微粒子の製造方法及び製造装置
【課題】 高融点原料を用いても容易に微粒化でき、先に開発した技術では容易には実現できなかったサブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができ、微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、微粒子を非晶質とし、又は、得られる微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とする微粒子の製造方法並びに装置を提供する。
【解決手段】 微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料１を液体冷媒３の中に液滴１ａ又はジェット流として供給し、当該液体冷媒３に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化する。
【解決手段】 微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料１を液体冷媒３の中に液滴１ａ又はジェット流として供給し、当該液体冷媒３に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子の製造方法及び製造装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、微粒化しようとする原料を溶融してから冷媒にて冷却して微細化すると共に固化する微粒子の製造方法及び製造装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属粉末を製造する方法として、溶融材料の流れに高圧の水ジェットを噴射して金属粉末を得る水アトマイズ法、この水アトマイズ法の水ジェットに変えてＮ２ガスやＡｒガスを噴霧するガスアトマイズ法、高速回転する回転ドラム内の冷却水中に溶融材料ジェットを噴射させる遠心法がある。また、ミルなどを用いた機械的粉砕などのブレークダウン法によっても、更には沈殿法やゾルゲル法などのビルドアップ法によっても微粒子は製造される。
【０００３】
しかしながら、水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、高圧の冷却水や冷却ガスの流れによって溶融材料を粉末状にするので、ノズルの構造が複雑になると共に、ノズルに負担がかかり耐久性に劣っていた。一方、遠心法では、回転ドラムを高速回転させることから装置の構造が複雑になる。しかも、これら製造方法は、いずれも衝突エネルギを利用して粉砕するため、微粒化にばらつきが生じ、歩留まりが悪くなる。また、機械的粉砕などによるブレークダウン法では、大きな粒子、例えば１００μｍ程度のものまでしかできず、沈殿法などのビルドアップ法では１μｍ程度までの微粒子でそれよりも大きな粒子は得られなかった。したがって、従来の微粒子製造方法並びに装置では、数μｍから１０μｍオーダー、特に３μｍ程度の大きさの微粒子を得ることが困難であった。更に、ブレークダウン法によると、微粒化できずに大きな固まりとして残る割合が多いので、歩留まりが悪くなる。しかも、粒径分布が分散して、所望とする径の微粒子が大量に得られないという問題がある。
【０００４】
一方、従来の非晶質金属の製造方法としては液体急冷法が知られている。この方法は溶融させて液体となった金属を冷媒中に噴出させること等により溶融材料を冷却凝固させて非晶質金属を製造するものであるが、この中で冷却速度を比較的大きくできる遠心法によっても、通常の沸騰冷却若しくは対流冷却による熱伝達では溶融材料と冷媒との二液間の熱流速が最大でも限界熱流束に限定されてしまうので、冷却速度は１０４〜１０５Ｋ／ｓが限界となり、非晶質化できる金属が限定されてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本出願人は先に、微粒化又は非晶質化させる原料を溶融した溶融材料を液状の冷媒中に小さい速度差で供給して自発核生成による沸騰を起こさせ、圧力波を利用して溶融材料を微粒化及び非晶質化する製法を出願した（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ０１／８１０３３
【特許文献２】ＷＯ０１／８１０３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、先に出願した方法によると、例えば、８００℃以上の融点を有する高融点原料を用いた場合、蒸気膜が凝縮によっては十分に崩壊できず、十分な微粒化又は非晶質化ができなかった。
【０００８】
本発明は、先に開発した技術をさらに改良し、高融点原料を用いても容易に微粒化でき、先に開発した技術では容易には実現できなかったサブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができる微粒子の製造方法並びに装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために検討を重ねた結果、凝縮によらないと崩壊できないと考えられていた蒸気膜は所定の条件で強制的に壊すことができ、これによって蒸気爆発を促進させれば、サブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができ、高融点の原料であっても、水を冷媒として用いて容易に微粒化できることを知見し、本発明を完成した。
【００１０】
かかる本発明の第１の態様は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、液体冷媒中に供給された溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊することにより蒸気爆発を促進するので、サブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給して当該液体冷媒の流れに入った前記溶融材料の速度と当該液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせることによって蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１３】
かかる第２の態様では、溶融材料の速度と液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせることによって蒸気膜を強制的に崩壊させ、これによりサブμｍオーダーの微粒子を比較的容易に得ることができる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記液体冷媒の流れを、一つの高速ジェット流とし、当該高速ジェット流内に前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１５】
かかる第３の態様では、高速ジェット流内に入った溶融材料は相対速度差により剪断力を受け、蒸気膜が崩壊される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記液体冷媒の流れを、複数の高速ジェット流を衝突させて形成し、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１７】
かかる第４の態様では、複数の高速ジェット流を衝突させて形成された流れの中に入った溶融材料は剪断力を受け、蒸気膜が崩壊される。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記高速ジェット流を衝突させて形成した流れを、ガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１９】
かかる第５の態様では、複数の高速ジェット流を衝突させて形成された流れは、蒸気膜が崩壊されて微粒子となった溶融材料と共にガイド部材の中に流れ込み、且つ生成される圧力波をガイド部材で拘束および反射させて微粒化効率を高めることができる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第４又は５の態様において、前記複数の高速ジェット流を、液体冷媒の溜まりの液面近傍で衝突させ、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２１】
かかる第６の態様では、複数の高速ジェット流を衝突領域に供給された溶融材料は剪断力を受け、蒸気膜が崩壊された状態で液体冷媒の溜まりの中に回収される。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記液体冷媒の溜まりが、前記溶融材料の流れに対向して噴出する噴流であることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２３】
かかる第７の態様では、複数の高速ジェット流を衝突領域に供給された溶融材料は剪断力を受け、蒸気膜が崩壊された状態で液体冷媒の噴流と共に回収される。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第４〜７の何れかの態様において、前記高速ジェット流を、衝突後に形成される流れの方向に対して４°以上８０°以下に傾斜させて衝突させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２５】
かかる第８の態様では、高速ジェット流は衝突によって飛び散らずに一つの流れとして供給される。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第２の態様において、前記液体冷媒の流れを移動部材上に液体冷媒を供給することにより形成し、当該液体冷媒内へ前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２７】
かかる第９の態様では、液体冷媒が固体である移動部材上に存在するので、液体冷媒の変形が抑制され、溶融材料との相対速度差による蒸気膜崩壊が効率よく促進される。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第９の態様において、前記移動部材が、円盤状又は円錐状の回転体であることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２９】
かかる第１０の態様では、回転体上に供給された液体冷媒上に供給された溶融材料は、回転体上の液体冷媒との相対速度差により、蒸気膜が確実に崩壊される。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、第２〜１０の何れかの態様において、前記液体冷媒の流れと前記溶融材料との速度差を１ｍ／ｓより大きくしたことを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３１】
かかる第１１の態様では、液体冷媒の流れの中に入った溶融材料は１ｍ／ｓより大きい速度差により剪断力を受け、蒸気膜が崩壊され、微粒化される。
【００３２】
本発明の第１２の態様は、第１の態様において、前記液体冷媒の蒸気を前記液体冷媒中に供給し、当該蒸気の凝縮による圧力波により前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３３】
かかる第１２の態様では、液体冷媒の蒸気を凝縮させることによって圧力波を形成し、これにより溶融材料の蒸気膜を崩壊させ、微粒化する。
【００３４】
本発明の第１３の態様は、第１２の態様において、前記液体冷媒の蒸気と共に前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３５】
かかる第１３の態様では、液体冷媒の蒸気と共に液体冷媒の流れの中に供給された溶融材料は、蒸気の凝縮による圧力波を受け、蒸気膜が崩壊され、微粒化される。
【００３６】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様において、前記液体冷媒の流れをガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３７】
かかる第１４の態様では、液体冷媒の流れは、蒸気膜が崩壊されて微粒子となった溶融材料と共にガイド部材の中に流れ込む。
【００３８】
本発明の第１５の態様は、第１２の態様において、前記溶融材料を液体冷媒の溜まりの中に供給し、供給された溶融材料に向かって前記液体冷媒の蒸気を供給することにより前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３９】
かかる第１５の態様では、蒸気の凝縮によって蒸気膜が強制的に崩壊される。
【００４０】
本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何れかの態様において、前記微粒化しようとする原料が、溶融灰、高炉スラグ、セラミックス材、及び金属から選択される一種であることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４１】
かかる第１６の態様では、溶融灰、高炉スラグ、セラミックス材、及び金属から選択される一種からなる溶融材料が微粒化される。
【００４２】
本発明の第１７の態様は、第１６の態様において、前記微粒化しようとする原料が、融点８００℃以上のものであることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４３】
かかる第１７の態様では、融点８００℃以上の溶融材料も比較的容易に微粒化される。
【００４４】
本発明の第１８の態様は、第１〜１７の何れかの態様において、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を非晶質とすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４５】
