ナノ粉末の誘導プラズマ合成
ナノ粉末を合成するためのプロセスと装置が提案される。特に、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、および炭酸塩を前駆体として使う、誘導プラズマ技術による金属、合金、セラミック、および複合材料のような様々な材料のナノ粉末の合成のためのプロセスが開示される。このプロセスは、反応材料を、材料の過熱蒸気をもたらすのに十分高い温度を持ったプラズマ流れが生成されたプラズマトーチに供給する段階と；前記蒸気を冷却領域にプラズマ流れを用いて輸送する段階と；冷却領域内のプラズマ流れに冷却ガスを注入して再生可能なガスの冷却面を形成する段階と；再生可能なガスの冷却面とプラズマ流れとの間の界面においてナノ粉末を形成する段階と；を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導プラズマ技術を使用するナノ粉末のプラズマ合成に関する。さらに具体的には、本発明は金属、合金、セラミック、および複合材料のような様々な材料のナノ粉末を、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、および炭酸塩を前駆体として使う誘導プラズマ技術によって合成するためのプロセスに関わるが、排他的なものではない。
【背景技術】
【０００２】
ナノ粉末のプラズマ合成は、過去数年にわたって益々注目を浴びて来た。多数のプロセスが、プラズマ放電、アーク放電、電気爆発(electro-explosion)、自己増殖高温合成、燃焼合成、放電、スプレー熱分解、ゾルゲル、および機械的摩耗を含む広く多種多様な技術を使って、金属、合金、およびセラミックベースのナノ粉末を用意するために開発されてきた。
【０００３】
高温プラズマ処理速度は、反応物質前駆体（固体、液体、または蒸気／気体（ガス）の形態における）を比較的高温に加熱し、「高強度急激冷却技術(high intensity turbulent quench technique)」でのような冷たいガス流れに混合すること、またはナノ粒子を生成し堆積する冷たい表面に接触させることを通じて、反応生成物を急速冷却するという考え方に基づいている。「高度急激ガス冷却領域(highly turbulent gas quench zone)」の使用は、これまでに、２００５年３月２５日にBoulosらによって出願された特許文献１、及び２００２年１２月６日にBoulosらによって出願された特許文献２に記載されている。これらすべてのプロセスに対する共通の目的は、粒子形態、粒径分布、および得られた粉末の凝集を綿密に制御することの要求である。しかしながら、伝統的な「冷たい表面」の濃縮技術を使用することの欠点は、濃縮表面の特性と温度が、濃縮されたナノ粉末層の蓄積とともに変化するということである。
【０００４】
２００２年４月３０日にCelikらによって登録された特許文献３は、微細および超微細な粉末の製造のための、移行アーク熱プラズマ(transferred arc thermal plasma)ベースの蒸気濃縮法を開示している。この方法は、間接的な冷却ステップと直接的な冷却ステップを含んだ濃縮手順を要求する。間接的な冷却ステップは冷却面を含むが、直接的な冷却ステップは蒸気に直接冷却ガスを注入することを含む。冷却面の使用は、濃縮表面上への粒子蓄積の欠点を伴なう。
【０００５】
初期の蒸気濃縮と温度、粒子核形成と成長の滞留時間、および冷却プロフィールを制御することにより、粒径分布および結晶化度に対する何らかの制御ができることが、理論的に示された。これは、非特許文献１および非特許文献２に示されている。しかしながら、これらの参考文献は、明確な粒径分布と形態のナノ粉末を作り出すための効率的な方法について記載していない。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５ ０２１７４２１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３ ０１４３１５３号明細書
【特許文献３】米国特許第６,３７９,４１９号明細書
【非特許文献１】Okuyamaら著，「AlChE Journal」，１９８６年，３２（１２），第２０１０〜２０１９頁
【非特許文献２】Girshickら著，「Plasma Chem. and Plasma Processing」，１９８９年，９（３），第３５５〜３６９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粒子形態、粒径分布、および粒子の凝集が容易に制御され、そして容易に拡大縮小可能であるような、ナノ粉末を用意するための改善されたプロセスの必要性が残っている。
【０００７】
本発明は、これら、および他の必要性に対処する。
【０００８】
本発明は多くの文献を参照し、その内容は参考文献としてそのすべてがここに組み入れられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、プラズマトーチと冷却チャンバーを有する誘導プラズマ装置を必要とする粉末のプラズマ合成に関わり、そこでは、冷却ガスの注入を通じて再生可能な「ガスの冷却面」が形成され、ガスの反応物質／反応生成物が核生成する。核形成はナノ粉末を生成し、その粉末は、移動する冷却面によって収集チャンバーに速やかに輸送される。驚くべきことに、プラズマ流れに存在している反応物質／反応生成物を核生成（すなわち濃縮）するための再生可能なガスの冷却面を生成することによって、結果的なナノ粉末の形態と粒径分布の優秀な制御を達成できる、ということが発見された。さらに、再生可能なガスの冷却面の使用により、粒子凝集に対して緊密な制御が提供される。
【００１０】
さらに具体的には、広く請求されたように、本発明は、反応材料を、該材料の過熱蒸気をもたらすのに十分高い温度を持ったプラズマ流れが生成されたプラズマトーチに供給する段階と；前記蒸気を冷却領域に前記プラズマ流れを用いて輸送する段階と；冷却領域内のプラズマ流れに冷却ガスを注入して再生可能なガスの冷却面を形成する段階と；再生可能なガスの冷却面とプラズマ流れとの間の界面においてナノ粉末を形成する段階と；を有することを特徴とするナノ粉末を合成するプロセスに関する。
【００１１】
また、本発明は、プラズマ流れを生成し、プラズマ流れ中でプラズマトーチに供給された反応材料から過熱蒸気を作り出すプラズマトーチと；プラズマトーチ下流側にマウントされ、前記プラズマトーチと流体連通してプラズマトーチから過熱蒸気を受け取る冷却チャンバーであって、冷却ガスを受け取って前記冷却ガスから再生可能なガスの冷却面を形成し、過熱蒸気を急速に冷却してナノ粉末をもたらす冷却チャンバーと；を有することを特徴とするナノ粉末を合成するための装置にも関する。
【００１２】
本発明の前述のような、また他の目的、利点、そして特徴は、専ら添付の図面を参照する例を用いて与えられた以下の例証的な実施形態の、非限定的な説明を読むことによって、一層明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願の明細書で使われる用語の明確で一貫した理解を提供するために、以下で多くの定義が提供される。さらに、別途定義されないならば、ここで使われるすべての技術用語および科学用語は、本発明の関連する技術における当業者に共通に理解されるものと同じ意味を持っている。
【００１４】
請求項および／または明細書における「有する」という用語と関連して使われる時の「一の」、「ある」という用語の使用は、「一つ」を意味しうるが、「１つ以上」、「少なくとも１つ」、および「１つまたは１つを超える」という意味とも矛盾しない。同様に、「他の」という用語は、少なくとも第２のもの、あるいはそれ以降を意味しうる。
【００１５】
この明細書および請求項で使われるように、「有している」という用語（および複数の主体が「有する」、単数の主体が「有する」のような、「有している」の語形）「持っている」という用語（および複数の主体が「持つ」、単数の主体が「持つ」のような、「有している」の語形）、「含んでいる」という用語（および複数の主体が「含む」、単数の主体が「含む」のような、「含んでいる」の語形）、および、「収容している」という用語（および複数の主体が「収容する」、単数の主体が「収容する」のような、「収容している」の語形）は、包括的であるか、または上限がないものであり、追加の、請求されていない要素またはプロセス段階を排除するものではない。
【００１６】
「約」という用語は、ある値が、その値を決定するために使用される装置または方法に対する固有の誤差変動を含んでいる、ということを示すために使われる。
【００１７】
本発明は、誘導プラズマ技術を使用し、再生可能な「ガスの冷却面」、例えばプラズマ流れ中に存在する反応物質／反応生成物を急速に冷却する役割を果たす層状の「ガスの冷却面」を必要とするナノ粉末のプラズマ合成のための新規なプロセスに関わる。第１の選択肢によれば、ガスの冷却面は、冷却ガスを一様に注入された多孔性の金属またはセラミックの壁を有する冷却チャンバー内で生成できる。第２の選択肢によれば、ガスの冷却面は穿孔された耐熱壁を有する冷却チャンバーで生成できる。
