JP5158723B2 - 高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素燃料電池車に搭載する高圧タンクの破壊の兆候を早期に検出できる、高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置に関する。詳しくは、高圧の流体を内蔵した高圧タンクがクリープや疲労等で劣化、又は破壊するときに発生するアコースティックエミッション信号を検知し、高圧タンクの破壊の兆候を早期に検出できる、高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置に関する。更に詳しくは、水素燃料電池車等に搭載する高圧水素タンク、又は定置型の高圧水素タンクがクリープや疲労等で劣化、又は破壊するときに発生するアコースティックエミッション信号を検知し、高圧タンクの破壊の兆候を早期に検出できる、高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置に関する。

クリーンエネルギーの使用などのエコロジーに対する意識が学術・産業界のみならず、一般の消費者の中で浸透している。その中で、燃料電池を利用した燃料電池車両、ハイブリッド車両の開発が目覚しく、一般の消費者の購入意識が高まっている。このような燃料電池車両やハイブリッド車両の安全性を堅持することは不可欠であり、燃料電池用の高圧水素を収容した容器の点検・管理が重要である。例えば、高圧の水素を利用した水素燃料電池車においては、高圧の水素を収容した高圧タンクが燃料電池車両（以下、水素電池車両という。）に搭載されている。

一般的には、これらの水素電池車両用の高圧タンクは、３５ＭＰａのように高圧の水素ガスを扱う。この高圧の水素ガスを、高圧タンクに繰り返し充填して使用するとき、高圧タンクに微小なき裂が発生し、これが進展して高圧タンクの破壊に繋がる可能性がある。よって、高圧タンクの安全性を高めるために、高圧タンクの破壊、特に破壊の兆候、を事前に的確に検知することが重要である。

材料内部や表面での微小な欠陥（クラックやボイド）を、被検査物を物理的に破壊することなく検出する検査方法は、非破壊検査と言われている。非破壊検査には、放射線透過試験、超音波探傷試験等がある。アコースティックエミッション（以下、ＡＥという。）も、非破壊検査に利用される検査方法の一つである。ＡＥでは、クラック発生の初期微候の検出が可能であり、特に設備の運転中のクラック発生又はクラック進行状態の監視に使用されている。

（イベント法とリングダウン法）
まず、ＡＥの計測とその処理について説明する。ＡＥは、材料中のき裂発生、進展にともなって生じる弾性波である。１つのＡＥ信号は、短期間に連続的に発生する複数の周波数の弾性波から構成されており、その強度と大きさはき裂の大きさによって異なる。

アコースティックエミッションセンサー（以下、ＡＥセンサーという。）で受信したＡＥ信号を処理する方法として、次の二つの方法がある。第１の方法は、１つのＡＥ信号を１つと数えるイベント法である。このイベント法では、計数するＡＥ信号をＡＥヒットと呼び、単位時間当たりのＡＥヒット数をＡＥヒットレートと呼ぶ。このＡＥヒットレートは、応力の繰り返しによって進展するき裂から発生するＡＥ信号が基本的に離散的であることを考慮し、疲労き裂進展の評価に用いることが多い。

第２の方法は、定義した基準値以上の振幅を全て数えるリングダウン法である。このリングダウン法で計数するＡＥ信号をＡＥカウントと呼び、単位時間当たりのＡＥカウント数をＡＥカウントレートと呼ぶ。図１４は、イベント法と、リングダウン法の違いを図示している。図１４（ａ）には、１つのＡＥ信号を示している。図１４（ｂ）及び（ｃ）には、このＡＥ信号を計数する２つの方法であるイベント法とリングダウン法の違いを示している。

図１４（ｂ）は、イベント法を示している。図１４（ｃ）は、リングダウン法を示している。図１４（ａ）のＡＥ信号の最大強度は、設定した閾値以上である。図１４（ａ）のＡＥ信号は、図１４（ｂ）に示すように、イベント法では、「１」とカウントされる。リングダウン法では、１つのＡＥ信号を構成する複数の弾性波の中で設定した閾値以上の強度のものを全て数える。このために図１４（ａ）のＡＥ信号は、図１４（ｃ）に示すように、リングダウン法では、「４」とカウントされる。

ＡＥ信号を利用した非破壊検査技術は、数多く提案されている。例えば、特許文献１には、タンク等の構造物をアコースティックエミッションによって、非破壊試験する構造物の破壊荷重の予測的特定法が開示されている。この予測的特定法は、タンクの破壊プロセスに従って発生するＡＥエネルギーのヒット数をカウントし、このカウント数の累積値に基づいて、破壊荷重の予測値を特定している。つまり、エネルギーの積分値を用いて、破壊荷重の予測値を特定するものである。

特許文献２には、液体や気体を貯蔵する金属製のタンクの底板に、発生する腐食によって損傷位置を標定するタンク検査装置が開示されている。このタンク検査装置は、ＡＥセンサーを用いて、腐食損傷の発生位置を標定している。検出波形の各時間において、時間―周波数変換を行い、周波数帯域ごとの信号強度を時系列的に求めている。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置の高精度な標定が可能となる（特許文献２の段落番号『００１５』を参照。）。
特開平８−５４３３０号公報。 特開２００５−１７０８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、構造物の静的な破壊荷重は予測できるが、静的な破壊荷重以下の圧力の繰り返しによって生じる、構造物の疲労破壊については、言及していない。つまり、特許文献１に記載の方法は、高圧タンク等の静的な破壊荷重を予測できても、疲労寿命については予測できない。

特許文献２の標定は、車両搭載用の水素タンク等の比較的小型の容器に関して、破壊前の無数の微小き裂が成長して、巨視的なき裂になった時の位置は推定できるが、巨視的なき裂になって破壊に繋がる前に、その兆候を正確に把握することはできない。

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、高圧の流体を内蔵した高圧タンクの破壊の兆候を、早期かつ非破壊で検出できる高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置を提供する。

