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JP6890291B2 - Fine particle manufacturing equipment and manufacturing method - Google Patents

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JP6890291B2 JP2017006988A JP2017006988A JP6890291B2 JP 6890291 B2 JP6890291 B2 JP 6890291B2 JP 2017006988 A JP2017006988 A JP 2017006988A JP 2017006988 A JP2017006988 A JP 2017006988A JP 6890291 B2 JP6890291 B2 JP 6890291B2
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Description

本発明は、例えば、リチウムイオン電池の電極材又は食品包装のフィルム材などへのコーティング材又は電子機器配線などに使用されるインク原料などに利用される、微粒子製造装置及び微粒子製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fine particle manufacturing apparatus and a fine particle manufacturing method used, for example, as a coating material for an electrode material of a lithium ion battery or a film material for food packaging, or an ink raw material used for wiring of electronic devices. is there.

近年、ナノメートルオーダーの微粒子は、様々なデバイスに応用が検討されている。例えば、ニッケルの金属微粒子は、現在、セラミックコンデンサーに使用されており、次世代のセラミックコンデンサーには、粒径200ナノメートル以下で分散性の良い微粒子の使用が検討されている。 In recent years, nanometer-order fine particles have been studied for application to various devices. For example, nickel metal fine particles are currently used in ceramic capacitors, and the use of fine particles having a particle size of 200 nanometers or less and good dispersibility is being studied for next-generation ceramic capacitors.

さらに、二酸化シリコンよりも酸素含有率の低い一酸化シリコン(SiO:x=1〜1.6)の微粒子は、光学レンズの反射防止膜又は食品包装用のガスバリアフィルムの蒸着材料として活用されている。最近では、リチウムイオン二次電池の負極材料などへの応用が期待されている。 Further, fine particles of silicon monoxide (SiO x : x = 1 to 1.6) having a lower oxygen content than silicon dioxide are utilized as an antireflection film for an optical lens or a vapor deposition material for a gas barrier film for food packaging. There is. Recently, it is expected to be applied to negative electrode materials of lithium ion secondary batteries.

これらナノメートルオーダーの微粒子の一般的な製造方法としては、原料となるバルク材をセラミック又はジルコニア等のビーズと一緒に導入し、機械的粉砕によって材料を微粒子化する方法、又は、材料を溶融及び蒸発させて空気又は水に噴射して微粒子を得る方法、又は、電解若しくは還元など化学的に微粒子を得る方法などがある。中でも、高周波プラズマ又はアークプラズマなどの熱プラズマ(約10000℃)を利用し、気相中で微粒子を作製する方法は、不純物(コンタミネーション)が少なく、生産された微粒子の分散性が優れる、複数の種類の材料からなる複合微粒子の合成が容易である、などの観点から非常に有用である(例えば、特許文献1参照)。 As a general method for producing these nanometer-order fine particles, a bulk material as a raw material is introduced together with beads such as ceramic or zirconia, and the material is made into fine particles by mechanical pulverization, or the material is melted and There are a method of evaporating and injecting into air or water to obtain fine particles, or a method of chemically obtaining fine particles such as electrolysis or reduction. Among them, the method of producing fine particles in the gas phase using thermal plasma (about 10000 ° C.) such as high-frequency plasma or arc plasma has few impurities (contamination) and excellent dispersibility of the produced fine particles. It is very useful from the viewpoint that it is easy to synthesize composite fine particles made of the above kinds of materials (see, for example, Patent Document 1).

図4に、従来例1の熱プラズマを利用した、微粒子の製造装置の概略断面図を示す。
粉体生成器101は、中空体で、微細ミスト導入部201と微細ミスト貯留部202と反応部203とに大別される。微細ミスト導入部201は、粉体生成器101の下部側方に、微細ミスト貯留部202に向けて設けられ、微細ミスト貯留部202の上方に筒状の反応部203が続いている。反応部203の上端は、ダクト208と粉体収集部204とダクト207とを介して吸引機206に接続されている。粉体収集部204は、内部に微粒子とガスとを分離するフィルタ部材、例えばバグフィルタ205を内蔵している。吸引機206は、ダクト207と、粉体収集部204内のバグフィルタ205と、ダクト208とを介して粉体生成器101内を吸引し、バグフィルタ205を通過したガスを外部に排出するように設けられている。反応部203は、一群の電極210を有しており、これらの電極210は、商用電源から供給される3相交流を複数の単相変圧器を介して多相交流に変換する多相交流変換器211の各相の二次側端子の各々に、一対一の関係で接続されている。また、電極210の先端部は、反応部203の軸心の周りに均等に距離をあけて位置させられ、かつ隣接する先端部間の位相差が互いに等しくなるよう配設され、電極210間にてプラズマ212を形成している。プラズマ212に微細ミストを通過させることによって、微粒子化し、粉体収集部204のバグフィルタ205で回収できるようになっている。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a fine particle manufacturing apparatus using the thermal plasma of Conventional Example 1.
The powder generator 101 is a hollow body, and is roughly divided into a fine mist introduction section 201, a fine mist storage section 202, and a reaction section 203. The fine mist introduction section 201 is provided on the lower side of the powder generator 101 toward the fine mist storage section 202, and a tubular reaction section 203 continues above the fine mist storage section 202. The upper end of the reaction unit 203 is connected to the suction machine 206 via the duct 208, the powder collecting unit 204, and the duct 207. The powder collecting unit 204 has a built-in filter member for separating fine particles and gas, for example, a bug filter 205. The suction machine 206 sucks the inside of the powder generator 101 through the duct 207, the bag filter 205 in the powder collecting unit 204, and the duct 208, and discharges the gas that has passed through the bag filter 205 to the outside. It is provided in. The reaction unit 203 has a group of electrodes 210, and these electrodes 210 convert a three-phase alternating current supplied from a commercial power source into a polyphase alternating current via a plurality of single-phase transformers. It is connected to each of the secondary terminals of each phase of the device 211 in a one-to-one relationship. Further, the tip portions of the electrodes 210 are positioned evenly at a distance around the axis of the reaction portion 203, and are arranged so that the phase differences between the adjacent tip portions are equal to each other, and are arranged between the electrodes 210. The plasma 212 is formed. By passing the fine mist through the plasma 212, the particles are made into fine particles and can be collected by the bug filter 205 of the powder collecting unit 204.

また、従来例2では、熱プラズマを用いた微粒子化の際にガスを熱プラズマの尾炎に供給することで急冷し、均一な粒子径の微粒子が形成できるようになっている。 Further, in the conventional example 2, when the particles are made into fine particles using the thermal plasma, the gas is supplied to the tail flame of the thermal plasma to quench the particles, so that fine particles having a uniform particle size can be formed.

特開2004−263257号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-263257 特開2006−247446号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-247446

上述された従来の微粒子製造装置(特許文献1参照)では、電極間の距離を大きくすることでプラズマ面積を拡大でき、大量の微粒子の生成が可能である。一方、プラズマの面積が大きくなると、上述された従来の微粒子製造方法(特許文献2参照)のように冷却ガスをプラズマの流れ方向に流すだけでは、外周部は冷却できるが、中心部の冷却ができない。そのため、冷却が不十分な微粒子が生成され、粒子径のばらつきが大きくなってしまう。
本発明は、上述された従来の課題を考慮し、大面積のプラズマでも粒子径の制御が可能な微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することを目的とする。
In the conventional fine particle manufacturing apparatus described above (see Patent Document 1), the plasma area can be expanded by increasing the distance between the electrodes, and a large amount of fine particles can be generated. On the other hand, when the area of the plasma becomes large, the outer peripheral portion can be cooled, but the central portion can be cooled by simply flowing the cooling gas in the flow direction of the plasma as in the conventional fine particle manufacturing method (see Patent Document 2) described above. Can not. Therefore, fine particles with insufficient cooling are generated, and the variation in particle size becomes large.
An object of the present invention is to provide a fine particle manufacturing apparatus and a fine particle manufacturing method capable of controlling the particle size even with a large-area plasma in consideration of the above-mentioned conventional problems.

