(57)【要約】  本発明は、不活性ガス蒸発に基づいて固体粒子を製造する装置及び方法に関する。この方法は、材料の飽和蒸気を含む連続ガス供給流を形成することと、入口を通して反応器チャンバの自由空間領域内に、入口から突出する供給噴流の形態で連続ガス供給流を噴射することと、冷却流体の少なくとも１つの連続噴流を形成し且つ冷却流体の少なくとも１つの噴流を反応チャンバ内に噴射することとを含む。供給噴流は、反応器チャンバの圧力よりも高い０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲内の圧力で供給流に噴射ノズルを通過させることによって、形成され、この噴射ノズルは、反応器入口として機能し且つ高さＡｆｅｅｄ及び幅Ｂｆｅｅｄをもつ矩形断面領域のノズル開口部を有し、縦横比Ａｆｅｅｄ／Ｂｆｅｅｄ≧２：１であり、高さＡが０．１〜４０ｍｍの範囲内にある。冷却流体の少なくとも１つの噴流のそれぞれが、冷却流体に噴射ノズルを通過させることによって、形成され、この噴射ノズルは、冷却流体の噴流が供給噴流と３０〜１５０度の間の交角で交差するように、冷却流体の噴流を方向付け、冷却流体の少なくとも１つの噴流のそれぞれは、個別に又は組み合わさって、供給噴流の噴射のためのノズル開口部から所定の距離だけ離れて、供給噴流の実質的に全てのガスと混じり合う。
2015522397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の固体粒子を製造する方法において、
前記材料の飽和蒸気を含む連続ガス供給流を形成し、入口を通して反応器チャンバの自由空間領域内に、前記入口から突出する供給噴流の形態で前記連続ガス供給流を噴射するステップと、
冷却流体の少なくとも１つの連続噴流を形成し、前記冷却流体の少なくとも１つの連続噴流を前記反応チャンバ内に噴射するステップと
を含み、
前記供給噴流が、前記反応器チャンバの圧力よりも高い０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲内の圧力で前記供給流に噴射ノズルを通過させることによって、形成され、前記噴射ノズルが、前記反応器入口として機能し、且つ高さＡｆｅｅｄ及び幅Ｂｆｅｅｄをもつ矩形断面領域のノズル開口部を有し、
縦横比Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄ≧２：１であり、
前記高さＡｆｅｅｄが０．１〜４０ｍｍの範囲内にあり、
前記冷却流体の少なくとも１つの噴流のそれぞれが、前記冷却流体に噴射ノズルを通過させることによって、形成され、前記噴射ノズルは、前記冷却流体の噴流が前記供給噴流と３０〜１５０度の間の交角で交差するように、前記冷却流体の噴流を方向付け、前記冷却流体の少なくとも１つの噴流のそれぞれは、個別に又は組み合わさって、前記供給噴流の噴射のための前記ノズル開口部から所定の距離だけ離れて、前記供給噴流の実質的に全てのガスと混じり合う、方法。
【請求項２】
前記供給噴流が、前記供給流に噴射ノズルを通過させることによって形成され、前記噴射ノズルの縦横比（Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄ）が、１００００：１〜２：１の範囲、２５００：１〜５：１の範囲、１０００：１〜５：１の範囲、７５０：１〜５：１の範囲、４００：１〜１０：１の範囲、２００：１〜１０：１の範囲、又は１００：１〜２：１の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、高さＡｆｅｅｄが、０．１〜４０ｍｍの範囲、０．１５〜３５ｍｍの範囲、０．２〜３０ｍｍの範囲、０．２５〜２５ｍｍの範囲、０．３〜２０ｍｍの範囲、０．４〜１５ｍｍの範囲、０．４〜１０ｍｍの範囲、０．５〜１０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜２．５ｍｍの範囲、１〜２．５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲、０．１〜２ｍｍの範囲、又は０．１〜１ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、
前記供給の圧力が、０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１５×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１０×１０５Ｐａの範囲、０．０２×１０５〜５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．０×１０５Ｐａの範囲、０．３×１０５〜１．５×１０５Ｐａの範囲、又は０．３×１０５〜１．０×１０５Ｐａの範囲のうちのいずれか１つであり且つ前記反応器チャンバの圧力よりも高い範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷却流体の少なくとも１つの噴流が、前記供給噴流と３０〜１５０度の間の交角α１で、前記供給噴流ノズル開口部から距離をあけて交差し、前記距離が、１〜３０ｍｍの範囲、１〜２０ｍｍの範囲、１〜１０ｍｍの範囲、１〜６ｍｍの範囲、及び２〜６ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、
前記冷却流体と前記供給噴流のガスとの間の温度差ΔＴが、５０〜３０００℃の範囲、１００〜２５００℃の範囲、２００〜１８００℃の範囲、２００〜１５００℃の範囲、３００〜１４００℃の範囲、又は５００〜１３００℃の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却流体の噴流が、幅Ｂｑｕｅｎｃｈ及び高さＡｑｕｅｎｃｈをもつ矩形断面のノズル開口部を有する噴射ノズルを用いることによって、形成され、幅Ｂｑｕｅｎｃｈ及び高さＡｑｕｅｎｃｈの縦横比（Ｂｑｕｅｎｃｈ／Ａｑｕｅｎｃｈ）が、１００００：１〜２：１の範囲、２５００：１〜５：１の範囲、１０００：１〜５：１の範囲、７５０：１〜５：１の範囲、４００：１〜１０：１の範囲、２００：１〜１０：１の範囲、又は１００：１〜２：１の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、高さＡｑｕｅｎｃｈが、０．１〜４０ｍｍの範囲、０．１５〜３５ｍｍの範囲、０．２〜３０ｍｍの範囲、０．２５〜２５ｍｍの範囲、０．３〜２０ｍｍの範囲、０．４〜１５ｍｍの範囲、０．４〜１０ｍｍの範囲、０．５〜１０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜２．５ｍｍの範囲、１〜２．５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲、０．１〜２ｍｍの範囲、又は０．１〜１ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、ノズル口から出るときにおける前記冷却流体の噴流内の前記冷却流体の圧力が、０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１５×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１０×１０５Ｐａの範囲、０．０２×１０５〜５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．０×１０５Ｐａの範囲、０．３×１０５〜１．５×１０５Ｐａの範囲、又は０．３×１０５〜１．０×１０５Ｐａの範囲のうちのいずれか１つであり且つ前記反応器チャンバの圧力よりも高い範囲内にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記供給噴流と前記冷却流体の噴流とが、指向され、それにより、
前記噴流の対称面同士が、前記供給噴流を形成する前記噴射ノズル開口部から距離Ｄ１離れ且つ冷却ガスの噴流を形成する前記噴射ノズル開口部から距離Ｄ２離れた交線に沿って、互いに交差し、
前記対称面同士が、互いに対して角度α１で傾斜し、
前記供給噴流の流速ベクトルが、角度α２で前記交線と交差し、前記冷却流体の噴流の流速ベクトルが、角度α３で前記交線と交差する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記交差角度であるα１が、３０〜１５０度の範囲、４５〜１３５度の範囲、６０〜１２０度の範囲、７５〜１０５度の範囲、８０〜１００度の範囲、又は８５〜９５度の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、
前記交差角度α２及びα３が、８０〜１００度の範囲、８５〜９５度の範囲、８７〜９３度の範囲、８８〜９０度の範囲、又は８９〜９１度の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
Ｂｑｕｅｎｃｈ≧Ｂｆｅｅｄである、請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
Ｂｑｕｅｎｃｈ＝Ｂｆｅｅｄ＋ΔＢであり、ΔＢが、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、又は１０ｍｍのうちのいずれか１つの値を有する、請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記供給ガスが、蒸発した亜鉛であり、前記冷却流体が窒素ガスである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記供給ガスが、２つ以上の気化材料の混合物である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記供給ガスが、２つ以上の金属蒸気の混合物、少なくとも１つの金属蒸気と少なくとも１つのガス状非金属化合物との混合物、又は、少なくとも１つの金属蒸気と少なくとも１つの不活性ガスとの混合物のうちのいずれか１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
生成されている前記粒子は、１ｎｍ〜５μｍの範囲、５〜１００ｎｍの範囲、１００〜１０００ｎｍの範囲、又は１〜２μｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある外径を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
材料の固体粒子を製造する装置において、
前記材料の飽和蒸気を含む連続ガス供給流を与えるための供給システムであって、前記供給流が、反応器チャンバの圧力よりも高い０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲内の圧力に加圧される供給システムと、
冷却流体の少なくとも１つの連続供給流を与えるためのシステムと、
