(57)【要約】【課題】一括処理で異種材料の複合粒子を合成できる複合粒子製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】チャンバーと、チャンバーに配置してプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、チャンバーに接続されて、第一の材料をチャンバー内に第一の材料供給口から供給する第一の材料供給装置と、チャンバーに接続されて、第二の材料をチャンバー内に第二の材料供給口から供給する第二の材料供給装置と、チャンバーに接続されて、チャンバーから排出された複合粒子を回収する回収装置と、を備え、チャンバー内で発生させたプラズマにより、第一及び第二の材料供給装置から供給された第一及び第二の材料から複合粒子を製造する装置であって、プラズマ発生装置は、前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、第一の材料供給装置の第一の材料供給口を第一の材料がプラズマ高温部に供給されるように設置し、第二の材料供給装置の第二の材料供給口を第二の材料がプラズマ高温部以外の箇所に供給されるように設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、
前記チャンバーに配置してプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
前記チャンバーに接続されて、第一の材料を前記チャンバー内に第一の材料供給口から供給する第一の材料供給装置と、
前記チャンバーに接続されて、第二の材料を前記チャンバー内に第二の材料供給口から供給する第二の材料供給装置と、
前記チャンバーに接続されて、前記チャンバーから排出された複合粒子を回収する回収装置と、
を備え、
前記チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記第一及び第二の材料供給装置から供給された前記第一及び第二の材料から複合粒子を製造する装置であって、
前記プラズマ発生装置は、前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、
前記第一の材料供給装置の前記第一の材料供給口を前記第一の材料が前記プラズマ高温部に供給されるように設置し、前記第二の材料供給装置の前記第二の材料供給口を前記第二の材料が前記プラズマ高温部以外の箇所に供給されるように設置している、複合粒子製造装置。
【請求項２】
前記プラズマ高温部は、プラズマの存在確率が０．５以上である、請求項１に記載の複合粒子製造装置。
【請求項３】
前記プラズマ発生装置は、
前記チャンバーに接続されて先端が前記チャンバーに突出して前記プラズマを発生させる複数本の電極と、
前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、それぞれ位相の異なる交流電力を供給する交流電源と、
を備え、
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交流電力を供給して、前記電極の間にアーク放電を生成させて前記プラズマを発生させる、請求項１又は２に記載の複合粒子製造装置。
【請求項４】
前記第一の材料供給口は、鉛直上方から見て、前記複数本の電極の先端部で画成される面内の中央部又は前記電極の先端部に配置されている、請求項３に記載の複合粒子製造装置。
【請求項５】
前記第二の材料供給口は、鉛直上方から見て、隣接する前記電極の間の位置に配置されている、請求項３又は４に記載の複合粒子製造装置。
【請求項６】
前記複数本の電極に供給する前記交流電源において、前記交流電力の周波数は６０Ｈｚよりも大きく３６０Ｈｚ以下である、請求項３から５のいずれか１項に記載の複合粒子製造装置。
【請求項７】
チャンバーに設置したプラズマ発生装置により前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、
第一の材料を前記プラズマ高温部のプラズマに投入し、前記第一の材料は、前記プラズマ高温部の領域中を通過するときに、蒸発又は気化して前記第一の材料の材料ガスとなり、さらに、前記第一の材料の材料ガスが前記プラズマ高温部の領域から抜けた瞬間、前記第一の材料の材料ガスが急激に冷やされて凝固し、
第二の材料を前記プラズマ高温部以外の箇所に投入し、前記第二の材料は、投入前のままもしくは溶融し、球形化されて凝固し、凝固した前記第二の材料の表面に前記第一の材料の皮膜を形成し、または前記表面に微粒子が付着した複合粒子を合成する、
複合粒子製造方法。
【請求項８】
前記プラズマ高温部は、プラズマの存在確率が０．５以上である、請求項７に記載の複合粒子製造方法。
【請求項９】
前記プラズマ発生装置は、
前記チャンバーに接続されて先端が前記チャンバーに突出して前記プラズマを発生させる複数本の電極と、
前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、それぞれ位相の異なる交流電力を供給する交流電源と、
を備え、
前記交流電源から位相が互いに異なる交流電力を前記複数本の電極にそれぞれ供給して、前記電極の間にアーク放電を生成させて前記プラズマを発生させる、請求項７又は８に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１０】
前記第一の材料を、鉛直上方から見て、前記複数本の電極の先端部で画成される面内の中央部又は前記電極の先端部と対向する位置から供給する、請求項９に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１１】
