JPH086894B2 - 熱交換器水室内作業ロボツトの移動・保持装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、熱交換器水室内において、伝熱管の検査，
保修あるいは洗浄等を実施する作業用ロボットを、熱交
換器管板面上で移動せしめ、かつ、これを保持する装置
に関するものである。

〔発明の背景〕

現在、火力，原子力発電プラントにおいては、人手に
よつて実施されている種々の危険作業，悪環境下単純作
業が存在しており、その自動化による改善が強く要求さ
れてきている。

熱交換器に関しても上記の危険，苦渋作業として、ス
チームジエネレータや復水器の伝熱管渦流探傷検査など
があり、各種の自動化案が提案されている。

例えば、特開昭51−10201に示される様に、タツプ軸
を伝熱管内に送り込み、先端の伸縮バンドを利用して、
装置を保持するとともに、X,Y方向案内軸を用いて、X,Y
方向に移動可能なスチームジエネレータ探傷自動化装置
が知られている。

良く知られている様に、熱交換器の伝熱管配列方法と
しては、ごばん目配列と千鳥配列の２種類があり、ごば
ん目配列の管板面上を移動する際には、X,Y軸方向に自
由度を持つ移動装置の作業効率は非常に高い。

しかしながら、多くの熱交換器では、伝熱効率を高め
るため、千鳥型管配列を使用しており、伝熱管外側の圧
損を減少させるために、一部に伝熱管を配列しない流入
レーンを設けることも多い。この流入レーンは、管板面
上では、水平あるいは垂直軸に対して、60゜および120
゜傾斜したランド部となる。

上記のX,Y軸方向に自由度を持つ移動装置では、この
ランド部を単純に飛び越していくことは寸法的に困難な
場合があり、その様な場合には、管板面上の移動ルート
および移動装置が非常に複雑になるという問題があるた
め、千鳥型管配列を有する熱交換器の管板面上を単純か
つ合理的に移動し得る装置の開発が必要とされている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、管式熱交換器水室の千鳥型配列管板
面上を移動し、各種作業を実施する作業ロボツトに好適
な、移動，保持装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、第２図に示す様に千鳥型配列を使用した熱
交換器の管板面上において、伝熱管が主として、傾斜軸
に配列されている事に着目し、管板面上移動作業ロボツ
トの移動軸を水平軸（垂直軸）および水平軸（垂直軸）
から60゜ならびに120゜傾斜した３方向に設定し、ロボ
ツトの管板面上での移動ルートおよび移動装置が合理的
かつ非常に単純になる様にしたものである。

一般に、管板の面を（ｉ）伝熱管を貫通固着する為穿
つた孔の面積の合計と、（ii）上記の孔を穿つた残りの
面積とに区分して考えると、（ii）の面積が（ｉ）の面
積よりも小さい。そこで本発明はロボツトを支承する為
の支持ベースとして、前記（ii）の孔以外の部分を利用
せず、伝熱管の内腔を利用することとした。

