(57)【要約】【課題】連続して高い効率でフラーレン類を製造する。【解決手段】フラーレン類の原料となり、かつ一方の電極をなす原料炭素電極棒１を収納させる収納室１０と、アーク放電によりフラーレン類を製造する製造室８０と、原料炭素電極棒を収納室から製造室へ送る搬送機構４０とを備える。そして、収納室１０と製造室８０との間に原料炭素電極棒１を通電加熱して精製するための精製室５０を介在させる。【選択図】図１
2007106624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラーレン類を製造する製造室内に、陽極又は陰極のいずれかに配設される原料電極と、この原料電極と対極となる炭素電極とを対向させ、押出手段によって前記原料電極を前記炭素電極に向けて押し出しつつこれら両電極に電力を供給して、両極間でアーク放電させてフラーレン類を製造するフラーレン類の製造装置であって、
前記原料電極を収納させる収納室と、前記収納室から原料電極を取り出して前記製造室に搬送する搬送機構とを設け、
前記収納室と前記製造室との間に、前記搬送機構で搬送される原料電極に通電加熱による加熱手段の設けられた精製室を介在せしめたことを特徴とするフラーレン類の製造装置。
【請求項２】
前記搬送機構は、前記収納室の原料電極を前記精製室に搬送する第１搬送手段と、前記精製室で通電加熱して精製された原料電極を前記製造室に搬送する第２搬送手段とを備え、
前記第２搬送手段は、前記原料電極を前記炭素電極に向けて押し出す押出手段として機能させたことを特徴とする請求項１に記載のフラーレン類製造装置。
【請求項３】
前記収納室と前記精製室とを連絡する連絡部に両室内同士を自在に開閉せしめるシャッターが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項４】
前記製造室の圧力が前記精製室の圧力よりも高く設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項５】
前記精製室及び前記製造室には、各室内に不活性ガスを供給せしめるガス供給ノズルが接続され、
前記精製室及び前記製造室には、各室内のガスを排気する排気装置が圧力調節バルブを介して接続され、
前記圧力調節バルブの設定によって前記製造室の圧力が前記精製室の圧力よりも高くなるよう制御していることを特徴とする請求項４に記載のフラーレン類製造装置。
【請求項６】
前記精製室において、精製室内に不活性ガスを供給せしめるガス供給ノズルが精製室の下流側に接続され、前記精製室内のガスを排気する排気装置が精製室の上流側に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のフラーレン類製造装置。
【請求項７】
前記製造室内には前記原料電極を把持する原料電極把持手段、及び前記炭素電極を把持する炭素電極把持手段が設けられ、
前記原料電極把持手段には、前記原料電極をその軸方向におけるアークの近傍側で把持する把持部と、この原料電極把持手段の前端に設けられ、前記原料電極把持手段をアークの熱から保護する耐熱部とが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項８】
少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかには、前記原料電極と前記炭素電極との相対位置が軸回転方向に変動する回転変動手段を備えていることを特徴とする請求項７に記載のフラーレン類の製造方法。
【請求項９】
前記原料電極の放電面と前記炭素電極の放電面との間の極間距離の変化により変動する電圧を検知する電圧検知手段と、
この電圧検知手段の検知結果に基づいて、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかを作動せしめて、少なくとも前記原料電極または前記炭素電極のいずれかを軸方向に移動させて、前記極間距離の変化により変動する電圧を一定値に調節する電圧調節手段とを備え、
前記電圧調節手段により変動する電圧を一定値に調節することで原料電極の放電面と前記炭素電極の放電面との間の極間距離を一定距離に制御することを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１０】
前記原料電極の放電面と前記炭素電極の放電面との間のアークの中心点を検知する中心点検知手段と、
この中心点検知手段の検知結果に基づいて、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかを作動せしめて、少なくとも前記原料電極または前記炭素電極のいずれかを軸方向に移動させて、前記アークの中心点の位置を定位置に調節する位置調節手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１１】
前記原料電極と前記炭素電極との相互の極性を切り換える転極手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１２】
前記転極手段は、前記原料電極又は前記炭素電極のいずれか一方にアースを接続し、他方のアースに対する電位の正負を切り換えて転極を行うことを特徴とする請求項１１に記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１３】
前記転極手段は、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかを作動せしめて、少なくとも前記原料電極または前記炭素電極のいずれかを軸方向に移動させた移動距離を検知する移動距離検知手段と、
この移動距離検知手段の検知結果により前記移動距離が所定の距離に達したと判断された場合に、前記原料電極と前記炭素電極との相互の極性を切り換える転極手段であることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１４】
前記収納室には複数の原料電極が収納され、
前記搬送機構が、前記製造室内の原料電極の消耗に応じて収納室、精製室及び製造室へと収納室内の前記原料電極を順次搬送する搬送制御手段と、
アーク放電により消耗された前記原料電極の消耗量を検出する消耗量検出手段と、
この消耗量検出手段からの消耗量検出結果に基づいて、原料電極の消耗量が予め設定された消耗基準値に達したか否かを判定する消耗量判定手段とを備え、
前記消耗量判定手段が、原料電極の消耗量が消耗基準値に達したと判定した際に、前記搬送制御手段が、前記収納室から精製室に新たな原料電極を搬出すると共に、既に精製室に搬送され通電加熱を行った新たな原料電極を製造室内に搬入させるよう前記搬送機構を制御していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１５】
前記製造室内にて前記原料電極と前記対極となる炭素電極とに電力を供給する電力供給源と、前記精製室に設けられた加熱手段に電力を供給する電力供給源とが独立した別個の電力供給設備であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１６】
前記製造室には製造されたフラーレン類を吸引回収する回収手段が原料電極と対極となる炭素電極との間で発生させたアークの近傍に設けられていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１７】
前記製造室の下部には、落下したフラーレン類を回収する第２回収手段が設けられていることを特徴とする請求項１６に記載のフラーレン類の製造装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載のフラーレン類の製造装置を使用してフラーレン類を製造する製造方法であって、前記原料電極として、多孔質構造を有する炭素棒を使用することを特徴とするフラーレン類の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電法によりフラーレン類を高純度、高収率かつ連続的に製造するフラーレン類の製造装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フラーレン類は、電池材料、触媒、分子磁石、半導体、超電導体、医薬等広範囲の分野への応用が期待されている。フラーレン類は、特許文献１及び特許文献２に示すように減圧下ヘリウム等の不活性ガスで置換された製造室内において、間隙を空けて配された陽極及び陰極となる一対の炭素電極間に電圧をかけてアークを発生させて製造される。アーク放電によって加熱された陽極側の原料炭素電極から炭素が昇華し、昇華した炭素はフラーレン類の炭素源として利用される。アーク放電により生成したフラーレン類を含有した煤は、回収され、溶媒抽出等により所望のフラーレン類が分離精製される。
