JP2008082611A - 加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維糸条材料が連続的に挿入され不活性ガスが充満した筒状のインナーマッフルの周囲を断熱材層を備えたアウターマッフルで囲繞し、前記インナーマッフルの外側であって前記アウターマッフルの内側に前記ガスが充満した加熱空間を形成し、この加熱空間に棒状のヒータを配置した加熱炉において、ヒータを改良してヒータの寿命を延長することで、生産性の向上及び製品品質の向上を図る。
【解決手段】ヒータ１１の基部１３の縮径部１７に炭素繊維糸条１８を券回積層させた。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ピッチ、レーヨン等の糸条材料を熱処理加工して炭素繊維糸条を連続的に製造する加熱炉や、炭素繊維糸条を熱処理加工して黒鉛化繊維糸条を連続的に製造する加熱炉に関する。

従来から、加熱炉の軸線方向に沿って走行する炭素繊維を包囲する筒状のマッフルと、さらにこのマッフルを包囲した状態で前記マッフル内を走行する炭素繊維を加熱するヒータとを備えた加熱炉が知られている（特許文献１）。
この加熱炉は黒鉛化繊維の製造工程において炭化珪素の成長を抑制すると共に、マッフル内を走行する炭素繊維への炭化珪素の付着およびマッフル内壁面への炭化珪素の付着を抑え、黒鉛化繊維の生産性を向上している。
このような加熱炉の炉内温度は、炭素繊維の製造の場合には１０００〜２０００℃、黒鉛化繊維の製造の場合には２０００〜３０００℃付近の高温に加熱する必要がある。
特開２００４−１３２５５７号公報

しかしながら、加熱に際してはヒータ自体の耐熱性および耐久性の制約を受け、炭素繊維を均一に加熱することが要求されるため、生産性を低下させずに高品質な製品を製造できる加熱炉が要望されている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、加熱炉に用いられるヒータを改良してヒータの寿命を延長することで、生産性の向上及び製品品質の向上を図ることを目的とする。

上記の課題を解決するこの発明の加熱炉およびヒータは、炭素繊維糸条材料が連続的に挿入され不活性ガスが充満した筒状のインナーマッフルの周囲を断熱材層を備えたアウターマッフルで囲繞し、前記インナーマッフルの外側であって前記アウターマッフルの内側に前記ガスが充満した加熱空間を形成し、この加熱空間に棒状のヒータを配置した加熱炉であって、前記ヒータの基部の縮径部に炭素繊維糸条を券回積層させたことを特徴とする。

このように構成することで、不活性ガス、例えば窒素ガスに晒され、且つ、特に高温となるヒータの縮径部を券回積層された炭素繊維糸条によって窒素ガスから保護することができる。また、縮径部が特に高温になっても、券回積層された炭素繊維糸条によって縮径部における炭素材の蒸発などのよる減耗を防止し、縮径部における断面積の極端な減少を防止することができる。

また、この発明の前記ヒータは前記インナーマッフルの長手方向に交叉する方向に沿って複数個配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、例えば、ヒータの数、断面積、加熱温度などを任意に設定することによって、インナーマッフルに応じた最適な加熱環境を設定することができる。

この発明によれば、ヒータ基部の縮径部に炭素繊維糸条を券回積層して縮径部を窒素ガスから保護することで、縮径部における炭化窒素が形成される窒素ガスと炭素材であるヒータとの反応を防止することができ、縮径部における極端な減耗の進行を防止することができる。また、縮径部が特に高温になっても、券回積層された炭素繊維糸条によって炭素材の蒸発などによる縮径部の減耗を防止することができ、縮径部における極端な断面積の減少を防止することができる。
よって、ヒータの寿命を延長することができ、且つ、ヒータ断面積の部分的な減少による加熱温度の偏りを防止することができるので、生産性の向上及び製品品質の向上を図ることができる。

この発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、加熱炉１には軸線２に沿って筒状のインナーマッフル３が備えられている。このインナーマッフル３は、例えば炭素材などの高耐熱性材料により形成されている。インナーマッフル３の一端には入口部３１が接続されており、入口部３１には炭素繊維糸条材料Ｍが挿入される材料挿入口４が設けられている。インナーマッフル３の他端には出口部３２が接続されており、出口部３２には炭素繊維糸条製品Ｐを排出する製品排出口５が設けられている。ここで、炭素繊維糸条材料Ｍは、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ピッチ、レーヨン等の糸条である。入口部３１と出口部３２は、例えば鉄やステンレスなどの構造材料により形成されており、必要に応じて水冷される。材料挿入口４と製品排出口５にはそれぞれ不活性ガスの漏洩を防止するシール部６，６が設けられている。また、入口部３１には、インナーマッフル３の長手方向の軸線２から略直角方向に分岐する排気口７が設けられている。排気口７は図示しない処理設備に接続されている。

