特許 7608732 ナノ粒子製造装置、及び、ナノ粒子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-23

(45)【発行日】2025-01-07

(54)【発明の名称】ナノ粒子製造装置、及び、ナノ粒子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/00 20060101AFI20241224BHJP

   B82Y 30/00 20110101ALN20241224BHJP

   C01G 11/00 20060101ALN20241224BHJP

【ＦＩ】

B01J19/00 N

B82Y30/00

C01G11/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020097527

(22)【出願日】2020-06-04

(65)【公開番号】P2021186787

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】八浪 竜一

(72)【発明者】

【氏名】金野 潤

(72)【発明者】

【氏名】日高 隆

【審査官】田名部 拓也

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１８－５０８４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１５９１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２１０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８３３８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｊ １９／００ － １９／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料溶液を、導電性の反応管に供給し、量子ドットを製造するためのナノ粒子製造装置であって、
前記反応管は、連続する加熱区間としての予熱部と反応部とを有し、
前記予熱部及び前記反応部の各加熱区間が、夫々、前記反応管に直接通電して加熱され、
前記予熱部は、前記反応部よりも前記反応管の長さが短く、
各加熱区間に流れる電流量を個別に制御して、各加熱区間ごとに個別に温度制御可能とすることを特徴とするナノ粒子製造装置。

【請求項2】

前記加熱区間の両端に電極が設けられており、
隣り合う前記加熱区間の境に共通電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のナノ粒子製造装置。

【請求項3】

前記加熱区間には、パルス状の電流が流れるように制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のナノ粒子製造装置。

【請求項4】

前記加熱区間に印加される電圧が交番電圧であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。

【請求項5】

前記加熱区間には、夫々、前記加熱区間の電気抵抗よりも低い電気抵抗からなるシャントスイッチ回路が取り付けられており、前記シャントスイッチ回路の開閉動作により、前記加熱区間に流れる電流が増減されて前記加熱区間の温度制御が行われることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。

【請求項6】

前記反応管の液接面に、ライニングが施されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。

【請求項7】

前記予熱部の流路断面積が、前記反応部の流路断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のナノ粒子製造装置。

【請求項8】

材料溶液を、導電性の反応管に供給し、量子ドットを製造するためのナノ粒子の製造方法であって、
前記反応管は、連続する加熱区間としての予熱部と反応部とを有し、
前記予熱部は、前記反応部よりも前記反応管の長さが短く、
前記予熱部及び前記反応部の各加熱区間の夫々を、前記反応管に直接通電して加熱し、このとき、各加熱区間に流れる電流量を個別に制御して、各加熱区間ごとに個別に温度制御した状態で、前記材料溶液を、前記反応管に供給することを特徴とするナノ粒子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ナノ粒子製造装置、及び、ナノ粒子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ナノ粒子は、マイクロリアクタ装置により製造することができる。マイクロリアクタ装置を構成する加熱された反応管（反応チューブ、金属細管）に材料溶液を通すことで、ナノ粒子を製造することができる。例えば、特許文献１には、金属細管で形成された予熱部と反応部とが一体的或いは別体で構成されたマイクロリアクタ装置に関する発明が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５１３７０５１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来のマイクロリアクタ装置では、高精度な温度制御を行うことができず、ナノ粒子の品質がばらつきやすかった。すなわち、予熱部は、材料溶液を供給する入り口側にあるため、加熱温度が十分に高くならず、核生成が不十分になりやすかった。また、予熱部の後段に位置する反応部では、全域において、温度を所定値に保持できるように温度制御する必要があった。

【0005】

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高精度な温度制御を行うことが可能なナノ粒子製造装置、及び、ナノ粒子の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明におけるナノ粒子製造装置は、材料溶液を、導電性の反応管に供給し、量子ドットを製造するためのナノ粒子製造装置であって、前記反応管は、連続する加熱区間としての予熱部と反応部とを有し、前記予熱部及び前記反応部の各加熱区間が、夫々、前記反応管に直接通電して加熱され、前記予熱部は、前記反応部よりも前記反応管の長さが短く、各加熱区間に流れる電流量を個別に制御して、各加熱区間ごとに個別に温度制御可能とすることを特徴とする。

【0007】

本発明では、前記反応管は、連続する複数の加熱区間に分かれており、前記予熱部、及び反応部の各加熱区間が、夫々、前記反応管に直接通電して加熱されることが好ましい。
本発明では、前記加熱区間の両端に電極が設けられており、隣り合う前記加熱区間の境に共通電極が設けられていることが好ましい。

【0008】

本発明では、前記加熱区間には、パルス状の電流が流れるように制御されることが好ましい。本発明では、例えば、前記加熱区間に印加される電圧が交番電圧である。

【0009】

本発明では、前記加熱区間には、夫々、前記加熱区間の電気抵抗よりも低い電気抵抗からなるシャントスイッチ回路が取り付けられており、前記シャントスイッチ回路の開閉動作により、前記加熱区間に流れる電流が増減されて前記加熱区間の温度制御が行われることが好ましい。

