JP4845752B2 - カーボンナノチューブの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、容器内の流体を攪拌する攪拌装置として、カーボンナノチューブ生成用の反応容器内の原料ガスを攪拌し得るカーボンナノチューブの製造装置に関するものである。

従来、容器中の液体を攪拌する攪拌装置としては、例えばパドル状の攪拌部材を容器内に配置して回転させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、容器を密閉する必要がある場合には、固定容器内に、反応容器を回転自在に配置するとともに、この反応容器内に攪拌部材を固定配置した状態で、磁力を介して、固定容器の外部に配置された回転装置により、反応容器だけを回転させることにより、攪拌部材との相対移動により、反応容器内に充填された液体などを攪拌するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２４７６０号公報 特開平１１−２４４６８０号公報

ところで、上述した攪拌装置の構成によると、容器内に攪拌部材が配置されているため、容器内のスペースが制約されるという問題がある。
さらに、特許文献２のように、容器の密閉性を維持する必要がある場合には、容器内の攪拌部材を外部から駆動する必要があり、そのための、構成が複雑になるとともに、コストが高くつくという問題がある。

そこで、本発明は、構成が簡単で且つ低コストでカーボンナノチューブの生成用の反応容器内の原料ガスを攪拌し得るカーボンナノチューブの製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るカーボンナノチューブの製造装置は、一端側からカーボンナノチューブの原料ガスが供給されて基板上にカーボンナノチューブを生成するための横置き円筒状の反応容器を有するカーボンナノチューブの製造装置であって、
上記反応容器の周壁部に加熱手段を配置するとともに当該加熱手段の温度を制御する温度制御装置を具備し、
上記加熱手段を、上記反応容器の周壁部に配置されたヒータと、当該周壁部の上部内面に所定間隔おきで且つ上下中心線の両側に交互に配置される複数個の輻射熱吸収板とから構成したものである。

また、請求項２に係るカーボンナノチューブの製造装置は、請求項１に記載の製造装置において、反応容器内に基板を載置するための半円柱状の載置台を配置するとともに、加熱手段に、上記載置台の円周外面に所定間隔おきで且つ上下中心線の両側に交互に配置される複数個の輻射熱吸収板を具備させたものである。

また、請求項３に係るカーボンナノチューブの製造装置は、一端側からカーボンナノチューブの原料ガスが供給されて基板上にカーボンナノチューブを生成するための横置き円筒状の反応容器を有するカーボンナノチューブの製造装置であって、
上記反応容器の周壁部に加熱手段を配置するとともに当該加熱手段の温度を制御する温度制御装置を具備し、
上記反応容器内に基板を載置するための半円柱状の載置台を配置し、
上記加熱手段を、上記反応容器の周壁部に配置されたヒータと、上記載置台の円周外面に所定間隔おきで且つ上下中心線の両側に交互に配置される複数個の輻射熱吸収板とから構成したものである。

さらに、請求項４に係るカーボンナノチューブの製造装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の製造装置において、温度制御装置により、加熱速度を時間的に変化させるようにしたものである。

上記カーボンナノチューブの製造装置の構成によると、反応容器の周壁部または載置台に且つ上下中心線の両側に交互に配置された複数個の輻射熱吸収板で加熱して原料ガスに発生した温度差に起因する自然対流により、当該原料ガスを攪拌させるようにしたので、例えば攪拌部材により反応容器内を攪拌する場合に比べて、反応容器内のスペースについては制約をそれ程受けることがないとともに、装置構成も簡単となり、特に反応容器に密閉性が必要とされる場合には、その構成が非常に簡単で且つ安価なものとなる。

また、加熱手段による加熱速度を時間的に変化させることにより、攪拌作用をより効果的に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態に係る流体の攪拌装置の機能を具備したカーボンナノチューブの製造装置について説明する。
本実施の形態においては、カーボンナノチューブを製造する際に、その反応ガスを反応容器内にて攪拌し得るカーボンナノチューブの製造装置について説明する。

この製造装置は、図１および図２に示すように、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）の原料となる反応ガス（原料ガスであり、具体的には、アセチレンとキャリアガスであるヘリウムガスとが混合されたもので、成分割合としては、例えばアセチレンが３％で残部がキャリアガスである）Ｇ１が一端側から他端側に流される横置き円筒状の反応容器（攪拌容器ということができる）１と、この反応容器１内に配置されてＣＮＴを気相成長により生成させるための半円柱状の載置台２と、この載置台２に対応する反応容器１の周壁部（側壁部でもある）の上部内面（内周面）に配置された加熱手段３と、この加熱手段３の温度を制御する温度制御装置４とから構成されている。

