JP5176199B2 - カーボンナノチューブ製造装置と製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブの製造方法および該方法の実施に適した製造装置に関する。詳しくは、本発明は、生成したカーボンナノチューブをより効率的に回収することのできるカーボンナノチューブ製造方法および製造装置に関する。

カーボンナノチューブは、導電性、熱伝導性、機械的強度等の優れた特性を持つことから、多くの分野から注目を集めている新素材である。カーボンナノチューブは、一般に、炭素または炭素原料を必要に応じて触媒の存在下、高温条件に置くことにより合成される。この製造方法としては、主に、アーク放電法、レーザ蒸発法、化学気相成長法（すなわちＣＶＤ法）が知られている。
このうち特にアーク放電法は、欠陥が少なく品質の良いカーボンナノチューブが得られる点で優れている。アーク放電法では、少なくとも陽極に炭素を含有する一対の電極間にアーク放電を起こすことにより、陽極からカーボンを蒸発させ、カーボンナノチューブを含有する生成物を得ることができる。特許文献１には、アーク放電が生成された部分から蜘蛛の巣状または綿状に放出される生成物をからみ取って捕集する技術が記載されている。アーク放電により得られた炭素質生成物の回収に関する他の従来技術文献として特許文献２〜４が挙げられる。

特開２００２−２３４７１３号公報 特開２００２−２３４７１５号公報 特開２００５−１９４１２７号公報 特開２００３−１８３０１１号公報

しかし、特許文献１記載のように生成物を「絡み取って」捕集する技術によると、その捕集物に含まれるカーボンナノチューブは複雑に絡み合った状態となり、生成物中におけるカーボンナノチューブの配置（絡みの程度、配向性、折れや曲がりの程度等）が本来の配置から大きく崩れてしまう。
そこで本発明は、生成物中における配置がよりよく維持された状態のカーボンナノチューブを効率よく得ることのできるカーボンナノチューブ製造方法および該方法の実施に適した製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係るカーボンナノチューブ製造装置は、反応容器と、反応容器内に配置された一対の電極とを備える。これら電極は、互いに対向するように（典型的には、スティック状の電極の一端が互いに対向するように）且つ隙間をあけて配置され、これら電極間にカーボンを蒸発させ得るアーク放電を発生させ得るように構成されている。また、この装置は、前記電極の上方に、前記蒸発したカーボンからなるカーボンナノチューブを捕捉し得る回収体を備える。この回収体は、前記反応容器内を水平方向に延びる二以上の横棒を含むスケルトン構造であって、それら二以上の横棒が上下に間隔をあけて配置された構成を有する。

かかる構成の製造装置では、まず一対の電極間にアーク放電を発生させることにより、該電極間においてカーボンを蒸発させる。その蒸発したカーボンから成るカーボンナノチューブを含む炭素質生成物（カーボンナノチューブ含有生成物）は、好ましくは、アーク放電に伴う熱により生じた上昇気流等のガス流（反応容器内を満たす雰囲気ガスの流れ）に乗って反応容器内を上昇する（吹き上げられる）。その上昇する生成物は、電極の上方に設けられたスケルトン構造の回収体によって捕捉される。ここで、該回収体は、水平方向に延びる二以上の横棒が上下に間隔をあけて配置された構成を有するので、上昇する生成物（上昇途上にある生成物）を、一の横棒と他の横棒との間に張り渡された状態（上下に延びた（広がった）ままの状態）で引っ掛けることができる。したがって、該回収体によると、生成物中における配置がよりよく維持された状態のカーボンナノチューブ（例えば、回収体に捕捉されることに起因する配向の乱れ、絡み等がよりよく抑制されたカーボンナノチューブ）を効率よく回収することができる。

なお、ここで上記横棒が「水平方向に延びる」とは、該横棒の延びる方向と水平とのなす角度が±４５°以下（好ましくは±３０°以下、より好ましくは±１０°以下）であることをいう。上記横棒の延びる方向と水平とのなす角度がゼロ（以下、これを「厳密な水平方向」あるいは単に「水平」ということがある。）またはほぼゼロである回収体は、水平方向に延びる二以上の横棒を含む回収体の一つの典型例である。また、二以上の横棒が「上下に間隔をあけて配置されている」とは、上記回収体を水平に（真横から）見たとき一の横棒の少なくとも一部長さ（典型的には全長さ）が他の少なくとも一つの横棒と鉛直方向に離隔して見えることをいう。水平に延びる二以上の横棒を含み、鉛直方向からみたときに一の横棒の全体が他の横棒と重なって見える回収体は、水平方向に延びる二以上の横棒が上下に間隔をあけて配置された回収体の一つの典型例である。

ここに開示される装置の好ましい一態様では、該装置が、少なくとも一の前記横棒が前記水平方向の配置を保ちつつ前記反応容器内の空間を横切るように前記回収体を移動させる回収体移動機構をさらに備える。かかる構成の装置によると、反応容器内を上昇するカーボンナノチューブ含有生成物をその上昇方向に対して横方向（すなわち上昇方向と交差する方向）からすくい取ることにより、生成物中における配置がよく維持された状態のカーボンナノチューブを、より効率よく回収することができる。

ここに開示される装置の他の好ましい一態様では、前記回収体が、前記反応容器の上端から下方に延びる一の支柱を備える。前記二以上の横棒は、典型的にはそれら各横棒の中央部で前記支柱に支持されている。そして、それら二以上の横棒の両端は開放されている（すなわち開放端となっている）。このような構成の回収体によると、生成物中における配置がよく維持された状態のカーボンナノチューブを、より効率よく回収することができる。また、この回収体により捕捉された生成物を該回収体から分離しやすい。したがって、生成物中における配置がよりよく維持された状態のカーボンナノチューブ（例えば、回収体からの分離操作に起因する配向の乱れが抑制されたカーボンナノチューブ）を得ることができる。また、上記分離を行う際の作業性も良好である。

前記一対の電極は、該電極間の隙間が水平方向に形成されるように（すなわち、一対の電極の対向部分（対向面）が水平方向に隔たるように）配置されることが好ましい。かかる電極配置によると、カーボンナノチューブ含有生成物が電極に付着する（絡まる）事象を効果的に抑制することができる。したがって、より多くの上記生成物をガス流に乗せて上昇させ（吹き上げ）、上記回収体によって効率よく捕捉することができる。

ここに開示されるいずれかの装置は、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の外周に付着したゴミ（蒸発したカーボンから生じた炭素質生成物であり得る。）を払い除け可能に構成された電極ワイパーをさらに備えることができる。かかる構成とすることによって、例えば本装置の運転中に上記ゴミの付着が発生した場合においても、上記電極ワイパーを作動させて上記ゴミを払い除ける（除去する）ことにより、上記ゴミにさらにカーボンナノチューブ含有生成物が絡まる等の不都合を効果的に抑制することができる。したがって、より多くの上記生成物をガス流に乗せて上昇させ（吹き上げ）、上記回収体によって効率よく捕捉することができる。

ここに開示されるいずれかの装置は、前記一対の電極のうち少なくとも陽極の先端部を該陽極の側方から打撃可能に構成されたスラグ除去器をさらに備えることができる。かかる構成とすることによって、例えば本装置の運転中に電極（特に陽極）の先端部を構成するカーボンの一部が蒸発し他部が蒸発しないまま残ることで該先端部に炭素質のスラグ（燃え殻、炭）が生じた場合等においても、上記スラグ除去器を作動させることによって、スラグ化した部分を除去する（折り取る、典型的には叩き落す）ことができる。このように必要に応じて電極の先端部を更新することにより、適切なアーク放電状態（カーボンの蒸発条件）を安定して維持することができる。

