(57)【要約】      （修正有）【課題】材料の機械的特性を高圧ガス中で測定する測定装置において、試験片に作用する荷重を高精度で測定できる測定装置を提供する。【解決手段】試験片ａの機械的特性を測定する測定装置１であって、試験片ａが収納される容器１０と、容器１０に挿入され、試験片ａに負荷される荷重を測定する測定機構１５とを備え、測定機構１５は、試験片ａに荷重を負荷する負荷棒２０とその上部に負荷棒２０と内部空洞部材を内部に収納する外筒部２１と、負荷棒２０と試験片ａとの間に作用する荷重を測定するセンサー部材を有する。試験片ａを収納している密閉空間１２に対して外筒部２１をシールした状態で接続することにより、試験片ａを収納している密閉空間１２に負荷棒２０を置くことができる。そして、試験片ａに対して負荷される荷重を、内部空洞部材の側壁に備えたセンサー部材により高精度に測定できる。【選択図】図１
2016075612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の機械的特性を測定する測定装置であって、
試験片が収納され、内部に高圧ガスが導入される容器と、
前記容器に挿入され、試験片に負荷される荷重を測定する測定機構と、
前記容器と前記測定機構との隙間を封止するシール部材とを備え、
前記測定機構は、
試験片に荷重を負荷する負荷棒と、
前記負荷棒を内部に収納する外筒部と、
前記負荷棒上部に内部が空洞となる内部空洞部材を有し、
前記内部空洞部材の内部に荷重を測定するセンサー部材を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記内部空洞部材の材質が鉄鋼材料よりもヤング率の低い材料からなることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記内部空洞部材の内圧を調節する内圧調節機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記センサー部材は、ひずみゲージであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記内部空洞部材は、前記負荷棒又は前記外筒部の少なくともいずれか一方と一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス中において金属、セラミックス、樹脂などからなる材料の機械的特性を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガス中では、金属、セラミックス、樹脂などからなる材料の機械的特性が変化することが知られている。例えば高圧水素ガス中では、鋼材はいわゆる水素脆性により強度が低下することが知られている。
【０００３】
一方近年では、燃料電池や製鉄分野などにおいて水素ガスの使用が種々検討されている。水素ガスを用いるためには、水素ガスを高圧で安定に貯蔵する容器が必要となるが、水素ガスが存在すると容器の亀裂伝播が早まる傾向にあり、高圧であれば容器材料へのガスの侵入量も増えるため、更に亀裂に対する対策が必要となる。
【０００４】
また、金属の腐食等の現象を介して機械的特性に影響を与えるガスとしては、硫化水素などが知られている。これら硫化水素等のガス中での材料の特性を正確に把握することも、構造物の設計に必要である。
【０００５】
このように、各種の高圧ガス中における材料の機械的特性を精度良く測定することは重要であり、そのためには特別な装置が必要となる。かかる装置に関し、特許文献１、２には、試験片を収納した高圧容器内にガスを導入して機械的特性を測定する装置が開示されている。これら装置では、試験片は高圧ガスが充填された圧力容器の内部に保持され、試験片の一端に取付具を介して設けられた荷重測定棒が圧力容器外に配置された荷重計に連結されている。そのため、これら装置では、圧力容器を貫通する荷重測定棒の部分に容器内の高圧雰囲気を維持するためのＯリングなどのシール部材が必要となる。しかし、シール部材で荷重測定棒に摩擦力が作用するため、圧力容器外に配置された荷重計で測定される荷重値は、試験片に作用する荷重とシール部分で荷重測定棒に作用する摩擦力の合成されたものとなり、試験片に純粋に作用している荷重を正確に測定することが困難となる。
【０００６】
一方、シール部での摩擦を回避し容器内部で荷重を検知するための技術として、特許文献３には高圧容器の内部に歪みゲージ式のロードセルを配置し荷重を直接測定する手段が、特許文献４にはセンサー類がガスにふれることなく高圧容器の内部に作用する荷重を測定する手段が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３４０９２０号公報
【特許文献２】特開２００６−３４９４８７号公報
【特許文献３】特開２００７−７８４７４号公報
