JP5212407B2 - 熱疲労試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱疲労試験装置に関する。

従来、簡易に熱疲労寿命を評価したいという要求に応える比較的簡易な熱疲労試験方法として、試験片（試験体）自体に温度分布を生じさせ、発生した熱ひずみによって熱疲労試験片を破損させて熱疲労寿命を評価する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法はそろばん玉状の試験片全体を加熱・冷却するものであるが熱サイクルにともなう熱応力及び熱ひずみの状態が複雑となり定量的な熱疲労寿命の評価ができないという問題がある。

そこで、このような問題を解決することが可能な熱疲労試験方法及び熱疲労試験装置が提案された（例えば特許文献２参照）。

特許文献２には、金属、セラミック等の材料、特に軽金属材料の耐熱疲労性の評価に利用することが可能な、簡易な熱疲労試験方法及び熱疲労試験装置が記載されている。特許文献２には、試験片と熱膨張係数が異なるホルダーで試験片を挟持し試験片およびホルダーの全体を加熱・冷却することにより、両者の膨張差を利用して試験片に所望の歪みをかけながら熱疲労試験を行う技術が記載されている。この技術では、アクチュエータを要さずに力学的な歪みを試験片にかけることができるので設備費等の点で優れている技術ではあるが、加熱手段と冷却手段とを別個に備えているので小型化や簡素化の点で改良の余地を残していた。また、試験片およびホルダーの全体を加熱・冷却するので、各部の熱容量に応じて温度不均一が生じたり、また、試験片に所望の温度分布を意図的に与えることが難しかった。

そこで、このような課題を解決すべく、加熱手段と冷却手段とを一元化し、より小型かつ簡素な熱疲労試験装置と、被試験体の温度分布を均一にしたり、また、意図的に所定の温度分布を与えることもできる熱疲労試験方法とが提案された（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３には、エアヒータを用いて試験片（試験体）を加熱・冷却（加熱冷却）する熱疲労試験方法が開示されている。また、特許文献３には、試験片や試験片を拘束するホルダに応じて複数本（特許文献３の例では６本）もの複数のノズルでエア（空気）を供給し、試験片の均熱化を図る熱疲労試験装置が記載されている。特許文献３には、加熱手段と冷却手段とを一元化し、より小型かつ簡素な優れた熱疲労試験装置、及び被試験体の温度分布を均一にしたり、また、意図的に所定の温度分布を与えることが可能な優れた熱疲労試験方法が記載されている。

特開昭６０−２４９０３５号公報 特開平７−２００３１号公報 特開平９−１７８６３９号公報

特許文献３に記載の熱疲労試験装置及び熱疲労試験方法は、上述したように優れたものであるが、特許文献３に記載の熱疲労試験装置では、試験片を加熱冷却するための空気の温度が室温以上であり、この空気の温度を室温以下にすることが困難である。また、特許文献３に記載の熱疲労試験装置では、試験片に対して必要なノズル数が多いため装置構造が複雑になり、試験ユニットを併設するのに大きな設置面積が必要となる。以上のことから、特許文献３に記載の熱疲労試験装置及び熱疲労試験方法には、改良の余地が残されている。

また、特許文献３には、温度制御に関する記載があるが、より迅速、高精度、かつ安定的に温度制御することが望まれる。

本発明は上記事実に鑑みて成されたものであり、従来技術と比較して、迅速かつ均一に、もしくは迅速または均一に供試体（試験片、試験体）を加熱・冷却することができる熱疲労試験装置を提供することを第１の目的とする。また、従来技術と比較して、より迅速、高精度、かつ安定的に温度制御することができる熱疲労試験装置を提供することを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するために、本発明の熱疲労試験装置は、送風されたガス（例えば、空気、窒素、二酸化炭素等）を所定温度以下に冷却するガス冷却手段と、内部に一端から他端にわたってガス流路が形成され、かつ前記他端から第１の中間部分にわたる外側面に放熱部が設けられると共に、前記一端側で前記ガス冷却手段に連結され、かつ前記他端側に試験体が配置される環状部材と、前記一端から第２の中間部分の間に前記ガス流路内に設けられ、前記ガス流路を流通するガスを加熱する発熱体と、測温データに基づいて、前記ガス冷却手段により冷却され前記試験体に送風されるガスを目標温度に調整するように、前記発熱体の発熱量を制御する発熱体制御手段と、を含んで構成されている。

本発明の熱疲労試験装置によれば、所定温度以下に冷却された温度から前記発熱体によって加熱されたガスの温度までの温度の範囲のガスを試験体に送風可能となる。

また、本発明の熱疲労試験装置によれば、一端から第２の中間部分の間にガス流路内に設けられた発熱体の存在によってガスの流通が妨げられて流速分布が大きくなることにより、第２の中間部分では大きな温度分布が生ずるが、第２の中間部分から他端までのガス流路内には発熱体が存在しないため、ガスの流通を妨げる部材がなく、ガスの流速分布が小さくなると共に、第２の中間部分から他端までのガス流路内で温度差のあるガス間で熱交換が行われるので、他端ではガスの温度分布が小さくなる。これにより、試験体に対して均一に安定的に加熱・冷却を行うことが可能となる。

また、本発明の熱疲労試験装置によれば、他端から第１の中間部分にわたる外側面に放熱部が設けられているため、外側面に断熱部材が設けられた場合と比較すると、発熱体によって変化させようとするガス流路内のガスの温度の上昇及び下降の速さが早くなる。例えば、ガス冷却手段によって冷却されたガスを発熱体によって加熱せずに試験体に冷却されたガスを送風した後に、試験体に送風するガスの温度を上げるためにガス冷却手段によって冷却されたガスを発熱体によって加熱すると、断熱部材が設けられている場合には、その断熱部材の温度が低いままであるので、試験体に送風するガスの温度の上昇が抑制されて、温度の上昇の速さが遅くなるが、本発明の熱疲労試験装置によれば、他端から第１の中間部分にわたる外側面に放熱部が設けられているため、試験体に送風するガスの温度の上昇が抑制されることがなくなる。そのため、本発明の熱疲労試験装置によれば、試験体に送風するガスの温度の変化をより迅速に制御することが可能となる。