かかる第１８の態様では、微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、溶融材料が微粒化した後の冷却状態を調整し、微粒子を非晶質とする。
【００４６】
本発明の第１９の態様は、第１〜１７の何れかの態様において、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４７】
かかる第１９の態様では、微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、溶融材料が微粒化した後の冷却状態を調整し、微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とする。
【００４８】
本発明の第２０の態様は、第１〜１９の何れかの態様において、前記液体冷媒は塩が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４９】
かかる第２０の態様では、液体冷媒への塩の添加により溶融材料の蒸気膜の崩壊がより促進される。
【００５０】
本発明の第２１の態様は、第１〜２０の何れかの態様において、前記液体冷媒は当該液体冷媒と前記蒸気膜との気液界面を乱す無機微粒子が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００５１】
かかる第２１の態様では、液体冷媒へ、溶融材料と蒸気膜との気液界面を乱す無機微粒子を添加することにより、蒸気膜の崩壊がより促進される。
【００５２】
本発明の第２２の態様は、第１〜２１の何れかの態様において、前記溶融材料の酸化を防止しながら前記液体冷媒中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００５３】
かかる第２２の態様では、溶融材料の酸化による変質を防止すると共に酸化による蒸気爆発の抑制を防止し、微粒化を促進する。
【００５４】
本発明の第２３の態様は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段と、溶融材料を冷却固化させる液体冷媒を含む冷却部と、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させて微粒化すると共に冷却固化する蒸気膜崩壊手段と、液体冷媒中から微粒子を回収する回収手段とを備えることを特徴とする微粒子の製造装置にある。
【００５５】
かかる第２３の態様では、液体冷媒中に供給された溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊することにより蒸気爆発を促進するので、サブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができる。
【００５６】
本発明の微粒子の製造方法は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液状の冷媒中に供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化することにより、高融点原料を用いても容易に微粒化でき、先に開発した技術では容易には実現できなかったサブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができるという効果を奏するものである。なお、本発明の微粒子の製造方法は、金属に限られず、溶融灰や高炉スラグその他のセラミック材など、溶融しかつ冷却により固化するすべての材料を対象にすることができる。
【００５７】
また、本発明で、液体冷媒中に供給された溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させる手段としては、詳細は後述するが、第一に、溶融材料を液体冷媒の流れの中に供給して当該液体冷媒の流れに入った溶融材料の速度と液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせて蒸気膜を崩壊させるという手段、第二に、液体冷媒の蒸気を前記液体冷媒中に供給し、当該蒸気の凝縮による圧力波により蒸気膜を強制的に崩壊させるという手段、などを挙げることができる。
【００５８】
微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給すると、液体冷媒中に供給された溶融材料の周りには、溶融材料の熱を受けて液体冷媒が蒸発することによって蒸気膜が形成される。この蒸気膜は、溶融材料からの熱を受けて進行する蒸気と冷媒による冷却との熱収支がバランスすることによって形成される。本発明では、このように形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させる。すなわち、蒸気膜を強制的に崩壊させると、自発核生成による沸騰が生じ、溶融材料は微粒化される。
【００５９】
この自発核生成による沸騰は冷媒の内部から沸騰を開始する。核沸騰が水中で発生するには、水・冷媒の表面張力に打ち勝ち気泡核を生成することが必要であり、そのときの開始温度条件が自発核生成温度であり、例えば水であれば１気圧下で３１３℃である。したがって、蒸気膜が崩壊して溶融材料と冷媒とが直接接触するときのその界面温度が自発核生成温度以上であれば、冷媒中に気泡核が生成され、そして、一旦気泡核が形成されると、１００℃で蒸発できるので、次々にそこに蒸気が集まって爆発的な沸騰となる。そして自発核生成による蒸気生成は急速であり圧力波の発生を伴うので、この圧力波によって溶融材料滴が引きちぎられるように砕かれて微粒化される。特に、強制的に蒸気膜を崩壊させるので、溶融材料の粒子の全体に高い圧力波を一様に受けるため、大きな固まりを残すことなく、効率的に微粒化できる。同時に、微粒化された溶融材料は、その比表面積が大きくなることから更に冷却が早くなる。そして潜熱移行により冷却凝固される。この溶融材料の微粒化は、さらにその比表面積を大きくして冷却速度が高まることから、それが更に冷媒からの蒸発を増やして更なる圧力波を生み出すという正のフィードバックがかかり、微粒化が促進されると同時に急速に冷却される。このときの冷却速度は、例えば１０７Ｋ／ｓを大きく上回る速度で溶融材料を急速に冷却凝固することができる。
【００６０】
本発明では、このような微粒化及び冷却固化条件を適宜調整することにより、得られる微粒子を非晶質、又は多結晶とすることができる。すなわち、液体冷媒中に供給される溶融材料の粒径、強制的に崩壊させる圧力等の条件、微粒化された粒子の粒径、溶融材料と液体冷媒の一連の接触状態におけるそれぞれの温度等の条件を調整することにより、冷却速度が決定され、これにより、製造される微粒子が非晶質か、又は多結晶か、さらには、多結晶の場合にはその結晶粒径のサイズを適宜調整することができる。
【００６１】
本発明の微粒子の製造方法は、溶融材料を数珠状に滴下又はジェット流として液体冷媒中に供給し、供給された溶融材料の周りに形成された蒸気膜を強制的に崩壊させるものである。この場合、滴下された溶融材料の殆どの体積が冷却材の自発核生成に関与することになり、溶融材料滴の微粒化を促進して微粒子回収率が一段と向上する。高い効率（微粒化と冷却速度）を得たい場合には、溶融材料の液滴径又はジェット径が小さいことが好ましい。
【００６２】
また、液体冷媒中に供給される溶融材料の液滴径又はジェット径を小さくするために、溶融材料が冷媒に触れる前に超音波を照射するようにしてもよい。この場合、ある程度細かくなった溶融材料の滴として液体冷媒中に供給することができるため、溶融材料の液滴の表比面積を大きくして全体的に蒸気爆発に関与するため微粒化がより一層促進されると共に、その冷却速度をより一層向上させることができる。また微粒子粒径分布は狭くなり、所望の粒径のみを得ることができる。
【００６３】
ここで、本発明では、溶融材料に形成された蒸気膜を、蒸気膜の凝縮を待たず、強制的に崩壊させるので、微粒化しようとする原料の融点が比較的高いものでもよく、例えば、融点８００℃以上の原料も容易に微粒化することができる。
【００６４】
また、本発明の微粒子の製造方法において、液体冷媒に塩を添加してもよい。この場合、塩は溶解して溶融材料を覆う蒸気膜の周りに存在して気液界面の状態を乱すので、蒸気膜が崩壊されやすくなる。塩としては、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硝酸カルシウムの使用が可能である。勿論、溶融材料と反応しない種類の塩を選択して使用することが望まれることは言うまでもない。
【００６５】
同様に気液界面の状態を乱す目的で、液体冷媒中に無機微粒子を混在させてもよい。このような無機微粒子は蒸気膜の周りに存在して気液界面を乱すように作用し、蒸気膜の崩壊を促進する。無機微粒子としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、ダイヤモンド粉末などを挙げることができる。
【００６６】
更に、溶融材料が金属のように酸化し易い材質の場合、冷媒中に供給される前に空気に触れると酸化される虞がある。溶融金属の酸化は金属の性質を変化させてしまう上に、酸化膜が一様につかないため、全体で同時に微粒化・冷却が行えない虞があり、このため、蒸気爆発をうまく利用できずに微粒化の効率が落ちる虞がある。そこで、本発明の微粒子の製造方法では、溶融材料、特に溶融金属の酸化を防止しながら液体冷媒中に供給するようにしてもよい。
【００６７】
ここで、本発明の製造方法を実施する微粒子の製造装置は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段と、溶融材料を冷却固化させる液体冷媒を含む冷却部と、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させて微粒化すると共に冷却固化する蒸気膜崩壊手段と、液体冷媒中から微粒子を回収する回収手段とを備える。
【００６８】
この装置の場合、溶融材料を液滴として供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化する。そして、凝固した微粒子を冷媒から分離するだけで回収することができる。したがって、複雑な構造のアトマイズノズルや高速回転駆動機構あるいはそれらに付帯する動力部分を必要とせず、設備費用が安価であると共に耐久性に優れかつ故障の虞が少ないものである。
【００６９】
ここで、供給する溶融材料と液体冷媒の量を少量とすることにより、自発核生成による沸騰を、冷媒中に滴下した溶融材料を微粒化させる程度の大きさの圧力波を生じさせる規模のものにすることで、自発核生成による沸騰で生じる圧力波が必要以上に大きくなるのを防止でき、大規模な蒸気爆発の発生を防止することができる。また、冷却部に留まる冷媒の量を材料供給手段における制御を失って溶融材料が一度に供給されても大規模な蒸気爆発を起こさない量とすることにより、材料供給手段が壊れて大量の溶融材料が流出したとしても、事故につながる大規模な蒸気爆発を招くことはない。さらに鋭意研究を行った結果、むしろ少量ずつ蒸気爆発させる方が、蒸気爆発に関与する比表面積が増大するために、冷却および微粒化効率を向上させることができることが分かった。
【００７０】
また、本発明の微粒子の製造装置は、材料供給手段が、液体冷媒中に溶融材料を数珠状に滴下又はジェット流として供給するものである。したがって、供給された溶融材料の殆どの体積が自発核生成に関与し、溶融材料滴の微粒化を促進することができる。
【００７１】
また、本発明の微粒子の製造装置は、材料供給手段と冷媒の間に溶融材料に対して超音波を照射する手段を備えるようにしている。したがって、微細化手段である超音波照射手段によってある程度細かくした溶融材料の滴を冷媒中に供給することができる。このため、冷媒中における溶融材料の微粒化をより一層促進することができると共に、その冷却速度をより一層向上させることができる。しかも、超音波照射による微細化技術は既に確立されているので、安全かつ簡単に溶融材料の一次微粒化は実現される。
【００７２】
また、本発明の微粒子の製造装置は、材料供給手段から冷却部に供給される溶融材料の酸化を防ぐ手段を備えるようにしている。したがって、溶融材料を酸化させずに冷媒に接触させることができ、自発核生成による沸騰を生じさせ易くすることができる。また、溶融材料の液滴が冷却部の周りに飛散することを防ぐこともできる。
【発明の効果】
【００７３】
以上説明したように、本発明の製造方法及び装置を用いて溶融材料を微粒化させる場合、従来の方法では粉末を得ることが困難又は非晶質化が困難な物質でも、容易に微粒化又は非晶質化でき、また、融点が８００℃以上と高融点の材料でも最も安価で取り扱い易い水を冷媒として用いて容易に微粒化できる。また、微粒化条件を適宜調整できることから、非晶質化又は多結晶の結晶粒径の調整を行うこともでき、用途に応じた微粒子を得ることができる。しかも、従来では実現不可能だった材料でサブμｍオーダーの微粒子が製造できることから、従来は実現困難であった新たな材料が提供できるという効果を奏する。
【００７４】
さらに、例えば、従来実現できない材料から非晶質微粒子を得て、メカニカルアローイング（合金化）、焼結、ＨＩＰ（熱間等方圧加工法）などを用いてバルク形状を製造することができ、各種用途、例えば、軟磁性などの特長を有する磁性材料、超寿命の形状記憶合金、水素吸蔵合金、強靱性金属、高耐食性金属、超伝導材料、触媒材料などへの応用が期待でき、材料の強靱化などの効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７５】
以下、本発明の構造を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００７６】
