JPWO2013015343A1 - 耐炎化熱処理炉 - Google Patents
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Abstract
熱風吹出しノズル(4) を通して熱処理室(2) に前駆体繊維ストランド(10)の走行方向に平行する方向に熱風を送って前記前駆体繊維ストランドを耐炎化する。熱風吹出しノズル(4) から吹出される熱風は、次の条件（１）〜（４）を満足する多孔板と整流部材とを通過させる。（１）Ａ／Ｂ ≧４．０、（２）０．１５≰α≰０．３５、（３）０≰Ｂ−ｄ≰２０、（４）多孔板と整流部材との向かい合う面を重ねたときに、多孔板の１つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材の１つの開孔内に含まれる。ここで、Ａは整流部材の熱風通過距離（ｍｍ）、Ｂは整流部材の１つの開孔における水平方向の最大距離（ｍｍ）、αは多孔板の開孔率、ｄは多孔板の相当直径（ｍｍ）である。簡易な構造を有する熱風吹出しノズルであっても、熱処理室内で発生するシリコーン系化合物によるノズルの閉塞を防ぎ、熱処理室内全体にわたって伝熱性能を均一化させる平行流方式の耐炎化熱処理炉である。
Description
本発明は、炭素繊維の製造に用いるに好適な耐炎化熱処理炉に関する。
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時の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ている。
この炭素繊維の製造時の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ている。
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、特開平１０−２３７７２３号公報（特許文献１）では、前駆体糸条が通過する熱処理室に前駆体糸条の通過経路に沿う方向の熱風を吹き出す吹出口を有し、前駆体糸条の通過経路と直交する方向の、前記熱処理室の断面積Ｓｓと前記吹出口の断面積Ｓｆとが、Ｓｓ／Ｓｆ≦２の関係にあるようにすると糸条の通過経路に沿って良好な平行流が形成されるとしている。また、特開２００２−１９４６２７号公報（特許文献２）によれば、熱風導入域が案内羽根、多孔板、整流板により構成され、熱処理炉内の各部の寸法が所定の関係に規定され、糸条と並行に熱風を吹出すことのできる均一な吹出し風速分布を有するノズルが開示されている。
そこで、特開平１０−２３７７２３号公報（特許文献１）では、前駆体糸条が通過する熱処理室に前駆体糸条の通過経路に沿う方向の熱風を吹き出す吹出口を有し、前駆体糸条の通過経路と直交する方向の、前記熱処理室の断面積Ｓｓと前記吹出口の断面積Ｓｆとが、Ｓｓ／Ｓｆ≦２の関係にあるようにすると糸条の通過経路に沿って良好な平行流が形成されるとしている。また、特開２００２−１９４６２７号公報（特許文献２）によれば、熱風導入域が案内羽根、多孔板、整流板により構成され、熱処理炉内の各部の寸法が所定の関係に規定され、糸条と並行に熱風を吹出すことのできる均一な吹出し風速分布を有するノズルが開示されている。
更に特開２００８−１４４２９３号公報（特許文献３）に開示された耐炎化炉では、ポリアクリロニトリル系繊維束の進行方向に対して概略直交して酸化性雰囲気ガスを吹き込むガス導入部と、前記ガス導入部に対向して設けられた前記酸化性雰囲気ガスを排出するガス排出部とを有し、前記ガス導入部に、熱風ノズルの閉塞を考慮した直径１０ｍｍの円を内包できる開孔部を有する多孔板を設けている。
しかし、特許文献１に記載された耐炎化炉では、ノズルの吹出し口から吹き出される熱風の風速のばらつきを±１０％以内に収めることが好ましいとされているものの、その構成部材が示されているのみで、構成部材そのものについて具体的な寸法やそれら構成部材間の関係については示されていない。
また特許文献２に記載された耐炎化炉においては、風速斑を低減するために整流域を多段としている。そのため、圧力損失が大きくなるだけでなく、糸条方向に沿ったノズル自体の長さが大きくなり、そのため、耐炎化炉において熱風が流れない領域が大きくなることにより、発熱反応を続ける前駆体繊維の除熱ができないことに起因して暴走反応の危険性が大きくなる。
炭素繊維製造工程の中でも耐炎化処理は前駆体繊維束の発熱を伴う酸化反応が生じるため、耐炎化炉内の熱風や酸化反応に伴う多量の発熱によって、単繊維同士が融着しやすい。単繊維が融着した耐炎化繊維束は、炭素繊維の品質を著しく低下させ、例えばその後の炭素化処理において、毛羽や糸切れの発生、及び各種特性の低下を引き起こしやすい。
耐炎化繊維の融着を回避するためには、例えば前駆体繊維束に油剤を付与する方法が知られており、それを目的として多くの油剤が検討されている。その中でも、高い耐熱性を有し、かつ融着を効果的に抑えることから、シリコーン系油剤がよく用いられている。しかしながら、前駆体繊維束に付与されたシリコーン系油剤は、耐炎化処理の高熱によってその一部が揮発し、熱風中に滞留しやすい。
これらの粉塵が耐炎化炉内に滞留すると、熱風吹出し口の吹出し面に設けられた風速整流用の多孔板が目詰まりを起こして閉塞し、熱風の循環を滞らせてしまう。熱処理室内の熱風の循環が滞ると、前駆体繊維束の除熱が円滑に行われず、前駆体繊維束の糸切れを誘発してしまう。糸切れした前駆体繊維束は、さらに他の前駆体繊維束に絡むなどして他の走行域を走行する前駆体繊維束の糸切れを誘発し、最悪の場合は火災に至るなど、耐炎化炉の安定運転を妨げる原因ともなる。
