JPH04256850A - 電極用一体型キャップおよびそれを使用した電極 - Google Patents
電極用一体型キャップおよびそれを使用した電極Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
束中で容易には劣化しない材料で構成されており、した
がって原子炉内部で冷却材をモニタ―(監視)するのに
適した銀/塩化銀基準電極に係る。
く電力システムを形成する材料と部品の持久性と信頼性
の改良を求めて多数の研究・検討が行なわれている。そ
のような検討のうちのひとつは、従来から主として原子
力施設の放射線強度が高い炉心領域の外部にある循環水
用配管系で見られていた粒界応力腐蝕割れに関するもの
である。これらの外部システムの配管構造はステンレス
鋼材で形成されているのが典型的である。
が作り出されるには3つの要因が同時に満たされなけれ
ばならないということが上記の研究により確かめられた
。ひとつの要因は、たとえば粒界におけるクロムの欠乏
によるステンレス鋼などのような金属の鋭敏化である。 粒界におけるクロムの欠乏は、金属の通常の加工処理の
間の熱処理、または溶接や類似の作業によって生じ得る
。二番目の要因は材料中に引張応力が存在することであ
る。三番目の要因は、通常沸騰水型動力炉で見られる酸
素富化された普通の水化学環境である。この環境は、原
子炉冷却水中の不純物に起因する各種の酸化・腐蝕性化
学種のいずれかによって引起こされる。この酸素富化さ
れた環境要因を監視・制御するために、冷却材中に水素
を添加することと合わせて電気化学ポテンシャルをモニ
タ―するアプロ―チが取られて来ている。
、再循環用配管内部に設置され、グランド型取付け具な
どを通して外部環境に通じている一対の電気化学半電池
プロ―ブすなわち電極を使用する。本出願の場合と同様
に関連の電極システムが金属‐金属イオン対を含んでい
る場合、便利なことに基準電極は金属‐金属不溶性塩‐
アニオン電極とすることができる。適切な基準電極とし
て、たとえば銀と塩化銀との間の半電池反応に基づくも
のがある。この電池を規定している電極対は、適当なネ
ルンスト(Nernst)に基づく電気化学的計算によ
って、また標準電極に対する模擬環境内での実験室試験
と組合せた熱力学的評価によって校正する。
子炉の再循環用配管中で使用される半電池電極が開発さ
れている。たとえば、米国特許第4,576,667号
参照。そのような基準電極は金属ハウジング、セラミッ
ク部材、および、たとえばポリテトラフルオロエチレン
すなわちテフロン(Teflon)のような合成樹脂ポ
リマ―から形成されたポリマ―性シ―ル手段を組合せて
有しており、その結果基準電極内部で銀電極が電気的に
絶縁される。これらの構造は、たとえば原子炉内の再循
環用配管の温和で、本質的に放射線のない環境中で適切
に働いている。
蝕性化学種の影響を研究し定量化する目的で、上記の基
準電極モニタリング法を炉心自体の近くの流体の苛酷な
環境にまで拡大しようと努めて来ている。炉心内部にお
いて基準電極は、特別に設計された小さい断面積のチュ
―ブ内に設置することができる。このようなチュ―ブは
炉心内の燃料要素間に位置しており、中性子検出器など
のような各種モニタリング用装置を収納するために使用
されている。そのため、これらのチュ―ブは局在出力領
域モニタ―チュ―ブといわれている。
的な高温、1,000psi の圧力、および109
ラド/時のγ線と1013ラド/時の中性子という放射
線強度を有する炉心内の流体の苛酷な環境中に置かれる
。材料の観点と、原子炉の周囲環境に対する放射活性物
質の漏出を防ぐために必要な要件の観点との両方からみ
て、初期の設計による基準電極の構造はこの炉心環境に
はまったく適さない。たとえば、基準電極内に使用する
ポリマ―性シ―ルは強い放射線に耐えることができず、
その結果電極は機能を停止し、放射性物質が漏出する。 公知の基準電極においてポリマ―性シ―ルの漏洩がある
と、電極内部のリ―ド線と試験環境(すなわち原子炉の
冷却材)との間で起こる電気的ショ―トに基づく故障が
生じ得る。したがって、従来の電極のこのような欠点を
もたない電極があれば望ましいであろう。
境内で使用するのに特に適した構造を有する基準電極を
提供する。この基準電極は、冷却材の周囲圧力がこの電
極の容器構造に対して作用してセラミック部材間のろう
付けされたシ―ル部の引張応力を低減させるようになっ
ており、そのために本発明の基準電極には改良された信
頼性が付与されている。また、本発明の電極はすべての
部材がひとつの単位として一緒に結合され、またはシ―
ルされるようになっているので金属線などのような外部
シ―ル手段が必要とならない。そのため、電極の信頼性
はさらに改善される。本発明の電極は、高強度の核放射
線および高圧の原子炉水ならびに高温に耐えることがで
きる。
の容器を含む電極を提供する。本発明の電極の一部品で
ある前記容器は、外面に配置された表面取付け部と、第
一のアクセス用開口部まで伸びて第一の内部に配置され
たキャビティ―を定める第一の側壁手段とをもつ基底部
を有している。また、前記基底部内で選択された形状の
切込みを定める手段が前記基底部を通り抜けて伸びてい
る。前記第一のキャビティ―より細い絶縁体のインサ―
トがこの第一キャビティ―内に位置している。このイン
サ―トは前記の選択された形状の切込みとはめ合う第一
の選択された形状のベ―スをもっている。この第一ベ―
スから、前記第一のベ―スより細い円筒状の首部が立上
がっている。この首部は、第二のベ―スに向かって立上
がり、第二のベ―スを越えて伸びている。この第二のベ
―スから、第二の側壁手段が第二のアクセス用開口部ま
で伸びている。この第二のアクセス用開口部は前記第一
のアクセス用開口部より低い。前記第二の側壁手段は前
記第二ベ―スから前記第二のアクセス用開口部まで伸び
て、前記首部と共に第二の内部に配置されたキャビティ
