WO2012043402A1 - 黒鉛化炉および黒鉛を製造する方法 - Google Patents

Abstract

　黒鉛化炉により炭素源である粉末から黒鉛が製造される。黒鉛化炉は、前記粉末を収容するべく構成された凹所を備えた導電性の坩堝と、柱状の軸と、前記軸の端に設けられ、球、半球、縁が丸められた円柱、円錐、および頂点が丸められた円錐よりなる群より選択された一の形状を有する頭部と、を備えた電極と、前記坩堝および前記電極を経由して前記粉末に電流を流すべく構成された電源と、を備える。

Description

黒鉛化炉および黒鉛を製造する方法

　本発明は炭素の粉末を加熱して黒鉛を製造するための黒鉛化炉および黒鉛を製造する方法に関する。

　黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）は、炭素の同素体の一つであって、六方晶結晶を為すものである。黒鉛は固体でありながら潤滑性に優れており、また熱伝導性、耐熱性、耐薬品性等の有用な特性を有しているために、広範な用途を有する。

　黒鉛を製造する方法の一つとして、コークスや木炭のごとき炭素源（通常、非晶質や不純物を含む）を極めて高い温度、例えば２５００～３０００℃程度に加熱することにより、黒鉛化（結晶化および精製）する方法がある。

　黒鉛化は、上述のごとく、極めて高い温度を必要とするために、加熱にどのような手段を適用すべきか、またそれを保持する構造の耐熱性の点から、困難な課題を提示している。例えばカーボンヒータのごとき外部加熱手段は２５００℃を超える温度を実現しえず、それ以前にヒータ自体が熱的に損傷してしまう。それ故、従来、炭素源に通電することでこれを加熱する、所謂アチソン（Ａｃｈｅｓｏｎ）炉及びそのバリエーションが利用されてきた。

　特許文献１～３は、関連する技術を開示する。

日本国特許公開公報第１０－３３８５１２号 日本国特許公開公報第２００５－２９１５１５号 日本国特許公開公報第２００９－１９０９０７号

　従来のアチソン炉およびそのバリエーションによれば、工程はバッチ式であって効率に問題があり、また加熱が均一でないために品質および収量にも問題があった。本発明はかかる問題を解決するために為されたものである。

　本発明の第１の局面によれば、炭素源である粉末から黒鉛を得る黒鉛化炉は、前記粉末を収容するべく構成された凹所を備えた導電性の坩堝と、柱状の軸と、前記軸の端に設けられ、球、半球、縁が丸められた円柱、円錐、および頂点が丸められた円錐よりなる群より選択された一の形状を有する頭部と、を備えた電極と、前記坩堝および前記電極を経由して前記粉末に電流を流すべく構成された電源と、を備える。

　本発明の第２の局面によれば、炭素源である粉末から黒鉛を製造する方法は、導電性の坩堝の凹所に前記粉末を収容し、柱状の軸と、前記軸の端に設けられ、球、半球、縁が丸められた円柱、円錐、および頂点が丸められた円錐よりなる群より選択された一の形状を有する頭部と、を備えた電極を前記粉末に接触させ、電源から前記坩堝および前記電極を経由して前記粉末に電流を流す、ことを含む。

図１は、本発明の一実施形態による黒鉛化炉の内部を示す立面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線より取られた断面図であって、電極が炭素の粉末中に挿入された状態を示している。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線より取られた断面図であって、電極が炭素の粉末中に挿入される以前の状態を示している。 図４は、電極と坩堝との組み合わせのバリエーションを示す模式的な断面図である。 図５は、電極の他のバリエーションを示す模式的な断面図である。 図６は、坩堝の他のバリエーションを示す模式的な断面図である。 図７は、付加的な加熱手段を備えた坩堝の例を示す模式的な断面図である。 図８は、本実施形態による黒鉛を製造する方法の各段階を説明するフローチャートである。 図９は、前記方法における黒鉛の温度履歴の一例である。

