JP3244493U - 導電材料超微粉体の製造装置 - Google Patents

Abstract

本実用新案は、高温蒸発及び核生成する炉体と、成長及び固化の温度制御管と、流体混合冷却器及び粉体収集器とを含む、導電材料超微粉体の製造装置に関する。前記導電材料超微粉体の製造装置には、ハウジングと保温材により、蒸発腔、核形成腔、成長チャンバー、固化チャンバー内の温度区域を制御し、内部のるつぼとるつぼ蓋と各通路の設計、るつぼ蓋出口の縮口構造設計、成長チャンバーと固化チャンバーの内径変化の設計により、粒子の衝突をより制御する。上記の設計により、各区間内での機能の実現が容易かつ正確に制御され、粒子の真球度、均一性、分散性の良い粉体を大量に調製できる。【選択図】図１

Description

本実用新案は、超微粉末調製の技術分野に属するものであり、特に導電材料超微粉体の製造装置に関するものである。

物理蒸発濃縮の気相法による微小粉体粒子の調製工程は、調製する材料をまず高温で加熱して気化させ、気体状態から液体状態へと固化・成形する工程である。調製する微粉末粒子は、微小な物質であり、前記微粉末粒子について、ナノ、サブミクロン、ミクロンの粉末がほとんどであり、成形された粒子に対して、サイズが小さく、成形速度が非常に速くであり、非常に高温で形成されるため、蒸気排出の原理は簡単であるが、実際に適用することは非常に困難である。坩堝のキャビティから蒸気が排出された後、冷えると蒸気が液体や固体に凝縮しやすく、液体は、坩堝から外に流出しやすく、そのため、材料ロスになり、固体物質が発生されて、排出口がふさがれて生産継続に影響されてしまう。

従来の超微細金属粉末の調製における気相法には、蒸発、核生成、成長、硬化、冷却、収集のプロセスを通過する必要があるが、蒸発、核生成、成長と硬化プロセスが高速であり、機器の構造には限界がある。具体的には、金属蒸気だけの核生成プロセスを制御することは困難であり、時には蒸発、核生成、成長と硬化を完了することは、一度に１つの構造に集中されて完了してしまう。最終的に、超微粒子を調製することは可能であるが、得られる超微粒子は本質的にサイズが不揃いで、形態的に乱れる不良品である。さらに、連体現象が出てしまう。また、核生成、成長、硬化を１本の配管に分散して行う操作もあるが、これらの操作では個々の段階を特に制御していないため、核生成時に大量の成長が起こり、成長のプロセスでも核生成が起こり、同時に硬化して最終製品の大きさが不均一になったり、るつぼ蓋の断熱不良で出口が閉塞しまう原因で、生産が続けられなくなってしまう。

本実用新案は、導電材料超微粉体の製造装置を提供する。前記導電材料超微粉体の製造装置には、ハウジングと保温材により、蒸発腔、核形成腔、成長チャンバー、固化チャンバー内の温度区域を制御し、内部のるつぼとるつぼ蓋と各通路の設計、るつぼ蓋出口の縮口構造設計、成長チャンバーと固化チャンバーの内径変化の設計により、粒子の衝突をより制御する。上記の設計により、各区間内での機能の実現が容易かつ正確に制御され、粒子の真球度、均一性、分散性の良い粉体を大量に調製できる。

導電材料超微粉体の製造装置であって、前記導電材料超微粉体の製造装置は、高温蒸発及び核生成する炉体と、成長及び固化の温度制御管と、流体混合冷却器及び粉体収集器とを含み、前記高温蒸発及び核生成する炉体は、外部の第１ハウジングを含み、前記第１ハウジングの内部には、るつぼと、るつぼ蓋と、第１ハウジングを貫通し、前記るつぼ蓋の内部に連通するプラズマアークガンと、前記第１ハウジングを貫通し、前記るつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔の内部に連通する材料供給装置及びキャリア気体予熱導入管とが設置され、前記るつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔は、下部の蒸発腔と上部の核生成腔に分けられ、前記成長及び固化の温度制御管は、外部の第２ハウジングと、内部のキャリア気体、液相及び／または固相粒子が通過するための内通路とを含み、前記内通路と前記第２ハウジングとの間には、成長及び固化過程の温度を制御するための保温材が設置され、前記成長及び固化の温度制御管の内通路の先端は、前記るつぼ蓋の側面出口に連通し、前記流体混合冷却器は、第３ハウジングと、前記第３ハウジングを貫通する流体導入通路と、噴口を含む。

