JP2004340920A - 機械特性試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より安全な高圧容器構造を備えるとともに、試験片や試験片を取り付ける支持部材などの治具等の交換をより簡便になし得る機械特性試験装置を提供する。
【解決手段】 高圧容器を、少なくとも一端に開口部を有する筒状の本体部４と、この開口部を開閉自在に閉塞する蓋部６とにより構成し、高圧容器内に高圧ガスを導入した際に蓋部６にかかる軸力を高圧容器に外方から係脱自在とされたプレスフレーム７によって担持し、蓋部６に固定された試験片８に対して蓋部６を貫通するロッド９を通じて荷重を付加するアクチュエータ部１０によって試験片８の変形量を測定可能とし、さらにプレスフレーム７を離脱させて蓋部６を開放することによって試験片８を装着・取出自在とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧ガス雰囲気下において、金属、セラミックス、樹脂などの材料の引張強度、圧縮強度、曲げ強度、引張り疲労強度などの機械的特性を測定するための機械特性試験装置に関するものである。とくに、安全性に優れ、かつ試験片や治具等の交換を容易に行なえる機械特性試験装置に関するものである。

金属、セラミックス、樹脂等の材料の強度特性は、高圧ガス雰囲気（環境）下では、変化することが知られている。数１００ＭＰａの高圧下では金属の延性が増大することが知られており、また、特定のガス雰囲気下、たとえば高圧水素ガス雰囲気下では、鋼系の材料は水素を吸収して脆化することが知られている。

とくに、近年、水素を燃料とする燃料電池の研究開発が活発化し、自動車への適用では試作車から実用車へと発展しつつあり、実用化という点では、燃料として３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａに圧縮した水素をボンベに充填して用いる圧縮水素タイプが先行している。自動車に搭載される高圧水素ボンベから供給される水素は３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａといった高圧状態から弁により減圧して使用されるが、この弁に係る材料は鋼系の材料が用いられるため、高圧水素による機械的特性の変化は安全確保の観点から非常に重要であり、強度特性についての実験データの蓄積が急務とされている。

一方、数１０〜数１００ＭＰａといった高圧水素ガス雰囲気下については、引張強度等の特性を測定する試験装置自体もこのような雰囲気に暴露されるため、構成材料はもちろん構造的な面でも十分な装置が無いのが実情である。

引張強度等の材料の機械的な特性を測定するためには、特定の寸法・形状の試験片に荷重を加えると同時に変形量を測定する必要がある。この測定を高圧ガス雰囲気下で行う場合には、高圧雰囲気を形成する高圧容器の内部に試験片を配置して、高圧容器の外部から試験片に加える荷重を別途加えることとなる。

この場合の技術的な課題は、（１）試験片に荷重を加えるための部材（プルロッド）を高圧容器の中に、摩擦力等を小さく抑えつつ、ガス漏れを生じずに導入する構造とすること、（２）プルロッドに作用する高圧ガスの圧力及びシールリングの摩擦力による荷重値の誤差の影響を低減すること、などがある。

特公昭５４−１０８７５号公報（特許文献１）には、上記の課題を解決して材料試験用雰囲気容器が提案されている。この提案のものでは、とくに後者の（２）の課題を改善し、図１５に示すようにプルロッドと駆動部（アクチュエータ）の間にピストン７１とシリンダ７２を組合わせた構造部７３を設け、この構造部７３と高圧容器内部７４と連通させて高圧容器内部７４のガスと同じ圧力をシリンダ７２に導入してガス圧による荷重をバランスさせてアクチュエータには高圧容器内部に導入されたガス圧が作用しないように構成されている。

また更なる課題として、圧力が５０ＭＰａを超えるような高圧になると、高圧容器の構造も問題となる。すなわち、１０ＭＰａ程度までの圧力域では、高圧容器としては、金属円筒の両端部にフランジを形成して、これに円板状の鏡板を、ガスシールリングを挟むとともに複数本のボルトで締め付けてガス圧力を封じ込める構造が採用されているが、５０ＭＰａを超えるような圧力域で同じような構造とすると、円筒部の肉厚が厚くなるとともに、鏡板を締付けるボルトの本数が非常に多くなる。例えば、図１６に示した上記特許文献１の発明者等による公知の学術学会誌文献（Rev. Sci. Instrum., 第４９巻，第１号，１９７８年１月）のFig.１に記載の装置はこの例である。円筒部にフランジは形成されていないが、厚肉の円筒部の開口部に嵌合する蓋は埋め込みボルト７５で固定されるように形成されている。このため、試験片を取り付けるために高圧容器を開閉する都度、このボルト７５の全てを緩めて取り外す必要があって、作業が煩雑となる一方で、ボルト７５を締める場合には締め付け力を一様にするための配慮等が必要となる。また、ボルト７５のようなネジ構造では、基本的に、ネジ部に大きな応力集中が発生するため破断の懸念があり、安全性の観点から問題点が多い。

