JP2008231644A - 炭素繊維製造装置並びに炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器は汚されにくい構成とされ長期に亘り装置の安定性が向上し排ガスは無害化処理されて排出される炭素繊維製造装置を提供することにある。
【解決手段】耐炎化炉１と、炭素化炉１２とを有する炭素繊維製造装置であって、前記耐炎化炉１は、熱処理室２と、熱風流路と、加熱外気導入口１０と、熱風排出口１１と、熱風流路内に加熱外気を供給する加熱外気供給手段とを有し、前記熱処理室２は、炉内を水平走行する前駆体繊維の繊維束Ｆの鉛直方向に熱風を送り前記繊維束Ｆを耐炎化し、前記加熱外気導入口１０及び前記熱風排出口１１は、前記熱風流路に設置され、前記加熱外気供給手段は、送風機１５と熱交換器１４とを有し、前記炭素化炉１２は、耐炎化された前駆体繊維を炭素化し、前記熱交換器１４は、前記炭素化炉１２からの排出ガスと空気とを混合して燃焼した排ガスと前記送風機１５から送られる外気とを熱交換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維を製造する炭素繊維製造装置並びに炭素繊維の製造方法に関するものである。

炭素繊維は他の繊維と比較して優れた比強度、比弾性率を有し、また、金属と比較しても優れた比抵抗や高い耐薬品性を備えているなど、多くの優れた特性を有している。そしてその優れた各種特性を利用して、樹脂との複合材料用の補強繊維やその他の工業用途に、またスポーツ、更には航空宇宙分野にと、幅広く利用されている。
一般に、ポリアクリロニトリル系の炭素繊維は、耐炎化炉で酸化性雰囲気中にて２００℃以上で加熱して耐炎化処理した後、炭素化炉で不活性雰囲気中にて３００℃以上で加熱して炭素化処理することにより得られる。
耐炎化工程では、通常、熱風循環型の耐炎化炉が用いられている。この熱風循環型の耐炎化炉では、熱処理室内に前駆体繊維である多数の繊維束をシート状に引き揃えて走行させ、そのシート状に並列された多数の繊維束を、熱処理室の外部で一方と他方とに夫々備えられる多数の各ロールに掛け回し、走行方向を一方と他方とに交互に変更させながら多段に走行させる構成となっている。この走行される連続した繊維束に鉛直方向より２００℃以上の熱風を吹き付けて加熱することにより、前記繊維束を所望の耐炎化密度になるまで化学反応させて上記耐炎化処理が行われている。
耐炎化工程には長時間を要するため、この耐炎化工程での生産性が炭素繊維の全製造工程での生産性に多大な影響を及ぼす。そのため該耐炎化工程の生産性を向上させるための提案が従来から多数なされている。
例えば、特許文献１には、炭素化炉の排ガスを熱交換器内において熱交換させて外気を加熱し、加熱された外気を耐炎化炉に供給するように構成されるものがある。
耐炎化工程では、繊維束を構成する単繊維相互の膠着が発生し易いため、この発生を防止することが生産性を向上させるために必要であり、その為アミノシリコーン系油剤等のシリコン系油剤を繊維束に付与する方法などによりこれを防止している。しかし炉内で熱風循環が繰り返される内に熱風中にシラン等の揮発性珪素の濃度が高くなり、シリコン系油剤由来の粉末や繊維由来のケバ等の異物が蓄積し、これらが耐炎化繊維を汚染するようになる。特許文献１では、上記汚染を防止する為に耐炎化炉の後工程にあたる炭素化炉で発生する排ガスを熱交換器内に通して外気と熱交換させる。そして加熱された外気を耐炎化炉に供給して熱風中の揮発性珪素の濃度を低減させ、ケバや粉末等の異物の蓄積を防止するように構成されている。そして上記のように外気を耐炎化炉に供給する前に加熱することにより、熱風流路内に冷たい外気が混ざり熱処理室内において部分的な温度の不均一が起こって温度斑が大きくなり、それにより引き起こされる繊維束の反応不足若しくは異常発熱による切断が起こることを防止可能に構成されている。
特開２００６−５７２２３号公報

