JP2015096848A - カーボンスーツ発生装置およびカーボンスーツ発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気中放電によって発生したカーボンスーツの導電性を向上させることができるカーボンスーツ発生装置を提供すること。【解決手段】対向した一対の棒状電極１０１および１０２のうち少なくとも一方の電極が炭素棒である電極１０１および１０２間に気中放電させることで炭素棒からカーボンスーツを発生させるカーボンスーツ発生装置１００であって、電極１０１および１０２が収容され、カーボンスーツを内部で発生させる容器１０７と、容器１０７内の電極１０１および１０２間に連続する気中放電を発生させる放電発生電源１１３と、を備えている。また、カーボンスーツ発生装置１００は、気中放電によって発生したカーボンスーツを加熱し、該カーボンスーツに導電性を付与する加熱機構１１７を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスに含まれるカーボンスーツ（すす）を模擬的に発生させ、発生したカーボンスーツの導電性を向上させるカーボンスーツ発生装置およびカーボンスーツ発生方法に関する。

内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）から排出される排ガスには、カーボンスーツを主成分とする粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」ともいう。）などの物質が含まれている。そして、このＰＭを捕集するためのパティキュレートフィルタ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：以下、「ＰＦ」ともいう。）が内燃機関の排気通路内に設けられている。

ところで、上記ＰＦの性能評価や上記ＰＦの目詰まり状態等の解析または評価をするために、実際の排気ガスを使用する代わりに、模擬的な評価ガスを使用することが知られている。そのような模擬的な評価ガスを使用することによって種々の条件を作り出し、開発対象としている上記ＰＦの性能評価等を実際の排ガスを使用するよりは容易に行うことができる。

かかる模擬的な評価ガスを調製させる装置としては、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１には、粉体微量供給器によってカーボン粉末を発生させ、該カーボン粉末が所定濃度となるように、該カーボン粉末を連続的に標準気体中に供給してカーボン混合気を生成することが開示されている。そして、特許文献１に記載の技術では、上記カーボン混合気をモデルガスに混合させることで、評価ガスを調製している。

特開２００５−２１４７４２号公報

ところで、模擬的な評価ガスを調製する装置の一形態として、対向させた一対の炭素棒である棒状電極間に気中放電（典型的にはアーク放電）を発生させ、該電極間からカーボンスーツを発生させるものが挙げられる。

しかしながら、かかる気中放電を発生させて一対の電極間からカーボンスーツを発生させる態様の装置では、発生したカーボンスーツは、移送途中で冷却されるため、導電性の低いアモルファスカーボンになり易いという課題がある。このアモルファスカーボンを含む評価ガスは、実際の排ガスよりも導電性が低いため、実際のカーボンスーツの導電性を考慮した場合におけるＰＦの性能評価をするのには必ずしも適切ではなかった。

そこで本発明は、上述した課題を解決すべく創出されたものであり、気中放電によって発生したカーボンスーツの導電性を向上させることを目的としており、かかる目的を実現できるカーボンスーツ発生装置およびカーボンスーツ発生方法を提供するものである。

本発明に係るカーボンスーツ発生装置は、対向した一対の棒状電極のうち少なくとも一方の電極が炭素棒である電極間に気中放電させることで上記炭素棒からカーボンスーツを発生させるカーボンスーツ発生装置であって、上記電極が収容され、上記カーボンスーツを内部で発生させる容器と、上記容器内の上記電極間に連続する気中放電を発生させる放電発生電源と、を備え、上記気中放電によって発生した上記カーボンスーツを加熱し、該カーボンスーツに導電性を付与する加熱機構を有する。

上記構成のカーボンスーツ発生装置によれば、気中放電によって発生したカーボンスーツを加熱機構によって加熱することができる。このため、発生したカーボンスーツが急速に冷却されてアモルファスカーボンとなることを抑制し、カーボンスーツの結晶化（グラファイト化）を促進することができる。よって、発生したカーボンスーツの導電性を向上させることができる。したがって、本構成のカーボンスーツ発生装置によると、生成された結晶化の高い（即ち導電性が向上した）カーボンスーツが含まれた評価ガスを調製し、ＰＦの適切な性能評価をすることができる。

本発明の好ましい一態様によれば、上記一対の棒状電極は、陽極炭素棒と陰極炭素棒とで構成されている。上記陰極炭素棒における上記陽極炭素棒側の端部の断面積は、上記陽極炭素棒における上記陰極炭素棒側の端部の断面積より小さい。上記陰極炭素棒から上記陽極炭素棒に向かって、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構と、上記陽極炭素棒の軸を中心に上記陽極炭素棒を回転させる回転機構と、をさらに備えている。

上記態様によれば、陰極炭素棒における陽極炭素棒側の端部の断面積を、陽極炭素棒における陰極炭素棒側の端部の断面積より小さくすることで、電極間にかかる電圧を安定させることができる。よって、発生したカーボンスーツの粒径および発生量を安定させることができる。陽極炭素棒を回転させない場合、陽極炭素棒の一部のみが放電によって消費する。そのため、一部のみ欠けた状態となり、陽極炭素棒に接触する不活性ガスが偏流し易くなる。しかし、上記態様では、陽極炭素棒の端部を均等に消費し易い。よって、陽極炭素棒に接触する不活性ガスが偏流することを防ぐことができる。よって、発生したカーボンスーツの粒径および発生量を安定させることができる。

本発明の好ましい他の一態様によれば、上記加熱機構は、上記発生したカーボンスーツに赤外線を照射して該カーボンスーツを加熱するイメージ炉である。

上記態様によれば、加熱機構をイメージ炉によって簡単に構成することができる。イメージ炉によって、一対の電極間から発生したカーボンスーツを容易に加熱することができる。その結果、アモルファス化を防いで結晶化を促進し、当該カーボンスーツに導電性を付与することができる。

本発明の好ましい他の一態様によれば、上記カーボンスーツ発生装置は、上記一対の電極間の間隔を調節する電極間隔調節手段をさらに備えている。上記放電発生電源は、上記電極間隔調節手段によって、所定の間隔に調節された上記一対の電極間にアーク放電を生じさせるように構成されている。ここで、上記加熱機構は、上記電極間隔調節手段によって、上記電極間が所定の間隔に設定されるとともに、該設定された間隔において、上記放電発生電源によって上記発生したカーボンスーツに導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させるように構成されている。