このような状況に鑑み特許文献３に記載された熱風ノズルの構成部材として、１０ｍｍの円を内包できる開孔部を有する多孔板による整流技術が開示されているが、吹出し風速が０．３ｍ／ｓから１．５ｍ／ｓの範囲の前駆体繊維ストランドに対して垂直に熱風を供給する耐炎化炉に関するものであり、前記風速を均一に制御すると同時に、その風量が大きくなると、前駆体繊維ストランドが切れやすくなり、隣接する繊維間における絡み合いが多発する。
本発明の目的は、総繊度の大きな炭素繊維の製造に適し、また処理速度を上げてその高い伝熱性能から大きな生産性を得ることができる、走行する前駆体繊維に対して、その走行方向と並行に熱風を供給して耐炎化を行う平行流方式の耐炎化炉において、熱風ノズルを簡易な構造とするとともに、特に発生するシリコーン系化合物によるノズルの閉塞を防ぐべく、開孔の大きな部材を用いつつ熱風の吹出し流速の分布を均一化することで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の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〕熱風を前駆体繊維ストランドの走行方向と平行な方向に流し、前記前駆体繊維ストランドを加熱する熱処理室と、前記熱処理室内に熱風を導入する熱風吹出しノズルと、前記熱風吹出しノズルから離れた位置に設置され、熱風を吸込む熱風吸込みノズルとを備え、
前記熱風吹出しノズルが、以下の条件（１）〜（４）を満足する多孔板と整流部材とを有し、熱風が当該多孔板及び整流部材を介して熱処理室内に送られる耐炎化熱処理炉。
（１）Ａ／Ｂ ≧４．０
（２）０．１５≦α≦０．３５
（３）０≦Ｂ−ｄ≦２０
（４）多孔板と整流部材との向かい合う面を重ねたときに、多孔板の１つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材の１つの開孔内に含まれる。
ここで、Ａは整流部材の熱風通過距離（ｍｍ）、Ｂは整流部材の１つの開孔における水平方向の最大距離（ｍｍ）、αは多孔板の開孔率、ｄは多孔板の相当直径（ｍｍ）である。
〔１〕熱風を前駆体繊維ストランドの走行方向と平行な方向に流し、前記前駆体繊維ストランドを加熱する熱処理室と、前記熱処理室内に熱風を導入する熱風吹出しノズルと、前記熱風吹出しノズルから離れた位置に設置され、熱風を吸込む熱風吸込みノズルとを備え、
前記熱風吹出しノズルが、以下の条件（１）〜（４）を満足する多孔板と整流部材とを有し、熱風が当該多孔板及び整流部材を介して熱処理室内に送られる耐炎化熱処理炉。
（１）Ａ／Ｂ ≧４．０
（２）０．１５≦α≦０．３５
（３）０≦Ｂ−ｄ≦２０
（４）多孔板と整流部材との向かい合う面を重ねたときに、多孔板の１つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材の１つの開孔内に含まれる。
ここで、Ａは整流部材の熱風通過距離（ｍｍ）、Ｂは整流部材の１つの開孔における水平方向の最大距離（ｍｍ）、αは多孔板の開孔率、ｄは多孔板の相当直径（ｍｍ）である。
〔２〕前記耐炎化熱処理炉にあって、前記多孔板の相当直径ｄ（ｍｍ）が、条件（５）を満足することが好ましい。
（５）１０≦ｄ≦２０
（５）１０≦ｄ≦２０
〔３〕前記耐炎化熱処理炉にあって、前記多孔板の開孔の開孔ピッチＰ１（ｍｍ）と整流部材の開孔の開孔ピッチＰ２（ｍｍ）とが条件（６）を満足することが好ましい。
（６）０．９９５×Ｐ２≦Ｐ１≦１．００５×Ｐ２
（６）０．９９５×Ｐ２≦Ｐ１≦１．００５×Ｐ２
〔４〕前記耐炎化熱処理炉にあって、下記条件（７）を満たすことが好ましい。
（７）０≦ｙ≦７
ここで、ｙは多孔板と整流部材との開孔面が対面する距離（ｍｍ）である。
（７）０≦ｙ≦７
ここで、ｙは多孔板と整流部材との開孔面が対面する距離（ｍｍ）である。
〔５〕前記耐炎化熱処理炉にあって、前記整流部材の熱風通過方向の断面形状が、格子形状またはハニカム形状であることが好ましい。
〔６〕前記耐炎化熱処理炉にあって、連結部で多孔板と整流部材とが位置決め部材によって連結されていることが好ましい。
〔７〕前記耐炎化熱処理炉にあって、多孔板と整流部材が取外し可能であることが好ましい。
〔８〕前記耐炎化熱処理炉にあって、前記熱風吹出しノズルが熱風の流れ方向を変える方向転換板を有し、以下の条件（８）及び（９）を満足することが好ましい。
（８）（ｘ／Ｌ）＜０．０３０
（９）（ｗ／Ｌ）＜０．５０
ここで、ｘはノズル先端における、多孔板とノズル先端における方向転換板との間の距離（ｍｍ）、Ｌは熱風吹出しノズルの奥行き方向の全長（ｍｍ）、ｗは熱風吹出しノズルの入口幅（ｍｍ）である。
（８）（ｘ／Ｌ）＜０．０３０
（９）（ｗ／Ｌ）＜０．５０
ここで、ｘはノズル先端における、多孔板とノズル先端における方向転換板との間の距離（ｍｍ）、Ｌは熱風吹出しノズルの奥行き方向の全長（ｍｍ）、ｗは熱風吹出しノズルの入口幅（ｍｍ）である。
〔９〕前記耐炎化熱処理炉にあって、前記多孔板は、設置位置が調節可能であることが好ましい。
〔１０〕前記耐炎化熱処理炉を用いて、炭素繊維前駆体ストランドを加熱する工程を有する炭素繊維の製造方法。
本発明によれば、耐炎化処理の際に、簡易な熱風吹出しノズルの構造で、熱風の吹出し流速の分布を均一化することにより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、開孔の大きな多孔板を用いることで、シリコーン系化合物によるノズルの閉塞を防ぎやすくなる。
