JP2016075612A - Measurement device of mechanical characteristic in high pressure gas - Google Patents
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Description
本発明は、高圧ガス中において金属、セラミックス、樹脂などからなる材料の機械的特性を測定する測定装置に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus for measuring mechanical properties of a material made of metal, ceramics, resin, or the like in high-pressure gas.
高圧ガス中では、金属、セラミックス、樹脂などからなる材料の機械的特性が変化することが知られている。例えば高圧水素ガス中では、鋼材はいわゆる水素脆性により強度が低下することが知られている。 In high-pressure gas, it is known that the mechanical properties of materials made of metal, ceramics, resin, and the like change. For example, in high-pressure hydrogen gas, it is known that the strength of steel materials decreases due to so-called hydrogen embrittlement.
一方近年では、燃料電池や製鉄分野などにおいて水素ガスの使用が種々検討されている。水素ガスを用いるためには、水素ガスを高圧で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、高圧であれば容器材料へのガスの侵入量も増えるため、更に亀裂に対する対策が必要となる。 On the other hand, in recent years, various studies have been made on the use of hydrogen gas in the fields of fuel cells and iron making. In order to use hydrogen gas, a container that stably stores hydrogen gas at high pressure is required. However, if hydrogen gas is present, crack propagation of the container tends to be accelerated, and if it is high pressure, gas can enter the container material. As the amount increases, further countermeasures against cracks are required.
また、金属の腐食等の現象を介して機械的特性に影響を与えるガスとしては、硫化水素などが知られている。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。 Further, hydrogen sulfide or the like is known as a gas that affects mechanical properties through phenomena such as metal corrosion. It is also necessary for designing the structure to accurately grasp the characteristics of the material in the gas such as hydrogen sulfide.
このように、各種の高圧ガス中における材料の機械的特性を精度良く測定することは重要であり、そのためには特別な装置が必要となる。かかる装置に関し、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機械的特性を測定する装置が開示されている。これら装置では、試験片は高圧ガスが充填された圧力容器の内部に保持され、試験片の一端に取付具を介して設けられた荷重測定棒が圧力容器外に配置された荷重計に連結されている。そのため、これら装置では、圧力容器を貫通する荷重測定棒の部分に容器内の高圧雰囲気を維持するためのOリングなどのシール部材が必要となる。しかし、シール部材で荷重測定棒に摩擦力が作用するため、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。 Thus, it is important to accurately measure the mechanical properties of materials in various high-pressure gases, and a special device is required for this purpose. With respect to such an apparatus, Patent Documents 1 and 2 disclose apparatuses for measuring mechanical characteristics by introducing gas into a high-pressure vessel containing a test piece. In these devices, the test piece is held inside a pressure vessel filled with high-pressure gas, and a load measuring rod provided at one end of the test piece via a fitting is connected to a load meter arranged outside the pressure vessel. ing. Therefore, in these apparatuses, a seal member such as an O-ring for maintaining a high-pressure atmosphere in the container is required at the portion of the load measuring rod that penetrates the pressure container. However, since the frictional force acts on the load measuring rod with the seal member, the load value measured by the load meter placed outside the pressure vessel is the load acting on the test piece and the friction acting on the load measuring rod at the seal part. As a result, it is difficult to accurately measure the load that is purely acting on the specimen.
一方、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、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荷重を直接測定する手段が、特許文献4にはセンサー類がガスにふれることなく高圧容器の内部に作用する荷重を測定する手段が開示されている。 On the other hand, as a technique for avoiding friction at the seal portion and detecting the load inside the container, Patent Document 3 discloses a means for directly measuring the load by disposing a strain gauge type load cell inside the high-pressure container. No. 4 discloses a means for measuring a load acting on the inside of the high-pressure vessel without touching the gas with the sensors.
しかしながら、特許文献3の方法においては、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、歪ゲージ自体がガスの影響を受けないことを保証する必要がある。また、特許文献4の方法は、高圧容器を非常に高いガス圧に耐える構造とした場合、ひずみや変位の絶対値が小さく、十分な荷重測定精度が得られない可能性がある。 However, in the method of Patent Document 3, since the strain gauge as a sensor is installed inside the high-pressure gas container, it is necessary to ensure that the strain gauge itself is not affected by the gas. Moreover, when the method of patent document 4 makes a high pressure container the structure which can bear very high gas pressure, the absolute value of a distortion and a displacement is small and sufficient load measurement accuracy may not be obtained.
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測定する測定装置において、試験片に作用する荷重を、シール部の摩擦力やガスの影響を受けずに高精度に測定できる測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such points, and in a measuring device for measuring the mechanical properties of a test piece in high-pressure gas, the load acting on the test piece is influenced by the frictional force of the seal part and the influence of gas. An object of the present invention is to provide a measuring apparatus capable of measuring with high accuracy without receiving.
