JP2008309504A - 熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料に温度勾配を持たせられ、しかも試料の評価対象部位の温度を周期的に変動可能な熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法を提供する。
【解決手段】冷却台４により試料１の熱抵抗体３側の部位の温度を下限値に保ちながら、加熱部２を試料１に向けたヒータ３により試料１を加熱し、試料１のヒータ３側の部位の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータ３による試料１の加熱を止める。
この後、ヒータ３の加熱部２が試料１から外れるようにし、試料１のヒータ３側の部位の温度が下限値に達したならば、ヒータ３の加熱部２が試料１を向くようする。
更に、ヒータ３によって試料１を再び加熱し、この操作を繰り返して試料１のヒータ３側の部位の温度を下限値と上限値との間で変動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法に関するものである。

塗膜や表面処理層などの耐久性を評価する熱サイクル試験では、金属基材の所定部位を塗膜や処理層で覆った試料に対して熱負荷を繰り返し与え、塗膜、もしくは処理層と金属基材の熱膨張差に起因した剥離が発生したか否かを確かめる。

熱サイクル試験としては、評価対象部位である試料の塗膜や処理層などに向けてバーナからの燃焼ガスにより断続的に加熱しながら、同じ試料の評価対象部位とは反対側の部位に冷却空気を連続的に吹き付ける手法（例えば、特許文献１参照）、あるいは試料を搬送手段によって加熱炉と冷却室に交互に入れる手法などがある。
特開２００４−１２５５７５号公報

ところが、特許文献１の手法にあっては、燃焼ガスで加熱される試料の評価対象部位の温度を周期的に変動させることは考慮されていない。

また加熱炉と冷却室に試料を交互に入れる手法にあっては、試料に温度勾配を持たせることができない。

本発明は、試料に温度勾配を持たせられ、しかも試料の評価対象部位の温度を周期的に変動可能な熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、加熱部からの輻射により試料を加熱し得る加熱部と、冷却台と、当該冷却台に試料を取り付ける熱抵抗体と、試料の温度を測定するセンサと、加熱部からの輻射行為と輻射の遮へい行為の繰り返しによる試料への加熱と冷却を繰り返す手段とを備えている。

請求項２に記載の発明は、加熱部からの輻射により試料を加熱し得るヒータと、液冷構造の冷却台と、当該冷却台に試料を取り付ける熱抵抗体と、試料の温度を測定するセンサと、前記ヒータを加熱部が試料に向く姿勢、あるいは加熱部が試料から外れた姿勢に設定し得る駆動手段とを備えている。

請求項３に記載の発明は、加熱部、冷却台、及び熱抵抗体を真空容器に内装している。

請求項４に記載の発明は、冷却台に熱抵抗体を介した試料を複数固定している。

請求項５に記載の発明は、熱抵抗体を介して冷却台に固定された試料の温度を測定し、ヒータの加熱部を試料に向けて試料を加熱し、当該試料の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱を止めたうえ、試料の温度が予め定めてある下限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱をする行程を持ち、これらの操作を繰り返して試料の温度を下限値と上限値との間で変動させる。

請求項６に記載の発明は、熱抵抗体を介して冷却台に固定された試料の温度を測定し、ヒータの加熱部を試料に向けて試料を加熱し、当該試料の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱を止めたうえ、ヒータと試料の間に試料に面するように冷却盤を挿入して輻射熱が試料へ届かない構成にする行程と、当該試料の温度が予め定めてある下限値に達したならば、冷却盤をヒータと試料の間から引き抜き、ヒータ加熱部が試料に面する構成にし、ヒータによる試料の加熱をする行程を持ち、これらの操作を繰り返して試料の温度を下限値と上限値との間で変動させる。

請求項７に記載の発明は、熱抵抗体を介して冷却台に固定された試料の温度を測定し、ヒータの加熱部を試料に向けて試料を加熱し、当該試料の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱を止めたうえ、ヒータの姿勢を加熱部が試料から外れる姿勢にする行程と、当該試料の温度が予め定めてある下限値に達したならば、ヒータの姿勢を加熱部が試料を向く姿勢にし、ヒータによる試料の加熱する行程を持ち、これらの操作を繰り返して試料の温度を下限値と上限値との間で変動させる。

