JPS627442A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばガスや、気相中に浮遊された液体又は
固体の微粒子等、実質的に気相流とし得る原料の反応装
置に関するもので、特に、縮小拡大ノズルを有する反応
装置に関するものである。

本明細書において、縮小拡大ノズルとは、流入口側から
中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部となり
、こののど部から流出口に向って徐々に開口面積が拡大
されているノズルをいう。

また、反応とは、化学反応だけでなく、気相、液相及び
固相間の原料の相変化、クラスターの生成、更には原料
の活性化笠、化学反応は伴なわない物性変化をも含むも
のである。

［従来の技術」 従来、ＳｉＯ蒸気を発生させる手段と、捕集箱との間に
末広ノズルを設けたアモルファス状ＳｉＯの製造装置が
特公昭５９−０５０Ｅｉ０１において提案されている。

この装置は、ト流側にＳｉＯ蒸気を発生させ、このＳｉ
Ｏ蒸気を末広ノズルに導き、断熱膨張丁において急冷す
ると共に、前記ノズルの出口雰囲気を窒化又は炭化雰囲
気にしておき、噴射されてきたＢ微粉のアモルファス状
ＳｉＯと前記雰囲気を反応させ、少なくとも表面を窒化
又は炭化してなるＭ微粉のアモルファス状ＳｉＯを得る
ものであった。

Ｌ記装首における末広ノズルは、流過する気相が、流過
時の断熱膨張と共に急冷されることを利用して、流通す
るＳｉＯを急冷し、ＳｉＯがＳｉと５ｉ０２に分解して
しまうのを防止するものである。また、末広ノズルが、
流過する気相を超音速にまで加速できるという、流過す
る気相の広い速度調整領域を有することを利用して、得
られるアモルファス状ＳｉＯの粒径を調整するものでも
ある。

［発明が解決しようとする問題点Ｊ しかしながら、このような装置にあっては、雰囲％状の
Ｂ物質に、ノズルから導かれたＡ物質を噴射させるもの
であるため、下流側においては、その反応場となる領域
が拡散してしまう。したがって、物質相互の混合密度が
低くなり、原料の利用効率が悪くなるばかりでなく、反
応によって得られる生成物の歩留りも低下してしまう。

また、下流側において、外部からレーザー、プラズマ等
によるエネルギー付テを行うことによって、反応物質の
活性化を計る場合においても、反応場が限定されていな
いため、エネルギー付与を効率よく行うことができなか
った。

本発明は、上述の従来技術の欠点を解決した新規な反応
装置を提供することを目的とするものである。

Ｌ問題点を解決するための手段Ｊ 上記問題点を解決するために講じられた手段を、実施例
に対応する第１図とともに説明すると、」二流室３と上
流室４とを結ぶ流路に縮小拡大ノズル１を設け、前記上
流室３から少なくとも一種類以北の物質を縮小拡大ノズ
ルｌに送り込み、この縮小拡大ノズル内で単独あるいは
複数の物質相互での反応を行なわせるようにしたもので
ある。また、外部からのエネルギー付ケの手段としては
、縮小拡大ノズル１をガラス等の透明体で作製する方法
、あるいは、ノズル本体を電極化する方法などが挙げら
れる。

なお１本発明における縮小拡大ノズル１とは、流入口１
ａから中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部
２となり、こののど部２から流出口１ｂに向って徐々に
開口面積が拡大されているノズルをいう。７５１図にお
いては、説明の便宜り、縮小拡大ノズルｌの流入側と流
出側は、各々密閉系である上流室３と下流室４に連結さ
れている。しかし、本発明における縮小拡大ノズルｌの
流入側と流出側は１両者間に差圧を生じさせて、下流側
で排気しつつキャリアガスと共に微粒子を流過させるこ
とができれば、密閉系であっても開放系であってもよい
。

［作　用］ 例えば第１図に示されるように、供給口６から、上流室
３内に原料を供給する一方、下流室４内の空気を真空ポ
ンプ（図示せず〕で排気ロアから排気すると、上流室３
と下流室４間に圧力差を生じる。従って、供給された原
料は、上流室３から縮小拡大ノズル１を流過して下流室
４へと流入することになる。

