JP2008515612A - 改良された移送可能な高出力超音波トランスデューサ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、改良された超音波洗浄システムに関し、以下の１つまたはそれ以上の改良点を有し、例えば、永続的に固定される可撓性ケーブル、トランスデューサ上の防水性バルクヘッドコネクタ、硬いケーブルガイドまたは保持部、および複数の超音波トランスデューサを単一の超音波発生器で選択的に駆動するようにした少なくとも１つの電気切換ユニットを備える。改良された超音波洗浄システムは、さまざまなトランスデューサ装置を有するように構成され、例えば、搬送フレームまたは搬送構造体上に設けられた細長いトランスデューサ、および複数のトランスデューサ装置から組み立てられる平坦なアレイ構造体を有する。

Description

（優先権主張の表示）
この米国出願は、米国特許法第１１９条に基づき、２００４年９月２０日付けで出願された米国仮出願第６０／６１１，３８３号の優先権を主張し、その内容全体がここに参考として一体に統合される。

本発明は、超音波トランスデューサを採用した洗浄システムの制御および構成に関し、とりわけ産業上の利用に適した水中トランスデューサ装置に関し、さらに照射核燃料装置に隣接した場所などの高放射線領域での使用に適した超音波トランスデューサを採用した洗浄システムの改良に関する。

ボイラ、冷却機、熱交換機、および原子炉などの湿った表面を有する機器の動作中に生じる１つの共通する課題は、湿った表面上に沈殿する腐食物および／または汚れである。これらの沈殿物により、流速が低減し、熱伝導性が悪くなり、関連するシステムの性能が損なわれる。そこで、湿った表面の腐食および／または湿った表面上の沈殿を抑制するために、さまざまな合金および／または添加剤パッケージが開発されてきた。新規な材料および／または新規な表面処理による改善、および／またはシステム内に含まれ、循環する液体の組成物の改良にもよらず、湿った表面からの沈殿物を少なくとも部分的に除去し、沈殿物に起因して劣化した性能を幾分でも回復するために、湿った表面は、通常１つまたはそれ以上の洗浄技術を用いて定期的に洗浄される。

軸方向出力偏差（Axial Offset Anomaly：ＡＯＡ）状態、同様に沈殿物誘起による出力変移（Crud Induced Power Shift：ＣＩＰＳ）と呼ばれる現象を抑制することにより、プラントの動作を改善する手段として、超音波洗浄手法が容認され、いまなお利用されている。このＡＯＡ状態は、燃料装置上の沈殿物、とりわけ燃料装置の上方部分に硼素を含む沈殿物が堆積することにより生じ、この沈殿物により、好ましくない局在的な流速の落ち込みを生じる。改良された原子炉容器の炉心設計に関連して、燃料洗浄により、ＰＷＲ原子炉およびＢＷＲ原子炉をより高い燃料効率およびより長いサイクルで作動させることができる。燃料装置上の放射性沈殿物の量を低減することにより、燃料装置に関して連続する動作の間に作業員が曝され、または被爆する放射線被曝量レベルおよび／または放射線被曝率を低減しやすくなる。

本発明は、改良された超音波洗浄システムに関し、以下の１つまたはそれ以上の改良点を有し、例えば、水中トランスデューサに通常固定される従来式のステンレス鋼製の可撓性導管ではなく、永続的に固定される可撓性ケーブルを使用する点、取り外し可能な可撓性ケーブル装置に関連して、トランスデューサ上に防水性バルクヘッドコネクタを使用する点、複数のケーブルを単一の可撓性ケーブル装置に統合できる水中分岐装置を使用する点、分岐装置に関連して、ケーブルの改善された管理のために個別の固定具を必要としない硬いケーブルガイドまたは保持部を利用する点、および電気的切換ユニットを用いて、複数の超音波トランスデューサを単一の超音波発生器で選択的に駆動するようにした点である。