―を定めている。なお、この首部はこの第二のキャビテ
ィ―の内部に同心円状に配置され、そのキャビティ―よ
り高く立上がっている。
銀ろう付けに備えて金属被覆されている。インサ―トは
銀ろう付けによって前記切込みとはめ合って固定されて
いる。また、銀塩からなる電気化学反応物質が前記キャ
ビティ―内に局在されている。この銀ろう付けと銀塩と
が半電池基準ポテンシャルを形成する。一方、絶縁体で
できたほぼ円筒形のキャップ手段が第一のアクセス用開
口部全体を塞いで位置している。このキャップ手段は、
前記インサ―トの首部とはめ合ってろう付けされる円筒
形の切込みを定める手段をもっている。この円筒形の切
込みおよびこの切込みとはめ合う首部は前記ろう付けに
備えて金属被覆されているのが好ましい。このキャップ
は前記容器と止水栓のコックのようなはめあい関係にあ
って、このキャップが銀塩電気化学反応物質を容器内に
保持すると共に、前記第一キャビティ―の外部環境との
電解連通を可能にするようになっている。
リ―ブ手段は、前記容器の前記絶縁体と適合し得る膨脹
係数を示す第一の選定された金属から作られており、ろ
う付け接続によって前記容器表面取付け領域と緊密にシ
―ルされるための受け部をもち、さらにその長さ方向に
沿って伸びる内部チャンネルを有している。この受け部
と表面取付け領域はろう付けのために金属被覆コ―ティ
ングをもっているのが好ましい。一方、リ―ド線が前記
インサ―トの第一ベ―スと電気的接触を保って接続され
ており、そこから前記内部チャンネルを通って絶縁状態
で伸びている。さらに、前記スリ―ブ手段を有効・機能
的に支持すると共に前記リ―ド線からの電気信号を伝送
するための位置決め・信号伝達用手段がある。
器の切込みは、その形状が円筒形であることができるが
、ほぼ円錐形であるのが好ましい。
の容器も提供する。この容器の一部品は絶縁体からなる
ほぼ円筒形の部材である。この部材は、外部に配置され
た表面取付け領域と、第一のアクセス用開口部まで伸び
て第一の内部に配置されたキャビティ―を規定する第一
の側壁手段とを備えた基底領域を有している。また、こ
の基底領域で選択された形状の切込みを定めている手段
がこの基底領域を貫通して伸びている。一方、前記第一
のキャビティ―より細い絶縁体からなるインサ―トがそ
のキャビティ―の内部に位置している。このインサ―ト
は、前記選択された形状の切込みとはめ合う第一の選択
された形状のベ―スをもっている。この第一のベ―スか
らは、このベ―スより細い円筒形首部が立上がっている
。この首部は第二のベ―スに向かって立上がり、その第
二ベ―スを越えて伸びており、この第二のベ―スからは
第二の側壁手段が第二のアクセス用開口部まで伸びてい
る。この第二の開口部は前記第一のアクセス用開口部よ
り高さが低い。この第二のアクセス用開口部まで伸びて
いる第二の側壁手段は前記首部と共に第二の内部に配置
されたキャビティ―を定めており、その首部はこの第二
のキャビティ―の内部で同心円的に配置され、かつその
キャビティ―より高く立上がっている。なお、前記切込
みと第一のベ―スは銀ろう付けに備えて金属被覆されて
おり、インサ―トはこの切込みとはめ合いの関係で銀ろ
う付けによって固定されている。また、本発明の容器の
他の一部品であるほぼ円筒形の絶縁体からなるキャップ
手段が、第一のアクセス用開口部全体を覆って位置して
おり、前記インサ―トの首部とはめ合い関係にありかつ
その首部にろう付けされる円筒形の切込みを定める手段
を有している。このキャップは前記容器と止水栓のコッ
クのようなはめあい関係にあって、このキャップが銀塩
電気化学反応物質を容器内に保持しつつ前記第一のキャ
ビティ―の外部環境との電解連通を可能にするようにな
っている。
スは円筒形状であることができるが、円錐形状であるの
が好ましい。
トおよびキャップはアルミナ製が好ましく、サファイア
製が最も好ましい。本発明の場合の銀塩は塩化銀が好ま
しい。本発明のその他の好ましい部品については以下に
述べる。
、基準電極を取巻く冷却材からの周囲圧力が円錐形のイ
ンサ―トに圧力を及ぼしてこのインサ―トをこれとはめ
合う円錐形切込みに対して押付ける結果、これらの間の
ろう付けが圧縮シ―ルろう付けになり、そのために電極
の寿命が延長される。銀ろう付けとセラミック製インサ
―トとの間の熱膨脹の違いのため、引張応力が生じて銀
ろう付けはセラミック表面に対する密着力を失うことに
なる。しかし、このろう付けに作用する圧縮力によって
、引張力が相殺されてシ―ルの完全性が保持される。
、一部は以下で明らかになろう。
で例示する構造、要素の組合せ、および部品の配列・配
置を有する装置からなる。本発明の特徴と目的をさらに
よく理解するために、添付の図面と合わせて以下の詳細
な説明を参照されたい。
途に有用であるが、特に原子力施設の炉心の苛酷な環境
中で作動するという点で有用である。その構造中には、
エラストマ―性(弾性)のシ―ルもポリマ―性の部品も
存在しない。代わりに、セラミック部品と金属部品のみ
から成るろう付けおよび溶接された集合体(アセンブリ
)がこのデバイスの構造を構成している。これらの金属
部品とセラミック部品は、互いにろう付けされてそのろ
う付けされた連結部が高温・高圧の冷却材に対して信頼
性のあるシ―ルとなるように設計されている。このよう
なろう付けされた連結部は、公知の基準電極で使用され
ているポリマ―性のシ―ルの代わりに使われる。
金属部材とセラミック部材との間のろう付けされた連結
部のすべてが、原子炉内の高温・高圧の冷却材に対して
信頼性のあるシ―ルを提供するわけではないことを見出
した。たとえば、銀電極を電気的に絶縁するために、銀
電極とセラミック部材との間のろう付けされた連結部で
克服するべきひとつの問題は、セラミック上のろう付け
材料の熱膨脹の不整合である。ろう付け材料とセラミッ
ク材料との間で熱膨脹に差があると、ろう付け材料中で
引張力が大きくなり、その結果ろう付け材料がセラミッ
