JP2011179023A - Nanoparticle manufacturing device and nanoparticle manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単一金属、合金などのナノ粒子の製造に好適なナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法に関するものである。 The present invention relates to a nanoparticle production apparatus and a nanoparticle production method suitable for producing nanoparticles such as single metals and alloys.
ナノメートルオーダーのサイズの微粒子、いわゆるナノ粒子は、サイズ効果によって現れる特異な性質、或いは、大きな比表面積を持つことから、近年、多くの分野で応用を目指した研究が盛んに行われている。 Nanometer-sized microparticles, so-called nanoparticles, have unique properties that appear due to size effects or large specific surface areas, and in recent years, research aimed at application in many fields has been actively conducted.
上記のようなナノ粒子の製造方法としては種々のものが提案されているが、例えば、特許文献１（特開２００７−８４８４９号公報）には、減圧された不活性ガス中で、原料金属粉末を加熱制御されている蒸発面へ上方から落下させ、該原料金属粉末を瞬時に蒸発させ超微粒子化、凝縮し、上方の捕集面に付着させることを特徴とする金属超微粒子の製造方法が開示されている。
従来の製造方法では、原料金属粉末を蒸発させる加熱空間と、蒸発した原料金属粉末を冷却し粒子化する冷却空間と、冷却された原料金属粉末を捕集する空間とが同一空間として構成されているために、前記冷却空間で蒸発した原料金属粉末を冷却して粒子化する過程で、液体粒子あるいは固体粒子として加熱空間に混在し、その混在した液体粒子あるいは固体粒子が核となって加熱空間で新たに蒸発した原料金属粉末と凝集あるいは数珠つなぎ・ネッキングが発生し粗大粒子が生成される、また、前記冷却空間で蒸発した原料金属粉末を冷却して粒子化する過程で、液体粒子として加熱空間に混在し、この液体粒子同士が凝集を起こし、数珠つなぎとなって粗大粒子が生成される、さらには、捕集空間にある冷却された原料金属粉末が、前記と同様に加熱空間に混在し、その混在した固体の原料金属粉末が核となって加熱空間で新たに蒸発した原料金属粉末と凝集あるいは数珠つなぎとなって粗大粒子が生成される、等の現象（これらの現象を、以下「再凝集現象」と称す。）が発生することで、粒径２０ｎｍ以上の粗大粒子が製造されてしまう割合が非常に多く問題となっていた。なお、数珠つなぎは、単純に粒子同士が凝集する現象を示しており、ネッキングは、粒子同士が溶着する現象として定義される。 In the conventional manufacturing method, the heating space for evaporating the raw material metal powder, the cooling space for cooling and evaporating the evaporated raw material metal powder, and the space for collecting the cooled raw material metal powder are configured as the same space. Therefore, in the process of cooling and granulating the raw metal powder evaporated in the cooling space, liquid particles or solid particles are mixed in the heating space, and the mixed liquid particles or solid particles serve as nuclei in the heating space. Coagulation or beading / necking occurs with the newly evaporated raw material metal powder in order to generate coarse particles, and in the process of cooling the raw material metal powder evaporated in the cooling space into particles, it is heated as liquid particles Mixed in the space, the liquid particles agglomerate to form rosary particles to produce coarse particles.In addition, the cooled raw metal powder in the collection space Phenomena such as mixed in the heating space, and the mixed solid raw metal powder becomes a nucleus and agglomerates or beaded together to form coarse particles. (These phenomena are hereinafter referred to as “re-aggregation phenomenon”), and the ratio of coarse particles having a particle diameter of 20 nm or more to be produced has become a problem. Note that the rosary connection simply indicates a phenomenon in which particles are aggregated, and necking is defined as a phenomenon in which particles are welded together.
上記のような問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、原料金属粉末とキャリアガスの混合物を、加熱空間での加熱・溶融、冷却空間での冷却ならびに捕集空間での捕集処理を行い、ナノ粒子を製造するナノ粒子製造装置であって、
前記加熱空間、冷却空間ならびに捕集空間が連続した逆流のない流路を形成し、かつ、前記加熱空間ならびに前記冷却空間の断面積に対して、捕集空間の断面積を大きく設定したことを特徴とするナノ粒子製造装置である。
In order to solve the above-described problems, the invention according to claim 1 is directed to a mixture of a raw metal powder and a carrier gas that is heated and melted in a heating space, cooled in a cooling space, and captured in a collection space. A nanoparticle production apparatus that collects and produces nanoparticles,
The heating space, the cooling space, and the collection space form a continuous flow path without backflow, and the cross-sectional area of the collection space is set larger than the cross-sectional area of the heating space and the cooling space. It is the nanoparticle manufacturing apparatus characterized.
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のナノ粒子製造装置において、前記加熱空間の加熱・溶融温度は、前記原料金属粉末の融点以上の第１温度に保たれ、前記冷却空間は、前記原料金属粉末の融点より低い第２温度に保たれ、前記捕集空間は、前記冷却空間の第２温度より低い第３温度に保たれていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the nanoparticle manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating / melting temperature of the heating space is maintained at a first temperature equal to or higher than the melting point of the raw metal powder, and the cooling space Is maintained at a second temperature lower than the melting point of the raw metal powder, and the collection space is maintained at a third temperature lower than the second temperature of the cooling space.
また、請求項３に係る発明は、原料金属粉末とキャリアガスの混合物を、加熱空間での
加熱・溶融処理と、冷却空間での冷却処理ならびに捕集空間での捕集処理を行い、ナノ粒子を製造するナノ粒子製造方法であって、前記加熱空間での加熱・溶融処理、冷却空間での冷却処理ならびに捕集空間での捕集処理が連続した逆流のない流路を形成し、かつ、前記加熱空間ならびに前記冷却空間の断面積に対して、捕集空間の断面積を大きく設定することによってナノ粒子の製造が行われることを特徴とする。
In addition, the invention according to claim 3 is a nanoparticle in which a mixture of a raw metal powder and a carrier gas is subjected to heating / melting treatment in a heating space, cooling treatment in a cooling space, and collection treatment in a collection space. Forming a flow path without backflow in which the heating / melting treatment in the heating space, the cooling treatment in the cooling space and the collection treatment in the collection space are continuous, and Nanoparticles are produced by setting the cross-sectional area of the collection space to be larger than the cross-sectional areas of the heating space and the cooling space.
また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載のナノ粒子製造方法において、前記加熱空間の加熱・溶融処理の処理温度は、前記原料金属粉末の融点以上の第１温度に保たれ、
前記冷却空間の冷却処理の温度は、前記原料金属粉末の融点より低い第２温度に保たれ、
前記捕集空間の捕集処理の温度は、前記冷却空間の第２温度より低い第３温度に保たれてナノ粒子の製造が行われることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the nanoparticle manufacturing method according to claim 3, wherein the processing temperature of the heating space in the heating space is maintained at a first temperature equal to or higher than the melting point of the raw metal powder,
The temperature of the cooling treatment of the cooling space is maintained at a second temperature lower than the melting point of the raw metal powder,
The temperature of the collection process of the collection space is maintained at a third temperature lower than the second temperature of the cooling space, and nanoparticles are produced.
