JP6591129B1 - 金属塩化物生成装置、および金属粉体の製造方法 - Google Patents

Abstract

製造装置の破損や破壊を防ぎ、安定的に金属粉体を製造することができる方法、この方法が実現可能な金属塩化物生成装置、および金属塩化物生成装置を含む金属粉体の製造システムを提供する。金属塩化物生成装置は、金属を導入するための金属導入口を有する第１の加熱炉と、第１の加熱炉と連結される第２の加熱炉とを備える塩化炉、第１の加熱炉を加熱する第１のヒータ、および第２の加熱炉を加熱する第２のヒータを有する金属塩化物生成装置を有する。第２の加熱炉は、金属の塩化物のガスを排出するための排出口を有する。塩化炉は、塩素を含むガスを導入するための第１のガス導入口を有し、第１のガス導入口は、第１のヒータと第２のヒータのいずれか一方に囲まれる。

Description

本発明の実施形態の一つは、金属塩化物生成装置、金属粉体を製造するためのシステム、およびそのシステムを用いる金属粉体の製造方法に関する。

微細な金属粒子（金属粉体）は種々の分野で利用されており、例えば銅やニッケル、銀などの高い導電性を示す金属の粉体は、積層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）の内部電極などの電子部品の原材料として広く利用されている。このような金属粉体を製造する方法はいくつか知られているが、その一例として気相法が挙げられる。この方法では、例えば特許文献１、２に開示されているように、金属塩化物のガスを水素などの還元性ガスと接触させて還元することで金属粉体が形成される。

特公平６−７６６０９号公報 特開平１０−２１９３１３号公報

本発明の実施形態の一つは、製造装置の破損や破壊を防ぎ、安定的に金属粉体を製造することができる方法、この方法が実現可能な金属塩化物生成装置、および金属塩化物生成装置を含む金属粉体の製造システムを提供することを課題の一つとする。

本発明に係る実施形態の一つは金属塩化物生成装置である。この金属塩化物生成装置は、金属を導入するための金属導入口を有する第１の加熱炉と、第１の加熱炉と連結される第２の加熱炉とを備える塩化炉、第１の加熱炉を加熱する第１のヒータ、および第２の加熱炉を加熱する第２のヒータを有する。第２の加熱炉は、金属の塩化物のガスを排出するための排出口を有する。塩化炉は、塩素を含むガスを導入するための第１のガス導入口を有し、第１のガス導入口は、第１のヒータと第２のヒータのいずれか一方に囲まれる。

本発明に係る実施形態の一つは金属塩化物生成装置である。この金属塩化物生成装置は、金属を導入するための金属導入口と、窒素を導入するためのガス導入口とを有する第１の加熱炉、第１の加熱炉と連結され、金属の塩化物を排出するための排出口を有する第２の加熱炉、第１の加熱炉を加熱する第１のヒータ、第２の加熱炉を加熱する第２のヒータ、および窒素を加熱するための第３のヒータを有する。

本発明に係る実施形態の一つは金属粉体を製造する方法である。この方法は、第１のヒータと第２のヒータによって加熱されるように構成される塩化炉において金属を塩素ガスと反応させて金属の塩化物を生成すること、および塩化炉に設けられる第１のガス導入口から塩素を含むガスを導入することで塩化物の蒸気を還元炉に輸送することを含む。第１のガス導入口は、第１のヒータと第２のヒータのいずれか一方に囲まれる。

本発明に係る実施形態の一つは金属粉体を製造する方法である。この方法は、加熱された窒素を塩化炉に導入しながら塩化炉において金属を塩素ガスと反応させて金属の塩化物を生成すること、および塩素を含むガスを用いて塩化物の蒸気を還元炉に輸送することを含む。

本発明に係る実施形態の一つは金属塩化物生成装置である。この金属塩化物生成装置は、金属を導入するための金属導入口を有する第１の加熱炉と、第１の加熱炉と連結される第２の加熱炉とを備える塩化炉を有する。第２の加熱炉は、金属の塩化物のガスを排出するための排出口、および塩素を含むガスを導入するための第１のガス導入口を有する。

本発明に係る実施形態の一つは金属塩化物生成装置である。この金属塩化物生成装置は、第１の加熱炉と、第１の加熱炉と連結される第２の加熱炉とを備える塩化炉を有する。第１の加熱炉は、金属を導入するための金属導入口、および塩素を含むガスを導入するための第１のガス導入口を有する。第２の加熱炉は、金属の塩化物のガスを排出するための排出口を有する。第１のガス導入口は、金属を導入するための金属導入口よりも第１の加熱炉と第２の加熱炉の連結部により近く位置する。金属塩化物生成装置はさらに第１の加熱炉を加熱する第１のヒータを有してもよい。また、第１のガス導入口は第１のヒータに囲まれてもよい。

