JP6486169B2 - 加熱方法、炭素繊維の製造方法及び炭素繊維並びに加熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被加熱物を加熱するための加熱方法等に関する。
炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系繊維、レーヨン系繊維、セルロース系繊維及び、ピッチ系繊維等から製造された前駆体繊維を焼成（加熱）して製造される。例えば、ポリアクリロニトリル系繊維から製造された前駆体繊維の焼成は、酸素を含む雰囲気中（耐炎化炉内）で加熱する耐炎化工程、耐炎化工程を経た繊維（以下、「耐炎繊維」という。）を不活性雰囲気中（炭素化炉）で加熱する炭素化工程を経て行われる。なお、上記焼成は、繊維が、耐炎化炉及び炭素化炉を通過（走行）することで行われる。また、ここでの繊維は、フィラメントが複数本集まった束状をしている。
炭素化工程における加熱は、電気ヒータ等を利用している。つまり、炉内雰囲気を電気ヒータ等で加熱して、この加熱された炉内を耐炎繊維が通過することで、耐炎繊維を間接的に加熱している。この場合、炉内全体を加熱する必要があるため耐炎繊維への加熱効率が低かった（低加熱効率）り、炉内の熱が耐炎繊維の外側から内側へと徐々に伝わるため炭素化に時間を要した（長時間化）りする。
このような電気ヒータ等を用いた際の低加熱効率や炭素化の長時間化を改善する方法として、耐炎繊維を直接加熱する方法等が検討されている。直接加熱する方法として、例えば、マイクロ波を利用する方法（例えば、特許文献１〜３）がある。また、マイクロ波を利用した加熱する技術として特許文献４及び５のようなものがある。
炭素化工程における加熱は、電気ヒータ等を利用している。つまり、炉内雰囲気を電気ヒータ等で加熱して、この加熱された炉内を耐炎繊維が通過することで、耐炎繊維を間接的に加熱している。この場合、炉内全体を加熱する必要があるため耐炎繊維への加熱効率が低かった（低加熱効率）り、炉内の熱が耐炎繊維の外側から内側へと徐々に伝わるため炭素化に時間を要した（長時間化）りする。
このような電気ヒータ等を用いた際の低加熱効率や炭素化の長時間化を改善する方法として、耐炎繊維を直接加熱する方法等が検討されている。直接加熱する方法として、例えば、マイクロ波を利用する方法（例えば、特許文献１〜３）がある。また、マイクロ波を利用した加熱する技術として特許文献４及び５のようなものがある。
しかしながら、特許文献３の技術は、被加熱物を導波管内に導入するための開口を導波管の上面に有している。このため、開口からマイクロ波が漏れるのを防止するために、チョーク構造のボスを設けている。従って、被加熱物である糸状導電材料は、ボスの貫通孔を通過できるものに限定されてしまう。なお、この課題は、糸状導電材料以外に、フォルム状材料や搬送手段により導波管内を搬送される被加熱物にも生じる課題である。
本発明は、上記した課題に鑑み、被加熱物の制限を受け難い加熱方法や加熱装置等を提供することを目的とする。
本発明は、上記した課題に鑑み、被加熱物の制限を受け難い加熱方法や加熱装置等を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る加熱方法は、一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面方形状の加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波により、前記加熱管内を走行する被加熱物を加熱する加熱方法において、前記被加熱物は、前記一対の短側壁を横切るように、供給される。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、前駆体繊維を加熱して炭素繊維を製造する炭素繊維の製造方法において、前記前駆体を加熱する加熱方法は上記加熱方法を含む。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る加熱装置は、一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面方形状の加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波により、前記加熱管内を走行する被加熱物を加熱する加熱装置において、前記一対の短側壁に前記被加熱物用の導入口と導出口とが設けられている。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、前駆体繊維を加熱して炭素繊維を製造する炭素繊維の製造方法において、前記前駆体を加熱する加熱方法は上記加熱方法を含む。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る加熱装置は、一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面方形状の加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波により、前記加熱管内を走行する被加熱物を加熱する加熱装置において、前記一対の短側壁に前記被加熱物用の導入口と導出口とが設けられている。
本発明の一態様に係る加熱方法及び加熱装置において、被加熱物は一対の短側壁を横切るように供給される。短側壁での電界強度は低く、特許文献３に記載の装置よりもマイクロ波の漏れを少なくできる。従って、特許文献３に記載の装置よりも被加熱物の大きさが制限され難い。
＜概要＞
本発明の一態様に係る加熱方法は、一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面形状が方形状をする加熱管を有し、加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波を利用して、加熱管内を走行する被加熱物を加熱する。なお、ここでは、ＴＥモードの例としてＴＥ１０について説明するが、他のＴＥモード、例えばＴＥ２０であってもよい。
本発明の一態様に係る加熱方法は、一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面形状が方形状をする加熱管を有し、加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波を利用して、加熱管内を走行する被加熱物を加熱する。なお、ここでは、ＴＥモードの例としてＴＥ１０について説明するが、他のＴＥモード、例えばＴＥ２０であってもよい。
図１は、マイクロ波が伝播する加熱管の断面における電界強度分布の概念図を示す。図２は、加熱管を伝播するマイクロ波の様子を示す。
マイクロ波Ａは、図１において紙面と直交する方向に伝播し、図２に示すように加熱管１５の管軸が延伸する方向にマイクロ波Ａが伝播する。加熱管１５は、図１において上下方向に延伸する側壁１５ａ，１５ｂが「短側壁」であり、左右方向に延伸する側壁１５ｃ，１５ｄが「長側壁」である。短側壁１５ａ，１５ｂが存在する位置では、電界強度が最も低くなっている。なお、本稿では紙面下側の「長側壁」を導入孔が設けられた側の長側壁１５ｃとする。
マイクロ波Ａは、図１において紙面と直交する方向に伝播し、図２に示すように加熱管１５の管軸が延伸する方向にマイクロ波Ａが伝播する。加熱管１５は、図１において上下方向に延伸する側壁１５ａ，１５ｂが「短側壁」であり、左右方向に延伸する側壁１５ｃ，１５ｄが「長側壁」である。短側壁１５ａ，１５ｂが存在する位置では、電界強度が最も低くなっている。なお、本稿では紙面下側の「長側壁」を導入孔が設けられた側の長側壁１５ｃとする。
