(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の外部に設置したレーザー電源と、液体中に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納したレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に前記レーザー発振器のレーザー光を導くように接続された導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとからなり、
前記導光手段は、液密に構成された管状の導光部材を有し、この導光部材の内部に反射部材を設け、前記導光部材に水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する機構のうち少なくとも一つの機構を設けたことを特徴とするレーザ保全・補修装置。
【請求項２】
原子炉圧力容器外に設置したレーザー電源と、このレーザー電源に接続した原子炉圧力容器内に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納しレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に接続した導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとを具備し、
前記導光手段は、前記水密容器に直列的に複数本接続された液密構造の管状の導光部材を有し、これらの導光部材の内部に反射部材を設け、前記導光部材に水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する機構のうち少なくとも一つの機構を設けたことを特徴とするレーザ保全・補修装置。
【請求項３】
原子炉圧力容器内のシュラウド胴上部の上部格子板にセンターポストを立設し、このセンターポストに水平旋回自在に旋回装置を設け、この旋回装置に水平方向に移動自在に移動台車を設け、この移動台車に前記レーザー照射装置を搭載してなることを特徴とする請求項２記載のレーザ保全・補修装置。
【請求項４】
前記旋回装置の先端部に前記シュラウド胴上縁部に接する垂直方向車輪と水平方向車輪とを取着してなることを特徴とする請求項３記載のレーザ保全・補修装置。
【請求項５】
前記原子炉圧力容器内のシュラウド胴上部の上部格子板に水平旋回、水平伸展および上下昇降機構を有する遠隔駆動装置を設け、この遠隔駆動装置に前記レーザー照射装置を設けてなることを特徴とする請求項２記載のレーザ保全・補修装置。
【請求項６】
前記旋回動作を付与する回転機構は、前記導光部材の外面に設けたベアリングおよびＯリングと、回転駆動用のモータと、このモータの回転軸に取り付けたギヤと噛合する前記導光部材の外面に設けたギヤとからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ保全・補修装置。
【請求項７】
前記導光部材中の反射部材には第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けてなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ保全・補修装置。
【請求項８】
液体の外部に設置したレーザー電源と、液体中に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納したレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に前記レーザー発振器のレーザー光を導くように接続された導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとからなり、
前記照射ヘッドは、前記導光手段の光導波路の末端にあって前記導光手段を密閉する要素をなすとともにレーザー光を透過させる光学窓と、前記光学窓の導光手段内側または導光手段外側に配置されてレーザー光を集光する集光部材と、前記集光部材により集光されたレーザー光を反射して施工部に照射する反射ミラーにより構成され、
前記反射ミラーは、透明体と、前記透明体の背面に設けられた真空層からなる反射層とを有し、前記透明体背面と前記反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射することを特徴とするレーザー保全・ 補修装置。
【請求項９】
液体の外部に設置したレーザー電源と、液体中に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納したレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に前記レーザー発振器のレーザー光を導くように接続された導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとからなり、
前記照射ヘッドは、前記導光手段の光導波路の末端にあって前記導光手段を密閉する要素をなすとともにレーザー光を集光する集光部材と、前記集光部材により集光されたレーザー光を反射して施工部に照射する反射ミラーにより構成され、
前記反射ミラーは、透明体と、前記透明体の背面に設けられた真空層からなる反射層とを有し、前記透明体背面と前記反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射することを特徴とするレーザー保全・補修装置。
【請求項１０】
前記照射ヘッドは、施工部のレーザー光散乱原因物質を除去する液体噴射ノズルを有することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザー保全・補修装置。
【請求項１１】
前記照射ヘッドは、レーザー照射部表面に液層を形成する液体噴射ノズルを有することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザー保全・補修装置。
【請求項１２】
前記照射ヘッドは前記導光手段の先端部と円筒状に一体的に形成され、前記導光手段は周方向の回転と軸方向の伸縮動作を付与する機構を備え、筒状施工物の内面を加工可能に構成されたことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載のレーザー保全・補修装置。
【請求項１３】
前記照射ヘッドの反射ミラーには、第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けてなることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載のレーザ保全・補修装置。
【請求項１４】
前記導光手段は光ファイバからなり、前記照射ヘッドは水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する機構のうち少なくとも一つの機構を有する支持駆動装置によって支持されていることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれかに記載のレーザ保全・補修装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光により材料の加工、施工物表面の残留応力改善、表面改質、溶接補修等を行うレーザー保全・補修装置に係り、特にレーザー発振器によって発生させたレーザー光を所定距離導いて施工部に集光させて照射する構成のレーザー保全・補修装置において、高エネルギー密度のレーザー光を効率よく照射することができるレーザー保全・補修装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光は波長が非常に短い可干渉性の単色光であって、位相がよく揃い、かつ、収束性が非常に高いので、狭い面積に高密度の光りエネルギーを集中させることができるため、通信、計測、医療、金属加工などの広い分野で利用されている。
【０００３】
金属加工の分野では、高いエネルギー密度のレーザー光を利用して溶接、切断、穿孔、表面改質等の様々な加工が行われている。レーザー光を用いた加工は、非接触加工であるため、光が届く場所であればどのような場所でも加工が可能であり、レーザー光を集光させて施工部に照射する照射ヘッドも小型にすることができる。また、材料への入熱が少ないため、精密な加工が可能等の長所を有している。これらの長所を活かして、原子力発電プラント等の原子圧力容器及び炉内構造物の保全と補修にレーザー光を用いた加工が利用されている。
【０００４】
