JP5372168B2 - 壁の表面の層を除去する方法及び除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば原子力施設等における塗装された壁の表面の層をレーザーで除去する方法、及びその方法を実行するための装置に関する。

老朽化したり耐久年数に至った原子力施設の除染や浄化は、原子力産業にとって重要である。

ゴミや汚染物の発生を避け、浄化による排出物を最小限にしながらこれら施設の汚染された部位を浄化することが求められている。原子力施設の壁の大部分については、単純な塗料の除去が効果的である。

現在用いられている主な技術としては、グラインダーやニブラーの機器や研磨、化学ジェルによる剥離がある。

これら技術の主たる利点は技術的行為の単純さにある。しかしながら、これらには、照射された環境下に人が介入し、屋内で多量のダストが放出され、多量のゴミが発生することによりコストが高くつく問題がある。

原子力施設の除染の他の解決策に、レーザー除去の利用がある。

レーザー除去では、パルスレーザーから出力される焦点の合ったコヒーレントな光と汚染材料との相互作用によって汚染材料の層が除去される。

層の表面での急激な加熱によって、蒸発が発生し、材料の表の層群が除去される。このレーザー除去技術は原子力以外の分野にも適用可能である。

一般的なレーザー除去装置は、パルスレーザー光線を生成するレーザー源や、レーザー源の下流側に位置する剥離ヘッドにその光線を移送させる手段を備え、そこには除去層上の的に焦点を合わせる光学的なシステムが設けられている。

現在この技術分野では、除去効率を改良するために、同じ部位に効率よく作用するレーザーパルスの数を増加させるだけでなく、これらレーザーパルスによる除去方法に用いられるレーザーの照射出力を増加させる傾向にある。これらの出力は、一般に数１００Ｗのオーダーである。これは、大きな容積や実施コストに加え、制約（換言すれば、電気や圧縮空気の供給の必要性など）や面倒な作業の強制を生じる。

それ以外にも、レーザーによって供給される焦点の合った光線の直径の問題がある。その直径は、数ｍｍのオーダーであり、必要な表面出力を得るために、扱われる素材の特性に対して大き過ぎてもいけないし小さ過ぎてもいけない。これらに大きな直径を与えると、高度な照射頻度やそれを達成し得る光線の移動速度、過度な照射負担は避けられない。また、過度な照射には、除去した素材が再度堆積する問題がある。その問題性を軽減するため、除去表面を払い取っている間に、作業者は何度か移動させる必要がある。従って、除去作業の効率化には難がある。

これらの課題を解消するために、特許文献１には、払い取ることによって壁の表層を除去する方法が記載されており、その方法には、光学的デフレクタにより、複数のパルスレーザー光線を直接的に制御するステップが含まれている。

仏国特許明細書（ＦＲ２８８７１６１）

図１ａ及び１ｂは、この公報の方法を示している。その方法では、各々の光線が層上に衝突する領域は、２つ（図１ａの領域６ａ及び６ｂを参照）か、あるいは、６ａ、６ｂの行に沿い、好ましくは６ｃ、６ｄ（図１ｂ参照）の列に沿って重なるように４つ、のいずれかで近接並置されている。４つの衝突領域の配置（図１ｂ参照）は、２つの衝突領域（図１ａ参照）の配置と比べて、明らかに除去速度を２倍にできる。

従って、いくつかの小さなレーザーの多重化により、その方法では、使用されるレーザー数に対し、ある程度は効率が増加している。

それにもかかわらず、そのような配置には問題がある。

まず、図１ａや１ｂのように、衝突領域を近接並置できるようにするには、除去装置に複雑で高コストな光学的仕組みを構築する必要がある。現に、表示したような場合では、衝突領域の配置は高精度を要する。

更に、そのような除去装置は、作業現場で使用されるように設けられており、上述した光学的仕組みは外部からの振動に対して極めて敏感である。

加えて、その装置では、他の衝突時における材料の再堆積を避けるために、レーザーパルスの極めて高精度な同期性（ナノ秒のオーダー）が求められる。

第１の観点によれば、本発明は、壁の表面の層を払い除くことにより、層を除去する方法に関する。この方法は、光学的なデフレクタによって複数のパルスレーザー光線を直接的に制御するステップと、複数のレーザー光線によって生成される複数の衝突領域で、層を除去するステップとを含む。各衝突領域は、中心と、特性寸法とによって規定されている。

