(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を満たした液体槽内で、試験対象材料である試験片にポンプにより加圧した高圧液体をノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射し、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験法において、前記液体槽内から流出する液体の流量を流出経路に設けた液体流出調整弁で制御して液体槽内の圧力を制御する方法として、
前記ポンプよりノズルを介してキャビテーション噴流を発生させるために液体槽内に供給される液体供給系路の余剰液体を流出液体として前記液体流出調整弁に導くと共に、前記ポンプから前記ノズルを通さないで供給された液体を前記液体流出調整弁に導く調整供給系路とを設け、当該液体供給系路の流出液体と当該調整供給系路の流出液体とを流出経路において合流して前記液体流出調整弁に導き、合流して増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、前記液体槽内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体圧力制御方法。
【請求項２】
液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、
前記液体槽から延出形成した液体流出管に液体流出調整弁を設けて、液体槽からの流出液体を液体流出調整弁へ導くと共に、前記液体供給管と前記液体流出管とを連結する調整通管路を設けて、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路を介して液体流出管に設けた前記液体流出調整弁に導くように構成し、
液体槽からの流出液体と調整通管路からの流出液体を合流させ、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、液体槽内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構。
【請求項３】
液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、
前記液体槽を互いに連通するように構成した試験室と調整室とに区分し、当該試験室には、試験片と液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置して、前記ポンプからの液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生すると共に、当該調整室には、前記液体供給管と前記調整室とを連結する調整通管路を設けて、前記ポンプからの液体を調整室に供給し得るように構成し、更に前記調整室には液体流出口部を構成して、当該液体流出口部には液体流出調整弁を設けて、試験室と調整室に供給された液体の余剰分を当該液体流出口部より流出液体として液体流出調整弁に導くように構成し、
液体槽からの流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、液体槽内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構。
【請求項４】
キャビテーション噴流による材料試験装置において、液体流出管又は液体流出口部に液体槽内圧力の圧力計を設け、当該圧力計で感知した信号により液体槽からの流出する液体の流量を自動的に前記液体流出調整弁にて制御するようにしたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載するキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力自動制御機構。
【請求項５】
液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、
ポンプまたはモータをインバータ機構となし、当該ノズルからの液体の噴出流量をポンプあるいはモータの回転数をインバータ機構により変化調節し、これによって噴射圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の噴射圧力制御機構。
【請求項６】
キャビテーション噴流による材料試験装置において、液体供給管に噴射圧力の圧力計を設けるとともにポンプまたはモータをインバータ機構となし、当該圧力計で感知した信号により、ポンプの回転数またはモータの回転数をインバータ機構により変化調節し、これによりノズルからの噴射圧力を制御することを特徴とする請求項５に記載するキャビテーション噴流による材料試験装置の自動噴射圧力制御機構。
【請求項７】
液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、
前記液体槽から延出形成した液体流出管に液体流出調整弁を設けて、液体槽からの流出液体を液体流出調整弁へ導くと共に、前記液体供給管と前記液体流出管を連結する調整通管路を単数または複数本設けて、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路と液体流出管を介して前記液体流出調整弁および／または液槽体に導くように構成し、液体槽からの流出液体と調整通管路からの流出液体を合流させ、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、液体槽内の圧力を制御したり、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路と液体流出管を介して液体槽内に供給し、液体槽内に液体を急速に満たすようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内への短時間液体給排機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ポンプや水車やバルブ等の流体機械を構成する材料がキャビテーション噴流の衝撃力により生じる表面形状や質量損失などを計測することにより、当該材料の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置について、これがより高性能で高能率なものとなり、更に自動化したものとなるように改良した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャビテーションは、キャビテーション気泡の崩壊時にＧＰａに及ぶ高衝撃圧を発生し、流体機械に損傷、振動、性能低下をもたらすが、なかでもキャビテーション壊食は、機械に致命的損傷をもたらす。