JP5143950B2 - 金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置に関するものであって、さらに詳しくは、電気爆発によるワイヤの蒸発以後凝縮に所要される時間を短縮することができるので一層微細なサイズの金属粒子を有することができるようにし、別途の作業なしに、金属ナノ粉末が含まれた液状物質を製造することができるようにし、電極の寿命を長期間保持できるようにする金属ナノ粉末を含む液体の製造装置に関する。

最近脚光を受けている金属ナノ粉末は極めて微細な粒子サイズを有するものであって、既存の材料から得ることができない独特な特性により多様な分野で幅広く使用されている。

このような金属ナノ粉末を製造するためには、多様な装置が利用され得るが、最近ではパルス電流による電気爆発を利用する金属ナノ粉末の製造装置が広く利用されている。

このとき、パルス電流による電気爆発を利用する金属ナノ粉末の製造装置は気中パルス電流による電気爆発を利用する金属ナノ粉末の製造装置と液中電気爆発による金属ナノ粉末の製造装置とに分ける。

気中パルス電流による電気爆発を利用する金属ナノ粉末の製造装置は不活性ガスが充填されたチェンバー内部で金属ワイヤに瞬間的にパルス電流を加えて電気爆発が行われるようにすることによりワイヤが蒸発以後凝縮される過程で微細な粒子サイズの金属粉末を得るようになるのである。

このような気中、パルス電流による電気爆発を利用する金属ナノ粉末の製造装置は、短時間内に簡便に金属ナノ粉末を製造することができるものであったが、ワイヤが電気爆発によって蒸発した以後に比較的に長い時間に亘ってチェンバー内部に充填された気体と接触し凝縮が行われるようになるので、各粒子が周辺の他の粒子と接触して凝縮されるので、粒子成長により製造される金属ナノ粉末の品質が劣るようになる問題があった。

液中電気爆発による金属ナノ粉末の製造装置は、気中パルス電流による電気爆発を利用する金属ナノ粉末の製造装置が有する上記のような問題点を解消するために提案されたものであって、電気爆発によるワイヤ蒸発以後凝縮時間を短縮できるようにするものである。

液中電気爆発による金属ナノ粉末の製造装置はチェンバー内部に充填された液中で電気爆発が行われるもので、ワイヤが電気爆発によって蒸発されて飛散される状態で周辺を覆い被せる液体によって冷却が行われるようになるので比較的短時間内に凝縮が行われるようになるものであった。

しかし、液中, 電気爆発による金属ナノ粉末の製造装置は、ワイヤが電気爆発によって蒸発される瞬間、液中に境界面が形成されるので蒸発によって飛散される粒子が液中に形成される境界面で周辺の他の粒子と接触して成長するようになるので、製造される金属ナノ粉末の品質が劣るようになる問題があったし、液中におけるワイヤ蒸発のためにはチェンバー内部に気体が充填された状態に比べてより多くのエネルギーを必要とするようになる問題点があった。

一方、気中および液中電気爆発による金属ナノ粉末の製造装置はチェンバーに設けられた電極にワイヤが接触するとき電気爆発が行われるようになるが、既存の気中および液中電気爆発による金属ナノ粉末の製造装置は、電極が固定設置されたものあるので、ワイヤが常に同一部位に接触して電気爆発が行われるようになるので、電気爆発が長時間持続される場合、電極のワイヤ接触部位の損傷が後続き、一定時間作業後には電極自体を交替しなければならない問題があった。

本発明は上記のような実情を鑑み案出されたものであって、電気爆発によるワイヤの蒸発以後凝縮に所要される時間を短縮できるので一層微細なサイズの金属粒子を有するようにし、別途の作業なしに金属ナノ粉末が含まれた液状物質を製造できるようにし、電極の寿命を長時間保持できるようにする金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置を提供することにその目的がある。