従来の製造方法においては、「発明が解決しようとする課題」に記載のように、「再凝集現象」の発生によって、粒径２０ｎｍ以上の粗大粒子が製造されてしまう割合が非常に多く問題となっていた。本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法によれば、加熱空間、冷却空間ならびに捕集空間が連続した逆流のない流路を形成し、かつ、前記加熱空間ならびに前記冷却空間の断面積に対して、捕集空間の断面積を大きく設定したことによって、前記「再凝集現象」が起こる可能性を大幅に低減することができ、粒径５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の単一金属からなるナノ粒子の製造ができるようになる。 In the conventional production method, as described in “Problems to be solved by the invention”, the occurrence of “re-aggregation phenomenon” causes a problem that the ratio of coarse particles having a particle size of 20 nm or more to be produced is very large. It was. According to the nanoparticle production apparatus and the nanoparticle production method of the present invention, the heating space, the cooling space, and the collection space form a continuous non-back flow channel, and the cross-sectional areas of the heating space and the cooling space are the same. On the other hand, by setting the cross-sectional area of the collection space to be large, the possibility of the “re-aggregation phenomenon” can be greatly reduced, and the nanoparticles of a single metal having a particle size of about 5 nm to 10 nm can be reduced. Can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るナノ粒子製造装置の概略を示す図である。図１において、１はナノ粒子製造装置、３は入力部、４はメインコントローラー、５はポンプコントローラー、６はバルブコントローラー、７はキャリアガス調整バルブ、８は流量計、９はキャリアガス導入管、１０は原料供給部、１５は原料供給導管、２０は加熱部、２１は第１導通管部、２２は第２導通管部、４１は第３導通管部、２３は保護層部、２４は熱源部、４０は冷却部、５０は捕集部、５１は外囲部、５２は内囲部、５３は内壁面、５５は排気管、５８は圧力計、５９は真空ポンプ、６０は冷媒路、６１は冷媒導入管、６２は冷媒排出管をそれぞれ示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a nanoparticle production apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a nanoparticle production apparatus, 3 is an input unit, 4 is a main controller, 5 is a pump controller, 6 is a valve controller, 7 is a carrier gas adjustment valve, 8 is a flow meter, 9 is a carrier gas introduction pipe, 10 is a raw material supply section, 15 is a raw material supply conduit, 20 is a heating section, 21 is a first conduction pipe section, 22 is a second conduction pipe section, 41 is a third conduction pipe section, 23 is a protective layer section, and 24 is a heat source. Part, 40 is a cooling part, 50 is a collecting part, 51 is an outer part, 52 is an inner part, 53 is an inner wall surface, 55 is an exhaust pipe, 58 is a pressure gauge, 59 is a vacuum pump, 60 is a refrigerant path, Reference numeral 61 denotes a refrigerant introduction pipe, and 62 denotes a refrigerant discharge pipe.
ナノ粒子製造装置１は、概略、キャリアガスと共に原料金属粉末を処理工程に供給する原料供給部１０と、この原料供給部１０によって供給された原料金属粉末を通過させ気化させる加熱部２０と、加熱部２０において気化された原料金属粉末を通過させ冷却する冷
却部４０と、冷却部４０を通過した原料金属粉末を捕集する捕集部５０とを有している。
The nanoparticle manufacturing apparatus 1 generally includes a raw material supply unit 10 that supplies a raw metal powder together with a carrier gas to a treatment process, a heating unit 20 that passes and vaporizes the raw metal powder supplied by the raw material supply unit 10, and heating. The cooling unit 40 that passes and cools the raw metal powder vaporized in the unit 20 and the collecting unit 50 that collects the raw metal powder that has passed through the cooling unit 40 are provided.
原料供給部１０は、キャリアガス導入管９から導入されるＡｒやＨｅ、Ｎ2などの不活
性ガスに、粉末状の原料金属粉末をのせて第１の処理工程である加熱工程へと供給するものである。本発明に係るナノ粒子製造装置１によってナノ粒子を製造可能な原料金属粉末は、単一金属、合金、金属間化合物であり、原料供給部１０は、単一金属、合金、金属間化合物いずれかの粉末状の原料金属粉末を微量ずつ落下させることができるような構成となっている。本発明の実施形態に係るナノ粒子製造装置１において、原料供給部１０によって供給する原料金属粉末の平均粒子径は５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。
The raw material supply unit 10 supplies powdery raw metal powder to an inert gas such as Ar, He, N 2 or the like introduced from the carrier gas introduction pipe 9 and supplies it to the heating process which is the first processing process. Is. The raw material metal powder capable of producing nanoparticles by the nanoparticle production apparatus 1 according to the present invention is a single metal, an alloy, or an intermetallic compound, and the raw material supply unit 10 is any one of a single metal, an alloy, and an intermetallic compound. The powdery raw material metal powder can be dropped minutely. In the nanoparticle production apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, the average particle diameter of the raw metal powder supplied by the raw material supply unit 10 is 500 μm or less, more preferably 100 μm or less.
ここで、原料供給部１０内の構造について説明する。図３は本発明の実施形態に係るナノ粒子製造装置における原料供給部１０の構成例を示す図である。図３（Ａ）は低周波式フィード法を採用した原料供給部１０の構成概略であり、図３（Ｂ）は打振式フィード法を採用した原料供給部１０の構成概略である。 Here, the structure in the raw material supply unit 10 will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the raw material supply unit 10 in the nanoparticle manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention. 3A is a schematic configuration of the raw material supply unit 10 employing the low-frequency feed method, and FIG. 3B is a schematic configuration of the raw material supply unit 10 employing the vibration feeding method.
図３（Ａ）の低周波式フィード法においては、ノズル１２を有し略注射器型をしたホッパー１１は、振動子１３と連結されている。この振動子１３は圧電素子によって低周波振動をするものである。また、ノズル１２の先端部が原料供給導管１５に挿通されるようになっている。このような構造をした原料供給部１０において、ホッパー１１に原料金属粉末を充填し、振動子１３で発生する低周波振動によりホッパー１１を振動させると、これに伴い、ノズル１２から原料供給導管１５に投入させるようになっている。このような低周波式フィード法による原料供給部１０によれば、非常に安定した良好な原料供給を実現することができる。 In the low frequency feed method shown in FIG. 3A, a hopper 11 having a nozzle 12 and having a substantially syringe shape is connected to a vibrator 13. The vibrator 13 vibrates at a low frequency by a piezoelectric element. The tip of the nozzle 12 is inserted into the raw material supply conduit 15. In the raw material supply unit 10 having such a structure, when the raw metal powder is filled in the hopper 11 and the hopper 11 is vibrated by the low frequency vibration generated by the vibrator 13, the raw material supply conduit 15 is supplied from the nozzle 12 accordingly. It is supposed to be thrown into. According to the raw material supply unit 10 using such a low-frequency feed method, a very stable and good raw material supply can be realized.
また、図３（Ｂ）の打振式フィード法においては、不図示のスリットが設けられているスリット入りホッパー１６に原料金属粉末を充填し、ステンレス製の打振棒１７によってスリット入りホッパー１６を周期的に打ちつけて、その衝撃によりスリット入りホッパー１６のスリットから原料金属粉末を原料供給導管１５に供給するようになっている。このような打振式フィード法によっても、良好な原料供給を実現することができる。 3B, the slit-type hopper 16 provided with a slit (not shown) is filled with raw metal powder, and the slit-type hopper 16 is moved by a stainless-made vibration rod 17. The raw metal powder is supplied to the raw material supply conduit 15 from the slit of the hopper 16 with slits by periodically hitting. Good raw material supply can also be realized by such a vibration-type feed method.
キャリアガス導入管９における、キャリアガス源（不図示）と原料供給部１０との間には、原料供給部１０に供給されるキャリアガスの流量を調整するキャリアガス調整バルブ７と、原料供給部１０に供給されるキャリアガスの流量を計測する流量計８とが設けられている。 A carrier gas adjusting valve 7 for adjusting the flow rate of the carrier gas supplied to the raw material supply unit 10 and the raw material supply unit between the carrier gas source (not shown) and the raw material supply unit 10 in the carrier gas introduction pipe 9. A flow meter 8 for measuring the flow rate of the carrier gas supplied to 10 is provided.