そのため、工業界からはこの激しいキャビテーション壊食の予測法の確立が切望されており、その試みも行われている。壊食の定量的予測は、キャビテーション衝撃力の計測や壊食の初期段階に発生する塑性変形ビットの大きさの測定などからキャビテーション強さを計測し、これと材料の耐キャビテーション性から各条件における壊食率を求めようとするものである。そのためには、材料の耐キャビテーション性を評価する材料試験が必要不可欠である。
【０００３】
従来から材料のキャビテーション性を調べる材料試験法と材料試験装置について、アメリカ材料規格協会（ＡＳＴＭ）では、キャビテーション噴流を用いた材料試験（ＡＳＴＭ Ｇ１３４の材料試験）として規格している。この材料試験装置は、供試材料で製作した試験片Ｅを液体槽Ｃ内に設置し、当該液体槽ＣにポンプＡなどで加圧した高圧液体を噴射して、噴流のまわりにキャビテーシャン気泡を発生させ、当該キャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失の変化から当該材料の耐キャビテーション性を調べる試験である。
【０００４】
当該ＡＳＴＭＧ１３４の材料試験装置の構成概要とその試験部Ｘを示すと図４、図５の通りである。試料水は約０．０５m3タンクＡに貯留し、これを最大吐出し容量４．５l／minのプランジャーポンプＢで加圧し、シリンドリカルノズルＤを通して試験部Ｘ内に設置した試験片Ｅに噴射する。当該ＡＳＴＭＧ１３４では、ノズルＤの直径は０．４０８ｍｍ±０．００４ｍｍと規格化されている。また、当該試験片Ｅは、図６に示すような形状で、噴流衝突面Ｆの直径１２ｍｍに規格化されており、当該試験片Ｅは図５に示すように支持具Ｏにより試験部Ｘ内に支持固定できるように構成されている。尚、図中Ｒは、試験片ＥとノズルＤの間にあるシャッターである。ノズル上流側圧力ｐ1および下流側圧力（測定部内の圧力）ｐ2は、それぞれ流量調節弁Ｇ，Ｈによって制御し、それぞれの圧力計Ｉ，Ｊにより計測する。流量調節弁Ｇ，Ｈをノズル上流側、下流側ともに複数個使用することにより、弁における壊食が回避できるとともに、圧力の微調整が可能になる。下流側圧力調整弁Ｈに、キャブレタの原理を応用した空気の調圧弁を利用した機構を採用している。つまり液体槽Ｃ内の圧力はキャブレタと同じ原理により、空気圧に応じて弁が開閉する機構により、当該液体槽Ｃから流出する液体量を制御して，当該液体槽Ｃの圧力を制御する方式としている。同機構の空気圧は、市販のガス用調圧弁により制御している。したがって、同方式では圧力源が必要である。尚、図中Ｌ，Ｍは、ノズル上流側、下流側に設けたフィルターであり、図中Ｎは、ヒーターで、Ｑはアキュムレーターである。
【０００５】
また、当該液体槽Ｃから流出する液体量を流量調節弁Ｇにより制御して、当該液体槽Ｃの圧力を調整する方法も明記している。つまり、当該液体槽Ｃの圧力によりキャビテーション気泡の崩壊衝撃力の強さ及び発生頻度が著しく異なるので、当該液体槽Ｃ内の圧力を一定に保つ必要がある。尚、図中Ｉはノズル上流側に設けた圧力計であり、Ｋはノズル下流側に設けた圧力計である。
【０００６】
当該液体槽Ｃ内へ供給する液体は、当該ノズルＤを通して行われ、その間、当該試験片Ｅに高圧液体が当たらないようにシャッターＲで高圧液体を遮断している。当該液体槽Ｃに噴射する高圧液体の圧力は、ポンプＢからノズルＤへの流路を接続し、バイパス流路Ｓに設けた流量調節弁Ｇを調節することにより行う。すなわち、当該流量調節弁Ｇを全開することにより、ポンプＢで生じた圧力がノズルＤから噴射される高圧液体の圧力となり、当該流量調節弁Ｇの開度により、当該高圧液体の圧力を制御できる。
【０００７】
本試験法では、破壊試験であるので当該液体槽Ｃ内でのゴミ（損傷粉）の発生は不可避である。
【０００８】
【発明が解決しようとする技術的課題】
当該キャビテーション噴流による材料試験装置は、原理的にはキャビテーション噴流や壊食の支配因子を設定したり調整しながら、耐キャビテーション性を調べることができるので、工業上の有用性が高いとされている。しかし、この原理を活用して実際に材料試験を行おうとすると、支配因子である噴出圧力や槽内圧力や処理時間などを正確に具現化し、それを安定的に維持することが要求される。この要求条件をクリアし、正確な材料試験結果を得ることと、その再現性と信頼性を良くしようとすると、その支配因子の調整制御とそのための操作方法が非常に困難なものとなる。そのため、当該材料試験装置を使って精度の高い材料試験結果を安定的に且つ効率的に得るのは難しく、熟練がいるとされている。このため、周辺技術や支援技術の開発によって、もっと使い易い材料試験装置にすることが強く望まれていた。
【０００９】
前記キャビテーション噴流による材料試験装置の欠点を具体的に述べると次のようになる。
【００１０】
1）前記のキャブレタの原理を用いた当該液体槽Ｃ内の圧力調整機構では、空気圧を要するために、コンプレッサー等の空気の加圧源が必要である。
【００１１】
2）当該液体槽Ｃから流出する液体の流量を流量調節弁Ｈの開閉により制御して当該液体槽Ｃ内の圧力を調整する場合は、当該流量調節弁Ｈの開度が小さい（ノズルが0.408ｍｍ±0.004ｍｍと規格化されているために流量が小さいため）ので、当該試験片Ｅから生じた損傷粉が当該流量調節弁Ｈを通過するたびに、圧力が変動し、圧力調整が困難である。
【００１２】
