(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化化合物と還元剤が置かれる処理室内のステージと、
前記ステージに置かれている前記酸化化合物と前記還元剤が、前記酸化化合物の沸点以上に加熱されるようにレーザを照射する照射手段と、
前記レーザによって蒸発する前記酸化化合物の非酸素元素の物質が付着される付着媒体と、
を備えるレーザ精錬装置。
【請求項２】
前記処理室内に前記物質が酸化化合物となることを防止するガスを導入する導入手段を備える、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項３】
前記付着媒体は、前記物質が酸化化合物となる前に前記付着媒体に付着することが可能となる位置に配置されている、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項４】
前記付着媒体が、銅板である、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項５】
前記付着媒体が、波状のプレートである、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項６】
前記付着媒体が２分割されていて、前記２分割された付着媒体間に電界を発生させる手段を備える、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項７】
前記付着媒体が２分割されていて、前記２分割された付着媒体間に磁界を発生させる手段を備える、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項８】
前記付着媒体の表面に付着した蒸発物を捕集する捕集手段を備える、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項９】
前記付着媒体が、回転可能な円盤である、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項１０】
前記付着媒体が、回転可能な円筒である、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項１１】
前記照射手段が、前記円筒の軸方向に複数配置されている、請求項１０に記載のレーザ精錬装置。
【請求項１２】
前記酸化化合物のレーザ照射位置と前記付着媒体との距離を一定に保持する保持手段を備える、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項１３】
前記酸化化合物と前記付着媒体とを相対的に移動させる移動手段を備える、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項１４】
前記付着媒体は、前記物質と同じ元素から成る、請求項１に記載のレーザ精錬装置。
【請求項１５】
酸化化合物をレーザにより精錬するレーザ精錬方法であって、
処理室内のステージ上に、前記酸化化合物と還元剤とを配置し、
前記酸化化合物と前記還元剤にレーザを照射して、前記酸化化合物と前記還元剤を前記酸化化合物の沸点以上に加熱し、
前記加熱した酸化化合物と前記還元剤を反応させて、前記酸化化合物から酸素を遊離させることにより、前記酸化化合物の非酸素元素の物質を蒸発させ、
前記ステージに対向する付着媒体上に、前記物質を付着させる、
レーザ精錬方法。
【請求項１６】
前記酸化化合物を酸化マグネシウムとし、前記物質をマグネシウムとする、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項１７】
前記還元剤を、炭素とする、請求項１６に記載のレーザ精錬方法。
【請求項１８】
前記炭素と前記酸化マグネシウムの混合モル比を１〜２とする、請求項１７に記載のレーザ精錬方法。
【請求項１９】
前記処理室内に配置した酸化ケイ素に前記レーザを照射することによりケイ素を生成し、前記生成されたケイ素を前記還元剤として使用する、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２０】
前記酸化化合物を酸化マグネシウムとし、前記ケイ素と前記酸化マグネシウムの混合モル比を０．３とする、請求項１９に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２１】
