JP4598294B2 - 成長装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は成長装置に関し、特に、ＦＥＤ(Field emission display)に用いられる電子放出源や、二次電池の充填材等の材料、あるいは水素貯蔵材料として、近年注目が高まっているグラファイトナノファイバ粉体の成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
グラファイトナノファイバ粉体を製造する方法として、熱ＣＶＤ法が一般的に用いられている。
図４の符号１０１に、従来のグラファイトナノファイバの成長装置を示す。
この成長装置１０１は、反応槽１１１と、二枚の金属プレート１１３1、１１３2と、真空排気系１１４と、ガス導入手段１１５と、ヒータ１１６とガス排気系１１７と大気導入バルブ１１９を有している。
【０００３】
反応槽１１１の内部には、二枚の金属プレート１１３1、１１３2が互いに一定間隔をおいて水平に配置されている。各金属プレート１１３1、１１３2は、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属板で構成されている。ここでは金属プレート１１３1、１１３2はインバー４２部材(Ｎｉを４２％含有する鉄材)から成るものとしている。
【０００４】
反応槽１１１の外部壁面には、線状のヒータ１１６が密着配置されている。このヒータ１１６は抵抗発熱体からなり、通電すると発熱して、反応槽１１１を加熱できるように構成されている。
【０００５】
反応槽１１１には開閉可能な扉１１２が設けられており、扉１１２を閉じると反応槽１１１の内部を外気と遮断し、開くと内部を外気に曝すことができるように構成されている。
【０００６】
反応槽１１１の外部には、真空排気系１１４と、ガス導入手段１１５と、ヒータ１１６とガス放出系１１７と大気導入バルブ１１９とが配置されている。
真空排気系１１４は、真空ポンプ１３６とバルブ１３７を有しており、扉１１２を閉じた状態で真空ポンプ１３６を起動してバルブ１３７を開くと、反応槽１１１の内部を真空排気することができるように構成されている。
【０００７】
ガス導入手段１１５は、二個のガスボンベ１３１1、１３１2を有している。各ガスボンベ１３１1、１３１2は、それぞれ、レギュレータ１３２1、１３２2と、仕切バルブ１３３1、１３３2と、流量調整器１３４1、１３４2と、導入バルブ１３５1、１３５2と導入管１３０とを介して反応槽１１１に接続されている。各ガスボンベ１３１1、１３１2内には、それぞれ一酸化炭素ガスと水素ガスが入れられており、各仕切バルブ１３３1、１３３2と、各導入バルブ１３５1、１３５2をそれぞれ開くと、一酸化炭素ガスと水素ガスは、それぞれ各レギュレータ１３２1、１３２2と各流量調整器１３４1、１３４2とを通り、導入管１３０で混合された後に反応槽１１１内部へと導入されるようになっている。このとき一酸化炭素ガスと水素ガスは各レギュレータ１３２1、１３２2で所定の圧力に調整され、各流量調整器１３４1、１３４2で所定の流量に調整された後に、反応槽１３０へ導入されるようになっている。
【０００８】
上述した成長装置１０１でグラファイトナノファイバを生成するには、まず扉１１２を閉じた状態で反応槽１１１内部の気体を排気し、内部の圧力を所定圧力(ここでは１３．３Ｐａ程度)まで減圧した後、ヒータ１１６を発熱させて反応槽１１１を加熱すると、加熱された反応槽１１１により、その内部に配置された金属プレート１１３1、１１３2が間接的に加熱され、昇温する。
【０００９】
金属プレート１１３1、１１３2の温度が５５０℃程度まで昇温したら、ガス導入手段１１５を動作させ、一酸化炭素ガスと水素ガスとを、予め定められた所定の流量で反応槽１１１内に導入するとともに、真空排気系１１４の動作を停止させる。すると、反応槽１１１内部の圧力は上昇しはじめる。
【００１０】
反応槽１１１の外部には、逆止弁１３８と、逆止弁１３８に接続された排出用バルブ１３９とを備えたガス排出系１１７が配置されており、一酸化炭素ガスと水素ガスとの流量を減少させた後に排出用バルブ１３９を開くと、反応槽１１１内に導入された一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスは、逆止弁１３８と、排出用バルブ１３９とを順次通って反応槽１１１外部へと放出される。このとき反応槽１１１内部では、一酸化炭素ガス及び水素ガスが垂れ流された状態になり、反応槽１１１の内部圧力は１気圧で維持される。
【００１１】
このように反応槽１１１の内部圧力が１気圧の状態で、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用するインバー４２で構成された金属プレート１１３1、１１３2の表面に流されると、金属プレート１１３1、１１３2の表面にグラファイトナノファイバが成長する。
【００１２】
かかる成長処理を所定時間(ここでは１時間程度)続けたら、一酸化炭素ガス及び水素ガスの導入を停止し、ガス排気系１１７を停止させた後に再び真空排気系１１４を動作させ、反応槽１１１内部に残留する一酸化炭素ガス及び水素ガスを抜き取る。一酸化炭素ガス及び水素ガスが完全に抜き取られたらガス排気系１１７の動作を停止させる。
【００１３】
反応槽１１１の外部には大気導入バルブ１１９が配置されており、ガス排気系１１７の動作を停止させた後に、大気導入バルブ１１９を開くと、大気が大気導入バルブ１１９を介して反応槽１１１内部に導入され、内部圧力が上昇する。反応槽１１１の内部圧力が１気圧まで上昇したら、扉１１２を開いて金属プレート１１３1、１１３2を反応槽１１１外部へと取り出す。取り出された金属プレート１１３1、１１３2の表面には、成長したグラファイトナノファイバが付着しており、これをヘラ等でこそげ落とすことにより、粉体状のグラファイトナノファイバを得ることができる。
【００１４】
従来装置では、ヒータ１１６で反応槽１１１内部を加熱し、加熱された反応槽１１１によって間接的に金属プレート１１３1、１１３2を昇温させていたので、効率良く金属プレート１１３1、１１３2を加熱することができない。従ってグラファイトナノファイバが成長可能な温度まで金属プレート１１３1、１１３2を昇温させるのに長時間を要し、ヒータ１１６に通電する際に必要な電力が多大になってしまっていた。
【００１５】
また、反応槽１１１の内部壁面が、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属(例えば鉄を含む金属)で構成された場合には、反応槽１１１の内部壁面にもグラファイトナノファイバが成長してしまい、反応槽１１１内部壁面が侵食されてしまう。
【００１６】
また、金属プレート１１３1、１１３2の表面に付着したグラファイトナノファイバが多量になると、グラファイトナノファイバの成長速度は著しく低下してしまい、ほとんど成長が進行しなくなってしまうので、長時間成長を続行しても、成長時間に見合った大量のグラファイトナノファイバを得ることができなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、金属プレートの加熱に要する電力消費を低減し、また、成長速度の低下を防止して大量のグラファイトナノファイバを生産することが可能な技術を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は成長装置であって、反応槽と、前記反応槽内に配置された板状部材と、前記板状部材内部に配置された加熱機構と、前記反応槽内部に原料ガスを導入するガス導入手段とを有し、前記反応槽内を真空排気し、前記加熱機構で前記板状部材を加熱し、前記ガス導入手段で前記反応槽内に前記原料ガスを導入して、前記板状部材の表面に、前記原料ガスに応じた成長物質を成長させられるように構成されている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の成長装置であって、前記板状部材を複数有する。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の成長装置であって、前記板状部材は、その両面に前記成長物質を成長させられるように構成されている。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成長装置であって、こそげ部材と、前記こそげ部材に接続された移動手段とを有し、前記移動手段は、前記反応槽内部が大気に曝されない状態を維持しながら、前記こそげ部材を、前記板状部材の表面に密着した状態で移動させられるように構成されている。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の成長装置であって、前記板状部材の下方に配置された容器を有する。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の成長装置であって、前記板状部材と、前記容器との間に配置され、斜面を有する回収部を有し、前記板状部材の表面から前記成長物質が落下すると、該成長物質が前記斜面を伝って前記容器内部へと落下させられるように構成されている。
請求項７記載の発明は、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の成長装置であって、前記反応槽と前記容器との間に配置された仕切バルブを有し、前記仕切バルブは、開いた状態で前記反応槽の内部を前記容器の内部と接続し、閉じた状態で前記反応槽の内部を前記容器の内部と遮断するように構成されている。
