(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属化合物を還元する還元部と、
前記金属化合物を前記還元部へ移送する第１移送部と、
前記還元部から還元後の残留物を移送する第２移送部と、
を含む金属化合物の還元装置であって、
前記第１移送部および前記第２移送部は、両者の間で熱交換するように配置されるとともに、互いの移送方向が異なる還元装置。
【請求項２】
請求項１に記載の還元装置において、
前記第１移送部および前記第２移送部は、前記金属化合物の移送方向と、前記残留物の移送方向とが対向するように配置される還元装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の還元装置において、
前記第１移送部は、前記金属化合物を移送する経路において第１の熱伝導部を有し、
前記第２移送部は、前記残留物を移送する経路において第２の熱伝導部を有し、
前記第２移送部で移送される前記残留物の熱を、前記第２の熱伝導部と前記第１の熱伝導部との間で熱交換する還元装置。
【請求項４】
請求項３に記載の還元装置において、
前記第１移送部および前記第２移送部はそれぞれ、熱伝導率が異なる複数の部材によって構成され、
前記第１の熱伝導部は、前記第１の熱伝導部以外を構成する部材よりも熱伝導率が高い部材で構成され、
前記第２の熱伝導部は、前記第２の熱伝導部以外を構成する部材よりも熱伝導率が高い部材で構成される還元装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の還元装置において、
前記第１の熱伝導部と前記第２の熱伝導部とが接する、または一体になるように、前記第１移送部および前記第２移送部が配置される還元装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項に記載の還元装置において、
前記第２移送部は、前記第２の熱伝導部内の移送経路において、移送される前記残留物の流れを抑制する抑制部を有する還元装置。
【請求項７】
金属化合物を還元する還元部と、
前記金属化合物を前記還元部へ移送する第１移送部と、
前記還元部から還元後の残留物を移送する第２移送部と、
を含む金属化合物の還元装置であって、
前記金属化合物および前記残留物を同方向に移送する前記第１移送部および前記第２移送部の組が複数組設けられ、
前記第１移送部および前記第２移送部の組は、異なる組の前記第１移送部と前記第２移送部との間で熱交換するように配置されるとともに、互いの移送方向が異なる還元装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の還元装置において、
太陽光を集光する集光部を備え、
前記還元部は、前記集光部で集光された太陽光により加熱される還元装置。
【請求項９】
請求項８に記載の還元装置において、
太陽を追尾する追尾機構を備え、
前記追尾機構は、前記集光部と、前記還元部と、前第１移送部と、前記第２移送部とを一体として駆動する還元装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の還元装置を用い、
金属化合物を加熱して還元する金属化合物の還元方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の還元装置を用い、
マグネシウム化合物を加熱処理することによりマグネシウム金属を得るマグネシウム金属の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元装置、金属化合物の還元方法、およびマグネシウム金属の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光のエネルギーを用いて、金属化合物を還元する技術が知られている（特許文献１参照）。従来技術では、太陽光の集光部に設けられたレシーバー（還元部）へ金属化合物が移送され、加熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特表２０１０−５３５３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、加熱還元反応による金属の生産を効率よく行う移送の検討がなされていないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様による還元装置は、金属化合物を還元する還元部と、金属化合物を還元部へ移送する第１移送部と、還元部から還元後の残留物を移送する第２移送部と、を含む金属化合物の還元装置であって、第１移送部および第２移送部は、両者の間で熱交換するように配置されるとともに、互いの移送方向が異なる。
本発明の第２の態様による還元装置は、金属化合物を還元する還元部と、金属化合物を還元部へ移送する第１移送部と、還元部から還元後の残留物を移送する第２移送部と、を含む金属化合物の還元装置であって、金属化合物および残留物を同方向に移送する第１移送部および第２移送部の組が複数組設けられ、第１移送部および第２移送部の組は、異なる組の第１移送部と第２移送部との間で熱交換するように配置されるとともに、互いの移送方向が異なる。
本発明の態様による金属化合物の還元方法は、上記還元装置を用い、金属化合物を加熱して還元する。
本発明の態様によるマグネシウム金属の製造方法は、上記還元装置を用い、マグネシウム化合物を加熱処理することによりマグネシウム金属を得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】還元装置の構成を例示する図である。
【図２】真空チャンバの平面図である。
【図３】真空チャンバ内の移送部の詳細を説明する平面図である。
【図４】移送部の詳細を説明する側面図である。
【図５】図４における第１のスクリューコンベアを拡大した図である。
【図６】図３における第１のスクリューコンベアおよび第２のスクリューコンベアを拡大した図である。
【図７】マグネシウム金属を析出させる処理の流れを説明するフローチャートである。
