JP2520898Y2 - 金属溶湯中の水素濃度測定用プローブ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本考案は、アルミニウムやその合金などの
金属溶湯中の水素濃度を測定する水素濃度測定装置にお
いて用いられる水素濃度測定用プローブに係り、特に耐
熱性が向上された水素濃度測定用プローブの構造に関す
るものである。

【０００２】

【背景技術】アルミニウムやアルミニウム合金等では、
その溶湯中に水素ガスが溶解乃至は溶存していると、か
かる溶湯の凝固の際に、その水素ガスが金属内部に気孔
を発生せしめ、得られる鋳造金属の品質を低下させる。
このため、それらアルミニウムやアルミニウム合金等の
金属では、その溶湯中の溶存水素を除去する、所謂脱水
素操作が一般に行なわれている。しかし、この脱水素操
作には時間がかかり、また必要以上の脱水素操作は製品
のコストアップを招くため、一般には、その操作に先立
って、予め金属溶湯中の水素濃度を測定し、その測定結
果に基づいて必要最小限の脱水素操作を施すことが行な
われている。

【０００３】そして、この脱水素操作に先立って行なわ
れる金属溶湯中の水素濃度の測定には、金属溶湯中の水
素濃度を溶湯状態のまま測定でき、測定に要する時間が
短くて済むことから、一般に、英国特許第６８４８６５
号明細書や米国特許第２８６１４５０号明細書等に示さ
れている如き、被測定物たる金属溶湯に対して所定の不
活性ガスを接触せしめて、該金属溶湯中の溶存水素を不
活性ガス中に拡散移行せしめた後、かかる不活性ガス中
に含まれる水素ガス濃度を検出することにより水素濃度
を測定する、所謂テレガス(Telegas) 法が、好適に用い
られることとなる。

【０００４】また、このテレガス法にて金属溶湯中の水
素濃度を測定するに際しては、一般に、長手方向に延び
る複数の不活性ガス通路を有し、長手方向の一端側を金
属溶湯中に浸漬せしめて、それら通路を通じて、金属溶
湯中に所定の不活性ガスを吹き込むと共に、該金属溶湯
中に吹き込まれて金属溶湯に接触せしめられた不活性ガ
スを回収する、セラミックス製の長手状プローブ本体を
備え、このプローブ本体の長手方向他端側における不活
性ガス通路の開口部に対して、それぞれ金属管を接続せ
しめることにより、それらの金属管を通じて、所定の不
活性ガスを循環流通せしめるようにした水素濃度測定用
プローブが採用されている。

【０００５】ところで、このような水素濃度測定用プロ
ーブでは、従来、プローブ本体における不活性ガス通路
と金属管との接続部位における気密性を確保すべく、か
かる接続部位を有機系の接着剤で固着せしめてなる構造
とされていたが、測定雰囲気温度が高い場合（一般に、
２００℃を超える場合）に、該有機系接着剤が熱硬化し
て割れを生じたり、熱分解してガスを発生したり、更に
は熱によって燃焼したりする等といった問題を内在して
いた。

【０００６】そこで、本願出願人は、先に、実開昭６２
−６２９６５号公報において、前記プローブ本体におけ
る不活性ガス通路と前記金属管との接続部を、所定の保
護スリーブ内に位置せしめて、該保護スリーブ内におい
て、ガラス系融着剤を用いて気密に封止せしめることに
より、それら通路と金属管との接続部位の耐熱性を向上
せしめた、新規な接続構造を有する水素濃度測定用プロ
ーブを明らかにした。

【０００７】しかしながら、かかる構造の水素濃度測定
用プローブについて、本考案者らが、更なる検討な加え
たところ、炉内ヒータや金属溶湯からの放射熱等によっ
て極めて高温に晒される場合に、プローブ本体に接続さ
れた金属管が加熱されることにより、該金属管の内部を
循環せしめられる不活性ガスが還元されてしまい、測定
誤差が大きくなってしまう恐れがあることが、明らかと
なった。

【０００８】また、それに加えて、ガラス系融着剤を用
いた場合でも、前記貫通孔と金属管との接続部位が４５
０℃以上に加熱されると、該ガラス系融着剤が溶出して
しまう恐れがあり、そのために、かかる接続部位におけ
る気密性が充分に維持され難くなることも、明らかとな
ったのである。

