JP2017181293A - 耐久性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品が長期間の使用に耐えるか否かを適切に評価できる耐久性評価方法を提供する。
【解決手段】温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品Ｒの試験品Ｔ１を高温水ＨＷに浸漬させる高温浸漬工程Ａ１と、試験品Ｔ１を低温水ＬＷに浸漬させる低温浸漬工程Ａ３と、が含まれる温冷サイクルＣを、複数回Ｎ繰り返して実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品の耐久性を評価する耐久性評価方法に関する。

例えば、下記特許文献１に、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品の一例（特許文献１では「羽根車」）が記載されている。開発段階において、回転部品が長期間の使用に耐えるか否かを評価しておくことは、回転部品が組み込まれる装置（特許文献１では「循環ポンプ」）の信頼性を確保する上で重要となる。

従来では、回転部品は回転駆動して用いられるものであるため、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品についても、回転駆動の負荷による摩耗等の機械的劣化が主な原因となって長期間の使用により割れが生じると考えられていた。

そのため、従来の耐久性評価方法では、回転部品の試験品を長時間連続して回転駆動し続ける連続駆動試験や、試験品を回転駆動のオンとオフを繰り返し切り換えるオンオフ試験等の駆動試験を、要求される耐用期間に相当する分だけ行って、駆動試験において試験品に割れが生じるか否かにより回転部品の耐久性が評価されていた。

特開平７−４９０９９号公報

しかし、近年、従来の耐久性評価方法である上記のような駆動試験で推定された耐用期間よりも短い期間の使用で、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品に割れを生じた例が報告されるようになっている。
このため、従来の駆動試験による耐久性評価方法では、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品が長期間の使用に耐えるか否かを適切に評価できていないおそれがあった。

上記実状に鑑みて、本発明の目的は、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品が長期間の使用に耐えるか否かを適切に評価できる耐久性評価方法を提供することにある。

本発明による耐久性評価方法は、
温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品の試験品を高温水に浸漬させる高温浸漬工程と、前記試験品を低温水に浸漬させる低温浸漬工程と、が含まれる温冷サイクルを、複数回繰り返して実行することを特徴とする。

本発明の発明者は、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品に、従来の駆動試験で推定された耐用期間よりも短い期間の使用で割れが生じたという結果を考察し、このような回転部品の割れは、回転駆動の負荷による回転部品の機械的劣化のみが原因となって生じるのではなく、むしろ浸漬される水の温冷サイクルの繰り返しによる回転部品を構成する繊維強化樹脂の材料劣化が大きな原因となって生じるのではないかという新たな知見を得た。

そこで、上記のように、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品の試験品について温冷サイクルを複数回繰り返して実行するサイクル試験を行った結果、サイクル試験後の回転部品の試験品に、実際に長期間の使用により割れを生じた回転部品の回収品と同様の態様で割れを生じるケースが確認された。

なお、このような水の温冷サイクルの繰り返しにより繊維強化樹脂製の回転部品に割れが生じるメカニズムとしては、次のようなものが考えられる。回転部品を浸漬している水の温度変化が生じると、回転部品を構成する繊維強化樹脂において互いに熱膨張率の異なる樹脂部と繊維部とを接着している界面に熱応力が作用し、界面が剥離して微小なクラックが生じる。そして、このような水の温度変化の繰り返しにより、クラックの拡大が促進され、最終的に、従来の駆動試験で推定された耐用期間よりも短い期間の使用で回転部品に割れが生じる。

したがって、本発明のようなサイクル試験による耐久性評価方法を行うことにより、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品が長期間の使用に耐えるか否かを適切に評価できるようになった。

本発明において、
前記高温浸漬工程が、加圧環境下で水を加熱するように構成され、前記高温水の温度が、大気圧下の水の沸点以上の温度に設定されていると好適である。

本構成によれば、高温浸漬工程において、例えば高温水の温度が水の沸点未満に設定されている場合に比べて、繊維強化樹脂製の回転部品の試験品が材料劣化する速度を速めることができる。これにより、温冷サイクルの繰り返し回数を少なくでき、サイクル試験の試験期間を大幅に短縮することが可能となる。
また、高温浸漬工程では、加圧環境にして水を沸騰させないようにするので、サイクル試験において、回転部品の試験品に実際の使用環境と大きく異なる負荷がかかることを回避できる。

本発明において、
前記高温水の温度が、前記回転部品の耐熱温度未満の温度に設定されていると好適である。

本構成によれば、例えば回転部品の試験品を構成する繊維強化樹脂に含まれる繊維部が溶融する等の現象が生じないので、回転部品の試験品に実際の使用環境と大きく異なる負荷がかかることを回避できる。

