JP4748415B2 - 容器内壁への衝撃の検知方法及びその検知システム - Google Patents
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Description
ここで、キャビテーションとは、液体の運動(流速等)の変化によって圧力が飽和蒸気圧以下に低下した際に液体が気化して空洞を生じる現象を言う。
この気泡の挙動や発生量を予備調査してデータを蓄積しておくと、キャビテーションによる環境へのダメージ(壊食等)の発生を設計段階で最小限に食い止めることができるので、このデータの蓄積は極めて重要である。
キャビテーションの挙動等を調べる方法としては、例えば、カメラ等により直接観察する方法、光散乱法により測定する方法(例えば、特許文献1参照)、及び静電容量を測定する方法(例えば、特許文献2参照)が開示されている。
しかし、光散乱法により測定する方法の場合、ストロボやレーザー光源等の比較的大型で高価な装置が必要となる。
その上、電極が管内に大きく飛び出す場合には、電極が存在しないときの流路とは異なった流路断面形状になり、液体の流れが通常の流路の場合と比べて変化する。
また、圧電センサ自体が流路内に飛び出すので、圧電センサが存在しない通常の流路の流れ場とは異なった流れ場を生ずることとなる。
すなわち、本発明は、遠隔的に光測定することにより、測定装置を損傷させずに且つ流路の形状を変化させずに、容器内壁への衝撃を直接的に検知し、容器内壁の損傷の予測をすることができる容器内壁への衝撃の検知方法及びその検知システムを提供することを目的とする。
そのため、放射光を撮像素子で受光すれば、容器内壁での衝撃が加わった位置やその衝撃の程度が正確に分かる。
測定装置を損傷させずに且つ流路の形状を変化させずに、容器内壁への衝撃を直接的に検知することができ、容器内壁の損傷を予測することができる。
〔第一実施形態〕
図1は、本発明の容器内壁への衝撃の検知方法及びその検知システムの第一実施形態を示している。
図の容器は液体が流れる液体流通管2の例である。
ここでは、液体流通管2内で発生するキャビテーション衝撃圧による容器内壁への衝撃を検知する。
例えば、絞り部を介して大径部と小径部とが連結された一本の管においては、上流側の大径部を流れる液体が口絞り部を経て下流側の小径部に流入すると、流路断面積が減少するため液体の流速が増し、その結果、圧力が低下する。
この圧力が飽和蒸気圧以下まで低下すると、その状態では沸点が低くなっているので、沸騰と同様の気化現象が発生、すなわちキャビテーションが発生するのである。
そのため、キャビテーションは縮小し消滅するのである。
このキャビテーションの縮小や消滅時に、数百気圧程の大きな圧力(すなわち衝撃力)が発生する。
ここで応力発光粒子とは、母体材料に発光中心を添加させたものである(例えば、特開2000−63824号公報参照)。
母体材料としては、例えば、スタフドトリジマイト構造、三次元ネットワーク構造、長石構造、格子欠陥制御をした結晶構造、ウルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又はβ−アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物を用いることができる。
母体材料として、例えばストロンチウム及びアルミニウム含有複合酸化物を用いる場合、応力発光粒子として、xSrO・yAl2O3・zMO(Mは二価金属、Mg,Ca,Ba,x,y,zは整数である)、xSrO・yAl2O3・zSiO2(x,y,zは整数である)を用いると良い。
中でも、SrMgAl10O17:Eu、(SrxBa1−x)Al2O4:Eu(0<x<1)、BaAl2Si2O8:Eu等が望ましい。
特に、格子欠陥を含むα―SrAl2O4構造が好ましい。
しかし、分解能を高くして光強度を測定するのであれば、粒子径は小さい方が好ましい。
具体的には、平均粒子径が50μm以下であることが好ましい。
本実施形態では、高分子材料と応力発光粒子とを混合してペースト状にしたものを被測定対象部に層状に塗布して衝撃の検知を行う。
高分子材料としては、応力発光粒子を強く保持固定できるものであれば、特に限定されない。
例えば一液硬化型又は二液硬化型のアクリル系樹脂やエポキシ系樹脂、ウレタン樹脂を用いることができる。
測定装置1は、受光手段4、演算手段5、パーソナルコンピュータ6、及びモニタ7を有している。
図1では、液体流通管2の一部に透明化部分である窓3が設けられている。
この窓3のような透明化部分は液体流通管2の少なくとも一部を、例えば透明樹脂、ガラス等の透明材料とすることで容易に設けることができる。
そのため、応力発光層Sはミクロンオーダの厚みで極めて薄く形成することができ、透光性となり且つ流路断面形状はほとんど変化しない。
その結果、応力発光層Sから(詳しくは応力発光粒子から)光が放射され、透明な窓3を通して、受光手段4に入射する。
この受光手段4には、集光レンズ41や撮像素子(受光素子)42が備えられており、応力発光粒子から放射された光は集光レンズ41を介して撮像素子42に受光される。
演算手段5では、電気信号がA/D変換され、撮像素子42の画素毎の光強度が数値化され、JPEG形式やTIFF形式等でデータが記録媒体に格納される。
具体的な表示形態としては、例えば、応力発光層Sにおける衝撃圧の分布状態が発生位置をXY軸(応力発光層Sに沿った面)とし、光強度をZ軸として立体的な表示が行われる。