前記目的を達成するために、本発明の1つの態様にかかる微粒子製造装置は、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの一端側に接続されて、材料の粒子を前記真空チャンバー内に材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーの中間部に配置して前記真空チャンバー内にプラズマを発生させる複数本の電極と、
前記真空チャンバーの他端に接続されて、前記真空チャンバーの排出口から排出された微粒子を回収する回収部とを有して、前記真空チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記材料供給装置から供給された前記材料の粒子から前記微粒子を製造する装置であって、
前記材料供給口は、前記複数本の電極の中心位置よりも、鉛直方向の下側に設けられ、
前記材料供給装置は、前記材料供給口からの、鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きに前記材料の粒子及び前記微粒子の流れを制御するガスを供給するガス供給管を有し、
前記材料の粒子が前記プラズマの領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスが得られ、
前記電極と前記排出口との間において、噴出角度が鉛直上方向に対して、75°以上150°以下でありかつ冷却ガスが前記プラズマの中心部で衝突して一部が下方へ流れて前記プラズマの中心部から抜けた前記材料ガスを冷却する前記冷却ガスを導入する少なくとも1段のガス導入口である中心部ガス冷却用のガス導入口を有する複数段のガス導入口を前記電極の近くに設け、
前記複数段のガス導入口において、前記噴出角度を有する前記中心部ガス冷却用のガス導入口とは異なる、噴出角度が鉛直上方向に対して、15°以上90°以下でありかつ冷却ガスが斜め上方へ流れて前記プラズマの側面から抜けた前記材料ガスを冷却する前記冷却ガスを導入するための別のガス導入口である側面ガス冷却用のガス導入口を設け、
前記複数段のガス導入口において、前記噴出角度が鉛直上方向に対して、75°以上150°以下でありかつ前記プラズマの中心部から抜けた前記材料ガスを冷却するための前記冷却ガスを導入する前記中心部ガス冷却用のガス導入口より、前記噴出角度が鉛直上方向に対して、15°以上90°以下でありかつ前記プラズマの側面から抜けた前記材料ガスを冷却するための前記冷却ガスを導入する前記側面ガス冷却用のガス導入口が、前記電極に近い側に設置されている。
前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる微粒子製造方法は、
真空チャンバーの中間部に設置した複数本の電極に電圧を印加することにより熱プラズマを前記真空チャンバー内で生成し、
前記複数本の電極の中心位置よりも鉛直方向の下側に設けられる材料供給口から前記真空チャンバー内へ供給される材料の粒子が、前記材料供給口からの、鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きに前記材料の粒子の流れを制御するガスによって前記熱プラズマの領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、
さらに、前記電極と前記真空チャンバーの排出口との間において、前記電極の近くに設けられる複数段のガス導入口のうち、噴出角度が鉛直上方向に対して75°以上150°以下である少なくとも1段のガス導入口である中心部ガス冷却用のガス導入口から導入される冷却ガスが、前記プラズマの中心部で衝突することで一部が下方へ流れて、前記熱プラズマの中心部の領域から抜けた瞬間の前記材料ガスに対して噴き付けられ、
前記中心部ガス冷却用のガス導入口より、前記電極に近い側に設置され、前記噴出角度を有する前記中心部ガス冷却用のガス導入口とは異なる、噴出角度が鉛直上方向に対して、15°以上90°以下である側面ガス冷却用のガス導入口から導入される冷却ガスが、斜め上方へ流れて、前記熱プラズマの側面の領域から抜けた瞬間の前記材料ガスに対して噴き付けられ、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する。
In order to achieve the above object, the fine particle production apparatus according to one aspect of the present invention may be used.
With a vacuum chamber
A material supply device connected to one end side of the vacuum chamber to supply material particles into the vacuum chamber from a material supply port,
A plurality of electrodes arranged in the middle portion of the vacuum chamber to generate plasma in the vacuum chamber,
The material supply device is connected to the other end of the vacuum chamber and has a collection unit for collecting fine particles discharged from the discharge port of the vacuum chamber, and the plasma generated in the vacuum chamber is used. An apparatus for producing the fine particles from the supplied particles of the material.
The material supply port is provided below the center position of the plurality of electrodes in the vertical direction.
The material supply device has a gas supply pipe for supplying gas for controlling the flow of particles of the material and the fine particles from the lower side in the vertical direction to the upper side in the vertical direction from the material supply port.
As the particles of the material pass through the region of the plasma, they evaporate or vaporize to give the material gas.
Oite between the electrode and the discharge port for jetting angle vertically upward direction, 75 ° or 150 ° to der Li Kui cooling gas portion collides with the central portion of the plasma is lower or less A plurality of stages of gas introduction ports having a gas introduction port for cooling the central gas, which is at least one stage of gas introduction port for introducing the cooling gas that flows and cools the material gas that has flowed out of the center of the plasma, is described. Provided near the electrode
In the plurality of stages of gas inlets, the ejection angle is 15 ° or more and 90 ° or less and the cooling gas is different from the central gas cooling gas inlet having the ejection angle. A gas introduction port for cooling the side gas, which is another gas introduction port for introducing the cooling gas that flows diagonally upward and cools the material gas that has escaped from the side surface of the plasma, is provided.
In the multi-stage gas introduction port, the cooling gas for cooling the material gas whose ejection angle is 75 ° or more and 150 ° or less and has escaped from the center of the plasma with respect to the vertically upward direction is introduced. The cooling for cooling the material gas whose ejection angle is 15 ° or more and 90 ° or less and has escaped from the side surface of the plasma from the gas introduction port for cooling the central gas. the side gas inlet for the gas cooling of introducing gas, that is installed on a side close to the electrode.
In order to achieve the above object, the method for producing fine particles according to another aspect of the present invention is:
Thermal plasma is generated in the vacuum chamber by applying a voltage to a plurality of electrodes installed in the middle part of the vacuum chamber.
The particles of the material supplied into the vacuum chamber from the material supply port provided on the lower side in the vertical direction from the center positions of the plurality of electrodes are from the lower side in the vertical direction to the vertical direction from the material supply port. As it passes through the region of the thermal plasma by a gas that controls the flow of particles of the material upwards , it evaporates or vaporizes into the material gas.
Further, in between the electrode and the vacuum chamber of the outlet, of the gas inlet of the plurality of stages that are provided in the vicinity of the electrode, with respect to the vertical upward direction is ejected angle at 75 ° or 150 ° or less A part of the cooling gas introduced from the gas inlet for cooling the central gas, which is at least one stage of the gas inlet, collides with the central portion of the plasma, and a part of the cooling gas flows downward to the center of the thermal plasma. It is sprayed on the material gas at the moment when it comes out of the area of the part,
The ejection angle is vertically upward, which is different from the central gas cooling gas inlet which is installed closer to the electrode and has the ejection angle from the central gas cooling gas inlet. The cooling gas introduced from the gas inlet for cooling the side gas, which is 15 ° or more and 90 ° or less, flows diagonally upward and is sprayed on the material gas at the moment when it escapes from the side region of the thermal plasma. al is, the material gas to generate a sudden Refrigerated microparticles.

本発明の前記態様によって、少なくともプラズマの中心部を冷却するための、プラズマの流れ方向に対して75°以上150°以下の噴出角度を有するガス導入口よりガスを導入し、プラズマにより蒸発した材料を冷却することで、大面積のプラズマでも全面を均一に冷却できる。このため、均一なサイズの粒子を大量に生成でき、低コストで高品質な微粒子を生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。 According to the above aspect of the present invention, a material in which gas is introduced from a gas inlet having an ejection angle of 75 ° or more and 150 ° or less with respect to the flow direction of plasma for cooling at least the central portion of plasma and evaporated by plasma. By cooling, the entire surface can be uniformly cooled even with a large area of plasma. Therefore, it is possible to provide a fine particle production apparatus and a fine particle production method capable of producing a large amount of particles having a uniform size and producing high quality fine particles at low cost.

