JP2006047131A - ヘイルインパクト試験装置、及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘイルインパクト試験を簡便な装置、手順で行うことができ、安定した速度で、無駄を大幅に少なくする。
【解決手段】 気体の圧力により発射筒より氷球を発射するヘイルインパクト試験装置において、開閉弁と気体導入管を有し、気体導入管は発射筒に接続されており、気体導入管が発射筒の内径より細い事を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、雹を模擬した氷球を被試験物に衝突させる試験装置及び方法及び装置に関し、特に太陽電池セルの雹に対する性能を評価するための装置及び方法に関する。

太陽電池セルおよび太陽電池モジュール等の評価として、電気的性能、機械的性能、耐環境特性等の試験が行われている。その中でも、機械的性能を評価する試験として、ヘイルインパクト試験（Hail Test）と呼ばれる、降雹を模擬した試験が、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commsission）の国際規格IEC61215（Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval）（非特許文献１）やIEC61646（ Thin-film terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval）（非特許文献２）として規定されている。

これらの規格では、空気圧により発射筒から氷球を発射する手順や装置の簡単な構成等が記載されている。この構成は、図１０のように発射筒１００１に取り付けられた電磁弁１００２により、気体貯蔵槽１００５に溜められた空気を放出する。空気圧は、圧力調整弁１００４により調整する。
IEC61215（Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval） IEC61646（ Thin-film terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval）

しかしながら、実際には、上記のように開示された装置の構成により、規定どおりの速度に氷球を一定発射するのは、非常に困難であった。これは、発射する氷球は、鉄砲等で使用される弾丸のように一定ではなく、また、室温状態で溶けることにより、時々刻々変化したり、もともとの氷球が均一にできず、質量や形状にばらつきが生じるからである。さらに、規定の速度が出なかった場合には、再度試験を行う必要があり、時間的にも、サンプル数においても、無駄が生じていた。そこで、氷球を確実にセットし、このような氷球の特性を考慮した、正確な速度が得られる発射試験装置が求められていた。

本発明者は、上記目的を達成するため、鋭意検討した結果、氷球に対し、最適な圧力の気体を供給することが重要であることが分かった。このために次のような発射試験装置および加速試験方法が最良であることを見出した。

すなわち、気体の圧力により発射筒より氷球を発射するヘイルインパクト試験装置において、開閉弁と気体導入管と圧力調整弁とセンサを有し、該センサは速度を検出し、前記センサの出力により圧力調整弁を調整することを特徴としている。

また、開閉弁と気体導入管と圧力調整弁とセンサを有し、該センサは圧力を検出し、前記センサの信号により、圧力調整弁を調整することを特徴としている。

また、開閉弁と気体導入管と圧力調整弁とセンサを有し、該センサは氷球の位置を検出し、前記センサの信号により、圧力調整弁を調整することを特徴としている。

また、圧力調整弁を複数の圧力値に設定し、その圧力値に応じたセンサの信号を検出し、氷球を発射する際の発射時の圧力を圧力調整弁に設定することが好ましい。

また、氷球が発射されない微小な圧力に設定した状態で、圧力または位置を検出することが好ましい。

さらに、発射筒内部に、氷球を導入する第一の工程と、氷球に微小な圧力をかけて、位置または圧力を測定する第二の工程と、気体の圧力を発射筒内部にかけ、発射筒から氷球を発射する第三の工程を有する事を特徴としている。

以上説明したように本発明によれば、氷球に対し、最適な圧力の気体を供給することができるので、規定どおりの速度に氷球を一定に発射することができ、試験の能率が上がり、時間的にも、サンプル数においても、無駄がない。

以下、本発明に係る発射試験装置および発射試験方法の好適な実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

［装置の構成］
図１は本発明に係る発射試験装置の一例を示す図である。図示されたように、この発射試験装置は、発射筒１０１、開閉弁１０２、気体導入管１０３、圧力調整弁１０４、気体貯蔵槽１０５、発射筒支持装置１０６、速度計測装置１０７、圧力センサ１０８、位置センサ１０９、コントローラ１１０から構成されており、この図に従って各構成要素について説明する。

