小の回転速度を示す。ギャップが１／８インチ（３．１８ｍｍ）のときは、グラスファイバーを除去するためのＶｔｉｐ／Ｖ比率は５〜７で十分であった。ギャップが１／４インチ（６．３５ｍｍ）のときは、グラスファイバーを除去するためのＶｔｉｐ／Ｖ比率は７〜１０で十分であった。
【０１２６】
図１２は、ブラシが穴あきプレートに接触している場合と、プラウが１／４インチ（６．３５ｍｍ）のギャップを有する場合の、塗料についての同様の結果を示す。ストレーナ表面から塗料チップを除去するためには、Ｖｔｉｐ／Ｖ比が１０必要であった。
【０１２７】
他の考察。
【０１２８】
渦発生の防止
プラウは、流体がＥＣＣＳの吸い込み管に流れ込む際に流体に対して連続的にトルクを発生させるため、それにより渦が発生する場合がある。この渦は、モーターにより駆動されるストレーナに流量制限プレートを組み込むことにより除去される。
【０１２９】
水力タービンにより駆動される装置の場合は、タービン自体がストレーナ表面プレートを通過する流量を制限するように設計されることができる。ここで必要とされる流量制限プレートの寸法は、プラウ及びブラシにより流体に加えられるトルクは、角運動量を有し自己洗浄式ストレーナから離れる軸方向の流速を発生させるに違いないことを考慮して見積もられる。
【０１３０】
プラウの周りのキャビテーション
プラウは大きな速度、具体的には接近流速の約１０倍で移動しているため、プラウ近辺の冷却水中に圧力損失が発生する可能性があり、それにより沸騰が引き起こされる。キャビテーションを避けるためには、先端速度が以下の式により与えられる値よりも小さくなければならない。
【０１３１】
【数８】
2007501943.tif 000011
【０１３２】
ここでＨはプラウの浸水深さ（ｓｕｂｍｅｒｇｅｎｃｅ）を表す。
【０１３３】
このことから、ストレーナへの接近流速が約１．２５ｆｔ／ｓｅｃ（０．３８１ｍ／ｓｅｃ）に制限される場合の先端速度は１２．５ｆｔ／ｓｅｃ（３．８１ｍ／ｓｅｃ）ということになる。
【０１３４】
このような条件下で、キャビテーションを避けるためには、プラウはその上部に約２フィート（０．６ｍ）の冷却水を必要とする。この条件は大多数の格納容器内で達成される。
【０１３５】
動釣り合い
プラウとブラシが組み合わされた集合体は、回転振動を最小化するために静的に釣り合い状態が保たれてなければならない。
【０１３６】
設計曲線
図１３は設計曲線であり、縦軸は横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされたストレーナプレートのヘッドロスを表し、異なる曲線は右側の凡例中に示される流速に対応する。
【０１３７】
これらの曲線は、開口比４０％の穴あきプレートに当てはまる。
【０１３８】
図１４は設計曲線であり、縦軸は横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされた接近流速を表し、異なる曲線は、右側の凡例中に示される異なる流速に対応する。
【０１３９】
図１５は設計曲線であり、縦軸は横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされたプラウ／ブラシの回転速度を表し、異なる曲線は右側の凡例中に示された異なる流速に対応する。
【０１４０】
これらの設計曲線におけるプラウ先端速度に接近流速に対する比は、１０（ＶＴ／Ｖ＝１０）であると推定される。
【０１４１】
図１６は設計曲線であり、縦軸は横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされたプラウ／ブラシを駆動するために必要な駆動力を示し、異なる曲線は右側の判例中に示された異なる流速に対応する。
【０１４２】
図１７は設計曲線であり、縦軸は、ストレーナが水力タービンにより駆動される場合において、必要とされるタービンの駆動力の関数としてプロットされる、自己洗浄式ストレーナの推定されるタービンの損失ヘッドを表す。（タービンの効率は８０％であると仮定する。）
本発明は、構造的特徴および／または方法論的な動作に特有の用語で記述されたが、添付した請求の範囲に定められた発明は必ずしもここに記述された特徴や動作に限定されない。むしろ、特定の特徴及び動作は、請求項に示された本発明の実施の典型的な形式として開示された。
【０１４３】
産業上の利用可能性