前記第二の材料を、鉛直上方から見て、隣接する前記電極の間の位置から供給する、請求項９又は１０に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１２】
前記複数本の電極に交流電力を供給する前記交流電源において、前記交流電力の周波数は６０Ｈｚよりも大きく３６０Ｈｚ以下である、請求項９から１１のいずれか１項に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１３】
前記第一の材料の供給量が前記第二の材料の供給量よりも少ない、請求項７から１２のいずれか一項に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１４】
前記プラズマに供給前の前記第一の材料の平均粒子径が０．５μｍ以上５００μｍ以下であり、前記プラズマに供給前の前記第二の材料の平均粒子径が０．５μｍ以上５０００μｍ以下である、請求項７から１３のいずれか一項に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１５】
前記プラズマを通過後の前記第一の材料の平均粒子径が５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記プラズマを通過後の前記第二の材料の平均粒子径が０．３μｍ以上５０００μｍ以下である、請求項１４に記載の複合粒子製造方法。
【請求項１６】
前記プラズマを通過後の前記第二の材料の平均粒子径が０．３μｍ以上５０００μｍ以下であり、前記プラズマを通過後の前記第二の材料の表面に形成された前記第一の材料の皮膜の平均厚みが５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１４に記載の複合粒子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大粒子と小粒子とを複合した複合粒子製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、粒径が異なる複合粒子の製造は、大粒子と小粒子を別々に製造し、これらを混合することで行っていた。例えば、従来例１の特開２００３−２７５２８１号公報（特許文献１）には、薬物含有複合粒子の製造方法が開示されている。この従来例１では、流動層乾燥造粒法または乾式機械的粒子複合化法を利用して、大粒子（直径１μｍ以上５００μｍ以下）の表面に小粒子（直径０．０１μｍ以上５００μｍ以下）を付着させている。
【０００３】
また、例えば、従来例２の特開２００５−３４２６１５号公報（特許文献２）に開示されている球状複合粒子の製造方法では、プラズマに原材料粒子を導入し、球状粒子の表面に原材料の微粒子を分散付着される球状複合粒子を形成している。
【０００４】
図４に、従来例２の熱プラズマを利用した、球状複合粒子の製造装置の概略断面図を示す。球状複合粒子の製造装置は、チャンバー２０１と、チャンバー２０１内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段２０３と、プラズマ２０２に原材料粒子を導入する原材料供給手段２０４と、を備えている。チャンバー２０１は、小粒子が球状粒子の表面に分散付着する領域２１０を内部に有している。さらに、小粒子が分散付着した球状粒子をチャンバー２０１内から回収する回収手段２０６を備えている。プラズマ２０２に原材料粒子を導入しその表面を溶融させて蒸発させることにより原材料粒子を球形に近づけつつ、その球状粒子の周囲に原材料蒸気が混在した場を形成している。さらに、プラズマ２０２の通過後の球状粒子と原材料蒸気の混在場２２０に原材料蒸気を急冷させながら原材料蒸気と反応する反応・急冷ガスを吹き込む。これにより、原材料蒸気を反応・急冷ガスと反応させながら凝縮させて球状粒子よりも直径の小さな小粒子を形成させると共に、その小粒子を球状粒子の表面に分散付着させ、球状複合粒子を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２７５２８１号公報
【特許文献２】特開２００５−３４２６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述された従来例１の複合粒子の製造方法では、大粒子を製造するプロセス、小粒子を製造するプロセス、これらの大小粒子を混合するプロセスなど、多くの別々のプロセスが必要となる。このため、複合粒子の製造コストが高くなる。
【０００７】
また、上述された従来例２の球状複合粒子の製造方法では、原材料の表面を蒸発させ生成した小粒子を大粒子の表面に分散・付着させるため、大粒子と小粒子の材料は同じものになってしまう。
【０００８】
本発明は、上述された従来の課題を考慮し、一括プロセスで複合粒子を効率よく、合成でき、異種材料でも複合粒子を合成できる複合粒子製造装置及び製造方法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】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の１つの態様に係る複合粒子製造装置は、
チャンバーと、
前記チャンバーに配置してプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
前記チャンバーに接続されて、第一の材料を前記チャンバー内に第一の材料供給口から供給する第一の材料供給装置と、