特公昭５４−１０８７５号公報（第２−３頁、第３図） Rev. Sci. Instrum.,第４９巻，第１号，１９７８年１月（Fig.１）

本発明は、上述した従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、その第１の目的は、より安全な高圧容器構造を備えるとともに、試験片や試験片を取り付ける支持部材などの治具等の交換をより簡便になし得る機械特性試験装置を提供するものである。また、このような高圧下での機械特性試験が可能になったとしても、高圧が摺動部に影響して試験片の変形量や試験片に作用している荷重を正確に測定し得ないことが懸念される。そこで、第２の目的は、このような懸念を解消した機械特性試験装置を提供するものである。

上記第１の目的を達成するために、本発明（請求項１）に係る機械特性試験装置は、高圧ガスを導入した高圧容器内に試験片を配置して、該試験片に荷重を付加して該試験片の変形量を測定する機械特性試験装置において、前記高圧容器を、少なくとも一端に開口部を有する筒状の本体部と、該開口部を開閉自在に閉塞する蓋部とにより構成し、前記高圧容器内に高圧ガスを導入した際に前記蓋部にかかる軸力を前記高圧容器に外方から係脱自在とされたプレスフレームによって担持し、前記蓋部に固定された試験片に対して該蓋部を貫通するロッド（プルロッド）を通じて荷重を付加するアクチュエータ部によって前記試験片の変形量を測定可能とし、さらに前記プレスフレームを離脱させて前記蓋部を開放することによって試験片を装着・取出自在としたものである。

そして、本発明（請求項２）に係る機械特性試験装置は、上記請求項１に記載の機械特性試験装置において、高圧ガスによって前記ロッドにかかる圧力を軽減ないしゼロにする流体圧バランス機構が前記ロッドに設けられたものである。

また、本発明（請求項３）に係る機械特性試験装置は、上記請求項１に記載の機械特性試験装置において、前記ロッドと一体的に移動可能とされるとともに前記ロッドの断面積と略同面積を有するバランスロッドが、前記蓋部と対向する前記本体部の部位に摺動自在に貫設されたものである。

更に、上記第２の目的を達成するために、本発明（請求項４）に係る機械特性試験装置は、上記請求項１〜３のいずれかに記載の機械特性試験装置において、高圧容器内に位置するロッドあるいは高圧容器内で試験片を蓋部に固定する試験片固定部材に、ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージが貼付されたものである。

また、本発明（請求項５）に係る機械特性試験装置は、上記請求項１〜３のいずれかに記載の機械特性試験装置において、高圧容器内に位置するロッドあるいは高圧容器内で試験片を蓋部に固定する試験片固定部材と試験片との間に、ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージが貼付されたロードセルが配置されたものである。

また、本発明（請求項６）に係る機械特性試験装置は、上記請求項４又は５に記載の機械特性試験装置において、ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージのうち相対する２枚の歪ゲージの１組が荷重の作用する方向と平行に、他の１組が荷重の作用する方向と直角の方向に貼付されたものである。

また、本発明（請求項７）に係る機械特性試験装置は、上記請求項６に記載の機械特性試験装置において、ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージが貼付される部位が、円柱状もしくは円筒状に形成されたものである。

本発明に係る機械特性試験装置によれば、高圧ガス雰囲気下での、金属、樹脂、セラミックス等の材料の機械的特性の測定を安全、容易かつ精度を高く維持したまま実施できるようになり、とくに、近年、燃料電池自動車の関係ほかで重要となりつつある高圧の水素ガス雰囲気下でのこれらの材料の機械的特性の変化を把握するための試験の進展に寄与するところは非常に大きい。また更に、試験片の変形量や試験片に作用している荷重を高圧下で正確に測定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る機械特性試験装置の断面図、図２は、図１の高圧容器開放時の断面図である。

