(57)【要約】【課題】細長い棒状試験片の側面に短いピン状試験片の端面を押し付けて相対的に摺動させる往復動摩耗試験装置において、試験片の摺動面を任意の試験温度に加熱し保持することができ、かつ装置の大型化と試験片以外の加熱領域の拡大を防止することができる往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置を提供する。【解決手段】棒状試験片１は、その長さ方向一端面１ａからピン状試験片２の摺動範囲全体まで長さ方向に延びる中空穴１ｂを有する。また、棒状試験片１は、ピン状試験片２の摺動範囲全体にレーザ光８が均等に照射されるように構成された傾斜内面１ｃを有する。さらに、中空穴１ｂを通して棒状試験片１の摺動範囲内面にレーザ光８を照射してこれを加熱するレーザ加熱装置１２と、棒状試験片の摺動面１ｄの温度を遠隔計測する輻射温度計１４と、計測された温度に基づきレーザ加熱装置１２のレーザ出力を制御するレーザ制御装置１６とを備える。【選択図】図３
2010169559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長い棒状試験片を長さ方向に往復動させ、該棒状試験片の側面にピン状試験片の端面を押し付けて摺動させる往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置であって、
前記棒状試験片は、その長さ方向一端面から前記ピン状試験片の摺動範囲全体まで長さ方向に延びる中空穴を有し、
さらに、該中空穴を通して棒状試験片の摺動範囲内面にレーザ光を照射してこれを加熱するレーザ加熱装置と、
棒状試験片の摺動面の温度を遠隔計測する輻射温度計と、
計測された温度に基づき前記レーザ加熱装置のレーザ出力を制御するレーザ制御装置とを備える、ことを特徴とする往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置。
【請求項２】
前記棒状試験片は、ピン状試験片の摺動範囲全体に前記レーザ光が均等に照射されるように構成された傾斜内面を有し、
前記傾斜内面は、ピン状試験片の摺動面の裏側、又は該摺動面に直交する片面又は両面に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置。
【請求項３】
前記レーザ加熱装置は、加熱用のレーザ光を発生するレーザ発生装置と、該レーザ光を棒状試験片の往復動範囲の外側まで導入する光ファイバーと、該光ファイバーの端面近傍に位置するレーザ光学系とからなり、
該レーザ光学系は、光ファイバーから出射されるレーザ光を前記傾斜内面に適合する円状、線状又は楕円状の平行光に変換し、かつ棒状試験片の長さ方向に沿って前記中空穴に向けて照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温雰囲気で使用する往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験片の試験条件を実機使用条件に模擬して試験する試験装置として、例えば特許文献１が既に提案されている。
【０００３】
特許文献１は、コーティング部材の試験条件を実機使用条件に模擬して、コーティング部材の損傷メカニズムの解明と寿命評価を可能にすることを目的とする。
そのため、特許文献１では、図９に示すように、中空筒状の金属基材の表面にコーティング層を形成したコーティング部材である試験片５４の外面側を加熱装置５５で加熱する一方、冷却装置５７により中空部に冷却媒体を流通せしめて内面側を冷却することにより、コーティング部材の実機運転時の温度条件によって形成される温度勾配を模擬した温度勾配を試験片断面の半径方向に形成し、この状態でコーティング層の特性を計測するものである。
なお、この図において、５１は放射温度計、５２は測長器、５３は制御回路、５８は荷重負荷装置である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１５２５３号公報、「コーティング部材の耐久性試験方法および試験装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、往復動圧縮機におけるピストンリングとシリンダライナは、潤滑油の存在しない「無潤滑ドライ状態」、又は圧縮空気中の水分が凝縮してドレンとして間欠的に供給される「無潤滑ウェット状態」で、相互に往復動するため、摩擦による摩耗が激しいことが知られている。
そこで、このようなピストンリングとシリンダライナを試験片とする往復動摩耗試験装置が強く要望されていた。
【０００６】
この往復動摩耗試験装置では、実機の使用条件を模擬するために、試験片を実機に相当する温度（例えば常温〜１００℃）に加熱・保持する必要がある。