前記チャンバーに接続されて、第二の材料を前記チャンバー内に第二の材料供給口から供給する第二の材料供給装置と、
前記チャンバーに接続されて、前記チャンバーから排出された複合粒子を回収する回収装置と、
を備え、
前記チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記第一及び第二の材料供給装置から供給された前記第一及び第二の材料から複合粒子を製造する装置であって、
前記プラズマ発生装置は、前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、
前記第一の材料供給装置の前記第一の材料供給口を前記第一の材料が前記プラズマ高温部に供給されるように設置し、前記第二の材料供給装置の前記第二の材料供給口を前記第二の材料が前記プラズマ高温部以外の箇所に供給されるように設置している。
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明の別の態様に係る複合粒子製造方法は、チャンバーに設置したプラズマ発生装置により前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、
第一の材料を前記プラズマ高温部に投入し、前記第一の材料は、前記プラズマ高温部の領域中を通過するときに、蒸発又は気化して前記第一の材料の材料ガスとなり、さらに、前記第一の材料の材料ガスが前記プラズマ高温部の領域から抜けた瞬間、前記第一の材料の材料ガスが急激に冷やされて凝固し、
第二の材料を前記プラズマ高温部以外の箇所に投入し、前記第二の材料は、投入前のままもしくは溶融し、球形化されて凝固し、凝固した前記第二の材料の表面に前記第一の材料の皮膜を形成し、または前記表面に微粒子が付着した複合粒子を合成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る複合粒子製造装置及び複合粒子製造方法によれば、第一の材料をプラズマ高温部に供給し、第二の材料を前記プラズマ高温部以外の箇所から供給する。これによって、第二の材料は供給前と同形状のままもしくは溶融され球状化される。一方、第一の材料はプラズマによって蒸発又は気化して材料ガスとなる。この第一の材料の材料ガスが急激に冷却された際に、第二の材料からなる球状粒子の表面に、第一の材料からなる皮膜もしくは微粒子が付着された複合粒子を形成することができる。このため、異種材料のナノレベルの皮膜・微粒子が形成・付着された複合粒子を一括処理で合成でき、低コストで生産することができる複合粒子製造装置及び製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る複合粒子製造装置の概略縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ方向から見た、第１実施形態に係る複合粒子製造装置の概略断面平面図である。
【図３】第１実施形態に係る複合粒子製造方法のプロセスフローチャートである。
【図４】第１実施形態に係る複合粒子製造装置において印加する電極に印加する交流電力の周波数を変えた時の一周期のアーク放電によるプラズマの存在確率分布の模式図である。
【図５】従来例２の複合粒子製造装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の態様に係る複合粒子製造装置は、チャンバーと、
前記チャンバーに配置してプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
前記チャンバーに接続されて、第一の材料を前記チャンバー内に第一の材料供給口から供給する第一の材料供給装置と、
前記チャンバーに接続されて、第二の材料を前記チャンバー内に第二の材料供給口から供給する第二の材料供給装置と、
前記チャンバーに接続されて、前記チャンバーから排出された複合粒子を回収する回収装置と、
を備え、
前記チャンバー内で発生させた前記プラズマにより、前記第一及び第二の材料供給装置から供給された前記第一及び第二の材料から複合粒子を製造する装置であって、
前記プラズマ発生装置は、前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、
前記第一の材料供給装置の前記第一の材料供給口を前記第一の材料が前記プラズマ高温部に供給されるように設置し、前記第二の材料供給装置の前記第二の材料供給口を前記第二の材料が前記プラズマ高温部以外の箇所に供給されるように設置している。
【００１４】
第２の態様に係る複合粒子製造装置は、上記第１の態様において、前記プラズマ高温部は、プラズマの存在確率が０．５以上であってもよい。
【００１５】
第３の態様に係る複合粒子製造装置は、上記第１又は第２の態様において、前記プラズマ発生装置は、
前記チャンバーに接続されて先端が前記チャンバーに突出して前記プラズマを発生させる複数本の電極と、
前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、それぞれ位相の異なる交流電力を供給する交流電源と、
を備え、
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交流電力を供給して、前記電極の間にアーク放電を生成させて前記プラズマを発生させてもよい。
【００１６】
第４の態様に係る複合粒子製造装置は、上記第３の態様において、前記第一の材料供給口は、鉛直上方から見て、前記複数本の電極の先端部で画成される面内の中央部又は前記電極の先端部に配置されていてもよい。