【0010】

本発明では、例えば、前記反応管の液接面に、ライニングが施されている。本発明では、前記予熱部の流路断面積が、前記反応部の流路断面積よりも小さいことが好ましい。

【0011】

本発明は、材料溶液を、導電性の反応管に供給し、量子ドットを製造するためのナノ粒子の製造方法であって、前記反応管は、連続する加熱区間としての予熱部と反応部とを有し、前記予熱部は、前記反応部よりも前記反応管の長さが短く、前記予熱部及び前記反応部の各加熱区間の夫々を、前記反応管に直接通電して加熱し、このとき、各加熱区間に流れる電流量を個別に制御して、各加熱区間ごとに個別に温度制御した状態で、前記材料溶液を、前記反応管に供給することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施形態のナノ粒子製造装置の一部を示す模式図である。

【図2】図２は、ナノ粒子製造装置に用いられる反応管の断面構造を示す模式図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態のナノ粒子製造装置に適用される温度制御方法を説明するための回路構成の一例である。

【図4】図４は、図３の回路に、電流制限手段を加えた図である。

【図5】図５は、図４の回路を有するナノ粒子製造装置において、温度制御の動作を示すフローチャート図である。

【図6】図６は、予熱部と反応部の管径を示す模式図である。

【図7】図７は、実験で使用した実施例の反応管に対する温度制御方法を示す模式図である。

【図8】図８は、実験で使用した比較例の反応管に対する温度制御方法を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の一実施形態（以下、「実施形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

【0014】

＜ナノ粒子製造装置＞
図１は、本実施形態におけるナノ粒子合成装置の一部を示す模式図である。本実施形態のナノ粒子合成装置は、フロー式連続ナノ粒子合成装置である。

【0015】

図１は、主に、ナノ粒子合成装置を構成する加熱反応部を示している。すなわち、ナノ粒子合成装置は、反応管（反応チューブ）１を備え、更に、反応管１の下流側に位置する下流側配管２、反応管１の上流側に位置する上流側配管３、反応管１の下流側に接続された背圧弁４、反応管１の上流側に接続された逆流防止弁（逆止弁）５を有して構成される。

【0016】

（反応管１）
図１に示す反応管１について説明する。反応管１は、例えば、ステンレス製の円筒であるが、ステンレスに限られるものではなく、少なくとも、図１に示す第１の接続点（電極）６から第３の接続点（電極）８まで連続する導電体で構成され、反応管１の内部に材料溶液が通過できる連続した空間が設けられているものであれば、材質を問うものではない。例えば、チタンで作られた反応管１は、高温高圧の過酷な反応条件であっても管壁の劣化が少なく、安定した反応の維持するに好ましいものである。

【0017】

また、反応管１の内部構造については、図２に示すように、反応管１の内壁面１ａに、ライニングが施されていてもよい。図２に示す符号９は、ライニング層を示す。ライニング層９は、反応管１の内壁面１ａに、化学的腐食や物理的摩耗を防ぐ目的で形成された塗膜であり、広くコーティングも含む。ライニング層９は、一般的には、ガラスライニング、テフロン（登録商標）ライニングなどを指すが、本実施形態では、反応管１である金属自体の表面を酸化、窒化するなどして反応管１の母材とは物性の異なる薄膜を、少なくとも材料溶液に接する反応管内面に形成せしめたものも含む。

【0018】

また、反応管１の大きさを限定するものでないが、反応管１の外径は、数ｍｍ、内径は、数百μｍであり、全長（図１に示す第１の接続点６から第３の接続点８までの長さ）は、数千ｍｍ程度であり、このように、内部に細長い空間を持ち、両端が解放された金属細管を構成する。

【0019】

図１に示すように、反応管１には、上流側から、第１の接続点６、第２の接続点７、及び第３の接続点８が設けられている。なお、接続点は、４点以上であってもよいが、図１では、３点として説明する。

【0020】

図１に示すように、第１の接続点６には第１の配線１０が接続され、第２の接続点７には第２の配線１１が接続され、第３の接続点８には第３の配線１２が接続されている。

【0021】

図１に示す第１の接続点６から第２の接続点７までの反応管１は、ナノ粒子の核生成を担う予熱部１３であり、第２の接続点７から第３の接続点８までの反応管１は、ナノ粒子の核成長を担う反応部１４である。

【0022】

例えば、各配線１０、１１、１２は、図示しない電源に接続されている。これにより、反応管１を配線１０、１１、１２を介して通電でき、予熱部１３及び反応部１４を、夫々、加熱するためのエネルギーを反応管１に供給することができる。上記したように、反応管１は、少なくとも、第１の接続点６から第３の接続点８まで連続する導電体を構成するため、通電で供給される電気エネルギーによって発熱する。すなわち、反応管１は、反応容器であると同時に、材料溶液の反応のための熱エネルギーを供給するヒータの役目も果たす。