しかし、往復動摩耗試験装置で使用する試験片は装置全体と比較して非常に小型である（例えば、幅１２ｍｍ×長さ１３０ｍｍ×厚さ８ｍｍのライナ試験片と、直径１６ｍｍ×長さ２０ｍｍのリング試験片）。そのため、これらの試験片は、それぞれ別の剛性の高い部材に固定して相対的に摺動させる必要があり、試験片を所定の温度に加熱・保持するためには、それらが取り付けられる部材も含めて電気炉等に収容する必要があった。
しかし、この場合、電気炉を往復動摩耗試験装置に組み込むことは、構造上困難であり、また、仮にできても往復動摩耗試験装置が大型化し、かつ加熱領域が拡大する問題点があった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、細長い棒状試験片の側面に短いピン状試験片の端面を押し付けて相対的に摺動させる往復動摩耗試験装置において、試験片の摺動面を任意の試験温度（例えば常温〜１００℃）に加熱し保持することができ、かつ往復動摩耗試験装置の大型化と試験片以外の加熱領域の拡大を防止することができる往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、細長い棒状試験片を長さ方向に往復動させ、該棒状試験片の側面にピン状試験片の端面を押し付けて摺動させる往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置であって、
前記棒状試験片は、その長さ方向一端面から前記ピン状試験片の摺動範囲全体まで長さ方向に延びる中空穴を有し、
さらに、該中空穴を通して棒状試験片の摺動範囲内面にレーザ光を照射してこれを加熱するレーザ加熱装置と、
棒状試験片の摺動面の温度を遠隔計測する輻射温度計と、
計測された温度に基づき前記レーザ加熱装置のレーザ出力を制御するレーザ制御装置とを備える、ことを特徴とする往復動摩耗試験装置の試験片加熱装置が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記棒状試験片は、ピン状試験片の摺動範囲全体に前記レーザ光が均等に照射されるように構成された傾斜内面を有し、
前記傾斜内面は、ピン状試験片の摺動面の裏側、又は該摺動面に直交する片面又は両面に設けられる。
【００１０】
またレーザ加熱装置は、加熱用のレーザ光を発生するレーザ発生装置と、該レーザ光を棒状試験片の往復動範囲の外側まで導入する光ファイバーと、該光ファイバーの端面近傍に位置するレーザ光学系とからなり、
該レーザ光学系は、光ファイバーから出射されるレーザ光を前記傾斜内面に適合する円状、線状又は楕円状の平行光に変換し、かつ棒状試験片の長さ方向に沿って前記中空穴に向けて照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明の構成によれば、レーザ加熱装置により棒状試験片の長さ方向に延びる中空穴を通して棒状試験片の摺動範囲内面にレーザ光を照射してこれを内面から加熱することができる。
また、輻射温度計により棒状試験片の摺動面の温度を遠隔計測し、計測された温度に基づきレーザ制御装置によりレーザ加熱装置のレーザ出力を制御することにより、試験片の摺動面を任意の試験温度（例えば常温〜１００℃）に加熱し保持することができる。
【００１２】
さらに、本発明の試験片加熱装置は、試験片以外は、レーザ加熱装置、輻射温度計及びレーザ制御装置で構成され、往復動摩耗試験装置に組み込まれるのは、レーザ加熱装置の一部（光ファイバーとレーザ光学系）と輻射温度計のみであるため、往復動摩耗試験装置の大型化を防止できる。
また、レーザ加熱装置は、棒状試験片の摺動範囲内面のみを加熱するので、試験片以外の加熱を大幅に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明の試験片加熱装置を備えた往復動摩耗試験装置の部分構成図である。
この図において、１は細長い棒状試験片、２はピン状試験片である。この往復動摩耗試験装置は、細長い棒状試験片１を長さ方向（図で左右方向）に往復動させ、棒状試験片１の側面（図で下面）にピン状試験片２の端面（上面）を押し付けて摺動させるようになっている。
【００１５】
棒状試験片１とピン状試験片２は、例えば往復動圧縮機におけるシリンダライナとピストンリングを想定している。しかし、本発明はこれらに限定されず、２つの試験片を相対的に摺動させる限りで、試験片を自由に選定することができる。
【００１６】
棒状試験片１は、この例では幅１２ｍｍ×長さ１３０ｍｍ×厚さ８ｍｍの細長い矩形片であり、水平に延びる往復駆動軸３の下面に図示しないボルト等で強固に固定される。
往復駆動軸３は、軸受４Ａ，４Ｂにより水平移動可能に支持され、図示しない駆動装置により、所定のストロークで往復動する。この駆動装置は、例えば電動機又は原動機で駆動されたクランクシャフトであり、所定のストロークは、往復動圧縮機を想定して、例えば１００ｍｍである。
しかし、本発明はこれらに限定されず、往復動をクランクシャフト以外で行ってよい。また、往復駆動軸３の往復動回数（揺動回数）は、例えば１〜１２００サイクル／分の範囲で自由に設定できるのがよい。
【００１７】
