JP2013112893A - 金属粉末製造用プラズマ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属原料が供給される反応容器と、反応容器内の金属原料との間でプラズマを生成し、金属原料を蒸発させて金属蒸気を生成するプラズマトーチ104と、金属蒸気を搬送するためのキャリアガスを反応容器内に供給するキャリアガス供給部110と、キャリアガスにより反応容器から移送される金属蒸気を冷却して金属粉末を生成する冷却管103を備える金属粉末製造用プラズマ装置100であって、冷却管103が、反応容器からキャリアガスによって移送される金属蒸気及び/又は金属粉末を間接的に冷却する間接冷却区画ICと、間接冷却区画ICに続き、金属蒸気及び/又は金属粉末を直接的に冷却する直接冷却区画DCとを備え、間接冷却区画ICが、内径の異なる2以上の区画で構成されている。
【選択図】図1
Description
近年、電子部品や配線基板の小型化に伴い、導体被膜や電極の薄層化やファインピッチ化が進んでいることから、さらに微細で球状かつ高結晶性の金属粉末が要望されている。
このような微細な金属粉末を製造する方法の一つとして、プラズマを利用し、反応容器内において金属原料を溶融・蒸発させた後、金属蒸気を冷却し、凝結させて金属粉末を得るプラズマ装置が知られている(特許文献1、2参照)。これらのプラズマ装置では、金属蒸気を気相中で凝結させるため、不純物が少なく、微細で球状かつ結晶性の高い金属粒子を製造することが可能である。
また、これらのプラズマ装置は共に長い管状の冷却管を備え、金属蒸気を含むキャリアガスに対して複数段階の冷却を行っている。例えば特許文献1では、前記キャリアガスに、予め加熱したホットガスを直接混合することによって冷却を行う第1冷却部と、その後、常温の冷却ガスを直接混合することにより冷却を行う第2の冷却部とを備えている。また、特許文献2のプラズマ装置では、管状体の周囲に冷却用の流体を循環させることにより、当該流体を前記キャリアガスに直接接触させることなく、キャリアガスを冷却する間接冷却区画(第1の冷却部)と、その後、キャリアガスに冷却用流体を直接混合することによって冷却を行う直接冷却区画(第2の冷却部)を備えている。
特に後者は、輻射による冷却が支配的な間接冷却を採用しているため、伝導や対流による冷却が支配的である他のプラズマ装置に比べて、金属核(以下、単に「核」という)の生成、成長及び結晶化を均一に行うことができ、粒径と粒度分布が制御された金属粉末を得ることができる。
ところで、上記間接冷却区画においては、高温のまま冷却管内に移送されたキャリアガス中の金属蒸気に対し、輻射冷却が行われるため、均一で安定的な核の生成、成長、結晶化が進行する。しかしながら、特許文献2に記載されている装置で金属粉末を製造する場合、本発明者等の研究によれば、従来のプラズマ装置に比べれば得られる金属粉末の粒度分布は改善されているものの、更にシャープな粒度分布を得ようとしても限界があった。
そこで本発明者等は、図5の間接冷却区画34の内管36の内径を、直接冷却区画50と同程度にまで広げてみたところ、生産効率が著しく低下した。これは間接冷却区画34でのキャリアガス中に含まれる金属蒸気の濃度(密度)が下がったため、核が十分に生成しなくなったためと考えられる。しかもキャリアガスの流速が低くなることから、析出したばかりの核が内管36の内壁に付着しやすくなるという新たな問題も生じることが分かった。
本発明は、これらの問題を解決し、粒度分布の狭い金属粉末を得ることができ、より生産効率の良い金属粉末製造用プラズマ装置を提供することを目的とする。
前記反応容器内の金属原料との間でプラズマを生成し、前記金属原料を蒸発させて金属蒸気を生成するプラズマトーチと、
前記金属蒸気を搬送するためのキャリアガスを前記反応容器内に供給するキャリアガス供給部と、
前記キャリアガスにより前記反応容器から移送される前記金属蒸気を冷却して金属粉末を生成する冷却管を備える金属粉末製造用プラズマ装置であって、
前記冷却管が、前記反応容器から前記キャリアガスによって移送される前記金属蒸気及び/又は金属粉末を間接的に冷却する間接冷却区画と、前記間接冷却区画に続き、前記金属蒸気及び/又は金属粉末を直接的に冷却する直接冷却区画とを備え、
前記間接冷却区画が、内径の異なる2以上の区画で構成されていることを特徴とする金属粉末製造用プラズマ装置が提供される。
前記第1の間接冷却区画の内径が、前記第2の間接冷却区画の内径よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の金属粉末製造用プラズマ装置が提供される。
前記直接冷却区画が、冷却用流体を前記金属蒸気及び/又は金属粉末に直接接触させて冷却する区画であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の金属粉末製造用プラズマ装置が提供される。