本発明の他の目的は、高圧の水素を内蔵した高圧水素タンクの破壊の兆候を、早期かつ非破壊で検出できる高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置を提供する。

本発明の更に他の目的は、燃料電池用車両に搭載して利用する高圧タンクの破壊の兆候を、早期かつ非破壊で検出できる高圧タンクの損傷検知方法、及びそのための装置を提供する。

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の高圧タンクの損傷検知方法は、
材料が変形、又は材料中に微小なき裂が生成、若しくは前記微小なき裂が成長して材料が破壊する際に発生するアコースティックエミッションを検知するためのアコースティックエミッションセンサーを使用して、高圧の流体を貯蔵した高圧タンクが前記流体の充填によって生じる破壊の兆候を、非破壊で検知するための高圧タンクの損傷検知方法であって、
前記高圧タンクの内圧の圧力と、前記アコースティックエミッションは、前記高圧タンクに前記流体を充填しながら測定し、
前記アコースティックエミッションセンサーで受信した信号で、短期間に連続的に発生する同波数の弾性波から構成される１群のアコースティックエミッション信号を１ヒットと数え、前記ヒットの時間変化を示すヒットレートを求め、
前記破壊の兆候は、前記ヒットレートに対応する前記圧力に対して前記ヒットレートの変化を求めて検知され、
前記高圧タンクの前記圧力が使用最高圧力未満のとき、前記圧力に比例して増加していた前記ヒットレートが、増加せずに飽和状態になる値である場合、前記破壊の兆候と判定することを特徴とする。
アコースティックエミッション信号の検知は、アコースティックエミッションセンサーを、高圧タンクに接触することにより行うと良い。

本発明の高圧タンク用の損傷検知装置は、
材料が変形又は破壊する際に発生するアコースティックエミッションを検知するためのもので、高圧の流体を貯蔵した高圧タンクが前記流体の充填によって生じるき裂から発生する前記アコースティックエミッションを検知するアコースティックエミッションセンサーと、
前記アコースティックエミッションセンサーの出力値を格納するための記憶手段と、
格納された前記出力値の大きさ及び／又は形状の時間的変化を計算するための計算手段と、
前記時間的変化から、前記出力値が破壊の兆候であるか否かを判定するための判定手段と、
前記判定の結果及び／又は前記記憶手段の内容を出力データとして出力するための出力手段と
からなり、
前記計算手段は、前記出力値から、前記アコースティックエミッションセンサーで受信した信号である前記アコースティックエミッション信号の単位時間当たりのヒット数を示すヒットレートを計算して、前記ヒットレートの変化を計算し、
前記判定手段は、前記ヒットレートの変化から、前記ヒットレートが増加しない飽和状態になる値を求めて、前記破壊の兆候であるか否かを判定することを特徴とする。

本発明においては、「流体」は、「液体」及び／又は「気体」を意味する。「高圧タンク」は、流体を内蔵した容器を意味し、特に、高圧の流体を内蔵するためのタンクを意味する。高圧タンクとしては、高圧水タンク等の高圧液体を貯蔵した容器、高圧水素タンク等の高圧ガスを内蔵した容器等が例示できる。通常、高圧タンクに加圧流体を充填するとき、高圧タンクの内圧の増加に伴い、微小き裂が高圧タンク内面のいたる部位に発生する。その微小き裂が、内圧の増加に伴い進展し、その進展に伴い、ＡＥヒットレートが増加する。

この微小き裂が進展し、また複数の微小き裂が合体して、一つの巨視的なき裂に成長すると、個々のＡＥ信号の区別が正確にできなくなる。よって、見かけ上、ＡＥセンサーに受信されるＡＥ信号のヒットレートが増加しなくなる。つまり、高圧タンクの内圧の増加に対してＡＥ信号のヒットレートが増加しなくなり飽和状態になる。これ以上に、高圧タンクを高圧の流体で充填すると、き裂が進展し、高圧タンクが破壊する。この飽和状態のヒットレートをもって、破壊の兆候と判断する。

この破壊の兆候は、図１３のグラフに示される特性を根拠とするものである。図１３は、高圧タンクに流体を繰り返し充填するときに、高圧タンクから発生するＡＥのヒットレートを、高圧タンクの内圧に対して図示したグラフである。図中の曲線Ａは、高圧タンクの初期の自緊処理中のＡＥのヒットレートの例を示すグラフである。曲線Ｂは、高圧タンクに巨視的なき裂などの損傷が発生していないときの、高圧タンクから発生するＡＥのヒットレートの例を示すグラフである。

曲線Ｃは、高圧タンクの破壊の兆候を示すＡＥのヒットレートの例を示すグラフである。曲線Ｄは、高圧タンクの破壊過程で、高圧タンクから発生するＡＥのヒットレートの例を示すグラフである。図１３に示すように、高圧タンクに流体を繰り返し充填すると、ヒットレート対内圧を示す曲線は、曲線AからＤに至るように、矢印i、ii、iiiの順に変化する。ここで、それぞれの曲線について説明する。

（曲線Ａ）
図１３中の曲線Ａは、高圧タンクから発生する初期のＡＥヒットレートである。高圧タンクの疲労強度向上の目的で、通常は、高圧タンクの使用前に、高圧タンクに自緊処理を行う。自緊処理は、高圧タンクで設計上想定している使用最高圧力より大きい内圧の流体を、高圧タンクに充填して負荷をかける処理である。この自緊処理により、高圧タンクに荷重履歴を付ける。図１３中に示した高圧タンクの荷重履歴の場合は、製造時の使用最高圧力が３５ＭＰａのため、それ以上の内圧になるように、高圧タンクに流体を充填している。高圧タンクにとっては、この自緊処理が１回目の流体の充填である。２回目の充填によるＡＥヒットレートは、荷重履歴の影響により、高圧タンクの使用最高圧力に近い内圧まで発生しない。

