JP5851272B2 - 高圧ガス中の試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガス中において金属、セラミックス、樹脂などからなる試験片の機械的特性を試験するための装置に関する。

高圧ガス中では、金属、セラミックス、樹脂などからなる試験片の機械的特性が変化することが知られている。また、例えば高圧な水素ガス中では、鋼材をはじめとする金属材料はいわゆる水素脆性により強度や伸びなどの低下を示すものがあることが知られている。

一方近年は、地球温暖化対策としてCO2排出を抑えるため、例えば燃料電池や製鉄分野などにおいて水素ガスの用途が種々検討されている。水素ガスを用いるためには多量の水素を貯蔵する必要があり、このために貯蔵効率を高める方法の１つとして水素を圧縮して高圧ガスにする方法がある。このため高圧な水素ガスを安定に貯蔵する容器が必要となるが、水素ガスが存在すると前述の水素脆性により容器の強度が低下したり、割れが発生することがある他、圧力変動による疲労亀裂伝播が早まる傾向にあり、高圧であれば容器用材料に対する水素ガスの進入量も増えて水素脆性がより起きやすくなるため、高圧水素中での材料の挙動をより正確に把握する必要がある。

このように、高圧ガス中における試験片の機械的特性を制度良く測定することは重要であり、そのためには高圧ガス中の試験装置が必要となる。そこで、かかる試験装置に関し、例えば特許文献１、２には、試験片を収納した高圧容器内にガスを導入して特性試験を行う試験装置が開示されている。

特開２００４−３４０９２０号公報 特開２００６−３４９４８７号公報

しかしながら、従来の試験装置はいずれも試験片に荷重を伝えるための複雑な機構や試験編の歪み等を計測するための機器を高圧容器内に収納しているため、高圧容器の容積が比較的大きく、高圧容器が受ける圧力を支持するための構造がお大型かつ肉厚で大掛かりであるため、高価とならざるを得なかった。また、従来の試験装置は高圧容器が大容積であるために高圧ガス保安法の規定による検査が必要であり、毎年試験装置を分解して検査する作業が必要となって、メンテナンスが煩雑になるという欠点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な構造で、メンテナンスが容易な高圧ガス中の試験装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、高圧ガス中において試験片の機械的特性を試験する装置であって、試験片を収納し、高圧ガスが導入される容器部と、前記容器部に収納された試験片に載荷される荷重を高圧ガスを封入するための封止部材で発生する摩擦力を除いて正確に測定する計測機構を備え、前記容器部の内容積が、１０ｃｃ以上、１００ｃｃ以下であり、前記計測機構は、試験片に荷重を載荷する載荷棒と、前記載荷棒を内部に収納し、前記容器部と同じ雰囲気となるようにシールして接続される外筒部と、前記載荷棒と前記外筒部との間に作用する荷重を測定するセンサー部材を有し、前記容器部の外側に配置されて、前記容器部にかかる内圧を支持するフレーム部を有し、前記計測機構の外筒部は、前記封止部材を介して前記フレーム部に挿入され、前記センサー部材は、前記封止部材から外筒部に働く摩擦力の影響を受けることなく、前記載荷棒と前記外筒部との間に作用する荷重を測定することを特徴とする、高圧ガス中の試験装置が提供される。

前記容器部は、前記フレーム部に対して挿入および抜き出し可能であっても良い。また、前記容器部には、試験片を所定の位置に位置決めさせるガイド部材が装着されていても良い。

本発明の試験装置にあっては、高圧ガスが導入される容器部の内容積が、１０ｃｃ以上、１００ｃｃ以下と小さいので、１２０ＭＰａ程度までの高圧で試験を行うのであれば、高圧ガス保安法の規定による検査が不要となり、分解作業も減りメンテナンスが容易となる。また、容器部の容積が小さいので、圧力を支持する構造も簡単ですみ、装置コストを低減できる。また、容器部に導入する高圧ガスの量も少なくでき経済的である。

