(57)【要約】【課題】極めて純度が高い数１０〜１００ｎｍレベルの金属微粉末を大量に安定して製造することができる金属微粉末製造装置を提供する。【解決手段】本発明の金属微粉末製造装置１は、相対する複数のノズル２，３に正負極の電圧を印加し、ノズル２，３より不活性ガスまたは還元性ガスと金属粗粉末原料を容器４内で噴出させ金属粉粗粉末原料を電極としてアーク放電を発生させ金属粗粉末を蒸発させ冷却することにより金属微粉末を製造する装置であり、ノズル２，３は容器４の内側に向かって傾斜して取り付けられ、不活性ガスまたは還元性ガスと前記金属粗粉末原料がノズル２，３から縦断面視でＶ字形に交叉するように噴出して交点でアーク放電するように構成されている。【選択図】図１
2013185172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対する複数のノズルに正負極の電圧を印加し、前記ノズルより不活性ガスまたは還元性ガスと金属粗粉末原料を容器内で噴出させ前記金属粉粗粉末原料を電極としてアーク放電を発生させ金属粗粉末を蒸発させ冷却することにより金属微粉末を製造する金属微粉末製造装置であって、複数の前記ノズルは前記容器の内側に向かって傾斜して取り付けられることにより、前記不活性ガスまたは還元性ガスと前記金属粗粉末原料が複数の前記ノズルから縦断面視でＶ字形に交叉するように噴出して交点でアーク放電するように構成されていることを特徴とする金属微粉末製造装置。
【請求項２】
前記容器には、アーク放電の発生領域を規制するためのアーク収斂用コイルが取り付けられている請求項１に記載の金属微粉末製造装置。
【請求項３】
前記アーク収斂用コイルはトロイダルコイルである請求項２に記載の金属微粉末製造装置。
【請求項４】
前記容器の上部には、アーク放電にて発生する金属蒸気を下向きのガス流を流入させて冷却するためのガス流入ポートが設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の金属微粉末製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電を用いて金属微粉末を製造する際に使用して好適な金属微粉末製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属を数１０〜１００ｎｍ位まで微粒子化すると、磁気的性質や比熱または融点などの熱的性質が固体として極めて特異な性質を示すことが知られている。
【０００３】
現在、工業的な規模で生産できる粒度は数１００ｎｍ〜数μｍと前述の１０倍程度で、その粒度の金属微粉末を得る方法は、ジェット粉砕機で不活性ガス流に原料粗粒を乗せてノズルから数１００ｍ／ｓｅｃの速度で吹き出させ衝突させて原料粗粒を粉砕して得る方法が主流であった。
【０００４】
また、数１０〜１００ｎｍの金属微粉末を得る方法としては、真空容器中に原料金属塊を配置し、これに電子ビームを照射し原料金属を蒸発、冷却させる方法やルツボ内に入れた原料金属を誘導コイル等で溶融、蒸発温度まで加熱しその金属蒸気を冷却する方法などがあるが、いずれも半導体の蒸着やスパッタリングの派生的な製法であり、蒸発金属の装置内への付着、コンタミネーションの混入、製品の収率の悪さなど実用規模には程遠いものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】引用なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の課題は、極めて純度が高い数１０〜１００ｎｍレベルの金属微粉末を大量に安定して製造することができる金属微粉末製造装置を提供することにある。
【０００７】
上記課題を解決するものは、相対する複数のノズルに正負極の電圧を印加し、前記ノズルより不活性ガスまたは還元性ガスと金属粗粉末原料を容器内で噴出させ前記金属粉粗粉末原料を電極としてアーク放電を発生させ金属粗粉末を蒸発させ冷却することにより金属微粉末を製造する金属微粉末製造装置であって、複数の前記ノズルは前記容器の内側に向かって傾斜して取り付けられることにより、前記不活性ガスまたは還元性ガスと前記金属粗粉末原料が複数の前記ノズルから縦断面視でＶ字形に噴出して交点でアーク放電するように構成されていることを特徴とする金属微粉末製造装置である。