ここに開示されるいずれかの装置は、前記反応容器内の空間に面する回収面であって強制的に冷却可能に構成された回収面を有する第１補助回収部をさらに備えることができる。反応容器内で生成して該容器内を上昇したカーボンナノチューブは、上記回収体に全てが捕捉されずに、その捕捉されなかったカーボンナノチューブが例えば反応容器内のガス流に乗って該容器内を引き続き移動する場合がある。かかる場合に、上記回収体に捕捉されなかったカーボンナノチューブを上記第１補助回収部によって回収することにより、カーボンナノチューブの回収効率（収率）をさらに向上することができる。また、上記回収体および上記第１補助回収部を用いてカーボンナノチューブを回収することにより、特性（カーボンナノチューブの長さ、絡み具合、配向性等）の異なるカーボンナノチューブを分別して回収することができる。したがって、これら回収体および第１補助回収部による回収物を、目的に応じてそれぞれ有効に利用することができる。

ここに開示されるいずれかの装置は、前記反応容器内から排出される雰囲気ガス中から前記回収体において回収されなかったカーボンナノチューブを回収し得る第２補助回収部を該反応容器と連通して備えることができる。反応容器内で生成したカーボンナノチューブは、上記回収体（上記第１補助回収部をさらに備える構成では、上記回収体および上記第１補助回収部）に全てが捕捉されない場合がある。かかる場合に、上記回収体に捕捉されなかったカーボンナノチューブを上記第２補助回収部によって回収することにより、カーボンナノチューブの回収効率（収率）をさらに向上することができる。また、上記回収体および上記第２補助回収部（上記第１補助回収部をさらに備える構成では、上記回収体および上記第１，第２補助回収部）を用いてカーボンナノチューブを回収することにより、特性（カーボンナノチューブの長さ、絡み具合、配向性等）の異なるカーボンナノチューブを分別して回収することができる。したがって、これら回収体および第２補助回収部（または、回収体および第１，第２補助回収部）による回収物を、目的に応じてそれぞれ有効に利用することができる。

ここに開示されるいずれかの装置は、好ましい一態様として、上記一対の電極のうち少なくとも一方の電極をそれら電極間の隙間の大きさ（典型的には、両電極の対向面間の距離）を調節し得るように保持する電極保持部を備えることができる。上記隙間の大きさの調節は、例えば、一方の電極を他方の電極に対して少なくとも近づける方向（好ましくは、近づける方向および遠ざける方向の両方向）に移動させ得るように構成された電極保持部に該一方の電極を保持することにより行うことができる。あるいは、かかる構成の電極保持部に一方の電極および他方の電極の双方が保持されるようにしてもよい。カーボンナノチューブの製造中、カーボン蒸発に伴う陽極の消耗によって上記電極間の隙間が拡大し得るところ、この構成によれば、陽極の消耗に伴い一方または両方の電極を移動させることにより、両電極間の隙間を一定に保持することができる。このことによってアーク放電を安定化し、より品質の安定したカーボンナノチューブを製造することができる。

ここに開示されるいずれかの装置は、好ましい一態様として、少なくとも陽極としてスティック状のカーボン成形体を使用し、該スティック状電極をその軸の周囲に回転可能に保持する電極保持部を備えることができる。このようなスティック状陽極の消耗は、陰極に対向する面において不均一に進行する（例えば、該対向面の一端寄りの部分が他端寄りの部分に比べて多く消耗する片減り現象を起こす）場合がある。そこで、陽極を軸周りに回転させることによって、その消耗を陰極対向面の各部においてより均一に進行させることができる。このことによってアーク放電を安定化し、より品質の安定したカーボンナノチューブを製造することができる。
なお、上記スティック状陽極（好ましくはカーボン成形体）として、軸に垂直な断面における形状が多角形（典型的には直方体、より好ましくは正方形）の陽極を使用することは、例えば該断面形状が円形である陽極を使用する場合に比べて、かかる陽極の入手コスト等の観点から有利であることが多い。その一方で、このように断面形状（通常は、陰極との対向面の形状と概ね一致する。）が多角形の陽極では上記不均一な消耗が起こりやすい。上述のように陽極を回転させつつ該陽極と陰極との間にアーク放電を発生させることにより、コストの安い角型陽極を用いる場合においても品質の安定したカーボンナノチューブを製造することができる。したがって、このように陽極を回転させつつアーク放電を行う態様は、例えば断面形状が多角形（典型的には正方形）のスティック状陽極を用いてカーボンナノチューブを製造する場合において、特に好ましく適用され得る。

本発明はまた、他の側面として、アーク放電に基づくカーボンナノチューブ製造方法を提供する。本発明に係るカーボンナノチューブ製造方法は、反応容器内に一対の電極を対向して且つ隙間をあけて配置し、該電極間にアーク放電を発生させる。これにより該電極からカーボンを蒸発させる。そして、前記蒸発したカーボンから成り前記反応容器内を上方に吹き上がるカーボンナノチューブを、前記電極の上方に配置された回収体によって捕捉する。前記回収体としては、前記反応容器内を水平方向に延びる二以上の横棒を含むスケルトン構造であって、それらの横棒が上下に間隔を開けて配置された構成を有する回収体を用いる。
かかる構成のカーボンナノチューブ製造方法によると、アーク放電により蒸発したカーボンから成るカーボンナノチューブを、該カーボンナノチューブを含む炭素質生成物中における配置がよりよく維持された状態（例えば、配向の乱れ、絡み等がよりよく抑制された状態）で、効率よく回収することができる。本製造方法は、好適には、ここに開示されるいずれかのカーボンナノチューブ製造装置を用いて実施することができる。

ここに開示されるカーボンナノチューブ製造方法の好ましい一態様では、少なくとも一の前記横棒が前記水平方向の配置を保ちつつ前記反応容器内の空間を横切るように前記回収体を移動させて前記カーボンナノチューブを捕捉する。かかる構成の装置によると、反応容器内を上昇するカーボンナノチューブ含有生成物を横方向（上昇方向と交差する方向）からすくい取ることにより、生成物中における配置がよく維持された状態のカーボンナノチューブを、より効率よく回収することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本発明の装置では、アーク放電によって陽極からカーボンを蒸発させて、得られたカーボンナノチューブを回収体にて捕捉することができればよく、種々の材料および構成をその目的のために適用することができる。なお、ここで開示された製造装置は、単層カーボンナノチューブの製造に適する装置であるが、該装置を多層カーボンナノチューブの製造に使用することを制限するものではない。

次に、本発明の具体的な一実施形態に係るカーボンナノチューブの製造装置について図面を参照して説明する。
図１にカーボンナノチューブ製造装置１の一構成例を示す。この装置１は、大まかに言って、反応容器３と、一対の電極１１，１２と、回収体５０を有するカーボンナノチューブ回収部５と、から構成される。

反応容器３は、密閉可能な耐圧容器であって、例えばステンレスにより全体として略円筒形状（例えば、直径２５ｃｍ〜８０ｃｍ程度、高さ約３０ｃｍ〜１５０ｃｍの略円筒形状）に構成されている。反応容器３の上端は開閉可能な蓋体３ａにより塞がれている。蓋体３ａの下面には、反応容器３の内壁に沿って電極１１，１２の若干上方まで延びる内筒３２が取り付けられている。この内筒３２は、後述のように回収体５０によって捕捉されなかった生成物を回収する第１補助回収部３０を構成するものであって、その壁面内には図示しない冷媒通路が内蔵されている。内筒３２は、上記冷媒通路に適当な冷媒（例えば水）を流通させることにより、反応容器３内の空間に面する内壁面３２ａを強制的に冷却し得るように構成されている。また、反応容器３の側面は冷却ジャケット３３により囲まれている。この冷却ジャケット３３の内部にも冷媒を流通させることができる。これら冷媒通路および冷却ジャケット３３の一方または両方の作用によって反応容器３の外周部分（側壁）を必要に応じて冷却することができる。かかる冷却を行うことは、後述するように内筒３２の内壁面３２ａを回収面としてカーボンナノチューブ（回収体５０により捕捉されなかった生成物）を回収するためのみならず、回収体５０によるカーボンナノチューブの回収効率を高めるためにも有効である。すなわち、低温の側壁に沿って反応容器３内に下降気流を生じさせることにより、アーク放電に伴う熱等により反応容器３の中央部に（電極１１，１２間の隙間から上方に向けて）形成される上昇気流と相まって、反応容器３内にある雰囲気ガスの対流を促進することができる。したがって、該対流（上昇気流）に乗せてカーボンナノチューブ含有生成物（図４に示す生成物６０）を効率よく吹き上げ、回収体５０によって効率よく捕捉することができる。

