(57)【要約】【課題】高純度のカーボンナノホーン(CNH)を連続製造し、不純物を分離回収する。【解決手段】CNH生成チャンバ１から不活性ガスと共に蒸発物質を搬送管７を介して筒状のCNH回収チャンバ20に送り、その下部の周壁部に沿って噴出させ、蒸発物質を凝集させて生成されるCNH粒子をCNH回収チャンバ内で落下させて、その底面で回収されるようにし、且つ、CNH回収チャンバ内にバグフィルタ21を張って設置し、落下しなかった物質はバグフィルタに捕捉する。バグフィルタで捕捉された不純物粉末は、不純物回収チャンバ30から導入された受板34の上にバグフィルタの上下動により落下させるようする。不純物粉末を受けた受板３４はCNH回収チャンバの開口20bを通して不純物回収チャンバへ戻し、そこで不純物粉末を回収する。【選択図】図１
2008037661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させる過程と、蒸発した炭素を含む不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの下方へ導入する過程と、カーボンナノホーン回収チャンバへ導入された前記不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの上方に設けられた導出口を介して導出すると共にカーボンナノホーン回収チャンバにおいて凝集したカーボンナノホーンを落下させる過程と、カーボンナノホーン回収チャンバにおいて落下したカーボンナノホーンを回収する過程と、を有するカーボンナノホーン粒子の製造方法において、前記不活性ガスの流通経路内にフィルタを設置し該フィルタの設置位置にて該フィルタに捕捉された不純物粉末をフィルタ下に落下させて回収することを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項２】
不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させる過程と、蒸発した炭素を含む不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの下方へ導入する過程と、カーボンナノホーン回収チャンバへ導入された前記不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの上方に設けられた導出口を介して導出すると共にカーボンナノホーン回収チャンバにおいて凝集したカーボンナノホーンを落下させる過程と、カーボンナノホーン回収チャンバにおいて落下したカーボンナノホーンを回収する過程と、を有するカーボンナノホーン粒子の製造方法において、前記不活性ガスの流通経路内にフィルタを設置し該フィルタに捕捉された不純物粉末の回収を、カーボンナノホーン回収チャンバでのカーボンナノホーン粒子の製造を中断することなく行うことを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項３】
前記カーボンナノホーン回収チャンバ内に導入された前記不活性ガスは、前記カーボンナノホーン回収チャンバの壁面に沿い螺旋状に上昇することを特徴とする請求項１または２に記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項４】
前記フィルタを介して不純物粉末が除去された前記不活性ガスは、精製されて循環・再利用されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項５】
前記フィルタに捕捉された不純物粉末を前記フィルタから除去するクリーニング作業が間欠的に行なわれることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項６】
前記フィルタのクリーニング作業は、前記フィルタを振動させること、および/または、前記フィルタにガスを吹き付けることにより行なわれることを特徴とする請求項５に記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項７】
前記不活性ガスがアルゴンガスであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項８】
前記固体状炭素単体物質は、上下層動可能かつ鉛直軸を中心に回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項９】
前記固体状炭素単体物質は、水平面内を移動可能に支持されていることを特徴とする請求項８に記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項１０】
前記固体状炭素単体物質にレーザ光を照射して前記固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造方法。
【請求項１１】
不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させ、カーボンナノホーンを生成する生成チャンバと、生成されたカーボンナノホーンを回収するホーン回収チャンバと、前記不活性ガスと共に前記蒸発物質を前記生成チャンバから前記ホーン回収チャンバの底面近くへ送るための搬送管と、前記ホーン回収チャンバに隣接して設けられた不純物粉末を回収する不純物回収チャンバと、前記不純物回収チャンバ内に設置された、前記ホーン回収チャンバ内への挿入・退出が可能な粉末回収板と、を備えるカーボンナノホーン粒子の製造装置において、前記ホーン回収チャンバ内には不純物粉末を捕捉するフィルタが設置され、該フィルタに捕捉された不純物粉末を該フィルタから前記粉末回収板上に落下させ、その不純物粉末を前記不純物回収チャンバにおいて回収することを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１２】
