JP2003327422A - 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 - Google Patents

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

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JP2003327422A
JP2003327422A JP2002139381A JP2002139381A JP2003327422A JP 2003327422 A JP2003327422 A JP 2003327422A JP 2002139381 A JP2002139381 A JP 2002139381A JP 2002139381 A JP2002139381 A JP 2002139381A JP 2003327422 A JP2003327422 A JP 2003327422A
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carbon
arc
torch
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nanohorns
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Hiroshi Takigawa
浩史 滝川
Shinichi Natsume
伸一 夏目
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Abstract

(57)【要約】 【課題】アークトーチを用いて、大気中において炭素系
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。 【解決手段】炭素系素材の回転および冷却、定電流電源
の電圧をモニターしながらアークトーチを移動させて放
電距離が常に一定になる制御機能、炭素系素材の消費量
をモニターすることによる周速一定制御、および製造物
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、回収す
る装置を提供する。炭素系素材に触媒を混ぜることによ
り、供給電力の種類、すなわち直流か交流か、もしくは
それらのパルスか、また冷却効率を変えることにより、
製造物の種類を変えることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明はトーチアーク法によ
るカーボンナノチューブや、カーボンナノホーン、カー
ボンナノ材料連続製造機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】常温常圧、大気中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、発見されて間もないこともあり、ほとんどが溶接
用アークトーチを手動等で操作し、人間がアークトーチ
をコントロールしていた。炭素系素材とアークトーチと
の距離が、手のゆらぎ等で均一化されたカーボンナノチ
ューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料を、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、冷却等の問題もあり、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、炭素
系素材を冷却すること、手動ではうまくできない炭素系
素材の消耗によるアークトーチの電極間距離拡大を制御
して一定距離に保つこと、周速一定作業を制御して行う
ことである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭素系素材を
コントロールして回転させ、回転軸を水冷、軸方向や径
方向にアークトーチも移動させて、連続製造によって消
耗していく炭素系素材とトーチアークの間隔を、定電流
電源の特性を利用し炭素系素材とトーチアークの距離の
自動制御を行う。炭素系素材が消耗し径方向の大きさが
変化しても、トーチアークの電極間自動制御から信号を
もらい、径を判断し常に周速が一定とする制御を行う。
調節したアークとトーチシールドガスで、アークジェッ
トを生じさせ製造物を吹き飛ぶようにし、炭素系素材の
表面に製造付着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炭素系素材から剥離させ
る装置を不必要とする。
【0005】
【発明の実施の形態】円筒状炭素系素材を回転させると
同時に、炭素系素材がアークの熱による温度上昇を、中
空シャフトを水冷したり、アークトーチを軸方向と径方
向に制御して移動させ炭素系素材とアークトーチの電極
間距離を一定に保つと同時に、電極間距離の制御から半
径信号をもらい軸回転数の制御を行い、常に表面の周速
を一定にしながらトーチシールドガスを調節し、アーク
の周辺や延長先にアーク本体の数倍の大きさのアークジ
ェットを発生させ、炭素系素材アークジェットで吹き飛
ばしエネルギー効率を高め、長時間の連続製造を実現し
た。
【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、図4、図5、図6、図7は同一の部位を示
す。 図3は説明文の軸方向を説明している。1はアー
ク放電を発生させるアークトーチ、2は炭素系素材、3
は炭素素材を貫通している中空シャフトで水冷されてい
る、4は炭素素材に電力を供給する給電ブラシ、5は9
の水入り口から10の水冷された中空シャフトを通り炭
素素材を冷却した水の回転式冷却水出口、6はプーリー
等の炭素素材を回転する手段、7はスリップリング、8
は軸受け、9は回転式冷却用水入口で冷却水がここから
入り18の冷却水導入パイプは中空シャフト先端まで行
きその中空部分を通り5から排出される、10は中空シ
ャフト、11はアークトーチを軸方向に移動する手段、
12はアークトーチを径方向に移動する手段、13は製
造し吹き飛んだ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収集フードでカーボ
ンナノホーンやカーボンナノ材料を製造するときは、同
様な物が炭素系素材を挟むように設けてある、14は吸
引用ダクトで途中に冷却用定温冷気吹き込パイプをへて
収集手段へ接続、15は電極、16はカーボンナノホー
ンやカーボンナノ材料製造時に発生したすすを急冷する
為の冷却用定温冷気吹き込みパイプで、製造物により下
側フードや冷却用定温冷気が不必要な場合もある。17
は2の炭素系素材固定金具、18は中空シャフトの中に
入っている冷却水導入パイプで9から入った冷却水が通
る。Pは電力供給端子。11と12で供給電圧からフィ
ードバックされた情報で炭素系素材とアークトーチの電
極間距離と周速を自動制御している。
【0007】このように、2の炭素素材を冷却しながら
回転させアーク放電させる、1のアークトーチも11と
12の移動手段により動作させ電極間距離と周速を維持
する、アークは2の炭素系素材の表面からナノ物質を製
造すると同時に、トーチシールドガスと放電電流を調節
することにより、アークジェットを生じさせ火炎を拡大
すると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量を加速させる、回転ブラシやス
クレーパーのようなもので、剥離回収する必要がない比
較的簡単な構造で連続製造が出来る。なお、トーチシー
ルドガスの種類は規定されていないが、通常アルゴンガ
スを用いる。 本説明は炭素系素材を円筒で説明してる
が、円盤状の物も含む。
【0008】図2は、水入り口から炭素素材貫通してい
る中空シャフト3と、10の冷却実施例で、9の水入口
から10の中空シャフトに入り、2の炭素系素材貫通中
空シャフト3を通過し、冷却した水は7のスリップリン
グ、8の軸受け中空部を通り5より放流される。
【0009】アークトーチ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場
合、放電する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)の特性を利用し図4Aの、電極間距離を制御し
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
固定した場合の電極間距離を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3
0Vとするとこの条件下で放電電圧を測り、常に30V
になるようにアークトーチを移動すれば、素材は製造に
より外形が小さくなったり、電極が消耗して電極間距離
が長くなっても、図1の12のアークトーチを径方向移
動手段で、15の電極と炭素系素材の距離を縮めたり広
げたりして、常に30Vの供給電圧になるように制御す
れば一定の電極間距離を保つことができる。
【0010】
【表1】
【0011】図5は、1のアークトーチと15の電極と
2の炭素系素材の間に発生するアーク放電を表してい
る。炭素系素材と15の電極は、垂直でなくαの角度を
持っておりアークが流れやすく装備される。一般に溶接
時にみられるアークはB部だけだが、本発明はBの周囲
に遙かに大きなアークジェットCを作りカーボンナノチ
ューブやカーボンナノホーン、カーボンナノ材料の製造
部分を大きくしている。
【0012】図6では2の炭素系素材と15の電極が比
較的少量減少した場合を説明したが、実際には径が異な
る炭素系素材が考えられる図5のように波線の円は初期
の外形、実線の円は製造終了時の2の炭素系素材である
DとEは初期状態の変化を示すもので、1のアークトー
チは製造が進んで2の炭素系素材が消耗すると1´のと
ころまで移動をしなければならない。
【0013】図7は12のアークトーチを素材の径方向
に移動手段の動きを垂直でなくδ分の角度をもってつけ
ればよい、もう1軸を制御すればいいが高温高熱環境下
に電子機器は設置したくなく構造が簡単で安上がりであ
る。
【0014】
【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
クトーチを用いて低コストで連続製造する装置を提供す
る。鉄鋼業界では巨大なアーク炉や溶鉱炉等で利用され
ており、そのような技術を本発明に適用することによ
り、さらに低コストでカーボンナノチューブやカーボン
ナノホーン、カーボンナノ材料を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】カーボンナノチューブ製造機のイメージを示し
た説明図である。(実施例)
【図2】カーボンナノチューブ製造機、炭素系素材と中
空シャフト冷却の説明図 矢印は水の流れを示す
【図3】炭素系素材の各方向の説明図
【図4】炭素系素材と15の電極間の説明図
【図5】炭素系素材とトーチアーク間に発生するアーク
ジェット説明図
【図6】炭素系素材消耗による外径の変化図で波線の円
は未加工時、実線の円は製造最後の直径を示す。
【図7】炭素系素材が消耗し外形の変化、図6のDの変
化量を径制御手段の軸の傾きδの説明図
【符号の説明】
1 アークトーチ 2 炭素系素材 3 中空シャフト 4 給電ブラシ 5 回転式冷却水出口 6 シャフト回転手段 7 スリップリング 8 軸受け 9 回転式冷却水入り口 10 中空シャフト 11 軸方向移動手段 12 径方向移動手段 13 収集フード 14 吸引用ダクト 15 電極 16 急冷、冷却用空気吹き込み口 17 固定金具 18 冷却水導入パイプ P 電力供給端子 A 電極間距離 B アーク炎 C アークジェット D X方向消耗量 E Y方向消耗量 α 炭素系素材とアーク電極の角度 δ 12の径方向移動手段の垂直面からの角度 軸方向 円筒状素材の軸方向 径方向 円筒状素材の半径方向 周 円筒状素材の外周
【0016】
フロントページの続き Fターム(参考) 4G146 AA11 BA01 BC17 BC19 DA17 DA27

