JP2015503726A - 繊維熱処理のためのオーブン - Google Patents

Abstract

改良されたオーブン（１）であって、オーブンで処理される製品（１１）を移動するように構成され配置されるコンベヤと、加熱された一次空気流（４７）を提供するように構成され配置される一次空気送出システム（４５）と、加熱された二次空気流（４８）を提供するように構成され配置される二次空気送出システムと、製品および一次空気流を受けて含むように構成され配置される処理筐体（２１）と、加熱された二次空気流を受けるように構成され配置される断熱筐体（２）と、を備える。処理筐体は、断熱筐体および加熱された二次空気流を通って延びて、一次空気流を二次空気流から切り離すように構成され配置される。

Description

本発明は、広い意味で、オーブンおよび乾燥機の分野に関する。より詳しくは、本発明は繊維束または繊維束（ｔｏｗｓ）を処理するための改良型のオーブンに関する。

製品の流れを連続して処理する対流式オーブンおよび乾燥機は、広く使用されている。多くのオーブンにおいて、製品は一つ以上の高さで水平に移動する、すなわち、平行な可動コンベヤで運搬されるか、または、織物または繊維の場合、外部駆動機構の間に張力を受けて吊り下げられる。循環する熱気流が、加熱または乾燥のために、製品と接触するようにされる。技術的に重要な種類のオーブンは、炭化の前に熱可塑性特性を提供するために、重合または有機炭素繊維前駆体を空気中で処理する。

ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）のような炭素繊維前駆体物質に酸化熱処理を行うためのオーブンが工業界で知られている。米国特許第６,７７６,６１１号公報には、加熱気流が繊維束（ｔｏｗｓ）形態のＰＡＮ中に循環されて、繊維束（ｔｏｗｓ）の移動方向に対して垂直な方向に繊維に接触するオーブンを記載されている。米国特許第４，５１５，５６１号公報には、加熱気流が繊維束（ｔｏｗｓ）形態のＰＡＮ中に循環されて、繊維束（ｔｏｗｓ）の移動方向に対して平行な方向に繊維に接触するオーブンが開示されている。

単に説明のために、かつ、制限するためでなく、開示された実施例の対応する部品、部分または表面を説明的に参照して、本発明は、改良型のオーブン（１）を提供する。改良型のオーブン（１）は、オーブンで処理される製品（１１）を移動するように構成され配置されたコンベヤと、加熱された一次空気流（４７）を提供するように構成され配置された一次空気送出システム（４５）と、加熱された二次空気流（４８）を提供するように構成され配置された二次空気送出システムと、製品および一次空気流を受けて含むように構成され配置された処理筐体（２１）と、加熱された二次空気流を受けるように構成され配置された断熱筐体（２）と、を備えている。処理筐体は、断熱筐体及び加熱された二次空気流を通って延びるように構成され配置され、かつ、一次空気流を二次空気流から分離するように構成され配置されている。

コンベヤは、製品が処理筐体の中を通って第一の方向（４９）に移動するように構成されることができる。それぞれの経路は前方又は後方に移動する。処理筐体は、実質的に第一の方向に平行な筐体長軸（５０）を有しており、処理筐体の中の一次空気流（４７）は実質的に第一の方向に平行であり、断熱筐体の中の二次空気流（４８）は実質的に第一の方向に垂直である。

一次空気送出システムは、一次空気流及び運搬された製品を受けて、処理筐体に一次空気流及び運搬された製品を出力するように構成され配置される入力室（１０）を備えることができる。コンベヤは、製品を処理筐体の中を通って第一の方向に移動させるように構成され配置されることができる。入力室は、空気流入開口（３８）と、空気流入開口とは別の製品投入開口（３９）と、製品投入開口の反対側にある処理筐体への出口開口（４３）と、空気流入口から空気流出口へと空気流を方向付けるように構成され配置される空気流方向指示部と、を備える。空気流入開口は、実質的に出口開口に垂直に向けられ、空気流方向指示部は、空気流を実質的に第一の方向に垂直な方向から実質的に第一の方向に平行な方向に向きを変えるように構成され配置されることができる。出口開口は、製品投入開口よりも大きい寸法にされることができる。室は、製品投入開口の寸法調整機構をさらに備えることができる。製品投入開口の寸法調整機構は、第１のプレートおよび第２のプレートを備え、第１のプレートおよび第２のプレートは、両者間に可変の隙間を提供するように、互いに相対的に位置調節可能になっている。ロック機構は、製品投入開口の寸法を変化させるように、室に対して複数のプレートの位置を調節可能に固定するように構成され配置されることができるロック機構は、ロックネジを含むことができる。

オーブンは、出口室（１８）をさらに備えることができる。出口室は、筐体から製品および一次空気流を受けて、一次空気流を排出して、オーブンから製品を送り出すように構成され配置される。出口室は、処理筐体からの入力開口（４４）と、入力開口の反対側の製品送出開口（４１）と、製品送出開口と異なる空気排気開口（４２）と、を備えることができる。空気排気開口は、入力開口に対して実質的に垂直に方向付けられることができる。出口室は、製品投入開口の寸法調整機構をさらに備えることができる。開口の寸法調整機構は、第１のプレートおよび第２のプレートを備え、第１のプレートおよび第２のプレートは、両者間に可変の隙間（４１）を提供するように、互いに相対的に位置調節可能になっていることができる。製品送出開口の寸法を変化させるように、室に対して複数のプレートの位置を調節可能に固定するように構成され配置されるロック機構をさらに備えることができる。ロック機構は、ロックネジを含むことができる。

