(57)【要約】【課題】アークを用いて、炭素系素材からカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料等のカーボンナノ材料を製造する手法があるがプラズマを制御するのに電流や置換シールドガスのみで対応や、生成したナノ物質を急冷する事が出来なかった。【解決手段】炭素系素材電極の外周に磁石を配列し磁石の極性や磁力線の向、磁界強度でアークプラズマを制御、目的のナノ物質を含む置換シールドガス流路に熱交換機を設け急冷を可能にしたり、定電流電源の電圧をモニターしながら炭素系素材の放電距離が常に一定になる制御機能、製造装置の冷却機構を具備し、カーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料を連続的に製造を可能にした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルゴンガスやヘリウム、その他のガスに置換した容器の中で、炭素系素材に交流や直流でアーク放電させると炭素系素材の表面にカーボンナノ物質が製造されることは認知されている。アーク放電容器の外周に磁束がアークと平行になるよう磁石を配置しアークプラズマを磁力によって制御し連続製造できることを特徴とした磁気を利用したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料連続製造機。
【請求項２】
製造中、炭素系素材がアークの熱により温度が上がり、シャフトや素材の温度が必要以上に上がり始める。温度上昇を防ぐため、シャフトと炭素系素材固定部分や容器を二重構造にし水冷部を設けたことを特徴とする磁気を利用したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料連続製造機。
【請求項３】
アーク放電電極保持器を水冷熱交換機にしアーク放電によって製造されたカーボンナノ物質やシールドガスを急冷する構造を持った磁気を利用したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンなの材料連続製造機。
【請求項４】
アークにより炭素系素材はカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料に変性させられ炭素系素材の直径が減少していきアークの飛ぶ距離が変化し、アークの特性が著しく変わると一定条件下で製造しているカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料の品質が保たれなくなる。製造による炭素系素材の消耗でトーチの電極間距離が変化しても、定電流電源が負荷に応じ電圧が変化する特性を利用し電極間距離を一定に制御する機構を持った磁気を利用したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料連続製造機。
【請求項５】
シールドガス中に混入したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料を回収するため吸引装置を設けた磁気を利用したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料連続製造機。
【請求項６】
製造中、炭素系素材はマイナス電極側に堆積するので一定の時間が経過したのを見計らって電極の極性を変換し堆積したカーボン物質を
除去機能やそれにあわせシールドガスの方向も変換する機構をもつ、シールドガス置換は小型ではパージ法でもよいが大型では真空引き後置換シールドガスを供給可能な装置を有する磁気を利用したカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料連続製造機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はカーボンナノチューブや、カーボンナノホーン、カーボンナノ材料連続製造機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アーク法におけるカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料の製造は、アークのコントロールすなわち電流、電圧やシールドガス制御しかなされていなくカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料の特定品を大量に製造することは困難であった。また、単なるアーク放電だけによる製造は効率も悪く、紫外線や熱も多量に発生し、冷却等の問題もあった、また製造物が炭素系素材に強固に付着し剥離もうまくいかず大量製造は不可能であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、連続して高品質なカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料を製造するため、電流、電圧やシールドガスだけでなくアークプラズマそのものを磁気により制御し特定なカーボンナノ物質の含有率を上げることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の電流，電圧、シールドガスのみによって製造条件が決まっていたものを直接アークプラズマを磁気を利用して制御を行う。