請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の成長装置であって、前記反応槽を振動させられるように構成された振動機構を有する。
請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の成長装置であって、前記成長物質は、グラファイトナノファイバである。
【００１９】
本発明の成長装置によれば、板状部材の内部に加熱機構を設けている。
このように構成することにより、加熱機構を発熱させると板状部材のみが加熱されて昇温する。従って、まず反応槽を加熱し、加熱された反応槽で間接的に板状部材を加熱していた従来に比して効率良く板状部材を加熱でき、短時間で成長可能な温度まで昇温させることができるので、加熱に要する電力消費量を大幅に低減することができる。
【００２０】
なお、本発明において、複数の板状部材を設けてもよい。この場合には、板状部材のそれぞれに成長物質が成長するので、同じ成長条件で、１枚の板状部材を用いて成長させる場合に比して、多量の成長物質を成長させることができる。同じ理由で、板状部材の両面に成長物質を成長させられるように構成してもよい。この場合には片面のみに成長させる場合に比して約二倍の成長物質を得ることができる。
【００２１】
なお、本発明において、こそげ部材と、移動手段を設けてもよい。このように構成し、移動手段が反応槽内部を大気に曝さない状態を維持しながら、こそげ部材を板状部材の成長面に密着させて移動させることにより、原料ガスに応じた成長物質の成長途中においても、成長物質を板状部材からこそげ落とすことができる。
【００２２】
特に、グラファイトナノファイバを成長させる場合には、板状部材表面に付着するグラファイトナノファイバの量が多くなると、成長速度が低下してしまうという問題があったが、本発明ではグラファイトナノファイバの成長途中でも成長したグラファイトナノファイバを板状部材表面からこそげ落とすことができるので、板状部材にグラファイトナノファイバが付着することにより一旦低下した成長速度を再び高くさせることができる。従って、長時間成長させても成長速度が著しく低下しないようにすることができるので、多量のグラファイトナノファイバを成長させることができる。
【００２３】
また、本発明において、板状部材の下方に配置された容器を設けてもよい。
このように構成すると、成長中にこそげ部材でこそげ落とされた成長物質を反応槽の下方に配置された容器へと落下させて貯蔵することができ、成長が終了した後には、容器から成長物質を回収することができる。
【００２４】
また、本発明において、板状部材と、容器との間に配置され、斜面を有する回収部を有し、板状部材の表面から成長物質が落下すると、その成長物質が斜面を伝って容器へと落下できるように構成してもよい。
【００２５】
このように構成することにより、こそげ落とされた成長物質が直接容器内へと落下しなくとも、斜面に落下した後に斜面を伝って容器内へと落下するので、こそげ落とされた成長物質のほとんどを容器内に落下させて貯蔵することができる。
【００２６】
また、本発明において、反応槽を振動させる振動機構を設けてもよい。
このように構成することにより、こそげ落とされた成長物質が飛散すること等により、反応槽の内部壁面に成長物質が付着した場合でも、振動機構で反応槽を振動させることで、付着した成長物質を反応槽の内部壁面から振い落とすことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１の符号１に、本実施形態のグラファイトナノファイバの成長装置を示す。
この成長装置１は、反応槽１１と、複数の金属プレート１３1、１３2、１３3とを有している。
【００２８】
反応槽１１は筒状に形成され、その内部の天井側には、複数の金属プレート１３1、１３2、１３3が配置されている。ここでは３枚の金属プレート１３1、１３2、１３3が配置されている。各金属プレート１３1、１３2、１３3は、本発明の板状部材の一例であって、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属で構成されている。ここではインバー４２部材で構成されている。
【００２９】
このうち１個の金属プレート１３1の構造を図２に示す。この金属プレート１３1の一側面にはフランジ部６７1が設けられ、そのフランジ部６７1の表面から、フランジ部６７1と反対側の側面近くまで達する複数の収納孔６３が設けられている。
【００３０】
反応槽１１の天井側には、反応槽１１と気密に固定された天板２１が配置されている。天板２１には、収納孔６３に対応する数の貫通孔(図示せず)が設けられており、この貫通孔と収納孔６３とが連通した状態で、各フランジ部６７1、６７2、６７3は天板２１の底面に固定されており、各金属プレート１３1、１３2、１３3は鉛直方向を向き、互いに平行な状態で反応槽１１内部に配置されている。
【００３１】
各収納孔６３の内部には、天板２１の各貫通孔から棒状のヒータが１本ずつ挿入されている。これらのヒータは本発明の加熱機構の一例であり、それぞれランプヒータで構成されている。図１には、そのうち３本のヒータ１６1、１６2、１６3を示している。各ヒータ１６1、１６2、１６3の上端は、天板２１の貫通孔を挿通して天板２１の上方に突出しており、それぞれの上端から導線８０1、８０2、８０3が引き出されている。
【００３２】
天板２１上には、有底容器状の上蓋２２が配置されている。この上蓋２２は、真空封止シール２３により天板２１上に気密に取り付けられている。上蓋２２の上部には複数の導入端子４０1、４０2、４０3が気密に挿通されており、各導入端子４０1、４０2、４０3は、各導線８０1、８０2、８０3にそれぞれ接続されている。
【００３３】
各導入端子４０1、４０2、４０3は、反応槽１１の外部に配置された電源８３に接続されており、電源８３を起動すると各ヒータ１６1、１６2、１６3に通電し、各ヒータ１６1、１６2、１６3を発熱させられるようになっている。
【００３４】
鉛直に配置された各金属プレート１３1〜１３3の側面に面する反応槽１１の側壁には、各金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面に応じた数(ここでは６個)の図示しない貫通孔が設けられており、各貫通孔をそれぞれシール部材が挿通して配置されている。各シール部材にはそれぞれ支持棒が水平な状態で挿通されている。その状態を図３に示す。図中の符号６６1〜６６6はシール部材を示し、符号６２1〜６２6は支持棒を示している。
【００３５】
各支持棒６２1〜６２6の、反応槽１１内部に位置する側の端部は、それぞれ矩形板状のこそげ部材６１1〜６１6に固定されている。他方、各支持棒６２1〜６２6の、反応槽１１外部に位置する側の端部は、それぞれが図示しない水平移動機構に接続されている。
【００３６】
各こそげ部材６１1〜６１6は、各金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面と密着した状態で配置されており、水平移動機構を駆動すると、各支持棒６２1〜６２6が軸方向に水平移動し、それぞれの先端に固定された各こそげ部材６１1〜６１6が各金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面に密着した状態で水平移動できるように構成されている。
【００３７】
反応槽１１には、例えば内径１３φの石英チューブ９２が気密に挿入されていおり、石英チューブ９２と反応槽１１との間から大気が反応槽１１内に入り込まないようになっている。この石英チューブ９２の先端部には、ＳｉＣ(シリコンカーバイド)製の小片９０(φ７×１０mm)内に埋め込まれた熱電対９１の先端部が挿入され、熱電対９１の先端部は金属プレート１３3の近傍に位置している。熱電対９１には電源８３が接続され、電源８３は、熱電対９１の両端の電圧を検出して金属プレート１３3近傍の温度を測定し、測定された金属プレート１３3の温度に応じて各ヒータ１６1、１６2、１６3の通電状態を制御することで、各金属プレート１６1、１６2、１６3の温度を調整できるようになっている。
【００３８】
反応槽１１と各シール部材６６1〜６６6との間では気密性が保たれ、また各シール部材６６1〜６６6と各支持棒６２1〜６２6との間でも気密性が保たれており、各支持棒６２1〜６２6が水平移動しても、各シール部材６６1〜６６6と各支持棒６２1〜６２6との間から反応槽１１内部に大気が入り込まず、反応槽１１の内部が大気に曝されない状態で、各支持棒６２1〜６２6を軸方向に水平移動させられるようになっている。各支持棒６２1〜６２6と、各シール部材６６1〜６６6と、水平移動機構とは本発明の移動手段の一例を構成している。
【００３９】
また、図中には記載されていないが、反応槽１１の外壁には水冷パイプが巻かれており、反応槽１１を１００℃以下に保つように冷却されている。これは反応槽１１内壁が高温(４００℃以上)になるとグラファイトナノファイバーが反応槽１１の内壁にも成長し、内壁を侵食してしまうからであり、これを防止するためである。
【００４０】
