JP2011162842A - 粒子の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粒径分布幅の狭い粒子を高密度にて製造できる粒子の製造装置を提供する。
【解決手段】蒸気ガスを含む原料ガスの流路となる導管１１と、外管１２、および外管１２の内側に設けられた内管１３により構成されている二重管構造部２２と、を備えており、上記外管１２は、導管１１と連結された一方の開口部１２ａと、外管１２と内管１３との間に冷却ガスを導入するための他方の開口部１２ｂとを有し、内管１３は、導管１１と外管１２とが連結されている位置において導管１１に対して開口する開口部１３ａを有し、原料ガスと冷却ガスとが対向して生じる混合ガスを外部に取り出す流路となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子の製造装置および製造方法に関する。

大気圧下において気相中にナノ粒子を供給する方法の１つとして、原料物質を加熱して気化させた後、冷却して凝縮させることによってナノ粒子を得る方法（蒸発凝縮法）が知られている（非特許文献１）。

また、急速に冷却する方法として、冷却管の内径を小さくする方法（非特許文献２）、焼結（多孔質）金属管を用いて冷却ガスを混合する方法（非特許文献３および特許文献１）、および外周から冷却ガスを噴流して混合する方法（非特許文献４）が開示されている。

また、気体から粒子への転換方法を利用したナノ粒子の製造方法において、前駆体を分解させた後に生成される前駆体の分解産物またはその分解産物の初期凝縮物に気体放電を加えて、前駆体の分解産物またはその分解産物の初期凝縮物に同種の電荷を有させることによって、低分散のナノ粒子に凝縮させるナノ粒子の製造方法が知られている（特許文献２）。

特表２００８−５０５９９２号公報（２００８年２月２８日公表） 特開２００６−１４３５７７号公報（２００６年６月８日公開）

粉体工学便覧（第２版），２８９（１９９８） H. G. Scheibel, J. Porstendorfer, "GENERATION OF MONODISPERSE Ag- AND NaCl- AEROSOLS WITH PARTICLE DIAMETERS BETWEEN 2 AND 300 nm", Journal of Aerosol Science, 14(2), 113-126(1983) U. Backman et al., "The effect of boundary conditions on gas-phase synthesized silver nanoparticles", Journal of Nanoparticle Research, 4, 325-335(2002) L. Zhang et al., "SYNTHESIS OF NANOPHASE SILVER PARTICLES", Journal of Aerosol Science, 32(Supplement 1), S241-242(2001)

物性測定のための標準粒子、原料などに用いるナノ粒子としては、高密度（高濃度）であること、および粒径分布幅が狭いことが求められる。しかしながら、上述した従来技術では、十分に高密度であり、かつ粒径分布幅が狭いナノ粒子を得ることができず、特に、粒径１００ｎｍ以下のナノ粒子を高い個数密度にて得ることができないという問題がある。

例えば、非特許文献１に記載された蒸発凝縮法では、粒径が小さいナノ粒子ほど個数密度が低くなる傾向があり、個数密度を高くするための方法については記載されていない。また、粒径が小さいナノ粒子を高い個数密度にて得るためには、原料物質から発生した蒸気を急速に冷却することが不可欠である。しかし、非特許文献２〜４および特許文献１に記載された方法を用いて冷却した場合には、粒径１００ｎｍ以下のナノ粒子の個数密度を十分に高くすることができない。また、上述した従来技術には、粒径分布幅が十分に狭いナノ粒子を得る方法についても記載されていない。

本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、粒径分布幅の狭い粒子を高密度にて製造できる粒子の製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る粒子の製造装置は、気体状の原料物質を含む原料ガスの流路となる導管と、第１の管、および当該第１の管の内側に設けられた第２の管により構成されている二重管構造部と、を備えており、上記第１の管は、上記導管と連結された一方の開口部と、上記第１の管と上記第２の管との間に冷却ガスを導入するための他方の開口部とを有し、上記第２の管は、上記導管と上記第１の管とが連結されている位置において当該導管に対して開口する開口部を有し、上記原料ガスと上記冷却ガスとが対向して生じる混合ガスを外部に取り出す流路となることを特徴とする。

また、本発明に係る製造装置では、上記第１の管が有する上記他方の開口部に取り付けられた冷却ガス供給手段をさらに備えることが好ましい。

また、本発明に係る製造装置では、上記導管における、上記第１の管との連結部分を含みかつ上記導管の管軸方向に連続した領域を、加熱するための加熱手段を備え、上記導管は、連続した上記領域に存在する気体状の上記原料物質を上記二重管構造部側へ送る導入ガスを導入するための導入ガス用開口部を、連続した上記領域外に有することが好ましい。