上記の原理に基づいて前記の目的を達成するため、本
発明では、熱交換器水室内に配置されかつ千鳥型に複数
配列された伝熱管を有する管板上を、作業ロボットが移
動し、該作業ロボットがその本体に回転可能に支承した
作業アームと該作業アームの先端部に取付けられた作業
装置保持ハンドとにより各種作業を行う熱交換器水室内
作業ロボットにおいて、作業ロボットの本体の底部に設
けられた本体支持装置駆動ユニットと、互いに作業ロボ
ットの本体を挿通すると共に、管板面と平行な面上で千
鳥型の伝熱管の配列に合致すべき60度の角度をもって交
差方向に配置された３組からなり、本体の移動を案内し
得る移動用レールと、本体内に設置され、３組の移動用
レールを選択的に駆動し、本体から突出する移動用レー
ルの両端部の長さを変えて本体を移動さえる移動用レー
ル駆動ユニットと、該夫々の移動用レールの両端部に取
り付けられた移動用レール支持装置駆動ユニットとから
なり、前記本体支持装置駆動ユニット及び３組の移動用
レール支持装置駆動ユニットは、伝熱管の軸心方向に沿
って夫々移動可能な支持ロッドと、夫々の支持ロッドを
対応する複数の伝熱管に対し進退させる駆動源と、夫々
の支持ロッドの先端部に設けられ、かつ常態では伝熱管
内に挿入し得る大きさをなすと共に形状記憶合金からな
る保持用バンドと、保持用バンドが駆動源の駆動によっ
て対応する伝熱管に挿入されたとき、保持用バンドを加
熱させ、該保持用バンドの径を膨張して伝熱管内に保持
用バンドを保持させる加熱手段と、膨張した保持用バン
ドを冷却し、該保持用バンドの膨張を解除する冷却手段
とを有し、複数の伝熱管に対し、本体支持装置駆動ユニ
ットの支持ロッドにおける保持用バンドの保持と、３組
の移動用レール支持装置駆動ユニットのうち、何れか一
方の移動用レール支持装置駆動ユニットの支持ロッドに
おける保持用バンドの保持と交互に繰り返すと共に、前
記何れか一方の移動用レール支持装置駆動ユニットの保
持用バンドが伝熱管に保持されたとき、該一方の移動用
レール支持装置駆動ユニットを有する移動用レールを駆
動し、該移動用レール上で本体を移動することにより、
作業ロボットの本体を管板面上の所望位置に移動させる
ことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面によつて説明する。

第３図は、発電プラント用復水器内で作業中の本装置
およびその周辺装置の構成を示したものであり、熱交換
器水室内作業ロボツト１は復水器本体２に接続された復
水器水室３の内部の管板４の面上を、制御ケーブル５で
接続された制御・演算装置６の制御の下に移動する。作
業用アームの先端に保持された作業装置７は、作業ケー
ブル９によつて作業制御・記録装置８と接続され、該装
置８の制御の下に、作業ロボツト１の移動とともに作業
を実施し、作業結果は作業制御・記録装置８に記録され
る。なお、作業ロボツト１は、復水器水室マンホール10
を介して、復水器水室３内部へ搬入される。

第１図，第４図及び第５図は、作業ロボツト１の全体
構成を示すものであり、第１図は管板４の面上に取付け
られた作業ロボツト１を水室側からみた図、第４図は、
第１図のＡ−Ａ断面図、第５図は、第４図のＢ−Ｂ断面
図である。

作業ロボツト１の本体11は、本体支持装置駆動ユニツ
ト12、移動用レール駆動ユニツト13（13A,13B,13C）、
作業アーム駆動ユニツト14ならびに該ユニツト14で駆動
される先端に作業装置保持ハンド15（第１図）を取り付
けた360゜回転可能な作業アーム16により構成される。

移動用レール駆動ユニツト13A,13B,13Cは移動用レー
ル17A,17B,17C（第１図）を駆動するためのものであ
り、各移動用レールは、千鳥型管配を考慮して、管板４
の水平軸（管配列によつては垂直軸）と一致する移動軸
A18Aおよび、移動軸Ａと60゜ならびに120゜傾斜した方
向の移動軸B18B、移動軸C18C上に配置されている。

また、移動用レール17A,17B,17Cは、それぞれ両端部
に移動用レール支持装置駆動ユニツトA19A,同B19B,同C1
9Cが取り付けられている。

ロボット本体11と移動用レール17Bの相対位置は、第
５図に示されているように、レール駆動ユニット13B内
部のアクチュエータ20を作動させることにより自由に変
えられる。即ち、移動用レール17Bは、アクチュエータ2
0の駆動によって本体11内を第５図に示す矢印方向に移
動し、ロボット本体11において突出する両端部の長さを
変えることができるようにしている。図示を省略するが
レール駆動ユニツト13A,同13Cについても同様の構造で
ある。

本体支持装置駆動ユニツト12（第４図），移動用レー
ル支持装置駆動ユニツト19の内部には、管板４の面上の
伝熱管25の長手軸と平行に支持ロツド21,22がそれぞれ
取付けられており、アクチユエータ23,24の作動によ
り、伝熱管25内部への送り込みならびに引出しが自由な
構造となつている。

