JP6681568B2 - 加熱反応容器および反応方法 - Google Patents

Description

本願は、加熱反応容器および反応方法に関する。

技術革新において材料が果たす役割は大きい。デバイスの目的に呼応した、より高性能であり新規な材料が模索されたり設計されたりして、目標となる材料の実現に向けた種々の取組が続けられている。

限られた元素の組合せから設計された新規材料の実現には、反応原料の選定と反応プロセスの設計が重要であることは言うまでもない。単に材料を混ぜるだけで目的の材料が得られる場合もある。ただし、多くの場合において反応の進行には通常環境にはないエネルギーを与えることが必要である。

化学反応進行のための最も代表的なエネルギー源のひとつとして熱エネルギーがある。反応原料を容器に入れて加熱することで反応を進行させることはシンプルな方法であり、目的の材料を得るために広く行われている。

その際、加熱に起因した気化等による材料の損失および酸化等による材料の劣化を防ぎ、反応雰囲気を確保するために反応容器を密閉することが望ましい場合がある。また、反応進行に伴って反応容器内に陽圧または陰圧が発生した場合、これに耐える構造であることがその反応容器に求められる。

特許文献１には、開口の外周または内周に沿って蓋を支持する溝を有し、黒鉛材を焼成するための器体が開示されている。その器体は、上開口に蓋を載せて蓋の枠部を沈めるよう閉鎖し、粉状または粒状の充填材を充填することを特徴とする。

特許文献２には、上部容器と下部容器との結合部を液体封止剤よってシールする構造が開示されている。

特開２０１４−５１６１号公報 特開平８−１５１２９９号公報

加熱反応によって材料を生成するにあたり、簡単な構造で高温でも密閉性を確保でき、かつ、繰り返して使用することが可能な反応容器が求められている。

本願の一実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高温で反応原料を密閉状態で保持し、かつ、仕込み組成を損なうことなく加熱反応を進行させることが可能な加熱反応容器および反応方法を提供する。

上記課題を解決するために、本開示の一態様は、反応原料を保持するための加熱反応容器であって、環状の第１の接触面を有し、第１の材料から形成された第１の部材と、環状の第２の接触面および前記第２の接触面よりも内側に位置する環状の第３の接触面を有し、第２の材料から形成された第２の部材と、環状の第４の接触面を有し、第３の材料から形成された第３の部材と、を備え、前記第１および第３の部材の一方は、前記反応原料を内部に装入するための開口を有する空間を含み、前記第１および第３の部材の他方は、前記開口を塞ぐ面を含み、前記第１の接触面および前記第１の接触面よりも内側に位置する前記第２の接触面が互いに対向した状態で前記第１の部材は前記第２の部材に嵌合し、かつ、前記第３の接触面および前記第３の接触面よりも内側に位置する前記第４の接触面が互いに対向した状態で前記第２の部材は前記第３の部材に嵌合することにより前記開口は塞がれ、前記第１の材料の熱膨張係数α１、前記第２の材料の熱膨張係数α２および前記第３の材料の熱膨張係数α３は、α３＞α２＞α１、α３＝α２＞α１またはα３＞α２＝α１の関係を満足する、加熱反応容器を含む。上述の一般的かつ特定の態様は、反応方法を用いて実現され得る。

本開示の一態様にかかる加熱反応容器によれば、簡便な構造を用いて、高温下で密閉して、容器内に入れられた仕込み原料の反応を進行させることができ、その反応を低コストで繰り返して行うことが可能になる。

本開示の他の一態様は、反応原料を保持するための加熱反応容器であって、環状の第１の接触面を有し、第１の材料から形成された第１の部材と、複数の接触面を含む階段状の第２の接触面を有し、第２の材料から形成された第２の部材であって、前記複数の接触面の各々は環状であり、鉛直方向に平行な前記空間内の軸から前記複数の接触面の各々の面までの距離は互いに異なる、第２の部材と、を備え、前記第１および第２の部材の一方は、前記反応原料を内部に装入するための開口を有する空間を含み、前記第１および第２の部材の他方は、前記開口を塞ぐ面を含み、前記複数の接触面から選択された１つの接触面および前記選択された１つの接触面よりも外側に位置する前記第１の接触面が互いに対向した状態で前記第２の部材は前記第１の部材に嵌合することによって前記開口は塞がれ、前記第２の材料の熱膨張係数は、前記第１の材料の熱膨張係数よりも大きい、加熱反応容器を含む。上述の一般的かつ特定の態様は、反応方法を用いて実現され得る。

本開示の他の一態様にかかる加熱反応容器によれば、簡便な構造を用いて、高温下で密閉して、容器内に入れられた仕込み原料の反応を進行させることを繰り返し行うことが可能になる。

本発明の一態様にかかる加熱反応容器および反応方法によれば、簡便な構造を用いて、高温下で密閉して、容器内に入れられた仕込み原料の反応を進行させることを繰り返し行うことが可能になる。

図１は、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の構成を示す断面模式図である。 図２は、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の第１の部材１を示す断面模式図である。 図３は、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の第２の部材６を示す断面模式図である。 図４は、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の第３の部材７を示す断面模式図である。 図５Ａは、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の変形例の構成を示す断面模式図である。 図５Ｂは、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の変形例の構成を示す断面模式図である。 図６Ａは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の構成を示す断面模式図である。 図６Ｂは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の構成を示す断面模式図である。 図７は、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の第１の部材１を示す断面模式図である。 図８Ａは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の、テーパー状の加工面６を有する第１の部材１を示す断面模式図である。 図８Ｂは、テーパー状の加工面６を拡大して示す断面模式図である。 図９Ａは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の第２の部材７を示す断面模式図である。 図９Ｂは、複数の接触面５Ｅを含む階段状の接触面を拡大して示す断面模式図である。 図１０Ａは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の第２の部材７を示す断面模式図である。 図１０Ｂは、複数の接触面５Ｅを含む階段状の接触面を拡大して示す断面模式図である。 図１１Ａは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の構成を示す断面模式図である。 図１１Ｂは、接触面５ｂを拡大して示す断面模式図である。 図１２Ａは、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の変形例の構成を示す断面模式図である。 図１２Ｂは、接触面５Ａを拡大して示す断面模式図である。 図１３は、本開示の例示的な実施の形態１に係る加熱反応容器１０の更なる変形例の構成を示す断面模式図である。 図１４は、本開示の例示的な実施の形態２に係る加熱反応容器１０の更なる変形例の構成を示す断面模式図である。