一次空気送出システムは、送風機（３）、ヒーター（４）、温度計（６）、連結管（７）、弁（８）、流量計（９）および配管（５）からなる群から選択される一つ以上の装置を備えることができる。一次空気送出システムは、単一の再生型の送風機と、単一のインライン・ヒーターと、温度計と、空気流を複数の下流の経路に分割するように構成され配置される単一の連結管であって、経路の各々は弁および流量計を有する、連結管と、を備え、一次空気流は、製品と接触する前に、ヒーター、連結管および弁を１回だけ通って発生され循環されるようになっている。一次空気送出システムは、単一の再生型の送風機と、空気流を複数の下流の経路に分割するように構成され配置される連結管であって、製品と接触する前に、経路の各々は弁、流量計、インライン・ヒーターおよび温度計を有する、連結管と、を備える。一次空気送出システムは、処理筐体を出ていく一次空気流を、全体的に又は部分的に、再循環させないようになっている。

二次空気送出システムは、送風機（１２）と、ヒーター（１３）と、温度計（３５）と、断熱筐体から使用された空気を受け取るための再循環入口（２６）と、断熱筐体から空気を排出するための流れ制御弁（１７）を有する空気排気出口（１６）と、追加空気を受けるための流れ制御弁（１５）を有する追加空気入口（１４）と、を備え、二次空気流は、使用された空気および追加空気の混合を含むようになっていることができる。追加空気流および排気流は、弁（１５、１７）によって制御されて、二次空気流における追加空気および使用された空気の量を変化させることができる。二次空気送出システムは、処理筐体軸（５０）に対して垂直な軸を有するプラグ送風機（１２）であって、断熱筐体壁上でオーブンの製品移動寸法に沿ってほぼ中間に位置し、下向きに流れを導く放出圧力室（３２）と空気を受けるための上流の入口円錐（２６）とを有する、プラグ送風機（１２）と、下流かつ送風機の吐出ポートの近くに配置されるヒーター（１３）と、下流かつヒーターの近くに配置される温度計（３５）と、ヒーターの近く、かつ、断熱筐体の底の近くに配置される一組の案内する羽根（２８）であって、流れの向きを９０度回転させて断熱筐体の底の近くを流れるようにする、一組の案内する羽根（２８）と、第二の一組の羽根（２３）であって、流れをほぼ半分に分割し、流れの第１の半分部分の向きを９０度回転させて第一の方向に合わせ、流れの第２の半分部分の向きを９０度回転させて第一の方向とは反対にさせる、第二の一組の羽根（２３）と、第三の一組の羽根（２４ａ）であって、流れの第１の部分の向きを９０度回転させて筐体軸に垂直な方向に上向きに流れるようにする、第三の一組の羽根（２４ａ）と、第四の一組の羽根（２４ｂ）であって、流れの第２の部分の向きを９０度回転させて筐体軸に垂直な方向に上向きに流れるようにする、第四の一組の羽根（２４ｂ）と、流れ調節装置（２２）であって、オーブンの長さ全体にわたる長さを有し、処理筐体の最も広い寸法よりも幅が広く、かつ、上向きの空気流が処理筐体に接触する前に通過する、流れ調節装置（２２）と、処理筐体の上にある上多孔板（２７）と、空気収集圧力室（３６）であって、送風機から排出されてヒーター、回転する羽根、流調節装置を通って処理筐体を覆う空気から、上多孔板を通って送風機の入口円錐に入る空気を分離する、空気収集圧力室（３６）と、を備えることができる。流れ調節装置は、２つの多孔板を備え、この２つの多孔板の間に細胞構造を有することができる。細胞組織は、ハニカム構造体であってもよい。

一次空気送出システムおよび二次空気送出システムは、処理筐体の内側に一次空気流を送出し、ほとんど同じ温度範囲で処理筐体の外側に二次空気流を送出するように構成され配置されることができる。

処理筐体は、長さおよび断面特性寸法を有し、長さは少なくとも断面特性寸法の約５０倍にすることができる。処理筐体の断面形状は、円形、正方形、矩形、卵形、又は楕円形であることができる。

オーブンは、製品および一次空気流を受信して、含むように構成および調整されて、断熱筐体を通って延びている複数の処理筐体を備えることができる。オーブンは、それぞれの複数の処理筐体に通じている複数の入力室および出口室を更に備えることができる。

本発明の一実施例によるオーブンの透視図である。 図１（明確にするため取り除かれる端部室の表面シート金属によって、図１の示された領域Ａの中でとられる）の図示した実施例の拡大詳細図である。 明確にするため取り除かれる断熱筐体の１枚の壁について、図１に示した実施例の後面斜視図である。 図１に示した実施例の垂直横断面図である。そして、図１の線Ｂ―Ｂに一般にとられる。 図４に示されるオーブンの第２実施例の断面図である。

