JP4818964B2 - 耐炎化炉 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維製造用の耐炎化繊維を製造する際に使用される耐炎化炉に関する。

炭素繊維を製造する方法として、炭素繊維の前駆体繊維を耐炎化処理した後、炭素化処理する方法が広く知られている。
この炭素繊維の製造方法における耐炎化処理としては、例えば、酸化雰囲気の熱処理室内で前駆体繊維を熱風により熱処理する方法が採用される。
ところで、耐炎化処理は発熱反応を伴う処理であるため、熱処理室内全体にわたって伝熱性能を均一化させて反応斑を抑制することが重要である。そこで、特許文献１では、前駆体繊維の走行方向に対して平行に熱風を吹き出す耐炎化炉において、前駆体繊維の通路間を仕切り板により仕切って熱風の偏流を抑制することが提案されている。

また、耐炎化処理では、熱処理室にて熱風が局所的に滞留すると、前駆体繊維の発熱に対して充分な除熱ができなくなるため、前駆体繊維が切断することがあった。耐炎化処理中に前駆体繊維が切断すると、下側の通路を通る前駆体繊維に絡み合って誘発切断を招き、生産性が低下することがあった。さらに、前駆体繊維が絡み合うと火災を誘発するおそれがあった。そこで、特許文献２では、前駆体繊維の通路間に複数の棒が所定の間隔で配設された耐炎化炉が提案されている。
特開昭６２−２２８８６５号公報 特開２００４−９１９４６号公報

しかし、特許文献１に記載の耐炎化炉では、伝熱性能を充分に均一化できないことがあった。そのため、処理温度を低く抑える必要性があり、処理時間を長くしなければならないという問題を有していた。
特許文献２に記載の耐炎化炉では、切断した前駆体繊維が下側の通路を通る前駆体繊維に絡み合うことを充分に防止できなかった。特に、熱風を前駆体繊維の走行方向に対して平行に吹き出す場合には、熱風と前駆体繊維の走行方向が向流となる部分にて、切断した前駆体繊維が棒と棒の間をすり抜けて、下側の通路を通る前駆体繊維と絡み合うことがあった。また、切断した前駆体繊維が棒に絡み、熱処理室に滞留して不具合を生じさせるおそれもあった。
本発明の目的は、耐炎化処理の際に、熱処理室内全体にわたって伝熱性能を均一化させることができ、また、前駆体繊維が切断したときに下側の通路を通る前駆体繊維に絡むことによる誘発切断の発生を抑制でき、耐炎化繊維を高い生産性で得ることができる耐炎化炉を提供することにある。

本発明は、以下の態様を包含する。
［１］ 以下の熱風吹出口と、熱風吸込口と、熱処理室とを具備する耐炎化炉。
熱風吹出口：
水平方向に熱処理室内に熱風を吹き出す。
熱風吸込口：
水平方向に熱風吹出口と相対して配置され、熱処理室内の熱風を吸い込む。
熱処理室：
前駆体繊維を水平方向に走行させて熱処理する熱処理室であって、
水平方向に配された仕切り板によって区画された前駆体繊維通路を２段以上有し、
前駆体繊維通路は、前駆体繊維が熱風の吹き出し方向に走行する並流通路と、前駆体繊維が熱風の吹き出しと反対方向に走行する向流通路とを有し、
並流通路と向流通路とが、熱風吸込口近傍にて連通する。
［２］ 以下の絡み防止用部材を有する［１］に記載の耐炎化炉。
絡み防止用部材：
並流通路と向流通路とが連通する部分に配置され、
棒状であり、その中心軸方向が、前駆体繊維の走行方向に対して直交方向かつ水平方向である。
［３］ 仕切り板は、熱処理室から取り外し可能である［１］または［２］に記載の耐炎化炉。

本発明の耐炎化炉によれば、耐炎化処理の際に、熱処理室内全体にわたって伝熱性能を均一化させることができ、また、前駆体繊維が切断したときに下側の通路を通る前駆体繊維に絡むことによる誘発切断の発生を抑制でき、耐炎化繊維を高い生産性で得ることができる。

＜第１の実施形態例＞
本発明の耐炎化炉の第１の実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例の耐炎化炉を示す。本実施形態例の耐炎化炉１は、熱処理室１０と、熱処理室１０内に設置された熱風吹出口２０および熱風吸込口３０と、熱処理室１０の外側に設けられたガイドロール４０ａ，４０ｂと、熱風吸込口３０に熱風回収管５１を介して接続された加熱機５０と、加熱機５０および熱風吹出口２０に熱風供給管６１を介して接続された送風機６０とを具備するものである。

