JP4286777B2 - ナノ粉末量産用高周波誘導プラズマ反応炉 - Google Patents

Description

本発明は、高周波コイルを利用する大気圧ナノ粉末量産用プラズマ反応炉に関するもので、より具体的には、固体状態の粉末を出発原料に使用して、ナノ粉末を連続大量に製造することができ、原料粉末を完全に気化させ、高純度のナノ粉末を製造することのできる、ナノ粉末量産用高周波誘導プラズマ反応炉に関するものである。

一般的に、ナノ粉末を量産するための反応炉は、気体または液体などの製造原料を気化させ、ナノ粉末を製造する装置をいい、前記反応炉で製造されたナノ粉末は、捕集装置に投入されて捕集されるものである。

そこで、通常的な反応炉は、直流、高周波、直流−高周波などのプラズマトーチを介して反応物をイオン化及び解離させるもので、前記プラズマトーチの電極間にプラズマアークコラム（plasma arc column）が発生及び維持されるようにすることによって、上述したようにナノ粉末を得ることができるのである。

しかし、従来の反応炉では、製造に伴う出発原料がガスまたは液体原料にだけ限定されることによって、固体原料を出発原料に使用することができないことによって、ナノ粉末の連続及び大量生産が不可能であるという問題点を有していた。

また、従来の反応炉は、反応炉内の水蒸気による爆発的反応及び粉末吸着問題のため、反応性のない酸化物系統の物質（アルミナなど）にだけ適用が限定されるという問題点を有していた。

また、プラズマを制御する別途の手段がなくて、プラズマの制御が大変難しいという問題点を有していた。

また、反応炉内部の空間全体を利用せずに、プラズマトーチの電極間の空間だけを利用することによって、含水率が大変低くなるという問題点も有していた。

発明の詳細な説明

そこで、本発明は、前記のような問題点を解消しようと発明されたもので、大気圧で高周波誘導熱を利用して固体状態の原料粉末を気化させ、高純度のナノ粉末を製造しようという、ナノ粉末量産用高周波誘導プラズマ反応炉を提供することを目的とする。

また、反応炉を２段に構成し、上部反応炉より下部反応炉の容量と温度を相対的に高くすることによって、原料粉末の完全気化を可能にしようという目的もある。

また、反応炉の内部に極低温冷媒（アルゴンガス）を流入することによって、気化されたナノ粉末の成長及び吸着を防止しようという目的もある。

また、冷媒ガスを反応炉に投入するにおいて、螺旋方向に投入することによって、溶融または気化されたナノ粉末が、凝縮無しに螺旋運動をしながら捕集手段まで安全に移動されるようにする目的も有するものである。

また、反応炉の外側の周りに装着された永久磁石体を介して、プラズマが反応炉の内側壁に吸着されるのを防止しようという目的もある。

前記のような目的を達成するための本発明は、内側に垂直の反応炉１１１を有する第１冷却管１１と、この第１冷却管１１の外側を包む高周波コイル１２，及び前記反応炉１１１の内側壁の内側に具備され、外部からアルゴンガスが供給されて内部に投入され得るように、多数のガス通過ホール１３２が穿孔され、前記第１冷却管１１との間にガス移動通路１３１の具備されたセラミック内壁１３とを含む胴体１と；前記反応炉１１１の上部に密閉装着され、反応炉１１１と貫通する粉末注入管２１を含む上部カバー２と、前記胴体１の下部には、前記反応炉１１１と連通され、反応炉１１１の直径より相対的に大きい直径の反応炉３１１の具備された第１冷却管３１と、この第１冷却管３１の外側を包み、前記高周波コイル１２より相対的に容量の大きい高周波コイル３２，及び前記反応炉３１１の内側壁の内側に具備され、外部からアルゴンガスが供給されて内部に投入され得るように、多数のガス通過ホール３３２が穿孔され、前記第１冷却管３１との間にガス移動通路３３１の具備されたセラミック内壁３３とを含む下部胴体３とから成るのだが、前記高周波コイル１２の外側の周りには、プラズマが反応炉１１１の側壁に吸着されないように、反応炉１１１、３１１内のプラズマを圧縮する、内側端の極性が同一な多数の永久磁石１４１、３４１が固定手段を介して一定間隔に組み合わされた永久磁石体１４、３４が具備され、前記胴体１と下部胴体３の外側の周りには、高周波コイル１２、３２と第１冷却管１１、３１とを保護することができるように、多数の絶縁棒５、３４が装着され、前記上部カバー２に具備された粉末注入管２１の噴出口の周りには、外部からアルゴンガスが流入されるガス流入口２１１が具備されており、上部カバー２の下面のすぐ内側には、外部から冷却水が流入され、下面を冷却する第２冷却管２１２が具備されることを特徴とするものである。