はじめに、類似する参照番号は、いくつかの図面の全体にわたって一貫して同一の構造要素、部分または表面を特定することを目的としており、要素、部分または表面自体は、明細書全体でさらに記載され、又は、説明されることができることが明確に理解されるだろう。そのうちこの詳細な説明は不可欠な部分である。特に明記しない限り、図面は、明細書と共に読み込まれる（例えば、クロスハッチング、部品配置、割合、程度など）ことを目的として、本発明の明細書記載全体の一部として考えられることになっている。以下の明細書において用いられているように、用語「水平の」、「垂直の」、「右の」、「左の」、「上の」、及び「下の」並びに形容詞相当語句及びそれらの副詞類（例えば、「水平に」、「右に」、「上に」など）は、単に、特定の図面を読者が見たときの図示された構造の方向について言及しているだけである。同様に、用語「内向きに」及び「外向きに」は、広い意味で、それぞれに見合う、長軸又は回転軸に相対的な表面の向きについて言及しているだけである。

図面（特に図１）を参照しつつ、本発明は、繊維熱処理のための改良型のオーブンを提供する。第１の実施例では、それは概して１で示される。本発明には、効率的で高品質の繊維熱処理を提供するための多くの応用例があるものの、本実施例では、炭素繊維前駆体のための酸化安定化オーブンへの適用に関して記載されている。

図１に示すように、オーブン１は、矩形の断熱筐体２を含む。断熱筐体２は、構造および薄板鋼並びに鉱物又はガラス断熱を用いた従来からある構成である。複数の製品層１１は、配列されて、オーブン１を通る平行な水平面内を移動する。繊維束（ｔｏｗｓ）形態の炭素繊維前駆体の場合には、製品層１１は、１つの水平層内に隣り合って配置された炭素繊維であり、そして、ローラー又は他の差し戻し装置がオーブン全体を通る１本の連続した曲がった通路をつくるために用いられる。

製品接触空気または処理空気は、送風機３で加圧されて、インライン・ヒーター４を通過する。送風機３は、必要な流れおよび圧力降下の能力がある、いかなる従来の送風機であってもよくて、好ましくは再生タイプである。送風機３は、フィルタ処理されたソースから空気を引き出すか、または、プラント環境の外側から新鮮な空気が引き込まれることが好ましい。インライン・ヒーター４は、電動駆動であっても化石燃料駆動であってもよく、単一の空気の経路中で、所望の処理温度まで空気の温度を上げることができなければならない。処理空気の温度範囲は、好ましくは、摂氏約２００度と４００度の間、より好ましくは摂氏約１００度と６００度の間である。ヒーター４から出ていく空気の温度は、温度を測定する温度計６、及び、ヒーター４への電力を調整するガス流制御弁及びサイリスタを用いて、従来の電気フィードバックループを用いて制御されることができる。

加熱された空気は、連結管７に入って、オーブン１に入る前に、複数の経路に分割される。入口配管５を通る各ガス流路は、弁８および流量計９を備える。そして、それらは加熱された空気の流速を測定して制御する。弁８は、所望の温度領域のために設計される従来からあるいかなる制御弁であってもよい。図示されないが、好ましくは約５０ｍｍ以上の厚みのガラス繊維またはミネラルウールによって、ヒーター４、下流の配管および連結管７は熱的に断熱される。処理空気の入口の一連の流れの代替的な配置構造を用いることが可能である。例えば、流量制御弁８の下流の各ガス入口経路５に、個別のヒーターを取り付けることが可能である。

次に図２を参照する。本実施例において、複数の処理ガス入口は、端部室１０の側壁の開口３８を通る配管５によって案内される。次に、ガスはそらせ板３７によって、管状筐体２１に導かれる。管状筐体２１は、室１０の裏壁へ開口４３を通じて接続され、断熱筐体２の穴を通過してオーブン１に入る。そらせ板（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）３７は、横方向から、製品１１の移動方向に垂直な方向へ、９０度流れの方向を変える。空気は、減圧された領域である製品入口３９を有することによって、室１０の製品入口３９から流出するのを防止される。製品開口３９は、上部製品スロット板２９および下部製品スロット板３０によって画定される。製品スロットまたは開口３９の大きさは、ロックネジ３１を用いて板２９および３０を適所に係止するか移動させて、スロット板２９および３０を垂直に摺動させることによって調整できる。ＰＡＮ酸化オーブンでは、製品層１１の厚みは、変化するが、通常、約３ｍｍ以下である。動作の間のプレート２９と３０間のギャップ３９は、好ましくは約２ｍｍと２０ｍｍの間に、好ましくは、約６ｍｍと１０ｍｍの間にある。プレート２９と３０間の調整されたギャップの最大値は、清掃または他の保守のために、最低でも製品筐体２１の高さ寸法とほぼ同等である。プレート２９および３０の位置を固定するための他の手段を用いられることが可能である。例えば、ばね付勢ボルトを使用できる。

処理空気筐体２１は、オーブン寸法と比較して比較的小さい横断面を有して、好ましくは約０．０１ｍと０．４０ｍの間、より好ましくは０．０２ｍと０．１０ｍの間の直径を有する管である。筐体２１の中の製品空気流の速度は、約０．１ｍ／ｓｅｃと１０ｍ／ｓｅｃの間、そして、好ましくは、約１ｍ／ｓｅｃと６ｍ／ｓｅｃの間である。筐体２１の長さに対する断面特性寸法（円筒形チューブの場合は直径）の比は、好ましくは約１０より大きく、より好ましくは約５０より大きい。断面特性寸法の長さに対する比が大きいことにより、空気流が製品層１１の移動方向に沿って発生することが確実になる。図示した実施例の筐体２１は円形管であるが、正方形、矩形、楕円、卵円などの他の管の断面形状を変形例として使うことができる。当業者であれば、断面慣性モーメントおよび筐体２１の長さに応じて、それらが下方へ曲がるか変形するのを妨げるために、オーブンに沿って機械的支持を必要とすることができることが理解されるだろう。これらの支持体は、オーブンの長さに沿って定間隔で筐体２１の下に配置されることができて、断熱筐体２の内面に溶接されるか、または、ボルト固定されることができる。

