還原裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種還原裝置，用于收集高純度的硅和/或有效地減少二氧化碳量。對氧化鎂、氧化鉀或氧化鈣等第一氧化物與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，從而使氧從所述第一氧化物或第二氧化物中脫離。
【專利說明】還原裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種還原裝置，尤其涉及一種適于生成高純度的硅并減少二氧化碳的還原裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]專利文獻(xiàn)I中公開有本發(fā)明人提出的一種氫生成裝置，所述氫生成裝置高效地使用可再生的能量，并回收反應(yīng)能量的同時(shí)生成氫氣。該氫生成裝置包括:反應(yīng)容器，用于支持金屬元素；貯水槽，用于向所述反應(yīng)容器供應(yīng)水；激光器，對所述金屬元素與所述水接觸的部分進(jìn)行加熱，從而加熱所述金屬元素；氫取出管，回收通過所述金屬元素與所述水之間的反應(yīng)而生成的氫氣以及反映能量。
[0003][現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)]
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開2007-145686號公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題
[0007]因此，理論上來講，如果在預(yù)定條件下使用激光等而對一氧化硅或二氧化硅之類的氧化物施加沸點(diǎn)以上的溫度，則構(gòu)成二氧化硅等的硅與氧之間的結(jié)合被切斷的同時(shí)涌出，從而可從加熱位置處進(jìn)行分離。因此在相關(guān)的情況下，可收集能夠用于半導(dǎo)體材料等的硅。
[0008]而且，例如對于二氧化碳而言，如果在預(yù)定條件下用激光等施加沸點(diǎn)以上的溫度，則碳與氧之間的結(jié)合也能夠被切斷而涌出，從而可從加熱位置處進(jìn)行分離。因此在相關(guān)的情況下，應(yīng)該能夠減少被認(rèn)為是地球變暖的一項(xiàng)因素的二氧化碳量。
[0009]然而，選定所謂的“預(yù)定條件”之條件卻有困難，無論在理論上如何，現(xiàn)實(shí)上來講收集高純度的硅和/或有效地減少二氧化碳量卻非常困難。
[0010]本發(fā)明人進(jìn)行研究-實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，成功地獲得了所述“預(yù)定條件”。即，本發(fā)明的還原裝置通過對第一氧化物(例如氧化鎂、氧化鉀或氧化鈣)與第二氧化物(例如二氧化碳或一氧化硅)的混合物或化合物照射激光，從而使氧從所述第一氧化物或第二氧化物中脫離。
[0011]即，本發(fā)明與典型情況下僅止于對二氧化碳或一氧化硅照射激光的方式不同，而是針對于此在將氧化鎂、氧化鉀或氧化鈣等混合或化合的狀態(tài)下照射激光，從而使氧從二氧化碳或一氧化硅、亦或是氧化鎂、氧化鉀或氧化鈣等中脫離。
