JP2016133448A - 熱荷重試験装置及び熱荷重試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の熱荷重試験装置は、試験片に荷重を付与しながら、試験片の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせることができる。
【解決手段】熱荷重試験装置１は、軸線Ｏに沿って延びる中空部１１を有する筒状をなす試験片１０に対して、軸線Ｏ方向に荷重を付与する荷重付与部２と、中空部１１に冷却流体を流通させる冷却流体供給部３と、試験片１０を周方向全域から取り囲むように複数配置された赤外線源４２により、試験片１０を加熱する赤外線イメージ炉４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱荷重試験装置及び熱荷重試験方法に関する。

ガスタービンでは、その効率を向上させるために、使用するガスの温度を高く設定している。このような高温のガスに晒される動翼や静翼のようなタービン部材には、その表面に遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ：ＴＢＣ）が施されている。ＴＢＣとは、被溶射物であるタービン部材の表面に、溶射により熱伝導率の小さい溶射材（例えば、熱伝導率の小さいセラミックス系材料）を被覆した被膜であり、タービン部材の遮熱性及び耐久性を向上させている。

高温のガスに曝されているタービン部材では、ＴＢＣの表面とタービン部材の表面との温度差による熱応力が生じるとともに、遠心力等の大きな荷重が重畳することで、ＴＢＣが剥離することがある。そのため、タービン部材の信頼性を確保するためにも、ＴＢＣの剥離評価を行う必要がある。剥離評価の方法としては、例えば、ＴＢＣが施された試験片に、荷重を付与しながらＴＢＣの表面を加熱することで、高温のガスに曝されたタービン部材を模擬する方法が用いられている。このような方法では、荷重を付与しながら試験片を加熱する装置が使用される。

荷重を付与しながら試験片を加熱する装置としては、例えば、特許文献１に開示されている応力付与観察装置が挙げられる。特許文献１に開示の応力付与観察装置は、外部から観察可能な窓付きの赤外線集光加熱炉内で、試験片である試験材料をヒータによって加熱しながら、引張または圧縮応力を加える。これにより、この応力付与観察装置では、高温環境下で試験材料に応力を付与させながら、試験材料の観察を行うことができる。

特開２００１−１６５８７９号公報

ところで、ＴＢＣが施されたタービン部材では、ＴＢＣの遮熱効果によってＴＢＣの表面とタービン部材の内部との間に数百度の大きな温度差を生じる。しかしながら、特許文献１に記載の応力付与観察装置のように、試験片の表面を加熱するだけでは、試験片の表面と内部との間に数百度もの大きな温度差を生じさせることが難しい。そのため、試験片の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせた評価試験を実施したいという要望がある。

本発明は、上記要望を解決するためになされたものであって、試験片に荷重を付与しながら、試験片の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせることが可能な熱荷重試験装置及び熱荷重試験方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様に係る熱荷重試験装置は、軸線に沿って延びる中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記軸線方向に荷重を付与する荷重付与部と、前記中空部に冷却流体を流通させる冷却流体供給部と、前記試験片を周方向全域から取り囲んで複数配置された赤外線源により、前記試験片を加熱する赤外線イメージ炉と、を備える。

このような構成によれば、冷却流体供給部から冷却流体を中空部に流通させるとともに、赤外線イメージ炉によって試験片を周方向全域から加熱することができる。したがって、試験片の内部が冷却された状態で表面を加熱することができ、試験片の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせることができる。そして、大きな温度差を生じさせながら、荷重付与部で軸線方向に荷重を付与することで、試験片に対して大きな熱流束を生じさせた状態で、荷重を重畳させることができる。

また、上記熱荷重試験装置では、前記試験片の温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部による測定結果に基づいて、前記赤外線イメージ炉に対して前記試験片を加熱する加熱量の調整制御を行う制御部とを備えていてもよい。

