高圧材料強度試験装置
【課題】腐食性ガス洩れを効果的に防止できると共に、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくい高圧材料強度試験装置の提供
【解決手段】圧力容器１２０と、支持部材１３０と、被検体１６０に応力を与えるプルロッド１４０と、圧力容器蓋１５０と、第１ベローズ０２４を有する第１外部圧力容器０２０と、荷重負荷手段０３０と、第２ベローズ０４３を有する第２外部圧力容器０４０と、本体フレーム０５０と、圧力容器１２０内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段０６０と、第１外部圧力容器０２０内および第２外部容器０４０内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段０７０と、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０および圧力容器１２０の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段０８０とを備える高圧材料強度試験装置。
【解決手段】圧力容器１２０と、支持部材１３０と、被検体１６０に応力を与えるプルロッド１４０と、圧力容器蓋１５０と、第１ベローズ０２４を有する第１外部圧力容器０２０と、荷重負荷手段０３０と、第２ベローズ０４３を有する第２外部圧力容器０４０と、本体フレーム０５０と、圧力容器１２０内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段０６０と、第１外部圧力容器０２０内および第２外部容器０４０内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段０７０と、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０および圧力容器１２０の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段０８０とを備える高圧材料強度試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス環境下で用いられる材料の強度試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素および酸素を燃料とし、ＣＯ２、ＮＯＸ、ＳＯＸ等の有害物質を排出することなく、電気動力を得ることができるため、地球環境問題の解決に有力な技術であり、最近では自動車の動力源としてその使用が拡大されつつある。更なる発展を遂げるためには、エネルギー源としての水素を省スペースで、できる限り多く貯蔵することが必要であり、水素ガスの貯蔵用容器、配管、注入用バルブ等の各種機器に高圧の水素環境における耐食性に優れた材料が求められている。
【０００３】
このような状況下で、我が国では、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）において、水素先端科学基礎研究事業として、水素脆化等の基礎原理の解明、その対策等の検討が数多く行われている。
【０００４】
しかし、高圧水中での引張強度試験機、低圧の腐食性ガス環境下での疲労強度試験機などは知られているが、高圧の腐食ガス環境下での引張強度、疲労強度などを試験するための装置については、ほとんど検討されていない。
【０００５】
特許文献１には、荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷用ロッドの試験片側と反対側の端部に、バランス用ピストンを連結した流体シリンダが配置されている機械的特性試験装置に関する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７８４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１は、従来の高圧材料強度試験装置を示す模式図である。図１に示すように、従来の高圧材料強度試験装置１１０は、被検体１６０を収容する圧力容器１２０と、被検体１６０の一端を支持する支持部材１３０と、被検体１６０の他端を支持し、被検体１６０に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッド１４０と、プルロッド１４０の移動を制御する荷重負荷手段（図示省略）と、プルロッド１４０を挿入するための貫通孔１５１を有する圧力容器蓋１５０と、圧力容器１２０内に腐食性ガスを供給するための腐食性ガス供給管１７０とを有する装置である。
【０００８】
この装置においては、まず、被検体１６０が支持部材１３０およびプルロッド１４０に固定された状態で、圧力容器１２０を圧力容器蓋１５０の上に被せ、ボルトを締め付けることにより圧力容器１２０内を密閉し、図１に示される状態とされる。その後、腐食性ガス供給管１７０から水素ガスその他の腐食性ガスを圧力容器１２０内に導入し、所望の試験圧力まで容器の内圧を高め、その状態を維持したままで、疲労試験その他の材料試験が行われる。
【０００９】
なお、本願では、水素ガスが金属材料等を劣化させることから広義の意味で腐食性ガスに水素ガスを含むものとする。
【００１０】
このとき、圧力容器１２０と圧力容器蓋１５０との間および圧力容器蓋１５０とプルロッド１４０との間のシール性は、それぞれシール部材としてのＯリング１５２、１５３および１５４により確保されている。そして、試験中にはＯリング１５３の容器側と外気側との間の圧力差が大きくなるが、そのような状態で、プルロッド１４０が圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１内を移動するため、Ｏリング１５３は摩耗し、長時間の使用により圧力容器１２０の内圧を維持できなくなる。また、特に、水素ガスは、分子量が小さいために微小な隙間からでも漏洩しやすく、しかも、圧力容器１２０の外部に漏洩した場合には爆発の危険性もある。更に、Ｏリングだけでシール性を確保する構成では、圧力容器１２０内圧の更なる高圧化を実現するのは困難である。このような問題は、引張および圧縮を０．００１Hz〜１０Hz程度で行う必要がある疲労試験において顕著となる。
【００１１】
特許文献１に記載された機械的特性試験装置は、荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷ロッドの試験片側と反対側の端部に、バランス用ピストンを連結した流体シリンダを配置することによって、圧力容器の荷重負荷ロッドのシール箇所を一箇所とし、且つ圧力容器の外に荷重負荷ロッドのバランス取りを配置したので、試験片の取り付け空間を確保できるというものである。しかし、この機械的特性試験装置における圧力容器のシール性は、Ｏリングなどのシール部材でのみ確保されるものであるため、上記の問題がある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくく、Ｏリングに負荷される圧力差を小さくして、腐食性ガスのリークを防止すると共に、Ｏリングを長寿命化し、仮に、Ｏリングが摩耗しても、腐食性ガスが外部に漏れず、更に、荷重負荷装置にかかる圧力を低減することができる高圧材料強度試験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】
【００１３】
上記の課題を解決する方法としては、例えば、高圧材料強度試験装置全体を密閉容器に収容し、この密閉容器内を加圧する方法が考えられるが、このような方法では装置の大型化を余儀なくされる。一方で、プルロッドの移動を妨げる方法で圧力容器蓋の周辺をシールすることはできない。
【００１４】
本発明者らは、このような状況下で、熱膨張が避けられない部分などに用いられているベローズ（伸縮性管）に着目し、実験を重ねた結果、ベローズで圧力容器蓋の外部とプルロッドの一部を覆い、圧力容器の外部に別途の圧力容器を形成し、同容器内に圧力容器内の圧力とほぼ同等の圧力となるように不活性ガスを送り込むことにより、圧力容器内の腐食性ガスの漏洩を防止することができることを見出した。
【００１５】
しかし、市販のベローズは、伸縮する蛇腹状の部分の強度が低くなるため、許容圧力がそれほど大きくない。このため、市販のベローズをそのまま使用したのでは、材料強度試験器の圧力容器内を更に高圧化した場合には内部ガス漏れのおそれがある。
【００１６】