以下、本発明の実施形態の一例について、図面を用いて詳細に説明する。
図１に本実施形態の耐炎化熱処理炉の縦断面図を模式的に示している。本実施形態の耐炎化熱処理炉１は、耐炎化熱処理炉１内の熱処理室２と、シート状で走行する前駆体繊維ストランド１０を熱処理室２内に導入又は熱処理室２外に導出するスリット状の第１導出入口９ａと、シート状で走行する前駆体繊維ストランド１０を熱処理室２外に導出又は熱処理室２内に導入するスリット状の第２導出入口９ｂと、前駆体繊維ストランド１０の第１導出入口９ａの室内側に配された熱風吹出しノズル４と、前駆体繊維ストランド１０の第２導出入口９ｂの室内側に配された熱風吸込みノズル５と、前駆体繊維ストランド１０の第１及び第２導出入口９ａ，９ｂのそれぞれ熱処理室２外に上下多段に設けられたガイドロール３と、熱風吹出しノズル４、熱処理室２及び熱風吸込みノズル５との間を循環させる熱風の循環ダクト８と、循環ダクト８に設置される熱風加熱器６及び送風機７とを備えている。シート状の前駆体繊維ストランド１０は多段に配されたガイドロール３に順次掛け回され、耐炎化熱処理炉１の第１及び第２導出入口９ａ，９ｂを通して熱処理室２を出入りする。
図１に本実施形態の耐炎化熱処理炉の縦断面図を模式的に示している。本実施形態の耐炎化熱処理炉１は、耐炎化熱処理炉１内の熱処理室２と、シート状で走行する前駆体繊維ストランド１０を熱処理室２内に導入又は熱処理室２外に導出するスリット状の第１導出入口９ａと、シート状で走行する前駆体繊維ストランド１０を熱処理室２外に導出又は熱処理室２内に導入するスリット状の第２導出入口９ｂと、前駆体繊維ストランド１０の第１導出入口９ａの室内側に配された熱風吹出しノズル４と、前駆体繊維ストランド１０の第２導出入口９ｂの室内側に配された熱風吸込みノズル５と、前駆体繊維ストランド１０の第１及び第２導出入口９ａ，９ｂのそれぞれ熱処理室２外に上下多段に設けられたガイドロール３と、熱風吹出しノズル４、熱処理室２及び熱風吸込みノズル５との間を循環させる熱風の循環ダクト８と、循環ダクト８に設置される熱風加熱器６及び送風機７とを備えている。シート状の前駆体繊維ストランド１０は多段に配されたガイドロール３に順次掛け回され、耐炎化熱処理炉１の第１及び第２導出入口９ａ，９ｂを通して熱処理室２を出入りする。
図２は本実施形態に係る耐炎化熱処理炉の平断面を示す。同図に示すとおり、熱風吹出しノズル４から吹出した熱風は、シート状に展延されて走行する複数の前駆体繊維ストランド１０と並行して熱処理室２内を流れ、熱風吸込みノズル５によって吸込まれ、循環ダクト８を通って熱風加熱器６により所定の温度に制御された後、送風機７によって再び熱風吹出しノズル４へと供給される。
図３に本発明の耐炎化熱処理炉に備えられる熱風吹出しノズル４の拡大平面図を示す。熱風吹出しノズル４は、その断面が矩形であり、熱風入口４０と、熱風の方向を９０°転換するための方向転換板４１と、圧力損失により風速斑を低減する多孔板４２と、熱処理室２（図２参照）において、熱風を前駆体繊維ストランド１０の走行方向に整えるための整流部材４３とを備えている。
本発明において、多孔板４２とは複数の開孔が配置されている板である。
前記多孔板４２は同じ形状、同じ大きさの複数の開孔が均一に配置されていることが好ましい。
前記多孔板４２は同じ形状、同じ大きさの複数の開孔が均一に配置されていることが好ましい。
前駆体繊維ストランド１０を挟んで上下に配された熱風吹出しノズル４から吹き出される熱風の吹出し速度は、それぞれ同じ速度であることが好ましい。また、熱風吹出しノズル４から吹出される熱風の幅方向、高さ方向の流速のバラつきは極力小さくすることが好ましく、吹出しノズルから下流２ｍの地点における風速斑は平均風速±２０％以内に納めることが好ましい。さらに好ましくは±１０％以内である。
熱風が整流部材４３を通過する熱風通過距離Ａ（図３参照）と、整流部材４３の水平方向の最大距離Ｂとの比（Ａ／Ｂ）は４以上とするのが好ましい。４．０倍以上であれば、熱風吹出しノズル４の熱風入口４０から方向転換して前駆体繊維ストランド１０の走行方向に並行に吹出すための直進性付与の点で好ましい。一方で、整流部材４３を長くすると糸条方向に沿ったノズル自体の長さが大きくなることで、耐炎化熱処理炉１において前駆体繊維ストランド１０を挟んで熱風の流れない領域が大きくなる。すなわち、発熱反応を続ける前駆体繊維ストランド１０の除熱が予定通りできないことによる暴走反応の危険性が大きくなる。Ａ／Ｂは１０以下に収めることが好ましく、７以下がより好ましく、５以下がさらに好ましい。
また、多孔板４２の開孔率は圧力損失により風速斑を低減するために１５〜３５％である。前記開孔率は、１５％以上であれば多孔板位置での圧力損失を抑制する点で好ましく、１７％以上がさらに好ましい。前記開孔率は、３５％以下であれば熱風吹出しノズル４の長さ方向にわたって圧力損失により風速斑を低減する点で好ましく、３０％以下がさらに好ましく、２５％以下がより好ましい。
多孔板４２の１つの開孔と整流部材４３の１つの開孔の位置関係は、多孔板４２と整流部材４３との向かい合う面を重ねたときに、多孔板４２の１つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材４３の１つの開孔内に存在するのが熱風吹出しノズル４からの熱風吹出しの流速均一性の観点から好ましい。
多孔板４２の開孔中心が、整流部材４３の幅方向の中点を結ぶ直線上にあることが好ましい。