例えば、沸騰水型原子炉の炉内構造物は、高温高圧環境下において十分な耐食性と高温強度を有する材料、例えばオーステナイトステンレス鋼またはニッケル基合金等によって構成されている。これらの部材は、プラントの長期に及ぶ運転により、厳しい環境に長時間曝され、また中性子照射の影響もあるため、材料劣化の問題を考慮しなければならない。特に、炉内構造物の溶接部近傍は溶接入熱による材料の鋭敏化および引張り残留応力のため、潜在的な応力腐食割れの危険性を有している。
【０００５】
最近、原子力発電プラントの安全運転のため、予防保全対策として種々の材料の表面改良技術が開発されている。その中にレーザー光を材料表面に照射し表面改質を行う技術が例えば特開平７−２４６４８３号公報および特開平８−２０６８６９号公報に開示されている。
【０００６】
前者は、パルスレーザ装置からレーザー光を反射ミラーを通して被加工物の表面（施工面）に照射し、その施工面での照射位置を変えながらレーザー光を照射して施工面に圧縮応力を残留させる方法である。
【０００７】
後者は、冷却水に浸漬された施工面に可視波長を持つ高出力、短パルスのレーザー光を照射して、施工面の残留応力改善、亀裂除去またはクラッドの除去を行う方法である。
【０００８】
これらの方法および装置においては、レーザー光を発振器から施工面箇所まで導く導光手段として光ファイバを使用している。光ファイバは柔軟で狭域部まで導光できるという利点を有している。
【０００９】
また、レーザー光の照射ヘッドにおいては、光ファイバによって導光されたレーザー光は、レンズ等の集光光学系により任意の面積に集光され、さらにミラー等により光路を変え、加工対象の任意の場所に照射される。
【００１０】
このように、レーザー発振器と施工面が離れている場合における従来のレーザー加工装置は、レーザー発振器で発生させたレーザー光を光ファイバ等の導光手段によって転送し、光導波路（レーザー光の転送経路）の末端でレンズと反射ミラーによってレーザー光を集光させて施工部に照射するようにしていた。
【００１１】
図２０は、上記レーザー発振器と施工面が離れている場合の従来のレーザー加工装置の構成図である。
【００１２】
図２０に示すように、液中に設置されたレーザー加工装置の照射ヘッド５１は、図には示されていないレーザー光源（レーザー発振器）から導光手段（光ファイバ）により伝送されたレーザー光５２を収束するための集光レンズ５３と、集光されたレーザー光５２を反射して施工部５４に照射するための反射ミラー５５と、液中作業が可能なように集光レンズ５３および反射ミラー５５を空気中（液密構造の導光手段の内部）に保持するために液体をシールするための光学窓５６により構成されている。
【００１３】
施工に用いるレーザー光は高エネルギー密度であり、施工部５４と照射ヘッド５１が近接している場合、光学窓５６や反射ミラー５５の表面においてもレーザー光は高エネルギー密度となる。伝送されるレーザー光のパルスエネルギーを２００ｍＪ、材料表面での照射面積を１ｍｍ２とすると、エネルギー密度は２０Ｊ／ｃｍ２に達する。施工部５４と光学窓５６が密接している場合は、光学窓５６表面では２０Ｊ／ｃｍ２、反射ミラー５５表面ではビーム径が５ｍｍ２とすると４Ｊ／ｃｍ２以上の光学的強度が必要となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来のレーザー加工装置では、導光する光ファイバと、レーザー光を集光あるいは反射するレンズや反射ミラーの制約により、高エネルギー密度のレーザー光を照射するには限界があった。また、光ファイバと上記構造のレンズや反射ミラーを使用することを原因とする加工の困難さもあった。以下、このことを説明する。
【００１５】
上述したように、従来のレーザー加工の方法および装置は、レーザー光を発振器から施工面箇所まで導くのに光ファイバを使用しているが、光ファイバで導光可能なパワーまたはエネルギーには限界があった。この光ファイバの材料的な限界が、レーザー加工装置のレーザー光のエネルギー密度を制限し、加工性能の限界となっていた。
【００１６】
また、前述のような表面改質を目的とした場合に、必要な施工面での光パワーおよびエネルギー密度を得るには、光ファイバから出射した光をできるだけ小さく集光する必要がある。ところが、光ファイバから出射される光は、本質的に光ファイバのコアを光源とした拡散光と同等であり、光ファイバ構成材料の屈折率によって決まるＮＡ数（Numerical Aperture）で広がって出射する性質がある。一般にパワーレーザ用の光ファイバではＮＡ数が０．２程度であり、この光ファイバから出射した光は概ね４６度（＝２ｓｉｎ-1（０．２））の角度を持って拡散する。
【００１７】
このような光ファイバからの光を施工面に照射するためにはレンズを用いて光ファイバのコアの像を材料に結像させる必要がある。この場合、施工面での像の大きさは拡大率に光ファイバコアの大きさを乗じたものとなる。このような性質から光ファイバから出射した光をできるだけ小さく集光するには拡大率を小さくする必要がある。
【００１８】
ところが、拡大率を小さくした場合、レンズから出射する収束ビームのＮＡ数は大きくなる。すなわち、拡大率をＭとし、光ファイバのＮＡ数をＡ、結像側のＮＡ数をＢとしたとき、Ｍ＝Ａ／Ｂの関係がある。例えば、光ファイバ（Ａ＝０．２）を用いて光ファイバのコアと同じ大きさにした場合、Ｂ＝０．２となり、４６度の角度をもって収束する。
【００１９】
このように深い角度で収束させる場合、焦点深度が非常に浅くなるので、複雑な形状を持った施工面を対象とした場合には、光ファイバおよびレンズを含む照射光学系の精密に位置決めしなければならなかった。
【００２０】
上記課題はレーザー光を光ファイバにより伝送する場合に必ず付随するもので、空間を伝送させてＮＡ数の低いレンズで集光させたときには当てはまらない。
【００２１】
一方、施工部に照射するためにレーザー光を集光反射させる照射ヘッドにも、高エネルギー密度のレーザー光照射に対する制約があった。
【００２２】
上述したように、レーザー光源から施工部に近い照射ヘッド部に伝送されたレーザー光は、レンズ等の集光光学系により任意の面積に集光され、さらに反射ミラー等により光路を変え、加工対象の任意の場所に照射して施工されるが、高エネルギーのレーザー光を照射する場合は、集光用レンズや反射ミラー等の光学系は損傷を防ぐためレーザー光のパワーに対し十分耐えるだけの光学的強度を持つ必要がある。
【００２３】
特に、集光後にレーザー光が反射される反射ミラーや、水中施工等の理由によりこれらの光学系を内蔵した照射ヘッドを液密にする必要がある場合に、レーザー光を照射ヘッド内部から外部へ射出させるための光学窓は、非常に高いエネルギー密度のレーザー光に耐えなければならない。
【００２４】
しかし、通常反射ミラー表面に形成される誘電体等の反射膜は、高反射率で高価であるが、光学的強度は劣っていると言わざるを得ない。連続光のレーザーの場合、レーザー光のエネルギー密度はこれらの光学部品がダメージを受けるほどのレベルには通常達しないが、非常に短パルスのレーザー光の場合はピークエネルギーがこのレベル以上に達する場合があり、加工に用いることのできるレーザー光のエネルギーを制限する要因となっていた。
【００２５】
また、反射ミラーがダメージを受け易いため、例えば図Ｘのレーザー加工装置において、反射ミラー５への入射角度は、損傷を防ぐため０゜あるいは４５゜等の決められた角度に制限されていた。このため、ミラーを駆動して任意の角度にレーザー光を照射することはできなかった。これにより、加工時の微調整が制限されていた。
【００２６】
さらに、レーザー光の反射ミラー５表面でのビーム径を大きくするために集光レンズ７と反射ミラ一５を接近させた場合、集光レンズ７は焦点距離が短い物を使用せねばならなかった。この反射ミラー上のビーム径を大きくしなければならない問題は、上述した光ファイバによる拡大率を小さくしなければならない問題と相まってレンズの焦点距離を一層短くせざるを得ず、これが照射部表面での照射面積に誤差を大きく発生する要因となっていた。
【００２７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高エネルギー密度のレーザー光の利用を可能にし、さらにレーザー光による加工を容易化あるいは適用範囲の拡大が可能なレーザー保全・補修装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に係るレーザー保全・補修装置は、
液体の外部に設置したレーザー電源と、液体中に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納したレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に前記レーザー発振器のレーザー光を導くように接続された導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとからなり、
