JP5203025B2

JP5203025B2 - 加熱装置およびそれを用いた水素分析装置

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Publication number: JP5203025B2
Application number: JP2008107110A
Authority: JP
Inventors: 一英田端; 博之新井; 尚三長沢; 智樋口
Original assignee: 株式会社ジェイ・サイエンス・ラボ
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: JP2009257921A

Description

本発明は、昇温脱離法による水素分析の技術に関し、より詳しくは、常温から鋼の融点以上の温度域において、昇温脱離法による金属の水素分析を可能とする水素分析装置およびそれに用いる加熱装置の技術に関する。

近年、高強度鋼ボルト等の金属製部品で発生する遅れ破壊（水素脆化割れともいう）が問題となって久しく、遅れ破壊を防止する技術の研究・開発が種々行われている。遅れ破壊とは、当該金属製部品が静的な負荷応力を受けた状態で、ある期間が経過した後に、外見上はほとんど塑性変形を伴うことなく突然脆性的に当該金属製部品に破壊が生じる現象をいう。遅れ破壊が発生する原因は、金属中に入り込む水素が亀裂の進展を助長し、金属の脆化を引き起こすためと考えられているが、その発生メカニズムは未だ完全には解明されていない。また、遅れ破壊が発生する原因は、金属中に拡散して存在する拡散性水素の量だけが問題となるわけではなく、金属中に固溶して存在する非拡散性水素の量にも強く依存していると考えられている。このため、拡散性水素や非拡散性水素の量を測定するための技術が開発されている。

従来、昇温脱離法によって、拡散性水素量を測定し、金属中における水素の居所を特定し、当該金属が有している欠陥を把握する技術が知られている。この昇温脱離法による水素分析方法は広く用いられており、例えば、以下の特許文献１に示す如く周知となっている。昇温脱離法は、分析対象の金属を１００℃／ｈ程度の速度によって等速で緩慢昇温させながら、このとき当該金属から放出される拡散性水素の量をガスクロマトグラフによって測定し、水素の放出速度と放出温度の相関特性を求めるものである。

ここで、従来の昇温脱離法による水素分析結果について、図５を用いて説明をする。図５は従来の水素分析装置による測定結果（水素放出速度−温度特性）を示すグラフ図である。
従来昇温離脱法による水素分析を行うと、図５に示すような水素の放出速度と放出温度の相関を表すグラフを得ることができる。例えば、図５に示すグラフに現れている一つ目のピーク（図５中のＰ１）は、当該金属中の格子、格子欠陥（転位等）に捕捉されていた拡散性水素の放出を示しており、このピーク部（Ｐ１）のグラフ形状から拡散性水素の量を把握することができる。また、二つ目のピーク（図５中のＰ２）は、当該金属中に含まれる不純物や介在物等に捕捉されていた非拡散性水素の放出を示しており、このピーク部（Ｐ２）のグラフ形状から非拡散性水素の量を把握することができる。

しかしながら、従来昇温脱離法に用いる測定装置では、被検対象物の温度を等速で緩慢昇温させるために必要な装置の構成上、炉内の温度を検出するための温度センサ（熱電対）に測定精度が求められるが、常温から金属の融点付近（例えば、１６００℃付近）に至る温度域において、正確に等速緩慢昇温するために必要な測定精度を確保することができる単一の温度センサが存在していなかった。また、常温から金属の融点付近に至る温度域において正確に等速緩慢昇温するために必要な温度制御特性が確保できる単一の加熱源も存在していなかった。このため、従来の昇温脱離法に用いる測定装置では、測定できる温度域（即ち、等速緩慢昇温することができる温度域）が常温〜１４００℃程度までに限定されていた。
つまり、従来の昇温脱離法に用いる測定装置では、試料たる金属を１４００℃以上に加熱し溶融させることができないため、融点が１４００℃を越える金属（例えば、鋼の融点は１５７３℃である）に対しては、昇温脱離法による全水素量の測定を行うことができなかった。

また従来、溶融法によって、試料たる金属を常温〜２０００℃程度にまで急速に加熱して当該金属を溶融させて、この際に当該金属から放出される水素（拡散性水素と非拡散性水素の両方を含む）の量を非分散赤外吸収法または熱伝導度法によって測定して、当該金属に含まれている全水素量を測定する技術が知られている。また、この溶融法による全水素量の測定を容易に実現するための測定装置が開発されている。係る測定装置を用いれば、金属に含まれている全水素量を短時間で測定することができ、当該金属に遅れ破壊が発生する可能性を簡易に評価することができるため、広く用いられている。

しかしながら、このような従来の全水素量の測定装置では、誘導加熱方式の加熱源によって、短時間で常温〜２０００℃程度にまで加熱する（言い換えれば、緩慢昇温をすることができない）ため、水素の放出量と放出温度の相関特性を求めることはできなかった。つまり、溶融法による全水素量の測定では、水素の挙動（拡散性水素および非拡散性水素の居所やその存在割合等）を把握することはできないため、溶融法による全水素量の測定は、金属に遅れ破壊が発生する可能性を精度良く評価する必要がある用途には適用することができなかった。