反応槽１１の下方には漏斗状の回収部１１ａが設けられている。この回収部１１ａは、その内部側面が斜面７１で構成されている。回収部１１ａの下端には仕切バルブ５０が接続されている。仕切バルブ５０の下方には、有底形状の容器５１が取り付けられており、仕切バルブ５０を開くと、反応槽１１の内部と容器５１の内部とが仕切バルブ５０と回収部１１ａとを介して接続されるようになっている。なお、容器５１は仕切バルブ５０に対して着脱可能に構成されており、仕切バルブ５０から切り離すことができる。
【００４１】
反応槽１１の外部には、真空排気系１４と、ガス導入手段１５とが配置されている。
真空排気系１４は、バルブ３７と、バルブ３７を介して反応槽１１に接続された真空ポンプ３６とを有しており、バルブ３７を開いた状態で真空ポンプ３６を起動すると、反応槽１１の内部を真空排気することができるように構成されている。
【００４２】
ガス導入手段１５は、二個のガスボンベ３１1、３１2を有している。各ガスボンベ３１1、３１2は、それぞれ、レギュレータ３２1、３２2と、仕切バルブ３３1、３３2と、流量調整器３４1、３４2と、導入バルブ３５1、３５2と導入管３０とを介して反応槽１１に接続されている。各ガスボンベ３１1、３１2内には、それぞれ一酸化炭素ガスと水素ガスが入れられており、各仕切バルブ３３1、３３2と、各導入バルブ３５1、３５2をそれぞれ開くと、一酸化炭素ガスと水素ガスは、それぞれ各レギュレータ３２1、３２2を通って各流量調整器３４1、３４2とを通った後に導入管３０内で混合され、反応槽１１内部へと導入されるようになっている。このとき一酸化炭素ガスと水素ガスの圧力は各レギュレータ３２1、３２2で所定圧力に調整され、それぞれの流量は各流量調整器３４1、３４2で所定流量に調整された後に反応槽１１内部に導入される。
【００４３】
上述した成長装置１を用いて、熱ＣＶＤ法によりグラファイトナノファイバを生成するには、予め仕切バルブ５０を開き、容器５１内部と反応槽１１内部との内部を接続させておき、真空排気系１４を起動して反応槽１１内部の気体を排気する。反応槽１１内部の圧力が１３．３Ｐａ(０．１Torr)程度になったら、真空排気系１４の動作を停止させ、排気を中止する。その後ガス導入手段１５を動作させ、各レギュレータ３２1、３２2を１気圧より少し高めの圧力(ここでは１．１気圧)に設定するとともに、各流量調整器３４1、３４2で一酸化炭素ガスと水素ガスの流量を所定値に設定して、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを反応槽１１内に導入する。ここでは、一酸化炭素ガスと水素ガスの流量をそれぞれ３５リットル／分、１５リットル／分に設定している。この状態で各ヒータ１６に通電して各ヒータ１６を発熱させる。各ヒータ１６は金属プレート１３1、１３2、１３3の内部に配置されているので、各ヒータ１６は各金属プレート１３1、１３2、１３3のみを直接加熱し、各金属プレート１３1、１３2、１３3が昇温する。
【００４４】
各金属プレート１３1、１３2、１３3の温度が、グラファイトナノファイバが成長可能な温度(ここでは５５０℃程度)まで昇温する。
こうして一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが導入されると、反応槽１１の内部圧力は上昇する。反応槽１１内部の圧力が１気圧に達したら、各流量調整器３４1、３４2で一酸化炭素ガスと水素ガスとの流量を減少させる。ここでは一酸化炭素ガスと水素ガスの流量を、それぞれ２リットル／分と１リットル／分に減少させている。
【００４５】
反応槽１１の外部には、逆止弁３８と、逆止弁３８に接続された排出用バルブ３９とを備えたガス排出系１７が配置されており、一酸化炭素ガスと水素ガスとの流量を減少させた後に排出用バルブ３９を開くと、反応槽１１内に導入された一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスは、逆止弁３８と、排出用バルブ３９とを順次通って反応槽１１外部へと放出される。このとき反応槽１１内部では、一酸化炭素ガス及び水素ガスが垂れ流された状態になり、反応槽１１の内部圧力は１気圧に維持される。
【００４６】
上述したように、各金属プレート１３1、１３2、１３3は、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用するインバー４２部材で構成されており、反応槽１１の内部圧力が１気圧の状態を維持しつつ、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが各金属プレート１３1、１３2、１３3に流されると、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に、粉体状のグラファイトナノファイバが成長する。
【００４７】
こうして、反応槽１１の内部圧力が１気圧の状態を維持させながら一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを流し続け、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に所定時間(ここでは１時間)だけグラファイトナノファイバを成長させたら、図示しない移動機構を動作させて各支持棒６２1〜６２6を水平移動させ、各こそげ部材６１1〜６１4を各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面と密着した状態で水平移動させる。
【００４８】
各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面には成長したグラファイトナノファイバが付着しており、各こそげ部材６１1〜６１6が各金属プレート１３1、１３2、１３3の両面と密着した状態で移動すると、グラファイトナノファイバが各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面からそれぞれこそげ落とされる。こうしてグラファイトナノファイバをこそげ落としている間にも、ガス導入手段１５は動作しており、一酸化炭素ガス及び水素ガスの混合ガスは、反応槽１１内部に導入され続けている。
【００４９】
こそげ落とされたグラファイトナノファイバは、反応槽１１の下方へと落下する。落下したグラファイトナノファイバの一部は、反応槽１１の下方に配置された容器５１へと落下し、残りは回収部１１ａの斜面７１に落下するが、斜面７１に落下したグラファイトナノファイバは、斜面７１を伝って容器５１へと落としこまれ、その結果成長したグラファイトナノファイバは容器５１内に落下して貯蔵される。容器５１内部に貯蔵された状態のグラファイトナノファイバを符号７０に示す。
【００５０】
こうして、各こそげ部材６１1〜６１6でグラファイトナノファイバがこそげ落とされた後には、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面には未成長なグラファイトナノファイバが付着しており、成長開始前に近い状態に復帰する。
【００５１】
成長開始から所定時間が経過し、こそげ部材６１1〜６１6でグラファイトナノファイバをこそげ落とした後にも、ヒータ１６で各金属プレート１３1、１３2、１３3を直接加熱し、反応槽１１内に一酸化炭素ガスと水素ガスを各金属プレート１３1、１３2、１３3に流し続ける。すると、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に、再びグラファイトナノファイバが成長する。
【００５２】
各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に、成長したグラファイトナノファイバが多量に付着すると成長速度は低下してしまうが、上述したように所定時間が経過したらグラファイトナノファイバを各金属プレート１３1、１３2、１３3からこそげ落として、金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面を成長開始前に近い状態に復帰させることにより、一旦低下した成長速度は再び高くなる。
【００５３】
その後、グラファイトナノファイバがこそげ落とされた時刻からさらに所定時間(ここでは１時間)が経過し、グラファイトナノファイバが各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面に成長したら、再びこそげ部材６１1〜６１6で各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面のグラファイトナノファイバをこそげ落とす。こそげ落とされたグラファイトナノファイバは、上述したと同様に、容器５１へと落下し、容器５１内に貯蔵される。
【００５４】
以上のように、グラファイトナノファイバを成長させながら、所定時間(ここでは１時間)経過するごとに各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面のグラファイトナノファイバをこそげ落とす工程を複数回繰り返す。成長を開始させてから予め定められた時間が経過したら、ガス導入手段１５を停止させて反応槽１１内への混合ガスの導入を停止する。ここでは成長開始から８時間が経過したらガスの導入を停止させている。
【００５５】
次いで、仕切バルブ５０を閉じ、反応槽１１の内部と容器５１の内部とを遮断する。容器５１の外部には、排気ポンプ７７と仕切バルブ７５とを備えた排気系５６が配置されており、仕切バルブ５０が閉じた後に、排気ポンプ７７を駆動して仕切バルブ７５を開いて、容器５１内部をスロー排気し、容器５１内部に溜まっている一酸化炭素ガスと水素ガスを抜き取る。完全に一酸化炭素ガスと水素ガスが抜き取られたら排気系５６の動作を停止する。
