JPH0848510A

JPH0848510A - アーク放電によるフラーレン自動合成装置

Info

Publication number: JPH0848510A
Application number: JP6183266A
Authority: JP
Inventors: Satoru Mieno; 哲三重野
Original assignee: Sanyo Aluminum Co Ltd
Current assignee: Sanyo Aluminum Co Ltd
Priority date: 1994-08-04
Filing date: 1994-08-04
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】磁場によるＪｘＢ力によりアーク炎部のプラ
ズマをジェット放出させてマイナス側の炭素電極棒への
炭素再付着量を抑制することで、フラーレン生成質量を
増加させた新規なフラーレン自動合成装置を提供する。【構成】真空チャンバー１３内にヘリウムガスを充填
するとともに、プラス・マイナス一対の炭素電極棒２
１，２３を対向配置し、両炭素電極棒間にアーク炎を発
生させる。更に、プラス側炭素電極棒２１からマイナス
側炭素電極棒２３に流れる電流と直交方向に定常磁束密
度（磁場）Ｂを付与する磁場付与手段Ｍ，ＥＭを配置す
る。これにより、上記アーク炎Ａに対して垂直上方にプ
ラズマのジェット放出を引き起こすＪｘＢ力を付与させ
たアーク放電によるフラーレン自動合成装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アーク放電によるフラ
ーレン自動合成装置に関し、直流アーク放電によるフラ
ーレン合成時に、マイナス側の炭素電極棒への炭素再付
着を低下させ、より効率的なフラーレン合成が行えるよ
うに改良したものである。

【０００２】

【従来の技術】煤に含有するフラーレンＣ₆₀は、新しい
形状の炭素分子からなり、電池材料、エレクトロニク
ス、触媒等に使用されている。上記フラーレンの効率的
な合成方法として、直流アーク放電法がある。この具体
的なフラーレン合成装置１０は、図１０に示すように、
真空チャンバー１内に金属管３，５を対向配置し、この
金属管３，５内に炭素棒７，９を通してその先端を所定
の間隔に対向させる。

【０００３】そして、真空にしたチャンバー１内の空間
Ｅにヘリウムガスを充填させた状態にて、直流電圧を両
炭素電極棒７，９間にかけてアーク放電を起させ、図１
１のアーク炎Ａを発生させる。このとき、プラス側の炭
素電極棒７が加熱されて蒸発し、プラスの炭素イオンや
炭素原子となり、チャンバー１内での熱対流により上方
へ吹き上げられ、空中で炭素原子同士が化学反応を起し
てフラーレンＣ₆₀という炭素分子が生成され、これは煤
としてチャンバー１の上部壁１Ａに多く付着する。プラ
ス側の炭素電極棒７が加熱蒸発して、マイナス側の炭素
電極棒９との隙間が大きくならないように、モータドラ
イブの送り制御手段１１により、プラス側の炭素電極棒
７をマイナス側の炭素電極棒９の方へ送り出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記直流アーク放電に
よるフラーレン合成装置１０によると、図１１に示すよ
うに、両電極の空間は球形の「アーク炎Ａ」で全体的に
覆われる。そして、アーク中炭素イオンはマイナス側へ
加速されていく。従って、プラス側の炭素電極棒７から
加熱蒸発した炭素原子がマイナス側の炭素電極棒９に積
極的に再付着するため、フラーレン合成率の低下、放電
条件制御が難しくなる。マイナス側の炭素電極棒９の成
長による連続放電の困難化等の障害が生じる。このため
に、一定時間毎にマイナス側炭素電極棒９の析出物除去
作業が必要になり、フラーレンＣ₆₀の合成率を大きく低
下させてしまうという問題点がある。