このような構成によれば、温度測定部によって測定した試験片の温度の測定結果に基づいて、試験片を加熱する加熱量を調整制御することで、試験片の温度状態に合わせて試験片を加熱することができる。したがって、試験片の表面のみが加熱され、試験片の内部が十分に加熱されていない等の意図しない温度状態となっている試験片に荷重を付与して試験をしてしまうことを抑制し、効率的に試験を実施することができる。

また、上記熱荷重試験装置では、前記制御部は、前記温度測定部による測定結果に基づいて、前記赤外線イメージ炉による加熱量の変化率と前記荷重付与部による前記荷重の変化率とを同期させていてもよい。

このような構成によれば、同期部によって、試験片の温度状態に応じて、加熱量の変化量と荷重の変化率とを同期させて調整することができる。これにより、試験片の温度状態を高い精度で調整しながら、意図した荷重を重畳させることができる。したがって、より効率的に試験を実施することができる。

また、本発明の第二の態様に係る熱荷重試験方法では、軸線に沿って延びる中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記軸線方向に荷重を付与する荷重付与工程と、前記荷重付与工程とともに実施され、前記中空部に冷却流体を流通させる冷却流体供給工程と、前記冷却流体供給工程ととともに実施され、赤外線イメージ炉によって前記試験片を周方向全域から取り囲むように複数配置された赤外線源により、前記試験片を加熱する赤外線加熱工程とを含む。

このような構成によれば、冷却流体供給工程で冷却流体を中空部に流通させるとともに、赤外線加熱工程で試験片を周方向全域から加熱することができる。したがって、試験片の内部が冷却された状態で表面を加熱することができ、試験片の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせることができる。そして、大きな温度差を生じさせながら、荷重付与工程で軸線方向に荷重を付与することで、試験片に対して大きな熱流束を生じさせた状態で、荷重を重畳させることができる。

また、上記熱荷重試験方法では、前記試験片の温度を測定する温度測定固定と、前記温度測定工程で測定した前記試験片の温度に基づいて、前記試験片を加熱する加熱量の変化率と前記試験片に付与する前記荷重の変化率とを同期する同期工程とを有していてもよい。

このような構成によれば、同期工程によって、試験片の温度状態に応じて、加熱量の変化量と荷重の変化率とを同期させて調整することができる。これにより、試験片の温度状態を高い精度で調整しながら、意図した荷重を重畳させることができる。したがって、より効率的に試験を実施することができる。

本発明の熱荷重試験装置及び熱荷重試験方法によれば、中空部に冷却流体を流通させながら赤外線イメージ炉で試験片を加熱することで、試験片に荷重を付与しながら、試験片の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせることができる。

本発明の実施形態における熱荷重試験装置の概略を示す模式図である。 本発明の実施形態における赤外線イメージ炉の概略を示す断面図である。 本発明の実施形態における赤外線イメージ炉の外観を示す模式図である。 本発明の実施形態における試験片の温度、赤外線ランプの出力、荷重付与部で付与する荷重及び時間との関係を示すグラフであって、同図（ａ）は、試験片の温度の変化率を示すグラフであり、同図（ｂ）は、赤外線ランプの出力の変化率を示すグラフであり、同図（ｃ）は、荷重付与部で付与する荷重の変化率を示すグラフである。 本発明の実施形態における熱荷重試験装方法を示すフロー図である。

以下、本発明に係る実施形態について図１から図５を参照して説明する。
熱荷重試験装置１は、試験片１０の内部を冷却するとともに表面を加熱しながら荷重を負荷することで、試験片１０に対して表面と内部との間に高い熱流束を生じさせながら荷重を重畳させる。熱荷重試験装置１では、軸線Ｏに沿って延びる中空部１１を有する筒状の試験片１０を用いる。本実施形態の熱荷重試験装置１は、図１に示すように、試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を付与する荷重付与部２と、中空部１１に冷却流体を流通させる冷却流体供給部３と、赤外線ランプ（赤外線源）４２により試験片１０を加熱する赤外線イメージ炉４と、試験片１０の温度を測定する温度測定部５と、温度測定部５による測定結果に基づいて、試験片１０を加熱する加熱量の調整制御を行う制御部６とを備えている。