ピン状試験片２は、この例では直径１６ｍｍ×長さ２０ｍｍ、試験面直径８ｍｍの円筒形部材であり、往復駆動軸３を間隔を隔てて囲む押付フレーム４の下部に押付端面を上向きに固定されている。
押付フレーム４は、ロードセル５、コイルバネ６を介して図示しない吊上装置に連結され、棒状試験片１の側面にピン状試験片２の端面を一定の荷重で上向きに押付けるようになっている。この荷重は、ロードセル５で検出し、吊上装置へフィードバックして制御される。
【００１８】
図２は、本発明で使用する棒状試験片１の構成図であり、（Ａ）は第１実施形態、（Ｂ）は第２実施形態を示している。
図２（Ａ）（Ｂ）において、棒状試験片１は、その長さ方向一端面１ａ（図で右端）からピン状試験片２の摺動範囲７の全体まで長さ方向に延びる中空穴１ｂを有する。
また、棒状試験片１は、ピン状試験片の摺動範囲７の全体にレーザ光８（後述する）が均等に照射されるように構成された傾斜内面１ｃを有する。
【００１９】
図２（Ａ）は、棒状試験片１の側面図とその断面図を示している。この図において、１ｄはピン状試験片２を押し付けて摺動させる摺動面である。
この例では、傾斜内面１ｃは、ピン状試験片２の摺動面の裏側に設けられている。
【００２０】
図２（Ｂ）は、棒状試験片１の平面図とその断面図を示している。この図において、摺動面１ｄは紙面の裏面（又は表面）である。
この例では、傾斜内面１ｃは、摺動面１ｄに直交する両面に設けられている。なお、この例で、傾斜内面１ｃを片面のみに設けてもよい。
【００２１】
上述した構成により、棒状試験片１の長さ方向に沿って中空穴１ｂに向けてレーザ光８を照射することにより、棒状試験片１が図で左右に往復動する場合でも、棒状試験片１をレーザ光８が照射される傾斜内面１ｃから加熱することができる。
【００２２】
図３は、本発明による試験片加熱装置の構成図である。
この図に示すように、本発明の試験片加熱装置１０は、レーザ加熱装置１２、輻射温度計１４、およびレーザ制御装置１６を備える。
【００２３】
レーザ加熱装置１２は、棒状試験片１の中空穴１ｂを通して棒状試験片１の摺動範囲内面（傾斜内面１ｃ）にレーザ光８を照射してこれを内面から加熱する。
【００２４】
この例において、レーザ加熱装置１２は、レーザ発生装置１２ａ、光ファイバー１２ｂ、及びレーザ光学系１２ｃからなる。
【００２５】
レーザ発生装置１２ａは、レーザ制御装置１６からの出力指示により加熱用のレーザ光８を発生する。レーザ光８は、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、アルゴンイオンレーザ、半導体レーザなど熱エネルギとし利用できるレーザ光であればよい。レーザ発生装置１２ａは、往復動摩耗試験装置から離れた任意の場所に設置することができる。
【００２６】
光ファイバー１２ｂは、レーザ光８を棒状試験片１の往復動範囲の外側、この例では、往復駆動軸３の軸受４Ｂの近傍（固定位置）まで導入する。
【００２７】
図４は、レーザ光学系１２ｃの第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
レーザ光学系１２ｃは、光ファイバー１２ｂの端面近傍に位置し、この例では光ファイバー１２ｂの端面近傍に位置する凸レンズ１３ａと平凹シリンドリカルレンズ１３ｂ、凸レンズ１３ｃおよび反射ミラー１３ｄからなる。
凸レンズ１３ａは、光ファイバー１２ｂから出射されるレーザ光８を傾斜内面１ｃに適合する光径の平行光に変換する。平凹シリンドリカルレンズ１３ｂは、変換された平行光の一方向を拡大しシート状あるいは楕円状の光に変換する。凸レンズ１３ｃは、平凹シリンドリカルレンズ１３ｂで拡大された光を平行光に戻す作用を行う。また、反射ミラー１３ｂは、傾斜内面１ｃに適合する円状、線状又は楕円状の平行光を反射して、棒状試験片１の長さ方向に沿って中空穴１ｂに向けて照射する。
なお、８ａ，８ｂは、レーザ光の断面形状である。
【００２８】
図５は、レーザ光学系１２ｃの第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
この例において、１３ｃは平凸シリンドリカルレンズであり、凸レンズ１３ｃと同様の機能を有する。また、その他の構成は、図４と同一である。
【００２９】
なお、レーザ光学系１２ｃは、この構成に限定されず、レーザ光８を傾斜内面１ｃに適合する円状、線状又は楕円状の平行光に変換しかつ棒状試験片１の長さ方向に沿って中空穴１ｂに向けて照射できればよい。また、光ファイバー１２ｂも必須ではなく、これを省略してもよい。
【００３０】
図６は、レーザ光学系１２ｃの第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
この例は、光ファイバー１２ｂを省略した例であり、この場合、図４の凸レンズ１３ａを省略し、平凹シリンドリカルレンズ１３ｂと凸レンズ１３ｃ（あるい平凸シリンドリカルレンズ）および反射ミラー１３ｄの組合せを採用する。
【００３１】