【０００３】
かかるフラーレン類を製造するに当たり、これまでにも効率よくフラーレン類を製造する為の様々な製造装置乃至製造方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２に記載の発明では、アーク放電によって陽極側の炭素電極が消耗し、陽極及び陰極となる一対の炭素電極間の間隙が変化する問題を、陽極側の炭素電極に移動機構を設けて陰極側へと前進させることで、炭素電極間の間隙を一定に保つことを可能としている。
【０００５】
特許文献３に記載の発明では、消耗する陽極側の原料炭素電極棒を供給しながら連続的にフラーレンを製造する方法が開示されている。交換用の原料炭素電極棒が複数本収納でき、これら原料炭素電極棒を連続的に供給可能な機構を設けた製造装置が開示されている。交換用の原料炭素電極棒は、対向する陰極側の炭素電極に向けてアーク放電可能な位置まで自動的に押し出されて、フラーレンの製造が継続される。
【０００６】
この他、アーク放電中、陽極炭素電極から昇華した炭素等が陰極炭素電極の表面上に堆積する問題がある。特許文献４に記載の発明では、陰極炭素電極の表面上に堆積するデポジットが一カ所に集中して成長することなく、デポジットを分散させて陰極炭素電極の表面上に形成させるために、陰極炭素電極を回転させることが開示されている。別のデポジット除去方法として、特許文献５に記載の発明では、陽極と陰極の極性を交互に反転させながらアーク放電を行う方法が開示されている。陰極炭素電極表面に堆積したデポジットは、陰極から陽極へと切り換わった際に、フラーレン類製造用の炭素源として利用されてデポジットの除去が可能となる。
【０００７】
また、陽極側の原料炭素電極に含まれる不純物を取り除く対策もフラーレン類の製造効率を向上するために必要となる。特許文献４では、製造室を一旦高真空に排気することで、炭素質原料に内包されていた水分等のフラーレン製造に悪影響を及ぼす物質を除去する対策がとられている。
【０００８】
更に、アーク放電中に生成したフラーレン類を含む煤は、製造装置全体に飛散するため、回収の際に多くの損失が生じる問題がある。特許文献１では、飛散した煤をかき集める手間を省略するために、アーク放電後、製造室をヒーターで加熱しフラーレン類を昇華させてトラップに回収している。この他にも、製造装置を外気に開放して煤を回収した場合、外気との接触によって煤中に存在する不安定なフラーレン類の崩壊が生じてしまう恐れがある。このため、特許文献２に記載の発明では、アーク放電後に、不活性ガスを吹き込むことで煤を撹乱させて外気に触れさせることなく回収用密閉容器へと導入し回収している。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１１６９２１号公報
【特許文献２】特開平７−２３７９１３号公報
【特許文献３】登録実用新案第３０１４６７９号公報
【特許文献４】特開平８−２６８７０５号公報
【特許文献５】特開平７−２５７９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３の発明によれば、消耗する陽極側の原料炭素電極棒を供給することにより、アーク放電によるフラーレン類の連続製造が可能となる。しかしながら、収納本数分の原料炭素電極の交換が終わった時点でフラーレン類の製造は終了する。
【００１１】
特許文献４の発明によれば、製造室を一旦高真空に排気させて原料炭素電極に内包されていた水分等のフラーレン製造に悪影響を与える物質を除去しているが、原料炭素電極が消耗した際、新しい原料炭素電極への交換の為、アーク放電を一度停止しなければならず、その上、アーク放電再開前に再度排気処理を行う必要があり効率が悪い。また、高真空による排気のみでは、金属内包フラーレンの製造に使用される原料炭素電極中の金属化合物が水分子と結合し金属水和物となった場合の精製には適さない。
【００１２】
フラーレン類製造用の陽極側の原料炭素電極は、通常長い棒状の原料炭素電極棒が使用される。アーク放電面とは逆側の原料炭素電極棒の末端近傍を把持して給電する場合、アーク放電中に原料炭素電極棒が折れる問題がある。又、原料炭素電極棒の消耗に伴い、原料炭素電極棒のアーク放電面の位置と把持している給電位置との距離が徐々に接近することで抵抗値が変化し電圧による制御が困難になる問題がある。
【００１３】
また、アーク放電によって生成したフラーレン類を含む煤を回収する際、特許文献１〜５に記載されたいずれの回収方法でも、一旦アーク放電を停止して回収しなければならず効率が悪いものとなっている。
【００１４】
本発明は、これらの問題点を総合的に解決するためになされたものであり、消耗する陽極炭素電極や陰極炭素電極上のデポジットの対策だけでなく、フラーレン類の製造運転を停止することなく原料炭素電極の減圧下での通電加熱による精製とフラーレン類を含む煤の回収とを行うことで高い効率でフラーレン類を製造することを可能としたフラーレン類の製造装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、上記の課題を解決するため、第１に以下のフラーレン類の製造装置を採用した。
【００１６】
即ち、フラーレン類を製造する製造室内に、陽極又は陰極のいずれかに配設される原料電極と、この原料電極と対極となる炭素電極とを対向させ、押出手段によって前記原料電極を前記炭素電極に向けて押し出しつつこれら両電極に電力を供給して、両極間でアーク放電させてフラーレン類を製造するフラーレン類の製造装置であって、前記原料電極を収納させる収納室と、前記収納室から原料電極を取り出して前記製造室に搬送する搬送機構とを設け、前記収納室と前記製造室との間に、前記搬送機構で搬送される原料電極に通電加熱による加熱手段の設けられた精製室を介在せしめたことを特徴とするフラーレン類の製造装置である。
【００１７】
かかるフラーレン類の製造装置において、本発明では、前記搬送機構は、前記収納室の原料電極を前記精製室に搬送する第１搬送手段と、前記精製室で通電加熱して精製された原料電極を前記製造室に搬送する第２搬送手段とを備え、前記第２搬送手段は、前記原料電極を前記炭素電極に向けて押し出す押出手段として機能させた。
【００１８】
また、前記収納室と前記精製室とを連絡する連絡部に両室内同士を自在に開閉せしめるシャッターが設けられていることを特徴としている。
【００１９】
更に、前記製造室の圧力が前記精製室の圧力よりも高く設定することとしている。
【００２０】
この場合において、前記精製室及び前記製造室には、各室内に不活性ガスを供給せしめるガス供給ノズルが接続され、前記精製室及び前記製造室には、各室内のガスを排気する排気装置が圧力調節バルブを介して接続され、前記圧力調節バルブの設定によって前記製造室の圧力が前記精製室の圧力よりも高くなるよう制御している。
【００２１】
なお、前記精製室において、精製室内に不活性ガスを供給せしめるガス供給ノズルが精製室の下流側に接続され、前記精製室内のガスを排気する排気装置が精製室の上流側に接続されている。
【００２２】
また、本発明では、上記フラーレン類の製造装置において、前記製造室内には前記原料電極を把持する原料電極把持手段、及び前記炭素電極を把持する炭素電極把持手段が設けられ、前記原料電極把持手段には、前記原料電極をその軸方向におけるアークの近傍側で把持する把持部と、この原料電極把持手段の前端に設けられ、前記原料電極把持手段をアークの熱から保護する耐熱部とが設けられていることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明では、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかには、前記原料電極と前記炭素電極との相対位置が軸回転方向に変動する回転変動手段を備えるよう構成した。
