WO2020178915A1 - 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法 - Google Patents

微粒子の製造装置および微粒子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2020178915A1
WO2020178915A1 PCT/JP2019/008186 JP2019008186W WO2020178915A1 WO 2020178915 A1 WO2020178915 A1 WO 2020178915A1 JP 2019008186 W JP2019008186 W JP 2019008186W WO 2020178915 A1 WO2020178915 A1 WO 2020178915A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
raw material
fine particles
frequency current
thermal plasma
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/008186
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
康規 田中
直人 兒玉
一輝 隠田
周 渡邉
圭太郎 中村
志織 末安
Original Assignee
国立大学法人金沢大学
株式会社日清製粉グループ本社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人金沢大学, 株式会社日清製粉グループ本社 filed Critical 国立大学法人金沢大学
Priority to CN201980093381.3A priority Critical patent/CN113543876B/zh
Priority to CA3131956A priority patent/CA3131956A1/en
Priority to PCT/JP2019/008186 priority patent/WO2020178915A1/ja
Priority to JP2021503265A priority patent/JPWO2020178915A1/ja
Priority to US17/435,665 priority patent/US20220141946A1/en
Priority to KR1020217027847A priority patent/KR102694796B1/ko
Publication of WO2020178915A1 publication Critical patent/WO2020178915A1/ja
Priority to JP2023166218A priority patent/JP2024012226A/ja

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0871—Heating or cooling of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0875—Gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/20—Treatment of liquids