（曲線Ｂ）
曲線Ｂは、高圧タンクに巨視的なき裂などの損傷が発生していないとき、高圧タンクから発生するＡＥのヒットレート示すグラフである。高圧タンクに流体を繰り返し充填すると、高圧タンクの破壊をもたらすような、巨視的なき裂が高圧タンクに発生する前に、ライナーや炭素繊維強化プラスチック内に微小なき裂が発生する。これらの微小なき裂の発生に伴うＡＥヒットレートは、曲線Ｂのようになる。このＡＥヒットレートは、微小なき裂の発生に伴い曲線Ａよりも低い内圧で発生する。そして、高圧タンクの内圧の増加に伴い微小なき裂が進展するため、ＡＥヒットレートは右肩上がりとなる。

（曲線Ｃ）
更に、高圧タンクに流体を繰り返し充填すると、高圧タンクに発生した微小なき裂の一つが巨視的な大きいき裂となり成長し、これに伴い単位時間当たりに数多くのＡＥヒットレートが発生する。このＡＥヒットレートは、内圧が大きくなると増加し、即ち右肩上がりになる。更に、単位時間当たりに発生するＡＥヒットレートの数が多くなると、計測される離散的なＡＥ信号が連続的となる。これにより、個々のＡＥ信号を正確に区別できなくなる。即ち、複数のＡＥヒットが、「１」ヒットと計測される。これにより、見かけ上のＡＥヒットの数が増加しなくなり、ヒットレートのグラフは見かけ上、飽和状態になる。

しかし、ＡＥエネルギーやＡＥカウントレートは、内圧の増加に対して必ずしも飽和せず、ＡＥヒットレートのみが、曲線Ｃのように内圧の増加に対して、最初は右肩上がりである。そして、ＡＥヒットレートは、ある圧力以上では飽和する傾向を示す。この飽和のヒットレートの値をＡＥ_ｔｈと定義する。言い換えると、ＡＥ_ｔｈは、精度や製造法の異なる高圧タンクごとに定義した限界ＡＥヒットレートである。このＡＥ_ｔｈ以上のＡＥヒットレートが得られた高圧タンクに、更に繰り返し流体を充填すると、高圧タンクの破壊又は貫通き裂が生じ、次の曲線Ｄに示すような曲線の履歴をたどることになる。このＡＥ_ｔｈは、高圧タンクの破壊の兆候の目印にすることができる。

（曲線Ｄ）
曲線Ｄは、高圧タンクの破壊過程で発生するＡＥのヒットレートを示すグラフである。このときのＡＥ信号は、巨視的なき裂の進展に伴い発生し、高圧タンクの内圧の増加に対して不規則なピークを持つ。曲線ＤのＡＥヒットレートは、他の曲線Ｂ、Ｃのときのヒットレートに比べて小さいのは、巨視的なき裂の進展に伴い発生する多くのＡＥヒットレートを正確に区別して計測できなくなるためである。言い換えると、曲線Ｃと同様に巨視的なき裂の進展に伴い多くのＡＥヒットレートが発生し、計測される離散的なＡＥ信号が連続的となり、個々のＡＥ信号を正確に区別できなくなる。

また、ヒットレートに対応する高圧タンクの内圧に対してヒットレートの変化（数、率を含む）を求めて、破壊の兆候を検知する。更に、高圧タンクに流体を充填しながら、高圧タンク内の圧力と、ＡＥ信号を測定する。高圧タンク内の圧力が、使用最高圧力未満のとき、この圧力に比例して増加していたヒットレートが、増加せず飽和状態になる値を破壊の兆候であると判定すると良い。なお、アコースティックエミッションセンサーは、高圧タンクに接触するように固定手段によって固定されている。

また、本発明の高圧タンク用の損傷検知装置は、アコースティックエミッションセンサーで検知したアコースティックエミッション信号を増幅するプリアンプを有すると良い。このプリアンプで増幅されたアコースティックエミッション信号は、アコースティックエミッションセンサーの前記出力値として、上記の記憶手段に格納されると良い。

計算手段は、ヒットレートの変化（数、率）を計算しても良い。計算手段は、この判定手段を含むことができる。

本発明の高圧タンク用の損傷検知装置は、高圧タンクの内圧の圧力を測定する圧力測定手段を有し、アコースティックエミッションセンサーと同時に圧力測定手段によって測定されたもので、圧力の値を示す圧力値は、アコースティックエミッションセンサーの出力値と関係付けられて記憶手段に格納され、計算手段は、この出力値と、この出力値に対応する圧力値から、圧力に対する前記ヒットレートを計算すると良い。判定手段は、高圧タンクの圧力が設計最高圧力未満のとき、その圧力に比例して増加していたヒットレートが、増加せず飽和状態になるときを破壊の兆候であると判定すると良い。

また、本発明の高圧タンク用の損傷検知装置は、前記アコースティックエミッションセンサーが、前記アコースティックエミッションを連続的に、又は定期的に、又は指定した経過時間後に測定し、出力値を出力すると良い。
アコースティックエミッションセンサーは、アコースティックエミッションが所定の基準値以上の値の場合に、出力値を出力すると良い。計算手段は、記憶手段に格納された出力値が所定の基準値以上の値の場合に、ヒット数としてヒットレートを計算すると良い。

出力手段は、出力データを、有線又は無線の接続手段によって、外部システムへ送信する機能を有したものが良い。本発明の高圧タンク用の損傷検知装置は、アコースティックエミッションセンサーを高圧タンクに接触するように固定するための固定手段を用いる。本発明の高圧タンク用の損傷検知装置は、燃料電池車両等のように移動体に搭載しても良い。

