(57)【要約】【課題】水蒸気が存在する雰囲気下であっても、水蒸気を凝縮させることなく金属材料の燃焼伝播性を評価できる金属材料の燃焼試験装置を提供することである。【解決手段】金属材料の試験片１２を収容しこの試験片１２を燃焼させるための燃焼容器１３と、前記燃焼容器１３に水蒸気を供給するための水蒸気発生器２２、供給配管２３および流量調整弁２４からなる水蒸気供給手段と、燃焼容器１３に酸素を供給するための酸素ボンベ１９、供給配管２０および流量調整弁２１からなる酸素供給手段と、試験片１２に着火するための電極１４，１４および電源３４からなる着火手段とを備え、燃焼容器１３、水蒸気供給手段等が一つの恒温槽２５に収容された燃焼試験装置１１である。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の試験片を収容し前記試験片を燃焼させるための燃焼容器と、前記燃焼容器に水蒸気を供給するための水蒸気供給手段と、前記燃焼容器に酸素を供給するための酸素供給手段と、前記試験片に着火するための着火手段とを備え、前記燃焼容器および水蒸気供給手段が一つの恒温槽に収容されていることを特徴とする金属材料の燃焼試験装置。
【請求項２】
前記金属材料がチタン系材料である請求項１記載の燃焼試験装置。
【請求項３】
前記チタン系材料がチタン、チタン−パラジウム系合金またはチタン−タンタル系合金である請求項２記載の燃焼試験装置。
【請求項４】
請求項１記載の金属材料の燃焼試験装置を用いて所定水蒸気濃度、所定酸素濃度、所定温度および所定圧力における金属材料の燃焼伝播性を評価する方法であり、金属材料の試験片を燃焼容器に収容し、酸素供給手段により燃焼容器に酸素を供給し、燃焼容器および水蒸気供給手段を恒温槽で所定温度に保ちながら水蒸気供給手段により燃焼容器に水蒸気を供給して、燃焼容器内を所定水蒸気濃度、所定酸素濃度、所定温度および所定圧力としたのち、着火手段により試験片に着火し、次いで着火後の試験片の形状に基づき、金属材料の燃焼伝播性の有無を評価することを特徴とする金属材料の燃焼伝播性の評価方法。
【請求項５】
所定水蒸気濃度、所定温度および所定圧力における金属材料の燃焼限界酸素濃度を測定する方法であり、請求項４記載の方法で複数の所定酸素濃度における金属材料の燃焼伝播性を評価し、燃焼伝播性が無いと評価された所定酸素濃度のうち、最高の所定酸素濃度を燃焼限界酸素濃度とすることを特徴とする金属材料の燃焼限界酸素濃度の測定方法。
【請求項６】
水蒸気および酸素の存在する雰囲気下で金属材料を使用する方法であり、金属材料が使用される雰囲気での水蒸気濃度、温度および圧力における燃焼限界酸素濃度を請求項５記載の方法であらかじめ測定しておき、この燃焼限界酸素濃度を超えない範囲に、金属材料が使用される雰囲気の酸素濃度を維持することを特徴とする金属材料の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の燃焼試験装置に関し、詳しくは水蒸気および酸素が存在する雰囲気下における金属材料の燃焼試験を行うための装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
酸素が存在する雰囲気下で金属材料を安全に使用するには、この材料の燃焼伝播性を把握しておくことが重要である。燃焼伝播性とは、酸素が存在する雰囲気下で材料に着火したときに、着火された材料の燃焼が伝播して完全に燃焼する性質であり、酸素濃度を変化させた複数の雰囲気下で材料に着火することによって評価でき、材料が燃焼の伝播により燃焼しない燃焼限界酸素濃度として定量化される。
【０００３】
この燃焼伝播性の評価は、例えば酸素を所定濃度で含む雰囲気に設定された燃焼容器内において行われる。金属材料、特にチタン系材料は水蒸気を含む雰囲気下の方が燃焼限界酸素濃度が低下することが報告されており、水蒸気が存在する雰囲気下で金属材料を使用する場合には、水蒸気が存在する雰囲気における燃焼伝播性も評価しておく必要がある。