本開示は、以下の項目に記載の加熱反応容器および反応方法を含む。

〔項目１〕
反応原料を保持するための加熱反応容器であって、
環状の第１の接触面を有し、第１の材料から形成された第１の部材と、
環状の第２の接触面および前記第２の接触面よりも内側に位置する環状の第３の接触面を有し、第２の材料から形成された第２の部材と、
環状の第４の接触面を有し、第３の材料から形成された第３の部材と、
を備え、
前記第１および第３の部材の一方は、前記反応原料を内部に装入するための開口を有する空間を含み、前記第１および第３の部材の他方は、前記開口を塞ぐ面を含み、
前記第１の接触面および前記第１の接触面よりも内側に位置する前記第２の接触面が互いに対向した状態で前記第１の部材は前記第２の部材に嵌合し、かつ、前記第３の接触面および前記第３の接触面よりも内側に位置する前記第４の接触面が互いに対向した状態で前記第２の部材は前記第３の部材に嵌合することにより前記開口は塞がれ、
前記第１の材料の熱膨張係数α１、前記第２の材料の熱膨張係数α２および前記第３の材料の熱膨張係数α３は、α３＞α２＞α１、α３＝α２＞α１またはα３＞α２＝α１の関係を満足する、加熱反応容器。
〔項目２〕
加熱によって、前記１および第２の接触面が互いに密着し、かつ、前記３および第４の接触面が互いに密着することにより前記空間は密閉される、項目１に記載の加熱反応容器。
〔項目３〕
前記第１の部材は、前記第１の接触面および前記反応原料と接触する接触面を内側に有し、
前記第２の部材は、前記第２の接触面を外側に有し、かつ、前記第３の接触面を内側に有し、
前記第３の部材は、前記第４の接触面を外側に有している、項目１または２に記載の加熱反応容器。
〔項目４〕
前記第１の部材は、前記第１の接触面を内側に有し、
前記第２の部材は、前記第２の接触面を外側に有し、かつ、前記第３の接触面を内側に有し、
前記第３の部材は、前記第４の接触面を外側に有し、前記反応原料と接触する接触面を内側に有している、項目１または２に記載の加熱反応容器。
〔項目５〕
前記第１の材料、前記第２の材料および前記第３の材料のそれぞれは、金属、半金属、炭素、およびセラミックのいずれか１つである、項目１から４のいずれかに記載の加熱反応容器。
〔項目６〕
前記第１の材料と前記第２の材料とは同一であり、または前記第２の材料と前記第３の材料とは同一である、項目１または２に記載の加熱反応容器。
〔項目７〕
項目１から３のいずれかに記載の加熱反応容器を用いた加熱反応方法であって、
加熱によって前記空間を前記密閉空間にすることで前記反応原料を反応させる、加熱反応方法。
〔項目８〕
反応原料を保持するための加熱反応容器であって、
環状の第１の接触面を有し、第１の材料から形成された第１の部材と、
複数の接触面を含む階段状の第２の接触面を有し、第２の材料から形成された第２の部材であって、前記複数の接触面の各々は環状であり、鉛直方向に平行な前記空間内の軸から前記複数の接触面の各々の面までの距離は互いに異なる、第２の部材と、
を備え、
前記第１および第２の部材の一方は、前記反応原料を内部に装入するための開口を有する空間を含み、前記第１および第２の部材の他方は、前記開口を塞ぐ面を含み、
前記複数の接触面から選択された１つの接触面および前記選択された１つの接触面よりも外側に位置する前記第１の接触面が互いに対向した状態で前記第２の部材は前記第１の部材に嵌合することによって前記開口は塞がれ、
前記第２の材料の熱膨張係数は、前記第１の材料の熱膨張係数よりも大きい、加熱反応容器。
〔項目９〕
加熱によって、前記１の接触面および前記選択された１つの接触面が互いに密着することにより前記空間は密閉される、項目８に記載の加熱反応容器。
〔項目１０〕
前記第１の部材は、前記第１の接触面を内側に有し、かつ、前記反応原料と接触する接触面を内側に有し、
前記第２の部材は、前記第２の接触面を外側に有している、項目８または９に記載の加熱反応容器。
〔項目１１〕
前記第１の部材は、前記第１の接触面を内側に有し
前記第２の部材は、前記第２の接触面を外側に有し、かつ、前記反応原料と接触する接触面を内側に有している、項目８または９に記載の加熱反応容器。
〔項目１２〕
前記第１の材料および前記第２の材料のそれぞれは、金属、半金属、炭素、およびセラミックのいずれか１つである、項目８から１１のいずれかに記載の加熱反応容器。
〔項目１３〕
前記複数の接触面のうち隣接する接触面の間の段差は密閉条件から算出して得られる所定値以下である、項目８から１２のいずれかに記載の加熱反応容器。
〔項目１４〕
前記第１の接触面は、その端部にテーパー状に加工された面を有している、項目８から１３のいずれかに記載の加熱反応容器。
〔項目１５〕
前記第２の接触面は、テーパー状に加工された面を含んでいる、項目８から１３のいずれかに記載の加熱反応容器。
〔項目１６〕
項目８から１５のいずれかに記載の加熱反応容器を用いた加熱反応方法であって、
前記少なくとも１つの接触面から選択された１つの接触面を用いて、前記第１の部材を前記第２の部材に嵌合して密着させ、
加熱によって前記空間を前記密閉空間にすることで前記反応原料を反応させる、加熱反応方法。

以下、図面を参照しながら、本開示による実施の形態を説明する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されない。また、本開示の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、一の実施の形態と他の実施の形態とを組み合わせることも可能である。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１から図５Ｂを参照しながら、実施の形態１に係る加熱反応容器１０を説明する。

（１．１． 加熱反応容器１０）
図１は、実施の形態１に係る加熱反応容器１０の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。加熱反応容器１０は、第１の部材１と、環状の第２の部材６と、第３の部材７とを備えている。本願明細書において、環状とは、加熱反応容器１０の空間内の鉛直方向に平行な軸Ａの周りを周状に取り囲む形状を指し、その形状は典型的には円形であるが、例えば楕円、矩形および多角形であり得る。本開示の接触面５Ａから５Ｄは環状に形成されているとしてそれらの接触面を説明する。

第１の部材１は、加熱反応容器１０の中空円筒形状の本体であり、反応原料２を保持する空間３を有している。第２の部材６は加熱反応容器１０のシール部材であり、第３の部材７は加熱反応容器１０の蓋である。

図２は、第１の部材１の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。第１の部材１は、環状の接触面５Ａおよび反応原料２と接触する接触面を内側に有している。また、第１の部材１は、上部に開口部４Ａを有している。第１の部材１を構成する第１の材料として、目的とする反応温度に耐え得る様々な材料が選択可能である。具体的には各種金属、半金属、炭素、およびセラミックなどが一例である。例えば単体金属および合金は各種金属に含まれる。また、半金属は、元素の分類において金属と非金属の中間の性質を示す物質を指す。例えばホウ素、ケイ素、ゲルマニウムが加工性耐熱性安全性などの点から本開示の用途に適している。

開口部４Ａは、後述する第２の部材６が挿入されることにより密閉構造が形成される部分である。例えば開口部４Ａのくり抜き形状は、円筒形、四角柱およびその他の形状であり得る。開口部４Ａの側面は接触面５Ａであり、その接触面５Ａは気密性を保持するために平滑に仕上げられていることがより望ましい。

図３は、第２の部材６の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。第２の部材６は筒状の部材である。第２の部材６は、第１の部材１の開口部４Ａに挿入され、第１の部材１と嵌合する。第２の部材６は、外側に環状の接触面５Ｂを有し、内側に環状の接触面５Ｃを有している。接触面５Ｂおよび５Ｃは環状に一体となって形成されている。第２の部材６は、例えば、独立して形状を保持でき、フィルム状ではない。

例えば、第２の部材６の側面形状は第１の部材１の開口部４Ａのくり抜き形状に合わせて円筒形、四角柱およびその他の形状であり得る。第２の部材６の外周の接触面５Ｂは、第１の部材１の接触面５Ａの径よりも僅かに小さくなるように加工されている。接触面５Ｂは気密性を保持するために平滑に仕上げられていることがより望ましい。本願明細書では、接触面の径は、加熱反応容器１０を貫通する、鉛直方向に平行な中心軸から接触面までの距離を指す。

第２の部材６の内面は、後述する第３の部材７が挿入されて密閉構造が形成される部分である。第２の部材６のくり抜き形状は例えば円筒形、四角柱およびその他の形状であり得る。そのくり抜き形状の側面は接触面５Ｃであり、接触面５Ｃは気密性を保持するために平滑に仕上げられていることがより望ましい。