そこで、本発明者らは、外部圧力容器が内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して構成され、それぞれのベローズに不活性ガスを別個独立に送り込み、各ベローズ間の差圧がベローズの許容圧力以下となるように調整することにより、更なる高圧下に対応できることを確認した。
【００１７】
本発明者らは、更に、荷重負荷装置に負荷される圧力についても検討した。例えば、圧力容器内に水素ガスを吹き込み、内圧を７１ＭＰａとし、一方、外部圧力容器として１０重のベロ−ズを用いた場合、本体フレ−ムに約９００ｋＮの力が付与されることになる。この力を特許文献１に示されるような流体シリンダを用いてキャンセルしようとすると、装置の大型化が余儀なくされる。そこで、上述の外部圧力容器と同じ構成の外部圧力容器を荷重負荷ロッドの反対側に設置して付加される力をキャンセルすることで、荷重負荷装置として、約９００ｋＮという大容量のものでなく、約２００ｋＮという小容量のものでも十分に使用可能であることを見出した。
【００１８】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の（１）に示す高圧材料強度試験装置を要旨としている。
【００１９】
（１）被検体を収容する圧力容器と、前記被検体の一端を支持する支持部材と、前記被検体の他端を支持し、前記被検体に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッドと、前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有する圧力容器蓋と、前記プルロッドと前記圧力容器蓋または前記第１外部容器固定盤の貫通孔との間をシールするシール部材と、前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有し、前記圧力容器蓋に固定された第１外部容器固定盤と、前記プルロッドの前記被検体の支持端とは反対端に固定された第１外部容器移動盤と、前記第１外部容器固定盤と前記第１外部容器移動盤との間に第１のベローズを固定した第１外部圧力容器と、荷重負荷ロッドを備える荷重負荷手段と、第２外部容器固定盤と第２外部容器移動盤との間に第２のベローズを固定した第２外部圧力容器と、前記圧力容器蓋、前記荷重負荷手段および前記第２外部容器固定盤をそれぞれ固定する本体フレームと、前記圧力容器内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段と、前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段と、前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段と、を有する高圧材料強度試験装置であって、前記荷重負荷ロッドの一端が前記第１外部容器移動盤に、他端が前記第２外部容器移動盤に固定されていることを特徴とする高圧材料強度試験装置。
【００２０】
（２）前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器が内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して構成され、前記第２ガス供給手段が前記それぞれの外部圧力容器のベローズ毎に不活性ガスを送り込む機構を有する上記（１）の高圧材料強度試験装置。
【００２１】
（３）前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器のいずれのベローズにおいても、前記各ベローズ間の圧力差が前記ベローズの許容圧力差以下であり、且つ外側の前記ベローズの内圧が内側の前記ベローズの内圧以下であるように制御しつつ、前記第１外部圧力容器および前記第２の外部圧力容器の最内郭の前記ベローズの内圧を前記圧力容器の内圧に同調させて上昇または低下させる上記（２）の高圧材料強度試験装置。
【００２２】
（４）更に、前記支持部材に取り付けられたロードセルを有し、前記第２ガス供給手段が、前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加え、更に、前記ロードセルのハウジング内にも加圧した不活性ガスを送り込む構成を有し、前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器に加え、更に、前記ロードセルのハウジングの内圧をも同調させて上昇または低下させる構成を有する上記（１）〜（３）のいずれかの高圧材料強度試験装置。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、シール部材のＯリングの容器側と外部側との圧力差が小さいため、Ｏリングが摩耗しにくく、腐食性ガス洩れを効果的に防止できると共に、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくい。また、仮に、Ｏリングが摩耗しても、腐食性ガスが外部に漏れないので、腐食性ガスとして水素ガスなどの可燃性ガスを用いる場合でも、材料強度試験を安全に実施することができる。更に、荷重負荷装置にかかる圧力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の高圧材料強度試験装置を示す模式図
【図２】本発明に係る高圧材料強度試験装置を例示した模式図
【図３】本発明に係る高圧材料強度試験装置の設定方法を示す模式図 （ａ）被検体を設置する前の状態 （ｂ）被検体を設置した状態 （ｃ）圧力容器を設置した状態
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、本発明に係る高圧材料強度試験装置を例示した模式図である。図２に示すように、本発明の高圧材料強度試験装置０１０は、被検体１６０を収容する圧力容器１２０と、被検体１６０の一端を支持する支持部材１３０と、被検体１６０の他端を支持し、被検体１６０に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッド１４０と、プルロッド１４０を挿入するための貫通孔１５１を有する圧力容器蓋１５０と、プルロッド１４０を挿入するための貫通孔０２１を有し、圧力容器蓋１５０に固定された第１外部容器固定盤０２２と、プルロッド１４０と圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１との間をシールするシール部材（Ｏリング１０２）と、プルロッド１４０の被検体１６０の支持端とは反対端に固定された第１外部容器移動盤０２３と、第１外部容器固定盤０２２と第１外部容器移動盤０２３との間に第１ベローズ０２４を固定した第１外部圧力容器０２０と、荷重負荷ロッド０３１を備える荷重負荷手段０３０と、第２外部容器固定盤０４１と第２外部容器移動盤０４２との間に第２ベローズ０４３を固定した第２外部圧力容器０４０と、圧力容器蓋１５０、荷重負荷手段０３０および第２外部容器固定盤０４０をそれぞれ固定する本体フレーム０５０と、圧力容器１２０内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段０６０と、第１外部圧力容器０２０内および第２外部容器０４０内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段０７０と、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０および圧力容器１２０の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段０８０とを備える装置である。
【００２６】
なお、図２では、シール部材（Ｏリング１０２）が、プルロッド１４０と圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１との間をシールする場合の例を示しているが、シール部材（Ｏリング１０２）は、プルロッド１４０と第１外部容器固定盤０２２の貫通孔０２１との間をシールするような構成としても良い。
【００２７】
この装置においては、荷重負荷ロッド０３１の一端が第１外部容器移動盤０２３に、他端が第２外部容器移動盤０４２に固定されているので、荷重負荷手段０３０に負荷される力をキャンセルすることができるので、比較的小容量の荷重負荷手段０３０を使用することができる。なお、第１外部容器移動盤０２３および第２外部容器移動盤０４２のサイズは、特に制約はないが、それぞれの外部圧力容器内の圧力の計算を用意するには、それらの面積をほぼ同一とすることが好ましい。
【００２８】