前記位置関係にすることで、熱風が多孔板４２と整流部材４３とをスムーズに流れやすくなり、斜流も抑制しやすくなる。
前記位置関係にすることで、熱風が多孔板４２と整流部材４３とをスムーズに流れやすくなり、斜流も抑制しやすくなる。
本発明における多孔板４２の開孔の相当直径ｄは、多孔板４２の閉塞状況、熱風吹出しノズル４からの熱風吹出しの流速均一性から適宜決めればよいが、多孔板４２の閉塞を防止する観点から、多孔板４２の相当直径の下限は、５ｍｍ以上が好ましく、８ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。
また、多孔板４２の相当直径の上限は、熱風吹出しノズル４からの熱風吹出しの流速均一性の観点から２５ｍｍ以下が好ましく、２０ｍｍ以下がより好ましく、１６ｍｍ以下がさらに好ましい。
相当直径ｄは以下の式で求める。
ｄ＝４×Ｓ／Ｌ
ここで、Ｓは開孔面積（ｍｍ2 ）、Ｌは開孔の周長（ｍｍ）である。
また、多孔板４２の相当直径の上限は、熱風吹出しノズル４からの熱風吹出しの流速均一性の観点から２５ｍｍ以下が好ましく、２０ｍｍ以下がより好ましく、１６ｍｍ以下がさらに好ましい。
相当直径ｄは以下の式で求める。
ｄ＝４×Ｓ／Ｌ
ここで、Ｓは開孔面積（ｍｍ2 ）、Ｌは開孔の周長（ｍｍ）である。
本発明における、前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）と、前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）との関係は、条件０≦Ｂ−ｄ≦２０を満足することが好ましい。
前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）から前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）を引いた値が０（ｍｍ）以上であれば、熱風がスムーズに整流部材４３を流れやすくなる。また、前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）から前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）を引いた値が２０（ｍｍ）以下であれば、熱処理室へ吹き出す熱風の直進性を高めやすくなる。
熱風が前記整流部材４３をスムーズに流れる点から、前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）から前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）を引いた値が５（ｍｍ）以上がさらに好ましい。また、熱風の直進性の点から、前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）から前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）を引いた値が１５（ｍｍ）以下がさらに好ましい。
熱風が前記整流部材４３をスムーズに流れる点から、前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）から前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）を引いた値が５（ｍｍ）以上がさらに好ましい。また、熱風の直進性の点から、前記整流部材４３の１つの開孔の水平方向の最大距離Ｂ（ｍｍ）から前記多孔板４２の相当直径ｄ（ｍｍ）を引いた値が１５（ｍｍ）以下がさらに好ましい。
整流部材４３は平板を平行に並べた整流板や市販されているハニカム部材や、格子状に平板を組み合わせた部材が用いられる。熱処理室２内の幅方向にわたって、各整流部材４３間から吹出す流束を一様にするために、多孔板４２の開孔の開孔ピッチＰ１は、整流部材の開孔の開孔ピッチＰ２の０．９９５〜１．００５倍の範囲であることが好ましい。０．９９５倍より小さいと、多孔板４２の開孔と整流部材４３の開孔との相対位置のずれ量が大きくなり、熱処理室２内の幅方向風速分布の悪化が懸念される。また１．００５倍より大きくなっても、ずれる方向が逆となり同様に悪化が懸念される。より好ましくは、整流部材の開孔ピッチＰ２と多孔板の開孔ピッチＰ１が、図５に示すように、同一となることである。
方向転換板４１の形状は、ノズル長さ方向の先端における多孔板４２と方向転換板４１との対向距離ｘと、熱風吹出しノズル４の長さＬとの比（ｘ／Ｌ）を０．０３０倍未満とし、熱風吹出しノズル４の入口幅ｗと、熱風吹出しノズル４のノズル長さＬとの比（ｗ／Ｌ）を０．５０倍未満とする範囲で傾斜をつける（図３参照）。この範囲の傾斜により熱風の方向転換と熱風入口４０からノズル先端側への流量が制御され、ノズル長さＬにわたって、吹出し流束を均一化させることが可能となる。
図４に熱風吹出しノズル４の多孔板４２と整流部材４３の位置関係を模式的に示す。
多孔板４２と整流部材４３との開孔面が対面する距離ｙ（図３参照）は７ｍｍ以内とすることが好ましい。多孔板通過直後の位置では、熱風の向きが前駆体繊維ストランド１０の走行方向とは並行せず、流線は傾斜している。このため多孔板４２と整流部材４３との間の距離ｙが７ｍｍ以内であれば、熱風吹出しノズル４の長さ方向先端側への流線の傾斜の影響を抑え、熱風の吹出し流束分布の均一化を行う点で好ましい。
さらに、多孔板４２と格子状又はハニカム状の整流部材４３との間の距離ｙは可能な限り０に近づけることが好ましい。