上記課題を解決する本発明は、試験片の機械的特性を測定する測定装置であって、試験片が収納され、内部に高圧ガスが導入される容器と、前記容器に挿入され、試験片に負荷される荷重を測定する測定機構と、前記容器と前記測定機構との隙間を封止するシール部材とを備え、前記測定機構は、試験片に荷重を負荷する負荷棒と、前記負荷棒を内部に収納する外筒部と、前記負荷棒上部に内部が空洞となる内部空洞部材を有し、前記内部空洞部材の内部に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測定装置が提供される。 The present invention that solves the above problems is a measuring device for measuring the mechanical properties of a test piece, in which a test piece is housed and a high-pressure gas is introduced inside, and the test piece is inserted into the container. A measurement mechanism for measuring a load to be applied; and a seal member for sealing a gap between the container and the measurement mechanism, the measurement mechanism including a load rod for applying a load to a test piece, and the load rod. Provided is a measuring apparatus comprising an outer cylinder portion housed inside, an internal cavity member having a hollow inside at an upper portion of the load rod, and a sensor member for measuring a load inside the internal cavity member. Is done.
この測定装置においては、センサー部材で測定されるひずみをより大きくし、より高精度な測定を可能とする目的で、前記内部空洞部材を鉄鋼材料よりもヤング率の低い材料、例えばアルミ合金やチタン合金とすることが好ましい。 In this measuring apparatus, the internal cavity member is made of a material having a lower Young's modulus than a steel material, for example, an aluminum alloy or titanium, for the purpose of increasing the strain measured by the sensor member and enabling more accurate measurement. An alloy is preferable.
また、高精度な測定を可能とする目的で、前記内部空洞部材の内圧を調節する内圧調節機構をもたせてもよい。内圧調節機構の一例としては、外部から内部空洞部材の内部にガス(例えば内部のセンサー等に影響を与えない窒素やアルゴン等の不活性ガス等)を導入する機構がある。空洞部材の内部を加圧することで、試験片収納容器内部の高圧力による変形を抑制することができるため、内部空洞部材により薄い材料を使用することができ、センサー部材で測定されるひずみをより大きくし、より高精度な測定が可能となる。 For the purpose of enabling highly accurate measurement, an internal pressure adjusting mechanism for adjusting the internal pressure of the internal cavity member may be provided. As an example of the internal pressure adjusting mechanism, there is a mechanism for introducing a gas (for example, an inert gas such as nitrogen or argon which does not affect the internal sensor or the like) from the outside into the internal cavity member. By pressurizing the inside of the hollow member, deformation due to high pressure inside the test specimen storage container can be suppressed, so that a thinner material can be used for the inner hollow member, and the strain measured by the sensor member can be further reduced. Larger and more accurate measurement is possible.
本発明の測定装置にあっては、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、試験片を収納している密閉空間に負荷棒を置くことができる。そして、密閉空間に置いた負荷棒によって試験片に対して負荷される荷重を、負荷棒上部にある内部空洞部材の内部に設けられたひずみゲージからなるセンサー部材により、ガスの影響を受けずに高精度に測定することができる。 In the measuring apparatus of the present invention, the load rod is placed in the sealed space containing the test piece by connecting the sealed outer space to the sealed space containing the test piece. Can do. The load applied to the test piece by the load rod placed in the sealed space is not affected by gas by the sensor member consisting of a strain gauge provided inside the internal cavity member above the load rod. It can be measured with high accuracy.