さらに、前記るつぼ及びるつぼ蓋と、前記第１ハウジングとの間に保温材が設置され、前記保温材は、前記るつぼ内が溶融状態になり、且つ導電性の原材料の液面中心領域が沸点以上の温度になり、蒸発域を形成し、且つ、前記るつぼ蓋内及び前記るつぼ内の液面周辺領域の核形成腔の温度が沸点以下になり、核生成域を形成するように、前記るつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔の内部温度を制御する。

さらに、前記炉体内のるつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔の下部の蒸発域は、主に前記るつぼの内腔中に位置し（例えば、蒸発域の体積の少なくとも５０％は、るつぼの内室内に位置し）、上部の核生成域は、主に前記るつぼ蓋の内腔中に位置する（例えば、核生成域の体積の少なくとも５０％は、るつぼの内室内に位置し）。

さらに、蒸発域と核生成域との境界は、変化する曲面層であり、曲面層の位置は、内腔の温度及び原材料の沸点によって決定され、製造過程において、曲面層は、プラズマアークガンのガンヘッドの上下移動に伴って追従移動し、曲面層の下開口径は、プラズマアークガンのパワーの増減に伴って追従変化する。

さらに、前記るつぼ蓋は、上が小さくて下が大きい錐台形状または弧状台形状を有し、るつぼ蓋の側面には、キャリア気体および粒子の出口が設置され、出口の内径は、るつぼ蓋とるつぼの取り付け接続箇所の下開口径より小さく、出口の縮口構造設計は、核生成後の粒子衝突結合の確率を高め、それによって粒子の成長及び固化の温度制御管内での急速な成長を容易にした。

さらに、前記成長及び固化の温度制御管には、成長チャンバーと固化チャンバーが設置され、成長チャンバーは、るつぼ蓋の出口に近い一端に位置し、固化チャンバーは、流体混合冷却器の近くに位置する。キャリア気体が配管内を流れる際に温度場及び速度場が形成され、温度場の等温線と速度場の等速線はいずれも弾丸状の曲面であるため、成長チャンバーは粒子衝突結合の主要な場所であり、成長チャンバーの縁にのみ少量の固化が存在し、固化チャンバーは成長が完了した粒子が固化する主要な場所であり、固化チャンバーの中心にのみ少量の成長が存在する。

さらに、前記成長及び固化の温度制御管の成長チャンバーの内径は、固化チャンバーの内径の以下であり、且つ、成長チャンバーと固化チャンバーは、いずれも円管状、またはラッパ管状、または階段管状である。

さらに、前記流体混合冷却器は、管状またはタンク状であり、内径が、固化チャンバーの内径以上である。

さらに、前記流体混合冷却器内の冷却ための流体は、気体、または液体、または液体と気体との混合物である。

さらに、前記粉体収集器は、固化成形された超微粉体が集められる容器であり、冷却に用いられる流体が気体である場合に、粉体収集器内に濾過式気固分離器または磁気分離器またはサイクロン分離器が設置され、冷却に用いられる流体が液体または液体と気体の混合物である場合に、粉体収集器内に遠心分離器または磁気分離器または気固液分離器が設置される。

さらに、前記粉体収集器の底部には、超微粉体を排出するための排出孔が設置され、粉体収集器の上部には、キャリア気体を排出するための排気口が設置され、キャリア気体は、排気口を通して排出された後、加圧により再循環されて使用できる。

さらに、前記高温蒸発と核生成する炉体、成長と固化の温度制御管及び流体混合冷却器は、いずれもハウジングが設置される。各ハウジングは、一体式構造、またはセグメント式構造、または交差共有セグメント構造であり、各ハウジングは、必要に応じて冷却構造が設置される。

