JP2004337827A

JP2004337827A - 高重力場における電極反応装置

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Publication number: JP2004337827A
Application number: JP2003174094A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Aogaki; 良一青柿; Takeshi Kimura; 武士木村
Original assignee: NIKKO KEISOKU KK
Current assignee: NIKKO KEISOKU KK
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP4183568B2

Abstract

【課題】高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電極反応を高精度・多機能に解析でき、従来では不可能であった溶液内物質の荷電状態の変化による構造変化を迅速かつ高感度で検出測定を可能にし、材料科学の発展に寄与し、新しい分析法をも可能にすることにある。
【解決手段】本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電極反応をおこなう電解セルを複数有し、反応を制御および／または測定データを記憶保存できる機構を有し、また、非接触で外部より測定、制御を行う機構を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置に関し、特に電極反応を高精度・多機能に解析できるようにすることにより、従来では不可能であった溶液内物質の荷電状態の変化による構造変化を迅速かつ高感度で検出測定を可能とすることで、材料科学の発展に寄与し、新しい分析法をも可能にした、高重力場における電極反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶液中での物質の状態を知ることの必要性は、材料製造や医療検査などの実用面からも、物質の様々な状態を解明するという基礎科学の上からも、近年その重要性が高まっている。電気化学的手法においても、従来の回転円盤電極や微小電極などの電極装置やそれらの装置を用いた定電位ステップ法や定電流ステップ法などの測定法で、溶液中の物質の状態を研究していた。しかしそれらは、あくまでも反応種が電極面上で電子を交換する過程をとらえて、その時の反応電流を測定するものであり、電極面上で起こっている反応や、反応に関与する反応種についての情報しか得られないという問題点があった。
【０００３】
一方、科学技術の進歩は、電気化学の新しい手段として、重力場における電気化学が提唱されており（下記、非特許文献１）、この分野でも、より高精度で、多機能な測定装置や分析装置が求められてきた。本発明は、この高重力場における電極反応装置を、より高精度・多機能とすることにあって、しかも簡便な装置により迅速に測定できる具体的手段を提供することにある。
【０００４】
【非特許文献１】
青柿良一、他３名、「高重力場における電気化学」、電気化学および工業物理化学、社団法人電気化学会、平成１４年５月、第７０巻、第５号、ｐ．３４２−３４６。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の欠点を除くためになされたものであって、その目的とするところは、高重力場における電極反応の制御や解析を、より高精度・多機能とすることにある。また他の目的は、その反応・分析を簡便な装置により迅速に行うことにある。また他の目的は、この反応・分析装置を使用することにより、溶液中に存在するイオン種を電極反応に伴って生じる溶媒和状態の変化から生じる密度の変化としてとらえ、生じる重力対流を高重力場によって増幅して拡散電流の形で出力する検出を、迅速かつ高精度で行うために必要な手段を提供することにある。さらに他の目的は、この反応装置の使用により、コロイド粒子やミセルなど多数のイオンや分子の集合体に対して、より高性能で高機能な重力場における電極反応の測定装置や分析装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであって、以下の事項を具備する電極反応装置であることを特徴とする。