［熱処理室］
熱処理室１０は、前駆体繊維Ａを１回以上（本実施形態例では７回）折り返して、水平方向に走行させながら熱処理するものである。ここで、前駆体繊維Ａとは、炭素繊維の前駆体となる繊維のことである。前駆体繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系繊維が挙げられる。
本実施形態例における熱処理室１０は、略直方体状のものであり、水平方向に配された仕切り板（第１の仕切り板１１ａ，第２の仕切り板１１ｂ）によって区画された前駆体繊維の通路１２ａ〜１２ｈが水平に８段形成されている。
ここで、通路１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇでは、熱風の吹き出し方向に前駆体繊維Ａが走行している。以下、通路１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇのことを並流通路１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇという。
また、通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈでは、熱風の吹き出し方向と反対方向に前駆体繊維Ａが走行している。以下、通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈのことを向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈという。

第１の仕切り板１１ａは、上面側が並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇに、下面側が向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆになっており、熱風吹出口２０から熱風吸込口３０の手前まで設置されている。すなわち、第１の仕切り板１１ａは熱風吸込口３０に接しておらず、熱風吸込口３０近傍にて、向流通路１２ｂと並流通路１２ｃ、向流通路１２ｄと並流通路１２ｅ、向流通路１２ｆと並流通路１２ｇが連通している。

本実施形態例において、第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間隔ｕは、熱風の風速にもよるが、熱風吹出口２０と熱風吸込口３０との距離Ｌの２５％以下であることが好ましい。第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間隔ｕが、熱風吹出口２０と熱風吸込口３０との距離Ｌの２５％以下であれば、耐炎化処理の途中の前駆体繊維Ａが切断して垂れ落ちた際に、連通部分にて、下側の通路を通る前駆体繊維と絡み合うことを防止できる。
また、第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間隔ｕは、ガイドロール４０ａ，４０ｂの直径程度以上であることが好ましい。第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間隔ｕが、ガイドロール４０ａ，４０ｂの直径程度以上であれば、熱処理室１０内の伝熱性能をより均一化できる。

第２の仕切り板１１ｂは、上面側が向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆに、下面側が並流通路１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇになっており、熱風吹出口２０から熱風吸込口３０の手前まで設置されている。すなわち、第２の仕切り板１１ｂは熱風吸込口３０に接しておらず、熱風吸込口３０近傍にて、並流通路１２ａと向流通路１２ｂ、並流通路１２ｃと向流通路１２ｄ、並流通路１２ｅと向流通路１２ｆ、並流通路１２ｇと向流通路１２ｈが連通している。

第１の仕切り板１１ａおよび第２の仕切り板１１ｂは、熱処理室１０から取り外し可能になっていることが好ましい。第１の仕切り板１１ａおよび第２の仕切り板１１ｂが、熱処理室１０から取り外し可能になっていれば、熱処理室１０内部、第１の仕切り板１１ａおよび第２の仕切り板１１ｂを容易に清掃あるいは補修できる。

また、熱処理室１０の長さ方向（図示例の左右方向）の一方の側面１３ａおよび他方の側面１３ｂには、前駆体繊維Ａの出入口となるスリット１４ａ，１４ｂが各々形成されている。

［熱風吹出口］
熱風吹出口２０は、前駆体繊維Ａの走行方向に対して平行に熱風を熱処理室１０内に吹き出すものである。
本実施形態例における熱風吹出口２０は、前駆体繊維Ａ，Ａ間の、熱処理室１０の一方の側面１３ａ近傍に設置されている。

［熱風吸込口］
熱風吸込口３０は、熱風を熱処理室１０から吸い込むものである。
本実施形態例の熱風吸込口３０は、前駆体繊維Ａ，Ａ間の、熱処理室１０の他方の側面１３ｂ近傍に設置されている。

［ガイドロール］
ガイドロール４０ａ，４０ｂは、前駆体繊維Ａの走行方向を折り返すものである。
本実施形態例では、熱処理室１０の一方の側面１３ａの近傍に、ガイドロール４０ａが３個設けられている。ガイドロール４０ａにより、熱処理室１０の一方の側面１３ａのスリット１４ａから送出した前駆体繊維Ａの走行方向を折り返して、前駆体繊維Ａをスリット１４ａから熱処理室１０内に再び送入するようになっている。
また、熱処理室１０の他方の側面１３ｂの近傍にガイドロール４０ｂが４個設けられている。ガイドロール４０ｂにより、熱処理室１０の一方の側面１３ｂのスリット１４ｂから送出した前駆体繊維Ａの走行方向を折り返して、前駆体繊維Ａをスリット１４ｂから熱処理室１０内に再び送入するようになっている。