第６図は第１図で示される作業ロボツト１の背面図で
あり、支持ロツド21,22の配置を示したものである、作
業ロボツト本体11ならびに移動用レール17を確実に保持
するため、複数の支持ロツドを配置してある。支持ロツ
ド21,22の配置は、管板面上の管配列に基づいて決定さ
れるものであり、第７図に配置法の一例を示す。本第７
図は支持ロツドの配置の１例を、管板の管配列メツシユ
26上に描いた説明図である。

メツシユ26上の円21A,22Aはそれぞれ支持ロツド21,22
の配設位置を表わしている。一般に熱交換器の管配列ピ
ツチは種々異なるため、多種の熱交換器に本作業ロボツ
ト１を適用するためには、各管配列ピツチに合致した本
体支持装置駆動ユニツト12,移動用レール支持装置駆動
ユニツト19を準備すればよい。

第８〜10図は、作業ロボツト１の保持装置及び機構を
示し、移動用レール支持装置駆動ユニツト19近傍の拡大
図である。第８図（Ｂ），第９図（Ｂ），第10図（Ｂ）
は、それぞれ、第８図（Ａ），第９図（Ａ），第10図
（Ａ）の側面図である。保持装置は、移動用レール支持
装置駆動ユニツト19、支持ロツド22、エアーバツグパツ
ド31、エアーパイプ32、ストツパ用フランジ33から構成
され、保持動作は下記ステツプにより行なわれる。

ステツプ１（第８図参照）：支持ロツド22と管板面４上
の伝熱管25の中心軸を合致させる。

ステツプ２（第９図参照）：駆動用アクチユエータを作
動させ支持ロツド22を伝熱管内部に送り込む。送り込み
動作は、ストツパ用フランジ33と管板４の面が接触する
まで続行する。

ステツプ３（第10図参照）：エアーパイプ32を介してエ
アーバツグパツド31に空気を送り込みパツドを膨張さ
せ、伝熱管25内面に接触させることにより保持力を発生
させる。

保持動作を解除するためには、上記ステツプを逆に実
施すればよい。本保持機構は、本体支持装置駆動ユニツ
ト12に関しても全く同一である。

次に、作業ロボツトの移動機構を示したものが第11〜
13図である。ここでは、初期常態として、移動用レール
保持機構により保持され、ロボツト本体11が移動用レー
ル17の下端に位置しており、これを上方に移動させる場
合を例にとつて説明する。本動作は下記ステツプの様に
行なわれる。

ステツプ１（第11図参照）：ロボツト本体11を、移動用
レール駆動ユニツト13のアクチユエータを動作させるこ
とにより、移動用レール17の上端へ移動させる。この場
合、移動用レール駆動ユニット13のアクチュエータ20を
動作させると、移動用レール17が作動するが、該移動用
レール17の両端部に取り付けられた移動用レール支持装
置駆動ユニット19のエアーバッグパッド31が対応する伝
熱管25の内面に保持されて固体状態となるため、移動用
レール17上をロボット本体11が上端に移動する。

ステツプ２（第12図参照）：支持ロツド21を伝熱管中心
軸へ位置決め後、伝熱管内面へ送り込み前記ロボツト本
体保持機構によりロボツト本体11を支持する。その後、
移動用レール支持機構を解除し、支持ロツド22を伝熱管
内面から引き出し、移動用レール駆動ユニツトのアクチ
ユエータを動作させることにより、移動用レール17を上
方へ移動させる。

ステツプ３（第13図参照）：支持ロツド22を伝熱管中心
軸へ位置決め後、伝熱管内面へ送り込み移動用レール保
持機構により移動用レール17を保持し、その後、ロボツ
ト本体保持機構を解除し、支持ロツド21を伝熱管内面か
ら引き出す。