図１に本発明の微粒子製造方法を実施する一製造装置を概念的に示し、図２に一製造装置の要部拡大図を示す。この製造装置は、溶融材料１をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段１０と、溶融材料１を冷却固化させる液体冷媒３を導入して材料供給手段１０から供給された溶融材料１と混合させ、溶融材料１の液滴１ａと液体冷媒３との間に速度差を生じさせて液滴１ａの周りに形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて自発核生成による沸騰を利用して微粒化させると同時に冷却する冷却部２０と、液体冷媒３から固化した溶融材料微粒子を回収する回収手段３０を備えており、材料供給手段１０及び冷却部２０が蒸気膜崩壊手段を兼ねている。
【００７７】
材料供給手段１０は、例えば、保温用ヒータ１１を備えたるつぼ１２によって構成されている。このるつぼ１２は、底面に設けられた出湯口１２ａを開閉するストッパ１３と、るつぼ１２内の溶融材料１の温度を計測する熱電対１４とを備えている。ストッパ１３は図示しないアクチュエータによって上下動することによって、出湯口１２ａから落下する溶融材料１の量を制御し、あるいは完全に停止させる。溶融材料１の供給は、微粒化効率を上げると共に事故に繋がる大規模な蒸気爆発を起こさないようにする上で、できるだけ少量としかつ比表面積を大きくした状態であることが好ましい。そこで、本実施形態では、例えば数ｇ程度の液滴にして１滴ずつ数珠状に滴下させるようにしている。しかし、これに特に限定されるものではなく、高い微粒化効率を得たい場合には溶融液滴径よりも小さくすることが好ましく、例えば数１００μｍ、最も好ましくは霧状にして液体冷媒３と接触させる。また、ジェット流として供給してもよい。
【００７８】
冷却部２０は、本実施形態の場合、冷たい液体冷媒３を高速ジェット流であるの噴流３ａとして供給し、この噴流３ａの中に溶融材料１の液滴１ａを混合させて通過させる複数のノズル（以下噴流ノズルと呼ぶ）２１と、この噴流ノズル２１からの液体冷媒３の噴流３ａの流れを案内するガイド部材２２とによって構成されている。ガイド部材２２は、噴流ノズル２１からの液体冷媒３の噴流３ａが衝突した後の分散を防止すると共に、生成される圧力波を拘束および反射させて微粒化効率を高めるという作用を具備する。なお、ガイド部材２２は必ずしも設ける必要ない。
【００７９】
噴流ノズル２１は、液体冷媒３を所定の速度で所定の角度で噴出するものであり、図では２本図示しているが、３本以上の複数本が放射状に配置されていてもよい。勿論、１本の噴流ノズル２１であってもよい。本発明では、このような噴流ノズル２１からの高速の噴流中に溶融材料１の液滴１ａを自由落下に近い速度で供給し、混合された際に液滴１ａが大きな速度差による剪断力を受けるようにしている。これにより、液滴１ａの周りに形成された蒸気膜が強制的に崩壊され、蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化する。
【００８０】
この噴流ノズル２１は、複数の噴流が衝突した後、一つの下方への安定した流れになり且つ上方に溶融材料１の液滴１ａを供給する空間が存在するような角度に設置されている。すなわち、鉛直方向に対して４°以上８０°以下とするのが好ましい。なお、噴流ノズル２１からの噴流３ａの方向は下方に向かう必要はなく、鉛直方向下方から傾斜した方向、水平方向、あるいは上方への方向でもよく、また、これらの場合において、液滴１ａの供給方向も特に限定されず、噴流ノズル２１により形成される噴流の中に有効に混合される方向であればよい。
【００８１】
このような噴流ノズル２１からの噴流３ａに対して液滴１ａを供給する場合、液滴１ａは複数の噴流３ａの衝突領域に供給するのが好ましい。液滴１ａに形成された蒸気膜に効率的に剪断力を与えて効率よく崩壊させるためである。
【００８２】
ここで、噴流３ａの中に溶融材料１の液滴１ａを供給し、相対速度差で蒸気膜を崩壊させるためには、相対速度差が１ｍ／ｓ以上、好ましくは、１０ｍ／ｓ以上であるのが好ましい。したがって、液滴１ａを自然落下に近い状態で１００ｍｍ鉛直下方の噴流に供給する場合には、噴流の速度を２．４ｍ／ｓ以上、好ましくは、１２ｍ／ｓ以上、溶融材料１を速度０．１〜３ｍ／ｓ程度のジェット流として供給する場合には、３．３ｍ／ｓ以上、好ましくは、１３ｍ／ｓ以上とする。
【００８３】
ここで、液滴１ａの周りの蒸気膜を崩壊させて溶融材料１に液体冷媒３を接触させるための条件を求めてみる。液体冷媒３とその蒸気膜との界面がＫｅｌｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ型の不安定現象を生じるとし、界面の代表長さ、この場合に溶融材料１の液滴１ａの径が１ｍｍであるとし、１気圧の水の物性値を参照してＫｅｌｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ不安定波長が１ｍｍになる相対速度を求めると、２５ｍ／ｓと求まる。この仮定に基づけば、直径１ｍｍの溶融材料１の液滴１ａの蒸気膜を崩壊させるためには、液滴１ａに対して相対速度２５ｍ／ｓの水噴流を接触させればよいことになり、直径が５００μｍの場合には、相対速度３５ｍ／ｓの水噴流を接触させればよい。
【００８４】
液体冷媒３としては、溶融金属などの微粒化しようとする溶融材料と接触して自発核生成による沸騰を起こし得る液体であれば良く、例えば水や液体窒素、並びにメタノールやエタノール等の有機溶媒やその他の液体を使用することができるが、一般的には経済性並びに安全性に優れる水が使用される。液体冷媒３の選定は溶融材料１の材質に応じて決定されるが、本発明方法では、蒸気膜の崩壊を強制的に行うので、溶融材料１が高融点であっても水を使用することができる。すなわち、先に開発した技術のように蒸気膜の凝縮を待つ場合には、フロン系溶媒、または代替フロン系溶媒などを用いる必要があったが、本発明方法の場合には、水を使用することができる。
【００８５】
また、溶融材料１として融点の高いものを使用する場合にも、液体冷媒３に塩を添加してもよい。この場合の添加する塩としては、例えば、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硝酸カルシウムの使用が可能である。勿論、溶融材料と反応しない種類の塩を選択して使用することが望まれることは言うまでもない。また、塩を含む液体冷媒３とする場合には、海水を利用することが好ましい。
【００８６】
液体冷媒３への塩の添加は、塩が溶解して溶融材料を覆う蒸気膜の周りに存在するため、その中に存在する水分子が相対的に少なくなり、イオンが邪魔をして冷媒側からの蒸発が起こり難くなるにも拘わらず、凝縮は通常に起こるため、全体として凝縮の方向に向かうものと思われる。したがって蒸気膜崩壊を促進できる。
【００８７】
回収手段３０は、例えばフィルタである。本実施形態では、２段のフィルタ３１，３２を使用して、所定粒径の溶融材料微粒子を回収するようにしている。１段目のフィルタ３１には目的とする粒径よりも目の粗いものを、２段目のフィルタ３２には目的とする粒径よりも目の細かいものを使用する。そして、１段目のフィルタ３１を通過して２段目のフィルタ３２によって捕捉された溶融材料微粒子を製品として回収する。また、１段目のフィルタ３１によって集められた微粒子は、るつぼ１２に戻されて再度溶融されてから微細化処理に供するようにしてもよい。なお、フィルタ３１，３２を通過した液体冷媒３は回収容器３３に回収される。
【００８８】
この製造装置では、事故に繋がらない程度の小規模な自発核生成による沸騰を起こさせ、それによって生じる圧力波を利用して液体冷媒３中に滴下した溶融材料１を微粒化させるようにしている。
【００８９】
また、この製造装置には、少なくとも材料供給手段１０から混合ノズル２に供給される溶融材料１の酸化を防ぐ酸化防止手段４０が備えられている。また、場合によっては、るつぼ１２を含めて製造装置全体を不活性雰囲気で覆う酸化防止手段を設けて、るつぼ１２に貯留されている間に溶融材料１が酸化されないように設けられる。この酸化防止手段４０は、例えば不活性ガスを利用したものであり、少なくともるつぼ１２の出湯口１２ａと噴流ノズル２１との間の空間を外部から遮蔽するケーシング４１を設けてその中に不活性ガスを充填したもので、溶融材料１の液滴が不活性雰囲気中を滴下するように設けられている。不活性ガスとしては例えばアルゴン等が使用される。
【００９０】
以上のように構成された装置を用いて、以下のようにして、例えば、溶融材料の微粒子を製造することができる。
【００９１】
まず、複数本の噴流ノズル２１から所定量の液体冷媒３を噴出し、ガイド部材２２内に液体冷媒３の高速流を形成する。また、るつぼ１２内の溶融材料１を、液体冷媒３と直接接触した場合の溶融材料１と液体冷媒３との界面温度が自発核生成温度よりも十分高くなるような温度まで加熱保温しておく。ここで、加温温度は、強制的に蒸気爆発を起こさせるまでの対流や放射による冷却を考慮し、蒸気爆発発生時において溶融材料１の融点より十分に大きくなるように決定する。
【００９２】
この状態で、材料供給手段１０のストッパ１３を上昇させて、るつぼ１２内の溶融材料１を１滴ずつ数珠状に自由落下させる。溶融材料１は、噴流ノズル２１の衝突領域で液体冷媒３内に供給され、高速流内に入る。溶融材料１の液滴１ａの温度が高いため膜沸騰で発生した蒸気膜で覆われた粗混合状態になる。このとき、蒸気膜は、溶融材料１の熱を受けて冷媒・水が蒸発することによって溶融材料１の液滴１ａの周りに発生する。この蒸気膜は、溶融材料１からの熱を受けて進行する蒸発と冷媒による冷却との熱収支がバランスすることによって定在するが、液体冷媒３の高速流と液滴１ａの速度との速度差により蒸気膜が強制的に崩壊される。そして、溶融材料１の液滴１ａの全面で同時に液体冷媒３と接触して、その界面温度が自発核生成温度以上となることから、溶融材料１の粒子の周りの低温側の液体である液体冷媒３中に自発核生成による沸騰が起こる。自発核生成による沸騰は急速な蒸発を生じ、蒸気泡を急膨張させて高い圧力波を発生させる。この圧力波は極めて高速で伝播し、溶融材料１の粒子の全体に一様に作用することから、粒子は圧力波でひきちぎられるように砕かれて微粒化する。同時に、微粒化により、比表面積が大きくなり、冷却速度を更に高める。それは更に冷媒からの蒸発を増やして、蒸気膜形成、蒸気膜崩壊、自発核生成による沸騰と発展して更なる圧力波を生み出す。
【００９３】
そこで、分散したどこかの粒子で蒸気膜が破れると、そこで発生した圧力波が他の粒子に及んで次々に自発核生成による沸騰を引き起こさせる。そしてこの溶融材料１の微粒化は、その比表面積を大きくして冷却を速めることから、それが更に冷媒からの蒸発が増やして更なる圧力波を生み出すという正のフィードバックがかかり、微粒化が促進されると同時に急速に冷却される。したがって、大きな固まりを残すことなく、効率的に微粒化できる。
【００９４】
ここで、溶融材料１は、数μｍの自発核生成気泡から発生する圧力波を利用して微粒化するので、容易にサブμｍオーダーから１００μｍオーダーまで製造できる。しかも、従来の微粒子製造方法並びに装置では実現困難であった、８００℃という高融点の原料を用いても、液体冷媒として水を用いて、容易に、数μｍ、特に３μｍ程度の従来方法では得られなかった大きさ、さらには、サブμｍオーダーの微粒子の製造を実現できる。しかも、全体が同時に微粒化することによって大きな固まりが残らないので、収率が大きく、歩留まりが良い。更に、粒径分布が集中するので、所望とする径の微粒子が大量に得られる。そして、この場合、単位質量当たりの微粒化効率（微粒化割合）を良くできる。しかも、微粒化が進むと比表面積が大きくなって更に冷却速度も高まる。
【００９５】
尚、微細化された微粒子と液体冷媒３はガイド部材２２内を落下し、液体冷媒３は１段目のフィルタ３１と２段目のフィルタ３２を通過して回収タンク３３内に戻される。そして、微粒子はフィルタ３１あるいはフィルタ３２に捕捉される。
【００９６】
ここで、図３〜図８を用いて本発明の一実施形態の他の例を示す。
【００９７】
図３には、８本の噴流ノズル２１をガイド部材２２の周囲に均等に配置し、高速噴流を噴出する装置構成を示す。このように８本の噴流ノズル２１を設けることにより、１２０ｍ／ｓ以上の高速で、且つ１２８Ｌ／ｍｉｎ以上の流量を確保することができ、微粒子の製造効率を向上させることができる。
【００９８】
また、上述の実施形態では、噴流ノズル２１によって構成された噴流をガイド部材２２の中に流すようにしたが、これに限るものではない。例えば、図４に示すように、冷媒受け２３の中に湛えられた液体冷媒３の液面近傍で噴流ノズル２１から噴出される噴流３ａが衝突するようにしてもよい。この場合、微粒子は冷媒受け２３の液体冷媒３の中に製造され、回収部２３ａから回収される。なお、冷媒受け２３中には、液面をほぼ均一にするように常に新しい液体冷媒３が供給され、また、底部には全体の温度を均一にするための攪拌装置２４が設けられている。勿論、攪拌装置２４は必ずしも設ける必要はない。
【００９９】
更には、図５に示すように、噴流ノズル２１からの噴流３ａを噴流に対向する液体冷媒３の流れ、この場合には、上方に向かう流れで受け止めるようにしてもよい。すなわち、ガイド部材２２内に、冷媒噴出管２５を設け、この冷媒噴出管２５からの噴流２５ａに向かって噴流３ａを噴出するようにしてもよい。なお、噴流２５ａの方向は上方に向かうものに限定されず、斜め上に向けて（あるいは図示していないが水平方向に向けて）放出させるように冷媒噴出管２５を設けてもよい。
【０１００】
図６には、移動部材上に液体冷媒３を供給して流れを形成し、ここに溶融材料１の液滴１ａを供給することにより液体冷媒３と液滴１ａとの相対速度差を形成し、蒸気爆発させる実施形態を示す。
【０１０１】
