JP5041526B2

JP5041526B2 - リチウム蒸気放出装置

Info

Publication number: JP5041526B2
Application number: JP2007195482A
Authority: JP
Inventors: 聖松下; 実岡田; 正則伊藤; 茂貴木戸; 宏人羽生
Original assignee: Japan Carlit Co Ltd
Current assignee: Japan Carlit Co Ltd
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: JP2009030528A

Description

本発明は、テルミット反応を利用したリチウム蒸気放出装置に関する。

中緯度電離圏の諸現象の解明を目指し、様々な観測技術の開発がなされている。その一つに電離圏の中性大気風の観測を目的とし、観測ロケットにリチウム放出装置を搭載し、電離圏にて放出されたリチウム蒸気をトレーサーとして観測する技術が検討されている。

トレーサーであるリチウムの沸点は１３００℃以上と高く、それを気化させるには非常に多くの熱量が必要である。

このような高沸点の金属を気化させ蒸気を発生させる装置としては、溶融金属若しくは金属原料に電子ビームを照射し加熱、蒸発させる金属蒸気発生装置が知られている。（特許文献１、特許文献２参照）

上記特許文献に開示されているように、電子ビームを照射する方法は電子銃が不可欠であるため装置が高価かつ煩雑になり、ロケットに搭載するのには不適である。

また、特許文献３には、テルミット反応を用いてヨウ化銀を気化させ放出させる装置が開示されている。該装置はテルミット剤を用いヨウ化銀を気化させ、雨核成分として放出する誘雨装置である。

特開平０７−１２６８３９号公報特開平０７−２５１０３３号公報特開２００１−２６２１１８号公報

従来のテルミット剤は反応が急激で、ロケットに搭載するシステムには適用が困難である。本発明の目的は、金属リチウムを固体状態から瞬時かつ持続的に気化させるのに適したリチウム蒸気放出装置を提供することであり、定置での使用は勿論、ロケットに搭載した際、打ち上げ時や飛翔時の耐振動性、耐久性に優れ、確実なリチウム放出性能を有し、小型で安全性に優れたリチウム蒸気放出装置を提供することである。

本発明者らは鋭意検討した結果、特定のテルミット剤を用い、所定の装置構造とすることで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、以下に示すものである。

（１）鋼製容器内１に
テルミット剤２と、
金属リチウム４を装填するリチウム剤室５と、
該テルミット剤２に点火するための点火装置６と、
該テルミット剤の反応熱により発生するリチウム蒸気を外部に放出するためのノズル７と、を具備することを特徴とするリチウム蒸気放出装置。

（２）鋼製容器１が、内部にリチウム剤室５を具備し、該リチウム剤室５の外周にテルミット剤２が配設されてなる二重のキャニスター構造であることを特徴とする前記（１）に記載のリチウム蒸気放出装置。

（３）前記リチウム剤室５の先端部にリチウム蒸気を放出するためのノズルが付設されてなることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のリチウム蒸気放出装置。

（４）前記リチウム剤室５の隔壁の一部が開口し、テルミット剤２に連通していることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のリチウム蒸気放出装置。

（５）前記テルミット剤２が、金属酸化物と単体金属還元剤とマグナリウム合金との混合組成物であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載のリチウム蒸気放出装置。

本発明のリチウム蒸気放出装置によれば、簡便な構成の装置にてテルミット反応熱を利用でき、安全かつ確実にリチウム蒸気を放出できる。
また、本発明のリチウム蒸気放出装置は、リチウム剤室の周囲にテルミット剤室を設け、該リチウム剤室の隔壁の一部に開口部を設けたことにより、テルミット反応による発熱を高効率でリチウム蒸気化に利用できる。すなわち、その開口部を所定の形状に設計することによりテルミット反応物を直接金属リチウムに伝達でき気化を完全にすることができる一方、リチウム気化によるリチウム室内の内圧上昇が開口部の存在によって抑制される効果もあり、未反応の固体及び／又は液体のリチウムが装置外に飛散することを防止できる。
さらに、本発明の装置にマグナリウム合金を配合したテルミット剤を使用することにより、従来のテルミット剤を用いるよりも緩和な反応とせしめる一方、リチウム気化に充分な反応熱を得ることができ、持続的にリチウム蒸気を放出することが可能である。
以上のことから本発明のリチウム蒸気放出装置は観測ロケットに搭載に求められる装置の安全性、耐久性、信頼性を満足することができる。

