(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融Ｐｂ−Ｂｉを移動させる筒状のダクト（１１）と、このダクト（１１）を挟んで対向し、ダクト（１１）内に磁束を形成する一対の磁極（１６）、（１６）と、ダクト（１１）を挟んで対向し、前記磁束を切る方向にダクト（１１）内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉに生じる電圧を出力する一対の電極（１２）、（１２）とを有する溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計において、電極（１２）、（１２）のダクト（１１）内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉに接触する先端部（１４）、（１４）をダクト（１１）の内側に突出する先鋭形状にすると共に、同先端部（１４）、（１４）に、溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶融速度が１μｍ／ｓ以下の貴金属をコーティングしたことを特徴とする溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計。
【請求項２】
電極（１２）、（１２）の先端部（１４）、（１４）にコーティングした貴金属がＲｈまたはＩｒであることを特徴とする請求項１に記載の溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計。
【請求項３】
電極（１２）、（１２）の先端部（１４）、（１４）にＡｕがアンダーコートされ、その上にＲｈまたはＩｒがメッキされていることを特徴とする請求項２に記載の溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電磁誘導によりダクト内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉ内に発生する起電力を測定することにより、その溶融Ｐｂ−Ｂｉの流量を計測する電磁流量計に関し、特にその起電力を出力する電極の溶融Ｐｂ−Ｂｉに対する濡れ性を改善し、出力の安定性を確保した溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｐｂ−Ｂｉを用いた高速増殖炉や消滅処理用配管内の溶融Ｐｂ−Ｂｉの流量を測定するためには電磁流量計を使用することが考えられる。
このような目的で使用される従来の電磁流量計の構成を図３に示す。溶融金属は、筒状のダクト１内を移動する。このダクト１を挟んで一対の磁極６、６がダクト１の中心軸と直交する方向に対向しており、この磁極６、６の間でダクト１内を移動する溶融金属をその移動の方向と直交する方向に切るよう磁束が形成される。さらに、ダクト１の中心軸及び前記磁極６、６が対向した方向と直交する方向に対向して一対の電極２、２が配置され、それら電極２、２の先端部４がダクト１内に臨んでいる。こられの電極２、２は、テーパ継手（例えば商標名「素エージロック」）５、５への押し込みにより密にダクト１に取り付けられている。この電極２、２にはダクト１内を移動する溶融金属に生じる電圧を測定するための電圧計７が接続されている。
【０００３】
このような溶融金属用電磁流量計では、磁極６、６の間に形成される磁束を切るようにダクト１内を溶融金属が流れるとき、いわゆるフレミングの右手の法則に従い、磁束の方向と溶融金属が流れる方向と直交する方向に溶融金属に起電力が生じる。この起電力の電圧の方向は前記電極２、２が対向した方向であり、且つその電圧値は理論上溶融金属の流速に比例する。従って、この電圧を電極２、２により出力し、電圧計７で測定することにより、溶融金属の流速が測定できる。磁極６、６間に形成される磁束が横切る部分のダクト１の断面積と前記溶融金属の流速との積が溶融金属の流量である。
このような従来の電磁流量計において、その電極２、２は、耐酸化特性と耐食性の良い非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
しかし、この非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼の電極は、前もって表面の酸化膜を除去しておいても、大気中で作られるＰｂ−Ｂｉ合金中に多量の酸素が含まれるので、この酸素をＨ2 バブリングや真空脱気により除去しておかないと、溶融Ｐｂ−Ｂｉ中の酸素によってオーステナイト系ステンレス鋼電極表面に酸化膜が出来てしまう。充填されるＰｂ−Ｂｉは常にこの前準備による酸素ガス脱気が必要で、これ以降の説明ではこの前準備としての酸素ガス脱気が必ず行われることを前提として説明を行う。
【０００５】
