(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料となる金属材料を封入した試料カートリッジを内部に挿着した状態で電気抵抗加熱炉内に挿入し、その固定端で電気抵抗加熱炉に固定し、上記試料の加熱実験を行う電気カートリッジであって、
上記試料カートリッジの上記固定端側の壁面を貫通し、両端が密閉された複数の保護チューブと、
上記固定端から上記密閉された両端の一方を貫通して上記各保護チューブ内を通過しさらに上記密閉された両端の他方を貫通し、上記試料カートリッジ内に延びる複数の電極用電線と、
その各電極用電線に接続された複数の電極と、
上記固定端から上記試料カートリッジと上記電気カートリッジとの隙間に延びた熱電対用電線と、
その熱電対用電線に接続され、上記試料カートリッジの外面に貼付された熱電対と、を備え、
上記電極により溶融した試料に通電し、その電位を直接測定する、ことを特徴とする電気カートリッジ。
【請求項２】
上記電極は、作用極，対極および参照極の３つの電極からなる、請求項１に記載の電気カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気抵抗加熱炉に挿入して金属材料の加熱実験を行う電気カートリッジに係り、とくに微小重量環境下において非定常電気化学法（クロノポテンショメトリー法）による拡散係数測定を行う電気カートリッジに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属精錬や高温化学反応の分野では溶融塩を取り扱う場合が多く、物量収支や反応条件の設定などにおいて、溶融塩の拡散係数を知る必要がある。この溶融塩の拡散係数を測定する手段の一つとして非定常電気化学法（クロノポテンショメトリー法）がある。このクロノポテンショメトリー法は、図４に示すような実験装置を使用して不純物を含んだ溶融塩に定電流を流し、その遷移時間から拡散係数を算出する方法である。なお、遷移時間とは、不純物が電解するときに一定電位となる時間をいう。図４に示すように、クロノポテンショメトリー法の実験装置では、作用極（カソード），対極（アノード）および参照電極の３つの電極を使用し、作用極および対極は電極間に流れる電流を一定に保つガルバノスタットに接続され、参照電極は作用極から分岐するように接続されている。作用極と対極の間には電圧計が並列に接続され、参照電極と作用極の間には電位差δＥを計測する電圧計が接続され、対極には電流計が直列に設けられている。このように参照電極を接続することにより、作用極の電位を計測する基準とすることができ、作用極の電位を正確に計測することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したクロノポテンショメトリー法などにより、地上において計測された溶融塩の拡散係数の実験結果は、ばらつきが大きく、その要因として重力による浮力や自然対流の影響が考えられる。したがって、高精度かつ正確に拡散係数を測定するためには、重力の影響を排除する必要がある。そこで、宇宙材料実験の一つとして溶融塩の拡散係数を測定する実験が組み込まれている。しかし、宇宙空間における実験では、実験装置に対する制約が大きく、▲１▼塩を溶融させるためには大型均熱炉に封入しなければならない、▲２▼溶融塩を密封空間に封じ込めておかなければならない、▲３▼その密封空間に電極を挿入し溶融塩に浸漬させなければならない、などの問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものである。すなわち、密封された溶融塩に電極を浸漬させて金属材料の加熱実験を行うことができる電気カートリッジを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、試料となる金属材料を封入した試料カートリッジを内部に挿着した状態で電気抵抗加熱炉内に挿入し、その固定端で電気抵抗加熱炉に固定し、上記試料の加熱実験を行う電気カートリッジであって、上記試料カートリッジの上記固定端側の壁面を貫通し、両端が密閉された複数の保護チューブと、上記固定端から上記密閉された両端の一方を貫通して上記各保護チューブ内を通過しさらに上記密閉された両端の他方を貫通し、上記試料カートリッジ内に延びる複数の電極用電線と、その各電極用電線に接続された複数の電極と、上記固定端から上記試料カートリッジと上記電気カートリッジとの隙間に延びた熱電対用電線と、その熱電対用電線に接続され、上記試料カートリッジの外面に貼付された熱電対と、を備え、上記電極により溶融した試料に通電し、その電位を直接測定する、ことを特徴とする電気カートリッジが提供される。
【０００６】
上述した本発明は、試料カートリッジの内外を保護チューブで仕切り、電線をその保護チューブ内を通過させて試料カートリッジ内の電極に接続したものである。したがって、シール性，耐熱性および絶縁性に優れ、試料カートリッジ内の密封性を維持し、高温で試料を加熱・溶融することができる。また、試料カートリッジの温度を測定するための熱電対は、試料カートリッジ内に挿入せず、電気カートリッジと試料カートリッジの隙間に挿入して、試料カートリッジの外面に貼付し、熱電対が試料と反応しないようにするとともに、できるだけ正確に温度を測定できるようにした。
【０００７】
また、本発明の実施の形態によれば、上記電極は、作用極，対極および参照極の３つの電極からなることが好ましい。
【０００８】
上述した本発明の好ましい実施の形態の構成によれば、溶融塩の拡散係数を測定する手段である非定常電気化学法（クロノポテンショメトリー法）を行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１から図３を参照して説明する。図１は本発明の電気カートリッジの側面断面図であり、図２は試料カートリッジの拡大断面図であり、図３は本発明の電気カートリッジを電気抵抗加熱炉に挿入・固定したときの図である。
【００１０】
本発明の電気カートリッジ１は、図３に示すように電気抵抗加熱炉に挿入され、その固定端１ａで固定され、電気カートリッジ１の周囲を取り巻くヒータにより加熱され、その加熱により試料カートリッジ２内の試料を溶融し、その溶融塩の電位を計測するためのものである。また、電気抵抗加熱炉の炉壁とヒータの隙間には、断熱材が設けられている。なお、ヒータに通電するための手段，ヒータの支持部材，炉内の温度を計測するための温度計などについては、図を省略している。
【００１１】
本発明の電気カートリッジ１は、図１に示すように、試料カートリッジ２の固定端側１ａの壁面を貫通し、両端が密閉された３つの保護チューブ３と、固定端１ａから各保護チューブ３内を通過し、試料カートリッジ２内に延びる３本の電極用電線４と、その各電極用電線４に接続された３つの電極５ｃ，５ａ，５ｒと、固定端１ａから試料カートリッジ２と電気カートリッジ１との隙間に延びた熱電対用電線６と、その熱電対用電線６に接続され、試料カートリッジ２の外面に貼付された熱電対７と、を備えたものである。
【００１２】
上記電気カートリッジ１の本体は、図１に示すように、電気抵抗加熱炉（図３参照）に固定される固定端１ａと、試料カートリッジ２が挿着される試料部１ｂと、固定端１ａと試料部１ｂを繋ぐ中間部１ｃと、からなる略中空円筒形状物であり、全体がタンタル（Ｔａ）で構成されている。固定端１ａの外側には、後述する熱電対用コネクタ８および電極用コネクタ９が接続され、固定端１ａの内部には、各電線４，６と各コネクタ８，９を接続・収納するための空間１ｓが形成されている。さらに、固定端１ａの外周面には、電気抵抗加熱炉に固定するためのフランジ１ｆが形成されている。一方、中間部１ｃの外周面には、試料部１ｂ寄りに集熱用フィン１ｄが形成され、固定端１ａ寄りに断熱用フォイル１ｅが形成されている。この集熱用フィン１ｄにより、中間部１ｃの表面積を大きくしてヒータの熱を集め、この断熱用フォイル１ｅと電気抵抗加熱炉の断熱材により、試料カートリッジ２の周囲を完全に断熱雰囲気にしている（図３参照）。したがって、中間部１ｃや固定端１ａからヒータの熱が逃げるのを防止し、効率よく試料を加熱することができる。さらに、試料部１ｂの内面には、石英ガラスからなる石英アンプル１ｑが設けられており、試料カートリッジ２との絶縁性を保っている。また、この試料部１ｂの端部には、蓋１ｇが設けられており、この蓋１ｇの着脱により、試料カートリッジ２の取り付け・取り外しをすることができるようになっている。