本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電極反応をおこなう電解セルを複数有する高重力場における電極反応装置に関する。また本発明は、上記複数の電解セルを有する電極反応装置において、作動極から対極へ電流を流すようにされ、一定間隔を置いて重力方向に対して垂直に配置された作動極、対極、および作動極の電位測定用の照合極からなる垂直配置電解セルと、作動極から対極へ電流を流すようにされ、一定間隔を置いて重力方向に対して平行に配置された作動極、対極、および作動極の電位測定用の照合極からなる平行配置電解セルとを有する高重力場における電極反応装置に関する。また本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電極反応をおこなう電解セルに設置された電極が、つり下げ線でつり下げたものである高重力場における電極反応装置に関する。また本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、ロータの外部装置との電気接続部分が、モータの回転軸に直結されている高重力場における電極反応装置に関する。また本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、装置が収納されている容器の上蓋を開いた場合や、ロータが回転していない時は、ロータの回転機能を解除する機構を有する、高重力場における電極反応装置に関する。また本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電解セルを含むロータ部分に電極反応制御装置および／または測定装置を組み込み、反応を制御および／または測定データを記憶保存できる機構を有する、高重力場における電極反応装置に関する。また本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電解セルを含むロータ部分に電極反応制御装置および／または測定装置を組み込み、電波、光、音波により選ばれた手段により非接触で外部より測定、制御を行う機構を有する、高重力場における電極反応装置に関する。さらに本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、ロータ内部に電池を組み込み、作動極から対極に流れる電流をその電池から供給する、高重力場における電極反応装置に関する。
【０００７】
本発明は、高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置に関する。電極反応装置を高速回転する高重力場に置くことにより、重力作用下で電極反応を行わせ、電極近傍の溶液密度変化を生じさせ、それを解析することや、重力対流による物質移動を促進させるなど、新しい環境を生み出して、その場における電極反応を解析することで、物質状態の新しい解析法や分析手段を提供することにある。ここで、高速回転とは、好ましくは１００回／分以上の回転速度であって、５，０００回以下、２００回／分以上であって２，０００回以下であることがさらに好ましい。１００回／分に達しない場合は、溶液内での回転によって生じる重力と、自然重力との差が小さいため、測定値に現れる誤差が大きくなり、実用的でないからであり、また低回転では、回転の不安定性を伴うからである。また、５，０００回を越す高速回転は、モータも特殊になり、安全性対策も複雑になるので、反応装置や測定装置等には不向きな場合がある。高速回転により生ずる遠心力は、回転速度の２乗と回転半径の積に比例するので、本発明の電極反応装置においては、高速回転により、通常地球上の重力加速度の数百倍から数千倍の重力加速度を受ける。
【０００８】
高重力場に置かれた電極反応装置は、電極反応をおこなう溶液を含む電極反応槽（電解セル）を有する。本発明は、溶液中に含まれる物質（イオン、コロイド粒子、ミセルばかりでなく空気や懸濁物等も含む）の荷電状態の変化による構造変化を、高感度で多面的に検出可能とするものだからである。本発明における電解セルは、大きい場合には、自然重力の１０００倍以上の重力場にさらされるので、それらの重力に耐える力学的要請ばかりでなく、装置への負荷を減らすために、できるだけ軽量であり、また、反応装置としての耐薬品性も要求される。これらの要求から、炭素るつぼ、ガラス製やセラミック製、熱硬化樹脂やエンジニアリングプラスチック、また、フッ素樹脂やポリプロピレン等の耐薬品性のある樹脂を炭素繊維やガラス繊維等によって補強されたものであることが好ましい。また、この電解セルは、次に説明する作動極、対極、照合極などの電極が配置されているが、これらの電極間の位置を精密に保持した関係に設置する必要がある。そこで、反応液の通過にはあまり妨げにはならないネット状物でできた篭体に電極を固定して、電極間の位置を正確に固定することが好ましい。また、ネットではなく、単なるフレームだけで出来ている枠体に電極を固定してもよい。これらの篭体や枠体の材質は前記電解セルの材質も使用できるが、後述するつり下げ線の材質で篭体や枠体を作成することが、寸法安定性や物理的強度の面からも好ましい。