[0012]更具體地說，例如在作為第一氧化物選擇氧化鎂且作為第二氧化物選擇氧化硅并制成它們的混合物的情況下，如果將所需強(qiáng)度的激光照射于此混合物，便將產(chǎn)生Mg、02、Si等，即，可以收集高純度的硅(Si)。 [0013]所述激光可以采用利用包含太陽光的能源的固體激光、氣體激光或者半導(dǎo)體激光。這樣一來，憑借實(shí)現(xiàn)由太陽光和/或自然能源生成的激光，無需使用源自化石燃料的電源，可實(shí)現(xiàn)親近地球環(huán)境的新的還原處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的實(shí)施方式I的激光還原裝置的示意性構(gòu)成圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的實(shí)施方式2的激光還原裝置的示意性構(gòu)成圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的實(shí)施方式3的激光還原裝置的示意性構(gòu)成圖。
[0017]圖4為氧化鎂與一氧化硅的混合比率、鎂分?jǐn)?shù)及硅分?jǐn)?shù)[質(zhì)量％ ]、以及能量效率[mg/kj]之間的關(guān)系圖。
[0018]圖5為本發(fā)明的實(shí)施方式4的激光還原裝置的示意性構(gòu)成圖。
[0019]圖6為圖1的處理室I內(nèi)的初始壓力[Pa]、鎂分?jǐn)?shù)[質(zhì)量％ ]、以及能量效率[mg/kj]之間的關(guān)系圖。
[0020]圖7為氧化鎂與一氧化硅的混合比率和獲取的球體狀的高濃度硅的總量之間的關(guān)系圖。
[0021]符號說明:
[0022]1:處理室 2:入射窗
[0023]3:反射鏡 4:附著介質(zhì)
[0024]5:容器 7:捕集單元
[0025]9:透鏡陣列
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在各附圖中，相同部分賦予同一符號。
[0027][實(shí)施方式I]
[0028]圖1為本發(fā)明的實(shí)施方式I的激光還原裝置的示意性構(gòu)成圖。在圖1中，示出通常還被稱為腔體(Chamber)的處理室I。在處理室I中，安裝有排氣泵P，根據(jù)需要而進(jìn)行處理室I內(nèi)的排氣。
[0029]另外，處理室I中設(shè)置未圖示的氣體導(dǎo)入管，可以針對處理室I而選擇性地導(dǎo)入氮?dú)狻鍤?、氦氣、氖氣、惰性氣體等。
[0030]而且，處理室I中設(shè)置有例如用于安置圓筒狀的容器5的平臺21。容器5中主要收容例如將作為第一氧化物的氧化鎂與作為第二氧化物的一氧化硅進(jìn)行攪拌而成的混合物。
[0031]在本實(shí)施方式中，針對地球上大量存在的二氧化硅，使用圖1所示激光還原裝置而照射激光，從而生成一氧化硅。因此，容器5內(nèi)的收容物有時(shí)候例如也會(huì)是二氧化硅等，而不是第一氧化物與第二氧化物的混合物。尤其，作為第二氧化物的一氧化硅的獲取方法并不局限于這一方式。
[0032]并且，容器5內(nèi)的收容物例如也可以是吸附了二氧化碳的氧化鎂，即，也可以是二氧化碳與氧化鎂的化合物。氧化鎂吸附二氧化碳是眾所周知的。如果將氧化鎂在大氣中放置例如為數(shù)日的時(shí)間，則其中將會(huì)吸附大氣中的二氧化碳。在本實(shí)施方式中，通過對吸附了二氧化碳的氧化鎂照射激光，從而將二氧化碳分解為氧和碳，由此還可以謀求二氧化碳的減少。
[0033]在此，首先對由二氧化硅生成一氧化硅的方法進(jìn)行概述。在容器5內(nèi)收容二氧化硅，針對該二氧化硅，在光斑(Spot)直徑的形成位置的溫度達(dá)到作為硅的沸點(diǎn)的2230度以上(例如2500度?5000度)的條件下，從激光照射裝置L照射激光。
[0034]其結(jié)果，氧從二氧化硅中分離，從而得到一氧化硅。在本實(shí)施方式中，將這樣獲得的一氧化硅如上所述地與氧化鎂等混合并收容于容器5。其混合比率在從一氧化硅與氧化鎂的混合物中高效地提取硅或鎂之時(shí)比較重要。關(guān)于這一點(diǎn)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一同后述。