また、前記胴体の下部には、前記反応炉と連通され、反応炉の直径より相対的に大きい直径の反応炉の具備された第１冷却管と、この第１冷却管の外側を包み、前記高周波コイルより相対的に容量の大きい高周波コイル，及び前記反応炉の内側壁の内側に具備され、外部からアルゴンガスが供給されて内部に投入され得るように、多数のガス通過ホールが穿孔され、側壁の間にガス移動通路の具備されたセラミック内壁とを含む下部胴体が追加で装着されることを特徴とするものである。

以下、本発明の構成及び作用を、添付の図面を参照に詳細に説明する。

図１は、本発明のプラズマ反応炉を示した断面図で、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図で、まずその構成を説明すると次のとおりである。

内側に垂直の反応炉１１１を有する第１冷却管１１と、この第１冷却管１１の外側を包む高周波コイル１２とが装着された胴体１と、前記反応炉１１１の上部に密閉装着され、反応炉１１１と貫通して原料粉末が注入される粉末注入管２１の具備された上部カバー２とで構成される。

そして、前記胴体１の下部には、原料粉末を完全に気化させることができるように、前記反応炉１１１の直径より相対的に大きな直径の反応炉３１１が具備された第１冷却管３１、及びこの第１冷却管３１の外側を包み、前記高周波コイル１２より相対的に容量の大きな高周波コイル３２とが含まれる下部胴体３が装着される。

そして、前記反応炉１１１，３１１の内側壁の内側には、多数のガス通過ホール１３２，３３２が穿孔され、側壁間にガス移動通路１３１，３３１が具備されているセラミック内壁１３，３３が具備されているものである。

また、前記胴体１と下部胴体３を構成する第１冷却管１１，３１は、セラミックの内、外側壁１１２，３１２，１１３，３１３で構成され、外部から水が循環され、第１冷却管１１，３１の内側壁１１２，３１２を冷却させることができるのである。

また、前記上部カバー２に具備された粉末注入管２１の噴出口の周りには、外部からアルゴンガスが流入されるガス流入口２１１が具備されており、上部カバー２の下面のすぐ内側には、外部から冷却水が流入され、下面を冷却する第２冷却管２１２が具備されているものである。

また、前記胴体１と下部胴体３との連結部の間には、各導体に熱が伝導されるのを遮断する絶縁体４が装着されるものである。

また、前記胴体１と下部胴体３の外側の周りには、高周波コイル１２と第１冷却管１１を保護することができるように、多数の絶縁棒５が装着されている。

以下、図１及び図２を参照して、前記のプラズマ反応炉の作動状態を説明すると、次のとおりである。

まず、胴体１と下部胴体３を構成する高周波コイル１２，３２に電源を供給することになると、高周波コイル１２，３２から発散される高周波を介して胴体１と下部胴体３を構成する反応炉１１１，３１１の温度が上昇されるのだが、前記胴体１を構成する高周波コイル１２より、相対的に下部胴体３を構成する高周波コイル３２の容量を大きくすることによって、胴体１反応炉１１１の温度より、相対的に下部胴体３反応炉３１１の温度が高い状態を維持するものである。

次に、上部カバー２の中央を貫通するガス流入口２１１を介して、前記胴体１の第１冷却管１１の内部に形成された反応炉１１１に粒子の大きい原料粉末を投入する。

次に、前記胴体１の反応炉１１１に流入される原料粉末は、反応炉１１１の高温の温度によって溶融された後、気化される。つまり、原料粉末が気化されることによって、ナノ粉末の含まれた気体を得ることができるのである。

一方、前記胴体１の反応炉１１１で完全に気化されなかった一部の溶融状態の原料ガスは継続的に下降されるのだが、下降された溶融状態の原料ガスは前記下部胴体３の反応炉３１１に投入され、再加熱されて気化されるのである。

そして、下部胴体３反応炉３１１の内部温度は、前記胴体１反応炉１１１の温度より相対的に高いことによって、胴体１反応炉１１１から流入される未気化粉末を完全に気化させることができるのである。

以下、本発明を更に具体的に説明すると、次のとおりである。

図１乃至図３に図示されているように、前記反応炉１１１，３１１の内側壁の内側には、多数のガス通過ホール１３２，３３２が穿孔され、側壁間にガス移動通路１３１，３３１の具備されるセラミック内壁１３，３３が具備されている。

そして、前記ガス通過ホール１３２，３３２は、投入されるガスが反応炉内部で螺旋形の渦流を起こすことができるように、入口に対して噴出口が下方及び一側方に傾斜づいて貫通形成されるものである。

従って、前記ガス移動通路１３１，３３１を介してアルゴンガスが外部から供給され、供給されたアルゴンガスは、前記ガス通過ホール１３２，３３２を介してセラミック内壁１３，３３の内部中央に螺旋形の渦流を起こしながら投入されるのである。