【００１７】
第５の態様に係る複合粒子製造装置は、上記第３又は第４の態様において、前記第二の材料供給口は、鉛直上方から見て、隣接する前記電極の間の位置に配置されていてもよい。
【００１８】
第６の態様に係る複合粒子製造装置は、上記第３から第５のいずれかの態様において、前記複数本の電極に供給する前記交流電源において、前記交流電力の周波数は６０Ｈｚよりも大きく３６０Ｈｚ以下であってもよい。
【００１９】
第７の態様に係る複合粒子製造方法は、チャンバーに設置したプラズマ発生装置により前記チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせ、
第一の材料を前記プラズマ高温部に投入し、前記第一の材料は、前記プラズマ高温部の領域中を通過するときに、蒸発又は気化して前記第一の材料の材料ガスとなり、さらに、前記第一の材料の材料ガスが前記プラズマ高温部の領域から抜けた瞬間、前記第一の材料の材料ガスが急激に冷やされて凝固し、
第二の材料を前記プラズマ高温部以外の箇所に投入し、前記第二の材料は、投入前のままもしくは溶融し、球形化されて凝固し、凝固した前記第二の材料の表面に前記第一の材料の皮膜を形成し、または前記表面に微粒子が付着した複合粒子を合成する。
【００２０】
第８の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第７の態様において、前記プラズマ高温部は、プラズマの存在確率が０．５以上であってもよい。
【００２１】
第９の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第７又は第８の態様において、前記プラズマ発生装置は、
前記チャンバーに接続されて先端が前記チャンバーに突出して前記プラズマを発生させる複数本の電極と、
前記複数本の電極にそれぞれ接続されて、それぞれ位相の異なる交流電力を供給する交流電源と、
を備え、
前記交流電源から位相が互いに異なる交流電力を前記複数本の電極にそれぞれ供給して、前記電極の間にアーク放電を生成させて前記プラズマを発生させてもよい。
【００２２】
第１０の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第９の態様において、前記第一の材料を、鉛直上方から見て、前記複数本の電極の先端部で画成される面内の中央部又は前記電極の先端部から供給してもよい。
【００２３】
第１１の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第９又は第１０の態様において、前記第二の材料を、鉛直上方から見て、隣接する前記電極の間の位置から供給してもよい。
【００２４】
第１２の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第９から第１１のいずれかの態様において、前記複数本の電極に交流電力を供給する前記交流電源において、前記交流電力の周波数は６０Ｈｚよりも大きく３６０Ｈｚ以下であってもよい。
【００２５】
第１３の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第７から第１２のいずれかの態様において、前記第一の材料の供給量が前記第二の材料の供給量よりも少なくてもよい。
【００２６】
第１４の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第７から第１３のいずれかの態様において、前記プラズマに供給前の前記第一の材料の平均粒子径が０．５μｍ以上５００μｍ以下であり、前記プラズマに供給前の前記第二の材料の平均粒子径が０．５μｍ以上５０００μｍ以下であってもよい。
【００２７】
第１５の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第１４の態様において、前記プラズマを通過後の前記第一の材料の平均粒子径が５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記プラズマを通過後の前記第二の材料の平均粒子径が０．３μｍ以上５０００μｍ以下であってもよい。
【００２８】
第１６の態様に係る複合粒子製造方法は、上記第１４の態様において、前記プラズマを通過後の前記第二の材料の平均粒子径が０．３μｍ以上５０００μｍ以下であり、前記プラズマを通過後の前記第二の材料の表面に形成された前記第一の材料の皮膜の平均厚みが５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。
【００２９】
以下、図面を参照しながら、実施の形態に係る複合粒子製造装置及び複合粒子製造方法について詳細に説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る複合粒子製造装置の概略縦断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ方向から見た、第１実施形態に係る複合粒子製造装置において電極部分を横方向に切断した状態での概略断面平面図である。図３は、第１実施形態に係る複合粒子製造方法のプロセスフローチャートである。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３を用いて、一例として、グラファイトの表面にナノメートルオーダーの固体電解質Ｌｉ３ＰＳ４が分散付着した複合粒子を製造する例を説明する。
【００３１】
＜複合粒子製造装置＞