前記粉末回収板は前記不純物回収チャンバ内で傾斜可能であることを特徴とする請求項１１に記載のカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１３】
前記フィルタは円錐形状であることを特徴とする請求項１１または１２に記載のカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１４】
不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させ、カーボンナノホーンを生成するための生成チャンバと、生成されたカーボンナノホーンを回収するホーン回収チャンバと、前記不活性ガスと共に前記蒸発物質を前記生成チャンバから前記ホーン回収チャンバの底面近くへ送るための搬送管と、前記ホーン回収チャンバに導入された前記不活性ガスを導出するための連結管を介して前記ホーン回収チャンバに接続された、不純物粉末を回収するための不純物回収チャンバと、を備えるカーボンナノホーン粒子の製造装置において、前記不純物回収チャンバ内に不純物粉末を捕捉するフィルタが設けられていることを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１５】
不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させ、カーボンナノホーンを生成するための生成チャンバと、生成されたカーボンナノホーンを回収するホーン回収チャンバと、前記不活性ガスと共に前記蒸発物質を前記生成チャンバから前記ホーン回収チャンバの底面近くへ送るための搬送管と、前記ホーン回収チャンバに導入された前記不活性ガスを導出するための連結管を介して前記ホーン回収チャンバに接続された、不純物粉末を回収するための複数の不純物回収チャンバと、を備えるカーボンナノホーン粒子の製造装置において、前記各不純物回収チャンバ内にはそれぞれ不純物粉末を捕捉するフィルタが設けられていることを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１６】
前記連結管には、前記不活性ガスを供給する不純物回収チャンバを選択できる切替弁が備えられており、不活性ガスの供給が停止されている前記不純物回収チャンバに設置されている前記フィルタより該フィルタに捕捉された不純物粉末の除去が行なわれることを特徴とする請求項１５に記載のカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１７】
前記フィルタに振動を与えて前記フィルタに捕捉された不純物粉末を落下させるための振動付与機構が備えられていることを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１８】
前記粉末回収板上または前記不純物回収チャンバ床面上には、不純物掻き落し板が設けられ、これによりフィルタより落下した不純物粉末が所定個所に集められることを特徴とする請求項１１から１７に記載のカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【請求項１９】
前記ホーン回収チャンバの底壁部には、回転可能なホーン掻き落し板が設置されていることを特徴とする請求項１１から１８のいずれかに記載のカーボンナノホーン粒子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノホーン粒子の製造方法およびその製造装置に関し、特に高純度のカーボンナノホーン粒子を効率的に製造する方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノホーンはグラフェンシート単層からなるチューブの先端が閉じて中空円錐状、すなわち角状（ホーン）の構造を有しており、その凝集体はこれらのホーンが先端を外側に向けた球状の形状を有するものである。本願明細書においては、この凝集体を、カーボンナノホーン粒子とも呼ぶ。各々のナノホーンの直径は２−５ｎｍ程度であり、また、その凝集体、すなわちカーボンナノホーン粒子の直径は５０−１５０ｎｍ程度である。このカーボンナノホーン粒子は表面が非常に不規則な構造しているという特徴があるため、触媒の担持体やガス吸着剤としての応用が期待されている。
【０００３】
カーボンナノホーン粒子の製造方法にはレーザアブレーション法やアーク放電法などがある。このうち、レーザアブレーション法は、グラファイト等のカーボン製ターゲットにアルゴンガス等の不活性ガス中で炭酸ガスレーザを照射することによって比較的純度の高いカーボンナノホーンを製造する方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の実施例においては、ダリア型と呼ばれるカーボンナノホーン凝集体の製造方法が開示されている。この技術によると、雰囲気ガスをアルゴン、圧力１０３−１０５Ｐａの条件で、炭酸ガスレーザを２０〜５００ｍｓ幅のパルス、または、連続発振で照射することによって作製できるとされている。
【０００５】
しかしながら、この従来技術における製造方法によって作製したカーボンナノホーンは、ＴＧＡ（Thermo Gravimetric Analysis：熱重量測定分析）およびＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察から見積もった純度が９０％程度またはそれ以下であった。カーボンナノホーン以外の不純物は、グラファイト（黒鉛）成分が１０％程度、及び、アモルファスカーボンが数％程度であった。
【０００６】