3）流量調節弁Ｈの前段にフィルタを入れることは可能であるが、小さな損傷粉をすべて取り除くことは不可能である。流量が小さいために、当該流量調節弁Ｈのわずかな開閉で圧力が大きく変動し、圧力調整が困難であり、自動制御ができない。
【００１３】
4）また、当該液体槽Ｃへの給液体は、前記ノズルＤを通して行うと、シャッターＲに空気中、あるいは液体中の環境で高圧液体が噴射されるのでシャッターＲが損傷し易い欠点がある。
【００１４】
5）更に、当該ノズルＤのみからの液体の供給ではその流量が小さいため、液体を液体槽Ｃに満たすためには時間を要するとともに、液体供給時には高圧液体が当該液体槽Ｃ中の液体と空気を撹拌するので、液体槽Ｃ中の空気抜きに時間を要する。
【００１５】
6）更にまた、ＡＳＴＭ Ｇ１３４では、高圧液体の圧力及び当該液体槽Ｃの圧力のモニタ（圧力計Ｉ）が明示されているが、流量のモニタについては明示されていない。圧力計ＩのみではノズルＤあるいは流量調節弁Ｇが試験中に詰まった場合に知る手段がない。
【００１６】
7）ＡＳＴＭ Ｇ１３４の試験条件では、毎分１リットル前後の流量であるが、この流量を精度よく計測する流量計は高価である。
【００１７】
以上のように従来のキャビテーション噴流による材料試験装置は、材料の耐キャビテーション性を試験することができるが、精度を高めたり、作業能率を高めたり、操作を自動化するには、多くの技術的課題をクリアする必要がある。
【００１８】
本発明は、これら従来のキャビテーション噴流による材料試験装置が有する技術的課題を解消せんとして、鋭意研究開発に努めた結果、高性能を維持しながら作業能率も高く、自動化も可能になったので、実用性の高いものに改良された。
【００１９】
即ち、本発明に係るキャビテーション噴流による材料試験装置に装備できる液体槽内圧力制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構や、噴射圧力制御機構や、液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構を開発し、実用性の高いものに改良したものである。従って、本発明の目的は、次のようになる。
【００２０】
第１の目的は、開発した材料試験装置に装備できる液体槽内圧力制御機構により、簡単な操作で微調整できるようにして試験部の液体槽内の圧力を精度よく制御できるようにすることである。
【００２１】
第２の目的は、開発した材料試験装置に装備できる液体槽内への短時間液体給排機構により、試験作業の能率を高めようとするものである。即ち、上記のキャビテーション噴流を用いた材料試験においては、随時試験片を取り出して計量、もしくは表面形状を計測する必要があり、その度毎に試験片を設置する当該液体槽に収納する液体を供給したり排出したりする作業を行う必要があるが、この液体の排出・供給を短時間で行うこと目的とする。
【００２２】
第３の目的は、開発した材料試験装置に装備できる噴射圧力制御機構によりポンプから送られる高圧液体の供給圧力とその供給量を簡便に調整できるようにして、適切な液体供給によりキャビテーション噴流の衝撃圧などの材料試験が適切な条件で行われていることを保証するようにすることである。
【００２３】
第４の目的は、材料試験装置に液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構を開発装備したことにより、ノズルから噴射する圧力や液体槽内圧力をモニタリングしながら、噴射圧力と液体槽内圧力とを自動的に調整制御し、キャビテーション噴流の衝撃圧などの材料試験が予め設定した適切な条件で常に行われていることを保証することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の材料試験装置が有していた課題を解消する材料試験装置に装備できる液体槽内圧力制御機構や、噴射圧力制御機構や、液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構を開発し、実用性の高いものに改良したものである。
【００２５】
特許を受けようとする第１発明は、液体を満たした液体槽内で、試験対象材料である試験片にポンプにより加圧した高圧液体をノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に衝当し、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験法において、前記液体槽内から流出する液体の流量を流出経路に設けた液体流出調整弁で制御して液体槽内の圧力を制御する方法として、前記ポンプよりノズルを介してキャビテーション噴流を発生させるために液体槽内に供給される液体供給系路の余剰液体を流出液体として前記液体流出調整弁に導くと共に、前記ポンプから前記ノズルを通さないで供給された液体を前記液体流出調整弁に導く調整供給系路とを設け、当該液体供給系路の流出液体と当該調整供給系路の流出液体とを流出経路において合流して前記液体流出調整弁に導き、合流して増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、前記液体槽内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験法の液体圧力制御方法である。
【００２６】
