还原装置制造方法

文档序号:3470929阅读:160来源:国知局
还原装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种还原装置,用于收集高纯度的硅和/或有效地减少二氧化碳量。对氧化镁、氧化钾或氧化钙等第一氧化物与二氧化碳或一氧化硅等第二氧化物的混合物或化合物照射激光,从而使氧从所述第一氧化物或第二氧化物中脱离。
【专利说明】还原装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种还原装置,尤其涉及一种适于生成高纯度的硅并减少二氧化碳的还原装置。
【背景技术】
[0002]专利文献I中公开有本发明人提出的一种氢生成装置,所述氢生成装置高效地使用可再生的能量,并回收反应能量的同时生成氢气。该氢生成装置包括:反应容器,用于支持金属元素;贮水槽,用于向所述反应容器供应水;激光器,对所述金属元素与所述水接触的部分进行加热,从而加热所述金属元素;氢取出管,回收通过所述金属元素与所述水之间的反应而生成的氢气以及反映能量。
[0003][现有技术文献]
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2007-145686号公报
【发明内容】

[0006]技术问题
[0007]因此,理论上来讲,如果在预定条件下使用激光等而对一氧化硅或二氧化硅之类的氧化物施加沸点以上的温度,则构成二氧化硅等的硅与氧之间的结合被切断的同时涌出,从而可从加热位置处进行分离。因此在相关的情况下,可收集能够用于半导体材料等的硅。
[0008]而且,例如对于二氧化碳而言,如果在预定条件下用激光等施加沸点以上的温度,则碳与氧之间的结合也能够被切断而涌出,从而可从加热位置处进行分离。因此在相关的情况下,应该能够减少被认为是地球变暖的一项因素的二氧化碳量。
[0009]然而,选定所谓的“预定条件”之条件却有困难,无论在理论上如何,现实上来讲收集高纯度的硅和/或有效地减少二氧化碳量却非常困难。
[0010]本发明人进行研究-实验的结果,成功地获得了所述“预定条件”。即,本发明的还原装置通过对第一氧化物(例如氧化镁、氧化钾或氧化钙)与第二氧化物(例如二氧化碳或一氧化硅)的混合物或化合物照射激光,从而使氧从所述第一氧化物或第二氧化物中脱离。
[0011]即,本发明与典型情况下仅止于对二氧化碳或一氧化硅照射激光的方式不同,而是针对于此在将氧化镁、氧化钾或氧化钙等混合或化合的状态下照射激光,从而使氧从二氧化碳或一氧化硅、亦或是氧化镁、氧化钾或氧化钙等中脱离。
[0012]更具体地说,例如在作为第一氧化物选择氧化镁且作为第二氧化物选择氧化硅并制成它们的混合物的情况下,如果将所需强度的激光照射于此混合物,便将产生Mg、02、Si等,即,可以收集高纯度的硅(Si)。 [0013]所述激光可以采用利用包含太阳光的能源的固体激光、气体激光或者半导体激光。这样一来,凭借实现由太阳光和/或自然能源生成的激光,无需使用源自化石燃料的电源,可实现亲近地球环境的新的还原处理。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1为本发明的实施方式I的激光还原装置的示意性构成图。
[0015]图2为本发明的实施方式2的激光还原装置的示意性构成图。
[0016]图3为本发明的实施方式3的激光还原装置的示意性构成图。
[0017]图4为氧化镁与一氧化硅的混合比率、镁分数及硅分数[质量% ]、以及能量效率[mg/kj]之间的关系图。
[0018]图5为本发明的实施方式4的激光还原装置的示意性构成图。
[0019]图6为图1的处理室I内的初始压力[Pa]、镁分数[质量% ]、以及能量效率[mg/kj]之间的关系图。
[0020]图7为氧化镁与一氧化硅的混合比率和获取的球体状的高浓度硅的总量之间的关系图。
[0021]符号说明:
[0022]1:处理室 2:入射窗
[0023]3:反射镜 4:附着介质
[0024]5:容器 7:捕集单元
[0025]9:透镜阵列
【具体实施方式】