上記従来の耐炎化炉では外気を加熱する熱源として炭素化炉の排ガスを用いるので、該排ガス中には反応に伴い炉内で生成するシアン、アンモニア、一酸化炭素、タール分、シリコン系油剤由来のＳｉ化合物等の各種化合物が含まれており、熱交換器が汚され易く運転安定性が悪い。又空気中に放出される排ガスが装置周囲の環境を汚損する為、燃焼による排ガスの無害化処理を行う必要があるが、通常、熱交換工程の後で前記無害化処理を行っているため熱交換器によるエネルギー低減効果と前記排ガスの無害化処理を行うエネルギー使用量とが互いに相殺されて、エネルギーが有効活用されないという課題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、上記熱交換器は汚されにくい構成とされ、長期にわたり装置の運転安定性が向上され、上記排ガスの無害化処理に使用された燃焼排気熱は熱交換器内での熱交換に再利用されることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明は、耐炎化炉と、炭素化炉とを有する炭素繊維製造装置であって、前記耐炎化炉は、熱処理室と、熱風流路と、加熱外気導入口と、熱風排出口と、熱風流路内に加熱外気を供給する加熱外気供給手段とを有し、前記熱処理室は、炉内を水平走行する前駆体繊維の繊維束の鉛直方向に熱風を送り前記繊維束を耐炎化し、前記熱風流路は、前記熱処理室の上方にある上方流路と、前記熱処理室の下方にある下方流路と、前記上方流路及び前記下方流路を連通する熱風循環路とからなり、前記加熱外気導入口及び前記熱風排出口は、前記熱風流路に設置され、前記加熱外気供給手段は、送風機と熱交換器とを有し、前記炭素化炉は、耐炎化された前駆体繊維を炭素化し、前記熱交換器は、前記炭素化炉からの排出ガスと空気とを混合して燃焼した排ガスと前記送風機から送られる外気とを熱交換する、炭素繊維製造装置である。

この発明に係る炭素繊維製造装置によれば、上記加熱外気供給手段は、外気を供給するための送風機と、炭素化炉の排出ガスと空気を混合して燃焼した排ガスで前記外気を加熱する熱交換器とで構成されるため、排ガスをそのまま熱交換器に送る従来の構成と比べ、前記熱交換器は汚されにくくなり、排ガスの無害化処理に使用された燃焼排気熱は熱交換器内での熱交換に再利用される。

本発明の炭素繊維製造装置において、前記熱交換器は、閉塞防止機構を備えたチューブ式熱交換器としてもよい。前記閉塞防止機構は、例えば、熱交換チューブの内部にクサリからなるヘッドを設け、チューブ内面に接触する該ヘッドをモーター、シリンダー等を使用してこのチューブの長さ方向に沿って移動させる構成としてもよい。これにより、該ヘッドがこの熱交換チューブの内面に付着する、排ガス中に含まれるＳｉ化合物等の粒子状物からなる付着物を除去し、熱交換器の閉塞を防止させることが出来る。又上記閉塞防止機構によれば、装置設備費が安価で故障が少なくメンテナンス性に優れている。

本発明の炭素繊維製造装置において、前記熱風循環路に熱風加熱手段を設け、前記熱処理室に温度検出端を設け、該温度検出端により熱風加熱手段の出力を制御するようにしてもよい。これにより、ヒーター等の熱風加熱手段は出力制御可能とされる為、仮に加熱外気供給風量が変動した場合にも前記熱処理室の温度は一定に保たれ、安定した耐炎化処理を行うことが可能となる。

本発明の炭素繊維の製造方法において、前記熱風排出口より排出する排気量は、前記加熱外気量と同量以上とされるようにしてもよい。これにより、前記耐炎化炉内の圧力が過度に高くならないように出来、炉内のガスが炉外へリークするのを防止することが可能となる。