自由空間チャンバと、ガス用出口と、製造された前記固体粒子を捕捉し且つ取り出すための粒子捕集器とを有する反応器と、
前記連続ガス供給流と流体接続している噴射ノズルであって、前記噴射ノズルの噴射開口部から前記反応チャンバの前記自由空間領域内に突出する供給噴流の形態で前記供給流を噴射するように位置付けられる噴射ノズルと、
前記連続供給と流体接続している少なくとも１つの冷却流体噴射ノズルであって、冷却流体の少なくとも１つの噴流を前記反応チャンバに噴射する冷却流体噴射ノズルと
を備え、
前記供給噴流の噴射のための前記噴射ノズル開口部が、高さＡｆｅｅｄ及び幅Ｂｆｅｅｄの矩形断面領域を有し、
縦横比Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄ≧２：１であり、
前記高さＡｆｅｅｄが０．１〜４０ｍｍの範囲内にあり、
前記冷却流体の少なくとも１つの噴流を噴射する前記少なくとも１つの噴射ノズルが、前記冷却流体の噴流を形成するノズル開口部を有し、前記少なくとも１つの噴射ノズルが、前記冷却流体の少なくとも１つの噴流が前記供給噴流と３０〜１５０度の間の交角で交差するように位置付けられ、前記少なくとも１つの噴射ノズルが、個別に又は組み合わさって、前記供給噴流の噴射のための前記ノズル開口部から所定の距離だけ離れて、前記供給噴流の実質的に全てのガスと混じり合う、装置。
【請求項１４】
前記供給噴流の噴射のための前記噴射ノズル開口部が、
１００００：１〜２：１の範囲、２５００：１〜５：１の範囲、１０００：１〜５：１の範囲、７５０：１〜５：１の範囲、４００：１〜１０：１の範囲、２００：１〜１０：１の範囲、又は１００：１〜２：１の範囲のうちのいずれか１つの範囲内の縦横比（Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄ）と、
０．１５〜３５ｍｍの範囲、０．２〜３０ｍｍの範囲、０．２５〜２５ｍｍの範囲、０．３〜２０ｍｍの範囲、０．４〜１５ｍｍの範囲、０．４〜１０ｍｍの範囲、０．５〜１０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜２．５ｍｍの範囲、１〜２．５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲、０．１〜２ｍｍの範囲、又は０．１〜１ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内の高さＡｆｅｅｄと
を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記供給噴流の噴射のための前記噴射ノズルと、前記冷却流体の少なくとも１つの噴流を噴射するための前記少なくとも１つの噴射ノズルとは、前記供給噴流と前記冷却流体の少なくとも１つの噴流とが３０〜１５０度の間の交角α１で且つ前記供給噴流ノズル開口部から距離Ｄ１だけ離れて互いに交差するように、指向され、前記距離Ｄ１は、１〜３０ｍｍの範囲、１〜２０ｍｍの範囲、１〜１０ｍｍの範囲、１〜６ｍｍの範囲、及び２〜６ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある、請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置が、前記冷却流体の噴流を噴射するための１つの噴射ノズルを用い、
前記噴射ノズルが、幅Ｂｑｕｅｎｃｈ及び高さＡｑｕｅｎｃｈの矩形断面のノズル開口部を有し、前記幅Ｂｑｕｅｎｃｈ及び前記高さＡｑｕｅｎｃｈが、１００００：１〜２：１の範囲、２５００：１〜５：１の範囲、１０００：１〜５：１の範囲、７５０：１〜５：１の範囲、４００：１〜１０：１の範囲、２００：１〜１０：１の範囲、又は１００：１〜２：１の範囲のうちのいずれか１つの範囲内の縦横比（Ｂｑｕｅｎｃｈ／Ａｑｕｅｎｃｈ）を形成し、
前記高さＡｑｕｅｎｃｈが、０．１〜４０ｍｍの範囲、０．１５〜３５ｍｍの範囲、０．２〜３０ｍｍの範囲、０．２５〜２５ｍｍの範囲、０．３〜２０ｍｍの範囲、０．４〜１５ｍｍの範囲、０．４〜１０ｍｍの範囲、０．５〜１０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜２．５ｍｍの範囲、１〜２．５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲、０．１〜２ｍｍの範囲、又は０．１〜１ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記供給噴流の噴射のための前記噴射ノズルと前記冷却流体の少なくとも１つの噴流を噴射するための前記噴射ノズルとが、指向され、それにより、
前記噴流の対称面同士が、前記供給噴流を形成する前記噴射ノズル開口部から距離Ｄ１離れ且つ冷却ガスの噴流を形成する前記噴射ノズル開口部から距離Ｄ２離れた交線に沿って、互いに交差し、
前記対称面同士が、互いに対して角度α１で傾斜し、
前記供給噴流の流速ベクトルが、角度α２で前記交線と交差し、前記冷却流体の噴流の流速ベクトルが、角度α３で前記交線と交差する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記交差角度であるα１が、３０〜１５０度の範囲、４５〜１３５度の範囲、６０〜１２０度の範囲、７５〜１０５度の範囲、８０〜１００度の範囲、又は８５〜９５度の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあり、
前記交差角度α２及びα３が、８０〜１００度の範囲、８５〜９５度の範囲、８７〜９３度の範囲、８８〜９０度の範囲、又は８９〜９１度の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
Ｂｑｕｅｎｃｈ≧Ｂｆｅｅｄである、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
Ｂｑｕｅｎｃｈ＝Ｂｆｅｅｄ＋ΔＢであり、ΔＢが、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、又は１０ｍｍのうちのいずれか１つの値を有する、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
連続ガス供給流を与えるための前記供給システムが、亜鉛金属を蒸発させるための蒸発チャンバを含み、冷却流体の少なくとも１つの連続供給流を与えるための前記システムが、室温で且つ前記反応器チャンバの圧力よりも高い０．０２×１０５〜５×１０５Ｐａの範囲内の圧力での窒素ガスの供給ラインを含む、請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
連続ガス供給流を与えるための前記供給システムが、前記供給噴流のための前記噴射ノズルと流体接続する２つ以上の蒸発チャンバを含み、前記蒸発チャンバに接続する供給ラインが、前記噴射ノズルと流体接続している単一のガス導管内につながれる、請求項１３〜２１のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不活性ガス蒸発に基づいて、ミクロ粒子、サブミクロン粒子及び／又はナノサイズ粒子を製造する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［背景］
１マイクロメートル以下程度の大きさの粒子は、高表面積及びこれに応じた高い化学的活性によりさまざまな用途に適していることから、現在大きな関心が寄せられている。例えば、金属サブミクロン粒子又は金属ナノサイズ粒子は、例えば生物医学、光学及び電子分野において多くの用途が見いだされている。そのような大きさの粒子は以前から存在していたものの、ナノ粒子は、独特な現象、例えばナノ粒子で発現しやすい量子効果現象のために、近年、徹底した研究努力がなされている。
【０００３】
サブミクロン粒子又はナノ粒子の合成法は３つの主なグループに分けられる。第１のグループは、液相法に基づくものであり、溶液中の化学反応を利用して粒子を通常はコロイドとして製造する。第２のグループは、供給材料を霧状にし且つ蒸着表面に向けて原子を拡散させることによる、真空条件下での粒子の表面成長に基づく。第３のグループは、気相合成に基づくものであり、本特許出願の主題である。
【０００４】
［従来技術］
サブミクロン粒子及びナノサイズ粒子を製造する既知の方法はいくつかあり、これらは、金属固体を対応する蒸気相に変換する第１のステップと、これに続く、蒸気相の凝縮を制御して多数の小さなナノ粒子及び／又はサブミクロン粒子を形成する第２のステップとに基づく。これらの方法は、第１のステップ及び第２のステップを実施するためのさまざまな手段により互いに区別される。第１のステップは、例えば熱蒸発、誘導結合プラズマ放電、アーク放電及び電気爆発により実施できる。第２のステップは、例えば不活性ガス凝縮により実施することができる。
【０００５】
大気圧でナノ粒子を製造する他の例は、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載される方法では、誘導結合プラズマ放電及び電気爆発を採用している。同時に、以下のようないくつかの方法で急激な温度低下を実現している。
（ｉ）冷却環境で蒸気を局所的に過熱することによって、その後、形成された蒸気が外に向かって周囲の冷却環境へと拡がり、これにより急冷（quench）される。
（ｉｉ）冷却流体の流れが、蒸気が局所的に過熱される領域に導入され、このとき、ガスの流れがこの流れと一緒に蒸気の一部を運び、ナノ粒子を形成する核生成が冷却ガス中で起こる。
（ｉｉｉ）過熱した蒸気を、もっとも一般的にはプラズマトーチの形態で、過熱した蒸気と比べて低い相対温度で急冷チャンバ又は急冷ゾーンに流入させる。
（ｉｖ）蒸気の断熱膨張を利用する。
【０００６】
特許文献５によると、ナノチューブの連続生産方法が既知である。この方法は、プラズマジェットを形成するステップと、プラズマジェットに金属触媒又は金属触媒前駆体を導入して触媒金属を気化させるステップと、１つ又は複数の急冷ガス流をプラズマに指向してプラズマを急冷するステップと、その結果生じるガス状混合物を炉に通すステップ（なお、このステップでは、１つ以上のナノチューブ形成材料が添加され、それにより金属触媒の影響下でこの材料からナノチューブが形成され、上記炉を通過する間に所望の長さにまで成長する）と、そのように形成されたナノチューブを捕集するステップとを含む。ナノチューブの連続生産のための方法が、記載されており、この方法は、プラズマジェットを形成するステップと、プラズマジェットに金属触媒又は金属触媒前駆体を導入して触媒金属を気化させるステップと、１つ又は複数の急冷ガス流をプラズマに指向してプラズマを急冷するステップと、その結果生じるガス状混合物を炉に通すステップ（なお、このステップでは、１つ以上のナノチューブ形成材料が添加され、それにより金属触媒の影響下でこの材料からナノチューブが形成され、上記炉を通過する間に所望の長さにまで成長する）と、そのように形成されたナノチューブを捕集するステップとを含む。
