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JP5546359B2 - Reduction device and method - Google Patents
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Description

本発明は、還元装置に関し、特に、高純度のケイ素の生成、二酸化炭素の削減に好適な還元装置に関する。   The present invention relates to a reduction apparatus, and more particularly to a reduction apparatus suitable for producing high-purity silicon and reducing carbon dioxide.

特許文献1には、本発明者らによる、再生可能なエネルギーを効率的に使用し、反応エネルギーを回収すると共に、水素ガスを生成する、水素生成装置が開示されている。この水素生成装置は、金属元素を保持する反応容器と、前記反応容器に水を供給するための貯水槽と、前記金属元素が前記水に接触する部分を加熱して前記金属元素を加熱するレーザと、前記金属元素と前記水との反応により生成した水素ガスおよび反応エネルギーを回収する水素取出管と、を含む、とされている。
特開2007−145686号公報
Patent Document 1 discloses a hydrogen generation apparatus that efficiently uses renewable energy, recovers reaction energy, and generates hydrogen gas by the present inventors. The hydrogen generator includes a reaction vessel that holds a metal element, a water storage tank for supplying water to the reaction vessel, and a laser that heats the metal element by heating a portion where the metal element contacts the water And a hydrogen extraction pipe for recovering hydrogen gas and reaction energy generated by the reaction between the metal element and the water.
JP 2007-145686 A

ところで、理論的には、一酸化ケイ素又は二酸化ケイ素などの酸化物に対して、所定条件下において、レーザなどを用いて沸点以上の温度をかけると、二酸化ケイ素等を構成するケイ素と酸素との結合が切断されつつ噴出し、加熱場所から分離することができる。したがって、係る場合には、半導体材料などに用いることができるケイ素を収集することができる。   By the way, theoretically, when an oxide such as silicon monoxide or silicon dioxide is subjected to a temperature equal to or higher than the boiling point under a predetermined condition using a laser or the like, silicon and oxygen constituting the silicon dioxide or the like The bond can be ejected while being broken and separated from the heating location. Therefore, in such a case, silicon that can be used as a semiconductor material can be collected.

また、例えば、二酸化炭素についても、所定条件下において、レーザなどを用いて沸点以上の温度をかけると、炭素と酸素との結合が切断されつつ噴出し、加熱場所から分離することができる。したがって、係る場合には、地球温暖化の一因とも考えられている二酸化炭素量を削減することができるはずである。   Further, for example, when carbon dioxide is heated at a temperature equal to or higher than the boiling point under a predetermined condition using a laser or the like, the carbon and oxygen bonds are ejected while being cut and separated from the heating place. Therefore, in such a case, it should be possible to reduce the amount of carbon dioxide, which is considered to be a cause of global warming.

しかし、「所定条件」というものを選定することが困難であり、理論的にはともかく、現実的に、高純度のケイ素を収集するとか、二酸化炭素量を効果的に削減させるといったことは非常に困難である。   However, it is difficult to select "predetermined conditions". In theory, it is very difficult to actually collect high-purity silicon or effectively reduce the amount of carbon dioxide. Have difficulty.

本発明者は、研究・実験の結果、上記の「所定条件」を見出すことに成功した。すなわち、本発明の還元装置は、第1の酸化物(例えば、酸化マグネシウム、酸化カリウム又は酸化カルシウム)と第2の酸化物(例えば、二酸化炭素又は一酸化ケイ素)との混合物又は化合物に対してレーザを照射することによって、前記第1又は第2の酸化物から酸素を脱理させるようにしている。   As a result of research and experiments, the present inventor succeeded in finding the “predetermined condition”. That is, the reduction apparatus of the present invention is based on a mixture or compound of a first oxide (for example, magnesium oxide, potassium oxide or calcium oxide) and a second oxide (for example, carbon dioxide or silicon monoxide). By irradiating a laser, oxygen is removed from the first or second oxide.

すなわち、本発明は、典型的には、二酸化炭素又は一酸化ケイ素に対して、単にレーザを照射するのではなく、これに対して、酸化マグネシウム、酸化カリウム又は酸化カルシウムなどを混合又は化合した状態でレーザを照射することで、二酸化炭素或いは一酸化ケイ素、又は、酸化マグネシウム、酸化カリウム又は酸化カルシウムなどから酸素を脱理させる。   That is, in the present invention, typically, carbon dioxide or silicon monoxide is not simply irradiated with a laser, but is mixed or combined with magnesium oxide, potassium oxide, calcium oxide, or the like. By irradiating with laser, oxygen is removed from carbon dioxide, silicon monoxide, magnesium oxide, potassium oxide or calcium oxide.

より具体的には、例えば、第1の酸化物として酸化マグネシウムを選択し、かつ、第2の酸化物として酸化ケイ素を選択し、これらの混合物を作成した場合には、この混合物に所要の強度のレーザを照射すると、Mg、O、Siなどが発生する、つまり、高純度のケイ素(Si)を収集することができる。 More specifically, for example, when magnesium oxide is selected as the first oxide and silicon oxide is selected as the second oxide, and a mixture thereof is prepared, the strength required for the mixture is increased. When this laser is irradiated, Mg, O 2 , Si and the like are generated, that is, high-purity silicon (Si) can be collected.