第１外部圧力容器０２０において、プルロッド１４０と第１外部容器移動板０２３との固定、第１外部容器固定板０２２およびベローズ０２４との固定、第１外部容器移動板０２３とベローズとの固定、第１外部容器固定板０２２と圧力容器蓋１５０との固定は、いずれも、溶接、または、ボルトおよびＯリング等のシール材との組み合わせを採用することができる。この点、第２外部圧力容器０４０において、第２外部容器固定板０４１およびベローズ０４３との固定、第２外部容器移動板０４２とベローズとの固定、第２外部容器固定板０４１と本体フレーム０５０との固定も同様である。
【００２９】
なお、図２には、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０ともに、径が異なる３つのベローズ０２４ａ、０２４ｂおよび０２４ｃならびにベローズ０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃをそれぞれ同心円に設置した例が示されているが、このような態様に限定されることはない。ベローズの数は、ベローズの許容圧力と圧力容器の内圧との関係で決定される。例えば、許容圧力が９ＭＰａのベローズを用いることを想定すると、圧力容器の内圧が９ＭＰａ以下に設定して材料強度試験を行う場合には、ベローズは一つだけで良く、それより高い圧力下での材料強度試験を行う場合には、ベローズを複数個設置することが必要である。
【００３０】
そして、内圧制御手段０８０は、第１ガス供給手段および第２ガス供給手段の供給量を調整する。具体的には、内圧制御手段０８０は、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０のいずれのベローズ０２４、０４３においても、各ベローズ間（第１外部圧力容器０２０においては、ベローズ０２４ａ、０２４ｂおよび０２４ｃの間、第２外部容器０４０においては、ベローズ０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃの間）の圧力差がベローズの許容圧力差以下であり、且つ外側のベローズ（例えば、第１外部圧力容器０２０のベローズ０２４ａ）の内圧が内側のベローズ（例えば、第１外部圧力容器０２０のベローズ０２４ｂ）の内圧以下であるように制御する。そして、内圧制御手段０８０は、第１外部圧力容器０２０および第２の外部圧力容器０４０の最内郭のベローズ０２４ｃ、０４３ｃの内圧を圧力容器１２０の内圧に同調させて上昇または低下させることが好ましい。
【００３１】
本発明に係る高圧材料強度試験装置０１０においては、圧力容器１２０の周囲にヒータを設置して圧力容器内の温度を調整できるような機構を設けることができる。また、圧力容器１２０内には、必要に応じて、変位計、荷重計、温度計等の計測器を設置することができる。図２には、ロードセル０９０を設置した例を示しているが、ロードセル０９０は設置しなくても良い。ただし、プルロッド１４０がＯリング１０２に摺動するため、荷重負荷手段０３０の圧力と被検体１６０にかかる荷重とに差異が生じる場合があるので、ロードセル０９０を設置し、被検体１６０にかかる荷重を正確に測定するのが好ましい。
【００３２】
ロードセル０９０を設置する場合には、第２ガス供給手段０７０が、第２ガス供給手段０７０ａ、０７０ｂ、０７０ｃを介して、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０およびロードセル０９０（具体的には、ロードセル０９０のハウジング）に、加圧した不活性ガスを送り込む構成を有し、内圧制御手段０８０が、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０および圧力容器１２０に加え、更に、ロードセル０９０のハウジングの内圧をも同調させて上昇または低下させる構成を有しているのが好ましい。このような構成にすることで、圧力容器１２０の内圧でロードセル０９０が故障するのを防止でき、また、ロードセル０９０の測定部が腐食性ガスに曝されるのを防止できる。
【００３３】
図３は、本発明に係る高圧材料強度試験装置の設定方法を示す模式図であり、（ａ）は被検体を設置する前の状態、（ｂ）は被検体を設置した状態、（ｃ）は圧力容器を設置した状態をそれぞれ示している。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、本発明に係る高圧材料強度試験装置においては、被検体１６０を設置する前においては、支持部材１３０がガイド１３１を介して圧力容器蓋１５０に固定されており、圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１にはプルロッド１４０が挿入されている。そして、図３（ｂ）に示すように、支持部材１３０およびプルロッド１４０に被検体１６０を固定した後、図３（ｃ）に示すように、圧力容器１２０を圧力容器蓋１５０の上に被せ、ボルト１８０を締め付けることにより圧力容器１２０内を密閉し、図２に示される状態とする。
【００３５】
その後、第１ガス供給手段０６０から水素ガスその他の腐食性ガスを圧力容器１２０内に導入するとともに、圧力容器１２０の圧力に同調するように、第２ガス供給手段０７０からアルゴンガスその他の不活性ガスを第１外部圧力容器０２０内および第２外部圧力容器０４０内、更に、ロードセル０９０を設ける場合には、そのハウジング内に導入する。そして、圧力容器の内圧を所定圧力まで高めた後、その状態を維持したまま、疲労試験その他の材料試験が行われる。
【００３６】
ここで、圧力容器１２０内にベローズ０２４、０４３の許容圧力を超える腐食ガスを導入する場合には、例えば、内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して第１外部内圧容器０２０および第２外部圧力容器０４０を構成し、第２のガス供給手段０７０がベローズ毎にベローズの許容圧力以下の圧力で不活性ガスを送り込む機構を有する装置を用いるのがよい。なお、図２の例では、最外郭のベローズ０２４ａおよび０４３ａに不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段０７０ａおよび０７０ｂだけを図示し、他のベローズ０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ｂおよび０４３ｃに不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段の図示を省略している。ベローズの数が増えると、それだけ第２ガス供給手段の配管も増えることになる。
【００３７】
図２に示す３個のベローズを用いる例で説明すると、第２ガス供給手段０７０からは、第１ガス供給手段０６０から腐食性ガスを吹き込み高められた圧力容器１２０の内圧に同調するように、全てのベローズ０２４ａ、０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃ内に不活性ガスが導入される。
【００３８】
その後、ベローズの許容圧力に達したときに、最外郭にあるベローズ０２４ａおよび０４３ａのみ不活性ガスの供給を停止する。更に、圧力容器１２０内の圧力を高めると共に、最外郭以外のベローズ０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ｂおよび０４３ｃには、圧力容器１２０の内圧に同調するように不活性ガスを供給し、ベローズの許容圧力の二倍に達したときに、外側から２番目のベローズ０２４ｂおよび０４３ｂ内への不活性ガスの供給を停止し、更に、最内郭のベローズ０２４ｃおよび０４３ｃには圧力容器の内圧と同等の圧力になるように不活性ガスを供給し続ける。
【００３９】
このように不活性ガスを導入すれば、ベローズ０２４ａまたは０４３ａの内外圧力差、ベローズ０２４ｂまたは０４３ｂの内外圧力差およびベローズ０２４ｃまたは０４３ｃの内外圧力差を、常にベローズの許容圧力以下とすることができるため、ベローズが破損することなく、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０内の圧力（実際には、最内郭のベローズ０２４ｃおよび０４３ｃ内の圧力）を、圧力容器１２０の内圧と同じ圧力に維持することができる。即ち、Ｎ個のベローズを同心円状に配置した外部圧力容器を用いれば、理論上、ベローズの許容圧力のＮ倍までの圧力に対応できる。
【００４０】
なお、実際には、同一材質のベローズの場合、内径が小さいほど機械的強度が強いため、ベローズの内外圧力差は、最外郭に近づくほどに小さくするのが好ましい。また、ベローズの内外圧力差は、ベローズの設定耐力（４倍耐圧試験に合格した値）の４分の１以下とするのが好ましい。
