JP7656795B2 - Characteristics Test Equipment - Google Patents
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Description
本発明は、水素雰囲気中等、所定環境下での材料特性を評価することが可能な特性試験装置に関する。The present invention relates to a characteristic testing apparatus capable of evaluating material characteristics in a specified environment, such as a hydrogen atmosphere.
下記特許文献1には、水素雰囲気などの流体雰囲気下で平板状の試験片の特性又は耐久性を評価する特性試験装置が開示されている。この特性試験装置は、前記試験片によって第一空間と第二空間とに仕切られて前記試験片を収納する容器を備えて、流体圧力調節手段によって第一空間に圧力を変動させた第一流体(例えば水素ガス)を供給して試験片に繰り返し変動する曲げ負荷を与えると共に、第二流体(例えばアルゴンガス)を第二空間に供給して、前記試験片の破損の進行に伴って第一流体が第二空間にクロスリークする量を、第二流体に含まれる第一流体の濃度の経時変化として分析するものである。
しかしながら、従来の特許文献1の特性試験装置においては、試験片の破損の進行に伴って、第一空間の第一流体と第二空間の第二流体とが相互に拡散し出して、両流体の圧力の平衡が維持できなくなり、第二流体の排気系統に背圧弁を設けて、手動で背圧弁を絞るなどして圧力の平衡を取らざるを得ないと言った問題があった。However, in the conventional characteristic testing device of
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものである。その主たる目的は、特許文献1の特性試験装置において試験片の破損が進行しても、試験片が破壊に近づくまで、あるいは試験片が破壊に至るまで、第一空間の第一流体の圧力と第二空間の第二流体の圧力の平衡を自動的にとり続けることのできる特性試験装置を提供することにある。The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a characteristic testing device that can automatically maintain a balance between the pressure of the first fluid in the first space and the pressure of the second fluid in the second space, even if damage to the test piece progresses in the characteristic testing device of
上記目的を達成するための本発明に係る特性試験装置は、水素などの流体の雰囲気下で試験片の機械的特性やクリープ特性や疲労特性などを評価する特性試験装置であって、前記試験片によってそれぞれ一定の体積を有する第一作用空間と第二作用空間とに仕切られて前記試験片を収納する容器と、該容器と収納された前記試験片との間に形成された前記第一作用空間に第一流体を供給する第一流体供給手段と、前記第一作用空間に供給される前記第一流体の圧力を調節して前記試験片に繰り返し変動する曲げ負荷を与える第一流体圧力調節手段と、前記第一作用空間に供給される前記第一流体の流量を測定する第一流体流量測定手段と、該容器と収納された前記試験片との間に形成された前記第二作用空間に第二流体を供給する第二流体供給手段と、前記第二作用空間に供給される前記第二流体の圧力を調節する第二流体圧力調節手段と、前記第一流体流量測定手段によって測定された第一流体の流量測定データを基に前記第二流体圧力調節手段の圧力を連続的に算出する演算手段と、を備えていることを特徴としている。In order to achieve the above-mentioned object, the characteristic testing apparatus according to the present invention is a characteristic testing apparatus for evaluating the mechanical characteristics, creep characteristics, fatigue characteristics, etc. of a test piece in an atmosphere of a fluid such as hydrogen, and is characterized by comprising: a container for storing the test piece, the container being partitioned into a first working space and a second working space, each having a fixed volume by the test piece, a first fluid supplying means for supplying a first fluid to the first working space formed between the container and the stored test piece, a first fluid pressure adjusting means for adjusting the pressure of the first fluid supplied to the first working space to apply a repeatedly fluctuating bending load to the test piece, a first fluid flow measuring means for measuring the flow rate of the first fluid supplied to the first working space, a second fluid supplying means for supplying a second fluid to the second working space formed between the container and the stored test piece, a second fluid pressure adjusting means for adjusting the pressure of the second fluid supplied to the second working space, and a calculation means for continuously calculating the pressure of the second fluid pressure adjusting means based on flow rate measurement data of the first fluid measured by the first fluid flow measuring means.
また、本発明に係る特性試験装置は、水素などの流体の雰囲気下で試験片の機械的特性やクリープ特性や疲労特性などを評価する特性試験装置であって、前記第一作用空間の第一流体とは異なる第二流体を前記第二作用空間に供給する第二流体供給手段と、前記試験片の破損に伴い前記第二作用空間にクロスリークする前記第一流体の前記第二流体に含まれる濃度の経時変化を分析する濃度分析手段と、を備えていることを特徴としている。In addition, the characteristic testing device of the present invention is a characteristic testing device for evaluating the mechanical properties, creep properties, fatigue properties, etc. of a test piece in an atmosphere of a fluid such as hydrogen, and is characterized by comprising a second fluid supply means for supplying a second fluid different from the first fluid in the first operational space to the second operational space, and a concentration analysis means for analyzing the change over time in the concentration of the first fluid contained in the second fluid that cross-leaks into the second operational space due to damage to the test piece.
さらに、本発明に係る特性試験装置は、請求項1から請求項2に記載の特性試験装置において、前記第二流体のループを形成して、そのループ内に第二流体を循環させるための循環系統と、前記第二流体を循環させるための動力源としての循環手段と、濃度分析手段と、を備えていることを特徴としている。Furthermore, the characteristic testing apparatus of the present invention is characterized in that, in the characteristic testing apparatus described in
本発明に係る特性試験装置によれば、第一演算手段によってプログラミングした圧力波形を、第一圧力調節手段を介して第一圧力変動弁に伝達して、第一流体の圧力を変動させて容器内に収納された試験片に繰り返し変動する曲げ負荷を与えることができるので、コンパクトな構造を実現でき、装置外への流体リークを低減できるという効果を奏する。According to the characteristic testing device of the present invention, the pressure waveform programmed by the first calculation means is transmitted to the first pressure fluctuation valve via the first pressure adjustment means, and the pressure of the first fluid is fluctuated to apply a repeatedly fluctuating bending load to the test piece stored in the container, thereby achieving a compact structure and achieving the effect of reducing fluid leakage outside the device.
