JP5824906B2 - 金属粉末製造用プラズマ装置及び金属粉末製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属粉末を製造するプラズマ装置に関し、特に管状の冷却管を備え、溶融・蒸発させた金属蒸気を当該冷却管で冷却することにより金属粉末を製造するプラズマ装置及び金属粉末製造方法に関するものである。
電子回路や配線基板、抵抗、コンデンサ、ＩＣパッケージ等の電子部品の製造において、導体被膜や電極を形成するために導電性の金属粉末が用いられている。このような金属粉末に求められる特性や性状としては、不純物が少ないこと、平均粒径が０．０１〜１０μm程度の微細な粉末であること、粒子形状や粒径がそろっていること、凝集が少ないこと、ペースト中での分散性が良いこと、結晶性が良好であることなどが挙げられる。
近年、電子部品や配線基板の小型化に伴い、導体被膜や電極の薄層化やファインピッチ化が進んでいることから、さらに微細で球状かつ高結晶性の金属粉末が要望されている。
近年、電子部品や配線基板の小型化に伴い、導体被膜や電極の薄層化やファインピッチ化が進んでいることから、さらに微細で球状かつ高結晶性の金属粉末が要望されている。
このような微細な金属粉末を製造する方法の一つとして、プラズマを利用し、反応容器内において金属原料を溶融・蒸発させた後、金属蒸気を冷却し、凝結させて金属粉末を得るプラズマ装置が知られている（特許文献１、２参照）。これらのプラズマ装置では、金属蒸気を気相中で凝結させるため、不純物が少なく、微細で球状かつ結晶性の高い金属粒子を製造することが可能である。
これらのプラズマ装置は共に長い管状の冷却管を備え、金属蒸気を含むキャリアガスに対して複数段階の冷却を行っている。例えば特許文献１では、前記キャリアガスに、予め加熱したホットガスを直接混合することによって冷却を行う第１冷却部と、その後、常温の冷却ガスを直接混合することにより冷却を行う第２の冷却部とを備えている。
また、特許文献２のプラズマ装置では、管状体の周囲に冷却用の流体を循環させることにより、当該流体を前記キャリアガスに直接接触させることなく、キャリアガスを冷却する間接冷却区画（第１の冷却部）と、その後、キャリアガスに冷却用流体を直接混合することによって冷却を行う直接冷却区画（第２の冷却部）を備えている。
特に後者の場合、間接冷却区画におけるキャリアガスの流れに乱れが生じにくいため、安定的に核の生成、成長及び結晶化を行うことができ、制御された粒径と粒度分布を備えた金属粉末を得ることができる。
これらのプラズマ装置は共に長い管状の冷却管を備え、金属蒸気を含むキャリアガスに対して複数段階の冷却を行っている。例えば特許文献１では、前記キャリアガスに、予め加熱したホットガスを直接混合することによって冷却を行う第１冷却部と、その後、常温の冷却ガスを直接混合することにより冷却を行う第２の冷却部とを備えている。
また、特許文献２のプラズマ装置では、管状体の周囲に冷却用の流体を循環させることにより、当該流体を前記キャリアガスに直接接触させることなく、キャリアガスを冷却する間接冷却区画（第１の冷却部）と、その後、キャリアガスに冷却用流体を直接混合することによって冷却を行う直接冷却区画（第２の冷却部）を備えている。
特に後者の場合、間接冷却区画におけるキャリアガスの流れに乱れが生じにくいため、安定的に核の生成、成長及び結晶化を行うことができ、制御された粒径と粒度分布を備えた金属粉末を得ることができる。
ところで、これらの文献に記載されたプラズマ装置では、冷却管内で金属蒸気が凝結する際、その一部が冷却管の内壁に付着することが避けられなかった。当該付着物は徐々に堆積し、次第に冷却管内のキャリアガスの流れを妨げたり、場合によっては冷却管を閉塞するといった問題を生じることになる。
特に、特許文献２記載のプラズマ装置は、冷却管内の全域にわたって冷却用流体を噴出する機構を備える特許文献１の装置と比べ、その冷却管の上流側（第１の冷却部側）の内壁に付着物が、より付着しやすいという問題がある。
従来、このような付着物を除去するために、定期的及び／又は不定期的にプラズマ装置の稼働を停止し、装置が十分冷めてから冷却管を分解し、管内の付着物を除去しなければならなかった。
ところで、これらのプラズマ装置は、プラズマを発生させた後も、金属蒸気を安定して生成できるようになるまでに相当の時間を要する。そのため、付着物を除去するためには、プラズマ装置を停止させてから冷却管を分解するまでに要する時間と、実際の付着物の除去作業に要する時間に加え、装置の稼働を再開した後、金属蒸気が安定生成されるまでに要する時間が必要であり、金属粉末の生産効率という観点で問題であった。
本発明は、これらの問題を解決し、冷却管を有する金属粉末製造用のプラズマ装置において、冷却管の内壁に付着・堆積した付着物を容易に除去することができ、より生産効率の良いプラズマ装置及び金属粉末製造方法を提供することを目的とする。
特に、特許文献２記載のプラズマ装置は、冷却管内の全域にわたって冷却用流体を噴出する機構を備える特許文献１の装置と比べ、その冷却管の上流側（第１の冷却部側）の内壁に付着物が、より付着しやすいという問題がある。
従来、このような付着物を除去するために、定期的及び／又は不定期的にプラズマ装置の稼働を停止し、装置が十分冷めてから冷却管を分解し、管内の付着物を除去しなければならなかった。
ところで、これらのプラズマ装置は、プラズマを発生させた後も、金属蒸気を安定して生成できるようになるまでに相当の時間を要する。そのため、付着物を除去するためには、プラズマ装置を停止させてから冷却管を分解するまでに要する時間と、実際の付着物の除去作業に要する時間に加え、装置の稼働を再開した後、金属蒸気が安定生成されるまでに要する時間が必要であり、金属粉末の生産効率という観点で問題であった。
