WO2016117616A1

WO2016117616A1 - ルツボを用いた炭素材料の製造方法

Info

Publication number: WO2016117616A1
Application number: PCT/JP2016/051603
Authority: WO
Inventors: 中村　順一; 英吾荒川
Original assignee: Ｓｅｃカーボン株式会社
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2016-07-28
Also published as: PL3248938T3; CN107207256A; JP2016132602A; EP3248938A1; EP3248938A4; CN107207256B; JP5778364B1; EP3248938B1

Abstract

　純度の高い炭素材料を製造する。炭素材料の製造方法は、円筒状の胴部及び胴部の一端を覆う底部を含む容器、並びに円筒部及び円筒部の一端を覆う円板部を含むフタを備えるルツボ（１０）を準備する工程と、ルツボ（１０）に原料を収納する工程と、軸方向が水平になるように配置された黒鉛管（２０）を加熱する工程と、黒鉛管（２０）の内部に、原料が収納されたルツボ（１０）を、胴部の軸方向が黒鉛管（２０）の軸方向と平行になるように装入する工程とを備える。胴部の外周面には、雄ネジが形成され、円筒部の内周面には、雄ネジと締結される雌ネジが形成される。フタの外径は、容器の外径と等しく、円板部は、貫通口を有する。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　ルツボを用いた炭素材料の製造方法

　本発明は、ルツボ及びこれを用いた炭素材料の製造方法に関し、より詳しくは、熱処理に用いられるルツボ、及びこれを用いて熱処理されて製造される炭素材料の製造方法に関する。

　炭素材料、特に黒鉛は、高電気伝導性、高熱伝導性、耐薬品性、自己潤滑性等の特異な性質を有しているので、冶金用、電気・電子製品用、機械用等の材料として各種の用途に広く使用されている。最近は、高温で熱処理をして黒鉛結晶を発達させ、熱伝導性を向上させたものが、ヒートシンクや放熱基板として、また、リチウムイオン二次電池の負極材等として使用されている。

　黒鉛は、フェノール、フラン等の樹脂、コークス、メソカーボン等の原料を、例えば２０００～３２００℃で熱処理することで得られる。

　特開２００２－６９７５７号公報には、炭素繊維及びその製造方法並びにその装置が開示されている。特許第２７４４６１７号には、気相成長炭素繊維の連続黒鉛化処理方法及び装置が開示されている。

　特許第３７８７２４１号には、円筒状の黒鉛管を複数本連接して加熱管を形成し、この加熱管の内部に、黒鉛原料を搬送する搬送トレイを配した黒鉛製造装置が開示されている。この装置では、搬送トレイによって、黒鉛原料が加熱管の内部を順次移動する。この構成によれば、黒鉛原料を連続的に熱処理することができる。

　上述した黒鉛化処理装置、黒鉛製造装置の構成では、原料から揮発した不純物が再び原料に付着することがある。

　本発明の目的は、純度の高い炭素材料を製造することである。

　ここに開示する炭素材料の製造方法は、円筒状の胴部及び胴部の一端を覆う底部を含む容器、並びに円筒部及び円筒部の一端を覆う円板部を含むフタを備えるルツボを準備する工程と、ルツボに原料を収納する工程と、軸方向が水平になるように配置された黒鉛管を加熱する工程と、黒鉛管の内部に、原料が収納されたルツボを、胴部の軸方向が黒鉛管の軸方向と平行になるように装入する工程とを備える。胴部の外周面には、雄ネジが形成され、円筒部の内周面には、雄ネジと締結される雌ネジが形成される。フタの外径は、容器の外径と等しく、円板部は、貫通口を有する。

　上記の製造方法におけるルツボの構成によれば、容器の胴部の外周に雄ネジが形成され、フタの円筒部の内周に雌ネジが形成されている。そのため、雄ネジと雌ネジとの摺動によって発生する粉塵が、容器の内部に入り込まない。これによって、容器の内部に収納される原料に異物が混入することを抑制できる。そのため、純度の高い炭素材料を製造することができる。