また、本発明に係る特性試験装置によれば、試験片の破損の進行に伴って第一作用空間の第一流体と第二作用空間の第二流体との間に相互拡散が起きて、第一流体と第二流体の圧力の平衡が時間的に変化しても、第一作用空間に供給される第一流体の流量の時間的な変化を第一流体流量測定手段によって測定し、その流量データを第二演算手段に入力し、第二流体圧力調節手段の設定圧力を算出して、第二圧力変動弁の開度を予測することで、第一流体の圧力と第二流体の圧力の新たな平衡状態に自動的・連続的に設定し続けることができるという効果を奏する。Furthermore, according to the characteristic testing device of the present invention, even if interdiffusion occurs between the first fluid in the first working space and the second fluid in the second working space as damage to the test piece progresses and the pressure equilibrium between the first and second fluids changes over time, the change over time in the flow rate of the first fluid supplied to the first working space is measured by the first fluid flow rate measuring means, the flow rate data is input to the second calculation means, the set pressure of the second fluid pressure regulating means is calculated, and the opening of the second pressure fluctuation valve is predicted, thereby achieving the effect of automatically and continuously setting the pressure of the first fluid and the pressure of the second fluid to a new equilibrium state.
また、本発明に係る特性試験装置によれば、前記第二演算手段によって連続的に算出された第二流体の圧力の時間的な変化によって、前記試験片の破損の進行、すなわち前記試験片の損傷度の時間的な変化を定量化することができるという効果を奏する。In addition, the characteristic testing device according to the present invention has the advantage that the progression of damage to the test piece, i.e., the change over time in the degree of damage to the test piece, can be quantified based on the change over time in the pressure of the second fluid continuously calculated by the second calculation means.
また、本発明に係る特性試験装置によれば、前記第二演算手段に多項式近似さらには人工知能の深層学習機能を組み込めば、多種の材質の試験片に対するデータベースを構築できるという効果を奏する。In addition, according to the characteristic testing device of the present invention, by incorporating polynomial approximation and even deep learning functions of artificial intelligence into the second calculation means, it is possible to construct a database for test pieces made of various types of materials.
また、本発明に係る特性試験装置によれば、請求項1記載の特性試験装置の奏する効果に加えて、濃度分析手段を備えているので、第二作用空間に含まれる流体の濃度の経時変化を分析することで、曲げ荷重によって生じた試験片の損傷度の時間的な変化を把握することができるという効果を奏する。In addition, according to the characteristic testing device of the present invention, in addition to the effects achieved by the characteristic testing device described in
また、本発明に係る特性試験装置によれば、前記第二演算手段によって算出された第一流体の圧力と第二流体の圧力との平衡状態の時間的な変化から推測される試験片の破損の進行と、前記濃度分析手段から第二作用空間の第二流体中に第一流体の濃度の時間的な変化から推測される試験片の破損の進行とを組み合わせることで、試験片のより立体的な破損の進行を把握することができるという効果を奏する。In addition, according to the characteristic testing device of the present invention, by combining the progression of damage to the test piece inferred from the temporal change in the equilibrium state between the pressure of the first fluid and the pressure of the second fluid calculated by the second calculation means, and the progression of damage to the test piece inferred from the temporal change in the concentration of the first fluid in the second fluid in the second action space from the concentration analysis means, it is possible to achieve the effect of grasping the progression of damage to the test piece in a more three-dimensional manner.
また、本発明に係る特性試験装置によれば、請求項1から請求項2に記載の特性試験装置の奏する効果に加えて、前記第二流体を循環させるための循環系統と、前記第二流体を循環させるための動力源としての循環手段と、濃度分析手段と、を備えることで、第一流体の第二空間への僅かなクロスリークでも検知することができるという効果を奏する。Furthermore, according to the characteristic testing device of the present invention, in addition to the effects achieved by the characteristic testing device described in