しかしながら、このような前準備をしても、溶融Ｐｂ−Ｂｉを充填するとき、非酸化ガスのＡｒやＮ2 の高温ガス雰囲に含まれるわずかな酸素により、その表面にＣｒ酸化膜が出来、溶融Ｐｂ−Ｂｉと濡れ性が損なわれる。このため、溶融Ｐｂ−Ｂｉの酸化膜との接触抵抗により電磁流量計の出力が不安定になる場合が多くあった。
【０００６】
これを改善するために雰囲気に還元ガスのＨ2 を４％程入れて酸化膜が出来ないようにするのが用いられてきた。しかし、このＨ2 ガスは４％以上空気中に存在すると爆発する危険性があり、高温の溶融金属を扱う溶融金属用電磁流量計では極めて危険である。
電磁流量計においては、電極と溶融金属との濡れ性の低下に伴う接触抵抗の増加は、電圧出力の低下をもたらし、接触抵抗の不安定性は、電圧出力の不安定性をもたらす。
【０００７】
溶融Ｐｂ−Ｂｉは、化学的活性度の低い流体であることから、Ｎａ等のアルカリ金属のように化学的活性度の高い溶融金属に比べて電極表面に出来た酸化膜を除去する作用も小さい。このため、溶融Ｐｂ−Ｂｉに対して耐食性の良いステンレス鋼の表面に出来た酸化膜を容易に除去出来ず、溶融Ｐｂ−Ｂｉとステンレス鋼との濡れ性が悪くなる。これにより、溶融Ｐｂ−Ｂｉと電極との間に接触抵抗が発生し、電磁流量計の出力低下を来す。これを計算式で表すと、式１で表される。
【０００８】
【式１】
0004820029.tif 000002
【０００９】
ここで、Ｅ＝電極を通して測定される出力（ｍＶ）、Ｂ＝ダクトを通過する磁束密度（Ｇａｕｓｓ）、ｖ＝ダクトを流れる流体の速度（ｃｍ／ｃ）、ｄ＝ダクト内径（ｃｍ）、Ｋ１＝磁極端末係数＝ｆ（磁極長さ＝Ｌ／ダクト外径）、Ｋ２＝ダクト短絡係数、Ｋ３＝磁石の温度による磁束低減係数＝ｆ（磁石温度）、Ｋ４＝ダクトの熱膨張補償係数＝１＋γ・ΔＴである。
【００１０】
前記の式１において、磁極端末係数Ｋ１は使用磁石の寸法が分かれば一義的に決まり、磁石の温度による磁束低減係数Ｋ３とダクトの熱膨張補償係数Ｋ４は磁石の温度とダクトの温度が決まればこれも一義的に決まる。他方、ダクト短絡係数Ｋ２は、次の式２で表される。ここで、Ｄ＝ダクト外径、τ＝接触抵抗（Ω−ｃｍ２）である。
【００１１】
【式２】
0004820029.tif 000003
【００１２】
このダクト短絡係数Ｋ２には、接触抵抗τを含む項があり、この接触抵抗τの増加によりダクト短絡係数Ｋ２が低下し、出力Ｅが低下することがわかる。このダクト短絡係数Ｋ２は接触抵抗τの増加で小さくなり、逆に接触抵抗τが小さくなるとダクト短絡係数Ｋ２は増加し、接触抵抗τが０となると、ダクト短絡係数Ｋ２はダクトの内径ｄ、ダクトの外径Ｄ、流体とダクトの材料の電気抵抗で決定される。
【００１３】
溶融金属と電極との接触抵抗をもたらす原因は、電極表面の酸化膜、酸化膜表面の吸着・吸蔵の酸素等のガス、さらに溶融金属中の酸素が電極表面を酸化させたり、溶融金属中の酸化物が電極表面に付着することによって生じる。この中で一番問題なのは、電極表面に付いている、或いは加熱中に生じてしまう酸化膜である。
【００１４】
本発明は、前記従来の溶融金属用電磁流量計における電極の課題に鑑み、特に溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計において、ダクト内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉと接触する電極の先端部の接触抵抗、とりわけ電極の先端部に付着或いは形成される酸化膜による接触抵抗の増大を防止し、電極間に発生する出力の低下やその変動を防止することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、ダクト１１内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉに接触し、溶融Ｐｂ−Ｂｉに生じる電圧を出力する一対の電極１２、１２の先端部１４、１４に、溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶融速度が或る数値以下の貴金属をコートし、電極１２、１２の先端部分への酸化膜の付着を防止するようにした。
【００１６】
すなわち、本発明による溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計は、溶融Ｐｂ−Ｂｉを移動させる筒状のダクト１１と、このダクト１１を挟んで対向し、ダクト１１内に磁束を形成する一対の磁極１６、１６と、ダクト１１を挟んで対向し、前記磁束を切る方向にダクト１１内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉに生じる電圧を出力する一対の電極１２、１２とを有し、電極１２、１２のダクト１１内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉに接触する先端部１４、１４をダクト１１の内側に突出する先鋭形状にすると共に、同先端部１４、１４に、溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶融速度が１μｍ／ｓ以下の貴金属をコーティングしたものである。