本発明の実施の形態にかかる高圧ガス中の試験装置の概略的な構成の説明図である。 試験片の正面図である。 試験片の平面図である。 容器部の平面図である。 図４中のＸ−Ｘ断面図である。 図４中のＹ−Ｙ断面図である。 本発明の実施の形態にかかる高圧ガス中の試験装置の内部構造を示す断面図である。 荷重装置の荷重と、試験片に載荷される荷重と、摩擦力の関係の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる高圧ガス中の試験装置１は、フレーム部１０に対して挿入および抜き出し可能な容器部１１を備えている。後に詳しく説明するように、容器部１１の内部には、試験片１２を収納するための収納室２５が形成されている。フレーム部１０の上面には、フレーム部１０に挿入された容器部１１内に収納された試験片１２に載荷される荷重Ｆの大きさを測定する計測機構１３が取り付けられる。更に、計測機構１３の上方には、計測機構１３を介して試験片１２に荷重Ｆを載荷する荷重装置１４が取り付けられる。

図２、３に示すように、試験片１２は、例えば１０ｍｍ角の四角断面形状を有する柱状体であり、試験片１２の底面には、切かき２０が設けられている。言うまでもなく、試験片の形状は必要に応じて容器の内容積の規定範囲内で収まるよう適当に定めることができる。後述するように、計測機構１３によって試験片１２に荷重が加えられることにより、切かき２０を基点とする亀裂が試験片１２に発生し、試験片１２内を伝播する。なお、試験片１２に加えられる荷重は、繰り返し加えられるいわゆる疲労荷重であることもある。

試験片１２の側面には、切かき２０の側面を覆う位置に、エポキシ等の絶縁膜２１を介して金属薄膜２２が貼り付けられている。絶縁膜２１はエポキシ等の単層であってもよいし、フィルム状のものを接着材で貼り付けたものでも良い。試験片１２の機械的特性を試験する際には、切かき２０を基点として試験片１２に発生した亀裂が、絶縁膜２１を介してこの金属薄膜２２にも同様に発生する。この金属薄膜２２において、切かき２０の両側から金属薄膜２２に電流を流し、金属薄膜２２の抵抗値の上昇により、切かき２０を基点とする亀裂の伝播が検出されるようになっている。

図４〜６に示すように、容器部１１は、上面が開口し、周囲側面および底面が塞がれており、容器部１１の内部には、試験片１２を収納するための収納室２５が形成されている。この容器部１１の内容積は、１０ｃｃ以上、１００ｃｃ以下に設計されている。開口した容器部１１の上面を通じて、容器部１１内の収納室２５に試験片１２が挿入され、容器部１１の上面を通じて、容器部１１内の収納室２５から試験片１２が取り出される。

収納室２５の底部両側には、収納室２５内に挿入される試験片１２の両端部をガイドして、試験片１２を収納室２５内の所定の位置に位置決めするための、ガイド部材２６が、取り付けられている。容器部１１の上面から収納室２５内に試験片１２が挿入される際には、試験片１２の側面の４隅にガイド部材２６の内面が接触し、これにより、試験片１２の位置決めが行われる。

収納室２５の底面には、上方に突出した一対の凸部２７が形成されている。これら凸部２７は、試験片１２の切かき２０を挟んで互いに反対側の位置にあり、切かき２０を中心にして試験片１２の両端近傍において試験片１２の底面が一対の凸部２７によってそれぞれ支持されている。

収納室２５内に挿入された試験片１２の上面には、荷重Ｆの載荷治具３０が載せられている。載荷治具３０の下面には、下方に突出した一対の凸部３１が形成されている。これら凸部３１も、試験片１２の切かき２０を挟んで互いに反対側の位置にある。但し、載荷治具３０の下面に形成されたこれら凸部３１は、上述の収納室２５の底面に形成された一対の凸部２７よりも切かき２０に近い位置において、試験片１２の上面にそれぞれ接触している。凸部３１は１対である必要は無く、単一の凸部であってもよい。単一にする場合、凸部３１は試験片１２の底面にある切りかき２０の真上に位置する。

収納室２５の内側面には、載荷治具３０をガイドするためのガイド溝３２が上下方向に設けられている。載荷治具３０は、このガイド溝３２内において上下方向に移動可能である。

載荷治具３０の上面には、後に説明する計測機構１３が備える載荷棒４０の下端４０ａを受容するための凹部３３が設けられている。この凹部３３は、収納室２５内に挿入された試験片１２の底面にある切かき２０の真上に位置している。

図７に示すように、フレーム部１０の内部には、容器部１１を保持するためのケーシング部３５が形成されている。フレーム部１０の側面部分３６は取り外すことができ、この側面部分３６を取り外すことにより、容器部１１をフレーム部１０内のケーシング部３５に対して挿入および抜き出しすることが可能である。