また、本発明に係る製造装置では、上記導入ガス用開口部に取り付けられた導入ガス供給手段をさらに備えることが好ましい。

また、本発明に係る製造装置では、上記第１の管における他方の開口部は、その開口中心が上記第１の管の管軸に直交する直線上に存在することが好ましい。

また、本発明に係る製造装置では、上記第１の管は、上記第１の管における他方の開口部から一方の開口部の間に、内径が小さくなっている縮小部を備えていることが好ましい。

また、本発明に係る製造装置では、上記縮小部は、他方の開口部から一方の開口部に向けて内径が小さくなるテーパー形状であるか、又は、上記縮小部は、上記第１の管の内壁に、当該第１の管の管軸に垂直な面に沿って輪状に設けられた突起部により構成されている、ことが好ましい。

本発明に係る粒子の製造方法は、気体状の原料物質を含む原料ガスと、当該原料ガスを冷却する冷却ガスとが流路内で対向するように、当該原料ガスと当該冷却ガスとを流路内に流す工程と、上記原料ガスの流れを用いて、上記原料ガスと上記冷却ガスとの混合ガスを上記流路外に取り出し、気体状の上記原料物質が冷却されて生じた粒子を得る工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る製造方法では、気体状の上記原料物質は、上記流路内で原料物質が加熱されて生じたものであり、上記原料ガスは、気体状の上記原料物質を冷却ガス側へ流す導入ガスをさらに含んでいることが好ましい。

本発明によれば、粒径分布幅の狭い粒子を高密度にて製造できる粒子の製造装置を提供することができる。

本発明に係る製造装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明に係る製造装置の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明に係る製造装置の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明に係る製造装置の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施例における製造装置の概略構成を示す図である。 実施例１および比較例における製造装置を用いて製造した銀ナノ粒子の粒径分布を示すグラフである。 銀ナノ粒子のモード径と幾何標準偏差との関係を示すグラフである。 銀ナノ粒子のモード径とモード径個数密度との関係を示すグラフである。 実施例１における製造装置を用いて製造したＬ−ロイシンナノ粒子の粒径分布を示すグラフである。 本発明の比較例における粒子発生装置の構成を模式的に示す断面図である。

〔第１実施形態〕
本発明の一実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る製造装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

（粒子発生装置１）
本実施形態における粒子発生装置（製造装置）１は、粒子を製造する装置である。

粒子とは、微細な粒であり、例えば固体の粒子であってもよく、またナノ粒子であってもよい。ナノ粒子とは、粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍである粒子をさす。本発明は、例えば、金属、有機物、塩類等の粒子、特にナノ粒子の製造に好適に用いることができる。金属としては、例えば銀、亜鉛、マンガン等が挙げられる。また、有機物としては、例えばＬ−ロイシン、ステアリン酸、アセチルサリチル酸等が挙げられる。塩類としては、例えば塩化ナトリウム、硫化カドミウム、セレン化カドミウム等が挙げられる。

本発明によって製造された粒子は、例えば粒子の化学組成分析のための標準粒子、微細配線、触媒、抗菌材料等に用いる粒子などに利用できる。標準粒子としては、例えば、微分型電気移動度分析器（ＤＭＡ：Differential Mobility Analyzer）用の標準粒子などが挙げられる。

粒子発生装置１は、導管１１と、二重管構造部２２と、電気炉（加熱手段）１４とを備えている。二重管構造部２２は、導管１１に連結されており、外管（第１の管）１２および内管（第２の管）１３により構成されている。導管１１と外管１２とは一体的に形成されており、導管１１の管軸方向と外管１２の管軸方向とは一致している。

導管１１ならびに二重管構造部２２における外管１２および内管１３は、ガラスにより構成されている導管である。これらに用いるガラスとしては、例えば石英ガラス等を用いることができる。なお、本発明における導管および二重管構造部としては、ガラスに限らず、例えばセラミック、高融点金属等を用いることができる。セラミックとしては、例えばアルミナ、ムライト等が挙げられる。高融点金属としては、例えばモリブデン、タングステン等が挙げられる。

導管１１は、蒸気ガス（気体状の原料物質）を含む原料ガスの流路となる。導管１１は、その内部に加熱領域２１を有する。加熱領域２１は、導管１１における、外管１２との連結部分２３を含み、かつ導管１１の管軸方向に連続した領域である。加熱領域２１を有する導管１１の周囲には電気炉１４が設けられている。加熱領域２１では、供給された原料物質３１を加熱して気化させることによって蒸気ガスを発生させる。

導管１１の一方の開口部（導入ガス用開口部）１１ａは、導管１１の加熱領域２１外に形成されている。開口部１１ａは、その開口中心が、導管１１の管軸上にある開口部であり、導管１１内に導入ガスを導入するための導入口である。開口部１１ａは、例えば、導管１１内に導入ガスを導入するための導入ガス供給手段が接続可能になっている。

ここで、導入ガス供給手段とは、例えば導入ガスが貯められたタンクと、当該タンクおよび開口部１１ａとを接続する配管と、当該配管に設けられたバルブとにより構成されているものなどが挙げられる。