当該第１発明は、キャビテーション噴流による材料試験法における液体圧力制御方法である。キャビテーション噴流の支配因子のひとつとして、液体槽の圧力がある。即ち、当該液体槽の圧力によりキャビテーション気泡の崩壊衝撃力の強さ及び発生頻度が著しく異なるので、当該液体槽Ｃ内の圧力を一定に保つ必要がある。材料試験装置の基準であるＡＳＴＭ Ｇ１３４の試験条件として、当該液体槽から流出する液体の流量を流量調節弁により制御して、当該液体槽の圧力を調整する方法が記載されている。しかし、当該調整法では、ノズルが0.408ｍｍ±0.004ｍｍと規格化されているために流量が小さく、当該流量調節弁の開度が小さい。そのため当該流量調節弁のわずかな開閉による微調整が難しいうえ、当該試験片から生じた損傷粉が当該流量調節弁を通過したり、詰まっただけでも圧力が大きく変動し、微妙な圧力調整が困難となるので、実際には自動制御ができない。そこで、ポンプから前記ノズルを通さないで供給された液体を前記液体流出調整弁に導く調整供給系路を設け、当該液体供給系路と当該調整供給系路の流出液体とを合流して前記液体流出調整弁に導き、合流して増量した多量の流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、前記液体槽内の圧力を微調整制御するようにした液体圧力制御方法である。流量を増すことによって、人間の感覚として簡単に流量調整ができる量となり、操作調整し易い大きな開き角度にすることにより、比例する液体槽からのごく少ない流量部分の微調整ができ、それによって液体槽内の圧力を制御できる方法である。
【００２７】
特許を受けようとする第２発明は、液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、前記液体槽から延出形成した液体流出管に液体流出調整弁を設けて、液体槽からの流出液体を液体流出調整弁へ導くと共に、前記液体供給管と前記液体流出管とを連結する調整通管路を設けて、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路を介して液体流出管に設けた前記液体流出調整弁に導くように構成し、液体槽からの流出液体と調整通管路からの流出液体を合流させ、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、液体槽内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構である。
【００２８】
当該第２発明は、前記第１発明のキャビテーション噴流による材料試験装置における液体圧力制御方法を採用した液体槽内圧力制御機構を具現化した一実施例である。増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて容易に制御することにより、簡単に液体槽内の圧力を微調整制御することができ、自動制御も可能となるものである。
【００２９】
特許を受けようとする第３発明は、液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、前記液体槽を互いに連通するように構成した試験室と調整室とに区分し、当該試験室には、試験片と液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置して、前記ポンプからの液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生すると共に、当該調整室には、前記液体供給管と前記調整室とを連結する調整通管路を設けて、前記ポンプからの液体を調整室に供給し得るように構成し、更に前記調整室には液体流出口部を構成して、当該液体流出口部には液体流出調整弁を設けて、試験室と調整室に供給された液体の余剰分を当該液体流出口部より流出液体として液体流出調整弁に導くように構成し、当該液体槽からの流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、液体槽内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構である。
【００３０】
第３発明は、前記第１発明のキャビテーション噴流による材料試験装置における液体圧力制御方法を採用した液体槽内圧力制御機構を具現化した他実施例である。これも第２発明と同様に増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、簡単に液体槽内の圧力を微調整制御することができ、自動制御も可能なものである。
【００３１】
特許を受けようとする第４発明は、キャビテーション噴流による材料試験装置において、液体流出管又は液体流出口部に液体槽内圧力の圧力計を設け、当該圧力計で感知した信号により液体槽からの流出する液体の流量を自動的に前記液体流出調整弁にて制御するようにしたことを特徴とする第２発明又は第３発明に記載するキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力自動制御機構である。
【００３２】
特許を受けようとする第５発明は、液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、ポンプまたはモータをインバータ機構となし、当該ノズルからの液体の噴出流量をポンプあるいはモータの回転数をインバータ機構により変化調節し、これによって噴射圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の噴射圧力制御機構である。
【００３３】
従来のキャビテーション噴流による材料試験装置では、当該液体槽に噴射する高圧液体の圧力は、ポンプからノズルへの液体供給流路に流量調節弁を接続し、当該流量調節弁の開度を調節することにより噴射圧力を制御していた。このような従来の噴射圧力調整法では、調整が感覚的でファジーであるため、精度に欠け材料試験が適切な条件で行われていることを保証するまでには至らなかった。本件第５発明は、当該ノズルからの噴射圧力を、ポンプの回転数またはモータの回転数を変化できるインバータ機構により高精度に調節するので、キャビテーション噴流の衝撃圧を予定の強さに安定的に維持でき、材料試験が適切な条件で行われていることを保証できるようになった。
【００３４】
特許を受けようとする第６発明は、キャビテーション噴流による材料試験装置において、液体供給管に噴射圧力の圧力計を設けるとともにポンプまたはモータをインバータ機構となし、当該圧力計で感知した信号により、ポンプの回転数またはモータの回転数をインバータ機構により変化調節し、これによりノズルからの噴射圧力を制御することを特徴とする請求項５に記載するキャビテーション噴流による材料試験装置の自動噴射圧力制御機構である。
【００３５】