カーボンナノホーン粒子を燃料電池用の触媒担持体や複合材料などの様々な産業分野へ応用するためには、これらのグラファイト成分やアモルファス成分等の不純物はできるだけ除去することが望ましい。カーボンナノホーンの純度を向上させるための技術として、製造後に酸素雰囲気中で熱処理する方法が一般的に知られている。この方法は、カーボンナノホーンを酸素雰囲気中において５００℃程度で熱処理することにより、アモルファス成分を燃焼させて取り除くというものである。しかし、この方法ではカーボンナノホーンよりも酸素雰囲気中で、より高い燃焼温度を有するグラファイト成分を取り除くことはできず、純度を９０％以上に向上させることは難しいという課題があった。
【０００７】
これに対して本願発明者らは、先に「高純度カーボンナノホーン粒子の製造装置およびその製造方法」を提案した（特許文献２参照）。それによると、レーザアブレーション法により高純度のカーボンナノホーンを製造する装置において、製造されたカーボンナノホーンの粉末が生成チャンバから搬送管を通り回収チャンバに入った後、前記回収チャンバでキャリアガスの渦巻き流によって凝集性が高くなり、この凝集したカーボンナノホーン粉末は回収チャンバの底壁に落下して底部に取り付けられた回収容器で回収することができる製造装置とその製造方法が提案されている。この際、アモルファスカーボンやグラファイト成分などの不純物は、渦巻き流の中でも凝集しにくくその比重が小さいため、チャンバ上部に向かう渦巻き流に乗って回収チャンバ上部に設置されたバグフィルタに捕捉される。一方、凝集性が高く比重が大きくなって底壁部に落下したカーボンナノホーン粒子はアモルファス成分やグラファイト成分が少ないため、純度が９５％以上の高純度のカーボンナノホーン粒子として回収することができる。
しかしながら、この製造装置においては、アモルファスカーボンやグラファイト成分などの不純物を多く含む粉末が回収チャンバのフィルタに堆積するにつれてフィルタの吸着力が低下するので、一定時間ごとにレーザ照射を停止してフィルタを再生する必要があった。フィルタの再生は回収チャンバ中のフィルタを機械的に振動させて捕捉された粉末を回収チャンバ底部に落下させ、高純度のカーボンナノホーン用の回収容器とは別の容器に回収することによって行うものである。このため、フィルタの再生時にはカーボンナノホーンの生成を中止して、真空排気プロセスを伴う回収容器の交換が必要であり、前記製造装置によって高純度のカーボンナノホーンを長時間連続的に量産することは難しいという課題があった。
【特許文献１】特開２００１−０６４００４号公報
【特許文献２】特願２００６−１１９０８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上の課題に鑑みなされたものであり、グラファイト成分やアモルファスカーボンを低減させた高純度のカーボンナノホーンを連続的に製造および回収することができ、さらに不純物をも連続的に分離回収することができる方法およびその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】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させる過程と、蒸発した炭素を含む不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの下方へ導入する過程と、カーボンナノホーン回収チャンバへ導入された前記不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの上方に設けられた導出口を介して導出すると共にカーボンナノホーン回収チャンバにおいて凝集したカーボンナノホーンを落下させる過程と、カーボンナノホーン回収チャンバにおいて落下したカーボンナノホーンを回収する過程と、を有するカーボンナノホーン粒子の製造方法において、前記不活性ガスの流通経路内にフィルタを設置し該フィルタの設置位置にて該フィルタに捕捉された不純物粉末をフィルタ下に落下させて回収することを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造方法、が提供される。
【００１０】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させる過程と、蒸発した炭素を含む不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの下方へ導入する過程と、カーボンナノホーン回収チャンバへ導入された前記不活性ガスをカーボンナノホーン回収チャンバの上方に設けられた導出口を介して導出すると共にカーボンナノホーン回収チャンバにおいて凝集したカーボンナノホーンを落下させる過程と、カーボンナノホーン回収チャンバにおいて落下したカーボンナノホーンを回収する過程と、を有するカーボンナノホーン粒子の製造方法において、前記不活性ガスの流通経路内にフィルタを設置し該フィルタに捕捉された不純物粉末の回収を、カーボンナノホーン回収チャンバでのカーボンナノホーン粒子の製造を中断することなく行うことを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造方法、が提供される。
【００１１】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させ、カーボンナノホーンを生成する生成チャンバと、生成されたカーボンナノホーンを回収するホーン回収チャンバと、前記不活性ガスと共に前記蒸発物質を前記生成チャンバから前記ホーン回収チャンバの底面近くへ送るための搬送管と、前記ホーン回収チャンバに隣接して設けられた不純物粉末を回収する不純物回収チャンバと、前記不純物回収チャンバ内に設置された、前記ホーン回収チャンバ内への挿入・退出が可能な粉末回収板と、を備えるカーボンナノホーン粒子の製造装置において、前記ホーン回収チャンバ内には不純物粉末を捕捉するフィルタが設置され、該フィルタに捕捉された不純物粉末を該フィルタから前記粉末回収板上に落下させ、その不純物粉末を前記不純物回収チャンバにおいて回収することを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造装置、が提供される。