本実施形態で用いられる試験片１０は、内部に貫通孔として中空部１１が形成された棒状部材である。試験片１０は、断面円形状をなす中空部１１が軸線Ｏと直交する断面の中心を軸線Ｏ方向に貫通している。試験片１０は、その断面形状が軸線Ｏ方向の中央部分に比べて両端部分が大きな外径を有する円形状をなしている。試験片１０の軸線Ｏ方向の中央部分は、荷重を付与された際に変形する部分であり、赤外線ランプ４２によって均一に加熱される。試験片１０の両端部分は、荷重付与部２によって支持される。本実施形態では、例えば、試験片１０の中央部分は、全長に対して１／５程度の長さとなるように形成される。試験片１０は、表面に所定の厚みのＴＢＣが施されている。本実施形態で試験片１０に施されるＴＢＣの厚みは、評価するＴＢＣの条件に応じて任意の厚みに設定される。

荷重付与部２は、赤外線イメージ炉４の外側で試験片１０の両端部分を把持している。荷重付与部２は、予め定めた試験条件に従って軸線Ｏ方向に変位荷重を付与する。本実施形態の荷重付与部２による試験条件は、所定の荷重となるまでの変化率を予め定めた値に設定し、一定の増加率で試験片１０に荷重を付与する。荷重付与部２は、油圧サーボであって、試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を繰返し付与する。

冷却流体供給部３は、試験片１０の両端部で中空部１１に接続されており、冷却流体を供給する。本実施形態の冷却流体供給部３は、コンプレッサ３１を有しており、冷却流体として、赤外線イメージ炉４で加熱する温度よりも低い温度の圧縮空気を供給する。冷却流体供給部３は、中空部１１への圧縮空気の供給を調整する弁部３２を有している。冷却流体供給部３は、弁部３２を開放することで中空部１１への圧縮空気の供給を開始し、弁部３２を閉塞することで中空部１１への圧縮空気の供給を終了する。冷却流体供給部３から供給された圧縮空気は、試験片１０の軸線Ｏ方向の一方の端部である上端から中空部１１に供給されて流通し、軸線Ｏ方向の他方の端部である下端から不図示の排出口に排出される。

赤外線イメージ炉４は、試験片１０を周方向全域から取り囲むように複数配置された赤外線ランプ４２から赤外線を放射することによって、試験片１０を全周にわたって加熱する。赤外線イメージ炉４は、予め定めた加熱条件に従って試験片１０を加熱する。本実施形態の赤外線イメージ炉４による加熱条件は、所定の温度となるまでの赤外線ランプ４２による加熱量の変化率を予め定めた値に設定し、一定の増加率で試験片１０を加熱する。つまり、赤外線イメージ炉４は、所定の温度までの単位時間当たりの加熱速度を一定にして試験片１０を加熱する。本実施形態の赤外線イメージ炉４は、イメージ炉本体４１と、イメージ炉本体４１内に複数配置される赤外線ランプ４２と、赤外線ランプ４２を冷却する炉体冷却部４３と、を有している。

イメージ炉本体４１は、内部に赤外線ランプ４２を収容可能な密閉された内部空間４１１ａが形成された本体部４１１と、本体部４１１の内面に取り付けられる反射部４１２と、試験片１０と本体部４１１との隙間をシールするシール部４１３と、を有している。