以上、説明したように、本発明の熱疲労試験装置によれば、迅速かつ均一に試験体を加熱・冷却することができる。

また、前記ガス冷却手段で冷却されたガスを保冷する保冷部を更に含むように構成し、前記環状部材が、前記保冷部を介して前記一端側で前記ガス冷却手段に連結されるようにしてもよい。これにより、冷却されたガスの温度がより安定して環状部材のガス流路に流通されることとなる。

前記環状部材はガラス等の光及び熱線を透過する低熱伝導材で構成することが望ましい。これにより、環状部材による熱損失が抑制され、迅速で高効率な加熱（または加熱・冷却）が実現できる。

本発明の熱疲労試験装置によれば、所定温度以下に冷却された温度から発熱体によって加熱されるガスの上限温度までの広い温度範囲に即座に温調したガスを試験体に送風可能となる。

なお、本発明の熱疲労試験装置において、前記放熱部を、前記発熱体が設置された前記ガス流路の外側面の８０％以上に設けるようにしてもよい。これにより、発熱体が設置されたガス流路の外側面の８０％以上に放熱部が設けられているため、外側面に断熱部材が設けられた場合と比較すると、発熱体によって変化させようとするガス流路内のガスの温度の上昇及び下降の速さが早くなる。例えば、ガス冷却手段によって冷却されたガスを発熱体によって加熱せずに試験体に冷却されたガスを送風した後に、試験体に送風するガスの温度を上げるためにガス冷却手段によって冷却されたガスを発熱体によって加熱すると、断熱部材が設けられている場合には、その断熱部材の温度が低いままであるので、試験体に送風するガスの温度の上昇が抑制されて、温度の上昇の速さが遅くなるが、本発明の熱疲労試験装置によれば、発熱体が設置されたガス流路の外側面の８０％以上に放熱部が設けられているため、試験体に送風するガスの温度の上昇が抑制されることがなくなる。そのため、本発明の熱疲労試験装置によれば、試験体に送風するガスの温度の変化をより迅速に制御することが可能となる。

以上、説明したように、本発明の熱疲労試験装置によれば、迅速に試験体を加熱・冷却することができる。

また、本発明の熱疲労試験装置は、前記他端から送風されるガスを前記試験体の周囲に一時的に閉じ込めるように、熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材によって前記試験体を取り囲むように形成された恒温部を更に含むように構成している。さらに、前記試験体を前記高熱伝導部材で覆うようにしている。これにより、試験体に送風されたガスの熱が試験体全体に迅速かつ均一に伝わるため、ガスを試験体の一部分に送風するだけで、試験体全体を迅速かつ均一に加熱・冷却することができる。なお、この効果は絶大であり、試験体のガスが送風された側と、試験体のガスが送風されない側との温度を迅速に均一にすることができるため、例えば、一方向のみからのガスの送風で大きな試験体の加熱・冷却を迅速に均一にすることが可能となる。このように複数方向からのガスの送風を必要としないため、装置構成が簡素化できる。

また、前記ガス冷却手段で冷却されたガスを保冷する保冷部を更に含むように構成し、前記加熱手段が、前記保冷部を介して前記一端側で前記ガス冷却手段に連結されるようにしてもよい。これにより、冷却されたガスの温度がより安定して環状部材のガス流路に流通されることとなる。

前記加熱手段の発熱体設置部の外壁面はガラス等の光および熱線を透過する低熱伝導材で構成することが望ましい。これにより、外壁面からの熱損失が抑制され、迅速で高効率な加熱（または加熱・冷却）が実現できる。

また、本発明の熱疲労試験装置において、測温データに基づいて、前記発熱体の発熱量を制御する発熱体制御手段を更に備えるようにしてもよい。

また、本発明の熱疲労試験装置において、前記他端から送風されるガスを前記試験体の周囲に一時的に閉じ込めるように、熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材によって前記試験体を取り囲むように形成された恒温部を更に含むように構成してもよい。さらに、前記試験体を前記高熱伝導部材で覆うようにしてもよい。これにより、試験体に送風されたガスの熱が試験体全体に迅速かつ均一に伝わるため、ガスを試験体の一部分に送風するだけで、試験体全体を迅速かつ均一に加熱・冷却することができる。なお、この効果は絶大であり、試験体のガスが送風された側と、試験体のガスが送風されない側との温度を迅速に均一にすることができるため、例えば、一方向のみからのガスの送風で大きな試験体の加熱・冷却を迅速に均一にすることが可能となる。このように複数方向からのガスの送風を必要としないため、装置構成が簡素化できる。

また、本発明の熱疲労試験装置において、前記ガス冷却手段をボルテックスチューブで構成するようにしてもよい。ボルテックスチューブを用いるとガスがガス冷却手段を流れる短時間の間に迅速に一定の温度までガスを冷却できる。また、同様にガス冷却手段内をガスが流れる間に一定の温度まで冷却できるものであれば、他のガス冷却手段を用いてもよい。

また、本発明の熱疲労試験装置において、前記高熱伝導部材をアルミ箔または銅箔で構成するようにしてもよい。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明の熱疲労試験装置は、前記試験体の温度を検出する試験体温度検出手段を含み、前記発熱体制御手段は、前記試験体の温度を予め定められた上下限の間で時系列で変化させるための目標温度の時系列データに基づいて、前記試験体温度検出手段によって検出された前記試験体の上限温度と前記目標温度の時系列データが示す上限温度との偏差及び前記試験体温度検出手段によって検出された前記試験体の下限温度と前記目標温度の時系列データが示す下限温度との偏差の少なくとも一方の偏差を所定周期で演算する偏差演算手段と、前記目標温度の時系列データ、及び前記偏差演算手段で演算された前記偏差に基づいて、現時点の前記試験体の目標温度を、前記偏差に基づいて定められた第１の補正値で補正する補正手段と、前記試験体温度検出手段で検出された前記試験体の温度と、前記補正手段で補正された目標温度との偏差に基づいて、前記目標温度を更に補正するための第２の補正値を演算する補正値演算手段と、前記試験体の温度と前記試験体に送風されたガスの温度との温度差と、前記目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配との予め求められた関係に基づいて、現時点の前記目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配に対応する前記試験体の温度と前記試験体に送風されたガスの温度との温度差を導出する導出手段と、前記補正手段で補正された目標温度、前記第２の補正値、及び前記導出手段で導出された温度差に基づいて、前記試験体に送風されるガスの目標温度を演算する目標温度演算手段と、を含み、前記試験体に送風されたガスの温度と前記発熱体終端部のガスの温度との予め求められた関係、及び前記目標温度演算手段によって演算された目標温度に基づいて、該目標温度に対応する前記発熱体終端部のガスの温度を導出し、導出した温度となるように、前記発熱体の発熱量を制御する。