【００４１】
この状態で、疲労試験その他の材料強度試験を実施した後、圧力容器１２０のガスを抜きつつ、ベローズ０２４ｃおよび０４３ｃのガスを抜き、ベローズの許容圧力の二倍になった時点で、ベローズ０２４ｂおよび０４３ｂのガス抜きを開始し、更に、ベローズの許容圧力になった時点で、ベローズ０２４ａおよび０４３ａのガス抜きを開始し、圧力容器１２０および第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０内の圧力が大気圧まで低下した後、圧力容器１２０を固定していたボルトを緩め、被検体を取り出すことができる。
【００４２】
ここで、圧力容器１２０内にロードセル０９０を設置する場合には、ロードセル０９０のハウジング内にも不活性ガスを吹き込むが、図２に示す例で説明すると、第２ガス供給手段０７０からは、第１ガス供給手段０６０から腐食性ガスを吹き込み高められた圧力容器１２０の内圧に同調するように、全てのベローズ０２４ａ、０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃ内ならびにロードセル０９０のハウジング内に不活性ガスが導入される。
【００４３】
その後、ベローズの許容圧力に達したときに、最外郭にあるベローズ０２４ａおよび０４３ａのみ不活性ガスの供給を停止する。更に、圧力容器１２０内の圧力を高めると共に、最外郭以外のベローズ０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ｂおよび０４３ｃならびにロードセル０９０のハウジング内には、圧力容器１２０の内圧に同調するように不活性ガスを供給し、ベローズの許容圧力の二倍に達したときに、外側から２番目のベローズ２４ｂおよび０４３ｂ内への不活性ガスの供給を停止し、更に、最内郭のベローズ０２４ｃおよび０４３ｃならびにロードセル０９０のハウジング内には圧力容器の内圧と同等の圧力になるように不活性ガスを供給し続ける。
【００４４】
この状態で、疲労試験その他の材料強度試験を実施した後、圧力容器１２０およびロードセル０９０のハウジング内のガスをそれぞれ抜きつつ、ベローズ０２４ｃおよび０４３ｃのガスを抜き、ベローズの許容圧力の二倍になった時点で、ベローズ０２４ｂおよび０４３ｂのガス抜きを開始し、更に、ベローズの許容圧力になった時点で、ベローズ０２４ａおよび０４３ａのガス抜きを開始し、圧力容器１２０、ロードセル０９０のハウジング内、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０内の圧力が大気圧まで低下した後、圧力容器１２０を固定していたボルトを緩め、被検体を取り出すことができる。
【００４５】
図２に示すように、本発明の高圧材料強度試験装置０１０においては、圧力容器１２０と圧力容器蓋１５０との間、圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１内、および、圧力容器蓋１５０と第１外部容器固定盤０２２との間には、それぞれＯリング１０１、１０２および１０３が配置されており、それぞれの部材間のシーリング性が確保されている。
【００４６】
なお、図２には示していないが、荷重負荷ロッド０３１の両端にはロードセルを設置するのが好ましい。それぞれの位置における応力をモニタリングしながら第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０への不活性ガスの供給を行って、荷重負荷手段０３０にかかる反力を効果的にキャンセルすることができる。
【００４７】
図２には、ガイド０２５および０４４が示されているが、これらは、それぞれ第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０が不必要に伸びたり、縮んだりしないようにするためのものである。図２の第２外部圧力容器０４０内には、下部ロッド０４５が示されているが、下部ロッド０４５はなくてもよい。但し、下部ロッド０４５が存在すると、第２外部圧力容器０４０の第２ベロ−ズ０４３の座屈を防止できる。
【００４８】
なお、試験時には、プルロッド１４０の動きに併せて、第１外部容器移動盤０２３が移動し、それによって第１外部圧力容器０２０の内圧が変化するが、その内圧の変動は、最大でも５％程度であり、Ｏリングの許容圧力未満である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、Ｏリングの容器側と外部側との圧力差が小さいため、Ｏリングが摩耗しにくく、腐食性ガス洩れを効果的に防止できると共に、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくい。また、仮に、Ｏリングが摩耗しても、腐食性ガスが外部に漏れないので、腐食性ガスとして水素ガスなどの可燃性ガスを用いる場合でも、材料強度試験を安全に実施することができる。更に、荷重負荷装置にかかる圧力を低減することができる。
【符号の説明】
【００５０】
０１０：本発明の高圧材料強度試験装置
０２０：第１外部圧力容器
０２１：貫通孔
０２２：第１外部容器固定盤
０２３：第１外部容器移動盤
０２４、０２４ａ、０２４ｂ、０２４ｃ：第１ベローズ
０２５：ガイド
０３０：荷重負荷手段
０３１：荷重負荷ロッド
０３２：荷重負荷手段固定アーム
０４０：第２外部圧力容器
０４１：第２外部容器固定盤
０４２：第２外部容器移動盤
０４３、０４３ａ、０４３ｂ、０４３ｃ：第２ベローズ
０４４：ガイド
０４５：下部ロッド
０５０：本体フレーム
０６０：第１ガス供給手段
０７０、０７０ａ、０７０ｂ、０７０ｃ：第２ガス供給手段
０８０：内圧制御手段
０９０：荷重測定手段（ロードセル）
１０１、１０２、１０３：Ｏリング
１１０：従来の高圧材料強度試験装置
１２０：圧力容器
１３０：支持部材
１３１：ガイド
１４０：プルロッド
１５０、１５０ａ：圧力容器蓋
１５１：貫通孔
１５２、１５３、１５４：Ｏリング
１６０：被検体
１７０：腐食性ガス供給管（第１のガス供給手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス環境下で用いられる材料の強度試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素および酸素を燃料とし、ＣＯ２、ＮＯＸ、ＳＯＸ等の有害物質を排出することなく、電気動力を得ることができるため、地球環境問題の解決に有力な技術であり、最近では自動車の動力源としてその使用が拡大されつつある。更なる発展を遂げるためには、エネルギー源としての水素を省スペースで、できる限り多く貯蔵することが必要であり、水素ガスの貯蔵用容器、配管、注入用バルブ等の各種機器に高圧の水素環境における耐食性に優れた材料が求められている。
【０００３】
このような状況下で、我が国では、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）において、水素先端科学基礎研究事業として、水素脆化等の基礎原理の解明、その対策等の検討が数多く行われている。
【０００４】
しかし、高圧水中での引張強度試験機、低圧の腐食性ガス環境下での疲労強度試験機などは知られているが、高圧の腐食ガス環境下での引張強度、疲労強度などを試験するための装置については、ほとんど検討されていない。
【０００５】
特許文献１には、荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷用ロッドの試験片側と反対側の端部に、バランス用ピストンを連結した流体シリンダが配置されている機械的特性試験装置に関する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７８４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１は、従来の高圧材料強度試験装置を示す模式図である。図１に示すように、従来の高圧材料強度試験装置１１０は、被検体１６０を収容する圧力容器１２０と、被検体１６０の一端を支持する支持部材１３０と、被検体１６０の他端を支持し、被検体１６０に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッド１４０と、プルロッド１４０の移動を制御する荷重負荷手段（図示省略）と、プルロッド１４０を挿入するための貫通孔１５１を有する圧力容器蓋１５０と、圧力容器１２０内に腐食性ガスを供給するための腐食性ガス供給管１７０とを有する装置である。
【０００８】