【図８】図８(a)は、図５に示された区間Ｑを側面から見た透過図、図８(b)は、図８(a)における一点鎖線における断面図である。
【図９】図９(a)は、図５に示された区間Ｑを側面から見た透過図、図９(b)は、図９(a)における一点鎖線における断面図である。
【図１０】変形例１に係る供給側移送部と、排出側移送部とを例示する図である。
【図１１】図１１(a)は、変形例２において、図５に示された区間Ｑを側面から見た透過図、図１１(b)は、図１１(a)における一点鎖線における断面図である。
【図１２】図１２(a)は、変形例３において、図５に示された区間Ｑを側面から見た透過図、図１２(b)は、図１２(a)における一点鎖線における断面図である。
【図１３】図１３(a)は、変形例４において、図５に示された区間Ｑを側面から見た透過図、図１３(b)は、図１３(a)における一点鎖線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の一実施の形態による還元装置は、金属化合物等の被移送物を、移送部によって供給部から廃棄部まで移送する。上記移送する経路において、供給部から廃棄部に至る移送経路中に加熱部を設け、この加熱部を、収斂させた太陽光により加熱する。移送部によって供給部から加熱部へ移送された金属化合物は、還元環境において加熱されることによって所定温度に達すると還元反応が起こり金属ガスを噴出する。噴出した金属ガスは、加熱部から回収、冷却されて金属を析出する。還元反応が終了すると、還元反応後の残渣物が加熱部に溜まるので、溜まった残渣物を上記移送部によって加熱部から廃棄部まで移送し、還元装置の外部に廃棄する。
上述したような還元装置について、図面を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は、還元装置１の構成を例示する図である。還元装置１は、集光部１０と、制御部２０と、真空チャンバ３０とを備える。集光部１０は、主鏡１１と、支柱１２と、副鏡１３と、駆動機構１４とを有する。
【０００９】
＜集光部＞
太陽光を集光する集光部１０は、主鏡１１と副鏡１３とを有するカセグレン光学系を構成する。主鏡１１は、例えば、凹面鏡や平面鏡を複数枚組み合わせて放物面（パラボラ面）を形成するように構成される。主鏡１１としては、基板の表面あるいは裏面にアルミニウムや銀の膜を形成し、耐腐食加工したものが用いられる。主鏡１１で集光、反射された太陽光は、副鏡１３へ集光される。副鏡１３は、支柱１２によって支持され、主鏡１１との位置関係が維持される。
【００１０】
副鏡１３は、双曲面を有する凸面鏡により構成されている。副鏡１３としては、基板の表面または裏面にエネルギー吸収の小さい誘電体多層膜により反射層を形成したものが用いられる。副鏡１３で反射された太陽光は、主鏡１１の中央に設けられた不図示の開口を介して、真空チャンバ３０内の加熱部５５（図４）の位置に焦点を結ぶ。集光部１０は、真空チャンバ３０内を局所的に１２００℃程度の高温に加熱するため、１０００倍以上の集光度を有する。この結果、集光部１０により収斂された太陽光のエネルギーによって、加熱部５５内の金属化合物が加熱される。
【００１１】
駆動機構１４は、集光部１０と真空チャンバ３０とを一体で移動させるように公知の追尾駆動を行う。すなわち、駆動機構１４は、集光部１０と真空チャンバ３０とを一体で、鉛直方向の回転軸Ａｘ２を中心として回転させ、また、水平方向の回転軸Ａｘ１を中心として回転させる。これにより、カセグレン光学系の向きが、太陽の移動とともに水平方向および／または俯仰方向に駆動され、太陽に正対する向きになるように自動調節される。
【００１２】
追尾駆動の一例を説明すると、制御部２０が、日時や集光部１０の設置位置（例えば緯度、経度情報）に基づいて算出される太陽の位置と、集光部１０の現在の向きに関する情報とに基づき、主鏡１１を太陽に正対させるために必要な集光部１０の駆動方向および駆動量を算出する。制御部２０は、算出した駆動方向および駆動量に応じた駆動信号を駆動機構１４へ出力する。
【００１３】
駆動機構１４は、制御部２０からの駆動信号に応じて集光部１０を駆動する。集光部１０の現在の向きに関する情報は、集光部１０を駆動するための不図示のモータに組み込まれたエンコーダから出力される信号を用いる。
なお、集光部１０の近傍に配置された不図示の直達光センサから送信される太陽からの直達光の日射量を示す信号（直達日射量信号）に基づいて、主鏡１１を太陽に正対させるために必要な集光部１０の駆動方向および駆動量を算出してもよい。
【００１４】
図１に例示するように、真空チャンバ３０は、主鏡１１の後方（主鏡１１に対して太陽と反対側）に設けられている。駆動機構１４によって集光部１０が追尾駆動されると、真空チャンバ３０は集光部１０とともに一体で駆動される。
なお、カセグレン光学系でない場合は、主鏡１１の後方に真空チャンバ３０を設ける等の位置関係の制限をしなくてもよい。
【００１５】
制御部２０は、マイクロプロセッサやその周辺回路等によって構成される。制御部２０は、不図示の記憶媒体（例えばフラッシュメモリ等）にあらかじめ記録されている制御プログラムを読み込んで実行することにより、還元装置１の各部を制御する。制御部２０は、上述した追尾駆動制御や、後述する移送部４０に対する制御などを行う。
【００１６】
真空チャンバ３０の中には、被移送物を移送する移送部４０が設けられている。上記加熱部５５は、移送部４０による移送経路の途中に設けられている。図１において、移送部４０による移送方向は、駆動機構１４が集光部１０を俯仰方向に駆動するための駆動軸Ａｘ１と平行である。
【００１７】
真空チャンバ３０には、排出部３２が設けられている。排出部３２は、真空チャンバ３０の内部を排気、減圧するための真空ポンプ３５と接続されている。真空ポンプ３５は、制御部２０により制御される。真空ポンプ３５は、真空チャンバ３０内の不要なガスや不純物等を外部に排出する。
【００１８】
＜真空チャンバ＞