本例における機械特性試験装置１は、高圧容器部２と試験機フレーム３を備えて構成される。高圧容器部２は、倒立カップ状の高圧容器円筒４と、この高圧容器円筒４にシールリング５を介して軸方向に摺動自在に嵌合された高圧容器下蓋６と、これら二つの部材４、６内部の圧力により発生する軸方向の荷重を支持するためのプレスフレーム７とで構成される。高圧容器下蓋６は試験機フレーム３に結合・固定されており、その中央部を試験片８に試験荷重を加えるためのプルロッド９が貫通した構造となっている。試験機フレーム３には、プルロッド９に加える荷重を発生させるアクチュエータ１０が固定されており、試験機フレーム３で反力が支持される。本例では、荷重を発生させるアクチュエータ１０は、ピストン１１とシリンダ１２とで構成され、油圧源１３から供給される油圧により駆動される。なお、試験時のガス圧は、圧縮機等のガス圧源からガス導入孔Ａから供給される。

プレスフレーム７は、高圧容器円筒４の中心軸を挟むように対象な２つの溝形状のフレームで構成されており、試験片８の着脱時や高圧容器内部の試験片８を固定するための治具１４（支持部材１５，１６など）を交換する際には、図２に示すように、水平方向に平行に後退移動させる、あるいは図示省略するが左右に観音開きする構造としてもよい。その際、高圧容器円筒４は、昇降用アクチュエータ（図示せず）により上方に引き上げる操作が可能なようになっている。

これにより、高圧容器円筒４と高圧容器下蓋６は、シールリング５を介して嵌合しているだけなので、高圧容器円筒４は、シールリング４部分のわずかな摩擦力はあるものの、上記非特許文献１に示す従来技術のようにボルトを一本ずつ緩めたりする必要はなく、プレスフレーム７を平行移動させた後は、高圧容器円筒４は容易に上方へ持ち上げることができ、試験片８および試験片８を固定している支持部材１５、１６が露出するので、非常に簡単に試験片８を取り外したり、装着することができる。なお、本例では、支持部材１５は四角形の短尺角パイプで構成され、プルロッド９に結合、固定されている。支持部材１６は、フランジ付のコの字形の短尺材で構成され、フランジ側を高圧容器下蓋６に結合、固定されている。そして、支持部材１５と支持部材１６とは、上方向から見ると直角に交差するように配置、固定されている。

そして更に、本例では、高圧容器下蓋６の内部にガス圧力バランス機構１７が設けられている。ガス圧バランスのためのガス圧力は、バランス用ガス導入孔Ｂから供給され、このガス導入孔Ｂは配管により、ガス導入孔Ａと同じ圧力となるように供給されている。このガス圧力バランス機構１７は、上記特許文献１および非特許文献１の従来技術に示されたものとほぼ同じ構造のものであって、高圧容器下蓋６の内部にシリンダ室１８を設ける一方、プルロッド９の途中にピストン１９を設け、ピストン１９とシリンダ室１８との間、およびピストン１９の両側のプルロッド２０、２１と高圧容器下蓋２との間のそれぞれに、シールリング２２、２３、２４と三箇所のシールを設けて構成されているが、本発明による高圧容器構造であれば、プルロッド９に高圧ガス圧力が作用するような構造であっても、応力集中が発生しやすいネジ構造を含まないので、安全性に優れており、かつ試験片８の交換作業が容易であるという利点を有する。また、使用するガスが水素の場合には、高圧水素に接触している部材の強度劣化や脆化の心配があるが、本発明による高圧容器構造では、脆化に敏感なネジ等の応力集中部がなく、軸方向荷重は、水素と非接触のプレスフレーム７により支持されるので、極めて安全であるという利点を有していることは言うまでも無い。

図３は、本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。この例における機械特性試験装置２５は、倒立カップ状の高圧容器円筒４の内周面に沿って、同じく倒立カップ状の断熱構造体２６を配置するとともに、その断熱構造体２６の内側に加熱用のヒータ２７を設けた構成とする他は、上記図１、２に示す機械特性試験装置１と実質的に同じ構成の試験装置である。なお、加熱用のヒータ２７に通電するためのリード線は、図示省略するが高圧容器円筒４の倒立底部を貫通するプラグを通じて導入する構造が採用できる。

従来、高温下での試験を行なうためには、高圧容器の外側から高圧容器全体を加熱する、いわゆる外熱式の加熱方法が採用されてきたが（非特許文献１参照）、外熱式では、高圧容器材料の強度の温度的な限界があること、また、高圧容器全体を加熱するために大きな加熱電力を必要とし、かつ所定の温度まで昇温したり、試験後の冷却に長時間を要するなどの問題点があった。本発明の機械特性試験装置２５によれば、高圧容器円筒４の内部の試験片８や治具類１４のみの加熱で済むために、５００℃以上の高温でも、均熱性および効率良く加熱を行なうことが可能である。

