JP6287553B2

JP6287553B2 - ナノ材料製造装置

Info

Publication number: JP6287553B2
Application number: JP2014093191A
Authority: JP
Inventors: 西　泰彦; 泰彦西; 天野　哲也; 哲也天野
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: JP2015208731A

Description

本発明は、ナノ材料製造装置に係り、特に、アーク放電を発生させて粉末を微粒子化するための、対向する複数の放電電極が放電容器内に突設されたナノ材料製造装置の改良に関する。

例えば特許文献１に記載された炭化珪素の製造装置、特許文献２に記載されたナノ構造炭素材料の製造装置、特許文献３に記載されたカーボンナノカプセル前駆体の製造装置や、特許文献４に記載されたガラス原料の溶解装置、ガラス製造装置のように、アーク放電を発生させるための、対向する複数の放電電極が放電容器内に突設されたプラズマ熱処理装置が知られている。

このようなプラズマ熱処理装置では、図１（Ａ）に示す如く、複数（図では６本）の放電電極１０Ａ〜１０Ｆを、その先端が概ね同一円周上に向き合うように配置し、放電電極１０Ａ〜１０Ｆの先端で囲まれた空間に、位相の異なるアークを連続的に発生させて高温のプラズマ発生場を形成する多相交流アークが用いられている。一般的に、対向する放電電極同士の位相差を１８０度近くになるよう配置することによって相対電圧を上げ、対向する放電電極間での放電確率を上げることによって、中心部のプラズマ密度を上げている。

このような高温のプラズマ発生場に被処理物質を投入し、燃焼、溶融又は蒸発を起こさせ、被処理物質の分解、合成又は無害化等を行う場合、大きく且つ均一な高温のプラズマ発生場が求められる。

特開平７−１８７６３９号公報特開２００５−３４３７８４号公報特開２０１２−１８４１２８号公報特開２００６−１９９５４９号公報

しかしながら、対向する放電電極の間隔を大きくして大きな高温のプラズマ発生場を得ようとすると、隣接する放電電極間の距離が近いため、図１（Ａ）に例示したような、隣接する放電電極間のアーク１２の発生確率が増加し、放電電極１０Ａ〜１０Ｆで囲まれた空間の中心部分のアーク発生確率が減少して中央部の温度が減少し、図１（Ｂ）に例示するようなドーナツ状のプラズマ発生場１４を形成してしまい、被処理物質の熱プラズマによる処理が十分に行えない場合があった。

この対策として、放電電極を細くしたり、放電電極の先端を鉛筆状に尖らせることが考えられるが、放電電極を細くすると流せる電流量が小さくなり、又、いずれの場合にも、電極寿命が短くなるという問題点があった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、アーク放電を発生させて粉末を微粒化する際に、放電電極の寿命を縮めることなく、大きく且つ均一な高温のプラズマ発生場を形成できるようにすることを課題とする。

本発明は、アーク放電を発生させて粉末を微粒子化するための、対向する複数の放電電極が放電容器内に突設されたナノ材料製造装置であって、前記放電電極が、軸中心部に貫通孔を有する筒状で、その先端が概ね同一円周上に配置されており、且つ、前記貫通孔を経由してプラズマ発生場に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記放電電極に位相の異なる交流電圧を印加する交流電源を有し、生成した微粒子を吸引回収する生成物吸引機構が、前記放電容器の上部に配設されていることにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記貫通孔を経由して前記プラズマ発生場に被処理物質を供給する被処理物質供給手段を有することができる。

又、前記放電電極を炭素製とすることができる。

又、前記不活性ガスを、アルゴンを主成分とするガスとすることができる。

本発明によれば、図２（Ａ）に例示するように、筒状の放電電極２２Ａ〜２２Ｆ（まとめて２２とも称する）の貫通孔２３の先端部中央から、例えばアルゴンを主成分とする不活性ガスを噴出させることにより、発生するアーク２４を放電電極２２の貫通孔２３近傍に固定することができる。これは、新たに吹き込まれる不活性ガスの電離度が、既に存在する周囲の他のガスと比べて低く、不活性ガスの密度が高い場所でアークが発生しようとするからである。この効果により、隣接する放電電極との最短距離でアークが発生する頻度が下がり、図２（Ｂ）に示すように、対向する放電電極との間でのアークの発生頻度が上がる。従って、放電電極２２Ａ〜２２Ｆで囲まれた空間の中央付近でもアークが発生し、中心部分でも高温のプラズマ発生場２６を確保することができ、被処理物質の処理を十分に行える。

特に、放電電極２２の貫通孔２３から不活性ガスと共に被処理物質である粉末を高温のプラズマ発生場２６に投入した場合には、被処理物質を直接高温のプラズマ発生場２６に供給することができ、効率の高い処理を行って、処理量の増加や未処理材料の低減を図ることができる。

従来の多相交流アークの問題点を示す平面図本発明の作用を説明するための平面図本発明の実施形態を示す縦断面図同じく（Ａ）放電電極の平面配置及び（Ｂ）各放電電極に接続される多相交流電源の構成例を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本実施形態は、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）粉末を微粒子化するナノ材料製造装置に本発明を適用したもので、図３に示す如く、アーク放電を発生させるための対向する複数（ここでは図４（Ａ）に示す如く１２本）の放電電極２２（具体的には２２Ａ〜２２Ｌ）が放電容器２０内に水平に突設されたナノ材料製造装置であって、前記放電電極２２が、軸中心部に貫通孔２３を有する円筒状で、その先端が、図４（Ａ）に示すように概ね同一円周上に配置されており、且つ、前記貫通孔２３を経由してプラズマ発生場２６にアルゴンを主成分とする不活性ガス（以下、Ａｒガスと称する）を供給するＡｒガス供給機構２８と、同じく貫通孔２３を経由して被処理物質（ここではＳｉＯ₂粉末）を供給する被処理物質供給機構３０と、図４（Ｂ）に詳細に示す如く、前記放電電極２２Ａ〜２２Ｌに位相が３０度ずつ異なる交流電圧を印加する交流電源３２Ａ〜３２Ｌ（まとめて３２とも称する）を設けたものである。

