【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラーレン類（Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８４を含む）の製造装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラーレンは、ダイヤモンド、黒鉛に次ぐ第三の炭素同素体の総称であり、Ｃ６０、Ｃ７０等に代表されるような５員環と６員環のネットワークで閉じた中空殻状の炭素分子である。フラーレンの存在が最終的に確認されたのは比較的最近の１９９０年のことであり、比較的新しい炭素材料であるが、その特殊な分子構造ゆえ特異的な物理的性質を示すことが認められ、例えば以下のような広範囲な分野に渡り、革新的な用途開発が急速に展開されつつある。
（１）超硬材料への応用
フラーレンを前駆体とすることで微細結晶粒子をもつ人工ダイヤモンド等の精製が可能となるため、付加価値のある耐摩耗材料への利用が期待されている。
（２）医薬品への応用
フラーレン薄膜に金属カリウムをドープすると１８Ｋという高い転移温度を持つ超伝導材料を作り出すことができることが発見され、多方面から注目を集めている。
（３）半導体装置への応用
レジストにＣ６０を混ぜることでレジスト構造がより一層強化されることを利用し、次世代半導体製造への応用が期待されている。
各種炭素数のフラーレンの中でも、Ｃ６０及びＣ７０は比較的合成が容易であり、それゆえ今後の需要も爆発的に高まることが予想されている。
現在知られているフラーレンの製造方法としては、レーザー蒸着法、抵抗加熱法、アーク放電法、高周波誘導加熱法、燃焼法、ナフタリン熱分解法等があるが、燃焼炉中でヘリウム、アルゴン等の不活性ガスと酸素との酸素含有ガスと、ベンゼン、トルエン等の炭化水素原料とを不完全燃焼させる燃焼法が比較的製造コストが安価である。
【０００３】
この燃焼法の代表的な装置を図７に示すが、燃焼炉を構成する反応炉７０の底部にバーナー装置７１が設けられている。このバーナー装置７１は、底部に炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとのプリミックス室７２を有し、この部分から多数の噴出ノズル７３を介して反応炉７０中に酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとの混合ガスを供給し、反応炉７０内で減圧下の炭素含有燃料ガスの不完全燃焼を図り、フラーレン類を製造している。この反応炉７０によって製造されたフラーレン類は、一般にはバッグフィルター等の集塵機を利用して回収され、その有する物理的あるいは化学的性質を用いて精製されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとのプリミックスをバーナー装置７１で行うと、逆火が起こり易く、結果として、バーナー装置７１（即ち、ノズル）からの吹き出し速度は、逆火が起こらない一定流速以上の高流速となるが、フラーレン類の製造にあっては、ガスの流れが高速、即ちガスが乱流状態になるとカーボンブラックの発生が多くなってフラーレン類の生成比率が減少する傾向にあるという問題がある。
更には、反応炉７０を止める場合にも、炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとを同時に止めると、プリミックス室７２内に逆火するので、炭素含有燃料ガスや酸素含有ガスに窒素ガスを徐々に混ぜて、炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとの比率が爆発限界から外れるようにして鎮火する必要があり、極めて操作が複雑にな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、通常の操業状態では確実に逆火等の心配がなく、安全性の高いフラーレン類の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係るフラーレン類の製造装置は、酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとをバーナーを介して反応炉内に供給し、該反応炉内でこれらを不完全燃焼させてフラーレン類を製造する装置において、前記バーナーは、前記反応炉内に面するバーナーヘッドと、該バーナーヘッドの直下に設けられた第１の均圧室と、該第１の均圧室の直下に設けられた第２の均圧室とを有し、前記バーナーヘッドは前記第１の均圧室に繋がる多数の短管と、前記第２の均圧室に繋がる多数の長管の上部を実質的に均等配置して一体化された集合体からなる。これによって、炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとのガス通路が分離されるので、逆火を生じることがない。更には、バーナーヘッドが多数の短管と長管を組み合わせ、一体化することによって構成されているので、その製造が容易となる。
また、第２の発明に係るフラーレン類の製造装置は、第１の発明に係るフラーレン類の製造装置において、前記それぞれの長管の上部には補助短管が装着されている。これによって、長管の隙間を保つことができると共に、長管を短管及び補助短管とは別の材料（例えば、接合性の悪い材料、セラミック等）にすることもできる。
【０００６】
第３の発明に係るフラーレン類の製造装置は、酸素含有ガスと炭素含有燃料ガスとをバーナーを介して反応炉内に供給し、該反応炉内でこれらを不完全燃焼させてフラーレン類を製造する装置において、前記バーナーは、前記反応炉に面するバーナーヘッドと、該バーナーヘッドの直下に設けられた第１の均圧室と、該第１の均圧室の直下に設けられた第２の均圧室とを有し、前記バーナーヘッドは多数の補助短管の接合集合体からなって、しかも、前記補助短管には前記第２の均圧室に連通する長管が挿通され、前記第１の均圧室には隣り合う前記補助短管の隙間通路が連通する。
第４の発明に係るフラーレン類の製造装置は、第１〜第３の発明に係るフラーレン類の製造装置において、前記第１の均圧室の上部又は中間部には該第１の均圧室内のガスを前記バーナーヘッドを通じて前記反応炉内に均等に流す第１の通気抵抗部材が設けられている。これによって、第１の均圧室から流すガスを実質的に均等に短管又は隙間通路に流すことができる。
そして、第５の発明に係るフラーレン類の製造装置は、第１〜第４の発明に係るフラーレン類の製造装置において、前記第２の均圧室の上部又は中間部には該第２の均圧室内のガスを、それぞれの前記長管を通じて前記反応炉内に均等に流す第２の通気抵抗部材が設けられている。これによって、各長管を流れるガスが均等になる。
【０００７】