【0023】

このとき、反応管１の予熱部１３及び反応部１４に印加される電圧は、交流であっても、直流であってもよい。また、交流が印加される場合、その周波数は制限されるものではない。例えば、交流が印加される場合、周波数は商用電源に近い６０～２００Ｈｚであってもよく、また、１ＭＨｚを超えるような高い周波数であってもよい。

【0024】

反応管１に印加される周波数が増大するにつれて、反応管１を構成する導電体には表皮効果による電気抵抗の増大が表れる。例えば、肉厚で太いステンレスからなる反応管１を用いることで、反応管１の両端に位置する第１の接続点６と第３の接続点８間の電気抵抗が低くなりすぎるとき、高周波交流を印加することで、上記の表皮効果による電気抵抗の増大を図ることができる。

【0025】

また、本実施形態の反応管１には、比較的大きい電流（限定するものではないが、１０Ａを超える電流）が流れるため、反応管１と各接続点６、７、８との間の接触抵抗をできる限り小さくする必要がある。接触抵抗が大きくなると、接触抵抗による発熱が生じ、発熱の均一性を損ねることになるためである。そこで本実施形態では、接続点６、７、８に、例えば、銅製の端子をカシメで固定し、さらにロウ付けを行うことで電気的な接触を確実なものにしている。

【0026】

（予熱部１３と反応部１４）
図１に示すように、反応管１は、連続する加熱区間としての予熱部１３と反応部１４とを有する。このように、予熱部１３と反応部１４との間に間隔が空いておらず、反応管１内を通る材料溶液は、予熱部１３から即座に加熱された反応部１４に移ることができる。

【0027】

図１では、第２の接続点７は、予熱部１３及び反応部１４の共通電極を構成する。これにより、第１の接続点６と第２の接続点７の間の反応管１を通電し、第２の接続点７と第３の接続点８の間の反応管１を通電することで、予熱部１３と反応部１４とを連続する加熱区間として構成することができる。

【0028】

このように、本実施形態では、予熱部１３及び反応部１４は、夫々、反応管１に直接通電して加熱されることを特徴とする。

【0029】

図１に示すように、予熱部１３は、反応部１４よりも反応管１の長さが短い。このため、予熱部１３と反応部１４とで、反応管１の肉厚及び管径が同じであるとすると、長さの短い予熱部１３は、反応部１４よりも電気抵抗が小さい。一例を示すと、第１の接続点６から第２の接続点７までの予熱部１３の長さは、約２００ｍｍであるのに対して、第２の接続点７から第３の接続点８までの反応部１４の長さは、約１０００ｍｍである。このように、予熱部１３の長さは反応部１４の長さの約１／５であり、したがって、反応管１の肉厚及び管径が同じであるとすると、予熱部１３の電気抵抗は、反応部１４の電気抵抗の約１／５である。本実施形態で用いているステンレスチューブの１０００ｍｍ当たりの室温での電気抵抗は、例えば、実測で１．２Ωであるため、予熱部１３の電気抵抗は、約０．２４Ω、反応部１４の電気抵抗は、約１．２Ωとなる。

【0030】

本実施形態では、予熱部１３及び反応部１４に、それぞれ別々に通電制御を行うことができる。通電は、図示しない温度検出手段により、予熱部１３及び反応部１４の温度を夫々測定し、各温度を基に、予熱部１３及び反応部１４が設定温度に保たれるように、ＰＩＤを用いたＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができる。なお、本実施形態では、温度検出手段を限定するものではないが、例えば、熱電対や、サーミスタ、放射温度計などを適用することができる。

【0031】

本実施形態では、予熱部１３の電気抵抗が反応部１４より小さくなっても、予熱部１３と反応部１４を別々に通電制御することで、予熱部１３を素早く所定温度にまで上昇させることができるとともに、所定温度に安定して保つことができる。

【0032】

また、本実施形態では、予熱部１３と反応部１４を連続した加熱区間とし、予熱部１３と反応部１４との間に間隔が空いていない。このため、予熱部１３から反応部１４にかけて所定温度に連続して制御された加熱領域を形成でき、核生成から核成長反応を安定且つ高精度に行うことができ、ナノ粒子の品質をばらつきを抑制することができる。

【0033】

また、上記では、予熱部１３と反応部１４の管径を同じとしたが、図６のように、予熱部１３を反応部１４よりも管径を小さくすることで、予熱部１３の流路断面積を、反応部１４の流路断面積よりも小さくし、予熱部１３を所定温度まで加熱するのにかかる時間をより効果的に短くすることができる。なお、核生成を担う予熱部１３での昇温時間が短いほど生成された量子ドットの蛍光半値幅（ＦＷＨＭ）を小さくすることができる。なお、反応部１４は、予熱部１３の流路断面積より大きい流路断面積を有することで、量産性の向上を図ることができる。

【0034】

（背圧弁４）
図１に示す背圧弁４は、反応管１内の圧力を一定値に保ち、試料溶液の流れを安定化すると共に、大気圧以上の圧力とすることによって試料溶液の沸騰を抑え、常圧では到達できない温度域での合成を可能とするものである。例えば、背圧弁４には、ＧＬサイエンス社のバックプレッシャーレギュレータＰ－７８９を用いることができる。背圧値は、反応条件によって適切に選択することができる。