キャリアガス調整バルブ７はバルブコントローラー６によってバルブの開閉量がコントロールされ、原料供給部１０に供給するキャリアガスの流量を調整することができるようになっている。また、バルブコントローラー６は、これより上位のメインコントローラー４から命令を受けて、キャリアガス調整バルブ７の開閉量を制御するようになっている。また、流量計８によって取得されたキャリアガスの流量データは、上位のメインコントローラー４に対して送信されるようになっている。 The opening and closing amount of the carrier gas adjustment valve 7 is controlled by the valve controller 6 so that the flow rate of the carrier gas supplied to the raw material supply unit 10 can be adjusted. Further, the valve controller 6 receives a command from the higher-order main controller 4 and controls the opening / closing amount of the carrier gas adjustment valve 7. Further, the flow rate data of the carrier gas acquired by the flow meter 8 is transmitted to the upper main controller 4.
原料供給部１０から、キャリアガスと原料金属粉末を鉛直下方に導くように原料供給導管１５が設けられており、この原料供給導管１５から落下する原料金属粉末は、捕集部５０の内囲部５２へと連通する第１導通管部２１、第２導通管部２２及び第３導通管部４１からなる管状部へと導かれる。 A raw material supply conduit 15 is provided so as to guide the carrier gas and the raw metal powder from the raw material supply unit 10 vertically downward, and the raw material metal powder falling from the raw material supply conduit 15 is enclosed by the collection unit 50. 52 is led to a tubular portion composed of a first conducting tube portion 21, a second conducting tube portion 22, and a third conducting tube portion 41 that communicate with 52.
この管状部における第２導通管部２２の周囲には熱源部２４が配されており、この熱源部２４を加熱させることで、第２導通管部２２内のスペースを原料金属粉末の融点以上の
第１温度に保つようにしている。すなわち、第２導通管部２２内の空間は、原料供給導管１５から落下した原料金属粉末が通過すると原料金属粉末が気化する加熱空間Ｘとして機能する。
A heat source portion 24 is disposed around the second conducting tube portion 22 in the tubular portion. By heating the heat source portion 24, a space in the second conducting tube portion 22 is equal to or higher than the melting point of the raw metal powder. The first temperature is maintained. That is, the space in the second conducting pipe portion 22 functions as a heating space X in which the raw metal powder is vaporized when the raw metal powder dropped from the raw material supply conduit 15 passes.
熱源部２４には、カーボンヒータ、タングステンヒータなどの抵抗加熱方式のもの（数１００℃〜２０００℃に加熱可）、プラズマによる加熱方式のもの（数１０００℃〜数１００００℃に加熱可）、誘導加熱方式（数１００℃〜１５００℃に加熱可）のものなど種々の加熱方式のものから適宜選択して用いることができる。いずれの加熱方式を採用する場合にも、熱源部２４と熱源部保持構造（明示せず）の間には絶縁あるいは断熱構造とすることで、安定した熱源部２４を構成することもがきる。 The heat source section 24 may be of a resistance heating type such as a carbon heater or a tungsten heater (can be heated to several hundreds of degrees Celsius to 2,000 degrees Celsius), a heating type using plasma (can be heated to several thousand degrees Celsius to several tens of degrees Celsius), induction It can be used by appropriately selecting from various heating methods such as a heating method (which can be heated to several hundred to 1500 ° C.). Regardless of which heating method is employed, a stable heat source unit 24 can be configured by providing an insulating or heat insulating structure between the heat source unit 24 and the heat source unit holding structure (not explicitly shown).
第２導通管部２２の内側の面には、耐食性の良好なセラミックス材料（例えばＰ−ＢＮ等）からなる保護層部２３が施されており、熱源部２４による加熱によって第２導通管部２２内面の表層が溶融、気化し、原料金属粉末に混入することがないように保護する機能を持っている。なお、第２導通管部２２内面には温度制御のための熱電対（不図示）を取り付けることが好ましい。 A protective layer portion 23 made of a ceramic material having good corrosion resistance (for example, P-BN) is provided on the inner surface of the second conducting tube portion 22, and the second conducting tube portion 22 is heated by the heat source unit 24. It has a function to protect the inner surface layer from melting and vaporizing and mixing into the raw metal powder. In addition, it is preferable to attach the thermocouple (not shown) for temperature control to the 2nd conduction | electrical_connection pipe part 22 inner surface.
また、管状部における第３導通管部４１の内側の空間は、原料金属粉末の融点より低い第２温度に保たれ、第２導通管部２２内の加熱空間Ｘにおいて気化された原料金属粉末を通過させ冷却する冷却空間Ｙとして機能するものである。本発明のナノ粒子製造装置１においては、冷却空間Ｙを構成する第３導通管部４１が、加熱空間Ｘを構成する第２導通管部２２の鉛直下方に位置するレイアウトとなっているので、従来の製造方法のように、いったん蒸発面で蒸発した原料金属粉末が、冷却空間を通過した後に捕集面に到達するまでの間で、滞留等によって「再凝集現象」を発生させることがない。このため、粒径２０ｎｍ以上の粗大粒子が製造されてしまう割合を抑制することが可能となる。
さらに、加熱空間Ｘと冷却空間Ｙとは、断面積および断面形状が略同一であることが好適である。
Moreover, the space inside the 3rd conduction pipe part 41 in a tubular part is kept at 2nd temperature lower than melting | fusing point of raw material metal powder, and the raw material metal powder vaporized in the heating space X in the 2nd conduction pipe part 22 is kept. It functions as a cooling space Y that passes and cools. In the nanoparticle manufacturing apparatus 1 of the present invention, the third conduction pipe portion 41 that constitutes the cooling space Y has a layout that is positioned vertically below the second conduction pipe portion 22 that constitutes the heating space X. Unlike the conventional manufacturing method, the raw metal powder once evaporated on the evaporation surface does not cause a “re-aggregation phenomenon” due to retention or the like until it reaches the collection surface after passing through the cooling space. . For this reason, it becomes possible to suppress the rate at which coarse particles having a particle diameter of 20 nm or more are produced.
Furthermore, it is preferable that the heating space X and the cooling space Y have substantially the same cross-sectional area and cross-sectional shape.
第３導通管部４１を原料金属粉末の融点より低い第２温度に保つための態様としては、種々のものを採用することができる。 As an aspect for maintaining the third conducting tube portion 41 at a second temperature lower than the melting point of the raw metal powder, various types can be employed.
図４は本発明の実施形態に係るナノ粒子製造装置における冷却空間Ｙの構成例を示す図である。図４（Ａ）に示す冷却空間を構成する第３導通管部４１においては、冷媒路４４に冷媒を流入させる冷媒導入管４２と、冷媒路４４から冷媒を流出させる冷媒排出管４３とが設けられており、これらの構成により水などを流通させることで、冷却空間Ｙの温度を安定的に保つようにするものである。 FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the cooling space Y in the nanoparticle manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention. In the third conduction pipe portion 41 that constitutes the cooling space shown in FIG. 4A, a refrigerant introduction pipe 42 that causes the refrigerant to flow into the refrigerant path 44 and a refrigerant discharge pipe 43 that causes the refrigerant to flow out from the refrigerant path 44 are provided. The temperature of the cooling space Y is stably maintained by circulating water or the like with these configurations.
