JP2007023457A - 熱処理炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能の炭素繊維を安定して製造できる熱処理炉を提供する。
【解決手段】 炉内外に有する複数のローラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、繊維４に掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記ローラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆのうち少なくとも一がテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段１４から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御するテンションコントローラー２０を有することで熱処理炉２を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭素繊維製造設備工程に設置された熱処理炉であって、生産性に優れ、高品質・高性能の炭素繊維の製造に適した熱処理炉に関する。

従来、炭素繊維製造用の前駆体繊維(プリカーサー)を用い、これに酸化処理(耐炎化処理)を施して耐炎化繊維を得ること、更にこの耐炎化繊維に炭素化処理を施して高性能炭素繊維を得ることは広く知られており、またこの方法は工業的にも実施されている。

特に、近年炭素繊維の用途はスポーツ・レジャー用品から航空宇宙分野、特に航空機の一次構造材にまで展開されている。さらに、炭素繊維の高い比強度、比弾性の特性を生かして製品の軽量化を図ることにより省エネルギー化を図り、これにより排出ＣＯ₂の削減に寄与することを目的として各産業界は炭素繊維の新しい利用方法に注目し、また研究を進めている。

このような状況下において、炭素繊維にも更なる高性能化、低製造コスト化、また取扱性に優れる高品質化等の課題の解決が要請されている。

一方、炭素繊維を製造する場合、原料繊維であるプリカーサーの性質は目的物である炭素繊維の性能に直接影響する。従って、高性能、低製造コストで且つ取扱性のよい炭素繊維製造用プリカーサーの開発が望まれている。

一般に原料繊維であるプリカーサーとしてはポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系繊維が用いられる。このＰＡＮ系繊維から炭素繊維を製造する場合、プリカーサーを２００〜２６０℃の酸化性雰囲気下で延伸又は収縮を行いながら耐炎化処理を行った後、２６０℃以上、又は１０００℃以上の不活性ガス雰囲気中で炭素化して製造する方法が知られている。

このように炭素繊維製造設備工程として、耐炎化処理工程、炭素化処理工程がある。各の工程にはプリカーサーの耐炎化炉、耐炎化繊維の炭素化炉(焼成炉)が設置されている。

とりわけ耐炎化処理工程におけるプリカーサーの処理方法は、炭素繊維の強度発現に大きく影響を及ぼす。例えば、特許文献１には折返しローラー間を走行するプリカーサーに掛かるテンションを適切に調節することにより、高品質・高性能の炭素繊維を製造することが開示されている。

図３は従来の耐炎化繊維を製造する装置の一例を示す概略側面断面図である。

図３中、４２は耐炎化炉で、この耐炎化炉４２は、プリカーサーを所定本数束ねたストランド４４がスリット４６を通して熱処理室４８内外に出入する熱処理室４８を備えている。この熱処理室４８内には多数本のストランド４４が水平面に並んだパス５０を形成して走行している。このパスを形成しているストランド４４は、熱処理室４８の両側に備えられた所定組(本例においては３組)の折返しローラー５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆによって折り返されて熱処理室４８に繰り返し供給され、複数段のパス(本図では７段のパス)を形成している。

本図の例では、炉入口部ローラー５４と折返しローラー５２ａとの間のストランドに掛かるテンションをテンションメーター５６により測定している。このローラー間のストランドに掛かるテンションの測定値を基準にして、炉入口部ローラー５４及び／又は折返しローラー５２ａの回転速度を変えることにより、同間のストランドに掛かるテンションを適切に調節することができる。

これと同様に、他のローラー間のストランドに掛かるテンションを測定することにより、この測定値を基準にして、他のローラー間のテンションも適切に調節することができる。

しかし、このテンション調節方法ではテンションメーターでの測定操作とローラー回転速度の変更操作とに手間がかかり、安定した性能の炭素繊維を製造する工程設備としては不充分なものであった。