【0035】

（逆止弁５）
逆止弁５は、背圧弁４と共に反応管１内の圧力を維持するために取り付けられる。逆止弁５の接続により、反応管１内の圧力が加熱によって上昇しても、試料溶液の逆流は生じず、背圧弁４が規定する圧力が適切に維持される。例えば、逆止弁５には、ＧＬサイエンス社製のインラインチェックバルブＣＶ－３０００を用いることができる。

【0036】

逆止弁５よりも上流側は、上流側配管３を介して、図示しない送液ポンプや流量計、試料溶液タンクなどが接続配置されている。また、背圧弁４よりも下流側には、下流側配管２を介して、合成物の検査や回収を行う図示しない機器類に接続されている。

【0037】

本実施形態では、図１に示す構造により、試料溶液は、上流側配管３から順次、反応管１に送り込まれ、反応しながら反応管１内を移動し、反応を終えて下流側配管２へと流れていく一方向の流れ（図１の矢印を参照）を形成する。

【0038】

＜ナノ粒子製造装置を用いてナノ粒子を合成する際の動作について＞
次に、図１に示すナノ粒子製造装置により、実際にナノ粒子の合成を行う際の動作を順に説明する。

【0039】

本実施形態のナノ粒子製造装置を起動後、送液ポンプ（図示せず）によって、試料溶液タンク（図示せず）から材料溶液が上流側配管３、及び逆止弁５を介して、反応管１内に満たされる。材料溶液は反応管１を満たした後も、さらに供給され、背圧弁４、下流側配管２を経て、合成装置全体の配管内を満たすように送り込まれる。

【0040】

次いで、図示しない電源により、各配線１０、１１、１２に夫々電力が供給される。本実施形態では、図１に示すように、第２の配線１１が接続される第２の接続点７を、予熱部１３及び反応部１４の共通電極とし、第１の配線１０が接続される第１の接続点６及び、第３の配線１２が接続される第３の接続点８を、第２の接続点７を挟んで互いに反対の位置に配置している。これにより、本実施形態では、電力供給に交流を使用した際、第１の接続点６と第３の接続点８の電圧が同位相で交番するように配線することができる。

【0041】

図１に示す予熱部１３及び反応部１４の各接続点６、７、８に直接、配線することにより、予熱部１３及び反応部１４を直接通電でき、且つ、互いに異なる電気抵抗を持つ予熱部１３及び反応部１４を別々に温度制御することが可能となる。

【0042】

例えば、交番電圧が変化する中で、第１の接続点６と第３の接続点８の電位が、第２の接続点７の電位より高くなる場合を考えると、第１の接続点６から流れ込んだ電流は、反応管１の予熱部１３を加熱しながら共通電極である第２の接続点７に流れ込む。一方、第３の接続点８から流れ込んだ電流は、反応部１４を加熱しながら第２の接続点７に流れ込む。この時、三つの接続点６、７、８のうち最も電位が低いのは共通電極である第２の接続点７であるため、第１の接続点６から予熱部１３に流れ込んだ電流が第２の接続点７を超えて第３の接続点８にまで流れていくことはない。第３の接続点８から反応部１４に流れ込んだ電流に関しても同様である。また、第１の接続点６と第３の接続点８の電圧が異なっていても同様である。そして、第２の接続点７に比べて、第１の接続点６及び第３の接続点８の電圧が低いような交番状態であっても、前述の説明の電流の流れる方向が逆転するだけで、予熱部１３に流れた電流が反応部１４にまで流れることはなく、また、反応部１４に流れた電流が予熱部１３に流れることはない。なお、上記した電流の流れは、直流電源を用いた通電においても同様に成立させることができ、直流を用いた制御を行うことも可能である。

【0043】

このように、第２の接続点７を、予熱部１３及び反応部１４の共通電極とすることで、連続する加熱区間としての予熱部１３と反応部１４を別々に通電制御することができる。これにより、予熱部１３と反応部１４とが同じ温度となるように、或いは別々の温度となるように制御することが可能である。

【0044】

このように、本実施形態では、予熱部１３と反応部１４とを別々に温度制御することができ、これにより、以下の作用効果を得ることが可能である。

【0045】

本実施形態のフロー式連続ナノ粒子合成装置では、反応管１の加熱を開始するのに前後して、送液ポンプを駆動して材料溶液を逐次、反応管１に送り込み、フロー式の連続合成を行う。このとき、反応管１の予熱部１３内では材料溶液は加熱され、反応を開始するが、第１の接続点６に近い位置は加熱前の材料溶液が連続的に流れ込むため、第１の接続点６より下流側に比べて温度が低くなりやすい。すなわち、反応管１の長さ方向への電気抵抗の分布が一様であるとすると、電流を流したことで生じる発熱もまた一様である。その結果、材料溶液の入り口である第１の接続点６付近は温度が低くなる。