一対の電極１１，１２は、陽極１１および陰極１２がいずれもスティック状に形成され、反応容器３においていずれもその中心軸を水平にして、互いに対向して配置されている。なお、各電極１１，１２の形状はスティック状に限られず、互いに対向させ得る面を有する形状であればよい。したがって、電極の形状は、例えば、いずれか一方または両方がタブレット状であってもよい。陽極１１と陰極１２との隙間のサイズは特に限定されないが、例えば、アーク放電による単層カーボンナノチューブ発生効率が高い０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、特に０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度が好適である。なお、図１にはスティック状の陽極１１と陰極１２とをいずれもその軸が水平となるように配置した例を示しているが、これら電極１１，１２の配置はこれに限定されない。例えば、陽極１１および陰極１２の少なくとも一方を水平から外れた角度に配置することにより、陽極１１の軸と陰極１２の軸とのなす角度が鋭角となるように電極１１，１２を配置してもよい。この場合、陽極１１と陰極１２とが上方に向かって近づく配置（例えば、真横から見て概ねギリシャ文字の大文字ラムダ（Λ）形の配置）としてもよく、陽極１１と陰極１２とが下方に向かって近づく配置（例えば、真横から見て概ねＶ字形の配置）としてもよい。陽極１１と陰極１２とのなす角度は９０°以下、例えば５°〜７５°程度の角度とすることができる。

好ましくは、陽極１１と陰極１２の隙間が水平方向に形成されるように、一対の電極１１，１２を配置する。すなわち、陽極１１と陰極１２との対向面が水平方向（典型的には水平±４５°以下、より好ましくは水平±３０°以下、さらに好ましくは水平±１０°以下の角度）に隔たるように電極１１，１２を配置するとよい。かかる配置によると、該対向面の間に下から上へ向かうガス流を通過させやすい。したがって、蒸発したカーボンから成るカーボンナノチューブを含む生成物６０を、上記ガス流に乗せて、反応容器３の上方へと効率よく上昇させる（吹き上げる）ことができる。
なお、上記カーボンナノチューブ含有生成物が電極に絡まりにくいという観点から、使用する一対の電極の配置は上述のように両電極の隙間が水平方向に形成される配置とすることが好ましいが、上記隙間が例えば垂直方向に形成されるように一対の電極を配置した場合（例えば、対向する一対の電極を例えば垂直方向に配置した場合）であっても、本製造装置１によってカーボンナノチューブを製造することは可能である。

陽極１１および陰極１２には、これら電極１１，１２の間にアーク放電を発生し得る電圧を印加可能な直流電源１６が接続されている。なお、ここでは電源を直流としているが、これを交流電源とすることもできる。このように交流を採用する場合には、電極１１が陽極となり電極１２が陰極となる時期と、電極１１が陰極となり電極１２が陽極となる時期とが交互に繰り返される。したがって、電極１１および電極１２のいずれもが、時期によって、それぞれ陽極として機能することとなる。

陽極１１は、アーク放電によってカーボンを蒸発可能な材料（好ましくは、耐熱性を有する導電材料）から構成される。陽極１１の構成材料として利用し得る材料としては、種々の炭素材料が例示されるが、特にグラファイトを好ましく採用することができる。単層カーボンナノチューブの製造を目的とする場合には、例えば、グラファイトに単層カーボンナノチューブ合成用触媒（例えば、鉄、ニッケル、コバルト等から選択される一種または二種以上の金属触媒）を含有させたものが好ましい。このような組成の陽極１１は、例えば、グラファイト粉末に触媒粉末（例えば鉄粉末）を配合して圧粉成形することにより得ることができる。
陽極１１の長手方向（軸方向）の一方の端部は、陰極１２に対向する陰極対向面（陽極先端部）１１ａとなっている。陽極１１の他方の端部（基部）１１ｂにはモータ１４が接続されている。このモータ１４は、図示しない電極保持部に保持された陽極１１を、その長軸を回転軸として典型的には上記電極保持部ごと回転可能に設置されている。

陰極１２は、耐熱性を有する導電材料から構成される。陰極１２の構成材料として利用し得る材料としては、炭素材料、銅等の金属材料を例示することができる。例えば、陰極１２の構成材料として、陽極１１と同様の炭素材料（特にグラファイト）を好ましく採用することができる。単層カーボンナノチューブの製造を目的とする場合には、陽極１１と同様に炭素（特にグラファイト）に単層カーボンナノチューブ合成用触媒を含有させたものが好ましい。特に電源を交流とした場合には、このように同様の材料（組成）から構成された一対の電極を陽極１１および陰極１２として好ましく用いることができる。かかる構成は、電源を直流とした場合にも好ましく採用し得る。
この陰極１２の長手方向（軸方向）の一方の端部は、陽極１１に対向する陽極対向面（陰極先端部）１２ａとなっている。陰極１２の他方の端部（基部）１２ｂにはソレノイド１５が接続されている。ソレノイド１５は、図示しない電極保持部に保持された陰極１２を、典型的には該電極保持部ごと水平方向（すなわち、陰極１２を陽極１１の陰極対向面（陽極先端部）１１ａに近づける方向、図１に示す例では右方向）に移動可能としている。したがって、カーボン蒸発による陽極１１の消耗に伴い、陰極１２を陽極１１側に移動させて、両電極１１，１２間の隙間の大きさを一定に維持することができる。なお、陰極１２の移動量を設定するにあたっては、陽極１１の消耗量（先端部の減り具合）または両極間の隙間のサイズをセンサにより検知する、印加電圧から陽極１１の消耗量を予測する、等の手法を適宜採用することにより、該消耗量に見合った（該消耗量を補填する）移動量が実現されるように設定するとよい。

なお、図１に示す構成のようにモータ１４やソレノイド１５を使用する代わりに、電極１１，１２の水平移動および／または回転を手動で行ってもよい。すなわち、例えば、陽極または陽極側の電極保持部にスティック状の移動および／または回転手段を設けておき、そのスティックの一端を反応容器外に配置するとともに、該一端を手動によって操作することで陽極あるいは陰極を水平移動および／または回転させるように構成されていてもよい。また、電極の移動および回転手段としてのモータ１４およびソレノイド１５の設置場所は図１に示す態様に限られず、例えば、陽極１１側および陰極１２側のいずれの側（両方の側でもよい。）にモータ、ソレノイドまたは手動の移動回転手段を設けてもよい。

ガス供給手段２は、反応容器３内に雰囲気ガスを供給し得るように構成されている。本実施形態に係るガス供給手段２は、雰囲気ガス供給用のボンベ（雰囲気ガスとして複数種類のガスの混合気体が用いられる場合には複数のボンベ。図１に示す例では２個のボンベ２１Ａ，２１Ｂ）を有し、それぞれバルブ２２Ａ，２２Ｂの開閉によって反応容器３の一部（ここでは底部）に設けられたガス供給口２３から所定量の雰囲気ガスを反応容器３内に導入することができる。ここで、本実施形態では、水素ガス（Ｈ_２）とアルゴンガス（Ａｒ）との混合ガスを雰囲気ガスとして使用するため、Ｈ_２ボンベ２１Ａ、Ａｒボンベ２１Ｂにそれぞれ連通するバルブ２２Ａ，２２Ｂを適宜開閉調節することにより、所定の組成比の雰囲気ガス（Ｈ_２／Ａｒ）を反応容器３内に導入する。ガス供給口２３は、その先端２３ａがノズル状に形成され、陽極先端部１１ａと陰極先端部１２ａとの隙間に向かって配置されている。このように構成されていることにより、ガス供給口２３の先端２３ａから電極１１，１２間の隙間に向けて雰囲気ガスを噴出することができる。雰囲気ガスとしては、アーク放電に基づいてカーボンナノチューブを製造し得る各種のガス（典型的には、水素ガスを含む混合ガス）を適宜採用することができ、特に制限されない。例えば、水素ガスと不活性ガス（例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス等の不活性ガスから選択される一種または二種以上）との混合ガスを使用することができる。カーボンナノチューブ（特に単層カーボンナノチューブ）の製造効率向上およびコスト低減等の観点から、本実施形態のように水素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを雰囲気ガスとして好ましく用いることができる。雰囲気ガスとして採用し得る他の好適例として、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスが挙げられる。