当該第６発明は、第５発明の噴射圧力制御機構を噴射圧力の圧力計でモニタリングしてインバータ機構を調節して、ポンプあるいはモータの回転数を制御し、当該ノズルからの液体の噴出圧力を自動的に制御できるようにしたものである。尚、この際必要に応じて液体供給管に噴射圧力調整弁を設けておき、噴射圧力の圧力計でモニタリングして噴射圧力調整弁を調節することにより、ノズルからの液体の噴出圧力を自動的に制御するのを補助するようにしても良いこと勿論である。本発明は、キャビテーション噴流の衝撃圧を予定の強さに安定的に維持でき、材料試験が適切な条件で行われているようにするのを自動化したものである。
【００３６】
特許を受けようとする第７発明は、液体を満たした液体槽内に、試験対象材料である試験片と、液体供給管を介してポンプと連結したノズルとを設置し、ポンプにより加圧した高圧液体を当該ノズルより噴射することによりキャビテーション噴流を発生し、当該キャビテーション噴流を当該試験片に噴射することにより、当該キャビテーション噴流まわりのキャビテーション気泡を当該試験片表面で圧潰させ、当該試験片の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片の耐キャビテーション性を調べる材料試験装置において、前記液体槽から延出形成した液体流出管に液体流出調整弁を設けて、液体槽からの流出液体を液体流出調整弁へ導くと共に、前記液体供給管と前記液体流出管を連結する調整通管路を単数または複数本設けて、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路と液体流出管を介して前記液体流出調整弁および／または液槽体に導くように構成し、液体槽からの流出液体と調整通管路からの流出液体を合流させ、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御することにより、液体槽内の圧力を制御したり、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路と液体流出管を介して液体槽内に供給し、液体槽内に液体を急速に満たすようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内への短時間液体給排機構である。
【００３７】
当該第７発明は、従来はノズルのみからの液体の供給ではその流量が小さいため、液体を液体槽に満たすためには時間を要するので、前記ポンプから供給される液体を前記調整通管路と液体流出管を介して液体槽内に多量に供給し、液体槽内に液体を短時間に満たすようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内への短時間液体給排機構を具現化したものである。
【００３８】
尚、当該第７発明の場合には、必要に応じて前記調整通管路と液体流出管を介して増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁にて制御して、簡単に液体槽内の圧力を制御し得るようにしても良い構成になっている。
【００３９】
【実施例】
以下に本発明に係るキャビテーション噴流による材料試験法の液体圧力制御方法と、キャビテーション噴流による材料試験装置及びその液体槽内圧力制御機構を図示実施例に基いて詳細に説明する。
【００４０】
図１は第１発明に係るキャビテーション噴流による材料試験法の液体圧力制御方法の構成を示す説明図であり、図２は、第２発明、第４発明、第５発明、第６発明、第７発明に係るキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構や、噴射圧力制御機構や、液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構の一実施例を示す構成説明図であり、図３は、第２発明、第４発明、第５発明、第６発明、第７発明に係るキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構や、噴射圧力制御機構や、液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構の他実施例を示す構成説明図である。
【００４１】
図１に示すように、キャビテーション噴流による材料試験法における液体圧力制御方法の構成は次ぎのような構成になっている。
【００４２】
従来からアメリカ材料規格協会（ＡＳＴＭ）では、キャビテーション噴流を用いた材料試験法を、ＡＳＴＭ Ｇ１３４として規格している。その材料試験法は、液体を満たした液体槽１内で、試験対象材料である試験片２にポンプ（プランジャーポンプ）３により加圧した高圧液体をノズル（シリンドリカルノズル）４より噴射することによりキャビテーション噴流５を当該試験片２に衝当し、当該キャビテーション噴流５のまわりのキャビテーション気泡を当該試験片２表面で圧潰させ、当該試験片２の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片２の耐キャビテーション性を調べる方法である。しかも、その試験法にあっては、前記液体槽１内から流出する液体の流量を流出経路８に設けた液体流出調整弁６で制御して液体槽１内の圧力を制御する方法についても記載している。
【００４３】
