(57)【要約】【課題】  バーナーの閉塞がなく、連続してフラーレンを製造可能なフラーレンの製造設備及び方法を提供する。【解決手段】  反応炉１１内に、反応炉１１の一部に設けたバーナー１７から酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとを供給し、反応炉１１内でこれらを反応させてフラーレンを製造する設備１０であって、バーナー１７を反応炉１１の上部に、フラーレンを含む排ガスの排出部１８を反応炉１１の下部に設けているので、反応炉で発生する煤状物がバーナーの上に被さることはなく、長時間の連続運転が可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内に、該反応炉の一部に設けたバーナーから酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとを供給し、前記反応炉内でこれらを反応させてフラーレンを製造する設備であって、
前記バーナーを前記反応炉の上部に、フラーレンを含む排ガスの排出部を前記反応炉の下部に設けたことを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項２】
請求項１記載のフラーレンの製造設備において、前記バーナーは、筒状の前記反応炉の上部に設けられた取り外し可能な蓋に設けられていることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載のフラーレンの製造設備において、前記バーナーは、多数の噴出口を備える平面状バーナーであることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項４】
請求項３記載のフラーレンの製造設備において、前記平面状バーナーによって発生する火炎の前記反応炉に対する断面積は８０％以上であることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフラーレンの製造設備において、前記反応炉は、円筒状部と該円筒状部の下部に連結され徐々に下方に縮径する円錐台部とを有していることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項６】
請求項５記載のフラーレンの製造設備において、前記円錐台部の下流には、排ガス冷却手段が設けられていることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項７】
請求項６記載のフラーレンの製造設備において、前記排ガス冷却手段は、周囲を冷却された円筒状容器内に接線方向に排ガスを流入させ、垂直配置された該円筒状容器の中央より排ガスを排出するサイクロンタイプのものであることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項８】
請求項６及び７のいずれか１項に記載のフラーレンの製造設備において、前記円錐台部の底と前記排ガス冷却手段は水平管で連結され、該水平管にはクリーニング手段が設けられていることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項９】
請求項８記載のフラーレンの製造設備において、前記クリーニング手段は、前記水平管内を進退するピストンと該ピストンを前後動する進退駆動手段とを有することを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項１０】
請求項６記載のフラーレンの製造設備において、前記排ガス冷却手段は、水平又は下流側に下方傾斜して配置され周囲を冷却された円筒状容器を有し、前記反応炉の排出部が該円筒状容器の側壁に接線方向に連結され、該円筒状容器の下流より排ガスを排出することを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項１１】
請求項１０記載のフラーレンの製造設備において、前記円筒状容器は下流側は縮径していることを特徴とするフラーレンの製造設備。
【請求項１２】
垂直に配置された反応炉の上部にバーナーを配置し、該反応炉の下部に排ガスの排出部を設け、前記反応炉内で発生する煤状物の落下による前記バーナーの閉塞を防止したことを特徴とするフラーレンの製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のフラーレンの製造設備を用い、原料として炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスを使用し、前記反応炉内でこれらを燃焼反応させてフラーレンを製造することを特徴とするフラーレンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーを介して反応炉内に供給される炭素含有燃料ガスを不完全燃焼させて、例えば、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４（以下、単に「フラーレン」という）の分子構造を有する炭素重合物の製造設備及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、特許文献１に示されるように、閉殻構造型のカーボンクラスターであるＣ６０やＣ７０と称されるフラーレンが新しい炭素材料として提案されている。これらの材料は、特殊な分子構造から特異な物性を示すことが期待されるので、ダイヤモンドコーティング、電池材料、塗料、断熱材、潤滑材、医薬品、化粧品などの分野への応用が期待されている。