高圧容器円筒４の内部の支持部材１５を上方から覆うような形で、ヒータ２７と断熱構造体２６が配置されており、両者２６、２７とも一体的に高圧容器円筒４に固定されている。このような構造とすることにより、試験片８や治具１４の着脱や交換時に高圧容器円筒４を上方に持ち上げると、ヒータ２７と断熱構造体２６も同時に上方に引上げられるため、試験片８や治具１４が容易に露出できる。このような倒立コップ状の断熱構造体２６は、均熱性の確保および放熱の抑制などの点で高圧ガス雰囲気下での加熱に非常に優れており、試験温度の管理の点で非常に良好である。なお、本例の場合、当然のことであるが、試験片８の装着・取外し時に高圧容器円筒４を上方に抜く際には、断熱構造体２６とヒータ２７も一緒に上昇するので、ヒータ２７の結線を外すといった作業も必要がない。

なお、上述の機械特性試験装置１および２５において、圧力が、５０〜２００ＭＰａといった圧力域になる場合には、高圧容器円筒４は倒立カップ状とせず単純な円筒とシールリング部材で閉塞される高圧容器上蓋との組合わせ構造とすることが推奨される。このような構造とすることによって、高圧容器円筒４が底付き円筒の場合に発生する円筒部と底部の結合部に発生する応力集中を回避することが可能となり、高圧力になるほど問題となる安全性の観点から有利となる。以下にその例を説明する。

図４は、本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の一部断面で示す正面図、図５は、図４の一部断面で示す側面図、図６は、図４の試験片交換時の状態を示す説明図である。この図４〜６に示す機械特性試験装置の例は、試験装置に電動油圧サーボ方式の駆動機構を有する疲労試験装置に本発明を適用した場合のものである。

本例における試験機フレームは、プルロッド２８に加える荷重を発生させるアクチュエータ２９を内蔵する試験機ベース３０、２本の支柱３１およびクロスヘッド３２から構成され、試験機ベース３０もしくは支柱３１に固定されたステー３３に高圧容器下蓋３４が固定されている。高圧容器下蓋３４を貫通するようにプルロッド２８が配置されて、その下端は荷重を計測するためのロードセル３５を介して、アクチュエータ２９に結合されている。高圧容器下蓋３４の内部には、上記例で示したのと同様のガス圧力バランス機構１７が内蔵されて、プルロッド２８の上端は高圧容器円筒３６の内部の試験片固定用の治具１４に結合されている。

高圧ガスが充填される高圧容器部は、高圧容器円筒３６、高圧容器下蓋３４、高圧容器上蓋３７、およびリニアウェイ３８上を左右に移動して開閉する２枚の窓枠形プレスフレーム３９とで構成される。高圧容器円筒３６と高圧容器上蓋３７は図示省略するボルト等で結合されて、通常は一体的に移動等ができるように構成されている。

高圧ガス雰囲気下で試験を行っている状態では、図４に示すように、窓枠形プレスフレーム３９は上下の蓋３４、３７に作用するガス圧力を支持する位置にある。一方、試験片８や治具１４等の着脱・交換時には図６に示すように、窓枠形プレスフレーム３９は、リニアウェイ３８の上を左右に移動させて高圧容器円筒３６と高圧容器上蓋３７を、試験装置のクロスヘッド３２を利用して上方に引上げるように構成されている。なお、符号４０は、クロスヘッド３２を昇降させるシリンダを示す。

このように、市販の疲労試験装置に若干の改造を加えるのみで、高圧ガス雰囲気下での疲労試験を安全かつ容易に行うことが可能となる。

なお、上記の高圧容器円筒３６に高圧容器上蓋３７を備える実施形態おいて、試験片８を高圧容器下蓋３４に固定する構造を例としたが、上下を逆にして試験片８を高圧容器上蓋３７側から吊持する構造としてもよい。また、プレスフレームは、上記実施例では窓枠状のプレスフレーム３９としたが、コの字形の一部開放部分を有するプレスフレームとしてもよい。

ところで、上述した実施形態における機械特性試験装置（１、２５等）におけるガス圧力バランス機構１７は、上記特許文献１および非特許文献１の従来技術に示されたものとほぼ同じ構造のものであって、高圧容器下蓋６（３４）の内部にシリンダ室１８を設ける一方、プルロッド９の途中にピストン１９を設け、ピストン１９とシリンダ室１８との間、およびピストン１９の両側のプルロッド２０、２１と高圧容器下蓋２との間のそれぞれに、シールリング２２、２３、２４と三箇所のシールを設ける構成を例に説明した。通常、プルロッドをそのまま高圧容器中から大気中に抜きだす場合、ガス圧による荷重はプルロッドに負荷として加わるが、構造的にはシール部分は一箇所で済むのに対して、このように三箇所のシール構造でかつ直径の大きな部分が含まれる場合には、摺動部分の面積は３倍以上となり、その分摩擦力に起因する抵抗力が大きくなる。また、高圧容器内の圧力が高圧になるほど、この部分で発生する摩擦力が大きくなり、かつガスの漏れが発生しやすくなる。