図１に示した当該第１発明は、従来の液体槽１内から流出する液体の流量を液体流出調整弁６で制御して液体槽１内の圧力を制御する方法では、ノズル４の直径は0.408ｍｍ±0.004ｍｍと規格化されていて、ノズル４からの流量が非常に小さいため、当該流量調節弁の開度が小さく、わずかな開閉で圧力が大きく変動し、圧力調整が困難であり、自動制御ができない。また、このようにノズル４からの流量が非常に小さいため、試験片２から生じた損傷粉が当該流量調節弁６を通過するたびに、圧力が変動し、圧力調整が困難であるなどの欠点があった。本発明は、これらの難点を解消するため、ノズル４からキャビテーション噴流５を発生させるために、貯液槽１０からポンプ３によりノズル４に液体の供給される液体供給系路７だけでなく、貯液槽１０から前記ポンプ３により前記ノズル４を通さないで供給された液体を前記液体流出調整弁６に導く調整供給系路９を設け、これによって当該液体供給系路７の流出液体と当該調整供給系路９の流出液体とを流出経路８において合流して前記液体流出調整弁６に導き、合流して増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁６にて制御することにより、前記液体槽１内の圧力を制御するようにしたキャビテーション噴流による材料試験装置の液体圧力制御方法である。尚、図中３ａは、ポンプ３を駆動するためのモーターであり、９ａは調整供給系路９の流量調整弁である。また、図中１１はノズル下流側に設けた噴射圧力調整弁であり、１２はノズル上流側の噴射圧力の圧力計であり、１３はノズル下流側の液体槽圧力の圧力計であり、１４は液体が注入されたとき液体槽から空気を抜く空気抜弁である。
【００４４】
本発明は、前記ポンプ３により前記ノズル４を通さないで供給された液体を前記液体流出調整弁６に導く調整供給系路９を設け、これによって当該液体供給系路７の流出液体と当該調整供給系路９の流出液体とを流出経路８において合流して増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁６にて制御するようにした点が特徴である。流出液体の流量が増量されているので、前記液体流出調整弁６の開き角を調整してその流量を調整するのは、人間の感覚として簡単な行為となる。この
前記液体流出調整弁６における簡単な流量の制御をすることにより、比例する液体槽１の小さな流量を調整することにしたのである。その結果、前記液体槽１内の圧力を微調整制御することが可能になったのである。つまり、小さな流量の制御をそのままするのではなく、その流量を人間の感覚として簡単に取り扱い易い量に増幅して調整した点にアイデアがある新たな液体槽１内の圧力微調整を行う方法である。
【００４５】
次に、図２と図３に示したキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構は、従来からアメリカ材料規格協会（ＡＳＴＭ）で規格されたキャビテーション噴流を用いた材料試験装置の欠点を改良したものである。
【００４６】
アメリカ材料規格協会（ＡＳＴＭ）で規格された材料試験装置というのは、液体を満たした液体槽１内に、試験対象材料である試験片２と、液体供給管７aを介してポンプ３と連結したノズル４とを設置し、ポンプ３により加圧した高圧液体を当該ノズル４より噴射することによりキャビテーション噴流５を発生し、当該キャビテーション噴流５を当該試験片２に噴射することにより、当該キャビテーション噴流５のまわりのキャビテーション気泡を当該試験片５の表面で圧潰させ、当該試験片５の表面形状や質量損失を計測することにより、当該試験片５の耐キャビテーション性を調べるように構成したものである。当該材料試験装置には、第１発明に係る液体圧力制御方法を具現化したオリジナル性のある液体槽内圧力制御機構を装備した点に特徴がある。
【００４７】
図２と図３に示した液体槽内圧力制御機構は、前記液体槽１から延出形成した液体流出管８ａにフィルター１５と液体流出調整弁６を設けて、液体槽１からの流出液体を液体流出調整弁６へ導くと共に、前記液体供給管７aと前記液体流出管８ａとを連結する調整通管路９−0を設けて、前記ポンプ３から供給される液体を前記調整通管路９−0を介して液体流出管８ａに設けた前記液体流出調整弁６に導くように構成したものである。そして、液体槽１からの流出液体と調整通管路９−1からの流出液体を前記液体流出管８ａにて合流させ、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁６にて制御することにより、液体槽１内の圧力を制御するようにしたことを特徴とするキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構である。
【００４８】
図２において、１０は貯液槽であり、これに収納されている液体をポンプ３により高圧液体として前記液体供給管７aに高圧液体として送出する。本発明に使用するポンプ３は、モーター３aによって駆動するプランジャタイプであるので、プランジャ（ピストン）の数（一般に３〜５本）と回転数による圧力変化が生じる。ポンプ３からの吐き出し流量が小さいほど、圧力変動が大となるが、ノズル４以外の調整通管路9−0などの流路を設けることにより、ポンプ３の吐出し流量を増大させて、ポンプ３に起因する圧力変動を小さくできる。
【００４９】
また、モーター３aは、インバータモーターなどによりポンプ３の回転数を変化させて、当該液体槽１に噴射する高圧液体の圧力を制御する。同一圧力においても、ノズル４に目詰まり等が生じると、流量が変化する。ノズル４が詰まった状態で試験した場合、圧力のみでは検出することはできない。当然のことながら、ノズル４が詰まった場合にはキャビテーション噴流５の液体量が減るので、損傷試験としての損傷量が一時的に減少し正確な試験を行えない。正確な試験を行うためには流量をモニタする必要がある。微小流量を１％程度で計測する流量計は高価である。しかしながら、ポンプ３あるいはモーター３ａの回転数をモニタすれば（プランジャポンプなどの容積型ポンプの場合は、回転数と流量が比例する）、通常１０００ｒｐｍ程度で回転しているモーターであれば、回転数から容易に流量を０．１％程度の精度で検出できる。
【００５０】
また、図中１１は噴射圧力調整弁である。当該噴射圧力調整弁１１は、ポンプ３の先方位置の前記液体供給管７aから分枝して延出し貯液槽１に連結する液体圧力調整路１６の途中に設けたもので、高圧液体の圧力が強すぎる場合には当該噴射圧力調整弁１１が作動して、余分な高圧液体は噴射圧力調整路１６を介して貯液槽１０に戻される。
【００５１】
図中１７は、噴射圧力の圧力計１２とポンプ３を駆動するモーター３aと噴射圧力調整弁１１とから構成される噴射圧力の自動制御機構である。図中１２は前記液体供給管７aに取り付けた噴射圧力の圧力計であり、当該圧力計１２で測定した計測値に基づきインバーターモーター３aの回転数を調整するなどしてポンプ３を制御したり、噴射圧力調整弁１１を調整して予定する噴射圧力を常に一定に保持することができるようにしたものである。尚、図中２０は、前記液体供給管７aの途中に設けたフィルターである。