【０００３】
フラーレンの製造方法としては、例えば、特許文献２に示すように、炭素化合物を燃焼させてフラーレンを製造する方法も提案され、現在ではベンゼン等の芳香族炭化水素と酸素含有ガスを反応炉に導き、減圧下で不完全燃焼をさせてフラーレンを製造する方法が提案されている。そして、フラーレンを製造する反応炉としては、例えば、特許文献３に記載のように、実質筒状の反応炉の底部にバーナーを配置し、上部に煤状物を含む排ガス（単に「排ガス」という）を回収する排出部を設けるものが一般的であった。
【０００４】
【特許文献１】特許第２８０２３２４号公報
【特許文献２】特表平６−５０７８７９号公報
【特許文献３】特開２００３−２２１２１６号公報（図１、図２、図３、図５、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記した特許文献３に記載のフラーレンの製造設備においては、反応炉の下部にバーナーがあるので、不完全燃焼反応によって発生した煤状物の一部が反応炉の内側上部に付着し、適当量溜まると自重によって反応炉の底部に配置されているバーナーの上に落下し、バーナーを閉塞するという問題がある。バーナーが煤状物によって閉塞すると、バーナーの掃除を行う必要があり、このためにフラーレンの製造設備を一時止める必要があり、極めてフラーレンの製造効率が下がるという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、バーナーの閉塞がなく、連続してフラーレンを製造可能なフラーレンの製造設備及び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】
前記目的に沿う第１の発明に係るフラーレンの製造設備は、反応炉内に、該反応炉の一部に設けたバーナーから酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとを供給し、前記反応炉内でこれらを反応させてフラーレンを製造する設備であって、
前記バーナーを前記反応炉の上部に、前記フラーレンを含む排ガスの排出部を前記反応炉の下部に設けている。
これによって、上部から落下する煤状物がバーナーの上に被さることはなく、バーナーの噴出口が閉塞されることがない。なお、ここで、バーナーは、酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとが予混合タイプのバーナーであっても、これらを別々に供給して噴出する拡散タイプのバーナーであってもよい。
【０００７】
第２の発明に係るフラーレンの製造設備は、第１の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記バーナーは、筒状の前記反応炉の上部に設けられた取り外し可能な蓋に設けられている。これによって、バーナーの保守点検が容易となる。この場合、バーナーに取付けられる配管等も継手等が簡単に取り外せる構造とするのがより好ましい。
【０００８】
また、第３の発明に係るフラーレンの製造設備は、第１及び第２の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記バーナーは、多数の噴出口を備える平面状バーナーである。これによって、反応炉内により均一な燃焼炎を形成することができる。なお、この平面状バーナーの噴出口を有する吐出部は平面状の部材に多数の小孔を穿設するものであってもよいし、多孔質のセラミック又は焼結体を用いてもよい。そして、ガスが吐出する面は必ずしも平面でなくてもよく、吐出部から発生するガスによる火炎が一応の広がりを有するものも含む。
【０００９】
第４の発明に係るフラーレンの製造設備は、第３の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記平面状バーナーによって発生する火炎の前記反応炉に対する断面積は８０％以上（より好ましくは８５〜９５％）である。これによって、反応炉（例えば、断面円形）の内部空間をより有効に利用して、フラーレンの製造を行うことができる。なお、反応炉の内壁と火炎との間に少しの隙間を設けることによって、反応炉の内壁の浸食を少なくすることができる。
【００１０】
第５の発明に係るフラーレンの製造設備は、第１〜第４の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記反応炉は、円筒状部と該円筒状部の下部に連結され徐々に下方に縮径する円錐台部とを有している。これによって、反応炉内で発生した煤状物が下方に落下し易く、煤状物の下部滞留が少なくなる。この円錐台部は、下方に縮径するタイプのものであれば、内側又は外側に湾曲するものも含まれる。
【００１１】
第６の発明に係るフラーレンの製造設備は、第５の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記円錐台部の下流には、排ガス冷却手段が設けられているので、これによって、排ガスを所定温度（例えば、４００〜６００℃）まで冷却することができる。
【００１２】