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。 Embodiments of the present invention will be described below. In the present specification and drawings, elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1に示すように、本発明の実施の形態にかかる測定装置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。
As shown in FIG. 1, in the measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, a
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、測定機構15が挿入されている。この測定機構15により、容器10内に収納された試験片aに負荷される荷重Fの大きさが測定される。更に、測定機構15の上方には、測定機構15を介して試験片aに荷重を負荷する荷重装置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により負荷される荷重Ftと試験片aに負荷される荷重Faは、シール部材30と外筒部21の間に働く摩擦力Ffの分だけ異なる。
A
本発明の実施の形態にかかる測定機構15は、図2に示すように棒形状の負荷棒20と、この負荷棒20を内部に収納した外筒部21を有している。負荷棒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。負荷棒20の上部には内部空洞部材23があり、さらにその上部には外筒部21の上端21bがある。
As shown in FIG. 2, the
内部空洞部材23の下端23aと負荷棒20の上端20bおよび、内部空洞部材23の上端23bと外筒部21の上端21bは接着、溶接、ねじ等の手段で接合されており、内部空洞部材23と外筒部21は23bと21bのみが接触している。また、負荷棒20は、上端20bが内部空洞部材23を介して外筒部上端21bに接触する以外は、外筒部21と一切接触しない構造とする。このため、試験片aに荷重を負荷する際には、外筒部21の内部において、負荷棒20が外筒部21の内側面に接触することがない。なお、内部空洞部材23と負荷棒20および内部空洞部材23と外筒部21を同一材質にて作製する場合は、少なくともどちらかを一体の構造としても良い。
The
内部空洞部材23内部には空間24があり、内部空洞部材23の内側面には、負荷棒20が試験片aに負荷する荷重Fa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などが利用できる。
There is a
図1に示すように、測定機構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、測定機構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リング等のシール部材30が取り付けられる。このシール部材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。
As shown in FIG. 1, the
また、このように測定機構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負荷棒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、測定機構15の上方から荷重装置16によって荷重が負荷されると、負荷棒20を介して試験片aに荷重が負荷されることとなる。
Further, by inserting the
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に負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。
Thus, the strength test of the test piece a is performed in the high-pressure hydrogen gas atmosphere in the sealed
ここで、荷重装置16により負荷される荷重Ftと、試験片aに負荷される荷重Faと、シール部材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により負荷された荷重Ftに対して、シール部材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により負荷される荷重Ftによって試験片aに負荷される荷重Faを正確に求めることはできない。しかるに、この測定装置1にあっては、センサー部材25により、負荷棒20と外筒部21との間に作用する荷重として、試験片aに負荷される荷重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。
Here, the load Ft loaded by the
ここで、内部空洞部材23そのものは、高圧水素ガスにはさらされるものの、水素ガスを封入することを目的とした部材ではないため、設計で想定する高圧水素ガスの圧力と試験片に負荷する荷重に耐えるだけの板厚があれば良い。一方、(特許文献4など)高圧水素ガスを封入することを担う場合には、圧力に対して一定の安全率(圧力容器の設計においては通常4)を見込んで設計する必要があり、本発明の方法に対し大きな板厚が必要となり、歪の測定精度が低下する。
Here, the
さらに、内部空洞部材23に使用する材料として、鉄鋼材料よりもヤング率の低いアルミ合金やチタン合金を使用することにより、同じ荷重が負荷された場合の内部空洞部材23の側壁23cに生じる変形を大きくすることができる。これにより、同じ荷重が負荷された場合にセンサー部材25でより大きな変形を検知できることになり、より高精度の荷重測定をすることが可能である。
Further, by using an aluminum alloy or a titanium alloy having a Young's modulus lower than that of the steel material as a material used for the
また、内部空洞部材23内部の空間24に外部から不活性ガス等を導入することにより内圧を調節するような内圧調節機構をそなえることにより、容器10内の空間12に導入されたガスの圧力と空間24との圧力差を軽減することができ、容器10内の空間12に導入されたガスの圧力に耐えるために必要な内部空洞部材23の側壁23cの板厚を薄くすることが可能になる。これにより、同じ荷重が負荷された場合にセンサー部材25でより大きな変形を検知できることになり、より高精度の荷重測定をすることが可能である。
Further, by providing an internal pressure adjusting mechanism that adjusts the internal pressure by introducing an inert gas or the like into the
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。 As mentioned above, although an example of embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to this form. It is obvious for those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims. It is understood that it belongs to.
この測定装置1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。
The measuring device 1 can perform various strength tests on the test piece a. For example, the fatigue test can be performed by repeatedly applying a load to the test piece a by the
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。 The present invention is useful for testing the mechanical properties of test pieces in high-pressure gas.
a 試験片
1 測定装置
10 容器
11 穴
12 密閉空間
13 支持部
15 測定機構
16 荷重装置
20 負荷棒
21 外筒部
23 内部空洞部材
24 空間
25 センサー部材
30 シール部材
a Test piece 1
Claims (5)
試験片が収納され、内部に高圧ガスが導入される容器と、
前記容器に挿入され、試験片に負荷される荷重を測定する測定機構と、
前記容器と前記測定機構との隙間を封止するシール部材とを備え、
前記測定機構は、
試験片に荷重を負荷する負荷棒と、
前記負荷棒を内部に収納する外筒部と、
前記負荷棒上部に内部が空洞となる内部空洞部材を有し、
前記内部空洞部材の内部に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測定装置。 A measuring device for measuring the mechanical properties of a test piece,
A container in which a test piece is stored and a high-pressure gas is introduced inside;
A measuring mechanism that is inserted into the container and measures a load applied to the test piece;
A seal member for sealing a gap between the container and the measurement mechanism;
The measurement mechanism is
A load bar for applying a load to the test piece;
An outer tube portion that houses the load rod therein;
An internal cavity member having an internal cavity at the top of the load rod;
A measuring apparatus comprising a sensor member for measuring a load inside the internal cavity member.
The measuring apparatus according to claim 1, wherein the internal cavity member is formed integrally with at least one of the load rod and the outer cylinder portion.
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