前記導光手段は、液密に構成された管状の導光部材を有し、この導光部材の内部に反射部材を設け、前記導光部材に水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する機構のうち少なくとも一つの機構を設けたことを特徴とするものである。
【００２９】
本発明によれば、光ファイバに代えて管状の導光部材によってレーザー光を導くようにしているので、レーザー光は概ね気中を通過し、光ファイバに比較して高エネルギー密度でレーザー光を伝送することができる。
【００３０】
また、レーザー光を空間伝送する場合は平行光が得やすいため、拡大率を小さくしなければならない要求が緩和され、焦点深度を深くとれるので、位置決め精度の要求が緩和される。
【００３１】
また、導光手段に旋回伸縮機構を設けているため、照射ヘッドを施工面に近づけて対向させることが容易であり、一方離れた広い場所で大型のレーザー発振器から高エネルギー密度のレーザー光を照射ヘッドに送ることができる。原子炉容器等にこのレーザー保全・補修装置を用いれば、炉内構造物またはノズル部を含む原子炉圧力容器内の施工面にレーザピーニング、溶融、クラッディング、溶接等の予防保全、補修作業を行うことができる。
【００３２】
本願請求項２に係るレーザー保全・補修装置は、
原子炉圧力容器外に設置したレーザー電源と、このレーザー電源に接続した原子炉圧力容器内に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納しレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に接続した導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとを具備し、
前記導光手段は、前記水密容器に直列的に複数本接続された液密構造の管状の導光部材を有し、これらの導光部材の内部に反射部材を設け、前記導光部材に水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する機構のうち少なくとも一つの機構を設けたことを特徴とするものである。
【００３３】
本発明によれば、レーザー発振器と施工面との距離を短くできるため、レーザー光の伝送損失を減らすことができる。また、位置決め精度を高めることが容易で、相対位置精度が要求される導光部材を短縮でき、よって据付時の作業が容易となる。
【００３４】
本願請求項３に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項２のレーザー保全・補修装置において、
原子炉圧力容器内のシュラウド胴上部の上部格子板にセンターポストを立設し、このセンターポストに水平旋回自在に旋回装置を設け、この旋回装置に水平方向に移動自在に移動台車を設け、この移動台車に前記レーザー照射装置を搭載してなることを特徴とするものである。
【００３５】
本発明によれば、上部格子板にセンターポストを介して遠隔駆動される旋回駆動装置とレーザー照射装置の旋回機構および伸縮機構により照射ヘッドが旋回、水平伸展および昇降の３自由度を有するため、レーザー光を施工面に確実に照射でき、これにより原子炉圧力容器および炉内構造物のレーザピーニング、溶融、クラッディング、溶接等の予防保全、補修作業を行うことができる。
【００３６】
本願請求項４に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項３のレーザー保全・補修装置において、
前記旋回装置の先端部に前記シュラウド胴上縁部に接する垂直方向車輪と水平方向車輪とを取着してなることを特徴とするものである。
【００３７】
本発明によれば、シュラウド胴上縁部を走行する垂直方向車輪と水平方向車輪により旋回装置を円滑に旋回駆動させることができるため、原子炉内の保全、補修作業を容易に行うことができる。
【００３８】
本願請求項５に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項２に係るレーザー保全・補修装置において、
前記原子炉圧力容器内のシュラウド胴上部の上部格子板に水平旋回、水平伸展および上下昇降機構を有する遠隔駆動装置を設け、この遠隔駆動装置に前記レーザー照射装置を設けてなることを特徴とするものである。
【００３９】
本発明によれば、水平旋回、水平伸展および昇降の３自由度を有する遠隔駆動装置によりシュラウド胴内壁全域をカバーできる動作範囲を有し、照射ヘッドを原子炉圧力容器内の施工面に移動させることが容易になり、検査、補修など一連の保全、補修作業を連続的に効率よく実施することができる。
【００４０】
また、遠隔駆動装置が設置されている上部格子板の格子穴とは別の格子穴から照射ヘッドを挿入し、照射ヘッドと遠隔駆動装置の寸法制約（炉心支持板通過条件）の緩和を図ることができ、炉心支持板より下部のシュラウド内作業を行うことができる。
【００４１】
本願請求項６に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項１ないし５のいずれかのレーザー保全・補修装置において、
前記旋回動作を付与する回転機構は、前記導光部材の外面に設けたベアリングおよびＯリングと、回転駆動用のモータと、このモータの回転軸に取り付けたギヤと噛合する前記導光部材の外面に設けたギヤとからなることを特徴とするものである。
【００４２】
本発明によれば、一方の導光部材と他方の部材とが回転自在に取り付けられてモータ（アクチュエータ）により相対的に回転できる。また、一方の部材と他方の部材とが伸縮自在に取り付けられ、伸縮機構（アクチュエータ）により相対的に伸縮できる。また、導光部材は液密であると同時に、回転自在に取り付けられているので、導光部材は液密を保ちながら回転でき、さらに伸縮自在に取り付けられた導光部材は互いに液密を保ちながら伸縮できる。
【００４３】
本願請求項７に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項１ないし６のいずれかのレーザー保全・補修装置において、
前記導光部材中の反射部材には第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けてなることを特徴とするものである。
【００４４】
本発明によれば、第１および第２のモータにより反射部材を調心しながら反射部材の角度を変えることができる。したがって、導光部材のたわみ等により位置ずれが生じたとしても、遠隔で位置合わせができ、作業を中断することなく短時間に施工を終了させることができる。
【００４５】
本願請求項８に係るレーザー保全・補修装置は、
液体の外部に設置したレーザー電源と、液体中に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納したレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に前記レーザー発振器のレーザー光を導くように接続された導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとからなり、
前記照射ヘッドは、前記導光手段の光導波路の末端にあって前記導光手段を密閉する要素をなすとともにレーザー光を透過させる光学窓と、前記光学窓の導光手段内側または導光手段外側に配置されてレーザー光を集光する集光部材と、前記集光部材により集光されたレーザー光を反射して施工部に照射する反射ミラーにより構成され、
前記反射ミラーは、透明体と、前記透明体の背面に設けられた真空層からなる反射層とを有し、前記透明体背面と前記反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射することを特徴とするものである。
【００４６】
本発明によれば、光学窓を導光手段の密閉要素とすることによって集光部材の近くに配置し、光学窓へのレーザー光の照射面積を大きくしている。このため、光学窓に対するレーザー光のエネルギー密度を小さくなり、その分導光手段によって転送可能なレーザー光のエネルギーを高くしている。
【００４７】
また、本発明による反射ミラーは、ミラー背面に真空あるいは所定の流体からなる反射層を設け、ミラー背面とこの反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射するようにしているので、反射ミラー表面の反射膜の工学的強度の制限を排し、これによって高エネルギー密度のレーザー光を使用することを可能としている。
【００４８】
本願請求項９に係るレーザー保全・補修装置は、
液体の外部に設置したレーザー電源と、液体中に設置したレーザー照射装置とを有し、