上記態様によれば、放電発生電源はアーク放電を発生させる電源である。一対の電極間から発生したカーボンスーツに、導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させることで、カーボンスーツを導電性が高いグラファイト化したカーボンにすることができる。また、加熱機構専用の装置などを新たに用意する必要がないため、コストを削減することができる。

また、本発明は他の側面として、これらカーボンスーツ発生装置において、上記加熱機構によって、上記一対の電極間から発生したカーボンスーツに導電性を付与することを特徴とするカーボンスーツ発生方法を提供することができる。

第１実施形態に係るカーボンスーツ発生装置を模式的に示した図である。 試験例１の結果を示したグラフである。 第２実施形態に係るカーボンスーツ発生装置を模式的に示した図である。 第２実施形態のカーボンスーツ発生装置における発生したカーボンスーツのＴＥＭ画像である。 第２実施形態のカーボンスーツ発生装置における発生したカーボンスーツのＴＥＭ画像である。 第３実施形態に係るカーボンスーツ発生装置を模式的に示した図である。 第４実施形態に係るカーボンスーツ発生装置を模式的に示した図である。 試験例２の実施例２−１の結果を示したグラフである。 試験例２の比較例２−１の結果を示したグラフである。 第２電極の片減り角度を示した図である。 試験例３の結果を示したグラフである。 試験例３の実施例３−３、および、比較例３−１の結果を示したグラフである。 試験例４の結果を示したグラフである。 試験例５の結果を示したグラフである。 第４実施形態の変形例に係るカーボンスーツ発生装置を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

＜第１実施形態＞
先ず、第１実施形態に係るカーボンスーツ発生装置１００について説明する。図１は、本実施形態に係るカーボンスーツ発生装置１００を模式的に示した図である。図１に示すように、カーボンスーツ発生装置１００は、上下方向（ここでは鉛直方向）に対向した一対の第１電極１０１および第２電極１０２の間に気中放電させることで、電極１０１および１０２からカーボンスーツを発生させる装置である。カーボンスーツ発生装置１００は、一対の第１電極１０１および第２電極１０２を収容する減圧可能な容器１０７と、放電発生電源１１３と、イメージ炉１１７とを備えている。

電極１０１および１０２は、棒状電極であり、炭素棒である。典型的には、丸棒（円柱）状の棒状電極であるが、角棒（角柱）状の棒状電極であってもよい。なお、電極１０１は炭素棒である必要はなく、少なくとも電極１０２が炭素棒であればよい。ここでは、電極１０１および１０２は、長手方向に対向するようにして上下方向に並んでいる。電極１０１および１０２は、それぞれホルダ１０３および１０４に固定されている。ホルダ１０３および１０４には、それぞれ端子１０５および１０６が接続されている。また、第２電極１０２が固定されたホルダ１０４は、ホルダ台１１４に載置されている。

容器１０７は、内部でカーボンスーツを発生させる。容器１０７には、電極１０１および１０２などが収容されている。本実施形態では、容器１０７は、下方に開口しており、この開口は、底蓋１０７ａによって閉じられている。容器１０７は耐熱性のある気密容器である。容器１０７の上部であって、第２電極１０２の上方に位置する箇所には、排出口１１５が形成されている。この排出口１１５は、電極１０１および１０２間で発生したカーボンスーツが排出される部位である。底蓋１０７ａには、上面から上方に延びた締結部材１１２が設けられている。この締結部材１１２の上端にはホルダ台１１４が設けられている。締結部材１１２によって、第２電極１０２は固定されている。また、底蓋１０７ａには、チューブ１１０が設けられ、このチューブ１１０は、容器１０７内で金属製配管１１１に接続されている。チューブ１１０には、不活性ガス（例えば、窒素ガス、アルゴンガス等）が流されており、チューブ１１０および金属製配管１１１を通して容器１０７内を不活性ガスで満たす（置換する）ことができる。なお、容器１０７内は真空であってもよい。また、容器１０７内の圧力については特に限定されないが、典型的には、０．０２ＭＰａ〜０．２ＭＰａ程度が適当である。

本実施形態では、チューブ１１０および金属製配管１１１を通った不活性ガスは、電極１０１から電極１０２に向かうように噴出される。具体的には、第１電極１０１は、筒１０８によって周囲が囲まれている。第１電極１０１と筒１０８の内周面との間には若干の隙間がある。また、電極１０１および１０２が対向している箇所は、筒１０９によって周囲が囲まれている。筒１０９は、石英またはアルミナなどの絶縁性と耐熱性とを有する材料によって構成されている。金属製配管１１１は、一端がチューブ１１０に接続されており、他端が第１電極１０１の下方から第１電極１０１と筒１０８の内周面との間の隙間に向かって不活性ガスが流れるように配置されている。そのため、チューブ１１０および金属製配管１１１を通った不活性ガスは、電極１０１から電極１０２に向かうように噴出される。

放電発生電源１１３は、容器１０７内の電極１０１および１０２間に連続する気中放電を発生させる。本実施形態では、放電発生電源１１３は、端子１０５および１０６、ならびに、ホルダ１０３および１０４を介して、電極１０１および１０２に接続されている。放電発生電源１１３は、正負極出力を有している。ここでは、第１電極（カソード）１０１には、負極の電圧が印加され、第２電極（アノード）１０２には、正極の電圧が印加されている。放電発生電源１１３は、気中放電を定電流によって連続放電させる機能を有している直流電源であり、アーク放電電源であることが好ましい。アーク放電を用いることで、エネルギー投入量の増大を狙い、所定の電圧（例えば２０Ｖ〜１００Ｖ、好ましくは３０Ｖ〜８０Ｖ）かつ所定の電流（例えば１０Ａ〜６０Ａ、好ましくは２０Ａ〜４０Ａ）の連続放電を第１電極１０１および第２電極１０２の間に発生させることができ、その結果、５ｇ／ｈ程度のカーボンスーツを発生させることができる。