カーボンナノチューブ回収部５は、反応容器３の内部に収容されたスケルトン状の回収体５０を備える。この回収体５０は、蓋部３ａから下方（鉛直方向）に延びる支柱５５と、支柱５５と直交して水平方向（ここでは水平）に延びる三本の横棒５１，５２，５３とを有する。これらの横棒５１，５２，５３の形状は実質的に同一である。該横棒５１，５２，５３は、それぞれ長手方向の略中央で支柱５５に固定されており、反応容器３の下側からこの順に、隣り合う横棒との間に上下方向に典型的には５ｃｍ〜５０ｃｍ（好ましくは５ｃｍ〜３０ｃｍ、例えば５ｃｍ〜１５ｃｍ）程度の間隔をあけて、略同一平面内に配置されている。また、隣り合う横棒との間に上下方向に１０ｃｍ以上（例えば１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度）の間隔を開けた配置も好ましい。横棒５１，５２，５３の両端は外方（支柱５５から遠ざかる側、すなわち反応容器３の外周側）に開放されている。このように、支柱から両側に延びる複数の横棒を有し、それらの横棒の両端が開放された形状（典型的には、魚の骨のような形状）の回収体５０は、反応容器３内を上昇し（吹き上げられ）て該回収体５０に捕捉されたカーボンナノチューブ含有生成物を回収体５０から分離（例えば、該生成物の一部を掴んで引き剥がす等）しやすいという利点を有する。
なお、回収体５０の構成材料は、所望の耐熱性および強度を備える材料であればよく、特に限定されない。例えば金属材料（ステンレス等）を好ましく採用することができる。また、回収体５０を構成する各部材（ここでは支柱および横棒）の形状としては図１に示すような直線状の形状を好ましく採用し得るが、これに限定されず、例えば一または二以上の横棒の一部または全体が緩やかに湾曲していてもよく、鈍角で折れ曲がっていてもよい。生成物の分離容易性の観点から、上記各部材は平滑な表面を有するように形成されていることが好ましい。また、上記各部材の軸（長手方向）に垂直な断面形状は特に限定されず、例えば円形であってもよく多角形（例えば四角形）であってもよい。生成物の分離容易性の観点からは、各部材（特に横棒）が角のない断面形状（円形、長円形、楕円形等）に形成されていることが好ましい。

カーボンナノチューブ回収部５は、この回収体５０を回転させる回収体移動機構を構成するモータ５９をさらに備えることができる。このモータ５９を作動させることにより、支柱５５を回転軸として回収体５０を一方向に回転させることができる。かかる回転により、水平方向（ここでは水平）に延びる横棒５１，５２，５３が、その水平方向の配置（ここでは水平配置）を保ったまま、支柱５５に支持された箇所を中心として反応容器３内の空間を水平に回転する。このとき、横棒５１，５２，５３の各部は、支柱５５からの距離に応じて異なる速度で、反応容器３内の空間を周方向に横切って水平に移動（回転移動）することとなる。また、横棒５１，５２，５３はいずれも支柱５５に固定されているので、上記回転によって回収体５０自体が変形することはない。したがって回収体５０は、横棒５１，５２，５３が同一平面内に配置された姿勢を保ったまま回転する。

なお、直流電源１６ならびにモータ１４およびソレノイド１５（および所望により回収体移動機構におけるモータ５９）は、所定のプログラムまたはマニュアル操作に基づいて動作する制御機構１７からの制御指令が入力される入出力回路１８に接続され、電圧印加による電極１１および／または電極１２の移動および回転（および所望により回収体５０の回転）を制御可能に構成されている。したがって、電極１１，１２間に印加された電圧からアーク放電状態を制御機構１７で演算し、アーク放電で発生したカーボンナノチューブ含有生成物の成長に応じて電極１１および／または電極１２の移動、回転（および所望により回収体５０の回転）を調整する制御信号を入出力回路１８からモータ１４およびソレノイド１５（および所望によりモータ５９）に出力することができる。このようにすると、安定条件下でのアーク放電が可能となり、品質（長さ、配向、単層カーボンナノチューブの割合等）の揃ったカーボンナノチューブ含有生成物を得ることができる。

本実施形態に係るカーボンナノチューブ製造装置１は、電極１１，１２の外周（電極の外周に電極保持部に保持された態様では、電極の外周および／または電極保持部の外周）に付着したゴミを除去（典型的には払い除け）可能に構成された電極ワイパー７０を備える。図２は、図１に示す電極ワイパー７０および電極１１，１２を上方から見た状態を模式的に示す説明図である。この図２によく示されるように、電極ワイパー７０は、反応容器３の壁面を貫通して例えば水平に延びるスティック状のワイパー本体７２と、このワイパー本体７２を反応容器３の壁面（典型的には、電極１１，１２よりも若干上の側壁面）に取り付けるとともに該ワイパー本体７２をその長手方向の一点を中心として左右に回転（回動）可能に支持するピン７４とを備える。電極ワイパー７０は、このようにワイパー本体７２を回転させることによってワイパー本体７２の先端部（反応容器３の内部に位置する側の端部）が電極１１，１２の外周近傍に沿って水平に移動するように構成されている。このとき、ワイパー本体７２の外周と電極１１，１２の外周との間に若干の隙間があってもよく、ワイパー本体７２が電極１１，１２を掠めるように移動してもよく、ワイパー本体７２が電極１１，１２を軽く擦りながら移動してもよい。この電極ワイパー７０を必要に応じて作動させる（例えば、ワイパー本体７２の基部すなわち反応容器３の外部に引き出された部分を手動で左右に動かすことによりピン７４を支点としてワイパー本体７２を回転させる）ことにより、電極１１，１２の外周に付着したゴミ（蒸発したカーボンから生じた炭素質生成物であり得る。）を取り除くことができる。このような電極ワイパー７０を備えた構成の装置１によると、反応容器３を開放することなく上記ゴミ除去操作を行うことができる。なお、図１，２には電極１１および電極１２の略全長を含む範囲にワイパー本体７２を移動（回転移動）させ得るように電極ワイパー７０を構成した例を示しているが、ワイパー本体７２の移動範囲はこれに限定されず、例えば電極１１，１２のいずれか一方の略全長を含む範囲としてもよく、電極１１，１２のいずれか一方または両方の一部長さのみを含む範囲としてもよい。また、ワイパー本体７２の構成材料としては、例えば、回収体５０の構成材料と同様の材料を適宜採用することができる。

なお、電極の外周に付着したゴミを除去（典型的には払い除け）可能に構成された電極ワイパーを備えるカーボンナノチューブ製造装置としては、図１および図２に示す態様の他、例えば、図１に示す陽極１１と同様に軸周りに回転させ得るように構成された電極の外周近傍に、固定式の電極ワイパー（棒状、板状等の形状であり得る。）が設置された態様を例示することができる。かかる態様によると、電極の回転により該電極の外周面が電極ワイパーに対して相対的に移動するので、電極の外周に付着したゴミを上記電極ワイパーによって該電極から取り除く（典型的には、周方向に払い除ける）ことができる。