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for producing fine particles using a thermal plasma flame and a method for producing fine particles, and in particular, it uses two coils and two independent high-frequency power supplies for supplying high-frequency current to the two coils, respectively.
  • the present invention relates to a fine particle production apparatus and a fine particle production method for producing fine particles by generating a thermal plasma flame.
  • a vapor phase method is one of the methods for producing such fine particles.
  • the vapor phase method includes a chemical method of chemically reacting various gases and the like at a high temperature, and a physical method of irradiating a beam such as an electron beam or a laser to decompose a substance and evaporate it to generate fine particles. ..
  • the thermal plasma method is a method in which raw materials are instantly vaporized in a thermal plasma flame, and then the vaporized material is rapidly solidified to produce fine particles.
  • the thermal plasma method has many advantages in that it is clean and highly productive, can handle high melting point materials because of its high temperature, and is relatively easy to complex compared with other vapor phase methods. .. Therefore, the thermal plasma method is actively used as a method for producing fine particles.
  • a raw material substance is made into a powder, and the powdered raw material (powder raw material, powder) is dispersed together with a carrier gas or the like to obtain a raw material.
  • the fine particles are manufactured by directly introducing the particles into thermal plasma.
  • a material for producing fine particles is dispersed in a dispersion medium to form a slurry, and the slurry is used as a raw material to be dropletized and introduced into a thermal plasma flame to obtain fine particles.
  • a method for producing fine particles to be produced is described.
  • An object of the present invention is to provide a fine particle manufacturing apparatus and a fine particle manufacturing method capable of controlling the particle size of fine particles and efficiently manufacturing a large number of fine particles having good particle size uniformity.
  • the present invention is a device for producing fine particles, a raw material supply unit for supplying a raw material for producing fine particles into a thermal plasma flame, wherein the thermal plasma flame is generated, A plasma torch that evaporates the raw material supplied by the raw material supply unit by the thermal plasma flame to form a mixture in a gas phase state, and a plasma generation unit that generates the thermal plasma flame inside the plasma torch.
  • the plasma generation unit includes a first coil surrounding the plasma torch, a second coil installed below the first coil and surrounding the plasma torch, and the first coil.
  • the present invention provides an apparatus for producing fine particles, which are arranged side by side in the longitudinal direction of a plasma torch.
  • the thermal plasma flame has a gas supply unit that supplies a quenching gas.
  • the plasma generating unit supplies an amplitude-modulated high-frequency current to the second coil by the second power supply unit, and in a region where the current amplitude of the high-frequency current supplied to the second coil is high. , It is preferable to increase the supply amount of the raw material.
  • the amplitude-modulated high-frequency current supplied to the second coil preferably has a current value of 0 amperes in a region where the current amplitude of the high-frequency current is low.
  • the raw material supply unit supplies the raw material into the thermal plasma flame in a state of being dispersed in a particulate form. Further, it is preferable that the raw material supply unit disperse the raw material in a liquid to form a slurry, and the slurry is made into droplets and supplied into the thermal plasma flame.
  • the present invention is a method for producing fine particles using a thermal plasma flame generated inside a plasma torch, wherein the first coil surrounds the plasma torch and is installed below the first coil.
  • the first coil and the second coil are arranged side by side in the longitudinal direction of the plasma torch, and the thermal plasma is generated by the first power supply section and the second power supply section.
  • a flame is generated, a first step of supplying a raw material for producing fine particles to the thermal plasma flame generated inside the plasma torch, and the raw material is vaporized by the thermal plasma flame to form a gas phase mixture, A second step of cooling the mixture, wherein in the first step and the second step, the second power supply section supplies an amplitude-modulated high-frequency current to the second coil. It provides a method for producing fine particles.
  • the second step it is preferable to supply a quenching gas to the thermal plasma flame to cool the mixture in a gas phase state.
  • the second power supply unit supplies an amplitude-modulated high-frequency current to the second coil, and the high-frequency current supplied to the second coil has a high current amplitude. Therefore, it is preferable to increase the supply amount of the raw material.
  • the amplitude-modulated high-frequency current supplied to the second coil preferably has a current value of 0 amperes in a region where the current amplitude of the high-frequency current is low.
  • the raw material is supplied into the thermal plasma flame in a state of being dispersed in the form of particles. Further, in the first step, it is preferable that the raw material is dispersed in a liquid to form a slurry, and the slurry is atomized and supplied into the thermal plasma flame.
  • the apparatus for producing fine particles and the method for producing fine particles of the present invention it is possible to control the particle diameter of the fine particles and to efficiently produce a large amount of fine particles having good uniformity in particle diameter.
  • FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing an example of a plasma torch of the apparatus for producing fine particles according to the embodiment of the present invention.
  • (A) is a schematic diagram which shows an example of the waveform of the high frequency current of a 1st power supply part
  • (b) is a schematic diagram which shows an example of the waveform of the high frequency current of a 2nd power supply part.
  • (A) is a graph which shows an example of the waveform of the high frequency current of a 2nd power supply part
  • (b) is a graph which shows the opening/closing timing of a valve
  • (c) is a graph which shows supply of a raw material.
  • (A) is a schematic diagram which shows an example of the waveform of the high frequency current of a 1st coil
  • (b) is a schematic diagram which shows an example of the waveform of the high frequency current of a 2nd coil
  • (c) is a 1st figure 3D is a schematic diagram showing an example of a waveform of input power by the coil
  • FIG. 3D is a schematic diagram showing an example of a waveform of input power by the second coil.
  • (A)-(d) is a schematic diagram which shows an example of temperature distribution and flow field in 50% SCL of the analytical model of a plasma torch.
  • (A)-(d) is a schematic diagram which shows an example of temperature distribution and flow field in 0% SCL of the analytical model of a plasma torch.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a fine particle manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view showing an example of a plasma torch of the fine particle manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • the apparatus 10 for producing fine particles shown in FIG. 1 is for producing nano-sized fine particles using a raw material for producing fine particles.
  • a raw material for producing fine particles For example, powder is used as a raw material for producing fine particles.
  • the type of the production apparatus 10 is not particularly limited as long as it is fine particles, and by changing the composition of the raw material, oxide fine particles, nitride fine particles, carbide fine particles as fine particles other than metal fine particles, Fine particles such as oxynitride fine particles can be produced.
  • the manufacturing apparatus 10 includes a raw material supply unit 12, a plasma torch 14, a chamber 16, a recovery unit 18, a plasma gas supply unit 20, a plasma generation unit 21, a gas supply unit 22, and a control unit 24. ..
  • the raw material supply unit 12 is connected to the plasma torch 14 via a hollow supply pipe 13. Further, the supply pipe 13 between the raw material supply unit 12 and the plasma torch 14 may be provided with an intermittent supply unit 15 as described later. In the manufacturing apparatus 10, the intermittent supply unit 15 is not an essential configuration.
  • a chamber 16 is provided below the plasma torch 14, and a recovery unit 18 is provided downstream of the chamber 16.
  • the plasma generation unit 21 is connected to the plasma torch 14, and the thermal plasma flame 100 is generated inside the plasma torch 14 by the plasma generation unit 21 as described later.
  • the raw material supply unit 12 is for supplying a raw material for producing fine particles into the thermal plasma flame 100 generated inside the plasma torch 14.
  • the raw material supply unit 12 is not particularly limited as long as the raw material can be supplied into the thermal plasma flame 100, and the raw material is supplied into the thermal plasma flame 100 in a state of being dispersed in particles, and the raw material.
  • the raw material when powder is used as the raw material for producing the fine particles, the raw material needs to be dispersed in the form of particles when the raw material is supplied into the thermal plasma flame 100 in the plasma torch 14. Therefore, for example, the raw material is dispersed in the carrier gas and supplied in the form of particles.
  • the raw material supply unit 12 quantitatively supplies the raw material of the powder into the thermal plasma flame 100 inside the plasma torch 14 while maintaining the dispersed state.
  • the raw material supply unit 12 having such a function for example, the devices disclosed in Japanese Patent No. 3217415 and Japanese Patent Laid-Open No. 2007-138287 can be used.
  • the raw material supply unit 12 includes, for example, a storage tank (not shown) for storing the raw material powder, a screw feeder (not shown) for quantitatively conveying the raw material powder, and the raw material powder conveyed by the screw feeder.
  • a dispersion part (not shown) for dispersing it into a particle state and a carrier gas supply source (not shown) before it is finally dispersed.
  • the raw material powder is supplied to the thermal plasma flame 100 in the plasma torch 14 via the supply pipe 13 together with the carrier gas that is extruded from the carrier gas supply source.
  • the raw material supply unit 12 can prevent the powder of the raw material from agglomerating, and can disperse the powder of the raw material into the plasma torch 14 in the state of being dispersed in a particulate state while maintaining the dispersed state.
  • the structure is not particularly limited.
  • the carrier gas for example, an inert gas such as argon gas (Ar gas) or nitrogen gas is used.
  • the raw material supply unit 12 that supplies the raw material powder in the form of a slurry
  • the raw material supply unit 12 includes a container (not shown) for containing a slurry (not shown) in which raw material powder is dispersed in a liquid such as water, and a stirrer (not shown) for stirring the slurry in the container.
  • a pump (not shown) for applying a high pressure to the slurry and supplying it into the plasma torch 14 via the supply pipe 13 and a spray gas for atomizing the slurry and supplying it into the plasma torch 14 are supplied.
  • a spray gas supply source (not shown).
  • the atomizing gas supply source corresponds to the carrier gas supply source.
  • the atomizing gas is also called a carrier gas.
  • the raw material powder is dispersed in a liquid such as water to form a slurry.
  • the mixing ratio of the raw material powder and water in the slurry is not particularly limited, and is, for example, 5:5 (50%:50%) by mass ratio.
  • the spray gas extruded from the spray gas supply source and having a pressure applied through the supply pipe 13 together with the slurry. It is supplied into the thermal plasma flame 100 in the plasma torch 14.
  • the supply pipe 13 has a two-fluid nozzle mechanism for spraying the slurry into the thermal plasma flame 100 in the plasma torch to form droplets, whereby the slurry is dispersed in the thermal plasma flame 100 in the plasma torch 14. Spray on. That is, the slurry can be made into droplets.
  • the spray gas for example, an inert gas such as argon gas (Ar gas) or nitrogen gas is used as in the above-mentioned carrier gas.
  • the two-fluid nozzle mechanism can apply high pressure to the slurry and spray the slurry with the spray gas (carrier gas) that is a gas, and is used as one method for making the slurry into droplets.
  • the two-fluid nozzle mechanism is not limited to the above-mentioned two-fluid nozzle mechanism, and a one-fluid nozzle mechanism may be used.
  • Still another method is, for example, a method in which the slurry is dropped onto a rotating disc at a constant speed to form droplets (forming droplets) by centrifugal force, and a high voltage is applied to the slurry surface to form a liquid.
  • Examples thereof include a method of dropping (generating droplets).
  • the plasma torch 14 is one in which a thermal plasma flame 100 is generated, and the raw material supplied by the raw material supply unit 12 is vaporized by the thermal plasma flame 100 to form a gas phase mixture 45.
  • the plasma torch 14 is composed of a quartz tube 14a and a high frequency oscillation coil 14b provided on the outer surface of the quartz tube 14a and surrounding the outside of the plasma torch 14.
  • a supply port 14c into which the supply pipe 13 is inserted is provided at the center of the plasma torch 14, and a plasma gas supply port 14d is formed in the peripheral part (on the same circumference).
  • a powdery raw material and a carrier gas such as argon gas or hydrogen gas are supplied into the plasma torch 14.
  • the plasma gas supply port 14d is connected to the plasma gas supply unit 20 by, for example, a pipe (not shown).
  • the plasma gas supply unit 20 supplies the plasma gas into the plasma torch 14 via the plasma gas supply port 14d.
  • the plasma gas for example, argon gas and hydrogen gas are used alone or in combination.
  • a sheath gas supply unit (not shown) for supplying a sheath gas may be provided inside the plasma torch 14. The same gas as the plasma gas can be used as the sheath gas. Further, instead of the plasma gas supply unit 20, the above-mentioned sheath gas supply unit may be provided.
  • the outside of the quartz tube 14a of the plasma torch 14 is surrounded by a concentric quartz tube 14e, and cooling water 14f is circulated between the quartz tubes 14a and 14e to cool the quartz tube 14a with water.
  • the thermal plasma flame 100 generated in the plasma torch 14 prevents the quartz tube 14a from becoming too hot.
  • the plasma generator 21 generates the thermal plasma flame 100 inside the plasma torch 14 as described above.
  • the plasma generator 21 includes a first coil 60 that surrounds the plasma torch 14, a second coil 62 that surrounds the plasma torch 14, and a first power supply unit that supplies a high-frequency current to the first coil 60. 21 a and a second power supply section 21 b for supplying the second coil 62 with a high frequency current that has been amplitude-modulated (AM-modulated).
  • the high frequency current supplied to the first coil 60 is also referred to as a first coil current
  • the high frequency current supplied to the second coil 62 is also referred to as a second coil current.
  • the first coil 60 and the second coil 62 are arranged side by side in the longitudinal direction of the plasma torch 14, and the second coil 62 is installed below the first coil 60.
  • Both the first power supply section 21a and the second power supply section 21b are high frequency power supplies and are independent of each other. Further, in order to reduce the magnetic coupling between the first coil 60 and the second coil 62, the frequency of the high frequency current of the first power supply section 21a and the frequency of the high frequency current of the second power supply section 21b are It is preferably different. As a result, it is possible to suppress the influence on each other's power supply unit.
  • the first coil 60 and the second coil 62 form a high frequency oscillation coil 14b.