原子炉設計の分野において、自己洗浄機能を有し、かつ外部から動力を供給される自己洗浄式ストレーナであって、飛来物シールドを有し、圧力損失が低いストレーナに多大な関心が寄せられている。そのような自己洗浄式ストレーナは、例えば、冷却材損失事故（ＬＯＣＡ）発生時の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の非常用炉心冷却系（ＥＣＣＳ）の取水口の自己洗浄式ストレーナとして、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】格納構造を有する従来型の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の概略的な断面図を示す。
【図２】格納構造を有する従来型の沸騰水型原子炉（ＰＷＲ）の概略的な断面図を示す。
【図３】ここに記述された本発明の思想を実施するために利用されることができる例示的な自己洗浄式ストレーナの各種コンポーネントを示す。
【図４】ここに示された本発明の思想を実施するために利用されることができる他の例示的な自己洗浄式ストレーナの各種コンポーネントを示す。
【図５】米国内の数多くのＰＷＲのＥＣＣＳポンプの有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨ）のマージンをフィート単位で示す。
【図６ａ】本発明の好ましい実施形態による羽根車、穴あきプレートまたは上部メッシュプレート、及びブラシの平面図を示す。
【図６ｂ】本発明の好ましい実施形態における偏向シールド、羽根車、ブラシ、及び駆動シャフトの側面図を示す。
【図７】速度および寸法を表す記号を図示した、本発明の好ましい実施形態の概略的な断面図を示す。
【図８】流れの場が、回転するプラウ上に座する観察者の目にどのように見えるのかを示す概略図である。
【図９】好ましい実施形態のプラウの設計の詳細を示す。
【図１０】実験結果の表を示す。抗力係数Ｃｄは、半径６インチ（１５２ｍｍ）のストレーナの効力係数Ｃｄは１．５とされた。
【図１１】２つの異なるプラウのギャップについて接近流速に対する先端速度をプロットした図である。
【図１２】ブラシが穴あきプレートにちょうど接触し、プラウギャップが１／４インチ（６．３５ｍｍ）である場合の塗料に関する類似した結果を示す図である。
【図１３】設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるストレーナプレートのヘッドロスを表し、異なる曲線は右側の凡例に示される流速に対応する。
【図１４】設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるストレーナプレートの接近流速を表し、異なる曲線は右側の凡例に示される流速に対応する。
【図１５】設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるプラウ／ブラシの回転を表し、異なる曲線は右側の凡例に示される異なる流速に対応する。
【図１６】設計曲線を示し、縦軸は、横軸のストレーナ直径の関数としてプロットされるプラウ／ブラシの駆動に必要な出力を表し、異なる曲線は右側の凡例に示されることなる流速に対応する。
【図１７】設計曲線を示し、縦軸は、ストレーナがタービンを動力源とする場合に必要となるタービン出力の関数としてプロットされた自己洗浄式ストレーナのタービンのヘッドロスの推定値を表す。
【図１】
2007501943.tif 000018
【図２】
2007501943.tif 000019
【図３】
2007501943.tif 000020
【図４】
2007501943.tif 000021
【図５】
2007501943.tif 000022
【図６Ａ】
2007501943.tif 000023
【図６Ｂ】
2007501943.tif 000024
【図７】
2007501943.tif 000025
【図８】
2007501943.tif 000026
【図９】
2007501943.tif 000027
【図１０】
2007501943.tif 000028
【図１１】
2007501943.tif 000029
【図１２】
2007501943.tif 000030
【図１３】
2007501943.tif 000031
【図１４】
2007501943.tif 000032
【図１５】
2007501943.tif 000033
【図１６】
2007501943.tif 000034
【図１７】
2007501943.tif 000035
【国際調査報告】
2007501943.tif 000036