本実施形態に係るカーボンナノチューブ製造装置１は、図１および図３に示すように、反応容器３の壁面を貫通して例えば水平に延びるスティック状の支軸８２と、支軸８２の先端部（反応容器３の内部に位置する側の端部）に固定され該支軸８２と概ね直交して延びるスティック状の打撃棒８４と、を含むスラグ除去器８０を備える。このスラグ除去器８０は、支軸８２を回転させる（例えば、支軸８２の基部すなわち反応容器３の外部に引き出された部分を手動で左右に回転させることにより支軸８２の軸を中心として打撃棒８４を回転させる）ことにより、陽極１１の先端部（陰極１２に対向する側の端部）をその側方から打撃可能に構成されている。したがって、図３に示すように陽極１１の先端部（陰極に近い側の端部）にスラグ１１ｃが生じた場合（すなわち、上記先端部がスラグ化した場合）等に、スラグ除去器８０を作動させることによって（アーク放電をいったん停止した状態で作動させることが好ましい。）、陽極１１の先端からスラグ化した部分を除去することができる。これにより陽極１１の先端部を更新し（例えば、スラグ１１ｃを叩き落して新たな陰極対向面１１ｄを露出させ）て、適切なアーク放電状態を安定して維持することができる。打撃棒８４が陽極１１に当接する位置は、例えば支軸８２を反応容器３内に押し込みまたは引き出すことにより、陽極１１の軸方向に調節することができる。これにより、陽極１１の位置やスラグ１１ｃの発生状況に応じて、スラグ１１ｃを除去するのに適した位置に打撃棒８４を叩きつけることができる。このようなスラグ除去器８０を備えた構成の装置１によると、反応容器３を開放することなく上記スラグ除去操作を行うことができる。
なお、このように構成されたスラグ除去器８０は、例えば蒸発したカーボンから生じた炭素質生成物が陽極１１および／または陰極１２の先端または該電極間の隙間に絡まった場合等に、その絡まった生成物を電極１１，１２から除去する（払い除ける）ためにも利用することができる。

次に、このような構成の製造装置１を用いて単層カーボンナノチューブを製造する方法の好ましい一態様を説明する。すなわち、まずスティック状（具体例としては、断面形状が６ｍｍ角の正方形、８ｍｍ角の正方形または直径８ｍｍの円形等のスティック状）の陽極１１および陰極１２を用意し、これらを反応容器３内の図示しない電極保持部にそれぞれセットする。このとき、対向面１１ａ，１２ａ間の距離が所定間隔となるように陽極１１および／または陰極１２の配置を調節する。陽極１１を保持する電極保持部（図示せず）は、例えば、陽極１１の一方の端部（先端部１１ａ側）から所定長さの部分（例えば、先端部１１ａ側から１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の長さ部分）を反応容器３内に露出させ、陽極１１の残りの部分を収容する穴を備えた構成とすることができる。この電極保持部は、例えば適当な冷媒（典型的には水）を流通可能な冷媒通路を内蔵することにより、これに保持された陽極１１を冷却し得るように構成されていてもよい。かかる構成の電極保持部によると、未使用の電極部分（すなわち、先端部１１ａから離れているため未だカーボンの蒸発源としては利用されない電極部分）が不必要に高温に曝されることを回避するという効果が得られる。なお、陰極１２を保持する電極保持部も同様の構成とすることができる。

容器３に設けられた排気管２７のバルブ２７Ａを開け、当該排気管２７に接続する油回転ポンプ等の真空ポンプ２６を作動させて反応容器３内の気体を排気し、これにより反応容器３内を減圧する。容器３内の圧力が低下し、例えば１３×１０^−３Ｐａ〜１．３×１０^−３Ｐａ程度の高い真空度になったらバルブ２７Ａの開度を絞り、その後、ガス供給手段２から雰囲気ガスを導入する。例えば、バルブ２２Ａ，２２Ｂの開度を調節してＨ_２ボンベ２１ＡおよびＡｒボンベ２１Ｂからそれぞれ水素ガスおよびアルゴンガスを２０：８０〜８０：２０の流量比（体積比）で流出させることにより、これらのガスの体積混合比が２０：８０〜８０：２０である混合ガス（雰囲気ガス）を反応容器３内に導入する。そして、真空ポンプ２６の作動による排気量とガス供給手段２からのガス供給量とのバランスにより、例えば、反応容器３内の雰囲気ガス組成および圧力を、水素ガス分圧１．３×１０⁴Ｐａ、アルゴンガス分圧１．３×１０⁴Ｐａ程度に調整する。

反応容器３内の雰囲気ガス組成および圧力が安定したら、鉄（０．５モル％〜５モル％）を含む陽極１１と陰極１２との間に電圧を印加し、直流電源１６から電流（例えば５０Ａ〜１００Ａ）を供給する。この結果発生したアーク放電によるアーク熱で、陽極１１からカーボンが蒸発する。上記電圧の大きさは所望のカーボン蒸発速度に応じて適宜選択され、例えば２０Ｖ〜４０Ｖ程度とすることができる。また、印加された電圧からアーク放電状態を制御機構１７で演算し、アーク放電で蒸発したカーボンによる陽極１１の消耗に応じて制御信号を入出力回路１８からモータ１４およびソレノイド１５に出力し、必要に応じて陽極１１および陰極１２の移動や回転を調節して好ましいアーク放電状態が維持されるようにする。

蒸発したカーボンは、主として電極間の隙間でアーク熱と触媒作用により単層カーボンナノチューブを含む生成物６０（図４，図５参照）を形成する。また、反応容器３内には、上記アーク熱によって雰囲気ガスが加熱されることや電極１１，１２間の隙間の下方に設置されたガス供給口２３から雰囲気ガスが供給されること等によって、上記電極間の隙間を下から上へ通過してさらに反応容器３の上方に向かうガス流（上昇気流）が生じる。カーボンナノチューブ含有生成物６０は、このガス流に乗って反応容器３の上方へと吹き上がり、回収体５０へと誘導される。ここで、回収体５０は水平方向に延びる複数（ここでは三本）の横棒５１，５２，５３が上下に間隔をあけて配置されたスケルトン状の構造を有し、しかも全体としてその骨格が一平面内に収まる形状に構成されている（したがって、下方からみると略直線状であって投影面積が小さい）ので、細かい生成物は回収体５０に引っ掛かりにくい。一方、相対的に長い（大きい）生成物は、より短い（細かい）生成物に比べて回収体５０に捕捉されやすい。これは、ある程度以上の長さを有する生成物は、例えば図５に示すように、複数の横棒間に張り渡された状態で回収体５０に効率よく引っ掛かることができるからである。このように回収体５０に捕捉されやすい形状の生成物は、該生成物を構成する個々のカーボンナノチューブ（典型的には、主として単層カーボンナノチューブ）の長さが比較的大きく、また、該カーボンナノチューブを一方向（典型的には、該生成物の長尺方向）によく配向した状態で含むことが多い。ここに開示されるカーボンナノチューブ製造方法および装置によると、このように長くてよく配向したカーボンナノチューブ（該カーボンナノチューブを含む生成物６０）を回収体５０によって効率よく（例えば、より短い生成物に比べて優先的に）捕捉することができる。また、上記生成物が典型的には複数の横棒間にまたがって張り渡された（掛け渡された）状態で回収されるので、生成物中における配置がよりよく維持された状態のカーボンナノチューブを効率よく回収（製造）することができる。

上記生成物６０を捕捉するにあたり、好ましくは、モータ５９を作動させて回収体５０を支柱５５の周囲に（支柱５５を回転軸として）回転させる。この回転により、図４に示すように、カーボンナノチューブ含有生成物６０が長尺方向に広がった状態で反応容器３内を下から上（図４では右から左）へと吹き上がるのに対して、回収体５０を構成する横棒５１，５２，５３が反応容器３内の空間を横切るように（したがって生成物６０の吹き上がり経路を横切るように）移動する。その結果、反応容器３内を吹き上がる生成物６０を、その吹き上がり経路と交差する方向から（例えば、吹き上がり経路との間に形成される角度が±４５°以下、好ましくは±３０°以下、より好ましくは±１０°以下となる方向、典型的には直交する方向）から、横棒５１，５２，５３によりすくい取って（すくい上げて）回収することができる。ここで、回収体５０はスケルトン形状であるので、該回収体５０を回転させても反応容器３内における雰囲気ガスの流れ（例えば、生成物６０を吹き上げる上昇気流）を不必要に乱すことはない。このように回収体５０を回転させることにより、長くてよく配向したカーボンナノチューブ（該カーボンナノチューブを含む生成物６０）を、より効率よく捕捉することができる。