図２は、真空チャンバ３０の平面図である。太陽光入射窓３１は、例えば石英ガラスによって構成される。太陽光入射窓３１は、集光部１０により収斂された太陽光を真空チャンバ３０の内部へ透過させる。太陽光入射窓３１は、主鏡１１に設けられた不図示の開口に対応する位置に設けられている。移送部４０は、被移送物を図２の左右方向へ移送する。
【００１９】
＜移送部＞
図３は、真空チャンバ３０内の移送部４０（図１）の詳細を説明する平面図である。また、図４は、真空チャンバ３０内の移送部４０の詳細を説明する側面図である。本実施の形態では、移送部４０として、２機のスクリューコンベアが設けられている。このうち、第１のスクリューコンベア５０は、被移送物を図３、図４において左から右へ移送する。第２のスクリューコンベア６０は、被移送物を図３（図４では不図示）において右から左へ移送する。
【００２０】
第１のスクリューコンベア５０と、第２のスクリューコンベア６０とは、移送方向が異なるのみで他の構成は同様である。したがって、ここでは主として第１のスクリューコンベア５０を例に説明を行い、第２のスクリューコンベア６０の説明を省略する。
なお、図３において、第１のスクリューコンベア５０と第２のスクリューコンベア６０との間で同じ構成に対して同じ符号を付している。
【００２１】
＜スクリューコンベアの詳細＞
モータ４１は、第１のスクリューコンベア５０の駆動源である。モータ４１は、制御部２０からの駆動指示による回転速度で回転する。モータ４１の駆動軸と、第１のスクリューコンベア５０のスクリューロッド４５とに、それぞれプーリ４２ａと４２ｂとが設けられている。プーリ４２ａとプーリ４２ｂとはベルト４３により動力が伝達される。すなわち、モータ４１の駆動力は、ベルト４３を介してスクリューロッド４５に伝達される。なお、スクリューロッド４５の片側（加熱部５５から遠い方）は、カップリング４４を介して真空チャンバ３０の外側に延伸させることで、真空チャンバ３０内の真空度を維持するように構成されている。
【００２２】
図３において、円３１ａは、太陽光入射窓３１の開口位置を示す。円３１ａの内側であって、かつ、第１のスクリューコンベア５０による移送経路の途中に、加熱部５５（図４）が設けられる。加熱部５５には、回収容器４６が設けられる。
【００２３】
図４において、第１のスクリューコンベア５０による移送経路の上流側に、ホッパー４９が設けられている。また、第１のスクリューコンベア５０による移送経路の下流側に、廃棄容器４８が設けられている。
第１のスクリューコンベア５０は、加熱部５５における太陽光の照射位置を除き、断熱材４７によって覆われている。第２のスクリューコンベア６０についても同様である。
【００２４】
図５は、図４における第１のスクリューコンベア５０を拡大した図である。図５において、第１のスクリューコンベア５０は、全体として移送方向全長に亘る筒状体を有し、これらの筒状体は、上流側から下流側に向かって、供給部５１と、中間部５３と、加熱部５５と、中間部５７と、廃棄部５９とに分割されている。供給部５１、中間部５３、加熱部５５、中間部５７、および廃棄部５９は、例えば、耐熱性が高いグラファイト（黒鉛）によって構成される。
【００２５】
供給部５１と中間部５３との間、中間部５３と加熱部５５との間、加熱部５５と中間部５７との間、中間部５７と廃棄部５９との間は、それぞれ石英ガラス管５２、石英ガラス管５４、石英ガラス管５６、石英ガラス管５８によって連結されている。石英ガラス管で連結する理由は、供給部５１と中間部５３との間、中間部５３と加熱部５５との間、加熱部５５と中間部５７との間、中間部５７と廃棄部５９との間における熱エネルギーの移動を抑制し、各部分に必要とされる温度や温度差を維持するためである。石英ガラスは、グラファイトに比べて熱伝導率が低い。石英ガラスに代えて、グラファイトよりも熱伝導率が低い他の耐火物材料を用いることもよい。
【００２６】
本実施の形態では、還元装置１を用いて、被移送物としてのマグネシウム化合物と還元剤との混合物から加熱還元処理によりマグネシウム金属を析出させる例を説明する。
なお、還元装置１は、マグネシウム精錬の用途に限定されるものではなく、シリコン、カルシウム、マンガン、チタン等の精錬の用途に用いるものであってもよい。
【００２７】
第１のスクリューコンベア５０は、被移送物として金属化合物を移送する。金属化合物は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、還元剤として、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）およびこれらの酸化物あるいは炭化物のうち少なくとも一つとを含むものであってよい。
【００２８】
図５において、第１のスクリューコンベア５０は、供給部５１、石英ガラス管５２、中間部５３、石英ガラス管５４、加熱部５５、石英ガラス管５６、中間部５７、石英ガラス管５８、および廃棄部５９により構成される円筒形状の管路内で、スクリューを回転させることによって被移送物を移送する。
【００２９】
第１のスクリューコンベア５０のうち、供給部５１から加熱部５５までが供給側移送部５０Ａを構成する。また、加熱部５５から廃棄部５９までが排出側移送部５０Ｂを構成する。供給側移送部５０Ａは、移送経路に供給側スクリューＳＣ１が設けられ、排出側移送部５０Ｂは、移送経路に排出側スクリューＳＣ２が設けられる。
【００３０】
図５におけるスクリューロッド４５−１およびスクリューロッド４５−２は、図３、図４におけるスクリューロッド４５に対応する。供給側移送部５０Ａの供給側スクリューＳＣ１は、スクリューロッド４５−１と、スクリューロッド４５−１の外周面に設けられた螺旋部ＳＰ１とによって構成される。供給側スクリューＳＣ１は、供給側移送部５０Ａの区間（供給部５１から加熱部５５の一部区間（例えば２螺旋ピッチ分）まで）において、スクリューロッド４５−１と螺旋部ＳＰ１とにより構成される。
【００３１】