従来技術に比べて、本実用新案の有益な効果は下記の通りである：
本実用新案は、核生成と蒸発過程を同一炉体内のるつぼとるつぼ蓋からなる内腔に設計することにより、核生成過程を蒸発域から離れるように制御することなく、高温下での高沸点材料の蒸気温度を長時間沸点以上に制御することが困難な問題をよりよく解決し；るつぼ蓋は、成長チャンバーの出口に接続される縮口設計であり、核生成後の微粒子をキャリア気体を介して出口に搬送し、急速な成長を可能にするための縮口設計であり；固化チャンバー内の温度が成長チャンバー内の温度よりも低い設計により、温度が下がると、キャリア気体の体積が収縮して流速が遅くなるようになっており、固化チャンバー内の内径が成長チャンバーの設計以上になってキャリア気体の流速も遅くなるようになっており、両方の設計が共通する作用は、固化に十分な時間と空間を提供することであり；流体混合冷却は、超微粉体粒子をより迅速に冷却し、その後の回収を容易にすることができる。

図１は本実用新案の構造概略図である。 図２は本実用新案の高温蒸発及び核生成する炉体の構造概略図である。 図３は本実用新案の成長及び固化の温度制御管の構造概略図である。

図面及び実施形態を参照しながら本実用新案をさらに説明する。本実用新案を明確かつ完全に説明するが、説明された実施形態は、本実用新案の実施形態の一部に過ぎず、全ての実施形態ではないことは明らかである。本実用新案における実施形態に基づいて、当業者は、進歩性に値する労働を行うことなく得たその他のすべての実施形態が、本実用新案の保護範囲に属する。

図１に示すように、本実用新案は、高温蒸発及び核生成する炉体１、成長及び固化の温度制御管２、流体混合冷却器３及び粉体収集器４とを含む、導電材料超微粉体の製造装置を提供する。図１及び図２に示すように、高温蒸発及び核生成する炉体１は、外部の蒸発及び核生成する炉体ハウジング１０を含み、蒸発及び核生成する炉体ハウジング１０の内部には、るつぼ１１と、るつぼ蓋１２と、蒸発及び核生成する炉体ハウジング１０を貫通し、るつぼ蓋１２の内腔に連通するプラズマアークガン１３と、蒸発及び核生成する炉体ハウジング１０を貫通し、るつぼ１１及びるつぼ蓋１２の内腔の内部に連通する材料供給装置１４及びキャリア気体予熱導入管１５とが設置される。るつぼ１１及びるつぼ蓋１２と、蒸発及び核生成する炉体ハウジング１０との間に保温材１７が設置され、保温材１７は、るつぼ１１内が溶融状態になり、且つ導電性の原材料１８の液面中心領域が沸点以上の温度になり、蒸発域１９１を形成し、且つ、るつぼ蓋１２内及びるつぼ１１内の液面周辺領域の核生成腔の温度が沸点以下になり、核生成域１９２を形成するように、るつぼ１１及びるつぼ蓋１２からなる内腔の内部温度を制御する。蒸発域１９１と核生成域１９２との境界は、変化する蒸発域１９１と核生成域との境界の曲面層１９であり、曲面層の位置は、内腔の温度及び溶融状態で且つ導電性の原材料１８の沸点によって決定され、製造過程において、曲面層は、プラズマアークガン１３のガンヘッドの上下移動に伴って追従移動し、曲面層の下開口径は、プラズマアークガン１３のパワーの増減に伴って追従変化する。

るつぼ蓋１２は、上が小さくて下が大きい錐台形状または弧状台形状を有し、るつぼ蓋１２の側面には、キャリア気体および粒子のるつぼ蓋側面出口１６が設置され、出口の内径は、るつぼ蓋１２とるつぼ１１の取り付け接続箇所の下開口径より小さい。出口の縮口構造設計は、核生成後の粒子衝突結合の確率を高め、それによって粒子の成長及び固化の温度制御管２内での急速な成長を容易にした。

図１及び図３に示すように、成長及び固化の温度制御管２は、外部の成長及び固化の温度制御管２０と、内部のキャリア気体、液相又は／及び固相粒子を通過するための内通路とを含み、内通路と成長及び固化の温度制御管２０との間には、成長及び固化過程の温度を制御するための保温材２３が設置され、成長及び固化の温度制御管２の内通路の先端は、るつぼ蓋の側面出口１６に連通する。前記内通路内には、成長チャンバー２１と固化チャンバー２２が設置され、成長チャンバー２１は、るつぼ蓋１２の出口に近い一端に位置し、
固化チャンバーは、流体混合冷却器３の近くに位置し、成長チャンバー２１の内径は、固化チャンバー２２の内径以下である。キャリア気体が配管内を流れる際に温度場及び速度場が形成されるため、温度場の等温線と速度場の等速線はいずれも弾丸状の曲面であるため、成長チャンバー２１は粒子衝突結合の主要な場所であり、成長チャンバー２１の縁にのみ少量の固化が存在し、固化チャンバー２２は成長完了した粒子が固化する主要な場所であり、固化チャンバー２２の中心にのみ少量の成長が存在する。