第２の部材６を構成する第２の材料として、目的とする反応温度に耐え得る様々な材料が選択可能である。具体的には各種金属、半金属、炭素、およびセラミックなどが一例である。

図４は、第３の部材７の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。第３の部材７は第２の部材６に挿入される。第３の部材７は、突起８を有する蓋状の部材である。突起８は、開口部４Ａの開口を塞ぎ、空間３に接触する接触面を含んでいる。突起８の側面は環状の接触面５Ｄである。例えば突起８の形状は、第２の部材６のくり抜き形状に合わせて円筒形、四角柱およびその他の形状であり得る。第３の部材７の外周の接触面５Ｄは、第２の部材６の接触面５Ｃの径、つまり、第２の部材６の開口部４Ｂ（図３を参照）の径よりも僅かに小さくなるように加工されている。接触面５Ｄは気密性を保持するために平滑に仕上げられていることがより望ましい。

第３の部材７を構成する第３の材料として、目的とする反応温度に耐え得る様々な材料が選択可能である。具体的には各種金属、半金属、炭素、およびセラミックなどが一例である。

ここで、第１、第２および第３の材料の熱膨張係数の関係を説明する。第１の材料の熱膨張係数をα１、第２の材料の熱膨張係数をα２および第３の材料の熱膨張係数をα３とすると、α３＞α２＞α１、α３＝α２＞α１またはα３＞α２＝α１の関係を満足する。ただし、組立および保守が容易になる観点、および熱膨張による密閉を確実にする観点から、第３の材料として、第２の材料の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する材料を選択することが望ましく、第２の材料として、第１の材料の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する材料を選択することが望ましい。

再び図１を参照する。加熱反応容器１０は、第１、第２および第３の部材１、６および７が互いに嵌合した状態で利用される。各部材が互いに嵌合した加熱前の状態では、第１の部材１の接触面５Ａ（図２を参照）およびその面よりも内側にある第２の部材６の接触面５Ｂ（図３を参照）が互いに対向した状態で第１の部材１は前記第２の部材６に嵌合している。また、第２の部材６の接触面５Ｃ（図３を参照）およびその面よりも内側にある第３の部材７の接触面５Ｄ（図４を参照）が互いに対向した状態で第２の部材６は第３の部材７に嵌合している。

加熱前においては、空間３が形成されている。接触面５Ａおよび接触面５Ｂの間には僅かな空隙が存在し、接触面５Ｃおよび接触面５Ｄの間にも、僅かな空隙（不図示）が存在している。

図１の状態に組み上がった加熱反応容器１０を不図示の加熱装置の中に置いて加熱を開始する。例えば加熱装置は電気炉である。加熱に伴って第１、第２および第３の部材１、６および７はそれぞれ熱膨張する。そのとき、第２の部材６を構成する第２の材料の熱膨張係数は、第１の部材１を構成する第１の材料よりも大きいので、接触面５Ａおよび５Ｂの間の空隙は次第に小さくなる。やがて、それらの接触面は密着する。

これと同様に、第３の部材７を構成する第３の材料の熱膨張係数は、第２の部材６を構成する第２の材料よりも大きいので、接触面５Ｃおよび５Ｄの間の空隙は次第に小さくなる。やがて、それらの接触面は密着する。その結果、空間３は密閉空間となる。これにより、加熱に起因した気化等による材料の損失および酸化等による材料の劣化を防いで反応雰囲気を確保することができる。

各接触面が密着した後も加熱反応容器１０を更に加熱することが可能である。加熱反応容器１０は反応に必要な設計温度まで加熱される。その後、設計時に決定され得る所定の保持時間を経て工程は冷却過程に移行する。

冷却過程においては第１、第２および第３の部材１、６および７のそれぞれは収縮する。収縮が進行するにつれて接触面５Ａおよび５Ｂの間に空隙が発生し、接触面５Ｃおよび５Ｄの間にも空隙が発生する。そのため、冷却工程後は、第１、第２および第３の部材１、６および７を容易に分離することができる。最終的に第１の部材１の空間３から反応生成物を取り出すことができる。

第ｎ回の加熱反応で得られた反応生成物を取り出して、第１、第２および第３の部材１、６および７を必要に応じて洗浄した後、再び別の反応原料２を空間３に入れて、第ｎ＋１回の加熱反応を行うことができる。密閉状態での加熱反応を繰り返すことにより、接触面５Ａには高温下で何度も圧力が加わる。そのため、第１の部材１の接触面５Ａの径は次第に大きくなり、第３の部材７の接触面５Ｄの径は次第に小さくなる。その結果、各部材は初期の寸法から変化する。

加熱反応容器１０を繰り返して使用することで、加熱前において各接触面の間の空隙が大きいことがある。その場合、接触面が密着して空間３が密閉空間となる温度は次第に高くなる。極端な場合には反応に必要な設計温度まで加熱しても空隙が残ったままになる。そこで、本実施の形態では、反応に不具合が発生することを防止するため、容易に交換できる第２の部材６を設けている。

第１の部材１の接触面と第３の部材７の接触面とが直接密着する構造を備えた、第２の部材６がない加熱反応容器を想定する。その加熱反応容器１０を繰り返して使用することで、加熱前において接触面の間の空隙は次第に大きくなり得る。その場合、第１の部材１または第３の部材７を再度準備する必要がある。このように、部材を加工して準備する時間およびコスト面で課題があると言える。

これに対して、本実施の形態に係る加熱反応容器１０は、構造が単純であり容易に準備できる第２の部材６を備えている。そのため、加熱反応容器１０を繰り返して使用することで、加熱前において接触面の間の空隙が大きくなった場合でも、第２の部材６だけを交換すればよい。通常、交換前の第２の部材６と比較すると、交換に用いる第２の部材６の内側の接触面５Ｃの径寸法は僅かに小さく、外側の接触面５Ｂの径寸法は僅かに大きい。

交換用の第２の部材６の寸法を、第１の材料、第２の材料および第３の材料のそれぞれの熱膨張係数から計算して予測することも可能である。または、決められた昇温条件が繰り返されるのであれば経験則に基づく予想も可能である。大型の第１の部材１および第３の部材７を交換せずに第２の部材６だけ交換することで作業工程が簡素化される。また、交換部材を容易に準備できるのでコストの削減を図ることができる。

図５Ａおよび５Ｂは、加熱反応容器１０による変形例の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。図５Ａは各部材を組み立てる前の加熱反応容器１０を示し、図５Ｂは組み立て後の加熱反応容器１０を示している。この変形例では、第３の部材７が加熱反応容器１０の中空円筒形状の本体であり、反応原料２を保持する空間３を有している。第２の部材６は加熱反応容器１０のシール部材であり、第１の部材１は、加熱反応容器１０の蓋である。

反応原料２を保持する空間を有する部材を第１の部材１とするかまたは第３の部材７とするかは、反応原料２と第１の部材１または第３の部材７とが不用意に反応することを回避すること、部材を加工する容易性、および部材コストなどを勘案して適宜選択することができる。反応原料２を保持する空間を有する部材を第３の部材７とすることにより、第２の部材６の交換が容易となる。また、反応原料２を保持する空間を有する部材を第３の部材７とすることにより、空間内への異物の侵入を低減できる。

（１．２． 反応方法）
以下、加熱反応容器１０を用いて行う本実施の形態の（加熱）反応方法を説明する。

図１に示すように第１の部材１の空間３に反応原料２を置く。第２の部材６および第３の部材７を挿入した後に、加熱反応容器１０を電気炉の中に設置して反応に適した温度プログラムに沿って加熱昇温を行う。反応に必要な設計温度まで加熱した後、設計時に決定され得る保持時間を経て所定の冷却過程に移行する。

