JP2007292754A - 特に揚重装置のための負荷補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明における負荷補償装置、特に揚重装置についての負荷補償装置は、オーバーロード又はアンダーロードを検知し、前記負荷補償装置を動作させるように構成された手段を備えている。
【解決手段】本発明における負荷補償装置は、１本以上のロープの長さと比較して短い距離に亘りポジティブ又はネガティブに変位させる運搬物１１を支持する１本以上のロープの端部のうち１つの端部に取り付けられたアクチュエータを備え、オーバーロード又はアンダーロードを検知する手段に接続された無段階可変速トランスミッションに接続されたブラシレス電動機２１によって動作される。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に揚重装置及び運搬装置に関する。より詳しくは、このような揚重装置の動作を最適化することを意図とした、いわゆる負荷補償装置に関する。

より詳しくは、本発明は、特に核燃料集合体（nuclear fuel assemblies）を運搬するために発電所内で利用される原子炉分野の応用機器に関する。

揚重装置（lifting appliance）及び運搬装置（handling appliance）、より詳しくは移動クレーンの分野において、負荷補償装置が利用されることが知られている。本明細書では、確実に揚重する１本以上の巻上ロープの端部のうち一端がウインチの回転ドラムに巻き付けられる一方、前記１本以上のロープの他端は前記揚重装置の揚重運搬車に取り付けられている。

１本以上のロープは、例えばグリッパーによって、これら２つの端部の間で前記運搬車の取付点上に回転可能に取り付けられた空転プーリー、及びに運搬物を取り付けるフックを備えた移動ブロックの空転プーリー巻き付けられている。

オーバーロード（overload）又はアンダーロード（underload）が１本以上のロープに作用する場合にドラムの回転を停止させるための手段に設けられたロードセルは、空転プーリーと移動ブロックとの間に取り付けられている。

前記運搬物を揚重する際に障害物に引っかかった場合にはオーバーロードが発生し、前記運搬物が下降する際に障害物にぶつかった場合にはアンダーロードが発生する。

原子炉分野では、格子状に取り付けられた特定数の核燃料集合体から成る原子炉心も、原子炉容器の底部に位置するコアグリッドプレートと呼ばれており、周期的に再配置されなくてはならない。

実際に、特定の動作時間後に、原子炉の核燃料集合体、すなわち前記原子炉の略中心領域に配置された、一般的に言って最も古く照射済みの核燃料集合体は、原子炉の略中心領域から取り除かれ、徐々に周辺の核燃料集合体が原子炉の中心に向かって内方に移動される。結果として、新しい核燃料集合体は原子炉の周辺領域に配置される。

問題の核燃料集合体が新しい場合には、この核燃料集合体は真直であるから、これらを運搬しコアプレート内に載置することに特に困難はない。

一方、核燃料集合体が特定時間長さの間照射された後には、核燃料集合体は様々な形状、特に捩れた形状、いわゆる“バナナ（banana-ing）”状や反り返った形状に変形されている。照射の継続時間や程度が増大するにつれて、これらの変形が著しく大きくなり、これにより核燃料集合体を原子炉に載置することや該核燃料集合体を原子炉から取り除くことが困難になる。

核燃料集合体は動作周期の一周期又は数周期の後に変形されるので、原子炉の他の位置にコアプレートを通じて前記核燃料集合体を再装填することは、特に隣接する核燃料集合体との隙間が不足するために問題となる。

従来、原子炉心は、移動クレーンを利用する場合と同様に、原子炉キャビティ（reactor cavity）上を移動可能な、いわゆる燃料交換機（refueling machine）を利用することによって原子炉キャビティよりも高いレベルから燃料交換される。原子力発電所が直面している主たる問題のうち１つの問題は、原子炉心の組み替えに要する時間が比較的長いことである。この組み替えには、多くの作業を実施する必要があるためである。

実際に、原子炉心の組み替えや再配置をするために、数週間の間、原子力発電所を停止させる必要があることは珍しいことではない。このために、供給電力の発生量が制限され、結果的に原子力発電所の収益性を損なうことになる。