  • the number of turns of the first coil 60 and the number of turns of the second coil 62 are not particularly limited and are appropriately determined according to the specifications of the manufacturing apparatus 10.
  • the materials of the first coil 60 and the second coil 62 are also not particularly limited, and are appropriately determined according to the specifications of the manufacturing apparatus 10.
  • the plasma generation unit 21 by using two coils and two independent power supply units, it is possible to configure a series structure of induction thermal plasma.
  • a series structure of induction thermal plasma By forming a series structure of induction thermal plasma, a high temperature field long in the axial direction of the plasma torch 14 can be generated. By utilizing the long high temperature field mentioned above, it is possible to completely evaporate the high melting point material.
  • the thermal plasma flame is periodically heated to a high temperature state at a predetermined time interval and a low temperature state in which the temperature is lower than the high temperature state, that is, the temperature state of the thermal plasma flame is time-modulated. It is called a thermal plasma flame.
  • the first power supply unit 21a supplies the first coil 60 with an unmodulated high-frequency current that is not amplitude-modulated (see FIG. 3A).
  • the second power supply unit 21b supplies the amplitude-modulated high-frequency current (see FIG. 3B) to the second coil 62.
  • a non-modulated high frequency current see FIG. 3A
  • an amplitude-modulated high frequency current see FIG. 3B
  • the plasma torch is generated.
  • a thermal plasma flame 100 is generated inside the 14.
  • the temperature of the thermal plasma flame 100 can be changed by the amplitude-modulated high-frequency current supplied to the second coil 62, and the temperature inside the plasma torch 14 can be controlled.
  • the temperature state of the thermal plasma flame 100 is time-modulated, and the temperature state of the thermal plasma flame 100 periodically becomes a high temperature state and a low temperature state lower than the high temperature state. This makes it possible to control the particle size of the fine particles, obtain a large amount of fine particles having a smaller particle size, and efficiently produce a large amount of fine particles.
  • the thermal plasma flame 100 can be stabilized and the high-frequency current supplied to the second coil 62 is modulated. Even if it does, the thermal plasma flame 100 is suppressed from becoming unstable.
  • the temperature drop of the thermal plasma flame 100 can be suppressed.
  • the fine particles can be efficiently produced in a large amount.
  • FIG. 3A is a schematic diagram showing an example of a high-frequency current waveform of the first power supply unit
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing an example of a high-frequency current waveform of the second power supply unit.
  • FIG. 3A shows the waveform of the above-mentioned non-modulated high-frequency current that is not amplitude-modulated, and the amplitude is constant and does not change.
  • FIG. 3B shows the waveform of the above-mentioned amplitude-modulated high-frequency current, and the amplitude is periodically modulated with respect to time.
  • FIG. 3B shows square wave amplitude modulation. Amplitude modulation is not limited to the square wave amplitude modulation shown in FIG. 3 (b), and in addition to this, a waveform composed of a repeating wave including a curve including a triangular wave, a sawtooth wave, a reverse sawtooth wave, or a sine wave. It goes without saying that can be used.
  • the high value of the current amplitude is HCL (Higher Current Level)
  • the low value of the current amplitude is LCL (Lower Current Level)
  • the time to take HCL in one modulation cycle is set to on-time and LCL is set to LCL.
  • the time taken is defined as off time.
  • the duty ratio (DF) is defined as the ratio of ON time in one cycle (ON time/(ON time+OFF time) ⁇ 100(%)).
  • the amplitude ratio (LCL/HCL ⁇ 100(%)) is the current modulation rate (SCL).
  • the current modulation factor indicates the degree of modulation of the current amplitude
  • 100% SCL indicates a non-modulated state
  • 0% SCL indicates that the current amplitude is most modulated.
  • the current value of the high-frequency current is 0 A (ampere) in the off time, that is, in the region where the current amplitude of the high-frequency current is low as described later.
  • Amplitude modulation is not particularly limited as long as it is 0% SCL or more and less than 100% SCL, but the degree of modulation is higher near 0% SCL, that is, since amplitude modulation is larger, 0% SCL is most suitable. preferable.
  • the on-time see FIG.
  • each of the above-mentioned on-time, off-time, and one cycle is on the order of microseconds to several seconds.
  • the pressure atmosphere inside the plasma torch 14 is appropriately determined according to the manufacturing conditions of the fine particles. For example, it is below atmospheric pressure.
  • the atmosphere at atmospheric pressure or less is not particularly limited, but may be, for example, 5 Torr (666.5 Pa) to 750 Torr (99.975 kPa).
  • the upstream chamber 16a is attached coaxially with the plasma torch 14 from the side closer to the plasma torch 14. Further, a downstream chamber 16b is provided perpendicularly to the upstream chamber 16a, and a collection unit 18 provided with a desired filter 18a for collecting fine particles is provided further downstream. In the manufacturing apparatus 10, the collection place of the fine particles is, for example, the filter 18a.
  • the gas supply unit 22 is connected to the chamber 16. The quenching gas supplied from the gas supply unit 22 generates fine particles (not shown) of a material according to the raw material in the chamber 16. Further, the chamber 16 functions as a cooling tank.
  • the recovery unit 18 includes a recovery chamber having a filter 18a and a vacuum pump 18b connected via a pipe provided below the recovery chamber.
  • the fine particles sent from the chamber 16 are sucked by the above-described vacuum pump 18b, so that the fine particles are drawn into the collection chamber, and the fine particles are collected while remaining on the surface of the filter 18a.
  • the gas supply unit 22 supplies the quenching gas to the thermal plasma flame 100 in the chamber 16.
  • the quench gas functions as a cooling gas.
  • the gas supply unit 22 has a gas supply source (not shown) in which the gas is stored, and a pressure applying unit (not shown) such as a compressor or a blower that applies extrusion pressure to the quench gas supplied into the chamber 16. .. Further, a regulating valve (not shown) for controlling the gas supply amount from the gas supply source is provided.
  • the gas supply source one according to the composition of the quenching gas is used, and the type of gas is not limited to one type.
  • the quenching gas is a mixed gas, a plurality of gas supply sources are prepared.
  • the quenching gas is not particularly limited as long as it has a cooling function.
  • the quenching gas for example, an inert gas such as argon gas, nitrogen gas, or helium gas that does not react with the raw material is used.
  • the quenching gas may contain hydrogen gas.
  • the quenching gas may contain a reactive gas that reacts with the raw material. Examples of the reactive gas include hydrocarbon gases such as methane, ethane, propane, butane, acetylene, ethylene, propylene and butene.
  • the gas supply unit 22 faces, for example, the tail portion 100b (see FIG. 2) of the thermal plasma flame 100, that is, the end of the thermal plasma flame 100 opposite to the plasma gas supply port 14d, that is, the end portion of the thermal plasma flame 100.
  • the quenching gas is supplied at an angle of 45°, and the quenching gas (cooling gas) is supplied from the upper side to the lower side along the inner wall of the chamber 16.
  • the quenching gas is not limited to being supplied to the end portion of the thermal plasma flame 100.
  • the quenching gas supplied from the gas supply unit 22 into the chamber 16 quenches the mixture that has been put into a gas phase state by the thermal plasma flame 100, and fine particles of a material corresponding to the raw material are obtained.
  • the above-mentioned quench gas has an additional action such as contributing to classification of fine particles.
  • the quenching gas dilutes the fine particles, so that the fine particles do not collide with each other and aggregate. Further, by supplying the quenching gas along the inner wall surface of the chamber 16, the adhesion of the fine particles to the inner wall of the chamber 16 is prevented in the process of collecting the fine particles, and the yield of the generated fine particles is improved.
  • the method of supplying the quenching gas to the thermal plasma flame 100 of the gas supply unit 22 is not particularly limited, and the quenching gas may be supplied from one direction. Further, the quench gas may be supplied from a plurality of directions surrounding the thermal plasma flame 100. In this case, a plurality of quench gas supply ports are provided on the outer peripheral surface of the chamber 16 along the circumferential direction, for example, at equal intervals, but the invention is not limited to equal intervals.
  • the supply timing is not particularly limited, and the quenching gas is supplied in synchronization from a plurality of directions. Besides this, for example, the quenching gas may be supplied in the order of clockwise or counterclockwise.
  • the quenching gas creates an air flow such as a swirling flow in the chamber 16.
  • the quenching gas may be supplied randomly without determining the supply order.
  • the gas supply unit 22 is not always necessary as long as the fine particles can be generated without using the quenching gas.
  • the device configuration of the manufacturing apparatus 10 can be simplified, and the manufacturing method of fine particles can be simplified.
  • the raw material supply unit 12 supplies the raw material to the thermal plasma flame 100, for example, supplies the raw material in a predetermined amount, and supplies a constant amount of the raw material regardless of the time. Supply.
  • the raw material supply unit 12 is not limited to supplying a fixed amount of raw material, but supplies the raw material into the thermal plasma flame 100 by time-modulating the supply amount of the raw material into the thermal plasma flame 100. But it's okay. As a result, a large amount of raw material can be supplied during the on-time shown in FIG. 3 (b). As a result, smaller fine particles can be produced in large quantities.
  • the supply pipe 13 is provided with an intermittent supply unit 15. The intermittent supply unit 15 supplies the raw material into the chamber 16 in a time-modulated manner.
  • the change in the supply amount of the raw material is not particularly limited, and may be a sine wave shape, a triangular wave shape, a square wave shape, or a saw wave shape, but is adjusted to the amplitude modulation of the high frequency current supplied to the second coil 62. It is preferable. That is, it is preferable that the time changes of the amplitude modulation represented by the functions are the same. This makes it easier to match the timing of the on time with the supply of the raw material.
  • the intermittent supply unit 15 uses a solenoid valve (electromagnetic valve) connected to the supply pipe 13 to time-modulate the supply amount of the raw material.
  • the controller 24 controls opening/closing of the solenoid valve.
  • a ball valve may be used instead of the solenoid valve.
  • the control unit 24 controls the opening/closing of the ball valve.
  • the control unit 24 time-modulates the raw material supply amount in a pattern of increasing the raw material supply amount during the on-time and decreasing the raw material supply amount during the off-time, for example. As a result, it is possible to manufacture smaller particles in large quantities. Therefore, it is preferable that the supply of the raw material be increased during the on-time and decreased during the off-time. As described above, by supplying the raw material during the on-time, a large amount of the raw material can be vaporized, and as a result, it becomes possible to produce a large amount of fine particles, and the fine particles can be efficiently produced in a large amount.
  • the raw material powder of the metal fine particles for example, Si powder having a volume average particle diameter of 30 ⁇ m or less is charged into the raw material supply unit 12.
  • Argon gas for example, is used as the plasma gas.
  • the first power supply unit 21 a supplies a high-frequency current of non-amplitude modulation to the first coil 60.
  • the second power supply unit 21b supplies the amplitude-modulated high frequency current to the second coil 62.
  • the amplitude modulation of the high frequency current supplied to the second coil 62 is, for example, 50% SCL, the modulation cycle is 15 ms, the on time is 10 ms, and the off time is 5 ms.
  • Si powder is gas-conveyed using, for example, argon gas as the carrier gas, and supplied into the thermal plasma flame 100 inside the plasma torch 14 via the supply pipe 13 (first step).
  • the supplied Si powder is vaporized in the thermal plasma flame 100 to become a gas phase mixture 45 (see FIG. 2).
  • the mixture 45 in vapor state (see FIG. 2) is cooled (second step).
  • Si fine particles metal fine particles
  • the Si fine particles obtained in the chamber 16 are collected by the filter 18a of the collection unit 18 by the negative pressure (suction force) from the collection unit 18 by the vacuum pump 18b.
  • the thermal plasma flame 100 can be periodically brought to a high temperature state and a low temperature state lower than the high temperature state in a stable state, the particle size of the fine particles can be controlled and the particle size can be made uniform. It is possible to obtain fine particles having good properties.
  • the cooling (second step) of the above-described gas phase mixture 45 is not particularly limited, and natural cooling may be performed without using a cooling medium such as a quenching gas. ..
  • a cooling medium such as a quenching gas.
  • SCL the quenching gas
  • the temperature of the thermal plasma flame 100 during the on time is maintained and the off time is maintained. Since the temperature of the thermal plasma flame 100 can be lowered, it is possible to obtain Si particles (metal particles) having a smaller size without performing cooling using the quenching gas. In this case, the process of the method for producing fine particles can be simplified.
  • argon gas is supplied as the quenching gas from the gas supply unit 22 to the tail portion 100b (see FIG. 2) of the thermal plasma flame 100, that is, the end portion of the thermal plasma flame 100, and the mixture 45 (see FIG. 2) is supplied. ) May be quenched.
  • the thermal plasma flame 100 is rapidly cooled and Si fine particles (metal fine particles) are generated.
  • a region where the temperature is low is generated in the chamber 16, and smaller Si fine particles (metal fine particles) are obtained.
  • FIG. 4A is a graph showing an example of the waveform of the high frequency current of the second power supply unit
  • FIG. 4B is a graph showing the valve opening / closing timing
  • FIG. 4A is a graph showing an example of the waveform of the high frequency current of the second power supply unit
  • FIG. 4C is a graph showing the supply of raw materials. It is a graph.
  • the valve opening / closing timing is determined in consideration of the transport time, and FIG. 4B
  • the valve opening/closing timing signal 106 shown in () is obtained, and the valve is opened/closed at predetermined time intervals.
  • the waveform 108 shown in FIG. 4C for example, the raw material powder is supplied into the plasma torch 14 during the on-time, and as a result, the raw material can be intermittently supplied.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing an example of a high-frequency current waveform of the first coil
  • FIG. 5B is a schematic diagram showing an example of a high-frequency current waveform of the second coil
  • FIG. 5C is a schematic diagram. It is a schematic diagram which shows an example of the waveform of the input power by a 1st coil
  • (d) is a schematic diagram which shows an example of the waveform of the input power by a 2nd coil.
  • the vertical axis in FIGS. 5A and 5B is the current value, which is the effective value represented by the root mean square of the squared value of the current value.
  • FIGS. 5C and 5D The vertical axis in FIGS. 5C and 5D is the input power, which is the effective value represented by the root mean square of the squared value of the power.
  • FIGS. 5A to 5D are obtained by analysis using the electromagnetic thermofluid model shown below as an analysis model.