本発明において、
前記低温水の温度が、水の凝固点よりも高い温度に設定されていると好適である。

本構成によれば、低温浸漬工程において低温水が凍ることがないので、回転部品の試験品に実際の使用環境と大きく異なる負荷がかかることを回避できる。

本発明において、
前記繊維強化樹脂が、ガラス繊維強化樹脂であると好適である。

本構成によれば、ガラス繊維強化樹脂は、上述のように推定された耐用期間と実際の耐用期間とのズレが大きい素材として知られている。これはガラス繊維が温水に溶出するために生じる強度低下によるものと推定される。このため、ガラス繊維強化樹脂製の回転部品の試験品について、上記のサイクル試験を行うことにより、従来のような駆動試験に行った場合よりも、回転部品の耐久性を適切に評価できるようになる。

本発明において、
前記回転部品が、循環ポンプ装置に組み込まれるインペラであると好適である。

本構成によれば、循環ポンプ装置に組み込まれるインペラは、給湯時における温水に浸漬された状態と長時間の非使用時における常温水に浸漬された状態とが繰り返し切り換わるものとなっている。このため、インペラについて上記のサイクル試験による耐久性評価を行っておくことにより、循環ポンプ装置の信頼性が向上され、ひいては、循環ポンプ装置が用いられるシステムの故障を招きにくくできる。

コージェネレーションシステムの概要を示す概要図である。 循環ポンプ装置を示す断面図である。 インペラの一部の断面を示す斜視図である。 耐久性評価方法としてのサイクル試験の各工程を示す工程図である。 耐久性評価方法としてのサイクル試験における温度変化を示す温度データ図である。 試験品の引張強さと回収品の引張強さとを対比して示すプロット図である。

以下、本発明の一例である実施形態を、図面に基づいて説明する。
本実施形態では、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の「回転部品」は、循環ポンプ装置Ｐに組み込まれるインペラＲである（図２参照）。図１に示すように、循環ポンプ装置Ｐは、例えば家庭用のコージェネレーションシステムＳに備えられる。

〔コージェネレーションシステムの概要〕
図１に示すように、コージェネレーションシステムＳには、発電機１０付きのエンジン１１で構成される熱電併給装置１２、熱交換を行う排熱式熱交換器１３、温水を循環させる循環路１４、循環路１４において温水を送出する上記の循環ポンプ装置Ｐ、循環路１４に上水を補給する給水栓１５、通水状態を切り換える三方弁１６、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯タンク１７、通水状態を切り換える四方弁１８、熱交換を行う機器用熱交換器１９等が備えられている。

このように構成されたコージェネレーションシステムＳでは、熱電併給装置１２におけるエンジン１１の駆動により発電機１０で発電される電力を電力系統２０に供給できる。

また、コージェネレーションシステムＳでは、熱電併給装置１２におけるエンジン１１を駆動している間は、排熱式熱交換器１３により排熱回収がなされて循環路１４の温水が温められ、循環ポンプ装置Ｐの駆動より循環路１４内に温水が通流する。循環路１４の温水は、四方弁１８の切り換え操作により、給湯機器２１へ供給したり、貯湯タンク１７に貯湯したり、機器用熱交換器１９側へ送出したりすることが可能となっている。また、循環路１４の温水の熱は、機器用熱交換器１９により、暖房や風呂等の熱機器２２へ供給できる。給湯機器２１から温水が外部に供給されると、給水栓１５から循環路１４に外部から上水が補給される。

一方、コージェネレーションシステムＳでは、エンジン１１を停止している場合には、発電機１０による発電が停止しており、循環路１４への排熱回収がなされずに、循環路１４の水の温度が外気温度に近い常温になる。

つまり、エンジン１１を停止している場合には、発電機１０による発電が停止しており、循環路１４に配置される循環ポンプ装置Ｐ内の水は常温になる。このため、コージェネレーションシステムＳに備えられる循環ポンプ装置Ｐ内の水は、温水と常温水との間で水に温度変化が生じるようになっている。

〔循環ポンプ装置の構成〕
図１に示される循環ポンプ装置Ｐは、例えば、図２に示されるようなディスク型のマグネットポンプにより構成されている。

図２に示されるように、循環ポンプ装置Ｐには、水の吸込口３０及び吐出口３１が設けられたケース３２、電動機３３、回転駆動部材３４、分離板３５、固定軸３６、軸受部材３７、上記のインペラＲ等が備えられている。