原子炉心の装填及びその取り外しに要する時間の長さは、コアプレート上に位置決めすること、及び核燃料集合体を実際に操作することついての特有の問題（inherent part）である。このために、装填作業及び取り外し作業の際に核燃料集合体間で障害が生じる危険性を解消又は低減し、効果的且つ迅速な揚重及び運搬手段を有する必要性を容易に理解することができるだろう。

一般に言って、核燃料集合体は実際の燃料の焼結ペレットから成るスタックを備え、スペーサグリッドによって核燃料集合体の長手軸線に沿って配置されたロッドから成ることに留意すべきである。

揚重操作の状況、すなわち核燃料集合体の取り外し又は再組み替えの際の核燃料集合体の吊上げは、結果として揚重装置のオーバーロードになる。特に１本以上のロープは、燃料交換機のウインチの電動機を停止させるために直ちに検知されなければならない。

実際に、このようなオーバーロードが検知されない場合、又はウインチの電動機の電源を切るまでに要する時間が極めて長い場合には、巻き込まれた燃料集合体のスペーサグリッドは損傷する可能性がある。さらに、実際の核燃料集合体の結合が、ロッドを解放させることによって非常に都合の悪い大気の中で回復させなくてはならないような総合的に受け入れることができない結果となる可能性を伴って不運にもこのことによって影響を受ける危険がある。

上述のことが、オーバーロード状態をアンダーロード状態にして１本以上のロープ張力を失わせることに加えて、核燃料集合体を原子炉内部に載置する場合に核燃料集合体を垂直に位置決めすることを不可能にする可能性がある。

これらの欠点を克服するために、燃料交換機の運搬車のレベルでそれ自体を位置決めすることを目的とする荷補償装置を、本明細書の実施例として提案する。

このような補償装置は、運搬車に取り付けられ、２つの端部ストッパを備えた固定式の電機子（armature）と、前記端部ストッパ間の前記電機子内で滑動するように適合されたスライディングブロックと、前記スライディングブロックと協働するように適合された手段を備えた外部ベル要素と、前記スライディングブロックと前記電機子との間に配置されたオーバーロードジャッキと、核燃料集合体を載置する際に該核燃料集合体に作用する力を抑制可能にする、確定されたウエイトから成る受動的な釣り合いおもりシステムとを備えている。

揚重装置の１本以上のロープの端部が、外部ベル要素に直接的に又は間接的に取り付けられている。

また、ジャッキのための変調電空式電源回路が設けられ、検知された負荷力の変化に従って動作する。これらの変化は、所定の予め設定された閾値に従って、それぞれ別々の値に従って前記アンダーロード及び／又はオーバーロードジャッキに圧力を適用させるロードセルによって検知される。

それぞれのジャッキの圧力制御が継続的に制御されることによって成るこの装置の最適化は、特許文献１に開示されている。

負荷補償装置は満足できる程度に動作するが、原子力発電所の運転を合理化するために現在も進行している研究は、原子炉心の停止継続時間を低減すること、及びこのことを達成するために運搬物の揚重速度を高めることを目的としている。一般に、必要とされる運搬物の揚重速度は、上述の負荷補償装置の開発の際に生じた拘束条件と比較して著しく高められている。

さらに、実際の運搬物は改良され、さらには１本以上のロープの端部に位置した装填把持部（loading gripper）に独立して取り付けられた工具によって可変式質量と共に上昇する。

このような空気操作式（pneumatically-operated）の負荷補償装置は、利用される環境の動的特性における一定変化の利用には適さず、運搬される運搬物に依存する様々な閾値を考慮することができないことが、経験上明らかとされている。

従って、本発明の目的は、これらの欠点を克服すること、及び従来技術において初期に想定された運搬物の揚重速度及び質量を高めることができ、結果として運転条件及び安全条件を最適化する一方で負荷補償装置の動作を開始させるための様々な閾値を特定することができる負荷補償装置を提案することにある。
仏国特許発明第２７５３１８８号明細書

［発明の分野］
本発明は、負荷補償装置に関する。より詳しくは、オーバーロード又はアンダーロードを検知するための手段を備え、負荷補償装置を作動させるように規定された揚重装置に関する。