次に図３を参照する。複数の処理筐体２１および製品層１１は、オーブンを横断して、断熱筐体２を通過し、室１８の開口４４を通じて出口端部室１８に入る。製品１１は、入口端部室１０について記載されているプレート２９および３０と類似のセットの調整可能なスロット板の間のスロット４１を通じて端部室１８を出る。処理空気は、矢印４７で示されるように室２１内部を流れて、室１８の開口４２及びバルブ１９を含む複数の排気配管４０を通過して横方向に出ていく。次に、排気は、適切な排気システムに接続している排気ヘッダ２０に集められる。

図１を再度参照する。処理空気は、一度、オーブン・システムを通過する。それは、送風機３から入り、加熱されて、ヒーター４、弁８および流量計９を有する制御フローにセットされる。入口端部室１０は、製品１１およびほとんどすべての処理空気を処理筐体２１に案内する。処理筐体において、空気は、製品層１１に熱および質量を移す。空気および製品１１は、出口端部室１８を通ってオーブンを出る。排気処理空気は、制御弁１９を通り、排気ヘッダ２０に案内される。処理筐体２１内部の圧力は、好ましくは周囲圧力に非常に近いおよび、より好ましくは約１ｍｂａｒの範囲内、さらに好ましくは約０．１ｍｂａｒの範囲内である。弁８および１９および端部室１０および１８のスロット開口３９および４１の高さは、それぞれ、この圧力を調整するための手段である。周囲圧力に近いことによって、ごくわずかな空気しか実際に出ないかまたは製品スロットによる処理筐体２１に入らないことが確実になる。そして、処理空気のほぼ全てが、概して約９８％以上、製品層１１に接触することを、それは意味する。排気マニホルド２０が、引込圧または陰圧によって排気を処理するシステムに接続される場合、制御の度合を更に増加できる。この場合、筐体２１がわずかな陰圧を有するようにオーブンを作動することができる。それによって、製品スロットにおける処理ガスの漏出を実質的に除去することができる。

記載されている処理空気システムは、製品に接触しているガスが汚染物質を含まない製品筐体２１に入り、単一の空気の経路を通る間だけ処理汚染物質を受け取る、という利点を有している。例えば、図１に示すようなオーブンでは、０．２５ｍ／分で移動している１．０のｄＴｅｘ ＰＡＮの２４０００のフィラメントを熱処理して、シアン化水素（ＨＣＮ）ガスの約１．１ｇｒ／時間を生み出す。６つのオーブンの筐体２１（各々５０ｍｍの直径を有する）については、４．０ｍ／ｓｅｃの空気速度および摂氏２５０度の温度で、空気流の中でのＨＣＮの計算された最大濃度は、約８ｐｐｍである。これは、約４０と８０ｐｐｍの間にある典型的な工業用オーブンで見られるＨＣＮ濃度と比べても遜色ない。

図１を再度参照する。二次空気流は、筐体２１にも提供される。二次空気流は、送風機１２により加圧されて、ヒーター１３により加熱される。送風機１２は、必要な流れ、温度および圧力損失が可能となるいかなる従来の送風機でもあってもよくて、好ましくはプラグタイプの構成である。ヒーター１３は、電気または化石燃料を動力源とすることができ、循環気流を所望の処理温度まで加熱することができなければならない。二次空気の温度は、温度を計測するための温度計３５、又は、ヒーター１３の出力を調整するためのサイリスタまたはガス流制御弁、を使用する従来の電子フィードバックループを用いて、制御される。二次空気循環の目的は、それらがオーブンを横断するときに、熱損失を防止するかまたは処理空気または製品層に利益を得ることであるので、二次空気の温度は処理空気温度の設定と実質的に同様の温度に設定されて、制御される。

図２、３および４を参照する。二次空気は、送風機・ホイール３２からヒーター１３を通じて、下向きに垂直に流れる。それは、一組の回転している羽根２８によって、オーブン１の後方へ、水平に、かつ、横方向に、流れるように９０度向きを変えられる。次に、転向羽根２３により、オーブン１の入口端または出口端の方へ、二次空気流は、半分に分割されて、水平、かつ、長手方向に向きを変えられる。次に、二次空気流は、転向羽根２４ａおよび２４ｂによって、垂直に上方に向きを変えられて、流れ調節装置２５に入る。流れ調節装置２５は、流れをまっすぐにして、空気速度を均一にするように設計されていて、好ましくは、米国特許出願番号第１３／１８０,２１５号（「気流分配システム」（明細書全体を本願に引用して援用する）と名付けられる）にて説明したように、穿孔された鋼板およびセルハニカム構造体を含む装置である。流れ調節装置２５は、頂部に二次多孔板２２を備えている。多孔板２２を通じて、空気が均一の速度で、かつ、均一に垂直方向に流れる。板２２のすぐ上の空気流は、標準偏差と平均の比が約１０％未満、好ましくは約３％未満、のような速度特性を有する。板２２のすぐ上の流れの方向は、垂直から、好ましくは約１０度、より好ましくは約３度の範囲である。垂直流れの平均速度は、好ましくは約１ｍ／ｓｅｃと１０ｍ／ｓｅｃの間、より好ましくは約３ｍ／ｓｅｃと６ｍ／ｓｅｃの間である。

