(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧水素ガス雰囲気下において機械的特性が測定される試験部材が内部に配置された高圧容器と、
内部に窒素ガスが充満されると共に前記高圧容器が配置された恒温槽と、
前記恒温槽の内外で窒素ガスを循環させる循環機構と、
前記循環機構に設けられた水素ガス検出器と、
前記循環機構による恒温槽内での窒素ガスの循環上に配備されて、前記恒温槽内の窒素ガスの温度制御を行う媒体循環ヒータと、
前記恒温槽内の窒素ガスを攪拌する攪拌ファンと、
を有することを特徴とする高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置。
【請求項２】
前記水素ガス検出器により検出された水素ガス量が予め定められた値以上であると、警報を発する警報発信機構を有することを特徴とする請求項１に記載の高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置。
【請求項３】
前記水素ガス検出器により検出された水素ガス量が予め定められた値以上であると、前記高圧容器内部の水素ガスを屋外に放出する安全機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧水素ガス雰囲気下における金属材料等の機械的な特性を測定・評価するために引張試験、疲労試験等を行なう試験装置に関するものであって、特には、この試験装置の安全確保に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、水素ガスは還元性が強く、金属中に容易に拡散したり水素化合物を形成したりする。このため、金属材料の種々の用途への利用が検討されるときには、水素ガス環
境下における材料特性、特に、水素が金属の結合に影響を与えて金属材料を脆化（水素脆化）させたり、水素が金属材料の強度特性を変化させたりすることに留意しなければならない。そのため、水素脆化等が懸念される材料に対しては、水素ガス等の雰囲気ガスを導入して高温又は高圧の環境下で、金属材料の引張強度、圧縮強度、曲げ強度、引張り疲労強度などの機械的特性を測定する必要がある。
【０００３】
また、水素ガスは可燃性で空気と混合されると容易に発火若しくは爆発することから、その利用に際しては安全上の配慮が必要とされている。ゆえに、特に高圧の水素ガス雰囲気を形成するような試験装置については、種々の安全上の対策が講じられるのが通例である。
ところで、近年、地球温暖化が問題となり、その原因とされる二酸化炭素の排出を極力減らす技術についての研究開発が進められている。たとえば、自動車の駆動にも従来のガソリン又は軽油等の炭化水素系の燃料ではなく、水素を燃焼させる水素エンジンを搭載した水素自動車及び水素をエネルギ源とする燃料電池を用いた電気自動車が実用化されようとしている。このような水素自動車又は電気自動車の場合、１回の充電により走行できる距離が実用上十分に長いことが必要とされている。このため、自動車に搭載される水素源として最も実用化に近い方法として、圧縮水素ボンベを積載する方法に期待が寄せられている。
【０００４】
数年前までは、この圧縮水素ボンベの圧力は３５ＭＰａ程度であり１回の燃料充填での走行距離が３００ｋｍ以下であった。この走行距離を実用的な５００ｋｍに改善することが検討されて、圧縮水素ボンベの圧力が７０ＭＰａ程度になるまでに至っている。
このような高圧の水素ガス雰囲気下で用いられる機器類の材料については、上述した水素脆化等の問題が危惧されるものの、これまでにこのような高圧水素ガス雰囲気での種々の材料の機械的な特性について十分なデータがなく、材料規格すら制定されていない状況にある。機械的特性を評価するにも、当然ながらそのような高圧水素ガス雰囲気を形成しうる試験装置が必要であるが、安全の観点から十分なものは入手が困難なのが実情である。
【０００５】
一方で、高圧（上述の７０ＭＰａ程度）のアルゴンや窒素を圧力媒体に使用する熱間静水圧プレス装置（ＨＩＰ装置）が工業的に知られている。高圧ガスを安全に閉じ込める装置の構造としての実績も多いことから、このＨＩＰ装置の高圧容器を、高圧水素ガス雰囲気下での試験装置に流用することもが可能である。
しかしながら、ＨＩＰ装置の高圧容器に水素ガスを封入した場合、アルゴン又は窒素の封入と異なり、高圧容器の蓋と胴部との間のシーリング部を介した水素ガス漏れは非常に危険であり、爆発又は火災等の事故に繋がる虞が大である。
【０００６】