【００１２】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させ、カーボンナノホーンを生成するための生成チャンバと、生成されたカーボンナノホーンを回収するホーン回収チャンバと、前記不活性ガスと共に前記蒸発物質を前記生成チャンバから前記ホーン回収チャンバの底面近くへ送るための搬送管と、前記ホーン回収チャンバに導入された前記不活性ガスを導出するための連結管を介して前記ホーン回収チャンバに接続された、不純物粉末を回収するための不純物回収チャンバと、を備えるカーボンナノホーン粒子の製造装置において、前記不純物回収チャンバ内に不純物粉末を捕捉するフィルタが設けられていることを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造装置、が提供される。
【００１３】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中で固体状炭素単体物質から炭素を蒸発させ、カーボンナノホーンを生成するための生成チャンバと、生成されたカーボンナノホーンを回収するホーン回収チャンバと、前記不活性ガスと共に前記蒸発物質を前記生成チャンバから前記ホーン回収チャンバの底面近くへ送るための搬送管と、前記ホーン回収チャンバに導入された前記不活性ガスを導出するための連結管を介して前記ホーン回収チャンバに接続された、不純物粉末を回収するための複数の不純物回収チャンバと、を備えるカーボンナノホーン粒子の製造装置において、前記各不純物回収チャンバ内にはそれぞれ不純物粉末を捕捉するフィルタが設けられていることを特徴とするカーボンナノホーン粒子の製造装置、が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、フィルタからの不純物の回収を、フィルタをカーボンナノホーン粒子の製造装置から取り外すことなく行なうものであるので、あるいは、カーボンナノホーン粒子の製造を停止することなく、フィルタからの不純物粉末の回収を行なうものであるので、フィルタからの不純物粉末の回収のためにカーボンナノホーン回収チャンバの真空を破る必要がなくなり、不純物回収のための製造停止をなくすることが可能になり、高純度のカーボンナノホーン粒子を連続的に量産することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
まず、本発明によるカーボンナノホーン粒子の製造方法およびその装置の概略について説明する。本発明によるカーボンナノホーン粒子の製造装置は、グラファイトターゲットが設置された生成チャンバと、この生成チャンバと搬送管で連通された円筒状の回収チャンバ、及び、この回収チャンバに隣接する不純物回収チャンバから構成される。回収チャンバには、底部内周壁近くに開口が位置するように配置された搬送管の出口と、回収チャンバの上壁部に設けられたフィルタ懸吊体と、フィルタ懸吊体の下端部に吊り下げられたフィルタと、回収チャンバの上壁部に設けられてフィルタを機械的に振動させる駆動機構と、底壁部に堆積したカーボンナノホーン粒子をかき集める掻き落し板と、カーボンナノホーン粒子を回収するための回収容器が設けられている。また、不純物回収チャンバは、不純物回収チャンバの底壁部に設置された不純物回収容器と、不純物回収チャンバ内に設けられた粉末回収板と、粉末回収板の一端に固定された駆動ロッドと、回収チャンバに粉末回収板が出入するように開けられた開口部とから構成されている。
前記のごとく生成チャンバと回収チャンバは搬送管によって連結され、生成チャンバから回収チャンバに向かう不活性ガスの流れによって生成されたカーボンナノホーンが回収チャンバに導入される。
【００１６】
また、前記搬送管の回収チャンバ側出口は回収チャンバの下部にチャンバ中心線から偏心させて設置され、チャンバの周壁部に沿って不活性ガスの流れができるように設置される。さらにまた、回収チャンバのアルゴンガス排気部はチャンバ上部に設置されており、バグフィルタを通してアルゴンガスが回収チャンバ外に排気される構成となっている。この結果、回収チャンバ内で回収チャンバ上方に向かって、生成チャンバ内で生成された粉末を含む不活性ガスの渦巻き流が形成される。
回収チャンバのバグフィルタは回収チャンバ内の上部に設けられ、バグフィルタはたとえば円錐形状である。
また、回収チャンバの底壁部にはカーボンナノホーン粒子を回収するための回収口が設けられ、その底壁部に設けられた掻き落し板を回転させて底壁部に堆積した高純度のカーボンナノホーン粒子が掻き集められて回収口に導かれ、回収容器に回収される構成となっている。
【００１７】
次に、本発明の特長であるカーボンナノホーンの連続生産に向けたバグフィルタの再生及び低純度カーボンナノホーンの回収機構について説明する。前記回収チャンバに設置されたバグフィルタにはグラファイト成分やアモルファスカーボンを含む低純度のカーボンナノホーンが捕捉されるが、長時間カーボンナノホーンを製造するとフィルタが詰まってフィルタ性能が低下する。このため、定期的にフィルタを再生させる工程を設ける必要がある。本願発明者らが先に提案した製造装置では、レーザの照射を止めて回収容器を交換し、バグフィルタを振動させて回収容器底部に純度の低い粉末を強制的に落下させた後、掻き落し板で底にたまった粉末を回収口に集めて、不純物回収容器に回収していた。このとき、チャンバ底部に不純物を含む粉末が残存しないようにするために、掻き落し工程には１〜２時間をかける必要があった。