【0046】

本実施形態では、この材料溶液の流入部分における温度低下を防ぐために、反応部１４の前段に、予熱を行う加熱区間としての予熱部１３を設け、反応部１４と分けて独立した温度制御を行っている。予熱部１３は、ナノ粒子の合成に先立つ核生成を促すための予熱の区間であり、予熱部１３と反応部１４とを同じ温度設定にしても、個別の温度制御が可能であるために、材料溶液を昇温するため単位長さあたりに投入されるエネルギーを、反応部１４に比較して大きくすることが可能になる。この結果、予熱部１３の第１の接続点６付近の温度低下を極力抑制でき、ナノ粒子を製造するうえで重要な核生成を、精度よく且つ安定して行うことができる。

【0047】

さて、反応管１を通過する過程で反応し合成されたナノ粒子は、下流側配管２を経て図示しない検査機器や生成物回収のためのタンク等に流れていくが、これら一連の流れは、図示しないポンプを一定の速度で動かし、送液量を一定にすることで連続的に進む。このとき、動作開始初期の反応管１内に滞留していた材料溶液が流れ去った後は、本実施形態のナノ粒子製造装置により、安定かつ均一な特性を持ったナノ粒子を含む生成物を連続的に生成することができる。

【0048】

なお、通電により反応管１を加熱するための回路構成は、上記で説明したものに限るものではない。例えば、隣り合う予熱部１３と反応部１４との一方の接続点を共通電極とせず、複数の加熱区間をスイッチで切り替えながら時分割で加熱制御をする構成とすることもできる。

【0049】

また、反応管１への通電時、反応管１の中には材料溶液が満たされているが、本実施形態における材料溶液は、導電性が極めて低い物質で構成されているため、材料溶液を取り巻く反応管１を流れる電流、あるいは各接続点６、７、８の間にかかる電圧の影響を無視することができる。

【0050】

また、図１に示す実施形態では、接続点の数を３とし、加熱区間の数を２としているが、接続点の数、及び加熱区間の数を限定するものではない。また、接続点間の距離や、各加熱区間の長さの比率、反応管１の長さや太さ、断面形状等についても、合成するナノ粒子の種類等に応じて種々変更することができる。

【0051】

また、フロー式にて製造されるナノ粒子として量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ（ＱＤ））を例示することができる。量子ドットは、数百～数千個程度の原子から構成された、粒径が数ｎｍ～数十ｎｍ程度のナノ粒子である。量子ドットは、蛍光ナノ粒子、半導体ナノ粒子、または、ナノクリスタルとも呼ばれる。

【0052】

本実施形態のナノ粒子製造装置を用いることで、粒径及び蛍光半値幅のばらつきが小さく、量子効率が高い量子ドットを安定して製造することができる。

【0053】

＜本実施形態のナノ粒子製造装置を用いた温度制御について＞
図３を用いて、更に詳しく、本実施形態の温度制御について説明する。なお、図３の回路構成図は、温度制御の一例であって、これに限定されるものではない。図３に示す実施形態では、反応管１は、３つの加熱区間に分けられている。すなわち、反応管１には、４つの接続点Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅが設けられており、第１の接続点Ｂと第２の接続点Ｃの間の第１の加熱区間１５、第２の接続点Ｃと第３の接続点Ｄとの間の第２の加熱区間１６、及び、第３の接続点Ｄと第４の接続点Ｅの間の第３の加熱区間１７を備える。

【0054】

図３に示すように、各接続点Ｂ～Ｅに各配線２１～２４が接続されており、第１の接続点Ｂに接続された第１の配線２１と、第４の接続点Ｅに接続された第４の配線２４との間に、反応管１を加熱するためのエネルギーを与える電源２５が接続されている。また、図３に示すように、第１の配線２１と、第２の接続点Ｃに接続された第２の配線２２との間（点Ａ－Ｘ間）は、スイッチ２６を介して接続されており、第１の温度制御回路３１を構成している。また、第２の配線２２と、第３の接続点Ｄに接続された第３の配線２３との間（点Ｘ－Ｙ間）は、スイッチ２７を介して接続されており、第２の温度制御回路３２を構成している。また、第３の配線２３と、第４の接続点Ｅに接続された第４の配線２４との間（点Ｙ－Ｄ間）は、スイッチ２８を介して接続されており、第３の温度制御回路３３を構成している。また、図３に示す符号３４～３６は、温度検出手段を示す。

【0055】

図３に示す反応管１は、点Ｐから点Ｑにかけて電気的に連接された金属チューブであり、点Ｐ側に接続された図示しないポンプによって材料溶液が反応管１内に供給され、点Ｐから点Ｑの方向に流れていく。

【0056】

例えば、電源２は交流電源であり、限定するものではないが、電圧を実効値約２Ｖ、電流を最大で１００Ａ程度まで供給する。なお、電源２は、商用電源に電圧変換トランスを接続するなどして作製することが出来る。

