JP2012166991A - Raw material gas diffusion suppression-type apparatus for producing carbon nanostructure - Google Patents
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Abstract
【課題】カーボンナノ構造物の連続合成過程で原料ガスの拡散を防止して原料ガスの初期濃度を高濃度に維持でき、高品質のカーボンナノ構造物の量産を行うことのできる原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置を提供することである。
【解決手段】触媒層31を表面に形成した搬送ベルト19により反応炉1内に搬入して昇温領域3及び反応領域2を順に搬送し、昇温領域3を通過した触媒層を反応領域2に移送して原料ガスにより触媒層上にCNTを成長させる。拡散抑制体6、7により、搬送ベルト19が通過可能な間隙8を残して炉内断面を縮減して昇温領域3及び反応領域2の境界領域を仕切り、反応領域2に供給された原料ガスの、昇温領域3側への拡散を抑制する。
【選択図】図1[PROBLEMS] To suppress the diffusion of a raw material gas in the continuous synthesis process of carbon nanostructures and maintain the initial concentration of the raw material gas at a high concentration, and to suppress the diffusion of the raw material gas capable of mass-producing high-quality carbon nanostructures. It is providing a type carbon nanostructure manufacturing apparatus.
SOLUTION: A conveyor belt 19 having a catalyst layer 31 formed on the surface thereof is carried into a reaction furnace 1 to sequentially transport a temperature rising region 3 and a reaction region 2, and the catalyst layer that has passed through the temperature rising region 3 is transferred to the reaction region 2. And the CNTs are grown on the catalyst layer by the raw material gas. The diffusion suppressors 6 and 7 reduce the cross section in the furnace, leaving a gap 8 through which the transport belt 19 can pass, partition the boundary region between the temperature raising region 3 and the reaction region 2, and supply the raw material gas supplied to the reaction region 2 Is suppressed to the temperature rising region 3 side.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、カーボンナノチューブやカーボンナノコイル等のカーボンナノ構造物を製造するためのカーボンナノ構造物製造装置に関し、特には、反応領域において原料ガスの拡散を抑制して高品質のカーボンナノ構造物を製造する原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置に関する。 The present invention relates to a carbon nanostructure manufacturing apparatus for manufacturing carbon nanostructures such as carbon nanotubes and carbon nanocoils, and in particular, high quality carbon nanostructures by suppressing diffusion of a raw material gas in a reaction region. The present invention relates to a raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus.
本発明のカーボンナノ構造物とは炭素原子から構成されるナノサイズの物質であり、例えば、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノチューブにビーズが形成されたビーズ付CNT、CNTが多数林立したブラシ状CNT、CNTが捩れを有したカーボンナノツイスト、コイル状のカーボンナノコイル(CNC)、カーボンナノホーンなどである。以下では、これら多数の炭素物質をカーボンナノ構造物と総称する。 The carbon nanostructure of the present invention is a nano-sized material composed of carbon atoms. For example, carbon nanotubes (CNT), beaded CNTs in which beads are formed on carbon nanotubes, brush-like CNTs in which many CNTs are erected CNTs are twisted carbon nano twists, coiled carbon nano coils (CNC), carbon nano horns, and the like. Hereinafter, these many carbon materials are collectively referred to as carbon nanostructures.
これらのカーボンナノ構造物を製造する方法として、炭化水素などの原料ガスを分解して目的物質を成長させる化学的気相成長法(CVD法、Chemical Vapor Deposition)の一種である、熱CVD法、つまり触媒を利用して目的物質を成長させる触媒化学的気相成長法(CCVD法、Catalyst Chemical Vapor Deposition)が知られている。 As a method for producing these carbon nanostructures, a thermal CVD method, which is a type of chemical vapor deposition method (CVD method, chemical vapor deposition) in which a source gas such as hydrocarbon is decomposed to grow a target material, That is, a catalytic chemical vapor deposition method (CCVD, Catalyst Chemical Vapor Deposition) in which a target substance is grown using a catalyst is known.
触媒化学的気相成長法に基づきカーボンナノ構造物を量産する場合には、触媒基体を用いて連続的にカーボンナノ構造物を成長させる反応領域を広域化して、カーボンナノ構造物製造装置を大型化する必要がある。 When mass-producing carbon nanostructures based on catalytic chemical vapor deposition, the reaction area for continuous growth of carbon nanostructures using a catalyst substrate is expanded to make the carbon nanostructure production equipment large. It is necessary to make it.
非特許文献1には、ブラシ状CNTの合成に関する形成メカニズムの考察が開示されている。この考察による形成メカニズムは以下の通りである。原料ガスのアセチレンガスC2H2を反応炉に供給する前に700℃付近まで昇温すると、Fe触媒膜は粒子化する。CVD合成の初期段階として、粒子化した触媒へC2H2分子から炭素原子が吸収され、一部は触媒内部に拡散し、他は触媒表面を泳動する。触媒表面で曲率をもつグラフェン層(以下、キャップという。)が形成されると、一気にCNTが成長するものと考えられるので、高品質のブラシ状CNTを製造するには効率よくキャップ形成を行うことが重要になる。特に、非特許文献1には、原料ガスの反応初期の濃度を高くすれば、キャップ形成を効率的に行えることが示唆されている。
また、非特許文献2には、より良質の高配向CNTを合成するには、反応前には炭素源となるアセチレンC2H2ガス濃度が10ppm以下の低濃度にする必要があることが開示されている。
Non-Patent Document 1 discloses a study of a formation mechanism related to the synthesis of brush-like CNTs. The formation mechanism based on this consideration is as follows. When the temperature of the raw material gas acetylene gas C 2 H 2 is raised to around 700 ° C. before being supplied to the reaction furnace, the Fe catalyst film is granulated. As an initial stage of CVD synthesis, carbon atoms are absorbed from the C 2 H 2 molecules into the particulate catalyst, a part of it diffuses inside the catalyst, and the other migrates on the catalyst surface. When a graphene layer with a curvature on the catalyst surface (hereinafter referred to as a cap) is formed, it is considered that CNTs grow at a stretch. Therefore, efficient cap formation is necessary to produce high-quality brush-like CNTs. Becomes important. In particular, Non-Patent Document 1 suggests that the cap can be formed efficiently if the concentration of the raw material gas in the initial reaction is increased.
Non-Patent Document 2 discloses that in order to synthesize higher-quality highly-oriented CNTs, it is necessary to reduce the concentration of acetylene C 2 H 2 gas serving as a carbon source to a low concentration of 10 ppm or less before the reaction. Has been.
原料ガスの初期濃度を高くしてCNTの連続合成を行うには、触媒基体を昇温領域で昇温してから反応領域に移送し原料ガスをその表面に供給するといった、昇温過程と原料ガス供給による合成過程を順次行う製造工程が有効である。しかしながら、係る製造工程を試みたところ、反応炉内部が開放されているため、原料ガスが反応領域から領域外に流出、拡散し、触媒基体が昇温過程で高い濃度のC2H2に曝され、且つ原料ガスの初期濃度の低下によりCNT成長が不十分になってしまい、高品質のCNTを製造できないといった問題を生じた。 In order to carry out continuous synthesis of CNTs by increasing the initial concentration of the raw material gas, the temperature of the catalyst substrate is raised in the temperature rising region, then transferred to the reaction region, and the raw material gas is supplied to the surface. A manufacturing process that sequentially performs a synthesis process by gas supply is effective. However, when such a manufacturing process is attempted, the inside of the reactor is open, so that the source gas flows out and diffuses out of the reaction region, and the catalyst substrate is exposed to a high concentration of C 2 H 2 during the temperature rising process. In addition, since the initial concentration of the raw material gas is lowered, the CNT growth becomes insufficient, resulting in a problem that high quality CNTs cannot be produced.
本発明の目的は、上記課題に鑑み、カーボンナノ構造物の連続合成過程で原料ガスの拡散を防止して、触媒基体が昇温過程で高い濃度のC2H2に曝されることなく原料ガスの初期濃度を高濃度に維持でき、高品質のカーボンナノ構造物の量産を行うことのできる原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to prevent diffusion of a raw material gas in a continuous synthesis process of carbon nanostructures and to prevent the catalyst base from being exposed to a high concentration of C 2 H 2 during a temperature rising process. An object of the present invention is to provide a raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus capable of maintaining an initial gas concentration at a high concentration and capable of mass-producing high-quality carbon nanostructures.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、触媒基体を合成温度まで昇温する昇温領域と、昇温した触媒基体に原料ガスを供給してカーボンナノ構造物を成長させる成長領域(反応領域)の間に、原料ガスの拡散を抑制する拡散抑制領域を設けることにより、高品質のカーボンナノ構造物を連続合成することに成功した。
本発明の第1の形態は、反応領域及び昇温領域を設けた反応炉と、前記反応領域に設けられた原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記昇温領域にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、前記反応領域をカーボンナノ構造物の成長温度に加熱する加熱手段と、前記昇温領域を昇温する昇温手段と、前記反応炉内に触媒基体を搬入して、前記昇温領域及び前記反応領域を順に搬送する触媒基体搬送手段とを備え、前記昇温領域を通過した前記触媒基体を前記反応領域に移送し、前記原料ガスにより前記触媒基体上にカーボンナノ構造物を成長させるカーボンナノ構造物製造装置であって、前記触媒基体が通過可能な間隙を残して炉内断面を縮減して前記昇温領域及び前記反応領域の境界領域を仕切り、前記反応領域に供給された前記原料ガスの、前記昇温領域側への拡散を抑制する拡散抑制体を有する原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have grown a carbon nanostructure by raising the temperature of the catalyst substrate to the synthesis temperature and supplying the raw material gas to the heated catalyst substrate. We succeeded in continuously synthesizing high-quality carbon nanostructures by providing a diffusion suppression region that suppresses the diffusion of the source gas between the growth regions (reaction regions).
In the first aspect of the present invention, a reaction furnace provided with a reaction region and a temperature raising region, a raw material gas supply means for supplying a raw material gas provided in the reaction region, and a carrier gas for supplying the temperature rising region A carrier gas supply means, a heating means for heating the reaction region to the growth temperature of the carbon nanostructure, a temperature raising means for raising the temperature raising region, and a catalyst substrate carried into the reaction furnace, A catalyst substrate transport means for sequentially transporting the temperature rising region and the reaction region, transferring the catalyst substrate that has passed through the temperature rising region to the reaction region, and carbon nanostructures on the catalyst substrate by the source gas A carbon nanostructure manufacturing apparatus for growing a gas, wherein a cross section in the furnace is reduced leaving a gap through which the catalyst substrate can pass, and a boundary region between the temperature rising region and the reaction region is partitioned and supplied to the reaction region Was Serial raw material gas, the a raw material gas diffusion suppressing type carbon nanostructure manufacturing apparatus with suppressing diffusion suppressing body diffusion into the heated region side.
本発明の第2の形態は、第1形態において、前記拡散抑制体は、前記反応領域と接する仕切端で前記原料ガスの濃度分布を急峻に立ち下げる所定の厚さを有する単一の仕切板又は所定の合計厚さを有する複数の仕切板からなる原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the diffusion suppressor is a single partition plate having a predetermined thickness that sharply reduces the concentration distribution of the source gas at a partition end in contact with the reaction region. Or it is the raw material gas diffusion suppression type | mold carbon nanostructure manufacturing apparatus which consists of several partition plates which have predetermined | prescribed total thickness.
本発明の第3の形態は、第2形態において、前記拡散抑制体を介して前記反応領域から前記昇温領域に拡散する層流連続体としてのモデル流体の運動方程式、連続の式及び前記原料ガスの質量分率輸送式を設定して、これらの式から導出される前記モデル流体の速度と圧力に、前記原料ガスの特性値を適用して、少なくとも前記反応領域及び前記拡散抑制体における前記原料ガスの濃度分布を求め、この求めた濃度分布に従って前記所定の厚さ又は前記所定の合計厚さと前記拡散抑制体の縮減部分断面形状を決定した原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the equation of motion of a model fluid as a laminar flow continuum that diffuses from the reaction region to the temperature rising region via the diffusion suppressor, the continuity equation, and the raw material Set gas mass fraction transport equations, apply the characteristic values of the source gas to the velocity and pressure of the model fluid derived from these equations, and at least the reaction region and the diffusion suppressor In the raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus, the concentration distribution of the raw material gas is determined, and the predetermined thickness or the predetermined total thickness and the reduced partial cross-sectional shape of the diffusion suppression body are determined according to the determined concentration distribution. is there.
本発明の第4の形態は、第2形態において、前記モデル流体の密度をρ、粘性係数をμ、速度をu(uは、u=(ux,uy,uz)で表されるベクトルであり、以下成分表示を省略する。)、前記モデル流体の圧力をp、流速uに対する生成項(単位時間・単位体積あたりの発生量)をSu、前記原料ガスの質量分率をmi、前記原料ガスの拡散流束をJi(Jiは、Ji=(Jix,Jiy,Jiz)で表される表されるベクトルであり、以下成分表示を省略する。)としたとき、前記運動方程式は
ρ(u・grad)u=div(μgradu)−gradu+Su…(F1)
であり、
前記連続の式は、
div(ρu)=0…(F2)
であり、
前記原料ガスの質量分率輸送式は、
div(ρumi)=−divJi…(F3)
であり、
圧力p及び速度uに前記原料ガスの特性値を適用して前記濃度分布を求める原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect, the density of the model fluid is represented by ρ, the viscosity coefficient is μ, and the velocity is u (u is u = (u x , u y , u z ). The vector component is omitted in the following description.), The pressure of the model fluid is p, the generation term for the flow velocity u (the generated amount per unit time / unit volume) is Su , and the mass fraction of the source gas is m. i represents the diffusion flux of the source gas as J i (J i is a vector represented by J i = (J ix , J iy , J iz ), and the component display is omitted hereinafter). Then, the equation of motion is ρ (u · grad) u = div (μgradu) −gradu + S u (F1)
And
The continuous equation is
div (ρu) = 0 (F2)
And
The mass fraction transport formula of the source gas is
div (ρum i ) = − divJ i (F3)
And
It is a raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus that obtains the concentration distribution by applying the characteristic value of the raw material gas to the pressure p and the velocity u.
本発明の第5の形態は、第2、第3又は第4形態において、前記原料ガスの濃度分布が前記キャリアガスに対する前記原料ガスのモル分率で示され、少なくとも前記仕切端のおける前記原料ガスのモル分率が100ppm以下である原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the second, third, or fourth aspect, the concentration distribution of the source gas is indicated by a molar fraction of the source gas with respect to the carrier gas, and at least the source material at the partition end It is a raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus in which the molar fraction of gas is 100 ppm or less.
本発明の第6の形態は、第2〜第5のいずれかの形態において、前記所定の厚さ又は前記所定の合計厚さが15mm以上である原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 A sixth aspect of the present invention is the raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus according to any one of the second to fifth aspects, wherein the predetermined thickness or the predetermined total thickness is 15 mm or more. is there.
本発明の第7の形態は、第1〜第6のいずれかの形態において、前記触媒基体搬送手段は前記反応炉内を走行する無端ベルトからなる原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 A seventh aspect of the present invention is the raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus according to any one of the first to sixth aspects, wherein the catalyst substrate transport means is an endless belt running in the reaction furnace. is there.
本発明の第8の形態は、第7形態において、前記無端ベルトはSUS材から形成されている原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 An eighth aspect of the present invention is the raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the seventh aspect, wherein the endless belt is formed of a SUS material.
本発明の第9の形態は、第1〜第6のいずれかの形態において、巻回ローラに巻き付けたベルト体の一端側を巻取ローラに巻き取りながら前記ベルト体を前記反応炉内を走行させるロールツーロール(roll to roll)装置により前記触媒基体搬送手段を構成し、前記ベルト体の表面側に触媒層を形成して前記触媒基体とし、前記ベルト体を前記昇温領域から前記間隙を通過させて前記反応領域に移送して前記触媒層に前記カーボンナノ構造物を成長させ、成長した前記カーボンナノ構造物を回収して前記ベルト体を前記巻取ローラに巻き取る原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the belt body travels in the reaction furnace while winding one end side of the belt body wound around the winding roller around the winding roller. The catalyst substrate transport means is configured by a roll-to-roll device, and a catalyst layer is formed on the surface side of the belt body to form the catalyst substrate, and the belt body is spaced from the temperature rising region to the gap. A raw material gas diffusion suppression type in which the carbon nanostructure is grown on the catalyst layer by passing it to the reaction region, the grown carbon nanostructure is recovered, and the belt body is wound around the winding roller This is a carbon nanostructure manufacturing apparatus.
本発明の第10の形態は、第9形態において、前記ベルト体はSUS材から形成されている原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 A tenth aspect of the present invention is the raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the ninth aspect, wherein the belt body is formed of a SUS material.
本発明の第11の形態は、第1〜第10のいずれかの形態において、前記触媒基体搬送手段は前記原料ガスを前記反応領域に供給する供給口を前記触媒基体の幅方向に複数個備えた原料ガス供給管からなり、前記反応領域に供給された前記原料ガスを前記触媒基体の裏側に流出させる流出路と、前記流出路より流出した前記原料ガスを排気する排気手段とを設けた原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 According to an eleventh aspect of the present invention, in any one of the first to tenth aspects, the catalyst substrate transport means includes a plurality of supply ports in the width direction of the catalyst substrate for supplying the source gas to the reaction region. A raw material comprising a raw material gas supply pipe provided with an outflow passage for flowing out the raw material gas supplied to the reaction region to the back side of the catalyst base, and an exhaust means for exhausting the raw material gas flowing out of the outflow passage It is a gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus.