【０００９】
本発明における電極反応装置は、複数の電解セルを有することが特に好ましい。従来は、１個の電解セルに、バランスをとるためのカウンターバランスを設けていた。カウンターバランス部分に、電解セルを設けて、電解セルを複数にすることは、容易なようで、その複数の電解セルにどのように電流を流し、どのようにデータを取り出すかが解決しておらず、単に複数にしただけでは、高速回転する電極反応装置の安定な運転はできなかった。本発明は、下記に述べるように、ロータと外部装置をつなぐ電気接続部分をモータ軸に直結することや、接触部分をコンパクト化することや、その接続部分を非接触にすることや、通信そのものをを無くすること、また、電解セルを小型化することで、これらの不安定要因をなくすることができた。特に、測定データを記憶保存したり、反応に要する電流をロータ内部の電池で行う方式では、外部とのデータや電流の伝達が必要ないので、電解セルの数も、２から４、またはそれ以上に増やすことを可能にした。
【００１０】
本発明の電極反応装置が複数の電解セルを有することにより、溶液中の物質の荷電状態の変化による構造変化を、迅速かつ高感度で検出測定を可能とし、また複数の電解セルを有することにより、溶液の密度係数を、拡散係数の推定という煩雑な手法を用いることなしに直接測定可能にした。溶液の密度係数が求まることにより、溶液中の物質の溶媒和状態を簡易迅速に求めることができるようになった。密度係数は、電極反応による溶液組成の変化によって生ずる密度変化の程度を表す量である。また、溶媒和状態とは、ある物質が他の液体に溶けた状態をいい、微視的には、物質の分子、原子、イオンが溶媒の分子に取り囲まれた状態をいう。このように、密度係数や溶媒和状態がわかることにより、反応に伴うこれらのイオンの溶媒和状態の体積等の物理量の変化も求めることができ、それらの反応物の同定にこれらの値を用いることがでる。さらに、複数の電解セルを有することにより、複数の異なる重力モードや溶液抵抗などの電気化学測定を同時に行うと、不溶性粒子の形成条件及びその見かけの大きさを決定でき、また、表面状態の異なる粒子の検出、例えば表面の基質に差のある同一性の細胞の検出などを行うことができる。このように、密度係数や溶媒和状態を知ることは、従来手間取っていた科学技術上の物質の解析や、複雑な物質の分析に威力を発揮することができる。また、異なる測定条件や反応条件における計測を同時に行うことで、物質の解析や分析に威力を発揮することができる。
【００１１】
本発明の複数の電解セルにおける電極は、重力に対して垂直な配置をもつ作動極、対極、および作動極の電位測定用の照合極からなる垂直配置電解セルと、重力に対して平行な配置をもつ作動極、対極、および作動極の電位測定用の照合極からなる平行配置電解セルとを有することを特徴とする。ここで、重力方向に対して垂直とは、高速回転によって生じる重力場の方向に対して直角方向、すなわち電解セルの回転する円の円周に対して接線方向のことであり、この方向に平行に設置した電極面に生ずる重力を垂直重力という。重力方向に対して平行とは、高速回転によって生じる重力場の方向に平行方向、すなわち電解セルの回転する円の法線方向であり、この平行方向に設置した電極面に対して生じる重力を平行重力という。本発明は、複数電解セルにすることを可能にしたことにより、垂直重力と平行重力の両方の重力状態を同時に実現できるので、上記の溶液内での物質の状態を知ることが、簡便、迅速に解析や測定でき、高精度・多機能な電極反応装置とすることができた。なお、電極における「作動極」とその「対極」とは、作動極から対極へ電流を流すようにされ、一定間隔を置いて配置された電極をいい、作用電極と対極とも云う。電極とは、電気化学反応のおこる場所をいう。また、照合極は、作動極の電位を測定するための電極で、基準となる電位を発生させており、通常は作動極の大きさよりも小さい寸法でできており、作動極の近傍に設置されており、参照電極とも云われる。なお、回転重力に垂直や水平な関係にあるのは、作動極とその対極のなす方向であり、照合極は重力方向には関係しない。
