(57)【要約】【課題】本発明は、小型化を図りながらも温度ムラのない高温環境下で金属材料試験片の回転曲げ疲労試験をなし得る高温疲労試験装置を提供する。【解決手段】本高温疲労試験装置及びその高温炉は、円筒状の金属材料の試験片の一端を該一端と協動して軸回転自在に固定支持する装着部材と、前記試験片の他端を自重により鉛直下方に引っ張る荷重付加部材とを備える試験片の回転曲げ疲労強度を測定する。本高温疲労試験装置は、試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度を制御する中空の高温炉を備え、該高温炉の中には、試験片の周囲を囲むように配設され、上方に開放する形状のヒータを有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の金属材料の試験片の一端を該一端と協動して軸回転自在に固定支持する装着部材と、前記試験片の他端を自重により鉛直下方に引っ張る荷重付加部材とを備える試験片の回転曲げ疲労強度を測定する高温疲労試験装置であって、
前記試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度を制御する中空の高温炉を備え、
該高温炉の中には、試験片の周囲を囲むように配設され、上方に開放する形状のヒータを有する、ことを特徴とする高温疲労試験装置。
【請求項２】
前記ヒータは、上方に開放するＵ字形状を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の高温疲労試験装置。
【請求項３】
前記試験片は、その一部の径が細くなるように周方向全体に亘って削られた切欠部を設け、該切欠部の近傍の雰囲気温度を測定する熱電対を配設し、
該熱電対の先端は試験片の外周面の上側と略同一高さに位置決めされ、
前記熱電対により測定された温度に基づいて前記ヒータを温度制御する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高温疲労試験装置。
【請求項４】
一端を把持して中心軸で回転させつつ他端に曲げ荷重を負荷する円筒状の試験片の高温環境下疲労寿命を試験する装置において試験片周りの雰囲気温度を高温に保持するために配設される高温炉であって、
前記試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度を制御する中空の箱状部を備え、
該箱状部の中には、試験片の周囲を囲むように配設され、上方に開放するＵ字形状を有する、ことを特徴とする高温炉。
【請求項５】
円筒状の金属材料の試験片の一端を該一端と協動して軸回転自在に固定支持する装着部材と、前記試験片の他端を自重により鉛直下方に引っ張る荷重付加部材とを備える試験片の回転曲げ疲労強度を測定する高温疲労試験装置であって、
前記試験片の回転曲げ疲労強度を測定する領域の該試験片の外表面を照射し得る位置にハロゲンランプを配設する、ことを特徴とする高温疲労試験装置。
【請求項６】
前記試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度の低下を低減する中空の高温炉を備える、ことを特徴とする請求項５に記載の高温疲労試験装置。
【請求項７】
前記ハロゲンランプから前記試験片に照射された光を該試験片方向に反射する反射手段を配設する、ことを特徴とする請求項５に記載の高温疲労試験装置。
【請求項８】
試験片の周辺の温度を測定する熱電対を備え、
予め測定された該試験片と同材質の試験片の周辺の温度に対する該試験片の内部温度との関係に基づいて、前記熱電対の測定温度から試験片の内部温度を測定する、請求項５〜６のいずれか１項に記載の高温疲労試験装置。
【請求項９】
試験片の周辺の温度を測定する放射温度計を備え、
予め測定された該試験片と同材質の試験片の周辺の温度に対する該試験片の内部温度との関係に基づいて、前記熱電対の測定温度から試験片の内部温度を測定する、請求項５〜６のいずれか１項に記載の高温疲労試験装置。
【請求項１０】
前記試験片の回転曲げ疲労強度を測定する領域表面に黒色耐熱塗料を塗布した、請求項５〜７のいずれか１項に記載の高温疲労試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下で、円柱形状または、その一部に切欠きを有する金属材料試験片に、曲げ荷重を負荷しつつ回転させて、材料の疲労強度を評価するための、片持ち式回転曲げ高温環境下疲労試験機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属材料はその降伏強度以下の負荷応力であっても、繰り返し応力を負荷することによって疲労し、破壊に至ることが知られている。このような繰り返し応力による金属材料の疲労強度を試験する疲労試験の１つとして、円柱形状を有する試験片へ、一方向の曲げ荷重を加えながら回転させることにより、試験片表面に長手方向の引張りと圧縮の繰り返し荷重を与える試験があり、一般に片持ち式回転曲げ疲労試験と称される。
【０００３】
ここで原子炉や自動車のエンジン周辺部品は、高温環境下で使用された場合通常環境よりも疲労強度が低下することが知られている。したがって、高温環境下で使用される部品等の金属材料は、特に高温環境下での疲労試験を行う必要がある。このため近年、試験片を両端で保持する所謂両持ち式で高温環境疲労試験装置が開発されているが、両持ち式の疲労試験装置の場合（例えば、特許文献１）、試験片を1本ずつしか試験できないため効率が悪かった。
