JPS6255552A - 酸素分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電気化学的酸素ポンプを用いた酸素分析＠置
の改良に関する。

［従来の技術］ 最近、金属や合金、またはそれらの化合物、あるいはセ
レン、テルル等の半金属等に含まれる酸素量を、高精度
でかつ絶対値測定することが可能な新しいタイプの酸素
分析装置が開発された（大塚伸也、幸塚善作著、Ｔ　ｒ
ａｎｓａｃｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ｔｈｅＪａｌ）ａｎ　
　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ　　Ｏｆ　　ＭｅｔａｌＳ　、　
Ｖｏｌ−２５、Ｎｏ　、９，６３９頁〜６４８頁、１９
８４年９月発行）。

この酸素分析装置は、第２図に示すように、キャリヤガ
スを循環させる閉ガス流路３１に、第３図に示すような
、たとえばジルコニアにカルシア、マグネシア、イツト
リアなどの安定化剤を固溶させてなる固体電解質３５を
用いた電気化学的酸素ポンプ３２を介在せしめ、該酸素
ポンプ３２に一定の直流電圧Ｖを印加することにより、
閉ガス流路３１内から酸素を排出して閉ガス流路３１内
の酸素分圧を十分に低い一定値に保つことができるよう
にしたものである。測定前には、キャリヤガス中の酸素
が排出され、閉ガス流路３１内は十分に低い一定の酸素
分圧に保たれ、その状態で閉ガス流路３１内に試料３３
が導入される。導入された試料３３から放出された酸素
（融点の高い試料にあっては試料溶解炉３４で溶解させ
ることにより酸素が迅速に放出される。）は、キャリヤ
ガスによって酸素ポンプ３２まで運ばれ、酸素ポンプ３
２により閉ガス流路３１外に排出されて、閉ガス流路３
１内は再び一定の低酸素分圧に保たれる。

この酸素排出に要した酸素ポンプ３２の電気量を測定す
る（たとえば電流ｉを介して測定する）ことにより、試
料３３中の酸素量が、迅速かつ高精度で絶対値測定され
る。

口発明が解決しようとする問題点］ 上記のように構成された酸素分析装置においては、第３
図に示したように、酸素イオン伝導性を有する固体電解
質３５の内外両面に多孔質電極３６．３７を設けた酸素
ポンプ３２を使用し、電極３６．３７間に電圧を印加す
ることによって、閉ガス流路３１内から酸素を排出する
わけであるが、長期間使用しているうちに、酸素ポンプ
３２の閉ガス流路３１側の電極３６の表面に、キャリヤ
ガスによって運ばれてきた金属試料等の蒸気やゴミ等が
付着したり、電極３６が詰ったりするおそれがある。す
なわち、酸素ポンプ３２の閉ガス流路３１側表面には、
第４図および第５図に示すように、固体電解質３・５の
表面に、たとえば白金等の貴金属を焼き付けることによ
って形成した電極３６がある。このような電極３６の表
面に、金属試料等の蒸気やゴムが付着したり、多孔質内
に詰まったりすると、表面積が小さくなり、それだけ酸
素ポンプ３２の酸素排出能力が低下し、測定に時間を要
するという問題が生じる。

また、試料３３からの放出酸素は、キャリヤガス中に混
合拡散された状態で酸素ポンプ３２へと運ばれるが、拡
散が十分でない場合、あるいはキャリヤガスを循環させ
るポンプに脈動がある場合、放出酸素がある程度かたま
りとなったまま酸素ポンプ３２に到達するするおそれが
ある。このように放出酸素がかたまりとなって流れてく
ると、酸素ポンプ３２における時間当りの酸素排出負荷
が増大し、−回の循環で流れてきた放出酸素を１００％
系外に排出することが困難になるおそれがある。そのた
め、放出酸素をキャリヤガスとともに何回も閉ガス流路
３１内を循環させる必要が生じ、測定に時間がかかると
ともに測定精度にも悪影響を及ぼすおそれがあるという
問題が生じる。

本発明は、上記のような問題点に着目し、酸素ポンプの
電極に試料の蒸気やゴミが付着するのを抑制して酸素ポ
ンプの酸素排出能力を高能力に維持するとともに、試料
からの放出酸素をキャリヤガス中に十分に拡散させた状
態で酸素ポンプに運び酸素ポンプにおける酸素排出負荷
を低減することを目的とする。

口問題点を解決するための手段］ この目的に沿う本発明の酸素分析装置は、キャリヤガス
を循環させる閉ガス流路に、前記キャリヤガスの循環方
向に沿って、前記閉ガス流路内に試料を導入する試料導
入手段と、前記閉ガス流路内の酸素を閉ガス流路外に排
出する、固体電解質を用いた電気化学的酸素ポンプと、
前記キャリヤガスを前記閉ガス流路内で循環させる循環
ポンプとをこの順序で互に直列に配置した酸素分析＠置
において、前記キャリヤガスの循環方向に対して前記試
料導入手段と前記酸素ポンプとの間に、フィルタを設け
たものから成っている。