　添付の図面を参照して以下に本発明の幾つかの例示的な実施形態を説明する。

　本発明の実施形態によれば、炭素源である粉末が通電によるジュール熱により加熱されて黒鉛化される。炭素源としては、もちろん炭素よりなる粉末が利用し得るが、炭素繊維や粒状ないし塊状炭素も利用でき、あるいは炭素に代えてカーボランダム（ｃａｒｂｏｒｕｎｄｕｍ）等のセラミックスが利用し得る。あるいは他の導電性物質に本実施形態を適用してもよい。説明の便宜のため、明細書および請求項を通じて、原料を単に粉末と呼称する。

　主に図１を参照するに、本実施形態による黒鉛化炉１００は、粉末１を収容するための坩堝１０と、粉末１に電流を流すための装置２０と、坩堝１０を囲むチャンバ４０とを備える。坩堝１０はチャンバ４０の一端から搬入され、予熱を受けながら順次チャンバ４０内を通過し、装置２０による加熱を受けて、冷却された後にチャンバ４０の他端から搬出される。

　主に図２，３を参照するに、坩堝１０は、粉末１を収容するべく構成された凹所１２を備え、凹所１２は坩堝１０の上面において上方に開口している。坩堝１０は、粉末１に通電する都合から導電性物質よりなる必要があり、またかかる導電性物質は２５００℃以上の高温に耐える耐熱性を有する必要がある。そのような物質としては、黒鉛が例示できるが、可能ならば他の物質でもよい。坩堝１０は、加工の便宜のために円筒形の外形を有するが、必ずしも外形はこれに限られない。

　凹所１２は、円筒形である上部１２ａと、半球状である下部１２ｂと、よりなるが、後述のごとく種々の変形が可能である。

　図１に戻るに、坩堝１０は、それ単独でチャンバ４０内に挿入されてもよいが、ハンドリングの便宜のためにトレイ３２に載せられる。トレイ３２は、２５００℃以上の高温に耐えるべく黒鉛等の適宜の耐熱材料よりなり、坩堝１０の揺動を防ぐべく坩堝を捕捉し得る適宜の形状を有する。

　チャンバ４０は、その一方の端に前室４２と、中間に主室４４と、他方の端に後室４６と、を備える。外部と前室４２との間、前室４２と主室４４との間、主室４４と後室４６との間、および後室４６と外部との間には、それぞれ相互を連通する開口があり、またこれらをそれぞれ閉塞する扉４３ａ，４３ｂ，４７ａ，４７ｂが設けられている。

　扉４３ａ，４３ｂ，４７ａ，４７ｂは、それぞれ開口を気密に閉塞するべく構成されている。また扉４３ａ，４３ｂ，４７ａ，４７ｂは鉛直に昇降することにより、開口を開くことができる。鉛直な昇降に代えて、水平または他の方向に移動する形態であってもよい。移動のために油圧シリンダや空圧シリンダが利用できるが、これに限られない。また扉の閉塞状態あるいは開状態を維持するために、適宜の係止装置を設けてもよい。

　扉４３ａ，４３ｂ，４７ａ，４７ｂが開口を閉塞したとき、チャンバ４０はその内部が雰囲気制御し得るように構成されている。また前室４２、主室４４および後室４６は、それぞれ個別に雰囲気制御し得るように構成されている。すなわち、前室４２および後室４６が介在することによって、坩堝１０を搬入および搬出する際においても、外気が主室４４内に侵入せず、内部の雰囲気が維持される。

　チャンバ４０は、さらに、坩堝１０をその一方の端から他方の端へ搬送するために、主室４４のほぼ全長に亘る軌道４８を備える。軌道４８は、支柱４９ｂに支持されたレール４９ｂ上に線状に並べられたローラ４８ａを備えてもよいし、あるいは坩堝の滑動が保証されればレールのみを備えてもよい。軌道４８は、可能ならば坩堝１０を搬送するための機構を備えてもよいが、通常、坩堝１０は後続の坩堝による押圧、あるいは先行する坩堝による牽引によって移動する。押圧あるいは牽引を確実にするため、各トレイ３２又は各坩堝１０は、互いを連結するフックまたはその均等物を備えてもよい。