本発明における第1実施形態の微粒子製造装置の概略縦断面図Schematic longitudinal sectional view of the fine particle manufacturing apparatus of the first embodiment of the present invention. 本発明における第1実施形態の微粒子製造装置のプラズマ周辺の概略縦断面図Schematic longitudinal sectional view around the plasma of the fine particle manufacturing apparatus of the first embodiment of the present invention. 本発明における第1実施形態でのプロセスフローProcess flow according to the first embodiment of the present invention 従来例1の微粒子製造装置の概略縦断面図Schematic longitudinal sectional view of the fine particle manufacturing apparatus of Conventional Example 1.

以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係わる微粒子製造装置の概略縦断面図を示す。図2は第1実施形態に係わる微粒子製造装置のプラズマ周辺の概略縦断面図を示す。図3は、第1実施形態でのプロセスフローを示す。図1〜図3を用いて、一例として、シリコンのナノメートルオーダーの微粒子を製造する例を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 shows a schematic vertical cross-sectional view of the fine particle manufacturing apparatus according to the first embodiment. FIG. 2 shows a schematic vertical cross-sectional view around the plasma of the fine particle manufacturing apparatus according to the first embodiment. FIG. 3 shows the process flow in the first embodiment. As an example, an example of producing nanometer-order fine particles of silicon will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

第1実施形態に関わる微粒子製造装置は、少なくとも、真空チャンバーの一例としての反応室1と、材料供給装置10と、プラズマを生成する電極、例えば、複数本の電極4と、生成した微粒子32を回収する回収部の一例としての微粒子回収部3とを備えて構成している。 The fine particle production apparatus according to the first embodiment includes at least a reaction chamber 1 as an example of a vacuum chamber, a material supply apparatus 10, and electrodes for generating plasma, for example, a plurality of electrodes 4 and the generated fine particles 32. It is configured to include a fine particle collecting unit 3 as an example of a collecting unit to be collected.

材料供給装置10は、反応室1の底部下方に配置されて、材料粒子30を反応室1内に上向きに供給している。 The material supply device 10 is arranged below the bottom of the reaction chamber 1 and supplies the material particles 30 upward into the reaction chamber 1.

微粒子回収部3は、反応室1の上端の排出口17に接続されて配置され、配管20を通じてポンプ22により排気され、反応室1で生成された微粒子32を回収している。複数本の電極4は、反応室1の中央部の側部に、内部に先端が突出するように所定間隔をあけて配置され、反応室1内で熱プラズマ31を発生させ、発生させた熱プラズマ31により、材料供給装置10から供給された材料粒子30から微粒子32を製造している。 The fine particle collection unit 3 is arranged so as to be connected to the discharge port 17 at the upper end of the reaction chamber 1, is exhausted by the pump 22 through the pipe 20, and collects the fine particles 32 generated in the reaction chamber 1. The plurality of electrodes 4 are arranged on the side portion of the central portion of the reaction chamber 1 at predetermined intervals so that the tips protrude inside, and heat plasma 31 is generated in the reaction chamber 1 to generate heat. Fine particles 32 are produced from the material particles 30 supplied from the material supply device 10 by the plasma 31.

複数本の電極4には、其々、位相の異なる電力を供給するn個(nは2以上の整数。)の交流電源5、具体的には、第1交流電源5−1、第2交流電源5−2、第3交流電源5−3,・・・、第n交流電源5−nが接続されており、位相を例えば60°ずつずらした60Hzの交流電圧を交流電源5から例えば6本の電極4にそれぞれ印加することができる。各電極4は、それぞれ独立して、モータなどで構成される電極駆動装置4aにより、反応室1の中心に対して放射線方向に前後移動する可動式になっている。 N (n is an integer of 2 or more) AC power supplies 5 that supply powers having different phases to the plurality of electrodes 4, specifically, the first AC power supply 5-1 and the second AC power supply 5-1. The power supply 5-2, the third AC power supply 5-3, ..., The nth AC power supply 5-n are connected, and for example, six 60 Hz AC voltages with the phases shifted by 60 ° are applied from the AC power supply 5. Can be applied to each of the electrodes 4 of. Each electrode 4 is independently movable in the radial direction with respect to the center of the reaction chamber 1 by an electrode driving device 4a composed of a motor or the like.

より詳しくは、この第1実施形態では、微粒子製造装置は、材料供給装置10と反応室1とを接続する材料供給管11と、投入した材料粒子30及び生成した微粒子の流れを制御するように反応室1内にガスを供給するガス供給管14を設けている。 More specifically, in the first embodiment, the fine particle manufacturing apparatus controls the material supply pipe 11 connecting the material supply apparatus 10 and the reaction chamber 1, the charged material particles 30, and the flow of the generated fine particles. A gas supply pipe 14 for supplying gas is provided in the reaction chamber 1.

材料供給装置10は、材料供給管11により反応室1と接続して、材料供給装置10からの材料粒子30を、反応室1の底部側から反応室1内に供給する。材料供給管11は、材料供給装置10の底部から中央部付近まで下から鉛直方向の上向きに延びて立設している。下側のガス供給管14は、材料供給管11の近傍において材料供給装置10の底部から材料供給管11の長手方向沿い(言い換えれば、鉛直方向沿い)に複数本配置され、材料供給口12の鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きにガスを供給可能としている。 The material supply device 10 is connected to the reaction chamber 1 by the material supply pipe 11, and supplies the material particles 30 from the material supply device 10 into the reaction chamber 1 from the bottom side of the reaction chamber 1. The material supply pipe 11 extends vertically upward from the bottom to the vicinity of the central portion of the material supply device 10 and is erected. A plurality of lower gas supply pipes 14 are arranged from the bottom of the material supply device 10 along the longitudinal direction (in other words, along the vertical direction) of the material supply pipe 11 in the vicinity of the material supply pipe 11, and are arranged in the vicinity of the material supply pipe 11. Gas can be supplied from the lower side in the vertical direction to the upper side in the vertical direction.

図2に示すように、複数本の電極4の周囲のプラズマ31が発生する箇所の上部には、上側の第1及び第2ガス供給管15,16がガス導入口の例として設けている。 As shown in FIG. 2, upper first and second gas supply pipes 15 and 16 are provided as examples of gas introduction ports above the portion where plasma 31 is generated around the plurality of electrodes 4.

電極側に設置されている上側の第1ガス供給管15は、プラズマ31の側面の周囲から、鉛直上方向に対して、15°以上90°以下の第1角度α1で中央に向けてガスを供給可能としている。第1角度α1が15°より小さくなると、ガスがプラズマ31の側面に十分に当たらず、鉛直上方向に流れてしまう。また、第1角度α1が90°より大きくなると、プラズマ31の粒子の形成界面より下部にガスが当たるので、冷却が不十分になってしまう。 The upper first gas supply pipe 15 installed on the electrode side sends gas from the periphery of the side surface of the plasma 31 toward the center at a first angle α1 of 15 ° or more and 90 ° or less with respect to the vertically upward direction. It is possible to supply. When the first angle α1 is smaller than 15 °, the gas does not sufficiently hit the side surface of the plasma 31 and flows vertically upward. Further, when the first angle α1 is larger than 90 °, the gas hits the lower part of the plasma 31 particle formation interface, so that the cooling becomes insufficient.

また、排出口17側に設置されている上側の第2ガス供給管16は、プラズマ31の上部の周囲から、鉛直上方向に対して、75°以上150°以下の第2角度α2で中央に向けてガスを供給可能としている。第2角度α2が75°より小さくなると、鉛直上方向へのガスの流れが大きくなり、プラズマ31の上部からプラズマ31の中心部に向かう鉛直下方向へのガスの流れが小さくなってしまう。また、第2角度α2が150°より大きくなると、プラズマ31の中心部への距離が大きくなるため、プラズマ31の中心部にガスが到達しなくなり、冷却が不十分になってしまう。 Further, the upper second gas supply pipe 16 installed on the discharge port 17 side is centered at a second angle α2 of 75 ° or more and 150 ° or less with respect to the vertically upward direction from the periphery of the upper part of the plasma 31. It is possible to supply gas to the target. When the second angle α2 is smaller than 75 °, the gas flow in the vertically upward direction becomes large, and the gas flow in the vertical downward direction from the upper part of the plasma 31 toward the center of the plasma 31 becomes small. Further, when the second angle α2 is larger than 150 °, the distance to the central portion of the plasma 31 becomes large, so that the gas does not reach the central portion of the plasma 31 and the cooling becomes insufficient.