多孔板４２と整流部材４３との開孔面が対面する距離ｙ（図３参照）は７ｍｍ以内とすることが好ましい。多孔板通過直後の位置では、熱風の向きが前駆体繊維ストランド１０の走行方向とは並行せず、流線は傾斜している。このため多孔板４２と整流部材４３との間の距離ｙが７ｍｍ以内であれば、熱風吹出しノズル４の長さ方向先端側への流線の傾斜の影響を抑え、熱風の吹出し流束分布の均一化を行う点で好ましい。
さらに、多孔板４２と格子状又はハニカム状の整流部材４３との間の距離ｙは可能な限り０に近づけることが好ましい。
多孔板４２と整流部材４３の相対位置関係を保持するために、位置決め部材を用いて連結を行う。整流部材と多孔板の位置関係が一定に固定され、熱風の吹出しに影響が無ければ、どのような方法でもかまわない。例えば、多孔板４２に隣合う整流部材の間隔と同じ幅を持つ位置決めピンを立て、整流部材４３をはめ込むことで、熱処理室２内幅方向に多孔板４２と整流部材４３がずれないように固定する方法、整流部材の外枠に、多孔板の外枠をはめ込む方法、ボルトとナットで固定する方法、整流部材のいくつかの開孔に、多孔板に取り付けた整流部材の開孔と同じ形状の突起をはめ込む方法、フックを指定場所に掛ける方法などが可能である。また連結部材は、メンテナンスを容易とするために取外しが可能であることが好ましい。
図７に熱風吹出しノズルの多孔板の開孔方法を模式的に示す。多孔板４２の孔数と整流部材４３である格子又はハニカムの孔数は必ずしも同じにする必要はなく、開孔率を所定の範囲に納めるために、多孔板４２の孔設置位置を任意に決めればよい。その際、多孔板４２の孔設置位置は、全体のつりあいが取れるように設置するのが好ましい。
以上説明したように、本発明の熱風吹出しノズルを用いた耐炎化熱処理炉によれば、熱風吹出しノズルを簡易な構造とするとともに、熱風の吹出し流束の分布を均一化することで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、さらに開孔の大きな部材を用いることで、発生するシリコーン系化合物によるノズルの閉塞を防ぎやすくなる。
また図２の構成で、循環ダクト８が外側になるよう前駆体繊維束（前駆体繊維ストランド）１０の幅方向に対称に配置し、被処理物通過経路の幅を大きくすることや、さらに熱風吹出しノズル４が背中合わせになるよう長手方向に対称に配置した耐炎化熱処理炉とすることで、流束分布の均一性が維持されつつ単位時間あたりの処理量を増加できる。
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
測定方法は、以下に述べるとおりである。
（風速）
耐炎化熱処理炉内の風速は、ベーン式風速計（佐藤製作所製、製品名“ＳＫ−９５Ｆ”）により測定した。
測定方法は、以下に述べるとおりである。
（風速）
耐炎化熱処理炉内の風速は、ベーン式風速計（佐藤製作所製、製品名“ＳＫ−９５Ｆ”）により測定した。
［実施例１］
図３に示す熱風吹出しノズルにおいて、ノズル長さＬ＝２０５０ｍｍ、熱風入口の幅ｗ＝７００ｍｍ、方向転換板の先端と多孔板の距離ｘ＝５０ｍｍ、多孔板の相当直径ｄ＝１２ｍｍであり、このとき熱風入口の幅ｗと熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｗ／Ｌは０．３４、方向転換板の先端と多孔板の距離ｘと熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｘ／Ｌは０．０２４である。
図３に示す熱風吹出しノズルにおいて、ノズル長さＬ＝２０５０ｍｍ、熱風入口の幅ｗ＝７００ｍｍ、方向転換板の先端と多孔板の距離ｘ＝５０ｍｍ、多孔板の相当直径ｄ＝１２ｍｍであり、このとき熱風入口の幅ｗと熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｗ／Ｌは０．３４、方向転換板の先端と多孔板の距離ｘと熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｘ／Ｌは０．０２４である。
また、整流部材には（株）サンテクノロジー社製ステンレスハニカム（型式ＳＨ−０１１００−２６、対辺寸法２６ｍｍ、板厚０．１ｍｍ、奥行き１４５ｍｍ）を用いた。すなわちＡ／Ｂ＝４．８である。このとき、図４に示す多孔板の孔の開孔ピッチＰ１はステンレスハニカムの開孔ピッチＰ２と同一の２２．５ｍｍピッチとした。この時、開孔率は１７％であった。さらに図５に示すように、多孔板と整流部材の開孔を同一平面に重ね合わせたときの、それぞれの中心位置が一致するよう調整を行った。また、多孔板と整流部材との間隙ｙは０ｍｍで密着構造とした。
吹出しノズルから２ｍ離れた位置で、平均風速が３ｍ／ｓとなるようにファン（不図示）で風量を調整してノズルに送風を行い、熱風処理室内の吹出しノズルから２ｍ下流の位置で風速測定を行った。また、２ｍ下流の位置で吹出しノズルの長さ方向には、熱風入口を起点とした場合、２６５ｍｍ、３６５ｍｍ、７０５ｍｍ、１１４５ｍｍ、１５８５ｍｍ、１９２５ｍｍ、２０２５ｍｍの計７点を測定位置とした。各測定位置で１０回ずつ風速測定を実施し、その平均を各位置における風速値とした。また、その風速値を用いて、ノズル長さ方向の７点で各条件における平均風速と風速分布を算出した。
その結果、表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±５％で良好であった。
その結果、表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±５％で良好であった。