上記のような目的を達成するための本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置は、
ワイヤ供給機から供給される金属ワイヤにパルス電流を加えて電気爆発が行われるようにするものであるが、
上段周りに気体の注入と気体の排出と液体の注入のためのノズルが放射状に設けられ、内側の周りに液体注入ノズルを通じて注入された液体が乗って流れる螺旋形内壁が設けられ、底面に液体の捕集のための捕集口が設けられ、内側の上下部にモーターの駆動によって回転される電極が設けられたチェンバーと；
液体貯蔵槽下部の一側から上記チェンバーの液体注入ノズルへ繋がられてポンプ作動を通じて液体貯蔵槽内部に貯蔵された液体を上記チェンバーの液体注入ノズルへ供給する液体供給管が設けられ、液体貯蔵槽の上段中央から上記チェンバーの捕集口へ繋がられてチェンバー内部に捕集された液体が液体貯蔵槽内部へ流入されるようにする液体流入管が設けられ、液体貯蔵槽の上段一側から上記チェンバーの気体排出ノズルへ繋がられて気体排出ノズルから排出される気体を液体貯蔵槽内部へ流入されるようにする気体流入管が設けられ、液体貯蔵槽の内部中間にチェンバーから捕集された液体に含まれた異物質を除去するためのメッシュフィルターが設けられ、液体貯蔵槽の下段一側に貯蔵された液体を外部へ排出するための液体排出口が設けられた液体処理ラインと；
気体貯蔵槽の上段一側から上記チェンバーの気体注入ノズルへ繋がられて、気体貯蔵槽内部に貯蔵された気体を上記チェンバーの気体注入ノズルへ供給する気体供給管が設けられた気体処理ラインを備えることを特徴とするものである。

本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置は、ワイヤが電気爆発によって蒸発されて飛散する状態からチェンバーの内壁を乗って流れる液体に接するようになるものであるが、液体による冷却が行われて蒸発以後凝縮に所要される時間を短縮できるようになるので、金属粒子がより微細なサイズを有するようになるばかりでなく、金属ナノ粉末を液体に混合する別途の過程を経なくても金属ナノ粉末が含まれた液状物質を製造できるようになるものであり、電気爆発過程で電極がモーターの駆動によって回転するものであるが、電極とワイヤが接する部位が一側に偏向されないので電極の損傷を防ぐことができるようになるので電極の寿命を長期間保持するようになるものである。

本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置の全体の概略図である。 本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置においてチェンバーの内部構造を説明するための正断面図である。 本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置においてチェンバーに設けられるノズルの設置構造を説明するための平断面図である。 本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置においてチェンバーに設けられる電極の作動状態図である。 本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置において液体処理ラインの構造を説明するための断面図である。 本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置において気体処理ラインの構造を説明するための断面図である。 本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置における電気爆発以後の粒子凝縮を説明するための例示図である。

以下、添付図面に基づいてさらに詳しく説明すると次の通りである。

図1は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置の全体の概略図であり、図2は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置においてチェンバーの内部構造を説明するための正断面図であり、図３は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置においてチェンバーに設けられるノズルの設置構造を説明するための平断面図であり、図４は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置においてチェンバーに設けられる電極の作動状態図であり、図５は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置において液体処理ラインの構造を説明するための断面図であり、図６は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置において気体処理ラインの構造を説明するための断面図であり、図7は本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置における電気爆発以後の粒子凝縮を説明するための例示図である。

図１に図示されたように、本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置Aはチェンバー10と、液体処理ライン20と、気体処理ライン30を具備するものである。

チェンバー10はその内部において金属ワイヤの電気爆発が行われるもので、図２に示されたように、上段周りの気体の注入と気体の排出と液体の注入のためのノズル11が放射状に設けられたものであり、内側の周りに液体が乗って流れる螺旋形内壁12が設けられたものであり、底面の一側に液体の捕集のための捕集口13が設けられたものであり、内側の上下部にモーター15、15’駆動によって回転される電極14，14’が設けられたものである。

このようなチェンバー10において、ノズル11は図３に示されたように放射状に設けられるが、ノズル11は先端がチェンバー10の内壁12に隣接できるようにして注入物特に、液体が噴射された以後にチェンバー10の内壁12を乗って下部へ流れ出るようにすることが好ましく、電極14，14’は図４に示されたように、回転軸14a,14a’上のギア14b，14b’がモーター15、15’の中心軸15a,15a’上のギア15b,15b’と噛合いできるようにしてモーター15、15’駆動によって回転が行われるようにすることが好ましい。

このとき、チェンバー10のノズル11は、最少一つ以上の気体注入ノズル11aと、最少一つ以上の気体排出ノズル11bと、最少一つ以上の液体注入ノズル11ｃからなるものであって、気体の注入量と気体の排出量と液体の注入量設定に従って気体注入ノズル11a、気体排出ノズル11b、液体注入ノズル11cの数と位置は流動的であり得るものである。

一方、チェンバー10内部への金属ワイヤ40供給はチェンバー10上部に設けられるワイヤ供給機50を通じて行われるものであり、チェンバー10内部へ供給された金属ワイヤ40の電気爆発はパルス電流を供給する電源装置60と電源装置60からのパルス電流を一時放出するトリガー70によって行われるものである。

