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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasmengen-Messvorrichtung zum Messen einer Gasmenge, die in einer Metallschmelze enthalten ist, oder einer Gasmenge, die an einen Einschluss angelagert ist.
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Herkömmlich wird ein bestimmtes Metall oder eine bestimmte Legierung für eine Komponente wie etwa einen Fahrzeugmotor verwendet. Inzwischen ist es allgemein bekannt, dass eine Menge an Verunreinigungsgas pro Raumgewicht nach dem Feinen einer Komponente kleiner als vor dem Feinen ist. Der Grund dafür ist, dass das in einer Probe, d. h. der Komponente, enthaltene Verunreinigungsgas während des Feinens verdampft. In einem solchen Fall wird die gefeinte Komponente erneut geschmolzen, um die Menge an Verunreinigungsgas in der Komponente möglichst weitgehend zu verringern. Das erneute Schmelzen der gefeinten Komponente führt jedoch unerwünschterweise zu einer drastischen Kostenerhöhung.
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Ferner ist in letzter Zeit im Hinblick auf eine effektive Nutzung von Ressourcen das Recyceln von gebrauchten Metallerzeugnissen behebt geworden. Wenn jedoch beispielsweise ein Aluminiumerzeugnis eingeschmolzen wird, werden verschiedene Gasarten wie etwa Wasserstoffgas, Kohlendioxidgas, Sauerstoffgas und Stickstoffgas freigesetzt. Wenn das verwendete Aluminiumerzeugnis in eine Form gegossen wird, bleiben daher in dem erhaltenen Erzeugnis nachteiligerweise Blasen zurück, und nadelförmige Lunker oder dergleichen treten unerwünschterweise in dem erhaltenen Erzeugnis auf.
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Zur Lösung dieser Probleme wurde vorgeschlagen, eine Gasmenge in einer Metallschmelze zu messen. Eine bekannte Messvorrichtung, die aufweist: eine die Schmelze enthaltende Kammer, eine Pumpe, die einen Innendruck der Kammer auf einen vorbestimmten Druck einstellt, und eine Messeinheit, die den Innendruck der Kammer misst und eine Gasmenge misst, die aus einem Druckanstieg von Gas resultiert, das aus der Metallschmelze freigesetzt wird, ist beispielsweise in der veröffentlichten
JP-Patentanmeldung KOKAI Nr. 2003-83865 angegeben.
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Bei der in der veröffentlichten
JP-Patentanmeldung KOKAI Nr. 2003-83865 angegebenen Technik kann die Messvorrichtung jedoch nur die Gesamtmenge sämtlicher vorhandenen Gase, aber keine Einzelgase messen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gasmengen-Messvorrichtung bereitzustellen, die imstande ist, eine absolute Menge einer bestimmten Gasart, die in einer Metallschmelze enthalten oder an einen Einschluss angelagert ist, zu messen und Eigenschaften eines erhaltenen Erzeugnisses exakter zu erfassen.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gasmengen-Messvorrichtung zum Messen einer Gasmenge, die in einer Metallschmelze enthalten ist, oder einer Gasmenge, die an einen Einschluss angelagert ist, angegeben, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Vakuumbehälter, der die Metallschmelze enthält; ein erstes Rohr, das mit dem Vakuumbehälter verbunden ist, wobei ein Entlüftungsventil an dem ersten Rohr angebracht ist; ein zweites Rohr, das mit dem Vakuumbehälter verbunden ist, wobei ein Kalibriergaserzeuger an dem zweiten Rohr angebracht ist; ein drittes Rohr, das mit dem Vakuumbehälter verbunden ist, wobei ein Unterdruckmanometer, ein erstes Ventil, ein Dosierventil, ein zweites Ventil, eine Turbomolekularpumpe, ein drittes Ventil und eine Grobvakuumpumpe an dem dritten Rohr angebracht sind, und zwar in der genannten Reihenfolge ausgehend von einer Seite des Vakuumbehälters; ein erstes Bypassrohr, welches das dritte Rohr zwischen dem Vakuumbehälter und dem ersten Ventil mit dem dritten Rohr zwischen dem Dosierventil und dem zweiten Ventil verbindet, wobei ein viertes Ventil an dem ersten Bypassrohr angebracht ist; und ein zweites Bypassrohr, welches das dritte Rohr zwischen dem Dosierventil und dem zweiten Ventil mit dem dritten Rohr zwischen dem dritten Ventil und der Grobvakuumpumpe verbindet, wobei ein fünftes Ventil an dem zweiten Bypassrohr angebracht ist.