本発明の熱疲労試験装置によれば、現時点の目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配に対応する試験体の温度と試験体に送風されたガスの温度との温度差を導出して、導出された温度差を加味して試験体に送風されるガスの目標温度が演算され、試験体に送風されたガスの温度と発熱体終端部のガスの温度との予め求められた関係、及び演算された試験体に送風されるガスの目標温度に基づいて、当該目標温度に対応する発熱体終端部のガスの温度を導出し、導出した温度となるように、前記発熱体の発熱量を制御する。このように、目標とする試験体の目標温度から試験体に送風されるガスの目標温度が演算され、試験体に送風されたガスの温度と発熱体終端部のガスの温度との予め求められた関係から、発熱体終端部のガスの温度を導出して発熱体の発熱量を制御するので、目標とする試験体の目標温度に忠実に呼応すると共に、試験体の温度が目標温度の時系列データが示す目標温度となるように迅速、高精度に行うことができる。また、試験体に温度変化をもたらす熱の移動は原理的に試験体に送風されたガスの温度と試験体の温度との差に比例して生ずるため、物理的に意味のある試験体に送風されたガスの温度を中間パラメータとして用いることで、原理原則に基づいた温度制御が行われるため、安定した温度制御が実現できる。

また、本発明の熱疲労試験装置は、他端を開放端とし、前記他端から送風されるガスを前記試験体の周囲に一時的に閉じ込めるように、熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材によって前記試験体を取り囲むように形成された恒温部とを備えている。これにより、試験体に送風されたガスの熱が試験体全体に効率良く伝わるとともに、試験体からの放熱を防止できる。これにより試験体を迅速に加熱・冷却できる。また、高熱伝導部材によって恒温部の温度が均一になるので、試験体の温度も均一になる。

また、本発明の熱疲労試験装置は、前記試験体を熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材で覆うようにしたものである。これにより、試験体に送風されたガスの熱が試験体全体に迅速かつ均一に伝わるため、ガスを試験体の一部分に送風するだけで、試験体全体を迅速かつ均一に加熱・冷却することができる。なお、この効果は絶大であり、試験体のガスが送風された側と、試験体のガスが送風されない側との温度を迅速に均一にすることができるため、例えば、一方向のみからのガスの送風で大きな試験体の加熱・冷却を迅速に均一にすることが可能となる。このように複数方向からのガスの送風を必要としないため、装置構成が簡素化できる。なお、上記本発明におけるガスは、冷却用または加熱用ガスであり、一般的な冷却器または加熱器で作られたものを前記一端から供給すればよい。また、この冷却器としてボルテックスチューブを用いるとガスが冷却器を流れる短時間の間に迅速に一定の温度までガスを冷却できる。また、同様に冷却器をガスが流れる間に一定の温度まで冷却できるものであれば、他の冷却器を用いてもよい。

以上、説明したように、本発明の熱疲労試験装置によれば、より迅速かつ均一に試験体を加熱・冷却することができる、という効果が得られる。

また、本発明に係る熱疲労試験装置によれば、より迅速に試験体を加熱・冷却することができる、という効果が得られる。

また、本発明に係る熱疲労試験装置によれば、より迅速、高精度、かつ安定的に温度制御することができる、という効果が得られる。

本実施の形態に係る熱疲労試験装置を示す図である。 本実施の形態に係る熱疲労試験装置の冷熱デバイスの近傍の詳細図である。 本実施の形態に係る熱疲労試験装置の機能ブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の熱疲労試験装置の実施の形態を詳細に説明する。

本実施の形態の熱疲労試験装置について説明する。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る熱疲労試験装置１０は、エアドライヤ（吸着式）１２、冷凍機（２段式）１４、冷熱デバイス１６、温度制御ユニット３２、コンピュータ３４、及び恒温部４２を備えている。

エアドライヤ１２は、図示しないエアコンプレッサ等から供給される０．４ＭＰａ〜０．９ＭＰａ程の圧縮エアから露点−４０度以下程度のドライエアを生成して送風する。なお、「エア」とは「空気」を意味する。以下、同様である。

また、本実施の形態では、ガスの一例として空気を用いた例について説明するが、本発明はこれに限られず、ガスであればよく、例えば、窒素や二酸化炭素を用いてもよい。

冷凍機１４は、エアドライヤ１２から送風されたドライエアをエア温度−３０度以下の低温エアにして、冷熱デバイス１６に送風する。

冷熱デバイス１６は、ボルテックスチューブ１６ａ、保冷部１６ｂ、エアヒータ１６ｃを備えている。なお、冷熱デバイス１６は、本発明のガス供給手段の一例である。

ボルテックスチューブ１６ａは、冷凍機１４から送風された低温エアを所定温度（例えば、−６０度）以下に冷却する。より具体的には、ボルテックスチューブ１６ａは、一方向へ伸びる熱風管１６ａ＿１と反対方向へ伸びる冷風噴出口１６ａ＿２とを有し、その中間に位置するゼネレータ１６ａ＿３より熱風管１６ａ＿１内へ高速で旋回する気流を送入すると、その内部に生ずる気圧勾配により温度差が生まれ、熱風管１６ａ＿１の先端より熱風を噴出すると同時に、熱風管１６ａ＿１内を逆流した冷風が冷風噴出口１６ａ＿２から噴出する。このようにボルテックスチューブ１６ａによって超低温のエアを得ることができる。