クから剥離し、高温・高圧の冷却材がろう付け部を通り
抜けて電極をショ―トさせる。
イオン対を含む電極系の基準要素としてであり、したが
って本発明の電極は都合のよいことに金属不溶性塩‐ア
ニオン電極、たとえば臭化銀、ヨウ化銀、および塩化銀
(これが好ましい)などのような銀塩であることができ
る。以下に示す具体例の場合、デバイスは可逆的に機能
する銀塩化銀基準電極である。一般に、これらの電極は
、塩化物アニオンを含有する溶液中に浸漬された銀金属
と塩化銀で構成されている。この時の電極反応は次式で
表わされる。
5℃において、このような電極のコレクタ―電気ポテン
シャルは、 V=0.2222−0.05915log10aCl−
で計算することができる。
64年米国マサチュ―セッツ州レディング(Readi
ng)のアディション‐ウェスリ―・パブリッシング社
(Addision−Wesley Publishi
ng Co.)刊、カストラン(G.W. Caste
llan)著、「物理化学(Physical Che
mistry)」の第17章「電気化学電池における平
衡(Equilibria in Electroch
emical Cells)」、第344〜382行を
参照されたい。
例の断面構造の概略を10として示す。図3はデバイス
10の46と表示した領域の拡大図である。
具体例の断面構造の概略を110として示す。図4は図
2で146と表示した領域の拡大図である。
12、容器12中に挿入されたほぼ円筒形のキャップ1
4、容器12を支持しているスリ―ブ16、および容器
12の基底部に位置するインサ―ト38を含む各種要素
から構成されたほぼ円筒形の構造をもっている。インサ
―ト38は円筒状のベ―ス38aをもっており、ベ―ス
38a上に金属被覆40を有している。インサ―ト38
は、基底部38aで、銀ろう付け42によって正しい位
置に固定されている。ろう付け42はまた、容器12と
スリ―ブ16との間のシ―ルとしても使用される。ベ―
ス38aから上に向かって首部38bが立上がっている
。この首部38bも円筒状であり、ベ―ス38aより細
い。首部38bはベ―ス領域38cまで伸びており、こ
のベ―ス領域38cから円筒状の形状をした壁38dが
立上がっている。首部38bは壁38dより高く伸びて
いる。首部38bと壁38dがキャビティ―28aを規
定しており、このキャビティ―内には銀塩48が配置さ
れている。首部38bはキャップ14まで伸び、キャッ
プ14には円筒状の切込み14aが設けられているので
これと嵌合する。ここでもまた、切込み14aのところ
で首部38bに対してキャップ14をシ―ルするのにろ
う付け42が使われている。インサ―ト38は金属被覆
部40でリ―ド線36と接触しており、このリ―ド線3
6は容器12のチャンネル34内を通っている。デバイ
ス10はさらに、細長い円筒状の連絡部材18と、ケ―
ブルアセンブリまたはコネクタ―20も含んでいる。
サ―ト138が円筒状ではなくて円錐状のベ―ス138
aをもっており、したがって(図2および図4の)容器
112の基底部122が円錐状の切込み122aをもっ
ている点で図1および図3の具体例とは異なっている。 また、この相違点以外に、図2および図4の構造で図1
および図3の構造と似ているものには図1および図3で
使用した参照番号より100だけ大きい参照番号をつけ
てあり、これらの図で同一の構造のものには同じ番号が
つけられていることに注意されたい。
状をした容器112、容器112中に挿入されたほぼ円
筒形のキャップ14、容器112を支持しているスリ―
ブ16、および容器112の基底部に位置する円錐状イ
ンサ―ト138を含む各種要素から構成されたほぼ円筒
形の構造をもっている。インサ―ト138は円錐状のベ
―ス138aをもっており、ベ―ス138a上に金属被
覆40を有している。インサ―ト138は、基底部13
8aで、銀ろう付け42によって正しい位置に固定され
ている。ろう付け42はまた、容器112とスリ―ブ1
6との間のシ―ルとしても使用される。この容器112
とスリ―ブ16との間のろう付けは原子炉冷却材による
腐蝕に耐えるいかなるろう付けとすることもでき、信頼
性のあるシ―ルを提供する。ベ―ス138aから上に向
かって首部138bが立上がっている。首部138bは
円筒状であり、ベ―ス138aより細い。首部138b
はベ―ス領域138cまで伸びており、このベ―ス領域
138cから円筒状の形状をした壁138dが立上がっ
ている。首部138bと壁138dがキャビティ―12
8aを規定しており、このキャビティ―内には銀塩48
が配置されている。首部138bはキャップ14まで伸
び、キャップ14には円筒状の切込み14aが設けられ
ているのでこれと嵌合する。ここでもまた、円筒状切込
み14aのところで首部138bに対してキャップ14
をシ―ルするのにろう付け42が使われている。このキ
ャップ14と首部138bとの間のろう付けは塩化銀お
よび原子炉冷却材による腐蝕に耐えるいかなるろう付け
とすることもでき、信頼性のある接合を提供する。イン
サ―ト138は金属被覆部40でリ―ド線36と接触し
ており、このリ―ド線36は容器112のチャンネル3
4内を通っている。デバイス110はさらに、細長い円
筒状の連絡部材18と、ケ―ブルアセンブリまたはコネ
クタ―20も含んでいる。銀塩48はキャビティ―12
8aの内部にあり、このキャビティ―128aは容器1
12の内部にある。
射線、高い温度および圧力によって課せられる拘束に耐
えるばかりでなく、原子炉の冷却水が電極を貫通し、最
終的には外部環境中にまで侵入(流出)するのを回避す
るための信頼性の高いシ―ルが得られるような構造にな
っている。容器12または112、インサ―ト38また
は138、およびキャップ14は、アルミナの単結晶形
態であるサファイアで形成されたものが好ましい。この
サファイア材料は、必要な電気的絶縁を提供するだけで
