206_090-012AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 新型專利說明書 | |
| ﹝本說明書格式，順序及粗體字，請勿任意更動，※號部份請勿填寫﹞ | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： |
| 一、新型名稱：
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| 合成氮化鋁之反應裝置(全文下載)
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| 二、申請人：共 人
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| 指定 為應受送達人
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| 三、創作人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
| □主張專利法第二十二條第二項 第一款或 第二款規定之事實，其事實發生日期為： |
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| □ 主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
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| □ 主張專利法第二十六條微生物：
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| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | ||
| 本創作是在提供一種適用於燃燒合成法合成氮化鋁之反應裝置，該反應裝置可分為直立式與水平式，該兩型式皆包含一圓柱形反應爐體、一設置於該爐體且可控制該爐體內溫度及壓力並供給氮氣之控制單元、一可封閉該爐體之腔門、一連接於該腔門並可帶動其相對於該爐體於一密合與一非密合位置間直線位移之驅動機構，及一可回收該反應爐體內之氣體再重新充入該反應爐體內的氮氣回收單元。其中該直立式反應裝置之該腔門更具有承載一反應物之功能，而該水平式反應裝置則更包含一垂直固設於該腔門且可承置該反應物之載物平台。經由該腔門與該驅動機構之配合，本創作之反應裝置適用於連續操作與高效率之自動化生產操作。 | ||
| 六、英文發明摘要： | ||
| 七、指定代表圖： | ||
| （一）本案指定代表圖為： | ||
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
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| 八、新型說明： | ||
| 【創作領域】 本創作是有關於一種氮化鋁之合成裝置，特別是指一種適用於燃燒合成法合成氮化鋁粉體之裝置。 【習知技藝說明】 由於氮化鋁具有優越之熱傳導性、良好之電絕緣性，低熱膨脹率、良好之抗熱震性，及良好之抗侵蝕性，近年來，氮化鋁已成為工業上極為重要之材料。其在許多高科技產業上極具應用之潛力，它可被運用為積體電路封裝材料、電子元件散熱體、高熱傳導性複合材料，盛裝與處理熔融鹽或金屬之容器等。 目前製造氮化鋁粉體之方法包括：氣相反應法、有機金屬前驅物法、氧化鋁粉碳素還原氮化法、金屬鋁直接氮化法，及燃燒合成法。 其中，氣相反應法如Mater. Sci. Technol. 9, 463(1993)之公開的期刊報導，其產物型態包含結晶形與非晶形氮化鋁粉體，轉化率約為80%，但其生產成本高且產率小，不適於工業生產。而有機金屬前驅物法亦可由上述之報導得知，也有成本高且產率小之問題，也不適於工業生產。