排出側移送部５０Ｂの排出側スクリューＳＣ２は、スクリューロッド４５−２と、螺旋部ＳＰ２ａと、螺旋部ＳＰ２ｂとによって構成される。スクリューロッド４５−２は、排出側移送部５０Ｂのうちの石英ガラス管５６から廃棄部５９までの区間に設けられている。螺旋部ＳＰ２ａは、排出側移送部５０Ｂのうち、加熱部５５から中間部５７の一部区間（例えば３螺旋ピッチ分）にかけて設けられている。すなわち、加熱部５５においては、スクリューロッド４５-２を設けずに螺旋部ＳＰ２ａのみを設け、螺旋部ＳＰ２ａのみが回転するロッドレススクリュー区間Ｐが設けられている。螺旋部ＳＰ２ｂは、中間部５７の一部区間（例えば５螺旋ピッチ分）から廃棄部５９にかけて設けられている。
【００３２】
排出側移送部５０Ｂのうちの中間部５７の略中央には、排出側スクリューＳＣ２においてスクリューロッド４５−２のみで構成される区間Ｑが設けられている。すなわち、この部分には螺旋部が存在しない。
【００３３】
なお、本実施の形態では、スクリューロッド４５−１の外径（直径）とスクリューロッド４５−２の外径（直径）とは同一であり、また、螺旋部ＳＰ１と螺旋部ＳＰ２ａと螺旋部ＳＰ２ｂとにおける、各々の螺旋部の螺旋ピッチ、各々の螺旋部の幅、各々の螺旋部の高さ（すなわち、各スクリューロッド４５−１、４５−２の外周面から螺旋部ＳＰ１、ＳＰ２ａ、ＳＰ２ｂの頂部までの高さ）はいずれも等しい。
また、供給側スクリューＳＣ１の回転速度と、排出側スクリューＳＣ２の回転速度とは同一となるように制御されるものとする。
【００３４】
図４、図５において、ホッパー４９は、供給側移送部５０Ａの供給部５１に対して被移送物を供給するために設けられる。本実施の形態では、ホッパー４９の内部に、例えば、還元剤としてケイ素（Ｓｉ）を含有した酸化マグネシウムを粒子状に形成したもの（以下、単に「酸化マグネシウムの粒子」と呼称することがある）が投入される。酸化マグネシウムの粒子は、ホッパー４９から供給側移送部５０Ａの供給部５１の中へ充填される。
【００３５】
＜移送＞
モータ４１の回転によって供給側移送部５０Ａの供給側スクリューＳＣ１が回転すると、供給部５１に充填された酸化マグネシウムの粒子は螺旋部ＳＰ１の溝を通って下流方向（図５において右方）へ移送される。酸化マグネシウムの粒子はさらに、中間部５３を通過して加熱部５５へ到達する。
【００３６】
加熱部５５において、集光部１０によって収斂された太陽光により、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粒子がマグネシウムの沸点（１１０７℃）より高い１２００℃付近まで加熱される。例えばケイ素（Ｓｉ）を還元剤として用いる場合、還元反応式は次式（１）で示される。
４ＭｇＯ＋Ｓｉ → ２Ｍｇ＋Ｍｇ２ＳｉＯ4              …（１）
加熱部５５内の酸化マグネシウムの粒子は、還元反応によってマグネシウムガスを噴出する。一方で、還元反応によってマグネシウムガスの噴出を終了した粒子や還元剤の酸化物等（例えばＭｇ２ＳｉＯ４）の粒子が残留する。本願明細書では、還元反応後に残留する粒子を残渣物と呼ぶ。なお、本願明細書においては、加熱部５５で加熱された後の粒子を総称して残渣物と呼ぶことがある。残渣物には未反応の酸化マグネシウム粒子や還元剤粒子等が含まれていても良い。
【００３７】
上述したように、排出側移送部５０Ｂには、加熱部５５において螺旋部ＳＰ２ａのみが回転するロッドレススクリュー区間Ｐが設けられている。酸化マグネシウムの粒子は、噴出するマグネシウムガスの反作用によってロッドレススクリュー区間Ｐの空間内を跳び回る。このとき、ロッドレススクリュー区間Ｐより上流側（左側）の螺旋部ＳＰ１の溝は、移送されてくる酸化マグネシウムの粒子で満たされている。一方、ロッドレススクリュー区間Ｐより下流側（右側）の螺旋部ＳＰ２ａの溝は、還元反応後に移送される上記残渣物の粒子で満たされている。このように、還元反応前の酸化マグネシウムの粒子と、還元反応後の残渣物とによって、ロッドレススクリュー区間Ｐの空間内を跳ね回る酸化マグネシウムの粒子は、ロッドレススクリュー区間Ｐの外への移動が抑制される。
【００３８】
また、ロッドレススクリュー区間Ｐでは、加熱源となる太陽光による輻射を遮るスクリューロッドが存在しないので、太陽光による輻射熱が加熱部５５内の酸化マグネシウムの粒子に伝わりやすい。このように、本実施の形態によれば、加熱部５５において酸化マグネシウムの粒子を効率よく加熱、還元できる。
【００３９】
図６は、図３における第１のスクリューコンベア５０および第２のスクリューコンベア６０を拡大した図である。図６において、加熱部５５と回収容器４６との間が、２本の石英ガラス管によって連通される。ロッドレススクリュー区間Ｐ（図５）で発生したマグネシウムガスは、回収容器４６へ排出される。回収容器４６では、マグネシウムガスがマグネシウムの融点以下の温度に冷却されることにより、マグネシウムガスから固体または液体のマグネシウムが得られる。 
【００４０】
なお、加熱部５５から回収容器４６へ向かう上記石英ガラス管の入口に不図示のフィルタ（例えば、インコネルあるいはカーボン繊維）を設けることにより、還元反応中の酸化マグネシウムの粒子が回収容器４６へ移動することを防止できる。
【００４１】
図５において、酸化マグネシウムの粒子の還元反応が終了すると、加熱部５５の下部に上記還元反応後の残渣物が溜まる。この残渣物は、排出側移送部５０Ｂの排出側スクリューＳＣ２が回転することにより、ロッドレススクリュー区間Ｐの螺旋部ＳＰ２ａによって下流側（右側）へ移送される。
【００４２】
本実施の形態では、上述したように、移送部４０による移送方向が、集光部１０を俯仰方向に駆動する駆動軸Ａｘ１と平行となるように構成されている。すなわち、集光部１０を追尾駆動する駆動機構１４の仰角軸の方向が、第１のスクリューコンベア５０および第２のスクリューコンベア６０の軸の方向（移送方向）と略一致するように配置されている。したがって、太陽に対して追尾駆動を行う過程で、移送方向は水平方向に保たれる。これにより、ロッドレススクリュー区間Ｐに溜まる残渣物をスムーズに移送することができる。
【００４３】
本願明細書では、被移送物が移送される移送経路において被移送物が通る空間の断面積を空間断面積と呼ぶ。さらに、空間断面積中に占める被移送物の割合を充填率と呼ぶ。被移送物として加熱部５５から下流側へ移送される残渣物は、中間部５７の略中央に位置する区間Ｑにおいて充填率が高くなる。この理由は、区間Ｑにおいては、排出側スクリューＳＣ２の螺旋部が存在しないことから、排出側スクリューＳＣ２による残渣物に対する推力が失われ、上流から移送されてくる残渣物が区間Ｑに滞留するからである。