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Die Erfindung stellt damit eine Gasmengen-Messvorrichtung bereit, die imstande ist, eine absolute Menge einer bestimmten Gasart, die in einer Metallschmelze enthalten oder an einen Einschluss angelagert ist, zu messen und Eigenschaften eines erhaltenen Erzeugnisses exakter zu erfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Gesamtansicht einer Gasmengen-Messvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einem Innendruck eines Vakuumbehälters und der Zeit zeigt, wobei eine Probe in der in 1 gezeigten Gasmengen-Messvorrichtung anwesend (Kurve B) oder abwesend (Kurve A) ist;
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3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Druckdifferenz entsprechend dem Kurvendiagramm von 2 und den Zählwerten der gleichen Spitzendrücke in 2 zeigt; und
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4 ist eine Gesamtansicht einer Gasmengen-Messvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Beispiele einer Ausbildung des Kalibriergaserzeugers umfassen eine Ausbildung mit zwei Kalibrierventilen, die an einem zweiten Rohr im Abstand voneinander angeordnet sind, und einem Unterdruckmanometer, das einen Druck eines Standard-Rreferenzgases misst, das in dem zweiten Rohr (Rohrabschnitt) zwischen diesen Kalibrierventilen enthalten ist. Ein Standard-Referenzgas wird dem Rohrabschnitt beispielsweise von einem Zylinder zugeführt, um den Innendruck des Rohrabschnitts auf einem bestimmten Luftdruck zu halten. Wenn eine Temperatur des Rohrabschnitts erhalten wird, während gleichzeitig ein Volumen des Rohrabschnitts auf einem bestimmten Volumen gehalten und dessen Innendruck auf einem Luftdruck von 1 atm gehalten wird, kann daher die Molzahl des Standard-Referenzgases des Rohrabschnitts aus einer noch zu beschreibenden allgemeinen Gleichung von Druck und Volumen errechnet werden.
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Insbesondere kann die Molzahl mittels der folgenden Gleichung errechnet werden. PV = nRT
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In der Gleichung bezeichnet: P den Druck (Atmosphärendruck), V das Volumen des Rohrabschnitts (Volumen zwischen den Kalibrierventilen) (Liter), T eine Absoluttemperatur von Gas (K), R eine Gaskonstante (Konstantwert) und n die Mohlzahl des Standard-Referenzgases.
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Nach der Erfindung wird bevorzugt eine Heizeinrichtung in einem Vakuumbehälter vorgesehen, um eine Metallschmelze zu erhitzen. Dabei ist die Heizeinrichtung außerhalb eines Probenapfs angeordnet, wie in 4 gezeigt ist. Dadurch ist es möglich, einen Temperaturabfall der in dem Probenapf enthaltenen Metallschmelze zu vermeiden.
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Nach der Erfindung wird zum Errechnen einer absoluten Menge einer bestimmten Gasart, die in der Metallschmelze enthalten ist, das folgende Verfahren durchgeführt. Zunächst wird ein Diagramm A, das einen konstanten Druck in einem Zeitbereich zeigt, aus der Beziehung zwischen dem Innendruck des Vakuumbehälters und der Zeit gemessen, wenn die Metallschmelze in dem Vakuumbehälter abwesend ist. Dann wird die Metallschmelze in den Vakuumbehälter eingebracht, und eine Gasmenge Ss aus dem Vakuumbehälter in diesem Zustand wird auf der Basis eines weiteren gemessenen Diagramms B detektiert. Ein zu messendes Standard-Referenzgas strömt aus einem Kalibriergaserzeuger in den Vakuumbehälter, und eine Standard-Referenzgasmenge Sr in diesem Zustand wird auf der Basis eines weiteren gemessenen Diagramms C und des Diagramms A detektiert, wodurch dann die absolute Menge der Gasmenge der bestimmten Gasart anhand des Diagramms B erhalten werden kann.
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BESCHREIBUNG DER BEVORUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend wird eine Gasmengen-Messvorrichtung nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel:
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Wie 1 zeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Vakuumbehälter, der eine frei zu öffnende/schließende Abdeckung 2 aufweist. Ein Probenapf 3, der eine Metallschmelze (nicht gezeigt) enthält, die als eine Probe dient, ist in dem Vakuumbehälter 1 angeordnet. Ein erstes Rohr 5a, an dem ein Entlüftungsventil 4 angebracht ist, ist mit einer Aufstromseite des Vakuumbehälters 1 verbunden. Ein zweites Rohr 5b, an dem ein Kalibriergaserzeuger 6 angebracht ist, ist mit der Aufstromseite des Vakuumbehälters 1 verbunden. Der Kalibriergaserzeuger 6 ist so ausgebildet, dass er Kalibrierventile 7a und 7b, ein mit dem Rohr 5b zwischen den Ventilen 7a und 7b verbundenes Manometer 8 und einen Zylinder 9 aufweist. Der Innendruck des Rohrabschnitts zwischen den Ventilen 7a und 7b des Kalibriergaserzeugers 6 wird zum Zeitpunkt des Strömens des Kalibriergases auf einen Luftstrom von einem 1 atm reguliert.
