特許 7657752 遠隔操作装置および遠隔操作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-28

(45)【発行日】2025-04-07

(54)【発明の名称】遠隔操作装置および遠隔操作方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/46 20060101AFI20250331BHJP

【ＦＩ】

F16K31/46 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022043307

(22)【出願日】2022-03-18

(65)【公開番号】P2023137211

(43)【公開日】2023-09-29

【審査請求日】2024-03-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】豊田 毅仁

(72)【発明者】

【氏名】小島 信夫

(72)【発明者】

【氏名】吉村 大輔

【審査官】松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】中国実用新案第２０１４１２５８７（ＣＮ，Ｙ）

【文献】特許第５９７６５１８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－０３５８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０２４０２７７０（ＣＮ，Ｕ）

【文献】米国特許第０４９１５１２５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ３１／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トルクを伝達し、かつ剛性を有するシャフトと、
前記シャフトを軸回りに回転可能に支持するベアリングと、
原子力発電所に設けられた操作の対象となる機器であって前記原子力発電所の電源喪失時に開放または閉鎖する操作が行われる弁が設けられた建築物における壁面、天井、床面の少なくともいずれかに前記ベアリングを固定する固定具と、
を備え、
複数の前記シャフトが連結され、前記トルクが入力される操作部から前記機器まで前記トルクを伝達するトルク伝達経路が形成されており、
前記トルク伝達経路の一部を形成し、かつ可撓性を有するフレキシブルシャフトと、
前記トルク伝達経路の一部を形成し、前記壁面、前記天井、前記床面の少なくともいずれかを貫通する貫通シャフトと、
をさらに備え、
前記建築物が第１建屋と第２建屋とを含み、前記第１建屋から前記第２建屋に亘って前記トルク伝達経路が形成され、前記第１建屋と前記第２建屋の境界に、前記フレキシブルシャフトが設けられている、
遠隔操作装置。

【請求項2】

前記シャフトの外周を長手方向の全体に亘って覆い、内部に前記ベアリングが設けられている外筒を備える、
請求項１に記載の遠隔操作装置。

【請求項3】

前記シャフトの外周を長手方向において局所的に覆い、内部に前記ベアリングが設けられている外筒を備える、
請求項１に記載の遠隔操作装置。

【請求項4】

前記外筒は、内部を仕切る間仕切部を備える、
請求項２または請求項３に記載の遠隔操作装置。

【請求項5】

前記外筒と前記間仕切部とにより前記ベアリングが直接外気に晒されない構造としつつ、前記ベアリングにグリスが封入されている、
請求項４に記載の遠隔操作装置。

【請求項6】

前記トルク伝達経路の一部を形成し、一方の前記シャフトと他方の前記シャフトとを接続するユニバーサルジョイントを備える、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の遠隔操作装置。

【請求項7】

トルクを伝達し、かつ剛性を有するシャフトと、
前記シャフトを軸回りに回転可能に支持するベアリングと、
原子力発電所に設けられた操作の対象となる機器であって前記原子力発電所の電源喪失時に開放または閉鎖する操作が行われる弁が設けられた建築物における壁面、天井、床面の少なくともいずれかに前記ベアリングを固定する固定具と、
を備え、
複数の前記シャフトが連結されてトルク伝達経路が形成されており、
前記トルク伝達経路の一部を形成し、かつ可撓性を有するフレキシブルシャフトと、
前記トルク伝達経路の一部を形成し、前記壁面、前記天井、前記床面の少なくともいずれかを貫通する貫通シャフトと、
をさらに備え、
前記建築物が第１建屋と第２建屋とを含み、前記第１建屋から前記第２建屋に亘って前記トルク伝達経路が形成され、前記第１建屋と前記第２建屋の境界に、前記フレキシブルシャフトが設けられている、
遠隔操作装置を用いて行う方法であって、
前記トルク伝達経路を介して、前記トルクが入力される操作部から前記機器まで前記トルクを伝達する、
遠隔操作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、遠隔操作技術に関する。

【背景技術】

【0002】

原子力発電所で重大事故が発生した場合、原子炉圧力容器の内部で溶け落ちた核燃料によりガスが発生する。この発生したガスにより、原子炉格納容器の圧力が設計で考慮した圧力の限界を超え、破損する可能性がある。そこで、原子力規制庁は、電力事業者に対し、原子炉圧力容器の圧力を開放する手段を講じるよう求めている。そのため、原子力発電所には、ベント弁が設置されている。このベント弁は、交流電源が喪失した際にも動作が可能なように、直流電源で操作が可能な電動弁である。さらに、原子力規制庁は、全電源喪失時を考慮し、人力により発生させた力を伝達し、ベント弁を開放する操作が可能な「機械式」の手段を講じるよう電力事業者に求めている。