導管１１と外管１２とが一体的に形成されることによって、導管１１の他方の開口部１１ｂは、外管１２の一方の開口部１２ａに連結されている。開口部１１ａから導入ガスが導入されると、加熱領域２１において発生した蒸気ガスは、導入ガスによって二重管構造部２２側へ送られる。

原料物質３１としては、製造する粒子に応じて、例えば金属、有機物等を用いることができる。原料物質３１を加熱領域２１内に供給する方法としては、粒子の製造を行なう前に予め加熱領域２１内に直接供給する方法、粒子の製造前または製造中に、エアロゾルとして導入ガスとともに加熱領域２１内に供給する方法、棒状の原料物質３１を開口部１１ａから挿し入れる方法などが挙げられる。「エアロゾル」とは、原料物質３１を噴霧法等により粒子化してガス中に分散させた状態のものなどをさす。

原料ガスとは、加熱領域２１において発生した蒸気ガスを含むガスであり、本実施形態においては、導入ガスを含んでいる。導入ガスとは、加熱領域２１において発生した蒸気ガスを二重管構造部２２側へ送る（押し出す）ためのガスであり、例えば窒素等の不活性ガスを用いることができる。導入ガスは、加熱領域２１に存在する蒸気ガスを同伴して原料ガスとなって連結部分２３に達する。

なお、本発明における導管は、その一方の開口部から、気体状の原料物質を含む原料ガスが導入されて、第１の管との連結部分まで流れる流路であってもよい。すなわち、導管の外部において原料物質が加熱されて生じた気体状の原料物質が、原料ガスとして、または原料ガスに含まれて、導管内に導入されてもよい。

電気炉１４は、加熱領域２１を有する導管１１の周囲に設けられており、加熱領域２１内を加熱するための加熱手段である。なお、本発明における加熱手段としては、電気炉１４に限らず、例えば高周波誘導加熱炉、レーザー加熱装置、赤外線加熱装置等を用いることができる。電気炉１４と導管１１との間には、温度差を測定するセンサである熱電対１５が設けられている。

外管１２は、二重管構造部２２における外側の管であり、直線状に伸びる管である。外管１２の一端部には一方の開口部１２ａが形成されており、他端部は、端面１２ｆが形成されて閉じている。外管１２の一方の開口部１２ａは、上述したように導管１１の開口部１１ｂに連結されている。なお、外管１２の開口部１２ａにおける内径は、小さいほど、後述する混合領域を狭くすることができ、原料ガスと冷却ガスとの混合および蒸気ガスの冷却が速やかに行なわれ、粒径分布幅の狭い粒子を生成させることができるので好ましい。

また、外管１２は、他方の開口部１２ｂを有している。他方の開口部１２ｂは、その開口中心が外管１２の管軸に直交する直線上に存在している。開口部１２ｂは、外管１２と内管１３との間に冷却ガスを導入するための導入口である。開口部１２ｂは、例えば、外管１２と内管１３との間に冷却ガスを導入するための冷却ガス供給手段が接続可能になっている。

ここで、冷却ガス供給手段とは、例えば冷却ガスが貯められたタンクと、当該タンクおよび開口部１２ｂとを接続する配管と、当該配管に設けられたバルブとにより構成されているものなどが挙げられる。

開口部１２ｂから導入された冷却ガスは、二重管構造部２２における外管１２と内管１３との間の領域を通って、導管１１と二重管構造部２２との連結部分２３の方向に導かれる。外管１２の開口部１２ｂの開口中心が外管１２の管軸に直交する直線上に存在していることによって、冷却ガスを連結部分２３に均一に導入させることができる。

なお、本実施形態における外管１２は、一方の開口部１２ａから他方の開口部１２ｂまでの内径が一定であるが、本発明においては、第１の管における一方の開口部から他方の開口部までの間の内径が一定でなくてもよい。例えば、第１の管は、他方の開口部から一方の開口部の間に、内径が小さくなっている縮小部を備えていてもよい。これによって、冷却ガスを連結部分２３に均一に導入させることができる。縮小部の例としては、第２実施形態〜第４実施形態にて説明する。

ここで、冷却ガスとは、加熱領域２１において発生した蒸気ガスを含む原料ガスを冷却するためのガスであり、例えば窒素等の不活性ガスを用いることができる。冷却ガスは、連結部分２３に達する原料ガスよりも低い温度であればよく、室温であってもよいし、室温よりも低い温度に冷却されたものであってもよい。冷却ガスは、原料ガスと混合されることによって、原料ガスに含まれる蒸気ガスを冷却するとともに、この蒸気ガスを希釈するものである。

なお、本発明において、導入ガスと冷却ガスとは、原料物質３１に対する反応性のないものであればよく、両者が温度のみ異なる同種のガスであることが好ましい。

開口部１１ａから導入された導入ガスが蒸気ガスを同伴して生じた原料ガスと、開口部１２ｂから導入された冷却ガスとは、導管１１および外管１２の内部で対向し、互いに混合されて混合ガスとなる。ここで、原料ガスと冷却ガスとが混合されている領域を混合領域ということとする。