【０００４】
したがって、近年、複数の試験片を同時に試験可能な片持ち式の疲労試験装置が開発された。片持ち式の疲労試験装置の場合、金属材料試験片の一端を把持・回転させつ、試験片の他端におもりを保持して金属材料の高温環境下疲労寿命を試験するものであり、この試験片を複数同時に試験することが可能である。すなわち、片持ち式疲労試験装置では小スペースで同時に複数の試験片の試験できる点で有利である。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の疲労試験装置を高温環境下での疲労試験に利用する場合、試験片の雰囲気温度を高温に保持する炉が必要となり、複数同時に温度制御するための小型の高温炉が必要となる。一方、高温炉は一般的に炉内の温度ムラをなくすためにある程度の炉内スペースを確保すべきであり上記高温炉の小型化の要求と背反する。
【０００６】
一方、特に試験片の内部温度条件を設定しその環境下で疲労試験を行う場合、試験片の表層温度を測定してもこれと試験片内部温度の差が大きい場合には、温度条件に基づく精緻な疲労試験を行うことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−０７８１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の事情に鑑みて本発明は創作されたものであり、本発明の第一発明は、小型化を図りながらも試験片の雰囲気温度のムラがない高温環境下で金属材料試験片の回転曲げ疲労試験をなし得る高温疲労試験装置の提供を目的とした。
【０００９】
また、本発明の第二発明は、第一発明と同じく小型化を図りながらも試験片の内部温度と温度を測定し得ることができ、高温環境下で金属材料試験片の回転曲げ疲労試験をなし得る高温疲労試験装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第一の本発明は、円筒状の金属材料の試験片の一端を該一端と協動して軸回転自在に固定支持する装着部材と、前記試験片の他端を自重により鉛直下方に引っ張る荷重付加部材とを備える試験片の回転曲げ疲労強度を測定する高温疲労試験装置を提供する。
この高温疲労試験装置では、前記試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度を制御する中空の高温炉を備えている。この高温炉の中には、試験片の周囲を囲むように配設され、上方に開放する形状（代表的には上方に開放するＵ字形状）のヒータを有する。
【００１１】
第一の本発明は、高温環境下の金属材料試験片の回転曲げ疲労試験を所謂片持ち式で行う高温疲労試験装置である。本高温疲労試験装置は、片持ち式であり複数の試験片を同時に測定できるため省スペース化、効率化を図ることができる。
【００１２】
また、本高温疲労試験装置の高温炉の場合、小型でありながら試験片周りの雰囲気温度をムラなく高温に保持することができる。これは高温炉のヒータを試験片の周囲を覆うＵ字形状やＶ字形状等の上部開放形状にすることで、熱の対流と相俟ってムラのない熱分布を形成することになるからである（詳細には後述）。
【００１３】
前記試験片は、その一部の径が細くなるように周方向全体に亘って削られた切欠部を設け、該切欠部の近傍の雰囲気温度を測定する熱電対を配設し、
該熱電対の先端は試験片の外周面の上側と略同一高さに位置決めされ、
前記熱電対により測定された温度に基づいて前記ヒータを温度制御しても良い。
【００１４】
具体的に本高温疲労試験装置は、金属材料の試験片の真ん中近傍を削って径を細くすることでそこに曲げ応力を集中させる。そして、この応力集中部分に熱電対を近づけて位置決めすることで応力が作用する部分のみを迅速に測定し得る。
【００１５】
また、熱電対の先端を試験片の外周面の上側と略同一高さに位置決めすると、
（１）熱電対の先端を試験片の外表面に当接させない限界の位置で、試験片を高温炉内に挿入・抜去させることができ、試験片の交換効率を高め、さらに高温炉ひいては本高温疲労試験装置の省スペース化を促進し得る。
【００１６】
（２）また、熱電対は昇降させることも考えられるが、熱電対が高温炉から出た状態で炉内温度を上昇させてしまうような可能性もあり、安全面で好ましくない。このような問題は、熱電対を固定する場合にはなく安全上好ましい。また、熱電対を固定することは昇降機構搭載による本高温疲労試験装置の大型化も避けることができる。
【００１７】
また、第一の本発明は、一端を把持して中心軸で回転させつつ他端に曲げ荷重を負荷する円筒状の試験片の高温環境下疲労寿命を試験する装置において試験片周りの雰囲気温度を高温に保持するために配設される高温炉をも提供する。
この高温炉は、前記試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度を制御する中空の箱状部を備えている。また、箱状部の中には、試験片の周囲を囲むように配設され、上方に開放する形状（代表的にはＵ字形状）を有する。
【００１８】
本高温炉は、上記第一の本発明の高温疲労試験装置等の試験片の環境雰囲気温度を制御する高温炉である。上述してきたように本高温炉は、Ｕ字形状等であり、小型でありながら温度ムラのない高温環境雰囲気を保持することができる。
