JP7166192B2

JP7166192B2 - 水圧シリンダ駆動機構およびその制御方法

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Publication number: JP7166192B2
Application number: JP2019029313A
Authority: JP
Inventors: 太氷見; 豪佐々木; 陽平酒井; 拓哉島内
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2022-11-07
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: JP2020133785A

Description

本発明は、例えばアブレーシブウォータジェット切断やレーザ切断等の切断装置を初め、溶接装置や計測装置などの各種作業装置を低速領域で安定して動作させることのできる水圧シリンダ駆動機構およびその制御方法に関するものである。

現在、原子力プラントにおける高濃度放射性物質の取り出し作業において、種々の工法が検討されている。たとえば、高レベルに汚染されている原子炉格納容器内のコンクリート構造物を解体撤去する方法として、コンクリート構造物の内径より小径の作業床を吊り下げて順次下降させ、作業床に配置された解体装置を遠隔操作してその切断手段によってコンクリート構造物を上端部側から解体していく工法（特許文献１を参照。）等が考えられている。

一方、原子炉内から回収、搬出すべき高濃度放射性物質が原子炉最深部にあって、回収する前にまず切断する必要が生じる場合には、原子炉上部より切断装置を炉底部まで伸長して切断作業を行うことになる。但し、機械式切断を行うと、切断反力によって切断装置に自励振動が発生して切断が困難となる。

上記の如き高濃度放射性物質を切断するのに対応可能な工法としては、対象物に非接触で切断が行えると供に比較的切断反力が小さくなるレーザ切断が挙げられる。例えば、特許文献２のレーザ切断装置では、レーザ発振器から発振されて光ファイバにより原子炉内部の加工ヘッドに導かれたレーザ光は、ヘッド内のレンズによって集光され、切断対象に照射される。レーザ切断以外の切断工法としては、アブレーシブウォータジェット（以降、ＡＷＪとも記す)切断の採用が考えられる。

特開２０１３－２４９５９５号公報特開２００１－１６６０９０号公報

しかしながら、上記のような切断装置のヘッドの位置や方向の制御など、作業装置を駆動させるための電動機として高放射線環境下で長時間耐え得るものは存在しない。このため、高放射線環境下に投入されている切断装置や、その他計測装置等の各種作業装置において、動力を伝達する駆動部としては必然的に電力を直接使用しない水圧シリンダ駆動が中心となる。また、防爆環境でも電力機器の使用は回避される。したがって、高放射線環境や防爆環境などの特殊環境下で作業装置を低速領域で安定して動作させるように水圧シリンダを駆動させる技術の開発が必要とされている。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、高放射線環境や防爆環境などの特殊環境下で作業装置を駆動させる水圧シリンダを、低速領域で安定して動作させるための水圧シリンダ駆動機構およびその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る水圧シリンダ駆動機構は、放射線環境又は防爆環境の内にある作業装置の駆動部にピストンロッドが連動する水圧シリンダと、前記放射線環境又は防爆環境の外から前記水圧シリンダに対して作動水を給排する水圧回路と、水タンクから作動水を吸引し前記水圧回路へ吐出供給する水圧供給ポンプと、前記水圧供給ポンプの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記水圧回路は、
前記水圧供給ポンプからの作動水を前記水圧シリンダへ送る給水流路と、
前記水圧シリンダからの排水を水タンクへ戻す排水流路と、
前記給水流路と前記排水流路とを、それぞれ前記水圧シリンダのピストンヘッド側シリンダ室に連通するヘッド側流路とピストンロッド側シリンダ室に連通するロッド側流路とへ切換可能に接続する水圧流路切換弁と、を備え、
前記排水流路には、定量ポンプとその下流に逆止弁とが配置されており、
前記制御部は、さらに前記定量ポンプに対して前記水タンク側への単位時間当たりの吐出回数を制御して排水量を調整することにより、前記ピストンロッドの移動速度を０．０１００～０．１５５０mm/secの低速領域で制御するものである。

