KR101190315B1 - 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치에 관한 것으로, 탄소섬유를 제조하기 위해 섬유사가이드의 안내에 따라 섬유사를 탄화로에 투입하여 열처리할 때 상기 탄화로의 입구측과 출구측을 모두 씰링하는 씰링장치에 있어서; 상기 섬유사가이드의 외주면을 감싸하는 형태로 설치되되, 상기 탄화로를 중심으로 입구측과 출구측이 서로 대칭되게 구비되고, 서로 인접하여 설치되며, 각각 불활성가스가 공급되는 제1,2씰링챔버와; 상기 제1,2씰링챔버 내부에 각각 구비되고, 상기 섬유사가이드의 외주면과의 사이로 상기 불활성가스를 분사하여 씰링하도록 설치되되 상기 제1,2씰링챔버로부터 분사되는 불활성가스의 분사방향이 서로 반대되게 설치된 제1,2래비린스씰을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄화로 내부로 주입되는 불활성가스량을 효율적으로 조절하여 제조비용을 절감할 수 있고, 탄화로 내부에서 발생되는 HCN 가스 외 다량의 열분해 생성물이 씰 부위로 유입되는 것을 효과적으로 차단하여 섬유사의 손상이나 보풀 발생을 최소화시킬 수 있으며, 탄화로 외부에서 유입되는 공기를 효과적으로 차단하여 공정성 향상 및 고품질의 탄소섬유를 제조할 수 있다.

Description

탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치{APPARATUS FOR SEALING OF CARBONIZATION FURNACE FOR MANUFACTURING CARBON FIBER}

본 발명은 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화로 내부로 유입되는 불활성가스의 유량을 효율적으로 조절하여 제조비용을 낮추면서 외부 공기의 유입은 효과적으로 차단하여 섬유사의 손상이나 보풀 발생을 최소화시킨 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치에 관한 것이다.

일반적으로, 탄소섬유는 고강도, 고탄성 등 뛰어난 기계적인 특성을 갖지만, 단독으로 이용되기 보다는 보통 매트릭스 수지의 보강재로서 이용된다.

탄소섬유로 보강된 매트릭스 수지는 서로 다른 물질이 혼합된 복합재료로서, 무게가 가볍고, 강도 및 탄성률이 우수하여, 스포츠용품, 레저용품, 우주 항공 장비 등의 제조에 유용하게 사용되고 있다.

그러나, 통상적으로 탄소섬유와 매트릭스 수지는 접착 강도가 불충분하므로 보강재인 탄소섬유의 표면을 개질하여 매트릭스 수지와의 접착 강도를 향상시킴으로써, 탄소섬유와 매트릭스 수지가 긴밀히 접착된 복합재료를 형성하고 있다.

이러한 탄소섬유는 셀룰로오스, 폴리 아크릴로니트릴 등의 유기 섬유를 불활성가스 중에서 고온으로 구워서 만드는 방식으로 제조된다.

즉, 탄소섬유는 아크릴 섬유를 산화성 분위기 하에서 미리 가열해 아크릴 섬유를 구성하는 고분자 쇠사슬을 산화시키는 것과 동시에 니트릴기를 환원시켜 가스 버너의 불길에 쬐어도 연소되지 않는 열적으로 안정한 구조를 갖는 섬유로 전환시키는 내염화 또는 산화공정과, 1000℃ 이상의 불활성가스 분위기 하에서 열처리하는 탄소화 공정을 통해 제조되게 된다.

이때, 열처리는 불활성가스 분위기로 유지되는 탄화로에서 이루어지는데 가장 중요한 것이 로 내부로 외부 공기가 유입되지 않아아 하며, 로 내에서 발생된 유해가스가 로 외부로 누출되지 않아야 한다.

이를 위해, 탄화로의 입구와 출구에 씰링수단을 구비하고 있는데 보통 불활성가스를 분사하여 커튼을 형성하는 형태로 이루어지고 있다.