図２、３および４を再度参照する。二次空気は、処理空気筐体２１の周囲を越えて、上方へ流れ、多孔板２７を通って上方へ流れ続ける。次に、空気は、収集圧力室体積３６に入る。圧力室３６は、垂直壁３３によって、処理管２１を越えて上方に流れる空気流から切り離されて、水平壁３４によって、オーブン床部に沿って進行する流れから切り離される。再循環している二次空気流路は、図３、図４および図５の矢４８で示される。大部分の二次空気流は、送風機入口円錐２６に入ることによって、送風機１２によって、再循環する。一部の二次空気は、二次オーブン空気排気開口１６で排出される。そして、この流れは二次空気排気バルブ１７により制御される。二次空気流のための追加空気流は、二次空気入口１４においてオーブンに入って、追加空気弁１５により制御される。二次空気流は製品に接触しないので、それは基本的にきれいなままである、したがって、安定した条件で、ごくわずかな排気装置または追加空気しか、必要とされない。しかしながら、オーブンの温度を低下させたいときに、追加空気流は冷たい室内空気をオーブンにもたらすことに有用である。

処理空気が処理空気筐体２１の内部を長さに沿って流れる際に、二次空気流は処理空気の温度を同一に保つ。例えば、二次空気流がない場合、処理空気の温度は、速度に依存するが、空気の速度が最低の場合に対応する最大の温度低下という条件において、オーブンの入口と出口の間で摂氏約２０度から５０度の間で低下するであろう。約３ｍ／ｓｅｃ以上の二次空気流では、オーブンの長さにわたる処理空気の温度変化は、摂氏約２度である。

所望の操作温度のオーブンの変化に対する応答時間、または、設定点は、実際には二次空気流の応答時間で測定される。これは、処理空気が、一回通過の空気流から構成されるという理由による。一回通過の空気流は、製品層１１および比較的小さい空気筐体２１だけに接触して、二次空気補給システムよりも非常に低い熱慣性を有する。二次空気は、オーブン内部で比較的大きい断熱筐体２の内部ならびにプラグ送風機車輪３２およびすべての他の金属要素に接触する。例えば、長さ５．０ｍ×高さ２．５ｍ×幅１．０ｍの寸法の断熱筐体を有する図1〜図４の図示した実施例と類似のオーブンでは、摂氏一度当たり約８００，０００ジュールの熱慣性がある。オーブンが摂氏約３００度の温度で作動している場合、筐体と端部による熱損失は約１０ｋＷである。この例では、３０ｋＷの出力能力を有する加熱要素１３は、オーブンの温度を上げるために利用可能な２０ｋＷの力をこのように有する。そして、結果としてオーブン温度を約１０分間で摂氏約１５度上げることとなる。この例では、弁１５および１７は、追加空気が力を消費するのを防止するために閉じると仮定される。ちょうど記載されている同じオーブン・パラメータを使用して、他の例は、摂氏約１５度だけオーブンの設定点の低下となる。この場合、弁１５および１７は開かれる。そして、ヒーター１３は止められる。この例では、約１７０Ｎｍ^３／時間（１００ｓｃｆｍ）の追加空気流は、結果として約７分間で摂氏１５度の低下となる。

ＰＡＮ前駆体の急激な放熱の間の製品筐体２１の最大の温度上昇の計算により、本発明が水中急冷システムを必要としないことを示す。仮定される条件は、直径５１ｍｍの筐体２１で、１ｍ／ｍｉｎ（質量比０．２８８ｋｇ／ｈｒ）の１．０ｄＴｅｘの４×１２，０００の糸条繊維および摂氏２５０度（質量比６．２ｋｇ／ｈｒ）で、空気速度１．０ｍ／ｓｅｃである。ＰＡＮの反応熱が１グラムにつき２４２５のジュールで、かつ、すべての反応エネルギーが空気流により吸収される場合、算出される空気温度上昇は摂氏約１１０度である。このように、典型的な範囲の一番下近くの空気流であっても、筐体２１は、摂氏約３６０度にはならないだろう。

原則として、筐体２１は多くの異なる材料でできているものの、好ましい材料はオーステナイト・ステンレス鋼（例えば、摂氏約５００度を超えるまで機械的強度を維持して、従って、この程度の急激な放熱に直ちに耐えることができる３０４）である。本発明の一回通過空気流は、より軽い材料を運び出す傾向があって、常に新鮮な空気と置き換えられているので、急激な放熱の後に残っている灰または他の破片の除去を促進する。例えば、約５分未満で摂氏約１００度、急速に処理空気流れが冷やされることができるので、端部室１０および１８は、いかなる残留する破片も除去するためにプッシュロッド等を挿入するのを容易にするために、放熱事象の後に短期間開かれることができる。