本体部４１１は、内側に内部空間４１１ａが形成された矩形箱状をなしている。本体部４１１は、軸線Ｏ方向と直交する断面における内部空間４１１ａの中心に試験片１０が配置可能とされている。本体部４１１は、試験片１０を取り囲むように複数の赤外線ランプ４２が内部空間４１１ａに配置されている。本体部４１１は、試験片１０の両端部を外部に出すために、試験片１０が挿通する挿通孔４１１ｅが対向する面に形成されている。本体部４１１は、軸線Ｏ方向と平行な分割面４１１ｆで二つに分割可能とされている。本体部４１１は、図３に示すように、一体に固定するためのロック部４１１ｂが外部に設けられている。本体部４１１は、図２に示すように、分割面４１１ｆに跨って、内部空間４１１ａを本体部４１１の外部から確認可能な観察用開口部４１１ｃが形成されている。本体部４１１は、観察用開口部４１１ｃを塞ぐ蓋部４１１ｄを有している。

本体部４１１の内部空間４１１ａは、赤外線ランプ４２から発せられた赤外線を中心に向かって集約するような曲面形状を有している。具体的には、内部空間４１１ａは、図２に示すように、軸線Ｏ方向と直交する断面形状が、複数の楕円もしくは放物線の一方の焦点を重ね合わせて中心とし、配置する赤外線ランプ４２の数に応じた複数の楕円もしくは放物線の他方の焦点を周方向に均等に離間させた形状をなしている。つまり、内部空間４１１ａでは、楕円もしくは放物線の一方の焦点である中心として、他方の焦点が周方向にそれぞれ離間して花びらのような形状をなしている。本実施形態の内部空間４１１ａでは、六つの楕円が重ね合されている。

観察用開口部４１１ｃは、挿通孔４１１ｅに試験片１０が挿通された場合に、試験片１０の中央部分を確認可能なように、軸線Ｏ方向と直交する方向に本体部４１１を外部から内部空間４１１ａまで貫通している。本実施形態の観察用開口部４１１ｃは、矩形状をなす開口孔である。
蓋部４１１ｄは、観察用開口部４１１ｃを閉塞するブロック状の部材である。蓋部４１１ｄは、観察用開口部４１１ｃに嵌め込まれることで、内部空間４１１ａを密閉する。

反射部４１２は、赤外線ランプ４２から周方向に放射される赤外線を試験片１０に向かって収束するように反射する。反射部４１２は、内部空間４１１ａの内面や蓋部４１１ｄの内面を覆っている。本実施形態の反射部４１２は、赤外線を反射することが可能な表面加工を内部空間４１１ａの内面や蓋部４１１ｄの内側の面に施すことで形成されている。反射部４１２は、例えば、金によるメッキ処理等によって鏡面状をなしている。

シール部４１３は、挿通孔４１１ｅに設けられている。シール部４１３は、挿通孔４１１ｅに挿入された試験片１０に摺接可能に設けられている。シール部４１３は、試験片１０が挿通孔４１１ｅに挿通されることで、試験片１０と挿通孔４１１ｅとの間の隙間をシールし、内部空間４１１ａを密閉する。

赤外線ランプ４２は、赤外線を放射して試験片１０を加熱する。赤外線ランプ４２は、軸線Ｏ方向に延在し、両端部が本体部４１１の内側に固定されている。本実施形態の赤外線ランプ４２は、制御部６から送られる信号に基づいて、供給する電力を変化させることで、試験片１０を加熱する加熱量の変化率を調整可能となっている。赤外線ランプ４２は、円柱状をなしている。赤外線ランプ４２は、内部空間４１１ａの楕円もしくは放物線の一方の焦点である中心に配置された試験片１０を囲むように、楕円もしくは放物線の他方の焦点にそれぞれ離間して配置されている。赤外線ランプ４２は、上述したように、内部空間４１１ａの試験片１０に対して周方向に均等に離間した六カ所に設けられている。

炉体冷却部４３は、複数の赤外線ランプ４２をそれぞれ冷却している。本実施形態の炉体冷却部４３は、本体部４１１内に埋め込まれた複数の循環パイプ部４３１と、循環パイプ部４３１内で冷却流体を循環させる循環部４３２とを有する。