【0003】

また、電力事業者は、ベント後にベント弁を閉鎖する操作を行い、原子炉圧力容器のバウンダリが構築できることを自主的な要求として設備業者に求めている。この要求を具現化した手段として、例えば、原子炉建屋外に設置されたハンドルを回して発生させるトルクを、フレキシブルシャフトを介し電動弁まで伝達する技術が知られている。しかし、複数のフレキシブルシャフトを連結すると、トルクの伝達効率が低下する。そのため、途中に減速機を設ける必要がある。また、ベント弁を開閉するときに、ハンドルを数千回に亘って回転させる必要がある。そこで、人力によるトルクの発生手段として、「自転車」のような装置を用いる技術が知られている。しかし、複数のフレキシブルシャフトを連結させたトルク伝達機構では、ハンドルを数千回に亘って回転させるため、要求される時間内にベント弁を開閉することが困難になる。そこで、トルクの伝達効率を向上させることが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５９７６５１８号公報

【文献】特許第６６５０５９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、トルクの伝達効率を向上させることができる遠隔操作技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施形態に係る遠隔操作装置は、トルクを伝達し、かつ剛性を有するシャフトと、前記シャフトを軸回りに回転可能に支持するベアリングと、原子力発電所に設けられた操作の対象となる機器であって前記原子力発電所の電源喪失時に開放または閉鎖する操作が行われる弁が設けられた建築物における壁面、天井、床面の少なくともいずれかに前記ベアリングを固定する固定具と、を備え、複数の前記シャフトが連結され、前記トルクが入力される操作部から前記機器まで前記トルクを伝達するトルク伝達経路が形成されており、前記トルク伝達経路の一部を形成し、かつ可撓性を有するフレキシブルシャフトと、前記トルク伝達経路の一部を形成し、前記壁面、前記天井、前記床面の少なくともいずれかを貫通する貫通シャフトと、をさらに備え、前記建築物が第１建屋と第２建屋とを含み、前記第１建屋から前記第２建屋に亘って前記トルク伝達経路が形成され、前記第１建屋と前記第２建屋の境界に、前記フレキシブルシャフトが設けられている。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態により、トルクの伝達効率を向上させることができる遠隔操作技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態の遠隔操作装置の全体像を示す構成図。

【図2】壁面に設けられた複数のシャフトユニットを示す斜視図。

【図3】シャフトユニットを示す断面図。

【図4】図３のIV－IV断面図。

【図5】貫通シャフトとクランクハンドルを示す断面図。

【図6】変形例のシャフトユニットを示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、遠隔操作装置および遠隔操作方法の実施形態について詳細に説明する。

【0010】

図１の符号１は、本実施形態の遠隔操作装置である。この遠隔操作装置１は、所定の建築物に設けられた機器の操作を遠隔で行うものである。例えば、建築物として原子力発電所の建屋を例示する。この建屋には、操作の対象となる機器としてのベント弁２が設けられている。

【0011】

原子力発電所では、全電源喪失により原子炉の冷却ができなくなった場合に、原子炉格納容器内の圧力が高くなって破損してしまう虞がある。この破損を避けるため、原子炉格納容器内の雰囲気を外部に排気する所謂ベントが行われる。ベント弁２は、原子炉格納容器と排気筒との間に設けられている。作業者は、ベントの開始時にベント弁２を開放し、終了時にベント弁２を閉鎖する操作を行う。

【0012】

つまり、ベント弁２は、原子力発電所の全電源喪失時に開放または閉鎖する操作が行われるものである。遠隔操作装置１は、作業者がベント弁２の操作を遠隔で行えるようにする。また、この遠隔操作装置１が予め設置されることで、全電源喪失時に、作業者がベント弁２を手動で開放または閉鎖することができる。また、遠隔操作装置１は、作動させるための電力を一切必要とせず、人力のみで作動させることができる「機械式」の装置である。

【0013】

なお、遠隔操作装置１は、建築物の新築時に設置されても良いし、建築されてから年数が経過した既存の建築物に後付けで設置されても良い。また、遠隔操作装置１は、一時的に設置（仮設）されるものでも良い。