第１実施形態に係る複合粒子製造装置４０は、少なくとも、チャンバーの一例としての反応室１と、第一の材料供給装置１０と、第二の材料供給装置１１と、アーク放電を生成してプラズマを発生させるプラズマ発生装置、例えば、複数本の電極４と、電極４に接続されたガス供給管１４と、生成した複合粒子を回収する回収装置の一例としての複合粒子回収部３とを備えて構成している。第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１は、反応室１の底部下方に配置されて、第一の材料及び第２の材料をそれぞれ反応室１内に供給している。複合粒子回収部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で生成された複合粒子を回収している。この複合粒子製造装置によって、反応室１内でアーク放電を発生させ、第一及び第二の材料供給装置から供給された第一の材料粒子及び第二の材料粒子から複合粒子を製造する。
【００３２】
この複合粒子製造装置によれば、第一の材料をプラズマ高温部に供給し、第二の材料をプラズマ高温部以外の箇所から供給する。これによって、第二の材料は供給前と同形状のままもしくは溶融され球状化される。一方、第一の材料はプラズマによって蒸発又は気化して材料ガスとなる。この第一の材料の材料ガスが急激に冷却された際に、第二の材料からなる球状粒子の表面に、第一の材料からなる皮膜もしくは微粒子が付着された複合粒子を形成することができる。
【００３３】
以下、この複合粒子製造装置４０の構成について詳細に説明する。
【００３４】
＜反応室＞
反応室１は、チャンバーの一例であって、鉛直方向下方から上方に沿って延在する。
【００３５】
＜プラズマ発生装置＞
プラズマ発生装置によって、反応室１内にチャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有するプラズマ高温部を生じさせる。なお、プラズマ高温部は、高温のプラズマを有し、プラズマの存在確率が０．５以上の領域である。このプラズマ発生装置としては、例えば、複数本の電極４であって、電極４の間に交流電力を印加してアーク放電を生成して、プラズマを発生させる。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ている。この複数本の電極４は、２本以上の電極４であればよい。例えば、反応室１の中央部を介して互いに対向して配置された一対の電極４を含んでいてもよい。また、２本又は３本以上の電極４の間に交流電力を印加することで、電極４の間の反応室１の中央部にアーク放電を生じさせ、プラズマを発生させることができる。図２の場合には、６本の電極４がｘ−ｙ平面内で中心からみて隣接する電極４が６０°の角度を成すように放射状に配置されている。なお、図２の例に限られず、少なくとも２本の電極４があればよい。この複数本の電極４によって、反応室１内でプラズマを発生させ、発生させたプラズマにより、第一の材料供給装置１０から供給された第一の材料粒子３０を蒸発、気化させることができる。
なお、鉛直上方から見て、複数本の電極の先端部で画成される面内において、対向する電極間中央部又は電極の先端部では、周辺部である隣接する電極間よりも高温のプラズマが発生する「プラズマ高温部」が生じると考えられる。この「プラズマ高温部」は、図４に示すように上述の通り、チャンバーの中央部に周辺部より高温のプラズマを有する領域である。具体的には、「プラズマ高温部」は、プラズマの存在確率が０．５以上であり、高温のプラズマを有する。一方、鉛直上方から見て、隣接する電極の間の位置では、プラズマは発生しないか、あるいは比較的中央部よりも低温のプラズマしか存在しないと考えられる。
【００３６】
複数本の電極４には、其々、位相の異なる電力を供給する交流電源５が接続されており、位相を例えば６０°づつずらした６０Ｈｚの交流電圧を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。
【００３７】
＜第一の材料供給装置及び第二の材料供給装置＞
第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１は、第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａにより反応室１と接続している。第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１から第一の材料粒子３０及び第二の材料粒子３１を、反応室１の底部側から第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａを介して反応室１内に供給する。第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａは、反応室１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在して立設されている。図２に示すように、第一の材料供給管１０ａの第一の材料供給口１２は、鉛直上方（ｚ方向）から見て、電極４の先端で画成される面内の中央部又は電極４の先端の対向する位置に配置されている。また、第一の材料供給口１２は、鉛直方向と垂直な方向から見て、面内の中央部又は電極４の先端部と対向する位置について鉛直下方で対応する位置に配置されている。また、第二の材料供給管１１ａの第二の材料供給口１３は、鉛直上方（ｚ方向）から見て、隣接する電極４の間に配置されている。言い換えると、第二の材料供給管１１ａの第二の材料供給口１３は、隣接する２つの第一の材料供給口１２の間に配置されている。また、第二の材料供給口１３は、鉛直方向と垂直な方向から見て、隣接する電極４の間の位置について鉛直下方の対応する位置に配置されている。
