JP2010007209A - 炭素繊維製造用炭化炉のシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール性能に優れる上に、炭化炉内の圧力が上昇した場合でも炭化炉からのガスの流出を抑制できる炭素繊維製造用炭化炉のシール装置を提供する。
【解決手段】本発明のシール装置１０は、炭化炉２０の繊維束導出入孔２１に接続される炭化炉接続孔１１ｂと外気雰囲気３０に開放された開放孔１１ｄとが形成され、内部に繊維束Ａが走行するシール装置本体１１を有し、シール装置本体１１の内部には、繊維束Ａの走行方向に沿って１０段以上３０段未満の膨張室１２が設けられ、開放孔１１ｄ側から数えて８段目の膨張室１２より炭化炉接続孔１１ｂ側の膨張室１２の少なくとも１つに、繊維束Ａの走行方向に対して略直交方向に不活性気体を吐出する気体吐出手段１６が設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維製造用炭化炉（以下、炭化炉と略す。）への外気の流入および炭化炉内のガスの流出を抑制するシール装置に関する。

炭素繊維は、通常、アクリル繊維等の炭素繊維前駆体束を２００〜３００℃の酸化性雰囲気の耐炎化炉内で耐炎化処理して耐炎化繊維束を得た後、該耐炎化繊維束をさらに１０００℃以上の不活性ガス雰囲気の炭化炉内で炭化処理することにより製造される。
ところで、炭化処理では、炭化炉内に外気が流入して酸化性雰囲気になると、炭素繊維の性能や品質が低下することがある。そのため、炭化炉内の不活性雰囲気を維持するために、通常、炭化炉の繊維束導出入孔に、炭化炉内への外気の流入および炭化炉内のガスの流出を抑制するためのシール装置が取り付けられている。
シール装置としては、例えば、特許文献１には、繊維束の走行方向に沿って膨張室が５段以上１０段未満設けられ、炭化炉側から数えて３段目の膨張室より外側の膨張室の少なくとも１つに、繊維束の走行方向に対して直交方向に不活性気体を吐出する気体吐出手段が設置されたラビリンス型のシール装置が開示されている。
特開２００１−９８４２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシール装置では、シール性能が必ずしも充分とはいえず、炭化炉内に外気が流入したり、炭化炉内からのガスの流出量が多くなったりすることもあった。特に、炭化炉内の排気ガスを燃焼塔に移送するための排気ガス用配管は、使用時間が長くなるにつれて閉塞するが、排気ガス用配管が閉塞すると、炭化炉内部の圧力が上昇するため、シール装置を介して炭化炉からガスが流出しやすくなった。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、シール性能に優れる上に、炭化炉内の圧力が上昇した場合でも炭化炉からのガスの流出を抑制できる炭素繊維製造用炭化炉のシール装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 炭素繊維製造用炭化炉の繊維束導出入孔に接続され、繊維束が通されるラビリンス型のシール装置において、
前記炭化炉の繊維束導出入孔に接続される炭化炉接続孔と外気雰囲気に開放された開放孔とが形成され、内部に繊維束が走行するシール装置本体を有し、
シール装置本体の内部には、繊維束の走行方向に沿って１０段以上３０段未満の膨張室が設けられ、
開放孔側から数えて８段目の膨張室より炭化炉接続孔側の膨張室の少なくとも１つに、繊維束の走行方向に対して略直交方向に不活性気体を吐出する気体吐出手段が設置されていることを特徴とする炭素繊維製造用炭化炉のシール装置。
［２］ ２つの膨張室が互いに対向するように設けられ、該２つの膨張室に気体吐出手段が各々設置されていることを特徴とする［１］に記載の炭素繊維製造用炭化炉のシール装置。

本発明の炭素繊維製造用炭化炉のシール装置は、シール性能に優れる上に、炭化炉内の圧力が上昇した場合でも、シール装置を介した炭化炉からのガスの流出を抑制できる。

本発明の炭素繊維製造用炭化炉のシール装置（以下、シール装置と略す。）の一実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例のシール装置を示す。このシール装置１０は、炭化炉２０の繊維束導出入孔２１に接続され、繊維束Ａが通されるラビリンス型のもので、内部に帯状の繊維束Ａが走行するシール装置本体１１を有する。