本発明では、衝突領域が互いに離れていて、各々の衝突領域の中心間の距離が、衝突領域の最も大きな特性寸法の少なくとも１０倍に設定されていることを特徴としている。

このように衝突領域を互いに離すことにより、除去物質の再堆積が回避できると同時に、光学的仕組みの設計や配置、同期性の困難さを解消できる。具体的には、衝突領域の間の距離により、各々の衝突領域では、除去物質の塵埃が衝突領域のいずれかの側に放出されるが、他のレーザー光線の影響を受けずに済む。

第２の観点では、本発明は、第１の観点の本発明による方法を実行するための除去装置に関する。本発明の除去装置は、パルスレーザー光線を生成する複数のレーザー源と、レーザー源の下流側に配置され、壁の表面の層に光線を偏向する光学的なデフレクタと、生成された光線をデフレクタの光取入口に誘導する誘導装置とを備える。光取入口は、各レーザー光線の大きさに対応している。

本発明の装置は、光学的仕組みでの調整や照射の同期性が不要になるため、従来の装置に比べて簡素化される。更に、本発明の装置は、調整での制約から開放されているので、外部振動に対しそれほど不安定でもない。

本発明によれば、光学的仕組みや同期性における設計の困難さが改良でき、低出力のレーザー光線が使用できる。本発明の装置によれば、振動等の外乱に対する影響を抑制することができる。

公報に記載された方法を表した図である。 公報に記載された方法を表した図である。 本発明に係る装置の側面を概略的に示した図である。 本発明に係る方法の工程における照射されたレーザー光線の異なった衝突領域を表した図である。 本発明に係る方法の工程における照射されたレーザー光線の異なった衝突領域を表した図である。 本発明に係る方法の工程における照射されたレーザー光線の異なった衝突領域を表した図である。 本発明に係る方法の各ステップを示す図である。 除去する表面に衝突している２つのレーザー光線を示す側面図である。 本発明に係る方法において、制御された２つの光線の間での払い除き照射を示す図である。 本発明に係る方法において、制御された４つの光線の間での払い除き照射を示す図である。 本発明に係る装置の光学的デフレクタへ光線を誘導する装置の形態を示す図である。 本発明に係る装置の光学的デフレクタへ光線を誘導する装置の形態を示す図である。 本発明に係る装置の光学的デフレクタへ光線を誘導する装置の形態を示す図である。 本発明に係る装置の光学的デフレクタへ光線を誘導する装置の形態を示す図である。

本発明の特徴や効果は、添付の図を参照して読まれる次の説明によって更に明確なものとなる。ただし、これは単なる例示であって限定するものではない。

図２は、例えば原子力施設のような、除染すべき壁Ｐから塗料の層２を除去するための除去装置を示している。被覆層２は、現場（換言すれば、塗料によって固定されたエアロゾルによる汚染を伴うような現場）の領域１での表面に相当している。

本発明は、当然に原子力の分野以外の分野にも適用される。

除去装置１は、フレーム３を備え、これに次の各部材が組み付けられている。

・複数のレーザー源４（図１の例示では１つだけが表示されている）：出力手段（図示せず）に接続されている。
・光学的なデフレクタ５：レーザー源４の下流側に配置されている。レーザー光線７を受け入れて、それらが払い除き動作を行うように偏向させる。デフレクタ５は、その出力部に偏向ヘッド５ａを有し、偏向ヘッド５ａは、除去する層２の表面にレーザー光線７の焦点を合わせるフォーカスレンズ６を有している。
・制限ユニット８：デフレクタ５及び好ましくは偏向ヘッド５ａと、除去する層２の表面との間の空間に用いられる。除去残留物を吸引、濾過する手段９を有している。

レーザー源４は、ＹＬＰタイプである（イッテルビウムファイバーレーザ）。各レーザー源は、赤外、好ましくは近赤外領域において、パルスレーザー光線７を放射する。レーザー光線は、例えば９ｍｍなど、２〜１５ｍｍの範囲の直径を有している。この直径は、空間を移動するその全長に関わらず一定であると考えられているが、各々の光線の直径は、装置内、特にフォーカスレンズ６を移動している間に小さくなる。

