JP7142241B2 - Microparticle manufacturing apparatus and microparticle manufacturing method - Google Patents
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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、触媒材料、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。 The present invention provides, for example, an electrode material for lithium ion batteries, a catalyst material, a coating material for food packaging film materials, or an ink raw material used for electronic device wiring, etc., and a fine particle production apparatus and fine particle production. Regarding the method.
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, application of nanometer-order fine particles to various devices has been investigated. 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の含有率が低い一酸化シリコン(SiOx: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。 Furthermore, fine particles of silicon monoxide (SiOx: x = 1 to 1.6), which has a lower oxygen content than silicon dioxide, are utilized as vapor deposition materials for antireflection coatings for optical lenses or gas barrier films for food packaging. there is Recently, it is expected to be applied to negative electrode materials for 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、高周波放電、直流、又は交流アーク放電などの熱プラズマ(約10000℃)を利用し、気相中で微粒子を作製する方法がある。この熱プラズマを利用して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、及び、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。 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 finely divided by mechanical pulverization, or the material is melted and There are a method of obtaining fine particles by evaporating and injecting into air or water, and a method of chemically obtaining fine particles such as electrolysis or reduction. Among them, there is a method of producing fine particles in a gas phase using thermal plasma (about 10000° C.) such as high-frequency discharge, direct current, or alternating current arc discharge. This method of producing fine particles in the gas phase using this thermal plasma has few impurities (contamination), the produced fine particles have excellent dispersibility, and it is possible to synthesize composite fine particles composed of multiple types of materials. It is very useful from the viewpoint of being easy.
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鉛直方向に垂直な方向からみた概略断面図を示す。なお、便宜上、水平面内の一方向をx方向とし、鉛直上方をz方向としている。
反応室101には、材料供給装置110と、アーク放電を生成する複数本の電極104と、生成した微粒子118を回収する微粒子回収部103、反応室101にガスを供給するガス供給管(図示せず)と圧力を調整するバルブ及びガスを排気するポンプ113とを備えた構成をしている。ガス供給管からアルゴンガスを反応室101に導入し圧力を調整した後、複数の交流電源105から交流電力を複数本の電極104に印加することで熱プラズマであるアーク放電116を生成する。生成したアーク放電116に鉛直下方向から材料供給装置110内の材料粒子117をキャリアガスと一緒に導入する。導入した材料粒子117は、アーク放電116によって蒸発及び気化し、反応室101の上部で急冷及び凝固して微粒子118を生成する。生成された微粒子118は、反応室101内のガス流れに乗って、微粒子回収部103に導入され、微粒子回収部103内のフィルタによって回収される。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the apparatus for producing fine particles using thermal plasma of Conventional Example 1 as seen from a direction perpendicular to the vertical direction. For the sake of convenience, one direction in the horizontal plane is defined as the x direction, and the vertically upward direction is defined as the z direction.
The
図5(a)~(c)は、従来例1で使用した多相交流アークプラズマを高速度カメラで観測したある瞬間ごとの放電の様子を模式化した図である。図5(a)~(c)は、図4の電極104に囲まれてアーク放電116が生じている箇所について、+z方向からみた断面図(x-y平面)である。図5(a)~(c)に示した黒い三角印「▲」は、従来例1の図4で示した電極104の先端部120を表し、電極104は60°間隔に放射状に6本配置している。電極104、すなわち、電極E1から電極E6までに、交流電力をその位相を60°ずつずらしてそれぞれ印加することで、アーク放電116を平面方向に生成することができる。図5(a)~(c)で示す、ある瞬間のアーク放電領域121は、分光分析によるガス温度計測の結果、5000℃以上の高温領域を示している。図5の(a)に示すように、ある瞬間に、電極E1の先端部120からアーク放電D1が発生し、電極E4の先端部120からアーク放電D4が発生する。次の瞬間(図5の(b)参照)に、電極E2からアーク放電D2が発生し、電極E5からアーク放電D5が発生する。さらに、次の瞬間(図5の(c)参照)に、電極E3からアーク放電D3が発生し、電極E6からアーク放電D6が発生する。このように図5(a)から図5(c)に示すように、電極E1から時計回りに電極E6までアーク放電D1~D6が順次発生し、また電極E1へと繰り返し放電が発生する。その際、アーク放電D1自体も電極104に対し左側から右側にスイングしながら、他の電極104からの放電と重なってアーク放電領域121が大きくなり、次の瞬間には消えていく。この電極E1から電極E6までの放電は、交流電力の商用周波数である60Hzで駆動しており、1周期は16.7msで繰り返しアーク放電が発生する。
5(a) to 5(c) are diagrams schematically showing how the multi-phase AC arc plasma used in Conventional Example 1 is observed by a high-speed camera and how the discharge occurs at certain moments. FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views (xy plane) of a portion surrounded by the
しかしながら、電極E1から電極E6までの放電だけでは、全く処理されない(未処理)材料又は蒸発まで温度が足りず溶融で処理が終わってしまう材料が生成されてしまい、処理効率が低いといった課題があった。これは、時間的にアーク放電が存在しない領域122が存在し、材料がそこをすり抜けてしまうためだと考えられる。
However, the discharge from the electrode E1 to the electrode E6 alone generates a material that is not processed at all (unprocessed) or a material that is melted because the temperature is insufficient to evaporate, and the processing efficiency is low. rice field. It is believed that this is because there is a
本発明は、上述された従来の課題を考慮し、材料粒子の処理効率を向上させ、微粒子の生産量を増加させ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を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In consideration of the conventional problems described above, it is an object of the present invention to provide a fine particle production apparatus and a fine particle production method capable of improving the processing efficiency of material particles and increasing the production amount of fine particles.