本発明の実施形態の一つに係る金属粉体製造システムの概略構成図。 本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置の模式的断面図。 本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置の模式的断面図。 本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置の模式的断面図。 本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置の模式的断面図。 本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置の模式的断面図。 本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置の模式的側面図。

以下、本発明の各実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省くことがある。

本明細書および特許請求の範囲において、ある構造体の上、あるいは下に他の構造体を配置する態様を表現するにあたり、単に「上に」、あるいは「下」と表記する場合、特に断りの無い限りは、ある構造体に接するように、直上、あるいは直下に他の構造体を配置する場合と、ある構造体の上方あるいは下方に、さらに別の構造体を介して他の構造体を配置する場合との両方を含むものとする。また、上記構造体の配置は、主に金属の塩化物のガスの移動順序に基づき説明され、上と称される構造体と下と称される構造体が、例えば水平に位置する場合も含まれる。

（第１実施形態）
本発明の実施形態の一つに係る金属塩化物生成装置１１０、およびこれを含む金属粉体製造システム（以下、単にシステムと記す）１００を説明する。

１．全体構成
図１にシステム１００の構成の概要を示す。システム１００は、主な構成として、金属塩化物生成装置１１０と還元炉２００を備える。図示しないが、システム１００はさらに、還元炉２００に接続される分離装置３００や、還元炉２００または分離装置３００に接続されるバグフィルターなどの回収装置を備えてもよい。金属塩化物生成装置１１０と還元炉２００は第１の輸送管１１２によって連結され、還元炉２００と分離装置３００は第２の輸送管２０２によって連結される。

金属塩化物生成装置１１０は、０価の金属と塩素ガスの反応によって金属の塩化物（以下、単に塩化物と記す）を生成することを機能の一つとして有する。塩化物は金属塩化物生成装置１１０内で気体（蒸気）として存在し、金属の種類や反応条件によっては一部が液体として存在する。塩化物の蒸気は第１の輸送管１１２を通して還元炉２００に導入される。金属としては、銅や銀、ニッケルなどを用いることができる。用いる金属の形状に制約は無く、例えばペレット状、ワイヤー状、プレート状の金属を使用することができる。

還元炉２００は、第１の輸送管１１２と接続され、金属塩化物生成装置１１０から輸送される塩化物の蒸気を還元炉２００内に導入するためのガス導入口（第５のガス導入口）２０４を有する。還元炉２００はさらに、塩化物を還元するための還元性ガスである水素やヒドラジン、アンモニア、メタンなどを導入するためのガス導入口（第６のガス導入口）２０６を備える。還元炉２００内で塩化物が還元され、これによって金属粉体が生成される。還元炉２００には外部から図示しないガス導入口を介して窒素ガスなどの不活性ガスが導入され、これによって生成した金属粉体が冷却されるとともに第２の輸送管２０２を通して分離装置３００や回収装置へ輸送される。

詳細な説明は割愛するが、分離装置３００は、金属粉体に含まれる凝集物や、還元炉２００内で副生する金属の焼結物を除去することで金属粉体を精製する機能を有する。回収装置は、精製された金属粉体を窒素ガスから単離するために設けられる。図１には詳細は示されないが、後述するように、金属塩化物生成装置１１０には種々のガスを導入するためのガス導入口が設けられる。

２．金属塩化物生成装置
金属塩化物生成装置１１０の断面模式図を図２に示す。金属塩化物生成装置１１０は、主な構成として、塩化炉１２０、塩化炉１２０を囲むように設けられ、塩化炉１２０を加熱するための第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を有する。第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２は、それぞれ独立に制御することが可能である。

塩化炉１２０は第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４を備える。図２に示した例では、第２の加熱炉１２４は第１の加熱炉１２２の下に位置するが、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４を水平に配置してもよい。また、還元炉２００も第１の加熱炉１２２や第２の加熱炉１２４に下に設けてもよく（図１参照）、あるいはこれらを水平に配置してもよい。また、図２に示した例では、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４の連結部１２３の内径は他の部分より小さいが、図３に示すように、第１の加熱炉１２２から第２の加熱炉１２４に至るまで、塩化炉１２０の内径は同一でもよい。あるいは、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４の内径が異なってもよい。