この時、縮小拡大ノズルは、噴出される原料の流れを凝
縮、均一化し、かつ反応場の領域を限定する作用を成す
ものである。なお、ノズル内における流速は、特に具体
的数値に限定されることはない。

縮小拡大ノズルｌは、上流室３の圧力Ｐｏ　と下流室４
の圧力Ｐの圧力比Ｐ／ＰＯと、のど部２の開口面積Ａ”
　と流出口１ｂの開口面積Ａとの比Ａ／Ａ”　とを調節
することによって、原料の流れを高速化できる。そして
、上流室３と下流室４内の圧力比Ｐ　／　Ｐ　ｏが臨界
圧力比より大きければ、縮小拡大ノズル１の出口流速が
亜音速以下の流れとなり、原料は減速噴出される。また
、上記圧力比が臨界圧力比以下であれば、縮小拡大ノズ
ル１の出［１流速はＩＥ音速流となり、原料を超高速に
て噴出させることができる。

ここで、原料の速度をＵ、その点における音速をａ、原
料の比熱比をγとすると、原料の到達マツハ数Ｍは、上
流室の圧力Ｐｏ　と下流室の圧力Ｐとから次式で定まる
。

尚、音速ａは局所温度をＴ、気体定数をＲとすると、次
式で求めることができる。

ニーＪ−）こ「〒− また、流出Ｃ１１ｂ　ｌ３ＪＪ口面積Ａ及びのど部２の
開口面［Ａ’　とマツハ数Ｍには次の関係がある。

このように、上流室３の圧力Ｐｏ　と下流室４の圧力Ｐ
の圧力比Ｐ／Ｐ、によって（１）式から定まるマツハ数
Ｍに応じて開口面積比Ａ／Ａ”　を定めたり、Ａ／Ａ”
　によって（２）式から定まるＭに応じてＰ／ＰＯを調
整することによって、拡大縮小ノズルｌから噴出する原
料の流速を調整できる。したがって、上流と下流の圧力
比のつりおいをとることによって、原料の流れをビーム
化することも可能である。

一方、縮小拡大ノズル１を流過するときに、原料は、保
有する熱エネルギーが運動エネルギーに変換される。そ
して、特に超音速で噴出される場合、熱エネルギーは著
しく小さくなって過冷却状態となる。従って、原料中に
凝縮成分が含まれている場合、上記過冷却状態によって
積極的にこれらを凝縮させ、これによって超微粒子を形
成させることも可能である。この場合、原料を圧縮性の
一１次元断熱流とし、この原料の流れの持つ熱エネルギ
ーをｆ−、運動ニオ、ルキーをＶとすると、ｔと■は次
の関係にある。

従って、前述のＰ／Ｐｏ並ひにＡ／Ａ・の調整によって
原料の流れのＭを調整してＶを増減させれば、（３）式
に従って原料の持つ熱エネルギーｔを増減させることが
でき、これによって原料の温度を制御することができる
。この温度ルｊ御は、原料を移送するためのエネルギー
をそのまま温度制御に活用してしまうもので、温度制御
のためのみの他のエネルギー源は不要である。

また、ポンプの排気温情に対する縮小拡大ノズル１のの
ど部２断面積を調整することによって、原料の出が流量
を常に一定の値にすることが可能で、出量流量の制御を
容易に行うことができる。

すなわち、ポンプの有効排気流量と縮小拡大ノズル１の
ノズル出量流量が簿しくなるよう、縮小拡大ノズル１の
のど部２断面積を決定しておけば、パルプ等によるポン
プの排気流量調節を行うことなく、流出口１ｂで微粒子
流が、常に適正膨張となるようにすることができ、当該
ポンプの性能下における原料の最大流速を安定して得る
ことが可能となる・ここで、縮小拡大ノズル１のノズル
出量流置伍は、次の（４）式で求められるもので、上流
室３の圧力Ｐｏと温度Ｔ。が−足とすると、のど部２の
開口面、ｔｉ￥Ａ”で決定される。