【００２４】
更に、前記原料電極の放電面と前記炭素電極の放電面との間の極間距離の変化により変動する電圧を検知する電圧検知手段と、この電圧検知手段の検知結果に基づいて、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかを作動せしめて、少なくとも前記原料電極または前記炭素電極のいずれかを軸方向に移動させて、前記極間距離の変化により変動する電圧を一定値に調節する電圧調節手段とを備え、前記電圧調節手段により変動する電圧を一定値に調節することで原料電極の放電面と前記炭素電極の放電面との間の極間距離を一定距離に制御している。
【００２５】
また、前記原料電極の放電面と前記炭素電極の放電面との間のアークの中心点を検知する中心点検知手段と、この中心点検知手段の検知結果に基づいて、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかを作動せしめて、少なくとも前記原料電極または前記炭素電極のいずれかを軸方向に移動させて、前記アークの中心点の位置を定位置に調節する位置調節手段とを備えた。
【００２６】
また、本発明では、上記フラーレン類の製造装置において、前記原料電極と前記炭素電極との相互の極性を切り換える転極手段を備えたことを特徴としている。
【００２７】
転極については、前記転極手段は、前記原料電極又は前記炭素電極のいずれか一方にアースを接続し、他方のアースに対する電位の正負を切り換えて転極を行うことを特徴としている。
【００２８】
また、前記転極手段は、少なくとも前記原料電極把持手段又は前記炭素電極把持手段のいずれかを作動せしめて、少なくとも前記原料電極または前記炭素電極のいずれかを軸方向に移動させた移動距離を検知する移動距離検知手段と、この移動距離検知手段の検知結果により前記移動距離が所定の距離に達したと判断された場合に、前記原料電極と前記炭素電極との相互の極性を切り換える転極手段であることを特徴としている。
【００２９】
更に、本発明では、前記収納室には複数の原料電極が収納され、前記搬送機構が、前記製造室内の原料電極の消耗に応じて収納室、精製室及び製造室へと収納室内の前記原料電極を順次搬送する搬送制御手段と、アーク放電により消耗された前記原料電極の消耗量を検出する消耗量検出手段と、この消耗量検出手段からの消耗量検出結果に基づいて、原料電極の消耗量が予め設定された消耗基準値に達したか否かを判定する消耗量判定手段とを備え、前記消耗量判定手段が、原料電極の消耗量が消耗基準値に達したと判定した際に、前記搬送制御手段が、前記収納室から精製室に新たな原料電極を搬出すると共に、既に精製室に搬送され通電加熱を行った新たな原料電極を製造室内に搬入させるよう前記搬送機構を制御している。
【００３０】
なお、本発明では、前記製造室内にて前記原料電極と前記対極となる炭素電極との間に電力を供給する電力供給源と、前記精製室に設けられた加熱手段に電力を供給する電力供給源とが独立した別個の電力供給設備であることを特徴としている。
【００３１】
そして、本発明では、上記のフラーレン類の製造装置に関し、前記製造室には製造されたフラーレン類を吸引回収する回収手段が原料電極と対極となる炭素電極との間で発生させたアークの近傍に設けられている。
【００３２】
さらに、前記製造室の下部に、落下したフラーレン類を回収する第２回収手段を設けるとなお良い。
【００３３】
また、本発明では、上記の課題を解決するため、第２に、以上のフラーレン類の製造装置を使用してフラーレン類を製造する製造方法であって、前記原料電極として、多孔質構造を有する炭素棒を使用するフラーレン類の製造方法を採用した。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、フラーレン類の製造室とは別に原料炭素電極棒の精製室を設けて、アーク放電直前に原料炭素電極棒の精製を行うため、吸湿等による収率の低下を防ぎフラーレン類の製造収率を大幅に向上させることができる。また、製造室より精製室の圧力を僅かに低く保ち、精製時に発生する不純物となる揮発性ガスを運ぶ不活性ガスを供給して、真空排気装置により排気することで、原料炭素電極棒の精製をアーク放電と同時に行っても製造室への汚染はない。
【００３５】
また、原料炭素電極棒の収納室と精製室の間に開閉自在なシャッター機構を設けることにより原料炭素電極棒の精製処理およびアーク放電を停止することなく原料炭素電極棒を繰り返し収納室へ収納することが可能である。
【００３６】
更に、搬送機構を設けることにより原料炭素電極棒は、収納室から精製室、更に精製室から製造室へと順次自動的に搬送することができる。
その上、原料炭素電極棒の電極ターミナルである把持部とアーク放電面との距離をほぼ一定に保つことで、原料炭素電極棒の消耗による電気抵抗値の変化が生じず、また、アーク放電面側の末端近傍を把持して給電するため原料炭素電極棒の折損も防止できる。
【００３７】
この他にも、製造されたフラーレン類を含む煤は、外気に触れることなくアークの近傍および製造室の下方の二箇所から回収されることにより、不安定なフラーレン類の崩壊を防ぐことも出来、又、この煤は、製造室内へ留まることなく回収され高収率でフラーレン類を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３９】
図１は、フラーレン類を製造するための製造装置Ｄを模型的に示したものである。図１に示す製造装置Ｄの左側は、原料炭素電極棒１の搬送方向の上流側にあたり、これに対して、この図１の製造装置Ｄの右側は、原料炭素電極棒１の搬送方向の下流側にあたる。原料炭素電極棒１は、上流側の収納室１０から下流側の製造室８０へと順次搬送される。
【００４０】
なお、この製造装置Ｄにより製造されるフラーレン類とは、アーク放電法で製造した炭素原子が籠状もしくは球殻状に結合した構造体を意味し、これらの構造体の炭素数が異なる種々のフラーレン類、金属内包フラーレン類などを含有する。
【００４１】
この図１に示すように、製造装置Ｄは三つの部屋に分かれており、図１の左側に位置し、複数の原料炭素電極棒１がストックされる収納室１０と、図１の右側に位置し、原料炭素電極棒１と対極となる炭素電極である耐熱性のグラファイト電極２との間でアーク放電を行わせてフラーレン類を製造する製造室８０とが設けられている。さらに、これら収納室１０と製造室８０との間には、原料炭素電極棒１を通電加熱して不純物等を除去する精製室５０が設けられている。
【００４２】
各室は、それぞれ仕切壁１２，７５により仕切られており、これら仕切壁１２，７５には隣接する相互の部屋を連絡させている連絡路１３，７６がそれぞれ形成されている。そして、収納室１０と精製室５０との仕切壁１２に形成された連絡路１３には、当該連絡路１３を自在に開閉させるシャッター１４が設けられている。これに対し、精製室５０と製造室８０との仕切壁７５には、連絡路７６のみが形成され、このようなシャッターは設けられておらず、常に連通されている。
【００４３】
また、この製造装置Ｄは、上流側の収納室１０に収納された原料炭素電極棒１を収納室１０から下流側の精製室５０、並びに精製室５０から下流側の製造室８０へと搬送させる搬送機構４０を備えている。収納室１０に収納された複数の原料炭素電極棒１は、この搬送機構４０によって、１本ずつ収納室１０から精製室５０へ送り込まれ、精製室５０で通電による加熱精製処理された後に製造室８０へと順次送り込まれる。
【００４４】
収納室１０、精製室５０及び製造室８０の３室とも、室内にヘリウムガス等不活性ガスを供給する図示しないガス供給源に接続されているガス供給ノズル５ａ、５ｂ及び５ｃにより、不活性ガスがそれぞれ供給されている。又、真空排気装置６ａ、６ｂ及び６ｃが、それぞれ各室に接続されている。なお、真空排気装置６ｂと６ｃには、圧力を調節するバルブである圧力コントロールバルブ７が接続されており、このバルブの設定によって室内の圧力を適切に制御している。なお、製造室８０の真空排気装置６ｃは、後に詳細を説明するバグフィルタ１４５を介して接続されている。このように、ガス供給ノズル５ａ、５ｂ、５ｃによって不活性ガスが供給され、又、真空排気装置６ａ、６ｂ、６ｃによって真空排気を行っているため、各室内は、適切な圧力の不活性ガス雰囲気とされる。
