JP2012237023A - 金属微粒子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、金属微粒子の品質を損なうこと無く、高い生産性かつ低コストで金属微粒子の平均粒径を自在に制御可能な金属微粒子の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】炉内でバーナを用いて火炎を形成し、該火炎中に、燃料ガスにより輸送された原料粉体である金属或いは金属化合物を通過させることで金属微粒子を生成する方法であって、該火炎は、還元性火炎であり、該還元性火炎の火炎長を調整することで金属微粒子の平均粒径を制御する。
【選択図】なし

Description

本発明は、バーナを用いた金属微粒子の製造方法に関する。

従来、携帯端末やデジタル家電の中には、金属微粒子を用いた様々な電子部品が内蔵されている。一例としては、積層セラミックコンデンサーがある。これは、チタン酸バリウム等の誘電体とニッケル等の金属とを積層させた超小型のコンデンサーである。

超小型のコンデンサーに使用するニッケルは、０．２〜０．４μｍ程度の球状の微粒子であり、これらをペースト化して、焼成することで電極層が形成される。積層セラミックコンデンサーは、年々小型化が進んでおり、これに伴い、安価で、かつ小粒径のニッケル微粒子の製造技術が望まれている。

発明者らは、これまでに特許文献１〜３に記載の金属微粒子の製造方法に関する発明をなした。これらは、炉内でバーナにより還元性火炎を形成し、そこに原料となる金属や金属化合物を吹き込み、加熱・還元・蒸発を行うことで金属微粒子を生成する方法である。
特許文献１〜３に記載の金属微粒子の製造方法は、従来の蒸気圧の高い塩化物を原料に用いた方法や、アークやプラズマ等の高電気エネルギーを利用した方法とは異なり、有害物質の生成も無く、安価な金属微粒子の製造方法である。

上記特許文献１〜３には、酸素比や排ガス中の一酸化炭素と二酸化炭素の比（ＣＯ／ＣＯ_２）の調整や、排ガス中の原料濃度や原料の噴出流速等を調整する方法が開示されている。これらの方法を用いることで、所望の平均粒径に制御された金属微粒子を生成させることが可能となる。

特許第４３０４２１２号公報 特許第４３０４２２１号公報 特開２０１１−６７１８号公報

しかしながら、酸素比を調整する場合、生成する金属微粒子の酸化やＣ濃度の上昇による不純物の混入の問題があるため、金属微粒子の平均粒径の制御範囲に限界があった。
また、排ガス中の原料濃度を調整する方法では、特に、平均粒径の小さい金属微粒子（具体的には、平均粒径が０．１μｍ以下の金属微粒子）を生成する場合、原料供給量を減らす調整や、燃焼排ガス量を増やす調整等を行う必要があるため、生産性の低下やバーナ燃焼量の増加等によるコストアップが生じてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、金属微粒子の品質を損なうこと無く、高い生産性かつ低コストで金属微粒子の平均粒径を自在に制御可能な金属微粒子の製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、炉内でバーナを用いて火炎を形成し、該火炎中に、燃料ガスにより輸送された原料粉体である金属或いは金属化合物を通過させることで金属微粒子を生成する方法であって、前記火炎は、還元性火炎であり、前記還元性火炎の火炎長を調整することで前記金属微粒子の平均粒径を制御することを特徴とする金属微粒子の製造方法が提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記還元性火炎は、ＣＯ及びＨ_２が残存する火炎であり、燃料ガスの部分燃焼で得られることを特徴とする請求項１記載の金属微粒子の製造方法が提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記還元性火炎の火炎長の調整は、前記バーナの燃焼室に噴出される支燃性ガスの流速を変えることで行なうことを特徴とする請求項１または２記載の金属微粒子の製造方法が提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記還元性火炎の火炎長の調整は、前記バーナの燃焼室に支燃性ガスを噴出する支燃性ガス噴出部を少なくとも２系統以上に分割し、各系統に供給する支燃性ガスの流量比率を変えることで行なうことを特徴とする請求項１または２記載の金属微粒子の製造方法が提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、前記燃焼室に噴出された前記燃料ガスと、前記燃焼室に噴出される支燃性ガスとを交差させることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の金属微粒子の製造方法が提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、前記燃料ガスにより輸送された前記原料粉体は、前記バーナの中心部から前記燃焼室に噴出され、前記支燃性ガスは、前記原料粉体の外側から前記燃焼室に噴出されることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の金属微粒子の製造方法が提供される。