イメージ炉１１７は、放電発生電源１１３の気中放電によって発生したカーボンスーツを加熱し、このカーボンスーツに導電性を付与する。本実施形態では、イメージ炉１１７は、本発明の加熱機構に対応する。

本実施形態では、イメージ炉１１７は、容器１０７の排出口１１５の出口に設けられている。イメージ炉１１７は、従来公知のものであればよい。例えば、イメージ炉１１７は、赤外線ゴールドイメージ炉であることが好ましい。イメージ炉１１７は、一対の電極１０１および１０２の間から発生したカーボンスーツに赤外線を照射して、発生したカーボンスーツを加熱させる。ここでは、イメージ炉１１７は、略長方体形状であり、長手方向に沿って円筒が切り抜かれた形状をしている。イメージ炉１１７の内周面には、赤外線ランプ（図示せず）および放物面ミラー（図示せず）が配置されている。また、イメージ炉１１７内には、透明な筒状の石英管１１６が配置されており、この石英管１１６が容器１０７の排出口１１５の出口に繋がっている。ここでは、石英管１１６内にカーボンスーツが導入され、上記赤外線ランプおよび上記放物面ミラーによってカーボンスーツは高温で加熱される。そして、カーボンスーツが高温で加熱されることによって、導電性が付与される。なお、イメージ炉１１７の加熱温度は、６００℃〜１０００℃であることが好ましい。

次に、本実施形態に係るカーボンスーツ発生装置１００において、カーボンスーツが発生し、発生したカーボンスーツに導電性を付与する手順について説明する。先ず、チューブ１１０から不活性ガスが容器１０７内に導入され、容器１０７内が所定のガス圧となるように不活性ガスで置換される。放電発生電源１１３によって電極１０１および１０２に電圧が印加される。このとき、電極１０１および１０２の間で放電が発生し、正極の電圧が印加された電極１０２が加熱されて昇華し、カーボンスーツが発生する。発生したカーボンスーツは、筒１０８の内周面と電極１０１との隙間を上方に向かって噴射する不活性ガスによって、冷却しながら容器１０７の上方へ移動し、排出口１１５を通じてイメージ炉１１７内の石英筒１１６に導入される。石英筒１１６内に導入されたカーボンスーツは、イメージ炉１１７内に配置された赤外線ランプおよび放物面ミラーによって約６００℃〜１０００℃で加熱されることにより急速な冷却が抑制され、結晶化（グラファイト化）の進行によって導電性が付与されることとなる。

以上、第１実施形態に係るカーボンスーツ発生装置１００について説明した。次に、第１実施形態に関する試験例について説明するが、以下で説明する試験例は本発明を限定することを意図したものではない。

ここでは、試験例１として、第１実施形態に係るカーボンスーツ発生装置１００において、電極１０１および１０２の間から発生したカーボンスーツを、加熱機構であるイメージ炉１１７に導入したときにおける、カーボンスーツの抵抗値について調べた。

≪試験例１≫
＜実施例１＞
先ず、棒状の炭素棒である第１電極１０１および第２電極１０２を用意した。第１電極１０１および第２電極１０２は、ともに極径５ｍｍ、長さ１００ｍｍの炭素棒である。そして、電極１０１および１０２の気中放電前の間隔が２ｍｍとなるように、図１に示すカーボンスーツ発生装置１００のように第１電極１０１および第２電極１０２を垂直に対向するように配置した。また、容器１０７内は、所定のガス圧の不活性ガス（窒素ガス）で満たされている。そして、放電発生電源１１３としてアーク発生電源（直流電源）を用いて、所定の電圧（２５Ｖ）で気中放電（アーク放電）を第１電極１０１および第２電極１０２の間に発生させる。

上述した構成のカーボンスーツ発生装置１００において、第１電極１０１および第２電極１０２間でカーボンスーツを発生させる。そして、発生したカーボンスーツをイメージ炉１１７内の石英筒１１６に導入し、６００℃でカーボンスーツを加熱させた。このときの時間の経過に伴うカーボンスーツの抵抗値（ＭΩ）を求めた。

＜実施例２＞
イメージ炉１１７内の石英筒１１６に導入したカーボンスーツを８００℃で加熱させた以外は、実施例１と同様にして、実施例２における時間の経過に伴うカーボンスーツの抵抗値を求めた。

＜実施例３＞
イメージ炉１１７内の石英筒１１６に導入したカーボンスーツを１０００℃で加熱させた以外は、実施例１と同様にして、実施例３における時間の経過に伴うカーボンスーツの抵抗値を求めた。

実施例１〜３で求めた石英筒１１６に導入した時間の経過に伴うカーボンスーツの抵抗値を図２のグラフに示す。なお、図２において、縦軸はカーボンスーツの抵抗値（ＭΩ）を示し、横軸はカーボンスーツを石英筒１１６内に導入した経過時間（即ち加熱継続時間）を示している。図２に示すように、イメージ炉１１７内の加熱温度を高くすることによって、短時間でカーボンスーツの抵抗値が下がることが分かる。すなわち、加熱温度が高いほど短時間でカーボンスーツがグラファイト化し、導電性の向上が認められる。特に、実施例３のように加熱温度を１０００℃にすると、０．５秒でカーボンスーツの抵抗値が１．０ＭΩ以下となった。なお、実際の排ガス中のＰＭの抵抗値は６００ｋΩ〜８００ｋΩである。このことによって、発生したカーボンスーツに加熱処理をすることで、カーボンスーツの抵抗値を低減させる、すなわち、カーボンスーツに導電性を付与することができることが分かる。イメージ炉１１７の加熱温度を高温にする程、より短時間で、カーボンスーツに導電性を付与することができる。