本発明によると、次の効果が奏される。
本発明は、高圧の流体を内蔵した高圧流体内蔵容器の破壊の兆候を早期かつ非破壊で検出することが可能になった。
本発明は、高圧の流体を内蔵した高圧タンクの破壊の兆候を早期かつ非破壊で検出することが可能になった。
本発明は、高圧の水素を内蔵した高圧タンクの破壊の兆候を早期かつ非破壊で検出することが可能になった。

本発明は、燃料電池用車両に搭載されて利用される高圧タンクの破壊の兆候を早期かつ非破壊で検出することが可能になった。
本発明によれば、高圧タンクに流体を充填するとき、又は、高圧タンク若しくはそれを利用する装置・設備の検査、点検時に、高圧タンクのＡＥ出力値を定期的に記録し、その経時変化から高圧タンクの破壊の兆候を早期に検出することが可能になった。よって、高圧タンクの破壊、流体漏れ等の事故を事前防ぐことができる。

本発明によれば、高圧タンクの応用として、燃料電池用車両の水素充填時、又は車両検査時に、高圧タンクのＡＥ出力値を定期的に記録し、その経時変化から高圧タンクの破壊の兆候を早期に検出することが可能になった。よって、燃料電池用車両に利用される高圧タンクの破壊、水素漏れ等の事故を事前防ぐことができる。

図１は、ＡＥセンサー１付きの高圧タンク２の概要を図示した図である。 図２は、図１の高圧タンク２のＡ−Ａ断面の断面図である。 図３は、高圧タンク２用の損傷検知装置の概要図である。 図４は、電子計算機を用いた、高圧タンク２用の損傷検知装置の概念図である。 図５は、電子計算機３０の例を示すブロック図である。 図６は、実施例１において、試験片４０の概要を示す図である。 図７は、実施例１において、負荷に対するＡＥヒットレートの測定結果を示すグラフである。 図８は、実施例１において、試験片４０にかかった負荷と、塑性変形の伸張の関係示すグラフである。 図９は、実施例２において、き裂の写真である。 図１０は、実施例２において、１回目〜３回目の試験の計測の結果グラフである。 図１１は、図１０のグラフを、計測毎に分けて図示したグラフであり、図１１（ａ）は１回目の試験の結果を示すグラフで、図１１（ｂ）は２回目の試験の結果を示すグラフで、図１１（ｃ）は３回目の試験の結果を示すグラフである。 図１２は、２回目の試験の結果において、内圧１４０ＭＰａの測定値を１としたときのＡＥヒットレートとＡＥエネルギー示すグラフである。 図１３は、高圧タンクに流体を繰り返し充填するときに、高圧タンクから発するＡＥのヒットレートを、高圧タンクの内圧に対して図示したグラフである。 図１４は、イベント法、リングダウン法の説明図である。

本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、ＡＥセンサー１付きの高圧タンク２の概要を図示している。図２は、図１の高圧タンク２のＡ−Ａ断面図である。高圧タンク２は、両端が密封された円筒状のものである。図２に図示したように、高圧タンク２の壁は金属製である。高圧タンク２の壁の内部はアルミ合金又はオーステナイト系ステンレス製のライナーである。高圧タンク２の壁の表面を炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）という。）で覆っている構成である。

この高圧タンク２の表面に、ＡＥセンサー１を配置している。このＡＥセンサー１で、高圧タンク２から発生するＡＥを検知する。ＡＥセンサー１には、信号処理部１０（後述する。）が接続されている。信号処理部１０によって、高圧タンク２から発生するＡＥを分析し、高圧タンク２の状態を把握する。後述の実施例１及び実施例２に示す２つの試験を行って、高圧タンク２の破壊特性を明らかにした。

具体的には、流体で充填した高圧タンク２から発生するＡＥを測定することで、高圧タンク２の破壊の兆候を特定できることを示した。高圧タンク２の破壊の兆候は、高圧タンク２から発生するＡＥのＡＥヒットレートが、内圧の増加に対して増加しなくなり、飽和状態になったときである。高圧タンク２を再び流体で充填する場合は、高圧タンク２の破壊につながる。

高圧タンク２を定期的に検定し、その度にＡＥを測定し、経時的なデータとして蓄積しておく。これらのデータから、ＡＥヒットレートの変化を求め、ＡＥヒットレートが飽和状態になる時期を推測する。ＡＥヒットレートが飽和状態の兆候を示す場合には、この高圧タンク２の使用を停止する。例えば、燃料電池自動車に利用される高圧タンク２は、車検時、水素等の流体の充填時、何ヶ日や何ヶ月等の定期点検のときに検査し、ＡＥを測定することが望ましい。この高圧タンク２は、毎月、毎週等のように定期的にＡＥを測定し、ＡＥの経時変化を記録しておくことが望ましい。

図３は、高圧タンク２のＡＥを測定し、破壊の兆候を検知するための高圧タンク２用の損傷検知装置（以下、損傷検知装置という。）の概要図である。損傷検知装置は、ＡＥセンサー１と、ＡＥセンサー１からの信号を処理するための信号処理部１０から構成される。信号処理部１０は、メモリ１１、ＣＰＵ１２、入力インターフェース１３、出力インターフェース１４等からなる。メモリ１１には、信号処理部１０を制御するための制御プログラムが格納される。信号処理部１０の起動時に、制御プログラムが呼び出されて動作する。

入力インターフェース１３は、ＡＥ信号を信号処理部１０に入力するためのインターフェースである。入力インターフェース１３は、ＡＥセンサー１に直接接続されて、ＡＥセンサー１で受信したＡＥ信号を受信する。受信されたＡＥ信号は、メモリ１１に保存されて、制御プログラムによって読み出されて処理される。ＣＰＵ１２は、メモリ１１に格納されている制御プログラムの命令を順次実行して、信号処理部１０を動作させる。

出力インターフェース１４は、信号処理部１０でＡＥ信号を処理した結果を出力するためのものである。つまり、制御プログラムでデータ処理した結果を出力する。この出力されたデータは、外部デバイス２０に提供される。例えば、作業者が確認可能な形式で出力され、ディスプレイ等に表示される。また、出力インターフェース１４に接続された他の電子計算機に提供されることが可能である。