以下、図面を参照しつつ本発明を実施するための形態について詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の特性試験装置の第一の実施例を示す概略構成図である。本第一の実施例の特性試験装置1は、平板状試験片2が収納される容器3を備えている。容器3は、平板状試験片2と縦断面略逆凹状の容器上部5とがつくる第一作用空間6と、平板状試験片2を境にして第一作用空間6と相対する位置に第一作用空間6とは離隔されて有する、縦断面略凹状の容器下部21と平板状試験片2の裏面とがつくる第二作用空間22とを有する。内部に第一作用空間6と第二作用空間22を構成する容器3は、容器上部5と容器下部21が開閉可能に設けられて構成されている。そして、容器3は金属製または樹脂製のパッキン4を備えており、このような容器上部5と容器下部21を閉じた際には、容器上部5の下端部と容器下部21の上端部とがパッキン4を介して重ね合される。これにより容器3を密閉することができ、容器3内に密封された第一作用空間6と第二作用空間22とを形成することができる。FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of the characteristic test device of the present invention. The
なお、本第一の実施例の容器3は、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、銅の少なくとも1種類を含む金属製である。容器上部5は、下方に開口した有底円筒状、円板状、球状または矩形状であり、容器下部21は、上方に開口した有底円筒状、円板状、球状または矩形状である。The vessel 3 in the first embodiment is made of metal containing at least one of iron, nickel, chromium, aluminum, and copper. The vessel
また、本第一の実施例の特性試験装置1は、第一作用空間6に試験環境を構成するための流体を供給する第一流体供給手段としてのガスボンベ7と、第一作用空間6に供給される流体を加圧する第一加圧手段としての第一流体圧縮機8とからなる第一流体供給系統11、並びに、第二作用空間22に流体を供給する第二流体供給手段としてのガスボンベ23と、第二作用空間22に供給される流体を加圧する第二加圧手段としての第二流体圧縮機24とからなる第二流体供給系統27の、少なくとも1つの流体供給系統を備えている。In addition, the
第一流体供給系統11は、容器上部5の第一作用空間6に接続されている。これにより、ガスボンベ7からのガスが容器上部5の第一作用空間6へ供給される。また、第二流体供給系統27は、容器下部21の第二作用空間22に接続されている。これにより、ガスボンベ23からのガスが容器下部21の第二作用空間22へ供給される。なお、第一流体供給手段7又は第二流体供給手段23は、ガスボンベからのガスを、減圧弁を介して供給する構成であってもよい。The first
第一流体圧縮機8、第二流体圧縮機24は、ガスボンベ7、23からのガスを圧縮するものである。第一流体供給系統11を備えている場合には、第一流体圧縮機8又は減圧弁の出力側の流体の圧力を検出する第一流体圧力計9が第一流体供給系統11に設けられている。第二流体供給系統27を備えている場合には、第二流体圧縮機24又は減圧弁の出力側の圧力を検出する第二流体圧力計25が第二流体供給系統27に設けられている。第一流体圧縮機8、第二流体圧縮機24は、第一流体圧力計9、第二流体圧力計25の検出圧力に基づき調節される。The first fluid compressor 8 and the
また、本第一の実施例の特性試験装置1は、第一作用空間6からの流体を容器3外に排出する第一流体排出系統14又は第一流体弁排出系統12の少なくとも1つの流体排出系統、並びに、第二作用空間22からの流体を容器3外に排出する第二流体排出系統30又は第二流体弁排出系統28の少なくとも1つの流体排出系統を備えている。これら流体排出系統は、いずれも装置内に流体を保持する構成であって、第一流体排出系統14には第一流体排出弁15を、また第二流体排出系統30には第二流体排出弁31を設けてもよい。The
また、本第一の実施例の特性試験装置1は、第一流体弁出口系統13又は第一作用空間6又は第一流体排出系統14の少なくとも1箇所に、第一作用空間6の圧力を検出する第一作用空間圧力計10を備え、第一作用空間圧力計10の圧力値を所定の圧力値又は所定の圧力変動幅に調節することができる第一流体圧力調節手段17と第一流体圧力変動弁16とを設けている。Furthermore, the
また、本第一の実施例の特性試験装置1は、第一演算手段18を備え、前記第一演算手段18においてプログラミングした圧力波形を、信号として第一流体圧力調節手段17に伝達して、プログラミングされた圧力波形に第一流体圧力変動弁16を駆動させることができる構成としている。In addition, the
図1においては、第一流体圧力変動弁16を第一流体供給系統11に設けているが第一流体排気系統14に設けてもよい。他方、図1においては、第二流体圧力変動弁32を第二流体供給系統27に設けているが第二流体排気系統30に設けてもよい。1, the first fluid
また、本第一の実施例の特性試験装置1は、第二流体弁出口系統29又は第二作用空間22又は第二流体排出系統30の少なくとも1箇所に、第二作用空間22の圧力を検出する第二作用空間圧力計26を備え、第二作用空間圧力計26の圧力値を所定の圧力値又は所定の圧力変動幅に調節することのできる第二流体圧力調節手段33と第二流体圧力変動弁32とを設けている。Furthermore, the
また、本第一の実施例の特性試験装置1は、第一流体供給系統11に第一流体流量測定手段19を組み入れて、前記第一流体流量測定手段19で収録した第一流体の流量のデータを、第一流体測定値送信手段20を介して、第二演算手段34に送信することができる構成としている。Furthermore, the
図1においては、第一流体流量測定手段19を第一流量供給系統11に組み入れたが、第一流体弁排出系統12に組み入れても、第一流体排出系統14に組み入れてもよい。In FIG. 1, the first fluid flow rate measuring means 19 is incorporated in the first flow
本第一の実施例では、第一流体圧力変動弁16と第二流体圧力変動弁32は、第一流体圧力調節手段17と第二流体圧力調節手段33からの信号を受けて空気圧によって駆動して弁の開度を設定することができるが、弁の駆動源にはモータ(電動機)、電磁(ソレノイド)、圧電素子(ピエゾスタック)等で構成することもできる。In this first embodiment, the first fluid
図1において、第一演算手段18と第二演算手段34は、例えば、中央演算装置(CPU)、プログラマブルロジックコントローラー(PLC)、記憶手段(RAM及びROM)などからなる演算回路を備えている。In FIG. 1, the first calculation means 18 and the second calculation means 34 each include a calculation circuit including, for example, a central processing unit (CPU), a programmable logic controller (PLC), and memory means (RAM and ROM).