[0026]以下,参照【专利附图】
附图
【附图说明】本发明的实施方式。另外,在各附图中,相同部分赋予同一符号。
[0027][实施方式I]
[0028]图1为本发明的实施方式I的激光还原装置的示意性构成图。在图1中,示出通常还被称为腔体(Chamber)的处理室I。在处理室I中,安装有排气泵P,根据需要而进行处理室I内的排气。
[0029]另外,处理室I中设置未图示的气体导入管,可以针对处理室I而选择性地导入氮气、氩气、氦气、氖气、惰性气体等。
[0030]而且,处理室I中设置有例如用于安置圆筒状的容器5的平台21。容器5中主要收容例如将作为第一氧化物的氧化镁与作为第二氧化物的一氧化硅进行搅拌而成的混合物。
[0031]在本实施方式中,针对地球上大量存在的二氧化硅,使用图1所示激光还原装置而照射激光,从而生成一氧化硅。因此,容器5内的收容物有时候例如也会是二氧化硅等,而不是第一氧化物与第二氧化物的混合物。尤其,作为第二氧化物的一氧化硅的获取方法并不局限于这一方式。
[0032]并且,容器5内的收容物例如也可以是吸附了二氧化碳的氧化镁,即,也可以是二氧化碳与氧化镁的化合物。氧化镁吸附二氧化碳是众所周知的。如果将氧化镁在大气中放置例如为数日的时间,则其中将会吸附大气中的二氧化碳。在本实施方式中,通过对吸附了二氧化碳的氧化镁照射激光,从而将二氧化碳分解为氧和碳,由此还可以谋求二氧化碳的减少。
[0033]在此,首先对由二氧化硅生成一氧化硅的方法进行概述。在容器5内收容二氧化硅,针对该二氧化硅,在光斑(Spot)直径的形成位置的温度达到作为硅的沸点的2230度以上(例如2500度?5000度)的条件下,从激光照射装置L照射激光。
[0034]其结果,氧从二氧化硅中分离,从而得到一氧化硅。在本实施方式中,将这样获得的一氧化硅如上所述地与氧化镁等混合并收容于容器5。其混合比率在从一氧化硅与氧化镁的混合物中高效地提取硅或镁之时比较重要。关于这一点,与实验结果一同后述。
[0035]而且,平台21上安装有用于旋转平台21和/或使平台21升降的马达M。平台21的旋转是为了对容器5内的收容物分散性地照射激光而进行的处理。
[0036]平台21的升降是为了对容器5内的收容物以相同的光斑直径照射激光而进行的处理。因此,希望留意于并非一定要执行这些处理。
[0037]容器5的上方留预定距离S的间隔而配置有用于使作为二氧化硅的蒸发物的一氧化硅附着的附着介质4。在本实施方式中,使蒸发物在其冷却过程中碰撞于附着介质4,从而使之附着于附着介质4。
[0038]另外,在附图1中示出采用了板状附着介质4的例,然而也可以如后述的其他实施方式那样采用多种形状的附着介质4。而且,附着介质4只要满足不会在附着于上面的蒸发物的热作用下熔解的耐热条件,就可以采用任何材质的物料。在本实施方式中,作为附着介质4采用铜板。
[0039]并且,附着介质4上形成有用于避免从激光照射装置L照射的激光受到阻断的孔
22。在图1中,使孔22的形成角度与激光平行,然而只要可以使激光到达容器5内的收容物,则并不局限于该角度。
[0040]其中,预定距离S取能够使由容器5内的二氧化硅升华的一氧化硅蒸发物高效地附着于附着介质4的距离。作为具体例,当借助于泵P而使处理室I内达到约为6Pa的真空度,并作为附着介质4的材料采用铜时,预定距离S例如可以取5mm?15mm左右。
[0041]实际进行实验发现,如果预定距离S为25mm以下,则可以使非氧蒸发物附着于附着介质4。当预定距离S约为7mm?14mm时,获得约为5mm的情形的2倍以上的效果。并且,当预定距离S约为8mm?12mm时,获得约为5mm的情形的2.5倍以上的效果。
[0042]另一方面,当把惰性气体等导入到处理室I内和/或降低处理室I内的压力而使处理室I内的氧残余量变得极少时,还可以将处理室I的内壁兼用为附着介质。另外,在相关的情况下,通过借助于泵P的排气,将使蒸发物附着于安装在处理室I的泵P的周围。
[0043]而且,为了将从激光照射装置L照射的激光引入处理室I内,处理室I的上部设置有已知的入射窗2。并且,激光的光路上设置有用于将从激光照射装置L照射的激光的行进路径变向入射窗2的反射镜3。