而有關氧化鋁粉碳素還原氮化法與金屬鋁直接氮化法之資料可參閱Manufacturing Processes 10 (4), 717 (1995)，是目前工業上主要之生產方法，但金屬鋁直接氮化法很難得到高純度氮化鋁(AlN)，且有鋁熔聚的問題，會增加後續處理之困擾，又必須在高溫下長時間操作，能量消耗極大，目前用此法生產者例如：Stark、Denka Apio、Advanced Refractory Technologies (ART)，及Tokyo Aluminum K. K.。而氧化鋁粉碳素還原氮化法，雖然可得到較高純度之氮化鋁，但是產物中常含過多的碳，必須在大氣中將碳氧化去除，因此可能造成含氧量提高，此外，此方法必須在高溫下長時間操作，能量消耗較大，以此法生產者例如：Ato chem、Tokuyama Soda、Keramont、Dow Chemical，及C-axis Technology。 燃燒合成法與其他方法比較而言，是一種新的陶瓷材料之合成方法，此方法詳述於已公開之Combust. Sci. Technol. 10, 195 (1975)期刊報導，它是利用反應物間自行傳播燃燒反應來合成陶瓷產品，其優點在於反應快速、省能源、製程簡單且適合大量生產。習知中已揭露之用於燃燒法合成氮化鋁粉體之反應裝置例如：(一)中華民國第71873、67194號發明專利案及美國專利第5460794、5453707及5846508號專利案中使用方形不鏽鋼製耐高壓反應器，其缺點為方形狀之反應腔體所能承受之壓力不均勻容易破壞腔體結構，且腔門之開啟與密合涉及螺絲之拆卸與安裝，不適合連續操作。(二)美國專利第5693305號案中揭露之反應器分為兩類，一是批次操作採用箱型之連續高溫爐，另一是連續操作採用分段溫度控制隧道高溫爐，由於該兩類操作皆需長時間高溫加熱(1000~1500℃)，十分損耗能源，且採用箱型爐時也有上述之腔體因承受壓力不均而破壞結構，及腔門之開啟與密合涉及螺絲之拆卸與安裝之問題，而採用連續爐必須持續不斷地將氮氣通入反應腔體中，以阻絕氧氣並維持氮氣之反應環境，因此會因氮氣耗損過高而導致生產成本之提高。所以就商業化生產的觀點而言，燃燒合成法仍有許多需要改進、克服的問題。 【創作概要】 因此，本創作之目的，即在提供一種反應腔體受壓均勻、可自動進行腔體與腔門之開啟與密合、連續供應且循環使用氮氣之適用於燃燒合成法合成氮化鋁的反應裝置。 於是，本創作之合成氮化鋁之反應裝置適用於所有利用燃燒法合成氮化鋁粉體之合成方法，例如美國專利第5649287、5710382號案中已揭露的耐高溫容器承裝反應物之合成方法，中華民國專利申請案第90100225號中所述的使用鋁製容器承裝反應物之合成方法，或中華民國第71873、67194號專利案與美國專利第5460794、5453407、5846508號專利案中敘述的將反應物壓成錠狀之合成方法。 本創作之合成氮化鋁之反應裝置包含直立式及水平式之裝置，分別說明如下：(一)直立式之反應裝置，包含：一圓柱形反應爐體、一控制單元、一腔門及一驅動機構。該反應爐體具有一基壁、一自該基壁周緣向下延伸之圍壁，兩者相配合界定出一具有一向下之開口的反應腔室，且該基壁與圍壁分別具有一爐體夾層，該等爐體夾層中容納有可吸收反應熱而防止該反應爐變形之冷卻水。該控制單元是穿設於該反應爐體，可供給氮氣至該反應腔室內並控制反應腔室內之溫度及壓力。該腔門是位於該開口之下方且適合用於承載一反應物，並具有一可容納冷卻水之腔門夾層。該驅動機構，連接於該腔門之下方，具有一可被驅動而上下直線位移之作動桿，該作動桿可帶動該設置於上方之腔門相對於該反應爐於一密合與非密合位置間移動，當在密合位置時，該腔門是封閉該反應腔室以進行反應，當在非密合位置時，該腔門是遠離該反應爐並使得一由該反應物生成之氮化鋁產物脫離該反應腔室。當在進行合成反應前，該作動桿帶動該腔門連同該反應物向上移動使該腔門位於該密合位置，當反應完成時，該作動桿帶動該腔門向下移動使該腔門位於該非密合位置。 (二)水平式之反應裝置，包含：一圓柱形反應爐體、一控制單元、一可封閉該開口之直立腔門、一載物平台，及一驅動機構。該反應爐體具有一直立之基壁、一自該基壁周緣垂直延伸之圍壁，兩者相配合界定出一具有一開口的反應腔室，且該基壁與圍壁分別具有一爐體夾層，該等爐體夾層中容納有可吸收反應熱而防止該反應爐變形之冷卻水。