（発射筒）
発射筒１０１は、氷球がセットされた状態で、気体の圧力が加わっても破壊しないもので、目標位置に発射でき、加圧された気体が極力漏れないものならば、何でもよい。材料としては、ガラス、金属、セラミック、プラスチック等が挙げられるが、氷球から水分が出るので、さびないものがよい。形状としては、通常円筒のものが用いられる。材料の入手のしやすさから、ステンレスやアルミ製のパイプが好適である。内部は、スムーズに発射することができるように、できるだけ摩擦の少ないものがよい。筒の片方は、開放状態にしておき、もう一方には、直接もしくは空気導入管を介して開閉弁が取り付けられる。また、氷からの水を排出する穴を設けてもよい。

（開閉弁）
開閉弁１０２は、氷球と開閉弁の間の空間に圧力を瞬間的にかけるために、気体の流路を開閉するものであればよいが、電磁弁が好適である。電磁弁は、押しボタンスイッチ等による入力信号により、流路を瞬時に開放する。

（気体導入管）
気体導入管１０３は、氷球と開閉弁の間の空間に気体を導入する管であり、発射筒と開閉弁を接続するために用いられる。気体が漏れたり、吸着したりしない材料がよく、通常、金属や樹脂製、ゴム製の管が用いられる。必要に応じて、フレキシブルな管を用いてもよい。図８から図１３にその例を示した。このように、発射筒と一体にしてもよいし、ネジ等で脱着可能にしておいてもよい。

また、気体導入管が徐々に広がっていたり、発射筒の一部を狭くしたものなど、本発明では、気体導入管の内径の一部が、発射筒の内径よりも小さくしてあり、氷球に気体の圧力が直接かかる構造であることが好ましい。。そのためには、気体導入管は、氷球より小さい径を持つか、氷球との接する部分が連続であるのがよい。

（圧力調整弁）
圧力調整弁１０４は、氷球と開閉弁の間の空間に気体の圧力や流量を調整する弁であり、レギュレータとも呼ばれている。供給されている気体の圧力や流量を、外部からの電気信号に比例して変化させ、所望の圧力に設定することができるものならばよい。

（気体貯蔵槽）
気体貯蔵槽１０５は、氷球と開閉弁の間の空間に気体を安定して送るために設けられ、気体の漏れが無く、圧力により破損しないものならばよい。通常、金属製や樹脂製の容器が用いられる。

（発射筒支持装置）
発射筒支持装置１０６は、発射筒が仰角を持つように支持されるために設けられる。発射筒を支持する方向は、どちらでもよいが、上向き支持しておくと、発射口は導入口を兼ねることができ、氷球をこの発射口に置くと、氷球の自重で発射筒の中に導入され、発射筒に氷球をセットしやすい。また、発射筒の角度は変えられるように回転部材を取り付けておき、氷球の導入時と発射時とで、角度が異なってもよい。材料としては、一般的な構造材料を使用でき、通常は鉄製やアルミ製のフレームが用いられる。

（速度計測装置）
速度計測装置１０７は、発射した氷球の速度を計測するために用いられる。通常光センサ等により、あらかじめ定めた距離をもつ２点を通過する時間差を測定することにより、速度を算出する。この測定した時間差もしくは速度をコントローラに入力する。

（圧力センサ）
圧力センサ１０８は、氷球へかける気体の圧力や、氷球と発射筒との隙間から漏れる気体の有無や量を測定するために設けられる。本発明での圧力センサは、測定値が外部信号として取り出せるものならば何でもよい。

（位置センサ）
位置センサ１０９は、氷球が正しい位置にセットされたか確認するためや、発射前の圧力調整時に試験的に圧力をかけたときの氷球の位置の変化を調べるために、位置を検出するセンサを図２のように設けてもよい。このセンサは、光やレーザーを検知するものや、マイクロスイッチ、水の導電性を検知するものなど、氷球を検知できるものならば何でもよい。また、センサは、外部に設け、氷球までの距離を測るようなものでもよい。