フレーム部１０には、フレーム部１０内のケーシング部３５に挿入された容器部１１の収納室２５内に高圧水素ガスや不活性ガスを供給するための給気路３７と、収納室２５内から高圧水素ガスや不活性ガスを排出させる排気路３８が設けられている。図７のように容器部１１をフレーム部１０内のケーシング部３５に挿入して、フレーム部１０の側面部分３６を閉じた状態では、容器部１１にかかる内圧がフレーム部１０によって支持される。フレーム部１０の上面中央には、計測機構１３を上から挿入させるための通路３９が設けられている。

計測機構１３は、丸棒形状の載荷棒４０と、この載荷棒４０を内部に収納した円筒形状の外筒部４１を有している。載荷棒４０の下端４０ａは外筒部４１の下端４１ａよりも更に下方に突出している。載荷棒４０の上端４０ｂと外筒部４１の上端４１ｂは溶接部４２によって接合されている。但し、上端４０ｂ、４１ｂ同士を除いては、載荷棒４０と外筒部４１は接合されておらず、載荷棒４０の外周面と外筒部４１の内周面は分離されている。このため、上端４０ｂ、４１ｂ同士が接合された状態で、外筒部４１の内部において、載荷棒４０は自由に伸縮することができる。

載荷棒４０の上端４０ｂと外筒部４１の上端４１ｂは、カバー体４３で覆われた空間４４内に位置している。この空間４４内において、外筒部４１の側面上部に、載荷棒４０と外筒部４１との間に作用する荷重を測定するセンサー部材４５が装着されている。センサー部材４５には、例えばひずみゲージ、光学式センサー、静電容量センサーなどが利用できる。

図７に示すように、計測機構１３の外筒部４１を、フレーム部１０の上面中央に形成された通路３９に上から挿入することにより、計測機構１３はフレーム部１０に取り付けられる。試験片１２を収納した容器部１１をフレーム部１０内のケーシング部３５に挿入して側面部分３６を閉じ、計測機構１３の外筒部４１をフレーム部１０上面中央の通路３９に挿入することにより、外筒部４１の下端４１ａよりも更に下方に突出している載荷棒４０の下端４０ａが、収納室２５内に挿入された試験片１２の上面に載せられている載荷治具３０の上面の凹部３３に受容された状態となる。そして、このように載荷棒４０の下端４０ａを載荷治具３０の上面の凹部３３に受容させた状態で、計測機構１３の上方から荷重装置１４によって荷重が載荷されると、載荷棒４０を介して試験片１２に荷重が載荷されることとなる。ただし、後述するように、このとき荷重装置１４により載荷される荷重Fｔと試験片１２に載荷される荷重Faは、封止部材５０と外筒部４１の間に働く摩擦力Ffの分だけ異なる。

図７に示すように、容器部１１をフレーム部１０内のケーシング部３５に挿入して側面部分３６を閉じ、計測機構１３をフレーム部１０に取り付けた状態では、計測機構１３の外筒部４１の外面とフレーム部１０の通路３９の内面との間に配置された封止部材５０、および、フレーム部１０のケーシング部３５と側面部分３６との間に配置された封止部材５１により、容器部１１内の収納室２５は密閉された状態となる。

さて、以上のように構成された本発明の実施の形態にかかる高圧ガス中の試験装置１において、開口した容器部１１の上面を通じて、容器部１１内の収納室２５に試験片１２が挿入される。このように収納室２５内に試験片１２が挿入される際には、試験片１２の側面の４隅にガイド部材２６の内面が接触することにより、試験片１２は収納室２５内の所定の位置に位置決めされ、試験片１２の底面が一対の凸部２７によってそれぞれ支持されるとともに、それら凸部２７同士の中央に切かき２０が位置した状態となる。

また、こうして収納室２５内に挿入された試験片１２の上面に、載荷治具３０が載せられる。これにより、載荷治具３０下面に形成された一対の凸部３１が、収納室２５底面の一対の凸部２７よりも切かき２０の近い位置において、試験片１２の上面にそれぞれ接触する。なお、このように容器部１１内の収納室２５に試験片１２および載荷治具３０を挿入する作業は、フレーム部１０から容器部１１を抜き出して容易に行うことができる。