本実施形態例におけるシール装置本体１１は、四角柱状の箱体であって、一方の端面１１ａに、炭化炉２０の繊維束導出入孔２１に接続される炭化炉接続孔１１ｂが形成され、他方の端面１１ｃに、外気雰囲気３０に開放された開放孔１１ｄが形成されている。
本実施形態例における炭化炉接続孔１１ｂおよび開放孔１１ｄは、水平方向が長辺の矩形状の孔である。

シール装置本体１１の内部には、繊維束Ａが走行する方向に沿って１５段の膨張室１２，１２・・・が設けられている。
ここで、膨張室とは、２枚の仕切り板で挟まれた空間のことである。本実施形態例における膨張室１２は、シール装置本体１１の上面に対して垂直に取り付けられた矩形状の２枚の仕切り板１３ａ，１３ａで挟まれた空間、および、シール装置本体１１の下面に対して垂直に取り付けられた矩形状の２枚の仕切り板１３ｂ，１３ｂで挟まれた空間である。すなわち、本実施形態例では、膨張室１２は、シール装置本体１１の上部および下部に設けられ、上部の膨張室１２と下部の膨張室１２とが互いに対向するようになっている。
なお、シール装置本体１１の炭化炉接続孔１１ｂが形成された一方の端面１１ａと仕切り板１３ａ，１３ｂとで挟まれた空間１４、シール装置本体１１の開放孔１１ｄが形成された他方の端面１１ｃと仕切り板１３ａ，１３ｂとで挟まれた空間１５は膨張室ではない。実質的に、空間１４は炭化炉２０の内部と同じ雰囲気になり、空間１５は外気と同じ雰囲気になるからである。

本実施形態例では、上側の仕切り板１３ａと下側の仕切り板１３ｂとが、互いの先端が対向するようにシール装置本体１１に取り付けられている。また、本実施形態例では膨張室１２の数が１５段であるから、仕切り板１３ａ，１３ｂはシール装置本体１１の上面または下面に各々１６枚取り付けられている。
互いに対向するように仕切り板１３ａ，１３ｂが取り付けられていることにより、水平方向が長辺の矩形状の開口部１３ｃが形成されている。互いに対向する仕切り板１３ａ，１３ｂの間隔は、炭化炉接続孔１１ｂに近くなるほど、大きくなっていることが好ましい。炭化炉２０に近くなるにつれて、繊維束Ａが自重により撓むため、繊維束Ａが下側の仕切り板１３ｂに接触するおそれがあるが、仕切り板１３ａ，１３ｂの間隔が、炭化炉接続孔１１ｂに近くなるほど、大きくなっていれば、繊維束Ａの下側の仕切り板１３ｂへの接触を防止しやすい。

繊維束Ａの走行方向に沿って隣接する仕切り板１３ａ，１３ａ、または、仕切り板１３ｂ，１３ｂの間隔は、炭化炉２０の大きさに応じて適宜選択されるが、例えば、５〜２０ｃｍであることが好ましい。仕切り板１３ａ，１３ａまたは仕切り板１３ｂ，１３ｂの間隔が５ｃｍ以上であれば、シール性能をより高めることができ、２０ｃｍ以下であれば、シール装置１０全体が大きくなりすぎず、設置場所を容易に確保できる。

また、仕切り板１３ａ，１３ｂは、シール装置本体１１の内部の清掃がしやすくなり、メンテナンス性に優れることから、シール装置本体１１に着脱可能に取り付けられていることが好ましい。