また、必要に応じマイナス電極に堆積する炭素系物質を極性変換することによって電極から剥離させる。シールドガスの流路も極性切り替えに同期させる機能を設けた。
炭素系素材が消耗し長さが変わっても、アーク放電電圧の変化をフィードバックし常に一定電流が流れるよう電極間距離を調整するような機構を持たせた。
【０００５】
【発明の実施の形態】
炭素系素材がアーク放電の熱による温度上昇を、中空容器を水冷したり、炭素系素材料保持器を冷却し、軸を制御して移動させ炭素系素材の電極間距離を一定に保時しアークが飛ぶ容器の外周に磁石を配置しアークプラズマを制御し特定のカーボンナノ物質の連続製造を実現した。
ナノ物質を含有したシールドガスを急冷可能な熱交換要素を持った炭素系電極保持金具を設けてある。シールドガスは空気、窒素、アルゴンやヘリウム、水素などを使用する場合が多い。
【０００６】
【実施例】
図１は、本発明装置のイメージ図で、記号は図１、図２、は同一の部位を示す。  図２は外観見取り図である。
１は磁石、２は炭素系素材保持シャフト、３は水冷構造を有する外ケース、４点検口、５は前後に移動するシールドガスの通路や水冷式熱交換機能をもった中筒、６は２０の炭素系素材保持シャフト、７と１６ははアーク放電用電力供給手段、シールドガス出入り口、８は５の中筒を前後させる駆動装置、９は磁石、１０、１１は外ケース冷却用水入り口、１２、１５はシールドガス出入り口、１３．１４は中筒冷却水出口、１７，１８は中筒冷却水入、１９、２０は炭素系素材、２１、２２はカーボンナノ物質回収箱、２３は外筒保持架台、
２４は、取付台。２５は１７．１８の冷却水入り口から入った水の出口である。
【０００７】
このように、１９，２０の炭素素材を冷却しながらアークプラズマを磁気により制御しシールドガスに混入したカーボンナノ物質を急冷させる。特にカーボンナノホーンはシールドガスに混入したら直ちに急冷が必要となるので炭素系素材熱交換型保持器は重要な要素である、本装置は基本的に電流制御機能のある直流で動作させるのでマイナス電極に堆積した炭素系生成物も極性を切り替えることにより容易に剥離が可能である。もちろんシールドガスの流路も極性に応じ変更する。電極間距離の調整も電流制御電源を使用すれば放電電圧をコントロール、すなわち供給電圧をフィードバックし電極間距離を定めれば一定電流は保たれるので本装置のように炭素系素材保持金具が信号により前後すれば安定した製造が可能である。
【０００８】
図２は、装置のシールドガスの流れとアークプラズマによってナノ物質が混入したシールドガスの流れの説明図である。まず、８のシールドガス入り口から置換シールドガスを流入させ１７の排気口より置換シールドガスが流出させる。大型の場合は真空ポンプなど使用しシールドガスを速やかに置換する方法もあるが説明ではパージ法で行う。ガス置換が出来たら１９と２０間に直流電圧を添加しアーク放電させる、アーク放電により炭素素材の表面からカーボンナノ物質を含んだものが置換シールドガスと一緒に１７の排気口から流出する、このとき５の炭素系電極保持金具はシールドガスと炭素系電極を冷却できる熱交換器構造になっているのでシールドガスは冷却されナノ物質回収装置を経過し排出される。
【０００９】
図３は磁石をつけたイメージ図である。
【００１０】
磁気でアークプラズマを制御する場合でもでカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料類を製造する、放電距離が品質安定のため重要な要素となる。
本発明では電源に定電流電源（一般溶接機もこれに準じている）の特性を利用し、電極間距離を変化して定電流制御している。
表１のように定電流電源は、負荷が増加すると電圧が上昇し、負荷が減少すると電圧が下降し、常に一定の電流が流れるように自動制御されている。電流値を固定した場合表１のように電極間距離をＸ軸  供給電圧をＹ軸にとり表にしたものである。  このように電極間距離が広くなると、アーク放電にとっては負荷抵抗が増えたのと等価であるため、供給電圧は上昇する。固定電流２００Ａとし、そのときの電極間距離を２ミリメートル、供給電圧を３０Ｖとするとこの条件下で放電電圧を測り、常に３０Ｖになるように炭素系電極を移動すれば、炭素系素材は製造により、電極が消耗して電極間距離が長くなり放電電流が変化しないように制御可能である。
【００１１】