【００４４】
ロッドレススクリュー区間Ｐの下流側に区間Ｑを設けたことにより、以下の作用効果を奏する。すなわち、螺旋部を有していない区間Ｑにおいて、移送中の残渣物の粒子の充填率を高めるので、上記ロッドレススクリュー区間Ｐにおいて発生したマグネシウムガスは、区間Ｑに滞留した残渣物が妨げとなって、下流側へ移動することが抑制される。
【００４５】
上記区間Ｑに一旦滞留した残渣物は、上流側から区間Ｑへ移送されてくる残渣物により順次下流側に推され、螺旋部ＳＰ２ｂまで移送される。螺旋部ＳＰ２ｂが存在することにより、排出側スクリューＳＣ２による残渣物に対する推力が戻るので、残渣物は、中間部５７を下流側へ移送される。移送された残渣物は、中間部５７を経て廃棄部５９へ到達し、廃棄容器４８の中に落下する。廃棄容器４８は、廃棄する残渣物を一時的に蓄積するためのものである。本実施の形態では、廃棄容器４８に蓄積された残渣物は、還元反応が終了した後に廃棄される。
【００４６】
＜熱交換＞
上述したように、第１のスクリューコンベア５０と、第２のスクリューコンベア６０とは、同じ構成のスクリューコンベアが、互いの移送方向が逆向きとなるように配置されている。図６に例示するように、第１のスクリューコンベア５０における中間部５３と、第２のスクリューコンベア６０における中間部５７とは、中間部５３と中間部５７が一体の構造からなるように配置される。また、第１のスクリューコンベア５０における中間部５７と、第２のスクリューコンベア６０における中間部５３とは、相互に接するように配置される。
【００４７】
第１のスクリューコンベア５０において、排出側移送部５０Ｂ（図５）の中間部５７を移送される残渣物は、約１２００℃の温度に加熱された加熱部５５から移送された残渣物であるため、１０００℃に近い高温状態である。高温の残渣物は、上述したように区間Ｑにおいて滞留するので、第１のスクリューコンベア５０の中間部５７は高温となる。一方、第２のスクリューコンベア５０の中間部５３においては、還元反応前（加熱前）の酸化マグネシウムの粒子が移送されるので、第２のスクリューコンベア５０の中間部５３の温度は第１のスクリューコンベア５０の中間部５７の温度に比べて低い。
【００４８】
以上の構成により、第１のスクリューコンベア５０における中間部５７から、第２のスクリューコンベア６０における中間部５３に向けて熱が移動する。第２のスクリューコンベア６０の中間部５７と、第１のスクリューコンベア５０の中間部５３とについても同様の説明が成り立ち、第２のスクリューコンベア６０における中間部５７から第１のスクリューコンベア５０における中間部５３に向けて熱が移動する。これにより、還元反応前（加熱前）の酸化マグネシウムの粒子を予備加熱することができるので、還元反応を効率よく行うことが可能となる。なお、中間部５７および中間部５３の素材であるグラファイトは、熱伝導率が高く、かつ、耐熱性に優れた材料である。
【００４９】
以上説明したように、還元反応後の残渣物が移送される中間部５７と、還元反応前の酸化マグネシウムの粒子が移送される中間部５３との間で熱交換を行うことにより、熱エネルギーを有効に利用できる。
上記第１のスクリューコンベア５０における中間部５３と第２のスクリューコンベア６０における中間部５７の間、上記第１のスクリューコンベア５０における中間部５７と第２のスクリューコンベア６０における中間部５３との間は、必ずしも接していなくてもよい。接していない場合でも、輻射によって熱が移動し、熱交換が可能である。
【００５０】
＜フローチャートの説明＞
上述した還元装置１で行われる、酸化マグネシウムの粒子を加熱還元処理することによりマグネシウム金属を得るための処理の流れについて、図７に例示するフローチャートを参照して説明する。制御部２０は、ホッパー４９に加熱対象物（還元剤を含む酸化マグネシウムの粒子）が充填されると、図７に例示する処理を開始させる。
【００５１】
図７のステップＳ１００において、制御部２０は、供給側移送部５０Ａに対し、ホッパー４９から供給部５１に充填された加熱対象物を、加熱部５５に向けて移送開始させてステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０において、制御部２０は、供給側移送部５０Ａの中間部５３を移送中の加熱対象物に予備加熱を行い、ステップＳ１２０へ進む。具体的には、第１のスクリューコンベア５０における中間部５３と、第２のスクリューコンベア６０における中間部５７との間で熱交換を行わせる。
【００５２】
第１のスクリューコンベア５０における中間部５３には、加熱前の加熱対象物が移送される。一方、第２のスクリューコンベア６０における中間部５７には、還元反応後の高温の残渣物が移送される。このため、第１のスクリューコンベア５０における中間部５３は、第２のスクリューコンベア６０における中間部５７よりも温度が低い。したがって、第２のスクリューコンベア６０における中間部５７からの熱伝導により、第１のスクリューコンベア５０における中間部５３を移送中の加熱対象物が予備加熱される。
【００５３】
ステップＳ１２０において、制御部２０は、加熱部５５を加熱して加熱対象物に還元反応を生じさせる。具体的には、太陽の位置に向けて集光部１０の向きを制御する追尾駆動制御を行うことで、加熱部５５の温度を所定の範囲に維持する。約１２００℃の温度に加熱された加熱対象物は、還元反応により金属ガスを噴出する。この金属ガスを回収、冷却することにより、固体または液体の金属が得られる。
【００５４】
ステップＳ１３０において、制御部２０は、排出側移送部５０Ｂに対し、加熱部５５において還元反応した後の残渣物を、廃棄部５９に向けて移送開始させてステップＳ１４０へ進む。ステップＳ１４０において、排出側移送部５０Ｂは、中間部５７を移送中の残渣物の熱を、外部利用（第１のスクリューコンベア５０とは別の第２のスクリューコンベア６０で利用）し、ステップＳ１５０へ進む。具体的には、第２のスクリューコンベア６０における中間部５３と、第１のスクリューコンベア５０における中間部５７との間で熱交換を行う。