【0057】

図３に示す各スイッチ２６、２７、２８は、半導体スイッチである。各スイッチ２６、２７、２８として、リレーや、その他の継電器を用いてもよい。

【0058】

本実施形態における温度検出手段３４～３６は、例えば、Ｋタイプの熱電対である。温度検出手段としては、熱電対に限定するものでなく、白金測温体、赤外線センサ、サーミスタ等を使用することが出来る。

【0059】

なお、各スイッチ２６～２８と、各温度検出手段３４～３６は、夫々、図示しない温度制御手段に接続されている。そして、温度制御手段は、温度検出手段３４～３６から得られる温度計数値を基に、予め設定された温度が維持されるように、後述する手順で各スイッチ２６～２８をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

【0060】

図３に示す矢印方向は、電流の流れる向きを示している。上記したように、電源２５を交流電源とすると、回路を流れる電流の方向は交番するが、動作の説明を容易にするためにある瞬間について示すものとする。

【0061】

次に、一つの電源２５で加熱される反応管１を、複数の加熱区間１５～１７に分割して、各加熱区間１５～１７を独立して温度制御する一例を説明する。

【0062】

まず、各スイッチ２６～２８が全てオフの状態（図３の状態）の電流の流れから説明する。スイッチ２６～２８が全てオフの状態では、電源２５から流れる電流は、矢印の方向に進み、点Ａに到達する。この時、第１のスイッチ２６はオフであるため、電流は、第１の温度制御回路３１に流れず、全て第１の接続点Ｂの方向に流れる。続いて、電流は第１の加熱区間１５を流れ、第１の加熱区間１５は加熱される。第２の接続点Ｃに到達した電流は、第２のスイッチ２７がオフであるために、第２の温度制御回路３２に流れることは無く、反応管１の第２の加熱区間１６を流れ、第２の加熱区間１６は加熱される。同様に、第３のスイッチ２８がオフであるため、電流は、反応管１の第３の加熱区間１７を流れ、第３の加熱区間１７は加熱される。そして、電流は、第４の配線２４の点Ｆに到達するが、第３のスイッチ２８はオフであるため、そのまま全量が電源２５に戻り、閉回路が形成される。

【0063】

このようにスイッチ２６～２８がすべてオフの場合は、全電流が反応管１のみを通り、その電流量は、第１の加熱区間１５、第２の加熱区間１６、及び第３の加熱区間１７で同じとなる。このため、全ての加熱区間が同様に加熱される。このとき、各加熱区間１５～１７の温度が予め設定された温度に到達するまで、図示しない温度制御手段は、各スイッチ２６～２８をオフのまま保持する。

【0064】

一定時間が経過し、反応管１の温度が予め設定された温度に近づくと、温度制御手段は、設定温度を維持するために、適宜、各スイッチ２６～２８を制御し始める。このとき、図３に示す第１の加熱区間１５の入口側には、常に温度が低い材料溶液が供給されるため、第１の加熱区間１５は、第２の加熱区間１６及び、第３の加熱区間１７よりも温度が低くなりやすい。したがって、第１の加熱区間１５よりも、第２の加熱区間１６及び第３の加熱区間１７のほうが先に設定温度に到達しやすい。そこで、第２の加熱区間１６を例にして、温度制御の具体的な手順を説明する。

【0065】

温度制御手段は、第２の温度検出手段３５からの信号に基づいて、第２の加熱区間１６が設定温度に到達したことを検知すると、第２のスイッチ２７をオンにする。このとき、第１のスイッチ２６と第３のスイッチ２８はオフの状態である。この状態では、電流は、電源２５から第１の配線２１及び反応管１の第１の加熱区間１５を流れるが、ここで第２のスイッチ２７がオンになっているために、第２の接続点Ｃから第３の接続点Ｄの間には、電流の流路が二種類、形成される。すなわち、第２の加熱区間１６を通る流路と、第２の温度制御回路３２を通る流路である。このとき、第２の温度制御回路３２を通る流路の電気抵抗は、第２の加熱区間１６の電気抵抗に比較して十分に低い。そのため、電流の大部分は、第２の温度制御回路３２を流れ、第２の加熱区間１６を流れる電流量は、その分少なくなる。限定されるものではないが、例えば、電流の流量比は、第２の温度制御回路３２に８０％、第２の加熱区間１６に２０％である。このように、第２の加熱区間１６を流れる電流量が低下すると、それに伴い発熱量も減少するため、結果として、第２の加熱区間１６の温度を低下させることができる。このように、第２の加熱区間１６を流れる電流を分流させるような流路を作るスイッチは、一般にシャントスイッチと呼ばれ、シャントスイッチを含む回路（温度制御回路）は、シャント回路と呼ばれる。また、図３におけるシャント回路部分の抵抗は低いほど、多くの電流をシャント回路側に分流させることが出来る。このため、シャント回路の電気抵抗を、反応管１の電気抵抗より低くすることで、反応管１に対する温度制御効果を大きくすることができる。ただし、シャント回路の電気抵抗が反応管１の電気抵抗と同等か、それより高くても、電気抵抗に応じた一定の電流を、シャント回路側に分流することが可能であり、この場合、温度制御効率は低いが、温度制御を行うことが可能である。