【００５６】
容器５１には大気導入バルブ５２が接続されており、排気系５６の動作を停止した後に大気導入バルブ５２を開くと、容器５１内部に大気が導入されて容器５１の内部圧力が上昇する。容器５１の内部圧力が１気圧に達したら、容器５１を仕切バルブ５０から切り離し、容器５１内部からグラファイトナノファイバを採取する。
【００５７】
以上説明したように本実施形態では、各ヒータ１６1〜１６3は、各金属プレート１３1、１３2、１３3の内部に配置され、各金属プレート１３1、１３2、１３3を直接加熱しているので、反応槽１１１を加熱し、加熱された反応槽１１１で間接的に金属プレートを加熱していた従来に比して効率良く金属プレート１３1、１３2、１３3を加熱することができる。従って、従来に比して短時間で金属プレート１３1、１３2、１３3を成長可能な温度まで昇温させることができ、ヒータ１６に通電する電力を大幅に低減することができる。
【００５８】
また、反応槽１１は直接加熱されず、さらに冷却パイプにより水冷されているため、その温度は各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面温度より低いので、反応槽１１の内部壁面はグラファイトナノファイバが成長可能な温度までは上昇せず、反応槽１１の内部壁面が、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属で構成された場合でも、その内部壁面にグラファイトナノファイバは成長しない。従って、グラファイトナノファイバの成長により反応槽１１の内部壁面が侵食されて減ることもない。
【００５９】
また、上述した実施形態では、こそげ部材６１1〜６１6を用いて、成長中に、所定時間が経過するごとに金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面からグラファイトナノファイバをこそげ落とし、一旦低下した成長速度を高くさせているので、連続して長時間成長を続けた場合でも、成長速度が著しく低下することはなく、成長時間に見合った多量のグラファイトナノファイバを得ることができる。
【００６０】
従来装置では、金属プレートとして２９４mm×２１０mm×３０mmのインコネル板を用いた場合のグラファイトナノファイバは２０ｇしか得られなかったが、本発明の発明者等が、上述した実施形態の成長装置１に、従来と同じ大きさで同じ材料の金属プレートを備え付けてグラファイトナノファイバを成長させたところ、１時間で１２０ｇ、８時間で９６０ｇのグラファイトナノファイバを得ることができた。
【００６１】
なお、上述した成長装置１では、上述したように反応槽１１の内部壁面には、グラファイトナノファイバは成長しないが、グラファイトナノファイバは粉体なので、こそげ落とされたときに飛散したグラファイトナノファイバが反応槽１１の内部壁面に付着してしまうことがある。
【００６２】
これを防止するため、成長装置１には、振動機構４５が設けられている。
振動機構４５は反応槽１１の外部に配置され、モータ４３と、振動ディスク４４とを有している。振動ディスク４４はモータ４３の回転軸４３ａに固定され、反応槽１１の外部壁面と接触するように配置されており、モータ４３を駆動して駆動軸４３ａを回転させると、振動ディスク４４が振動して反応槽１１全体を振動させられるように構成されている。
【００６３】
上述したグラファイトナノファイバの成長が終了したら、仕切バルブ５０を閉じて、反応槽１１の内部と容器５１の内部とを遮断する前に振動機構４５を駆動して、反応槽１１全体を振動させる。すると、反応槽１１の内部壁面に付着したグラファイトナノファイバは、振動により振るい落とされるので、反応槽１１の内部壁面には付着しない。
【００６４】
こうして振るい落とされたグラファイトナノファイバは、回収部１１ａの斜面７１に落下し、斜面７１を伝って容器５１内部へと落とし込まれるので、金属プレートの表面に成長したグラファイトナノファイバとともに、容器５１から回収することができる。
【００６５】
なお、上述した実施形態では、金属プレート１３1〜１３3の材料として、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属であるインバー４２部材を用いたが、金属プレート１３1〜１３3の材料はこれに限られるものではなく、鉄又はニッケル又はコバルトのうち少なくとも一種を含む合金であればよい。本発明の発明者等は、ＳＵＳ３０４を金属プレートの材料として用いた実験を行ったが、本実施形態のインバー４２部材と同様、その表面にグラファイトナノファイバを成長させることができた。
【００６６】
また、上述した実施形態では、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属で、金属プレートを構成したが、本発明はこれに限らず、例えば触媒として作用しない金属板の片面又は両面に、触媒として作用する金属板を張り付けることで金属プレートを構成してもよい。
【００６７】
また、ヒータ１６をランプヒータで構成しているが、本発明はこれに限らず、例えば抵抗発熱体でヒータを構成し、各金属プレート内の収納孔とヒータを密着させ、熱伝導により金属プレートを加熱するように構成してもよい。
【００６８】
また、上述した実施形態では、原料ガスである一酸化炭素ガスとしてガスボンベ中の一酸化炭素ガスを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば製鉄所から排出される高温(例えば７００℃程度)の一酸化炭素ガスを真空槽内に導入するように構成してもよい。
【００６９】
この場合、高温の一酸化炭素ガスが金属プレートに吹き付けられることで金属プレートが加熱され、金属プレートが成長可能な温度まで昇温してグラファイトナノファイバが成長する。従って、この場合にはヒータを設ける必要がない。
【００７０】
また、上述した実施形態では原料ガスとして一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いているが、本発明の原料ガスはこれに限られるものではない。
また、上述した実施形態では反応槽１１内に３枚の金属プレート１３1〜１３3を配置しているが、金属プレートの枚数はこれに限られるものではなく、３枚以上、例えば５枚の金属プレートを反応槽１１内に配置してもよいし、３枚以下、例えば１枚の金属プレートを反応槽１１内に配置してもよい。
【００７１】
また、上述した実施形態では、こそげ部材６１1〜６１6を板状に形成しているが、こそげ部材６１1〜６１6の形状はこれに限られるものではなく、例えば棒状に形成してもよい。
【００７２】
また、上述した実施形態では、振動機構４５は、モータ４３と振動ディスク４４で構成されているが、本発明の振動機構はこれに限られるものではなく、反応槽１１を振動できるように構成されていればよい。
【００７３】
また、上述した実施形態では、振動機構４５は、グラファイトナノファイバの成長が終了した後に反応槽１１を振動させているが、反応槽を振動させる期間はこれに限られるものではなく、成長中に終始反応槽１１を振動させるように構成してもよいし、また、金属プレート１３1〜１３3表面からグラファイトナノファイバをこそげ落とす際に反応槽１１を振動させるように構成してもよい。
【００７４】
さらに、上述した実施形態では、成長物質としてグラファイトナノファイバを成長させているが、本発明の成長物質はこれに限られるものではなく、いかなる成長物質を成長させてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
従来に比して成長速度が低下することなく大量のグラファイトナノファイバを成長させることが出来る。また、従来に比して消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の成長装置を示す断面図
【図２】本発明の一実施形態の成長装置に用いられる金属プレート及びこそげ機構を示す斜視図
【図３】本発明の一実施形態の成長装置を示す斜視図
【図４】従来の成長装置を示す断面図
【符号の説明】
１……成長装置 １１……反応槽 １１ａ……回収部 １３1〜１３3……金属プレート(板状部材) １６……ヒータ(加熱機構) ４５……振動機構 ６１1〜６１6……こそげ部材 ５１……容器 ７１……斜面
【発明の属する技術分野】
本発明は成長装置に関し、特に、ＦＥＤ(Field emission display)に用いられる電子放出源や、二次電池の充填材等の材料、あるいは水素貯蔵材料として、近年注目が高まっているグラファイトナノファイバ粉体の成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
グラファイトナノファイバ粉体を製造する方法として、熱ＣＶＤ法が一般的に用いられている。
図４の符号１０１に、従来のグラファイトナノファイバの成長装置を示す。
この成長装置１０１は、反応槽１１１と、二枚の金属プレート１１３1、１１３2と、真空排気系１１４と、ガス導入手段１１５と、ヒータ１１６とガス排気系１１７と大気導入バルブ１１９を有している。
【０００３】