そこで、摩擦力については、摩擦係数が小さなＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン：Dupont社の商品名テフロン）などのシール材を用いることが好ましいが、それでも摩擦係数で０．１程度のため、軸方向へのプルロッドの移動の際には、圧力１００ＭＰａの場合、プルロッドの直径２５ｍｍ、ピストン径の直径３５ｍｍとすると、シールリングのリング状の摺動部の幅を３ｍｍとしても、三箇所の摺動部の面積は８ｃｍ²程度になり、摩擦力は約０．８ｔｏｎとなる。したがって、低い荷重で試験を行う場合には、誤差はもちろんプルロッドの運動がスムーズでなくなり、たとえば正弦波で荷重を加えても、矩形波のような荷重の付加状況とならざるを得ない。

また、このようなガス圧力バランス機構１７を高圧容器の上蓋もしくは下蓋に組み込むとなると、これらのシールリングの交換の容易性も問題となる上、ガス圧力バランス機構１７を装着する側の蓋は、かなり複雑な構造となる。さらに、このバランス力を発生させるために、上記のシリンダ室１８に高圧容器内と同じガス圧を付与するための配管等が必要となるなど、構造的に複雑にならざるを得ない。

以下に、上記のガス圧力バランス機構１７の形態が有する問題を改良した構成の機械特性試験装置の実施形態を説明する。

図７は、本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面図である。この図７に示す機械特性試験装置４１は、図１に示した機械特性試験装置１が高圧容器下蓋６の内部にガス圧力バランス機構１７を備えるのに対してそのガス圧力バランス機構１７が無い点、および高圧容器円筒４の倒立底部４２の中央に貫通孔４３を形成するとともに、支持部材１５の上面にバランス用ロッド４４を設け、このバランス用ロッド４４を前記貫通孔４３にシールリング４５を介して摺動可能に設けた点を除いては、図１に示した機械特性試験装置１と実質的に同じ構成のものである。ここで、プルロッド９の断面積とバランス用ロッド４４の断面積は同じ、すなわち同一径のロッドで構成されている。

上記構成の機械特性試験装置４１においては、高圧容器円筒４の内部のガス圧力によりプルロッド９を下方に押し下げる荷重が発生するが、この荷重は同一の断面積を有するバランス用ロッド４４にガス圧が作用して上方に押し上げようとする荷重とバランスするように構成されている。すなわち、支持部材１５がプルロッド９を下方に押し下げる荷重とバランス用ロッド４４を上方に押し上げる荷重を支持することとなり、プルロッド９の下方のアクチュエータ１０には、ガス圧力による荷重は伝達されないこととなる。

従って、上記構成の機械特性試験装置４１によれば、プルロッド９に係わる高圧ガスのシール部材は、プルロッド９を高圧容器下蓋６を貫通する部分でシールするシールリング２３と、バランス用ロッド４４が高圧容器円筒４の倒立底部４２の貫通孔４３でシールするシールリング４５の二つのみとなり、かつ、シール部分での直径はプルロッドの外径の２倍になる程度で収まることとなる。

ちなみに、これらのシール部分で発生する摩擦力については、上記の計算例と同じシール材料を使用して、同じ直径のプルロッドで構成すると、圧力１００ＭＰａの場合、０．５ｔｏｎ程度となる。この摩擦力は小さければ小さいほど良いので、上述したガス圧力バランス機構１７を備える構造と比較して４０％ほど改善される。

また、上記構成の機械特性試験装置４１における更なる利点は、シール部分が減ることにより、ガスの漏れの確率が同様に小さくなること、さらには、シールリングの交換が比較的容易になることが上げられる。また、当然のことであるが、図１の機械特性試験装置では、バランス用ガス導入孔Ｂは不要となり、高圧ガス配管の数が低減されて、装置の簡素化が可能になるという利点も有している。