循環パイプ部４３１は、内部に冷却流体が流通する管材である。循環パイプ部４３１は、本体部４１１で各赤外線ランプ４２に対応して埋め込まれている。本実施形態の循環パイプ部４３１は、一つの赤外線ランプ４２に対して、赤外線ランプ４２を挟み込むように本体部４１１に二カ所埋め込まれており。全部で１２箇所設けられている。

循環部４３２は、赤外線ランプ４２の冷却に用いられた冷却流体を冷却するとともに、循環パイプ部４３１内で循環させる。本実施形態の循環部４３２は、冷却流体とは異なる二次冷却水との間で熱交換することで、赤外線ランプ４２によって温められた冷却流体を冷却する。

温度測定部５は、赤外線イメージ炉４によって加熱された試験片１０の温度状態を測定する。本実施形態の温度測定部５は、試験片１０に埋め込まれて試験片１０の内部の温度を測定する内部測定部５１と、試験片１０の外部から試験片１０の表面の温度を測定する外部測定部５２とを有している。

内部測定部５１は、図１に示すように、試験片１０の中央部分に埋め込まれており、試験片１０の内部温度を測定する。内部測定部５１は、測定した測定結果である試験片１０の内部温度データを制御部６に送る。本実施形態の内部測定部５１としては、例えば、熱電対が用いられる。

外部測定部５２は、図２及び図３に示すように、蓋部４１１ｄに開けられた監視孔５２１を介して、試験片１０の表面温度を非接触で測定する。外部測定部５２は測定した測定結果である試験片１０の表面温度データを制御部６に送る。本実施形態の外部測定部５２としては、例えば、二色温度計が用いられる。

制御部６は、温度測定部５で測定した測定結果に基づいて、試験片１０を加熱する加熱量の変化率を調整するよう赤外線イメージ炉４に指示を送るとともに、試験片１０に負荷する荷重の変化率を調整するよう荷重付与部２に指示を送る。制御部６は、図１に示すように、温度測定部５から測定結果が入力される同期部６１と、同期部６１からの入力に基づいて荷重付与部２によって付与する荷重を調整制御する荷重調整部６２と、同期部６１からの入力に基づいて、赤外線イメージ炉４による加熱量を調整制御する加熱量調整部６３とを有している。

同期部６１は、入力された結果に基づいて、赤外線イメージ炉４による加熱量の変化率と荷重付与部２による荷重の変化率とを同期させるように荷重調整部６２及び加熱量調整部６３に信号を出力する。本実施形態の同期部６１は、内部測定部５１から送られる内部温度データと、外部測定部５２から送られる表面温度データとが入力される。同期部６１は、内部温度データと表面温度データとの差分から、試験片１０の内部と表面との温度差を算出して試験片１０の温度状態とする。同期部６１は、算出した試験片１０の温度状態が図４（ａ）に示すような予め定めておいた赤外線イメージ炉４による試験片１０の加熱条件に合致するように、赤外線イメージ炉４による加熱量の変化率を調整する信号を加熱量調整部６３に出力する。同期部６１は、加熱量調整部６３に信号を出力するとともに、調整した赤外線イメージ炉４による加熱量の変化率と、荷重付与部２による荷重の変化率とを同期させるように荷重調整部６２に信号を出力する。

加熱量調整部６３は、同期部６１から入力される信号に基づいて、試験片１０を加熱する加熱量の変化率を変動させるように赤外線ランプ４２へ指示を送る。加熱量調整部６３は、複数の赤外線ランプ４２に対してそれぞれ指示を送る。本実施形態の加熱量調整部６３は、試験片１０の温度状態が、図４（ａ）に示すような加熱条件に合致するように、図４（ｂ）に示すように、赤外線ランプ４２へ供給する電力を調整する。

荷重調整部６２は、同期部６１から入力された信号に基づいて、試験片１０に付与する荷重の変化率を変動させるように荷重付与部２に指示を送る。本実施形態の荷重調整部６２は、図４（ｂ）に示すような赤外線ランプ４２へ供給される電力の推移に合致するように、図４（ｃ）に示すように、荷重付与部２による試験片１０への負荷量を調整する。