【０００４】
しかしながら、水蒸気は容易に凝縮してしまうために、従来の燃焼試験装置を用いて水蒸気が存在する雰囲気下で燃焼伝播性を評価する際に、雰囲気中の水蒸気濃度を飽和濃度あるいはこれに近い濃度に設定しようとすると、燃焼容器内において水蒸気が凝縮することがあった。水蒸気が凝縮すると、燃焼容器内の水蒸気濃度が設定しようとする値まで達しない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、水蒸気が存在する雰囲気下であっても、水蒸気を凝縮させることなく金属材料の燃焼伝播性を評価できる金属材料の燃焼試験装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる金属材料の燃焼試験装置は、金属材料の試験片を収容し前記試験片を燃焼させるための燃焼容器と、前記燃焼容器に水蒸気を供給するための水蒸気供給手段と、前記燃焼容器に酸素を供給するための酸素供給手段と、前記試験片に着火するための着火手段とを備え、前記燃焼容器および水蒸気供給手段が一つの恒温槽に収容されていることを特徴とする。
【０００７】
このように本発明の燃焼試験装置は、燃焼容器と共に水蒸気供給手段も一つの恒温槽に収容しているので、燃焼容器に供給される水蒸気の温度を燃焼容器内の温度に維持することができ、燃焼容器内で水蒸気が凝縮するのを防止することができる。
【０００８】
したがって、本発明の燃焼試験装置を用いれば、低濃度から飽和蒸気圧程度の高濃度までの任意の濃度の水蒸気が存在する雰囲気下において金属材料の燃焼伝播性を評価することができる。すなわち、本発明にかかる金属材料の燃焼伝播性の評価方法は、前記燃焼試験装置を用いて所定水蒸気濃度、所定酸素濃度、所定温度および所定圧力における金属材料の燃焼伝播性を評価する方法であり、金属材料の試験片を燃焼容器に収容し、酸素供給手段により燃焼容器に酸素を供給し、燃焼容器および水蒸気供給手段を恒温槽で所定温度に保ちながら水蒸気供給手段により燃焼容器に水蒸気を供給して、燃焼容器内を所定水蒸気濃度、所定酸素濃度、所定温度および所定圧力としたのち、着火手段により試験片に着火し、次いで着火後の試験片の形状に基づき、金属材料の燃焼伝播性の有無を評価することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる金属材料の燃焼限界酸素濃度の測定方法は、所定水蒸気濃度、所定温度および所定圧力における金属材料の燃焼限界酸素濃度を測定する方法であり、前記した評価方法で複数の所定酸素濃度における金属材料の燃焼伝播性を評価し、燃焼伝播性が無いと評価された所定酸素濃度のうち、最高の所定酸素濃度を燃焼限界酸素濃度とすることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明にかかる金属材料の使用方法は、水蒸気および酸素の存在する雰囲気下で金属材料を使用する方法であり、金属材料が使用される雰囲気での水蒸気濃度、温度および圧力における燃焼限界酸素濃度を前記した測定方法であらかじめ測定しておき、燃焼限界酸素濃度を超えない範囲に、金属材料が使用される雰囲気の酸素濃度を維持することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は、この実施形態にかかる燃焼試験装置１１を示す概略図である。
【００１２】
図１に示すように、燃焼試験装置１１は、金属材料の試験片１２を収容しこの試験片１２を燃焼させるための燃焼容器１３と、水蒸気発生器２２、供給配管２３および流量調整弁２４からなり燃焼容器１３に水蒸気を供給するための水蒸気供給手段と、酸素ボンベ１９、供給配管２０および流量調整弁２１からなり燃焼容器１３に酸素を供給するための酸素供給手段と、電極１４，１４および電源３４からなり試験片１２に着火するための着火手段とを備え、燃焼容器１３、水蒸気供給手段等が一つの恒温槽２５に収容されている。