本発明の第12の形態は、第1〜第11のいずれかの形態において、前記カーボンナノ構造物が前記触媒基体上に成長させたブラシ状カーボンナノチューブである原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置である。 According to a twelfth aspect of the present invention, in any one of the first to eleventh aspects, a raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure, wherein the carbon nanostructure is a brush-like carbon nanotube grown on the catalyst substrate. It is a manufacturing device.
本発明の第1の形態によれば、前記触媒基体搬送手段により前記反応炉内に触媒基体を搬入して前記昇温領域及び前記反応領域を順に搬送し、前記昇温領域を通過した前記触媒基体を前記反応領域に移送して前記原料ガスにより前記触媒基体上にカーボンナノ構造物を成長させると共に、前記拡散抑制体により、前記触媒基体が通過可能な間隙を残して炉内断面を縮減して前記昇温領域及び前記反応領域の境界領域を仕切り、前記反応領域に供給された前記原料ガスの、前記昇温領域側への拡散を抑制するので、カーボンナノ構造物の連続合成過程で前記原料ガスの拡散を防止して、前記触媒基体が前記昇温領域において高濃度の前記原料ガスに曝されずに、前記反応領域において前記原料ガスの初期濃度を高濃度に維持でき、高品質のカーボンナノ構造物の量産を行うことができる。前記間隙は少なくとも前記触媒基体が通過可能な大きさを有し、前記原料ガスの前記昇温領域への拡散を出来るだけ抑制する幅狭な空隙により形成することができる。 According to the first aspect of the present invention, the catalyst base is carried into the reaction furnace by the catalyst base transporting means, the temperature rising region and the reaction region are sequentially transported, and the catalyst that has passed through the temperature rising region. The substrate is transferred to the reaction region and carbon nanostructures are grown on the catalyst substrate by the source gas, and the diffusion suppressor reduces the cross section in the furnace leaving a gap through which the catalyst substrate can pass. Partitioning the boundary region between the temperature rising region and the reaction region, and suppressing diffusion of the source gas supplied to the reaction region to the temperature rising region side, the carbon nanostructure in the continuous synthesis process The diffusion of the raw material gas is prevented, the catalyst base is not exposed to the high concentration raw material gas in the temperature rising region, and the initial concentration of the raw material gas can be maintained at a high concentration in the reaction region. car It is possible to perform mass production of N'nano structure. The gap has a size that allows at least the catalyst substrate to pass therethrough, and can be formed by a narrow gap that suppresses diffusion of the source gas into the temperature rising region as much as possible.
本発明に係るカーボンナノ構造物製造装置は、CNT、ビーズ付CNT、ブラシ状CNT、カーボンナノツイスト、CNC、カーボンナノホーンなどのカーボンナノ構造物の製造に使用することができる。 The carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the present invention can be used for manufacturing carbon nanostructures such as CNTs, CNTs with beads, brush-like CNTs, carbon nanotwists, CNCs, and carbon nanohorns.
前記原料ガスにはアセチレンに限らず、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどのアルカン類、エチレンなどのアルケン類、アセチレン以外のアルキン類等の炭化水素ガスを用いることができる。
前記キャリアガスには、HeやAr等の希ガスを用いることができる。
本発明のカーボンナノ構造物の成長に用いる触媒には、Feの他、FeInSnやFeInCoのFe−In−Sn系触媒、Inを安価なMgに代替したFe−Mg−Sn系触媒のFeMgSnやFeMgCo、更に、Coを添加したFe−Mg−Sn−Co系触媒のFeInSnCo、FeMgSnCoを使用することができる。
The source gas is not limited to acetylene, and for example, alkanes such as methane, ethane, propane, and butane, alkenes such as ethylene, and hydrocarbon gases such as alkynes other than acetylene can be used.
As the carrier gas, a rare gas such as He or Ar can be used.
The catalyst used for the growth of the carbon nanostructure of the present invention includes Fe, FeInSn and FeInCo Fe-In-Sn catalysts, and Fe-Mg-Sn catalysts FeMgSn and FeMgCo in which In is replaced with inexpensive Mg. Furthermore, Fe—SnCo and FeMgSnCo which are Fe—Mg—Sn—Co based catalysts to which Co is added can be used.
本発明の第2の形態によれば、前記拡散抑制体は、前記反応領域と接する仕切端で前記原料ガスの濃度分布を急峻に立ち下げる所定の厚さを有する単一の仕切板又は所定の合計厚さを有する複数の仕切板からなるので、前記触媒基体が前記拡散抑制体を通過する際に前記原料ガスの濃度が前記仕切端付近よりを急峻に立ち上がり、前記原料ガスの初期濃度を高濃度に維持して円滑なカーボンナノ構造物の成長を行え、高品質のカーボンナノ構造物を製造することができる。 According to the second aspect of the present invention, the diffusion suppressor is a single partition plate having a predetermined thickness that sharply drops the concentration distribution of the source gas at a partition end in contact with the reaction region, or a predetermined partition plate. Since it comprises a plurality of partition plates having a total thickness, when the catalyst base passes through the diffusion suppressing body, the concentration of the source gas rises sharply from the vicinity of the partition end, and the initial concentration of the source gas is increased. The carbon nanostructure can be smoothly grown while maintaining the concentration, and a high-quality carbon nanostructure can be produced.
本発明の第3の形態によれば、前記拡散抑制体を介して前記反応領域から前記昇温領域に拡散する層流連続体としてのモデル流体の運動方程式、連続の式及び前記原料ガスの質量分率輸送式を設定して、これらの式から導出される前記モデル流体の速度と圧力に、前記原料ガスの特性値を適用して、少なくとも前記反応領域及び前記拡散抑制体における前記原料ガスの濃度分布を求め、この求めた濃度分布に従って前記所定の厚さ又は前記所定の合計厚さと前記拡散抑制体の縮減部分断面形状を決定するので、前記モデル流体の拡散態様を前記求めた濃度分布から把握して、前記原料ガスの初期濃度を高濃度に維持可能な前記所定の厚さ又は前記所定の合計厚さと前記拡散抑制体の縮減部分断面形状を決定することにより、高品質のカーボンナノ構造物を製造可能にする原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置を実現することができる。 According to the third aspect of the present invention, the equation of motion of a model fluid as a laminar flow continuum that diffuses from the reaction region to the temperature rising region via the diffusion suppressor, the continuity equation, and the mass of the source gas By setting the fractional transport equation and applying the characteristic value of the source gas to the velocity and pressure of the model fluid derived from these equations, at least the reaction region and the diffusion suppressor The concentration distribution is obtained, and the predetermined thickness or the predetermined total thickness and the reduced partial cross-sectional shape of the diffusion suppressing body are determined in accordance with the obtained concentration distribution. Therefore, the diffusion mode of the model fluid is determined from the obtained concentration distribution. By grasping and determining the predetermined thickness or the predetermined total thickness capable of maintaining the initial concentration of the source gas at a high concentration and the reduced partial cross-sectional shape of the diffusion suppressing body, high-quality carbon Roh structure it is possible to realize a material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus which enables production.
本発明の第4の形態によれば、前記(F1)の運動方程式、前記(F2)の連続の式及び前記(F3)の質量分率輸送式から、圧力p及び速度uに前記原料ガスの特性値を適用して前記濃度分布を求めるので、前記モデル流体の拡散態様を、前記運動方程式、前記連続の式及び前記質量分率輸送式に基づいて求めた前記濃度分布から把握して、前記原料ガスの初期濃度を高濃度に維持可能な前記所定の厚さ又は前記所定の合計厚さと前記拡散抑制体の縮減部分断面形状を決定でき、高品質のカーボンナノ構造物を製造可能にするカーボンナノ構造物製造装置を実現することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, from the equation of motion of (F1), the equation of continuity of (F2) and the mass fraction transport equation of (F3), the pressure of the source gas is increased at the pressure p and the velocity u. Since the concentration distribution is obtained by applying a characteristic value, the diffusion mode of the model fluid is grasped from the concentration distribution obtained based on the equation of motion, the continuous equation and the mass fraction transport equation, Carbon capable of determining the predetermined thickness or the predetermined total thickness capable of maintaining the initial concentration of the raw material gas at a high concentration and the reduced partial cross-sectional shape of the diffusion suppressing body, and capable of producing a high-quality carbon nanostructure A nanostructure manufacturing apparatus can be realized.
例えば、前記昇温領域への前記原料ガスの拡散による漏出量が1000ppm程度であって、前記反応領域における原料ガス濃度の低下を無視できる量といえども、前記昇温領域において前記触媒基体を高い濃度の前記原料ガスに曝してしまうと、前記反応領域において良質のカーボンナノ構造物を成長させることができない。即ち、本発明の第5の形態によれば、前記拡散抑制体により、少なくとも前記仕切端のおける前記原料ガスのモル分率を100ppm以下にすることによって、前記昇温領域における加熱に際して前記原料ガスとの非接触状態を保持できるので、前記反応領域の合成と前記昇温領域での昇温を分離して行え、前記反応領域において成長不良を生じさせずに、円滑に高品質のカーボンナノ構造物を成長させることができる。特に、好ましくは前記原料ガスのモル分率を10ppm以下にすることにより、より良質のカーボンナノ構造物を成長させることができる。 For example, the amount of leakage due to the diffusion of the raw material gas into the temperature rising region is about 1000 ppm, and even if the decrease in the raw material gas concentration in the reaction region is negligible, the catalyst substrate is high in the temperature rising region. If exposed to the concentration of the source gas, good quality carbon nanostructures cannot be grown in the reaction region. That is, according to the fifth aspect of the present invention, the source gas at the time of heating in the temperature rising region is set by the diffusion suppressor so that the molar fraction of the source gas at least at the partition end is 100 ppm or less. Can be maintained in a non-contact state, so that the synthesis of the reaction region and the temperature increase in the temperature rising region can be performed separately, and a high-quality carbon nanostructure can be smoothly produced without causing growth failure in the reaction region. You can grow things. In particular, a carbon nanostructure of better quality can be grown preferably by setting the molar fraction of the source gas to 10 ppm or less.
本発明の第6の形態によれば、前記所定の厚さ又は前記所定の合計厚さが15mm以上である前記拡散抑制体により、前記原料ガスの、前記昇温領域側への拡散を抑制するので、カーボンナノ構造物の連続合成過程で原料ガスの拡散を防止して原料ガスの初期濃度を高濃度に維持でき、高品質のカーボンナノ構造物の量産を行うことができる。 According to the sixth aspect of the present invention, the diffusion suppressor having the predetermined thickness or the predetermined total thickness of 15 mm or more suppresses diffusion of the source gas to the temperature rising region side. Therefore, it is possible to prevent the raw material gas from diffusing in the continuous synthesis process of the carbon nanostructure, maintain the initial concentration of the raw material gas at a high concentration, and perform mass production of the high-quality carbon nanostructure.
本発明の第7の形態は、前記触媒基体搬送手段は前記反応炉内を走行する無端ベルトからなるので、前記無端ベルト上に触媒基体に載置して、前記昇温領域及び前記反応領域を順に搬送して、高品質のカーボンナノ構造物の連続合成を行うことができる。 In the seventh aspect of the present invention, the catalyst substrate transport means comprises an endless belt that travels in the reaction furnace. Therefore, the catalyst substrate transport means is placed on the catalyst substrate on the endless belt, and the temperature raising region and the reaction region are separated from each other. It can convey sequentially and can perform the continuous synthesis | combination of a high quality carbon nanostructure.
本発明の第8の形態によれば、前記無端ベルトはSUS材から形成されているので、耐熱性、防錆性及び強度に優れたSUS材により、高温処理を行う連続合成によるカーボンナノ構造物の高品質化及び量産化に寄与する。 According to the eighth aspect of the present invention, since the endless belt is formed of a SUS material, the carbon nanostructure by continuous synthesis in which high-temperature treatment is performed using a SUS material excellent in heat resistance, rust prevention property, and strength. Contributes to high quality and mass production.
本発明の第9の形態によれば、前記ロールツーロール装置により前記触媒基体搬送手段を構成し、前記ベルト体の表面側に触媒層を形成して前記触媒基体とし、前記ベルト体を前記昇温領域から前記間隙を通過させて前記反応領域に移送して前記触媒層に前記カーボンナノ構造物を成長させ、成長した前記カーボンナノ構造物を回収して前記ベルト体を前記巻取ローラに巻き取るので、前記ベルト体自体を触媒担持体に使用して、成長した前記カーボンナノ構造物の回収により前記ベルト体を再使用することができ、カーボンナノ構造物の高品質化、量産化及び低コスト化を実現することができる。 According to a ninth aspect of the present invention, the catalyst substrate transport means is configured by the roll-to-roll device, a catalyst layer is formed on the surface side of the belt body to form the catalyst substrate, and the belt body is The carbon nanostructure is grown on the catalyst layer by passing through the gap from the temperature region to the reaction region, the grown carbon nanostructure is collected, and the belt body is wound around the winding roller. Therefore, the belt body itself can be used as a catalyst carrier, and the belt body can be reused by collecting the grown carbon nanostructure, and the quality, mass production and low production of the carbon nanostructure can be reduced. Cost reduction can be realized.
本発明の第10の形態によれば、前記ベルト体はSUS材から形成されているので、耐熱性、防錆性及び強度に優れたSUS材を触媒担持体に使用して、高温処理を行う連続合成によるカーボンナノ構造物の高品質化及び量産化に寄与する。 According to the tenth aspect of the present invention, since the belt body is formed of a SUS material, a high temperature treatment is performed using a SUS material excellent in heat resistance, rust prevention and strength as a catalyst carrier. Contributes to high quality and mass production of carbon nanostructures by continuous synthesis.
本発明の第11の形態によれば、前記触媒基体搬送手段は前記原料ガスを前記反応領域に供給する供給口を前記触媒基体の幅方向に複数個備えた原料ガス供給管からなり、前記反応領域に供給された前記原料ガスを前記触媒基体の裏側に流出させる流出路と、前記流出路より流出した前記原料ガスを排気する排気手段とを設けたので、前記原料ガス供給管により前記触媒基体の幅方向に前記原料ガスを均一に供給して、前記排気手段により前記流出路より流出した前記原料ガスを排気することができ、前記触媒基体の触媒面全体に前記前記原料ガスの定量的供給を行って均質な成長による高品質のカーボンナノ構造物の量産化及び歩留まり向上を図ることができる。 According to an eleventh aspect of the present invention, the catalyst substrate transport means comprises a source gas supply pipe provided with a plurality of supply ports for supplying the source gas to the reaction region in the width direction of the catalyst substrate, and the reaction Since the outflow passage through which the raw material gas supplied to the region flows out to the back side of the catalyst base and the exhaust means for exhausting the raw material gas outflowed from the outflow passage are provided, the raw material gas supply pipe allows the catalyst base to be exhausted. The source gas is uniformly supplied in the width direction of the gas, and the source gas flowing out from the outflow passage can be exhausted by the exhaust means, and the source gas is quantitatively supplied to the entire catalyst surface of the catalyst base. To achieve mass production of high-quality carbon nanostructures and improved yield by homogeneous growth.
本発明に係る原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置によって、連続合成過程で原料ガスの拡散を防止して原料ガスの初期濃度を高濃度に維持して各種カーボンナノ構造物の連続合成及び高品質化が可能となる。特に、本発明の第12の形態によれば、前記触媒基体上に十分に成長させた高配向のブラシ状カーボンナノチューブの量産化を実現することができる。 The raw material gas diffusion-suppressing carbon nanostructure manufacturing apparatus according to the present invention prevents the raw material gas from diffusing in the continuous synthesis process and maintains the initial concentration of the raw material gas at a high concentration, High quality can be achieved. In particular, according to the twelfth aspect of the present invention, mass production of highly oriented brush-like carbon nanotubes sufficiently grown on the catalyst substrate can be realized.