混合領域とは、原料ガスと冷却ガスとが混合されて生じた混合ガスを含む領域であり、原料ガスと冷却ガスとが対向する界面を含んだ狭い領域である。本実施形態においては、原料ガスと冷却ガスとが対向する界面とは、導管１１および外管１２の管軸方向に垂直な面である。また、混合領域に達した原料ガスは、加熱領域２１において発生した蒸気ガスを含んでいるため、混合領域では、この蒸気ガスが冷却ガスによって冷却されることによって、粒子が生成される。

ここで、混合領域は、連結部分２３を含む領域であることが好ましい。混合領域の位置は、導入ガスの流量と冷却ガスの流量とのバランスによって変動し得る。したがって、導入ガスの流量および冷却ガスの流量は、混合領域が連結部分２３を含む領域となるように設定されたものであることが好ましい。例えば、導入ガスの流量と冷却ガスの流量とは、原料ガスと冷却ガスとが対向する界面が、連結部分２３における導管１１および外管１２の管軸方向に垂直な面と略等しくなるように設定されたものであることが好ましい。また、例えば、冷却ガスの流量が、導入ガスの流量よりも多いことが好ましい。これにより、混合領域内において生成された粒子を、内管１３を介して外部に効率よく排出させることができる。また、本実施形態であれば、冷却ガスの流量を多くした場合でも、混合領域内のガスが速やかに内管１３に入るため、冷却ガスが加熱領域２１内に入り込むことがなく、粒子を効率よく生成させることができる。

また、冷却ガスの流量は、混合領域において蒸気ガスが急速に冷却されるように設定されたものであることが好ましい。例えば、外管１２の開口部１２ａにおける内径が１０ｍｍである場合には、冷却ガスの流量は、１Ｌ／ｍｉｎよりも多いことが好ましい。この構成であれば、冷却ガスの流量が充分多いため、混合領域における原料ガスと冷却ガスとの混合、および蒸気ガスの冷却が速やかに行なわれ、その結果、粒径分布幅の狭い粒子を生成させることができる。

なお、連結部分２３と外管１２の開口部１２ｂとの間の距離（図１中、Ａとして示す）は、開口部１２ｂから導入された冷却ガスが均一になった後に連結部分２３に達するような距離であることが好ましい。例えば当該距離は、外管１２の内径が１０ｍｍである場合には、３０ｍｍより長いことが好ましい。連結部分２３に達する冷却ガスが均一であることによって、混合領域の位置が安定し、混合領域をより狭い領域とすることができる。これによって、原料ガスに含まれる蒸気ガスを急速に冷却することができるため、均一な粒子を生成させることができる。

内管１３は、外管１２の内側に設けられた、直線状に伸びる管であり、外管１２と共通の管軸を有する。内管１３は、混合ガスを外部に取り出す（引き抜く）流路となる。内管１３の一方の開口部１３ａは、連結部分２３において、加熱領域２１に対して開口している。また、内管１３は、外管１２において、導管１１に連結している側とは反対側の端面１２ｆを貫通して形成されている。すなわち、内管１３は、外管１２の端面１２ｆにおいて固定支持されている。内管１３の他方の開口部１３ｂは、粒子発生装置１の外部に通じている。開口部１３ｂは、例えば粒子発生装置１の外部にある、粒子を回収するための容器、粒子を荷電させるための荷電装置などに接続されていてもよい。

内管１３の内径は、外管１２の内径よりも小さければよく、例えば外管１２の開口部１２ａにおける内径に対して０．７倍より小さいことが好ましい。

内管１３の一方の開口部１３ａが連結部分２３において開口していることにより、混合領域内が連結部分２３を含んでいる場合には、混合領域において生成された粒子を含む混合ガスを、内管１３を介して外部に取り出すことができる。なお、混合ガスは、混合領域内の気圧と、内管１３の他方の開口部１３ｂ側の気圧との差によって外部に排出されてもよい。また、内管１３の他方の開口部１３ｂ側の気圧は、混合領域内の気圧よりも低ければよく、例えば大気圧であってもよいし、減圧されていてもよい。

以上の構成により、粒子発生装置１は、加熱領域２１において原料物質を加熱して発生させた蒸気ガスを、混合領域において急速に冷却させて粒子を発生させた後、この粒子を含む混合ガスを内管１３によって外部に取り出すことによって、粒子を得るものである。上述した構成であれば、混合領域が非常に狭い領域であるため、この非常に狭い領域において原料ガスと冷却ガスとを混合させることができるので、導入ガスに同伴して混合領域に導かれた蒸気ガスを、従来よりも急速に、短時間において冷却することができる。したがって、蒸気ガスから生成される粒子の成長を抑制することができるため、粒径の小さい粒子、例えばナノ粒子を高密度にて生成させることができる。