なお、第１〜第５の発明に係るフラーレン類の製造装置において、前記短管（補助短管も含む）は銅又は銅合金からなって、前記長管はステンレス、ハステロイ、及びインコネルのいずれか１から構成してもよい。これによって、接合性が確保されると共に、バーナーヘッドの熱伝導性が向上する。従って、バーナーヘッドの周囲に冷却ジャケットを設けて加熱されるバーナーヘッドを冷却することもできる。
【０００８】
第６の発明に係るフラーレン類の製造装置は、第１〜第５の発明に係るフラーレン類の製造装置において、前記第２の均圧室の下に第３の均圧室が設けられ、前記バーナーヘッドは前記第３の均圧室に繋がる多数の第２の長管の上部を実質的に均等配置して一体化されている。これによって、炭素含有燃料ガス及び酸素含有ガスの他に第３のガスを反応炉内に均等に流すことができる。この場合の第３のガスとしては、例えば、不活性ガスであってもよいし、炭素含有燃料ガスであってもよいし、更に、微小元素を飛散させたガス（例えば、不活性ガス）であってもよい。
そして、第７の発明に係るフラーレン類の製造方法は、第１〜第６のフラーレン類の製造装置を用いてフラーレン類を製造しているので、バーナー装置に操業中や操業終了後に逆火が発生することがない。
なお、以上の発明においては、上及び下を含む用語（例えば、上部、直下等）は必ずしも鉛直方向を基準にして上下を定めるものではなく、対象物を水平状態に置いた場合のその取付け位置の関係を示すものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の説明図、図２は同製造装置の部分拡大断面図、図３は本発明の第２の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の一部拡大断面図、図４は同製造装置の一部拡大平面図、図５（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の説明図、図６は本発明の第４の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の概略説明図である。
【００１０】
本発明の第１の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置は、反応炉の底部に図１に示すような構造のバーナー１０を有している。このバーナー１０は、上部に反応炉内に露出するバーナーヘッド１１を、その直下に第１の均圧室１２を有し、更に第１の均圧室１２の直下に仕切り部材１３を介して第２の均圧室１４が設けられている。バーナーヘッド１１は図２に示すように、隣合って交互に均等配置された多数の短管１５と長管１６とがお互いに接する密集合からなって、これらが拡散接合によって一体化している。即ち、バーナーヘッド１１の高さは短管１５と同じとなって、第１の均圧室１２と反応炉とが短管１５を介して連通している。そして、長管１６の方は第１の均圧室１２及び仕切り部材１３を貫通して第２の均圧室１４に連通している。なお、短管１５及び長管１６の外径は実質的に等しいものが使用されている。
ここで、短管１５は熱伝導性のよい銅又は銅合金からなって、長管１６はステンレス管（又は、ハステロイ、インコネル、熱伝導性のよい銅、銅合金）からなっている。短管１５及び長管１６の内径は０．５〜３ｍｍ程度となって、肉厚は０．５〜２ｍｍ程度となっている。
【００１１】
このバーナーヘッド１１の製造にあっては、多数の短管１５及び長管１６を用意し、これらを交互に接するように並べて束にして周囲を強固なバンド等で拘束する。そして、真空又は不活性ガスが充填された加熱炉に入れて、両金属の融点より約３０〜１００℃低い温度に加熱して、短管１５及び長管１６を拡散接合する。この場合圧力は、短管１５及び長管１６を拘束するバンドによって発生する。即ち、バンドに高温でも強度を有し、しかも銅又はステンレスより熱膨張率の小さい金属（例えば、鉄、モリブデン鋼）を使用すると、温度上昇と共に、短管１５、長管１６の膨張係数よりバンドの方が小さいので短管１５及び長管１６の束が圧縮されることになる。
また、バンドで短管１５及び長管１６を拘束した状態でＨＩＰ処理を行ってもよい。これによって、短管１５及び長管１６が拡散溶接されて一つの固まり（即ち、集合体）になる。短管１５及び長管１６の間には隙間が発生するが、これも短管１５と同じく第１の均圧室１２から反応炉へのガス通路として使用できる。なお、融点の高い硬質蝋を用いて短管１５及び長管１６を接合することもできる。短管１５の長さは炉の大きさにもよるが、１０〜１００ｍｍ程度である。
このようにして製造することによって、銅又は銅合金製の円盤に多数（１００〜４０００個）の貫通孔を形成し、この貫通孔の一個おきに細いパイプを挿入して、固着する作業に比較して比較的簡単にバーナーを製作できる。
【００１２】
この状態ではバーナーヘッド１１の下部に多数の長管１６がぶら下がることになり、この状態で仕切り部材１３を貫通させる必要があるので、この仕切り部材１３の形成方法について説明する。長管１６の材質がステンレスとすると、実際に使用する長さより少し長めの長管１６を用意し、バーナーヘッド１１については前記手順で形成し、次に長管１６の下端部を閉塞する。この長管１６の閉塞は長管１６の下端を溶融金属に漬けて閉塞する。この場合、長管１６の材質より融点の少し低い金属であるのが好ましいが、長管１６と同一材質の金属であってもよい。この状態で、仕切り部材１３を貫通する位置まで、長管１６より融点の低い金属に入れて全体を冷却する。長管１６の底は盲になっているので溶融金属は侵入しない。この後、冷却した金属を仕切り部材１３の厚みで切断する。これによって、長管１６の端部も同時に切断され、この部分は閉塞されていないので、結果として長管１６の下部に仕切り部材１３が形成されることになる。なお、漬浸する溶融金属の深さは仕切り部材１３より深い必要がある。
これによって、短管１５及び長管１６の一部からなるバーナーヘッド１１、長管１６の端部に設けられた仕切り部材１３を有するバーナーの中間製品が完成するので、外筒（図１では厚みを示していない）１７及び第２の均圧室１４を形成する底板１８を接合し、酸素含有ガスの供給口１９及び炭素含有燃料ガスの供給口２０を設けて一応バーナー１０が完成する。
【００１３】
バーナーヘッド１１の周囲には、図示しない冷却ジャケットが設けられ、熱伝導性のよいバーナーヘッド１１を冷却している。この冷却ジャケットは必須の要件ではなく、通過する酸素含有ガスによってバーナーヘッド１１をある程度冷却することも可能である。この場合、大量の酸素を含むガスを流すと炭素含有燃料ガスとの反応が完全燃焼に近くなるので、酸素ガスにアルゴン等の不活性ガスを入れて使用する。