【００５２】
また、図中１８は、液体槽圧力の圧力計１３と前記液体流出調整弁６から構成される液体槽圧力の自動制御機構である。液体槽圧力の圧力計１３で測定した計測値に基づき前記液体流出調整弁６の開き角度を調整して、液体槽内の圧力を自動的に制御して予定の一定圧力に保持するようにしたものである。
【００５３】
このように、本発明に係るキャビテーション噴流を用いた材料試験装置に、噴射圧力の自動制御機構１７と液体槽圧力の自動制御機構１８とを装備すると、当該材料試験装置は、自動的にキャビテーション噴流の圧力と液体槽内の圧力とを微調整制御できるため、その材料試験の精度と安定性と信頼性を飛躍的に高めることが出来るようになる。
【００５４】
また、図２に示した実施例の調整通管路９―0は、前記液体供給管７aと前記液体流出管８ａとを連結するものであるが、図２に示した実施例の調整通管路９―0は、前記ポンプ３から供給される液体を液体流出管８ａに設けた前記液体流出調整弁６に導くことを主目的とする液体槽圧力調整用管路９‐１と、液体槽１に急速に液体を供給することを主目的とする液体槽液体供給用管路９‐２との２系列管路が途中で接続した構成のものである。前者の液体槽圧力調整用管路９‐１には、流量調節弁９ａとＯｎ‐Ｏｆｆ弁９ｂが設けられている。後者の液体槽液体供給用管路９‐２は、前記液体供給管７aから分枝延出され液体槽圧力調整用管路９‐１の流量調節弁９ａとＯｎ‐Ｏｆｆ弁９ｂの間に連結されており、その途中にはＯｎ‐Ｏｆｆ弁９ｃが設けられている。尚、この際Ｏｎ‐Ｏｆｆ弁９ｂは、必ずしも必要ではない。
【００５５】
これに対し、図３に示した実施例の調整通管路９−0は、前記液体供給管７aと前記液体流出管８ａとを連結するものであるが、図３に示した実施例の調整通管路９は、前記ポンプから供給される液体を液体流出管に設けた前記液体流出調整弁６に導くことを主目的とする液体槽圧力調整用管路９‐１と、液体槽に急速に液体を供給することを主目的とする液体槽液体供給用管路９‐２との２系列管路が併行して接続された構成のものである。前者の液体槽圧力調整用管路９‐１には、流量調節弁９ａとＯｎ‐Ｏｆｆ弁９ｂが設けられており、後者の液体槽液体供給用管路９‐２には、その途中にはＯｎ‐Ｏｆｆ弁９ｃが設けられている。尚、この際Ｏｎ‐Ｏｆｆ弁９ｂは、必ずしも必要ではない。尚、図３に示した実施例において、図２と対応する構成部材については、同じ番号となるのでその図番の説明について、ここでは省略するものとする。
【００５６】
本発明は、このように調整通管路９を目的別に液体槽圧力調整用管路９‐１と、液体槽液体供給用管路９‐２との２系列管路を設け、目的別にそれぞれ操作し利用するものである。その結果、液体槽１内の圧力を精度よく制御することと、材料試験を開始せんとする際、その度毎に試験片２を設置する当該液体槽１の液体を供給したり排出したりする作業を行う必要があるが、この液体の供給排出作業を短時間で行うことの目的を確実に実現できることになった。
【００５７】
このように本発明は、キャビテーション噴流による材料試験装置に装備できる新しい液体槽内圧力制御機構や、噴射圧力制御機構や、自動液体槽内圧力・噴射圧力制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構であり、これら周辺機構を装備することにより、材料試験装置が高性能で高能率で自動化の可能な使い易い装置に改良したものである。
【００５８】
以下、これら具体的な周辺機構を装備したキャビテーション噴流による材料試験装置の使い方と作用について説明する。
キャビテーション噴流により耐キャビテーション性を調べる材料試験装置を使用するには、まず試験開始時に、供試材料で製作した試験片２を液体槽１に取り付ける。
次に前記調整通管路9−0に取り付けたＯｎ−Ｏｆｆ弁９b，９ｃを開け、ポンプ３を始動し、当該ポンプ３から送出される液体を液体供給管7ａを介してノズル４から液体槽１内に供給するとともに、前記調整通管路9−0と液体流出管８aを介して液体槽１内多量に供給し、短時間に当該液体槽１内に液体を満杯にする。具体的には当該液体槽１に液体を満たすのにノズルのみからだと数分かかるのに対し、本発明の場合には３秒程度で液体を満杯にすることが可能になる。
【００５９】
そのうえで前記調整通管路９−０に取り付けたＯｎ−Ｏｆｆ弁９ｂ，９cを閉じ、あるいは流量を絞ることにより、キャビテーション噴流を発生させ、損傷試験を開始する。当該ノズルから噴射する圧力および当該液体槽１の圧力をそれぞれの圧力計で測定しながら噴射圧力と液体槽１内圧力を予め定めた所定の試験条件に設定する。当該試験条件に設定した後、試験片２にキャビテーション噴流が当たるのを遮っていたシャッター１９を開いて試験片２にキャビテーション噴流を衝当するようにする。尚、その際、ノズル４からの噴射圧力を、圧力計１２によりモニタリングしながらインバータ機構によりポンプ３の回転数またはモーター３ａの回転数を変化調節し、当該ノズル４からの液体の噴出圧力とその流量を自動的に一定に保持するようにする。
【００６０】
試験時には液体槽１から液体流出管８ａを介して流出する流出液体と調整通管路9−0から流出する流出液体を合流させ、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁６にて制御することにより、液体槽１内の圧力を制御するようにする。このように前記液体流出調整弁６へ流れる量を取り扱い易く増量した流量を調節制御することにより、流量の少ない困難な液体槽１内の圧力を微調整して制御することができる。また、増量させた液体により、前記液体流出調整弁６の開度を大きく設定できるので、弁の目詰まりや、弁を一時的に大きな損傷粉が通過することによる圧力変動を極力小さくすることができる
【００６１】