加熱管１５に供給される被加熱物１ｂは、図１に示すように、一対の短側壁１５ａ，１５ｂを横切るように、供給される。つまり、短側壁１５ａには被加熱物１ｂ用の導入口１５ｇが設けられ、短側壁１５ｂには加熱された被加熱物１ｂ用の導出口１５ｈが設けられている。これにより、加熱管１５内における電界強度の最も低い一方の短側壁１５ａから前駆体繊維１ｂが加熱管１５の内部に導入され、加熱管１５内における電界強度の最も低い他方の短側壁１５ｂから加熱された被加熱物１ｂが加熱管１５の外部へと導出される。
本加熱装置及び本加熱方法は、電界強度の最も低い短側壁１５ａ，１５ｂにおいて被加熱物１ｂの導入・導出ができればよく、この観点からは、被加熱物１ｂが、マイクロ波Ａの伝播方向と直交する面内を走行する必要はない。例えば、加熱管１５の内部を走行する被加熱物１ｂは、マイクロ波Ａの伝播方向と直交する面に対して交差してもよい。また、加熱管１５の内部を走行する被加熱物１ｂは、一対の長側壁１５ｃ，１５ｄと平行に進行してもよいし、一対の長側壁１５ｃ，１５ｄに対して傾斜して走行してもよい。
生産性を考慮して被加熱物１ｂが加熱管１５に複数供給される場合がある。この場合、複数の被加熱物１ｂはマイクロ波Ａの伝播方向に間隔を置いて供給される。複数の被加熱物１ｂの加熱斑、加熱効率や電界強度ムラを考慮すると、短側壁１５ａ，１５ｂの２分の１程度の同じ高さで一対の長側壁１５ｃ，１５ｄ側の間を通過するのが好ましい。また、被加熱物１ｂの熱効率や電界強度ムラを考慮すると、被加熱物は長側壁１５ｃの導入孔１０６を基準としたときにマイクロ波Ａの伝播方向に対して同じ距離間隔で配置するのが好ましい（図４参照）。ここで供給される被加熱物１ｂは、誘電体であることが好ましい。
被加熱物１ｂを加熱管１５に供給する場合、誘電体（被加熱物１ｂ）の導入本数や太さなどによって、加熱管１５内でマイクロ波Ａの波長が短縮してしまったり、加熱管１５内の特性インピーダンスが変わるため、都度、可変短絡板及びスリースタブチューナ等で微調整を行うことが望ましい。
また、被加熱物１ｂを加熱管１５に複数供給する場合、供給位置によってマイクロ波の電界強度の差が大きくなることがある（電界強度ムラが大きくなる）。なお、電界強度ムラが大きくなると、供給された被加熱物１ｂの加熱温度ムラが大きくなる。このような場合、マイクロ波Ａの電界強度はマイクロ波Ａの伝播方向に調整されていることが好ましい。電界強度の調整は、加熱管１５の対向する内壁の間隔を変えることで行うことができる。例えば、マイクロ波Ａが進行波の場合、進行方向に進行するに従って加熱管１５にテーパ等を付けて、内壁の高さや幅を短くすればよい。より具体的には、一対の長側壁１５ｃ，１５ｄ間の距離や一対の短側壁１５ａ，１５ｂの距離を小さくすればよい。また、マイクロ波Ａが定在波の場合は、電界を強めたい部分の加熱管１５や導波管の対向する内壁の距離を短くすればよい。
加熱管１５内のマイクロ波Ａは、加熱管１５の一端に設けられているマイクロ波発振器から導入されてもよいし、マイクロ波発振器が一端に設けられている導波管から導入されてもよい。導波管を用いる場合、導波管は、当該導波管の管軸が加熱管１５の管軸と平行であって、加熱管１５の内部と導波管の内部とが一方の長側壁を介して隣接する状態で設けられ、一方の長側壁は、導波管内のマイクロ波を加熱管内へと伝播するための導入孔を有するようにすればよい。
導波管を利用する場合、マイクロ波の電界強度の調整は、導波管の太さ（導波管の内部空間の太さ）を変えることで行うことができる。例えば、マイクロ波Ａが進行波の場合、進行方向に進行するに従って加熱管１５や導波管の対向する内壁の間隔を小さくすればよい。より具体的には、加熱管１５や導波管の一対の長側壁１５ｃ，１５ｄ間の距離や一対の短側壁１５ａ，１５ｂの距離を小さくすればよい。また、マイクロ波Ａが定在波の場合は、電界を強めたい部分の加熱管１５や導波管の対向する内壁の距離を短くすればよい。
導波管を利用する場合、マイクロ波の電界強度の調整は、導波管の太さ（導波管の内部空間の太さ）を変えることで行うことができる。例えば、マイクロ波Ａが進行波の場合、進行方向に進行するに従って加熱管１５や導波管の対向する内壁の間隔を小さくすればよい。より具体的には、加熱管１５や導波管の一対の長側壁１５ｃ，１５ｄ間の距離や一対の短側壁１５ａ，１５ｂの距離を小さくすればよい。また、マイクロ波Ａが定在波の場合は、電界を強めたい部分の加熱管１５や導波管の対向する内壁の距離を短くすればよい。
また、導波管を利用する場合、マイクロ波の電界強度の調整は、導入孔の大きさを変えることで行うことができる。例えば、マイクロ波Ａが進行波の場合、進行方向に進行するに従って導入孔を大きくすればよい。また、マイクロ波Ａが定在波の場合は、電界を強めたい部分（近傍を含む）の導入孔を大きくすればよい。
また、導波管を利用し、被加熱物１ｂを加熱管１５に供給する場合、誘電体（被加熱物１ｂ）の導入本数や太さなどによって、加熱管１５内でマイクロ波Ａの波長が短縮してしまったり、導波管内の特性インピーダンスが変わるため、都度、可変短絡板及びスリースタブチューナ等で微調整を行うことが望ましい。
また、導波管を利用し、被加熱物１ｂを加熱管１５に供給する場合、誘電体（被加熱物１ｂ）の導入本数や太さなどによって、加熱管１５内でマイクロ波Ａの波長が短縮してしまったり、導波管内の特性インピーダンスが変わるため、都度、可変短絡板及びスリースタブチューナ等で微調整を行うことが望ましい。
＜実施形態＞
１．全体
以下、マイクロ波加熱を利用した炭素繊維の製造方法について説明する。
図３は、炭素繊維の製造工程を示す概略図である。
炭素繊維は、前駆体繊維であるプリカーサを用いて製造される。１本のプリカーサは、複数本、例えば、１２，０００本のフィラメントが束になったものである。場合によっては、前駆体繊維束や炭素繊維束ということもある。
１．全体
以下、マイクロ波加熱を利用した炭素繊維の製造方法について説明する。
図３は、炭素繊維の製造工程を示す概略図である。
炭素繊維は、前駆体繊維であるプリカーサを用いて製造される。１本のプリカーサは、複数本、例えば、１２，０００本のフィラメントが束になったものである。場合によっては、前駆体繊維束や炭素繊維束ということもある。
プリカーサ１ａは、アクリロニトリルを９０質量％以上含有する単量体を重合した紡糸溶液を湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法において紡糸した後、水洗・乾燥・延伸して得られる。なお、共重合する単量体としては、アクリル酸アルキル、メタクリル酸アルキル、アクリル酸、アクリルアミド、イタコン酸、マレイン酸等が利用される。
通常、プリカーサ１ａを製造する速さと、プリカーサ１ａを炭素化して炭素繊維を製造する速さが異なる。このため、製造されたプリカーサ１ａは、一旦、カートンに収容されたり、ボビンに巻き取られたりする。
通常、プリカーサ１ａを製造する速さと、プリカーサ１ａを炭素化して炭素繊維を製造する速さが異なる。このため、製造されたプリカーサ１ａは、一旦、カートンに収容されたり、ボビンに巻き取られたりする。
炭素繊維は、図３に示すように、例えばボビン３０から引き出され、下流側に向かって走行し、その途中で、各種の処理がなされて、ボビン３９に巻き取られる。
炭素繊維は、図３に示すように、プリカーサ１ａを耐炎化する耐炎化工程と、耐炎化された繊維（以下、「耐炎繊維」といいい、本発明の「前駆体繊維」の一例に相当する。）１ｂを延伸させながら炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維（以下、「炭素化後の繊維」ともいう。）１ｄの表面を改善する表面処理工程と、表面が改善された繊維１ｅに樹脂を付着させるサイジング工程と、樹脂が付着した繊維１ｆを乾燥させる乾燥工程とを経て製造される。