【００５５】
第１のスクリューコンベア５０における中間部５７には、還元反応後の高温の残渣物が移送される。一方、第２のスクリューコンベア６０における中間部５３には、加熱前の加熱対象物が移送される。このため、第１のスクリューコンベア５０における中間部５７は、第２のスクリューコンベア６０における中間部５３よりも温度が高い。したがって、第１のスクリューコンベア５０における中間部５７からの熱伝導により、第２のスクリューコンベア６０における中間部５３を移送中の加熱対象物が予備加熱される。
【００５６】
ステップＳ１５０において、制御部２０は、排出側移送部５０Ｂに対し、廃棄部５９へ移送された残渣物を廃棄容器４８へ廃棄させる。これにより、一連の処理が終了する。
以上の各ステップはすべて連続的に実行することが可能であり、還元装置１はインライン式の還元装置として構成することが可能である。
【実施例】
【００５７】
上記実施形態における還元装置１について、各部の寸法の一例を次に示す。
主鏡１１の直径：３００ｃｍ
第１のスクリューコンベア５０の外径：３ｃｍ
第２のスクリューコンベア６０の外径：３ｃｍ
第１のスクリューコンベア５０の移送方向の長さ：４８ｃｍ
第２のスクリューコンベア６０の移送方向の長さ：４８ｃｍ
供給部５１の移送方向の長さ：５ｃｍ
中間部５３の移送方向の長さ：１３ｃｍ
加熱部５５の移送方向の長さ：８ｃｍ
中間部５７の移送方向の長さ：５ｃｍ
石英ガラス管５２、石英ガラス管５４、石英ガラス管５６、石英ガラス管５８の移送方向の長さ：１ｃｍ
【００５８】
金属化合物の粒子を以下の手順で用意した。
１．酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末と、還元剤としてのケイ素（Ｓｉ）の粉末とを、所定の割合で用意し、ヘンシェルミキサーにより混合する。混合に際し、バインダーや溶媒は使用しない。
２．混合した粉体を、プレス機にてφ７０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状にプレス成形し、ブリケットを得る。プレス圧力は約０．３〜０．５ｔｏｎ／ｃｍ２である。
３．ブリケットを粉砕機にて粉砕して粉砕物を得る。
４．粉砕物をふるい掛けして粒子サイズの分級を行う。本実施例では、粒径：０．５ｍｍ 〜１ｍｍの粒子を選別する。
【００５９】
還元剤として、ケイ素（Ｓｉ）の代わりに、あるいはケイ素とともに、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、これらの元素の酸化物、およびこれらの元素の炭化物のうち少なくとも一つを含むようにしてもよい。
【００６０】
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）還元装置１は、金属化合物（酸化マグネシウム）を還元する加熱部５５と、金属化合物を加熱部５５へ移送する供給側移送部５０Ａと、加熱部５５から還元反応後の残渣物を移送する排出側移送部５０Ｂとを含む。そして、供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂは、両者の間で熱交換するように配置される。これにより、例えば、残渣物の余熱を熱伝導させて再利用することにより、エネルギー効率をよくすることができる。この結果、金属化合物の還元による生産効率がよくなる。
【００６１】
（２）供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂは、金属化合物の移送方向と、残渣物の移送方向とが異なるように配置される。これにより、例えば、還元反応後の残渣物を加熱前の金属化合物の方向へ移送し、温度が異なる残渣物と金属化合物との間で熱交換できるので、エネルギー効率をよくすることができる。この結果、金属化合物の還元による生産効率がよくなる。
【００６２】
（３）供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂは、金属化合物の移送方向と、残渣物の移送方向とが対向する、すなわち、互いに逆向きとなるように配置される。これにより、例えば還元反応後の残渣物を、対向する加熱前の金属化合物の方向へ移送し、温度が異なる残渣物と金属化合物との間で熱交換できるので、エネルギー効率をよくすることができる。この結果、金属化合物の還元による生産効率がよくなる。
【００６３】
（４）供給側移送部５０Ａは、金属化合物を移送する経路において中間部５３、すなわち第１の熱伝導部を有し、排出側移送部５０Ｂは、残渣物を移送する経路において中間部５７、すなわち第２の熱伝導部を有し、排出側移送部５０Ｂで移送される残渣物の熱を、中間部５７と中間部５３との間で熱交換する。これにより、還元反応後の残渣物の余熱で、加熱前の金属化合物を予備加熱できる。予備加熱を行うことにより、予備加熱なしの場合に比べて加熱部５５における加熱時間が短縮されるので、エネルギー効率をよくすることができる。この結果、金属化合物の還元による生産効率がよくなる。
【００６４】
（５）供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂはそれぞれ、熱伝導率が異なる複数の部材によって構成され、中間部５３は、中間部５３以外を構成する石英ガラス管５２、５４よりも熱伝導率が高い部材で構成され、中間部５７は、中間部５７以外を構成する石英ガラス管５６、５８よりも熱伝導率が高い部材で構成される。これにより、中間部５３は、中間部５７との間で、石英ガラス管５２、５４よりも効率よく熱交換できる。一方、中間部５７は、中間部５３との間で、石英ガラス管５６、５８よりも効率よく熱交換できる。
【００６５】
（６）中間部５３と中間部５７とが接するように、供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂが配置されるようにしたので、両者を離して配置する場合に比べて、効率よく熱交換できる。