前記レーザは、太陽光を含むエネルギー源を利用する固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザとすることもできる。こうすると、太陽光や自然エネルギーから生成したレーザの実現により、化石燃料に由来する電源を使用することなく、地球環境にやさしい新たな還元処理が可能となる。   The laser may be a solid-state laser, a gas laser, or a semiconductor laser that uses an energy source including sunlight. In this way, by realizing a laser generated from sunlight or natural energy, a new reduction treatment that is friendly to the global environment is possible without using a power source derived from fossil fuel.

本発明の実施形態1のレーザ還元装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the laser reduction apparatus of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2のレーザ還元装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the laser reduction apparatus of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3のレーザ還元装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the laser reduction apparatus of Embodiment 3 of this invention. 酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合とマグネシウム画分及びケイ素画分[質量%]とエネルギー効率[mg/kJ]との関係図である。It is a related figure of the mixing ratio of magnesium oxide and silicon monoxide, a magnesium fraction, a silicon fraction [mass%], and energy efficiency [mg / kJ]. 本発明の実施形態4のレーザ還元装置の模式的な構成図である。It is a typical block diagram of the laser reduction apparatus of Embodiment 4 of this invention. 図1の処理室1内の初期圧力[Pa]とマグネシウム画分[質量%]とエネルギー効率[mg/kJ]との関係図である。FIG. 2 is a relationship diagram of initial pressure [Pa], magnesium fraction [mass%], and energy efficiency [mg / kJ] in the processing chamber 1 of FIG. 酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合と取得された球体状の高濃度ケイ素の総量との関係図である。It is a relationship figure of the mixing rate of magnesium oxide and silicon monoxide, and the total amount of the acquired spherical high concentration silicon.

1 処理室
2 入射窓
3 反射鏡
4 付着媒体
5 容器
7 捕集手段
9 レンズアレイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing chamber 2 Incident window 3 Reflecting mirror 4 Adhering medium 5 Container 7 Collection means 9 Lens array

発明の実施の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同様の部分には同一符号を付している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1のレーザ還元装置の模式的な構成図である。図1には、一般的にチャンバーとも称される処理室1が示されている。処理室1には、排気ポンプPが取り付けられていて、必要に応じて、処理室1内の排気が行われる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser reduction device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a processing chamber 1 that is also generally referred to as a chamber. An exhaust pump P is attached to the processing chamber 1, and the processing chamber 1 is exhausted as necessary.

なお、処理室1には、図示しないガス導入管を設け、処理室1に対して、選択的に、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、不活性ガスなどを導入することもできる。   Note that a gas introduction pipe (not shown) is provided in the processing chamber 1, and nitrogen gas, argon gas, helium gas, neon gas, inert gas, or the like can be selectively introduced into the processing chamber 1.

また、処理室1には、例えば円筒状の容器5が裁置されるステージ21が設けられている。容器5には、主として、例えば、第1の酸化物であるところの酸化マグネシウムと第2の酸化物であるところの一酸化ケイ素とを攪拌してなる混合物が収容される。   The processing chamber 1 is provided with a stage 21 on which, for example, a cylindrical container 5 is placed. The container 5 mainly contains, for example, a mixture obtained by stirring magnesium oxide as the first oxide and silicon monoxide as the second oxide.

本実施形態では、地球上に豊富に存在している二酸化ケイ素に対して、図1に示すレーザ還元装置を用いてレーザを照射することによって、一酸化ケイ素を生成している。したがって、容器5内の収容物は、例えば、第1の酸化物と第2の酸化物との混合物ではない二酸化ケイ素などになる場合もある。もっとも、第2の酸化物であるところの一酸化ケイ素の取得手法は、これに限定されるものではない。   In the present embodiment, silicon monoxide is generated by irradiating abundant silicon dioxide on the earth with a laser using the laser reduction device shown in FIG. Therefore, the contents in the container 5 may be, for example, silicon dioxide that is not a mixture of the first oxide and the second oxide. But the acquisition method of the silicon monoxide which is a 2nd oxide is not limited to this.

また、容器5内の収容物は、例えば、二酸化炭素を吸着した酸化マグネシウム、すなわち、二酸化炭素と酸化マグネシウムとの化合物とすることもできる。酸化マグネシウムは、二酸化炭素を吸着することが知られている。酸化マグネシウムを大気中に例えば数日間放置すれば、ここには大気中の二酸化炭素が吸着されることになる。本実施形態では、二酸化炭素を吸着した酸化マグネシウムに対してレーザを照射することによって、二酸化炭素を酸素と炭素とに分解して、二酸化炭素の削減を図ることも可能である。   Further, the contents in the container 5 can be, for example, magnesium oxide that has adsorbed carbon dioxide, that is, a compound of carbon dioxide and magnesium oxide. Magnesium oxide is known to adsorb carbon dioxide. If magnesium oxide is left in the atmosphere for several days, for example, carbon dioxide in the atmosphere will be adsorbed here. In this embodiment, it is possible to reduce carbon dioxide by irradiating a magnesium oxide adsorbing carbon dioxide with a laser to decompose the carbon dioxide into oxygen and carbon.