　黒鉛化炉１００は、さらに、坩堝１０の搬入および搬出の便宜のために、チャンバ４０外においてプッシャー装置４１およびプラー装置４５を備える。プッシャー装置４１およびプラー装置４５は、例えば坩堝１０またはトレイ３２に解除可能に係合するアームを備えて水平に移動するアクチュエータである。その駆動のために油圧シリンダや空圧シリンダ、あるいはボールねじ等の他の手段を利用し得る。プッシャー装置４１およびプラー装置４５は、搬入および搬出される坩堝１０のみならず、チャンバ１００内の一連の坩堝１０を一体的に駆動するべく、十分な駆動力を有するべきである。

　主室４４は、主に領域Ａ、領域Ｂおよび領域Ｃに区分できる。

　領域Ａにおいては複数のヒータ３４が、軌道４８に沿って坩堝１０に近接し得るように配置されており、以って坩堝１０が予熱される。ヒータ３４としては、例えば抵抗加熱ヒータ、ガスヒータ、バーナなどが利用できるが、これらに限られない。また抵抗加熱ヒータとしては、カーボンヒータ等が利用できる。坩堝１０が領域Ｂに達したときに、粉末１が黒鉛化温度（例えば２５００～３０００℃）に十分近い温度（例えば２０００～２３００℃）になるよう、ヒータ３４の能力を適切に設定する必要がある。

　領域ＡおよびＢにおいて、外部への熱輻射を抑制するため、またエネルギ効率を高める目的で、断熱壁３６を設けてもよい。断熱壁３６には、炭素繊維よりなる成形断熱材を適用することができるが、フェルトやチョップドファイバの形態のものを適用することもできる。また断熱壁は領域Ｃにも設けることができる。

　領域Ｂには、一組または複数組の、電流を流すための装置２０が設けられる。図２，３を参照するに、各装置２０は、電源２８と、ケーブル２５を介して電源２８にそれぞれ電気的に接続された電極２２および反対電極２４と、を備える。あるいは、電極２２は、黒鉛化炉１００に搬入する以前に粉末１中に沈めておき、坩堝１０が領域Ｂに達したときに電源２８と電気的に接続されるように構成してもよい。

　電極２２は、柱状の軸２２ａと、その下部に連続する頭部２２ｂと、を備える。頭部２２ｂは例えば半球状だが、後述のごとく種々の変形が可能である。

　電極２２は、貫通孔３６ａを通って断熱壁３６の内部に挿入されている。電極２２の上端は断熱壁３６の外側に引き出されており、端子板２７ａを介してケーブル２５に電気的に接続される。端子板２７ａは、水冷ジャケット等の冷却手段により適宜に冷却される。電極２２と断熱壁３６との電気的絶縁のため、その間には隙間が保持されるが、可能ならば適宜の絶縁部材が介在してもよい。

　反対電極２４も、電極２２と同様に、貫通孔３６ｂを通って断熱壁３６の内部に挿入されており、その下端は冷却された端子板２７ｂを介してケーブル２５に電気的に接続されている。反対電極２４と断熱壁３６との間も電気的に絶縁されている。

　電極２２および反対電極２４は、何れも上述の黒鉛化温度に耐えられる適宜の導電性材料よりなる。そのような材料としては、例えば黒鉛が例示できるが、可能ならば他の材料でもよい。

　各装置２０は、電極２２を昇降するべく、昇降装置２６を備える。昇降装置２６は、油圧により駆動されるシリンダ２６ａを備えるが、あるいは空圧シリンダやボールねじ等の他の駆動手段がこれに適用されてもよい。昇降装置２６は、適宜の絶縁体２９を介して主室４４の上部に固定されている。

　図３のごとく、少なくとも、電極２２の頭部２２ｂが粉末１および坩堝１０より上方に位置する第１の位置から、図２のごとく電極２２の頭部２２ｂが粉末１中へ沈む第２の位置まで、電極２２を駆動し得るよう、シリンダ２６ａには十分な可動範囲を与えるべきである。第１の位置においては、坩堝１０が電極２２の下を通過でき、第２の位置においては電極２２から粉末１に電流を流すことができる。