ケース３２内の空間は、分離板３５により、水の侵入が阻止される電動機室３９と、水を送出可能なポンプ室４０と、に分離されている。

回転駆動部材３４には、電動機３３の駆動シャフト４１に固定されるハウジング４２と、ハウジング４２に固定されてハウジング４２と一体回転する平板状の駆動用マグネット４３が固定されている。

固定軸３６は、分離板３５に中心部に締結固定されている。固定軸３６における分離板３５とは反対側の部分の端部は、ケース３２内に設けられた軸支え部４４に保持されている。インペラＲは、筒状の軸受部材３７を介して、固定軸３６に回転自在に支持されている。

インペラＲには、軸受部材３７の外周部に超音波接着により固定されるボス部４５と、ボス部４５の外周部側に形成される水を送出可能な羽根部４６と、羽根部４６における分離板３５側に固定される平板状の従動用マグネット４７と、が備えられている。

従動用マグネット４７は、駆動用マグネット４３と分離板３５を挟んで、対向するように配置されている。従動用マグネット４７と駆動用マグネット４３は、分離板３５を介して、磁気結合されている。

電動機３３の駆動により、駆動用マグネット４３が回転駆動されると、駆動用マグネット４３に磁気結合された従動用マグネット４７が一体的に回転し、これにより、軸受部材３７が固定軸３６上を摺動回転する態様で、軸受部材３７及びインペラＲが回転駆動され、回転駆動されるインペラＲの羽根部４６により、吸込口３０から吐出口３１に向けて水が送出される。

ここで、インペラＲの回転速度が増加すると、ケース３２による吸込口３０と吐出口３１との間に水圧差が生じ、インペラＲが、駆動用マグネット４３と従動用マグネット４７との磁気結合力に抗して、分離板３５とは反対側に移動しようとする。このため、このような水圧差を軽減するために、インペラＲにおける羽根部４６のボス部４５側に近い根本部分には、水圧を逃がすための孔部４９が、インペラＲの周方向に並べて複数設けられている。インペラＲにおける羽根部４６のボス部４５側に近い根本部分の周部には、孔部４９の一部を形成する直線状の切り欠き部４８が設けられている。

循環ポンプ装置Ｐの使用期間が長期間にわたるようになると、インペラＲの応力集中部となる切り欠き部４８（図２、図３参照）に沿ってクラックが生じる。このような切り欠き部４８におけるクラックが進展してゆくことにより、切り欠き部４８の延び方向に沿った割れが生じる。このように、インペラＲにそのような割れが生じると、循環ポンプ装置Ｐによる水の送出機能が失われ、図１に示されるコージェネレーションシステムＳの故障に至ることとなる。

〔インペラ等を構成する材料について〕
上記のインペラＲは、繊維強化樹脂（ＦＲＰ；Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｅｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）製となっている。さらに具体的には、インペラＲを構成する繊維強化樹脂は、ガラス繊維強化樹脂（Ｇ−ＦＲＰ；Ｇｌａｓｓ−Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｅｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）である。ガラス繊維強化樹脂は、例えば、樹脂部がポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ：ｍｏｄｉｆｉｅｄ−Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ）、繊維部がガラス繊維で構成されている。なお、軸受部材３７は、インペラＲとは異なる材料で構成されており、例えば炭素繊維樹脂製となっている。

〔耐久性評価方法としてのサイクル試験について〕
図４、図５に示すように、本実施形態による耐久性評価方法としてのサイクル試験は、循環ポンプ装置Ｐの実機に組み込まれるインペラＲの成形品である試験品Ｔ１について、温冷サイクルＣを、複数回Ｎ繰り返して実行するものである。１回の温冷サイクルＣには、高温浸漬工程Ａ１と、空冷工程Ａ２と、低温浸漬工程Ａ３と、が含まれている。１回の温冷サイクルＣは、高温浸漬工程Ａ１、空冷工程Ａ２、低温浸漬工程Ａ３の順に行われる。このサイクル試験で用いられる水は、循環ポンプ装置Ｐにおいて実際に用いられる水と同じ組成の水である。