前記酸化化合物のレーザ照射位置と前記付着媒体との距離を一定に保持する、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２２】
前記付着媒体を、銅板とする、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２３】
前記付着媒体を、波状のプレートとする、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２４】
前記付着媒体を２分割し、前記２分割された付着媒体間に電界を印加させる、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２５】
前記付着媒体を２分割し、前記２分割された付着媒体間に磁界を印加させる、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２６】
前記付着媒体の表面に付着した蒸発物を、捕集手段により捕集する、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２７】
前記付着媒体を回転可能な円盤とした、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２８】
前記付着媒体を回転可能な円筒とした、請求項１５に記載のレーザ精錬方法。
【請求項２９】
複数の前記レーザを、前記回転可能な円筒に照射する、請求項２８に記載のレーザ精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ精錬装置及びレーザ精錬方法に関し、特に、電気や化石燃料の燃焼による加熱を利用せず、局所的に超高温を実現させ、高効率に金属化合物を分解し、金属の分離、精錬を可能とするレーザ精錬装置及びレーザ精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、本発明者らによる、再生可能なエネルギーを効率的に使用し、反応エネルギーを回収すると共に、水素ガスを生成する、水素生成装置が開示されている。この水素生成装置は、金属元素を保持する反応容器と、前記反応容器に水を供給するための貯水槽と、前記金属元素が前記水に接触する部分を加熱して前記金属元素を加熱するレーザと、前記金属元素と前記水との反応により生成した水素ガスおよび反応エネルギーを回収する水素取出管と、を含む、とされている。
【特許文献１】特開２００７−１４５６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、金属酸化物などの酸化化合物に対して、レーザなどを用いて、その酸化化合物の沸点以上の温度をかけると、金属酸化物における金属と酸素との結合が切断されることが知られている。【０００４】
もっとも、金属酸化物に対して単にレーザを照射しただけでは、結合切断後の金属は、昇華した後に空気中の酸素などと接触すると、当該酸素と再結合を起こし、再び、金属酸化物となってしまう。このような現象を回避して、金属酸化物から取り出した金属が、空気中の酸素と結合する前に、金属を収集することは困難であった。【０００５】
そこで、本発明は、酸化化合物から効率よく酸素以外の蒸発物を収集することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ精錬装置は、
酸化化合物が置かれる処理室内のステージと、
前記ステージに置かれている酸化化合物に対して当該酸化化合物の沸点以上の温度を加える条件でレーザを照射する照射手段と、
前記照射手段によって照射されたレーザによって蒸発する非酸素蒸発物が付着される付着媒体と、を備える。【０００７】
ここで、本明細書で用いている「精錬」という用語は、粗金属から不純物を除いて質のよいものにするといった狭義の意味に限られず、種々の金属酸化物から酸素を取り除くこと、更には、酸化ケイ素から酸素を取り除くことといった広義の意味で用いられる。また、金属酸化物について例示すると、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化銅、酸化チタンなどがあげられる。【０００８】
前記処理室内に前記非酸素蒸発物が酸化化合物となることを防止する、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、不活性ガスなどを導入する導入手段を備えることもできる。また、これに代えて、或いは、これとともに、前記付着媒体は、前記非酸素蒸発物が酸化化合物となる前に、前記付着媒体に付着可能な位置とすることもできる。【０００９】