このため、この時間の間カーボンナノホーン粒子の製造が中断され、量産性という意味では大きな課題であった。一方、本発明による製造装置では、不純物回収チャンバの粉末回収板を回収チャンバ内に移動させ、バグフィルタを機械的に振動させるなどしてフィルタに捕捉された粉末を強制的に粉末回収板に落下させる。この後、粉末回収板を不純物回収チャンバに移動させて、不純物回収容器に回収する。この結果、バグフィルタが再生され、再び生成チャンバでカーボンナノホーンを製造することが可能になる。このとき、フィルタから落下した不純物を含む粉末は粉末回収板で短時間に不純物回収チャンバに復帰される。このため、回収チャンバ底部に純度の低い粉末が堆積する心配がなく、回収チャンバ内の純度を保つために長時間製造を中断させる必要がなくなる。したがって、本発明によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を用いることによって、連続的に高い生産性で高純度カーボンナノホーン粒子の製造を行うことができる。
【００１８】
このように、本発明の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置においては、固体状炭素単体物質に不活性ガス雰囲気中でレーザ光を照射することによって炭素を蒸発させてカーボンナノホーンを製造する。このとき、カーボンナノホーン粒子は生成チャンバから搬送管を通して回収チャンバに流れる不活性ガス流とともに回収チャンバに搬送されて、グラファイト成分等を多く含む低純度の粉末は回収チャンバ上方のバグフィルタに吸着させ、バグフィルタ以外の回収チャンバ内にたまった純度の高いカーボンナノホーン粒子をチャンバ底部に堆積させて掻き落し板で回収口から回収容器に回収する。そして、グラファイト成分等を多く含む純度の低い粉末は、粉末回収板にて専用の不純物回収チャンバに搬送して不純物回収容器に回収する。この結果、バグフィルタを短時間で再生させることができ、高純度のカーボンナノホーンを連続的に高い生産性で製造することができる。
なお、バグフィルタの再生時には、粉末回収板は、不純物回収チャンバと回収チャンバの間に設けられたスリット状の開口を通して、回収チャンバに移動する。この移動はシリンダの伸縮により行われる。次にバグフィルタで捕捉された不純物を前記粉末回収板上にバグフィルタの振動により落下させる。続いて前記粉末回収板は前記開口を通って再び不純物回収チャンバに戻る。不純物回収チャンバ内では前記粉末回収板に溜まった不純物を多く含んでいる粉末をチャンバの底壁部に落下させて不純物回収容器に回収する。
【００１９】
次に、不純物を多く含む粉末を連続して回収するためのその他の方法について説明する。本発明の別の構成では回収チャンバ上部にはバグフィルタが設置されておらず、また、回収チャンバの上部と隣接する不純物回収チャンバは連通管で接続されている。回収チャンバの下部には生成チャンバからつながった搬送管の出口が、また、底壁部には掻き落し板と回収口が設置されている。この回収口には粉末回収容器が取り付けられるようになっている。また、不純物回収チャンバにはガス排気部の出口付近にバグフィルタが、また、底部には掻き落し板と不純物回収口が設けられている。不純物回収口には不純物回収容器を取り付けることができる。バグフィルタには振動機構が設けられており、定期的に振動させてフィルタを再生できるようになっている。
以下、本発明の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置およびそれを用いたカーボンナノホーン粒子の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係るカーボンナノホーン粒子の製造装置の全体の基本構成を示す概略図である。筒状の生成チャンバ１の中央部にはカーボンナノホーンの出発物質となる円柱形状のグラファイトターゲット２（全長５００ｍｍ、照射有効長４５０ｍｍ）が支持ロッド３に支持されている。支持ロッド３の下部には駆動部４が設けられており、支持ロッド３を上下方向（Ｚ方向）、及び、左右方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動させることができる。また、ターゲットはその中心軸の周りに自転できるようになっている。グラファイトターゲット２の表面には、レーザ焦点位置調節機構５によって焦点が合わせられたレーザ光Ｌが照射され、炭素の蒸発が行なわれる。
アルゴンガスタンク１０より、減圧弁１１、切替弁１２を介してアルゴンガスを供給できるように構成されており、配管１３を介してガス噴出口６より生成チャンバ１内へガス供給が行なわれる。また、グラファイトターゲット２を支持する支持ロッド３の周りには間隙をおいてベローズ８、９が設けられており、これと支持ロッド３との隙間にアルゴンガスが配管１３を介して支持ロッド３の底部側に供給され、供給されたアルゴンガスはこの隙間を上昇して生成チャンバ１内へアルゴンガス供給口１ａから噴出される。一方、隣接されたカーボンナノホーン回収チャンバ２０から回収されたガスは、排出管１５、ドライポンプ１６を介して引き出され精製装置１７において精製される。精製されたガスは切替弁１２を介して再び生成チャンバ１内へ供給される。あるいは、アルゴンガスタンク１０に戻される。なおアルゴンガスは９９％以上の純度であり、精製装置１７で精製したのち再利用することによって製造コストを低減できる。
【００２１】
生成チャンバ１には搬送管７が接続されており、生成チャンバ１内で生成された炭素粉末はアルゴンガスと共に搬送管７内へ導入される。搬送管７はレーザ光の入射方向に対し４５度の方向に配設されている。搬送管７内へ送り込まれなかった炭素粉末は粉末回収室１８に集められる。
【００２２】