炭素繊維は、図３に示すように、プリカーサ１ａを耐炎化する耐炎化工程と、耐炎化された繊維（以下、「耐炎繊維」といいい、本発明の「前駆体繊維」の一例に相当する。）１ｂを延伸させながら炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維（以下、「炭素化後の繊維」ともいう。）１ｄの表面を改善する表面処理工程と、表面が改善された繊維１ｅに樹脂を付着させるサイジング工程と、樹脂が付着した繊維１ｆを乾燥させる乾燥工程とを経て製造される。
乾燥された繊維１ｇは、炭素繊維１ｇとしてボビン３９に巻き取られる。なお、各工程を終えた繊維を、例えば耐炎繊維１ｂのように、区別しているが、単に「繊維」として説明する際の符号は、「１」を用いる。
ここで、プリカーサ１ａを耐炎化する処理を耐炎化処理、耐炎繊維１ｂを炭素化する処理を炭素化処理、炭素化後の繊維１ｄの表面を改善する処理を表面処理、表面が改善された繊維１ｅに樹脂を付着させる処理をサイジング処理、樹脂が付着した繊維１ｆを乾燥させる処理を乾燥処理とそれぞれいう。以下、処理、工程について説明する。
ここで、プリカーサ１ａを耐炎化する処理を耐炎化処理、耐炎繊維１ｂを炭素化する処理を炭素化処理、炭素化後の繊維１ｄの表面を改善する処理を表面処理、表面が改善された繊維１ｅに樹脂を付着させる処理をサイジング処理、樹脂が付着した繊維１ｆを乾燥させる処理を乾燥処理とそれぞれいう。以下、処理、工程について説明する。
（１）耐炎化工程（耐炎化処理）
耐炎化工程は、炉内が２００［℃］〜３５０［℃］の酸化性雰囲気に設定された耐炎化炉３を利用して行う。具体的には、耐炎化は、空気雰囲気中の耐炎化炉３内をプリカーサ１ａが複数回通過することで行われる。なお、酸化性雰囲気は、酸素、二酸化窒素等を含んでいてもよい。
耐炎化工程中のプリカーサ１ａは、製造する炭素繊維に合わせて所定の張力で延伸される。耐炎化工程での延伸倍率は、例えば、０．７〜１．３の範囲内である。プリカーサ１ａの延伸は、耐炎化炉３の入口の２個のローラ５，７や出口の３個のローラ９，１１，１３により行われる。
耐炎化工程は、炉内が２００［℃］〜３５０［℃］の酸化性雰囲気に設定された耐炎化炉３を利用して行う。具体的には、耐炎化は、空気雰囲気中の耐炎化炉３内をプリカーサ１ａが複数回通過することで行われる。なお、酸化性雰囲気は、酸素、二酸化窒素等を含んでいてもよい。
耐炎化工程中のプリカーサ１ａは、製造する炭素繊維に合わせて所定の張力で延伸される。耐炎化工程での延伸倍率は、例えば、０．７〜１．３の範囲内である。プリカーサ１ａの延伸は、耐炎化炉３の入口の２個のローラ５，７や出口の３個のローラ９，１１，１３により行われる。
（２）炭素化工程（炭素化処理）
炭素化工程は、耐炎繊維１ｂを加熱することで熱分解反応を生じさせて炭素化を行う工程である。炭素化は、耐炎繊維１ｂが第１の炭素化炉１５を通過し、さらに、第１の炭素化炉１５を通過した繊維１ｃが第２の炭素化炉１７を通過することで行われる。ここでの炭素化は、少なくとも２個の炭素化炉１５，１７を通過することで行われる。
ここで、第１の炭素化炉１５で行われる炭素化を「第１の炭素化」や「第１の炭素化処理」とし、この工程を第１の炭素化工程とし、さらに、第１の炭素化処理を終えた（第１の炭素化炉１５を出た）繊維を「第１の炭素化処理後の繊維」とする。
炭素化工程は、耐炎繊維１ｂを加熱することで熱分解反応を生じさせて炭素化を行う工程である。炭素化は、耐炎繊維１ｂが第１の炭素化炉１５を通過し、さらに、第１の炭素化炉１５を通過した繊維１ｃが第２の炭素化炉１７を通過することで行われる。ここでの炭素化は、少なくとも２個の炭素化炉１５，１７を通過することで行われる。
ここで、第１の炭素化炉１５で行われる炭素化を「第１の炭素化」や「第１の炭素化処理」とし、この工程を第１の炭素化工程とし、さらに、第１の炭素化処理を終えた（第１の炭素化炉１５を出た）繊維を「第１の炭素化処理後の繊維」とする。
同様に、第２の炭素化炉１７で行われる炭素化を「第２の炭素化」や「第２の炭素化処理」とし、この工程を第２の炭素化工程とし、さらに、第２の炭素化処理を終えた（第２の炭素化炉１７を出た）繊維を「第２の炭素化処理後の繊維」又は「炭素化後の繊維」という。
複数個の炭素化炉は、互いに独立した形態で設けられている。ここでは、第１の炭素化炉１５と第２の炭素化炉１７とは互いに独立して設けられ、各炭素化炉１５，１７の間には繊維の張力を調整する調整手段を設けることができる。
複数個の炭素化炉は、互いに独立した形態で設けられている。ここでは、第１の炭素化炉１５と第２の炭素化炉１７とは互いに独立して設けられ、各炭素化炉１５，１７の間には繊維の張力を調整する調整手段を設けることができる。
第１の炭素化炉１５の外であって入口側にはローラ１９が、第１の炭素化炉１５と第２の炭素化炉１７との間にはローラ２１が、第２の炭素化炉１７の外側であって出口側にはローラ２３がそれぞれ設けられている。
炭素工程における炭素化は、耐炎繊維１ｂを第１の炭素化炉１５内でマイクロ波を利用して加熱して熱分解反応させる第１の炭素化工程と、マイクロ波で加熱した繊維１ｃを第２の炭素化炉１７内で延伸しながらプラズマを利用して急速均一加熱して炭素化を進行させる第２の炭素化工程とを含んでいる。
炭素工程における炭素化は、耐炎繊維１ｂを第１の炭素化炉１５内でマイクロ波を利用して加熱して熱分解反応させる第１の炭素化工程と、マイクロ波で加熱した繊維１ｃを第２の炭素化炉１７内で延伸しながらプラズマを利用して急速均一加熱して炭素化を進行させる第２の炭素化工程とを含んでいる。
第１の炭素化工程は、断面形状が方形状をする加熱管の内部を伝播するマイクロ波を利用した加熱装置で行われる。なお、耐炎繊維１ｂは加熱管１５の短側壁１５ａから対壁の短側壁１５ｂに向けて加熱管１５内に搬送され加熱される。この際、加熱源となる電界エネルギーは、マイクロ波が伝播する導波路から導入孔を介して加熱管１５側に漏れ出し、対となる導入孔間で電界が整合される。なお、複数の耐炎繊維１ｂを加熱管１５内に搬送し加熱した場合には、耐炎繊維１ｂに電界エネルギーが吸収され、マイクロ波の伝播方向に向けて、電界エネルギーが減衰してしまい、加熱斑が顕在化する。そのため、図５の（Ｂ）、（Ｃ）のように、マイクロ波伝播方向で導入孔の幅を広くすることで、均質な電界エネルギーで耐炎繊維１ｂを加熱することが可能とする。なお、加熱装置については、後で詳細に説明する。なお、第２の炭素化工程は、プラズマ以外の加熱手段で加熱してもよい。
（３）表面処理工程（表面処理）
表面処理工程は、炭素化後の繊維１ｄが表面処理装置２５内を通過することで行われる。表面処理装置２５の出口にはローラ２６が設けられている。なお、表面処理することで、炭素繊維１ｇを利用して複合材料とした場合、炭素繊維１ｇとマトリックス樹脂との親和性や接着性が向上する。
表面処理は、一般に炭素繊維の表面を酸化することにより行われる。表面処理として、例えば、液相中又は気相中の処理がある。液相中での処理は、酸化剤に炭素化後の繊維１ｄを浸漬することによる化学酸化や、炭素化後の繊維１ｄが浸漬する電解液中で通電することによる陽極電解酸化等が工業的に用いられる。
気相中での処理は、炭素化後の繊維１ｄを酸化性気体の中を通過させたり、放電等によって発生した活性種を吹き付けたりすることにより行うことができる。
表面処理工程は、炭素化後の繊維１ｄが表面処理装置２５内を通過することで行われる。表面処理装置２５の出口にはローラ２６が設けられている。なお、表面処理することで、炭素繊維１ｇを利用して複合材料とした場合、炭素繊維１ｇとマトリックス樹脂との親和性や接着性が向上する。