このことから、ＨＩＰ装置等に用いられる高圧容器からの水素ガスの漏れに対する安全上の配慮が必要となるが、従来からその対策は採られていない。採られていたとしても、高圧容器が設置された部屋の内部に水素ガス漏れセンサを配置して、水素ガスの漏れを検出するという方法が採用されていたに過ぎない。しかしながら、高圧容器から漏れた水素ガスが部屋に充満する前に、漏れを検出することが好ましいにも関わらず、良い方法は提案されていない。
【０００７】
なお、水素ガス等の爆発性の高い又は反応性の高い雰囲気ガスを導入して高温で材料の引張り試験その他の試験を行なうことができる技術としては、以下のものが公知である。
特許文献１は、高圧ガスを導入した高圧容器内に試験部材を配置して、試験部材に荷重を付加して試験部材の変形量を測定する機械特性試験装置を開示する。この試験装置は、少なくとも一端に開口部を有する筒状の本体部と、開口部を開閉自在に閉塞する蓋部とにより構成される。高圧容器内に高圧ガスを導入した際に蓋部にかかる軸力は、高圧容器に外方から係脱自在とされたプレスフレームにより担持される。蓋部に固定された試験部材に対して蓋部を貫通するロッドを通じて荷重を付加するアクチュエータ部により、試験部材の変形量が測定される。さらに、プレスフレームを離脱させて蓋部を開放することにより、試験部材を装着自在及び取出自在としている。
【０００８】
特許文献２は、ガス導入口とガス排出口を有するチャンバの内部に、表面が電気絶縁さ
れたヒータが配設された材料試験機用加熱炉を開示する。この加熱炉は、チャンバの壁に材料試験機の軸を挿入する軸挿入口を形成するとともに、軸を気密的にシールする伸縮可能な軸シール部材が軸挿入口に取付けられている。
【特許文献１】特開２００４−３４０９２０号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献１には、水素ガスを含む高圧ガス雰囲気での機械特性試験装置の容器構造について記載されているが、高圧容器からの水素ガス漏れに対する対策が開示されてはいない。
特許文献２に開示された技術は、ベローズにて試験機とのシールを行なっているが、雰囲気ガス圧が高い場合には、ベローズの耐圧が低いため適用できず、雰囲気ガスの漏れの可能性を排除できない。加えて、高圧容器からの水素ガス漏れに対する対策が開示されてはいない。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、試験部材が水素ガスを充填した高圧容器の内部に載置されて、窒素ガスを導入した恒温槽にその高圧容器を配置して行なわれる機械特性試験装置において、高圧容器からの水素ガス漏れに対する対策、すなわち、水素ガス漏れを検知して知らせる装置を備えたものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置は、高圧水素ガス雰囲気下において機械的特性が測定される試験部材が内部に配置された高圧容器と、内部に窒素ガスが充満されると共に前記高圧容器が配置され、且つ前記窒素ガスの温度制御が可能となっている恒温槽と、前記恒温槽の内外で窒素ガスを循環させる循環機構と、前記循環機構に設けられた水素ガス検出器と、を有することを特徴とする。
【００１２】
上述の機械特性測定装置によると、万が一にも水素ガスが高圧容器から漏れたとしても、窒素ガス中への漏れであるので、安全性優れている。
好ましくは、前記水素ガス検出器により検出された水素ガス量が予め定められた値以上であると、警報を発する警報発信機構を有するとよい。
さらに、前記水素ガス検出器により検出された水素ガス量が予め定められた値以上であ
ると、前記高圧容器内部の水素ガスを屋外に放出する安全機構を有するとよい。
本発明に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置の最も好ましい形態は、高圧水素ガス雰囲気下において機械的特性が測定される試験部材が内部に配置された高圧容器と、内部に窒素ガスが充満されると共に前記高圧容器が配置された恒温槽と、前記恒温槽の内外で窒素ガスを循環させる循環機構と、前記循環機構に設けられた水素ガス検出器と、前記循環機構による恒温槽内での窒素ガスの循環上に配備されて、前記恒温槽内の窒素ガスの温度制御を行う媒体循環ヒータと、前記恒温槽内の窒素ガスを攪拌する攪拌ファンと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置によれば、高圧の水素ガス環境下における金属材料等の機械特性を安全に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
［第１実施形態（参考例）］
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００は、恒温槽１とこの恒温槽内に配備される高圧容器２とを備えて構成される。