【００３８】
＜複合粒子製造方法＞
以下、上記複合粒子製造装置による複合粒子の製造方法について、図３のプロセスフローチャートに沿って説明する。
【００３９】
（ステップＳ１）材料設置及び真空引きをする。
初めに、第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１内に第一の材料粒子３０及び第二の材料粒子３１を設置する。次に、反応室１内と、複合粒子回収部３内と、第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１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。また、大気中では劣化する材料の場合は不活性雰囲気にて材料を設置してもよい。
【００４０】
（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のそれぞれから、それぞれ流量調整器２６を介して、第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１と、電極４に接続されたガス供給管１４とにガスを流量調整しながら供給する。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。
【００４１】
この第１実施形態の第１実施例では、一例としてグラファイトの表面にナノメートルオーダーのＬｉ３ＰＳ４が分散した複合粒子を製造させる。そのため、反応室１内には、ガス供給装置２７からガス供給管１４を介して、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。また、プラズマ及び生成した複合粒子の流れの制御や粒子径の制御をするために、反応室１の下部や電極４の上部等からガスを流してもよい。また、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、ガス供給管を介して、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。
【００４２】
（ステップＳ３）放電を開始する。
アーク放電を生成させる電極４は、一例として炭素材料である。図２に示すように、反応室１内に先端が横方向（例えば水平方向に対して５°以上３０°以下上向き）に突出した状態で、反応室１の円周壁に６０°間隔で６本の電極４を放射線状に配置する。電極４には、電極材料の蒸発を低減するため、ガス供給管１４からのガス及び具体的には図示しないが水を内部に流す水冷式として、電極を冷却している。
【００４３】
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段など多段化した電極配置にしてもよい。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アーク放電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よい。
【００４４】
図１及び図２に示すように、アーク放電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る。アーク放電が着火した後、それぞれ、電極４に印加され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℃の熱プラズマであるアーク放電の面積が大きくなり、処理量を増加させることができる。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ことができる。
【００４５】
（ステップＳ４）材料供給を開始する。
次いで、ガスと共に第一の材料粒子３０及び第二の材料粒子３１の供給を開始する。
一例として、第一の材料粒子３０は、プラズマ高温部に供給して蒸発させ、ナノメートルオーダーの微粒子３２の原料となる。この第一の材料粒子３０は、平均粒子径約２０ミクロンメートルのＬｉ３ＰＳ４を用い、第一の材料供給装置１０内に設置する。プラズマ高温部は、材料によるが５００℃以上１２０００℃以下であれば、材料を蒸発させることが可能である。
第二の材料粒子３１は、プラズマ高温部以外の箇所に供給し、蒸発させない。この第二の材料粒子３１は、平均粒子径約５ミクロンメートルのグラファイトを用い、第二の材料供給装置１１内に設置する。第二の材料３１を供給する箇所は、そのままの形状を維持したい場合、あるいは球形化したい場合、材料にも依存する。例えば、炭素の昇華点は３６４２℃なので、炭素を供給する箇所の温度は３５００℃以下であればよい。第１実施例では、第一の材料粒子３０として、平均粒子径２０ミクロンメートルで最大粒子径が約５０ミクロンメートルの粒子を使用したが、プラズマの条件や材料にも依存する。例えば、０．５ミクロンより大きくかつ５００ミクロン以下の粒子径であれば、熱プラズマにて蒸発し、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。５００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。