【００１８】
図１は誘導プラズマアセンブリ（組立体）のある例示的な実施形態を示し、全体的に参照符号１０によって表す。図１の誘導プラズマアセンプリ１０は、誘導結合無線周波数（ｒｆ）プラズマトーチ１２から成った上部セクションを有し、その中で、トーチ１２の供給側上部終端において反応材料が実質的に軸方向に導入され、当技術分野の当業者によく知られている技術を使ってプラズマ流れの中心に分散される。冷却チャンバー１６にマウントされたリアクトル１４(reactor)は、プラズマトーチ１２の下側終端に、プラズマトーチ１２と冷却チャンバー１６との間の誘導プラズマアセンプリ１０に一様に同軸に取り付けられる。誘導プラズマアセンブリ１０は、さらに、冷却チャンバー１６の下側終端に同軸にマウントされた収集チャンバー１８を有する。勿論、プラズマトーチ１２、リアクトル１４、冷却チャンバー１６、および収集チャンバーは、お互いとの流体連通状態にある。
【００１９】
プラズマは、無線周波数（ラジオ周波数）場のような高周波電磁場にさらされた際にイオン化することになる、何らかの適切なガスを使って生成される。適切なガスを選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。適切な誘導結合無線周波数（ｒｆ）プラズマトーチは、Boulosらにより２００５年７月１９日に登録された米国特許第６，９１９，５２７号明細書に開示されている。本発明のプロセスによって考慮される他の適切なプラズマトーチは、Boulosらにより１９９３年４月６日に登録された米国特許第５，２００，５９５号明細書に記載されたもののような高性能な誘導プラズマトーチを含む。
【００２０】
反応物質の供給は細かい固体粒子、液体小滴、または蒸気相／気相の形態が可能である。固体の供給のケースでは、反応物質は、プラズマ流れに入ると溶融され、蒸発させられて反応温度に過熱された蒸気雲を形成する。液体小滴のケースでは、プラズマ上の熱負荷が、液体小滴を蒸発温度に熱し、蒸気を反応温度に過熱することの要求に対して、実質的に制限される。ガスの供給のケースでは、プラズマ上の熱負荷が、供給ガスを反応温度に過熱することの要求に対して、実質的に制限される。プラズマ流れは、軸方向にリアクトル１４へと蒸気雲を送る。該リアクトルでは、蒸気相／気相に存在する他の成分と混合されうる。本発明の一実施形態においては、さらなる成分は、酸素のような酸化剤、メタンかアセチレンのような炭化剤、またはアンモニアのような窒化剤でありうる。勿論、当技術分野の当業者によく知られている技術を使って、他の成分を供給反応物質と共に付随してプラズマトーチ１２に導入したり、あるいは、リアクトルセクション１４か冷却セクション１６に導入したりできる。
【００２１】
プラズマ流れは、プラズマトーチ１２から現れる反応物質／反応生成物をそれと流体連通するリアクトル１４へ運ぶ。本発明のこの実施形態では、リアクトル１４は高温グラファイト／耐熱材で裏打ちしたリアクトルでありうる。他の適切なリアクトルおよびリアクトル形状を選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。同時に他の成分と混合されてプラズマトーチ１２に供給物が導入された場合、リアクトル１４は、何らかの反応が完了することを可能にする。あるいは、過熱された供給物は反応温度でプラズマトーチ１２を出て、プラズマ流れによって他の成分と混合され、反応するリアクトル１４中に運ばれる。
【００２２】
リアクトル１４を出ると、反応物質／反応生成物は冷却チャンバー１６中に運ばれる。本発明の一実施形態では、冷却チャンバー１６は、冷却ガスおよび／または反応物質が注入される多孔性の金属またはセラミック壁セクション１７を有することができる。あるいは冷却チャンバー１６は、冷却ガスおよび／または反応物質が注入されるスロットが設けられるか、または穿孔された耐熱壁セクションを有することができる。他の適切な冷却チャンバー形状を決定または選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。他の反応物質と混合されるか、または混合されない冷却ガスの注入は、可動性で連続的に再生可能な層状の「ガスの冷却面」を生成し、その面上でガスの反応物質／反応生成物が濃縮する。このような濃縮は、反応物質／反応生成物の核形成をもたらし、ナノ粉末を生成する。この「ガスの冷却面」は、それが移動状態にあるので、再生可能である。つまり、この移動は、冷却ガスの連続的な注入によって、またプラズマ流れの動きによって与えられる。反応セクション（すなわち、プラズマトーチ１２および／またはリアクトル１４）と冷却セクション（冷却チャンバー１６）との物理的な分離は、ナノ粉末形成が起こる濃縮面の位置を制御するさらに良好な手段を提供する。ガスの冷却面を、さらに図３、図４、図６および図７に示す。本発明の一実施形態では、アルゴンが冷却ガスとして使われる。他の適切な冷却ガスを決定し、選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。
【００２３】
ガスの反応物質／反応生成物がさらされる冷却速度は冷却ガスの温度とその流量に依存することになる。冷却ガスの流量は、冷却チャンバー１６内の冷却面の位置、そして、リアクトル１４から現れて反応物質／反応生成物を有するプラズマガスの高温流れと冷却面が相互作用する方法にも影響を与える。ナノ粉末は、可動性の冷却面上を収集チャンバー１８へと運ばれて出ていく。勿論、プラズマガスは、収集チャンバー１８に到着する際のそれらの冷却面との相互作用に起因して、著しく低い温度になることもある。
【００２４】
本発明によるプロセスは、製造されるナノ粉末の均一性と粒径分布を制御する効果的な手段として、再生可能な「ガスの冷却面」の考え方を包含する。さらに、ナノ粉末は、実質的にその形成の際にプラズマガスと冷却ガスとで構成された現在のガスの冷却面によって冷却チャンバー１６から収集チャンバー１８へと、急速に排出させられるので、濃縮されたナノ粒子の凝集の可能性は著しく減少する。さらに、高容量冷却ガス流速を使うことによって、冷却チャンバー１６から収集チャンバー１８へと排出される間に、生成されたナノ粉末を薄い懸濁状態に維持することができる。さらに、薄い懸濁状態を維持することによって、冷却チャンバー１６の壁へのナノ粉末の堆積と、粒子間の衝突を通じたナノ粒子凝集のいずれもが、実質的に回避される。毎分４００および８００標準リットル（ｓｌｐｍ）の冷却ガス流速に対する、プラズマトーチ１２、リアクトル１４、および冷却チャンバー１６のそれぞれで観察されるような典型的な温度と流れ場を、図３および図４に示す。これらの図は、高温のプラズマガス流れ上の「ガスの冷却面」の圧縮（収斂）効果を明確に実証する。ガスの冷却面がさらに激しければ、一層大きな圧縮効果となる。しかも、図３および図６から観察できるように、冷却ガス流速の増加は、冷却境界層の厚さの著しい増加とプラズマ流れの中心に向かう冷却面の漸進的な置換とをもたらす。さらに、冷却境界層の厚さの増加は、反応物質／反応生成物の核形成が起こる冷却面とプラズマ流れの界面において急峻な温度勾配の進展を伴なう。これらの図に示さないが、冷却ガス流速の緊密な制御と組み合わせてリアクトルの長さを変えることは、リアクトルアセンプリにおける冷却面の位置、およびそれに応じた反応物質／反応生成物を急速に冷却させる正確な時期を制御する実現可能な手段を提供する。リアクトル１４を欠いたケースでは、反応物質／反応生成物は、プラズマトーチ１２内でのその蒸発後に、実質的に直ちに冷却面にさらされる。図３および図４に示したような例示的な実施形態においては、プラズマガスはアルゴン／酸素混合物（８０体積％／２０体積％）から成り、一方、ガスの冷却面は、冷却チャンバー１６の多孔性の金属壁を通して注入されたアルゴンを使って作り出された。
【００２５】
冷却チャンバー１６内で観察されるような典型的な「ガスの冷却面」、および関連する冷却ガス等濃度線を図６に示す。さらに、反応生成物を有する高温プラズマガスがガスの冷却面に衝突する時に作られる、典型的な反応生成物冷却等速度線を図７に示す。これらの図は、実質的に均一で、再生可能で、移動可能な冷却ガス面を示す。この冷却ガス面にわたって、反応生成物が約１０５から１０６Ｋ／ｓオーダーの高い冷却速度にさらされる。このようなガスの冷却面によって、図８〜図１０に示された代表例のように、高温プラズマガスとナノ粉末の生成が実質的に均一な粒径分布を持つという状態で、粒子核形成を界面において起こすことができる。
【００２６】