　円板部は、貫通口を有する。この構成によれば、内圧の上昇速度が大きい場合でも、貫通口から揮発分が排出されるため、フタの破損を防止することができる。

　本発明によれば、純度の高い炭素材料を製造することができる。

熱処理装置の概略構成を示す平面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。ルツボの概略構成を示す斜視図である。図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。炭素材料の製造方法の一例を示すフロー図である。熱処理装置をヒータの軸方向から見た正面図である。仮想的な比較例によるルツボの概略構成を示す断面図である。

　［実施の形態］
　以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化又は模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

　［全体の構成］
　図１は、本発明の一実施形態による熱処理装置１の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。熱処理装置１は、ヒータ２０、トラフ３０、４０、炉壁５０、及びチャンバ６０、７０を備えている。

　熱処理装置１は、内部に原料が収納されたルツボ１０を、円筒状のヒータ２０（黒鉛管）の内部で軸方向に沿って移動させ、連続的に熱処理する。ヒータ２０は、熱処理装置１の炉芯管の役割を兼ねている。

　ヒータ２０は、複数の黒鉛管２１Ａ、２１Ｂ、・・・、２１Ｆから構成されている。黒鉛管２１Ａ、２１Ｂ、・・・、２１Ｆは、それぞれの端面を付き合わせて同軸に配置されている。黒鉛管２１Ａ、２１Ｂ、・・・、２１Ｆの接続部分には、黒鉛製の接続リング２２が嵌められ、径方向の位置が規制されている。

　ヒータ２０の両端は、トラフ３０、４０にそれぞれ接続されている。トラフ３０、４０は、ヒータ２０と同様に、黒鉛等の導電性耐熱部材で形成されている。トラフ３０、４０は、ヒータ２０と同じ内径を有する円筒状の形状を有している。

　ヒータ２０の全体、及びトラフ３０、４０の一部は、耐火ブロック等で構成された炉壁５０に囲まれている。炉壁５０に囲まれた空間には、断熱材５１が充填されている。断熱材５１は、例えば黒鉛粉等がある。

　トラフ３０、４０にはそれぞれ、炉壁５０から露出した部分に、電極３１、４１が形成されている。電極３１、４１には、図示しない電源装置から電力が供給される。電極３１、４１は、トラフ３０、４０を介してヒータ２０と電気的に接続されている。熱処理装置１は、ヒータ２０に電流を流すことによって、ヒータ２０を加熱する。

　炉壁５０の内側には、ヒータ２０の周面に接するように、複数の測温筒５２が配置されている。ヒータ２０の温度は、複数の放射温度計５３（図２）によって測定されている。

　トラフ３０、４０にはそれぞれ、ガス導入口３０ａ、４０ａが形成されている。炉壁５０の内側には、トラフ３０の内側に連通するように形成されたガス排気筒５４が配置されている。ヒータ２０の内部には、ガス導入口３０ａ、４０ａから、窒素、アルゴン等の不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは、熱処理によって揮発する不純物とともに、ガス排気筒５４から排出される。

　トラフ３０、４０はそれぞれ、チャンバ６０、７０に接続されている。図１に示すように、チャンバ６０は、シャッタ６１を備えている。チャンバ７０は、シャッタ７１を備えている。熱処理装置１は、コンベア６２、７２、押込装置６３、及び方向反転装置６４をさらに備えている。また、チャンバ６０、７０にはそれぞれ、ガス導入口６０ａ、７０ａが形成されている。ガス導入口６０ａ、７０ａからも不活性ガスが導入される。

　ヒータ２０の内部には複数のルツボ１０が、互いに接しあった状態で装入されている。熱処理装置１は、チャンバ６０側にあるルツボ１０を押込装置６３によって内部に押し込む。これによって、ヒータ２０内の複数のルツボ１０が、チャンバ７０へ向かって移動する。

　熱処理装置１は、シャッタ６１及びコンベア６２を駆動して、未処理のルツボ１０をチャンバ６０に搬入する。熱処理装置１は、シャッタ７１及びコンベア７２を駆動して、熱処理されたルツボ１０をチャンバ７０から搬出する。熱処理装置１は、これらの動作を繰り返すことで、ルツボ１０を連続的に熱処理することができる。