【００４５】
また、精製室５０と製造室８０には、相互に独立した電力を供給する給電装置１２０，１３０がそれぞれ個別に接続されている。精製室５０に接続された給電装置１２０は、精製室５０に搬入された原料炭素電極棒１を加熱する際に使用される加熱用給電装置１２０である。この加熱用給電装置１２０は、原料炭素電極棒１に荷電して、通電加熱を行う際に使用する。一方、製造室８０に接続された給電装置１３０は、製造室８０内に配される原料炭素電極棒１とグラファイト電極２との間に荷電し、両極間にアークを発生させるためのアーク用給電装置１３０である。このアーク用給電装置１３０は、後に詳細を説明するように、原料炭素電極棒１とグラファイト電極２の陽極と陰極の極性を自在に転換できるように構成されている。このように、相互に独立した給電装置１２０，１３０を設けることで、精製室５０で行う通電加熱による原料炭素電極棒１の精製と、製造室８０で行われるアーク放電とを同時並行で行うことが可能となりフラーレン類の製造をより効率的に行うことができる。
【００４６】
そして、製造室８０には、製造されたフラーレン類を吸引回収する回収手段として真空排気装置６ｃと繋がっている吸引口１４１と吸引導管１４２とバグフィルタ１４５とからなる回収装置１４０が製造室８０の上部から接続されていると共に、第２回収手段としての回収器１５０が製造室８０の下部から接続されている。
【００４７】
次に、この製造装置Ｄの各部について詳細を順に説明する。
【００４８】
このフラーレン類の製造に使用される原料炭素電極棒１は、ピッチコークスや炭素質粉末等と結合剤として例えばフェノール樹脂等を加えて不活性雰囲気下で焼成することで得られる。結合剤は、焼成処理時に炭化しフラーレン類製造用炭素源として利用できる。原料炭素電極棒１の断面形状は多角形、円形のいずれでも良い。もっとも、断面が正方形であればその１辺が約１０ｍｍ以上、また、円形であれば直径が約１０ｍｍ以上あると好ましい。一方、原料炭素電極棒１の長さは、装置規模にも依存するが、材質および構造上消耗し易く設計してあるので２００ｍｍ以上の長さであることが好ましい。
【００４９】
原料炭素電極棒１には、焼成処理時に結合剤の脱ガスにより揮発分が除去されて図２に示すように微細な空洞であるポア１ａがその内部に均一に複数散在するポーラス構造が形成される。焼成温度は、脱ガスと焼結とを目的としグラファイト化が進行しない約１２００℃の温度で焼成処理することが重要である。ただし、より高温である２５００℃で焼成処理するとグラファイトとなり、炭素源の昇華効率が落ちてフラーレン類製造用原料としては適さない。
【００５０】
原料炭素電極棒１の表面は、図３に示すようにポーラス構造に起因して複数の突起部１ｂが形成され、電子がアーク放電面に平均的に降着する為の突針としての役割を果たす。このように内部まで均一に複数散在するポーラス構造を有することによって原料炭素電極棒１から炭素が昇華していくに従って新たな突起部１ｂが次々に現れる構造となっている。この結果、原料炭素電極棒１は、表面の滑らかな原料炭素電極棒１と比してアークが安定化され、原料炭素電極棒１はそのアーク先端の断面積の全体にわたって均等に消耗することが可能となる。
【００５１】
尚、金属内包フラーレン類を製造する場合には、高純度の金属もしくは金属酸化物、金属炭化物等の金属化合物を予め原料炭素電極棒１に含有させておけばよい。例えば、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｌｕ等、ＩＩＩａ族の元素の金属又は金属化合物を原料炭素電極棒１の製造時に混入させる。混入させる金属及び金属化合物は、単体で用いてもよく二種類以上を同時に原料炭素電極棒１の製造時に混合してもよい。
【００５２】
原料炭素電極棒１の強度としては、アーク放電に耐えうる強度を有すればよく、ＪＩＳＲ７２２２による抗折力試験でスパン８０ｍｍにおいて、１００Ｎ／ｃｍ2以上が確保できれば良い。原料炭素電極棒１の嵩密度は、ポーラス構造及び含有する金属又は金属化合物の量に応じて異なるが１．２〜１．８程度であれば良い。又、原料炭素電極棒１に内部まで均一に複数散在するポーラス構造を多量に含むと、この原料炭素電極棒１の強度が低下する問題が生じるが、後に詳細を説明する原料炭素電極棒把持手段９０によって原料炭素電極棒１は、アーク放電に必要な長さだけ中空挿入部９２から突出され、残りの部分が中空挿入部９２によって保護されるため、原料炭素電極棒１の折損が効果的に回避される。
【００５３】
最初に、収納室について説明をする。
【００５４】
図１に示すとおり、原料炭素電極棒１が収納される収納室１０は、精製室５０と隣接して設けられている。この精製室とは逆方向の図１における収納室１０の左端部には、原料炭素電極棒１を搬送するための搬送機構４０が設けられている。この搬送機構４０は、図６に示すように第１搬送手段４０Ａと第２搬送手段４０Ｂとから構成されている。第１搬送手段４０Ａと第２搬送手段４０Ｂとは、並列に配置されており、第１搬送手段４０Ａは、収納室１０から精製室５０へ原料炭素電極棒１を搬送するためのものであり、第２搬送手段４０Ｂは、精製室５０から製造室８０へ原料炭素電極棒１を搬送するためのものである。
【００５５】
なお、上述したように、収納室１０にはこの他に、その室内にヘリウムガス等の不活性ガスを供給するガス供給ノズル５ａが設けられると共に、室内のガスを排気する真空排気装置６ａが接続されている。
【００５６】
そして、収納室１０の内部には、図４に示すように、原料炭素電極棒１を収納する複数の収納部２１が縦横に形成された収納ラック２０が配置されている。この収納ラック２０は、原料炭素電極棒１が搬送される方向に向けて原料炭素電極棒１の軸方向を一致せしめて各収納部２１に原料炭素電極棒１を収納できるように設置されている。なお、収納ラック２０の各収納部２１は、搬送方向の両端がそれぞれ開放されている。
【００５７】
さらに、収納室１０には、原料炭素電極棒１の軸方向に対し、収納ラック２０を収納室１０の内部にて上下左右に移動させるラック移動機構３０および３５が収納室１０の下方及び側方にそれぞれ設けられている。収納ラック２０の下方に配されたラック移動機構３０は、収納ラック２０を上下に移動させるものであり、収納室１０の底面に設けられたガスの気密を保つためのガスシールド３１と、このガスシールド３１の内部を上下に摺動するプッシュロッド３２と、プッシュロッド３２を上下に移動させる駆動部３３が設けられている。更に、プッシュロッド３２の上端には、収納ラック２０を下から支持する支持板３４が設けられている。一方、収納ラック２０の側方に配されたラック移動機構３５は、収納ラック２０を左右に水平移動させるものであり、同様に、収納室１０の壁面に設けられたガスシールド３６と、このガスシールド３６の内部をこの図４の左右に摺動するプッシュロッド３７と、プッシュロッド３７を左右に移動させる駆動部３８が設けられている。そして、プッシュロッド３７の先端には、収納ラック２０の側壁にプッシュロッドを接続する接続板３９が設けられている。
【００５８】
この二つのラック移動機構３０および３５の作動は、コンピュータＣによる位置を決める制御がされており、複数の収納部２１の中から、これから搬出させようとする原料炭素電極棒１の収納された収納ラック２０の収納部２１と第１搬送手段４０Ａのプッシャロッド４１の先端面とが互いに向き合う位置に順次移動させている。
【００５９】
この収納室１０から精製室５０へ原料炭素電極棒１を搬送する第１搬送手段４０Ａは、原料炭素電極棒１の軸方向に延びて収納室１０をプッシュロッド４１と、プッシュロッド４１を支持する支持部４２と、このプッシュロッド４１をその軸方向に前進後退させる駆動部４３とを備えている。プッシュロッド４１は、収納室１０の内部に挿入されており、前進させることにより、この収納室１０を貫通して隣接する精製室５０に到達するよう構成されている。
【００６０】