また、ボルテックスチューブ１６ａは、外側面に断熱部材（断熱層）１６ｄが設けられており、断熱部材１６ｄで覆われている。これにより、ボルテックスチューブ１６ａの外側面に設けられた断熱部材１６ｄによって、ボルテックスチューブ１６ａで冷却された空気の温度に対するボルテックスチューブ１６ａの外部の温度の影響を抑制することが可能となり、空気をより迅速にかつより低温で冷却することが可能となる。なお、ボルテックスチューブ１６ａは、本発明のガス冷却手段の一例である。

保冷部１６ｂは、ボルテックスチューブ１６ａから噴出（送風）された空気（冷却された空気）を保冷する機能を有する。

保冷部１６ｂを通ることにより、空気の温度分布が小さくなり、時間変動の小さい安定した温度の超低温空気流体を得ることができる。

エアヒータ１６ｃは、環状部材１７、及び発熱体１９を備えている。なお、エアヒータ１６ｃは、本発明の加熱手段の一例である。

環状部材１７は、内部に一端１８から他端２０にわたってガス流路２２が形成されており、一端１８側で保冷部１６ｂを介してボルテックスチューブ１６ａの冷風噴出口１６ａ＿２に連結されている。また、図示されるように、他端２０側には、他端２０から送風された空気が吹き付けられることが可能なように、試験体２４が配置されている。

また、環状部材１７は、他端２０から第１の中間部分２６にわたる外側面に放熱部（放熱層）２８が設けられている。なお、本実施の形態では、放熱部２８の一例として大気が用いられている。ここで、この放熱部２８は、環状部材１７の外側面（ガス流路２２の外側面）の全面積の８０％以上の面積にわたって設けられていることが望ましい。

ここで、環状部材１７はガラス等の光および熱線を透過する低熱伝導材で構成することが望ましい。これにより、環状部材１７による熱損失が抑制され、迅速で高効率な加熱が実現できる。なお、ガラス（ガラス管）の材質としては、熱膨張係数が小さいことから石英が望ましい。これにより、加熱・冷却時に熱歪が生じにくく、割れにくくなる。

発熱体１９は、図示されるように、一端１８から第２の中間部分３０の間のガス流路２２内に（一端１８から第２の中間部分３０の間にガス流路２２内に）設けられており、ガス流路２２を流通する空気を加熱可能になっている。なお、この発熱体１９は、詳細を以下で説明する温度制御ユニット３２によって発熱温度が制御される。なお、本実施の形態では、発熱体１９としてヒータを用いた例について説明する。

本実施の形態では、発熱体１９を装填した環状部材１７を石英管で構成した一例について説明する。ここで、図２に示されるように、ガス流路２２内の発熱体１９が設けられた、一端１８から第２の中間部分３０までのガス流路２２内の空気が加熱可能な領域（ゾーン）である加熱ゾーン３６、及びガス流路２２内に発熱体１９が設けられていない中間部分３０から他端２０までのガス流路２２内の領域である均熱ゾーン３８を冷熱デバイス１６は備えているとみなすことができる。

本実施の形態では、環状部材１７を保持し保護するための保護管４０の長さを加熱ゾーン３６の長さの１／４にした。図２の例では、保護管４０の長さは一端１８から第１の中間部分２６までの長さである。これにより、他端２０から第１の中間部分２６にわたる外側面に放熱部２８が設けられることとなる。なお、上述したように、本実施の形態では、放熱部２８の一例として大気が用いられている。これは、この保護管４０が蓄熱部材としての機能を有するため、より短いほうが好ましいからである。そのため、保護管４０の長さを加熱ゾーン３６の長さの１／４以下としてもよい。その理由についてより具体的に説明する。他端２０から第１の中間部分２６にわたる外側面に放熱部２８が設けられているため、この外側面に蓄熱部材が設けられた場合と比較すると、発熱体１９によって変化させようとするガス流路２２内の空気の温度の上昇及び下降の速さが早くなる。例えば、ボルテックスチューブ１６ａによって冷却された空気（得られた超低温の空気）を発熱体１９によって加熱せずに試験体２４に冷却された空気を送風した後に、試験体２４に送風する空気の温度を上げるためにボルテックスチューブ１６ａによって冷却された空気を発熱体１９によって加熱すると、外側面に蓄熱部材が設けられている場合には、その蓄熱部材の温度が低いままであるので、試験体２４に送風する空気の温度の上昇が抑制されて、温度の上昇の速さが遅くなるが、本実施の形態の熱疲労試験装置１０の冷熱デバイス１６によれば、他端２０から第１の中間部分２６にわたる外側面に放熱部２８が設けられているため、試験体２４に送風する空気の温度の上昇が抑制されることがなくなる。そのため、本実施の形態の熱疲労試験装置１０の冷熱デバイス１６によれば、試験体２４に送風する空気の温度の変化をより迅速に制御することが可能となる。

また、熱疲労試験装置１０の冷熱デバイス１６によれば、一端１８から第２の中間部分３０の間にガス流路２２内に設けられた発熱体１９の存在によって空気の流通が妨げられて流速分布が大きくなることにより、第２の中間部分３０では大きな温度分布が生ずるが、第２の中間部分３０から他端２０までのガス流路２２内（均熱ゾーン３８）には発熱体１９が存在しないため、空気の流通を妨げる部材がなく、空気の流速分布が小さくなると共に、第２の中間部分３０から他端２０までのガス流路２２内で温度差のある空気間で熱交換が行われるので、他端２０では空気の温度分布が小さくなる。これにより、試験体２４に対して均一に安定的に加熱・冷却を行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、発熱体１９の異常温度を検出して発熱体１９の異常過熱を防止するために一般的に用いられる過昇温センサ４４が、加熱ゾーン３６の空気の送風方向上流側（図２の例では加熱ゾーン３６の入り口４６）に設けられている。