ここで、先に、二酸化ケイ素から一酸化ケイ素を生成する手法について概説する。容器5内に、二酸化ケイ素を収容し、この二酸化ケイ素に対して、スポット径の形成位置の温度がケイ素の沸点である2230度以上(例えば2500度〜5000度)となる条件で、レーザ照射装置Lからレーザを照射する。   Here, the method for producing silicon monoxide from silicon dioxide will be outlined first. In a container 5, silicon dioxide is accommodated, and a laser irradiation apparatus is used under the condition that the temperature at the position where the spot diameter is formed is 2230 degrees or more (for example, 2500 degrees to 5000 degrees) which is the boiling point of silicon. The laser is irradiated from L.

この結果、二酸化ケイ素から酸素が分離され、一酸化ケイ素が得られる。本実施形態では、こうして得られた一酸化ケイ素を、上記のように酸化マグネシウムなどと混合して、容器5に収容する。この混合割合は、一酸化ケイ素と酸化マグネシウムとの混合物からケイ素又はマグネシウムを効率よく抽出する際に重要である。この点は、実験結果とともに後述する。   As a result, oxygen is separated from silicon dioxide, and silicon monoxide is obtained. In the present embodiment, the silicon monoxide thus obtained is mixed with magnesium oxide or the like as described above and accommodated in the container 5. This mixing ratio is important when silicon or magnesium is efficiently extracted from a mixture of silicon monoxide and magnesium oxide. This point will be described later together with experimental results.

また、ステージ21には、ステージ21を回転させたり、ステージ21を昇降させたりするモータMが取り付けられている。ステージ21の回転は、容器5内の収容物に対して分散的にレーザを照射させるために行う処理である。   Further, a motor M that rotates the stage 21 and moves the stage 21 up and down is attached to the stage 21. The rotation of the stage 21 is a process performed to irradiate the laser beam to the contents in the container 5 in a distributed manner.

ステージ21の昇降は、容器5内の収容物に対して同一のスポット径でレーザを照射させるために行う処理である。したがって、必ずしもこれらの処理を実行することは必須ではない点に留意されたい。   The raising / lowering of the stage 21 is a process performed in order to irradiate the things in the container 5 with laser with the same spot diameter. Therefore, it should be noted that it is not always necessary to execute these processes.

容器5の上方には、所定距離Sの間隔で、二酸化ケイ素の蒸発物である一酸化ケイ素が付着される付着媒体4が配置されている。本実施形態では、蒸発物を、その冷却過程において、付着媒体4に衝突させることによって付着媒体4に付着させている。   Above the container 5, an adhesion medium 4 to which silicon monoxide, which is an evaporation product of silicon dioxide, is disposed at a predetermined distance S is disposed. In the present embodiment, the evaporated substance is adhered to the adhesion medium 4 by colliding with the adhesion medium 4 in the cooling process.

なお、図1では、板状の付着媒体4の採用例を示しているが、後述する他実施形態のように、種々の形状の付着媒体4を用いることができる。また、付着媒体4は、ここに付着する蒸発物の熱によって溶解されない耐熱条件を満たすものであれば、どのような材料のものを採用してもよい。本実施形態では、付着媒体4として、銅板を用いている。   In addition, although the adoption example of the plate-shaped adhesion medium 4 is shown in FIG. 1, the adhesion medium 4 of various shapes can be used like other embodiment mentioned later. Further, the adhering medium 4 may be made of any material as long as it satisfies the heat resistance condition that is not dissolved by the heat of the evaporated material adhering thereto. In the present embodiment, a copper plate is used as the adhesion medium 4.

さらに、付着媒体4には、レーザ照射装置Lから照射されるレーザを遮断しないようにするための孔22が形成されている。図1では、孔22の形成角度をレーザと平行となるようにしているが、レーザが容器5内の収容物に到達さえすれば、この角度に限定されるものではない。   Furthermore, a hole 22 is formed in the adhesion medium 4 so as not to block the laser irradiated from the laser irradiation device L. In FIG. 1, the formation angle of the hole 22 is set to be parallel to the laser, but the angle is not limited to this as long as the laser reaches the accommodation in the container 5.

ここで、所定距離Sは、容器5内の二酸化ケイ素から昇華した一酸化ケイ素蒸発物を効率よく、付着媒体4に付着可能な距離としている。具体例を示すと、ポンプPによって処理室1内を約6Paの真空度とし、付着媒体4の材料として銅を採用した場合には、所定距離Sは、例えば5mm〜15mm程度とすることができる。   Here, the predetermined distance S is a distance at which the silicon monoxide evaporated from the silicon dioxide in the container 5 can be efficiently attached to the attachment medium 4. As a specific example, when the inside of the processing chamber 1 is set to a vacuum degree of about 6 Pa by the pump P and copper is adopted as the material of the adhesion medium 4, the predetermined distance S can be set to about 5 mm to 15 mm, for example. .