任意の構成として、塩化炉１２０は、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４を区分けする仕切り部材１２６を有してもよい（図３参照）。すなわち、塩化炉１２０は、第１の加熱炉１２２、および仕切り部材１２６によって第１の加熱炉１２２と連結される第２の加熱炉１２４を備えてもよい。仕切り部材１２６は少なくとも一つの開孔が備えられており、これにより、第１の加熱炉１２２や第２の加熱炉１２４に導入されるガス、これらで生成する塩化物の蒸気が仕切り部材１２６を通過することができる。詳細な説明は割愛するが、開孔の数や大きさ、配置などは反応条件や塩化物の蒸気圧、用いる金属の形状や大きさなどを考慮して適宜設計すればよい。また、溶融した塩化物が生成する場合、液状の塩化物が仕切り部材１２６を通過できるように仕切り部材１２６を設計すればよい。図３には、金属がペレット１１４として第１の加熱炉１２２内に仕切り部材１２６上に配置された態様が示されている。

塩化炉１２０に用いられる材料としては、石英やセラミックなどを利用することができ、用いる金属やその塩化物の融点を考慮して選択することができる。仕切り部材１２６に用いられる材料としては、例えば石英やアルミナ、ジルコニアなどの金属もしくは半金属の酸化物、セラミック、窒化ホウ素などの窒化物、黒鉛などが挙げられる。

図２に示すように、第１の加熱炉１２２には、金属を第１の加熱炉１２２に導入するための金属導入口１２８を有する。塩化に用いる塩素を含むガスは、金属導入口１２８を用いて第１の加熱炉１２２に導入してもよい。あるいは、任意の構成としてガス導入口（第３のガス導入口）１３０を設け、バルブ１３２を介して塩素を含むガスを導入してもよい。塩素を含むガスは、塩素を希薄するための窒素やアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを含んでもよい。不活性ガスと塩素を含むガス（以下、混合ガスとも記す）を用いることで、塩素の量を容易に、かつ精密に制御することが可能となる。図２に示した例では、第３のガス導入口１３０は第１のヒータ１６０に囲まれているが、第３のガス導入口１３０は第１のヒータ１６０に囲まれず、第１のヒータ１６０から露出されてもよい。

第１の加熱炉１２２は第１のヒータ１６０によって加熱され、第１の加熱炉１２２内に配置された金属は金属導入口１２８、および／または第３のガス導入口１３０から導入される塩素ガスと反応し、金属の塩化物を与える。塩化物は、金属の種類によって塩化炉１２０内で気体（蒸気）として存在する、あるいは気体と液体との間の平衡状態を取る。後者の場合、塩化物は一部が溶融状態であり、一部は蒸気として存在する。第１の加熱炉１２２内で生成する溶融塩化物と塩化物の蒸気は、連結部１２３（仕切り部材１２６を設ける場合にはその開孔）を介して第２の加熱炉１２４へ移動する。

第２の加熱炉１２４は、第１の加熱炉１２２で生成した塩化物の蒸気を還元炉２００に輸送すること、および溶融した塩化物が生じる場合にはこれを気化して塩化物の蒸気を生成し、これを還元炉２００に輸送することを主な機能として有する。第２の加熱炉１２４は第２のヒータ１６２に囲まれて加熱される。上述したように、第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２は独立に制御され、それぞれ異なる温度で第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４を加熱することができる。第２の加熱炉１２４の温度が第１の加熱炉１２２の温度よりも高くなるように第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２が駆動される。例えば第２の加熱炉１２４の温度が２００〜３００℃高くなるように第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４の温度を制御することで、溶融した塩化物が生成して第１の加熱炉１２２から第２の加熱炉１２４へ移動した場合でも塩化物を第２の加熱炉１２４内で速やかに気化させることができる。

なお、溶融した塩化物を効率よく気化させるため、第２の加熱炉１２４内に気化補助材１４０を充填してもよい。気化補助材１４０としては、例えば石英やアルミナ、ジルコニアなどの金属もしくは半金属の酸化物、セラミック、窒化ホウ素などの窒化物、黒鉛を含む粒子やペレットであり、これにより、溶融した塩化物を気化するための広い加熱面積を提供することができる。

第２の加熱炉１２４は、第１の加熱炉１２２、あるいは第２の加熱炉１２４で生成する塩化物の蒸気を還元炉２００へ輸送するための排出口１３４を有する。さらに、塩化炉１２０、より詳細には第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４の少なくともいずれか一方には、塩素を含むガスを導入するためのガス導入口（第１のガス導入口）１３６が設けられる。第１のガス導入口１３６は、第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２のいずれか一方に囲まれるように配置してもよい。図２に示した例では、第１のガス導入口１３６は第２の加熱炉１２４に設けられ、第２のヒータ１６２に囲まれる。第１のガス導入口１３６はさらに、バルブ１３８を介し、図示しない塩素ガス源（ボンベなど）と接続される。第１のガス導入口１３６を介して導入される塩素を含むガスも、不活性ガスを含んでもよい。

