JP6602007B2 - レーザ照射装置及び表面処理方法 - Google Patents
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Description
このように水中で物体の表面に付着した燃料デブリに対して、高出力レーザの集光照射を行うことによって破砕し、回収することにより、プラント内の除染を行うことが提案されている。
引用文献1に記載された技術は、レーザビームが通過する筒状のノズル内に周囲から水を導入するとともに、加工箇所の周囲を覆った吸引カバー内の水を吸引することによって、異物の回収を行うものである。
また、異物が水中に流出して、集光レンズと照射対象物との間の水中に漂った場合、水中を浮遊する異物によってもレーザビームの照射対象物への到達が妨げられ、エネルギ到達率(出射したエネルギのうち照射対象物に到達する割合)が低下してしまう。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、液体中の照射対象物に対してレーザを照射して表面処理を行う際の処理能力を向上したレーザ照射装置及び表面処理方法を提供することである。
請求項1に係る発明は、レーザ発振器が発するレーザ光を収束させて液体中に配置された照射対象物に照射する照射用光学系を備えるレーザ照射装置であって、前記照射用光学系は、前記照射対象物に隣接して配置された最対物側光学素子における前記照射対象物側の面部が前記液体中に配置された状態でレーザ光の照射を行うとともに、前記最対物側光学素子の前記照射対象物側とは反対の面部及び他の光学素子は、前記液体の浸入が実質的に防止されたハウジング内に収容され、前記最対物側光学素子の外周縁部近傍に設けられ前記照射対象物側の面部にほぼ沿って液体流を吐出する液体吐出手段と、前記最対物側光学素子の外周縁部近傍において前記液体吐出手段に対して前記最対物側光学素子の中央部を挟んだ反対側に設けられ前記最対物側光学素子の前記照射対象物側の面部にほぼ沿って流れる液体流を吸入する液体吸入手段とを備え、前記液体吸入手段の吸入量を、前記液体吐出手段の吐出量より多くしたことを特徴とするレーザ照射装置である。
これによれば、ハウジング内への液体の侵入を防止することによって、レーザ光は最対物側光学素子を通過するまでは液体中を通ることがないため、液体中のレーザ光の伝搬距離を最低限としてエネルギの損失を抑制し、エネルギ到達率を高めて照射対象物に高いエネルギを与えることが可能となり、処理能力を向上することができる。
また、最対物側光学素子の照射対象物側(液体と接する側)の面部に液体流を形成することによって、照射対象物から剥離して液体中に浮遊する異物等が最対物側光学素子の表面に付着することを防止して光学的性能の低下を抑制するとともに、最対物側光学素子と照射対象物間の異物を除去してエネルギ到達率を改善することによって、処理能力をさらに向上することができる。
さらに、この液体流を吸入し回収することによって、異物が液体中に拡散することを防止し、異物を適切に回収処理することができる。
これによれば、連続発振(CW)型のレーザ発振器を用いた場合であっても、照射対象物の一点に高いエネルギが連続して照射されることを防止し、適切に照射対象物を走査することができる。
これによれば、浮遊物を確実に回収し、有害物質等が液体中に拡散することを防止できる。
これによれば、最対物側光学素子に異物の付着や焼損等の劣化が生じた場合に、最対物側光学素子のみを交換することによって、安価に性能を回復することができる。
これによれば、他の光学素子に対して交換頻度が高い最対物側光学素子を安価に構成することによって、ランニングコストを低下させることができる。
これによれば、最対物側光学素子を通過する時点では未だ光線が収束していないため、最対物側光学素子の一部にレーザ光線のエネルギが集中して最対物側光学素子が焼損することを防止できる。
この発明によれば、上述したレーザ照射装置の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。
本実施例のレーザ照射装置及び表面処理方法は、例えば、原子力プラント内部の壁面等に付着した燃料デブリ等を破砕して回収する除染処理に好適なものであるが、用途はこれに限定されない。
レーザ照射装置は、図示しないレーザ発振器、ファイバF、及び、ヘッド10を有して構成されている。
レーザ発振器は、励起源、レーザ媒質、光共振器等を有して構成された光源である。
レーザ発振器は、連続発振(CW)型及びパルス発振型の何れでもよく、例えばアークランプ、フラッシュランプなどを使用することができる。
また、使用する光源に応じて励起電流などを加えて駆動するための駆動手段を備えてもよい。
レーザ媒質は、固体レーザ(ルビーレーザ、YAGレーザ等)や半導体レーザ(レーザダイオード)を採用することが好ましい。
特に固体レーザとして、ファイバーレーザを使用することが好ましい。