なお、酸化化合物は、レーザ照射位置と前記付着媒体との距離を略一定に保持する保持手段を備えるとよい。これは、レーザ照射によって蒸発物が生じる結果、酸化化合物がサイズダウンしていくことによって酸化化合物に照射されるレーザの焦点距離が変わることを防止するためである。これにより、酸化化合物に対して、その沸点以上の温度を確実に加えられるようにしている。【００１０】
また、前記酸化化合物と前記付着媒体とを相対的に移動させる移動手段を備えてもよい。こうすると、付着媒体における非酸素蒸発物が酸化化合物となることを防止することができる。【００１１】
前記レーザは、太陽光を含むエネルギー源を利用する固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザとすることもできる。こうすると、太陽光や自然エネルギーから生成したレーザの実現により、化石燃料に由来する電源を使用することなく、地球環境にやさしい新たな精錬が可能となる。【００１２】
なお、蒸発物の収集量を多くするために、複数のレーザ照射装置を用い、各レーザが酸化化合物の異なる位置を照射するようにしてもよい。【００１３】
前記付着媒体のほかに前記酸化化合物から蒸発される酸素蒸発物が付着される酸素用付着媒体を備える。具体的には、付着媒体と酸素用付着媒体とをそれぞれ陰極電極と陽極電極とし、これらを電源等に接続することによって電場を発生させることで、蒸発物を付着媒体に付着させ、酸素を酸素用付着媒体に付着させることが考えられる。【００１４】
すなわち、例えば、酸化化合物として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を選択した場合には、これに所要のレーザを照射すると、Ｍｇ＋とＯ−とが発生することになり、したがって、これらの発生空間に対して上記のように電界を印加すると、Ｍｇ＋が付着媒体である陰極電極に引き寄せられ、Ｏ−が酸素用付着媒体である陽極電極に引き寄せられることになる。もっとも、電場に代えて磁場を発生させることで、効果的な蒸発物の収集を行ってもよい。【００１５】
また、前記付着媒体として、前記非酸素蒸発物と同じ元素から成る物体を用いることもできる。例えば、付着媒体をマグネシウム板とし、酸素化合物を酸化マグネシウムとする場合である。こうすると、当該物体に対して同じ元素の蒸発物が付着することによって、その体積、重量を増加させることが可能となる。【００１６】
また、本発明のレーザ精錬方法は、
処理室内のステージ上に置かれている酸化化合物に対して当該酸化化合物の沸点以上の温度を加える条件でレーザを照射することによって蒸発する非酸素蒸発物を取得する。
【発明の実施の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同様の部分には同一符号を付している。
【００１８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。図１には、一般的にチャンバーとも称される処理室１が示されている。処理室１には、排気ポンプＰが取り付けられていて、処理室１内の排気が行われる。なお、処理室１には、図示しないガス導入管を設け、処理室１に、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、不活性ガスなどを導入することもできる。
【００１９】
また、処理室１には、例えば円筒状の容器５が裁置されるステージ２１が設けられている。容器５には、種々の金属酸化物又は酸化ケイ素などの酸化化合物が収容される。酸化化合物の性状は不問であり、例えば、固形状のものであっても、粉末状のものであってもよい。本実施形態では、酸化化合物として、粉末状の酸化マグネシウムを用いている。
【００２０】
一方、ステージ２１には、ステージ２１を回転させたり、ステージ２１を昇降させたりするモータＭが取り付けられている。ステージ２１の回転は、酸化化合物に対して分散的にレーザを照射させるために行う処理である。ステージ２１の昇降は、酸化化合物に対して同一のスポット径でレーザを照射させるために行う処理である。したがって、必ずしもこれらの処理を実行することは必須ではない点に留意されたい。
【００２１】
容器５の上方には、所定距離Ｓの間隔で、酸化化合物の蒸発物が付着される付着媒体４が配置されている。本実施形態では、蒸発物を、その冷却過程において、付着媒体４に衝突させることによって付着媒体４に付着させている。