【００１９】
第二の本発明は、円筒状の金属材料の試験片の一端を該一端と協動して軸回転自在に固定支持する装着部材と、前記試験片の他端を自重により鉛直下方に引っ張る荷重付加部材とを備える試験片の回転曲げ疲労強度を測定する高温疲労試験装置であって、前記試験片の回転曲げ疲労強度を測定する領域の該試験片の外表面を照射し得る位置にハロゲンランプを配設している。
【００２０】
第二の本発明も第一の本発明と同様に、高温環境下の金属材料試験片の回転曲げ疲労試験を所謂片持ち式で行う高温疲労試験装置である。本高温疲労試験装置は、片持ち式であり複数の試験片を同時に測定できるため省スペース化、効率化を図ることができる。
【００２１】
また、本高温疲労試験装置の場合、ハロゲンランプで直接試験片を照射して加熱しているが、ハロゲンランプからの照射光のエネルギーは試験片に吸収され、その分子運動を増幅させることで温度上昇される。したがって、熱伝導率が小さい材質の試験片であっても表層の温度と内部の温度との差が軽減され、試験片内の温度のムラを小さくした状態で疲労試験を行うことができる。
【００２２】
また、本高温疲労試験装置は、試験片の軸周りに配設され、該試験片の周囲の雰囲気温度の低下を低減する中空の高温炉を備えるものであっても良い。
【００２３】
第二の本発明の高温疲労試験装置でも上記第一発明の高温疲労試験装置と同様に試験片の周囲を囲む高温炉を設けた場合の方が雰囲気温度が上昇し、試験片内部の放熱が少なく、より試験片内部の温度ムラを低減することができる。また、高温雰囲気を外部放出を低減できるので、各高温炉ごとに試験することができ、小スペースで複数の試験片を同時に測定することができる。
【００２４】
また、本高温疲労試験装置は、ハロゲンランプから試験片に照射された光を試験片方向に反射する反射手段を配設しても良い。
【００２５】
ハロゲンランプからの照射光の光エネルギーは試験片を透過するものもあり、また照射光は拡散するため試験片に照射されずにそのまま試験片の後方に到達するものもある。これら試験片の温度上昇に寄与しなかった光を反射光で試験片に再度戻してやって試験片への照射増強することができる。したがって、ハロゲンランプの光力が小さくても効率よく試験片を温度上昇させることができる。その結果、省電力かつ小スペースの装置を構成することができる。
【００２６】
また、本高温疲労試験装置は、試験片の周辺の温度を測定する熱電対を備え、
予め測定された該試験片と同材質の試験片の周辺の温度に対する該試験片の内部温度との関係に基づいて、前記熱電対の測定温度から試験片の内部温度を測定することもできる。
【００２７】
予め所定材料の試験片にハロゲンランプからの光を照射し、試験片の周囲の温度と試験片の内部の温度とを複数測定することで、本高温疲労装置における所定材料の試験片の表層温度と内部温度との相関を分析しておく。そして、実際の試験の際に試験片の周囲の温度から試験片内部の温度も推定して疲労試験を行うことができる。
なお、温度を測定する熱電対は、測定領域近傍までの中空穴を試験片の軸方向に配設し、この中空穴に位置する。
また、熱電対の代わりに放射温度計をしようするのも有効である。
【００２８】
さらに、本高温疲労試験装置は、前記試験片の回転曲げ疲労強度を測定する領域表面に黒色耐熱塗料を塗布しても良い。
【００２９】
試験片の温度測定領域を黒色にすると照射光エネルギーの熱吸率が増加し、温度上昇させやすくなる。
【発明の効果】
【００３０】
第一の本発明で提案する高温疲労試験装置等によれば、小型化を図りながらもムラのない高温環境雰囲気下で金属材料試験片の回転曲げ疲労試験を行うことができ、とりわけ原子炉や橋梁、自動車エンジン周辺部品のように少なくとも表層を高温外気にさらされている状態の金属疲労強度を効率よく調査することが可能となる。
【００３１】
また、第二の本発明で提案する高温疲労試験装置等によれば、第一の本発明と同様に小型化を図りながらも、金属材料の表層と内部との温度変化が少ない条件下まで含めた高温環境下で金属材料試験片の回転曲げ疲労試験を効率よく適正に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の片持ち式の高温疲労試験装置の概観斜視図を示している。
【図２】図１の高温疲労試験装置の駆動部を抽出した図である。
【図３】図１の疲労試験装置の試験片３近傍を拡大した図２と同視点の図である。
【図４】図１〜図３の疲労試験装置に高温炉を設置した状態を示した試験片近傍の拡大図である。
【図５】第二の本発明の本高温疲労試験装置の高温炉をスケルトン表示し、チャンバー内部の試験片とヒータと熱電対との位置関係を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、熱電対の先端と試験片との位置関係を示しており、（ｂ）は試験片の表面から３ｍｍの位置に配設された熱電対で測定される温度と、実際の試験片の表面温度と、の関係について異なる金属材料で測定した結果のグラフ図である。
【図７】図２〜図４に示すＵ字形状のヒータと試験片の位置関係を示している。
【図８】ヒータの設定温度６００℃の場合のチャンバー内の温度分布を（ａ）〜（ｃ）の順に試験片３の回転数０ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍの場合にわけて示したものである。