なく、その単結晶構造のために、この材料が浸漬される
水による攻撃に対する耐性が極めて高い。このため、全
面腐蝕攻撃がいくらかあるにしても、この材料に達する
ような粒間浸透はまったくない。したがって、容器12
または112、インサ―ト38または138、およびキ
ャップ14を形成するためのこの材料は、考えられる環
境にとって理想的である。当業者は、その他の材料、た
とえば高純度アルミナ、ジルコニアまたはルビ―も思い
当たるであろう。
22または122が形成されており、この基底部から、
円筒形状の壁24または124が、キャップ14が嵌め
られる末端面またはアクセス用開口部26まで伸びてい
る。この壁24または124はその内側に配置されたキ
ャビティ―28または128を定めており、そのキャビ
ティ―内部にはインサ―ト38または138と銀塩48
とが配置される。ベ―ス領域38cまたは138cおよ
び壁38dまたは138dはキャビティ―28または1
28程太くない。ベ―ス領域38cまたは138cはベ
―ス38aまたは138aとほぼ同じ太さとすることが
できる。円筒形基底部22または122にはリ―ド線3
6を収容するためのチャンネル34が形成されている。 また、円筒形基底部22には、インサ―ト38を収容す
るために円筒状の切込み22aが形成されている。一方
、円筒形基底部122には、インサ―ト138を収容す
るための円錐形切込み122aが形成されている。この
円筒状切込み22aまたは円錐形切込み122aは円筒
形基底部22または122を研削することによって形成
することができ、チャンネル34はドリルで穴を開ける
ことによって形成することができる。
aとして、この切込みから容器12または112の基底
部を貫通して伸びるチャンネル34をもつものが示され
ている。しかし、切込み22aまたは122aは容器1
2または112の基底部を貫通して伸びていることもで
き、その結果インサ―ト38または138もそこを貫通
していることができるものと考えられる。したがって、
基底領域を貫通して伸びる選択された形状の切込みは、
基底部を貫通して伸びる切込みからなるか、あるいは切
込みと容器12または112の基底領域を貫通して伸び
るチャンネルとからなっている。
aまたは122aとの間に高度の一体性を保ってシ―ル
された結合を達成するためには、焼結金属粉末法といわ
れるタイプの金属被覆シ―ルをセラミックの表面に作成
する。モリブデンやタングステンなどのような金属粉末
を含み、時にはSiO2 やMnOなどのようなガラス
形成性または改質用の酸化物を含む塗料をベ―ス38a
または138aおよび切込み22aまたは122aに塗
布し、−5〜+20℃の範囲の露点を有する湿った水素
の雰囲気中で焼成してコ―ティングを焼結させる。ガラ
ス相と結晶相とが混在するガラス質相が接着・密着性の
高いシ―ルをセラミック絶縁体上に形成する。この焼結
金属粉末法のこれ以上の詳細は、1960年、米国ニュ
―ヨ―クのラインホルド・パブリッシング社(Rein
hold Publishing Corp.)刊、コ
―ル(W.H. Kohl)著、「電子管用の材料と技
術(Material and Techniques
for ElectronTubes)」、第488
〜493頁(引用により本明細書中に含ませる)に見る
ことができる。
覆した領域をニッケルめっきし、加熱して金属被覆層と
ニッケルめっき層を焼結する。次に、焼結した表面を検
査し、銀めっきする。この検査はめっき層の連続性を確
認するために行なうものである。金属被覆層40により
、セラミック表面の銀ろう付け接合が可能になる。こう
して金属被覆すなわちめっきしたベ―ス38aまたは1
38aは、容器12または112の円筒状基底部22ま
たは122の金属被覆またはめっきした切込み22aま
たは122aにそれぞれ銀ろう付けによって固定される
。
バ―ル(Kovar)から形成したものでよい。コバ―
ル(Kovar)材料は一群の合金であり、たとえばF
eが53.8%、Niが29%、Coが17%、および
Mnが0.2%の合金がある。これらは、容器12とし
て適したアルミナその他の材料の熱膨脹係数と適合する
特有の熱膨脹係数を示す。リ―ド線36は金属被覆され
たインサ―ト38の首部38bと反対側の端にある点3
8eのところで電気的接触を保ってインサ―トにろう付
けまたは接合することができる(図3参照)。リ―ド線
36はまた、金属被覆されたインサ―ト138の頂点ま
たは先端138eのところでインサ―トにろう付けする
こともできる(図4参照)。容器12または112はろ
う付け42によってスリ―ブ16中の正しい位置に固定
される。スリ―ブ16もコバ―ル(Kovar)製が好
ましい。
ャビティ―28a(したがってキャビティ―28)また
は128a(したがってキャビティ―128)の内部に
配置されているのは、図で濃い暗色の区域48として概
略的に示されている塩化銀の堆積物(deposit)
である。 好ましい態様においては、塩化銀を融解しシリンダ―状
に成形することができ、次にこれをキャビティ―28a
または128aの内部に配置することができる。
形態であるサファイアから形成したものが好ましいが、
たとえばすでに記載した代替材料で形成してもよい。キ
ャップ14は接合プラグである。概略形状が円筒状であ
るキャップ14は、首部38bまたは138bにろう付
けされる円筒状切込み14aを有するものが図示されて
いる。このようなろう付けを容易にするために、ベ―ス
38aおよび切込み22bに施した金属被覆を、円筒状
切込み14aおよび首部38bまたは138bの円筒状
切込みと嵌合する部分に施すことができる。このキャッ
プの寸法は、アクセス用開口部26の全体を覆って、か
つキャビティ―28または128の円筒状内面との間に
、14bと表示してある「密着した」または「止水栓の
コックのような」はめあいが得られるようなものである
。容器12または112に対するキャップ14の注目さ