本発明は、これらの問題を解決し、冷却管を有する金属粉末製造用のプラズマ装置において、冷却管の内壁に付着・堆積した付着物を容易に除去することができ、より生産効率の良いプラズマ装置及び金属粉末製造方法を提供することを目的とする。
本発明のプラズマ装置は、金属原料が供給される反応容器と、前記反応容器内の金属原料との間でプラズマを生成し、前記金属原料を蒸発させて金属蒸気を生成するプラズマトーチと、前記金属蒸気を搬送するためのキャリアガスを前記反応容器内に供給するキャリアガス供給部と、前記反応容器から前記キャリアガスによって移送される前記金属蒸気を冷却して金属粉末を生成する冷却管を備える金属粉末製造用プラズマ装置であって、
前記冷却管をその長手方向下流側が上方にあるように水平方向に対し１０〜８０°傾けて前記反応容器に設置すると共に、前記冷却管の内壁に付着した付着物を除去するスクレーパーを、前記冷却管の長手方向下流端から前記冷却管内に嵌挿したことを特徴とする。
前記冷却管をその長手方向下流側が上方にあるように水平方向に対し１０〜８０°傾けて前記反応容器に設置すると共に、前記冷却管の内壁に付着した付着物を除去するスクレーパーを、前記冷却管の長手方向下流端から前記冷却管内に嵌挿したことを特徴とする。
本発明のプラズマ装置は、冷却管がその長手方向下流側が上方にあるように水平方向に対して傾いて反応容器に設置され、尚かつ、冷却管内壁に付着・堆積した付着物を掻き落とすスクレーパーが、冷却管の下流端から冷却管内に嵌挿されているため、当該スクレーパーを冷却管内で往復動及び／又は駆動させることにより、付着物を容易に除去できる。
以下、具体的な実施形態に基づきながら本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔第１の実施形態〕
図１は、前記特許文献２と同様の移行型アークプラズマ装置に本発明を適用した第１の実施形態を示しており、反応容器２の内部で金属原料を溶融・蒸発させ、生成された金属蒸気を冷却管３内で冷却して凝結させることにより金属粒子を生成する。
なお、以下の説明において、上流側や下流側とは、図１中の矢印で示した冷却管３の長手方向における向きを言い、上方や下方とは、図１中の矢印で示した鉛直方向における上下方向を言う。
〔第１の実施形態〕
図１は、前記特許文献２と同様の移行型アークプラズマ装置に本発明を適用した第１の実施形態を示しており、反応容器２の内部で金属原料を溶融・蒸発させ、生成された金属蒸気を冷却管３内で冷却して凝結させることにより金属粒子を生成する。
なお、以下の説明において、上流側や下流側とは、図１中の矢印で示した冷却管３の長手方向における向きを言い、上方や下方とは、図１中の矢印で示した鉛直方向における上下方向を言う。
なお、本発明において金属原料としては、目的とする金属粉末の金属成分を含有する導電性の物質であれば特に制限はなく、純金属の他、２種以上の金属成分を含む合金や複合物、混合物、化合物等を使用することができる。金属成分の一例としては、銀、金、カドミウム、コバルト、銅、鉄、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、タンタル、チタン、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ等を挙げることができる。特に制限はないが、取扱い易さから、金属原料としては数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の大きさの粒状や塊状の金属材料又は合金材料を使用することが好ましい。
以下においては理解容易のため、金属粉末としてニッケル粉末を製造し、金属原料として金属ニッケルを用いる例で説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
金属ニッケルは、予め、装置の稼働を開始する前に、反応容器２内に所定量を準備しておき、装置の稼働開始後は、金属蒸気となって反応容器２内から減少した量に応じて、随時、フィードポート９から反応容器２内に補充される。そのため本発明のプラズマ装置１は、長時間連続して金属粉末を製造することが可能である。
金属ニッケルは、予め、装置の稼働を開始する前に、反応容器２内に所定量を準備しておき、装置の稼働開始後は、金属蒸気となって反応容器２内から減少した量に応じて、随時、フィードポート９から反応容器２内に補充される。そのため本発明のプラズマ装置１は、長時間連続して金属粉末を製造することが可能である。
反応容器２の上方にはプラズマトーチ４が配置され、図示しない供給管を介してプラズマトーチ４にプラズマ生成ガスが供給される。プラズマトーチ４は、カソード６を陰極、プラズマトーチ４の内部に設けられた図示しないアノードを陽極としてプラズマ７を発生させた後、陽極をアノード５に移行することにより、カソード６とアノード５との間でプラズマ７を生成し、当該プラズマ７の熱により反応容器２内の金属ニッケルの少なくとも一部を溶融させ、ニッケルの溶湯８を生成する。さらにプラズマトーチ４は、プラズマ７の熱により、溶湯８の一部を蒸発させ、ニッケル蒸気（本発明の金属蒸気に相当する）を発生させる。
キャリアガス供給部１０は、ニッケル蒸気を搬送するためのキャリアガスを反応容器２内に供給する。キャリアガスとしては、製造する金属粉末が貴金属の場合は特に制限はなく、空気、酸素、水蒸気等の酸化性ガスや、窒素、アルゴン等の不活性ガス、これらの混合ガス等を使用することができ、酸化しやすいニッケル、銅等の卑金属を製造する場合は不活性ガスを用いることが好ましい。特に断らない限り、以下の説明においては、キャリアガスとして窒素ガスを使用する。