この負荷補償装置は、１本以上のロープの端部のうち１つの端部に取り付けられ、１本以上のロープ長と比較して短距離に亘って、前記ロープをポジティブ又はパッシブに変位させる運搬物を支持するアクチュエータを備え、オーバーロード又はアンダーロードを検知するための手段に接続されたブラシレス電動電動機を利用して動作する。

言い換えれば、本発明は、特に原子力発電所の操作者によって運搬物の揚重速度が改善された今となっては適合しない空気式手段を利用することを含まず、短い応答時間及び非常に高い加速性能を有する電気式アクチュエータに前記手段を置き換えることを含んでいる。

このことを達成するためには、電気式リニアアクチュエータは、ブラシレス電動機と、特にボールベアリングやローラベアリングを有する減速ギア及びウォームギアとを備えていることが望ましい。

本発明の第１の実施例によると、このリニアアクチュエータは、ブラシレス電動機によって動作するボールスクリュー式電気ジャッキを備えている。

本発明の他の実施例では、リニアアクチュエータは、ブラシレス式で所望の並進運動を得るために減速ギア及び接続ロッドに設けられたトルク電動機式の回転要素から成る。

本発明の実施方法及び該方法による利点は、以下に示す単なる例として示された実施例の説明、及び添付図面の参照によって容易に理解することができる。

以下の説明は、特に原子炉に適用されるものである。それにも関わらず、任意の揚重システム又は操作システムと共に利用可能とされる本発明における負荷補償装置の適用は、原子炉分野に限定される訳ではなく、他の応用分野にも適用可能であることに留意すべきである。

図１は、原子力発電所の原子炉に核燃料集合体を装填するための燃料交換機の運搬車１を表わす。この運搬車１は、ローラ３によってトラック２上を移動する。図１においては、この運搬車は、電動機５によって駆動されるウインチ４、及び該ウインチに巻き付けられた１本以上のロープ６から成る揚重装置を備えている。ロープ６の他端は、運搬車１にも接続された負荷補償装置７に取り付けられている。

この場合、ロープ６は、運搬車１に接続されたアーム上に回転可能に取り付けられた空転プーリー８に巻き付けられている。

このロープは、重量に関する情報が燃料交換機を制御するプログラム可能なロジック制御装置（図示しない）に送信されるように、歪みゲージ式張力計のロードセル１０と共に協働し、重量計に接続されている。

運搬物１１、この場合には核燃料集合体は、１本以上のロープ６がウインチ４のドラムに巻き付けられる前にプーリー１４に巻き付けられた状態で、移動ブロック１３のフック１２に固定されている。

図２は、より詳細に各構成部品の構成状態（kinematic linkage）を表わす。

このように従来技術を表わす図１に関連する様々な構成部品以外に、実際には、１本以上のロープ６が巻き付けられたドラムを確実に回転させる電動機５が減速ギア１６に結合された継ぎ手１５を介してドラムに結合されていることに留意すべきである。

さらには、このウインチは、例えば、電動機５の電動機軸に直接的に作用する操作可能なブレーキ１７、ブレーキ１７と同様に電動機５の電動機軸に作用する補助ブレーキ１８、及びドラムに直接的に作用する安全ブレーキシステム１９から成る三重ブレーキシステムを備えている。

本発明においては、負荷補償装置は、ブラシレス電動機によって動作されるリニアアクチュエータから成る。

従って、様々な図３に表わす第１の実施例では、この負荷補償装置は、電気ジャッキ２０、及び機械式継手によってロープに取り付けられたボールスクリュースピンドル（図示しない）を動作させるブラシレス電動機２１を備えている。

平衡位置と比較した負荷補償装置の行程は、図３に表わすように図示した例では±５０ｍｍであり、オーバーロード（図３Ａ）又はアンダーロード（図３Ｂ）のいずれを原因として動作するかに依存するものである。言い換えれば、負荷補償装置の全行程は、図示した例では１００ｍｍである。

図３に示す例から理解されるように、１本以上のロープ６が、直接的又は間接的であるか問わず、図２に表わす荷重平衡システム２２によって負荷補償装置の自由端に取り付けられている。