また、図４（Ｂ）は上記冷却空間における温度勾配を積極的に形成させるようにすることを示している。冷媒路４４の構成や、冷媒路４４中を流通させる冷媒の種類を設定することで、例えば、温度勾配（ａ）、或いは温度勾配（ｂ）などの種々の態様の温度勾配を冷却空間中に構成することができる。本発明の実施形態に係るナノ粒子製造装置１においては、このような冷却空間における温度勾配を積極的に形成させるようにすることで、ナノ粒子の特性の制御を種々行い得るものである。 FIG. 4B shows that a temperature gradient in the cooling space is positively formed. By setting the configuration of the refrigerant path 44 and the type of the refrigerant flowing through the refrigerant path 44, for example, the temperature gradient of various aspects such as the temperature gradient (a) or the temperature gradient (b) can be generated in the cooling space. Can be configured. In the nanoparticle production apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, various control of the characteristics of the nanoparticles can be performed by actively forming such a temperature gradient in the cooling space.
その他、自然冷却させる方法や、放熱フィンを第３導通管部４１外周囲に設けることによって冷却させる方法等を採用することもできる。 In addition, a method of natural cooling, a method of cooling by disposing the heat dissipating fins on the outer periphery of the third conduction pipe portion 41, or the like can also be employed.
今回、加熱空間Ｘで気化された原料金属粉末が、第３導通管部４１内の冷却空間Ｙを通過するときにおける通過速度が、製造されるナノ粒子の粒径制御、粒径分布幅の制御や、ナノ粒子同士の数珠つなぎ・ネッキング発生状況の制御に大きな影響を与える、という知
見を得ることができた。そこで、本発明のナノ粒子製造装置１においては、原料金属粉末が冷却空間Ｙを通過する速度を制御する制御手段を設けるようにして、捕集部５０で捕集される原料金属粉末からなるナノ粒子の特性を制御することを特徴としている。
This time, when the raw metal powder vaporized in the heating space X passes through the cooling space Y in the third conducting pipe portion 41, the passing speed is controlled by the particle size control and the particle size distribution width of the manufactured nanoparticles. In addition, we were able to obtain the knowledge that it has a great influence on the control of the occurrence of linking and necking between nanoparticles. Therefore, in the nanoparticle production apparatus 1 of the present invention, a control means for controlling the speed at which the raw metal powder passes through the cooling space Y is provided, and the nano particles made of the raw metal powder collected by the collecting unit 50 are provided. It is characterized by controlling the properties of the particles.
また、ナノ粒子製造装置においては、加熱空間Ｘ、冷却空間Ｙの断面積に対して捕集空間Ｚの断面積を、５倍以上と急激に大きくしているため、原料金属粉末が冷却空間Ｙから捕集空間Ｚへ入り込んだ時に、原料金属粉末の流速が急速に降下することで、加熱空間Ｘから捕集空間Ｚとの間で原料金属粉末の逆流が発生しないように構成している。 Moreover, in the nanoparticle manufacturing apparatus, since the cross-sectional area of the collection space Z is abruptly increased to 5 times or more with respect to the cross-sectional areas of the heating space X and the cooling space Y, the raw metal powder is cooled in the cooling space Y. When the gas enters the collection space Z, the flow rate of the raw material metal powder rapidly decreases, so that no reverse flow of the raw material metal powder occurs between the heating space X and the collection space Z.
第３導通管部４１の鉛直下方には、第３導通管部４１と連通した捕集部５０が設けられている。この捕集部５０は、冷却空間Ｙにおける前記の第２温度より低い第３温度に保たれ、冷却空間Ｙを通過した原料金属粉末をナノ粒子として捕集する。捕集部５０は、大気側に接する外囲部５１と、気圧がコントロールされた空間を包囲する内囲部５２とからなる２重構造をなしており、内囲部５２の内壁面５３によって、第３導通管部４１（冷却空間Ｙ）を経たナノ粒子が捕集されるようになっている。ここで、内囲部５２で囲まれた空間を捕集空間Ｚとする。 A collection part 50 communicating with the third conduction pipe part 41 is provided vertically below the third conduction pipe part 41. This collection part 50 is kept at 3rd temperature lower than said 2nd temperature in the cooling space Y, and collects the raw material metal powder which passed the cooling space Y as a nanoparticle. The collection unit 50 has a double structure including an outer enclosure 51 that is in contact with the atmosphere side and an inner enclosure 52 that surrounds a space in which the atmospheric pressure is controlled. Nanoparticles that have passed through the third conducting pipe portion 41 (cooling space Y) are collected. Here, a space surrounded by the inner enclosure 52 is referred to as a collection space Z.
捕集部５０における外囲部５１と内囲部５２との間には、冷媒路６０が形成されている。また、捕集部５０には、この冷媒路６０に冷媒を流入させる冷媒導入管６１と、冷媒路６０から冷媒を流出させる冷媒排出管６２とが設けられている。捕集部５０内に形成されたこのような冷媒路６０に流す冷媒としては、温度コントロールされた水や液体窒素などを挙げることができる。このような内囲部５２と内壁面５３との間の冷媒路６０を流通する冷媒によって内囲部５２の内壁面５３の温度が保たれるようになっている。 A refrigerant path 60 is formed between the outer enclosure 51 and the inner enclosure 52 in the collection unit 50. Further, the collection unit 50 is provided with a refrigerant introduction pipe 61 through which the refrigerant flows into the refrigerant path 60 and a refrigerant discharge pipe 62 through which the refrigerant flows out from the refrigerant path 60. Examples of the refrigerant flowing through the refrigerant path 60 formed in the collection unit 50 include temperature-controlled water and liquid nitrogen. The temperature of the inner wall surface 53 of the inner enclosure portion 52 is maintained by the refrigerant flowing through the refrigerant path 60 between the inner enclosure portion 52 and the inner wall surface 53.
捕集部５０における内囲部５２内の捕集空間Ｚからは排気管５５が配管されており、内囲部５２内の気体を真空ポンプ５９によって排気することができるようになっている。真空ポンプ５９としては任意のものを用い得るが、例えば、ロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなる真空ポンプシステム構成を用いることができる。 An exhaust pipe 55 is provided from the collection space Z in the inner enclosure 52 in the collection section 50, and the gas in the inner enclosure 52 can be exhausted by the vacuum pump 59. Any vacuum pump 59 can be used. For example, a vacuum pump system configuration including a rotary pump and a turbo molecular pump can be used.
なお、本実施形態に係るナノ粒子製造装置１では、上記のような捕集部５０の構成としたが、ナノ粒子を捕集する方法としては、バグフィルターを用いる方式、慣性力方式、電気集塵方式などを採用することもできる。 In the nanoparticle production apparatus 1 according to the present embodiment, the configuration of the collection unit 50 as described above is used. However, as a method of collecting nanoparticles, a method using a bag filter, an inertial force method, an electric current collection method, and the like. A dust method or the like can also be employed.
本発明のナノ粒子製造装置１においては、このような真空ポンプ５９によって、加熱空間Ｘで原料金属粉末が気化する真空度を維持するようにしている。すなわち、原料供給導管１５から落下した原料金属粉末が、加熱空間Ｘ（第２導通管部２２内空間）を通過する際には、原料金属粉末が溶融状態となるのみでなく、さらに一歩進んでガス化した状態となる。 In the nanoparticle production apparatus 1 of the present invention, such a vacuum pump 59 maintains the degree of vacuum at which the raw metal powder vaporizes in the heating space X. That is, when the raw material metal powder dropped from the raw material supply conduit 15 passes through the heating space X (the inner space of the second conducting pipe portion 22), the raw material metal powder is not only in a molten state, but is further advanced. It becomes a gasified state.
装置における内囲部５２からの排気を行う真空ポンプ５９は、ポンプコントローラー５から命令を受けて排気量をコントロールすることが可能とされている。メインコントローラー４は、ポンプコントローラー５に対して指令を発し、ポンプコントローラー５はこれを受けて、真空ポンプ５９の排気量を調整する。また、装置内の圧力は圧力計５８によって計測され、その計測値は、上位のメインコントローラー４に対して送信される。 A vacuum pump 59 that exhausts air from the inner enclosure 52 in the apparatus can control the exhaust amount in response to a command from the pump controller 5. The main controller 4 issues a command to the pump controller 5, and the pump controller 5 receives this and adjusts the exhaust amount of the vacuum pump 59. Further, the pressure in the apparatus is measured by the pressure gauge 58, and the measured value is transmitted to the upper main controller 4.