れるはめあいは、炉心の水との電解連通が可能になるよ
うなものである。キャップ14により液絡が得られ、補
給用塩化銀をキャビティ―28aまたは128aの内部
に保持することが可能になる。実際、キャップ14と容
器またはリテ―ナまたはるつぼ12または112の壁と
の間に拡散接続が見られる。関連するはめあいの型の例
を挙げると、容器12または112のアクセス用開口部
の直径は、たとえば機械加工によって許容度+0.00
1、−0.000で0.235インチの直径とすること
ができ、一方キャップ14のところにおける首部分50
の対応する直径は機械加工により+0.00、−0.0
01インチの許容度で0.235インチの直径とするこ
とができる。以前の設計では、ステンレス鋼製の締付け
用ワイヤによって別途キャップを保持していた。しかし
、本発明においては、本発明の設計では以前の装置で使
われていたような締付け用ワイヤを使用する必要がない
ので、締付け用ワイヤが必要ない。したがって、本発明
により、締付け用ワイヤが存在することによる固有の問
題、たとえばワイヤの腐蝕や破断による電極の破損の問
題などが克服される。
10の容器112は各々、最初円筒状のるつぼスリ―ブ
16によって支えられる。このスリ―ブ16は、熱膨脹
係数の観点からサファイア製容器12または112との
適合性をもたせるために、やはりコバ―ル(Kovar
)で形成されているのが好ましい。スリ―ブ16の内径
は、たとえば深ざぐりによって段が付けられていて受け
部58を提供している。この受け部は、容器12の基底
領域22の表面取付け部22bまたは容器112の基底
領域122の表面取付け部122bを受容し、それに結
合され、そしてそこに密接なシ―ルを形成するのに適し
ている。スリ―ブ16として最初に生成されたコバ―ル
(Kovar)のシリンダ―を、まず清浄にして検査し
た後、ポスト焼きなましを施す。この焼きなましの後、
受け部58にニッケルめっきをし、このニッケルめっき
層を焼結してから検査する。その後、第二のニッケルめ
っきと焼結の手順を繰返してからふたたび検査する。通
常、こうして作成した部品は使用するまで密封したプラ
スチック包装容器に入れて保存する。容器12の表面取
付け部22bまたは容器112の表面取付け部122b
と、スリ―ブ16の受け部58との緊密な圧縮シ―ルは
銀ろう付け42によって達成される。このようなろう付
けを容易にするために、ベ―ス38aに施した金属被覆
を表面取付け部22bまたは122bに施すことができ
る。この態様によると、炉心の反応環境内での使用目的
から見て必要とされる電極10として極めて確実なシ―
ルが完成される。円筒状(環状)スリ―ブ16の中空の
内部60は、導体リ―ド線36が通ることができる内部
チャンネルを提供する。リ―ド線36とスリ―ブ16の
内面との絶縁を確実にするために、チャンネル60内に
管62を挿入することができる。デバイス10またはデ
バイス110の目的とする用途で遭遇する温度による影
響は受けることなく絶縁を確保するために環状の管62
はセラミックまたはアルミナ製とすることができる。
状の連絡部材18に取付けることによって支えられる。 この連絡部材18は、本出願では304系ステンレス鋼
で形成され得る。連絡部材18はスリ―ブ16に相当す
る直径をもっており、たとえばチュ―ブ溶接器によって
施工されるタングステン不活性ガス溶接(TIG)を利
用して連絡端64のところで対応する取付け面66に取
付けられる。連絡管18の中空の内部68は、スリ―ブ
16のチャンネル60の延長となる内部チャンネルを提
供する。この内部チャンネル内にはチュ―ブ62が連続
的に伸びている。連絡管18の下端は段が付いて次第に
細くなるように形成されており、シ―ル端70となって
いる。端70は、たとえば上記のタングステン不活性ガ
ス溶接技術などによって、74に概略を示したケ―ブル
コネクタ―アセンブリの円筒状ステンレス鋼カラ―72
に溶接される。このカラ―72は図示のようにセラミッ
ク製の支持部材76をもっており、この中を通って無機
絶縁ケ―ブル78が伸びている。ケ―ブル78はステン
レス鋼製の外側シェルをもつものとすることができ、こ
のシェルの中に前記無機絶縁がアルミナとして提供され
得、かつ中央に配置され得る。またこの絶縁ケ―ブル7
8の中には導電ケ―ブル80が通る。無機絶縁ケ―ブル
78は目的とする応用において炉心領域から外に向かっ
て伸びて周囲の環境に至る。ケ―ブル80との接続を確
保する電気回路を提供するためにリ―ド線36を82の
ところでケ―ブルにスポット溶接する。このリ―ド線3
6との接続を確かにするために、84として概略を示し
たようなスプリング状の巻線部をリ―ド線36に形成す
る。ケ―ブルアセンブリ74は、ゼネラル・エレクトリ
ック社(General Electric Comp
any)の一部門である米国オハイオ州ツィンスバ―グ
(Twinsburg)のロイタ―‐スト―クス(Re
utor−Stokes)から市販されている。
3に拡大して示されており、図2の領域146は図4に
拡大して示されている。本発明の電極の設計、特に図2
と図4に詳細を拡大して示してある設計にすると、原子
炉炉心の冷却材と電極の内側との間の周囲圧力差のため
に有益である。ろう付け金属の導電性により、電極の傷
付きやすい内部チャンバ中で第二の金属を使用する必要
がなくなる。インサ―ト38の円錐形状により、インサ
―トの垂直変位と共に均一なセラミック/セラミックギ
ャップが維持される。このインサ―トの直径/深さ/接
触角を最適化することは、本明細書の開示から当業者に
は容易である。冷却材に起因する周囲の圧力は、インサ
―トとこれに整合するベ―ス領域の切込みの形状に基づ
くセラミック/銀界面における引張応力を低減するのに
役立つ。インサ―トには塩化銀を容器内に保持するため
のキャビティ―があり、ろう付けの作業中そのろう付け