  • the electromagnetic thermofluid model targeted the cross section of the plasma torch 14 and the chamber 16 shown in FIG.
  • the plasma torch had an inner diameter of 70 mm and a length of 440 mm, and the chamber had an inner diameter of 130 mm and a length of 810 mm. It was assumed that the plasma torch, the outer wall of the chamber, and the raw material input tube were water-cooled.
  • Ar gas as a sheath gas is made to flow from the upper part of the plasma torch in the axial direction and the swirl direction.
  • Ar gas as a carrier gas is introduced into the plasma torch from the center of the plasma torch head through a water cooling tube for supplying raw materials. The insertion depth of the water cooling tube was 185 mm.
  • Ar gas has a role of introducing raw material powder when producing fine particles.
  • the calculation space in the electromagnetic thermo-fluid model was divided into 114 in the axial direction and 65 in the radial direction. Since the plasma torch has a rapid temperature change in the radial direction, the mesh size in the axial direction and the radial direction was set to 10 mm ⁇ 1 mm.
  • the thermal plasma model It is in a local thermal equilibrium state. That is, temperatures such as electron temperature, gas temperature, and excitation temperature are equal. Moreover, all reactions have reached a kinetic equilibrium. The plasma is optically thin and the light absorption effect is neglected. The flow is laminar and does not consider turbulence. Cylindrical axis symmetry. Under these four assumptions, the Poisson's equations for the mass, momentum, energy conservation equations and the vector potentials created by the two coil currents were created and analyzed based on the following calculation conditions.
  • the time step for transient analysis was set to 50 ⁇ s.
  • the average input power to the thermal plasma flame was 10 kW for the first coil and 10 kW for the second coil.
  • the pressure inside the plasma torch was kept constant at 300 Torr.
  • the frequency of the high frequency current supplied to the first coil was set to 430 kHz, and the frequency of the high frequency current supplied to the second coil was set to 300 kHz.
  • Ar gas was introduced as a carrier gas at 4 l/min. Plasma gas was not supplied.
  • Ar gas was introduced as a sheath gas at 90 l/min.
  • the temperature of the Ar gas introduced was constant at 300K. In this calculation, the current amplitude was changed at every time step so that the input power of the first coil was constant at 10 kW.
  • the high frequency current of the second coil was subjected to rectangular wave amplitude modulation so that the average power in one cycle was 10 kW.
  • the modulation period was 20 ms
  • the on time was 10 ms
  • the off time was 10 ms.
  • SCL of the high frequency current of the second coil was set to three ways of 100%, 50% and 0%.
  • FIGS. 5A to 5D show the effective value of the high frequency current of the first coil, the effective value of the high frequency current of the second coil, and the effective value of the electric power supplied to the thermal plasma flame.
  • the off time is from 0 to 10 ms, and the on time is from 10 to 20 ms.
  • FIG. 5B shows a change in the amplitude of the set high frequency current of the second coil.
  • FIG. 5A shows the effective value of the high frequency current of the first coil, and shows the one changed so that the input power of the first coil becomes constant at 10 kW as described above.
  • the input power due to the high frequency current of the first coil is constant at 10 kW as shown in FIG. 5 (c), which is as set.
  • the input power from the second coil to the thermal plasma flame changes in a triangular wave with time.
  • the temperature field by the second coil can be further changed. From these results, it was suggested that in the fine particle generation process, the raw material can be more reliably evaporated by adding the raw material at a high current, and the growth of the fine particles in the growth stage can be suppressed at a low current. From this, it is possible to realize a more efficient particle generation process by amplitude-modulating the high-frequency current of the second coil and further increasing the modulation degree of the amplitude modulation.
  • FIGS. 6A to 6D are schematic views showing an example of the temperature distribution and the flow field in 50% SCL of the analytical model of the plasma torch.
  • 7A to 7D are schematic diagrams showing an example of the temperature distribution and the flow field in 0% SCL of the analytical model of the plasma torch.
  • a left side region 70 and a right side region 72 are sectioned at a radial position of 0 mm. The temperature distribution is shown in the left region 70, and the flow field is shown in the right region 72.
  • a region where the axial position is 0 mm or more and less than 180 mm is the first coil region 61 where the first coil 60 is arranged, and a region where the axial position is 180 to 350 mm is arranged the second coil 62. It is the second coil region 63.
  • 6(a) and 7(a) show the temperature distribution and flow field at time 0 ms
  • FIGS. 6(b) and 7(b) show the temperature distribution and flow field at time 5 ms.
  • 6 (c) and 7 (c) show the temperature distribution and flow field at time 10 ms
  • FIGS. 6 (d) and 7 (d) show the temperature distribution and flow field at time 15 ms.
  • the modulation cycle is 20 ms, the on time is 10 ms, and the off time is 10 ms.
  • a high temperature field 80 of 8000 K or more is distributed in a wide range in the second coil region 63 at time 0 ms (region 70 in FIG. 6A).
  • the temperature of the second coil area 63 decreases, and at time 10 ms (area 70 in FIG. 6C), the temperature of the second coil area 63 is 6000 to. It has dropped to 8000K.
  • the on-time time 10 to 20 ms
  • the lowered high temperature field is heated again, and at time 20 ms, that is, at the initial time (0 ms), a long high temperature field is formed in the axial direction.
  • the axial downward flow velocity in the second coil region 63 is extremely high at 50 m/s or more.
  • the flow velocity in this region decreases. This is because the density rises mainly due to the decrease of the thermal plasma temperature, and the flow velocity decreases so as to satisfy the mass conservation equation.
  • the temperature rises again, so the flow velocity increases.
  • the axial downward flow velocity of the second coil region 63 in the time 0 ms is further increased as compared with the case of 50% SCL. doing. This is because the temperature is higher in the case of 0% SCL and the case of 50% SCL. However, at the time of 10 ms (region 72 in FIG. 7C), the downward flow velocity in the axial direction is almost the same as that in the case of 50% SCL. Under both conditions of 50% SCL and 0% SCL, it is understood that the axial downward flow velocity of the second coil region 63 increases during the on-time and the flow velocity decreases during the off-time.
  • the increase of the flow velocity in the axial downward direction is caused by the phenomenon described later.
  • the high frequency current increases, so that the magnetic field and the electric field generated in the second coil region 63 become stronger.
  • the input power increases due to the stronger magnetic and electric fields. Therefore, the temperature in this region increases and the density decreases, and the flow velocity increases so as to satisfy the mass conservation equation.
  • the Lorentz force inward in the radial direction generated in that region becomes stronger. It is conceivable that the pressure inside the torch rises due to the increase in the Lorentz force, and the flow velocity increases as the pressure increases. Therefore, it is considered that the axial downward flow velocity in the second coil increased during the on-time when the high-frequency current increased.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of empirical temperature at 50% SCL of virtual particles supplied in the plasma torch analysis model
  • FIG. 9 is a graph of virtual particles 0 supplied in the plasma torch analysis model. It is a graph which shows an example of the experience temperature in% SCL with the passage of time
  • FIG. 10 is a graph which shows an example of the experience temperature in 100% SCL of the virtual particle supplied in the analysis model of the plasma torch.
  • the temperature of the virtual particles introduced at the time of 2.5 ms rises during the time of 2.5 to 10 ms, reaches the peak of the experience temperature at the time of 10 ms, and reaches 8000K.
  • the peak value after the temperature rise remains at about 8000 to 8500 K.
  • the peak value after the temperature rise reaches 9000 K or more.
  • the rate of decrease when the temperature decreases is about ⁇ 300 K/ms. From this, when virtual particles are injected at the time of 10.0 to 15.0 ms, the degree of rapid cooling is high. In the case of 0% SCL shown in FIG. 9 in which the degree of modulation is further increased, when the virtual particles are charged during the off time (time 0 to 10 ms), the peak value after the temperature rise is about 6000 to 7500 K, which is remarkable. It is a low value. On the other hand, when the virtual particles are input during the on-time (time 10 to 20 ms), the peak after temperature rise is higher than that at 100% SCL and 50% SCL, and is about 8000 to 9200K. When the virtual particles are injected at the time of 10 to 15 ms, the rate of decrease at the time of temperature decrease is higher than that at the time of 50% SCL.
  • Fine particles can be manufactured as follows using the manufacturing apparatus 10 shown in FIG. Specifically, the input power to each of the first coil and the second coil was 10 kW, the frequency of the high frequency current of the first coil was 450 kHz, and the frequency of the high frequency current of the second coil was 320 kHz.
  • the first high-frequency current was unmodulated and the second high-frequency current was rectangular wave amplitude modulated.
  • the modulation period was 15 ms
  • the on time was 10 ms
  • the off time was 5 ms.
  • the duty ratio (DF)% is 66%.
  • the SCL indicating the degree of modulation was set to 0%.
  • the pressure inside the plasma torch was set to 300 Torr. Ar gas of 90 slpm was introduced as a sheath gas.
  • Si raw material powder was supplied to the thermal plasma flame together with 4 slpm of Ar gas (carrier gas). Si powder having a volume average particle diameter of 28 ⁇ m was used as the Si raw material powder. The Si raw material powder was intermittently added so as to be synchronized with the on-time. No quenching gas was used. The obtained fine particles are shown in FIG.
  • fine particles were manufactured under the same conditions except that the high frequency currents of the first coil and the second coil were both amplitude-modulated to 80% SCL.
  • the obtained fine particles are shown in FIG.
  • the magnification is 50,000 times.
  • a large amount of fine particles are obtained from both the fine particles of FIG. 11 and the fine particles shown in FIG. 12, but the fine particles shown in FIG. 11 have a smaller particle size.
  • the production rate of particles is 300 g/h in the production method of the present invention and 180 g/h in the comparative production method, and the production method of the present invention has higher productivity and produces a large amount of fine particles. be able to.
  • the fine particles can be produced as follows. Specifically, the time average input powers of the first coil and the second coil were set to 10 kW, respectively. The high frequency current of the first coil was not modulated, but the high frequency current of the second coil was modulated. The modulation period was 15 ms, the on time was 10 ms, and the off time was 5 ms. The duty ratio (DF)% is 66%. The SCL was set to 50% and 0%. The pressure in the plasma torch was set to 300 torch. Argon gas was used as the sheath gas, and the sheath gas was supplied at a flow rate of 90 liters / minute. No plasma gas was used.
  • argon gas was used as the carrier gas, and the flow rate was set to 4 liters / minute.
  • metal grade Si powder 99.5% purity
  • the average diameter of the raw material powder was about 19.2 ⁇ m.
  • the solenoid valve was synchronized with the modulation of the high frequency current (modulation current) of the second coil, and the carrier gas containing the raw material powder was intermittently supplied into the plasma torch.
  • the supply amount of the raw material powder was 3.5 g / min and 5.7 g / min. No quench gas was used. Fine particles could be stably produced with a supply amount of 5.7 g / min.
  • the manufacturing apparatus 10 of the present embodiment can manufacture nano-sized Si fine particles by using, for example, Si powder as a raw material.
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to use the particles of other elements as a raw material for the production of fine particles to produce fine particles of oxides, metals, nitrides, carbides and the like. In this case, the fine particles can be produced even when slurried.
  • the average particle size of the raw material is appropriately set so that it easily evaporates in a thermal plasma flame.
  • the average particle size is, for example, 100 ⁇ m or less, preferably 10 ⁇ m in terms of BET diameter. Hereafter, it is more preferably 5 ⁇ m or less.
  • the raw material may be of any type as long as it can be vaporized by a thermal plasma flame, but the following are preferable. That is, a single oxide, a composite, comprising at least one selected from the group consisting of elements of atomic numbers 3-6, 11-15, 19-34, 37-52, 55-60, 62-79 and 81-83. Oxides, compound oxides, oxide solid solutions, metals, alloys, hydroxides, carbonate compounds, halides, sulfides, nitrides, carbides, hydrides, metal salts or metal organic compounds may be appropriately selected.
  • a simple oxide means an oxide composed of one kind of element other than oxygen
  • a composite oxide means one composed of plural kinds of oxides
  • a complex oxide means two or more kinds of oxides.
  • the metal means one composed of only one or more kinds of metal elements
  • the alloy means one composed of two or more kinds of metal elements, and the texture state thereof is a solid solution, a eutectic mixture, a metal. It may form an intermetallic compound or a mixture thereof.
  • a hydroxide means a substance composed of a hydroxyl group and one or more kinds of metal elements
  • a carbonic acid compound means a substance composed of a carbonate group and one or more kinds of metal elements
  • a halide means a halogen element.
  • one or more kinds of metal elements, and sulfide means one composed of sulfur and one or more kinds of metal elements.
  • a nitride means one composed of nitrogen and one or more metal elements
  • a carbide means one composed of carbon and one or more metal elements
  • a hydride means hydrogen and one or more kinds. It is composed of the metal elements of.
  • the metal salt refers to an ionic compound containing at least one kind of metal element
  • the metal organic compound refers to an organic compound containing a bond of at least one kind of metal element and at least one of C, O and N elements.
  • Metal alkoxides, organic metal complexes, and the like
  • lithium aluminate LiAlO 2
  • yttrium vanadate calcium phosphate
  • calcium zirconate CaZrO 3
  • titanium zirconate lead titanium iron oxide (FeTiO 3 ), titanium cobalt oxide (CoTiO 3 ).
  • barium stannate BaSnO 3
  • barium (meth)titanate BaTiO 3
  • lead titanate PbTiO 3
  • Zr (OH) 4 is used as a hydroxide
  • CaCO 3 is used as a carbonic acid compound
  • MgF 2 is used as a halide
  • ZnS is used as a sulfide
  • TiN is used as a nitride
  • SiC is used as a carbide
  • TiH 2 is used as a hydride. Etc. can be mentioned.
  • the present invention is basically configured as described above. As described above, the apparatus for producing fine particles and the method for producing fine particles of the present invention have been described in detail, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements or changes are made without departing from the gist of the present invention. Of course, it may be.
  • Fine particle manufacturing equipment 12 raw material supply section 13 supply tube 14 plasma torch 14a quartz tube 14b high frequency oscillation coil 14c supply port 14d plasma gas supply port 14e quartz tube 14f cooling water 15 intermittent supply section 16 chamber 16a upstream chamber 16b downstream chamber 18 recovery section 18a filter 18b Vacuum pump 20
  • Plasma gas supply unit 21 Plasma generation unit 21a First power supply unit 21b Second power supply unit 22
  • Gas supply unit 24 Control unit 45 Mixture 60
  • Second coil 63 Second 2 coil region 70 region 72 region 100 thermal plasma flame 100b tail 104 waveform signal 106 timing signal 108 waveform