本発明に係る炭素繊維製造装置並びに炭素繊維の製造方法によれば、上記加熱外気供給手段は、外気を供給するための送風機と、炭素化炉の排出ガスと空気を混合して燃焼した排ガスで前記外気を加熱する熱交換器とで構成されるため、従来の構成と比べ熱交換器は前記排ガスに含まれるタール分等により汚される虞が無い。又排ガスの無害化処理に使用された燃焼排気熱は熱交換器内での熱交換に再利用されるためエネルギーロスが極力抑えられる。又上記のように熱交換され耐炎化炉に送られる加熱外気は従来の構成に比べその温度が高いため、耐炎化炉の熱風加熱手段の出力の負荷を低減することが可能となる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態の炭素繊維製造装置の構成を示す概略図である。
図１中、１は耐炎化炉で、熱処理室２内には多数本の繊維束Ｆが水平面（本紙面に垂直方向の面）に並んだ繊維束群（以下「パス」として省略する）を形成して走行するように構成されている。このパスを形成している繊維束Ｆは、熱処理室２の外部に配設された所定組の折返しローラー（不図示）によって折り返されて熱処理室２に繰り返し供給され、複数段のパスを形成している。
熱処理室２の一方側には側壁１９ａが形成され他方側には側壁１９ｂが形成されている。又熱処理室２の上方には熱風吹出し口３が備えられ、該熱風吹出し口３の上方には上方流路７が形成されている。熱処理室２の下方には熱風吸気口４が備えられ、該熱風吸気口４の下方には下方流路８が形成されている。熱風吹出し口３及び熱風吸気口４は夫々メッシュ板やパンチング板等の熱風透過性の板状部材により形成され、熱風を均一に繊維束Ｆへ分散したり熱処理室２内の温度斑を無くしたりするよう配設されている。
熱処理室２と側壁１９ａを隔てた一方側には、上方流路７と下方流路８とを連通する熱風循環路９が設けられており、熱風流路は前記熱風循環路９と前記上方流路７と前記下方流路８とにより形成されている。

図の矢印Ｈは、炉内を循環する熱風の向きを示す。熱風循環路９には熱風加熱手段５が備えられており、該熱風加熱手段５で加熱された熱風は、上方流路７の一方端に備えられるファン６により上方流路７から熱風吹出し口３を通過し熱処理室２内へと送られる。ここで前記熱風は前記パスを形成し走行している繊維束Ｆに鉛直方向から送られて、前記繊維束Ｆに耐炎化処理が施される。次いで熱風は熱処理室２から熱風吸気口４を通過し下方流路８へ送られ、下方流路から熱風循環路９に配設される熱風加熱手段５へと循環されることを繰返す。
又熱風循環路９には、加熱外気導入口１０が配設されている。該加熱外気導入口１０の配設位置は前記熱風流路の何れの位置でも構わないが、熱処理室２の入口部にあたる熱風吹出し口３付近で温度がより均一になるように配設されるのが好ましく、すなわちファン６の上流部に配設されることが好ましい。また前記加熱外気導入口１０から導入される加熱外気の温度は、熱処理室２の設定温度（２００℃以上）から４００℃までの間であることが好ましい。

熱処理室２には、図に示すように温度検出端２０が設けられている。該温度検出端２０は炉外に配設される制御部２１に電気的に接続され、該制御部２１は熱風加熱手段５と電気的に接続されている。該制御部２１は該温度検出端２０からの信号を受け、熱風加熱手段５の出力を制御可能に構成されている。これにより前記加熱外気量が変動した場合にも、熱処理室２内の温度が一定に保たれ温度変化を起こしにくくなるため、安定した耐炎化処理を行うことが可能となる。
又下方流路８には、熱風排出口１１が配設されている。該熱風排出口１１の配設位置は前記熱風流路の何れの位置でも構わないが、熱処理室２で発生したシラン等の揮発性珪素を速やかに炉外に排出するために下方流路８に配設されるのが好ましい。そして前記熱風排出口１１から、揮発性Ｓｉ化合物含有の熱風が排出され、熱風中の揮発性Ｓｉ化合物の濃度が低減しケバや粉末等の異物の蓄積を防止出来、耐炎化繊維の汚染を防止できる。

前記加熱外気導入口１０より加熱外気が導入されると、耐炎化炉１の内部は加圧されるため、繊維束Ｆの走行方向の一方と他方とに配設される不図示の繊維束出入り部において、炉内で発生した排ガス中に含まれる有害なシアン、アンモニア、一酸化炭素、タール分、シリコン系油剤由来のＳｉ化合物等の各種化合物（以下「炉内ガス」と省略する）が炉外へ漏れ出し易くなる。又耐炎化炉１は完全な密閉構造では無いことが多く装置を構成する各接合部より炉内ガスがリークする危険性が増大する。そのため、熱風排出口１１より排気する流量は、前記加熱外気量と同量以上とすることが好ましい。