表面処理は、一般に炭素繊維の表面を酸化することにより行われる。表面処理として、例えば、液相中又は気相中の処理がある。液相中での処理は、酸化剤に炭素化後の繊維１ｄを浸漬することによる化学酸化や、炭素化後の繊維１ｄが浸漬する電解液中で通電することによる陽極電解酸化等が工業的に用いられる。
気相中での処理は、炭素化後の繊維１ｄを酸化性気体の中を通過させたり、放電等によって発生した活性種を吹き付けたりすることにより行うことができる。
（４）サイジング工程（サイジング処理）
サイジング工程は、繊維１ｅが樹脂液２９内を通過することで行われる。樹脂液２９は、樹脂浴２７に貯留されている。なお、サイジング工程により、表面処理された繊維１ｅの収束性が高まる。
サイジング工程中の繊維１ｅは、樹脂浴２７の内部や樹脂浴２７の周辺に配された複数のローラ３１，３３等により走行方向を変更しながら樹脂液２９内を通過する。樹脂液２９は、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を溶剤に溶解させた液やエマルション液が利用される。
サイジング工程は、繊維１ｅが樹脂液２９内を通過することで行われる。樹脂液２９は、樹脂浴２７に貯留されている。なお、サイジング工程により、表面処理された繊維１ｅの収束性が高まる。
サイジング工程中の繊維１ｅは、樹脂浴２７の内部や樹脂浴２７の周辺に配された複数のローラ３１，３３等により走行方向を変更しながら樹脂液２９内を通過する。樹脂液２９は、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を溶剤に溶解させた液やエマルション液が利用される。
（５）乾燥工程（乾燥処理）
乾燥工程は、繊維１ｆが乾燥炉３５内を通過することで行われる。なお、乾燥した繊維１ｇは、乾燥炉３５の下流側のローラ３７を介してボビン３９に巻き取られる（巻取工程である。）。
乾燥工程は、繊維１ｆが乾燥炉３５内を通過することで行われる。なお、乾燥した繊維１ｇは、乾燥炉３５の下流側のローラ３７を介してボビン３９に巻き取られる（巻取工程である。）。
２．加熱装置（第１炭素化炉）
（１）概略
図４は、加熱装置の概略図である。
加熱装置１００は、断面が方形状の加熱管を有している。この加熱管は、図３における第１の炭素化炉１５である。なお、加熱管の符号を「１５」として以下説明する。
（１）概略
図４は、加熱装置の概略図である。
加熱装置１００は、断面が方形状の加熱管を有している。この加熱管は、図３における第１の炭素化炉１５である。なお、加熱管の符号を「１５」として以下説明する。
加熱管１５は、一対の短側壁１５ａ，１５ｂと一対の長側壁１５ｃ，１５ｄとを有する。マイクロ波ＡはＴＥモードである。ここでは、ＴＥ１０モードである。耐炎繊維１ｂは、加熱管１５の一対の短側壁１５ａ，１５ｂを横切るように、加熱管１５の内部を走行する。一対の短側壁１５ａ，１５ｂには耐炎繊維１ｂ用の導入口１５ｇと導出口１５ｈとが設けられている（図１参照）。
加熱管１５内へのマイクロ波Ａの導入は、導波管１０２により行われる。導波管１０２は、後述のマイクロ波発振器から発信されたマイクロ波ＢをＴＥモードで伝播させるため、断面形状が加熱管１５と同様に、方形状としている。
加熱管１５内へのマイクロ波Ａの導入は、導波管１０２により行われる。導波管１０２は、後述のマイクロ波発振器から発信されたマイクロ波ＢをＴＥモードで伝播させるため、断面形状が加熱管１５と同様に、方形状としている。
導波管１０２は、当該導波管１０２の管軸が加熱管１５の管軸と平行であって加熱管１５の内部と導波管１０２の内部とが連通する状態で、設けられる。ここでは、加熱管１５と導波管１０２とは一体化されており、加熱空間（加熱管１５の内部空間である。）と導波空間（導波管１０２の内部空間である。）とが仕切り壁１０４により区画されている。ここでは、仕切り壁１０４は、加熱管１５における導波管１０２側の長側壁（１５ｃ）であり、導波管１０２における加熱管１５側の長側壁である。
仕切り壁１０４は、図４に示すように導入孔１０６を有している。ここでは、導入孔１０６は、加熱管１５及び導波管１０２の各管軸と直交する方向に延伸するスリット状に設けられている。導波管１０２内のマイクロ波Ｂは導入孔（スリット）１０６から加熱管１５側へと漏れる。
マイクロ波発振器１０８は、例えば、クライストロン及びマグネトロン等のマイクロ波電子管や、ダイオード等を利用したマイクロ波半導体素子等を利用することができる。マイクロ波発振器１０８の出力は、加熱管１５の内部を走行する耐炎繊維１ｂの本数、速度、炭素度等により適宜選択できる。なお、マイクロ波発振器１０８から発信されるマイクロ波の周波数は、０．３[ＧＨｚ]〜１４０[ＧＨｚ]である。
マイクロ波発振器１０８は、例えば、クライストロン及びマグネトロン等のマイクロ波電子管や、ダイオード等を利用したマイクロ波半導体素子等を利用することができる。マイクロ波発振器１０８の出力は、加熱管１５の内部を走行する耐炎繊維１ｂの本数、速度、炭素度等により適宜選択できる。なお、マイクロ波発振器１０８から発信されるマイクロ波の周波数は、０．３[ＧＨｚ]〜１４０[ＧＨｚ]である。
マイクロ波発振器１０８は、接続導波管を１１０介して導波管１０２の一端１０２ａに接続される。導波管１０２の他端１０２ｂには固定短絡板１１２が設けられている。固定短絡板１１２は、導波管１０２の一端１０２ａから他端１０２ｂへと伝播してきたマイクロ波Ｂを一端１０２ａ側へと反射させるためのものであり、これにより、導波管１０２の内部に定在波を起こさせることができる。
導波管１０２内の定在波（Ｂ）は、仕切り壁１０４の導入孔１０６を介して加熱管１５へと漏れ出し、加熱管１５内を伝播する。
導波管１０２内の定在波（Ｂ）は、仕切り壁１０４の導入孔１０６を介して加熱管１５へと漏れ出し、加熱管１５内を伝播する。
図５が、加熱管の内部から仕切り壁を見た概略図の一例である。
導入孔１０６は、仕切り壁１０４におけるマイクロ波Ａの伝播方向に沿って間隔をおいて複数個（偶数個）設けられている。
導入孔１０６のピッチＣは、マイクロ波の管内波長をλｇとすると、
Ｃ ＝ λg／２× ｎ （ここで、ｎ：整数である。）
の関係を満たす。なお、導入孔１０６は１対ごとに設ける。
導入孔１０６は、仕切り壁１０４におけるマイクロ波Ａの伝播方向に沿って間隔をおいて複数個（偶数個）設けられている。
導入孔１０６のピッチＣは、マイクロ波の管内波長をλｇとすると、
Ｃ ＝ λg／２× ｎ （ここで、ｎ：整数である。）
の関係を満たす。なお、導入孔１０６は１対ごとに設ける。
導入孔１０６の一例としてスリットを利用できる。図５の（Ａ）に示すように、図１の加熱炉１５の長側壁１５ｃ，及び１５ｄに平行するスリット１０６ａ（固定スリット辺）寸法はマイクロ波の空間波長λとすると、その１／２の寸法で固定とするが、図１の加熱炉１５の短側壁１５ａ，及び１５ｂに平行するスリット１０６ｂ（可変スリット辺）寸法は管内波長λｇより小さい寸法であれば、可変スリット辺１０６ｂの幅寸法は特に制限はなく、対ごとに一律同一寸法であっても構わないし、同一寸法でなくても構わない。
また、スリットエッジ形状が角型であっても円弧であっても構わない。更に、図５の（Ｃ）に示すように、スリット１０９の角度はマイクロ波の伝播方向に対して例えば４５［°］や６０［°］の一定角度で傾斜してもよい。なお、この場合でも、スリット１０９ａ，１０９ｂ、１０９ｃ，１０９ｄを一対で設ける必要がある。
また、スリットエッジ形状が角型であっても円弧であっても構わない。更に、図５の（Ｃ）に示すように、スリット１０９の角度はマイクロ波の伝播方向に対して例えば４５［°］や６０［°］の一定角度で傾斜してもよい。なお、この場合でも、スリット１０９ａ，１０９ｂ、１０９ｃ，１０９ｄを一対で設ける必要がある。