【０００７】
ナノ粒子を製造する上記の既知の方法は、５０００Ｋ〜１００００Ｋ（約４７２７℃〜約９７２７℃）の温度範囲にある材料の蒸気を用いるが、それほどの高温に材料を加熱するには非常に大量のエネルギーを消費する。さらに、それほどの高温を使用することには、使用される原料中に存在するいかなる汚染物質も、対応する製造されたナノ粒子へと移されることになるという望ましくない欠点がある。要するに、高純度ナノ粒子の生成には高純度原料が必要となる。さらに、過熱した蒸気の急冷が静的容積又は静的面積にわたって起こり、それにより、例えばチャンバ壁とチャンバ壁に取り囲まれる領域の中心との間における濃度勾配及び／又は温度勾配が、チャンバ内の冷却流体及び蒸気の乱流及び流れのパターンを変化させる。そのような勾配は、粒子の大きさ及び特性の変動幅を広くしがちな、さまざまな核生成条件をもたらす。
【０００８】
非特許文献１の論文では複数の気相合成法を検討している。この論文は、これら気相合成法に共通する１つの特徴が、粒子を形成すべき材料の気相が、固相の形成と比べて熱力学的に不安定にされる条件を生み出すことであると、教示している。この論文は、過飽和を達成するおそらくもっとも素直な方法は不活性ガス凝縮法かもしれないと報告している。この不活性ガス凝縮法では、固体を加熱して蒸発させ、蒸発した固体をバックグラウンド／キャリアガスと混合し、次いで、バックグラウンド／キャリアガスを冷却ガスと混合して降温する。十分なレベルの過飽和と適切な反応速度とを形成することによって、ナノサイズまでに低下した寸法を有する粒子の均一な核生成の実現が可能であると、論文は教示している。小さくなった粒子には、高過飽和条件と、その後の過飽和源を取り除く又は反応速度を緩めて粒子の成長を止めることによる気相の即時急冷とが、有利である。これらのプロセスは、多くの場合わずか数ミリ秒で急速に起こり、そして、多くの場合比較的制御されないかたちで起こることを、論文は報告している。
【０００９】
特許文献６から、気化チャンバ及び希釈チャンバを備える炉管に通じる固体エアロゾルの分散に基づいた、高濃度でナノ粒子を生成する方法及び装置が既知である。発熱体が、炉管を取り囲んでいる。発熱体からの熱が、気化チャンバ内のガス流に含まれたバルク材を、バルク材が気相に変換するのに十分な温度にまで加熱する。その後、気化したバルク材は希釈チャンバに移され、希釈チャンバでは不活性ガスが希釈ガス口を通して導入される。希釈ガス口を通っての希釈チャンバへの不活性ガスの流れは、希釈チャンバの出口からバルク材を排出するのに十分であり、それにより、ナノサイズ粒子の凝集を防ぐのに十分な量のガス流中でバルク材がナノサイズ粒子に凝縮される。
【００１０】
非特許文献２の検討論文から、中間温度（最大約１７００℃）で高い蒸気圧を有する物質の飽和蒸気を供給するのに、オーブン熱源がもっとも簡単なシステムであること、そして、そのようなシステムは、飽和蒸気の自由膨張冷却と組み合わされて凝縮性ガスを生成できることが、既知である。この論文は、低圧流中で断熱膨張を引き起こす収束ノズルはナノ粒子の形成を可能としてきたが、大抵の蒸発凝縮プロセスは比較的広い粒径分布をもたらすと、報告している。しかしながら、特別な設計がされたノズルは、境界層効果を最小限に抑えると示されており、それにより、狭い粒径分布のナノ粒子を形成する高均一な急冷速度をもたらす流れ方向の一次元的な温度勾配にアプローチしている。この論文は、これらのノズルの実際の設計についての情報を与えていない。
【００１１】
特許文献７は、溶射反応システムでフレーム温度を低下させる処理を開示している。この文献では、処理は、構成要素の前駆体を含む前駆媒体を供給するステップと、製品粒子群を形成するのに効果的な条件下で前駆媒体を溶射するステップと、フレームを冷却媒体と接触させることによりフレーム温度を低下させるステップとを含む。この発明の処理は、この処理を用いて作製されるナノ粒子の大きさ、成分及び形態の制御を可能にする。またこの発明はノズルアセンブリにも関するものであり、このノズルアセンブリは、霧化媒体導管と実質的に長手方向に延在する１つ以上の前駆媒体給送導管とを含む実質的に長手方向に延在する霧化給送ノズルを備える。この発明のノズルアセンブリは、溶射システムで使用されて、本明細書に記載するプロセスを用いてナノ粒子を生成する。
【００１２】
特許文献８から、この発明によるナノ粒子を生成する装置が、その中に蒸気領域を画成する炉を備えることができることが、既知である。入口端部及び出口端部を有する析出導管が、入口端部が蒸気領域に開放するように、炉に対して配置されている。急冷流体供給装置が、気体状態の急冷流体と液体状態の急冷流体とを供給する。析出導管内に配置された急冷流体ポートが、急冷流体供給装置に流体連通しており、それにより、急冷流体ポートへの入口は、気体状態の急冷流体と液体状態の急冷流体とを受け取る。急冷流体ポートは、析出導管に急冷流体の流れをもたらし、それにより析出導管内でナノ粒子を析出させる。析出導管の出口端部に接続された生成物捕集装置が、析出導管内で生成されたナノ粒子を捕集する。
【００１３】
上述のように、気相凝縮により粒子を生成する際、析出領域における勾配（温度、圧力及び質量）を用いた高度な制御を有することが重要である。生成する粒径が小さいほど、勾配を用いた制御がより重大となる。しかしながら、これまでは、勾配を用いた厳密な制御の必要性は、サブミクロン粒子及びナノ粒子などの極小粒子の生成のための製造ラインを大規模にして「規模の経済性」の効果を得るという要望と、同時に実現されることが難しかった。なぜなら、流量を大きくすることは、反応器の寸法を大きくすることを意味し、それ故反応ゾーンにおける勾配を用いた制御が低下することを意味するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第０１／５８６２５号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２２１６３５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０１０１８２３号明細書
【特許文献４】米国特許第５６６５２７７号明細書
【特許文献５】国際公開第０３／０６２１４６号
【特許文献６】国際公開第２００７／１０３２５６号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００６／０１６５８９８号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００４／００１３６０２号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｍａｒｋ Ｔ．Ｓｗｉｈａｒｔ（２００３），“Ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ”，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ（８），ｐｐ．１２７−１３３．
【非特許文献２】Ｆｒａｎｋ Ｅｉｎａｒ Ｋｒｕｉｓ（２００１），“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｓ ｐｈａｓｅ ｆｏｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，デュイスブルク大学電気工学部に受領された大学教員資格取得論文，２００１−０６−０１，ドイツ，ｐｐ．１９−２８．
【発明の概要】
【００１６】
本発明の目的は、規模の拡張が可能であり、再現可能であり且つ経済的であるかたちで高い生成速度で固体粒子を製造する方法及び装置を提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、規模の拡張が可能であり、再現可能であり且つ経済的であるかたちで高い生成速度でミクロンスケール、サブミクロンスケール又はナノスケールの外径を有する固体粒子を製造する方法及び装置を提供することである。
【００１８】
[本発明の説明]
本発明は、次のような実現化を利用するものである。つまり、気相からの凝縮によって狭い粒径分布を有する小さな粒子すなわちナノサイズ等の粒子を製造するために必要とされる質量、温度及び圧力の勾配の非常に正確な制御は、必要な小さなサイズを反応ゾーンのある特徴的な寸法に保つことによって、大きい体積流量に対して得られることができ、そして、別の特徴的な寸法に膨張させることによって、体積流量の増加を得ることができる。これは、特殊なノズル設計を採用することによるものであり、体積流量を増加させることによって生成量を実質的に増やすことが可能になり、例えばナノサイズ又はそれより大きな粒子を形成するのに必要とされる析出ゾーンにおいて、質量、温度及び圧力の必要な勾配をなおも維持することが可能となる。
【００１９】
それ故、第１の態様において、本発明は材料の固体粒子を製造する方法に関し、この方法は、
材料の飽和蒸気を含む連続ガス供給流を形成し、入口を通して反応器チャンバの自由空間領域内に、入口から突出する供給噴流（feed jet flow）の形態で連続ガス供給流を噴射するステップと、
冷却流体の少なくとも１つの連続噴流を形成し、冷却流体の少なくとも１つの噴流を反応チャンバ内に噴射するステップと
を含み、
供給噴流が、反応器チャンバの圧力よりも高い０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲内の圧力で供給流に噴射ノズルを通過させることによって、形成され、噴射ノズルが、反応器入口として機能し、且つ高さＡｆｅｅｄ及び幅Ｂｆｅｅｄをもつ矩形断面領域のノズル開口部を有し、
縦横比Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄ≧２：１であり、
高さＡｆｅｅｄが０．１〜４０ｍｍの範囲内にあり、
冷却流体の少なくとも１つの噴流のそれぞれが、冷却流体に噴射ノズルを通過させることによって、形成され、この噴射ノズルは、冷却流体の噴流が供給噴流と３０〜１５０度の間の交角で交差するように、冷却流体の噴流を方向付け、冷却流体の少なくとも１つの噴流のそれぞれは、個別に又は組み合わさって、供給噴流の噴射のためのノズル開口部から所定の距離だけ離れて、供給噴流の実質的に全てのガスと混じり合う。
【００２０】
第２の態様において、本発明は材料の固体粒子を製造する装置に関し、この装置は、
材料の飽和蒸気を含む連続ガス供給流を与えるための供給システムであって、供給流が、反応器チャンバの圧力よりも高い０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲内の圧力に加圧される供給システムと、
冷却流体の少なくとも１つの連続供給流を与えるためのシステムと、
自由空間チャンバと、ガス用出口と、製造された固体粒子を捕捉し且つ取り出すための粒子捕集器とを有する反応器と、
連続ガス供給流と流体接続している噴射ノズルであって、噴射ノズルの噴射開口部から反応チャンバの自由空間領域内に突出する供給噴流の形態で供給流を噴射するように位置付けられる噴射ノズルと、