異常過熱の最大の原因としてエア流量の減少が考えられ、特に空気の入り口４６付近ではエア流量減少の影響が大きく、この入り口４６付近では温度上昇が顕著となるので、この入り口４６に過昇温センサ４４を設けることで異常過熱が発生した場合に即時に加熱を停止するように過昇温防止回路（図示せず）またはコンピュータ３４が温度制御ユニット３２を介して発熱体１９を制御することができる。

また、本実施の形態の熱疲労試験装置１０の冷熱デバイス１６によれば、所定温度以下に冷却された温度から発熱体１９によって加熱された空気の温度までの温度の範囲の空気を試験体２４に送風可能となる。

加熱ゾーン３６の終端部分（発熱体１９の終端部）４８には、ヒータ温度センサ５０が設けられている。なお、以下、「発熱体１９の終端部」のことを「発熱体終端部」と称する場合がある。ヒータ温度センサ５０は、発熱体（ヒータ）１９の終端部４８（発熱体終端部４８）のエアの温度を検出して、検出した温度を示す検出信号を温度制御ユニット３２に出力する。

温度制御ユニット３２は、コンピュータ３４から入力される発熱体終端部４８のエア目標温度を示す情報によって示される温度、及び上記ヒータ温度センサ５０からの検出信号が示す発熱体終端部４８のエアの温度に基づいてフィードバック制御を行い、発熱体終端部４８のエアの温度がコンピュータ３４から入力される情報が示す温度となるように発熱体１９の加熱（発熱量）を制御する。すなわち、コンピュータ３４は、温度制御ユニット３２を介して、発熱体終端部４８のエアの温度を制御することができる。

コンピュータ３４は、冷熱サイクル試験ソフトを用いて、試験データに基づいて、試験体２４が、当該試験データが示す目的の温度となるように、温度制御ユニット３２を介して、発熱体１９（より具体的には発熱体１９の温度）を温度制御する。なお、この試験データは、試験体２４の温度を予め定められた上下限の間で時系列で変化させるための目標温度の時系列データである。また、温度制御を行う具体的な温度制御処理の詳細については後述する。

コンピュータ３４は、熱疲労試験装置１０全体を制御するためのものである。コンピュータ３４は、メモリ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びＩ／Ｏ（入出力）ポートを備えている。これらメモリ、ＣＰＵ、及びＩ／Ｏポートは互いにバスを介して接続されている。

記憶媒体としてのメモリには、ＯＳ等の基本プログラムが記憶されている。また、メモリには、詳細を以下で説明する温度制御処理、偏差演算処理、及びその他各処理の各処理ルーチンを実行するための各プログラムが記憶されている。

ＣＰＵは、各プログラムをメモリから読み出して上記の各処理を実行する。また、メモリには、各種データも一時的に記憶される。

コンピュータ３４を温度制御処理に従って機能ブロックで表すと、図３に示すように、補正手段３４ａ、補正値演算手段３４ｂ、導出手段３４ｃ、目標温度演算手段３４ｄ、及び発熱体温度導出手段３４ｅで表すことができる。

恒温部４２は、図２に示すように、他端２０側を開放端とし、他端２０から試験体２４に送風される空気を試験体２４の周囲に閉じ込めるように、熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材（高熱伝導膜）５２によって試験体２４を取り囲むように形成されている。高熱伝導部材５２を構成する材料として、例えば、アルミ箔または銅箔などが考えられる。

更に、本実施の形態の試験体２４は、図示されるように、高熱伝導部材５２によって覆われている。恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２、及び、試験体２４を包む高熱伝導部材５２は、例えば、アルミ箔、または銅箔などの金属箔で構成することができ、その厚さは、例えば、１１μｍ程度のものとすることができる。なお、試験体２４を包む高熱電導部材５２と、恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱電導部材５２とを区別するために、試験体２４を包む高熱電導部材５２を高熱電導部材５２ａとし、恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱電導部材５２を高熱電導部材５２ｂとして説明する場合がある。

恒温部４２内の恒温ゾーン４２ａに温度調整された空気が送風されることにより、この空気を限定された空間内に一時的に閉じ込めるため、恒温ゾーン４２ａ内の温度を、送風された空気の温度に迅速かつ効率良く加熱・冷却できる。すなわち、恒温部４２は、他端２０から試験体２４に送風される空気が試験体２４の周囲に一時的に閉じ込められるように、熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材５２ｂによって試験体２４を取り囲むように形成されている。また、恒温ゾーン４２ａ内の壁面を形成する高熱伝導部材５２ｂを通じて熱が迅速に伝わるための壁面温度が均一になり、壁面と恒温ゾーン４２ａ内の温度分布が均一になる。特に送風された空気が回り込み難い試験体２４の周辺部や、空気が送風される他端２０側とは逆側の試験体２４の部分等の雰囲気温度も送風された空気の温度と迅速にほぼ同じになるため、試験体２４全体の温度分布が更に均一にすることができる、という効果がある。この効果は、試験体２４が大きく、試験体２４を包む（覆う）高熱伝導部材５２ａだけでは十分に試験体２４を均熱化できない場合に、より有効に作用する。

恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂの熱容量は小さい方がより迅速に均熱化できるので、高熱伝導部材５２ｂの膜は一重で十分である。恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂの強度や剛性が不足する場合には多重構造にしてもよい。また、恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂの外側は断熱材などで覆われない外部雰囲気に通じた空気などの断熱層兼放熱層で大部分を覆うことが望ましい。これにより、高熱伝導部材５２ｂがより迅速かつ均一に加熱・冷却できる。

或いは、恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂの外側は断熱材で大部分を覆うことが望ましい。これにより、高熱伝導部材５２ｂの放熱が防止できるので、高熱伝導部材５２ｂの均熱性がさらに向上し、恒温ゾーン４２ａの温度分布がより均一になり、試験体２４の温度分布をより均一にできる。なお、高熱伝導部材５２ｂとその外側を覆う断熱材との間には空気などの気体の空隙層を設けないことが望ましい。このために高熱伝導部材５２ｂを断熱材に接着することがより望ましい。空隙層は高熱伝導部材５２ｂの放熱を妨げるため、高熱伝導部材５２ｂの迅速な冷熱（冷却及び加熱）を妨げる。接着により、空隙層を無くせるため、迅速な冷熱が可能になる。