以上の構成によって、本発明の水圧シリンダ駆動機構においては、作業装置を動作させる水圧シリンダを水圧回路を介して駆動させるものであるため、水圧回路の各水圧シリンダ室への接続部を長く設定することによって、水圧シリンダに対して離れた遠隔位置から駆動させることができる。したがって、例えば切断装置や計測装置等の作業装置を原子炉内という高放射線環境や防爆環境などの特殊環境下で稼働させる場合も、その特殊環境下から離れて安全に駆動制御することができる。しかも、水圧シリンダのピストンロッドの移動速度を、シリンダ室からの排水流路に配置された定量ポンプの単位時間当たりの吐出回数の制御によって排水量を調整することで、任意の低速で安定した動作とすることができるため、該ピストンロッドに連動した駆動部を介して作業装置を低速領域で安定した動作で制御できる。

具体的には、作業装置が原子炉内にある場合、該装置の駆動部と直接連動する水圧シリンダから延びるヘッド側流路とロッド側流路とを長く設定することによって、水圧シリンダのみを原子炉内に配置し、主要な水圧回路と制御部は、原子炉外の放射線環境下から離れた位置に設置できる。これによって、本発明の水圧シリンダ駆動機構においては、ほとんど放射線の影響を受けることなく、長期にわたって安定した駆動が実現される。

したがって、本発明の水圧回路の流路を構成する配管ホースには、強度と柔軟性とを併せ持ち、応答性の高いものが採用される。例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）製、ナイロン製、ポリウレタン製等が好適である。

また、本発明の水圧流路切換弁は、油圧系でなくエア圧操作によって切換駆動されるものとすることで、切換弁を介した水圧ラインへの圧油混入の危険が回避される。このエア圧操作は、制御部による操作弁の制御を介して行う構成が効率的であるため、前記水圧流路切換弁へエア圧を送るエア圧操作電磁弁を本発明の水圧回路に配置することが好ましい。

同様に、水圧供給ポンプもエア駆動による気液変換型としても良い。この場合、操作電磁弁及び水圧供給ポンプも供に同一のエア供給源を利用でき、回路構成が簡便化できる。

また、排水流路に配置される定量ポンプとしては、単位時間当たりの吐出回数を任意に設定制御できるものであれば良い。例えば、回転式の電磁定量ポンプであれば、インバータを介した周波数制御でモータ回転数を変更して単位時間当たりの吐出回数を任意に設定でき、簡便である。

以上の水圧回路構成を備えた水圧シリンダ駆動機構において、作業装置の駆動部に連動するピストンロッドの移動速度を低速領域で安定に動作させるための制御方法としては、予め、速度設定工程にて、前記定量ポンプの単位時間当たりの吐出回数と前記水圧シリンダのピストンロッドの移動速度との関係を算出しておき、実際の水圧シリンダ駆動工程においては、制御部によって、指令された作業装置の駆動速度に相当する前記水圧シリンダのピストンロッドの移動速度に応じた前記単位時間当たりの吐出回数を前記速度設定工程の算出結果に基づいて選定し、前記定量ポンプの駆動を制御する。

この水圧シリンダからの排水量を調整することによって、任意の低速で安定してピストンロッドを移動させることができ、作業装置の駆動部を低速領域で安定に動作させることができる。

本発明の水圧シリンダ駆動機構においては、以上説明した通り、作業装置を動作させる水圧シリンダのピストンロッドの移動速度を、シリンダ室からの排水流路に配置された定量ポンプの単位時間当たりの吐出回数の制御によって排水量を調整することで、任意の低速で安定した動作とすることができるため、装置の低速領域での水圧駆動が望まれる環境、例えば原子炉内や防爆環境等の特殊環境下で、その水圧シリンダのピストンロッドに連動した作業装置を所望の低速領域で安定した動作で制御できるという効果がある。

本発明の一実施形態による水圧シリンダ駆動機構の全体構成を示す水圧回路図である。本発明の水圧シリンダの切断装置に対する使用状況の例を示す概略模式図である。本発明の一実施例として、図１の水圧回路における水圧シリンダの速度設定工程としての微速動作試験の結果を示す線図である。

