(57)【要約】  カーボンナノチューブの製造装置において収量、収率を向上させる。加熱されて周囲加熱体となる反応管（２０）の内側に、原料およびキャリアガスを反応管内に供給する複数のノズル（２６）、および少なくとも一つの内部加熱体（２４）を配置する。ノズルを複数配置することで収量が増加する。ノズルは、二つの加熱体（周囲加熱体，内部加熱体）に挟まれるように配置され、最も近い二つの加熱体周壁までの距離がａである。また、隣り合うノズル同士の距離がｂ（≧２ａ）である。ノズルから供給される原料およびキャリアガスの流れが、互いに、また加熱体壁と干渉せず、収率が増加する。
2009096077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブを合成するカーボンナノチューブ合成装置であって、
加熱装置により加熱され周囲加熱体となる管形状の反応管と、
前記反応管内に、前記反応管の軸線と平行な軸線を有するよう配置された管または柱形状の少なくとも一つの内部加熱体と、
反応管内に原料とキャリアガスを、前記反応管の軸線と平行な方向に沿って供給する複数のノズルであって、キャリアガスが供給された原料の周囲を囲うように供給される、複数のノズルと、
を有し、
前記ノズルと、このノズルからの距離が最も近い２個の、周囲加熱体または内部加熱体との距離は第１の距離であり、当該ノズルとこのノズルに最も近いノズルとの距離は、前記第１の距離の２倍以上である第２の距離である、
カーボンナノチューブ合成装置。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載のカーボンナノチューブ合成装置であって、前記反応管と１個の前記内部加熱体は同軸配置される、装置。
【請求項３】
請求の範囲第１項に記載のカーボンナノチューブ合成装置であって、
前記内部加熱体は、前記反応管と同心の一つの円周上に複数配置され、
前記ノズルは、個々の前記内部加熱体と前記反応管の間に１個ずつ、また隣同士の前記内部加熱体の間に１個ずつ配置される、
カーボンナノチューブ合成装置。
【請求項４】
請求の範囲第３項に記載のカーボンナノチューブ合成装置であって、前記内部加熱体は３個である、装置。
【請求項５】
請求の範囲第３項に記載のカーボンナノチューブ合成装置であって、前記内部加熱体は４個である、装置。
【請求項６】
請求の範囲第１項に記載のカーボンナノチューブ合成装置であって、
前記内部加熱体は、１個が前記反応管と同軸に配置され、６個が前記反応管と同心の一つの円周上に配置され、
前記ノズルは、前記円周上に配置された個々の内部加熱体と前記反応管の間に１個ずつ、前記反応管と同軸に配置された内部加熱体の間に１個ずつ、また前記円周上に配置された内部加熱体の隣同士の加熱体の間に１個ずつ、配置される、
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを合成する装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブを合成する方法として、気相流動法が知られている。これは、加熱された管形状の反応管に、炭素源、触媒等を含む原料ガスを供給し、反応管内で浮遊した状態でカーボンナノチューブを成長させるものである。近年、カーボンナノチューブは、新しい可能性を有する新材料として注目されており、工業的な利用が検討されている。工業利用のために、生産量の増加が要望されている。【０００３】
下記特許文献１には、実験室レベルの反応管の径を大きくし、ノズル数を増加して、収量を増大する技術が示されている。その際、反応管内の温度のむらをなくすために、反応管の内側に内部加熱体を配置している。