［加熱機］
加熱機５０は、熱風吸込口３０から吸い込んだ回収熱風を再加熱して熱風を生成するものである。
加熱機５０に接続された熱風回収管５１は、各熱風吸込口３０に接続された枝管５１ａと、各枝管５１ａが全て接続された一本の幹管５１ｂとから構成されている。

［送風機］
送風機６０は、加熱機５０により生成した熱風を熱風吹出口２０に熱風を供給するものである。送風機６０の具体例としては、ファンなどが挙げられる。
送風機６０に接続された熱風供給管６１は、各熱風吹出口２０に接続された枝管６１ａと、各枝管６１ａが全て接続された一本の幹管６１ｂとから構成されている。

［耐炎化処理方法］
この耐炎化炉１を用いた耐炎化方法では、熱処理室１０内を加熱する。加熱するためには、加熱機５０により生成した熱風を、送風機６０および熱風供給管６１を用いて熱風吹出口２０に供給する。そして、熱風吹出口２０から、前駆体繊維Ａの走行方向と平行に熱風を吹き出す。また、熱処理室１０内の熱風を熱風吸込口３０により吸い込み、熱風回収管５１を用いて加熱機５０に返送する。このようにして熱風を循環させながら、熱処理室１０内を加熱する。
上記のように熱処理室１０内を加熱しつつ、前駆体繊維Ａを一方の側面１３ａの一番下のスリット１４ａから熱処理室１０内に送入して、並流通路１２ａを通過させた後、他方の側面１３ｂの一番下のスリット１４ｂから送出させる。送出させた前駆体繊維Ａをガイドロール４０ｂにより走行方向を折り返し、折り返した前駆体繊維Ａを熱処理室１０内に再び送入し、向流通路１２ｂを通過させた後、一方の側面１３ａの下から二番目のスリット１４ａから送出させる。送出させた前駆体繊維Ａをガイドロール４０ａにより走行方向を折り返し、折り返した前駆体繊維Ａを熱処理室１０内に再び送入して、並流通路１２ｃを通過させる。これと同様にして、前駆体繊維Ａを向流通路１２ｄ、並流通路１２ｅ、向流通路１２ｆ、並流通路１２ｇ、向流通路１２ｈに順次通過させ、熱処理して、耐炎化処理を施す。

［作用効果］
耐炎化処理は発熱反応であるため、並流通路１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇにて熱処理された前駆体繊維Ａは発熱して、必要以上の温度になるおそれがある。
しかし、本実施形態例の耐炎化炉１では、以下の理由より、耐炎化処理における前駆体繊維Ａの発熱を除熱でき、熱処理室１０内全体にわたって伝熱性能を均一化させることができる。
前駆体繊維Ａが熱処理室１０から送出されると一旦その温度が低下するため、ガイドロール４０ｂを経由して熱処理室１０に送入された前駆体繊維Ａは送出前より温度が低くなっている。そのため、向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆの熱風吸込口３０近傍が冷却される。本実施形態例では、熱風吸込口３０近傍にて、向流通路１２ｂ、並流通路１２ｃ、向流通路１２ｄ、並流通路１２ｅ、向流通路１２ｆ、並流通路１２ｇが連通しているため、これらの間で容易に伝熱できる。そのため、並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇの熱風吸込口３０近傍が冷却されることによって、向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆの熱風吸込口３０近傍を冷却でき、その結果、前駆体繊維Ａの発熱を抑制できる。このように、前駆体繊維Ａの発熱を、向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆの熱風吸込口３０近傍の熱風により冷却できるため、熱処理室１０内全体にわたって伝熱性能を均一化させることができる。このように伝熱性能を均一化させることにより、加熱温度を高く設定することが可能となり処理時間の短縮が可能となる。

また、本実施形態例の耐炎化炉１では、向流通路１２ｂ、並流通路１２ｃ、向流通路１２ｄ、並流通路１２ｅ、向流通路１２ｆ、並流通路１２ｇが連通しているのは、熱風吸込口３０近傍のみであり、そのほかの部分では連通していない。そのため、前駆体繊維Ａが切断したときでも、その下の通路を通る前駆体繊維Ａと絡むことを防止できる。したがって、絡みによる誘発切断の発生を抑制でき、耐炎化繊維を高い生産性で得ることができる。