シール装置本体１１および仕切り板１３ａ，１３ｂを構成する材料としては、耐熱性に優れた材料を用いることが好ましく、具体的には、黒鉛が好ましい。シール装置本体１１および仕切り板１３ａ，１３ｂを構成する材料として黒鉛を用いれば、熱変形しにくく、寸法安定性に優れるため、繊維束Ａの走行位置を正確に制御することでシール装置本体１１や仕切り板１３ａ，１３ｂとの接触を防止できる。また、繊維束Ａがシール装置本体１１や仕切り板１３ａ，１３ｂに接触したとしても、黒鉛は自己潤滑性が良好であるため、繊維束Ａの損傷を小さくすることができる。また、寸法安定性に優れるため、仕切り板１３ａ，１３ｂを印籠嵌めによりシール装置本体１１に着脱可能に取り付けることができ、ボルト類による固定が不要になり、シール装置本体１１からの仕切り板１３ａ，１３ｂの取り外し作業が簡便になる。さらに、黒鉛は軽量であるため、清掃等のメンテナンスを行う際に、シール装置１０を炭化炉２０から取り外す作業などが容易になる。

図２に示すように、本実施形態例のシール装置１０においては、開放孔１１ｄ側から数えて１５段目の上下の膨張室１２ａ，１２ｂ（すなわち、最も炭化炉接続孔１１ｂ側の膨張室１２ａ，１２ｂ）の各々に、気体吐出手段１６が１つずつ設置されている。このように各膨張室１２ａ，１２ｂに気体吐出手段１６が１つずつ配置されていると、シール性能がより高くなる。

気体吐出手段１６とは、繊維束Ａの走行方向に対して直交方向に不活性気体（例えば、窒素ガス、アルゴンガス等）を吐出するものである。
本実施形態例における気体吐出手段１６は、長さ方向に沿って吐出孔１６ａが多数形成された金属製の管である。また、本実施形態例における吐出孔１６ａは、繊維束Ａと反対側に向けられて、不活性気体が繊維束Ａの走行方向と略直交方向に吐出されるようになっている。

本実施形態例では、最も炭化炉接続孔１１ｂ側の膨張室１２に、多数の孔が形成された多孔板１７が水平に設けられている。この多孔板１７によって、不活性気体が均一に繊維束Ａ方向に吐出するようになっている。
多孔板１７の材質としては、熱変形しにくいことから、黒鉛が好ましい。

シール装置１０に通される繊維束Ａは、アクリロニトリル１００％のアクリル繊維またはアクリロニトリルを少なくとも９０％以上含有するアクリル系共重合繊維を耐炎化処理した帯状の繊維束、または、炭化炉２０にて炭化処理された帯状の繊維束である。
繊維束Ａの総繊度は、繊維束Ａの強度や処理効率の点から、３００テックス以上であることが好ましい。

シール装置１０が取り付けられる炭化炉２０は、上方および下方にヒータ２３が設けられて、耐炎化処理後の繊維束Ａが炭化処理される熱処理室２２を有している。この熱処理室２２の端部が繊維束導出入孔２１になっている。したがって、炭化炉２０の熱処理室２２にシール装置１０が接続されている。

上記シール装置１０は、以下のようにして使用される。
すなわち、シール装置１０を炭化炉２０に、シール装置１０の炭化炉接続孔１１ｂが炭化炉２０の繊維束導出入孔２１に接続されるように取り付ける。
次いで、炭化炉２０の熱処理室２２をヒータ２３により加熱し、シール装置１０の開放孔１１ｄから繊維束Ａを、繊維束Ａの幅方向が水平になるようにシール装置本体１１内に導入する。シール装置本体１１内に導入された繊維束Ａは、シール装置本体１１内を走行し、炭化炉接続孔１１ｂおよび繊維束導出入孔２１を介して、熱処理室２２に導入される。そして、熱処理室２２内に導入された繊維束Ａは加熱されて炭化処理される。
その際、シール装置１０においては、炭化炉接続孔１１ｂに最も近い膨張室１２にて気体吐出手段１６より不活性気体を繊維束Ａの走行方向に対して略直交方向に吐出する。吐出された不活性気体は、シール装置本体１１の内壁１１ｅに衝突した後、反転し、仕切り板１３ａ，１３ｂに沿って繊維束Ａの方向に流れる。そして、多孔板１７を通過した後、隣の膨張室１２に流れ込み、さらに隣の膨張室１２に流れ込む。このようなことが外側の膨張室１２に向かって順次繰り返され、最終的には、各膨張室１２に不活性気体が充満すると共に開放孔１１ｄから不活性気体が流出する。これにより、炭化炉２０の熱処理室２２と外気雰囲気３０とを遮断して、シール性能を得る。
また、熱処理室２２にて処理された繊維束Ａは、炭化炉接続孔１１ｂおよび繊維束導出入孔２１を介して、シール装置本体１１内に導入される。シール装置本体１１内に導入された繊維束Ａは、シール装置本体１１内を走行し、開放孔１１ｄから外気雰囲気３０に導出される。
その際にも、上記のようにシール装置１０では、気体吐出手段１６から不活性気体を吐出して、各膨張室１２に不活性気体を充満させると共に開放孔１１ｄから不活性気体を流出させて、シール性能を得る。