[0035]而且，平臺21上安裝有用于旋轉(zhuǎn)平臺21和/或使平臺21升降的馬達(dá)M。平臺21的旋轉(zhuǎn)是為了對容器5內(nèi)的收容物分散性地照射激光而進(jìn)行的處理。
[0036]平臺21的升降是為了對容器5內(nèi)的收容物以相同的光斑直徑照射激光而進(jìn)行的處理。因此，希望留意于并非一定要執(zhí)行這些處理。
[0037]容器5的上方留預(yù)定距離S的間隔而配置有用于使作為二氧化硅的蒸發(fā)物的一氧化硅附著的附著介質(zhì)4。在本實(shí)施方式中，使蒸發(fā)物在其冷卻過程中碰撞于附著介質(zhì)4，從而使之附著于附著介質(zhì)4。
[0038]另外，在附圖1中示出采用了板狀附著介質(zhì)4的例，然而也可以如后述的其他實(shí)施方式那樣采用多種形狀的附著介質(zhì)4。而且，附著介質(zhì)4只要滿足不會(huì)在附著于上面的蒸發(fā)物的熱作用下熔解的耐熱條件，就可以采用任何材質(zhì)的物料。在本實(shí)施方式中，作為附著介質(zhì)4采用銅板。
[0039]并且，附著介質(zhì)4上形成有用于避免從激光照射裝置L照射的激光受到阻斷的孔
22。在圖1中，使孔22的形成角度與激光平行，然而只要可以使激光到達(dá)容器5內(nèi)的收容物，則并不局限于該角度。
[0040]其中，預(yù)定距離S取能夠使由容器5內(nèi)的二氧化硅升華的一氧化硅蒸發(fā)物高效地附著于附著介質(zhì)4的距離。作為具體例，當(dāng)借助于泵P而使處理室I內(nèi)達(dá)到約為6Pa的真空度，并作為附著介質(zhì)4的材料采用銅時(shí),預(yù)定距離S例如可以取5mm?15mm左右。
[0041]實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果預(yù)定距離S為25mm以下，則可以使非氧蒸發(fā)物附著于附著介質(zhì)4。當(dāng)預(yù)定距離S約為7mm?14mm時(shí),獲得約為5mm的情形的2倍以上的效果。并且，當(dāng)預(yù)定距離S約為8mm?12mm時(shí),獲得約為5mm的情形的2.5倍以上的效果。
[0042]另一方面，當(dāng)把惰性氣體等導(dǎo)入到處理室I內(nèi)和/或降低處理室I內(nèi)的壓力而使處理室I內(nèi)的氧殘余量變得極少時(shí)，還可以將處理室I的內(nèi)壁兼用為附著介質(zhì)。另外，在相關(guān)的情況下，通過借助于泵P的排氣，將使蒸發(fā)物附著于安裝在處理室I的泵P的周圍。
[0043]而且，為了將從激光照射裝置L照射的激光引入處理室I內(nèi)，處理室I的上部設(shè)置有已知的入射窗2。并且，激光的光路上設(shè)置有用于將從激光照射裝置L照射的激光的行進(jìn)路徑變向入射窗2的反射鏡3。
[0044]并且，至少在激光照射裝置L與反射鏡3之間，可用未圖示的光纖等進(jìn)行連接。同樣地，反射鏡3與入射窗2之間乃至入射窗2與容器5附近之間也可以用光纖等進(jìn)行連接。這樣一來，能夠抑制到達(dá)容器5內(nèi)的收容物的激光的光損失。
[0045]激光照射裝置L例如可以使用照射數(shù)kW的固體激光、氣體激光或者半導(dǎo)體激光的照射裝置。并且，在后述的各種實(shí)驗(yàn)中，使用了照射連續(xù)光二氧化碳激光的照射裝置。[0046]在此，激光照射裝置L可采用利用包括太陽光的能源的固體激光、氣體激光、或者半導(dǎo)體激光照射裝置。關(guān)于這種激光照射裝置，希望參照PCT/2009/57671文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)的內(nèi)容通過引用而編入本申請說明書，其在本申請?zhí)岢鰰r(shí)尚未公開，已由本發(fā)明人完成申請。