この装置においては、まず、被検体１６０が支持部材１３０およびプルロッド１４０に固定された状態で、圧力容器１２０を圧力容器蓋１５０の上に被せ、ボルトを締め付けることにより圧力容器１２０内を密閉し、図１に示される状態とされる。その後、腐食性ガス供給管１７０から水素ガスその他の腐食性ガスを圧力容器１２０内に導入し、所望の試験圧力まで容器の内圧を高め、その状態を維持したままで、疲労試験その他の材料試験が行われる。
【０００９】
なお、本願では、水素ガスが金属材料等を劣化させることから広義の意味で腐食性ガスに水素ガスを含むものとする。
【００１０】
このとき、圧力容器１２０と圧力容器蓋１５０との間および圧力容器蓋１５０とプルロッド１４０との間のシール性は、それぞれシール部材としてのＯリング１５２、１５３および１５４により確保されている。そして、試験中にはＯリング１５３の容器側と外気側との間の圧力差が大きくなるが、そのような状態で、プルロッド１４０が圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１内を移動するため、Ｏリング１５３は摩耗し、長時間の使用により圧力容器１２０の内圧を維持できなくなる。また、特に、水素ガスは、分子量が小さいために微小な隙間からでも漏洩しやすく、しかも、圧力容器１２０の外部に漏洩した場合には爆発の危険性もある。更に、Ｏリングだけでシール性を確保する構成では、圧力容器１２０内圧の更なる高圧化を実現するのは困難である。このような問題は、引張および圧縮を０．００１Hz〜１０Hz程度で行う必要がある疲労試験において顕著となる。
【００１１】
特許文献１に記載された機械的特性試験装置は、荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷ロッドの試験片側と反対側の端部に、バランス用ピストンを連結した流体シリンダを配置することによって、圧力容器の荷重負荷ロッドのシール箇所を一箇所とし、且つ圧力容器の外に荷重負荷ロッドのバランス取りを配置したので、試験片の取り付け空間を確保できるというものである。しかし、この機械的特性試験装置における圧力容器のシール性は、Ｏリングなどのシール部材でのみ確保されるものであるため、上記の問題がある。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくく、Ｏリングに負荷される圧力差を小さくして、腐食性ガスのリークを防止すると共に、Ｏリングを長寿命化し、仮に、Ｏリングが摩耗しても、腐食性ガスが外部に漏れず、更に、荷重負荷装置にかかる圧力を低減することができる高圧材料強度試験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】
【００１３】
上記の課題を解決する方法としては、例えば、高圧材料強度試験装置全体を密閉容器に収容し、この密閉容器内を加圧する方法が考えられるが、このような方法では装置の大型化を余儀なくされる。一方で、プルロッドの移動を妨げる方法で圧力容器蓋の周辺をシールすることはできない。
【００１４】
本発明者らは、このような状況下で、熱膨張が避けられない部分などに用いられているベローズ（伸縮性管）に着目し、実験を重ねた結果、ベローズで圧力容器蓋の外部とプルロッドの一部を覆い、圧力容器の外部に別途の圧力容器を形成し、同容器内に圧力容器内の圧力とほぼ同等の圧力となるように不活性ガスを送り込むことにより、圧力容器内の腐食性ガスの漏洩を防止することができることを見出した。
【００１５】
しかし、市販のベローズは、伸縮する蛇腹状の部分の強度が低くなるため、許容圧力がそれほど大きくない。このため、市販のベローズをそのまま使用したのでは、材料強度試験器の圧力容器内を更に高圧化した場合には内部ガス漏れのおそれがある。
【００１６】
そこで、本発明者らは、外部圧力容器が内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して構成され、それぞれのベローズに不活性ガスを別個独立に送り込み、各ベローズ間の差圧がベローズの許容圧力以下となるように調整することにより、更なる高圧下に対応できることを確認した。
【００１７】
本発明者らは、更に、荷重負荷装置に負荷される圧力についても検討した。例えば、圧力容器内に水素ガスを吹き込み、内圧を７１ＭＰａとし、一方、外部圧力容器として１０重のベロ−ズを用いた場合、本体フレ−ムに約９００ｋＮの力が付与されることになる。この力を特許文献１に示されるような流体シリンダを用いてキャンセルしようとすると、装置の大型化が余儀なくされる。そこで、上述の外部圧力容器と同じ構成の外部圧力容器を荷重負荷ロッドの反対側に設置して付加される力をキャンセルすることで、荷重負荷装置として、約９００ｋＮという大容量のものでなく、約２００ｋＮという小容量のものでも十分に使用可能であることを見出した。
【００１８】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の（１）に示す高圧材料強度試験装置を要旨としている。
【００１９】
（１）被検体を収容する圧力容器と、前記被検体の一端を支持する支持部材と、前記被検体の他端を支持し、前記被検体に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッドと、前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有する圧力容器蓋と、前記プルロッドと前記圧力容器蓋または前記第１外部容器固定盤の貫通孔との間をシールするシール部材と、前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有し、前記圧力容器蓋に固定された第１外部容器固定盤と、前記プルロッドの前記被検体の支持端とは反対端に固定された第１外部容器移動盤と、前記第１外部容器固定盤と前記第１外部容器移動盤との間に第１のベローズを固定した第１外部圧力容器と、荷重負荷ロッドを備える荷重負荷手段と、第２外部容器固定盤と第２外部容器移動盤との間に第２のベローズを固定した第２外部圧力容器と、前記圧力容器蓋、前記荷重負荷手段および前記第２外部容器固定盤をそれぞれ固定する本体フレームと、前記圧力容器内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段と、前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段と、前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段と、を有する高圧材料強度試験装置であって、前記荷重負荷ロッドの一端が前記第１外部容器移動盤に、他端が前記第２外部容器移動盤に固定されていることを特徴とする高圧材料強度試験装置。
【００２０】
（２）前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器が内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して構成され、前記第２ガス供給手段が前記それぞれの外部圧力容器のベローズ毎に不活性ガスを送り込む機構を有する上記（１）の高圧材料強度試験装置。
【００２１】
（３）前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器のいずれのベローズにおいても、前記各ベローズ間の圧力差が前記ベローズの許容圧力差以下であり、且つ外側の前記ベローズの内圧が内側の前記ベローズの内圧以下であるように制御しつつ、前記第１外部圧力容器および前記第２の外部圧力容器の最内郭の前記ベローズの内圧を前記圧力容器の内圧に同調させて上昇または低下させる上記（２）の高圧材料強度試験装置。
【００２２】
（４）更に、前記支持部材に取り付けられたロードセルを有し、前記第２ガス供給手段が、前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加え、更に、前記ロードセルのハウジング内にも加圧した不活性ガスを送り込む構成を有し、前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器に加え、更に、前記ロードセルのハウジングの内圧をも同調させて上昇または低下させる構成を有する上記（１）〜（３）のいずれかの高圧材料強度試験装置。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、シール部材のＯリングの容器側と外部側との圧力差が小さいため、Ｏリングが摩耗しにくく、腐食性ガス洩れを効果的に防止できると共に、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくい。また、仮に、Ｏリングが摩耗しても、腐食性ガスが外部に漏れないので、腐食性ガスとして水素ガスなどの可燃性ガスを用いる場合でも、材料強度試験を安全に実施することができる。更に、荷重負荷装置にかかる圧力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の高圧材料強度試験装置を示す模式図