本発明のプロセスは、コンパクトで、拡大縮小可能で、また簡単に動作できるという追加的な利点を提供する。さらにリアクトルアセンプリ１０は、製造されるナノ粉末の必要性とタイプに応じて容易に修正することができる。固体、液体、及び気体の前駆体を、製造されるナノ粉末が前駆体と同一または異なった化学組成のいずれかであるという状態で、本発明によるプロセスで使うことができる。製造されるナノ粉末が同一の化学組成のものであるケースでは、プロセスは、それのナノ粒子を生成する供給物の蒸発と濃縮に限定される。製造されるナノ粉末が異なる化学組成のものであるケースでは、供給物は、プラズマトーチ１２に注入されるか、またはリアクトル１４に導入されうる第２の反応物質と反応させられた。あるいは、冷却ガスは、二重機能の役割を果たすケースでは、蒸発させられた供給物と反応できる。図２に示すように、ガスの反応物質あるいはガスの反応物質／反応生成物を有するプラズマ供給物が冷却チャンバー１６内に直接導入されるように、リアクトル１４は取り除くことができる。供給物質が化学的に変更されて、酸化であることを制限しない例であるならば、リアクトルの存在は必要とされうる。製造されるナノ粉末のタイプに応じて適切なリアクトルアセンブリを選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。
【００２７】
［実験例］
誘導プラズマ技術を使った多くの金属およびセラミックのナノ粉末の合成に際し、「再生可能な層状のガスの冷却面」の効果を示す多くの例が、後述の通り提供される。
【００２８】
［固体の前駆体を使ったナノ粉末の合成］
３ＭＨｚの発振周波数、６５ｋＷのプラズマプレート出力(plasma plate power)、約５００Ｔｏｒｒのリアクトル圧力の、５０ｍｍ内径の誘導プラズマトーチを使って、アルゴン／水素誘導プラズマ流れを生成した。ミクロンサイズの金属粉末形態の種々の金属を、プラズマ放電の中心に軸方向に注入して蒸発させた。蒸発させられた金属を有する高温プラズマガスがリアクトルから出現するのに応じて、それらは、冷却チャンバーの多孔性の壁を通じてアルゴンを注入する手段によって作られるガスの冷却面によって捕捉される。ガスの冷却面との高温プラズマガスの相互作用は、高温プラズマガス／ガスの冷却面の界面における核形成現象を生じさせ、良好に確定された粒径分布を持ったナノ粉末の形成につながる。連続的に移動するガスの冷却面は、ここではまた冷却されたプラズマガスで構成されているが、ナノ粉末を収集チャンバーへと急速に排出し、そこでは、標準的な焼結された金属または布フィルター部材に収拾されうる。アルミニウム、ニッケル、およびタングステン粉末に対して得られる実験結果を以下の表１に要約する。プラズマプレート出力、前駆体供給速度、冷却ガス速度、および、比表面積(Specific Surface Area)（ＢＥＴ法を使って測定した）や粒子平均粒径のような収集されたナノ粉末の物理的特徴に関するデータも提供されている。比表面積(Specific Surface Area)は収集された粉末のｍ２／ｇの項で表されている。収集された粉末の平均粒径は、体積比率に対する等価な表面積を持った球形の粒子形状を想定して計算することができる。Malvern Mastersizer（登録商標）機器を使った光散乱解析によって得られた粒径分布を図８〜図１０に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
［液体の前駆体を使ったナノ粉末の合成］
図１５および下記表２に示すように、本発明によるプロセスは液体の供給物を使ったナノ粉末の合成に適している。液体の四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４、沸点＝８３℃）をMasterflex（登録商標）ポンプによって酸素プラズマ中に送り込んだ。その液体を蒸発させ、そして酸化させた。製造された二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）蒸気を、「ガスの冷却面」を生成する冷却ガス流の注入によってナノメートル級粉末に濃縮した。図１５で起こるプロセスは、以下の反応で示すことができる：
【００３１】
ＧｅＣｌ４（ｌ）＋Ｏ２（ｇ） → ＧｅＯ２(ｓ)＋２Ｃｌ２(ｇ)
【００３２】
【表２】
【００３３】
［ガスの前駆体を使ったナノ粉末の合成］
本発明のプロセスは、以下の反応で示すようなガスの供給物を使ったナノ粉末の合成にも適している：
【００３４】
４ＢＣ１３(ｇ)＋ＣＨ４(ｇ)＋４Ｈ２ → Ｂ４Ｃ(ｓ)＋１２ＨＣｌ（ｇ）
【００３５】
本発明が構造の細部および上述のような部品へのその適用に限定されないものである、ということが理解されるべきである。本発明は他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実施できる。ここで使われる語法や専門用語が説明の目的のためのものであって、限定の目的のためのものではない、ということも理解されるべきである。ゆえに、例証的な実施形態を通じて本発明を上記のように説明してきたにもかかわらず、それは、添付の特許請求の範囲において規定された発明の主題の精神、範囲、領域、および性質から逸脱することなく、修正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による誘導プラズマアセンブリの概略部分断面図である。
【図２】リアクトル部品がない図１の誘導プラズマアセンブリの概略部分断面図である
【図３】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンプリの等温線を図示したものであって、それぞれ、（図３Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図３Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図４】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンプリの流線を図示したものであって、（図４Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図４Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図５】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリの誘導プラズマトーチ／リアクトルセクションの中央線に沿った温度プロフィールを示すグラフ（図５Ａ，図５Ｂ）と、同じ誘導プラズマアセンプリのトーチ／リアクトルセクションの内部の様々な軸方向位置での半径方向における温度プロフィールを示すグラフ（図５Ｃ，図５Ｄ）であり、（図５Ａ，図５Ｃ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図５Ｂ，図５Ｄ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図６】「ガスの冷却面」を図示したものであって、Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリの冷却セクションにおける冷却ガス等濃度線を表し、（図６Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図６Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図７】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリの冷却セクションにおける反応生成物冷却等速度線を図示したもの（暗い領域は１０５から１０６Ｋ／ｓの範囲の冷却速度を表示する）であって、（図７Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図７Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図８】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリを使用して得られたアルミニウムナノ粉末に対する粒径分布を示すグラフである。
【図９】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリを使用して得られたニッケルナノ粉末に対する粒径分布を示すグラフである。
【図１０】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリを使用して得られたタングステンナノ粉末に対する粒径分布を示すグラフである。
【図１１】図１の誘導プラズマアセンブリの冷却セクション内の冷却ガス流れ示す。
【図１２】本発明に従ったプロセスによって製造されたナノメートル級ニッケル粉末の、（図１２Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての平均粒度を、（図１２Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての比表面積を示すグラフである。