以上のように、本実施形態では、気中放電によって発生したカーボンスーツは、イメージ炉１１７によって加熱される。加熱されたカーボンスーツは、導電性が低いアモルファスカーボンではなく、導電性が高いグラファイト化したカーボンとなる。よって、発生したカーボンスーツの導電性を向上させることができる。また、導電性が向上したカーボンスーツが含まれた評価ガスで、ＰＦの適切な性能評価をすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るカーボンスーツ発生装置２００について説明する。図３は、本実施形態に係るカーボンスーツ発生装置２００を模式的に示した図である。本実施形態では、図３に示すように、カーボンスーツの加熱機構は、電極間隔調節手段（モータ２０９）によって、電極２０１および２０２の間が所定の間隔に設定されるとともに、設定された間隔において、放電発生電源によって、発生したカーボンスーツに導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させるように構成されている。

本実施形態では、炭素棒で構成された第１電極（カソード）２０１および第２電極（アノード）２０２は、お互いの端面が対向するようにして略平行に配置されている。第１電極２０１には取付器具２０３が取り付けられており、取付器具２０３によって台座２０５に固定されている。第２電極２０２には取付器具２０４が取り付けられており、取付器具２０４によって台座２０６に固定されている。台座２０６は、スライド台２０７に載置されている。また、台座２０６の図３の正面からみて右側側面の面中心には、雌螺子が加工されている。その台座２０６の雌螺子部分には、雄螺子シャフト２１０の雄螺子部分が貫通されている。

そして、雄螺子シャフト２１０の雄螺子部分に対向する側には、モータ２０９の回転軸が固定されており、モータ２０９の回転と共に雄螺子シャフト２１０も回転する。このように、モータ２０９が回転することによって雄螺子シャフト２１０が回転することにより、台座２０６がスライドし、該スライドによって第２電極２０２が軸方向に移動することができる。このことによって、第１電極２０１および第２電極２０２の間隔を調整することができる。また、台座２０５、スライド台２０７およびモータ２０９は、ベース台２０８に固定されている。

かかる構成のカーボンスーツ発生装置２００には、放電発生電源２１１が備えられている。放電発生電源２１１は、モータ２０９によって所定の間隔に調節された一対の電極２０１および２０２の間にアーク放電を生じさせるように構成されている。ここでは、放電発生電源２１１の正極出力には、第２電極２０２、すなわち、モータ２０９によってスライドさせる電極が接続されている。一方、放電発生電源２１１の負極出力には、第１電極２０１が接続されている。また、放電発生電源２１１の正極出力側はアースされている。なお、放電発生電源２１１は定電流源である。

かかるカーボンスーツ発生装置２００の構成のうち、第１電極２０１、第２電極２０２、取付器具２０３および２０４、台座２０５および２０６、スライド台２０７は、容器２１４内に格納されている。容器２１４は、密閉性の高い容器である。容器２１４には、配管２１５および２１７が貫通されている。この配管２１５および２１７は、不活性ガス（例えば、アルゴンガスまたは窒素ガス）を容器２１４内に導入する管である。このように、配管２１５および２１７を通じて容器２１４内に窒素ガスを導入することによって、容器２１４内は、窒素ガスが充満された状態（以下、「窒素雰囲気」ともいう。）となる。特に、配管２１７の出口は、第１電極２０１および第２電極２０２の間の近傍に設けられており、アーク放電によって発生したカーボンスーツを効果的に冷却する。また、配管２１７を流れる不活性ガスは、電極２０１および２０２の間で発生したカーボンスーツを上方に向かって後述する排出口２１６へ移動させる役割も担っている。

また、容器２１４の上部には、排出口２１６が設けられている。この排出口２１６は、カーボン製であり、容器２１４内で発生したカーボンスーツを含有するガス（以下、「カーボン含有ガス」ともいう。）を排出するための管である。

かかるカーボンスーツ発生装置２００は、制御部２１３を備えている。制御部２１３は、主としてデジタルコンピュータから構成されており、カーボンスーツ発生装置２００の稼働における制御装置として機能する。制御部２１３は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびＣＰＵ等を有している。制御部２１３は、入力ポートによってカーボンスーツ発生装置２００内の情報を取得し、該情報に基づいて出力ポートに制御信号を送信することで、カーボンスーツ発生装置２００を制御することができる。例えば、入力ポートには、放電発生電源２１１によって発生された第１電極２０１および第２電極２０２との間の電圧および／または電流の情報が伝達される。一方、出力ポートにはモータ２０９が接続されており、該出力ポートを介して、モータ制御信号をモータ２０９に送信することで、モータ２０９の回転によって、第２電極２０２を軸方向に移動することによって第１電極２０１および第２電極２０２との間隔を制御することができる。

カーボンスーツ発生装置２００は、電圧検出手段２１２と、電極間隔調節手段としてのモータ２０９を備えている。電圧検出手段２１２は、第１電極２０１および第２電極２０２に印加された電圧を検出する手段である。電圧検出手段２１２は、制御部２１３と電気的に接続されている。制御部２１３は、電圧測定信号を受信し、該受信後、電圧検出手段２１２は、放電発生電源２１１によって発生された第１電極２０１および第２電極２０２の間の電圧を測定する。なお、この電圧を測定する方法は、本発明を特に限定するものではないが、例えば、可動コイル構造であり永久磁石およびコイルで構成される電圧測定器などを使用することができる。

電極間隔調節手段は、一対の電極２０１および２０２の間の間隔を調節する。上述したように、ここでは、電極間隔調節手段は、モータ２０９である。モータ２０９は、制御部２１３と電気的に接続されている。制御部２１３は、電圧検出手段２１２によって電極２０１および２０２に印加された電圧を検出し、該検出結果に基づいて電極２０１および２０２の間隔を調節するために、モータ２０９を駆動させることによって、第２電極２０２を軸方向に移動させて、電極２０１および２０２の間隔を調節している。

カーボンスーツ発生装置２００は、加熱機構を備えており、この加熱機構は、放電発生電源２１１と電極間隔調節手段（モータ２０９）とから構成されている。具体的には、加熱機構は、モータ２０９によって、電極２０１および２０２の間が所定の間隔に設定されるとともに、該設定された間隔において、放電発生電源２１１によって発生したカーボンスーツに導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させるように構成されている。すなわち、本実施形態に係る加熱機構は、放電発生電源２１１によって発生したアーク放電の熱エネルギーを利用して、発生したカーボンスーツを加熱している。