また、図1においては、第二流体圧力計25から制御操作部36への信号入力回路35を一例として図示するが、第二流体圧力計25に加え、第一流体圧力計9、第一作用空間圧力計10、第二作用空間圧力計26、第一流体圧力調節手段17、第二流体圧力調節手段33、第一流体流量測定手段19などの入力機器からの信号入力回路35、及び、試験実施者の操作入力を受け付けて制御する制御操作部36とそれらの制御操作の状況を表示する制御操作表示部38を備えていてもよい。In addition, in Figure 1, a
また、図1においては、制御操作部36から第二演算手段34への信号出力回路37を一例として図示するが、第一流体圧縮機8、第二流体圧縮機24、第一流体排出弁15、第二流体排出弁31、第一流体圧力変動弁16、第一演算手段18、第二流体圧力変動弁32、第二演算手段34などの出力機器への信号出力回路37、及び試験実施者の操作入力を受け付けて制御する制御操作部36とそれらの制御操作の状況を表示する制御操作表示部38を備えていてもよい。In addition, in FIG. 1, a
次に、本第一の実施例の特性試験装置1を用いた試験方法について説明する。まず、平板状試験片2を容器下部21の上端部に置き、パッキン4を介して、容器上部5の下端部を重ね合わせて密閉する。これによって、容器下部21の上端部と容器上部5の下端部の重ね合わせ部から流体の漏れがないようにする。Next, a test method using the
平板状試験片2を収納後、ガスボンベ7から第一流体供給系統11を介して容器3の第一作用空間6へガスが供給される。また、ガスボンベ23から第二流体供給系統27を介して容器3の第二作用空間22へガスが供給される。第一作用空間6と第二作用空間22へ供給されるガスは、それぞれ第一流体圧縮機8、第二流体圧縮機24によって圧縮される。この際、第一流体圧縮機8、第二流体圧縮機24は、それぞれ第一流体圧力計9、第二流体圧力計25から得られる検出圧力を一定に維持するように制御する。ガスボンベ7、23の圧力が高い場合には、第一流体圧縮機8、第二流体圧縮機24に換えて、減圧弁を用いることも可能である。After the
試験の際、平板状試験片2は、容器上部5と容器下部21との間に挟み込まれ、第一作用空間6と第二作用空間22とを隔離する状態で固定されている。平板状試験片2の上面には第一作用空間6のガス圧が負荷され、平板状試験片2の下面には第二作用空間22のガス圧が負荷される。During the test, the
そして、第一演算手段18にプログラミングされて入力された圧力値又は圧力波形、又は、試験実施者が入力した圧力又は圧力波形を、第一圧力調節手段17に送信して、送信されたデータに基づいて第一流体圧力変動弁16の開度を調節することができる。図2は、一例として、第一流体最大圧力39と第一流体最小圧力40との間の台形波の圧力変動41の出力結果である。図2においては、一例として台形波によって圧力変動を図解したが、三角波、正弦波、矩形波を用いることも可能である。Then, the pressure value or pressure waveform programmed and input to the first calculation means 18, or the pressure or pressure waveform input by the tester, is transmitted to the first pressure adjustment means 17, and the opening of the first fluid
ここで、前記圧力波形の周期、波形幅は、第一演算手段18によって自動的に、連続的に、必要に応じランダム的に設定し続けることができる。その結果、第一作用空間6と第二作用空間22との圧力差の変動によって、前記平板状試験片2の疲労破損、疲労破壊を評価する試験を行うことができる。Here, the period and waveform width of the pressure waveform can be set automatically, continuously, or randomly as necessary, by the first calculation means 18. As a result, a test can be performed to evaluate fatigue damage and fatigue fracture of the
また、特性試験装置1を用いた平板状試験片2の特性試験の過程において、前記平板状試験片2の破損が進行して、第一作用空間6から第二作用空間22へと第一流体のクロスリークが増加し始めると、その増加分を、第一流体流量測定手段19によって単位時間当たりの第一流体の流量増加分として検知することができる。Furthermore, during the process of characteristic testing of the
図2は、第一流体流量測定手段19に積算流量計を用いて、前記の第一流体流量増加分を例えば積算流量として捉えた例である。台形波の1サイクル当たりに消費される第一流体流量42がq1、・・・、qi、・・・、qjへと増加するにつれて、所定の積算流量Q43に達するまでのサイクル数44はn1、・・・、ni、・・・、njへと減少する。 2 shows an example in which the increase in the first fluid flow rate is captured as, for example, an integrated flow rate using an integrating flow meter as the first fluid flow rate measuring means 19. As the first
さらに、第一流体流量測定手段19によって測定された第一流体の流量増加分のデータは、第一流体流量測定値送信手段20を通して第二演算手段34に送信することができる。前記第一流体流量測定手段19からのデータを受信した前記第二演算手段34は、受信したデータに基づいて演算を行い、その演算結果に基づいて前記第二流体圧力調節手段33を介して第二流体圧力変動弁32の開度を調節することができる。Furthermore, data on the increase in the flow rate of the first fluid measured by the first fluid flow rate measuring means 19 can be transmitted to the second calculation means 34 via the first fluid flow rate measurement value transmitting means 20. The second calculation means 34, which has received the data from the first fluid flow rate measuring means 19, performs calculation based on the received data, and can adjust the opening of the second fluid
図2には、第二流体変動弁32の開度調節に伴って、第二流体の圧力45の変化を捉えた例を示す。第二流体圧力45は、P1
2、・・・Pi
2、・・・、Pj
2へと段階的にて変化する。 2 shows an example of a change in the