図６に示す実施形態では、移動部材として、回転自在に設けられた円錐状のコーン４０を採用した。コーン４０は、円錐状のコーン本体４１と、この上部に設けられた円錐蓋部材４２とを具備し、両者は一体的に中心軸を中心に回転駆動されるようになっている。また、コーン本体４１の中心部には、下部から上部に向かって液体冷媒３を供給する供給路４３を具備し、供給路４３はコーン本体４１の頂点の供給口４４へ連通している。従って、供給路４３から供給された液体冷媒３は供給口４４から吹き出して円錐蓋部４２の内壁で折り返されて回転するコーン本体４１の表面を流れ落ちる。
【０１０２】
本実施形態では、コーン本体４１の表面に流れ落ちる液体冷媒３の流れの中へ溶融材料１の液滴１ａを滴下する。これにより、液滴１ａは、回転するコーン本体４１上を流れ落ちる液体冷媒３中に供給される。
【０１０３】
この場合、液体冷媒３の流れの下に固体であるコーン本体４１が存在するので、液体冷媒３の変形が抑えられ、コーン本体４１が回転することにより、コーン本体４１表面近傍での液体冷媒３と液滴１ａとの相対速度差による蒸気膜崩壊が促進される。
【０１０４】
このようなベーストリガーを利用した実施形態においては、液滴１ａを比較的小さくしても容易に強制的に蒸気膜を崩壊できるので、液滴１ａの滴下経路に超音波を利用した微細化手段や高圧ガスを利用したガスアトマイズ法などの微細化手段を介在させてもよく、これにより急冷効率を著しく向上させることができる。
【０１０５】
また、回転部材は円錐形状の他、円盤状でもよい。また、例えば、回転駆動される無端ベルトなど、一方向に移動する部材上に液体冷媒３を供給してもよく、その形態は限定されない。
【０１０６】
以上説明した実施形態では、溶融材料１の液滴１ａと噴流３ａとの相対速度差によって液滴１ａの蒸気膜を強制的に崩壊させるものを説明したが、蒸気の凝縮による圧力波によって蒸気膜を強制的に崩壊してもよい。
【０１０７】
このような実施形態の一例を図７に示す。この実施形態では、液体供給部５１と蒸気供給部５２とを具備する流体ノズル５０を用い、液体供給部５１からの液体冷媒３の流れに冷媒蒸気５を溶融材料１の液滴１ａと共に混合するようにしたものである。すなわち、このような流体ノズル５０を用いると、冷媒蒸気５は液体冷媒３に混合されると、急激に冷却されて凝縮するが、このとき冷媒蒸気５と共に供給される液滴１ａは凝縮による圧力波を受けて、蒸気膜が強制的に崩壊され、微粒化される。
【０１０８】
このように蒸気膜を崩壊させるような圧力波が発生するような凝縮を生じさせるためには、液体冷媒３と冷媒飽和温度との温度差は１０℃以上必要であり、望ましくは３０℃以上である。また、供給される冷媒蒸気５の量は１Ｌ／ｍｉｎ〜３００Ｌ／ｍｉｎ程度必要である。なお、このとき、液体冷媒３の流速、冷媒蒸気５の流速は特に限定されず、上述したような高速である必要はないが、０．５ｍ／ｓ以上とするのが好ましい。
【０１０９】
なお、冷媒蒸気５は、液体冷媒３と同一である必要はないが、本発明では、液体冷媒３として水、冷媒蒸気５として水蒸気を用いるのが好ましい。
【０１１０】
また、蒸気の凝縮力で、液滴１ａの蒸気膜を強制的に崩壊させる方法はこれに限定されず、例えば、図８に示すように、冷媒溜５５に液体冷媒３を湛えておき、これに液滴１ａを供給し、液体冷媒３中に供給された液滴１ａの周囲に冷媒蒸気５を蒸気供給管５６から供給するようにしてもよい。これにより、蒸気供給管５６から供給された蒸気５は凝縮し、この凝縮による圧力波により液滴１ａの周りに形成された蒸気膜が強制的に破壊される。そして、この場合、微粒子は冷媒溜５５の液体冷媒３の中に製造され、回収部５５ａから回収される。なお、冷媒溜５５中には、液面をほぼ均一にするように常に新しい液体冷媒３が供給され、また、底部には全体の温度を均一にするための攪拌装置５７が設けられている。勿論、攪拌装置５７は必ずしも設ける必要はない。
【０１１１】
なお、以上説明した実施形態では、酸化防止手段４０としてケーシング４１内を不活性ガス雰囲気にしていたが、不活性ガス雰囲気にすることに代えて、水素や一酸化炭素等の還元ガス雰囲気にしたり、あるいはケーシング４１内を減圧して酸素濃度の低い真空状態にするようにしても良い。なお、ケーシング４１内を減圧することで自発核生成による沸騰を激しくすることができ、液滴１ａをより微粒化し易くなる。また、装置全体を不活性ガス雰囲気や還元ガス雰囲気中に設置したり、減圧したケーシング内に設置しても良い。
【０１１２】
さらに、溶融材料１をあらかじめ外力を加えて微細化して液体冷媒３中に供給するようにしても良い。例えば、材料供給手段１０と液体冷媒３の間に溶融材料を微細化する手段を設けることによって、溶融材料１の液滴１ａをある程度細かくした後に液体冷媒３中に供給することができる。この場合、微細化手段によって溶融材料１をある程度細かくしてから液体冷媒３中へ供給するため、比表面積が大きくなって蒸気膜の生成と冷却がより効率的となる。その後、液体冷媒３中で蒸気膜が強制的に崩壊され、自発核生成による沸騰を生じさせてこの沸騰で発生する圧力波によって溶融材料１をさらに微粒化することができる。このため、液体冷媒３中における溶融材料１の微粒化をより一層促進することができると共に、その冷却速度をより一層向上させることができる。溶融材料１を微細化する微細化手段としては、例えば該に微細化技術として確立している超音波照射技術の応用が好ましく、材料供給手段１０と液体冷媒３の噴流３ａとの間に超音波照射装置を設置し、材料供給手段１０から滴下される溶融材料１の液滴１ａに１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ程度の超音波を照射するようにしても良い。また、溶融材料１の液滴１ａが通過する空間に電場を形成して液滴１ａを微細化する装置の使用も可能である。なお、溶融材料１の液滴１ａを微細化するのは、材料供給手段１０から溶融材料１が放出された直後であることが適切であると考えられる。
【０１１３】
また、上述の説明では、るつぼ１２の出湯口１２ａから溶融材料１を滴下させることで噴流３ａの衝突領域に供給していたが、出湯口１２ａから溶融材料１をジェット状に噴出させるようにしても良い。この場合には、糸状に細く量が少ないことが必要である。
【０１１４】
（実施例）
軟磁性材料であるＦｅ７８Ｓｉ９Ｂ１３原料（融点９８５℃）とし、図３に示した装置を用い、８方向に配置した噴流ノズル２１から、流量３２Ｌ／ｍｉｎ、噴流速度８４ｍ／ｓの水噴流（水温１７℃）を衝突させ、原料を約１．６ｍｍの粒径で滴下し、微粒化した。
【０１１５】
図９に得られた微粉末の電子顕微鏡写真を示す。この結果、中心粒径３７μｍの微粒子が得られたことが確認された。また、急冷されているために、いわゆる「蒸気爆発により引きちぎられた」状態のまま凝固していることが判明した。勿論、本装置でも、冷却流量を減少させる、または冷却材温度を上昇させるに伴い、冷却速度が減少するため、より球形に近い粉末を得ることができる。
【０１１６】
さらに、微粒化前と微粒化後のＸ線回折分析をした結果、微粒化前の原料ではＦｅ２Ｂとα-Ｆｅ（Ｓｉ）のピークがいくつか観察されたが、急冷した粉末からは顕著なピークが存在せず、極めて高い非晶質化度が得られたことが確認された。
【０１１７】
このように、本発明によると、従来、非晶質化が不可能とされていた鉄系合金の非晶質化が可能であることが確認された。
【０１１８】
（比較例）
速度差を１ｍ／ｓ未満と小さくして、Ｆｅ７８Ｓｉ９Ｂ１３を水の中に滴下したところ、蒸気爆発に至らしめることができず、直径１．６ｍｍの液滴のまま、球状に凝固した。
【０１１９】
実施例及び比較例で得られたものについてＸ線回折を行った結果を図１０に示す。実施例で得られた急冷した粉末では、顕著なピークが観察されず、極めて高い非晶質化度が得られたことが確認された。一方、比較例では、徐冷で得られたものについてＦｅ２Ｂとα-Ｆｅ（Ｓｉ）のピークがいくつか観察され、原材料とほぼ同じ強度分布を示し、非晶質化が不可能であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る微粒子の製造装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図９】本発明の実施例で製造した微粒子の顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の実施例で製造した微粒子及び比較例で得られたもののＸ線回折分析結果を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子の製造方法及び製造装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、微粒化しようとする原料を溶融してから冷媒にて冷却して微細化すると共に固化する微粒子の製造方法及び製造装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属粉末を製造する方法として、溶融材料の流れに高圧の水ジェットを噴射して金属粉末を得る水アトマイズ法、この水アトマイズ法の水ジェットに変えてＮ２ガスやＡｒガスを噴霧するガスアトマイズ法、高速回転する回転ドラム内の冷却水中に溶融材料ジェットを噴射させる遠心法がある。また、ミルなどを用いた機械的粉砕などのブレークダウン法によっても、更には沈殿法やゾルゲル法などのビルドアップ法によっても微粒子は製造される。
【０００３】
しかしながら、水アトマイズ法やガスアトマイズ法では、高圧の冷却水や冷却ガスの流れによって溶融材料を粉末状にするので、ノズルの構造が複雑になると共に、ノズルに負担がかかり耐久性に劣っていた。一方、遠心法では、回転ドラムを高速回転させることから装置の構造が複雑になる。しかも、これら製造方法は、いずれも衝突エネルギを利用して粉砕するため、微粒化にばらつきが生じ、歩留まりが悪くなる。また、機械的粉砕などによるブレークダウン法では、大きな粒子、例えば１００μｍ程度のものまでしかできず、沈殿法などのビルドアップ法では１μｍ程度までの微粒子でそれよりも大きな粒子は得られなかった。したがって、従来の微粒子製造方法並びに装置では、数μｍから１０μｍオーダー、特に３μｍ程度の大きさの微粒子を得ることが困難であった。更に、ブレークダウン法によると、微粒化できずに大きな固まりとして残る割合が多いので、歩留まりが悪くなる。しかも、粒径分布が分散して、所望とする径の微粒子が大量に得られないという問題がある。
【０００４】
一方、従来の非晶質金属の製造方法としては液体急冷法が知られている。この方法は溶融させて液体となった金属を冷媒中に噴出させること等により溶融材料を冷却凝固させて非晶質金属を製造するものであるが、この中で冷却速度を比較的大きくできる遠心法によっても、通常の沸騰冷却若しくは対流冷却による熱伝達では溶融材料と冷媒との二液間の熱流速が最大でも限界熱流束に限定されてしまうので、冷却速度は１０４〜１０５Ｋ／ｓが限界となり、非晶質化できる金属が限定されてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本出願人は先に、微粒化又は非晶質化させる原料を溶融した溶融材料を液状の冷媒中に小さい速度差で供給して自発核生成による沸騰を起こさせ、圧力波を利用して溶融材料を微粒化及び非晶質化する製法を出願した（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ０１／８１０３３
【特許文献２】ＷＯ０１／８１０３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、先に出願した方法によると、例えば、８００℃以上の融点を有する高融点原料を用いた場合、蒸気膜が凝縮によっては十分に崩壊できず、十分な微粒化又は非晶質化ができなかった。
【０００８】
本発明は、先に開発した技術をさらに改良し、高融点原料を用いても容易に微粒化でき、先に開発した技術では容易には実現できなかったサブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができる微粒子の製造方法並びに装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために検討を重ねた結果、凝縮によらないと崩壊できないと考えられていた蒸気膜は所定の条件で強制的に壊すことができ、これによって蒸気爆発を促進させれば、サブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができ、高融点の原料であっても、水を冷媒として用いて容易に微粒化できることを知見し、本発明を完成した。
【００１０】
かかる本発明の第１の態様は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、液体冷媒中に供給された溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊することにより蒸気爆発を促進するので、サブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給して当該液体冷媒の流れに入った前記溶融材料の速度と当該液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせることによって蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１３】
かかる第２の態様では、溶融材料の速度と液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせることによって蒸気膜を強制的に崩壊させ、これによりサブμｍオーダーの微粒子を比較的容易に得ることができる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記液体冷媒の流れを、一つの高速ジェット流とし、当該高速ジェット流内に前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１５】