第７の発明に係るフラーレンの製造設備は、第６の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記排ガス冷却手段は、周囲を冷却された円筒状容器内に接線方向に排ガスを流入させ、垂直配置された該円筒状容器の中央より排ガスを排出するサイクロンタイプのものである。これによって、比較的短く狭い空間で排ガスの温度を効率的に下げることができる。
【００１３】
第８の発明に係るフラーレンの製造設備は、第６及び第７の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記円錐台部の底と前記排ガス冷却手段は水平管で連結され、該水平管にはクリーニング手段が設けられている。これによって、反応炉と排ガス冷却手段を連結する水平管の閉塞を防止できる。
【００１４】
第９の発明に係るフラーレンの製造設備は、第８の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記クリーニング手段は、前記水平管内を進退するピストンと該ピストンを前後動する進退駆動手段とを有している。これによって、物理的に水平管の内側に付着している煤状物を除去できる。
【００１５】
第１０の発明に係るフラーレンの製造設備は、第６の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記排ガス冷却手段は、水平又は下流側に下方傾斜して配置され周囲を冷却された円筒状容器を有し、前記反応炉の排出部が該円筒状容器の側壁に接線方向に連結され、該円筒状容器の下流より排ガスを排出している。これによって、反応炉から発生する煤状物の殆どは、反応炉から落下して円筒状容器にその接線方向から入り、冷却される。この場合、円筒状容器は水平又は下方傾斜しているので、円筒状容器の内壁に付着しようとする煤状物は旋回流に沿って下流側に流れる。
【００１６】
第１１の発明に係るフラーレンの製造設備は、第１０の発明に係るフラーレンの製造設備において、前記円筒状容器は下流側は縮径している。これによって、下流側の流速が大きくなって、円滑に煤状物を運ぶことができる。
【００１７】
第１２の発明に係るフラーレンの製造方法は、垂直に配置された反応炉の上部にバーナーを配置し、該反応炉の下部に排ガスの排出部を設け、前記反応炉内で発生する煤状物の落下による前記バーナーの閉塞を防止している。これによって、長期間安定的にフラーレンの製造が可能となる。
【００１８】
第１３の発明に係るフラーレンの製造方法は、第１〜第１１の発明に係るフラーレンの製造設備を用い、原料として炭素含有燃料ガス（例えば、炭化水素含有ガス）と酸素含有ガスを使用し、前記反応炉内でこれらを燃焼反応させてフラーレンを製造している。これによって、バーナーの閉塞を生じることなく、長時間に渡ってフラーレンを連続的に製造することが可能となる。
【００１９】
なお、以上の発明において、バーナーは炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスが予めプリミックスされてバーナーのノズルから噴出する場合と、炭素含有燃料ガスを噴出するノズルと酸素含有ガスを噴出するノズルとは別々に設けられている場合を含む。そして、酸素含有ガスには、純酸素の他にヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが混入して希釈されている場合も含む。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１〜１１記載のフラーレンの製造設備、及び請求項１２、１３記載のフラーレンの製造方法において、バーナーを反応炉の上部に配置しているので、反応炉で発生する煤状物がバーナーの上に被さることはなく、長時間の連続運転が可能となる。
【００２１】
特に、請求項２記載のフラーレンの製造設備は、バーナーは、筒状の反応炉の上部に設けられた取り外し可能な蓋に設けられている。これによって、バーナーを反応炉の本体から取り外すことが可能となり、バーナーの保守点検が容易となる。
そして、請求項３記載のフラーレンの製造設備においては、バーナーは多数の噴出口を備える平面状バーナーである。これによって、反応炉内により均一な燃焼炎を形成することができる。
【００２２】
請求項４記載のフラーレンの製造設備は、平面状バーナーによって発生する火炎の反応炉に対する断面積は８０％以上（より好ましくは８５〜９５％）である。これによって、反応炉（例えば、断面円形）の内部空間をより有効に利用して、フラーレンの製造を行うことができる。
請求項５記載のフラーレンの製造設備は、反応炉は、円筒状部と円筒状部の下部に連結され徐々に下方に縮径する円錐台部とを有している。これによって、反応炉内で発生した煤状物が下方に落下し、反応炉内での残留が少なくなる。更には、下流側の風速を向上することができ、より確実にフラーレンを含む煤状物の搬送が容易となる。
【００２３】
請求項６記載のフラーレンの製造設備は、円錐台部の下流には、排ガス冷却手段が設けられているので、これによって、排ガスを所定温度（例えば、４００〜６００℃）まで冷却することができる。
そして、請求項７記載のフラーレンの製造設備は、排ガス冷却手段は、周囲を冷却された円筒状容器内に接線方向に排ガスを流入させ、円筒状容器の中央より排ガスを排出するサイクロンタイプのものである。これによって、比較的短く狭い空間で、且つ圧力損失を少なく、短時間で排ガスの温度を下げることができる。
【００２４】