一端が生成チャンバ１に接続された搬送管７の先端部はカーボンナノホーン回収チャンバ２０に接続されている。搬送管７はほぼ円筒状の回収チャンバ２０の底部近くで内周壁面２０ａ近くにその開口端７ａが位置するように挿入されている。また、カーボンナノホーン回収チャンバ２０の上壁部にはバグフィルタ懸吊体２２が設けられており、この下端部に円錐形状のバグフィルタ２１が吊り下げられている。
回収チャンバ２０の上壁部にはバグフィルタ２１を矢印に示すように機械的に振動させるフィルタ駆動機構２４が設けられている。これはシリンダ２５のロッドを上下動させることにより上下振動を発生させるものである。
また、カーボンナノホーン回収チャンバ２０の底壁部には掻き落し板２７がモータＭ１により底部中心部の周りに回転できるように構成されており、回収チャンバ２０内で落下してきたカーボンナノホーン粒子がかき集められる。そして、回収チャンバ２０の図の左方部には底壁部に形成した長円形の孔にボールバルブ２８、２９を介して回収容器２６が設けられており、カーボンナノホーン粒子は回収容器２６に集められる。
【００２３】
カーボンナノホーン回収チャンバ２０に隣接する不純物回収チャンバ３０内では円形の粉末回収板３４の一端に往復動駆動機構３１の駆動ロッド３１ａが固定されている。この粉末回収板３４は、往復動駆動機構３１により回収チャンバ２０に開けられたスリット状かつ円弧状の開口２０ｂから回収チャンバに挿入され、退出する。図２に示されるように、筒状の回収チャンバ２０の図の左側半分の円周１８０度部分にはスリット状の開口２０ｂが形成されており、これに粉末回収板３４が図２の矢印で示されるように出入されるように構成されている。図２において、粉末回収板３４は、不純物回収チャンバ３０での待機の状態を実線で、カーボンナノホーン回収チャンバ２０への挿入状態を一点鎖線にて示されている。図２に示されるように、粉末回収板３４の直径は、回収チャンバ２０の内径に概略一致している。
【００２４】
図２に示されるように、回収チャンバ２０には気密に一体的に不純物回収チャンバ３０が設置されており、この左端部外側にはシリンダからなる往復動駆動機構３１が配設されている。図１に示されるように、往復動駆動機構３１は、その左端部が枢着部３２により枢支されており、二点鎖線で示すように枢着部３２を中心に回転できるように構成されている。また、この往復動駆動機構３１の前端部(図の右側)には上昇・降下機構３３が設けられており、その駆動ロッド３３ａが往復動駆動機構３１の前端側を支持している。したがって、上昇・降下機構３３の作動により、往復動駆動機構３１は二点鎖線で示すように回動することができる。
【００２５】
また、この往復動駆動機構３１の駆動ロッド３１ａが挿入されるように不純物回収チャンバ３０の後壁部(図の左側)に開口が形成されており、その周辺にはシール部材が貼着されている。したがって、往復動駆動機構３１の駆動ロッド３１ａは左右動および上下動するが、この途上において不純物回収チャンバ３０の真空は維持される。前述したように、駆動ロッド３１ａの先端部には円形の粉末回収板３４が固定されており、往復動駆動機構３１および上昇・降下機構３３の作動により、その左右動と回動が可能となっている。また、粉末回収板３４上には、モータＭ２によって駆動される掻き落し板３５が設置されており、粉末回収板３４が傾けられた状態で掻き落し板３５が回転して粉末回収板３４上に積もった不純物粉末を掻き落す。
【００２６】
本発明の実施の形態は以上のように構成されているが次にその作用について説明する。レーザ光としては炭酸ガスレーザ（出力３．５ｋＷの連続発振）が用いられる。アルゴンガスタンク１０からのアルゴンガスは図１の配管１３、１４を通ってそれぞれガス噴出口体６及び支持ロッド３の底壁部から生成チャンバ１内に導入される。駆動部４により、グラファイトターゲット２を回転させつつ、かつ上昇させつつ、炭酸ガスレーザからのレーザ光Ｌをレーザ焦点位置調節機構５及びガス噴出口体６を通してターゲットの周面に照射する。なお、ターゲットが上りきった場合にはターゲットを生成チャンバ1から取り出してクリーニングを行なった後、再びチャンバ内に装着する。そして、駆動部４により、ターゲットをＸ−Ｙ方向に移動させてその表面がレーザ光の焦点位置となるように調節する。
【００２７】
レーザが照射されてターゲット周面から蒸発した炭素蒸発物質はアルゴンガスとともに搬送管７を通って回収チャンバ２０へと導入される。アルゴンガスの流量は１分あたり１０５リットルであり、搬送管７の開口端７ａからは炭素蒸発物質を含むアルゴンガスが勢い良く回収チャンバ２０内に噴出される。
開口端７ａから回収チャンバに噴出したアルゴンガスと炭素粉末は内周壁面２０ａに勢いよく衝突し回収チャンバ２０内で渦巻状の流れがチャンバ上方に向かって形成される。この渦巻状の流れの中でカーボンナノホーン粒子は凝集しやすくサイズ密度が大きくなり、結果として密度の大きくなった凝集体はチャンバの下方へと落下する。一方、アモルファスカーボンやグラファイト成分は渦巻状の流れの中でも凝集しにくく、密度が小さいため、チャンバ上方に向かうアルゴンガスの流れにのってバグフィルタ２１に捕捉される。アルゴンガスはこのバグフィルタ２１を通りぬけて排出管１５へと導かれ外部のドライポンプ１６の出口から精製装置１７を通って精製されて再び上述の配管１３、配管１４へと流される。
【００２８】
上記のようにカーボンナノホーンを多く含んだ純度の高い凝集粒子は回収チャンバ２０の底壁部に落下する。この粉末は掻き落し板２７によって集められて、回収口から下方へ導かれて回収容器２６の中に回収される。
上述のようにして製造された純度の高いカーボンナノホーン粒子は連続して回収容器に回収される。しかしながら、ある程度連続してカーボンナノホーンを製造するとバグフィルタに捕捉された純度の低い粉末のためにフィルタの能力が低下する。この場合、不純物回収チャンバから粉末回収板３４を回収チャンバ内に導入する。次に、バグフィルタ２１の頂部に取り付けられているフィルタ駆動機構２４のシリンダ２５が駆動され、バグフィルタ２１が機械的に振動する。この結果、バグフィルタ２１に付着している不純物を多く含む成分は下方へと落下して粉末回収板３４上に堆積する。次いで、粉末回収板３４は開口２０ｂを通って不純物回収チャンバ３０に短時間で戻される。