実際に実験をしたところ、所定距離Sが25mm以下であれば、非酸素蒸発物を付着媒体4に付着させることができた。所定距離Sが約7mm〜約14mmの場合には、約5mmの場合の2倍以上の効果が得られた。さらに、所定距離Sが約8mm〜約12mmの場合には、約5mmの場合の2.5倍以上の効果が得られた。   As a result of an actual experiment, if the predetermined distance S was 25 mm or less, the non-oxygen vapor could be attached to the attachment medium 4. In the case where the predetermined distance S is about 7 mm to about 14 mm, an effect twice or more that of about 5 mm was obtained. Furthermore, when the predetermined distance S is about 8 mm to about 12 mm, the effect of 2.5 times or more of about 5 mm was obtained.

一方、処理室1内に不活性ガス等を導入したり、処理室1内の圧力を低くしたりすることによって、処理室1内の酸素残存量を極めて少なくした場合には、処理室1の内壁を付着媒体として兼用することもできる。なお、係る場合には、ポンプPによる排気により、処理室1に取り付けられたポンプPの周辺に、蒸発物が付着することになる。   On the other hand, when the amount of oxygen remaining in the processing chamber 1 is extremely reduced by introducing an inert gas or the like into the processing chamber 1 or reducing the pressure in the processing chamber 1, The inner wall can also be used as an attachment medium. In such a case, the exhausted matter is attached to the periphery of the pump P attached to the processing chamber 1 by the exhaust by the pump P.

また、処理室1の上部には、レーザ照射装置Lから照射されたレーザを処理室1内に取り込むために、既知の入射窓2が設けられている。また、レーザの光路には、レーザ照射装置Lから照射されたレーザの進路を、入射窓2に向けて変更する反射鏡3が設けられている。   In addition, a known incident window 2 is provided in the upper part of the processing chamber 1 in order to take the laser irradiated from the laser irradiation apparatus L into the processing chamber 1. In addition, a reflecting mirror 3 is provided in the optical path of the laser to change the path of the laser irradiated from the laser irradiation apparatus L toward the incident window 2.

なお、少なくともレーザ照射装置Lと反射鏡3との間は、図示しない光ファイバなどを用いて接続するとよい。同様に、反射鏡3と入射窓2との間も、さらには、入射窓2と容器5付近との間も、光ファイバなどを用いて接続してもよい。こうすると、容器5内の収容物に到達するレーザの光損失を抑止することが可能となる。   Note that at least the laser irradiation device L and the reflecting mirror 3 may be connected using an optical fiber (not shown). Similarly, the reflecting mirror 3 and the incident window 2 may be connected to each other by using an optical fiber or the like. If it carries out like this, it will become possible to suppress the optical loss of the laser which arrives at the accommodation thing in the container 5. FIG.

レーザ照射装置Lは、例えば数kWの固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザを照射する照射装置を用いることができる。また、後述する種々の実験では、連続光炭酸ガスレーザーを照射する照射装置を用いた。   As the laser irradiation apparatus L, for example, an irradiation apparatus that irradiates a solid laser, a gas laser, or a semiconductor laser of several kW can be used. In various experiments described later, an irradiation apparatus that irradiates a continuous carbon dioxide laser was used.

ここで、レーザ照射装置Lを、太陽光を含むエネルギー源を利用する固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザ照射装置とするとよい。この種のレーザ照射装置は、引用によって本願明細書に取り込まれたものとする、本出願時には非公開である本発明者らによって出願済みのPCT/2009/57671を参照されたい。   Here, the laser irradiation device L may be a solid-state laser, a gas laser, or a semiconductor laser irradiation device that uses an energy source including sunlight. For this type of laser irradiation apparatus, reference is made to PCT / 2009/57671, filed by the inventors, which is not disclosed at the time of this application and is incorporated herein by reference.

また、レーザのkW数及びレーザのスポット径は、容器5内の収容物に与える温度を決定するため、これらの選択は重要である。具体的には、1kWのレーザで、かつ、スポット径を約2mmとした場合には、容器5内の収容物のスポット径の形成位置の温度は、約5000度となる。   Further, since the kW number of the laser and the spot diameter of the laser determine the temperature given to the contents in the container 5, these selections are important. Specifically, when the laser is 1 kW and the spot diameter is about 2 mm, the temperature at the spot diameter formation position of the contents in the container 5 is about 5000 degrees.

このことから、容器5内の二酸化ケイ素を蒸発させ、一酸化ケイ素と酸素とを効果的に分離させるためには、1kWのレーザを照射するレーザ照射装置Lを用いた場合には、スポット径が2mm以下となるように設定するとよい。   From this, in order to evaporate the silicon dioxide in the container 5 and to effectively separate silicon monoxide and oxygen, when the laser irradiation apparatus L that irradiates a laser of 1 kW is used, the spot diameter is It may be set to be 2 mm or less.