【０００５】本発明は、上記従来の直流アーク放電によ
るフラーレン自動合成装置における問題点を解消するた
めに、磁場によるＪｘＢ力によりアーク炎部のプラズマ
をジェット放出させてマイナス側の炭素電極棒への炭素
再付着量を抑制することで、フラーレン生成質量を増加
させた新規なフラーレン自動合成装置を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するべ
く、請求項１の発明は、真空容器である真空チャンバー
内に希ガス（ヘリウムガス，アルゴンガス等）を充填す
るとともに、プラス・マイナス一対の炭素電極棒を対向
配置し、上記両炭素電極棒間にアーク炎を発生させ、更
にプラス側炭素電極棒からマイナス側炭素電極棒に流れ
る電流と直交方向に磁場（定常磁束密度）を付与する磁
場付与手段を配置し、上記アーク炎に対して垂直上方に
プラズマのジェット放出を引き起こすＪｘＢ力（ローレ
ンツ力）を付与させることを特徴とするものである。

【０００７】又、請求項２の発明は、請求項１におい
て、磁石又は電磁石によって磁場付与手段を構成したこ
とを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】上記請求項１の発明によると、電流と垂直方向
に定常磁束密度が磁場により存在するから、アーク中電
子、イオンはＪｘＢ力により垂直上向に加速され、プラ
ズマのジエット放出を引き起こす。雰囲気ガス圧力が高
い条件では、この流れが熱対流速度を高め、蒸発炭素が
マイナス側炭素電極棒に到達する前に、気中炭素を上方
に吹き上げてしまう。よって、アーク炎の形状も上方へ
尾を引いた形となる。

【０００９】上記作用により、蒸発炭素がマイナス側炭
素電極棒への再付着を抑える働きの他、熱対流の加速や
炭素流束を望んだ方向へ制御することも可能となり、更
に等価的な放電抵抗を高め、炭素加熱効率の上昇も期待
できる作用効果が得られる。

【００１０】本発明の請求項２によると、磁場付与手段
を磁石又は電磁石によっているから、簡潔な構成にてＪ
ｘＢ力をアーク炎に対して発生させられる上に、磁束密
度の調節によるＪｘＢ力の調節も電磁石によれば、簡潔
に行える。

【００１１】

【実施例】次に、本発明に係る直流アーク放電のフラー
レン自動合成装置の実施例につき、図面により具体的に
説明する。図１，２は、本発明に係るアーク放電による
フラーレン自動合成装置１００の第１実施例を示してい
る。

【００１２】上記フラーレン自動合成装置１００は、ス
テンレス製の真空容器（例えば、直径約１８ｃｍ、高さ
２０ｃｍで、水平面内の四方に枝管１３Ｂ，１３Ｃ，１
３Ｄ，１３Ｅを持つ）である真空チャンバー１３内に金
属管１５，１７を対向配置し、この金属管１５，１７内
に各炭素電極棒２１，２３を通してその先端を所定の間
隔に対向させている。そして、１０²Ｔｏｒｒ以下に排
気したチャンバー１３内の真空空間Ｅに、ヘリウムガス
を約３００Ｔｏｒｒ充填させている。両炭素電極棒２
１，２３の接触による放電開始後も、図示しない直流電
源からの直流電圧が付与され続ける。更に、直流の放電
電流が常に一定になるように、放電ギャップ間がモータ
ドライブである送り制御手段２５により、プラス側の炭
素電極棒２１をマイナス側の炭素電極棒２３の方へ送り
出して制御されるよう構成されている。

【００１３】図２に示すように、上記フラーレン自動合
成装置１００の左前方（枝管１３Ｅに接近した真空容器
１３の外壁部）には、磁石Ｍ（例えば７×４×４ｃｍの
直方体フェライト磁石）が配置され、この磁石Ｍにより
磁場（アーク部分の磁束密度は約２３ガウス）が両電極
２１，２３間に直交した定常磁束密度Ｂとして矢印方向
に与えられている。

【００１４】しかして、上記両炭素電極棒２１，２３間
に、例えば、放電電流Ｉｄ＝５０〜１００Ａ，炭素棒直
径ｄ＝６ｍｍ，放電時間Ｔｄ＝３０分〜１時間の条件の
基で、直流電圧を掛けてアーク放電を起させると、図５
のアーク炎Ａ´を発生させる。上記アーク炎Ａ´は、電
流Ｊと垂直方向に定常磁束密度Ｂが磁場により存在する
から、アーク中電子、イオンはＪｘＢ力により垂直上向
に加速され、プラズマのジエット放出を引き起こした形
状を呈する。