【０００９】

【解決課題】ここにおいて、本考案は、上述の如き事情
を背景として為されたものであって、その解決課題とす
るところは、耐熱性がより一層向上され得て、高温下に
おいても、金属溶湯中の水素濃度の測定を充分な精度を
もって且つ安定して実施することのできる、改良された
構造の水素濃度測定用プローブを提供することにある。

【００１０】そして、かかる課題を解決するために、本
考案にあっては、長手方向に延びる複数の不活性ガス通
路を有し、長手方向の一端側を金属溶湯中に浸漬せしめ
て、それら通路を通じて、該金属溶湯中に所定の不活性
ガスを吹き込むと共に、該金属溶湯中に吹き込まれて金
属溶湯に接触せしめられた不活性ガスを回収する、長手
のプローブ本体を備え、該プローブ本体の長手方向他端
側における前記通路の開口部に対して、それぞれ金属管
を接続することにより、それらの金属管を通じて、所定
の不活性ガスを循環流通せしめるようにする一方、前記
プローブ本体における不活性ガス通路と前記金属管との
接続部を、所定の保護スリーブ内に位置せしめて、該保
護スリーブ内においてガラス系融着剤にて気密に封止せ
しめて成る水素濃度測定用プローブにおいて、前記プロ
ーブ本体における、前記金属管が接続された長手方向の
上端部に対して、断熱スリーブを着脱可能に取り付け
て、該断熱スリーブにより、前記通路と金属管との接続
部および該接続部から延び出す金属管の所定長さ部分を
覆うと共に、かかる断熱スリーブ内に、その上部開口か
ら冷却ガス送入管を挿入配置せしめ、該冷却ガス送入管
を通じて、該断熱スリーブ内における前記ガラス系融着
剤による封止部上に冷却ガスを吹き込むようにしたこと
を、その特徴とするものである。

【００１１】

【作用・効果】すなわち、かかる本考案に従う構造とさ
れた水素濃度測定用プローブにあっては、プローブ本体
の不活性ガス通路と金属管との接続部および該接続部か
ら延び出す金属管とが、断熱スリーブにて覆われている
ことから、それら接続部や金属管に対する炉内ヒータや
金属溶湯からの放射熱が、この断熱スリーブによって遮
られて軽減され得るのであり、しかも、それに加えて、
かかる断熱スリーブ内に、冷却ガスが供給されて流通せ
しめられるところから、それら接続部や金属管の著しい
高温化が、極めて有効に防止され得ることとなる。

【００１２】そして、それ故、このような水素濃度測定
用プローブによれば、金属管の高温化に伴う不活性ガス
の還元作用に起因する測定誤差の増大や、接続部の高温
化に伴うガラス系接着剤の溶出に起因する気密性の低下
等の問題が、何れも、極めて有利に軽減乃至は解消され
得るのであり、それによって、高温雰囲気下においても
優れた測定精度を安定して得ることができるのである。

【００１３】

【実施例】以下、本考案をより一層明らかにするため
に、本考案の実施例について、図面を参照しつつ、詳細
に説明することとする。

【００１４】先ず、図１には、本考案に従う構造とされ
た金属溶湯中の水素濃度測定用プローブの一実施例が示
されている。かかる図中、１０は、アルミナ等により長
手形状をもって形成された、プローブ本体としての２孔
セラミックス管であって、その内部において、軸方向に
延びる不活性ガス通路として、二つの貫通孔１２，１４
が設けられている。また、この２孔セラミックス管１０
には、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属溶湯１
６中に浸漬されることとなる軸方向下端側の端部近傍に
位置して、逆カップ状のスカート部１８が一体的に形成
されている。更に、このスカート部１８の内部には、金
属溶湯１６に対する濡れ性の悪いセラミックス等から成
るフィルタ２０が、該スカート部１８内を上下に仕切る
ようにして配されており、その上側空間２２内への金属
溶湯１６の侵入が阻止されるようになっている。なお、
かかる２孔セラミックス管１０の、金属溶湯１２中に浸
漬されることとなる下部およびスカート部１８の表面に
は、セラミックス保護層２４が形成されている。

