(57)【要約】【課題】所望の構造を均一に備えたナノカーボンを、低コストで効率よく量産できるナノカーボン製造装置を提供する。【解決手段】ナノカーボン製造装置１０は、複数の炉心管３２と、複数の炉心管３２の外周に設けられ、各炉心管を外方より加熱する炉心部加熱装置４０と、炉心部加熱装置４０の外方に設けられ、炉心部加熱装置４０の外方を断熱させる断熱材４８と、炉心管３２の内部に設けられ、炉心管３２の内部に導入された炭素含有ガスに接して化学気相成長法によりナノカーボンを生成する触媒部材３６と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炉心管と、
前記各炉心管を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置の外方に設けられ、前記加熱装置の外方を断熱させる断熱材と、
前記炉心管の内部に設けられ、前記炉心管の内部に導入された炭素含有ガスに接して化学気相成長法によりナノカーボンを生成する触媒部材と、を備えたことを特徴とするナノカーボン製造装置。
【請求項２】
前記複数の炉心管は、環状に配列されており、
前記環状に配列された複数の炉心管の外方に、前記各炉心管を加熱する加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項３】
前記環状に配列された複数の炉心管の内側に、前記各炉心管を加熱する加熱装置を設けたことを特徴とする請求項２に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項４】
前記複数の炉心管の外方近傍に温度計測器を設置し、前記温度計測器の計測値に基づき前記加熱装置の加熱制御を行い、前記複数の炉心管の温度を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項５】
前記複数の炉心管の内部に温度計測器を設置し、前記炉心管の内部に設置した温度計測器の計測結果に基づき前記加熱装置の加熱制御を行い、前記複数の炉心管の温度を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項６】
前記複数の炉心管は、製造しようとするナノカーボンの生産量と、前記触媒部材が有する単位面積当たりのナノカーボンの生産量とから算出した、前記製造しようとするナノカーボンの生産量を製造するために必要とされる前記触媒部材の表面積を決定要素として、前記炉心管の本数を決定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項７】
前記複数の炉心管は、製造しようとするナノカーボンの生産量と、前記触媒部材が有する単位面積当たりのナノカーボンの生産量とから算出した、前記製造しようとするナノカーボンの生産量を製造するために必要とされる前記触媒部材の表面積と、炉心管の内径とを決定要素とし、前記炉心管の本数、及び長さを決定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項８】
前記炉心管の内側に設けられ、前記触媒部材の内周面に生成されたナノカーボンを掻き落す螺旋状の掻落部材、を更に具備し、
前記掻落部材の設置コストを、前記決定要素に加えたことを特徴とする請求項６又は７に記載のナノカーボン製造装置。
【請求項９】
前記複数の炉心管は、前記加熱装置により、前記触媒部材の周方向及び軸方向に沿って均等に、前記触媒部材が所定の温度に設定されるように前記加熱装置内に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のナノカーボン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ナノカーボンを製造するナノカーボン製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノカーボンは、一般に、炭素を含有するガスを、選択した触媒金属に所定温度で接触させて製造する。具体的には、ナノカーボンの製造方法として、アーク放電法、レーザ蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等が知られている。
【０００３】
ナノカーボンは、例えば、水素やリチウムを吸蔵したり、吸着、脱着する作用や触媒作用等を備えていることが知られており、多くの工業的用途において、その重要性が着目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９５５０９号公報