本発明の金属微粒子の製造方法によれば、還元性火炎中に、燃料ガスにより輸送された原料粉体である金属或いは金属化合物を通過させて金属微粒子を生成する際、還元性火炎の火炎長を調整することにより、金属微粒子の品質を損なうこと無く、高い生産性かつ低コストで金属微粒子の平均粒径を自在に制御することができる。
なお、還元性火炎の火炎長を短くすると金属微粒子の平均粒径は小さくなり、還元性火炎の火炎長を長くすると、還元性火炎の火炎長が短い場合と比較して金属微粒子の平均粒径は大きくなる。

本発明の実施の形態の金属微粒子の製造方法を行う際に使用する金属微粒子製造装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示すバーナをＡ視した図である。 図２に示すバーナのＢ−Ｂ線方向の断面図である。 燃料ガスの流量、酸素（支燃性ガス）の流量、及び第１の支燃性ガスと、第２の支燃性ガスとの流量割合を固定し、第１及び第２の支燃性ガスの流速を変化させたときの還元性火炎の火炎長を示す図である。 燃料ガスの流量、酸素（支燃性ガス）の流量を固定し、第１の支燃性ガスと第２の支燃性ガスとの流量割合を変化させたときの還元性火炎の火炎長を示す図である。 金属微粒子の平均粒径と還元性火炎の火炎長との関係について示す図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の金属微粒子製造装置の寸法関係とは異なる場合がある。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態の金属微粒子の製造方法を行う際に使用する金属微粒子製造装置の概略構成を示す模式図である。
図１を参照するに、金属微粒子製造装置１０は、原料フィーダー１１、バーナ１２、水冷炉１３、支燃性ガス供給源１５と、窒素供給源１６と、バグフィルター１８と、ブロワー２１と、を有する。

原料フィーダー１１は、図示していない燃料ガス供給源、及びバーナ１２と接続されている。原料フィーダー１１は、原料粉体を定量的に供給し、さらに燃料ガスにより原料粉体を気体搬送してバーナ１２に供給する。
バーナ１２は、原料フィーダー１１及び支燃性ガス供給源１５と接続されており、先端部１２Ａが水冷炉１３の上端と対向するように配置されている。バーナ１２の先端部１２Ａは、原料粉体である金属或いは金属化合物を加熱・還元・蒸発させる火炎を形成する。

図２は、図１に示すバーナをＡ視した図であり、図３は、図２に示すバーナのＢ−Ｂ線方向の断面図である。
図２及び図３を参照するに、バーナ１２は、原料供給管２５と、原料噴出孔２６と、環状部材２７と、第１の支燃性ガス供給部２９と、第１の支燃性ガス噴出孔３２（支燃性ガス噴出部）と、外筒３３と、第２の支燃性ガス供給部３５と、第２の支燃性ガス噴出孔３６（支燃性ガス噴出部）と、燃焼室３８と、冷却水用管路４１と、を有する。
なお、本実施の形態では、支燃性ガス噴出部を、第１の支燃性ガス噴出孔３２と、第２の支燃性ガス噴出孔３６と、の２系統に分割した場合を例に挙げて以下の説明を行う。

図３を参照するに、原料供給管２５は、円筒形状とされており、内部に筒状空間４４を有する。筒状空間４４は、管路を介して、原料フィーダー１１と接続されている。筒状空間４４には、燃料ガスであるＬＮＧ（天然ガスやプロパンガスといった炭化水素系の燃料ガス）により輸送された原料粉体が供給される。

図３を参照するに、原料噴出孔２６は、原料供給管２５の先端２５Ａを貫通するように複数設けられている。複数の原料噴出孔２６は、原料供給管２５の中心軸Ｃに対して外側に広がるように形成されたマルチホールである（図２参照）。
原料噴出孔２６は、燃焼室３８に燃料ガス及び原料粉体を噴出する。燃料ガス及び原料粉体は、バーナ１２の中心部から燃焼室３８に噴出される。燃焼室３８に噴出された原料粉体は、支燃性ガスにより形成される火炎中で直接加熱される。

