JP2013167513A - 高圧ガス中の試験装置用の計測機構 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ガス中で試験片の機械的特性を試験する試験装置において、試験片に作用する荷重を正確に測定できる計測機構を提供する。
【解決手段】試験片ａに載荷される荷重を測定する計測機構１５であって、試験片ａに荷重を載荷する載荷棒２０と、載荷棒２０を内部に収納する外筒部２１と、載荷棒２０と外筒部２１との間に作用する荷重Ｆを測定するセンサー部材２５を有する。試験片ａを収納している密閉空間１２に対して外筒部２１をシールした状態で接続することにより、載荷棒２０を、試験片ａを収納している同じ密閉空間１２に置くことができる。そして、密閉空間１２に置いた載荷棒２０によって試験片ａに対して載荷される荷重Ｆを、載荷棒２０と外筒部２１との間に作用する荷重によって正確に測定することができる。
【選択図】図２

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試験装置用の計測機構に関する。

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、鋼材はいわゆる水素脆性により強度の低下を示すことが知られている。

一方近年では、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、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容器の亀裂伝播が早まる傾向にあり、高圧であれば、水素ガスの進入量も増えるため、更に亀裂に対する対策が必要となる。

また、金属等の機械的特性に対し腐食等の影響を与える気体は水素に限らず、硫化水素を始め広く知られている。これら硫化水素等のガス中での材料の特性を正確に把握することも、構造物の設計に必要である。

このように、水素、硫化水素、その他の各種の高圧ガス中における試験片の機械的特性を精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。

また、このシール部での摩擦を回避し容器内部で荷重を検知するための技術として、例えば特許文献３には、高圧容器の内部に歪みゲージ式のロードセルを配置し、試験荷重を直接測定する手段が開示されている。

特開２００４−３４０９２０号公報 特開２００６−３４９４８７号公報 特開２００７−７８４７４号公報

ここで、例えば特許文献１の図１に示された試験装置を説明すると、圧力容器の内部において高圧雰囲気下で試験片が保持されている。また、試験片の一端には取付具を介して荷重測定棒が設けられ、荷重測定棒は圧力容器外に配置された荷重計に連結されている。

かかる試験装置では、圧力容器内の高圧雰囲気を維持するために、シール機構が必要となる。そのため、上記の特許文献１の試験装置では、圧力容器を貫通する荷重測定棒の部分にＯリングなどのシール部材を装着し、シール性能を保持している。

しかしながら、Ｏリングなどのシール部材があると、その部分で荷重測定棒に摩擦力が作用する。このため、圧力容器外に配置された荷重計で測定される荷重値は、試験片に作用する荷重とシール部分で荷重測定棒に作用する摩擦力の合成されたものとなり、試験片に純粋に作用している荷重を正確に測定することが困難となる。

一方、特許文献３の図２に示された試験装置によれば、高圧容器の内部に配置されたロードセルによって試験荷重を直接測定するので、このシール部での摩擦を回避した荷重検知が可能となる。しかしながら、この方法による荷重測定においては、センサーとしての歪ゲージが高圧ガス容器内部に設置されているため、内部のガスの種類に応じて、ガスの影響を受けないことを保証する必要がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高圧ガス中で試験片の機械的特性を試験する試験装置において、試験片に作用する荷重を、ガスの影響を受けずに正確に測定できる計測機構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、試験片に載荷される荷重を測定する計測機構であって、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する外筒部と、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高圧ガス容器の外部にセンサー部材を有することを特徴とする、計測機構が提供される。

この計測機構において、前記センサー部材は、例えばひずみゲージ、光学式センサー、静電容量センサーのいずれかである。

また、前記計測機構が挿入される密閉空間内において、前記計測機構に作用する圧力を相殺させるバランス機構を備えても良い。この場合、前記バランス機構は、前記密閉空間内において前記計測機構に作用する圧力と反対向きに圧力を受ける圧力受け部材と、前記圧力受け部材と前記外筒部とを連結させる連結部材を備える構成でも良い。

本発明の計測機構にあっては、試験片を収納している密閉空間に対して外筒部をシールした状態で接続することにより、載荷棒を、試験片を収納している同じ密閉空間に置くことができる。そして、密閉空間に置いた載荷棒によって試験片に対して載荷される荷重を、載荷棒と外筒部との間に作用する荷重によって高圧ガス容器の外部にあるセンサーにより、ガスの影響を受けずに正確に測定することができる。

本発明の実施の形態にかかる計測機構を備えた試験装置の構成例１の概略的な構成の説明図である。 本発明の実施の形態にかかる計測機構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。 本発明の実施の形態にかかる計測機構を備えた試験装置の構成例２の概略的な構成の説明図である。

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の構成例１にかかる試験装置１では、容器１０の上面に、穴１１が形成されている。容器１０の内部は、高圧ガスが充填される密閉空間１２となっている。この密閉空間１２には、試験片ａが収納されている。容器１０の底面には、試験片ａの下面の両端部を支持する一対の支持部１３が設けられている。