また、上記加熱手段３は、反応容器１の周壁部の周囲に（環状に）配置されたヒータ１１と、上記反応容器１の周壁部の上部内面に所定間隔おきで且つ上下中心線（以下、鉛直中心線という）の両側に交互に（千鳥状に）複数箇所、例えば５箇所（個数に限定されるものではなく、３箇所、４箇所、６箇所、７箇所などであってもよい）に貼り付けられて部分的につまり局所的（所定領域）に高温を発生させるための輻射熱吸収板（例えば、カーボンやシリコン製の板が用いられる）１２とから構成されている。また、反応容器１の一端側の端壁部１ａには反応ガスＧ１の供給用ノズル５が設けられ、その他端側の端壁部１ｂには反応ガスＧ１を排出するための排出用ノズル６が設けられている。

なお、上記加熱手段３は反応容器１の周壁部の中央部分に配置されており、したがって反応容器１を長さ方向で熱的に見れば、中央部分が加熱部Ａに、一端側部分および他端側部分については加熱手段が配置されていない放冷部Ｂ，Ｃにされている。

上記構成において、ＣＮＴを製造する場合、加熱手段３により反応容器１内を所定温度まで加熱した状態で、供給用ノズル５から反応ガスＧ１を反応容器１内に供給する。すると、反応ガスＧ１は他端側に向かって流れ、載置台２に置かれた基板Ｋ上にＣＮＴが気相成長により生成され、また加熱部Ａにおいては、加熱手段３のヒータ１１により熱が供給されるとともに、この部分に配置された輻射熱吸収板１２に熱が吸収されて、局所的に高温部分が発生する。すなわち、輻射熱吸収板１２が設けられた場所と設けられていない場所とでは温度差が生じ、反応ガスＧ１に対流（自然対流）が発生して攪拌（混合）され、したがってより均一な濃度のガス流となるため、品質の良いＣＮＴが得られる。

また、この加熱手段３においては、温度制御装置４により、所定時間間隔（例えば、３〜１０分間隔）でもって、ヒータ１１がオン・オフされ、すなわち輻射熱吸収板１２での温度に変化が付けられる（温度に変化を付けなくても、十分な自然対流が得られる場合には、オン・オフ制御は行われない）。なお、ヒータをオン・オフするのではなく、ヒータ自身に温度変化（加熱速度の変化）を与えるようにしてもよい。

図３の（ａ）〜（ｃ）に、加熱部Ａでの断面における反応ガスＧ１の流れの変化を経時的に示しておく。
また、反応容器１の入口側および出口側の放冷部Ｂ，Ｃでは、反応ガスＧ１の一部に渦流Ｖが生じている。

本実施の形態の構成によると、反応容器内を局所的を加熱して反応ガスに発生した温度差に起因する自然対流により、当該反応ガスを攪拌させるようにしたので、例えば機械的攪拌部材により反応容器内を攪拌する場合に比べて、反応容器内のスペースについては制約をそれ程受けることがないとともに、装置構成も簡単となり、特に反応容器に密閉性が必要とされる場合には、その構成が非常に簡単で且つ安価なものとなる。また、反応容器内の加熱速度を時間的に変化させることにより、攪拌作用をより効果的に行うことができる。

ところで、上記実施の形態においては、反応容器１の内周面に輻射熱吸収板１２を配置したが、図４および図５に示すように、載置台２の円周外面に所定間隔おきで且つ鉛直中心線の両側に交互に（千鳥状に）複輻射熱吸収板１２を貼り付けるようにしてもよい。この場合、載置台２に温度が高い部分と低い部分とが生じて反応ガスＧ１に自然対流部分が多数発生するため、反応ガスＧ１が効率よく攪拌される。

さらに、図６および図７に示すように、反応容器１の周壁部の上部内面および載置台２の円周外面に輻射熱吸収板１２にそれぞれ貼り付けるようにしてもよい。但し、反応容器１側に貼り付けられる輻射熱吸収板１２と、載置台２側に貼り付けられる輻射熱吸収板１２とは、鉛直中心線の両側に交互に（千鳥状に）配置される。

この場合も、反応容器１側と載置台２側とに輻射熱吸収板１２を配置したので、局所的に温度の高低差を設けることができるので、より一層、反応ガスＧ１に自然対流が生じ、効果的に攪拌が行われる。

勿論、上述した変形例の構成についても、温度制御装置により、実施の形態と同様の温度制御が行われている。

ところで、上記実施の形態では、流体の攪拌装置の機能を具備したカーボンナノチューブの製造装置について説明したが、以下、参考例として、攪拌装置の機能を具備した膜分離装置について説明する。