ここで、恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂの外側を覆う断熱材の一例について説明する。このような断熱材としては、熱伝導率が０．２（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下のものが望ましく、０．０５（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下のものがより望ましい。材質としては、ウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム、グラスウール、ロックウール、セルロースファイバー、セラミックボードなどの、内部に穴の開いたポーラスな構造を持つ樹脂、セラミックス、ガラス繊維、天然繊維を基材とする断熱材が望ましい。断熱材の厚さは２ｍｍ程度以上あればよく、５ｍｍ程度以上が望ましい。なお、上記で説明した断熱部材（断熱層）１６ｄについてもこのような断熱材を用いればよい。

恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂを保持する保持具（図示せず）の材質は樹脂などの低熱伝導材、断熱材が望ましい。また、熱容量が小さく、恒温ゾーン４２ａを取り囲む高熱伝導部材５２ｂとの接触面積を小さくできる針金などの細い棒状の保持具であれば金属などの高熱伝導材製でも許容される。高熱伝導部材５２ａで包まれた試験体２４を保持する保持具（図示せず）についても同様である。但し、高熱伝導部材５２ｂと試験体２４との間に保持具を設置する場合には、当該保持具は、高熱伝導部材とすることが望ましい。例えば、具体的には、アルミニウムや銅などの高熱伝導材製の箔、薄板、針金、金網、棒などを含んで構成した保持具が望ましい。

すなわち、上記のような構成にしたため、試験体２４に送風された空気の熱が試験体２４全体に迅速かつ均一に伝わるため、空気を試験体２４の一部分に送風するだけで、試験体２４全体を迅速かつ均一に加熱・冷却することができる。なお、この効果は絶大であり、試験体２４の空気が送風された側と、試験体２４の空気が送風されない側との温度を迅速に均一にすることができるため、例えば、一方向のみからの空気の送風で大きな試験体２４の加熱・冷却を迅速に均一にすることが可能となる。このように複数方向からの空気の送風を必要としないため、装置構成が簡素化できる。

ここで、高熱伝導部材５２ａ、高熱伝導部材５２ｂ、試験体２４を保持する保持具に用いる高熱伝導部材の材質としては、アルミニウムや銅などの高熱伝導金属が望ましい。また、炭素質の高熱伝導材を用いることもできる。熱伝導率としては１００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の材料が望ましく、２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上がより望ましい。なお、金属の場合は延性に優れるため、試験体２４や恒温ゾーン４２ａの形状に合わせて容易に成形できるとともに、靭性も兼備するため安定して長期間使用できる利点がある。アルミニウムや銅などの金属の純度として９０％以上が望ましく、９９％以上がより望ましい。高純度であるほど、熱伝導率が高いとともに、延性や成形性に優れる効果がある。

高熱伝導部材５２ａは厚さ５０μｍ以下の箔であることが望ましく、厚さ２０μｍ以下であることがより望ましい。厚さが薄いほど、変形が容易なため、試験体２４に負荷をかけることなく、容易に試験体２４の表面形状に沿って変形させて試験体２４を覆うことができる。最適な厚さは約１０μｍ（７〜１５μｍ）である。これ以上薄いと強度が弱いため、膜が破れやすい上、加工費が高くなり高コストになるので好ましくない。なお、金属箔は、特に加工性、延性、靭性に優れるため、最適である。

なお、高熱伝導部材５２ａは一重の膜でも効果があるが、薄膜を複数枚重ねる構造がより望ましい。これにより、膜をより低荷重で自由に変形できるため、試験体２４へ負荷をかけずに、試験体２４の表面形状に沿って、試験体２４を高熱伝導部材５２ａで覆うことができるとともに、膜の枚数を調整することで、膜に適度な熱容量を持たせることで、蓄熱効果により、試験体２４への熱移動を円滑にし、より迅速かつ均一な加熱・冷却を可能にする。

高熱伝導部材５２ｂの材質としては、上記で説明した高熱伝導部材５２ａの材質と同じものが、ほぼ同じ理由で望ましい。但し、厚さは、少し厚いものを一重に配することが望ましい。好適な厚さは約１ｍｍ以下であり、０．１ｍｍ程度以下であることがより望ましく、３０μｍ程度（２０μｍ〜５０μｍ）が最適である。これより薄いと強度が低いため長期間使用時に破れやすく、また熱容量が小さいため蓄熱量が小さく均熱効果が不十分になる懸念がある。一方、恒温ゾーン４２ａを取り囲むように配するだけのため、成形が単純であるため少し厚い膜でも十分に成形できる。

試験体２４には、試験体２４の温度を検出するための温度センサ５４が貼付されている。温度センサ５４は、温度制御ユニット３２を介してコンピュータ３４に接続されており、試験体２４の温度を検出し、試験体２４の温度を示す検出信号をコンピュータ３４に出力する。なお、温度センサ５４は、本発明の試験体温度検出手段の一例である。

次に、コンピュータ３４の動作について説明する。まず、補正手段３４ａでは、下記の式（１）、式（２）に従って、試験データ、及び詳細を以下で説明する偏差演算処理によって演算された偏差Ｅｓｐに基づいて、現時点の試験体２４の目標温度（目標値）Ｔｓｖを、偏差Ｅｓｐに基づいて定められた第１の補正値ｍ・Ｅｓｐ（＝ΔＴｓｃ）によって補正する。なお補正後の目標温度（補正された目標温度）は、Ｔｓｖ＋ΔＴｓｃ（＝Ｔｓｓ）となる。

ただし、ｍは、補正係数であり、０〜１の間で設定される。なお、上記偏差Ｅｓｐは、周期フィードバック制御量ということもできる。

ここで、偏差演算処理について説明する。偏差演算処理は所定周期毎にコンピュータ３４のＣＰＵによって実行される。偏差演算処理では、試験データである試験体２４の温度を予め定められた上下限の間で時系列で変化させるための目標温度の時系列データに基づいて、温度センサ５４からの検出信号が示す試験体２４の上限温度と当該目標温度の時系列データが示す上限温度との偏差Ｅｓｐ＿ｈ及び温度センサ５４からの検出信号が示す試験体２４の下限温度と当該目標温度の時系列データが示す下限温度との偏差Ｅｓｐ＿ｌの少なくとも一方の偏差を偏差Ｅｓｐとして演算する。