【０００８】
前記容器には、アーク放電の発生領域を規制するためのアーク収斂用コイルが取り付けられていることが好ましい。前記アーク収斂用コイルは、トロイダルコイルであることが好ましい。前記容器の上部には、アーク放電にて発生する金属蒸気を下向きのガス流を流入させて冷却するためのガス流入ポートが設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載した金属微粉末製造装置によれば、極めて純度が高い数１０〜１００ｎｍレベルの微細な金属微粉末を大量に安定して製造することができる。
請求項２または３に記載した金属微粉末製造装置によれば、上記請求項１の効果に加え、アーク収斂用コイルの磁束によってアークを収斂させると同時にアーク位置を安定に保ち、アーク放電の領域を最適に保つことができる。
請求項４に記載した金属微粉末製造装置によれば、上記請求項１ないし３の効果に加え、アーク放電で発生した金属蒸気が下向きのガス流により冷却されるため、容器内壁への拡散付着を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の金属微粉末製造装置の一実施例を説明するための縦断面概略図である。
【図２】図１に示した金属微粉末製造装置のノズルの構造を説明するための一部断面図である。
【図３】図１に示した金属微粉末製造装置のノズルの作用を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明では、相対する複数のノズル２，３に正負極の電圧を印加し、ノズル２，３より不活性ガスまたは還元性ガスと金属粗粉末原料を容器４内で噴出させ金属粉粗粉末原料を電極としてアーク放電を発生させることにより、電極そのものが金属微粉末の物性であることで極めて純度が高い数１０〜１００ｎｍレベルの微細な金属微粉末が大量に製造される金属微粉末製造装置を実現した。
【００１２】
また、複数のノズル２，３は容器４の内側に向かって傾斜して取り付けられることにより、不活性ガスまたは還元性ガスと前記金属粗粉末原料が複数のノズル２，３から縦断面視でＶ字形に交叉するように噴出して交点でアーク放電するように構成されていることで、交点でまずアークが点弧され次第に噴出金属を消費しながら上方へアーク長が移行し、アークで消耗する噴出金属の供給量がバランスすることでアークが安定するため、極めて純度が高い数１０〜１００ｎｍレベルの微細な金属微粉末が安定して製造される金属微粉末製造装置を実現した。
【実施例１】
【００１３】
本発明の金属微粉末製造装置を図１ないし図３に示した一実施例を用いて説明する。
この実施例の金属微粉末製造装置１は、相対する複数のノズル２，３に正負極の電圧を印加し、ノズル２，３より不活性ガスまたは還元性ガスと金属粗粉末原料を容器４内で噴出させ金属粉粗粉末原料を電極としてアーク放電を発生させ金属粗粉末を蒸発させ冷却することにより金属微粉末を製造する金属微粉末製造装置であって、複数のノズル２，３は容器４の内側に向かって傾斜して取り付けられることにより、不活性ガスまたは還元性ガスと前記金属粗粉末原料が複数のノズル２，３から縦断面視でＶ字形に交叉するように噴出して交点でアーク放電するように構成されている。以下、詳述する。
【００１４】
ノズル２，３は、予め１００μｍ程度の粒度に粗粉砕された金属粗粉末原料をアルゴンガス等不活性ガスまたは水素等還元性ガスの吹き出し気流によって噴出させるためのものである。
【００１５】
ノズル２，３は、図２に示すように、中央付近の外周部に容器４に固定するためのネジ部ａを有している。ｂは絶縁碍子であり、ノズル２，３と容器４との絶縁性を担保している。ｃは微粉砕すべき金属粗粉末原料を給送するための原料給送管で通電端子ｄに電気的に接続されている。原料給送管ｃの端面はフェルールフランジで原料タンク５，６に接続されている。ｅは金属粗粉末原料をノズル２，３の先端開口ｆから噴出させるための不活性ガスまたは還元性ガスを給送するためのガス給送管である。
【００１６】
容器４は、非磁性体の材質にて形成されている。非磁性体の材質としては、例えば、石英ガラス、オーステナイト系ステンレス鋼等が好適に使用できる。
【００１７】