密閉空間１２内には、容器１０の上面に形成された穴１１を通じて、計測機構１５が挿入されている。この計測機構１５により、容器１０内に収納された試験片ａに載荷される荷重Ｆの大きさが測定される。更に、計測機構１５の上方には、計測機構１５を介して試験片ａに荷重を載荷する荷重装置１６が取り付けられている。ただし、後述するように、このとき荷重装置１６により載荷される荷重Fｔと試験片ａに載荷される荷重Faは、Ｏリング３０と外筒部２１の間に働く摩擦力Ffの分だけ異なる。

本発明の実施の形態にかかる計測機構１５は、図２に示すように丸棒形状の載荷棒２０と、この載荷棒２０を内部に収納した円筒形状の外筒部２１を有している。載荷棒２０の下端２０ａは外筒部２１の下端２１ａよりも更に下方に突出している。載荷棒２０の上端２０ｂと外筒部２１の上端２１ｂは溶接部２２もしくはネジ等によって接合されている。この接合部は、外筒部２１の内部空間の上方を密閉するように設置されている。但し、上端２０ｂ、２１ｂ同士を除いては、載荷棒２０と外筒部２１は接合されておらず、載荷棒２０の外周面と外筒部２１の内周面は分離されている。このため、上端２０ｂ、２１ｂ同士が接合された状態で、外筒部２１の内部において、載荷棒２０は自由に伸縮することができる。

載荷棒２０の上端２０ｂと外筒部２１の上端２１ｂは、カバー体２３で覆われた空間２４内に位置している。この空間２４内において、外筒部２１の側面上部に、載荷棒２０と外筒部２１との間に作用する荷重Ｆを測定するセンサー部材２５が装着されている。センサー部材２５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１に示すように、計測機構１５の外筒部２１を、容器１０の上面中央に形成された穴１１に上から挿入することにより、計測機構１５は容器１０に取り付けられる。この場合、外筒部２１には、封止部材としてのＯリング３０が取り付けられる。このＯリング３０によって穴１１の内面と外筒部２１との隙間が封止され、密閉空間１２内が密閉された状態となる。この状態で容器１０内に高圧水素ガスを供給すると、容器１０内は高圧水素ガス雰囲気となり、容器１０内の試験片ａが、高圧水素ガス雰囲気に曝される。

また、このように計測機構１５を容器１０内に挿入することにより、外筒部２１の下端２１ａよりも更に下方に突出している載荷棒２０の下端２０ａが、容器１０内に収納されている試験片ａの上面に接触する。そして、この状態で、計測機構１５の上方から荷重装置１６によって荷重が載荷されると、載荷棒２０を介して試験片ａに荷重が載荷されることとなる。

そして、密閉空間１２内において、試験片ａが高圧水素ガス雰囲気中に置かれた状態で、計測機構１５の上方から荷重装置１６によって荷重が載荷され、その荷重が、計測機構１５の載荷棒２０を介して、密閉空間１２内の試験片ａに伝達される。こうして、密閉空間１２内の高圧水素ガス雰囲気中において、試験片ａの強度試験が行われる。この強度試験中、密閉空間１２内の試験片ａに載荷される荷重の大きさは、高圧水素ガス雰囲気の影響を受けずに、センサー部材２５によって測定される。

ここで、荷重装置１６により載荷される荷重Fｔと、試験片ａに載荷される荷重Faと、Ｏリング３０から外筒部２１に働く摩擦力Ffは、図３に示すような関係となる。すなわち、荷重装置１６により載荷された荷重Fｔに対して、Ｏリング３０から外筒部２１に働く摩擦力Ffが抵抗力となり、試験片ａ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１６により載荷される荷重Fｔによって試験片ａ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２５により、載荷棒２０と外筒部２１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。

以上のように構成された試験装置１によれば、試験片ａの強度試験中、計測機構１５の外筒部２１の外面と容器１０の穴１１の内面との間に配置された封止部材３０により、密閉空間１２内は密閉された状態に維持される。また、計測機構１５の載荷棒２０を介して試験片ａに載荷される荷重Ｆａの大きさは、センサー部材２５によって、ガスの影響を受けずに正確に測定される。その場合、載荷棒２０と外筒部２１は上端２０ｂ、２１ｂ同士を溶接部２２で接合されているだけであり、外筒部２１の内部において載荷棒２０は自由に伸縮することができる。外筒部２１には、Ｏリング３０を介して容器１０の穴１１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２０と外筒部２１との間に作用する荷重には影響しない。このため、載荷棒２０を介して試験片ａに載荷される荷重Ｆａの大きさは、載荷棒２０と外筒部２１との間に作用する荷重としてセンサー部材２５によって正確に測定することが可能である。