このバーナー１０を反応炉の底に配置して、供給口１９、２０よりそれぞれ酸素含有ガス及び炭素含有燃料ガスを供給して、反応炉内で減圧下で不完全燃焼させるとフラーレン類が製造される。このフラーレン類を含む煤を上部の排気口から排出させ、バッグフィルター等で回収して、フラーレン類が溶媒に溶けることを利用して分離回収する。
【００１４】
なお、この実施の形態にかかるバーナー１０においては、第１の均圧室１２及び第２の均圧室１４内（上部又は中間部）に第１、第２の通気抵抗部材２１、２２を設けている。これによって、第１、第２の均圧室１２、１４からガスを、それぞれ短管１５及び長管１６を通して反応炉に均一に噴出することができる。第１の均圧室１２内の第１の通気抵抗部材２１はセラミック粒の集合体からなる多孔質体によって構成されている。長管１６の隙間に所定厚みのこれらの粒を充填してバインダーによって固めることによって製造できる。なお、第１の通気抵抗部材２１を焼結合金によって構成してもよい。
第２の均圧室１４内に配置されている第２の通気抵抗部材２２は多孔質の板材が使用できる。
【００１５】
続いて、図３、図４に示す本発明の第２の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置に使用するバーナー２３について説明する。なお、前記実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を用いてその詳しい説明を省略する（以下の実施の形態においても同じ）。
この実施の形態に係るバーナー２３においては、ステンレス製の長管１６の外側に補助短管２４が設けられている。補助短管２４は銅管からなって、短管１５と実質的に同一の外径となっている。これによって、長管１６に比較的細い外径の管を使用することができる。ここで、短管１５、補助短管２４及び補助短管２４に挿通している長管１６が一体的に接合（例えば、拡散接合、鑞付け接合）されてバーナーヘッド２５が構成されている。
この場合、長管１６の内径を更に小さくすることができる。なお、全体的な短管１５の通過面積が大きい場合には、短管１５の一部を閉塞するか、短管１５の代わりに同一外径の中実ロッドを均等配置して使用することもできる。
【００１６】
次に、図５（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類の製造装置について説明する。このフラーレン類の製造装置のバーナー２７は、全ての長管（ステンレス、銅又は銅合金）１６の外側に更に補助短管２４を設けている。すなわち、多数の補助短管２４の接合集合体からなるバーナーヘッド２７ａを有している。補助短管２４の材質は銅、銅合金、ステンレス等からなる。なお、全ての長管１６の内外径及び補助短管２４の内外径はそれぞれ同じである。そして、隣り合う補助短管２４は相互に拡散接合されている。また、長管１６も補助短管２４内に接合されている。長管１６は第２の均圧室１４（図１、図２参照）まで延長されている。一方、図５（Ｂ）に示すように、断面円形の隣り合う補助短管２４には略三角形の隙間２６が形成される。この隙間２６は第１の均圧室１２（図１、図２参照）に隙間通路として連通している。従って、この隙間２６を第１の均圧室１２に続くガス噴出口として利用でき、長管１６を第２の均圧室１４に続くガス噴出口として利用できる。このバーナー２７の利点は製造が極めて容易であり、長管１６の端部に同じ長さの補助短管２４を被せ、これらを纏めて束にし、この状態で拡散接合やＨＩＰ処理を行うことによってバーナーヘッド２７ａが製造できる。下部の仕切り部材１３（図２参照）については、第１の実施の形態と同じ方法で容易に製造可能である。第１の均圧室１２に連通するガス噴出口と、第２の均圧室１４に連通するガス噴出口の面積割合は、長管１６の内径を適宜決めることによって制御できる。
【００１７】
図６に示す本発明の第４の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置について説明する。このフラーレン類の製造装置のバーナー２８は第１の均圧室１２、第２の均圧室１４の他に第３の均圧室２９を有している。そして、第２の均圧室１４と第３の均圧室２９との間には別の仕切り部材３１が設けられている。第３の均圧室２９とバーナーヘッド３２とは均等配置された第２の長管３３によって連接され、第３の均圧室２９内のガスをバーナーヘッド３２から噴出できるようになっている。なお、３４は底板を、３５は第３の均圧室２９にガスを供給する供給口を、３６は側壁を、３７は第３の通気抵抗部材を示す。
従って、この実施の形態に係るフラーレン類の製造装置においては、酸素含有ガスを供給口１９から、炭素含有燃料ガスを供給口２０から、他のガスを供給口３５から供給することもできる。他のガスとしては例えば、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス、酸素ガス、他の種類の炭素含有燃料ガス、場合によっては水素ガス又は水素と不活性ガスの混合ガス等があり、反応炉３８内の炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとの反応を制御できるガスを必要に応じて供給できる。
【００１８】
本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変更することは可能である。例えば、前記実施の形態においては、炭素含有燃料ガスの噴出口と酸素含有ガスの噴出口（長管、短管、略三角形の隙間）を入れ換えることも可能であるし、前記した実施の形態の一部又は全部を組み合わせてフラーレン類の製造装置やそのバーナーを構成する場合も本発明は適用される。
特に、前記実施の形態においては、数字を用いて具体的に説明したが、本発明はこれらの数字に限定されるものではない。
なお、反応炉内の圧力は１０〜３００ｔｏｒｒ、温度は約３００〜２０００℃（好ましくは、３００〜１５００℃）であるが、要はフラーレン類が効率的にできる温度であればよく、本発明はこの温度領域に限定されるものではない。
【００１９】
また、前記実施の形態においては、炭素含有燃料ガスとしては任意のものを使用でき、例えば、メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン等の直鎖又は分岐鎖を有する脂肪族飽和若しくは不飽和炭化水素、前記したベンゼン、トルエンの他、オルト、メタ、パラのキシレン、ナフタリン、アントラセン等の芳香族炭化水素やこれらの混合物等がある。
燃焼法における燃焼方法や状態はフラーレンが生成する条件であれば、任意の条件を設定してよいが、一般的には、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスと酸素の混合ガス（酸素含有ガス）を用いて、前述の炭素含有燃料ガスを不完全燃焼させる方法を用いる。また、燃焼における炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとの割合も適宜選択すればよいが、理論燃焼酸素含有ガス量に対して、より少ない酸素含有ガス量となる。