하지만, 이와 같은 종래 씰링구조는 다량의 불활성가스를 소비해야 하므로 탄소섬유 제조에 따른 급격한 비용상승을 초래하고, 외부 공기의 완벽한 차단이 어려워 유해한 HCN 가스 외에 다량의 열분해 생성물 등이 로 내부, 특히 씰링부 쪽에 부착 퇴적하면서 스케일화 되는 것을 원천적으로 방지할 수 없어 이들로 인해 불활성가스의 원활한 흐름이 이루어지지 않아 로 내부의 압력 변동이 발생하거나 혹은 주행하는 섬유의 사(絲) 손상이나 보풀을 발생시키는 등 불량이 야기된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 탄소섬유의 제조과정중 섬유사(纖維絲)를 탄화로에서 열처리할 때 탄화로의 입구측과 출구측을 간단하면서도 완벽하게 씰링하여 외부 공기가 로 내부로 침투되지 못하도록 함으로써 불활성가스의 원활한 흐름을 유도하고 균일하고 안정적인 탄화처리가 가능토록 하여 탄소섬유 제조비용을 줄이고, 섬유사의 손상이나 보풀 발생을 극소화시켜 보다 고품질의 탄소섬유를 제조할 수 있도록 한 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 탄소섬유를 제조하기 위해 섬유사가이드의 안내에 따라 섬유사를 탄화로에 투입하여 열처리할 때 상기 탄화로의 입구측과 출구측을 모두 씰링하는 씰링장치에 있어서; 상기 섬유사가이드의 외주면을 감싸하는 형태로 설치되되, 상기 탄화로를 중심으로 입구측과 출구측이 서로 대칭되게 구비되고, 서로 인접하여 설치되며, 각각 불활성가스가 공급되는 제1,2씰링챔버와; 상기 제1,2씰링챔버 내부에 각각 구비되고, 상기 섬유사가이드의 외주면과의 사이로 상기 불활성가스를 분사하여 씰링하도록 설치되되 상기 제1,2씰링챔버로부터 분사되는 불활성가스의 분사방향이 서로 반대되게 설치된 제1,2래비린스씰을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 제공한다.

이때, 상기 제1,2래비린스씰은 각각 격벽과 홈을 구비하되, 제1래비린스씰에 형성된 격벽과 홈은 탄화로를 향해 경사 배치되고, 상기 제2래비린스씰에 형성된 격벽과 홈은 탄화로 반대 방향을 향해 경사 배치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 홈과 대응되는 위치의 제1,2씰링챔버 상에는 불활성가스를 주입하는 주입구가 형성된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 탄화로 내부로 주입되는 불활성가스량을 효율적으로 조절하여 제조비용을 절감할 수 있다.

둘째, 탄화로 내부에서 발생되는 HCN 가스 외 다량의 열분해 생성물이 씰 부위로 유입되는 것을 효과적으로 차단하여 섬유사의 손상이나 보풀 발생을 최소화시킬 수 있다.

세째, 탄화로 외부에서 유입되는 공기를 효과적으로 차단하여 공정성 향상 및 고품질의 탄소섬유를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 보인 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 구성하는 씰의 일 예로서, 래비린스씰의 원리를 설명하는 개념도이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 보인 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치를 구성하는 일 예를 보인 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄화로의 씰링장치는 탄소섬유를 제조하는 공정중 불활성가스 분위기로 유지되는 탄화로(100)의 양단에 설치되어 사용된다.

즉, 본 발명에 따른 씰링장치는 상기 탄화로(100)로 탄소섬유를 이루는 섬유사(110)가 투입되는 입구측과, 상기 섬유사(110)가 배출되는 출구측 모두에 동일한 구조를 가지고 설치된다.

이는 상기 탄화로(100)를 통해 섬유사(110)가 열처리되는 동안 불활성가스 외에 외부 공기가 상기 탄화로(100) 내부로 유입되지 않아야 하기 때문인데, 이에 관하여는 앞서 종래 기술에서 언급한 바와 같다.

그리고, 본 발명에 따른 씰링장치는 상기 섬유사(110)를 안내하는 원형상의 섬유사가이드(120) 둘레를 따라 설치되는 제1씰링챔버(130)와, 상기 제1씰링챔버(130)와 접하면서 연속설치되는 제2씰링챔버(140)로 이루어진다.

이때, 상기 제1씰링챔버(130)와 제2씰링챔버(140)가 설치된 각 영역의 섬유사가이드(120) 내부에는 제1래비린스씰(Labyrinth Seal)(200)과 제2래비린스씰(300)이 각각 설치된다.

여기에서, 래비린스씰(Labyrinth Seal)이란 래비린스 패킹을 이용하여 동체와 회전축의 틈으로 기체가 누설되는 것을 막는 틈 막이를 말하는 것으로, 예컨대 도 2의 예시와 같이, 틈1의 좁은 공간을 통과한 압축 공기는 틈1의 수백배에 달하는 공간a에 들어가면서 유속이 급격히 감소되어 압력이 소멸되고, 다시 틈1을 통해 계속 유입된 압축 공기가 공간a를 채워 공간a 내부에 압력이 형성되면 틈2를 통해 공간b의 넓은 공간에 들어 가면서 유속이 급격히 감소되어 압력이 소멸되며, 이와 같은 반복적인 작용에 의해 점증적으로 압력은 소멸되고, 대기중으로 누설되는 공기가 거의 생기지 않도록 밀봉하는 씰링구조를 갖는 씰링수단 중 하나이다.

즉, 압력 발생처에서 발생되는 압력보다 공간의 단면적의 크기와 틈새의 수를 많게 하여 압력이 대기중으로 나오지 못하게 설계할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같은 래비린스씰(Labyrinth Seal) 구조를 응용하여 불활성가스의 사용량을 기존 대비 현저히 줄이면서도 씰링효과는 더 우수하게 한 것에 큰 특징이 있다.