前記レーザー照射装置は、前記レーザー電源に接続したレーザー発振器と、このレーザー発振器を収納したレーザー透過窓を有する水密容器と、前記水密容器のレーザー透過窓に前記レーザー発振器のレーザー光を導くように接続された導光手段と、前記導光手段からのレーザー光を集光して施工部に照射する照射ヘッドとからなり、
前記照射ヘッドは、前記導光手段の光導波路の末端にあって前記導光手段を密閉する要素をなすとともにレーザー光を集光する集光部材と、前記集光部材により集光されたレーザー光を反射して施工部に照射する反射ミラーにより構成され、
前記反射ミラーは、透明体と、前記透明体の背面に設けられた真空層からなる反射層とを有し、前記透明体背面と前記反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射することを特徴とするものである。
【００４９】
本発明によれば、集光部材が導光手段の密閉要素にもなっているので、光学窓が不要とすることができる。即ち、構造を簡素化するとともに、光学窓の光学強度による制限を完全に排除することができる。
【００５０】
本願請求項１０に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項８または９のレーザー保全・補修装置において、
前記照射ヘッドは、施工部のレーザー光散乱原因物質を除去する液体噴射ノズルを有することを特徴とするものである。
【００５１】
本発明によれば、照射ヘッドにレーザー光散乱原因物質を除去する液体噴射ノズルを設けているので、施工部で発生する気泡あるいはゴミを除去することができ、レーザー光を効率よく施工部に照射することができる。
【００５２】
本願請求項１１に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項８または９のレーザー保全・補修装置において、
前記照射ヘッドは、レーザー照射部表面に液層を形成する液体噴射ノズルを有することを特徴とするものである。
【００５３】
本発明によれば、照射ヘッドにレーザー照射部表面に液層を形成する液体噴射ノズルを設けているので、空気中でも液中と同様の加工が可能となる。
【００５４】
本願請求項１２に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項８ないし１１のいずれかのレーザー保全・補修装置において、
前記照射ヘッドは前記導光手段の先端部と円筒状に一体的に形成され、前記導光手段は周方向の回転と軸方向の伸縮動作を付与する機構を備え、筒状施工物の内面を加工可能に構成されたことを特徴とするものである。
【００５５】
本発明によれば、導光手段の先端部と照射ヘッドとを円筒状に一体化し、回転と伸縮動作を付与する機構により、導光手段の先端部および照射ヘッドを周方向に回転あるいは軸方向に移動させながら加工することができ、特に筒状の施工部の内面を容易に加工することが可能となる。
【００５６】
本願請求項１３に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項８ないし１２のいずれかのレーザー保全・補修装置において、
前記照射ヘッドの反射ミラーには、第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けてなることを特徴とするものである。
【００５７】
本発明によれば、反射ミラーに、第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けていることにより、レーザー光の反射ミラーヘの入射角が全反射の臨界角よりも大きい角度範囲で駆動し、レーザー光を任意の方向に反射して加工することができる。これにより、照射ヘッドを移動せずに広い範囲の施工部を連続的に加工することが可能となる。
【００５８】
本願請求項１４に係るレーザー保全・補修装置は、上記請求項８ないし１３のいずれかのレーザー保全・補修装置において、
前記導光手段は光ファイバからなり、前記照射ヘッドは水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する機構のうち少なくとも一つの機構を有する支持駆動装置によって支持されていることを特徴とするものである。
【００５９】
本発明によれば、照射ヘッドを支持駆動装置によって支持駆動し、導光手段は柔軟な光ファイバによって構成しているので、直接見通すことのできない複雑な形状の光導波路でも施工部までレーザー光を容易に伝送することが可能となる。
【００６０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるレーザー保全・補修装置の実施の形態について添付の図面を用いて以下に説明する。なお、上記説明から明らかなように、本発明によるレーザー保全・補修装置は、高エネルギー密度のレーザー光の利用を可能にすること等のために、レーザー光を転送する導光手段、レーザー光を集光して照射する照射ヘッド、照射ヘッドを遠隔操作する装置等に改良を加えたものであるが、これらは組み合わせた場合はもちろん、単独でも十分効果があるものである。そこで、下記各実施形態は導光手段、照射ヘッド等の改良について別々に説明するが、これらの実施形態は互いに組み合わせて使用可能なものである。
【００６１】
最初に、図１および図２により本発明に係るレーザ保全・補修装置の第１参考例を説明する。
【００６２】
図１において、符号１は原子炉圧力容器であって上蓋を取り外した状態を示している。原子炉圧力容器１内には炉内構造物としての円筒状シュラウド胴２が設置されており、シュラウド胴２の下端は原子炉圧力容器１の底部に溶接されている。シュラウド胴２の上部には格子状の上部格子板３が、中間部には円形の穴が等ピッチで設けられた炉心支持板４がそれぞれボルトによって固定されている。
【００６３】
燃料集合体は、通常は上部格子板３と炉心支持板４の間に設置されているが、シュラウド胴２の内部の点検、検査など一連の予防保全作業や補修作業の際には燃料交換機を用いて燃料集合体を取り除き、上部格子板３の格子から作業機器を挿入する必要がある。この作業機器を挿入する格子の内寸法は約２９０ｍｍである。
【００６４】
また、原子炉圧力容器１内部の保全作業は作業員の放射線被曝を防止するため、炉内構造物を水没させて遠隔水中において行われる。シュラウド胴２の最下部までの水深は約２５ｍである。
【００６５】
符号５は原子炉圧力容器１の上方に設置されているオペレーションフロアで、このオペレーションフロア５上にレーザー電源６と、レーザー電源６に接続したレーザー発振器７が設置されている。レーザー発振器７にはオペレーションフロア５からシュラウド胴２内下部まで昇降し、水平旋回、水平伸縮する機能を有する導光手段８が接続されている。
【００６６】
導光手段８は図２（ａ）に示したようにレーザー発振器７に第１の導光部材９ａが水平方向に接続し、第１の導光部材９ａの先端部に垂直方向に第１の回転機構１０ａを有する第２の導光部材９ｂが接続している。第２の導光部材９ｂには大径の第３の導光部材９ｃが垂直方向に接続し、この第３の導光部材９ｃ内に挿入される小径の第４の導光部材９ｄが設けられている。
【００６７】
第３の導光部材９ｃと第４の導光部材９ｄには第１の伸縮機構１１ａが取着されて、この第１の伸縮機構１１ａの作動によって第４の導光部材９ｄは第３の導光部材９内に挿入または引き抜きされて垂直方向に伸縮自在となっている。
【００６８】
第４の導光部材９ｄの先端部には水平方向に、その側面を示す図２（ｂ）に示すように、第５の導光部材９ｅおよび第６の導光部材９ｆが接続されている。第６の導光部材９ｆの先端部には、図２（ａ）に示すように第７の導光部材９ｇおよび第８の導光部材９ｈが接続されている。第５の導光部材９ｅには第２の回転機構１０ｂが設けられており、大径の第７の導光部材９ｇと小径の第８の導光部材９ｈには水平方向に伸縮する第２の伸縮機構１１ｂが設けられている。
【００６９】
第８の導光部材９ｈの先端部には照射ヘッド１２が取着されている。また、第１の導光部材９ａ内の先端部には第１の反射部材１３ａ（ミラー）が挿着され、第４の導光部材９ｄ内の下部には第２の反射部材１３ｂ（ミラー）が挿着され、照射ヘッド１２には集光部材１４（レンズ）が挿着されている。
【００７０】
このような構成において、オペレーションフロア５上に設置したレーザー電源６を作動しレーザー発振器７に電圧を印加してレーザー光１５（図１参照）を照射させる。レーザー発振器７から照射されたレーザー光１５は導光手段８の第１の導光部材９ａ内の第１の反射部材１３ａで反射して第２〜第４の導光部材９ｂ〜９ｄ内を通過し、第２の反射部材１３ｂで反射し第５〜第８の導光部材９ｅ〜９ｈを通して集光部材１４により施工面１６に適正な口径のスポットを形成するように絞られる。