したがって、連続的に一定量ずつの反応生成物を容易に
得られ、また、反応量に見合った量の原料の供給も容易
である。

し実施例」 第１図は本発明の実施例を示す反応装置の概略構成図で
ある。図中、ｌは縮小拡大ノズル、３は上流室、４は下
流室、５は生成物を補集するための基体、６は原料の供
給【１．７は排気口である。

第１図（ａ）は、原Ｆ）　Ａを単独で反応させる場合の
例を示したもので、縮小拡大ノズル１を通過した原料Ａ
は、物性の異なる生成物Ａ′として基体５Ｌで捕集され
る。同図（ｂ）は、複数の原料Ａ及びＢを同時に反応さ
せる場合の例を示したもので、縮小拡大ノズル１を通過
した原料Ａ、Ｂは、生成物Ａ’　、Ｂ’として捕集され
る。同図（Ｃ）は、（ｂ）と同様な例を示すものである
が、この場合、原料ＡとＢとの反応によって新たな生成
物Ｃが捕集される。

次に、本発明において用いられる縮小拡大ノズルについ
て述べる。

縮小拡大ノズル１としては、前述のように、流入口１ａ
から徐々に開口面積が絞られてのど部２となり、再び徐
々に開０面積が拡大してｔｆ、出口ｌｂとなっているも
のであればよいが、第２図（ａ）に拡大して示しである
ように、流出口ｌｂ付近の内周面が、中心軸に対してほ
ぼ７行であることが好ましい。これは、原料の流れ方向
が、ある程度流出口ｌｂ付近の内周面の方向によって影
響を受けるので、できるだけモ行流にさせやすくするた
めである。しかし、第２図（ｂ）に示されるように、の
ど部２から流出口１ｂへ至る内周面の中心軸に対する角
度αを、７°以下好ましくは５″以下とするば、剥離現
象を生じにくく、噴出する原料の流れはほぼ均一に維持
されるので、この場合はことさら上記平行部を形成しな
くともよい。

平行部の形成を省略することにより、縮小拡大ノズル１
の作製が容易となる。また、縮小拡大ノズルｌを第２図
（Ｃ）に示されるような矩形のものとすれば、スリット
状に原料を噴出させることができる。

ここで、前記剥離現象とは縮小拡大ノズルｌの内面に丈
起物等があった場合に、縮小拡大ノズル１の内面と流過
流体間の境界層が大きくなって、流れが不均一になる現
象をいい、噴出流が高速になるほど生じやすい。前述の
角度αは、この剥離現象防止のために、縮小拡大ノズル
１の内面仕上げ精度が劣るものほど小さくすることが好
ましい。縮小拡大ノズル１の内面は、ＪＩＳ　８０８０
１に定められる、表面仕［二げ精度を表わす逆三角形マ
ークで三つ以Ｌ、最適には四つ以上が好ましい。特に、
縮小拡大ノズル１の拡大部における剥離現象が、その後
の原料の流れに大きく影響するので、Ｌ記仕上げ精度を
、この拡大部を重点にして定めることによって、縮小拡
大ノズル１の作製を容易にできる。また、やはり剥離現
象の発生防ＩＬのため、のど部２は滑らかな湾曲面とし
、断面積変化率における微係数が（１）とならないよう
にする必要がある。

縮小拡大ノズルｌの材質としては、例えば鉄、ステンレ
ススチールその他の金属の他、アクリル樹脂、ポリ塩化
ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン
等の合成樹脂、セラミック材料、石英、ガラス等、広く
用いることができる。この材質の選択は、生成される物
質との非反応性、加工性、真空系内におけるガス放出性
等を考慮して行えばよい。また、縮小拡大ノズル１の内
面に、原料の付着・反応を生じにくい材料をメッキ又は
コートすることもできる。具体例としては、ポリフッ化
エチレンのコート等を挙げることができる。他方、ノズ
ル内面において化学反応を起こさせる材料を形成するこ
ともできる。具体例としては、担持触媒、バイコールガ
ラス等の多孔質物質による触媒作用を用いる方法、ある
いは反応性物質を塗布する方法などが挙げられる。

