試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法
【課題】安定した低温環境で硬さ試験を実施することができる試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法を提供すること。
【解決手段】硬さ試験機が、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて試料を支持する蓄熱部材である試料台と、試料が上部に置かれた試料台の下部に冷媒を接触させることで、試料台を冷却する冷却部と、冷却部によって冷却された試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部とを有する試料冷却装置を備える。
【解決手段】硬さ試験機が、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて試料を支持する蓄熱部材である試料台と、試料が上部に置かれた試料台の下部に冷媒を接触させることで、試料台を冷却する冷却部と、冷却部によって冷却された試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部とを有する試料冷却装置を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力発電所等に設置される軽水炉の主要構造物である圧力容器は、運用中に中性子が照射されることで、圧力容器を形成する鋼材の脆化が進行することが知られている。この現象は、「照射脆化」と呼ばれ、原子炉における主要な経年事象のひとつとして取り上げられている。
【０００３】
一般に、このような脆化が機械的特性の温度依存性の変化を示す指標であることに着目して、硬さの温度依存性から脆化を評価する手法が検討されている。特に、脆化を評価するための効果的な手法として、低温における硬さの温度依存性の変化から脆化を評価することが検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】野本明義、西田憲二、土肥謙次、曽根田直樹 「硬さ試験による軽水炉圧力容器鋼の照射脆化モニタリング法の基礎的検討」 電力中央研究所報告、研究報告：Ｑ０８０２４ 平成２１年１２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術には、安定した低温環境で硬さ試験を実施することが困難であるという問題があった。なお、この問題は圧力容器の鋼材に限って生じるものではなく、硬化にともなって脆化を生じる各種の試料に対する硬さ試験について同様に生じるものである。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した低温環境で硬さ試験を実施することができる試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る試料冷却装置は、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る試料冷却装置は、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、前記試料台を冷却することで該試料台に支持されている試料を冷却する冷却部と、前記試料台と該試料台に支持されている前記試料とを収納し、該試料の上面と対向する位置に該試料の上面よりも大きい孔が形成された断熱部材である収納部とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る硬さ試験機は、試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、前記硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る硬さ試験方法は、試料の硬さを測定する硬さ試験機を用いた硬さ試験方法であって、前記試料が上部に置かれた蓄熱部材である試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却ステップと、前記冷却ステップにおいて冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測ステップと、前記温度計測ステップにおいて計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定する硬さ測定ステップとを含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法は、安定した低温環境で硬さ試験を実施することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施例における試料冷却部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施例における試料冷却部を示す分解図である。
【図４】図４は、実施例における試料台を示す斜視図である。
【図５】図５は、実施例における試料冷却部を示す上面視野図である。
【図６】図６は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機によって実施されるビッカース硬さ試験の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、試料台の底面を冷却する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施例では、試料のビッカース硬さを測定する例について説明するが、本発明に係る試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法は、以下の実施例によって限定されるものではない。
【実施例】
【００１４】
［本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成］
まず、図１を用いて、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成について説明する。図１は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成例を示す図である。図１に例示するように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、試験機支持台２０に載置され、環境フード３０により覆われる。かかる環境フード３０については、後に説明する。
【００１５】
また、図１に例示するように、ビッカース硬さ試験機１０は、本体部１１と、撮像部１２と、ターレット１３と、ステージ１４と、操作受付部１５と、制御部１６と、試料冷却部１００とを有する。
【００１６】
本体部１１は、概略Ｃ字状をなし、ビッカース硬さ試験機１０が有する各部を支持する。具体的には、本体部１１は、上部上側に撮像部１２を支持し、上部下側にターレット１３を支持する。また、本体部１１は、下部上側にステージ１４を支持する。
【００１７】
撮像部１２は、後述する試料冷却部１００に載置された試料Ｓに形成されるくぼみを撮像する。この撮像部１２は、後述するターレット１３に設けられた対物レンズ１３ｂを介して、試料Ｓの上面を撮像する。例えば、撮像部１２は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラなどである。
【００１８】
ターレット１３は、本体部１１の上部に垂直な軸Ａを中心に回転可能に設けられており、下側に圧子部１３ａおよび対物レンズ１３ｂがそれぞれ設けられている。ここで、圧子部１３ａは、ターレット１３から下方に突出するように設けられており、先端に四角錘形状のダイヤモンドが設けられている。そして、ターレット１３は、軸Ａを中心に回転することで、後述するステージ１４上で圧子部１３ａの位置と対物レンズ１３ｂの位置とを入れ替える。
【００１９】
試料冷却部１００は、ステージ１４上に設置され、試料Ｓを下方から支持する。また、試料冷却部１００は、ビッカース試験が実施される際に試料Ｓを冷却する。本実施例では、この試料冷却部１００が試料Ｓを冷却することによって、低温におけるビッカース硬さを測定することができるようにしている。なお、かかる試料冷却部１００の構成については後に具体的に説明する。
【００２０】