前記目的を達成するために、本発明に係る微粒子製造装置は、鉛直方向下方から上方に沿って延在する反応室と、
前記反応室内の鉛直下方の一端側の中央部に接続されており、材料粒子を前記反応室内に材料供給口から鉛直上方に向けて供給する材料供給装置と、
前記材料供給装置より鉛直上方の前記反応室内の内周壁に、内向きの半径方向に突出して配置され、交流電力が印加される複数の下部電極を有する第1電極配置領域と、
前記第1電極配置領域より鉛直上方の前記反応室内の内周壁に、内向きの半径方向に突出して配置され、交流電力が印加される複数の上部電極を有する第2電極配置領域と、
前記反応室内の鉛直上方の他端側に接続されて微粒子を回収する回収部と、
前記第1電極配置領域に含まれる前記下部電極と前記第2電極配置領域に含まれる前記上部電極との少なくとも一方の電極に印加する交流電力の周波数を変更できる電源と、
前記下部電極に印加する交流電力の周波数を、前記上部電極に印加する交流電力の周波数以上の周波数に設定する制御部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極とによってアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子から微粒子を生成する。
In order to achieve the above object, a microparticle production apparatus according to the present invention includes a reaction chamber extending vertically from below to above;
a material supply device connected to a center portion of one end side vertically downward in the reaction chamber and supplying material particles vertically upward into the reaction chamber from a material supply port;
a first electrode placement region having a plurality of lower electrodes to which AC power is applied, protruding radially inward from the inner peripheral wall of the reaction chamber vertically above the material supply device;
a second electrode arrangement area having a plurality of upper electrodes to which alternating current power is applied, protruding radially inward from the inner peripheral wall of the reaction chamber vertically above the first electrode arrangement area;
a recovery unit connected to the other end side vertically above the reaction chamber for recovering fine particles;
a power source capable of changing the frequency of AC power applied to at least one of the lower electrode included in the first electrode placement region and the upper electrode included in the second electrode placement region;
a control unit for setting the frequency of the AC power applied to the lower electrode to a frequency equal to or higher than the frequency of the AC power applied to the upper electrode;
with
An arc discharge is generated by the lower electrode and the upper electrode to generate a plasma in the reaction chamber and produce fine particles from the material particles.
また、本発明に係る微粒子製造方法は、
鉛直下方から上方に沿って延在する反応室内の鉛直下方から上方に向って材料供給口から材料粒子を供給し、
前記材料供給口より鉛直上方の第1電極配置領域に配置された複数の下部電極に、交流電力を印加してアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子の少なくとも一部から微粒子を生成し、
前記第1電極配置領域より鉛直上方の第2電極配置領域に配置された複数の上部電極に、交流電力を印加してアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子の少なくとも一部から微粒子を生成し、
前記第2電極配置領域より鉛直上方で前記微粒子を回収する。
In addition, the method for producing fine particles according to the present invention includes:
supplying material particles from a material supply port vertically upward to a reaction chamber extending along the vertical downward to upward direction;
Alternating current power is applied to a plurality of lower electrodes arranged in the first electrode arrangement region vertically above the material supply port to generate arc discharge, thereby generating plasma in the reaction chamber, and removing at least the material particles. Generate fine particles from a part,
Alternating current power is applied to a plurality of upper electrodes arranged in a second electrode arrangement area vertically above the first electrode arrangement area to generate arc discharge, plasma is generated in the reaction chamber, and the material particles are generating fine particles from at least a portion of
The fine particles are collected vertically above the second electrode arrangement area.
本発明の前記態様によって、電極を複数本配置、多段の電極構成にして、材料粒子供給口側である第1電極配置領域の下部電極に印加する交流電力の周波数を商用周波数より高くしている。これによって、第1電極配置領域の中央部に供給された材料粒子が処理される確率が増加し、未処理材料を少なくすることができる。この結果、材料粒子の蒸発効率が高くなり、材料粒子を大量に処理することができるため、微粒子の生成量を上げ、低コストで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 aspect of the present invention, a plurality of electrodes are arranged in a multistage electrode structure, and the frequency of the AC power applied to the lower electrode in the first electrode arrangement region on the material particle supply port side is higher than the commercial frequency. . This increases the probability that the material particles supplied to the central portion of the first electrode arrangement area are processed, and can reduce the amount of unprocessed material. As a result, the evaporation efficiency of the material particles is increased, and a large amount of material particles can be processed, so that the amount of particles generated can be increased, and the production of particles at low cost is possible. can be done.
第1の態様に係る微粒子製造装置は、鉛直方向下方から上方に沿って延在する反応室と、
前記反応室内の鉛直下方の一端側の中央部に接続されており、材料粒子を前記反応室内に材料供給口から鉛直上方に向けて供給する材料供給装置と、
前記材料供給装置より鉛直上方の前記反応室内の内周壁に、内向きの半径方向に突出して配置され、交流電力が印加される複数の下部電極を有する第1電極配置領域と、
前記第1電極配置領域より鉛直上方の前記反応室内の内周壁に、内向きの半径方向に突出して配置され、交流電力が印加される複数の上部電極を有する第2電極配置領域と、
前記反応室内の鉛直上方の他端側に接続されて微粒子を回収する回収部と、
前記第1電極配置領域に含まれる前記下部電極と前記第2電極配置領域に含まれる前記上部電極との少なくとも一方の電極に印加する交流電力の周波数を変更できる電源と、
前記下部電極に印加する交流電力の周波数を、前記上部電極に印加する交流電力の周波数以上の周波数に設定する制御部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極とによってアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子から微粒子を生成する、微粒子製造装置。
A microparticle production apparatus according to a first aspect includes a reaction chamber extending vertically from below to above,
a material supply device connected to a center portion of one end side vertically downward in the reaction chamber and supplying material particles vertically upward into the reaction chamber from a material supply port;
a first electrode placement region having a plurality of lower electrodes to which AC power is applied, protruding radially inward from the inner peripheral wall of the reaction chamber vertically above the material supply device;
a second electrode arrangement area having a plurality of upper electrodes to which alternating current power is applied, protruding radially inward from the inner peripheral wall of the reaction chamber vertically above the first electrode arrangement area;
a recovery unit connected to the other end side vertically above the reaction chamber for recovering fine particles;
a power source capable of changing the frequency of AC power applied to at least one of the lower electrode included in the first electrode placement region and the upper electrode included in the second electrode placement region;
a control unit for setting the frequency of the AC power applied to the lower electrode to a frequency equal to or higher than the frequency of the AC power applied to the upper electrode;
with
A microparticle manufacturing apparatus, wherein arc discharge is generated by the lower electrode and the upper electrode to generate plasma in the reaction chamber, thereby generating microparticles from the material particles.
第2の態様に係る微粒子製造装置は、上記第1の態様において、前記第1電極配置領域に含まれる前記下部電極の先端同士で形成される円の直径は、前記第2電極配置領域に含まれる前記上部電極の先端同士で形成される円の直径以下となるように前記下部電極及び前記上部電極を配置していてもよい。 In the fine particle manufacturing apparatus according to a second aspect, in the above first aspect, the diameter of the circle formed by the tips of the lower electrodes included in the first electrode arrangement area is included in the second electrode arrangement area. The lower electrode and the upper electrode may be arranged so that the diameter of the circle formed by the tip ends of the upper electrode is equal to or less than the diameter of the circle.
第3の態様に係る微粒子製造装置は、上記第1又は第2の態様において、前記第1電極配置領域に含まれる前記下部電極と前記第2電極配置領域に含まれる前記上部電極は、前記材料粒子が流れる鉛直下方から鉛直上方を見た時に前記下部電極と前記上部電極とが互いに重ならない用に配置していてもよい。 In the fine particle manufacturing apparatus according to a third aspect, in the first or second aspect, the lower electrode included in the first electrode arrangement region and the upper electrode included in the second electrode arrangement region are made of the material The lower electrode and the upper electrode may be arranged so as not to overlap each other when viewed vertically from below where the particles flow.