つまり従来は、常温〜鋼の融点（１５７３℃）以上の温度域において、等速で緩慢昇温を行うことができる加熱装置が存在していなかったため、常温〜鋼の融点（１５７３℃）以上の温度域で昇温脱離法による水素分析測定を行うことができなかった。また、言い換えれば、従来昇温脱離法によって、鋼の全水素量を測定することができる水素分析装置は存在していなかった。
特開２００７−１９２７８１号公報

本発明は、係る現状を鑑みて成されたものであり、遅れ破壊の発生メカニズムを解明することに寄与するとともに、遅れ破壊の発生予測精度を向上させるために、常温から鋼の融点以上の温度に至る温度域で、試料金属からの水素の放出量と放出温度の相関特性を求め、かつ、試料金属に含まれる全水素量を測定することができる水素分析装置およびそれに用いる加熱装置を提供することを課題としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、低温炉と高温炉を有する加熱炉と、鋼試料を加熱するための加熱部を形成する炉芯管と、前記加熱部において前記鋼試料を変位させる変位機構と、を備え、前記低温炉は、前記高温炉とは独立して炉内の温度を制御する低温用コントローラを備え、前記高温炉は、前記低温炉とは独立して炉内の温度を制御する高温用コントローラを備え、前記変位機構は、前記低温用コントローラおよび前記高温用コントローラに接続されており、前記炉芯管は、前記加熱炉を貫通させる配置とし、前記加熱部を、前記低温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する低温加熱部と、前記高温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する高温加熱部に分割し、前記低温加熱部において、前記鋼試料を、前記低温炉によって前記鋼試料の温度が予め設定した所定温度に達するまで等速で緩慢昇温させて、前記鋼試料の温度が予め設定した前記所定温度に達したとき、前記変位機構によって、前記鋼試料を前記高温加熱部に変位させて、その後、前記高温加熱部において、前記鋼試料を、前記高温炉によって前記鋼試料の温度が鋼の融点以上の温度に達するまで等速で緩慢昇温させるものである。

請求項２においては、前記低温炉は、低温用電熱ヒータと低温用温度センサを備え、かつ、前記高温炉は、高温用電熱ヒータと高温用温度センサを備えるものである。

請求項３においては、前記鋼試料は、試料ボートに装填された状態で前記加熱部に配置されるものである。

請求項４においては、前記変位機構は、伸縮可能なシリンダ部を備え、前記低温加熱部に配置される前記試料ボートを、伸長する前記シリンダ部によって押圧して前記高温加熱部に変位させて、前記鋼試料を前記低温加熱部から前記高温加熱部に変位させるものである。

請求項５においては、前記低温用電熱ヒータは、フェライト合金系抵抗発熱体による電熱方式とし、かつ、前記高温用電熱ヒータは、二珪化モリブデン系抵抗発熱体による電熱方式とするものである。

請求項６においては、前記低温用温度センサは、Ｒ熱電対とし、かつ、前記高温用温度センサは、Ｂ熱電対とするものである。

請求項７においては、昇温脱離法により鋼試料に含まれる水素量を測定する水素分析装置であって、加熱装置と、ガス導入装置と、ガスクロマトグラフと、を有し、前記加熱装置は、低温炉と高温炉を有する加熱炉と、前記鋼試料を加熱するための加熱部を形成する炉芯管と、前記加熱部において前記鋼試料を変位させる変位機構と、を備え、前記低温炉は、前記高温炉とは独立して炉内の温度を制御する低温用コントローラを備え、前記高温炉は、前記低温炉とは独立して炉内の温度を制御する高温用コントローラを備え、前記変位機構は、前記低温用コントローラおよび前記高温用コントローラに接続されており、前記炉芯管は、前記加熱炉を貫通させる配置とし、前記加熱部を、前記低温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する低温加熱部と、前記高温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する高温加熱部に分割し、前記低温加熱部において、前記鋼試料を、前記低温炉によって前記鋼試料の温度が予め設定した所定温度に達するまで等速で緩慢昇温させて、前記鋼試料の温度が予め設定した前記所定温度に達したとき、前記変位機構によって、前記鋼試料を前記高温加熱部に変位させて、その後、前記高温加熱部において、前記鋼試料を、前記高温炉によって前記鋼試料の温度が鋼の融点以上の温度に達するまで等速で緩慢昇温させるものである。

請求項８においては、前記低温炉は、低温用電熱ヒータと低温用温度センサを備え、かつ、前記高温炉は、高温用電熱ヒータと高温用温度センサを備えるものである。

請求項９においては、前記鋼試料は、試料ボートに装填された状態で前記加熱部に配置されるものである。

請求項１０においては、前記変位機構は、伸縮可能なシリンダ部を備え、前記低温加熱部に配置される前記試料ボートを、伸長する前記シリンダ部によって押圧して前記高温加熱部に変位させて、前記鋼試料を前記低温加熱部から前記高温加熱部に変位させるものである。