【００２２】
なお、図１では、板状の付着媒体４の採用例を示しているが、後述する他の実施形態のように、種々の形状の付着媒体４を用いることができる。また、付着媒体４は、ここに付着する蒸発物の熱によって溶解されない耐熱条件を満たすものであれば、どのような材料のものを採用してもよい。本実施形態では、付着媒体４として、銅板を用いている。
【００２３】
さらに、付着媒体４には、レーザ照射装置Ｌから照射されるレーザを遮断しないようにするための孔２２が形成されている。図１では、孔２２の形成角度をレーザと平行となるようにしているが、レーザが容器５内の酸化化合物に到達さえすれば、この角度に限定されるものではない。
【００２４】
ここで、所定距離Ｓは、例えば、酸化化合物として酸化マグネシウムを採用した場合には、容器５内の酸化マグネシウムから昇華した酸素蒸発物と非酸素蒸発物であるところのマグネシウム蒸発物とが相互に接触したり、マグネシウム蒸発物が処理室１内に残存する空気中の酸素と接触したりすることによって、マグネシウム蒸発物が再酸化して酸化化合物とならないうちに、付着媒体４に付着可能な距離としている。
【００２５】
具体例を示すと、ポンプＰによって処理室１内を約６Ｐａの真空度とし、酸化化合物として酸化マグネシウムを採用し、付着媒体４の材料として銅を採用した場合には、所定距離Ｓは、例えば５ｍｍ〜１５ｍｍ程度とすることができる。実際に実験をしたところ、所定距離Ｓが２５ｍｍ以下であれば、非酸素蒸発物を付着媒体４に付着させることができた。所定距離Ｓが約７ｍｍ〜約１４ｍｍの場合には、約５ｍｍの場合の２倍以上の効果が得られた。さらに、所定距離Ｓが約８ｍｍ〜約１２ｍｍの場合には、約５ｍｍの場合の２．５倍以上の効果が得られた。
【００２６】
一方、処理室１内の酸素残存量が少ないほど、所定距離Ｓを相対的に長くすることができる。極端な例を示せば、処理室１内に不活性ガス等を導入したり、処理室１内の圧力を低くしたりすることによって、処理室１内の酸素残存量を極めて少なくした場合には、処理室１の内壁を付着媒体として兼用することもできる。なお、係る場合には、ポンプＰによる排気により、処理室１に取り付けられたポンプＰの周辺に、蒸発物が付着することになる。
【００２７】
また、処理室１の上部には、レーザ照射装置Ｌから照射されたレーザを処理室１内に取り込むために、既知の入射窓２が設けられている。また、レーザの光路には、レーザ照射装置Ｌから照射されたレーザの進路を、入射窓２に向けて変更する反射鏡３が設けられている。
【００２８】
なお、少なくともレーザ照射装置Ｌと反射鏡３との間は、図示しない光ファイバなどを用いて接続するとよい。同様に、反射鏡３と入射窓２との間も、さらには、入射窓２と容器５付近との間も、光ファイバなどを用いて接続してもよい。こうすると、酸化化合物に到達するレーザの光損失を抑止することが可能となる。
【００２９】
レーザ照射装置Ｌは、例えば数ｋＷの固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザを照射する照射装置を用いることができる。また、後述する種々の実験では、連続光炭酸ガスレーザーを照射する照射装置を用いた。ここで、レーザ照射装置Ｌを、太陽光を含むエネルギー源を利用する固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザ照射装置とするとよい。この種のレーザ照射装置は、引用によって本願明細書に取り込まれたものとする、本出願時には非公開である本発明者らによって出願済みのＰＣＴ／２００９／５７６７１を参照されたい。
【００３０】
レーザのｋＷ数及びレーザのスポット径は、酸化化合物に与える温度を決定するため、これらの選択は重要である。具体的には、１ｋＷのレーザで、かつ、スポット径を約２ｍｍとした場合には、酸化化合物のスポット径の形成位置の温度は、約５０００℃となる。
【００３１】
このことから、酸化化合物であるところの金属酸化物を蒸発させ、金属と酸素とを効果的に分離させるためには、１ｋＷのレーザを照射するレーザ照射装置Ｌを用いた場合には、スポット径が２ｍｍ以下となるように設定するとよい。
【００３２】
好ましくは、１ｋＷのレーザ照射装置Ｌを用いた場合に、スポット径を２ｍｍ以下とすれば、レーザ照射位置における金属酸化物の膨張が容易となり、かつ、その後に、蒸発物を急激に冷却させることが可能となり、金属の再酸化を防止することができる。
【００３３】