部に接触することによってそのろう付け部の完全性に塩
化銀が影響を及ぼさないようになっている。また、キャ
ップ、インサ―トおよび容器の一体連結関係により、こ
のキャップを正規の位置に保持するためのワイヤなどの
ような外部クランプまたは保持器を必要とすることなく
、この容器上にキャップを保持することができる。外側
のコバ―ル(Kovar)スリ―ブ16のために、容器
12とスリ―ブ16との間に圧縮ろう付けシ―ルが得ら
れる。上述のようなセラミック部材とろう付け材との間
の引張応力の低減によって、本発明の基準電極の信頼性
は大いに向上する。本発明の基準電極は電気化学ポテン
シャルをモニタ―するのに有用である。
2が「A」とも印されており、インサ―ト38または1
38は「B」とも印され、またキャップ14は「C」と
も印されていることに注意されたい。これらの参照文字
は、これらの部材の製造工程の理解を助けるためのもの
である。この製造は以下の手順に従う。
材料を研削して容器A、インサ―トBおよびキャップC
を作成し、少なくとも容器の基底部の切込みとインサ―
トのベ―スとを銀ろう付けに備えて金属被覆する。
な配置を達成するためにAまたは等価なジグを用いてB
とCを一緒にろう付けする。
たは128aに塩化銀を充填する。
―ト38または138を容器(12または112)に銀
ろう付けし、コバ―ル(Kovar)スリ―ブ16を容
器(12または112)にろう付けする。
128aは最終ろう付けの間に溶融するようになる塩化
銀を保持し、セラミック/セラミック圧力シ―ルの形成
の妨害を防止する。このチャンバ(キャビティ―28a
または128a)に入ってくる水は、たとえば使用中に
電極の内側で飽和に充分な塩化銀を溶解して安定な基準
ポテンシャルを確立する。
ち、キャップ14を取去り、キャビティ―28aまたは
128a内に金属塩がまったく存在しない状態の容器1
2を上から眺めた図である。図5は、(キャビティ―2
8または128を定めている)壁24または124、(
キャビティ―28aまたは128aを定めている)壁3
8dまたは138d、および首38bまたは138bの
間の同心円関係を示している。
して来たが、特許請求の範囲に定義されている本発明は
、発明の思想または範囲から逸脱することなく多くの明
らかな変形が可能であるから、以上の説明で述べた特定
の具体例に限られることはないものと理解されたい。
す図である。
12 円筒形容器、 14 円筒形キャップ、 14a 切込み、 14b 止水栓のようなはめあい部、16 スリ―
ブ、 18 円筒状連絡部材、 20 ケ―ブルアセンブリ(コネクタ―)、22、1
22 容器基底領域、 22a、122a 切込み、 22b、122b 切込み(容器表面取付け領域)、
24、124 側壁、 26 アクセス用開口部、 28、128 第一のキャビティ―、28a、128
a 第二のキャビティ―、34 チャンネル、 36 リ―ド線、 38、138 インサ―ト、 38a、138a 第一のベ―ス、 38b、138b 首部、 38c、138c 第二のベ―ス領域、38d、13
8d 側壁、 40 金属被覆、 42 ろう付け部、 48 銀塩反応物質、 58 受け部、 60 内部チャンネル、 70 シ―ル端、 72 円筒状カラ―、 74 ケ―ブルコネクタ―アセンブリ、80 導電
ケ―ブル。
Claims (29)
- 【請求項1】 絶縁体からなるほぼ円筒形の容器であ
って、外部に配置された表面取付け領域と、基底領域か
ら第一のアクセス用開口部まで伸びて第一の内部に配置
されたキャビティ―を規定する第一の側壁手段とを備え
た基底領域を有しており、該基底領域で選択的に賦形さ
れた切込みを規定する手段が該基底領域を貫通して伸び
ている、前記ほぼ円筒形の容器と、前記第一のキャビテ
ィ―の内部に位置し該キャビティ―より細い絶縁体から
なるインサ―トであって、前記選択的に賦形された切込
みとはめ合う第一の選択的に賦形されたベ―スと、該第
一のベ―スから立上がり該ベ―スより細い円筒形首部と
を有しており、該首部は第二のベ―スに向かって立上が
り該ベ―スを越えて伸びており、第二の側壁手段が該第
二のベ―スから第二のアクセス用開口部まで伸びており
、該第二の開口部は前記第一のアクセス用開口部より低
くなっており、該第二のベ―スから該第二のアクセス用
開口部まで伸びている該第二の側壁手段が該首部と共に
第二の内部に配置されたキャビティ―を規定しており、
該首部は該第二のキャビティ―の内部に同心的に配置さ
れ該キャビティ―より高く立上がっており、少なくとも
前記第一のベ―スおよび切込みは銀ろう付けに備えて金
属被覆されており、該インサ―トは該切込みとはめ合い
の関係で銀ろう付けによって固定されている、前記イン
サ―トと、前記キャビティ―内に位置する銀塩電気化学
反応物質と、第一のアクセス用開口部全体を覆って位置
しており、前記インサ―トの首部とはめ合い関係にあり
かつ該首部にろう付けされる円筒形の切込みを規定する
手段を有している、絶縁体からなるほぼ円筒形のキャッ
プ手段であって、前記容器と止水栓のようなはめあい関
係にあり、銀塩電気化学反応物質を容器内に保持しつつ
前記第一のキャビティ―の外部環境との電解連通を可能
にするようになっている、ほぼ円筒形のキャップ手段と
、前記容器の前記絶縁体材料と適合し得る膨脹係数を示
す選定金属で形成されており、前記容器表面取付け領域
を受容する受け部を有しかつろう付け接続によって該受
け部のところで該領域と緊密にシ―ルされており、さら
に、長さ方向に沿って伸びる内部チャンネルを有してい
る、スリ―ブ手段と、前記インサ―トの第一のベ―スと
電気的接触を保って接続されており、該ベ―スから前記
内部チャンネルを通って絶縁状態で伸びる、リ―ド線と
、前記スリ―ブ手段を作動的に支持し、かつ前記リ―ド
線からの電気信号を伝送するための位置決めおよび信号
伝達用手段と、からなる電極。 - 【請求項2】 前記位置決めおよび信号伝達用手段が