この場合、図2の第二流体圧力45の変化(P1
2、・・・Pi
2・・・、Pj
2)は、平板状試験片2の破損・破壊の経時特性を示している。一般的に、材料の破損・破壊の経時特性を表す指標として、応力拡大係数が用いられているが、第一の実施例における第二流体圧力45の変化は、前記応力拡大係数に相当する指標と言える。 2 ( P12 , ... , Pi2 ..., Pj2 ) indicates the time-dependent characteristics of damage/fracture of the flat test piece 2. Generally, a stress intensity factor is used as an index representing the time-dependent characteristics of damage/fracture of a material, and the change in the
上述したように、本第一の実施例の特性試験装置1によれば、平板状試験片2の破損の進行に伴って第一空間6の第一流体と第二空間22の第二流体との間に相互拡散が起きて、第一流体と第二流体の圧力の平衡が時間的に変化しても、第一空間6に供給される第一流体の流量の時間的な変化を第一流体流量測定手段19によって測定し、その流量データを第二演算手段34に入力し、第二流体圧力調節手段33の設定圧力を算出して、第二圧力変動弁32の開度を、図2に一例を示す方法によって予測することで、第一流体の圧力と第二流体の圧力の新たな平衡状態に、連続的又は段階的に設定し続けることができる。As described above, according to the
また、本第一の実施例の特性試験装置1によれば、第一流体圧力調節手段17及び/又は第二流体圧力調節手段33によって第一流体圧力変動弁16、並び、第二流体圧力変動弁32の少なくとも一方を調節することで、第一空間6の流体の圧力と、第二空間22の流体の圧力との間に間欠的・連続的に差を持たせて、平板状試験片2に対して間欠的・連続的に曲げ荷重を負荷することができる。Furthermore, according to the
すなわち、本第一の実施例の特性試験装置1によれば、油圧ポンプやシリンダなどによって平板状試験片2に負荷を与えるのではなく、雰囲気を形成する第一空間6と第二空間22との差圧によって平板状試験片2に曲げ荷重を負荷することが可能となる。こうした構成にすることで、従来、ピストン運動によって試験片に負荷を与えていたロッドと静止した水素環境容器との間の摺動部を削除することができる。これにより、水素などのガスリークを無視できるまでに低減でき、高い安全性を担保することができる。That is, according to the
また、本第一の実施例の特性試験装置1によれば、油圧ポンプやシリンダなどの試験片に負荷を与えていた機構が不要となり、非常にコンパクトな試験機を作り出すことが可能となる。Furthermore, according to the
本第一の実施例の特性試験装置1において、ガスボンベ7、23の少なくとも一方に水素ガスボンベを用いて、第一空間6、並びに、第二空間22の少なくとも一方を水素ガスで満たすことで、平板状試験片2の水素ガス環境下での特性を評価することが可能となる。In the
このように、流体雰囲気下で平板状試験片2の機械的特性やクリープ特性や疲労特性などを評価する特性試験装置1であって、平板状試験片2を収納する容器3と、容器3に収納された平板状試験片2との間に有する第一空間6に水素ガスを供給する流体供給手段7と、第一空間6に供給された水素ガスの圧力を調節する第一流体圧力調節手段17と、第一流体圧力調節手段17を制御して平板状試験片2に負荷を与える第一流体圧力変動弁16と、を備えている場合には、平板状試験片2の水素ガス環境下での特性を、コンパクトな装置で、かつ、水素ガスの漏出を防止しつつ、評価することができる。In this way, when a
なお、本第一の実施例の特性試験装置1において、試験片は平板状としたが、概ね平板状であっても、半球状等であっても、同様に試験片の特性試験を行うことが可能である。In the
また、上記第一の実施例においては、第一空間6へ供給する流体並びに第二空間22へ供給する流体の一例としてガスを挙げたが、何らこれに限定されるものではない。例えば、試験温度において、液体状態の物質であってもガス状態の物質であってもよい。試験温度で液体状態の物質としては、液水、アルコール、オイルが挙げられる。流体は、これらのいずれであってもよい。試験温度でガス状態の物質としては、水素などの還元性ガス、窒素、アルゴンなどの不活性ガス、ヘリウムなどの希ガス族元素、空気、酸素、水蒸気などが挙げられる。流体は、これらのいずれであってもよいし、これらの混合ガスであってもよい。In the first embodiment, gas is given as an example of the fluid to be supplied to the
また、上記第一の実施例においては、容器3は、縦断面略逆凹状の容器上部5と、縦断面略凹状の容器下部21とから構成されるものとしたが、何らこれに限定されるものではない。容器3は、試験片との間に作用空間を有するものであればよい。作用空間は、少なくとも流体の通路を有するものであればよく、例えば、容器3に単数又は複数の凹状の溝を有するものや、燃料電池のセパレータのような構造のものであってもよい。In the first embodiment, the container 3 is configured with the
図1には、第一流体供給手段7と第一流体排出系統14の双方を備えており、かつ、第二流体供給手段23と第二流体排出系統30の双方を備えている場合の特性試験装置1を図示したが、何らこれに限定されるものではない。例えば、特性試験装置1は、第一流体供給手段7と第一流体弁排出系統12又は/かつ第一流体排出系統14を備えている場合、第一流体供給手段7と第一流体弁排出系統12又は/第一流体排出系統14と第二流体供給手段23とを備えている場合、第二流体供給手段23と第二流体弁排出系統28又は/かつ第二流排出系統30とを備えている場合、第二流体供給手段23と第二流体弁排出系統28又は/かつ第二流体排出系統30と第一流体供給手段7とを備えている場合であってもよい。1 illustrates the
上記第一の実施例では、第一流体圧力調節手段として第一流体圧力変動弁16を第一流体供給系統11に用いた場合の実施例を挙げたが、第一流体圧力調節手段は第一空間6の流体の圧力を調節するものであればよく、何らこれに限定されるものではない。例えば、第一流体圧力変動弁16を第一流体排出系統14に用いてもよい。同様にして、第二流体圧力調節手段として第二流体圧力変動弁32を第二流体供給系統27に用いた場合の実施例を挙げたが、第二空間22の流体の圧力を調節するものであればよく、何らこれに限定されるものではない。例えば、第二流体圧力変動弁32を第二流体排出系統30に用いてもよい。In the above first embodiment, an example was given in which the first fluid