第4の態様に係る微粒子製造装置は、上記第3の態様において、前記下部電極と前記上部電極とは、鉛直上方からみて相対的に30°ずれた配置をしていてもよい。 In a fine particle production apparatus according to a fourth aspect, in the third aspect, the lower electrode and the upper electrode may be arranged with a relative displacement of 30° when viewed vertically from above.
第5の態様に係る微粒子製造装置は、上記第1から第4のいずれかの態様において、前記材料粒子が流れる鉛直下方から鉛直上方への方向を含む平面に前記下部電極及び前記上部電極を投影した時に、前記上部電極および前記下部電極は、同一方向に傾斜しており、前記上部電極は、水平もしくは、水平面に対する角度が前記下部電極の水平面に対する角度より小さくなるように設置されていてもよい。 A fifth aspect of the microparticle production apparatus according to any one of the first to fourth aspects is that the lower electrode and the upper electrode are projected onto a plane including the direction from the vertically downward direction to the vertically upward direction in which the material particles flow. In this case, the upper electrode and the lower electrode are inclined in the same direction, and the upper electrode may be horizontal or arranged so that the angle with respect to the horizontal plane is smaller than the angle with respect to the horizontal plane of the lower electrode. .
第6の態様に係る微粒子製造方法は、鉛直下方から上方に沿って延在する反応室内の鉛直下方から上方に向って材料供給口から材料粒子を供給し、
前記材料供給口より鉛直上方の第1電極配置領域に配置された複数の下部電極に、交流電力を印加してアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子の少なくとも一部から微粒子を生成し、
前記第1電極配置領域より鉛直上方の第2電極配置領域に配置された複数の上部電極に、交流電力を印加してアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子の少なくとも一部から微粒子を生成し、
前記第2電極配置領域より鉛直上方で前記微粒子を回収する。
A fine particle manufacturing method according to a sixth aspect supplies material particles from a material supply port vertically upward in a reaction chamber extending vertically downward to upward,
Alternating current power is applied to a plurality of lower electrodes arranged in the first electrode arrangement region vertically above the material supply port to generate arc discharge, thereby generating plasma in the reaction chamber, and removing at least the material particles. Generate fine particles from a part,
Alternating current power is applied to a plurality of upper electrodes arranged in a second electrode arrangement area vertically above the first electrode arrangement area to generate arc discharge, plasma is generated in the reaction chamber, and the material particles are generating fine particles from at least a portion of
The fine particles are collected vertically above the second electrode arrangement area.
第7の態様に係る微粒子製造方法は、上記第6の態様において、前記下部電極に印加する交流電力の周波数を、前記上部電極に印加する交流電力の周波数以上の周波数に設定してもよい。50Hz以上1000Hz以下の周波数に設定することが望ましい。 A fine particle manufacturing method according to a seventh aspect may be such that, in the sixth aspect, the frequency of the AC power applied to the lower electrode is set to a frequency equal to or higher than the frequency of the AC power applied to the upper electrode. It is desirable to set the frequency to 50 Hz or more and 1000 Hz or less.
以下、添付図面を参照しながら、実施の形態に係る微粒子製造装置について詳細に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。 Hereinafter, fine particle production apparatuses according to embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code|symbol is attached|subjected about the substantially same member in drawing.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る微粒子製造装置20の鉛直方向に垂直な方向からみた概略断面図を示す。図2Aは、第1実施形態に係る微粒子製造装置において上部電極近傍の第2電極配置領域での+z方向からみた概略一部断面図(x-y平面図)である。図2Bは、下部電極近傍の第1電極配置領域での+z方向からみた概略一部断面図(x-y平面図)である。なお、便宜上、水平面内の一方向をx方向とし、鉛直上方をz方向としている。図1、図2A及び図2B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。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a fine
第1実施形態に係る微粒子製造装置20は、少なくとも、反応室の一例としての反応室1と、材料供給装置10と、アーク放電16を生成する複数本の上部電極4a及び下部電極4bと、生成した微粒子18を回収する回収部の一例としての微粒子回収部3とを備えている。この微粒子製造装置20によって、反応室1内でアーク放電16を発生させ、材料粒子17から微粒子18を製造できる。
The
さらに、第1実施形態に係る微粒子製造装置20では、前記構成に加えて、材料供給管11と、材料粒子17及び材料が気化した原料ガスの流れを制御する放電ガス供給管14と、気化した原料ガスを冷却する冷却ガス供給管15とが設置されている。また、微粒子回収部3の後段には、配管80を介して、圧力調整バルブ6と、排気ポンプ7とを設けて、反応室1内の圧力を調整できる構成になっている。
Furthermore, in the fine
以下、この微粒子製造装置20の構成について、詳細に説明する。
The configuration of this fine
<材料供給装置>
材料供給装置10は、反応室1の底部下方に配置されて、材料供給管11の上端の材料供給口12からキャリアガスによって材料粒子17を反応室1内に上向きに供給している。
<Material supply device>
The