なお、レーザ媒質は特に限定されるものではなく、そのほか、気体レーザ(CO2レーザ、エキシマレーザ等)、液体レーザ(色素レーザ)などを利用してもよい。
ファイバFは、コアの周囲をクラッドで被覆した光ファイバの周囲に、補強用、保護用の被覆を形成して構成されている。
ファイバFは、ヘッド10による照射対象物の走査を妨げないよう可撓性を有している。
ヘッド10は、レーザ照射ユニット100(図2参照)、照射ユニットハウジング200、筒状ハウジング300、キャップ400等を有して構成されている。
図3に示すように、レーザ照射ユニット100は、ファイバ接続部110、集光光学系120、偏向光学系130等を有して構成されている。
ファイバ接続部110は、ファイバFのヘッド10側の端部が接続され、伝達されてきたレーザ光を集光光学系120に案内するものである。
偏向光学系130は、例えば、ウェッジプリズムを有して構成されている。
偏向光学系130は、例えば電動モータやエアモータ等の駆動用動力源131によって、集光光学系120の光軸と実質的に平行に配置された回転軸回りに、所定の回転速度で回転駆動される。
上述した構成によって、レーザ照射ユニット100から射出されるビームBは、集光光学系120の光軸が通過する偏向光学系130の中央部を頂点とし、偏向光学系130の偏角を半頂角とする円錐の側面に沿って、周方向に旋回する挙動を示す。
このとき、ビームBの焦点FPは、集光光学系120の光軸を中心とし、この光軸と直交する平面に沿った円周上を旋回することになる。
ヘッド10を処理対象面に対して、集光光学系120の光軸が処理対称面と直交しかつ焦点FPが処理対象面上となるように保持すると、ビームBの焦点FPは、円周上を旋回しながら処理対象面を走査する。
このような構成とすることによって、CWレーザを用いた場合であっても、同一箇所に連続的にレーザ光が照射されることを防止できる。
照射ユニットハウジング200は、実質的に円筒状に形成され、レーザ照射ユニット100はその内径側に収容されている。
照射ユニットハウジング200は、例えば、樹脂系材料をインジェクション成型することによって形成され、一例として中心軸を含む平面を境に二分割構成となっている。
照射ユニットハウジング200の外径側には、照射ユニットハウジング200の固定、支持に用いられるブラケット210が形成されている。
筒状ハウジング300は、例えば樹脂系材料をインジェクション成型することによって、照射ユニットハウジング200と実質的に同心となる円筒状に形成されている。
キャップ400は、筒状ハウジング300の照射対象物側の端部に設けられ、保護ガラス323等を保持する部材である。
照射ユニットハウジング200及び筒状ハウジング300は、実質的に水密に形成され、液体中で処理を行う際にも液体が内部に侵入しないようシールされている。
図5は、ヘッド10の部分断面斜視図である。
図6は、ヘッド10の照射対象物側の端部近傍における部分断面斜視図である。
図7は、筒状ハウジングの四面図である。
図7(a)は、筒状ハウジング300を照射対象物側から中心軸に沿って見た外観図である。
図7(b)は、図7(a)のb−b部矢視図である。
図7(c)は、図7(d)のc−c部矢視図である。
図7(d)は、図7(c)のd−d部矢視断面図である。
先端部320は、照射対象物側の端部近傍の一部に形成され、本体部310は先端部320よりも照射ユニットハウジング200側(先端部320以外の実質全部)に形成されている。
吸入流路312は、後述するキャップ400の吸入流路450から導入される液体を、図示しないポンプの吸入口へ導入するものである。
吐出流路311、吸入流路312は、筒状ハウジング300の中心軸を挟んで対向して配置されている。
吐出流路311、吸入流路312は、筒状ハウジング300の中心軸方向から見たときに、実質的に円弧状に延在する断面形状を有する。
吸入流路312の流路断面積は、吐出流路311に対して大きく設定されている。
具体的には、吸入流路312は、筒状ハウジング300の中心軸回りにおける範囲(中心角)が、吐出流路311に対して広く(大きく)設定されている。
吐出側ポンプ接続部313は、本体部310の照射ユニットハウジング200側の端部近傍における外周面から突出して形成されている。
吸入側ポンプ接続部314は、本体部310の照射ユニットハウジング200側の端部近傍における外周面から突出して形成されている。
吸入側ポンプ接続部314は、筒状ハウジング300の中心軸に対して吐出側ポンプ接続部313と実質的に軸対象となるように配置、形成されている。
ハウジング接続部315は、照射ユニットハウジング200の照射対象物O側の端部開口に嵌合する。
ブラケット316は、筒状ハウジング300の支持、固定等に用いられる部分であって、本体部310の外周面から突き出して形成されている。
先端部320の突端部には、筒状ハウジング300の中心軸と同心の円形の開口321が形成されている。
開口321の周囲には、先端部320の端面を段状に凹ませて形成された凹部322が形成されている。
凹部322には、保護ガラス323が着脱可能に挿入される。