【００１５】また、前記一方の貫通孔１２の下部開口
は、金属溶湯中に浸漬される２孔セラミックス管１０の
軸方向下端面に開口せしめられている一方、他方の貫通
孔１４の下部開口は、２孔セラミックス管の軸方向下端
側において、スカート部１８内の上側空間２２に開口せ
しめられている。一方、かかる貫通孔１２，１４の上部
開口は、何れも、２孔セラミックス管１０の軸方向上端
面に開口せしめられており、これらの貫通孔１２，１４
の上部開口に対して、金属管としてのステンレス鋼管２
６，２８が、それぞれ接続されている。

【００１６】そして、このような水素濃度測定用プロー
ブ３０にあっては、良く知られているように、ステンレ
ス鋼管２６，２８に対して、図示しない、ポンプ手段や
水素濃度検出手段を含む循環検出部が接続されることと
なる。即ち、それによって、２孔セラミックス管１０の
貫通孔１２に対して不活性ガスが供給されて溶湯中に吐
出されると共に、この吐出されて金属溶湯１６に接触せ
しめられた不活性ガスがスカート部１８にて集められ
て、貫通孔１４から回収せしめられる、循環検出部を含
んだ不活性ガスの循環閉回路が形成されるようになって
いるのであり、不活性ガスがこの閉回路を循環せしめら
れることにより、金属溶湯１６中の水素ガスが、該不活
性ガス中に拡散移行せしめられることとなるのである。
それ故、この不活性ガス中の水素濃度が金属溶湯１６中
の水素濃度と平衡状態に達した後に、該不活性ガスの水
素濃度を、水素濃度検出手段にて検出することにより、
金属溶湯１６中の水素濃度を測定することができるので
ある。

【００１７】ところで、このような水素濃度検出装置で
は不活性ガスの循環閉回路を外部空間に対して完全に遮
断する必要があり、従って、上記プローブ３０において
も、各貫通孔１２，１４と各ステンレス鋼管２６，２８
との接続部に対して、高度な気密性が要求されることと
なる。以下、かかる接続部における構造を、図２に従っ
て、詳述することとする。

【００１８】先ず、図２に示されているように、前記２
孔セラミックス管１０における各貫通孔１２，１４の上
部開口部分に対して、前記ステンレス鋼管２６，２８の
一端部が、それぞれ所定長さで差し込まれて嵌入されて
いる。また、それらステンレス鋼管２６，２８は、２孔
セラミックス管１０の軸方向端面近傍に位置せしめられ
る部分において、ろう材３６により、相互に固定されて
いる。

【００１９】また一方、これらのステンレス鋼管２６，
２８が接続される２孔セラミックス管１０の軸方向上端
側は、所定長さに亘って外径が小さくされた小径部３８
とされており、この小径部３８に対して、円筒形状の保
護スリーブ４０が外挿されて取り付けられている。かか
る保護スリーブ４０は、アルミニウム合金や黄銅等の金
属材料にて形成されたものが好適に用いられ、その軸方
向一端側が、２孔セラミックス管１０の軸方向端部から
所定高さ突出する状態で取り付けられている。なお、こ
の保護スリーブ４０における２孔セラミックス管１０側
の軸方向端部は、外周面が大径とされて厚肉化されると
共に、その外周面に雄ねじが切られたボルト部４２とし
て形成されている。

【００２０】そして、この保護スリーブ４０内に、ガラ
ス質融着剤が充填されており、それによって、該保護ス
リーブ４０と２孔セラミックス管１０との間の間隙を埋
め、且つ該２孔セラミックス管１０の上端面を所定厚さ
で覆う状態で、ガラス質融着剤が溶融、固化されて成る
ガラス質融着剤封止部４４が形成されている。即ち、こ
のガラス質融着剤封止部４４によって、２孔セラミック
ス管１０とステンレス鋼管２６，２８および保護スリー
ブ４０が、相互に気密に固定されているのであり、これ
によって２孔セラミックス管１０の貫通孔１２，１４と
ステンレス鋼管２６，２８との各接続部が気密に封止さ
れているのである。