損傷検知装置は、ＡＥセンサー１で受信した信号を増幅して、信号処理部１０に出力するためのプリアンプ２１を有することができる。信号処理部１０は、電源供給用に電源用インターフェース１５を有する。電源用インターフェース１５は、直流又は交流の電源等に接続することができる。信号処理部１０は、バッテリー等の電源を内蔵し、電源用インターフェース１５はこの内蔵電源に接続されることが好ましい。

次に、信号処理部１０は、ＡＥ信号を処理する概要を示す。ＡＥ信号の処理は、制御プログラムによって行なわれる。また、制御プログラムと同様な機能を持つ回路で実現できる。信号処理部１０は、ＡＥセンサー１から受信したデータから、ＡＥ信号をメモリ１１に保存する。このとき、受信した時間を示す受信時間データを関連付けて保存する。また、高圧タンク２の内圧等に関する他のデータも保存する。

信号処理部１０は、メモリ１１に保存されたＡＥ信号と受信時間データを読み出して、データを処理し、ＡＥ信号の特定時間当たりのヒット数を示すヒットレートを計算する。そして、ヒットレートを内圧に関連付け、予め設定した破壊の兆候に関するデータと比較して、破壊の兆候であるかを判定する。信号処理部１０は、このヒットレートの時間的な変化から、破壊の兆候であるか否かを判定する。つまり、ヒットレートが高圧タンク２の内圧に対して飽和状態になったかを計算する。破壊の兆候の判定、ヒットレートの計算等の処理は、制御プログラムを実行しているCPU１２によって行なわれる。

信号処理部１０は、ヒットレートの計算結果、判定の結果及び／又はメモリ１１の内容を出力データとして、出力インターフェース１４から出力する。出力形式は、これらのデータをグラフ化、表形式にして、表示装置又は印刷装置用のデータとすることが好ましい。また、テキスト形式のデータにして、他の電子計算機等の処理用に出力することもできる。更に、図１０に示すようなタンクの破壊に関するグラフは、タンクの製造時に同じ製法のタンクのデータを用いて、作成することができる。つまり、このグラフは、同じ材料を用いて、同じ方法で製造した他のタンクのデータを用いて、作成することができる。

このグラフに、最新のデータを追加して出力することが可能である。このようにすると、タンクの使用者、管理者等は、タンクの損傷状態の進展を把握しやすくなる。信号処理部１０は、上述のように、タンクの内圧を測定するための圧力測定器等を有することが好ましい。信号処理部１０は、タンクの自緊処理に関するデータを有することが好ましい。事前に自緊処理に関するデータが無い場合は、タンクの第１回目の測定データを、自緊処理データとして代用することができる。

しかし、ＡＥセンサー１は損傷検知装置に含まれず、損傷検知装置に接続して使用する独立したものでも良い。また、損傷検知装置は、ＡＥセンサー１で測定したデータをインポートし、その処理だけをするものでも良い。この場合は、ＡＥセンサー１で高圧タンク２から発生するＡＥを測定し、データを記憶手段に保存しておく。記憶手段は、当該者に明らかなものであればどのようなものでも良い。損傷検知装置にこの記憶手段を接続して、ＡＥのデータを入力する。

信号処理部１０は、ＡＥセンサー１からデータを連続的に、又は定期的に、又は指定時刻に受信することができる。また、信号処理部１０は、操作者の受信要求、信号処理部１０に接続された他の電子機器等の受信要求時に、ＡＥセンサー１からデータを受信することができる。更に、信号処理部１０は、計算結果を連続的に、又は定期的に、又は指定時刻に出力することができる。

ＡＥセンサー１は、高圧タンク２の壁面に接触するように固定される。この固定時の固定手段としては、ＡＥセンサー１と高圧タンク２の壁面が密着し、接触するようなものであればどのような方法でも良い。信号処理部１０は、高圧タンク２を利用している燃料電池車両のような移動体に搭載されているときは、その移動体に搭載する。この場合は、高圧タンク２の状態を常時、又はオンデマンドでどこでも監視することが可能になる。

図示されていないが、高圧タンク２の内圧は、圧力測定器を用いて測定されることが好ましい。圧力測定器は、高圧タンク２に流体を充填する装置に含まれるデバイスであることができる。圧力測定器は、当該者に明らかなものであれば、既知の測定手段を含めどんな種類・測定原理のものでも良い。ＡＥセンサー１は、所定の検知感度のものであることが好ましい。つまり、ＡＥセンサー１は、ＡＥ信号を検知するその検知感度を調整可能なものが良い。

この検知感度は、信号処理部１０で設定しても良い。つまり、信号処理部１０は、ＡＥセンサー１から受信した信号の内、所定基準値以上の値をＡＥ信号として処理することができる。信号処理部１０は、AEセンサー１から受信したデータをそのまま出力インターフェース１４から出力できる。この出力された生のデータは、出力インターフェース１４に接続された電子計算機等の外部デバイス２０で処理することができる。例えば、外部デバイス２０は、信号処理部１０で行っていた、上述のヒットレートの計算、破壊の兆候の判定等の処理を行う。

〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態は、上述の第１の実施の形態とは、基本的に同じであるが、電子計算機３０を備えている点が異なる。ここで、第１の実施の形態と異なる部分を説明し、同一のものは省略する。本発明の第２の実施の形態の損傷検知装置は、図４に図示したように電子計算機３０及びＡＥ測定装置３１を有する。ＡＥセンサー１はプリアンプ２１に接続され、プリアンプ２１はＡＥ測定装置３１に接続される。ＡＥ測定装置３１は、電子計算機３０のシリアルポート又はパラレルポートに接続される。ＡＥ測定装置３１は、ＡＥセンサー１で受信した信号を電子計算機３０に入力可能な形式に変換する機能を備えている電子回路であることが好ましい。