又前記加熱外気導入口１０と熱交換器１４とは、加熱外気給気路１８により連結されている。又熱交換器１４の他方側には送風機１５が連結されている。
炭素化炉１２は、耐炎化工程の後工程にあたる炭素化工程を実施する装置であり、炭素化炉１２と熱交換器１４とは炭素化炉排気路１７により連結されている。前記炭素化炉排気路１７には、前記炭素化炉１２から近い順に燃焼用エアー導入口１６及び炭素化炉排ガス処理装置１３が、夫々前記炭素化炉１２と前記熱交換器１４とに連通されて配設されている。
前記炭素化炉１２から排出される排出ガスは、燃焼用エアー導入口１６から供給される燃焼用エアーと混合されて炭素化炉排ガス処理装置１３に導入され、該燃焼路排ガス処理装置１３内に設けられる不図示の燃焼装置により燃焼され無害化処理された後、炭素化炉排気路１７を通って熱交換器１４へと送出される。

前記熱交換器１４はＳｉ化合物等の粒子状物に起因する閉塞防止のため、閉塞防止機構を備えたチューブ式熱交換器であることが好ましい。この熱交換器１４は、該熱交換器１４の外装を形成する筐体２３と、該熱交換器１４の内部を貫通する熱交換チューブ２２とにより構成されている。前記筐体２３には送風機１５が連結され、又他方には加熱外気給気路１８が連結されて、加熱外気給気路１８と該送風機１５とは、該筐体２３を介して連通されている。又前記熱交換チューブ２２の一方端は前記炭素化炉排気路１７に連結されており、該熱交換チューブ２２の他方端は、該熱交換器１４の外部へ開放されて形成されている。

又図２に、前記熱交換器１４の閉塞防止機構の構成を概略図として示す。この閉塞防止機構は、前記筐体２３を上下方向に貫通して配置される前記熱交換チューブ２２の１本の管内に、クサリからなるヘッド２４が一つ配設され構成されている。前記ヘッド２４は、不図示のモーター、シリンダー等に連結されて図の矢印の向きに上下または回転運動されるようになっている。そして前記上下または回転運動により前記熱交換チューブ２２内面と接触し、このチューブ内面に付着した、排ガス中に含まれるＳｉ化合物等の粒子状物を除去しチューブが閉塞されるのを防止する。また前記熱交換チューブ２２の下部には、上記除去によって落下する前記粒子状物を溜めるための容器２５を、取り外し可能に設けることが好ましい。尚、前記熱交換チューブ２２の本数は、設置場所、風量等を考慮して適宜決定される。

本実施形態では上記閉塞防止機構を上下方向に配置される熱交換チューブ２２とその内部に配設されるクサリからなるヘッド２４としたが、このヘッド２４をブラシとしてもよく、熱交換チューブ２２の配置の向きを上下方向に限らず斜めや水平方向に構成するとしてもよい。またヘッド２４の移動は、往復運動、回転運動のいずれでもよく、また連続、間欠のいずれでもよい。なお、クサリを用いその下端部を自由として往復運動に伴う結果として成り行きで回転させる場合には、モーター、シリンダー等を設けなくても良い。また各材質は排ガスの温度を考慮し、耐久性を有する材質を適宜選択する。

上記構成によれば、送風機１５により外気Ｂ１が熱交換器１４へと送られると、該外気Ｂ１は熱交換器１４の内部に配設される熱交換チューブ２２の管外面と熱交換されながら筐体２３内を通過し、加熱外気Ｂ２となり前記加熱外気給気路１８へと送出される。前記加熱外気Ｂ２は前記加熱外気給気路１８を通って加熱外気導入口１０へと送られ、熱風循環路９へと供給される。
又炭素化炉排ガス処理装置１３から送出される排ガスＡは、炭素化炉排気路１７を通り前記熱交換チューブ２２の管内へと流入され、該熱交換チューブ２２の管外を通る前記外気Ｂ１とチューブ外装を介して熱交換された後、前記熱交換器１４より外部へ開放され排出される。
なお上記送風機１５の羽根形状は、加熱外気Ｂ２を必要なだけ供給可能なものであればよく、熱交換器内の圧損、設置場所、風量等を考慮し、適宜選定される。