ブラシレス電動機は、障害検知手段に接続されている。より詳しくは、実際の電動機は、障害検知手段から制御信号を受信する無段階可変速トランスミッションによって制御されている。この障害検知手段は、従来技術に関連して言及されたタイプのロードセル、又は重量、特にロープ張力を測定するための任意タイプのロードセルから構成されていても良い。この障害検知手段は、引張力、圧縮力、又は他の力を測定するためのセンサから構成されている。

この障害検知手段は、ロープ張力が所定の閾値（以下に詳細に規定する）を卓越した場合に、又はロープ張力が閾値よりも低く検知された場合に、この検知と同時にドラム４を停止させ、本発明における負荷補償装置２０，２１を動作させるように、ドラム４を確実に回転させる電動機５にも接続されていることは明白である。その結果として、負荷補償装置のブラシレス電動機の無段階可変速トランスミッション自体は、ウインチ制御監視システムに接続されている。

この第１の実施例では、ＰＲＯＭＥＳＳ社による市販型の電気サーボプレス（例えば電気ジャッキ）を利用可能である。この電気サーボプレスは、一体的な力覚センサを有している場合があり、これによりロープに設けられたロードセルに力覚センサを取り付けることによって冗長検知が可能となる。

図４、図４Ａ、及び図４Ｂに表わす本発明のもう一つの実施例では、本発明の原理は第１の実施例と同一であり、すなわちブラシレス電動機を用いて、その上で順に接続ロッド２５を回転させ、該接続ロッドの自由端をバー２６と協働させる減速ギア２４を作動させるトルク電動機２３から構成されている。１本以上のロープ６が、確実に負荷補償機能を発揮させるために、前記接続ロッドの回転運動を並進運動に変換するように前記バーの自由端に結合されている。

さらに、本発明における負荷補償装置は、ブラシレス電動機に直接的に作用するフェイルセーフ電動機ブレーキ式の安全装置を備えている。

前記ブラシレス電動機についてのパラメータは、無段階可変速トランスミッションを用いて割り当てることができる。これにより、検知、ひいては本発明における負荷補償装置の作動に関する多くの閾値を規定することができる。

原子炉用揚重装置の分野でさらに特有である応用分野においては、負荷補償装置は３つの異なる機能を有している。

第１の機能は、ブラシレス電動機の利用によって可能となるカウンターウエイト機能である。この機能は、核燃料集合体近傍の１本以上のロープ６の端部に位置したグリッパーを移動させる場合、又はコアプレート上に核燃料集合体を載置する場合に核燃料集合体の先端に作用する力を最大負荷に制限するために利用可能であり、これにより前記核燃料集合体に対する損傷を防止することができる。

負荷補償装置は、核燃料集合体の頂部と基部との間で相互作用及び阻害によって発生する力を再度制限するために、核燃料集合体が炉心内の所定位置に位置している場合に核燃料集合体の上端が位置決めされている位置近傍の領域、すなわち上部領域、及び核燃料集合体がコアプレートと略同一高さに位置決めされている位置の下部領域に相当するアプローチ領域にも補償機能を有している。

最後に、負荷補償装置は、様々な核燃料集合体のスペーサグリッド間の相互作用による力を制限するために前述の２つの部分を分離する領域、すなわち中間領域に補償機能を有している。

様々なプログラムを利用して、負荷補償装置におけるブラシレス電動機の無段階可変速トランスミッションを動作させることによって、異なる揚重シーケンスの高さに関連して前記補償装置の動作を開始させるための異なる閾値に変化させることができる。

従って、原則としてロープ及び核燃料集合体が上方に移動している際にオーバーロードが検知された場合には、ドラム４が停止している際に負荷補償装置によってドラム４に巻き付けられたロープ長に等しい変位が生じる。言い換えれば、補償装置はロープを解放する。

同様にアンダーロードの場合には、特に核燃料集合体が下方に移動する際に、負荷補償装置は、ウインチが停止している際にウインチによって送り出されたロープの長さに等しく上昇する。