【００７１】
導光手段８の第１，第２の回転機構１０ａ，１０ｂや第１，第２の伸縮機構１１ａ，１１ｂを動作させることにより、照射ヘッド１２を炉内構造物またはノズル部を含む原子炉圧力容器１内の施工面１６近傍に走査させて施工面１６にレーザー光１５を照射し、予防保全または補修作業を行う。
【００７２】
本参考例によれば、導光手段８はその内部に形成された光導波路（レーザー光の転送経路）によってレーザー光１５を転送するとともに、照射ヘッド１２を駆動して施工面１６にレーザー光を照射できるように回転機能および伸縮機能を有している。したがって、照射ヘッド１２を施工面１６に近づけて対向させることが容易である。
【００７３】
また、レーザー発振器７が空間的に余裕があるオペレーションフロア５上に配置されているので、大型のレーザー発振器７から高エネルギー密度のレーザー光１５を照射することができる。この照射により、炉内構造物またはノズル部を含む原子炉圧力容器１内の施工面１６にレーザピーニング、溶融、クラッディング、溶接等の予防保全、補修作業を行うことができる。
【００７４】
つぎに、図３および図４により本発明に係るレーザ保全・補修装置の第１の実施の形態を説明する。
【００７５】
なお、図３および図４中、図１および図２と同一部分または同一機能を有する部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００７６】
本実施の形態が第１参考例と異なる点は、オペレーションフロア上にレーザー電源６のみ設置し、このレーザー電源６にケーブル線１７を介してレーザー発振器７を接続し、このレーザー発振器７をレーザー照射装置１８（後述する液密構造体と導光手段８と照射ヘッド１２とからなる）とともに原子炉圧力容器１内に設置している。この構成により、レーザー発振器７と施工面１６との距離が短くなることにより、レーザー光照射の際の位置決め精度を高めることができる。また、導光手段８の導光部材が短くなることにより、レーザー照射装置１８の据付けを容易にすることができる。
【００７７】
レーザー照射装置１８は、第１参考例で示したレーザー発振器７と、水密容器１９と、導光手段８と、照射ヘッド１２とによって構成されている。水密容器１９には図４（ａ）に示したようにレーザー発振器７から照射するレーザー光１５を通過させるレーザー透過窓２０を有している。この水密容器１９のレーザー透過窓２０を覆うようにして第１の導光部材９ａが接続されている。その他の部分の構成は、基本的には前記第１参考例と同様なので、それらの部分の説明は省略する。
【００７８】
このような構成において、レーザー発振器７からのレーザー光１５は水密容器１９のレーザー透過窓２０から第１の導光部材９ａに入り、第１の反射部材１３ａにより反射しながら第１参考例と同様に照射ヘッド１２の集光部材１４を介して施工面１６に集光し、炉内構造物またはノズル部を含む原子炉圧力容器１内の施工面１６にレーザピーニング、溶融、溶接の予防保全、補修作業を行う。
【００７９】
導光手段８の第１，第２の回転機構１０ａ，１０ｂや第１，第２の伸縮機構１１ａ，１１ｂを動作させることによって照射ヘッド１２を施工面１６に走査できるため、目的とする範囲を隅なく施工できる。
【００８０】
本実施の形態によれば、レーザー発振器７と施工面１６の距離を短くできるため、レーザー照射のための位置決めの精度を高めることが容易である。また、据え付け時に相対位置精度を高い状態で据え付けなければならない導光部材を短縮できるので、据え付け時の作業が容易となる。
【００８１】
つぎに、図５および図６により本発明に係るレーザ保全・補修装置の第２の実施の形態を説明する。
【００８２】
なお、図５および図６中、図１から図４と同一部分または同一機能を有する部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００８３】
本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、上部格子板３にセンターポスト２１を設置し、このセンターポスト２１を中心にして水平方向に旋回する旋回装置２２を設け、この旋回装置２２上にレール２３を敷設し、レール２３を走行する移動台車２４を設け、この移動台車２４に水密容器１９と導光手段８等からなるレーザー照射装置１８を設けたことにある。
【００８４】
図６は図５中Ａ部を拡大して示すもので、旋回装置２２の先端部下面には、垂直方向車輪２５が取着され、この垂直方向車輪２５はシュラウド上縁部２ａの上端面に沿って走行する。また、シュラウド上縁部２ａの上部内面に沿って走行する水平方向車輪２６が旋回装置２２の下面に設けられた水平方向車輪取付部材２７を介して取着されている。
【００８５】
本実施の形態では上部格子３に設置されたセンターポスト２１を中心にして旋回装置２２が水平方向に旋回する。旋回装置２２上に設置された移動台車２４にはレーザー発振器７を内蔵した水密容器１９が設置されているので、レーザー照射装置１８は水平方向に移動自在になっている。また、レーザ装置１８の照射ヘッド１２は導光部材に取着した伸縮機構により垂直方向に移動自在になっている。導光部材内には反射部材１３（ミラー）が設けられており、照射ヘッド１２には集光部材１４（レンズ）が組み込まれている。
【００８６】
本実施の形態によれば、炉心部の上部格子板３にセンターポスト２１を介して遠隔駆動される旋回装置を設け、この旋回装置２２に移動台車２４およびレーザー照射装置１８を設けている。照射ヘッド１２にシュラウド２内の内面を施工面１６とした場合の施工面１６に対して水平旋回、水平伸展および昇降の３自由度を付与できるため、レーザピーニング、溶融、クラッディング、溶接等の予防保全、補修作業を行うことが容易となる。
【００８７】
また、シュラウド胴２の上縁部２ａを走行する垂直方向車輪２５と水平方向車輪２６により旋回装置２２を円滑に旋回駆動させることができるため、原子炉内予防保全作業がさらに容易となる。
【００８８】
図７は図６の実施形態の他の変形例を示したもので、図６と同一部分には同一符号を付している。図７においてはシュラウド上縁部２ａの下面を施工面１６として、この施工面１６の予防保全、補修作業を行う場合である。
【００８９】
この変形例では、照射ヘッド１２の先端と集光部材１４との間に、第３の反射部材１３ｃを設けて、第２の反射部材１３ｂから集光部材１４を通して照射された水平方向のレーザー光１５を直角方向上方に反射させ、そのレーザー光１５をシュラウド上縁部２ａの下面の施工面１６に照射する。このようにすることにより、シュラウド上縁部２ａの下面の下向き部分に存在する施工面１６に対しても確実にレーザー光１５を照射することができる。
【００９０】
つぎに、図８および図９により本発明に係るレーザ保全・補修装置の第３の実施の形態を説明する。
【００９１】
図８はシュラウド上縁部の溶接部近傍を補修しているのに対して図９はシュラウド下部の溶接部を補修する状態を示しており、図１から図７と同一部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００９２】
本実施の形態は炉心部の上部格子板３に旋回、伸展、上下昇降機構を有する遠隔駆動装置２８を設け、この遠隔駆動装置２８にレーザー発振器７を内蔵する液密容器１９を設ける。この液密容器１９を原子炉圧力容器１内の炉水中に設置し、液密容器１９の透明なレーザー透過窓２０に合わせて複数の導光部材を組み合わせた導光手段８からなるレーザー照射装置１８により構成されている。
【００９３】
レーザー照射装置１８は遠隔駆動装置２８を炉心部の上部格子板３に据え付けたのち、上部格子板３の格子よりも断面形状を小さくした状態で遠隔駆動装置２８の上下駆動部に取り付けられる。
【００９４】
つぎに遠隔駆動装置２８の上下、旋回、伸展の自由度により施工位置に位置決めされた後、レーザー照射装置１８の回転機構１０、伸縮機構１１を使用して照射ヘッド１２を施工面１６に走査し、作業を行う。
【００９５】
遠隔駆動装置２８は外径２７０ｍｍ、全長５，４００ｍｍの円筒状ケース２９にＸリンクの伸展アーム３０と本体３１を収納した構造となっている。本体３１にはレーザ照射位置１８の照射ヘッド１２の昇降機構（図示せず）を有し、本体３１が有する自由度は水平旋回、水平伸展および昇降の３自由度である。動作ストロークは旋回±１８０度、伸展約２，０００ｍｍ、昇降約２，０００ｍｍで炉心中心設置時にシュラウド胴２の内壁全域をカバーできる動作範囲を有している。
【００９６】
伸展アーム３０と本体３１に設けた昇降機構は伸展アーム３０を縮めると本体３１とともにケース２９に収まる。このため、炉心支持板４の穴も通過可能で、炉心支持板４より下部のシュラウド胴２内の作業にも適用できる。
【００９７】