本第二の実施例の特性試験装置は、試験片の破損・破壊特性やリーク特性などを定量化するためのものであり、前述の第一の実施例に限らず、各種の特性試験装置への適用が可能である。図3は、第二の実施例の特性試験装置を示す概略構成図である。本第二の実施例の特性試験装置1は、基本的には前記第一の実施例の特性試験装置1と同様である。そこで、以下では、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。また、両実施例で共通の事項については、説明を省略する。The characteristic test apparatus of the second embodiment is for quantifying the damage/destruction characteristics and leakage characteristics of a test piece, and is applicable to various characteristic test apparatuses, not limited to the first embodiment. FIG. 3 is a schematic diagram showing the characteristic test apparatus of the second embodiment. The
本第二の実施例の特性試験装置1においては、第一空間6の第一流体とは組成が異なる第二流体を容器外へ排出させる第二流体排出系統30を有し、第二空間22から容器3外に排出される第二流体に含まれる、第一空間6から第二空間22にリークした流体の濃度を分析する濃度分析計46を備えている。また、濃度分析計46は、測定された濃度の値を記録するデータ収録系47を備えている。そのために、ガスボンベ7とガスボンベ23には、組成が異なるガスボンベを使用する。The
濃度分析計46は、第二流体排出系統30に設けられており、検出器としての金属酸化物半導体式ガスセンサと、サンプルガスを分離させる管であるカラムとを備えている。濃度分析計46は、ガスクロマトグラフィ手法を用いてガス分析を行い、ガス成分がカラムを通過する際の速度の違いを利用し、ガスを分離する。ガス成分の同定は、クロマトグラムにおけるピークの出現時間(保持時間)で行う。カラムを変えれば様々なガス種に対応できる。The
データ収録系47は、専用ソフトを組み込んだパソコンである。データ収録系47の操作部を操作して、例えば、サンプル名、測定時間、測定温度などを入力し、測定後にデータ収録系47の画面出力部に測定結果が表示される。さらに、測定データは、データ収録系47の記憶部に保存されるので、データを容易に管理、検索することができる。The
次に、本第二の実施例の特性試験装置1の動作について説明する。平板状試験片2を容器3に収納後、ガスボンベ7、23から流体供給系統11、27を介して容器3の第一空間6、第二空間22へガスを供給する。この場合、第一空間6の流体と第二空間22の第二流体の種類を違える。例えば、ガスボンベ7として水素ボンベを用い、第一空間6を水素ガスで満たすようにし、ガスボンベ23としてアルゴンボンベを用いて、第二空間22をアルゴンガスで満たすようにする。それら第一空間6、第二空間22へ供給されるガスの圧力が低い場合には、圧縮機8、24によって圧縮する。逆に、ガスボンベ7、23の圧力が高い場合には、圧縮機8、24に換えて減圧弁を用いる。Next, the operation of the
この状態で、第一空間6の第一流体の圧力を第二空間22の第二流体の圧力よりも連続的又は間欠的に高くし、第二空間22から排出される第二流体に含まれる、第一空間6から第二空間22にリークした第一流体の濃度を濃度分析計46で分析することで、平板状試験片2のガス透過特性、例えば、フィックの法則のガス拡散係数を測定することが可能となる。In this state, the pressure of the first fluid in the
より具体的には、本第二の実施例の場合、濃度分析計46で第二流体排出系統30中のガスの濃度を分析することで、アルゴン中にリークした水素の濃度を測ることができる。More specifically, in the case of the second embodiment, the concentration of the gas in the second
本第二の実施例の特性試験装置1によれば、第一空間6の流体と第二空間22の第二流体の種類を違え、平板状試験片2に静的な曲げ荷重、あるいは、変動的な曲げ荷重を与え、第二空間22から排出される第二流体に含まれる第一空間6から第二空間22にリークした流体の濃度を分析することで、曲げ荷重によって生じた平板状試験片2の損傷度、および損傷の経時変化を連続的に追跡することが可能となる。According to the
さらに、本第二の実施例の特性試験装置1によれば、平板状試験片2の破損の進行に伴って第一空間6の第一流体と第二空間22の第二流体との間に相互拡散が起きて、第一流体と第二流体の圧力の平衡が時間的に変化しても、第一空間6に供給される第一流体の流量の時間的な変化を第一流体流量測定手段19によって測定し、その流量データを第二演算手段34に入力し、第二流体圧力調節手段33の設定圧力を算出して、第二圧力変動弁32の開度を、図2に一例を示す方法によって予測することで、第一流体の圧力と第二流体の圧力の新たな平衡状態に連続的に設定し続けることもできる。Furthermore, according to the
また、本第二の実施例の特性試験装置1によれば、第一空間6の流体と第二空間22の第二流体の種類を違え、第一空間6の流体の圧力を第二空間22の第二流体の圧力よりも高くし、第二空間22から排出される第二流体に含まれる第一空間6から第二空間22にリークした流体の濃度を分析することで、平板状試験片2の流体の透過性、とりわけ、流体の拡散係数を同定することが可能となる。Furthermore, according to the
さらに、圧力制御手段としての第一演算手段18の信号を受けて第一流体圧力調節手段17によって第一流体圧力変動弁16を作動させることで、第一空間6の流体に、図2に示すような、例えば、台形波、矩形波、三角波、正弦波などの圧力変動41を平板状試験片2に曲げ荷重モードとして負荷することができる。この場合、第二空間22から排出される第二流体に含まれる、第一空間6から第二空間22にリークした流体の濃度を濃度分析計46で分析することで、変動荷重による平板状試験片2の損傷の経時特性を定量的に把握することができる。さらに、データ収録系47を備えているので、データとして収録することができる。Furthermore, by operating the first fluid
このように、油圧ポンプや油圧シリンダなどによって平板状試験片2に負荷を与えるのではなく、平板状試験片2の雰囲気を形成する第一空間6と第二空間22との差圧によって平板状試験片2に曲げ荷重を負荷することが可能となる。こうした構成にすることで、従来、油圧によるピストン運動によって試験片に負荷を与えていたロッドと静止した水素環境容器との間の摺動部を削除することができるので、水素などのガスリークを無視できるまでに低減することができ、高い安全性を担保することができる。また、油圧ポンプや油圧シリンダなどの試験片に負荷を与えていた機構が不要となり、非常にコンパクトな試験機を作り出すことが可能となる。In this way, instead of applying a load to the
特に、本第二の実施例の特性試験装置1において、例えば、第一流体供給手段7に水素ガスボンベを用いて、第一空間6に水素ガスを流通し、第二流体供給手段23にアルゴン・ガスボンベを用いて、第二空間22にアルゴンガスを流通する。この状態で、濃度分析計46を水素ガス分析計として、第一空間6から第二空間22のアルゴンガス中にリークする水素ガスの濃度を測定することで、平板状試験片2の水素ガス透過特性、例えば、水素ガス拡散係数を測定することができる。また、平板状試験片2の変動曲げ荷重下の損傷の経時特性を評価することも可能となる。In particular, in the
