JP5508731B2 - ナノ粒子生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、ナノ粒子生成装置に係り、より詳細には、消費電力の低減及び小型化が図られ、かつ、種々の材料の特性を同時に有するナノ粒子を生成できるナノ粒子生成装置に関する。

一般に、ナノ粒子は、１ｎｍ〜１００ｎｍ範囲の大きさを有する極微細粒子のことをいい、粒子大きさ及び材料の性質によって独特の物理的・化学的性質を有する。

近来、金、銀のように殺菌、抗菌能力を持つ材料や二酸化チタンのように有害ガス吸着性を持つ材料をナノ粒子にし、バイオ汚染物質の殺菌・抗菌のほか、ＶＯＣ、オゾンなどの有害ガスを吸着し除去する試みが続いてきた。

このようなナノ粒子を生成する方法の一例に、材料を加熱して蒸発させた後、蒸発した気体を凝縮しナノ粒子を生成する気体凝縮法がある。この気体凝縮法を用いてナノ粒子を生成する従来のナノ粒子生成装置について説明すると、下記の通りである。

従来のナノ粒子生成装置は、高温保持が可能なように電気加熱炉の形態で作られた本体と、該本体内部を貫通するように設置されるチューブと、ナノ粒子を形成する材料が収容されるように、チューブ内部の中央部に設けられる容器と、該容器と対応する部位の本体の内壁と外壁との間に設置される加熱体と、を備える。

上記のように構成されたナノ粒子生成装置で、チューブを通って空気のような流体が流れるようにした状態で加熱体を加熱すると、本体の内部空間の温度が上昇しつつチューブが加熱され、チューブの内部温度が上昇する。これにより、材料への温度が所定以上になると、材料が蒸発しつつ気体が発生し、該気体は、チューブ内部に流れる流体によって凝縮されナノ粒子を生成する。こうして生成されたナノ粒子は、続く流体の流れによって本体外部へ伝達される。

このように構成されたナノ粒子生成装置で、電気加熱炉の温度、チューブを通過する流体の流量、材料が収容される容器の大きさなどを制御すると、１〜１００ｎｍ径の１０６〜１０８個／ｃｍ^２の濃度を持つナノ粒子が生成される。

特開昭６２−１６８５４２号公報 特開昭６１−２５７４６８号公報 特開昭５９−１６２２０４号公報 特開平０２−１３１１３４号公報 特開平０３−１５１０３７号公報 特開平０３−１７８３３２号公報 特開平０８−０８９９３８号公報

しかしながら、気体凝縮法にてナノ粒子を生成する従来のナノ粒子生成装置では、本体内部の広い空間を数百〜数千℃にまで上昇させなければならず、電力消費が多かった。

また、加熱体と材料間に大きい空間を確保しなければならず、ナノ粒子生成装置の小型化が困難であった。

また、一つのナノ粒子生成装置では、異なる蒸発温度を持つ様々な材料を同時に蒸発させず、多様な特性を有するナノ粒子を生成することができなかった。

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、材料を加熱してナノ粒子を生成する際に、消費電力を低減できるナノ粒子生成装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、小型化したナノ粒子生成装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、様々な材料の特性を同時に有するナノ粒子を生成できるナノ粒子生成装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るナノ粒子生成装置は、本体と、前記本体の内部に収容される材料が蒸発するように、前記材料を加熱する加熱ユニットと、前記蒸発した材料を凝縮させる流体が流れるように、前記本体を貫通して形成される流路と、を備え、前記加熱ユニットには、前記材料が安定的に置かれる複数個の安着部が形成される。

また、上記ナノ粒子生成装置は、前記流路内部に流れる流体が、前記加熱ユニットに直接接触しないように、前記流路と前記加熱ユニットとを区画する区画板をさらに備える。

また、前記流路は、上下方向に形成され、前記加熱ユニットの下側部のみが前記断熱材に支持される。

また、前記流路は、前記加熱ユニットを中心に複数個に分離され、前記加熱ユニットの少なくとも一側面には、前記材料が安定的に置かれる安着部が設けられる。

また、前記材料は、前記安着部にコーティングまたは焼結処理されて安定的に置かれる。

また、前記材料の状態が変化しても、前記材料が安着部から離脱しないように、前記安着部は溝状に形成される。

また、前記加熱ユニットにおいて温度の最も高い箇所に前記材料が置かれるように安着部が形成される。

また、前記安着部は、複数個である。

また、前記複数個の安着部には、同一材料、または、異なる材料が置かれ、前記各安着部は、同一時間に各材料が蒸発する温度に到達するように加熱される。

また、前記加熱ユニットは、前記複数個の安着部が形成された一つの加熱体と、前記加熱体の内部に埋設されて前記各安着部を加熱する電熱線と、を備え、前記各安着部が異なる温度に加熱されるように、前記各安着部の周囲に埋設される前記電熱線の抵抗はそれぞれ異なる。