好ましくは、1kWのレーザ照射装置Lを用いた場合に、スポット径を2mm以下とすれば、レーザ照射位置における二酸化ケイ素の膨張が容易となり、かつ、その後に、一酸化ケイ素を急激に冷却させることが可能となり、一酸化ケイ素を効率よく収集することができる。   Preferably, when the laser irradiation apparatus L of 1 kW is used, if the spot diameter is 2 mm or less, the expansion of silicon dioxide at the laser irradiation position is facilitated, and then silicon monoxide is rapidly cooled. Thus, silicon monoxide can be collected efficiently.

また、例えば、1kWのレーザ照射装置を用いて、2mmのスポット径となるように設定した場合には、レーザ照射位置における二酸化ケイ素を2cmまで膨張させられ、一酸化ケイ素はすぐに100度以下の温度まで冷却される。   Further, for example, when a 1 kW laser irradiation apparatus is used to set the spot diameter to 2 mm, silicon dioxide at the laser irradiation position can be expanded to 2 cm, and silicon monoxide is immediately below 100 degrees. Cool to temperature.

なお、レーザのkW数をレーザのスポット面積で除した値を一定に保つことで、容器5内の収容物のスポット径の形成位置の温度を略同一とすることができる。したがって、例えば、4kWのレーザを用いた場合、スポット径は約4mmとすればよい。   Note that, by keeping the value obtained by dividing the laser kW number by the laser spot area constant, the temperature at the spot diameter formation position of the contents in the container 5 can be made substantially the same. Therefore, for example, when a 4 kW laser is used, the spot diameter may be about 4 mm.

図4は、酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合とマグネシウム画分及びケイ素画分[質量%]とエネルギー効率[mg/kJ]との関係図である。図4の横軸には酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合を示し、図4の右側縦軸にはマグネシウムのエネルギー効率[mg/kJ]を示し、図4の左側縦軸にはマグネシウム画分及びケイ素画分[質量%]を示している。   FIG. 4 is a relationship diagram of the mixing ratio of magnesium oxide and silicon monoxide, magnesium fraction, silicon fraction [mass%], and energy efficiency [mg / kJ]. The horizontal axis of FIG. 4 shows the mixing ratio of magnesium oxide and silicon monoxide, the right vertical axis of FIG. 4 shows magnesium energy efficiency [mg / kJ], and the left vertical axis of FIG. And the silicon fraction [mass%].

図4に示すデータは、処理室1にアルゴンガスを流入し、処理室1内を1気圧とした条件で取得した。図4示すように、酸化マグネシウムに対する一酸化ケイ素の混合割合が増加するにつれて、付着媒体4である銅板に付着したケイ素の取得量は、リニアに増加することがわかる。したがって、ケイ素を効率よく取得するためには、酸化マグネシウムに対する一酸化ケイ素の混合割合を増加させるとよい。なお、図4には示していないが、[一酸化ケイ素/酸化マグネシウム]の混合割合を「1:2」、「1:3」と増加しても、ケイ素の取得量リニアな増加が確認できた。   The data shown in FIG. 4 was acquired under the condition that argon gas was introduced into the processing chamber 1 and the inside of the processing chamber 1 was 1 atm. As shown in FIG. 4, it can be seen that as the mixing ratio of silicon monoxide to magnesium oxide increases, the acquisition amount of silicon attached to the copper plate as the attachment medium 4 increases linearly. Therefore, in order to obtain silicon efficiently, it is preferable to increase the mixing ratio of silicon monoxide to magnesium oxide. Although not shown in FIG. 4, even if the mixing ratio of [silicon monoxide / magnesium oxide] is increased to “1: 2” and “1: 3”, a linear increase in silicon acquisition amount can be confirmed. It was.

また、付着媒体4ではなく、ターゲット5側に、略球形状をした高純度のケイ素が得られた。この段階で、それらのケイ素の各々の成分を分析してみた。その分析結果を表1に示す。
In addition, high-purity silicon having a substantially spherical shape was obtained on the target 5 side instead of the adhesion medium 4. At this stage, each of these silicon components was analyzed. The analysis results are shown in Table 1.

表1に示すように、いずれも98%以上の高純度のケイ素であり、ここには、いずれも僅かな酸素が存在しているだけであった。他の成分は、検出限界を下回っているため、実質的には、高純度のケイ素に含有されていないといえよう。   As shown in Table 1, all were high-purity silicon of 98% or more, and in each case, only a small amount of oxygen was present. Since other components are below the detection limit, it can be said that they are substantially not contained in high-purity silicon.

また、図4に示すように、酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合は、マグネシウムの還元効率にも影響を及ぼすことがわかった。酸化マグネシウム:一酸化ケイ素=1:0.2〜0.3の場合には、マグネシウム画分は約20質量%であった。   Moreover, as shown in FIG. 4, it turned out that the mixing ratio of magnesium oxide and silicon monoxide also affects the reduction efficiency of magnesium. When magnesium oxide: silicon monoxide = 1: 0.2 to 0.3, the magnesium fraction was about 20% by mass.