　反対電極２４は、坩堝１０がその真上に来ると、これに電気的に接触するように構成されている。あるいは、反対電極２４を能動的に坩堝１０に接触せしめるべく、上昇装置２６ｂを設けてもよい。上昇装置２６ｂは、適宜の絶縁体２９を介して主室４４の下部に固定されている。

　シリンダ２６ａと上昇装置２６ｂは、共に制御装置３０により制御されて駆動される。制御装置３０は、また、電源２８も制御しており、電極の駆動と同期してこれに電流を供給する。

　領域Ｂにおいても複数のヒータ３８が設けられていてもよい。ヒータ３８としては、例えばカーボンヒータのごとき抵抗加熱ヒータ、ガスヒータ、バーナなどが利用できるが、これらに限られない。ヒータ３８は、粉末１を加熱するのみならず、電極２２を予熱するべく配置される。かかる予熱は、電極２２が粉末１に接触することによる部分的な温度低下を緩和する点で有利である。

　領域Ｃは、粉末１の冷却を促すべく構成されている。坩堝１０が後室４６に達したときに搬出に適した温度にまで冷却されるべく、領域Ｃは適当な長さを確保するべきである。

　既に述べた通り、電極２２の頭部２２ｂと坩堝１０の凹所１２とは、それぞれ種々の変形が可能である。

　頭部２２ｂは、例えば図４（Ａ）のごとく、半球状に代えて、縁が丸められた円柱の形状であってもよい。あるいは図４（Ｂ）のごとく、頭部２２ｂを球状にしてもよい。さらにあるいは図４（Ｃ）のごとく、頭部２２ｂを円錐形状あるいは頂点が丸められた円錐形状にしてもよい。

　球、半球、縁が丸められた円柱、円錐、または頂点が丸められた円錐の形状の頭部は、粉末中に容易に深く沈み、その周囲に均一性の高い電場を生じる。これは電流密度の均一性を高め、従って加熱の均一化の点で有利である。粉末中への沈み易さの観点からは、特に円錐形状あるいは頂点が丸められた円錐形状は有利である。

　凹所１２は、半球状の下部を有する円筒形に代えて、頭部２２ｂに対応した形状に変形し得る。例えば、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）の例では、坩堝１０の内面は、どの部位においても頭部２２ｂに対して等距離にされている。これらも電流密度の均一性の向上に有利である。

　もちろん、頭部２２ｂと凹所１２の内面との距離は、等距離でなくてもよい。粉末１の温度は、発熱と抜熱とが均衡することにより決まるが、電流密度の均一化によって発熱を均一化することはできても、抜熱は均一でない。例えば粉末１の上面近傍において、他の箇所に比べ、抜熱が比較的に大きい。頭部２２ｂの形状は、これを補償するべく考慮して設計することができる。

　図５（Ａ）～（Ｃ）は、そのような例である。図５（Ａ）の例では、頭部２２ｂは、円錐形状であるが、その上部は軸２２ａよりも径方向に外方に突出している。突出した部分において凹所１２の内面との距離が近いことにより、電流密度が大きくなり、従って発熱が他の部位よりも大きくなる。また粉末１の上面を被覆することにより抜熱は比較的に小さくなる。このことにより、粉末１の温度が均一化される。

　もちろん、頭部２２ｂは図５（Ｂ）の例のように頂点が丸められた円錐形でもよく、あるいは図５（Ｃ）の例のように縁が丸められた円柱形でもよく、あるいは他の形状でもよい。

　あるいは、坩堝の形状を変形してもよい。図６の例では、坩堝１１の上部ではその厚みが比較的に厚く、下部に行くほど薄くなっている。かかる構造では、粉末１の下部において抜熱が大きくなり、上面における抜熱と同等にすることができるので、結果的に粉末１の温度が均一化される。

　あるいは、補助的な加熱手段を設けてもよい。図７の例では、誘導加熱コイルＩＣが設けられており、粉末１の上面付近を加熱するべく配置されている。かかる構造によれば、粉末１の上面からの抜熱を補償するに足る発熱を付加することができるので、結果的に粉末１の温度が均一化される。