該控制單元是連接至該反應爐體，可供給氮氣至該反應腔室內並控制反應腔室內之溫度及壓力。該腔門具有一可容置冷卻水之密閉的腔門夾層。該載物平台垂直固接於該腔門鄰近該開口之一側面，適合用於承置一反應物。該驅動機構垂直連接於該腔門，具有一可被驅動而左右直線位移之作動桿，該作動桿可帶動該腔門相對於該反應爐於一密合與非密合位置間移動，當在密合位置時，該腔門是封閉該反應腔室以進行反應，當在非密合位置時，該腔門是遠離該反應爐並使得一由該反應物生成之氮化鋁產物脫離該反應腔室。當在進行合成反應前，該作動桿帶動該腔門連同該反應物水平移動使該腔門位於該密合位置，當反應完成時，該作動桿帶動該腔門水平移動使該腔門位於該非密合位置。 [圖式簡單說明] 本創作之其他特徵及優點，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白，在圖式中：第一圖是一組合示意圖，說明本創作之合成氮化鋁之反應裝置的第一較佳實施例之局部構造；第二圖是該第一較佳實施例之一局部剖面示意圖；第三圖是一組合示意圖，說明本創作之合成氮化鋁之反應裝置的第二較佳實施例之局部構造；及第四圖是該第二較佳實施例之一局部剖面示意圖。 【實施例之詳細說明】 在詳細說明之前，要注意的是，在以下的說明中類似之元件是以相同之參考編號來表示。 參閱第一、二圖，本創作之合成氮化鋁之反應裝置的第一較佳實施例為一直立式之裝置，包含：一圓柱形反應爐體1、一穿設於反應爐體1之控制單元2、一位於該反應爐體1下方並可封閉該反應爐體1之腔門3、一位於該腔門3下方並可帶動其上下直線位移之驅動機構4，及一可回收該反應爐體1內之氣體再重新充入該反應爐體1內的氮氣回收單元5。 該反應爐體1具有一基壁11、一自該基壁11周緣垂直向下延伸之圍壁12，兩者相配合界定出一具有一向下開口131的反應腔室13。且該基壁11與圍壁12分別具有一位於外側之不鏽鋼材質的爐體外壁111、一位於內側之不鏽鋼材質的爐體內壁112，及一介於該爐體內、外壁112、111間之爐體夾層113，該爐體夾層113可容納吸收反應所放出之熱量而可防止該反應爐體1變形之冷卻水。該基壁11與圍壁12更分別具有一貫穿該爐體外壁111且與該爐體夾層113相通之低溫冷卻水的第一進水口114，與一貫穿該爐體外壁111且與該爐體夾層113相通之第一出水口115，該爐體夾層113中所容納之已吸收反應熱的高溫水可經該第一出水口115流出。 該控制單元2具有一穿設於該基壁11且可量測該反應腔室13內壓力之壓力計21、一穿設於該基壁11且可將該腔室13維持在安全操作壓力內之安全閥22、一穿設於該基壁11且於反應完成後使密閉之腔室13回復常壓之洩氣閥23、一穿設於該圍壁12且可紀錄該腔室13內溫度變化之紅外線溫度計24、一供氣設備25、一抽氣設備26，及一穿設於該基壁11之加熱機構27。該供氣設備25具有一可提供高純度氮氣(99.99%)的供氣機251及一穿設於該圍壁12之第一氮氣輸入孔252。該抽氣設備26具有一可於反應前將密閉之該腔室13予與抽真空至0.1torr的抽氣機 261，及一穿設於該圍壁12之抽氣口262。該加熱機構27具有複數個加熱電極271、複數個分別連接於該等加熱電極271下方之加熱元件272，該等加熱元件272可選自鎢絲、鎢片、石墨片、石墨帶、碳化矽(SiC)、矽化鉬(MoSi2)、鎳鉻絲、鉭絲等，且該等加熱元件272可以通電、雷射、紅外線以及微波等方法加熱至可引燃反應之溫度。該控制單元2更具有一可全程監控燃燒反應之變化情形的影像監視系統28，該影像監視系統28具有複數監視器281及複數穿設於該圍壁12之耐高溫與高壓的石英玻璃視窗282。 該腔門3具有一鄰近該腔室13之不鏽鋼材質的腔門內壁31、一連接於該驅動機構4上方之不鏽鋼材質的腔門外壁32、一介於兩者中間之可容納冷卻水之腔門夾層33、一貫穿該腔門外壁32且與該腔門夾層33相通之低溫冷卻水的第二進水口34，與一貫穿該腔門外壁32且與該腔門夾層33相通之第二出水口35，該腔門夾層33中所容納之已吸收反應熱的高溫水可經該第二出水口35流出。該腔門3更具有一貫穿該腔門內壁31、該腔門夾層33及該腔門外壁32的第二氮氣輸入孔36。 