図９はシュラウド胴２の下部溶接部を施工面１６とし、導光部材９を垂直に伸展し、照射ヘッド１２を施工面１６に対向させた状態を示しており、図８とその他の構成は本質的に変わるものではないので、その説明は省略する。
【００９８】
つぎに図１０により本発明に係るレーザ保全・補修装置の第２参考例を説明する。
【００９９】
本参考例が第１参考例と異なる点は第１〜第４の導光部材９ａ〜９ｄが十分な液密構造で、回転自在に取り付けられた導光部材９ｂ，９ｃは相互に回転可能な構造であり、伸展自在に取りつけられた導光部材９ｃ，９ｄは相互に液密を保ちながら伸展可能な構造に形成したことにある。
【０１００】
すなわち、第２の導光部材９ｂの外周面に上下一対のベアリング３２が設けられて回転可能となっており、Ｏリング３３が設けられて第３の導光部材９ｃの上部外面との間が液密構造になっている。第２の導光部材９ｂの外側には回転駆動用のモータ３４が設けられ、モータ３４の回転軸に第１のギヤ３５ａが設けられ、この第１のギヤ３５ａと噛合して回転する第２のギヤ３５ｂが第３の導光部材９ｃの上部外周面に設けられている。
【０１０１】
また、第３の導光部材９ｃ内に挿入する第２の反射部材１３ｂを内蔵した第４の導光部材９ｄの上端部にはフランジ３６が設けられ、フランジ３６の外面にＯリング３７を嵌着して、さらに第３の導光部材９ｃの下端部内面に内側環状体３８を形成し、この環状体３８にＯリング３７を嵌着して、この上下一対のＯリング３７により第３の導光部材９ｃと第４の導光部材９ｄとの間の液密性を保っている。
【０１０２】
本参考例ではベアリング３２およびＯリング３３により液密性を保ちながら、モータ３４およびギヤ３５ａ，３５ｂから構成される回転機構１０ａにより相互に回転可能な第２の導光部材９ｂと第３の導光部材９ｃ、及びＯリング３７により内部を液密に保ちながら伸縮機構１１ａにより相互に伸縮可能な第３の導光部材９ｃと第４の導光部材９ｄからなっている。
【０１０３】
したがって、本参考例によればレーザー光１５は水中よりも損失の少ない気中を進行するので、さらに損失を少なくでき、レーザー発振器７の出力を低下させることができる。あるいは、照射ヘッド１２の光学系の光学強度が許す限り、レーザー発振器７の出力を高くすることができる。
【０１０４】
つぎに図１１（ａ），（ｂ）により本発明に係るレーザ保全・補修装置の第４の実施の形態を説明する。
【０１０５】
本実施の形態は導光部材９内に設ける反射部材を遠隔操作で回転可能に位置合わせできるように導光部材９内に第１のモータ３９と第２のモータ４０を２個設けたことにある。
【０１０６】
本実施の形態によれば、反射部材１３の角度を遠隔で位置合わせ可能なように、反射部材１３のアクチュエータと調心測定装置となる第１および第２のモータ３９，４０を設け、これらにより相互に直行する軸回りに回転自在の位置合わせ機構としている。この位置合わせ機構により、導光部材９のたわみ等により位置ずれが生じたとしても、遠隔で位置合わせが可能であり、作業が中断することなく短時間で予防保全、補修作業を行うことができる。なお、反射部材１３の代りにプリズムを使用することもできる。
【０１０７】
以上の実施形態と参考例は、導光手段として光ファイバの代わりに管状の導光部材を使用したものである。これにより、気中でレーザー光を転送でき、光ファイバに比べて高エネルギー密度のレーザー光を転送することができる。また、導光部材内部で導光されるレーザー光はほぼ平行な光になるので、照射ヘッド部での集光の要求が緩和される。
【０１０８】
次に、照射ヘッドの各構成要素の光学強度を高めて、高エネルギー密度のレーザー光を照射できるようにした実施形態と参考例について説明する。
【０１０９】
図１２は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第５実施形態を示す構成図である。図１２に示すように、液中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は、図には示されていないレーザー発振器から導光手段により伝送されたレーザー光１５を収束するための集光部材１４と、集光部材１４を空気中（導光部材内側）に保持するために液体をシールするための光学窓４１と、集光されたレーザー光１５を反射して施工面１６に照射するための反射ミラー４２により構成されている。
【０１１０】
本実施形態のレーザー保全・補修装置によれば、図１２に示すように、液中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は、反射ミラー４２を液中に設置して光学窓４１を集光部材１４の近傍に設置したため、光学窓４１に照射されるレーザー光の照射面積が大きくなり、光学窓４１の耐力を損傷を受けるエネルギー密度以下に軽減することが可能である。
【０１１１】
また、反射ミラー４２は、表面の反射膜による反射ではなく、背面での全反射によりレーザ一光を反射する構造となっている。
【０１１２】
図１３にこの反射ミラー４２の構造を示す。反射ミラー４２は、例えば石英ガラスからなる透明体４３と、透明体４３の背面に設けられた反射層４４により構成されている。
【０１１３】
レーザー光１５は、透明体４３と反射層４４の境界における全反射の臨界角よりも大きな角度で透明体４３の背面に入射するように反射ミラー５の角度を調整しておくと、透明体表面での若干のフレネル反射を除けばレーザー光のほとんどはこの全反射により反射される。その際の光学的強度はＹＡＧレーザーの第２高長波に対し１５Ｊ／ｃｍ２程度となり、施工に必要なエネルギーを十分反射することができる。
【０１１４】
反射層４４を設けずに石英ガラス等の透明体のみとした場合や、この反射ミラー４２を空気中に設置した場合は、全反射は起こることなくレーザー光のほとんどは石英ガラス等の透明体を透過してしまい、反射ミラーとして使用することはできない。
【０１１５】
反射層４４は透明体４３の屈折率、石英ガラスの場合は屈折率１．４程度よりも十分小さな屈折率を持つ物質であれば良い。もちろん屈折率１．０の真空層であってもかまわない。
【０１１６】
さらに、この反射ミラー４２の利点は、エネルギー耐力が増すのみではなく、反射膜では反射するレーザー光の波長は一つに決められているが、この反射ミラー４２によれば、ミラー媒質の屈折率が波長により変化するため臨界角が変化するものの、全反射を維持するようレーザー光１５の入射角を考慮すれば、波長に制限されることがなく、レーザー光１５の入射角が全反射の臨界角よりも大きい範囲であれば任意の角度に反射ミラー４２を設置することができる点である。したがって、この反射ミラー４２によれば、従来反射ミラーが入射するレーザー光に対して特定の角度のみに保持するようにしていたのに対し、一定の範囲内で保持角度を変化させることにより、レーザー光の照射部位を変化させて広い範囲を施工することができる。
【０１１７】
また、本発明による反射ミラー４２は、高価な誘電体多層膜等の反射膜を使用しないため安価に製造できるという利点もある。
【０１１８】
このように本実施形態によれば、これまで光学部品のレーザー光に対する光学的強度の限界により不可能であった高エネルギー密度のレーザー光を使用して水中での構造材の表面改質の施工を行うことが可能となる。
【０１１９】
図１４は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第６実施形態を示す構成図である。なお、以降の各実施形態と参考例では前記第５実施形態と同一または対応する部分には図１２と同一の符号を付して説明する。
【０１２０】
図１４に示すように、液中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は、図には示されていないレーザー発振器から導光手段を介して伝送されたレーザー光１５を収束するとともに、導光手段を液密に密閉する要素を構成する集光部材１４と、集光されたレーザー光１５を反射して施工面１６に照射するための反射ミラー４２により構成されている。
【０１２１】
それぞれの構成要素は前述した第５実施形態と同様であるが、第５実施形態と異なり本実施形態では光学窓を用いずに集光部材１４により導光手段を液密にシールしている。空気中と異なり集光部材１４の片面を液体に接した場合、液体の屈折率は空気よりも大きく、レンズの焦点距離も空気中に比べ長くなる。液体が水であった場合、焦点距離は約１．３倍になる。この場合、あらかじめ液体による焦点距離の変化を予想し、集光部材１４の位置を調整しておけば、液体をシールするための光学窓を必要とせず装置の簡略化が可能となる。
【０１２２】
図１５は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第７実施形態を示す構成図である。
【０１２３】