２種類の制御が、この結果を達成させるために利用される。第１の制御は力制御である。

補償装置は、上下いずれに移動する際にも、運搬物（この場合には核燃料集合体）に作用する力を制御するように構成されている。

実際に、力が持続する限り、ロープの負荷又は張力は正確な動作範囲（envelope）内にあるので、負荷補償装置は平衡位置を維持し状況監視を続行する。

力が動作範囲を越えるとすぐに、すなわち障害（オーバーロード又はアンダーロード）が検知された場合に、力制御が動作開始する。結果的に障害が検知されるとすぐに、上方又は下方への移動を停止させる指令がウインチに送信される。ウインチが下方に無負荷状態で移動する、すなわち負荷が作用していない際には、核燃料集合体近傍に揚重付属品（マスト、グリッパー、適用可能であれば専用工具）を移動させるために、カウンターウエイト機能のみが動作可能とされる。

この構成では、補償装置によって感知される力は揚重付属品の重量の半分として規定された所定の設定値に等しい。

この力は、揚重して運搬する付属品の数が一定ではないので変化する。支持される工具の数、核燃料集合体の性質又は製造元（origin）に従って異なる閾値を想定することができる。実際に、核燃料集合体はすべて同一の製造業者によって作られる訳ではないので、その質量も一定ではないことに留意すべきである。

これらの閾値は、ブラシレス電動機の制御システムにパラメータを入力することによって必要に応じて再設定される。従って、各タイプの運搬物構成についての対応する制御プログラムが存在する。これらのプログラムは、負荷補償装置の無段階可変速トランスミッションに設けられたメモリ内に格納され、関連する運搬物構成として知られる燃料交換機のプログラマブルコントローラによって呼び出される。

核燃料集合体と共にウインチが上方に移動する際に、前記アプローチ領域では、カウンターウエイト機能が常に有効とされ、上述の力の観点において同様の要求を満足する。

一旦積載が完了する、すなわち核燃料集合体及び任意の工具によってロープ張力が生じると、前記上部領域及び前記アプローチ領域の負荷補償機能が有効になる。この構成では、負荷補償装置によって感知された力は、揚重付属品の半分の重量及び核燃料集合体の半分の重量として規定される設定値に等しい。

ここでも、必ずしも単一ではない利用燃料のタイプに従って、力として幾つかの値を仮定し、負荷補償装置のブラシレス電動機に設けられた無段階可変速トランスミッションによって対応する閾値を設定可能なことは言うまでもない。

一方で、中間領域では、カウンターウエイト機能は補償機能に排他的に置き換えられるが、負荷補償装置を作動させるための閾値が前述の設定値に等しい状態を維持する。

燃料集合体を支持しているウインチが下方に移動する状況で、前述のものと比較した負荷補償装置の機能は、上方への移動との比較を単純に逆にしたものであり、その動作は同一である。

その後、位置決め制御が実行される。障害が検知されるとすぐに、上述のように、上方又は下方への移動を停止させる指令がウインチに送信され、１本以上のロープの送り込み量又は送り出し量を補償する指令が負荷補償装置に送信される。このタイプの制御は、ウインチのドラム４の位置変化を表現し、送り込み又は送り出しをされたロープの量に直接的に相関する絶対エンコーダから得た情報を利用して実行される。

上述のように、ドラム４に巻き付けられた又は巻き戻されたロープの量は、負荷補償装置によって解放されるか、又は巻き取られる。

図５の２つのグラフは、それぞれ補償速度の時間関数及び巻き戻されたロープ長の時間関数の変化を表わしている。

第１のグラフでは、障害が検知された場合に、ドラムの有効ブレーキ時間に到達するまでの間、補償装置の一部であるアクチュエータは変位（第２のグラフを参照）を生じさせるために急加速を受けやすい。

この負荷補償装置は、ＰＣ又は任意の他の同様のシステムを介して制御される。

このような負荷補償装置の利用によって、揚重装置の動作条件を著しく改善可能であることは明白である。

実際に、運搬物の巻上げ速度を著しく高めることができる。

運搬物も、上述の従来技術における装置を利用して運搬可能な運搬物よりも重い。従来装置における装置では、積載重量が１．５トン程度で限界に達する。

さらに、無段階可変速トランスミッションに設けられたブラシレス電動機を利用することによって、様々なタイプのウインチが据付可能となり、その上、揚重装置の動作構成に従って負荷補償装置に異なる設定値を割り当て可能になる。