ワイヤ供給機50を通じたワイヤ40の供給と電源装置60とトリガー70によるワイヤ40の電気爆発は該当分野で一般化された技術であるので詳細な説明は省略する。

液体処理ライン20はチェンバー10内部へ液体を連続供給し、チェンバー10から捕集された液体を貯蔵するためのものであって、図5に示されたように、液体貯蔵槽21下部一側からチェンバー10の液体注入ノズル11cへ繋がれてポンプ22aの作動を通じて液体貯蔵槽21内部に貯蔵された液体をチェンバー10の液体注入ノズル11cへ供給する液体供給管22が設けられたものであり、液体貯蔵槽21上段中央からチェンバー10の捕集口13へ繋がれチェンバー10内部に捕集された液体が液体貯蔵槽21内部へ流入されるようにする液体流入管23が設けられたものであり、液体貯蔵槽21上段一側からチェンバー10の気体排出ノズル11bへ繋がれて気体排出ノズル11ｂから排出される気体を液体貯蔵槽21内部へ流入されるようにする気体流入管24が設けられたものであり、液体貯蔵槽21の内部中間にチェンバー10から捕集された液体に含まれた異物質を除去するためのメッシュフィルター25が設けられたものであり、液体貯蔵槽21下段一側に貯蔵された液体を外部へ排出するための液体排出口26が設けられたものである。

このような液体処理ライン20において液体貯蔵槽21には液体供給管22への液体の供給を制御するための開閉バルブ21aと、内部の圧力確認のためのゲージ27と、内部の圧力調節のための安全弁28と、内部に貯蔵される液体の温度調節のためのクーラー29が設けられるのが好ましく、メッシューフィルター25は異物質濾過効果向上と耐久性確保のために300mesh/inch以上であるステンレススチール製品であることが好ましく、液体貯蔵槽21の液体排出口26には液体の排出制御のための開閉バルブ26aが設けられることが好ましい。

ここで、ゲージと安全弁を通じて貯蔵槽内部の圧力を確認し調節するようにすることは該当分野で一般化された技術であるので詳しい説明は省略するところであり、クーラーを通じて貯蔵槽内部に貯蔵された対象物を冷却するようにすることもまた該当分野で一般化された技術であるので詳しい説明は省略するところである。

一方、液体処理ライン20において液体貯蔵槽21に貯蔵される液体はオイル類、アルコール類が該当され得るし、液体供給管22を通じて液体貯蔵槽21からチェンバー10内部へ注入される液体はポンプ22a動作によって強制注入されるものであり、液体流入管23を通じてチェンバー10から液体貯蔵槽21内部へ流入される液体はチェンバー10内部の圧力増加に従って自然的に流入されるものである。

気体処理ライン30はチェンバー10内部へ気体を供給するためのもので、図６に示されたように、気体貯蔵槽31上段の一側からチェンバー10の気体注入ノズル11aへ繋がれて気体貯蔵槽31内部に貯蔵された気体をチェンバー10の気体注入ノズル11aへ供給する気体供給管32が設けられたものである。

このような気体処理ライン30において気体貯蔵槽31には気体供給管32への気体供給を制御するための開閉バルブ31aが設けられることが好ましく、気体供給管３２上にはチェンバー10開放時、チェンバー10内部に前以って充填された気体を吸入するためのバキューム33と気体排出程度を一定な圧で保持できるようにする調節器34が設けられることが好ましい。

ここで、バキューム33を通じて気体を吸入するようにするのは該当分野で一般化された技術であるので詳しい説明は省略するところであり、調節器34を通じて気体排出程度を一定に調節するようにすることもまた該当分野で一般化された技術であるので詳しい説明は省略するところである。

一方、気体処理ライン30において気体貯蔵槽31に貯蔵される気体は、アルゴンまたは窒素または酸素または炭素中のいずれかの一つがなり得る。

上記のような本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置Aを通じて金属ナノ粉末が含まれた液状物質を製造する過程を詳しく説明すると次のとおりである。

金属ナノ粉末が含まれた液状物質を製造するに前以って、チェンバー10内部は気体と液体の注入が行われる状態が保持されなければならない。

チェンバー10内部への気体の注入は気体処理ライン30の気体貯蔵槽31に設けられる開閉バルブ31aを開放して気体貯蔵槽31に貯蔵された気体が気体供給管32を経てチェンバー10の気体注入ノズル11aを通じて噴射されるようにすることにより行われる。