以下、本発明の実施形態に係る原料ガス拡散抑制型CNT製造装置を図面を参照して説明する。 Hereinafter, a raw material gas diffusion suppression type CNT manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態に係る原料ガス拡散抑制型CNT製造装置の概略断面構造を示す。
本実施形態の原料ガス拡散抑制型CNT製造装置は、炉内にCNT成長を行う反応領域2及び昇温領域3を配設した円形の石英製反応炉1と、反応炉1外周に配設され、反応領域2及び昇温領域3を加熱する加熱装置9とを有する。反応炉1内には、表面側に触媒層を形成した搬送ベルト19が炉心長手方向に沿って配設されている。搬送ベルト19は炉心長手方向に沿って配設された石英板製スライダー32に沿って走行可能になっている。反応領域2は、ベルト面に成長させたCNT50を搬出する搬出側の隔壁4と拡散抑制体6、7により区画された区画領域である。昇温領域3はCNTを成長させるためのベルト面を搬入する搬入側の隔壁5と拡散抑制体6、7により区画された区画領域である。加熱装置9は赤外線ランプからなる。反応炉1内には、反応領域2に原料ガス(アセチレンC2H2ガス)を供給する原料ガス供給管11と、昇温領域3にキャリアガス(ヘリウムHeガス)を供給するキャリアガス供給管10が炉心長手方向に沿って配管されている。炉内の幅は1000mm、反応領域2、昇温領域3の各全長は夫々、8000mm、1000mmである。拡散抑制体6、7の厚さは100mmである。搬送ベルト19の走行速度は1000mm/minである。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a raw material gas diffusion suppression type CNT manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
The raw material gas diffusion suppression type CNT manufacturing apparatus of the present embodiment is provided in a circular quartz reaction furnace 1 in which a reaction region 2 and a temperature raising region 3 for CNT growth are arranged in the furnace, and on the outer periphery of the reaction furnace 1. And a heating device 9 for heating the reaction region 2 and the temperature raising region 3. In the reaction furnace 1, a conveyor belt 19 having a catalyst layer formed on the surface side is disposed along the longitudinal direction of the core. The conveyor belt 19 can travel along a quartz plate slider 32 disposed along the longitudinal direction of the core. The reaction region 2 is a partition region partitioned by a partition 4 on the carry-out side for carrying out the CNTs 50 grown on the belt surface and the diffusion suppressing bodies 6 and 7. The temperature raising region 3 is a partitioned region partitioned by a partition wall 5 on the carry-in side for transporting a belt surface for growing CNTs and diffusion suppressing bodies 6 and 7. The heating device 9 is an infrared lamp. In the reaction furnace 1, a source gas supply pipe 11 that supplies a source gas (acetylene C 2 H 2 gas) to the reaction region 2 and a carrier gas supply pipe that supplies a carrier gas (helium He gas) to the temperature rising region 3. 10 is piped along the longitudinal direction of the core. The width in the furnace is 1000 mm, and the total lengths of the reaction region 2 and the temperature raising region 3 are 8000 mm and 1000 mm, respectively. The thickness of the diffusion suppressing bodies 6 and 7 is 100 mm. The traveling speed of the conveyor belt 19 is 1000 mm / min.
拡散抑制体6、7は反応領域2及び昇温領域3の間を分離する半月形状の仕切板であり、夫々、搬送ベルト19の表側、裏側に位置する。
図2の(2A)は表側の拡散抑制体6を示す。拡散抑制体6の上側にはキャリアガス供給管10及び原料ガス供給管11を夫々、挿通させる貫通穴6a、6bが上下方向に穿設されている。拡散抑制体6の両側部には、反応領域2及び昇温領域3の炉内温度を計測するための熱電対を配設するための熱電対用石英配管53(図3の(3A)参照)を挿通させる貫通穴6c、6dが穿設されている。図1において該熱電対用配管は省略している。
The diffusion inhibitors 6 and 7 are half-moon shaped partition plates that separate between the reaction region 2 and the temperature raising region 3, and are located on the front side and the back side of the conveyor belt 19, respectively.
(2A) in FIG. 2 shows the front-side diffusion suppressing body 6. On the upper side of the diffusion suppressing body 6, through holes 6 a and 6 b through which the carrier gas supply pipe 10 and the source gas supply pipe 11 are inserted are formed in the vertical direction. Thermocouple quartz pipes 53 for disposing thermocouples for measuring the in-furnace temperatures of the reaction region 2 and the temperature raising region 3 on both sides of the diffusion suppressing body 6 (see (3A) in FIG. 3). Through-holes 6c and 6d through which are inserted are formed. In FIG. 1, the thermocouple piping is omitted.
図3は反応炉1の縦断面(3A)及び横断面(3B)を示す。図3の(3A)は反応領域2内の縦断面を示し、同図(3B)は(3A)のA−A矢視断面を示す。
拡散抑制体6、7は搬送ベルト19及びスライダー32が遊挿可能な間隙8を置いて、両端のスペーサ48を介して対向配置され、炉内壁に密着して取着されている。拡散抑制体6、7及びスペーサ48は石英により形成されている。
FIG. 3 shows a longitudinal section (3A) and a transverse section (3B) of the reactor 1. (3A) in FIG. 3 shows a longitudinal section in the reaction region 2, and (3B) in FIG. 3 shows a section taken along the line AA in (3A).
The diffusion suppressing bodies 6 and 7 are arranged to face each other via spacers 48 at both ends with a gap 8 in which the transport belt 19 and the slider 32 can be loosely inserted, and are attached in close contact with the inner wall of the furnace. The diffusion suppressing bodies 6 and 7 and the spacer 48 are made of quartz.
搬送ベルト19はSUS材からなり、巻回ローラ20と巻取ローラ22間に懸架されている。巻回ローラ20及び巻取ローラ22は夫々、反応炉1の入口側、出口側に配置されている。反応炉1の入口側はカバー体17により覆われて炉内ガスが漏洩しない密封構造となっている。反応炉1の出口側はCNT回収処理部を構成するカバー体16により覆われている。反応炉1内部には反応領域2の充填ガスを搬送ベルト19下方より排気する下方排気ポンプ25が配設され、またカバー体16の開放口23から炉内ガスを排気するメイン排気ポンプ24が配設されている。下方排気ポンプ25及びメイン排気ポンプ24による排気ガスは開放口23を通じて外部に排出される。メイン排気ポンプ24及び下方排気ポンプ25による合計排気能力が250〜3000L/minに設定することができる。 The conveyor belt 19 is made of SUS material and is suspended between the winding roller 20 and the winding roller 22. The winding roller 20 and the winding roller 22 are respectively disposed on the inlet side and the outlet side of the reaction furnace 1. The inlet side of the reaction furnace 1 is covered with a cover body 17 and has a sealed structure in which the gas in the furnace does not leak. The outlet side of the reaction furnace 1 is covered with a cover body 16 that constitutes a CNT recovery processing unit. A lower exhaust pump 25 for exhausting the charged gas in the reaction region 2 from below the conveyor belt 19 is disposed inside the reaction furnace 1, and a main exhaust pump 24 for exhausting the furnace gas from the opening 23 of the cover body 16 is disposed. It is installed. Exhaust gas from the lower exhaust pump 25 and the main exhaust pump 24 is discharged to the outside through the opening 23. The total exhaust capacity of the main exhaust pump 24 and the lower exhaust pump 25 can be set to 250 to 3000 L / min.
搬送ベルト19は触媒担持体として使用されている。搬送ベルト19のSUSU表面18には、図1のベルト断面の拡大部分33に示すように、ポリイミド等の耐熱性樹脂層29及び、耐熱性樹脂層29上に蒸着したAl層30をバッファ層として形成し、更にAl層30上にFeの触媒層31を形成した多層構造を形成している。反応領域2に導入した触媒層31上にCNT50がCVD合成される。 The conveyor belt 19 is used as a catalyst carrier. On the SUSU surface 18 of the conveyor belt 19, as shown in the enlarged portion 33 of the belt cross section of FIG. 1, a heat-resistant resin layer 29 such as polyimide and an Al layer 30 deposited on the heat-resistant resin layer 29 are used as a buffer layer. In addition, a multilayer structure in which an Fe catalyst layer 31 is formed on the Al layer 30 is formed. The CNTs 50 are CVD synthesized on the catalyst layer 31 introduced into the reaction region 2.
搬送ベルト19は巻回ローラ20から引き出してその一端側を巻取ローラ22に巻き取りながら反応炉1内を走行させるロールツーロール(roll to roll)装置を構成する。ベルト表面側に形成した触媒層31を本発明の触媒基体とし、搬送ベルト19を昇温領域3から間隙8を通過させて反応領域2に移送して触媒層31にCNT50を成長させた後、成長したCNT50を回収してから処理済み搬送ベルト21が巻取ローラ22に巻き取られる。 The conveyor belt 19 constitutes a roll-to-roll apparatus that is pulled out from the winding roller 20 and travels in the reaction furnace 1 while winding one end of the conveyor belt 19 around the winding roller 22. The catalyst layer 31 formed on the belt surface side is used as the catalyst base of the present invention, and the transport belt 19 is transferred from the temperature rising region 3 through the gap 8 to the reaction region 2 to grow CNTs 50 in the catalyst layer 31. After the grown CNT 50 is collected, the processed conveyor belt 21 is wound around the winding roller 22.
触媒担持体として使用する搬送ベルト19はSUS製であり、SUS材は耐熱性、防錆性及び強度に優れており、高温処理を伴うCNT連続合成による高品質化及び量産化に好適である。 The conveyor belt 19 used as the catalyst carrier is made of SUS, and the SUS material is excellent in heat resistance, rust prevention and strength, and is suitable for high quality and mass production by continuous CNT synthesis involving high temperature treatment.
キャリアガス供給管10はカバー体17外側に設置したHeボンベ(図示せず)からHeガスを導入するキャリアガス導入口14を有し、キャリアガス導入口14はカバー体17外壁に設置されている。キャリアガス供給管10には昇温領域3に向けてキャリアガスを供給する供給口12が隔壁5前後にわたって4個穿設されている。 The carrier gas supply pipe 10 has a carrier gas introduction port 14 for introducing He gas from a He cylinder (not shown) installed outside the cover body 17, and the carrier gas introduction port 14 is installed on the outer wall of the cover body 17. . In the carrier gas supply pipe 10, four supply ports 12 for supplying the carrier gas toward the temperature rising region 3 are formed around the partition wall 5.
原料ガス供給管11はカバー体17外側に設置したアセチレンC2H2ガスボンベ(図示せず)からアセチレンガスを導入する原料ガス導入口15を有し、原料ガス導入口15はカバー体17外壁に設置されている。原料ガス供給管11には反応領域2に向けて原料ガスを供給する供給口13が反応領域2内に5個穿設されている。本実施形態では、C2H4ガスと比べて熱分解温度の低いC2H2を炭素源と使用している。
図1のCNT製造装置と同様の構成で、反応領域2、昇温領域3及び拡散抑制体6、7の全長を100mmとした小型予備実験装置により、予めCNTの収率を測定したところ、C2H2ガスを90sccm、Heガスを210sccmとしたとき、供給炭素量は128mg/minで、8分間の供給により総供給炭素量は772mgとなり、合成CNTの質量が9.3mg得られた。この予備実験によるCNT収率は1.2%である。
本実施形態においては、搬送ベルト19の走行速度を1000mm/minとし、反応領域2、昇温領域3及び拡散抑制体6、7の全長を9100mmとしているので、必要な炭素量は3075mg/minとなり、前記予備実験と同様の収率を得るために必要な供給炭素量は256250mg/minとなる。これには、原料ガス供給管11を通じて、239L/min(0℃、1atm換算)でC2H2ガスを反応領域2に供給する。また、キャリアガス供給管10を通じて、558L/min(0℃、1atm換算)でHeガスを炉内に供給する。
The source gas supply pipe 11 has a source gas introduction port 15 for introducing acetylene gas from an acetylene C 2 H 2 gas cylinder (not shown) installed outside the cover body 17, and the source gas introduction port 15 is formed on the outer wall of the cover body 17. is set up. In the raw material gas supply pipe 11, five supply ports 13 for supplying the raw material gas toward the reaction region 2 are formed in the reaction region 2. In this embodiment, C 2 H 2 having a lower thermal decomposition temperature than the C 2 H 4 gas is used as the carbon source.
When the CNT yield was measured in advance by a small preliminary experimental apparatus having the same structure as that of the CNT production apparatus in FIG. 1 and the reaction region 2, the temperature raising region 3, and the diffusion inhibitors 6 and 7 having an overall length of 100 mm, C When 2 H 2 gas was 90 sccm and He gas was 210 sccm, the amount of supplied carbon was 128 mg / min, and the total amount of supplied carbon became 772 mg by supplying for 8 minutes, resulting in a mass of 9.3 mg of synthetic CNT. The CNT yield from this preliminary experiment is 1.2%.
In the present embodiment, the traveling speed of the conveyor belt 19 is 1000 mm / min, and the total length of the reaction region 2, the temperature raising region 3, and the diffusion inhibitors 6 and 7 is 9100 mm, so the necessary carbon amount is 3075 mg / min. The amount of supplied carbon necessary to obtain the same yield as in the preliminary experiment is 256250 mg / min. For this, C 2 H 2 gas is supplied to the reaction region 2 at a rate of 239 L / min (0 ° C., 1 atm conversion) through the source gas supply pipe 11. Further, He gas is supplied into the furnace at 558 L / min (0 ° C., 1 atm conversion) through the carrier gas supply pipe 10.
スライダー32には、図3の(3B)に示すように、反応領域2において長手方向に沿って切り欠けられた幅狭部分49が形成されている。(3B)の破線52は触媒層31の形成幅域を示す。幅狭部分49によりスライダー32の反応炉1炉壁との間隔が拡幅され、炉内ガスを搬送ベルト19裏側下方に逃がすガス流出路が形成されるので、原料ガス供給管11の供給口13から供給された原料ガスは下方排気ポンプ25の排気作用を受けて、滞留することなく前記ガス流出路を通じて、搬送ベルト19、つまり触媒層31の裏側に流通容易となっている。係る幅狭部分49による原料ガスの流通容易化によって、触媒層31上に原料ガスの定量的供給が可能になるので、CNTを触媒層31全面に均質に成長させることができる。 As shown in (3B) of FIG. 3, the slider 32 is formed with a narrow portion 49 that is notched along the longitudinal direction in the reaction region 2. A broken line 52 in (3B) indicates a formation width region of the catalyst layer 31. Since the space between the slider 32 and the reactor wall of the reactor 32 is widened by the narrow portion 49 and a gas outflow passage through which the gas in the furnace escapes to the lower side on the back side of the conveyor belt 19 is formed, the supply port 13 of the source gas supply pipe 11 is used. The supplied source gas is subjected to the exhaust action of the lower exhaust pump 25 and can easily flow through the gas outflow path to the conveying belt 19, that is, the back side of the catalyst layer 31 without staying. By facilitating the flow of the raw material gas through the narrow portion 49, the raw material gas can be quantitatively supplied onto the catalyst layer 31, so that the CNTs can be grown uniformly on the entire surface of the catalyst layer 31.
カバー体16の開放口23には、CNT回収用アクチュエータ装置28の伸縮自在アーム27が出入可能に配設されている。伸縮自在アーム27の先端にはCNT掬い取り部材26が取着されている。反応領域2において鉛直上方に林立して成長されたCNT50はCNT掬い取り部材26を触媒層31上に沿って移動させることにより掬い取られ、伸縮自在アーム27の後退移動により開放口23より外部に取り出して回収される。従って、搬送ベルト19を巻回ローラ20から引き出してその一端側を巻取ローラ22に巻き取りながら反応炉1内を走行させ、昇温領域3及び反応領域2を順次移送して、CNT成長を行って回収することによりCNTの連続合成による量産化を行うことができる。特に、本実施形態においては、搬送ベルト19自体を触媒担持体として使用したロールツーロール装置を使用してベルト面上にCNT成長させて連続合成を行う構成を有するので、成長したCNTを回収して搬送ベルト19を巻取ローラ22に巻き取り、巻き取った搬送ベルト19に再び触媒層を形成して再使用することが可能になり、CNTの製造コストの低減を図ることができる。 In the opening 23 of the cover body 16, an extendable arm 27 of the CNT collecting actuator device 28 is disposed so as to be able to enter and exit. A CNT scooping member 26 is attached to the tip of the telescopic arm 27. The CNTs 50 grown in the reaction region 2 vertically above the forest are scooped up by moving the CNT scooping member 26 along the catalyst layer 31 and moved outward from the opening 23 by the retracting movement of the telescopic arm 27. Removed and collected. Therefore, the conveyor belt 19 is pulled out from the winding roller 20 and travels in the reaction furnace 1 while winding one end of the conveyor belt 19 around the winding roller 22, and the temperature rising region 3 and the reaction region 2 are sequentially transferred to grow CNTs. By performing and collecting, mass production by continuous synthesis of CNTs can be performed. In particular, the present embodiment has a configuration in which CNTs are grown on the belt surface using a roll-to-roll device using the conveyor belt 19 itself as a catalyst carrier to perform continuous synthesis. Thus, the conveyor belt 19 can be wound around the take-up roller 22 and a catalyst layer can be formed again on the wound conveyor belt 19 so that it can be reused. Thus, the manufacturing cost of CNT can be reduced.
上記構成のCNT製造装置によれば、触媒層31を表面に形成した搬送ベルト19により反応炉1内に搬入して昇温領域3及び反応領域2を順に搬送し、昇温領域3を通過した触媒層を反応領域2に移送して原料ガスにより触媒層上にCNTを成長させると共に、拡散抑制体6、7により、搬送ベルト19が通過可能な間隙8を残して炉内断面を縮減して昇温領域3及び反応領域2の境界領域を仕切り、反応領域2に供給された原料ガスの、昇温領域3側への拡散を抑制するので、触媒層が昇温領域3において高濃度の原料ガスに曝されることなく昇温された後、反応領域2に移送される。従って、CNTの連続合成過程で原料ガスの拡散を防止して原料ガスの初期濃度を高濃度に維持でき、高配向CNTの量産を行うことができる。 According to the CNT manufacturing apparatus having the above-described configuration, the catalyst belt 31 is carried into the reaction furnace 1 by the transport belt 19 formed on the surface, and the temperature rising region 3 and the reaction region 2 are sequentially transported through the temperature rising region 3. The catalyst layer is transferred to the reaction region 2 to grow CNTs on the catalyst layer with the raw material gas, and the diffusion suppressors 6 and 7 reduce the cross section in the furnace leaving a gap 8 through which the transport belt 19 can pass. The boundary region between the temperature rising region 3 and the reaction region 2 is partitioned, and the diffusion of the raw material gas supplied to the reaction region 2 to the temperature rising region 3 side is suppressed. After being heated without being exposed to the gas, it is transferred to the reaction region 2. Accordingly, diffusion of the raw material gas can be prevented in the continuous synthesis process of CNTs, and the initial concentration of the raw material gas can be maintained at a high concentration, and mass production of highly oriented CNT can be performed.