【特許文献４】特開２０１３−１６７５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３の方法においては、センサーとしての歪ゲージが高圧ガス容器内部に設置されているため、歪ゲージ自体がガスの影響を受けないことを保証する必要がある。また、特許文献４の方法は、高圧容器を非常に高いガス圧に耐える構造とした場合、ひずみや変位の絶対値が小さく、十分な荷重測定精度が得られない可能性がある。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高圧ガス中で試験片の機械的特性を測定する測定装置において、試験片に作用する荷重を、シール部の摩擦力やガスの影響を受けずに高精度に測定できる測定装置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】
【００１０】
上記課題を解決する本発明は、試験片の機械的特性を測定する測定装置であって、試験片が収納され、内部に高圧ガスが導入される容器と、前記容器に挿入され、試験片に負荷される荷重を測定する測定機構と、前記容器と前記測定機構との隙間を封止するシール部材とを備え、前記測定機構は、試験片に荷重を負荷する負荷棒と、前記負荷棒を内部に収納する外筒部と、前記負荷棒上部に内部が空洞となる内部空洞部材を有し、前記内部空洞部材の内部に荷重を測定するセンサー部材を有することを特徴とする測定装置が提供される。
【００１１】
この測定装置においては、センサー部材で測定されるひずみをより大きくし、より高精度な測定を可能とする目的で、前記内部空洞部材を鉄鋼材料よりもヤング率の低い材料、例えばアルミ合金やチタン合金とすることが好ましい。
【００１２】
また、高精度な測定を可能とする目的で、前記内部空洞部材の内圧を調節する内圧調節機構をもたせてもよい。内圧調節機構の一例としては、外部から内部空洞部材の内部にガス（例えば内部のセンサー等に影響を与えない窒素やアルゴン等の不活性ガス等）を導入する機構がある。空洞部材の内部を加圧することで、試験片収納容器内部の高圧力による変形を抑制することができるため、内部空洞部材により薄い材料を使用することができ、センサー部材で測定されるひずみをより大きくし、より高精度な測定が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の測定装置にあっては、試験片を収納している密閉空間に対して外筒部をシールした状態で接続することにより、試験片を収納している密閉空間に負荷棒を置くことができる。そして、密閉空間に置いた負荷棒によって試験片に対して負荷される荷重を、負荷棒上部にある内部空洞部材の内部に設けられたひずみゲージからなるセンサー部材により、ガスの影響を受けずに高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる測定装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる測定機構の内部構造を示す断面図である。
【図３】荷重装置の荷重と、試験片に負荷される荷重と、摩擦力の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１６】
図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる測定装置１では、容器１０の上面に、穴１１が形成されている。容器１０の内部は、高圧ガスが充填される密閉空間１２となっている。この密閉空間１２には、試験片ａが収納されている。容器１０の底面には、試験片ａの下面の両端部を支持する一対の支持部１３が設けられている。
【００１７】
密閉空間１２内には、容器１０の上面に形成された穴１１を通じて、測定機構１５が挿入されている。この測定機構１５により、容器１０内に収納された試験片ａに負荷される荷重Ｆの大きさが測定される。更に、測定機構１５の上方には、測定機構１５を介して試験片ａに荷重を負荷する荷重装置１６が取り付けられている。ただし、後述するように、このとき荷重装置１６により負荷される荷重Ｆtと試験片ａに負荷される荷重Ｆaは、シール部材３０と外筒部２１の間に働く摩擦力Ｆfの分だけ異なる。
【００１８】
本発明の実施の形態にかかる測定機構１５は、図２に示すように棒形状の負荷棒２０と、この負荷棒２０を内部に収納した外筒部２１を有している。負荷棒２０の下端２０ａは外筒部２１の下端２１ａよりも更に下方に突出している。負荷棒２０の上部には内部空洞部材２３があり、さらにその上部には外筒部２１の上端２１ｂがある。
【００１９】
内部空洞部材２３の下端２３ａと負荷棒２０の上端２０ｂおよび、内部空洞部材２３の上端２３ｂと外筒部２１の上端２１ｂは接着、溶接、ねじ等の手段で接合されており、内部空洞部材２３と外筒部２１は２３ｂと２１ｂのみが接触している。また、負荷棒２０は、上端２０ｂが内部空洞部材２３を介して外筒部上端２１ｂに接触する以外は、外筒部２１と一切接触しない構造とする。このため、試験片ａに荷重を負荷する際には、外筒部２１の内部において、負荷棒２０が外筒部２１の内側面に接触することがない。なお、内部空洞部材２３と負荷棒２０および内部空洞部材２３と外筒部２１を同一材質にて作製する場合は、少なくともどちらかを一体の構造としても良い。