【図１３】本発明に従ったプロセス（マイクロメートル級サイズの銅粉末から開始した）によって製造されたナノメートル級酸化銅（ＣｕＯ）粉末の、（図１２Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての平均粒度を、（図１２Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ／Ｏ２）流速の関数としての比表面積を示すグラフである。
【図１４】本発明に従ったプロセス（マイクロメートル級サイズの銅粉末から開始した）によって製造された酸化銅ナノ粉末の粒径分布（それぞれ、ＢＥＴ比表面積＝２３．０８ｍ２／ｇ（図１４Ａ）、および２２．１１ｍ２／ｇ（図１４Ｂ））を示すグラフである。
【図１５】本発明に従ったプロセス（液体ＧｅＣｌ４から開始した）によって製造されたナノメートル級酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）粉末の、（図１５Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての平均粒度を、（図１５Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての比表面積を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 誘導プラズマアセンプリ
１２ プラズマトーチ
１４ リアクトル
１６ 冷却チャンバー
１７ 壁セクション
１８ 収集チャンバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導プラズマ技術を使用するナノ粉末のプラズマ合成に関する。さらに具体的には、本発明は金属、合金、セラミック、および複合材料のような様々な材料のナノ粉末を、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、および炭酸塩を前駆体として使う誘導プラズマ技術によって合成するためのプロセスに関わるが、排他的なものではない。
【背景技術】
【０００２】
ナノ粉末のプラズマ合成は、過去数年にわたって益々注目を浴びて来た。多数のプロセスが、プラズマ放電、アーク放電、電気爆発(electro-explosion)、自己増殖高温合成、燃焼合成、放電、スプレー熱分解、ゾルゲル、および機械的摩耗を含む広く多種多様な技術を使って、金属、合金、およびセラミックベースのナノ粉末を用意するために開発されてきた。
【０００３】
高温プラズマ処理速度は、反応物質前駆体（固体、液体、または蒸気／気体（ガス）の形態における）を比較的高温に加熱し、「高強度急激冷却技術(high intensity turbulent quench technique)」でのような冷たいガス流れに混合すること、またはナノ粒子を生成し堆積する冷たい表面に接触させることを通じて、反応生成物を急速冷却するという考え方に基づいている。「高度急激ガス冷却領域(highly turbulent gas quench zone)」の使用は、これまでに、２００５年３月２５日にBoulosらによって出願された特許文献１、及び２００２年１２月６日にBoulosらによって出願された特許文献２に記載されている。これらすべてのプロセスに対する共通の目的は、粒子形態、粒径分布、および得られた粉末の凝集を綿密に制御することの要求である。しかしながら、伝統的な「冷たい表面」の濃縮技術を使用することの欠点は、濃縮表面の特性と温度が、濃縮されたナノ粉末層の蓄積とともに変化するということである。
【０００４】
２００２年４月３０日にCelikらによって登録された特許文献３は、微細および超微細な粉末の製造のための、移行アーク熱プラズマ(transferred arc thermal plasma)ベースの蒸気濃縮法を開示している。この方法は、間接的な冷却ステップと直接的な冷却ステップを含んだ濃縮手順を要求する。間接的な冷却ステップは冷却面を含むが、直接的な冷却ステップは蒸気に直接冷却ガスを注入することを含む。冷却面の使用は、濃縮表面上への粒子蓄積の欠点を伴なう。
【０００５】
初期の蒸気濃縮と温度、粒子核形成と成長の滞留時間、および冷却プロフィールを制御することにより、粒径分布および結晶化度に対する何らかの制御ができることが、理論的に示された。これは、非特許文献１および非特許文献２に示されている。しかしながら、これらの参考文献は、明確な粒径分布と形態のナノ粉末を作り出すための効率的な方法について記載していない。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５ ０２１７４２１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３ ０１４３１５３号明細書
【特許文献３】米国特許第６,３７９,４１９号明細書
【非特許文献１】Okuyamaら著，「AlChE Journal」，１９８６年，３２（１２），第２０１０〜２０１９頁
【非特許文献２】Girshickら著，「Plasma Chem. and Plasma Processing」，１９８９年，９（３），第３５５〜３６９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粒子形態、粒径分布、および粒子の凝集が容易に制御され、そして容易に拡大縮小可能であるような、ナノ粉末を用意するための改善されたプロセスの必要性が残っている。
【０００７】
本発明は、これら、および他の必要性に対処する。
【０００８】
本発明は多くの文献を参照し、その内容は参考文献としてそのすべてがここに組み入れられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、プラズマトーチと冷却チャンバーを有する誘導プラズマ装置を必要とする粉末のプラズマ合成に関わり、そこでは、冷却ガスの注入を通じて再生可能な「ガスの冷却面」が形成され、ガスの反応物質／反応生成物が核生成する。核形成はナノ粉末を生成し、その粉末は、移動する冷却面によって収集チャンバーに速やかに輸送される。驚くべきことに、プラズマ流れに存在している反応物質／反応生成物を核生成（すなわち濃縮）するための再生可能なガスの冷却面を生成することによって、結果的なナノ粉末の形態と粒径分布の優秀な制御を達成できる、ということが発見された。さらに、再生可能なガスの冷却面の使用により、粒子凝集に対して緊密な制御が提供される。
【００１０】
さらに具体的には、広く請求されたように、本発明は、反応材料を、該材料の過熱蒸気をもたらすのに十分高い温度を持ったプラズマ流れが生成されたプラズマトーチに供給する段階と；前記蒸気を冷却領域に前記プラズマ流れを用いて輸送する段階と；冷却領域内のプラズマ流れに冷却ガスを注入して再生可能なガスの冷却面を形成する段階と；再生可能なガスの冷却面とプラズマ流れとの間の界面においてナノ粉末を形成する段階と；を有することを特徴とするナノ粉末を合成するプロセスに関する。
【００１１】
また、本発明は、プラズマ流れを生成し、プラズマ流れ中でプラズマトーチに供給された反応材料から過熱蒸気を作り出すプラズマトーチと；プラズマトーチ下流側にマウントされ、前記プラズマトーチと流体連通してプラズマトーチから過熱蒸気を受け取る冷却チャンバーであって、冷却ガスを受け取って前記冷却ガスから再生可能なガスの冷却面を形成し、過熱蒸気を急速に冷却してナノ粉末をもたらす冷却チャンバーと；を有することを特徴とするナノ粉末を合成するための装置にも関する。
【００１２】
本発明の前述のような、また他の目的、利点、そして特徴は、専ら添付の図面を参照する例を用いて与えられた以下の例証的な実施形態の、非限定的な説明を読むことによって、一層明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本願の明細書で使われる用語の明確で一貫した理解を提供するために、以下で多くの定義が提供される。さらに、別途定義されないならば、ここで使われるすべての技術用語および科学用語は、本発明の関連する技術における当業者に共通に理解されるものと同じ意味を持っている。
【００１４】
請求項および／または明細書における「有する」という用語と関連して使われる時の「一の」、「ある」という用語の使用は、「一つ」を意味しうるが、「１つ以上」、「少なくとも１つ」、および「１つまたは１つを超える」という意味とも矛盾しない。同様に、「他の」という用語は、少なくとも第２のもの、あるいはそれ以降を意味しうる。
【００１５】
この明細書および請求項で使われるように、「有している」という用語（および複数の主体が「有する」、単数の主体が「有する」のような、「有している」の語形）「持っている」という用語（および複数の主体が「持つ」、単数の主体が「持つ」のような、「有している」の語形）、「含んでいる」という用語（および複数の主体が「含む」、単数の主体が「含む」のような、「含んでいる」の語形）、および、「収容している」という用語（および複数の主体が「収容する」、単数の主体が「収容する」のような、「収容している」の語形）は、包括的であるか、または上限がないものであり、追加の、請求されていない要素またはプロセス段階を排除するものではない。