図８は、本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の正面図、図９は、図８の側面図、図１０は、図９のＸ−Ｘ断面図である。この図８〜１０に示す機械特性試験装置４６は、図４〜６に示した機械特性試験装置が高圧容器下蓋３４の内部にガス圧力バランス機構１７を備えるのに対してそのガス圧力バランス機構１７が無い点、および高圧容器上蓋３７に貫通孔４７を形成するとともに、支持部材１５の上面にバランス用ロッド４８を設け、このバランス用ロッド４８を前記貫通孔４７にシールリング４９を介して摺動可能に設けた点を除いては、図４〜６に示した機械特性試験装置と実質的に同じ構成のものである。ここで、プルロッド２８の断面積とバランス用ロッド４８の断面積は同じ、すなわち同一径のロッドで構成されている。

プルロッド２８は高圧容器下蓋３４を貫通しており、ここにはシールリング２３が装着されている。また、高圧容器上蓋３７の中央部をプルロッド２８と同一径のバランス用ロッド４８が貫通しており、プルロッド２８の場合と同様にシールリング４９で気密に保たれている。従って、この構成の機械特性試験装置によっても、プルロッド２８に係わる高圧ガスのシール部材は、プルロッド２８を高圧容器下蓋３４を貫通する部分でシールするシールリング２３と、バランス用ロッド４８が高圧容器上蓋３７の貫通孔４７でシールするシールリング４９の二つのみとなり、かつ、シール部分での直径はプルロッドの外径の２倍になる程度で収まることとなる。また、上記構成の機械特性試験装置４１と同様に、高圧ガス雰囲気下で、金属、樹脂、セラミックス等の材料の機械的特性を測定する際のシール部位数による高圧容器内のガス圧力による荷重を、４０％改善し得るとともに、シール部位数・面積の減少効果により漏れ発生の確率低下、シールリングの交換が容易になるなどの効果が期待され、効率良く高圧ガス雰囲気下での材料の機械的特性の測定が可能となる。

上記構成の機械特性試験装置においては、高圧容器内部に高圧ガスが充填された時には、高圧容器下蓋３４がステー３３に固定されているので、高圧容器円筒３６および高圧容器上蓋３７は、プレスフレームに当たるまで上方に押し上げられるが、この荷重は、シールリング４９の摩擦力により伝わる荷重の範囲内であり、一旦試験を行う圧力に到達した後は、影響がない。

試験片８を脱着もしくは、治具１４類を交換する際には、高圧容器円筒３６と高圧容器上蓋３７のみが上方に移動し、バランス用ロッド４８は支持部材１５とともに高圧容器下蓋３４の上に残された形となる。試験片８を装着した後は、高圧容器円筒３６と高圧容器上蓋３７を下方に下ろすこととなるので、バランス用ロッド４８が確実に高圧容器上蓋３７の中央部の貫通孔４７に嵌まり、かつシールリング４９の破損を防止するために、バランス用ロッド４８の上端部はテーパが設けられていることが好ましい。

図１１は、本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。この図１１に示す機械特性試験装置５０は、図１に示した機械特性試験装置１の高圧容器円筒４と高圧容器下蓋６の内部における試験片８を高圧容器下蓋６に固定する構造を、高圧容器下蓋６に埋め込んだ埋め込みボルト５１、この埋め込みボルト５１とナット５２によって固定された試験片固定治具５３のステー５４とで構成される構造に変えた構成とする他は、上記図１、２に示す機械特性試験装置１と実質的に同じ構成の試験装置であって、本形態では更に、高圧容器円筒４と高圧容器下蓋６の内部におけるプルロッド９の外周表面に、電気抵抗線歪ゲージ５５〜５８を縦横各２枚の計４枚を図１２に示すようなホイートストンブリッジを形成するように貼付し、プルロッド９の変形量を検出して試験片８に作用している荷重を測定するように構成されている。

上記構成の機械特性試験装置５０では、図１２に示すように、４枚の電気抵抗線歪ゲージ５５〜５８のうちアクティブゲージ５５、５６の２枚は荷重付加方向に残り２枚のダミーゲージ５７、５８はこれと直角方向に貼付し、ホイートストンブリッジを形成している。すなわち、プルロッド９は円柱状であるので、プルロッド９の表面で軸方向に１８０度反対の位置に、軸方向に２枚、またこれと直角となる周方向に２枚を貼付する。これにより、４枚の電気抵抗線歪ゲージ５５〜５８に一様に発生する歪、すなわち温度変化の影響、静水圧力の影響、また歪ゲージの抵抗線の電気特性を変化させるような材質変化の影響（水素等による影響）はキャンセルして、出力電圧は影響を受けないようにすることが可能とされている。なお、軸方向のアクティブゲージ５５、５６を１８０度反対側の表面に貼付することによりプルロッド９に曲げ荷重が発生した場合に、この曲げの影響をキャンセルできることは言うまでもない。また、図１２において、符号５９は電圧印加電源、６０は電圧計を示す。