かかる構成のカーボンスーツ発生装置２００において、配管２１７からの不活性ガスの上方に向かう流路に沿って、電極２０１および２０２の間で発生したカーボンスーツは、排出口２１６へ向かって移動する。このとき、容器２１４内の電極２０１および２０２と排出口２１６との間の空間Ａは、放電発生電源２１１によるアーク放電の熱エネルギーによって赤熱している。カーボンスーツは、この空間Ａを通過することによって加熱され、導電性が高いグラファイト化したカーボンとなる。なお、この空間Ａの赤熱の範囲は、モータ２０９によって電極２０１および２０２の間の間隔を広くする程、広くなる。

このことは以下のことから説明できる。電極２０１および２０２の間隔が広くなると、電極２０１および２０２への印加電圧が高くなる。放電発生電源２１１は、定電流源であるため、上記間隔が広くなることはアーク放電にかかる電力が大きくなることである。また、アーク放電は、電極２０１および２０２の近傍で発生するため、電極２０１および２０２の間におけるカーボンスーツを発生させる以外の熱エネルギーは、電極２０１および２０２の周囲を加熱することに費やされる。そのため、電極２０１および２０２の間の間隔を広くすることで、容器２１４内のカーボンスーツは、アーク放電の熱エネルギーにより、導電性が高いグラファイト化したカーボンとなる。

図４および図５は、カーボンスーツ発生装置２００において、発生したカーボンスーツのＴＥＭ画像である。図４は、電極２０１および２０２の間の間隔を２ｍｍにした場合における、発生したカーボンスーツである。図５は、電極２０１および２０２の間の間隔を４ｍｍにした場合における、発生したカーボンスーツである。なお、図４および図５のＴＥＭ画像は、倍率が３０万倍である。図４に示すように、電極２０１および２０２の間隔を２ｍｍとした場合、発生したカーボンスーツはアモルファスカーボンである。一方、図５に示すように、電極２０１および２０２の間隔を４ｍｍとした場合、発生したカーボンスーツには、グラファイト化したカーボンの特徴である層状構造が見受けられた。このように、電極２０１および２０２の間隔は、４ｍｍ以上であることが好ましい。このことによって、導電性が高いグラファイト化したカーボンスーツが得られ易い。

以上のように、本実施形態では、放電発生電源２１１はアーク放電を発生させる電源である。一対の電極２０１および２０２間から発生したカーボンスーツに、導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させることで、カーボンスーツを導電性が高いグラファイト化したカーボンにすることができる。また、加熱機構専用の装置などを新たに用意する必要がないため、コストを削減することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るカーボンスーツ発生装置３００について説明する。図６は、第３実施形態に係るカーボンスーツ発生装置３００を模式的に示した図である。第３実施形態では、図６に示すように、容器３０３の周りにイメージ炉３０４を設けることで、電極間で発生したカーボンスーツを加熱している。

本実施形態では、炭素棒である第１電極（カソード）３０１および第２電極（アノード）３０２は、お互いの端面が対向するようにして略垂直に配置されている。第１電極３０１は、端子３２０を介してアーク放電を行う定電流の放電発生電源３２２の負極出力が接続されている。第２電極３０２は、端子３２１を介して放電発生電源３２２の正極出力が接続されている。ここでは、電極３０１および３０２は、石英製の透明な筒状の容器３０３に収容されている。

容器３０３には、上部および下部に、配管３０５および３１６が設けられている。配管３０５および３１６には、不活性ガスが流されており、配管３０５および３１６を通して容器３０３は所定のガス圧の不活性ガスで満たされる（置換される）。具体的には、配管３０５からの不活性ガスは、一対の電極３０１および３０２の近傍へ流れる。第１電極３０１は、耐熱性の材料で形成された筒３０７に囲まれており、この筒３０７の上端には配管３０５の出口が設けられている。配管３０５からの不活性ガスは、筒３０７と第１電極３０１との間の隙間から電極３０１および３０２の近傍に流れる。配管３１６からの不活性ガスは、容器３０３の下部から上方へ向かって流れる。また、容器３０３には、上部に排出口３１７が設けられている。排出口３１７は、容器３０３内のカーボンスーツを排出するものである。そのため、配管３１６からの不活性ガスは、電極３０１および３０２の間で発生したカーボンスーツを排出口３１７へ向けて流す流路を形成している。

ここでは、第２電極３０２には、電極間隔調節手段であるモータ３０８が接続されている。このモータ３０８によって第２電極３０２は、上下方向に移動可能である。すなわち、モータ３０８によって、電極３０１および３０２の間隔を調節することができる。このモータ３０８によって電極３０１および３０２の間隔を調節する構造は、従来公知のものであればよく、その説明は省略する。

本実施形態では、容器３０３を囲むようにして、イメージ炉３０４が配置されている。このイメージ炉３０４は、所謂ゴールドイメージ炉であり、赤外線ランプ（図示せず）と放物面ミラー（図示せず）とを備えている。イメージ炉３０４によって、容器３０３内を６００℃〜１０００℃に加熱する。

本実施形態では、カーボンスーツ発生装置３００は、第２実施形態の制御部２１３と同様の制御部３２３と、第２実施形態の電圧検出手段２１２と同様の電圧検出手段３２４とを備えている。制御部３２３は、モータ３０８および電圧検出手段３２４と電気的に接続されており、電圧検出手段３２４によって電極３０１および３０２に印加された電圧を検出し、モータ３０８を制御することによって、上記印加された電圧が一定になるように電極３０１および３０２の間隔を調節する。

以上のように、本実施形態では、電極３０１および３０２から発生したカーボンスーツは、イメージ炉３０４によって容器３０３内で加熱され、導電性が高いグラファイト化したカーボンとなる。よって、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、一対の電極３０１および３０２の間から発生したカーボンスーツに、導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させることで、カーボンスーツを導電性が高いグラファイト化したカーボンにすることもできる。よって、第２実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第３実施形態において、加熱機構のイメージ炉３０４の代わりに、反射鏡を容器３０３の周りに設けてもよい。このことによって、放電発生電源３２２からのアーク放電から発生する赤外線を電極３０１および３０２から発生するカーボンスーツの近傍、および、発生したカーボンスーツが排出口３１７に移動する流路に集光させることで、カーボンスーツを加熱し、カーボンスーツに導電性を付与することができる。