【００１６】
「約」という用語は、ある値が、その値を決定するために使用される装置または方法に対する固有の誤差変動を含んでいる、ということを示すために使われる。
【００１７】
本発明は、誘導プラズマ技術を使用し、再生可能な「ガスの冷却面」、例えばプラズマ流れ中に存在する反応物質／反応生成物を急速に冷却する役割を果たす層状の「ガスの冷却面」を必要とするナノ粉末のプラズマ合成のための新規なプロセスに関わる。第１の選択肢によれば、ガスの冷却面は、冷却ガスを一様に注入された多孔性の金属またはセラミックの壁を有する冷却チャンバー内で生成できる。第２の選択肢によれば、ガスの冷却面は穿孔された耐熱壁を有する冷却チャンバーで生成できる。
【００１８】
図１は誘導プラズマアセンブリ（組立体）のある例示的な実施形態を示し、全体的に参照符号１０によって表す。図１の誘導プラズマアセンプリ１０は、誘導結合無線周波数（ｒｆ）プラズマトーチ１２から成った上部セクションを有し、その中で、トーチ１２の供給側上部終端において反応材料が実質的に軸方向に導入され、当技術分野の当業者によく知られている技術を使ってプラズマ流れの中心に分散される。冷却チャンバー１６にマウントされたリアクトル１４(reactor)は、プラズマトーチ１２の下側終端に、プラズマトーチ１２と冷却チャンバー１６との間の誘導プラズマアセンプリ１０に一様に同軸に取り付けられる。誘導プラズマアセンブリ１０は、さらに、冷却チャンバー１６の下側終端に同軸にマウントされた収集チャンバー１８を有する。勿論、プラズマトーチ１２、リアクトル１４、冷却チャンバー１６、および収集チャンバーは、お互いとの流体連通状態にある。
【００１９】
プラズマは、無線周波数（ラジオ周波数）場のような高周波電磁場にさらされた際にイオン化することになる、何らかの適切なガスを使って生成される。適切なガスを選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。適切な誘導結合無線周波数（ｒｆ）プラズマトーチは、Boulosらにより２００５年７月１９日に登録された米国特許第６，９１９，５２７号明細書に開示されている。本発明のプロセスによって考慮される他の適切なプラズマトーチは、Boulosらにより１９９３年４月６日に登録された米国特許第５，２００，５９５号明細書に記載されたもののような高性能な誘導プラズマトーチを含む。
【００２０】
反応物質の供給は細かい固体粒子、液体小滴、または蒸気相／気相の形態が可能である。固体の供給のケースでは、反応物質は、プラズマ流れに入ると溶融され、蒸発させられて反応温度に過熱された蒸気雲を形成する。液体小滴のケースでは、プラズマ上の熱負荷が、液体小滴を蒸発温度に熱し、蒸気を反応温度に過熱することの要求に対して、実質的に制限される。ガスの供給のケースでは、プラズマ上の熱負荷が、供給ガスを反応温度に過熱することの要求に対して、実質的に制限される。プラズマ流れは、軸方向にリアクトル１４へと蒸気雲を送る。該リアクトルでは、蒸気相／気相に存在する他の成分と混合されうる。本発明の一実施形態においては、さらなる成分は、酸素のような酸化剤、メタンかアセチレンのような炭化剤、またはアンモニアのような窒化剤でありうる。勿論、当技術分野の当業者によく知られている技術を使って、他の成分を供給反応物質と共に付随してプラズマトーチ１２に導入したり、あるいは、リアクトルセクション１４か冷却セクション１６に導入したりできる。
【００２１】
プラズマ流れは、プラズマトーチ１２から現れる反応物質／反応生成物をそれと流体連通するリアクトル１４へ運ぶ。本発明のこの実施形態では、リアクトル１４は高温グラファイト／耐熱材で裏打ちしたリアクトルでありうる。他の適切なリアクトルおよびリアクトル形状を選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。同時に他の成分と混合されてプラズマトーチ１２に供給物が導入された場合、リアクトル１４は、何らかの反応が完了することを可能にする。あるいは、過熱された供給物は反応温度でプラズマトーチ１２を出て、プラズマ流れによって他の成分と混合され、反応するリアクトル１４中に運ばれる。
【００２２】
リアクトル１４を出ると、反応物質／反応生成物は冷却チャンバー１６中に運ばれる。本発明の一実施形態では、冷却チャンバー１６は、冷却ガスおよび／または反応物質が注入される多孔性の金属またはセラミック壁セクション１７を有することができる。あるいは冷却チャンバー１６は、冷却ガスおよび／または反応物質が注入されるスロットが設けられるか、または穿孔された耐熱壁セクションを有することができる。他の適切な冷却チャンバー形状を決定または選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。他の反応物質と混合されるか、または混合されない冷却ガスの注入は、可動性で連続的に再生可能な層状の「ガスの冷却面」を生成し、その面上でガスの反応物質／反応生成物が濃縮する。このような濃縮は、反応物質／反応生成物の核形成をもたらし、ナノ粉末を生成する。この「ガスの冷却面」は、それが移動状態にあるので、再生可能である。つまり、この移動は、冷却ガスの連続的な注入によって、またプラズマ流れの動きによって与えられる。反応セクション（すなわち、プラズマトーチ１２および／またはリアクトル１４）と冷却セクション（冷却チャンバー１６）との物理的な分離は、ナノ粉末形成が起こる濃縮面の位置を制御するさらに良好な手段を提供する。ガスの冷却面を、さらに図３、図４、図６および図７に示す。本発明の一実施形態では、アルゴンが冷却ガスとして使われる。他の適切な冷却ガスを決定し、選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。
【００２３】
ガスの反応物質／反応生成物がさらされる冷却速度は冷却ガスの温度とその流量に依存することになる。冷却ガスの流量は、冷却チャンバー１６内の冷却面の位置、そして、リアクトル１４から現れて反応物質／反応生成物を有するプラズマガスの高温流れと冷却面が相互作用する方法にも影響を与える。ナノ粉末は、可動性の冷却面上を収集チャンバー１８へと運ばれて出ていく。勿論、プラズマガスは、収集チャンバー１８に到着する際のそれらの冷却面との相互作用に起因して、著しく低い温度になることもある。
【００２４】
本発明によるプロセスは、製造されるナノ粉末の均一性と粒径分布を制御する効果的な手段として、再生可能な「ガスの冷却面」の考え方を包含する。さらに、ナノ粉末は、実質的にその形成の際にプラズマガスと冷却ガスとで構成された現在のガスの冷却面によって冷却チャンバー１６から収集チャンバー１８へと、急速に排出させられるので、濃縮されたナノ粒子の凝集の可能性は著しく減少する。さらに、高容量冷却ガス流速を使うことによって、冷却チャンバー１６から収集チャンバー１８へと排出される間に、生成されたナノ粉末を薄い懸濁状態に維持することができる。さらに、薄い懸濁状態を維持することによって、冷却チャンバー１６の壁へのナノ粉末の堆積と、粒子間の衝突を通じたナノ粒子凝集のいずれもが、実質的に回避される。毎分４００および８００標準リットル（ｓｌｐｍ）の冷却ガス流速に対する、プラズマトーチ１２、リアクトル１４、および冷却チャンバー１６のそれぞれで観察されるような典型的な温度と流れ場を、図３および図４に示す。これらの図は、高温のプラズマガス流れ上の「ガスの冷却面」の圧縮（収斂）効果を明確に実証する。ガスの冷却面がさらに激しければ、一層大きな圧縮効果となる。しかも、図３および図６から観察できるように、冷却ガス流速の増加は、冷却境界層の厚さの著しい増加とプラズマ流れの中心に向かう冷却面の漸進的な置換とをもたらす。さらに、冷却境界層の厚さの増加は、反応物質／反応生成物の核形成が起こる冷却面とプラズマ流れの界面において急峻な温度勾配の進展を伴なう。これらの図に示さないが、冷却ガス流速の緊密な制御と組み合わせてリアクトルの長さを変えることは、リアクトルアセンプリにおける冷却面の位置、およびそれに応じた反応物質／反応生成物を急速に冷却させる正確な時期を制御する実現可能な手段を提供する。リアクトル１４を欠いたケースでは、反応物質／反応生成物は、プラズマトーチ１２内でのその蒸発後に、実質的に直ちに冷却面にさらされる。図３および図４に示したような例示的な実施形態においては、プラズマガスはアルゴン／酸素混合物（８０体積％／２０体積％）から成り、一方、ガスの冷却面は、冷却チャンバー１６の多孔性の金属壁を通して注入されたアルゴンを使って作り出された。
【００２５】
冷却チャンバー１６内で観察されるような典型的な「ガスの冷却面」、および関連する冷却ガス等濃度線を図６に示す。さらに、反応生成物を有する高温プラズマガスがガスの冷却面に衝突する時に作られる、典型的な反応生成物冷却等速度線を図７に示す。これらの図は、実質的に均一で、再生可能で、移動可能な冷却ガス面を示す。この冷却ガス面にわたって、反応生成物が約１０５から１０６Ｋ／ｓオーダーの高い冷却速度にさらされる。このようなガスの冷却面によって、図８〜図１０に示された代表例のように、高温プラズマガスとナノ粉末の生成が実質的に均一な粒径分布を持つという状態で、粒子核形成を界面において起こすことができる。