【図９】（ａ）は試験片を２本のヒータで幅方向に挟んで上下方向並列に配設した様子を示す断面写真であり、（ｂ）は試験片を２本のヒータで上下方向に挟んで横方向並列に配設した様子を示す断面写真であり、図９（ｃ）は試験片を２本のヒータで幅方向に挟んで下方向に接近するＶ字形状に配設した様子を示す断面写真である。
【図１０】図９（ａ）のヒータの設定温度４００℃の場合のチャンバー内の温度分布を試験片の回転数（ａ）０ｒｐｍ、（ｂ）３１５０ｒｐｍの場合にわけて示したものである。
【図１１】図９（ｂ）のヒータの設定温度４００℃の場合のチャンバー内の温度分布を試験片の回転数（ａ）０ｒｐｍ、（ｂ）３１５０ｒｐｍの場合にわけて示したものである。
【図１２】図９（ｃ）のヒータの設定温度４００℃の場合のチャンバー内の温度分布を試験片の回転数（ａ）０ｒｐｍ、（ｂ）３１５０ｒｐｍの場合にわけて示したものである。
【図１３】第二の本発明の本高温疲労試験装置をスケルトン表示している。
【図１４】図１３に示す本高温疲労試験装置においてハロゲンランプが装着された実験室レベルの構成を示されており、（ａ）は高温炉で試験片等の周囲を覆った状態を示し、（ｂ）は（ａ）の高温炉の内部の様子を示している
【図１５】（ａ）にハロゲンランプと試験片との位置および照射光の焦点の関係の模式図を示しており、（ｂ）に実際に放射温度センサで温度測定している様子を示している。
【図１６】第一熱電対の先端と試験片との上下方向の位置関係、および第二熱電対の先端と試験片３との横方向の位置関係を模式的に示している。
【図１７】放射温度計で測定した場合の試験片の各位置の温度を示したグラフ図であり、（ａ）〜（ｃ）に向かって１回目〜３回目の測定結果を示している。
【図１８】高温疲労試験装置ごとの熱電対の温度と試験片内部温度との相関を検証するための装置構成の一例である。
【図１９】図１８の装置で測定した結果に基づく第一熱電対と試験片内部温度の相関関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明（第一の発明および第二の発明）の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の片持ち式の高温疲労試験装置の代表的な一例としての高温疲労試験装置１０の概観斜視図を示しており、図２はその駆動部を抽出した図である。この高温疲労試験装置１０は、所謂、片持ち式の回転曲げ疲労試験装置のうち試験片を高温環境下で測定するものである。具体的な構成としては、回転を発生する駆動部１と、試験片回転数をカウント、駆動部１の電気制御を行う制御部４を有している。駆動部１について詳細に説明すれば駆動部１は、回転数の回転（1０００〜５０００回／分）であり、駆動部伝達ベルト６で金属材料の試験片３を把持する両端の装着部２と同軸になっている装着部軸２ａを回転させる。このように固定端としての試験片３の一端は回転伝達機能を持っており、一方、自由端としての試験片３の他端は荷重付加部５で把持する構造となっている。
【００３４】
荷重付加部５は、上記自由端としての試験片３の他端と連結するためのアダプタ５ａと、試験片３に鉛直下方向の自重を作用させる錘としての加重部５ｃと、試験片３と加重部５ｃを連結するための吊り下げ部５ｂからなっている。荷重部５ｃは試験片３の形状、評価条件によって０．５Ｋｇから２０Ｋｇまでの付加設定をおこなう。アダプタ５ａと荷重部５ｃを連結するため多くの場合弾性体である引張ばね５ｂを使うが針金等の剛性のあるものを使用しても良い。
【００３５】
このように図１〜図２の高温疲労試験装置１０では、装着軸部２ａの両先端の装着部２でそれぞれ試験片３を回転させながら片持ち状態で把持し、装着部２と逆の試験片端部に荷重を作用させており、片持ち式なので試験片３を同時に両側２つ測定することができる。図１の高温疲労試験装置１０の場合、同時に試験片３を４つ測定することができる。
【００３６】
ここで図３を参照しつつ再び本高温疲労試験装置１０における機能について説明する。図３は図１の疲労試験装置１０の試験片３近傍を拡大した図２と同視点の図である。試験片３はその一端（紙面右端）を軸周りに回転駆動する装着部２によって把持・回転させる（矢印Ｘ参照）。また、試験片３の他端（紙面左端）に荷重付加部５により下方荷重を作用させる（矢印Ｙ参照）。このように試験片３を回転させながら一定方向（ここでは下方）に荷重をかけ続けることで、試験片３の上部（紙面上側）に引っ張り荷重、下部（紙面下側）に圧縮荷重をかける続け、破断時間等の測定を行っている。試験片３は回転しているので、この負荷がサインカーブを描きながら繰り返されることが特徴である。
【００３７】
とりわけ、本発明では試験片３を高温雰囲気下で又は試験片３を高温にして荷重をかけて測定する高温疲労試験装置として使用する場合に注目しており、実際には試験片３の周囲を覆う高温炉が配設される。高温炉を配設した状態を示したものが図４又は図１３に参照される。なお、図１〜図２では荷重付加部５の吊り下げ部５ｂを一体の棒状部材のように図示しているが実際には図３のごとくバネ部５ｂ１とこれと連結する棒部５ｂ２で構成されており、バネ部５ｂ１で荷重部５ｃの振動を吸収している。
【００３８】
《第一の発明の実施形態》