添付図面を参照しながら、詳細な例示的実施形態を説明することにより、本発明はより明らかなものとなる。

これらの図面は、以下に詳述する本発明の例示的な実施形態に対する理解を支援するために提供されたものであり、本発明を過度に限定するように解釈されるべきではない。とりわけ、さまざまな構成部品に関する相対的な間隔、位置、大きさおよび寸法は、必ずしも実寸大で図示されたものではなく、より明確に図示する目的で、誇張または修正して図示されることがある。

また当業者ならば理解されるように、単に、より明確にし、図面の数を減らすために、所定範囲の択一的構成を省略した。当業者ならば理解されるように、例示的な実施形態に関して図示され、説明された特定の装置、装置部品、固定具および他の機構およびハードウェアは、選択的かつ独立的に変形し、そして／または組み合わせて、超音波洗浄システムでの利用に適した他の構成を形成することができる。当業者ならば理解されるように、この超音波洗浄システムおよび構成部品を用いると、この開示内容の範疇および精神から逸脱することなく、他の特定の用途に対する例示的な超音波洗浄システムをカスタマイズし、適用することができる。

（例示的な実施形態の詳細な説明）
本発明に係る超音波洗浄システム１００の例示的な実施形態を図１に示す。図１に示すように、数多くの超音波発生器１０２は、適当な複数のケーブル１０４と、任意的な１つまたはそれ以上の切換ユニット１０６とを介して、数多くの超音波トランスデューサ１１８に接続されている。切換ユニット１０６を含むこの構成を用いることにより、各超音波発生器１０２を用いて、所定の順序、プログラムされた順序、および／またはランダムな順序で、１つまたはそれ以上の超音波トランスデューサ１１８に電力を提供または供給することができる。

図１に示すように、切換ユニット１０６を用いて、超音波発生器１０２からトランスデューサ群１１８に関連する一連の統合ケーブル装置１０８へ電力を選択的に切り換えることができる。そして各ケーブル装置１０８は、これらの伝導体を対応する一連のケーブル１１４へ分配または分割する分岐装置または分配装置１１２に接続され、各ケーブルは、通常１つの駆動トランスデューサ１１８に関連する。

図１に示すように、本発明による超音波洗浄システムの例示的な実施形態は、水中防水コネクタ１１１，１１６を用いて、液体１１０の中で、統合ケーブル装置１０８と分岐装置１１２の間、および分岐装置１１２のレッグまたはケーブル１１４と駆動トランスデューサ１１８またはトランスデューサアレイとの間における電気的接続を実現する。ただし、これらの接続のうち一方または両方は、他の適当な接続器の構成を用いて実現することができる。

図５に示すように、用いられる特定の構成に依存するが、本発明に係る超音波洗浄システムは、主要フレーム１２１に一体成形されるか、固定される１つまたはそれ以上のケーブル管理クリップ１２０を採用することができる。これらの例示的なケーブル管理クリップ１２０は、相当に柔軟性のない（すなわち硬直な）材料で成型され、ケーブルを挿入し、保持し、クリップを実質的に変形させることなく取り外すことができるような寸法を有する開口部が設けられている。この開口部は、ケーブルを挿入し、取り外すとき、絶縁性を破壊することなく、あるいはクリップを変形させることなく、ケーブルの一般的な塑性変形または従順性により、ケーブルの断面が実質的に変形して、開口部を貫通させるような寸法を有する。

別の例示的な実施形態において、図３に示す着脱可能な水中コネクタを、図６に示す可撓性を有する一体成形ケーブルで置換することができる。このデザインは、一般には、水中用コネクタなしで用いられるが、水中用でない分岐装置１１２と互換可能であり、水中用でない分岐装置または配電盤、および／または数多くの発生器でより数多くのトランスデューサを駆動できる１つまたそれ以上の切換ユニットと組み合わせられる。別の例示的な実施形態において、電線絶縁体、Ｏリングおよびガスケットなどの非金属材料は１０^７ラドまたはそれ以上の放射線量に耐え得る材料にアップグレードされる。上述の２つの主要な例示的構成のいずれかにおいて、これらの放射線硬化材料を採用いてもよい。