次に上記実施形態の熱荷重試験方法Ｓ１について説明する。
熱荷重試験方法Ｓ１は、試験片１０に対して、内部を冷却するとともに表面を加熱しながら荷重を負荷することで、高い熱流束を生じさせながら荷重を重畳する。本実施形態の熱荷重試験方法Ｓ１は、熱荷重試験装置１を用いた熱サイクル試験として実施される。熱荷重試験方法Ｓ１は、図５に示すように、中空部１１を有する試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を付与する荷重付与工程Ｓ２と、中空部１１に冷却流体を流通させる冷却流体供給工程Ｓ３と、赤外線ランプ４２により試験片１０を加熱する赤外線加熱工程Ｓ４と、試験片１０の温度を測定する温度測定工程Ｓ５と、温度測定工程Ｓ５による測定結果に基づいて、試験片１０を加熱する加熱量の変化率と試験片１０に付与する荷重の変化率とを同期する同期工程Ｓ６とを含んでいる。

荷重付与工程Ｓ２は、荷重付与部２によって試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を付与する。本実施形態の荷重付与工程Ｓ２は、図４（ｃ）に示すような試験条件に従って、所定の荷重となるまでの変化率を予め定めた値に設定し、一定の増加率で試験片１０に荷重を付与する。

冷却流体供給工程Ｓ３は、荷重付与工程Ｓ２とともに実施される。本実施形態の冷却流体供給工程Ｓ３では、冷却供給部によって中空部１１に冷却流体として圧縮空気を供給する。
赤外線加熱工程Ｓ４は、荷重付与工程Ｓ２及び冷却流体供給工程Ｓ３ととともに実施される。本実施形態の赤外線加熱工程Ｓ４は、赤外線イメージ炉４を用いて、周方向全域から取り囲むように複数配置された赤外線ランプ４２によって試験片１０を全周にわたって加熱する。赤外線加熱工程Ｓ４は、図４（ａ）に示すよう加熱条件に従って、所定の温度となるまでの赤外線ランプ４２による加熱量の変化率を予め定めた値に設定し、一定の増加率で試験片１０を加熱する。

温度測定工程Ｓ５は、加熱された試験片１０の温度を測定する。本実施形態の温度測定工程Ｓ５は、試験片１０の内部の温度と表面の温度とをそれぞれ測定する。温度測定工程Ｓ５は、内部測定部５１で測定した試験片１０の内部温度データと、外部測定部５２で測定した試験片１０の表面温度データを取得する。

同期工程Ｓ６は、温度測定工程Ｓ５で測定して取得した試験片１０の内部の温度及び表面の温度に基づいて、荷重付与工程Ｓ２で試験片１０に付与する荷重の変化率と、赤外線加熱工程Ｓ４で試験片１０を加熱する加熱量の変化率とを同期させる。本実施形態の同期工程Ｓ６は、制御部６によって実施される。具体的には、本実施形態の同期工程Ｓ６は、内部温度データと表面温度データとが入力された制御部６の同期部６１によって、内部温度データと表面温度データとの差分から、試験片１０の内部と表面との温度差を算出して試験片１０の温度状態を推定する。同期工程Ｓ６は、測定した試験片１０の温度状態を図４（ａ）に示すような予め定めた赤外線イメージ炉４による加熱条件に合致するように、赤外線加熱工程Ｓ４で試験片１０を加熱する加熱量の変化率を調整する。同期工程Ｓ６は、赤外線加熱工程Ｓ４での加熱量を調整するとともに、調整した赤外線加熱工程Ｓ４での加熱量の変化率と、荷重付与工程Ｓ２での荷重の変化率とを同期させる。なお、本実施形態の同期工程Ｓ６では、冷却流体供給工程Ｓ３で中空部１１に供給する圧縮空気の供給条件は変化させない。