【図２】本発明に係る高圧材料強度試験装置を例示した模式図
【図３】本発明に係る高圧材料強度試験装置の設定方法を示す模式図 （ａ）被検体を設置する前の状態 （ｂ）被検体を設置した状態 （ｃ）圧力容器を設置した状態
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、本発明に係る高圧材料強度試験装置を例示した模式図である。図２に示すように、本発明の高圧材料強度試験装置０１０は、被検体１６０を収容する圧力容器１２０と、被検体１６０の一端を支持する支持部材１３０と、被検体１６０の他端を支持し、被検体１６０に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッド１４０と、プルロッド１４０を挿入するための貫通孔１５１を有する圧力容器蓋１５０と、プルロッド１４０を挿入するための貫通孔０２１を有し、圧力容器蓋１５０に固定された第１外部容器固定盤０２２と、プルロッド１４０と圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１との間をシールするシール部材（Ｏリング１０２）と、プルロッド１４０の被検体１６０の支持端とは反対端に固定された第１外部容器移動盤０２３と、第１外部容器固定盤０２２と第１外部容器移動盤０２３との間に第１ベローズ０２４を固定した第１外部圧力容器０２０と、荷重負荷ロッド０３１を備える荷重負荷手段０３０と、第２外部容器固定盤０４１と第２外部容器移動盤０４２との間に第２ベローズ０４３を固定した第２外部圧力容器０４０と、圧力容器蓋１５０、荷重負荷手段０３０および第２外部容器固定盤０４０をそれぞれ固定する本体フレーム０５０と、圧力容器１２０内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段０６０と、第１外部圧力容器０２０内および第２外部容器０４０内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段０７０と、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０および圧力容器１２０の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段０８０とを備える装置である。
【００２６】
なお、図２では、シール部材（Ｏリング１０２）が、プルロッド１４０と圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１との間をシールする場合の例を示しているが、シール部材（Ｏリング１０２）は、プルロッド１４０と第１外部容器固定盤０２２の貫通孔０２１との間をシールするような構成としても良い。
【００２７】
この装置においては、荷重負荷ロッド０３１の一端が第１外部容器移動盤０２３に、他端が第２外部容器移動盤０４２に固定されているので、荷重負荷手段０３０に負荷される力をキャンセルすることができるので、比較的小容量の荷重負荷手段０３０を使用することができる。なお、第１外部容器移動盤０２３および第２外部容器移動盤０４２のサイズは、特に制約はないが、それぞれの外部圧力容器内の圧力の計算を用意するには、それらの面積をほぼ同一とすることが好ましい。
【００２８】
第１外部圧力容器０２０において、プルロッド１４０と第１外部容器移動板０２３との固定、第１外部容器固定板０２２およびベローズ０２４との固定、第１外部容器移動板０２３とベローズとの固定、第１外部容器固定板０２２と圧力容器蓋１５０との固定は、いずれも、溶接、または、ボルトおよびＯリング等のシール材との組み合わせを採用することができる。この点、第２外部圧力容器０４０において、第２外部容器固定板０４１およびベローズ０４３との固定、第２外部容器移動板０４２とベローズとの固定、第２外部容器固定板０４１と本体フレーム０５０との固定も同様である。
【００２９】
なお、図２には、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０ともに、径が異なる３つのベローズ０２４ａ、０２４ｂおよび０２４ｃならびにベローズ０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃをそれぞれ同心円に設置した例が示されているが、このような態様に限定されることはない。ベローズの数は、ベローズの許容圧力と圧力容器の内圧との関係で決定される。例えば、許容圧力が９ＭＰａのベローズを用いることを想定すると、圧力容器の内圧が９ＭＰａ以下に設定して材料強度試験を行う場合には、ベローズは一つだけで良く、それより高い圧力下での材料強度試験を行う場合には、ベローズを複数個設置することが必要である。
【００３０】
そして、内圧制御手段０８０は、第１ガス供給手段および第２ガス供給手段の供給量を調整する。具体的には、内圧制御手段０８０は、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０のいずれのベローズ０２４、０４３においても、各ベローズ間（第１外部圧力容器０２０においては、ベローズ０２４ａ、０２４ｂおよび０２４ｃの間、第２外部容器０４０においては、ベローズ０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃの間）の圧力差がベローズの許容圧力差以下であり、且つ外側のベローズ（例えば、第１外部圧力容器０２０のベローズ０２４ａ）の内圧が内側のベローズ（例えば、第１外部圧力容器０２０のベローズ０２４ｂ）の内圧以下であるように制御する。そして、内圧制御手段０８０は、第１外部圧力容器０２０および第２の外部圧力容器０４０の最内郭のベローズ０２４ｃ、０４３ｃの内圧を圧力容器１２０の内圧に同調させて上昇または低下させることが好ましい。
【００３１】
本発明に係る高圧材料強度試験装置０１０においては、圧力容器１２０の周囲にヒータを設置して圧力容器内の温度を調整できるような機構を設けることができる。また、圧力容器１２０内には、必要に応じて、変位計、荷重計、温度計等の計測器を設置することができる。図２には、ロードセル０９０を設置した例を示しているが、ロードセル０９０は設置しなくても良い。ただし、プルロッド１４０がＯリング１０２に摺動するため、荷重負荷手段０３０の圧力と被検体１６０にかかる荷重とに差異が生じる場合があるので、ロードセル０９０を設置し、被検体１６０にかかる荷重を正確に測定するのが好ましい。
【００３２】
ロードセル０９０を設置する場合には、第２ガス供給手段０７０が、第２ガス供給手段０７０ａ、０７０ｂ、０７０ｃを介して、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０およびロードセル０９０（具体的には、ロードセル０９０のハウジング）に、加圧した不活性ガスを送り込む構成を有し、内圧制御手段０８０が、第１外部圧力容器０２０、第２外部容器０４０および圧力容器１２０に加え、更に、ロードセル０９０のハウジングの内圧をも同調させて上昇または低下させる構成を有しているのが好ましい。このような構成にすることで、圧力容器１２０の内圧でロードセル０９０が故障するのを防止でき、また、ロードセル０９０の測定部が腐食性ガスに曝されるのを防止できる。
【００３３】
図３は、本発明に係る高圧材料強度試験装置の設定方法を示す模式図であり、（ａ）は被検体を設置する前の状態、（ｂ）は被検体を設置した状態、（ｃ）は圧力容器を設置した状態をそれぞれ示している。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、本発明に係る高圧材料強度試験装置においては、被検体１６０を設置する前においては、支持部材１３０がガイド１３１を介して圧力容器蓋１５０に固定されており、圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１にはプルロッド１４０が挿入されている。そして、図３（ｂ）に示すように、支持部材１３０およびプルロッド１４０に被検体１６０を固定した後、図３（ｃ）に示すように、圧力容器１２０を圧力容器蓋１５０の上に被せ、ボルト１８０を締め付けることにより圧力容器１２０内を密閉し、図２に示される状態とする。