かかる第１搬送手段４０Ａは、次のようにして収納ラック２０に収納された原料炭素電極棒１を収納室１０から精製室５０に移動させる。まず、プッシュロッド４１を収納ラック２０の前面側に後退させておおく。次いで、前述のラック移動機構３０，３５により搬出させようとする原料炭素電極棒１の収納された収納部２１をプッシュロッド４１の先端面に対向する位置に移動させる。そして、第１搬送手段４０Ａの駆動部４３を作動させ、プッシュロッド４１を前進させる。これにより、収納部２１に収納された原料炭素電極棒１は、精製室５０に向けて収納ラック２０から押し出される。そして、プッシュロッド４１の前進に伴って、収納室１０と精製室５０とを仕切る仕切壁１２に形成された連絡路１３を通り、原料炭素電極棒１は、収納室１０から精製室５０へ搬送される。その後、プッシュロッド４１は駆動部４３によって、後退され、再びその先端が収納ラック２０の前面側に位置させる。収納ラック２０に複数収納された原料炭素電極棒１は、収納部２１毎にこの操作が繰り返されることで、順次収納室１０から精製室５０へ搬送される。
【００６１】
ここで、収納室１０と精製室５０とを連絡する連絡路１３を開閉するシャッター１４の機能について説明する。収納ラック２０に原料炭素電極棒１を再装填する際にシャッター１４で連絡路１３を閉鎖することで、収納室１０のみを大気に開放することが可能となる。再装填後、ガス供給ノズル５ａから収納室１０内にヘリウムガス等の不活性ガスを充填すると共に、真空排気装置６ａによって精製室５０と同じガス雰囲気と圧力にして、再度シャッター１４を開放することで、再び収納室１０から精製室５０への原料炭素電極棒１の搬送が可能となる。加えて、原料炭素電極棒１の再装填中であっても、シャッター１４で連絡路を閉じておけば、精製室５０で行われている加熱精製処理及び製造室８０で行われているアーク放電を中断する必要がない。この結果、フラーレン類の効率的な連続製造が可能となる。
【００６２】
次に精製室５０について説明する。
【００６３】
精製室５０は、アーク放電直前に、原料炭素電極棒１に対して加熱精製処理を行う場所である。ここでいう精製とは、原料炭素電極棒１に電圧を加え、通電加熱による乾燥処理を行うことである。原料炭素電極棒１は、不活性雰囲気下で焼成処理を行って製作されるが、フラーレン類の製造に使用する前に、大気に触れさせてしまうと吸湿する問題が生じる。この状態でアーク放電による製造に使用すれば、発生する揮発性不純物の影響でフラーレン類の収率低下をもたらす。又、原料炭素電極棒１中に例えば金属酸化物を含有させた場合、吸湿によって金属水酸化物となり金属酸化物の純度の低下によって、フラーレン類の収率が低下してしまう問題も生じる。フラーレン類の高収率化のためには、アーク放電前に再度、原料炭素電極棒１を焼成直後の純度の高い状態に戻す必要がある。
【００６４】
図５は、精製室５０の内部を示している。
【００６５】
この精製室５０は、収納室１０と同様にボックス状に形成されており、その内部は、製造室８０より僅かに約１〜２Ｔｏｒｒ低く圧力制御されたヘリウムガス等の不活性ガスで満たされている。製造室８０に接続された真空排気装置６ｃ及び精製室５０に接続された真空排気装置６ｂにそれぞれ接続されている圧力コントロールバルブ７により、製造室８０の圧力と、精製室５０の圧力がこのように設定される。
【００６６】
不活性ガスを供給するガス供給ノズル５ｂは、図１に示すように精製室５０内において、下流側の製造室８０側に設けられ、又、真空排気装置６ｂは、逆方向の上流側の収納室１０側に設けられており、精製室５０内の製造室８０近傍のガス供給ノズル５ｂから供給された不活性ガスの流れは、製造室８０近傍から上流の収納室１０近傍側へと流れることとなる。加熱精製の際に精製室５０内で発生した揮発性不純物は、この不活性ガスの流れにのって下流側の製造室８０近傍から上流側の収納室１０近傍側へと流れ真空排気装置６ｂによって精製室５０の外に排出される。この為、加熱精製の際に発生する揮発性不純物による製造室８０の汚染がない。
【００６７】
精製室５０の内部には、この図５に示すように、収納室１０から搬入された原料炭素電極棒１を一時的に待機させておく待機位置５１、中央には、原料炭素電極棒１を通電加熱する加熱位置５２、そして、通電加熱後の原料炭素電極棒１を製造室８０へと送り出すための搬出位置５３とに区分けされている。また、この精製室５０の内部には、加熱位置５２と搬出位置５３との間に、両位置を開放・閉鎖せしめるシャッター５５が設けられている。
【００６８】
また、精製室５０には、その内部の原料炭素電極棒１を、待機位置５１から加熱位置５２へと移動させ、更に加熱位置５２から搬出位置５３へと移動させる移動装置６０が設けられている。この移動装置６０は、精製室５０の壁面に設けられたガスの気密を保つためのガスシール６１と、このガスシール６１の内部を摺動可能に設けられ、ガスシール６１から室内に挿入されたプッシュロッド６２と、プッシュロッド６２をその軸方向に前進後退せしめる図示しない駆動部とを備えている。この移動装置６０は、プッシュロッド６２の先端面で原料炭素電極棒１を側方から押し出して、原料炭素電極棒１を待機位置５１から加熱位置５２、加熱位置５２から搬出位置５３へと移動させる。
【００６９】
そして、この精製室５０には、その中央に配された加熱位置５２に、搬送された原料炭素電極棒１を通電加熱するための通電機構７０が設けられている。この通電機構７０は、上下に昇降する端子体７１を具備し、この端子体７１には、原料炭素電極棒１の軸方向の両端部に接触させる一対の端子７２が取り付けられている。そして、この通電機構７０の端子体７１に上述した加熱用給電装置１２０が接続され、加熱用給電装置１２０からこの端子体７１を介して原料炭素電極棒１に流される。
【００７０】
以上のように構成された精製室５０によれば、収納室１０から搬入された原料炭素電極棒１は、待機位置５１のテーブル５１Ａに一旦載せられる。次いで、移動装置６０のプッシュロッド６２の前進によって中央に押し出され、加熱位置５２のテーブル５２Ａに載せられる。ここで移動装置６０のプッシュロッド６２は一旦後退される。次いで、シャッター１４が下ろされて、加熱位置５２と搬出位置５３とが遮断される。また、通電機構７０の端子体７１が降ろされて、原料炭素電極棒１と端子体７１の端子７２とが接触される。この時、端子体７１が一定の力で原料炭素電極棒１をテーブル５２Ａに向けて押圧される。
【００７１】
その後、この通電機構７０に接続された給電装置から原料炭素電極棒１に電流が通電されて約１，０００℃に加熱される。通電は３０分程度行われ、原料炭素電極棒１の精製が終了する。運転中、精製室５０の圧力は、製造室８０より約１〜２Ｔｏｒｒ低く常に圧力制御されており、又、精製室内に供給される不活性ガスによって、加熱により発生した不純物である揮発成分が製造室８０へ侵入することを防いでいる。
【００７２】
加熱処理が終了すると、端子体７１が上昇される。そして、移動装置６０のプッシュロッド６２の前進によって原料炭素電極棒１は加熱位置５２から、搬出位置５３へ移動される。なお、搬出位置５３の端縁にはストッパ５６が設けられており原料炭素電極棒１の落下が防止されている。その後、通電加熱により精製された原料炭素電極棒１は、搬送機構４０を構成する第２搬送手段４０Ｂによって製造室８０に送られる。
【００７３】
なお、かかる精製室５０では、特に、金属内包フラーレンの製造に使用される原料炭素電極棒１中の金属化合物が水分子と結合し金属水和物となった場合の精製処理に適しており、例えば、原料炭素電極棒１の調節時に高純度の金属酸化物を含有していても、吸湿によって金属酸化物から金属水酸化物となり金属酸化物の純度が低下することによって、フラーレン類の収率が低下してしまう問題が生じるが、通電加熱による乾燥処理を行うことによって、もとの金属酸化物の状態へと戻すことができ金属内包フラーレンの収率を向上させることが可能となる。
【００７４】
原料炭素電極棒１を精製室５０から製造室８０へ搬送する第２搬送手段４０Ｂは、図６に示すように第１搬送手段４０Ａと同様に、原料炭素電極棒１の軸方向に延びるプッシュロッド４５と、プッシュロッド４５を支持する支持部４２と、このプッシュロッド４５をその軸方向に前進後退させる駆動部４６とを備えている。プッシュロッド４５は、精製室５０の内部に挿入されており、前進させることにより、精製室５０を貫通して隣接する製造室８０に到達するよう構成されている。
【００７５】
精製後、搬出位置５３の位置に置かれた原料炭素電極棒１は、かかる第２搬送手段４０Ｂのプッシュロッド４５により押し出されて、精製室５０から製造室８０へ搬送される。
【００７６】