【００１５】
高圧容器２は、内部に高圧の水素ガスを収容可能な試験室４０を備える円筒体（胴部）４１を備えている。この円筒体４１は下方に開放状となっている開口４２を有していて、コップを伏せた形状となっている。円筒体の開口４２には、下蓋４３が嵌り込むようになっており、下蓋４３の上面には、高圧水素ガス雰囲気下において、引張試験や圧縮試験などの材料力学的な試験を行うための試験治具８が設けられている。試験治具８の下部には、試験部材４４に引張力や圧縮力を加えるプルロッド１１が設けられ、このプルロッド１１は、油圧ユニット２６から油圧管路２７を通して供給される油圧により駆動される。
【００１６】
高圧容器２の周囲には熱媒体ジャケット９が設けられている。この熱媒体ジャケット９により、円筒体４１の外周にジャケット管路２９が形成される。このジャケット管路２９
は、ジャケット媒体供給管路２４及びジャケット媒体戻り管路２５により、熱交換器等の温度調整ユニット２３に接続されている。  
恒温槽１の内部には、高圧容器２、攪拌ファン３、媒体循環ヒータ４、窒素ガス導入管路５（供給機構）が設けられている。
【００１７】
恒温槽１の上方には窒素ガス排出管路６（排出機構）が設けられ、窒素ガス排出管路６には水素ガス検出センサ７が設けられている。
高圧容器２の下方には、水素ガス導入管路１０が設けられている。高圧容器２の下方には、試験治具８に変位を与えるプルロッド１１が取り付けられており、このプルロッド１１は、恒温槽１の外側に貫通している。
【００１８】
高圧容器２の下方に接続された水素ガス導入管路１０は、外部に設置された水素ボンベ１４に接続されている。この水素ガス導入管路１０には、水素ボンベ１４側から、コンプレッサ１５、開閉バルブ１７が設けられている。また、高圧容器２の上方には、屋外（大気中）まで伸びた水素ガス排出管路１８が設けられている。この水素ガス排出管路１８には、開閉バルブ１９が設けられている。
【００１９】
コンプレッサ１５は、モータ１６により駆動される。開閉バルブ１７が開いている状態かつ開閉バルブ１９が閉じている状態で、コンプレッサ１５がモータ１６により駆動されると、水素ボンベ１４からコンプレッサ１５に供給された水素ガスが圧縮されて（加圧されて）、水素ガス導入管路１０を通って高圧容器２の内部に導入される。
開閉バルブ１７が閉じている状態で開閉バルブ１９が開くと、高圧容器２内の水素ガスが、水素ガス排出管路１８を通って屋外（大気中）に排出される。
【００２０】
窒素ガス導入管路５は、開閉バルブ１３を介して窒素ボンベ１２に接続されている。なお、この窒素ボンベ１２内の窒素は、液体であっても気体であっても構わない。開閉バルブ１３を開くと、窒素ボンベ中の窒素が窒素ガス導入管路５を通って恒温槽１の内部に導入され、攪拌ファン３により攪拌されて、恒温槽１内に窒素が充填される。
本実施形態においては、恒温槽１に充填される窒素ガスは循環されるのではなく、窒素ガス排出管路６を通って屋外に排出される。この窒素ガス排出管路６に水素ガスを検出する水素ガス検出センサ７が設けられている。
【００２１】
高圧容器２から水素ガスが漏れた場合、恒温槽１内部に充填された窒素ガス中への漏れであり安全性に優れている。窒素ガス導入管路５から窒素ガスを常に供給しているため、窒素ガス排出管路６から一定量の窒素ガスが排出されている。この窒素ガス排出管路６に水素ガス検出センサ７（水素ガス検出器）が取り付けられており、この水素ガス検出センサ７により、水素ガスの漏れを検出する。この水素ガス検出センサ７からの信号を受信して警報を発生させる警報器２８（警報発信機構）が設けられている。
【００２２】
さらには、水素ガス検出センサ７により検出された水素ガス量が予め定められた値以上であると、開閉バルブ１９を強制的に開放して高圧容器２内部の水素ガスを屋外（大気中）に放出したり、機械特性測定装置１００の運転を停止したりする安全機構（図示せず）が設けられている。
空気中の水素の可燃範囲は４％〜７５％であることに基づいて、水素ガス漏れ警報値として２つの値が予め設定される。安全率を考慮して、たとえば、警報発生及び運転停止用の設定値として４００ｐｐｍ（０．０４％）が設定される。さらに、開閉バルブ１９を開いて水素ガス排出管路１８を通して高圧容器２内の水素ガスを屋外に排出する設定値として１０００ｐｐｍ（０．１％）が設定される。なお、これらの設定値は一例であって本発明がこれらの設定値に限定されるものではない。
【００２３】
媒体循環ヒータ４は、媒体供給管路２１及び媒体戻り管路２２により、熱交換器等の温度調整ユニット２０に接続されている。