かかる第３の態様では、高速ジェット流内に入った溶融材料は相対速度差により剪断力を受け、蒸気膜が崩壊される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記液体冷媒の流れを、複数の高速ジェット流を衝突させて形成し、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１７】
かかる第４の態様では、複数の高速ジェット流を衝突させて形成された流れの中に入った溶融材料は剪断力を受け、蒸気膜が崩壊される。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記高速ジェット流を衝突させて形成した流れを、ガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００１９】
かかる第５の態様では、複数の高速ジェット流を衝突させて形成された流れは、蒸気膜が崩壊されて微粒子となった溶融材料と共にガイド部材の中に流れ込み、且つ生成される圧力波をガイド部材で拘束および反射させて微粒化効率を高めることができる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第４又は５の態様において、前記複数の高速ジェット流を、液体冷媒の溜まりの液面近傍で衝突させ、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２１】
かかる第６の態様では、複数の高速ジェット流を衝突領域に供給された溶融材料は剪断力を受け、蒸気膜が崩壊された状態で液体冷媒の溜まりの中に回収される。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記液体冷媒の溜まりが、前記溶融材料の流れに対向して噴出する噴流であることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２３】
かかる第７の態様では、複数の高速ジェット流を衝突領域に供給された溶融材料は剪断力を受け、蒸気膜が崩壊された状態で液体冷媒の噴流と共に回収される。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第４〜７の何れかの態様において、前記高速ジェット流を、衝突後に形成される流れの方向に対して４°以上８０°以下に傾斜させて衝突させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２５】
かかる第８の態様では、高速ジェット流は衝突によって飛び散らずに一つの流れとして供給される。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第２の態様において、前記液体冷媒の流れを移動部材上に液体冷媒を供給することにより形成し、当該液体冷媒内へ前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２７】
かかる第９の態様では、液体冷媒が固体である移動部材上に存在するので、液体冷媒の変形が抑制され、溶融材料との相対速度差による蒸気膜崩壊が効率よく促進される。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第９の態様において、前記移動部材が、円盤状又は円錐状の回転体であることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００２９】
かかる第１０の態様では、回転体上に供給された液体冷媒上に供給された溶融材料は、回転体上の液体冷媒との相対速度差により、蒸気膜が確実に崩壊される。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、第２〜１０の何れかの態様において、前記液体冷媒の流れと前記溶融材料との速度差を１ｍ／ｓより大きくしたことを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３１】
かかる第１１の態様では、液体冷媒の流れの中に入った溶融材料は１ｍ／ｓより大きい速度差により剪断力を受け、蒸気膜が崩壊され、微粒化される。
【００３２】
本発明の第１２の態様は、第１の態様において、前記液体冷媒の蒸気を前記液体冷媒中に供給し、当該蒸気の凝縮による圧力波により前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３３】
かかる第１２の態様では、液体冷媒の蒸気を凝縮させることによって圧力波を形成し、これにより溶融材料の蒸気膜を崩壊させ、微粒化する。
【００３４】
本発明の第１３の態様は、第１２の態様において、前記液体冷媒の蒸気と共に前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３５】
かかる第１３の態様では、液体冷媒の蒸気と共に液体冷媒の流れの中に供給された溶融材料は、蒸気の凝縮による圧力波を受け、蒸気膜が崩壊され、微粒化される。
【００３６】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様において、前記液体冷媒の流れをガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３７】
かかる第１４の態様では、液体冷媒の流れは、蒸気膜が崩壊されて微粒子となった溶融材料と共にガイド部材の中に流れ込む。
【００３８】
本発明の第１５の態様は、第１２の態様において、前記溶融材料を液体冷媒の溜まりの中に供給し、供給された溶融材料に向かって前記液体冷媒の蒸気を供給することにより前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００３９】
かかる第１５の態様では、蒸気の凝縮によって蒸気膜が強制的に崩壊される。
【００４０】
本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何れかの態様において、前記微粒化しようとする原料が、溶融灰、高炉スラグ、セラミックス材、及び金属から選択される一種であることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４１】
かかる第１６の態様では、溶融灰、高炉スラグ、セラミックス材、及び金属から選択される一種からなる溶融材料が微粒化される。
【００４２】
本発明の第１７の態様は、第１６の態様において、前記微粒化しようとする原料が、融点８００℃以上のものであることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４３】
かかる第１７の態様では、融点８００℃以上の溶融材料も比較的容易に微粒化される。
【００４４】
本発明の第１８の態様は、第１〜１７の何れかの態様において、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を非晶質とすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４５】
かかる第１８の態様では、微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、溶融材料が微粒化した後の冷却状態を調整し、微粒子を非晶質とする。
【００４６】
本発明の第１９の態様は、第１〜１７の何れかの態様において、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とすることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４７】
かかる第１９の態様では、微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、溶融材料が微粒化した後の冷却状態を調整し、微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とする。
【００４８】
本発明の第２０の態様は、第１〜１９の何れかの態様において、前記液体冷媒は塩が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００４９】
かかる第２０の態様では、液体冷媒への塩の添加により溶融材料の蒸気膜の崩壊がより促進される。
【００５０】
本発明の第２１の態様は、第１〜２０の何れかの態様において、前記液体冷媒は当該液体冷媒と前記蒸気膜との気液界面を乱す無機微粒子が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００５１】
かかる第２１の態様では、液体冷媒へ、溶融材料と蒸気膜との気液界面を乱す無機微粒子を添加することにより、蒸気膜の崩壊がより促進される。
【００５２】
本発明の第２２の態様は、第１〜２１の何れかの態様において、前記溶融材料の酸化を防止しながら前記液体冷媒中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法にある。
【００５３】
かかる第２２の態様では、溶融材料の酸化による変質を防止すると共に酸化による蒸気爆発の抑制を防止し、微粒化を促進する。
【００５４】
本発明の第２３の態様は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段と、溶融材料を冷却固化させる液体冷媒を含む冷却部と、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させて微粒化すると共に冷却固化する蒸気膜崩壊手段と、液体冷媒中から微粒子を回収する回収手段とを備えることを特徴とする微粒子の製造装置にある。
【００５５】
かかる第２３の態様では、液体冷媒中に供給された溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊することにより蒸気爆発を促進するので、サブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができる。
【００５６】
本発明の微粒子の製造方法は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液状の冷媒中に供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化することにより、高融点原料を用いても容易に微粒化でき、先に開発した技術では容易には実現できなかったサブμｍオーダーの微粒子も比較的容易に得ることができるという効果を奏するものである。なお、本発明の微粒子の製造方法は、金属に限られず、溶融灰や高炉スラグその他のセラミック材など、溶融しかつ冷却により固化するすべての材料を対象にすることができる。
【００５７】
また、本発明で、液体冷媒中に供給された溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させる手段としては、詳細は後述するが、第一に、溶融材料を液体冷媒の流れの中に供給して当該液体冷媒の流れに入った溶融材料の速度と液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせて蒸気膜を崩壊させるという手段、第二に、液体冷媒の蒸気を前記液体冷媒中に供給し、当該蒸気の凝縮による圧力波により蒸気膜を強制的に崩壊させるという手段、などを挙げることができる。
【００５８】
微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給すると、液体冷媒中に供給された溶融材料の周りには、溶融材料の熱を受けて液体冷媒が蒸発することによって蒸気膜が形成される。この蒸気膜は、溶融材料からの熱を受けて進行する蒸気と冷媒による冷却との熱収支がバランスすることによって形成される。本発明では、このように形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させる。すなわち、蒸気膜を強制的に崩壊させると、自発核生成による沸騰が生じ、溶融材料は微粒化される。
【００５９】
この自発核生成による沸騰は冷媒の内部から沸騰を開始する。核沸騰が水中で発生するには、水・冷媒の表面張力に打ち勝ち気泡核を生成することが必要であり、そのときの開始温度条件が自発核生成温度であり、例えば水であれば１気圧下で３１３℃である。したがって、蒸気膜が崩壊して溶融材料と冷媒とが直接接触するときのその界面温度が自発核生成温度以上であれば、冷媒中に気泡核が生成され、そして、一旦気泡核が形成されると、１００℃で蒸発できるので、次々にそこに蒸気が集まって爆発的な沸騰となる。そして自発核生成による蒸気生成は急速であり圧力波の発生を伴うので、この圧力波によって溶融材料滴が引きちぎられるように砕かれて微粒化される。特に、強制的に蒸気膜を崩壊させるので、溶融材料の粒子の全体に高い圧力波を一様に受けるため、大きな固まりを残すことなく、効率的に微粒化できる。同時に、微粒化された溶融材料は、その比表面積が大きくなることから更に冷却が早くなる。そして潜熱移行により冷却凝固される。この溶融材料の微粒化は、さらにその比表面積を大きくして冷却速度が高まることから、それが更に冷媒からの蒸発を増やして更なる圧力波を生み出すという正のフィードバックがかかり、微粒化が促進されると同時に急速に冷却される。このときの冷却速度は、例えば１０７Ｋ／ｓを大きく上回る速度で溶融材料を急速に冷却凝固することができる。
【００６０】