そのため、放射光を撮像素子42で受光すれば、衝撃が加わった位置や衝撃の度合いが正確に分かり、結果的に衝撃圧による内壁の破壊食状態が把握できることとなる。
測定装置を損傷させずに且つ流路の形状を変化させずに、容器内壁への衝撃を直接的に検知することができ、容器内壁の損傷を予測することができる。
第一実施形態では液体流通管2に形成した透明の部分的な窓3を通して光を受光しているが、この第二実施形態は、図2に示すように、液体が流れる液体流通管2の全体を透明にした窓3に対応するように応力発光層Sを形成したものである。
液体流通管2のどの位置においても衝撃圧が加わったことを検知することができるようにすることが可能である。
受光手段4を液体流通管2に沿って移動させ、所望の位置で衝撃波による衝撃状態を観測することができる。
第一実施形態及び第二実施形態では、液体が容器内を流れる状態にある例、すなわち液体流通管2内を流れる状態の例について説明したが、液体が容器2A内に貯蔵された状態の例がこの第三実施形態である。
図3に示す検知システムは、流れのない液体中において、超音波の影響等の何らかの原因でキャビテーションが発生した場合を想定している。
例えば、上述した実施形態では、容器として流体流通管2や容器2Aを用いた例について説明したが、これに限定されることはなく、要するに、液体を収容又は流通させることができるものであればよい。
また、受光手段4として、レンズとカメラの例で示したが、光ファイバーを受光素子に導くような構成にすることも可能である。
図に示すように、測定装置1によって、液体(ここでは水)が貯蔵された容器であるビーカー2B内で発生するキャビテーションの測定を行った。
なお、この実施例では、上述した実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
なお、超音波発生セル8としては、SNT社製超音波洗浄器(US−1型、38kHz、80W)を用いた。
材料の化学式数字の下付きに関しては粒子の特許、先ほど修正版と同様です。ご参照ください。
ここで使用した応力発光粒子の平均粒子径は1μmであり、材質はSr0.90Eu0.01Al2O4である。
このキャビテーションに起因して発生する光を受光手段4で受光し、演算手段5を介してコンピュータ処理を行った。
受光手段4のゲート時間は、20msとした。
その結果を図5ないし図11に示す。
これは図5に示す正方形領域の光強度の平均値を算出してグラフ化したものである。
ここでは86ページ(1コマ)の直後から超音波振動を発生させている。
図11〜図15は、それぞれ、図7〜図10における、89ページ(3コマ目)、90ページ(4コマ目)、102ページ(16コマ目)、187ページ(101コマ目)、242ページ(156コマ目)のデータである。
図16は、ページ数で示した時間(横軸)と光強度(Intensity) の平均値(縦軸)との関係を示す。
2 容器(液体流通管)
2A 容器
2B ビーカー
3 窓
4 受光手段
41 集光レンズ
42 撮像素子
5 演算手段
6 パーソナルコンピュータ
7 モニタ
8 超音波発生セル
81 発生容器
S 応力発光層
Claims (11)
- キャビテーションにより容器内壁へ衝撃圧が加わったことを検知する容器内壁への衝撃の検知方法であって、
容器内壁に応力発光粒子を固着させておき、キャビテーションにより容器内壁へ衝撃圧が加わった際に発生する応力発光粒子からの放射光を受光することを特徴とする容器内壁への衝撃の検知方法。 - 前記放射光の受光は、撮像素子を用いて行うことを特徴とする請求項1に記載の容器内壁への衝撃の検知方法。
- 前記放射光の受光は、液体が容器内を流れる状態で行うことを特徴とする請求項1に記載の容器内壁への衝撃の検知方法。
- 前記放射光の受光は、液体が容器内に貯蔵された状態で行うことを特徴とする請求項1に記載の容器内壁への衝撃の検知方法。
- 前記応力発光粒子の母体材料が、スタフドトリジマイト構造、3次元ネットワーク構造、長石構造、ウルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又はβ−アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物であることを特徴とする請求項1に記載の容器内壁への衝撃の検知方法。
- 前記応力発光粒子の母体材料が、格子欠陥を含むα―SrAl2O4構造であることを特徴とする請求項1に記載の容器内壁への衝撃の検知方法。
- 前記応力発光粒子を固着した容器の一部を透明化して該透明化部分を介して放射光を受光することを特徴とする請求項1に記載の容器内壁への衝撃の検知方法。
- キャビテーションにより容器内壁へ衝撃圧が加わったことを検知するための容器内壁への衝撃の検知システムであって、
内壁に応力発光粒子を固着した液体入りの容器と、
キャビテーションにより容器内壁へ衝撃圧が加わった際に発生する応力発光粒子からの放射光を受光する受光手段と、
を備えたことを特徴とする容器内壁への衝撃の検知システム。 - 前記応力発光粒子を固着した部分の容器内壁の少なくとも一部が透明材料からなることを特徴とする請求項8に記載の容器内壁への衝撃の検知システム。
- 前記液体入りの容器は、液体が流れることが可能な容器であることを特徴とする請求項8に記載の容器内壁への衝撃の検知システム。
- 前記液体入りの容器は、液体を貯蔵しておくことが可能な容器であることを特徴とする請求項8に記載の容器内壁への衝撃の検知システム。
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