そして、フレーム部１０の側面部分３６を開き、収納室２５に試験片１２および載荷治具３０を挿入した容器部１１を、フレーム部１０内のケーシング部３５に挿入し、その後、フレーム部１０の側面部分３６を閉じる。また、計測機構１３の外筒部４１を、フレーム部１０の上面中央に形成された通路３９に上から挿入することにより、計測機構１３をフレーム部１０に取り付ける。こうして、計測機構１３の外筒部４１の外面とフレーム部１０の通路３９の内面との間に配置された封止部材５０、および、フレーム部１０のケーシング部３５と側面部分３６との間に配置された封止部材５１により、容器部１１内の収納室２５を密閉する。

このように、フレーム部１０内のケーシング部３５に挿入して側面部分３６を閉じるとともに、計測機構１３をフレーム部１０に取り付けた状態では、計測機構１３の外筒部４１の下端４１ａよりも更に下方に突出している載荷棒４０の下端４０ａが、収納室２５内に挿入された試験片１２の上面に載せられている載荷治具３０の上面の凹部３３に受容されて、載荷棒４０の下端４０ａから載荷治具３０の上面に力が伝達される状態となる。

そして、容器部１１内を密閉させた状態で、給気路３７から収納室２５内に高圧水素ガスが供給される。こうして、収納室２５内は高圧水素ガス雰囲気となり、収納室２５に収納されている試験片１２が、高圧水素ガス雰囲気に曝される。

そして、このように試験片１２が高圧水素ガス雰囲気中に置かれた状態で、計測機構１３の上方から荷重装置１４によって荷重が載荷され、その荷重が、計測機構１３の載荷棒４０および載荷治具３０を介して、容器部１１内の試験片１２に伝達される。こうして試験片１２は底面の両端近傍を一対の凸部２７によって支持されながら、それら一対の凸部２７よりも切かき２０の近い位置において、一対の凸部３１から試験片１２の上面に下向きの荷重が載荷されることとなる。その結果、試験片１２には、試験片１２の下面を下に凸に湾曲させる方向の曲げモーメントが作用し、試験片１２の下面には切かき２０を広げる方向の引っ張り応力が作用する。

こうして、容器部１１内の高圧水素ガス雰囲気中において、試験片１２の強度試験が行われる。この強度試験中、容器部１１内の試験片１２に載荷される荷重の大きさは、センサー部材４５によって測定される。また、切かき２０を基点として試験片１２に発生する亀裂の進行は、試験片１２の側面に貼り付けられた金属薄膜２２の抵抗値の上昇により検出される。

ここで、荷重装置１４により載荷される荷重Fｔと、試験片１２に載荷される荷重Faと、封止部材５０から外筒部４１に働く摩擦力Ffは、図８に示すような関係となる。すなわち、荷重装置１４により載荷された荷重Fｔに対して、封止部材５０から外筒部４１に働く摩擦力Ffが抵抗力となり、試験片１２には、摩擦力Ffが相殺された荷重Fa（Fa＝Fｔ−Ff）が作用することとなる。したがって、荷重装置１４により載荷される荷重Fｔによって試験片１２に載荷される荷重Faを正確に求めることはできない。しかるに、この試験装置１にあっては、センサー部材４５により、載荷棒４０と外筒部４１との間に作用する荷重として、試験片１２に載荷される荷重Faを、摩擦力Ffの影響を受けることなく、正確に求めることが可能となる。

そして、高圧水素ガス雰囲気中における試験片１２の強度試験が終了すると、排気路３８が開かれ、容器部１１内の高圧水素ガスが排気路３８から排出される。また、給気路３７を通じて容器部１１内に不活性ガスが供給され、パージが行われる。

その後、フレーム部１０の側面部分３６が開かれ、強度試験を終了した試験片１２は、容器部１１内の収納室２５から取り出される。以下同様にして、次の強度試験が適宜行われる。

以上のように構成された本発明の実施の形態にかかる高圧ガス中の試験装置１によれば、高圧水素ガスが導入される容器部１１の内容積が、１０ｃｃ以上、１００ｃｃ以下と小さいので、１２０ＭＰａ程度までの高圧で試験を行うのであれば、高圧ガス保安法の規定による検査が不要となり、分解作業も減りメンテナンスが容易となる。また、フレーム部１０に対して容器部１１は挿入および抜き出し可能であり、容器部１１にかかる高圧水素ガスの圧力は、フレーム部１０で支持すれば良いため、容器部１１自体の強度は高圧水素ガスに耐えられるものでなくても足りる。また、容器部１１の容積が小さいので、圧力を支持するフレーム部１０の構造も簡単ですみ、装置コストを低減できる。また、容器部１１に導入する高圧水素ガスの量も少なくでき経済的である。