請求項８記載のフラーレンの製造設備は、円錐台部と排ガス冷却手段は水平管で連結され、水平管にはクリーニング手段が設けられている。これによって、反応炉と排ガス冷却手段を連結する水平管の閉塞を防止でき、更により長時間の連続運転が可能となる。
請求項９記載のフラーレンの製造設備は、クリーニング手段は、水平管内を進退するピストンとピストンを前後動する進退駆動手段とを有している。これによって、物理的に水平管の内側に付着している煤状物を、確実に除去できる。
【００２５】
請求項１０記載のフラーレンの製造設備は、排ガス冷却手段は、水平又は下流側に下方傾斜して配置され周囲を冷却された円筒状容器を有し、反応炉の排出部が円筒状容器の側壁に接線方向に連結され、円筒状容器の下流より排ガスを排出している。これによって、反応炉から発生する煤状物の殆どは、反応炉から落下して円筒状容器にその接線方向から入り冷却される。従って、気流経路の圧力損失が小さくなると共に、短時間のうちに排ガスが冷却される。
更に、反応炉から円筒状容器に直接、排ガスが接続されているので、途中経路における煤状物の堆積に伴う閉塞が無くなる。
請求項１１記載のフラーレンの製造設備は、円筒状容器は下流側は縮径している。これによって、煤状物の流れをよくし、しかも下流側の流速が大きくなって、円滑に煤状物を運ぶことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の要部の説明図、図３（Ａ）は図２における矢視Ａ部の詳細図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）における矢視Ｂ−Ｂ断面図、図４（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の要部の説明図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るフラーレンの製造方法を適用したフラーレンの製造設備１０は、フラーレンの反応炉１１と、反応炉１１から排出された煤状物を含む排ガスを４００〜６００℃まで冷却する排ガス冷却手段の一例であるサイクロン型の円筒状容器１２を有する。
【００２８】
更に、フラーレンの製造設備１０は、円筒状容器１２を通過したガスが流入してガス中からフラーレンを含有する煤状物を捕集するフラーレン回収装置１３と、フラーレンを含有する煤状物が取り除かれフラーレン回収装置１３から流出するガスを冷却するガス冷却器１４と、ガス冷却器１４によって降温されたガスを吸引する真空ポンプからなる減圧装置１５とを有する。以下、これらについて詳細に説明する。
【００２９】
反応炉１１は、例えば、円筒形状の本体（円筒状部）１６とその下部に連結され徐々に縮径する円錐台部１６ａを有し、本体１６の上部にバーナー１７を有し、円錐台部１６ａの下端が煤状物を含む排ガスの排出部１８となっている。反応炉１１の外側は、例えば、外側を水冷されたステンレス鋼等の耐熱鋼で構成されており、その内側の一部又は全部には、例えばアルミナ質の耐火煉瓦やアルミナ質の不定形耐火材等の耐火物がライニングされている。これによってフラーレン生成部の温度（例えば、１５００〜２０００℃）を上げることができフラーレンの生成に好適となるからである。下部の円錐台部１６ａの水平面に対する傾斜角度は５０〜８５度（より好ましくは７０〜８０度）となって、内部に溜まろうとする煤状物が円滑に下方に滑り落ちる角度となっている。なお、反応炉１１の中間部は４つの点検用の覗き窓１７ａが設けられているが、一つでもよいし省略することもできる。
【００３０】
また、反応炉１１の上部に設けられているバーナー１７は、多数のガスの噴出口を平面上に有する平面状バーナーからなっている。バーナー１７の直径は反応炉１１の内径の８０〜９５％程度となっている。この実施の形態においては、反応炉１１の内径は約３０ｃｍ、高さは２ｍ程度のものを使用したが、本発明はこの寸方に限定されるものではなく、フラーレンの大量生産のためには、より大径の反応炉を使用することになる。
【００３１】
反応炉１１の上部には、原料である炭素含有燃料ガスを供給する供給配管１９と、炭素含有燃料ガスの燃焼（実際には不完全燃焼）に必要な酸素を供給する酸素含有ガスの供給配管２０が設けられ、これらの供給配管１９、２０は、その途中には流量調整器１９ａ、２０ａをそれぞれ有し、供給された炭素含有燃料ガス及び酸素含有ガスから混合ガスを作製する混合室２１に連結されている。混合室２１が得られた混合ガスは次の蓄圧室２２に送られ、所定の圧力（例えば、５０〜２００トール、好ましくは、１００〜１５０トール）で保持して、前述した噴出口が設けられた吐出部２３から混合ガスを噴出している。なお、混合室２１、蓄圧室２２及び吐出部２３は好ましくは、ステンレス鋼やその他の耐熱鋼で構成され、これらを備えてバーナー１７が構成されている。
【００３２】
このバーナー１７は、反応炉１１の上部（頂部）に取り外し可能に設けられている蓋１７ｂの底部に設けられている。炭素含有燃料ガスの供給配管１９及び酸素含有ガスの供給配管２０は、この蓋１７ｂを貫通して配管されている。蓋１７ｂは、本体１６の頂部に設けられているフランジ１７ｃに被さり、必要な場合、蓋１７ｂをバーナー１７ごと取り外せる構造となっている。
【００３３】
吐出部を多孔質のセラミック（例えば、ジルコニア、コーディエライト、カーボン）の焼結体を用いて構成することも可能であり、多孔質のセラミック焼結体又は粉末金属の焼結体を用いることもできる。なお、吐出部に多孔質のセラミック焼結体又は粉末金属焼結体を用いると、吐出部からガスの噴出速度が下がり、燃焼領域が吐出部近傍になり、結果として、反応炉の長さをより短く構成できる。
