JP4700979B2 - 物品を動的に圧力試験するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、物品を動的に圧力試験するための装置及び方法に関し、詳細には、その物品の実際の用途において苛性又は腐食性流体に暴露される物品に動的圧力をシミュレートする試験装置及び方法に関する。

物品、例えば様々な用途で使用する圧力トランスデューサの動的圧力試験は公知である。動的圧力試験は一般に、複数の時間依存サイクルを受ける場合の物品（例えば圧力トランスデューサ）の寿命を試験するために使用される。多くの異なる形式の動的圧力試験装置が使用されてきた。例えば、衝撃波管試験は、薄いダイアフラムによって隔てられた管体の２つの区域を提供する。各管体区域に差圧が加えられてダイアフラムが破裂すると、その結果として圧力衝撃波が発生する。衝撃波管動的圧力試験の欠点は、試験が複雑であること、及び該試験の設定が困難であり、１サイクルのみに限定され、且つ試験中は液体流動媒質を用いることができず、衝撃波がガス温度を上昇させる。無衝撃圧力段階発生器は、動的圧力パルスを発生させるために急開弁を使用する。しかしながら、この形式の発生器は、弁の開放によって機械的に制限され、高い周波数（すなわち１秒当たりのサイクル数）のパルスに到達することができない。パルス発生器は一般に、一定容積内に収容される非圧縮性流体と接触するピストンに加える質量体を使用する。しかしながら、この形式の発生器は、単一ステップ応答、即ち１サイクルに制限される。また、加震機のアーマチュア上に装着された流体充填管を使用して動的圧力を発生させる加震機ベースのシステムがある。しかしながら、加震機ベースのシステムは一般に大きくて扱いにくく、大きな圧力変位のために強力な加震機を必要とし、これら自体によって管理される最大動作温度を有する。
米国特許第4419881号明細書 米国特許第4499751号明細書 米国特許第5665919号明細書 米国特許第5677480号明細書 米国特許第6694803号明細書

ピストンフォンは、シリンダ内のピストンを使用して正弦波圧力変動を発生させる。この形式の装置は一般に、マイクロフォンのような音響センサに使用されるが、該ピストンフォンは低周波数及び小振幅に制限される。最後に、サーボバルブは一般に、油圧システムを使用して能動構成要素を制御する。圧力は、外部ポンプによって生成され、バイアスされた交番信号をサーボバルブに印加することによって動的に制御される。この信号は、サーボバルブの内部で機械的部材を移動させて、様々なポートを介して作動流体を配向してシャトルバルブを制御する。最終的な結果として出力における動的圧力信号が得られる。

これらの動的圧力システムは、多くの用途において振幅及び周波数要件に適合しない場合が多い。更に、多くの物品は、使用中に苛性又は腐食性流体に曝される。苛性又は腐食性流体によって生じる組合せ応力並びに物品が使用中に曝される圧力変動は、従来の動的圧力試験では通常考慮されなかった応力である。同様に、特定の用途において、短い時間期間での極めて多数の圧力サイクル（例えば４０日未満で１０億サイクル）に対して動的圧力試験の妥当性を保障する必要性が存在する。

本発明の態様によれば、動的圧力試験装置及び動的圧力試験の方法が提供され、該試験は、有意な周波数範囲、特に高周波数で行うことができ、試験されている物品が苛性又は腐食性流体及びこれによって引き起こされる応力に同時に曝された状態で実施することができる。好ましい実施形態においては、相対的に摺動可能なピストンを有する第１のシリンダが、加震機テーブル又は他の適当な振動発生器上に装着され、これによって圧力パルスがピストン及びシリンダと接触している第１の流体中に発生される。第２の固定ハウジング或いはシリンダは、第１の流体と流体連通しており、第１の流体内に発生された圧力パルスに応答して固定ハウジング或いはシリンダと相対移動可能なピストンを含む。試験されている物品は、第２のピストンとも同様に連通する第２の流体、例えば苛性又は腐食性流体と連通しており、これによって第１の流体によって発生された圧力パルスは第２のピストン及び第２の流体を介して試験されている物品に伝達される。物品が苛性又は腐食性の第２の流体と接触して第２の流体の圧力パルスに曝されている状態では、選択された周波数及び振幅、並びに試験装置の材料によってのみ制限される温度下で動的圧力試験を進めることができる。その上、例えば第１のピストンに質量を付加又は除去することによって第１のピストンの質量を変更し、発生された圧力パルスの振幅及び共振周波数を所望通りに変えることができる。例えば、圧力は、約１００Hzから約４００Ｈｚの間の周波数の２０から２００ｐ．ｓ．ｉ．以上の範囲のこの試験設定で発生させることができる。この形式の設定によって、制限された時間フレームでの多数のサイクル（例えば、およそ数週間に１０億サイクル）にわたり、所望の共振周波数で腐食性流体を使用する動的圧力試験が可能となる。