図５は、本発明の他の実施例の横断面を示す。本実施例において、製品層１１を含む処理空気筐体管２１は、横間隔がＸであり縦間隔がＹである、複数の垂直行または列に配置される。筐体２１の垂直および水平の間隔（Ｙ／Ｘ）の比率は、熱交換器の従来の管束のために使用される原則に従うことが好ましい。ＰＡＮ繊維処理において、行間Ｙは、オーブンの外側の繊維束（ｔｏｗｓ）輸送上の問題から、好ましくは約０．１ｍと０．４ｍの間の典型的な製品層間隔によって、より好ましくは約０．１５ｍと０．２０ｍの間に定められる。

記載されている改良は、多くの利点を提供する。そのオーブンは、空気速度の広範囲において被加熱長さの全体にわたって、空気と繊維製品の間で一貫性のある接触角と、一様な空気速度とを提供する。更に、空気の温度は、全ての加熱長さ（速度から独立している）で一様である。さらに、一様な、むらのない温度が、急速に達成されることが可能である、温度の確立が遅れると、時間および処理材料の浪費になる。更に、水分、飛んでいる繊維、微粒子および製品の質を劣化させることができる処理オフガス化学薬品を含まずに、処理接触空気が導かれる。処理圧力を制御する能力は、処理オフガスの漏出を防止する。特に、ＰＡＮベースの炭素繊維前駆体は、オーブンの外側で濃縮される場合に、吸入の危険を有する中毒性シアン化水素（ＨＣＮ）を放つことが知られている。

更に、炭素繊維前駆体のために、オーブンは、効率的な方法において可能性のある取扱い処理不調を起こす。前駆体炭素繊維がオーブンの内部で切れるときに、１つの種類の方法不調は発生する。切れた炭素繊維端は、その他の炭素繊維、及び、異なる高さの炭素繊維のパスともつれる可能性がある、切れてすぐでも、または、切れた炭素繊維がオーブンの外に引き出された後であっても、全工程が終了して、オーブンが環境温度まで冷却されて中に入れるようになるまで。オーブン１の設計によると、炭素繊維の断裂は、１つの最小断面積の筐体２１の中に含まれることになる。炭素繊維は、筐体のため、その通常のルートから遠くに落下することができなくて、従って、オーブンの部品または他の炭素繊維にひっかかることはないだろう。除去経路が基本的に直線であるので、オーブン１は壊れた炭素繊維をオーブンから引き抜くのを容易にする。そして、炭素繊維除去位置は、オーブン外にある端部からであるため、オーブンに入るかまたは環境温度にオーブンを冷やすことを必要としない。

炭素繊維前駆体が結果として火災になる急激な放熱反応を経験するときに、他のタイプの処理不調は発生する。本オーブンは、全てのオーブン体積の全体にわたって火災が広がることを制限する。急激な発熱過程が生じた場合、発生する熱は、このように制限される。一回通過処理で、空気流はオーブンから燃焼製品および発生熱を運び出す、したがって、大量の水システムを使用する必要がない。放熱事象または火災の後は、二次空気流を止める必要、環境温度にオーブンを冷やす必要、および、オーブンに入る必要がない。さらに、本オーブンは、設置及び維持に費用が嵩むとともに作動する際には処理の再開前に環境温度のオーブン内部を清掃するのに時間がかかる大量の水システムに頼ることなく、火災が広がることを制限する。すなわち、従来の炭素繊維前駆体オーブンによる時間と比較すると、急激な発熱または火災による全体の処理不調は分の問題であることができる、ということである。

オーブン１の設計は、一様な空気速度および一貫した接触角、温度均一性、短い温度応答時間、きれいな処理ガスを提供して、休止ガス処理後の処理の必要を減らすかまたは除去して、処理不調の効果的な取扱いを可能にする。基本的に、繊維の懸垂線（カテナリ）および自然の振動を考慮して可能な限り最小の断面積を有する筐体２１の中を通って、繊維はオーブンを通過する。この小さい断面積は、処理筐体長の断面特性寸法に対する比が非常に大きいことを意味する。これにより、空気流が正確に繊維とほとんど平行になることを確実にする境界条件を作成する。小さい断面積は、所与の空気速度のために、処理空気の必要な量が最低限に保たれるという、更なる効果がある。それによって、加圧および加熱のために必要なエネルギーが最小限となる。

これらの製品筐体を通過する空気は、ろ過され、加圧され、所望の処理温度まで加熱される。そして、流れは上流で変調されて、筐体を通じて繊維と平行して流れて、排気システムに出る。空気は、システムの各要素と１回接触するだけである。すなわち、処理空気が水分、繊維フライ、微粒子または製品の質を劣化させることができる他の処理排気化学物質を蓄積しないこととなる。処理揮発物は濃縮することがないので、ＰＡＮ炭素繊維前駆体からの排気された処理空気は、ＨＣＮを破壊するための処理後の高価な焼却または他の手段が必ずしも必要ではない。