すなわち、試料の評価対象部位の反対側の温度を、熱抵抗体及び冷却台による熱伝導で冷却し、試料の評価対象部位の温度を、ヒータによる輻射で周期的に加熱する。

本発明の熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法によれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）ヒータの動作とその停止、及び輻射熱が試料へ輻射するか否かの切り換えによって、試料の評価対象部位の温度を周期的に変動させることができる。

（２）ヒータの作動とその停止、及び加熱部が試料を向くか否かの切り換えによって、試料の評価対象部位の温度を周期的に変動させることができる。

（３）試料の評価対象部位をヒータによる輻射で加熱し、試料の評価対象部位の反対側を熱抵抗体及び冷却台による熱伝導で冷却するので、当該試料に温度勾配を持たせることができ、評価対象部位とその反対側との温度差を変化させることもできる。

（４）熱抵抗体の断面積及び長さなどの寸法や材質を変更することで、当該試料に任意に温度勾配を持たせることができ、評価対象部材とその反対側との温度差を変化させることもできる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１〜図３は本発明の熱サイクル試験装置の第１の例であり、試料１を加熱部２からの輻射によって加熱し得るヒータ３と、液冷構造の冷却台４と、試料１を冷却台４に取り付ける軸状の熱抵抗体５と、ヒータ３を加熱部２が試料１に向く姿勢から１８０°の範囲で回動させる駆動手段６と、これらヒータ３、冷却台４、及び熱抵抗体５を内装する液冷構造の真空容器７とを備えている。

試料１は、アルミニウム合金基材の所定部位を、受熱特性向上用の塗膜で覆ったもので、評価対象となる部位の反対側には、ねじ穴が形作ってある。

試料１の塗膜は、クロム、銅、アルミニウムなどを含有し、珪酸ナトリウムをバインダとしている。

ヒータ３には、熱エネルギーの放出される方向に向けて内径が漸減する筒状の反射部材８が装着され、この反射部材８は、加熱部２から試料１に与えられるべき熱エネルギーの拡散を抑え、真空容器７の昇温を防ぐ役割を担う。

熱抵抗体５の基端部分には、冷却台４の上面に設けてある固定板９のねじ穴に螺合する雄ねじが形作られ、また、熱抵抗体５の先端部分には、試料１のねじ穴に螺合する雄ねじが形作られており、この熱抵抗体５は、冷却台４による吸熱効果が試料１に働き過ぎないようにする役割を担う（熱抵抗体５の素材としては、アルミニウム合金、あるいは銅など熱伝導率の異なる材料が選択でき、断面積も選択できる）。

駆動手段６は、先端にヒータ３が取り付けられたアーム１０と、当該アーム１０にモータ１１の回転を伝達する減速機１２とを主な要素とするものであり、モータ１１の回転方向に応じて、ヒータ３を前述した１８０°の範囲で回動させる。図示しないが、ヒータ３の放熱部分以外から、輻射熱の放出が少なくなるように反射板を保持する。

受熱特性向上用の塗膜の耐久性を調べる際には、複数の試料１のそれぞれを熱抵抗体５により冷却台４の固定板９に取り付け、試料１のひとつをモニタ用にして、ヒータ３側と熱抵抗体５側とに温度センサを実装しておく。

更に、ガス対流の影響を除くため、真空容器７の内部を減圧したうえ、冷却台４に取り付けてある試料１に加熱部２が向くようにヒータ３の姿勢を設定する（図１、図２参照）。

冷却台４と真空容器７に冷却水を流通させるとともにヒータ３を作動させて、冷却台４によって試料１の熱抵抗体５側の部位の温度を予め定めてある下限値（例えば、１００℃）に保ちながら、ヒータ３によって試料１を加熱する。

試料１と冷却台４との間には熱抵抗体５が介在させてあるので、冷却台４による試料１からの吸熱が過大にならず、試料１に温度差が付く。

試料１のヒータ３側の部位の温度が予め定めてある上限値（例えば、３８０℃）に達したならば、ヒータ３の作動を停止させる。

このとき、駆動手段６によりヒータ３の姿勢を１８０°反転させて、加熱部２が試料１から外れるようにし、輻射熱が試料１にできるだけ伝わらないようにする（図３参照）。

試料１のヒータ３側の部位の温度が下限値に達したならば、駆動手段６によりヒータ３の姿勢を加熱部２が試料１を向くようにしたうえ、ヒータ３によって試料１を再び加熱し、この操作を繰り返して試料１のヒータ３側の部位の温度を下限値と上限値との間で変動させる。