【００１７】
このように電極１２、１２のダクト１１内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉに接触する先端部１４、１４をダクト１１の内側に突出する先鋭形状にすることにより、ダクト１１の中の溶融Ｐｂ−Ｂｉの中に酸化膜が浮いている場合に、電極１２、１２の先端部１４、１４に多少酸化膜が付着しても、先端部１４、１４の先によって、溶融Ｐｂ−Ｂｉの金属部分に接触する。
溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶融速度が１μｍ／ｓ以下の貴金属であって、電極１２、１２の先端部１４、１４にコーティングする貴金属としては、ＲｈやＩｒをあげることができる。電極１２、１２の先端部１４、１４にＲｈやＩｒをメッキによりコーティングする場合、電極１２、１２の先端部１４、１４にＡｕをアンダーコートし、その上にＲｈまたはＩｒをメッキする。
【００１８】
電極１２、１２の先端部１４、１４の表面の酸化膜を無くし、生じさせない方法は、溶融金属と接触する電極１２、１２の少なくとも先端部１４、１４を貴金属で形成することである。しかし、貴金属は一般にＰｂ−Ｂｉを初めとする溶融金属に溶けやすく、実用に供するものではない。
そのため、溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計の電極としては非磁性で高温強度も強く、耐食のあるステンレス鋼が用いられている。このステンレス鋼にはＣｒが含有され、このＣｒの酸化膜が保護層となってステンレスの錆びないという特性が得られる。
【００１９】
しかし、このＣｒ酸化膜は加熱中だけではなく、電極として加工中にも出来ており、この酸化膜が電磁流量計の電極の先端部と溶融金属との間の接触抵抗をもたらし、しかもその接触抵抗は、酸化膜の厚さや表面状態、温度等によって常に変化する。この変化によって、電磁流量計の出力にも変化が生じ、電磁誘導により溶融金属中に生じ有る電圧に相関した出力を正確に測定することはできない。
【００２０】
そのため、前記のようなステンレス鋼等の金属からなる電極の先端部分の表面に酸化膜を生じさせない貴金属をコーティングする必要がある。しかし貴金属と言っても酸化しやすいＡｇや、このＡｇも含めてＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ等は溶融Ｐｂ−Ｂｉ等の溶融金属に溶けやすい。実験によれば貴金属の溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶解速度はＡｇ＞Ａｕ＞Ｐｔ＞Ｒｈ＞Ｉｒとなっている。
【００２１】
前記の貴金属のうちＡｇ、Ａｕ、Ｐｔのように溶けやすい貴金属では、溶融金属と接した瞬間から溶けていき、この高速溶解型の貴金属表面に吸着・吸蔵した酸素が溶融金属と酸化膜を作ってしまう。このため、貴金属が溶けながら酸化膜が生じてしまうので、電極表面に酸化膜が付着してしまう欠点がある。
【００２２】
さらに、この高速溶解型貴金属のうち、Ｐｔは触媒作用が大きく、貴金属自身が溶けていく間に溶融金属中に酸化膜を作りやすく、この酸化膜が電極表面に付着してしまう。
これらのことから、Ｐｔ以上の溶解速度を持つ貴金属をコーティングしたものでは実用に供さない。具体的には、溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶融速度が１μｍ／ｓ以下の貴金属をコーティングしたものでなければ、実用的ではない。
【００２３】
これに対し、Ｒｈ、Ｉｒのように溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶解速度が１μｍ／ｓ以下と遅い貴金属は、貴金属表面に存在する酸素と溶融金属とが酸化膜を短時間に作っても、徐々に溶融していくので、酸化膜が溶融金属の中に飛散していき、電極１２、１２の表面に酸化膜が付着することはほとんどない。多少酸化膜が付着しても電極１２、１２と溶融Ｐｂ−Ｂｉが接触抵抗がない状態で接続している部分が多いので、起電力測定にはなんらの支障がない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
本発明の一実施形態による溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計の構成を図１に示す。溶融金属は、筒状のダクト１１を通して流され、その流量は流速とダクト１１の流路断面積との積である。
【００２５】
このダクト１１を挟んで一対の磁極１６、１６がダクト１の中心軸と直交する方向に対向しており、この磁極１６、１６の間で前記ダクト１１内を流れる溶融金属の流れの方向と直交する方向に切るよう磁束が形成される。