メインコントローラー４は、マイクロコンピュータとこのマイクロコンピュータ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとマイクロコンピュータのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理機構であり、所定のデータ処理を行うことが可能なものである。また、メインコントローラー４は、装置のユーザーからの指示を入力することが可能な入力部３を有しており、この入力部３から、原料金属粉末が冷却空間Ｙを通過する速度
を指定することができるようになっている。
The main controller 4 is a general-purpose information processing mechanism including a microcomputer, a ROM that holds a program that operates on the microcomputer, and a RAM that is a work area of the microcomputer, and can perform predetermined data processing. Is. Further, the main controller 4 has an input unit 3 capable of inputting an instruction from the user of the apparatus, and designates the speed at which the raw metal powder passes through the cooling space Y from the input unit 3. Can be done.
メインコントローラー４は、冷却空間Ｙにおける原料金属粉末の通過速度が、入力部３から指示されると、流量計８から取得される流量データと、圧力計５８から取得される内囲部５２内の圧力データとに基づいて演算を行い、入力部３から入力された目標の通過速度となるように、バルブコントローラー６及びポンプコントローラー５を制御する。すなわち、冷却空間Ｙにおける原料金属粉末の通過速度が、入力部３から指示された目標値となるように、バルブコントローラー６に対してキャリアガス調整バルブ７の開閉量を調整するように命令を発すると共に、ポンプコントローラー５に対しても真空ポンプ５９の排気量を調整するように命令を発する。 When the passage speed of the raw metal powder in the cooling space Y is instructed from the input unit 3, the main controller 4 stores the flow rate data acquired from the flow meter 8 and the inner space 52 acquired from the pressure gauge 58. Calculation is performed based on the pressure data, and the valve controller 6 and the pump controller 5 are controlled so that the target passing speed input from the input unit 3 is obtained. That is, a command is issued to the valve controller 6 to adjust the opening / closing amount of the carrier gas adjustment valve 7 so that the passing speed of the raw metal powder in the cooling space Y becomes the target value instructed from the input unit 3. At the same time, a command is issued to the pump controller 5 to adjust the displacement of the vacuum pump 59.
以上のように構成される本発明のナノ粒子製造装置１による金属ナノ粒子の製造手順について説明する。最初に原料供給部１０に原料金属粉末を装填する。原料金属粉末は、加熱空間Ｘ（第２導通管部２２内空間）において、瞬間蒸発をさせるために、体積を小さくして受熱表面積を大きくする必要がある。具体的には、粒子径を５００μｍ以下に、特に１００μｍ程度というように小さくすることが好ましい。 A procedure for producing metal nanoparticles by the nanoparticle production apparatus 1 of the present invention configured as described above will be described. First, the raw material metal powder is loaded into the raw material supply unit 10. In order to instantaneously evaporate the raw metal powder in the heating space X (the space in the second conducting pipe portion 22), it is necessary to reduce the volume and increase the heat receiving surface area. Specifically, it is preferable to reduce the particle diameter to 500 μm or less, particularly about 100 μm.
ナノ粒子の捕集部５０には、冷媒導入管６１から冷却水を供給し、内部を冷却水が循環して流冷媒排出管６２から排出させる。これによって、運転時、内囲部５２の内壁面５３を低温に保つことができる。内囲部５２の内部を、真空ポンプ５９によって真空引きし、その後、真空引きしながら、キャリアガス導入管９から不活性ガス（通常アルゴンガス）を導入し、雰囲気圧力が製造時の所定の圧力（例えば、３Ｔｏｒｒ）に設定されるように内囲部５２の内部を不活性ガスで置換する。この時点でキャリアガスは、上部のキャリアガス導入管９より導入され、排気管５５から排気されるという流れになっている。 Cooling water is supplied from the refrigerant introduction pipe 61 to the nanoparticle collection unit 50, and the cooling water circulates inside and is discharged from the flowing refrigerant discharge pipe 62. Thus, the inner wall surface 53 of the inner enclosure 52 can be kept at a low temperature during operation. The inside of the inner portion 52 is evacuated by a vacuum pump 59, and then an inert gas (usually argon gas) is introduced from the carrier gas introduction tube 9 while evacuating, and the atmospheric pressure is a predetermined pressure during production. The inside of the inner enclosure 52 is replaced with an inert gas so as to be set to (for example, 3 Torr). At this time, the carrier gas is introduced from the upper carrier gas introduction pipe 9 and exhausted from the exhaust pipe 55.
内囲部５２の内部圧力が安定したところで、熱源部２４の電源を入れ、第２導通管部２２内空間を加熱する。第２導通管部２２内空間が設定温度に達したところで、原料供給部１０から微量ずつ原料金属粉末を落下させる。原料金属粉末は、第２導通管部２２内の加熱空間Ｘに、連続的に、または断続的に落下させる。 When the internal pressure of the inner enclosure 52 is stabilized, the heat source 24 is turned on to heat the inner space of the second conduction tube 22. When the internal space of the second conducting tube portion 22 reaches the set temperature, the raw material metal powder is dropped from the raw material supply portion 10 little by little. The raw material metal powder is continuously or intermittently dropped into the heating space X in the second conducting tube portion 22.
以下、落下した原料金属粉末が加熱空間Ｘ、冷却空間Ｙ、捕集空間Ｚを経て、どのようにナノ粒子へと変化するかについて説明する。図２は本発明の実施形態に係るナノ粒子製造装置１におけるナノ粒子製造原理を説明する図であり、ナノ粒子の製造過程を模式的に示す図である。図２において、（１）乃至（４）は、装置内の位置に応じた原料金属粉末の様子を模式的に示している。以下、説明する。
（１）原料金属粉末が第２導通管部２２内の加熱空間Ｘを落下しながら通過すると、原料金属粉末は瞬時に蒸発する。
（２）気化した原料金属粉末は、加熱空間Ｘを通過後、徐々に凝縮し、核が生成される。（３）第３導通管部４１内の冷却空間Ｙにおいては、（２）で生成された核がより集まり粒子へと成長する。
（４）成長したナノ粒子は捕集空間Ｚへ移動し、不活性ガス中を浮遊し、捕集部５０の捕集空間Ｚの内壁面５３で捕集される。ナノ粒子同士が凝集することはなく、個々ばらばらの状態で付着し凝縮する。
Hereinafter, how the dropped raw metal powder changes into nanoparticles through the heating space X, the cooling space Y, and the collection space Z will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of nanoparticle production in the nanoparticle production apparatus 1 according to the embodiment of the present invention, and schematically showing the production process of nanoparticles. In FIG. 2, (1) to (4) schematically show the state of the raw material metal powder according to the position in the apparatus. This will be described below.
(1) When the raw material metal powder passes through the heating space X in the second conduction pipe portion 22 while dropping, the raw material metal powder evaporates instantaneously.
(2) The vaporized raw metal powder is gradually condensed after passing through the heating space X to generate nuclei. (3) In the cooling space Y in the third conducting tube portion 41, the nuclei generated in (2) gather more and grow into particles.
(4) The grown nanoparticles move to the collection space Z, float in the inert gas, and are collected by the inner wall surface 53 of the collection space Z of the collection unit 50. The nanoparticles do not agglomerate and adhere and condense in a discrete state.