非磁性体素材で作られている円筒形の容器４の上部に容器４とは電気的に絶縁されたノズル２，３が縦断面視で略Ｖ字形に配置されている。具体的には、複数のノズル２，３は、図１に示すように、容器４の内側に向かってそれぞれ傾斜して取り付けられおり、不活性ガスまたは還元性ガスと金属粗粉末原料がノズル２，３から縦断面視でＶ字形に交叉するように噴出して交点でアーク放電するように構成されている。
【００１８】
このように、本発明の金属微粉末製造装置では、複数のノズルが、縦断面視で略Ｖ字形に配置されていることにより、複数のノズルを水平方向に配した場合、アーク長が金属噴流の強さのみで決まり短絡的過電流が流れてしまうことがあるところ、交点でまずアークが点弧され次第に噴出金属を消費しながら上方へアーク長が移行し、アークで消耗する噴出金属の供給量がバランスすることでアークが安定するため、極めて純度が高い数１０〜１００ｎｍレベルの微細な金属微粉末が安定して製造することができる。
【００１９】
原料タンク５，６は、微粉砕すべき金属粗粉末原料を充填するためのものであり、金属微粉末の製造に際しては、原料タンク５，６内に同一種類の金属粗粉末原料が充填される。
【００２０】
なお、ノズル２，３、容器４、原料タンク５，６，フィルターケーシング７および後述するガス流入ポート９には、金属微粉末の酸化あるいは粉塵爆発を防ぐため、またはアークによる発生熱の冷却のために不活性ガスまたは還元ガスがガス源８より供給される。
【００２１】
容器４の上部には、アーク放電にて発生する金属蒸気を下向きのガス流（不活性ガスまたは還元ガス）を流入させて冷却するためのガス流入ポート９が設けられている。これにより、アーク放電で発生した金属蒸気が下向きのガス流により冷却されるため、容器内壁への拡散付着を防止することができる。
【００２２】
容器４の外周部には、図１に示すように、アーク放電の発生領域を規制するためのアーク収斂用コイル１０が設けられている。この実施例のアーク収斂用コイルとしては、容器４に対して上下方向に移動可能なトロイダルコイルが使用されている。
【００２３】
相対するノズル２，３から噴出する金属粗粉末原料によって発生するアークプラズマは噴出する金属粗粉末原料と噴出ガス（不活性ガスまたは還元性ガス）の濃度比や噴出速度によって極めて不安定である。このため、トロイダルコイル１０は、トロイダルコイル１０の磁束（図３参照）によってアークを容器４の中央部付近に収斂させると共に、アーク位置を安定に保つように作用を奏する。
【００２４】
また、このトロイダルコイル１０は、２つの相対するノズル２，３の通電端子ｄに直列接続されていることにより、アーク放電の電流密度を常に正のフィードバックとするように作用すると共に、アークの突然の消滅を防止している。
【００２５】
このように、トロイダルコイルアーク１０はアーク放電回路と直列に接続されることにより、その磁束によりアーク位置を安定させるが、このトロイダルコイル１０に流れる電流とアーク電流の比はジャンパー抵抗器１１で調整可能に構成されている。
【００２６】
ノズル２，３には、図１に示すように、変圧器１２を介して交流電流が供給される。
この変圧器１２は漏洩磁束可動鉄芯形変圧器であり、一次巻線１２ａへの入力電圧が一定であれば二次巻線１２ｂの出力電圧も同じで、可動鉄芯１２ｃの調節により二次出力電力が変化するためアーク保持の安定性がよい。具体的には、可動鉄芯１２ｃは図１の紙面に対して垂直方向にねじ等で移動できる構造となっており、この可動鉄芯１２ｃの口の字形鉄芯１２ｄへの挿入度合いで二次巻線１２ｂに発生する電流（一次、二次共巻線数は変わらないので二次電圧は同じ。電流が増減する。）を変化（調節）させることができるように構成されている。
【００２７】
そして、変圧器１２から供給される電流は、図１に示す矢印ｉのように、トロイダルコイル１０を通り、ノズル３、アーク、ノズル２から変圧器１２へ帰還するように構成されている。
【００２８】
容器４の底部には、冷却された金属微粉末を吸い出すための吸出し管１３が設けられており、吸出し管１３は、内部にフィルター７ａを備えたフィルターケーシング７に連結されている。フィルターケーシング７内に運ばれた金属微粉末は、フィルター７ａの作用により、不活性ガスと分離され、ロータリーバルブ（回転式気密弁）１４を介して外部に排出され回収されるように構成されている。