　さらにあるいは、可能ならば、粉末１の上面を覆う断熱材を追加してもよい。

　なお、頭部２２ｂを粉末１中に沈めることにより、粉末１の下部においては上部と比較して密度がより大きくなり、従って比抵抗が小さくなる。そのため、下部においては電流密度が大きくなり、発熱も大きくなる傾向がある。電極の頭部の形状や坩堝の形状、あるいは補助的な加熱手段や断熱材の追加は、かかる要素も考慮して最適に設計することが望ましい。

　上述の黒鉛化炉によれば、黒鉛は以下のようにして製造される。

　図１乃至図７と組み合わせて図８を参照するに、まず導電性の坩堝１０の凹所１２に粉末１を収容する（Ｓ１）。好ましくは、坩堝１０に振動を与えたり、粉末１の上面を押圧するなどにより、粉末１の嵩密度を高める。かかる動作は通電による加熱の効率を向上する。

　並行して、チャンバ１００内は不活性雰囲気に制御される。不活性雰囲気を実現する手段としては、窒素や、アルゴン等の希ガス、又はハロゲン等によるパージや、内部を真空にすることが挙げられるが、可能ならば他の手段でもよい。

　粉末１と共に坩堝１０はトレイ３２に載せられ、プッシャー装置４１がこれに係合される。扉４３ａが開けられ、粉末１と共に坩堝１０がプッシャー装置４１により前室４２内に搬入される。

　扉４３ａは閉じられ、前室４２内が主室４４内と同じ雰囲気に制御される。次いで扉４３ｂが開けられ、粉末１と共に坩堝１０がプッシャー装置４１により主室４４のヒータ加熱領域Ａに搬入される（Ｓ２）。このとき、先行する他の坩堝１０が主室４４内にある場合は、プッシャー装置４１はこれらを共に押す。すなわち、一連の坩堝１０は、図１において右方に一斉に移動する。その後、扉４３ｂは閉じられる。

　主室４４内のヒータ加熱領域Ａにおいて、坩堝１０と共に粉末１はヒータ３４により予熱される（Ｓ３）。通電加熱領域Ｂに達するまでに、粉末１が黒鉛化温度に十分近い温度（例えば２０００～２３００℃）にまで上昇するよう、ヒータ３４の出力は適切に調整されるべきである。

　後続の坩堝１０により順次押されることにより、坩堝１０は通電加熱領域Ｂに搬入される（Ｓ４）。このとき、ヒータ３８により電極２２および反対電極２４は予熱されている。

　坩堝１０の直下にある反対電極２４は、上昇装置２６ｂにより上昇せしめられ、坩堝１０に電気的に接触する（Ｓ５）。このとき、坩堝１０はトレイ３２から電気的に絶縁される。

　次いで、電極２２は、シリンダ２６ａにより下降せしめられる（Ｓ６）。このとき、電極２２の頭部２２ｂが粉末１に電気的に接触する。このとき頭部２２ｂが粉末１中に沈み、粉末１は部分的に圧縮を受ける。シリンダ２６ａが適宜に制御され、粉末１の密度分布を調整するべく、頭部２２ｂを制御された量だけ粉末１中へ沈める。

　電源２８から坩堝１０および電極２２を経由して、粉末１に電流が流される（Ｓ７）。電流量は、粉末が黒鉛化温度（例えば２５００～３０００℃）に達するように適宜に制御される。

　このとき、粉末１の上面を加熱するべく高周波誘導コイルを配置し、これに高周波を印加してもよい。あるいは、上面を断熱材により少なくとも部分的に被覆してもよい。

　図１の例のように、複数組の電流を流すための装置２０が設けられている場合は、上述の通電工程も複数回繰り返される。電極２２の位置は、それぞれの通電機会で変更してもよい。また電極２２は粉末１に繰り返し挿抜されるが、電極２２を抜き出さずに通電を繰り返してもよい。