一回通過の加熱処理は熱的に非常に急速であり、したがって、例えば５分未満で摂氏１００度など、処理空気の温度は急速に変化させることができる。これは、実質的に損失時間を減らして、炭素繊維の除去の間のオペレータの安全性を促進する。炭素繊維の除去は、二次空気流または温度を変えずにされることができる。その結果、一旦切れた炭素繊維が取り除かれるならば、処理空気流および温度は急速に復旧されることができる。すなわち、従来の炭素繊維前駆体オーブンでの時間と比較すると、全過程が炭素繊維切断による処理不調は分の問題でありえる。処理筐体の外側の二次空気流、そのため、繊維との接触がないことの利益は、それがオーブン１の内部で高度な温度均一性を維持するということである。この再循環する空気流は、専用の送風機及びオーブンのケースに一体配置されたヒーターによって、加圧および所望の処理温度まで加熱される。この空気は、処理空気筐体の周辺をこえて、外面を所望の処理温度に保ち、繊維と平行して流れている処理空気の熱損失を妨げる。この影響で、きわめて低速の処理空気においても、処理接触空気の温度の均一性が提供される。低速の処理空気は、その場合、小さい熱損失または熱利得は大きい温度差を生じる傾向があるので本質的に困難である。二次空気流は、冷たい新鮮な空気を調整して供給する。二次空気温度は、加熱出力の増加によって上げることができるし、または、冷たい新鮮な空気の吸入の増加によって下げることができる。すなわち、温度変化が増加または減少であるとなかろうと、二次空気温度は急速に平衡に至ることができる。

本発明は、その多くの変化および修正がなされることを検討できる。従って、繊維熱処理のためのオーブンの目下のところ好適な形態が図とともに記載され、いくつかの変更態様および変形例が述べられてきた。当業者であれば、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな付加的な改変と変更態様がなされることができることが直ちに認めるだろう。本発明は、以下の請求項により規定されて区別される。

Claims (32)