ステージ１４は、本体部１１の下部上側にターレット１３と対向するように設けられている。このステージ１４上に設置された試料冷却部１００によって試料Ｓが支持された状態で、上記の圧子部１３ａを試料Ｓに向かって下降させることにより、試料Ｓに圧子部１３ａの先端を押し込むことができる。なお、ステージ１４は、本体部１１内に設けられた駆動部によって上下方向へ移動可能に設けられてもよい。かかる場合には、このステージ１４を上昇させることで、試料冷却部１００に載置された試料Ｓに圧子部１３ａの先端を押し込むことができる。
【００２１】
操作受付部１５は、ビッカース硬さ試験機１０に対する各種の動作指示を操作者から受け付け、受け付けた動作指示に応じてビッカース硬さ試験機１０の各部を動作させる。例えば、操作受付部１５は、操作者からビッカース硬さ試験の実施指示を受け付けた場合には、あらかじめ設定された試験荷重で圧子部１３ａの先端が試料Ｓに押し込まれるように、本体部１１内に設けられた駆動部を動作させてステージ１４を上昇させる。また、操作受付部１５は、操作者から撮像指示を受け付けた場合には、撮像部１２を駆動することで試料Ｓの表面を撮像する。なお、この操作受付部１５は、例えば、ボタンやタッチパネルなどである。なお、図１では、操作受付部１５が本体部１１に設けられる例を示したが、操作受付部１５は、制御部１６によって実現されてもよい。
【００２２】
制御部１６は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、操作者から各種の指示を受け付け、受け付けた指示に応じてビッカース硬さ試験に関する各種処理を行う。例えば、制御部１６は、撮像部１２によって撮像された試料Ｓの画像を表示する。また、制御部１６は、撮像部１２によって撮像された試料Ｓの画像を解析することで、試料Ｓに形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、計測した対角線の長さと試料Ｓに加えられた荷重の大きさとからビッカース硬さを算出する。
【００２３】
［本実施例における試料冷却部の構成］
次に、図２及び図３を用いて、試料冷却部１００について説明する。図２は、本実施例における試料冷却部１００の構成例を示す図である。また、図３は、本実施例における試料冷却部１００の分解図である。
【００２４】
図２に例示するように、試料冷却部１００は、試料台１１０と、ヒータ１２０と、シャーレ１３０と、冷媒注入管１４０と、フード１５０と、フレーム１６０とを有する。また、試料Ｓには温度計測部１７０が接続され、ヒータ１２０には温度調整部１８０が接続される。なお、かかる試料冷却部１００が有する各部は、それぞれ、ビッカース硬さ試験に耐えうる強度を有している。また、この試料冷却部１００は、高さ方向が約３０［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］であり、横方向が約１００［ｍｍ］〜１５０［ｍｍ］の大きさである。
【００２５】
試料台１１０は、熱を蓄えることができる蓄熱部材であり、例えば、アルミニウム等である。かかる試料台１１０は、ヒータ１２０を介して、試料Ｓを支持する。具体的には、試料台１１０は、上面に試料Ｓが置かれたヒータ１２０を支持する。
【００２６】
また、本実施例における試料台１１０は、図２及び図３に例示するように、ヒータ１２０を介して試料Ｓが置かれる上部よりも下部の方が大きい凸状に形成される。図４に、本実施例における試料台１１０の斜視図を示す。図４に例示するように、本実施例における試料台１１０は、直方体１１１の上面中央に、かかる直方体１１１よりも縦及び横の長さが短い直方体１１２が配置された形状（凸状）の部材である。ここでは、直方体１１１と直方体１１２とに分けて、試料台１１０の形状を説明したが、実際には、試料台１１０は、アルミニウム等で形成される一つの塊（ブロック）である。
【００２７】
なお、以下では、図４に例示するように、試料台１１０のうち、ヒータ１２０が載置される試料台１１０の上面近傍の領域を試料台１１０の上部１１０ａとし、また、試料台１１０のうち、上部１１０ａ以外の領域を試料台１１０の下部１１０ｂとする。
【００２８】
ヒータ１２０は、熱伝導性の高い部材であり、試料台１１０の上部に置かれるとともに試料Ｓを支持する。このヒータ１２０は、試料台１１０の熱を試料Ｓに伝えることもできるし、自らが熱を発して試料Ｓを加熱することもできる。例えば、ヒータ１２０は、試料台１１０が冷却された場合には、試料台１１０の温度と略同一の温度となることで、試料Ｓを冷却する。また、ヒータ１２０は、後述する温度調整部１８０によって制御されることで、試料Ｓを加熱する温度を変更する。なお、本実施例におけるヒータ１２０には、後述する冷媒注入管１４０が貫通する貫通孔が形成される。
【００２９】
シャーレ１３０は、熱の伝導を抑制する断熱部材であり、例えば、セラミックス等である。かかるシャーレ１３０は、凹状に形成され、試料台１１０を収納する収納部としての役割を担う。図２及び図３に示した例では、シャーレ１３０は、試料台１１０の底面がほぼ隙間なくシャーレ１３０に収納されるように、凹状に形成されている。
【００３０】
冷媒注入管１４０は、試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させることで、かかる試料台１１０を冷却する。すなわち、冷媒注入管１４０は、試料台１１０を冷却する冷却部としての役割を担う。例えば、冷媒注入管１４０は、冷媒として、液体窒素を試料台１１０の下部１１０ｂに接触させる。
【００３１】
本実施例における冷媒注入管１４０は、かかる冷媒注入管１４０の先端が、ヒータ１２０に形成された貫通孔を貫通することで、シャーレ１３０に収納された試料台１１０の下部１１０ｂと、シャーレ１３０の内壁との間に形成される空間Ｕ１１に到達する。そして、冷媒注入管１４０は、かかる先端から空間Ｕ１１に液体窒素等の冷媒を注入することにより、試料台１１０の下部１１０ｂを冷却する。
【００３２】
なお、図２に示した例では、冷媒注入管１４０がヒータ１２０を貫通し、空間Ｕ１１に冷媒を注入する例を示したが、冷媒注入管１４０は、ヒータ１２０を貫通する必要はなく、例えば、図２に示した空間Ｕ１２に冷媒を注入してもよい。
【００３３】
フード１５０は、凹状に形成された透明部材であり、例えば、アクリル等である。かかるフード１５０は、中空状の空間を形成するようにシャーレ１３０に載置され、試料台１１０、ヒータ１２０及び試料Ｓを収納する収納部としての役割を担う。具体的には、図２及び図３に例示するように、凹状のシャーレ１３０と凹状のフード１５０との内壁が向き合う状態で、シャーレ１３０における側壁の上面と、フード１５０における側壁の上面とを接触させてシャーレ１３０上にフード１５０が置かれることにより、シャーレ１３０及びフード１５０は、試料台１１０、ヒータ１２０及び試料Ｓを収納する。
【００３４】
また、フード１５０は、シャーレ１３０に載置された際に試料Ｓの上面と対向する位置に、試料Ｓの上面の面積よりも大きい孔１５１が形成される。そして、図２に示した例では、試料Ｓの上面近傍のみが、フード１５０に形成された孔１５１から上側に露出する。図５に、本実施例における試料冷却部１００を上面から見た上面視野図を示す。図５に示すように、フード１５０には、試料Ｓの上面面積よりも大きい孔１５１が形成されており、試料Ｓは、孔１５１からシャーレ１３０及びフード１５０に囲まれた領域外に露出する。これにより、圧子部１３ａを試料Ｓに押し込むことができる。
【００３５】
フレーム１６０は、シャーレ１３０を支持し、ステージ１４に載置される。かかるフレーム１６０は、図２及び図３に示すように、突起状の脚を有し、かかる脚がステージ１４に載置される。これにより、フレーム１６０とステージ１４との間に断熱層となる空気層が形成される。なお、フレーム１６０は、金属部材であってもよいし、断熱部材であってもよい。
【００３６】
このように、試料冷却部１００は、試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させて試料台１１０を冷却することで、かかる試料台１１０に支持されている試料Ｓを冷却する。これにより、試料冷却部１００は、試料台１１０を安定した目的の試験温度に冷却することができ、その結果、試料Ｓを安定した目的の試験温度に冷却することができる。
【００３７】
この点について、冷媒が液体窒素である場合を例に挙げて説明する。例えば、試料Ｓが支持されている試料台の内部に液体窒素を循環させる手法の場合には、大量の液体窒素を循環させることで、試料台を「−１９６℃」まで冷却し、試料台に支持されている試料Ｓを「−１９６℃」に冷却することはできる。しかし、液体窒素による冷却は、蒸発時に外部から蒸発潜熱を奪うことによって行われる。かかる蒸発潜熱が大きいため、冷却対象物に液体窒素が接触して沸騰すると、液体窒素が接触した接触部位の近傍では冷却対象物が窒素の沸点「−１９６℃」近傍まで急激に冷却される。