恒温槽１内を加熱する場合には、媒体循環ヒータ４と熱交換器等の温度調整ユニット２０との間で加熱した媒体を循環させるとともに、窒素ガス導入管路５から窒素ガスを供給し、攪拌ファン３により恒温槽１内の窒素ガスを攪拌する。なお、媒体供給管路２１及び媒体戻り管路２２は逆でも構わない。
【００２４】
恒温槽１内を冷却する場合には、媒体循環ヒータ４と温度調整ユニット２０との間で冷
却した媒体を循環させる。これに代えて又はこれに加えて、窒素ガス導入管路５から液体窒素を供給するとともに攪拌ファン３にて攪拌するようにしても構わない。
一方、高圧容器２内の温度を上昇させる加熱時間を短縮するためには、高圧容器２の外周の熱媒体ジャケット９と温度調整ユニット２３との間で熱媒体を循環させるとよい。なお、温度調整ユニット２３を温度調整ユニット２０と兼用しても構わない。高圧容器２内の温度を降下させる冷却時間を短縮するために、熱媒体ジャケット９と温度調整ユニット２３との間で冷却媒体を循環させることも可能である。
【００２５】
以上のような構造を備えた高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００の使用態様について説明する。なお、高圧容器２内の試験治具１１への試験部材４４にセッティングは終了しているものとする。
開閉バルブ１７を開いて開閉バルブ１９を閉じて、モータ１６によりコンプレッサ１５を駆動させて、水素ボンベ１４から高圧容器２の内部に水素ガスを供給する。このとき、高圧容器２内の圧力が９０ＭＰａ程度になるように、水素ガス導入管路１０を通して水素ガスが水素ボンベ１４から高圧容器２に供給される。
【００２６】
高圧容器２内の水素ガスの圧力が所定の圧力になると（所定の圧力に到達する前であっても構わない）、開閉バルブ１３を開いて、窒素ガス導入管路５を通して窒素ガスを恒温槽１内に導入する。このとき、媒体循環ヒータ４と温度調整ユニット２０との間で熱媒体又は冷却媒体を循環させ、かつ、攪拌ファン３を作動させて、恒温槽１内の温度を調整する。さらに、熱媒体ジャケット９のジャケット管路２９と温度調整ユニット２３との間で熱媒体又は冷却媒体を循環させて、高圧容器２内の温度を調整する。
【００２７】
高圧容器２内の圧力及び温度がそれぞれ定められた値になると、油圧ユニット２６を操作して油圧管路２７を通して供給された油圧によりプルロッド１１を作動させて、試験部材４４に与えられた引張り荷重に対する試験部材４４の変位を測定する。
高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００の使用時における異常態様について説明する。なお、高圧容器２内への水素ガスの供給が開始されているものとする。
【００２８】
水素ガスが高圧容器２から漏れると、恒温槽１内の窒素ガス中の水素濃度が上昇する。恒温槽１には窒素ガス導入管路５から窒素ガスを常に供給しているため、窒素ガス排出管路６から水素ガスを含む窒素ガスが排出されることになる。
この場合、水素ガス検出センサ７が４００ｐｐｍの水素ガス濃度を検出するまでは、試験部材４４の引張試験が継続される。水素ガス検出センサ７が４００ｐｐｍの水素濃度を検出する（検出工程）と、警報器２８により警報が発生される（異常対応工程）。
【００２９】
加えて、安全機構により、開閉バルブ１９を強制的に開放して高圧容器２内部の水素ガスを屋外（大気中）に放出したり、開閉バルブ１７を閉じたりコンプレッサ１５を停止されたりして、この機械特性測定装置１００の運転が停止される。詳しくは、水素ガス検出センサ７が１０００ｐｐｍの水素濃度を検出すると、開閉バルブ１９が開かれて水素ガス排出管路１８を通して高圧容器２内の水素ガスが屋外に排出される（異常対応工程）。
【００３０】
なお、このような水素ガス漏れが発生した場合であっても、恒温槽１内部に充填された窒素ガス中への水素ガスの漏れであり空気中への漏れではないため、爆発等の危険性が少なく安全性に優れている。
以上のようにして、本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００によると、高圧の水素ガス環境下における金属材料等の機械特性を安全に測定することができる。
［第２実施形態（参考例）］
図３を参照して、本発明の第２実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００について説明する。図３は、第１実施形態を示す図２に対応する図である。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００は、水素ガス検出センサ７、水素ガス検出センサ７と同等の機能を備えた水素ガス検出センサ３０及び水素ガス検出センサ３１の少なくとも１つを備える。