反応室1の側壁には、図示しない水冷機構を有している。さらに、反応室1の側壁の内面は、アーク放電16の熱を保持するため、炭素材料からなる円筒状の断熱部材2で覆われた構造になっている。断熱部材2の具体的な1つの実施例としては、断熱部材2の材料として炭素系材料を使用することができるが、作製する微粒子の種類又は使用するデバイスの種類によって、不純物が入りにくい材料(たとえば、セラミック系材料など)を使用してもよい。
A side wall of the
<放電ガス供給管>
放電ガス供給管14は、反応室1の下側の複数の放電ガス供給管であって、断熱部材2の下側に、反応室1の中央向きに放電ガス供給可能に反応室1の中心軸周りに所定間隔毎に放射状に配置されている。具体的には、各放電ガス供給管14は、材料供給口12よりも反応室1の下部側に開口が配置され、ガス供給装置30からガス流量調整器31を介して、放電ガスを供給している。例えば、放電ガス供給管14は、水平面(x-y平面)から鉛直上向きに30°かつ図2Bに示すように水平面内の半径方向(内向き方向)から45°傾斜した方向に噴出させることで、ガスを旋回流として供給できる構造になっている。このように放電ガス供給管14は、鉛直上向き30°でかつ水平面内の半径方向から45°傾斜した方向にガスを供給しているが、これに限られるものではなく、上部電極4aと下部電極4bとの間の領域で中心部に向かうガス流れが放電ガス供給管14で生成されればよい。
<Discharge gas supply pipe>
The discharge
<冷却ガス供給管>
冷却ガス供給管15は、反応室1の上側の複数の冷却ガス供給管であって、断熱部材2の上側に、反応室1の中央向きに冷却ガス供給可能に反応室1の中心軸周りに所定間隔毎に放射状に配置されている。具体的には、冷却ガス供給管15は、上部電極4aよりも反応室1の上部側に開口が配置され、ガス供給装置30からガス流量調整器31を介して、冷却ガスを供給している。例えば、冷却ガス供給管15は、水平面(x-y平面)から鉛直上向き30°でかつ図2aに示すように水平面内で半径方向(内向き方向)に冷却ガスを噴出させている。これによって、アーク放電16により蒸発及び気化したガスを効率良く冷却し、作製する微粒子18の粒子径を制御することができる。
<Cooling gas supply pipe>
The cooling
<第1電極配置領域及び第2電極配置領域>
上部電極4aと下部電極4bとは、所定間隔をあけて上下二段に配置されるように、断熱部材2の上部と下部とにそれぞれ配置されている。具体的には、材料供給口側の第1電極配置領域(下部電極配置領域)81に下部電極4bが配置されている。また、第1電極配置領域81から微粒子回収部側に離れた第2電極配置領域(上部電極配置領域)82に上部電極4aが配置されている。第1電極配置領域81と第2電極配置領域82とは、材料供給口12の近傍から微粒子回収部3までの間で材料粒子17が流れる方向(例えば下から上向きの方向)に対してそれぞれ交差する(例えば直交する)。各領域81,82は、例えば1つの平面で構成され、平面内に所定角度間隔をあけて複数本の電極4b,4aがそれぞれ、面沿いに又は面に対して所定角度傾斜して、配置されていてもよい。
<First electrode placement region and second electrode placement region>
The
一例として、アーク放電16を生成させる金属製の上部電極4a及び下部電極4bは、図1、図2A、図2Bに示すように、上下に2段に配置することができる。具体的には、例えば、上部電極4aは、水平方向に対して鉛直上向き5°だけ傾斜しつつ内向きの半径方向に突出して配置されている。また、上部電極4aは、反応室1の円筒状の内周壁に60°間隔で放射状に並列に6本配置されている。下部電極4bは、水平方向に対して鉛直上向き30°だけ傾斜しつつ内向きの半径方向に突出して配置されている。また、下部電極4bは、反応室1の円筒状の内周壁に60°間隔で放射状に並列に6本配置されている。さらに、図2A及び図2Bに示すように、材料粒子17が流れる方向(例えば、鉛直下方から上向きの方向)から見た時に、上部電極4aと下部電極4bとは重ならないように配置している。つまり、反応室1の鉛直上方又は下方からみて、上部電極4aと下部電極4bとはz軸について相対的に30°ずれて配置されている。
また、上部電極4a及び下部電極4bを材料粒子17が流れる方向へ対して水平もしくは傾斜させることによって、粘性の高い熱プラズマにはじかれることなく、材料粒子をプラズマに導入することができる。さらに、上部電極4aと下部電極4bは、同一方向に傾斜しており、かつ上部電極4aの設置角度にくらべ、下部電極4bの設置角度を材料粒子が流れる方向に角度を大きくすることで、材料を中央の上昇気流に材料を乗せることができ、材料の広がりを抑制することができる。これらのことより材料処理効率を上昇させることができる。
As an example, the metal
Further, by making the
また、下部電極4bの先端同士で形成される円の直径は、上部電極4aの先端同士で形成される円の直径より小さい電極配置にしている。これは、下部電極4bは、材料供給口12に非常に近い位置にあるため、材料供給口12から導入される材料粒子17が、下部電極4bで発生したアーク放電(高温領域)16に導入される確率が高い。また、放電面積が小さい方が、電力密度が高く高温になるため、下部電極4bの先端同士で形成される円の直径は狭いほうが良い。逆に、上部電極4aは、材料供給口12から距離が遠く、複雑なガスの流れのために、下部電極4bによるアーク放電16で処理された材料及び/又は材料供給口12から流れてきた未処理材料を含む材料粒子17の分布が非常に大きくなると考えられる。そのため、上部電極4aの先端同士で形成される円の直径は広いほうが、上部電極4aによるアーク放電16で処理される効率が高くなると考えられる。
Further, the diameter of the circle formed between the tips of the
上部電極4a及び下部電極4bは金属電極でそれぞれ構成され、作製する微粒子18の不純物として金属材料が混ざらないようにするため、水冷及び冷却ガスを流して、金属電極の蒸発による消耗を低減させている。また、上部及び下部電極4a、4bの材料の一例として、高融点金属であるタングステン電極に酸化ランタン(ランタナ)を数%程度混ぜた材料を使用することができるが、これに代えて、タングステンやタンタルなどの他の高融点金属、タングステンにトリウム、セリウムやイットリウムなどを数%混ぜた電極材料又は炭素材料で構成される電極を使用してもよい。
The
一例として実施例では、6本の上部電極4aと6本の下部電極4bを2段の放射状に配置しているが、これに限られない。例えば、電極数は6の倍数であれば、電極本数を増やしてもよい。また、12本の電極を同一平面に配置したり、6本の下部電極と12本の上部電極による2段構造、3段以上の更なる多段化した電極配置にしてもよい。このような構成の電極により発生させるプラズマの例としての多相交流アークプラズマは、他の熱プラズマを発生させる方法に比べて電極配置の自由度が高い。そのため、材料粒子17を蒸発させるアーク放電(熱プラズマ)16の大きさ又は形状を自由に設計することができる。そのため、多相交流アークプラズマとしては、縦長放電にしたり、平面的に面積の大きな放電にしたり、処理に合わせた任意の放電形状にすることができ、処理効率の向上又は処理量の増大させることが可能である。
As an example, in the embodiment, six
上部及び下部電極4a、4bには、其々n個(nは2以上の整数。例えば各電極が6本の場合にはn=6である。)の上側及び下側の交流電源5a,5bとが接続されている。具体的には、上側の第1交流電源5a-1、上側の第2交流電源5a-2、上側の第3交流電源5a-3,・・・、上側の第n交流電源5a-nと、がインバータ40に接続されている。また、下側の第1交流電源5b-1、下側の第2交流電源5b-2、下側の第3交流電源5b-3,・・・、下側の第n交流電源5b-nと、がインバータ41に接続されている。インバータ40及びインバータ41によって、交流電源5a,5bから複数の上部電極4aと、複数の下部電極4bとにそれぞれ位相をずらした交流電力を印加し、熱プラズマであるアーク放電16を生成する。
Upper and
上部及び下部電極4a、4b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8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構成している。電極駆動装置8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4a,4bを軸方向に進退させるものである。
The upper and
<微粒子回収部>
微粒子回収部3は、反応室1の上端に接続されて配置され、配管80を通じて排気ポンプ7により排気され、反応室1で生成された微粒子18を回収している。複数本の電極4a,4bは、反応室1の中間部の側部に、内部に先端が突出するように所定間隔をあけて上下二段に配置され、反応室1内で熱プラズマ(すなわち、アーク放電)16を発生させ、発生させた熱プラズマ16により、材料供給装置10から供給された材料粒子17から微粒子18を製造している。
<Fine particle recovery part>
The fine