なお、キャリアガスには、必要に応じて水素、一酸化炭素、メタン、アンモニアガスなどの還元性ガスや、アルコール類、カルボン酸類などの有機化合物を混合してもよく、その他、金属粉末の性状や特性を改善・調整するために、酸素や、その他、リンや硫黄等の成分を含有させても良い。なお、プラズマの生成に使用されたプラズマ生成ガスも、キャリアガスの一部として機能する。
なお、キャリアガスには、必要に応じて水素、一酸化炭素、メタン、アンモニアガスなどの還元性ガスや、アルコール類、カルボン酸類などの有機化合物を混合してもよく、その他、金属粉末の性状や特性を改善・調整するために、酸素や、その他、リンや硫黄等の成分を含有させても良い。なお、プラズマの生成に使用されたプラズマ生成ガスも、キャリアガスの一部として機能する。
反応容器２と、冷却管３の上流端（図１中に図示される冷却管上流側の端部近傍）との間には、冷却管３の内径よりも径の小さい導入口１１が設けられており、反応容器２と冷却管３とは導入口１１を介して連通している。従って、反応容器２内で発生したニッケル蒸気を含むキャリアガスは、導入口１１を通って冷却管３に移送される。
冷却管３は、キャリアガスに含まれるニッケル蒸気及び／又はニッケル粉末を間接的に冷却する間接冷却区画ＩＣと、キャリアガスに含まれるニッケル蒸気及び／又はニッケル粉末を直接的に冷却する直接冷却区画ＤＣを備える。なお、後述するように、冷却管３は更に待機用区画ＡＣを備えるものであっても良い。
間接冷却区画ＩＣでは、冷却用流体や外部ヒータ等を用いて、冷却管３の周囲を冷却又は加熱し、間接冷却区画ＩＣの温度を制御することによって冷却を行う。冷却用流体としては、前述したキャリアガスやその他の気体を用いることができ、また水、温水、メタノール、エタノール或いはこれらの混合物等の液体を用いることもできる。但し、冷却効率やコスト的な観点からは、冷却用流体には水又は温水を用い、これを冷却管３の周囲を循環させて冷却管３を冷却することが望ましい。
間接冷却区画ＩＣにおいては、高温のまま冷却管３内に移送されるキャリアガス中のニッケル蒸気は輻射により比較的緩やかな速度で冷却され、安定的且つ均一的に温度制御された雰囲気中で核の生成、成長、結晶化が進行することで、キャリアガス中に粒径の揃ったニッケル粉末が生成される。
冷却管３は、キャリアガスに含まれるニッケル蒸気及び／又はニッケル粉末を間接的に冷却する間接冷却区画ＩＣと、キャリアガスに含まれるニッケル蒸気及び／又はニッケル粉末を直接的に冷却する直接冷却区画ＤＣを備える。なお、後述するように、冷却管３は更に待機用区画ＡＣを備えるものであっても良い。
間接冷却区画ＩＣでは、冷却用流体や外部ヒータ等を用いて、冷却管３の周囲を冷却又は加熱し、間接冷却区画ＩＣの温度を制御することによって冷却を行う。冷却用流体としては、前述したキャリアガスやその他の気体を用いることができ、また水、温水、メタノール、エタノール或いはこれらの混合物等の液体を用いることもできる。但し、冷却効率やコスト的な観点からは、冷却用流体には水又は温水を用い、これを冷却管３の周囲を循環させて冷却管３を冷却することが望ましい。
間接冷却区画ＩＣにおいては、高温のまま冷却管３内に移送されるキャリアガス中のニッケル蒸気は輻射により比較的緩やかな速度で冷却され、安定的且つ均一的に温度制御された雰囲気中で核の生成、成長、結晶化が進行することで、キャリアガス中に粒径の揃ったニッケル粉末が生成される。
直接冷却区画ＤＣでは、間接冷却区画ＩＣから移送されてきたニッケル蒸気及び／又はニッケル粉末に対し、図示しない冷却流体供給部から供給される冷却用流体を噴出又は混合して、直接冷却を行う。なお、直接冷却区画ＤＣで使用する冷却用流体は、間接冷却区画ＩＣで使用した冷却用流体と同じものでも異なるものでも良いが、取扱いのし易さやコスト的な観点から、前記キャリアガスと同じ気体（以下の実施形態においては窒素ガス）を使用することが好ましい。
気体を使用する場合、前述したキャリアガスと同様に、必要に応じて還元性ガスや有機化合物、酸素、リン、硫黄等の成分を混合して用いても良い。また、冷却用流体が液体を含む場合は、当該液体は噴霧された状態で冷却管３内へ導入される。
気体を使用する場合、前述したキャリアガスと同様に、必要に応じて還元性ガスや有機化合物、酸素、リン、硫黄等の成分を混合して用いても良い。また、冷却用流体が液体を含む場合は、当該液体は噴霧された状態で冷却管３内へ導入される。
間接冷却区画ＩＣ内のキャリアガス中には、ニッケル蒸気とニッケル粉末が混在しているが、その上流側に比べ、下流側のニッケル蒸気の比率は低くなる。また、装置によっては、直接冷却区画ＤＣ内のキャリアガス中においても、ニッケル蒸気とニッケル粉末は混在し得る。但し、上述したように、核の生成、成長、結晶化は間接冷却区画ＩＣ内で進行し、完了していることが好ましく、よって直接冷却区画ＤＣ内のキャリアガス中にはニッケル蒸気が含まれないことが好ましい。
プラズマ装置１の稼働中、上述した冷却管３において、キャリアガス中のニッケル粉末の一部やニッケル蒸気からの析出物が徐々に冷却管３の内壁に付着し、場合によっては酸化物やその他の化合物となって堆積する。これらのニッケル蒸気由来の付着物の堆積が更に増えると、冷却管３の内径を狭めたり、キャリアガスの流れを乱す原因となり、ニッケル粉末の粒径や粒度分布の制御に悪影響を与える他、場合によっては冷却管３内を閉塞させることもある。特に、間接冷却区画ＩＣを有する冷却管３の上流側において、付着物が多くなる傾向が見られる。