例示的な電気的切換ユニットは、通常、以下の特徴を備える。
オペレータが作動させるスイッチ、ボタンまたはトグルスイッチ、あるいは自動制御システムからの外部信号により、２つまたはそれ以上の組、グループまたはアレイのトランスデューサの間で切り換える機能。
数多くの発生器信号を、より少数のマルチコンダクタ・ケーブルに任意的に統合する機能。
単一の発生器から、設けられた入力ポートの最大数の変動する数の入力発生器まで、切り換える機能。
接続された発生器から接続されたトランスデューサまで電力が供給されるか否かを検出し、これらの状況において切換を防止する機能。
単一の「実行」信号を接続されたすべての発生器に送信するように構成された、例えば切換ユニットなどの論理入力信号を統合または分配する機能。
フロントパネルおよび／または切換およびトランスデューサの動作状態（オン／オフ）の遠隔表示機能。
オペレータおよび／または自動データ収集システムによりモニタ可能な様式で切換状態およびエラー状況を出力する機能。

本明細書は、改良された、ユーザにより構成可能な高出力超音波装置の設計および構成を開示し、この超音波装置は、例えば熱交換機および照射核燃料装置などの産業用途の超音波洗浄に用いられる、超音波トランスデューサ、発生器、電力制御切換装置および水中ケーブルコネクタを備える。

装置１００は、通常、第１の複数の発生器１０２と、通常それぞれの発生器の数の整数倍（例えば２倍、３倍、４倍など）の数の第２の複数のトランスデューサ１１８とを有する。発生器とトランスデューサとは、１つまたはそれ以上の切換ユニットを介して接続することができ、この切換ユニットにより、用いられる発生器が１つまたはそれ以上のトランスデューサを、通常交互に駆動することが可能で、発生器は駆動されるトランスデューサまたはトランスデューサアレイのそれぞれの電力要求に対応して電力を出力する。これらの発生器および切換ユニットは、１つの電気ハウジングまたは筐体の中に組み込むことができる。

例示的な実施形態において、超音波洗浄装置１００は、Ｎ個（例えば１６個、１５００Ｗ、２５ｋＨｚ）の超音波発生器と、これらに接続されたＭ×Ｎ個（例えば３２個、１５００Ｗ、２５ｋＨｚ）の超音波トランスデューサとを備えることができる。トランスデューサは、Ｍ個の独立した洗浄チャンバの中に、あるいは単一の洗浄チャンバの異なる領域に配置するために、Ｎ個のトランスデューサからなるＭ組の独立したアレイとして構成することができる。各トランスデューサは、個々のトランスデューサ１１８に電力ケーブルを接続および中断できるように、水中用湿式接続可能バルクヘッドコネクタ１１６を有していてもよい。本発明は、任意の特定のトランスデューサ構造物に限定されず、例えば積層型および平面型の圧電トランスデューサ構造物を用いて利用することができる。

所定時間、いずれかのアレイまたは列の超音波トランスデューサを発生器１０２で電力供給するか、遠隔的または局在的に選択するために、２つの切換ユニット１０４を利用してもよい。切換ユニットは、余剰のキャパシティを有し得るが、例えば、各切換ユニット１０４に対してＮ／２個（例えば８個）の発生器を接続することができる。このとき、それぞれのトランスデューサに対して信号線、通常、グランドで中立的な熱線が切換ユニットから延びている。信号線は、１つまたはそれ以上のマルチピンコネクタ１１１，１１６に終端する１つまたはそれ以上のケーブル１０４，１０８，１１４に束ねられ、トランスデューサアレイキャリアまたはトランスデューサバスケット１２１に接続される。