また、例えば、１ｋＷのレーザ照射装置を用いて、１ｍｍのスポット径となるように設定した場合には、レーザ照射位置における金属酸化物を１ｃｍまで膨張させられ、蒸発物はすぐに１００℃以下の温度まで冷却される。
【００３４】
なお、レーザのｋＷ数をレーザのスポット面積で除した値を一定に保つことで、酸化化合物のスポット径の形成位置の温度を略同一とすることができる。したがって、例えば、４ｋＷのレーザを用いた場合、スポット径は、約４ｍｍとすればよい。
【００３５】
また、酸化化合物として、粉末状の金属酸化物を選択した場合には、ここに炭素やケイ素などの還元剤を例えば１０％〜３０％ほど混合すると、還元剤が酸素蒸発物を吸収・結合するため、金属蒸発物が酸素蒸発物と再結合しにくくなる。
【００３６】
なお、粉末状の金属酸化物に対して還元剤を混合するにあたり、本発明者らは、還元剤を効果的に取得し、かつ、その還元剤を金属酸化物に対して混合可能な手法を見出した。この点については、他の実施形態で後述する。
【００３７】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。図２には、図１のものに対して、
（１）付着媒体４の形状を１枚板状のものから、２枚の円盤状のものに変更し、
（２）円盤状の付着媒体４を回転可能とし、それに伴い、付着媒体４に連結されたモータＭ１を設ける、
といった点の変形を行ったレーザ精錬装置を示している。
【００３８】
ここで重要な点は、付着媒体４を回転可能として、付着媒体４における非酸素蒸発物が酸素蒸発物等によって再酸化されて、酸化化合物となることを防止することができるという点である。
【００３９】
既述のように、酸化化合物は、所要のレーザを照射することによって、酸素蒸発物と非酸素蒸発物とがともに発生する。ここで、付着媒体４に非酸素蒸発物が付着した後にも、引き続き、酸素蒸発物が発生してくるのだから、非酸素蒸発物と酸素蒸発物とが接触等すると、付着済みの蒸発物が酸化してしまう可能性がある。
【００４０】
これを防止するためには、付着済みの蒸発物と酸素蒸発物との接触を回避することが考えられる。そこで、本実施形態では、付着媒体４を回転させて、付着済みの蒸発物の位置を、酸素蒸発物から遠ざけるようにしている。付着媒体４の回転速度は、レーザ強度に応じて決定すればよく、実施形態１の条件の場合には、例えば、１ｒｐｍ〜２０ｒｐｍ程度とすればよい。
【００４１】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。図３には、図１のものに対して、
（１）レーザ照射装置Ｌを複数設け、
（２）複数のレーザ照射装置Ｌを設けたことに伴って、各レーザ照射装置Ｌから照射されるレーザを容器５内の酸化化合物に集光させるためのレンズアレイ９を処理室１に取り付け、
（３）付着媒体４を回転可能な円筒状のものに変更し、
（４）円筒状の付着媒体４の採用に伴って、レーザが酸化化合物に照射されるように、ステージ２１を水平方向に移動可能なものとし、
（５）付着媒体４に付着した蒸発物を捕集する捕集手段７を設ける、
といった点の変形を行ったレーザ精錬装置を示している。
【００４２】
まず、レーザ照射装置Ｌを複数設けることによって、酸化化合物の蒸発量を増大させることが可能となる。したがって、図３に示すレーザ精錬装置は、図１に示したものに比して、蒸発物の収集効率が高まる。このため、本実施形態では、付着媒体４における蒸発物の付着面積を増加させるために、付着媒体４は、表面積が相対的に大きな円筒状のものを採用している。
【００４３】
また、酸化化合物の蒸発量が増大した場合、付着媒体４に対して、所定量の蒸発物が付着するまでに要する時間は短くなる。そこで、蒸発物の付着効率を低下させないため、本実施形態では、付着媒体４に付着した蒸発物を、捕集手段７によって捕集するようにしている。
【００４４】
捕集手段７の構成は不問であるが、一例としては、円筒状の付着媒体４の表面から数ｍｍ程度の間隔で、蒸発物の凝縮を促す冷却機構を選択的に備える、捕集プレートを設置することで構成できる。この捕集プレートは、鋭利な端面を有するとよい。こうすれば、その間隔を超えて付着媒体４の表面に蒸発物が付着した場合には、その蒸発物が捕集プレートによって付着媒体４から研ぎ落されるため、蒸発物の捕集が可能となる。
【００４５】
（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。図４には、図１のものに対して、
（１）付着媒体として陰極電極１１ｂを設け、
（２）酸素蒸発物が付着される酸素用付着媒体として陽極電極１１ａを設け、