補正値演算手段３４ｂは、下記の式（３）、式（４）に従って、温度センサ５４からの検出信号が示す試験体２４の温度Ｔｓｍと、補正された目標温度Ｔｓｓとの偏差（Ｔｓｓ−Ｔｓｍ（＝Ｅｎ））に基づいて、目標温度Ｔｓｓを更に補正するための第２の補正値Ｍｎ（＝ｆ（Ｅｎ））を演算する。なお、Ｍｎは逐次フィードバック制御量でもある。

ただし、ｆ（ｘ）はフィードバック制御を行うための関数（例えばｆ（ｘ）＝ｘ）であり、ＰＩＤ制御を行うための関数であることが望ましい。

導出手段３４ｃは、以下の式（５）に従って、試験体２４の温度と試験体２４に送風された空気の温度との温度差と、目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配との予め実験的に求められた関係に基づいて、現時点の当該目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配Ｖｓｖに対応する試験体２４の温度と試験体２４に送風された空気の温度との温度差Ｓｎを導出する。

ただし、Ｐｐは、試験体２４の温度と試験体２４に送風された空気の温度との温度差と、目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配との予め実験的に求められた関係に基づいて得られた係数である。なお、Ｓｎはフィードフォーワード制御量でもある。

目標温度演算手段３４ｄは、以下の式（６）に従って、補正された目標温度Ｔｓｓ、第２の補正値Ｍｎ、及び温度差Ｓｎに基づいて、試験体２４に送風される空気の目標温度Ｔａを演算する。

なお、上記Ｔａは、エア実行温度目標値でもある。

発熱体温度導出手段３４ｅは、以下の式（７）に従って、予め実験的に求められた試験体２４に送風された空気の温度と発熱体終端部４８のエアの温度との関係、及び目標温度Ｔａに基づいて、目標温度Ｔａに対応する発熱体終端部４８のエアの温度Ｔｈを導出する。

ただし、ｇ（ｘ）は、試験体２４に送風された空気の温度がｘである場合における発熱体１９の温度を示す関数であり、予め求められたものである。なお、Ｔｈは、ヒータ温度目標値でもある。

そして、発熱体温度導出手段３４ｅは、導出した温度Ｔｈとなるように、発熱体１９を温度制御ユニット３２を介して制御する。具体的には、発熱体温度導出手段３４ｅは、温度Ｔｈを示す情報を温度制御ユニット３２に入力する。これにより、温度制御ユニット３２は、発熱体終端部４８のエアの温度がコンピュータ３４から入力される情報が示す温度Ｔｈとなるように発熱体終端部４８のエアの加熱を制御する（具体的には、発熱体１９の発熱量を制御する）。

以上、本実施の形態の熱疲労試験装置１０について説明した。本実施の形態の熱疲労試験装置１０によれば、温度勾配Ｖｓｖに対応する試験体２４の温度と試験体２４に送風された空気の温度との温度差Ｓｎを導出して、導出された温度差Ｓｎを加味して試験体２４に送風される空気の目標温度Ｔａが演算され、試験体２４に送風された空気の温度と発熱体終端部４８のエアの温度との予め求められた関係、及び目標温度Ｔａに基づいて、当該目標温度Ｔａに対応する発熱体終端部４８のエアの温度Ｔｈを導出し、導出した温度Ｔｈとなるように、発熱体１９の発熱量を制御する。目標とする試験体２４の目標温度Ｔｓｓから試験体２４に送風される空気の目標温度Ｔａが演算され、試験体２４に送風された空気の温度と発熱体終端部４８のエアの温度との予め求められた関係から、発熱体終端部４８のエアの温度Ｔｈを導出して発熱体１９の発熱量を制御するので、目標とする試験体２４の目標温度に忠実に呼応すると共に、試験体２４の温度が目標温度の時系列データが示す目標温度となるように迅速、高精度に行うことができる。また、試験体２４に温度変化をもたらす熱の移動は原理的に試験体２４に送風された空気の温度と試験体２４の温度との差に比例して生ずるため、物理的に意味のある試験体２４に送風された空気の温度を中間パラメータとして用いることで、原理原則に基づいた温度制御が行われるため、安定した温度制御が実現できる。

従来技術では、試験体を加熱・冷却する場合、加熱用デバイスと冷却用デバイスとを別々に設置し、加熱用デバイスでの加熱と、冷却時には冷却用デバイスによる冷却とを交互に切り替えて加熱・冷却を行うのが通常であった。これは両者を同時に併用すると、熱損失が大きくなり、効率よく迅速に温度調整することが容易でないためと考えられる。特に、室温より低温に冷却する冷却器（冷却デバイス）を用いる場合には大幅な効率の低下が懸念される。

これに対し、本実施の形態の熱疲労試験装置１０では、即座に温調（温度調節）が可能な冷却デバイス（ボルテックスチューブ１６ａなど）と加熱デバイス（エアヒータ１６ｃなど）とを直結し、さらに加熱デバイスの終端に近接して設置した試験体（供試体）２４に直接、温調したエアを吹き付けることにより、本実施の形態の熱疲労試験装置１０によって、熱損失を本質的に防止し、迅速かつ均一な試験体の加熱・冷却を初めて実現できるようになった。具体的には即座に温調が可能な冷却デバイスとしてボルテックスチューブ１６ａなどを用い、即座に温調が可能な加熱デバイスとしては熱変換効率が高く、放熱性の高いヒータ（エアヒータ１６ｃ）を用いている。さらに、ボルテックスチューブ１６ａで得た冷風をエアヒータ１６ｃで任意の温度に調整することで、室温より低い温度から２００度以上の高温における広い温度領域の温度調整をエアヒータ１６ｃの出力調整のみで高精度に行えるという画期的な効果を生み出している。このような効果は、温度調整が緩慢な他の一般的な冷却器と熱変換効率が低く、保温性の高い一般的なヒータの組み合わせでは到底実現できない。また、連結の順番を変えて、エアヒータ１６ｃの後にボルテックスチューブ１６ａを接続しても、高精度な温度調整は実現できない。

