KR101711810B1 - 탄소섬유 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 제조장치에 관한 것으로, 산소차폐챔버는 탄소섬유 전구체 섬유가 유입되는 유입구와 탄소섬유 전구체 섬유가 토출되는 토출구를 갖고 상기 유입구의 탄소섬유 전구체 섬유 통과 면적은 상기 토출구의 탄소섬유 전구체 섬유 통과 면적보다 작은 탄소섬유 전구체 섬유 통로 부재; 및 상기 토출구를 향하여 유체를 주입하도록 상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로에 연결된 가스 주입구; 상기 산소차폐챔버가 일측 또는 양측에 장착된 저온탄화로; 상기 저온탄화로와 연결되며 상기 산소차폐챔버가 일측 또는 양측에 장착된 고온탄화로를 제공한다.

Description

탄소섬유 제조장치{CARBON FIBER FABRICATION EQUIPMENT}
본 발명은 탄소섬유의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화로 내부의 산소유입을 방지하고 유해가스를 누출시키지 않는 차폐구조에 관한 것이다.
탄소섬유는 비강도 및 비탄성률 등의 기계적 물성이 매우 우수하기 때문에 첨단 복합재료의 강화제로 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 탄소섬유 용도로는 골프채나 낚싯대 등의 스포츠 용도에 더하여, 항공기, 자동차 부재, 압축 천연가스용 탱크, 건조물의 내진 보강 부재 및 선박 부재 등 일반산업용으로 전개가 진행되고 있다. 그에 수반하여 요구되는 역학특성 레벨이 높아지고 있다. 예를 들면, 항공기 용도에서는 경량화를 위해서 구조 부재의 대부분이 탄소섬유 강화 플라스틱으로 치환되고 있고, 그 때문에 압축 강도와 인장 탄성률이 높은 레벨에서 양립한 탄소섬유가 요구되고 있다.
이러한 탄소섬유는 유기섬유나 수지, 피치 등의 유기원료로 방사한 섬유를 탄화 후 다시 3000℃ 이상에서 열처리하여 얻어진 비흑연질 탄소로 이루어진 필라멘트를 지칭하는 말로서, 출발물질에 따라 크게 레이온(재생 셀룰로오스)인 레이온계, 석탄·석유피치인 피치계, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)인 PAN계 탄소섬유로 구분되지만 피치계와 PAN계 탄소섬유가 주종을 이루고 있다.
이러한 탄소섬유의 일반적인 제조과정은 섬유형태의 유기 전구체물질(precursor material)을 불활성분위기에서 열분해하여 제조하는 것이다.
열분해가 이루어지도록 하는 열처리 공정은 3가지 공정으로 나뉘는데, 첫번째가 공기 분위기에서 약 200~300℃로 열처리하는 안정화과정이다. 두번째는, 안정화된 섬유를 다시 질소나 아르곤가스 등의 불활성기체 분위기에서 약 1200~2500℃의 온도로 열처리하는 탄화과정이다. 마지막으로 2500℃ 이상의 온도로 열처리하는 흑연화과정으로 열처리 공정은 완료된다.
탄화과정 및 흑연화과정을 개략적으로 살펴보면, 탄화로에 안정화된 섬유를 감은 권취롤을 안치하고, 이에 열을 가함으로써 고온조건에서 열분해가 이루어져 섬유의 탄화 또는 흑연화가 이루어지는 것이다.
이러한 탄소화 처리는 탄화로에서 이루어지는데 탄소섬유의 인장 탄성률을 높이기 위해서는 산소 차폐가 중요하다. 따라서 탄화로 내부로 외부 공기가 유입되지 않고, 또한 탄화로 내에서 발생된 유해가스가 탄화로 외부로 누출되지도 않아야 한다. 이를 위해 종래의 씰링 챔버 구조는 다량의 불활성 가스를 입구와 출구 측에 분사하여 가스 커튼을 형성하는 형태로 이루어져 있다.
하지만, 이와 같은 종래의 가스 커튼을 갖는 구조는 다량의 불활성 가스를 소비하여 탄소 섬유 제조에 비용을 증가시키고, 외부 공기의 완벽한 차단이 어려워 유해한 HCN 가스 이외에 다량의 열분해 생성물 등이 탄화로의 내부에 퇴적되는 것을 원천적으로 방지할 수 없었다.