（３）各電極１１ａ，１１ｂに電圧を印加するための電源１２を設ける、
といった点の変形を行ったレーザ精錬装置を示している。
【００４６】
例えば、酸化化合物として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を選択した場合には、これに所要のレーザを照射すると、Ｍｇ＋の蒸発物とＯ−の蒸発物とが発生することになる。本実施形態では、積極的に、Ｏ−の蒸発物を陽極電極１１ａに付着させることで、Ｍｇ＋の蒸発物が、処理室１内に残存している酸素等と再結合することを防止し、非酸素蒸発物と酸素蒸発物とを別々にかつ効果的に収集している。
【００４７】
具体的には、容器５の上方に陽極電極１１ａ及び陰極電極１１ｂを設けているので、電源１２をオンすることによって、陽極電極１１ａと陰極電極１１ｂとの間に電界を印加する。この結果、Ｍｇ＋は付着媒体である陰極電極１１ｂに引き寄せられ、Ｏ−は酸素用付着媒体である陽極電極１１ａに引き寄せられる。
【００４８】
なお、効果的に蒸発物を収集するための手法は、本実施形態等で説明したものに限定されない。例えば、電界印加に代えて磁界印加を採用してもよい。
【００４９】
（実施形態５）
図１０は、本発明の実施形態５のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。図１０には、図１のものに対して、
（１）不活性ガス等の導入管の先端が容器５の上面付近となるように設置し、
（２）導入管の先端に対して、容器５を挟んで対向側に、複数の波状のプレートからなる付着媒体４を配置する、
といった点の変形を行ったレーザ精錬装置を示している。
【００５０】
導入管から容器５内に不活性ガス等を導入しながら、レーザ照射装置Ｌによってレーザを照射すると、酸化化合物の蒸発物は、導入された不活性ガス等によって、付着媒体４に向けて進路が変更される。
【００５１】
付着媒体４は複数の波状のプレートから構成されているため、不活性ガス等自体はプレート間を抜けていくことになる。この際、各プレートは、波状であるため凹凸が形成されているところ、凸部に対して酸化化合物の蒸発物が衝突することで、付着媒体４に蒸発物が付着することになる。なお、図１０に示す付着媒体４の構造は単なる例示であって、ディーゼルフィルターのような構造のものを用いることも可能である。もっとも、ディーゼルフィルターの場合には、不活性ガスと蒸発物とが通過しにくいので、波状のプレートのように、蒸発物が衝突する部分と不活性ガスが通過する部分とを含む構造であることが望ましい。
【００５２】
（他の実施形態）
既述のように、粉末状の金属酸化物に対して還元剤を混合すると、金属蒸発物が酸素蒸発物と再結合しにくくなるため、金属蒸発物の収集効率が向上する。本実施形態では、二酸化ケイ素から還元剤として用いるケイ素を抽出する手法について説明する。
【００５３】
まず、実施形態１〜５のいずれかのレーザ精錬装置における容器５内に、二酸化ケイ素を収容する。この二酸化ケイ素に対して、スポット径の形成位置の温度がケイ素の沸点である２２３０℃以上（例えば２５００℃〜３０００℃）となる条件で、レーザ照射装置Ｌからレーザを照射する。この結果、二酸化ケイ素から酸素が分離することで、一酸化ケイ素が得られる。
【００５４】
つづいて、一酸化ケイ素を容器５に収容する。そして、この一酸化ケイ素に対して、スポット径の形成位置の温度がケイ素（シリコン）形成の最適温度９３０℃付近（例えば８５０℃〜１１００℃）となる条件で、レーザ照射装置Ｌからレーザを照射する。この結果、一酸化ケイ素から酸素が分離することで、ケイ素が得られる。
【００５５】
つぎに、ケイ素を還元剤として、金属酸化物に混合してから、実施形態１〜５で説明したいずれかの手法によって精錬を行えば、効率よく金属蒸発物を収集することが可能となる。
【００５６】
（各種実験結果）
以下、本発明の各実施形態のレーザ精錬装置に対して行った、各種実験結果について説明する。
【００５７】
図５は、図１等のレーザ精錬装置の付着媒体４の付着物の成分を検査する検査装置の模式図である。図５には、希塩酸水溶液１５が充填されている容器１８と、容器１８の冷却水１４が入れられている装置本体１６と、装置本体１６を覆う半球状の透明カバー１９と、透明カバー１９に取り付けられている拡散ファン１７と、拡散ファン１７によって送られる気体の成分を計測する測定器１３とを示している。
【００５８】