[0044]并且,至少在激光照射装置L与反射镜3之间,可用未图示的光纤等进行连接。同样地,反射镜3与入射窗2之间乃至入射窗2与容器5附近之间也可以用光纤等进行连接。这样一来,能够抑制到达容器5内的收容物的激光的光损失。
[0045]激光照射装置L例如可以使用照射数kW的固体激光、气体激光或者半导体激光的照射装置。并且,在后述的各种实验中,使用了照射连续光二氧化碳激光的照射装置。[0046]在此,激光照射装置L可采用利用包括太阳光的能源的固体激光、气体激光、或者半导体激光照射装置。关于这种激光照射装置,希望参照PCT/2009/57671文献,该文献的内容通过引用而编入本申请说明书,其在本申请提出时尚未公开,已由本发明人完成申请。
[0047]而且,由于激光的kW数以及激光的光斑直径决定施加到容器5内的收容物的温度,因此这些选择很重要。具体而言,用IkW的激光并将光斑直径取为2_左右的情况下,容器5内的收容物的光斑直径的形成位置的温度约成为5000度。
[0048]鉴于此,为了使容器5内的二氧化硅蒸发并将一氧化硅与氧有效地分离,在使用照射IkW的激光的激光照射装置L的情况下,可将光斑直径设定为取2_以下。
[0049]优选地,当使用IkW的激光照射装置L时,如果将光斑直径取为2mm以下,则激光照射位置上的二氧化硅的膨胀变得容易,而且,随后可以使一氧化硅骤然冷却,从而可以高效地收集一氧化硅。
[0050]并且,例如在使用IkW的激光照射装置并设定为取2mm的光斑直径的情况下,激光照射位置上的二氧化硅膨胀到2cm,而一氧化硅立即冷却到100度以下的温度。
[0051]而且,通过使得将激光的kW数除以激光的光斑面积的值保持预定水平,从而可以使容器5内的收容物的光斑直径的形成位置的温度大致相等。因此,例如在使用4kW的激光时,可以使光斑直径约为4_。
[0052]图4为氧化镁与一氧化硅的混合比率、镁分数及硅分数[质量% ]以及能量效率[mg/kj]之间的关系图。图4的横轴上示出氧化镁与一氧化硅的混合比率,图4的右侧纵轴上示出镁的能量效 率[mg/kj],图4的左侧纵轴上示出镁分数及硅分数[质量% ]。
[0053]图4所示的数据是在使氩气流入处理室I并使处理室I内成为一个大气压的条件下获取。如图4所示,随着相对于氧化镁的一氧化硅的混合比率增加,附着于作为附着介质4的铜板的硅的获取量线性增加。因此,为了高效地获取硅,可增加相对于氧化镁的一氧化硅的混合比率。而且,在图4中虽然没有示出,然而可以确认即使[一氧化硅/氧化镁]的混合比率增加到[1:2]、[1:3],硅的获取量也会直线增加。
[0054]而且,在并非是附着介质4的目标5侧,获得大致呈球形状的高纯度的硅。在这一阶段对这些硅各自的成分进行了分析。将其分析结果示于表1。
[0055][表 I]
[0056]
【权利要求】
1.一种还原装置,针对第一氧化物与第二氧化物的混合物或化合物,通过照射激光而使氧从所述第一氧化物或第二氧化物中脱离。
2.如权利要求1所述的还原装置,其中,所述第一氧化物为氧化镁、氧化钾或氧化钙。
3.如权利要求1所述的还原装置,其中,所述第二氧化物为二氧化碳或一氧化硅。
4.如权利要求1所述的还原装置,其中,所述第二氧化物为通过对二氧化硅照射激光而使氧脱离而生成的一氧化硅。
5.如权利要求1所述的还原装置,其中,具有: 混合单元,将所述第一氧化物与所述第二氧化物以预定比率进行混合,从而生成所述混合物。
6.一种还原装置,其中,所述激光是以对所述混合物或化合物施加该混合物或化合物的沸点以上的温度的条件进行照射。
【文档编号】C01B33/023GK103974763SQ201180075362
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2011年12月9日 优先权日:2011年12月9日
【发明者】矢部孝 申请人:Yts科学财富私人有限公司
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