後述する理由から、本発明においては、冷却管３の下流端若しくはその近傍に、金属粉末を搬送するキャリアガスの搬送方向を、冷却管３の長手方向と異なる方向へ誘導する誘導管を備えることが好ましい。
第１の実施形態における誘導管１３は、キャリアガスを冷却管３の長手方向に対してほぼ直交する方向に誘導している。誘導管１３によって誘導されたキャリアガスは、図示しない捕集器へと搬送され、当該捕集器において金属粉末とキャリアガスとに分離され、金属粉末が回収される。なお、捕集器で分離されたキャリアガスは、キャリアガス供給部１０で再利用するように構成しても良い。
ここで誘導管１３内又はその近傍に、誘導方向に向けてガスを噴出する誘導ガス噴出部を設けても良い。誘導ガスにより、キャリアガスの搬送方向の転換をスムーズに行うことができる。誘導ガスとしては、窒素ガス等、前記キャリアガスと同様のものを用いることができる。
後述する理由から、本発明においては、冷却管３の下流端若しくはその近傍に、金属粉末を搬送するキャリアガスの搬送方向を、冷却管３の長手方向と異なる方向へ誘導する誘導管を備えることが好ましい。
第１の実施形態における誘導管１３は、キャリアガスを冷却管３の長手方向に対してほぼ直交する方向に誘導している。誘導管１３によって誘導されたキャリアガスは、図示しない捕集器へと搬送され、当該捕集器において金属粉末とキャリアガスとに分離され、金属粉末が回収される。なお、捕集器で分離されたキャリアガスは、キャリアガス供給部１０で再利用するように構成しても良い。
ここで誘導管１３内又はその近傍に、誘導方向に向けてガスを噴出する誘導ガス噴出部を設けても良い。誘導ガスにより、キャリアガスの搬送方向の転換をスムーズに行うことができる。誘導ガスとしては、窒素ガス等、前記キャリアガスと同様のものを用いることができる。
本発明は、冷却管３内に付着した付着物を除去するためスクレーパーを有し、これを前述した冷却管の下流端から嵌挿したことを特徴の一つとする。
第１の実施形態におけるスクレーパー２０は、図２に示すように、棒状のシャフト２１の一端に、付着物を掻き落とすためのスクレーパーヘッド２２を備えた形状であり、スクレーパー２０の全長は、冷却管３の長手方向の長さよりも長いことが好ましい。スクレーパー２０の内、スクレーパーヘッド２２は冷却管３内に、また、シャフト２１は冷却管３の下流端に設けられた挿入口３１に嵌挿され、少なくともその一部が冷却管３外に配置されている。
第１の実施形態におけるスクレーパー２０は、図２に示すように、棒状のシャフト２１の一端に、付着物を掻き落とすためのスクレーパーヘッド２２を備えた形状であり、スクレーパー２０の全長は、冷却管３の長手方向の長さよりも長いことが好ましい。スクレーパー２０の内、スクレーパーヘッド２２は冷却管３内に、また、シャフト２１は冷却管３の下流端に設けられた挿入口３１に嵌挿され、少なくともその一部が冷却管３外に配置されている。
従来の冷却管を備えるプラズマ装置においては、捕集器が管状の冷却管の延長上に設けられることが多く、上述した形状のスクレーパー２０を配置すること自体が難しかったが、誘導管１３を備えることにより、冷却管３の延長上に空間を形成することができるようになり、スクレーパー２０を配置することが容易になり好ましい。但し、装置が複雑化することを厭わなければ、誘導管を具えることなくスクレーパー２０を配置することも可能であり、本発明において誘導管は必ずしも必須の構成ではない。
シャフト２１は挿入口３に嵌挿された状態で取り付けられているため、シャフト２１は冷却管３の長手方向の往復動が自在であると同時に、シャフト２１の軸を中心とした軸周り方向の回動も自在である。
なお、スクレーパーヘッド２２の径方向（シャフト２１に対して直交する方向）の最大長さは、冷却管３内の最小内径よりも小さく設定される。
なお、スクレーパーヘッド２２の径方向（シャフト２１に対して直交する方向）の最大長さは、冷却管３内の最小内径よりも小さく設定される。
上述のように構成された第１の実施形態において、定期或いは不定期に付着物を除去する時には、冷却管３外のシャフト２１を操作して、シャフト２１を冷却管３の長手方向に往復動させると共に、軸周り方向に回動させる。この際のシャフト２１の操作は、人の手によるものでも構わないし、モーター等の駆動機構によるものでも構わない。そしてスクレーパーヘッド２２が冷却管３内壁の付着物に対して物理的な力を加えることにより、付着物を効果的に掻き落とすことができる。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は第１の実施形態のスクレーパーヘッド２２の詳細であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のII-II線から見た矢視図であり、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）のIIA-IIA’線から見た矢視図である。
図示されるように、スクレーパーヘッド２２は、第１スクレーパーヘッド２２ａ、第２スクレーパーヘッド２２ｂ、突出爪２７を有し、第１スクレーパーヘッド２２ａと第２スクレーパーヘッド２２ｂは、いずれも３本の輻を有するリング形状を呈している。
また、第１スクレーパーヘッド２２ａ、第２スクレーパーヘッド２２ｂはそれぞれ歯角の異なる鋸歯形状の爪部２３ａ及び２３ｂを具備している。このため、スクレーパーヘッド２２を冷却管３の上流側に移動させると、先ず第１スクレーパーヘッド２２ａの爪部２３ａによって冷却管３の内壁の付着物が大まかに掻き落され、次いで第２スクレーパーヘッド２２ａの爪部２３ｂによって、残留している付着物が掻き落とされる。