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を、効率よく大量に製造できる微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を提供する。微粒子の製造装置は、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に供給する原料供給部と、内部に熱プラズマ炎が発生され、原料供給部により供給される原料を熱プラズマ炎にて蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、プラズマトーチの内部に熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生部とを有する。プラズマ発生部は、プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと第１のコイルの下方に設置されプラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと第１のコイルに高周波電流を供給する第１の電源部と第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する第２の電源部とを有し、第１のコイルと第２のコイルとはプラズマトーチの長手方向に並んで配置されている。

Description

微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
　本発明は、熱プラズマ炎を用いた微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関し、特に、２つのコイルと、２つのコイルにそれぞれ高周波電流を供給する２つの独立した高周波電源を用いて、電磁誘導により熱プラズマ炎を発生させて、微粒子を製造する微粒子の製造装置および微粒子の製造方法に関する。
　現在、シリコン微粒子、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子等の微粒子は、多岐の分野で用いられている。このような微粒子を製造する方法の一つとして、気相法がある。気相法には、各種のガス等を高温で化学反応させる化学的方法と、電子ビームまたはレーザ等のビームを照射して物質を分解し、蒸発させて微粒子を生成する物理的方法とがある。
　気相法の他の方法としては、熱プラズマ法がある。熱プラズマ法は、熱プラズマ炎中で原材料を瞬時に蒸発させた後、その蒸発物を急冷凝固させて微粒子を製造する方法である。熱プラズマ法によれば、クリーンで生産性が高く、高温であるため高融点材料にも対応可能であり、他の気相法に比べて複合化が比較的容易であるといった多くの利点を有する。このため、熱プラズマ法は、微粒子を製造する方法として積極的に利用されている。
　従来の熱プラズマ法を用いた微粒子の製造方法としては、例えば、原材料物質を粉末状にし、この粉末状にされた原材料（粉末原材料、粉体）をキャリアガス等と共に、分散させて、原料として、直接熱プラズマ中に投入することにより、微粒子を製造している。
　また、例えば、特許文献１には、微粒子製造用材料（原材料）を分散媒中に分散させてスラリーにし、このスラリーを原料として、液滴化させて熱プラズマ炎中に導入することにより微粒子を製造する、微粒子の製造方法が記載されている。
特開２００６－２４７４４６号公報
K. Kuraishi, et al., J.Phys. Conf. Ser., 441, 012016(2013)
　微粒子の製造方法としては、熱プラズマ炎中に、キャリアガスとともに供給すること、および上述の特許文献１のようにスラリーの形態で、原材料を供給することが従来から知られている。しかしながら、熱プラズマ炎の中でも、電磁誘導により発生させた誘導熱プラズマは、外部から擾乱により、熱プラズマ炎が不安定になることがある。
　そこで、外部からの擾乱により熱プラズマ炎が不安定になることを解消するために、例えば、非特許文献１に記載のように、熱プラズマ炎を、２つのコイルと、２つのコイルにそれぞれ接続された２つの独立した高周波電源を用いて発生させることが提案されている。
　ところで、現在、上述のように外部からの擾乱による熱プラズマ炎の不安定を解消すること以外に、得られる微粒子の粒径の制御、および得られる微粒子の粒径の均一性等が要求されている。
　さらに、従来から提案されている外部からの擾乱による熱プラズマ炎の不安定を解消するための構成であっても、微粒子の生産性を上げるために大量の原材料を、熱プラズマ炎に供給した場合、熱プラズマ炎が消滅する等、熱プラズマ炎が不安定になり、生産性を向上させるには十分とは言えない。
　本発明の目的は、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を、効率よく大量に製造できる微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、本発明は、微粒子の製造装置であって、微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に供給する原料供給部と、内部に前記熱プラズマ炎が発生され、前記原料供給部により供給される前記原料を前記熱プラズマ炎にて蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、前記プラズマトーチの前記内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生部とを有し、前記プラズマ発生部は、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する第２の電源部とを有し、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されている、微粒子の製造装置を提供するものである。
　前記熱プラズマ炎に、急冷ガスを供給する気体供給部を有することが好ましい。
　また、前記プラズマ発生部は、前記第２の電源部により、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給し、前記第２のコイルに供給される前記高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くすることが好ましい。
　前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記高周波電流は、前記高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
　また、前記原料供給部は、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
　また、前記原料供給部は、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
　また、本発明は、プラズマトーチの内部で発生した熱プラズマ炎を用いた微粒子の製造方法であって、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する第２の電源部とが設けられ、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されており、前記第１の電源部および前記第２の電源部により、前記熱プラズマ炎が発生され、前記プラズマトーチの前記内部で発生した前記熱プラズマ炎に微粒子製造用の原料を供給する第１の工程と、前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させ気相状態の混合物とし、前記混合物を冷却する第２の工程とを有し、前記第１の工程および前記第２の工程において、前記第２の電源部は、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する、微粒子の製造方法を提供するものである。
　前記第２の工程は、前記熱プラズマ炎に急冷ガスを供給して、気相状態の前記混合物を冷却することが好ましい。
　また、前記第１の工程では、前記第２の電源部により、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給し、前記第２のコイルに供給される前記高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くすることが好ましい。
　前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記高周波電流は、前記高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアであることが好ましい。
　また、前記第１の工程では、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
　また、前記第１の工程では、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給することが好ましい。
　本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法によれば、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を、効率よく大量に製造することができる。
本発明の実施形態の微粒子の製造装置の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態の微粒子の製造装置のプラズマトーチの一例を示す模式的部分断面図である。 （ａ）は第１の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、（ｂ）は第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図である。 （ａ）は第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示すグラフであり、（ｂ）はバルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は原料の供給を示すグラフである。 （ａ）は第１のコイルの高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、（ｂ）は第２のコイルの高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、（ｃ）は第１のコイルによる投入電力の波形の一例を示す模式図であり、（ｄ）は第２のコイルによる投入電力の波形の一例を示す模式図である。 （ａ）～（ｄ）はプラズマトーチの解析モデルの５０％ＳＣＬにおける温度分布および流れ場の一例を示す模式図である。 （ａ）～（ｄ）はプラズマトーチの解析モデルの０％ＳＣＬにおける温度分布および流れ場の一例を示す模式図である。 プラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の５０％ＳＣＬにおける経験温度の一例を時間経過とともに示すグラフである。 プラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の０％ＳＣＬにおける経験温度の一例を時間経過とともに示すグラフである。 プラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の１００％ＳＣＬにおける経験温度の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態の微粒子の製造装置で得られた微粒子の一例を示す模式図である。 比較のための微粒子を示す模式図である。
　以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法を詳細に説明する。
　図１は本発明の実施形態の微粒子の製造装置の一例を示す模式図であり、図２は本発明の実施形態の微粒子の製造装置のプラズマトーチの一例を示す模式的部分断面図である。
　図１に示す微粒子の製造装置１０（以下、単に製造装置１０という）は、微粒子製造用の原料を用いて、ナノサイズの微粒子を製造するものである。微粒子製造用の原料には、例えば、粉体を用いる。
　なお、製造装置１０は、微粒子であれば、その種類は特に限定されるものではなく、原料の組成を変えることにより、金属微粒子以外にも微粒子として、酸化物微粒子、窒化物微粒子、炭化物微粒子、酸窒化物微粒子等の微粒子を製造することができる。
　製造装置１０は、原料供給部１２と、プラズマトーチ１４と、チャンバー１６と、回収部１８と、プラズマガス供給部２０と、プラズマ発生部２１と、気体供給部２２と、制御部２４とを有する。
　原料供給部１２はプラズマトーチ１４に中空状の供給管１３を介して接続されている。
　また、原料供給部１２とプラズマトーチ１４との間の供給管１３に、後述するように間歇供給部１５を設けてもよい。製造装置１０では間歇供給部１５は必須の構成ではない。
　プラズマトーチ１４の下方にチャンバー１６が設けられ、チャンバー１６の下流に回収部１８が設けられている。プラズマ発生部２１はプラズマトーチ１４に接続されており、後述するようにプラズマ発生部２１により、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００が発生される。
　原料供給部１２は、微粒子製造用の原料をプラズマトーチ１４の内部で発生する熱プラズマ炎１００中に供給するためのものである。
　原料供給部１２は、原料を熱プラズマ炎１００中に供給することができれば、特に限定されるものではなく、原料を粒子状に分散させた状態で熱プラズマ炎１００中に供給するものと、原料をスラリーにし、スラリーを液滴化した形態で熱プラズマ炎１００中に供給するものとの２通りの方式を用いることができる。
　例えば、微粒子製造用の原料に、粉体を用いた場合、プラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中に原料が供給される際には原料が粒子状に分散されている必要がある。このため、例えば、原料は、キャリアガスに分散させて粒子状に供給される。この場合、例えば、原料供給部１２は、粉体の原料を分散状態に維持しつつ、定量的にプラズマトーチ１４内部の熱プラズマ炎１００中に供給するものである。このような機能を有する原料供給部１２としては、例えば、特許第３２１７４１５号公報、および特開２００７－１３８２８７号公報に開示されている装置が利用可能である。
　例えば、原料供給部１２は、例えば、原料の粉末を貯蔵する貯蔵槽（図示せず）と、原料の粉末を定量搬送するスクリューフィーダ（図示せず）と、スクリューフィーダで搬送された原料の粉末が最終的に散布される前に、これを粒子の状態に分散させる分散部（図示せず）と、キャリアガス供給源（図示せず）とを有する。
　キャリアガス供給源から押し出し圧力がかけられたキャリアガスとともに原料の粉末は供給管１３を介してプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中へ供給される。
　原料供給部１２は、原料の粉末の凝集を防止し、分散状態を維持したまま、原料の粉末を、粒子状に分散させた状態でプラズマトーチ１４内に散布することができるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。キャリアガスには、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。
　原料の粉末をスラリーの形態で供給する原料供給部１２は、例えば、特開２０１１－２１３５２４号公報に開示されているものを用いることができる。この場合、原料供給部１２は、原料の粉末が水等の液体に分散されたスラリー（図示せず）を入れる容器（図示せず）と、容器中のスラリーを攪拌する攪拌機（図示せず）と、供給管１３を介してスラリーに高圧をかけプラズマトーチ１４内に供給するためのポンプ（図示せず）と、スラリーを液滴化させてプラズマトーチ１４内へ供給するための噴霧ガスを供給する噴霧ガス供給源（図示せず）とを有する。噴霧ガス供給源は、キャリアガス供給源に相当するものである。噴霧ガスのことをキャリアガスともいう。
　スラリーの形態で原料を供給する場合、原料の粉末を水等の液体に分散させてスラリーにする。なお、スラリー中の原料の粉末と水との混合比は、特に限定されるものではなく、例えば、質量比で５：５（５０％：５０％）である。
　原料の粉末をスラリーにして、スラリーを液滴化した形態で供給する原料供給部１２を用いた場合、噴霧ガス供給源から押し出し圧力をかけられた噴霧ガスが、スラリーと共に供給管１３を介してプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中へ供給される。供給管１３は、スラリーをプラズマトーチ内の熱プラズマ炎１００中に噴霧し液滴化するための二流体ノズル機構を有しており、これにより、スラリーをプラズマトーチ１４内の熱プラズマ炎１００中に噴霧する。すなわち、スラリーを液滴化させることができる。噴霧ガスには、上述のキャリアガスと同様に、例えば、アルゴンガス（Ａｒガス）、窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。
　このように、二流体ノズル機構は、スラリーに高圧をかけ、気体である噴霧ガス（キャリアガス）によりスラリーを噴霧することができ、スラリーを液滴化させるための一つの方法として用いられる。
　なお、上述の二流体ノズル機構に限定されるものではなく、一流体ノズル機構を用いてもよい。さらに他の方法として、例えば、回転している円板上にスラリーを一定速度で落下させて遠心力により液滴化する（液滴を形成する）方法、スラリー表面に高い電圧を印加して液滴化する（液滴を発生させる）方法等が挙げられる。
　プラズマトーチ１４は、内部に熱プラズマ炎１００が発生されるものであり、原料供給部１２により供給される原料を熱プラズマ炎１００にて蒸発させて気相状態の混合物４５とするものである。
　図２に示すように、プラズマトーチ１４は、石英管１４ａと、石英管１４ａの外面に設けられた、プラズマトーチ１４の外側を取り巻く高周波発振用コイル１４ｂとで構成されている。プラズマトーチ１４の上部には、供給管１３が挿入される供給口１４ｃがその中央部に設けられており、プラズマガス供給口１４ｄがその周辺部（同一円周上）に形成されている。
　供給管１３により、例えば、粉末状の原料と、アルゴンガスまたは水素ガス等のキャリアガスとがプラズマトーチ１４内に供給される。
　プラズマガス供給口１４ｄは、例えば、図示しない配管によりプラズマガス供給部２０が接続されている。プラズマガス供給部２０は、プラズマガス供給口１４ｄを介してプラズマトーチ１４内にプラズマガスを供給するものである。プラズマガスとしては、例えば、アルゴンガスおよび水素ガス等が単独または適宜組み合わせて用いられる。