ここで、吐出部を金属又はセラミックスによって構成し、多数の噴出口を設けることも可能である。この場合、噴出口（例えば、口径が０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜３ｍｍ）が鉛直方向下向きになっている。そして、各噴出口の間隔は小ピッチで０．２〜５ｃｍで、全部の噴出口から発生する火炎の断面積は、反応炉１１の内部断面積の８０〜９５％程度とするのがよい。
なお、吐出部を多孔質部材によって構成する場合には、熱伝導の低い材料を使用することによって、蓄圧室への逆火を防止できる。
【００３４】
なお、この実施の形態においては、炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスをプリミックスして反応炉１１内で燃焼させているが、混合室２１を設けず、炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスをそれぞれ独立に蓄圧室に貯め、吐出部に別々に交互に設けられた炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとの噴出口から噴出することもできる。このように、別々に炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスを反応炉１１内に供給することによって、これらのガスを独立に高い温度に予熱することができ、よりフラーレンの生成条件を高い状態にすることができる。
【００３５】
炭素含有燃料ガスの供給配管１９と、酸素含有ガスの供給配管２０にはそれぞれ熱交換器２４、２５が設けられて、加熱処理（予熱）された炭素含有燃料ガス、酸素含有ガスがバーナー１７に供給されるようになっている。更に、熱交換器２４よりも上流側の炭素含有燃料ガスの供給配管１９には、炭素含有燃料（原料炭化水素）をガス化させる気化装置２６を設けるのがよい。
なお、熱交換器２４、２５は両方とも使用するのが好ましいが、場合によっては、熱交換器２４、２５のいずれか一方を省略し、炭素含有燃料ガス及び酸素含有ガスのいずれか一方のみを予熱するようにしてもよい。なお、混合室２１及び蓄圧室２２内のガスは炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとが混合しているので、これらの温度は、その発火点より十分低い温度となっている必要がある。
炭素含有燃料ガスの供給配管１９及び酸素含有ガスの供給配管２０の先部には、バーナー１７に供給する炭素含有燃料ガス及び酸素含有ガスの流量を調整する流量調整器１９ａ、２０ａがそれぞれ設けられている。
【００３６】
このような構成とすることにより、バーナー１７から供給された炭素含有燃料ガスを酸素含有ガスの下で燃焼させてフラーレンを生成させることができる。そして、フラーレンの生成と共に、煤状物（副生成物）、一酸化炭素ガス、及び水蒸気等が発生し、生成したフラーレンは煤状物中に含有されている。
このため、フラーレンを含有した煤状物を浮遊した状態で有する高温のガスが反応炉１１から排出される。
【００３７】
反応炉１１の下部の排出部１８から屈曲管２７を介して、前述した排ガス冷却手段を構成するサイクロンタイプの円筒状容器（即ち、旋回流型ガス冷却装置）１２が接続されている。屈曲管２７を通過する排ガスは高温であるので、屈曲管２７には外側を水冷されたステンレス管（内部を耐火物等でコーティングしてもよい）が使用され、内部の通過するガスの流速（例えば、１５〜２００ｍ／秒、より好ましくは３５〜７０ｍ／秒）は高速とし、反応炉１１内から落下した付着物が屈曲管２７内に堆積しないようにしている。
【００３８】
円筒状容器１２は、屈曲管２７の下流側端部が筒状の上部周壁に接線方向に接続される円筒部２８と、この円筒部２８の下端に一体的に接続される円錐台部２９とを有し、円錐台部２９の下端には排出部３０が設けられ、この排出部３０には、図示しない開閉弁が設けられ、溜まった煤状物を外部に排出できるようになっている。円筒状容器１２の全体は水冷ジャケット構造となって内部を水が通り、容器全体を冷却するようにしている。そして、円筒部２８の上端には天井板３１が設けられ、天井板３１の中央には排出管３２が設けられ、屈曲管２７から円筒状容器１２内に入った排気ガスが、例えば、４００〜６００℃の温度まで冷却されるようになっている。
【００３９】
円筒状容器１２の排出管３２に連結管３２ａを介して連結されるフラーレン回収装置１３は、反応炉１１から発生する煤状物含有気流中の固形分と気流分を分離するためのもので、内部に高温耐熱フィルター３３を備える。高温耐熱フィルター３３は、炭素含有燃料ガス、燃焼ガスを通過させてフラーレン及び煤状物を回収するので、ガスの温度に応じて４００〜６００℃の耐熱温度を有している。なお、このフラーレン回収装置１３へのガスの温度は、高すぎると気化しているフラーレンを逃がし、低すぎると排気ガス中に凝縮した液分を捕捉して高温耐熱フィルター３３内部の目詰まりを発生するので、十分な温度管理をするのが好ましい。
【００４０】