図１５に示すように、液中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は、図には示されていないレーザー発振器から導光手段を介して伝送されたレーザー光１５を収束するとともに、導光手段を液密に密閉する要素を構成する集光部材１４と、集光されたレーザー光１５を反射して施工面１６に照射するための反射ミラー４２と、レーザー光散乱原因物質を除去する液体を施工面１６に噴射するための噴射ノズル９により構成されている。即ち、本実施形態では、第６実施形態に対し液体噴射ノズル４５が付加された構造となっている。
【０１２４】
高エネルギー密度のレーザー光１５を施工面１６に照射した場合、施工部表面はプラズマ化するが、その際高温のプラズマにより気泡が発生する。また、施工部表面に付着したクラッド等が除去され液体中を浮遊する。これらの気泡やクラッド等はレーザー光散乱原因物質と称され、レーザー光１５の光路上にあった場合、レーザー光１５を散乱させ、施工面１６に十分なエネルギーが照射されなくなる原因となる。
【０１２５】
そこで、不純物をフィルターにより濾過したきれいな液体を施工中の施工面１６に向かって噴射し、施工面１６の気泡や光路上のクラッド等を除去する液体噴射ノズル４５を設けることにより、気泡やクラッド等のレーザー光散乱原因物質を照射部やレーザー光路上から除去して常に十分なエネルギーのレーザー光１５を照射することができるようになる。
【０１２６】
また、照射ヘッド１２は、集光部材１４付近に気泡やゴミが滞留しないよう噴射の流れが集光部材１４の表面の泡等を除去し、かつ、気泡抜きのための穴を設ける等の工夫を施すのが好ましい。
【０１２７】
図１６は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第８実施形態を示す構成図である。
【０１２８】
図１６に示すように、空気中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は、図には示されていないレーザー発振器から導光手段を介して伝送されたレーザー光１５を収束杜とともに、導光手段を液密に密閉する要素を構成する集光部材１４と、集光されたレーザー光１５を反射して空気中の施工面１６に照射するための反射ミラー４２と、レーザー照射部表面に液層を形成する液体噴射ノズル４６により構成されている。
【０１２９】
構造材の表面残留応力改善の施工では、プラズマの圧力を閉じこめるための液体が必要であり、このような施工では液中でレーザー光１５を施工面１６に照射することが必要であるが、本実施形態では施工面１６に噴射ノズル４６により液体を噴射し、照射面に液層４７を形成する構造となっている。このようにすることにより、空気中においても施工を実施することが可能となる。本実施形態によれば、他の施工のため液体を除去した場合や、設置工事中で液体がまだ満たされていない場合でも施工が可能となる。
【０１３０】
図１７は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第９実施形態を示す構成図である。
【０１３１】
図１７に示すように、液中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は導光手段８の先端部分と円筒状に一体的に構成されている。また、これを駆動機構により周方向に回転あるいは軸方向に移動可能な構造となっている。
【０１３２】
図には示されていないレーザー発振器からのレーザー光は、導光手段８を通って照射ヘッド１２から横方向に照射される。このような構造によれば、パイプ等の筒状施工物の内面（施工面１６）を施工する場合、導光手段８の先端部分と照射ヘッド１２をパイプ内径よりも細い円筒とすることで従来は施工が困難であった部位への施工が可能となる。
【０１３３】
図１８は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第１０実施形態を示す構成図である。
【０１３４】
図１８に示すように、液中に設置されたレーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は、図には示されていないレーザー発振器から導光手段を介して伝送されたレーザー光１５を収束とともに、導光手段を液密に密閉する要素を構成する集光部材１４と、集光されたレーザー光１５を反射して施工面１６に照射するための反射ミラー４２と、反射ミラー４２を駆動するための位置合わせ機構４８により構成されている。
【０１３５】
この位置合わせ機構４８により、反射ミラー４２は任意の方向にレーザー光１５を反射して照射することが可能となる。このような構造とすることで線上あるいは面状の施工面１６に対し施工する場合、位置合わせ機構４８を照射ヘッド１２に内蔵することで照射ヘッド１２は大型化するが、照射ヘッド１２を駆動する機構は照射中は停止しておくことができるため、遠隔で連続駆動することに起因する照射位置の誤差の発生を防止することができ、さらに、斜め方向等の任意の角度に光軸を設定して照射することが可能となる。
【０１３６】
本実施形態によれば、従来の一定の角度にしか反射することができない反射ミラーの欠点を克服し、高エネルギー密度のレーザー光１５に対し臨界角よりも大きな角度であれば、任意の角度に反射ミラーを調整駆動することが可能となり、反射ミラーの角度の変更によってレーザー光の照射部位を変えることが可能となり、精密なレーザー光による加工が容易となる。
【０１３７】
図１９は、本発明に係るレーザー保全・補修装置の第３参考例を示す構成図である。
【０１３８】
図１９に示すように、本参考例はレーザー光の導光手段と照射ヘッドの支持駆動装置とを分離したものである。
【０１３９】
本参考例によれば、レーザー保全・補修装置の照射ヘッド１２は液中に設置され、導光手段として光ファイバ４９を用いてレーザー発振器７からレーザー光を転送して施工面１６に照射する。
【０１４０】
一方、照射ヘッド１２は支持駆動装置５０により上下左右に駆動され、線状あるいは面状の施工面１６に順次レーザー光を照射して加工する構造となっている。
【０１４１】
このような構造とすることで、直接見通すことのできない複雑な光導波路となる施工部に対し、柔軟な光ファイバ４９によりレーザー光を伝送することができので、複雑な形状に湾曲する光導波路を通してレーザー光を送ることができ、そのような光導波路の先の施工部に対しても施工が可能となる。
【０１４２】
【発明の効果】
本願請求項１に係るレーザー保全・補修装置によれば、光ファイバに代えて管状の導光部材によってレーザー光を導くようにしているので、レーザー光は概ね気中を通過し、光ファイバに比較して高エネルギー密度でレーザー光を伝送することができる。
【０１４３】
また、レーザー光を空間伝送する場合は平行光が得やすいため、拡大率を小さくしなければならない要求が緩和され、焦点深度を深くとれるので、位置決め精度の要求が緩和される。
【０１４４】
また、導光手段に旋回伸縮機構を設けているため、照射ヘッドを施工面に近づけて対向させることが容易であり、一方離れた広い場所で大型のレーザー発振器から高エネルギー密度のレーザー光を照射ヘッドに送ることができる。
【０１４５】
従って、本発明のレーザー保全・補修装置によれば、原子炉容器等にこのレーザー保全・補修装置を用いれば、炉内構造物またはノズル部を含む原子炉圧力容器内の施工面にレーザピーニング、溶融、クラッディング、溶接等の予防保全、補修作業を行うことができる。
【０１４６】
本願請求項２に係るレーザー保全・補修装置によれば、レーザー発振器を水密容器の内部に収納していることにより、水中作業においてレーザー発振器と施工面との距離を短くでき、レーザー光の伝送損失を減らすことができる。また、レーザー発振器と施行面の距離が短いため、位置決め精度を高めることが容易で、相対位置精度が要求される導光部材を短縮でき、よって据付時の作業が容易となる。
【０１４７】
本願請求項３に係るレーザー保全・補修装置は、原子炉圧力容器内のシュラウド胴上部の上部格子板にセンターポストを立設し、このセンターポストの旋回装置と移動台車によってレーザー照射装置を駆動するので、照射ヘッドが旋回、水平伸展および昇降の３自由度を有し、レーザー光を施工面に確実に照射でき、これにより原子炉圧力容器および炉内構造物のレーザピーニング、溶融、クラッディング、溶接等の予防保全、補修作業を行うことができる。
【０１４８】
本願請求項４に係るレーザー保全・補修装置は、上記センターポストの旋回装置の先端部にシュラウド胴上縁部に接する垂直方向車輪と水平方向車輪とを取着している。
【０１４９】
このレーザー保全・補修装置によれば、シュラウド胴上縁部を走行する垂直方向車輪と水平方向車輪により旋回装置を円滑に旋回駆動させることができ、照射ヘッドの位置決めが容易になるので、原子炉内の保全、補修作業を容易に行うことができる。