【００３８】
このため、上記の手法を用いた場合には、液体窒素の量を調整することで試料台の温度を「−１９６℃」〜「室温」の間にある目的の試験温度に冷却することが困難である。例えば、上記の液体窒素を循環させる手法を用いて試料台を目的の試験温度「−１００℃」に冷却する場合に、少量の液体窒素を試料台に循環させたとしても、液体窒素が接触した試料台の一部分が「−１９６℃」になり、試料Ｓも「−１９６℃」まで冷却される場合がある。このような場合には、「−１９６℃」まで冷却された試料Ｓが目的温度「−１００℃」に達するまで待機することを要する。
【００３９】
また、上記の液体窒素を循環させる手法の場合には、液体窒素が接触した試料台の一部分が「−１９６℃」になるものの、液体窒素が接触していない試料台の他の部分については如何なる温度になるかが予測困難であることも考えられる。このような場合には、試料台に瞬間的に温度ムラが発生し、試料Ｓが如何なる温度に冷却されるかが予測困難である。このようなことから、上記手法を用いたとしても、試料Ｓを安定した目的の試験温度に冷却することが困難である。
【００４０】
一方、本実施例における試料冷却部１００は、試料台１１０の下部１１０ｂを冷却することで、試料台１１０の上部１１０ａを冷却する。すなわち、本実施例では、蓄熱部材である試料台１１０の下部１１０ｂから上部１１０ａまでの間に緩やかな温度勾配が設けられることにより、試料台１１０の下部１１０ｂを部分的に冷却した場合であっても、試料台１１０の上部１１０ａを安定した温度に冷却することができる。例えば、試料台１１０の下部１１０ｂが液体窒素の沸騰現象により急峻に冷却された場合であっても、下部１１０ｂから離れた上部１１０ａでは、急峻な冷却の影響は少なくなるので、上部１１０ａを安定した温度に冷却することができる。すなわち、本実施例における試料冷却部１００は、試料台１１０の下部１１０ｂに注入する液体窒素の量を調整することで、試料台１１０の上部１１０ａを目的の試験温度に冷却制御することができる。
【００４１】
そして、本実施例における試料冷却部１００は、図２に示した温度計測部１７０が、試料Ｓの温度を計測し、温度調整部１８０が、温度計測部１７０によって計測された試料Ｓの温度が目的温度よりも低い場合に、ヒータ１２０を制御して試料Ｓを加熱する。すなわち、本実施例における試料冷却部１００は、ヒータ１２０によって試料Ｓを加熱することにより、試料Ｓの温度が目的の試験温度となるように微調整を行う。これにより、温度計測部１７０及び温度調整部１８０は、試料Ｓを安定した目的の試験温度に保つことができる。
【００４２】
ここで、大気中の空気には水分が含まれるため、試料Ｓを冷却すると、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生するとも考えられる。そして、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生した場合には、正確なビッカース硬さ試験を行えないとも考えられる。しかし、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００４３】
この点について、図１及び図２を用いて具体的に説明する。図１に例示するように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、試験機支持台２０に載置され、環境フード３０により覆われる。試験機支持台２０は、例えば、木製や金属製の台である。環境フード３０は、アクリル等の透明部材である。これらの試験機支持台２０又は環境フード３０の少なくも一方には、環境フード３０内の空気が外部に排出される排出口が形成される。図１に示した例では、試験機支持台２０に排出口２１ａが形成されている。
【００４４】
そして、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０を用いてビッカース硬さ試験を行う場合には、ビッカース硬さ試験機１０が環境フード３０に覆われた状態で、環境フード３０の内部に乾燥ガスを注入する。乾燥ガスの例としては、液体窒素が蒸発した窒素ガス等が挙げられる。このように、環境フード３０の内部に窒素ガス等の乾燥ガスを注入することで、環境フード３０内の空気は、排出口２１ａから外部に排出される。すなわち、ビッカース硬さ試験機１０が収納された環境フード３０の内部は乾燥ガスで満たされるので、試料Ｓを冷却した場合であっても、かかる試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００４５】
さらに、本実施例における試料冷却部１００は、図２に示した例のように、試料Ｓの上面近傍のみが、フード１５０に形成された孔１５１から上側に露出するので、孔１５１から試料Ｓの上方に向かって流れる窒素ガスによって、試料Ｓ近傍に滞留する空気を試料Ｓから離すことができる。
【００４６】
具体的には、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０を用いてビッカース硬さ試験が行われる場合には、冷媒注入管１４０によって液体窒素が空間Ｕ１１等に注入される。空間Ｕ１１等に注入された液体窒素は、蒸発することで乾燥した窒素ガスとなり、フード１５０に形成された孔１５１から排出される。すなわち、ビッカース硬さ試験機１０を用いてビッカース硬さ試験が行われる場合には、試料Ｓと孔１５１との間に形成される隙間から窒素ガスが排出される。このため、試料Ｓの近傍では、上方に向かって窒素ガスが吹き出すことになるので、試料Ｓ近傍には水分を含む空気が滞留しない。この結果、本実施例における試料冷却部１００は、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００４７】
［本実施例におけるビッカース硬さ試験の流れ］
次に、図６を用いて、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によって実施されるビッカース硬さ試験の流れについて説明する。図６は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によって実施されるビッカース硬さ試験の流れを示すフローチャートである。
【００４８】
図６に示すように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によるビッカース硬さ試験では、まず、環境フード３０の内部に乾燥ガスを注入することで、環境フード３０内の空気を外部に放出する（ステップＳ１０１）。
【００４９】
続いて、冷媒注入管１４０が、試料台１１０の下部１１０ｂと、シャーレ１３０の内壁との間に形成される空間Ｕ１１に冷媒を注入することにより、試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させる（ステップＳ１０２）。このとき、冷媒注入管１４０から注入される冷媒の量は、試料台１１０の上部１１０ａを所定の目的温度にするための量となる。このような冷媒の量と試料台１１０の上部１１０ａの温度との関係は、実験結果等から予め得ることができる。すなわち、試料Ｓは、冷媒により冷却された試料台１１０の上部１１０ａによって、目的温度近傍の温度まで冷却される。
【００５０】
続いて、温度計測部１７０が、試料Ｓの温度を計測する（ステップＳ１０３）。そして、温度調整部１８０が、温度計測部１７０によって計測された温度に基づいてヒータ１２０の温度を制御することで、試料台１１０によって冷却された試料Ｓの温度を調整する（ステップＳ１０４）。
【００５１】
その後、温度計測部１７０によって計測された試料Ｓの温度が目的の試験温度に達した後に（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、操作者からの指示に応じて、ビッカース硬さ試験機１０の各部が試料Ｓのビッカース硬さを測定する。
【００５２】
具体的には、操作受付部１５が、操作者から圧子押し込み指示を受け付けた場合に、あらかじめ設定された試験荷重で圧子部１３ａの先端が試料Ｓに押し込まれるように、圧子部１３ａを下降させる（ステップＳ１０６）。続いて、操作受付部１５は、操作者から撮像指示を受け付けた場合に、撮像部１２を動作させることで試料Ｓに形成されたくぼみを撮像する（ステップＳ１０７）。
【００５３】
そして、制御部１６が、操作者からの指示に応じて、撮像部１２によって撮像された画像を解析することで、試料Ｓに形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、計測した対角線の長さと試料Ｓに加えられた荷重の大きさとからビッカース硬さを算出する（ステップＳ１０８）。