【００１３】
恒温槽２５は、密閉断熱された箱体であり、熱電対１６による温度測定結果を基にして、電気的に作動する加熱器および冷却器（図示せず）により恒温槽２５内部を任意の温度に保つことができ、例えば室温〜５００℃の範囲で温度設定が可能である。
【００１４】
燃焼容器１３は、１ＭＰａＧ程度の高圧にも耐えうるように設計されたステンレス等の金属製密閉容器であり、その側面には扉４４が設けられている。この扉４４を開けて内部に試験片１２を配置する。燃焼容器１３には、撹拌翼１７とこの撹拌翼１７を回転させるためのモーター３３とをつなぐ軸３６からなり燃焼容器１３の気相部を撹拌して均一にするための撹拌手段が備えられている。また、燃焼容器１３内には、燃焼容器１３内の圧力を測定するための圧力センサー１５、電極１４、熱電対１６、供給配管３１および軸３６が燃焼容器１３の気密性を維持した状態で挿入されている。
【００１５】
水蒸気発生器２２は、ステンレス等の金属製の容器であり、その内部には水が入れられている。この水蒸気発生器２２の外周面には水を加熱して蒸気を発生させるためのリボンヒーター３８が取り付けられている。水蒸気発生器２２で発生した水蒸気は供給配管２３，３１を経て燃焼容器１３に供給される。水蒸気の供給量はハンドル２９を回転させて流量調整弁２４の開度を調節することによって任意に制御することができる。これらの水蒸気発生器２２および供給配管２３，３１は恒温槽２５内に収容されているので、燃焼容器１３に供給される水蒸気の温度は燃焼容器１３内の温度と同じ温度にすることができ、燃焼容器１３内の気相中および燃焼容器１３内に挿入している供給配管３１の表面等で水蒸気が凝縮するのを防止することができる。
【００１６】
酸素ボンベ１９に充填されている酸素は、供給配管２０，３０，３１を経て燃焼容器１３に供給される。酸素の供給量はハンドル２８を回転させて流量調整弁２１の開度を調節することによって任意に制御することができる。
【００１７】
真空ポンプ１８は、配管３７，３０，３１を通じて燃焼容器１３内のガスを吸引し、燃焼容器１３内を略真空の状態にするためのものである。この真空ポンプ１８により燃焼容器１３内を略真空にした後、水蒸気、酸素等のガスを燃焼容器１３にそれぞれ供給する。
【００１８】
図２は、試験片１２を示す斜視図である。図２に示すように、試験片１２は短冊状に成形されたものであり、その中央付近にＶ字形状の切り欠き部３９が設けられている。この試験片１２の両端には電源３４に配線された２本の電極１４，１４がそれぞれ接続される。この状態で電源３４から電極１４，１４を通じて試験片１２に通電することにより試験片１２が加熱され、ついには切り欠き部３９の下端が溶断する。
【００１９】
試験片１２のサイズは特に限定されるものではないが、複数の測定結果を比較できるように所定の寸法で統一して試験を行うのが好ましい。試験片１２のサイズの一例としては、長さ５０ｍｍ、幅２ｍｍ、高さ２ｍｍ、切り欠き部３９の深さ１．７５ｍｍ、切り欠き部３９の上端の幅２ｍｍ程度のもので、切り欠き部３９の下端から底面までの高さ０．２５ｍｍのものが挙げられる。
【００２０】
試験片１２に用いる金属材料としては、例えばチタン系材料が挙げられる。このチタン系材料としては、例えばチタン、チタン−パラジウム系合金、チタン−タンタル系合金等が挙げられる。
【００２１】
燃焼容器１３には、水蒸気および酸素以外に、不活性ガスを供給することもできる。不活性ガスボンベ４０に充填されている不活性ガスは、供給配管４３，３０，３１を経て燃焼容器１３に供給される。不活性ガスの供給量はハンドル４２を回転させて流量調整弁４１の開度を調節することによって任意に制御することができる。不活性ガスとしては、例えばヘリウムガス、ネオンガスおよびアルゴンガス等の希ガス類や窒素ガス、二酸化炭素ガス等が挙げられる。
【００２２】