また、本実施形態では、混合領域から粒子を含む混合ガスを内管１３にて外部に取り出すことによって、生成した粒子をすぐに混合領域から遠ざけることができるため、粒子のさらなる成長および粒子同士の凝集を抑制することができる。したがって、粒径分布幅の狭い、高密度の粒子を生成させることができる。

また、本実施形態における粒子発生装置１は、焼結金属管の加工、特別な装置などを必要としないため、市販の製品の組み合わせによって容易に製造することが可能である。

なお、本発明に係る製造装置は、上述した粒子発生装置１と、他の装置とを備えたものであってもよい。他の装置とは、例えば、粒子発生装置１に導入される導入ガスおよび冷却ガスを発生する装置、粒子発生装置１の電気炉１４の温度を制御する制御装置、粒子発生装置１において発生した粒子を荷電させる荷電装置、粒子を分級する分級器などであってもよい。

（粒子の製造方法）
上述した粒子発生装置１を用いた粒子の製造方法について説明するとともに、本発明に係る粒子の製造方法について説明する。

本実施形態における粒子の製造方法は、第１工程と第２工程とを備える。

第１工程とは、蒸気ガスを含む原料ガスと、当該原料ガスを冷却する冷却ガスとが流路内で対向するように、原料ガスと冷却ガスとを流路内に流す工程である。本実施形態においては、蒸気ガスは、流路内で原料物質３１が加熱されて生じたものであり、原料ガスは、蒸気ガスを冷却ガス側へ流す導入ガスをも含んでいる。

すなわち、第１工程では、上述した粒子発生装置１を用いて、電気炉１４によって加熱領域２１を加熱し、加熱領域２１に供給された原料物質３１を気化させて、蒸気ガスを発生させる。そして、導管１１の開口部１１ａから導入ガスを導入することによって、加熱工程において生じた蒸気ガスを同伴した導入ガスを含む原料ガスを、導管１１の開口部１１ｂまで導く（押出す）。また、外管１２の開口部１２ｂから、外管１２と内管１３との間に冷却ガスを導入することによって、連結部分２３において原料ガスと冷却ガスとを対向させる。これによって、連結部分２３において原料ガスと冷却ガスとの混合ガスが生じる。このとき、原料ガスに含まれる蒸気ガスは、冷却ガスによって冷却され、粒子が生成される。

第２工程とは、原料ガスの流れを用いて、原料ガスと冷却ガスとの混合ガスを流路外に取り出し、蒸気ガスが冷却されて生じた粒子を得る工程である。

すなわち、第２工程では、内管１３を介して、混合ガスを外部に取り出す。ここで、第２工程は、原料ガスと冷却ガスとが対向することによって高圧になっている混合ガスと、内管１３の他方の開口部１３ｂ側の外部との圧力差によって、混合ガスが自然に外部に排出されることにより行なわれてもよい。また、第２工程は、内管１３の開口部１３ｂ側から混合ガスを吸引することにより行なってもよい。

以上の方法によって、粒子を生成させ、内管１３を介して外部に粒子を取り出すことができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る製造装置の他の実施形態について、図２を参照して詳細に説明する。図２は、本発明に係る製造装置の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

なお、説明の便宜上、第１実施形態にかかる構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、第１実施形態との相違点について説明するものとする。

本実施形態における粒子の製造装置としての粒子発生装置（製造装置）１ａでは、二重管構造部２２における外管（第１の管）３２の一方の開口部３２ａと他方の開口部３２ｂとの間の内壁に、突起部３２ｃが設けられている点のみが、第１実施形態と異なっている。すなわち、外管３２において、一方の開口部３２ａ、他方の開口部３２ｂ、および端面３２ｆは、第１実施形態における外管１２の一方の開口部１２ａ、他方の開口部１２ｂ、および端面１２ｆと同様に構成されている。

突起部３２ｃは、外管３２の管軸に垂直な面に沿って輪状に設けられている。すなわち、外管３２における突起部３２ｃが設けられている部分は、他方の開口部３２ｂから一方の開口部３２ａの間に備えられた、内径が小さくなっている縮小部を構成する。

本実施形態では、上述した構成により、他方の開口部３２ｂから外管３２内に導入された冷却ガスは、突起部３２ｃが設けられた部分を通ることによって均一化される。したがって、混合領域が連結位置を含む領域である場合には、混合領域に達する冷却ガスを均一にすることができる。

なお、突起部３２ｃは、外管３２の一部を変形させることによって設けられてもよいし、外管３２とは別に用意した部材を外管３２の内壁に接着させることによって設けられてもよい。別の部材を接着させる場合には、その別の部材の材料としては、外管３２に用いることができる材料と同じものを用いることができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明に係る製造装置の他の実施形態について、図３を参照して詳細に説明する。図３は、本発明に係る製造装置の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