このとき、気体の噴射は気体貯蔵槽31の充填圧によって別途の装置なしに行われるものであり、チェンバー10内部に気体が過度に充填された状態ではチェンバー10に設けられた気体排出ノズル11bを通じてチェンバー10内部の気体がチェンバー10の外部へ排出され気体流入管24を経て液体貯蔵槽21へ排出される。

チェンバー10内部への液体の注入は、液体処理ライン20の液体貯蔵槽21に設けられる開閉バルブ21aを開放して液体貯蔵槽21に貯蔵された液体が液体供給管22を経てチェンバー10の液体注入ノズル11cを通じて噴射されるようにすることにより行われる。

このとき、チェンバー10内部への液体の注入は液体噴射ノズル11cへ繋がる液体供給管22に設けられるポンプ22aの作動によって行われるものであって、ポンプ22aの作動によって供給された液体が液体注入ノズル11cを通じて噴射されることによりチェンバー10内部へ注入され得るようになるものであり、チェンバー10内部へ注入された液体はチェンバー10内部の螺旋形内壁12を乗って流出されるようになる。

上記の過程を通じてチェンバー10内部に気体と液体の注入が行われる状態において、チェンバー10の外側上部に設けられるワイヤ供給機50を通じて、ワイヤ40を供給して電気爆発させるようになれば、チェンバー10内部でワイヤ40の蒸発が行われようになる。

このとき、ワイヤ40の電気爆発はワイヤ40がチェンバー10内部の上下軸電極14、14‘に当接した状態で瞬間的にパルス電流が通ずるようにすることにより、行われるようになるが、パルス電流の発生は電源装置60によるものであり、パルス電流の瞬間的な放出はトリガー70作動によるものである。

電源装置60におけるパルス電流発生原理とトリガー70を通じたパルス電流の瞬間的放出原理は一般的なものであるので詳しい説明は省略するところである。

チェンバー10内部で電気爆発によってワイヤ40が蒸発するようになれば、蒸発された粒子は図７に示されたように飛散してチェンバー10の内壁12を乗って流れる液体と接触して冷却されることにより、凝縮が行われるようになる。

チェンバー10内壁を乗って流れる液体と接触して冷却されることにより、行われる粒子の凝縮は短時間内に行われるものであるが、蒸発によって飛散される個別粒子は、凝縮される過程で周辺の他の粒子と比較的に少なく接触するようになるので、成長ができなくようになり、極めて微細なサイズを有するようになる。

一方、凝縮された粒子を含む液体はチェンバー10の内壁12を乗って流れてチェンバー10の底面に至るようになるが、チェンバー10の底面には捕集口13が設けられているところ、凝縮された粒子を含む液体は捕集口13を通じてチェンバー10外部へ流出され液体流入管24を経て液体貯蔵槽21に至るようになる。

チェンバー10の捕集口13を通じた液体の流出はチェンバー10内部への液体注入に伴う圧力増加によって別途の手段なしに自然的に行われるものであり、液体が液体貯蔵槽21内部へ流入されメッシュフィルター25を経る間に液体に含まれた異物質が濾過されるようになる。

上記の過程で行われる液体貯蔵槽21からチェンバー10への液体注入とチェンバー10から液体貯蔵槽21への液体排出は、液体に含まれる粒子の濃度が一定水準に至るまで循環によって連続繰り返しされるものであり、液体に含まれる粒子が一定濃度に到達したとき液体貯蔵槽21に設けられた液体排出口26の開閉バルブ26aを開放することにより微細な粒子サイズを有する金属ナノ粉末を含む液状物質を簡単に製造できるようになるものである。

このとき、チェンバー10内部へ注入される気体をアルゴンにする場合純粋金属からなる金属ナノ粉末を含む液状物質を製造することができるようになり、チェンバー10内部へ注入される気体を窒素または炭素または酸素のいずれかの一つにする場合、室化物または炭化物または酸化物の金属ナノ粉末を含む液状物質を製造できるようになる。

一方、本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置(A)は金属ナノ粉末を含む液状物質を製造することができるばかりでなく、金属ナノ粉末自体の製造が可能である。

本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置(A)を通じた金属ナノ粉末自体の製造はチェンバー10内部への液体供給を遮断することにより簡単に行われる。

チェンバー10内部への液体供給遮断は液体処理ライン20において液体貯蔵槽21から液体供給管22への液体供給を制御する液体貯蔵槽21の開閉バルブ21aの開放を遮断することにより行われるようになるが、これは開閉バルブ21aの操作を通じて行われるようになる。

そして、本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置(A)は金属ナノ粉末を含む液状物質または金属ナノ粉末を製造するとき電極14、14’の長期使用が可能である。