本発明では、このような微粒化及び冷却固化条件を適宜調整することにより、得られる微粒子を非晶質、又は多結晶とすることができる。すなわち、液体冷媒中に供給される溶融材料の粒径、強制的に崩壊させる圧力等の条件、微粒化された粒子の粒径、溶融材料と液体冷媒の一連の接触状態におけるそれぞれの温度等の条件を調整することにより、冷却速度が決定され、これにより、製造される微粒子が非晶質か、又は多結晶か、さらには、多結晶の場合にはその結晶粒径のサイズを適宜調整することができる。
【００６１】
本発明の微粒子の製造方法は、溶融材料を数珠状に滴下又はジェット流として液体冷媒中に供給し、供給された溶融材料の周りに形成された蒸気膜を強制的に崩壊させるものである。この場合、滴下された溶融材料の殆どの体積が冷却材の自発核生成に関与することになり、溶融材料滴の微粒化を促進して微粒子回収率が一段と向上する。高い効率（微粒化と冷却速度）を得たい場合には、溶融材料の液滴径又はジェット径が小さいことが好ましい。
【００６２】
また、液体冷媒中に供給される溶融材料の液滴径又はジェット径を小さくするために、溶融材料が冷媒に触れる前に超音波を照射するようにしてもよい。この場合、ある程度細かくなった溶融材料の滴として液体冷媒中に供給することができるため、溶融材料の液滴の表比面積を大きくして全体的に蒸気爆発に関与するため微粒化がより一層促進されると共に、その冷却速度をより一層向上させることができる。また微粒子粒径分布は狭くなり、所望の粒径のみを得ることができる。
【００６３】
ここで、本発明では、溶融材料に形成された蒸気膜を、蒸気膜の凝縮を待たず、強制的に崩壊させるので、微粒化しようとする原料の融点が比較的高いものでもよく、例えば、融点８００℃以上の原料も容易に微粒化することができる。
【００６４】
また、本発明の微粒子の製造方法において、液体冷媒に塩を添加してもよい。この場合、塩は溶解して溶融材料を覆う蒸気膜の周りに存在して気液界面の状態を乱すので、蒸気膜が崩壊されやすくなる。塩としては、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硝酸カルシウムの使用が可能である。勿論、溶融材料と反応しない種類の塩を選択して使用することが望まれることは言うまでもない。
【００６５】
同様に気液界面の状態を乱す目的で、液体冷媒中に無機微粒子を混在させてもよい。このような無機微粒子は蒸気膜の周りに存在して気液界面を乱すように作用し、蒸気膜の崩壊を促進する。無機微粒子としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、ダイヤモンド粉末などを挙げることができる。
【００６６】
更に、溶融材料が金属のように酸化し易い材質の場合、冷媒中に供給される前に空気に触れると酸化される虞がある。溶融金属の酸化は金属の性質を変化させてしまう上に、酸化膜が一様につかないため、全体で同時に微粒化・冷却が行えない虞があり、このため、蒸気爆発をうまく利用できずに微粒化の効率が落ちる虞がある。そこで、本発明の微粒子の製造方法では、溶融材料、特に溶融金属の酸化を防止しながら液体冷媒中に供給するようにしてもよい。
【００６７】
ここで、本発明の製造方法を実施する微粒子の製造装置は、微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段と、溶融材料を冷却固化させる液体冷媒を含む冷却部と、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させて微粒化すると共に冷却固化する蒸気膜崩壊手段と、液体冷媒中から微粒子を回収する回収手段とを備える。
【００６８】
この装置の場合、溶融材料を液滴として供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化する。そして、凝固した微粒子を冷媒から分離するだけで回収することができる。したがって、複雑な構造のアトマイズノズルや高速回転駆動機構あるいはそれらに付帯する動力部分を必要とせず、設備費用が安価であると共に耐久性に優れかつ故障の虞が少ないものである。
【００６９】
ここで、供給する溶融材料と液体冷媒の量を少量とすることにより、自発核生成による沸騰を、冷媒中に滴下した溶融材料を微粒化させる程度の大きさの圧力波を生じさせる規模のものにすることで、自発核生成による沸騰で生じる圧力波が必要以上に大きくなるのを防止でき、大規模な蒸気爆発の発生を防止することができる。また、冷却部に留まる冷媒の量を材料供給手段における制御を失って溶融材料が一度に供給されても大規模な蒸気爆発を起こさない量とすることにより、材料供給手段が壊れて大量の溶融材料が流出したとしても、事故につながる大規模な蒸気爆発を招くことはない。さらに鋭意研究を行った結果、むしろ少量ずつ蒸気爆発させる方が、蒸気爆発に関与する比表面積が増大するために、冷却および微粒化効率を向上させることができることが分かった。
【００７０】
また、本発明の微粒子の製造装置は、材料供給手段が、液体冷媒中に溶融材料を数珠状に滴下又はジェット流として供給するものである。したがって、供給された溶融材料の殆どの体積が自発核生成に関与し、溶融材料滴の微粒化を促進することができる。
【００７１】
また、本発明の微粒子の製造装置は、材料供給手段と冷媒の間に溶融材料に対して超音波を照射する手段を備えるようにしている。したがって、微細化手段である超音波照射手段によってある程度細かくした溶融材料の滴を冷媒中に供給することができる。このため、冷媒中における溶融材料の微粒化をより一層促進することができると共に、その冷却速度をより一層向上させることができる。しかも、超音波照射による微細化技術は既に確立されているので、安全かつ簡単に溶融材料の一次微粒化は実現される。
【００７２】
また、本発明の微粒子の製造装置は、材料供給手段から冷却部に供給される溶融材料の酸化を防ぐ手段を備えるようにしている。したがって、溶融材料を酸化させずに冷媒に接触させることができ、自発核生成による沸騰を生じさせ易くすることができる。また、溶融材料の液滴が冷却部の周りに飛散することを防ぐこともできる。
【発明の効果】
【００７３】
以上説明したように、本発明の製造方法及び装置を用いて溶融材料を微粒化させる場合、従来の方法では粉末を得ることが困難又は非晶質化が困難な物質でも、容易に微粒化又は非晶質化でき、また、融点が８００℃以上と高融点の材料でも最も安価で取り扱い易い水を冷媒として用いて容易に微粒化できる。また、微粒化条件を適宜調整できることから、非晶質化又は多結晶の結晶粒径の調整を行うこともでき、用途に応じた微粒子を得ることができる。しかも、従来では実現不可能だった材料でサブμｍオーダーの微粒子が製造できることから、従来は実現困難であった新たな材料が提供できるという効果を奏する。
【００７４】
さらに、例えば、従来実現できない材料から非晶質微粒子を得て、メカニカルアローイング（合金化）、焼結、ＨＩＰ（熱間等方圧加工法）などを用いてバルク形状を製造することができ、各種用途、例えば、軟磁性などの特長を有する磁性材料、超寿命の形状記憶合金、水素吸蔵合金、強靱性金属、高耐食性金属、超伝導材料、触媒材料などへの応用が期待でき、材料の強靱化などの効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７５】
以下、本発明の構造を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００７６】
図１に本発明の微粒子製造方法を実施する一製造装置を概念的に示し、図２に一製造装置の要部拡大図を示す。この製造装置は、溶融材料１をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段１０と、溶融材料１を冷却固化させる液体冷媒３を導入して材料供給手段１０から供給された溶融材料１と混合させ、溶融材料１の液滴１ａと液体冷媒３との間に速度差を生じさせて液滴１ａの周りに形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて自発核生成による沸騰を利用して微粒化させると同時に冷却する冷却部２０と、液体冷媒３から固化した溶融材料微粒子を回収する回収手段３０を備えており、材料供給手段１０及び冷却部２０が蒸気膜崩壊手段を兼ねている。
【００７７】
材料供給手段１０は、例えば、保温用ヒータ１１を備えたるつぼ１２によって構成されている。このるつぼ１２は、底面に設けられた出湯口１２ａを開閉するストッパ１３と、るつぼ１２内の溶融材料１の温度を計測する熱電対１４とを備えている。ストッパ１３は図示しないアクチュエータによって上下動することによって、出湯口１２ａから落下する溶融材料１の量を制御し、あるいは完全に停止させる。溶融材料１の供給は、微粒化効率を上げると共に事故に繋がる大規模な蒸気爆発を起こさないようにする上で、できるだけ少量としかつ比表面積を大きくした状態であることが好ましい。そこで、本実施形態では、例えば数ｇ程度の液滴にして１滴ずつ数珠状に滴下させるようにしている。しかし、これに特に限定されるものではなく、高い微粒化効率を得たい場合には溶融液滴径よりも小さくすることが好ましく、例えば数１００μｍ、最も好ましくは霧状にして液体冷媒３と接触させる。また、ジェット流として供給してもよい。
【００７８】
冷却部２０は、本実施形態の場合、冷たい液体冷媒３を高速ジェット流であるの噴流３ａとして供給し、この噴流３ａの中に溶融材料１の液滴１ａを混合させて通過させる複数のノズル（以下噴流ノズルと呼ぶ）２１と、この噴流ノズル２１からの液体冷媒３の噴流３ａの流れを案内するガイド部材２２とによって構成されている。ガイド部材２２は、噴流ノズル２１からの液体冷媒３の噴流３ａが衝突した後の分散を防止すると共に、生成される圧力波を拘束および反射させて微粒化効率を高めるという作用を具備する。なお、ガイド部材２２は必ずしも設ける必要ない。
【００７９】
噴流ノズル２１は、液体冷媒３を所定の速度で所定の角度で噴出するものであり、図では２本図示しているが、３本以上の複数本が放射状に配置されていてもよい。勿論、１本の噴流ノズル２１であってもよい。本発明では、このような噴流ノズル２１からの高速の噴流中に溶融材料１の液滴１ａを自由落下に近い速度で供給し、混合された際に液滴１ａが大きな速度差による剪断力を受けるようにしている。これにより、液滴１ａの周りに形成された蒸気膜が強制的に崩壊され、蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化する。
【００８０】
この噴流ノズル２１は、複数の噴流が衝突した後、一つの下方への安定した流れになり且つ上方に溶融材料１の液滴１ａを供給する空間が存在するような角度に設置されている。すなわち、鉛直方向に対して４°以上８０°以下とするのが好ましい。なお、噴流ノズル２１からの噴流３ａの方向は下方に向かう必要はなく、鉛直方向下方から傾斜した方向、水平方向、あるいは上方への方向でもよく、また、これらの場合において、液滴１ａの供給方向も特に限定されず、噴流ノズル２１により形成される噴流の中に有効に混合される方向であればよい。
【００８１】
このような噴流ノズル２１からの噴流３ａに対して液滴１ａを供給する場合、液滴１ａは複数の噴流３ａの衝突領域に供給するのが好ましい。液滴１ａに形成された蒸気膜に効率的に剪断力を与えて効率よく崩壊させるためである。
【００８２】
ここで、噴流３ａの中に溶融材料１の液滴１ａを供給し、相対速度差で蒸気膜を崩壊させるためには、相対速度差が１ｍ／ｓ以上、好ましくは、１０ｍ／ｓ以上であるのが好ましい。したがって、液滴１ａを自然落下に近い状態で１００ｍｍ鉛直下方の噴流に供給する場合には、噴流の速度を２．４ｍ／ｓ以上、好ましくは、１２ｍ／ｓ以上、溶融材料１を速度０．１〜３ｍ／ｓ程度のジェット流として供給する場合には、３．３ｍ／ｓ以上、好ましくは、１３ｍ／ｓ以上とする。
【００８３】
ここで、液滴１ａの周りの蒸気膜を崩壊させて溶融材料１に液体冷媒３を接触させるための条件を求めてみる。液体冷媒３とその蒸気膜との界面がＫｅｌｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ型の不安定現象を生じるとし、界面の代表長さ、この場合に溶融材料１の液滴１ａの径が１ｍｍであるとし、１気圧の水の物性値を参照してＫｅｌｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ不安定波長が１ｍｍになる相対速度を求めると、２５ｍ／ｓと求まる。この仮定に基づけば、直径１ｍｍの溶融材料１の液滴１ａの蒸気膜を崩壊させるためには、液滴１ａに対して相対速度２５ｍ／ｓの水噴流を接触させればよいことになり、直径が５００μｍの場合には、相対速度３５ｍ／ｓの水噴流を接触させればよい。
【００８４】
液体冷媒３としては、溶融金属などの微粒化しようとする溶融材料と接触して自発核生成による沸騰を起こし得る液体であれば良く、例えば水や液体窒素、並びにメタノールやエタノール等の有機溶媒やその他の液体を使用することができるが、一般的には経済性並びに安全性に優れる水が使用される。液体冷媒３の選定は溶融材料１の材質に応じて決定されるが、本発明方法では、蒸気膜の崩壊を強制的に行うので、溶融材料１が高融点であっても水を使用することができる。すなわち、先に開発した技術のように蒸気膜の凝縮を待つ場合には、フロン系溶媒、または代替フロン系溶媒などを用いる必要があったが、本発明方法の場合には、水を使用することができる。
【００８５】
また、溶融材料１として融点の高いものを使用する場合にも、液体冷媒３に塩を添加してもよい。この場合の添加する塩としては、例えば、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硝酸カルシウムの使用が可能である。勿論、溶融材料と反応しない種類の塩を選択して使用することが望まれることは言うまでもない。また、塩を含む液体冷媒３とする場合には、海水を利用することが好ましい。
【００８６】