冷却完了後、第１の部材１と第２の部材６と第３の部材７とを分離し、第１の部材１の空間３から反応生成物を取り出す。このように、密閉空間での加熱反応による材料生成を行うことができる。図５Ｂの構成を用いた場合にも同様にして、密閉空間での加熱反応による材料生成を行うことができる。

以下、実施例を説明する。

図１に示される加熱反応容器１０において、第１の材料としてモリブデン（Ｍｏ）を用い、第２の材料としてＣ−２７６合金（Ｎｉ：５７ｗｔ％、Ｃｒ：１６ｗｔ％、Ｍｏ：１６ｗｔ％、Ｗ：４ｗｔ％、Ｆｅ：５ｗｔ％、Ｃｏ＜２．５ｗｔ％、Ｖ＜０．３５ｗｔ％、Ｍｎ＜１ｗｔ％、Ｓｉ＜０．０８ｗｔ％、Ｃ＜０．０１ｗｔ％）を用い、第３の材料としてＳＵＳ３１６合金を用いた。第１、第２および第３の材料の熱膨張係数はそれぞれ、４．８ミクロン／ｍ／℃、１２．０ミクロン／ｍ／℃および１６．０ミクロン／ｍ／℃である。

第１の部材１の接触面５Ａの直径を３５．５２０ｍｍに設定した。第２の部材６の外側の接触面５Ｂの直径を３５．５１０ｍｍに設定し、内側の接触面５Ｃの直径を３０．５１０ｍｍに設定した。第３の部材７の接触面５Ｄの直径を３０．４９５ｍｍに設定した。また、接触面５Ａから５Ｄを高さが１０ｍｍである円筒側面とした。

第２の部材６を第１の部材１に挿入し、第３の部材７を第２の部材６に挿入する。その後、電気炉を用いて窒素雰囲気で１００℃／時の昇温速度で６００℃まで加熱反応容器１０を加熱する。６時間保持した後で加熱を停止して自然冷却することにより密閉雰囲気での加熱反応を行うことができる。

使用後の加熱反応容器１０には若干の寸法変化が生じ得る。繰り返して使用するときの密閉温度を一定に保つため、簡単なリング形状の第２の部材６のみを準備して交換すれば、同じ密閉加熱反応を何度も繰り返すことができる。

図５Ａおよび図５Ｂに示される構成において、第１の材料としてモリブデンを用い、第２の材料および第３の材料としてＣ−２７６合金（Ｎｉ：５７ｗｔ％、Ｃｒ：１６ｗｔ％、Ｍｏ：１６ｗｔ％、Ｗ：４ｗｔ％、Ｆｅ：５ｗｔ％、Ｃｏ＜２．５ｗｔ％、Ｖ＜０．３５ｗｔ％、Ｍｎ＜１ｗｔ％、Ｓｉ＜０．０８ｗｔ％、Ｃ＜０．０１ｗｔ％）を用いた。

第１の部材１の接触面５Ａの直径を６５．５２０ｍｍに設定した。第２の部材６の外側の接触面５Ｂの直径を６５．５１０ｍｍに設定し、内側の接触面５Ｃの直径を５８．５１０ｍｍに設定した。第３の部材７の接触面５Ｄの直径を５８．５００ｍｍに設定した。また、接触面５Ａから５Ｄを高さが１０ｍｍである円筒側面とした。

第３の部材７を第２の部材６に挿入し、第２の部材６を第１の部材１に挿入する。その後、電気炉を用いて窒素雰囲気で１００℃／時の昇温速度で１０００℃まで加熱反応容器１０を加熱する。５時間保持した後で加熱を停止して自然冷却することにより密閉雰囲気での加熱反応を行うことができる。

第２の材料と第３の材料とは同じであるので、加熱途中までは第２の部材６の接触面５Ｃおよび第３の部材７の接触面５Ｄの間の空隙はほぼ一定である。しかし、第２の部材６の外周の接触面５Ｂと第１の部材１の接触面５Ａとが互いに密着した後は、第２の部材６の熱膨張は抑制される。そのため、接触面５Ｃおよび５Ｄの間の空隙は次第に小さくなり、やがて接触面５Ｃは５Ｄに密着する。接触面５Ｂと接触面５Ａとの密着は３００〜４００℃前後で起きる。

使用後の加熱反応容器１０には若干の寸法変化が生じる。繰り返して使用するときの密閉温度を一定に保つため、簡単なリング形状の第２の部材６のみを準備して交換すれば、同じ密閉加熱反応を何度も繰り返すことができる。

本開示の具体的な態様として本実施の形態およびその変形例を示したが、本開示はこれらに限定されない。第１の部材１、第２の部材６および第３の部材７の各接触面は円筒側面以外であってもよい。例えばそれらの接触面は多角形柱の側面であり得る。また、反応原料２を保持する空間３は、第１の部材１と、第２の部材６と、第３の部材７と、これら以外の第４の部材とを併用して形成されていてもよい。

（Ａ）加熱反応前において、加熱反応容器の第１の部材１の接触面５Ａにより形成される円柱形状の直径（以下、単に接触面５Ａの直径と呼ぶ場合がある）は、第２の部材６の外側の接触面５Ｂにより形成される円柱形状の直径（以下、単に接触面５Ｂの直径と呼ぶ場合がある）より大きい又はこれらの直径は同一である。（Ｂ）加熱反応前において、加熱反応容器の第２の部材６の内側の接触面５Ｃにより形成される円柱形状の直径（以下、単に接触面５Ｃの直径と呼ぶ場合がある）は、第３の部材７の接触面５Ｄにより形成される円柱形状の直径（以下、単に接触面５Ｄの直径と呼ぶ場合がある）より大きい又はこれらの直径は同一である。（Ｃ）加熱反応の際に、第１、第２および第３の部材１、６および７がそれぞれの膨張率で膨張し、接触面５Ａおよび５Ｂが密着し、且つ接触面５Ｃおよび５Ｄが密着する。よって、接触面５Ａおよび５Ｂの直径が同一となり、接触面５Ｃおよび５Ｄの直径が同一となる。上記条件（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）が満足される限り、接触面５Ａ、５Ｂおよび５Ｃの直径の大きさは特に限定されない。

なお、第１および第２の部材１および６の膨張率が同じで、且つ、加熱反応前において、加熱反応容器の第１の部材１の接触面５Ａの直径が第２の部材６の外側の接触面５Ｂの直径よりも大きい場合も、第２の部材６は、加熱反応の際に、膨張率がより大きい第３の部材７に押されて第１の部材１に密着する。すなわち、接触面５Ａおよび５Ｂが密着する。また、第２および第３の部材６および７の膨張率が同じで且つ、加熱反応前において、加熱反応容器の第２の部材１の内側の接触面５Ｃの直径が第３の部材７の接触面５Ｄの直径よりも大きい場合も、第２の部材６は、加熱反応の際に、膨張率がより小さい第１の部材１に抑えられて第３の部材７に密着する。すなわち、接触面５Ｃおよび５Ｄが密着する。

加熱反応前における接触面５Ａおよび５Ｂの直径の大きさは、反応材料の分量その他の条件に応じて適宜変更することが出来る。具体的には、加熱反応前における接触面５Ａおよび５Ｂの直径を１２ｍｍ程度、加熱反応前における接触面５Ｃおよび５Ｄの直径を１０ｍｍ程度にしてもよい。また、加熱反応前における接触面５Ａおよび５Ｂの直径を６００ｍｍ程度、加熱反応前における接触面５Ｃおよび５Ｄの大きさを５４０ｍｍ程度にすることも可能である。