　なお、プラズマガス供給部２０に加えて、プラズマトーチ１４内にシースガスを供給するシースガス供給部（図示せず）を設けてもよい。シースガスはプラズマガスと同じガスを用いることができる。
　また、プラズマガス供給部２０に代えて、上述のシースガス供給部を設けてもよい。
　また、プラズマトーチ１４の石英管１４ａの外側は、同心円状に形成された石英管１４ｅで囲まれており、石英管１４ａと１４ｅの間に冷却水１４ｆを循環させて石英管１４ａを水冷し、プラズマトーチ１４内で発生した熱プラズマ炎１００により石英管１４ａが高温になりすぎるのを防止している。
　プラズマ発生部２１は、上述のようにプラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００を発生させるものである。プラズマ発生部２１は、プラズマトーチ１４の周囲を囲む第１のコイル６０と、プラズマトーチ１４の周囲を囲む第２のコイル６２と、第１のコイル６０に高周波電流を供給する第１の電源部２１ａと、第２のコイル６２に振幅変調（ＡＭ変調）した高周波電流を供給する第２の電源部２１ｂとを有する。第１のコイル６０に供給する高周波電流のことを、第１のコイル電流ともいい、第２のコイル６２に供給する高周波電流のことを、第２のコイル電流ともいう。
　第１のコイル６０と第２のコイル６２とはプラズマトーチ１４の長手方向に並んで配置されており、第２のコイル６２は、第１のコイル６０の下方に設置されている。
　第１の電源部２１ａおよび第２の電源部２１ｂは、いずれも高周波電源であり、かつ互いに独立している。また、第１のコイル６０と第２のコイル６２との間の磁気結合を低減するために第１の電源部２１ａの高周波電流の周波数と、第２の電源部２１ｂの高周波電流の周波数とは異なることが好ましい。これにより、互いの電源部への影響を抑制できる。
　なお、第１のコイル６０と第２のコイル６２とにより高周波発振用コイル１４ｂが構成される。第１のコイル６０の巻数および第２のコイル６２の巻数は、特に限定されるものではなく、製造装置１０の仕様に応じて適宜決定されるものである。第１のコイル６０および第２のコイル６２の材質も、特に限定されるものではなく、製造装置１０の仕様に応じて適宜決定されるものである。
　プラズマ発生部２１において、２つのコイルと、２つの独立した電源部を用いることにより、誘導熱プラズマの直列構造を構成することができる。誘導熱プラズマの直列構造を構成することにより、プラズマトーチ１４の軸方向に長い高温場を生成することができる。上述の長い高温場を利用することにより、高融点材料を完全に蒸発させることが可能である。なお、熱プラズマ炎が所定時間間隔で周期的に高温状態と、この高温状態よりも温度が低い低温状態にされたもの、すなわち、熱プラズマ炎の温度状態が時間変調されたもののことを変調誘導熱プラズマ炎という。
　プラズマ発生部２１では、例えば、第１の電源部２１ａが第１のコイル６０に、振幅変調していない無変調の高周波電流（図３（ａ）参照）を供給する。第２の電源部２１ｂが第２のコイル６２に、振幅変調した高周波電流（図３（ｂ）参照）を供給する。
　第１のコイル６０に無変調の高周波電流（図３（ａ）参照）が供給され、第２のコイル６２に振幅変調した高周波電流（図３（ｂ）参照）が供給されると、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００が発生する。第２のコイル６２に供給される振幅変調された高周波電流により、熱プラズマ炎１００の温度を変えることができ、プラズマトーチ１４の内部の温度を制御することができる。熱プラズマ炎１００の温度状態が時間変調されて、熱プラズマ炎１００の温度状態が周期的に高温状態と、高温状態よりも温度が低い低温状態になる。これにより、微粒子の粒径を制御でき、より粒径が小さい微粒子を大量に得ることができ、微粒子を効率よく大量に製造できる。
　なお、第１のコイル６０に無変調の高周波電流を供給して熱プラズマ炎１００を発生させることにより、熱プラズマ炎１００を安定させることができ、第２のコイル６２へ供給する高周波電流を変調させても熱プラズマ炎１００が不安定になることが抑制される。これにより、例えば、大量の原料が熱プラズマ炎１００に供給された場合でも、熱プラズマ炎１００の温度低下を抑制することができる。これにより、粒径の均一性が良好な微粒子を大量に得ることができる。このことからも、微粒子を効率よく大量に製造できる。
　ここで、図３（ａ）は第１の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、（ｂ）は第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示す模式図である。
　図３（ａ）は上述の振幅変調していない、無変調の高周波電流の波形を示すものであり、振幅が一定であり、変わらない。図３（ｂ）は上述の振幅変調した高周波電流の波形を示すものであり、振幅が時間に対して周期的に変調している。図３（ｂ）は矩形波振幅変調を示す。振幅変調は、図３（ｂ）に示す矩形波振幅変調に限定されるものではなく、これ以外に、三角波、のこぎり波、逆のこぎり波、または正弦波等を含む曲線を含む繰り返し波からなる波形を用いることができることは言うまでもない。
　振幅変調した高周波電流において、電流振幅の高値をＨＣＬ（Higher Current Level）、電流振幅の低値をＬＣＬ（Lower Current Level）とし、変調一周期の中で、ＨＣＬをとる時間をオン時間、ＬＣＬをとる時間をオフ時間と定義する。さらに、一周期におけるオン時間の割合（オン時間／（オン時間＋オフ時間）×１００（％））をデューティ比（ＤＦ）とする。また、振幅の比（ＬＣＬ／ＨＣＬ×１００（％））を電流変調率（ＳＣＬ）とする。電流変調率（ＳＣＬ）は電流振幅の変調度合いを示すものであり、１００％ＳＣＬは無変調状態を示し、０％ＳＣＬは電流振幅が最も大きく変調していることを示す。０％ＳＣＬでは、オフ時間、すなわち、後述のように高周波電流の電流振幅が低い領域において高周波電流の電流値が０Ａ（アンペア）である。振幅変調は、０％ＳＣＬ以上１００％ＳＣＬ未満であれば、特に限定されるものではないが、０％ＳＣＬに近い方が変調度合い高い、すなわち、振幅の変調が大きいため、０％ＳＣＬが最も好ましい。
　なお、オン時間（図３（ｂ）参照）は高周波電流の電流振幅が高い領域であり、オフ時間（図３（ｂ）参照）は高周波電流の電流振幅が低い領域である。また、上述のオン時間、オフ時間、および１サイクルは、いずれもマイクロ秒から数秒オーダーであることが好ましい。
　プラズマトーチ１４内における圧力雰囲気は、微粒子の製造条件に応じて適宜決定されるものであり。例えば、大気圧以下である。ここで、大気圧以下の雰囲気については、特に限定されないが、例えば、５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）～７５０Ｔｏｒｒ（９９．９７５ｋＰａ）とすることができる。
　図１に示すようにチャンバー１６は、プラズマトーチ１４に近い方から、上流チャンバー１６ａがプラズマトーチ１４と同軸方向に取り付けられている。また、上流チャンバー１６ａと垂直に下流チャンバー１６ｂを設け、さらに下流に、微粒子を捕集するための所望のフィルター１８ａを備える回収部１８が設けられている。製造装置１０において、微粒子の回収場所は、例えば、フィルター１８ａである。
　チャンバー１６に、気体供給部２２が接続されている。気体供給部２２から供給される急冷ガスにより、チャンバー１６内で、原料に応じた材料の微粒子（図示せず）が生成される。また、チャンバー１６は冷却槽として機能するものである。
　回収部１８は、フィルター１８ａを備えた回収室と、この回収室内下方に設けられた管を介して接続された真空ポンプ１８ｂとを備えている。チャンバー１６から送られた微粒子は、上述の真空ポンプ１８ｂで吸引されることにより、微粒子が回収室内に引き込まれ、フィルター１８ａの表面で留まった状態にて微粒子が回収される。
　気体供給部２２は、チャンバー１６内の熱プラズマ炎１００に急冷ガスを供給するものである。急冷ガスは、冷却ガスとして機能するものである。気体供給部２２は、気体が貯留される気体供給源（図示せず）と、チャンバー１６内に供給する急冷ガスに押出し圧力をかけるコンプレッサ、ブロア等の圧力付与部（図示せず）とを有する。また、気体供給源からのガス供給量を制御する調整弁（図示せず）が設けられている。気体供給源は、急冷ガスの組成に応じたものが用いられ、気体の種類は１種類に限定されるものではなく、急冷ガスを混合ガスとする場合、気体供給源を複数用意する。
　急冷ガスは、冷却する機能を発揮するものであれば、特に限定されるものではない。急冷ガスには、例えば、原料と反応しない、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが用いられる。急冷ガスは、これ以外に、水素ガスを含有してもよい。また、急冷ガスは、原料と反応する反応性ガスを含有してよい。反応性ガスとしては、例えば、メタン、エタン，プロパン，ブタン，アセチレン，エチレン，プロピレン，ブテン等の炭化水素ガス等が挙げられる。
　気体供給部２２は、例えば、熱プラズマ炎１００の尾部１００ｂ（図２参照）、すなわち、プラズマガス供給口１４ｄと反対側の熱プラズマ炎１００の端、すなわち、熱プラズマ炎１００の終端部に向かって、例えば、４５°の角度で、急冷ガス（冷却ガス）を供給し、かつチャンバー１６の内壁に沿って上方から下方に向かって、急冷ガス（冷却ガス）を供給する。なお、熱プラズマ炎１００の終端部に急冷ガスを供給することに限定されるものではない。
　気体供給部２２からチャンバー１６内に供給される急冷ガスにより、熱プラズマ炎１００で気相状態にされた混合物が急冷されて、原料に応じた材料の微粒子が得られる。これ以外にも上述の急冷ガスは微粒子の分級に寄与する等の付加的作用を有する。
　原料に応じた材料の微粒子の生成直後の微粒子同士が衝突し、凝集体を形成することで粒子径の不均一が生じると、品質低下の要因となる。しかしながら、熱プラズマ炎の尾部１００ｂ（終端部）に向かって、急冷ガスを供給することにより、急冷ガスが微粒子を希釈することにより、微粒子同士が衝突して凝集することが防止される。
　また、チャンバー１６の内壁面に沿って、急冷ガスを供給することにより、微粒子の回収の過程において、微粒子のチャンバー１６の内壁への付着が防止され、生成した微粒子の収率が向上する。
　気体供給部２２の熱プラズマ炎１００への急冷ガスの供給方法は、特に限定されるものではなく、１方向から急冷ガスを供給してもよい。また、熱プラズマ炎１００の周囲を囲む、複数の方向から急冷ガスを供給してもよい。この場合、急冷ガスの供給口をチャンバー１６の外周面に、周方向に沿って複数に、例えば、等間隔に設けるが、等間隔に限定されるものではない。
　複数の方向から急冷ガスを供給する場合、供給タイミングは、特に限定されるものではなく、複数の方向から同期して急冷ガスを供給する。これ以外にも、例えば、時計回りまたは反時計回りの順で、急冷ガスを供給してもよい。この場合、急冷ガスにより、チャンバー１６内に旋回流等の気流が生じる。複数の方向から急冷ガスを供給する場合、供給順を決定することなく、ランダムに供給してもよい。
　なお、急冷ガスを用いることなく、微粒子を生成することができれば、気体供給部２２は必ずしも必要ではない。気体供給部２２がない構成の場合、製造装置１０の装置構成を簡素化でき、かつ微粒子の製造方法も工程を簡素化できる。
　原料供給部１２は、上述のように、熱プラズマ炎１００に原料を供給するものであり、例えば、原料を、予め定めた量を供給するものであり、時間によらず、一定量の原料を供給する。
　原料供給部１２は、一定量の原料を供給するものに限定されるものではなく、原料の熱プラズマ炎１００中への供給量を時間変調して、原料を熱プラズマ炎１００中に供給するものでもよい。これにより、図３（ｂ）に示すオン時間に大量の原料を供給することができる。これにより、より小さい微粒子を大量に製造することができる。この場合、例えば、供給管１３に間歇供給部１５を設ける。間歇供給部１５により、チャンバー１６内に原料を時間変調して供給する。原料の供給量の変化は、特に限定されるものではなく、サイン波状でも、三角波状でも、方形波状でも、のこぎり波状でもよいが、第２のコイル６２に供給される高周波電流の振幅変調に合わせることが好ましい。すなわち、関数で表される振幅変調の時間変化が同じであることが好ましい。これにより、オン時間と原料の供給とのタイミングが合わせやすくなる。
　間歇供給部１５は、例えば、供給管１３に接続されたソレノイドバルブ（電磁弁）を用いて、原料の供給量を時間変調する。制御部２４により、ソレノイドバルブの開閉が制御される。ソレノイドバルブ以外に、ボールバルブを用いてもよい。この場合も、制御部２４により、ボールバルブの開閉が制御される。制御部２４により、例えば、オン時間のときに原料の供給量を多くし、オフ時間のときに原料の供給量を少なくするパターンで、原料の供給量を時間変調する。これにより、より小さい微粒子を大量に製造することができる。このため、原料の供給は、オン時間のときに原料の供給量を多くし、オフ時間のときに原料の供給量を少なくすることが好ましい。このように、オン時間に原料を供給することにより、大量の原料を蒸発させることができ、その結果、微粒子の大量生成が可能になり、微粒子を効率よく、しかも大量に製造できる。
　次に、上述の製造装置１０を用いた微粒子の製造方法について、金属微粒子を例にして説明する。
　まず、金属微粒子の原料の粉末として、例えば、体積平均粒径が３０μｍ以下のＳｉの粉末を原料供給部１２に投入する。
　プラズマガスに、例えば、アルゴンガスを用いる。第１の電源部２１ａにより、無振幅変調の高周波電流を第１のコイル６０に供給する。第２の電源部２１ｂにより、振幅変調した高周波電流を第２のコイル６２に供給する。これにより、プラズマトーチ１４の内部に熱プラズマ炎１００を発生させる。第２のコイル６２に供給する高周波電流の振幅変調は、例えば、５０％ＳＣＬであり、変調周期が１５ｍｓ、オン時間が１０ｍｓ、オフ時間が５ｍｓである。
　次に、キャリアガスとして、例えば、アルゴンガスを用いてＳｉの粉末を気体搬送し、供給管１３を介してプラズマトーチ１４の内部の熱プラズマ炎１００中に供給する（第１の工程）。供給されたＳｉの粉末は、熱プラズマ炎１００中で蒸発させて気相状態の混合物４５（図２参照）となる。気相状態の混合物４５（図２参照）を冷却する（第２の工程）。これにより、Ｓｉ微粒子（金属微粒子）が得られる。
　そして、チャンバー１６内で得られたＳｉ微粒子は、真空ポンプ１８ｂによる回収部１８からの負圧（吸引力）によって回収部１８のフィルター１８ａに捕集される。
　上述のように、熱プラズマ炎１００を安定した状態で周期的に高温状態と、高温状態よりも温度が低い低温状態にすることができることから、微粒子の粒径を制御でき、かつ粒径の均一性が良好な微粒子を得ることができる。
　なお、上述の気相状態の混合物４５（図２参照）の冷却（第２の工程）は、特に限定されるものではなく、急冷ガス等の冷却媒体を用いることなく冷却させた自然冷却でもよい。急冷ガスを用いない場合、ＳＣＬの値を小さくすることにより、すなわち、第２のコイルの高周波電流の変調度合いを大きくすることにより、オン時間の熱プラズマ炎１００の温度を維持しつつ、オフ時間の熱プラズマ炎１００の温度を低くできるため、急冷ガスを用いた冷却を行わなくても、より小さなサイズのＳｉ微粒子（金属微粒子）を得ることができる。この場合、微粒子の製造方法の工程を簡素化できる。
　また、気体供給部２２から熱プラズマ炎１００の尾部１００ｂ（図２参照）、すなわち、熱プラズマ炎１００の終端部に、急冷ガスとして、例えば、アルゴンガスを供給して、混合物４５（図２参照）を急冷してもよい。これにより、熱プラズマ炎１００が急冷されてＳｉ微粒子（金属微粒子）が生成されるが、このとき、チャンバー１６内に温度が低い領域が生じ、よりさらに小さいＳｉ微粒子（金属微粒子）が得られる。
　Ｓｉの粉末をプラズマトーチ１４の内部の熱プラズマ炎１００中に供給する際、上述のように、オン時間にＳｉの粉末の供給量を多くし、オフ時間にＳｉの粉末の供給量を少なくすることが好ましい。また、オン時間にＳｉの粉末を供給し、オフ時間にＳｉの粉末の供給しないようにしてもよい。いずれにしろ、ソレノイドバルブが開になってから実際に原料が搬送され、熱プラズマ炎１００中の原料の供給量が多くなるまでに時間がかかるので、その搬送時間にかかる時間を見越して、ソレノイドバルブ等を制御する必要がある。
　ここで、図４（ａ）は第２の電源部の高周波電流の波形の一例を示すグラフであり、（ｂ）はバルブの開閉タイミングを示すグラフであり、（ｃ）は原料の供給を示すグラフである。
　本実施形態では、例えば、図４（ａ）に示す第２のコイル６２の矩形波振幅変調された波形信号１０４に基づき、搬送時間を考慮してバルブの開閉タイミングが決定され、図４（ｂ）に示すバルブの開閉のタイミング信号１０６が得られ、バルブが所定の時間間隔で開閉される。その結果、図４（ｃ）に示す波形１０８で、例えば、原料粉末がプラズマトーチ１４内にオン時間に供給され、結果として原料を間歇的に供給することができる。
　次に、製造装置１０のプラズマ発生部２１により、供給する高周波電流と、熱プラズマ炎への投入電力との関係について説明する。
　図５（ａ）は第１のコイルの高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、（ｂ）は第２のコイルの高周波電流の波形の一例を示す模式図であり、（ｃ）は第１のコイルによる投入電力の波形の一例を示す模式図であり、（ｄ）は第２のコイルによる投入電力の波形の一例を示す模式図である。図５（ａ）および（ｂ）の縦軸は電流値であるが、これは電流値の２乗値の平均の平方根（root mean square）で表される実効値である。図５（ｃ）および（ｄ）の縦軸は投入電力であるが、これは電力の２乗値の平均の平方根（root mean square）で表される実効値である。
　図５（ａ）～（ｄ）は、以下に示す電磁熱流体モデルを解析モデルに用いた解析により得られたものである。
［電磁熱流体モデル］
　電磁熱流体モデルは、図１に示すプラズマトーチ１４およびチャンバー１６の断面を対象とした。プラズマトーチは内径７０ｍｍ、長さ４４０ｍｍとし、チャンバーは内径１３０ｍｍ、長さ８１０ｍｍとした。プラズマトーチおよびチャンバーの外壁および原料投入用チューブは水冷されているとした。シースガスとしてＡｒガスをプラズマトーチ上部から、軸方向およびスワール方向に流している。キャリアガスとしてＡｒガスをプラズマトーチヘッド中央から原料供給用の水冷チューブを通じてプラズマトーチに導入している。水冷チューブの挿入深さは１８５ｍｍとした。Ａｒガス（キャリアガス）は、微粒子生成の際、原料粉体を導入する役割を持つ。
　電磁熱流体モデルにおける計算空間としては、軸方向に１１４分割、半径方向に６５分割した。プラズマトーチは、半径方向への温度変化が急激であるため、軸方向および半径方向へのメッシュサイズを、１０ｍｍ×１ｍｍとした。
　また、電磁熱流体モデルでは、熱プラズマモデルとして以下を仮定した。
　局所熱平衡状態である。すなわち、電子温度、ガス温度、励起温度等の温度は等しい。さらに、全ての反応は反応論的平衡状態に達している。