この検査装置を用いて、以下のように、付着媒体４の付着物の成分を検査した。まず、装置本体１６に冷却水１４を入れ、冷却水１４内に希塩酸水溶液１５が充填されている容器１８を置く。なお、容器１８の冷却は必ず行わなければならないこというものではない点に留意されたい。
【００５９】
この状態で、図１等に示す付着媒体４を、希塩酸水溶液１５が充填されている容器１８内に投入する。そして、透明カバー１９を閉めて、拡散ファン１７を回転させる。
【００６０】
ここで、希塩酸水溶液１５を用いる理由は、実施形態１では、酸化化合物として酸化マグネシウムを用い、付着媒体４として銅板を用いていることによる。すなわち、この種の条件でレーザ精錬装置を動作させると、マグネシウム蒸発物が発生し、付着媒体４である銅板に付着しているはずである。
【００６１】
そして、銅は塩酸と反応しないが、マグネシウムは塩酸と反応することから、精錬処理後の付着媒体４を希塩酸水溶液１５に投入すると、銅からなる付着媒体４自体が溶解することなく、マグネシウム蒸発物が溶解するのである。
【００６２】
したがって、溶解したマグネシウム蒸発物に基づく水素発生量を計測することで、その収集量が特定できる。このため、検査装置の容器１８に充填する水溶液は、希塩酸水溶液１５に限定されるものではなく、酸化化合物と付着媒体４の材料選択に応じて、硫酸としたり硝酸としたりするなど適宜決定すればよい。
【００６３】
実施形態１の場合には、マグネシウム蒸発物は、希塩酸水溶液１５と接触することによって反応し、その結果、水素が発生することになる。したがって、拡散ファン１７を回転させることによって、測定器１３に到達する気体には、水素が含まれていることになる。測定器１３では、気体中の水素量を計測する。これにより、マグネシウム蒸発物量が算出できる。
【００６４】
図６は、炭素モル比と還元効率及びエネルギー効率との関係を示すグラフである。ここでは、酸化化合物として酸化マグネシウムを選択し、ここに還元剤であるところの炭素を混合している。図６の横軸には炭素モル比［Ｃ：ＭｇＯ＝ｘ：１］を示し、左側縦軸には還元効率［ｍｏｌ％］を示し、右側縦軸にはエネルギー効率［ｍｇ／ｋＪ］を示している。なお、還元効率を○でプロットし、エネルギー効率を■でプロットしている。
【００６５】
ちなみに、ここでいう還元効率とは、付着媒体４であるところの銅板に対する付着物におけるマグネシウムの割合を意味する。また、ここでいうエネルギー効率とは、照射するレーザ１ｋＪ当たりに生成されるマグネシウム量を意味する。
【００６６】
本実施形態では、処理室１にアルゴンガスを導入し、処理室１内を大気圧力となる条件でポンプを駆動して炭素と酸化マグネシウムとの混合モル比を変更した場合のマグネシウム蒸発物量を計測して、還元効率及びエネルギー効率の最適条件を調べるという実験を行った。
【００６７】
まず、還元効率の最適条件について説明する。図６に示すように、炭素モル比が０．２５の場合には、還元効率は１０［ｍｏｌ％］に満たない。炭素モル比を０．５とすると、還元効率は４０［ｍｏｌ％］を超えた。炭素モル比が１の場合には、還元効率は６０［ｍｏｌ％］を超え、約６５［ｍｏｌ％］となった。炭素モル比が２の場合には、還元効率は５５［ｍｏｌ％］程度に低下した。炭素モル比が３の場合には、還元効率はさらに低下して５０［ｍｏｌ％］程度となった。以上の結果より、還元効率の最適条件は、炭素モル比が１程度の場合であるといえる。
【００６８】
つぎに、エネルギー効率の最適条件について説明する。炭素モル比が０．２５の場合には、エネルギー効率は１［ｍｇ／ｋＪ］程度である。炭素モル比が０．５の場合には、エネルギー効率は５［ｍｇ／ｋＪ］弱となった。炭素モル比が１の場合には、エネルギー効率は８［ｍｇ／ｋＪ］程度まで増加した。炭素モル比が２の場合には、エネルギー効率は９［ｍｇ／ｋＪ］を超えた。炭素モル比が３の場合には、エネルギー効率は低下して５［ｍｇ／ｋＪ］程度となった。以上の結果より、エネルギー効率の最適条件は、炭素モル比が２程度の場合であるといえる。
【００６９】
図７は、ケイ素モル比と還元効率及びエネルギー効率との関係を示すグラフであり、図６に対応するものである。ここでは、酸化マグネシウムに混合する還元剤としてケイ素（シリコン）を選択した場合の実験結果を示している。還元剤を変更した点を除き、実験の条件は、図６に係るものと同じとした。
【００７０】
実験結果は、図７に示すように、シリコンモル比が０．３のときに、還元効率７０［ｍｏｌ％］、エネルギー効率１２［ｍｇ／ｋＪ］の最高値を得た。
【００７１】