【００１２】
本発明の電解セルに設置された電極は、つり下げ線でつり下げたものであることが好ましい。本発明の重力電極は、高速回転するそれぞれの複数の電極に垂直または平行に重力を加えることを可能にしたことにある。そのためには、高精度の電極の姿勢制御が求められるばかりでなく、回転ロータの機械的振動を拾わないようにする必要がある。つり下げ線でつり下げることにより、ロータの回転に対して常に動径方向を正確に向くことより、正確に姿勢制御でき、また、溶液中にフレキシブルな線でつながっているだけなので、機械的振動を拾うこともないダンパーの役目も持つ。つり下げ線は、フレキシブルでかつ寸法精度を有するものが好ましく、また、自然重力の１０００倍以上の重力場に耐える引張強力と弾性率を有することが必要とされる。それらの要件を備えた高強度高弾性率繊維として、超高分子量ポリエチレン繊維、アラミド繊維、芳香族ポリエステル繊維等の高分子繊維、ガラス繊維やアルミナ繊維等のセラミック繊維、炭素繊維、アモルファス金属繊維等の金属繊維等が使用される。また、それらにフッ素系やシリコン系のコーティングを施して、耐薬品性をアップさせて使用することもできる。これらのつり下げ線の取り付け方等は図面で説明する。
【００１３】
本発明の電極反応装置がロータの外部装置への電気的接続部を有する場合において、電気接続部分は、モータの回転軸に直結されていることを特徴とする。本発明は、多機能で高性能な電極反応装置を目指すものであり、そのため多数の電極を有し、電気接続部分が長くなるが、それらの多数の電極と外部との電気的接続を維持しつつ、高速回転によるロータの安定性を保つために電気接続分をモータの回転軸に、他の軸を介せずに直接に結合した。ロータは、本発明の電極反応装置の回転している部分全体を意味し、外部装置は、ロータの外部にあって、反応の制御やデータの検出や、電極反応に必要な電流の供給等を行う非回転部分からなる装置をいう。電気接続部分は、外部装置とロータをブラシ等で電気的に接触して接続している部分をいう。ブラシは、回転子と外部回路間を接触により通電する部材で、通常黒鉛質でできているが、金、銀、銅などの合金も使用することができ、スプリング圧等により一定圧で回転子に押しつけられていることが好ましい。
【００１４】
本発明の電極反応装置は、装置が収納されている容器の上蓋を開いた場合や、ロータが回転していない時は、ロータの回転機能を解除できる機構を有することが好ましい。このように解除できる機構を有することにより、装置の安全性が増し、ロータの電気接続部分と外部装置のブラシの保護ともなる。即ち、誤って上蓋を開けたり、試料の取り出し中や電極の交換中に誤って駆動スイッチを入れてしまうことによる人身事故を防ぎ、また、急発進や急停止のような急激な機械的ショックに弱いブラシの保護ともなる。これらの「解除できる機構」として、上蓋を開けると、リミットスイッチにより自動的に回路を遮断する手段や、タコメータと連動したスイッチを設けて、始動時には、二つのスイッチを入れるようにする手段等を用いることができる。
【００１５】
本発明の電極反応装置は、ロータ内部に電極反応制御装置、測定装置を組み込み、測定データを記憶保存できる機構を有するようにすることができる。電極反応制御装置は、一般に、時間的に作動極の電極電位もしくは電解電流値を制御する関数発生器と、関数発生器によって設定された電極電位や電解電流を発生させることのできるポテンショスタットとガルバノスタットで構成されている。ここで、ポテンショスタットは、一定の電極電位を発生させ、ガルバノスタットは、一定の電解電流を発生させる機能をもつ。また、測定装置は、電流計、電圧計、測温計などの種々の測定機器をいう。測定データを記憶保存しておき、電極反応装置を所定回数の回転を行い、または所定時間を経過後、回転を停止して、保存されたデータを取りだして解析する。そのようにすることで、外部装置との電気的接続部分が短くなり、装置がシンプルになり、高速回転における安定性も高まる。また、次に記載するように、ロータ内部に電池を設けて、電池より供給することと組み合わせることで、外部装置との電気的接続部分を全く無くすることもできる。電極反応制御装置、測定装置、記憶保存機構を有する装置のロータ内部の設置場所は、特に限定されるものではないが、ロータの中心部分のあまり遠心力が大きく働かない場所や、ロータの回転軸の内部などが特に好ましい。電極反応制御装置や測定装置としては、作動極の電圧の記録や、作動極の電流値コントロールなどの電極反応が直接関与するものばかりでなく、反応環境の温度などの値を測定し制御する。記憶保存は、電磁気的や光学的手段で実現でき、例えば、反応の電圧の変化や温度の変化などのデータを、ＩＣチップに記憶させたり、また市販のフラッシュメモリー、メモリーチップ、メモリーカード等のランダムアクセスメモリーも使用できる。さらに、小型コンピュータのハードウエア等に記録し保存させることも出来る。これらのデータが記憶されたＩＣチップやメモリーカード等は、電極反応装置が停止時に取り出し、外部のコンピュータのスロットやＵＳＢに挿入して、データ処理を行わせることができる。