　方向反転装置６４は、コンベア６２の搬送経路上に設置されている。方向反転装置６４は例えば、機械式のアームであり、コンベア６２の上方からルツボ１０を掴んで回転させる。方向反転装置６４は、ルツボ１０を、フタがチャンバ７０側になるように回転させる。フタをチャンバ７０側にすることによって、フタが押込装置６３の押圧で破損するのを防止することができる。

　［ルツボ１０の構成］
　図３は、ルツボ１０の概略構成を示す斜視図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。ルツボ１０は、容器１１と、フタ１２とを備えている。

　容器１１は、円筒状の胴部１１１と、胴部１１１の一端を覆う底部１１２とを含んでいる。図２に示すように、胴部１１１は、胴部１１１１～１１１３を含んでいる。胴部１１１１～１１１３は、容器１１の開口側（底部１１２の反対側）から、胴部１１１１、胴部１１１３、胴部１１１２の順番で形成されている。すなわち、胴部１１１２は胴部１１１１と底部１１２との間に形成され、胴部１１１３は胴部１１１１と胴部１１１２との間に形成されている。

　フタ１２は、円筒部１２１と、円筒部１２１の一端を覆う円板部１２２とを含んでいる。

　容器１１の胴部１１１１の外周には、雄ネジ１１１１ａが形成されている。フタ１２の円筒部１２１の内周には、雌ネジ１２１ａが形成されている。雄ネジ１１１１ａと雌ネジ１２１ａとを締結させることで、フタ１２を容器１１に固定することができる。

　フタ１２の外径Ｒ１は、容器１１の外径Ｒ２と等しい。そのため、ルツボ１０は、フタ１２を容器１１に固定した状態では、円柱状の形状になる。

　胴部１１１２の内径Ｒ４は、胴部１１１１の内径Ｒ３よりも大きい。胴部１１１３の内径は、胴部１１１１から胴部１１１２に向かって徐々に大きくなっている。なお、図４では、胴部１１１３の内径は直線的に変化しているが、曲線的に変化していても良い。

　フタ１２の円板部１２２には、円板部１２２の中心からオフセットされた位置に形成され、円板部１２２を厚さ方向に貫通する貫通口１２２ａが形成されている。

　［炭素材料の製造方法］
　以下、ルツボ１０を用いて熱処理されて製造される炭素材料の製造方法の一例を説明する。ただし、ルツボ１０を用いた炭素材料の製造方法は、これに限定されない。ここでは、製造される炭素材料が黒鉛である場合を説明するが、製造される炭素材料は、黒鉛に限定されない。

　図５は、炭素材料の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、ルツボ１０に黒鉛原料を収納する工程（ステップＳ１）と、ヒータ２０を加熱する工程（ステップＳ２）と、黒鉛原料が収納されたルツボ１０をヒータ２０に装入する工程（ステップＳ３）とを備えている。

　まず、ルツボ１０に黒鉛原料を収納する（ステップＳ１）。黒鉛原料は例えば、フェノール、フラン等の樹脂、コークス、メソカーボン等の粉体である。黒鉛原料を容器１１に投入した後、フタ１２を容器１１に固定する。上述のとおり、雄ネジ１１１１ａと雌ネジ１２１ａとを締結させることで、フタ１２を容器１１に固定することができる。

　次に、ヒータ２０を加熱する（ステップＳ２）。上述のように、熱処理装置１では、電極３１、４１（図１）からヒータ２０に通電することによって、ヒータ２０を加熱することができる。加熱温度は、例えば２０００～３２００℃、好ましくは２２００～３０００℃である。

　次に、黒鉛原料が収納されたルツボ１０をヒータ２０に装入する（ステップＳ３）。このとき、ルツボ１０を、容器１１の胴部１１１の軸方向（図３におけるｚ方向）と、ヒータ２０の軸方向（図２におけるｘ方向）とが平行になるように挿入する。

　上述のとおり、熱処理装置１は、コンベア６２及び押込装置６３等を備えている。本実施形態では、ルツボ１０はコンベア６２によって搬送され、所定のタイミングでヒータ２０に装入される。これによって、ルツボ１０の内部の黒鉛原料が黒鉛化し、黒鉛が得られる。