本発明による金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置(A)において電極14、14’はモーター15、15’駆動によって回転するものであるが、ワイヤ40と電極14、14’の電気爆発が連続繰り返されても電極14、14'の特定部位が加熱され損傷されるのを防止することができるので、電極14、14’の寿命を長期間保持できるようになるものである。

以上において説明したとおりの本発明は、上記の実施例に限定されないので、請求範囲において請求する本発明の要旨を外れない範囲内で変更が可能であり、そのような変更は記載された請求範囲内にあるようになる。

１０ チェンバー
１１ ノズル
１１ａ 気体注入ノズル
１１ｂ 気体排出ノズル
１１ｃ 液体注入ノズル
１２ 内壁
１３ 捕集口
１４，１４’ 電極
１４ａ，１４ａ’ 回転軸
１４ｂ，１４ｂ’ ギア
１５，１５’ モーター
１５ａ，１５ａ’ 中心軸
１５ｂ，１５ｂ’ ギア
２０ 液体処理ライン
２１ 液体貯蔵槽
２１ａ 開閉バルブ
２２ 液体供給管
２２ａ ポンプ
２３ 液体流入管
２４ 気体流入管
２５ メッシュフィルター
２６ 液体排出口
２６ａ 開閉バルブ
２７ ゲージ
２８ 安全弁
２９ クーラー
３０ 気体処理ライン
３１ 気体貯蔵槽
３１ａ 開閉バルブ
３２ 気体供給管
３３ バキューム
３４ 調節器
４０ ワイヤ
５０ ワイヤ供給機
６０ 電源装置
７０ トリガー
Ａ 液状物質の製造装置

Claims (6)

1. ワイヤ供給機から供給される金属ワイヤにパルス電流を加えて電気爆発が行われるようにするものでありが、
   上段周りに気体の注入と気体の排出と液体の注入のためのノズルが放射状に設けられ、内側の周りに液体注入ノズルを通じて注入された液体が乗って流れる螺旋形内壁が設けられ、底面に液体の捕集のための捕集口が設けられ、内側の上下部にモーターの駆動によって回転される電極が設けられたチェンバーと；
   液体貯蔵槽下部一側から上記チェンバーの液体注入ノズルへ繋がれてポンプ作動を通じて液体貯蔵槽内部に貯蔵された液体を上記チェンバーの液体注入ノズルへ供給する液体供給管が設けられ、液体貯蔵槽上段中央から上記チェンバーの捕集口へ繋がれてチェンバー内部に捕集された液体が液体貯蔵槽内部へ流入されるようにする液体流入管が設けられ、液体貯蔵槽上段一側から上記チェンバーの気体排出ノズルへ繋がれて気体排出ノズルから排出される気体を液体貯蔵槽内部へ流入されるようにする気体流入管が設けられ、液体貯蔵槽内部中間にチェンバーから捕集された液体に含まれた異物質を除去するためのメッシュフィルターが設けられ、液体貯蔵槽下段一側に貯蔵された液体を外部へ排出するための液体排出口が設けられた液体処理ラインと；
   気体貯蔵槽上段一側から上記チェンバーの気体注入ノズルへ繋がれて気体貯蔵槽内部に貯蔵された気体を上記チェンバーの気体注入ノズルへ供給する気体供給管が設けられた気体処理ラインを備えることを特徴とする金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置。
2. 上記チェンバーに設けられるノズルは最少一つ以上の気体注入ノズルと、最少一つ以上の気体排出ノズルと、最少一つ以上の液体注入ノズルからなるが、各ノズルの先端はチェンバーの内壁に隣接されるようになったことを特徴とする請求項1に記載の金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置。
3. 上記チェンバーに設けられる電極は、回転軸上のギアがモーターの中心軸上のギアと噛み合わしてモーターの駆動によって回転するようになったことを特徴とする請求項1に記載の金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置。
4. 上記液体処理ラインの液体貯蔵槽に貯蔵される液体はオイル類またはアルコール類であることを特徴とする請求項1に記載の金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置。
5. 上記液体処理ラインの液体貯蔵槽に設けられるメッシュフィルターは、300mesh/inch以上のステンレススチール製品であることを特徴とする請求項1に記載の金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置。
6. 上記気体処理ラインの気体貯蔵槽に貯蔵される気体は、アルゴンまたは窒素または炭素または酸素中のいずれかの一つであることを特徴とする請求項1に記載の金属ナノ粉末を含む液状物質の製造装置。

Images