運搬物の揚重速度を高めることによって、結果的にメンテナンスを実施するための発電所単位の停止時間を低減し、特に原子炉心の再配置及び発電所の収益性を改善可能であることは重要である。

最後に、本発明の動作原理によって、本発明における負荷補償装置はカウンターウエイト機能のみを有効にして制限的に利用可能となった。このことを達成するために、ブラシレス電動機の無段階可変速トランスミッションが、自身に割り当てられた力の閾値に関連した特定の設定値を受け入れる必要がある。この場合には、いわゆる“カウンターウエイト”閾値が、特に核燃料集合体の頂部に作用する力を最大負荷に制限するために特定の揚重工程に亘り有効にされ、これにより核燃料集合体の損傷を防止することができる。さらに、１つ以上のセンサの機能が停止される。

従来技術における装置の概略図である。 本発明における装置の構成の概略図である。 本発明における第１の実施例の補償装置の概略図である。 オーバーロード状態の、本発明における補償装置を表わす。 アンダーロード状態の、本発明における補償装置を表わす。 本発明における第２の実施例の補償装置の概略図である。 オーバーロード状態の、本発明における補償装置を表わす。 アンダーロード状態の、本発明における補償装置を表わす。 障害を検知した後における補償装置の動作速度及び位置の変化を、時間関数として表わすグラフである。

符号の説明

１ 運搬車
２ トラック
３ ローラ
４ ウインチ
５ 電動機
６ ロープ
７ 負荷補償装置
８ 空転プーリー
１０ ロードセル
１１ 運搬物
１２ フック
１３ 移動ブロック
１４ プーリー
１５ 継手
１６ 減速ギア
１７ ブレーキ
１８ 補助ブレーキ
１９ 安全ブレーキシステム
２０ 電気ジャッキ
２１ ブラシレス電動機
２２ 負荷平衡システム
２３ トルク電動機
２４ 減速ギア
２５ 接続ロッド
２６ バー

Claims (5)

1. 負荷補償装置を動作させるように構成され、オーバーロード又はアンダーロードの検知に適合した手段を備えている、特に揚重装置のための負荷補償装置であって、
   １本以上のロープ（６）の長さと比較して短い距離に亘って、前記１本以上のロープ（６）をポジティブ又はネガティブに変位させる運搬物（１１）を支持する前記１本以上のロープ（６）の端部のうち一の端部に取り付けられ、オーバーロード又はアンダーロードを検知する手段に接続された無段階可変速トランスミッションに設けられたブラシレス電動機（２１）によって動作するアクチュエータを備えていることを特徴とする負荷補償装置。
2. 前記アクチュエータはリニアアクチュエータであり、前記ブラシレス電動機によって動作されるボールスクリュー式電気ジャッキから成ることを特徴とする請求項１に記載の負荷補償装置。
3. 前記アクチュエータは、トルク電動機式の回転要素から成り、
   前記トルク電動機は、ブラシレス式で減速ギア及び接続ロッドに設けられ、
   前記接続ロッドは、自由端が前記１本以上のロープ（６）に取り付けられた直線状のバーと協働することを特徴とする請求項１に記載の負荷補償装置。
4. 前記負荷補償装置は、前記ブラシレス電動機の前記無段階可変速トランスミッションが割り当てられた力の閾値に関連した特定の設定値を受信し、オーバーロード又はアンダーロードを検知するように適合された手段が動作不能されるように、カウンターウエイトモードで動作することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の負荷補償装置。
5. １本以上の巻上ロープ（６）が前記ウインチに巻き付けられ、その他端が請求項１〜４のいずれか一項に記載の負荷補償装置に取り付けられた電動機（５）によって駆動されるウインチ（４）から成る巻上装置を有し、原子炉心上に位置するトラック（２）上を移動可能な運搬車（１）を備えていることを特徴とする原子力発電所のための燃料交換機。

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