縮小拡大ノズル１の長さは、装置の大きさ等によって任
意に定めることができる。ところで、縮小拡大ノズルｌ
を流過するときに、流れは、保有する熱エネルギーが運
動エネルギーに変換される。そして、速度を大きくして
Ｑエネルギーを小さくすれば、過冷却状態を作り出すこ
ともできる。従って、原料Ａ中に凝縮成分が含まれてい
る場合、上記温度降下によって積極的にこれらを凝縮さ
せ、これによって微粒子を形成させることも可能である
。また、この場合、部分な凝縮を行うために、縮小拡大
ノズル１は長い方が好ましい。

一方、上記のような凝縮を生ずると、これによって熟エ
ネルギーが増加して速度エネルギーは低下する。従って
、高速噴出の維持を図る１では、縮小拡大ノズル１は短
い方が好ましい。

ｍ３図（ａ）は、ノズルの下流側出口付近における平行
部を延長させたものである。このように、ノズルの出口
付近の平行部を延長させた場合、第２図（ａ）に示した
ノズルに比べ、流れる原料の流速は、出口付近でｄくな
るものの、前述した様にノズル内における圧力及び温度
分布に特徴が表われる。すなわち、第３図（ａ）におい
て、流入口からのど部を経て流出口ｌｂ′に至るまでは
圧力、温度共に等エントロピー的に降下していくが、平
行部分を通過する際の熱エネルギーの増加にともない圧
力、温度共再びと昇した状態となり、下流側に排出され
る。したがって、流出口ｉｂにおいては丘昇した分の圧
力に見合うだけの圧力設定をすればよいことになり、ポ
ンプの容量を大きくすることなく低圧条件をつくり出す
ことができる。

さらに縮小拡大ノズル１は、第３図（ｂ）に示されるよ
うに、二以Ｊ二ののど部２ａ、２ｂ・・・を有するもの
とすることもできる。このような多段の縮小拡大ノズル
を用いた場合、縮小拡大ノズル１内でｍ（、Ｆは加速と
減速を繰返し、これに伴って流れの温度も降下と上昇先
繰返すことになる。、従・、で、このような温度変化を
利用して反応を促すこと等も可能となる。

また、第４図（ａ）に示されるように、縮小拡大ノズル
ｌののど部壁面に供給口１０を多数設けた構造とするこ
ともできる。この場合、ノズル内を原料が通過する時に
発生するベンチュリー作用によって、前記供給口ｌＯよ
り他の原料を霧状に供給することができる。この場合、
供給する原料が液状の物質であっても、定量的に供給す
ることが可能となる。

一方、第４図（ｂ）に示されるように、縮小拡大ノズル
ｌののど部２より流入口寄りに供給口１０を形成し、縮
小拡大ノズルｌ内を流れる原料と反応する他の原料を供
給することもできる。供給口１０の縮小拡大ノズルｌ内
聞口位置を、のど部２から七分殖しておくことによって
、縮小拡大ノズル１から噴出される流れの乱れを防止す
ることができる。このような供給口１０を設けた縮小拡
大ノズル１とすれば、例えば２種以上の原料をビーム状
流れ内で反応させるときに、Ｌ流室ｚ内で全原料を供給
混合する必要がないので、上流室２内で反応が開始され
てその壁面に付着してしまうのを防止できる。

本発明による反応装置は、前述した様にノズル部におい
て外部からエネルギー封手を行ない、原料の活性化を計
ることも可能である。次に、−―としてノズル本体を電
極化した場合について説明する。

第５図は、電極化した縮小拡大ノズルを分解した状態の
甜視図である。この縮小拡大ノズルは、図に示されるよ
うに、電気的良導体で形成されて一対の電極９ａ、９ｂ
を兼ねる上片及び下片と。