図４に示すように、高温浸漬工程Ａ１は、インペラＲの試験品Ｔ１を高温水ＨＷに浸漬させる工程である。図５に示すように、高温浸漬工程Ａ１は、加圧環境下で水を加熱するように構成されている。高温水ＨＷの温度は、大気圧下の水の沸点（１００℃）以上の温度に設定されている。また、ガラス繊維強化樹脂製のインペラＲの耐熱温度は、約１４０℃となっており、高温水ＨＷの温度は、ガラス繊維強化樹脂製のインペラＲの耐熱温度未満の温度に設定されている。具体的には、高温水ＨＷの温度は、例えば約１２０℃に設定されている。また、高温水ＨＷの温度は、実際の使用環境における温水の温度よりも高い温度に設定されている。

図４に示すように、高温浸漬工程Ａ１では、オートクレーブ槽７０内の水に、ガラス繊維強化樹脂製のインペラＲの試験品Ｔ１を入れ、オートクレーブ槽７０を密閉して、加圧ポンプ７１でオートクレーブ槽７０内を加圧環境（例えば、０．４Ｍｐａ）にする。そして、オートクレーブ槽７０の外部を電気ヒータ７２により加熱し、温度計７３により検出されるオートクレーブ槽７０内の水の温度が設定温度の高温水ＨＷになるように温度管理される。高温浸漬工程Ａ１では、高温水ＨＷを沸騰させないようになっている。

図５に示すように、このような高温浸漬工程Ａ１の高温浸漬時間は、約２０時間とされる。高温浸漬工程Ａ１が完了すると、次に空冷工程Ａ２が行われる。

図４に示すように、空冷工程Ａ２は、冷風を発生させるスポットクーラ７４により、オートクレーブ槽７０を空冷し、オートクレーブ槽７０内の水を冷却する。これにより、オートクレーブ槽７０、オートクレーブ槽７０内の水、インペラＲを、取り扱いの支障のない温度まで冷却できる。

図５に示すように、このような空冷工程Ａ２の空冷時間は、約２時間とされる。空冷工程Ａ２が完了すると、次に低温浸漬工程Ａ３が行われる。

図４に示すように、低温浸漬工程Ａ３は、インペラＲの試験品Ｔ１を低温水ＬＷに浸漬させる工程である。図５に示すように、低温水ＬＷの温度は、水の凝固点（０℃）よりも高い温度である１℃に設定されている。これは、実際の使用環境における低温時の水の温度よりも低い温度となっている。

図４に示すように、低温浸漬工程Ａ３では、チラー７５により約１℃に温度管理された冷却槽７６内の低温水ＬＷにインペラＲが浸漬される。

図５に示すように、このような低温浸漬工程Ａ３の低温浸漬時間は、約２時間とされる。低温浸漬工程Ａ３が完了すると、次の温冷サイクルＣの高温浸漬工程Ａ１が行われる。

図５に示すように、サイクル試験における１回の温冷サイクルＣは、約２４時間（１日）で完了するようになっている。図４に示すように、サイクル試験は、このような温冷サイクルＣを、複数回Ｎ繰り返すものとなっている。複数回Ｎは、例えば約２５回〜約５０回である。

このようなサイクル試験を行った結果、ガラス繊維強化樹脂製のインペラＲの試験品Ｔ１に割れが生じたケースが確認された。割れの態様としては、図２、図３に示されるような応力集中部となる切り欠き部４８に沿った線状の割れが生じて、羽根部４６の根本部分が軸受部材３７と分離するものとなった。

〔サイクル試験の期間について〕
図６に示すように、耐久性評価方法としてのサイクル試験が完了した試験品Ｔ１と、実際に使用されたインペラＲの回収品Ｔ２と、について引張試験を行い、実際の使用期間とサイクル試験の期間の対応関係を明らかにした。

図６において、下側の横軸は、試験品Ｔ１について行ったサイクル試験の試験時間を示し、上側の横軸は、回収品Ｔ２の使用期間（使用年数）を示し、縦軸は、引張試験における破断時の引張強さを示している。

この結果から、耐久性評価方法としてのサイクル試験では、実際の使用よりも、約６５倍の速度で、インペラＲの強度低下（材料劣化による割れ）を生じさせることが可能であることがわかった。すなわち、サイクル試験は、目的とする耐用期間の約６５分の１の期間で完了するものとなる。

よって、耐久性評価方法としてのサイクル試験を通じて、新たに設計されたインペラＲが、長期間の使用の後に割れが生じる否かを比較的短期間で評価可能となる。このため、このような耐久性評価方法としてのサイクル試験を用いることにより、限られた開発期間の中で、より耐久性の高いインペラＲを改良可能となり、信頼性の高い循環ポンプ装置Ｐを開発可能となり、ひいては、故障の生じにくいコージェネレーションシステムＳを構成できるようになる。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態について説明する。下記の各別実施形態は、上記実施形態の一部を変更したものである。上記実施形態と下記の各別実施形態とは、矛盾が生じない限り、選択的に複数組み合わせることが可能である。なお、本発明の範囲は、これら実施形態で例示している内容に限定されるものではない。