なお、種々の材料を同時に蒸発させてナノ粒子を生成できるため、各材料の特性を全て有するナノ粒子を生成することが可能になる。

本発明の第１実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第２実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第３実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第４実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第５実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第６実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第７実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第８実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 本発明の第８実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。 図８において安着部に異なる材料が安着される例を示す図である。

以下、添付の図面に基づき、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるナノ粒子生成装置を説明する図である。図１に示すように、第１実施形態によるナノ粒子生成装置は、外観を形成する本体１０と、流体が流れるように、本体１０内部の上側において、本体１０を横方向に貫通するように設けられた流路２０と、材料を加熱するように、本体１０内部の下側に設けられた加熱ユニット３０と、を備える。

さらに、流路２０の入口２１から流体を流路２０の内部に導き、加熱ユニット３０によって加熱し生成されたナノ粒子を本体１０の外部に伝達するように送風力を提供する送風ファン（図示せず）が設置される。

流路２０の下側に設けられた加熱ユニット３０は、ナノ粒子を生成する材料４０を、直接接した状態で加熱するように設けられる。このように加熱ユニット３０が材料４０と直接接した状態で加熱する直接加熱方式を取ると、短時間で材料が蒸発する温度まで加熱され、消費電力を低減することが可能になる。また、加熱ユニット３０と材料４０間の空間が省かれ、ナノ粒子生成装置の小型化が図られる。

加熱ユニット３０の上部には、加熱ユニット３０の中央部が凹入して安着部３１が形成されており、この安着部３１に粉状の材料４０を安定的に置くことができる。

加熱ユニット３０の下部には、加熱ユニット３０を支持し、加熱ユニット３０から発生した熱が、本体１０の外部に伝達されるのを防ぐ断熱材５０が設けられている。断熱材５０の設置によって、加熱ユニット３０から発生した熱が、材料４０をより集中的に加熱させ、短時間で材料４０を蒸発可能になる。また、ナノ粒子生成装置が家電製品内に組み込まれる場合、加熱ユニット３０からの熱によって家電製品が損傷することを防止できる。

加熱ユニット３０を断熱材５０に支持させる支持部３２は、断熱材５０との接触面積を最小限にすべく、両端部のみ断熱材５０と接触し、支持部３２の中央部は断熱材５０と隔たっているため、断熱材５０と点接触または線接触する。これは、加熱ユニット３０が断熱材５０と大きい面積で接触し、加熱ユニット３０から発生する熱が断熱材５０に多く伝達されることから材料４０を加熱し蒸発させるのに時間がかかるのを防ぐためである。

また、流路２０と加熱ユニット３０との間には、流路２０内部に流れる流体が、加熱ユニット３０に直接触れるのを防ぐよう、流路２０と加熱ユニット３０とを区画する区画板４５が設置される。これは、流路２０内に流れる流体が加熱ユニット３０に直接触れ、この温度の低い流体によって加熱ユニット３０の加熱時に温度が下がるのを防止するためである。さらに、加熱ユニット３０が高温に加熱された時、加熱ユニット３０から発生した輻射熱が、断熱材５０の設置されていない上側に伝達されるのを部分的に遮断することによって、本体１０が加熱されるのを防止する役割も果たす。この点から、区画板４５は、高温でも変形しない素材とすることが好ましい。

上記のように構成されたナノ粒子生成装置で、電熱線（図示せず）の内蔵されている加熱ユニット３０の温度を上昇させると、加熱ユニット３０と接触している材料４０の温度が上昇し蒸発可能な温度に到達する。材料４０が蒸発可能な温度以上に加熱されると、流路２０に向く材料４０の表面から蒸発が発生する。

蒸発した材料は、流路２０の内部に流れる流体のため、相対的に圧力の低い流路２０側に導かれ、温度の低い流体によって瞬間的に冷却されてナノメートル大きさの固体粒子に変化する。こうして生成されたナノ粒子は、周囲の流体と共に流路２０の出口２２から排出され、連結管（図示せず）を通って必要な箇所に噴射される。

図２は、本発明の第２実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。

図２に示すように、第２実施形態によるナノ粒子生成装置は、本体１０が立設され、上下方向に流路２０が形成され、流路２０の入口２１が本体１０の下側に、流路２０の出口２２が本体１０の上側に設けられ、流体が流路２０の下側から上側に流れるようになっている。ここで、加熱ユニット３０は、下側部のみが断熱材５０によって支持され、上側部は断熱材５０と隔たって設置されるため、加熱ユニット３０が断熱材５０と接触する面積を最小化することができる。このように加熱ユニット３０の下側部のみが断熱材５０に支持されていても、加熱ユニット３０は下側から重力を受けるので安定的に支持されることができる。