以下、微粒子製造装置の製造動作について、図3のプロセスフローに沿って説明する。
(ステップS1)材料設置及び真空引きをする。
初めに、材料供給装置10内に材料粒子30を設置するとともに、反応室1内と、微粒子回収部3内と、材料供給装置10内とをポンプ22によって、例えば数10Paまで排気することで、大気中の酸素の影響を低減させる。
Hereinafter, the manufacturing operation of the fine particle manufacturing apparatus will be described along with the process flow of FIG.
(Step S1) Material installation and evacuation are performed.
First, the material particles 30 are installed in the material supply device 10, and the inside of the reaction chamber 1, the fine particle recovery unit 3, and the material supply device 10 are exhausted by the pump 22 to, for example, several tens of Pa. Reduce the effects of atmospheric oxygen.

(ステップS2)ガス導入及び圧力調整を行う。
次いで、複数のガス供給装置27から、それぞれ流量調整器26を介して、材料供給装置10と、下側のガス供給管14と、上側の第1及び第2ガス供給管15、16とにガスを流量調整しながら供給し、それらの装置又は管10,14,15,16から反応室1内に供給する。反応室1内に供給されたガスは、ポンプ22の前段に取付けた圧力調整バルブ21で所定の圧力に調整する。また、図示していないが、複数本の電極4の内部にガスを流すことも可能である。
(Step S2) Gas introduction and pressure adjustment are performed.
Next, gas is supplied from the plurality of gas supply devices 27 to the material supply device 10, the lower gas supply pipe 14, and the upper first and second gas supply pipes 15 and 16 via the flow rate regulator 26, respectively. Is supplied while adjusting the flow rate, and is supplied into the reaction chamber 1 from those devices or tubes 10, 14, 15, 16. The gas supplied into the reaction chamber 1 is adjusted to a predetermined pressure by the pressure adjusting valve 21 attached to the front stage of the pump 22. Further, although not shown, it is possible to allow gas to flow inside the plurality of electrodes 4.

この第1実施形態の第1実施例では、一例としてシリコンの微粒子を製造させるため、反応室1内には、ガス供給装置27から3つのガス供給管14、15、16を介して、ガスの例としてアルゴンを供給して、反応室1内を、アルゴンの不活性ガス雰囲気の大気圧近傍の圧力に維持して、以下の微粒子製造工程を行っている。材料の還元を促進させるため、反応室1内に、ガス供給装置27から、ガス供給管14、15、16及び電極4を介して、ガスの別の例として水素ガス及び微量の炭化系ガスを混合して導入しても良い。 In the first embodiment of the first embodiment, in order to produce fine particles of silicon as an example, gas is introduced into the reaction chamber 1 from the gas supply device 27 via three gas supply pipes 14, 15 and 16. As an example, argon is supplied, and the inside of the reaction chamber 1 is maintained at a pressure near the atmospheric pressure in an inert gas atmosphere of argon, and the following fine particle production step is performed. In order to promote the reduction of the material, hydrogen gas and a trace amount of carbonized gas are introduced into the reaction chamber 1 from the gas supply device 27 via the gas supply pipes 14, 15, 16 and the electrode 4 as another example of the gas. It may be mixed and introduced.

(ステップS3)放電を開始する。
ここで、放電開始動作を説明する前に、熱プラズマ31を生成させる電極4は一例として炭素材料であり、反応室1内に先端が横方向(例えば水平方向に対して0〜30°上向き)に突出した状態で、反応室1の円周壁に反応室1の中心軸周りに60°間隔で6本の電極4を放射線状に配置する。各電極4には、電極材料の蒸発を低減するため、具体的には図示しないが水冷及び冷却ガスを内部に流し、電極を冷却している。
(Step S3) Discharge is started.
Here, before explaining the discharge start operation, the electrode 4 for generating the thermal plasma 31 is made of a carbon material as an example, and the tip thereof is in the reaction chamber 1 in the lateral direction (for example, 0 to 30 ° upward with respect to the horizontal direction). Six electrodes 4 are radially arranged on the circumferential wall of the reaction chamber 1 at intervals of 60 ° around the central axis of the reaction chamber 1 in a protruding state. In order to reduce the evaporation of the electrode material, water cooling and cooling gas, which are not specifically shown, are allowed to flow inside each electrode 4 to cool the electrodes.

第1実施例では、6本の電極4を放射状に配置しているが、電極数は6の倍数であれば、電極本数を増やしたり、又は、同一平面に配置するだけでなく、2段、又は、3段など多段化した(言い換えれば、反応室1の長手方向(すなわち軸方向)沿いに異なる位置の)電極配置にしても良い。電極4を多段化して配置することで、材料を蒸発させる熱源である熱プラズマ31をさらに鉛直方向に拡大させることができ、大量の微粒子生成には優位である。また、電極4の材料の一例として、炭素材料を使用しているが、タングステン、タンタルなどの高融点金属で構成される電極を使用しても良い。 In the first embodiment, the six electrodes 4 are arranged radially, but if the number of electrodes is a multiple of 6, the number of electrodes is increased or not only arranged in the same plane, but also in two stages. Alternatively, the electrodes may be arranged in multiple stages such as three stages (in other words, at different positions along the longitudinal direction (that is, the axial direction) of the reaction chamber 1). By arranging the electrodes 4 in multiple stages, the thermal plasma 31 which is a heat source for evaporating the material can be further expanded in the vertical direction, which is advantageous for generating a large amount of fine particles. Further, although a carbon material is used as an example of the material of the electrode 4, an electrode composed of a refractory metal such as tungsten or tantalum may be used.

このステップS3の放電開始動作において、図1に示すように、熱プラズマ31を着火させるときには、任意の2本の電極4を電極駆動装置4aにより反応室1の中心側に移動させたのち、交流電圧を交流電源5から2本の電極4にそれぞれ印加する。 In the discharge start operation in step S3, as shown in FIG. 1, when the thermal plasma 31 is ignited, two arbitrary electrodes 4 are moved to the center side of the reaction chamber 1 by the electrode driving device 4a, and then an alternating current is generated. A voltage is applied from the AC power source 5 to each of the two electrodes 4.

次いで、熱プラズマ31が着火した後、其々、電極4にかかる電流が一定になるように調整しながら、電極4を放射線方向(放射状に配置した電極4の中心位置から外側に向かう方向)に電極駆動装置4aにより移動させ、電極4の先端が所定の位置になるまで、電極4の中心位置から遠ざける。これにより、例えば約10000℃の熱プラズマの面積が大きくなり、処理量を増加させることができる。投入した電力を各電極駆動装置4aとしては、一例として、モータによりボールネジを正逆回転させて、ボールネジに螺合したナット部材に連結された電極4を軸方向に進退させるものである。 Next, after the thermal plasma 31 is ignited, the electrodes 4 are arranged in the radial direction (direction toward the outside from the center position of the radially arranged electrodes 4) while adjusting the current applied to the electrodes 4 to be constant. It is moved by the electrode driving device 4a and kept away from the center position of the electrode 4 until the tip of the electrode 4 reaches a predetermined position. As a result, for example, the area of the thermal plasma at about 10000 ° C. becomes large, and the processing amount can be increased. As an example, each electrode driving device 4a uses the input electric power to rotate the ball screw in the forward and reverse directions by a motor to advance and retreat the electrode 4 connected to the nut member screwed to the ball screw in the axial direction.