ここでは、例えば含水エタノール（以下、被分離液という）から水（以下、分離液という）を膜分離して無水エタノールを得る際に、被分離液を攪拌し得る膜分離装置について説明する。

この膜分離装置は、図８および図９に示すように、一端側から被分離液Ｇ２が供給される開口部２１ａを有するとともに他端側に濃縮液（被分離液から分離液が除かれたもの）を取り出すための取出用ノズル２２が設けられた横置き円筒状の分離容器（攪拌容器ということができる）２１と、この分離容器２１の他端側の端壁部２１ｂから内部に挿入された筒状の分離膜体２３とから構成されており、さらに上記分離容器２１の周壁部（側壁部でもある）の下部に且つ分離膜体２３に対応する複数箇所において、加熱手段としてのヒータ（例えば、抵抗加熱式のヒータが用いられる）２４がその軸心方向に沿って所定間隔おきで且つ上下中心線（以下、鉛直中心線という）の両側に交互に（千鳥状に）複数箇所に（例えば、５箇所に）配置されるとともに、これら各ヒータ２４の温度を制御する温度制御装置２５が具備されている。

このヒータ２４については、実施の形態で説明したように分離容器２１の周囲に配置されるものではなく、局所的に配置されて加熱するものであり、また図面に示すように、周壁部に埋め込まれている。

なお、上記分離膜体２３は、骨組としての筒状の支持体２３ａと、この支持体２３ａの外周面全体に被覆された分離膜２３ｂとから構成されており、またこの支持体２３ａの構成を具体的に説明すれば、筒状部材の周壁部に、多数の開口部が形成されたものである。

上記構成において、被分離液Ｇ２がその開口部２１ａから分離容器２１内に供給されると、他端側に向かって移動されるが、その分離液Ｇ２は、表面に設けられた分離膜２３ｂを介して支持体２３ａ内に移動し、被分離液Ｇ２の濃縮が行われる。

このとき、分離容器２１に配置されたヒータ２４により、局所的に加熱されて温度差が発生し、すなわち自然対流が発生して分離容器２１と分離膜体２３との間の環状空間部Ｓにて攪拌作用が行われ、したがって環状空間部Ｓ内での被分離液Ｇ２の濃度の均一化を図ることができるので、分離作用を効率よく行うことができる。なお、上記濃縮された濃縮液は取出用ノズル２２から取り出される。

また、この参考例においても、上記実施の形態と同様に、所定時間間隔（例えば、３〜１０分間隔）でもって、ヒータ２４がオン・オフされて局所的に温度変化が付けられる（温度に変化を付けなくても、十分な自然対流が得られる場合には、オン・オフ制御は行われない）。なお、ヒータをオン・オフするのではなく、ヒータ自身に温度変化（加熱速度の変化）を与えるようにしてもよい。

このように、分離容器２１の周壁部の下部の複数箇所にヒータ２４を配置したので、機械的攪拌部材を用いることなく、分離容器２１内にて被分離液を攪拌することができる。すなわち、機械的攪拌部材を用いて攪拌する装置に比べて、構成が簡単となり安価な装置を提供することができる。

ところで、上記実施の形態においては、分離容器２１の周壁部の下部にヒータ２４を配置したが、図１０および図１１に示すように、冷却手段（具体的には、フィン付冷却器または水冷型冷却器が用いられる）３１を所定間隔おきで且つ鉛直中心線の両側に交互に配置するようにしてもよい。この冷却手段３１についても、温度制御装置２５により、所定時間間隔でもってオン・オフされて温度に変化が付けられる（温度に変化を付けなくても、十分な自然対流が得られる場合には、オン・オフ制御は行われない）。なお、冷却手段３１をオン・オフするのではなく、冷却手段そのものに温度変化（冷却速度の変化）を与えるようにしてもよい。

この場合も、環状空間部Ｓ内の被分離液が適当間隔おきに冷却されるため、下方への流れ（自然対流）が生じるため、被分離液が攪拌される。
さらに、図１２および図１３に示すように、分離容器２１の周壁部の上部に冷却手段３１を配置するとともに下部に加熱手段としてのヒータ２４を配置し、さらに冷却手段３１とヒータ２４とを軸心方向で所定間隔でもって交互に配置するようにしてもよい。

この場合も、環状空間部Ｓ内の被分離液が適当間隔おきに、上部では冷却が、下部では加熱が行われるため、温度差による下方への流れと上方への流れとが同時に生じるため、被分離液がより一層攪拌される。

また、上記参考例の構成においては、加熱手段または冷却手段を、それぞれ間隔をおいて配置したが、図１４および図１５、並びに図１６および図１７に示すように、所定長さに亘って（例えば、一端側が分離膜体の先端位置で他端側が取出用ノズル２２の手前位置までの距離に亘って）、連続して配置するようにしてもよい。