【００２６】
本発明のプロセスは、コンパクトで、拡大縮小可能で、また簡単に動作できるという追加的な利点を提供する。さらにリアクトルアセンプリ１０は、製造されるナノ粉末の必要性とタイプに応じて容易に修正することができる。固体、液体、及び気体の前駆体を、製造されるナノ粉末が前駆体と同一または異なった化学組成のいずれかであるという状態で、本発明によるプロセスで使うことができる。製造されるナノ粉末が同一の化学組成のものであるケースでは、プロセスは、それのナノ粒子を生成する供給物の蒸発と濃縮に限定される。製造されるナノ粉末が異なる化学組成のものであるケースでは、供給物は、プラズマトーチ１２に注入されるか、またはリアクトル１４に導入されうる第２の反応物質と反応させられた。あるいは、冷却ガスは、二重機能の役割を果たすケースでは、蒸発させられた供給物と反応できる。図２に示すように、ガスの反応物質あるいはガスの反応物質／反応生成物を有するプラズマ供給物が冷却チャンバー１６内に直接導入されるように、リアクトル１４は取り除くことができる。供給物質が化学的に変更されて、酸化であることを制限しない例であるならば、リアクトルの存在は必要とされうる。製造されるナノ粉末のタイプに応じて適切なリアクトルアセンブリを選択することは、当技術分野の熟練者の技量の範囲内であると考えられる。
【００２７】
［実験例］
誘導プラズマ技術を使った多くの金属およびセラミックのナノ粉末の合成に際し、「再生可能な層状のガスの冷却面」の効果を示す多くの例が、後述の通り提供される。
【００２８】
［固体の前駆体を使ったナノ粉末の合成］
３ＭＨｚの発振周波数、６５ｋＷのプラズマプレート出力(plasma plate power)、約５００Ｔｏｒｒのリアクトル圧力の、５０ｍｍ内径の誘導プラズマトーチを使って、アルゴン／水素誘導プラズマ流れを生成した。ミクロンサイズの金属粉末形態の種々の金属を、プラズマ放電の中心に軸方向に注入して蒸発させた。蒸発させられた金属を有する高温プラズマガスがリアクトルから出現するのに応じて、それらは、冷却チャンバーの多孔性の壁を通じてアルゴンを注入する手段によって作られるガスの冷却面によって捕捉される。ガスの冷却面との高温プラズマガスの相互作用は、高温プラズマガス／ガスの冷却面の界面における核形成現象を生じさせ、良好に確定された粒径分布を持ったナノ粉末の形成につながる。連続的に移動するガスの冷却面は、ここではまた冷却されたプラズマガスで構成されているが、ナノ粉末を収集チャンバーへと急速に排出し、そこでは、標準的な焼結された金属または布フィルター部材に収拾されうる。アルミニウム、ニッケル、およびタングステン粉末に対して得られる実験結果を以下の表１に要約する。プラズマプレート出力、前駆体供給速度、冷却ガス速度、および、比表面積(Specific Surface Area)（ＢＥＴ法を使って測定した）や粒子平均粒径のような収集されたナノ粉末の物理的特徴に関するデータも提供されている。比表面積(Specific Surface Area)は収集された粉末のｍ２／ｇの項で表されている。収集された粉末の平均粒径は、体積比率に対する等価な表面積を持った球形の粒子形状を想定して計算することができる。Malvern Mastersizer（登録商標）機器を使った光散乱解析によって得られた粒径分布を図８〜図１０に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
［液体の前駆体を使ったナノ粉末の合成］
図１５および下記表２に示すように、本発明によるプロセスは液体の供給物を使ったナノ粉末の合成に適している。液体の四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４、沸点＝８３℃）をMasterflex（登録商標）ポンプによって酸素プラズマ中に送り込んだ。その液体を蒸発させ、そして酸化させた。製造された二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）蒸気を、「ガスの冷却面」を生成する冷却ガス流の注入によってナノメートル級粉末に濃縮した。図１５で起こるプロセスは、以下の反応で示すことができる：
【００３１】
ＧｅＣｌ４（ｌ）＋Ｏ２（ｇ） → ＧｅＯ２(ｓ)＋２Ｃｌ２(ｇ)
【００３２】
【表２】
【００３３】
［ガスの前駆体を使ったナノ粉末の合成］
本発明のプロセスは、以下の反応で示すようなガスの供給物を使ったナノ粉末の合成にも適している：
【００３４】
４ＢＣ１３(ｇ)＋ＣＨ４(ｇ)＋４Ｈ２ → Ｂ４Ｃ(ｓ)＋１２ＨＣｌ（ｇ）
【００３５】
本発明が構造の細部および上述のような部品へのその適用に限定されないものである、ということが理解されるべきである。本発明は他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実施できる。ここで使われる語法や専門用語が説明の目的のためのものであって、限定の目的のためのものではない、ということも理解されるべきである。ゆえに、例証的な実施形態を通じて本発明を上記のように説明してきたにもかかわらず、それは、添付の特許請求の範囲において規定された発明の主題の精神、範囲、領域、および性質から逸脱することなく、修正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による誘導プラズマアセンブリの概略部分断面図である。
【図２】リアクトル部品がない図１の誘導プラズマアセンブリの概略部分断面図である
【図３】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンプリの等温線を図示したものであって、それぞれ、（図３Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図３Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図４】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンプリの流線を図示したものであって、（図４Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図４Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図５】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリの誘導プラズマトーチ／リアクトルセクションの中央線に沿った温度プロフィールを示すグラフ（図５Ａ，図５Ｂ）と、同じ誘導プラズマアセンプリのトーチ／リアクトルセクションの内部の様々な軸方向位置での半径方向における温度プロフィールを示すグラフ（図５Ｃ，図５Ｄ）であり、（図５Ａ，図５Ｃ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図５Ｂ，図５Ｄ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図６】「ガスの冷却面」を図示したものであって、Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリの冷却セクションにおける冷却ガス等濃度線を表し、（図６Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図６Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図７】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリの冷却セクションにおける反応生成物冷却等速度線を図示したもの（暗い領域は１０５から１０６Ｋ／ｓの範囲の冷却速度を表示する）であって、（図７Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が４００ｓｌｐｍ、（図７Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速が８００ｓｌｐｍに対するものである。
【図８】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリを使用して得られたアルミニウムナノ粉末に対する粒径分布を示すグラフである。
【図９】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリを使用して得られたニッケルナノ粉末に対する粒径分布を示すグラフである。
【図１０】Ａｒ／Ｈ２プラズマガス［６５ｋＷ；３ＭＨｚ］を使う図１の誘導プラズマアセンブリを使用して得られたタングステンナノ粉末に対する粒径分布を示すグラフである。
【図１１】図１の誘導プラズマアセンブリの冷却セクション内の冷却ガス流れ示す。