上記ロールツーロール装置に代えて、個別に設けた触媒基体を昇温領域3から間隙8を通過させて反応領域2に順次移送して、各触媒基体に形成したCNTを回収することによりCNTの連続合成による量産化を行うようにしてもよい。 Instead of the roll-to-roll apparatus, individually provided catalyst substrates are sequentially transferred from the temperature raising region 3 through the gap 8 to the reaction region 2, and the CNTs formed on each catalyst substrate are collected, thereby collecting the CNTs. Mass production by continuous synthesis may be performed.
図4は本発明の別の実施形態に係る、個別触媒基体を搬送してCNT連続合成を行う原料ガス拡散抑制型CNT製造装置の概略断面構造を示す。図4においては図1と同一部材には同じ符号を付している。
図4の場合、上記ロールツーロール装置に代えて、触媒基体としての触媒基板39を搬送する無端ベルト34からなる触媒基体搬送手段を用いている。無端ベルト34は反応炉1の炉心長手方向に沿って配設され、駆動軸36により回転する駆動ローラ35と、回転軸38により回転する従動ローラ37間に懸架されている。
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional structure of a raw material gas diffusion suppression type CNT manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention, in which individual catalyst substrates are transported to perform continuous CNT synthesis. In FIG. 4, the same members as those in FIG.
In the case of FIG. 4, instead of the roll-to-roll apparatus, a catalyst substrate transport means including an endless belt 34 that transports a catalyst substrate 39 as a catalyst substrate is used. The endless belt 34 is disposed along the longitudinal direction of the core of the reaction furnace 1 and is suspended between a driving roller 35 that is rotated by a driving shaft 36 and a driven roller 37 that is rotated by a rotating shaft 38.
触媒基板39は6インチ角のシリコン基板からなる。触媒基板39は、シリコン基板上にポリイミド等の耐熱性樹脂層及び、該耐熱性樹脂層上に蒸着したAl層のバッファ層が形成され、更に該Al層上にFeの触媒層が形成された多層構造となっている。触媒形成用基板材料にはシリコンの他に、アルミナAl2O3、酸化シリコンSiO2、窒化ケイ素Si3N4等を使用することができる。カバー体17に設けた基板導入口(図示せず)より触媒基板39を搬入して無端ベルト34上に所定間隔をおいて載置しセットする。無端ベルト34を反応領域2側に向けて回動駆動することにより、無端ベルト34上の触媒基板39、40は昇温領域3、反応領域2に順次送り出される。反応領域2において原料ガスの供給によりCNT42が触媒基板41の触媒層上に成長され、カバー体16の回収側に搬送される。無端ベルト34の走行速度は1000mm/minであり、1時間あたり触媒基板39を約3400枚処理することができる。 The catalyst substrate 39 is made of a 6 inch square silicon substrate. In the catalyst substrate 39, a heat-resistant resin layer such as polyimide was formed on a silicon substrate, and an Al layer buffer layer deposited on the heat-resistant resin layer was formed, and an Fe catalyst layer was further formed on the Al layer. It has a multilayer structure. In addition to silicon, alumina Al 2 O 3 , silicon oxide SiO 2 , silicon nitride Si 3 N 4 or the like can be used as the catalyst forming substrate material. The catalyst substrate 39 is carried in from a substrate introduction port (not shown) provided in the cover body 17 and is placed and set on the endless belt 34 at a predetermined interval. By rotating the endless belt 34 toward the reaction region 2 side, the catalyst substrates 39 and 40 on the endless belt 34 are sequentially sent out to the temperature raising region 3 and the reaction region 2. In the reaction region 2, the CNT 42 is grown on the catalyst layer of the catalyst substrate 41 by supplying the raw material gas, and is transported to the recovery side of the cover body 16. The traveling speed of the endless belt 34 is 1000 mm / min, and about 3400 catalyst substrates 39 can be processed per hour.
カバー体16の開放口23には、CNT51を成長させた触媒基板43を基板ごと回収するための基板回収用アクチュエータ装置47の伸縮自在アーム46が出入可能に配設されている。伸縮自在アーム46の先端には基板把持可能なロボットハンド装置45が取着されている。反応領域2において鉛直上方に林立して成長されたCNT51が形成された触媒基板43は、ロボットハンド装置45の爪部材44により挟持され、伸縮自在アーム46を無端ベルト34から後退移動させることにより開放口23から取り出すことができる。取り出された触媒基板43は回収トレー(図示しない)に移し替えられて基板ごと回収される。図4の場合においても、個別の触媒基板39を導入して昇温領域3及び反応領域2を順次移送し、昇温処理及びCNT成長処理を繰り返すことによって連続合成を行うことができる。 In the opening 23 of the cover body 16, a telescopic arm 46 of a substrate recovery actuator device 47 for recovering the catalyst substrate 43 on which the CNTs 51 are grown together with the substrate is detachable. A robot hand device 45 capable of gripping a substrate is attached to the tip of the telescopic arm 46. The catalyst substrate 43 on which the CNTs 51 grown in a vertically upward direction in the reaction region 2 are formed is sandwiched between the claw members 44 of the robot hand device 45 and opened by moving the telescopic arm 46 backward from the endless belt 34. It can be taken out from the mouth 23. The extracted catalyst substrate 43 is transferred to a collection tray (not shown) and collected together with the substrate. Also in the case of FIG. 4, continuous synthesis can be performed by introducing individual catalyst substrates 39, sequentially transferring the temperature raising region 3 and the reaction region 2, and repeating the temperature raising treatment and the CNT growth treatment.
無端ベルト34は搬送ベルト19と同様にSUS製であり、SUS材は耐熱性、防錆性及び強度に優れており、高温処理を伴うCNT連続合成による高品質化及び量産化に好適である。 The endless belt 34 is made of SUS like the conveyor belt 19 and the SUS material is excellent in heat resistance, rust prevention and strength, and is suitable for high quality and mass production by continuous CNT synthesis involving high temperature treatment.
図1及び図4の実施形態においては円形反応炉1を使用しているが、角型反応炉を使用すれば、搬送ベルト19又は無端ベルト34の下方空間を削減することができる。 Although the circular reaction furnace 1 is used in the embodiment of FIGS. 1 and 4, the space below the conveyor belt 19 or the endless belt 34 can be reduced by using a square reactor.
図5は反応炉の変形例を示し、同図(5A)及び(5B)は夫々、変形例の角型反応炉の縦断面、部分横断面を示す。(5B)は(5B)のB−B矢視断面を示す。
図5の反応炉は断面コ字形の炉材100と、炉材100の開口部を閉塞する上板101からなり、全体として矩形枠断面形状を形成している。炉材100及び上板101は石英からなる。図5は図1の実施形態における搬送ベルト19及びスライダー32を炉内に導入した設置例を示す。
FIG. 5 shows a modification of the reactor, and FIGS. 5A and 5B respectively show a vertical cross section and a partial cross section of the square reactor of the modification. (5B) shows a cross section taken along line BB of (5B).
The reactor shown in FIG. 5 includes a furnace material 100 having a U-shaped cross section and an upper plate 101 that closes an opening of the furnace material 100, and forms a rectangular frame cross-sectional shape as a whole. The furnace material 100 and the upper plate 101 are made of quartz. FIG. 5 shows an installation example in which the conveyor belt 19 and the slider 32 in the embodiment of FIG. 1 are introduced into the furnace.
炉材100及び上板101により構成された角型反応炉は矩形枠断面を有するので、反応領域及び余熱領域を分離する拡散抑制体102を矩形形状の石英板により構成することができる。 Since the square reactor constituted by the furnace material 100 and the upper plate 101 has a rectangular frame cross section, the diffusion suppressing body 102 that separates the reaction region and the remaining heat region can be constituted by a rectangular quartz plate.
図2の(2B)は拡散抑制体102を示す。
拡散抑制体102の上側中央にはキャリアガス供給管105を挿通させる貫通穴105aが穿設されている。図5の角型反応炉においては原料ガス供給管に直進管を使用せずに、屈曲管を使用している。即ち、(5B)に示すように、原料ガス供給管106は反応領域内において搬送ベルト19の幅方向にL字状に屈曲した枝管107が5本配設されている。枝管107には複数個の原料ガスの供給口108が穿設されている。拡散抑制体102の上方側部に原料ガス供給管106を挿通させる貫通穴106aが穿設されている。更に、拡散抑制体102の両側部には、反応領域の炉内温度を計測するための熱電対を配設するための熱電対用配管(図示せず)を挿通させる貫通穴109が穿設されている。
(2B) of FIG. 2 shows the diffusion suppressing body 102.
A through hole 105 a through which the carrier gas supply pipe 105 is inserted is formed in the upper center of the diffusion suppressing body 102. In the rectangular reactor shown in FIG. 5, a straight pipe is not used as the source gas supply pipe, but a bent pipe is used. That is, as shown in (5B), the source gas supply pipe 106 is provided with five branch pipes 107 bent in an L shape in the width direction of the conveyor belt 19 in the reaction region. A plurality of source gas supply ports 108 are formed in the branch pipe 107. A through hole 106 a through which the source gas supply pipe 106 is inserted is formed in the upper side portion of the diffusion suppressing body 102. Furthermore, through holes 109 through which thermocouple pipes (not shown) for disposing thermocouples for measuring the in-furnace temperature of the reaction region are inserted are formed on both sides of the diffusion suppressing body 102. ing.
拡散抑制体102は矩形炉内に両端側のスペーサ103を介して搬送ベルト19及びスライダー32の上方に間隙110を置いて配置され、炉内壁に密着して取着されている。間隙110は図1の間隙8に対応する。 The diffusion suppressing body 102 is disposed in a rectangular furnace with a gap 110 above the conveyor belt 19 and the slider 32 via the spacers 103 on both ends, and is attached in close contact with the inner wall of the furnace. The gap 110 corresponds to the gap 8 in FIG.
上記構成の角型反応炉によれば、搬送ベルト19及びスライダー32を炉材100底部に近接して配置することができるので、図1における下側の拡散抑制体を設置しなくて済み、矩形断面の大半を1枚の拡散抑制体102により覆って搬送ベルト19の下方空間104の容積を大幅に縮小化することができる。従って、下方空間104の縮小化に伴って、原料ガス供給管106により反応領域に供給する原料ガスの供給量を削減でき、CNT製造コストの低減に寄与する。
図5の場合には、原料ガス供給管106に連通した枝管107を通じて触媒層31表面に向けて原料ガスを供給するので、触媒層31の幅方向に原料ガスを均一にむらなく供給することができる。しかも、前述の幅狭部分49によるガス流出路を通じて下方排気ポンプ25の吸引により、原料ガスを滞留することなく下方空間104に排気、流通させて、触媒層31の幅全域に原料ガスの均一供給が可能になるので、CNTを触媒層31全面に均質に成長させることができる。
According to the square reactor having the above-described configuration, the conveyance belt 19 and the slider 32 can be disposed close to the bottom of the furnace material 100, so that it is not necessary to install the lower diffusion suppressing body in FIG. The volume of the lower space 104 of the conveyor belt 19 can be greatly reduced by covering most of the cross section with one diffusion suppressing body 102. Therefore, as the lower space 104 is reduced, the supply amount of the source gas supplied to the reaction region by the source gas supply pipe 106 can be reduced, which contributes to the reduction of the CNT manufacturing cost.
In the case of FIG. 5, since the source gas is supplied toward the surface of the catalyst layer 31 through the branch pipe 107 communicating with the source gas supply pipe 106, the source gas is uniformly supplied in the width direction of the catalyst layer 31. Can do. In addition, the raw gas is exhausted and circulated through the lower space 104 without stagnation by suction of the lower exhaust pump 25 through the gas outlet passage by the narrow portion 49 described above, and the raw material gas is uniformly supplied to the entire width of the catalyst layer 31. Therefore, CNT can be grown uniformly on the entire surface of the catalyst layer 31.
図1のCNT製造装置に用いる拡散抑制体6、7を詳細に説明する。
より良質の高配向CNTを合成するためには、昇温領域3において炭素源となるアセチレンC2H2ガス(原料ガス)濃度が10ppm以下の低濃度となり、且つ拡散抑制体6、7による間隙8により形成された拡散抑制領域で急峻にアセチレンガス濃度が上昇する必要がある(非特許文献2参照)。
The diffusion suppressing bodies 6 and 7 used in the CNT manufacturing apparatus of FIG. 1 will be described in detail.
In order to synthesize higher-quality highly aligned CNTs, the concentration of acetylene C 2 H 2 gas (raw material gas) serving as a carbon source in the temperature rising region 3 is a low concentration of 10 ppm or less, and the gaps formed by the diffusion inhibitors 6 and 7. The acetylene gas concentration needs to rise sharply in the diffusion suppression region formed by 8 (see Non-Patent Document 2).
図6の(6A)は反応炉1のCNT成長処理要部を模式的に示す。
触媒層31が表面に形成された搬送ベルト19は矢印xの搬送方向に沿って移動し、昇温領域Z3、拡散抑制領域Z2及びCNT合成領域Z1を順に通過して、CNT50が成長形成され巻き取られていく。CNT合成領域Z1、拡散抑制領域Z2及び昇温領域Z3は夫々、反応領域2、昇温領域3、一対の拡散抑制体6、7に対応する。
(6A) of FIG. 6 schematically shows a main part of the CNT growth processing of the reactor 1.
The conveyor belt 19 with the catalyst layer 31 formed on the surface moves along the conveyance direction indicated by the arrow x, and sequentially passes through the temperature raising region Z3, the diffusion suppression region Z2, and the CNT synthesis region Z1, and the CNT 50 is grown and wound. It will be taken. The CNT synthesis region Z1, the diffusion suppression region Z2, and the temperature increase region Z3 correspond to the reaction region 2, the temperature increase region 3, and the pair of diffusion suppression bodies 6 and 7, respectively.
図15は本実施形態のCNT合成処理制御部200の概略ブロック図である。
CNT合成処理制御部200はCPU201からなるマイクロプロセッサにより構成され、CPU201にはCNT合成処理プログラムを格納したROM202及び各種データのワークエリアからなるRAM203が接続されている。
FIG. 15 is a schematic block diagram of the CNT synthesis processing control unit 200 of this embodiment.
The CNT composition processing control unit 200 is configured by a microprocessor including a CPU 201, and a ROM 202 storing a CNT composition processing program and a RAM 203 including various data work areas are connected to the CPU 201.
CPU201には外部入力手段として、各種データの設定入力に用いるキー入力装置206、起動スイッチ(SW)207及び熱電対208が接続されている。更に、後述する搬送ベルト19に形成した反応処理開始位置マーク及び反応終了位置マークを検出する光学センサ209のセンサ出力が入力可能になっている。キー入力装置206のキー入力操作により、加熱温度カーブの設定温度の入力値や搬送ベルト19の駆動時間等を設定入力することができる。光学センサ209は昇温領域3の手間近傍で、且つ移動してくる搬送ベルト19の前記反応処理開始位置マーク及び前記反応終了位置マークを検出可能な位置に設置されている。CPU201には外部出力手段として、搬送ベルト19の従動ローラ37を回転駆動する搬送ベルト駆動装置204、加熱装置9の加熱コントローラ205及び原料ガス供給路の電磁弁210が接続されている。電磁弁210は原料ガス供給管11の原料ガス導入口15と前記アセチレンガスボンベとの間の供給路に設けられた原料ガス供給制御電磁弁及び、キャリアガス供給管10のキャリアガス導入口14と前記Heガスボンベとの間の供給路に設けられた原料ガス供給制御電磁弁である。 The CPU 201 is connected to a key input device 206, a start switch (SW) 207, and a thermocouple 208, which are used for inputting various data as external input means. Further, the sensor output of the optical sensor 209 for detecting a reaction processing start position mark and a reaction end position mark formed on the conveyance belt 19 described later can be input. By the key input operation of the key input device 206, the input value of the set temperature of the heating temperature curve, the driving time of the conveyor belt 19, and the like can be set and input. The optical sensor 209 is installed in the vicinity of the labor of the temperature raising region 3 and at a position where the reaction processing start position mark and the reaction end position mark of the moving conveyor belt 19 can be detected. Connected to the CPU 201 as external output means are a conveyor belt driving device 204 that rotationally drives the driven roller 37 of the conveyor belt 19, a heating controller 205 of the heating device 9, and an electromagnetic valve 210 of the source gas supply path. The solenoid valve 210 includes a source gas supply control solenoid valve provided in a supply path between the source gas inlet 15 of the source gas supply pipe 11 and the acetylene gas cylinder, the carrier gas inlet 14 of the carrier gas supply pipe 10, and the aforementioned It is a source gas supply control solenoid valve provided in a supply path between the He gas cylinder.
図6の(6B)は各領域Z1〜Z3における加熱装置9による加熱温度分布を示す。CNT合成時の反応炉1内の内圧は10Torrとする。
図16はCNT合成処理制御部200によるCNT合成処理の処理手順を示すフローチャートである。
(6B) of FIG. 6 shows the heating temperature distribution by the heating device 9 in each of the regions Z1 to Z3. The internal pressure in the reactor 1 during CNT synthesis is 10 Torr.
FIG. 16 is a flowchart showing a processing procedure of CNT synthesis processing by the CNT synthesis processing control unit 200.