好適な実施形態において、オペレータが切換ユニットのフロントパネル上に配置された単一のトグルスイッチ（例えば「ローカル」切換操作）を操作することにより、あるいは独立した補助的ハードウェアから送信された論理入力信号（例えば、５ＶＤＣ ＴＴＬロジック、２４ＶＤＣロジック、またはスイッチ状態変化）に呼応して、おそらくは電気的筐体から遠く離れて（例えば「遠隔」切換操作）、発生器の出力は、１つの組のトランスデューサから別の組のトランスデューサに切り換えられる。

トランスデューサアレイキャリアまたはトランスデューサバスケット１２１は、トランスデューサ１１８のそれぞれに対する信号線を分割するための１つまたはそれ以上の分岐装置または分配装置１１２を有していてもよい。好適にも発生器と切換ユニットの両方を有する電気筐体は、電力分配器、過電流防止（電流ブレーカ）およびファンや空気調和システムなどの冷却システムを有するラック形式の電気筐体内に配設される。

トランスデューサおよび他の水中構成部品は、通常、約６０フィート（１８．３メートル）またはそれ以上の予期される動作深度、および華氏約１７０度（摂氏７７度）までの温度における動作に適するように構成する必要がある。原子炉の用途において、ガスケット、Ｏリングおよび他の非金属部品などのさまざまな構成部品は、例えば１０^６ラド／時間までの予期される動作環境において所望の耐久性を実現するために、適当な放射線耐性を有していてもよい。同様に、トランスデューサは、診断のための圧電素子の抵抗に通常対応する放射線耐性抵抗または放射線硬化抵抗と並列に構成してもよい。

好適な実施形態は、単一のマルチコンダクタ被膜ケーブルを用いてもよく、このケーブルは、電気筐体から各水中トランスデューサバスケットに至る３０本の銅製マルチストランドの錫めっきコンダクタ（導電体）を含む。このケーブルは、通常、各トランスデューサに対する中立的で保護的な接地ラインを有し、これは電力を供給するために用いられる。また、このケーブルは、分岐ユニット（または分岐装置）あるいは分配ユニット（または分配装置）に接続され、このユニットは、主ケーブルを、３本の銅製マルチストランド錫めっき導電体、すなわち単一のトランスデューサに対する中立的で保護的な接地ラインをそれぞれ含む複数のシールドケーブルに分割する。そして個々のケーブルは、着脱可能な水中コネクタを用いて、対応するトランスデューサのそれぞれに接続することができる。

好適な実施形態は、細長いトランスデューサ１１８の一端部における着脱可能な水中接続を実現するＩＭＰＵＬＳＥ（登録商標）ＰＬＰＢＨ−３ＭＰの湿式接続可能なバルクヘッドコネクタ１１６、またはそれと同等品を有する。コネクタ本体部は、耐放射性Ｏリングを用いてトランスデューサハウジングに固定するために、ステンレス鋼製の実装スタッドに成型される。このＯリングは、コネクタとトランスデューサ・コンバータ・エンドキャップの間の実質的な防水シールを実現するために利用される。好適なコネクタは、少なくとも３つの銅製マルチストランド錫めっきリードを有し、組み立ての際、これを切断し丸めて、圧電素子と電気的に接続してもよい。

一般に、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）絶縁体は、原子炉燃料ロッドの洗浄時にトランスデューサが被爆し得る放射線領域において、所望の耐性を有するものではない。こうした環境で改善された耐性を有すると期待される１つの材料は、ＫＹＮＡＲ（登録商標）（ＰＶＤＦ：ポリ塩化ビニルジエン）であり、絶縁スリーブ、ワイヤ絶縁被膜、ガスケットおよびＯリングなどのトランスデューサ部品を形成するための好適な材料である。