【図１２】本発明に従ったプロセスによって製造されたナノメートル級ニッケル粉末の、（図１２Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての平均粒度を、（図１２Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての比表面積を示すグラフである。
【図１３】本発明に従ったプロセス（マイクロメートル級サイズの銅粉末から開始した）によって製造されたナノメートル級酸化銅（ＣｕＯ）粉末の、（図１２Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての平均粒度を、（図１２Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ／Ｏ２）流速の関数としての比表面積を示すグラフである。
【図１４】本発明に従ったプロセス（マイクロメートル級サイズの銅粉末から開始した）によって製造された酸化銅ナノ粉末の粒径分布（それぞれ、ＢＥＴ比表面積＝２３．０８ｍ２／ｇ（図１４Ａ）、および２２．１１ｍ２／ｇ（図１４Ｂ））を示すグラフである。
【図１５】本発明に従ったプロセス（液体ＧｅＣｌ４から開始した）によって製造されたナノメートル級酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）粉末の、（図１５Ａ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての平均粒度を、（図１５Ｂ）は冷却ガス（Ａｒ）流速の関数としての比表面積を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 誘導プラズマアセンプリ
１２ プラズマトーチ
１４ リアクトル
１６ 冷却チャンバー
１７ 壁セクション
１８ 収集チャンバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）反応材料を、該材料の過熱蒸気をもたらすのに十分高い温度を持ったプラズマ流れが生成されたプラズマトーチに供給する段階と；
ｂ）前記蒸気を冷却領域に前記プラズマ流れを用いて輸送する段階と；
ｃ）冷却領域内のプラズマ流れに冷却ガスを注入して再生可能なガスの冷却面を形成する段階と；
ｄ）再生可能なガスの冷却面とプラズマ流れとの間の界面においてナノ粉末を形成する段階と；
を有することを特徴とするナノ粉末を合成するプロセス。
【請求項２】
収集領域でナノ粉末を収集する段階をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
ガスの冷却面はプラズマ流れに対して圧縮効果を及ぼすことを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
圧縮効果は冷却ガス流速に比例することを特徴とする請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
冷却ガスを、冷却領域内に、該冷却領域の壁セクションにおける複数の開口を用いて注入する段階を有することを特徴とする請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
複数の開口が、多孔性の壁セクションを規定することを特徴とする請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
複数の開口が、スロットを設けた壁セクションを規定することを特徴とする請求項５に記載のプロセス。
【請求項８】
複数の開口が、穿孔された壁セクションを規定することを特徴とする請求項５に記載のプロセス。
【請求項９】
冷却領域がチャンバーを冷却することを特徴とする請求項５、６、７または８のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記反応材料は、固体、液体、及び気体の供給物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記過熱蒸気は、前記プラズマ流れおよび／または前記冷却ガスと反応することのできる反応温度であることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記反応材料は、金属、合金、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、炭酸塩、酸化物、および複合材料から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
ｅ）プラズマ流れ中に第２の反応物質を供給する段階と；
ｆ）第２の反応物質を前記反応材料と反応させて、前記反応材料と異なった化学組成のナノ粉末を作り出す段階と；
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
プラズマトーチに前記第２の反応物質を注入する段階を有することを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
プラズマトーチと冷却領域の間のリアクトルに第２の反応物質を注入する段階を有することを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記第２の反応物質は冷却ガスであることを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１７】
ａ)プラズマ流れを生成し、プラズマ流れ中でプラズマトーチに供給された反応材料から過熱蒸気を作り出すプラズマトーチと；
ｂ）プラズマトーチ下流側にマウントされ、前記プラズマトーチと流体連通してプラズマトーチから過熱蒸気を受け取る冷却チャンバーであって、冷却ガスを受け取って前記冷却ガスから再生可能なガスの冷却面を形成し、過熱蒸気を急速に冷却してナノ粉末をもたらす冷却チャンバーと；
を有することを特徴とするナノ粉末を合成するための装置。
【請求項１８】
ナノ粉末を収集する収集チャンバーをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ガスの冷却面はプラズマ流れに対して圧縮効果を及ぼすことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
圧縮効果は冷却ガス流速に比例することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
冷却チャンバーは、冷却ガスを、前記冷却チャンバー内に注入するための複数の開口を備えた壁セクションを有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記壁セクションは多孔性の壁セクションであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記壁セクションはスロットを設けた壁セクションであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記壁セクションは穿孔された壁セクションであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記反応材料は、固体、液体、及び気体の供給物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
前記過熱蒸気は、前記プラズマ流れおよび／または前記冷却ガスと反応することのできる反応温度であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記反応材料は、金属、合金、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、炭酸塩、酸化物、および複合材料から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２８】
プラズマ流れ中に第２の反応物質を供給する手段と；
第２の反応物質を前記反応材料と反応させて、前記反応材料と異なった化学組成のナノ粉末を作り出す段階と；
をさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２９】
プラズマトーチに前記第２の反応物質を注入する手段を有することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
プラズマトーチと冷却領域の間のリアクトルに第２の反応物質を注入する手段を有することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記第２の反応物質は冷却ガスであることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記反応材料と前記第２の反応物質とを反応させるリアクトルであって、プラズマトーチと冷却チャンバーとに流体連通し、かつプラズマトーチと冷却チャンバー間に配置されるリアクトルをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１】