ＡＥ測定装置３１は、上述の信号処理部１０からなることがもっと好ましい。この場合は、電子計算機３０は、出力インターフェース１４に接続される。ＡＥ測定装置３１と電子計算機３０は、無線又は有線で接続される。無線で接続される場合は、ＡＥ測定装置３１は通信モジュールを別途備えていることが望ましい。ＡＥセンサー１は、高圧タンク２の１以上の場所に設置される。ＡＥセンサー１それぞれに対応したプリアンプ２１に接続される。プリアンプ２１は、１つのＡＥ測定装置３１に接続される。電子計算機３０は、信号処理部１０で処理しているデータ処理の全部、又は一部を行うことができる。

図５は、電子計算機３０の概要を示すブロック図である。電子計算機３０は、メモリ１１１、中央処理ユニット（CPU）１１２、入力インターフェース１１３、出力インターフェース１１５、入力装置１１６、ディスプレイ１１７、ハードディスクドライブ１１８等を備えた、電子計算機である。メモリ１１１、CPU１１２、入力インターフェース１１３、出力インターフェース１１５は、バス１１０で互いに接続されて、このバス１１０を経由したデータの送受信を行う。メモリ１１１は、ROM、RAM等の記憶装置である。

CPU１１２は、電子計算機３０の動作を制御するもので、メモリ１１１に格納されたプログラムによって、電子計算機３０の動作を制御する。マウス、キーボード等の入力装置１１６は、入力インターフェース１１３に接続される。電子計算機３０は、ハードディスクドライブ１１８等の補助記憶装置を有する。ハードディスクドライブ１１８には、計算プログラムが格納される。この計算プログラムは、呼び出されて、メモリ１１１に展開されて、動作する。

電子計算機３０は、他の装置を接続するためのインターフェース１１４を有する。ＡＥ測定装置３１は、インターフェース１１４に接続されると良い。電子計算機３０は、ＡＥ測定装置３１から出力される信号を受信して、これを処理する。電子計算機３０のハードディスクドライブ１１８に格納されている計算プログラムによって、上述の信号処理部１０で処理しているデータ処理の全部、又は一部を行うことができる。 例えば、計算プログラムは、電子計算機３０に、次の処理を実行させる。電子計算機３０は、ＡＥ測定装置３１から、ＡＥ測定データを受け取り、これを処理する。

電子計算機３０は、ＡＥ測定データから、ＡＥ信号のヒットレートを計算、このヒットレートの時間的変化から破壊兆候の判定を行なう。破壊の兆候の判定、ヒットレートの計算等の処理は、計算プログラムを実行しているCPU１１２によって行なわれる。そして、電子計算機３０で処理された結果は、損傷検知装置の利用者又は管理者に、通知するために、ディスプレイ１１７に表示される。さらに、電子計算機３０は、ＡＥ信号、ＡＥ信号のヒットレート、破壊の兆候を、図１３に例示したグラフのようにまとめて、表示すると良い。また、電子計算機３０は、これらのデータを、次の実施例１及び／又は実施例２で示す、グラフ、表のようにまとめて表示、又は、出力することもできる。

本発明の実施例として、高圧タンクのライナー材であるＳＵＳ３１６−Ｌの引張試験を示す。図６に図示したように、材料ＳＵＳ３１６−Ｌでできている試験片４０の両端から引張り、引張試験を実施した。試験片４０の試験部４１は、長さ２５ｍｍ、半径２．５ｍｍのものであった。引張試験を行った試験装置は、日本フィジカルアコースティックス社製（所在地：日本国東京都渋谷区）のμＤｉｓｐ装置である。試験部４１の中央付近にＡＥセンサー１（日本フィジカルアコースティックス社製、種類：Ｒ−１５ａｌｐｈａ）を貼り付けて、試験部４１から発生するＡＥ信号を受信して、ＡＥヒットレートを測定した。引張試験は、試験片４０で変位速度１ｍｍ／ｍｉｎで引張り、破断させた。

図７は、負荷に対するＡＥヒットレートの測定結果を示すグラフである。縦軸はＡＥヒットレートを示し、横軸は負荷を示している。このグラフからわかるように、負荷６００ＭＰａまでに、ＡＥヒットレートが多い。図８は、試験片４０に負荷した応力と、試験部４１の変位の関係示すグラフである。このグラフからわかるように、６５０ＭＰａまでの負荷応力のときは、試験片４０は弾性変形し、それ以後は塑性変形した。破断時、試験片４０は最大１０ｍｍまで伸張した。

図７と図８の関係から、試験片４０が塑性変形しているときに発生する、ＡＥヒットレートは少ない。一方で、試験片４０の弾性変形の初期段階では、ＡＥヒットレートが多く認められた。金属材料の引張試験中に、金属材料の試験片４０とは関係ない部位からＡＥが発生し、ＡＥセンサー１に受信されることが良く知られている。これについては、例えば、森北出版株式会社から出版された大津政康著「アコースティックエミッションの特性と理論」（２００５年版）の第２７ないし２８頁に「カイザー効果」と指摘している。

これを考慮すると、負荷の少ないとき、つまり試験片４０の弾性変形のときに、計測されるＡＥは、試験片４０の締結部の摩擦等によるものであり、試験片４０の変形に無関係な成分を含んでいると考えられる。更に、１００ＭＰａ付近にピークを持つ信号は、摩擦の影響と考えられる。

高圧の流体として、高圧タンク（以下、タンクという。）に水を充填して高水圧を付加した。これにより、破壊試験を実施した。この試験の結果から、発生するＡＥとタンクの破壊過程の関連性を示した。タンクについては、図２に示すように、内部がＳＵＳ製ライナーであり、その周囲を炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）という。）で覆っている。