塩化物の蒸気を還元炉２００へ輸送するための排出口１３４は第２の加熱炉１２４の底部よりも高い位置に配置することが望ましい。これは、溶融した塩化物が気化しない状態で還元炉２００に流入することを防ぐためである。

第１のガス導入口１３６を第２の加熱炉１２４に設ける場合、第１のガス導入口１３６は排出口１３４よりも低い位置（第１の加熱炉１２２からより遠い位置）に配置することができる。これは、溶融した塩化物は第２の加熱炉１２４の下部に溜まりやすいため、第２の加熱炉１２４の下部から塩素を含むガスを導入することで効率よく塩化物のガスを排出口１３４へ導入することができるためである。

金属導入口１２８や第１のガス導入口１３６、第３のガス導入口１３０から導入された塩素を含むガスは塩化炉１２０に陽圧を与える。このため、塩化炉１２０で生成した塩化物の蒸気は、この陽圧によって排出口１３４を介して第１の輸送管１１２に導入され、還元炉２００へ輸送される。金属導入口１２８や第３のガス導入口１３０から導入された塩素は、全て、あるいは大部分は金属との反応によって消費される。しかしながら、第１のガス導入口１３６から導入される塩素は、金属導入口１２８や第３のガス導入口１３０から導入される塩素と比較すると金属との反応に対する寄与が小さく、消費率が小さい。したがって、塩化物の蒸気は、少なくとも第１のガス導入口１３６を介して加えられる塩素と接しながら還元炉２００へ輸送される。

上述したように、還元炉２００へ輸送された塩化物は還元炉２００内で還元されて金属粉末を与える。得られた金属粉末はさらに分離装置３００へ輸送されて精製され、さらに回収装置によって単離される。

３．塩素の寄与
本実施形態のシステム１００の金属塩化物生成装置１１０では、金属導入口１２８や第３のガス導入口１３０を介して塩素を含むガスが導入される。このガスは、金属を塩化するため、および生成した塩化物の蒸気を第２の加熱炉１２４に輸送するための陽圧を与えるために導入される。

一方、金属塩化物生成装置１１０ではさらに、第１のガス導入口１３６を介して塩素を含むガスが第２の加熱炉１２４に導入され、塩化炉１２０に陽圧を与える。これにより、効率よく塩化物の蒸気を排出口１３４へ送り込み、塩化物の蒸気を速やかに還元炉２００へ輸送することができる。その結果、第２の加熱炉１２４に塩化物が残存する、あるいは第２の加熱炉１２４や第１の輸送管１１２内で塩化物が固化、析出するという不具合を抑制することができる。また、第６のガス導入口２０６を介して還元炉２００に導入される還元性ガスが第１の輸送管１１２を逆流することも同時に防止することができる。このため、第１の輸送管１１２内で塩化物が還元されて金属が析出して第１の輸送管１１２を詰まらせたり破損させたりする不具合も防止することができる。

ここで、第１のガス導入口１３６を介して導入される塩素を含むガスは、上述したように、単に塩化物の蒸気を排出口１３４を介して還元炉２００へ導入する陽圧を与えるための物理的手段としてだけではなく、以下に述べるように、システム１００の不具合の発生をより効果的に防止するための化学的手段としても機能する。

金属と塩化物は以下の式で表される平衡状態で存在する。

例えば金属が銅の場合には、以下の平衡が成立している。

金属の種類や温度にも依存するが、仮に塩化炉１２０で金属が全て塩化物となったとしても、この平衡の存在のため、塩化物の一部は金属へ戻る。このため、第２の加熱炉１２４や第１の輸送管１１２において金属が析出し、詰まりを発生させる要因となる。

しかしながら、この平衡系に塩素ガスを導入して平衡を右側（塩化物側）にシフトさせることで、気体状態の塩化物が金属として析出することを防ぐことができることを発明者は見出した。すなわち、第１のガス導入口１３６を介して導入される塩素は、第１の加熱炉１２２内に投入された金属の塩化にはほとんど消費されないため、第２の加熱炉１２４や第１の輸送管１１２内で塩化物の蒸気と接することができる。このため、第１のガス導入口１３６を介して導入される塩素は、化学的手段として上記金属−塩化物間の平衡を塩化物側へシフトさせることに寄与する。その結果、第２の加熱炉１２４や第１の輸送管１１２内で塩化物のガスから金属が析出し、これによって第１の輸送管１１２の詰まりや破損、第２の加熱炉１２４の破壊といった不具合をより効果的に抑制することができる。