【0014】

遠隔操作装置１は、シャフトユニット３とユニバーサルジョイント４とフレキシブルシャフト５と貫通シャフト６とクランクハンドル７とを備える。これらの部品が線状に連結され、手動操作室からベント弁２まで延びている。

【0015】

クランクハンドル７は、作業者の手動操作によりトルクが入力される操作部となっている。このクランクハンドル７は、ベント弁２から離れた手動操作室に設けられている。この手動操作室は、原子炉の放射線から遮断されており、作業者が安全に作業を行える場所である。

【0016】

本実施形態では、複数のシャフトユニット３とユニバーサルジョイント４とフレキシブルシャフト５と貫通シャフト６が連結され、クランクハンドル７からベント弁２までトルクを伝達するトルク伝達経路が形成されている。

【0017】

なお、ベント弁２には、減速機などの駆動部８が設けられている。この駆動部８に遠隔操作装置１が接続され、ベント弁２を作動させるトルクが伝達される。

【0018】

図２に示すように、シャフトユニット３は、建築物の構造材９である壁面、天井、床面に沿って設けられる。例えば、シャフトユニット３は、壁面の表面から少し離した位置に設けられる。なお、ユニバーサルジョイント４は、複数のシャフトユニット３を互いに接続する。

【0019】

例えば、シャフトユニット３は、固定具１０により建築物の壁面などの構造材９に固定される。なお、壁面が平面視で直角に屈曲されている場合には、その角部にユニバーサルジョイント４が配置される。このユニバーサルジョイント４が、一方と壁面と他方の壁面のそれぞれに設けられたシャフトユニット３を互いに連結する。このユニバーサルジョイント４は、壁面と床面の間の角部に設けられても良いし、壁面と天井の間の角部に設けられても良い。

【0020】

図１に示すように、フレキシブルシャフト５は、トルク伝達経路の一部を形成し、かつ可撓性を有するものである。このようにすれば、建築物または装置類で生じる相対変位が、フレキシブルシャフト５で吸収される。

【0021】

例えば、第１建屋から第２建屋に亘ってトルク伝達経路が形成されるものとする。ここで、第１建屋と第２建屋の境界Ｂに、フレキシブルシャフト５が設けられる。それぞれの建屋は、その構造、大きさ、基礎（土台）の強度などの違いにより、地震発生時の揺れ方が互いに違うものとなっている。境界Ｂにフレキシブルシャフト５が設けられることで、地震時に生じる揺れの違い、所謂相対変位を吸収することができ、遠隔操作装置１が破損されずに済む。

【0022】

また、シャフトユニット３とベント弁２の間に、フレキシブルシャフト５が設けられる。ここで、シャフトユニット３は、壁面などの建築物の構造材９に固定されている。一方、ベント弁２は、配管（図示略）などの装置類に固定されている。そのため、シャフトユニット３とベント弁２は、地震発生時の揺れ方が互いに違うものとなっている。シャフトユニット３とベント弁２との間にフレキシブルシャフト５が設けられることで、シャフトユニット３とベント弁２で生じる相対変位を吸収することができ、遠隔操作装置１が破損されずに済む。

【0023】

このように、地震による相対変位の影響が有る箇所、またはトルク伝達経路を曲げる必要が有る箇所には、フレキシブルシャフト５を配置する。一方、地震による相対変位の影響が無視できる箇所、またはトルク伝達経路が直線状となる箇所には、シャフトユニット３を配置する。

【0024】

例えば、巨大地震が発生することで、その後に原子力発電所で重大事故が発生することが考えられる。本実施形態では、シャフトユニット３とフレキシブルシャフト５とを適宜組み合わせて遠隔操作装置１を構成することで、耐震性を向上させることができる。また、シャフトユニット３とフレキシブルシャフト５との配置を適宜設計することで、地震慣性力による発生応力を、遠隔操作装置１の許容値以下に抑えることができる。

【0025】

図３および図４に示すように、シャフトユニット３は、シャフト１１とベアリング１２と外筒１３を備える。

【0026】

シャフト１１は、トルクを伝達し、かつ剛性を有する棒状の部材である。ベアリング１２は、シャフト１１を軸回りに回転可能に支持するものである。例えば、シャフト１１の周方向に複数のボールが配置され、さらに、シャフト１１の長手方向にボールが並べられることで、ベアリング１２が構成されている。なお、ベアリング１２は、ボールを用いる形態のみならず、ローラを用いる形態でも良い。