塗膜が健全であれば、試料１のヒータ３側の部位の温度は、１００℃と３８０℃との間を規則的に変動する（図４参照）。

塗膜が剥離すると、その個所の受熱特性が低下してしまうため、ヒータ３への給電量が同じでも、試料１の温度は３８０℃まで上がらなくなる。

このように、図１〜図３に示す熱サイクル試験装置では、ヒータ３の作動とその停止、及び加熱部２が試料１を向くか否かの切り換えによって、試料１の評価対象部位の温度を図４に示すように周期的に変動させることができる。

複数の試料１を設置する場合は、あるひとつの試料１に付けたヒータ制御用温度センサにより、ヒータ３及び駆動手段６を周期的に変動させるように制御する。残りの試料１には、温度センサによる温度差や温度変化の測定を行い、到達温度、温度変化量、温度差、温度変化速度により評価を行うことができる。

また、試料１の評価対象部位をヒータ３による輻射で加熱し、試料１の評価対象部位の反対側を熱抵抗体５及び冷却台４による熱伝導で冷却するので、当該試料１に温度勾配を持たせることができ、評価対象部位とその反対側との温度差を変化させることもできる。

温度差の変化量は、試料１の大きさ（熱容量）やヒータ３の出力、冷却台４の冷却能力、冷却台４と試料１の間の熱抵抗体５により設定できる。

図５は本発明の熱サイクル試験装置の第２の例であり、試料１を加熱部２からの輻射によって加熱し得るヒータ３と、液冷構造の冷却台４と、試料１を冷却台４に取り付ける軸状の熱抵抗体５と、冷却盤１３と、ヒータ３と試料１の間に冷却盤１３を出し入れする駆動手段（図示せず）と、これらヒータ３、冷却台４、及び熱抵抗体５を内装する液冷構造の真空容器７とを備え、その他、図１と同じ符号を付したものは同一物を表している。

駆動手段は、先端に冷却盤１３が取り付けられたアームと、当該アームにモータの回転を往復運動に変換して伝達するクランクとを主な要素とするものであり、モータの回転に応じて冷却盤１３を、ヒータ３と試料１の間に出し入れする。

受熱特性向上用の塗膜の耐久性を調べる際には、複数の試料１のそれぞれを熱抵抗体５により冷却台４の固定板９に取り付け、試料１のひとつをモニタ用にして、ヒータ３側と熱抵抗体５側とに温度センサを実装しておく。

冷却台４と真空容器７に冷却水を流通させるとともにヒータ３を作動させて、冷却台４によって試料１の熱抵抗体５側の部位の温度を予め定めてある下限値（例えば、１００℃）に保ちながら、ヒータ３によって試料１を加熱する。

試料１と冷却台４との間には熱抵抗体５が介在させてあるので、冷却台４による試料１からの吸熱が過大にならず、試料１に温度差が付く。

試料１のヒータ３側の部位の温度が予め定めてある上限値（例えば、３８０℃）に達したならば、ヒータ３の作動を停止させる。

このとき、駆動手段により試料１とヒータ３の間に冷却盤１３を差し込み、輻射熱が試料１に入らないようにする。

試料１のヒータ３側の部位の温度が下限値に達したならば、駆動手段により試料１とヒータ３の間から冷却盤１３を引き抜きく。この操作を繰り返して試料１の温度を下限値と上限値との間で変動させる。

塗膜が健全であれば、試料１のヒータ３側の部位の温度は、１００℃と３８０℃との間を規則的に変動する。

塗膜が剥離すると、その個所の受熱特性が低下してしまうため、ヒータ３への給電量が同じでも、試料１の温度は３８０℃まで上がらなくなる。

このように、図５に示す熱サイクル試験装置では、ヒータ３の作動とその停止、及び冷却盤１３の出し入れによって、試料１の評価対象部位の温度を周期的に変動させることができる。

図６は本発明の熱サイクル試験装置の第３の例であり、冷却水Ｗが連続的に流通し得る冷却盤１４と、ヒータ３と試料１の間に冷却盤１４を出し入れする駆動手段（図示せず）とを備え、その他、図５と同じ符号を付したものは同一物を表している。

駆動手段は、先端に冷却盤１４が取り付けられたアームと、当該アームにモータの回転を往復運動に変換して伝達するクランクとを主な要素とするものであり、モータの回転に応じて冷却盤１４を、ヒータ３と試料１の間に出し入れする。