本発明の好ましい実施形態においては、物品を動的に圧力試験する装置が提供され、第１の流体を収容する第１のシリンダと、第１の流体と接触し、第１のシリンダ内で移動可能な第１のピストンと、第１のシリンダ及び第１のピストンを装着し、第１のシリンダ及び第１のピストンを振動させて第１の流体に圧力パルスを発生させる加震機テーブルと、第１の流体と連通する第２の流体シリンダであって、第２のシリンダ及び第２のシリンダによって移動可能に支持された第２のピストンが加震機テーブルとは独立して装着されており、第２のピストンが一方の側部で第１の流体と接触しており、発生した圧力パルスが第２のピストンを振動させることが可能な第２の流体シリンダと、一方の側部とは反対側の側部で第２のピストンと接触し、第２のピストンの振動運動によって発生された圧力パルスを受けて、第２の流体と接触して動的圧力試験されている物品に第２の圧力パルスを伝達する第２のシリンダ内の第２の流体と、を含む。

本発明の好ましい実施形態においては、物品を動的に圧力試験する装置が提供され、第１の流体を収容する第１のシリンダと、第１の流体と接触し、第１のシリンダ内で移動可能な第１のピストンと、第１のシリンダ及び第１のピストンを振動させて第１の流体に圧力パルスを発生させる手段と、第１の流体と連通する第２の流体シリンダであって、第２のシリンダと該第２のシリンダによって移動可能に支持された第２のピストンとが振動手段とは独立して装着されており、この第２のピストンが一方の側部で第１の流体と接触することにより、発生した圧力パルスが第２のピストンを振動させることが可能な第２の流体シリンダと、第２のピストンの一方の側部とは反対側の側部で第２のピストンと接触し、第２のピストンの振動運動によって発生された圧力パルスを受けて、第２の流体と接触して動的圧力試験されている物品に第２の圧力パルスを伝達する第２のシリンダ内の第２の流体とを含む。

本発明による好ましい実施形態において装置が提供される。

次に図面、特に図１を参照する。全体が符号１０で指定された本発明の好ましい態様による動的圧力試験装置が概略的に示されている。装置１０は、垂直に配向された流体シリンダ１２及びピストン１４を含む。図示されたように、ピストン１４は、シール１６によってシリンダ１２内部にシールされており、流体１８は、ピストン１４の下のシリンダ１２内に配置されている。このシリンダ１２は、好ましくは加震機テーブル２０上に配置される。加震機テーブル２０は、従来の加震機テーブル、例えばＭ＆Ｂ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｃａｌ ５０で特定される加震器を含むことができ、好ましくは垂直に配向された方向に振動して、加震機テーブルに固定されたシリンダ１２を振動させることができる。振動を発生させる従来の任意の他の装置を加震機テーブルの代わりに用いてもよい点は理解されるであろう。

装置１０はまた、第２のシリンダ２４の一部を支持又は形成するハウジング２２を含む。第２のピストン２６もまた、シリンダ２４によって支持される。ピストン２６は、シール２８によってシリンダ２４の壁にシールされ、一方の端部で流体１８と接触している。ピストン２６の反対側の端部は、シリンダ２４内部にあるチャンバ３２の流体３０と接触している。流体３０は、苛性又は腐食性流体とすることができる。従って、シリンダ２４及びピストン２６及びシール２８は、苛性流体３０と媒質相溶性を有する材料から構成されている。チャンバ３２のピストン２６から相対する端部に、試験される物品３４がある。物品３４は、好ましくはハウジング２２に固定される。物品３２の実施例は、苛性環境中で圧力を計測する圧力トランスデューサである。