【0027】

外筒１３は、シャフト１１の外周を長手方向の全体に亘って覆う中空の円柱状の部材である。この外筒１３の内部にベアリング１２が設けられている。このようにすれば、シャフト１１とベアリング１２を外筒１３で保護することができる。また、シャフト１１とベアリング１２とが一体化されるため、シャフト１１を壁面などに設置する作業を簡便に行える。

【0028】

この外筒１３は、径方向に２つに分けることができる所謂半割れの部材としても良い。外筒１３が半割れとされることで、その内部にシャフト１１またはベアリング１２などの部材を配置する作業が容易になる。そして、半割れの部材同士が溶接によって互いに接合される。

【0029】

なお、外筒１３の両端部からシャフト１１が突出されている。このシャフト１１の端部が、他のシャフト１１、ユニバーサルジョイント４、フレキシブルシャフト５、または、貫通シャフト６などに接続される。また、このような部材同士の接続には、着脱が容易な所定のアタッチメント２２（図５）が用いられる。

【0030】

また、外筒１３は、その内部を長手方向に仕切る複数の間仕切部１４を備える。例えば、外筒１３の内周面に、板状および円環状の間仕切部１４が、内方に突出して設けられている。なお、間仕切部１４の中央には、シャフト１１が挿通される孔が形成されている。このようにすれば、外筒１３の内部に、外部からの蒸気などを含む雰囲気が進入し難くなり、シャフト１１とベアリング１２の劣化が抑えられる。また、外部の熱が、シャフト１１とベアリング１２に伝わり難くなり、シャフト１１とベアリング１２の熱による変形が抑えられる。

【0031】

例えば、原子力発電所で重大事故が発生すると、建屋内が蒸気および放射線で満たされる。この蒸気にシャフト１１とベアリング１２が直接晒されないように、間仕切部１４が外筒１３の内部に設けられている。このようにすれば、シャフト１１とベアリング１２の作動不良を抑制することができる。

【0032】

また、シャフト１１には、円盤状の位置決板１５が固定されている。位置決板１５が間仕切部１４に接触されることで、シャフト１１が軸方向（長手方向）にズレないように位置決めが成される。

【0033】

固定具１０は、壁面、天井、床面の少なくともいずれかに外筒１３を固定するものである。さらに、この外筒１３にベアリング１２が固定されている。つまり、ベアリング１２は、固定具１０により壁面などに対して、相対的に回転不能になっている。このベアリング１２に支持された状態で、シャフト１１が軸回りに回転する。

【0034】

例えば、図４に示すように、固定具１０は、Ｌ字に屈曲された板状（またはブロック状）を成す本体１６を有する。この本体１６がアンカーボルト１７などを用いて、壁面などの構造材９に固定される。シャフトユニット３は、本体１６に載置され、取付金具１８などで本体１６に固定される。なお、シャフトユニット３の外筒１３が、固定具１０の本体１６に対して、溶接されても良いし、ネジ（図示略）などを用いて固定されても良い。

【0035】

図２に示すように、ユニバーサルジョイント４は、トルク伝達経路の一部を形成し、一方のシャフトユニット３のシャフト１１と、他方のシャフトユニット３のシャフト１１とを接続するものである。角度が自由に変化可能であるユニバーサルジョイント４を、角度または方向が異なる２つのシャフト１１同士の間に設けることで、トルク伝達経路を自在に屈曲させつつ設けることができ、かつ大きいトルクを伝達することができる。

【0036】

図１に示すように、貫通シャフト６は、トルク伝達経路の一部を形成し、壁面、天井、床面の少なくともいずれかを貫通するものである。このようにすれば、壁面などを構成する建築物の構造材９などを貫通してトルク伝達経路を形成することができる。

【0037】

例えば、建築物の構造材９が、貫通シャフト６の直径と同じ大きさに刳り貫かれ、貫通シャフト６が挿入される。そして、貫通シャフト６の外周面は、構造材９にモルタルなどで固定される。

【0038】

図５に示すように、貫通シャフト６は、シャフト１９とベアリング２０と外筒２１とを備える。

【0039】

シャフト１９は、トルクを伝達し、かつ剛性を有する棒状の部材である。また、外筒２１の一方と他方の端部にベアリング２０が設けられている。これらベアリング２０に、シャフト１９が軸回りに回転可能に支持されている。

【0040】

例えば、手動操作室に面する壁面の構造材９に、貫通シャフト６が貫通して設けられる。この貫通シャフト６の一方の端部に、シャフトユニット３が所定のアタッチメント２２を用いて接続されている。さらに、貫通シャフト６の他方の端部に、クランクハンドル７が他のアタッチメント２２を用いて接続されている。作業者は、クランクハンドル７を手動で回してトルクを入力すると、このトルクがトルク伝達経路を介してベント弁２（図１）まで伝達される。