以下に燃焼試験装置１１を用いて、所定水蒸気濃度、所定酸素濃度、所定温度および所定圧力に設定された雰囲気下で金属材料を燃焼させることにより、金属材料の燃焼伝播性の有無を評価する方法の一例を示す。
【００２３】
＜燃焼伝播性の評価方法＞
１）図２に示すような形状の試験片１２を成形する。この試験片１２は、長さ２５０ｍｍ，幅２ｍｍ，高さ２ｍｍの金属片に切り込みを入れることにより成形することができる。
２）試験片１２の両端に電極１４，１４を接続し、図１に示すように試験片１２を燃焼容器１３に収容する。
３）モーター３３を駆動させて撹拌翼１７によって燃焼容器１３内の撹拌を開始する。
４）恒温槽２５内の温度を試験温度に設定する。この温度は燃焼容器１３内に配置された熱電対１６により確認する。燃焼容器１３内の試験温度は、通常、１００〜１６０℃程度に設定される。
５）熱電対１６により燃焼容器１３内の温度が試験温度に到達したことを確認した後、ポンプ１８により燃焼容器１３内を略真空の状態（圧力１ｋＰａ以下）にする。
６）燃焼容器１３内を略真空にした後、ハンドル２９、２８および４２を回転させ、水蒸気発生器２２、酸素ボンベ１９および不活性ガスボンベ４０から燃焼容器１３に水蒸気、酸素および不活性ガスをそれぞれ供給する。これらの供給量は、それぞれの濃度が所定濃度となるように調整される。濃度は圧力センサー１５により測定されるそれぞれの分圧から求めることができる。燃焼容器１３内の圧力は、通常、０〜０．５ＭＰａＧ程度に設定される。
７）供給されたガスが十分に混合されるように、撹拌翼１７による撹拌をしながら約１０分間放置する。
８）燃焼容器１３内が所定水蒸気濃度、所定温度、所定酸素濃度および所定圧力となったことを確認したのち、ハンドル２８，ハンドル４２，ハンドル２７を回転させて流量調整弁２１，４１，２６を閉じ、電源３４から電圧５０Ｖの交流電流を試験片１２に１０秒間通電し着火する。着火により試験片は切り欠き部３９で溶断する。
９）通電終了後、ハンドル４６，ハンドル４８を回転させて弁４５，４７を開けて燃焼容器１３内のガスを排出した後、試験片１２を燃焼容器１３から取り出し、試験片１２の形状に基づき、目視により燃焼伝播性の有無を評価する。
【００２４】
上記試験で得られた試験片１２の燃焼伝播性の有無は、以下のようにして評価する。図３は、試験片１２の燃焼状態の代表的なものを示す概略図である。試験片１２の燃焼状態は１２ａ、１２ｂ、１２ｃの３通りに分けることができる。試験片１２ａは、通電による着火後、切り欠き部３９から試験片１２の両端に向かって燃焼が伝播し、試験片１２全体が完全燃焼して消滅した状態である。試験片１２ｂは、通電による着火後、切り欠き部３９から試験片１２の両端に向かって燃焼が伝播し、途中で燃焼が終了した状態である。試験片１２ｃは、通電による着火後、切り欠き部３９からの燃焼が生じていない状態である。
【００２５】
ここで、試験片１２ａのような場合は「完全燃焼」、試験片１２ｂのような場合は「部分燃焼」、試験片１２ｃのような場合は「溶断のみ」と判定する。これらのうち、「完全燃焼」と判定された試験片１２ａは、燃焼伝播性が有ると評価される。一方、「部分燃焼」および「溶断のみ」と判定された試験片１２ｂおよび１２ｃは、燃焼伝播性が無いと評価される。
【００２６】
＜燃焼限界酸素濃度の測定方法＞
燃焼限界酸素濃度は、水蒸気濃度および酸素濃度を変化させた複数の雰囲気条件下で上記の試験方法を用いて燃焼試験を行い、得られた結果から水蒸気および酸素が存在する雰囲気下において例えば金属材料が完全燃焼しない酸素濃度として測定することができる。この場合、燃焼試験を行った複数の条件において、「部分燃焼」および「溶断のみ」と判定された酸素濃度のうち、最高の酸素濃度を燃焼限界酸素濃度とする。
【００２７】
このように本発明の燃焼試験装置を用いることで、低濃度から飽和水蒸気圧に相当する高濃度までの任意の濃度の水蒸気が存在する雰囲気下における金属材料の燃焼伝播性の有無および燃焼限界酸素濃度を知ることができる。したがって、金属材料が使用される雰囲気での燃焼限界酸素濃度を上記方法であらかじめ測定しておき、この測定された燃焼限界酸素濃度を超えない範囲に、金属材料が使用される雰囲気の酸素濃度を維持することにより、金属材料を安全に使用することができる。