従って、溶融及び気化された粉末が、螺旋運動をしながら胴体１の反応炉１１１と下部胴体３の反応炉３１１を通過して、捕集装置に下降されることができるのである。

言い換えると、前記螺旋運動をしながら粉末が下降されることによって、粉末間の凝集及び吸着を防止することができるのである。

図２及び図４に図示されているように、前記高周波コイル１２，３２の外側の周りには、反応炉内のプラズマを圧縮して、プラズマが反応炉１１１，３１１の側壁に吸着されないように、内側端の極性が同一な多数の永久磁石１４１，３４１が固定手段を介して一定間隔に組み合わされた永久磁石体１４，３４が具備されているものである。

上述したように、本発明は、固体状態の粉末を出発原料に使用してナノ粉末を連続大量に製造できる効果を有するものである。

また、反応炉に投入される原料粉末の完全気化を可能にすることによって、高純度のナノ粉末を製造することができる効果がある。

また、反応炉の内部に極低温冷媒（アルゴンガス）を流入して、気化されたナノ粉末の成長及び吸着を防止することによって、反応性の強い物質の適用も可能な効果がある。

また、冷媒ガスを投入するにおいて、螺旋方向に投入することによって、溶融または気化されたナノ粉末が凝縮せずに螺旋運動をしながら捕集手段まで移動することによって、生産で最も重要な安定性を確保することができる効果がある。

また、プラズマが反応炉の内側壁に吸着されるのを防止することによって、プラズマの製造効率を極大化することのできる効果もある。

本発明は、図面に図示された実施例を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野で通常の知識を有した者なら、これより多様な変形及び均等な他実施例が可能であるという点が理解できるであろう。

本発明のプラズマ反応炉を示した断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明によるセラミック内壁を示した斜視図である。 本発明による永久磁石体を示した斜視図である。

Claims (4)

1. 内側に垂直の反応炉（１１１）を有する第１冷却管（１１）と、この第１冷却管（１１）の外側を包む高周波コイル（１２），及び前記反応炉（１１１）の内側壁の内側に具備され、外部からアルゴンガスが供給されて内部に投入され得るように、多数のガス通過ホール（１３２）が穿孔され、前記第１冷却管（１１）との間にガス移動通路（１３１）の具備されたセラミック内壁（１３）とを含む胴体（１）と；
   前記反応炉（１１１）の上部に密閉装着され、反応炉（１１１）と貫通する粉末注入管（２１）を含む上部カバー（２）と、
   前記胴体（１）の下部には、前記反応炉（１１１）と連通され、反応炉（１１１）の直径より相対的に大きい直径の反応炉（３１１）の具備された第１冷却管（３１）と、この第１冷却管（３１）の外側を包み、前記高周波コイル（１２）より相対的に容量の大きい高周波コイル（３２），及び前記反応炉（３１１）の内側壁の内側に具備され、外部からアルゴンガスが供給されて内部に投入され得るように、多数のガス通過ホール（３３２）が穿孔され、前記第１冷却管（３１）との間にガス移動通路（３３１）の具備されたセラミック内壁（３３）とを含む下部胴体（３）とから成るのだが、
   前記高周波コイル（１２、３２）の外側の周りには、プラズマが反応炉（１１１）の側壁に吸着されないように、反応炉（１１１、３１１）内のプラズマを圧縮する、内側端の極性が同一な多数の永久磁石（１４１、３４１）が固定手段を介して一定間隔に組み合わされた永久磁石体（１４、３４）が具備され、
   前記胴体（１）と下部胴体（３）の外側の周りには、高周波コイル（１２、３２）と第１冷却管（１１、３１）とを保護することができるように、多数の絶縁棒（５）が装着され、
   前記上部カバー（２）に具備された粉末注入管（２１）の噴出口の周りには、外部からアルゴンガスが流入されるガス流入口（２１１）が具備されており、上部カバー（２）の下面のすぐ内側には、外部から冷却水が流入され、下面を冷却する第２冷却管（２１２）が具備されることを特徴とするナノ粉末量産用プラズマ反応炉。
2. 前記第１冷却管（１１、３１）は、外部から水が満たされて循環され、セラミック内側壁（１１２，３１２）及びセラミック外側壁（１１３、３１３）を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のナノ粉末量産用プラズマ反応炉。
3. 前記セラミック内壁（１３、３３）に形成されたガス通過ホール（１３２、３３２）は、投入されるガスが反応炉の内部で螺旋形の渦流を起こせるように、入口に対して噴出口が下方及び一側方に傾斜づいて貫通形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のナノ粉末量産用プラズマ反応炉。
4. 前記胴体（１）と下部胴体（３）との連結部の間には、各胴体の熱が伝導されるのを遮断する絶縁体（４）が追加で具備されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のナノ粉末量産用プラズマ反応炉。

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