【0041】

本実施形態のシャフトユニット３は、シャフト１１と外筒１３とで構成された所謂二重管構造となっている。外筒１３のベアリング１２を配置することで、シャフト１１の回転が容易になり、かつ内筒に相当するシャフト１１の剛性が高いため、トルクが効率的に伝達される。また、二重管構造とすることで耐震性および耐久性が向上する。

【0042】

また、シャフトユニット３に外筒１３が設けられることで、近傍に居る人が回転するシャフト１１に接触してしまう虞が無くなり、安全性を高めることができる。さらに、塵などの浮遊物がベアリング１２に詰まってしまうことが無く、ベアリング１２の作動不良を防ぐことができる。

【0043】

また、原子力発電所で重大事故が発生すると、シャフトユニット３が、放射線、熱、蒸気などに晒されることになる。例えば、ベアリング１２のグリスが乾き動作不良の原因となる虞があるが、本実施形態では、シャフトユニット３を二重管構造にすることで、シャフト１１とベアリング１２が、直接、放射線、熱、蒸気などに晒されることが無く、ロバスト性が高められる。

【0044】

次に、変形例のシャフトユニット３Ａについて図６を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。この変形例において適用される構成が、前述の実施形態に適用されても良いし、適宜組み合わされても良い。

【0045】

この変形例では、外筒１３Ａがシャフト１１の長手方向においてその一部を局所的に覆うように設けられている。例えば、シャフト１１において固定具１０に対応する部分に、外筒１３Ａが設けられている。なお、１つのシャフト１１が複数の固定具１０で支持される場合には、それぞれの固定具１０に対応する複数の外筒１３Ａが設けられる。なお、外筒１３Ａは、固定具１０と一体化されていても良い。

【0046】

外筒１３Ａの端部には、間仕切部１４が設けられている。外筒１３Ａの内部には、複数のボールベアリング２３が設けられている。これらのボールベアリング２３は、シャフト１１を径方向に支持し、かつシャフト１１を軸回りに回転可能に支持するものである。なお、シャフト１１の支持には、ローラベアリングが用いられても良い。

【0047】

さらに、外筒１３Ａの内部には、シャフト１１の位置決板１５を挟むように、２つのスラストボールベアリング２４が設けられている。これらのスラストボールベアリング２４は、位置決板１５の両面に接触し、かつ位置決板１５を回転可能に支持している。スラストボールベアリング２４は、シャフト１１が軸方向（長手方向）にズレないようにしつつ、シャフト１１の回転による摩擦抵抗を低減させる。

【0048】

なお、前述の実施形態は、操作の対象となる機器としてベント弁２を例示しているが、その他の態様でも良い。例えば、操作の対象となる機器は、原子力発電所の全電源喪失時に非常用復水器を作動させるための弁などでも良い。

【0049】

なお、前述の実施形態は、操作部としてのクランクハンドル７が手動操作室に設けられているが、その他の態様でも良い。例えば、建屋の外壁にクランクハンドル７を設けるようにし、作業者が屋外でトルクを入力する作業を行っても良い。

【0050】

なお、前述の実施形態は、操作部としてのクランクハンドル７が例示されているが、その他の態様でも良い。例えば、所定のインパクトドライバが操作部に接続され、このインパクトドライバにより操作部にトルクが入力されても良い。また、トルク伝達用の所定の機構が搭載された自転車が操作部に接続され、この自転車により操作部にトルクが入力されても良い。

【0051】

以上説明した実施形態によれば、トルクを伝達し、かつ剛性を有するシャフト１１を備えることにより、トルクの伝達効率を向上させることができる。

【0052】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0053】

１…遠隔操作装置、２…ベント弁、３（３Ａ）…シャフトユニット、４…ユニバーサルジョイント、５…フレキシブルシャフト、６…貫通シャフト、７…クランクハンドル、８…駆動部、９…構造材、１０…固定具、１１…シャフト、１２…ベアリング、１３（１３Ａ）…外筒、１４…間仕切部、１５…位置決板、１６…本体、１７…アンカーボルト、１８…取付金具、１９…シャフト、２０…ベアリング、２１…外筒、２２…アタッチメント、２３…ボールベアリング、２４…スラストボールベアリング、Ｂ…境界。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】