【００２９】
本実施の形態において、往復動駆動機構３１は図の右端側が上昇・降下機構３３の駆動ロッド３３ａに支持されており、この駆動ロッド３３ａの上昇により、粉末回収板３４は一点鎖線で示すように傾斜する。この状態でモータＭ２を駆動することにより掻き落し板３５が回転して粉末回収板３４に堆積した不純物を含むカーボン粉末を書き落す。落下したカーボン粉末は不純物回収容器３６に回収される。回収が完了した後、往復動駆動機構３１は実線で示す位置に移動し、粉末回収板３４はもとの位置に戻される。粉末回収板３４は、次のバグフィルタ再生工程までは不純物回収チャンバ３０内に位置しており、フィルタ再生工程になると再び回収チャンバ２０に導入される。
【００３０】
図３は、回収容器２６に回収された高純度のカーボンナノホーン粒子のＴＧＡデータである。ａが重量変化およびｂが重量変化の微分曲線である。同図において、ｂ曲線の６００℃付近のピークがカーボンナノホーンの燃焼を示している。
７００〜８００℃付近に見られるグラファイト成分の燃焼による重量減少は５％以下である。また、５００℃以下で燃焼するアモルファス成分もほとんどないことがわかる。このように本発明による製造装置で作製したカーボンナノホーン粒子は純度９５％程度の高純度であることがわかった。
高純度カーボンナノホーンを連続して、たとえば１ｋｇの粉末を製造する場合、ひとつの回収チャンバで高純度粉末と不純物の多い粉末を回収する従来技術の場合は２４時間程度の製造時間がかかっていた。一方、本発明による製造装置によって回収チャンバと不純物回収チャンバに別々に高純度カーボンナノホーン粒子と純度の低い粉末を回収した場合には、２０時間程度で製造することができた。このように本実施の形態によって高純度カーボンナノホーン粒子の製造速度を２０％程度向上させることが可能になり、製造コストを低減させることができる。
【００３１】
〔第２の実施の形態〕
次に、高純度のカーボンナノホーン粒子を連続して回収するための製造装置の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図である。図において上記第１の実施の形態に対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。回収チャンバ２０の上部にはバグフィルタが設置されておらず、また、回収チャンバの上部と不純物回収チャンバは連通管４０で接続されている。回収チャンバ２０の下部には生成チャンバ１からつながった搬送管の開口端７ａが、また、底壁部には掻き落し板２７と回収口２３が設置されている。この回収口には回収容器２６が取り付けられるようになっている。また、不純物回収チャンバ３０には排気管４１の接続部付近にバグフィルタ３７が、また、底部には掻き落し板３５と不純物回収口３９が設けられている。不純物回収口には不純物回収容器３６を取り付けることができる。バグフィルタにはフィルタ駆動機構３８が設けられており、定期的に振動させてフィルタに付着した粉末を底壁部に落下させ、フィルタを再生できるようになっている。底壁部に堆積した不純物を多く含む粉末は掻き落し板３５で不純物回収口３９に集められて不純物回収容器３６に回収される。
【００３２】
本実施の形態によれば、不純物粉末を含むガスは、回収チャンバ２０の上部から連通管４０を介して不純物回収チャンバ３０へ輸送される。そして不純物粉末が除去されたガスは、ドライポンプ１６に接続された排気管４１を介して不純物回収チャンバ３０から排気される。排気管４１の手前にはバグフィルタ３７が設置されており、連続したカーボンナノホーン粒子の製造によってバグフィルタに多くの粉末が付着した場合にはフィルタを振動させて粉末を落下させてフィルタを再生する。不純物回収チャンバ３０の底部に堆積した純度の低い粉末は掻き落し板３５で掻き集められて不純物回収容器３６に回収される。
【００３３】
なお、本実施の形態によれば回収チャンバ２０の上方にはバグフィルタは設置されない。上述の実施の形態と同様に、生成チャンバから回収チャンバに導入されたアルゴンガスと生成粉末の流れは渦状の上方に向かう流れを形成する。このとき、凝集しやすいカーボンナノホーンは密度が高くなって落下し、回収チャンバの底壁部に堆積し、掻き落し板で回収口に集められた後、回収容器２６内に回収される。一方、アモルファスカーボンやグラファイト成分を多く含む粉末は凝集しにくく密度が小さいため、上方に向かう渦状の流れに乗って回収チャンバの上部に到達し、連通管４０を通って不純物回収チャンバ３０内に導入される。不純物回収チャンバ内では、接続された排気管４１に向かうガスの流れにのって粉末が移動し、一部の粉末はチャンバ底部に堆積し、残りの粉末は排気管４１の前面に設置されたバグフィルタに捕捉される。バグフィルタを一定時間ごとに強制的に振動して捕捉された粉末をチャンバ底部に落下させてフィルタの再生を行う。チャンバの底部に堆積した純度の低い粉末は、掻き落し板３５をモータM２により回転させて掻き集めて不純物回収容器３６へ回収させる。また排気管４１から排出される不活性ガスは精製装置１７により精製されて生成チャンバ１へと輸送される。このように、本実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置では図１に示したようなフィルタ再生時の粉末回収板の回収チャンバへの挿入引き出しの工程を行う必要がなく、高純度のカーボンナノホーン粒子の製造をさらに効率よく行うことができる。
【００３４】
〔第３の実施の形態〕