したがって、本実施形態の熱荷重試験方法Ｓ１では、荷重付与工程Ｓ２と冷却流体供給工程Ｓ３と赤外線加熱工程Ｓ４とを同時に実施しながら、温度測定工程Ｓ５や同期工程Ｓ６を実施する。つまり、熱荷重試験方法Ｓ１では、中空部１１に圧縮空気が流通されている試験片１０に対して、荷重を付与しながら、周方向全域から加熱した状態で、試験片１０の温度状態に応じて同期工程Ｓ６によって荷重や加熱量を調整する。

上記のような熱荷重試験装置１及び熱荷重試験方法Ｓ１によれば、冷却流体供給工程Ｓ３でコンプレッサ３１から圧縮空気を試験片１０の中空部１１に流通させるとともに、赤外線加熱工程Ｓ４で赤外線イメージ炉４を用いて試験片１０を周方向全域にわたって加熱することができる。したがって、試験片１０の内部が圧縮空気で冷却された状態で赤外線ランプ４２により表面を加熱することができ、ＴＢＣが施された試験片１０の表面と、内部との間に数百度程度の大きな温度差を生じさせることができる。

特に、赤外線イメージ炉４では、赤外線ランプ４２によって試験片１０を周方向の広範囲にわたって均一かつ高温に加熱することができる。したがって、試験片１０の中心に形成された中空部１１に圧縮空気を流通させて試験片１０を内部から冷却させながら、赤外線ランプ４２により試験片１０の表面を周方向全域にわたって加熱することで、試験片１０の表面と内部との間の温度差を周方向にわたって均一に生じさせることができる。

そして、試験片１０に対して大きな温度差を均一に生じさせながら、荷重付与工程Ｓ２で荷重付与部２によって試験片１０に軸線Ｏ方向に荷重を付与することで、試験片１０に対して大きな熱流束を生じさせた状態で荷重を重畳させることができる。これにより、試験片１０に荷重を付与しながら、ＴＢＣが施された試験片１０の表面と内部との間に大きな温度差を生じさせて周方向に均一且つ熱流束の大きな温度場を形成することができる。したがって、ＴＢＣが施された試験片１０に対して、実機に近い高熱流束かつ荷重を重畳させる試験環境下で熱サイクル試験を実施することができる。

また、赤外線イメージ炉４を用いることで、バーナーやプラズマを用いたような瞬間的に加熱する加熱装置と異なり、単位時間当たりの加熱速度を微調整して加熱することができる。そのため、試験片１０の表面のみが急激に加熱され、試験片１０の内部が十分に加熱されずに荷重が付与されることを抑制することができる。

また、赤外線イメージ炉４を用いることで、試験片１０を周方向全域から赤外線ランプ４２で囲って加熱することができ、軸線Ｏと直交する断面における温度分布がばらついてしまって試験片１０が非対称加熱となってしまうことを抑制することができる。そのため、荷重を軸線Ｏ方向に負荷した際に、非定常場で最大応力となってしまうことを抑えて試験片１０を評価することができる。

また、温度測定工程Ｓ５で、内部測定部５１によって試験片１０の内部の温度を測定し、外部測定部５２によって試験片１０の表面の温度を測定している。さらに、これらの測定結果に基づいて、同期工程Ｓ６で、制御部６の同期部６１によって試験片１０を加熱する加熱量を調整制御している。その結果、試験片１０の表面及び内部の温度状態に合わせて試験片１０を加熱することができる。特に、赤外線イメージ炉４は、赤外線ランプ４２への入力の変化に短時間で反応して加熱温度を変化させることができ、単位時間当たりの加熱速度を微調整できる。そのため、試験片１０の温度状態を短時間で任意の状態に変化させることができる。したがって、試験片１０の表面のみが加熱され、試験片１０の内部が十分に加熱されていない等の意図しない温度状態となっている試験片１０に荷重を付与して試験をしてしまうことを抑制し、効率的に試験を実施することができる。