なお、制御装置100は、材料供給装置10と、微粒子回収部3と、圧力調整バルブ6と、排気ポンプ7と、ガス供給装置30と、各ガス流量調整器31と、交流電源5a,5bと、各電極駆動装置8と、にそれぞれ接続されている。この制御装置100によって、それぞれの動作を制御可能としている。
The
上記構成の装置を用いて、アーク放電を生じさせて、プラズマを発生させるための交流電力の周波数を変化させた場合の結果を説明する。図3(a)~(c)は、バンドパスフィルターを介して高速度カメラで計測した多相交流アークプラズマの一周期のアーク放電の存在確率分布を示す模式図である。図1に示した第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の上部電極4aに印加する交流電源5a-nの前段にインバーター40を介すことで、交流電源5a-nから出力される電力の周波数を60Hz(図3(a))、120Hz(図3(b))、180Hz(図3(c))と変化させた。アーク放電で発生するプラズマ光をアルゴン(Ar)の原子性発光の二波長のバンドパスフィルター(675±1.5nm、794±1.5nm)で分光した光を高速度カメラにて観測を行った。図3(a)は、プラズマの駆動周波数が通常の60Hzのときを示し、外周の黒い三角印「▲」は、上部電極4aの6本の先端部を示す。灰色から黒色までの色がついている部分は、分光分析によるガス温度計測の結果、7000℃以上の高温領域の一周期(16.8ms)間のアーク放電が存在していた確率分布を示す。つまり、濃淡はアーク放電の存在確率の高低に対応しており、濃くなる、つまり黒色に近づくにつれてアーク放電の存在確率が高くなる。図3(a)では、図3(b)、図3(c)の駆動周波数が高いときに比べ、アーク放電が存在していた領域が大きいことが分かる。これは、前記したようにアーク放電が60Hzの周波数で左右に大きくスイングしたことを示している。また、中央部の色の濃い部分は確率0.7を示し、一周期中の70%の時間が7000℃以上であったことを示している。図3(b)、(c)とプラズマを駆動する周波数を高くするとプラズマの存在確率分布は、中央部分に集まっていく。駆動周波数180Hzの図3(c)では、アーク放電の電極近傍の広がりは図3(a)の場合に比べて小さいが、第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の中央部では、アーク放電の存在確率1.0になり、7000℃以上のアーク放電が一周期中絶えず滞在していたことを示す。
The result of changing the frequency of AC power for generating arc discharge and generating plasma using the above-configured apparatus will be described. FIGS. 3A to 3C are schematic diagrams showing the existence probability distribution of arc discharge in one cycle of multiphase AC arc plasma measured with a high-speed camera through a bandpass filter. Electric power output from the
図3の結果を基に、材料供給口側の第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の下部電極4bに接続したインバーター41を設置する構成にすることで、交流電源5b-nから出力される交流電力は商用周波数である60Hzより高い周波数を印加することができる。今回は、商用周波数として60Hzを使用したが、50Hzでもよい。また、50Hz以上1000Hz以下の周波数に設定することが望ましい。300Hzを越える周波数では、図3(c)に示したように中央に集中していき、放電分布はほとんど変化がなくなる。このため特に、50Hz以上300Hz以下の周波数に選択することがよい。この構成にすることで、材料供給口12近傍で広がっていない材料粒子17を、効率良くアーク放電に導入でき、処理効率を上げることができる。また、材料をたくさん導入するような場合も、中央部にアーク放電が常に滞在するため、アーク放電に当たらずすり抜ける粒子の割合を極端に下げることができ、処理効率を上げることができる。また、微粒子回収部側の第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の上部電極4aに接続したインバーター40を設置する構成としている。こうすることで、交流電源5a-nから出力される交流電力は、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の下部電極4bに接続したインバーター41により交流電源5b-nで出力される交流電力の周波数以下の周波数に設定することができる。微粒子回収部側の第2電極配置領域(上部電極配置領域)82では、材料供給口12から遠く離れており、さらに、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81を通過する。そのため、材料粒子17や処理途中の材料は、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81に比べて大きく広がる。
そこで、制御部100により第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の上部電極4aに印加する交流電力の周波数を第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の下部電極4bに印加する交流電力の周波数以下の周波数にしている。これによって、第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の上部電極4aによるアーク放電の面積を広げ、材料粒子の処理効率を向上させることができる。
Based on the results of FIG. 3, by installing the
Therefore, the frequency of the AC power applied to the
また、本実施形態では、インバーター40、41を設置して交流電源5a-n、5b-nの出力周波数を商用周波数である60Hzより高くしたが、交流電源5a-n、5b-nに周波数を可変できる機能が備わった交流電源を使用してもよい。
In this embodiment, the
微粒子回収部3は、反応室1の上端に接続されて配置され、配管80を通じて排気ポンプ7により排気され、反応室1で生成された微粒子18を回収している。複数本の電極4a,4bは、反応室1の中間部の側部に、内部に先端が突出するように所定間隔をあけて上下二段に配置されている。この上部電極4a及び下部電極4bによって、反応室1内で熱プラズマ(すなわち、アーク放電)16を発生させ、発生させた熱プラズマ16により、材料供給装置10から供給された材料粒子17から微粒子18を製造している。
The fine
<微粒子製造方法>
前記構成に係る微粒子製造装置を使用する微粒子製造方法は、
アーク放電によって熱プラズマ16を生成し、
材料粒子17を熱プラズマ16に供給し、
微粒子18を生成する、
といった3つのステップで少なくとも構成されている。これらの動作は、制御装置100で動作制御されることにより自動的に実施可能である。
<Fine particle production method>
A fine particle manufacturing method using the fine particle manufacturing apparatus according to the above configuration includes:
generating a
supplying
generating
It consists of at least three steps. These operations can be automatically performed under the control of the
まず、反応室1内で、材料粒子17が流れる方向に2段以上になるように並列に配置した上部電極4a及び下部電極4bに交流電力をそれぞれに印加する。これによって、上部電極4a及び下部電極4bのそれぞれによってアーク放電が生じ、材料粒子17が流れる方向(すなわち、鉛直下方から鉛直上方、z方向)に向かって縦長の熱プラズマ16を生
成する。
First, in the
次いで、材料供給装置10の材料供給口12から熱プラズマ16の領域内に材料粒子17を供給する。
Next,
次いで、材料粒子17が、熱プラズマ16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、材料ガスが熱プラズマ16の領域から抜けた瞬間、材料ガスが急激に冷やされて微粒子18を生成する。
Next, when the
以下、この微粒子製造方法について、実際に行う手順に沿って詳しく説明する。 In the following, this fine particle production method will be described in detail along with the actual procedure.