本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００においては、窒素ガスが循環系ではなく排出系で構成され、かつ、水素ガス検出センサ７，３０，３１が高
圧容器２よりも窒素ガスの下流側に設けられている。加えて、窒素ボンベ１２から窒素ガス導入管路５を通して窒素ガスを恒温槽１に常に供給しているため、窒素ガス排出管路６から一定量の窒素ガスが排出され、恒温槽１では、上流から下流へ（図３で左から右へ）向かう窒素ガスの流れが存在する。
【００３２】
そのため、高圧容器２から水素ガスが恒温層１内に漏れたとしても、窒素ガスの高圧容器２よりも下流部において水素ガスの漏れを確実に検出できる。すなわち、高圧容器２よりも上流側においては、高圧容器２から漏れた水素ガスを検出できないか、検出することが困難である。
以上のようにして、本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００によると、確実に水素ガスの漏れを検出でき、高圧の水素環境下における金属材料等の機械特性を安全に測定することができる。
［第３実施形態（実施例）］
図４を参照して、本発明の第３実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００について説明する。図４は、第１実施形態や第２実施形態を示す図２，図３に対応する図である。
【００３３】
図４に示すように、本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００は、上述した第１実施形態及び第２実施形態の恒温槽とは異なる構造を備えた恒温槽１を備える。
この恒温槽１は、窒素ガスを循環させる窒素ガス循環管路３２を備える。なお、この窒素ガス循環管路３２には、図示しない循環機構（たとえばファン、モータ、窒素タンク）を備える。
【００３４】
さらに、恒温槽１には、水素ガス検出センサ７、水素ガス検出センサ３０、水素ガス検出センサ３１、これらの水素ガス検出センサと同等の機能を備えた水素ガス検出センサ３３、水素ガス検出センサ３４の少なくとも１つを備えるものとなっている。
本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００においては、窒素ガスが排出系ではなく循環系で構成されている。ゆえに、水素ガス検出センサは高圧容器２との相対的な位置に関係なく恒温槽１内の任意の位置に設けられている。言い替えるならば、高圧容器２の窒素ガス流れの下流側に限定されない。
【００３５】
窒素ガス循環管路３２を通して窒素ガスを恒温槽１に循環させているため、窒素ガス循環管路３２には一定量の窒素ガスが循環されている。このような状態で高圧容器２から水素ガスが恒温層１内に漏れると、恒温槽１の内部及び窒素ガス循環管路３２のいずれの位置においても水素ガスの漏れを検出できる。すなわち、窒素ガスが流れている任意の位置において、高圧容器２から漏れた水素ガスを検出できる。
【００３６】
以上のようにして、本実施形態に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置１００によると、水素ガス検出センサの取付位置が限定されることなく確実に水素ガスの漏れを検出でき、高圧の水素環境下における金属材料等の機械特性を安全に測定することができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態（参考例）に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置の全体構成図である。
【図２】図１の恒温槽近傍の図である。
【図３】本発明の第２実施形態（参考例）に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置の恒温槽近傍の図である。
【図４】本発明の第３実施形態（実施例）に係る高圧水素ガス雰囲気下での機械特性測定装置の恒温槽近傍の図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  恒温槽
２  高圧容器
３  攪拌ファン
４  媒体循環ヒータ
５  窒素ガス導入管路
６  窒素ガス排出管路
７  水素ガス検出センサ
８  試験治具
９  熱媒体ジャケット
１０  水素ガス導入管路
１１  プルロッド
【図１】
0005142802.tif 000002
【図２】
0005142802.tif 000003
【図３】
0005142802.tif 000004
【図４】
0005142802.tif 000005