更に、前記実施の形態においては、主としてバーナー内で逆火を防止するのが主の目的であるので、それぞれのガスが反応や爆発を起こさない範囲で、酸素含有ガス内に炭素含有燃料ガスを、炭素含有燃料ガス内に酸素含有ガスを混合することは自由である。
そして、反応炉の底部にフラーレン類の製造用バーナーを設けているが、その取付け位置は自由である。なお、反応炉のガス点火装置は当然設けられている。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項２、４、５、６記載のフラーレン類の製造装置においては、炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとを供給するバーナーが、反応炉内に面するバーナーヘッドと、バーナーヘッドの直下に設けられた第１の均圧室と、第１の均圧室の直下に設けられた第２の均圧室とを有し、バーナーヘッドは第１の均圧室に繋がる多数の短管と、第２の均圧室に繋がる多数の長管の上部を実質的に均等配置して一体化された集合体からなるので、第１の均圧室、第の２均圧室にそれぞれ独立に供給される酸素含有ガス及び炭素含有燃料ガスはバーナー内で混ざることがなく、逆火が発生することがない。
更には、バーナーヘッドが多数の短管と長管の上部を一体化することによって構成されているので、製造が容易となる。
特に、請求項２記載のフラーレン類の製造装置においては、それぞれの長管の上部には補助短管が装着されているので、長管と短管との隙間を離すことができ、更には、長管の内径を短管の内径よりより小さくすることができる。
【００２１】
請求項３及びこれに従属する請求項４〜６記載のフラーレン類の製造装置においては、長管の上部に装着された多数の補助短管を束ねて接合することによってバーナーヘッドが構成されるので、製造が極めて容易になる。そして、第１の均圧室に連通する隙間通路は各補助短管の隙間によって構成されるので、第２の均圧室に繋がる長管のガス通路と均等に混ざりあうバーナーとなる。
請求項４記載のフラーレン類の製造装置は、第１の均圧室の上部又は中間部には第１の均圧室内のガスをバーナーヘッドを通じて反応炉内に均等に流す第１の通気抵抗部材が設けられているので、第１の均圧室からバーナーヘッドを通過するガス通路の通過抵抗が小さい場合であっても、より均等に各ガス通路からガスを放出できる。
請求項５記載のフラーレン類の製造装置は、第２の均圧室の上部又は中間部には第２の均圧室内のガスを、それぞれの長管を通じて反応炉内に均等に流す第２の通気抵抗部材が設けられているので、多数の長管の束によって構成されるガス通路の通気抵抗が小さくても、第２の通気抵抗部材によってガスの流れが均等化されて長管から放出される。
【００２２】
請求項６記載のフラーレン類の製造装置においては、第２の均圧室の下に第３の均圧室が設けられ、バーナーヘッドは、第３の均圧室に繋がる多数の第２の長管の上部を実質的に均等配置して一体化されているので、異なるガス、粉体状化学物質を炭素含有燃料ガスと酸素含有ガスとの不完全燃焼反応に加えることができる。
そして、請求項７記載のフラーレン類の製造方法においては、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフラーレン類の製造装置を用いてフラーレン類を製造しているので、逆火等の心配なく安全に操業できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の説明図である。
【図２】同製造装置の部分拡大断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の一部拡大断面図である。
【図４】同製造装置の一部拡大平面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第３の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の説明図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るフラーレン類の製造装置の概略説明図である。
【図７】従来例に係るフラーレン類の製造設備の概略説明図である。
【符号の説明】
１０：バーナー、１１：バーナーヘッド、１２：第１の均圧室、１３：仕切り部材、１４：第２の均圧室、１５：短管、１６：長管、１７：外筒、１８：底板、１９、２０：供給口、２１：第１の通気抵抗部材、２２：第２の通気抵抗部材、２３：バーナー、２４：補助短管、２５：バーナーヘッド、２６：隙間、２７：バーナー、２７ａ：バーナーヘッド、２８：バーナー、２９：第３の均圧室、３１：仕切り部材、３２：バーナーヘッド、３３：第２の長管、３４：底板、３５：供給口、３６：側壁、３７：第３の通気抵抗部材、３８：反応炉[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for producing fullerenes (including C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , and C 84 ) and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Fullerene is a general term for the third carbon allotrope next to diamond and graphite, and is a hollow shell-like carbon molecule closed by a network of five-membered and six-membered rings as represented by C 60 , C 70 and the like. . The existence of fullerene was finally confirmed in the relatively recent 1990, a relatively new carbon material, which was found to exhibit specific physical properties due to its special molecular structure. For example, innovative applications are being rapidly developed over a wide range of fields such as the following.
