JP2024064010A - 水素化装置、及び水素化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構成で水素化金属を得ることができる水素化装置、及び水素化方法を提供する。【解決手段】水素化装置１は、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料Ｍａを気化させて気体を生成する気化部６を備える。このため、気化部６は、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方の気体を生成し、プラズマと反応可能な状態とすることができる。これに対し、プラズマ供給部３は、気体に対して、水素プラズマＰｂを照射する。これにより、水素化金属を生成することができる。このように生成された水素化金属は、複雑な分離部などがなくとも、固体として容易に回収することができる。以上より、シンプルな構成で水素化金属を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、水素化装置、及び水素化方法に関する。

従来、プラズマを用いて所望の物質を回収する装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された装置は、所定の物質を含む材料にプラズマを照射し、材料にプラズマが照射されることにより生成される中性粒子及び所定の物質のイオンを分離する。

特開２０１４－２３１６３０号公報

上述の特許文献１に記載された装置は、所定の物質を電極板で分離析出させることで回収するが、当該電極板の回収も必要になる上、分離のための構成が複雑になるため、十分な還元物の分解・回収効率が得られないという問題がある。ここで、金属の酸化物や水酸化物を分離して、水素化金属として取得することが求められている。このような水素化金属をシンプルな構成にて得ることが求められている。

そこで本発明は、シンプルな構成で水素化金属を得ることができる水素化装置、及び水素化方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る水素化装置は、水素化金属を生成する水素化装置であって、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化部と、気体に対して、水素プラズマを照射するプラズマ供給部と、を備える。

本発明の水素化装置は、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化部を備える。このため、気化部は、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方の気体を生成し、プラズマと反応可能な状態とすることができる。これに対し、プラズマ供給部は、気体に対して、水素プラズマを照射する。これにより、水素化金属を生成することができる。このように生成された水素化金属は、複雑な分離部などがなくとも、固体として容易に回収することができる。以上より、シンプルな構成で水素化金属を得ることができる。

プラズマ供給部は、水素プラズマを生成して照射してよい。この場合、プラズマ供給部は、直接水素プラズマを生成して照射することができる。

プラズマ供給部は、プラズマを生成して、プラズマに対して水素を導入してよい。この場合、直接水素プラズマを生成できない場合も、別途水素を導入することで、水素プラズマの生成が可能となる。

材料は、金属としてアルミニウム、マグネシウムを少なくとも含んでよい。アルミニウム及びマグネシウムはイオン化し易いため、容易に水素化金属を生成することができる。

水素化装置は、材料を配置する材料配置部と、材料配置部に対向する位置に設けられ、気体と水素プラズマとを反応させる反応部と、反応部に対して材料配置部の反対側に設けられ、水素化金属を回収する回収体を配置する回収体配置部と、を更に備えてよい。この場合、材料で発生した気体が反応部にて反応し、そのまま回収体配置部へ向かって飛散し、回収体にて回収される。

プラズマ供給部は、材料配置部と回収体配置部との対向方向と交差する方向から水素プラズマを照射するプラズマガンを有してよい。この場合、プラズマガンは、飛散する水素化金属の邪魔にならない位置から、水素プラズマを照射できる。

プラズマ供給部は、水素をキャリアガスとする圧力勾配型プラズマガンを有してよい。この場合、圧力勾配型プラズマガンが、高密度な水素プラズマを照射することができる。

水素化装置は、反応部と回収体配置部との間に設けられ、真空ポンプで排気ガスを吸引する排気口を更に備えてよい。この場合、回収体の手前の位置にて、反応部にて生成された回収不要な水や水素を効率的に排気することができる。

本発明に係る水素化方法は、水素化金属を生成する水素化方法であって、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化工程と、気体に対して、水素プラズマを照射するプラズマ供給工程と、を備える。

この水素化方法によれば、上述の水素化装置と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、シンプルな構成で水素化金属を得ることができる水素化装置、及び水素化方法を提供することができる。

第１実施形態に係る水素化装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示す水素化装置における水素化金属が生成される様子を説明する図である。 図１に示す水素化装置を用いた水素化方法の動作の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る水素化装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る水素化装置及び水素化方法について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る水素化装置の構成を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の水素化装置１は、所定の物質を含む材料Ｍａの金属を水素化する水素化装置１であって、材料配置部２、プラズマ供給部３、回収体配置部４、及び真空チャンバー５を備えている。なお、説明の便宜上、図１には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、プラズマ供給部３がプラズマビームを出射する方向である。Ｚ軸方向は、材料配置部２と回収体配置部４とが対向する方向である。Ｘ軸方向は、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに直交する方向である。なお、水素化装置１の向きは特に限定されず、Ｚ軸方向が鉛直方向であってもよく、水平方向であってもよい。