複数の耐炎繊維１ｂを加熱管１５内に搬送し加熱した場合には、耐炎繊維１ｂに電界エネルギーが吸収され、マイクロ波の伝播方向に向けて、電界エネルギーが減衰してしまい、加熱斑が顕在化する。そのような場合、図５の（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、マイクロ波伝播方向でスリット１０７，１０９の幅を広くすることで、均質な電界エネルギーで耐炎繊維１ｂを加熱することが可能とする。
図４に戻って、加熱管１５の一端１５ｅにも固定短絡板１１４が設けられ、他端１５ｆ側には接続導波管１１５を介して可変短絡板１１６が設けられている。
一端１５ｅの固定短絡板１１４は、導入孔１０６から漏れて一端１５ｅに向かって伝播するマイクロ波Ａを他端１５ｆ側へと反射させる。これにより、マイクロ波Ａを有効に利用できる。他端１５ｆの可変短絡板１１６は、加熱管１５の内部を伝播して他端１５ｆに達したマイクロ波Ａを一端１５ｅ側へと反射させ、図４の装置構成の場合にはスリースタブチューナ１２２との間で共振状態にさせるためのものである。これにより、加熱管１５内に定在波を起こさせることができる。
一端１５ｅの固定短絡板１１４は、導入孔１０６から漏れて一端１５ｅに向かって伝播するマイクロ波Ａを他端１５ｆ側へと反射させる。これにより、マイクロ波Ａを有効に利用できる。他端１５ｆの可変短絡板１１６は、加熱管１５の内部を伝播して他端１５ｆに達したマイクロ波Ａを一端１５ｅ側へと反射させ、図４の装置構成の場合にはスリースタブチューナ１２２との間で共振状態にさせるためのものである。これにより、加熱管１５内に定在波を起こさせることができる。
なお、加熱管１５に供給する耐炎繊維１ｂにより波長が若干変化するため、短絡板１１６を加熱管１５の管軸に沿って移動可能な可変短絡板としている。
マイクロ波発振器１０８と導波管１０２を結ぶ接続導波管１１０には、マイクロ波発振器１０８側から、アイソレータ１１８、方向性結合器１２０、スリースタブチューナ１２２が設けられている。アイソレータ１１８は、導波管１０２の他端１０２ｂで反射してきたマイクロ波Ｂによって、マイクロ波発振器１０８が破損するのを防止するものである。
マイクロ波発振器１０８と導波管１０２を結ぶ接続導波管１１０には、マイクロ波発振器１０８側から、アイソレータ１１８、方向性結合器１２０、スリースタブチューナ１２２が設けられている。アイソレータ１１８は、導波管１０２の他端１０２ｂで反射してきたマイクロ波Ｂによって、マイクロ波発振器１０８が破損するのを防止するものである。
方向性結合器１２０は、入射（導波管１０２の他端１０２ｂに向かうマイクロ波である。）電力や、反射（他端で反射してマイクロ発信器に向かうマイクロ波である。）電力を測定するものである。スリースタブチューナ１２２は、導波管１０２内のインピーダンス整合を調整するためのものである。この整合によりマイクロ波加熱を効率的に行うことが可能となる。
加熱管１５は、管内を走行する耐炎繊維１ｂの温度を測定するための温度測定窓１２４を走行方向に沿って複数有している。なお、温度測定窓１２４には酸素の流入を防止するための蓋が設けられている。
加熱管１５は、管内を走行する耐炎繊維１ｂの温度を測定するための温度測定窓１２４を走行方向に沿って複数有している。なお、温度測定窓１２４には酸素の流入を防止するための蓋が設けられている。
加熱管１５又は導波管１０２には、管内を不活性ガス雰囲気にするためのガス導入口１２８や、耐炎繊維１ｂの加熱の際に発生するガスを排気するための排気口１２６等が設けられている。不活性ガスは、例えば、窒素を利用できる他、アルゴン等を利用できる。
加熱管１５は、他端１５ｆにおいて接続導波管１１５を介して可変短絡板１１６に接続されている。接続導波管１１５には方向性結合器１３０が設けられている。この方向性結合器１３０は、加熱管１５内を他端１５ｆに向かって伝播し、耐炎繊維１ｂに吸収されなかったマイクロ波Ａの電力と、可変短絡板１１６で反射され一端１５ｅに向かって伝播するマイクロ波Ａの電力とを測定する。
加熱管１５は、他端１５ｆにおいて接続導波管１１５を介して可変短絡板１１６に接続されている。接続導波管１１５には方向性結合器１３０が設けられている。この方向性結合器１３０は、加熱管１５内を他端１５ｆに向かって伝播し、耐炎繊維１ｂに吸収されなかったマイクロ波Ａの電力と、可変短絡板１１６で反射され一端１５ｅに向かって伝播するマイクロ波Ａの電力とを測定する。
（２）マイクロ波の調整
本実施形態では、定在波のマイクロ波Ａを利用して耐炎繊維１ｂを加熱する。ＴＥモードの定在波と耐炎繊維との位置関係及びその調整について説明する。
加熱装置１００は、定在波を生じさせるために進行波の伝播方向に短絡板１１２，１１４及び１１６を設けている。ここでは、短絡板１１６は加熱管１５の管軸に沿って移動可能な可変短絡板であり、短絡板１１２、１１４は移動不可能な固定短絡板である。
なお、マイクロ波Ｂは、加熱管１５に供給する耐炎繊維１ｂにより波長が若干変化する。つまり、導波管１０２内及び加熱管１５内のインピーダンスは、誘電体である耐炎繊維１ｂの有無、耐炎繊維１ｂの太さ、投入する耐炎繊維１ｂの本数等によっても変化する。このため、変化が大きい場合には、短絡板１１２及び短絡版１１４を、導波管１０２の管軸に沿って移動可能な可変短絡板としてもよい。
本実施形態では、定在波のマイクロ波Ａを利用して耐炎繊維１ｂを加熱する。ＴＥモードの定在波と耐炎繊維との位置関係及びその調整について説明する。
加熱装置１００は、定在波を生じさせるために進行波の伝播方向に短絡板１１２，１１４及び１１６を設けている。ここでは、短絡板１１６は加熱管１５の管軸に沿って移動可能な可変短絡板であり、短絡板１１２、１１４は移動不可能な固定短絡板である。
なお、マイクロ波Ｂは、加熱管１５に供給する耐炎繊維１ｂにより波長が若干変化する。つまり、導波管１０２内及び加熱管１５内のインピーダンスは、誘電体である耐炎繊維１ｂの有無、耐炎繊維１ｂの太さ、投入する耐炎繊維１ｂの本数等によっても変化する。このため、変化が大きい場合には、短絡板１１２及び短絡版１１４を、導波管１０２の管軸に沿って移動可能な可変短絡板としてもよい。
また、複数の耐炎繊維１ｂを加熱斑なく加熱するためには、加熱効率等を考慮し、短側壁１５ａ，１５ｂにおいて、底側の長側壁１５ｃを基準としたときに短側壁１５ａ，１５ｂの２分の１程度の同じ高さで底側と反対側の長側壁１５ｄ側の間を通過するように加熱管１５の一対の短側壁１５ａ，１５ｂに導入口や導出口が設けられ、仕切り壁１０４に導入孔１０６が設けられている。なお、導入孔１０６は、導波管１０２の内部を伝播するマイクロ波Ｂの管内波長λｇの整数倍のピッチＣで設けられている。
図６は、可変短絡板により定在波の電界位置を調整する動作を説明する図である。
この図６は、図４における導波管１０２と加熱管１５との間の仕切り壁１０４に設けられているスリット１０６の周辺拡大図である。各図において、下側に位置する管が導波管１０２であり、上側に位置する管が加熱管１５である。
図６の（ａ）は加熱管１５に耐炎繊維１ｂを供給していない状態を示し、（ｂ）は加熱管１５に耐炎繊維１ｂを供給し可変短絡板１１６により調整する前の状態を示し、（ｃ）は加熱管１５に耐炎繊維１ｂを供給し可変短絡板１１６により調整した後の状態を示す。
この図６は、図４における導波管１０２と加熱管１５との間の仕切り壁１０４に設けられているスリット１０６の周辺拡大図である。各図において、下側に位置する管が導波管１０２であり、上側に位置する管が加熱管１５である。