始めに、反応室1と微粒子回収部3と材料供給装置10とを排気ポンプ7によって数10Paまで排気することで、大気の酸素の影響を低減させる。
First, the
次に、ガス供給装置30からガス流量調整器31を介して、材料供給装置10と放電ガス供給管14と冷却ガス供給管15とにそれぞれガスを供給し、排気ポンプ7の前段に取付けた圧力調整バルブ6で反応室1内の圧力を調整する。反応室1の下側の放電ガス供給管14からは、複数個の供給口からガスを供給して、水平面から鉛直上向きに30°かつ図2bに示すように水平面内の内向き半径方向から45°傾斜した方向に噴出させる。これによって、ガスを旋回流として供給することができる。
Next, gas is supplied from the
反応室1の上側の冷却ガス供給管15は、複数個の供給口からガスを反応室1内に供給して、水平面(x-y平面)から鉛直上向き30°かつ図2aに示すように水平面内で内向き半径方向に冷却ガスを噴出させている。これによって、アーク放電16により蒸発及び気化したガスを効率良く冷却し、作製する微粒子18の粒子径を制御することができる。
The cooling
一例として、この第1実施形態の1つの実施例では、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30から放電ガス供給管14と冷却ガス供給管15とを介してアルゴンをそれぞれ供給している。具体的には、反応室1内を、アルゴンの不活性ガス雰囲気の0.3気圧以上1.2気圧以下の所望の圧力に維持して、以下の微粒子製造工程を行った。ここでは、放電ガス及び冷却ガスとして不活性ガスを使用するが、例えば両ガスともアルゴンを使用してもよい。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30から放電ガス供給管14と冷却ガス供給管15とを介して、微量の水素ガス及び微量の炭化系ガスを混合して導入してもよい。また、同様に材料を酸化、窒化、又は炭化させたり、炭素膜コーティングするために、微量の酸素ガス、窒素ガス、又は炭化系ガスを混合させてもよい。
As an example, in one example of the first embodiment, in order to produce fine silicon particles, gas is supplied from the
次に、アーク放電16を生じさせ、熱プラズマを生成させる。一例として、アーク放電16を生成させる金属製の上部電極4a及び下部電極4bは、図1、図2A、図2Bに示すように、上下に2段に配置する。具体的には、例えば、上部電極4aは、水平もしくは、水平方向に対して鉛直上向き5°で内向きの半径方向に突出して配置されている。また、上部電極4aは、反応室1の円筒状の内周壁に60°間隔で放射状に並列に6本配置されている。下部電極4bは、上部電極4aと同一方向で水平方向に対して鉛直上向き30°で内向きの半径方向に突出して配置されている。また、下部電極4bは、反応室1の円筒状の内周壁に60°間隔で放射状に並列に6本配置されている。さらに、図2A及び図2Bに示すように、材料粒子17が流れる方向(例えば、鉛直下方から上向きの方向)から見た時、上部電極4aと下部電極4bとは重ならないように配置している。つまり、反応室1の鉛直上方又は下方からみて、上部電極4aと下部電極4bとはz軸について互いに30°ずれて配置されている。
An
これらの上部及び下部電極4a、4bの隣り合うそれぞれの電極には、上側及び下側の交流電源5a,5bから交流電力を印加する。一例としては、上部電極4aの6本、下部電極4bの6本にそれぞれ位相を60°ずつずらした60Hzの交流電力を6個ずつの交流電源5a,5bから印加し、約10000℃の熱プラズマである縦長のアーク放電16を生成した。一例として、上部電極4aが6本、及び、下部電極4bが6本の場合には、それぞれ、位相を60°ずつずらした交流電力を印加することができるが、上部電極4a及び下部電極4bを合わせた12本に、位相を30°ずつずらした60Hzの交流電力を印加してもよい。これにより、上下のアーク放電16が繋がりやすく、より鉛直方向に縦長のアーク放電16を形成し、面内分布も改善される。
Alternating current power is applied from upper and lower alternating
前記交流電力印加後に、アーク放電16を着火させるときには、任意の2本ずつもしくは3本ずつの上部及び下部電極4a,4bを電極駆動装置8により反応室1の中心側に移動させる。アーク放電16が着火後、其々上部及び下部電極4a、4bにかかる電流が一定になるように調整し、其々上部及び下部電極4a、4bを放射線方向(放射状に配置した其々上部及び下部電極4a、4bの先端同士で形成される円の中心位置から外側に向かう方向)に電極駆動装置8により移動させ、上部及び下部電極4a、4bをそれぞれ所望の位置にする。
When the
次に、処理する材料の供給を開始する。一例として、微粒子18の原料となる材料粒子17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、プラズマの条件にも依存するが100ミクロン以下の粒子径であれば、熱プラズマ16にて蒸発し、ナノメートルオーダーの微粒子18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を使用すると、材料を完全に蒸発させることができず、生成される微粒子がミクロンメートルオーダーに大きくなってしまうことがある。
Next, the supply of material to be processed is started. As an example, the
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を導入した器の回転数とによって材料の供給量を制御して、粉末材料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よいが、供給する粉末材料の量又は粉末材料の種類又は粒子径によって、粉末材料供給装置の方式を使い分ける。
As an example of the
図1に示すように、材料粒子17は、材料供給装置10から材料供給管11に送られ、材料供給口12から反応室1内に導入される。反応室1内に導入された材料粒子17は、アーク放電16の中を通過するときに、蒸発及び気化して材料粒子17はガス化する。
As shown in FIG. 1,
図3の結果を基に、材料供給口側の第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の下部電極4bに接続したインバーター41により、交流電源5b-nから出力される交流電力は商用周波数である50Hzもしくは60Hzより高い周波数を印加したほうがよい。特に、50Hz以上1000Hz以下の周波数に設定することが望ましい。これは、第1電極配置領域は、材料供給口12に近く、材料粒子17が広がらないため、第1電極配置領域81の中央部に材料が集中する。特に、交流電源5b-nの周波数を50Hz以上、300Hz以下とすることで、アーク放電の7000℃以上の高温領域を中央部に常に存在させることで処理効率を増加させることができる。また、材料をたくさん導入するような場合も、中央部にアーク放電が常に存在するため、処理効率を上げることができる。300Hzを越えると、放電分布は大きく変化しないため、変更しても処理効率は変わらない。一例として、ここでは、下部電極4bに接続したインバーター41により、交流電源5b-nの周波数を180Hzとしている。
Based on the results of FIG. 3, the
また、微粒子回収部側の第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の上部電極4aに接続したインバーター40により、交流電源5a-nから出力される交流電力は、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の下部電極4bに接続したインバーター41により交流電源5b-nで出力される交流電力の周波数以下の周波数であることが望ましい。微粒子回収部側の第2電極配置領域(上部電極配置領域)82では、材料供給口12から遠く離れている。さらに、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81を通過するため、材料粒子17や処理途中の材料は、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81に比べ大きく広がる。そこで、図3(a)で示したように、交流電源5a-nから出力される交流電力の周波数を低くすることで、アーク放電領域を広げ、処理効率を向上させることができる。一例として、ここでは、上部電極4aに接続したインバーター40により、交流電源5a-nの周波数を60Hzとしている。
In addition, the
一般に、材料が供給された場所のアーク放電(熱プラズマ)は、材料粒子17の蒸発にプラズマの熱が奪われてしまうため、材料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1kHz以上の高周波を連続的放電に連続的に材料を投入する場合では、材料の蒸発によってプラズマの温度が下がってしまい、材料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。また、所望の粒子径の微粒子を製造したり、製造した微粒子の粒径分布を良化させるためには、材料の投入量を制限するしかなく、処理量が低下してしまう。
Generally, in the arc discharge (thermal plasma) at the location where the material is supplied, the heat of the plasma is taken away by the evaporation of the