【特許文献２】特開平１０−２７３３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし現状では、ナノカーボンを用いた上記の工業的用途の実現性は乏しい。その理由の一つに、構造的に均一なナノカーボンを低コストで量産できないことが挙げられる。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、所望の構造を均一に備えたナノカーボンを、低コストで効率よく量産できるナノカーボン製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のナノカーボン製造装置は、複数の炉心管と、複数の炉心管の外周に設けられ、各炉心管を外方より加熱する加熱装置と、加熱装置の外方に設けられ、加熱装置の外方を断熱させる断熱材と、炉心管の内部に設けられ、炉心管の内部に導入された炭素含有ガスに接して化学気相成長法によりナノカーボンを生成する触媒部材と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態のナノカーボン製造装置の全体構成を示す斜視図。
【図２】同ナノカーボン製造装置における炉心部の構造を上面より示す断面図。
【図３】同ナノカーボン製造装置における炉心部の側面を、一部破断して示す部分断面図。
【図４】第２実施形態のナノカーボン製造装置における炉心部の構造を上面より示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態にかかるナノカーボン製造装置について、図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態のナノカーボン製造装置１０の全体構成を示す図である。図２は、ナノカーボン製造装置１０の炉心部３０の構造を示す断面図である。図３は、ナノカーボン製造装置１０の炉心部３０を一部破断して示す部分破断正面図である。図４は、第２実施形態のナノカーボン製造装置１１における炉心部の構造を上面より示す断面図である。
【００１０】
＜第１実施形態＞
第１実施形態にかかるナノカーボン製造装置１０の構成を説明する。図１に示すように、ナノカーボン製造装置１０は、貯留槽２２と、送出ポンプ２４と、原料加熱装置２６と、炉心部３０と、炉心部加熱装置４０と、製品回収装置５０と、排気浄化装置６０と、分配装置７０と、制御装置１００とを備えている。各構成について順に説明する。
【００１１】
貯留槽２２には、ナノカーボンの原料となるエタノールが収容されている。尚、原料ガスとなる、ナノカーボンを製造するための炭素含有化合物は、エタノールに限るものではない。送出ポンプ２４は、制御装置１００からの指示に従い作動し、貯留槽２２からエタノールを吸引し、原料加熱装置２６に送る。
【００１２】
原料加熱装置２６は、電熱器２７と加熱室２８を備えており、貯留槽２２から送られてきたエタノールは、内部が大気から遮断されている加熱室で、電熱器２７に加熱され、ガス化する。更に、電熱器２７は、ガス化されたエタノール（原料ガス）を加熱室２８で、所定の温度まで加熱する。加熱された原料ガスは、原料加熱装置２６から、分配装置７０を介して炉心部３０に流れる。
【００１３】
炉心部３０の構造を、上面より示す断面図である図２と、炉心部の側面を一部破断して示す部分断面図である図３で説明する。図２の断面は、図３のＦ２−Ｆ２線で炉心部３０を破断して示す断面と対応する。炉心部３０には、図２に示すように５本の炉心管３２が並列に配置されている。分配装置７０は、図２、図３に示すように各炉心管３２の上部に連結している。各炉心管３２には、時間当たり所定量の原料ガスが導入される。ここで、各炉心管３２に所定量の原料ガスが導入されるとは、炉心管３２内で生じている反応に対して、原料ガスが過不足なく供給されていることをいう。尚、分配装置７０と各炉心管３２との間に流量調整弁を設け、流量調整弁を制御することにより各炉心管３２への原料ガスの流量を調整可能としてもよい。
【００１４】
炉心管３２は、炉心管本体３４と、炉心管本体３４の内部に設けられた触媒部材３６とを備えている。炉心管本体３４は、円筒状で、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等のステンレス材から形成されている。炉心管３２は、所定の径と長さを有し、各炉心管本体３４の上端には、分配装置７０が連結されている。
【００１５】
炉心管３２の径と長さは、所望されるナノカーボンの製造量と、それに必要とされる触媒部材３６の面積と、各炉心管３２の容積、保守、管理のし易さ等から決定される。ここで、所望されるナノカーボンの製造量や触媒部材３６の面積が、特許請求の範囲でいう決定要素である。具体的には、必要とされる触媒の面積を1本の炉心管で形成した場合と、複数の炉心管で構成した場合の、それぞれの炉心管の容積、重量と、その場合の運転状態、製造装置の保守、管理を考慮して決定される。
【００１６】
触媒部材３６は、例えば鉄材、あるいはＳＵＳ３０４等のステンレス材から形成され、炉心管本体３４の内周面に密着した状態で取り付けられている。触媒部材３６は、炉心管本体３４の内周面との間に隙間が生じないように取り付けられていることが好ましい。