【００５４】
上述してきたように、本実施例では、試料台１１０の下部１１０ｂから上部１１０ａまでの間に緩やかな温度勾配が設けられており、かかる試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させる。これにより、本実施例における試料冷却部１００は、試料台１１０の上部１１０ａを安定した温度に冷却することができ、その結果、試料台１１０に載置された試料Ｓを安定した温度に冷却することができる。
【００５５】
また、本実施例では、温度計測部１７０が、試料Ｓの温度を計測し、温度調整部１８０が、温度計測部１７０によって計測された試料Ｓの温度が目的温度よりも低い場合に、ヒータ１２０を制御して試料Ｓを加熱する。これにより、本実施例における試料冷却部１００は、試料Ｓを安定した目的の試験温度に保つことができる。
【００５６】
また、本実施例では、ビッカース硬さ試験機１０が試験機支持台２０に載置され、環境フード３０により覆われており、試験機支持台２０又は環境フード３０の少なくも一方には、環境フード３０内の空気が外部に排出される排出口が形成される。これにより、本実施例におけるビッカース硬さ試験機１０は、環境フード３０の内部に乾燥ガスが注入され、環境フード３０内の空気が排出口２１ａから外部に排出されることで、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００５７】
また、本実施例では、フード１５０が、シャーレ１３０に載置された際に試料Ｓの上面と対向する位置に、試料Ｓの上面の面積よりも大きい孔１５１が形成される。これにより、本実施例における試料冷却部１００では、空間Ｕ１１等に注入された液体窒素が窒素ガスとなり、フード１５０に形成された孔１５１から排出されることで、試料Ｓの近傍では、上方に向かって窒素ガスが吹き出すことになる。この結果、試料冷却部１００は、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００５８】
また、上記実施例で説明した試料冷却部１００は、小型に構成することができるので、既存のビッカース硬さ試験機に改造を加えることなく実装することができる。したがって、低いコストで、低温における試料の硬さの温度依存性を測定することが可能である。
【００５９】
なお、上記実施例では、図２に例示したように、試料冷却部１００が、シャーレ１３０に収納された試料台１１０の下部１１０ｂと、シャーレ１３０の内壁との間に形成される空間Ｕ１１に冷媒を注入することにより、試料台１１０の下部１１０ｂを冷却する例を示した。しかし、試料冷却部１００は、試料台１１０の底面を冷却してもよい。
【００６０】
図７を用いて具体的に説明する。図７は、試料台１１０の底面を冷却する例を示す図である。図７に示した例では、シャーレ１３１及び冷媒注入管１４１の構造が図２に例示したシャーレ１３０の構造と異なる。具体的には、シャーレ１３１は、内壁から内部方向に突起した突起部１３１ａ及び１３１ｂを有する。かかるシャーレ１３１には、試料台１１０が収納される場合に、シャーレ１３１の突起部１３１ａ及び１３１ｂに試料台１１０が載置される。これにより、試料台１１０とシャーレ１３１との間に空間Ｕ１３が形成される。
【００６１】
そして、冷媒注入管１４１は、試料台１１０とシャーレ１３１との間に形成された空間Ｕ１３に液体窒素等の冷媒を注入する。これにより、冷媒によって空間Ｕ１３が冷却され、試料台１１０の底面が冷却される。そして、試料台１１０の底面が冷却されることにより、試料台１１０の上部１１０ａが冷却される。図７に示した例についても、試料台１１０の下部１１０ｂである試料台１１０の底面が冷却されることで、試料台１１０の上部１１０ａが冷却されるので、試料台１１０の上部１１０ａを安定した温度に冷却することができ、その結果、試料台１１０に載置された試料Ｓを安定した温度に冷却することができる。
【００６２】
また、上記実施例では、操作受付部１５が操作者からの指示に応じてビッカース硬さ試験機１０の各部を動作させる場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、制御部１６がビッカース硬さ試験機１０の各部を自動的に動作させるようにしてもよい。
【００６３】
また、上記実施例では、ビッカース硬さ試験機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ブリネル硬さ試験機やロックウェル硬さ試験機など、他の硬さ試験機にも同様に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０ ビッカース硬さ試験機
１１ 本体部
１２ 撮像部
１３ ターレット
１３ａ 圧子部
１３ｂ 対物レンズ
１４ ステージ
１５ 操作受付部
１６ 制御部
２０ 試験機支持台
２１ａ 排出口
３０ 環境フード
１００ 試料冷却部
１１０ 試料台
１２０ ヒータ
１３０ シャーレ
１３１ シャーレ
１３１ａ 突起部
１４０ 冷媒注入管
１４１ 冷媒注入管
１５０ フード
１５１ 孔
１６０ フレーム
１７０ 温度計測部
１８０ 温度調整部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力発電所等に設置される軽水炉の主要構造物である圧力容器は、運用中に中性子が照射されることで、圧力容器を形成する鋼材の脆化が進行することが知られている。この現象は、「照射脆化」と呼ばれ、原子炉における主要な経年事象のひとつとして取り上げられている。
【０００３】
一般に、このような脆化が機械的特性の温度依存性の変化を示す指標であることに着目して、硬さの温度依存性から脆化を評価する手法が検討されている。特に、脆化を評価するための効果的な手法として、低温における硬さの温度依存性の変化から脆化を評価することが検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】野本明義、西田憲二、土肥謙次、曽根田直樹 「硬さ試験による軽水炉圧力容器鋼の照射脆化モニタリング法の基礎的検討」 電力中央研究所報告、研究報告：Ｑ０８０２４ 平成２１年１２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術には、安定した低温環境で硬さ試験を実施することが困難であるという問題があった。なお、この問題は圧力容器の鋼材に限って生じるものではなく、硬化にともなって脆化を生じる各種の試料に対する硬さ試験について同様に生じるものである。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した低温環境で硬さ試験を実施することができる試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る試料冷却装置は、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る試料冷却装置は、試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、前記試料台を冷却することで該試料台に支持されている試料を冷却する冷却部と、前記試料台と該試料台に支持されている前記試料とを収納し、該試料の上面と対向する位置に該試料の上面よりも大きい孔が形成された断熱部材である収納部とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る硬さ試験機は、試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、前記硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る硬さ試験方法は、試料の硬さを測定する硬さ試験機を用いた硬さ試験方法であって、前記試料が上部に置かれた蓄熱部材である試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却ステップと、前記冷却ステップにおいて冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測ステップと、前記温度計測ステップにおいて計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定する硬さ測定ステップとを含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法は、安定した低温環境で硬さ試験を実施することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成例を示す図である。