請求項１１においては、前記低温用電熱ヒータは、フェライト合金系抵抗発熱体による電熱方式とし、かつ、前記高温用電熱ヒータは、二珪化モリブデン系抵抗発熱体による電熱方式とするものである。

請求項１２においては、前記低温用温度センサは、Ｒ熱電対とし、かつ、前記高温用温度センサは、Ｂ熱電対とするものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、昇温脱離法によって、鋼等の１６００℃近傍が融点である試料について、該試料に含まれる全水素量を求めることができる。

請求項２においては、常温から１６００℃近傍の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できる。

請求項３においては、低温加熱部から高温加熱部への試料の変位をスムーズに行うことができる。また、溶融した試料が炉芯管に付着することを防止し、加熱装置の劣化を防止することができる。

請求項４においては、簡易な構成で、試料を低温加熱部から高温加熱部に変位させることができる。

請求項５においては、低温域で低温用電熱ヒータのヒータ温度の制御精度を確保し、かつ、高温域で高温用電熱ヒータのヒータ温度の制御精度を確保することができる。これにより、常温から１６００℃近傍の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できる。

請求項６においては、低温域で低温加熱部の温度の測定精度を確保し、かつ、高温域で高温加熱部の温度の測定精度を確保することができる。これにより、常温から１６００℃近傍の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できる。

請求項７においては、昇温脱離法によって、鋼等の１６００℃近傍が融点である試料について、該試料に含まれる全水素量を求めることができる。

請求項８においては、常温から１６００℃近傍の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できる。

請求項９においては、低温加熱部から高温加熱部への試料の変位をスムーズに行うことができる。また、溶融した試料が炉芯管に付着することを防止し、加熱装置の劣化を防止することができる。

請求項１０においては、簡易な構成で、試料を低温加熱部から高温加熱部に変位させることができる。

請求項１１においては、低温域で低温用電熱ヒータのヒータ温度の制御精度を確保し、かつ、高温域で高温用電熱ヒータのヒータ温度の制御精度を確保することができる。これにより、常温から１６００℃近傍の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できる。

請求項１２においては、低温域で低温加熱部の温度の測定精度を確保し、かつ、高温域で高温加熱部の温度の測定精度を確保することができる。これにより、常温から１６００℃近傍の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施例に係る水素分析装置の全体構成について、図１を用いて説明をする。図１は本発明の一実施例に係る水素分析装置の全体構成を示す模式図である。

図１に示す如く、本発明の一実施例に係る水素分析装置１は、加熱装置２、ガス導入装置３、ガスクロマトグラフ４、ガス供給設備５等により構成している。
加熱装置２は、被検対象物であり鋼試料たる試料２０を加熱し、加熱された試料２０から水素等のガスを放出させるための装置である。
そして、加熱装置２によって加熱され試料２０から放出した水素等のガスは、ガス導入装置３を介してガスクロマトグラフ４に導入される。

ガス導入装置３は、サンプリングバルブ３ａ、計量管３ｂ等により構成しており、サンプリングバルブ３ａによって、ガスの流路をガスクロマトグラフ４側と大気放出側に一定周期で切替えることができる。そして、ガスをサンプリングするタイミングでガスの流路をガスクロマトグラフ４側に切替えて、計量管３ｂ内のガスをガスクロマトグラフ４に導入する構成としている。

ガスクロマトグラフ４は、分析カラム４ａ、検出器４ｂ等を備えており、ガス導入装置３を介してガスクロマトグラフ４に導入されたガスを分析カラム４ａで水素や他のガス成分に分離して、検出器４ｂによって分離した各ガス成分について分析を行うようにしている。

ガス供給設備５は、ガスボンベ５ａ、マスフローコントローラ５ｂ等により構成している。本実施例では、ガスボンベ５ａにはアルゴンガスが封入されており、ガスボンベ５ａからアルゴンガスが供給される構成としており、水素分析装置１による測定中は、マスフローコントローラ５ｂによって、常時一定流量のアルゴンガスを加熱装置２（より詳しくは、後述する炉芯管９）内に供給するようにしている。

ここで、本発明の要部である加熱装置２の構成について、図１および図２を用いて、さらに詳述する。図２（ａ）は本発明の一実施例に係る加熱装置（低温域での加熱状態）を示す模式図、図２（ｂ）は本発明の一実施例に係る加熱装置（高温域での加熱状態）を示す模式図である。
加熱装置２は、加熱炉６、炉芯管９、変位機構２１等により構成している。加熱炉６は、隔壁１１によって低温炉７と高温炉８に分割されており、炉芯管９が隔壁１１を貫通して配置される構成としている。これにより、炉芯管９は低温炉７に内包される部分と高温炉８に内包される部分が存在している。