その際、対向する電極4間の距離が50mmより小さいと、放電面積が小さいため、処理量が十分でなく、また、500mmより大きくなると、対向する電極4間で放電が維持できなくなる。このため、対向する電極間の距離は50mm以上500mm以下が望ましい。 At that time, if the distance between the opposing electrodes 4 is smaller than 50 mm, the discharge area is small, so that the processing amount is not sufficient, and if it is larger than 500 mm, the discharge cannot be maintained between the opposing electrodes 4. Therefore, the distance between the opposing electrodes is preferably 50 mm or more and 500 mm or less.

(ステップS4)材料供給を開始する。
次いで、ガスと共に材料粒子30の供給を開始する。
一例として、微粒子32の原料となる材料粒子30は、約16ミクロンメートルのシリコン粉末を用い、材料供給装置10内に設置する。第1実施例では、16ミクロンメートルの粒子を使用したが、熱プラズマ31の条件にも依存するが1ミクロンより大きくかつ100ミクロン以下の粒子径であれば、熱プラズマ31にて蒸発し、ナノメートルオーダーの微粒子32を製造することは可能である。100ミクロンメートルより大きい粒子径の材料粒子30を使用すると、材料粒子30を完全に蒸発させることができず、生成される微粒子32が大きくなってしまうことがある。材料供給装置10は、一例として、局部流動式粉末供給装置を用いることができる。この局部流動式粉末供給装置では、キャリアガスの流量と、材料粒子30を導入する器の回転数とによって、材料粒子30の供給量を制御して、粉末材料である材料粒子30を一定の割合で材料供給管11に送ることができる。材料供給装置10の他の例としては、レーザーなどを用いて、粉末材料の表面とノズルの距離とを制御する表面倣い式粉末供給器、又は、ホッパーなどから溝に定量の粉末材料を供給して吸引する定量式粉末供給器などがある。どの方式の粉末材料供給装置を使用しても良いが、供給する粉末材料の量によって使い分ける。
(Step S4) Material supply is started.
Then, the supply of the material particles 30 is started together with the gas.
As an example, the material particles 30 which are the raw materials of the fine particles 32 are made of silicon powder having a size of about 16 microns and installed in the material supply device 10. In the first embodiment, 16 micron particles were used, but if the particle size is larger than 1 micron and 100 microns or less, depending on the conditions of the thermal plasma 31, the particles are vaporized by the thermal plasma 31 and nanometered. It is possible to produce micron particles 32 on the order of meters. If the material particles 30 having a particle size larger than 100 microns are used, the material particles 30 cannot be completely evaporated, and the resulting fine particles 32 may become large. As the material supply device 10, as an example, a local flow type powder supply device can be used. In this local flow type powder supply device, the supply amount of the material particles 30 is controlled by the flow rate of the carrier gas and the rotation speed of the device into which the material particles 30 are introduced, and the material particles 30 which are powder materials are distributed at a constant ratio. Can be sent to the material supply pipe 11. As another example of the material supply device 10, a surface copying type powder feeder that controls the distance between the surface of the powder material and the nozzle using a laser or the like, or a hopper or the like is used to supply a fixed amount of the powder material to the groove. There is a quantitative powder feeder that sucks in. Any type of powder material supply device may be used, but it is used properly depending on the amount of powder material to be supplied.

(ステップS5)微粒子を形成する。
次いで、図1に示すように、材料供給装置10からガスと共に材料粒子30は、材料供給管11に送られ、材料供給管11の上端の材料供給口12から反応室1内にガスと共に導入される。材料供給管11の周囲には、材料粒子30又は熱プラズマ31によって生成された微粒子32を一定方向(鉛直方向の上向き)に送るための複数本の下側のガス供給管14を設け、下側のガス供給管14から雰囲気ガスを前記一定方向(鉛直方向の上向き)に供給している。材料供給管11及び材料供給口12は、複数の電極4の中心位置よりも、鉛直方向の下側に設置する。下側のガス供給管14は、材料供給口12の上端よりも鉛直方向の下側に設置する。特に、材料供給口12の上端は、熱プラズマ31の領域よりも下方に位置するように配置されている。また、反応室1内にガスと共に導入された材料粒子30は、熱プラズマ31の領域中を通過するときに、蒸発又は気化(以下、代表的に「蒸発」と称する。)して、材料粒子30はガス化する。
(Step S5) Fine particles are formed.
Then, as shown in FIG. 1, the material particles 30 are sent from the material supply device 10 together with the gas to the material supply pipe 11, and are introduced together with the gas from the material supply port 12 at the upper end of the material supply pipe 11 into the reaction chamber 1. To. Around the material supply pipe 11, a plurality of lower gas supply pipes 14 for sending the material particles 30 or the fine particles 32 generated by the thermal plasma 31 in a certain direction (upward in the vertical direction) are provided, and the lower side is provided. Atmospheric gas is supplied from the gas supply pipe 14 of the above in the fixed direction (upward in the vertical direction). The material supply pipe 11 and the material supply port 12 are installed below the center positions of the plurality of electrodes 4 in the vertical direction. The lower gas supply pipe 14 is installed below the upper end of the material supply port 12 in the vertical direction. In particular, the upper end of the material supply port 12 is arranged so as to be located below the region of the thermal plasma 31. Further, the material particles 30 introduced together with the gas into the reaction chamber 1 evaporate or vaporize (hereinafter, typically referred to as "evaporation") when passing through the region of the thermal plasma 31, and the material particles. 30 is gasified.

材料粒子30を蒸発させてできた材料ガスは、熱プラズマ31の熱による上昇気流又はガス供給管14又は電極4からのガス流れによって、反応室1内を上昇し、熱プラズマ31の領域から抜けると、当該領域から抜けた瞬間に材料ガスは、噴き付けられたガスにより急激に冷やされ、球状の微粒子32が生成される。第1実施形態では、熱プラズマ31の側面には、上側の第1ガス供給管15から斜め上方へガスを流しているため、熱プラズマ31の側面から抜けた材料ガスの冷却速度を更に大きくできる。また、熱プラズマ31の上部には、上側の第2ガス供給管16から鉛直上方向に対して垂直に中心に向かって冷却ガスを流し、冷却ガスが熱プラズマ31の中心部で衝突することで一部が下方へ流れ、熱プラズマ31の中心部から抜けた材料ガスの冷却速度を更に大きくすることができる。上側の第2ガス供給管16から流すガスの噴出角度は中心部で衝突し、一部が下方向へ流れればよく、その噴出角度(すなわち、第2角度α2)は75°以上150°で可能である。上側のガス供給管15、16からの冷却ガスにより、大面積の熱プラズマ31でも熱プラズマ31の領域から抜けた材料ガスを均一に冷却でき、高精度な粒子径の制御が可能である。 The material gas formed by evaporating the material particles 30 rises in the reaction chamber 1 and exits from the region of the thermal plasma 31 due to the updraft due to the heat of the thermal plasma 31 or the gas flow from the gas supply pipe 14 or the electrode 4. Then, at the moment when the material gas exits the region, the material gas is rapidly cooled by the sprayed gas, and spherical fine particles 32 are generated. In the first embodiment, since the gas flows diagonally upward from the upper first gas supply pipe 15 on the side surface of the thermal plasma 31, the cooling rate of the material gas released from the side surface of the thermal plasma 31 can be further increased. .. Further, a cooling gas is flowed from the upper second gas supply pipe 16 toward the center perpendicular to the vertically upward direction on the upper part of the thermal plasma 31, and the cooling gas collides with the central portion of the thermal plasma 31. A part of the material gas flows downward, and the cooling rate of the material gas released from the central portion of the thermal plasma 31 can be further increased. The ejection angle of the gas flowing from the upper second gas supply pipe 16 may collide at the central portion and a part of the gas may flow downward, and the ejection angle (that is, the second angle α2) is 75 ° or more and 150 °. It is possible. By the cooling gas from the gas supply pipes 15 and 16 on the upper side, the material gas that has escaped from the region of the thermal plasma 31 can be uniformly cooled even in the thermal plasma 31 having a large area, and the particle size can be controlled with high accuracy.