よって、図６に示す熱サイクル試験装置でも、ヒータ３の作動とその停止、及び冷却盤１４の出し入れによって、試料１の評価対象部位の温度を周期的に変動させることができる。

図７は本発明の熱サイクル試験装置の第４の例であり、試料１を加熱部２からの輻射によって加熱し得るヒータ３と、液冷構造の冷却台４と、試料１を冷却台４に取り付ける軸状の熱抵抗体５と、冷却台４を試料１がヒータ３の加熱部２に向く姿勢から１８０°の範囲で回動させる駆動手段（図示せず）とを備え、その他、図１と同じ符号を付したものは同一物を表している。

駆動手段は、先端に冷却台４が取り付けられたアームと、当該アームにモータの回転を伝達する減速機とを主な要素とするものであり、モータの回転方向に応じて、冷却台４を前述した１８０°の範囲で回動させる

よって、図７に示す熱サイクル試験装置でも、ヒータ３の作動とその停止、及び試料１が加熱部２を向くか否かの切り換えによって、試料１の評価対象部位の温度を周期的に変動させることができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の熱サイクル試験装置及び熱サイクル試験方法は、様々な材料の評価に適用することができる。特に、塗膜やその剥離性、材料の輻射能力の経時変化の評価や加速評価試験に適用することができる。

本発明の熱サイクル試験装置の第１の例を示す概念図である。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。 図２におけるヒータが１８０°反転した状態を示す図である。 試料の評価対象部位の温度線図である。 本発明の熱サイクル試験装置の第２の例を示す概念図である。 本発明の熱サイクル試験装置の第３の例を示す概念図である。 本発明の熱サイクル試験装置の第４の例を示す概念図である。

符号の説明

１ 試料
２ 加熱部
３ ヒータ
４ 冷却台
５ 熱抵抗体
６ 駆動手段
７ 真空容器

Claims (7)

1. 加熱部からの輻射により試料を加熱し得る加熱部と、冷却台と、当該冷却台に試料を取り付ける熱抵抗体と、試料の温度を測定するセンサと、加熱部からの輻射行為と輻射の遮へい行為の繰り返しによる試料への加熱と冷却を繰り返す手段とを備えてなることを特徴とする熱サイクル試験装置。
2. 加熱部からの輻射により試料を加熱し得るヒータと、液冷構造の冷却台と、当該冷却台に試料を取り付ける熱抵抗体と、試料の温度を測定するセンサと、前記ヒータを加熱部が試料に向く姿勢、あるいは加熱部が試料から外れた姿勢に設定し得る駆動手段とを備えてなることを特徴とする熱サイクル試験装置。
3. 加熱部、冷却台、及び熱抵抗体を真空容器に内装した請求項１または２に記載の熱サイクル試験装置。
4. 冷却台に熱抵抗体を介した試料を複数固定した請求項１から３に記載の熱サイクル試験装置。
5. 熱抵抗体を介して冷却台に固定された試料の温度を測定し、ヒータの加熱部を試料に向けて試料を加熱し、当該試料の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱を止めたうえ、試料の温度が予め定めてある下限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱をする行程を持ち、これらの操作を繰り返して試料の温度を下限値と上限値との間で変動させる熱サイクル試験方法。
6. 熱抵抗体を介して冷却台に固定された試料の温度を測定し、ヒータの加熱部を試料に向けて試料を加熱し、当該試料の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱を止めたうえ、ヒータと試料の間に試料に面するように冷却盤を挿入して輻射熱が試料へ届かない構成にする行程と、当該試料の温度が予め定めてある下限値に達したならば、冷却盤をヒータと試料の間から引き抜き、ヒータ加熱部が試料に面する構成にし、ヒータによる試料の加熱をする行程を持ち、これらの操作を繰り返して試料の温度を下限値と上限値との間で変動させる熱サイクル試験方法。
7. 熱抵抗体を介して冷却台に固定された試料の温度を測定し、ヒータの加熱部を試料に向けて試料を加熱し、当該試料の温度が予め定めてある上限値に達したならば、ヒータによる試料の加熱を止めたうえ、ヒータの姿勢を加熱部が試料から外れる姿勢にする行程と、当該試料の温度が予め定めてある下限値に達したならば、ヒータの姿勢を加熱部が試料を向く姿勢にし、ヒータによる試料の加熱する行程を持ち、これらの操作を繰り返して試料の温度を下限値と上限値との間で変動させる熱サイクル試験方法。
   

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