図５は、本発明の第３の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図である。図において上記第２の実施の形態に対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。回収チャンバの上部と不純物回収チャンバ３０の下部との間は連通管４０で接続されており、不純物回収チャンバ３０の上部には排気管４１が接続されている。そして、バグフィルタ４２が不純物回収チャンバ３０の上壁から吊り下げられている。バグフィルタ４２にはフィルタ駆動機構４３が連結されており、そのシリンダ４４の上下動により、バグフィルタ４２を振動させることができる。
本実施の形態の製造装置の動作は基本的に第２の実施の形態のそれと同様である。
【００３５】
〔第４の実施の形態〕
図６は、本発明の第４の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図である。図において上記第２の実施の形態に対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。回収チャンバ２０より連通管４０を介して排出されたガスは、切替弁４５を介して不純物回収チャンバ３０Ａ、３０Ｂのいずれかに搬入され、これらから搬出されたガスは、切替弁４６、排気管４１を介してドライポンプ１６に送り込まれる。不純物回収チャンバ３０Ａ、３０Ｂにはそれぞれバグフィルタ４７Ａ、４７Bが設置されている。
第４の実施の形態の製造装置においては、不純物回収チャンバ３０Ａ、３０Ｂのうちのいずれか一方にのみガスが搬入される。いま、不純物回収チャンバ３０Ａ側にガスが送り込まれていて、バグフィルタ４７Ａに捕捉された不純物粉末の量がフィルタ機能を低下させる程度に達した場合、切替弁４５、４６を切り替えてガスが不純物回収チャンバ３０Ｂ側に流通するようにする。そして、不純物回収チャンバ３０Ａからバグフィルタ４７Ａを取り出してバグフィルタ４７Ａに捕捉されていた不純物粉末を回収する。その後、バグフィルタ４７Ａを不純物回収チャンバ３０Ａに戻し、以後同様の操作を交互に繰り返す。
第４の実施の形態では、他の実施の形態と異なってバグフィルタを不純物回収チャンバから取り出すようにしていたが、バグフィルタを不純物回収チャンバに装着した状態のまま不純物粉末をフィルタから回収するようにしてもよい。この場合、第２、第３の実施の形態のように、各不純物回収チャンバに往復動駆動機構、掻き落し板、不純物回収容器を設けるようにしてもよい。また、設置する不純物回収チャンバの数は、２個に限定されず、それ以上であってもよい。
【００３６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば、以上の実施の形態では不活性ガスとしてアルゴンガスを用いたが、これに限定されることなく他の不活性ガス、例えば窒素やヘリウムを用いてもよい。
また、第１の実施の形態では回収チャンバ２０と不純物回収チャンバ３０とは気密に一体的に固定されていたが、不純物回収チャンバ３０を大気チャンバとしてもよい。この場合には円筒形のカーボンナノホーン回収チャンバ２０の約１８０度の領域にスリットを形成し、これを開閉できるように同心的な１８０度で延びるゲート部材をシールして摺動部材として設置してもよい。この場合は回収チャンバ２０に接続されている排出管１５にバルブを設けて不純物回収時はこのバルブは閉とし、レーザ照射を一時、停止するものとする。
また、上記実施の形態では、ターゲットから炭素を蒸発させるのにレーザアブレーション法が用いられていたがこの方式に代えアーク放電法など他の方式をもちいてもよい。さらに、上記実施の形態での機械的振動によるフィルタの再生方法に代え、あるいはこの方法と併用してフィルタに気体を噴射する方法を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図。
【図２】本発明の第１の実施の形態装置におけるカーボンナノホーン回収チャンバおよび不純物回収チャンバの横断面図。
【図３】第１の実施の形態の製造装置によって製造されたカーボンナノホーン粒子のＴＧＡデータ。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図。
【図６】本発明の第４の実施の形態によるカーボンナノホーン粒子の製造装置を示す概略図。
【符号の説明】
【００３８】
１  生成チャンバ
１ａ  アルゴンガス供給口
２  グラファイトターゲット
３  支持ロッド
４  駆動部
５  レーザ焦点位置調節機構
６  ガス噴出口
７  搬送管
７ａ  開口端
８、９  ベローズ
１０  アルゴンガスタンク
１１  減圧弁
１２  切替弁
１３、１４  配管
１５  排出管
１６  ドライポンプ
１７  精製装置
１８  粉末回収室
２０  カーボンナノホーン回収チャンバ
２０ａ  内周壁面
２０ｂ  開口
２１  バグフィルタ
２２  バグフィルタ懸吊体
２３  回収口
２４  フィルタ駆動機構
２５  シリンダ
２６  回収容器
２７、３５  掻き落し板
２８、２９  ボールバルブ
３０、３０Ａ、３０Ｂ  不純物回収チャンバ
３１  往復動駆動機構
３１ａ  駆動ロッド
３２  枢着部
３３  上昇・降下機構
３３ａ  駆動ロッド
３４  粉末回収板
３５  掻き落し板
３６  不純物回収容器
４０  連通管
３７  バグフィルタ
３８  フィルタ駆動機構
３９  不純物回収口
４１  排気管
４２、４７Ａ、４７Ｂ  バグフィルタ
４３  フィルタ駆動機構
４４  シリンダ
４５、４６  切替弁
Ｌ  レーザ光
Ｍ１、Ｍ２  モータ
【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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