なお、このように回収体５０を回転させつつ生成物６０を捕捉する場合、生成物６０の上昇速度や上昇量（生成量）に対して回収体５０の回転速度が高すぎると、上下に隣り合う横棒にまたがって引っ掛かる生成物（典型的には、主として該生成物に含まれるカーボンナノチューブの配向方向が概ね上下方向となるように捕捉された生成物）よりも、回収体の周方向に絡みつく生成物（すなわち、該生成物に含まれるカーボンナノチューブの配向方向が概ね周方向（換言すれば水平方向）となるように捕捉された生成物）のほうが優勢になることがあり得る。このように絡みついた生成物は、カーボンナノチューブの配置（絡みの程度、配向性、折れや曲がりの程度等）が崩れたものとなりやすい。したがって、かかる周方向の絡みつきが抑制されるように回収体５０の回転速度を設定するとよい。

生成物６０の吹き上げおよび回収体５０による回収を効率よく行うためには、電極１１，１２の先端が配置された位置（アーク放電を発生させる位置）から反応容器３の上端までの間に十分な高さのある空間が確保されていることが好ましい。特に限定するものではないが、電極１１，１２の先端が配置された位置から反応容器３の上端までの高さを例えば２０ｃｍ〜１４０ｃｍ程度（好ましくは例えば２０ｃｍ〜１００ｃｍ程度）とすることができる。この高さを例えば４０ｃｍ以上（典型的には４０ｃｍ〜１４０ｃｍ程度、例えば６０ｃｍ〜１２０ｃｍ程度）としてもよい。かかる空間に回収体５０が配置された構成の装置１は、この回収体５０によって一方向によく配向した多数の長いカーボンナノチューブを含む生成物を効率よく（特性の異なる生成物から効果的に分離して）回収するのに適している。また、電極１１，１２の先端が配置された位置から回収体５０の下端（特に、最も下方に配置された横棒すなわち横棒５１）までの高さを例えば１０ｃｍ〜５０ｃｍ（好ましくは例えば１０ｃｍ〜３０ｃｍ）程度とすることができる。より品質の揃った生成物を得るという観点から、回収体５０の外周端（ここでは、横棒５１，５２，５３の先端）と反応容器３の側面（図１に示す例では内筒３２の内壁面３２ａ）との間に多少の（典型的には１ｃｍ〜１５ｃｍ程度、例えば１ｃｍ〜５ｃｍ程度の）間隔をあけることが好ましい。同様に、最も上方に配置された横棒（ここでは横棒５３）と反応容器の上端（蓋体３ａの下面）との間に多少の（典型的には２ｃｍ〜２０ｃｍ程度、例えば２ｃｍ〜５ｃｍ程度の）間隔をあけることが好ましい。

回収体５０に捕捉されたカーボンナノチューブ含有生成物６０は、本装置を作動して単層カーボンナノチューブを所定量堆積させた後に、反応容器３の上部を開閉可能に設けられた蓋体３ａを開いて反応容器３から回収体５０を取り出し、該回収体５０に捕捉された（付着した）生成物６０を例えばピンセット等で掴んで引き剥がすことによって回収体５０から分離することができる。あるいは、蓋体３ａを開いて、反応容器３内にある回収体５０から（すなわち、回収体５０を反応容器３から取り出すことなく）生成物６０を引き剥がし（分離し）てもよい。本装置によると、単層カーボンナノチューブ含有生成物６０は、主として回収体５０の横棒間に張り渡された状態で捕捉されているので（図５参照）、ピンセット等の簡易な器具によっても容易に回収体５０から分離することができる。

通常、このようにして得られた生成物には、単層カーボンナノチューブとともに、触媒（例えば鉄粉末）および不純物炭素が含まれている。該生成物に対し、これら触媒および不純物炭素の含有量を低減する処理（すなわち生成物を精製する処理）を施すことができる。この精製処理は、加熱処理および酸処理を含むことができる。加熱処理としては、例えば、得られた生成物を６７０Ｋ〜７２０Ｋの温度で２５分〜３５分間加熱することで、生成物中の不純物炭素をＣＯまたはＣＯ_２等に酸化してガスとして除去するとともに触媒を酸化する処理を採用することができる。酸処理としては、加熱処理後の生成物を例えば塩酸等で処理することで、先行する加熱処理等によって酸化された触媒を生成物から除去する処理を採用することができる。

本発明に係る製造装置および／または製造方法によれば、カーボンナノチューブ（好ましくは、主として単層カーボンナノチューブ）を含む生成物を、該生成物中におけるカーボンナノチューブの配置がよりよく維持された状態で、回収体５０により捕捉して回収することができる。したがって、回収操作に起因する配向の乱れ、絡み等がよりよく抑制されたカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ含有生成物）が得られる。この装置および／または方法により得られる（製造される）好ましい生成物は、一方向によく配向した多数の長いカーボンナノチューブを含む（したがってカーボンナノチューブの絡み（乱れ）の少ない）生成物である。かかる生成物は、典型的には、図５に模式的に示すように、生成物６０に含まれるカーボンナノチューブの配向方向が概ね上下方向となるようにして回収体５０を構成する複数の横棒の間に膜状もしくはカーテン状に張り渡された状態で捕捉される。また、本発明の装置および／または方法により製造されたカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ含有生成物）の好適例は、上記のように一方向によく配向した多数の長いカーボンナノチューブを含む薄い膜状もしくはカーテン状であって、該膜の一部をピンセット等で掴んで横方向に引っ張ると縦方向（上下方向）にきれいに裂ける一方、縦方向への引っ張りに対しては横方向よりも明らかに高い強度を示すカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ含有生成物）である。かかるカーボンナノチューブ含有生成物は、典型的には、上記のように縦方向に裂けるときに、薄布を裂くような引裂き音を発する。また、該カーボンナノチューブ含有生成物は、典型的には、捕捉されたままの状態では典型的には艶のない黒色を呈するが、上記膜の表面をカーボンナノチューブの配向方向に静かに撫で付けることにより金属光沢のある外観を呈するようになる。本発明の装置および／または方法により製造されたカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ含有生成物）は、かかる特異な性質を有することによって、従来の装置または方法により得られたカーボンナノチューブ（カーボンナノチューブ含有生成物）から明白に区別されるものであり得る。
このように一方向によく配向した多数の長いカーボンナノチューブを含む生成物（典型的には薄膜状の生成物）は、該生成物を構成するカーボンナノチューブの長さの割にほぐれやすいので、後続する処理（精製処理、加工処理等）を行いやすいという利点を有する。したがって、例えば該生成物の精製を効率よく行うことができる。また、このような生成物は該生成物を糸状に紡ぐ（フィラメントに加工する）のに適している。