従って、上記構成の機械特性試験装置５０によれば、以下に説明する懸念や問題が払拭され、試験片８に作用している荷重を高圧下で正確に測定することができる。

すなわち、実際の試験機では、例えば１０〜１００ｋＮの荷重が試験片８に負荷されるが、プルロッド９の直径が３０ｍｍで流体圧力が１００ＭＰａの時、この流体圧力がプルロッド９に作用する荷重は７０ｋＮにもなり、試験荷重よりも大きくなるという状況が発生し、意義のある測定が困難となることが懸念される。このような場合、上述したガス圧力バランス機構１７はこの流体圧力による荷重をキャンセルさせる構造として非常に有用である。しかしながら、プルロッド９には、シールリング２３、２２、２４により、高圧流体がリークしないような構造が設けられることが必要であり、これらのシールリング２２〜２４には高圧流体圧と同じ圧力が作用していることから、この圧力により、シールリング２２〜２４とプルロッド９の表面間では、それら表面での摩擦係数および接触面積に応じた摩擦力が発生し、ガス圧力バランス機構１７のみではこの摩擦力の影響が回避できないことが懸念される。この摩擦力の影響は、上記の寸法（直径：３０ｍｍ）のプルロッド９でシールリング２２〜２４とプルロッド９との接触幅が５ｍｍとした場合、また摩擦係数が０．１と小さなＰＴＦＥのような材料を用いた場合でも、流体圧力が１００ＭＰａになると約１９ｋＮにもなり、試験を実施するにはアクチュエータには、この摩擦荷重の分だけ余計な荷重を発生させる能力が必要となり試験荷重に対して無視できない大きさとなるばかりか、荷重制御方式での試験、例えば疲労試験は現実に行えなくなる問題が発生しかねない。しかし、上記構成の機械特性試験装置５０によれば、これらの懸念や問題を回避して、試験片８に作用している荷重を高圧下で正確に測定することができる。また、これにより、試験片８に作用している荷重信号を用いて、正確な荷重制御を行うことが可能となる。

なお、上記図１１の実施形態では、電気抵抗線歪ゲージ５５〜５８をプルロッド９の外周表面にホイートストンブリッジを形成するように貼付した場合を説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、例えば図１３に示すように、試験片８を固定する構造を備え、外表面に電気抵抗線歪ゲージ５５〜５８をホイートストンブリッジを形成するように貼付したロードセル（試験片固定具）６１を、試験片８とステー５４の間（又は試験片８とプルロッド９との間）に備えるように構成してもよい。このように構成した機械特性試験装置６２でも、上記構成の機械特性試験装置５０と同様の作用効果が得られる。なお、ロードセル６１の形状としては、円柱状が好ましいが、必ずしも円柱状に制約するものでなく、荷重に対するロードセルの応答性を良好にするために、断面積を減じるように円筒状に形成することも含まれる。

図１４は、本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。この図１４に示す機械特性試験装置６３は、図８に示した機械特性試験装置４６の高圧容器円筒３６、高圧容器下蓋３４及び高圧容器上蓋３７の内部における試験片８を固定する構造を、高圧容器下蓋３４に埋め込んだ埋め込みボルト６４、この埋め込みボルト６４とセットボルト６５によって固定された試験片固定治具一体型のステー６６とで構成する構造に変えた構成とするとともに、更に高圧容器上蓋３７のバランス用ロッド４８の先端に設けた支持部材６７に試験片固定用治具を兼用するロードセル６８を備える構造に変えた構成とする他は、上記図８に示す機械特性試験装置４６と実質的に同じ構成の試験装置である。そして、本形態では、試験片固定用治具を兼用するロードセル６８の外周表面には、電気抵抗線歪ゲージ５５〜５８を縦横各２枚の計４枚が図１２に示すようなホイートストンブリッジを形成するように貼付されて、試験片固定治具一体型のステー６６と試験片固定用治具を兼用するロードセル６８との間に取付けられた試験片８に作用している荷重を測定するように構成されている。なお、試験片固定用治具を兼用するロードセル６８は、上述の円柱状のロードセルの例を示すものである。

上記構成の機械特性試験装置６３によれば、っても、上記機械特性試験装置５０と同様の作用効果、すなわち、バランス用ロッド４８とシールリング４９との間の摩擦力及びプルロッド２８とシールリング２３との間の摩擦力の影響を回避して、試験片８の変形量や試験片８に作用している荷重を高圧下で正確に測定することができる。