真空チャンバー５は、材料Ｍａを水素プラズマと反応させる反応室５ａ（反応部）と、プラズマ供給部３から照射される水素プラズマＰｂを真空チャンバー５に受け入れるプラズマ口５ｂとを有している。反応室５ａ、及びプラズマ口５ｂは互いに連通している。また、真空チャンバー５は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。

材料配置部２は、真空チャンバー５の反応室５ａ内に設けられ、Ｚ軸方向の負方向に配置されており、材料Ｍａを配置可能に構成されている。

本実施形態では、材料配置部２は、プラズマ供給部３から出射された水素プラズマＰｂを材料Ｍａに導く主陽極又はプラズマ供給部３から出射された水素プラズマＰｂが導かれる主陽極である主ハースによって構成されている。材料配置部２は、材料Ｍａが充填されたＺ軸方向の正方向に延びた筒状の充填部２ａと、充填部２ａから突出したフランジ部２ｂとを有している。材料配置部２は、真空チャンバー５が有する接地電位に対して正電位に保たれているため、プラズマ供給部３から出射された水素プラズマＰｂを吸引する。この水素プラズマＰｂが入射する充填部２ａには、材料Ｍａを充填するための貫通孔２ｃが形成されている。そして、材料Ｍａの先端部分が、この貫通孔２ｃの一端において反応室５ａに露出している。

材料Ｍａは、例えば所定長さの円柱形状に形成された固形物である。材料配置部２の充填部２ａには一度に複数の材料Ｍａが充填されている。材料Ｍａは、その消費に応じて、フランジ部２ｂ側から充填部２ａ側へ向かって、充填部２ａから順次押し出される。材料Ｍａとしては、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む。また、金属として、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、鉄、マンガン等が例示される。材料Ｍａが絶縁性物質からなる場合、主ハースである材料配置部２に水素プラズマＰｂが照射されると、水素プラズマＰｂからの電流によって材料配置部２が加熱され、材料Ｍａの先端部分が蒸発し、蒸発粒子Ｍｂが反応室５ａ内で広がりつつ回収体配置部４側へ進行する。また、材料Ｍａが導電性物質からなる場合、主ハースである材料配置部２に水素プラズマＰｂが照射されると、水素プラズマＰｂが材料Ｍａに直接入射し、材料Ｍａの先端部分が加熱されて蒸発し、蒸発粒子Ｍｂが反応室５ａ内で広がりつつ回収体配置部４側へ進行する。なお、蒸発粒子Ｍｂとは、材料Ｍａから蒸発した粒子全般を指すものとして、以下の説明を行う。

以上のように、材料配置部２及びプラズマガン３０は、材料Ｍａを気化させて気体を生成する気化部６として機能する。

なお、真空チャンバー５には圧力調整装置として、真空ポンプ３１が接続されている。真空ポンプ３１は、真空チャンバー５に連通した排気口３２に接続されている。排気口３２は、反応室５ａと回収体配置部４との間に設けられ、真空ポンプ３１で排気ガスを吸引する。これにより、真空ポンプ３１は、真空チャンバー５内の圧力を調整することができる。なお、圧力調整装置として、真空ポンプ３１以外の装置が用いられてもよく、例えばターボ分子ポンプやクライオポンプ等の減圧部と、真空チャンバー５内の圧力を測定する圧力測定部とを有してよい。

また、真空チャンバー５の反応室５ａ内に、輪ハース７を備えてもよい。輪ハース７は、水素プラズマＰｂを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース７は、材料Ｍａを配置する材料配置部２の充填部２ａの周囲に配置されている。輪ハース７は、環状のコイル８と環状の永久磁石９と環状の容器１０とを有し、コイル８及び永久磁石９は容器１０に収容されている。輪ハース７は、コイル８に流れる電流の大きさに応じて、材料Ｍａに入射する水素プラズマＰｂの幅・太さを制御する。

圧力勾配型のプラズマガン３０は、材料配置部２に配置される材料Ｍａに高密度の水素プラズマＰｂを供給する圧力勾配型のプラズマ供給部であり、真空チャンバー５におけるプラズマ口５ｂに固定されている。プラズマガン３０は、真空チャンバー５のＹ軸方向の負方向における壁部に設けられる。プラズマガン３０には、キャリアガスＧＳとして、水素ガス、及びアルゴンガスが供給される。これにより、プラズマガン３０は、水素プラズマＰｂを直接生成することができる。