図４は、第一の本発明の実施形態を例示しており、図１〜図３に示す片持ち式の回転曲げ疲労試験装置１０において試験片３の周囲雰囲気温度を高温に制御・保持するための高温炉１１を設けた様子を示す試験片３近傍を示す拡大図である。高温炉１１は概ね図４に示すように、チャンバー７とヒータ８と熱電対９とで構成される。チャンバー７は、試験片３の軸周りに覆う中空の箱状部材であり試験片３周囲の雰囲気温度を所望の温度に保持した状態で密封している。詳細な形状・配設位置については後述するが、ヒータ８はチャンバー７内の雰囲気温度を上昇させるための電熱体であり、試験片３の周囲をＵ字形状に囲んでいる。さらに、熱電対９はチャンバー７上方から炉内に挿入され、先端を試験片３の切欠３ａ近傍に配置し（詳細は後述）、その配置部分の温度を測定する。
【００３９】
図５は、本高温疲労試験装置１０の高温炉１１をスケルトン表示し、チャンバー７内部の試験片３とヒータ８と熱電対９との位置関係を示す斜視図である。図５から試験片３の軸周りにその下側及び両側を囲んで上側を開放するようにＵ字形状のヒータ８が配設されていることがわかる。ヒータ８は、略円筒形状の導電性材料で形成される。
【００４０】
次に、試験片３と熱電対９との位置関係について説明する。図６（ａ）は、熱電対９の先端と試験片３との位置関係を示しており、図６（ｂ）は試験片３の表面から３ｍｍの位置に配設された熱電対９で測定される温度と、実際の試験片３の表面温度と、の関係について異なる金属材料で測定した結果のグラフ図である。図６（ａ）に示すように熱電対９から３ｍｍ離間した位置に配置され、その温度を計測するが、ヒータ８の設定温度に達してから３０分後に測定している。
【００４１】
図６（ｂ）では横軸にヒータ８の設定温度が示され、これに対する熱電対９の測定温度が縦軸に示されている。さらに、試験片３は、Ｓ４５ＣとＴｉ合金との２材種が測定され、測定結果がそれぞれ図６（ｂ）にプロットされている。
【００４２】
図６（ｂ）のグラフ図からわかるように熱電対９での測定温度は、試験片３の表面温度より下がるが、表面温度の上下変化に追従して変化することがわかる。したがって、チャンバー７内の雰囲気温度にムラがなく試験片３表面と熱電対９での測定値との関係がわかり、熱電対９の測定値を見るだけで試験片３の表面温度を正確に測定し得る。なお、図６（ａ）にも示すように試験片３はチャンバー７内で軸線方向に１００ｍｍの長さを有し、切欠３ａはその中心近傍に有していることがわかる。
【００４３】
以下、本高温疲労試験装置１０の高温炉１１におけるＵ字型の熱電対９と試験片３周囲の雰囲気温度分布を実験例１に説明し、その後、その他の形状・位置の熱電対９（１）〜９（３）を示す比較例１〜比較例３を説明する。
【実施例１】
【００４４】
図７は、図２〜図４に示すＵ字形状のヒータ８と試験片３の位置関係を示しており、図８はヒータ８の設定温度６００℃の場合のチャンバー７内の温度分布を（ａ）〜（ｃ）の順に試験片３の回転数０ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍの場合にわけて示したものである。なお、図８に示すように試験片３は紙面矢印Ｚ方向（反時計方向）に回転する。
【００４５】
図８（ａ）の回転数０ｒｐｍの状態（停止状態）では、試験片３上方３ｍｍの位置で５９５℃、試験片３左右３ｍｍの位置でそれぞれ５８５℃、５９０℃、試験片３下方３ｍｍの位置で６１０℃と測定された。ここで通常、熱電対９が位置決めされる試験片３上方３ｍｍの位置を基準として、その温度と最も温度差があるのは試験片３下方３ｍｍであり、温度差１５℃であった。
【００４６】
また、図８（ｂ）の回転数３０００ｒｐｍの状態では、試験片３上方３ｍｍの位置で５９０℃、試験片３左右３ｍｍの位置でそれぞれ６０４℃、５７５℃、試験片３下方３ｍｍの位置で５９５℃と測定された。この場合、熱電対９が位置決めされる試験片３上方３ｍｍの位置を基準として、その温度と最も温度差があるのは試験片３右方３ｍｍであり、温度差−１５℃であった。
【００４７】
さらに、図８（ｃ）の回転数５０００ｒｐｍの状態では、試験片３上方３ｍｍの位置で５９３℃、試験片３左右３ｍｍの位置でそれぞれ６００℃、５７０℃、試験片３下方３ｍｍの位置で６１０℃と測定された。熱電対９が位置決めされる試験片３上方３ｍｍの位置を基準として、その温度と最も温度差があるのは試験片３下方３ｍｍであり、温度差２３℃であった。
【００４８】
この結果からＵ字形状のヒータ８を採用した場合、回転速度によって温度分布にバラツキがあるもの後述する比較例１〜比較例３に示すヒータ８の配置方法に比べて最も均一な温度分布を示す雰囲気環境であると判断される。
【比較例１】
【００４９】
図９は、上記実施例１と異なる形状のヒータ８と試験片３の位置関係を示しており、図９（ａ）は試験片３を２本のヒータ８で幅方向に挟んで上下方向並列に配設している。具体的にはヒータ８は幅方向に５０ｍｍ離間しており、上下方向には４０ｍｍチャンバー７内に露出した状態を示している。図９（ｂ）は試験片３を２本のヒータ８で上下方向に挟んで横方向並列に配設している。具体的にはヒータ８は上下方向に±１５ｍｍ離間した状態を示している。図９（ｃ）は試験片３を２本のヒータ８で幅方向に挟んで下方向に接近するＶ字形状に配設している。
【００５０】
図９（ｂ）は試験片３を２本のヒータ８で幅方向に挟んで上下方向並列に配設している。具体的にはヒータ８は幅方向に５０ｍｍ離間しており、上下方向には４０ｍｍチャンバー７内に露出した状態を示している。図９（ｂ）は試験片３を２本のヒータ８で上下方向に挟んで横方向並列に配設している。具体的にはヒータ８は上下方向に±１０ｍｍ離間した状態を示している。図９（ｃ）は試験片３を２本のヒータ８で幅方向に挟んで下方向に接近するＶ字形状に配設している。