加熱装置２では、炉芯管９の内部空間によって、試料２０を加熱する空間たる加熱部１０を形成している。そして、水素分析装置１による分析を行う際には、炉芯管９内（即ち、加熱部１０）に試料ボート１９を挿入し、該試料ボート１９に試料２０を装填して、加熱部１０内の各種条件（温度、圧力、雰囲気等）を制御しつつ、試料２０を加熱するようにしている。

また加熱部１０のうち、炉芯管９が低温炉７に内包される部分に対応する加熱部１０が低温加熱部１０ａを形成し、炉芯管９が高温炉８に内包される部分に対応する加熱部１０が高温加熱部１０ｂを形成している。

試料ボート１９は、ボート（トレイ）状に形成したセラミック製の容器であり、試料２０を装填するための凹部を形成している。試料２０を炉芯管９内に直接載置するのではなく、試料ボート１９に装填した状態で炉芯管９内に配置することにより、試料２０が溶解しても、溶解した試料２０が炉芯管９内に付着することを防止している。これにより、炉芯管９の劣化を防止することができる。

低温炉７は、筐体７ａ、低温用コントローラ１３、低温用電熱ヒータ１４、低温用温度センサ１５等により構成している。
本実施例では、低温用電熱ヒータ１４として、フェライト合金系抵抗発熱体を採用している。フェライト合金系抵抗発熱体は、およそ１４００℃程度にまで発熱体の温度を昇温させることが可能である。また、低温炉７には、低温用コントローラ１３を備えており、高温炉８とは独立して炉内の温度を制御することができる。このため、低温炉７内部の温度は、高温炉８の温度に関わらず、常温〜１４００℃近傍の温度域で制御することができる。

また本実施例では、低温用温度センサ１５として、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＣ１６０２）によって定められているＲ熱電対を採用している。Ｒ熱電対は、＋脚をＰｔ・１３％Ｒｈ合金により構成し、−脚をＰｔにより構成するものであり、還元性雰囲気での使用に適さないという性質がある。また、Ｒ熱電対の常用温度は１４００℃（加熱使用限度は１６００℃）であり、鋼の融点（１５７３℃）以上の温度域（およそ１６００℃以上）では、Ｒ熱電対を使用することができない。

筐体７ａに内包される炉芯管９（即ち、低温加熱部１０ａ）の周囲には低温用電熱ヒータ１４の発熱部１４ａを配置し、炉芯管９と発熱部１４ａの間に低温用温度センサ１５を配置する構成としている。

高温炉８は、筐体８ａ、高温用コントローラ１６、高温用電熱ヒータ１７、高温用温度センサ１８等により構成している。
本実施例では、高温用電熱ヒータ１７として、二珪化モリブデン系抵抗発熱体を採用している。二珪化モリブデン系抵抗発熱体は、およそ１７００℃程度にまで発熱体の温度を昇温させることが可能である。また、高温炉８には、高温用コントローラ１６を備えており、低温炉７とは独立して炉内の温度を制御することができる。このため、高温炉８内部の温度は、低温炉７の温度に関わらず、常温〜１７００℃近傍の温度域で制御することができる。

また本実施例では、高温用温度センサ１８として、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＣ１６０２）によって定められているＢ熱電対を採用している。Ｂ熱電対は、＋脚をＰｔ・３０％Ｒｈ合金により構成し、−脚をＰｔ・６％Ｒｈ合金により構成するものであり、また、Ｂ熱電対の常用温度は１５００℃（加熱使用限度は１７００℃）である。このため、鋼の融点（１５７３℃）以上の温度域（およそ１６００℃以上）でも、測定に要する時間（およそ１６時間）程度であればＢ熱電対を使用することができる。

筐体８ａに内包される炉芯管９（即ち、高温加熱部１０ｂ）の周囲には高温用電熱ヒータ１７の発熱部１７ａを配置し、炉芯管９と発熱部１７ａの間に高温用温度センサ１８を配置する構成としている。

このように本実施例に係る加熱装置２では、炉芯管９の内部（加熱部１０）では水素が放出され、加熱部１０が還元性雰囲気になることを考慮し、炉芯管９の外部に各温度センサ１５・１８を配置し、間接的に加熱部１０の温度を測定する構成としている。尚、本実施例では、炉芯管９内部の温度と各温度センサ１５・１８による測定点での温度を同時に測定し、その温度差を予め確認しておき、その予め確認した温度差に基づき各温度センサ１５・１８による測定結果を補正するようにしている。

即ち、本発明の一実施例に係る加熱装置２において、低温炉７は、低温用電熱ヒータ１４と低温用温度センサ１５を備え、かつ、高温炉８は、高温用電熱ヒータ１７と高温用温度センサ１８を備える構成としている。
このような構成とすることにより、単一の電熱ヒータと温度センサの組合せではカバーすることができない温度域をカバーすることが可能となり、常温から１６００℃近傍（鋼の融点である１５７３℃以上）の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できるのである。