反応槽１１１の内部には、二枚の金属プレート１１３1、１１３2が互いに一定間隔をおいて水平に配置されている。各金属プレート１１３1、１１３2は、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属板で構成されている。ここでは金属プレート１１３1、１１３2はインバー４２部材(Ｎｉを４２％含有する鉄材)から成るものとしている。
【０００４】
反応槽１１１の外部壁面には、線状のヒータ１１６が密着配置されている。このヒータ１１６は抵抗発熱体からなり、通電すると発熱して、反応槽１１１を加熱できるように構成されている。
【０００５】
反応槽１１１には開閉可能な扉１１２が設けられており、扉１１２を閉じると反応槽１１１の内部を外気と遮断し、開くと内部を外気に曝すことができるように構成されている。
【０００６】
反応槽１１１の外部には、真空排気系１１４と、ガス導入手段１１５と、ヒータ１１６とガス放出系１１７と大気導入バルブ１１９とが配置されている。
真空排気系１１４は、真空ポンプ１３６とバルブ１３７を有しており、扉１１２を閉じた状態で真空ポンプ１３６を起動してバルブ１３７を開くと、反応槽１１１の内部を真空排気することができるように構成されている。
【０００７】
ガス導入手段１１５は、二個のガスボンベ１３１1、１３１2を有している。各ガスボンベ１３１1、１３１2は、それぞれ、レギュレータ１３２1、１３２2と、仕切バルブ１３３1、１３３2と、流量調整器１３４1、１３４2と、導入バルブ１３５1、１３５2と導入管１３０とを介して反応槽１１１に接続されている。各ガスボンベ１３１1、１３１2内には、それぞれ一酸化炭素ガスと水素ガスが入れられており、各仕切バルブ１３３1、１３３2と、各導入バルブ１３５1、１３５2をそれぞれ開くと、一酸化炭素ガスと水素ガスは、それぞれ各レギュレータ１３２1、１３２2と各流量調整器１３４1、１３４2とを通り、導入管１３０で混合された後に反応槽１１１内部へと導入されるようになっている。このとき一酸化炭素ガスと水素ガスは各レギュレータ１３２1、１３２2で所定の圧力に調整され、各流量調整器１３４1、１３４2で所定の流量に調整された後に、反応槽１３０へ導入されるようになっている。
【０００８】
上述した成長装置１０１でグラファイトナノファイバを生成するには、まず扉１１２を閉じた状態で反応槽１１１内部の気体を排気し、内部の圧力を所定圧力(ここでは１３．３Ｐａ程度)まで減圧した後、ヒータ１１６を発熱させて反応槽１１１を加熱すると、加熱された反応槽１１１により、その内部に配置された金属プレート１１３1、１１３2が間接的に加熱され、昇温する。
【０００９】
金属プレート１１３1、１１３2の温度が５５０℃程度まで昇温したら、ガス導入手段１１５を動作させ、一酸化炭素ガスと水素ガスとを、予め定められた所定の流量で反応槽１１１内に導入するとともに、真空排気系１１４の動作を停止させる。すると、反応槽１１１内部の圧力は上昇しはじめる。
【００１０】
反応槽１１１の外部には、逆止弁１３８と、逆止弁１３８に接続された排出用バルブ１３９とを備えたガス排出系１１７が配置されており、一酸化炭素ガスと水素ガスとの流量を減少させた後に排出用バルブ１３９を開くと、反応槽１１１内に導入された一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスは、逆止弁１３８と、排出用バルブ１３９とを順次通って反応槽１１１外部へと放出される。このとき反応槽１１１内部では、一酸化炭素ガス及び水素ガスが垂れ流された状態になり、反応槽１１１の内部圧力は１気圧で維持される。
【００１１】
このように反応槽１１１の内部圧力が１気圧の状態で、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用するインバー４２で構成された金属プレート１１３1、１１３2の表面に流されると、金属プレート１１３1、１１３2の表面にグラファイトナノファイバが成長する。
【００１２】
かかる成長処理を所定時間(ここでは１時間程度)続けたら、一酸化炭素ガス及び水素ガスの導入を停止し、ガス排気系１１７を停止させた後に再び真空排気系１１４を動作させ、反応槽１１１内部に残留する一酸化炭素ガス及び水素ガスを抜き取る。一酸化炭素ガス及び水素ガスが完全に抜き取られたらガス排気系１１７の動作を停止させる。
【００１３】
反応槽１１１の外部には大気導入バルブ１１９が配置されており、ガス排気系１１７の動作を停止させた後に、大気導入バルブ１１９を開くと、大気が大気導入バルブ１１９を介して反応槽１１１内部に導入され、内部圧力が上昇する。反応槽１１１の内部圧力が１気圧まで上昇したら、扉１１２を開いて金属プレート１１３1、１１３2を反応槽１１１外部へと取り出す。取り出された金属プレート１１３1、１１３2の表面には、成長したグラファイトナノファイバが付着しており、これをヘラ等でこそげ落とすことにより、粉体状のグラファイトナノファイバを得ることができる。
【００１４】
従来装置では、ヒータ１１６で反応槽１１１内部を加熱し、加熱された反応槽１１１によって間接的に金属プレート１１３1、１１３2を昇温させていたので、効率良く金属プレート１１３1、１１３2を加熱することができない。従ってグラファイトナノファイバが成長可能な温度まで金属プレート１１３1、１１３2を昇温させるのに長時間を要し、ヒータ１１６に通電する際に必要な電力が多大になってしまっていた。
【００１５】
また、反応槽１１１の内部壁面が、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属(例えば鉄を含む金属)で構成された場合には、反応槽１１１の内部壁面にもグラファイトナノファイバが成長してしまい、反応槽１１１内部壁面が侵食されてしまう。
【００１６】
また、金属プレート１１３1、１１３2の表面に付着したグラファイトナノファイバが多量になると、グラファイトナノファイバの成長速度は著しく低下してしまい、ほとんど成長が進行しなくなってしまうので、長時間成長を続行しても、成長時間に見合った大量のグラファイトナノファイバを得ることができなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、金属プレートの加熱に要する電力消費を低減し、また、成長速度の低下を防止して大量のグラファイトナノファイバを生産することが可能な技術を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は成長装置であって、反応槽と、前記反応槽内に配置された板状部材と、前記板状部材内部に配置された加熱機構と、前記反応槽内部に原料ガスを導入するガス導入手段とを有し、前記反応槽内を真空排気し、前記加熱機構で前記板状部材を加熱し、前記ガス導入手段で前記反応槽内に前記原料ガスを導入して、前記板状部材の表面に、前記原料ガスに応じた成長物質を成長させられるように構成されている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の成長装置であって、前記板状部材を複数有する。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の成長装置であって、前記板状部材は、その両面に前記成長物質を成長させられるように構成されている。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成長装置であって、こそげ部材と、前記こそげ部材に接続された移動手段とを有し、前記移動手段は、前記反応槽内部が大気に曝されない状態を維持しながら、前記こそげ部材を、前記板状部材の表面に密着した状態で移動させられるように構成されている。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の成長装置であって、前記板状部材の下方に配置された容器を有する。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の成長装置であって、前記板状部材と、前記容器との間に配置され、斜面を有する回収部を有し、前記板状部材の表面から前記成長物質が落下すると、該成長物質が前記斜面を伝って前記容器内部へと落下させられるように構成されている。
請求項７記載の発明は、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の成長装置であって、前記反応槽と前記容器との間に配置された仕切バルブを有し、前記仕切バルブは、開いた状態で前記反応槽の内部を前記容器の内部と接続し、閉じた状態で前記反応槽の内部を前記容器の内部と遮断するように構成されている。
請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の成長装置であって、前記反応槽を振動させられるように構成された振動機構を有する。
請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の成長装置であって、前記成長物質は、グラファイトナノファイバである。
【００１９】
本発明の成長装置によれば、板状部材の内部に加熱機構を設けている。
このように構成することにより、加熱機構を発熱させると板状部材のみが加熱されて昇温する。従って、まず反応槽を加熱し、加熱された反応槽で間接的に板状部材を加熱していた従来に比して効率良く板状部材を加熱でき、短時間で成長可能な温度まで昇温させることができるので、加熱に要する電力消費量を大幅に低減することができる。
【００２０】