【０１５０】
本願請求項５に係るレーザー保全・補修装置は、原子炉圧力容器内のシュラウド胴上部の上部格子板に遠隔駆動装置を設け、この遠隔駆動装置にレーザー照射装置を設けている。
【０１５１】
本発明によれば、水平旋回、水平伸展および昇降の３自由度を有する遠隔駆動装置により、照射ヘッドをシュラウド胴内壁全域に移動させることが容易であり、検査、補修など一連の保全、補修作業を連続的に効率よく実施することができる。
【０１５２】
また、遠隔駆動装置の寸法を炉心支持板の穴から挿入できる寸法とすることにより、炉心支持板より下部のシュラウド内作業を行うことができる。
【０１５３】
本願請求項６に係るレーザー保全・補修装置は、導光部材の外面にベアリング、Ｏリング、回転駆動用のモータ、モータの回転軸に取り付けたギヤ、及び導光部材の外面に設けたギヤを設けることにより、一方の導光部材と他方の部材とが回転伸縮自在となり、かつ、これらの回転伸縮動作中に導光部材を液密に保つことができる。これにより、液中において施工可能なレーザー保全・補修装置を得ることができる。
【０１５４】
本願請求項７に係るレーザー保全・補修装置は、導光部材中の反射部材には第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けている。
【０１５５】
本発明によれば、上記位置合わせ機構により、反射部材の角度を変えることができので、導光部材のたわみ等により位置ずれが生じたとしても、反射部材の調整により、作業を中断することなく短時間に施工を終了させることができる。
【０１５６】
本願請求項８に係るレーザー保全・補修装置は、その照射ヘッドにおいて、光学窓を導光手段の液密構造の一要素とし、その光学窓の導光手段内側または導光手段外側に集光部材を配置し、集光部材により集光されたレーザー光を反射する反射ミラーを設けている。さらに、反射ミラーは、透明体と、透明体の背面に設けた反射層とを有し、透明体背面と反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射するようにしている。
【０１５７】
本発明によれば、光学窓が集光部材の近くに配置され、光学窓へのレーザー光の照射面積を大きくなってレーザー光のエネルギー密度を小さくすることができる。即ち、その分導光手段によって転送可能なレーザー光のエネルギーを高くすることができる。
【０１５８】
また、本発明による反射ミラーは、透明体背面と反射層の境界における全反射によりレーザー光を反射するようにしているので、反射ミラー表面の反射膜の工学的強度の制限を排し、これによって高エネルギー密度のレーザー光を使用することができる。
【０１５９】
本願請求項９に係るレーザー保全・補修装置は、集光部材が前記光学窓を兼ねるので、光学窓が不要とすることができる。即ち、構造を簡素化するとともに、光学窓の光学強度による制限を完全に排除することができ、高エネルギー密度のレーザー光を転送可能なレーザー保全・補修装置を得ることができる。
【０１６０】
本願請求項１０に係るレーザー保全・補修装置は、照射ヘッドに施工部のレーザー光散乱原因物質を除去する液体噴射ノズルを設けているので、施工部で発生する気泡あるいはゴミを除去することができ、レーザー光を効率よく施工部に照射することができる。
【０１６１】
本願請求項１１に係るレーザー保全・補修装置は、照射ヘッドにレーザー照射部表面に液層を形成する液体噴射ノズルを設けているので、空気中でも液中と同様の加工が可能となる。
【０１６２】
本願請求項１２に係るレーザー保全・補修装置は、照射ヘッドを導光手段の先端部と円筒状に一体的に形成し、導光手段に周方向の回転と軸方向の伸縮動作を付与する機構を設けているので、照射ヘッドを周方向に回転あるいは軸方向に移動させながら加工することができ、特に筒状の施工部の内面を容易に加工することが可能となる。
【０１６３】
本願請求項１３に係るレーザー保全・補修装置は、照射ヘッドの反射ミラーに第１および第２のモータにより相互に直交する軸回りに回転自在の位置合わせ機構を設けているので、レーザー光の反射ミラーヘの入射角が全反射の臨界角よりも大きい角度範囲で駆動し、レーザー光を任意の方向に反射して加工することができる。これにより、照射ヘッドを移動せずに広い範囲の施工部を連続的に加工することが可能なレーザー保全・補修装置を得ることができる。
【０１６４】
本願請求項１４に係るレーザー保全・補修装置は、導光手段は光ファイバからなり、照射ヘッドは水平旋回、水平伸縮、垂直旋回、垂直伸縮動作を付与する支持駆動装置によって支持されているので、直接見通すことのできない複雑な形状の光導波路でも施工部までレーザー光を容易に伝送することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のレーザー保全・補修装置の第１参考例の全体の構成と設置例を示した縦断面図。
【図２】  本発明のレーザー保全・補修装置の第１参考例の構成を示した図。
【図３】  本発明のレーザー保全・補修装置の第１実施形態の全体の構成と設置例を示した縦断面図。
【図４】  本発明のレーザー保全・補修装置の第１実施形態の構成を示した図。
【図５】  本発明のレーザー保全・補修装置の第２実施形態の全体の構成と設置例を示した縦断面図。
【図６】  本発明のレーザー保全・補修装置の第２実施形態のセンターポスト旋回装置の先端部の構成を拡大して示した断面図。
【図７】  本発明のレーザー保全・補修装置の第２実施形態の変形例を示した縦断面図。
【図８】  本発明のレーザー保全・補修装置の第３実施形態の全体の構成と設置例を示した縦断面図。
【図９】  シュラウド胴の下部の溶接部を施工中の本発明の第３実施形態のレーザー保全・補修装置を示した縦断面図。
【図１０】本発明のレーザー保全・補修装置の第２参考例の構成を示した縦断面図。
【図１１】  本発明に係るレーザ保全・補修装置の第４の実施の形態における反射部材の位置合わせ機構を示した図。
【図１２】  本発明のレーザー保全・補修装置の第５実施形態の構成を示した縦断面図。
【図１３】  本発明のレーザー保全・補修装置の第５実施形態の反射ミラーの構成を示した縦断面図。
【図１４】  本発明のレーザー保全・補修装置の第６実施形態の構成を示した縦断面図。
【図１５】  本発明のレーザー保全・補修装置の第７実施形態の構成を示した縦断面図。
【図１６】  本発明のレーザー保全・補修装置の第８実施形態の構成を示した縦断面図。
【図１７】  本発明のレーザー保全・補修装置の第９実施形態の構成を示した縦断面図。
【図１８】  本発明のレーザー保全・補修装置の第１０実施形態の構成を示した縦断面図。
【図１９】  本発明のレーザー保全・補修装置の第３参考例の構成を示した縦断面図。
【図２０】  従来のレーザー加工装置の構成を示した縦断面図。
【符号の説明】
１  原子炉圧力容器
２  シュラウド胴
２ａ  シュラウド上縁部
３  上部格子板
４  炉心支持板
５  オペレーションフロア
６  レーザー電源
７  レーザー発振器
８  導光手段
９ａ  第１の導光部材
９ｂ  第２の導光部材
９ｃ  第３の導光部材
９ｄ  第４の導光部材
９ｅ  第５の導光部材
９ｆ  第６の導光部材
９ｇ  第７の導光部材
９ｈ  第８の導光部材
１０ａ  第１の回転機構
１０ｂ  第２の回転機構
１１ａ  第１の伸縮機構
１１ｂ  第２の伸縮機構
１２  照射ヘッド
１３ａ  第１の反射部材
１３ｂ  第２の反射部材
１３ｃ  第３の反射部材
１４  集光部材
１５  レーザー光
１６  施工面
１７  ケーブル線
１８  レーザー照射装置
１９  水密容器
２０  レーザー透過窓
２１  センターポスト
２２  旋回装置
２３  レール
２４  移動台車
２５  垂直方向車輪
２６  水平方向車輪
２７  水平方向車輪取付部材
２８  遠隔駆動装置
２９  円筒状ケース
３０  伸展アーム
３１  本体
３２  ベアリング
３３  Ｏリング
３４  モータ
３５ａ  第１のギヤ
３５ｂ  第２のギヤ３
３６  フランジ
３７  Ｏリング
３８  内側環状体
３９  第１のモータ
４０  第２のモータ
４１  光学窓
４２  反射ミラー
４３  透明体
４４  反射層
４５  液体噴射ノズル
４６  液体噴射ノズル
４７  液層
４８  位置合わせ機構
４９  光ファイバ
５０  支持駆動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0003746140.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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