【００１６】
本発明の電極反応装置は、電解セルを含むロータ部分に電極反応制御装置、測定装置を組み込み、電波、光、音波により選ばれた手段により非接触で外部より測定、制御を行う機構を有するようにすることができる。ブラシのような接触による電導では、機械的な安定性を損なう場合もあり、また電気的信号にもノイズを伴う場合もあるので、非接触とすることで、これらの問題点を軽減するものである。上記のＩＣチップ等のデータを携帯電話等の通信手段で外部装置のコンピュータに送信したり、これらのデータを超音波やレーザー、ＬＥＤ、可視光線、赤外線等の光に変換して外部装置へ伝達することができる。また、回転装置内部に受信装置や受光素子を設け、外部から電波、光、音波等により反応の制御を行うこともできる。これらの電極反応制御装置、測定装置、発信装置や受信装置等は、装置のロータ内部の設置場所は特に限定されるものではないが、やはりロータの中心部分のあまり遠心力が大きく働かない場所や、ロータの回転軸の内部などが特に好ましい。また、この場合も、ロータ内部に電池を設けて、電池より電気を供給することと組み合わせることが好ましい。
【００１７】
本発明の電極反応装置は、ロータ内部に電池を組み込み、作動極から対極に流れる電流やその他の制御等に使用される電流をその電池から供給することもできる。本発明は、簡便な分析装置や溶液解析装置として、小型の電解セルや電極を使用するので、電流の使用量も少なく、重力場における電極反応装置として電池を使用することが特に適する。そして、反応のデータを記憶保存する上記の機構や非接触で送受信する機構と併用することにより、外部装置との電気的接続部分を全く無くすることもできる。このように外部との電気的接続部分を皆無とすることで、機構がきわめて単純となるため、電解セルの数も２から４、さらにはそれ以上の数にすることができる。電池には、物理電池、化学電池があり、化学電池には、一次電池と二次電池、燃料電池の３種類あり、いずれも使用できるが、簡便であり、充電することで何回でも使用できる２次電池が、経済的な面からも特に好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面で示す実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置の例を、断面図で示す。電極反応装置１は、周囲を保護材２で覆われており、その中央にモータ３があり、モータ３の回転軸に一体的に取り付けられている回転円盤４がある。回転円盤４には、軸５ａ、５ｂが取り付けられており、その軸５ａ、５ｂに軸受６ａ、６ｂを介して電解セル７ａ、７ｂが固定されている。モータ３の回転により回転円盤４が回転すると、電解セル７は回転による遠心力で軸受６を中心に外側へ向いて動き、図では自然重力方向に向いている電解セル７は、水平方向に寝た配置となる。電解セル７の詳細は図３で説明するが、電解セルの中には、少なくとも作動極、対極、照合極の電極を有する。それぞれの電極は、電線でつながって外部へ導かれるようになっているが、煩雑になるので、その電線の全ては図では示していない。それぞれの電極からの電線は、回転円盤４へ導かれ、回転円盤４と一体的に接続している接続棒８の中心を通って、通電リング９ａ、９ａ、９ｃへ導かれる。通電リング９は、電極の数だけあることが好ましいが、２つの照合極は、一つの通電リングで兼ねることができる。しかし、２つの作動極と二つの対極の電線は、それぞれ別の通電リングであることが好ましい。したがって、通電リング９は５個以上からなることが好ましいが、図では煩雑さを避けるため、３個の通電リング９ａ、９ｂ、９ｃのみを示している。接続棒８と通電リング９は、簡単に示しているが、詳細は図２で示す。図１では斜線で示した回転円盤４、軸５、接続棒８、それに軸受６および電解セル７と通電リングが、モータ３によってもたらされる回転に従って一体的に回転するようになっており、その回転部分がロータを構成する。