（コントローラ）
コントローラ１１０は、上記のセンサで得られた外部信号を受けて、発射時の適切な圧力を算出し、圧力調節弁へ設定値を送るために用いられる。アナログの回路や、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を組み合わせて作ったもの、汎用のコンピュータ、計測装置の演算機能、プログラマブルコントローラ等が使用できるが、上記の目的を達するものならば何でもよい。

以下、上述の構成を有した装置およびサンプルを試験する具体的な実施形態を、限定的なものとしてではなく、例示として説明する。

（第１の実施例）
図３は本実施例の発射試験装置の一例を示す概略構成図であり、発射筒と導入口を兼ねた場合である。発射筒３０１として、内径２４.５ｍｍ、肉厚５ｍｍ、長さ２００ｍｍのステンレスのパイプを使用した。図４のように、この発射筒４０１の一方にネジを切り、気体導入管を接続できるようなジョイント部材を取り付けた。このジョイント部材に金属製の気体導入管４０３を取り付け、開閉弁３０２と接続した。開閉弁は、100Ｖの電源のＯＮ／ＯＦＦで開閉する電磁バルブを使用した。開閉弁の発射筒を接続した方と反対側には、圧力メータを備え、コントローラの出力値に応じて圧力を調整できるレギュレータ３０４を接続し、このレギュレータの空気導入側には、０.６ＭＰａ程度の圧縮空気を供給できるようにした。発射筒と開閉弁とレギュレータは、発射筒の開放した口が上に向くよう発射筒支持部材３０６に固定する。

また、発射筒の上方には速度計測装置を設け、氷球が２点を通過し、光線を遮るときに発生する信号をコントローラに入力できるようにする。

この構成において、市販の環境試験機等で−１０℃の環境でφ２５ｍｍの氷球を作製し、作製した氷球を一旦、−４℃の環境下で保管した後、発射口から導入する。

発射口から導入した氷球４０２は、落下し、発射筒の中にセットされる。このあと、スイッチ３０７により電磁バルブを開き、氷球に空気圧をかけ、発射する。

試験前には、試射を２回以上行い、そのときの圧力Ｐ１、Ｐ２と速度（通過時間差）Ｖ１、Ｖ２から、図５（ａ）のような近似式を求め、所望の圧力Ｖｔが得られるであろうＰｔを求める。

次に本番の試験を発射圧力Ｐｔで発射して行い、その速度を計測する。このときの発射圧力Ｐ３（＝Ｐｔ）と得られた速度Ｖ３の関係を上記で求めた近似式にフィードバックして、あらたな近似式を求めて次の発射を行う。つまり、図５（ｂ）のように、所望の速度から見てＶ３側の、より離れた発射圧力Ｐ１と得られた速度Ｖ１を削除し、新しい２点で直線近似し、この近似式より新しいＰｔ'を求めて次の発射試験を行った。このように繰り返し、フィードバックをしながら試験を行う。

なお、本実施例では直線近似の例を示したが、さらに厳密に発射圧力Ｐと得られた速度Ｖをもとめるために、高次の近似式を求めてもよいし、測定データを削除せず、増えたデータを加味して近似式を求めてもかまわない。

本発明では、発射した速度を圧力にフィードバックすることにより、氷球に適切な圧力の気体がかかって発射されるため、より安定した速度で発射できる。

（第２の実施例）
図６は本実施形態の発射試験装置の一例を示す概略構成図であり、発射筒６０１として、内径２５.５ｍｍ、肉厚５ｍｍ、長さ２００ｍｍのステンレスのパイプを使用した。この発射筒６０１の一方にネジを切り、金属製の気体導入管６０３を取り付けた。金属製の気体導入管の先端に開閉弁６０２と接続した。開閉弁は、100Ｖの電源のＯＮ／ＯＦＦで開閉する電磁バルブを使用した。開閉弁の発射筒を接続した方と反対側には、金属製の気体貯蔵槽６０５を設け、これに圧力メータを備えた圧力を調整できるレギュレータ６０４を接続し、このレギュレータの空気導入側には、圧縮空気を供給できるようにした。発射筒と開閉弁、気体貯蔵槽、レギュレータは、発射筒は、発射筒支持部材６０６に固定した。また、発射筒の前に、光ファイバセンサ６０７を２ヵ所設け、センサ出力をコントローラに入力した。また、気体導入管には、圧力センサを取り付けた。