以上で、作業ロボツト１の保持状態はステツプ１と同
様となり、以下、同様の動作のくり返しで作業ロボツト
１は、上方へ移動していくことができる。

また、他の移動軸上の移動も本基本移動機構と全く同
様である。

第14図は、発電プラント用復水器を例として作業ロボ
ツト１の管板４面上の移動ルート41の１部の生成方法に
ついて示したものである。本実施例の作業ロボツト１の
作業装置保持ハンドは３本の移動用レール17による直進
方向移動に３自由度、作業アーム駆動ユニツトによる回
転に１自由度を有しているため、基本的に管板面上のあ
らゆる座標（r,θ）に到達することが可能であり、特に
管配列に合致した移動軸を用いていることから本図に示
す様に、極めて単純かつ合理的な移動ルート41で管板面
上の作業を実施することが可能である。本移動ルート
は、移動ルートを構成する各移動パスの終端を中心に、
ハンド中心半径に相当する円42を描き、これらの円を接
続した図形が、全伝熱管を包含するように決定すればよ
い。

第15図，第16図は、本実施例の作業ロボツト位置の移
動および作業のフローチヤートを示したもので、これを
さらに詳細に説明すると次のようになる。

開始： 制御装置への管板面伝熱管マトリツクス入力： 伝熱管座標をマトリツクス化して、制御，演算装置へ
入力し、制御の基礎データとする。

作業ロボツト取付け： 作業ロボツト１を管板４面上に取付け、同時に取付け
位置を制御・演算装置へ初期値として入力する。

制御装置による最適移動ルート生成： 第14図に示した様な移動ルートを制御装置により算出
する。同時に移動ルートを構成する移動パス（同一移動
軸小移動ルート）ならびに移動パスを生成する移動ステ
ツプ（移動用レールを移動させる移動動作）のデータを
生成し、以下のロボツト制御に使用する。

以下各移動パス，移動ステツプに対し、 移動用レールによるロボツト移動： 移動用レールを移動させるロボツト移動動作を実施 作業対象伝熱管の範囲決定： 本時点以下では、移動用レールは固定となる。移動用
レール上でのロボツト本体移動でカバーできる伝熱管を
ピツクアツプする。

作業対象伝熱管の作業順位設定： 上記でピツクアツプした伝熱管に対し、作業順位を設
定する。

以下、各伝熱管に対し 伝熱管のr,θ算出： ロボツト本体移動および作業用アーム回転： 消費パワーが最小となる様に、ロボツト本体移動動作
が最小となる動作を選択し、ロボツト本体移動，作業ア
ーム回転により作業ハンド中心を、上記r,θ座標に合わ
せる。

ロボツトによる作業実施： 作業結果の記録： 作業結果は、作業制御記録装置に記録する。

終了： なお、上記フローには３種類の繰返しループがあり、
これを第15,16図のループ，，に示す。

以上で述べた本実施例によれば、自由度の少ない極め
て単純な機構で、必要かつ充分な、熱交換器水室内作業
ロボツトの移動，保持装置が構成でき、しかも本体支持
装置駆動ユニット12と、移動用レール17A〜17Cのうちの
何れか一方とを駆動すると共に、該駆動した移動用レー
ルと対応する移動用レール支持装置駆動ユニット19A〜1
9Cを駆動することにより、ロボツト本体11が管板４上を
最短距離で移動することができるので、移動時間を確実
に短縮することができ、効率的な移動を行うことができ
る。

第17〜第19図は本発明の他の実施例を示すもので、第
８図〜第10図に示した実施例に比較して、ロボツト本体
および移動用レールの保持機構が異なる。

第17図（Ａ）は移動用レール支持装置駆動ユニツト19
近傍の拡大図であり、第17図（Ｂ）は第17図（Ａ）の側
面を表わしている。第17図が前記実施例第８図と異なる
点は、ロツド先端に、外径が伝熱管25の内径よりも小さ
い硬質ゴム等からなるパツド51を設けている点である。

第18図は、移動用レール支持装置駆動ユニツト19の正
面図を模式化して描いた説明図であり、本実施例では支
持ロツド22は管板面に垂直（伝熱管長手軸）方向だけで
なく、管板面と平行に、即ち支持ロツド22と同22との間
隔を増減せしめる方向にも移動可能である。本実施例の
保持機構は、前記実施例と前述のステツプ３において異
なる。すなわち、ステツプ３においては、第19図に示さ
れる如く駆動ユニツト19内のアクチユエータにより支持
ロツド22を第18図に示す１対の矢印の如く水平方向に移
動し、パツド51の外面を伝熱管25の内面に押付けて伝熱
管25を第19図に示すように挾みつけることにより保持力
を発生させる。本保持機構は本体支持装置駆動ユニツト
12に関しても同様である。