【0066】

続いて、第２の接続点Ｃで２つの流路に分岐した電流は、第３の接続点Ｄで再び合流する。そのため、電流の全量が、第３の加熱区間１７に流れ、通常通りの加熱が続けられる。

【0067】

このように、各スイッチ２６～２８のうち、第２のスイッチ２７のみをオンの状態とした例では、第１の加熱区間１５、第３の加熱区間１７は、通常通りの加熱が維持され、第２の加熱区間１６は、第１の加熱区間１５及び第３の加熱区間１７よりも加熱が弱まる。

【0068】

なお、上記では、第２のスイッチ２７のみをオンにした構成で説明したが、第１のスイッチ２６のみ、或いは、第３のスイッチ２８のみがオンの状態では、第１の加熱区間１５のみ、或いは、第３の加熱区間１７のみ、加熱を弱めることができる。また、各スイッチ２６～２８のうち、複数のスイッチをオンにした場合でも、そのオンにされた温度制御回路に接続された加熱区間の加熱を弱めることができる。

【0069】

以上により、反応管１に対し、単一の電源２５を接続した閉回路において、複数の加熱区間に夫々、温度制御回路を設けることで、各加熱区間に流れる電流量を制御でき、各加熱区間ごとに加熱制御を実現することができる。

【0070】

＜電流制御手段について＞
ところで、図３に示す回路構成では、シャントスイッチの動作状態によって、電流量が増減するために、接続する電源２５の負荷変動に対する能力に注意が必要である。図３を参照しながら説明する。

【0071】

例えば、各スイッチ２６～２８が全てオンの状態であると、電源２５から流れる電流は、そのほとんどが点Ａから、第１のスイッチ２６、点Ｘ、第２のスイッチ２７、点Ｙ、第３のスイッチ２８、及び点Ｆを含む流路を流れるため、反応管１を流れる電流は少量となり、各加熱区間１５～１７の温度は低下する。この時、電源２５側から見た点Ａ－Ｆ間の電気抵抗は、各スイッチ２６～２８が全てオフの状態に比べて、流路が二本となるため、大きく低下する。更に、スイッチ２６～２８を含む流路部分、すなわち、温度制御回路３１～３３の電気抵抗は、より低く作られているため、電気抵抗の低下は極端な場合、ほぼ電源２５の出力を短絡したに等しいものになる。

【0072】

このような状況下において、電源２５は大電流を流す能力を求められるが、図３の回路構成では、場合によっては、非常に大きな電流が電源２５に流れてしまい、電源２５が破壊される可能性もある。

【0073】

そこで、図４では、図３の回路構成に、スイッチ２６～２８のオンオフ状況に応じて全体電流を制御する電流制限手段４０を配置した。

【0074】

図４に示す電流制限手段４０は、例えば、マイコンと、半導体スイッチを含む。なお、マイコンと半導体スイッチはいずれも図示していない。そして、温度制御手段（図示せず）と連携して、各スイッチ２６～２８の動作状態をモニタすることが出来る。電流制限手段４０を構成する半導体スイッチは、電源２５が供給する交番電流の周波数よりも十分に高速動作し、いわゆるＰＷＭ制御によって回路を流れる電流を細かく分割して、オンオフ時間を変更することで実効電力値を制御する。

【0075】

電流制限手段４０を構成するマイコンの動作について、図５のフローチャートを用いて説明する。

【0076】

例えば、今、各スイッチ２６～２８が全てオフの状態であり、電流の全量は反応管１を流れている。この時の電流量を電流量１とする。

【0077】

電流制限手段４０では、温度制御手段と連携し、図５のステップＳＴ１では、オンしているスイッチ２６～２８の数を検知する。

【0078】

ステップＳＴ２では、オンしているスイッチ２６～２８がない場合、ＰＷＭ１に設定する（ステップＳＴ３）。すなわち、全てのスイッチ２６～２８がオフの状態であり、反応管１に流れる電流は電流量１である。このときは、ＰＷＭ制御のオンオフ比、すなわちデューティー比＝１００％（ＰＷＭ１）に設定する。

【0079】

ステップＳＴ２で、オンしているスイッチがあることがわかると、次に、ステップＳＴ４では、オンしているスイッチの数を検知する。例えば、スイッチ２６～２８のうち、いずれか一つのスイッチ２６～２８がオンした場合、電流流路の１／３部分の電気抵抗が下がるため、電流制限を行わない場合、電流量が増える。スイッチ２６～２８のうち、いずれか一つのスイッチ２６～２８がオンした場合に、電源２５へ流れる電流量を電流量２とする。以下、スイッチが２つ同時にオンしたとき、電源２５に流れる電流量を電流量３、３つすべてのスイッチがオンした場合に、電源２５に流れる電流量を電流量４とする。この時、それぞれの電流量の関係は、反応管１の電気抵抗が第１の接続点Ｂから第４の接続点Ｅまで一様であり、且つ各接続点が反応管１に等間隔に取り付けられ、更に、シャント回路部分の抵抗も同じとすると、オームの法則によって、電流量４＞電流量３＞電流量２＞電流量１となる。