1. オーブンであって、
   オーブンを通って処理される製品を動かすように構成され配置されるコンベヤと、
   加熱された一次空気流を提供するように構成され配置される一次空気送出システムと、
   加熱された二次空気流を提供するように構成され配置される二次空気送出システムと、
   前記製品および前記一次空気流を受けて含むように構成され配置される処理筐体と、
   加熱された前記二次空気流を受けるように構成され配置される断熱筐体と、を備え、
   前記処理筐体は、前記断熱筐体および加熱された前記二次空気流を通って延びるように、かつ、前記一次空気流を前記二次空気流から切り離すように構成され配置されるようになっている、オーブン。
2. 前記コンベヤは、前記製品を前記処理筐体の中を通って第一の方向に動かすように構成され、前記処理筐体は、実質的に前記第一の方向に平行な筐体長軸を有し、前記筐体の中の前記一次空気流は、実質的に前記第一の方向に平行であり、前記断熱筐体の中の前記処理筐体の近傍の前記二次空気流は、実質的に前記第一の方向に対して垂直になっている、請求項１に記載されたオーブン。
3. 前記一次空気送出システムは、前記一次空気流および前記運搬された製品を受けて、前記処理筐体に前記一次空気流および前記運搬された製品を出力するように構成され配置される入力室を備える、請求項１に記載されたオーブン。
4. 前記コンベヤは、前記製品を前記処理筐体の中を通って第一の方向に動かすように構成され配置され、前記入力室は、加熱された前記一次空気流および前記運搬された製品を前記処理筐体に対して前記第一の方向に出力する、請求項３に記載されたオーブン。
5. 前記入力室は、
   空気流入開口と、
   空気流入開口とは異なる製品投入開口と、
   前記製品投入開口の反対側にある前記処理筐体への出口開口と、
   前記空気流入開口から前記出口開口へと空気流を方向付けるように構成され配置される空気流方向指示部とを備える、請求項４に記載されたオーブン。
6. 前記空気流入開口は前記出口開口に対して実質的に垂直に方向付けられ、前記空気流方向指示部は、前記空気流を前記第一の方向に対して実質的に垂直な方向から前記第一の方向に実質的に平行に方向付けるように構成され配置される、請求項５に記載されたオーブン。
7. 前記入力室は、前記製品投入開口の寸法調整機構をさらに備える、請求項５に記載されたオーブン。
8. 前記製品投入開口の寸法調整機構は、第１のプレートおよび第２のプレートを備え、前記第１のプレートおよび第２のプレートは、両者間に可変の隙間を提供するように、互いに相対的に位置調節可能になっている、請求項７に記載されたオーブン。
9. 前記製品投入開口の前記寸法を変化させるように、前記入力室に対して複数の前記プレートの位置を調節可能に固定するように構成され配置されるロック機構をさらに備える、請求項８に記載されたオーブン。
10. 前記ロック機構は、ロックネジを備える、請求項９に記載されたオーブン。
11. 前記筐体から前記製品および前記一次空気流を受けて、前記一次空気流を排出して、前記オーブンから前記製品を送り出すように構成され配置される出口室をさらに備える、請求項１に記載されたオーブン。
12. 前記出口室は、
    前記処理筐体からの入力開口と、
    前記入力開口の反対側の製品送出開口と、
    前記製品送出開口と異なる空気排気開口と、を備える、請求項１１に記載されたオーブン。
13. 前記空気排気開口は、前記入力開口に対して実質的に垂直に方向付けられる、請求項１２に記載されたオーブン。
14. 前記出口室は、前記製品投入開口の寸法調整機構をさらに備える、請求項１２に記載されたオーブン。
15. 前記開口の寸法調整機構は、第１のプレートおよび第２のプレートを備え、前記第１のプレートおよび第２のプレートは、両者間に可変の隙間を提供するように、互いに相対的に位置調節可能になっている、請求項１４に記載されたオーブン。
16. 前記製品送出開口の前記寸法を変化させるように、前記出口室に対して複数の前記プレートの位置を調節可能に固定するように構成され配置されるロック機構をさらに備える、請求項１５に記載されたオーブン。
17. 前記ロック機構は、ロックネジを備える、請求項１６に記載されたオーブン。
18. 前記一次空気送出システムは、送風機、ヒーター、温度計、連結管、弁、流量計および配管からなる群から選択される一つ以上の装置を備える、請求項１に記載されたオーブン。
19. 前記一次空気送出システムは、
    単一の再生型の送風機と、
    単一のインライン・ヒーターと、
    温度計と、
    空気流を複数の下流の経路に分割するように構成され配置される単一の連結管であって、前記経路の各々は弁および流量計を有する、連結管と、を備え、
    前記一次空気流は、前記製品と接触する前に、前記ヒーター、前記連結管および前記弁を１回だけ通って発生され循環されるようになっている、請求項１に記載されたオーブン。
20. 前記一次空気送出システムは、
    単一の再生型の送風機と、
    空気流を複数の下流の経路に分割するように構成され配置される連結管であって、前記製品と接触する前に、前記経路の各々は弁、流量計、インライン・ヒーターおよび温度計を有する、連結管と、を備える、請求項１に記載されたオーブン。
21. 前記一次空気送出システムは、前記処理筐体を出ていく一次空気流を、全体的に又は部分的に、再循環させないようになっている、請求項１に記載されたオーブン。
22. 前記二次空気送出システムは、
    送風機と、
    ヒーターと、
    温度計と、
    前記断熱筐体から使用された空気を受け取るための再循環入口と、
    前記断熱筐体から空気を排出するための流れ制御弁を有する空気排気出口と、
    追加空気を受けるための流れ制御弁を有する追加空気入口と、を備え、
    前記二次空気流は、前記使用された空気および前記追加空気の混合を含むようになっている、請求項１に記載されたオーブン。
23. 追加空気流および排気流は、前記弁によって制御されて、前記二次空気流における前記追加空気および前記使用された空気の量を変化させるようになっている、請求項２２に記載されたオーブン。
24. 前記二次空気送出システムは、
    前記処理筐体軸に対して垂直な軸を有するプラグ送風機であって、断熱筐体壁上で前記オーブンの製品移動寸法に沿ってほぼ中間に位置し、下向きに流れを導く放出圧力室と空気を受けるための上流の入口円錐とを有する、プラグ送風機と、
    下流かつ前記送風機の吐出ポートの近くに配置されるヒーターと、
    下流かつ前記ヒーターの近くに配置される温度計と、
    前記ヒーターの近く、かつ、前記断熱筐体の底の近くに配置される一組の案内する羽根であって、前記流れの向きを９０度回転させて前記断熱筐体の底の近くを流れるようにする、一組の案内する羽根と、
    第二の一組の羽根であって、前記流れをほぼ半分に分割し、前記流れの第１の半分部分の向きを９０度回転させて前記第一の方向に合わせ、前記流れの第２の半分部分の向きを９０度回転させて前記第一の方向とは反対にさせる、第二の一組の羽根と、
    第三の一組の羽根であって、前記流れの前記第１の部分の向きを９０度回転させて前記筐体軸に垂直な方向に上向きに流れるようにする、第三の一組の羽根と、
    第四の一組の羽根であって、前記流れの前記第２の部分の向きを９０度回転させて前記筐体軸に垂直な方向に上向きに流れるようにする、第四の一組の羽根と、
    流れ調節装置であって、前記オーブンの長さ全体にわたる長さを有し、前記処理筐体の最も広い寸法よりも幅が広く、かつ、前記上向きの空気流が前記処理筐体に接触する前に通過する、流れ調節装置と、
    前記処理筐体の上にある上多孔板と、
    空気収集圧力室であって、前記送風機から排出されて前記ヒーター、回転する羽根、流調節装置を通って前記処理筐体を覆う空気から、前記上多孔板を通って前記送風機の入口円錐に入る空気を分離する、空気収集圧力室と、を備える、請求項２に記載されたオーブン。
25. 前記流れ調節装置は、２つの多孔板を備え、この２つの多孔板の間に細胞構造を有する、請求項２４に記載されたオーブン。
26. 前記細胞組織は、ハニカム構造体である、請求項２５に記載されたオーブン。
27. 前記一次空気送出システムおよび前記二次空気送出システムは、前記処理筐体の内側に前記一次空気流を送出し、ほとんど同じ温度範囲で前記処理筐体の外側に前記二次空気流を送出するように構成され配置される、請求項１に記載されたオーブン。
28. 前記処理筐体は、長さおよび断面特性寸法を有し、前記長さは少なくとも前記断面特性寸法の約５０倍になっている、請求項１に記載されたオーブン。
29. 前記処理筐体の断面形状は、円形、正方形、矩形、卵形、又は楕円形である、請求項１に記載されたオーブン。
30. 前記製品および前記一次空気流を受けて含むように構成され配置され、前記断熱筐体を通って延びている複数の処理筐体を備える、請求項１に記載されたオーブン。
31. 前記複数の処理筐体のそれぞれに通じている複数の入力室および複数の出力室をさらに備える、請求項３０に記載されたオーブン。
32. 前記入力室は、空気流入開口と、
    製品投入開口であって、前記空気流入開口とは別であり、製品開口寸法を有する、製品投入開口と、
    前記処理筐体への出口開口であって、出口開口寸法を有する、出口開口と、を備え、
    前記出口開口寸法が、前記製品開口寸法よりも大きくなっている、請求項３に記載されたオーブン。

Images