本発明の一実施形態としての水圧シリンダ駆動機構を、図１の水圧回路構成に示す。本実施形態による水圧シリンダ１は、例えば、図２に示すように、原子炉内にて、炉内構造物３００に付着している燃料デブリを切断するためのアブレーシブウォータジェット（ＡＷＪ）切断装置２００のヘッド駆動部にそのピストンロッド２が連動するものである。この場合、ピストンロッド２の移動によって、ＡＷＪ切断装置２００のヘッド駆動部へ伝達された運動が該ヘッドの昇降あるいは回転動作に変換される。従って、ピストンロッド２の移動速度が切断装置２００のヘッドの動作速度を決定付ける。

図１の水圧回路に示すように、本実施形態の水圧シリンダ駆動機構は、駆動源に油圧を用いることなくエア圧及び水圧を用いることで、水圧シリンダへ送る作動水に圧油の混入を回避したものとした。即ち、本実施形態においては、エア供給部１０からの供給エアによって、例えばダイヤフラム式の気液変換型の水圧供給ポンプＰを駆動し、タンクＴからの水を水圧シリンダ１へ供給する。

具体的には、エア源１１からの圧縮エアが、エアフィルタ１２、エア圧レギュレータ１３、ルブリケータ１４から成るエア圧調整ユニット１５を介して水圧供給ポンプＰへ送られる。エア駆動された水圧供給ポンプＰは、タンクＴから吸い上げた水を逆止弁２１および水圧レギュレータ２２を介して給水流路２３へ吐出する。給水流路２３の下流には、水圧シリンダ１のピストンヘッド側シリンダ室３に連通するヘッド側流路２５とピストンロッド側シリンダ室４に連通するロッド側流路２６とを、給水流路２３とタンクＴへ戻る排水流路２７との間で切換可能に接続する水圧流路切換弁２４が配置されている。

本実施形態では、この水圧流路切換弁２４を、エアによって切換操作される一対のスプリングオフセットタイプの方向制御弁（２４Ｘ，２４Ｙ）で構成している。水圧流路切換弁２４の切換操作は、エア切換操作部４１として、エア供給部１０から水圧供給ポンプＰの上流で分岐された操作エア供給路４０に配置されたダブルソレノイド型のエア圧操作電磁弁４３によって行われる。本実施形態では、エア切換操作部４１において、操作エア供給路４０を介してエア供給部１０から供給されるエアをエア圧操作電磁弁４３に対して供給及び停止する手動操作弁４２を設けており、不操作時には、スプリングに抗して操作弁４２を押してエア供給路不通状態で止め金を留めて置く。

また、排水流路２７には、タンクＴの上流側から下流に向かって順に水圧レギュレータ２８、定量ポンプ３０およびバネ付き逆止弁３１が配置されている。この定量ポンプ３０によって、後述のように排水量が調整され、ピストンロッド２の移動速度が低速領域で制御される。また、定量ポンプ３０の下流にバネ付き逆止弁３１を更に備えることによって、タンクＴからの逆流および、より低圧での排水漏れが防止できる。

以上のエア源１１、エア圧操作電磁弁４３および定量ポンプ３０は、予め定められた動作プログラムに沿って、それぞれコンピュータ等の制御部１００からの指令に基づいて互いに連動して駆動制御される。

なお、図１の水圧回路は、ピストンロッド２を前方に移動させる際の状態を示すものである。即ち、水圧シリンダ１におけるピストンロッド２の前方駆動を開始する場合には、まず手動操作弁４２の止め金を外し、スプリングによってエア供給路接続位置が確保される。

制御部１００は、エア圧操作電磁弁４３の両ソレノイドに対して通電制御して所望の移動量で該電磁弁４３を駆動させ、操作エア供給路４０を水圧流路切換弁２４の一方の方向制御弁２４Ｘの駆動流路に連通させた状態として、エア源１１を駆動させる。これによって、圧縮エアによって方向制御弁（２４Ｘ，２４Ｙ）がエア駆動され、ロッド側流路２６が排水流路２７に接続されると同時に、他方の方向制御弁２４Ｙは、ヘッド側流路２５が給水流路２３に接続される位置付けとなる。