図３の各々に示すように、各衝突領域は、中心Ｃと、特性寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３とによって規定されている。

図３ａ、図３ｂ、図３ｃは、それぞれ、これらに限定されず、可能性がある３つの衝突領域の形状を表している。円形の特性寸法である直径ｄ１や、楕円形の特徴寸法である、楕円の２つの焦点ｆ１とｆ２の間の距離ｄ２、四角形の特性寸法である対角ｄ３である。

各々の特性寸法は、１００μｍのオーダーである。

制限ユニット８は、スロート１０を備える。スロート１０は、その小さい基部がフレーム３における光学的デフレクタ５の周囲に組み付けられるように、実質的に裁頭形状とされている。スロート１０は、除去する層２に用いられる外部カメラ１１を有するのが好ましい。外部カメラ１１は、除去装置を制御、命令するために、層２の状態を可視化する。

スロート１０は、作業者が保護されるように、ガスやエアロゾルの動的な制限を確保するために備えられている。スロート１０は、空気取入口（図示せず）に通じており、吸引手段９に設けられたフィルタ１２でガスやエアロゾルを正常に戻すために、これらガス等の整流を生じさせる。その流速は１８０ｍ³／ｈである。

フィルタ１２は、除去残留物の特徴に合わせて、除去残留物で閉塞しないように特別に設計されている。フィルタ１２の選択は、除去で生じる微粒子の量やサイズ等、その性状に依存する。

除去装置１は、次のような方法で作動する。除去装置１は、塗料の層２に対し、制限ユニット８を位置決めする装置（図示せず）を介して、５００ｍｍの距離Ｄ離れて設置される。

そうして、壁Ｐの層２を除去する方法が実行される。図４に、その方法のステップを示す。

除去方法は、複数のレーザー源によって複数のレーザー光線を生成するステップＥ_ｇｅｎや、生成した光線を光線誘導装置Ｄ_Ｇによってデフレクタ５の光取入口５ｂに誘導するステップＥ_ｇｕｉを含む。

誘導装置Ｄ_Ｇにより、除去装置１のデフレクタ５の光取入口５ｂに少なくとも２つの光線を単純な方法で誘導することができる。

除去方法は、デフレクタ５により、直接的に複数のパルスレーザー光線７を制御するステップＥ_ｃｏｍ、複数のレーザー光線によって生成される衝突領域Ｉ_ＬＣで層２を除去するステップＥ_ａｂを含む。各衝突領域Ｉ_ＬＣは、中心Ｃと、特性寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３とによって規定されている（図３ａ、３ｂ、３ｃ参照）。

詳細には、衝突領域Ｉ_ＬＣは互いに離れている。各々の衝突領域Ｉ_ＬＣにおける中心Ｃ間の距離Ｄ_Ｉは、衝突領域Ｉ_ＬＣの最も大きな特性寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３の少なくとも１０倍に設定されている。

距離Ｄ_Ｉは、衝突領域Ｉ_ＬＣの最も大きな特性寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３の少なくとも５０倍に設定するのが好ましく、衝突領域Ｉ_ＬＣの最も大きな特性寸法ｄ１、ｄ２、ｄ３の５０倍〜１００倍の間で設定するのがより好ましい。

図５に、２つのレーザー光線７と衝突領域Ｉ_ＬＣの側面図を示す。

衝突領域は互いに離れているため、除去素材の塵埃の再堆積を防ぐことができる。衝突領域間の離された距離により、塵埃が他の光線７の影響を受けることがないからである。加えて、光線の同期性は必要ない。具体的には、各々の衝突領域では、除去された素材の塵埃４０は衝突領域のいずれかの側方へ放出されるが、本発明によれば、塵埃が除去方法を損なわない。衝突領域間の距離が有効に作用する。それゆえ、パルスレーザー光線を同期させる必要がない。

従来技術における（極めて高精度なために）衝突領域の配置の複雑で高コストな光学的な仕組みの設計もまた不要である。本発明によれば、衝突領域間の距離が有効に作用するので、相互の関係における衝突領域の正確な配置の制約が存在しない。