この第２搬送手段４０Ｂには、図示しないプッシュロッド４５の移動距離を検出するためのセンサーが設置されており、プッシュロッド４５がアーク放電側へ前進した移動距離によって、製造室内でアーク放電により消耗する原料炭素電極棒１の長さ方向の消耗量を検知することが可能である。
【００７７】
このセンサーによる検知により、プッシュロッド４５のアーク放電側へ前進した移動距離が、予め設定した基準距離に達したと判断したときに、第１搬送手段４０Ａによって収納室から精製室に新たな原料炭素電極棒１を搬出すると供に、第２搬送手段４０Ｂのプッシュロッド４５は後退し、既に精製室５０で通電加熱処理の終わった新たな原料炭素電極棒１を製造室内８０に搬入させるようコンピュータＣによって制御している。
なお、上述したように、精製室５０と製造室８０とを仕切る仕切壁７５には、両室を連通している連絡路７６が設けられている。原料炭素電極棒１は、この連絡路７６を通されて、製造室８０内に搬送される。
【００７８】
そして、原料炭素電極棒１が搬入された製造室８０では、不活性ガス雰囲気中で原料炭素電極棒１と、グラファイト電極２との間でアーク放電を行ってフラーレン類が製造される。
【００７９】
この製造室８０には、図６に示すように、室内に搬入された原料炭素電極棒１を支持する原料炭素電極棒把持手段９０と、原料炭素電極棒１と対極をなすグラファイト電極２を把持するグラファイト電極把持手段１００が設けられている。これら原料炭素電極棒把持手段９０とグラファイト電極把持手段１００とは、原料炭素電極棒１とグラファイト電極２とが同一軸線上に位置されて、双方のアーク放電面が対向されるように、両電極をそれぞれ把持する。そして、これら原料炭素電極棒１及びグラファイト電極把持手段１００には、製造室８０内で、原料炭素電極棒１とグラファイト電極２との間でアーク放電させる際に使用するアーク用給電装置１３０が接続されている。この他にも、不活性ガスを製造室８０の内部に供給するためのガス供給ノズル５ｃが製造室８０の下部に接続されており、又、圧力コントロールバルブ７と繋がっている真空排気装置６ｃが接続されている。製造室８０の内部は、ヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気が形成され、５０〜２００Ｔｏｒｒの間の適正な圧力に制御された室内条件下で原料炭素電極棒１とグラファイト電極２との間でアーク放電されてフラーレン類が製造される。
【００８０】
更に、この製造室８０には、製造室８０周辺および二つの支持装置を冷却する冷却媒体を流す冷却装置（不図示）が接続されている。この他、製造装置Ｄの上段に設けた吸引口１４１と吸引導管１４２とバグフィルタ１４５とからなる回収装置１４０と下段に設けた回収器１５０が当該製造室８０の天面と底面とにそれぞれ接続されている。
【００８１】
原料炭素電極棒把持手段９０は、図６および図７に示すように筒状に形成されたステンレス製のホルダ９１が連絡路７６に対応する位置にて搬送方向にその軸方向を一致させて設けられ、その内部には、その軸方向に延びる中空挿入部９２が形成されている。そして、ホルダ９１の先端には、当該ホルダをアークの熱から保護するための耐熱対策として、例えば窒化ホウ素等の耐熱材料からなる保護板９６が、取り付けられている。又、ホルダ９１と保護板９６の間には、例えばアルミナ繊維等の断熱材からなる断熱板９７が取り付けられている。このような耐熱対策を行うことで、原料炭素電極棒１のアーク放電面側の末端近傍を把持して給電することが可能となる。
【００８２】
第２搬送手段４０Ｂのプッシュロッド４５より押し出された原料炭素電極棒１は、この中空挿入部９２の内部に挿入された後、対極となるグラファイト電極２側に向けて更に、プッシュロッド４５によって少しずつ押される。このプッシュロッド４５により押される原料炭素電極棒１をグラファイト電極２側に向けて摺動させることが可能であり、かつ原料炭素電極棒１を把持することのできる把持部９３が中空挿入部９２に設けられている。
【００８３】
本実施形態にかかるフラーレン類の製造装置Ｄにおける原料炭素電極棒把持手段９０の作動には、このようなプッシュロッド４５により原料炭素電極棒把持手段９０によって把持された原料炭素電極棒１を押し出して移動させることも含まれる。
【００８４】
この把持部９３は、図７に示すように、一対のグラファイトパッド９４とスプリング９５とを具備し、スプリング９５の付勢力でグラファイトパッド９４を付勢してグラファイトパッド９４の間に挿入された原料炭素電極棒１を挟み込んで、この原料炭素電極棒１の軸方向におけるアーク放電側近傍を把持している。なお、アーク用給電装置１３０の電流は、把持部９３のグラファイトパッド９８を介して原料炭素電極棒１へと通電される。
【００８５】
このように原料炭素電極棒把持手段９０は構成されているため、アーク放電による原料炭素電極棒１の消耗に伴って、第２搬送手段４０Ｂのプッシュロッド４５が原料炭素電極棒１を徐々に押し進めることを可能としている。
【００８６】
そして、原料炭素電極棒把持手段９０は、ホルダ９１をその軸を中心に回転させて、原料炭素電極棒１をホルダ９１の中心軸の回りに回転可能に構成されている。
【００８７】
一方、グラファイト電極２を支持するグラファイト電極把持手段１００は、図６に示すように、製造室８０に送り込まれた原料炭素電極棒１と同軸上に軸線が配された筒状の把持部１０１とこの把持部１０１を支持する支持体１０２とを備え、グラファイト電極２を把持部１０１の先端に把持している。把持部１０１は、製造室８０の壁面の挿入部１０５から挿入され、把持部１０１はこの挿入部１０５に対し軸方向に摺動可能、かつ、回転可能に、製造室８０の外部で支持体１０２に支持されている。即ち、このグラファイト電極把持手段１００は、支持体１０２が、前後に移動して把持部１０１を軸方向に移動させると共に、支持体１０２に内蔵された移動手段で把持部１０１を軸回りに回転させている。なお、アーク用給電装置１３０からの電流は、把持部１０１を介してグラファイト電極２へと通電される。
【００８８】
把持された耐熱性のグラファイト電極２は、そのアーク放電面はデポジットが強固に付着するように擦過処理したものを使用すると良い。この他にも、放電面を掘下げてアンカーとして機能する炭素原料を予め掘下げた放電面に付着させた電極を使用してもよい。
【００８９】
更に、この製造装置Ｄでは、原料炭素電極棒１及びグラファイト電極２の極性について、両者の間で、陽極と陰極の極性を転極可能に構成されている。原料炭素電極棒把持手段９０は、電気的にアースされており大地電圧にしている。この原料炭素電極棒把持手段９０に把持される原料炭素電極棒１は電気的に常に大地間電圧で０Ｖとなる。一方、グラファイト電極把持手段１００は、電気的に大地から絶縁されており、アーク用給電装置１３０の変圧側に接続されている。
【００９０】
原料炭素電極棒１に対して、グラファイト電極２がマイナス電圧となったときを正極とすると、ここでいう転極とは、原料炭素電極棒１に対して、グラファイト電極２がプラス電圧となる状態をいう。原料炭素電極棒把持手段９０に対して、グラファイト電極把持手段１００側の電圧をプラス電圧またはマイナス電圧に交互に切り換える転極操作を行うことにより、原料炭素電極棒１及びグラファイト電極２の極性が変換される。
【００９１】
そして、この製造室８０には、その側方に原料炭素電極棒１とグラファイト電極２との間のアークの中心点であるアークポイントＰを検知するためのカメラ１１０が設けられている。アークポイントＰが、あらかじめ決められた基準点Ｒに来るようにコンピュータＣによって原料炭素電極棒１の前進とグラファイト電極２の前進後退を制御している。この時、電極間の間隙制御は電流値一定による電圧変数制御を行っており、設定電圧による両電極間の間隙の制御を行っている。
【００９２】
以上の構成を備えた製造室８０では、フラーレン類は、電極間の距離の制御、電極相互の回転方向の位置の変化、並びに陽極と陰極の極性を交互に転換しつつ、次のようにして製造される。
【００９３】
まず、原料炭素電極棒把持手段９０では、そのホルダの中空挿入部に挿入された原料炭素電極棒１がグラファイトパッド９４により挟み込まれる。そして、原料炭素電極棒１をプッシュロッドで押し進めて原料炭素電極棒１のアーク放電面と、グラファイト電極２のアーク放電面と対向する位置に、ホルダ９１からその先端を突出させる。
【００９４】