このように、物理的手段としてのみならず、化学的手段として第１のガス導入口１３６から塩素を含むガスを導入することで、破損や破壊が生じることなく安定的に長時間駆動可能な金属粉体製造システムを提供することができ、さらにこのシステムを利用することで、金属粉末を効率よく製造することが可能となる。

４．変形例
金属塩化物生成装置１１０は、図２や図３に示した構成に限られない。例えば図４に示すように、塩化炉１２０は、化学的手段として機能する塩素を含むガスを供給するガス導入口を複数備えてもよい。塩素ガスは不活性ガスとともに供給されてよい。図４に示した例では、第２の加熱炉１２４に塩素を含むガスを導入するためのガス導入口（第２のガス導入口）１４２がさらに設けられている。第２のガス導入口１４２は、排出口１３４よりも上に配置することができる。すなわち、第１の加熱炉１２２から排出口１３４までの距離が、第１の加熱炉１２２から第２のガス導入口１４２までの距離よりも大きくなるように第２のガス導入口１４２を設けることができる。第２のガス導入口１４２は図示しない塩素源と連結され、塩素を含むガスの供給はバルブ１４４によって制御される。

このような構成を採用することで、化学的手段としての寄与を増大させ、より効果的に第２の加熱炉１２４や第１の輸送管１１２内における金属の析出を防止することができる。

あるいは図５に示すように、金属塩化物生成装置１１０は、加熱された不活性ガスを導入するためのガス導入口（第４のガス導入口）１４６、および第３のヒータ１６４を有してもよい。第４のガス導入口１４６は第１の加熱炉１２２に設けられ、バルブ１４８を介して第３のヒータ１６４に連結される。第３のヒータは不活性ガスを加熱する機能を有する。

加熱された不活性ガスを第１の加熱炉１２２に供給することにより、第１の加熱炉１２２の温度低下を引き起こすことなく、塩化炉１２０内により大きな陽圧を与えることができる。このため、第１の加熱炉１２２で生成した塩化物の全て、あるいは大部分が気体状態を維持したまま第２の加熱炉１２４から第１の輸送管を介して還元炉２００へ導入することが可能となる。塩化物の沸点が高い場合には第２の加熱炉１２４における気化に比較的長い時間を要するため、この構成は沸点の高い塩化物を与える金属の粉体を製造する際に特に有効である。

なお、第４のガス導入口１４６と第３のヒータ１６４を設ける場合、必ずしも第１のガス導入口１３６や第２のガス導入口１４２は設けなくてもよい（図６参照）。塩化物の沸点が比較的低い場合には、この構成を採用することで効率よくシステム１００を駆動することができ、かつ、システム１００の製造コストを削減でき、これにより、低コストで金属粉体を提供することが可能となる。

（第２実施形態）
本実施形態では、システム１００を用いる金属粉体の製造方法について述べる。ここでは、図２に示した金属塩化物生成装置１１０を備えるシステム１００を用いて金属粉体を製造する方法を例として説明する。第１実施形態で述べた構成と同様、あるいは類似する構成については説明を割愛することがある。

まず、金属導入口１２８を介して金属を第１の加熱炉１２２に投入する。上述したように、金属としては銅や銀、ニッケルなどを使用することができる。第２の加熱炉１２４にはあらかじめ気化補助材１４０を充填してもよい。

次に、第１のヒータ１６０、第２のヒータ１６２を用いてそれぞれ第１の加熱炉１２２、第２の加熱炉１２４を加熱する。第１の加熱炉１２２の温度は、金属の種類にも依存するが、例えば８００℃以上１０００℃以下の範囲で適宜設定することができる。金属の融点よりも低い温度に第１の加熱炉１２２の温度を設定することで、原料である金属（金属のペレット１１４）の溶融を防止することができる。第１の加熱炉１２２において、金属が塩素と反応して塩化物を与える。

一方、第２の加熱炉１２４の温度は、第１の加熱炉１２２の温度よりも高く設定すればよい。金属の種類にも依存するが、例えば９００℃以上１２００℃以下の範囲で適宜設定することができる。塩化物の沸点よりも高い温度に第２の加熱炉１２４の温度を設定することで、塩化物を速やかに気化することができる。