【００３５】
その後、第１ガス供給手段０６０から水素ガスその他の腐食性ガスを圧力容器１２０内に導入するとともに、圧力容器１２０の圧力に同調するように、第２ガス供給手段０７０からアルゴンガスその他の不活性ガスを第１外部圧力容器０２０内および第２外部圧力容器０４０内、更に、ロードセル０９０を設ける場合には、そのハウジング内に導入する。そして、圧力容器の内圧を所定圧力まで高めた後、その状態を維持したまま、疲労試験その他の材料試験が行われる。
【００３６】
ここで、圧力容器１２０内にベローズ０２４、０４３の許容圧力を超える腐食ガスを導入する場合には、例えば、内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して第１外部内圧容器０２０および第２外部圧力容器０４０を構成し、第２のガス供給手段０７０がベローズ毎にベローズの許容圧力以下の圧力で不活性ガスを送り込む機構を有する装置を用いるのがよい。なお、図２の例では、最外郭のベローズ０２４ａおよび０４３ａに不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段０７０ａおよび０７０ｂだけを図示し、他のベローズ０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ｂおよび０４３ｃに不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段の図示を省略している。ベローズの数が増えると、それだけ第２ガス供給手段の配管も増えることになる。
【００３７】
図２に示す３個のベローズを用いる例で説明すると、第２ガス供給手段０７０からは、第１ガス供給手段０６０から腐食性ガスを吹き込み高められた圧力容器１２０の内圧に同調するように、全てのベローズ０２４ａ、０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃ内に不活性ガスが導入される。
【００３８】
その後、ベローズの許容圧力に達したときに、最外郭にあるベローズ０２４ａおよび０４３ａのみ不活性ガスの供給を停止する。更に、圧力容器１２０内の圧力を高めると共に、最外郭以外のベローズ０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ｂおよび０４３ｃには、圧力容器１２０の内圧に同調するように不活性ガスを供給し、ベローズの許容圧力の二倍に達したときに、外側から２番目のベローズ０２４ｂおよび０４３ｂ内への不活性ガスの供給を停止し、更に、最内郭のベローズ０２４ｃおよび０４３ｃには圧力容器の内圧と同等の圧力になるように不活性ガスを供給し続ける。
【００３９】
このように不活性ガスを導入すれば、ベローズ０２４ａまたは０４３ａの内外圧力差、ベローズ０２４ｂまたは０４３ｂの内外圧力差およびベローズ０２４ｃまたは０４３ｃの内外圧力差を、常にベローズの許容圧力以下とすることができるため、ベローズが破損することなく、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０内の圧力（実際には、最内郭のベローズ０２４ｃおよび０４３ｃ内の圧力）を、圧力容器１２０の内圧と同じ圧力に維持することができる。即ち、Ｎ個のベローズを同心円状に配置した外部圧力容器を用いれば、理論上、ベローズの許容圧力のＮ倍までの圧力に対応できる。
【００４０】
なお、実際には、同一材質のベローズの場合、内径が小さいほど機械的強度が強いため、ベローズの内外圧力差は、最外郭に近づくほどに小さくするのが好ましい。また、ベローズの内外圧力差は、ベローズの設定耐力（４倍耐圧試験に合格した値）の４分の１以下とするのが好ましい。
【００４１】
この状態で、疲労試験その他の材料強度試験を実施した後、圧力容器１２０のガスを抜きつつ、ベローズ０２４ｃおよび０４３ｃのガスを抜き、ベローズの許容圧力の二倍になった時点で、ベローズ０２４ｂおよび０４３ｂのガス抜きを開始し、更に、ベローズの許容圧力になった時点で、ベローズ０２４ａおよび０４３ａのガス抜きを開始し、圧力容器１２０および第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０内の圧力が大気圧まで低下した後、圧力容器１２０を固定していたボルトを緩め、被検体を取り出すことができる。
【００４２】
ここで、圧力容器１２０内にロードセル０９０を設置する場合には、ロードセル０９０のハウジング内にも不活性ガスを吹き込むが、図２に示す例で説明すると、第２ガス供給手段０７０からは、第１ガス供給手段０６０から腐食性ガスを吹き込み高められた圧力容器１２０の内圧に同調するように、全てのベローズ０２４ａ、０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ａ、０４３ｂおよび０４３ｃ内ならびにロードセル０９０のハウジング内に不活性ガスが導入される。
【００４３】
その後、ベローズの許容圧力に達したときに、最外郭にあるベローズ０２４ａおよび０４３ａのみ不活性ガスの供給を停止する。更に、圧力容器１２０内の圧力を高めると共に、最外郭以外のベローズ０２４ｂ、０２４ｃ、０４３ｂおよび０４３ｃならびにロードセル０９０のハウジング内には、圧力容器１２０の内圧に同調するように不活性ガスを供給し、ベローズの許容圧力の二倍に達したときに、外側から２番目のベローズ２４ｂおよび０４３ｂ内への不活性ガスの供給を停止し、更に、最内郭のベローズ０２４ｃおよび０４３ｃならびにロードセル０９０のハウジング内には圧力容器の内圧と同等の圧力になるように不活性ガスを供給し続ける。
【００４４】
この状態で、疲労試験その他の材料強度試験を実施した後、圧力容器１２０およびロードセル０９０のハウジング内のガスをそれぞれ抜きつつ、ベローズ０２４ｃおよび０４３ｃのガスを抜き、ベローズの許容圧力の二倍になった時点で、ベローズ０２４ｂおよび０４３ｂのガス抜きを開始し、更に、ベローズの許容圧力になった時点で、ベローズ０２４ａおよび０４３ａのガス抜きを開始し、圧力容器１２０、ロードセル０９０のハウジング内、第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０内の圧力が大気圧まで低下した後、圧力容器１２０を固定していたボルトを緩め、被検体を取り出すことができる。
【００４５】
図２に示すように、本発明の高圧材料強度試験装置０１０においては、圧力容器１２０と圧力容器蓋１５０との間、圧力容器蓋１５０の貫通孔１５１内、および、圧力容器蓋１５０と第１外部容器固定盤０２２との間には、それぞれＯリング１０１、１０２および１０３が配置されており、それぞれの部材間のシーリング性が確保されている。
【００４６】
なお、図２には示していないが、荷重負荷ロッド０３１の両端にはロードセルを設置するのが好ましい。それぞれの位置における応力をモニタリングしながら第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０への不活性ガスの供給を行って、荷重負荷手段０３０にかかる反力を効果的にキャンセルすることができる。
【００４７】
図２には、ガイド０２５および０４４が示されているが、これらは、それぞれ第１外部圧力容器０２０および第２外部圧力容器０４０が不必要に伸びたり、縮んだりしないようにするためのものである。図２の第２外部圧力容器０４０内には、下部ロッド０４５が示されているが、下部ロッド０４５はなくてもよい。但し、下部ロッド０４５が存在すると、第２外部圧力容器０４０の第２ベロ−ズ０４３の座屈を防止できる。
【００４８】
なお、試験時には、プルロッド１４０の動きに併せて、第１外部容器移動盤０２３が移動し、それによって第１外部圧力容器０２０の内圧が変化するが、その内圧の変動は、最大でも５％程度であり、Ｏリングの許容圧力未満である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、Ｏリングの容器側と外部側との圧力差が小さいため、Ｏリングが摩耗しにくく、腐食性ガス洩れを効果的に防止できると共に、長時間使用しても圧力容器の内圧が変化しにくい。また、仮に、Ｏリングが摩耗しても、腐食性ガスが外部に漏れないので、腐食性ガスとして水素ガスなどの可燃性ガスを用いる場合でも、材料強度試験を安全に実施することができる。更に、荷重負荷装置にかかる圧力を低減することができる。
【符号の説明】
【００５０】
０１０：本発明の高圧材料強度試験装置