更に、導入口１１に対峙するスクレーパーヘッド２２上の位置には、突出爪２７が設けられているため、必要に応じてスクレーパーヘッド２２を冷却管３の上流端で回動及び／又は往復動させることにより、導入口１１並びにその周囲に付着した付着物を除去することもできる。
図示されるように、スクレーパーヘッド２２は、第１スクレーパーヘッド２２ａ、第２スクレーパーヘッド２２ｂ、突出爪２７を有し、第１スクレーパーヘッド２２ａと第２スクレーパーヘッド２２ｂは、いずれも３本の輻を有するリング形状を呈している。
また、第１スクレーパーヘッド２２ａ、第２スクレーパーヘッド２２ｂはそれぞれ歯角の異なる鋸歯形状の爪部２３ａ及び２３ｂを具備している。このため、スクレーパーヘッド２２を冷却管３の上流側に移動させると、先ず第１スクレーパーヘッド２２ａの爪部２３ａによって冷却管３の内壁の付着物が大まかに掻き落され、次いで第２スクレーパーヘッド２２ａの爪部２３ｂによって、残留している付着物が掻き落とされる。
更に、導入口１１に対峙するスクレーパーヘッド２２上の位置には、突出爪２７が設けられているため、必要に応じてスクレーパーヘッド２２を冷却管３の上流端で回動及び／又は往復動させることにより、導入口１１並びにその周囲に付着した付着物を除去することもできる。
スクレーパー２０の材質は耐熱性を備えるものであれば良く、例えばＳＵＳやインコネル等で形成されることが好ましい。また、シャフト２１とスクレーパーヘッド２２は一体成型されたものでも良いし、別体を接合したものでも良い。また、シャフト２１とスクレーパーヘッド２２は、一体的に動作可能であれば必ずしも固定されている必要はなく、例えばバネ等の弾性体を含むダンパー機構を介して接続されても良い。
付着物の除去作業を行っていない時、例えば金属粉末の製造時には、スクレーパーヘッド２２を冷却管３の下流側で待機させることが望ましい。
スクレーパーヘッド２２の待機位置は、金属粉末の成長がほぼ終了している間接冷却区画ＩＣ（第１冷却部）より下流側であれば良く、より好ましくは下流端近傍である。スクレーパーヘッド２２の待機位置を、直接冷却区画ＤＣ以降の下流側とすることにより、スクレーパーヘッド２２への付着物の付着を抑制でき、また、スクレーパーヘッド２２によってキャリアガスに乱流が生じ、金属粉末の粒径や粒度分布に悪影響を与えるリスクを低減することができる。
スクレーパーヘッド２２の待機位置は、金属粉末の成長がほぼ終了している間接冷却区画ＩＣ（第１冷却部）より下流側であれば良く、より好ましくは下流端近傍である。スクレーパーヘッド２２の待機位置を、直接冷却区画ＤＣ以降の下流側とすることにより、スクレーパーヘッド２２への付着物の付着を抑制でき、また、スクレーパーヘッド２２によってキャリアガスに乱流が生じ、金属粉末の粒径や粒度分布に悪影響を与えるリスクを低減することができる。
第１の実施形態においては、冷却管３に待機用区画ＡＣを設け、除去作業時以外はスクレーパーヘッド２２を待機用区画ＡＣに待機させている。
但し、待機用区画ＡＣは必ずしも設ける必要はなく、後述するように直接冷却区画ＤＣで待機させても良い。また、スクレーパーヘッド２２を、付着物が付着しにくい材質や形状の部材で構成したり、キャリアガスの乱流を生じ難い形状とした場合には、更に上流側でスクレーパーヘッド２２を待機させることも可能である。
但し、待機用区画ＡＣは必ずしも設ける必要はなく、後述するように直接冷却区画ＤＣで待機させても良い。また、スクレーパーヘッド２２を、付着物が付着しにくい材質や形状の部材で構成したり、キャリアガスの乱流を生じ難い形状とした場合には、更に上流側でスクレーパーヘッド２２を待機させることも可能である。
本発明のプラズマ装置１は、冷却管３を、その下流側が上方にあるように水平方向に対して１０〜８０°の範囲で傾けたことを特徴の一つとする。
従来の冷却管を備えるプラズマ装置においては、冷却管を水平方向か鉛直方向に向けて設置する場合が多かったが、冷却管を水平方向に設置した場合には、スクレーパー２０で掻き落とした付着物が冷却管内に溜まってしまうため、溜まった付着物を回収する機構を新たに設ける必要が出てくる。
冷却管を鉛直方向に設置した場合には、掻き落とした付着物が冷却管内に溜まることはないが、鉛直方向下向き（冷却管の下流側が下方）の冷却管の場合は、掻き落とした付着物が目的物たる金属粉末中に混入して金属粉末の品質を低下させる恐れが生じる。また、鉛直方向上向き（冷却管の下流側が上方）の冷却管の場合は、掻き落とした付着物が反応容器内に逆戻りし、溶湯の温度を低下させたり、不純物濃度が高くなるといった恐れが生じる。
本発明は、上述したスクレーパー２０を備えると同時に、冷却管３を水平方向に対して１０〜８０°の範囲で傾けて設置したことにより、特に回収機構を新たに設けることなく、スクレーパー２０で掻き落した付着物を冷却管３の上流側に集めることができる。より好ましい傾斜角度は３０〜６０°である。
図１に示されている第１の実施形態の冷却管３は、その下流側が上方にあるように水平方向に対して４５°傾けて設置されている。
スクレーパー２０によって掻き落とされた付着物は、特段の回収機構を具備しないにも関わらず、スクレーパー２０の往復動と重力だけで冷却管３の上流側に集められる。
従来の冷却管を備えるプラズマ装置においては、冷却管を水平方向か鉛直方向に向けて設置する場合が多かったが、冷却管を水平方向に設置した場合には、スクレーパー２０で掻き落とした付着物が冷却管内に溜まってしまうため、溜まった付着物を回収する機構を新たに設ける必要が出てくる。