この場合、加熱ユニット３０に形成された安着部３１に置かれる材料４０は、粉末そのものでは安定的に収容されず、安着部３１にコーティングまたは焼結処理されることが好ましい。

図３は、本発明の第３実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。

第３実施形態によるナノ粒子生成装置は、流路２０と加熱ユニット３０とを区画する区画板が省かれる。

その代わり、流路２０の内部に流れる流体の速度を所定以上にし、流体の直進性を向上させることによって、区画板を設置しなくても、流路２０内部に流れる流体が、加熱ユニット３０に直接接触しないようにする。なお、区画板が省かれても、流路２０の内部に流れる空気のような流体が断熱層を形成するため、加熱ユニット３０から発生した熱が本体１０に伝達されるのを防ぐことができる。

図４は、本発明の第４実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。

図４に示すように、第４実施形態によるナノ粒子生成装置は、本体１０内の流路２０が、断熱材５０及び加熱ユニット３０によって２個の流路２０ａ，２０ｂに区画され、それぞれの流路２０ａ，２０ｂでは、下側から上側へ流体が流れる。また、加熱ユニット３０の両側面には、それぞれの流路２０ａ，２０ｂに流れる流体によって材料４０ａ，４０ｂが蒸発するように、安着部３１ａ，３１ｂがそれぞれ形成され、安着部３１ａ，３１ｂには、材料４０ａ，４０ｂがそれぞれ安定的に置かれる。また、流路２０ａ，２０ｂと加熱ユニット３０との間には、区画板４５ａ，４５ｂがそれぞれ設けられ、それぞれの流路２０ａ，２０ｂに流れる流体が加熱ユニット３０に直接接触しないようにすることによって、加熱ユニット３０から発生した熱が本体１０に伝達されるのを防ぐことができる。

図５は、本発明の第５実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。

第５実施形態によるナノ粒子生成装置は、それぞれの流路２０ａ，２０ｂと加熱ユニット３０との間において区画板が省かれている。

その代わり、それぞれの流路２０ａ，２０ｂの内部に流れる流体の速度を所定以上にし流体の直進性を向上させることによって、流路２０の内部に流れる流体が加熱ユニット３０と直接接触しないようにし、加熱ユニット３０から発生した熱が本体１０に伝達されるのを防いでいる。

図６は、本発明の第６実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図である。

図６に示すように、第６実施形態によるナノ粒子生成装置は、加熱ユニット３０に内蔵された電熱線（図示せず）が、加熱ユニット３０の端部側に集中して配置されており、加熱ユニット３０は図示のような温度分布を有することになる。これにより、加熱ユニット３０を支持する断熱部材５０が、高温の加熱ユニット３０によって損傷するのを防止できる。

一方、材料４０ａ，４０ｂは、加熱ユニット３０において温度の最も高い箇所にのみ置かれ、これにより、ナノ粒子生成装置の作動時に、材料４０ａ，４０ｂが蒸発する速度が増加し、短時間でナノ粒子を生成させることができる。なお、加熱ユニット３０には、材料４０ａ，４０ｂが安定的に置かれる安着部３１ａ，３１ｂが形成され、該安着部３１ａ，３１ｂは溝状に形成される。これは、材料４０ａ，４０ｂが、加熱ユニット３０によって加熱されて固体状態から液体状態に状態変化した後に蒸発して気体状態になる過程において、液体状態の材料４０ａ，４０ｂが安着部３１ａ，３１ｂから離脱するのを防止するためである。

図７は、本発明の第７実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図であり、第７実施形態によるナノ粒子生成装置は、上記第６実施形態において加熱ユニット３０と本体１０との間に区画板４５ａ，４５ｂをさらに備える。この場合、区画板４５ａ，４５ｂは、加熱ユニット３０における温度の最も高い箇所から発生する輻射熱が、本体１０に伝達されないように、温度の最も高い部分を遮るように設置される。

図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第８実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図であり、温度の最も高い箇所を中心に、複数個の安着部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが形成される。したがって、同じ材料を複数個の安着部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに配置した後にナノ粒子生成装置を作動すると、多量のナノ粒子を一度に生成させることができる。

図９は、本発明の第９実施形態によるナノ粒子生成装置を示す図で、特に、加熱ユニット及び加熱ユニットに電源を供給する電源供給装置が示されている。それ以外は、図８Ａ及び図８Ｂに示すナノ粒子生成装置と同様に構成される。