［作用］ このように構成された酸素分析装置においては、フィル
タにより、キャリヤガスによって運ばれてきた試料の蒸
気やゴミは補集されるので、これらの異物の酸素ポンプ
閉ガス流路側電橿表面への付着は抑えられる。したがっ
て、酸素ポンプの電極表面は、所定の多孔質形状に保た
れ、表面積が大に保たれて酸素排出能力が維持される。

また、放出酸素がキャリヤガス中をかたまり状態で運ば
れてきたとしても、フィルタを通過する際にキャリヤガ
スと放出酸素とが十分に混合されるので、放出瀕素はキ
ャリヤガス中に広く拡散され、かたまり状態が解消され
る。したがって、酸素ポンプ位置では、放出酸素はキャ
リヤガス中に均一に拡散された状態で通過することにな
り、酸素ポンプの時間当りの負荷が低減される。

口実施例コ 以下に、本発明に係る望ましい実施例を、図面を参照し
て説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る酸素分析装置を示し
ている。図は酸素分析装置の全体構成を示しており、各
方向切換弁は試料の酸素量分析時の状態を示している。

第１図において、太線で示した経路が、試料の酸素量分
析時のギヤリヤガスが循環される閉ガス流路１を示して
いる。各方向切換弁２．３．４は、本実施例では４方弁
から成っており、試料の酸素量分析時には図に示すよう
に閉ガス流路１内のキャリヤガスを太線矢印Ａの方向に
流し、最初閉ガス流路１内のガスをキャリヤガスで置換
する際には実線矢印Ｂの方向に流す。

閉ガス流路１には、測定時のキャリヤガスの循環方向Ａ
に）ａって、キャリヤガスを循環させる、たとえばダイ
ヤフラムポンプなどの循環ポンプ５、金属、合金、また
はそれらの化合物、あるいはセレン、テルル等の半金属
から成る試料６を閉ガス流路１内に導入する試料導入手
段７、試料６がら放出されキャリヤガスによって運ばれ
てきた酸素を閏ガス流路１外に排出ツる酸素ポンプ８が
直列に介在されている。

循環ポンプ５の上流側には、循環ポンプ５によって循環
されるキャリヤガスの流ｍ＜流速）を測定可能な流量計
９が設けられている。また、酸素ポンプ８と循環ポンプ
５との間には、たとえば０．０１〜１０％の水素を含む
アルゴンガスなどのキャリヤガスを閉ガス流路１内に導
入するキャリヤガス導入口１０が接続されており、フィ
ルタ１１、方向切換弁２を介してキャリヤガスが導入さ
れるようになっている。この閉ガス流路１をキャリヤガ
スで置換する際には、方向切換弁２．３．４は矢印Ｂの
ように切換えられるが、その経路の終端部には減圧吸引
口１２が接続されており、キャリヤガス供給によって追
い出されてきた閉ガス流路１内のガスが、フィルタ１３
、吸引ポンプ１４を介して系外に排出される。

試料導入手段７は、大気に対して密閉可能な容器状に構
成Ｊれており、試料６をＩ！置し回動等により試料６を
下方に落下させる試料受け１５が設けられている。試料
導入手段７の下部には、試料溶解炉１６が設けられてい
る。試料溶解炉１６は、試料受け１５がら落下されてき
た試料６を、加熱装置］７による加熱によって溶解させ
、試料６がら酸素を放出させてギヤリヤガスの流れにの
せる。

ただし、ガリウムのごとき常温に近い融点を有するもの
の場合には、とくに加熱しないでも測定できる場合があ
る。加熱装置１７と試料導入手段７どの閂には、加熱装
置１７側から試料導入手段７側への伝熱を抑制するとと
もに、試料溶解炉１６からの全屈蒸気等を凝縮させて下
流側への数比そ抑ｔｌする冷却手段１８が設けられてい
る。冷却手段１８は、要求冷却出に応じて、図示のごど
と冷却ファン、又は水冷（冷りジャケット、フィンによ
る自然放熱等の手段に構成される。

酸素ポンプ８は、第３因ないし第５図に示した　゛もの
と全く同一の構造に構成されている。キャリヤガスの循
環方向Ａに対して酸素ポンプ８の直上流側にはフィルタ
１９が設けられているユフィルタ１９は、閉ガス流路１
の管径よりも拡径されたフィルタケース２０内に収容さ
れており、この部分を通過するガスは全量フィルタ１９
部を通過するようになっている。フィルタ１９は、たと
えばガラスウール、ポーラスガラスフィルタ、セラミッ
クフィルタ等から成っており、耐熱性に優れるとともに
細かい異物を濾過可能な材質から構成されている。