【００５１】
図１０〜図１２は、図９（ａ）〜（ｃ）のヒータ８の設定温度４００℃の場合のチャンバー７内の温度分布を試験片３の回転数（ａ）０ｒｐｍ、（ｂ）３１５０ｒｐｍの場合にわけて示したものである。なお、実施例１では温度測定位置が試験片３から３ｍｍであったが、図１０〜図１２の比較例１〜３の場合は、試験片３の位置から１ブロック離れるに従って、試験片３から３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置の温度を示している。また、試験片３は図８同様に紙面反時計方向に回転する。
【００５２】
図１０は、（ａ）の回転数０ｒｐｍの状態（停止状態）では、試験片３上方３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３９８℃、３７７℃、３５０℃、試験片３左３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３３０℃、３４０℃、３３３℃、試験片３右３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３３１℃、３４０℃、３３７℃、試験片３下方３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３４３℃、２７９℃、３３９℃と測定された。また、（ｂ）の回転数３１５０ｒｐｍの状態では、試験片３上方３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ４００℃、３７０℃、４０５℃、試験片３左３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３５０℃、３３２０℃、３９５℃、試験片３右３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３４８℃、３２０℃、３９１℃、試験片３下方３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの位置でそれぞれ３５５℃、３５０℃、４０４℃と測定された。
【００５３】
ここで試験片３の回転状態（図１０（ｂ））で通常、熱電対９が位置決めされる試験片３上方３ｍｍの位置を基準として、その温度とそれ以外の温度差は大きく温度差−４５℃〜−５４℃であった。したがって、図９（ａ）のヒータ８配置の場合には上方の温度に対して他の部分の温度差が大きく好ましくないことがわかる。
【比較例２】
【００５４】
図１１は、（ａ）の回転数０ｒｐｍの状態（停止状態）では、試験片３上方３ｍｍの位置で３７４℃、試験片３左右３ｍｍの位置でそれぞれ３３０℃、３３０℃、５０ｒｐｍの状態では、試験片３上方３ｍｍの位置で３８０℃、試験片３下方３ｍｍの位置で３７０℃と測定された。
【００５５】
ここで試験片３の回転状態（図１１（ｂ））で通常、熱電対９が位置決めされる試験片３上方３ｍｍの位置を基準として、その温度と下方の温度差はあまりなく温度差−１０℃であった。ただし、試験片３の停止状態（図１１（ａ））の試験片３の左右の温度を見る限り、上方の温度から大きく低下し、温度差−３４℃であることから、当然、図９（ｂ）の回転数３１５０ｒｐｍの状態の試験片３の左右の温度も当然に大きく低下しているものと判断できる。したがって、図９（ｂ）のヒータ８配置は好ましくないことがわかる。
【比較例３】
【００５６】
図１２は、（ａ）の回転数０ｒｐｍの状態（停止状態）では、試験片３上方３ｍｍの位置で３７０℃、試験片３左右３ｍｍの位置でそれぞれ３７５℃、４３５ｓ℃、試験片３下方３ｍｍの位置で３７０℃と測定された。また、（ｂ）の回転数３１５０ｒｐｍの状態では、試験片３左右３ｍｍの位置でそれぞれ４１０℃、３９５℃、試験片３下方３ｍｍの位置で３９５℃と測定された。
【００５７】
ここで試験片３の回転状態（図１２（ｂ））で通常、熱電対９が位置決めされる試験片３上方３ｍｍの位置を基準として、その温度とそれ以外の温度差は大きく温度差２５℃〜４０℃であった。したがって、図９（ｃ）のヒータ８配置の場合には上方の温度に対して他の部分の温度差が大きく好ましくないことがわかる。したがって、図９（ｃ）のヒータ８配置は良好とまでは言えないことがわかる。
【００５８】
図９（ｃ）のヒータ８の配置の場合、試験片３の左右及び下方の温度は同程度の温度であり且つ試験片３の設定温度４００℃に近似しており、良好な測定結果であるが、反面、試験片３の上方の温度が大きく下がっており実施例１のＵ字形状のヒータ８に比べて不良な測定結果である。これはＵ字形状のヒータ８と異なり下方（底部）に熱源としての下支えがないことが理由であると推察される。したがって、略Ｖ字形状のヒータ８の場合には良好な配置である場合も想定される。
【００５９】
《第二の発明の実施形態》
図１３〜図１９は、第二の本発明の実施形態を例示しており、図１３では本高温疲労試験装置２０をスケルトン表示し、上記第一の本発明と同様に試験片３の一端に荷重付加部５の吊り下げ部５ｂが下方に荷重を付加し、この状態で試験片３を軸周りに回転させている。また、図１３では後述する熱源となるハロゲンランプ２２と熱電対９とが示されている。熱電対９が高温炉（炉壁）２１に刺さっており、高温炉２１はハロゲンランプ２２を包んで覆っている