直径が大きな場合（外側の直径が６００ｍｍ程度の場合など）、例えば第２の部材６は削り出しで作製することも可能である。また、材料利用効率および／または加工時間の点で他の方法で第２の部材６を作製することも有効である。具体的には、例えば、パイプ形状の材料を切断することにより第２の部材６を作製することができる。また、パイプ形状の材料と円盤形状の材料とを溶接することで第１および第３の部材１および７を作製することが出来る。

また、加熱反応容器の第１、第２および第３の部材１、６および７の接触面５Ａ〜５Ｄの直径が大きい場合（６００ｍｍ程度の場合など）、熱膨張による第１、第２および第３の部材１、６および７の間の寸法変化の差の絶対値が大きくなる。よって、加熱反応前における第１の部材１の接触面５Ａの直径と第２の部材６の外側の接触面５Ｂの直径の差、および加熱反応前における第２の部材６の内側の接触面５Ｃの直径と第３の部材７の接触面５Ｄの直径の差を大きくしても、上記条件（Ａ）〜（Ｃ）が満足される限り、本開示の機能を発揮することが出来る。第１の部材１の接触面５Ａの直径と第２の部材６の外側の接触面５Ｂの直径の差および第２の部材６の内側の接触面５Ｃの直径と第３の部材７の接触面５Ｄの直径の差が大きいと加熱反応容器の組立が容易になるという利点がある。

一方、加熱反応容器の第１、第２および第３の部材１、６および７の接触面５Ａ〜５Ｄの直径が大きい場合、大きなリング等の形状を有する第２の部材６が交換必要となる。よって、コストおよび／または作業性の点から交換部品を小さくするために、図１３に示すように第１の部材１の材料を保持する部分（即ち内部空間）が円柱形状である場合、その内部空間の直径よりも蓋をする部分の直径が小さくなるようにしてもよい。即ち、材料の出し入れ口だけを小さくすることが出来る。第１の部材１の内部空間の形状は、特に限定されず、円柱形状でなくてもよい（円錐台形状、多角柱形状、多角錐台形状など）。その場合、例えば、第１の部材１の内部空間の、開口に平行な断面が、開口の面積よりも広くなるようにする。図５Ｂに示すように、第３の部材７に材料を保持する部分がある場合も同様である。すなわち、第３の部材７の内部空間の形状は、特に限定されない（円柱形状、円錐台形状、多角柱形状、多角錐台形状など）。その場合、例えば、第３の部材７の内部空間の、開口に平行な断面が、開口の面積よりも広くなるようにする。これにより、第２の部材６を小型化でき、コストを低減し、作業性を向上させることができる。

また、加熱反応容器の第１〜第３の部材１、６および７の接触面５Ａ〜５Ｄにより形成される形状は特に限定されず、円柱形状でなくてもよい。接触面５Ａ〜５Ｄにより形成される形状は、例えば、円錐台形状であってもよく、多角形柱形状であってもよく、であってもよく、また多角形錐台形状であってもよい。接触面５Ａおよび５Ｂにより形成される形状は、接触面５Ｃおよび５Ｄにより形成される形状とは異なるものであってもよい。

第１および第２の部材１および６の接触面５Ａおよび５Ｂにより形成される形状が錐台形状である場合、加熱反応前において、第１の部材１の接触面５Ａにより形成される錐台形状の直径は、何れの高さの断面においても、第２の部材６の接触面５Ｂにより形成される円柱形状の直径より大きい又はこれらの直径は同一である。第２の部材６および第３の部材７の接触面５Ｃおよび５Ｄにより形成される形状が錐台形状である場合、加熱反応前において、第２の部材６の接触面５Ｃにより形成される錐台形状の直径は、何れの高さの断面においても、第３の部材７の接触面５Ｄにより形成される円柱形状の直径より大きい又はこれらの直径は同一である。図１に示す形状においては、接触面５Ａ〜５Ｄにより形成される形状が、第１の部材１の底面に近いほど直径が小さくなる錐台形状である場合、第２の部材６の交換が容易になる。また、図５Ａに示す形状においては、接触面５Ａ〜５Ｄにより形成される形状が、第３の部材７の底面に近いほど直径が大きくなる錐台形状である場合、第２の部材６の交換が容易になる。

本実施の形態では、第１の材料としてＭｏを用い、第２の材料としてＣ−２７６合金を用い、第３の材料としてＳＵＳ３１６合金を用いる例を説明したが、第１の材料と第２の材料との組合せはこれに限られない。また、第１の部材１、第２の部材６および第３の部材７は互いに異なる材料から形成されていなくてもよい。例えば、第１の材料と第２の材料とが同じであってもよいし、または第２の材料と第３の材料とが同じであってもよい。

第１、第２および第３の部材１、６および７は、上述した様に、Ｍｏ、Ｃ−２７６合金、ＳＵＳ３１６等を使用して構成することができる。これに代えて、第１、第２および第３の部材１、６および７は、例えば、ニオブ、タンタルおよびニッケルからなる群から選択される少なくとも一つから構成することも可能である。また、内部に保持した材料と第１、第２および第３の部材１、６および７の何れかとの反応を防ぐためや高温酸化を低減するために第１、第２および第３の部材１、６および７のうちの少なくとも一つにセラミックコートをすることも可能である。

本実施の形態によると、簡便な構造を用いて、高温下で密閉して、加熱反応容器１０内に入れられた仕込み原料２の反応を進行させることができ、その反応を低コストで繰り返して行うことが可能になる。

（実施の形態２）
図６Ａから図１２Ｂを参照しながら、実施の形態２に係る加熱反応容器１０を説明する。

（２．１． 加熱反応容器１０）
図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態２に係る加熱反応容器１０の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。なお、図６Ｂは、テーパー状の加工面および複数の接触面を含む第２の部材７を備える加熱反応容器１０を示している。この構成の詳細は後述する。

加熱反応容器１０は、第１の部材１と、第２の部材７とを備えている。第１の部材１は、加熱反応容器１０の中空円筒形状の本体であり、反応原料２を保持する空間３を有している。第２の部材７は加熱反応容器１０の蓋である。

図７は、第１の部材１の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。第１の部材１は、環状の接触面５Ａおよび反応原料２と接触する接触面を内側に有している。また、第１の部材１は、上部に開口部４Ａを有している。第１の部材１を構成する第１の材料として、目的とする反応温度に耐え得る様々な材料が選択可能である。具体的には各種金属、半金属、炭素、およびセラミックなどが一例である。

開口部４Ａは後述する第２の部材７が挿入されることにより密閉構造が形成される部分である。例えば開口部４Ａのくり抜き形状は、円筒形、四角柱およびその他の形状であり得る。開口部４Ａの側面は接触面５Ａであり、その接触面５Ａは気密性を保持するために平滑に仕上げられていることがより望ましい。

図８Ａは、テーパー状の加工面６を有する第１の部材１の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。図８Ｂは、そのテーパー状の加工面６を拡大して示している。開口部４Ａのくり抜き形状の端部を図８Ａおよび図８Ｂに示すようにテーパー状の加工面６にしておくことで加熱終了後の冷却過程での密閉性が高まる。