保護ガラス323は、筒状ハウジング300からキャップ400を取り外すことによって、筒状ハウジング300から着脱可能となっている。
保護ガラス323は、装置の使用によって、異物の付着や焼損等の劣化が生じた場合に交換される。
溝部324には、ゴム系の弾性材料によって形成されたOリング325が嵌め込まれている。
Oリング325は、保護ガラス323の外周縁部をシールし、筒状ハウジング300の内部へ液体等が浸入することを防止するものである。
図8は、キャップの四面図である。
図8(a)は、キャップ400を径方向から見た透視図である。
図8(b)は、図8(a)のb−b部矢視図である。
図8(c)は、図8(b)のc−c部矢視図(照射対象物側から見た図)である。
図8(d)は、図8(b)のd−d部矢視図(照射ユニット側から見た図)である。
図9は、キャップの透視斜視図である。
キャップ400は、保護ガラス323の照射対象物側の面部を押圧し、保護ガラス323を保持するとともに、保護ガラス323を介してOリング325に与圧を与えるものである。
外周面部410は、筒状ハウジング300の先端部320の外径側に嵌め込まれる実質的に円筒状の部分である。
外周面部410の外径は、筒状ハウジング300の本体部310の外径と実質的に同径とされている。
外周面部410の内径は、筒状ハウジング300の先端部320の外径と実質的に同径とされている。
外周面部410は、例えばビス等の締結手段によって、筒状ハウジング300の先端部320に固定される。
端面部420は、円盤状に形成され、筒状ハウジング300の中心軸と実質的に直交する平面に沿って形成されている。
端面部420の中央部には、開口421が形成されている。
開口421は、筒状ハウジング300の中心軸と実質的に同心の円形に形成されている。
開口421は、照射対象物へのビーム照射時に、保護ガラス323から出射されたビームBが通過するとともに、照射によって照射対象物から分離し、液体中を浮遊する異物を吸引する機能を有する。
曲面部430は、キャップ400を径方向に切って見た場合の断面形状が、キャップ400の外側が凸となる円弧状となるように形成されている。
吐出流路440は、筒状ハウジング300の吐出流路311から筒状ハウジング300の長手方向に沿って流れてきた液体流を、曲面部430の内面に沿って約90度偏向させ、保護ガラス323の表面に沿った実質的に層流の液体流として吐出するものである。
吐出流路440は、外周面部410、曲面部430、端面部420のキャップ400内側の面部を溝状に凹ませて形成されている。
吸入流路450は、外周面部410、曲面部430、端面部420のキャップ400内側の面部を溝状に凹ませて形成されている。
吸入流路450は、溝状部の幅を吐出流路440よりも幅広とすることによって、流路断面積を吐出流路450よりも大きくしている。
本実施例において、照射対象物は例えば冷却水中に配置された原子力プラントの構造部材であって、除去対象となる異物は、溶融燃料が冷やされて凝固し付着したいわゆる燃料デブリであるが、本発明の適用対象はこれに限定されない。
このとき、筒状ハウジング300の内部における保護ガラス323よりもレーザ照射ユニット100側の領域は、水の浸入が防止され、空気が充填された状態となっている。
ヘッド10は、照射時においては、保護ガラス323の照射対象物側の面部と、照射対称面との間隔が、例えば10mm以下となるように保持される。
このようなヘッド10の保持は、例えば、予め設定された軌跡に沿ってヘッド10を移動させ、照射対象物を走査可能なロボットを用いることができる。
このとき、吸入側ポンプ接続部314から吸引される水流の流量は、吐出側ポンプ接続部313に供給される水流の流量と同等か、これよりも多くすることが好ましい。
ビームBの焦点FPは、実質的に照射対象物の表面と一致するように調節される。
これによって、照射対象物の表面に付着した燃料デブリは破砕されて照射対象物から剥離し、水中に浮遊する。
水中に浮遊する燃料デブリは、キャップ400の開口421からキャップ400の内側へ吸い込まれ、さらに、吐出流路440から吸入流路450へ向けて保護ガラス323の表面に沿って流れる水流に同伴し、吸入流路450から吸入され、筒状ハウジング300の吸入流路312、吸入側ポンプ接続部314等を介して回収される。
この場合、吸入側ポンプ接続部314からポンプへ至る流路の一部に、フィルタ等の異物回収手段を設けることが好ましい。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、レーザ照射装置を構成する各部材の構造、材質、形状、数量、配置等は、上述した実施例に限らず、適宜変更することが可能である。
例えば、実施例においては、最対物側光学素子である保護ガラス323を平板状に形成したが、最対物側光学素子がレーザ光線を所定の焦点に集光させる集光光学系の一部を構成するレンズを兼ねるようにしてもよい。これによれば、レーザ光線がこのレンズを通過する段階では光線は未だ集光していないため、レンズの一点に高エネルギが集中して焼損が生じることを防止できる。