【００６０】
図１４は、図１３に示す本高温疲労試験装置２０においてハロゲンランプ２２が装着された実験室レベルの構成を図１３の側部（図１３の左斜め下方）から見た様子が示されており、（ａ）は高温炉２１で試験片２３等の周囲を覆った状態を示している。（ｂ）は（ａ）の高温炉２１の内部の様子を示している。（ｂ）からも明らかなように、ハロゲンランプ２２が試験片２３の上方に配置され、ハロゲンランプ２２から下方、試験片２３方向に向かって光が照射される。また、高温炉２１は光を反射する材質（ここではアルミニウム素材）で構成されており、試験片３の下方およびその周囲に到達した照射光が反射されて、再度、試験片２３を照射するようになっている。
【００６１】
なお、高温炉２１は光を反射する材質であれば良く、ハロゲンランプ２２からの照射光を再度、試験片２３に戻してその光エネルギーを効率よく試験片２３の温度上昇に付与するためのものである。したがって、高温炉２１内で試験片２３に対してハロゲンランプ２２に対向する位置（図１４では下方）に別途の反射手段を配設しても良い。
【００６２】
このようにハロゲンランプ２２からの照射光を試験片２３に照射し、これによって試験片２３の表層のみならず内部も温度上昇させた状態で疲労試験装置を使用する場合、実際の試験片２３は内部をくり抜いて温度測定できない。したがって、試験片２３の表層温度と内部温度との相関について予め検証しておく必要がある。
【００６３】
まず、ハロゲンランプ２２で照射した場合の試験片２３の表層温度と内部温度とを検証するために検証用の試験片２３における内部温度を測定する第一熱電対２８と、表層温度を測定する第二熱電対２９との位置関係について例示説明する。図１５は、第一熱電対２８の先端と試験片３との上下方向の位置関係、および第二熱電対２９の先端と試験片３との横方向の位置関係を模式的に示している。
【００６４】
この試験片２３は軸方向に中空穴２３ａが空けられている。その先端は温度測定領域として試験片２３の中央部外径を小さくした切り欠き部２３ｂが設けられている。試験片２３として、後述する実験例では、S45C（焼き鈍し）、SUS304、A2017を用いており、外径１０ｍｍ、切り欠き部２３ｂの最細部の外径４ｍｍ、中空穴２３ａの内径３ｍｍである。中空穴２３ａは試験片２３を貫通させてもよいが、第一熱電対２８を左端部から挿入し・押し込んでその先端を温度測定領域である切り欠き部２３ｂの下方まで到達させて位置決めし易くするため切り欠き部２３ｂの最細部（切り欠き部２３ｂ）より少し先まで穿孔により中空穴を設けている。したがって、中空穴２３ａは穿孔手段の形状の都合上、その先端が尖っている。
【００６５】
図示しないが、第一熱電対２８は、スムーズに挿入するためにガイド部材としてのセラミック管で被覆されている。また、第一熱電対２８の先端は切り欠き部２３ｂの所定位置でその内壁に十分に接触している必要がある。接触が不十分だと試験片２３の内部温度に相当する温度が測定できず、熱伝導率の悪い中空穴２３ａの空気層を測定してしまうからである。したがって、ここでは切り欠き部２３ｂの内部に導電性樹脂材料である藤倉化成製のドータイトを貯留させて第一熱電対２８の先端の接着剤とすることで対応している。
【００６６】
また、第二熱電対２９は、温度測定領域である切り欠き部２３ｂの上方近傍に配設している。試験片２３の表面から第二熱電対２９までの距離は試験片２３の材質やハロゲンランプ２２の強度、印加電圧、雰囲気温度によっても適正な距離が変動するが、ここでは図１５の試験片２３としてS45C（焼き鈍し）を用いて距離３ｍｍ離間した位置に配設した。このときハロゲンランプF３０  ３６V／４５０Wで印加電圧２２Vで照射した場合、第二熱電対２９と第一熱電対２８との温度差は概ね１８０℃であり、同様の条件で行った前述する第一の発明におけるヒータ８を用いる高温炉１１の場合に内部と表層の温度差が４４０℃であり、少なともこの条件でもハロゲンランプ２２の方が表層と内部との温度差が小さいことがわかる。
【００６７】
次に、試験片３の温度測定として熱電対ではなく、放射温度計２７を用いて検証した。図１６は、（ａ）に本検証でハロゲンランプ２２と試験片２３との位置および照射光の焦点の関係の模式図を示しており、（ｂ）に実際に放射温度センサで温度測定している様子を示している。
【００６８】
図１６の例では、ハロゲンランプ２２を用いて試験片２３としてS45C材質の切欠き部２３ｂを加熱したときの温度を放射温度計２７で測定した。実際には図１６（ａ）の試験片２３の右部を放射温度計２７で測定し、同じ測定を3度実施した。実験条件としては、ハロゲンランプ２７としては、F30  36V/450W、図示しない ハロゲンヒータ用コントローラとしては、36V-500W/AC100V、試験片２３としては、材質S45CB200の外径１０ｍｍ（切り欠き部２３ｂ外径4ｍｍ）で長さL＝100ｍｍ、内径穴は3ｍｍ、 ハロゲンランプ２２から試験片２３表面までの焦点距離30mmであり、冷却水を図示しない水道管から引き込んだ。また、温度測定は、上部、横部、下部、内部、表面の計5ヶ所を同時に測定し、図１６（ｂ）に示すように右部のみ放射温度センサ  FT50を使用した。放射温度センサ２７の測定機としては熱伝対、放射温度センサ  FT50（キーエンス、焦点距離200mm）を使用した。なお、放射温度計は、物体から放射される赤外線の強さ(エネルギー量)が温度上昇に応じて増加する特性を生かし、赤外線の放射エネルギー量を検知することで温度を測定する非接触型の温度計である。なお、放射温度計は、ハロゲンランプ２２の光自体に含まれる赤外線も測定してしまうことに留意する。