図９Ａは第２の部材７の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。図９Ｂは、第２の部材７の突起に設けられた、複数の接触面５Ｅを含む階段状の接触面を拡大して示している。第２の部材７は、第１の部材１に挿入されて嵌合する。第２の部材７は、突起８を有する蓋状の部材である。突起８は、開口部４Ａの開口を塞ぎ、空間３に接触する接触面を含んでいる。その突起８の側面は、複数の接触面５Ｅおよび隣接する接触面の間に複数の段差を含んでいる。本願明細書において、このような側面の形状を階段状と称することにする。また、「階段状の接触面」とは、複数の接触面５Ｅおよび複数の段差を含んだ構造を指す。複数の接触面５Ｅの各々は環状に形成されている。例えば突起８の形状は、第１の部材１のくり抜き形状に合わせて円筒形、四角柱およびその他の形状であり得る。

鉛直方向に平行な第２の部材７を貫通する軸Ｂから複数の接触面５Ｅの各々の面までの距離は互いに異なる。その軸Ｂは、加熱反応容器１０の空間３を貫く軸でもある。第２の部材７の本体９から離れるにつれて、各接触面から軸Ｂまでの距離は段階的に短くなる。換言すると、軸Ｂを、第２の部材７を貫通する中心軸と見なしたとき、第２の部材７の本体９から離れるにつれて各接触面の径は段階的に小さくなる。第２の部材７の本体９から最も離れた接触面（以下、「接触面５ａ」と称する。）は、その面の径が第１の部材１の開口部４Ａの接触面５Ａの径よりも僅かに小さくなるように加工されている。また、最も離れた接触面５ａに隣接する接触面（以下、「接触面５ｂ」と称する。）は、その面の径が第１の部材１の開口部４Ａの接触面５Ａの径よりも僅かに大きくなるように加工されている。

第２の部材７を構成する第２の材料として、目的とする反応温度に耐え得る様々な材料が選択可能である。具体的には各種金属、半金属、炭素、およびセラミックなどが一例である。複数の接触面５Ｅは気密性を保持するために平滑に仕上げられていることがより望ましい。

図１０Ａは、テーパー状の加工面１１および複数の接触面５Ｅを含む階段状の接触面を有する第２の部材７の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。図１０Ｂは、テーパー状の加工面１１を拡大して示している。複数の接触面５Ｅは、隣接する接触面の間（つまり、段差の端部）にテーパー状の加工面１１を含んでいる。そのテーパー状の加工面１１により、加熱終了後の冷却過程での密閉性が高まる。

ここで、第１および第２の材料の熱膨張係数の関係を説明する。第２の部材７を構成する第２の材料の熱膨張係数は、第１の部材１を構成する第１の材料の熱膨張係数より大きい。

再び図６Ａまたは図６Ｂを参照する。加熱反応容器１０は、第２の部材７および第１の部材１が互いに嵌合した状態で利用される。各部材が互いに嵌合した状態であって、第１回の加熱前の状態では、第１の部材１の接触面５Ａは、第２の部材７の複数の接触面５Ｅのうち、断面形状が第１の部材１の接触面５Ａの断面形状より小さい接触面の中で径が最も大きい接触面と対向し得る。

図６Ａまたは図６Ｂにおいては、径が最も大きい接触面として選択された接触面を接触面５ａ（図９Ａを参照）として図示している。具体的には、第２の部材７の接触面５ａおよびその面よりも外側にある第１の部材１の接触面５Ａが互いに対向した状態で第２の部材７は第１の部材１に嵌合している。加熱前においては、空間３が形成されている。接触面５Ａおよび接触面５ａの間には僅かな空隙が存在している。

図６Ａまたは図６Ｂの状態に組み上がった加熱反応容器１０を不図示の加熱装置の中に置いて加熱を開始する。例えば加熱装置は電気炉である。加熱に伴って第２の部材７および第１の部材１はそれぞれ熱膨張する。そのとき、第２の部材７を構成する第２の材料の熱膨張係数は、第１の部材１を構成する第１の材料よりも大きいので、接触面５Ａおよび５ａの間の空隙は次第に小さくなる。やがて、それらの接触面は密着し、空間３は密閉空間となる。これにより、加熱に起因した気化等による材料の損失および酸化等による材料の劣化を防いで反応雰囲気を確保することができる。

接触面が密着した後も加熱反応容器１０を更に加熱することが可能である。加熱反応容器１０は反応に必要な設計温度まで加熱される。その後、設計時に決定され得る所定の保持時間を経て工程は冷却過程に移行する。

冷却過程においては第１の部材１および第２の部材７のそれぞれは収縮する。収縮が進行するにつれて接触面５Ａおよび５ａの間に空隙が発生する。そのため、冷却工程後は、第１の部材１および第２の部材７を容易に分離することができる。最終的に第１の部材１の空間３から反応生成物を取り出すことができる。

第ｎ回の加熱反応で得られた反応生成物を取り出して、第１の部材１および第２の部材７を必要に応じて洗浄した後、再び別の反応原料２を空間３に入れて、第ｎ＋１回の加熱反応を行うことができる。密閉状態での加熱反応を繰り返すことにより、接触面５Ａには高温下で何度も圧力が加わる。そのため、第１の部材１の接触面５Ａは次第に大きくなり、第２の部材７の接触面５ａは次第に小さくなる。その結果、各部材は初期の寸法から変化する。

加熱反応容器１０を繰り返して使用することで、加熱前において接触面の間の空隙が大きいことがある。その場合、接触面が密着して空間３が密閉空間となる温度は次第に高くなる。極端な場合には反応に必要な設計温度まで加熱しても空隙が残ったままになる。本実施の形態では、反応に不具合が発生することを防止するため、第２の部材７の接触面５Ｅを階段状の構造としている。

図１１Ａは、複数の接触面５Ｅのうち、接触面５ｂが接触面５Ａに対向した状態の加熱反応容器１０の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。図１１Ｂは、接触面５ｂを拡大して示している。第ｎ回の加熱反応に用いられた接触面５ａの径が、第ｎ＋１回においては密閉空間を形成するのに小さすぎると予測されるとする。その場合、接触面５ａに隣接する次段の接触面５ｂを用いることができる。これにより、加熱前の状態における接触面５Ａとの間の空隙が大きくなり過ぎることを回避できる。加熱により接触面５Ａと接触面５ｂとは互いに密着し、空間３は密閉空間となり得る。

例えば、複数の接触面５ＥがＭ段の階段状の接触面の一部である場合を考える。そのとき、各段につき、それに対応する接触面を用いて１からＮ回繰り返して加熱反応を行うと、全ての段により加熱反応容器１０を最大Ｎ×Ｍ回繰り返して利用することが可能である。また、加熱反応を繰り返す場合、例えば第１の部材１の接触面５Ａを洗浄した後の形状に合わせて、第２の部材７の接触面５Ｅを設計できる。このように、その第２の部材７を利用することで、第１の部材１を継続して利用することができる。その結果、部材のコストを低減することができる。

図１２Ａは、本実施の形態に係る加熱反応容器１０の変形例の鉛直方向に沿った断面を模式的に示している。図１２Ｂは、接触面５Ａを拡大して示している。この変形例では、第１の部材１は、加熱反応容器１０の蓋である。第２の部材７が加熱反応容器１０の中空円筒形状の本体であり、反応原料２を保持する空間３を有している。

反応原料２を保持する空間を有する部材を第１の部材１とするかまたは第２の部材７とするかは、反応原料２と第１の部材１または第２の部材７とが不用意に反応することを回避すること、部材を加工する容易性、および部材コストなどを勘案して適宜選択することができる。本変形例では、第２の部材７は、複数の接触面５Ｅを含む階段状の接触面を有している。このように、階段状の接触面は、加熱反応容器１０の本体の外側に形成し得る。