【００２９】
１５は容器４内の残留酸素濃度を計測するための残留酸素濃度計であり、１６は還元性ガスを使用する際に水蒸気が発生することがあるため、露点を計測するための露点計である。１７はガス圧を計測するための圧力計であり、１８はガス流量計である。１９は圧力調整を行うための圧力調整器（レギュレーター）であり、２０は電磁弁である。
【００３０】
つぎに、金属微粉末製造装置１の作用（金属微粉末の製造方法）について説明する。
【００３１】
原料タンク５，６内にそれぞれ同一種類の金属粗粉末原料を充填した状態で、容器４に略Ｖ字形に設置された一対のノズル２，３に変圧器１２より電圧を印加すると共に、ノズル２，３の中心部のガス給送管ｅ、原料給送管ｃ、容器４、原料タンク５，６，フィルターケーシング７および後述するガス流入ポート（ガス流入ポート）９へ不活性ガスをガス源８より供給する。
【００３２】
これにより、ノズル２，３内の原料給送ｃに充満している金属粗粉末原料が容器４内にノズル２，３の設置角度でもってノズル２，３の先端開口ｆから噴出する。
【００３３】
相対するノズル２，３から噴出する金属粗粉末原料流は、図１または図３に示すように、Ｖ字先端部でアーク放電により電路短絡し、ここで高温により蒸発する。この時、トロイダルコイル１０は、トロイダルコイル１０の磁束（図３参照）によってアークを容器４の中央部付近に収斂させると共にアーク位置を安定に保つように作用する。
【００３４】
そして、ノズル２，３およびガス流入ポート９から容器４内に吹き込まれる不活性冷却ガスにより冷却され金属微粉末が得られる。
【００３５】
冷却された金属微粉末は容器４の底部に設けられた吸出し管１３によってフィルターケーシング７内に運ばれ、フィルター７ａにより不活性ガスと分離され、ロータリーバルブ１４を介して回収される。
【００３６】
（具体的作用）
さらに、金属微粉末製造装置１の具体的作用を、マグネシウムの製造実験例を用いて説明する。
金属原料として、金属マグネシウム（密度１．７４ｇ／ｃｃ、純度９８．５％、融点６５１℃。沸点１０９７℃、電気抵抗０℃で３．９４Ω・ｍ、９００℃→２８．７Ω・ｍ）を使用した。不活性ガスとして、アルゴンガス（密度１．７８ｋｇ／ｍ３１ａｔ）を使用した。さらに、電源として、入力：ＡＣ２２０Ｖ、６０ＨＺ単相、出力：ＡＣ１１０Ｖ（７５〜１８０Ａ）を使用した。
【００３７】
金属原料の金属マグネシウムは機械的な粉砕法により、５０〜１００μｍ程度に予備粉砕し金属粗粉末原料を作製した。具体的には、杉山重工株式会社製ロールシェーバーで太さ１００μｍ、長さ２０〜３０ｍｍのフィラメントを作製し、これを杉山重工株式会社製ベベルインパクターで５０〜１００μｍ程度のペレット状に加工して金属粗粉末原料を得た。
【００３８】
この金属粗粉末原料を図３に示した原料タンク５，６にそれぞれ充填した。原料タンク５，６、容器４、ノズル２，３、フィルターケーシング７等の内部空間を真空ポンプ（図示しない）で５〜１０Ｐａ程度の内圧まで排気した後、アルゴンガスをガス源９より供給し、内部空間を全て不活性ガス雰囲気とした。
【００３９】
つぎに、原料タンク５，６から原料給送管ｃを介してノズル２，３内へアルゴンガスおよび金属粗粉末原料の供給を開始した。また、ガス給送管ｅを介してアルゴンガスをノズル２，３内へ供給した。
【００４０】
続いて、変圧器１２よりノズル２，３に電圧を印加することで、ノズル２，３内を流れる金属粗粉末原料を印加した。
【００４１】
ノズル２，３のガス給送管ｅからアルゴンガスが供給されると、ノズル２，３の内部で噴き出したアルゴンガス気流が、原料給送管ｃより流入した金属粗粉末原料と混合され噴流となって金属粉混合気流が発生した。
【００４２】
この金属粉混合気流が、容器４内でＶ字形に噴出衝突して、この２つの金属粉混合気流は導電性を有しているため衝突部先端でアークが発生した。一般的にアークによって生ずるプラズマ温度は５０００〜３００００Ｋと言われており蒸発金属の温度は１．５×１０４Ｋに達するものと推定されている。このため、Ｖ字形に対向するノズルから噴出する金属粉は直ちに蒸発し、数ｎｍ程度の微細な粒子（金属微粉末）が作製された。
【００４３】