（４）の捕集部５０の捕集空間Ｚにおけるナノ粒子の捕集は熱泳動という現象が大きく影響している。気体中に粒子が浮遊している状況下で、気体分子はその熱運動により粒子と常に衝突することとなる。その気体中に大きな温度勾配があるとき、粒子に衝突する気体分子の運動量は、粒子の高温側と低温側とを比較すると高温側の方が大きくなる結果、粒子は低温側へ向かう力を受ける。この力を熱泳動力と呼び、それによって粒子が低温側へ移動する現象を熱泳動（thermophoresis）と呼ぶ。この現象により高温ガス中の微粒子
が温度の低い固体壁等へ向かって移動し、付着するケースが一般的で、例えば、煙突の内壁にすすが付着する現象などは、熱泳動現象に大きく起因している。
The phenomenon of thermophoresis greatly affects the collection of nanoparticles in the collection space Z of the collection unit 50 in (4). Under the condition that particles are suspended in the gas, the gas molecules always collide with the particles due to their thermal motion. When there is a large temperature gradient in the gas, the momentum of the gas molecules that collide with the particles is higher on the high temperature side than on the high temperature side and the low temperature side of the particle. As a result, the particle receives a force toward the low temperature side. . This force is called thermophoresis, and the phenomenon whereby particles move to the low temperature side is called thermophoresis. Due to this phenomenon, it is common for fine particles in high-temperature gas to move toward a solid wall, etc., where the temperature is low, so that the soot adheres to the inner wall of the chimney, for example. ing.
原料金属粉末の供給を終了し、上記の（１）乃至（４）の一連のナノ粒子の製造過程がした後、熱源部２４を降温し、常温まで下がったところで、捕集部５０の内囲部５２の内部圧力を常圧に戻す（雰囲気ガスを導入する）。内囲部５２の内部が常圧に戻ったところで装置を分解し、ナノ粒子の内壁面５３に付着したナノ粒子を収集する。 After the supply of the raw metal powder is finished and the series of nano particles (1) to (4) are manufactured, the temperature of the heat source unit 24 is lowered to the room temperature. The internal pressure of the part 52 is returned to normal pressure (atmospheric gas is introduced). When the inside of the inner enclosure 52 returns to normal pressure, the device is disassembled to collect the nanoparticles attached to the inner wall surface 53 of the nanoparticles.
以上のような、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法によれば、第２導通管部２２内の加熱空間において気化された原料金属粉末が、第３導通管部４１内の冷却空間Ｙを通過する速度を制御する制御手段を有しており、この制御手段によって適正に気化した原料金属粉末の冷却がコントロールされるので、原料金属粉末から製造されるナノ粒子の粒径制御、粒径分布幅の制御や、ナノ粒子同士の数珠つなぎ・ネッキング発生状況の制御を行うことが可能となり、粒径５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の単一金属からなるナノ粒子の製造ができるようになるのである。 According to the nanoparticle manufacturing apparatus and the nanoparticle manufacturing method of the present invention as described above, the raw metal powder vaporized in the heating space in the second conducting tube portion 22 is cooled in the third conducting tube portion 41. It has a control means for controlling the speed of passing through Y, and the cooling of the raw material metal powder properly vaporized is controlled by this control means. It becomes possible to control the diameter distribution width and to control the occurrence of beading and necking between nanoparticles, and it becomes possible to produce nanoparticles made of a single metal having a particle size of about 5 nm to 10 nm.
次に、本発明のナノ粒子製造装置１で、冷却空間Ｙにおける原料金属粉末の通過速度を調整する他の実施形態について説明する。図５は本発明の他の実施形態に係るナノ粒子製造装置における冷却空間Ｙの構成例を示す図である。図５（Ａ）は冷却空間Ｙを構成する第３導通管部４１として、内径ｒ0のものが用いられている例を示しており、図５（Ｂ）
は冷却空間Ｙを構成する第３導通管部４１として、内径ｒ0と異なる内径ｒ1のものが用いられている例を示している。冷却空間Ｙにおける原料金属粉末の通過速度を調整する一方法として、図５（Ａ）に示す第３導通管部４１と、図５（Ｂ）に示す第３導通管部４１とを交換可能に構成する。
Next, another embodiment for adjusting the passing speed of the raw metal powder in the cooling space Y with the nanoparticle production apparatus 1 of the present invention will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the cooling space Y in the nanoparticle manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention. FIG. 5A shows an example in which the third conducting tube portion 41 constituting the cooling space Y has an inner diameter r 0 , and FIG.
Shows an example in which the third conducting pipe portion 41 constituting the cooling space Y has an inner diameter r 1 different from the inner diameter r 0 . As a method of adjusting the passage speed of the raw metal powder in the cooling space Y, the third conducting tube portion 41 shown in FIG. 5 (A) and the third conducting tube portion 41 shown in FIG. 5 (B) can be exchanged. Constitute.
キャリアガス導入管９から供給されるキャリアガスの量が一定であり、かつ、真空ポンプ５９から排気されるガスの量が一定である場合には、第３導通管部４１を図５に示すように変更可能とすることが可能となる。本実施形態においては、第３導通管部４１を交換可能に構成することによって、冷却空間Ｙにおける原料金属粉末の通過速度を所望のものとし、もって、製造されるナノ粒子の粒径制御、粒径分布幅の制御や、ナノ粒子同士の数珠つなぎ・ネッキング発生状況の制御を行うことを可能とする。 When the amount of carrier gas supplied from the carrier gas introduction tube 9 is constant and the amount of gas exhausted from the vacuum pump 59 is constant, the third conducting tube portion 41 is as shown in FIG. It becomes possible to make it changeable. In the present embodiment, the third conducting pipe portion 41 is configured to be replaceable so that the passing speed of the raw metal powder in the cooling space Y is as desired, thereby controlling the particle size of the manufactured nanoparticles, the particles It is possible to control the diameter distribution width and the control of the occurrence of daisy chain and necking between nanoparticles.
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図６は本発明の他の実施形態に係るナノ粒子製造装置１の概略を示す図である。図６に示す実施形態が、図１に示す実施形態と相違する点は、捕集部５０の一部に分級装置８０が設けられている点である。本実施形態においては、捕集したナノ粒子を分級装置８０によって分級する。また、分級装置８０では、どの粒径の粒子がどの程度存在するかに係る分級データを取得し、これを上位のメインコントローラー４に送信する。メインコントローラー４は、分級データを取得すると、所望の粒径分布となるように、バルブコントローラー６及びポンプコントローラー５を制御し、冷却空間Ｙにおける原料金属粉末の通過速度を変化させる。
ここで、分級装置８０は、粒子の分布を短時間に測定できる装置であればいずれの方法でも良いが、特許第４２０４０４５号「粒子分布測定装置」等を利用することができる。
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a diagram showing an outline of a nanoparticle production apparatus 1 according to another embodiment of the present invention. The embodiment shown in FIG. 6 is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that a classification device 80 is provided in a part of the collection unit 50. In the present embodiment, the collected nanoparticles are classified by the classification device 80. Further, the classification device 80 acquires classification data relating to how many particles of which particle size are present, and transmits them to the upper main controller 4. When acquiring the classification data, the main controller 4 controls the valve controller 6 and the pump controller 5 to change the passing speed of the raw metal powder in the cooling space Y so as to obtain a desired particle size distribution.
Here, the classifying device 80 may be any method as long as it can measure the particle distribution in a short time, but Patent No. 4204045 “Particle distribution measuring device” or the like can be used.