本実施例によれば、支持ロツド12を伝熱管の中心軸と
直角方向に移動できるため、配列ピツチの異なる各種の
管板面上で、移動用レール支持装置駆動ユニツト19、本
体支持装置駆動ユニツト12を取換えることなく作業ロボ
ツト１を使用できる。

第20〜23図は本発明の更に他の実施例を示すもので、
前記実施例とは、ロボツト本体および移動用レールの保
持機構が異なる。

第20図は移動用レール支持装置駆動ユニツト19近傍の
拡大図である。第８図，第17図と異なる点は、ロツド先
端に保持用バンド61およびバンド止め62からなるパツド
を設けている点である。また本パツドにはエアーパイプ
63,電流ケーブル64が接続されている。保持用バンド
は、第21図で示される様な形状に高温で成形された複数
の形状記憶合金スリツプで、面Ｓが円柱面状をなす様に
構成されている。

第22図は、常温におけるパツドの断面図を示すもの
で、パツド内部にはコイルスプリング65が設けられてお
り、バンド止め62Aは支持ロツド22に対してすべり可
能、バンド止め62Bは固定となつている。本第22図に示
す様に常温においてはコイルスプリング65の作用により
保持用バンドは支持ロツド22の軸方向に伸び、外径は伝
熱管25の内径よりも小さくなる。

第23図は、電流ケーブル64により保持用バンド61に電
流を流し加熱した状態を示すものである。電流加熱によ
り高温となつた保持用バンド61は形状記憶合金の形状記
憶作用によりコイルスプリング65を圧縮して第21図の様
な形状となりバンド外径は本第23図の如く増加する。な
おパツドに接続したエアーパイプ63は、保持用バンド冷
却用であり、第23図の状態から電流を止めた後冷却用空
気を流し、第22図の状態へ短時間で復帰させるために使
用する。

本実施例の保持機構は、前記実施例とステツプ３にお
いて異なる。（なおステツプ1,2ではパツドは第22図に
示す状態であり、容易に伝熱管内部へ送り込むことがで
きる。）すなわち、ステツプ３においては保持用バンド
61に電流ケーブル64を介して電流を流して加熱すること
により、パツドを第23図の様に膨張させ、伝熱管25の内
面に強く圧着させることにより保持力を発生させる。保
持動作を解除するためには、電流を止めてエアーパイプ
63を介して空気を流し、パツドを第22図の状態に戻した
後、支持ロツド22を伝熱管25の内面から引き出す。本例
における保持機構は、本体支持装置駆動ユニツト12に関
しても上記と同様である。

本実施例によれば、形状記憶合金を使用することで、
パツド膨張機構を著しく簡略化できるためロボツト構造
の単純化，軽量化が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明を適用すると、管式熱交換器水室の千鳥型配列
管板面上を移動し、各種作業を実施する作業ロボツトに
好適な、移動，保持装置を構成することができ、次記の
効果を得ることができる。

（ａ） 伝熱管配列を考慮した移動軸を設置した結果、
作業ロボットの移動・保持装置を極めて単純化でき、ロ
ボット制御ロジックの大幅な簡略化が可能となり、しか
も千鳥型に複数配列された伝熱管であっても、最短距離
で移動し、効率的な移動を行うことができ、さらに形状
記憶合金で保持用パッドを構成することにより、構成の
いっそうの単純化，軽量化を図ることができる。