【００１７】
炉心部加熱装置４０は、炉心管３２の周囲を囲うように設けられている。炉心部加熱装置４０は、通電により発熱する電熱線４２と、電熱線４２を保持する保持部４４とから形成されている。保持部４４は、絶縁性と断熱性を備えた材質から形成されており、内面に溝部４６が設けられている。
【００１８】
電熱線４２は、溝部４６内に収納されており、所定の熱量が発生するように設けられている。これにより、炉心部加熱装置４０により炉心管３２が加熱されると、各炉心管３２の触媒部材３６が触媒部材３６の周方向に沿って所定の温度分布を有し、かつ軸方向に沿って所定の温度分布を有することとなる。炉心部加熱装置４０の外方には、断熱材４８が設けられている。
【００１９】
断熱材４８は、炉心部加熱装置４０の周囲を蔽い、炉心部加熱装置４０から外部への熱の伝達を防止している。断熱材４８には、炉心部加熱装置４０を貫通して、温度計測器４１が設けられている。温度計測器４１は、炉心部加熱装置４０の内部の温度、すなわち、炉心管３２の温度を計測し、計測した値を制御装置１００に送出する。尚、炉心部加熱装置４０の保持部４４と断熱材４８とは、個別でなく一体に形成してもよい。又、温度計測器４１は、炉心部加熱装置４０の複数の箇所に設けられていてもよい。
【００２０】
製品回収装置５０は、図３にも示すように掻落部材５２と、掻落部材５２を駆動する駆動機構５３と、収納容器５４とを備えている。掻落部材５２は、支持軸５８と支持軸５８に設けられた螺旋部５９とを備え、各炉心管３２に設けられている。支持軸５８は、分配装置７０を貫通して、回転自在に設けられている。
【００２１】
分配装置７０には、支持軸５８を気密に、かつ回転自在に貫通させるシール部材７６が設けられている。シール部材７６は、炉心部加熱装置４０による温度上昇と、原料ガスの成分に耐える材質で形成されている。螺旋部５９は、支持軸５８を中心として、長片の金属部材を螺旋状に巻回して形成されている。
【００２２】
掻落部材５２は、触媒部材３６の内面において、触媒部材３６の中心軸と支持軸５８の位置がほぼ一致し、螺旋部５９が、触媒部材３６の内面に適度な力で接触する。駆動機構５３は、各炉心管３２の上部に取り付けられている。駆動機構５３は、電動モータで、支持軸５８が駆動軸に連結されている。駆動機構５３を作動させると、螺旋部５９が、触媒部材３６の内面に沿って支持軸５８を中心に回動する。
【００２３】
収納容器５４には、各炉心管３２の下端がそれぞれ連結している。収納容器５４は、各炉心管３２で生成されたナノカーボンを収納する容器体であり、下方に開閉弁７４を介して排出管６１が取り付けられ、側壁には、排気管６３が取り付けられている。排出管６１は、回収箱７８に接続し、排気管６３は、排気浄化装置６０に接続している。
【００２４】
排気浄化装置６０は、溶解槽６２と、触媒器６４とを備えている。溶解槽６２は、排気管６３が接続され、炉心管３２から流出した排気中に含まれる成分を溶液に溶解させる。溶解槽６２には、排気管６５が設けられ触媒器６４に連結している。触媒器６４は、排気中に残存する炭素含有化合物を触媒で反応させ、排気を浄化させる。排気は、触媒器６４から、排出管６７を通して排気を大気に放出される。
【００２５】
次に、ナノカーボン製造装置１０の作用、効果について説明する。ナノカーボン製造装置１０を起動させると、制御装置１００は、原料加熱装置２６と炉心部加熱装置４０とに通電し、加熱室２８と炉心部３０とでの加熱を開始させる。加熱室２８の温度が所定温度に達したことがセンサからの計測値により確認されたら、制御装置１００は、送出ポンプ２４を作動させ、貯留槽２２から原料のエタノールを加熱室２８に送る。
【００２６】
加熱室２８では、エタノールが気化され、更にエタノールガスが所定の温度に加熱される。所定温度に加熱されたエタノールガス、つまり原料ガスは、分配装置７０を通って各炉心管３２内に流入する。
【００２７】
各炉心管３２は、炉心部加熱装置４０の加熱により所定温度に設定されている。各炉心管３２の内部に原料ガスが導入されると、原料ガスは、触媒部材３６に触れ、触媒部材３６の表面にナノカーボンが生成される。ナノカーボンは、化学気相成長法によって生成される。
【００２８】
触媒部材３６に接触した原料ガスは、炉心管３２を通過し、製品回収装置５０に流入する。製品回収装置５０に流入した原料ガス（排気）は、排気浄化装置６０に流入し、溶解槽６２、及び触媒器６４にて浄化され、排出管６７から大気に放出される。
【００２９】
そして、ナノカーボンの製造開始から所定時間経過したなら、制御装置１００は、駆動機構５３を駆動させ、掻落部材５２を炉心管３２内で回転駆動させる。掻落部材５２は、支持軸５８を中心として回転し、螺旋部５９が触媒部材３６の内面に沿って螺旋状に摺動する。すると、触媒部材３６の内面に付着しているナノカーボンが螺旋部５９により掻き落とされ、炉心管３２を通って収納容器５４に収納される。収納容器５４に所定量のナノカーボンが収納されたら、制御装置１００、あるいは作業者は、開閉弁７４を開き、炉心管３２で生成されたナノカーボンを収納容器５４から回収箱７８に取り出す。