第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１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、材料粒子を導入する器の回転数によって材料粒子の供給量を制御して、粉末材料である材料粒子を一定の割合で材料供給管に送ることができる。材料供給装置の他の例としては、表面倣い式粉末供給器、定量式粉末供給器などがある。表面倣い式粉末供給器では、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。定量式粉末供給器では、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。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ことが好ましい。第二の材料粒子３１として、第１実施例では、約５ミクロンメートルの粒子を使用したが、粒子の形状やガスの流量等にも依存する。例えば、０．５ミクロンより大きくかつ５０００ミクロン以下の粒子径であれば、安定して供給することが可能である。前記の局部流動式粉末供給装置を用いる場合、０．５ミクロンより小さいと流動性が悪くなり、供給が不安定になり、５０００ミクロンより大きいと供給量の微調整が困難になり、第一の材料粒子３０との比率を制御できない。
【００４６】
また、材料供給装置及び材料供給管を追加することで二種類以上の複合粒子や合成しながらの複合粒子形成も可能である。
【００４７】
また、第１実施例では、微粒子を形成したが、材料や材料の供給条件、プラズマ条件により、第二の材料粒子の表面に第一の材料粒子の皮膜を形成することも可能である。
【００４８】
また、蒸発させたくない第二の材料粒子のガス流量もしくはガス流速を第一の材料粒子のガス流量もしくはガス流速よりも大きくすることで第二の材料粒子へ与える熱エネルギーを小さくすることができ、より低融点・沸点の材料を用いることができる。
【００４９】
第一の材料粒子３０と第二の材料粒子３１の供給量はそれぞれ所定の比になるように供給する。
【００５０】
（ステップＳ５）複合粒子を形成する。
次いで、図１に示すように、第一の材料供給装置１０及び第二の材料供給装置１１からガスと共に第一の材料粒子３０及び第二の材料粒子３１は、第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａに送られる。そして、第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａの上端の第一の材料供給口１２及び第二の材料供給口１３から第一の材料粒子３０及び第二の材料粒子３１がそれぞれ反応室１内にガスと共に導入される。第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａの上端の材料供給口１２、１３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。特に、第一の材料供給管１０ａ及び第二の材料供給管１１ａの上端の材料供給口１２、１３は、アーク放電３５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、材料供給口１２、１３の配置は、電極の配置や電極への交流電力の印加等によるプラズマの状態等により、平面及び高さ方向にその他種々の態様で実施できる。例えば、材料を蒸発させたくない第二の材料供給管１１ａの第二の材料供給口１３を複数の電極４の中心位置よりも、鉛直方向の上側に設置することで、第二の材料粒子３１へ与える熱エネルギーを小さくすることができ、より低融点・沸点を用いることも可能になる。
【００５１】
さらに、図２に示すように、熱プラズマにて蒸発させる第一の材料粒子３０は、プラズマ高温部である複数の電極４の中心及び対向する電極間の鉛直方向の下側に配置された第一の材料供給管１０ａの第一の材料供給口１２から供給する。蒸発させない第二の材料粒子３１は、プラズマ高温部でない隣接する電極間の鉛直方向の下側に配置された第二の材料供給管１１ａの第二の材料供給口１３から供給する。
【００５２】
図４は、第１実施形態に係る複合粒子製造装置において印加する電極に印加する交流電力の周波数を変えた時の一周期のアーク放電によるプラズマの存在確率分布の模式図である。図４では、電極とプラズマとを示しており、プラズマの広がっている領域について、プラズマの存在確率を濃淡で示している。図４に示すように電極に印加する交流電力の周波数を６０Ｈｚから１２０Ｈｚ、１８０Ｈｚと高周波化することでプラズマの揺れ、つまり広がりが抑制されていることがわかる。また、高周波化することで対向する電極４の先端間のプラズマの高存在確率である高温領域が狭くなるとともに、電極４の先端間の中央部に集まっていくことがわかる。そのため、高周波化することによって、隣接する電極４間はより低温になり、隣接する電極４間から供給される第二の材料粒子３１へ与える熱エネルギーを小さくすることができる。つまり、より低融点・沸点の材料を用いることができ、さらに材料供給口をより中心部に近づけることができ、第一の材料粒子から生成する微粒子３２との分散性を上げることができる。また、第一の材料粒子３０へ与える熱エネルギーも大きくすることができ、大量の材料を微粒子化することが可能である。なお、３６０Ｈｚよりも高周波化すると対向する電極４の先端間のプラズマ高温部の高温領域が狭くなりすぎるために、プラズマ高温部の高温領域を通過しない第一の材料粒子３０が発生するために、処理効率が悪くなってしまう。
【００５３】