（実施例）
図７は、図１で示す実施例に対して、加熱空間Ｘと冷却空間Ｙとの間を気化した金属原料粉末を所定の速度で通過させることを基本にして展開した別の実施例の装置構成であり、これまでに説明した装置と同様の符号が付された構成については同様のものを示している。これまでに説明した装置と異なるのは、熱源部２４が装置底面側に設けられており、加熱空間は熱源部２４の直上方の領域に形成される。また、熱源部２４から横方向にずれた空間が冷却空間Ｙとして機能する。
(Example)
FIG. 7 shows another embodiment of the apparatus developed on the basis of passing the metal raw material powder vaporized between the heating space X and the cooling space Y at a predetermined speed with respect to the embodiment shown in FIG. It is a structure, The same thing is shown about the structure to which the code | symbol similar to the apparatus demonstrated so far was attached | subjected. The difference from the apparatus described so far is that the heat source section 24 is provided on the bottom face side of the apparatus, and the heating space is formed in a region immediately above the heat source section 24. Further, a space that is laterally displaced from the heat source unit 24 functions as the cooling space Y.
原料供給導管１５の先端部１８は、上記のようにして形成された加熱空間Ｘ及び冷却空間Ｙを原料金属粉末が横切るような方向に、原料金属粉末を供給することが可能な角度に構成されている。上記のような原料供給導管１５の先端部１８から、キャリアガスにのって供給された原料金属粉末は、概略点線で示すような軌跡で流れ、加熱空間Ｘ及び冷却空間Ｙを通過する。冷却空間Ｙを経ることによって、原料金属粉末から生成されたナノ粒子は捕集部５０左側の内壁面５３に捕集される。 The distal end portion 18 of the raw material supply conduit 15 is configured at an angle at which the raw metal powder can be supplied in such a direction that the raw metal powder crosses the heating space X and the cooling space Y formed as described above. ing. The raw material metal powder supplied on the carrier gas from the leading end portion 18 of the raw material supply conduit 15 as described above flows in a locus as indicated by a dotted line and passes through the heating space X and the cooling space Y. By passing through the cooling space Y, nanoparticles generated from the raw metal powder are collected on the inner wall surface 53 on the left side of the collection unit 50.
いったん加熱空間Ｘを経た原料金属粉末が、再度加熱空間Ｘ及び冷却空間Ｙに進入することを防ぐために遮蔽板１９が設けられている。したがって、図７に示す本実施例に係るナノ粒子製造装置１の構成のレイアウトは、従来の製造方法のように、いったん蒸発面で蒸発した原料金属粉末が、冷却空間Ｙを通過した後に捕集面に到達するまでに、再気化してしまうような状況を発生させることがない。このため、本実施例に係るナノ粒子製造装置１によれば、粒径２０ｎｍ以上の粗大粒子が製造されてしまう割合を抑制することが可能となるのである。 In order to prevent the raw metal powder once passing through the heating space X from entering the heating space X and the cooling space Y again, a shielding plate 19 is provided. Therefore, the layout of the configuration of the nanoparticle production apparatus 1 according to the present embodiment shown in FIG. 7 is collected after the raw metal powder once evaporated on the evaporation surface passes through the cooling space Y as in the conventional production method. There is no possibility of re-vaporization before reaching the surface. For this reason, according to the nanoparticle manufacturing apparatus 1 which concerns on a present Example, it becomes possible to suppress the ratio by which the coarse particle with a particle size of 20 nm or more is manufactured.
以上のように構成されたナノ粒子製造装置１において、原料金属粉末として粒径４５μｍ以下で平均粒径２０μｍのＴｉ粉末（（株）高純度化学研究所製チタン粉末（９９．９％））を用いた。また、キャリアガスにはアルゴンガスを用い内囲部５２の圧力が３Ｔｏｒｒとなるように調整した。熱源部２４にはカーボヒーター（抵抗加熱）を用い、熱源部２４の温度が２０００℃となるように電流を流した。 In the nanoparticle manufacturing apparatus 1 configured as described above, Ti powder having a particle size of 45 μm or less and an average particle size of 20 μm (titanium powder (99.9%) manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) as a raw metal powder. Using. Also, argon gas was used as the carrier gas, and the pressure in the inner enclosure 52 was adjusted to 3 Torr. A carbo heater (resistance heating) was used for the heat source unit 24, and an electric current was passed so that the temperature of the heat source unit 24 was 2000 ° C.
原料供給部１０としては低周波式フィード法を採用し、この原料供給部１０によりＴｉ粉末を、３ｇ／ｈｏｕｒの割合で供給した。 The raw material supply unit 10 employs a low frequency feed method, and the raw material supply unit 10 supplies Ti powder at a rate of 3 g / hour.
原料Ｔｉ粉末を所定量落下させた後、熱源部２４の加熱を終了し、熱源部２４を常温まで降下させ捕集部５０を開放した。開放後、内壁面５３からナノ粒子を収集した。 After dropping a predetermined amount of the raw material Ti powder, the heating of the heat source unit 24 was terminated, the heat source unit 24 was lowered to room temperature, and the collecting unit 50 was opened. After opening, nanoparticles were collected from the inner wall surface 53.
キャリアガス調整バルブ７によるアルゴンガスの供給量の調整、及び真空ポンプ５９による排気量の調整によって、原料金属粉末が冷却空間Ｙを通過する速度をＶ0、２Ｖ0、４Ｖ0と変更して、ナノ粒子を製造し、製造したそれぞれのナノ粒子について、透過型電子
顕微鏡で観察した。図８が透過型電子顕微鏡写真であり、図８（Ａ）は冷却空間通過速度Ｖ0で生成されたナノ粒子の写真であり、図８（Ｂ）は冷却空間通過速度２Ｖ0で生成されたナノ粒子の写真であり、図８（Ｃ）は冷却空間通過速度４Ｖ0で生成されたナノ粒子の
写真である。
By adjusting the supply amount of argon gas by the carrier gas adjustment valve 7 and adjusting the exhaust amount by the vacuum pump 59, the speed at which the raw metal powder passes through the cooling space Y is changed to V 0 , 2V 0 , 4V 0 , Nanoparticles were produced and each produced nanoparticle was observed with a transmission electron microscope. FIG. 8 is a transmission electron micrograph, FIG. 8A is a photograph of nanoparticles generated at a cooling space passage speed V 0 , and FIG. 8B is generated at a cooling space passage speed 2 V 0 . FIG. 8C is a photograph of nanoparticles, and FIG. 8C is a photograph of nanoparticles produced at a cooling space passage speed of 4 V 0 .
ここで、Ｖ0とは、「金属原料粉末が、加熱空間で、適正に蒸発する時のキャリアガス
の流速」を示し、金属原料粉末毎に、予め、実験等によって適宜定められるものである。
Here, V 0 indicates “the flow rate of the carrier gas when the metal raw material powder properly evaporates in the heating space”, and is appropriately determined for each metal raw material powder by experiments or the like in advance.
図８に示すように、冷却空間通過速度が速くなるほどＴｉナノ粒子の粒径が大きくなり、数珠つなぎ・ネッキングも増えることがわかる。また、冷却空間通過速度Ｖ0で生成さ
れたナノ粒子については、５〜１０ｎｍ程度の粒径が極めて小さいナノ粒子も製造することができた。
As shown in FIG. 8, it can be seen that as the cooling space passage speed increases, the particle size of the Ti nanoparticles increases, and the number of beads and necking increases. Further, the nanoparticles produced in the cooling space passing speed V 0 could be particle size of about 5~10nm also be produced very small nanoparticles.