また、実施例では最対物側光学素子と照射対象物との間隔を例えば10mm以下に設定しているが、この間隔も特に限定されない。例えば、液体中でも減衰しにくい波長を有するグリーンレーザを利用する場合には、最対物側光学素子と照射対象物との距離をこれより大きく設定した場合であっても性能の低下を抑制できる。
また、処理対象物は、原子力プラントの燃料デブリに限らず、液体も冷却水に限定されない。
例えば、本発明は、上下水道設備における表面クリーニング(一例として苔落とし等)などに用いることが可能である。
F ファイバ
100 レーザ照射ユニット 110 ファイバ接続部
120 集光光学系 130 偏向光学系
131 駆動用動力源
B ビーム FP 焦点
200 照射ユニットハウジング 210 ブラケット
300 筒状ハウジング 310 本体部
311 吐出流路 312 吸入流路
313 吐出側ポンプ接続部 314 吸入側ポンプ接続部
315 ハウジング接続部 316 ブラケット
320 先端部 321 開口
322 凹部 323 保護ガラス
324 溝部 325 Oリング
400 キャップ 410 外周面部
420 端面部 430 曲面部
440 吐出流路 450 吸入流路
Claims (7)
- レーザ発振器が発するレーザ光を収束させて液体中に配置された照射対象物に照射する照射用光学系を備えるレーザ照射装置であって、
前記照射用光学系は、前記照射対象物に隣接して配置された最対物側光学素子における前記照射対象物側の面部が前記液体中に配置された状態でレーザ光の照射を行うとともに、前記最対物側光学素子の前記照射対象物側とは反対の面部及び他の光学素子は、前記液体の浸入が実質的に防止されたハウジング内に収容され、
前記最対物側光学素子の外周縁部近傍に設けられ前記照射対象物側の面部にほぼ沿って液体流を吐出する液体吐出手段と、
前記最対物側光学素子の外周縁部近傍において前記液体吐出手段に対して前記最対物側光学素子の中央部を挟んだ反対側に設けられ前記最対物側光学素子の前記照射対象物側の面部にほぼ沿って流れる液体流を吸入する液体吸入手段と
を備え、
前記液体吸入手段の吸入量を、前記液体吐出手段の吐出量より多くしたこと
を特徴とするレーザ照射装置。 - 前記照射用光学系は、前記レーザ光の入射側光軸に対して出射側光軸を所定の角度偏向させる偏向光学系と、前記偏向光学系を前記入射側光軸回りに回転駆動する回転駆動手段とを有すること
を特徴とする請求項1に記載のレーザ照射装置。 - 前記液体吸入手段は、前記レーザ光を前記照射対象物に照射した際に形成される浮遊物を前記液体流とともに吸入すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のレーザ照射装置。 - 前記最対物側光学素子が前記ハウジングの本体部から着脱可能であること
を特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のレーザ照射装置。 - 前記最対物側光学素子は実質的に平板状に形成されること
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレーザ照射装置。 - 前記最対物側光学素子は、レーザ光を所定の焦点に集光させる集光光学系の一部を構成すること
を特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のレーザ照射装置。 - レーザ発振器が発するレーザ光を収束させて液体中に配置された照射対象物に照射する表面処理方法であって、
前記レーザ光を前記照射対象物に照射する照射用光学系は、前記照射対象物に隣接して配置された最対物側光学素子における前記照射対象物側の面部が前記液体中に配置された状態でレーザ光の照射を行うとともに、前記最対物側光学素子の前記照射対象物側とは反対の面部及び他の光学素子は、前記液体の浸入が実質的に防止されたハウジング内に収容され、
前記最対物側光学素子の外周縁部近傍に設けられた液体吐出手段から前記照射対象物側の面部にほぼ沿って液体流を吐出するとともに、前記最対物側光学素子の外周縁部近傍において前記液体吐出手段に対して前記最対物側光学素子の中央部を挟んだ反対側に設けられた液体吸入手段から前記最対物側光学素子の前記照射対象物側の面部にほぼ沿って流れる液体流を吸入している状態で前記照射対象物への前記レーザ光への照射を行ない、
前記液体吸入手段の吸入量を、前記液体吐出手段の吐出量より多くしたこと
を特徴とする表面処理方法。
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- 2015-11-26 WO PCT/JP2015/083167 patent/WO2016084875A1/ja active Application Filing
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