なお、例えば比較的大きな荷重を載荷する為に断面の大きな計測機構１５を容器１０に導入して使用する際には、計測機構１５が密閉空間１２の内部のガス圧により非常に大きな力を受け、載荷が困難となる場合がある。その様な場合には、図４に示すように、密閉空間１２内において計測機構１５に作用する圧力を相殺させるバランス機構３５を備えていても良い。

このバランス機構３５では、容器１０の下面に形成された穴３６を通じて、密閉空間１２内に圧力受け部材３７が挿入されている。圧力受け部材３７には、封止部材としてのＯリング３８が取り付けられる。このＯリング３８によって穴３６の内面と圧力受け部材３７との隙間が封止され、密閉空間１２内が密閉された状態となる。

圧力受け部材３７とバランス機構３５の外筒部２１は、連結部材３９によって連結されている。なお、この図４に示す本発明の実施の形態の構成例２にかかる試験装置２では、試験片ａとして引張試験片を示している。この試験装置２では、試験片ａの下端が、密閉空間１２内において容器１０の下面に固定された支持部４０の上に固定されている。また、試験片ａの上端には、計測機構１５の載荷棒２０が連結されており、荷重装置１６により、載荷棒２０を介して、試験片ａに引張荷重が加えられる。

この試験装置２においても、密閉空間１２内において、試験片ａが高圧水素ガス雰囲気中に置かれた状態で、計測機構１５の上方から荷重装置１６によって荷重が載荷され、その荷重が、計測機構１５の載荷棒２０を介して、密閉空間１２内の試験片ａに伝達される。こうして、密閉空間１２内の高圧水素ガス雰囲気中において、試験片ａの強度試験（引張試験）が行われる。この強度試験中、密閉空間１２内の試験片ａに載荷される荷重の大きさは、センサー部材２５によって測定されるので、載荷棒２０を介して試験片ａに載荷される荷重の大きさは、載荷棒２０と外筒部２１との間に作用する荷重Ｆとしてセンサー部材２５によって正確に測定することが可能である。なお、先に図３で説明した場合と同様に、載荷棒２０を介して試験片ａに載荷される荷重Ｆａは、Ｏリング３０から受ける摩擦力Ｆｆの影響を受けずに、センサー部材２５によって正確に測定される。

加えて、この試験装置２にあっては、強度試験中、密閉空間１２内において、計測機構１５には上向きにガス圧力が作用し、圧力受け部材３７には下向きにガス圧力が作用することとなる。そして、圧力受け部材３７に作用する下向きのガス圧力は、連結部材を介して、計測機構１５に伝達され、その結果、計測機構１５に作用する上向きのガス圧力が相殺される。これにより、計測機構１５が密閉空間１２の内部のガス圧により非常に大きな力を受けるような場合でも、試験片ａに載荷される荷重Ｆの大きさをセンサー部材２５によって正確に測定することが可能となる。

なお、このようなバランス機構３５を設ける場合、計測機構１５に作用するガス圧力を相殺して、荷重Ｆをセンサー部材２５で正確に測定できるようにするために、密閉空間１２内から見た圧力受け部材３７の面積と計測機構１５（外筒部２１）の面積を等しくし、圧力受け部材３７と計測機構１５に互いに逆向きの圧力が作用するような配置にすることが望ましい。

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。

この計測機構１５を用いた試験装置１、２は試験片ａに対する種々の強度試験を実施でき、例えば荷重装置１６によって繰り返し荷重を試験片ａ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１０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。試験片ａは引張試験片やＣＴ試験片など目的に応じて適宜選択し、単純に試験片を押すだけでなく、必要に応じてネジやピンを用いて試験片に荷重を伝達できることは言うまでもない。

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。

ａ 試験片
１、２ 試験装置
１０ 容器
１１ 穴
１２ 密閉空間
１３ 支持部
１５ 計測機構
１６ 荷重装置
２０ 載荷棒
２１ 外筒部
２２ 溶接部
２３ カバー体
２４ 空間
２５ センサー部材
３０ Ｏリング
３５ バランス機構
３６ 穴
３７ 圧力受け部材
３８ Ｏリング

Claims (6)

1. 試験片に載荷される荷重を測定する計測機構であって、
   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する外筒部と、
   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することを特徴とする、計測機構。
2. 前記センサー部材は、ひずみゲージであることを特徴とする、請求項１に記載の計測機構。
3. 前記センサー部材は、光学式センサーであることを特徴とする、請求項１に記載の計測機構。
4. 前記センサー部材は、静電容量センサーであることを特徴とする、請求項１に記載の計測機構。
5. 前記計測機構が挿入される密閉空間内において、前記計測機構に作用する圧力を相殺させるバランス機構を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の計測機構。
6. 前記バランス機構は、前記密閉空間内において前記計測機構に作用する圧力と反対向きに圧力を受ける圧力受け部材と、前記圧力受け部材と前記外筒部とを連結させる連結部材を備えることを特徴とする、請求項５に記載の計測機構。

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