さらに、エネルギー効率は、マグネシウムの還元効率の変化と相関関係があるように見受けられる。   Furthermore, energy efficiency appears to correlate with changes in magnesium reduction efficiency.

以上の実験結果によれば、酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合を調整することで、ケイ素の取得量を増減させること、および、マグネシウムの還元効率を変更できることがわかる。もっとも、既述のように、ケイ素の取得効率からすれば、酸化マグネシウムに対する一酸化ケイ素の混合割合が高いほどよいのであるから、用途に応じて、この混合割合を決定すればよい。なお、一酸化ケイ素と酸化マグネシウムとの混合は、一酸化ケイ素と酸化マグネシウムとの計量手段、及び、一酸化ケイ素と酸化マグネシウムとの攪拌機などを備える混合手段を用いるとよい。   According to the above experimental results, it can be seen that by adjusting the mixing ratio of magnesium oxide and silicon monoxide, the amount of silicon obtained can be increased or decreased, and the reduction efficiency of magnesium can be changed. However, as described above, from the viewpoint of silicon acquisition efficiency, the higher the mixing ratio of silicon monoxide to magnesium oxide, the better. Therefore, the mixing ratio may be determined according to the application. Note that the mixing of silicon monoxide and magnesium oxide may be performed by using a measuring unit of silicon monoxide and magnesium oxide and a mixing unit including a stirrer of silicon monoxide and magnesium oxide.

図6は、図1の処理室1内の初期圧力[Pa]とマグネシウム画分[質量%]とエネルギー効率[mg/kJ]との関係図である。大気雰囲気におけるマグネシウム画分に着目すると、処理室1内の初期圧力[Pa]が増加するにつれて、大気雰囲気のマグネシウム画分が低下していることがわかる。つぎに、大気雰囲気におけるエネルギー効率に着目してみると、同様に、処理室1内の初期圧力[Pa]が増加するにつれて、大気雰囲気におけるエネルギー効率が低下していることがわかる。   FIG. 6 is a relationship diagram among the initial pressure [Pa], the magnesium fraction [mass%], and the energy efficiency [mg / kJ] in the processing chamber 1 of FIG. Focusing on the magnesium fraction in the air atmosphere, it can be seen that the magnesium fraction in the air atmosphere decreases as the initial pressure [Pa] in the processing chamber 1 increases. Next, paying attention to the energy efficiency in the air atmosphere, similarly, it can be seen that the energy efficiency in the air atmosphere decreases as the initial pressure [Pa] in the processing chamber 1 increases.

一方、アルゴン雰囲気におけるマグネシウム画分の場合には、処理室1内の初期圧力[Pa]が増加するにつれて、アルゴン雰囲気のマグネシウム画分が増加していることがわかる。また、アルゴン雰囲気におけるエネルギー効率は、処理室1内の初期圧力[Pa]の影響をさほど受けないように見受けられる。   On the other hand, in the case of the magnesium fraction in the argon atmosphere, it can be seen that the magnesium fraction in the argon atmosphere increases as the initial pressure [Pa] in the processing chamber 1 increases. In addition, the energy efficiency in the argon atmosphere seems to be less affected by the initial pressure [Pa] in the processing chamber 1.

図6によれば、大気雰囲気での処理よりも、アルゴン雰囲気での処理の方が、マグネシウムを効果的に収集することが可能であること、及び、処理室1内の初期圧力が増加すればするほどマグネシウムを効果的に収集することが可能であることがわかる。   According to FIG. 6, it is possible to collect magnesium more effectively in the argon atmosphere treatment than in the air atmosphere, and if the initial pressure in the treatment chamber 1 increases. It can be seen that magnesium can be collected more effectively.

図7は、酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合割合とターゲット5で取得された球体状の高濃度ケイ素の総量との関係図である。まず、図7に付記してあるように、高濃度ケイ素の球体は容器5内の酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合物の表面に表出し、その略直径は酸化マグネシウムと一酸化ケイ素の割合が1:1程度では200μm程度であり、その割合が増加するにつれ直径は増加し、酸化マグネシウムと一酸化ケイ素の割合が1:3では1mmとなった。このケイ素の球体の純度を測定した結果、99%以上であった。   FIG. 7 is a relationship diagram between the mixing ratio of magnesium oxide and silicon monoxide and the total amount of spherical high-concentration silicon obtained by the target 5. First, as shown in FIG. 7, the high-concentration silicon spheres are exposed on the surface of the mixture of magnesium oxide and silicon monoxide in the container 5, and the approximate diameter is the ratio of magnesium oxide and silicon monoxide. When the ratio is about 1: 1, the diameter increases, and as the ratio increases, the diameter increases. When the ratio of magnesium oxide to silicon monoxide is 1: 3, the diameter is 1 mm. As a result of measuring the purity of the silicon sphere, it was 99% or more.

そして、図7から明らかなように、酸化マグネシウムに対する一酸化ケイ素の混合割合を増加させるにつれて、高濃度ケイ素の総量も増加する。図7から予測されることは、更に、当該混合割合を増加させることによって、より多くの高濃度ケイ素の球体を取得できるものと思われる。   As is apparent from FIG. 7, as the mixing ratio of silicon monoxide to magnesium oxide is increased, the total amount of high-concentration silicon is also increased. It can be predicted from FIG. 7 that it is possible to obtain more high-concentration silicon spheres by further increasing the mixing ratio.