［実施例２］
多孔板とハニカム（整流部材）の開孔を同一平面に重ね合わせたときのそれぞれの中心のずれ量が１．５ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±５％で良好であった。
多孔板とハニカム（整流部材）の開孔を同一平面に重ね合わせたときのそれぞれの中心のずれ量が１．５ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±５％で良好であった。
［実施例３］
図３に示す熱風吹出しノズルにおいて、ノズル長さＬ＝１８５０ｍｍ、熱風入口の幅ｗ＝３７５ｍｍ、方向転換板の先端と多孔板との間の距離ｘ＝１０ｍｍ、多孔板の相当直径ｄ＝１４ｍｍとし、このときの熱風入口の幅ｗと熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｗ／Ｌは０．２０、方向転換板の先端と多孔板との距離ｘと、熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｘ／Ｌは０．００５とした。
図３に示す熱風吹出しノズルにおいて、ノズル長さＬ＝１８５０ｍｍ、熱風入口の幅ｗ＝３７５ｍｍ、方向転換板の先端と多孔板との間の距離ｘ＝１０ｍｍ、多孔板の相当直径ｄ＝１４ｍｍとし、このときの熱風入口の幅ｗと熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｗ／Ｌは０．２０、方向転換板の先端と多孔板との距離ｘと、熱風吹出しノズルの長さＬとの比ｘ／Ｌは０．００５とした。
また、整流部材には（株）サンテクノロジー社製ステンレスハニカム（型式ＳＨ−０１１００−１６、対辺寸法が１６ｍｍ、板厚０．１ｍｍ、奥行きが８０ｍｍ）を用いた。すなわちＡ／Ｂ＝４．３である。このとき、図４に示す多孔板の孔の開孔ピッチＰ１をステンレスハニカムの開孔ピッチＰ２と同一の１３．９ｍｍピッチとした。このときの多孔板の開孔率は２９％であった。さらに多孔板と整流部材との開孔を同一平面に重ね合わせたときの、それぞれの中心位置を一致するように調整を行った。また、多孔板と整流部材との間隙ｙは０ｍｍで密着構造とした。
吹出しノズルから２ｍ離れた位置で、ファン（不図示）で平均風速が３ｍ／ｓとなるように風量を調整してノズルに送風し、吹出しノズルから２ｍ下流の位置で風速の測定を行った。また、２ｍ下流の位置にあって吹出しノズルの長さ方向に、熱風入口を起点とした場合、１００ｍｍ、２４７ｍｍ、５９４ｍｍ、９４１ｍｍ、１２８８ｍｍ、１６３５ｍｍ、１７５０ｍｍの計７点を風速の測定位置とした。各測定位置で１０回ずつ風速測定を実施し、その平均を各位置における風速値とした。また、その風速値を用いて、ノズル長さ方向の７点で各条件における平均風速と風速分布を算出した。
その結果は、表１に示すとおりであって、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±９％で良好であった。
その結果は、表１に示すとおりであって、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±９％で良好であった。
［実施例４］
多孔板と整流部材の開孔とを同一平面に重ね合わせたときの、それぞれの中心の水平方向のずれ量ｚが１ｍｍとした以外は実施例３と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±９％で良好であった。
多孔板と整流部材の開孔とを同一平面に重ね合わせたときの、それぞれの中心の水平方向のずれ量ｚが１ｍｍとした以外は実施例３と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±９％で良好であった。
実施例１〜４は、請求項の数値範囲を全て満足した条件となっており、風速分布斑は良好であった。多孔板の圧損と方向転換板の傾斜、さらに多孔板とハニカムの配置関係の適正化により各ハニカム孔への流入量の均一化が図られ、所定長のハニカムを通過することにより前駆体繊維の走行方向に並行な方向に直進性をもち、風速分布の均一化が図られた。また、実施例２と４は、それぞれ実施例１と３に対し、請求項２を満足する範囲内で多孔板と整流部材の開孔を同一平面に重ね合わせたときの、それぞれの中心をずらしたが、風速斑には影響を及ぼしていない。
［実施例５］
熱風入口の幅ｗ＝１２００ｍｍ、すなわち（ｗ／Ｌ）を０．５９とした以外は実施例１と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±１０％で良好であった。
熱風入口の幅ｗ＝１２００ｍｍ、すなわち（ｗ／Ｌ）を０．５９とした以外は実施例１と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±１０％で良好であった。
［実施例６］
方向転換板の先端と多孔板の距離ｘ＝８０ｍｍ、すなわちｘ／Ｌ＝０．０３９とした以外は実施例５と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±９％で良好であった。
方向転換板の先端と多孔板の距離ｘ＝８０ｍｍ、すなわちｘ／Ｌ＝０．０３９とした以外は実施例５と同様として風速の測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±９％で良好であった。