【００２１】なお、このガラス質融着剤封止部４４によ
る接続部の封止操作は、例えば、保護スリーブ４０を２
孔セラミックス管１０に外挿せしめた状態下、市販され
ている通常の金属−セラミックス（ガラスを含む）用融
着ガラス等のガラス質融着剤（フリット）を、かかる保
護スリーブ４０内に充填して、その外部からバーナ等で
加熱溶融せしめ、細隙内に侵入せしめて、融着させるこ
とによって、有利に行なわれることとなる。

【００２２】また、かかるガラス質融着剤封止部４４の
外側には、保護スリーブ４０内の上端側開口部を埋める
ようにして、所定厚さの耐熱性のセラミックス系接着剤
固定部４６が形成されており、このセラミックス系接着
剤固定部４６により、保護スリーブ４０とステンレス鋼
管２６，２８とが、互いに強固に固着されている。即
ち、このセラミックス系接着剤固定部４６により、保護
スリーブ４０とステンレス鋼管２６，２８とが強固に固
定されることにより、外的荷重等が及ぼされた際に前記
ガラス質融着剤封止部４４にかかる機械的負荷が軽減さ
れるようになっているのであり、これによってガラス質
融着剤封止部４４による封止機能が良好に維持され得る
ようになっているのである。なお、かかるセラミックス
系接着剤としては、従来から公知の、アルミナ系、ジル
コニア系、シリカ系等の常温硬化型、或いは加熱硬化型
等の各種の接着剤を用いることが可能である。

【００２３】さらに、上述の如く２孔セラミックス管１
０の軸方向上端部に装着された保護スリーブ４０には、
断熱スリーブ４８が取り付けられている。かかる断熱ス
リーブ４８は、ベローズ型金属製可撓管５０の外周面を
所定の断熱材５２にて覆うと共に、該断熱材５２の外側
に金属メッシュ等の保護層５４を設けてなる構造とされ
ており、その軸方向両側の開口部には、それぞれ、内周
面に雌ねじが切ってあるナット部材５６，５８が一体的
に固着されている。なお、この断熱スリーブ４８には、
高度な気密性が要求されるものでないことから、金属性
可撓管５０の構造や材質が特に限定されるものではな
く、従来から公知のものが、何れも用いられ得る。ま
た、断熱材５２としても、特に限定されるものではない
が、高温に晒されることとなるために、通常、熱で硬化
しない材料、例えば石綿やガラス綿、鉱物粉末等の無機
質材料からなるものが、好適に用いられる。

【００２４】そして、かかる断熱スリーブ４８は、その
軸方向一端側において、ナット部材５６により、前記保
護スリーブ４０のボルト部４２に螺着されることによ
り、該保護スリーブ４０に対して取り付けられている。
また、かかる断熱スリーブ４８には、ナット部材５６が
固着された軸方向端部に対して、筒状の延長断熱材６０
が、該ナット部材５６の外周面を覆い、更に軸方向外方
に所定長さで突出する状態で、固定バンド６２により取
り付けられている。

【００２５】すなわち、このような断熱スリーブ４８に
あっては、保護スリーブ４０に螺着されることにより、
２孔セラミックス管１０の貫通孔１２，１４とステンレ
ス鋼管２６，２８との接続部位を覆うと共に、該２孔セ
ラミックス管１０の軸方向外方に延び出して、ステンレ
ス鋼管２６，２８を所定長さに亘って覆う状態で、かか
る２孔セラミックス管１０の軸方向上端部に対して取り
付けられているのである。また、そのような取付状態
下、断熱スリーブ４８に取り付けられた延長断熱材６０
の開口端部が、２孔セラミックス管１０の外周面に対し
て、固定バンド６４にて固定されており、それによっ
て、保護スリーブ４０のボルト部４２とナット部材５６
との螺着部位が、この延長断熱材６０により覆われてい
る。