フラーレン回収装置１３の構造は、通常の集塵機等に使用されるバッグフィルター構造となって、このバッグフィルターが前記した高温耐熱フィルター３３によって構成されている。このような高温耐熱フィルター３３としては、例えば、日本ポール社製焼結金属フィルターや富士フィルター社製焼結金属フィルター等が挙げられる。フィルター目開きの大きさは、フラーレンを生成させる燃焼条件や煤状物の性状によって適宜選択する。
【００４１】
フラーレン回収装置１３には、その上部に定期的に付着した固化物（例えば、煤状物とフラーレン）を除去する逆洗浄機構３６が設けられている。
この逆洗浄機構３６は、高圧の不活性ガス（例えば、窒素やアルゴン）等を貯留するタンク３８と、電磁弁３９とを有し、電磁弁３９を定期的に短時間パルス的に開けることによって、高温耐熱フィルター３３内にガスを入れ、周囲に付着した固化物を下方に落下させ、排出弁４０を開けて外部に排出できるようになっている。そして、フラーレン回収装置１３の上部には、高温耐熱フィルター３３を通過したガスを外部に排出するガス排出配管４１が設けられている。
【００４２】
フラーレン回収装置１３のガス排出配管４１には、ガス冷却器１４が設けられている。このガス冷却器１４は通常の熱交換器と同一又は近似した構造となっており、減圧装置１５に流入するガスの温度を低下させて排ガスを減容すると共に、その温度を下げて減圧装置１５の負荷を低減させるようになっている。また、気流内に含まれる炭素含有燃料ガス、燃焼ガス中の水分が液化し、下部のドレーンから排出されるようになっている。
このガス冷却器１４に後続する減圧装置１５は通常の真空ポンプからなっている。なお、フラーレンの昇華温度は真空度によっても変化するので、供給する炭素含有燃料ガス、酸素ガス、不活性ガスの量から、最も効率的にフラーレンを回収できる圧力になるように減圧装置１５を選定する。
【００４３】
従って、このフラーレンの製造設備１０においては、各流量調整器１９ａ、２０ａを用いて炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスの供給量を制御して混合室２１内に導入する。そして作製した混合ガスを蓄圧室２２内で保持して、吐出部２３から吐出させることで、混合ガスの吐出速度を、例えば、７５ｃｍ／秒を超えかつ１０００ｃｍ／秒以下、好ましくは２００ｃｍ／秒以上かつ６００ｃｍ／秒以下で反応炉１１内に安定的に供給することができる。
【００４４】
反応炉１１内で生じる排気ガスは、円筒状容器１２、フラーレン回収装置１３、及びガス冷却器１４を介して減圧装置１５で反応炉１１内を排気することができ、減圧装置１５を調整して反応炉１１内を、例えば、２０トール以上かつ１００トール以下、好ましくは３０トール以上かつ５０トール以下の減圧状態に保持することができる。
このため、吐出部２３から反応炉１１内に吐出された混合ガスを、この減圧状態下で燃焼させながら、生成した燃焼ガスを反応炉１１内から円筒状容器１２を介して外部に排出することができる。
【００４５】
続いて、本発明の一実施の形態に係るフラーレンの製造方法について説明する。
炭素含有燃料ガスとしてトルエンガス、酸素含有ガスとして濃度９９％以上の酸素ガス（以下、純酸素ガスともいう）を用いる。トルエンガスが燃焼する際の酸素に対するトルエン中の炭素の元素組成比（Ｃ／Ｏ比）を、例えば０．８以上かつ１．５６以下、好ましくは１．１以上かつ１．３６以下になるように、各流量調整器１９ａ、２０ａでトルエンガス量及び純酸素ガス量をそれぞれ調整して混合室２１内に導入して混合ガスを作製する。
次いで、円筒状容器１２を介して減圧装置１５を作動させ、反応炉１１内を排気しながら、吐出部２３から混合ガスを、吐出部２３からの平均吐出速度が、例えば、２００〜６００ｃｍ／秒になるように反応炉１１内に吐出し燃焼させる。
このとき、反応炉１１内が、例えば、２０トール以上かつ１００トール以下、好ましくは３０トール以上かつ５０トール以下の減圧状態に維持されるように、減圧装置１５の排気量を調節する。
【００４６】
トルエンガスと酸素ガスの混合ガスは、前記した減圧状態下において燃焼するため、トルエンの燃焼が均一に進行して、反応炉１１内の温度を均一かつ高温（例えば、１６００〜２１００℃、好ましくは１７００〜１９００℃）にすることができる。また、Ｃ／Ｏ比を所定の範囲に制御しているため、未燃焼のトルエンが加熱されて分解する際に煤状物の生成が抑制されて、フラーレンやその前駆体が多量に生成する。このため、生成したフラーレン前駆体同士の衝突の頻度が向上し、フラーレンの生成速度が向上して、フラーレンの収率を上げることができる。
【００４７】
炭素含有燃料ガスとしてはトルエンのほかに、例えば、ベンゼン、キシレン、ナフタレン、アントラセン等の芳香族系炭化水素、クレオソート油、カルボン酸油などの石炭系炭化水素、アセチレン系不飽和炭化水素、エチレン系炭化水素、ペンタンやヘキサン等の脂肪族飽和炭化水素等が使用でき、これらを単独又は任意の割合で混合して使用することもできる。特に芳香族系炭化水素が好ましく、中でも精製した芳香族系炭化水素を用いることが好ましい。
炭素含有燃料ガスの純度は高い方が好ましいが、燃焼温度や炭素含有燃料ガスの燃焼反応中での濃度を制御するためにアルゴンガス等の不活性ガスで炭素含有燃料ガスを希釈してもよい。
酸素含有ガスとしては、濃度９９％以上の酸素ガス、濃度９９％以上の酸素ガスを窒素やアルゴンガス等の不活性ガスで希釈したもの、空気等が用いられる。
【００４８】
反応炉１１内の圧力が前述した減圧状態に保持されている下での燃焼であることから、トルエンの均一燃焼が促進されて、燃焼ガスの温度は反応炉１１の軸方向に垂直な方向では実質的に一様になっていると考えられる。