図６の（ａ）は加熱管１５に耐炎繊維１ｂを供給していない状態を示し、（ｂ）は加熱管１５に耐炎繊維１ｂを供給し可変短絡板１１６により調整する前の状態を示し、（ｃ）は加熱管１５に耐炎繊維１ｂを供給し可変短絡板１１６により調整した後の状態を示す。
耐炎繊維１ｂを供給していない状態において、（ａ）に示すように、導入孔１０６の位置で導波管１０２内を伝播する定常波Ｂの振幅が最大となるように、マイクロ波の周波数、短絡板１１２、可変短絡板１１６の位置が調整されている。
この状態で、加熱管１５に耐炎繊維１ｂが供給されると、（ｂ）に示すように、誘電体（耐炎繊維１ｂ）の影響で導波管１０２内の管内波長及び加熱管１５内の管内波長が変化し、導波管１０２内の定常波Ｂ１及び加熱管１５内の定常波Ａ１の最大振幅位置が導入孔１０６の位置から外れた状態となる。
この状態で、加熱管１５に耐炎繊維１ｂが供給されると、（ｂ）に示すように、誘電体（耐炎繊維１ｂ）の影響で導波管１０２内の管内波長及び加熱管１５内の管内波長が変化し、導波管１０２内の定常波Ｂ１及び加熱管１５内の定常波Ａ１の最大振幅位置が導入孔１０６の位置から外れた状態となる。
このため、耐炎繊維１ｂを供給した状態で加熱管１５の他端１５ｆに設けられた可変短絡板１１６の位置を調整して、（ｃ）に示すように、導波管１０２内の定在波Ｂ２及び加熱管１５内の定在波Ａ２の最大振幅の位置が導入孔１０６の位置に対応するようにする。これにより、加熱管１５の内部の耐炎繊維１ｂは電界強度の高い定在波Ａの中を走行することとなる。
可変短絡板１１６の調整は、例えば、方向性結合器１２０，１３０で計測された反射電力値や繊維温度データ等から調整できる。また、本例の場合、導波管１０２において誘電体の影響が少ないため、加熱管１５内の管内波長の調整により、定在波Ｂの最大振幅位置が導入孔１０６の位置に近づけることができる。
可変短絡板１１６の調整は、例えば、方向性結合器１２０，１３０で計測された反射電力値や繊維温度データ等から調整できる。また、本例の場合、導波管１０２において誘電体の影響が少ないため、加熱管１５内の管内波長の調整により、定在波Ｂの最大振幅位置が導入孔１０６の位置に近づけることができる。
３．実施例
以下、実施形態の一実施例について説明する。
耐炎繊維１ｂを加熱装置１００に供給してマイクロ波Ａによる加熱試験を行った。
使用する耐炎繊維１ｂは、密度が１．３６［ｇ／ｃｍ３］である。加熱装置１００の加熱管１５への耐炎繊維１ｂの供給は４本であり、加熱管１５の一対の短側壁１５ａ，１５ｂを横切るように耐炎繊維１ｂが供給される。耐炎繊維１ｂのフィラメント数は、１２，０００［本］である。
加熱装置１００で利用するマイクロ波Ａは、波長が０．７０５［ｍ］〜０．００７３７［ｍ］の範囲内に、周波数が４２５［ＭＨｚ］〜４０６８０［ＭＨｚ］の範囲内にそれぞれある。
以下、実施形態の一実施例について説明する。
耐炎繊維１ｂを加熱装置１００に供給してマイクロ波Ａによる加熱試験を行った。
使用する耐炎繊維１ｂは、密度が１．３６［ｇ／ｃｍ３］である。加熱装置１００の加熱管１５への耐炎繊維１ｂの供給は４本であり、加熱管１５の一対の短側壁１５ａ，１５ｂを横切るように耐炎繊維１ｂが供給される。耐炎繊維１ｂのフィラメント数は、１２，０００［本］である。
加熱装置１００で利用するマイクロ波Ａは、波長が０．７０５［ｍ］〜０．００７３７［ｍ］の範囲内に、周波数が４２５［ＭＨｚ］〜４０６８０［ＭＨｚ］の範囲内にそれぞれある。
導波管１０２及び加熱管１５の幅（一対の短側壁１５ａ，１５ｂ間の寸法である。）は０．５[ｍ]〜１６［ｍ］の範囲内にある。導波管１０２及び加熱管１５の高さ（一対の長側壁１５ｃ，１５ｄ間の寸法である。）は、０．２［ｍ］〜１０［ｍ］の範囲内にある。
マイクロ波Ａの出力は、０．１［ｋＷ］〜１０００［ｋＷ］の範囲内である。耐炎繊維１ｂの走行速度は、０．０１［ｍ／ｍｉｎ］〜５０［ｍ／ｍｉｎ］の範囲内である。加熱管１５内は、窒素雰囲気下で、９１０００［Ｐａ］〜１２２０００［Ｐａ］に保たれている。第１の炭素化工程では、耐炎繊維１ｂを、密度が例えば１．５０［ｇ／ｃｍ３］〜１．６０［ｇ／ｃｍ３］になるまで炭素化する。
なお、従来の電気ヒータを用いた加熱装置では、炉内の温度が５００［℃］〜８００［℃］で約７［分］〜１０［分］程度加熱される。
マイクロ波Ａの出力は、０．１［ｋＷ］〜１０００［ｋＷ］の範囲内である。耐炎繊維１ｂの走行速度は、０．０１［ｍ／ｍｉｎ］〜５０［ｍ／ｍｉｎ］の範囲内である。加熱管１５内は、窒素雰囲気下で、９１０００［Ｐａ］〜１２２０００［Ｐａ］に保たれている。第１の炭素化工程では、耐炎繊維１ｂを、密度が例えば１．５０［ｇ／ｃｍ３］〜１．６０［ｇ／ｃｍ３］になるまで炭素化する。
なお、従来の電気ヒータを用いた加熱装置では、炉内の温度が５００［℃］〜８００［℃］で約７［分］〜１０［分］程度加熱される。
４．加熱試験
加熱装置１００を利用して加熱試験を行った。
（１）試験１
実施例１では、耐炎繊維１ｂの走行速度は０．１１［ｍ／ｍｉｎ］である。この場合の加熱管１５の内部の耐炎繊維１ｂの滞留時間は約５５［秒］である。マイクロ波Ａの出力は、４．０［ｋＷ］である。
図７は、耐炎繊維が加熱管内を走行する状態で、加熱を開始（マイクロ波発振器をスタートする）して６０［秒］経過するまでの繊維の表面の変化を示す図である。なお、繊維１ｃの表面温度の測定は加熱管１５の導出窓を出た個所で行っている。
図７に示すように、加熱を開始して時間が経過するに従って、繊維１ｃの表面温度が上昇し、ここでは、６０秒後に９００［℃］程度で略一定となっている。このように、マイクロ波Ａを利用することで、加熱管１５内の滞在時間が５５［秒］であっても、８００［℃］程度にまで加熱できる。また、４本の繊維１ｃの表面温度に差がなく、複数本の耐炎繊維１ｂを均一に加熱できることが分かる。
加熱装置１００を利用して加熱試験を行った。
（１）試験１
実施例１では、耐炎繊維１ｂの走行速度は０．１１［ｍ／ｍｉｎ］である。この場合の加熱管１５の内部の耐炎繊維１ｂの滞留時間は約５５［秒］である。マイクロ波Ａの出力は、４．０［ｋＷ］である。
図７は、耐炎繊維が加熱管内を走行する状態で、加熱を開始（マイクロ波発振器をスタートする）して６０［秒］経過するまでの繊維の表面の変化を示す図である。なお、繊維１ｃの表面温度の測定は加熱管１５の導出窓を出た個所で行っている。
図７に示すように、加熱を開始して時間が経過するに従って、繊維１ｃの表面温度が上昇し、ここでは、６０秒後に９００［℃］程度で略一定となっている。このように、マイクロ波Ａを利用することで、加熱管１５内の滞在時間が５５［秒］であっても、８００［℃］程度にまで加熱できる。また、４本の繊維１ｃの表面温度に差がなく、複数本の耐炎繊維１ｂを均一に加熱できることが分かる。
（２）試験２
実施例２では、耐炎繊維１ｂの走行速度は０．３［ｍ／ｍｉｎ］である。この場合の加熱管１５の内部の耐炎繊維１ｂの滞留時間は約２０［秒］である。マイクロ波Ａの出力は、５．０［ｋＷ］である。
図８は、耐炎繊維１ｂが加熱管１５内を走行する状態で、加熱を開始（マイクロ波発振器をスタートする）して１１０［秒］経過するまでの繊維の表面温度の変化を示す図である。
図８に示すように、加熱を開始してから、時間が経過するに従って、繊維１ｃの表面温度が上昇し、ここでは、１１０秒後に９００［℃］程度で略一定となっている。このように、マイクロ波Ａの出力を高めることで、加熱管１５内の滞在時間が２０［秒］であっても、８００［℃］程度にまで加熱できる。また、４本の繊維１ｃの表面温度に差がなく、複数本の耐炎繊維１ｂを均一に加熱できることが分かる。
実施例２では、耐炎繊維１ｂの走行速度は０．３［ｍ／ｍｉｎ］である。この場合の加熱管１５の内部の耐炎繊維１ｂの滞留時間は約２０［秒］である。マイクロ波Ａの出力は、５．０［ｋＷ］である。