図１及び図３に示すように、流体混合冷却器３は、流体混合冷却器ハウジング３０と、流体混合冷却器ハウジング３０を貫通する流体混合冷却器流体導入通路３１とを含む。流体混合冷却器３は、管状またはタンク状であり、内径が、固化チャンバー２２の内径以上である。

図１に示すように、粉体収集器４は、固化成形された超微粉体が集められる容器であり、冷却に用いられる流体が気体である場合に、粉体収集器４内に濾過式気固分離器または磁気分離器またはサイクロン分離器が設置され、冷却に用いられる流体が液体または液体と気体の混合物である場合に、粉体収集器４内に遠心分離器または磁気分離器または気固液分離器が設置される。粉体収集器４の底部には、超微粉体を排出するための排出孔４１が設置され、粉体収集器４の上部には、キャリア気体を排出するための排気口４２が設置され、キャリア気体は、排気口４２を通して排出された後、加圧により再循環されて使用できる。

具体的な作業工程は下記の通りである：
導電性の原材料は、材料供給装置１４から材料供給管を介してるつぼ１１内に導入され、プラズマアークガン１３が起動し、プラズマアークガン１３と導電性の原材料との間には、プラズマアークによって電気的に連通して、さらにエネルギーが発生して導電性の原材料を加熱する。導電性の原材料は加熱された後、融解して蒸発域１９１の範囲内で蒸発して蒸気となり、蒸気は核生成域１９２に拡散し、温度は沸点以上から沸点以下に低下し、蒸気は液体核に凝結し始める。不活性キャリア気体は、まず、キャリア気体予熱導入管１５を介して、るつぼ１１またはるつぼ蓋１２と、蒸発及び核生成する炉体ハウジング１０との間の保温材１７において予熱され、キャリア気体予熱導入管１５からるつぼ１１及びるつぼ１２からなる内腔に導入され、核生成された粒子は、縮口設計のるつぼ蓋の側面出口１６を通過し、成長及び固化の温度制御管２に入る。るつぼ蓋の側面出口１６の縮口設計は、成長チャンバー２１内での核生成粒子の衝突確率を増加させ、それによって成長効率が向上した。成長が完了した後、粒子は固化チャンバー２２に入り、固化チャンバー２２内の温度は融点以下に低下し、成長が完了した粒子は固体粒子に固化される。固化後の粒子は、キャリア気体によって再び流体混合冷却器３内に送られ、冷却流体（液体または気体または気液混合ミスト）を用いて高温の固体粒子を急冷する。最後に、冷却が完了した超微粉末は、粉体収集器４に送られて粉末収集を行い、排気口４２を通してキャリア気体及び／又は冷却気体が排出され、排出孔４１を通して粉体が排出される。

１、高温蒸発及び核生成する炉体、２、成長及び固化の温度制御管、３、流体混合冷却器、４、粉体収集器、１０、蒸発及び核生成する炉体ハウジング、１１、るつぼ、１２、るつぼ蓋、１３、プラズマアークガン、１４、材料供給装置、１５、キャリア気体予熱導入管、１６、るつぼ蓋の側面出口、１７、保温材、１８、溶融状態で且つ導電性の原材料、１９、蒸発域及び核生成域の境界曲面層、１９１、蒸発域、１９２、核生成域、２０、成長及び固化の温度制御管ハウジング、２１、成長チャンバー、２２、固化チャンバー、２３、保温材、３０、流体混合冷却器ケーシング３１、流体混合冷却器流体導入／入力通路、４１、排出孔、４２、排気口

Claims (11)