そして、エア源１１からエア圧調整ユニット１５を介して供給された圧縮エアによって駆動された水圧供給ポンプＰは、所定の吐出速度でタンクＴからの水を給水流路２３へ供給し、この水圧は、方向制御弁２４Ｙを通ってヘッド側流路２５を経て水圧シリンダ１のピストンヘッド側シリンダ室３内へ送られる。この水圧によってピストンヘッドが押圧され、ピストンロッド２を前方へ移動させ、これと同時に、ピストンロッド側シリンダ室４内の水は、ロッド側流路２６を経て方向制御弁Ｘを通って排水流路２７へ排出される。

ただし、この排水流路２７に配置された定量ポンプ３０において、制御部１００からの指令によって単位時間当たりの吐出回数が制御され、排水量は調整される。したがって、この排水量が適宜抑えられるように調整されることで、ピストンロッド２の移動速度が所望の低速に抑えられ、連動する原子炉内の切断装置の動作も安定した低速領域で制御される。また、ピストンロッド２を後退させる場合には、制御部１００は、エア圧操作電磁弁４３を駆動制御して水圧流路切換弁２４を切り換えさせれば、位置移動した方向制御弁（２４Ｘ，２４Ｙ）を介してロッド側流路２６が給水流路２３に接続されると同時にヘッド側流路２５が排水流路２７に接続される。そして、同様に、定量ポンプ３０の単位時間当たりの吐出回数が制御され、ヘッド側シリンダ室３からの排水量が調整されることによって、ピストンロッド２の後退速度が所望の低速に抑えられ、切断装置の逆方向の動作も安定した低速領域で制御される。なお、定量ポンプ３０の駆動を停止して排水を止めることによって、ピストンロッド２の移動を止めて切断装置の動作を任意の位置で停止させることもできる。

ここで、図１の水圧回路に示した実施形態による水圧シリンダの駆動機構において、排水流路の定量ポンプ３０の単位時間当たりの吐出回数の制御による排水量の調整でピストンロッド２の低速移動制御が可能であることを示す実施例を以下に示す。

即ち、図１の水圧回路において、外径４ｍｍ、内径２．５ｍｍのＰＥＥＫ製ホースによって水圧流路切換弁２４から水圧シリンダ１まで長さ２５ｍで流路を構成した場合で、電磁定量ポンプ３０により０．１ＭＰａで１回（１ショットとも記す）のポンプ吐出量０．０５～０．１１ｍＬとしてそれぞれ１分間に５，１０，２５，５０，１００ショットにおけるピストンロッド２の移動距離から移動速度を求め、その結果を図３のグラフにプロットした。

図３の結果から明らかなように、単位時間当たりのショット数とピストンロッドの移動速度との間には比例関係が見られた。この結果から、例えば、移動速度０．０１５ｍｍ／ｓｅｃという低速移動を行う場合には、制御部１００は、定量ポンプ３０の単位時間当たりの吐出回数を１０ショット／ｍｉｎの設定とするように指令すればよい。

このように、排水流路２７に配置された定量ポンプ３０を制御することによって、水圧シリンダ１からの排水量を調整し、ピストンロッド２の移動速度およびこれに連動する切断装置２００の動作を低速度に制御することが可能となる。また、定量ポンプ３０の駆動を停止して排水を止めることでピストンロッド２の移動を止めて切断装置の動作を任意の位置で停止させることもできる。

以上の実施形態および実施例では、作業装置が切断装置である場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、溶接装置や各種計測装置など、水圧駆動で動作可能な様々な作業装置に有効である。また、ＰＥＥＫ製ホースによって流路を構成した場合を上記実施例で示したが、その他、ポリウレタン製やナイロン製ホースなどの素材や径、長さ、定量ポンプの種類等、燃料デブリ切断工程や溶接工程、計測工程などの実際の作業工程やそのために構築されるシリンダ駆動機構の構成に対応した条件で速度設定工程を実施し、求められる速度設定に応じた単位時間当たりの吐出回数を算出しておけば良い。

また、図２の例では、水圧シリンダの原子炉内の水中での使用の場合を示したが、本発明の駆動機構によれば、これに限定されるものではなく、冷却水散布中や特定の雰囲気中、さらに防爆環境など、様々な状況の中で水圧シリンダを安定した低速度で動作させることができる。また、本発明の駆動機構は、水圧制御で使用するためのものであるが、回路構成自体は、環境に問題がなければ油圧制御に置き換えて使用することが可能である