図４は従来の耐炎化繊維を製造する装置に加えて、後工程の炭素繊維を製造する装置の一例を示す概略側面断面図である。

図４において、耐炎化炉及びその周辺の構成は図３と同様であるので、同一箇所に同一参照符号を付してその説明を省略する。

図４において、耐炎化炉４２内を通って耐炎化処理されたストランド４４は、耐炎化炉４２から搬出された後、ローラー５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、５８ｅ、５８ｆを通って第一炭素化炉６０内に供給されている。第一炭素化炉６０内を通って第一炭素化処理されたストランド４４は、第一炭素化炉６０から搬出された後、ローラー６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅを通って第二炭素化炉６４内に供給されている。第二炭素化炉６４内を通って第二炭素化処理されたストランド４４は、炭素繊維ストランドとして第二炭素化炉６４から搬出される。

図４の例では、耐炎化炉入口部ローラー５４と耐炎化炉折返しローラー５２ａとの間のストランドに掛かるテンションと同様に、第一炭素化炉入口部ローラー５８ｆと第二炭素化炉入口部ローラー６２ａとの間のストランドに掛かるテンション、及び第二炭素化炉入口部ローラー６２ｅより下流のストランドに掛かるテンションをテンションメーター５６により測定している。

図３の例と同様に、これらのストランドに掛かるテンションの測定値を基準にして、その近辺の駆動ローラーの回転速度を変えることにより、そのストランドに掛かるテンションを適切に調節することができる。

しかし、図４の例のテンション調節方法でも、テンションメーターでの測定操作とローラー回転速度の変更操作とに手間がかかり、安定した性能の炭素繊維を製造する工程設備としては不充分なものであった。
特開２００５−５４２８３号公報 （請求項１、段落番号［００１３］、［００１６］、［００２２］、［００８８］）

本発明者は、上記問題を解決するために種々検討しているうちに、炉内外に設けられたローラーのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、熱処理中の繊維に掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記ローラーのうち少なくとも一がその回転速度によりテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御することにより、高性能の炭素繊維を安定して製造できることを知得し、本発明を完成するに到った。

従って、本発明の目的とするところは、上述した問題点を解決した熱処理炉を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕 炭素繊維製造用のプリカーサーを耐炎化処理して耐炎化繊維を得、得られた耐炎化繊維を炭素化処理して炭素繊維を得る炭素繊維製造設備工程に設置された熱処理炉であって、炉内外に複数のローラーを有し、前記ローラーのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、熱処理中の繊維に掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記ローラーのうち少なくとも一がその回転速度によりテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御するテンションコントローラーを有する熱処理炉。

〔２〕 熱処理炉が耐炎化炉であり、炉内外に設けた折返しローラーを介して折り返し、炉内外に出入すると共に炉内を複数段のパスを形成して水平走行するプリカーサーを熱処理して耐炎化繊維を製造する耐炎化炉において、前記折返しローラーのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、熱処理中のプリカーサーに掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記折返しローラーのうち少なくとも一がその回転速度によりテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御するテンションコントローラーを有する熱処理炉。

〔３〕 テンション検出手段がロードセルである〔１〕に記載の熱処理炉。

〔４〕 テンション検出手段が、テンションセンサーのローラーによって熱処理中の繊維に掛けられた荷重で熱処理中の繊維が撓み、その撓みによって生じたローラーの変位を検出するものである〔１〕に記載の熱処理炉。

本発明の熱処理炉は、前記のように構成したので、熱処理中のプリカーサーに掛かるテンションを安定して制御できるようになり、安定して高性能の炭素繊維を製造することができる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

本発明の熱処理炉は、炭素繊維製造用のプリカーサーを耐炎化処理して耐炎化繊維を得(耐炎化処理工程)、得られた耐炎化繊維を炭素化処理して炭素繊維を得る(炭素化処理工程)炭素繊維製造設備工程に設置された熱処理炉であって、炉内外に複数のローラーを有し、前記ローラーのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、熱処理中の繊維に掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記ローラーのうち少なくとも一がその回転速度によりテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御するテンションコントローラーを有する熱処理炉であれば、炭素繊維製造設備のいずれの工程にも適用できる。