以上まとめると、従来の製造方法においては、いったん蒸発面で蒸発した原料金属粉末が、冷却空間を通過した後に捕集面に到達するまでに、再気化してしまうような状況を発生させる構成となっていたが、本発明のナノ粒子製造装置及びナノ粒子製造方法によれば、加熱空間において気化された原料金属粉末が冷却空間を通過する速度を制御する制御手段を有しており、この制御手段によって適正に気化した原料金属粉末の冷却がコントロールされるので、原料金属粉末から製造されるナノ粒子の粒径制御、粒径分布幅の制御や、
ナノ粒子同士の数珠つなぎ・ネッキング発生状況の制御を行うことが可能となり、粒径５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の単一金属からなるナノ粒子の製造ができるようになる。
上記では、メインコントローラ４による制御を前提として説明を行ったが、メインコントローラ４によらずにナノ粒子製造を行うことができる。
In summary, in the conventional manufacturing method, the raw material metal powder once evaporated on the evaporation surface is configured to generate a situation where it re-vaporizes before it reaches the collection surface after passing through the cooling space. However, according to the nanoparticle production apparatus and nanoparticle production method of the present invention, it has a control means for controlling the speed at which the raw metal powder vaporized in the heating space passes through the cooling space. Since the cooling of the raw metal powder properly vaporized by the means is controlled, the particle size control of the nanoparticles produced from the raw metal powder, the control of the particle size distribution width,
It becomes possible to control the daisy chain / necking occurrence state of the nanoparticles, and it becomes possible to produce nanoparticles made of a single metal having a particle size of about 5 nm to 10 nm.
In the above description, the control by the main controller 4 has been described. However, it is possible to manufacture nanoparticles without using the main controller 4.
図１において、ナノ粒子製造の対象となる原料金属粉末に対して、予め、キャリアガス調整バルブ７におけるキャリアガスの流量の調整量、原料補給部１０における原料補給量、加熱部２０の熱源部での加熱温度、冷却部４０の冷却温度に対する冷却量、および、捕集部５０における冷却温度と真空度とを設定し、それらの設定条件においてナノ粒子製造装置の運転を行うことによって、メインコントローラ４を用いずに、所望のナノ粒子の製造を実現することができる。 In FIG. 1, with respect to the raw material metal powder to be the target of nanoparticle production, the carrier gas flow rate adjustment amount in the carrier gas adjustment valve 7, the raw material replenishment amount in the raw material replenishment unit 10, The main controller 4 is operated by setting the heating temperature, the cooling amount with respect to the cooling temperature of the cooling unit 40, the cooling temperature and the degree of vacuum in the collection unit 50, and operating the nanoparticle manufacturing apparatus under these setting conditions. Production of a desired nanoparticle can be realized without using.
以上、原料金属粉末がＴｉ粉末の場合を説明したが、本発明では、原料金属粉末を酸化、還元、あるいは、その他化学反応によってナノ粒子を製造するものではなく、溶融・気化と冷却によってナノ粒子を製造するものであるため、元素周期律表の３ｄ元素（Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｋｒ）、４ｄ元素（Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉ、Ｘｅ）、５ｄ元素（Ｂａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ）等を原料金属として利用し、ナノ粒子を製造することができる。好ましくは、元素周期律表の３ｄ元素のＣａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、４ｄ元素のＳｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、５ｄ元素のＢａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕであり、さらに好ましくは、３ｄ元素のＴｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、４ｄ元素のＺｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、５ｄ元素のＰｔ、Ａｕである。 As described above, the case where the raw metal powder is Ti powder has been described. However, in the present invention, the raw metal powder is not manufactured by oxidation, reduction, or other chemical reaction, but is produced by melting, vaporizing and cooling. 3d element (Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr) 4d element (Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Xe), 5d element (Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au) or the like can be used as a raw material metal to produce nanoparticles. Preferably, 3d element Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, 4d element Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, 5d element Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, and more preferably 3d element Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, 4d element Zr Nb, Mo, Pd, Ag, and 5d elements Pt and Au.
１ ナノ粒子製造装置
３ 入力部
４ メインコントローラー
５ ポンプコントローラー
６ バルブコントローラー
７ キャリアガス調整バルブ
８ 流量計
９ キャリアガス導入管
１０ 原料供給部
１１ ホッパー
１２ ノズル
１３ 振動子
１５ 原料供給導管
１６ スリット入りホッパー
１７ 打振棒
１８ 先端部
１９ 遮蔽板
２０ 加熱部
２１ 第１導通管部
２２ 第２導通管部
２３ 保護層部
２４ 熱源部
４０ 冷却部
４１ 第３導通管部
４２ 冷媒導入管
４３ 冷媒排出管
４４ 冷媒路
５０ 捕集部
５１ 外囲部
５２ 内囲部
５３ 内壁面
５５ 排気管
５８ 圧力計
５９ 真空ポンプ
６０ 冷媒路
６１ 冷媒導入管
６２ 冷媒排出管
８０ 分級装置
Ｘ 加熱空間
Ｙ 冷却空間
Ｚ 捕集空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nanoparticle manufacturing apparatus 3 Input part 4 Main controller 5 Pump controller 6 Valve controller 7 Carrier gas adjustment valve 8 Flowmeter 9 Carrier gas introduction pipe 10 Raw material supply part 11 Hopper 12 Nozzle 13 Vibrator 15 Raw material supply conduit 16 Shopper with slit 17 Damping rod 18 Tip 19 Shielding plate 20 Heating part 21 First conduction pipe part 22 Second conduction pipe part 23 Protective layer part 24 Heat source part 40 Cooling part 41 Third conduction pipe part 42 Refrigerant introduction pipe 43 Refrigerant discharge pipe 44 Refrigerant Path 50 Collection part 51 Outer part 52 Inner part 53 Inner wall surface 55 Exhaust pipe 58 Pressure gauge 59 Vacuum pump 60 Refrigerant path 61 Refrigerant introduction pipe 62 Refrigerant discharge pipe 80 Classifier X Heating space Y Cooling space Z Collecting space
Claims (4)
前記冷却空間は、前記原料金属粉末の融点より低い第２温度に保たれ、
前記捕集空間は、前記冷却空間の第２温度より低い第３温度に保たれていることを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子製造装置。 The heating / melting temperature of the heating space is maintained at a first temperature equal to or higher than the melting point of the raw metal powder,
The cooling space is maintained at a second temperature lower than the melting point of the raw metal powder,
The nanoparticle production apparatus according to claim 1, wherein the collection space is maintained at a third temperature lower than the second temperature of the cooling space.
前記加熱空間での加熱・溶融処理、冷却空間での冷却処理ならびに捕集空間での捕集処理が連続した逆流のない流路を形成し、かつ、前記加熱空間ならびに前記冷却空間の断面積に対して、捕集空間の断面積を大きく設定することによってナノ粒子の製造が行われることを特徴とするナノ粒子製造方法。 A nanoparticle production method for producing a nanoparticle by subjecting a mixture of a raw metal powder and a carrier gas to heating / melting treatment in a heating space, cooling treatment in a cooling space, and collection treatment in a collection space. ,
A heating / melting process in the heating space, a cooling process in the cooling space, and a collection process in the collection space form a continuous backflow-free flow path, and a cross-sectional area of the heating space and the cooling space On the other hand, the nanoparticle production method is characterized in that the nanoparticle is produced by setting the cross-sectional area of the collection space to be large.
前記冷却空間の冷却処理の温度は、前記原料金属粉末の融点より低い第２温度に保たれ、
前記捕集空間の捕集処理の温度は、前記冷却空間の第２温度より低い第３温度に保たれてナノ粒子の製造が行われることを特徴とする請求項３に記載のナノ粒子製造方法。
The processing temperature of the heating / melting treatment of the heating space is maintained at a first temperature equal to or higher than the melting point of the raw metal powder,
The temperature of the cooling treatment of the cooling space is maintained at a second temperature lower than the melting point of the raw metal powder,
The temperature of the collection process of the said collection space is maintained at the 3rd temperature lower than the 2nd temperature of the said cooling space, and manufacture of a nanoparticle is performed, The nanoparticle manufacturing method of Claim 3 characterized by the above-mentioned. .
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