【特許文献１】特開２００５−４１７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カーボンナノチューブの製造においては、収量に加え、収率、すなわち所望の構造を有するカーボンナノチューブの割合を高めたいとの要求がある。例えば、単層カーボンナノチューブを得たい場合、多層カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン等の生成を抑えたい。本発明は、より収量、収率の高い合成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のカーボンナノチューブ合成装置は、加熱装置により加熱され周囲加熱体となる管形状の反応管と、この反応管内に反応管の軸線と平行な軸線を有するよう配置された管または柱形状の内部加熱体と、反応管内に原料とキャリアガスを、反応管の軸線と平行な方向に沿って供給する複数のノズルとを含む。キャリアガスは、供給された原料の周囲を囲うように供給される。ノズルは、あるノズルと、このノズルからの距離が最も近い２個の加熱体（周囲加熱体または内部加熱体）との距離が第１の距離であり、ノズルとこのノズルに最も近いノズルとの距離が、前記第１の距離の２倍以上である第２の距離となるように、配置される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、カーボンナノチューブ合成装置の収量、収率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態のカーボンナノチューブ製造装置の概略構成を示す図である。
【図２】ノズルと内部加熱体の一配置例を示す図である。
【図３】ノズルと内部加熱体の一配置例を示す図である。
【図４】ノズルと内部加熱体の一配置例を示す図である。
【図５】ノズルと内部加熱体の一配置例を示す図である。
【図６】ノズルと内部加熱体の一配置例を示す図である。
【符号の説明】
【０００８】
１０  カーボンナノチューブ製造装置、１６  合成装置、２０  反応管（周囲加熱体）、２４，３４，４４，５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂ  内部加熱体、２６，３６，４６，５６ａ，５６ｂ，６６ａ，６６ｂ  ノズル。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、カーボンナノチューブ製造装置１０の概略構成図である。カーボンナノチューブ製造装置１０は、原料を供給する原料供給装置１２、キャリアガスを供給するキャリアガス供給装置１４、原料よりカーボンナノチューブを合成する合成装置１６および合成されたカーボンナノチューブを回収する回収装置１８を含む。原料は、炭素源、触媒とその助剤を含む。キャリアガスは、カーボンナノチューブの合成に直接関与するものではないが、合成装置１６内の原料の反応条件を整えるのに用いられる。【００１０】
合成装置１６は、略円筒形状の反応管２０と、この反応管２０の周囲を取り囲むように配置される加熱装置２２を含む。反応管２０は、その円筒軸線が鉛直方向、すなわち重力の作用する向きに沿うように配置される。なお、ここで「重力」の概念には、質量間に働く引力の他に、遠心力などの慣性力に起因する擬似的な重力を含む。反応管２０は、加熱装置２２により加熱されて高温となり、管内を加熱する周囲加熱体となる。反応管２０内には、さらに内部加熱体２４が配置される。内部加熱体２４は、管状、柱状、好ましくは円管状または円柱状であり、反応管２０の円筒軸線と、軸線が平行となるように配置される。本実施形態においては、円柱形状が採用されている。なお、この場合の「平行」の概念には、反応管２０と内部加熱体２４が同軸配置される場合も含む。内部加熱体は、１個または複数個配置され、この配置については、後に詳述する。加熱装置２２および内部加熱体２４としては、例えば、電気抵抗回路を利用して加熱するものとできる。【００１１】
反応管２０には、原料およびキャリアガスを供給するノズル２６が複数配置される。原料は、触媒となる遷移金属化合物と反応助剤が炭素源を含む溶媒に事前に調整の上、加えられたものであり、原料供給装置１２よりポンプでノズル２６に供給される。さらに、原料は、ノズル２６の先端より細かな液滴粒子として反応管２０に投入される。キャリアガスは、キャリアガス供給装置１４より、マスフロー流量計で適切な流量を確認されながら、ノズル２６の先端付近より反応管２０内に供給される。ノズル２６の先端部は、原料とキャリアガスを別個に反応管内に供給するように構成される。原料はノズル２６先端の中心から供給され、一方、キャリアガスは先端の周辺部より供給されて、原料の液滴を囲む形の断面が環状の流れとなって、反応管内を流れる。【００１２】