当該液体槽１の圧力を圧力計で検出し、その結果に基づき、増量した流出液体の流量を前記液体流出調整弁６の開度を変えることにより、液体槽１内の圧力を予め設定した通りの一定の圧力に自動的に保持する制御ができる。
【００６２】
本試験に使用するポンプ３は、プランジャタイプであるので、プランジャ（ピストン）の数（一般に３〜５本）と回転数による圧力変化が生じる。ポンプからの吐き出し流量が小さいほど、圧力変動が大となるが、ノズル４へ通じる液体供給管７ａ以外の調整通管路9−0などの流路を設けることにより、ポンプ３の吐出し流量を増大させて、ポンプ３に起因する圧力変動を小さくできる。
【００６３】
インバータなどによりポンプの回転数を変化させて、当該液体槽１に噴射する高圧液体の圧力を制御する。同一圧力においても、ノズル４に目詰まり等が生じると、流量が変化する。ノズルが詰まった状態で試験した場合、圧力を計測しただけでは検出することはできない。当然のことながら、ノズルが詰まった場合にはキャビテーション噴流の液体量が減るので、損傷試験としての損傷量が一時的に減少し正確な試験を行えない。正確な試験を行うためには流量をモニタする必要がある。微小流量を１％程度で計測する流量計は高価である。しかしながら、ポンプ３あるいはモータ３ａの回転数をモニタすれば（プランジャポンプなどの容積型ポンプ３の場合は、回転数と流量が比例する）、通常１０００ｒｐｍ程度で回転しているモータであれば、回転数から容易に流量を０．１％程度の精度で検出できる。
【００６４】
更に又、噴射圧力調整弁１１、液体槽圧力調整弁６ともに、それぞれ複数個を設置することにより、個々の弁と圧力調整の感度が弱くなり、調整しやすくなる。噴射ノズル４に通じる液体供給管７ａには、流量調節弁９ａにキャビテーションが生じるのを避けるため流量調節弁１１を設置しないほうがよい。
【００６５】
尚、キャビテーション噴流まわりに発生するキャビテーション気泡の崩壊衝撃力は、材料試験ばかりでなく、金属材料表面を強化するピーニングや、洗浄などに用いられており、これらのピーニング装置や洗浄装置の圧力制御などに利用できる。また本発明を利用することにより、ピーニングや洗浄の自動制御も可能になる。
【００６６】
【発明の効果】
【００６７】
第１に、キャビテーション噴流を用いた材料試験装置に液体槽内圧力制御機構を装備したことにより、簡単な操作で液体槽圧力調整弁を微調整できるようになり、液体槽内の圧力を精度よく制御できるようになった。
【００６８】
第２に、キャビテーション噴流を用いた材料試験装置に噴射圧力制御機構を装備したことにより、ポンプから送られる高圧液体の供給圧力とその供給量を簡便に調整できるようになり、適切な液体供給によりキャビテーション噴流の衝撃圧などの材料試験が適切な条件で行われていることを保証することができるようになった。。
【００６９】
第３に、キャビテーション噴流を用いた材料試験装置に液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構を装備したことにより、ノズルから噴射する圧力や液体槽内圧力をモニタリングしながら、噴射圧力と液体槽内圧力とを自動的に調整制御し、キャビテーション噴流の衝撃圧などの材料試験が予め設定した適切な条件で行われていることを保証することができるようになった。その結果、材料試験装置の作動中に噴出圧力の異常、液体槽内圧力の異常、ノズルの目詰まり等、材料試験が予め設定した適切な条件試験に異常が起きると、即座にその異常を察知でき、簡単にその異常を修正できる。しかも、この異常の発見と修正を自動的に行うことができるので、材料試験装置の自動運転も可能になった。
【００７０】
第４に、キャビテーション噴流を用いた材料試験装置に短時間液体給排機構を装備したことにより、その度毎に試験片を設置する当該液体槽に収納する液体を供給したり排出したりする作業を短時間で行うことができるようになり、試験作業の能率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１発明に係るキャビテーション噴流による材料試験法の液体圧力制御方法の構成を示す説明図である。
【図２】  第２発明、第４発明、第５発明、第６発明、第７発明に係るキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構や、噴射圧力制御機構や、液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構の一実施例を示す構成説明図である。
【図３】  第２発明、第４発明、第５発明、第６発明、第７発明に係るキャビテーション噴流による材料試験装置の液体槽内圧力制御機構や、噴射圧力制御機構や、液体槽内圧力および／または噴射圧力の自動制御機構や、液体槽内への短時間液体給排機構の他実施例を示す構成説明図である。
【図４】  従来例であるＡＳＴＭＧ１３４の材料試験装置の概要を示す構成説明図である。
【図５】  従来例であるＡＳＴＭＧ１３４の材料試験装置の試験部Ｘを示す一部切欠の構成説明図である。
【図６】  従来例であるＡＳＴＭＧ１３４の材料試験装置に装着する試験片を示す側面図である。
【符号の説明】
１：液体槽
２：試験片
３：ポンプ
３ａ：モーター
４：ノズル
５：キャビテーション噴流
６：液体流出調整弁
７：液体供給系路
７ａ：液体供給管
８：流出経路
８ａ：液体流出管
９：調整供給系路
９ａ：流量調整弁
９ｂ：Ｏｎ‐Ｏｆｆ弁
９ｃ：Ｏｎ‐Ｏｆｆ弁
9−0：調整用管路
9−1：液体槽圧力調整用管路
9−2：液体槽液体供給用管路
１０：貯液槽
１１：噴射圧力調整弁
１２：噴射圧力の圧力計
１３：液体槽圧力の圧力計
１４：空気抜弁
１５：フィルター
１６：噴射圧力調整路
１７：噴射圧力の自動制御機構
１８：液体槽圧力の自動制御機構
１９：シャッター
２０：フィルター
【図１】
0003921514.tif 000002
【図２】
0003921514.tif 000003
【図３】
0003921514.tif 000004
【図４】
0003921514.tif 000005
【図５】
0003921514.tif 000006
【図６】
0003921514.tif 000007