(57)【要約】      （修正有）【課題】より効率的に酸化マグネシウムを還元することが可能な還元装置等を提供する。【解決手段】還元装置１は、酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する装置である。レーザ照射部２００は、処理室１００内のステージ１２０に載置された酸化マグネシウム２にレーザを照射する。ガス吹き付け部３００は、照射されたレーザにより、酸化マグネシウム２から蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体とに、水平方向に作動ガスを吹き付け、各気体を分離する。分離されたマグネシウムは、コレクタ４００に付着する。【選択図】図１
2015137410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する還元装置であって、
酸化マグネシウムにレーザを照射するレーザ照射部と、
照射された前記レーザにより、前記酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に、水平方向に作動ガスを吹き付けるガス吹き付け部と、
前記マグネシウムの気体が付着する付着部と、
を備える還元装置。
【請求項２】
前記ガス吹き付け部は、前記作動ガスの質量に対する酸素原子の質量比をα、マグネシウム原子の熱速度をＶｔｍｇ、酸素原子の熱速度をＶｔｏとした場合に、前記作動ガスを、下記数式を満たす速度Ｖで吹き付ける、
ことを特徴とする請求項１に記載の還元装置。
2015137410.tif 000016
【請求項３】
前記ガス吹き付け部は、前記レーザが前記酸化マグネシウムに照射される点から前記作動ガスまでの距離をＨ、前記マグネシウムの気体及び前記酸素の気体の高さ方向の速度をＶａ、前記マグネシウム原子及び酸素原子の半径をａ、前記作動ガスの数密度をｎとした場合に、前記作動ガスを、下記数式を満たす流量Ｑで吹き付ける、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の還元装置。
2015137410.tif 000017
【請求項４】
酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する還元方法であって、
酸化マグネシウムにレーザを照射するレーザ照射ステップと、
照射された前記レーザにより、前記酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に、水平方向に作動ガスを吹き付けるガス吹き付けステップと、
前記マグネシウムの気体を付着部に付着させる付着ステップと、
を備える還元方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する還元装置、及び還元方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属酸化物にレーザを照射して蒸発させることで、酸化物を還元し、純度の高い金属を取得する技術がある。例えば、特許文献１は、容器内に不活性ガスを導入しながら、酸化マグネシウム等の金属酸化物にレーザを照射し、金属酸化物からの蒸発物を不活性ガスによって、付着媒体に向けて進路を変更させて、その付着媒体に蒸発した金属を付着させる技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５５２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１において、金属酸化物からの蒸発物について、酸素と、金属とが十分に分離されておらず、還元効率が十分ではない。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、より効率的に酸化マグネシウムを還元することが可能な還元装置、及び還元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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の還元装置は、
酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する還元装置であって、
酸化マグネシウムにレーザを照射するレーザ照射部と、
照射された前記レーザにより、前記酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に、水平方向に作動ガスを吹き付けるガス吹き付け部と、
前記マグネシウムの気体が付着する付着部と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、より効率的に酸化マグネシウムを還元することが可能な還元装置、及び還元方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１に係る還元装置の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）は作動ガスを吹き付けない場合、（ｂ）は作動ガスを吹き付ける場合の、レーザを酸化マグネシウムに照射して発生した蒸気の流れを模式的に示す図である。