【0080】

このように、スイッチのオン／オフ状態にかかわらず、電源２５に過大な負荷がかかることを防止するために、図４に示す電流制限手段４０は、スイッチ２６～２８のオンオフ状況に応じて、ＰＷＭ制御のオンオフ比、すなわちデューティー比を変更する。例えば、デューティー比を半分にすると、回路を流れる実効電流値も半分にすることができる。このように、デューティ比の変更により、加熱区間にはパルス状の電流が流れる。本実施形態では、パルス状の電圧（電流）を、間歇的に通電（間歇通電）してもよい。間歇通電により、よりきめ細かく電流制御を行うことができる。

【0081】

スイッチがオンする数に応じて、点Ａ－点Ｆ間の電気抵抗がどのように変化するかは、予め少量の電流を流して測定をすることが可能であり、それによって回路を流れる実効電流が一定となるようにデューティー比を決定することが出来る。上記したように、ステップＳＴ３で電流量１の時に、デューティー比＝１００％（ＰＷＭ１）とすると、例えば、１つのスイッチがオンであり電流量２の時は、デューティー比＝８０％（ＰＷＭ２）（ステップＳＴ５）、２つのスイッチがオンであり電流量３のときは、デューティー比＝６０％（ＰＷＭ３）（ステップＳＴ６）、３つのスイッチがオンであり電流量４のときは、デューティー＝４０％（ＰＷＭ４）（ステップＳＴ７）となるように制御する。

【0082】

これらデューティー比をマイコンに記憶し、予め設定されるプログラムにより、オンのスイッチの数に応じて逐次、ＰＭＷ制御を切り替えることで、あらゆるスイッチ状態において実効電流を一定に維持することが可能となる。

【0083】

スイッチのオンオフ状態の変化のタイミングは予測不可能であるが、マイコンは十分に高速であるため、スイッチ状態の変化に瞬間的に追従することが可能である。

【0084】

図３、図４では、第１の加熱区間１５が、予熱部（以下、予熱部１５という）であり、第２の加熱区間１６及び第３の加熱区間１７が、反応部（以下、反応部１６、１７という）である。すなわち、図３、図４に示す実施形態では、反応部１６、１７が、連続する複数の加熱区間に分けられている。図３、図４においても、予熱部１５、及び反応部１６、１７の各加熱区間が、夫々、反応管に直接通電して加熱される。

【0085】

図３、図４では、反応部１６、１７を、２つの加熱区間に分けているが、３つ以上であってもよい。予熱部１５を加えると加熱区間は３つ以上になるが、加熱区間が３つ以上のとき、電源２５が１つで、各加熱区間を個別に温度制御するためには、各加熱区間の電気抵抗よりも低い電気抵抗からなるシャントスイッチ回路を設け、各シャントスイッチ回路の開閉動作により、各加熱区間に流れる電流を増減させて各加熱区間を温度制御することが好ましい。

【実施例】

【0086】

以下、本発明の実施例及び比較例により本発明の効果を説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

【0087】

（実施例）
図７に示すように、反応管に予熱部と反応部の複数の加熱区間を設け、各加熱区間を直接通電により加熱した。

【0088】

（比較例）
図８に示すように、反応管を複数の加熱区間に区切らず単一の加熱区間として加熱した。すなわち、比較例１では、実施例１と異なって、予熱部を設けなかった。
上記の実施例と比較例に使用した材料溶液は同じものであり、反応管を通して、ＺｎＣｄＳｅＳ粒子を生成した。

【0089】

以下の実験結果に示すように、実施例のほうが比較例に比べて、生成されたＺｎＣｄＳｅＳ粒子の半値幅（ＦＷＨＭ）を小さくでき、高い量子効率（ＱＹ）を得ることができるとわかった。

【0090】

【表1】

【産業上の利用可能性】

【0091】

本発明によれば、量子ドット等のナノ粒子を製造可能なナノ粒子製造装置及び、ナノ粒子の製造方法に利用することができる。

【符号の説明】

【0092】

１ ：反応管
２ ：下流側配管
３ ：上流側配管
４ ：背圧弁
５ ：逆止弁
６ ：第１の接続点
７ ：第２の接続点
８ ：第３の接続点
９ ：ライニング層
１０ ：第１の配線
１１ ：第２の配線
１２ ：第３の配線
１３、１５ ：予熱部
１４、１６、１７：反応部
１５ ：第１の加熱区間
１６ ：第２の加熱区間
１７ ：第３の加熱区間
２１～２４ ：第１の配線
２５ ：電源
２６ ：第１のスイッチ
２７ ：第２のスイッチ
２８ ：第３のスイッチ
３１ ：第１の温度制御回路
３２ ：第２の温度制御回路
３３ ：第３の温度制御回路
３４～３６ ：温度検出手段
４０ ：電流制限手段
Ｂ～Ｅ ：接続点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】