液体冷媒３への塩の添加は、塩が溶解して溶融材料を覆う蒸気膜の周りに存在するため、その中に存在する水分子が相対的に少なくなり、イオンが邪魔をして冷媒側からの蒸発が起こり難くなるにも拘わらず、凝縮は通常に起こるため、全体として凝縮の方向に向かうものと思われる。したがって蒸気膜崩壊を促進できる。
【００８７】
回収手段３０は、例えばフィルタである。本実施形態では、２段のフィルタ３１，３２を使用して、所定粒径の溶融材料微粒子を回収するようにしている。１段目のフィルタ３１には目的とする粒径よりも目の粗いものを、２段目のフィルタ３２には目的とする粒径よりも目の細かいものを使用する。そして、１段目のフィルタ３１を通過して２段目のフィルタ３２によって捕捉された溶融材料微粒子を製品として回収する。また、１段目のフィルタ３１によって集められた微粒子は、るつぼ１２に戻されて再度溶融されてから微細化処理に供するようにしてもよい。なお、フィルタ３１，３２を通過した液体冷媒３は回収容器３３に回収される。
【００８８】
この製造装置では、事故に繋がらない程度の小規模な自発核生成による沸騰を起こさせ、それによって生じる圧力波を利用して液体冷媒３中に滴下した溶融材料１を微粒化させるようにしている。
【００８９】
また、この製造装置には、少なくとも材料供給手段１０から混合ノズル２に供給される溶融材料１の酸化を防ぐ酸化防止手段４０が備えられている。また、場合によっては、るつぼ１２を含めて製造装置全体を不活性雰囲気で覆う酸化防止手段を設けて、るつぼ１２に貯留されている間に溶融材料１が酸化されないように設けられる。この酸化防止手段４０は、例えば不活性ガスを利用したものであり、少なくともるつぼ１２の出湯口１２ａと噴流ノズル２１との間の空間を外部から遮蔽するケーシング４１を設けてその中に不活性ガスを充填したもので、溶融材料１の液滴が不活性雰囲気中を滴下するように設けられている。不活性ガスとしては例えばアルゴン等が使用される。
【００９０】
以上のように構成された装置を用いて、以下のようにして、例えば、溶融材料の微粒子を製造することができる。
【００９１】
まず、複数本の噴流ノズル２１から所定量の液体冷媒３を噴出し、ガイド部材２２内に液体冷媒３の高速流を形成する。また、るつぼ１２内の溶融材料１を、液体冷媒３と直接接触した場合の溶融材料１と液体冷媒３との界面温度が自発核生成温度よりも十分高くなるような温度まで加熱保温しておく。ここで、加温温度は、強制的に蒸気爆発を起こさせるまでの対流や放射による冷却を考慮し、蒸気爆発発生時において溶融材料１の融点より十分に大きくなるように決定する。
【００９２】
この状態で、材料供給手段１０のストッパ１３を上昇させて、るつぼ１２内の溶融材料１を１滴ずつ数珠状に自由落下させる。溶融材料１は、噴流ノズル２１の衝突領域で液体冷媒３内に供給され、高速流内に入る。溶融材料１の液滴１ａの温度が高いため膜沸騰で発生した蒸気膜で覆われた粗混合状態になる。このとき、蒸気膜は、溶融材料１の熱を受けて冷媒・水が蒸発することによって溶融材料１の液滴１ａの周りに発生する。この蒸気膜は、溶融材料１からの熱を受けて進行する蒸発と冷媒による冷却との熱収支がバランスすることによって定在するが、液体冷媒３の高速流と液滴１ａの速度との速度差により蒸気膜が強制的に崩壊される。そして、溶融材料１の液滴１ａの全面で同時に液体冷媒３と接触して、その界面温度が自発核生成温度以上となることから、溶融材料１の粒子の周りの低温側の液体である液体冷媒３中に自発核生成による沸騰が起こる。自発核生成による沸騰は急速な蒸発を生じ、蒸気泡を急膨張させて高い圧力波を発生させる。この圧力波は極めて高速で伝播し、溶融材料１の粒子の全体に一様に作用することから、粒子は圧力波でひきちぎられるように砕かれて微粒化する。同時に、微粒化により、比表面積が大きくなり、冷却速度を更に高める。それは更に冷媒からの蒸発を増やして、蒸気膜形成、蒸気膜崩壊、自発核生成による沸騰と発展して更なる圧力波を生み出す。
【００９３】
そこで、分散したどこかの粒子で蒸気膜が破れると、そこで発生した圧力波が他の粒子に及んで次々に自発核生成による沸騰を引き起こさせる。そしてこの溶融材料１の微粒化は、その比表面積を大きくして冷却を速めることから、それが更に冷媒からの蒸発が増やして更なる圧力波を生み出すという正のフィードバックがかかり、微粒化が促進されると同時に急速に冷却される。したがって、大きな固まりを残すことなく、効率的に微粒化できる。
【００９４】
ここで、溶融材料１は、数μｍの自発核生成気泡から発生する圧力波を利用して微粒化するので、容易にサブμｍオーダーから１００μｍオーダーまで製造できる。しかも、従来の微粒子製造方法並びに装置では実現困難であった、８００℃という高融点の原料を用いても、液体冷媒として水を用いて、容易に、数μｍ、特に３μｍ程度の従来方法では得られなかった大きさ、さらには、サブμｍオーダーの微粒子の製造を実現できる。しかも、全体が同時に微粒化することによって大きな固まりが残らないので、収率が大きく、歩留まりが良い。更に、粒径分布が集中するので、所望とする径の微粒子が大量に得られる。そして、この場合、単位質量当たりの微粒化効率（微粒化割合）を良くできる。しかも、微粒化が進むと比表面積が大きくなって更に冷却速度も高まる。
【００９５】
尚、微細化された微粒子と液体冷媒３はガイド部材２２内を落下し、液体冷媒３は１段目のフィルタ３１と２段目のフィルタ３２を通過して回収タンク３３内に戻される。そして、微粒子はフィルタ３１あるいはフィルタ３２に捕捉される。
【００９６】
ここで、図３〜図８を用いて本発明の一実施形態の他の例を示す。
【００９７】
図３には、８本の噴流ノズル２１をガイド部材２２の周囲に均等に配置し、高速噴流を噴出する装置構成を示す。このように８本の噴流ノズル２１を設けることにより、１２０ｍ／ｓ以上の高速で、且つ１２８Ｌ／ｍｉｎ以上の流量を確保することができ、微粒子の製造効率を向上させることができる。
【００９８】
また、上述の実施形態では、噴流ノズル２１によって構成された噴流をガイド部材２２の中に流すようにしたが、これに限るものではない。例えば、図４に示すように、冷媒受け２３の中に湛えられた液体冷媒３の液面近傍で噴流ノズル２１から噴出される噴流３ａが衝突するようにしてもよい。この場合、微粒子は冷媒受け２３の液体冷媒３の中に製造され、回収部２３ａから回収される。なお、冷媒受け２３中には、液面をほぼ均一にするように常に新しい液体冷媒３が供給され、また、底部には全体の温度を均一にするための攪拌装置２４が設けられている。勿論、攪拌装置２４は必ずしも設ける必要はない。
【００９９】
更には、図５に示すように、噴流ノズル２１からの噴流３ａを噴流に対向する液体冷媒３の流れ、この場合には、上方に向かう流れで受け止めるようにしてもよい。すなわち、ガイド部材２２内に、冷媒噴出管２５を設け、この冷媒噴出管２５からの噴流２５ａに向かって噴流３ａを噴出するようにしてもよい。なお、噴流２５ａの方向は上方に向かうものに限定されず、斜め上に向けて（あるいは図示していないが水平方向に向けて）放出させるように冷媒噴出管２５を設けてもよい。
【０１００】
図６には、移動部材上に液体冷媒３を供給して流れを形成し、ここに溶融材料１の液滴１ａを供給することにより液体冷媒３と液滴１ａとの相対速度差を形成し、蒸気爆発させる実施形態を示す。
【０１０１】
図６に示す実施形態では、移動部材として、回転自在に設けられた円錐状のコーン４０を採用した。コーン４０は、円錐状のコーン本体４１と、この上部に設けられた円錐蓋部材４２とを具備し、両者は一体的に中心軸を中心に回転駆動されるようになっている。また、コーン本体４１の中心部には、下部から上部に向かって液体冷媒３を供給する供給路４３を具備し、供給路４３はコーン本体４１の頂点の供給口４４へ連通している。従って、供給路４３から供給された液体冷媒３は供給口４４から吹き出して円錐蓋部４２の内壁で折り返されて回転するコーン本体４１の表面を流れ落ちる。
【０１０２】
本実施形態では、コーン本体４１の表面に流れ落ちる液体冷媒３の流れの中へ溶融材料１の液滴１ａを滴下する。これにより、液滴１ａは、回転するコーン本体４１上を流れ落ちる液体冷媒３中に供給される。
【０１０３】
この場合、液体冷媒３の流れの下に固体であるコーン本体４１が存在するので、液体冷媒３の変形が抑えられ、コーン本体４１が回転することにより、コーン本体４１表面近傍での液体冷媒３と液滴１ａとの相対速度差による蒸気膜崩壊が促進される。
【０１０４】
このようなベーストリガーを利用した実施形態においては、液滴１ａを比較的小さくしても容易に強制的に蒸気膜を崩壊できるので、液滴１ａの滴下経路に超音波を利用した微細化手段や高圧ガスを利用したガスアトマイズ法などの微細化手段を介在させてもよく、これにより急冷効率を著しく向上させることができる。
【０１０５】
また、回転部材は円錐形状の他、円盤状でもよい。また、例えば、回転駆動される無端ベルトなど、一方向に移動する部材上に液体冷媒３を供給してもよく、その形態は限定されない。
【０１０６】
以上説明した実施形態では、溶融材料１の液滴１ａと噴流３ａとの相対速度差によって液滴１ａの蒸気膜を強制的に崩壊させるものを説明したが、蒸気の凝縮による圧力波によって蒸気膜を強制的に崩壊してもよい。
【０１０７】
このような実施形態の一例を図７に示す。この実施形態では、液体供給部５１と蒸気供給部５２とを具備する流体ノズル５０を用い、液体供給部５１からの液体冷媒３の流れに冷媒蒸気５を溶融材料１の液滴１ａと共に混合するようにしたものである。すなわち、このような流体ノズル５０を用いると、冷媒蒸気５は液体冷媒３に混合されると、急激に冷却されて凝縮するが、このとき冷媒蒸気５と共に供給される液滴１ａは凝縮による圧力波を受けて、蒸気膜が強制的に崩壊され、微粒化される。
【０１０８】
このように蒸気膜を崩壊させるような圧力波が発生するような凝縮を生じさせるためには、液体冷媒３と冷媒飽和温度との温度差は１０℃以上必要であり、望ましくは３０℃以上である。また、供給される冷媒蒸気５の量は１Ｌ／ｍｉｎ〜３００Ｌ／ｍｉｎ程度必要である。なお、このとき、液体冷媒３の流速、冷媒蒸気５の流速は特に限定されず、上述したような高速である必要はないが、０．５ｍ／ｓ以上とするのが好ましい。
【０１０９】
なお、冷媒蒸気５は、液体冷媒３と同一である必要はないが、本発明では、液体冷媒３として水、冷媒蒸気５として水蒸気を用いるのが好ましい。
【０１１０】
また、蒸気の凝縮力で、液滴１ａの蒸気膜を強制的に崩壊させる方法はこれに限定されず、例えば、図８に示すように、冷媒溜５５に液体冷媒３を湛えておき、これに液滴１ａを供給し、液体冷媒３中に供給された液滴１ａの周囲に冷媒蒸気５を蒸気供給管５６から供給するようにしてもよい。これにより、蒸気供給管５６から供給された蒸気５は凝縮し、この凝縮による圧力波により液滴１ａの周りに形成された蒸気膜が強制的に破壊される。そして、この場合、微粒子は冷媒溜５５の液体冷媒３の中に製造され、回収部５５ａから回収される。なお、冷媒溜５５中には、液面をほぼ均一にするように常に新しい液体冷媒３が供給され、また、底部には全体の温度を均一にするための攪拌装置５７が設けられている。勿論、攪拌装置５７は必ずしも設ける必要はない。
【０１１１】
なお、以上説明した実施形態では、酸化防止手段４０としてケーシング４１内を不活性ガス雰囲気にしていたが、不活性ガス雰囲気にすることに代えて、水素や一酸化炭素等の還元ガス雰囲気にしたり、あるいはケーシング４１内を減圧して酸素濃度の低い真空状態にするようにしても良い。なお、ケーシング４１内を減圧することで自発核生成による沸騰を激しくすることができ、液滴１ａをより微粒化し易くなる。また、装置全体を不活性ガス雰囲気や還元ガス雰囲気中に設置したり、減圧したケーシング内に設置しても良い。
【０１１２】
さらに、溶融材料１をあらかじめ外力を加えて微細化して液体冷媒３中に供給するようにしても良い。例えば、材料供給手段１０と液体冷媒３の間に溶融材料を微細化する手段を設けることによって、溶融材料１の液滴１ａをある程度細かくした後に液体冷媒３中に供給することができる。この場合、微細化手段によって溶融材料１をある程度細かくしてから液体冷媒３中へ供給するため、比表面積が大きくなって蒸気膜の生成と冷却がより効率的となる。その後、液体冷媒３中で蒸気膜が強制的に崩壊され、自発核生成による沸騰を生じさせてこの沸騰で発生する圧力波によって溶融材料１をさらに微粒化することができる。このため、液体冷媒３中における溶融材料１の微粒化をより一層促進することができると共に、その冷却速度をより一層向上させることができる。溶融材料１を微細化する微細化手段としては、例えば該に微細化技術として確立している超音波照射技術の応用が好ましく、材料供給手段１０と液体冷媒３の噴流３ａとの間に超音波照射装置を設置し、材料供給手段１０から滴下される溶融材料１の液滴１ａに１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ程度の超音波を照射するようにしても良い。また、溶融材料１の液滴１ａが通過する空間に電場を形成して液滴１ａを微細化する装置の使用も可能である。なお、溶融材料１の液滴１ａを微細化するのは、材料供給手段１０から溶融材料１が放出された直後であることが適切であると考えられる。
【０１１３】
また、上述の説明では、るつぼ１２の出湯口１２ａから溶融材料１を滴下させることで噴流３ａの衝突領域に供給していたが、出湯口１２ａから溶融材料１をジェット状に噴出させるようにしても良い。この場合には、糸状に細く量が少ないことが必要である。
【０１１４】
（実施例）
軟磁性材料であるＦｅ７８Ｓｉ９Ｂ１３原料（融点９８５℃）とし、図３に示した装置を用い、８方向に配置した噴流ノズル２１から、流量３２Ｌ／ｍｉｎ、噴流速度８４ｍ／ｓの水噴流（水温１７℃）を衝突させ、原料を約１．６ｍｍの粒径で滴下し、微粒化した。
【０１１５】
図９に得られた微粉末の電子顕微鏡写真を示す。この結果、中心粒径３７μｍの微粒子が得られたことが確認された。また、急冷されているために、いわゆる「蒸気爆発により引きちぎられた」状態のまま凝固していることが判明した。勿論、本装置でも、冷却流量を減少させる、または冷却材温度を上昇させるに伴い、冷却速度が減少するため、より球形に近い粉末を得ることができる。