【００１３】
上記試料カートリッジ２は、図２に示すように、石英ガラスからなる石英カプセル２ｑを外殻とし、その内部には窒化ホウ素（ＢＮ）からなるルツボ２ｃを備えている。また、試料カートリッジ２の固定端１ａと反対側の端部には、蓋２ａが設けられており、ルツボ２ｃに試料となる金属材料を封入できるようになっている。さらに、ルツボ２ｃ内の蓋２ａ側の部分には、グラファイトスプリング２ｇおよびキャップ２ｂが設けられている。このキャップ２ｂは、グラファイトスプリング２ｇのバネ作用によりルツボ２ｃ内を摺動できるようになっており、ルツボ２ｃ内の試料が固体のときには、できるだけ電極５ｃ，５ａ，５ｒの近くに試料を置いておくために試料を支持する役割を果たし、ルツボ２ｃ内の試料が溶融したときには、ルツボ２ｃ内の圧力を一定に保つ役割を果たすものである。
【００１４】
上記電極５ｃ，５ａ，５ｒは、それぞれクロノポテンショメトリー法の実験装置で使用する作用極（カソード）５ｃ，対極（アノード）５ａおよび参照電極５ｒを表している。そして、作用極５ｃには板状のタングステン（Ｗ）の電極、対極５ａにはルツボ２ｃの内面に貼付された円環状の白金・ロジウム合金（Ｐｔ−Ｒｈ）の電極、参照電極５ｒには棒状のタングステン（Ｗ）または銀（Ａｇ）の電極を使用している。これらの電極５ｃ，５ａ，５ｒは、図４と同様に、作用極５ｃおよび対極５ａはそれぞれガルバノスタットに接続され、参照電極５ｒは作用極５ｃから分岐するように接続され、作用極５ｃと対極５ａの間には電圧計が並列に接続され、参照電極５ｒと作用極５ｃの間には電位差を計測する電圧計が接続され、対極５ａには電流計が直列に設けられている。このような構成により、試料中に通電したときの作用極５ｃの電位を正確に計測することができる。このクロノポテンショメトリー法の実験では、各電極５ｃ，５ａ，５ｒを試料中に浸漬させなければならないため、各電極５ｃ，５ａ，５ｒに通電するための電線を試料カートリッジ２内に導く必要がある。ところが、試料カートリッジ２は１０００℃を超える高温雰囲気に晒されるため、電極用電線４と試料カートリッジ２との隙間のシール性が問題となる。そこで、本発明では、試料カートリッジ２の外殻である石英カプセル２ｑと同じ石英ガラスを主成分とするガラスチューブを保護チューブ３として石英カプセル２ｑに固着し、そのガラスチューブ３内に電極用電線４を通すことが好ましい。かかる構成により、ガラスチューブ３と石英カプセル２ｑ，電極用電線４との密着性がよいためルツボ２ｃ内を気密に維持することができ、耐熱性に優れているため高温雰囲気に耐えることができ、絶縁性がよいため電極用電線４を電気的に独立させることができ、透明であるため内部を観察することもできる。なお、電極用電線４と試料とを接触させたくないような場合には、図２に示すように、ガラスチューブ３を電極（例えば作用極５ｃ，参照極５ｒ）と電極用電線４との接合部まで延ばすようにしてもよい。なお、保護チューブ３の材質は上述したガラスに限られず、サファイヤ系部材やアルミナセラミック部材を使用してもよい。ほぼ同等の性能を発揮するからである。
【００１５】
この試料カートリッジ２は、図１に示すように、窒化ホウ素（ＢＮ）からなるスペーサ１０を介して電気カートリッジ１の試料部１ｂに挿入される。このスペーサ１０は、保護チューブ３が電気カートリッジ１の内面に接触しないようにするためのものである。また、図２に示すように、熱電対用電線６は、このスペーサ１０に設けられた孔１０ａ（切り欠きでもよい）から試料カートリッジ２の外面に達することができるようになっている。熱電対７は、本来的には試料カートリッジ２内に設けられるのが好ましいが、試料と反応したり、破損したりしまう恐れがあるため、試料カートリッジ２の外面に設けられている。そして、少しでも実験の精度を向上させるために、熱電対７を電極５ｃ，５ａ，５ｒのできるだけ近くに設けることが好ましい。