要求されて発生することになる圧力パルスの振幅及び周波数に応じてピストンに重みを付けるため、１つ又はそれ以上の個別の質量体又は錘３６を、上端部、すなわちピストン１４の露出された端部上に配置することができる。加震機テーブル２０を垂直振動モード又は少なくとも垂直振動成分を有するように作動させることによって、シリンダ１２及び錘が付けられたピストン１４が、流体１８中に振動的圧力パルスを発生させることは理解されるであろう。この振動パルスは、半剛体接続３８により固定ハウジング２２に伝達されて、ハウジング２２内部でピストン２６を振動させるよう機能する。シリンダ２２内部でのピストン２６の振動は、苛性又は腐食性流体３０を通って試験されている物品（例えば圧力トランスデューサ）の感知面に伝達される。

次に図２から図４を参照すると、本発明の特定の好ましい実施形態が示されている。図２においては、シリンダ１２は、加震機テーブル２０上に装着されて示される。ピストン１４は、能動部品、すなわち一対のシール１６を保持する下部ステム３６（図３及び図４）であって、このステム及びシールはシリンダ１２のシリンダ開口内に受けられている。またピストン１４は、ピストンネジ４２を受入れる、好ましくは直径方向で相対する一対の開口４０を含む。このネジ４２は、開口４０内に受けられ、シリンダ１２内で雌ネジ付き開口４４に螺入される。バネ４６（図３及び図４）もまた、バネの下端部上のフランジと複数の錘の内の第１の錘３６との間でピストン１４内に配置される。ネジ４２とバネ４６とは、ピストン１４をシリンダ１２に固定する役割を果たし、同時にピストンが加震機テーブルに応答して振動することができるようにする。錘３６は、ネジ付きナット４６を用いてピストン１４から上方に突出するステム４５上に固定することができる。シリンダ１２中の流体１８はまた、半剛体ライン３８を介してハウジング２２と連通する。このハウジング２２は、Ｏリングシール２８によってチャンバ内に適切にシールされたピストン２６を受けるシリンダチャンバを含む。更に、ハウジング２２の上側部分は、例えば圧力トランスデューサである物品３４を試験装置に固定するため該トランスデューサの一部とネジ係合する雌ネジ５０を有する。物品３４は、チャンバ３２内の流体に暴露されている感知面（図示せず）を有する。

この動作は、図１の概略図に関して上記に説明された動作と同様である。選択された１つ又はそれ以上の錘３６は、次式、
ｐ＝ｍａ／Ａ
（式中、ｐは発生する圧力、ｍは錘及びピストンの質量、ａは振動に対する加速度応答、Ａは流体１８と接触しているピストン１４の表面積）に従って部分的に動的圧力を発生するよう機能する。発生した圧力パルスが、ピストン２６に伝達されることによって、例えば苛性又は腐食性流体である第２の流体３０に伝達される。従って、この伝達された圧力パルスは物品３２の感知面に加えられる。この好ましい実施形態において、ピストンシリンダの直径及び錘は、所望の圧力を発生させるよう要求通りに変更できることは理解されるであろう。例えば、共振周波数を得るのに１００から４００Ｈｚ、好ましくは約３００Ｈｚで機器を運転した状態で２０から２００ｐ．ｓ．ｉ．の圧力範囲により、試験装置は、試験されている圧力トランスデューサ３２に２又は３週間の限定時間期間にわたって１０億圧力サイクル以上を加えることができるようになる。より具体的には、例えば、共振時に３００Ｈｚで振動するシステムでは、２ポンド質量の錘及び０．１平方インチのピストン面積及び振動による１０ｇの加速度を使用することによって、２０から２００ｐ．ｓ．ｉ．の圧力スイングを発生させることができる。３００Ｈｚの連続運転では、４０日に満たずに１０億サイクルを達成することができる。従って、試験装置は、広範な圧力にわたって動作可能であり、試験装置材料の温度限界だけに制約される任意の要求温度で使用することができる。試験装置は、圧力波を伝達できる殆どの流体媒質に対応することができ、特に苛性又は腐食性流体、並びに広範な圧力及び周波数に曝されることになる試験物品に対して有用である。

本発明を現在のところ最も実際的で好ましい実施形態とみなすことができるものに関連して説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の特許請求の範囲の精神及び範囲内に包含される様々な修正及び均等な構成を含むことが意図されることを理解すべきである。