また、本実施の形態の熱疲労試験装置１０では、冷熱デバイス１６内に均熱ゾーン３８及び保冷ゾーンが設けられており、これにより、より効率よく、均一な加熱・冷却を実現することができる。

なお、上記では、冷熱デバイス１６と試験体２４及び恒温部４２との組が１組の場合の熱疲労試験装置について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、冷熱デバイス１６と試験体２４及び高温部４２との組を複数備えた多連システムである熱疲労試験装置であってもよい。このような多連システムにおいて、本実施の形態で説明した構成にすると、冷熱デバイス１６と試験体２４とを横に並べて複数設置した場合には、試験体２４の冷熱デバイス１６側とは反対側に、試験体２４の交換などの作業スペースをまとめて設置できるため、省スペースで効率よく試験作業を行える、といった効果がある。

また、本実施の形態では、ガスの一例として空気を用いた例について説明したが、本発明はこれに限られず、ガスであれば、例えば、窒素や二酸化炭素を用いてもよい。また、その他のガスも用いてもよい。このようなガスとしては、例えば、試験体に送風する加熱・冷却することに適したガスであることが望ましい。

また、本実施の形態では、上記冷熱デバイス１６を用いて、温度制御処理、偏差演算処理を行うことにより温度制御を行う例について説明したが、上記冷熱デバイス１６以外の冷熱デバイスを用いて、上記温度制御処理、偏差演算処理を行うことにより温度制御を行うこともできる。

１０ 熱疲労試験装置
１６ 冷熱デバイス
１６ａ ボルテックスチューブ
１６ｂ 保冷部
１６ｃ エアヒータ
１６ｄ 断熱部材
１７ 環状部材
１８ 一端
１９ 発熱体
２０ 他端
２２ ガス流路
２４ 試験体
２６ 第１の中間部分
２８ 放熱部
３０ 第２の中間部分
３２ 温度制御ユニット
３４ コンピュータ
４２ 恒温部

Claims (8)

1. 送風されたガスを所定温度以下に冷却するガス冷却手段と、
   内部に一端から他端にわたってガス流路が形成され、かつ前記他端から第１の中間部分にわたる外側面に放熱部が設けられると共に、前記一端側で前記ガス冷却手段に連結され、かつ前記他端側に試験体が配置される環状部材と、
   前記一端から第２の中間部分の間に前記ガス流路内に設けられ、前記ガス流路を流通するガスを加熱する発熱体と、
   測温データに基づいて、前記ガス冷却手段により冷却され前記試験体に送風されるガスを目標温度に調整するように、前記発熱体の発熱量を制御する発熱体制御手段と、
   を含む熱疲労試験装置。
2. 前記放熱部は、前記環状部材の外側面の全面積の８０％以上の面積にわたって設けられた請求項１記載の熱疲労試験装置。
3. 前記第２の中間部分から前記他端までの前記発熱体が存在しないガス流路部分を、前記発熱体により生じた前記ガスの温度分布を熱交換により小さくする均熱ゾーンとして形成した、
   請求項１または請求項２記載の熱疲労試験装置。
4. 前記他端側を開放端とし、前記他端から送風されるガスを前記試験体の周囲に一時的に閉じ込めるように、熱伝導率が所定値以上の高熱伝導部材によって前記試験体を取り囲むように形成された恒温部を更に含み、
   前記試験体を前記高熱伝導部材で覆って包み、
   前記ガスを前記他端から前記試験体を覆って包んだ前記高熱伝導部材の一部分に吹き付ける、
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の熱疲労試験装置。
5. 前記高熱伝導部材をアルミ箔または銅箔で構成した請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の熱疲労試験装置。
6. 前記ガス冷却手段で冷却されたガスを保冷する保冷部を更に含み、
   前記環状部材は、前記保冷部を介して前記一端側で前記ガス冷却手段に連結された請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の熱疲労試験装置。
7. 前記ガス冷却手段をボルテックスチューブで構成した請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の熱疲労試験装置。
8. 前記試験体の温度を検出する試験体温度検出手段を含み、
   前記発熱体制御手段は、
   前記試験体の温度を予め定められた上下限の間で時系列で変化させるための目標温度の時系列データに基づいて、前記試験体温度検出手段によって検出された前記試験体の上限温度と前記目標温度の時系列データが示す上限温度との偏差及び前記試験体温度検出手段によって検出された前記試験体の下限温度と前記目標温度の時系列データが示す下限温度との偏差の少なくとも一方の偏差を所定周期で演算する偏差演算手段と、
   前記目標温度の時系列データ、及び前記偏差演算手段で演算された前記偏差に基づいて、現時点の前記試験体の目標温度を、前記偏差に基づいて定められた第１の補正値で補正する補正手段と、
   前記試験体温度検出手段で検出された前記試験体の温度と、前記補正手段で補正された目標温度との偏差に基づいて、前記目標温度を更に補正するための第２の補正値を演算する補正値演算手段と、
   前記試験体の温度と前記試験体に送風されたガスの温度との温度差と、前記目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配との予め求められた関係に基づいて、現時点の前記目標温度の時系列データが示す目標温度の温度勾配に対応する前記試験体の温度と前記試験体に送風されたガスの温度との温度差を導出する導出手段と、
   前記補正手段で補正された目標温度、前記第２の補正値、及び前記導出手段で導出された温度差に基づいて、前記試験体に送風されるガスの目標温度を演算する目標温度演算手段と、
   を含み、
   前記試験体に送風されたガスの温度と前記発熱体終端部のガスの温度との予め求められた関係、及び前記目標温度演算手段によって演算された目標温度に基づいて、該目標温度に対応する前記発熱体終端部のガスの温度を導出し、導出した温度となるように、前記発熱体の発熱量を制御する請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の熱疲労試験装置。

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