上下片間に介在される電気的絶縁体９Ｃとから構成され
ている。そして、上片及び下片である両電極９ａ、９ｂ
間に直流又は高周波電流を付与することによって、縮小
拡大ノズルｌ内でプラズマが発生されるものである。電
極９ａ、９ｂを構成する電気的良導体としては、例えば
鉄、銅その他の金属等が使用される。両電極９ａ、９ｂ
を電気的に仕切る電気的絶縁体９ｃとしては、例えば電
気的絶縁性のある合成樹脂、セラミック材料、石英、ガ
ラス等を用いることができる。これらは、生成される物
質との非反応性、加工性、真空系内におけるガス放出性
等を考慮して選択すればよい。また、縮小拡大ノズルの
上下片内面に原料の付看゛反応を生じにくい電気的良導
体をメッキ又はコートしたり、このようなメッキ又はコ
ート層を電極９ａ、９ｂとしたりしてもよい。

また、生成物質を捕集しやすい状態とするために、基体
を加熱又は冷却することもできる。特に基体を冷却して
おけば、基体の表面で成分を凝縮させたり固化させて捕
集することもできる。他方、基体を加熱した場合には、
基体上で捕集しゃすい状態で捕集することもでき、さら
に、基体上において活性化による反応を継続させること
も可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、原料をＳ縮、均一化した状態で反応さ
せることができるので、原料の利用効率及び生成物の歩
留りを向上させることができる。

一方、反応場の領域をノズル部に集中化することができ
るので、エネルギー封手を効率よく行なうことができ、
さらには、装置の小型化、反応のフローシステム化も可
能となる。

また、原料の流れを超音速の所定の速度に制御すること
も可能であり、その場合、熱エネルギーが運動エネルギ
ーに変換されて、原料の分子を凍結状態とすることもで
き、これらを利用した新しい反応場を得ることにも大き
な期待を有するものである。更に、本発明によれば、上
記凍結状態になることを利用し、流体中の分子のミクロ
な状態を規定し、一つの状態からある状態への遷移を取
り扱うことも可能である。即ち、分子の持つ各種のエネ
ルギー準位までも規定し、その準位に相当するエネルギ
ーを封手するという、新たな方式による気相の化学反応
が可能である。また、従来とは異なるエネルギー授受の
場が提供されることにより、水素結合やファンデアワー
ルス結合等の比較的弱い分子間力で形成される分子間化
合物を容易に生み出すこともできる。

また、本発明の反応装置によれば、原料を超音速のビー
ムとして移送することもでき、ビーム化した場合には、
装置の内壁等の第３者の介在による汚染の影響を除去し
、かつ空間的に独立した領域内で反応させることが可能
となり、基体玉での生成物の捕集も従来に比べ効率よく
行うことができる。

さらに、イオン・インプラの様な従来技術では、荷電粒
子の打込みが行なわれているが、本発明によりその原料
となる物質をビーム化すれば、その集束性、高速性を活
かして、中性粒子の打ち込みや、切削・エツチング等を
行うことも可能となる。

また、従来の反応装置、例えば、その反応に触媒を用い
るものでは、触媒の活性化作用が低下した場合、触媒の
交換が必要であり、その都度、装置を停止状態にしなけ
ればならない。しかしながら、本発明による反応装置で
は、反応用原料及び原料の活性化り段を、外部から任意
に添加し、制御するものであるため、反応物質の連続生
成が可能となり、工業的にも極めて有用なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略構成図、第２図〜第
４図は縮小拡大ノズルの形状例を示す図、第５図は電極
化した縮小拡大ノズルを分解した状態の斜視図である。 １：縮小拡大ノズル、ｌｄ　：流入口、１ｂ：流出口、
２：のど部、３：上流室、４：ｒ流室、５：基体、６：
供給口。 ７：排出口、９ａ　、　９ｂ　：電極、９Ｃ：電気的絶
縁体、１０：供給口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）縮小拡大ノズル内に反応場を有することを特徴と
   する反応装置。