図８は、耐炎繊維１ｂが加熱管１５内を走行する状態で、加熱を開始（マイクロ波発振器をスタートする）して１１０［秒］経過するまでの繊維の表面温度の変化を示す図である。
図８に示すように、加熱を開始してから、時間が経過するに従って、繊維１ｃの表面温度が上昇し、ここでは、１１０秒後に９００［℃］程度で略一定となっている。このように、マイクロ波Ａの出力を高めることで、加熱管１５内の滞在時間が２０［秒］であっても、８００［℃］程度にまで加熱できる。また、４本の繊維１ｃの表面温度に差がなく、複数本の耐炎繊維１ｂを均一に加熱できることが分かる。
＜変形例＞
以上説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する実施形態や変形等の何れかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。
１．前駆体繊維
実施形態では、フィラメント数が１２，０００本の耐炎繊維について説明したが、フィラメント数が３，０００本、６，０００本、２４，０００本等の他の本数の耐炎繊維にも適用できる。
実施形態では、炭素化工程を含んだ炭素繊維の製造方法について説明したが、例えば、さらに、黒鉛化処理を表面処理工程前に行ってもよい。つまり、実施形態では、汎用品（弾性率２４０［ＧＰａ］の炭素繊維の製造において、第１の炭素化に本発明の加熱装置を用いたが、加熱装置は、高弾性品、中弾性高強度品等の高性能品の炭素繊維用の前駆体繊維に対して第１の炭素化にも利用できる。
以上説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する実施形態や変形等の何れかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。
１．前駆体繊維
実施形態では、フィラメント数が１２，０００本の耐炎繊維について説明したが、フィラメント数が３，０００本、６，０００本、２４，０００本等の他の本数の耐炎繊維にも適用できる。
実施形態では、炭素化工程を含んだ炭素繊維の製造方法について説明したが、例えば、さらに、黒鉛化処理を表面処理工程前に行ってもよい。つまり、実施形態では、汎用品（弾性率２４０［ＧＰａ］の炭素繊維の製造において、第１の炭素化に本発明の加熱装置を用いたが、加熱装置は、高弾性品、中弾性高強度品等の高性能品の炭素繊維用の前駆体繊維に対して第１の炭素化にも利用できる。
２．マイクロ波による加熱
（１）温度
試験では、繊維の表面温度が８００［℃］や９００［℃］に加熱されていたが、炭素化に合わせた温度に設定すればよい。温度調整は、例えば、マイクロ波の出力調整、前駆体繊維の走行速度の調整、加熱管の寸法、マイクロ波のＴＥモードの変更等で行うことができる。
（２）ＴＥモード
実施形態では、マイクロ波のモードはＴＥ１０であったが、他のモードであってもよい。他のモードとしては、ＴＥ２０モードやＴＥ３０モード等がある。つまり、マイクロ波のモードは、短側壁での電界強度が０になる（低くなる）ＴＥｍ０モード（「ｍ」は自然数であり、「０」は、数字のゼロである。）であればよい。
なお、「ｍ」が２以上になると、加熱管において、一対の短側壁の中心同士を結ぶ仮想面を挟んだ２つの領域（電界強度が正と負の２つの領域である。）を、前駆体繊維の走行領域とすることができ、前駆体繊維の供給本数を、前駆体繊維の走行領域が１つのＴＥ１０モードに比べて、２倍にすることができる。ただし、マイクロ波の出力が同じ場合は、ＴＥ２０モードの電界強度はＴＥ１０モードの電界強度の半分になる。
（１）温度
試験では、繊維の表面温度が８００［℃］や９００［℃］に加熱されていたが、炭素化に合わせた温度に設定すればよい。温度調整は、例えば、マイクロ波の出力調整、前駆体繊維の走行速度の調整、加熱管の寸法、マイクロ波のＴＥモードの変更等で行うことができる。
（２）ＴＥモード
実施形態では、マイクロ波のモードはＴＥ１０であったが、他のモードであってもよい。他のモードとしては、ＴＥ２０モードやＴＥ３０モード等がある。つまり、マイクロ波のモードは、短側壁での電界強度が０になる（低くなる）ＴＥｍ０モード（「ｍ」は自然数であり、「０」は、数字のゼロである。）であればよい。
なお、「ｍ」が２以上になると、加熱管において、一対の短側壁の中心同士を結ぶ仮想面を挟んだ２つの領域（電界強度が正と負の２つの領域である。）を、前駆体繊維の走行領域とすることができ、前駆体繊維の供給本数を、前駆体繊維の走行領域が１つのＴＥ１０モードに比べて、２倍にすることができる。ただし、マイクロ波の出力が同じ場合は、ＴＥ２０モードの電界強度はＴＥ１０モードの電界強度の半分になる。
３．加熱装置
（１）加熱管
実施形態では、加熱装置は、加熱管と導波管とを備えていたが、導波管を加熱管とすることもできる。また、実施形態では、加熱管は導波管の一方の長側壁側に配されていたが、例えば、導波管の各長側壁に隣接して２個配されてもよい。
（２）分波
実施形態では、１つのマイクロ波発振器から発信されたマイクロ波は、１本の導波管（加熱管）を伝播しているが、例えば、１つのマイクロ波発振器から発信されたマイクロ波が分波されて、複数本の導波管（加熱管）内を伝播してもよい。
（１）加熱管
実施形態では、加熱装置は、加熱管と導波管とを備えていたが、導波管を加熱管とすることもできる。また、実施形態では、加熱管は導波管の一方の長側壁側に配されていたが、例えば、導波管の各長側壁に隣接して２個配されてもよい。
（２）分波
実施形態では、１つのマイクロ波発振器から発信されたマイクロ波は、１本の導波管（加熱管）を伝播しているが、例えば、１つのマイクロ波発振器から発信されたマイクロ波が分波されて、複数本の導波管（加熱管）内を伝播してもよい。
図９は、分波導波管を利用した加熱装置の概略図である。
図９に示す加熱装置２００は、１つのマイクロ波を２つに分波し、分波されたマイクロ波のそれぞれは２本の導波管内を伝播する。
加熱装置２００は、１つのマイクロ波発振器１０８と、２本の導波管１０２と、２本の加熱管１５と、マイクロ波発振器１０８と２本の導波管１０２とを連結する分波導波管２０２とを有する。２本の加熱管１５を区別するために、走行する前駆体繊維１ｂを基準として、前駆体繊維１ｂの進む方向と反対側を上流側、前駆体繊維１ｂの進む側を下流側とそれぞれする。
図９に示す加熱装置２００は、１つのマイクロ波を２つに分波し、分波されたマイクロ波のそれぞれは２本の導波管内を伝播する。
加熱装置２００は、１つのマイクロ波発振器１０８と、２本の導波管１０２と、２本の加熱管１５と、マイクロ波発振器１０８と２本の導波管１０２とを連結する分波導波管２０２とを有する。２本の加熱管１５を区別するために、走行する前駆体繊維１ｂを基準として、前駆体繊維１ｂの進む方向と反対側を上流側、前駆体繊維１ｂの進む側を下流側とそれぞれする。
分波導波管２０２は、マイクロ波発振器１０８に接続導波管２０４を介して接続されている。接続導波管２０４にはアイソレータ１１８が設けられている。分波導波管２０２は、ここでは、Ｔ分岐素子であってＨ面分岐を利用している。分波導波管２０２は、マイクロ波を分波するため、その高さは接続導波管２０４の高さの１／２とし、コーナ等を有している。
分波導波管２０２に接続される導波管１０２等は、実施形態で説明した導波管１０２等と略同じ構造であり、同じ構成についての説明は省略し、異なる構成について説明する。
本例では、加熱管１５の他端に設けられている終端負荷２０６は、加熱管１５内を伝播するマイクロ波を進行波とするために、例えば水負荷としている。本例では、前駆体繊維１ｂは、上流側及び下流側の２本の加熱管１５内を通過する。この場合、例えば、上流側の加熱管１５を第１の炭素化、下流側の加熱管１５を第２炭素化に利用してもよい。