なお、上記操作で重要なことは、アーク放電開始の金属粉混合気流の電気抵抗、アークを安定保持するための金属粉混合気流の流速維持、アークの位置安定のための磁気回路である。さらに、ノズルに供給する原料とガスの混合比でアーク長（アーク温度）をコントロールすることができる。
【００４４】
よって、本実験における金属粉体混合気流の混合比は、以下の条件（数式１）で算出決定した。
【００４５】
【数１】
2013185172.tif 000003
【００４６】
アーク放電開始電圧を１１０Ｖとしたときのτは実験により９０が最適であることから、原料金属の処理量Ｍ＝０．５Ｋｇ／ｍｉｎを目標とした場合、計算式は以下の数式２となる。
【００４７】
【数２】
2013185172.tif 000004
【００４８】
従って、必要アルゴンガス量：Ｇｑは３．１×１０−３ｍ３／ｍｉｎであった。
一方、電気関係の実験値はアーク放電開始電圧：１１０Ｖ、アーク安定時の電圧：１６Ｖ、電流：１６０Ａであった。
【００４９】
以上が本発明の金属微粉末製造装置１の一実施例の説明であるが、本発明の金属微粉末製造装置は、金属微粉末製造装置１に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で広く包含するものである。
【００５０】
例えば、金属微粉末製造装置１は、ノズルを２つ有しているがこれに限定されるものではなく、複数のノズルであって、金属粗粉末原料を噴出するノズルの噴出方向を複数個下向きＶ字形に配置したものを広く包含するものである。なお、金属微粉末製造装置１のようにノズル２ケの場合は、単相電源によってアークを発生させるが、ノズル３ケの場合は三相電源によってアークを発生させることができ、さらに、ノズル４ケの場合は、スコットトランス結線によりアークを発生させることができる。
【００５１】
また、金属微粉末製造装置１は、金属粗粉末原料を２つの原料タンク５，６にその都度充填する、いわゆるバッチ操作方式を採用しているが、ノズルの上部にロータリーバルブ、２重ダンパー等気流封止装置を設けることにより連続操作可能としたものも本発明の範疇に包含される。
【００５２】
さらに、本発明の金属微粉末製造装置は、不活性ガスの代りに還元性ガス（水素）を使うことにより、金属微粉砕操作以外の以下の目的にも利用することができる。
【００５３】
例えば、金属粉砕法には、前述した蒸発や機械的な方法で粉砕する以外に水素脆性法という方法がある。この水素脆性法とは、金属塊を容器に入れ水素ガスを充填し、これを数１００℃に加熱すると、水素が金属の組織に入り脆性を起こし金属を粉砕する方法であり、レアアースメタルやチタニウム等の粉砕に広く用いられている。本発明をこのような水素脆性粉砕装置に利用すれば、従来の水素脆性粉砕で得られる数１００倍程の細かさの金属微粉末を得ることができる。
【００５４】
さらに、本発明の金属微粉末製造装置は、水素ガスを使用した金属の還元装置としても使用することができる。例えば、酸化タングステン（ＷＯ３）を還元する場合、従来、水素ガスを充填したレトルトに酸化タングステン（ＷＯ３）を入れ、８００〜９００℃に長時間加熱し純度の高いタングステンを得ていた。本発明の金属微粉末製造装置を還元装置として使用すれば、Ｗと強固に結び付いているＯ３は瞬時に還元されて、純度の高いタングステンを得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１        金属微粉末製造装置
２，３    ノズル
４        容器
５，６    原料タンク
７        フィルターケーシング
７ａ      フィルター
８        ガス源
９        ガス流入ポート
１０      アーク収斂用コイル
１１      ジャンパー抵抗器
１２      変圧器
１３      吸出し管
１４      ロータリーバルブ
１５      残留酸素濃度計
１６      露点計
１７      圧力計
１８      ガス流量計
１９      圧力調整器（レギュレーター）
２０      電磁弁
【図１】
2013185172.tif 000005
【図２】
2013185172.tif 000006
【図３】
2013185172.tif 000007