これに対して、第1実施例で用いた上部及び下部電極4a、4bで生成するアーク放電(多相交流アークプラズマ)16は、上部電極4aと下部電極4bとに、それぞれ位相が互いに異なる交流電力を印加することによって生成している。そのため、アーク放電がパルス状になっており、常に高温の熱プラズマを生成することができる。
On the other hand, the arc discharge (polyphase alternating current arc plasma) 16 generated by the upper and
アーク放電16又はICPトーチなどの熱プラズマは、粘性気体であるため、ある速度を有した材料粒子17でないと、アーク放電16の中に導入されず処理されない。このため、上部電極4a又は下部電極4bをガス又は材料粒子17が流れる方向に傾斜させておくと、ガス又は放電の流れによって材料粒子17をアーク放電16に導入しやすくなり、処理効率を上げることができる。
Since the
材料供給装置10及び材料供給口12は、アーク放電16の鉛直方向(z方向)の下側に設置されている。本微粒子製造装置では、アーク放電16の鉛直方向の下側から材料粒子17を供給する。そこで、アーク放電16にはじかれた未処理の材料粒子は、重力によって鉛直方向の下側に落ち、アーク放電16の上方に位置しかつ処理された微粒子18と分離することができる。これらの未処理の材料粒子は、反応室1の底部でかつ材料供給口12の下側にカバー13で仕切られた未処理材料貯蔵部86に溜まる。この未処理材料貯蔵部86に溜まった材料は、材料供給装置10に戻し、再利用することも可能で、材料利用効率を上げることができる。
The
最後に、図1に示すように、アーク放電16により生成された微粒子18は、放電ガス供給管14からのガスの流れと、アーク放電16による上昇気流又はガスの排気による流れとにより微粒子回収部3に運ばれる。図示していないが、微粒子回収部3には、例えば、任意の微粒子径以上の微粒子を分級できるサイクロンと、所望の微粒を回収できるバグフィルタとが取付けられていてもよい。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(酸素を含んだ気体)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とが好ましい。これにより、シリコン微粒子の表面は、数ナノメートルの表面酸化膜を有するため、安全に取出すことが可能になる。これらの上記のプロセスにより、バグフィルタからは10ナノメートル以上300ナノメートル以下のシリコン微粒子を回収することができる。
Finally, as shown in FIG. 1, the
なお、第1実施形態では、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、生成する微粒子は、シリコンに限られない。例えば、フラーレン又はナノチューブをはじめとする炭素物質、若しくはニッケル(Ni)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉄(Fe)などの金属、又は、ガラス(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)、アルミナ(Al2O3)、若しくは窒化ボロン(BN)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よい。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(SiOx:x=1~1.6)、窒化シリコン(SiNx:x=0.1~1.3)又は炭化シリコン(SiCx:x=0.1~1)の微粒子を生成してもよい。さらには、内側にシリコンの核を有し、外側には非晶質酸化シリコン、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 the fine particles to be produced are not limited to silicon. For example, carbon materials such as fullerenes or nanotubes, or metals such as nickel (Ni), silver (Ag), copper (Cu), iron (Fe), or glass (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), Fine particles may be generated using an inorganic material such as silicon carbide (SiC), alumina (Al 2 O 3 ), or boron nitride (BN) as a fine particle generating material. In addition, by reacting with the gas introduced into the
また、上記に記載した材料や他の材料の球状化処理にも使用できる。材料の供給速度を上げたり、材料粒子17の粒子径を大きくしてやることで、材料粒子17の表面を融点以上の温度に上げ、冷却できるため球状の粒子を生成することができる。
It can also be used for the spheroidizing treatment of the materials described above and other materials. By increasing the supply speed of the material or increasing the particle size of the
前記第1実施形態によれば、材料供給口12の近傍から回収部3までの間で材料粒子17が流れる方向(鉛直下方から鉛直上方への方向、z方向)に対して、材料供給口側の下部電極配置領域81と、下部電極配置領域81から回収部側に離れた上部電極配置領域82とを反応室1の中間部に有する。下部電極配置領域81と、上部電極配置領域82とは、それぞれ交差している。また、下部電極配置領域81には下部電極4bを複数本配置し、上部電極配置領域82には、上部電極4aを複数本配置して、多段に構成している。さらに、材料供給口側の第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の下部電極4bに接続したインバーター41により、商用周波数である50Hzもしくは60Hz以上の周波数の電力を印加することができる。特に、50Hz以上1000Hz以下の周波数に設定することが望ましい。また、第2電極配置領域(上部電極配置領域)82の上部電極4aに接続したインバーター40により、第1電極配置領域(下部電極配置領域)81の周波数以下の周波数を印加することができる。上記の構成にすることで、下部電極配置領域81でも上部電極配置領域82でも、材料の処理効率が上昇し、材料処理速度も大幅に向上すると期待できる。
According to the first embodiment, with respect to the direction in which the
本第1実施形態で用いる多相交流アークプラズマも、図5に示した従来例1の多相交流アークプラズマと同じであり、複雑な放電形態をしており、時間的及び平面的に、放電しているアーク放電領域121と放電していない領域122とが混在する放電形態になっている。図5では、理解しやすくするため、放電しているアーク放電領域121はハッチング領域として示し、放電していない領域122はハッチング無しの領域として示している。このような放電形態のため、材料供給口12から下部電極4bによるアーク放電16に導入された材料粒子17は、アーク放電領域121の有無又は複雑な上昇気流によって断熱部材2の壁側に弾かれるものが多く存在する。すなわち、多相交流アークプラズマの放電は複雑であるため、アーク放電116による上昇気流などによるアーク放電領域121の近傍のガス流れも複雑であり、材料粒子17が通過する方向にアーク放電16を単に多段に発生させるだけでは、想定したように処理効率及び処理速度を大幅に向上させることは困難な場合がある。
そこで、処理効率及び処理速度をより確実に向上させるため、本第1実施形態では、下部電極配置領域81と上部電極配置領域82でのアーク放電の駆動周波数を制御することが重要になる。
The polyphase AC arc plasma used in the first embodiment is also the same as the polyphase AC arc plasma of Conventional Example 1 shown in FIG. The
Therefore, in the first embodiment, it is important to control the drive frequency of the arc discharge in the lower
本第1実施形態では、第1電極配置領域81の下部電極4bには商用周波数である60Hz以上の周波数の電力を印加し、第2電極配置領域82の上部電極4aには第1電極配置領域81の周波数以下の周波数を印加する。このように構成することで、材料供給口12から導入される材料粒子17の広がりを考慮して、下部電極配置領域81と上部電極配置領域82のアーク放電の集中領域、アーク放電の広がりを制御してやることで、材料粒子17又は材料粒子17が蒸発したガスが、アーク放電に導入され確率が増加し、材料の蒸発効率が高くすることができる。
In the first embodiment, the
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 described above, the respective effects can be obtained. In addition, combinations of embodiments, combinations of examples, or combinations of embodiments and examples are possible, as well as combinations of features in different embodiments or examples.