図８は、図１の処理室１内の圧力を変化させた場合の還元効率と及びエネルギー効率の変化を測定した測定結果を示すグラフである。図８の横軸には雰囲気圧力［Ｐａ］を示し、左側縦軸には還元効率［ｍｏｌ％］を示し、右側縦軸にはエネルギー効率［ｍｇ／ｋＪ］を示している。なお、空気雰囲気のエネルギー効率を■でプロットし、アルゴン雰囲気のエネルギー効率を□でプロットし、空気雰囲気の還元効率を○でプロットし、アルゴン雰囲気の還元効率を●でプロットしている。
【００７２】
図８によれば、空気雰囲気のエネルギー効率は、■がグラフ上で右肩下がりであることからも明らかなように、処理室１内の圧力が高くなるにつれて低下していることがわかる。同様に、空気雰囲気の還元効率も、○がグラフ上で右肩下がりであることから明らかなように、処理室１内の圧力が高くなるにつれて低下していることがわかる。
【００７３】
これらは、処理室１内の酸素量が多くなると還元効率が低下することを意味する。つまり、処理室１内の酸素量が多くなると、一旦、蒸発したマグネシウム等は、酸素との接触確率が高くなるため、再度、酸化しやすくなり、その結果、還元効率及びエネルギー効率の双方が低下することになる。
【００７４】
また、図８によれば、アルゴン雰囲気のエネルギー効率も、アルゴン雰囲気の還元効率も、処理室１内の圧力が高くても高効率を保っているということができる。
【００７５】
図９は、図４に示すレーザ精錬装置に係る実験結果を示す図である。図９の横軸には電源１２によって印加される電界の強度［Ｖ／ｃｍ］を示し、左側縦軸には還元効率［ｍｏｌ％］を示し、右側縦軸にはエネルギー効率［ｍｇ／ｋＪ］を示している。なお、エネルギー効率を■でプロットし、総還元効率を○でプロットし、陰極の還元効率を▲でプロットしている。陽極の還元効率を△でプロットしている。
【００７６】
ここでは、処理室１内の圧力を６Ｐａ〜８Ｐａ程度とし、酸化化合物に対して還元剤は混合しなかった。図９によれば、エネルギー効率は、■がグラフ上で右肩上がりであることからも明らかなように、電界が強くなるほど、向上することが分かる。また、陰極及び陽極の還元効率も、▲も△もグラフ上で右肩上がりであることからも明らかなように、電界が強くなるほど、向上することが分かる。したがって、電界が強くなるほど、総還元効率（○でプロット）も向上する。
【００７７】
これは、電源１２によって印加される電界の強度を高めれば高めるほど、イオン化状態の酸素とマグネシウムとが、各々、陽極電極１１ａと陰極電極１１ｂとに付着しやすくなることが、実験的に確証された。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、レーザを用いた精錬装置の分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施形態１のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。
【図２】本発明の実施形態２のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。
【図３】本発明の実施形態３のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。
【図４】本発明の実施形態４のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。
【図５】図１等のレーザ精錬装置の付着媒体４の付着物の成分を検査する検査装置の模式図である。
【図６】炭素モル比と還元効率及びエネルギー効率との関係を示すグラフである。
【図７】ケイ素モル比と還元効率及びエネルギー効率との関係を示すグラフである。
【図８】図１の処理室１内の圧力を変化させた場合の還元効率と及びエネルギー効率の変化を測定した測定結果を示すグラフである。
【図９】図４に示すレーザ精錬装置に係る実験結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態５のレーザ精錬装置の模式的な構成図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  処理室
２  入射窓
３  反射鏡
４  付着媒体
５  容器
７  捕集手段
９  レンズアレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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