1. 導電材料超微粉体の製造装置であって、
   前記導電材料超微粉体の製造装置は、高温蒸発及び核生成する炉体と、成長及び固化の温度制御管と、流体混合冷却器及び粉体収集器とを含み、
   前記高温蒸発及び核生成する炉体は、外部の第１ハウジングを含み、
   前記第１ハウジングの内部には、るつぼと、るつぼ蓋と、前記第１ハウジングを貫通し、前記るつぼ蓋の内腔に連通するプラズマアークガンと、前記第１ハウジングを貫通し、前記るつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔の内部に連通する材料供給装置及びキャリア気体予熱導入管とが設置され、
   前記るつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔は、下部の蒸発腔と上部の核生成腔に分けられ、
   前記成長及び固化の温度制御管は、外部の第２ハウジングと、内部のキャリア気体、液相及び／または固相粒子が通過するための内通路とを含み、
   前記内通路と前記第２ハウジングとの間には、前記成長及び固化過程の温度を制御するための保温材が設置され、
   前記成長及び固化の温度制御管の内通路の先端は、前記るつぼ蓋の側面出口に連通し、
   前記流体混合冷却器は、第３ハウジングと、前記第３ハウジングを貫通する流体導入通路と、噴口を含むことを特徴とする導電材料超微粉体の製造装置。
2. 前記るつぼ及びるつぼ蓋と、前記第１ハウジングとの間に保温材が設置され、
   前記保温材は、前記るつぼ内が溶融状態になり、且つ導電性の原材料の液面中心領域が沸点以上の温度になり、蒸発域を形成し、且つ、前記るつぼ蓋内及び前記るつぼ内の液面周辺領域の核生成腔の温度が沸点以下になり、核生成域を形成するように、前記るつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔の内部温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
3. 前記炉体内のるつぼ及びるつぼ蓋からなる内腔の下部の蒸発域は、主に前記るつぼの内腔中に位置し、
   上部の核生成域は、主に前記るつぼ蓋の内腔中に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
4. 蒸発域と核生成域との境界は、変化する曲面層であり、
   前記曲面層の位置は、内腔の温度及び原材料の沸点によって決定され、
   製造過程において、前記曲面層は、プラズマアークガンのガンヘッドの上下移動に伴って追従移動し、
   前記曲面層の下開口径は、プラズマアークガンのパワーの増減に伴って追従変化することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
5. 前記るつぼ蓋は、上が小さくて下が大きい錐台形状または弧状台形状を有し、
   前記るつぼ蓋の側面には、前記キャリア気体および粒子の出口が設置され、
   前記出口の内径は、前記るつぼ蓋と前記るつぼの取り付け接続箇所の下開口径より小さく、かつ、
   前記出口は、縮口構造設計であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
6. 前記成長及び固化の温度制御管の内通路内には、成長チャンバーと固化チャンバーが設置され、
   前記成長チャンバーは、前記るつぼ蓋の出口に近い一端に位置し、
   前記固化チャンバーは、前記流体混合冷却器の近くに位置し、
   前記成長チャンバーの内径は、前記固化チャンバーの内径の以下であり、且つ、
   前記成長チャンバーと前記固化チャンバーは、いずれも円管状、またはラッパ管状、または階段管状であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
7. 前記流体混合冷却器は、管状またはタンク状であり、内径が、固化チャンバーの内径以上であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
8. 前記流体混合冷却器内の冷却ための流体は、気体、または液体、または液体と気体との混合物である請求項１ないし７のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
9. 前記粉体収集器は、固化成形された超微粉体が集められる容器であり、
   冷却に用いられる流体が気体である場合に、前記粉体収集器内に濾過式気固分離器または磁気分離器またはサイクロン分離器が設置され、
   冷却に用いられる流体が液体または液体と気体の混合物である場合に、粉体収集器内に遠心分離器または磁気分離器または気固液分離器が設置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
10. 前記粉体収集器の底部には、超微粉体を排出するための排出孔が設置され、
    前記粉体収集器の上部には、前記キャリア気体を排出するための排気口が設置され、
    前記キャリア気体は、排気口を通して排出された後、加圧により再循環されて使用できることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。
11. 前記第１ハウジング、前記第２ハウジング及び前記第３ハウジングのそれぞれは、一体式構造、またはセグメント式構造、または交差共有セグメント構造であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の導電材料超微粉体の製造装置。

Images