本発明に係る微粒子製造装置及び微粒子製造方法によれば、材料粒子の処理効率を高めかつ大量に処理することができ、微粒子を低コストで生産することができる。そのため、本発明に係る微粒子製造装置及び微粒子製造方法は、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。 According to the fine particle production apparatus and the fine particle production method according to the present invention, it is possible to improve the processing efficiency of the material particles, process a large amount of the material particles, and produce the fine particles at a low cost. Therefore, the microparticle production apparatus and microparticle production method according to the present invention are useful as a microparticle production apparatus and microparticle production method used in devices such as lithium ion secondary batteries and ceramic capacitors that require mass production.
1,101 反応室
2 断熱部材
3,103 微粒子回収部
4a 上部電極
4b 下部電極
5a,5b,105 交流電源
6 圧力調整バルブ
7,113 排気ポンプ
8 電極駆動装置
10,110 材料供給装置
11 材料供給管
12 材料供給口
13 カバー
14 放電ガス供給管
15 冷却ガス供給管
16,116 アーク放電
17,117 材料粒子
18,118 微粒子
20 微粒子製造装置
40,41 インバーター
80 配管
81 下部電極配置領域
82 上部電極配置領域
86 未処理材料貯蔵部
100 制御装置
104 電極
120 電極先端
121 アーク放電の領域(高温領域)
122 アーク放電していない領域
122 non-arcing area
Claims (6)
前記反応室内の鉛直下方の一端側の中央部に接続されており、材料粒子を前記反応室内に材料供給口から鉛直上方に向けて供給する材料供給装置と、
前記材料供給装置より鉛直上方の前記反応室内の内周壁に、内向きの半径方向に突出して配置され、交流電力が印加される複数の下部電極を有する第1電極配置領域と、
前記第1電極配置領域より鉛直上方の前記反応室内の内周壁に、内向きの半径方向に突出して配置され、交流電力が印加される複数の上部電極を有する第2電極配置領域と、
前記反応室内の鉛直上方の他端側に接続されて微粒子を回収する回収部と、
前記第1電極配置領域に含まれる前記下部電極と前記第2電極配置領域に含まれる前記上部電極との少なくとも一方の電極に印加する交流電力の周波数を変更できる電源と、
前記下部電極に印加する交流電力の周波数を、前記上部電極に印加する交流電力の周波数以上の周波数に設定する制御部と、
を備え、
前記下部電極と前記上部電極とによってアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子から微粒子を生成する、微粒子製造装置。 a reaction chamber extending along the vertical direction from below to above;
a material supply device connected to a center portion of one end side vertically downward in the reaction chamber and supplying material particles vertically upward into the reaction chamber from a material supply port;
a first electrode placement region having a plurality of lower electrodes to which AC power is applied, protruding radially inward from the inner peripheral wall of the reaction chamber vertically above the material supply device;
a second electrode arrangement area having a plurality of upper electrodes to which alternating current power is applied, protruding radially inward from the inner peripheral wall of the reaction chamber vertically above the first electrode arrangement area;
a recovery unit connected to the other end side vertically above the reaction chamber for recovering fine particles;
a power source capable of changing the frequency of AC power applied to at least one of the lower electrode included in the first electrode placement region and the upper electrode included in the second electrode placement region;
a control unit for setting the frequency of the AC power applied to the lower electrode to a frequency equal to or higher than the frequency of the AC power applied to the upper electrode;
with
A microparticle manufacturing apparatus, wherein arc discharge is generated by the lower electrode and the upper electrode to generate plasma in the reaction chamber, thereby generating microparticles from the material particles.
前記材料供給口より鉛直上方の第1電極配置領域に配置された複数の下部電極に、交流電力を印加してアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子の少なくとも一部から微粒子を生成し、
前記第1電極配置領域より鉛直上方の第2電極配置領域に配置された複数の上部電極に、交流電力を印加してアーク放電を生じさせて、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記材料粒子の少なくとも一部から微粒子を生成し、
前記第2電極配置領域より鉛直上方で前記微粒子を回収する、
微粒子製造方法であって、
前記下部電極に印加する交流電力の周波数を、前記上部電極に印加する交流電力の周波数以上の周波数に設定する、微粒子製造方法。 supplying material particles from a material supply port vertically upward to a reaction chamber extending along the vertical downward to upward direction;
Alternating current power is applied to a plurality of lower electrodes arranged in the first electrode arrangement region vertically above the material supply port to generate arc discharge, thereby generating plasma in the reaction chamber, and removing at least the material particles. Generate fine particles from a part,
Alternating current power is applied to a plurality of upper electrodes arranged in a second electrode arrangement area vertically above the first electrode arrangement area to generate arc discharge, plasma is generated in the reaction chamber, and the material particles are generating fine particles from at least a portion of
recovering the fine particles vertically above the second electrode arrangement region;
A fine particle manufacturing method ,
A fine particle production method , wherein the frequency of the AC power applied to the lower electrode is set to a frequency equal to or higher than the frequency of the AC power applied to the upper electrode .
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