【００２８】
なお、着火手段としては、上記実施形態で説明した電極１４，１４および電源３４からなるものの他、例えば電熱線等を使用することもできる。電熱線としては、抵抗率が大きく、融点が高く、酸化しにくく、温度係数が小さいニクロム線、カンタル線、アドバンス線等の金属線や炭素、炭化けい素等の炭化物を線状にしたもの等が使用できる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３０】
実施例
図１に示す燃焼試験装置１１を用いて下記の試験条件でチタン系材料の燃焼試験を行い、その燃焼伝播性の有無を評価した。燃焼容器１３へ供給した水蒸気および酸素の濃度は、それぞれ表１に示す割合とした。試験結果を表１に示す。
＜試験条件＞
燃焼容器１３内の雰囲気温度：１６０℃
燃焼容器１３内の圧力：０．５ＭＰａＧ
試験片１２：チタン−パラジウム系合金（パラジウム０．２％含有）
【表１】
2004028709.tif 000003
【００３１】
表１から、水蒸気および酸素が存在する雰囲気下においてチタン−パラジウム系合金（パラジウム０．２％含有）を用いる際には、雰囲気中の酸素濃度を７．５％以下とすればよいことがわかる。また、燃焼試験装置１１を用いることによって、高圧下で、かつ飽和水蒸気圧に近い高濃度の水蒸気雰囲気下で燃焼試験を行うことができた。
【００３２】
参考例
燃焼容器１３への供給ガスを表２に示す濃度のヘリウムおよび酸素とした他は、実施例と同様にして燃焼試験を行った。試験結果を表２に示す。
【表２】
2004028709.tif 000004
【００３３】
表２から、ヘリウムおよび酸素が存在する雰囲気下においてチタン−パラジウム系合金（パラジウム０．２％含有）を用いる際には、雰囲気中の酸素濃度を２５％以下とすればよいことがわかる。また、実施例と参考例を比較すると、チタン−パラジウム系合金（パラジウム０．２％含有）は水蒸気が存在することによって、燃焼限界酸素濃度が低下していることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の燃焼試験装置を用いることにより、低濃度から飽和水蒸気圧に相当する高濃度までの任意の濃度の水蒸気が存在する雰囲気下で金属材料の燃焼伝播性を評価することができ、得られた結果から燃焼限界酸素濃度を見出すことができる。すなわち、水蒸気および酸素が存在する雰囲気下において金属材料を安全に使用可能な酸素濃度を見出すことができ、これにより金属材料を安全に使用することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼試験装置を示す概略図である。
【図２】燃焼試験に使用する試験片を示す斜視図である。
【図３】試験片の燃焼状態の代表的なものを示す概略図である。
【符号の説明】
１１…燃焼試験装置、１２…試験片、１２ａ…試験片（完全燃焼）、１２ｂ…試験片（部分燃焼）、１２ｃ…試験片（溶断のみ）、１３…燃焼容器、１４…電極、１５…圧力センサー、１６…熱電対、１７…撹拌翼、１８…真空ポンプ、１９…酸素ボンベ、２０…配管、２１…流量調整弁、２２…水蒸気発生器、２３…配管、２４…流量調整弁、２５…恒温槽、２６…流量調整弁、２７…ハンドル、２８…ハンドル、２９…ハンドル、３０…配管、３１…配管、３２…圧力ゲージ、３３…モーター、３４…電源、３６…軸、３７…配管、３８…リボンヒーター、３９…切り欠き部、４０…不活性ガスボンベ、４１…流量調整弁、４２…ハンドル、４３…配管、４４…扉、４５…弁、４６…ハンドル、４７…弁、４８…ハンドル
【図１】
2004028709.tif 000005
【図２】
2004028709.tif 000006
【図３】
2004028709.tif 000007