連続供給と流体接続している少なくとも１つの冷却流体噴射ノズルであって、冷却流体の少なくとも１つの噴流を反応チャンバに噴射する冷却流体噴射ノズルと
を備え、
供給噴流の噴射のための噴射ノズル開口部が、高さＡｆｅｅｄ及び幅Ｂｆｅｅｄの矩形断面領域を有し、
縦横比Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄ≧２：１であり、
高さＡｆｅｅｄが０．１〜４０ｍｍの範囲内にあり、
冷却流体の少なくとも１つの噴流を噴射する少なくとも１つの噴射ノズルが、冷却流体の噴流を形成するノズル開口部を有し、少なくとも１つの噴射ノズルが、冷却流体の少なくとも１つの噴流が供給噴流と３０〜１５０度の間の交角で交差するように位置付けられ、少なくとも１つの噴射ノズルが、個別に又は組み合わさって、供給噴流の噴射のためのノズル開口部から所定の距離だけ離れて、供給噴流の実質的に全てのガスと混じり合う。
【００２１】
本明細書で使用する用語「供給噴流の噴射のための噴射ノズル」は、図１ａ）及び１ｂ）に概略的に示すように、矩形断面をもつノズル開口部を有するいかなる既知のノズルもいかなる考えられるノズルも意味する。図１ａ）では、噴射ノズルは、ノズル流路の開口部１１１の真正面から見られている。開口部の高さは矢印Ａｆｅｅｄで示され、幅は矢印Ｂｆｅｅｄで示されている。図１ｂ）では、同じノズルが側方から見られている。図１に示す例示的な実施形態は、収束流路１１２を有している。しかしながら、このことは、噴射ノズルの可能な構成の一例にすぎず、それ故本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明は、高さＡｆｅｅｄ及び幅Ｂｆｅｅｄを有する矩形開口部を除くと、いかなる噴射ノズルの特定の設計にも縛られるものではなく、上記矩形開口部では、縦横比は上記で特定した範囲のうちの１つの範囲内にあり、この制限以外には、供給噴流噴射ノズルのいかなる既知の設計もいかなる考えられる設計も適用できる。図１では、明確にするために、流路１１２におけるガスの流れは示していない。開口部１１１が存在するとき、供給ガスは、流速ベクトル１０６、主上面１０３及び主下面１０４を有する噴流１０１を形成することになる。
【００２２】
供給流の噴射ノズルの高さＡｆｅｅｄを狭くするという特徴は、析出ゾーンの狭い空間的な延在をある特徴的な寸法で有し、それ故、質量、温度及び圧力の勾配の必要な制御を得るという効果をもたらす。したがって本発明は、約５μｍ以下から約１ｎｍまでに及ぶ外径を有する固体粒子の形成に適用することができる。すなわち、本発明は、気相から凝縮可能である実際的に任意の固体材料のミクロンスケール、サブミクロンスケール及び／又はナノスケールの粒子を形成することができる。本明細書で使用する用語「サブミクロン粒子」は、外径が約１００〜１０００ｎｍの範囲内にある粒子として定義され、用語「ナノ粒子」は、外径が約１００ｎｍ以下の粒子として定義される。本発明は、１ｎｍ〜５μｍの範囲、５〜１００ｎｍの範囲、１００〜１０００ｎｍの範囲、又は１〜２μｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある外径を有する固体粒子の形成に適用することができる。
【００２３】
高さＡｆｅｅｄのための寸法及び関連する勾配を増加させることなく、供給流の噴射ノズルの幅Ｂｆｅｅｄを拡げるという特徴は、そのような小さい粒子を形成するのに必要な温度勾配の制御を失うことなく、流量を増加させ、これ故生成率を向上させる能力をもたらす。勾配の制御は高さＡｆｅｅｄに対する制限によって得られるため、原則的に、本発明によって適用できる幅に上限はない。それ故、本発明によって、幅Ｂｆｅｅｄの考えられるいかなる大きさも適用できる。実際には、１００００：１〜２：１の範囲、２５００：１〜５：１の範囲、１０００：１〜５：１の範囲、７５０：１〜５：１の範囲、４００：１〜１０：１の範囲、２００：１〜１０：１の範囲、１００：１〜２：１の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある縦横比Ｂｆｅｅｄ／Ａｆｅｅｄを有する供給流用噴射ノズルを適用するのが、有利となり得る。矩形断面の開口部の高さＡｆｅｅｄは、０．１〜４０ｍｍの範囲、０．１５〜３５ｍｍの範囲、０．２〜３０ｍｍの範囲、０．２５〜２５ｍｍの範囲、０．３〜２０ｍｍの範囲、０．４〜１５ｍｍの範囲、０．４〜１０ｍｍの範囲、０．５〜１０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜２．５ｍｍの範囲、１〜２．５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲、０．１〜２ｍｍの範囲、又は０．１〜１ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にあるとすることができる。
【００２４】
本明細書で使用する用語「飽和蒸気」は、ガス流中の気化された材料（気化された材料は不活性キャリアガスと混合されていてもされていなくてもよい）の分圧のことであり、このガス流は、（通常は反応器空間内にある）析出ゾーンへの材料の供給体を構成しており、このとき、気化された材料の分圧は、（反応器空間への）気化された材料の連続的な供給のためのシステムにおいて所与の温度及び圧力で、この材料の凝縮相と熱力学的平衡にある。すなわち、気化された材料の供給体を構成するガス相は、実際の温度及び圧力でガス材料の凝縮を伴わずに、可能な限り多くの気化された材料を含んでいる。そのため、本明細書で使用する用語「過飽和蒸気」は、気化された材料の分圧が、熱力学的に安定した状態がガス相内の気化された材料の凝縮を含むような飽和圧よりも、高い状態を意味する。すなわち、例えば析出反応速度に応じて、材料の過飽和蒸気を含むガス相において、析出シードが形成されることができる。
【００２５】
供給ガスは、２つ以上の蒸気材料で構成されることができる。次のことによって供給ガスを形成することが、想定される。つまり、供給噴流を形成する噴射ノズルの上流で気化された材料によるの２つ以上のガスを混合することによって、すなわち、２つ以上の蒸発チャンバ又は他の蒸気源を用いることによって、供給ガスを形成することが想定される。なお、２つ以上の蒸発チャンバ又は他の蒸気源はそれぞれ、蒸発した材料の流れを形成し、次いで、ガス流を合流させて１つのガス流にし、この１つのガス流は噴射ノズルに供給される。さまざまなガスは、相互に不活性なものとすることができ、例えば、２つ以上の金属蒸気とすることができ、この金属蒸気は合金金属粒子を形成することになる。又は、ガスは、反応性が高く、ガス相中で化合物を形成するものとすることができ、この化合物がその後に凝縮して固体粒子となる。
【００２６】
より一様な温度勾配を得てそれ故一様な急冷速度を達成し、それにより形成される粒子の粒径分布での制御を得るために、小さな体積の急冷ゾーンを採用するのが有利である。これ故、理想としては、反応器チャンバ内の供給噴流は、その流れ方向に垂直な流れの断面領域が反応器チャンバ内の噴流の流路に沿ってその形状を拡大も変化もしないという意味で、空間的に抑制される必要がある。すなわち、噴流は、理想としては、反応器チャンバの自由空間内に突出し且つほぼ完全な直方体の形状をした噴流を形成すべきである。しかしながら、供給噴流内のガスの圧力に起因して、供給噴流のガスは反応器チャンバの自由空間に入ると必然的に膨張し始めることになり、これ故、供給噴流のガスは、図２に概略的に示すように、反応器チャンバ内に突出するファンネルに似た形状を供給噴流に形成させることになる。この図は、直交座標系に関して高さがＡｆｅｅｄ及び幅がＢｆｅｅｄの矩形断面領域を有する噴射ノズルの開口部（図示せず）を出た後の噴流１０１の典型的な空間的な延在を示す。ガスはｘ方向に流れており、それにより、噴流１０１は、ｘｙ平面に対称面１０２を有し、対称面１０２の両側にではあるが交差するｙｚ平面の断面領域がｘ方向で増加していくように小さな傾斜角を伴った主要面１０３，１０４を有する、。本明細書で使用する用語「断面領域」は、特に指定のない限り、噴流の流速ベクトルに垂直に指向された平面にあり、図２に示す例では、ｙｚ平面に平行な平面である。速度ベクトルは、流れの方向に、対称面の対称軸に沿っている。
【００２７】
供給噴流の膨張は、飽和蒸気を空間的に分散させ、噴流の断熱温度低下を引き起こすため、残念なものである。噴流の断熱温度低下は、蒸気を過飽和状態にし、意図された粒径及び狭い粒径分布を伴った粒子を形成するための析出反応速度と温度勾配及び濃度勾配の一様性とを有する必要な制御を得るのを、難しくする。供給噴流の膨張に伴う問題の１つの解決策は、冷却流体が供給噴流と交差し且つ供給噴流ノズルのノズル開口部から短い距離だけ離れて急冷ゾーンを形成するように、冷却流体の少なくとも１つの噴流を位置付けることである。この距離は、供給噴流の流速（どのような粒径が目的とされているか）に成長するのに必要な滞留時間とに応じて変わり得る。それ故、本発明は、適用されている実際の処理パラメータに応じて広い範囲の距離を適用することができるが、実際には、約１ｍｍから約１００ｍｍまでのノズル口と急冷ゾーンとの間の距離を適用することになる。発明者が行った実験からは、本発明の第１の態様で特定される開口部を有したノズルによって反応器チャンバの自由空間のガスの圧力（又は真空）よりも高い０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲の圧力に加圧した供給噴流を適用する場合、供給噴流ノズル開口部からの距離は、１〜５０ｍｍであることが有利であり得、又は、１〜３０ｍｍの範囲、１〜２０ｍｍの範囲、１〜１０ｍｍの範囲、１〜６ｍｍの範囲、及び２〜６ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲であることがより好ましいことが示されている。本明細書で使用する「ノズル開口部からの距離」とは、噴流を噴射する噴射ノズルの開口部から交差する噴流の流速ベクトルとの最初の接触点までの、噴流の流速ベクトルに沿った直線距離を意味する。
【００２８】
反応器チャンバの自由空間に入った後の供給噴流の膨張に影響を及ぼす別の要因は、噴射ノズルにわたる圧力降下である。圧力降下が大きいほど、供給噴流の流速が速くなり、それに応じて空間的な膨張率が低くなる。実際に、本発明は、任意の圧力降下を伴って機能することができ、すなわち、噴射ノズルの流路内のガスと反応器チャンバのバルク領域内のガスとの間の以下の範囲内の圧力差を伴って機能することができる。なお、上記圧力差の範囲は、０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１５×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１０×１０５Ｐａの範囲、０．０２×１０５〜５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．０×１０５Ｐａの範囲、０．３×１０５〜１．５×１０５Ｐａの範囲、又は０．３×１０５〜１．０×１０５Ｐａの範囲のうちのいずれか１つの範囲である。