なお、説明の便宜上、第１実施形態にかかる構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、第１実施形態との相違点について説明するものとする。

本実施形態における粒子の製造装置としての粒子発生装置（製造装置）１ｂでは、二重管構造部２２における外管（第１の管）４２の内壁の形状が、他方の開口部４２ｂから一方の開口部４２ａに向けて内径が小さくなるテーパー形状である点のみにおいて、第１実施形態と異なっている。すなわち、外管４２における一方の開口部４２ａ、他方の開口部４２ｂ、および端面４２ｆは、第１実施形態における外管１２の一方の開口部１２ａ、他方の開口部１２ｂ、および端面１２ｆと同様に構成されている。

外管４２における開口部４２ｂから開口部４２ａの間は、内径が小さくなっている縮小部として機能している。

本実施形態では、上述した構成により、他方の開口部４２ｂから外管４２内に導入されて一方の開口部４２ａに向かう冷却ガスが均一化される。したがって、混合領域が連結位置を含む領域である場合には、混合領域に達する冷却ガスを均一にすることができる。
〔第４実施形態〕
次に、本発明に係る製造装置の他の実施形態について、図４を参照して詳細に説明する。図４は、本発明に係る製造装置の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

なお、説明の便宜上、第１実施形態にかかる構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、第１実施形態との相違点について説明するものとする。

本実施形態における粒子の製造装置としての粒子発生装置（製造装置）１ｃでは、二重管構造部２２における外管（第１の管）５２が、他方の開口部５２ｂから一方の開口部５２ａの方向に内径が小さくなるテーパー形状であるテーパー部（縮小部）５２ｄと、太さが一定である管部５２ｅとにより構成されている点のみにおいて、第１実施形態と異なっている。すなわち、外管５２における一方の開口部５２ａ、他方の開口部５２ｂ、および端面５２ｆは、第１実施形態における外管１２の一方の開口部１２ａ、他方の開口部１２ｂ、および端面１２ｆと同様に構成されている。

本実施形態では、上述した構成により、他方の開口部５２ｂから外管５２内に導入されて一方の開口部５２ａに向かう冷却ガスが、テーパー部５２ｄにおいて均一化される。したがって、混合領域が連結位置を含む領域である場合には、混合領域に達する冷却ガスを均一にすることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔実施例１〕
実施例１では、上述した粒子発生装置１と同じ構成の粒子発生装置１を備えた製造装置１０を作製した。なお、ここでは、原料物質３１として銀を用いた場合を例にして説明する。

図５は、本発明の一実施例における製造装置の概略構成を示す図である。製造装置１０は、粒子発生装置１と、温度制御装置２と、中和器３と、微分型電気移動度分級器４と、ファラデーカップ５と、流量計６および７と、バルブ８および９とにより構成されている。

粒子発生装置１の導管１１および二重管構造部２２の外管１２には、内径が１０ｍｍの石英ガラス管を用いた。また、内管１３には、外径が６ｍｍ、内径が４ｍｍの石英ガラス管を用いた。

温度制御装置２は、粒子発生装置１の電気炉１４の温度を制御する装置であり、粒子発生装置１の電気炉１４と電気的に接続されている。中和器３は、粒子（ここでは銀ナノ粒子）を荷電させるための荷電装置であり、粒子発生装置１において発生した粒子を含む混合ガス（ここでは銀エアロゾル）が導入される。中和器３において荷電された（イオン化された）粒子を含む銀エアロゾルは、余剰ガスを排気した後、微分型電気移動度分級器４に導入される。微分型電気移動度分級器４は、粒子を分級するための装置であり、ファラデーカップ５は、微分型電気移動度分級器４において分級された粒子を検出する装置である。微分型電気移動度分級器４およびファラデーカップ５によって、粒子の粒径分布を測定することができる。

バルブ８は、粒子発生装置１の開口部１１ａに接続された導入ガス供給手段（図示せず）の一部を構成しており、導管１１内に導入される導入ガス（押出しガス）の導入の開始および停止、ならびに導入ガスの流量を制御する弁である。流量計６は、バルブ８の制御によって粒子発生装置１に導入される導入ガスの流量を測定する計器である。

また、バルブ９は、粒子発生装置１の開口部１２ｂに接続された冷却ガス供給手段（図示せず）の一部を構成しており、外管１２内に導入される冷却ガス（冷却・希釈ガス）の導入の開始および停止、ならびに冷却ガスの流量を制御する弁である。流量計７は、バルブ９の制御によって粒子発生装置１に導入される冷却ガスの流量を測定する計器である。

実施例１においては、上述した製造装置１０を用いて銀ナノ粒子を製造した。なお、原料物質３１として銀を用い、電気炉１４の温度を１２００℃、冷却ガスの流量を２．０Ｌ／ｍｉｎとし、導入ガス（押出しガス）の流量を０．６Ｌ／ｍｉｎ、０．８Ｌ／ｍｉｎ、または１．０Ｌ／ｍｉｎとした。また、導入ガスおよび冷却ガスとして窒素ガスを用いた。冷却ガスの温度は室温とした。