なお、本発明において、複数の板状部材を設けてもよい。この場合には、板状部材のそれぞれに成長物質が成長するので、同じ成長条件で、１枚の板状部材を用いて成長させる場合に比して、多量の成長物質を成長させることができる。同じ理由で、板状部材の両面に成長物質を成長させられるように構成してもよい。この場合には片面のみに成長させる場合に比して約二倍の成長物質を得ることができる。
【００２１】
なお、本発明において、こそげ部材と、移動手段を設けてもよい。このように構成し、移動手段が反応槽内部を大気に曝さない状態を維持しながら、こそげ部材を板状部材の成長面に密着させて移動させることにより、原料ガスに応じた成長物質の成長途中においても、成長物質を板状部材からこそげ落とすことができる。
【００２２】
特に、グラファイトナノファイバを成長させる場合には、板状部材表面に付着するグラファイトナノファイバの量が多くなると、成長速度が低下してしまうという問題があったが、本発明ではグラファイトナノファイバの成長途中でも成長したグラファイトナノファイバを板状部材表面からこそげ落とすことができるので、板状部材にグラファイトナノファイバが付着することにより一旦低下した成長速度を再び高くさせることができる。従って、長時間成長させても成長速度が著しく低下しないようにすることができるので、多量のグラファイトナノファイバを成長させることができる。
【００２３】
また、本発明において、板状部材の下方に配置された容器を設けてもよい。
このように構成すると、成長中にこそげ部材でこそげ落とされた成長物質を反応槽の下方に配置された容器へと落下させて貯蔵することができ、成長が終了した後には、容器から成長物質を回収することができる。
【００２４】
また、本発明において、板状部材と、容器との間に配置され、斜面を有する回収部を有し、板状部材の表面から成長物質が落下すると、その成長物質が斜面を伝って容器へと落下できるように構成してもよい。
【００２５】
このように構成することにより、こそげ落とされた成長物質が直接容器内へと落下しなくとも、斜面に落下した後に斜面を伝って容器内へと落下するので、こそげ落とされた成長物質のほとんどを容器内に落下させて貯蔵することができる。
【００２６】
また、本発明において、反応槽を振動させる振動機構を設けてもよい。
このように構成することにより、こそげ落とされた成長物質が飛散すること等により、反応槽の内部壁面に成長物質が付着した場合でも、振動機構で反応槽を振動させることで、付着した成長物質を反応槽の内部壁面から振い落とすことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１の符号１に、本実施形態のグラファイトナノファイバの成長装置を示す。
この成長装置１は、反応槽１１と、複数の金属プレート１３1、１３2、１３3とを有している。
【００２８】
反応槽１１は筒状に形成され、その内部の天井側には、複数の金属プレート１３1、１３2、１３3が配置されている。ここでは３枚の金属プレート１３1、１３2、１３3が配置されている。各金属プレート１３1、１３2、１３3は、本発明の板状部材の一例であって、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属で構成されている。ここではインバー４２部材で構成されている。
【００２９】
このうち１個の金属プレート１３1の構造を図２に示す。この金属プレート１３1の一側面にはフランジ部６７1が設けられ、そのフランジ部６７1の表面から、フランジ部６７1と反対側の側面近くまで達する複数の収納孔６３が設けられている。
【００３０】
反応槽１１の天井側には、反応槽１１と気密に固定された天板２１が配置されている。天板２１には、収納孔６３に対応する数の貫通孔(図示せず)が設けられており、この貫通孔と収納孔６３とが連通した状態で、各フランジ部６７1、６７2、６７3は天板２１の底面に固定されており、各金属プレート１３1、１３2、１３3は鉛直方向を向き、互いに平行な状態で反応槽１１内部に配置されている。
【００３１】
各収納孔６３の内部には、天板２１の各貫通孔から棒状のヒータが１本ずつ挿入されている。これらのヒータは本発明の加熱機構の一例であり、それぞれランプヒータで構成されている。図１には、そのうち３本のヒータ１６1、１６2、１６3を示している。各ヒータ１６1、１６2、１６3の上端は、天板２１の貫通孔を挿通して天板２１の上方に突出しており、それぞれの上端から導線８０1、８０2、８０3が引き出されている。
【００３２】
天板２１上には、有底容器状の上蓋２２が配置されている。この上蓋２２は、真空封止シール２３により天板２１上に気密に取り付けられている。上蓋２２の上部には複数の導入端子４０1、４０2、４０3が気密に挿通されており、各導入端子４０1、４０2、４０3は、各導線８０1、８０2、８０3にそれぞれ接続されている。
【００３３】
各導入端子４０1、４０2、４０3は、反応槽１１の外部に配置された電源８３に接続されており、電源８３を起動すると各ヒータ１６1、１６2、１６3に通電し、各ヒータ１６1、１６2、１６3を発熱させられるようになっている。
【００３４】
鉛直に配置された各金属プレート１３1〜１３3の側面に面する反応槽１１の側壁には、各金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面に応じた数(ここでは６個)の図示しない貫通孔が設けられており、各貫通孔をそれぞれシール部材が挿通して配置されている。各シール部材にはそれぞれ支持棒が水平な状態で挿通されている。その状態を図３に示す。図中の符号６６1〜６６6はシール部材を示し、符号６２1〜６２6は支持棒を示している。
【００３５】
各支持棒６２1〜６２6の、反応槽１１内部に位置する側の端部は、それぞれ矩形板状のこそげ部材６１1〜６１6に固定されている。他方、各支持棒６２1〜６２6の、反応槽１１外部に位置する側の端部は、それぞれが図示しない水平移動機構に接続されている。
【００３６】
各こそげ部材６１1〜６１6は、各金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面と密着した状態で配置されており、水平移動機構を駆動すると、各支持棒６２1〜６２6が軸方向に水平移動し、それぞれの先端に固定された各こそげ部材６１1〜６１6が各金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面に密着した状態で水平移動できるように構成されている。
【００３７】
反応槽１１には、例えば内径１３φの石英チューブ９２が気密に挿入されていおり、石英チューブ９２と反応槽１１との間から大気が反応槽１１内に入り込まないようになっている。この石英チューブ９２の先端部には、ＳｉＣ(シリコンカーバイド)製の小片９０(φ７×１０mm)内に埋め込まれた熱電対９１の先端部が挿入され、熱電対９１の先端部は金属プレート１３3の近傍に位置している。熱電対９１には電源８３が接続され、電源８３は、熱電対９１の両端の電圧を検出して金属プレート１３3近傍の温度を測定し、測定された金属プレート１３3の温度に応じて各ヒータ１６1、１６2、１６3の通電状態を制御することで、各金属プレート１６1、１６2、１６3の温度を調整できるようになっている。
【００３８】
反応槽１１と各シール部材６６1〜６６6との間では気密性が保たれ、また各シール部材６６1〜６６6と各支持棒６２1〜６２6との間でも気密性が保たれており、各支持棒６２1〜６２6が水平移動しても、各シール部材６６1〜６６6と各支持棒６２1〜６２6との間から反応槽１１内部に大気が入り込まず、反応槽１１の内部が大気に曝されない状態で、各支持棒６２1〜６２6を軸方向に水平移動させられるようになっている。各支持棒６２1〜６２6と、各シール部材６６1〜６６6と、水平移動機構とは本発明の移動手段の一例を構成している。
【００３９】
また、図中には記載されていないが、反応槽１１の外壁には水冷パイプが巻かれており、反応槽１１を１００℃以下に保つように冷却されている。これは反応槽１１内壁が高温(４００℃以上)になるとグラファイトナノファイバーが反応槽１１の内壁にも成長し、内壁を侵食してしまうからであり、これを防止するためである。
【００４０】
反応槽１１の下方には漏斗状の回収部１１ａが設けられている。この回収部１１ａは、その内部側面が斜面７１で構成されている。回収部１１ａの下端には仕切バルブ５０が接続されている。仕切バルブ５０の下方には、有底形状の容器５１が取り付けられており、仕切バルブ５０を開くと、反応槽１１の内部と容器５１の内部とが仕切バルブ５０と回収部１１ａとを介して接続されるようになっている。なお、容器５１は仕切バルブ５０に対して着脱可能に構成されており、仕切バルブ５０から切り離すことができる。
【００４１】
反応槽１１の外部には、真空排気系１４と、ガス導入手段１５とが配置されている。
真空排気系１４は、バルブ３７と、バルブ３７を介して反応槽１１に接続された真空ポンプ３６とを有しており、バルブ３７を開いた状態で真空ポンプ３６を起動すると、反応槽１１の内部を真空排気することができるように構成されている。
【００４２】