【００３０】
以上説明したように、第１実施形態にかかるナノカーボン製造装置１０は、炉心部加熱装置４０内に５本の炉心管３２が設けられており、各炉心管３２において温度等反応条件が適切に設定される。したがって、触媒部材３６の内部を、所定の温度に均一に保持する温度管理が容易で、しかも時間当たりの生産量が多く、所望の構造のナノカーボンを安定して効率よく製造できる。
【００３１】
又、ナノカーボン製造装置１０は、５本の炉心管３２を炉心部加熱装置４０により加熱するので、十分な生産量が確保される。仮に、触媒部材３６の５倍の面積を有する触媒部材に合わせて、１本の炉心管を形成すると、炉心管が大型となり、重量が大きくなる。又、その場合の掻落部材が、炉心管の径に合わせて大型となり、支持構造や駆動機構が大型化し、保守管理に手間がかかる。
【００３２】
ナノカーボン製造装置１０は、複数の炉心管３２を、1本、あるいは数本の温度計測器４１で計測でき、炉心管３２の本数より少ない温度計測器４１の設置数で温度を計測できる。炉心部加熱装置４０をパネル状に形成することにより炉心部加熱装置４０の制御装置を少なくできる。
【００３３】
一方、シール部材７６は、コストが高いが、ナノカーボン製造装置１０では、５箇所に必要となるだけであり、シール部材７６によるコスト上昇はそれほど大きくなることはない。又、ナノカーボン製造装置１０では、掻落部材５２が大型化しないことから、メンテナンスや部品の交換作業が容易となる。炉心管３２の直径が細くなるので、ナノカーボン製造装置１０の横幅を細くできる。
【００３４】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態のナノカーボン製造装置１１を、図４を用いて説明する。以下、第１実施形態にかかるナノカーボン製造装置１０と同一の部材については、同一の符号を付し、説明は省略する。
【００３５】
ナノカーボン製造装置１１は、７本の炉心管３２を環状に配列させている。炉心管３２の外方には、環状に配置された炉心部加熱装置４０が設けられている。又、環状に配列された炉心管３２の中心部分に、中心部加熱装置４３が設けられている。炉心部加熱装置４０の外方には断熱材４８が設けられている。他の構成は、ナノカーボン製造装置１０と同様である。
【００３６】
第２実施形態のナノカーボン製造装置１１によれば、炉心部加熱装置４０と中心部加熱装置４３とにより、環状に配列された炉心管３２を一斉に、かつ均等に加熱できる。複数の炉心管３２を、1本あるいは数本の温度計測器４１で計測でき、炉心管３２の本数より少ない温度計測器４１の設置数で温度を計測にできる。炉心部加熱装置４０をパネル状に形成することにより炉心部加熱装置４０の制御装置を少なくできる。
【００３７】
したがって、ナノカーボン製造装置１１を低コストで生産でき、低価格で提供することができる。ナノカーボン製造装置１１では、複数の炉心管３２を温度計測器４１により、炉心部３０の温度を計測し、その結果から、炉心部加熱装置４０や中心部加熱装置４３を温度制御し、炉心管３２の温度、すなわち触媒部材３６の温度を適切に制御することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、所望の構造を均一に備えたナノカーボンを、低コストで効率よく量産できるナノカーボン製造装置を安価に提供することができる。尚、本実施形態は、温度計測器を、炉心管３２の内部に設け、炉心管３２の内部温度を直接測定してもよい。又、本実施形態は、ナノカーボン製造装置が矩形や円形に限るものではない。又、複数の炉心管の径を全て同一でなく、炉心管ごとに径を変更させてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１０、１１…ナノカーボン製造装置、２２…貯留槽、２４…送出ポンプ、２６…原料加熱装置、２７…電熱器、２８…加熱室、３０…炉心部、３２…炉心管、３４…炉心管本体、３６…触媒部材、４０…炉心部加熱装置、４１…温度計測器、４２…電熱線、４４…保持部、４６…溝部、４８…断熱材、５０…製品回収装置、５２…掻落部材、５３…駆動機構、５４…収納容器、５８…支持軸、５９…螺旋部、６０…排気浄化装置、６１…排出管、６２…溶解槽、６３…排気管、６４…触媒器、７０…分配装置、７４…開閉弁、７６…シール部材、７８…回収箱、１００…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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