【００１５】よって、雰囲気ガス圧力が高い条件では、
この流れが熱対流速度を高め、蒸発炭素がマイナス側の
炭素電極棒２３に到達する前に、気中炭素を上方に吹き
上げる。よって、アーク炎Ａ´の形状も上方へ尾を引い
た形となる。このとき、プラス側の炭素電極棒２１が加
熱されて蒸発し、プラスの炭素イオンとなり、チャンバ
ー１３内での熱対流により上方へ吹き上げられ、空中で
炭素原子同士が化学反応を起してフラーレンＣ₆₀という
炭素分子が生成され、これは煤としてチャンバー１３の
上蓋内壁１３Ａに多く付着するように作用する。

【００１６】そして、放電終了後、フラーレン自動合成
装置１００の上蓋１３Ａ内、側面１３Ｇ、底面１３Ｆの
３ヵ所に付着した煤を集め、その重さを測定する。次に
それぞれの煤を良く掻き混ぜた後、その１ｍｇを７ｍｌ
のヘキサンで抽出し、吸光分析により煤中のフラーレン
Ｃ₆₀の含有率を測定した各結果を次に示す各グラフで説
明する。

【００１７】先ず、図６はマイナス側の炭素電極棒２３
に、再付着する炭素の質量Ｗｄｅｐｏ（ｇ）を従来型の
磁場なし（ａ）と、本発明の磁場あり（ｂ）で比較した
ものである。磁場なし（ａ）の約４ｄｅｐｏ（ｇ）に対
して、磁場あり（ｂ）は約２ｄｅｐｏ（ｇ）となり、５
０％減少していることが分かる。又、図７に示すよう
に、マイナス側の炭素軸方向の堆積長さＬｄｅｐｏ（ｍ
ｍ）についての比較でも、磁場なし（ｃ）の３０ｄｅｐ
ｏ（ｍｍ）から、磁場あり（ｄ）の１８ｄｅｐｏ（ｍ
ｍ）に減少している。尚、この時の放電電流８０Ａ，ヘ
リウム圧力３００Ｔｏｒｒ，ギャップ長さ約４ｍｍ，放
電時間１時間，ロッド間電圧３１〜３５Ｖである。

【００１８】次に、図８は真空容器１３の上部１３Ａ、
側面１３Ｇ、底部１３Ｆに堆積した煤質量を磁場あり
と、磁場なしで比較している。上部１３Ａ、側面１３Ｇ
において、磁場により煤生成量が増えており、特に、上
部は質量が２倍近くであり、炭素流束の制御の効果が現
われている。一方、この時のプラス側炭素電極棒２１の
減少質量は、磁場ありの方が小さく、より効果的な煤発
生が行われていることも分かった。

【００１９】続いて、図９では、キシレン抽出した溶液
の吸光度を比較している。即ち、λ＝３２９ｎｍのＣ₆₀
の吸光度（ＡＢＳ）よりＣ₆₀の含有率を比較すると、上
部、側面、底部の何れの場所においても、磁場ありの方
がフラーレンの含有率が高いことが分かる。特に、上部
１３Ａでの含有率は約１５重量％となる効果が見られ
る。その他として、放電の等価抵抗は磁場により約１％
上昇し、磁場強度に依存するが、まだその値は小さい。
放電維持する最大ギャップ長も磁場により短くなってい
る。

【００２０】本発明のフラーレン自動合成装置１００
は、上記実施例に限定されずその詳細構成を設計変更で
きること勿論である。例えば、図３，４に示す第２実施
例のように、磁石Ｍに替えて、電磁コイルＥＭを枝管１
３Ｅに嵌合させた形態で備えたフラーレン自動合成装置
１００´としてもよい。その他は、第１実施例と同一構
成である。この第２実施例においても、上記第１実施例
のフラーレン自動合成装置１００と全く同様の作用効果
が得られることが確認された。