ガス導入手段１５は、二個のガスボンベ３１1、３１2を有している。各ガスボンベ３１1、３１2は、それぞれ、レギュレータ３２1、３２2と、仕切バルブ３３1、３３2と、流量調整器３４1、３４2と、導入バルブ３５1、３５2と導入管３０とを介して反応槽１１に接続されている。各ガスボンベ３１1、３１2内には、それぞれ一酸化炭素ガスと水素ガスが入れられており、各仕切バルブ３３1、３３2と、各導入バルブ３５1、３５2をそれぞれ開くと、一酸化炭素ガスと水素ガスは、それぞれ各レギュレータ３２1、３２2を通って各流量調整器３４1、３４2とを通った後に導入管３０内で混合され、反応槽１１内部へと導入されるようになっている。このとき一酸化炭素ガスと水素ガスの圧力は各レギュレータ３２1、３２2で所定圧力に調整され、それぞれの流量は各流量調整器３４1、３４2で所定流量に調整された後に反応槽１１内部に導入される。
【００４３】
上述した成長装置１を用いて、熱ＣＶＤ法によりグラファイトナノファイバを生成するには、予め仕切バルブ５０を開き、容器５１内部と反応槽１１内部との内部を接続させておき、真空排気系１４を起動して反応槽１１内部の気体を排気する。反応槽１１内部の圧力が１３．３Ｐａ(０．１Torr)程度になったら、真空排気系１４の動作を停止させ、排気を中止する。その後ガス導入手段１５を動作させ、各レギュレータ３２1、３２2を１気圧より少し高めの圧力(ここでは１．１気圧)に設定するとともに、各流量調整器３４1、３４2で一酸化炭素ガスと水素ガスの流量を所定値に設定して、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを反応槽１１内に導入する。ここでは、一酸化炭素ガスと水素ガスの流量をそれぞれ３５リットル／分、１５リットル／分に設定している。この状態で各ヒータ１６に通電して各ヒータ１６を発熱させる。各ヒータ１６は金属プレート１３1、１３2、１３3の内部に配置されているので、各ヒータ１６は各金属プレート１３1、１３2、１３3のみを直接加熱し、各金属プレート１３1、１３2、１３3が昇温する。
【００４４】
各金属プレート１３1、１３2、１３3の温度が、グラファイトナノファイバが成長可能な温度(ここでは５５０℃程度)まで昇温する。
こうして一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが導入されると、反応槽１１の内部圧力は上昇する。反応槽１１内部の圧力が１気圧に達したら、各流量調整器３４1、３４2で一酸化炭素ガスと水素ガスとの流量を減少させる。ここでは一酸化炭素ガスと水素ガスの流量を、それぞれ２リットル／分と１リットル／分に減少させている。
【００４５】
反応槽１１の外部には、逆止弁３８と、逆止弁３８に接続された排出用バルブ３９とを備えたガス排出系１７が配置されており、一酸化炭素ガスと水素ガスとの流量を減少させた後に排出用バルブ３９を開くと、反応槽１１内に導入された一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスは、逆止弁３８と、排出用バルブ３９とを順次通って反応槽１１外部へと放出される。このとき反応槽１１内部では、一酸化炭素ガス及び水素ガスが垂れ流された状態になり、反応槽１１の内部圧力は１気圧に維持される。
【００４６】
上述したように、各金属プレート１３1、１３2、１３3は、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用するインバー４２部材で構成されており、反応槽１１の内部圧力が１気圧の状態を維持しつつ、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスが各金属プレート１３1、１３2、１３3に流されると、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に、粉体状のグラファイトナノファイバが成長する。
【００４７】
こうして、反応槽１１の内部圧力が１気圧の状態を維持させながら一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを流し続け、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に所定時間(ここでは１時間)だけグラファイトナノファイバを成長させたら、図示しない移動機構を動作させて各支持棒６２1〜６２6を水平移動させ、各こそげ部材６１1〜６１4を各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面と密着した状態で水平移動させる。
【００４８】
各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面には成長したグラファイトナノファイバが付着しており、各こそげ部材６１1〜６１6が各金属プレート１３1、１３2、１３3の両面と密着した状態で移動すると、グラファイトナノファイバが各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面からそれぞれこそげ落とされる。こうしてグラファイトナノファイバをこそげ落としている間にも、ガス導入手段１５は動作しており、一酸化炭素ガス及び水素ガスの混合ガスは、反応槽１１内部に導入され続けている。
【００４９】
こそげ落とされたグラファイトナノファイバは、反応槽１１の下方へと落下する。落下したグラファイトナノファイバの一部は、反応槽１１の下方に配置された容器５１へと落下し、残りは回収部１１ａの斜面７１に落下するが、斜面７１に落下したグラファイトナノファイバは、斜面７１を伝って容器５１へと落としこまれ、その結果成長したグラファイトナノファイバは容器５１内に落下して貯蔵される。容器５１内部に貯蔵された状態のグラファイトナノファイバを符号７０に示す。
【００５０】
こうして、各こそげ部材６１1〜６１6でグラファイトナノファイバがこそげ落とされた後には、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面には未成長なグラファイトナノファイバが付着しており、成長開始前に近い状態に復帰する。
【００５１】
成長開始から所定時間が経過し、こそげ部材６１1〜６１6でグラファイトナノファイバをこそげ落とした後にも、ヒータ１６で各金属プレート１３1、１３2、１３3を直接加熱し、反応槽１１内に一酸化炭素ガスと水素ガスを各金属プレート１３1、１３2、１３3に流し続ける。すると、各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に、再びグラファイトナノファイバが成長する。
【００５２】
各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面に、成長したグラファイトナノファイバが多量に付着すると成長速度は低下してしまうが、上述したように所定時間が経過したらグラファイトナノファイバを各金属プレート１３1、１３2、１３3からこそげ落として、金属プレート１３1、１３2、１３3の表面及び裏面を成長開始前に近い状態に復帰させることにより、一旦低下した成長速度は再び高くなる。
【００５３】
その後、グラファイトナノファイバがこそげ落とされた時刻からさらに所定時間(ここでは１時間)が経過し、グラファイトナノファイバが各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面に成長したら、再びこそげ部材６１1〜６１6で各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面のグラファイトナノファイバをこそげ落とす。こそげ落とされたグラファイトナノファイバは、上述したと同様に、容器５１へと落下し、容器５１内に貯蔵される。
【００５４】
以上のように、グラファイトナノファイバを成長させながら、所定時間(ここでは１時間)経過するごとに各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面のグラファイトナノファイバをこそげ落とす工程を複数回繰り返す。成長を開始させてから予め定められた時間が経過したら、ガス導入手段１５を停止させて反応槽１１内への混合ガスの導入を停止する。ここでは成長開始から８時間が経過したらガスの導入を停止させている。
【００５５】
次いで、仕切バルブ５０を閉じ、反応槽１１の内部と容器５１の内部とを遮断する。容器５１の外部には、排気ポンプ７７と仕切バルブ７５とを備えた排気系５６が配置されており、仕切バルブ５０が閉じた後に、排気ポンプ７７を駆動して仕切バルブ７５を開いて、容器５１内部をスロー排気し、容器５１内部に溜まっている一酸化炭素ガスと水素ガスを抜き取る。完全に一酸化炭素ガスと水素ガスが抜き取られたら排気系５６の動作を停止する。
【００５６】
容器５１には大気導入バルブ５２が接続されており、排気系５６の動作を停止した後に大気導入バルブ５２を開くと、容器５１内部に大気が導入されて容器５１の内部圧力が上昇する。容器５１の内部圧力が１気圧に達したら、容器５１を仕切バルブ５０から切り離し、容器５１内部からグラファイトナノファイバを採取する。
【００５７】
以上説明したように本実施形態では、各ヒータ１６1〜１６3は、各金属プレート１３1、１３2、１３3の内部に配置され、各金属プレート１３1、１３2、１３3を直接加熱しているので、反応槽１１１を加熱し、加熱された反応槽１１１で間接的に金属プレートを加熱していた従来に比して効率良く金属プレート１３1、１３2、１３3を加熱することができる。従って、従来に比して短時間で金属プレート１３1、１３2、１３3を成長可能な温度まで昇温させることができ、ヒータ１６に通電する電力を大幅に低減することができる。
【００５８】