以下、本発明のリチウム蒸気放出装置について図面を参照し詳細に説明する。

図１は本発明のリチウム蒸気放出装置の概略図である。本発明のリチウム蒸気放出装置は鋼製容器１内にテルミット剤２とリチウム剤室５とを具備しており、リチウム剤室５は、テルミット剤２とは別室であり、好ましくは二重のキャニスター構造となっている。

図１に示すようにリチウム剤室５の周囲にテルミット剤２が配置されている構造が好ましい。リチウム剤室はテルミット剤室同様鋼製容器となっており、好ましくはその隔壁の少なくとも一部に開口部１２が設けられている。
すなわち、この開口部によってテルミット剤室とリチウム室が連通されている。
該開口部１２を設けることで、テルミット剤の反応熱が瞬時に高効率で金属リチウムに達し、テルミット剤溶融物が開口部よりリチウム剤室に流入し、金属リチウムの蒸気化を容易にせしめる。また、この開口部はリチウム蒸気の発生による内圧上昇を抑制し、リチウム室が破裂するのを防止する目的もある。

使用する装置の形状、大きさ、リチウム剤とテルミット剤との使用量等によってこの開口部の数は異なるが、相対的にこの開口部の数が少な過ぎると、熱交換が悪くなり、熱量不足で必要量のリチウム蒸気が得られない、あるいは、気化に至らない液状リチウムが突沸するなどの危険が生じる。一方、開口部の数が多すぎると、テルミット反応と金属リチウムの接触が大きく、リチウムの蒸気化が急速すぎて、内圧上昇によりリチウム剤室の破裂の危険性がある。従って、この開口部の大きさや数は適切なものに設計する必要がある。また、テルミット剤室の周囲はアルミナシリカ系等の断熱材１１で覆うことができる。

リチウム剤室の上部にはリチウム蒸気を放出するためのノズル７がついている。該ノズルの下方にはクッション材９、固体リチウムがノズルから飛散するのを防止するための金網フィルタ８が設けられている。

図２は本発明のリチウム蒸気放出装置の断面概略図である。上記したようにリチウム剤室の周囲にテルミット剤２が配置されている。この図の場合、開口部１２が円柱状のリチウム剤室の４方向に均等に設けられている。

また、装置外部にはテルミット剤に点火するための点火装置６が付設されている。また、該点火装置の安全性を高めるために安全装置を具備していることが好ましい。特にロケットに搭載する場合は、地表付近では点火装置が作動せず、打ち上げられた後上空に到達した時点で着火機構が作動するような安全装置を具備していることが望ましい。

本発明に用いることができるリチウム剤としては金属リチウムであり、好ましくは取扱の面からインゴット状、ロッド状の金属リチウムである。より好ましくはロッド状の金属リチウムであり、通常、該リチウムロッドを複数本抱き合わせ、大気中の酸素や水分との反応を防ぐためアルミホイル等で覆った後リチウム室に充填する。

本発明に用いるテルミット剤は、急激な金属リチウムの気化を抑制するため、従来のテルミット剤より緩和な反応を生じさせるテルミット剤が好ましい。具体的には金属酸化物と単体金属還元剤との混合物にマグナリウム合金を配合した反応組成物が好ましい。マグナリウム合金を添加することによって、テルミットの還元反応開始が低温化でき、リチウム気化に充分必要な反応熱が得られるとともに、着火性及び反応持続性が良好であり、長時間定常的にリチウム蒸気を放出できる。

上記テルミット剤をテルミット剤室に充填するが、その際、充填密度が０．５〜３．０ｇ／ｃｍ^３となるようプレス充填することが反応性の面から好ましい。

上記テルミット剤の成分である金属酸化物としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、三酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、三二酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）、酸化銅（ＩＩ)（ＣｕＯ）、鉛丹（Ｐｂ_３Ｏ_４）からなる群から選ばれた１種又は２種以上の化合物であることが好ましく、さらに好ましくは反応の安全性、価格、ハンドリングの面から、三二酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）、酸化銅（ＩＩ)（ＣｕＯ）を用いることが好ましい。

単体金属還元剤としては、還元剤として作用する単体金属が挙げられ特に限定されないが、入手の容易さ、適用例の豊富さの観点から好ましくはアルミニウム粉末が好ましい。そのような単体金属還元剤の粒径としては、平均粒径が１〜２０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは、５〜１０μｍの範囲である。１μｍより粒径が小さくなると、燃焼が激しくなり制御が難しく、また危険度が増す。また２０μｍより大きいと燃焼中断が生じるおそれがある。