圧力勾配型のプラズマガン３０は、第１中間電極１５及び第２中間電極１６からなる中間電極１７と、陰極管１８が固定されたカソードフランジ１９とを備え、中間電極１７とカソードフランジ１９との間には、陰極管１８を包囲するガラス管２０が配置されている。

第２中間電極１６は環状であり、真空チャンバー５のプラズマ口５ｂにシールカラーを介して固定されている。第２中間電極１６の後側には、シールカラーを介して環状の第１中間電極１５が同心状に重ねて固定されている。第２中間電極１６には、空芯コイル１６ａが内蔵されており、第１中間電極１５には、磁極軸が陰極管１８の中心線に平行になるように永久磁石１５ａが内蔵されている。空芯コイル１６ａや永久磁石１５ａは、水素プラズマＰｂを収束させる。なお、真空チャンバー５のプラズマ口５ｂの周囲には、発生した水素プラズマＰｂを真空チャンバー５内に導くステアリングコイル２１が設けられている。

ステアリングコイル２１により真空チャンバー５内に導かれた水素プラズマＰｂは、上述のように、材料配置部２により吸引され、材料Ｍａに導かれる。以上のような構成により、材料Ｍａの表面上にはプラズマ領域Ｐが形成されている。すなわち、材料配置部２と圧力勾配型のプラズマガン３０とは、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐを保持可能な位置関係となるように配置されている。なお、「プラズマ領域Ｐを保持可能な位置関係」とは、輪ハース７やステアリングコイル２１を用いることによって、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐを保持可能な位置関係も含まれる。よって、材料Ｍａの蒸発粒子Ｍｂが当該プラズマ領域Ｐにおけるプラズマと反応することにより、水素化金属を及び金属イオンなど、回収体４０で回収される粒子ＰＴ１が生成される。また、当該反応によって、水や水素などの粒子ＰＴ２も生成される。粒子ＰＴ１，ＰＴ２は、反応室５ａ内で広がりつつ回収体配置部４側へ進行する。

圧力勾配型のプラズマガン３０は、電子温度領域１～１０ｅＶにおいて動作が可能であり、ガン駆動装置２３によってその動作が制御されている。ガン駆動装置２３により、陰極管１８への給電をオン・オフしたり、陰極管１８への印加電圧を調整したりでき、さらに第１中間電極１５、第２中間電極１６、空芯コイル１６ａまたはステアリングコイル２１への給電を調整することができる。ガン駆動装置２３によって、真空チャンバー５内に供給される水素プラズマＰｂの強度や分布状態が制御されている。

回収体配置部４は、真空チャンバー５の反応室５ａと接続され、反応室５ａ内で広がりつつ回収体配置部４側へ進行した粒子ＰＴ１を回収体４０に付着させて回収する。回収体配置部４は、回収前の回収体４０を真空チャンバー５に対応する回収位置まで搬送し、回収後の回収体４０を回収位置から退避するように搬送する。なお、回収体４０は、粒子ＰＴ１を付着させて回収できるものであれば特に限定されず、ガラスなどの基板、フィルムなどを採用してもよい。

ここで、材料Ｍａが金属酸化物及び金属水酸化物を含む場合を例にして、真空チャンバー５内の反応の様子について、図２を参照して説明する。ただし、図２は理解を容易にするために模式的に示したものである。なお、図２では金属の元素記号を「Ｘ」と示している。

まず、水素プラズマＰｂからの電流によって加熱されて材料Ｍａの表面から飛び出した蒸発粒子Ｍｂは、直ちにプラズマ領域Ｐに曝される。当該プラズマ領域Ｐを通過しながら、蒸発粒子Ｍｂがプラズマと反応することにより、蒸発粒子Ｍｂの一部がイオン化される。このとき、金属酸化物及び金属水酸化物が分解されて、金属のイオン（Ｘ（＋））、酸素（Ｏ，Ｏ_２）、水酸化物イオン（ＯＨ^－）が生成される。ここで、プラズマ領域Ｐには水素イオン（Ｈ^＋）が存在する。従って、蒸発粒子Ｍｂは、プラズマ領域Ｐ内を通過することで、水素イオンと反応する。これにより、水素化金属（ＸＨ）、水（Ｈ_２Ｏ）、水素（Ｈ２）が生成される。また、金属イオン（Ｘ（＋））もプラズマ領域Ｐを通り抜ける。これにより、反応した蒸発粒子Ｍｂは、反応室５ａ内で広がりつつ回収体配置部４側へ進行する。

以上により、水素化金属（ＸＨ）及び金属（Ｘ）は、回収体４０の表面に付着することによって当該回収体４０に回収される。水及び水素は、反応室５ａと回収体配置部４との間にて、排気ガスとして排気口３２に吸引される。