切換ユニットは、特定の「ローカル」および／または「リモート」モード入力に呼応して、発生器出力端子の最大数より少なく切り換えるように構成してもよい。「ローカル」または「リモート」動作モードの間で選択できるように、選択ユニットを電気筐体の上またはこれに隣接して配設してもよい。発生器に出力するよう切り換える前に、切換により影響を受ける各トランスデューサに電力供給を停止することが極めて好ましい。電力供給されたトランスデューサを「ローカル」または「リモート」モードにオペレータの不注意により切り換えられることを防止するために、安全ロックアウト機能を設けてもよい。電気筐体は、超音波発生器、切換ユニットおよび／またはトランスデューサの状態を指示するためのインジケータ灯または他の表示手段を有していてもよい。同様に、装置の動作を遠隔的に監視するためにさまざまな構成部品の状態に対応する信号を生成する手段を有していてもよい。

電子筐体の内部に配設された装置は、容易に操作できるように構成する必要がある。例えば、個々の部品（すなわち、発生器、切換ユニット、回路ブレーカ）は、既存ケーブルの管理および構成を妨害することなく、着脱可能かつ置換可能であることが好ましい。同様に、装置の他の主要部品を取り外し、再配置する必要なく、容易に手入れが可能でかつ容易に置換可能であることが必要である。実際上、容易に手入れし、置換しやすくなる場合、ケーブルおよび配線は、配線ダクト内に配置することが好ましい。

発生器および切換ユニット、加えてブレーカまたは主電源スイッチのためのフロントパネルは、電気筐体の前扉を開けた後、操作可能であることが好ましい。オペレータは、前扉を開けたとき、すべての活性部品から保護されていることが好ましく、システムが電力供給されているとき、前扉は通常開いた状態であってもよい。逆に言えば、通常、後扉に連動装置が設けてあり、これは、システムが電力供給されているとき、後扉が開くことを防止するとともに、扉が開いているとき、システムに電力供給されることを防止し、扉が開いたとき、切断時点前のすべての活性部品が保護され、そして／または偶発的な接触が防止される。

電気筐体は、ユニットの輸送、組み立ておよび再配置の間に通常受ける接触および衝撃による損傷を防止または低減するように十分に耐久性を有することが好ましい。同様に、電気筐体内に収容された構成部品および／またはコネクタは、ユニットの輸送、組み立ておよび再配置の際に生じる振動または他の運動による動きを防止または低減するように固定する必要がある。電気筐体は、１つまたはそれ以上の旋回ホイストリングを有していてもよく、これは、通常上方角部に設置され、そして／または電気筐体をほぼ安全に移動させるために十分な個別的または集合的な動作負荷率を有する、他の固い点またはリフト固定部に設置される。電気筐体は、キャスタや、比較的に水平な表面を移動させることを可能にする他の手段を有いていてもよい。

単一位相負荷および各発生器に対する不均衡な負荷は、通常３相電源を用いて、供給位相間において、合理的に可能な限り均一に分配されることが好ましい。また電気筐体は、ＮＥＭＡ１２同等筐体、すなわち比較的に防塵かつ防滴であるが、必ずしも防水性でなくてもよい筐体を有するように構成されることが好ましい。

上述のように、本発明は、単一のトランスデューサ構成に限定されるものではなく、例えば積層型、平面型および構成可能なトランスデューサアレイを採用することができる。構成可能なアレイの１つを図７Ｂに示す。図示のように、トランスデューサアレイは、図７Ａに示す複数の独立したユニット１２２から構成され、これは、この例では２×１個のトランスデューサモジュールであり、１対のトランスデューサ１２４を含み、通常これらに対応する水中接続部１２６ａ，１２６ｂを構成し、個々のユニットを順次挿入・接続して、より大きなアレイを組み立てることができる。このトランスデューサ構成は、とりわけアクセスが極めて限定的であり、そして／またはトランスデューサアレイを、洗浄すべき容器の内側表面に、より厳密に形状を一致させる必要がある場合に有用である。当業者ならば理解されるように、「平面型」アレイ１２８の範囲を促進するために、そして超音波洗浄システム１００の利便性を増大させるために、モジュール１２４の形状、接続部１２６ａ，１２６ｂの配置位置および利用されるモジュールの数を変更することができる。