、選定金属から形成されており、当該部材の中を貫通し
てシ―ル端まで伸びている内部チャンネルをもっており
、さらに、前記スリ―ブ手段とシ―ル接続されている、
連絡部材と、連絡部材の内部チャンネル中に伸びている
前記リ―ド線と、該連絡部材のシ―ル端に対して溶接に
より接合・シ―ルできるカラ―をもっており、当該手段
の中を貫通して伸びてリ―ド線と接続されている導体を
有している、ケ―ブルコネクタ―手段と、からなる、請
求項1記載の電極。 - 【請求項3】 前記容器、インサ―トおよびキャップ
の絶縁体がアルミナからなる、請求項1記載の電極。 - 【請求項4】 アルミナがサファイアからなる、請求
項3記載の電極。 - 【請求項5】 スリ―ブ手段がコバ―ル(Kovar
)からなる、請求項1記載の電極。 - 【請求項6】 リ―ド線が白金からなる、請求項1記
載の電極。 - 【請求項7】 前記連絡部材がステンレス鋼から形成
されており、前記スリ―ブ手段に溶接されていて、連絡
部材の前記内部チャンネルと前記スリ―ブ手段の内部チ
ャンネルとで連続した内部チャンネルを形成している、
請求項2記載の電極。 - 【請求項8】 前記スリ―ブ手段がコバ―ル(Kov
ar)からなる、請求項7記載の電極。 - 【請求項9】 銀塩電気化学反応物質が塩化銀からな
る、請求項1記載の電極。 - 【請求項10】 前記インサ―トの前記第一ベ―スお
よび前記容器の前記切込みがほぼ円錐状の形状である、
請求項1記載の電極。 - 【請求項11】 前記インサ―トの前記第一ベ―スお
よび前記容器の前記切込みがほぼ円筒状の形状である、
請求項1記載の電極。 - 【請求項12】 絶縁体からなるほぼ円筒形の部材で
あって、外部に配置された表面取付け領域と、基底領域
から第一のアクセス用開口部まで伸びて第一の内部に配
置されたキャビティ―を規定する第一の側壁手段とを備
えた基底領域を有しており、該基底領域で選択的に賦形
された切込みを規定する手段が該基底領域を貫通して伸
びている、前記ほぼ円筒形の部材と、前記第一のキャビ
ティ―の内部に位置し該キャビティ―より細い絶縁体か
らなるインサ―トであって、前記選択的に賦形された切
込みとはめ合う第一の選択的に賦形されたベ―スと、該
第一のベ―スから立上がり該ベ―スより細い円筒形首部
とを有しており、該首部は第二のベ―スに向かって立上
がり該ベ―スを越えて伸びており、第二の側壁手段が該
第二のベ―スから第二のアクセス用開口部まで伸びてお
り、該第二の開口部は前記第一のアクセス用開口部より
低くなっており、該第二のベ―スから該第二のアクセス
用開口部まで伸びている該第二の側壁手段が該首部と共
に第二の内部に配置されたキャビティ―を規定しており
、該首部は該第二のキャビティ―の内部に同心的に配置
され該キャビティ―より高く立上がっており、少なくと
も前記第一のベ―スおよび切込みは銀ろう付けに備えて
金属被覆されており、該インサ―トは該切込みとはめ合
いの関係で銀ろう付けによって固定されている、前記イ
ンサ―トと、第一のアクセス用開口部全体を覆って位置
しており、前記インサ―トの首部とはめ合い関係にあり
かつ該首部にろう付けされる円筒形の切込みを規定する
手段を有している、絶縁体からなるほぼ円筒形のキャッ
プ手段であって、前記部材と止水栓のようなはめあい関
係にあり、金属塩電気化学反応物質を部材内に保持しつ
つ前記第一のキャビティ―の外部環境との電解連通を可
能にするようになっている、ほぼ円筒形のキャップ手段
と、からなる、電極の電気化学反応物質用のキャップを
含む容器。 - 【請求項13】 前記部材、前記インサ―トおよび前
記キャップの絶縁体がアルミナからなる、請求項12記
載の容器。 - 【請求項14】 アルミナがサファイアからなる、請
求項13記載の容器。 - 【請求項15】 切込みおよび前記インサ―トの第一
ベ―スが円錐状の形状である、請求項12記載の容器。 - 【請求項16】 切込みおよび前記インサ―トの第一
ベ―スが円筒状の形状である、請求項12記載の容器。 - 【請求項17】 金属/金属イオン対を含む電極系を
有する流体媒質中で使用するための基準電極であり、ほ
ぼ円筒形のアルミナ製容器であって、外部に配置された
表面取付け領域と、基底領域から第一のアクセス用開口
部まで伸びて第一の内部に配置されたキャビティ―を規
定する第一の側壁手段とを備えた基底領域を有しており
、該基底領域で選択的に賦形された切込みを規定する手
段が該基底領域を貫通して伸びている、前記ほぼ円筒形
の容器と、前記第一のキャビティ―の内部に位置し該キ
ャビティ―より細いアルミナ製インサ―トであって、前
記選択的に賦形された切込みとはめ合う第一の選択的に
賦形されたベ―スと、該第一のベ―スから立上がり該ベ
―スより細い円筒形首部とを有しており、該首部は第二
のベ―スに向かって立上がり該ベ―スを越えて伸びてお
り、第二の側壁手段が該第二のベ―スから第二のアクセ
ス用開口部まで伸びており、該第二の開口部は前記第一
のアクセス用開口部より低くなっており、該第二のベ―
スから該第二のアクセス用開口部まで伸びている該第二
の側壁手段が該首部と共に第二の内部に配置されたキャ
ビティ―を規定しており、該首部は該第二のキャビティ
―の内部に同心的に配置され該キャビティ―より高く立
上がっており、少なくとも前記第一のベ―スおよび切込
みは銀ろう付けに備えて金属被覆されており、該インサ
―トは該切込みとはめ合いの関係で銀ろう付けによって
固定されている、前記インサ―トと、前記キャビティ―
内に位置する塩化銀電気化学反応物質と、第一のアクセ
ス用開口部全体を覆って位置しており、前記インサ―ト
の首部とはめ合い関係にありかつ該首部にろう付けされ
る円筒形の切込みを規定する手段を有しているほぼ円筒
形のアルミナ製キャップ手段であって、前記容器と止水
栓のようなはめあい関係にあり、塩化銀電気化学反応物
質を容器内に保持しつつ前記流体媒質との電解連通を可
能にするようになっている、ほぼ円筒形のキャップ手段