本発明に係る機械特性試験装置の断面図である。 図１の高圧容器開放時の断面図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の一部断面で示す正面図である。 図４の一部断面で示す側面図である。 図４の機械特性試験装置における試験片交換時の状態を示す説明図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の正面図である。 図８の側面図である。 図９のＸ−Ｘ断面図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。 本発明に係るホイートストンブリッジの説明図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。 本発明に係る機械特性試験装置の別の実施形態の断面説明図である。 従来の機械特性試験装置における材料試験用雰囲気容器の断面図である。 従来の機械特性試験装置における材料試験用雰囲気容器の断面図である。

符号の説明

１：機械特性試験装置 ２：高圧容器部 ３：試験機フレーム
４：高圧容器円筒 ５：シールリング ６：高圧容器下蓋
７：プレスフレーム ８：試験片 ９：プルロッド
１０：アクチュエータ １１：ピストン １２：シリンダ
１３：油圧源 １４：治具 １５、１６：支持部材
１７：ガス圧力バランス機構 １８：シリンダ室
１９：ピストン ２０、２１：プルロッド
２２、２３、２４：シールリング ２５：機械特性試験装置
２６：断熱構造体 ２７：加熱用ヒータ ２８：プルロッド
２９：アクチュエータ ３０：試験機ベース ３１：支柱
３２：クロスヘッド ３３：ステー ３４：高圧容器下蓋
３５：ロードセル ３６：高圧容器円筒 ３７：高圧容器上蓋
３８：リニアウェイ ３９：窓枠形プレスフレーム
４０：シリンダ ４１：機械特性試験装置 ４２：底部
４３：貫通孔 ４４：バランス用ロッド ４５：シールリング
４６：機械特性試験装置 ４７：貫通孔 ４８：バランス用ロッド
４９：シールリング ５０：機械特性試験装置 ５１：埋め込みボルト
５２：ナット ５３：試験片固定治具 ５４：ステー
５５〜５８：電気抵抗線歪ゲージ ５９：電圧印加電源
６０：電圧計 ６１：ロードセル ６２：機械特性試験装置
６３：機械特性試験装置 ６４：埋め込みボルト ６５：セットボルト
６６：試験片固定治具一体型のステー ６７：支持部材
６８：試験片固定用治具を兼用するロードセル Ａ、Ｂ：ガス導入孔

Claims (7)

1. 高圧ガスを導入した高圧容器内に試験片を配置して、該試験片に荷重を付加して該試験片の変形量を測定する機械特性試験装置において、前記高圧容器を、少なくとも一端に開口部を有する筒状の本体部と、該開口部を開閉自在に閉塞する蓋部とにより構成し、前記高圧容器内に高圧ガスを導入した際に前記蓋部にかかる軸力を前記高圧容器に外方から係脱自在とされたプレスフレームによって担持し、前記蓋部に固定された試験片に対して該蓋部を貫通するロッドを通じて荷重を付加するアクチュエータ部によって前記試験片の変形量を測定可能とし、さらに前記プレスフレームを離脱させて前記蓋部を開放することによって試験片を装着・取出自在としたことを特徴とする機械特性試験装置。
2. 高圧ガスによって前記ロッドにかかる圧力を軽減ないしゼロにする流体圧バランス機構が前記ロッドに設けられたことを特徴とする請求項１記載の機械特性試験装置。
3. 前記ロッドと一体的に移動可能とされるとともに前記ロッドの断面積と略同面積を有するバランスロッドが、前記蓋部と対向する前記本体部の部位に摺動自在に貫設されたことを特徴とする請求項１記載の機械特性試験装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の機械特性試験装置において、高圧容器内に位置するロッドあるいは高圧容器内で試験片を蓋部に固定する試験片固定部材に、ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージが貼付されたことを特徴とする機械特性試験装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の機械特性試験装置において、高圧容器内に位置するロッドあるいは高圧容器内で試験片を蓋部に固定する試験片固定部材と試験片との間に、ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージが貼付されたロードセルが配置されたことを特徴とする機械特性試験装置。
6. ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージのうち相対する２枚の歪ゲージの１組が荷重の作用する方向と平行に、他の１組が荷重の作用する方向と直角の方向に貼付されたことを特徴とする請求項４又は５に記載の機械特性試験装置。
7. ホイートストンブリッジを構成する４枚の電気抵抗線式の歪ゲージが貼付される部位が、円柱状もしくは円筒状に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の機械特性試験装置。
   
   

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