CNT合成処理制御部200によるCNT合成処理の処理手順を図26に従って説明する。
合成処理開始前には、反応炉1内には電磁弁210を開成してキャリアガスを供給開始して予め流通させている。起動SW207をオンすると、CNT合成処理プログラムが起動する(ステップS1)。この起動により、電磁弁210を開成して原料ガスの供給を開始すると共に、加熱コントローラ205による加熱装置9の反応炉1の加熱制御を開始する(ステップS2)。更に、搬送ベルト駆動装置204が駆動開始されて搬送ベルト19の駆動がオンされる(ステップS3)。
The processing procedure of the CNT synthesis process by the CNT synthesis process control unit 200 will be described with reference to FIG.
Prior to the start of the synthesis process, the electromagnetic valve 210 is opened in the reaction furnace 1 to start supplying the carrier gas and circulate in advance. When the activation SW 207 is turned on, the CNT composition processing program is activated (step S1). With this activation, the electromagnetic valve 210 is opened to start supplying the raw material gas, and heating control of the reaction furnace 1 of the heating device 9 by the heating controller 205 is started (step S2). Further, the driving of the conveyor belt driving device 204 is started and the driving of the conveyor belt 19 is turned on (step S3).
搬送ベルト19の駆動により、反応処理開始位置マークの検出が行われる(ステップS4)。反応処理開始位置マークは搬送ベルト19の触媒層31の形成開始前端側に形成されていて、光学センサ209により検出される。このセンサ検出によりタイマ監視が開始され、反応処理開始位置マークの検出後、一定時間(昇温領域3から反応領域2までの搬送時間t1)、ベルト搬送が行われる(ステップS5、S6)。この搬送時間t1は1分である。 The reaction processing start position mark is detected by driving the transport belt 19 (step S4). The reaction processing start position mark is formed on the front end side of the formation of the catalyst layer 31 of the transport belt 19 and is detected by the optical sensor 209. Timer detection is started by this sensor detection, and after detection of the reaction processing start position mark, belt conveyance is performed for a certain period of time (conveying time t1 from the temperature rising region 3 to the reaction region 2) (steps S5 and S6). This conveyance time t1 is 1 minute.
搬送時間t1経過により、未反応の触媒層31が昇温領域Z3を経てCNT合成領域Z1に移送される。この昇温領域Z3の通過により、例えば25℃(装置周辺温度)からCNT合成温度の730℃まで昇温加熱される。昇温加熱された触媒層31は速やかに拡散抑制領域Z2を通過してCNT合成領域Z1に搬入され、反応時間t2の間ベルト駆動が停止される。ベルト駆動の停止からの合成時間、即ち、反応時間t2は8分である(ステップS7)。拡散抑制領域Z2及びCNT合成領域Z1の温度はCNT合成温度の730℃に保持されており、CNT合成領域Z1において触媒層31上にCNT50を成長させるCNT合成処理が行われる。CNT50はCNT掬い取り部材26により順次掬い取られて回収される。 As the transfer time t1 elapses, the unreacted catalyst layer 31 is transferred to the CNT synthesis region Z1 through the temperature increase region Z3. By passing through the temperature raising region Z3, for example, the temperature is raised from 25 ° C. (apparatus ambient temperature) to the CNT synthesis temperature of 730 ° C. The temperature-heated catalyst layer 31 quickly passes through the diffusion suppression region Z2 and is carried into the CNT synthesis region Z1, and the belt drive is stopped during the reaction time t2. The synthesis time from the stop of the belt drive, that is, the reaction time t2 is 8 minutes (step S7). The temperatures of the diffusion suppression region Z2 and the CNT synthesis region Z1 are maintained at the CNT synthesis temperature of 730 ° C., and a CNT synthesis process for growing CNTs 50 on the catalyst layer 31 is performed in the CNT synthesis region Z1. The CNTs 50 are sequentially scooped and collected by the CNT scooping member 26.
反応時間t2の経過により1回分の合成を終了する。以上の昇温及び合成を1回終了すると、再び搬送ベルト19を駆動して次の合成処理に移る(ステップS9)。搬送ベルト19上の全ての触媒層31について合成を終了するまで、上記昇温及び合成を繰り返して連続合成を行うことができる。搬送ベルト19の駆動により、触媒層31の周縁部に形成された反応終了位置マークの検出が行われる(ステップS9)。反応終了位置マークの光学センサ209による検出によって、電磁弁210を閉成して原料ガス及びキャリアガスの供給を停止すると共に、ベルト駆動及び加熱制御が停止されてCNT合成処理を終了する(ステップS10)。
なお、反応時間t2の設定は、Si基板上に湿式法によりFe触媒層を形成して、圧力10TorrのCVD条件下で予め計測したデータに基づいて行った。
図23の(23A)は該計測に用いた加熱温度変化とC2H2ガス供給期間(反応時間t2)との関係の一例を示す。同図(23B)は反応時間t2を可変してCNT合成を種々行って得られたCNT高さを示すグラフである。該計測は本実施形態における原料ガス供給量及び加熱条件に基づき行われている。(23B)に示すように、本実施形態における原料ガス供給量においては8分加熱が最適であることがわかる。
The synthesis for one time is completed after the reaction time t2. When the above temperature rise and synthesis are completed once, the conveyor belt 19 is driven again and the next synthesis process is started (step S9). Until the synthesis of all the catalyst layers 31 on the conveyor belt 19 is completed, the above temperature rise and synthesis can be repeated to perform continuous synthesis. The reaction end position mark formed on the peripheral edge of the catalyst layer 31 is detected by driving the transport belt 19 (step S9). By detecting the reaction end position mark by the optical sensor 209, the electromagnetic valve 210 is closed to stop the supply of the raw material gas and the carrier gas, and the belt drive and heating control are stopped to complete the CNT synthesis process (step S10). ).
The reaction time t2 was set based on data measured in advance under CVD conditions at a pressure of 10 Torr by forming an Fe catalyst layer on a Si substrate by a wet method.
(23A) of FIG. 23 shows an example of the relationship between the heating temperature change used for the measurement and the C 2 H 2 gas supply period (reaction time t2). FIG. 23B is a graph showing the CNT height obtained by variously performing CNT synthesis by varying the reaction time t2. The measurement is performed based on the raw material gas supply amount and heating conditions in the present embodiment. As shown in (23B), it can be seen that heating for 8 minutes is optimal in the amount of material gas supply in the present embodiment.
図6の(6C)はCNT合成領域Z1及び拡散抑制領域Z2における理想的なアセチレン濃度分布を示す。昇温領域Z3に導入された搬送ベルト19は、C2H2ガス濃度が極めて低い、好ましくは10ppm以下の状態M2で合成温度まで昇温された後、拡散抑制領域Z2を迅速に通過することにより、(6C)のM1に示すように、触媒層31に触れるC2H2ガス濃度が急峻に立ち上がって、CNT合成領域Z1にて高配向CNTの成長が可能になる。本実施形態では図3に示した拡散抑制体6、7の炉内を縮減する縮減部分断面形状及び厚さを適正に設定して、拡散抑制領域Z2におけるC2H2ガスの拡散を十分に抑制して高配向CNT成長の円滑処理を可能にしている。 (6C) in FIG. 6 shows ideal acetylene concentration distributions in the CNT synthesis region Z1 and the diffusion suppression region Z2. The conveyor belt 19 introduced into the temperature rising zone Z3 is rapidly passed through the diffusion suppression zone Z2 after being heated to the synthesis temperature in a state M2 where the C 2 H 2 gas concentration is extremely low, preferably 10 ppm or less. As a result, as indicated by M1 in (6C), the C 2 H 2 gas concentration that touches the catalyst layer 31 rises sharply, and the growth of highly oriented CNTs becomes possible in the CNT synthesis region Z1. In the present embodiment, the reduced partial cross-sectional shape and thickness for reducing the inside of the furnace of the diffusion suppressing bodies 6 and 7 shown in FIG. 3 are set appropriately to sufficiently diffuse the C 2 H 2 gas in the diffusion suppressing region Z2. It suppresses and enables smooth processing of highly oriented CNT growth.
拡散抑制体6、7を間隙8を隔てて互いに対向配置して縮減部分断面形状を形成している。下側の拡散抑制体7は搬送ベルト19の裏側を出来るだけ閉塞する形態を有すればよい。ここで、高配向CNTの合成のために、昇温領域3側への原料ガスの拡散漏洩を防止すべく、触媒層31の導入側に設置された拡散抑制体6の厚さを厳密に設定する必要がある。この設定のために、各種拡散抑制体の形態につきモデル流体シミュレーションを行って、C2H2ガス濃度を求めて拡散抑制体6の適正な厚さを決定している。 The diffusion suppressing bodies 6 and 7 are arranged to face each other with a gap 8 therebetween to form a reduced partial cross-sectional shape. The lower diffusion suppressing body 7 may be configured to close the back side of the conveyor belt 19 as much as possible. Here, in order to synthesize highly oriented CNTs, the thickness of the diffusion suppressor 6 installed on the introduction side of the catalyst layer 31 is strictly set in order to prevent diffusion leakage of the raw material gas to the temperature rising region 3 side. There is a need to. For this setting, a model fluid simulation is performed for each type of diffusion suppressing body, and the appropriate thickness of the diffusion suppressing body 6 is determined by obtaining the C 2 H 2 gas concentration.
図1のCNT製造装置において実行したモデル流体シミュレーションの手法と解析結果を以下に説明する。
モデル流体シミュレーション解析では反応炉1内の3次元定常流れ、つまり層流連続体としてのモデル流体を想定して解析し、拡散抑制体6の間隙8の前後に亘る原料ガスの拡散による濃度分布を求めた。なお、以下に説明するいくつかのシミュレーションに用いる解析モデルにおいては、図1と同じ部材については同じ符号を付している。但し、キャリアガス供給管10や原料ガス供給管11のガス排出口の位置を解析内容に応じて変更している。
A model fluid simulation technique and analysis results executed in the CNT manufacturing apparatus of FIG. 1 will be described below.
In the model fluid simulation analysis, analysis is performed assuming a three-dimensional steady flow in the reactor 1, that is, a model fluid as a laminar flow continuum, and the concentration distribution due to the diffusion of the raw material gas before and after the gap 8 of the diffusion suppressing body 6 is calculated. Asked. In the analysis models used for some simulations described below, the same members as those in FIG. However, the positions of the gas discharge ports of the carrier gas supply pipe 10 and the source gas supply pipe 11 are changed according to the analysis contents.
解析では連続の式,運動方程式,エネルギー輸送式,質量分率輸送式を解いた。
図7は解析モデルとして設定したCNT反応処理部を示す。この解析モデルでは加熱装置9による輻射加熱領域内に仕切り板W2、W3を配置し、輻射加熱領域外にはHeガス導入側に仕切り板W4を設け、排気側にも仕切り板W1を設けている。HeガスはHeの流入面54から導入され、C2H2ガスはC2H2の流入面55から導入され、更に排気ガスは排気面56から排出される。反応領域2は対称性を有するため、解析上、反応炉1の透明石英管中心を含む垂直断面が対称面となる半分の領域とした。原料ガス及びキャリアガスは夫々、C2H2、Heとする。
In the analysis, continuity equations, equations of motion, energy transport equations, and mass fraction transport equations were solved.
FIG. 7 shows a CNT reaction processing unit set as an analysis model. In this analysis model, the partition plates W2 and W3 are arranged in the radiant heating region by the heating device 9, the partition plate W4 is provided on the He gas introduction side outside the radiant heating region, and the partition plate W1 is also provided on the exhaust side. . He gas is introduced from the He inflow surface 54, C 2 H 2 gas is introduced from the C 2 H 2 inflow surface 55, and exhaust gas is discharged from the exhaust surface 56. Since the reaction region 2 has symmetry, the vertical section including the center of the transparent quartz tube of the reaction furnace 1 is a half region where the plane of symmetry is a symmetry plane. The source gas and the carrier gas are C 2 H 2 and He, respectively.
三次元直交座標系(x,y,z)におけるスカラー変数φの輸送方程式は以下の一般式で記述できる。 The transport equation of the scalar variable φ in the three-dimensional orthogonal coordinate system (x, y, z) can be described by the following general formula.
ここで、t は時間(s)u、v、wはそれぞれx方向、y方向、z方向速度(m/s)、ρは密度(kg/m3)、Γは拡散係数、Sは生成項(単位時間・単位体積あたりの発生量)である。x方向、y方向、z方向は夫々、搬送ベルト19の進行方向、ベルト幅方向、ベルト面の垂直方向に対応する。式(1)において、左辺第一項は非定常項,第二項から第四項が対流項(移流項)、右辺第一項から第三項が拡散項、第四項が生成項である。定常解析では各変数の時間微分が0となるため非定常項は省略され、二次元平面(x,y)ではzに関する偏微分の項が無くなる。また、式(1)をベクトル形式で記述すると以下のようになる。 Where t is the time (s) u, v, w are the velocity in the x, y, and z directions (m / s), ρ is the density (kg / m 3 ), Γ is the diffusion coefficient, and S is the generation term. (Amount generated per unit time / unit volume). The x direction, the y direction, and the z direction correspond to the traveling direction of the transport belt 19, the belt width direction, and the direction perpendicular to the belt surface, respectively. In equation (1), the first term on the left side is an unsteady term, the second term to the fourth term are convection terms (convection terms), the first term to the third term on the right side are diffusion terms, and the fourth term is a generation term. . In the steady analysis, the time derivative of each variable is 0, so the non-stationary term is omitted, and the partial derivative term with respect to z disappears in the two-dimensional plane (x, y). Further, the expression (1) is described in the vector format as follows.
式(1)においてφを1とすると連続の式(質量保存則)となる。 In the formula (1), when φ is 1, a continuous formula (mass conservation law) is obtained.
ここで、右辺第一項Smは生成項であり、単位体積・単位時間当たりの質量発生量を意味する。 Here, the first term Sm on the right side is a generation term, and means the mass generation amount per unit volume / unit time.
式(1)におていてφを速度ベクトル(u,v,w)、拡散係数をΓ、粘性係数μ(Pa・s)とすると運動方程式(運動量保存則)となる。 In Equation (1), if φ is a velocity vector (u, v, w), a diffusion coefficient is Γ, and a viscosity coefficient μ (Pa · s), an equation of motion (momentum conservation law) is obtained.
ここで、pは圧力(Pa)である。各式の右辺第四項は生成項の一種である圧力勾配項であり、第五項は外力の発生を組み込む生成項である。 Here, p is a pressure (Pa). The fourth term on the right side of each equation is a pressure gradient term that is a kind of generation term, and the fifth term is a generation term that incorporates the generation of external force.
式(1)においてφをエンタルピーh(J/kg)、拡散係数Γをk/cとするとエネルギーの輸送式となる。 In Equation (1), if φ is enthalpy h (J / kg) and the diffusion coefficient Γ is k / c, the energy transport equation is obtained.
ここで、kは熱伝導率(W/m・K)、cは比熱(J/kg・K)である。流体を対象とする場合は一般に比熱として定圧比熱cp(J/kg・K)を用いる。 Here, k is the thermal conductivity (W / m · K), and c is the specific heat (J / kg · K). When intended for fluid generally used pressure specific heat c p (J / kg · K ) as the specific heat.
化学種iの輸送式は次式のように書くことができる。 The transport formula for chemical species i can be written as:
ここで、ρは密度(kg/m3)、miは化学種iの質量分率、Jiは拡散流速(kg/m2・s)のベクトル表示である。拡散流速Jiは濃度勾配と温度勾配に起因して発生する。層流の場合拡散流速Jiは以下のように書き表すことができる。 Here, ρ is a density (kg / m 3 ), mi is a mass fraction of the chemical species i, and J i is a vector display of the diffusion flow rate (kg / m 2 · s). The diffusion flow rate J i is generated due to the concentration gradient and the temperature gradient. In the case of laminar flow, the diffusion flow rate J i can be expressed as follows.
ここで、Di,mは混合物中の化学種iに対する物質拡散係数(m2/s)、
DT,iは化学種iの熱拡散係数(kg/(m・s))である。本解析では定常三次元流れを扱うので、以下の説明では非定常項を省略する。
Where D i, m is the material diffusion coefficient (m 2 / s) for chemical species i in the mixture,
D T, i is the thermal diffusion coefficient (kg / (m · s)) of chemical species i. Since this analysis deals with a steady three-dimensional flow, the unsteady term is omitted in the following description.
次に、有限体積法により、一般のスカラー輸送方程式を数値的に解くことのできる代数方程式に変換する。有限体積法では、まず輸送方程式を各コントロールボリュームにおいて積分して離散化方程式を求め、コントロールボリューム単位で保存則を表現している。 Next, the general scalar transport equation is converted into an algebraic equation that can be numerically solved by the finite volume method. In the finite volume method, first, a transport equation is integrated in each control volume to obtain a discretization equation, and a conservation law is expressed in units of control volumes.
支配方程式の離散化は、スカラー量φの輸送に関する保存式(2)を考えてみると、最も簡単に表すことができる。本解析では定常三次元流れを扱うので、非定常項を省略すると式(2)は以下のようになる。 The discretization of the governing equation can be most easily expressed by considering the conservation equation (2) relating to the transport of the scalar quantity φ. Since this analysis deals with a steady three-dimensional flow, if the unsteady term is omitted, equation (2) becomes as follows.
任意のコントロールボリュームVについて、式(3)を積分すると、以下の式が成立する。 When formula (3) is integrated for an arbitrary control volume V, the following formula is established.