ａ）反応材料を、該材料の過熱蒸気をもたらすのに十分高い温度を持ったプラズマ流れが生成されたプラズマトーチに供給する段階と；
ｂ）前記蒸気を冷却領域に前記プラズマ流れを用いて輸送する段階と；
ｃ）冷却領域内のプラズマ流れに冷却ガスを注入して再生可能なガスの冷却面を形成する段階と；
ｄ）再生可能なガスの冷却面とプラズマ流れとの間の界面においてナノ粉末を形成する段階と；
を有することを特徴とするナノ粉末を合成するプロセス。
【請求項２】
収集領域でナノ粉末を収集する段階をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
ガスの冷却面はプラズマ流れに対して圧縮効果を及ぼすことを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
圧縮効果は冷却ガス流速に比例することを特徴とする請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
冷却ガスを、冷却領域内に、該冷却領域の壁セクションにおける複数の開口を用いて注入する段階を有することを特徴とする請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
複数の開口が、多孔性の壁セクションを規定することを特徴とする請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
複数の開口が、スロットを設けた壁セクションを規定することを特徴とする請求項５に記載のプロセス。
【請求項８】
複数の開口が、穿孔された壁セクションを規定することを特徴とする請求項５に記載のプロセス。
【請求項９】
冷却領域がチャンバーを冷却することを特徴とする請求項５、６、７または８のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記反応材料は、固体、液体、及び気体の供給物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記過熱蒸気は、前記プラズマ流れおよび／または前記冷却ガスと反応することのできる反応温度であることを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記反応材料は、金属、合金、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、炭酸塩、酸化物、および複合材料から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
ｅ）プラズマ流れ中に第２の反応物質を供給する段階と；
ｆ）第２の反応物質を前記反応材料と反応させて、前記反応材料と異なった化学組成のナノ粉末を作り出す段階と；
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
プラズマトーチに前記第２の反応物質を注入する段階を有することを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
プラズマトーチと冷却領域の間のリアクトルに第２の反応物質を注入する段階を有することを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記第２の反応物質は冷却ガスであることを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１７】
ａ)プラズマ流れを生成し、プラズマ流れ中でプラズマトーチに供給された反応材料から過熱蒸気を作り出すプラズマトーチと；
ｂ）プラズマトーチ下流側にマウントされ、前記プラズマトーチと流体連通してプラズマトーチから過熱蒸気を受け取る冷却チャンバーであって、冷却ガスを受け取って前記冷却ガスから再生可能なガスの冷却面を形成し、過熱蒸気を急速に冷却してナノ粉末をもたらす冷却チャンバーと；
を有することを特徴とするナノ粉末を合成するための装置。
【請求項１８】
ナノ粉末を収集する収集チャンバーをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ガスの冷却面はプラズマ流れに対して圧縮効果を及ぼすことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
圧縮効果は冷却ガス流速に比例することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
冷却チャンバーは、冷却ガスを、前記冷却チャンバー内に注入するための複数の開口を備えた壁セクションを有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記壁セクションは多孔性の壁セクションであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記壁セクションはスロットを設けた壁セクションであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記壁セクションは穿孔された壁セクションであることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記反応材料は、固体、液体、及び気体の供給物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
前記過熱蒸気は、前記プラズマ流れおよび／または前記冷却ガスと反応することのできる反応温度であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記反応材料は、金属、合金、有機金属化合物、塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、炭酸塩、酸化物、および複合材料から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２８】
プラズマ流れ中に第２の反応物質を供給する手段と；
第２の反応物質を前記反応材料と反応させて、前記反応材料と異なった化学組成のナノ粉末を作り出す段階と；
をさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２９】
プラズマトーチに前記第２の反応物質を注入する手段を有することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
プラズマトーチと冷却領域の間のリアクトルに第２の反応物質を注入する手段を有することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記第２の反応物質は冷却ガスであることを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記反応材料と前記第２の反応物質とを反応させるリアクトルであって、プラズマトーチと冷却チャンバーとに流体連通し、かつプラズマトーチと冷却チャンバー間に配置されるリアクトルをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２００８−５２８２５９（Ｐ２００８−５２８２５９Ａ）
【公表日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５２４７５（Ｐ２００７−５５２４７５）
【出願日】平成１８年１月２７日（２００６．１．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００６／０００１１０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７９２１３
【国際公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【出願人】（５０３３８９６１１）テクナ・プラズマ・システムズ・インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２７日（２００６．１．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００６／０００１１０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７９２１３
【国際公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【出願人】（５０３３８９６１１）テクナ・プラズマ・システムズ・インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
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