第９実施形態によるナノ粒子生成装置は、上部に異なる材料をそれぞれ収容するための複数個の安着部３１を有する加熱ユニット３０と、加熱ユニット３０に電源を供給する電源供給装置６０と、電源供給装置６０と加熱ユニット３０とを連結する電線６１と、を備える。

加熱ユニット３０は、板状のセラミック材質からなる加熱体３５と、加熱体３５に埋設され、電源供給時に発熱するようにタングステンワイヤーからなる電熱線３６と、を備える。電熱線３６を加熱体３５に埋設したのは、電熱線３６が流路２０に流れる流体に晒されて腐食するのを防止するためである。

電熱線３６は、加熱体３５中でジグザグ状に複数回折り曲げられて配置されるため、加熱ユニット３０に置かれている材料を短時間で蒸発させることができる。

材料が安定的に置かれる複数個の安着部３１は、電熱線３６が通る経路に沿って形成される。安着部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄには、それぞれ異なる材料を配置し、これら材料が同時に蒸発されるようにし、各材料の性質を全て有するナノ粒子を生成する。

しかしながら、材料ごとに蒸発する温度が異なるため、各材料を加熱して同時にナノ粒子が生成されるようにするには、各安着部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは同時間で各材料が蒸発する温度に到達しなければならない。

同じ時間に各材料が蒸発するよう各安着部３１ａ，３１，３１ｃ，３１ｄを加熱するためには、各安着部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの周囲に埋設される電熱線３６の抵抗を異ならせなければならない。これは、それぞれの安着部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの周囲を通る電熱線３６の太さを異ならせることによって容易に達成できる。

このように異なる材料を同時に蒸発させることによって、各材料の特性を全て有するナノ粒子が生成できる。

以上では具体的な実施形態に挙げてナノ粒子生成装置について説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態の組み合わせ又は改変によるナノ粒子生成装置も含むことは言うまでもない。

１０ 本体
２０ 流路
３０ 加熱ユニット
３１ 安着部
３５ 加熱体
３６ 電熱線
４０ 材料
４５ 区画板
５０ 断熱材
６０ 電源供給装置

Claims (17)

1. 本体と、
   加熱ユニットと、
   前記本体の内部に収容され、前記加熱ユニットによって加熱することにより蒸発する材料と；
   前記蒸発した材料を凝縮させる流体が流れるように、前記本体を貫通する流路と、を備え、
   前記加熱ユニットは、その中に形成される少なくとも２つの安着部を備え、前記安着部が溝状であり、同一材料又は異なる材料である前記材料が前記各安着部内に配置されるナノ粒子生成装置。
2. 前記加熱ユニットが、前記流路の長手方向における前記流路の内面から間隙を介して設けられる請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
3. 前記加熱ユニットによって蒸発する前記材料の蒸発方向が、前記流路内の前記流体の流れ方向と平行になるように、前記加熱ユニットが、前記流路内に配置される請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
4. 前記少なくとも２つの安着部が、前記加熱ユニットの最高温度領域に形成される請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
5. 前記加熱ユニットを支持する断熱部材をさらに備える請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
6. 前記加熱ユニットの下端部のみが、前記断熱部材によって支持される請求項５に記載のナノ粒子生成装置。
7. 前記流路が、前記加熱ユニットによって複数個の流路に分離される請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
8. 前記材料が、前記安着部上にコーティングされる、又は前記材料が焼結処理された後に前記安着部内に配置される請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
9. 前記加熱ユニットが、加熱体と、前記加熱体の内部に埋設されて前記安着部を加熱する少なくとも１つの電熱線と、を備える請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
10. 前記異なる安着部が異なる温度に加熱されるように、前記各安着部の周囲に埋設される前記電熱線の抵抗が互いに異なる請求項９に記載のナノ粒子生成装置。
11. 前記電熱線が、前記加熱ユニットの端部に集められる請求項９に記載のナノ粒子生成装置。
12. 少なくとも１つの区画板が、前記加熱ユニットと前記本体との間に配置される請求項１に記載のナノ粒子生成装置。
13. 前記区画板が、前記加熱ユニットの最高温度領域を覆う請求項１２に記載のナノ粒子生成装置。
14. 前記安着部が、特定の板状加熱体の一側面上に形成される請求項９に記載のナノ粒子生成装置。
15. 前記電熱線が、前記加熱体内において特定のジグザグ状に複数回折り曲げられる請求項９に記載のナノ粒子生成装置。
16. 前記安着部が、前記電熱線が広がる経路に沿って形成される請求項９に記載のナノ粒子生成装置。
17. 前記複数個の安着部に異なる材料が置かれる場合には、前記各安着部は同一時間に各材料が蒸発する温度に到達するように加熱される、請求項１に記載のナノ粒子生成装置。

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