図1は、前記特許文献2と同様の移行型アークプラズマ装置に本発明を適用した金属粉末製造用プラズマ装置100(以下、単にプラズマ装置と言う)の一例を示しており、反応容器102の内部で金属原料を溶融・蒸発させ、生成された金属蒸気を冷却管103内で冷却して凝結させることにより金属粒子を生成する。
以下においては理解容易のため、金属粉末としてニッケル粉末を製造し、金属原料として金属ニッケルを用いる例で説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
反応容器102の上方にはプラズマトーチ104が配置され、図示しない供給管を介してプラズマトーチ104にプラズマ生成ガスが供給される。プラズマトーチ104は、カソード106を陰極、プラズマトーチ104の内部に設けられた図示しないアノードを陽極としてプラズマ107を発生させた後、陽極をアノード105に移行することにより、カソード106とアノード105との間でプラズマ107を生成し、当該プラズマ107の熱により反応容器102内の金属ニッケルの少なくとも一部を溶融させ、ニッケルの溶湯108を生成する。さらにプラズマトーチ104は、プラズマ107の熱により、溶湯108の一部を蒸発させ、ニッケル蒸気(本発明の金属蒸気に相当する)を発生させる。
キャリアガス供給部110は、ニッケル蒸気を搬送するためのキャリアガスを反応容器102内に供給する。キャリアガスとしては、製造する金属粉末が貴金属の場合は特に制限はなく、空気、酸素、水蒸気等の酸化性ガスや、窒素、アルゴン等の不活性ガス、これらの混合ガス等を使用することができ、酸化しやすいニッケル、銅等の卑金属を製造する場合は不活性ガスを用いることが好ましい。特に断らない限り、以下の説明においては、キャリアガスとして窒素ガスを使用する。
冷却管103は、キャリアガスに含まれるニッケル蒸気及び/又はニッケル粉末を間接的に冷却する間接冷却区画ICと、キャリアガスに含まれるニッケル蒸気及び/又はニッケル粉末を直接的に冷却する直接冷却区画DCを備える。
間接冷却区画ICでは、冷却用流体や外部ヒータ等を用いて、冷却管(内管)103の周囲を冷却又は加熱し、間接冷却区画ICの温度を制御することによって冷却を行う。冷却用流体としては、前述したキャリアガスやその他の気体を用いることができ、また水、温水、メタノール、エタノール或いはこれらの混合物等の液体を用いることもできる。但し、冷却効率やコスト的な観点からは、冷却用流体には水又は温水を用い、これを冷却管103の周囲を循環させて冷却管103を冷却することが望ましい。
本発明は、第1の間接冷却区画130と直接冷却区画DCとの間に、第2の間接冷却区画140を備えることを特徴とする。第2の間接冷却区画140の内管121の内径は、第1の間接冷却区画130の内管120の内径よりも大きい。また、第2の間接冷却区画140の内管121の内径は、直接冷却区画DCの内管160の内径と略等しくなっている。第1の間接冷却区画の内管と第2の間接冷却区画の内管の内径の比が、0.05:1〜0.95:1であることが好ましい。
本発明において、キャリアガス中の金属蒸気は、第1の間接冷却区画130に誘導された時点では濃度も高く、温度も数千K(例えば3000K)であるが、間接冷却(輻射冷却)されることにより、当該温度は金属の沸点近くまで降下し、ほぼ同時に多くの核が析出し始め、粒成長が始まる。粒成長には、大きく分けて、核の周りにある金属蒸気が核の表面上に析出しながら進行していく粒成長と、隣り合う複数の核が合一しながら進行していく粒成長があるが、粒度分布の広狭に対する影響としては後者が支配的と考えられる。本発明においては、第1の間接冷却区画130に比べて内径の大きい第2の間接冷却区画140を備えているため、核の生成が十分に終わった段階で、核を含む金属蒸気は第2の間接冷却区画140で引き続き間接冷却(輻射冷却)が行われる。第2の間接冷却区画140においてはキャリアガス中の金属濃度(金属蒸気と核を含む濃度)が下がり、合一による粒成長が抑制され、一方キャリアガスの流速も下がることから、より緩やかで安定した均一的な雰囲気中で粒成長が進行することになる。以上のような理由から、本発明においては仮に異なるタイミングで析出する核があっても、その径に大きな差が生じにくくなっており、それ故、狭い粒度分布の金属粉末が得られているのではないかと推測される。
図3においては、間接冷却区画ICがそれぞれ径の異なる第1の間接冷却区画230、第2の間接冷却区画240、第3の間接冷却区画250からなる。内管220、内管221、内管223の順番に内径が大きくなっている。内管220,221,223,160の内径を適宜に組み合わせることにより、キャリアガスの流速や金属濃度を多様に制御することができ、所望する種類の金属、平均粒径、粒度分布に応じることができる。このように、径の異なる間接冷却区画を増やすことにより、図2の例に比べて隣接する間接冷却区画との内径の差を小さくすることができるため、冷却管103内におけるキャリアガスの気流を、より安定化させることができる。