【０１１６】
さらに、微粒化前と微粒化後のＸ線回折分析をした結果、微粒化前の原料ではＦｅ２Ｂとα-Ｆｅ（Ｓｉ）のピークがいくつか観察されたが、急冷した粉末からは顕著なピークが存在せず、極めて高い非晶質化度が得られたことが確認された。
【０１１７】
このように、本発明によると、従来、非晶質化が不可能とされていた鉄系合金の非晶質化が可能であることが確認された。
【０１１８】
（比較例）
速度差を１ｍ／ｓ未満と小さくして、Ｆｅ７８Ｓｉ９Ｂ１３を水の中に滴下したところ、蒸気爆発に至らしめることができず、直径１．６ｍｍの液滴のまま、球状に凝固した。
【０１１９】
実施例及び比較例で得られたものについてＸ線回折を行った結果を図１０に示す。実施例で得られた急冷した粉末では、顕著なピークが観察されず、極めて高い非晶質化度が得られたことが確認された。一方、比較例では、徐冷で得られたものについてＦｅ２Ｂとα-Ｆｅ（Ｓｉ）のピークがいくつか観察され、原材料とほぼ同じ強度分布を示し、非晶質化が不可能であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る微粒子の製造装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る微粒子の製造装置の要部拡大図である。
【図９】本発明の実施例で製造した微粒子の顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の実施例で製造した微粒子及び比較例で得られたもののＸ線回折分析結果を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給して当該液体冷媒の流れに入った前記溶融材料の速度と当該液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせることによって蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、前記液体冷媒の流れを、一つの高速ジェット流とし、当該高速ジェット流内に前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項２において、前記液体冷媒の流れを、複数の高速ジェット流を衝突させて形成し、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記高速ジェット流を衝突させて形成した流れを、ガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記複数の高速ジェット流を、液体冷媒の溜まりの液面近傍で衝突させ、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記液体冷媒の溜まりが、前記溶融材料の流れに対向して噴出する噴流であることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項８】
請求項４〜７の何れかにおいて、前記高速ジェット流を、衝突後に形成される流れの方向に対して４°以上８０°以下に傾斜させて衝突させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項９】
請求項２において、前記液体冷媒の流れを移動部材上に液体冷媒を供給することにより形成し、当該液体冷媒内へ前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記移動部材が、円盤状又は円錐状の回転体であることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１１】
請求項２〜１０の何れかにおいて、前記液体冷媒の流れと前記溶融材料との速度差を１ｍ／ｓより大きくしたことを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１において、前記液体冷媒の蒸気を前記液体冷媒中に供給し、当該蒸気の凝縮による圧力波により前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２において、前記液体冷媒の蒸気と共に前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３において、前記液体冷媒の流れをガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１２において、前記溶融材料を液体冷媒の溜まりの中に供給し、供給された溶融材料に向かって前記液体冷媒の蒸気を供給することにより前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れかにおいて、前記微粒化しようとする原料が、溶融灰、高炉スラグ、セラミックス材、及び金属から選択される一種であることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６において、前記微粒化しようとする原料が、融点８００℃以上のものであることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７の何れかにおいて、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を非晶質とすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１〜１７の何れかにおいて、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１〜１９の何れかにおいて、前記液体冷媒は塩が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２１】
請求項１〜２０の何れかにおいて、前記液体冷媒は当該液体冷媒と前記蒸気膜との気液界面を乱す無機微粒子が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１〜２１の何れかにおいて、前記溶融材料の酸化を防止しながら前記液体冷媒中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２３】
微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段と、溶融材料を冷却固化させる液体冷媒を含む冷却部と、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させて微粒化すると共に冷却固化する蒸気膜崩壊手段と、液体冷媒中から微粒子を回収する回収手段とを備えることを特徴とする微粒子の製造装置。
【請求項１】
微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料を液体冷媒の中に液滴又はジェット流として供給し、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させ、微粒化すると共に冷却固化することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給して当該液体冷媒の流れに入った前記溶融材料の速度と当該液体冷媒の流れの速度との相対速度差を生じさせることによって蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、前記液体冷媒の流れを、一つの高速ジェット流とし、当該高速ジェット流内に前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項２において、前記液体冷媒の流れを、複数の高速ジェット流を衝突させて形成し、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記高速ジェット流を衝突させて形成した流れを、ガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記複数の高速ジェット流を、液体冷媒の溜まりの液面近傍で衝突させ、前記溶融材料を前記高速ジェット流の衝突領域に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記液体冷媒の溜まりが、前記溶融材料の流れに対向して噴出する噴流であることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項８】
請求項４〜７の何れかにおいて、前記高速ジェット流を、衝突後に形成される流れの方向に対して４°以上８０°以下に傾斜させて衝突させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項９】
請求項２において、前記液体冷媒の流れを移動部材上に液体冷媒を供給することにより形成し、当該液体冷媒内へ前記溶融材料を供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記移動部材が、円盤状又は円錐状の回転体であることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１１】
請求項２〜１０の何れかにおいて、前記液体冷媒の流れと前記溶融材料との速度差を１ｍ／ｓより大きくしたことを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１において、前記液体冷媒の蒸気を前記液体冷媒中に供給し、当該蒸気の凝縮による圧力波により前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２において、前記液体冷媒の蒸気と共に前記溶融材料を前記液体冷媒の流れの中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３において、前記液体冷媒の流れをガイド部材の中に形成させて流れを分散させないようにすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１２において、前記溶融材料を液体冷媒の溜まりの中に供給し、供給された溶融材料に向かって前記液体冷媒の蒸気を供給することにより前記蒸気膜を強制的に崩壊させることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れかにおいて、前記微粒化しようとする原料が、溶融灰、高炉スラグ、セラミックス材、及び金属から選択される一種であることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６において、前記微粒化しようとする原料が、融点８００℃以上のものであることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７の何れかにおいて、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を非晶質とすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１〜１７の何れかにおいて、前記微粒化及び冷却固化条件を調整することにより、得られる微粒子を所望の結晶粒径を有する多結晶とすることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１〜１９の何れかにおいて、前記液体冷媒は塩が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２１】
請求項１〜２０の何れかにおいて、前記液体冷媒は当該液体冷媒と前記蒸気膜との気液界面を乱す無機微粒子が添加されたものであることを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１〜２１の何れかにおいて、前記溶融材料の酸化を防止しながら前記液体冷媒中に供給することを特徴とする微粒子の製造方法。
【請求項２３】
微粒化しようとする原料を溶融した溶融材料をその供給量を制御しながら供給する材料供給手段と、溶融材料を冷却固化させる液体冷媒を含む冷却部と、当該液体冷媒に供給された前記溶融材料の周囲に形成された蒸気膜を強制的に崩壊させて蒸気爆発を促進させて微粒化すると共に冷却固化する蒸気膜崩壊手段と、液体冷媒中から微粒子を回収する回収手段とを備えることを特徴とする微粒子の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２００６−５１９０９９（Ｐ２００６−５１９０９９Ａ）
【公表日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０２６８６（Ｐ２００６−５０２６８６）
【出願日】平成１６年３月１日（２００４．３．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００２５０１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７６０５０
【国際公開日】平成１６年９月１０日（２００４．９．１０）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年３月１日（２００４．３．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００２５０１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７６０５０
【国際公開日】平成１６年９月１０日（２００４．９．１０）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]