(1) Application to Carbide Materials Since fullerene is used as a precursor, it is possible to purify artificial diamonds having fine crystal grains and the like, so that it is expected to be used as a value-added wear-resistant material.
(2) Application to Pharmaceuticals It has been discovered that doping a fullerene thin film with metallic potassium can produce a superconducting material having a high transition temperature of 18 K, and has attracted attention from various fields.
(3) resist structure by mixing C 60 applications resist to the semiconductor device by utilizing the fact that is much enhanced, applied to a next-generation semiconductor fabrication is expected.
Among fullerenes having various carbon numbers, C 60 and C 70 are relatively easy to synthesize, and it is expected that the demand in the future will explode.
Currently known methods for producing fullerene include a laser vapor deposition method, a resistance heating method, an arc discharge method, a high-frequency induction heating method, a combustion method, a naphthalene pyrolysis method, and the like. A combustion method of incompletely burning an oxygen-containing gas of an inert gas and oxygen and a hydrocarbon material such as benzene and toluene has a relatively low production cost.
[0003]
FIG. 7 shows a typical apparatus for this combustion method. A burner device 71 is provided at the bottom of a reaction furnace 70 constituting a combustion furnace. The burner device 71 has a premix chamber 72 of a carbon-containing fuel gas and an oxygen-containing gas at the bottom, and the oxygen-containing gas and the carbon-containing fuel gas are introduced into the reaction furnace 70 from this portion through a number of ejection nozzles 73. The mixture gas is supplied to produce incomplete combustion of the carbon-containing fuel gas under reduced pressure in the reaction furnace 70 to produce fullerenes. Fullerenes produced by the reaction furnace 70 are generally collected using a dust collector such as a bag filter and purified using the physical or chemical properties of the fullerenes.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the premix of the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas is performed by the burner device 71, flashback easily occurs, and as a result, the blowing speed from the burner device 71 (that is, the nozzle) is reduced by flashback. However, in the production of fullerenes, when the gas flow is high speed, that is, when the gas is in a turbulent state, the generation of carbon black increases and the production ratio of fullerenes decreases. There is a problem that it tends to decrease.
Further, even when the reaction furnace 70 is stopped, if the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas are simultaneously stopped, a flashback occurs in the premix chamber 72, so that the nitrogen gas is gradually added to the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas. It is necessary to extinguish the fire so that the ratio between the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas is out of the explosion limit, and the operation becomes extremely complicated.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fullerenes manufacturing apparatus and a manufacturing method thereof, which are free from a risk of flashback and the like in a normal operation state and have high safety.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The apparatus for producing fullerenes according to the first invention according to the first aspect of the present invention supplies an oxygen-containing gas and a carbon-containing fuel gas into a reactor through a burner, and incompletely burns them in the reactor. In the apparatus for producing fullerenes, the burner includes a burner head facing the inside of the reaction furnace, a first pressure equalizing chamber provided immediately below the burner head, and a pressure equalizing chamber directly below the first pressure equalizing chamber. A second pressure equalization chamber provided, wherein the burner head substantially includes a plurality of short pipes connected to the first pressure equalization chamber and an upper part of a plurality of long pipes connected to the second pressure equalization chamber. It consists of an assembly that is uniformly arranged in a uniform manner. As a result, the gas passage between the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas is separated, so that flashback does not occur. Further, since the burner head is constituted by combining and integrating a large number of short tubes and long tubes, the manufacture thereof becomes easy.
A fullerenes manufacturing apparatus according to a second aspect of the present invention is the fullerenes manufacturing apparatus according to the first aspect, wherein an auxiliary short pipe is mounted on the upper part of each of the long pipes. In this way, the gap between the long pipes can be maintained, and the long pipe can be made of a material different from the short pipe and the auxiliary short pipe (for example, a material having poor bonding properties, ceramic, or the like).
[0006]
The apparatus for producing fullerenes according to the third invention supplies an oxygen-containing gas and a carbon-containing fuel gas into a reactor through a burner, and incompletely burns them in the reactor to produce fullerenes. The burner includes a burner head facing the reaction furnace, a first pressure equalizing chamber provided immediately below the burner head, and a second pressure equalizing chamber provided immediately below the first pressure equalizing chamber. The burner head is composed of a joined assembly of a number of auxiliary short pipes, and a long pipe communicating with the second pressure equalization chamber is inserted into the auxiliary short pipe, A gap passage between the adjacent auxiliary short pipes communicates with the first pressure equalizing chamber.
The apparatus for producing fullerenes according to a fourth aspect of the present invention is the apparatus for producing fullerenes according to the first to third aspects of the present invention, wherein the first equalizing chamber is located above or in the middle of the first equalizing chamber. A first ventilation resistance member for uniformly flowing the gas through the burner head into the reaction furnace is provided. This allows the gas flowing from the first pressure equalizing chamber to flow substantially uniformly through the short pipe or the gap passage.
The apparatus for producing fullerenes according to the fifth invention is the apparatus for producing fullerenes according to the first to fourth inventions, wherein the second equalizing chamber is provided with an upper part or an intermediate part of the second equalizing chamber. A second ventilation resistance member is provided for uniformly flowing the gas in the pressurized chamber into the reaction furnace through each of the long pipes. As a result, the gas flowing through each long pipe becomes uniform.
[0007]
In the fullerenes manufacturing apparatus according to the first to fifth aspects, the short pipe (including the auxiliary short pipe) is made of copper or a copper alloy, and the long pipe is any one of stainless steel, Hastelloy, and Inconel. It may be composed of one. As a result, the bondability is ensured and the heat conductivity of the burner head is improved. Therefore, a cooling jacket can be provided around the burner head to cool the burner head to be heated.