【００２９】
さらに、噴流の膨張の問題は、反応器チャンバの自由空間に流れ込むときに噴流の膨張を低減する流れ案内手段を用いることによって、軽減することができる。これら案内手段は、噴射ノズルの流路の設計によってもたらされる内部の流れ案内の形態とすることができ、且つ／又は、噴射ノズルの開口部に位置付けられるバッフルなどの外部の流れ案内手段の使用によるものとすることができる。上述したように、本発明は、上述で挙げた縦横比をもつ矩形断面領域を有する供給噴流を与えることを除くと、噴射ノズルのいかなる特定の設計にも縛られない。この制限は別として、上述した供給噴流を生成することが可能な供給噴噴射ノズルのいかなる既知の設計もいかなる考えられる設計も、適用されることができ、これには例えば収束ノズル、分岐ノズル、ベンチュリ形状ノズル、分岐収束ノズルなどがある。
【００３０】
また、本発明は、噴流の外部の案内のためのいかなる特定の手段にも縛られない。サブミクロンスケール粒子又はナノスケール粒子の気相合成法に関連する噴流のための噴射ノズルとの併用に適したいかなる既知の流れ案内手段もいかなる考えられる流れ案内手段も、供給噴流及び／又は冷却ガスの少なくとも１つの噴流を案内する追加の特徴部として適用されることができる。
【００３１】
別の一実施形態では、冷却流体の噴流を形成する噴射ノズル開口部の設計には、供給噴流用の噴射ノズルに似た矩形設計が与えられる。すなわち、冷却流体の噴流を形成するための噴射ノズルは、幅Ｂｑｕｅｎｃｈ及び高さＡｑｕｅｎｃｈの矩形の開口部を有する。このとき、縦横比（Ｂｑｕｅｎｃｈ／Ａｑｕｅｎｃｈ）が、１００００：１〜２：１の範囲、２５００：１〜５：１の範囲、１０００：１〜５：１の範囲、７５０：１〜５：１の範囲、４００：１〜１０：１の範囲、２００：１〜１０：１の範囲、又は１００：１〜２：１の範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある。さらに、高さＡｑｕｅｎｃｈが、０．１〜４０ｍｍの範囲、０．１５〜３５ｍｍの範囲、０．２〜３０ｍｍの範囲、０．２５〜２５ｍｍの範囲、０．３〜２０ｍｍの範囲、０．４〜１５ｍｍの範囲、０．４〜１０ｍｍの範囲、０．５〜１０ｍｍの範囲、０．５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜５ｍｍの範囲、０．７５〜２．５ｍｍの範囲、１〜２．５ｍｍの範囲、１〜２ｍｍの範囲、０．１〜２ｍｍの範囲、又は０．１〜１ｍｍの範囲のうちのいずれか１つの範囲内にある。さらにまた、ノズル口から出るときの冷却流体の噴流中の冷却流体の圧力は、０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１５×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１０×１０５Ｐａの範囲、０．０２×１０５〜５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．０×１０５Ｐａの範囲、０．３×１０５〜１．５×１０５Ｐａの範囲、又は０．３×１０５〜１．０×１０５Ｐａの範囲のうちのいずれか１つであり且つ反応器チャンバの圧力よりも高い範囲内にある。
【００３２】
供給噴流に似た矩形断面を有する冷却流体の噴流を形成することによって、冷却流体の噴流が供給噴流の幅と少なくとも同じ大きさの幅を有していれば、、反応器チャンバの非常に小さな空間体積の自由空間において噴流供給ガス全体を効果的に急冷する冷却流体の単一の噴流を使用することが、可能になる。なお、上記幅、すなわち、冷却流体の噴射ノズルの開口部の幅Ｂｑｕｅｎｃｈは、噴射ノズルの開口部の幅Ｂｆｅｅｄと少なくとも同じであるか、それよりも大きい（Ｂｑｕｅｎｃｈ≧Ｂｆｅｅｄ）ものである必要がある。冷却流体の噴流の超過した幅は、供給噴流の幅全体を確実に覆う必要性と、過剰量の冷却ガスの使用を避ける必要性との間で有利にトレードオフすることができる。それにより、実際に、超過幅ΔＢは、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、又は１０ｍｍのいずれか１つに有利にすることができる。超過幅ΔＢは、噴射ノズルの幅に対して、Ｂｑｕｅｎｃｈ＝Ｂｆｅｅｄ＋ΔＢとして関係付けられる。
【００３３】
この特徴は、冷却ガスの複数の流れを使用する場合と比べ、より単純な装置及びより簡単な作動条件を有するという利点をもたらし、さらに重要なことに、析出及び粒子成長反応速度での優れた制御及び急冷ゾーンにおける一様な温度勾配を得るという利点をもたらす。この効果は、図３に概略的に示すように、供給噴流の対称面と冷却流体の噴流の対称面とが、流速ベクトルに実質的に垂直である線に沿って互いに交差するように、ガスナイフに似た冷却流体の噴流を配置構成することによって、得られる。図３には、噴流の指向をより良く説明するために、噴流の対称面のみが示されている。供給噴流は、噴射ノズル（図示せず）から出ており、流速ベクトル１０６と共に対称面１０２を画成する。供給噴流の上方から、冷却流体の噴流が、冷却流体噴射ノズル（図示せず）から出ており、流速ベクトル１０８と共に対称面１０７を画成する。供給噴流噴射ノズルから距離Ｄ１だけ離れて、供給噴流の対称面１０２が、交線１０９に沿って冷却噴流の対称面１０７と交差する。交線１０９と冷却流体噴射ノズルの開口部との間の距離は、Ｄ２を用いて示される。対称面は、互いに対してα１の角度を成して傾斜するように指向されている。本実施形態において、角度α１は供給噴流と冷却ガスの噴流との間の交角を構成している。供給噴流の流速ベクトル１０６は角度α２で交線１０９と交差し、冷却流体の噴流の流速ベクトル１０８は角度α３で交線と交差する。
【００３４】
角度α１、α２及びα３が実際に得られる程度でできるだけ垂直に近くなるように、噴流を指向することは、有利である。しかしながら、本発明は、供給噴流と冷却噴流との間の交角α１を、３０〜１５０度の範囲内で適用することができ、又は、４５〜１３５度の範囲、６０〜１２０度の範囲、７５〜１０５度の範囲、８０〜１００度の範囲、若しくは８５〜９５度の範囲のいずれか１つの範囲内で適用することができる。このことは、通常は本発明の第１の態様又は第２の態様（すなわち、図２に示したもの以外の実施形態を含む）に適用することができる。しかしながら、図２に示す特定の実施形態を適用する場合、交角α２及びα３は、８０〜１００度の範囲内とすることができ、又は、８５〜９５度の範囲、８７〜９３度の範囲、８８〜９０度の範囲、若しくは８９〜９１度の範囲のうちのいずれか１つの範囲内とすることができる。本明細書で使用する用語「流速ベクトルに実質的に垂直」は、交角α２及びα３が、８０〜１００度の範囲であることを意味する。
【００３５】
本明細書で使用する用語「冷却流体」は、固体粒子を製造するための気相合成法において急冷媒体として使用するのに適したいかなる既知の気体又は液体ともいかなる考えられる気体又は液体ともすることができる。冷却流体は、適用される実際の気化される材料及び製造予定の粒子のタイプに応じて、供給噴流のガスに対して不活性であっても反応性があってもよい。冷却流体の温度は、反応器チャンバ内に噴射される供給噴流のガスとの接触時に迅速な急冷効果を得るのに十分なほど低くあるべきである。しかしながら、供給噴流のガスと冷却流体の噴流との間の実際の温度差は、一連の特定のパラメータによって決まる、すなわち、冷却流体の流速（これにより、圧力）、適用される交差ゾーン（急冷が生じている場所）の位置、供給噴流における過飽和、析出の反応速度及び粒子の成長速度、並びに意図する粒径によって決まる。供給噴流のガスと冷却流体との間の適した温度差ΔＴの例は、５０〜３０００℃の範囲、１００〜２５００℃の範囲、２００〜１８００℃の範囲、２００〜１５００℃の範囲、３００〜１４００℃の範囲、又は５００〜１３００℃の範囲のいずれか１つの範囲内にあるとすることができる。ノズル開口部から出るときの供給流の圧力は、０．０１×１０５〜２０×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１５×１０５Ｐａの範囲、０．０１５×１０５〜１０×１０５Ｐａの範囲、０．０２×１０５〜５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．５×１０５Ｐａの範囲、０．２５×１０５〜２．０×１０５Ｐａの範囲、０．３×１０５〜１．５×１０５Ｐａの範囲、又は０．３×１０５〜１．０×１０５Ｐａの範囲のいずれか１つであり且つ反応器チャンバの圧力よりも高い範囲内にあるとすることができる。
【００３６】
本発明は、いかなる特定のタイプの固体粒子の生成に縛られないが、気相合成法によって生成でき且つ５０００〜１ｎｍの範囲内のいかなる粒径も有し得る任意の既知の粒子も任意の考えられる粒子もの製造に適用することができる。本発明は、例えば、第１の金属の金属蒸気と第２の金属の金属蒸気との混合物からなる供給噴流を形成すること及び非反応性流体により供給噴流を急冷することによって、金属合金を作製するように用いられることができる。通常このことは、合金の構成が、準安定相を有する合金を含んで熱力学的に適する場合、あらゆる金属による組み合わせに適用することができる。或いは、合金粒子は、金属炭化物それぞれが処理条件において熱力学的に好ましい場合に利用可能である有機金属による方法によって、形成されることができる。この場合、金属蒸気と有機金属化合物とを含む第２の供給ガスは、供給噴流へと形成させられ、この供給噴流は不活性な冷却流体を用いて急冷される。有機金属は、高温の金属蒸気と混合されると分解することになり、それ故、純合金、又は炭素を含む合金を生成することができる。さらに本発明は、反応性急冷ガスを用いることにより、金属蒸気と急冷との間での同時化学反応を達成し且つその結果として粒子を析出させることによって、セラミックス、又は非金属元素を含む他の金属化合物を形成することができる。別の構成では、金属蒸気と反応性急冷ガスとを混合した後に続いて第２の不活性な冷却流体噴流を利用することが、必要とされる。これらの方法は、窒素に対して反応性があり且つ窒素ガスで急冷される金属蒸気の供給噴流を形成することによって、窒化物を形成するのに用いられることができる。窒素ガスの代わりに酸素ガスで急冷することによって、本発明は、金属酸化物粒子の形成に適用できる。また、第２の供給ガスを含むカーボンを、その金属の炭化物が熱力学的に好ましい金属の金属蒸気と一緒に適用することによって、本発明は、炭化物粒子の形成に適用することができる。
【００３７】