【図２】図２は、実施例における試料冷却部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施例における試料冷却部を示す分解図である。
【図４】図４は、実施例における試料台を示す斜視図である。
【図５】図５は、実施例における試料冷却部を示す上面視野図である。
【図６】図６は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機によって実施されるビッカース硬さ試験の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、試料台の底面を冷却する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施例では、試料のビッカース硬さを測定する例について説明するが、本発明に係る試料冷却装置、硬さ試験機及び硬さ試験方法は、以下の実施例によって限定されるものではない。
【実施例】
【００１４】
［本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成］
まず、図１を用いて、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成について説明する。図１は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機の構成例を示す図である。図１に例示するように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、試験機支持台２０に載置され、環境フード３０により覆われる。かかる環境フード３０については、後に説明する。
【００１５】
また、図１に例示するように、ビッカース硬さ試験機１０は、本体部１１と、撮像部１２と、ターレット１３と、ステージ１４と、操作受付部１５と、制御部１６と、試料冷却部１００とを有する。
【００１６】
本体部１１は、概略Ｃ字状をなし、ビッカース硬さ試験機１０が有する各部を支持する。具体的には、本体部１１は、上部上側に撮像部１２を支持し、上部下側にターレット１３を支持する。また、本体部１１は、下部上側にステージ１４を支持する。
【００１７】
撮像部１２は、後述する試料冷却部１００に載置された試料Ｓに形成されるくぼみを撮像する。この撮像部１２は、後述するターレット１３に設けられた対物レンズ１３ｂを介して、試料Ｓの上面を撮像する。例えば、撮像部１２は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラなどである。
【００１８】
ターレット１３は、本体部１１の上部に垂直な軸Ａを中心に回転可能に設けられており、下側に圧子部１３ａおよび対物レンズ１３ｂがそれぞれ設けられている。ここで、圧子部１３ａは、ターレット１３から下方に突出するように設けられており、先端に四角錘形状のダイヤモンドが設けられている。そして、ターレット１３は、軸Ａを中心に回転することで、後述するステージ１４上で圧子部１３ａの位置と対物レンズ１３ｂの位置とを入れ替える。
【００１９】
試料冷却部１００は、ステージ１４上に設置され、試料Ｓを下方から支持する。また、試料冷却部１００は、ビッカース試験が実施される際に試料Ｓを冷却する。本実施例では、この試料冷却部１００が試料Ｓを冷却することによって、低温におけるビッカース硬さを測定することができるようにしている。なお、かかる試料冷却部１００の構成については後に具体的に説明する。
【００２０】
ステージ１４は、本体部１１の下部上側にターレット１３と対向するように設けられている。このステージ１４上に設置された試料冷却部１００によって試料Ｓが支持された状態で、上記の圧子部１３ａを試料Ｓに向かって下降させることにより、試料Ｓに圧子部１３ａの先端を押し込むことができる。なお、ステージ１４は、本体部１１内に設けられた駆動部によって上下方向へ移動可能に設けられてもよい。かかる場合には、このステージ１４を上昇させることで、試料冷却部１００に載置された試料Ｓに圧子部１３ａの先端を押し込むことができる。
【００２１】
操作受付部１５は、ビッカース硬さ試験機１０に対する各種の動作指示を操作者から受け付け、受け付けた動作指示に応じてビッカース硬さ試験機１０の各部を動作させる。例えば、操作受付部１５は、操作者からビッカース硬さ試験の実施指示を受け付けた場合には、あらかじめ設定された試験荷重で圧子部１３ａの先端が試料Ｓに押し込まれるように、本体部１１内に設けられた駆動部を動作させてステージ１４を上昇させる。また、操作受付部１５は、操作者から撮像指示を受け付けた場合には、撮像部１２を駆動することで試料Ｓの表面を撮像する。なお、この操作受付部１５は、例えば、ボタンやタッチパネルなどである。なお、図１では、操作受付部１５が本体部１１に設けられる例を示したが、操作受付部１５は、制御部１６によって実現されてもよい。
【００２２】
制御部１６は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、操作者から各種の指示を受け付け、受け付けた指示に応じてビッカース硬さ試験に関する各種処理を行う。例えば、制御部１６は、撮像部１２によって撮像された試料Ｓの画像を表示する。また、制御部１６は、撮像部１２によって撮像された試料Ｓの画像を解析することで、試料Ｓに形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、計測した対角線の長さと試料Ｓに加えられた荷重の大きさとからビッカース硬さを算出する。
【００２３】
［本実施例における試料冷却部の構成］
次に、図２及び図３を用いて、試料冷却部１００について説明する。図２は、本実施例における試料冷却部１００の構成例を示す図である。また、図３は、本実施例における試料冷却部１００の分解図である。
【００２４】
図２に例示するように、試料冷却部１００は、試料台１１０と、ヒータ１２０と、シャーレ１３０と、冷媒注入管１４０と、フード１５０と、フレーム１６０とを有する。また、試料Ｓには温度計測部１７０が接続され、ヒータ１２０には温度調整部１８０が接続される。なお、かかる試料冷却部１００が有する各部は、それぞれ、ビッカース硬さ試験に耐えうる強度を有している。また、この試料冷却部１００は、高さ方向が約３０［ｍｍ］〜４０［ｍｍ］であり、横方向が約１００［ｍｍ］〜１５０［ｍｍ］の大きさである。
【００２５】
試料台１１０は、熱を蓄えることができる蓄熱部材であり、例えば、アルミニウム等である。かかる試料台１１０は、ヒータ１２０を介して、試料Ｓを支持する。具体的には、試料台１１０は、上面に試料Ｓが置かれたヒータ１２０を支持する。
【００２６】
また、本実施例における試料台１１０は、図２及び図３に例示するように、ヒータ１２０を介して試料Ｓが置かれる上部よりも下部の方が大きい凸状に形成される。図４に、本実施例における試料台１１０の斜視図を示す。図４に例示するように、本実施例における試料台１１０は、直方体１１１の上面中央に、かかる直方体１１１よりも縦及び横の長さが短い直方体１１２が配置された形状（凸状）の部材である。ここでは、直方体１１１と直方体１１２とに分けて、試料台１１０の形状を説明したが、実際には、試料台１１０は、アルミニウム等で形成される一つの塊（ブロック）である。
【００２７】
なお、以下では、図４に例示するように、試料台１１０のうち、ヒータ１２０が載置される試料台１１０の上面近傍の領域を試料台１１０の上部１１０ａとし、また、試料台１１０のうち、上部１１０ａ以外の領域を試料台１１０の下部１１０ｂとする。
【００２８】
ヒータ１２０は、熱伝導性の高い部材であり、試料台１１０の上部に置かれるとともに試料Ｓを支持する。このヒータ１２０は、試料台１１０の熱を試料Ｓに伝えることもできるし、自らが熱を発して試料Ｓを加熱することもできる。例えば、ヒータ１２０は、試料台１１０が冷却された場合には、試料台１１０の温度と略同一の温度となることで、試料Ｓを冷却する。また、ヒータ１２０は、後述する温度調整部１８０によって制御されることで、試料Ｓを加熱する温度を変更する。なお、本実施例におけるヒータ１２０には、後述する冷媒注入管１４０が貫通する貫通孔が形成される。
【００２９】
シャーレ１３０は、熱の伝導を抑制する断熱部材であり、例えば、セラミックス等である。かかるシャーレ１３０は、凹状に形成され、試料台１１０を収納する収納部としての役割を担う。図２及び図３に示した例では、シャーレ１３０は、試料台１１０の底面がほぼ隙間なくシャーレ１３０に収納されるように、凹状に形成されている。