図４．図５．図６は外に配置する磁石の極性の表したものでＮ極、Ｓ極を取り替えることができる。
図７と図８は極性切り替えに伴う置換シールドガス流路と１９と２０の炭素系電極の供給電源のブロック図である
置換シールドガスはＣの直流電源極性切替装置と連動し置換シールドガスバルブを切り替え炭素系電極２０から１９方向に流したり１９方向から２０方向に流したりする。Ａ、Ｂ，Ｃ，の各バルブは図５の極性切替装置と連動している。
ガス流路を実線側に切り替えると中央の置換シールドガス入り口から入ったガスはバルブＡバルブＣ  電極２０、１９，バルブＢを通り回収器へと流れる。各バルブが波線側に切り替わると実線側とは反対に流れる。
【表１】
定電圧、定電流電源による炭素系素材とトーチアーク電極の距離
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【００１２】
【発明の効果】
本発明は、現在高価なカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料を、アーク法を用いアークプラズマそのものを磁気で制御し特定のカーボンナノ物質を低コストで連続製造する装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気を利用したカーボンナノチューブ製造機の断面説明図である。（実施例）
【図２】磁気を利用したカーボンナノチューブ製造機の炭素系素材と置換シールドガスの説明図、矢印は置換シールドガスとカーボンナノ物質を含んだ置換シールドガスの流れを示す。
【図３】装置の磁石の取り付けイメージ図である。
【図４】
【図５】
【図６】磁石の極性配置例で記号Ｓ，Ｎは極性を表す。
【図７】置換シールドガスの切り替えバルブＡ，Ｂ，Ｃ，の方向により流路の変化を示す。
【図８】炭素系素材とアークプラズマ用電気極性切り替え系統説明図
【符号の説明】
１    電磁石
２    炭素系素材保持金具
３    水冷容器
４    点検口
５    熱交換器
６    炭素系素材シャフト固定金具
７    電気供給端子
８    炭素系素材移動手段
９    電磁石
１０    容器冷却水入り口
１１    容器冷却水入り口
１２    熱交換器冷却水入口
１３    熱交換機冷却水出口
１４    熱交換機冷却水出口
１５    熱交換器冷却水入口
１６    電気供給端子
１７    置換シールドガス出入り口
１８    置換シールドガス出入り口
１９    炭素系素材
２０    炭素系素材
２１    下部回収ボックス
２２    回収ボックス
２３    支持金具
２４    基盤
Ｓ    磁石Ｓ極
Ｎ    磁石Ｎ極
Ａ    シールドガス入口バルブ
Ｂ    回収器切替えバルブ
Ｃ    回収器切替えバルブ
【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】
2004224635.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月27日(2003.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気を利用したカーボンナノチューブ製造機の断面説明図である。（実施例）
【図２】磁気を利用したカーボンナノチューブ製造機の炭素系素材と置換シールドガスの説明図、矢印は置換シールドガスとカーボンナノ物質を含んだ置換シールドガスの流れを示す。
【図３】装置の磁石の取り付けイメージ図である。
【図４】装置の磁石の取り付け極性のイメージ図である。
【図５】図４と同様磁石の取り付け極性を変えた場合のイメージ図である。
【図６】図４、図５と同様磁石の取り付け極性を変えた場合のイメージ図である。
【図７】置換シールドガスの切り替えバルブＡ，Ｂ，Ｃ，の方向により流路の変化を示す。
【図８】炭素系素材とアークプラズマ用電気極性切り替え系統説明図
【符号の説明】
１    電磁石
２    炭素系素材保持金具
３    水冷容器
４    点検口
５    熱交換器
６    炭素系素材シャフト固定金具
７    電気供給端子
８    炭素系素材移動手段
９    電磁石
１０    容器冷却水入り口
１１    容器冷却水入り口
１２    熱交換器冷却水入口
１３    熱交換機冷却水出口
１４    熱交換機冷却水出口
１５    熱交換器冷却水入口
１６    電気供給端子
１７    置換シールドガス出入り口
１８    置換シールドガス出入り口
１９    炭素系素材
２０    炭素系素材
２１    下部回収ボックス
２２    回収ボックス
２３    支持金具
２４    基盤
Ｓ    磁石Ｓ極
Ｎ    磁石Ｎ極
Ａ    シールドガス入口バルブ
Ｂ    回収器切替えバルブ
Ｃ    回収器切替えバルブ