概略的にいうと、本発明のこの例示的な実施形態では、供給噴流の急冷は、本質的に、対応する先行技術の装置の大きさと比べて、反応器チャンバの自由空間におけるごく小さな空間体積で、生じる。これは、図３に概略的に示すように、流速ベクトルに実質的に垂直である交線に沿って互いに交差するように形成される比較的薄い「ガスナイフ」に起因する。それ故、サブミクロン粒子核及び／又はナノ粒子核それぞれについて、実質的に同一の核生成条件が得られ、こに故、サブミクロン粒子生成率及び／又はナノ粒子生成率が高い場合であっても、粒子の特性の制御が向上する。本発明は、冷却流体の再循環を用いることができる。
【００３８】
さらに、本発明は、ミクロ粒子、サブミクロン粒子及び／若しくはナノ粒子の湿式捕集を用いるための手段、並びに／又は、凝集を防ぐための電気集塵手段を含むことができる。サブミクロン粒子及び／若しくはナノ粒子の湿式捕集は、特に、例えばアルミニウム粒子、マグネシウム粒子及びナノテルミット粒子など自然発火性粒子とすることができる反応性ナノ粒子の場合に有益である。冷却流体の再循環、並びに、ミクロ粒子、サブミクロン粒子及び／又はナノ粒子間の凝集の低減という観点から考えると、冷却流体からの粒子の捕集のために不活性液体を用いることは、有利なこととなり得る。さらに、冷却流体を再循環し且つ不活性捕集液体を使用してサブミクロン粒子及び／又はナノ粒子間の強力な凝集を防ぐことによって、対応する分散液及びスラリーは、乾燥粉末と比べると、さらなる機能化のための且つさまざまな湿式化学的処理における反応物としての使用のための有効な出発点をもたらす。空気などの酸素を豊富に含む環境下で取扱い及び輸送を容易にするナノ粒子をもたらすために従来用いられてきたような不導態化酸化層は、ナノ粒子の機能的な使用を低下させる。本発明では、製品が懸濁液又はスラリーの形態であるため、そうした酸化物被覆を用いる必要がない。
【００３９】
本発明は、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を製造するための気体から固体への先進的なプロセスに関連する問題に対処することを目指している。粒子が、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を製造する他の方法とは反対に、画成された小空間領域で蒸気を急冷して固体にすることによって形成されるのは、有益であり、形成は、濃度及び／又は温度の勾配が生じる広範な空間領域にわたって生じる。本明細書で使用する「画成された小空間領域」は、反応器チャンバの自由空間における空間領域を意味し、この空間領域では、粒子の形成のための実質的且つ空間的に等方的な条件が存在する。このような等方性は、完全にすること、つまり、完全に空間的に一様にすることができず、そのため、「等方性」は、画成小空間領域にわたって、物理的なパラメータの変動が５０％未満であるとして有利に定義され、より好ましくは変動が５％未満であるとして、もっとも好ましくは変動が０．５％未満であるとして定義される。「画成小空間領域」と考えられ得る空間領域は、噴射ノズル開口部の縦横比及び高さと、ノズル開口部と噴流の交差部との間の距離と、噴流の膨張度とに応じたものである。
【００４０】
ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及びナノサイズ粒子が形成される画成小空間領域を用いることによって、サブミクロン粒子及び／又はナノ粒子の製造を引き起こすあらゆる核のための、はるかに制御可能になり、一様になり且つ安定した核生成環境が、もたらされる。本発明は、画成空間領域を通る供給噴流及び冷却流体の噴流のために流速を速くすることによって、サブミクロン粒子及び／又はナノ粒子の生成率を有利に向上させるものである。本発明に従った粒子製造のプロセスは、幅Ｂｑｕｅｎｃｈ及びＢｆｅｅｄを増加させることにより画成小空間領域を側方に延在させることによって、容易に規模の拡張が可能である。ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子の調整は、異なる不活性ガス又はこれら不活性ガスの様々な混合物を使用することにより冷却流体の熱容量を変化させることに加えて、供給流体及び冷却流体の相対的な温度差及び流速を制御することによって達成可能である。
【００４１】
材料の飽和蒸気を含む連続ガス供給流は、多量の固体原料から生成されるのが有益であるが、本発明は、任意に選択することによって、液体又は気体を用いて実施され、それによりガス供給流を与える。このとき、任意に選択することによって、不純原料が、ガス供給流ガス供給流を発生させるのに使用されることができる。任意に選択することによって、熱によって分解されて分解生成物を生成する原料が利用され、分解生成物は、本発明に従って粒子を形成するのに用いられる。このとき、例えば原料は、金属、分解生成物による二酸化炭素等の有機物、及び水に分解される有機金属材料であるのが有益である。しかしながら、どんな蒸気源を用いても、ガス供給流は、画成小空間領域でミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を製造するのに十分に速い速度で冷却されたときに固体に相変態するよう適合している。
【００４２】
任意に選択することによって、本装置は、捕集チャンバを含み、この捕集チャンバは、反応チャンバ内で稼働中に製造されたミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が捕集チャンバ内で捕集されるように適合した反応チャンバと、通路を介して連通して連結される。さらに任意に選択することによって、通路には、稼働中にこの通路を通過するミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を冷却するための冷却構造部が設けられる。通路と協動する冷却構造部は、製造されたミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が反応チャンバに再び入ろうとするのを低減するのに有益であり、これにより、より最適なミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子の製造条件がもたらされ、且つ、より高い粒子製造量が維持される可能性がある。さらに任意に選択することによって、捕集チャンバは、捕集チャンバに入るミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／若しくはナノサイズ粒子並びに／又はナノ粒子を捕集液体内に捕集するための捕集液体流構造部を含む。捕集液体を使用することによって、以下のような危険性が低減する。つまり、ルーズな状態のミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が凝集してミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子によるその後に分離するのが難しい大きな集団を形成する危険性が、低減する。さらに任意に選択することによって、捕集液体流構造部は、捕集チャンバを通って捕集液体を再循環させるように動作することができる。さらに任意に選択することによって、捕集チャンバは、稼働中に反応チャンバから捕集チャンバに輸送されるミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を捕集するための電気集塵構造部（ＶＢ）を含む。
【００４３】
任意に選択することによって、本装置は、供給噴流を急冷するための構造部が、画成小空間領域に向かって指向された不活性冷却流体の噴流を用いるよう動作することができるように、実施される。
【００４４】
任意に選択することによって、本装置は、その中にある急冷及び／若しくは捕集の液体又は気体を再循環させるための閉ループシステムとして動作するように適合している。
【００４５】
任意に選択することによって、本装置は、不活性キャリアガスを蒸発チャンバに導入するように適合しており、それにより、所定温度で材料の凝縮相と熱力学的平衡に近い状態にある蒸気分圧を有する希釈された飽和材料蒸気を形成する。この特徴は、小さな粒子を生成するときには有利となり得る。なぜなら、希釈することによって、粒子の成長中における粒子−蒸気の境界層での質量濃度勾配（すなわち利用可能な材料蒸気の量）が小さくなることにより、成長速度が低下するためである。それ故、材料蒸気内の不活性キャリアガスの導入は、粒子成長の制御を向上させることができる。
【００４６】
任意に選択することによって、本装置は、ミクロン細長棒状構造体、ミクロン細長筒状粒子、ミクロン細長結晶状粒子、ミクロンバッキーボール粒子、サブミクロン細長棒状構造体、サブミクロン細長筒状粒子、サブミクロン細長結晶状粒子、サブミクロンバッキーボール粒子、ナノサイズ細長棒状構造体、ナノサイズ細長筒状粒子、ナノサイズ細長結晶状粒子、ナノサイズバッキーボール粒子のうち少なくとも１つを製造するように適合している。任意に選択することによって、本方法は、実質的にナノ粒子を製造するように適合している。任意に選択することによって、本方法は、実質的にサブミクロン粒子を製造するように適合している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１ａ】図１は矩形断面を有するノズル開口部の例示的実施形態を示す概略図であり、図１ａ）は、ノズルの開口部を真正面から見た図である。
【図１ｂ】図１は矩形断面を有するノズル開口部の例示的実施形態を示す概略図であり、図１ｂ）は、図１ａ）と同じノズルを側方から見た図である。
【図２】噴射ノズルの開口部（図示せず）から出た後の供給噴流の典型的な空間的な膨張を示す概略図である。
【図３】本発明の例示的実施形態に係る、供給噴流及び冷却流体の噴流のそれぞれの対称面の方向を示す概略図である。
【図４ａ】本発明の第２の態様による装置の例示的実施形態の概略図である。
【図４ｂ】供給噴流及び冷却流体の噴流のそれぞれを噴射するノズルの例示的実施形態の概略図である。
【図５】液体噴霧捕捉に基づいて製造物を捕捉し且つ取り出す粒子捕集器の例示的実施形態の概略図である。
【図６】静電捕捉に基づいて製造粒子を捕捉し且つ取り出す粒子捕集器の別の例示的実施形態の概略図である。
【図７】本発明の第２の態様による装置の別の概略図である。
【図８ａ】検証試験１で形成された亜鉛粒子の透過型電子顕微鏡写真である。
【図８ｂ】検証試験２で形成された亜鉛粒子の透過型電子顕微鏡写真である。
【図８ｃ】検証試験３で形成された亜鉛粒子の透過型電子顕微鏡写真である。
【図８ｄ】検証試験４で形成された亜鉛粒子の透過型電子顕微鏡写真である。
【図８ｅ】検証試験５で形成された亜鉛粒子の透過型電子顕微鏡写真である。
【図８ｆ】検証試験６で形成された亜鉛粒子の透過型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
例示的実施形態及び例示的実施形態によって行った検証試験を用いて、本発明を詳細に説明する。
【００４９】