図２及び図３を参照するに、環状部材２７は、円筒形状とされており、原料供給管２５との間に隙間を介在させた状態で、原料供給管２５の外側に設けられている。環状部材２７は、その中心軸が原料供給管２５の中心軸Ｃと一致するように配置されている。
環状部材２７の先端２７Ａは、原料供給管２５の中心軸Ｃに対して外側に広がるように傾斜している。環状部材２７の先端２７Ａは、原料供給管２５の先端面２５ａから燃焼室３８側に突出している。

図３を参照するに、第１の支燃性ガス供給部２９は、原料供給管２５と環状部材２７との間に設けられた筒状の空間である。第１の支燃性ガス供給部２９は、管路を介して、支燃性ガス供給源１５と接続されており、支燃性ガスである酸素または酸素富化空気が供給される。

第１の支燃性ガス噴出孔３２は、燃焼室３８側に位置する第１の支燃性ガス供給部２９の端に複数設けられている。これら第１の支燃性ガス噴出孔３２は、原料噴出孔２６の形成位置よりも外側に配置されている。
第１の支燃性ガス噴出孔３２は、第１の支燃性ガス供給部２９と接続されている。第１の支燃性ガス噴出孔３２は、燃焼室３８に噴出された原料粉体の外側から、燃焼室３８に第１の支燃性ガスである酸素または酸素富化空気を噴出する。

図２を参照するに、第１の支燃性ガス噴出孔３２は、原料供給管２５の中心軸Ｃに対して同心円状に配置されたマルチホールである。第１の支燃性ガス噴出孔３２は、燃焼室３８に第１の支燃性ガスを噴出する。

図３を参照するに、外筒３３は、環状部材２７との間に第２の支燃性ガス供給部３５が形成されるように、環状部材２７の外側に配置されている。
第２の支燃性ガス供給部３５は、第２の支燃性ガス供給部３５は、環状部材２７と外筒３３との間に設けられた筒状の空間である。第２の支燃性ガス供給部３５は、管路を介して、支燃性ガス供給源１５と接続されており、支燃性ガスである酸素または酸素富化空気が供給される。

第２の支燃性ガス噴出孔３６は、環状部材２７の先端２７Ａを貫通するように複数設けられている。これら第２の支燃性ガス噴出孔３６は、第１の支燃性ガス噴出孔３２の形成位置よりも外側に配置されている。
第２の支燃性ガス噴出孔３６は、第２の支燃性ガス供給部３５と接続されており、燃焼室３８に噴出された原料粉体の外側から、燃焼室３８に第２の支燃性ガスである酸素または酸素富化空気を噴出する。

図２を参照するに、複数の第２の支燃性ガス噴出孔３６は、原料供給管２５の中心軸Ｃに向かう方向に傾斜して配置されている。第２の支燃性ガス噴出孔３６は、燃料ガスが噴出される原料噴出孔２６と交差するように構成されている。つまり、バーナ１２は、燃焼室３８に噴出された燃料ガスと、燃焼室３８に噴出された第２の支燃性ガスと、が交差するような構成とされている。

このように、燃焼室３８に噴出された燃料ガスと、燃焼室３８に噴出された第２の支燃性ガスと、を交差させることで、燃料ガスと支燃性ガスとの混合が促進されると共に、支燃性ガスの流速変化に対する燃料ガスの混合の割合を敏感に影響させることが可能となるので、支燃性ガスの流速変化により火炎の長さを容易に調整できる。

還元性火炎の火炎長を調整することで、具体的には、還元性火炎の火炎長を長くして平均粒径の大きな金属粒子を生成し、還元性火炎の火炎長を短くして平均粒径の小さな金属粒子を生成する。
これにより、金属微粒子の品質を損なうこと無く、高い生産性かつ低コストで金属微粒子の平均粒径を自在に制御することができる。

なお、本実施の形態では、図３に示すように、燃料ガスが噴出される原料噴出孔２６と、第２の支燃性ガスが噴出される第２の支燃性ガス噴出孔３６と、の両方を傾斜させた場合を例に挙げて説明したが、どちらか一方のみを傾斜させた構成としてもよい。