＜第２の実施形態例＞
本発明の耐炎化炉の第２の実施形態例について説明する。
図２に、本実施形態例の耐炎化炉を示す。本実施形態例の耐炎化炉２は、第１の実施形態例１と同様に、熱処理室１０と、熱処理室１０内に設置された熱風吹出口２０および熱風吸込口３０と、熱処理室１０の外側に設けられたガイドロール４０ａ，４０ｂと、熱風吸込口３０に熱風回収管５１を介して接続された加熱機５０と、加熱機５０および熱風吹出口２０に熱風供給管６１を介して接続された送風機６０とを具備するものである。
なお、本実施形態例において第１の実施形態例と同様のものは図１と同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態例における熱処理室１０は、第１の仕切り板１１ａ，１１ｃによって前駆体繊維の通路１２ａ〜１２ｈが水平に８段形成されている。
第２の仕切り板１１ｃは、上面側が並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇに、下面側が向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆになっており、熱風吹出口２０から熱風吸込口３０まで設置されている。すなわち、第１の仕切り板１１ａは、並流通路１２ａと向流通路１２ｂ、並流通路１２ｃと向流通路１２ｄ、並流通路１２ｅと向流通路１２ｆ、並流通路１２ｇと向流通路１２ｈが連通しないように設置されている。

一般に、向流通路にて前駆体繊維が切断した場合には、切断した前駆体繊維が熱風の流れによって押し戻される。押し戻された前駆体繊維は仕切り板のない箇所から垂れ下がって、その下方の並流通路を通る前駆体繊維と絡み合いやすい。
しかし、本実施形態例の耐炎化炉２では、第２の仕切り板１１ｃによって、並流通路１２ａと向流通路１２ｂ、並流通路１２ｃと向流通路１２ｄ、並流通路１２ｅと向流通路１２ｆ、並流通路１２ｇと向流通路１２ｈが連通しないようになっているから、向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈにて前駆体繊維Ａが切断しても、その下の並流通路１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇを通る前駆体繊維Ａに絡むことをより確実に防止できる。

また、本実施形態例の耐炎化炉２においても、並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇと並流通路の下側の向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆとが、熱風吸込口３０近傍にて連通しているため、第１の実施形態例と同様の理由により、熱処理室１０内全体にわたって伝熱性能を均一化させることができる。また、前駆体繊維Ａの絡みによる誘発切断の発生を抑制でき、耐炎化繊維を高い生産性で得ることができる。

＜第３の実施形態例＞
本発明の耐炎化炉の第３の実施形態例について説明する。
図３に、本実施形態例の耐炎化炉を示す。本実施形態例の耐炎化炉３は、第１の実施形態例と同様に、熱処理室１０と、熱処理室１０内に設置された熱風吹出口２０および熱風吸込口３０と、熱処理室１０の外側に設けられたガイドロール４０ａ，４０ｂと、熱風吸込口３０に熱風回収管５１を介して接続された加熱機５０と、加熱機５０および熱風吹出口２０に熱風供給管６１を介して接続された送風機６０とを具備するものである。
なお、本実施形態例において第１の実施形態例と同様のものは図１と同じ符号を付し、第２の実施形態例と同様のものは図２と同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態例の耐炎化炉３では、第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間の並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇと向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆとが連通している部分に、絡み防止部材１５，１５・・・が設けられている。絡み防止部材１５，１５・・・は棒状であり、その中心軸が前駆体繊維Ａの走行方向に対して直交方向かつ水平方向である。各防止部材１５，１５・・・は、一定間隔で配置されることが好ましい。このように絡み防止部材１５が設けられていることによって、並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇを通る前駆体繊維が切断した場合でも、第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間にて、その下の向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆを通る前駆体繊維に絡むことをより防止できるようになっている。

絡み防止部材１５，１５同士の間隔は６０〜３００ｍｍの範囲とすることが好ましい。絡み防止部材１５，１５同士の間隔が６０ｍｍ以上であれば、熱処理室１０の伝熱性能をより均一化できる。また、絡み防止部材１５，１５同士の間隔が３００ｍｍ以下であれば、並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇを通る前駆体繊維Ａが切断した場合でも、第１の仕切り板１１ａと熱風吸込口３０との間にて、その下の向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆを通る前駆体繊維Ａに絡むことを特に防止できる。

また、本実施形態例の耐炎化炉３においても、並流通路１２ｃ，１２ｅ，１２ｇと並流通路の下側の向流通路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆとが、熱風吸込口３０近傍にて連通しているため、第１の実施形態例と同様の理由により、熱処理室１０内全体にわたって伝熱性能を均一化させることができる。また、前駆体繊維Ａの絡みによる誘発切断の発生を抑制でき、耐炎化繊維を高い生産性で得ることができる。