【００１９】
図１の電極反応装置１の保護材２の天井部分にさし渡した梁より架台１０が取り付けられており、その架台１０に、先端にブラシがセットされたブラシ保持具１１ａ、１１ｂ、１１ｃが、スプリングで先端のブラシが通電リング９ａ、９ｂ、９ｃに接触するように押しつけられるように設置されている。通電リング９とブラシ保持具１１のブラシの接触により通電した電気は、電線１２ａ、１２ｂ、１２ｃで、外部の電極反応制御装置や測定装置、コンピュータ等に導かれる。上述のように、複数の電解セルを有する電極反応装置１では、少なくとも５個の通電リングが必要で、それに応じた数のブラシとブラシ保持具１１を必要とする。これらの５個以上のブラシとブラシ保持具の配置は、回転軸に対して、放射状または互い違いに配置することが、装置の高速回転に対する安定性の面から重要である。なお、架台１０には、回転速度を測るオプチカルスイッチも設けられているが、煩雑であるので省略した。
【００２０】
図２は、図１のロータ部の外部装置との電気的接続部分を拡大して示した断面図で、図２Ａは組立図、図２Ｂは、それぞれの部品を分けて示した。絶縁パイプ２１が接続棒８に嵌合するように配置され、それに通電リング９が絶縁用ブッシュ２２を介して積み重なっている。Ａ図では、通電リング９と絶縁用ブッシュ２２が３個の場合を示し、図Ｂでは、それらの１個について示してある。電線２３は、絶縁用パイプ２１の外側に刻まれた溝に配線され、それぞれの通電リング９にハンダ溶接点２４で接合されている。図Ｃは、図Ａの上部の平面図を示す。図Ｄは、図Ｂの絶縁パイプ２１の平面図で、縦方向の多数の溝は、電線２３の配線を埋め込むためのものである。このように、電線２３を絶縁パイプ２１の外側の溝を通して配線することで、多数枚の通電リングであっても、外部との通電部をコンパクトに構成されるようになった。なお、通電リング９は、真ちゅう製や銅など導電性の良い素材で製作され、絶縁リング２１は、ベークライトやポリプロピレン等の絶縁性と力学的強度のある素材が選ばれる。また、絶縁用ブッシュ２２は、テフロンやポリプロピレン等の絶縁性の良い素材から製作する。
【００２１】
図３は、電解セルの構造の例を示す。図Ａは垂直重力方向に電極を配置した例で、電解セル３１ａは、容器３２ａと上部シール部３３ａからなり、内部に反応液３４が満たされている。上部シール部３３ａよりつり下げ線３５ａで篭体３６ａがつり下げられており、その篭体３６ａは、ネット状物で構成され、反応液３４は抵抗少なく通過できる。その篭体３６ａに作動極３７ａ、対極３８ａ、照合極３９ａの電極が固定されている。作動極３７ａと対極３８ａは、一定距離ａであるように固定されており、図示はしなかったが、作動極３７ａと照合極３９ａとの距離も一定になるように篭体３６ａに固定される。作動極３７ａと対極３８ａは必要に応じて互いの位置を交換できる。その場合、照合極３９ａの位置は、改めて設定される。図Ｂは、平行重力方向に電極を配置した例で、図Ａと同様の構成であるが、篭体３６ｂに作動極３７ｂ、対極３８ｂ、照合極３９ｂの電極が、図Ａとは９０度異なる配置で固定されている。作動極３７ｂと対極３８ｂの距離ｂは、図Ａの距離ａと必ずしも同一である必要はないが、作動極３７ｂと照合極３９ｂの距離を図Ａの作動極３７ａと照合極３９ａの距離と同一にすることで、垂直重力と水平重力の比較した電極反応が同一条件で試験できることになり、多機能高精度でかつ迅速な測定と分析が可能になった。
【００２２】
図４は、ロータ内部に電極反応制御装置、測定装置、データ記憶保存装置、受発信装置、電池を有し、ロータ部と外部との接触式の通電部分を有しない場合について示す。モータに直結している回転円盤４１には、軸受４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを介して４個の電解セル４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄが接続されている。回転円盤４１には、中央部に比較的大きな中央の穴４４を有し、その周囲に複数個（図では８個）の周囲の穴４５を有する構造になっている。それぞれの穴に、電極反応制御装置、測定装置、記憶保存機器、発信装置、受信装置、電池等を分配して配置する。中央の穴４４は、回転による遠心力の影響が少ないので、発信器や受信機、測定装置等の精密機器４６を配置することが望ましい。周囲の穴４５には、電池４７などを配置する。これらの装置と電池間は、電線で結ぶ。