本発明の好ましい態様による動的圧力試験装置の概略図。 動的圧力試験装置の斜視図。 動的圧力試験装置の断面図。 試験装置の一部分の拡大断面図。

符号の説明

１２ 第１のシリンダ
１４ 第１のピストン
２２ 固定ハウジング
２６ 第２のピストン
３０ 苛性流体
３４ 物品
３８ 半剛体ライン

Claims (10)

1. 物品を動的に圧力試験する装置であって、
   第１の流体（１８）を収容する第１のシリンダ（１２）と、
   前記第１の流体と接触し、前記第１のシリンダ内で移動可能な第１のピストン（１４）と、
   前記第１のシリンダ（１２）及び前記第１のピストン（１４）を装着して、該第１のシリンダ及び前記第１のピストンを振動させて前記第１の流体に圧力パルスを発生させる加振機テーブル（２０）と、
   前記第１の流体（１８）と連通する第２の流体シリンダ（２２）であって、前記第２のシリンダと該第２のシリンダによって移動可能に支持された第２のピストン（２６）とが前記加震機テーブルとは独立して装着されており、前記第２のピストンが一方の側部で前記第１の流体と接触することにより、発生した圧力パルスが前記第２のピストンを振動させることが可能な第２の流体シリンダと、
   前記第２のシリンダ内の第２の流体（３０）と
   を含み、
   前記第２の流体（３０）は、前記一方の側部とは反対側の側部で前記第２のピストンと接触し、前記第２のピストンの振動運動によって発生された圧力パルスを受けて、該第２の流体と接触して動的圧力試験されている物品（３４）に前記第２の圧力パルスを伝達する
   ことを特徴とする、装置。
   
2. 前記第１のピストン上に装着された所定規模の錘（３６）を含む請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のピストン（１４）上に選択的に装着して前記発生された圧力パルスの大きさを変更するための複数の個別の錘（３６）を含む請求項１に記載の装置。
4. 前記第２の流体（３０）が苛性又は腐食性流体であり、前記第２のピストン（２６）が前記第１（１８）及び第２の流体（３０）を互いに密閉するシール（２８）を含む請求項１に記載の装置。
5. 前記第２のシリンダ（２２）が前記物品を装着する手段（５０）を含む請求項１に記載の装置。
6. 前記第１のシリンダに固定された少なくとも１つのロッド（４２）と、前記ロッドと前記ピストンとの間で協働して前記第１のピストンと前記第１のシリンダとの間で相対的振動を可能にするバネ（４６）とを含む請求項１に記載の装置。
7. 物品（３４）を動的に圧力試験するための装置であって、
   第１の流体（１８）を収容する第１のシリンダ（１２）と、
   前記第１の流体と接触し、前記第１のシリンダ内で移動可能な第１のピストン（１４）と、
   前記第１のシリンダ及び前記第１のピストンを振動させて前記第１の流体（１８）に圧力パルスを発生させる手段（２０）と、
   前記第１の流体（１８）と連通する第２の流体シリンダ（２２）であって、前記第２のシリンダと該第２のシリンダによって移動可能に支持された第２のピストン（２６）とが前記圧力パルスを発生させる手段とは独立して装着されており、前記第２のピストンが一方の側部で前記第１の流体と接触することにより、発生した圧力パルスが前記第２のピストンを振動させることが可能な第２の流体シリンダと、
   前記第２のシリンダ内の第２の流体（３０）と
   を含み、
   前記第２の流体（３０）は、前記一方の側部とは反対側の側部で前記第２のピストンと接触し、前記第２のピストンの振動運動によって発生された圧力パルスを受けて、該第２の流体と接触して動的圧力試験されている物品（３４）に前記第２の圧力パルスを伝達する
   ことを特徴とする、装置。
8. 前記第１のピストン（１４）上に装着された所定規模の錘（３６）を含む請求項７に記載の装置。
9. 前記第１のピストン（１４）上に選択的に装着して前記発生された圧力パルスの大きさを変更するための複数の個別の錘（３６）を含む請求項７に記載の装置。
10. 前記第２の流体（３０）が苛性又は腐食性流体であり、前記第２のピストン（２６）が前記第１及び第２の流体を互いに密閉するシール（２８）を含む請求項７に記載の装置。

Images