(実施形態2)
図2は、本発明の実施形態2のレーザ還元装置の模式的な構成図である。図2には、図1のものに対して、
(1)付着媒体4の形状を1枚板状のものから、2枚の円盤状のものに変更し、
(2)円盤状の付着媒体4を回転可能とし、それに伴い、付着媒体4に連結されたモータM1を設ける、
といった点の変形を行ったレーザ還元装置を示している。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a laser reduction device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a comparison with FIG.
(1) The shape of the adhesion medium 4 is changed from a single plate shape to two disk shapes,
(2) The disc-shaped adhering medium 4 can be rotated, and accordingly, a motor M1 connected to the adhering medium 4 is provided.
The laser reduction apparatus which deform | transformed these points is shown.

付着媒体4を回転可能とすると、付着媒体4に対して均一に一酸化ケイ素を付着させることが可能となる。付着媒体4の回転速度は、例えば、1rpm〜20rpm程度とすればよい。   When the deposition medium 4 is rotatable, silicon monoxide can be uniformly deposited on the deposition medium 4. The rotation speed of the adhesion medium 4 may be, for example, about 1 rpm to 20 rpm.

(実施形態3)
図3は、本発明の実施形態3のレーザ還元装置の模式的な構成図である。図3には、図1のものに対して、
(1)レーザ照射装置Lを複数設け、
(2)複数のレーザ照射装置Lを設けたことに伴って、各レーザ照射装置Lから照射されるレーザを容器5内の収容物に集光させるためのレンズアレイ9を処理室1に取り付け、
(3)付着媒体4を回転可能な円筒状のものに変更し、
(4)円筒状の付着媒体4の採用に伴って、レーザが容器5内の収容物に照射されるように、ステージ21を水平方向に移動可能なものとし、
(5)付着媒体4に付着した蒸発物を捕集する捕集手段7を設ける、
といった点の変形を行ったレーザ還元装置を示している。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a laser reduction device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a comparison with FIG.
(1) A plurality of laser irradiation devices L are provided,
(2) Along with the provision of the plurality of laser irradiation apparatuses L, a lens array 9 for condensing the laser irradiated from each laser irradiation apparatus L onto the accommodation in the container 5 is attached to the processing chamber 1,
(3) Change the adhesion medium 4 to a rotatable cylindrical one,
(4) With the adoption of the cylindrical attachment medium 4, the stage 21 can be moved in the horizontal direction so that the laser beam is irradiated onto the contents in the container 5.
(5) providing a collecting means 7 for collecting evaporate adhering to the adhering medium 4;
The laser reduction apparatus which deform | transformed these points is shown.

まず、レーザ照射装置Lを複数設けることによって、容器5内の収容物の蒸発量を増大させることが可能となる。したがって、図3に示すレーザ還元装置は、図1に示したものに比して、蒸発物の収集効率が高まる。このため、本実施形態では、付着媒体4における蒸発物の付着面積を増加させるために、付着媒体4は、表面積が相対的に大きな円筒状のものを採用している。   First, by providing a plurality of laser irradiation devices L, it becomes possible to increase the evaporation amount of the contents in the container 5. Therefore, the evaporative collection efficiency of the laser reduction device shown in FIG. 3 is higher than that shown in FIG. For this reason, in this embodiment, in order to increase the adhesion area of the evaporated substance in the adhesion medium 4, the adhesion medium 4 employs a cylindrical shape having a relatively large surface area.

また、容器5内の収容物の蒸発量が増大した場合、付着媒体4に対して、所定量の蒸発物が付着するまでに要する時間は短くなる。そこで、蒸発物の付着効率を低下させないため、本実施形態では、付着媒体4に付着した蒸発物を、捕集手段7によって捕集するようにしている。   Further, when the amount of evaporation of the contents in the container 5 increases, the time required for a predetermined amount of the evaporated material to adhere to the adhesion medium 4 is shortened. Therefore, in order to prevent the attachment efficiency of the evaporated material from being lowered, in the present embodiment, the evaporated material attached to the attachment medium 4 is collected by the collection means 7.

捕集手段7の構成は不問であるが、一例としては、円筒状の付着媒体4の表面から数mm程度の間隔で、蒸発物の凝縮を促す冷却機構を選択的に備える、捕集プレートを設置することで構成できる。この捕集プレートは、鋭利な端面を有するとよい。こうすれば、その間隔を超えて付着媒体4の表面に蒸発物が付着した場合には、その蒸発物が捕集プレートによって付着媒体4から研ぎ落されるため、蒸発物の捕集が可能となる。   Although the configuration of the collecting means 7 is not limited, as an example, a collecting plate that selectively includes a cooling mechanism that promotes condensation of the evaporated material at intervals of about several mm from the surface of the cylindrical adhesion medium 4. Can be configured by installing. The collection plate may have a sharp end surface. In this way, when the evaporant adheres to the surface of the adherent medium 4 beyond the interval, the evaporate is sharpened from the adherent medium 4 by the collection plate, so that the evaporant can be collected. Become.