冷却管を鉛直方向に設置した場合には、掻き落とした付着物が冷却管内に溜まることはないが、鉛直方向下向き（冷却管の下流側が下方）の冷却管の場合は、掻き落とした付着物が目的物たる金属粉末中に混入して金属粉末の品質を低下させる恐れが生じる。また、鉛直方向上向き（冷却管の下流側が上方）の冷却管の場合は、掻き落とした付着物が反応容器内に逆戻りし、溶湯の温度を低下させたり、不純物濃度が高くなるといった恐れが生じる。
本発明は、上述したスクレーパー２０を備えると同時に、冷却管３を水平方向に対して１０〜８０°の範囲で傾けて設置したことにより、特に回収機構を新たに設けることなく、スクレーパー２０で掻き落した付着物を冷却管３の上流側に集めることができる。より好ましい傾斜角度は３０〜６０°である。
図１に示されている第１の実施形態の冷却管３は、その下流側が上方にあるように水平方向に対して４５°傾けて設置されている。
スクレーパー２０によって掻き落とされた付着物は、特段の回収機構を具備しないにも関わらず、スクレーパー２０の往復動と重力だけで冷却管３の上流側に集められる。
なお、第１の実施形態においては、反応容器２と冷却管３とは、冷却管３の内径よりも径の小さい導入口１１を介して連通しているため、集められた付着物が反応容器２内には逆戻りしにくくなっている。このように、本発明においては、冷却管３の上流端が冷却管３の内径より径の小さい導入口１１を介して反応容器１と連通していることが好ましい。
更に、第１の実施形態においては、冷却管３の上流側に、付着物を冷却管３外へと排出する開口部３２を備えている。冷却流体供給部（図示せず）を有する直接冷却区画ＤＣに開口部３２を設けると、冷却流体供給部の構成が複雑化するため、開口部３２は間接冷却区画ＩＣに設けることが好ましい。
開口部３２には、冷却管３の内壁と段差が生じないように形成された開閉扉３３が設けられており、付着物の除去作業時のみ開放される。これにより、通常の金属粉末の製造時において、キャリアガスに乱流が発生することを極力抑えることができる。
連結部３４は、開閉扉３３を囲むように設けられており、連結部３４に対して装脱着可能な回収容器３５が取り付けられる。付着物の除去作業時には開閉扉３３が開放され、付着物は開口部３２から冷却管３外へ排出され、回収容器３５によって回収される。
開口部３２には、冷却管３の内壁と段差が生じないように形成された開閉扉３３が設けられており、付着物の除去作業時のみ開放される。これにより、通常の金属粉末の製造時において、キャリアガスに乱流が発生することを極力抑えることができる。
連結部３４は、開閉扉３３を囲むように設けられており、連結部３４に対して装脱着可能な回収容器３５が取り付けられる。付着物の除去作業時には開閉扉３３が開放され、付着物は開口部３２から冷却管３外へ排出され、回収容器３５によって回収される。
〔第２の実施形態〕
図３及び図４は、第２の実施形態を示すものであり、図中、第１の実施形態と同様の部位には第１の実施形態と同じ符号を付し、以下説明を割愛する。
第２の実施形態においてプラズマ装置１０１の冷却管１０３は、その下流側が上方にあるように水平方向に対して７０°傾いて設置されている。また、開閉扉１３３は冷却管１０３の外壁に沿って摺動する引き戸型である。
図３及び図４は、第２の実施形態を示すものであり、図中、第１の実施形態と同様の部位には第１の実施形態と同じ符号を付し、以下説明を割愛する。
第２の実施形態においてプラズマ装置１０１の冷却管１０３は、その下流側が上方にあるように水平方向に対して７０°傾いて設置されている。また、開閉扉１３３は冷却管１０３の外壁に沿って摺動する引き戸型である。
図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIII-III線から見た矢視図であり、同図に示されるように、第２の実施形態においては、湾曲した誘導管１１３が冷却管１０３の下流端面に連結していることにより、金属粉末を含むキャリアガスの搬送方向を冷却管１０３の長手方向と異なる方向へ誘導している。
図４（Ａ）〜（Ｅ）は第２の実施形態のスクレーパーヘッド１２２の詳細図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のIV-IV線から見た矢視図であり、図４（Ｃ）は図４（Ｂ）のIVA-IVA’ 線から見た矢視図であり、図４（Ｄ）及び図４（Ｅ）は図４（Ｂ）のIVB-IVB’ 線から見た矢視図である。
図４（Ａ）に示されるように、第２の実施形態におけるスクレーパー１２０の一端部近傍には、人手によるシャフト１２１の操作を容易にするためのハンドル１２８が備えられている。
また、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示されるように、スクレーパーヘッド１２２は、シャフト１２１を中心に放射状に伸びた４本の輻と、突出長の異なる２つの爪部１２５、１２６と、リング状の爪部１２４とからなる形状を呈し、スクレーパーヘッド１２２の外径は、冷却管１０３の内径よりも僅かに小さく形成されている。
また、図３（Ａ）に示されるように、冷却管１０３の下流端には、スクレーパー１２０が往復動する際の動きをガイドするシャフトガイド１４０を備え、本実施形態においてスクレーパー１２０は、シャフトガイド１４０の挿入孔１３１に嵌挿されている。
図４（Ａ）に示されるように、第２の実施形態におけるスクレーパー１２０の一端部近傍には、人手によるシャフト１２１の操作を容易にするためのハンドル１２８が備えられている。