また、本発明の一実施例に係る加熱装置２において、低温用電熱ヒータ１４は、フェライト合金系抵抗発熱体による電熱方式とし、かつ、高温用電熱ヒータ１７は、二珪化モリブデン系抵抗発熱体による電熱方式としている。
このような構成とすることにより、低温域で低温用電熱ヒータ１４のヒータ温度の制御精度を確保し、かつ、高温域で高温用電熱ヒータ１７のヒータ温度の制御精度を確保することができるのである。これにより、常温から１６００℃近傍（鋼の融点である１５７３℃以上）の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できるのである。

さらに、本発明の一実施例に係る加熱装置２において、低温用温度センサ１５は、Ｒ種熱電対とし、かつ、高温用温度センサ１８は、Ｂ種熱電対としている。
このような構成とすることにより、低温域で低温加熱部１０ａの温度の測定精度を確保し、かつ、高温域で高温加熱部１０ｂの温度の測定精度を確保することができるのである。これにより、常温から１６００℃近傍（鋼の融点である１５７３℃以上）の温度域において、等速で緩慢昇温することを実現できるのである。

また、従来の加熱装置では、加熱源となるヒータの方式は、誘導加熱や赤外線ランプ加熱等が採用されていた。誘導加熱では等速で緩慢昇温を行うことが難しく、また、均熱帯が狭いという問題があった。また、赤外線ランプ加熱でも、均熱帯が狭いという問題があった。このため、従来の加熱装置では、少量の試料しか測定できないという問題があった。

そこで、本実施例に係る加熱装置２では、加熱源として電熱方式のヒータを採用するようにしている。電熱方式のヒータであれば、等速で緩慢昇温を行うことが可能であり、また、従来に比して広範囲の均熱帯を確保することが可能となる。例えば、本実施例に係る加熱装置２では、外径３０φの炉芯管９に対して、低温加熱部１０ａおよび高温加熱部１０ｂにおいて、それぞれ１００ｍｍ程度の均熱帯を確保することができた。これにより、試料ボート１９が均熱帯（１００ｍｍ程度）に納まる大きさであれば、試料ボート１９に充填可能な範囲で、従来に比して多量の試料を測定することが可能となっている。

変位機構２１は、伸縮可能なシリンダ部２１ａを備えている。また変位機構２１は、低温用コントローラ１３および高温用コントローラ１６と接続されており、低温加熱部１０ａおよび高温加熱部１０ｂの温度が予め定めた条件となるときに作動する構成としている。

シリンダ部２１ａは、炉芯管９の軸心に対して平行な方向に伸縮可能な構成としており、炉芯管９の低温炉７側の端部９ａから炉芯管９内に挿入され、シリンダ部２１ａを短縮させた状態で、当接部２１ｂを低温加熱部１０ａに臨ませるようにして配置される。そして変位機構２１が作動すると、シリンダ部２１ａを伸長させる構成としている。シリンダ部２１ａを伸長させると、シリンダ部２１ａは、炉芯管９の軸心に対して平行に高温加熱部１０ｂに向かって伸長する構成としている。

図２（ａ）に示す如く、炉芯管９内の低温加熱部１０ａに試料ボート１９が配置された状態で変位機構２１が作動すると、図２（ｂ）に示すように、シリンダ部２１ａが伸長し、シリンダ部２１ａの当接部２１ｂにおいて試料ボート１９と当接し、シリンダ部２１ａの伸長量に応じて試料ボート１９に装填された試料２０を高温加熱部１０ｂ側にスムーズに変位させることができる。本実施例では、変位機構２１が作動したときのシリンダ部２１ａの伸長量を、試料ボート１９が正確に高温加熱部１０ｂに配置される伸長量としている。

即ち、本発明の一実施例に係る加熱装置２において、変位機構２１は、伸縮可能なシリンダ部２１ａを備え、低温加熱部１０ａに配置される試料ボート１９を、伸長するシリンダ部２１ａによって押圧して高温加熱部１０ｂに変位させて、試料２０を低温加熱部１０ａから高温加熱部１０ｂに変位させる構成としている。
このような構成とすることにより、簡易な構成で、試料２０を低温加熱部１０ａから高温加熱部１０ｂに変位させることができるのである。

また、本発明の一実施例に係る加熱装置２において、試料２０は、試料ボート１９に装填された状態で加熱部１０に配置される構成としている。
このような構成とすることにより、低温加熱部１０ａから高温加熱部１０ｂへの試料２０の変位をスムーズに行うことができるのである。また、溶融した試料２０が炉芯管９に付着することを防止し、加熱装置２（詳しくは炉芯管９）の劣化を防止することができるのである。