また、熱プラズマ31の面積及び下側のガス供給管14のガス流量、あるいはインナーチャンバー等の追加によって変化するガス流れによって様々な場合が考えられるが、望ましくは、上側の第1ガス供給管15より、上側の第2ガス供給管16から噴き出すガスの流速を大きくすることで、上側の第2ガス供給管16からの冷却ガスが熱プラズマ31の中心部まで到達しやすくなり、より冷却効果が高くなる。ガス流速はガス流量又はガス供給管開口の形状、サイズ、又は数等により制御が可能である。 Further, various cases may be considered depending on the area of the thermal plasma 31, the gas flow rate of the lower gas supply pipe 14, or the gas flow that changes due to the addition of the inner chamber or the like, but it is desirable that the upper first gas supply pipe 15 is used. By increasing the flow velocity of the gas ejected from the upper second gas supply pipe 16, the cooling gas from the upper second gas supply pipe 16 can easily reach the central part of the thermal plasma 31, and the cooling effect can be further improved. It gets higher. The gas flow rate can be controlled by the gas flow rate or the shape, size, number, etc. of the gas supply pipe openings.

また、上側の第1及び第2ガス供給管15、16の設置位置については、熱プラズマ31の面積及びガス供給管14のガス流量、あるいはインナーチャンバー等の追加によって変化するガス流れによって様々な場合が考えられる。 Further, the installation positions of the first and second gas supply pipes 15 and 16 on the upper side may vary depending on the area of the thermal plasma 31 and the gas flow rate of the gas supply pipe 14, or the gas flow that changes due to the addition of the inner chamber or the like. Can be considered.

また、ガス供給管16の複数のガス供給口から供給するガスの流速を流量調整器26によりガス供給口毎に周方向に規則的に変化させることで、ガス衝突位置と垂直下方へ流す位置とを規則的に変化させることができ、より冷却効果を高くすることができる。 Further, by regularly changing the flow velocity of the gas supplied from the plurality of gas supply ports of the gas supply pipe 16 in the circumferential direction for each gas supply port by the flow rate regulator 26, the gas collision position and the position to flow downward perpendicularly to the gas collision position are obtained. Can be changed regularly, and the cooling effect can be further enhanced.

また、ガス供給管16のガス供給口から導入するガスの下方向への流れにより、プラズマ31の上部が波状に変形することで、微粒子32が生成されるプラズマ31の冷却面の面積が、従来のプラズマの冷却面の面積より大きくなり、微粒子32の生成量を上げることができる。 Further, the area of the cooling surface of the plasma 31 in which the fine particles 32 are generated is increased by deforming the upper part of the plasma 31 in a wavy shape due to the downward flow of the gas introduced from the gas supply port of the gas supply pipe 16. It becomes larger than the area of the cooling surface of the plasma of the above, and the amount of fine particles 32 produced can be increased.

また、一般に、材料粒子30が供給された箇所のプラズマ31は、材料粒子30の蒸発にプラズマの熱が奪われてしまうため、材料粒子30を蒸発させた場所のプラズマの温度が下がってしまう。従来、一般的な誘導結合型プラズマ(ICP)トーチなどの連続的放電に連続的に材料粒子30を投入する場合では、材料粒子30の蒸発によってプラズマの温度が下がってしまい、材料粒子30を完全に蒸発させることができず、比較的大きな微粒子が生成されてしまい、粒径分布が悪化してしまうという課題もあった。また、所望の粒子径の微粒子32を製造したり、製造した微粒子32の粒径分布を良化させるためには、材料粒子30の投入量を制限するしかなく、処理量が低下してしまうという課題もあった。 Further, in general, in the plasma 31 at the place where the material particles 30 are supplied, the heat of the plasma is taken away by the evaporation of the material particles 30, so that the temperature of the plasma at the place where the material particles 30 are evaporated drops. Conventionally, when the material particles 30 are continuously charged into a continuous discharge such as a general inductively coupled plasma (ICP) torch, the temperature of the plasma drops due to the evaporation of the material particles 30, and the material particles 30 are completely discharged. There is also a problem that the particle size distribution is deteriorated because relatively large fine particles are generated because the plasma cannot be evaporated. Further, in order to produce fine particles 32 having a desired particle size or to improve the particle size distribution of the produced fine particles 32, there is no choice but to limit the input amount of the material particles 30, and the processing amount is reduced. There were also challenges.

これに対して、第1実施例で用いた複数の電極4で生成するプラズマ31は、位相が互いに異なる電力、例えば位相を60°ずらした60Hzの電力が供給可能な交流電源5を複数の電極4の電源としてそれぞれ使用している。このため、放電がパルス状になっており、常に高温の熱プラズマ31を生成することができる。 On the other hand, the plasma 31 generated by the plurality of electrodes 4 used in the first embodiment has a plurality of electrodes of an AC power source 5 capable of supplying electric power having different phases, for example, 60 Hz power having a phase shift of 60 °. It is used as the power source of 4. Therefore, the discharge is in the form of a pulse, and a high-temperature thermal plasma 31 can always be generated.

(ステップS6)放電を止めて、微粒子を回収する。
次いで、図1に示すように、プラズマ31により生成された微粒子32は、ガス供給管14、15、16からのガスの流れにより、微粒子回収部3によって回収される。図示していないが、微粒子回収部3には、任意の微粒子径以上を分級できるサイクロンと、所望の微粒子を回収できるバグフィルタとが取付けられている。微粒子を回収するためのバグフィルタは、高温のガスを循環しているため、一例として耐熱性の高いシリカ繊維を使用したフィルタを使用することができる。また、回収した微粒子を大気に取出す際は、発火の恐れがあるため、大気(酸素を含んだガス)を1%程度含んだ雰囲気下で数時間放置し、徐酸化処理を行い、大気中に取り出す。これにより、シリコン微粒子の表面は、例えば1〜2ナノメートル程度酸化し、安全に取出すことが可能になる。これらの前記のプロセスにより、バグフィルタからは、例えば10〜300ナノメートルのシリコン微粒子を回収することができる。
(Step S6) The discharge is stopped and the fine particles are collected.
Next, as shown in FIG. 1, the fine particles 32 generated by the plasma 31 are recovered by the fine particle recovery unit 3 by the flow of gas from the gas supply pipes 14, 15 and 16. Although not shown, a cyclone capable of classifying an arbitrary fine particle diameter or larger and a bug filter capable of collecting desired fine particles are attached to the fine particle collecting unit 3. Since the bug filter for collecting fine particles circulates a high-temperature gas, a filter using silica fiber having high heat resistance can be used as an example. In addition, when the recovered fine particles are taken out to the atmosphere, there is a risk of ignition, so they are left in an atmosphere containing about 1% of the atmosphere (gas containing oxygen) for several hours, undergoing slow oxidation treatment, and then placed in the atmosphere. Take it out. As a result, the surface of the silicon fine particles is oxidized, for example, by about 1 to 2 nanometers, and can be safely taken out. By these above-mentioned processes, silicon fine particles of, for example, 10 to 300 nanometers can be recovered from the bag filter.

第1実施例では、シリコン(Si)のナノメートルオーダーの微粒子を製造する方法について説明したが、ニッケル(Ni)、銀(Ag)若しくは銅(Cu)などの金属、又は、ガラス(SiO)、窒化シリコン(SiN)、若しくはアルミナ(Al)などの無機系の材料を微粒子生成用材料として微粒子を生成しても良い。また、反応室1に導入するガスと反応させることで、例えば、シリコン材料を用いて、一酸化シリコン(SiO:x=1〜1.6)、窒化シリコン(SiN:x=0.1〜1.3)、又は炭化シリコン(SiC)の微粒子を生成しても良い。さらには、内側にシリコンの核を有し、外側にはアルミナ又は炭化シリコンなどで覆われているような複数の材料から構成される複合材料の生成に利用することもできる。 In the first embodiment, a method for producing nanometer-order fine particles of silicon (Si) has been described, but a metal such as nickel (Ni), silver (Ag) or copper (Cu), or glass (SiO 2 ) , Silicon nitride (SiN), or an inorganic material such as alumina (Al 2 O 3 ) may be used as a material for producing fine particles to generate fine particles. Further, by reacting with the gas introduced into the reaction chamber 1, for example, using a silicon material, silicon monoxide (SiO x : x = 1 to 1.6) and silicon nitride (SiN x : x = 0.1). ~ 1.3), or fine particles of silicon carbide (SiC x ) may be produced. Furthermore, it can also be used to generate a composite material composed of a plurality of materials having a silicon core on the inside and being covered with alumina, silicon carbide, or the like on the outside.