また、反応槽１１は直接加熱されず、さらに冷却パイプにより水冷されているため、その温度は各金属プレート１３1、１３2、１３3の表面温度より低いので、反応槽１１の内部壁面はグラファイトナノファイバが成長可能な温度までは上昇せず、反応槽１１の内部壁面が、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属で構成された場合でも、その内部壁面にグラファイトナノファイバは成長しない。従って、グラファイトナノファイバの成長により反応槽１１の内部壁面が侵食されて減ることもない。
【００５９】
また、上述した実施形態では、こそげ部材６１1〜６１6を用いて、成長中に、所定時間が経過するごとに金属プレート１３1〜１３3の表面及び裏面からグラファイトナノファイバをこそげ落とし、一旦低下した成長速度を高くさせているので、連続して長時間成長を続けた場合でも、成長速度が著しく低下することはなく、成長時間に見合った多量のグラファイトナノファイバを得ることができる。
【００６０】
従来装置では、金属プレートとして２９４mm×２１０mm×３０mmのインコネル板を用いた場合のグラファイトナノファイバは２０ｇしか得られなかったが、本発明の発明者等が、上述した実施形態の成長装置１に、従来と同じ大きさで同じ材料の金属プレートを備え付けてグラファイトナノファイバを成長させたところ、１時間で１２０ｇ、８時間で９６０ｇのグラファイトナノファイバを得ることができた。
【００６１】
なお、上述した成長装置１では、上述したように反応槽１１の内部壁面には、グラファイトナノファイバは成長しないが、グラファイトナノファイバは粉体なので、こそげ落とされたときに飛散したグラファイトナノファイバが反応槽１１の内部壁面に付着してしまうことがある。
【００６２】
これを防止するため、成長装置１には、振動機構４５が設けられている。
振動機構４５は反応槽１１の外部に配置され、モータ４３と、振動ディスク４４とを有している。振動ディスク４４はモータ４３の回転軸４３ａに固定され、反応槽１１の外部壁面と接触するように配置されており、モータ４３を駆動して駆動軸４３ａを回転させると、振動ディスク４４が振動して反応槽１１全体を振動させられるように構成されている。
【００６３】
上述したグラファイトナノファイバの成長が終了したら、仕切バルブ５０を閉じて、反応槽１１の内部と容器５１の内部とを遮断する前に振動機構４５を駆動して、反応槽１１全体を振動させる。すると、反応槽１１の内部壁面に付着したグラファイトナノファイバは、振動により振るい落とされるので、反応槽１１の内部壁面には付着しない。
【００６４】
こうして振るい落とされたグラファイトナノファイバは、回収部１１ａの斜面７１に落下し、斜面７１を伝って容器５１内部へと落とし込まれるので、金属プレートの表面に成長したグラファイトナノファイバとともに、容器５１から回収することができる。
【００６５】
なお、上述した実施形態では、金属プレート１３1〜１３3の材料として、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属であるインバー４２部材を用いたが、金属プレート１３1〜１３3の材料はこれに限られるものではなく、鉄又はニッケル又はコバルトのうち少なくとも一種を含む合金であればよい。本発明の発明者等は、ＳＵＳ３０４を金属プレートの材料として用いた実験を行ったが、本実施形態のインバー４２部材と同様、その表面にグラファイトナノファイバを成長させることができた。
【００６６】
また、上述した実施形態では、グラファイトナノファイバの成長時に触媒として作用する金属で、金属プレートを構成したが、本発明はこれに限らず、例えば触媒として作用しない金属板の片面又は両面に、触媒として作用する金属板を張り付けることで金属プレートを構成してもよい。
【００６７】
また、ヒータ１６をランプヒータで構成しているが、本発明はこれに限らず、例えば抵抗発熱体でヒータを構成し、各金属プレート内の収納孔とヒータを密着させ、熱伝導により金属プレートを加熱するように構成してもよい。
【００６８】
また、上述した実施形態では、原料ガスである一酸化炭素ガスとしてガスボンベ中の一酸化炭素ガスを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば製鉄所から排出される高温(例えば７００℃程度)の一酸化炭素ガスを真空槽内に導入するように構成してもよい。
【００６９】
この場合、高温の一酸化炭素ガスが金属プレートに吹き付けられることで金属プレートが加熱され、金属プレートが成長可能な温度まで昇温してグラファイトナノファイバが成長する。従って、この場合にはヒータを設ける必要がない。
【００７０】
また、上述した実施形態では原料ガスとして一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いているが、本発明の原料ガスはこれに限られるものではない。
また、上述した実施形態では反応槽１１内に３枚の金属プレート１３1〜１３3を配置しているが、金属プレートの枚数はこれに限られるものではなく、３枚以上、例えば５枚の金属プレートを反応槽１１内に配置してもよいし、３枚以下、例えば１枚の金属プレートを反応槽１１内に配置してもよい。
【００７１】
また、上述した実施形態では、こそげ部材６１1〜６１6を板状に形成しているが、こそげ部材６１1〜６１6の形状はこれに限られるものではなく、例えば棒状に形成してもよい。
【００７２】
また、上述した実施形態では、振動機構４５は、モータ４３と振動ディスク４４で構成されているが、本発明の振動機構はこれに限られるものではなく、反応槽１１を振動できるように構成されていればよい。
【００７３】
また、上述した実施形態では、振動機構４５は、グラファイトナノファイバの成長が終了した後に反応槽１１を振動させているが、反応槽を振動させる期間はこれに限られるものではなく、成長中に終始反応槽１１を振動させるように構成してもよいし、また、金属プレート１３1〜１３3表面からグラファイトナノファイバをこそげ落とす際に反応槽１１を振動させるように構成してもよい。
【００７４】
さらに、上述した実施形態では、成長物質としてグラファイトナノファイバを成長させているが、本発明の成長物質はこれに限られるものではなく、いかなる成長物質を成長させてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
従来に比して成長速度が低下することなく大量のグラファイトナノファイバを成長させることが出来る。また、従来に比して消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の成長装置を示す断面図
【図２】本発明の一実施形態の成長装置に用いられる金属プレート及びこそげ機構を示す斜視図
【図３】本発明の一実施形態の成長装置を示す斜視図
【図４】従来の成長装置を示す断面図
【符号の説明】
１……成長装置 １１……反応槽 １１ａ……回収部 １３1〜１３3……金属プレート(板状部材) １６……ヒータ(加熱機構) ４５……振動機構 ６１1〜６１6……こそげ部材 ５１……容器 ７１……斜面
Claims (9)
- 反応槽と、
前記反応槽内に配置された板状部材と、
前記板状部材内部に配置された加熱機構と、
前記反応槽内部に原料ガスを導入するガス導入手段とを有し、
前記反応槽内を真空排気し、前記加熱機構で前記板状部材を加熱し、前記ガス導入手段で前記反応槽内に前記原料ガスを導入して、前記板状部材の表面に、前記原料ガスに応じた成長物質を成長させられるように構成された成長装置。 - 前記板状部材を複数有する請求項１記載の成長装置。
- 前記板状部材は、その両面に前記成長物質を成長させられるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の成長装置。
- こそげ部材と、
前記こそげ部材に接続された移動手段とを有し、
前記移動手段は、前記反応槽内部が大気に曝されない状態を維持しながら、前記こそげ部材を、前記板状部材の表面に密着した状態で移動させられるように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の成長装置。 - 前記板状部材の下方に配置された容器を有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の成長装置。
- 前記板状部材と、前記容器との間に配置され、斜面を有する回収部を有し、
前記板状部材の表面から前記成長物質が落下すると、該成長物質が前記斜面を伝って前記容器内部へと落下させられるように構成された請求項５記載の成長装置。 - 前記反応槽と前記容器との間に配置された仕切バルブを有し、
前記仕切バルブは、開いた状態で前記反応槽の内部を前記容器の内部と接続し、閉じた状態で前記反応槽の内部を前記容器の内部と遮断するように構成された請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の成長装置。 - 前記反応槽を振動させられるように構成された振動機構を有する請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の成長装置。
- 前記成長物質は、グラファイトナノファイバである請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の成長装置。
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