また、図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）に示されるように、スクレーパーヘッド１２２は、シャフト１２１を中心に放射状に伸びた４本の輻と、突出長の異なる２つの爪部１２５、１２６と、リング状の爪部１２４とからなる形状を呈し、スクレーパーヘッド１２２の外径は、冷却管１０３の内径よりも僅かに小さく形成されている。
また、図３（Ａ）に示されるように、冷却管１０３の下流端には、スクレーパー１２０が往復動する際の動きをガイドするシャフトガイド１４０を備え、本実施形態においてスクレーパー１２０は、シャフトガイド１４０の挿入孔１３１に嵌挿されている。
第２の実施形態において付着物を除去する際は、人手でハンドル１２８を操作し、スクレーパー１２０を回動及び／又は往復動させる。
なお、スクレーパーヘッド１２２は３種類の爪部を有しているため、スクレーパーヘッド１２２が冷却管１０３の上流側に向けて移動する際には、先ず、最も突出している第１突出爪１２５によって付着物が大まかに掻き落され、次いで、第２突出爪１２６とリング状爪部１２４によって残留する付着物を満遍なく掻き落すことができ、比較的小さな力で効率良く付着物を除去することができる。
なお、スクレーパーヘッド１２２は３種類の爪部を有しているため、スクレーパーヘッド１２２が冷却管１０３の上流側に向けて移動する際には、先ず、最も突出している第１突出爪１２５によって付着物が大まかに掻き落され、次いで、第２突出爪１２６とリング状爪部１２４によって残留する付着物を満遍なく掻き落すことができ、比較的小さな力で効率良く付着物を除去することができる。
〔第３の実施形態〕
図５及び図６は、第３の実施形態を示すものであり、図中、第１〜２の実施形態と同様の部位には第１〜２の実施形態と同じ符号を付し、以下説明を割愛する。
第３の実施形態においてプラズマ装置２０１の冷却管２０３は、その下流側が上方にあるように水平方向に対して２０°傾いて設置されている。本実施形態において誘導管２１３は、その断面の形状や径は冷却管２０３とほぼ同一であり、冷却管２０３の下流端から連続的に湾曲することで、金属粉末を含むキャリアガスの搬送方向を冷却管２０３の長手方向と異なる方向に誘導している。
本実施形態においては、待機用区画ＡＣを具備せず、スクレーパーヘッド２２２は直接冷却区画ＤＣで待機する。
また、本実施形態においては冷却管２０３の傾斜角度が２０°と緩やかなことから、反応容器２と冷却管２０３との間に導入口は設けられていない。
図５及び図６は、第３の実施形態を示すものであり、図中、第１〜２の実施形態と同様の部位には第１〜２の実施形態と同じ符号を付し、以下説明を割愛する。
第３の実施形態においてプラズマ装置２０１の冷却管２０３は、その下流側が上方にあるように水平方向に対して２０°傾いて設置されている。本実施形態において誘導管２１３は、その断面の形状や径は冷却管２０３とほぼ同一であり、冷却管２０３の下流端から連続的に湾曲することで、金属粉末を含むキャリアガスの搬送方向を冷却管２０３の長手方向と異なる方向に誘導している。
本実施形態においては、待機用区画ＡＣを具備せず、スクレーパーヘッド２２２は直接冷却区画ＤＣで待機する。
また、本実施形態においては冷却管２０３の傾斜角度が２０°と緩やかなことから、反応容器２と冷却管２０３との間に導入口は設けられていない。
冷却管２０３の上流には開閉扉３３が設けられており、当該開閉扉３３を覆うように装脱着可能な回収容器２３５は、連結部を介することなく、直接、冷却管２０３に取り付けられる。回収容器２３５の内部には仕切り板２３６が設けられており、開閉扉３３の開放時に回収容器２３５に流れ込むキャリアガスによって回収容器２３５内の付着物が冷却管２０３内に逆戻りすることを抑制できる。
シャフトガイド１４０に嵌挿されているシャフト２２１の一端は、スクレーパー駆動部２４０に接続され、スクレーパー駆動部２４０はスクレーパー２２０を回動させながら、長手方向へ往復動させる駆動機構（図示せず）を備える。
シャフトガイド１４０に嵌挿されているシャフト２２１の一端は、スクレーパー駆動部２４０に接続され、スクレーパー駆動部２４０はスクレーパー２２０を回動させながら、長手方向へ往復動させる駆動機構（図示せず）を備える。
図６（Ａ）〜（Ｃ）は第３の実施形態のスクレーパーヘッド２２２の詳細図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のVI-VI線から見た矢視図であり、図６（Ｃ）は図６（Ｂ）のVIA-VIA’ 線から見た矢視図である。
図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第３の実施形態におけるスクレーパー２２０は、ドーム形状のスクレーパーヘッド２２２を有している。図示されるように、スクレーパーヘッド２２２は、シャフト２２１の一端近傍から延びる４本の弧状の輻がリング状の爪部２２３と連結している。
図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第３の実施形態におけるスクレーパー２２０は、ドーム形状のスクレーパーヘッド２２２を有している。図示されるように、スクレーパーヘッド２２２は、シャフト２２１の一端近傍から延びる４本の弧状の輻がリング状の爪部２２３と連結している。
〔その他の変形例〕
本発明には、その他、様々な変形例が含まれる。
一例として、スクレーパーヘッドは付着物を除去できれば爪部は必ずしも必要ではなく、スクレーパーヘッドや爪部の形状、個数にも制限はない。
スクレーパーヘッド内部やシャフト内部に水等の流体を循環させる水冷機構を設ければ、スクレーパーの熱による変形を抑制することができる。
冷却管に設ける開口部の位置や個数にも制限はなく、冷却管の傾斜やスクレーパーの形状等に応じ、適宜変更することができる。