【００３０】
冷媒注入管１４０は、試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させることで、かかる試料台１１０を冷却する。すなわち、冷媒注入管１４０は、試料台１１０を冷却する冷却部としての役割を担う。例えば、冷媒注入管１４０は、冷媒として、液体窒素を試料台１１０の下部１１０ｂに接触させる。
【００３１】
本実施例における冷媒注入管１４０は、かかる冷媒注入管１４０の先端が、ヒータ１２０に形成された貫通孔を貫通することで、シャーレ１３０に収納された試料台１１０の下部１１０ｂと、シャーレ１３０の内壁との間に形成される空間Ｕ１１に到達する。そして、冷媒注入管１４０は、かかる先端から空間Ｕ１１に液体窒素等の冷媒を注入することにより、試料台１１０の下部１１０ｂを冷却する。
【００３２】
なお、図２に示した例では、冷媒注入管１４０がヒータ１２０を貫通し、空間Ｕ１１に冷媒を注入する例を示したが、冷媒注入管１４０は、ヒータ１２０を貫通する必要はなく、例えば、図２に示した空間Ｕ１２に冷媒を注入してもよい。
【００３３】
フード１５０は、凹状に形成された透明部材であり、例えば、アクリル等である。かかるフード１５０は、中空状の空間を形成するようにシャーレ１３０に載置され、試料台１１０、ヒータ１２０及び試料Ｓを収納する収納部としての役割を担う。具体的には、図２及び図３に例示するように、凹状のシャーレ１３０と凹状のフード１５０との内壁が向き合う状態で、シャーレ１３０における側壁の上面と、フード１５０における側壁の上面とを接触させてシャーレ１３０上にフード１５０が置かれることにより、シャーレ１３０及びフード１５０は、試料台１１０、ヒータ１２０及び試料Ｓを収納する。
【００３４】
また、フード１５０は、シャーレ１３０に載置された際に試料Ｓの上面と対向する位置に、試料Ｓの上面の面積よりも大きい孔１５１が形成される。そして、図２に示した例では、試料Ｓの上面近傍のみが、フード１５０に形成された孔１５１から上側に露出する。図５に、本実施例における試料冷却部１００を上面から見た上面視野図を示す。図５に示すように、フード１５０には、試料Ｓの上面面積よりも大きい孔１５１が形成されており、試料Ｓは、孔１５１からシャーレ１３０及びフード１５０に囲まれた領域外に露出する。これにより、圧子部１３ａを試料Ｓに押し込むことができる。
【００３５】
フレーム１６０は、シャーレ１３０を支持し、ステージ１４に載置される。かかるフレーム１６０は、図２及び図３に示すように、突起状の脚を有し、かかる脚がステージ１４に載置される。これにより、フレーム１６０とステージ１４との間に断熱層となる空気層が形成される。なお、フレーム１６０は、金属部材であってもよいし、断熱部材であってもよい。
【００３６】
このように、試料冷却部１００は、試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させて試料台１１０を冷却することで、かかる試料台１１０に支持されている試料Ｓを冷却する。これにより、試料冷却部１００は、試料台１１０を安定した目的の試験温度に冷却することができ、その結果、試料Ｓを安定した目的の試験温度に冷却することができる。
【００３７】
この点について、冷媒が液体窒素である場合を例に挙げて説明する。例えば、試料Ｓが支持されている試料台の内部に液体窒素を循環させる手法の場合には、大量の液体窒素を循環させることで、試料台を「−１９６℃」まで冷却し、試料台に支持されている試料Ｓを「−１９６℃」に冷却することはできる。しかし、液体窒素による冷却は、蒸発時に外部から蒸発潜熱を奪うことによって行われる。かかる蒸発潜熱が大きいため、冷却対象物に液体窒素が接触して沸騰すると、液体窒素が接触した接触部位の近傍では冷却対象物が窒素の沸点「−１９６℃」近傍まで急激に冷却される。
【００３８】
このため、上記の手法を用いた場合には、液体窒素の量を調整することで試料台の温度を「−１９６℃」〜「室温」の間にある目的の試験温度に冷却することが困難である。例えば、上記の液体窒素を循環させる手法を用いて試料台を目的の試験温度「−１００℃」に冷却する場合に、少量の液体窒素を試料台に循環させたとしても、液体窒素が接触した試料台の一部分が「−１９６℃」になり、試料Ｓも「−１９６℃」まで冷却される場合がある。このような場合には、「−１９６℃」まで冷却された試料Ｓが目的温度「−１００℃」に達するまで待機することを要する。
【００３９】
また、上記の液体窒素を循環させる手法の場合には、液体窒素が接触した試料台の一部分が「−１９６℃」になるものの、液体窒素が接触していない試料台の他の部分については如何なる温度になるかが予測困難であることも考えられる。このような場合には、試料台に瞬間的に温度ムラが発生し、試料Ｓが如何なる温度に冷却されるかが予測困難である。このようなことから、上記手法を用いたとしても、試料Ｓを安定した目的の試験温度に冷却することが困難である。
【００４０】
一方、本実施例における試料冷却部１００は、試料台１１０の下部１１０ｂを冷却することで、試料台１１０の上部１１０ａを冷却する。すなわち、本実施例では、蓄熱部材である試料台１１０の下部１１０ｂから上部１１０ａまでの間に緩やかな温度勾配が設けられることにより、試料台１１０の下部１１０ｂを部分的に冷却した場合であっても、試料台１１０の上部１１０ａを安定した温度に冷却することができる。例えば、試料台１１０の下部１１０ｂが液体窒素の沸騰現象により急峻に冷却された場合であっても、下部１１０ｂから離れた上部１１０ａでは、急峻な冷却の影響は少なくなるので、上部１１０ａを安定した温度に冷却することができる。すなわち、本実施例における試料冷却部１００は、試料台１１０の下部１１０ｂに注入する液体窒素の量を調整することで、試料台１１０の上部１１０ａを目的の試験温度に冷却制御することができる。
【００４１】
そして、本実施例における試料冷却部１００は、図２に示した温度計測部１７０が、試料Ｓの温度を計測し、温度調整部１８０が、温度計測部１７０によって計測された試料Ｓの温度が目的温度よりも低い場合に、ヒータ１２０を制御して試料Ｓを加熱する。すなわち、本実施例における試料冷却部１００は、ヒータ１２０によって試料Ｓを加熱することにより、試料Ｓの温度が目的の試験温度となるように微調整を行う。これにより、温度計測部１７０及び温度調整部１８０は、試料Ｓを安定した目的の試験温度に保つことができる。
【００４２】
ここで、大気中の空気には水分が含まれるため、試料Ｓを冷却すると、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生するとも考えられる。そして、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生した場合には、正確なビッカース硬さ試験を行えないとも考えられる。しかし、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００４３】
この点について、図１及び図２を用いて具体的に説明する。図１に例示するように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０は、試験機支持台２０に載置され、環境フード３０により覆われる。試験機支持台２０は、例えば、木製や金属製の台である。環境フード３０は、アクリル等の透明部材である。これらの試験機支持台２０又は環境フード３０の少なくも一方には、環境フード３０内の空気が外部に排出される排出口が形成される。図１に示した例では、試験機支持台２０に排出口２１ａが形成されている。
【００４４】
そして、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０を用いてビッカース硬さ試験を行う場合には、ビッカース硬さ試験機１０が環境フード３０に覆われた状態で、環境フード３０の内部に乾燥ガスを注入する。乾燥ガスの例としては、液体窒素が蒸発した窒素ガス等が挙げられる。このように、環境フード３０の内部に窒素ガス等の乾燥ガスを注入することで、環境フード３０内の空気は、排出口２１ａから外部に排出される。すなわち、ビッカース硬さ試験機１０が収納された環境フード３０の内部は乾燥ガスで満たされるので、試料Ｓを冷却した場合であっても、かかる試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００４５】