炉芯管９内の高温加熱部１０ｂ側の端部近傍には、インサート管２２を配置している。インサート管２２は、例えば螺旋状の羽根部を有するような形状としており、炉芯管９内を流通するガスがインサート管２２に接触することにより、ガスを攪拌させる作用が生じる構成としている。
これにより、炉芯管９内を常時一定流量で流されるアルゴンガスと、試料２０から放出される水素等を含むガスが、均一に混合された状態でガスクロマトグラフ４に導入されるようにしている。

次に、本発明の一実施例に係る水素分析装置による水素分析方法および分析結果について、図１〜図４を用いて説明をする。図３は本発明の一実施例に係る加熱装置による緩慢昇温時における加熱部の温度変化の一例を示すグラフ図、図４は本発明の一実施例に係る加熱装置を用いた水素分析装置による測定結果の一例を示すグラフ図である。
尚、本実施例では、試料２０の加熱が低温加熱部１０ａにて行われる常温〜約５００℃の温度域を低温域としており、試料２０の加熱が高温加熱部１０ｂにて行われる約５００〜約１７００℃の温度域を高温域としているが、低温域および高温域の温度範囲は、試料の材質に応じて適宜変更することができる。また、本実施例でいう常温は、約２５℃の温度を指すものとしている。

まず、図１および図２（ａ）に示す如く、炉芯管９内の低温加熱部１０ａに試料２０を装填した試料ボート１９を配置する。この状態で、ガス供給設備５によって、炉芯管９内（即ち、加熱部１０）に一定流量でアルゴンガスを供給し、加熱部１０にアルゴンガスが充満した状態とする。このとき、加熱部１０は未だ常温である。

加熱部１０がアルゴンガスで充満したことを確認した後に、加熱部１０に対する加熱を開始するようにしている。この加熱は、低温炉７と高温炉８によって行われる。
加熱方法についてさらに詳述すると、低温加熱部１０ａは低温炉７によって加熱され、高温加熱部１０ｂは高温炉８によって加熱される。

そして、低温加熱部１０ａで試料２０から放出された水素等を含むガスは、ガス導入装置３のサンプリングバルブ３ａが放出側に切替られているときには、加熱部１０に供給されるアルゴンガスとともに大気に放出され、サンプリングバルブ３ａがガスクロマトグラフ４側に切替られているときには、加熱部１０に供給されるアルゴンガスとともにガスクロマトグラフ４に導入される。尚、サンプリングバルブ３ａは、一定周期でサンプリング時間の間だけガスクロマトグラフ４側に切替られるように予め設定している。

次に、低温加熱部１０ａにある試料２０は、低温炉７によって温度制御されながら、精度良く等速で緩慢昇温される。ここでいう等速での緩慢昇温とは、１００℃／ｈ程度の昇温速度による加熱状態を指しており、試料２０の温度は加熱部１０の温度に等しいものと仮定している。またこのとき、高温加熱部１０ｂには試料２０は存在していないが、高温加熱部１０ｂも低温加熱部１０ａと等温を保持するように等速で緩慢昇温するように高温炉８を温度制御している。尚、低温域においては、高温炉８の制御精度は、低温炉７の制御精度に比して劣るため、高温加熱部１０ｂと低温加熱部１０ａに温度差が生じるが、この温度差は低温炉７の温度制御によって吸収することができる。これにより、高温加熱部１０ｂの温度が低温加熱部１０ａの温度制御に対する外乱とならないようにしている。

そして、低温加熱部１０ａ（即ち、試料２０）の温度が、低温域の最高温度である約５００℃となるまで、低温炉７による温度制御を主とした等速での緩慢昇温を継続する。

次に、図２（ａ）・（ｂ）に示す如く、低温加熱部１０ａの温度（即ち、試料２０の温度）が、予め設定された所定温度、すなわち低温域の最高温度である約５００℃にまで達すると、低温用コントローラ１３および高温用コントローラ１６からの信号により変位装置２１を作動させて、試料ボート１９を高温加熱部１０ｂに移動させるようにしている。そして、試料ボート１９（即ち、試料２０）が高温加熱部１０ｂに移動されると同時に、温度制御の主体を高温炉８に切替えるようにしている。つまり高温域では、高温炉８による温度制御を主とした等速での緩慢昇温を行うようにしている。尚、高温域においては、低温炉７の制御精度は、高温炉８の制御精度に比して劣るため、高温加熱部１０ｂと低温加熱部１０ａに温度差が生じる。また、低温炉７では、最高１４００℃程度まで昇温することが限界である。しかし、ここで生じる温度差は高温炉８の温度制御によって吸収するようにしている。

そして、高温加熱部１０ｂの温度（即ち、試料２０の温度）が、予め設定した所定温度に達するまで、高温炉８による温度制御を主とした等速での緩慢昇温を継続する。尚、本実施例に示す加熱装置２では、高温加熱部１０ｂの温度は最高で約１７００℃まで昇温させることが可能である。つまり、本実施例に係る加熱装置２では、高温加熱部１０ｂにおいて、約５００℃〜鋼の融点（１５７３℃）以上の温度域まで、等速で緩慢昇温を行うことが可能である。