　図６は、熱処理装置１をヒータ２０の軸方向から見た正面図（図１のｘ方向プラス側から見た正面図）である。図６に示すように、ルツボ１０は、フタ１２の貫通口１２２ａが、真上（最上又は時計の１２時の位置）になるようにヒータ２０に装入されることが好ましい。

　上述のように、ルツボ１０は、フタ１２がチャンバ７０側になるように装入されることが好ましい。本実施形態では、方向反転装置６４（図１）によって、フタ１２がチャンバ７０側になるようにルツボ１０を回転させる。この構成によれば、方向反転装置６４よりもコンベア６２の搬送方向の上流では、ルツボ１０はフタ１２がコンベア６２の図上左側にある。そのため、例えば作業者をコンベア６２の図上左側にしか配置できない場合であっても、貫通口１２２ａの位置を確認しながら作業することができる。

　なお、上記の例では、ヒータ２０を加熱した後にルツボ１０をヒータ２０に装入する場合を説明した。しかし、ルツボ１０をヒータ２０に装入した後、ヒータ２０を加熱しても良い。

　［本実施形態の効果］
　以上、熱処理装置１の構成、ルツボ１０の構成、及びこれらを用いた黒鉛の製造方法を説明した。本実施形態によれば、黒鉛原料は、ルツボ１０に収納されて熱処理される。ルツボ１０では、容器１１の開口は、フタ１２によって塞がれている。熱処理に伴って、黒鉛原料から不純物が揮発する。揮発した不純物は、ルツボ１０の内圧が高くなると、容器１１とフタ１２との隙間及び貫通孔２０ａから排出される。一方、排出された不純物がルツボ１０の内部に入ることはない。そのため、黒鉛原料から揮発した不純物が再び黒鉛原料に付着することがない。これによって、純度の高い黒鉛が得られる。

　本実施形態によれば、容器１１の胴部１１１１の外周に雄ネジ１１１１ａが形成され、フタ１２の円筒部１２１の内周に雌ネジ１２１ａが形成されている。この構成の効果を、仮想的な比較例を参照して説明する。

　図７は、仮想的な比較例によるルツボ９０の概略構成を示す断面図である。ルツボ９０は、容器９１と、フタ９２とを備えている。容器９１は、円筒状の胴部９１１と、胴部９１１の一端を覆う底部９１２とを含んでいる。フタ９２は、円柱部９２１と、円柱部９２１の一端に形成された円板部９２２とを含んでいる。ルツボ９０では、容器９１の胴部９１１の内周に雌ネジ９１１ａが形成され、フタ９２の円柱部９２１の外周に雄ネジ９２１ａが形成されている。

　ルツボ９０の構成の場合、雌ネジ９１１ａと雄ネジ９２１ａとを締結する際、雌ネジ９１１ａと雄ネジ９２１ａとの摺動によって発生する粉塵が、容器９１の内部に入り込む可能性がある。

　これに対し、本実施形態によるルツボ１０の構成によれば、雄ネジ１１１１ａと雌ネジ１２１ａとの摺動によって発生する粉塵が、容器１１の内部に入り込まない。これによって、黒鉛原料、及び黒鉛に異物が混入することを抑制できる。

　本実施形態によれば、フタ１２の外径Ｒ１は、容器１１の外径Ｒ２と等しい。この構成によれば、ルツボ１０は、フタ１２を容器１１に固定した状態では、円柱状の形状になる。本実施形態では、ルツボ１０を、胴部１１１の軸方向とヒータ２０の軸方向とが平行になるように配置する。このとき、ルツボ１０が円柱状の形状であることによって、ルツボ１０をヒータ２０に安定に配置することができる。また、ルツボ１０をスムーズに移動させることができる。なお、フタ１２の外径Ｒ１と容器１１の外径Ｒ２とを厳密に等しくする必要はなく、実質的に等しければ良い。

　図４に示すように、容器１１に雄ネジ１１１１ａを形成し、フタ１２に雌ネジ１２１ａを形成し、かつ、外径Ｒ１と外径Ｒ２とを等しくすると、胴部１１１１の外径がフタ１２の外径Ｒ１よりも小さくなる。本実施形態によれば、胴部１１１２の内径Ｒ４は、胴部１１１１の内径Ｒ３よりも大きい。換言すれば、容器１１は、底部１１２側において、内径が大きくなっている。この構成によれば、胴部１１１１の外径を小さくしても、容器１１の内容量を大きくすることできる。