実施例５は熱風吹出しノズルの入口幅を広くしたことで条件（９）の範囲外、実施例６はさらに多孔板とノズル先端における方向転換板との間の距離を広くした点で条件（８）及び（９）の範囲外である。いずれも風速分布は良好であったが、請求項全てを満足している実施例１より風速斑が大きくなる傾向にある。
［実施例７］
多孔板の孔の開孔ピッチＰ１は、ステンレスハニカムの開孔ピッチＰ２と同一の２２．５ｍｍピッチとした状態で、多孔板と整流部材の開孔を同一平面に重ね合わせたときの、ハニカムの外接円の中心と多孔板の中心との水平方向のずれの距離を４ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±１６％で良好であった。
多孔板の孔の開孔ピッチＰ１は、ステンレスハニカムの開孔ピッチＰ２と同一の２２．５ｍｍピッチとした状態で、多孔板と整流部材の開孔を同一平面に重ね合わせたときの、ハニカムの外接円の中心と多孔板の中心との水平方向のずれの距離を４ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±１６％で良好であった。
実施例７は、多孔板と整流部材の開孔を同一平面に重ね合わせたときの、多孔板の孔中心とハニカムの外接円の中心が水平方向にずれている場合、ハニカム内での偏流の傾向が強くなるため、実施例１と比較して風速斑の値が大きくなる傾向にある。
［実施例８］
多孔板と整流部材であるハニカムとの開孔面の対面する間隙ｙを５ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±１５％で良好であった。
多孔板と整流部材であるハニカムとの開孔面の対面する間隙ｙを５ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±１５％で良好であった。
［実施例９］
多孔板と整流部材であるハニカムとの開孔面の対面する間隙ｙを１０ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±２０％で良好であった。
多孔板と整流部材であるハニカムとの開孔面の対面する間隙ｙを１０ｍｍとした以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±２０％で良好であった。
実施例８は条件（７）の範囲内であり、実施例９は多孔板とハニカムとの距離を広げたため、条件（７）の範囲外となっている。熱風入口から流入し、多孔板を通過した流線は、前駆体繊維の走行方向に対しノズル先端側へ傾斜しているため、多孔板とハニカムとの間の距離が大きいと各ハニカム孔に均一に流入せず、ノズル先端部の風速が速くなり風速斑が大きくなる傾向にある。
［比較例１］
多孔板の孔径ｄ＝１８ｍｍ、開孔率が３７％である以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±４５％で風速斑が大きかった。
多孔板の孔径ｄ＝１８ｍｍ、開孔率が３７％である以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±４５％で風速斑が大きかった。
比較例１は開孔率を大きくしたため、条件（２）の範囲外となっている。開孔率が大きくなりすぎると、熱風吹出しノズル先端側から吹出す風速が大きくなり、風速分布が大幅に悪化する。
［比較例２］
整流部材に（株）サンテクノロジー社製ステンレスハニカム（型式ＳＨ−０１１００−２６、対辺寸法が２６ｍｍ、板厚が０．１ｍｍ、奥行きが１００ｍｍ）を用いた。すなわちＡ／Ｂ＝３．３である。それ以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±２５％で風速斑が大きかった。
整流部材に（株）サンテクノロジー社製ステンレスハニカム（型式ＳＨ−０１１００−２６、対辺寸法が２６ｍｍ、板厚が０．１ｍｍ、奥行きが１００ｍｍ）を用いた。すなわちＡ／Ｂ＝３．３である。それ以外は実施例１と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±２５％で風速斑が大きかった。
［比較例３］
整流部材に（株）サンテクノロジー社製ステンレスハニカム（型式ＳＨ−０１１００−１６、対辺寸法１６ｍｍ、板厚０．１ｍｍ、奥行き５０ｍｍ）を用いた。すなわちＡ／Ｂ＝２．７である。それ以外は実施例３と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±３５％で風速斑が大きかった。
整流部材に（株）サンテクノロジー社製ステンレスハニカム（型式ＳＨ−０１１００−１６、対辺寸法１６ｍｍ、板厚０．１ｍｍ、奥行き５０ｍｍ）を用いた。すなわちＡ／Ｂ＝２．７である。それ以外は実施例３と同様として風速測定を行った。結果は表１に示すとおり、ノズルの長さ方向にわたる風速斑は±３５％で風速斑が大きかった。
比較例２及び３はハニカムの熱風通過距離が短いため、条件（１）の範囲外となっている。ハニカムの熱風通過距離が短すぎると、熱風吹出しノズルの吹出し口から流束が斜流となって吹出すことになり、比較例２及び３に示すとおり、結果として風速斑が大きくなる。従って、整流部材熱風通過距離と、整流部材の格子又はハニカム部材の対辺間距離との比Ａ／Ｂは４．０倍以上とするのが好ましい。
１ ：耐炎化熱処理炉
２ ：熱処理室
３ ：ガイドロール
４ ：熱風吹出しノズル
５ ：熱風吸込みノズル
６ ：熱風加熱器
７ ：送風機
８ ：循環ダクト
９ａ：第１導出入口
９ｂ：第２導出入口
１０：前駆体繊維ストランド
４０：熱風入口