ここで、Aは面積ベクトルA(Ax,Ay,Az)であり、以下成分表示を省略する。
あるコントロールボリュームについて式(4)を離散化すると以下のようになる。
Here, A is an area vector A (A x , A y , A z ), and the component display is omitted below.
When formula (4) is discretized for a certain control volume, it is as follows.
ここで、下付文字fはフェイス番号、Nfacesはセルを取り囲むフェイスの数、φfはフェイスfを通過するφの値(対流項)、Afはフェイスfの面積ベクトル(Af=(Afx,Afy,Afz)であり、以下成分表示を省略する。)、ρfφf・Afはフェイスを通過する質量流束、gradφfはフェイスfにおけるφの勾配、Vはセル体積である。 Here, the subscript f is the face number, N faces is the number of faces surrounding the cell, φ f is the value of φ passing through the face f (convection term), and A f is the area vector of the face f (A f = ( A fx , A fy , A fz ), and component display is omitted below.), Ρ f φ f · A f is the mass flux passing through the face, grad φ f is the gradient of φ in the face f, and V is the cell Volume.
更に、式(5)を線形化すると、次式のようになる。 Furthermore, when equation (5) is linearized, the following equation is obtained.
ここで、下付文字nb隣接セルを示し、aPとanbはφとφnbの線形化された係数、bは定数項である。グリッド内の各セルについて、同様の式を記述することができる。この結果、連立代数方程式が得られる。 Here, subscript nb adjacent cells are shown, a P and a nb are linearized coefficients of φ and φ nb , and b is a constant term. A similar formula can be written for each cell in the grid. As a result, simultaneous algebraic equations are obtained.
式(5)の対流項の計算(拡散項は中心差分であり常に二次精度)においてφfのフェイス値が必要であるため、格納されたセル中心値から補間する必要がある。フェイス値の補間は二次精度風上差分法により行う。一次精度風上差分法では、セル中心値をセル平均値であり、セル全体において同じ値であると仮定して、フェイス値φfは、風上側のセルにおけるφのセル中心値とする。 For calculation of the convection terms in equation (5) is required face value of phi f in (diffusion term is always a central difference secondary accuracy), it is necessary to interpolate from the stored cell center values. Interpolation of the face value is performed by the secondary accuracy upwind difference method. In the first-order upwind difference method, assuming that the cell center value is the cell average value and the same value in the entire cell, the face value φ f is the cell center value of φ in the upwind cell.
本解析では圧力と速度の連成をSIMPLEアルゴリズム(越塚誠一、数値流体力学、培風館、1997参照)で行う。解析を行う上で運動方程式から流れ場を求める必要がある。しかし、流れ場を求めるためには圧力場pが既知である必要があり、圧力場pは連続の式では間接的にしか規定されていない。もし圧力場pが既知でなく、推測した圧力場p*から運動方程式より求めた不完全な速度場u*,v*,w*は連続の式を満足しない。この問題を解決するためには、不完全な速度場u*,v*,w*が連続の式を満足するように初めに推測した圧力場p*を改善(圧力と速度の連成)していく必要がある。 In this analysis, pressure and velocity are coupled using the SIMPLE algorithm (see Seiichi Koshizuka, Computational Fluid Dynamics, Bafukan, 1997). It is necessary to obtain the flow field from the equation of motion for the analysis. However, in order to determine the flow field, the pressure field p needs to be known, and the pressure field p is only defined indirectly in the continuous equation. If the pressure field p is not known, the incomplete velocity fields u * , v * and w * obtained from the estimated pressure field p * from the equation of motion do not satisfy the continuous equation. In order to solve this problem, the initially estimated pressure field p * is improved (a combination of pressure and speed) so that the incomplete velocity fields u * , v * , and w * satisfy the continuous equation. It is necessary to continue.
x方向の運動方程式と連続の式をそれぞれ以下のように記述できる。 The equation of motion in the x direction and the equation of continuity can be described as follows.
式(7)を上記離散化に基づきを離散化すると以下のようになる。 Based on the above discretization, Equation (7) is discretized as follows.
ここで、下付文字nbは隣接セルを示し、aPとanbはuとunbの線形化された係数、pf1、pf2はコントロールボリューム二面のフェイス圧力、Aは面積、bは定数項である。式(9)を解くためには圧力と速度のフェイス値が必要であるが、それらはセルの中心に格納されている。そこで、圧力のフェイス値は以下の式で与える。 Here, the subscript nb indicates an adjacent cell, a P and a nb are linearized coefficients of u and un , p f1 and p f2 are face pressures on two sides of the control volume, A is an area, and b is It is a constant term. To solve equation (9), face values for pressure and velocity are needed, but they are stored in the center of the cell. Therefore, the pressure face value is given by the following equation.
ここで、pc0、pc1はフェイス中心圧力、ap,c0、ap,c1は離散化係数である。速度については、線形平均しフェイス値を求めると圧力が物理的にあり得ないチェッカーボード状の分布となるため、運動量により重み付けをして平均する。また、式(8)を離散化すると以下のようになる。 Here, p c0 and p c1 are face center pressures, and a p, c0 , a p, c1 are discretization coefficients. The speed is linearly averaged and the face value is obtained, so that it becomes a checkerboard-like distribution in which pressure cannot physically exist. Therefore, the speed is weighted and averaged. Further, when the equation (8) is discretized, it is as follows.
ここで、Jfはフェイスfを通過する質量流束、Afはフェイスfの面積である。正確な圧力pが下記のように Here, Jf is the mass flux passing through the face f, and Af is the area of the face f. The exact pressure p is as follows
補正できたとする。(p’は圧力補正値と呼ばれる)すると次に、この圧力の変化に対して速度成分がどのように変化するのかを知る必要がある。このときの速度成分は同様に、 Suppose that it was corrected. Next, it is necessary to know how the velocity component changes with respect to this pressure change. Similarly, the velocity component at this time is
と表現できる(u’,v’,w’は速度補正値と呼ばれる)。速度補正値u’、v’,w’は圧力補正値p’から求めることができる。圧力補正値p’から速度補正値u’,v’,w’を求める式は速度補正式と呼ばれる。
以上を基にSIMPLEアルゴリズムでは以下の手順で計算を進める。
1.不完全な圧力場p*を推測する。
2.式(8)を解きu*、同様にv*、w*を求める。
3.式(9)から求められる圧力補正式より離散方程式を解き圧力補正値p’を求める。
4.得られたp’をp*に加えてpを求める。
5.さらにp’と速度補正式よりu’,v’,w’を求め、式(21)よりu,v,wを求める。
6.他の変数φ(エンタルピー、質量分率)に対する離散方程式を解き、流れ場に影響を与える流体の性質や生成項を更新する。
7.補正された圧力pを新しく推測した圧力p*として、以上の手続きを収束するまで繰り返す。
(U ′, v ′, and w ′ are called speed correction values). The speed correction values u ′, v ′, and w ′ can be obtained from the pressure correction value p ′. An equation for obtaining the velocity correction values u ′, v ′, and w ′ from the pressure correction value p ′ is called a velocity correction equation.
Based on the above, the SIMPLE algorithm proceeds with the calculation according to the following procedure.
1. Infer an incomplete pressure field p * .
2. Equation (8) is solved to obtain u * and v * and w * in the same manner.
3. The discrete equation is solved from the pressure correction equation obtained from Equation (9) to obtain the pressure correction value p ′.
4). The obtained p ′ is added to p * to obtain p.
5. Further, u ′, v ′, and w ′ are obtained from p ′ and the speed correction equation, and u, v, and w are obtained from Equation (21).
6). Solve discrete equations for other variables φ (enthalpy, mass fraction) and update fluid properties and generation terms that affect the flow field.
7). Using the corrected pressure p as a newly estimated pressure p * , the above procedure is repeated until convergence.
解を求めるためには,式(6)の離散化方程式を解く必要がある。本解析ではガウス・ザイデル法と代数マルチグリッド(AMD)法を組み合わせて離散化方程式を解いた。 In order to obtain a solution, it is necessary to solve the discretized equation of Equation (6). In this analysis, the discrete equation was solved by combining the Gauss-Seidel method and the algebraic multigrid (AMD) method.
本解析においては、原料ガス(C2H2)やキャリアガス(He)等の特性値(物性値)を設定して解析結果を導出した。
以下に、ガスとしてキャリアガスのHeと炭素源のC2H2の二種類を考慮している。また、固体として石英管製反応炉1と石英製スライダー32の石英ガラス、触媒基板使用時のSi、搬送ベルト19又は無端ベルト34のステンレス(SUS)の三種類、ガスと固体合わせて合計5つの物性を定義している。ここではそれぞれの物性値の設定について述べる。
In this analysis, characteristic values (physical property values) such as source gas (C 2 H 2 ) and carrier gas (He) were set and the analysis results were derived.
In the following, two types of gases, He as a carrier gas and C 2 H 2 as a carbon source, are considered. Further, there are three types of solids, quartz glass of the quartz tube reactor 1 and quartz slider 32, Si when using the catalyst substrate, stainless steel (SUS) of the conveyor belt 19 or endless belt 34, and a total of five gases and solids. Defines physical properties. Here, the setting of each physical property value will be described.
Heの物性値を以下のように定めた。
定圧比熱(cp,he):5193(J/kg・K)
熱伝導率(khe):動力学的理論による定義(W/m・K)
粘性係数(μhe):動力学的理論により定義(kg/m・s)
分子量:4.0026
Lennard−Jones特性長:2.551Å
Lennard−Jonesエネルギーパラメーター:10.22K
The physical properties of He were determined as follows.
Constant pressure specific heat (cp , he ): 5193 (J / kg · K)
Thermal conductivity (k he ): kinetic theory definition (W / m · K)
Viscosity coefficient ( μhe ): defined by dynamic theory (kg / m · s)
Molecular weight: 4.0026
Lennard-Jones characteristic length: 2.551mm
Lennard-Jones energy parameters: 10.22K
C2H2の物性値を以下のように定めた。
定圧比熱(cp、c2h2):多項式により近似した。
300≦T<1000:cp、c2h2(T)=642.95581+4.85052T+−0.0051611108T2+2.8990371×10−6T3+−6.1076×10−12T4、
1000≦T<5000:cp、c2h2(T)=1416.7169+1.7166374T+−0.00061078637T2+1.04938241×10−7T3+−6.8866449×10−12T4(J/kg・K)
熱伝導率(kc2h2):動力学的理論による(W/m・K)
粘性係数(μc2h2):動力学的理論による定義(kg/m・s)
分子量:26.04
Lennard−Jones特性長:2.551Å
Lennard−Jonesエネルギーパラメーター:10.22K
また、HeとC2H2の混合気体を扱う必要がある。この混合気体の物性については、密度、定圧比熱、熱伝導率、粘性係数、物質拡散係数、熱拡散係数を定義した。
密度:非圧縮性理想気体の法則よる定義(kg/m3)
定圧比熱:組成に依存(J/kg・K)
熱伝導率:理想気体の混合則よる定義(W/m・K)
粘性係数:理想気体の混合則よる定義(kg/m・s)
物質拡散係数:動力学的理論による定義(m2/s)
熱拡散係数:経験則による下記の定義
The physical property values of C 2 H 2 were determined as follows.
Constant pressure specific heat ( cp, c2h2 ): approximated by a polynomial.
300 ≦ T <1000: cp, c2h2 (T) = 6422.95581 + 4.85052T + −0.0051611108T 2 + 2.8990371 × 10 −6 T 3 + −6.1766 × 10 −12 T 4 ,
1000 ≦ T <5000: cp, c2h2 (T) = 11416.7169 + 1.7166374T + −0.00061078637T 2 + 1.04938241 × 10 −7 T 3 + −6.8866449 × 10 −12 T 4 (J / kg · K )
Thermal conductivity (k c2h2 ): kinetic theory (W / m · K)
Viscosity coefficient (μ c2h2 ): kinetic theory definition (kg / m · s)
Molecular weight: 26.04
Lennard-Jones characteristic length: 2.551mm
Lennard-Jones energy parameters: 10.22K
Moreover, it is necessary to handle a mixed gas of He and C 2 H 2 . As for the physical properties of this mixed gas, density, constant pressure specific heat, thermal conductivity, viscosity coefficient, material diffusion coefficient, and thermal diffusion coefficient were defined.
Density: Definition by the law of incompressible ideal gas (kg / m 3 )
Constant pressure specific heat: Depends on composition (J / kg · K)
Thermal conductivity: Definition by the mixing rule of ideal gas (W / m · K)
Viscosity coefficient: Definition by ideal gas mixing rule (kg / m · s)
Material diffusion coefficient: defined by kinetic theory (m 2 / s)
Thermal diffusion coefficient: The following definition based on empirical rules
ここで、DT,iは温度Tのときの化学種iの熱拡散係数、Mw,iは化学種iの分子量、Xiは化学種iのモル分率、Yiは化学種iの質量分率である。
図24は3種の炉内圧力(10、100、760Torr)に対して求めたC2H2の物質拡散係数(24A)及び熱拡散係数(24B)の拡散抑制領域前後における変化を示すグラフである。(24A)に示すように、C2H2の物質拡散係数は圧力に反比例して変化し、また(24B)に示すように、C2H2の熱拡散係数は圧力に依存しないことがわかる。
Where D T, i is the thermal diffusion coefficient of chemical species i at temperature T, M w, i is the molecular weight of chemical species i, X i is the molar fraction of chemical species i, and Y i is chemical species i. Mass fraction.
FIG. 24 is a graph showing changes in the material diffusion coefficient (24A) and the thermal diffusion coefficient (24B) of C 2 H 2 before and after the diffusion suppression region obtained for three types of furnace pressures (10, 100, 760 Torr). is there. As shown in (24A), the material diffusion coefficient of C 2 H 2 changes in inverse proportion to the pressure, and as shown in (24B), the thermal diffusion coefficient of C 2 H 2 does not depend on the pressure. .
ステンレスの物性値を不透明体として以下のように定めた。
密度(ρSUS):7640(kg/m3)
比熱(cSUS):区分的線形関数で下記のように近似した。
(T,cSUS)=(300,499)(400,511)(600,556)(800,620)(1000,644)(J/kg・K)
熱伝導率(kSUS):区分的線形関数で下記のように近似
(T,kSUS)=(300,16)(400,16.5)(600,19)(800,22.5)(1000,25.7)(W/m・K)
The physical property value of stainless steel was determined as follows as an opaque body.
Density (ρ SUS ): 7640 (kg / m 3 )
Specific heat (c SUS ): A piecewise linear function approximated as follows.
(T, c SUS) = ( 300,499) (400,511) (600,556) (800,620) (1000,644) (J / kg · K)
Thermal conductivity (k SUS ): a piecewise linear function approximated as follows (T, k SUS ) = (300, 16) (400, 16.5) (600, 19) (800, 22.5) ( 1000, 25.7) (W / m · K)
石英ガラスの物性値を透明体として以下のように定めた。
密度(ρqrz):2201(kg/m3)
比熱(cqrz):1052(J/kg・K)
熱伝導率(kqrz):区分的線形関数で下記のように近似した。
(T,kqrz)=(293.15,1.38)(373.15,1.47)(473.15,1.55)(573.15,1.67)(673.15,1.84)(1223.15,2.68)(W/m・K)
The physical properties of quartz glass were determined as follows as a transparent body.
Density (ρ qrz ): 2201 (kg / m 3 )
Specific heat (c qrz ): 1052 (J / kg · K)
Thermal conductivity (k qrz ): A piecewise linear function approximated as follows.
(T, k qrz ) = (293.15, 1.38) (373.15, 1.47) (473.15, 1.55) (573.15, 1.67) (673.15, 1. 84) (122.15, 2.68) (W / m · K)
解析モデルにおける境界条件を以下のように定めた。なお、基準圧力は1.33×103Pa(10torr)とする。
まず、Heの流入面54においては、流量を3.12513×10−7kg/s(210sccm)とし、温度Tを298.15K(25℃)とした。
C2H2の流入面55については、流量を8.71344×10−7kg/s(90sccm)とし、温度Tを298.15K(25℃)とした。また、排気面56における相対圧力は0Paとする。
The boundary conditions in the analysis model were determined as follows. The reference pressure is 1.33 × 10 3 Pa (10 torr).
First, on the He inflow surface 54, the flow rate was 3.121313 × 10 −7 kg / s (210 sccm), and the temperature T was 298.15 K (25 ° C.).
For the inflow surface 55 of C 2 H 2 , the flow rate was 8.71344 × 10 −7 kg / s (90 sccm), and the temperature T was 298.15 K (25 ° C.). The relative pressure on the exhaust surface 56 is 0 Pa.
石英反応管(反応炉1)表面の加熱面については、外部輻射エネルギーが一定とし、温度Tを973.15K(700℃)とした。また、非加熱面については、温度を断熱条件とし、放射率を1とした。
気相とステンレスベルトの境界については放射率を0.45とし、石英製スライダー32とステンレスベルトの境界については放射率を0.22とした。
On the heating surface of the surface of the quartz reaction tube (reactor 1), the external radiation energy was constant, and the temperature T was 973.15 K (700 ° C.). For the non-heated surface, the temperature was set as the heat insulation condition and the emissivity was set to 1.
The emissivity is 0.45 at the boundary between the gas phase and the stainless steel belt, and the emissivity is 0.22 at the boundary between the quartz slider 32 and the stainless steel belt.