[0047]而且，由于激光的kW數(shù)以及激光的光斑直徑?jīng)Q定施加到容器5內(nèi)的收容物的溫度，因此這些選擇很重要。具體而言，用IkW的激光并將光斑直徑取為2_左右的情況下，容器5內(nèi)的收容物的光斑直徑的形成位置的溫度約成為5000度。
[0048]鑒于此，為了使容器5內(nèi)的二氧化硅蒸發(fā)并將一氧化硅與氧有效地分離，在使用照射IkW的激光的激光照射裝置L的情況下，可將光斑直徑設(shè)定為取2_以下。
[0049]優(yōu)選地，當(dāng)使用IkW的激光照射裝置L時(shí)，如果將光斑直徑取為2mm以下，則激光照射位置上的二氧化硅的膨脹變得容易，而且，隨后可以使一氧化硅驟然冷卻，從而可以高效地收集一氧化硅。
[0050]并且，例如在使用IkW的激光照射裝置并設(shè)定為取2mm的光斑直徑的情況下，激光照射位置上的二氧化硅膨脹到2cm，而一氧化硅立即冷卻到100度以下的溫度。
[0051]而且，通過使得將激光的kW數(shù)除以激光的光斑面積的值保持預(yù)定水平，從而可以使容器5內(nèi)的收容物的光斑直徑的形成位置的溫度大致相等。因此，例如在使用4kW的激光時(shí)，可以使光斑直徑約為4_。
[0052]圖4為氧化鎂與一氧化硅的混合比率、鎂分?jǐn)?shù)及硅分?jǐn)?shù)[質(zhì)量％ ]以及能量效率[mg/kj]之間的關(guān)系圖。圖4的橫軸上示出氧化鎂與一氧化硅的混合比率，圖4的右側(cè)縱軸上示出鎂的能量效 率[mg/kj]，圖4的左側(cè)縱軸上示出鎂分?jǐn)?shù)及硅分?jǐn)?shù)[質(zhì)量％ ]。
[0053]圖4所示的數(shù)據(jù)是在使氬氣流入處理室I并使處理室I內(nèi)成為一個(gè)大氣壓的條件下獲取。如圖4所示，隨著相對于氧化鎂的一氧化硅的混合比率增加，附著于作為附著介質(zhì)4的銅板的硅的獲取量線性增加。因此，為了高效地獲取硅，可增加相對于氧化鎂的一氧化硅的混合比率。而且，在圖4中雖然沒有示出，然而可以確認(rèn)即使[一氧化硅/氧化鎂]的混合比率增加到[1:2]、[1:3]，硅的獲取量也會(huì)直線增加。
[0054]而且，在并非是附著介質(zhì)4的目標(biāo)5側(cè)，獲得大致呈球形狀的高純度的硅。在這一階段對這些硅各自的成分進(jìn)行了分析。將其分析結(jié)果示于表1。
[0055][表 I]
[0056]
【權(quán)利要求】
1.一種還原裝置，針對第一氧化物與第二氧化物的混合物或化合物，通過照射激光而使氧從所述第一氧化物或第二氧化物中脫離。
2.如權(quán)利要求1所述的還原裝置，其中，所述第一氧化物為氧化鎂、氧化鉀或氧化鈣。
3.如權(quán)利要求1所述的還原裝置，其中，所述第二氧化物為二氧化碳或一氧化硅。
4.如權(quán)利要求1所述的還原裝置，其中，所述第二氧化物為通過對二氧化硅照射激光而使氧脫離而生成的一氧化硅。
5.如權(quán)利要求1所述的還原裝置，其中，具有: 混合單元，將所述第一氧化物與所述第二氧化物以預(yù)定比率進(jìn)行混合，從而生成所述混合物。
6.一種還原裝置，其中，所述激光是以對所述混合物或化合物施加該混合物或化合物的沸點(diǎn)以上的溫度的條件進(jìn)行照射。
【文檔編號】C01B33/023GK103974763SQ201180075362
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月9日
【發(fā)明者】矢部孝 申請人:Yts科學(xué)財(cái)富私人有限公司