ここで、加熱装置２によって加熱した試料２０の温度測定結果を示す。
加熱装置２によって、常温（約２５℃）〜約５００℃までは、低温加熱部１０ａにおいて、低温炉７によって試料２０を加熱し、その後、試料２０を高温加熱部１０ｂに変位させてから、約５００℃〜１６２５℃までは、引き続き高温加熱部１０ｂにおいて、高温炉８によって試料２０を加熱したときの、試料２０の温度測定結果を、図３に示している。

この測定結果によれば、加熱装置２によって、試料２０を常温〜約１６００℃の範囲で精度良く等速で緩慢昇温できていることが判る。言い換えれば、加熱装置２によれば、等速で緩慢昇温しながら、試料２０の温度を鋼の融点（１５７３℃）以上に昇温することも可能であると言える。つまり、加熱装置２を用いることによって、従来の水素分析装置では困難であった、鋼に対する昇温脱離法による全水素量の測定が可能となるのである。

次に、本発明の一実施例に係る水素分析装置１による昇温脱離法による全水素量の測定結果を示す。
加熱装置２を備える水素分析装置１による鋼の水素分析結果を図４に示している。
この測定結果によれば、加熱装置２によって、試料２０を常温〜約１６００℃の範囲で精度良く等速で緩慢昇温させながら昇温脱離法による水素分析を行うことによって、試料２０が鋼である場合であっても、昇温脱離法によって全水素量を求めることができ、かつ、常温〜鋼の融点の温度域で水素放出速度と放出温度の相関特性を求めることが可能であることが判る。

即ち、本発明の一実施例に係る加熱装置２は、昇温脱離法により試料２０に含まれる水素量を測定する水素分析装置１に用いる加熱装置であって、低温炉７と高温炉８を有する加熱炉６と、鋼試料たる試料２０を加熱するための加熱部１０を形成する炉芯管９と、加熱部１０において試料２０を変位させる変位機構２１と、を備え、低温炉７は、高温炉８とは独立して炉内の温度を制御する低温用コントローラ１３と、高温炉８は、低温炉７とは独立して炉内の温度を制御する高温用コントローラ１６と、を備え、変位機構２１は、低温用コントローラ１３および高温用コントローラ１６に接続されており、炉芯管９は、加熱炉６を貫通させる配置とし、加熱部１０を、低温炉７に内包される部分の炉芯管９に対応する低温加熱部１０ａと、高温炉８に内包される部分の炉芯管９に対応する高温加熱部１０ｂに分割し、低温域では、低温加熱部１０ａにおいて、試料２０の温度を低温炉７によって試料２０の温度が予め設定した所定温度である低温域の最高温度（本実施例では、約５００℃としている）に達するまで等速で緩慢昇温させて、試料２０の温度が予め設定した所定温度である低温域の最高温度（約５００℃）に達するとき、変位機構２１によって、試料２０を高温加熱部１０ｂに変位させて、その後高温域では、高温加熱部１０ｂにおいて、試料２０の温度を高温炉８によって試料２０の温度が予め設定した試料２０の融点（１５７３℃）以上の温度（本実施例では、約１６００℃としている）に達するまで等速で緩慢昇温させる構成としている。
このように、加熱炉６を低温炉７と高温炉８を備えた２段炉の構成とすることにより、加熱装置２によって、試料２０に対して常温〜１６００℃近傍（鋼の融点１５７３℃以上）まで等速で緩慢昇温を行うことが可能となる。そして、加熱装置２を有する水素分析装置１を用いて、昇温脱離法によって、鋼の融点近傍（約１６００℃）が融点である試料２０について、該試料２０に含まれる全水素量を求めることができるのである。

本発明の一実施例に係る水素分析装置の全体構成を示す模式図。（ａ）本発明の一実施例に係る加熱装置（低温域での加熱状態）を示す模式図、（ｂ）本発明の一実施例に係る加熱装置（高温域での加熱状態）を示す模式図。本発明の一実施例に係る加熱装置による緩慢昇温時における加熱部の温度変化の一例を示すグラフ図。本発明の一実施例に係る加熱装置を用いた水素分析装置による測定結果の一例を示すグラフ図。従来の水素分析装置による測定結果（水素放出速度−温度特性）を示すグラフ図。

１水素分析装置
２加熱装置
４ガスクロマトグラフ
７低温炉
８高温炉
９炉芯管
１０加熱部
１０ａ低温加熱部
１０ｂ高温加熱部
１３低温用コントローラ
１４低温用電熱ヒータ
１５低温用温度センサ
１６高温用コントローラ
１７高温用電熱ヒータ
１８高温用温度センサ
２０試料
２１変位機構