図７は、レーザ光学系１２ｃの第４実施形態図である。この図において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
この例は、図６と同様に光ファイバー１２ｂを省略した例であり、この場合、図４の凸レンズ１３ａを省略し、平凹シリンドリカルレンズ１３ｂと平凸シリンドリカルレンズ１３ｃおよび反射ミラー１３ｄの組合せを採用する。
図６と図７の機能は同一である。
【００３２】
図３において、輻射温度計１４は、棒状試験片１の往復動範囲の外側、この例では、往復駆動軸３の斜め下側に固定され、棒状試験片１の摺動面の温度を遠隔計測する。輻射温度計１４の出力はレーザ制御装置１６に入力される。
レーザ制御装置１６は、計測された温度に基づきレーザ加熱装置１２のレーザ出力を制御する。
【００３３】
図８は、本発明による試験片加熱装置の作動説明図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、棒状試験片１が長さ方向（図で左右）に往復動する状態であり、（Ａ）はストロークの左端位置、（Ｂ）は中間位置、（Ｃ）は右端位置を示している。
【００３４】
棒状試験片１は、往復駆動軸３の往復動と共に、所定のストロークで往復動する。
これに対し、ピン状試験片２は、中間位置（ストロークの中間）に固定され、上述した吊上装置により棒状試験片１の側面にピン状試験片２の端面を一定の荷重で上向きに押付ける。
また、上述したレーザ加熱装置１２、輻射温度計１４、およびレーザ制御装置１６は、試験片加熱装置の固定フレームまたは装置外部に固定して設置されている。
【００３５】
この状態において、往復駆動軸３が往復動すると、棒状試験片１は、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のように左右に往復動し、その右端面１ａも左右に往復動する。
【００３６】
上述した本発明の構成によれば、レーザ加熱装置１２により棒状試験片１の長さ方向に延びる中空穴１ｂを通して棒状試験片１の摺動範囲内面にレーザ光８を照射してこれを内面から加熱することができる。
また、輻射温度計１４により棒状試験片１の摺動面１ｄの温度を遠隔計測し、計測された温度に基づきレーザ制御装置１６によりレーザ加熱装置１２のレーザ出力を制御することにより、試験片の摺動面１ｄを任意の試験温度（例えば常温〜１００℃）に加熱し保持することができる。
さらに、本発明の試験片加熱装置１０は、試験片以外は、レーザ加熱装置１２、輻射温度計１４及びレーザ制御装置１６で構成され、往復動摩耗試験装置に組み込まれるのは、レーザ加熱装置１２の一部（光ファイバー１２ｂとレーザ光学系１２ｃ）と輻射温度計１４のみであるため、往復動摩耗試験装置の大型化を防止できる。
また、レーザ加熱装置１２は、棒状試験片１の摺動範囲内面のみを加熱するので、試験片以外の加熱を大幅に防止することができる。
【００３７】
従って、本発明では、摺動試験部の加熱にレーザの熱エネルギを利用し、被加熱部を集中的に加熱することが可能となるため不必要な装置への入熱が低減される。また遠隔、非接触でレーザ加熱ができるために電気ヒータなどの電線が不要となる。さらに加熱炉の組込みが不要であることから装置の小型化に寄与する。
【００３８】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の試験片加熱装置を備えた往復動摩耗試験装置の部分構成図である。
【図２】本発明で使用する棒状試験片１の構成図である。
【図３】本発明による試験片加熱装置の構成図である。
【図４】レーザ光学系の第１実施形態図である。
【図５】レーザ光学系の第２実施形態図である。
【図６】レーザ光学系の第３実施形態図である。
【図７】レーザ光学系の第４実施形態図である。
【図８】本発明による試験片加熱装置の作動説明図である。
【図９】特許文献１の試験装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  棒状試験片、１ａ端面、１ｂ  中空穴、１ｃ傾斜内面、１ｄ  摺動面、
２  ピン状試験片、３  往復駆動軸、４Ａ，４Ｂ  軸受、
５  ロードセル、６  コイルバネ、７  摺動範囲、
８  レーザ光、８ａ，８ｂ  レーザ光の断面形状
１０  試験片加熱装置、１２  レーザ加熱装置、
１２ａ  レーザ発生装置、１２ｂ  光ファイバー、
１２ｃ  レーザ光学系、１３ａ  凸レンズ、
１３ｂ  反射ミラー、１３ｂ  平凹シリンドリカルレンズ、
１３ｃ  凸レンズ（平凸シリンドリカルレンズ）、
１３ｄ  反射ミラー、
１４  輻射温度計、１６  レーザ制御装置
【図１】
2010169559.tif 000003
【図２】
2010169559.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010169559.tif 000010
【図９】
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