図７Ｂに示すように、平面型トランスデューサアレイを実装するために、個々のユニット１２２のそれぞれは、相当に小さいハンドホールに貫通させ、先のユニット１２２に接続され、そして開口部から容器内に移動させることができる。すなわち、従来の大きさを有する平面型トランスデューサにおいては、好適でなく、通常アクセスできない場合に、一連の鎖（例えば、図７Ｂに示すような１×１０個の鎖）またはパッド、あるいは、より小さいトランスデューサ１２４からなる、例えば４×４個のアレイ（図示せず）を組み立てて、使用することができる。

接続部１２６ａ，１２６ｂは、トランスデューサの鎖１２８を有するように構成され、トランスデューサの鎖のそれぞれが容器の壁の曲率形状と一致し、単一の発生器で駆動できるように多少の可撓性を有することが好ましく、その結果、ハンドホールフランジ内の発生器、ケーブルおよび電気的貫通の必要な数を減らして所望のパワー密度を実現する。

図１は、本発明の実施形態による超音波洗浄システムの一例を示す。 図２は、本発明の実施形態による超音波洗浄システムの一例の一部を示す。 図３は、本発明の実施形態による超音波洗浄システムでの利用に適したコネクタ装置の一例の詳細を示す。 図４は、本発明の実施形態による超音波洗浄システムの一例の一部を示す。 図５は、本発明の実施形態による超音波洗浄システムでの利用に適したケーブル管理クリップの一例を示す。 図６は、本発明の実施形態による超音波洗浄システムでの利用に適した細長いトランスデューサの一例を示す。 図７Ａは、本発明の実施形態による超音波洗浄システムでの利用に適したトランスデューサの択一的な構成を示す。 図７Ｂは、本発明の実施形態による超音波洗浄システムでの利用に適したトランスデューサアレイの択一的な構成を示す。

符号の説明

１００：超音波洗浄システム、１０２：超音波発生器、１０４：ケーブル、１０６：切換ユニット、１０８：統合ケーブル装置、１１０：液体、１１８：超音波トランスデューサ、１１１，１１６：水中防水コネクタ、１１２：分岐装置または分配装置、１２０：ケーブル管理クリップ、１２１：主要フレーム、１２４：トランスデューサ、１２６ａ，１２６ｂ：水中接続部、１２８：トランスデューサの鎖。

Claims (3)

1. 超音波洗浄システムであって、
   第１の複数Ｎ個の発生器と、
   第２の複数Ｍ×Ｎ個のトランスデューサと、
   Ｎ個の発生器のそれぞれを、Ｎ個のトランスデューサからなる第１のグループまたはＮ個のトランスデューサからなる第２のグループに選択的に接続するための切換ユニットと、
   各トランスデューサに隣接して配置され、Ｎ個の発生器と、第１および第２のグループのトランスデューサとの間の電気的接続を実現するための水中コネクタとを備えたことを特徴とする超音波洗浄システム。
2. 請求項１に記載の超音波洗浄システムであって、
   Ｍ／Ｎ個の切換ユニットであって、各切換ユニットは、対応するトランスデューサのグループに専用のグループのＮ／（Ｍ／Ｎ）個の発生器に選択的に接続する切換ユニットをさらに備えたことを特徴とする超音波洗浄システム。
3. 請求項１に記載の超音波洗浄システムであって、
   切換ユニット内で、第１のグループのトランスデューサから第２のグループのトランスデューサへ電力供給の転送を開始するための、ローカル起動およびリモート起動のうちの少なくとも一方を採用する切換制御システムをさらに備えたことを特徴とする超音波洗浄システム。

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