（ｂ） 上記（ａ）により、スチームジエネレータや復
水器の水室内作業等の危険作業，苦渋作業を完全に自動
化することができ、危険作業からの人間の開放という観
点から、発電プラントの保守・点検作業の安全化に寄与
するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の全体的正面図である。第２
図は熱交換器における伝熱管の配列を示す説明図であ
る。 第３図乃至第16図は前記の実施例を示し、第３図は作業
用ロボツト及び制御機器の斜視図、第４図及び第５図は
作業ロボツトの断面図、第６図は作業ロボツト背面図、
第７図は支持ロツド配列例を示す説明図、第８乃至10図
は本体支持装置駆動ユニット及び移動用レール支持装置
駆動ユニットにおける支持ロッドの動作を示す説明図、
第11乃至第13図は本体支持装置駆動ユニットと移動用レ
ール支持装置駆動ユニットによるロボット本体の移動を
示す説明図第14図は作業ロボツト移動ルートの説明図、
第15図及び第16図は作業ロボツトの作業フローチヤート
である。 第17図乃至第19図、並びに、第20図乃至第23図は、それ
ぞれ前記と異なる実施例の説明図である。 １……作業ロボツト、４……管板、６……制御，演算装
置、８……作業制御・記憶装置、11……作業ロボツト本
体、12……本体支持装置駆動ユニツト、13……移動用レ
ール駆動ユニツト、14……作業アーム駆動ユニツト、15
……作業装置保持ハンド、16……作業アーム、17,17A〜
17C……移動用レール、18,18A〜18C……移動軸、19……
移動用レール支持装置駆動ユニツト、20……アクチユエ
ータ、21,22……支持ロツド、21A,22A……支持ロツド配
置位置、23,24……アクチユエータ、25……伝熱管、26
……管配列メツシユ、31……エアーバツグパツド、32…
…エアーパイプ、33……ストツパ用フランジ、41……移
動ルート、51……パツド、61……保持用バンド、62……
バンド止め、63……エアーパイプ、64……電流ケーブ
ル、65……コイルスプリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 出海 滋 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭54−40684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−132928（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換器水室内に配置されかつ千鳥型に複
   数配列された伝熱管を有する管板上を、作業ロボットが
   移動し、該作業ロボットがその本体に回転可能に支承し
   た作業アームと該作業アームの先端部に取付けられた作
   業装置保持ハンドとにより各種作業を行う熱交換器水室
   内作業ロボットにおいて、作業ロボットの本体の底部に
   設けられた本体支持装置駆動ユニットと、互いに作業ロ
   ボットの本体を挿通すると共に、管板面と平行な面上で
   千鳥型の伝熱管の配列に合致すべき60度の角度をもって
   交差方向に配置された３組からなり、本体の移動を案内
   し得る移動用レールと、本体内に設置され、３組の移動
   用レールを選択的に駆動し、本体から突出する移動用レ
   ールの両端部の長さを変えて本体を移動させる移動用レ
   ール駆動ユニットと、該夫々の移動用レールの両端部に
   取り付けられた移動用レール支持装置駆動ユニットとか
   らなり、前記本体支持装置駆動ユニット及び３組の移動
   用レール支持装置駆動ユニットは、伝熱管の軸心方向に
   沿って夫々移動可能な支持ロッドと、夫々の支持ロッド
   を対応する複数の伝熱管に対し進退させる駆動源と、夫
   々の支持ロッドの先端部に設けられ、かつ常態では伝熱
   管内に挿入し得る大きさをなすと共に形状記憶合金から
   なる保持用バンドと、保持用バンドが駆動源の駆動によ
   って対応する伝熱管に挿入されたとき、保持用バンドを
   加熱させ、該保持用バンドの径を膨張して伝熱管内に保
   持用バンドを保持させる加熱手段と、膨張した保持用バ
   ンドを冷却し、該保持用バンドの膨張を解除する冷却手
   段とを有し、複数の伝熱管に対し、本体支持装置駆動ユ
   ニットの支持ロッドにおける保持用バンドの保持と、３
   組の移動用レール支持装置駆動ユニットのうち、何れか
   一方の移動用レール支持装置駆動ユニットの支持ロッド
   における保持用バンドの保持とを交互に繰り返すと共
   に、前記何れか一方の移動用レール支持装置駆動ユニッ
   トの保持用バンドが伝熱管に保持されたとき、該一方の
   移動用レール支持装置駆動ユニットを有する移動用レー
   ルを駆動し、該移動用レール上で本体を移動することに
   より、作業ロボットの本体を管板面上の所望位置に移動
   させることを特徴とする熱交換器水室内作業ロボットの
   移動・保持装置。