　プラズマは光学的に薄く、光吸収効果は無視する。
　流れは層流であり、乱流は考慮しない。
　円筒軸対称である。
　これらの４つの仮定の下、質量、運動量、エネルギーの保存式および２つのコイル電流が作るそれぞれのベクトルポテンシャルに対するポアソン方程式を作成し、以下に示す計算条件に基づき解析した。
［計算条件］
　過渡解析のタイムステップを５０μｓとした。熱プラズマ炎への平均投入電力として、第１のコイルでは１０ｋＷ、第２のコイルでは１０ｋＷとした。プラズマトーチの内部の圧力を３００Ｔｏｒｒ一定とした。第１のコイルに供給される高周波電流の周波数を４３０ｋＨｚに設定し、第２のコイルに供給される高周波電流の周波数を３００ｋＨｚに設定した。
　キャリアガスとしてＡｒガスを４リットル／分導入した。プラズマガスを未供給とした。シースガスとしてＡｒガスを９０リットル／分導入した。投入するＡｒガスの温度はいずれも３００Ｋ一定とした。
　本計算では、第１のコイルの入力電力が１０ｋＷ一定となるように電流振幅を１タイムステップ毎に変更した。第２のコイルの高周波電流は１周期での平均電力が１０ｋＷとなるように矩形波振幅変調した。変調周期は２０ｍｓとし、オン時間を１０ｍｓ、オフ時間を１０ｍｓとした。計算パラメータとして、第２のコイルの高周波電流のＳＣＬを、１００％、５０％および０％の３通りに設定した。
　図５（ａ）～（ｄ）は、第１のコイルの高周波電流の実効値、第２のコイルの高周波電流の実効値と熱プラズマ炎への投入電力の実効値を示す。上述のように１００％ＳＣＬの場合では無変調状態であり、０％ＳＣＬの場合は電流振幅が最も大きく変調している。時刻０～１０ｍｓ間はオフ時間、時刻１０～２０ｍｓ間はオン時間である。図５（ｂ）は設定した第２のコイルの高周波電流の振幅変化を示す。
　図５（ａ）は、第１のコイルの高周波電流の実効値を示しており、上述のように第１のコイルの入力電力が１０ｋＷ一定になるように変化させたものを示す。このとき、第１のコイルの高周波電流による入力電力は図５（ｃ）に示すように１０ｋＷ一定であり、設定通りである。第２のコイルの高周波電流の矩形波振幅変調に従い、図５（ｄ）に示すように、第２のコイルから熱プラズマ炎への入力電力が三角波状に時間変化している。
　上述のように第２のコイルの高周波電流を矩形波振幅変調することにより、第２のコイルの温度場が高電流時では高温場が得られ、低電流時では低温場が得られる。さらに、第２のコイルの高周波電流の変調度合いを大きくすることにより、第２のコイルによる温度場をさらに変動させることができる。これらの結果から、微粒子生成プロセスでは、高電流時に原料を投入することにより、原料をより確実な蒸発させることができ、低電流時では成長段階にある微粒子の成長抑制をできることが示唆された。このことから、第２のコイルの高周波電流を振幅変調し、さらに振幅変調の変調度合いを高めることにより、より効率的な微粒子生成プロセスの実現が可能である。
　次に、解析モデルの温度分布および流れ場について説明する。
　図６（ａ）～（ｄ）はプラズマトーチの解析モデルの５０％ＳＣＬにおける温度分布および流れ場の一例を示す模式図である。図７（ａ）～（ｄ）はプラズマトーチの解析モデルの０％ＳＣＬにおける温度分布および流れ場の一例を示す模式図である。
　図６（ａ）～（ｄ）および図７（ａ）～（ｄ）は、半径位置０ｍｍを境に左側の領域７０と右側の領域７２との区画されている。左側の領域７０には温度分布が示され、右側の領域７２には流れ場が示される。また、軸方向位置０ｍｍ以上１８０ｍｍ未満の領域が、第１のコイル６０が配置される第１のコイル領域６１であり、軸方向位置１８０～３５０ｍｍの領域が、第２のコイル６２が配置される第２のコイル領域６３である。
　なお、図６（ａ）および図７（ａ）は時刻０ｍｓにおける温度分布および流れ場を示し、図６（ｂ）および図７（ｂ）は時刻５ｍｓにおける温度分布および流れ場を示す。図６（ｃ）および図７（ｃ）は時刻１０ｍｓにおける温度分布および流れ場を示し、図６（ｄ）および図７（ｄ）は時刻１５ｍｓにおける温度分布および流れ場を示す。変調周期は２０ｍｓであり、オン時間は１０ｍｓ、オフ時間は１０ｍｓである。
　温度分布においては、５０％ＳＣＬの場合、時刻０ｍｓ（図６（ａ）の領域７０）では、第２のコイル領域６３に８０００Ｋ以上の高温場８０が広い範囲に分布している。その後のオフ時間時（時刻０～１０ｍｓ）では、第２のコイル領域６３の温度が低下し、時刻１０ｍｓ（図６（ｃ）の領域７０）において、第２のコイル領域６３の温度は６０００～８０００Ｋに低下している。オン時間時（時刻１０～２０ｍｓ）では、その低下した高温場が再び加熱され、時刻２０ｍｓ、すなわち、初期時刻（０ｍｓ）において軸方向に長い高温場が形成されている。
　さらに変調度合いを高くした０％ＳＣＬの場合、時刻０ｍｓ（図７（ａ）の領域７０）において、５０％ＳＣＬの場合に比べて第２のコイル領域６３にある８０００Ｋ以上の高温場８０が拡大している。その後のオフ時間時では、５０％ＳＣＬの場合より第２のコイル領域６３の温度が速く急激に低下していることがわかる。時刻１０ｍｓ（図７（ｃ）の領域７０）では、第２のコイル領域６３の温度は、４０００～８０００Ｋと著しく低下している。オン時間時では、第２のコイルにおける温度が急激に上昇し、８０００Ｋ以上の広い高温場８０を再び形成する。
　流れ場においては、５０％ＳＣＬの場合、時刻０ｍｓ（図６（ａ）の領域７２）では、第２のコイル領域６３において、軸方向下向きの流速が５０ｍ／ｓ以上と非常に速い。オフ時間時（時刻０～１０ｍｓ）では、この領域の流速が低下している。これは、主に熱プラズマ温度が低下することにより密度が上昇し、質量保存式を満たすように流速が低下するためである。一方、オン時間時（１０～２０ｍｓ）では、再び温度が上昇するため、流速が増加している。
　さらに変調度合いを高くした０％ＳＣＬの場合、時刻０ｍｓ（図７（ａ）の領域７２）では、第２のコイル領域６３の軸方向下向きの流速が、５０％ＳＣＬの場合と比べるとさらに増加している。これは、０％ＳＣＬの場合と、５０％ＳＣＬの場合とを比較して、より温度が高いためである。
　しかし、時刻１０ｍｓ（図７（ｃ）の領域７２）では、この軸方向下向きへの流速は５０％ＳＣＬの場合と比べて殆ど変わらない。５０％ＳＣＬおよび０％ＳＣＬいずれの条件においても、オン時間において、第２のコイル領域６３の軸方向下向きの流速が増加しており、オフ時間では、この流速が低下していることがわかる。軸方向下向きへの流速の増加は、後述する現象により生じていると考えられる。
　オン時間では、高周波電流が増加するため、第２のコイル領域６３に発生する磁界および電界が強くなる。磁界および電界が強くなることにより入力電力が増加する。このため、この領域における温度が上昇することにより密度が低下し、質量保存式を満たすように流速が速くなる。さらに、その領域に発生する径方向内側へのローレンツ力が強くなる。このローレンツ力の増大によって、トーチ内部の圧力が上昇し、この圧力増加に伴って流速が速くなることが考えられる。このため、高周波電流が増加するオン時間では、第２のコイルにおいて軸方向下側への流速が増加したと考えられる。
　上述のプラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の経験温度について説明する。具体的には、仮想粒子について、投入タイミングによる経験温度の違いを求めた。なお、仮想粒子は質量がない質点とし、仮想粒子の初期位置を水冷チューブの先端位置とした。また、仮想粒子は水冷チューブ先端から熱プラズマ炎内に入り、かつ流れに沿って輸送されると仮定した。
　図８はプラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の５０％ＳＣＬにおける経験温度の一例を時間経過とともに示すグラフであり、図９はプラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の０％ＳＣＬにおける経験温度の一例を時間経過とともに示すグラフであり、図１０はプラズマトーチの解析モデル内に供給された仮想粒子の１００％ＳＣＬにおける経験温度の一例を示すグラフである。
　図１０に示すように１００％ＳＣＬの場合、仮想粒子投入後の時刻０～７ｍｓにおいて、仮想粒子が熱プラズマ炎中に流入するため、急激に温度が上昇し、時刻７ｍｓで約９０００Ｋに達している。その後時刻７～３８ｍｓの期間において仮想粒子が下流に輸送されるに従い温度が徐々に低下している。
　次に、図８に示す５０％ＳＣＬの場合、仮想粒子の経験温度は、仮想粒子の導入タイミングによって異なる。導入タイミングは時刻２．５ｍｓから２０ｍｓ（＝０ｍｓ）まで設定した。なお、仮想粒子は時刻２．５ｍｓに導入した。
　時刻２．５ｍｓに導入された仮想粒子は、時刻２．５～１０ｍｓの間、温度上昇しており、時刻１０ｍｓでその経験温度のピークを取り、８０００Ｋに達している。オフ時間（時刻０～１０ｍｓ）に仮想粒子が投入された場合、温度上昇後のピークの値が８０００～８５００Ｋ程度にとどまる。それに対し、オン時間（１２．５～２０ｍｓ）に仮想粒子が投入された場合、温度上昇後のピークの値が９０００Ｋ以上にまで達する。
　時刻１０．０～１５．０ｍｓに仮想粒子が投入された場合では、温度減少時の低下率が－５００Ｋ／ｍｓ程度と高い。他のタイミング、例えば、時刻２．５ｍｓに仮想粒子が投入された場合では、温度減少時の低下率は－３００Ｋ／ｍｓ程度である。このことから、時刻１０．０～１５．０ｍｓで仮想粒子を投入した場合、急冷の度合いが高い。
　さらに変調度合いを高くした図９に示す０％ＳＣＬの場合、オフ時間（時刻０～１０ｍｓ）に仮想粒子が投入された場合では、温度上昇後のピークの値が６０００～７５００Ｋ程度であり、顕著に低い値である。一方、オン時間（時刻１０～２０ｍｓ）に仮想粒子が投入された場合では、温度上昇後のピークが１００％ＳＣＬ時および５０％ＳＣＬ時に比べて高く８０００～９２００Ｋ程度である。時刻１０～１５ｍｓに仮想粒子が投入された場合では、温度減少時の低下率が５０％ＳＣＬ時と比べてさらに大きい。
　上述のことから、オン時間時に原料を投入することにより、原料のより完全な蒸発を行えることが考えられる。さらにオン時間付近で投入された原料は、無変調状態時と比べてさらに急冷を行えるため、成長段階にある粒子の成長をさらに抑制できることが期待できる。したがって、第２のコイルの高周波電流の振幅変調することにより、効率的なナノ粒子生成プロセスを行える。振幅変調のＳＣＬの値を小さくすることにより、熱プラズマ炎の温度をより低くできるため、さらに確実な蒸発および成長段階にある粒子の効率的な冷却が可能である。
　上述の図１に示す製造装置１０を用いて微粒子を以下のようにして製造することができる。具体的には、第１のコイルおよび第２のコイルへの入力電力をそれぞれ１０ｋＷとし、第１のコイルの高周波電流の周波数を４５０ｋＨｚ、第２のコイルの高周波電流の周波数を３２０ｋＨｚとした。
　第１の高周波電流の電流を無変調とし，第２の高周波電流の電流は矩形波振幅変調とした．変調周期は１５ｍｓとしオン時間１０ｍｓ，オフ時間を５ｍｓとした。デューティ比（ＤＦ）％は、６６％である。変調度合いを示すＳＣＬは０％に設定した。プラズマトーチ内の圧力を３００Ｔｏｒｒとした。シースガスとしてＡｒガスを９０ｓｌｐｍ導入した。また、Ｓｉ原料粉体をＡｒガス（キャリアガス）４ｓｌｐｍとともに熱プラズマ炎に供給した。
　Ｓｉ原料粉体に体積平均粒径２８μｍのＳｉ粉体を用いた。Ｓｉ原料粉体をオン時間に同期するように間歇投入した。なお、急冷ガスは用いていない。得られた微粒子を図１１に示す。
　なお、比較のために第１のコイルおよび第２のコイルの高周波電流をいずれも、振幅変調させ、８０％ＳＣＬとした以外は同じ条件で微粒子を製造した。得られた微粒子を図１２に示す。なお、図１１および図１２はいずれも倍率が５００００倍である。
　図１１の微粒子と図１２に示す微粒子から、いずれも微粒子が大量に得られているが、図１１に示す微粒子の方が、粒径が小さい。また、粒子生成率は、本発明の製造方法が３００ｇ／ｈであり、比較の製造方法が１８０ｇ／ｈであり、本発明の製造方法の方が、生産性が高く、大量の微粒子を製造することができる。
　また、微粒子を以下のようにして製造することもできる。具体的には、第１のコイルおよび第２のコイルの時間平均入力電力を、それぞれ１０ｋＷに設定した。第１のコイルの高周波電流は変調せず、第２のコイルの高周波電流を変調した。変調周期を１５ｍｓとし、オン時間を１０ｍｓ、オフ時間を５ｍｓとした。デューティ比（ＤＦ）％は、６６％である。また、ＳＣＬを５０％および０％に設定した。
　プラズマトーチ内の圧力を３００ｔｏｒｒに設定した。シースガスにアルゴンガスを用い、９０リットル／分の流量で供給した。プラズマガスは用いていない。
　また、キャリアガスにアルゴンガスを用い、流量を４リットル／分とした。
　原料粉末には、金属グレードＳｉ粉末（９９．５％純度）を用いた。原料粉末の平均直径は約１９．２μｍであった。第２のコイルの高周波電流（変調電流）の変調にソレノイドバルブを同期させ、原料粉末を含むキャリアガスを断続的にプラズマトーチ内に供給した。原料粉末の供給量を３．５ｇ／分および５．７ｇ／分とした。
　なお、急冷ガスは使用しなかった。
　５．７ｇ／分の供給量で安定して微粒子を製造することができた。０％ＳＣＬおよび５０％ＳＣＬ条件下で、多くのナノサイズの微粒子が得られたことを、ＦＥ－ＳＥＭ画像を用いた確認できた。
　５０％ＳＣＬでは平均直径が６２．０ｎｍのＳｉ微粒子が得られ、０％ＳＣＬでは平均粒径が４７．４ｎｍのＳｉ微粒子が得られた。変調度合いを大きくすることにより、急冷ガスを用いることなく、より小さなサイズの微粒子が得られた。
　なお、本実施形態の製造装置１０は、原料に、例えば、Ｓｉ粉体を用い、ナノサイズのＳｉ微粒子を製造することができる。しかし、これに限定されるものではなく、他の元素の粒子を微粒子製造用の原料として用いて、その酸化物、金属、窒化物、炭化物等の微粒子の製造を行うことも可能である。この場合、スラリー化しても微粒子の製造を行うことができる。
　原料は、粉末の場合、熱プラズマ炎中で容易に蒸発するように、その平均粒子径が適宜設定されるが、平均粒子径は、例えば、ＢＥＴ径換算で、１００μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。
　例えば、原料としては、熱プラズマ炎により蒸発させられるものであれば、その種類を問わないが、好ましくは、以下のものがよい。すなわち、原子番号３～６、１１～１５、１９～３４、３７～５２、５５～６０、６２～７９および８１～８３の元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、単体酸化物、複合酸化物、複酸化物、酸化物固溶体、金属、合金、水酸化物、炭酸化合物、ハロゲン化物、硫化物、窒化物、炭化物、水素化物、金属塩または金属有機化合物を適宜選択すればよい。
　なお、単体酸化物とは酸素以外に１種の元素からなる酸化物をいい、複合酸化物とは複数種の酸化物から構成されるものをいい、複酸化物とは２種以上の酸化物からできている高次酸化物をいい、酸化物固溶体とは異なる酸化物が互いに均一に溶け合った固体をいう。また、金属とは１種以上の金属元素のみで構成されるものをいい、合金とは２種以上の金属元素から構成されるものをいい、その組織状態としては、固溶体、共融混合物、金属間化合物あるいはそれらの混合物をなす場合がある。
　また、水酸化物とは水酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭酸化合物とは炭酸基と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、ハロゲン化物とはハロゲン元素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、硫化物とは硫黄と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、窒化物とは窒素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、炭化物とは炭素と１種以上の金属元素から構成されるものをいい、水素化物とは水素と１種以上の金属元素から構成されるものをいう。また、金属塩は少なくとも１種以上の金属元素を含むイオン性化合物をいい、金属有機化合物とは１種以上の金属元素と少なくともＣ、Ｏ、Ｎ元素のいずれかとの結合を含む有機化合物をいい、金属アルコキシドおよび有機金属錯体等が挙げられる。
　例えば、単体酸化物としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２）、酸化鉄、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム、酸化サマリウム、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化バリウム（ＢａＯ）などを挙げることができる。
　また、複合酸化物としては、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、バナジウム酸イットリウム、リン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム（ＣａＺｒＯ３）、ジルコン酸チタン鉛、酸化チタン鉄（ＦｅＴｉＯ３）、酸化チタンコバルト（ＣｏＴｉＯ３）等を、複酸化物としては、錫酸バリウム（ＢａＳｎＯ３）、（メタ）チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸バリウムに酸化ジルコニウムと酸化カルシウムが固溶した固溶体などを挙げることができる。
　さらに、水酸化物としてはＺｒ（ＯＨ）４、炭酸化合物としてはＣａＣＯ３、ハロゲン化物としてはＭｇＦ２、硫化物としてはＺｎＳ、窒化物としてはＴｉＮ、炭化物としてはＳｉＣ、水素化物としてはＴｉＨ２等を挙げることができる。
　本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の微粒子の製造装置および微粒子の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
　１０　微粒子の製造装置（製造装置）
　１２　原料供給部
　１３　供給管
　１４　プラズマトーチ
　１４ａ　石英管
　１４ｂ　高周波発振用コイル
　１４ｃ　供給口
　１４ｄ　プラズマガス供給口
　１４ｅ　石英管
　１４ｆ　冷却水
　１５　　間歇供給部
　１６　　チャンバー
　１６ａ　上流チャンバー
　１６ｂ　下流チャンバー
　１８　回収部
　１８ａ　フィルター
　１８ｂ　真空ポンプ
　２０　プラズマガス供給部
　２１　プラズマ発生部
　２１ａ　第１の電源部
　２１ｂ　第２の電源部
　２２　気体供給部
　２４　制御部
　４５　混合物
　６０　第１のコイル
　６１　第１のコイル領域
　６２　第２のコイル
　６３　第２のコイル領域
　７０　領域
　７２　領域
　１００　熱プラズマ炎
　１００ｂ尾部
　１０４　波形信号
　１０６　タイミング信号
　１０８　波形