なお、第１図に２点鎖線で示したのは、閉ガス流路１に
接続される空気注入手段２１である。空気注入手段２１
は、所望の一定恐の空気を閉ガス流路１内に注入できる
手段から成っており、予め酸素濃度の判っている空気を
閉ガス流路１内に所定借注入し、該注入空気中の酸素を
酸素ポンプ８によって排出することにより、酸素ポンプ
８の性能をチェックできるようになっている。

と記のように構成された実施例装置の作用について以下
に説明する。

まず、試料の酸素量測定前には、酸素ポンプ８によりキ
ャリヤガスから１１が排出され、間ガス流路１内の酸素
分子は十分に低い一定値に保たれる。この状態で試料６
が試料溶解炉１６に落下され、試料６が溶解されて試料
６中の酸素が放出されろ。放出放棄はキャリヤガスによ
って酸素ポンプ８へと運ばれる。

し、かじ、酸素ポンプ８の直上流側にフィルタ１９が設
けられているので、キャリヤガスとともに試料６の蒸気
やゴミ等の異物が運ばれてきたとしても、それらはフィ
ルタ１９によって７１集される。

したがって、酸素ポンプ８には、清浄なキャリヤガスと
試Ｆ３８からの放出酸素だけが送られることになり、？
！！素ポンプ８の閂ガス流路側表面の多孔質電極に異物
が付着したり、異物が詰まったりすることは防止され、
多孔質構造の特質である十分に大きな表面積が維持され
る。その結果、酸素ポンプ８の所定の酸素排出能力も高
能力に保たれる。

また、放出酸素が、たとえばピストンフロー状にかたま
りとなって流れてきた場合、多孔質材料から成るフィル
タ１９を通過する際に、放出酸素とキャリヤガスがラン
ダムにかつ十分に混合されるので、フィルタ１９通過後
の放出酸素は十分に均一にキャリヤガス中に拡散される
。十分に拡散された放出ａ素が酸素ポンプ８を通過する
ことになるので、酸素ポンプ８の酸素排出負荷は、平均
化されて十分に但い値に保たれ、放出酸素は良好に系外
に排出される。

さらに、空気注入手段２１によりチェック用の空気を注
入する際にも、ビス１〜ンフローでがたまり状態で注入
された空気はフィルタ１９通過後には十分にキャリヤガ
ス中に拡散されているので、正確な酸素ポンプ８の性卿
チェックが短時間で行われる。

口元切の効果］ １ス上説明したように１本発明の酸素分析装置によると
きは、キャリヤガスの＠環方向において試料導入手段と
酸素ポンプ２との間にフィルタを設けて、酸素ポンプ側
に異物が流入しないようにするとともに試料からの放出
ｍ素を十分均一にキャリヤガス中に拡散させるようにし
たので、ご素ポンプの酸素排出能力を高能力に保つとと
もに酸素排出負荷を均一な必■最小限負荷にすることが
でき、潤定問度の向上、測定時間のｇ！ｉ化をはかるこ
とができろという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１圀は本発明の一実施例に係る酸素分析装置の全体構
成図、 第２図は従来から知られている酸素分析装置の全体構成
図、 第３図は第２図の装置の酸素ポンプの拡大断面図、 第４図は第３図の装置の部分拡大所面図、第５図は第４
図の装置の平面図、 である。 １・・・・・・閉ガス流路 ２．３．４・・・・・・方向切換弁 ５・・・・・・循環ポンプ ６・・・・・・試料 ７・・・・・・χ′科導入手段 ８・・・・・・酸素ポンプ １０・・・・・・キャリヤガス導スロ １５・・・・・・試料受け １６・・・・・・試料溶解炉 １９・・・・・・フィルタ ２０・・・・・・フィルタケース ２１・・・・・・空気注入手段 Ａ・・・・・・キャリヤガスの循環方向第２図 第３図 Ａ灸 第４図　　　　第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）キャリヤガスを循環させる閉ガス流路に、前記キ
   ャリヤガスの循環方向に沿って、前記閉ガス流路内に試
   料を導入する試料導入手段と、前記閉ガス流路内の酸素
   を閉ガス流路外に排出する、固体電解質を用いた電気化
   学的酸素ポンプと、前記キャリヤガスを前記閉ガス流路
   内で循環させる循環ポンプとをこの順序で互に直列に配
   置した酸素分析装置において、前記キャリヤガスの循環
   方向に対して前記試料導入手段と前記酸素ポンプとの間
   に、フィルタを設けたことを特徴とする酸素分析装置。