離散化方程式を解くためのプログラムには、ANSYS社製汎用熱流体解析ソフトFLUENT(Version:6.3.26)を倍精度ソルバーで使用した。解析の結果、格子のセル数は、2789256、フェイス数は8633662、ノード数は3048317となった。 As a program for solving the discretization equation, general-purpose thermal fluid analysis software FLUENT (Version: 6.3.26) manufactured by ANSYS was used with a double precision solver. As a result of the analysis, the number of cells of the lattice was 2789256, the number of faces was 8633662, and the number of nodes was 3048317.
図8は上記熱流体モデルの解析に基づくC2H2濃度分布(8A)、反応炉1の長手方向に沿ったガス流れを模式的に示す反応炉1の概略縦断面(8B)、スライダー32下方のガス流れを模式的に示す反応炉1の概略横断面(8C)を示す。 FIG. 8 shows a C 2 H 2 concentration distribution (8A) based on the analysis of the thermal fluid model, a schematic longitudinal section (8B) of the reactor 1 schematically showing a gas flow along the longitudinal direction of the reactor 1, and a slider 32. The schematic cross section (8C) of the reaction furnace 1 which shows a lower gas flow typically is shown.
(8A)のC2H2濃度分布図において、破線8a、8b、8c、8dは夫々、仕切り板W1〜W4(図7参照)、つまり、ガス排出側の隔壁、反応領域内の仕切り板、反応領域と昇温領域82間の仕切り板、昇温側の隔壁((8B)参照)の各位置を示す。HZは加熱装置9による輻射加熱領域(反応領域)を示す。8eは反応炉1の長手方向の位置xに対するC2H2モル濃度(%)の変化を示す。8fは位置xに対する炉内温度(℃)の変化を示す。 In the C 2 H 2 concentration distribution diagram of (8A), broken lines 8a, 8b, 8c, and 8d are partition plates W1 to W4 (see FIG. 7), that is, a partition wall on the gas discharge side, a partition plate in the reaction region, Each position of the partition plate between the reaction region and the temperature rising region 82 and the temperature rising side partition (see (8B)) is shown. HZ represents a radiation heating region (reaction region) by the heating device 9. 8e shows the change in C 2 H 2 molar concentration (%) with respect to the position x in the longitudinal direction of the reactor 1. 8f shows the change of the furnace temperature (° C.) with respect to the position x.
搬送ベルト19は図8の右側から搬入され、炉内ガスは左側より排出される。右から二つ目の反応領域と、Heガスを100%充填した昇温領域82間の仕切り板W3あたりに注目すると、少量のC2H2が右側のHe供給領域にまで達して流出していることが分かる。 The conveyor belt 19 is carried in from the right side of FIG. 8, and the furnace gas is discharged from the left side. Focusing on the partition W3 between the second reaction region from the right and the temperature rising region 82 filled with 100% He gas, a small amount of C 2 H 2 reaches the right He supply region and flows out. I understand that.
炉内に供給されたC2H2の流れは2通り生ずる。一つが(8B)に示すように、仕切り板W3の下方を流れる反応炉1の長手方向の流れ81である。もう一つが、(8C)に示すように、スライダー32の横の隙間を流れてスライダー32の下部に流れる流れ57である。 Two flows of C 2 H 2 are supplied into the furnace. One is a flow 81 in the longitudinal direction of the reaction furnace 1 that flows under the partition plate W3 as shown in (8B). The other is a flow 57 that flows through the gap on the side of the slider 32 and flows to the lower part of the slider 32 as shown in (8C).
図6の(6C)に示した理想的なC2H2濃度と温度を満たすためには、(8B)に示した仕切り板W3の下側を流れる流れ83、特に原料ガス供給部(原料ガス供給口)80からの流入側(右側)に流れる流れ81は0が望ましい。そのためスライダー32横の面積を、仕切り板W3下の面積(例えば、91.5mm2)と比べて大きい、例えば840.0mm2とすることにより、C2H2ガスが長手方向に流れず、下方の方向のみに流れるようにすることができる。 In order to satisfy the ideal C 2 H 2 concentration and temperature shown in (6C) of FIG. 6, the flow 83 flowing below the partition plate W3 shown in (8B), particularly the source gas supply section (source gas) The flow 81 flowing from the supply port 80 to the inflow side (right side) is preferably zero. The area of the order slider 32 horizontal partition plate W3 under the area (for example, 91.5mm 2) larger than that, for example, by a 840.0mm 2, C 2 H 2 gas does not flow in the longitudinal direction, the lower It can be made to flow only in the direction.
上記面積設定例において、(8B)及び(8C)の各流れにおけるC2H2の質量流量の比を計算結果から求めると、4.2:95.8となり、意図したように大部分のC2H2ガスが下方方向に流れていることが分かる。しかし、一部のC2H2ガスは長手方向にも流れており、この流れが原因で流入側(右側)のHeのみが望まし昇温領域でもC2H2ガスが存在していることが図7から分かる。このため、本実施形態においては拡散抑制体6、7の最適化を図り、昇温側へのC2H2ガスの流れを防止している。 In the above area setting example, when the ratio of the mass flow rate of C 2 H 2 in each flow of (8B) and (8C) is obtained from the calculation result, it becomes 4.2: 95.8, and most C It can be seen that 2 H 2 gas flows downward. However, some of the C 2 H 2 gas also flows in the longitudinal direction. Due to this flow, only He on the inflow side (right side) is desired, and C 2 H 2 gas is present even in the temperature rising region. Can be seen from FIG. For this reason, in this embodiment, the diffusion suppressing bodies 6 and 7 are optimized to prevent the flow of C 2 H 2 gas to the temperature raising side.
CNT合成領域において理想的なC2H2濃度分布を形成して、高配向のCNTを連続合成を行うには、基本的要件として、拡散抑制領域を狭く長い形状にすること、搬送ベルト19(触媒基体)が通過する場所以外の隙間を限りなく0にすること、及びキャリアガスを昇温側より供給することである。 In order to form an ideal C 2 H 2 concentration distribution in the CNT synthesis region and to continuously synthesize highly oriented CNTs, the basic requirement is to make the diffusion suppression region narrow and long, the conveyor belt 19 ( The gap other than the place where the catalyst base) passes is set to 0 as much as possible, and the carrier gas is supplied from the temperature raising side.
上記3つの基本的要件を満たすべく、拡散抑制体の各種形態につきシミュレーションを行って拡散抑制体6、7の最適化を図った。
ひとつめが昇温領域と合成領域の間の仕切り形状であり、拡散抑制領域の形状を変化させたシミュレーションを行った。
図9は仕切り板の個数又は形状を異ならせた拡散抑制体(仕切り板)の仕切り板配置モデルを示す。図9の(9A)〜(9E)は夫々、拡散抑制領域内に(1)仕切りなし、(2)1枚の仕切り板91を、(3)3枚の分離した仕切り板92を、(4)5枚の分離した仕切り板93を、(e)長尺状の一つの仕切り部材94を設置した場合を示す。各仕切り板配置モデルにおいては、スライダー32の下方を拡散抑制領域の中で密閉状に仕切る隔壁90を配置している。
In order to satisfy the above three basic requirements, simulations were performed for various forms of the diffusion inhibitors, and the diffusion inhibitors 6 and 7 were optimized.
The first is the partition shape between the temperature rising region and the synthesis region, and a simulation was performed by changing the shape of the diffusion suppression region.
FIG. 9 shows a partition plate arrangement model of a diffusion suppressing body (partition plate) with different numbers or shapes of partition plates. (9A) to (9E) in FIG. 9 respectively show (1) no partition, (2) one partition plate 91, (3) three separated partition plates 92 in the diffusion suppression region (4). 5) A case where five separated partition plates 93 are installed, and (e) one long partition member 94 is installed. In each partition plate arrangement model, a partition wall 90 that partitions the lower portion of the slider 32 in a sealed manner in the diffusion suppression region is disposed.
図11の(11A)及び(11B)は夫々、(9A)の仕切りなし設置例、(9B)の仕切り板91の1枚設置例の斜視図である。
図12の(12A)及び(12B)は夫々、(9C)の仕切り板92の3枚設置例、(9E)の長尺状仕切り部材94の設置例の斜視図である。
図13の(13B)は(9D)の仕切り板93の5枚設置例の斜視図である。図11、図12及び(13B)において反応炉1の内壁を符号95で示している。
(11A) and (11B) of FIG. 11 are perspective views of an installation example without partitioning of (9A) and an installation example of one partition plate 91 of (9B), respectively.
(12A) and (12B) of FIG. 12 are perspective views of an installation example of the three partition plates 92 of (9C) and an installation example of the long partition member 94 of (9E), respectively.
(13B) of FIG. 13 is a perspective view of an installation example of five partition plates 93 of (9D). In FIG. 11, FIG. 12, and (13 </ b> B), the inner wall of the reaction furnace 1 is indicated by reference numeral 95.
上記5通りの仕切り板配置条件に基づいてC2H2濃度を計算した。
図10は図9の(9A)〜(9E)の各仕切り板配置条件に基づいて計算したC2H2濃度分布(モル分率ppm)を示す。図中の一点鎖線は、高配向CNTの合成条件となる、昇温領域で抑える必要のある限界値(10ppm)を示す。
この計算結果から、長い仕切り(5)を設けたものが最も拡散を抑制していることがわかる。従って、拡散抑制領域はできるだけ小さくて長い形状が好ましく、また仕切り板の数は少なくとも1枚以上必要であり、特に5枚がより好ましいと考えられる。
The C 2 H 2 concentration was calculated based on the above five partition plate arrangement conditions.
FIG. 10 shows the C 2 H 2 concentration distribution (molar fraction ppm) calculated based on the partition plate arrangement conditions of (9A) to (9E) of FIG. The alternate long and short dash line in the figure indicates the limit value (10 ppm) that needs to be suppressed in the temperature rising region, which is a condition for synthesizing highly oriented CNT.
From this calculation result, it can be seen that the one provided with the long partition (5) suppresses the diffusion most. Therefore, the diffusion suppression region is preferably as small and long as possible, and the number of partition plates is required to be at least one, and in particular, five is considered more preferable.
拡散抑制領域においてベルトが通過する領域以外に隙間を設けない点については、搬送ベルト19が通過する領域以外の隙間に起因するC2H2ガスの昇温領域への拡散が生じやすいので、装置の大型化するうえで反応領域には不必要な隙間をなくすのが好ましい。 Regarding the point that no gap is provided in the diffusion suppression region other than the region where the belt passes, the diffusion of C 2 H 2 gas to the temperature rising region due to the gap other than the region where the conveyor belt 19 passes is likely to occur. It is preferable to eliminate unnecessary gaps in the reaction region in order to increase the size.
最後に、キャリアガスとなるHeの導入方法については、最適なHeの導入形態を探るべく、Heの導入部分を(1)拡散抑制領域から、(2)昇温領域から、(3)触媒基体の搬入端からと3種類にHe導入形態を変化させたシミュレーションを行って、夫々のC2H2ガスのモル分率分布を求めた。 Finally, with regard to a method for introducing He serving as a carrier gas, in order to search for an optimum He introduction mode, the He introduction portion is changed from (1) a diffusion suppression region, (2) from a temperature rising region, and (3) a catalyst substrate. A simulation was carried out by changing the He introduction form into three types from the carry-in end of each gas, and the molar fraction distribution of each C 2 H 2 gas was obtained.
図14は5枚の仕切り板93を設置した場合においてHe導入形態を異ならせた3例を示す。 FIG. 14 shows three examples in which the He introduction mode is changed when five partition plates 93 are installed.
図14の(14A)は、キャリアガス供給管10のHeガスの排出口96を、5枚の仕切り板93による拡散抑制領域に4個配設した場合である。同図(14B)はHeガスの排出口96を、該拡散抑制領域の前方の昇温領域に5個配設した場合である。同図(14C)はキャリアガス供給管10の該昇温領域側の端部を大きく切り欠いた切欠部98よりHeガスを導入する場合である。(14C)の場合には、Heガスは切欠部98より炉内に供給されるので、配管されたキャリアガス供給管10は実質的に供給管として機能せずダミー配管として図示している。図14において原料ガス供給管11の原料ガス排出口97を5個、CNT合成領域に設けている。図14の(14A)、(14B)及び(14C)の設置例の概略斜視図を夫々、図13の(13A)、(13B)及び(13C)に示す。 FIG. 14 (14 </ b> A) is a case where four He gas discharge ports 96 of the carrier gas supply pipe 10 are arranged in the diffusion suppression region by the five partition plates 93. FIG. 14B shows a case where five He gas outlets 96 are arranged in the temperature rising region in front of the diffusion suppressing region. FIG. 14C shows the case where He gas is introduced from a notch 98 in which the end of the temperature rising region of the carrier gas supply pipe 10 is greatly cut out. In the case of (14C), since He gas is supplied into the furnace from the notch 98, the piped carrier gas supply pipe 10 does not substantially function as a supply pipe and is illustrated as a dummy pipe. In FIG. 14, five source gas discharge ports 97 of the source gas supply pipe 11 are provided in the CNT synthesis region. Schematic perspective views of the installation examples of (14A), (14B) and (14C) in FIG. 14 are shown in (13A), (13B) and (13C) of FIG. 13, respectively.
図17は図13及び図14に示したように、Heの導入部分を(1)拡散抑制領域から、(2)昇温領域から、(3)触媒基体の搬入端からと3種類に変化させたシミュレーションにおいて計算した、反応炉1の長手方向のC2H2濃度分布(モル分率ppm)を示す。図17においてC2H2濃度は、スライダー32表面から1mm上側の値を示している。 In FIG. 17, as shown in FIG. 13 and FIG. 14, the introduction part of He is changed into three types: (1) from the diffusion suppression region, (2) from the temperature rising region, and (3) from the catalyst substrate carry-in end. 2 shows the C 2 H 2 concentration distribution (molar fraction ppm) in the longitudinal direction of the reactor 1 calculated in the simulation. In FIG. 17, the C 2 H 2 concentration is a value 1 mm above the slider 32 surface.
図17のC2H2濃度分布から、昇温領域から導入した場合(2)と、触媒基体の搬入端から導入した場合(3)は同じ濃度分布を示し、拡散抑制領域から導入した場合(1)と比較して、より急峻に濃度分布が減少している。従って、昇温領域から導入ないし端部から導入するのが好ましい。図1及び図4の実施形態では、拡散抑制領域及び昇温領域にHeの排出口を設けているが、触媒基体の搬入端から導入して、装置構造の単純化を図るようにしてもよい。 From the C 2 H 2 concentration distribution of FIG. 17, the case (2) introduced from the temperature rising region and the case (3) introduced from the carry-in end of the catalyst substrate show the same concentration distribution, and are introduced from the diffusion suppression region ( Compared with 1), the concentration distribution decreases more steeply. Therefore, it is preferable to introduce from the temperature rising region or from the end. In the embodiment of FIGS. 1 and 4, the He discharge port is provided in the diffusion suppression region and the temperature raising region, but it may be introduced from the carry-in end of the catalyst substrate to simplify the device structure. .
原料ガスのC2H2に対するキャリアガスの種類による影響を検証した。
C2H2−Ar系でのシミュレーションを、拡散抑制体による拡散抑制作用を受けない状態で、即ち図9の(9A)に示した仕切り板なしの場合でのC2H2濃度分布を求めた。なお、炉内圧力は10Torrとした。
We tested the effects of the type of carrier gas to the C 2 H 2 of the raw material gas.
The C 2 H 2 —Ar system simulation is performed to obtain the C 2 H 2 concentration distribution in a state where the diffusion inhibitor does not receive the diffusion suppressing action, that is, without the partition plate shown in (9A) of FIG. It was. The furnace pressure was 10 Torr.
Arの物性値を以下のように定めた。
定圧比熱(cp,ar):520.64(J/kg・K)
熱伝導率(kar):動力学的理論による定義(W/m・K)
粘性係数(μar):動力学的理論により定義(kg/m・s)
分子量:39.948
Lennard−Jones特性長:3.542Å
Lennard−Jonesエネルギーパラメーター:93.3K
また、Arの流入面の境界条件は以下のように定義した。
Arの流量を3.11899×10−6kg/s(210sccm)とし、温度Tを298.15K(25℃)とした。
The physical properties of Ar were determined as follows.
Constant pressure specific heat (cp , ar ): 520.64 (J / kg · K)
Thermal conductivity (k ar ): kinetic theory definition (W / m · K)
Viscosity coefficient (μ ar ): defined by kinetic theory (kg / m · s)
Molecular weight: 39.948
Lennard-Jones characteristic length: 3.542 mm
Lennard-Jones energy parameters: 93.3K
Further, the boundary condition of the Ar inflow surface was defined as follows.
The flow rate of Ar was 3.111899 × 10 −6 kg / s (210 sccm), and the temperature T was 298.15 K (25 ° C.).
図18はHeガスとArガスの2種類のキャリアガスを用いた場合夫々において求めたC2H2濃度分布を示す。図18において、図9の(9B)の仕切り板91を設定したときの拡散抑制領域に対応して拡散抑制領域の範囲を仮想的に示している。
Heガスの場合には、合成領域と拡散抑制領域の境界付近で拡散抑制体がないので、C2H2濃度が急峻に降下していないが、Arガスの場合には10ppmまでほぼ急峻に降下している。これは、Arの分子量がHeより各段に大きいためArガス自体が拡散抑制効果を発揮することを示す。
FIG. 18 shows C 2 H 2 concentration distributions obtained in the case of using two types of carrier gases, He gas and Ar gas. In FIG. 18, the range of the diffusion suppression region is virtually shown corresponding to the diffusion suppression region when the partition plate 91 of (9B) in FIG. 9 is set.