さらに、ダクト１１の中心軸及び前記磁極１６、１６が対向したの方向と何れも直交する方向に対向して一対の電極１２、１２が配置され、それら電極１２、１２の先端部１４、１４がダクト１１内に臨んでいる。図２は、その電極１２、１２の先端部１４付近を示す。
【００２６】
既に述べた通り、Ｐｂ−Ｂｉ用の電磁流量計においては、電極１２、１２の先端部１４、１４の表面状態如何でそれら電極１２、１２から出力される電圧値が変わりやすい。そこで、電極１２、１２を抜き差し可能とし、随時交換しやすいように、電極１２、１２はテーパ継手１５、１５への押し込みにより密にダクト１１に取り付けられている。電極１２、１２の交換の際等にはテーパ継手１５、１５から電極１２、１２を強く引き抜くことにより取り外すことができる。この電極１２、１２にはダクト１１内を移動する溶融金属に生じる起電力を測定するための電圧計１７が接続されている。
【００２７】
既に述べた通り、溶融Ｐｂ−Ｂｉの中には、酸化膜が浮いている場合がある。そこで図示の実施形態では、電極１２、１２の先端部１４、１４に多少酸化膜が付着しても、先端部１４、１４の先によって、溶融Ｐｂ−Ｂｉの金属部分に接触するように、電極１２、１２の先端部１４、１４を図１と図２に示すようにダクト１１の内側に突出する先鋭形状に形成している。
【００２８】
さらに、この電極１２、１２の先端部１４、１４には、溶融Ｐｂ−Ｂｉとの濡れ性を改善するためにＲｈやＩｒ等のコーティングを施す。これらＲｈ、Ｉｒの溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶解速度は１μｍ／ｓ以下と遅い。
コーティング手段は電極１２、１２の先端部１４、１４にＲｈやＩｒをメッキによりコーティングするのが実用的である。但し、ＲｈやＩｒは硬い材料であり、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼にこれらをメッキする場合、予め下地として１μ以下の厚さのＡｕメッキを施すのがよい。
【００２９】
このような溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計では、磁極１６、１６の間に形成される磁束を切るようにダクト１１内を溶融金属が流れるとき、いわゆるフレミングの右手の法則に従い、磁束の方向と溶融金属が流れる方向と直交する方向に溶融金属に起電力が発生する。この起電力による電圧の流れの方向は前記電極１２、１２が対向した方向であり、且つその電圧値は理論上溶融金属の流速に比例する。このため、この電圧を電極１２、１２により出力し、電圧計１７で測定することにより、溶融金属の流速が測定できる。既に述べた通り、磁極１６、１６間に形成される磁束が横切る部分のダクト１１の断面積と前記溶融金属の流速との積が溶融金属の流量であり、これにより溶融金属の流量が測定される。
【００３０】
この場合において、前記電極１２、１２の先端部１４、１４にコーティングしたＲｈ、Ｉｒは、溶融Ｐｂ−Ｂｉへの溶解速度が１μｍ／ｓ以下と遅い。このため、、ＲｈやＩｒの表面に存在する酸素と溶融金属とが酸化膜を短時間に作っても、ＲｈやＩｒのコーディング膜が溶融Ｐｂ−Ｂｉ中へ徐々に溶融していくので、酸化膜が溶融Ｐｂ−Ｂｉの中に飛散していき、電極１２、１２の表面に酸化膜が殆ど残らない。また、多少の酸化膜が残っても、残りの大半の部分で電極１２、１２の先端部１４、１４と溶融Ｐｂ−Ｂｉが酸化膜を介さずに接触し、接触抵抗が無い状態で接続している。このため、電極１２、１２と溶融Ｐｂ−Ｂｉとの間の接触抵抗が無く、溶融Ｐｂ−Ｂｉの中に発生する起電力を電極１２、１２に確実に出力することができる。また、電極１２、１２と溶融Ｐｂ−Ｂｉとの間の酸化膜による接触抵抗が無いので、温度変動等に伴う酸化膜の抵抗値の変動等の影響も受けず、出力変動も小さい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計では、ダクト１１内を移動する溶融Ｐｂ−Ｂｉと接触する電極１２、１２の先端部１４、１４の接触抵抗、とりわけ電極１２、１２の先端部１４、１４に付着或いは形成される酸化膜による接触抵抗の増大を防止し、電極１２、１２の間に発生する出力の低下やその変動を防止することが出来る。これにより、ダクト１１内を流れる溶融Ｐｂ−Ｂｉの流速、流量を正確に測定出来るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計を示す電極及び磁極部分の縦断端面図である。
【図２】同実施形態による溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計を示す電極の部分の要部拡大縦断端面図である。
【図３】従来例である溶融Ｐｂ−Ｂｉ用電磁流量計を示す電極及び磁極部分のダクトの縦断端面図である。
【符号の説明】
１１  ダクト
１２  電極
１４  電極の先端部
１６  磁極
【図１】
0004820029.tif 000004
【図２】
0004820029.tif 000005
【図３】
0004820029.tif 000006