　本実施形態によれば、胴部１１１３の内径は、胴部１１１１から胴部１１１２に向かって徐々に大きくなる。この構成によれば、容器１１から黒鉛を取り出す際、黒鉛が胴部１１１１と胴部１１１２との段差に引っかかることを防止できる。これによって、黒鉛をスムーズに取り出すことができる。

　上述のように、ルツボ１０の内圧が高まると、揮発分は容器１１とフタ１２との隙間から排出される。しかし、黒鉛原料が揮発分を多く含む場合や、特定の温度域で多量の揮発分が発生する場合等には、排気が間に合わず、フタ１２が破損する可能性がある。本実施形態によれば、フタ１２の円板部１２２は、貫通口１２２ａを有する。この構成によれば、内圧の上昇速度が大きい場合でも、貫通口１２２ａから揮発分が排出されるため、フタ１２等の破損を防止することができる。

　貫通口１２２ａは、円板部１２２の中心からオフセットされた位置に形成されている。本実施形態では、ルツボ１０を、貫通口１２２ａが真上になるようにヒータ２０に装入する。この構成によれば、貫通口１２２ａから揮発分が排出される際の黒鉛原料の噴出を抑制することができる。なお、貫通口１２２ａは厳密に真上になる必要はなく、実質的に真上になるように装入されていれば良い。

　［その他の実施形態］
　以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

　上記の実施形態では、ヒータ２０が、炉芯管の役割を兼ねている場合を説明した。しかし熱処理装置１は、炉芯管とは別に加熱用のヒータを備えていても良い。また、上記ではヒータ２０を通電加熱する場合を説明したが、ヒータ２０は、誘導加熱されても良い。

　上記の実施形態では、熱処理装置１が、チャンバ６０、７０を備えている場合を説明した。しかし、熱処理装置１は、チャンバ６０、７０のいずれか又は両方を備えず、トラフ３０の入口側、又はトラフ４０の出口側にシャッタを備える構成としても良い。また、コンベア６２、７２はなくても良い。あるいは、コンベア６２、７２に代えて、スロープ等が形成されていても良い。

　上記の実施形態で例示したように、ルツボ１０は、軸方向が水平になるように配置されたヒータ２０を備える熱処理装置１に対して好適に用いることができる。ただし、ルツボ１０を処理する熱処理装置の構成はこれに限定されず、種々の熱処理装置を用いることができる。

Claims

　円筒状の胴部及び前記胴部の一端を覆う底部を含む容器、並びに円筒部及び前記円筒部の一端を覆う円板部を含むフタを備えるルツボを準備する工程と、
　前記ルツボに原料を収納する工程と、
　軸方向が水平になるように配置された黒鉛管を加熱する工程と、
　前記黒鉛管の内部に、前記原料が収納されたルツボを、前記胴部の軸方向が前記黒鉛管の軸方向と平行になるように装入する工程とを備え、
　前記胴部の外周面には、雄ネジが形成され、
　前記円筒部の内周面には、前記雄ネジと締結される雌ネジが形成され、
　前記フタの外径は、前記容器の外径と等しく、
　前記円板部は、貫通口を有する、炭素材料の製造方法。
　請求項１に記載の炭素材料の製造方法であって、
　前記胴部は、外周面に前記雄ネジが形成された第１胴部と、前記第１胴部と前記底部との間に形成された第２胴部とを含み、
　前記第２胴部の内径は、前記第１胴部の内径よりも大きい、炭素材料の製造方法。
　請求項２に記載の炭素材料の製造方法であって、
　前記胴部は、前記第１胴部と前記第２胴部との間に形成された第３胴部をさらに含み、
　前記第３胴部の内径は、前記第１胴部から前記第２胴部に向かって徐々に大きくなる、炭素材料の製造方法。
　請求項１～３いずれか一項に記載の炭素材料の製造方法であって、
　前記貫通口は、前記円板部の中心からオフセットされた位置に形成され、
　前記ルツボは、前記貫通口が真上になるように配置される、炭素材料の製造方法。