なお、本第二の実施例の特性試験装置1においては、第一空間6の流体と第二流体は異なる流体であればよく、第一空間6の流体並びに第二流体として、例えば、試験温度において、液体状態の物質であってもガス状態の物質であってもよい。試験温度で液体状態の物質としては、液水、アルコール、オイルであってもよい。試験温度でガス状態の物質としては、水素、窒素、空気、酸素、アルゴン、ヘリウム、水蒸気などであってもよい。In the
また、上記第二の実施例では、濃度分析計46としてガス分析計の一例を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。例えば、濃度分析計46は、液分析計、酸素濃度計、質量分析計、微量濃度ガス分析計、JIS規格の酸素分析計などであってもよい。In the second embodiment, a gas analyzer is used as an example of the
図3には、第一流体供給手段7と、第一流体圧力変動弁16と、第一流体排出系統14と、第二流体供給手段23と、第二流体圧力変動弁32と、第二流体排出系統30と、濃度分析計46と、データ収録系47とを備えている場合の特性試験装置1を図示したが、何らこれに限定されるものではない。例えば、特性試験装置1は、第一流体供給手段7と第一流体圧力変動弁16と第一流体弁排出系統12又は/かつ第一流体排出系統14と、濃度分析計46と、データ収録系47とを備えている場合でもよい。また、第一流体供給手段7と、第一流体圧力変動弁16と、第一流体弁排出系統12又は/第一流体排出系統14と第二流体供給手段23と、濃度分析計46と、データ収録系47とを備えている場合であってもよい。3 illustrates the
本第三の実施例の特性試験装置は、試験片の破損・破壊特性やリーク特性などを高精度に定量化するためのものであり、前述の第一と第二の実施例に限らず、各種装置への適用が可能である。図4は、第三の実施例の特性試験装置を示す概略構成図である。本第三の実施例の特性試験装置1は、基本的には前記の第一と第二の実施例の特性試験装置1と同様である。そこで、以下では、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。また、第三の実施例で第一および第二の実施例と共通の事項については、説明を省略する。The characteristic test device of the third embodiment is for quantifying the damage/destruction characteristics and leakage characteristics of a test piece with high accuracy, and can be applied to various devices, not limited to the first and second embodiments. FIG. 4 is a schematic diagram showing the characteristic test device of the third embodiment. The
本第三の実施例の特性試験装置1においては、第一空間6の流体とは組成が異なる第二流体を容器外へ排出させる第二流体排出系統30を有し、第二流体排出系統30を介して排出される第二流体の少なくとも一部を、第二流体循環系統48を設けて、第二流体供給系統27に戻す構成とし、第二流体循環系統48には、少なくとも濃度分析計46と第二流体循環ポンプ49とが組み込まれている。また、濃度分析計46は、測定された濃度の値を記録するデータ収録系47を備えている。The
また、本第三実施例の特性試験装置1の第二流体循環系統48には、減圧弁50を組み込んでもよい。Furthermore, a
次に、本第三の実施例の特性試験装置1の動作について説明する。平板状試験片2を容器3に収納後、ガスボンベ7、23から流体供給系統11、27を介して容器3の第一空間6、第二空間22へガスを供給する。この場合、第一空間6の第一流体と第二空間22の第二流体の種類を違える。例えば、ガスボンベ7として水素ボンベを用い、第一空間6を水素ガスで満たすようにし、ガスボンベ23としてアルゴンボンベを用いて、第二空間22をアルゴンガスで満たすようにする。それら第一空間6、第二空間22へ供給されるガスの圧力が低い場合には、圧縮機8、24によって圧縮する。逆に、ガスボンベ7、23の圧力が高い場合には、圧縮機8、24に換えて減圧弁を用いる。Next, the operation of the
この状態で、第一空間6の第一流体の圧力を第二空間22の第二流体の圧力よりも連続的又は間欠的に高くし、第二空間22から排出される第二流体に含まれる、平板状試験片2を介して第一空間6から第二空間22にリークした第一流体の濃度を、第二流体排出系統30から分岐した第二流体循環系統48に設けた濃度分析計46によって分析することで、平板状試験片2のガス透過特性、平板状試験片2の破損・破壊特性を連続的かつ高レンジ又は高精度に測定することが可能となる。In this state, the pressure of the first fluid in the
本第三の実施例の特性試験装置1の測定の高レンジ化の原理を定量的に説明してみると、例えば、濃度分析計46の測定上限が10ppmのレンジであっても、第二流体の循環流量が10に対して、平板状試験片2を介しての第一流体の第二流体へのリーク量が1である場合には、実施上、100ppmのレンジとして測定を可能とする。この場合、第二流体循環系統48の循環流量は、第二流体循環ポンプ49の流量によって制御・管理することが出来る。To quantitatively explain the principle of the high measurement range of the
逆に、本第三の実施例の特性試験装置1の測定の高精度化の原理を定量的に説明してみると、例えば、濃度分析計46の測定下限が1ppmであっても、循環系統48の第二流体の循環流量が一定であるのに対して、平板状試験片2を介して第一空間6から第二空間22へリークする第一流体は時間に伴って蓄積して第二流体中の第一流体の濃度は上昇するので、濃度分析計46の測定下限1ppm以下のリ-ク濃度を観察できる。すなわち、平板状試験片2の破損・破壊特性をより高精度化することを可能にする。Conversely, to quantitatively explain the principle of high measurement accuracy of the
また、本第三の実施例の特性試験装置1において、第二流体循環系統48の任意の位置に循環系統減圧弁50を設けることで、循環系統減圧弁50の下流の流体圧力を減圧することができる。循環系統48の減圧弁50の下流側で、かつ、第二流体循環還ポンプ49の上流側に濃度分析計46を組み込むことで、濃度分析計46の設計圧力を低減することが可能となる。In addition, in the
上記実施形態から次の技術的思想が把握できる。
(1)第一空間(前記第一作用空間)の内圧と第二空間(前記第二作用空間)の内圧との差圧を変動させることで前記流体により少なくとも前記試験片の一方向に負荷を与えることを特徴とする特性試験装置。 The following technical ideas can be understood from the above embodiment.