なお、本発明は、上述した第１〜第３の実施形態例の耐炎化炉１〜３に限定されない。例えば、上述した実施形態例では、第１の仕切り板１１ａ，１１ｂ，１１ｃは熱風吹出口２０から熱風吸込口３０またはその近傍まで設置されていたが、熱風吹出口２０の近傍から熱風吸込口３０またはその近傍まで設置されていてもよい。第１の仕切り板１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが熱風吹出口２０の近傍から設置されている場合には、熱風吹出口２０の吹出し面積を大きくすることができる。
図４および図５に、仕切り板が熱風吹出口２０の近傍から熱風吸込口３０またはその近傍まで設置されている実施形態例を示す。
図４に示す実施形態例の耐炎化炉４は、第１の実施形態例の耐炎化炉１の変形例であって、第１の仕切り板１１ｄおよび第２の仕切り板１１ｅが、熱風吹出口２０の近傍から熱風吸込口３０の近傍まで設置されている実施形態例である。
図５に示す実施形態例の耐炎化炉５は、第２の実施形態例の耐炎化炉２の変形例であって、第１の仕切り板１１ｄが、熱風吹出口２０の近傍から熱風吸込口３０の近傍まで設置され、第２の仕切り板１１ｆが、熱風吹出口２０の近傍から熱風吸込口３０の近傍まで設置されている実施形態例である。
熱風吹出口２０から第１の仕切り板１１ｄ，１１ｅ，１１ｆまでの間隔ｍは、それらの間にて、切断した前駆体繊維Ａがその下の通路を通る前駆体繊維Ａに絡むことを防止できることから、ガイドロール４０ａの直径以下程度であることが好ましい。

また、本発明の耐炎化炉では、熱風に対して並流に前駆体繊維が走行する並流通路と、該並流通路に隣接し、熱風に対して向流に前駆体繊維が走行する向流通路とが、実質的に連通されていればよく、例えば、第１の実施形態例の仕切り板１１ａ〜１１ｆと熱風吸込口３０までの間に多孔板等の両側が連通した板を設置し、実質的に連通した状態にすることでも同等の効果を発揮できる。

また、本発明の耐炎化炉では、並流通路とその下の向流通路とが連通されておらず、該並流通路とその上の向流通路とが連通されていてもよい。
また、本発明の耐炎化炉における通路の段数は、２段以上であればよく、８段に限られない。

本発明の耐炎化炉の第１の実施形態例を模式的に示す図である。 本発明の耐炎化炉の第２の実施形態例を模式的に示す図である。 本発明の耐炎化炉の第３の実施形態例を模式的に示す図である。 本発明の耐炎化炉の他の実施形態例を模式的に示す図である。 本発明の耐炎化炉の他の実施形態例を模式的に示す図である。

符号の説明

１，２，３，４，５ 耐炎化炉
１０ 熱処理室
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ 仕切り板
１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇ 並流通路
１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈ 向流通路
１３ａ，１３ｂ 側面
１４ａ，１４ｂ スリット
１５ 絡み防止部材
２０ 熱風吹出口
３０ 熱風吸込口
４０ａ，４０ｂ ガイドロール
５０ 加熱機
５１ 熱風回収管
５１ａ 枝管
５１ｂ 幹管
６０ 送風機
６１ 熱風供給管
６１ａ 枝管
６１ｂ 幹管
Ａ 前駆体繊維

Claims (3)

1. 以下の熱風吹出口と、熱風吸込口と、熱処理室とを具備する耐炎化炉。
   熱風吹出口：
   水平方向に熱処理室内に熱風を吹き出す。
   熱風吸込口：
   水平方向に熱風吹出口と相対して配置され、熱処理室内の熱風を吸い込む。
   熱処理室：
   前駆体繊維を水平方向に走行させて熱処理する熱処理室であって、
   水平方向に配された仕切り板によって区画された前駆体繊維通路を２段以上有し、
   前駆体繊維通路は、前駆体繊維が熱風の吹き出し方向に走行する並流通路と、前駆体繊維が熱風の吹き出しと反対方向に走行する向流通路とを有し、
   並流通路と向流通路とが、熱風吸込口近傍にて連通する。
2. 以下の絡み防止用部材を有する請求項１に記載の耐炎化炉。
   絡み防止用部材：
   並流通路と向流通路とが連通する部分に配置され、
   棒状であり、その中心軸方向が、前駆体繊維の走行方向に対して直交方向かつ水平方向である。
3. 仕切り板は、熱処理室から取り外し可能である請求項１または２に記載の耐炎化炉。

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