前記不活性ガスをキャリアガスとしてプラズマ発生場２６に投入され、加熱された被処理物質は、例えば昇華されて上方に移動し、その途中で冷却されて生成物（ここでは超微粒子）３４となり、例えば放電容器２０の上部に設けられた生成物吸引機構３６により上部に吸引され、回収される。

一方、アーク放電で熱処理されずにプラズマ発生場２６から落下する未熱処理原料３８は、例えば放電容器２０の底部に設けられた未加熱原料回収器４０で回収される。

前記放電電極２２は、例えば炭素製とすることができるが、放電電極２２の材料は炭素に限定されず、例えばタングステン製とすることもできる。なお、タングステン電極は冷却が必要になるので、炭素電極の方が望ましい。

前記放電電極２２の数は、交流電源３２として商用の三相交流を使用した場合には、その位相差から電源を簡単に構成することができ、例えば、３、６、１２とすることができる。

又、前記放電電極２２の段数は、本実施形態の１段に限定されず、２段以上であっても良い。

又、放電電極２２の形状も円筒状に限定されず、他の筒状であっても良い。配設方向も、水平に限定されない。

前記不活性ガスとしては、Ａｒガスや、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンを含む希ガス、又は希ガス以外の不活性ガスを用いることも可能である。

本実施形態においては、不活性ガスを被処理物質のキャリアガスとしているので、構成が簡略である。なお、被処理物質をプラズマ発生場２６に投入する方法は、これに限定されない。

放電電極２２として直径１８ｍｍ、内径５ｍｍの円筒状黒鉛を用い、図４（Ａ）に示したように、１２本の放電電極２２Ａ〜２２Ｌを水平面上に先端が円状に向き合うように配置した。放電電極２２の貫通孔２３からは、アークの発生する側に向かって噴出するように、Ａｒガスを毎分１〜１０Ｌで流した。

これら放電電極２２Ａ〜２２Ｌに、図４（Ｂ）に示したように、位相が３０度ずつ異なる交流電源３２Ａ〜３２Ｌを上面視で時計回りに順次接続した。但し、反時計回りでも何ら効果は変わらない。

これらの放電電極２２Ａ〜２２Ｌ間に交流多相アークを点弧させ、放電電極の対向する空間にアーク放電に起因する高温のプラズマ発生場２６を形成した。このとき、１２本の放電電極２２Ａ〜２２Ｌ先端の作る円の直径は約１００ｍｍ、電流は放電電極１本当たり１５０〜２００Ａ、電圧は１８〜２５Ｖであった。

又、放電電極２２Ａ〜２２Ｌの先端が作る円の中心に向けて、上方より被処理物質であるＳｉＯ₂の粉末を投入した。ＳｉＯ₂粉末の平均粒径は４０μｍ、又、投入量は毎分１００ｇである。

ＳｉＯ₂の粉末は高温のプラズマ発生場２６で加熱され、蒸発して上昇するが、プラズマ空間を出ると急冷されて数〜数十ｎｍの超微粒子３４となる。

生成した超微粒子３４は、生成物吸引機構３６により上部にて吸引回収した。

プラズマ発生場２６へ上方より被処理物質を投入する代わりに、図３に示したように、放電電極２２の貫通孔２３からＡｒガスの流れに乗せてＳｉＯ₂の粉末をプラズマ発生場２６へ供給した。ＳｉＯ₂粉末の供給量は放電電極１本当たり毎分１０ｇ、全放電電極で毎分１２０ｇである。

なお、実施例２では、全放電電極２２Ａ〜２２Ｌから被処理物質を供給したが、特定の１本又は複数本の放電電極のみから被処理物質を供給しても良い。

前記実施形態は、本発明を、ＳｉＯ₂粉末からその微粒子を製造するナノ材料製造装置に適用したものであったが、本発明の適用対象はこれに限定されず、シリコンとＳｉＯ₂を混合して、酸化珪素ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）を製造する場合や、生成物が原料の反応生成物である場合にも適用可能である。原料もシリコン系に限定されず、無機材料であれば何でも製造できる。

２０…放電容器
２２、２２Ａ〜２２Ｌ…放電電極
２３…貫通孔
２４…アーク
２６…プラズマ発生場
２８…Ａｒガス供給機構
３０…被処理物質供給機構
３２、３２Ａ〜３２Ｌ…交流電源
３６…生成物吸引機構

Claims

アーク放電を発生させて粉末を微粒子化するための、対向する複数の放電電極が放電容器内に突設されたナノ材料製造装置であって、
前記放電電極が、軸中心部に貫通孔を有する筒状で、その先端が概ね同一円周上に配置されており、且つ、
前記貫通孔を経由してプラズマ発生場に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
前記放電電極に位相の異なる交流電圧を印加する交流電源を有し、
生成した微粒子を吸引回収する生成物吸引機構が、前記放電容器の上部に配設されていることを特徴とするナノ材料製造装置。
前記貫通孔を経由して前記プラズマ発生場に被処理物質を供給する被処理物質供給手段を有することを特徴とする請求項１に記載のナノ材料製造装置。
前記放電電極が炭素製であることを特徴とする請求項１又は２に記載のナノ材料製造装置。
前記不活性ガスが、アルゴンを主成分とするガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のナノ材料製造装置。