分波導波管２０２に接続される導波管１０２等は、実施形態で説明した導波管１０２等と略同じ構造であり、同じ構成についての説明は省略し、異なる構成について説明する。
本例では、加熱管１５の他端に設けられている終端負荷２０６は、加熱管１５内を伝播するマイクロ波を進行波とするために、例えば水負荷としている。本例では、前駆体繊維１ｂは、上流側及び下流側の２本の加熱管１５内を通過する。この場合、例えば、上流側の加熱管１５を第１の炭素化、下流側の加熱管１５を第２炭素化に利用してもよい。
（３）並列
実施形態では、１つのマイクロ波発振器１０８から発振されたマイクロ波Ａは、１本の直管状の導波管１０２（加熱管１５）を伝播しているが、例えば、屈曲状の導波管を伝播するように構成してもよい。屈曲状の導波管を１本利用してもよいし、複数本利用してもよい。ここでは３本利用している。
図１０は、屈曲状の導波管を利用した加熱装置の概略図である。
図１０に示す加熱装置３００は、１つのマイクロ波発振器３０２に接続された屈曲状の導波管３０４を３組有している。屈曲状の導波管３０４は、３本の直線状の導波部３０６と、導波管３０４の内部が１本の伝播路となるように３本の導波部３０６を連結する連結導波部３０８とを有する。連結導波部３０８は、ここでは曲り導波管を利用し、例えば、Ｈコーナを利用している。
実施形態では、１つのマイクロ波発振器１０８から発振されたマイクロ波Ａは、１本の直管状の導波管１０２（加熱管１５）を伝播しているが、例えば、屈曲状の導波管を伝播するように構成してもよい。屈曲状の導波管を１本利用してもよいし、複数本利用してもよい。ここでは３本利用している。
図１０は、屈曲状の導波管を利用した加熱装置の概略図である。
図１０に示す加熱装置３００は、１つのマイクロ波発振器３０２に接続された屈曲状の導波管３０４を３組有している。屈曲状の導波管３０４は、３本の直線状の導波部３０６と、導波管３０４の内部が１本の伝播路となるように３本の導波部３０６を連結する連結導波部３０８とを有する。連結導波部３０８は、ここでは曲り導波管を利用し、例えば、Ｈコーナを利用している。
１ 繊維
１ａ プリカーサ
１ｂ 耐炎繊維
１ｃ 第１の炭素化繊維
１５ 第１の炭素化炉（加熱管）
１５ａ，１５ｂ 短側壁
１５ｃ，１５ｄ 長側壁
１５ｇ 導入口
１５ｈ 導出口
１７ 第２の炭素化炉
１００ 加熱装置
１ａ プリカーサ
１ｂ 耐炎繊維
１ｃ 第１の炭素化繊維
１５ 第１の炭素化炉（加熱管）
１５ａ，１５ｂ 短側壁
１５ｃ，１５ｄ 長側壁
１５ｇ 導入口
１５ｈ 導出口
１７ 第２の炭素化炉
１００ 加熱装置
Claims (11)
- 一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面方形状の加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波により、前記加熱管内を走行する炭素繊維用の耐炎繊維を加熱する加熱方法において、
前記加熱管へ前記マイクロ波を導くための導波管を有し、
前記導波管は、一端にマイクロ波発振器が接続され且つ当該導波管の管軸が前記加熱管の管軸と平行であって前記加熱管の内部と前記導波管の内部とが一方の長側壁を介して隣接する状態で設けられ、
前記加熱管の一方の長側壁は、前記導波管内のマイクロ波を前記加熱管内へと伝播するための導入孔を有し、
前記加熱管内のマイクロ波は、定在波であり、前記定在波の最大振幅の位置が前記導入孔の位置に対応するように調整され、
前記耐炎繊維は、前記一対の短側壁を横切り且つ前記定在波の伝播方向における前記最大振幅の位置を通過するように供給される
加熱方法。 - 一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面方形状の加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波により、前記加熱管内を走行する炭素繊維用の耐炎繊維を加熱して炭素化する加熱方法において、
前記炭素化は２工程あり、前記加熱管による加熱は１番目の工程用であり、
前記加熱管へ前記マイクロ波を導くための導波管を有し、
前記導波管は、一端にマイクロ波発振器が接続され且つ当該導波管の管軸が前記加熱管の管軸と平行であって前記加熱管の内部と前記導波管の内部とが一方の長側壁を介して隣接する状態で設けられ、
前記加熱管の一方の長側壁は、前記導波管内のマイクロ波を前記加熱管内へと伝播するための導入孔を有し、
前記加熱管内のマイクロ波は、定在波であり、前記定在波の最大振幅の位置が前記導入孔の位置に対応するように調整され、
前記耐炎繊維は、前記一対の短側壁を横切り且つ前記定在波の伝播方向における前記最大振幅の位置を通過するように供給され、前記加熱管を通過した繊維の密度が１．５〜１．６ｇ／ｃｍ ３ となるように加熱される
加熱方法 - 前記耐炎繊維は、前記マイクロ波の伝播方向と直交する方向に、供給される
請求項１又は２に記載の加熱方法。 - 前記耐炎繊維は、前記一対の長側壁と平行に、供給される
請求項１〜３の何れか１項に記載の加熱方法。 - 前記耐炎繊維は、前記マイクロ波の伝播方向に間隔を置いて複数供給され、
前記マイクロ波の電界強度は前記マイクロ波の伝播方向に調整されている
請求項１〜４の何れか１項に記載の加熱方法。 - 前記マイクロ波の電界強度の調整は、前記加熱管の対向する内壁の間隔を変えることで行われている
請求項５に記載の加熱方法。 - 前記マイクロ波の電界強度の調整は、前記導波管の対向する内壁の間隔を変えることで行われている
請求項５に記載の加熱方法。 - 前記マイクロ波の電界強度の調整は、前記導入孔の大きさを変えることで行われている
請求項５に記載の加熱方法。 - 前駆体繊維を加熱して炭素繊維を製造する炭素繊維の製造方法において、
前記前駆体繊維を加熱する加熱方法は請求項１〜８の何れか１項に記載の加熱方法を含む
炭素繊維の製造方法。 - 前駆体繊維を加熱して製造される炭素繊維において、
請求項９に記載の炭素繊維の製造方法により製造される
炭素繊維。 - 一対の短側壁と一対の長側壁とを有する断面方形状の加熱管内を伝播するＴＥモードのマイクロ波により、前記加熱管内を走行する炭素繊維用の耐炎繊維を加熱する加熱装置において、
前記加熱管へ前記マイクロ波を導くための導波管を有し、
前記導波管は、一端にマイクロ波発振器が接続され且つ当該導波管の管軸が前記加熱管の管軸と平行であって前記加熱管の内部と前記導波管の内部とが一方の長側壁を介して隣接する状態で設けられ、
前記加熱管の一方の長側壁は、前記導波管内のマイクロ波を前記加熱管内へと伝播するための導入孔を有し、
前記加熱管内のマイクロ波は、定在波であり、前記定在波の最大振幅の位置が前記導入孔の位置に対応するように調整され、
前記耐炎繊維用の導入口と導出口とは、前記一対の短側壁であって前記定在波の伝播方向における前記最大振幅の位置に設けられている
加熱装置。
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| JP2015074064A JP6486169B2 (ja) | 2015-03-31 | 2015-03-31 | 加熱方法、炭素繊維の製造方法及び炭素繊維並びに加熱装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2015074064A JP6486169B2 (ja) | 2015-03-31 | 2015-03-31 | 加熱方法、炭素繊維の製造方法及び炭素繊維並びに加熱装置 |
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