図３を参照するに、燃焼室３８は、原料供給管２５の先端面２５ａと環状部材２７の先端２７Ａとで囲まれた空間である。燃焼室３８は、原料供給管２５の先端面２５ａから離間するにつれて、径が広くなる形状とされている。燃焼室３８は、円錐台形の空間である。バーナ１２は、燃焼室３８及びその先に原料粉体を溶融する火炎を形成する。

冷却水用管路４１は、外筒３３に内設されている。冷却水用管路４１は、冷却水を循環させるための管路であり、バーナ１２の先端を冷却することで、バーナ１２の先端が熱により損傷することを防止する。

本実施の形態では、上記構成とされたバーナ１２を用いて、燃料ガスを完全燃焼できる酸素（支燃性ガス）の量よりも少ない量の酸素により部分燃焼させ、ＣＯ及びＨ_２が残存する還元性火炎を形成し、原料粉体が還元性火炎内を通過することで、原料粉体が加熱・還元・蒸発されて金属微粒子が生成される。

図１を参照するに、水冷炉１３の上端にバーナ１２が設けられている。水冷炉１３の内部は、中空であり、炉壁を冷却することで、水冷炉１３の内壁に原料粉体或いは金属微粒子が付着・成長することを抑制するためのものである。

支燃性ガス供給源１５は、管路を介して、バーナ１２と接続されている。具体的には、図３に示す第１及び第２の支燃性ガス供給部２９，３５のそれぞれと接続されている。支燃性ガス供給源１５は、第１及び第２の支燃性ガス供給部２９，３５のそれぞれに対して支燃性ガスを供給する。

窒素供給源１６は、水冷炉１３の内部に窒素を供給可能な状態で、水冷炉１３と接続されている。窒素供給源１６は、水冷炉１３の内部に窒素を供給することで、水冷炉１３の内部空間に旋回流を形成する。

バグフィルター１８は、生成された金属微粒子を回収可能な状態で水冷炉１３の下端と接続されている。バグフィルター１８は、生成された金属微粒子を捕集するためのフィルターである。
ブロワー２１は、バグフィルター１８と接続されている。ブロワー２１は、水冷炉から排出されるガスを排気するためのものである。

本実施の形態の金属微粒子の製造方法によれば、還元性火炎中に、燃料ガスにより輸送された原料粉体である金属或いは金属化合物を通過させて金属微粒子を生成する際、還元性火炎の火炎長を調整することにより、金属微粒子の品質を損なうこと無く、高い生産性かつ低コストで金属微粒子の平均粒径を自在に制御することができる。
なお、還元性火炎の火炎長を短くすると金属微粒子の平均粒径は小さくなり、還元性火炎の火炎長を長くすると、還元性火炎の火炎長が短い場合と比較して金属微粒子の平均粒径は大きくなる。

なお、本実施の形態では、一例として、支燃性ガスが噴出される支燃性ガス噴出部を２系統に分けた場合を例に挙げて説明したが、支燃性ガスが噴出される支燃性ガス噴出部は、２系統以上に分割されておればよく、２系統に限定されない。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

（実施例１）
図１に示す金属微粒子製造装置１０（図２及び図３に示す構造とされたバーナ１２を備えた装置）を使用して、下記表１に示す条件のときの還元性火炎の火炎長について評価した。
具体的には、燃料ガスの流量、酸素（支燃性ガス）の流量、及び第１の支燃性ガスと第２の支燃性ガスとの流量割合を固定し、第１及び第２の支燃性ガスの流速を変化させたときの還元性火炎の火炎長について評価した。流量を固定した第１及び第２の支燃性ガスの流速は、支燃性ガス噴出孔の径を変えたノズルに交換して行った。

この結果を図４に示す。図４は、燃料ガスの流量、酸素（支燃性ガス）の流量、及び第１の支燃性ガスと第２の支燃性ガスとの流量割合を固定し、第１及び第２の支燃性ガスの流速を変化させたときの還元性火炎の火炎長を示す図である。

図４を参照するに、第１及び第２の支燃性ガス（酸素ガス）の流速が速いと還元性火炎の火炎長は短くなるなり、第１及び第２の支燃性ガスの流速が遅いと還元性火炎の火炎長は長くなることが確認できた。
つまり、第１及び第２の支燃性ガスの流速を変化させることで、還元性火炎の火炎長を調整可能なことが確認できた。