勿論、この場合も、環状空間部Ｓ内の下部にて被分離液Ｇ２が加熱され、または環状空間部Ｓ内の上部にて被分離液Ｇ２が冷却されるので、どちらの場合も、被分離液に自然対流が発生するため、被分離液が攪拌される。

すなわち、被分離液の自然対流による攪拌により、被分離液の濃度の均一化が図られるため、膜分離作用が効率よく行われる。
なお、上述した参考例においては、加熱手段としてのヒータおよび冷却手段を容器の周壁部（側壁部）に埋め込んだ状態として図示したが、勿論、容器の周壁部の内面または外面に配置してもよい。

本発明の実施の形態に係る攪拌装置の機能を具備したＣＮＴ製造装置の縦断面図である。 同ＣＮＴ製造装置の横断面を示す図で、（ａ）は図１のＤ１−Ｄ１断面図、（ｂ）は図１のＤ２−Ｄ２断面図である。 同ＣＮＴ製造装置の中央位置での反応ガスの対流状態を時系列で示す横断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係るＣＮＴ製造装置の縦断面図である。 同変形例に係るＣＮＴ製造装置の横断面を示す図で、（ａ）は図４のＤ３−Ｄ３断面図、（ｂ）は図４のＤ４−Ｄ４断面図である。 本発明の実施の形態の他の変形例に係るＣＮＴ製造装置の縦断面図である。 同他の変形例に係るＣＮＴ製造装置の横断面を示す図で、（ａ）は図６のＤ５−Ｄ５断面図、（ｂ）は図６のＤ６−Ｄ６断面図である。 本発明に係る攪拌装置の機能を具備した参考例としての膜分離装置の縦断面図である。 同膜分離装置の横断面を示す図で、（ａ）は図８のＥ１−Ｅ１断面図、（ｂ）は図８のＥ２−Ｅ２断面図である。 同参考例の他の変形例に係る膜分離装置の縦断面図である。 同膜分離装置の横断面を示す図で、（ａ）は図１０のＥ３−Ｅ３断面図、（ｂ）は図１０のＥ４−Ｅ４断面図である。 同参考例の他の変形例に係る膜分離装置の縦断面図である。 同膜分離装置の横断面を示す図で、（ａ）は図１２のＥ５−Ｅ５断面図、（ｂ）は図１２のＥ６−Ｅ６断面図である。 同参考例の他の変形例に係る膜分離装置の縦断面図である。 図１４のＥ７−Ｅ７断面図である。 同参考例の他の変形例に係る膜分離装置の縦断面図である。 図１６のＥ８−Ｅ８断面図である。

１ 反応容器
２ 載置台
３ 加熱手段
４ 温度制御装置
５ 供給用ノズル
６ 排出用ノズル
１１ ヒータ
１２ 輻射熱吸収板
２１ 分離容器
２１ａ 開口部
２２ 取出用ノズル
２３ 分離膜体
２４ ヒータ
２５ 温度制御装置
３１ 冷却手段

Claims (4)

1. 一端側からカーボンナノチューブの原料ガスが供給されて基板上にカーボンナノチューブを生成するための横置き円筒状の反応容器を有するカーボンナノチューブの製造装置であって、
   上記反応容器の周壁部に加熱手段を配置するとともに当該加熱手段の温度を制御する温度制御装置を具備し、
   上記加熱手段を、上記反応容器の周壁部に配置されたヒータと、当該周壁部の上部内面に所定間隔おきで且つ上下中心線の両側に交互に配置される複数個の輻射熱吸収板とから構成したことを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
2. 反応容器内に基板を載置するための半円柱状の載置台を配置するとともに、加熱手段に、上記載置台の円周外面に所定間隔おきで且つ上下中心線の両側に交互に配置される複数個の輻射熱吸収板を具備させたことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造装置。
3. 一端側からカーボンナノチューブの原料ガスが供給されて基板上にカーボンナノチューブを生成するための横置き円筒状の反応容器を有するカーボンナノチューブの製造装置であって、
   上記反応容器の周壁部に加熱手段を配置するとともに当該加熱手段の温度を制御する温度制御装置を具備し、
   上記反応容器内に基板を載置するための半円柱状の載置台を配置し、
   上記加熱手段を、上記反応容器の周壁部に配置されたヒータと、上記載置台の円周外面に所定間隔おきで且つ上下中心線の両側に交互に配置される複数個の輻射熱吸収板とから構成したことを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
4. 温度制御装置により、加熱速度を時間的に変化させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブの製造装置。

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