インナーマッフル３は入口部３１、出口部３２を除いて、外側に断熱材層８を備えた筒状のアウターマッフル９によって囲繞されている。アウターマッフル９は高耐熱性材料、例えば炭素材によって形成されている。断熱材層８も高耐熱性材料、例えば炭素材あるいは黒鉛材のフェルト状物や粒状物によって形成され、断熱材層８の外側は外殻１０によって覆われている。外殻１０は、例えば鉄やステンレスなどの構造材料により形成されており、必要に応じて水冷される。
断熱材層８に囲繞されたアウターマッフル９の両端は閉塞され、アウターマッフル９の内側であって、インナーマッフル３の外側に断面略円形の棒状のヒータ１１を複数備えた加熱空間１２を形成している。ヒータ１１にも高耐熱性材料、例えば炭素材が用いられている。ヒータ１１は加熱炉１の長手方向の軸線２に略直交するように、インナーマッフル３の周囲に複数設けられている。

図２に示すように、ヒータ１１の基部１３は端子部１４に接続されている。端子部１４は図示しない電源及び制御部に接続されている。また、端子部１４は、端子ボックス３３により囲繞、閉塞されており、必要に応じて水冷される。ヒータ１１の基部１３は、端子部１４に接続された接続部１５の径Ｄ１が拡径され、アウターマッフル９内部の加熱空間１２に挿入される挿入部１６の径Ｄ２は縮径されている。すなわち、ヒータ１１の基部１３には接続部１５と挿入部１６の間に段差状の縮径部１７が形成されている。
また、ヒータ１１の挿入部１６の基部１３側の部分から縮径部１７にかけては炭素繊維糸条１８が緊密に層を成して券回されている。ここで、この炭素繊維糸条１８の積層部１９の積層厚Ｔは、例えば３〜５ｍｍであり、券回長さＬは、例えば１５０〜３００ｍｍとなっている。

加熱空間１２、断熱材層８、インナーマッフル３の内部および端子ボックス３３内部には、図示しないガス供給源より供給された窒素ガスが充満している。インナーマッフル３内部に供給された窒素ガスは、材料挿入口４と製品排出口５に設けられたシール部６によって漏洩が防止され、排気口７から排出され、図示しない処理設備によって回収される。
また、図示しないガス供給源によって端子ボックス３３から供給された窒素ガスは、アウターマッフル９に設けられたヒータ１１挿入口２０から加熱空間１２内部に入り、加熱空間１２を通って図示しない排気口より排出されて処理設備によって回収される。

また、加熱炉１の材料挿入口４側の外部の軸線２上には一対の略円柱状のローラＲ１、Ｒ２が設けられ、図示しないモータによって互いに逆向きに回転するようになっている。同様に、加熱炉１の製品排出口５側の外部にも同様に一対のローラＲ２，Ｒ３が設けられている。ローラＲ１，Ｒ２およびローラＲ３，Ｒ４は軸線２を挟んで、それぞれ軸線２に接するように設置されている。

次に、作用について説明する。上記の構成により、端子部１４に接続されたヒータ１１に、任意に設定した加熱環境に応じて端子部１４から電流を供給し、加熱空間１２内を加熱しておく。ここで、加熱空間１２には断熱材層８側から窒素ガスが供給され、窒素ガスが充満しているので、ヒータ１１の酸化、焼失が防止される。その結果、インナーマッフル３は加熱空間１２内のヒータ１１によって加熱され、内部の温度が１０００〜２０００℃に上昇する。

次いで、ローラＲ１，Ｒ２及びローラＲ３，Ｒ４の回転によって炭素繊維糸条材料Ｍに張力を与えて、インナーマッフル３の内部に材料挿入口４から連続的に挿入する。炭素繊維糸条材料Ｍは窒素ガスが充満したインナーマッフル３の内部に挿入されると、複数のヒータ１１によって設定された加熱環境下で、製品排出口５に近づくにつれて徐々に焼成されていき、最終的には炭素繊維糸条製品ＰとなってローラＲ１〜Ｒ４の回転によって製品排出口５から排出される。