[0008]
The apparatus for producing fullerenes according to a sixth aspect is the apparatus for producing fullerenes according to the first to fifth aspects, wherein a third pressure equalizing chamber is provided below the second pressure equalizing chamber, The burner head is integrated such that the upper portions of a plurality of second long pipes connected to the third pressure equalizing chamber are arranged substantially uniformly. This allows the third gas to flow evenly into the reactor in addition to the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas. In this case, the third gas may be, for example, an inert gas, a carbon-containing fuel gas, or a gas in which fine elements are scattered (for example, an inert gas). There may be.
In the method for producing fullerenes according to the seventh invention, fullerenes are produced using the first to sixth fullerene production apparatuses. Therefore, a flashback occurs during or after operation of the burner device. Does not occur.
In the above invention, the terms including upper and lower (for example, upper, lower, etc.) do not always determine the upper and lower sides with respect to the vertical direction, but the mounting position when the object is placed in a horizontal state This shows the relationship.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
FIG. 1 is an explanatory view of a fullerene manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of the manufacturing apparatus, and FIG. 3 is a fullerene according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a partially enlarged plan view of the manufacturing apparatus, and FIGS. 5A and 5B are fullerene manufacturing apparatuses according to a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic explanatory view of a fullerenes manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
[0010]
The apparatus for producing fullerenes according to the first embodiment of the present invention has a burner 10 having a structure as shown in FIG. 1 at the bottom of the reactor. The burner 10 has a burner head 11 exposed in the reactor at the upper part, a first pressure equalizing chamber 12 immediately below the burner head 11, and a burner head 11 directly below the first pressure equalizing chamber 12 via a partition member 13. Two pressure equalizing chambers 14 are provided. As shown in FIG. 2, the burner head 11 is a dense assembly in which a large number of short pipes 15 and long pipes 16 which are arranged alternately and uniformly are adjacent to each other, and are integrated by diffusion bonding. That is, the height of the burner head 11 is the same as that of the short pipe 15, and the first pressure equalizing chamber 12 and the reaction furnace communicate with each other via the short pipe 15. The long pipe 16 penetrates through the first equalizing chamber 12 and the partition member 13 and communicates with the second equalizing chamber 14. The short pipe 15 and the long pipe 16 have substantially the same outer diameter.
Here, the short tube 15 is made of copper or copper alloy having good heat conductivity, and the long tube 16 is made of stainless steel tube (or Hastelloy, Inconel, copper or copper alloy having good heat conductivity). The inner diameter of the short pipe 15 and the long pipe 16 is about 0.5 to 3 mm, and the thickness is about 0.5 to 2 mm.
[0011]
In the manufacture of the burner head 11, a large number of short tubes 15 and long tubes 16 are prepared, arranged in a bundle so as to be alternately in contact with each other, and bound around the periphery with a strong band or the like. Then, the short tube 15 and the long tube 16 are placed in a heating furnace filled with a vacuum or an inert gas and heated to a temperature lower than the melting point of both metals by about 30 to 100 ° C., and the short tube 15 and the long tube 16 are diffusion-bonded. In this case, the pressure is generated by a band that restrains the short pipe 15 and the long pipe 16. That is, when a metal having a strength even at a high temperature and having a smaller coefficient of thermal expansion than copper or stainless steel (for example, iron or molybdenum steel) is used, the band increases due to the temperature rise and the expansion coefficient of the short tube 15 and the long tube 16. Is smaller, the bundle of the short tubes 15 and the long tubes 16 is compressed.
Further, the HIP process may be performed in a state where the short tube 15 and the long tube 16 are restrained by a band. As a result, the short tube 15 and the long tube 16 are diffusion-welded into one lump (that is, an aggregate). Although a gap is formed between the short pipe 15 and the long pipe 16, this gap can also be used as a gas passage from the first pressure equalizing chamber 12 to the reaction furnace, similarly to the short pipe 15. In addition, the short pipe 15 and the long pipe 16 can also be joined using hard wax having a high melting point. The length of the short pipe 15 depends on the size of the furnace, but is about 10 to 100 mm.
By manufacturing in this manner, a large number (100 to 4000) of through-holes are formed in a copper or copper alloy disk, and a thin pipe is inserted every other through-hole and fixed. The burner can be manufactured relatively easily.
[0012]
In this state, many long tubes 16 hang below the burner head 11, and in this state, it is necessary to penetrate the partition member 13. Therefore, a method of forming the partition member 13 will be described. If the material of the long tube 16 is stainless steel, a long tube 16 slightly longer than the actually used length is prepared, the burner head 11 is formed by the above-described procedure, and then the lower end of the long tube 16 is closed. The obstruction of the long tube 16 is closed by immersing the lower end of the long tube 16 in the molten metal. In this case, it is preferable that the metal has a slightly lower melting point than the material of the long tube 16, but the same material as the long tube 16 may be used. In this state, the whole is cooled by placing it in a metal having a lower melting point than the long tube 16 up to a position penetrating the partition member 13. Since the bottom of the long tube 16 is blind, molten metal does not enter. Thereafter, the cooled metal is cut at the thickness of the partition member 13. As a result, the end of the long tube 16 is also cut at the same time, and this portion is not closed. As a result, the partition member 13 is formed below the long tube 16. Note that the depth of the molten metal to be immersed must be deeper than the partition member 13.
As a result, an intermediate product of a burner having a burner head 11 consisting of a part of the short pipe 15 and the long pipe 16 and a partition member 13 provided at an end of the long pipe 16 is completed. (Not shown) and the bottom plate 18 forming the second pressure equalizing chamber 14 are joined, and a supply port 19 for an oxygen-containing gas and a supply port 20 for a carbon-containing fuel gas are provided to complete the burner 10.