なお、これらの装置を配置するのは、上記の穴ばかりでなく、円盤の上部や下部でも、また電解セル４３の上部シール部でも、しっかり固定できれば、ロータ内部のいずれの場所であってもよい。このようにロータ内部にこれらの装置を内蔵することにより、図２に示すような外部との電気接続部分がないので、装置がスッキリし、図のように４個の電解セル４３を有するような複数個の電解セルを有することができ、多機能高精度でかつ迅速な測定と分析が可能になった。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］図１、２の装置を使用して、塩化第二銅の第二銅イオンから第一銅イオンを生成する酸化還元反応における密度係数の測定を行った。溶液は、１ｍｏｌ／ｄｍ^３濃度のＫＣｌを支持塩とし、ＣｕＣｌ_２を１０^−２ｍｏｌ／ｄｍ^３から５×１０^−２ｍｏｌ／ｄｍ^３まで含んだものを、それぞれ５種類用意した。ＣｕＣｌ_２の溶解を助けるために、少量のＨＣｌを添加した。温度は室温とし、実験直前に、アルゴンガスで溶存酸素の除去が行われた。垂直重力のもとでは、作動極は直径１ｍｍφのＰｔ線、対極は５ｍｍのＰｔ円板を用いた。平行重力のもとでは、作動極、対極ともに巾５ｍｍ、高さ１０ｍｍの矩形Ｐｔ極を用いた。作動極と対極の間は１０ｍｍに保った。回転中心から作動極までの距離は１５７ｍｍであり、２００ｒｐｍから１０００ｒｐｍまで、回転数を変えて実験を行った。平行および垂直の場合の重力のもとで測定される拡散電流密度ｉ_ｐとｉ_ｖ［Ａ／ｍ^２］は、図５の式（１）および（３）で与えられる。ここで、Ｄ［ｍ^２／ｓ］は拡散係数、ｚ_ｍは電荷数、Ｆ［ｃｏｕｌ／ｍｏｌｅ］はファラデー定数、ｖ［ｍ／ｓ］は動粘度、ｈ［ｍ］は電極高さ、臨界レイノルズ数Ｒ_ｃ＝１１００．６５、α［ｍ／ｓ^２］は重力加速度であり、△Ｃ_ｓ［ｍｏｌｅ／ｍ^３］は溶液バルクと電極界面における濃度差であり、β△Ｃ_ｓが求める密度係数であり、無次元数となる。図５における式（１）と（３）の比をとると式（５）が求まるので、β△Ｃ_ｓは式（６）で与えられる。したがって、密度係数β△Ｃ_ｓは拡散係数Ｄと無関係に、測定値の電流密度と濃度、動粘度ｖ、電荷数ｚ_ｍ、電極高さｈの値から計算で求まることになる。測定結果は図６の四角印で示すように、第二銅イオン濃度には依存せずに、密度係数は一定値を示した。その値は、ほぼ１０^−６であった。一方、電極電位の値を変えて同じ電極を用いて、第二銅イオンを銅原子まで還元する反応を行わせると、やはり塩化第二銅イオン濃度に依存せずに、一定値として、ほぼ１０^−５の値を示した。このように同一の溶液であっても、生成物の違いにより密度係数の違いは、１桁変動する。この違いは、第二銅イオンと第一銅イオンの溶媒和状態の体積差が、第二銅イオンそのものの溶媒和状態の体積と比べて１０分の１程度の値しかないことを示している。このように、重力電極による測定では、反応物と生成物の荷電状態の差による溶媒和状態にある微小体積変化も検出することができた。
【００２４】
［比較例１］単独の電解セルでは、平行重力の電流値測定と垂直重力の電流値測定をそれぞれ別々に行う必要から、それぞれ一回ずつ、すべての機械の動作を停止させた上で行う必要がある。一方、反応上からは、温度、溶存酸素濃度を一定にしなければならないので、実験の手間のみならず、測定精度の上からも大きなバラツキを生じやすい。図５の式（６）で示す密度係数β△Ｃ_ｓ算出式の測定値である電流密度のべき数がいずれも８、９と高次であるので、この点は特に重要である。単独セルで別々に行った実験結果を図６の丸印で示すが、四角印の実施例よりバラツキが大きく、精度が悪い。実験に要する時間も、単独セルでは複数セルより２倍以上かかり、測定効率の向上の点からも問題である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の複数電解セルを有する高重力場における電極反応装置により、電解セル内の溶液の密度係数や溶媒和状態、溶質イオンの部分モル体積とみかけのモル体積、それから溶媒和イオン一個の大きさ、粒子の荷電状態に対応した大きさの変化を簡便、迅速、正確に測定可能にした。それにより溶液内物質（イオン、コロイド粒子、ミセル）の荷電状態の変化による構造変化を迅速かつ高感度で検出測定を可能とし、反応系で生じた新しい粒子やミセルのモニタリングや解析ができ、材料科学や界面科学への応用を可能にした。また、本発明の電極反応装置は、新しい化学分析装置として、電解セルを複数とすることにより、情報量が多くなり、迅速、微量、高精度・多機能にすることができた。