上記シール装置１０の使用方法においては、気体吐出手段１６から吐出する不活性気体を加熱しておくことが好ましい。不活性気体を加熱しておけば、不活性気体が炭化炉２０内に流入しても、炭化炉２０内の温度ムラが起き難い。
また、気体吐出手段１６による不活性気体の吐出では、風速を０．０１ｍ／秒以上かつ０．３ｍ／秒以下にすることが好ましい。不活性気体の風速を０．０１ｍ／秒以上にすれば、シール性能をより高くできる。一方、不活性気体の風速を０．３ｍ／秒以下にすれば、繊維束Ａの走行姿勢の乱れを防止でき、繊維束Ａが仕切り板１３ａ，１３ｂの縁に触れて損傷することを防止できる。さらには、不活性気体の使用量を抑制でき、製造コストを低くすることができる。
また、炭化炉２０の内部の圧力が上昇する場合には、シール性能の低下を抑制するために、圧力上昇に対応して不活性気体の風速を速くすることが好ましい。

上記のようなシール装置１０では、不活性気体の吐出が、開放孔１１ｄ側から数えて８段目の膨張室１２より炭化炉接続孔１１ｂ側の膨張室１２で行われるため、シール装置本体１１の内部の各膨張室１２に不活性気体を充分に充満させてから、外気に流出させている。そのため、炭化炉２０の熱処理室２２と外気雰囲気３０との間に、不活性気体で充満した空間が充分に存在するようになるため、シール性能が高くなっている。その結果、炭化炉２０の内部への外気の流入および炭化炉２０からのシール装置１０を介したガスの流出を充分に抑制できるようになっている。特に、炭化炉２０に接続された排気ガス用配管が閉塞して炭化炉２０内部の圧力が上昇した場合でも、シール装置１０を介した炭化炉２０からのガスの流出を抑制できる。

なお、本発明のシール装置は、上記実施形態例に限定されない。例えば、上記の実施形態例において、互いに対向する上下の膨張室１２，１２のいずれか一方のみに気体吐出手段１６が設けられていても構わない。また、気体吐出手段１６が設置された膨張室１２に多孔板１７が設けられていなくて構わない。
また、シール装置本体１１の内部の膨張室１２の数は、１０段以上３０段未満の範囲であればよい。膨張室１２の数が１０段未満であると、充分なシール性能が得られず、３０段以上であると、シール装置１０が大きくなるため、設置場所の確保が難しくなる。
また、上記実施形態例では、気体吐出手段１６が炭化炉接続孔１１ｂに最も近い膨張室１２のみに設置されていたが、本発明では、開放孔１１ｄ側から数えて８段目の膨張室１２より炭化炉接続孔１１ｂ側の膨張室１２の少なくとも１つに設置されていればよい。開放孔１１ｄ側から数えて８段目の膨張室１２より炭化炉接続孔１１ｂ側の膨張室１２の少なくとも１つに気体吐出手段１６が設置されていれば、シール装置１０のシール性能を高くすることができる。しかし、圧力変化の傾斜が大きくなってシール性能をより高くできることから、上記実施形態例のように、気体吐出手段１６が炭化炉接続孔１１ｂに最も近い膨張室１２のみに設置されていることが好ましい。
また、仕切り板１３ａ，１３ｂは、先端が互いに対向していなくてもよい。その場合、膨張室１２の段数は、上側の膨張室１２と下側の膨張室１２とで別々に数える。
また、シール装置本体１１は、四角形状の箱体でなくてもよく、例えば、円柱状の箱体であってもよいし、他の多角形状（例えば、三角形状、五角形状等）の箱体であってもよい。