[0013]
A cooling jacket (not shown) is provided around the burner head 11 to cool the burner head 11 having good heat conductivity. The cooling jacket is not an essential requirement, and the burner head 11 can be cooled to some extent by the passing oxygen-containing gas. In this case, when flowing a gas containing a large amount of oxygen, the reaction with the carbon-containing fuel gas becomes close to complete combustion. Therefore, an inert gas such as argon is used in the oxygen gas.
This burner 10 is disposed at the bottom of the reactor, and oxygen-containing gas and carbon-containing fuel gas are supplied from supply ports 19 and 20, respectively, and incompletely burned under reduced pressure in the reactor to produce fullerenes. You. The soot containing the fullerenes is discharged from an upper exhaust port, collected by a bag filter or the like, and separated and collected by using the fact that the fullerenes are dissolved in a solvent.
[0014]
In the burner 10 according to this embodiment, the first and second airflow resistance members 21 and 22 are provided in the first equalizing chamber 12 and the second equalizing chamber 14 (upper or middle part). ing. As a result, gas can be uniformly jetted from the first and second pressure equalizing chambers 12 and 14 into the reaction furnace through the short pipe 15 and the long pipe 16, respectively. The first ventilation resistance member 21 in the first pressure equalizing chamber 12 is formed of a porous body made of an aggregate of ceramic grains. It can be manufactured by filling the gaps of the long tube 16 with these grains having a predetermined thickness and solidifying them with a binder. The first ventilation resistance member 21 may be made of a sintered alloy.
A porous plate material can be used for the second ventilation resistance member 22 disposed in the second pressure equalizing chamber 14.
[0015]
Next, the burner 23 used in the fullerene manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention shown in FIGS. 3 and 4 will be described. The same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted (the same applies to the following embodiments).
In the burner 23 according to this embodiment, an auxiliary short tube 24 is provided outside the long tube 16 made of stainless steel. The auxiliary short tube 24 is made of a copper tube and has substantially the same outer diameter as the short tube 15. Thus, a relatively thin outer diameter tube can be used as the long tube 16. Here, the short pipe 15, the auxiliary short pipe 24, and the long pipe 16 inserted through the auxiliary short pipe 24 are integrally joined (for example, diffusion joining, brazing joining) to form the burner head 25.
In this case, the inner diameter of the long tube 16 can be further reduced. When the entire passage area of the short pipe 15 is large, a part of the short pipe 15 may be closed, or a solid rod having the same outer diameter may be used evenly in place of the short pipe 15. it can.
[0016]
Next, an apparatus for producing fullerenes according to the third embodiment of the present invention shown in FIGS. 5A and 5B will be described. The burner 27 of the fullerene manufacturing apparatus further includes an auxiliary short pipe 24 outside all the long pipes (stainless steel, copper or copper alloy) 16. That is, it has a burner head 27a composed of a joined assembly of many auxiliary short tubes 24. The material of the auxiliary short pipe 24 is made of copper, copper alloy, stainless steel or the like. The inner and outer diameters of all the long tubes 16 and the inner and outer diameters of the auxiliary short tubes 24 are the same. Adjacent auxiliary short tubes 24 are diffusion bonded to each other. The long pipe 16 is also joined in the auxiliary short pipe 24. The long pipe 16 extends to the second pressure equalizing chamber 14 (see FIGS. 1 and 2). On the other hand, as shown in FIG. 5B, a substantially triangular gap 26 is formed in adjacent auxiliary short pipes 24 having a circular cross section. The gap 26 communicates with the first pressure equalizing chamber 12 (see FIGS. 1 and 2) as a gap passage. Therefore, the gap 26 can be used as a gas outlet following the first equalizing chamber 12, and the long pipe 16 can be used as a gas outlet following the second equalizing chamber 14. The advantage of this burner 27 is that it is extremely easy to manufacture, by covering the end of the long tube 16 with the auxiliary short tube 24 of the same length, and by putting them together in a bundle, and performing diffusion bonding or HIP processing in this state. The burner head 27a can be manufactured. The lower partition member 13 (see FIG. 2) can be easily manufactured by the same method as in the first embodiment. The area ratio between the gas outlet communicating with the first equalizing chamber 12 and the gas outlet communicating with the second equalizing chamber 14 can be controlled by appropriately determining the inner diameter of the long pipe 16.
[0017]
A fullerene manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 6 will be described. The burner 28 of the fullerene manufacturing apparatus has a third pressure equalizing chamber 29 in addition to the first pressure equalizing chamber 12 and the second pressure equalizing chamber 14. Another partition member 31 is provided between the second pressure equalizing chamber 14 and the third pressure equalizing chamber 29. The third pressure-equalizing chamber 29 and the burner head 32 are connected by a second long pipe 33 arranged evenly, so that the gas in the third pressure-equalizing chamber 29 can be blown out from the burner head 32. Reference numeral 34 denotes a bottom plate, 35 denotes a supply port for supplying gas to the third pressure equalizing chamber 29, 36 denotes a side wall, and 37 denotes a third ventilation resistance member.
Therefore, in the fullerene manufacturing apparatus according to this embodiment, the oxygen-containing gas can be supplied from the supply port 19, the carbon-containing fuel gas can be supplied from the supply port 20, and another gas can be supplied from the supply port 35. Other gases include, for example, an inert gas such as argon or helium, an oxygen gas, another type of carbon-containing fuel gas, and in some cases, a hydrogen gas or a mixed gas of hydrogen and an inert gas. If necessary, a gas capable of controlling the reaction between the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas can be supplied.
[0018]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed without changing the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, it is possible to exchange the ejection port of the carbon-containing fuel gas and the ejection port of the oxygen-containing gas (a long tube, a short tube, and a substantially triangular gap). The present invention is also applicable to a case where a part or all of the apparatus is combined to form a fullerene production apparatus or a burner thereof.