【００２６】更にまた、かかる断熱スリーブ４８の内部
には、前記ナット部材５８が取り付けられた上側開口部
から、冷却ガス送入管６６が挿入配置されており、その
先端開口部が、前記セラミックス系接着剤固定部４６の
近傍に位置せしめられている。そして、この冷却ガス送
入管６６の外側開口部が、図示しないフィルタ付乾燥器
を備えた空気ポンプ等に接続されることにより、該冷却
ガス送入管６６を通じて、冷却空気等の冷却ガスが、前
記貫通孔１２，１４とステンレス鋼管２６，２８との接
続部に対して吹き付けられるようになっているのであ
る。また、かくの如く、冷却ガス送入管６６から吹き出
された冷却ガスは、断熱スリーブ４８内を、その下部か
ら上方に向かって流通せしめられ、ステンレス鋼管２
６，２８にも接触せしめられた後、該弾性スリーブ４８
の上側開口部から外部に排出されることとなる。

【００２７】また一方、断熱スリーブ４８における軸方
向上端部には、円筒形状の取付筒体６８が、ナット部材
５８に対して螺着されている。そして、この取付筒体６
８が支持金具７０によって支持されることにより、かか
る断熱スリーブ４８を介して、上述の如き水素測定用プ
ローブ３０が、金属溶解炉中において配設支持されるよ
うになっているのである。

【００２８】上述の如き接続部の構造を有する水素濃度
測定用プローブ３０にあっては、セラミックス系接着剤
固定部により封止された、２孔セラミックス管１０の貫
通孔１２，１４とステンレス鋼管２６，２８との接続部
分および該接続部分から延び出すステンレス鋼管２６，
２８の所定長さ部分が、断熱材５２を含んで構成された
断熱スリーブ４８にて覆われていることから、金属溶湯
１６や図示しない炉内ヒータ等の放射熱が断熱スリーブ
４８により良好に遮られ得て、それら接続部やステンレ
ス鋼管２６，２８の高温化が有利に防止され得るのであ
る。

【００２９】しかも、それに加えて、かかる断熱スリー
ブ４８内には、冷却ガス送入管６６を通じて冷却ガスが
噴出、流通せしめられるところから、それら貫通孔１
２，１４とステンレス鋼管２６，２８の接続部分および
該接続部分から延び出すステンレス鋼管２６，２８の所
定長さ部分に対して、冷却作用が及ぼされ得るのであ
り、以て、それら接続部やステンレス鋼管２６，２８の
高温化が、より一層有効に防止され得るのである。

【００３０】それ故、かかる水素濃度測定用プローブ３
０によれば、その耐熱性が飛躍的に向上され得たのであ
って、極めて高温の雰囲気中において使用される場合で
も、接続部を封止するガラス質融着剤の溶出に起因する
装置の故障が効果的に防止され得ると共に、ステンレス
鋼管２６，２８の高温化に伴うガス還元等に起因する測
定誤差の発生が有利に軽減乃至は防止され得るのであ
る。

【００３１】また、特に、本実施例においては、貫通孔
１２，１４とステンレス鋼管２６，２８の接続部分だけ
でなく、断熱スリーブ４８に取り付けられた延長断熱材
６０により、保護スリーブ４０のボルト部４２および断
熱スリーブ４８のナット部材５６の表面も覆われている
ところから、それらボルト部４２やナット部材５６を通
じての熱伝導による接続部分の加熱も、効果的に抑えら
れ得るのである。

【００３２】更にまた、本実施例では、冷却ガス送入管
６６を通じて導かれた冷却ガスが、接続部に向かって直
接に吹き付けられるようになっていると共に、この断熱
スリーブ４８内に吹き出された冷却ガスが、断熱スリー
ブ４８内を、その下端部から上方に流通せしめられて、
上部開口から排出されるようになっていることから、か
かる冷却ガスによる冷却効果が、接続部分およびステン
レス鋼管２６，２８に対して、何れも極めて有効に発揮
され得るのである。なお、本実施例構造とされた水素濃
度測定用プローブによれば、通常のアルミニウム溶解炉
に使用する場合、冷却ガス送入管６６を通じて、５ l/m
in程度の流量で空気（室温）を噴出させることにより、
充分な冷却効果が得られることが、本考案者らの実験に
より確認されている。