反応室１内にガスと共に導入された第一の材料粒子３０は、アーク放電３５によるプラズマ高温部の高温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、第一の材料粒子３０はガス化する。第一の材料粒子３０を蒸発させてできた材料ガスは、アーク放電３５の熱による上昇気流又は電極４のガス供給管１４からのガス流れによって、反応室１内を上昇する。その後、アーク放電３５の領域から抜けた瞬間、材料ガスは急激に冷やされ、球状の微粒子３２が生成される。一方、第二の材料粒子３１は、アーク放電３５によるプラズマ高温部の高温領域以外またはアーク放電３５が発生していない箇所を通過するため、蒸発せずに溶融もしくは処理前の形状のまま上昇気流やガスの流れによって、反応室１内を上昇する。その後、アーク放電３５の上部もしくはアーク放電３５から抜けた後に球状の微粒子３２と混合され、第二の材料粒子３１の表面に球状の微粒子３２が付着した複合粒子が形成される。
【００５４】
また、アーク放電３５の下部や上部からガスを導入し、流れを制御し、例えば旋回流を起こすことで分散性をよくすることもできる。
【００５５】
また、蒸発させない第二の材料粒子３１の平均粒子径は供給前の最小サイズの０．５μｍに対して溶融され、不定形状から球状になる場合、わずかに平均粒子径が小さくなり、０．３μｍになる。このため、第二の材料粒子３１の平均粒子径は、処理前の０．５μｍ以上５０００μｍ以下から処理後は０．３μｍ以上５０００μｍ以下となる。一方、蒸発させる第一の材料粒子３０の平均粒子径及び平均皮膜は、材料やプラズマ条件もしくはアーク放電３５の上部から冷却ガスの導入条件等に依存する。本実施の形態での冷却速度では、微粒子化される場合、例えば、平均粒子径が５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、皮膜が形成される場合、皮膜の平均厚みが５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となる。
【００５６】
（ステップＳ６）放電を止めて、複合粒子を回収する。
次いで、図１に示すように、生成された複合粒子３４は、ガスの流れにより、複合粒子回収部３によって回収される。図示していないが、複合粒子回収部３には、所望の複合粒子を回収できるバグフィルタが取付けられている。複合粒子を回収するためのバグフィルタは、高温のガスが流れるため、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、回収した複合粒子を大気に取出す際は、劣化の恐れがあるため、不活性雰囲気中で取り出す。これらの前記のプロセスにより、バグフィルタからは、例えば約５ミクロンメートルのグラファイトの表面に１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のＬｉ３ＰＳ４微粒子が付着した複合粒子を回収することができる。また、本実施例にて電極４及び図示していないがインナーチャンバー等の内部部材に炭素材料を用いてもよい。これによって、高温のプラズマが一般的に金属で構成される反応室壁１５や電極と接することがなく、プロセス中での金属等の不純物の増加を抑制でき、生成された複合粒子中の金属材料の含有量を０．５％以下にすることができる。また、Ｌｉ３ＰＳ４は、Ｃｕ等の金属と反応してしまうため、Ｌｉ３ＰＳ４と接する電極４や内部部材に炭素材料やＳＵＳ材を用いることで、Ｌｉ３ＰＳ４の反応による劣化を抑制できる。この生成された複合粒子をリチウム電池に用いると、固体電解質を効率よく活物質の周囲に分散できるため、電池容量や充放電速度等の電池特性を上げることができる。
【００５７】
また、前記第１実施形態によれば、複数本の電極４には、それぞれ交流電源５が接続されてアーク放電３５を生成できるので、従来の方法に比べ、第一の材料粒子３０を蒸発させるアーク放電３５による熱プラズマ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。
【００５８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る複合粒子製造装置及び製造方法は、蒸発させる第一の材料をプラズマ高温部の高温領域に投入し、蒸発させない第二の材料をプラズマ高温部以外のプラズマの発生していない箇所もしくは低温部の箇所に投入している。これによって、生成した第一材料のガス・蒸気と第二の材料を混合することで第二の材料の表面に第一の材料の皮膜を形成または微粒子が付着した異種材料の複合粒子を一括に効率良く大量に処理することができる。そこで、複合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、本発明に係る複合粒子製造装置及び製造方法は、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複合粒子製造装置及び製造方法として有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１  反応室
３  複合粒子回収部
４  電極
５  交流電源
１０  第一の材料供給装置
１０ａ  第一の材料供給管
１１  第二の材料供給装置
１１ａ  第二の材料供給管
１２  第一の材料供給口
１３  第二の材料供給口
１４  ガス供給管
１５  反応室壁
２０  配管
２１  圧力調整バルブ
２２  ポンプ
２６  流量調整器
２７  ガス供給装置
３０  第一の材料粒子
３１  第二の材料粒子
３２  第一の材料の微粒子
３４  複合粒子
３５  アーク放電
【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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