本発明の第２の態様による装置の例示的実施形態が、図４ａ）及び図４ｂ）に概略的に示されている。本発明に従った装置は、蒸発チャンバ９と流体連通している第１の噴射ノズル１を含む。この第１の噴射ノズル１は、図示するように、その中を通る飽和蒸気の流れを案内し且つ噴射ノズル１の開口端部から蒸気を噴射して供給ジェット（feed jet）３を形成するためのものである。さらに装置は第２の噴射ノズル２を含む。この第２の噴射ノズル２は、その中を通る冷却流体の流れを案内し且つ噴射ノズル２の開口端部から噴射して冷却ジェット４を形成するためのものである。供給ジェット３は、画成される小空間領域５で冷却ジェット４と交差し、そこでは、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が、空間的に等方的な条件で形成される。供給ジェット３及び冷却ジェット４の流速及び構成を制御することによって、これら粒子は、回転楕円面状形状、細長形状、筒形状又は平面形状を呈することが可能である。ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子の量をうまく制御することによって、画成小空間領域５からの連続的な取り出しが可能である。
【００５０】
図４ｂ）に示すように、画成小空間領域５は、側方に広くなっており、それにより、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子の生成率を向上させる一方で、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子の生成をうまく制御する有益な特性を保持している。供給ジェット３と冷却ジェット４との間の温度及び流速に十分に大きな差を設けることによって、ミクロンスケールサイズ、サブミクロンスケールサイズ及びナノスケールサイズの粒子の生成が、達成される。冷却ジェット４は、供給ジェット３の材料に対して不活性であるのが有益であり、例えば、冷却ジェット４は、窒素、アルゴン及び／又はヘリウムを含むのが有益である。ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子若しくはナノサイズ粒子のいずれかが、又は、これらのうちの１つ以上が同時に、供給ジェット３及び冷却ジェット４のパラメータ、並びにそれらの環境に存在する物理的条件に応じて、生成される。
【００５１】
供給ジェット３は、多量の固体原料から生成されるのが有益であるが、本発明は、任意に選択されることであるが、供給ジェット３を供給するために液体又は気体を用いて実行され、このとき、任意に選択されることであるが、供給ジェット３を発生するために不純原料が使用されることができる。任意に選択されることであるが、本発明に従ってミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を形成するのに用いられる分解生成物を生成するために熱によって分解される原料が利用される。例えば、この原料は、金属、二酸化炭素などの有機副産物及び水に分解される有機金属材料であるのが有益である、。しかしながら、どんな蒸気源を用いても、供給ジェット３は、サブミクロン粒子及び／又はナノサイズ粒子を製造するのに十分に速い速度で画成小空間領域５で冷却されたときに固体に相変態を受けるように、適合している。
【００５２】
図４ａ）では、装置は全体として２０で示される。図１ａ）、図１ｂ）、図２、図３及び図４ｂ）に示すプロセスは、装置２０の反応チャンバ８内で起こる。供給ジェット３用の蒸気は、飽和蒸気の連続的なガス供給流を供給するための供給システム１０内にある蒸発チャンバ９に含まれている固体材料を蒸発させることによって、発生させられる。蒸発チャンバ９は、反応チャンバ８内に入っている蒸気移送噴射ノズル１と連通状態で連結されている。さらに蒸発チャンバ９は、材料の相変態によって生じる蒸発チャンバ９からの材料の体積膨張、及びそれに伴う温度上昇が、噴射ノズル１を通して反応チャンバ８内へ蒸気を輸送する作用をするように、適合している。供給システム１０では、好適な加熱源が、蒸発チャンバ９に含まれる原料を加熱するのに用いられる。加熱源は、いくつかの異なる方法での実現が可能である。例えば、直接抵抗加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱、レーザー加熱、マイクロ波加熱、又はそうした加熱の任意の組み合わせによる方法が、使用できる。蒸発用に蒸発チャンバ９内に含まれる原料は、多くの場合、最初は固体金属であるが、装置２０の用途は、例えば前述したような金属材料の蒸発に限定されない。
【００５３】
反応チャンバ８は、通路１１を介して捕集チャンバ１２に連通状態で連結されている。任意に選択されることであるが、通路１１には、通路１１を通過する流体及び粒子を冷却するための構造部３０が設けられている。このような冷却は、例えば、ペルチェ型熱電冷却素子、冷凍提供ヒートポンプ装置、通路１１の壁の少なくとも一部の周りの冷却液の流れ、ヘリウム蒸気又は類似物を用いることによって、都合よく達成できる。反応チャンバ８から捕集チャンバ１２に流れる冷却流体が、噴射ノズル１を経由して供給される蒸気ガスと比べて速い流速を有するため、適宜、冷却流体は、製造されたサブミクロン粒子及び／又はナノ粒子を反応チャンバ８から捕集チャンバ１２に効率的に運ぶ。捕集チャンバ１２内では、製造されたミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が、冷却流体、すなわち、噴射ノズル２を経由して供給される冷却流体から分離される。製造されたミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を冷却流体から分離する方法の例には、完全に網羅しているわけではないが、フィルタ、電気集塵、磁場析出、液体捕集システムのうちの１つ又は複数が含まれる。冷却流体から粒子が取り除かれると、冷却流体は、チャンバ１２からバルブ１６を通り、その後、接続管１３を経由してポンプユニット１４に抜き取られる。ポンプユニット１４では、冷却流体は圧縮され、次いで、その温度が調整された後に、前述したように噴射ノズル２から再噴射されるためにパイプ接続管１５を経由して反応８に送られる。それ故、冷却流体、例えばヘリウム及び／又はアルゴンなどの不活性ガスは、装置２０内で再循環され、これにより、ガス材料の使用に関して経済的に効率の良い稼働が可能となる一方で、サブミクロン粒子及び／又はナノ粒子の高生成率が維持される。要するに、装置２０は、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を形成するために用いられる冷却及び輸送流体の閉ループ再循環を採用しており、この閉ループ再循環は相乗的な高い利益をもたらすものである。
【００５４】
材料を含むるつぼ、蒸発チャンバ９、及びこれに結合した噴射ノズル１は、任意に選択されることであるがグラファイトから製造され、誘導加熱を用いて加熱される。さらに、るつぼ及び蒸発チャンバ９を構築する材料の劣化を確実に低減するために、蒸発チャンバ９は、任意に選択されることであるが、不活性雰囲気又は還元性雰囲気をもたらすガスで満たされる。反応チャンバ８に原料を連続的に給送するために、任意にとられる代わりの手法は、複数の付随するヒーターを有する複数の蒸発チャンバ９を採用して、稼働の信頼性の強化及び／又は反応チャンバ８への材料の連続的な長期供給を確実にすることである。蒸発チャンバ９のための任意に選択可能な構成は、一連のるつぼであり、一連のるつぼでは、そのうちの第１のるつぼは、固体状態から溶融状態に材料を溶融する動作に採用され、一連のるつぼのうちの第２のるつぼは、第１のるつぼから溶融材料を受け取り且つ噴射ノズル１に供給されるべき対応する蒸気を形成するように溶融材料を蒸発させる動作に採用される。任意に選択されることであるが、第１のるつぼは、大型の溜めるつぼであり、第２のるつぼは、比較的小型の高温るつぼである。そのような一連の配置構成は、第２のるつぼの動作に直接影響を及ぼすことなく、第１のるつぼに材料を加えることができるという点で有効である。任意に選択されることであるが、噴射ノズル１には、蒸気がノズルの内壁上で凝縮しようとするのを低減するために、熱エネルギーが与えられる。
【００５５】
任意に選択されることであるが、大気圧でありながらも用いられる過熱蒸気とは対照的に、固体原料が蒸発チャンバ９内で固体原料の沸点よりわずかに高い温度で蒸発されて対応する蒸気を生成するように、装置２０が適合している。このことは、原料を蒸留することによって蒸発チャンバ９及びその１つ以上のるつぼを効果的に機能させることができる。蒸溜では、原料中の低い沸点を有する不純物が、蒸発させられ、これに続いて、冷却トラップで有益に捕集され、その後、反応チャンバ８内に入らないようにされ、それにより、高い純度のミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が生成される可能性がある。
【００５６】
原料自体より高い沸点を有する不純物は、１つ以上のるつぼに残り、定期的に有益に排出される。そのような蒸留操作方法は、低い純度の材料が蒸発チャンバ９の１つ以上のるつぼで使用されるの可能にする一方で、装置２０は、反応チャンバ８から高純度のミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を生成することができる。
【００５７】
捕集チャンバ１２は、さまざまなかたちで実施されることができる。図５には、捕集チャンバ１２及びその付随構成要素の実施例が、全体として１８で示されている。捕集チャンバ１２は、液体２８を用いて、通路１１を経由して捕集チャンバ１２に入り且つ１７で示される冷却流体によって輸送されるミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を、捕集する。粒子を伴った冷却流体１７が捕集チャンバ１２に流入すると、粒子は、ノズル１９から発生する噴霧液とぶつかる。ノズル１９からの噴霧液は、使用するノズルの型式及びノズル１９を通して液体を強制的に送るのに用いられる圧力を変えることによって、その形状及び性質の調整が可能である。液体２８は、必要に応じて不活性であったり不活性でなかったりする。液体２８は、稼働中に液体２８中に捕集されたサブミクロン粒子及び／又はナノ粒子と化学反応しないように不活性であるのが、有利である。さらに、液体２８は、捕集チャンバ１２の底部領域で収集される。例えば水冷されるプレート又はコイル、冷却ヒートシンクなどの使用を介した多様な冷却構造部３２が、捕集チャンバ１２に付随して、例えば、捕集チャンバ１２内で用いられて、液体２８の温度を制御するのが、有利である。
【００５８】
捕集チャンバ１２内で揮発性液体２８が用られる場合、揮発性液体２８がバルブ１６から失われることがなく、意図せずに反応チャンバ８に入らないことが望ましい。揮発性液体２８のそのような消失は、冷却流体の汚染を引き起こすことがある。揮発性液体２８は、捕集チャンバ１２からバルブ２１を介しこれに続いて管２２を通って液体ポンプ２３へと、ポンプでくみ出されるのが、有利である。液体ポンプ２３は、管２４を通してノズル１９へと揮発性液体２８を圧送するように動作することができ、ノズル１９は、通路１１を通して輸送されたサブミクロン粒子及び／又はナノ粒子を捕捉するために、捕集チャンバ１２内に噴霧するものである。