(1) A characteristic testing device characterized in that a load is applied in at least one direction of the test piece by the fluid by varying the pressure difference between the internal pressure of a first space (the first working space) and the internal pressure of a second space (the second working space).
この(1)の発明によれば、大掛かりで複雑な構造の部位は必要なく、低コストの特性試験装置を提供することができる。According to the invention of (1), a low-cost characteristic test device can be provided without requiring a large-scale and complicated structure.
本発明は、水素環境に晒される供試体のガス透過性や疲労特性などの材料特性を評価する特性試験装置に適用されるものである。The present invention is applied to a characteristic testing device for evaluating material characteristics such as gas permeability and fatigue characteristics of a test specimen exposed to a hydrogen environment.
1 特性試験装置
2 平板状試験片(試験片)
3 容器
4 パッキン
5 容器上部
6 第一作用空間(第一空間)
7 第一流体供給手段(ガスボンベ)
8 第一流体圧縮機
9 第一流体圧力計
10 第一作用空間圧力計
11 第一流体供給系統
12 第一流体弁排出系統
13 第一流体弁出口系統
14 第一流体排出系統
15 第一流体排出弁
16 第一流体圧力変動弁
17 第一流体圧力調節手段
18 第一演算手段
19 第一流体流量測定手段
20 第一流体流量測定値送信手段
21 容器下部
22 第二作用空間(第二空間)
23 第二流体供給手段(ガスボンベ)
24 第二流体圧縮機
25 第二流体圧力計
26 第二作用空間圧力計
27 第二流体供給系統
28 第二流体弁排出系統
29 第二流体弁出口系統
30 第二流体排出系統
31 第二流体排出弁
32 第二流体圧力変動弁
33 第二流体圧力調節手段
34 第二演算手段
35 信号入力回路
36 制御操作部
37 信号出力回路
38 制御操作表示部
39 第一流体最大圧力
40 第二流体最小圧力
41 圧力変動
42 第一流体流量
43 積算流量
44 サイクル数
45 第二流体圧力
46 濃度分析手段(濃度分析計)
47 データ収録系
48 第二流体循環系統
49 第二流体循環ポンプ
50 循環系統減圧弁 1.
3 Container 4
7 First fluid supply means (gas cylinder)
Reference Signs List 8: First fluid compressor 9: First fluid pressure gauge 10: First working space pressure gauge 11: First fluid supply system 12: First fluid valve exhaust system 13: First fluid valve outlet system 14: First fluid exhaust system 15: First fluid exhaust valve 16: First fluid pressure fluctuation valve 17: First fluid pressure adjustment means 18: First calculation means 19: First fluid flow rate measurement means 20: First fluid flow rate measurement value transmission means 21: Lower part of vessel 22: Second working space (second space)
23 Second fluid supply means (gas cylinder)
24
47
Claims (3)
前記試験片によってそれぞれ一定の体積を有する第一作用空間と第二作用空間とに仕切られて前記試験片を収納する容器と、
該容器と収納された前記試験片との間に形成された前記第一作用空間に第一流体を供給する第一流体供給手段と、
前記第一作用空間に供給される前記第一流体の圧力を調節して前記試験片に繰り返し変動する曲げ負荷を与える第一流体圧力調節手段と、
前記第一作用空間に供給される前記第一流体の流量を測定する第一流体流量測定手段と、
該容器と収納された前記試験片との間に形成された前記第二作用空間に第二流体を供給する第二流体供給手段と、
前記第二作用空間に供給される前記第二流体の圧力を調節する第二流体圧力調節手段と、
前記第一流体流量測定手段によって測定された第一流体の流量測定データを基に、前記試験片の破損の進行に伴う前記第一流体圧力との新たな概圧力平衡状態へと前記第二流体圧力調節手段の圧力を自動的に調節する演算手段と、
を備えていることを特徴とする特性試験装置。 A characteristic test apparatus for evaluating characteristics and/or durability of a test piece in a fluid atmosphere, comprising:
a container for storing the test strip, the container being partitioned by the test strip into a first working space and a second working space each having a fixed volume;
a first fluid supply means for supplying a first fluid to the first working space formed between the container and the test piece contained therein;
a first fluid pressure adjusting means for adjusting the pressure of the first fluid supplied to the first working space to apply a repeatedly varying bending load to the test piece;
a first fluid flow rate measuring means for measuring a flow rate of the first fluid supplied to the first working space;
a second fluid supply means for supplying a second fluid to the second working space formed between the container and the test piece contained therein;
a second fluid pressure adjusting means for adjusting the pressure of the second fluid supplied to the second working space;
a calculation means for automatically adjusting the pressure of the second fluid pressure adjustment means to a new approximate pressure equilibrium state with the first fluid pressure as damage to the test piece progresses , based on flow rate measurement data of the first fluid measured by the first fluid flow rate measurement means;
A characteristic test device comprising:
前記試験片の破損に伴い連続的に変化する前記第一流体圧力と前記第一流体圧力との概圧力平衡状態において前記第二作用空間にクロスリークする前記第一流体の前記第二流体に含まれる濃度の経時変化を分析する濃度分析手段と、
を備えていることを特徴とする請求項1記載の特性試験装置。a second fluid supply means for supplying a second fluid, different from the first fluid in the first working space , to the second working space ;
a concentration analysis means for analyzing a change over time in the concentration of the first fluid contained in the second fluid, which cross-leaks into the second working space in a state of approximate pressure equilibrium between the first fluid pressure and the first fluid pressure, which continuously changes as the test piece breaks;
2. The characteristic test apparatus according to claim 1, further comprising:
循環動力源としての循環手段と、
を備えていることを特徴とする請求項1から2の何れかに記載の特性試験装置。a circulation system for circulating the second fluid in a new approximate pressure equilibrium state with the first fluid pressure over a wide range as the damage of the test specimen progresses;
A circulation means as a circulation power source;
3. The characteristic test apparatus according to claim 1, further comprising:
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