【００３３】さらに、本実施例においては、断熱スリー
ブ４８として、可撓性（フレキシブル）構造のものが用
いられていることから、金属溶解炉の構造等に応じてス
テンレス鋼管２６，２８を湾曲させる場合等にも、有利
に対応し得るのであり、かかる断熱スリーブ４８によっ
て、プローブの使用範囲が制限されるようなこともない
のである。

【００３４】以上、本考案の実施例について詳述してき
たが、これは文字通りの例示であって、本考案は、かか
る具体例にのみ限定して解釈されるものではない。

【００３５】例えば、断熱スリーブの具体的構造は、前
記実施例のものに限定されるものでは、決してない。具
体的には、かかる断熱スリーブは、必ずしも可撓性とす
る必要はない。また、前記実施例では、かかる断熱スリ
ーブを介して、プローブ本体（２孔セラミックス管１
０）が支持される構造とされていたが、プローブ本体を
直接支持せしめるようにすることもでき、そのような場
合には、断熱スリーブを剛性の低い材質にて構成するこ
とが可能である。更にまた、前記実施例では、断熱スリ
ーブが保護スリーブに対して取り付けられるようになっ
ていたが、かかる断熱スリーブを、２孔セラミックス管
に対して直接に取り付けることも可能である。

【００３６】また、前記実施例では、保護スリーブ４０
の全体が、断熱スリーブ４８および延長断熱材６０にて
覆われていたが、本考案の目的を達するためには、少な
くとも、２孔セラミックス管１０における貫通孔１２，
１４とステンレス鋼管２６，２８との接続部位、即ち本
実施例では貫通孔１２，１４の開口部の周囲と、そこか
ら上方に延び出すステンレス鋼管２６，２８の所定長さ
部分とが、断熱スリーブにて覆われていれば良い。

【００３７】更にまた、ステンレス鋼管２６，２８を、
２孔セラミックス管１０に対する接続部近傍においてろ
う付することや、セラミックス系接着剤により、それら
を保護スリーブ４０に固着せしめること等は、本考案に
おいて必須の要件ではない。

【００３８】その他、一々列挙はしないが、本考案は、
当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等
を加えた態様において実施され得るものであり、また、
そのような実施態様が、本考案の趣旨を逸脱しない限
り、何れも、本考案の範囲内に含まれるものであること
は、言うまでもないところである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に従う構造とされた水素濃度測定用プロ
ーブの一実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１に示された水素濃度測定用プローブの要部
を示す拡大断面図である。

【符号の簡単な説明】

１０：２孔セラミックス管 １２，１４：貫通
孔 １６：金属溶湯 ２６，２８：ステ
ンレス鋼管 ３０：水素濃度測定用プローブ ４０：保護スリー
ブ ４４：ガラス質融着剤封止部 ４８：断熱スリー
ブ ６６：冷却ガス送入管

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向に延びる複数の不活性ガス通路
   を有し、長手方向の一端側を金属溶湯中に浸漬せしめ
   て、それら通路を通じて、該金属溶湯中に所定の不活性
   ガスを吹き込むと共に、該金属溶湯中に吹き込まれて金
   属溶湯に接触せしめられた不活性ガスを回収する、長手
   のプローブ本体を備え、該プローブ本体の長手方向他端
   側における前記通路の開口部に対して、それぞれ金属管
   を接続することにより、それらの金属管を通じて、所定
   の不活性ガスを循環流通せしめるようにする一方、前記
   プローブ本体における不活性ガス通路と前記金属管との
   接続部を、所定の保護スリーブ内に位置せしめて、該保
   護スリーブ内においてガラス系融着剤にて気密に封止せ
   しめて成る水素濃度測定用プローブにおいて、前記プロ
   ーブ本体における、前記金属管が接続された側の長手方
   向端部に対して、断熱スリーブを着脱可能に取り付け
   て、該断熱スリーブにより、前記通路と金属管との接続
   部および該接続部から延び出す金属管の所定長さ部分を
   覆うと共に、かかる断熱スリーブ内に、その上部開口か
   ら冷却ガス送入管を挿入配置せしめ、該冷却ガス送入管
   を通じて、該断熱スリーブ内における前記ガラス系融着
   剤による封止部上に冷却ガスを吹き込むようにしたこと
   を特徴とする金属溶湯中の水素濃度測定用プローブ。