０２０：第１外部圧力容器
０２１：貫通孔
０２２：第１外部容器固定盤
０２３：第１外部容器移動盤
０２４、０２４ａ、０２４ｂ、０２４ｃ：第１ベローズ
０２５：ガイド
０３０：荷重負荷手段
０３１：荷重負荷ロッド
０３２：荷重負荷手段固定アーム
０４０：第２外部圧力容器
０４１：第２外部容器固定盤
０４２：第２外部容器移動盤
０４３、０４３ａ、０４３ｂ、０４３ｃ：第２ベローズ
０４４：ガイド
０４５：下部ロッド
０５０：本体フレーム
０６０：第１ガス供給手段
０７０、０７０ａ、０７０ｂ、０７０ｃ：第２ガス供給手段
０８０：内圧制御手段
０９０：荷重測定手段（ロードセル）
１０１、１０２、１０３：Ｏリング
１１０：従来の高圧材料強度試験装置
１２０：圧力容器
１３０：支持部材
１３１：ガイド
１４０：プルロッド
１５０、１５０ａ：圧力容器蓋
１５１：貫通孔
１５２、１５３、１５４：Ｏリング
１６０：被検体
１７０：腐食性ガス供給管（第１のガス供給手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を収容する圧力容器と、
前記被検体の一端を支持する支持部材と、
前記被検体の他端を支持し、前記被検体に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッドと、
前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有する圧力容器蓋と、
前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有し、前記圧力容器蓋に固定された第１外部容器固定盤と、
前記プルロッドと前記圧力容器蓋または前記第１外部容器固定盤の貫通孔との間をシールするシール部材と、
前記プルロッドの前記被検体の支持端とは反対端に固定された第１外部容器移動盤と、
前記第１外部容器固定盤と前記第１外部容器移動盤との間に第１のベローズを固定した第１外部圧力容器と、
荷重負荷ロッドを備える荷重負荷手段と、
第２外部容器固定盤と第２外部容器移動盤との間に第２のベローズを固定した第２外部圧力容器と、
前記圧力容器蓋、前記荷重負荷手段および前記第２外部容器固定盤をそれぞれ固定する本体フレームと、
前記圧力容器内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段と、
前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段と、
前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段と、
を有する高圧材料強度試験装置であって、
前記荷重負荷ロッドの一端が前記第１外部容器移動盤に、他端が前記第２外部容器移動盤に固定されていることを特徴とする高圧材料強度試験装置。
【請求項２】
前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器が内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して構成され、前記第２ガス供給手段が前記それぞれの外部圧力容器のベローズ毎に不活性ガスを送り込む機構を有することを特徴とする請求項１に記載の高圧材料強度試験装置。
【請求項３】
前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器のいずれのベローズにおいても、前記各ベローズ間の圧力差が前記ベローズの許容圧力差以下であり、且つ外側の前記ベローズの内圧が内側の前記ベローズの内圧以下であるように制御しつつ、前記第１外部圧力容器および前記第２の外部圧力容器の最内郭の前記ベローズの内圧を前記圧力容器の内圧に同調させて上昇または低下させることを特徴とする請求項２に記載の高圧材料強度試験装置。
【請求項４】
更に、前記支持部材に取り付けられたロードセルを有し、
前記第２ガス供給手段が、前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加え、更に、前記ロードセルのハウジング内にも加圧した不活性ガスを送り込む構成を有し、
前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器に加え、更に、前記ロードセルのハウジングの内圧をも同調させて上昇または低下させる構成を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の高圧材料強度試験装置。
【請求項１】
被検体を収容する圧力容器と、
前記被検体の一端を支持する支持部材と、
前記被検体の他端を支持し、前記被検体に引張又は圧縮の応力を与えるプルロッドと、
前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有する圧力容器蓋と、
前記プルロッドを挿入するための貫通孔を有し、前記圧力容器蓋に固定された第１外部容器固定盤と、
前記プルロッドと前記圧力容器蓋または前記第１外部容器固定盤の貫通孔との間をシールするシール部材と、
前記プルロッドの前記被検体の支持端とは反対端に固定された第１外部容器移動盤と、
前記第１外部容器固定盤と前記第１外部容器移動盤との間に第１のベローズを固定した第１外部圧力容器と、
荷重負荷ロッドを備える荷重負荷手段と、
第２外部容器固定盤と第２外部容器移動盤との間に第２のベローズを固定した第２外部圧力容器と、
前記圧力容器蓋、前記荷重負荷手段および前記第２外部容器固定盤をそれぞれ固定する本体フレームと、
前記圧力容器内に加圧した腐食性ガスを送り込む第１ガス供給手段と、
前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加圧した不活性ガスを送り込む第２ガス供給手段と、
前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器の内圧を同調させて上昇または低下させる内圧制御手段と、
を有する高圧材料強度試験装置であって、
前記荷重負荷ロッドの一端が前記第１外部容器移動盤に、他端が前記第２外部容器移動盤に固定されていることを特徴とする高圧材料強度試験装置。
【請求項２】
前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器が内径の異なる複数のベローズを同心円状に配置して構成され、前記第２ガス供給手段が前記それぞれの外部圧力容器のベローズ毎に不活性ガスを送り込む機構を有することを特徴とする請求項１に記載の高圧材料強度試験装置。
【請求項３】
前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器および前記第２外部圧力容器のいずれのベローズにおいても、前記各ベローズ間の圧力差が前記ベローズの許容圧力差以下であり、且つ外側の前記ベローズの内圧が内側の前記ベローズの内圧以下であるように制御しつつ、前記第１外部圧力容器および前記第２の外部圧力容器の最内郭の前記ベローズの内圧を前記圧力容器の内圧に同調させて上昇または低下させることを特徴とする請求項２に記載の高圧材料強度試験装置。
【請求項４】
更に、前記支持部材に取り付けられたロードセルを有し、
前記第２ガス供給手段が、前記第１外部圧力容器内および前記第２外部容器内に加え、更に、前記ロードセルのハウジング内にも加圧した不活性ガスを送り込む構成を有し、
前記内圧制御手段が、前記第１外部圧力容器、前記第２外部容器および前記圧力容器に加え、更に、前記ロードセルのハウジングの内圧をも同調させて上昇または低下させる構成を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の高圧材料強度試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２２３８６９（Ｐ２０１０−２２３８６９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７３６２８（Ｐ２００９−７３６２８）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（５９２２４４３７６）住友金属テクノロジー株式会社 (43)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（５９２２４４３７６）住友金属テクノロジー株式会社 (43)
【Ｆターム（参考）】
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