冷却過程の初期においては加熱反応容器１０および反応原料２はまだ高温であり得る。そのため、外気との反応を防止するために、できるだけ空間３を密閉状態に維持しておくことが望ましい。図８Ａおよび図１０Ａに示されたように開口部４Ａのくり抜き形状の端部と、複数の接触面５Ｅ内の隣接する接触面の間の段差と、をテーパー状の平滑な加工面としておくことで冷却過程での密閉性が向上する。図１２Ａに示される変形例においても、本実施の形態と同様に、第１の部材１と第２の部材７とにテーパー状の平滑な加工面を設けることができる。

冷却過程においては第１の部材１と第２の部材７は共に収縮する。収縮が進行するにつれて第１の部材１の接触面５Ａと第２の部材７の各接触面との間に空隙が発生し得る。そのため、テーパー状の加工面がないと、密閉性が損なわれる。

テーパー状の加工面があると、互いに対向した接触面の間に空隙が発生しても、空間３の状態が陽圧の場合、大気圧になるまで空間３内のガスが放出される。その後、冷却過程においてテーパー状の加工面がシール面として機能し、空間３の状態は陰圧に保持される。一方で、空間３の状態が陰圧である場合、ガスは放出されずに冷却過程においてテーパー状の加工面がシール面として機能し、空間３の状態は陰圧に保持される。いずれの場合においても、冷却過程において、空間３の状態は陰圧に保持される。

（２．２． 反応方法）
以下、加熱反応容器１０を用いて行う本実施の形態の（加熱）反応方法を説明する。

図６Ａまたは図６Ｂに示すように第１の部材１の空間３に反応原料２を置く。第２の部材７を挿入した後に、加熱反応容器１０を電気炉の中に設置して反応に適した温度プログラムに沿って加熱昇温を行う。反応に必要な設計温度まで加熱した後、設計時に決定され得る保持時間を経て所定の冷却過程に移行する。

冷却完了後、第１の部材１と第２の部材７とを分離し、第１の部材１の空間３から反応生成物を取り出す。このように、密閉空間での加熱反応による材料生成を行うことができる。図１２Ａの構成を用いた場合にも同様にして、密閉空間での加熱反応による材料生成を行うことができる。

以下、実施例を説明する。図６Ａまたは図６Ｂに示される構成において、第２の材料としてモリブデンを用い、第１の材料としてＣ−２７６合金（Ｎｉ：５７ｗｔ％、Ｃｒ：１６ｗｔ％、Ｍｏ：１６ｗｔ％、Ｗ：４ｗｔ％、Ｆｅ：５ｗｔ％、Ｃｏ＜２．５ｗｔ％、Ｖ＜０．３５ｗｔ％、Ｍｎ＜１ｗｔ％、Ｓｉ＜０．０８ｗｔ％、Ｃ＜０．０１ｗｔ％）を用いた。

第１の部材１の接触面５Ａの直径を３０．５１０ｍｍに設定した。第２の部材７の接触面５ａの直径を３０．４９５ｍｍに設定した。接触面５Ａおよび５ａを高さが１０ｍｍである円筒側面とした。

第２の部材７を第１の部材１に挿入した。その後、電気炉を用いて窒素雰囲気で１００℃／時の昇温速度で１０００℃まで加熱反応容器１０を加熱した。８時間保持した後に加熱を停止して自然冷却する運用方法で所定回数加熱反応を行った。使用後の加熱反応容器１０が室温に戻った後では、第１の部材１の接触面の直径は３０．６４９ｍｍであり、第２の部材７の接触面５ａの直径は３０．４７５ｍｍであった。

使用開始前の、第１の部材１の接触面５Ａの直径と、第２の部材７の接触面５ａの直径との差は０．０１５ｍｍであった。使用後にはその差は、０．１７４ｍｍに拡大した。従って、この加熱反応条件の下で第２の部材７の接触面５Ｅを設計する場合、第１段の接触面５ａの直径（３０．４９５ｍｍ）に対して、第２段の接触面５ｂの直径を３０．６３４ｍｍに設定することが望ましい。これにより、第２段の接触面５ｂを用いて、第１段の接触面５ａを用いた場合と同程度の密閉度合で加熱反応を行うことができる。

これと同様に、第３段の接触面に適正な直径は３０．６３４ｍｍ＋（３０．６３４ｍｍ−３０．４９５）＝３０．７７３ｍｍ程度であり、第４段の接触面に適正な直径は３０．９１２ｍｍ程度であると予測できる。

多段の接触面５Ｅの各接触面の直径は上述したように実験値に基づいて設計できる。その他、例えば材料物性値に基づいて設計することも可能である。接触面の直径と、第１の材料および第２の材料の熱膨張係数の差とから、空間３が密閉状態になるおよその温度を設計できる。そのため、密閉に必要な最低温度に基づいて、室温における第２の部材７の接触面５Ｅの各面と第１の部材１の接触面５Ａとの間の許容される空隙（許容空隙）が概算できる。この許容空隙の値を第２の部材７の多段の接触面５Ｅの段差とすることで空隙の値を一定値以下にすることができる。つまり、複数の接触面５Ｅのうち隣接する接触面の間の段差は密閉条件から算出して得られる所定値以下である。その結果、空間３が密閉状態に達する温度を所定の温度以下にすることが可能となる。以下、許容空隙を概算する一例を紹介する。

加熱反応前における加熱反応容器の第１の部材１の接触面５Ａにより形成される円柱形状の直径（以下、単に接触面５Ａの直径と呼ぶ場合がある）の大きさと第２の部材７の接触面５ａにより形成される円柱形状の直径（以下、単に接触面５ａの直径と呼ぶ場合がある）の大きさは、反応材料の分量その他の条件に応じて適宜変更することが出来る。具体的には、加熱反応前における接触面５Ａおよび５ａの直径を１０ｍｍ程度にすることも可能であるし、６００ｍｍ程度にすることも可能である。直径が大きな場合（例えば６００ｍｍ程度の場合など）、例えば第１の部材は削り出しで作製することも可能である。また、材料利用効率および／または加工時間の点で他の方法で第１の部材１を作製することも有効である。具体的には、例えば、パイプ形状の材料に円盤形状の材料を圧入することにより第１の部材１を作製することができる。また、円盤形状の材料を溶接することで第２の部材７を作製することが出来る。

また、加熱反応容器の第１の部材１の接触面５Ａの直径と第２の部材７の接触面５ａの直径が大きい場合（６００ｍｍ程度の場合など）、熱膨張による第１の部材１と第２の部材７との寸法変化の差の絶対値が大きくなる。よって、加熱反応前における第１の部材１の接触面５Ａの直径と第２の部材７の接触面５ａの直径の差を大きくしても、本開示の機能を発揮することが出来る。第１の部材１の接触面５Ａの直径と第２の部材７の接触面５ａの直径の差が大きいと加熱反応容器の組立が容易になるという利点がある。