第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４の加熱とともに、塩素を含むガスを第１のガス導入口１３６を介して第２の加熱炉１２４に導入する。また、金属導入口１２８、および／または第３のガス導入口１３０を介して塩素を含むガスを第１の加熱炉１２２に導入する。第１のガス導入口１３６を介して第２の加熱炉１２４に導入する塩素を含むガスに不活性ガスを混合する場合、例えばこの混合ガス中の塩素濃度を０．００１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、あるいは０．０１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、あるいは０．１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下とすればよい。これらのガスの流量はスケールに応じて適宜調整すればよい。第２のガス導入口１４２（図４参照）を用いて塩素を含むガスを導入する場合には、第１のガス導入口１３６と第２のガス導入口１４２を介して導入される塩素を含むガスの組成や総流量は互いに同一でもよく、異なってもよい。例えば第１のガス導入口１３６を介して導入される塩素を含むガスの流量を第２のガス導入口１４２を介して導入される塩素を含むガスのそれよりも大きくしてもよい。第１のガス導入口１３６や第２のガス導入口１４２を介して第２の加熱炉１２４に導入される塩素を含むガス中の塩素の量は、金属導入口１２８、および／または第３のガス導入口１３０を介して第１の加熱炉１２２に導入される塩素を含むガス中に含まれる塩素の量よりも少ないことが好ましい。これにより、得られる金属粉体の塩素含有量を低減することができる。

なお、図４、図５に示した例のように、加熱された窒素ガスを第１の加熱炉１２２に導入する場合、窒素ガスの温度は例えば８００℃以上１０００℃以下とすればよい。

塩化炉１２０で生成する塩化物の蒸気は排出口１３４から排出され、第１の輸送管１１２を経由し、第５のガス導入口２０４から還元炉２００へ導入される。水素やヒドラジン、アンモニア、メタンなどから選択される還元性ガスは第６のガス導入口２０６（図１参照）から供給され、その流量や濃度は塩化物と反応する化学量論比以上となるように調整すればよい。還元炉で生成した金属の粉体は、還元炉２００に導入される窒素ガスによって物理的に分離装置３００やバグフィルターなどの回収装置（図示しない）へ運ばれ、単離される。以上の工程により、金属の粉体を製造することができる。

第１実施形態で述べたように、第１のガス導入口１３６や第２のガス導入口１４２から第２の加熱炉１２４に導入される塩素を含むガスは、物理的手段として速やかに、かつ安定的に塩化物の蒸気を還元炉２００へ輸送する機能を有するだけでなく、化学的手段として金属の析出を防止する機能を有する。このため、本実施形態を適用することにより、安定的に駆動でき、かつ金属粉体を効率よく製造することが可能な金属粉体製造システムを提供することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、金属塩化物生成装置１１０と構造が異なる金属塩化物生成装置１１６の構造を説明する。第１実施形態で述べた構成と同一、あるいは類似する構成については説明を割愛することがある。

金属塩化物生成装置１１６は、少なくとも第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４の内径が異なる点、第２の加熱炉１２４がチューブ形状を有する点で金属塩化物生成装置１１０と構造が異なる。

より具体的には、図７に示すように、第２の加熱炉１２４はチューブ形状を有し、その内径は第１の加熱炉１２２と比較して小さい。このような形状とすることで、より効果的に塩化物の蒸気と塩素ガスを混合することができ、第１のガス導入口１３６を介して導入される塩素を含むガスの物理的、化学的効果を増大させることができる。

第１のガス導入口１３６は第１の加熱炉１２２に設けられ、第１のヒータ１６０に囲まれる。第１のガス導入口１３６は金属導入口１２８よりも第２の加熱炉１２４により近くなるように配置することが好ましい。これは、溶融した塩化物が生じる場合、塩化物が第１の加熱炉１２２の下部に堆積し、この部分で気化が優先的に生じるためである。したがって、図７に示すように、上面が第１のガス導入口１３６よりも上に位置するように気化補助材１４０を第１の加熱炉１２２内に配置することが好ましい。ペレット１１４は気化補助材１４０上に、気化補助材１４０と接するように配置することができる。

このような構成において第１のヒータ１６０、第２のヒータ１６２を駆動して塩化炉１２０を加熱し、金属導入口１２８、および／または第３のガス導入口１３０から塩素を含むガスを導入することにより、金属と塩素ガスとの反応が生じて塩化物が生成する。蒸気として存在する塩化物は気化補助材１４０の隙間を通って第２の加熱炉１２４へ移動する。一方、溶融状態にある液状の塩化物は、気化補助材１４０の層を浸透する間に第１のヒータ１６０から供給される熱エネルギーを吸収して気化し、その後第２の加熱炉１２４へ移動する。このように、金属塩化物生成装置１１６では、第１の加熱炉１２２において塩化物の生成と溶融状態の塩化物の気化が生じる。

金属塩化物生成装置１１０と同様、第１のガス導入口１３６から導入される塩素を含むガスは、物理的手段として塩化物の蒸気を第２の加熱炉１２４へ導入するだけでなく、化学的手段として塩化物から金属が析出することを防ぐことができる。このため、チューブ状の第２の加熱炉１２４内においても金属や塩化物の析出を効果的に抑制することができ、破損や破壊を引き起こすことなく、安定的にシステム１００を動作させることができ、効率よく金属の粉体を提供することができる。