（実施例及び比較例）
以下、本発明について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。
この実施例及び比較例においては、繊維束として総繊度が１０００テックスのアクリロニトリル１００％のアクリル繊維を耐炎化した繊維束を採用している。
炭化炉としては横型炭化炉を用い、その繊維束導入孔及び導出孔には、黒鉛材の図１および図２に示すシール装置を取り付けた。
であって、その膨張室数等をそれぞれ以下の表１に示す条件としたシール装置を使用して、以下に示す条件を同一として炭化を行った。
炭化炉への投入繊維束数 ： ２００
炭化炉での処理時間 ： １．５分
炭化炉内温度 ： １０００℃
炭化炉及びシール装置の開口幅： １．３ｍ
シール装置の繊維束走行間隙Ｄ： １３ｍｍ
炭化炉の開口高さ ： ８０ｍｍ

実施例１では、膨張室を１５段とし、開放孔側から数えて１５段目に不活性気体の気体吐出手段を設置して、不活性気体を吐出面風速０．０７ｍ／秒で吐出した。炭化炉内の圧力は５Ｐａであった。その結果、炉内への外気の流入及び炭化炉からシール装置を介した炉内ガスの流出も無く、シール性能が良好であった。
実施例２は、膨張室、気体吐出手段の設置段数、不活性気体の吐出面風速は実施例１と同一であるが、炭化炉内の圧力は８Ｐａであった。その結果、炉内への外気の流入及び炭化炉からシール装置を介した炉内ガスの流出も無く、シール性能が良好であった。
これに対し、比較例１では、膨張室数、不活性気体の吐出面風速、炭化炉内の圧力は実施例１と同一であるが、開放孔側から数えて３段目に不活性気体の気体吐出手段を設置したシール装置を用いた。その結果、炉内への外気の流入は無いが、炭化炉からシール装置を介した炉内ガスの流出があり、シール性能が不十分であった。
比較例２は、不活性気体の吐出面風速、炭化炉内の圧力は実施例１と同一であるが、膨張室を７段とし、開放孔側から数えて３段目に不活性気体の気体吐出手段を設置した。その結果、炉内への外気の流入は無いが、炭化炉からシール装置を介した炉内ガスの流出があり、シール性能が不充分であった。

本発明のシール装置の一実施形態例を示す断面図である。 図１に示すシール装置における炭化炉接続孔に最も近い膨張室を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０ シール装置
１１ シール装置本体
１１ａ 一方の端面
１１ｂ 炭化炉接続孔
１１ｃ 他方の端面
１１ｄ 開放孔
１２，１２ａ，１２ｂ 膨張室
１３ａ，１３ｂ 仕切り板
１３ｃ 開口部
１６ 気体吐出手段
１６ａ 吐出孔
１７ 多孔板
２０ 炭化炉
２１ 繊維束導出入孔
２２ 熱処理室
２３ ヒータ
３０ 外気雰囲気
Ａ 繊維束

Claims (2)

1. 炭素繊維製造用炭化炉の繊維束導出入孔に接続され、繊維束が通されるラビリンス型のシール装置において、
   前記炭化炉の繊維束導出入孔に接続される炭化炉接続孔と外気雰囲気に開放された開放孔とが形成され、内部に繊維束が走行するシール装置本体を有し、
   シール装置本体の内部には、繊維束の走行方向に沿って１０段以上３０段未満の膨張室が設けられ、
   開放孔側から数えて８段目の膨張室より炭化炉接続孔側の膨張室の少なくとも１つに、繊維束の走行方向に対して略直交方向に不活性気体を吐出する気体吐出手段が設置されていることを特徴とする炭素繊維製造用炭化炉のシール装置。
2. ２つの膨張室が互いに対向するように設けられ、該２つの膨張室に気体吐出手段が各々設置されていることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維製造用炭化炉のシール装置。

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