〔比較例〕
本発明の比較例として、以下の構成の粒子発生装置３００を備えた製造装置を作製した。なお、本比較例の製造装置は、図示しないが、粒子発生装置３００以外に、図５に示す製造装置１０における温度制御装置２、中和器３、微分型電気移動度分級器４、ファラデーカップ５、流量計６、およびバルブ８と同じものを備えている。ここでは、粒子発生装置３００の構成についてのみ説明し、それ以外の構成については説明を省略する。

図１０は、本発明の比較例における粒子発生装置の構成を模式的に示す断面図である。粒子発生装置３００は、導管３１１と、電気炉３１４と、熱電対３１５とにより構成されている。電気炉３１４は、導管３１１の加熱領域３２１の周囲に設けられており、熱電対３１５は、電気炉３１４と導管３１１との間に設けられている。加熱領域３２１には、原料物質３３１が供給される。また、導管３１１の一方の開口部３１１ａから導入ガスが導入される。

加熱領域３２１内に供給された原料物質３３１は、電気炉３１４によって加熱され、気化して蒸気ガスとなる。発生した蒸気ガスは、開口部３１１ａから導管３１１内に導入された導入ガスによって他方の開口部３１１ｂ側に導かれ、加熱領域３２１から出ると室温まで冷却される。これにより、蒸気ガスから粒子が生成される。

本比較例では、上述した製造装置を用いて銀ナノ粒子を製造した。なお、原料物質３３１として銀を用い、電気炉３１４の温度を１１３０℃、導入ガス（押出しガス）の流量を２．０Ｌ／ｍｉｎとした。また、導入ガスとして窒素ガスを用いた。

〔実施例１および比較例の結果〕
実施例１および比較例において製造した銀ナノ粒子の粒径分布を図６に示す。図６は、実施例１および比較例における製造装置を用いて製造した銀ナノ粒子の粒径分布を示すグラフである。また、図６に示した粒径分布からカーブフィッティング法によって求めたモード径、幾何標準偏差、およびモード径における個数密度（モード径個数密度）を表１に示す。なお、モード径とは、粒径分布の極大値をさす。また、図７は、銀ナノ粒子のモード径と幾何標準偏差との関係を示すグラフであり、図８は、銀ナノ粒子のモード径とモード径個数密度との関係を示すグラフである。

表１および図７に示すように、比較例における製造装置にて製造された銀ナノ粒子の幾何標準偏差は約１．５であった。一方、実施例１における製造装置１０にて製造された銀ナノ粒子の幾何標準偏差は、いずれのモード径においても約１．４であり、比較例よりも小さいことがわかった。このことから、実施例１における銀ナノ粒子の粒径分布は、比較例よりも狭いことがわかった。

また、表１および図８に示すように、モード径における個数密度は、比較例ではモード径約２３ｎｍにおいて２．４×１０^５／ｃｍ^３であるのに対して、実施例１ではモード径約２４ｎｍにおいて５．７×１０^５／ｃｍ^３であり、モード径約２０ｎｍにおいて４．１×１０^５／ｃｍ^３であった。すなわち、モード径における個数密度は、実施例１が比較例を大きく上回っており、同じ粒径の粒子を発生させる場合に、実施例１は比較例より多くの粒子を発生させることが可能であることが示された。

実施例１における粒子発生装置１では、電気炉１４の温度が１２００℃、冷却ガスの流量が２．０Ｌ／ｍｉｎ、導入ガスの流量が１．０Ｌ／ｍｉｎの条件の場合、粒子発生装置１内における冷却ガスの流速は約０．７ｍ／ｓ、導入ガスの流速は約１．１ｍ／ｓであると推定される。導管１１の管軸方向における混合領域の長さが約０．０２ｍであるとすると、銀から発生した蒸気ガスの冷却および希釈は、約１０ｍｓの間に完了したと考えられる。また、銀の蒸気ガスと冷却ガスとを対向させているため、非常に狭い領域において混ざり合い、急速に冷却されたと考えられる。これらの理由によって、実施例１においては、比較例よりも、粒子の成長が抑制され、粒径の小さい粒子が高密度で取得できたと考えられる。

また、実施例１では、混合領域の中央から内管１３によって粒子を含む混合ガスを引き抜くことによって、粒子を混合領域から遠ざけ、さらなる粒子の成長および粒子同士の凝集を防ぐことができる。これによって、比較例よりも狭い粒径分布を有する粒子が取得できたと考えられる。