【００２０】
内部空洞部材２３内部には空間２４があり、内部空洞部材２３の内側面には、負荷棒２０が試験片ａに負荷する荷重Ｆaを測定するセンサー部材２５が装着されている。センサー部材２５には、例えばひずみゲージなどが利用できる。
【００２１】
図１に示すように、測定機構１５の外筒部２１を、容器１０の上面中央に形成された穴１１に上から挿入することにより、測定機構１５は容器１０に取り付けられる。この場合、外筒部２１には、封止部材としてのＯリング等のシール部材３０が取り付けられる。このシール部材３０によって穴１１の内面と外筒部２１との隙間が封止され、密閉空間１２内が密閉された状態となる。この状態で容器１０内に高圧水素ガスを供給すると、容器１０内は高圧水素ガス雰囲気となり、容器１０内の試験片ａが、高圧水素ガス雰囲気に曝される。
【００２２】
また、このように測定機構１５を容器１０内に挿入することにより、外筒部２１の下端２１ａよりも更に下方に突出している負荷棒２０の下端２０ａが、容器１０内に収納されている試験片ａの上面に接触する。そして、この状態で、測定機構１５の上方から荷重装置１６によって荷重が負荷されると、負荷棒２０を介して試験片ａに荷重が負荷されることとなる。
【００２３】
こうして、密閉空間１２内の高圧水素ガス雰囲気中において、試験片ａの強度試験が行われる。この強度試験中、密閉空間１２内の試験片ａに負荷される荷重の大きさは、高圧水素ガス雰囲気の影響を受けずに、センサー部材２５によって測定される。
【００２４】
ここで、荷重装置１６により負荷される荷重Ｆtと、試験片ａに負荷される荷重Ｆaと、シール部材３０から外筒部２１に働く摩擦力Ｆfは、図３に示すような関係となる。すなわち、荷重装置１６により負荷された荷重Ｆtに対して、シール部材３０から外筒部２１に働く摩擦力Ｆfが抵抗力となり、試験片ａには、摩擦力Ｆfが相殺された荷重Ｆa（Ｆa＝Ｆｔ−Ｆf）が作用することとなる。したがって、荷重装置１６により負荷される荷重Ｆｔによって試験片ａに負荷される荷重Ｆaを正確に求めることはできない。しかるに、この測定装置１にあっては、センサー部材２５により、負荷棒２０と外筒部２１との間に作用する荷重として、試験片ａに負荷される荷重Ｆaを、摩擦力Ｆfの影響を受けることなく、正確に求めることが可能となる。
【００２５】
ここで、内部空洞部材２３そのものは、高圧水素ガスにはさらされるものの、水素ガスを封入することを目的とした部材ではないため、設計で想定する高圧水素ガスの圧力と試験片に負荷する荷重に耐えるだけの板厚があれば良い。一方、（特許文献４など）高圧水素ガスを封入することを担う場合には、圧力に対して一定の安全率（圧力容器の設計においては通常４）を見込んで設計する必要があり、本発明の方法に対し大きな板厚が必要となり、歪の測定精度が低下する。
【００２６】
さらに、内部空洞部材２３に使用する材料として、鉄鋼材料よりもヤング率の低いアルミ合金やチタン合金を使用することにより、同じ荷重が負荷された場合の内部空洞部材２３の側壁２３ｃに生じる変形を大きくすることができる。これにより、同じ荷重が負荷された場合にセンサー部材２５でより大きな変形を検知できることになり、より高精度の荷重測定をすることが可能である。
【００２７】
また、内部空洞部材２３内部の空間２４に外部から不活性ガス等を導入することにより内圧を調節するような内圧調節機構をそなえることにより、容器１０内の空間１２に導入されたガスの圧力と空間２４との圧力差を軽減することができ、容器１０内の空間１２に導入されたガスの圧力に耐えるために必要な内部空洞部材２３の側壁２３ｃの板厚を薄くすることが可能になる。これにより、同じ荷重が負荷された場合にセンサー部材２５でより大きな変形を検知できることになり、より高精度の荷重測定をすることが可能である。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００２９】
この測定装置１は試験片ａに対する種々の強度試験を実施でき、例えば荷重装置１６によって繰り返し荷重を試験片ａに加えることにより疲労試験を行うこともできる。また、容器１０内に供給する高圧ガスは水素ガスに限らず、他の種類の高圧ガスにも適用できる。試験片ａは引張試験片やＣＴ試験片など目的に応じて適宜選択し、単純に試験片を押すだけでなく、必要に応じてネジやピンを用いて試験片に荷重を伝達できることは言うまでもない。  
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、高圧ガス中における試験片の機械的特性試験に有用である。
【符号の説明】
【００３１】
ａ    試験片
１    測定装置
１０  容器
１１  穴
１２  密閉空間
１３  支持部
１５  測定機構
１６  荷重装置
２０  負荷棒
２１  外筒部
２３  内部空洞部材
２４  空間
２５  センサー部材
３０  シール部材
【図１】
2016075612.tif 000003
【図２】
2016075612.tif 000004
【図３】
2016075612.tif 000005