【００５９】
図５の捕集チャンバ１２では、液体２８が捕集するミクロンスケール粒子、サブミクロンスケール粒子及び／又はナノスケール粒子が多くなるのに伴って、液体２８のこれら粒子濃度が継続して増加するように、液体２８は継続して使用されることができる。液体２８が粒子濃度の閾値に達すると、液体２８の少なくとも一部は、捕集チャンバ１２からコック２５を介して、任意に選択されて排出される。例えばミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を含まない新鮮な液体２８は、第２のコック２６を介して導入されるのが有利であり、それにより、稼働中に捕集チャンバ１２の液体２８の最低液位は確実に維持される。液体２８がその上面でガス膜を形成するため、液体２８は、液体２８のガス環境に著しい影響を及ぼすことなく、捕集チャンバ１２から排出されること及び捕集チャンバ１２に充填されることができる。前述したように、装置２０内のガス環境は、不活性であり、且つ材料を効率的に活用するために閉ループであるのが有利である。
【００６０】
捕集チャンバ１２から取り出され且つミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を含む液体２８は、いくつかの例をあげているにすぎないが次のような用途に直接的に使用されるのが有利である。これら用途として、例えば、、特殊コーティング、塗装、ガラス及び金属等の基質の表層、医薬品、化粧品、電池電極、燃料電池電極、湿式化学的処理用反応体などを製造するための用途が挙げられる。或いは、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を含む液体２８は、取り出された液体２８からミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を取り除くように処理されることができ、それにより、これら粒子は、例えば、高強力繊維、緻密な複合材などを製造するための他のプロセスで利用することができる。本発明に従って製造された焼結炭化ケイ素体について、以下に説明する。
【００６１】
前述したように、装置２０は、任意に選択することによって次のように変更が加えられることができる。つまり、捕集チャンバ１２が、製造されたミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子の液体捕集の代わりとして、電気集塵を用いるように変更が加えられることができる。このような装置２０の実施例が、図６に図示され且つ全体として４０で示されている。装置４０は、その捕集チャンバ１２が導電性側壁を用いて作製されるように、実施されており、導電性側壁は、例えば耐食性導電性合金鋼であるハステロイから作製される。「ハステロイ」は、Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。ハステロイは、ニッケルを主要合金成分とする合金鋼である。ハステロイに含まれるその他の任意に選択される合金元素には、モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素及びタングステンのうちの１つ以上が含まれる。ハステロイ及び類似の材料（例えばインコネル及びフェライト・オーステナイト系鋼）は、装置２０，４０のために使用される場合、腐食性物質及び高温に耐えることができ、それにより、装置２０，４０が、広い変動幅のミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子に対応できるようになる。また、任意に選択することによって、ハステロイ又は類似の材料は、装置２０の構造部にも用いられる。装置４０は、電気的に絶縁されたステージ又は円盤４２をさらに含み、ステージ又は円盤４２は、捕集チャンバ１２の壁に静電バイアス回路ＶＢを介してつながれている、。任意に選択されるが、円盤又はステージ４２は、磁気によって浮揚しており、フレキシブルな電気接続部が、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子から遮蔽されたかたちで、円盤又はステージ４２へと形成されており、それにより、稼働中に、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が等方的に堆積することによって、円盤又はステージ４２から捕集チャンバ１２の壁へと短絡経路が形成される危険性が、防がれる。任意に選択されるが、通路１１には、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子をイオン化するためのＵＶ源が設けられており、これら粒子をイオン化することによって、粒子は、互いに凝集する危険性を低減するよう相互に反発するようにさせられ、そして、捕集チャンバ１２内で生じる電界４４によって加速することができるようにもなる。その結果として、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が、稼働中に、ステージ若しくは円盤４２上に、又はこの上に配置された任意の物体若しくは基質上に、力を伴ってしっかりと付着する。なお、任意に選択することによって、紫外線放射は、装置４０の他の領域に用いられる。任意に選択されるが、装置４０の捕集チャンバ１２は、前述した冷却構造部３２を含む。ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を減らすための紫外線の使用はまた、装置２０にも採用されることが可能であり、例えば、反応チャンバ８、通路１１、捕集チャンバ１２、又はこれらの任意の���み合わせに採用されることが可能である。任意に選択されるが、円盤又はステージ４２には、ガスインターロック（gas interlock）（図示せず）が設けられ、それにより、装置４０内のガスのバランスを散らばさずに、ガスが、捕集チャンバ１２へ導入されること及び捕集チャンバ１２から除去されることができる。
【００６２】
装置２０は、図７に図示され且つ全体として６０で示されるような装置を生むように簡素化されることができる。装置６０では、反応チャンバ及び捕集チャンバの複合チャンバ８，１２が設けられており、このチャンバでは、液体２８は、ポンプ１４を介して汲み出され、それにより、噴射ノズル２から、噴射ノズル１を介したるつぼからの供給ジェットに向けて、急冷噴霧を発生する。噴射ノズル１，２からの噴流は、画成小空間急冷領域５で横断方向ライン状にぶつかり、この横断方向ラインでは、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子が、生成され、捕集液体２８としても相乗的に機能する冷却液体２８によって、チャンバ８，１２の底部に払い落とされる。新しい新鮮な液体２８が、稼働中、定期的にチャンバ８，１２に有益であるように加えられ、ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を含む液体２８は装置６０から取り除かれる。装置６０からの液体の取り出し及び装置６０への液体の充填は、定期的及び／又は継続的に有益であるように行われる。装置６０は、継続的な稼働が可能な閉じたシステムを構成する。任意に選択されるが、複数のるつぼが、蒸発チャンバ９内に設けられ、それにより、噴射ノズル１を介した画成小空間領域５への蒸気の信頼性のある供給を確保する。
【００６３】
装置２０，４０，６０は、先進的な太陽電池及び先進的な発光素子などの能動素子に使用するためのミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を提供することができる。例えば、酸化亜鉛から作られる樹枝状の細長ナノ粒子は、電流が中を流れると白色光を発光することが可能である。その中で巨大なプラズモン共鳴が生じることによって、ナノ粒子は、太陽光からの持続可能な発電（「グリーン再生可能エネルギー」）のための太陽電池のベースを形成することができる。さらに、ナノ粒子は、導電性ポリマーを製造しそれによりプリンタブル電子回路を製造するのに用いられることができる。
【００６４】
ミクロンサイズ粒子、サブミクロンサイズ粒子及び／又はナノサイズ粒子を製造するための装置２０，４０，６０が前述で説明されたが、画成小空間領域５における条件は、ミクロンサイズ、サブミクロンサイズ及びナノサイズの棒状構造体、筒状構造体を製造するように変更が加えられることができ、例えば細長ナノ結晶、細長ナノロッド及び細長ナノチューブ、及びバッキーボール（buckeyball）を製造するように変更が加えられることができる。そのようなナノロッド及びナノチューブは、電流により励起される量子力学発光素子の製造に役立つ。
【００６５】
［本発明の検証］
本発明の効果を検証するために、図４ａ）、図４ｂ）及び図５に示す実施形態に係る装置を使用して、亜鉛元素の供試体を蒸発させ、そしてサブミクロン粒子及び／又はナノサイズ粒子を作製した。
【００６６】
すべての試験に共通して、グラファイトガス出口を備え且つカプセル化されたグラファイト容器内で、亜鉛金属を加熱して蒸発させた。なお、グラファイトガス出口は、矩形断面のノズル開口部を有する噴射ノズルへと形つくられている。グラファイト容器及び噴射ノズルの両方を、９０７〜１０５０℃の温度を維持するように誘導加熱し、それにより、噴射ノズルを通って反応器チャンバに入る沸点温度（９０７℃）の飽和亜鉛蒸気の安定した継続的な流れを、「ガスナイフ」の形となる供給ジェットとして形成した。冷却流体は、ほぼ室温の窒素ガスであり、この冷却流体は、冷却流体による「ガスナイフ」を形成する矩形状開口部を備え且つ石英（ＳｉＯ２）で作製された噴射ノズルを通して、噴射された。この２つのガスナイフは、図３に示すように、約９０度である角度α１、α２及びα３をなすよう指向された。同伴する粒子を伴ったガスは、互いに衝突したのち、通路を通って捕集チャンバに流入し、捕集チャンバ内では、ガスは、粒子を捕集する揮発油（white spirit）の噴霧を受ける。各試験は、金属亜鉛供試体の全てが蒸発するまで実施した。
【００６７】
試験は、さまざまなサイズの噴射ノズルを用いて実施した。試験パラメータが表１にまとめられている。結果として得られる亜鉛粒子は、図８ａ）〜図８ｆ）に表示される顕微鏡写真を走査することによって、明らかになる。噴射ノズルの幅は、図１の矢印Ｂで示される距離に相当し、高さは矢印Ａで示される距離に相当する。距離Ｄ１は、供給噴流の流速ベクトルに沿い且つ供給ノズル開口部から冷却ガスの噴流の流速ベクトルによる交点までの距離である。一方、距離Ｄ２は、冷却流体の噴流の流速ベクトルに沿い且つ冷却流体ノズル開口部から供給噴流の流速ベクトルによる交点までの距離である。
【００６８】
【表１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【国際調査報告】
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