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Ein drittes Rohr 5c ist mit einer Abstromseite des Vakuumbehälters 1 verbunden. Ein Unterdruckmanometer 13, das den Innendruck des Vakuumbehälters 1 misst, ein Filter 10, ein erstes Ventil 11a, ein Dosierventil 12, ein zweites Ventil 11b, eine Turbomolekularpumpe 14, ein drittes Ventil 11c und eine Grobvakuumpumpe 15 sind an dem dritten Rohr 5c angeordnet, und zwar in der genannten Reihenfolge ausgehend von einer Seite des Vakuumbehälters 1. Das zweite Ventil 11b und das dritte Ventil 11c sind vorgesehen, um zu verhindern, dass die Turbomolekularpumpe 14 zerstört wird, wenn die Probe in den Vakuumbehälter 1 eingebracht oder daraus entnommen wird. Die Turbomolekularpumpe 14, die verwendet wird, wenn eine aus der Metallschmelze freigesetzte Gasmenge klein ist, arbeitet im Dauerbetrieb. Dadurch sollen Arbeitszeitverluste durch Ein- und Ausschalten der Turbomolekularpumpe 14 vermieden werden.
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Das Rohr 5c zwischen dem Filter 10 und dem ersten Ventil 11a ist mit dem Rohr 5c zwischen dem Dosierventil 12 und dem zweiten Ventil 11b durch ein erstes Bypassrohr 16 verbunden. Ein viertes Ventil 11d ist an dem ersten Bypassrohr 16 vorgesehen. Das Rohr 5c zwischen dem Dosierventil 12 und dem zweiten Ventil 11b ist mit dem Rohr 5c zwischen dem dritten Ventil 11c und der Grobvakuumpumpe 15 durch ein zweites Bypassrohr 17 verbunden. Ein fünftes Ventil 11e ist an dem zweiten Bypassrohr 17 vorgesehen. Die Bypassrohre 16 und 17 werden verwendet, wenn eine Menge des freigesetzten Gases groß ist und die Grobvakuumpumpe 15 das Gas direkt evakuiert.
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Der von der oben beschriebenen Gasmengen-Messvorrichtung durchgeführte Betrieb läuft wie folgt ab:
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(1) Bevor die Metallschmelze in dem Probenapf 3 enthalten ist:
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Zunächst werden das erste Ventil 11a, das zweite Ventil 11b und das vierte Ventil 11d vollständig geschlossen, das dritte Ventil 11c und das fünfte Ventil 11e werden vollständig geöffnet, und die Grobvakuumpumpe 15 wird in Betrieb gesetzt. Danach wird die Turbomolekularpumpe 14 in Betrieb gesetzt. In diesem Zustand ist das Entlüftungsventil 4 vollständig geöffnet, und die Abdeckung 2 des Vakuumbehälters 1 ist angehoben. Der Probenapf 3 wird in den Vakuumbehälter 1 eingebracht, und die Abdeckung 2 wird geschlossen. Das Entlüftungsventil 4 und das dritte Ventil 11c werden vollständig geschlossen, das vierte Ventil 11d wird vollständig geöffnet, und das Gas in dem Vakuumbehälter 1 wird durch die Grobvakuumpumpe 15 durch das erste und das zweite Bypassrohr 16 und 17 hindurch evakuiert. Wenn die Gasmenge in dem Vakuumbehälter 1 klein ist, wird das fünfte Ventil 11e vollständig geschlossen, wobei das vierte Ventil 11d vollständig geöffnet gehalten wird, werden das zweite Ventil 11b und das dritte Ventil 11c vollständig geöffnet und wird das Gas in dem Vakuumbehälter 1 durch die Turbomolekularpumpe 14 und die Grobvakuumpumpe 15 nur durch das erste Bypassrohr 16 hindurch evakuiert. Durch Messen des Innendrucks des Vakuumbehälters 1 in diesem Zustand mit dem Unterdruckmanometer 13, wird ein Diagramm erhalten, das einen allmählich fallenden Druck hat, wie die Kurve A in 2 zeigt.
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(2) Nachdem die Metallschmelze in den Probenapf 3 eingebracht ist:
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Zunächst wird die Grobvakuumpumpe 15 angehalten (die Grobvakuumpumpe 15 wird angehalten, nachdem die Turbomolekularpumpe 14 angehalten wurde, wenn die Turbomolekularpumpe 14 in Betrieb war), und dann wird das Entlüftungsventil 4 ausgelöst (auf einen Luftdruck von 1 atm zurückgebracht). Nach dem Anheben der Abdeckung 2 des Vakuumbehälters 1 und dem Einbringen der Probe in den Probenapf 3 wird die Abdeckung 2 geschlossen. Dann wird durch Ausführen eines Vorgangs, der dem oben in (1) beschriebenen gleicht, der Innendruck des Vakuumbehälters 1 unter Verwendung des Unterdruckmanometers 13 gemessen. Als Ergebnis wird ein Diagramm erhalten, das große und kleine Spitzen hat, wie die Kurve B in 2 zeigt.