（実施例２）
図１に示す金属微粒子製造装置１０（図２及び図３に示す構造とされたバーナ１２を備えた装置）を使用して、下記表２に示す条件のときの還元性火炎の火炎長について評価した。
具体的には、燃料ガスの流量、酸素（支燃性ガス）の流量を固定し、第１の支燃性ガスと第２の支燃性ガスとの流量割合を変化させたときの還元性火炎の火炎長について評価した。

この結果を図５に示す。図５は、燃料ガスの流量、酸素（支燃性ガス）の流量を固定し、第１の支燃性ガスと第２の支燃性ガスとの流量割合を変化させたときの還元性火炎の火炎長を示す図である。なお、ノズルは１種類であり、該ノズルにより第１及び第２の支燃性ガス流量の割合を変化させている。

図２を参照するに、第１の支燃性ガス（酸素ガス）の流量の割合が４０％（言い換えれば、第２の支燃性ガス（酸素ガス）の流量の割合が６０％）のときに、還元性火炎の火炎長が最も長くなることが確認できた。
図２に示すように、第１及び第２の支燃性ガス（酸素ガス）の流量の割合を変化させることで、還元性火炎の火炎長を調整可能なことが確認できた。

（実施例３）
図１に示す金属微粒子製造装置１０（図２及び図３に示す構造とされたバーナ１２を備えた装置）を使用して、下記表３に示す条件を用いて、金属微粒子を生成し、バグフィルター１８で捕集し、該金属微粒子の平均粒径と還元性火炎の火炎長との関係について評価した。

この結果を図６に示す。図６は、金属微粒子の平均粒径と還元性火炎の火炎長との関係について示す図である。
図６を参照するに、金属微粒子の平均粒径と還元性火炎の火炎長との間には、相関関係があり、還元性火炎の火炎長が短いと生成される金属微粒子の平均粒径が小さくなり、還元性火炎の火炎長が長いと生成される金属微粒子の平均粒径は大きくなることが確認できた。
つまり、従来よりも平均粒径の制御範囲の広い金属微粒子を容易に製造することができることが確認できた。

本発明は、バーナを用いた金属微粒子の製造方法に適用可能である。

１０…金属微粒子製造装置、１１…原料フィーダー、１２…バーナ、１２Ａ…先端部、１３…水冷炉、１５…支燃性ガス供給源、１６…窒素供給源、１８…バグフィルター、２１…ブロワー、２５…原料供給管、２５ａ…先端面、２５Ａ，２７Ａ…先端、２６…原料噴出孔、２７…環状部材、２９…第１の支燃性ガス供給部、３２…第１の支燃性ガス噴出孔、３３…外筒、３５…第２の支燃性ガス供給部、３６…第２の支燃性ガス噴出孔、３８…燃焼室、４１…冷却水用管路、Ｃ…中心軸

Claims (6)

1. 炉内でバーナを用いて火炎を形成し、該火炎中に、燃料ガスにより輸送された原料粉体である金属或いは金属化合物を通過させることで金属微粒子を生成する方法であって、
   前記火炎は、還元性火炎であり、
   前記還元性火炎の火炎長を調整することで前記金属微粒子の平均粒径を制御することを特徴とする金属微粒子の製造方法。
2. 前記還元性火炎は、ＣＯ及びＨ_２が残存する火炎であり、燃料ガスの部分燃焼で得られることを特徴とする請求項１記載の金属微粒子の製造方法。
3. 前記還元性火炎の火炎長の調整は、前記バーナの燃焼室に噴出される支燃性ガスの流速を変えることで行なうことを特徴とする請求項１または２記載の金属微粒子の製造方法。
4. 前記還元性火炎の火炎長の調整は、前記バーナの燃焼室に支燃性ガスを噴出する支燃性ガス噴出部を少なくとも２系統以上に分割し、各系統に供給する支燃性ガスの流量比率を変えることで行なうことを特徴とする請求項１または２記載の金属微粒子の製造方法。
5. 前記燃焼室に噴出された前記燃料ガスと、前記燃焼室に噴出される支燃性ガスとを交差させることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の金属微粒子の製造方法。
6. 前記燃料ガスにより輸送された前記原料粉体は、前記バーナの中心部から前記燃焼室に噴出され、
   前記支燃性ガスは、前記原料粉体の外側から前記燃焼室に噴出されることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の金属微粒子の製造方法。

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