また、同期工程Ｓ６で同期部６１によって、測定結果に基づいて、試験片１０を加熱する加熱量と付与する荷重の変化量とを同期させることで、試験片１０の温度状態に応じて、加熱量の変化量と荷重の変化率とを同期させて調整することができる。したがって、試験片１０の温度状態を調整しながら、意図した荷重を重畳させることができる。これにより、より効率的に試験を実施することができる。

また、赤外線イメージ炉４を使用することで、加熱装置を小型としながら試験片１０を数百度の高温とすることができる。そのため、加熱させた状態で過重負荷部である油圧サーボ等で試験片１０の両端部分を支持させやすくなり、大規模な装置構成とすることなく、熱荷重試験を実施することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、試験片１０の形状は、本実施形態のように両端部分が中央部分と径の異なる円筒状に限定されるものではなく、内部に中空部１１が形成された筒状をなしていれば、実施される試験の条件に応じて任意の形状に形成することができる。例えば、試験片１０は、軸線Ｏ方向の全域にわたって同一の径をなす円筒状をなしていてもよく、矩形筒状をなしていてもよい。

また、赤外線イメージ炉４による加熱量の変化率は、本実施形態のように単純に赤外線ランプ４２へ供給する電力を調整することに限定されるものではない。例えば、冷却流体供給部３で供給する冷却流体の温度や流速などの条件を調整したうえで、赤外線ランプ４２へ供給する電力を調整してもよい。

１…熱荷重試験装置 １０…試験片 Ｏ…軸線 １１…中空部 ２…荷重付与部 ３…冷却流体供給部 ３１…コンプレッサ ３２…弁部 ４…赤外線イメージ炉 ４１…イメージ炉本体 ４１１…本体部 ４１１ａ…内部空間 ４１１ｂ…ロック部 ４１１ｃ…観察用開口部 ４１１ｄ…蓋部 ４１２…反射部 ４１３…シール部 ４２…赤外線ランプ ４３…炉体冷却部４３１…循環パイプ部 ４３２…循環部 ５…温度測定部 ５１…内部測定部 ５２…外部測定部 ６…制御部 ６１…同期部 ６２…荷重調整部 ６３…加熱量調整部 Ｓ１…熱荷重試験方法 Ｓ２…荷重付与工程 Ｓ３…冷却流体供給工程 Ｓ４…赤外線加熱工程 Ｓ５…温度測定工程 Ｓ６…同期工程

Claims (5)

1. 軸線に沿って延びる中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記軸線方向に荷重を付与する荷重付与部と、
   前記中空部に冷却流体を流通させる冷却流体供給部と、
   前記試験片を周方向全域から取り囲んで複数配置された赤外線源により、前記試験片を加熱する赤外線イメージ炉と、を備える熱荷重試験装置。
2. 前記試験片の温度を測定する温度測定部と、
   前記温度測定部による測定結果に基づいて、前記赤外線イメージ炉に対して前記試験片を加熱する加熱量の調整制御を行う制御部とを備える請求項１に記載の熱荷重試験装置。
3. 前記制御部は、
   前記温度測定部による測定結果に基づいて、前記赤外線イメージ炉による加熱量の変化率と前記荷重付与部による前記荷重の変化率とを同期させる請求項２に記載の熱荷重試験装置。
4. 軸線に沿って延びる中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記軸線方向に荷重を付与する荷重付与工程と、
   前記荷重付与工程とともに実施され、前記中空部に冷却流体を流通させる冷却流体供給工程と、
   前記冷却流体供給工程ととともに実施され、赤外線イメージ炉によって前記試験片を周方向全域から取り囲むように複数配置された赤外線源により、前記試験片を加熱する赤外線加熱工程とを含む熱荷重試験方法。
5. 前記試験片の温度を測定する温度測定工程と、
   前記温度測定工程で測定した前記試験片の温度に基づいて、前記試験片を加熱する加熱量の変化率と前記試験片に付与する前記荷重の変化率とを同期する同期工程とを有する請求項４に記載の熱荷重試験方法。

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