さらに、図７に示すように、チューブ状の第２の加熱炉１２４を折りたたむことで占有面積の増大を招くことなく全長を増大させてもよい。塩化物の沸点が高い場合には第２の加熱炉１２４における気化に比較的長い時間を要するため、この構成は沸点の高い塩化物を与える金属の粉体を製造する際に特に有効である。

（実施例１）
本実施例では、図２に示した構造を基本構造として有する金属塩化物生成装置１１０を備えたシステム１００を用いて銅粉体を製造した例を説明する。具体的には、第１の加熱炉１２２に銅のペレットを配置し、第２の加熱炉１２４に石英のペレットを配置した。この状態で第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を用い、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４がそれぞれ９００℃、１１５０℃になるよう加熱を行った。金属導入口１２８と第１のガス導入口１３６からそれぞれ窒素と塩素を含む混合ガスを導入した。混合ガスの塩素濃度は表１に示すとおりである。表１には第１のガス導入口１３６から導入される混合ガスの流量を１．０とした場合の金属導入口１２８から導入される混合ガスの流量比（すなわち、第１のガス導入口１３６から導入される混合ガスに対する金属導入口１２８から導入される混合ガスの流量比）も記載した。反応時間は１０時間とした。

反応終了後、第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を取り外し、塩化炉１２０を観察した。その結果、第２の加熱炉１２４の下部に塩化銅の堆積は観察されず、第２の加熱炉１２４の破損も生じないことが確認された。

（実施例２）
本実施例では、図４に示した構造を基本構造として有する金属塩化物生成装置１１０を備えるシステム１００を用いて銅粉体を製造した例を説明する。具体的には、第１の加熱炉１２２に銅のペレットを配置し、第２の加熱炉１２４に石英のペレットを配置した。この状態で第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を用い、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４がそれぞれ９００℃、１１５０℃になるよう加熱を行った。金属導入口１２８、第１のガス導入口１３６、および第２のガス導入口１４２からともに窒素と塩素を含む混合ガスを導入した。反応は二段階で行った。第１のガス導入口１３６から導入される混合ガスの流量を１．０とした際の、第２のガス導入口１４２および金属導入口１２８から導入される混合ガスの流量、およびそれぞれの混合ガス中の塩素濃度は表２に示すとおりである。第１のガス導入口１３６と第２のガス導入口１４２は同一の混合ガス源に接続されており、これらのガス導入口から導入される混合ガスの各成分の濃度は同一である。第１段階と第２段階の反応時間はそれぞれ９時間、８時間であった。

各段階の反応終了後、第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を取り外し、塩化炉１２０を観察した。その結果、実施例１と比較し、塩化炉１２０内部の金属銅の析出が大幅に減少したことが確認された。また、第１の輸送管１１２内部の銅の析出も減少したことが確認された。

（実施例３）
本実施例では、図２に示した構造を基本構造として有する金属塩化物生成装置１１０を備えるシステム１００を用い、第１のガス導入口１３６から導入される混合ガスの塩素濃度の影響を検討した結果を示す。具体的には、第１の加熱炉１２２に銅のペレットを配置し、第２の加熱炉１２４に石英のペレットを配置した。この状態で第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を用い、第１の加熱炉１２２と第２の加熱炉１２４がそれぞれ９００℃、１１５０℃になるよう加熱を行った。金属導入口１２８と第１のガス導入口１３６からともに窒素と塩素を含む混合ガスを導入した。第１のガス導入口１３６から導入される混合ガスの流量を１．０とした際の金属導入口１２８から導入される混合ガスの流量を３．２に固定し、金属導入口１２８から導入される混合ガスの塩素濃度を４３ｗｔ％に固定し、第１のガス導入口１３６から導入される混合ガス中の塩素ガス濃度を表３に示すように変化させた。表３における実験３は比較例であり、第１のガス導入口１３６から窒素のみが導入された実験である。反応時間は１０時間とした。

表３に示すように、第１のガス導入口１３６から塩素を含むガスを導入することにより、計算値（目標反応量）とほぼ同量の銅粉体が得られることが分かった（実験１、２）。これに対し、塩素ガスを第１のガス導入口１３６から導入しない場合（実験３）、回収量は目標反応量から乖離し、実験１と実験２と比較して低い回収率にとどまった。これは、塩化炉１２０内で銅が析出していることを示唆する。