Claims (12)

  1. 　微粒子の製造装置であって、
    　微粒子製造用の原料を熱プラズマ炎中に供給する原料供給部と、
    　内部に前記熱プラズマ炎が発生され、前記原料供給部により供給される前記原料を前記熱プラズマ炎にて蒸発させて気相状態の混合物とするプラズマトーチと、
    　前記プラズマトーチの前記内部に前記熱プラズマ炎を発生させるプラズマ発生部とを有し、
    　前記プラズマ発生部は、前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する第２の電源部とを有し、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されている、微粒子の製造装置。
  2. 　前記熱プラズマ炎に、急冷ガスを供給する気体供給部を有する、請求項１に記載の微粒子の製造装置。
  3. 　前記プラズマ発生部は、前記第２の電源部により、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給し、前記第２のコイルに供給される前記高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くする、請求項１または２に記載の微粒子の製造装置。
  4. 　前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記高周波電流は、前記高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアである、請求項１～３のいずれか１項に記載の微粒子の製造装置。
  5. 　前記原料供給部は、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項１～４のいずれか１項に記載の微粒子の製造装置。
  6. 　前記原料供給部は、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項１～４のいずれか１項に記載の微粒子の製造装置。
  7. 　プラズマトーチの内部で発生した熱プラズマ炎を用いた微粒子の製造方法であって、
    　前記プラズマトーチの周囲を囲む第１のコイルと、前記第１のコイルの下方に設置され前記プラズマトーチの周囲を囲む第２のコイルと、前記第１のコイルに高周波電流を供給する第１の電源部と、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する第２の電源部とが設けられ、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは前記プラズマトーチの長手方向に並んで配置されており、前記第１の電源部および前記第２の電源部により、前記熱プラズマ炎が発生され、
    　前記プラズマトーチの前記内部で発生した前記熱プラズマ炎に微粒子製造用の原料を供給する第１の工程と、
    　前記原料を前記熱プラズマ炎で蒸発させ気相状態の混合物とし、前記混合物を冷却する第２の工程とを有し、
    　前記第１の工程および前記第２の工程において、前記第２の電源部は、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給する、微粒子の製造方法。
  8. 　前記第２の工程は、前記熱プラズマ炎に急冷ガスを供給して、気相状態の前記混合物を冷却する、請求項７に記載の微粒子の製造方法。
  9. 　前記第１の工程では、前記第２の電源部により、前記第２のコイルに振幅変調した高周波電流を供給し、前記第２のコイルに供給される前記高周波電流の電流振幅が高い領域で、前記原料の供給量を多くする、請求項７または８に記載の微粒子の製造方法。
  10. 　前記第２のコイルに供給する、前記振幅変調した前記高周波電流は、前記高周波電流の電流振幅が低い領域では電流値が０アンペアである、請求項７～９のいずれか１項に記載の微粒子の製造方法。
  11. 　前記第１の工程では、前記原料を、粒子状に分散させた状態で、前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項７～１０のいずれか１項に記載の微粒子の製造方法。
  12. 　前記第１の工程では、前記原料を液体に分散させてスラリーにし、前記スラリーを液滴化して前記熱プラズマ炎中に供給する、請求項７～１０のいずれか１項に記載の微粒子の製造方法。
PCT/JP2019/008186 2019-03-01 2019-03-01 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法 WO2020178915A1 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201980093381.3A CN113543876B (zh) 2019-03-01 2019-03-01 微粒子的制造装置以及微粒子的制造方法
CA3131956A CA3131956A1 (en) 2019-03-01 2019-03-01 Fine particle manufacturing apparatus and fine particle manufacturing method
PCT/JP2019/008186 WO2020178915A1 (ja) 2019-03-01 2019-03-01 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
JP2021503265A JPWO2020178915A1 (ja) 2019-03-01 2019-03-01
US17/435,665 US20220141946A1 (en) 2019-03-01 2019-03-01 Fine particle manufacturing apparatus and fine particle manufacturing method
KR1020217027847A KR102694796B1 (ko) 2019-03-01 2019-03-01 미립자의 제조 장치 및 미립자의 제조 방법
JP2023166218A JP2024012226A (ja) 2019-03-01 2023-09-27 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/008186 WO2020178915A1 (ja) 2019-03-01 2019-03-01 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020178915A1 true WO2020178915A1 (ja) 2020-09-10

Family

ID=72338466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/008186 WO2020178915A1 (ja) 2019-03-01 2019-03-01 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220141946A1 (ja)
JP (2) JPWO2020178915A1 (ja)
KR (1) KR102694796B1 (ja)
CN (1) CN113543876B (ja)
CA (1) CA3131956A1 (ja)
WO (1) WO2020178915A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06279015A (ja) * 1993-03-30 1994-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd シリコン超微粒子の製造方法
JP2005505906A (ja) * 2001-10-05 2005-02-24 ユニヴェルシテ・ドゥ・シャーブルック 固体電源のためのマルチコイル型誘導プラズマトーチ
JP2006247446A (ja) * 2005-03-08 2006-09-21 Nisshin Seifun Group Inc 微粒子の製造方法と装置
JP2012055840A (ja) * 2010-09-09 2012-03-22 Nisshin Seifun Group Inc 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
JP2012521617A (ja) * 2009-03-24 2012-09-13 テクナ・プラズマ・システムズ・インコーポレーテッド ナノ粉末合成および材料処理用のプラズマ反応炉
JP2013194265A (ja) * 2012-03-16 2013-09-30 Kanazawa Univ 表面処理方法、及び、表面処理装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01194420A (ja) * 1988-01-29 1989-08-04 Mitsubishi Electric Corp プラズマ処理装置
JP3217415B2 (ja) * 1991-12-20 2001-10-09 株式会社日清製粉グループ本社 粉体分散装置
JPH0982495A (ja) * 1995-09-18 1997-03-28 Toshiba Corp プラズマ生成装置およびプラズマ生成方法
US6693253B2 (en) * 2001-10-05 2004-02-17 Universite De Sherbrooke Multi-coil induction plasma torch for solid state power supply
JP3969324B2 (ja) * 2003-02-27 2007-09-05 富士ゼロックス株式会社 カーボンナノチューブの製造装置
JP4963586B2 (ja) * 2005-10-17 2012-06-27 株式会社日清製粉グループ本社 超微粒子の製造方法
JP2010131577A (ja) * 2008-10-30 2010-06-17 Kanazawa Univ 微粒子の製造方法およびその製造装置
JP5363397B2 (ja) * 2010-03-31 2013-12-11 日清エンジニアリング株式会社 珪素／炭化珪素複合微粒子の製造方法
KR101353348B1 (ko) * 2012-04-20 2014-01-24 한국표준과학연구원 나노 입자 합성 장치 및 나노 입자 합성 방법
JP6180799B2 (ja) * 2013-06-06 2017-08-16 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマ処理装置
JP2017105680A (ja) * 2015-12-11 2017-06-15 国立大学法人金沢大学 ナノワイヤの製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06279015A (ja) * 1993-03-30 1994-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd シリコン超微粒子の製造方法
JP2005505906A (ja) * 2001-10-05 2005-02-24 ユニヴェルシテ・ドゥ・シャーブルック 固体電源のためのマルチコイル型誘導プラズマトーチ
JP2006247446A (ja) * 2005-03-08 2006-09-21 Nisshin Seifun Group Inc 微粒子の製造方法と装置
JP2012521617A (ja) * 2009-03-24 2012-09-13 テクナ・プラズマ・システムズ・インコーポレーテッド ナノ粉末合成および材料処理用のプラズマ反応炉
JP2012055840A (ja) * 2010-09-09 2012-03-22 Nisshin Seifun Group Inc 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
JP2013194265A (ja) * 2012-03-16 2013-09-30 Kanazawa Univ 表面処理方法、及び、表面処理装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KURAISHI, KATSUYA ET AL.: "Temperature Behavior in a Tandem Type of Modulated Induction Thermal Plasma for Materials Processings", JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, vol. 441, 13 June 2013 (2013-06-13), pages 1 - 6, XP020245978, DOI: 10.1088/1742-6596/441/1/012016 *
ONDA, KAZUKI ET AL.: "Numerical Study onTandem Type of Induction Thermal Plasma with Lower-Coil Current Modulation.", THE PAPERS OF TECHNICAL MEETING ON ELECTRICAL DISCHARGES, IEE JAPAN., 17 May 2018 (2018-05-17), pages 37 - 42 *
ONDA, KAZUKI ET AL.: "Synthesis Test with Large Modulation of Lower-CoilCurrent using Tandem Type of Induction Thermal Plasmas.", THE 79TH JSAP AUTUMN MEETING., 18 September 2018 (2018-09-18), pages 7 - 23 *

Also Published As

Publication number Publication date
CA3131956A1 (en) 2020-09-10
CN113543876B (zh) 2023-06-20
CN113543876A (zh) 2021-10-22
KR102694796B1 (ko) 2024-08-12
JPWO2020178915A1 (ja) 2020-09-10
KR20210129081A (ko) 2021-10-27
JP2024012226A (ja) 2024-01-26
US20220141946A1 (en) 2022-05-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2771947C (en) Process and apparatus for producing fine particles
JP4988164B2 (ja) 微粒子の製造方法と装置
JP7223379B2 (ja) 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
US20050258149A1 (en) Method and apparatus for manufacture of nanoparticles
JP7216082B2 (ja) 微粒子の製造方法、及び微粒子の製造装置
WO2020178915A1 (ja) 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
Purwanto et al. Preparation of submicron-and nanometer-sized particles of Y2O3: Eu3+ by flame spray pyrolysis using ultrasonic and two-fluid atomizers
WO2020246551A1 (ja) 微粒子の製造装置および微粒子の製造方法
TWI851558B (zh) 微粒子的製造裝置以及微粒子的製造方法
KR100480393B1 (ko) 입자크기와 응집상태를 조절할 수 있는 고순도의 나노 및서브미크론 입자의 기상 제조방법
TW202033273A (zh) 微粒子的製造裝置以及微粒子的製造方法
KR100793163B1 (ko) 전자파 플라즈마 장치를 이용한 철 나노분말 제조방법
JP2000336353A (ja) アルミン酸塩蛍光体の製造方法
JP2005120283A (ja) 微粒子の製造方法
Ko et al. Synthesis of BaMgAl10O17: Eu2+ blue phosphor by electro-spray aerosol flame deposition
JP2001220580A (ja) 蛍光体粒子の製造方法
JP2002322470A (ja) 蛍光体及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19918058

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021503265

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3131956

Country of ref document: CA

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20217027847

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19918058

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1