（１）上記実施形態では、高温浸漬工程Ａ１が、加圧環境下で水を加熱するように構成され、高温水ＨＷの温度が、大気圧下の水の沸点以上の温度に設定されているものが例示されているが、これに限られない。例えば、高温浸漬工程Ａ１が、オートクレーブ槽７０等を用いずに、大気圧下で水を加熱するように構成され、高温水ＨＷの温度が、大気圧下の水の沸点未満の温度に設定されているものであってもよい。

（２）上記実施形態では、低温水ＬＷの温度が、１℃に設定されているものが例示されているが、これに限られない。例えば、低温水ＬＷの温度は、水の凝固点（０℃）よりも高い温度であればよく、１℃を超える温度であってもよい。

（３）上記実施形態では、サイクル試験における温冷サイクルＣを繰り返す回数である複数回Ｎとして約２５回〜約５０回を例示しているが、これに限られない。サイクル試験の高温浸漬工程Ａ１や低温浸漬工程Ａ３の試験条件によりの複数回Ｎは、適宜の回数に設定される。

（４）上記実施形態では、１回の温冷サイクルＣが、高温浸漬工程Ａ１、空冷工程Ａ２、低温浸漬工程Ａ３の順で行われるものが例示されているが、これに限られない。例えば、低温浸漬工程Ａ３、高温浸漬工程Ａ１、空冷工程Ａ２の順で行われる温冷サイクルであってもよい。

（５）上記実施形態では、温冷サイクルＣに、空冷工程Ａ２が含まれているものが例示されているが、これに限られない。例えば、空冷工程Ａ２がなく、高温浸漬工程Ａ１と低温浸漬工程Ａ３のみが含まれる温冷サイクルであってもよい。

（６）上記実施形態では、サイクル試験で用いられる水が、循環ポンプ装置Ｐにおいて実際に用いられる水と同じ組成の水であるものが例示されているが、これに限られない。例えば、サイクル試験で用いられる水が、循環ポンプ装置Ｐにおいて実際に用いられる水とは異なる組成の水、例えば、実際に用いられる水に添加物を加えた水や、実際に用いられる水よりも含まれる不純物が少ない水等であってもよい。

（７）上記実施形態では、「回転部品」として循環ポンプ装置Ｐに組み込まれるインペラＲを例示したがこれに限られない。例えば、温度変化する水中で回転駆動して用いられる「回転部品」であれば、他の装置に組み込まれる回転駆動軸等の他の「回転部品」であってもよい。

（８）上記実施形態では、「繊維強化樹脂」として、ガラス繊維強化樹脂が例示されているが、これに限られない。例えば、炭素繊維強化樹脂、ケブラー繊維強化樹脂、ダイニーマ繊維強化樹脂等の他の「繊維強化樹脂」であってもよい。

本発明は、温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品が長期間の使用に耐えうるか否かの評価に利用できる。

Ａ１ ：高温浸漬工程
Ａ３ ：低温浸漬工程
Ｃ ：温冷サイクル
ＨＷ ：高温水
ＬＷ ：低温水
Ｎ ：複数回
Ｐ ：循環ポンプ装置
Ｒ ：インペラ（回転部品）

Claims (6)

1. 温度変化する水中で回転駆動して用いられる繊維強化樹脂製の回転部品の試験品を高温水に浸漬させる高温浸漬工程と、前記試験品を低温水に浸漬させる低温浸漬工程と、が含まれる温冷サイクルを、複数回繰り返して実行する耐久性評価方法。
2. 前記高温浸漬工程が、加圧環境下で水を加熱するように構成され、前記高温水の温度が、大気圧下の水の沸点以上の温度に設定されている請求項１に記載の耐久性評価方法。
3. 前記高温水の温度が、前記回転部品の耐熱温度未満の温度に設定されている請求項１または２に記載の耐久性評価方法。
4. 前記低温水の温度が、水の凝固点よりも高い温度に設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐久性評価方法。
5. 前記繊維強化樹脂が、ガラス繊維強化樹脂である請求項１〜４のいずれか一項に記載の耐久性評価方法。
6. 前記回転部品が、循環ポンプ装置に組み込まれるインペラである請求項１〜５のいずれか一項に記載の耐久性評価方法。

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