しかしながら、除去表面の払い除き処理が行われる領域を制御するためには、層上のその領域Ｉ_ＬＣは、０．２〜４ｃｍ²の間の表面Ｍ_ＬＣに限定される。

図６、図７は、Ｆ_Ｃで示す列方向への変位による、除去層の払い除き処理を表している。変位は、その後、Ｆ_Ｌで示す行方向への変位によって完了する。

図６は、２つのパルスレーザー光線が制御されている場合の払い除き処理を表している。払い除く２つの衝突領域Ｉ_ＬＣ、Ｊ_ＬＣの各々が、除去層の上に形成されている。これらの指標Ｌは行に対応しており、指標Ｃは列に対応している。Ｆ_Ｃ方向に沿った払い除き処理は、Ｆ_Ｌ方向に光線の設定がシフトした後に実行可能になる。

同様に、図７は、４つのパルスレーザー光線が制御されている場合の払い除き処理を表している。各々の払い除き部位には、４つの光線により、行に対応した指標Ｌと列に対応した指標Ｃを伴った４つの衝突領域Ｉ_ＬＣ、Ｊ_ＬＣ、Ｋ_ＬＣ、Ｌ_ＬＣが形成されている。

誘導装置Ｄ_Ｇは、いくつかの手段によって光線を光取入口の入口に誘導することができる。光取入口は各レーザー光線の大きさに対応している。
図８ａ〜図８ｄに、誘導装置におけるこれらの可能な異なった手段を示す。手段は固定された大きさの制約に基づいて選択されることに留意すべきである。

図８ａでは、誘導装置Ｄ_Ｇは、バヨネット形態において組み付けられた２つの反射ミラーＭ１、Ｍ２を備えている。同図に示すように、各レーザー源４から出たレーザー光線は、第１のミラーＭ１で反射され、第１のミラーＭ１で反射された光線は第２のミラーＭ２で反射されて光取入口５ｂを通じてデフレクタ５に入り込む。

図８ｂ、図８ｃでは、複数のレーザー源４は、中央の偏向プリズム２０の周囲に星形状に配置されている。偏向プリズム２０は、レーザー源４の個数と同数の面を有している。

その装置は、各レーザー源４と中央の偏向プリズム２０との間の第１の光学軸ＢＢ’と、中央の偏向プリズム２０とデフレクタ５の光取入口５ｂとの間の第２の光学軸ＡＡ’とを有している。第１の光学軸ＢＢ’と第２の光学軸ＡＡ’とは、互いに直交している。

図８ｄでは、複数のレーザー源４は、中央の偏向プリズム２０の周囲に星形状に配置されている。偏向プリズム２０は、レーザー源４の個数と同数の面を有している。

誘導装置Ｄ_Ｇは、各レーザー源４に付随したペンタプリズム２２を有している。各ペンタプリズム２０は、付随する各レーザー源４から出力される光線を中央の偏向プリズム２０へ反射する。従って、この装置は次の構成を備えている。

・各レーザー源４と各ペンタプリズム２２との間の第１の光学軸ＣＣ’
・各ペンタプリズム２２と中央の偏向プリズム２０との間の第２の光学軸ＢＢ’
・中央の偏向プリズム２０とデフレクタ５の光取入口５ｂとの間の第３の光学軸ＡＡ’

各第１の光学軸ＣＣ’は、各第２の光学軸ＢＢ’と互いに直交し、かつ、第３の光学軸ＡＡ’と互いに平行している。

Claims (8)