また、第３実施形態において、加熱機構としてのイメージ炉３０４の代わりに、電極３０１および３０２の周囲を囲むように筒状に巻いたニクロム線であってもよい。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係るカーボンスーツ発生装置４００について説明する。図７は、第４実施形態に係るカーボンスーツ発生装置４００を模式的に示した図である。図７に示すように、陰極炭素棒の一例である第１電極（カソード）４０１、および、陽極炭素棒の一例である第２電極（アノード）４０２は、お互いの端面が上下方向に対向するように配置されている。このことによって、放電切れが発生しにくい。第１電極４０１は、端子４２０を介してアーク放電を行う定電流の放電発生電源４２２の負極出力が接続されている。第２電極４０２は、端子４２１を介して放電発生電源４２２の正極出力が接続されている。第１電極４０１における第２電極４０２側の端部の断面積は、第２電極４０２における第１電極４０１側の端部の断面積より小さい。ここでは、第１電極４０１の両端部および中央部の横断面積は略同じである。電極４０１および４０２は、容器４０３に収容されている。

容器４０３の下部には、配管４０４および４０５が設けられている。配管４０４および４０５には、不活性ガスが流される。ここでは、配管４０４および４０５には、共に流量計４１８ａを介して、不活性ガスである窒素を供給する窒素供給装置４１９ａ、および、流量計４１８ｂを介して、不活性ガスであるアルゴンを供給するアルゴン供給装置４１９ｂが接続されている。供給装置４１９ａおよび４１９ｂは、本発明の不活性ガス供給機構の一例である。流量計４１８ａおよび４１８ｂは、例えばフロート式の流量計であり、それぞれ窒素およびアルゴンの流量を調整する。なお、配管４０４および４０５には、不活性ガスの流動を整える整流板が設けられていてもよい。

本実施形態では、第１電極４０１は、円筒状の供給ノズル４２５で囲まれており、この供給ノズル４２５の下方に配管４０４の出口が設けられている。配管４０４からの不活性ガスは、供給ノズル４２５と第１電極４０１との間の空間を通り、第１電極４０１から第２電極４０２に向かって流れる。ここでは、電極４０１および４０２は円筒状の筒４２６で囲まれており、この筒４２６の下方に配管４０５の出口が設けられている。配管４０５からの不活性ガスは、筒４２６内を通過する。ここでは、容器４０３の上部には、カーボンスーツを排出する排出口４１７が設けられている。配管４０４および４０５からの不活性ガスは、電極４０１および４０２の間で発生したカーボンスーツを排出口４１７へ向けて流す流路を形成している。本実施形態では、排出口４１７および配管４０４は、電極４０１および４０２の軸線上に配置されている。

カーボンスーツ発生装置４００は、回転機構４３０を備えている。回転機構４３０は、第２電極４０２の軸を中心に第２電極４０２を回転させるものである。回転機構４３０の構成は特に限定されない。例えば、本実施形態では、回転機構４３０は、ドリブンギア４３１と、ドライブギア４３２と、ドライブシャフト４３３と、モータ４３４とによって構成されている。ドリブンギア４３１は、第２電極４０２に固定されている。ドリブンギア４３１には、ドライブギア４３２が噛み合っている。ドライブギア４３２には、ドライブシャフト４３３の一端が挿入されている。ドライブシャフト４３３の他端には、モータ４３４が接続されている。ここでは、モータ４３４が回転することによって、ドライブシャフト４３３、ドライブギア４３２およびドリブンギア４３１を通じて、第２電極４０２は軸方向に回転する。なお、第２電極４０２の回転数は、３秒〜１０秒ごとに１回転することが好ましい。

第２電極４０２には、電極間隔調節手段であるモータ４０８が接続されている。このモータ４０８は、第３実施形態のモータ３０８と同様のものであり、モータ４０８によって、電極４０１および４０２の間隔を調節することができる。

本実施形態では、カーボンスーツ発生装置４００は、第２実施形態の制御部２１３と同様の制御部４２８と、第２実施形態の電圧検出手段２１２と同様の電圧検出手段４２９とを備えている。制御部４２８は、電極間隔調節手段のモータ４０８、回転機構４３０のモータ４３４、供給装置４１９ａ，４１９ｂ、および、電圧検出手段４２９と電気的に接続されている。電圧検出手段４２９によって電極４０１および４０２に印加された電圧を検出し、モータ４０８を制御することによって、上記印加された電圧が一定になるように電極４０１および４０２の間隔を調節する。また、制御部４２８は、回転機構４３０のモータ４３４によって、第２電極４０２の回転数を制御する。

本実施形態では、まず、配管４０４および４０５を流れる不活性ガス（窒素およびアルゴン）の流量を流量計４１８ａおよび４１８ｂによって設定する。そして、放電発生電源４２２の電流値および初期電圧値を設定する。電圧検出手段４２９によって電極４０１および４０２に印加された電圧を検出し、モータ４０８を制御することによって、上記印加された電圧が一定になるように電極４０１および４０２の間隔を調節する。このことによって、発生したカーボンスーツの粒径および単位時間当たりの発生数を安定させることができる。

発生したカーボンスーツは、温度が高い（例えば、数千℃）雰囲気中では、粒径成長し、不活性ガスの流路に沿って容器４０３の上部へ移動する。そして、温度が低下するとカーボンスーツの粒径成長は止まり、その粒径のカーボンスーツが排出口４１７から排出される。本実施形態では、温度が高い雰囲気中に存在するカーボンスーツの個数濃度が高い場合、カーボンスーツが大粒径化する。すなわち、放電発生電源４２２の電流値が大きい程、カーボンスーツが大粒径化する。また、電極４０１および４０２の間隔を大きくすると、電圧が高くなる。このことによって、カーボンスーツの発生量が多くなる。以上のように、放電発生電源４２２の電流値を一定にし、電極４０１および４０２の間隔を調節して電圧を変化させることで、カーボンスーツの粒径分布を安定させた状態で発生数のみを制御することができる。