前記第1実施形態によれば、少なくとも、プラズマ31の中心部を冷却するための、プラズマ31の流れ方向に対して75°以上150°以下の噴出角度(すなわち、第2角度α2)を有するガス導入口の例の第2ガス供給管16よりガスを導入し、プラズマ31により蒸発した材料を冷却することで、大面積のプラズマ31でも全面を均一に冷却できる。このため、均一なサイズの微粒子32を大量に生成でき、低コストで高品質な微粒子32を生産することができる微粒子製造装置及び微粒子製造方法を提供することができる。 According to the first embodiment, at least a gas having an ejection angle of 75 ° or more and 150 ° or less (that is, a second angle α2) with respect to the flow direction of the plasma 31 for cooling the central portion of the plasma 31. By introducing gas from the second gas supply pipe 16 in the example of the introduction port and cooling the material evaporated by the plasma 31, the entire surface of the plasma 31 having a large area can be uniformly cooled. Therefore, it is possible to provide a fine particle production apparatus and a fine particle production method capable of producing a large amount of fine particles 32 having a uniform size and producing high quality fine particles 32 at low cost.

また、前記第1実施形態によれば、プラズマ31の外周部を冷却するための、プラズマ31の流れ方向に対して15°以上90°以下の噴出角度(すなわち、第1角度α1)を有するガス導入口の例の第1ガス供給管15よりガスを導入し、プラズマ31により蒸発した材料を冷却することで、ガスがプラズマ31の側面に十分に当たり、プラズマ31を効率良くかつ十分に冷却できる。 Further, according to the first embodiment, a gas having an ejection angle (that is, a first angle α1) of 15 ° or more and 90 ° or less with respect to the flow direction of the plasma 31 for cooling the outer peripheral portion of the plasma 31. By introducing gas from the first gas supply pipe 15 of the example of the introduction port and cooling the material evaporated by the plasma 31, the gas sufficiently hits the side surface of the plasma 31 and the plasma 31 can be cooled efficiently and sufficiently.

また、前記第1実施形態によれば、複数本の電極4には、其々交流電源5が接続されてプラズマ31を生成できるので、他の方法に比べ、材料粒子30を蒸発させる熱プラズマ31の面積を大きくすることができ、大量の材料を処理できる。 Further, according to the first embodiment, since the AC power source 5 can be connected to each of the plurality of electrodes 4 to generate the plasma 31, the thermal plasma 31 that evaporates the material particles 30 is compared with other methods. The area of the plasma can be increased and a large amount of material can be processed.

なお、本発明は前記第1実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、ガス供給管15、16のそれぞれの形状又は供給口の口数は、種々の形状又は口数にしてもよい。例えば、反応室1内にインナーチャンバーを追加する等で内径を変化させることで、ガス又はプラズマ31の流速を変化させ、冷却ガスをプラズマ31に効率良く到達させることも可能である。 The present invention is not limited to the first embodiment, and can be implemented in various other embodiments. For example, the shape of each of the gas supply pipes 15 and 16 or the number of supply ports may be various shapes or the number of ports. For example, by changing the inner diameter by adding an inner chamber in the reaction chamber 1, the flow velocity of the gas or plasma 31 can be changed, and the cooling gas can efficiently reach the plasma 31.

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。 By appropriately combining any of the various embodiments or modifications, the effects of each can be achieved. Further, it is possible to combine embodiments or examples, or to combine embodiments and examples, and it is also possible to combine features in different embodiments or examples.

本発明の前記態様における微粒子製造装置及び微粒子製造方法は、プラズマからの排熱を抑制することで、材料を効率良く大量に処理することができ、微粒子の生成量を上げ、かつ低コストで生産することができる。そのため、本発明は、リチウムイオン二次電池又はセラミックコンデンサーなど大量生産が要望されるデバイスに使用される微粒子製造装置及び微粒子製造方法として有用である。 The fine particle manufacturing apparatus and fine particle manufacturing method according to the above aspect of the present invention can efficiently process a large amount of material by suppressing exhaust heat from plasma, increase the amount of fine particles produced, and produce at low cost. can do. Therefore, the present invention is useful as a fine particle manufacturing apparatus and a fine particle manufacturing method used in a device for which mass production is required, such as a lithium ion secondary battery or a ceramic capacitor.

1 反応室
3 微粒子回収部
4 電極
5 交流電源
5−1、5−2、5−3、・・・、5−n 第1、第2、第3、・・・、第n交流電源
10 材料供給装置
11 材料供給管
12 材料供給口
14 下側のガス供給管
15 上側の第1ガス供給管
16 上側の第2ガス供給管
17 排出口
20 配管
21 圧力調整バルブ
22 循環ポンプ
26 流量調整器
27 ガス供給装置
30 材料粒子
31 プラズマ
32 微粒子
α1 第1角度
α2 第2角度
1 Reaction chamber 3 Fine particle recovery unit 4 Electrode 5 AC power supply 5-1, 5-2, 5-3, ..., 5-n 1st, 2nd, 3rd, ..., nth AC power supply 10 Material Supply device 11 Material supply pipe 12 Material supply port 14 Lower gas supply pipe 15 Upper first gas supply pipe 16 Upper second gas supply pipe 17 Outlet 20 Pipe 21 Pressure adjustment valve 22 Circulation pump 26 Flow regulator 27 Gas supply device 30 Material particles 31 Plasma 32 Fine particles α1 First angle α2 Second angle

Claims (9)