マグナリウム合金としては、アルミニウム：マグネシウム質量比が４０：６０乃至６０：４０の範囲のアルミニウム−マグネシウム合金粉末であることが好ましい。マグナリウム合金の粒径としては平均粒径が０．１〜２５０μmの範囲、好ましくは０．１〜１００μm、さらに好ましくは１〜５０μmの範囲のものが望ましい。粒径が２５０μmを超えると、成分の一部が燃焼しながら飛散し易くなり、また、着火性が乏しくなる。また、粒径が０．１μｍに満たないものは、反応性が高まり、危険性が高くなる。

炭素鋼製の筒状容器の中央部に金属リチウムロッドを充填するためのリチウム剤室としてステンレス管を配置した。該ステンレス管にはテルミット反応溶融物を徐々に通過させ、リチウムに直接接触させるための開口部を設けた。
使用したリチウム剤室の大きさは高さ１２０ｍｍ、直径６５ｍｍの円筒状である。開口部は直径６ｍｍの孔を垂直方向に３段設け、それを円筒円周の９０°おきに４方向設けた結果、合計開口部を１２箇所設けた。従って円筒の側壁部の面積に対する開口部面積で定義される開口率としては、１３．５６ｃｍ^３／４８９．８４ｃｍ^３となり、２．７７％であった。

リチウム剤として金属リチウムロッド（直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を３２本抱き合わせアルミホイルでラッピングした後、該リチウム剤室に充填した。充填したリチウムの質量は合計１３０ｇであった。

炭素鋼製の筒状容器の中にテルミット剤を充填した。使用したテルミット剤は金属酸化物として三二酸化鉄（戸田ピグメント(株)製、トダカラー１００ＥＤ、平均粒径０．１μm）を１０部と、単体金属としてアルミニウム（山石金属(株)製、ＶＡ−２０００、平均粒径５〜１０μm）を１部、さらにマグナリウム合金（丸中金属(有)製、Ａｌ−Ｍｇ（５０：５０質量％）、平均粒径４５μm）１部を良く混和して、テルミット剤としたものを用いた。

テルミット剤の周囲をアルミナシリカ断熱材で覆い、該筒状容器の上部に予めリチウム放出用のノズルを取り付けた鋼鉄製蓋を取り付けた。ノズル内にアルミナシリカ断熱材、金網を詰め、さらにそれを固定するためのステンレス管を取り付けた。装置外の蓋にはテルミット剤に着火するための点火装置を取り付け、該点火装置はほぼ真空となる上空で作動させるため、外圧が系内圧より低下し、所定の圧力に到達するとセーフモードのロックが解除されるエアーシリンダー一体型アクチュエータからなる安全装置を取り付け、本発明のリチウム蒸気放出装置を完成させた。

本発明のリチウム蒸気放出装置を地上にて試験作動させたところ、点火から約１０秒でリチウム蒸気が放出され、約１５秒間定常的にリチウム蒸気を放出できることを確認できた。

本発明のリチウム蒸気放出装置は、観測ロケットに搭載し、電離圏にて放出されたリチウム蒸気をトレーサーとしてスペクトル観測するシステムに利用可能である。

本発明のリチウム蒸気放出装置の概略図本発明のリチウム蒸気放出装置の断面概略図

符号の説明

１鋼製容器
２テルミット剤
４金属リチウム
５リチウム剤室
６点火装置
７ノズル
８金網フィルタ
９クッション材
１０鋼製蓋
１１断熱剤
１２開口部

Claims

鋼製容器内１に
テルミット剤２と、
金属リチウム４を装填するリチウム剤室５と、
該テルミット剤２に点火するための点火装置６と、
該テルミット剤の反応熱により発生するリチウム蒸気を外部に放出するためのノズル７と、を具備するリチウム蒸気放出装置において、
前記リチウム剤室５の隔壁の一部が開口し、テルミット剤２に連通していることを特徴とするリチウム蒸気放出装置。
鋼製容器１が、内部にリチウム剤室５が具備されてなり、該リチウム剤室５の外周にテルミット剤２が配設されてなる二重のキャニスター構造であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム蒸気放出装置。
前記リチウム剤室５の先端部にリチウム蒸気を放出するためのノズルが付設されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウム蒸気放出装置。
前記テルミット剤２が、金属酸化物と単体金属還元剤とマグナリウム合金との混合組成物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリチウム蒸気放出装置。