この構成において、市販の環境試験機等で−１０℃の環境でφ２５ｍｍの氷球を作製し、作製した氷球を一旦、−４℃の環境下で保管した後、発射筒に入れた。

この後、まず、氷球が発射されないようなあらかじめ定めた微小な圧力をレギュレータに設定して、電磁バルブを開き、圧力センサで氷球に実際にかかる予備測定圧力Ｐ１を測定した。次に氷球が発射でき、ほぼ所望の速度が出る発射圧力Ｐをかけ、氷球を発射してその氷球の速度Ｖ1を測定した。あらかじめ、このような準備を繰り返して、微小な圧力をかけたときに氷球に実際にかかる複数の予備測定圧力と、これを一定圧力Ｐで発射したときの氷球の速度を測定し、図７のような、予備測定圧力（Ｐ１、Ｐ２）と速度（Ｖ１、Ｖ２）との関係から、所望の速度Ｖｔが出るであろう、微小な圧力をかけたときに氷球に実際にかかる最適な予備測定圧力Ｐｔを求めた。

次に、本番試験の発射時の前に同様の微小圧力をかけ測定し、氷球が溶けていくにしたがって変化するこの測定値が、上記のＰｔになるまで待ち、予備測定圧力がＰｔとなった時点で前述した発射圧力Ｐで、実際の発射を行う。

本発明では、氷球に適切な気体の圧力がかかって発射されるため、より安定した速度で発射できる。

また、毎回、速度を検出して、フィードバックし、微小圧力値と発射時圧力の関係にフィードバックをかけてもよい。

また圧力センサの位置は、気体導入管でもよいし、また発射筒内部で漏れた気体の圧力を測定してもよい。

（第３の実施例）
本実施例の発射筒、気体導入管、開閉弁、気体貯蔵槽、レギュレータの構成は、第２の実施形態とほぼ同様の構成とし、発射筒は上向きにした。また、図８のように、発射筒８０１内部には、氷球を感知する光センサを設けた。

このような構成で、まず、氷球が動かないようなあらかじめ定めた微小な圧力をレギュレータに設定して、電磁バルブを開き、徐々に圧力を高くしていって、氷球が動くときの予備測定圧力Ｐ１を測定する。次に氷球を発射ができる発射圧力値Ｐｔ1をかけ、氷球を発射してその氷球の速度Ｖ１を測定する。同じ発射圧力値Ｐｔ１について、氷球を変えて予備測定圧力と速度の測定を繰り返す。このように測定した２点（Ｐ１,Ｖ１）,（Ｐ２,Ｖ２）から発射圧力Ｐｔ１における予備測定圧力と速度の関係を表す式ｆ（Ｐｔ１）を得ることができる。さらに発射圧力値を変更し、発射圧力値Ｐｔ２及びＰｔ３で同じように複数回氷球を発射して、そのときの速度（Ｖ３〜Ｖ６）と予備測定圧力（Ｐ３〜Ｐ６）を計測した。その結果、図９（ａ）のように発射圧力Ｐｔ１における予備測定圧力と速度の関係を表す近似式ｆ（Ｐｔ1）と、発射圧力Ｐｔ２における予備測定圧力と速度の関係を表す近似式ｆ（Ｐｔ２）と、発射圧力Ｐｔ３における予備測定圧力と速度の関係を表す近似式ｆ（Ｐｔ３）を同様にして求めた。次に、図９（ａ）を使って、速度Ｖｔが出るであろうＰｔ１での予備測定圧力ＰＰ１、Ｐｔ２での予備測定圧力ＰＰ２、Ｐｔ３での予備測定圧力ＰＰ３を求めた。さらに、図９（ｂ）のように（ＰＰ１,Ｐｔ１）、（ＰＰ２,Ｐｔ２）、（ＰＰ３,Ｐｔ３）の３点により、予備測定圧力と発射速度の関係を求める。