１：水圧シリンダ
Ｐ：水圧供給ポンプ
Ｔ：タンク
２：ピストンロッド
３：ピストンヘッド側シリンダ室
４：ピストンロッド側シリンダ室
１０：エア供給部
１１：エア源
１２：エアフィルタ
１３：エア圧レギュレータ
１４：ルブリケータ
１５：エア圧調整ユニット
２１：逆止弁
２２：水圧レギュレータ
２３：給水流路
２４：水圧流路切換弁
２４Ｘ，２４Ｙ：方向制御弁
２５：ヘッド側流路
２６：ロッド側流路
２７：排水流路
２８：水圧レギュレータ
３０：定量ポンプ
３１：バネ付き逆止弁
４０：操作エア供給路
４１：エア切換操作部
４２：手動操作弁
４３：エア圧操作電磁弁
１００：制御部
２００：切断装置
３００：炉内構造物

Claims

放射線環境又は防爆環境の内にある作業装置の駆動部にピストンロッドが連動する水圧シリンダと、前記放射線環境又は防爆環境の外から前記水圧シリンダに対して作動水を給排する水圧回路と、水タンクから作動水を吸引し前記水圧回路へ吐出供給する水圧供給ポンプと、前記水圧供給ポンプの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記水圧回路は、
前記水圧供給ポンプからの作動水を前記水圧シリンダへ送る給水流路と、
前記水圧シリンダからの排水を水タンクへ戻す排水流路と、
前記給水流路と前記排水流路とを、それぞれ前記水圧シリンダのピストンヘッド側シリンダ室に連通するヘッド側流路とピストンロッド側シリンダ室に連通するロッド側流路とへ切換可能に接続する水圧流路切換弁と、を備え、
前記排水流路には、定量ポンプとその下流に逆止弁とが配置されており、
前記制御部は、さらに前記定量ポンプに対して前記水タンク側への単位時間当たりの吐出回数を制御して排水量を調整することにより、前記ピストンロッドの移動速度を０．０１００～０．１５５０mm/secの低速領域で制御するものであることを特徴とする水圧シリンダ駆動機構。
放射線環境又は防爆環境の内にある作業装置の駆動部にピストンロッドが連動する水圧シリンダと、前記放射線環境又は防爆環境の外から前記水圧シリンダに対して作動水を給排する水圧回路と、水タンクから作動水を吸引し前記水圧回路へ吐出供給する水圧供給ポンプと、前記水圧供給ポンプの駆動を制御する制御部と、を備え、
前記水圧回路は、
前記水圧供給ポンプからの作動水を前記水圧シリンダへ送る給水流路と、
前記水圧シリンダからの排水を水タンクへ戻す排水流路と、
前記給水流路と前記排水流路とを、それぞれ前記水圧シリンダのピストンヘッド側シリンダ室に連通するヘッド側流路とピストンロッド側シリンダ室に連通するロッド側流路とへ切換可能に接続する水圧流路切換弁と、を備え、
前記排水流路には、定量ポンプとその下流に逆止弁とが配置されており、
前記制御部は、さらに前記定量ポンプに対して前記水タンク側への単位時間当たりの吐出回数を制御して排水量を調整することにより、前記ピストンロッドの移動速度を制御するものであり、
前記水圧流路切換弁は、エア圧操作により切換駆動されるものであり、前記水圧回路は、前記水圧流路切換弁に操作エア圧を送るエア圧操作電磁弁をさらに備えていることを特徴とする水圧シリンダ駆動機構。
請求項１に記載の水圧シリンダ駆動機構の制御方法であって、
予め、前記定量ポンプの単位時間当たりの吐出回数と前記水圧シリンダのピストンロッドの移動速度との関係を算出する速度設定工程を備え、
前記制御部は、水圧シリンダ駆動工程にて、指令された切断装置の駆動速度に相当する前記水圧シリンダのピストンロッドの移動速度に応じた前記単位時間当たりの吐出回数を前記速度設定工程の算出結果に基づいて選定し、前記定量ポンプの駆動を制御することを特徴とする水圧シリンダ駆動機構の制御方法。