【００６６】
（７）排出側移送部５０Ｂの中間部５７には、被移送物が移送される経路の空間断面積が変化する断面積変化部（区間Ｑ）が設けられる。本願明細書においては、移送経路で空間断面積が変化する部分を断面積変化部と呼ぶ。中間部５７の断面積変化部（区間Ｑ）は、移送される残渣物の流れを抑制する抑制部として機能する。図８および図９を参照して断面積変化部について説明する。図８は、中間部５７のうちの区間Ｑ以外の移送経路を示す図である。図８(a)は、移送経路を側面から見た透過図であり、図８(b)は、図８(a)における一点鎖線における断面図である。図８(b)における網掛け部分は、スクリューロッド４５−２および螺旋部ＳＰ２ｂの断面を示す。また、図８(b)における白部分は、螺旋部ＳＰ２ｂの溝に相当し、被移送物である残渣物が通る空間を示す。つまり、図８(b)における白部分の面積が上記空間断面積に相当する。図８(a)に示す螺旋部ＳＰ２ｂの螺旋ピッチ、螺旋部ＳＰ２ｂの高さ、および図８(b)における空間断面積を基準として、以降の図と比較する。
【００６７】
図９は、中間部５７のうちの区間Ｑにおける移送経路の一例を示す図である。図９(a)は、区間Ｑを側面から見た透過図であり、図９(b)は、図９(a)における一点鎖線における断面図である。図９に示した例では、区間Ｑにおいては、排出側スクリューＳＣ２はスクリューロッド４５−２のみで螺旋部が存在しない。このため、図９(b)における空間断面積（白部分）は、スクリューロッド４５−２の断面を除く全ての領域に対応する。すなわち、図９(b)の空間断面積は図８(b)の空間断面積よりも広い。
【００６８】
排出側移送部５０Ｂの移送方向において空間断面積が変化することにより、移送される残渣物の移送状態が変化する。本例の場合、区間Ｑにおいて螺旋部が存在しないために排出側スクリューＳＣ２による推力が失われ、滞留した残渣物の充填率が高くなる。このように、余熱をもつ残渣物を区間Ｑ（中間部５７）に滞留させることにより、中間部５７と中間部５３との間で効率よく熱交換できる。
【００６９】
（８）金属化合物の移送方向と残渣物の移送方向とを同方向とする供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂの組が、複数組（第１のスクリューコンベア５０と第２のスクリューコンベア６０）設けられ、異なる組の供給側移送部５０Ａと排出側移送部５０Ｂとの間で熱交換するように、複数組（第１のスクリューコンベア５０と第２のスクリューコンベア６０）の供給側移送部５０Ａおよび排出側移送部５０Ｂが配置されるようにした。これにより、第１のスクリューコンベア５０と第２のスクリューコンベア６０との間で、効率よく熱交換できる。
【００７０】
（９）還元装置１は、太陽光を集光する集光部１０を備え、加熱部５５は、集光部１０で集光された太陽光により加熱される。これにより、自然エネルギーを用いた還元装置１を提供できる。
【００７１】
（１０）還元装置１は、太陽を追尾する駆動機構１４を備え、駆動機構１４は、集光部１０と、加熱部５５と、供給側移送部５０Ａと、排出側移送部５０Ｂとを一体として駆動する。これにより、太陽光加熱を用いた還元による金属化合物の生産効率のよい状態を維持したまま追尾駆動を行うことができる。
【００７２】
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
以上の説明では、２機のスクリューコンベア（第１のスクリューコンベア５０および第２のスクリューコンベア６０）の各々において、供給側移送部５０Ａと、排出側移送部５０Ｂとが同方向へ被移送物を移送する例を説明した。この代わりに、供給側移送部５０Ａによる被移送物の移送方向と、排出側移送部５０Ｂによる被移送物の移送方向とが異なるように構成してもよい。
【００７３】
図１０は、変形例１に係る供給側移送部５０Ａ（５１〜５４、５５Ｂ、ＳＣ１）と、排出側移送部５０Ｂ（５５Ｂ、５６〜５９、ＳＣ２）とを例示する図である。加熱部５５Ｂは、折り返し部としての機能を備える。
なお、回収容器４６については、図示を省略している。
【００７４】
変形例１では、供給側移送部５０Ａと排出側移送部５０Ｂとからなる１機のスクリューコンベアにおいて、供給側移送部５０Ａによる移送方向と、排出側移送部５０Ｂによる移送方向とを逆方向にする。すなわち、供給側移送部５０Ａは、図において右方向へ被移送部を移送し、排出側移送部５０Ｂは、図において左方向へ被移送物を移送する。
【００７５】
変形例１によれば、１機のスクリューコンベアを構成する中間部５３と中間部５７とを互いに接するように構成することができる。その結果、中間部５７から中間部５３に熱を伝導させることができる。変形例１の還元装置は、１機のスクリューコンベアで構成できるので、装置をコンパクトに構成することができる。
【００７６】
また、図１０に例示した還元装置においては、供給側移送部５０Ａと排出側移送部５０Ｂとを上下に重ねた構成となっている。すなわち、図１０に例示したように、排出側移送部５０Ｂを供給側移送部５０Ａの下側に配置する。このように配置することにより、還元反応後の残渣物が加熱部５５Ｂの下部に溜まるので、溜まった残渣物は、ロッドレススクリュー区間Ｐの螺旋部ＳＰ２ａによって移送され易くすることができる。
【００７７】
（変形例２）
排出側移送部５０Ｂにおいて、図１１に例示するような構成により、断面積変化部（区間Ｑ）の空間断面積を、断面積変化部（区間Ｑ）以外の経路の空間断面積（図８(b)の白部分）よりも広くなるように構成してもよい。
すなわち、排出側移送部５０Ｂは、管状の外筒部５５〜５９と、外筒部内に回転可能に配置されたスクリューロッド４５−２の外周面に設けられた螺旋部ＳＰ２ａ、ＳＰ２ｂを含むスクリューコンベアを有し、スクリューコンベアは、移送する経路において、断面積変化部（区間Ｑ）における螺旋部ＳＰ２ｂの高さが断面積変化部（区間Ｑ）以外の経路における螺旋部ＳＰ２ａ、ＳＰ２ｂの高さよりも低くなるように構成される。
【００７８】