一方、回収体５０に捕捉されなかったカーボンナノチューブ含有生成物は、例えば以下のようにして回収することができる。
図１に示す電極１１，１２間の隙間にアーク放電を発生させると、反応容器３の中央部（典型的には上記隙間の上方）に上昇気流が生じる一方、反応容器３の側壁は中央部に比べて低温であるため、反応容器３の周辺部（外周付近）に下降気流が生じる。その結果、反応容器３の内部には、中央部で上昇して周辺部で下降するガス流（雰囲気ガスの対流）が形成される。内筒３２内の冷媒通路および冷却ジャケット３３の一方または両方に適当な冷媒（例えば水）を供給して内筒３２および／または反応容器３を強制的に冷却することにより、反応容器３内の中央部と周辺部との温度差を増大させて対流を促進することができる。少なくとも内筒３２内の冷媒通路に冷媒を流通させて内壁面３２ａを強制冷却することが好ましい。上記ガス流（上昇気流）に乗って電極１１，１２から上方に吹き上げられたが回収体５０に捕捉されなかった生成物６０は、引き続き上記ガス流（今度は下降気流）に乗って反応容器３の周辺部を降下する。この生成物６０が、内筒３２および／または反応容器３の内壁面、典型的には主として電極１１，１２よりも上方に位置する内筒３２の内壁面３２ａ（特に、強制冷却された内壁面３２ａ）に付着する。なお、この内壁面３２ａは平滑な金属面、例えばステンレス製であることが、カーボンナノチューブ（生成物６０）をそのファンデルワールス力によって付着させ易いため好ましい。また、内壁面３２ａの強制冷却は、例えば、該内壁面３２ａの温度が所定の温度、具体的には例えば１５℃〜３０℃（好ましくは１８℃〜２５℃）程度となるように行うとよい。

上記方法および装置を用いたカーボンナノチューブの製造において、回収体５０に捕捉されず内筒３２の内壁面３２ａに付着したカーボンナノチューブ含有生成物（すなわち、第１補助回収部３０により回収された生成物）は、通常、回収体５０に捕捉された生成物とはその特性（単層カーボンナノチューブの割合、カーボンナノチューブの長さ、配向の程度、絡みの程度等）が異なる。典型的には、回収体５０に捕捉された生成物は、第１補助回収部３０により回収された生成物に比べて、より長いカーボンナノチューブに富み且つ該カーボンナノチューブの配向性が高い。したがって、アーク放電による生成物を回収体５０と第１補助回収部３０とに分けて回収することにより、特性の異なるカーボンナノチューブ含有生成物（カーボンナノチューブ）を同時に（並行して）製造し、且つその生成物を特性に応じて分別して回収することができる。また、上記アーク放電により生成したカーボンナノチューブの回収率を高めることができる。
なお、第１補助回収部３０の内壁面（回収面）３２ａに付着した生成物６０は、例えば蓋体３ａを開いて反応容器３から内筒３２を取り出し、該内筒３２の内壁面３２ａに捕捉された（付着した）生成物６０を例えばピンセット等で掴んで引き剥がすことによって内壁面３２ａから分離することができる。第１補助回収部３０によって回収された生成物には、例えば、回収体５０に捕捉されて回収された生成物と同様に精製処理を施すことができる。

また、回収体５０に捕捉されなかったカーボンナノチューブ含有生成物は、さらに、例えば図１３に示す構成のカーボンナノチューブ製造装置７を用いて、以下のようにして回収することができる。なお、図１３に示す装置７において、図１に示す装置１と同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付している。この装置７は、反応容器３と連通する第２補助回収部４０を追加的に備える点を除いては、図１に示す装置１と概ね同様に構成されている。ただし、図１３では、図を見やすくするために一部の図示を省略している。
第２補助回収部４０は、反応容器３の上部側面に設けられた排出管４１を介して反応容器３内の空間と連通する分離室４２と、この分離室４２の内部に配置されたフィルタ（例えばＨＥＰＡフィルタ）４３と、分離室４２に接続された油回転ポンプ等の真空ポンプ４５と含む。真空ポンプ４５の作動により反応容器３内から雰囲気ガスを吸引すると（このとき、初期の雰囲気調整に用いた排気管２７側では図１に示すバルブ２７Ａを閉じておくとよい。）、回収体５０に捕捉されなかった生成物６０のうち比較的軽い（細かい）ものは該雰囲気ガスの流れに乗って排出管４１から分離室４２へと導入される。この雰囲気ガスをフィルタ４３に通すことにより、該雰囲気ガスに含まれる生成物６０をフィルタ４３により捕捉することができる。フィルタ４３を通過した雰囲気ガスは、そのまま（または必要に応じて適切な処理を施した後に）系外に排出してもよく、あるいは反応容器３の例えば底部に設けられたガス戻し口４８から反応容器３内に戻してもよい。このように雰囲気ガスを循環利用（リサイクル）することによって、装置の運転コスト（ひいてはカーボンナノチューブの製造コスト）を低減することができる。

一方、回収体５０に捕捉されなかった生成物６０のうち反応容器３から吸い出されなかったものは、反応容器３の周辺部を下降気流に乗って降下し、上記と同様に内筒３２の内壁面３２ａに付着する。したがって、図１３に示す構成の装置７によると、カーボンナノチューブ回収部５（回収体５０）、第２補助回収部４０および第１補助回収部３０の三つの機構によって生成物を回収することができる。

上記方法および装置を用いたカーボンナノチューブの製造において、回収体５０に捕捉されたカーボンナノチューブ含有生成物と、回収体５０に捕捉されず第２補助回収部４０のフィルタ４３により捕捉された生成物と、回収体５０にも第２補助回収部４０にも捕捉されず第１補助回収部３０により回収された生成物とは、通常、それぞれ特性（単層カーボンナノチューブの割合、カーボンナノチューブの長さ、配向の程度、絡みの程度等）が異なる。典型的には、第２補助回収部４０により捕捉された生成物は、回収体５０または第１補助回収部３０により回収された生成物に比べて、より短いカーボンナノチューブに富む。したがって、アーク放電による生成物を回収体５０、第１補助回収部３０および第２補助回収部４０に分けて回収することにより、特性の異なるカーボンナノチューブ含有生成物（カーボンナノチューブ）を同時に（並行して）製造し、且つその生成物を分別して回収することができる。また、上記アーク放電により生成したカーボンナノチューブの回収率を高めることができる。
なお、図１３には分離室４２内に３枚のフィルタ４３を配置した例を示しているが、フィルタの枚数は特に限定されず、例えば１枚〜１０枚（好ましくは２枚〜５枚）とすることができる。また、第２補助回収部４０の構成は図１３に示すものに限られず、反応容器３から排出された雰囲気ガスの流路にフィルタを配置して該フィルタによって雰囲気ガスからカーボンナノチューブ含有生成物を濾別し得る種々の構成を採用し得る。例えば、反応容器３と分離室４２とを接続する位置（排出管４１を設ける位置）を内筒３２よりも下方（典型的には、内筒３２の下端よりも低く電極１１，１２よりも高い位置）としてもよい。第２補助回収部４０によって回収された生成物には、例えば、回収体５０に捕捉されて回収された生成物と同様に精製処理を施すことができる。

以上、本発明の好適な実施態様を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した態様を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、横棒５１，５２，５３が水平方向の配置を保ちつつ反応容器３内の空間を横切るように回収体５０を移動させる態様として、図１および図１３には、支柱５５を回転軸として回収体５０を一方向に回転（回転移動）させる態様を例示しているが、例えば図６に示すように、横棒５１，５２，５３の軸に直交する方向（すなわち、横棒５１，５２，５３を含む平面に直交する方向）に支柱５５を往復移動させてもよい。これにより、横棒５１，５２，５３が水平方向の配置を保ったまま、それらの軸に直交する方向に反応容器内の空間を水平に横切って往復移動する。また、図７に示すように、横棒５１，５２，５３の軸に直交する方向への移動を含む所定の軌道（ここでは、前記直交方向を長軸方向とする長円状の軌道）に沿って支柱５５を移動（周回）させてもよい。あるいは、図８に示すように、支柱５５の上端を支点として、横棒５１，５２，５３の軸に直交する方向に回収体５０を振り子運動させてもよい。これらの態様によっても、反応容器３内の空間を横切る横棒５１，５２，５３によって、反応容器３内に形成された上昇気流のなかから生成物６０を適切にすくい取る（捕捉する）ことができる。