該驅動機構4具有一底座41、一軸接於該底座41上方且可被驅動而上下直線位移之作動桿42，及一設置於該作動桿42並與該第二氮氣輸入孔36相通之通氣管43。該作動桿42可帶動設置於上方之腔門3相對於該反應爐體1於一密合與非密合位置間移動，當在密合位置時，該腔門3是封閉該反應腔室13以進行反應，當在非密合位置時，該腔門3是遠離該反應爐體1並使得一由該反應物30生成之氮化鋁產物30'脫離該反應腔室13。當在進行合成反應前，該作動桿42帶動該腔門3連同該反應物30向上移動使該腔門3位於該密合位置，當反應完成時，該作動桿42帶動該腔門3向下移動使該腔門3位於該非密合位置。 該氮氣回收單元5具有一連接該洩氣閥23之過濾設備51、一連接於該過濾設備51的流向控制閥52，在實施例中它是為一四相閥。該流向控制閥52具有一連接該過濾設備51之第一通道521、一可排放至大氣之第二通道522、可互相切換連接於該通氣管43之一第三通道523與一第四通道524。該氮氣回收單元5所回收之高溫氮氣可依序經由該第三通道523、該通氣管43與該第二氮氣孔36重新灌入該腔室13，如此可以在該腔室13密閉時加快氮化反應之速度。該氮氣回收單元5更具有一連接於該通氣管43與該第四通道524間之冷卻設備53，其可將回收自該腔室13之高溫氮氣冷卻至室溫或更低溫度，再經由該通氣管43與該第二氮氣孔36重新充入該腔室13，如此可於反應完成後且於腔門開啟前快速地冷卻該反應完成時生成之高溫的產物30，以便取出。 ＜第二較佳實施例＞ 參閱第三、四圖，本創作之合成氮化鋁之反應裝置的第二較佳實施例為一水平式之反應裝置，該水平式裝置所包含之主要元件類似於上述之直立式反應裝置，不同之處在於：該圓柱形反應爐體1之基壁11是直立設置的，而該反應爐體1之開口131是朝向一水平之方向，該圍壁12朝下之一邊緣14連接有複數用於支撐該反應爐體1重量之固定架6，該二固定架6則固接於該驅動機構4之之底座41的上方。而該腔門3亦是相對應地直立設置以封閉該反應之腔室13。該驅動機構4更具有一直立基座44，該作動桿42之二端是分別連接於該直立基座44與該腔門3，該直立基座44可驅動該作動桿42左右直線位移，同時帶動該腔門3相對於該反應爐體1於一密合與一非密合位置間移動。同時由於該腔門3是直立的，無法用於承載該反應物30，因此該第二較佳實施例更包含一垂直固接於該腔門3且適合用於承置該反應物30之載物平台7。 另外，如第一圖所示，上述本創作之第一較佳實施例經由一進料單元8與一出料單元9之配合可達到商業上自動化之要求。同樣地，本創作之第二較佳實施例也可配合一進料單元與一出料單元(圖中未顯示)進行自動化之生產。 由上述二實施例中可知，本創作採用圓柱形之反應爐體1，不僅加工容易、可減少如傳統箱型反應器需多處焊接成型的問題，且該圓柱形的腔室13所承受之壓力比箱型反應器均勻，操作之安全度較高。另外，使用一同時具有封閉該腔室13與承載該反應物30功能之腔門，並以該驅動機構4之作動桿42帶動該腔門3相對於該反應爐體1於一密合及一非密合位置間作上下或左右之直線位移，因此能夠進行連續且高速率之自動化生產操作。且所設置之該氮氣回收單元5可循環使用氮氣，而達到減少生產成本之目的，且所回收之高溫氮氣經該流向控制閥52之第三通道523再回充於該腔室13可加速氮化反應之速率，而經由該第四通道524與該冷卻設備的低溫氮氣可經由該腔門3下方之第二氮氣輸入孔36流經該置於其上之反應物30，使該反應物30於該腔門3開啟前快速冷卻，以便進行後續之加工或其他製程。 歸納上述，本創作之合成氮化鋁之反應裝置所包含的圓柱形反應爐體1設計、具多重功能之腔門3、高效率不需人為手動之該驅動機構4，及該氮氣回收單元5，使得製程操作上較為簡易、適於連續大量生產氮化鋁，並可獲得較高之產物轉化率與純度，是一種較有效可行之合成裝置。 惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即大凡依本創作申請專利範圍及創作說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。