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(3) Zufuhr von Kalibriergas:
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Nach Ablauf der Zeit T1 (beispielsweise vier Minuten und 20 Sekunden) seit dem Einbringen der Probe in den Probenapf 3 in dem Vakuumbehälter 1 wird ein Standard-Referenzgas mit einem Luftdruck von 1 atm, beispielsweise N2, in das Rohr 5b (den Rohrabschnitt) zwischen den Kalibrierventilen 7a und 7b eingeleitet. Das Kalibrierventil 7b wird geöffnet, um aus dem Rohr 5b für eine vorbestimmte Zeitdauer (T2 – T1) N2 in den Vakuumbehälter 1 einzuleiten. Als Ergebnis wird eine Kurve C erhalten, die eine große Spitze mit längerem Schwanz, verursacht durch das Kalibriergas, hat, wie die Kurve C in 2 zeigt. Unter Anwendung der Kurven C und A wird die Molekülzahl Sr von T2 bis T1 erhalten. Da PV = nRT (wobei P einen Druck des Rohrabschnitts, V ein Volumen des Rohrabschnitts, n die Molzahl, R eine Konstante und T eine Temperatur des Rohrabschnitts bezeichnet), kann die Molzahl n erhalten werden. 2 zeigt, dass (1) das Gas aus dem Inneren der in dem Probenapf 3 enthaltenen Metallschmelze in den Raum des Vakuumbehälter freigesetzt wird und dass (2) die Freisetzungszustände des Gases sind: sowohl gleichzeitige Gasfreisetzung unter Auftreten großer und kleiner Druckspitzen als auch statische Gasfreisetzung ohne Auftreten von Druckspitzen.
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3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Druckdifferenz entsprechend dem Kurvendiagramm von 2 und den Zählwerten der gleichen Spitzendrücke in 2 zeigt. 3 zeigt eine Gasfreisetzungsmenge in Druck pro Spitzenereignis als eine Funktion der Spitzenzählwerte aus der Metallschmelze. Die Gasfreisetzungsmenge ist zu dem Spitzendruck proportional. Da der Spitzendruck höher ist und die Spitzenzählwerte größer sind, ist in diesem Fall eine große Gasmenge, die zur Bildung von Gasblasen (Blasen) tendiert, in der Metallschmelze enthalten.
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Somit ist die Gasmengen-Messvorrichtung nach der ersten Ausführungsform derart ausgebildet, dass sie den Kalibriergaserzeuger 6 aufweist, der an der Aufstromseite des Vakuumbehälters 1 vorgesehen ist und die Kalibrierventile 7a und 7b, das mit dem Rohrabschnitt zwischen den Ventilen 7a und 7b verbundene Manometer 8 und den Zylinder 9 aufweist. Es ist deshalb möglich, die Menge jeder Gasart zu messen.
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In der ersten Ausführungsform ist der Fall der Verwendung von N2 als das Standard-Referenzgas beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt, und es kann eine beliebige Gasart wie etwa H2 oder He als das Standard-Referenzgas verwendet werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel:
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Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Gasmengen-Messvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die in 4 gezeigten Bauelemente, die gleich denen gemäß 1 sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht erläutert. Verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist es für das zweite Ausführungsbeispiel charakteristisch, dass eine Heizeinrichtung 21 um den Probenapf 3 herum vorgesehen ist.
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Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel kann ein Temperaturabfall der in dem Probenapf 3 enthaltenen Metallschmelze durch das Vorhandensein der Heizeinrichtung 21 vermieden werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das erste und das zweite Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann durch Abwandeln der Bauelemente im Rahmen der Erfindung ausgeführt werden. Ferner können verschiedene Neuerungen durch geeignete Kombination einer Vielzahl von Bauelementen, die in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel angegeben sind, geschaffen werden. Beispielsweise können von den gesamten Bauelementen, die in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt sind, verschiedene Bauelemente entfallen.
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Insbesondere ist der an dem Rohr vorgesehene Filter nicht immer erforderlich. Außerdem ist die um den Probenapf herum angeordnete Heizeinrichtung nicht immer erforderlich. Ferner können die Bauelemente des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels auf zweckmäßige Weise kombiniert werden. Obwohl in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Fall des Messens des in der Metallschmelze enthaltenen Reingases beschrieben ist, ist die Erfindung außerdem auch auf einen Fall des Beobachtens eines Einschlusses bei gleichzeitigem Messen der an den Einschluss angelagerten Gasmenge anwendbar.