これら炭素繊維製造設備工程のうちでも、炭素繊維の強度発現に大きく影響を及ぼすことから、耐炎化処理工程に用いることが特に好ましい。

図１は本発明の熱処理炉を耐炎化処理工程に用いた場合、即ち本発明の耐炎化炉の一例を示す概略側面断面図である。

図１中、２は耐炎化炉で、この耐炎化炉２は、プリカーサーを所定本数束ねたストランド４がスリット６を通して熱処理室８内外に出入する熱処理室８を備えている。この熱処理室８内には多数本のストランド４が水平面に並んだパス１０を形成して走行している。このパスを形成しているストランド４は、熱処理室８の両側に備えられた所定組(本例においては３組)の折返しローラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆによって折り返されて熱処理室８に繰り返し供給され、複数段のパス(本図では７段のパス)を形成している。

これら折返しローラー１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆのうち少なくとも一がテンションセンサーであり、少なくとも一が駆動ローラーである。本図の例では、折返しローラー１２ａがテンションセンサーであり、折返しローラー１２ｅが駆動ローラーである。

テンションセンサー１２ａは、その軸受にテンション検出手段１４が接続されている。テンション検出手段１４は、固定端１６に接続されている。

本図の構成においては、炉入口部ローラー１８と折返しローラー１２ｂとの間のストランドに掛かるテンションを、テンションセンサー１２ａにおける応力及び／又は変位でテンション検出手段１４により検出している。

テンション検出手段がロードセルである場合は、テンションセンサー１２ａにおける応力でストランドに掛かるテンションを検出する。

テンション検出手段が変位を検出するものである場合は、テンションセンサーの折返しローラー１２ａによって熱処理中のストランド４に掛けられた荷重でストランド４が撓み、その撓みによって生じた折返しローラー１２ａの変位を検出する。

検出されたテンションの信号は、前記テンション検出手段１４から送られてテンションコントローラー２０で受信される。テンションコントローラー２０では、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラー１２ｅの回転速度の出力制御信号に転換し、この出力制御信号で駆動ローラー１２ｅの回転速度の出力を制御する。

本例では、折返しローラー１２ａをテンションセンサーにし、折返しローラー１２ｅを駆動ローラーにしたが、折返しローラー１２ａ、１２ｃ、１２ｅをテンションセンサーにし、折返しローラー１２ｂ、１２ｄ、１２ｆ駆動ローラーにする場合は、ストランド４のテンションを細かく制御することができるので更に好ましい。

また、本発明の熱処理炉は、耐炎化処理工程以外に炭素化処理工程にも用いることができる。図２は本発明の熱処理炉を耐炎化処理工程と炭素化処理工程とに用いた場合、即ち本発明熱処理炉の他の例を示す概略側面断面図であって、耐炎化炉とそれに続く炭素化炉(焼成炉)の概略側面断面図である。

図２において、耐炎化炉及びその周辺の構成は図１と同様であるので、同一箇所に同一参照符号を付してその説明を省略する。

図２において、耐炎化炉２内を通って耐炎化処理されたストランド４は、耐炎化炉４２から搬出された後、ローラー２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆを通って第一炭素化炉２４内に供給されている。第一炭素化炉２４内を通って第一炭素化処理されたストランド４は、第一炭素化炉２４から搬出された後、ローラー２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを通って第二炭素化炉２８内に供給されている。第二炭素化炉２８内を通って第二炭素化処理されたストランド４は、炭素繊維ストランドとして第二炭素化炉２８から搬出される。

これらローラー２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅのうち少なくとも一がテンションセンサーであり、少なくとも一が駆動ローラーである。本図の例では、ローラー２２ｅ、２６ｄがテンションセンサーであり、ローラー２２ｄ、２６ｃが駆動ローラーである。

なお、図１の例と同様に図２の例でも、折返しローラー１２ａがテンションセンサーであり、折返しローラー１２ｅが駆動ローラーである。また、テンションセンサー１２ａは、その軸受にテンション検出手段１４が接続されている。テンション検出手段１４は、固定端１６に接続されている。