また、試験片１２の強度試験中、計測機構１３の外筒部４１の外面とフレーム部１０の通路３９の内面との間に配置された封止部材５０、および、フレーム部１０のケーシング部３５と側面部分３６との間に配置された封止部材５１により、容器部１１内は密閉された状態に維持される。また、計測機構１３の載荷棒４０を介して試験片１２に載荷される荷重Ｆａの大きさは、センサー部材４５によって正確に測定される。その場合、載荷棒４０と外筒部４１は上端４０ｂ、４１ｂ同士を溶接部４２で接合されているだけであり、外筒部４１の内部において載荷棒４０は自由に伸縮することができる。外筒部４１には、封止部材５０を介してフレーム部１０の通路３９の内面から摩擦力Ｆｆが作用するが、かかる摩擦力Ｆｆは、載荷棒４０と外筒部４１との間に作用する荷重Ｆａには影響しない。このため、載荷棒４０を介して試験片１２に載荷される荷重Ｆａの大きさは、載荷棒４０と外筒部４１との間に作用する荷重Ｆａとしてセンサー部材４５によって正確に測定することが可能である。

更に、試験片１２に発生する亀裂の検出手段として用いられる金属薄膜２２は、試験片１２の大きさを実質的に増加させることがなく、例えばクリップゲージなどを用いた場合に比べて、容器部１１内の容積を小さくすることができる。また、金属薄膜２２を利用した電位差法により亀裂の進行を測定できるので、高圧水素ガス中で危険な高電圧を用いる必要がなく安全である。なお、試験片１２の側面に形成する金属薄膜２２の材料は金、銅など、種々の金属を利用できる。また、試験片１２の片側の側面だけでなく両面に金属薄膜２２を形成しても良い。

また、収納室２５の温度を調節するヒーターや冷却装置等を別途設置することにより、様々な温度での試験片の機械特性を評価することが可能になることはいうまでもない。

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

この試験装置１は試験片１２に対する種々の強度試験を実施でき、例えば荷重装置１４によって繰り返し荷重を試験片１２に加えることにより疲労試験を行うこともできる。また、容器部１１内に供給する高圧ガスは水素ガスに限らず、他の種類の高圧ガスにも適用できる。

本発明は、高圧ガス中における試験片の機械的特性試験に有用である。

１ 試験装置
１０ フレーム部
１１ 容器部
１２ 試験片
１３ 計測機構
１４ 荷重装置
２０ 切かき
２１ 絶縁膜
２２ 金属薄膜
２５ 収納室
２６ ガイド部材
２７ 凸部
３０ 載荷治具
３１ 凸部
３２ ガイド溝
３３ 凹部
３５ ケーシング部
３６ 側面部分
３７ 給気路
３８ 排気路
３９ 通路
４０ 載荷棒
４１ 外筒部
４２ 溶接部
４３ カバー体
４４ 空間
４５ センサー部材
５０、５１ 封止部材

Claims (3)

1. 高圧ガス中において試験片の機械的特性を試験する装置であって、
   試験片を収納し、高圧ガスが導入される容器部と、前記容器部に収納された試験片に載荷される荷重を高圧ガスを封入するための封止部材で発生する摩擦力を除いて正確に測定する計測機構を備え、
   前記容器部の内容積が、１０ｃｃ以上、１００ｃｃ以下であり、
   前記計測機構は、試験片に荷重を載荷する載荷棒と、前記載荷棒を内部に収納し、前記容器部と同じ雰囲気となるようにシールして接続される外筒部と、前記載荷棒と前記外筒部との間に作用する荷重を測定するセンサー部材を有し、
   前記容器部の外側に配置されて、前記容器部にかかる内圧を支持するフレーム部を有し、前記計測機構の外筒部は、前記封止部材を介して前記フレーム部に挿入され、前記センサー部材は、前記封止部材から外筒部に働く摩擦力の影響を受けることなく、前記載荷棒と前記外筒部との間に作用する荷重を測定することを特徴とする、高圧ガス中の試験装置。
2. 前記容器部は、前記フレーム部に対して挿入および抜き出し可能であることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ガス中の試験装置。
3. 前記容器部には、試験片を所定の位置に位置決めさせるガイド部材が装着されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の高圧ガス中の試験装置。

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