また、誘導管の形状は、冷却管の延長上にスクレーパーを配置する空間を形成できれば良く、上述した例の他、例えばＳ字状、クランク状、螺旋状であっても良い。
更に、冷却管は上記説明したものに限らず、例えば特許文献１に記載されているように、冷却管全域に渡って直接冷却のみを行うタイプの冷却管や、間接冷却のみを行うタイプの冷却管を備えるプラズマ装置に対して本発明を適用しても良い。
本発明には、その他、様々な変形例が含まれる。
一例として、スクレーパーヘッドは付着物を除去できれば爪部は必ずしも必要ではなく、スクレーパーヘッドや爪部の形状、個数にも制限はない。
スクレーパーヘッド内部やシャフト内部に水等の流体を循環させる水冷機構を設ければ、スクレーパーの熱による変形を抑制することができる。
冷却管に設ける開口部の位置や個数にも制限はなく、冷却管の傾斜やスクレーパーの形状等に応じ、適宜変更することができる。
また、誘導管の形状は、冷却管の延長上にスクレーパーを配置する空間を形成できれば良く、上述した例の他、例えばＳ字状、クランク状、螺旋状であっても良い。
更に、冷却管は上記説明したものに限らず、例えば特許文献１に記載されているように、冷却管全域に渡って直接冷却のみを行うタイプの冷却管や、間接冷却のみを行うタイプの冷却管を備えるプラズマ装置に対して本発明を適用しても良い。
１ プラズマ装置
２ 反応容器
３ 冷却管
４ プラズマトーチ
１０ キャリアガス供給部
２０ スクレーパー
２ 反応容器
３ 冷却管
４ プラズマトーチ
１０ キャリアガス供給部
２０ スクレーパー
Claims (12)
- 金属原料が供給される反応容器と、
前記反応容器内の金属原料との間でプラズマを生成し、前記金属原料を蒸発させて金属蒸気を生成するプラズマトーチと、
前記金属蒸気を搬送するためのキャリアガスを前記反応容器内に供給するキャリアガス供給部と、
前記反応容器から前記キャリアガスによって移送される前記金属蒸気を冷却して金属粉末を生成する冷却管を備える金属粉末製造用プラズマ装置であって、
前記冷却管をその長手方向下流側が上方にあるように水平方向に対し１０〜８０°傾けて前記反応容器に設置すると共に、前記冷却管の内壁に付着した付着物を除去するスクレーパーを、前記冷却管の長手方向下流端から前記冷却管内に嵌挿したことを特徴とする金属粉末製造用プラズマ装置。 - 前記冷却管をその長手方向下流側が上方にあるように水平方向に対し３０〜６０°傾けて設置したことを特徴とする請求項１に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記冷却管が、前記キャリアガスを前記冷却管の長手方向と異なる方向へ誘導する誘導管を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記冷却管が、その長手方向上流端において、前記冷却管の内径より径の小さい導入口を介して前記反応容器と連通していることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記スクレーパーが、前記導入口に付着した付着物を除去する爪部を備えることを特徴とする請求項４に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記冷却管が、前記反応容器から前記キャリアガスによって移送される前記金属蒸気及び／又は金属粉末を間接的に冷却する間接冷却区画と、前記間接冷却区画に続き、前記金属蒸気及び／又は金属粉末を直接的に冷却する直接冷却区画とを備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記間接冷却区画が、冷却用流体で前記冷却管の周囲を冷却し、当該冷却用流体を前記金属蒸気及び／又は金属粉末に直接接触させることなく、前記金属蒸気及び／又は金属粉末を冷却する区画であり、前記直接冷却区画が、冷却用流体を前記金属蒸気及び／又は金属粉末に直接接触させて冷却する区画であることを特徴とする請求項６に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記スクレーパーが、棒状のシャフトと当該シャフトの一端部に設けられたスクレーパーヘッドとを備え、前記スクレーパーヘッドが前記冷却管内に配置されていると共に、前記シャフトの少なくとも一部が前記冷却管外に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記冷却管外のシャフトを操作することにより、前記スクレーパーヘッドを往復動及び／又は回動させて前記付着物を除去することを特徴とする請求項８に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記冷却管の長手方向上流側に、前記スクレーパーで除去した付着物を前記冷却管外に排出する開口部を備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記冷却管が、前記キャリアガスを前記冷却管の長手方向と異なる方向へ誘導する誘導管を備え、前記誘導管により誘導されたキャリアガスが搬送され前記キャリアガスと前記金属粉末とを分離することで前記金属粉末を回収する捕集器を、さらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 請求項１乃至１１の何れかに記載の金属粉末製造用プラズマ装置を用いて金属粉末を製造することを特徴とする金属粉末製造方法。
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