タンクの長さは２５０ｃｍ、直径は２５ｃｍである。まず、図１に図示したように、４個のＡＥセンサー１をタンクの４ヶ所に貼り付けた。ライナーの材質はＳＵＳ３１６−Ｌである。破壊試験は、同じタンクを用いて３回実施した。２、３回目は、同日に実施した。図１０は、１回目〜３回目の破壊試験中のＡＥセンサー１による計測の結果グラフである。このグラフの縦軸は、ＡＥヒットレートを示し、横軸は、内圧を示している。図１１は、図１０のグラフを、見やすくするために、計測毎に分けて図示したグラフである。図１１（ａ）は１回目の試験の結果を示すグラフである。図１１（ｂ）は２回目の試験の結果を示すグラフである。図１１（ｃ）は３回目の試験の結果を示すグラフである。

〔１回目の破壊試験〕
内圧１４５ＭＰａまで負荷したとき、シールリングの塑性変形により内圧がしなくなり中断した。１回目の破壊試験時のＡＥヒットレートは、次の２回目、３回目のバース試験時と比べてかなり大きいものであった。ＡＥヒットレートは、試験の開始直後に、５０ＭＰａ付近にピークを持ち、その後、カウント数が低下する。そして、再度内圧の増加に対して右肩上がりとなっている。

この破壊試験に用いたタンクは、ＦＥＭ（Finite Element Method、有限要素法）解析により応力計算がなされて、設計されたものである。ＦＥＭ解析は、構造物を有限の要素に分割して応力の分布や変形等を近似し解析する方法である。ＦＥＭ解析から、タンクは内圧３２０ＭＰａで破壊、タンク内面のライナーは数十ＭＰａのオーダーの内圧で降状するように設計されている。上述の実施例１のライナーの引張試験の結果を考慮すると、ライナーの塑性変形過程ではＡＥは殆ど発生しない。

内圧５０ＭＰａ付近でピークを持つＡＥは、締結部の摩擦や周辺部品から発生するＡＥ成分を含んでおり、タンクのみから発生しているものではない。内圧８０ＭＰａを超えると、ＡＥヒットレートが再び増加し始める。このＡＥヒットレートは、タンクのいたるところから発生した微小き裂によるもので、内圧の増加に伴い微小き裂が進展するため、右肩上がりになっている。

〔２回目のバースト試験〕
シーリング部の構造を変更して、再度試験を実施した。内圧１７５ＭＰａまで負荷したとき、口金部のナットが緩み、水漏れが発生し、破壊試験を中断した。２回目のＡＥヒットレートは、１回目の最大内圧辺りから発生し始めた。この現象は、荷重履歴の影響によるカイザー効果によるものである。

２回目の試験は、１回目の最大の内圧である内圧１４５ＭＰａで自緊処理したタンクの破壊試験とみなすことができる。内圧が、自緊処理条件より小さいとき、タンクから発生するＡＥは非常に少ない。内圧が、自緊処理条件より大きくなると、ＡＥヒットレートは内圧の増加に対して右肩上がりとなる。ＡＥヒットレートが右肩上がりとなるのは、内圧の増加に伴い微小き裂が進展するためである。内圧が１６５ＭＰａ以上では、ＡＥヒットレートが内圧の増加に対して飽和している。

〔３回目のバースト試験〕
口金のナットを変更して、再度試験を実施した。内圧１６０ＭＰａ付近でタンクが破壊した。なお、破壊によりＡＥセンサー１は全て破損した。２回目の荷重履歴と無関係に、ＡＥヒットレートが２回目の最大内圧より低い内圧から発生し始めた。試験途中に頻繁に何かが破損するような音が聞こえ、それに対してＡＥが計測された。 図９は、このときの、き裂の写真である。

３回目の試験は、内圧１７５ＭＰａ（２回目の最大内圧）で自緊処理したタンクの破壊試験とみなすことができる。３回目の試験で、タンクは内圧１６０ＭＰａで破壊した。ＡＥヒットレートは、自緊処理条件より小さい内圧で発生した。３回目のＡＥヒットレートは、２回目より少なかった。

３回目の試験によるＡＥヒットレートは、内圧増加に対してあまり変化せず、いくつかのピークを示している。２回目の試験で認められた飽和傾向にあるＡＥヒットレートは、３回目ほどピークは顕著ではないがこの挙動に近い。３回目の試験では、自緊条件より小さい内圧でＡＥは発生しており、試験前に破壊をもたらす巨視的なき裂が発生していた可能性が高い。２回目の飽和傾向にあるＡＥ及び３回目のＡＥは、タンクのいたるところで発生した微小き裂の合体により形成された巨視的なき裂の進展に対応している。

〔データの整理〕
次の表１には、試験時のパラメータをまとめて示している。

この表の値は、各パラメータをヒットレートで規格化したものである。つまり、カウントレート、ヒットレート、及びエネルギーの各データをヒットレートの値で割っている。この表１からわかるように、１ヒットレートあたりのカウントレート、エネルギー、及び振幅は、２回目の試験より３回目の試験の方が大きい。グラフの第３列目の２回目の右肩上がり部分と、グラフの第４列目の飽和部分のＡＥを比較すると、飽和部分の１ヒットレート当たりカウントレート、エネルギー及び振幅の方が、右肩上がり部よりも若干大きい。

内圧１５５ＭＰａを負荷したときに発生する各ＡＥパラーメータを比較する。表２には、内圧１５５ＭＰａのとき、２回目の試験と、３回目の試験で発生したＡＥパラメータを示している。

内圧１５５ＭＰａでは、２回目のＡＥヒットレートは飽和していない。３回目のＡＥは、２回目と比べて、ヒットレートが小さいが、カウントレートとエネルギーは大きい。破壊の規模や破壊過程を判別する指標となるＡＥ信号の振幅は、２回目と３回目で大差ない。 巨視的なき裂の進展に伴い発生する単位時間当たりのＡＥは、微小き裂の進展に伴い発生する右肩上がりのＡＥより格段に多くなり、計測器が個々の信号を正確に区別できていないと考えられる。このため、３回目のＡＥは、２回目と比べて、ヒットレートは少ないものの、カウント数とエネルギーは増加している。