次に、水素化装置１による水素化方法の動作について、図３を参照して説明する。図３は、図１に示す水素化装置１を用いた水素化方法の動作の一例を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、材料配置部２に所定の物質を含む材料Ｍａが配置される（Ｓ１：材料配置工程）。次に、圧力勾配型のプラズマガン３０を用いて、材料Ｍａに高密度の水素プラズマＰｂが照射される（Ｓ２：プラズマ供給工程）。このとき、材料Ｍａの表面上にプラズマ領域Ｐが保持されるため、材料Ｍａを気化させて気体を生成する（Ｓ３：気化工程）。プラズマガン３０は、水素プラズマＰｂを照射し続けるため、気体に対して水素プラズマＰｂを照射する。当該プラズマ領域Ｐにおいて材料Ｍａの蒸発粒子Ｍｂが反応することにより、水素化金属、金属、水、水素等が生成される。そして、生成された水素化金属、及び金属が回収体配置部４の回収体により回収される（Ｓ４：回収工程）。

次に、本実施形態に係る水素化装置１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る水素化装置１は、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料Ｍａを気化させて気体を生成する気化部６を備える。このため、気化部６は、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方の気体を生成し、プラズマと反応可能な状態とすることができる。これに対し、プラズマ供給部３は、気体に対して、水素プラズマＰｂを照射する。これにより、水素化金属を生成することができる。このように生成された水素化金属は、複雑な分離部などがなくとも、固体として容易に回収することができる。以上より、シンプルな構成で水素化金属を得ることができる。

プラズマ供給部３は、水素プラズマＰｂを生成して照射してよい。この場合、プラズマ供給部３は、直接水素プラズマＰｂを生成して照射することができる。

材料Ｍａは、金属としてアルミニウム、マグネシウムを少なくとも含んでよい。アルミニウム及びマグネシウムはイオン化し易いため、容易に水素化金属を生成することができる。

水素化装置１は、材料を配置する材料配置部２と、材料配置部２に対向する位置に設けられ、気体と水素プラズマＰｂとを反応させる反応室５ａと、反応室５ａに対して材料配置部２の反対側に設けられ、水素化金属を回収する回収体４０を配置する回収体配置部４と、を更に備えてよい。この場合、材料で発生した気体が反応室５ａにて反応し、そのまま回収体配置部４へ向かって飛散し、回収体４０にて回収される。

プラズマ供給部３は、材料配置部２と回収体配置部４との対向方向（Ｚ軸方向）と交差する方向（Ｙ軸方向）から水素プラズマＰｂを照射するプラズマガン３０を有してよい。この場合、プラズマガン３０は、飛散する水素化金属の邪魔にならない位置から、水素プラズマＰｂを照射できる。

プラズマ供給部３は、水素をキャリアガスとする圧力勾配型プラズマガン３０を有してよい。この場合、圧力勾配型プラズマガン３０が、高密度な水素プラズマＰｂを照射することができる。

水素化装置１は、反応室５ａと回収体配置部４との間に設けられ、真空ポンプ３１で排気ガスを吸引する排気口３２を更に備えてよい。この場合、回収体４０の手前の位置にて、反応室５ａにて生成された回収不要な水や水素を効率的に排気することができる。

本実施形態に係る水素化方法は、水素化金属を生成する水素化方法であって、所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料Ｍａを気化させて気体を生成する気化工程Ｓ３と、気体に対して、水素プラズマＰｂを照射するプラズマ供給工程Ｓ２と、を備える。

この水素化方法によれば、上述の水素化装置１と同様な作用・効果を得ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図４は、第２実施形態に係る水素化装置１００の構成を示す概略図である。図４に示すように、本実施形態の水素化装置１００が上記水素化装置１と異なる点は、気化部６の構成が異なる点である。気化部６は、材料Ｍａを保持するるつぼ７０と、材料に電子を照射する電子銃７１と、を備える。なお、気化部６は、るつぼ７０の抵抗加熱によって気化を行ってもよい。気化部６は、水素プラズマＰｂを導く機能を有していないため、プラズマガン３０から照射された水素プラズマＰｂは、横側から蒸発粒子Ｍｂに照射される。