In particular, in the above-described embodiments, specific explanations have been made using numerals, but the present invention is not limited to these numerals.
The pressure in the reaction furnace is 10 to 300 torr and the temperature is about 300 to 2000 ° C. (preferably 300 to 1500 ° C.). In short, it is sufficient that the fullerenes can be efficiently produced. It is not limited to this temperature range.
[0019]
In the embodiment, any carbon-containing fuel gas can be used. For example, aliphatic saturated or unsaturated hydrocarbons having a straight or branched chain such as methane, ethane, propane, ethylene, and propylene can be used. Other than the above-mentioned benzene and toluene, there are aromatic hydrocarbons such as ortho, meta and para xylene, naphthalene and anthracene, and mixtures thereof.
The combustion method and state in the combustion method may be set to any conditions as long as fullerene is generated, but generally, a mixed gas of an inert gas such as helium and argon and oxygen (oxygen-containing gas). And the above-described method of incompletely burning the carbon-containing fuel gas. Further, the ratio between the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas in the combustion may be appropriately selected, but the oxygen-containing gas amount is smaller than the theoretical combustion oxygen-containing gas amount.
Further, in the above-described embodiment, the main purpose is to prevent flashback in the burner, so that the carbon-containing fuel gas is contained in the oxygen-containing gas as long as the respective gases do not react or explode. It is free to mix an oxygen-containing gas into a carbon-containing fuel gas.
Further, a burner for producing fullerenes is provided at the bottom of the reaction furnace, and its mounting position is free. It should be noted that a gas igniter for the reaction furnace is naturally provided.
[0020]
【The invention's effect】
In the apparatus for producing fullerenes according to claim 1 and dependent claims 2, 4, 5, and 6, a burner head that supplies a carbon-containing fuel gas and an oxygen-containing gas faces the inside of the reaction furnace. And a first pressure equalizing chamber provided immediately below the burner head, and a second pressure equalizing chamber provided immediately below the first pressure equalizing chamber, and the burner head is provided with a first pressure equalizing chamber. And the upper part of the many long pipes connected to the second pressure equalization chamber are substantially uniformly arranged and integrated, so that the first pressure equalization chamber, the second pressure equalization chamber, and the second pressure equalization chamber. The oxygen-containing gas and the carbon-containing fuel gas that are independently supplied to the equalizing chamber are not mixed in the burner, and no flashback occurs.
Further, since the burner head is formed by integrating the upper portions of a large number of short tubes and long tubes, manufacture becomes easy.
In particular, in the apparatus for producing fullerenes according to the second aspect, since the auxiliary short pipe is mounted on the upper part of each long pipe, the gap between the long pipe and the short pipe can be separated, and further, The inner diameter of the long pipe can be smaller than the inner diameter of the short pipe.
[0021]
In the apparatus for producing fullerenes according to the third aspect and the dependent claims 4 to 6, the burner head is formed by bundling and joining a large number of auxiliary short pipes mounted on the upper part of the long pipe. , Making it extremely easy to manufacture. Since the gap passage communicating with the first pressure equalizing chamber is constituted by the gap between the auxiliary short pipes, the burner is evenly mixed with the gas passage of the long pipe connected to the second pressure equalizing chamber.
5. The fullerene manufacturing apparatus according to claim 4, wherein the gas in the first pressure equalizing chamber flows uniformly into the reaction furnace through the burner head in an upper portion or an intermediate portion of the first pressure equalizing chamber. Is provided, gas can be more uniformly discharged from each gas passage even when the passage resistance of the gas passage passing through the burner head from the first pressure equalizing chamber is small.
The apparatus for producing fullerenes according to claim 5, wherein the gas in the second pressure equalizing chamber flows uniformly into the reactor through the respective long tubes in the upper part or the intermediate part of the second pressure equalizing chamber. Since the ventilation resistance member is provided, even if the ventilation resistance of the gas passage formed by the bundle of many long tubes is small, the gas flow is equalized by the second ventilation resistance member and is discharged from the long tube. You.
[0022]
In the apparatus for producing fullerenes according to claim 6, a third pressure equalizing chamber is provided below the second pressure equalizing chamber, and the burner head includes a plurality of second long pressure chambers connected to the third pressure equalizing chamber. Because the tops of the tubes are substantially uniformly arranged and integrated, different gases and pulverulent chemicals can be added to the incomplete combustion reaction between the carbon-containing fuel gas and the oxygen-containing gas.
In the method for producing fullerenes according to the seventh aspect, since the fullerenes are produced using the fullerene production apparatus according to any one of the first to sixth aspects, there is a risk of flashback or the like. It can be operated safely without any.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an apparatus for producing fullerenes according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of the manufacturing apparatus.
FIG. 3 is a partially enlarged sectional view of an apparatus for producing fullerenes according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partially enlarged plan view of the manufacturing apparatus.
FIGS. 5A and 5B are illustrations of an apparatus for producing fullerenes according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic explanatory view of a fullerene manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram of a fullerene production facility according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
10: burner, 11: burner head, 12: first equalizing chamber, 13: partition member, 14: second equalizing chamber, 15: short pipe, 16: long pipe, 17: outer cylinder, 18: bottom plate , 19, 20: supply port, 21: first ventilation resistance member, 22: second ventilation resistance member, 23: burner, 24: auxiliary short tube, 25: burner head, 26: gap, 27: burner, 27a : Burner head, 28: burner, 29: third equalizing chamber, 31: partition member, 32: burner head, 33: second long pipe, 34: bottom plate, 35: supply port, 36: side wall, 37: Third ventilation resistance member, 38: reaction furnace