と、コバ―ル(Kovar)で形成されており、前記容
器表面取付け領域を受容する受け部を有しかつ銀ろう付
け接続によって該受け部のところで該領域と緊密にシ―
ルされており、さらに、長さ方向に沿って伸びる第一の
内部チャンネルを有している、スリ―ブ手段と、前記イ
ンサ―トの第一のベ―スと電気的接触を保って接続され
ており、該ベ―スから前記内部チャンネルを通って絶縁
状態で伸びる、白金製リ―ド線と、ステンレス鋼から形
成されている連絡部材であって、該部材の中を貫通して
シ―ル端まで伸びる第二の内部チャンネルを有し、かつ
、前記スリ―ブ手段とシ―ル接続されており、前記リ―
ド線が連絡部材の内部チャンネル中に伸びている、連絡
部材と、該連絡部材のシ―ル端に対して溶接により接合
・シ―ルできるカラ―を有するケ―ブルコネクタ―手段
であって、該手段の中を貫通して伸びてリ―ド線と接続
されている導体を有している、ケ―ブルコネクタ―手段
と、からなる基準電極。 - 【請求項18】 前記部材、インサ―トおよびキャッ
プがサファイアからなる、請求項17記載の基準電極。 - 【請求項19】 前記導体が貫通して伸びている前記
第一および第二のチャンネルの内部に位置していて該導
体の絶縁を確保するアルミナ製のチュ―ブを含んでいる
、請求項17記載の基準電極。 - 【請求項20】 前記アルミナ容器の外部に配置され
た表面取付け領域が前記スリ―ブ手段の受け部内で入れ
子式に位置しており、銀ろう付けにより該受け部にシ―
ルされている、請求項17記載の基準電極。 - 【請求項21】 前記ほぼ円錐状のインサ―トの前記
外側表面が、焼成された金属被覆表面コ―ティング、そ
の上を覆う焼結されたニッケルめっき、およびその上に
形成された銀めっきを含む一連のコ―ティングを施すこ
とによって金属被覆されている、請求項17記載の基準
電極。 - 【請求項22】 前記受け部が焼結ニッケルめっきコ
―ティングで被覆される、請求項17記載の基準電極。 - 【請求項23】 前記容器の前記切込みおよび前記イ
ンサ―トの前記第一ベ―スが円錐状の形状である、請求
項17記載の基準電極。 - 【請求項24】 前記容器の前記切込みおよび前記イ
ンサ―トの前記第一ベ―スが円筒状の形状である、請求
項17記載の基準電極。 - 【請求項25】 金属/金属イオン対を含む電極系を
有する流体媒質中で使用するための基準電極の製造方法
であり、該電極は、ほぼ円筒形のアルミナ製容器であっ
て、外部に配置された表面取付け領域と、基底領域から
第一のアクセス用開口部まで伸びて第一の内部に配置さ
れたキャビティ―を規定する第一の側壁手段とを備えた
基底領域を有しており、該基底領域で選択的に賦形され
た切込みを規定する手段が該基底領域を貫通して伸びて
いる、前記ほぼ円筒形の容器と、前記第一のキャビティ
―の内部に位置し該キャビティ―より細いアルミナ製イ
ンサ―トであって、前記選択的に賦形された切込みとは
め合う第一の選択的に賦形されたベ―スと、該第一のベ
―スから立上がり該ベ―スより細い円筒形首部とを有し
ており、該首部は第二のベ―スに向かって立上がり該ベ
―スを越えて伸びており、第二の側壁手段が該第二のベ
―スから第二のアクセス用開口部まで伸びており、該第
二の開口部は前記第一のアクセス用開口部より低くなっ
ており、該第二のベ―スから該第二のアクセス用開口部
まで伸びている該第二の側壁手段が該首部と共に第二の
内部に配置されたキャビティ―を規定しており、該首部
は該第二のキャビティ―の内部に同心的に配置され該キ
ャビティ―より高く立上がっており、少なくとも前記第
一のベ―スおよび切込みは銀ろう付けに備えて金属被覆
されており、該インサ―トは該切込みとはめ合いの関係
で銀ろう付けによって固定されている、前記インサ―ト
と、前記キャビティ―内に位置する塩化銀電気化学反応
物質と、第一のアクセス用開口部全体を覆って位置して
おり、前記インサ―トの首部とはめ合い関係にありかつ
該首部にろう付けされる円筒形の切込みを規定する手段
を有しているほぼ円筒形のアルミナ製キャップ手段であ
って、前記容器と止水栓のようなはめあい関係にあり、
塩化銀電気化学反応物質を容器内に保持しつつ前記流体
媒質との電解連通を可能にするようになっている、ほぼ
円筒形のキャップ手段と、コバ―ル(Kovar)で形
成されており、前記容器表面取付け領域を受容する受け
部を有しかつろう付け接続によって該受け部のところで
該領域と緊密にシ―ルされており、さらに、長さ方向に
沿って伸びる第一の内部チャンネルを有している、スリ
―ブ手段と、前記円錐状インサ―トの頂点と電気的接触
を保って接続されており、該頂点から前記環状チャンネ
ルおよび前記第一の内部チャンネルを通って絶縁状態で
伸びる、リ―ド線と、前記スリ―ブ手段を作動的に支持
し、かつ前記リ―ド線からの電気信号を伝送するための
位置決めおよび信号伝達用手段とからなっており、該方
法が、(i)容器、インサ―トおよびキャップを研削し
、切込みおよび第一のベ―スを銀ろう付けに備えて金属
被覆し、(ii)インサ―トとキャップを互いにろう付
けし、(iii)第二のキャビティ―に塩化銀を充填し
、(iv)インサ―トを容器に、かつ容器をコバ―ル(
Kovar)製スリ―ブにろう付けすることからなる方
法。 - 【請求項26】 インサ―トとキャップを反転させた
位置で工程(ii)を実施し、インサ―トとキャップを
直立させた位置で工程(iv)を実施する、請求項25
記載の方法。 - 【請求項27】 容器、インサ―トおよびキャップが
サファイアからなる、請求項26記載の方法。 - 【請求項28】 切込みおよびインサ―トの第一のベ
―スが円錐状の形状である、請求項27記載の方法。 - 【請求項29】 切込みおよびインサ―トの第一のベ
―スが円筒状の形状である、請求項27記載の方法。
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