【００６９】
図１７は放射温度計２７で測定した場合の試験片２３の各位置の温度を示したグラフ図であり、（ａ）〜（ｃ）に向かって１回目〜３回目の測定結果を示している。また、 表面（表層）温度が６００℃付近のときの各位置の温度を抽出したものが下記表１に示されている。
【００７０】
【表１】
2015014596.tif 000003
【００７１】
図１７のグラフと表１とからハロゲンランプ２２による試験片２３の表層温度および内部温度の測定に放射温度計による測定も有効であることがわかる。２回目の測定で内部と表面の温度差が大きく測定されているが、これは焦点のずれなどの影響もあると判断される。したがって、本高温疲労試験装置２０における温度測定は、上述する熱電対２８、２９のみならず、位置の固定された熱電対２８、２９と放射温度計２７との組み合わせで、雰囲気温度と試験片２３の表面（表層）温度と内部温度との相関で実際の疲労試験中の温度制御を行うことができると考えられる。
【００７２】
次に、高温炉内に熱電対を設置し、試験片の内部と制御熱電対の温度を比較し、装置ごとの熱電対の温度と試験片内部温度との相関を検証した。この相関により実際の試験片が内部をくり抜いて中空穴を設けることができなくても熱電対による測定温度から疲労試験中の試験片の内部温度を制御することができる。すなわち、試験片３３内部が何℃のとき、高温炉３１内に設置した第二熱電対３９の温度が何度であるのか、明確にし、疲労試験時の目安となる。この検証実験では、図１８に示すように高温炉３１内に試験片３３を設け、情報から高温炉３１内に延びる第一熱電対３８で高温炉３１内の雰囲気温度を、第二熱電対２９で試験片３３の温度測定領域（切り欠き部）の内部温度を、測定し、下方のハロゲンランプ２２で試験片３３を照射した。
【００７３】
実験条件としては、ハロゲンランプ３２としてF30  36V/450W、ハロゲンヒータ用コントローラとして36V-500W/AC100V、試験片３３として外径１０ｍｍ（切り欠き部の外径4ｍｍ）、長さL＝100ｍｍ、内径穴は3ｍｍ、焦点距離は  30mm、冷却ユニットで冷却水、熱電対としてKタイプ、熱電対は、試験片３３表面から15mmを使用した。また、試験片３３の材質は、それぞれ３種類のS45C（焼入れ焼戻し）、SUS304、A2017、A2017（切り欠き部に黒色耐熱塗料塗布）を使用した。
【００７４】
測定の結果、第一熱電対３８と試験片３３内部温度の相関関係は図１９のグラフ図の通りである。熱伝導率の違いによって大きく最高到達温度が異なることがわかった。このグラフからS４５C、SUS３０４では、第一熱電対３８の温度（雰囲気温度）と試験片３３の内部温度は近くなることがわかり、A2017（Al）では内部温度がほとんど上がらないことがわかった。ただし、黒色耐熱塗料を切り欠き部に塗布すると内部温度を100℃上昇させることができ、熱伝導率の悪い材質の場合、黒色耐熱塗料を塗布することで内部温度を上昇させるに有効であることが理解される。        
【００７５】
以上が本発明の実施形態について種々例示してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載および精神を逸脱しない範囲で他の実施形態が想定されることを当業者は容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００７６】
１ 駆動部
２ 装着部
２ａ    装着部軸
３ 試験片
３ａ    切欠
４ 制御部
５ 荷重付加部
５ａ    アダプタ
５ｂ    吊り下げ部
５ｂ１  バネ部
５ｂ２  棒部
５ｃ    荷重部
６ 棒部
７ チャンバー（箱状部材）
８ ヒータ
９、２８、２９、３８、３９ 熱電対
１０、２０ 高温疲労試験装置
１１、２１、３１ 高温炉
２２  ハロゲンランプ
【図１】
2015014596.tif 000004
【図２】
2015014596.tif 000005
【図３】
2015014596.tif 000006
【図４】
2015014596.tif 000007
【図５】
2015014596.tif 000008
【図６】
2015014596.tif 000009
【図７】
2015014596.tif 000010
【図８】
2015014596.tif 000011
【図９】
2015014596.tif 000012
【図１０】
2015014596.tif 000013
【図１１】
2015014596.tif 000014
【図１２】
2015014596.tif 000015
【図１３】
2015014596.tif 000016
【図１４】
2015014596.tif 000017
【図１５】
2015014596.tif 000018
【図１６】
2015014596.tif 000019
【図１７】
2015014596.tif 000020
【図１８】
2015014596.tif 000021
【図１９】
2015014596.tif 000022