【図３】作動ガスの吹き付け流量に対するマグネシウムの生成効率を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は本実施形態に係る還元装置１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、還元装置１は、処理室１００と、レーザ照射部２００と、ガス吹き付け部３００と、コレクタ４００とから構成される。
【００１１】
処理室１００は、一般的にチャンバーと呼ばれ、処理室１００内に載置された酸化マグネシウム２の還元が行われる場所である。処理室１００内は、図示しない排気ポンプが取りつけられ、必要に応じて、処理室１００内の排気が行われる。また、処理室１００内には、図示しないガス導入管が設けられ、選択的に、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、不活性ガスなどが導入される。また、処理室１００の上部には、レーザ照射部２００から照射されたレーザを処理室１００内に取り込むために、既知の入射窓１１０が設けられている。
【００１２】
ステージ１２０は、酸化マグネシウム２が載置される台である。ステージ１２０は、図示しない駆動機構により、移動可能であってもよい。
【００１３】
レーザ照射部２００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レーザ照射装置から構成される。ここで、レーザ照射部２００として、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を用いてもよい。
【００１４】
レーザ照射部２００から照射されたレーザは、反射鏡２１０によりその進路が変更され、入射窓１１０を通って、処理室１００内に導入される。なお、少なくともレーザ照射部２００と反射鏡２１０との間は、図示しない光ファイバなどを用いて接続してもよい。同様に、反射鏡２１０から入射窓１１０までの間も、さらには、入射窓１１０から酸化マグネシウム２付近までの間も、光ファイバなどを用いて接続してもよい。これにより、酸化マグネシウム２に到達するレーザの光損失を抑止することができる。
【００１５】
ガス吹き付け部３００は、作動ガスＧを、酸化マグネシウム２の表面に導入する管から構成される。ガス吹き付け部３００は、酸化マグネシウム２から蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に対して、水平方向に作動ガスを吹き付ける。
【００１６】
コレクタ４００は、酸化マグネシウム２から蒸発したマグネシウムＧＭを、その冷却過程において衝突させることにより、表面に付着させる。コレクタ４００は、酸化マグネシウム２の上方に、所定距離離れて配置される。コレクタ４００は、図示しない駆動機構により、酸化マグネシウム２に対して移動可能であってもよい。コレクタ４００は、表面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、どのような材料を採用してもよい。例えば、コレクタ４００として、銅板やチタン板を採用しうる。
【００１７】
次に、本実施形態に係る還元装置１において、ガス吹き付け部３００が噴出する作動ガスの速度及び流量について説明する。
【００１８】
一般に、静止している質量Ｍの原子に、質量ｍの原子が速度Ｖで衝突する場合において、その衝突が完全に一次元方向のみで起こるとすると、運動量とエネルギーの保存則から、質量Ｍの原子が得る速度ＶＭは、以下の数１式で表される。
【数１】
2015137410.tif 000003
【００１９】
ここで、マグネシウム原子と酸素原子の質量数はそれぞれ２４と１６であるから、マグネシウム原子と酸素原子とにそれぞれ作動ガスＧの粒子が衝突した場合、数１式より、マグネシウムが得る速度は、酸素原子が得る速度に比べて小さくなる。また、マグネシウムと酸素分子との衝突を考えると、それぞれ質量数は２４と３２であるから、この場合もそれぞれが得る速度は異なる。
【００２０】
従って、本実施形態では、この速度の差を利用して、マグネシウムと酸素との分離を行う。図２（ａ）に作動ガスＧを吹き付けない場合、（ｂ）に作動ガスＧを吹き付ける場合の、レーザＬを酸化マグネシウム２に照射して発生した蒸気の流れを模式的に示す。図２（ａ）に示すように、作動ガスＧを吹き付けない場合、酸化マグネシウム２から蒸発したマグネシウムと酸素の蒸気Ｇａは、レーザＬの照射方向に関係なく、酸化マグネシウム２の表面に対し垂直方向に噴出する。なお、実際に酸化物にレーザを照射した場合、蒸気Ｇａは横方向に広がるが、この広がりは、主に温度による熱速度に起因し、蒸気Ｇａの噴出速度が大きい場合には、この広がりは無視できる。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示すように、作動ガスＧを水平方向に吹き付けると、酸化マグネシウム２から蒸発したマグネシウムの蒸気Ｇｍｇと、酸素の蒸気Ｇｏとは、作動ガスＧにより異なる速度を得るため、分離しながら上昇する。ここで、図２（ｂ）に示すように作動ガスＧを吹き付けると、密度が低く、流体間の衝突が少なく、粒子同士がほぼすり抜けるような状況では、粒子の間の衝突により各粒子が得る速度は、数１式により決定される。すなわち、酸素原子が得る水平方向の速度ＶＯと、マグネシウム原子が得る速度Ｖｍｇとは異なる。ここで、酸素質量ＭＯと、作動ガスＧの質量ｍとは、以下の数２式で表されるとする。
【数２】
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【００２２】