また、回収体５０の構成（形状）に係る変形例として、例えば図９〜図１２に示す例が挙げられる。
図９は一変形例に係る回収体１５０を反応容器３（図１参照）の上方からみた状態を示す模式図である。この回収体１５０は、図１に示す支柱５５と同様に蓋体３ａから下方に延びる支柱１５５と、支柱１５５の上端から約１／３の位置から外方へと水平に延びるように１２０°間隔で設けられたスティック状の横棒１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃと、支柱１５５の上端から約２／３の位置から外方へと水平に延びるように１２０°間隔で設けられたスティック状の横棒１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃと、支柱１５５の下端から外方へと水平に延びるように１２０°間隔で設けられたスティック状の横棒１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃとを有するスケルトン構造である。これらの横棒はいずれも略同一形状であって、横棒１５２ａおよび横棒１５１ａは横棒１５３ａの真下に、同様に横棒１５２ｂおよび横棒１５１ｂは横棒１５３ｂの真下に、横棒１５２ｃおよび横棒１５１ｃは横棒１５３ｃの真下にそれぞれ配置されている。

図１０は、他の一変形例に係る回収体２５０を反応容器３（図１参照）の上方からみた状態を示す模式図である。この回収体２５０は、図１に示す支柱５５と同様に蓋体３ａから下方に延びる支柱２５５と、支柱２５５と直交して水平に延びる三本の同一形状の横棒２５１，２５２，２５３とを有するスケルトン構造である。これらの横棒２５１，２５２，２５３は、それぞれ長手方向の略中央で、支柱２５５の下端、該下端から約１／３の位置、および該下端から約２／３の位置にこの順で固定されている。ただし、三つの横棒が同一平面内に配置された図１に示す例（回収体５０）とは異なり、本変形例に係る回収体２５０では横棒２５１，２５２，２５３が螺旋状に配置されている。

図１１は、他の一変形例に係る回収体３５０を横方向からみた状態を示す模式図である。この回収体３５０は、図１に示す支柱５５と同様に蓋体３ａから下方に延びる支柱３５５と、中央部が支柱３５５の下端に固定されて水平に延びる横棒３５３と、横棒３５３の両端からそれぞれ下方に延びる同一形状の縦棒３５６，３５７と、縦棒３５６，３５７の中央部を接続するように水平に配置された横棒３５２と、縦棒３５６，３５７の下端を接続するように水平に配置された横棒３５１とを有するスケルトン構造である。これらの横棒、縦棒および支柱はいずれも略同一平面内に配置されている。すなわち、この回収体３５０は、図１に示す回収体５０と同様に、全体として平面状（下方からみて略直線状）に形成されている。

図１２は、他の一変形例に係る回収体４５０を横方向からみた状態を示す模式図である。この回収体４５０は、図１に示す支柱５５と同様に蓋体３ａから下方に延びる支柱４５５と、中央部が支柱４５５の下端に固定されて水平に延びる横棒４５２と、横棒４５２の両端からそれぞれ下方に延びる同一形状の縦棒４５６，４５７と、縦棒４５６，４５７の下端を接続するように水平に配置された横棒４５１と、縦棒４５６の上端と縦棒４５７の下端とを接続する斜交棒４５８と、縦棒４５６の下端と縦棒４５７の上端とを接続する斜交棒４５９とを有するスケルトン構造である。これらの横棒、縦棒、斜交棒および支柱はいずれも略同一平面内に配置されている。すなわち、この回収体４５０は、図１に示す回収体５０と同様に、全体として平面状（下方からみて略直線状）に形成されている。
このような種々の形状の回収体により、好ましくは該回収体の備える横棒のうち少なくとも一つが反応容器内の空間を横切るように該回収体を移動（回転移動、往復移動、所定の軌道に沿った移動、振り子移動等であり得る、）させることにより、反応容器３内に形成された上昇気流のなかから生成物６０をすくい取る（捕捉する）ことができる。

また、回収体５０により捕捉されなかった生成物を回収する第１補助回収部としては、上述のように強制冷却可能な内壁面３２ａを備える内筒３２を用いる態様の他、例えば、特開２００５−１９４１２７号公報または特開２００５−３４３７８８号公報に記載された種々の態様を採用することができる。

一実施形態に係るカーボンナノチューブ製造装置の構成を示す模式図。 一実施形態に係る電極ワイパーの構成および作動を説明する模式図。 一実施形態に係るスラグ除去器の構成および作動を説明する模式図。 カーボンナノチューブを回収体ですくい取る様子を示す模式図。 カーボンナノチューブを捕捉した回収体を示す模式的正面図。 回収体の移動に係る変形例を示す模式的斜視図。 回収体の移動に係る変形例を示す模式的斜視図。 回収体の移動に係る変形例を示す模式的斜視図。 回収体の構成に係る変形例を示す模式的平面図。 回収体の構成に係る変形例を示す模式的平面図。 回収体の構成に係る変形例を示す模式的正面図。 回収体の構成に係る変形例を示す模式的正面図。 他の実施形態に係るカーボンナノチューブ製造装置の構成を示す模式図。

符号の説明

１，７ カーボンナノチューブ製造装置
３ 反応容器
３ａ 蓋体
５ カーボンナノチューブ回収部
１１ 陽極（電極）
１１ａ 陰極対向面（陽極先端部）
１２ 陰極（電極）
１２ａ 陽極対向面（陰極先端部）
３０ 第１補助回収部
３２ 内筒
３２ａ 内壁面（回収面）
４０ 第２補助回収部
４３ フィルタ
４５ 真空ポンプ
５０，１５０，２５０，３５０，４５０ 回収体
５１，５２，５３，１５１ａ〜ｃ，１５２ａ〜ｃ，１５３ａ〜ｃ，２５１，２５２，２５３，３５１，３５２，３５３，４５１，４５２ 横棒
５５，１５５，２５５，３５５，４５５ 支柱
５９ モータ（回収体移動機構）
６０ 生成物
７０ 電極ワイパー
８０ スラグ除去器

Claims (10)

1. 反応容器と、
   該反応容器内に対向して且つ隙間をあけて配置された一対の電極であって該電極間においてカーボンを蒸発させ得るアーク放電を発生させる一対の電極と、
   前記蒸発したカーボンからなるカーボンナノチューブを捕捉し得る回収体であって前記電極の上方に配置された回収体と、
   を備え、
   ここで、前記回収体は、前記反応容器内を水平方向に延びる二以上の横棒を含むスケルトン構造であって、それらの横棒が上下に間隔をあけて配置された構成を有する、カーボンナノチューブ製造装置。
2. 少なくとも一の前記横棒が前記水平方向の配置を保ちつつ前記反応容器内の空間を横切るように前記回収体を移動させる回収体移動機構をさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記回収体は、前記反応容器の上端から下方に延びる一の支柱を備え、前記二以上の横棒の中央部は前記支柱に支持されており、それらの横棒の両端は開放されている、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記一対の電極は、該電極間の隙間が水平方向に形成されるように配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極の外周に付着したゴミを払い除け可能に構成された電極ワイパーをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記一対の電極のうち少なくとも陽極の先端部を該陽極の側方から打撃可能に構成されたスラグ除去器をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記反応容器内の空間に面する回収面であって強制的に冷却可能に構成された回収面を有する第１補助回収部をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記反応容器内から排出される雰囲気ガス中から前記回収体において回収されなかったカーボンナノチューブを回収し得る第２補助回収部を該反応容器と連通して備える、請求項１から７のいずれかに記載の製造装置。
9. 反応容器内に一対の電極を対向して且つ隙間をあけて配置し、該電極間にアーク放電を発生させ、該電極からカーボンを蒸発させるとともに、その蒸発したカーボンから成り前記反応容器内を上方に吹き上がるカーボンナノチューブを前記電極の上方に配置された回収体によって捕捉するカーボンナノチューブ製造方法であって、
   ここで、前記回収体として、前記反応容器内を水平方向に延びる二以上の横棒を含むスケルトン構造であって、それらの横棒が上下に間隔をあけて配置された構成を有する回収体を用いる、カーボンナノチューブ製造方法。
10. 少なくとも一の前記横棒が前記水平方向の配置を保ちつつ前記反応容器内の空間を横切るように前記回収体を移動させて前記カーボンナノチューブを捕捉する、請求項９に記載の方法。

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