本実施形態では、不活性ガスとして、窒素供給装置４１９ａから供給される窒素、および、アルゴン供給装置４１９ｂから供給されるアルゴンを使用している。アルゴンは窒素よりも放電し易い気体である。そのため、不活性ガスとしてアルゴンを使用した場合、同一電圧において、電極４０１および４０２の間隔を大きくした状態であっても放電することができる。よって、同一電圧において、アルゴンを容器４０３に導入した場合、発生したカーボンスーツの個数濃度が下がり、小粒径化したカーボンスーツが得られる。また、窒素とアルゴンとの混合割合は特に限定されず、粒径が大きいカーボンスーツを得たい場合、窒素の割合を大きくするとよく、粒径が小さいカーボンスーツを得たい場合、アルゴンの割合を大きくするとよい。

以上、第４実施形態に係るカーボンスーツ発生装置４００について説明した。次に、第４実施形態のカーボンスーツ発生装置４００に関する試験例について説明するが、以下で説明する試験例は本発明を限定することを意図したものではない。

≪試験例２≫
試験例２では、容器４０３に不活性ガスを導入する際、１箇所から不活性ガスを導入する場合と、２箇所から不活性ガスを導入する場合とにおける発生したカーボンスーツの個数濃度について調べた。

＜実施例２−１＞
極径３ｍｍ、長さ１００ｍｍの炭素棒である第１電極４０１、および、極径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの炭素棒である第２電極４０２を用意した。電極４０１および４０２の気中放電前の間隔が２ｍｍとなるように、第１電極４０１および第２電極４０２を垂直に対向するように配置した。そして、放電発生電源４２２としてアーク発生電源（直流電源）を用いて、所定の電圧（２５Ｖ）で気中放電（アーク放電）を第１電極４０１および第２電極４０２の間に発生させる。また、配管４０４から窒素を２０Ｌ／ｍｉｎ、および、配管４０５から窒素を４０Ｌ／ｍｉｎで容器４０３に導入する。

上述した構成のカーボンスーツ発生装置４００において、第１電極４０１および第２電極４０２間でカーボンスーツを発生させる。このときの時間経過（０．５時間経過〜１．２５時間経過の間の２７００秒間）に伴う発生したカーボンスーツの個数濃度を調べた。その結果を図８に示す。

＜比較例２−１＞
配管４０４から窒素を４０Ｌ／ｍｉｎを容器４０３内に導入し、配管４０５から窒素を容器４０３内に導入させない以外は、実施例２−１と同様にして、時間経過（０．５時間経過〜１．２５時間経過の間の２７００秒間）に伴う発生したカーボンスーツの個数濃度を調べた。その結果を図９に示す。

図９に示すように、経過時間が１０００秒〜２７００秒の間において、配管４０４のみから窒素を容器４０３内に導入した比較例２−１の場合、時間が経過するに従って個数濃度にばらつきがみられた。一方、図８に示すように、配管４０４および４０５の２箇所から窒素を容器４０３内に導入した実施例２−１の場合、時間が経過したときでも個数濃度が安定している。よって、配管４０４および４０５の２箇所から不活性ガスを容器４０３内に導入することによって、発生したカーボンスーツの個数濃度を安定させることができる。

≪試験例３≫
次に、試験例３について説明する。試験例３では、第２電極（アノード）４０２を回転させる場合と回転させない場合における、第２電極４０２の片減り角度について調べた。なお、片減り角度とは、図１０に示すような角度Ｒのことである。

＜比較例３−１、実施例３−１〜３−５＞
試験例３では、電圧：５０Ｖ、電流：２０Ａとする以外は、実施例２−１と同様の構成であって、第２電極４０２の回転数が０ｒ／ｍｉｎ（比較例３−１）、０．３８ｒ／ｍｉｎ（実施例３−１）、０．７７ｒ／ｍｉｎ（実施例３−２）、６．１５ｒ／ｍｉｎ（実施例３−３）、１２．３ｒ／ｍｉｎ（実施例３−４）、および、１８．５ｒ／ｍｉｎ（実施例３−５）である場合における、３０分経過後の第２電極４０２の片減り角度について調べた。その結果を図１１に示す。

図１１に示すように、第２電極４０２を回転させない比較例３−１では、片減り角度が約１２度であった。しかし、第２電極４０２を回転させた実施例３−１〜３−５では、片減り角度が比較例３−１よりも小さかった。このことによって、第２電極４０２を回転させることによって、片減り角度を小さくすることができることが分かる。

また、試験例３において、第２電極４０２の回転数を６．１５ｒ／ｍｉｎとする実施例３−３、および、第２電極４０２を回転させない比較例３−１における時間経過（２時間連続試験の最後の１５分間）に伴う発生したカーボンスーツの個数濃度を表すグラフを図１２に示す。図１２に示すように、第２電極４０２を回転させた実施例３−３の方が、第２電極４０２を回転させない比較例３−１に比べて、発生したカーボンスーツの個数濃度が安定している。なお、図示は省略するが、第２電極４０２を回転させた実施例３−３の方が、第２電極４０２を回転させない比較例３−１に比べて、電圧値が安定していた。以上のように、第２電極４０２を回転させて片減り角度を小さくすることによって、発生したカーボンスーツの個数濃度を安定させることができる。第２電極４０２の片減り角度が大きいと、第２電極４０２に接触する不活性ガスが偏流し易くなる。その結果、発生したカーボンスーツの粒径および発生量が安定しない。しかし、本実施形態では、第２電極４０２を均等に消費させることによって、第２電極４０２に接触する不活性ガスが偏流することを防ぐことができる。よって、発生したカーボンスーツの粒径および発生量を安定させることができる。

≪試験例４≫
次に、試験例４について説明する。試験例４では、第１電極（カソード）４０１の第２電極４０２の端部の極径（以下、単に第１電極４０１の極径という。）を変更したときにおける時間経過に伴う発生したカーボンスーツの個数濃度と、電圧値とを調べた。