また、酸素原子とマグネシウム原子の質量の比は、１６：２４＝２：３なので、この質量比と数２式とから、マグネシウム原子の質量Ｍｍｇは、以下の数３式で表される。
【数３】
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【００２３】
数１式と数３式から、酸素原子の速度Ｖｏとマグネシウム原子の速度Ｖｍｇとの比は以下の数４式で表される。
【数４】
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【００２４】
数４式より、αが大きいほど、すなわち作動ガスＧの質量ｍが小さいほど、酸素とマグネシウムの速度比が大きくなり、酸素原子とマグネシウム原子とを分離しやすくなることがわかる。これは、実際に作動ガスを変えて行った実験である図３によって裏付けられる。図３のようにアルゴン、窒素に比べてヘリウムを作動ガスとした場合が最も高い還元効率を得ている。
【００２５】
次に、マグネシウム原子及び酸素原子の熱に関与する運動エネルギーが、熱エネルギーに等しいとすると、マグネシウムの熱速度Ｖｔｍｇ［ｃｍ／ｓｅｃ］及び酸素原子の熱速度Ｖｔｏは、温度をＴ［Ｋ］として、ボルツマン定数ｋ＝１．３８×１０−１６［ｅｒｇ／Ｋ］、マグネシウム原子の質量Ｍｍｇ＝２４×１．６７３×１０−２４［ｇ］及び酸素原子の質量Ｍｏ＝１６×１．６７３×１０−２４［ｇ］を用いて、それぞれ以下の数５式及び数６式で表される。
【数５】
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【数６】
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【００２６】
数５式及び数６式において、例えば、Ｔ＝１０００［Ｋ］のとき、Ｖｔｍｇ＝５．８×１０４［ｃｍ／ｓｅｃ］、Ｖｔｏ＝７．２×１０４［ｃｍ／ｓｅｃ］となる。マグネシウム原子及び酸素原子はそれぞれ、数５式及び数６式で示されるＶｔｍｇ及びＶｔｏの熱速度で空間に広がっていく。従って、これらの原子を分離するためには、酸素原子の速度Ｖｏとマグネシウム原子の速度Ｖｍｇとの速度の差が、マグネシウムの熱速度Ｖｔｍｇと酸素原子の熱速度Ｖｔｏとの和よりも大きくならなくてはならない。すなわち、以下の数７式を満たす必要がある。
【数７】
2015137410.tif 000009
【００２７】
従って、数７式より、作動ガスＧの速度Ｖは、以下の数８式を満たす必要がある。
【数８】
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【００２８】
次に、吹き付ける作動ガスＧの量について説明する。酸素原子及びマグネシウム原子の半径をａ、作動ガスの数密度をｎ［／ｍ３］とすると、酸素原子及びマグネシウム原子が、作動ガスを構成する原子と衝突するまでの飛距離Ｌは、以下の数９式で表される。
【数９】
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【００２９】
吹き付ける作動ガスＧの縦方向の高さをＨとし、レーザによって噴出するマグネシウムと酸素の高さ方向の流速をＶａとすると、マグネシウムの蒸気が距離Ｈを通過するのにかかる時間ｔは、以下の数１０式で表される。
【数１０】
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【００３０】
作動ガスＧの噴射速度をＶとすると、時間ｔの間に作動ガスＧは飛距離Ｌを進んでマグネシウムの蒸気と衝突するため、以下の数１１式を満たす必要がある。
【数１１】
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【００３１】
数９式〜数１１式より、吹き付けるガスの噴射速度Ｖは、以下の数１２式で表される。
【数１２】
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【００３２】
数１２式において、Ｈ＝１［ｍｍ］、Ｖａ＝１０６［ｃｍ／ｓｅｃ］、ａをボーア半径を代用して５×１０−９、ｎ＝１×１０１８とすると、Ｖ＝１．３×１０５[cm/sec] となり、Ｖｔよりも大きくなる。このときの作動ガス流量Ｑは、以下の数１３式より、１０００［ｃｍ３／ｓｅｃ］となる。
【数１３】
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【００３３】
以上のように構成される還元装置１によれば、効率よく、酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムと酸素とを分離し、高純度のマグネシウムを回収することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態によって限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３５】
１      還元装置
１００  処理室
１１０  入射窓
１２０  ステージ
２００  レーザ照射部
２１０  反射鏡
３００  ガス吹き付け部
４００  コレクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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