以上、本実施形態の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

また、上述の実施形態では、プラズマガン３０と主ハース（材料配置部）の組がチャンバー内に一組だけ設けられていたが、複数組設けてもよい。また、一の材料に対して複数のプラズマガン３０からプラズマを供給してもよい。また、材料配置部２として主ハースが適用され、筒状の充填部２ａに材料Ｍａを配置する構成が適用されていたが、プラズマを材料Ｍａの表面に導くことができる態様であれば特に限定されず、大きな材料に複数のプラズマガン３０からプラズマを照射するような構成を採用してもよい。この場合、成膜材料の下に陽極を配置すれば、プラズマが陽極上の成膜材料に照射される。例えば、一定範囲に広がる材料Ｍａを配置し、当該材料Ｍａの表面の各領域に対して複数のプラズマガン３０からそれぞれ水素プラズマＰｂを照射してよい。この際、材料Ｍａの周りに複数のプラズマガン３０を所定間隔で設け、材料Ｍａに所定間隔毎に水素プラズマＰｂを照射してもよい。また、上述の第１実施形態では、輪ハース７が設けられていたが、プラズマガン３０の向きと材料配置部２による材料の位置や向きを工夫することで、輪ハース７を省略してもよい。

また、プラズマ供給部３は、プラズマを生成して、プラズマに対して水素を導入してよい。この場合、直接水素プラズマを生成できない場合も、別途水素を導入することで、水素プラズマの生成が可能となる。

［形態１］
水素化金属を生成する水素化装置であって、
所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化部と、
前記気体に対して、水素プラズマを照射するプラズマ供給部と、を備える、水素化装置。
［形態２］
前記プラズマ供給部は、水素プラズマを生成して照射する、形態１に記載の水素化装置。
［形態３］
前記プラズマ供給部は、プラズマを生成して、前記プラズマに対して水素を導入する、形態１又は２に記載の水素化装置。
［形態４］
前記材料は、前記金属としてアルミニウム、マグネシウムを少なくとも含む、形態１～３の何れか一項に記載の水素化装置。
［形態５］
前記材料を配置する材料配置部と、
前記材料配置部に対向する位置に設けられ、前記気体と前記水素プラズマとを反応させる反応部と、
前記反応部に対して前記材料配置部の反対側に設けられ、水素化金属を回収する回収体を配置する回収体配置部と、を更に備える、形態１～４の何れか一項に記載の水素化装置。
［形態６］
前記プラズマ供給部は、前記材料配置部と前記回収体配置部との対向方向と交差する方向から前記水素プラズマを照射するプラズマガンを有する、形態５に記載の水素化装置。
［形態７］
前記プラズマ供給部は、水素をキャリアガスとする圧力勾配型プラズマガンを有する、形態１～６の何れか一項に記載の水素化装置。
［形態８］
前記反応部と前記回収体配置部との間に設けられ、真空ポンプで排気ガスを吸引する排気口を更に備える、形態５に記載の水素化装置。
［形態９］
水素化金属を生成する水素化方法であって、
所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化工程と、
前記気体に対して、水素プラズマを照射するプラズマ供給工程と、を備える、水素化方法。

１，１００…水素化装置、２…材料配置部、３…プラズマ供給部、４…回収体配置部、５…反応室（反応部）、６…気化部、３０…圧力勾配型のプラズマガン、３１…真空ポンプ、３２…排気口、Ｐｂ…水素プラズマ。

Claims (9)

1. 水素化金属を生成する水素化装置であって、
   所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化部と、
   前記気体に対して、水素プラズマを照射するプラズマ供給部と、を備える、水素化装置。
2. 前記プラズマ供給部は、水素プラズマを生成して照射する、請求項１に記載の水素化装置。
3. 前記プラズマ供給部は、プラズマを生成して、前記プラズマに対して水素を導入する、請求項１に記載の水素化装置。
4. 前記材料は、前記金属としてアルミニウム、マグネシウムを少なくとも含む、請求項１に記載の水素化装置。
5. 前記材料を配置する材料配置部と、
   前記材料配置部に対向する位置に設けられ、前記気体と前記水素プラズマとを反応させる反応部と、
   前記反応部に対して前記材料配置部の反対側に設けられ、水素化金属を回収する回収体を配置する回収体配置部と、を更に備える、請求項１に記載の水素化装置。
6. 前記プラズマ供給部は、前記材料配置部と前記回収体配置部との対向方向と交差する方向から前記水素プラズマを照射するプラズマガンを有する、請求項５に記載の水素化装置。
7. 前記プラズマ供給部は、水素をキャリアガスとする圧力勾配型プラズマガンを有する、請求項１に記載の水素化装置。
8. 前記反応部と前記回収体配置部との間に設けられ、真空ポンプで排気ガスを吸引する排気口を更に備える、請求項５に記載の水素化装置。
9. 水素化金属を生成する水素化方法であって、
   所定の金属の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む材料を気化させて気体を生成する気化工程と、
   前記気体に対して、水素プラズマを照射するプラズマ供給工程と、を備える、水素化方法。
   

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