４１：方向転換板
４２：多孔板
４３：整流部材
２ ：熱処理室
３ ：ガイドロール
４ ：熱風吹出しノズル
５ ：熱風吸込みノズル
６ ：熱風加熱器
７ ：送風機
８ ：循環ダクト
９ａ：第１導出入口
９ｂ：第２導出入口
１０：前駆体繊維ストランド
４０：熱風入口
４１：方向転換板
４２：多孔板
４３：整流部材
本発明は、以下の態様を包含する。
〔１〕熱風を、熱風吹出しノズル内で方向を転換した後に、前駆体繊維ストランドの走行方向と平行な方向に流し、前記前駆体繊維ストランドを耐炎化する熱処理室と、前記熱処理室内に設けられた熱風吹出しノズルと、前記熱風吹出しノズルから離れた位置に設置され、熱風を吸込む吸込みノズルとを備え、
前記熱風吹出しノズルが以下の条件（１）〜（４）を満足する多孔板と整流部材とを有し、熱風が当該多孔板と整流部材を介して熱処理室内に送られる耐炎化熱処理炉。
（１）Ａ／Ｂ≧４．０
（２）０．１５≦α≦０．３５
（３）０≦Ｂ−ｄ≦２０
（４）多孔板と整流部材との向かい合う面を重ねたときに、多孔板の一つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材の一つの開孔内に含まれる。
ここで、Ａは整流部材の熱風通過距離（ｍｍ）、Ｂは整流部材の一つの開孔における水平方向の最大距離（ｍｍ）、αは多孔板の開孔率、d は多孔板の相当直径（ｍｍ）を示す。
〔１〕熱風を、熱風吹出しノズル内で方向を転換した後に、前駆体繊維ストランドの走行方向と平行な方向に流し、前記前駆体繊維ストランドを耐炎化する熱処理室と、前記熱処理室内に設けられた熱風吹出しノズルと、前記熱風吹出しノズルから離れた位置に設置され、熱風を吸込む吸込みノズルとを備え、
前記熱風吹出しノズルが以下の条件（１）〜（４）を満足する多孔板と整流部材とを有し、熱風が当該多孔板と整流部材を介して熱処理室内に送られる耐炎化熱処理炉。
（１）Ａ／Ｂ≧４．０
（２）０．１５≦α≦０．３５
（３）０≦Ｂ−ｄ≦２０
（４）多孔板と整流部材との向かい合う面を重ねたときに、多孔板の一つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材の一つの開孔内に含まれる。
ここで、Ａは整流部材の熱風通過距離（ｍｍ）、Ｂは整流部材の一つの開孔における水平方向の最大距離（ｍｍ）、αは多孔板の開孔率、d は多孔板の相当直径（ｍｍ）を示す。
Claims (10)
- 熱風を前駆体繊維ストランドの走行方向と平行な方向に流し、前記前駆体繊維ストランドを加熱する熱処理室と、前記熱処理室内に熱風を導入する熱風吹出しノズルと、前記熱風吹出しノズルから離れた位置に設置され、熱風を吸込む熱風吸込みノズルとを備え、
前記熱風吹出しノズルが、以下の条件（１）〜（４）を満足する多孔板と整流部材とを有し、熱風が当該多孔板及び整流部材を介して熱処理室内に送られる耐炎化熱処理炉。
（１）Ａ／Ｂ ≧４．０
（２）０．１５≦α≦０．３５
（３）０≦Ｂ−ｄ≦２０
（４）多孔板と整流部材との向かい合う面を重ねたときに、多孔板の１つの開孔の面積の８０％以上が、整流部材の１つの開孔内に含まれる。
ここで、Ａは整流部材の熱風通過距離（ｍｍ）、Ｂは整流部材の１つの開孔における水平方向の最大距離（ｍｍ）、αは多孔板の開孔率、ｄは多孔板の相当直径（ｍｍ）である。 - 前記多孔板の相当直径ｄ（ｍｍ）が、条件（５）を満足する請求項１に記載の耐炎化熱処理炉。
（５）１０≦ｄ≦２０ - 前記多孔板の開孔の開孔ピッチＰ１（ｍｍ）と、前記整流部材の開孔の開孔ピッチＰ２（ｍｍ）とが、次の条件（６）を満足する請求項１又は２に記載の耐炎化熱処理炉。
（６）０．９９５×Ｐ２≦Ｐ１≦１．００５×Ｐ２ - 前記多孔板と前記整流部材との開孔面が対面する距離ｙ（ｍｍ）が、次の条件（７）を満たす請求項１〜３のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉。
（７）０≦ｙ≦７ - 前記整流部材の熱風通過方向の断面形状が、格子形状またはハニカム形状である請求項１〜４のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉。
- 前記多孔板と前記整流部材とが位置決め部材によって連結されている請求項１〜５のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉。
- 前記多孔板と前記整流部材が取外し可能である請求項１〜６のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉。
- 前記熱風吹出しノズルが熱風の流れ方向を変える方向転換板を有し、以下の条件（８）及び（９）を満足する請求項１〜７のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉。
（８）（ｘ／Ｌ）＜０．０３０
（９）（ｗ／Ｌ）＜０．５０
ここで、ｘはノズル先端における、多孔板とノズル先端における方向転換板との間の距離（ｍｍ）、Ｌは熱風吹出しノズルの奥行き方向の全長（ｍｍ）、ｗは熱風吹出しノズルの入口幅（ｍｍ）である。 - 前記多孔板は、設置位置が調節可能である請求項１〜８のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の耐炎化熱処理炉を用いて、炭素繊維前駆体ストランドを加熱する工程を有する炭素繊維の製造方法。
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