【００２１】この第２実施例による作用上の特徴は、磁
束Ｂの方向が電極２１，２３に対して完全に直交するこ
と、そして、磁束密度の調節が電磁コイルＥＭの電流制
御で自由自在に行えるから、アーク炎Ａ´即ち、ＦｘＢ
力の調節も自在に行えることである。

【００２２】上記各実施例は、実験装置として製作し、
且つそれから得られた結果であり、実際の工場で稼働さ
れるときは、もっと大規模なものとし得る。また、プラ
ス側炭素電極棒２１の電極消耗に相応して電極間隔を一
定に保つ送り制御手段２５は、プラス側炭素電極棒２１
を移動させているが、マイナス側炭素電極棒２３を移動
させるようにしても良い。

【００２３】

【効果】以上詳述したように、請求項１の発明によると
きは、電流と垂直方向に定常磁束密度が磁場により存在
するから、アーク中電子、イオンはＪｘＢ力により垂直
上向に加速され、プラズマのジエット放出を引き起し、
雰囲気ガス圧力が高い条件で、この流れが熱対流速度を
高め、蒸発炭素がマイナス側電極に到達する前に、気中
炭素を上方に吹き上げてアーク炎を上方へ尾を引いた形
とする。これで、蒸発炭素がマイナス側の炭素電極への
再付着を抑えられる効果を発揮する。

【００２４】更に、熱対流の加速や炭素流束を望んだ方
向へ制御することも可能となり、更に等価的な放電抵抗
を高め、炭素加熱効率の上昇も期待できる等の多くの効
果が得られる。

【００２５】そして、請求項２の発明によるときは、磁
場付与手段を磁石又は電磁石によっているから、簡潔な
構成にてＪｘＢ力をアーク炎に対して発生させられる上
に、磁束密度の調節によるＪｘＢ力の調節も電磁コイル
によると、簡潔に行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す図で、フラーレン自
動合成装置の正断面図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す図で、フラーレン自
動合成装置の平断面図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す図で、フラーレン自
動合成装置の正断面図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す図で、フラーレン自
動合成装置の平断面図である。

【図５】本発明の第１実施例を示す図で、アーク炎の斜
視図である。

【図６】本発明の第１実施例を示す図で、再付着する炭
素質量の比較図である。

【図７】本発明の第１実施例を示す図で、炭素軸方向の
堆積長さの比較図である。

【図８】本発明の第１実施例を示す図で、真空容器に堆
積する煤質量の比較図である。

【図９】本発明の第１実施例を示す図で、真空容器に堆
積するＣ₆₀含有率の比較図である。

【図１０】従来型のフラーレン自動合成装置の平断面図
である。

【図１１】従来型のフラーレン自動合成装置のアーク炎
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１３真空容器（真空
チャンバー）１３Ａ上蓋内壁（上
部）１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ枝管２１プラス側の炭素
電極棒２３マイナス側の炭
素電極棒Ａ´ アーク炎Ｂ磁束密度Ｃ₆₀ フラーレンＥＭ電磁コイル（電
磁石）Ｍ磁石Ｊ電流ＪｘＢ作用力１００，１００´ フラーレン自動合成装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器である真空チャンバー内に希ガ
スを充填するとともに、プラス・マイナス一対の炭素電
極棒を対向配置し、上記両炭素電極棒間にアーク炎を発
生させ、更にプラス側炭素電極棒からマイナス側炭素電
極棒に流れる電流と直交方向に磁場を付与する磁場付与
手段を配置し、上記アーク炎に対して垂直上方にプラズ
マのジェット放出を引き起こすＪｘＢ力を付与させるこ
とを特徴とするアーク放電によるフラーレン自動合成装
置。
【請求項２】請求項１において、磁石又は電磁石によ
って磁場付与手段を構成したことを特徴とするアーク放
電によるフラーレン自動合成装置。