その結果、燃焼ガス流内では自己循環流が発生し難くなる。従って、反応炉１１内で上流側から下流側に向けて流出する一様な流れの安定化が図られる。
【００４９】
ここで、バーナー１７を重力的方向において上方側に設けることにより、燃焼ガスは重力に従って下方に流下することになり、安定化は確実となる。発生するフラーレンを含む煤状物は、下方に移動し、排出部１８から屈曲管２７を介して円筒状容器１２内に入る。煤状物の一部は反応炉１１内の内壁に付着して堆積し、一定の量以上堆積すると重力によって落下するが、この場合であっても、煤状物によってバーナー１７の噴出口が閉塞することはない。落下した煤状物は排出部１８から屈曲管２７を介して円筒状容器１２内に落下し、下部の排出部３０から排出される。
【００５０】
続いて、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す本発明の第２の実施の形態に係るフラーレンの製造設備４３について説明するが、反応炉１１からの下部から排出される煤状物を含む排ガスが円筒状容器１２に流れる部分が異なるだけで、他の部分は実質的に第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備１０と同一であるので、第１の実施の形態と同一の構成要素については同一の番号を付してその詳しい説明を省略し、その相違点についてのみ説明する（以下に説明する第３の実施の形態においても同様）。
【００５１】
反応炉１１の下部、即ち円錐台部１６ａの下部（底）に設けられている排出部４５と排ガス冷却手段の一例である円筒状容器１２は、ステンレス等によって構成される水平管４６で連結されている。水平管４６は外側を水冷されて、円筒状容器１２の周壁には接線方向から接続されて、水平管４６を通過する排ガスが円筒状容器１２の周壁に接しながら旋回する構造となっている。
水平管４６には、反応炉１１の軸心を基準とし、水平管４６内のガス流れ方向に対して反対側（即ち、後方）に延長され、その部分にピストン収納部４７が形成されている。そして、水平管４６の後方側端部にはフランジ継手４８を介して摺動軸受部４９が設けられ、更にその後方に進退駆動手段の一例である直線駆動手段（例えば、電動シリンダー、エアシリンダー）５０が設けられている。直線駆動手段５０には摺動ロッド５１が設けられ、摺動ロッド５１の先部にはクリーニング手段を構成するクリーニング用ピストン５２が設けられている。
【００５２】
クリーニング用ピストン５２は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、水平管４６内を摺動移動し、ステンレス製、鉄製、セラミック製の線材を集合したもの、耐火セラミック、耐熱性焼結体、金属等からなって、水平管４６内に溜まった煤状物を下流方向（前方）に押し出して、円筒状容器１２内に排出するようになっている。クリーニング用ピストン５２を一定の形状を有するもの（例えば、耐火物や焼結体）から構成する場合には、先部は図３（Ａ）に示すように、水平管４６が円筒状容器１２と交差する部分の形状に近づけて斜めに切断したものであってもよい。これによって、水平管４６の先部に付着している煤状物も擦り取ることができる。クリーニング用ピストン５２には円弧形屈曲面５３が形成され、反応炉１１の排出部４５と水平管４６が連続する円滑な凹曲面を介して連続するように構成するのが好ましい。なお、図３（Ａ）におけるａ〜ｄが図３（Ｂ）におけるａ〜ｄに対応する。
【００５３】
従って、このフラーレンの製造設備４３においては、通常はクリーニング用ピストン５２は、水平管４６の後部に後退させて、通過する高温の排ガスによる熱影響を最小にする。なお、クリーニング用ピストン５２の内部は水冷してもよい。
一定の時間毎に、又は反応炉１１内の圧力と円筒状容器１２内の圧力との差圧から、水平管４６の閉塞状態を検知して、直線駆動手段５０を作動させて、クリーニング用ピストン５２を往復動させて、水平管４６内の清掃を行う。水平管４６内に付着した煤状物は円筒状容器１２内に落下し、その底部に溜まるので、適当に下部の排出部３０を開いて煤状物を排出する。
【００５４】
図４（Ａ）、（Ｂ）に示す本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備５４について説明する。
反応炉１１の直下の円錐台部１６ａの下部には排出部を形成する垂直管５５が接続され、この垂直管５５が横向き配置された円筒状容器５６の上流側端部の側壁にその接線方向から連結されている。円筒状容器５６は、円筒部５７とこの一方側の端部に連結される傾斜角βで下流側に縮径している円錐台部５８とを有し、円筒部５７の他方側の端部は天井板５９によって閉塞されている。
【００５５】
この円筒状容器５６の寸法は、前述した円筒状容器１２と実質同一で、内径が５０〜１００ｃｍ、長さが２〜４ｍ程度となって、周囲は水冷されている。水冷された排気ガスは、円錐台部５８の縮径側端部６０から排出され、次のフラーレン回収装置１３に供給されるようになっている。なお、円筒状容器１２と異なり、内部に排出管３２は設けられていない。