【００２６】
本発明の電極反応装置において、ロータ内部に記憶装置や送受信装置、電池などを設けることにより、ブラシ等の接触する電導部分を持たない装置とすることで、装置を簡便かつ高感度にすることができ、それにより、複数電解セルにすることも容易にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電極反応装置の例を断面図で示す。
【図２】図１のロータ部の外部装置との電気的接続部分を断面図で示す。
【図３】本発明の電極セルの構造の例を断面図で示す。
【図４】本発明の電極反応装置において、各種装置や電池をロータ内に有する装置の例をロータの平面図で示す。
【図５】本発明において、密度係数β△Ｃ_ｓは拡散係数Ｄと無関係に、簡便に求められることを示す数式を示す。
【図６】本発明の実施例によって求められた実験結果を、比較例と対比して示す。
【符号の説明】
１：電極反応装置、２：保護材、３：モータ、４：回転円盤、
５ａ、５ｂ：軸、６ａ、６ｂ：軸受、７ａ、７ｂ：電解セル、
８：接続棒、９ａ、９ｂ、９ｃ：通電リング、１０：架台、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：ブラシ保持具、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：電線。
２１：絶縁パイプ、２２：絶縁用ブッシュ、
２３：電線、２４：ハンダ溶接点。
３１ａ、３１ｂ：電解セル、３２ａ、３２ｂ：容器、
３３ａ、３３ｂ：上部シール、３４：反応液、
３５ａ、３５ｂ：つり下げ線、３６ａ、３６ｂ：篭体、
３７ａ、３７ｂ：作動極、３８ａ、３８ｂ：対極、
３９ａ、３９ｂ：照合極。
４１：回転円盤、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ：軸受、
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ：電解セル、４４：中央の穴、
４５：周囲の穴、４６：精密機器、４７：電池。

Claims

高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電極反応を行う電解セルを複数有することを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
請求項１の複数の電解セルを有する電極反応装置において、作動極から対極へ電流を流すようにされ、一定間隔を置いて重力方向に対して垂直に配置された該作動極、該対極、および該作動極の電位測定用の照合極からなる垂直配置電解セルと、作動極から対極へ電流を流すようにされ、一定間隔を置いて重力方向に対して平行に配置された該作動極、該対極、および該作動極の電位測定用の照合極からなる平行配置電解セルとを有することを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電極反応をおこなう電解セルに設置された電極が、つり下げ線でつり下げたものであることを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、ロータの外部装置との電気接続部分が、モータの回転軸に直結されていることを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、装置が収納されている容器の上蓋を開いた場合や、ロータが回転していない時は、ロータの回転機能を解除する機構を有することを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電解セルを含むロータ部分に電極反応制御装置および／または測定装置が組み込まれており、反応を制御および／または測定データを記憶保存できる機構を有することを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、電解セルを含むロータ部分に電極反応制御装置および／または測定装置が組み込まれており、電波、光、音波により選ばれた手段により非接触で外部より測定、制御を行う機構を有することを特徴とする、高重力場における電極反応装置。
高速回転による遠心力により生ずる高重力場における電極反応装置において、ロータ内部に電池が組み込まれており、作動極から対極に流れる電流を該電池から供給する機構を有することを特徴とする、高重力場における電極反応装置。