一方、加熱反応容器の第１の部材１の接触面５Ａの直径と第２の部材７の接触面５ａの直径が大きい場合、大きな形状を有する第２の部材７が交換必要となるので、コストおよび／または作業性等の点から交換部品を小さくするために、図１４に示すように第１の部材１の材料を保持する部分（即ち内部空間）が円柱形状である場合、その内部空間の直径に対して蓋をする部分の直径が小さくなるようにしてもよい。即ち、材料の出し入れ口だけを小さくすることが出来る。第１の部材１の内部空間の形状は、特に限定されず、円柱形状でなくてもよい（円錐台形状、多角柱形状、多角錐台形状など）。その場合、例えば、第１の部材１の内部空間の、開口に平行な断面が、開口の面積よりも広くなるようにする。これにより、第２の部材７を小型化でき、コストを低減し、作業性を向上させることができる。図１２Ａに示すように、第２の部材７に材料を保持する部分がある場合も同様である。すなわち、第２の部材７の内部空間の形状は、特に限定されない（円柱形状、円錐台形状、多角柱形状、多角錐台形状など）。その場合、例えば、第２の部材７の内部空間の、開口に平行な断面が、開口の面積よりも広くなるようにする。これにより、第１の部材１を小型化でき、コストを低減し、作業性を向上させることができる。

また、加熱反応容器の第１および第２の部材１および７の接触面５Ａおよび５ａにより形成される形状は特に限定されず、円柱形状でなくてもよい。接触面５Ａおよび５ａにより形成される形状は、例えば、円錐台形状であってもよく、多角形柱形状であってもよく、また多角形錐台形状であってもよい。図１１Ａに示す形状においては、第１および第２の部材１および７の接触面５Ａおよび５ａにより形成される形状が、第１の部材１の底面に近いほど直径が小さくなる錐台形状である場合、第２の部材７の交換が容易になる。また、図１２Ａに示す形状においては、第１および第２の部材１および７の接触面５Ａおよび５ａにより形成される形状が、第２の部材７の底面に近いほど直径が大きくなる錐台形状である場合、第１の部材１の交換が容易になる。

第１の材料としてＣ−２２合金（Ｎｉ：５６ｗｔ％、Ｃｒ：２２ｗｔ％、Ｍｏ：１３ｗｔ％、Ｗ：３ｗｔ％、Ｆｅ：３ｗｔ％、Ｃｏ＜２．５ｗｔ％、Ｖ＜０．３５ｗｔ％、Ｍｎ＜０．５ｗｔ％、Ｓｉ＜０．０８ｗｔ％、Ｃ＜０．０１ｗｔ％）を用い、第２の材料としてＳＵＳ３１６合金を用いる場合を考える。ここで、第１および第２の材料の熱膨張係数はそれぞれ、１２．４ミクロン／ｍ／℃および１６．０ミクロン／ｍ／℃である。接触面を円筒側面とし、その接触面の直径を８０ｍｍ程度として、３００℃以下で密閉することを想定する。第１の材料の熱膨張係数と第２の材料の熱膨張係数との差は、３．６ミクロン／ｍ／℃となる。これを用いて概算すると、８０／１０００ｘ（３００−２５）ｘ３．６＝７９．２ミクロンが室温における第１の部材１と第２の部材７との最大で許容される直径の差となる。従って、第２の部材７の接触面５Ｅの段差をその半径値である４０ミクロン／段程度以下としておくことで第１の部材１の接触面５Ａの径が大きくなっても、常に３００℃以下で加熱反応容器１０の密閉を確保できる。

本開示の具体的な態様として本実施の形態およびその変形例を示したが、本開示はこれらに限定されない。第１の部材１および第２の部材７の各接触面は円筒側面以外であってもよい。例えばそれらの接触面は多角形柱の側面であり得る。また、反応原料２を保持する空間３は、第１の部材１と、第２の部材７と、これら以外の第３の部材とを併用して形成されていてもよい。

本実施の形態では、第１の材料としてＭｏを用い、第２の材料としてＣ−２７６合金を用いる例、および第１の材料としてＣ−２２合金を用い、第２の材料としてＳＵＳ３１６合金を用いる例を説明したが、第１の材料と第２の材料の組合せはこの限りではない。

第１および第２の部材１および７は、上述した様に、Ｍｏ、Ｃ−２７６合金、Ｃ−２２合金、ＳＵＳ３１６等を使用して構成することができる。これに代えて、第１および第２の部材１および７は、例えば、ニオブ、タンタルおよびニッケルからなる群から選択される少なくとも一つから構成することもおよび可能である。また、内部に保持した材料と第１および第２の部材１および７の何れかとの反応を防ぐためや高温酸化を低減するために第１および第２の部材１および７のうちの少なくとも一つにセラミックコートをすることも可能である。

本開示の一態様による加熱反応容器、および反応方法は、反応原料を高温で密閉した状態で保持し、仕込み組成を損なうことなく加熱反応を進行させることが求められる様々な用途、例えば電池用活物質材料、各種セラミック材料、および機能性炭素材料などに好適に利用できる。

１ 第１の部材
２ 反応原料
３ 空間
４ 開口部
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５ａ、５ｂ 接触面
６ 第２の部材
７ 第２または第３の部材
８ 突起
９ 蓋の本体
１０ 加熱反応容器
１１ テーパー状の加工面

Claims (7)

1. 反応原料を保持するための加熱反応容器であって、
   環状の第１の接触面を有し、第１の材料から形成された第１の部材と、
   環状の第２の接触面および前記第２の接触面よりも内側に位置する環状の第３の接触面を有し、第２の材料から形成された第２の部材と、
   環状の第４の接触面を有し、第３の材料から形成された第３の部材と、
   を備え、
   前記第１および第３の部材の一方は、前記反応原料を内部に装入するための開口を有する空間を含み、前記第１および第３の部材の他方は、前記開口を塞ぐ面を含み、
   前記第１の接触面および前記第１の接触面よりも内側に位置する前記第２の接触面が互いに対向した状態で前記第１の部材は前記第２の部材に嵌合し、かつ、前記第３の接触面および前記第３の接触面よりも内側に位置する前記第４の接触面が互いに対向した状態で前記第２の部材は前記第３の部材に嵌合することにより前記開口は塞がれ、
   前記第１の材料の熱膨張係数α１、前記第２の材料の熱膨張係数α２および前記第３の材料の熱膨張係数α３は、α３＞α２＞α１、α３＝α２＞α１またはα３＞α２＝α１の関係を満足し、
   前記反応原料の加熱前において、前記第１の接触面と前記第２の接触面の間および前記第２の接触面と前記第３の接触面の間の少なくとも一方に空隙が存在し、加熱によって、前記第１および第２の接触面が互いに密着し、かつ、前記第３および第４の接触面が互いに密着することにより前記空間は密閉される、加熱反応容器。
2. 前記第２の部材は、独立して形状を保持できる、請求項１に記載の加熱反応容器。
3. 前記第１の部材は、前記第１の接触面および前記反応原料と接触する接触面を内側に有し、
   前記第２の部材は、前記第２の接触面を外側に有し、かつ、前記第３の接触面を内側に有し、
   前記第３の部材は、前記第４の接触面を外側に有している、請求項１または２に記載の加熱反応容器。
4. 前記第１の部材は、前記第１の接触面を内側に有し、
   前記第２の部材は、前記第２の接触面を外側に有し、かつ、前記第３の接触面を内側に有し、
   前記第３の部材は、前記第４の接触面を外側に有し、前記反応原料と接触する接触面を内側に有している、請求項１または２に記載の加熱反応容器。
5. 前記第１の材料、前記第２の材料および前記第３の材料のそれぞれは、金属、半金属、炭素、およびセラミックのいずれか１つである、請求項１から４のいずれかに記載の加熱反応容器。
6. 前記第１の材料と前記第２の材料とは同一であり、または前記第２の材料と前記第３の材料とは同一である、請求項１または２に記載の加熱反応容器。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の加熱反応容器を用いた加熱反応方法であって、
   加熱によって前記空間を前記密閉空間にすることで前記反応原料を反応させる、加熱反応方法。

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