Claims

低温炉と高温炉を有する加熱炉と、
鋼試料を加熱するための加熱部を形成する炉芯管と、
前記加熱部において前記鋼試料を変位させる変位機構と、
を備え、
前記低温炉は、
前記高温炉とは独立して炉内の温度を制御する低温用コントローラを備え、
前記高温炉は、
前記低温炉とは独立して炉内の温度を制御する高温用コントローラを備え、
前記変位機構は、
前記低温用コントローラおよび前記高温用コントローラに接続されており、
前記炉芯管は、
前記加熱炉を貫通させる配置とし、
前記加熱部を、
前記低温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する低温加熱部と、
前記高温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する高温加熱部に分割し、
前記低温加熱部において、
前記鋼試料を、前記低温炉によって前記鋼試料の温度が予め設定した所定温度に達するまで等速で緩慢昇温させて、
前記鋼試料の温度が予め設定した前記所定温度に達したとき、
前記変位機構によって、
前記鋼試料を前記高温加熱部に変位させて、
その後、前記高温加熱部において、
前記鋼試料を、前記高温炉によって前記鋼試料の温度が鋼の融点以上の温度に達するまで等速で緩慢昇温させる、
ことを特徴とする加熱装置。
前記低温炉は、
低温用電熱ヒータと低温用温度センサを備え、かつ、
前記高温炉は、
高温用電熱ヒータと高温用温度センサを備える、
ことを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記鋼試料は、
試料ボートに装填された状態で前記加熱部に配置される、
ことを特徴とする請求項２に記載の加熱装置。
前記変位機構は、
伸縮可能なシリンダ部を備え、
前記低温加熱部に配置される前記試料ボートを、
伸長する前記シリンダ部によって押圧して前記高温加熱部に変位させて、
前記鋼試料を前記低温加熱部から前記高温加熱部に変位させる、
ことを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
前記低温用電熱ヒータは、
フェライト合金系抵抗発熱体による電熱方式とし、かつ、
前記高温用電熱ヒータは、
二珪化モリブデン系抵抗発熱体による電熱方式とする、
ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
前記低温用温度センサは、
Ｒ熱電対とし、かつ、
前記高温用温度センサは、
Ｂ熱電対とする、
ことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載の加熱装置。
昇温脱離法により鋼試料に含まれる水素量を測定する水素分析装置であって、
加熱装置と、
ガス導入装置と、
ガスクロマトグラフと、
を有し、
前記加熱装置は、
低温炉と高温炉を有する加熱炉と、
前記鋼試料を加熱するための加熱部を形成する炉芯管と、
前記加熱部において前記鋼試料を変位させる変位機構と、
を備え、
前記低温炉は、
前記高温炉とは独立して炉内の温度を制御する低温用コントローラを備え、
前記高温炉は、
前記低温炉とは独立して炉内の温度を制御する高温用コントローラを備え、
前記変位機構は、
前記低温用コントローラおよび前記高温用コントローラに接続されており、
前記炉芯管は、
前記加熱炉を貫通させる配置とし、
前記加熱部を、
前記低温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する低温加熱部と、
前記高温炉に内包される部分の前記炉芯管に対応する高温加熱部に分割し、
前記低温加熱部において、
前記鋼試料を、前記低温炉によって前記鋼試料の温度が予め設定した所定温度に達するまで等速で緩慢昇温させて、
前記鋼試料の温度が予め設定した前記所定温度に達したとき、
前記変位機構によって、
前記鋼試料を前記高温加熱部に変位させて、
その後、前記高温加熱部において、
前記鋼試料を、前記高温炉によって前記鋼試料の温度が鋼の融点以上の温度に達するまで等速で緩慢昇温させる、
ことを特徴とする水素分析装置。
前記低温炉は、
低温用電熱ヒータと低温用温度センサを備え、かつ、
前記高温炉は、
高温用電熱ヒータと高温用温度センサを備える、
ことを特徴とする請求項７記載の水素分析装置。
前記鋼試料は、
試料ボートに装填された状態で前記加熱部に配置される、
ことを特徴とする請求項８に記載の水素分析装置。
前記変位機構は、
伸縮可能なシリンダ部を備え、
前記低温加熱部に配置される前記試料ボートを、
伸長する前記シリンダ部によって押圧して前記高温加熱部に変位させて、
前記鋼試料を前記低温加熱部から前記高温加熱部に変位させる、
ことを特徴とする請求項９に記載の水素分析装置。
前記低温用電熱ヒータは、
フェライト合金系抵抗発熱体による電熱方式とし、かつ、
前記高温用電熱ヒータは、
二珪化モリブデン系抵抗発熱体による電熱方式とする、
ことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載の水素分析装置。
前記低温用温度センサは、
Ｒ熱電対とし、かつ、
前記高温用温度センサは、
Ｂ熱電対とする、
ことを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載の水素分析装置。