この実施の形態においては、円筒状容器５６の軸心は水平状態を保って、反応炉１１の軸心に対する傾斜角αは、９０度となっているが、円筒状容器５６を下流側に下り勾配として、例えば、円錐台部５８の内側の側線が水平又は下流側に下り勾配としてもよい。この場合の円筒状容器５６に反応炉１１に対する傾斜角αは、例えば、（７０度−β＜α＜９０度−β）の範囲で選定するのが好ましく、これによって、排ガス中に含まれる煤状物が円滑に下流側に流れる。なお、円筒状容器５６は円筒部５７と円錐台部５８によって構成したが、全部を円錐台部によって構成することもできる。
【００５６】
従って、反応炉１１から排出された煤状物を含む排ガスは、円筒状容器５６内に入って、円筒状容器５６内の内壁を伝って流れる旋回流となる。これによって、排ガスは、冷却された円筒状容器５６の内壁に接して急速に冷却される。そして、煤状物を含む排ガスは、下流側の縮径側端部６０から外部に排出される。なお、これによって、多量の煤状物がフラーレン回収装置１３に流れ込むので、円筒状容器５６と、フラーレン回収装置１３との間に底部に煤状物の排出口を備えた煤状物回収タンクを配置することもできる。
また、この円筒状容器５６の下流に前記した縦型の円筒状容器１２を直列に接続して、煤状物は下部から落下させると共に、更に排ガスをこの円筒状容器１２によって冷却することもできる。
【実施例】
【００５７】
図１に示すフラーレンの製造設備１０を用いてフラーレンを製造した。反応炉１１の上部に配置されているバーナー１７の吐出部２３は、外径が２５０ｍｍの円板状の多孔質のセラミック焼結体を用いて構成されており、多孔質のセラミック焼結体には２５ｍｍ2 当たりに２０〜１５０個の微小孔が吐出口（噴出口）として形成されている。
【００５８】
炭素含有燃料ガスとしてトルエンガスを使用し、酸素含有ガスには純酸素を使用した。トルエンガスは一旦気化装置２６でトルエンを加熱してガス状とした後、熱交換器２４で２００℃に加熱し、酸素ガスは酸素タンクから熱交換器２５に供給して２００℃に加熱した。そして、トルエンガスの流量を２２８．３グラム／分、酸素ガスの流量を１７５．７Ｎリットル／分（酸素に対するトルエン中の炭素の元素組成比（Ｃ／Ｏ比）は１．１１）にしてバーナー１７に供給し、混合室２１で予混合して混合ガスとし反応炉１１内に吐出した。このとき、反応炉１１内の圧力は４０トールで、バーナー１７から吐出された際の混合ガス（２００℃）の平均吐出速度は１４９ｃｍ／秒であった。
【００５９】
このような条件でフラーレンを製造すると、反応炉１１の出口から排出されるガスの温度は１１００℃、フラーレン回収装置１３に流入する際のガスの温度は５８０〜６００℃であった。その結果、副生した煤状物中のフラーレン含有率は平均１９．０％であった。
なお、バーナー１７の吐出部２３には煤状物が付着することはなく、継続的に反応炉１１の運転が可能となり、更に、反応炉１１内に付着した煤状物が落下した場合には、高速の気流で押し流され、屈曲管２７を介して円筒状容器１２内に落ち込み、円筒状容器１２の底部に溜まることが確認された。
【００６０】
前記した本発明の第２、第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備４３、５４を用いてフラーレンを製造しても、吐出部２３には煤状物が付着することは全くなく、更には、水平管４６や円筒状容器５６が煤状物で閉塞することもなかった。従って、反応炉１１の原料供給条件に従い、安定してフラーレンを製造することが可能となった。
本発明は個々の実施の形態に限定されるものではなく、以上に説明した各実施の形態の構成要素を組み合わせてフラーレンの製造設備を構成する場合にも本発明は適用される。更に、前記実施の形態においては、理解を容易にするため具体的数字を用いて説明したが、本発明の要旨を変更しない範囲での数値変更は当然可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係るフラーレン製造設備の要部の説明図である。
【図３】（Ａ）は図２における矢視Ａ部の詳細図、（Ｂ）は図３（Ａ）における矢視Ｂ−Ｂ断面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係るフラーレンの製造設備の要部の説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０：フラーレンの製造設備、１１：反応炉、１２：円筒状容器、１３：フラーレン回収装置、１４：ガス冷却器、１５：減圧装置、１６：本体、１６ａ：円錐台部、１７：バーナー、１７ａ：覗き窓、１７ｂ：蓋、１７ｃ：フランジ、１８：排出部、１９：供給配管、１９ａ：流量調整器、２０：供給配管、２０ａ：流量調整器、２１：混合室、２２：蓄圧室、２３：吐出部、２４、２５：熱交換器、２６：気化装置、２７：屈曲管、２８：円筒部、２９：円錐台部、３０：排出部、３１：天井板、３２：排出管、３２ａ：連結管、３３：高温耐熱フィルター、３６：逆洗浄機構、３８：タンク、３９：電磁弁、４０：排出弁、４１：ガス排出配管、４３：フラーレンの製造設備、４５：排出部、４６：水平管、４７：ピストン収納部、４８：フランジ継手、４９：摺動軸受部、５０：直線駆動手段、５１：摺動ロッド、５２：クリーニング用ピストン、５３：円弧形屈曲面、５４：フラーレンの製造設備、５５：垂直管、５６：円筒状容器、５７：円筒部、５８：円錐台部、５９：天井板、６０：縮径側端部、Ｗ：ガス流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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