原料の液滴は、反応管２０内を降下中に、周辺加熱体および内部加熱体からの熱を受け、炭素源が熱分解して生成された炭素と、遷移金属化合物が熱分解して生成された金属粒子と助剤とが作用してカーボンナノチューブが合成される。反応管２０の底部から、合成されたカーボンナノチューブを含む排出ガスが排出され、回収装置１８に送られる。回収装置１８にて、排出ガスからカーボンナノチューブが分離され、回収される。【００１３】
次に、内部加熱体２４とノズル２６の配置について説明する。なお、以下の各配置例においては、反応管２０の軸線に直交する断面における配置を示す。図２は、図１の合成装置１６の横断面図である。内部加熱体２４が１個、ノズル２６が６個の例を示している。内部加熱体２４は、周囲加熱体である反応管２０と同軸に配置されている。ノズル２６は、反応管２０の内壁と、内部加熱体２４の周面とから等距離ａにある円２８上に配置される。さらにノズル２６は、隣のノズル同士の距離が距離ａの約２倍の距離ｂとなるように配置されている。距離ａは、１本の反応管に１個のノズルを反応管の中心に設けた合成装置により求められたノズルと反応管内壁面の距離であり、高収量、高品質のカーボンナノチューブの合成を実現するものである。一つのノズルに対し、この距離ａにある加熱体（反応管および内部加熱体）が少なくも２つとなるよう、内部加熱体とノズルの配置が考慮され、より好ましくは、２個の加熱体によりノズルが挟まれる配置となるよう考慮される。２個の加熱体が、反応管と１個の内部加熱体である場合と、２個の内部加熱体である場合がある。また、距離ａは、ノズルから供給された原料およびキャリアガスの流れが、反応管内壁と干渉しない距離と考えられる。図２の例において、距離ｂを距離ａの約２倍とすることにより、隣合うノズル２６から供給された原料およびキャリアガスの流れ同士が干渉しないようにすることができる。流れが干渉しないようにする、という観点から見れば、距離ｂは距離ａの２倍以上とすれば良いことが理解される。ノズルの配置数は、多いほど収量を増すことができ、この観点から距離ｂは短い方が良く、結局距離ｂは距離ａの２倍とすることが好適である。距離ｂが距離ａの２倍とするには、内部加熱体２４の径を調節することで達成できる。【００１４】
図３は、内部加熱体とノズルの他の配置例を示す図である。内部加熱体３４は３個、ノズル３６は６個が配置される。反応管２０の内壁が作る円が３個の扇形に分割されている。この扇形の両端の半径３０に内接する円３２の中心に内部加熱体３４の中心が配置される。この円３２と内部加熱体３４の距離がａとされ、また円３２は、内部加熱体３４の周壁と反応管２０の内壁の中点を通るようにされる。円３２の同士の接点にノズル３６が配置され、これらのノズル間の距離ｂが距離ａの２倍以上となり、また内部加熱体３４の周壁と反応管２０の内壁の最短距離が２ａとなるように、内部加熱体３４の径が定められている。見方を変えれば、図３の配置は、以下のようになる。内部加熱体３４は、反応管２０と同心の一つの円周上に３個が配置されている。１個の内部加熱体３４につき、反応管２０の間に１個のノズル３６が配置され、３個の内部加熱体にそれぞれに１個ずつのノズルが対応している。また、隣同士の内部加熱体３４の間にも１個のノズル３６が配置され、合計３個のノズルが配置される。【００１５】
図４は、内部加熱体とノズルのさらに他の配置例を示した図である。内部加熱体４４は４個、ノズル４６は８個が配置される。配置の方法は、基本的に図３の場合と同様である。図３では、反応管２０の内壁が作る円を３等分したが、図４の例では４等分している。そして、その扇形の両端の半径４０に内接する円４２の中心に内部加熱体４４の中心が位置するようにこれを配置する。この円４２と内部加熱体４４の距離がａとされ、また円４２は、内部加熱体４４の周壁と反応管２０の内壁の中点を通るようにされる。円４２同士の接点にノズル４６が配置され、これらのノズル間の距離ｂが距離ａの２倍以上となり、また内部加熱体４４の周壁と反応管２０の内壁の最短距離が２ａとなるように、内部加熱体４４の径が定められている。以下同様にして、内部加熱体４４の個数を増加させることができる。見方を変えれば、図４の配置は、以下のようになる。内部加熱体４４は、反応管２０と同心の一つの円周上に４個が配置されている。１個の内部加熱体４４につき、反応管２０の間に１個のノズル４６が配置され、４個の内部加熱体にそれぞれに１個ずつのノズルが対応している。また、隣同士の内部加熱体４４の間にも１個のノズル４６が配置され、合計４個のノズルが配置される。【００１６】