２回目のＡＥ信号は、ＡＥエネルギーを用いて整理（内圧１４０ＭＰａのエネルギーで規格化して整理）すると次のようになる。図１２は、２回目の試験の結果において、内圧１４０ＭＰａの測定値を１としたときのＡＥヒットレートとＡＥエネルギー示すグラフである。ＡＥエネルギーは、ＡＥヒットレートと異なり、内圧の増加に対して飽和傾向を示さない。内圧の増加に伴うＡＥヒットレートの飽和傾向は、破壊をもたらす巨視的なき裂発生に対応していると考えられる。

本発明は、高圧流体を内蔵した高圧流体容器を扱う分野で利用すると良い。特に、燃料電池を搭載した燃料電池車両等の自動車分野で利用すると良い。

Claims (11)

1. 材料が変形、又は材料中に微小なき裂が生成、若しくは前記微小なき裂が成長して材料が破壊する際に発生するアコースティックエミッションを、検知するためのアコースティックエミッションセンサーを使用して、高圧の流体を貯蔵した高圧タンクが前記流体の充填によって生じる破壊の兆候を、非破壊で検知するための高圧タンクの損傷検知方法であって、
   前記高圧タンクの内圧の圧力と、前記アコースティックエミッションは、前記高圧タンクに前記流体を充填しながら測定し、
   前記アコースティックエミッションセンサーで受信した信号で、短期間に連続的に発生する同波数の弾性波から構成される１群のアコースティックエミッション信号を１ヒットと数え、前記ヒットの時間変化を示すヒットレートを求め、
   前記破壊の兆候は、前記ヒットレートに対応する前記圧力に対して前記ヒットレートの変化を求めて検知され、
   前記高圧タンクの前記圧力が使用最高圧力未満のとき、前記圧力に比例して増加していた前記ヒットレートが、増加せずに飽和状態になる値である場合、前記破壊の兆候と判定する
   ことを特徴とする高圧タンクの損傷検知方法。
2. 請求項１に記載の高圧タンクの損傷検知方法において、
   前記アコースティックエミッション信号の検知は、前記アコースティックエミッションセンサーを、前記高圧タンクに接触することにより行う
   ことを特徴とする高圧タンクの損傷検知方法。
3. 材料が変形又は破壊する際に発生するアコースティックエミッションを検知するためのもので、高圧の流体を貯蔵した高圧タンクが前記流体の充填によって生じるき裂から発生する前記アコースティックエミッションを、検知するアコースティックエミッションセンサーと、
   前記アコースティックエミッションセンサーの出力値を格納するための記憶手段と、
   格納された前記出力値の大きさ及び／又は形状の時間的変化を計算するための計算手段と、
   前記時間的変化から、前記出力値が破壊の兆候であるか否かを判定するための判定手段と、
   前記判定の結果及び／又は前記記憶手段の内容を出力データとして出力するための出力手段と
   からなり、
   前記計算手段は、前記出力値から、前記アコースティックエミッションセンサーで受信した信号である前記アコースティックエミッション信号の単位時間当たりのヒット数を示すヒットレートを計算して、前記ヒットレートの変化を計算し、
   前記判定手段は、前記ヒットレートの変化から、前記ヒットレートが増加しない飽和状態になる値を求めて、前記破壊の兆候であるか否かを判定する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
4. 請求項３に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
   前記高圧タンクの内圧の圧力を測定する圧力測定手段を有し、
   前記アコースティックエミッションセンサーと同時に前記圧力測定手段によって測定されたもので、前記圧力の値を示す前記圧力値は、前記出力値と関係付けられて前記記憶手段に格納され、
   前記計算手段は、前記出力値と、前記出力値に対応する前記圧力値から、前記圧力に対する前記ヒットレートを計算し、
   前記判定手段は、前記高圧タンクの圧力が使用最高圧力未満のとき、前記圧力に比例して増加していた前記ヒットレートが、増加せず飽和状態になるときを前記兆候であると判定する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
5. 請求項３又は４に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
   前記アコースティックエミッションセンサーは、前記アコースティックエミッションを、連続的に、定期的に、及び指定した経過時間後の中から選択される一方法で測定して、前記出力値を出力する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
6. 請求項３ないし５の中から選択される１項に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
   前記アコースティックエミッションセンサーは、前記アコースティックエミッションが所定の基準値以上の値の場合に、前記出力値を出力する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
7. 請求項３ないし５の中から選択される１項に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
   前記計算手段は、前記記憶手段に格納された前記出力値が所定の基準値以上の値の場合に、前記ヒット数として前記ヒットレートを計算する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
8. 請求項３ないし５の中から選択される１項に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
   前記出力手段は、前記出力データを、有線又は無線の接続手段によって、外部システムへ送信する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
9. 請求項３ないし５の中から選択される１項に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
   前記高圧タンク用の損傷検知装置は、前記アコースティックエミッションセンサーを前記高圧タンクに接触するように固定するための固定手段を有する
   ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
10. 請求項３ないし５の中から選択される１項に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
    前記高圧タンク用の損傷検知装置は、移動体に搭載されている
    ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。
11. 請求項３ないし５の中から選択される１項に記載の高圧タンク用の損傷検知装置において、
    前記高圧タンク用の損傷検知装置は、前記アコースティックエミッションセンサーで検知した前記アコースティックエミッション信号を増幅するためのプリアンプを有し、
    前記増幅された前記アコースティックエミッション信号を、前記アコースティックエミッションセンサーの前記出力値として前記記憶手段に格納する
    ことを特徴とする高圧タンク用の損傷検知装置。