反応終了後、第１のヒータ１６０と第２のヒータ１６２を取り外し、塩化炉１２０を観察した。その結果、第１のガス導入口１３６から塩素を含むガスを導入した場合には、塩化炉１２０内において銅が析出しない、あるいは析出してもシステム１００の駆動には影響を及ぼさない程度の量であった。これに対し、塩素ガスを第１のガス導入口１３６から導入しない場合（実験３）、塩化炉１２０内で銅が析出したことが目視で観察された。

実施例１、２、３から理解されるように、本発明の実施形態を適用することにより、金属や塩化物が塩化炉１２０内部に堆積する、あるいは第１の輸送管１１２内部に析出するなどの不具合が抑制可能であることが確認された。

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態の表示装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

１００：金属粉体製造システム、１１０：金属塩化物生成装置、１１２：第１の輸送管、１１４：ペレット、１１６：金属塩化物生成装置、１２０：塩化炉、１２２：第１の加熱炉、１２３：連結部、１２４：第２の加熱炉、１２６：仕切り部材、１２８：金属導入口、１３０：第３のガス導入口、１３２：バルブ、１３４：排出口、１３６：第１のガス導入口、１３８：バルブ、１４０：気化補助材、１４２：第２のガス導入口、１４４：バルブ、１４６：第４のガス導入口、１４８：バルブ、１６０：第１のヒータ、１６２：第２のヒータ、１６４：第３のヒータ、２００：還元炉、２０２：第２の輸送管、２０４：第５のガス導入口、２０６：第６のガス導入口、３００：分離装置

Claims (14)

1. 金属を導入するための金属導入口を有する第１の加熱炉、および前記第１の加熱炉と連結される第２の加熱炉を備える塩化炉、
   前記第１の加熱炉を加熱する第１のヒータ、ならびに
   前記第２の加熱炉を加熱する第２のヒータを有し、
   前記第２の加熱炉は、前記金属の塩化物のガスを排出するための排出口を有し、
   前記塩化炉は、塩素を含むガスを導入するための第１のガス導入口を有する、金属塩化物生成装置。
2. 前記第１のガス導入口は前記第２の加熱炉に設けられ、前記排出口と比較して前記第１の加熱炉から遠くに配置される、請求項１に記載の金属塩化物生成装置。
3. 前記第１のガス導入口は前記第１の加熱炉に設けられ、
   前記第１のガス導入口は、前記金属導入口よりも前記第１の加熱炉と前記第２の加熱炉の接続部に近い、請求項１に記載の金属塩化物生成装置。
4. 前記第２の加熱炉は、塩素を含むガスを導入するための第２のガス導入口をさらに含み、
   前記第２のガス導入口は、前記排出口と比較して前記第１の加熱炉により近く配置される、請求項２に記載の金属塩化物生成装置。
5. 前記第２のヒータは、前記第１の加熱炉の温度よりも高い温度で前記第２の加熱炉を加熱するように構成される、請求項１に記載の金属塩化物生成装置。
6. 前記第１の加熱炉は、塩素を含むガスを導入するための第３のガス導入口をさらに有し、
   前記第３のガス導入口は、前記第１のヒータから露出される、請求項１に記載の金属塩化物生成装置。
7. 前記第１の加熱炉は、
   窒素を導入するための第４のガス導入口、および
   前記窒素を加熱するための第３のヒータを有する、請求項１に記載の金属塩化物生成装置。
8. 前記第２の加熱炉の内径は、前記第１の加熱炉の内径より小さい、請求項１に記載の金属塩化物生成装置。
9. 第１のヒータを有する第１の加熱炉と、前記第１の加熱炉に接続され、第２のヒータを有する第２の加熱炉とを備える塩化炉の前記第１の加熱炉において金属を塩素ガスと反応させて前記金属の塩化物を生成すること、
   前記第２の加熱炉において、前記塩化物を気化すること、および
   前記第１の加熱炉または前記第２の加熱炉に設けられる第１のガス導入口から塩素を含むガスを導入することで前記塩化物の蒸気を還元炉に輸送することを含む、金属粉体を製造する方法。
10. 前記第２の加熱炉において行われる前記塩化物の前記気化は、前記塩化物を生成する温度よりも高い温度で行う、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１のガス導入口は前記第１の加熱炉に設けられる、請求項９に記載の方法。
12. 前記第１のガス導入口は前記第２の加熱炉に設けられる、請求項９に記載の方法。
13. 前記塩化物の前記蒸気の前記還元炉への輸送は、前記第２の加熱炉に設けられる排出口を介して行われ、
    塩素を含む前記ガスの導入は、前記第１のガス導入口、および前記第２の加熱炉に設けられる第２のガス導入口を用いて行われる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の加熱炉に加熱された窒素を導入することをさらに含む、請求項９に記載の方法。