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| 九、申請專利範圍： | ||
| 1.一種合成氮化鋁之反應裝置，適合用於以燃燒合成法製造氮化鋁之放熱反應，該反應裝置包含：一反應爐體(1)，具有一基壁(11)、一自該基壁(11)周緣向下延伸之圍壁(12)，兩者相配合界定出一具有一向下之開口(131)的反應腔室(13)，且該基壁(11)與圍壁(12)分別具有一爐體夾層(113)，該等爐體夾層(113)中容納有可吸收反應熱而防止該反應爐體(1)變形之冷卻水；一控制單元(2)，穿設於該反應爐體(1)，可供給氮氣至該反應腔室(13)內並控制反應腔室(13)內之溫度及壓力；一腔門(3)，位於該開口(131)之下方且適合用於承載一反應物(30)，並具有一內裝有冷卻水之腔門夾層(33)；及一驅動機構(4)，連接於該腔門(3)之下方，具有一可被驅動而上下直線位移之作動桿(42)，該作動桿(42)可帶動該設置於上方之腔門(3)相對於該反應爐體(1)於一密合與非密合位置間移動，當在密合位置時，該腔門(3)是封閉該反應腔室(13)以進行反應，當在非密合位置時，該腔門(3)是遠離該反應爐體(1)並使得一由該反應物(30)生成之氮化鋁產物(30')脫離該反應腔室(13)；當在進行合成反應前，該作動桿(42)帶動該腔門(3)連同該反應物(30)向上移動使該腔門(3)位於該密合位置，當反應完成時，該作動桿(42)帶動該腔門(3)向下移動使該腔門(3)位於該非密合位置。 2.依據申請專利範圍第1項所述之反應裝置，其中，該驅動機構(4)是一油壓機。 3.依據申請專利範圍第2項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一將氮氣輸入該反應腔室(13)內之供氣設備(25)，該設備(25)具有數個穿設於該反應爐體(1)與該腔門(3)之氮氣輸入孔(252)。 4.依據申請專利範圍第3項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)更具有一抽氣設備(26)，該抽氣設備(26)於反應前且該腔門(3)位於該密合位置時，先將該反應腔室(13)抽成真空並對該反應物(30)施以脫氣處理以開始進行反應。 5.依據申請專利範圍第3項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)更具有一穿設於該基壁(11)且可引燃反應之加熱機構(27)，該加熱機構(27)具有複數加熱電極(271)與複數加熱元件(272)。 6.依據申請專利範圍第3項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)更具有一可量測該反應腔室(13)內壓力之壓力計(21)。 7.依據申請專利範圍第3項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一可將該反應爐體(1)維持在安全操作壓力內之安全閥(22)。 8.依據申請專利範圍第3項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一可紀錄該反應腔室(13)內之溫度變化之溫度計(24)。 9.依據申請專利範圍第3項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一於反應完成後且該腔門(3)位於該密合位置時使系統回復常壓之洩氣閥(23)。 10.依據申請專利範圍第9項所述之反應裝置，更包含一氮氣回收單元(5)，該單元(5)具有一連接該洩氣閥(23)之過濾設備(51)、一具有一連接該過濾設備(51)之第一通道(521)的流向控制閥(52)，及一冷卻已回收之高溫氮氣的冷卻設備(53)，該流向控制閥(52)更具有一可排放至大氣之第二通道(522)、一連接於該等氮氣輸入孔(252、36)之第三通道(523)，及一第四通道(524)，該第四通道(524)則連接於該冷卻設備(53)，再由該冷卻設備(53)連接至一穿設於該腔門(3)之氮氣輸入孔(36)。 11.