図３、図４に示した配置例は、複数の内部加熱体３４または４４が一つの円周上に配置される例であるが、内部加熱体の個数が増加すると、さらに内側に内部加熱体を配置することができる。図５は、一つの円周上に内部加熱体５４ｂが６個配置され、さらにその内側にもう１個の内部加熱体５４ａが配置される例である。６個の内部加熱体５４ｂおよびノズル５６ａは図３，４の配置例と同様に配置を定めることができる。反応管２０と同一の中心で、円５２に接する円５７を定める。この円５７と周面の距離がａとなるように内部加熱体５４ｂの径を決定することができる。一つの円周上に配置される内部加熱体５４ｂが６個の場合には、内部加熱体５４ａ，５４ｂの径は等しくなる。円５２と円５７の接点にもノズル５６ｂを配置する。見方を変えれば、図５の配置は、以下のようになる。内部加熱体５４ａは、反応管２０と同軸に配置される。また、６個の内部加熱体５４ｂが反応管２０と同心の一つの円周上に配置される。ノズルは、円周上に配置された６個の内部加熱体５４ｂのそれぞれと反応管２０の間に１個ずつ、計６個が配置され、６個の内部加熱体５４ｂのそれぞれと中心の内部加熱体５４ａの間に１個ずつ、計６個が配置され、更に一つの円周上に配置された内部加熱体５４ｂの隣同士のものの間に１個ずつ、計６個が配置される。【００１７】
図６は、内部加熱体とノズルのさらに他の配置例を示した図である。この例においては、内部加熱体６４ａ，６４ｂとノズル６６ａ，６６ｂが同心円状に交互に配置される。また、同一の円周上に配置された内部加熱体６４ａ，６４ｂおよびノズル６６ａ，６６ｂは、等間隔に配置される。反応管２０の中心に内部加熱体６４ａが配置され、その外側の同一の円上にノズル６６ａが配置され、さらに外側に内部加熱体６４ｂが、またさらに外側にノズル６６ｂがそれぞれ同一の円上に配置される。内部加熱体６４ａと６４ｂのそれぞれの周壁間の距離は２ａであり、その中点にノズル６６ａが配置される。ノズル６６ａ同士の間隔ｂを２ａ以上とするために、ノズル６６ａの個数は、内部加熱体６４ｂの半分となっている。すなわち、ある内部加熱体６４ｂ-1（図６参照）の中心と内部加熱体６４ａの中心を結ぶ線上にノズル６６ａ-1が配置される。先の内部加熱体６４ｂ-1から一つ内部加熱体６４ｂ-2を飛ばした内部加熱体６４ｂ-3と内部加熱体６４ａの中心を結ぶ線上にノズル６６ａ-2が配置される。隣り合うノズル６６ａの距離が２ａ以上となるように、内部加熱体６４ａの径、内部加熱体６４ｂの個数が決定される。【００１８】
外側のノズル６６ｂは、内部加熱体６４ｂに１対１に対応して配置される。反応管２０の内周壁と外側の内部加熱体６４ｂの周壁の距離は２ａであり、その中点にノズル６６ｂが配置される。このノズル６６ｂについても、隣のノズル間の距離ｂが２ａ以上となるように、内部加熱体６４ｂの数、内部加熱体６４ａ，６４ｂの径が決定される。
【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６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年11月24日(2009.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
カーボンナノチューブを合成するカーボンナノチューブ合成装置であって、
加熱装置により加熱され周囲加熱体となる管形状の反応管と、
前記反応管内に、前記反応管の軸線と平行な軸線を有するよう配置された管または柱形状の少なくとも一つの内部加熱体と、
反応管内に原料とキャリアガスを、前記反応管の軸線と平行な方向に沿って供給する複数のノズルであって、原料は当該ノズルから液滴として供給され、キャリアガスは、液滴として供給された原料の周囲を囲うように供給される、複数のノズルと、
を有し、
前記ノズルと、このノズルからの距離が最も近い２個の、周囲加熱体または内部加熱体との距離は第１の距離であり、当該ノズルとこのノズルに最も近いノズルとの距離は、前記第１の距離の２倍以上である第２の距離である、
カーボンナノチューブ合成装置。
【国際調査報告】
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