以上説明した通り、本実施形態による炭素繊維製造装置並びに炭素繊維の製造方法によれば、従来のように排ガスＡをそのまま熱交換器１４に送る構成と比較して、炭素化炉１２内の反応に伴い発生する炉内ガスを炭素化炉排ガス処理装置１３で燃焼させてから熱交換器１４へ送出させるため、該熱交換器１４がタール分等により汚される虞が無い。又従来まで熱交換工程の後に行われていた排ガスＡの無害化処理は熱交換工程の前に行われるため、前記無害化処理で燃焼された排ガスＡの持つ熱エネルギーを熱交換工程に再利用し有効活用することが出来る。さらに排出ガスと空気とを混合して燃焼するため排ガスＡ量が増加して活用出来る熱エネルギー量が増大する。又上記のように熱交換され耐炎化炉１に送られる加熱外気Ｂ２は従来の構成に比べその温度が高いため耐炎化炉１の熱風加熱手段５の出力の負荷を低減することが出来る。
又前記熱交換チューブ２２は、そのチューブ内面に接触するヘッド２４をチューブの長さ方向に沿って移動させる構成の閉塞防止機構を備えているので、前記熱交換チューブ２２が排ガスＡ中に含まれるＳｉ化合物等の粒子状物により閉塞される虞が無い。又前記閉塞防止機構によれば、従来より知られているエアーブロー方式のように炭素化炉１２内圧力に変化を及ぼし該炭素化炉１２における炭素化処理に影響を与えたりすることがなく、又超音波振動方式のようにその装置設備費が非常に高価となることもなく、構成が簡単であり装置設備費が安価で故障が少なく、メンテナンス性にも優れた構成となっている。よって前記熱交換器１４による熱交換処理は長期に亘り良好に行われ、装置の運転安定性が向上する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば炭素化炉１２の排ガス中に水分が多く含まれる場合に熱交換器１４内で結露しトラブルの原因となるのを防止するため、外気Ｂ１を熱交換器１４に導入する前に不図示のヒーター等により予熱するようにしてもよい。又前記ヒーター等のかわりに不図示の熱交換器をさらに設け、熱交換器１４を通過した炭素化炉排ガスＡを再度熱交換させて外気Ｂ１を予熱する構成としてもよい。

本発明の一実施形態の炭素繊維製造装置の構成を示す概略図である。 熱交換器の閉塞防止機構の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 耐炎化炉
２ 熱処理室
５ 熱風加熱手段
７ 上方流路
８ 下方流路
９ 熱風循環路
１０ 加熱外気導入口
１１ 熱風排出口
１２ 炭素化炉
１４ 熱交換器
１５ 送風機
１８ 加熱外気給気路
２０ 温度検出端
２２ 熱交換チューブ
２４ ヘッド
Ａ 排ガス
Ｂ１ 外気
Ｂ２ 加熱外気
Ｆ 繊維束

Claims (5)

1. 耐炎化炉と、炭素化炉とを有する炭素繊維製造装置であって、
   前記耐炎化炉は、熱処理室と、熱風流路と、加熱外気導入口と、熱風排出口と、熱風流路内に加熱外気を供給する加熱外気供給手段とを有し、
   前記熱処理室は、炉内を水平走行する前駆体繊維の繊維束の鉛直方向に熱風を送り前記繊維束を耐炎化し、
   前記熱風流路は、前記熱処理室の上方にある上方流路と、前記熱処理室の下方にある下方流路と、前記上方流路及び前記下方流路を連通する熱風循環路とからなり、
   前記加熱外気導入口及び前記熱風排出口は、前記熱風流路に設置され、
   前記加熱外気供給手段は、送風機と熱交換器とを有し、
   前記炭素化炉は、耐炎化された前駆体繊維を炭素化し、
   前記熱交換器は、前記炭素化炉からの排出ガスと空気とを混合して燃焼した排ガスと前記送風機から送られる外気とを熱交換する、
   炭素繊維製造装置。
2. 前記熱交換器は閉塞防止機構を備えたチューブ式熱交換器である請求項１記載の炭素繊維製造装置。
3. 前記閉塞防止機構は、チューブ内面に接触するヘッドをチューブの長さ方向に沿って移動させる構成である請求項２に記載の炭素繊維製造装置。
4. 前記熱風循環路に熱風加熱手段を設け、
   前記熱処理室に温度検出端を設け、
   前記温度検出端の検出結果と、熱風加熱手段の出力とを連動させた、請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭素繊維製造装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の炭素繊維製造装置を用いた炭素繊維の製造方法であって、前記熱風排出口より排出する排気量を、前記加熱外気量と同量以上とする方法。

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