　通電により粉末は加熱され、黒鉛化される。電極２２が黒鉛から抜き出され（Ｓ８）、後続の坩堝１０により順次押されることにより、坩堝１０は冷却領域Ｃに搬入される（Ｓ９）。領域Ｃにおいて黒鉛は徐々に冷却され（Ｓ１０）、搬出が可能な温度にまで冷される。

　坩堝１０が扉４７ａの直前にまで達したら、扉４７ａが開かれ、後続の坩堝１０により押されることにより、坩堝１０は後室４６に搬入される。扉４７ａが閉じられ、後室４６内に外気が導入される。次いで扉４７ｂが開かれ、プラー装置４５により黒鉛と共に坩堝１０が搬出される（Ｓ１１）。

　粉末が履歴する温度プロファイルは、例えば図９のようである。ここで、横軸ｔ_ｐは粉末が黒鉛化炉に搬入されてからの時間であり、縦軸Ｔは温度である。Ｔ２は領域Ａにおける加熱温度であって、例えば２０００～２３００℃であり、Ｔ１は黒鉛化温度であって、例えば２５００～３０００℃である。

　上述より理解されるように、粉末は坩堝中において均一に加熱されるので、得られる黒鉛は品質に優れ、また高い収量が得られる。また予熱、加熱、冷却よりなる一連のプロセスが、流れ作業的に実行されるので、高い生産性が実現される。さらに、先行するプロセスにおける余熱を後続のプロセスが利用できるので、優れたエネルギ効率が実現される。

　好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

　連続的で生産性よいプロセスにより、優れた品質の黒鉛が得られる。

Claims (10)

1. 　炭素源である粉末から黒鉛を得る黒鉛化炉であって、
   　前記粉末を収容するべく構成された凹所を備えた導電性の坩堝と、
   　柱状の軸と、前記軸の端に設けられ、球、半球、縁が丸められた円柱、円錐、および頂点が丸められた円錐よりなる群より選択された一の形状を有する頭部と、を備えた電極と、
   　前記坩堝および前記電極を経由して前記粉末に電流を流すべく構成された電源と、
   　を備えた黒鉛化炉。
2. 　請求項１の黒鉛化炉であって、前記電極の前記頭部は、少なくとも部分的に前記軸より径方向に外方に突出している。
3. 　請求項１の黒鉛化炉であって、さらに、
   　少なくとも前記粉末の上面を加熱するべく配置された高周波誘導コイルを備える。
4. 　請求項１の黒鉛化炉であって、前記坩堝の厚さは、前記凹所の下端に向かって薄くされている。
5. 　請求項１の黒鉛化炉であって、さらに、
   　前記坩堝を囲むべく寸法づけられ、前記粉末を制御された雰囲気下に置くべく構成されたチャンバであって、それぞれ閉塞可能な開口を備えた第１の端および第２の端を備えたチャンバと、
   　前記坩堝を前記第１の端から前記第２の端に向けて搬送する搬送手段と、
   　前記粉末を予熱する第１のヒータと、を備える。
6. 　請求項１の黒鉛化炉であって、さらに、
   　前記電極を予熱する第２のヒータを備える。
7. 　炭素源である粉末から黒鉛を製造する方法であって、
   　導電性の坩堝の凹所に前記粉末を収容し、
   　柱状の軸と、前記軸の端に設けられ、球、半球、縁が丸められた円柱、円錐、および頂点が丸められた円錐よりなる群より選択された一の形状を有する頭部と、を備えた電極を前記粉末に接触させ、
   　電源から前記坩堝および前記電極を経由して前記粉末に電流を流す、
   　ことを含む方法。
8. 　請求項７の方法であって、さらに、
   　前記粉末の密度分布を調整するべく前記電極の前記頭部を制御された量だけ前記粉末中へ沈めることを含む。
9. 　請求項７の方法であって、さらに、
   　前記粉末を制御された雰囲気下に置くべく、それぞれ閉塞可能な開口を備えた第１の端および第２の端を備えたチャンバにより前記坩堝を囲み、
   　前記粉末を予熱し、
   　前記坩堝を前記第１の端から前記第２の端に向けて搬送することを含む。
10. 　請求項７の方法であって、さらに、
    　前記電極を予熱することを含む。

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