炭素材を用いた高温炉において不活性ガスとして窒素ガスを使用している場合には、その炭素材の減耗の原因は、炭化窒素が形成される高温での炭素と窒素の反応だと考えられる。しかし、炭化窒素の平衡濃度は高くなく、炭化窒素濃度が平衡に達した窒素ガスでは、それ以上反応は進まない。
ここで、ヒータ１１は縮径部１７において縮径され、挿入部１６の断面積が接続部１５よりも減少しているので、挿入部１６の電気抵抗が増大してより高温となり、インナーマッフル３をより高温まで加熱することができる。しかし、縮径部１７は他の部位に比べて窒素ガスの供給元に近いため炭化窒素を含んでいない窒素ガスに晒されるが、炭素繊維糸条１８をヒータ１１の縮径部１７から挿入部１６の基部１３側の一部まで連続的かつ緊密に券回積層したことによって、特に高温になる縮径部１７と窒素ガスとの接触を防止して、縮径部１７において窒化炭素の形成が加速されるのを防止することができる。
したがって、特に炭化窒素を含んでいない窒素ガスに晒される縮径部１７において、極端な減耗の進行を防止することができる。よって、ヒータ１１の寿命を延長して交換の周期を延長し、炭素繊維糸条製品Ｐの生産性を向上させることができる。

また、縮径部１７が他の部位と比較して特に高温になるため、縮径部１７において炭素材の蒸発などによる減耗が進行しやすく、これにより縮径部１７における電気抵抗がさらに増大して、縮径部１７がさらに高温となり、縮径部１７における断面積の減少が特に加速する傾向があるが、炭素繊維糸条１８を縮径部１７から挿入部１６の基部１３側の一部まで連続的かつ緊密に券回積層したことによって、縮径部１７における炭素材の蒸発などによる局所的な減耗の進行を防止して、縮径部１７における極端な断面積の減少を防止することができる。
したがって、ヒータ１１の寿命を延長させることができるだけでなく、局所的な電気抵抗の増加を防止して各ヒータ１１の加熱温度を均一にすることができるので、炭素繊維糸条製品Ｐの生産性を向上させ、製品品質を向上させることができる。

また、ヒータ１１がインナーマッフル３の長手方向の軸線２に交叉する方向に沿って複数個配置されているので、材料挿入口４側のヒータ１１から順次、製品排出口５側のヒータ１１まで、例えば、ヒータ１１の設置数、各ヒータ１１の断面積、抵抗値及び電流値などを任意に設定することができる。
したがって、挿入される炭素繊維糸条材料Ｍの、例えば、材質、太さ、挿入速度などに合わせた任意の加熱環境を設定し、高品質の炭素繊維糸条製品Ｐを効率よく得るための加熱環境を任意に設定することができることができるので、炭素繊維糸条製品Ｐの製品品質を向上させ、生産性を向上させることができる。

尚、上述した実施の形態では炭素繊維糸条の製造に用いる加熱炉について説明したが、この発明は炭素繊維糸条を材料として黒鉛化繊維糸条を製造する加熱炉に適用することも可能である。また、ヒータの基部の縮径部に券回積層した炭素繊維糸条の積層厚さ及び券回長さはヒータの加熱環境によって決定されるので、ヒータの寿命を必要に応じて延長するものであれば、上述した実施の形態の積層厚さ及び券回長さでなくてもよい。また、不活性ガスとして窒素ガス以外のガスを用いてもよいことは勿論である。

この発明の実施の形態に係る加熱炉の軸線に沿う断面図である 図１のＡ−Ａ線に沿う部分拡大断面図である。

符号の説明

１ 加熱炉
３ インナーマッフル
４ 材料挿入口（入口）
５ 製品排出口（出口）
８ 断熱材層
９ アウターマッフル
１１ ヒータ
１２ 加熱空間
１７ 縮径部
１８ 炭素繊維糸条
Ｍ 炭素繊維糸条材料

Claims (2)

1. 炭素繊維糸条材料が連続的に挿入され不活性ガスが充満した筒状のインナーマッフルの両端入出口を除く周囲を断熱材層を備えたアウターマッフルで囲繞し、前記インナーマッフルの外側であって前記アウターマッフルの内側に前記ガスが充満した加熱空間を形成し、この加熱空間に棒状のヒータを配置した加熱炉であって、
   前記ヒータの基部の縮径部に炭素繊維糸条を券回積層させたことを特徴とする加熱炉。
2. 前記ヒータは前記インナーマッフルの長手方向に交叉する方向に沿って複数個配置されていることを特徴とする請求項１記載の加熱炉。

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