(実施形態4)
図5は、本発明の実施形態4のレーザ還元装置の模式的な構成図である。図5には、図1のものに対して、
(1)不活性ガス等の導入管の先端が容器5の上面付近となるように設置し、
(2)導入管の先端に対して、容器5を挟んで対向側に、複数の波状のプレートからなる付着媒体4を配置する、
といった点の変形を行ったレーザ還元装置を示している。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a laser reduction device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a comparison with FIG.
(1) Install so that the tip of the introduction pipe of inert gas or the like is near the upper surface of the container 5;
(2) The adhering medium 4 composed of a plurality of corrugated plates is disposed on the opposite side of the inlet tube with the container 5 in between.
The laser reduction apparatus which deform | transformed these points is shown.

導入管から容器5内に不活性ガス等を導入しながら、レーザ照射装置Lによってレーザを照射すると、容器5内の収容物の蒸発物は、導入された不活性ガス等によって、付着媒体4に向けて進路が変更される。   When laser is irradiated by the laser irradiation device L while introducing an inert gas or the like from the introduction pipe into the container 5, the evaporated material in the container 5 is deposited on the adhesion medium 4 by the introduced inert gas or the like. The course is changed towards.

付着媒体4は複数の波状のプレートから構成されているため、不活性ガス等自体はプレート間を抜けていくことになる。この際、各プレートは、波状であるため凹凸が形成されているところ、凸部に対して容器5内の収容物の蒸発物が衝突することで、付着媒体4に蒸発物が付着することになる。   Since the adhering medium 4 is composed of a plurality of corrugated plates, the inert gas or the like itself passes between the plates. At this time, since each plate has a wave shape and is uneven, the evaporated material of the contents in the container 5 collides with the convex portion, and the evaporated material adheres to the adhesion medium 4. Become.

なお、図5に示す付着媒体4の構造は単なる例示であって、ディーゼルフィルターのような構造のものを用いることも可能である。もっとも、ディーゼルフィルターの場合には、不活性ガスと蒸発物とが通過しにくいので、波状のプレートのように、蒸発物が衝突する部分と不活性ガスが通過する部分とを含む構造であることが望ましい。   The structure of the adhesion medium 4 shown in FIG. 5 is merely an example, and a structure such as a diesel filter can also be used. However, in the case of a diesel filter, the inert gas and the evaporant are difficult to pass through, so the structure includes a part where the evaporate collides and a part through which the inert gas passes, like a wavy plate. Is desirable.

本実施形態では、主として、酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合物を処理対象とした場合を例に説明したが、酸化マグネシウムに代えて、酸化カリウム又は酸化カルシウムを用いることができる。また、一酸化ケイ素に代えて、二酸化炭素を用いることで、二酸化炭素を削減することもできる。   In the present embodiment, the case where a mixture of magnesium oxide and silicon monoxide is mainly treated has been described as an example, but potassium oxide or calcium oxide can be used instead of magnesium oxide. In addition, carbon dioxide can be reduced by using carbon dioxide instead of silicon monoxide.

本発明は、レーザを用いた還元装置の分野で利用可能である。   The present invention can be used in the field of reduction devices using lasers.

Claims (5)

酸化マグネシウムに対する一酸化ケイ素の比を0.1〜0.4にした酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合物又は化合物に対してレーザを照射することによって、前記酸化マグネシウムから酸素を脱させる還元装置。 By irradiating a laser on the mixture or compound of magnesium oxide and silicon monoxide having a ratio of silicon monoxide to 0.1 to 0.4 with respect to magnesium oxide, a reducing device for removal of oxygen from the magnesium oxide . 前記一酸化ケイ素が、二酸化ケイ素に対してレーザを照射し、酸素を脱離させることによって生成される、請求項1に記載の還元装置。 The silicon monoxide, is irradiated with a laser with respect to silicon dioxide, is produced by desorption of oxygen, reduction apparatus according to claim 1. 酸化マグネシウムに対する一酸化ケイ素の比を0.1〜0.4にした酸化マグネシウムと一酸化ケイ素との混合物又は化合物に対してレーザを照射することによって、前記酸化マグネシウムから酸素を脱させる方法。 By irradiating a laser on the mixture or compound of magnesium oxide and silicon monoxide having a ratio of silicon monoxide to 0.1 to 0.4 with respect to magnesium oxide, a method for desorption of oxygen from the magnesium oxide. 二酸化ケイ素に対してレーザを照射し酸素を脱離させることによって前記一酸化ケイ素を生成する、請求項に記載の方法。 Generating said silicon monoxide by desorption by irradiating oxygen laser against silicon dioxide The method of claim 3. アルゴン雰囲気での処理によりマグネシウムを収集する、請求項に記載の方法。 The method of claim 3 , wherein magnesium is collected by treatment in an argon atmosphere.
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