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 常温常圧の大気中、もしくは大気を他の
    ガスに置換し、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製造物が製造さ
    れることは認知されているが、まだ連続製造には至って
    ない。本装置はアークトーチを円筒状炭素系素材の軸方
    向および径方向に動かし、かつ素材が回転し、アークト
    ーチが炭素系素材に対し90度以下の角度で放電させ、
    ネジの溝になぞっていくようにして、自動連続製造でき
    ることを特徴と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。
  2. 【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、回転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
    素材固定部分に水を送り、冷却部を設けたことを特徴と
    するカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カー
    ボンナノ材料連続製造機。
  3. 【請求項3】 アークを素材に、ある角度でとばしトー
    チシールドガス量を調節するとアーク本来の火花から数
    倍のアークジェットと呼ばれている火花が発生し大量の
    カーボンナノチューブやカーボンナノホーン、カーボン
    ナノ材料が連続製造される、ふつうなら炭素系素材の表
    面に製造物が付着するがアークジェットにより吹き飛ば
    され、ブラシやスクレーパーで、炭素系素材から剥離す
    る必要がない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。
  4. 【請求項4】 アークやアークジェットにより炭素系素
    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、定電流電源が必要に応じ電
    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。
  5. 【請求項5】 製造されたナノチューブやカーボンナノ
    ホーン、カーボンナノ材料はほとんどが空中を飛散して
    いるので、アークトーチと炭素系素材を覆うようにフー
    ドを設け、かつ吸引回収装置を設け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。
  6. 【請求項6】 製造中、炭素系素材は径方向が消耗し直
    径が減少する。回転を一定回転させるとトーチアークと
    炭素系素材の対比速度が減少する、径が小さくなっても
    常にトーチアークと炭素系素材の対比速度が一定になる
    ような周速一定制御を設け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。
  7. 【請求項7】 製造されたカーボンナノ物質の急冷機能
    を持った、耐熱性フードや冷却付きフード等で冷却可能
    な構造を持っ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。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7625545B2 (en) 2002-07-01 2009-12-01 Jfe Engineering Corporation Process for producing carbon nanotubes by arc discharge
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