【００１６】
上述した試料カートリッジ２は、図２に示すように、各電極５ｃ，５ａ，５ｒ、熱電対７が接続され、ルツボ２ｃ内に試料を封入した状態で、図１に示すように、電気カートリッジ１内に挿入され、蓋１ｇで固定される。そして、試料カートリッジ２を電気カートリッジ１内に挿入したとき、各電線４，６は固定端１ａまで達しており、熱電対用電線６は熱電対用コネクタ８に接続され、電極用電線４は電極用コネクタ９に接続される。この熱電対用コネクタ８は固定端１ａにボルトなどにより接続される略円筒形状の接続部８ａを有し、一方、電極用コネクタ９は、接続部８ａに挿入される挿入部９ａと接続部８ａにボルトなどにより接続されるフランジ部９ｆとを有している。この各コネクタ８，９と各電線４，６は固定端１ａの内部に形成された空間１ｓ内において、熱収縮チューブ１１により結線されている。ここで使用している各コネクタ８，９は対真空用のハーメチックタイプであるため、電極用コネクタ９を接続した熱電対用コネクタ８の接続部８ａと固定端１ａとを接続するときに、電線４，６の通っている電気カートリッジ１内は真空シールされる。そこで、接続部８ａと固定端１ａとを接続する前に各電線４，６を熱収縮チューブ１１により各コネクタ８，９側と結線し、電線４，６の接触によるショートを防止している。
【００１７】
上述した本発明では、溶融塩の拡散係数を測定する手段である非定常電気化学法（クロノポテンショメトリー法）を行う場合について説明したが、溶融した試料中に電極を浸漬させて実験を行う場合の全てについて有効であり、試料や実験に合わせて電極などの材質を変更したり、電極の数を増減したりしてもよい。
【００１８】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】
上述した本発明の電気カートリッジによれば、保護チューブを介して電線を試料カートリッジ内の電極に接続したことにより、シール性，絶縁性および耐熱性に優れ、試料カートリッジ内の密封性を維持し、高温で試料を加熱・溶融することができ、試料中に電極を浸漬させることができる。したがって、宇宙空間における実験装置に対する制約をすべて満足することができ、宇宙空間において溶融塩の拡散係数を測定する手段である非定常電気化学法（クロノポテンショメトリー法）を行うことができ、重力の影響を排除した高精度かつ正確な拡散係数を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気カートリッジの側面断面図である。
【図２】試料カートリッジの拡大断面図である。
【図３】本発明の電気カートリッジを電気抵抗加熱炉に挿入・固定したときの図である。
【図４】非定常電気化学法（クロノポテンショメトリー法）の実験装置を示す概要図である。
【符号の説明】
１  電気カートリッジ
１ａ  固定端
１ｂ  試料部
１ｃ  中間部
１ｄ  集熱用フィン
１ｅ  断熱用フォイル
１ｆ  フランジ
１ｇ  蓋
１ｓ  空間
１ｑ  石英アンプル
２  試料カートリッジ
２ｑ  石英カプセル
２ｃ  ルツボ
２ａ  蓋
２ｇ  グラファイトスプリング
２ｂ  キャップ
３  保護チューブ（ガラスチューブ）
４，６  電線
５ｃ  作用極（カソード）
５ａ  対極（アノード）
５ｒ  参照極
７  熱電対
８  熱電対用コネクタ
８ａ  接続部
９  電極用コネクタ
９ａ  挿入部
９ｆ  フランジ部
１０  スペーサ
１０ａ  孔
１１  熱収縮チューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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