真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの一端側に接続されて、材料の粒子を前記真空チャンバー内に材料供給口から供給する材料供給装置と、
前記真空チャンバーの中間部に配置して前記真空チャンバー内にプラズマを発生させる複数本の電極と、
前記真空チャンバーの他端に接続されて、前記真空チャンバーの排出口から排出された微粒子を回収する回収部とを有して、前記真空チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記材料供給装置から供給された前記材料の粒子から前記微粒子を製造する装置であって、
前記材料供給口は、前記複数本の電極の中心位置よりも、鉛直方向の下側に設けられ、
前記材料供給装置は、前記材料供給口からの、鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きに前記材料の粒子及び前記微粒子の流れを制御するガスを供給するガス供給管を有し、
前記材料の粒子が前記プラズマの領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスが得られ、
前記電極と前記排出口との間において、噴出角度が鉛直上方向に対して、75°以上150°以下でありかつ冷却ガスが前記プラズマの中心部で衝突して一部が下方へ流れて前記プラズマの中心部から抜けた前記材料ガスを冷却する前記冷却ガスを導入する少なくとも1段のガス導入口である中心部ガス冷却用のガス導入口を有する複数段のガス導入口を前記電極の近くに設け、
前記複数段のガス導入口において、前記噴出角度を有する前記中心部ガス冷却用のガス導入口とは異なる、噴出角度が鉛直上方向に対して、15°以上90°以下でありかつ冷却ガスが斜め上方へ流れて前記プラズマの側面から抜けた前記材料ガスを冷却する前記冷却ガスを導入するための別のガス導入口である側面ガス冷却用のガス導入口を設け、
前記複数段のガス導入口において、前記噴出角度が鉛直上方向に対して、75°以上150°以下でありかつ前記プラズマの中心部から抜けた前記材料ガスを冷却するための前記冷却ガスを導入する前記中心部ガス冷却用のガス導入口より、前記噴出角度が鉛直上方向に対して、15°以上90°以下でありかつ前記プラズマの側面から抜けた前記材料ガスを冷却するための前記冷却ガスを導入する前記側面ガス冷却用のガス導入口が、前記電極に近い側に設置されている、微粒子製造装置。
With a vacuum chamber
A material supply device connected to one end side of the vacuum chamber to supply material particles into the vacuum chamber from a material supply port,
A plurality of electrodes arranged in the middle portion of the vacuum chamber to generate plasma in the vacuum chamber,
The material supply device is connected to the other end of the vacuum chamber and has a collection unit for collecting fine particles discharged from the discharge port of the vacuum chamber, and the plasma generated in the vacuum chamber is used. An apparatus for producing the fine particles from the supplied particles of the material.
The material supply port is provided below the center position of the plurality of electrodes in the vertical direction.
The material supply device has a gas supply pipe for supplying gas for controlling the flow of particles of the material and the fine particles from the lower side in the vertical direction to the upper side in the vertical direction from the material supply port.
As the particles of the material pass through the region of the plasma, they evaporate or vaporize to give the material gas.
Oite between the electrode and the discharge port for jetting angle vertically upward direction, 75 ° or 150 ° to der Li Kui cooling gas portion collides with the central portion of the plasma is lower or less A plurality of stages of gas introduction ports having a gas introduction port for cooling the central gas, which is at least one stage of gas introduction port for introducing the cooling gas that flows and cools the material gas that has flowed out of the center of the plasma, is described. Provided near the electrode
In the plurality of stages of gas inlets, the ejection angle is 15 ° or more and 90 ° or less and the cooling gas is different from the central gas cooling gas inlet having the ejection angle. A gas introduction port for cooling the side gas, which is another gas introduction port for introducing the cooling gas that flows diagonally upward and cools the material gas that has escaped from the side surface of the plasma, is provided.
In the multi-stage gas introduction port, the cooling gas for cooling the material gas whose ejection angle is 75 ° or more and 150 ° or less and has escaped from the center of the plasma with respect to the vertically upward direction is introduced. The cooling for cooling the material gas whose ejection angle is 15 ° or more and 90 ° or less and has escaped from the side surface of the plasma from the gas introduction port for cooling the central gas. the side gas inlet for the gas cooling of introducing gas, that are placed closer to the electrode, particulate manufacturing equipment.
前記複数段のガス導入口のうちの前記側面ガス冷却用のガス導入口から導入するガスの流速より、前記中心部ガス冷却用のガス導入口から導入するガスの流速が速い、請求項1に記載の微粒子製造装置。 The more the flow rate of the gas introduced from the gas inlet for the side gas cooling of a plurality of stages of the gas inlet, the high flow rate of gas introduced from the center gas inlet for gas cooling, in claim 1 The fine particle production apparatus according to the above. 前記中心部ガス冷却用のガス導入口が複数個設けられており、それぞれの箇所から導入するガスの流量を規則的に変化させる流量調整器をさらに備える、請求項1又は2に記載の微粒子製造装置。 The fine particle production according to claim 1 or 2 , further comprising a plurality of gas introduction ports for cooling the central gas and a flow rate regulator for regularly changing the flow rate of the gas introduced from each location. apparatus. 前記中心部ガス冷却用のガス導入口から導入するガスの下方向への流れにより、前記プラズマの上部が波状に変形している、請求項1〜のいずれか1つに記載の微粒子製造装置。 The fine particle manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the upper part of the plasma is deformed in a wavy shape due to a downward flow of gas introduced from the gas inlet for cooling the central gas. .. 前記プラズマを発生させる前記電極は、前記真空チャンバーに配置されて、先端が前記真空チャンバー内に突出して前記プラズマを発生させる複数本の電極である、請求項1〜のいずれか1つに記載の微粒子製造装置。 The electrode according to any one of claims 1 to 4 , wherein the electrode for generating plasma is a plurality of electrodes arranged in the vacuum chamber and having a tip protruding into the vacuum chamber to generate the plasma. Fine particle production equipment. 前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、其々、位相の異なる電力を供給する交流電源をさらに備えて、
前記交流電源から前記複数本の電極のそれぞれに前記位相の異なる電力が供給されて、前記プラズマを生成させて前記プラズマを発生させる、請求項1〜のいずれか1つに記載の微粒子製造装置。
Further equipped with an AC power supply connected to each of the plurality of electrodes and supplying power having a different phase, respectively.
The fine particle manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein electric power having a different phase is supplied from the AC power source to each of the plurality of electrodes to generate the plasma to generate the plasma. ..
前記複数本の電極において、対向する電極間の距離が50mm以上500mm以下である、請求項1〜のいずれか1つに記載の微粒子製造装置。 The fine particle manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 6 , wherein in the plurality of electrodes, the distance between the opposing electrodes is 50 mm or more and 500 mm or less. 真空チャンバーの中間部に設置した複数本の電極に電圧を印加することにより熱プラズマを前記真空チャンバー内で生成し、
前記複数本の電極の中心位置よりも鉛直方向の下側に設けられる材料供給口から前記真空チャンバー内へ供給される材料の粒子が、前記材料供給口からの、鉛直方向の下側から鉛直方向の上向きに前記材料の粒子の流れを制御するガスによって前記熱プラズマの領域中を通過するときに、蒸発又は気化して材料ガスとなり、
さらに、前記電極と前記真空チャンバーの排出口との間において、前記電極の近くに設けられる複数段のガス導入口のうち、噴出角度が鉛直上方向に対して75°以上150°以下である少なくとも1段のガス導入口である中心部ガス冷却用のガス導入口から導入される冷却ガスが、前記プラズマの中心部で衝突することで一部が下方へ流れて、前記熱プラズマの中心部の領域から抜けた瞬間の前記材料ガスに対して噴き付けられ、
前記中心部ガス冷却用のガス導入口より、前記電極に近い側に設置され、前記噴出角度を有する前記中心部ガス冷却用のガス導入口とは異なる、噴出角度が鉛直上方向に対して、15°以上90°以下である側面ガス冷却用のガス導入口から導入される冷却ガスが、斜め上方へ流れて、前記熱プラズマの側面の領域から抜けた瞬間の前記材料ガスに対して噴き付けられ、前記材料ガスが急激に冷やされて微粒子を生成する、微粒子製造方法。
Thermal plasma is generated in the vacuum chamber by applying a voltage to a plurality of electrodes installed in the middle part of the vacuum chamber.
The particles of the material supplied into the vacuum chamber from the material supply port provided on the lower side in the vertical direction from the center positions of the plurality of electrodes are from the lower side in the vertical direction to the vertical direction from the material supply port. As it passes through the region of the thermal plasma by a gas that controls the flow of particles of the material upwards , it evaporates or vaporizes into the material gas.
Further, in between the electrode and the vacuum chamber of the outlet, of the gas inlet of the plurality of stages that are provided in the vicinity of the electrode, with respect to the vertical upward direction is ejected angle at 75 ° or 150 ° or less A part of the cooling gas introduced from the gas inlet for cooling the central gas, which is at least one stage of the gas inlet, collides with the central portion of the plasma, and a part of the cooling gas flows downward to the center of the thermal plasma. It is sprayed on the material gas at the moment when it comes out of the area of the part,
With respect to the vertical upward direction, the ejection angle is different from the central gas cooling gas inlet, which is installed closer to the electrode and has the ejection angle from the central gas cooling gas inlet. The cooling gas introduced from the gas inlet for cooling the side gas, which is 15 ° or more and 90 ° or less, flows diagonally upward and is sprayed on the material gas at the moment when it escapes from the side region of the thermal plasma. al is, the material gas is cooled rapidly to produce a fine, particle production method.
前記熱プラズマを生成するとき、前記熱プラズマは、位相が互いに異なる電力を交流電源から前記電極としての複数本の電極に其々供給して、パルス的に放電させるプラズマである、請求項に記載の微粒子製造方法。 The eighth aspect of the present invention, wherein when the thermal plasma is generated, the thermal plasma is a plasma in which electric powers having different phases are supplied from an AC power source to a plurality of electrodes as the electrodes and discharged in a pulsed manner. The fine particle production method according to the above.
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