In the case of He gas, since there is no diffusion suppressor near the boundary between the synthesis region and the diffusion suppression region, the C 2 H 2 concentration does not drop sharply, but in the case of Ar gas, it drops almost sharply to 10 ppm. is doing. This indicates that the Ar gas itself exerts a diffusion suppressing effect because the molecular weight of Ar is higher in each stage than He.
図19の(19A)は図4のCNT製造装置、つまり1枚の仕切り板からなる拡散抑制体6、7を設置したCNT合成処理部を模式的に示す。
この合成においては、Arガスをキャリアガスにして触媒基板300、301にCNTを成長させた。隔壁4と拡散抑制体6、7により区画された反応領域302に触媒基板300を設置して原料ガスC2H2を供給しCNT合成を行った。隔壁5と拡散抑制体6、7により区画された昇温領域303に触媒基板301を設置し、反応領域302に原料ガスC2H2を供給してCNT合成を行った。
(19A) in FIG. 19 schematically shows the CNT manufacturing apparatus in FIG. 4, that is, a CNT synthesis processing section in which the diffusion suppressing bodies 6 and 7 formed of one partition plate are installed.
In this synthesis, CNTs were grown on the catalyst substrates 300 and 301 using Ar gas as a carrier gas. The catalyst substrate 300 was installed in the reaction region 302 partitioned by the partition walls 4 and the diffusion inhibitors 6 and 7, and the raw material gas C 2 H 2 was supplied to perform CNT synthesis. The catalyst substrate 301 was installed in the temperature rising region 303 partitioned by the partition walls 5 and the diffusion inhibitors 6 and 7, and the source gas C 2 H 2 was supplied to the reaction region 302 to perform CNT synthesis.
図19の(19B)及び(19C)は夫々、CNT合成処理後の触媒基板300、301のSEM(走査型電子顕微鏡:Scanning Electron Microscope)の断層写真である。
(19B)に示すように、反応領域302において合成処理された触媒基板300には高配向CNT304が形成されている。一方、(19C)に示すように、昇温領域303に配置した触媒基板301の表面305には、原料ガスC2H2漏出が極めて少ないためCNT成長は見られない。
(19B) and (19C) in FIG. 19 are SEM (Scanning Electron Microscope) tomographic photographs of the catalyst substrates 300 and 301 after the CNT synthesis processing, respectively.
As shown in (19B), highly oriented CNTs 304 are formed on the catalyst substrate 300 synthesized in the reaction region 302. On the other hand, as shown in (19C), CNT growth is not observed on the surface 305 of the catalyst substrate 301 arranged in the temperature raising region 303 because the source gas C 2 H 2 leakage is extremely small.
図20の(20A)及び(20B)は図19の合成実験と同様にして、キャリアガスにArガスを、原料ガスにC2H2を使用して合成したCNTのSEM断層写真である。(20B)は(20A)の拡大写真である。
図20の(20C)及び(20D)は図19の合成実験と同様にして、キャリアガスにHeガスを、原料ガスにC2H2を使用して合成したCNTのSEM断層写真である。(20D)は(20C)の拡大写真である。
図20のSEM写真から、キャリアガスにHeガス又はArガスを使用しても、いずれも高配向CNTを形成することができることは明らかである。
(20A) and (20B) of FIG. 20 are SEM tomographic images of CNT synthesized using Ar gas as a carrier gas and C 2 H 2 as a source gas in the same manner as in the synthesis experiment of FIG. (20B) is an enlarged photograph of (20A).
(20C) and (20D) of FIG. 20 are SEM tomographic images of CNT synthesized using He gas as a carrier gas and C 2 H 2 as a source gas in the same manner as in the synthesis experiment of FIG. (20D) is an enlarged photograph of (20C).
From the SEM photograph of FIG. 20, it is clear that highly oriented CNTs can be formed by using He gas or Ar gas as the carrier gas.
図19及び図20に示した合成実験から、Arガスをキャリアガスに用い、且つ拡散抑制体6、7を反応領域302と昇温領域303の間に介在させることにより、Heガスを使用する場合と同様に、高品質のCNT合成が可能であることがわかる。更に、原料コストの比較でいえば、例えば窒素は低価格であるが、シアンを発生する可能性があり、Heよりも安価なArは低価格CNTの生産に好適である。 From the synthesis experiments shown in FIG. 19 and FIG. 20, when Ar gas is used as the carrier gas and He gas is used by interposing the diffusion suppressing bodies 6 and 7 between the reaction region 302 and the temperature raising region 303. It can be seen that high-quality CNT synthesis is possible as well. Furthermore, in terms of comparison of raw material costs, for example, nitrogen is inexpensive, but cyan may be generated, and Ar cheaper than He is suitable for producing low-cost CNTs.
反応領域2における原料ガスの吹き付け方向の影響の有無を検証した。
図21の(21A)、(21B)及び(21C)は原料ガス吹付実験に用いた原料ガス供給管307の配備を示し、夫々、配管配備の平面図、側面図、正面図を示す。
図21の(21C)、(21D)及び(21E)は原料ガス吹付実験により合成したCNTのSEM断層写真である。同図(21F)は(21C)、(21D)及び(21E)の撮像位置写真である。
The presence or absence of the influence of the blowing direction of the source gas in the reaction region 2 was verified.
(21A), (21B), and (21C) of FIG. 21 show the arrangement of the source gas supply pipe 307 used in the source gas spraying experiment, and respectively show a plan view, a side view, and a front view of the pipe arrangement.
(21C), (21D), and (21E) in FIG. 21 are SEM tomographic photographs of CNT synthesized by a raw material gas spraying experiment. FIG. 21F is a photograph of the imaging positions of (21C), (21D), and (21E).
この原料ガス吹付実験においては、反応領域においてSUSベルト306上に触媒基板309を載置し、触媒基板309上方にベルト長手方向(x軸方向)又はベルト幅方向(y軸方向)に原料ガス供給管307を配置して、原料ガスC2H2の供給を行った。図21の(21A)、(21B)及び(21C)はベルト長手方向(x軸方向)に原料ガス供給管307を配置した配置例を示す。原料ガス供給管307のガス供給口308は内径0.5mmを有し、10mmのピッチ間隔Pで5個配設している。SUSベルト306表面と原料ガス供給管307の距離Hは5mmである。触媒基板309は大きさ20×20mmで、厚さ0.625mmのSi基板を有し、Si基板面にFe触媒層を形成している。SUSベルト306のベルト幅は30mmである。 In this raw material gas spraying experiment, the catalyst substrate 309 is placed on the SUS belt 306 in the reaction region, and the raw material gas is supplied above the catalytic substrate 309 in the belt longitudinal direction (x-axis direction) or belt width direction (y-axis direction). The tube 307 was arranged to supply the source gas C 2 H 2 . (21A), (21B), and (21C) of FIG. 21 show an arrangement example in which the source gas supply pipe 307 is arranged in the belt longitudinal direction (x-axis direction). The gas supply ports 308 of the source gas supply pipe 307 have an inner diameter of 0.5 mm, and five gas supply ports 308 are arranged at a pitch interval P of 10 mm. The distance H between the surface of the SUS belt 306 and the source gas supply pipe 307 is 5 mm. The catalyst substrate 309 has a Si substrate having a size of 20 × 20 mm and a thickness of 0.625 mm, and an Fe catalyst layer is formed on the Si substrate surface. The belt width of the SUS belt 306 is 30 mm.
図21の(21C)、(21D)及び(21E)はベルト長手方向(x軸方向)に原料ガス供給管307を配置したときのCNT合成結果を示す。(21C)、(21D)及び(21E)のSEM断層写真は夫々、原料ガス供給管307のガス供給口308が触媒基板309の触媒層に対しx軸方向に沿って左端、中心、右端に位置する箇所において形成されたCNTを示す。これらのSEM写真から、x軸方向に並べたガス供給口308によるガス吹き付けによってCNT成長のムラが生じないことがわかる。 (21C), (21D), and (21E) in FIG. 21 show the CNT synthesis results when the source gas supply pipe 307 is arranged in the belt longitudinal direction (x-axis direction). The SEM tomograms (21C), (21D), and (21E) are respectively located at the left end, the center, and the right end of the gas supply port 308 of the source gas supply pipe 307 along the x-axis direction with respect to the catalyst layer of the catalyst substrate 309. The CNT formed in the place to do is shown. From these SEM photographs, it can be seen that the CNT growth unevenness does not occur due to the gas blowing by the gas supply ports 308 arranged in the x-axis direction.
図22の(22A)、(22B)及び(22C)はベルト幅方向(y軸方向)に原料ガス供給管307を配置したときのCNT合成結果を示す。同図(22D)は(22A)、(22B)及び(22C)の撮像位置写真である。 (22A), (22B), and (22C) of FIG. 22 show CNT synthesis results when the source gas supply pipe 307 is arranged in the belt width direction (y-axis direction). FIG. 22D is a photograph of the imaging positions of (22A), (22B), and (22C).
(22A)、(22B)及び(22C)のSEM断層写真は夫々、原料ガス供給管307のガス供給口308が触媒基板309の触媒層に対しy軸方向に沿って上端、中心、下端に位置する箇所において形成されたCNTを示す。これらのSEM写真から、y軸方向に並べたガス供給口308によるガス吹き付けによってもCNT成長のムラが生じないことがわかる。従って、ベルト長手方向(x軸方向)又はベルト幅方向(y軸方向)に原料ガス供給管307を配置した場合、いずれにおいても吹き付け方向の違いによるCNT成長への影響は顕著には見受けられなかった。両者を比較すると、ベルト幅方向(y軸方向)配置の場合には、図5の(5B)に示したように、ベルト長手方向(x軸方向)の配置よりも幅方向に均一な原料ガス吹付を行える利点がある。また、装置の大型化を図るうえで、x軸方向に長尺状の配管が困難となるので、ベルト幅方向(y軸方向)配置の場合の方が組立が簡易になる利点もある。なお、CNTの成長状況からみて、ガス供給口308のピッチ間隔Pは20mm程度まで広げても十分なCNT合成が可能である。 The SEM tomographic images of (22A), (22B), and (22C) are such that the gas supply port 308 of the source gas supply pipe 307 is positioned at the upper end, the center, and the lower end along the y-axis direction with respect to the catalyst layer of the catalyst substrate 309. The CNT formed in the place to do is shown. From these SEM photographs, it can be seen that the CNT growth unevenness does not occur even when the gas is supplied by the gas supply port 308 arranged in the y-axis direction. Therefore, when the source gas supply pipe 307 is arranged in the belt longitudinal direction (x-axis direction) or the belt width direction (y-axis direction), the effect on the CNT growth due to the difference in the spraying direction is not noticeable in any case. It was. When both are compared, in the case of the arrangement in the belt width direction (y-axis direction), as shown in FIG. 5 (5B), the raw material gas is more uniform in the width direction than in the arrangement in the belt longitudinal direction (x-axis direction). There is an advantage of spraying. Further, when the apparatus is increased in size, it is difficult to form a long pipe in the x-axis direction. Therefore, the arrangement in the belt width direction (y-axis direction) has an advantage that the assembly is simplified. In view of the CNT growth state, sufficient CNT synthesis is possible even if the pitch interval P of the gas supply ports 308 is increased to about 20 mm.
本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and includes various modifications and design changes within the technical scope without departing from the technical idea of the present invention. Needless to say.
本発明によれば、高品質のCNT等のカーボンナノ構造物を量産することができ、高伝導性、バネ的な機械特性、電磁波活性に優れており、GHz電磁波遮蔽(吸収)材、透明電極膜、制震材料等に好適なカーボンナノ構造物を安価に提供することができる。 According to the present invention, high-quality carbon nanostructures such as CNT can be mass-produced, and are excellent in high conductivity, spring-like mechanical properties, electromagnetic wave activity, GHz electromagnetic wave shielding (absorbing) material, transparent electrode Carbon nanostructures suitable for membranes, vibration control materials, etc. can be provided at low cost.
1 反応炉
2 反応領域
3 昇温領域
4 隔壁
5 隔壁
6 拡散抑制体
6a 貫通穴
6b 貫通穴
6c 貫通穴
6d 貫通穴
7 拡散抑制体
8 間隙
9 加熱装置
10 キャリアガス供給管
11 原料ガス供給管
12 供給口
13 供給口
14 キャリアガス導入口
15 原料ガス導入口
16 カバー体
17 カバー体
18 SUSU表面
19 搬送ベルト
20 巻回ローラ
21 処理済み搬送ベルト
22 巻取ローラ
23 開放口
24 メイン排気ポンプ
25 下方排気ポンプ
26 CNT掬い取り部材
27 伸縮自在アーム
28 CNT回収用アクチュエータ装置
29 耐熱性樹脂層
30 Al層
31 触媒層
32 スライダー
33 拡大部分
34 無端ベルト
35 駆動ローラ
36 駆動軸
37 従動ローラ
38 回転軸
39 触媒基板
40 触媒基板
41 触媒基板
42 CNT
43 触媒基板
44 爪部材
45 ロボットハンド装置
46 伸縮自在アーム
47 基板回収用アクチュエータ装置
48 スペーサ
49 幅狭部分
50 CNT
51 CNT
52 破線
53 熱電対用石英配管
54 流入面
55 流入面
56 排気面
57 流れ
80 原料ガス供給部
81 流れ
82 昇温領域
83 流れ
90 隔壁
91 仕切り板
92 仕切り板
93 仕切り板
94 仕切り板
95 内壁
96 排出口
97 排出口
98 切欠部
100 炉材
101 上板
102 拡散抑制体
103 スペーサ
104 下方空間
105 キャリアガス供給管
105a 貫通穴
106 原料ガス供給管
106a 貫通穴
107 枝管
108 供給口
109 貫通穴
110 間隙
300 触媒基板
301 触媒基板
302 反応領域
303 昇温領域
304 高配向CNT
305 表面
306 SUSベルト
307 原料ガス供給管
308 ガス供給口
309 触媒基板
Z1 CNT合成領域
Z2 拡散抑制領域
Z3 昇温領域
W1 仕切り板
W2 仕切り板
W3 仕切り板
W4 仕切り板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction furnace 2 Reaction area | region 3 Temperature rising area 4 Partition 5 Partition 6 Diffusion suppression body 6a Through hole 6b Through hole 6c Through hole 6d Through hole 7 Diffusion suppression body 8 Gap 9 Heating device 10 Carrier gas supply pipe 11 Raw material gas supply pipe 12 Supply port 13 Supply port 14 Carrier gas introduction port 15 Raw material gas introduction port 16 Cover body 17 Cover body 18 SUSU surface 19 Conveying belt 20 Winding roller 21 Treated conveying belt 22 Winding roller 23 Opening port 24 Main exhaust pump 25 Lower exhaust Pump 26 CNT scooping member 27 Telescopic arm 28 CNT recovery actuator device 29 Heat resistant resin layer 30 Al layer 31 Catalyst layer 32 Slider 33 Enlarged portion 34 Endless belt 35 Drive roller 36 Drive shaft 37 Drive roller 38 Rotation shaft 39 Catalyst substrate 40 catalyst substrate 41 catalyst substrate 42 CNT
43 catalyst substrate 44 claw member 45 robot hand device 46 telescopic arm 47 substrate recovery actuator device 48 spacer 49 narrow portion 50 CNT
51 CNT
52 Broken line 53 Thermocouple quartz pipe 54 Inflow surface 55 Inflow surface 56 Exhaust surface 57 Flow 80 Source gas supply part 81 Flow 82 Temperature rising region 83 Flow 90 Partition 91 Partition plate 92 Partition plate 93 Partition plate 94 Partition plate 95 Inner wall 96 Outlet 97 Discharge port 98 Notch 100 Furnace material 101 Upper plate 102 Diffusion suppressor 103 Spacer 104 Lower space 105 Carrier gas supply pipe 105a Through hole 106 Source gas supply pipe 106a Through hole 107 Branch pipe 108 Supply port 109 Through hole 110 Gap 300 Catalyst substrate 301 Catalyst substrate 302 Reaction region 303 Temperature rising region 304 Highly oriented CNT
305 Surface 306 SUS belt 307 Raw material gas supply pipe 308 Gas supply port 309 Catalyst substrate Z1 CNT synthesis region Z2 Diffusion suppression region Z3 Temperature rising region W1 Partition plate W2 Partition plate W3 Partition plate W4 Partition plate
Claims (12)
ρ(u・grad)u=div(μgradu)−gradu+Suであり、
前記連続の式は、
div(ρu)=0であり、
前記原料ガスの質量分率輸送式は、
div(ρumi)=−divJiであり、
圧力p及び速度uに前記原料ガスの特性値を適用して前記濃度分布を求める請求項3に記載の原料ガス拡散抑制型カーボンナノ構造物製造装置。 The density of the model fluid is ρ, the viscosity coefficient is μ, the velocity is u (u is represented by u = (u x , u y , u z )), the pressure of the model fluid is p, and the flow velocity u generation term (the generation amount per unit time and unit volume) S u, mass fraction of m i of the raw material gas, the diffusion flux J i (J i of the source gas, J i = (J ix, J iy , J iz ))), the equation of motion is ρ (u · grad) u = div (μgradu) −gradu + S u ,
The continuous equation is
div (ρu) = 0,
The mass fraction transport formula of the source gas is
div (ρum i ) = − divJ i ,
The raw material gas diffusion suppression type carbon nanostructure manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the concentration distribution is obtained by applying a characteristic value of the raw material gas to the pressure p and the velocity u.
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