図1に記載のプラズマ装置1で、ニッケル粉末の製造を行った。冷却管103としては、内径8cmの内管120(第1の間接冷却区画)と、内径18cmの内管121(第2の間接冷却区画)と、内径18cmの内管160(直接冷却区画)とを組合せたものを用いた。なお、内管120の長さを35cm、内管121の長さを80cm、内管160の長さを60cmとした。
また、冷却管を通過するキャリアガスは毎分300Lとし、金属濃度が2.1〜14.5g/m3の範囲となるよう制御した。
得られたニッケル粉末について、レーザ式粒度分布測定装置を用いて測定した粒度分布の重量基準の積算分率10%値、50%値、90%値(以下、それぞれ「D10」「D50」「D90」という)から、粒度分布の指標としてSD=(D90−D10)/(D50)で表されるSD値を求めた。
実施例1で得られたニッケル粉末は、D50=0.46μm、SD=1.27という、粒度分布の狭いものであった。
内管121(第2の間接冷却区画)を備えることなく、内径8cm、長さ115cmの内管120(第1の冷却区画)に、内管160(直接冷却区画)を接続した従来例と同様の冷却管を用いた以外は、実施例1と同様の装置、同様の条件でニッケル粉末を製造した。
比較例1で得られたニッケル粉末は、D50=0.47μm、SD=1.36であった。
内管120(第1の間接冷却区画)の内径を10cmに変更した以外は実施例1と同様にしてニッケル粉末を製造した。
実施例2で得られたニッケル粉末は、D50=0.43μm、SD=1.15という、粒度分布の狭いものであった。
内管120(第1の間接冷却区画)の長さを42cm、内管121(第2の間接冷却区画)の長さを73cmにした以外は、実施例2と同様にしてニッケル粉末を製造した。
実施例3で得られたニッケル粉末は、D50=0.42μm、SD=1.09という、粒度分布の狭いものであった。
内管121(第2の間接冷却区画)を備えず、内径10cm、長さ115cmの内管120(第1の冷却区画)に内管160(直接冷却区画)を接続した従来例と同様の冷却管を用いた以外は、実施例3と同様の装置、同様の条件でニッケル粉末を製造した。
比較例2で得られたニッケル粉末は、D50=0.45μm、SD=1.30であった。
102 反応容器
103 冷却管
104 プラズマトーチ
107 プラズマ
110 キャリアガス供給部
130 第1の間接冷却区画
140 第2の間接冷却区画
360 伝熱制御部材
DC 直接冷却区画
IC 間接冷却区画
Claims (4)
- 金属原料が供給される反応容器と、
前記反応容器内の金属原料との間でプラズマを生成し、前記金属原料を蒸発させて金属蒸気を生成するプラズマトーチと、
前記金属蒸気を搬送するためのキャリアガスを前記反応容器内に供給するキャリアガス供給部と、
前記キャリアガスにより前記反応容器から移送される前記金属蒸気を冷却して金属粉末を生成する冷却管を備える金属粉末製造用プラズマ装置であって、
前記冷却管が、前記反応容器から前記キャリアガスによって移送される前記金属蒸気及び/又は金属粉末を間接的に冷却する間接冷却区画と、前記間接冷却区画に続き、前記金属蒸気及び/又は金属粉末を直接的に冷却する直接冷却区画とを備え、
前記間接冷却区画が、内径の異なる2以上の区画で構成されていることを特徴とする金属粉末製造用プラズマ装置。 - 前記間接冷却区画が、少なくとも、前記反応容器から前記金属蒸気が移送される第1の間接冷却区画と、当該第1の間接冷却区画と前記直接冷却区画との間に配置される第2の間接冷却区画とを備え、
前記第1の間接冷却区画の内径が、前記第2の間接冷却区画の内径よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。 - 前記間接冷却区画の少なくとも一部に、伝熱制御部材が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
- 前記間接冷却区画が、冷却用流体で前記冷却管の周囲を冷却し、当該流体を前記金属蒸気及び/又は金属粉末に直接接触させることなく、前記金属蒸気及び/又は金属粉末を冷却する区画であり、
前記直接冷却区画が、冷却用流体を前記金属蒸気及び/又は金属粉末に直接接触させて冷却する区画であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の金属粉末製造用プラズマ装置。
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