その後、原料炭素電極棒把持手段９０では、グラファイトパッド９８から原料炭素電極棒１に荷電すると共に、グラファイト電極把持手段１００では、把持部１０１からグラファイト電極２に荷電する。これにより、両電極間にアークを発生させて、原料炭素電極棒１をフラーレン類製造用の原料として使用する。この最初の段階では、アーク放電により蒸発しやすい原料炭素電極棒１を陽極とし、耐熱性に優れたグラファイト電極２を陰極とする。
【００９５】
なお、アーク放電が進むに連れて原料炭素電極棒１は徐々に消耗されるが、消耗量に応じて、第２搬送手段４０Ｂのプッシュロッド４５の前進によって原料炭素電極棒１を徐々に押し出す。この時、アーク放電面と、原料炭素電極棒１に給電している把持部９３のグラファイトパッド９４との距離ｄ（図７参照）が常に一定に保たれる。このことにより、原料炭素電極棒１において、そのアーク放電面の位置と把持部９３のグラファイトパッド９４により把持している給電位置との間の抵抗値の大きな変化が生じない。このことは、両電極間の間隙の制御を設定電圧によって制御するのに好適である。
【００９６】
そして、原料炭素電極棒１は、アーク放電に必要な長さだけ中空挿入部９２から突出され、残りの部分が中空挿入部９２によって保護される。このため、原料炭素電極棒１の折損が効果的に回避される。
【００９７】
なお、直流アーク放電においては、フラーレン類製造用の原料として使用されなかった陽極をなす原料炭素電極棒１から昇華した炭素Ｃ等の昇華物の大部分は、陰極側のグラファイト電極２のアーク放電面にデポジットとして堆積する。金属内包フラーレン類の製造に使用される金属化合物入りの原料炭素電極棒１では、昇華した炭素以外にグラファイト電極２のアーク放電面に金属炭化物が堆積する。
【００９８】
アーク放電が進むにつれ、陽極をなす原料炭素電極棒１の消耗とグラファイト電極２に堆積するデポジットによって、電極間の間隙が変化する問題が生じる。この為、アーク放電中の電極間の間隙制御は電流値一定による電圧変数制御を行い、更に設定電圧による両電極間の間隙の制御を行っている。グラファイト電極２にデポジットが堆積して成長すると、アークの中心点であるアークポイントＰが原料炭素電極棒１側に移動する。カメラ１１０の画像解析よりその移動したアークポイントＰを求め、グラファイト電極２の前進および後退を行う。このグラファイト電極２の予め設定されている所定移動量で自動的に転極を行っている。転極は自動的に極めて短時間で行われるので極間距離を変える事無く、荷電と同時に放電を開始し、アーク放電の自動制御を継続する事が可能である。
【００９９】
具体的には、陽極側の原料炭素電極棒１と対向するグラファイト電極２の中間点をアーク放電のアークポイントＰとする。このアークポイントＰは、カメラ１１０のＩＴＶ画像の画像解析により、両極間の間隙の中間点として検出されたポイントである。あらかじめアークポイントＰの基準点Ｒを設定しておき、そして、アークポイントＰが予め設定された基準点Ｒより陽極側に在る場合は、アークポイントＰが基準点Ｒに来るまで原料炭素電極棒１を押し出す。押し出すことにより極間距離が狭くなり荷電圧が変化することになる。この電圧はモニターされており、モニターした電圧の値が設定値より低い場合にはグラファイト電極２を後退させ、又、反対に高い場合にはグラファイト電極２を前進させ、電圧を設定値に保つ。このように常に設定値に保つよう制御することで両極間の間隙を一定に制御することができる。
【０１００】
互いに対向する陽極電極のアーク放電面と陰極電極のアーク放電面の間で起こるアーク放電は、陽極電極のアーク放電面全体で均等に電子ｅ-の降着が行われ、陰極電極のアーク放電面全体で均等にＣ+イオン等のデポジットの付着が行われると、安定したアーク状態となる。陽極電極のアーク放電面と陰極電極のアーク放電面の一部分同士で集中してアーク放電が生じると、陽極電極では、アーク放電面の一部分でのみ電子ｅ-の降着が起こる。陽極電極のアーク放電面と陰極電極のアーク放電面の相対位置が固定されている場合、一旦、アーク放電面の一部分でのみ電子ｅ-の降着が起こると、電子ｅ-の降着部分のみ温度が上昇し、熱による炭素Ｃ等の昇華に伴う陽極電極の消耗は電子ｅ-の降着部分に集中し、アーク放電面全体にわたって均等に消耗されなくなる。また、対向する陰極電極のアーク放電面へのＣ+イオン等のデポジットの付着も一部分に集中することとなる。
【０１０１】
このように、一部分のみが集中的に攻撃されると、原料炭素電極棒１は、その攻撃された部分のみが消耗してしまう。他方、グラファイト電極２では、この集中的に攻撃された原料炭素電極棒１と向かい合うグラファイト電極２のアーク放電面でのみ、偏ってデポジットの成長が生じる。かかる不都合を防止するために、原料炭素電極棒把持手段９０及びグラファイト電極把持手段１００を軸回りに回転せしめ、回転方向に関し、両電極のアーク放電面の相対位置を変化させている。これにより、アーク放電面の全体についてまんべんなくアーク放電が発生し、一部分のみが集中して消耗したり、一部分にデポジットが堆積したりすることを阻止する。
【０１０２】
なお、回転方向の相対移動について、この実施形態にかかる製造装置Ｄでは、原料炭素電極棒把持手段９０及びグラファイト電極把持手段１００に回転手段を設けて双方を逆向きに回転させているが、いずれか一方に設けて、一方のみを回転させて相対位置を変化させることを妨げるものではない。
【０１０３】
以上のように、この製造装置Ｄでは、原料炭素電極棒の消耗量に相当する逐次押出と電極棒の回転、及びグラファイト電極の前進後退と回転により、陽極陰極間の間隙制御、陽極陰極の放電相対面位置の移動を行うことにより、安定したアーク放電を可能にして効率よくフラーレン類を製造している。
【０１０４】
なお、グラファイト電極２のアーク放電面に堆積されるデポジットは、一旦、グラファイト電極２上に堆積した後は、両電極の陽極と陰極が固定されている場合には、フラーレン類の製造用の原料として使用できず、フラーレン類の生成効率は低いものとなる。更に、このＣ+イオン等の付着により生じたデポジットは昇華しやすく、成分は、炭素又は金属炭化物であり、原料炭素電極棒１と同様、又はそれ以上に、フラーレン類を製造する為の好適な原料となる。
【０１０５】
この点に着目して、製造装置Ｄでは、所定量のデポジットが堆積した時にアーク用給電装置１３０を転極させて、炭素電極の給電極性を反転させ、陰極から陽極に変換した際に、グラファイト電極２上に堆積したデポジットを、再び昇華させてフラーレン類製造用の炭素源として利用できるようにしている。
【０１０６】
この転極の制御について図８を参照しながら以下で説明する。
【０１０７】
図８（ａ）に示すように陽極側の原料炭素電極棒１と陰極側のグラファイト電極２との両電極間で両極間の間隙Ｌを一定に保ちながらアーク放電を行うと、（ｂ）に示すように、原料炭素電極棒１は、徐々に消費される。フラーレン類の製造原料として使用されなかった昇華した炭素等は、対向する陰極側のグラファイト電極２へ付着してデポジット２Ａとなる。付着したデポジット２Ａの嵩密度は、陽極側の原料炭素電極棒１に比して小さいため、昇華による陽極電極の長さ方向の減少よりもデポジット２Ａによるグラファイト電極２の長さ方向の成長の方が大きくなる。この結果、原料炭素電極棒１とグラファイト電極２との間のアークの中心点であるアークポイントＰは、堆積したデポジットの増加するにしたがって、あらかじめ設定された基準点Ｒから陽極側へと両極間の間隙Ｌを保ちながら少しずつ移動してくる。（ｃ）に示したように、陽極側へと移動したアークポイントＰを基準点Ｒに合わせるためには、陽極側の原料炭素電極棒１を陰極側へと押し出す必要がある。この押し出す操作により両極間の極間距離が狭くなり荷電圧が変化し電圧が設定値より低くなる為、（ｄ）に示すように、グラファイト電極２を後退させて電圧を設定値に保つ。このように電圧の設定値を保つよう制御することで両極間の間隙Ｌは一定の距離に保たれる。
【０１０８】