以上の結果によって示されたように、本発明は、原料物質の蒸気ガスと冷却ガスとを対向させて混合し、混合された混合ガスを二重管構造部の細い内管によって抜き出すことによって、蒸気ガスを非常に狭い領域において混合させ、急速に冷却させることができるものである。したがって、本発明によれば、蒸気ガスを従来よりも短時間で冷却することができる。これにより、粒子の成長が抑制され、粒径の小さい粒子、例えばナノ粒子を高密度にて取得することができる。また、蒸気ガスと冷却ガスとを混合させる混合領域の中央から、粒子を含む混合ガスを引き抜くことによって粒子を混合領域から遠ざけることができ、さらなる粒子の成長および粒子同士の凝集を抑制することができる。そのため、従来より狭い粒径分布を有する粒子を取得することができる。

〔実施例２：Ｌ−ロイシンナノ粒子の製造〕
実施例２では、原料物質３１としてＬ−ロイシンを用い、実施例１における製造装置１０を用いてＬ−ロイシンナノ粒子を製造した。電気炉１４の温度を１３５℃、導入ガスの流量を０．１Ｌ／ｍｉｎとした。また、冷却ガスは、室温での流量を２．５Ｌ／ｍｉｎとし、液体窒素の温度近くまで冷却した後に粒子発生装置内に導入した。したがって、粒子発生装置１内に導入されたときの冷却ガスの流量は、約０．７Ｌ／ｍｉｎであった。

上述した条件において製造したＬ−ロイシンナノ粒子の粒径分布を図９に示す。図９は、実施例１における製造装置を用いて製造したＬ−ロイシンナノ粒子の粒径分布を示すグラフである。図９に示すように、製造したＬ−ロイシンナノ粒子のモード径は、２０ｎｍであった。したがって、本発明は、粒径２０ｎｍのＬ−ロイシンナノ粒子を取得することが可能であることが示された。

本発明は、粒径分布幅の狭い粒子を高密度にて製造できるので、粒子の化学組成分析のための標準粒子として、また微細配線、触媒、抗菌材料などに用いる粒子として、幅広い産業分野に利用することができる。

１ 粒子発生装置（製造装置）
１ａ 粒子発生装置（製造装置）
１ｂ 粒子発生装置（製造装置）
１ｃ 粒子発生装置（製造装置）
１１ 導管
１１ａ 開口部（導入ガス用開口部）
１２、３２、４２、５２ 外管（第１の管）
１３ 内管（第２の管）
１４ 電気炉（加熱手段）
２１ 加熱領域
２２ 二重管構造部
２３ 連結部分
３２ｃ 突起部
５２ｄ テーパー部（縮小部）

Claims (9)

1. 気体状の原料物質を含む原料ガスの流路となる導管と、
   第１の管、および当該第１の管の内側に設けられた第２の管により構成されている二重管構造部と、を備えており、
   上記第１の管は、
   上記導管と連結された一方の開口部と、上記第１の管と上記第２の管との間に冷却ガスを導入するための他方の開口部とを有し、
   上記第２の管は、
   上記導管と上記第１の管とが連結されている位置において当該導管に対して開口する開口部を有し、上記原料ガスと上記冷却ガスとが対向して生じる混合ガスを外部に取り出す流路となることを特徴とする粒子の製造装置。
2. 上記第１の管が有する上記他方の開口部に取り付けられた冷却ガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の製造装置。
3. 上記導管における、上記第１の管との連結部分を含みかつ上記導管の管軸方向に連続した領域を、加熱するための加熱手段を備え、
   上記導管は、連続した上記領域に存在する気体状の上記原料物質を上記二重管構造部側へ送る導入ガスを導入するための導入ガス用開口部を、連続した上記領域外に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の製造装置。
4. 上記導入ガス用開口部に取り付けられた導入ガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の製造装置。
5. 上記第１の管における他方の開口部は、その開口中心が上記第１の管の管軸に直交する直線上に存在することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の製造装置。
6. 上記第１の管は、上記第１の管における他方の開口部から一方の開口部の間に、内径が小さくなっている縮小部を備えていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の製造装置。
7. 上記縮小部は、他方の開口部から一方の開口部に向けて内径が小さくなるテーパー形状であるか、又は、上記縮小部は、上記第１の管の内壁に、当該第１の管の管軸に垂直な面に沿って輪状に設けられた突起部により構成されている、ことを特徴とする請求項６に記載の製造装置。
8. 気体状の原料物質を含む原料ガスと、当該原料ガスを冷却する冷却ガスとが流路内で対向するように、当該原料ガスと当該冷却ガスとを流路内に流す工程と、
   上記原料ガスの流れを用いて、上記原料ガスと上記冷却ガスとの混合ガスを上記流路外に取り出し、気体状の上記原料物質が冷却されて生じた粒子を得る工程と、を備えることを特徴とする粒子の製造方法。
9. 気体状の上記原料物質は、上記流路内で原料物質が加熱されて生じたものであり、
   上記原料ガスは、気体状の上記原料物質を冷却ガス側へ流す導入ガスをさらに含んでいることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。

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