図１１は、変形例２に係る中間部５７のうちの区間Ｑにおける移送経路を例示する図である。図１１(a)は、区間Ｑを側面から見た透過図であり、図１１(b)は、図１１(a)における一点鎖線における断面図である。図１１と図８とを比較すると、区間Ｑにおいては、螺旋部ＳＰ２ｂの高さが、図８(a)に示した中間部５７のうちの区間Ｑ以外の経路における螺旋部ＳＰ２ｂの高さよりも低い。このため、変形例２における区間Ｑの空間断面積（図１１(b)の白部分）は、区間Ｑ以外の経路の空間断面積（図８(b)の白部分）よりも広い。
【００７９】
区間Ｑでは排出側スクリューＳＣ２の螺旋部ＳＰ２ｂの高さが低いことから、排出側スクリューＳＣ２による推力が低下し、螺旋部ＳＰ２ｂの頂部と管状の外筒部の内壁との隙間に滞留した残渣物の充填率が高くなる。このように、余熱をもつ残渣物を区間Ｑ（中間部５７）に滞留させることにより、中間部５７と中間部５３との間で効率よく熱交換できる。
【００８０】
（変形例３）
排出側移送部５０Ｂの断面積変化部（区間Ｑ）における空間断面積を、断面積変化部（区間Ｑ）以外の領域における空間断面積（図８(b)の白部分）よりも狭くなるように構成してもよい。
すなわち、排出側移送部５０Ｂは、管状の外筒部５５〜５９と、外筒部内に回転可能に配置されたスクリューロッド４５−２の外周面に設けられた螺旋部ＳＰ２ａ、ＳＰ２ｂを含むスクリューコンベアを有し、スクリューコンベアは、移送する経路において、断面積変化部（区間Ｑ）における螺旋部ＳＰ２ｂの螺旋ピッチが断面積変化部（区間Ｑ）以外の経路における螺旋部ＳＰ２ａ、ＳＰ２ｂの螺旋ピッチよりも狭くなるように構成される。
【００８１】
図１２は、変形例３に係る中間部５７のうちの区間Ｑにおける移送経路を例示する図である。図１２(a)は、区間Ｑを側面から見た透過図であり、図１２(b)は、図１２(a)における一点鎖線における断面図である。図１２と図８とを比較すると、区間Ｑにおいては、螺旋部ＳＰ２ｂの螺旋ピッチが、図８(a)に例示した中間部５７のうちの区間Ｑ以外の経路における螺旋部ＳＰ２ｂの螺旋ピッチよりも狭い。このため、変形例３における区間Ｑの空間断面積（図１２(b)の白部分）は、区間Ｑ以外の経路の空間断面積（図８(b)の白部分）よりも狭い。
【００８２】
区間Ｑでは排出側スクリューＳＣ２の螺旋部ＳＰ２ｂの螺旋ピッチが狭いことから、排出側スクリューＳＣ２による推力が低下し、区間Ｑ以外の経路よりも残渣物の充填率が高くなる。このように、余熱をもつ残渣物を区間Ｑ（中間部５７）に滞留させることにより、中間部５７と中間部５３との間で効率よく熱交換できる。
【００８３】
（変形例４）
排出側移送部５０Ｂにおいて、図１３に例示するような構成により、断面積変化部（区間Ｑ）の空間断面積を、断面積変化部（区間Ｑ）以外の経路の空間断面積（図８(b)の白部分）よりも狭く構成してもよい。
【００８４】
図１３は、変形例４に係る中間部５７のうちの区間Ｑにおける移送経路を例示する図である。図１３(a)は、区間Ｑを側面から見た透過図であり、図１３(b)は、図１３(a)における一点鎖線における断面図である。図１３と図８とを比較すると、区間Ｑにおいては、スクリューロッド４５−２の直径が、図８(a)に示した中間部５７のうちの区間Ｑ以外の経路におけるスクリューロッド４５−２の直径より大きい。
【００８５】
このため、区間Ｑにおいては、区間Ｑ以外の経路と比べて、スクリューロッド４５−２の外周面と外筒部の内壁との間の距離が短くなるので、螺旋部ＳＰ２ｂの溝が浅い。したがって、変形例４における区間Ｑの空間断面積（図１３(b)の白部分）は、区間Ｑ以外の経路の空間断面積（図８(b)の白部分）よりも狭い。
なお、螺旋部ＳＰ２ｂの螺旋ピッチは、区間Ｑと区間Ｑ以外の経路との間で変化しないものとする。
【００８６】
区間Ｑにおいて、排出側スクリューＳＣ２のスクリューロッド４５−２の直径が大きく、かつ螺旋部ＳＰ２ｂの溝が浅いことから、区間Ｑでは区間Ｑ以外の経路よりも残渣物の充填率が高くなる。このように、余熱をもつ残渣物を区間Ｑ（中間部５７）に滞留させることにより、中間部５７と中間部５３との間で効率よく熱交換できる。
【００８７】
変形例２〜変形例４においては、中間部５７のうちの区間Ｑの空間断面積を、図８(b)の空間断面積と異ならせる種々の態様を例示した。上述した以外にも、螺旋部ＳＰ２ａ（ＳＰ２ｂ）の螺旋ピッチを維持したままで、螺旋部ＳＰ２ａ（ＳＰ２ｂ）の厚さを薄くしたり、厚くしたりすることにより、区間Ｑの空間断面積を変化させてもよい。
また、螺旋部ＳＰ２ａ（ＳＰ２ｂ）の螺旋ピッチと、螺旋部ＳＰ２ａ（ＳＰ２ｂ）の厚さとの双方を変化させることにより、螺旋部の溝の大小を変えて、区間Ｑの空間断面積を変化させてもよい。
【００８８】
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００８９】
１…還元装置、１０…集光部、１１…主鏡、１３…副鏡、１４…駆動機構、２０…制御部、３０…真空チャンバ、４０…移送部、４６…回収容器、４８…廃棄容器、５０…第１のスクリューコンベア、５０Ａ…供給側移送部、５０Ｂ…排出側移送部、５１…供給部、５３、５７…中間部、５５…加熱部、５９…廃棄部、６０…第２のスクリューコンベア、ＳＣ１…供給側スクリュー、ＳＣ２…排出側スクリュー、ＳＰ２ａ、ＳＰ２ｂ…螺旋部、Ｐ…ロッドレススクリュー区間、Ｑ…螺旋部を有していない区間（断面積変化部）
【図１】
0006620501.tif 000002
【図２】
0006620501.tif 000003
【図３】
0006620501.tif 000004
【図４】
0006620501.tif 000005
【図５】
0006620501.tif 000006
【図６】
0006620501.tif 000007
【図７】
0006620501.tif 000008
【図８】
0006620501.tif 000009
【図９】
0006620501.tif 000010
【図１０】
0006620501.tif 000011
【図１１】
0006620501.tif 000012
【図１２】
0006620501.tif 000013
【図１３】
0006620501.tif 000014