そして、アーク放電中、昇華による陽極電極の減少よりもデポジット２Ａによるグラファイト電極２の成長が大きい為、グラファイト電極２は少しずつ後退する。（ｅ）に示すようにこのグラファイト電極２の後退距離が、予め設定された設定値Ｃ２に達したと判断した時、自動的に転極を行う。なお、デポジット２Ａの堆積量と後退距離の設定値Ｃ２とは比例関係にあることから、デポジット２Ａの堆積量とグラファイト電極２の後退位置との関係を予め求めておき、後退距離の設定値Ｃ２を制御することで、グラファイト電極上に任意の量のデポジット２Ａを堆積させることが可能であり、このようにして、デポジット２Ａ付着量を制御することも出来る。転極は自動的に極めて短時間で行われるので極間距離を変える事無く、荷電と同時に放電を開始し、アーク放電の自動制御を継続する事が可能である。この転極により、次にデポジット２Ａを原料としてフラーレン類を製造する。
【０１０９】
そして、デポジット２Ａが消費され、（ａ）に示した前進距離の設定値Ｃ１まで移動した時点で再び転極させる。この再び行った転極により今度は、原料炭素電極棒１側に堆積したデポジット２Ａと原料炭素電極棒１自体がフラーレン類製造用の原料として使用されることとなる。この場合においても、両極間の間隙Ｌが制御され、両電極が回転されてアーク放電が行われる。なお、このグラファイト電極２の移動距離を検知するための手段としては、グラファイト電極把持手段の移動距離を検知するセンサー等を設置して検知することができる。
【０１１０】
このように、転極はアーク放電を好適に行い、しかも、デポジットをフラーレン類製造用の原料とすることで、効率よくフラーレン類を製造させている。そして、アーク放電によるフラーレン類の連続製造の終了時まで転極による両極間の極性の転換を継続させることで、フラーレン類の生成効率をより向上させている。
【０１１１】
以上のようにして製造されたフラーレン類は、以下に説明する回収装置１４０及び回収器１５０で捕集される。
【０１１２】
不活性ガス存在下、アーク放電によるフラーレン類の製造が実施されている間、製造室８０の上方から回収装置１４０により製造された質量の軽い浮遊したフラーレン類を含む煤を、不活性ガスと供に順次吸引回収する。吸引口１４１はアークの上部近傍に位置するため、浮遊したフラーレン類を含む煤は、吸引口１４１から製造室８０内に四散する前に効率よく吸引される。なお、吸引口１４１は耐熱性金属を使用することで高温となるアークの上部近傍まで接近させることができる。
【０１１３】
そして、吸引口１４１から吸引されたフラーレン類を含む煤は、吸引口１４１と吸引導管１４２で接続されたバグフィルタ１４５で回収され、このバグフィルタ１４５の下側のフラーレン類回収容器に集められる。このフラーレン類回収容器には、予めフラーレン類が溶解可能な溶液等を加えておけば、溶液中にフラーレン類を回収することも可能である。
【０１１４】
一方、回収装置１４０で回収されなかった一部のフラーレン類を含む煤は、製造室８０の底面に接続された回収器１５０により回収される。
【０１１５】
かかる回収方法によれば、製造室８０を大気に開放させて製造室８０内部に付着したフラーレン類を含む煤を回収する必要がないため、大気中において不安定なフラーレン類の収率低下は生じない。また、連続製造を行っても、発生する煤を順次回収できるため、製造室８０内に煤が堆積することがなく、製造室８０内に堆積する煤の回収の為にアーク放電を一旦停止する必要がない。
【０１１６】
なお、バグフィルタ１４５により回収されたフラーレンを含む煤は、ソックスレー抽出、液体クロマトグラフィー等公知の方法を用いて分離、精製を行うことにより所望のフラーレン類が製造される。
【０１１７】
以上のようにして、収納室１０から製造室８０へ搬送された１つの原料炭素電極棒１が消費されると、次の原料炭素電極棒１が製造室８０に搬入される。なお、製造室８０においてアーク放電を行って、フラーレン類を製造している最中に、次の原料炭素電極棒１は、予め精製室５０まで搬送され、精製の工程が終了されている。製造室８０に搬入される原料炭素電極棒１は、精製室５０精製され搬送位置５３で待機していたものである。かかる工程が繰り返し行われて収納ラック２０に収納された原料炭素電極棒１が順次製造室８０まで搬送されてフラーレン類が製造される。
【０１１８】
収納ラック２０に収納した全ての原料炭素電極棒１がすべて消費されると、シャッター１４を閉じて収納室１０を大気に開放し、空の収納ラック２０に原料炭素電極棒１を再装填する。そして、再装填が終了すると、室内を不活性ガス減圧下に調節しシャッター１４を開けて収納室１０に新たにストックされた原料炭素電極棒１を精製室５０へと送り出し、同様の工程を経てフラーレン類が製造される。即ち、収納室１０にストックされた原料炭素電極棒１について、以上の工程が繰り返し行われることで、フラーレン類が連続して製造される。
【０１１９】
なお、以上の実施形態においては、グラファイト電極把持手段１００のみが、電極を後退させる機能を備えた場合を説明したが、原料炭素電極棒把持手段９０にも電極を後退させる機能を具備させても構わない。
【実施例】
【０１２０】
以下本発明にかかるフラーレン類の製造装置および製造方法を用いた金属内包フラーレンの連続製造についての一実施例を記述する。
【０１２１】
［実施例１］
図１のフラーレン製造装置Ｄにおいて、製造条件として、アーク用給電装置１３０は、転極可能な電源として直流電源を用い、電流１０００Ａ、電圧１０〜１２Ｖとなるよう設定した。製造室のヘリウム圧は、５０Ｔｏｒｒとした。多孔性の原料炭素電極として、酸化ランタンを２ｍｏｌ％含有した電極棒（２５ｍｍ角、長さ３００ｍｍ）を用い、この原料炭素電極を収納ラックに装填した。精製室にて精製処理を行った原料炭素電極を連続して対極となるグラファイト電極側に供給しアーク放電を行った。アーク放電により発生した金属内包フラーレンを含有する煤を回収装置１４０と回収器１５０でそれぞれ回収した。煤の生成量は、一時間あたり３０ｇであった。得られた煤は、ソックスレー抽出による精製処理によって、目的とする金属内包フラーレンを一時間あたり１５００ｐｐｍ得ることができた。
【０１２２】
［比較例１］
図１のフラーレン製造装置Ｄにおいて、精製室にて通電加熱による精製処理を実行しなかった以外は、実施例１と同様な条件でアーク放電による金属内包フラーレンの製造を連続して行った。精製処理を行わなかった原料炭素電極を用いた時の煤の生成量は、一時間あたり３０ｇであった。得られた煤は、ソックスレー抽出による精製処理によって、目的とする金属内包フラーレンを一時間あたり５００ｐｐｍ得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の一実施形態にかかるフラーレン類の製造装置の模式図。
【図２】原料炭素電極棒の一部を示す斜視図。
【図３】原料炭素電極棒の先端を模式的に示す図。
【図４】収納室の内部構造を示す側面図。
【図５】精製室の内部構造を示す側面図。
【図６】製造室内を可視できるよう一部を切り欠いたフラーレン類の製造装置の平面図。
【図７】原料炭素電極棒把持手段のホルダ内を示すホルダの縦断面図。
【図８】電極同士の位置関係を示す図。
【符号の説明】
【０１２４】
Ｄ・・・・・・・フラーレン類の製造装置
１・・・・・・・原料炭素電極棒
２・・・・・・・グラファイト電極
５ａ・・・・・・ガス供給ノズル（収納室）
５ｂ・・・・・・ガス供給ノズル（精製室）
５ｃ・・・・・・ガス供給ノズル（製造室）
６ａ・・・・・・真空排気装置（収納室）
６ｂ・・・・・・真空排気装置（精製室）
６ｃ・・・・・・真空排気装置（製造室）
７・・・・・・・圧力コントロールバルブ
１０・・・・・・収納室
１３・・・・・・連絡路
１４・・・・・・シャッター
２０・・・・・・収納ラック
４０・・・・・・搬送機構
４０Ａ・・・・・第１搬送手段
４０Ｂ・・・・・第２搬送手段
５０・・・・・・精製室
７０・・・・・・通電機構
８０・・・・・・製造室
９０・・・・・・原料炭素電極棒把持手段
１００・・・・・グラファイト電極把持手段
１１０・・・・・カメラ
１２０・・・・・加熱用給電装置
１３０・・・・・アーク用給電装置
１４０・・・・・回収装置
１５０・・・・・回収器（第２回収手段）
【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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【図７】
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【図８】
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