＜実施例４−１＞
実施例４−１は、実施例２−１と同様の構成である。

＜比較例４−１＞
第１電極４０１の極径が１０ｍｍである以外は、実施例４−１と同様の構成とした。

実施例４−１および比較例４−１における時間経過に伴う発生したカーボンスーツの個数濃度および電圧値について調べ、その結果を図１３に示す。図１３に示すように、第１電極４０１の極径を、第２電極４０２の極径と同じにした比較例４−１では、発生したカーボンスーツの個数濃度にばらつきがみられた。しかし、第１電極４０１の極径を第２電極４０２の極径よりも細くした実施例４−１では、比較例４−１に比べて、発生したカーボンスーツの個数濃度が安定した。また、実施例４−１では、比較例４−１に比べて、電圧値が安定した。電圧値が安定することによって、発生するカーボンスーツの発生量を安定させることができる。よって、第１電極４０１の極径を第２電極４０２の極径よりも細くする、すなわち、第１電極４０１における第２電極４０２側の端部の断面積を、第２電極４０２における第１電極４０１側の端部の断面積よりも小さくすることによって、電圧値を安定することができると共に、発生したカーボンスーツの粒径および発生量を安定させることができる。

≪試験例５≫
次に、試験例５について説明する。試験例５では、第２電極（アノード）４０２の極径を変更したときにおける発生したカーボンスーツの発生レートと粒径との関係について調べた。

＜実施例５−１〜５−３＞
第２電極（アノード）４０２の極径を５ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍであること、および、それぞれ電圧：６０Ｖ、電流：２０Ａとする以外は、実施例４−１と同様の構成とし、それぞれ実施例５−１、実施例５−２、実施例５−３とした。

実施例５−１〜実施例５−３における発生したカーボンスーツの発生レートと粒径との関係について調べ、その結果を図１４に示す。図１４に示すように、第２電極４０２の極径を細くする程、第２電極４０２の蒸発が促進される。このことによって、粒径成長が促進される。よって、発生したカーボンスーツの発生レートが高くなり、粒径が大きくなる。一方、第２電極４０２の極径を太くする程、第２電極４０２の蒸発が抑制される。そのため、粒径成長が抑制される。よって、発生したカーボンスーツの発生レートが低くなり、粒径が小さくなる。したがって、第２電極４０２の極径を変更することによって粒径および発生レートを調整することができる。

以上、第４実施形態におけるカーボンスーツ発生装置４００について説明した。なお、本実施形態では、図７に示すように、第１電極４０１の両端部および中央部の横断面積は略同じであった。しかし、第１電極４０１の第２電極４０２側の端部の断面積が、第２電極４０２の第１電極４０１側の端部の断面積よりも小さいとよく、この場合、図１５に示すように、第１電極４０１の第２電極４０２側の端部の断面積は、第１電極４０１の第２電極４０２と反対側の端部の断面積よりも小さくてもよい。第１電極４０１は、第２電極４０２の端部に向かうに従って、断面積が小さくてもよい。

１００、２００、３００、４００ カーボンスーツ発生装置
１０１ 第１電極（電極）
１０２ 第２電極（電極）
１０７ 容器
１１３ 放電発生電源
１１５ 排出口
１１６ 石英管
１１７ イメージ炉（加熱機構）
２０１ 第１電極（電極）
２０２ 第２電極（電極）
２０９ モータ（電極間隔調節手段）
２１１ 放電発生電源
２１２ 電圧検出手段
２１３ 制御部
２１４ 容器
２１６ 排出口
３０１ 第１電極（電極）
３０２ 第２電極（電極）
３０３ 容器
３０４ イメージ炉（加熱機構）
３０８ モータ（電極間隔調節手段）
３２２ 放電発生電源
３２３ 制御部
３２４ 電圧検出手段
４０１ 第１電極（陰極炭素棒）
４０２ 第２電極（陽極炭素棒）
４０３ 容器
４１９ａ 窒素供給装置（供給機構）
４１９ｂ アルゴン供給装置（供給機構）
４２２ 放電発生電源
４２５ 供給ノズル
４３０ 回転機構

Claims (5)

1. 対向した一対の棒状電極のうち少なくとも一方の電極が炭素棒である電極間に気中放電させることで前記炭素棒からカーボンスーツを発生させるカーボンスーツ発生装置であって、
   前記電極が収容され、前記カーボンスーツを内部で発生させる容器と、
   前記容器内の前記電極間に連続する気中放電を発生させる放電発生電源と、
   を備え、
   前記気中放電によって発生した前記カーボンスーツを加熱し、該カーボンスーツに導電性を付与する加熱機構を有する、カーボンスーツ発生装置。
2. 前記一対の棒状電極は、陽極炭素棒と陰極炭素棒とで構成され、
   前記陰極炭素棒における前記陽極炭素棒側の端部の断面積は、前記陽極炭素棒における前記陰極炭素棒側の端部の断面積より小さく、
   前記陰極炭素棒から前記陽極炭素棒に向かって、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構と、
   前記陽極炭素棒の軸を中心に前記陽極炭素棒を回転させる回転機構と、
   をさらに備えた、請求項１に記載されたカーボンスーツ発生装置。
3. 前記加熱機構は、前記発生したカーボンスーツに赤外線を照射して該カーボンスーツを加熱するイメージ炉である、請求項１または２に記載されたカーボンスーツ発生装置。
4. 前記一対の電極間の間隔を調節する電極間隔調節手段をさらに備え、
   前記放電発生電源は、前記電極間隔調節手段によって所定の間隔に調節された前記一対の電極間にアーク放電を生じさせるように構成され、
   ここで、前記加熱機構は、前記電極間隔調節手段によって、前記電極間が所定の間隔に設定されるとともに、該設定された間隔において、前記放電発生電源によって前記発生したカーボンスーツに導電性を付与し得る熱エネルギーを有するアーク放電を発生させるように構成されている、請求項１または２に記載されたカーボンスーツ発生装置。
5. 請求項１から４までの何れかに記載されたカーボンスーツ発生装置において、前記加熱機構によって、前記一対の電極間から発生したカーボンスーツに導電性を付与することを特徴とする、カーボンスーツ発生方法。