一種合成氮化鋁之反應裝置，適合用於以燃燒合成法製造氮化鋁之放熱反應，該反應裝置包含：一反應爐體(1)，具有一直立之基壁(11)、一自該基壁(11)周緣垂直延伸之圍壁(12)，兩者相配合界定出一具有一開口(131)的反應腔室(13)，且該基壁(11)與圍壁(12)分別具有一爐體夾層(113)，該等爐體夾層(113)中容納有可吸收反應熱而防止該反應爐體(1)變形之冷卻水；一控制單元(2)，連接至該反應爐體(1)，可供給氮氣至該反應腔室(13)內並控制反應腔室(13)內之溫度及壓力；一可封閉該開口(131)之直立腔門(3)，該腔門(3)具有一容置冷卻水之密閉的腔門夾層(33)；一載物平台(7)，垂直固接於該腔門(3)鄰近該開口(131)之一側面，適合用於承置一反應物(30)；一驅動機構(4)，垂直連接於該腔門(3)，具有一可被驅動而左右直線位移之作動桿(42)，該作動桿(42)可帶動該腔門(3)相對於該反應爐體(1)於一密合與非密合位置間移動，當在密合位置時，該腔門(3)是封閉該反應腔室(13)以進行反應，當在非密合位置時，該腔門(3)是遠離該反應爐體(1)並使得一由該反應物(30)生成之氮化鋁產物(30')脫離該反應腔室(13)；當在進行合成反應前，該作動桿(42)帶動該腔門(3)連同該反應物(30)水平移動使該腔門(3)位於該密合位置，當反應完成時，該作動桿(42)帶動該腔門(3)水平移動使該腔門(3)位於該非密合位置。 12.依據申請專利範圍第11項所述之反應裝置，其中，該驅動機構(4)是一油壓機。 13.依據申請專利範圍第11項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一將氮氣輸入該反應腔室(13)內之供氣設備(25)，該設備(25)具有數個穿設於該反應爐體(1)與該腔門(3)之氮氣輸入孔(252)。 14.依據申請專利範圍第13項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)更具有一抽氣設備(26)，該抽氣設備(26)於反應前可將該反應腔室(13)抽成真空並對該反應物(30)施以脫氣處理。 15.依據申請專利範圍第13項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)更具有一穿設於該基壁(11)且可引燃反應之加熱機構(27)，該加熱機構(27)具有複數加熱電極(271)與複數加熱元件(272)。 16.依據申請專利範圍第13項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)更具有一可量測該反應腔室(13)內壓力之壓力計(21)。 17.依據申請專利範圍第13項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一可將該反應爐體(1)維持在安全操作壓力內之安全閥(22)。 18.依據申請專利範圍第13項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一可紀錄該腔室(13)內之溫度變化之溫度計(24)。 19.依據申請專利範圍第13項所述之反應裝置，其中，該控制單元(2)具有一於反應完成後使系統回復常壓之洩氣閥(23)。 20.依據申請專利範圍第19項所述之反應裝置，更包含一氮氣回收單元(5)，該單元(5)具有一連接該洩氣閥(23)之過濾設備(51)、一具有一連接該過濾設備(51)之第一通道(521)的流向控制閥(52)，及一冷卻已回收之高溫氮氣的冷卻設備(53)，該流向控制閥(52)更具有一可排放至大氣之第二通道(522)、一連接於該等氮氣輸入孔(252、36)之第三通道(523)，及一第四通道(524)，該第四通道(524)則連接於該冷卻設備(53)，再由該冷卻設備(53)連接至一穿設於該腔門(3)之氮氣輸入孔(36)。 |
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| 十、圖式： | |
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