その上で、本番試験の発射前に氷球に同様の微小な圧力をかけ、予備測定圧力Ｐｐを求め、この測定値に対し、前述の図９（ｂ）に示すような関係から、Ｖｔが出るであろう圧力Ｐｔを求め、この圧力値で実際の発射をおこなった。

この実施例では、３点で近似したが、２点で直線近似してもよいし、また、もっと多くのデータを取って、高次の近似をおこなってもよい。また、これらをファジー関数やニューラルネットワークを使ったアルゴリズムを利用したり、予備測定圧力と、発射圧力、速度を学習させるような機能を設けたりしてもよい。

本発明に係るヘイルインパクト試験装置を示す図である。 本発明の発射筒の例の断面を示す図である。 第１の実施例のヘイルインパクト試験装置の構成を示す図である。 第１の実施例の氷球を飛ばす手順を示す図である。 第１の実施例の発射圧力と速度の関係を表すグラフである。 第２の実施例のヘイルインパクト試験装置の構成を示す図である。 第２の実施例の予備測定圧力と速度の関係を表すグラフである。 第３の実施例の発射筒の例の断面を示す図である。 第３の実施例の予備測定圧力と発射圧力と速度の関係を表すグラフである。 従来の構成を示す図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１、４０１、６０１、７０１、８０１、１００１ 発射筒
１０２、３０２、６０２、１００２ 開閉弁
１０３、３０３、２０４、４０３、６０３、８０４、１００３ 気体導入管
１０４、３０４、６０４、１００４ 圧力調整弁
１０５、６０５、１００５ 気体貯蔵槽
１０６、３０６、６０６ 発射筒支持装置
１０７、３０９、６０７、１００７ 速度計測装置
３０７ 開閉弁用スイッチ
２０４ ジョイント部材
２０３、４０２、８０３ 氷球
６０８、１００８ 試験サンプル支持装置
６０９、１００９ 試験サンプル
１０８、６１１ 圧力センサ
１０９、２０２、８０２ 位置センサ
１１０、３０８、６１０ コントローラ
１００６ 圧力メータ

Claims (6)

1. 気体の圧力により発射筒より氷球を発射するヘイルインパクト試験装置において、開閉弁と気体導入管と圧力調整弁とセンサを有し、該センサは速度を検出し、前記センサの出力により圧力調整弁を調整することを特徴とするヘイルインパクト試験装置。
2. 気体の圧力により発射筒より氷球を発射するヘイルインパクト試験装置において、開閉弁と気体導入管と圧力調整弁とセンサを有し、該センサは圧力を検出し、前記センサの信号により、圧力調整弁を調整することを特徴とするヘイルインパクト試験装置。
3. 気体の圧力により発射筒より氷球を発射するヘイルインパクト試験装置において、開閉弁と気体導入管と圧力調整弁とセンサを有し、該センサは氷球の位置を検出し、前記センサの信号により、圧力調整弁を調整することを特徴とするヘイルインパクト試験装置。
4. 前記センサは、圧力調整弁を複数の圧力値に設定し、その圧力値に応じたセンサの信号を検出し、氷球を発射する際の発射時の圧力を圧力調整弁に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヘイルインパクト試験装置。
5. 前記圧力調整弁は、氷球が発射されない微小な圧力に設定した状態で、圧力または位置を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のヘイルインパクト試験装置。
6. 気体の圧力により発射筒より氷球を発射するヘイルインパクト試験方法において、発射筒内部に、氷球を導入する第一の工程と、氷球に微小な圧力をかけて、位置または圧力を測定する第二の工程と、気体の圧力を発射筒内部にかけ、発射筒から氷球を発射する第三の工程を有する事を特徴とするヘイルインパクト試験方法。

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