예컨대, 본 발명에서는 도 1의 도시와 같이, 상기 제1래비린스씰(200)을 구성하는 격벽(210)을 탄화로(100)를 향해 경사지게 다수개 형성하고, 상기 격벽(210)을 사이에 두고 형성되는 홈(220)에는 불활성가스가 주입될 수 있도록 상기 홈(220)과 대응되는 위치의 제1씰링챔버(130) 상에는 주입구(230)가 형성되는 구조를 섬유사가이드(120) 외표면에 반경방향으로 형성하는 형태로 적용된다.

물론, 필요에 따라 상기 섬유사가이드(120)의 내부까지 형성하여 섬유사(110) 외주면을 통한 누설까지도 방지하도록 확장하여 구성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 상기 제2래비린스씰(300)을 구성하는 격벽(310)은 상기 제1래비린스씰(200)의 경사 방향과 반대방향, 즉 탄화로(100) 반대쪽인 외측을 향해 경사지게 다수개 형성하고, 상기 격벽(310)을 사이에 두고 형성되는 홈(320)과 대응되는 제2씰링챔버(140) 상에도 불활성가스를 주입할 수 있도록 주입구(330)가 형성된 구조를 섬유사가이드(120) 외표면에 반경방향으로 형성하는 형태로 구성된다.

그리고, 도시와 같이 이들 제1,2래비린스씰(200,300)이 설치된 지점을 감싸도록 각 주입구(230,330)로 불활성가스를 주입할 수 있는 제1,2씰링챔버(130,140)를 각각 구비함으로써 불활성가스인 질소가스를 과량으로 소비하지 않으면서도 효율적이고 완벽한 씰링이 가능하게 된다.

즉, 탄화로(100) 쪽으로는 제1래비린스씰(200)을 통해 섬유사가이드(120)의 외주면을 따라 반경방향으로 격벽(210)과 홈(220)에 의해 경사 분사되는 불활성가스로 인해 탄화로(100) 내부의 유해가스가 외부로 누출되지 못하게 된다.

뿐만 아니라, 탄화로(100) 반대쪽으로는 제2래비린스씰(300)을 통해 섬유사가이드(120)의 외주면을 따라 반경방향으로 격벽(310)과 홈(320)에 의해 경사 분사되는 불활성가스로 인해 탄화로(100) 외부의 공기가 탄화로(100) 내부로 침투하지 못하게 된다.

다시 말해, 상기 제1,2씰링챔버(130,140)의 경계를 기점으로 불활성가스의 분사방향이 정반대가 되어 양측을 격리시켜 버리기 때문에 탄화로(100)의 입구측과 출구측은 일종의 쉴딩영역을 형성하게 되어 종래 기술에서 언급하였던 문제들을 일거에 해소시킬 수 있게 된다.

100 : 탄화로 110 : 섬유사
120 : 섬유사가이드 130 : 제1씰링챔버
140 : 제2씰링챔버 200 : 제1래비린스씰
210,310: 격벽 220,320 : 홈
230,330 : 주입구 300 : 제2래비린스씰

Claims (3)

1. 탄소섬유를 제조하기 위해 섬유사가이드(120)의 안내에 따라 섬유사(110)를 탄화로(100)에 투입하여 열처리할 때 상기 탄화로(100)의 입구측과 출구측을 모두 씰링하는 씰링장치에 있어서;
   상기 섬유사가이드(120)의 외주면을 감싸하는 형태로 설치되되, 상기 탄화로(100)를 중심으로 입구측과 출구측이 서로 대칭되게 구비되고, 서로 인접하여 설치되며, 각각 불활성가스가 공급되는 제1,2씰링챔버(130,140)와;
   상기 제1,2씰링챔버(130,140) 내부에 각각 구비되고, 상기 섬유사가이드(120)의 외주면과의 사이로 상기 불활성가스를 분사하여 씰링하도록 설치되되 상기 제1,2씰링챔버(130,140)로부터 분사되는 불활성가스의 분사방향이 서로 반대되게 설치된 제1,2래비린스씰(200,300)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 제1,2래비린스씰(200,300)은 각각 격벽(210,310)과 홈(220,320)을 구비하되, 제1래비린스씰(200)에 형성된 격벽(210)과 홈(220)은 탄화로(100)를 향해 경사 배치되고, 상기 제2래비린스씰(300)에 형성된 격벽(310)과 홈(320)은 탄화로(100) 반대 방향을 향해 경사 배치된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치.
   
3. 청구항 2에 있어서;
   상기 홈(220,320)과 대응되는 위치의 제1,2씰링챔버(130,140) 상에는 불활성가스를 주입하는 주입구(230,330)가 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 씰링장치.

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