さらに、本実施例における試料冷却部１００は、図２に示した例のように、試料Ｓの上面近傍のみが、フード１５０に形成された孔１５１から上側に露出するので、孔１５１から試料Ｓの上方に向かって流れる窒素ガスによって、試料Ｓ近傍に滞留する空気を試料Ｓから離すことができる。
【００４６】
具体的には、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０を用いてビッカース硬さ試験が行われる場合には、冷媒注入管１４０によって液体窒素が空間Ｕ１１等に注入される。空間Ｕ１１等に注入された液体窒素は、蒸発することで乾燥した窒素ガスとなり、フード１５０に形成された孔１５１から排出される。すなわち、ビッカース硬さ試験機１０を用いてビッカース硬さ試験が行われる場合には、試料Ｓと孔１５１との間に形成される隙間から窒素ガスが排出される。このため、試料Ｓの近傍では、上方に向かって窒素ガスが吹き出すことになるので、試料Ｓ近傍には水分を含む空気が滞留しない。この結果、本実施例における試料冷却部１００は、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００４７】
［本実施例におけるビッカース硬さ試験の流れ］
次に、図６を用いて、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によって実施されるビッカース硬さ試験の流れについて説明する。図６は、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によって実施されるビッカース硬さ試験の流れを示すフローチャートである。
【００４８】
図６に示すように、本実施例に係るビッカース硬さ試験機１０によるビッカース硬さ試験では、まず、環境フード３０の内部に乾燥ガスを注入することで、環境フード３０内の空気を外部に放出する（ステップＳ１０１）。
【００４９】
続いて、冷媒注入管１４０が、試料台１１０の下部１１０ｂと、シャーレ１３０の内壁との間に形成される空間Ｕ１１に冷媒を注入することにより、試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させる（ステップＳ１０２）。このとき、冷媒注入管１４０から注入される冷媒の量は、試料台１１０の上部１１０ａを所定の目的温度にするための量となる。このような冷媒の量と試料台１１０の上部１１０ａの温度との関係は、実験結果等から予め得ることができる。すなわち、試料Ｓは、冷媒により冷却された試料台１１０の上部１１０ａによって、目的温度近傍の温度まで冷却される。
【００５０】
続いて、温度計測部１７０が、試料Ｓの温度を計測する（ステップＳ１０３）。そして、温度調整部１８０が、温度計測部１７０によって計測された温度に基づいてヒータ１２０の温度を制御することで、試料台１１０によって冷却された試料Ｓの温度を調整する（ステップＳ１０４）。
【００５１】
その後、温度計測部１７０によって計測された試料Ｓの温度が目的の試験温度に達した後に（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、操作者からの指示に応じて、ビッカース硬さ試験機１０の各部が試料Ｓのビッカース硬さを測定する。
【００５２】
具体的には、操作受付部１５が、操作者から圧子押し込み指示を受け付けた場合に、あらかじめ設定された試験荷重で圧子部１３ａの先端が試料Ｓに押し込まれるように、圧子部１３ａを下降させる（ステップＳ１０６）。続いて、操作受付部１５は、操作者から撮像指示を受け付けた場合に、撮像部１２を動作させることで試料Ｓに形成されたくぼみを撮像する（ステップＳ１０７）。
【００５３】
そして、制御部１６が、操作者からの指示に応じて、撮像部１２によって撮像された画像を解析することで、試料Ｓに形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、計測した対角線の長さと試料Ｓに加えられた荷重の大きさとからビッカース硬さを算出する（ステップＳ１０８）。
【００５４】
上述してきたように、本実施例では、試料台１１０の下部１１０ｂから上部１１０ａまでの間に緩やかな温度勾配が設けられており、かかる試料台１１０の下部１１０ｂに冷媒を接触させる。これにより、本実施例における試料冷却部１００は、試料台１１０の上部１１０ａを安定した温度に冷却することができ、その結果、試料台１１０に載置された試料Ｓを安定した温度に冷却することができる。
【００５５】
また、本実施例では、温度計測部１７０が、試料Ｓの温度を計測し、温度調整部１８０が、温度計測部１７０によって計測された試料Ｓの温度が目的温度よりも低い場合に、ヒータ１２０を制御して試料Ｓを加熱する。これにより、本実施例における試料冷却部１００は、試料Ｓを安定した目的の試験温度に保つことができる。
【００５６】
また、本実施例では、ビッカース硬さ試験機１０が試験機支持台２０に載置され、環境フード３０により覆われており、試験機支持台２０又は環境フード３０の少なくも一方には、環境フード３０内の空気が外部に排出される排出口が形成される。これにより、本実施例におけるビッカース硬さ試験機１０は、環境フード３０の内部に乾燥ガスが注入され、環境フード３０内の空気が排出口２１ａから外部に排出されることで、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００５７】
また、本実施例では、フード１５０が、シャーレ１３０に載置された際に試料Ｓの上面と対向する位置に、試料Ｓの上面の面積よりも大きい孔１５１が形成される。これにより、本実施例における試料冷却部１００では、空間Ｕ１１等に注入された液体窒素が窒素ガスとなり、フード１５０に形成された孔１５１から排出されることで、試料Ｓの近傍では、上方に向かって窒素ガスが吹き出すことになる。この結果、試料冷却部１００は、試料Ｓに結露、凍結、霜付きが発生することを防止することができる。
【００５８】
また、上記実施例で説明した試料冷却部１００は、小型に構成することができるので、既存のビッカース硬さ試験機に改造を加えることなく実装することができる。したがって、低いコストで、低温における試料の硬さの温度依存性を測定することが可能である。
【００５９】
なお、上記実施例では、図２に例示したように、試料冷却部１００が、シャーレ１３０に収納された試料台１１０の下部１１０ｂと、シャーレ１３０の内壁との間に形成される空間Ｕ１１に冷媒を注入することにより、試料台１１０の下部１１０ｂを冷却する例を示した。しかし、試料冷却部１００は、試料台１１０の底面を冷却してもよい。
【００６０】
図７を用いて具体的に説明する。図７は、試料台１１０の底面を冷却する例を示す図である。図７に示した例では、シャーレ１３１及び冷媒注入管１４１の構造が図２に例示したシャーレ１３０の構造と異なる。具体的には、シャーレ１３１は、内壁から内部方向に突起した突起部１３１ａ及び１３１ｂを有する。かかるシャーレ１３１には、試料台１１０が収納される場合に、シャーレ１３１の突起部１３１ａ及び１３１ｂに試料台１１０が載置される。これにより、試料台１１０とシャーレ１３１との間に空間Ｕ１３が形成される。
【００６１】
そして、冷媒注入管１４１は、試料台１１０とシャーレ１３１との間に形成された空間Ｕ１３に液体窒素等の冷媒を注入する。これにより、冷媒によって空間Ｕ１３が冷却され、試料台１１０の底面が冷却される。そして、試料台１１０の底面が冷却されることにより、試料台１１０の上部１１０ａが冷却される。図７に示した例についても、試料台１１０の下部１１０ｂである試料台１１０の底面が冷却されることで、試料台１１０の上部１１０ａが冷却されるので、試料台１１０の上部１１０ａを安定した温度に冷却することができ、その結果、試料台１１０に載置された試料Ｓを安定した温度に冷却することができる。
【００６２】
また、上記実施例では、操作受付部１５が操作者からの指示に応じてビッカース硬さ試験機１０の各部を動作させる場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、制御部１６がビッカース硬さ試験機１０の各部を自動的に動作させるようにしてもよい。
【００６３】
また、上記実施例では、ビッカース硬さ試験機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ブリネル硬さ試験機やロックウェル硬さ試験機など、他の硬さ試験機にも同様に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０ ビッカース硬さ試験機
１１ 本体部
１２ 撮像部
１３ ターレット
１３ａ 圧子部
１３ｂ 対物レンズ