1. 壁（Ｐ）の表面の層（２）を払い除くことにより、層（２）を除去する方法であって、
   光学的なデフレクタ（５）によって複数のパルスレーザー光線（７）を直接的に制御するステップ（Ｅ_ｃｏｍ）と、
   複数のレーザー光線（７）によって生成される複数の衝突領域（Ｉ_ＬＣ）で、層（２）を除去するステップ（Ｅ_ａｂ）と、
   を含み、
   各衝突領域（Ｉ_ＬＣ）は、中心（Ｃ）と、特性寸法（ｄ１、ｄ２、ｄ３）とによって規定されており、
   衝突領域（Ｉ_ＬＣ）が互いに離れていて、各々の衝突領域（Ｉ_ＬＣ）の中心（Ｃ）間の距離（Ｄ_Ｉ）が、衝突領域（Ｉ_ＬＣ）の最も大きな特性寸法（ｄ１、ｄ２、ｄ３）の少なくとも１０倍に設定されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   層（２）上の複数の衝突領域（Ｉ_ＬＣ）が、１ｃｍ²の位の表面（Ｍ_ＬＣ）の範囲内に限定されている方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の方法において、
   制御ステップ（Ｅ_ｃ）に先だって、
   複数のレーザー源（４）によって複数のレーザー光線を生成するステップ（Ｅ_ｇｅｎ）と、
   生成した光線を光線誘導装置（Ｄ_Ｇ）によってデフレクタ（５）の光取入口（５ｂ）に誘導するステップ（Ｅ_ｇｕｉ）と、
   を含む方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の方法において、
   各々の衝突領域（Ｉ_ＬＣ）の中心（Ｃ）間の前記距離（Ｄ_Ｉ）が、衝突領域（Ｉ_ＬＣ）の最も大きな特性寸法（ｄ１、ｄ２、ｄ３）の５０倍〜１００倍の間に設定されている方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の方法を実行するための除去装置（１）であって、
   パルスレーザー光線（７）を生成する複数のレーザー源（４）と、
   レーザー源（４）の下流側に配置され、壁（Ｐ）の表面の層（２）に光線（７）を偏向する光学的なデフレクタ（５）と、
   生成された光線（７）をデフレクタ（５）の光取入口（５ｂ）に誘導する誘導装置（Ｄ_Ｇ）と、
   を備え、
   光取入口（５ｂ）は、各レーザー光線（７）の大きさに対応しており、
   衝突領域（Ｉ_ＬＣ）が互いに離れていて、各々の衝突領域（Ｉ_ＬＣ）の中心（Ｃ）間の距離（Ｄ_Ｉ）が、衝突領域（Ｉ_ＬＣ）の最も大きな特性寸法（ｄ１、ｄ２、ｄ３）の少なくとも１０倍に設定されるように構成されている除去装置。
6. 請求項５に記載の除去装置において、
   誘導装置（Ｄ_Ｇ）は、バヨネットの構成で配置された２つの反射ミラー（Ｍ１、Ｍ２）を備え、
   第１のミラー（Ｍ１）によって、レーザー源（４）から出力される全ての光線が、デフレクタ（５）の光取入口（５ｂ）へ光線を反射する第２のミラー（Ｍ２）へ反射されるように、レーザー源（４）が配置されている除去装置。
7. 請求項５に記載の除去装置において、
   複数のレーザー源（４）が、これらレーザー源（４）の個数と同数の面を有する、中央の偏向プリズム（２０）の周囲に星形状に配置されており、
   各レーザー源（４）と、中央の偏向プリズム（２０）との間の第１の光学軸（ＢＢ’）と、
   中央の偏向プリズム（２０）と、デフレクタ（５）の光取入口（５ｂ）との間の第２の光学軸（ＡＡ’）と、
   を有し、
   各第１の光学軸（ＢＢ’）と、第２の光学軸（ＡＡ’）とが互いに直交している除去装置。
8. 請求項５に記載の除去装置において、
   複数のレーザー源（４）が、これらレーザー源（４）の個数と同数の面を有する、中央の偏向プリズム（２０）の周囲に星形状に配置されており、
   誘導装置（Ｄ_Ｇ）は、各レーザー源４に付随したペンタプリズム（２２）を有し、
   各ペンタプリズム（２０）は、付随する各レーザー源（４）から出力される光線を中央の偏向プリズム（２０）へ反射し、
   各レーザー源（４）と各ペンタプリズム（２２）との間の第１の光学軸（ＣＣ’）と、
   各ペンタプリズム（２２）と中央の偏向プリズム（２０）との間の第２の光学軸（ＢＢ’）と、
   中央の偏向プリズム（２０）とデフレクタ（５）の光取入口（５ｂ）との間の第３の光学軸（ＡＡ’）と、
   を有し、
   各第１の光学軸（ＣＣ’）が、各第２の光学軸（ＢＢ’）と互いに直交し、かつ、第３の光学軸（ＡＡ’）と互いに平行している除去装置。

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