これと同様に、テンションセンサー２２ｅは、その軸受にテンション検出手段３０が接続されている。テンション検出手段３０は、固定端３２に接続されている。テンションセンサー２６ｄは、その軸受にテンション検出手段３４が接続されている。テンション検出手段３４は、固定端３６に接続されている。

本図の構成においては、ローラー１８とローラー１２ｂとの間のストランドに掛かるテンションを、テンションセンサー１２ａにおける応力及び／又は変位でテンション検出手段１４により検出している。ローラー２２ｄとローラー２２ｆとの間のストランドに掛かるテンションを、テンションセンサー２２ｅにおける応力及び／又は変位でテンション検出手段３０により検出している。ローラー２６ｃとローラー２６ｅとの間のストランドに掛かるテンションを、テンションセンサー２６ｄにおける応力及び／又は変位でテンション検出手段３４により検出している。

検出されたテンションの信号は、前記テンション検出手段１４、３０、３４から送られてテンションコントローラー３８で受信される。テンションコントローラー３８では、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラー１２ｅ、２２ｄ、２６ｃの回転速度の出力制御信号に転換し、この出力制御信号で駆動ローラー１２ｅ、２２ｄ、２６ｃの回転速度の出力を制御する。

図２の例では、耐炎化炉２ばかりでなく、第一炭素化炉２４、第二炭素化炉２８でも、ストランド４のテンションを制御することができるので更に好ましい。

なお、本発明の熱処理炉の形態は図１及び２の形態だけではなく、本発明の要旨を変更しない限り、適宜変形して差支えない。

本発明熱処理炉の一例を示す概略側面断面図である。 本発明熱処理炉の他の例を示す概略側面断面図である。 従来の熱処理炉の一例を示す概略側面断面図である。 従来の熱処理炉の他の例を示す概略側面断面図である。

符号の説明

２、４２ 耐炎化炉
４、４４ ストランド
６、４６ スリット
８、４８ 熱処理室
１０、５０ パス
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ 折返しローラー
１４、３０、３４ テンション検出手段
１６、３２、３６ 固定端
１８、５４ 炉入口部ローラー
２０、３８ テンションコントローラー
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、５８ｅ、５８ｆ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ ローラー
２４、６０ 第一炭素化炉
２８、６４ 第二炭素化炉
５６ テンションメーター

Claims (4)

1. 炭素繊維製造用のプリカーサーを耐炎化処理して耐炎化繊維を得、得られた耐炎化繊維を炭素化処理して炭素繊維を得る炭素繊維製造設備工程に設置された熱処理炉であって、炉内外に複数のローラーを有し、前記ローラーのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、熱処理中の繊維に掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記ローラーのうち少なくとも一がその回転速度によりテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御するテンションコントローラーを有する熱処理炉。
2. 熱処理炉が耐炎化炉であり、炉内外に設けた折返しローラーを介して折り返し、炉内外に出入すると共に炉内を複数段のパスを形成して水平走行するプリカーサーを熱処理して耐炎化繊維を製造する耐炎化炉において、前記折返しローラーのうち少なくとも一がその軸受にテンション検出手段が接続され、熱処理中のプリカーサーに掛かるテンションを検出するテンションセンサーであり、前記折返しローラーのうち少なくとも一がその回転速度によりテンションを調節する駆動ローラーであり、検出されたテンションの信号を前記テンション検出手段から受信し、テンション検出信号の値を基準にして前記駆動ローラーの回転速度の出力制御信号に転換し、前記出力制御信号で駆動ローラーの回転速度の出力を制御するテンションコントローラーを有する熱処理炉。
3. テンション検出手段がロードセルである請求項１に記載の熱処理炉。
4. テンション検出手段が、テンションセンサーのローラーによって熱処理中の繊維に掛けられた荷重で熱処理中の繊維が撓み、その撓みによって生じたローラーの変位を検出するものである請求項１に記載の熱処理炉。

Images