１４ ステージ
１５ 操作受付部
１６ 制御部
２０ 試験機支持台
２１ａ 排出口
３０ 環境フード
１００ 試料冷却部
１１０ 試料台
１２０ ヒータ
１３０ シャーレ
１３１ シャーレ
１３１ａ 突起部
１４０ 冷媒注入管
１４１ 冷媒注入管
１５０ フード
１５１ 孔
１６０ フレーム
１７０ 温度計測部
１８０ 温度調整部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、
前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、
前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部と
を有することを特徴とする試料冷却装置。
【請求項２】
前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料を加熱することで該試料の温度を調整する温度調整部
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の試料冷却装置。
【請求項３】
前記試料台を収納する断熱部材である収納部
をさらに有し、
前記試料台は、
上部に対して下部が大きい凸状に形成され、
前記冷却部は、
前記収納部に収納された試料台の下部と該収納部の内壁との間に形成される空間に前記冷媒を注入することで、前記試料台を冷却する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の試料冷却装置。
【請求項４】
前記収納部は、
前記試料台と該試料台に支持されている前記試料とを収納し、該試料の上面と対向する位置に該試料の上面よりも大きい孔が形成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の試料冷却装置。
【請求項５】
前記硬さ試験機を支持する試験機支持台と
前記試験機支持台に設置された前記硬さ試験機を収納する試験機収納部と、
をさらに有し、
前記試験機支持台又は前記試験機収納部の少なくも一方に、前記試験機収納部内の大気が外部に排出される排出口が形成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の試料冷却装置。
【請求項６】
試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、
前記試料台を冷却することで該試料台に支持されている試料を冷却する冷却部と、
前記試料台と該試料台に支持されている前記試料とを収納し、該試料の上面と対向する位置に該試料の上面よりも大きい孔が形成された断熱部材である収納部と
を有することを特徴とする試料冷却装置。
【請求項７】
前記硬さ試験機を支持する試験機支持台と
前記試験機支持台に設置された前記硬さ試験機を収納する試験機収納部と、
をさらに有し、
前記試験機支持台又は前記試験機収納部の少なくも一方に、前記試験機収納部内の大気が外部に排出される排出口が形成される
ことを特徴とする請求項６に記載の試料冷却装置。
【請求項８】
試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、
前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、
前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部と
を有することを特徴とする硬さ試験機。
【請求項９】
試料の硬さを測定する硬さ試験機を用いた硬さ試験方法であって、
前記試料が上部に置かれた蓄熱部材である試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却ステップと、
前記冷却ステップにおいて冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測ステップと、
前記温度計測ステップにおいて計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定する硬さ測定ステップと
を含んだことを特徴とする硬さ試験方法。
【請求項１】
試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、
前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、
前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部と
を有することを特徴とする試料冷却装置。
【請求項２】
前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料を加熱することで該試料の温度を調整する温度調整部
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の試料冷却装置。
【請求項３】
前記試料台を収納する断熱部材である収納部
をさらに有し、
前記試料台は、
上部に対して下部が大きい凸状に形成され、
前記冷却部は、
前記収納部に収納された試料台の下部と該収納部の内壁との間に形成される空間に前記冷媒を注入することで、前記試料台を冷却する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の試料冷却装置。
【請求項４】
前記収納部は、
前記試料台と該試料台に支持されている前記試料とを収納し、該試料の上面と対向する位置に該試料の上面よりも大きい孔が形成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の試料冷却装置。
【請求項５】
前記硬さ試験機を支持する試験機支持台と
前記試験機支持台に設置された前記硬さ試験機を収納する試験機収納部と、
をさらに有し、
前記試験機支持台又は前記試験機収納部の少なくも一方に、前記試験機収納部内の大気が外部に排出される排出口が形成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の試料冷却装置。
【請求項６】
試料の硬さを測定する硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、
前記試料台を冷却することで該試料台に支持されている試料を冷却する冷却部と、
前記試料台と該試料台に支持されている前記試料とを収納し、該試料の上面と対向する位置に該試料の上面よりも大きい孔が形成された断熱部材である収納部と
を有することを特徴とする試料冷却装置。
【請求項７】
前記硬さ試験機を支持する試験機支持台と
前記試験機支持台に設置された前記硬さ試験機を収納する試験機収納部と、
をさらに有し、
前記試験機支持台又は前記試験機収納部の少なくも一方に、前記試験機収納部内の大気が外部に排出される排出口が形成される
ことを特徴とする請求項６に記載の試料冷却装置。
【請求項８】
試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記硬さ試験機に設置されて前記試料を支持する蓄熱部材である試料台と、
前記試料が上部に置かれた前記試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却部と、
前記冷却部によって冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測部と
を有することを特徴とする硬さ試験機。
【請求項９】
試料の硬さを測定する硬さ試験機を用いた硬さ試験方法であって、
前記試料が上部に置かれた蓄熱部材である試料台の下部に冷媒を接触させることで、前記試料台を冷却する冷却ステップと、
前記冷却ステップにおいて冷却された前記試料台に支持されている試料の温度を計測する温度計測ステップと、
前記温度計測ステップにおいて計測された前記試料の温度が所定の温度に達した後に前記試料の硬さを測定する硬さ測定ステップと
を含んだことを特徴とする硬さ試験方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９４１４１（Ｐ２０１２−１９４１４１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０１８１（Ｐ２０１１−６０１８１）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
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