따라서, 이로 인한 불활성가스의 원활한 흐름이 어려워 탄화로 내부의 압력 변동이 발생하거나 혹은 섬유 사의 손상이나 보풀을 발생시키는 등 불량이 발생할 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 탄소섬유의 제조 과정중 탄화로에서 열처리시 탄화로의 입구 및 출구에 외부 공기가 유입되지 못하고 탄화로 내부의 유해가스가 누출되지 않도록 구조를 개선함으로서, 불활성가스 처리시 탄화로 내부의 압력 및 유체의 흐름을 원활히 유도하여 탄소섬유의 제조단가를 낮추고, 고퀄리티의 인장강도를 갖는 탄소섬유를 제조하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유 제조장치는 산소차폐챔버는 탄소섬유 전구체 섬유가 유입되는 유입구와 탄소섬유 전구체 섬유가 토출되는 토출구를 갖고 상기 유입구의 탄소섬유 전구체 섬유 통과 면적은 상기 토출구의 탄소섬유 전구체 섬유 통과 면적보다 작은 탄소섬유 전구체 섬유 통로 부재; 및 상기 토출구를 향하여 유체를 주입하도록 상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로에 연결된 가스 주입구; 상기 산소차폐챔버가 일측 또는 양측에 장착된 저온탄화로; 상기 저온탄화로와 연결되며 상기 산소차폐챔버가 일측 또는 양측에 장착된 고온탄화로를 포함한다.
상기 저온탄화로는 산화안정화로와 연결되며 상기 산화안정화로는 서로 다른 온도 챔버로 구성된다.
상기 산화안정화로와 상기 저온탄화로, 상기 저온탄화로와 상기 고온탄화로, 상기 고온탄화로는 섬유장력조절장치로 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 저온탄화로 및 상기 고온탄화로는 가스주입구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스주입구를 통하여 주입되는 가스는 동일하거나 서로 다른 것을 특징으로 한다.
상기 가스는 질소 또는 아르곤이다.
상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로는 상기 가스 주입구를 통하여 주입된 가스가 세극이 포함된 차폐패널을 통과하여 상기 토출구로 향한다.
상기 산소차폐패널은 유선형인 것을 특징으로 한다.
상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로 부재는 높이가 조절되는 높이 조절부를 포함한다.
상기 가스주입구는 디스트리뷰터 캡과 홀을 포함한다.
상기 가스주입구는 상기 차폐패널의 세극과 중심을 맞춘 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄화로 내부로 주입되는 불활성 가스의 방향을 조정하여 탄소섬유 제조 단가를 절감하고, 탄화로 내부에서 발생하는 열분해 생성물이 탄화로 출입구 근처에서 원사에 화로 내부에서 발생하는 열분해 생성물이 섬유사에 붙어 보풀 또는 원사가 손상되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 탄화로의 외부 유입 공기를 효과적으로 차단하여 공정의 안정성을 기할 수 있고, 고품질의 탄소섬유를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 산소차폐챔버가 장착된 탄화로가 포함된 탄소섬유 제조장치의 실시형태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3 내지 도 8은 산소차폐챔버의 구조를 도시한 구성도이다.
도 9 내지 도 12는 저온탄화로 또는 고온탄화로에 장착된 산소차폐챔버의 실시형태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 13 내지 도 16은 저온탄화로와 고온탄화로에 장착된 산소차폐챔버의 실시형태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1 및 도 2는 산소차폐챔버가 장착된 탄화로가 포함된 탄소섬유 제조장치의 실시형태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
본 발명의 실시형태의 탄소섬유 제조장치(100)는 탄소섬유 전구체 섬유가 연속적으로 소성과정을 거치며 탄소섬유로 제조되는 장치이다. 소성이란, 탄소섬유 전구체 섬유가 산화안정화로(140)와 저온탄화로(160) 및 고온탄화로(170)을 거쳐 처리되는 것이다.
탄소섬유 제조장치(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 전구체 섬유를 걸어두고 장비로 공급하는 섬유공급용상자체(120)와 탄소섬유 전구체 섬유를 내염화 처리하는 산화안정화로(140), 상기 산화안정화로(140)와 연결되며 내염화된 섬유를 600~1000℃에서 탄화시키는 저온탄화로(160), 저온탄화로(160)에서 탄화된 섬유를 95~98% 탄소화시키는 고온탄화로(170), 탄화된 섬유의 표면을 처리하는 후처리 장치(180)를 거쳐 모든 공정이 완료된 탄소섬유가 권취되는 와인더(190)로 구성된다.
섬유공급용상자체(120), 산화안정화로(140), 저온탄화로(160), 고온탄화로(170), 후처리장치(180)의 사이사이에는 드라이브롤러(130)가 구비되어 각 구간별 온도차로 인해 섬유의 장력이 차이가 나게 되는 경우 일정한 장력을 갖도록 섬유를 당겨주는 역할을 한다.
산화안정화로(140)는 탄소섬유 전구체 섬유를 열처리하여 불용화섬유로 만드는 곳으로, 저온탄화의 온도를 견디게 하기 위한 전처리 단계이다. 처리 온도는 200~300℃이며, 다수의 서로 다른 온도로 구성된 챔버가 병렬 또는 직렬로 연결되어 점진적으로 온도를 올리는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 220~280℃를 20℃간격으로 4구간으로 나누어 다층으로 구성된 챔버를 거쳐 산화안정화 과정을 진행할 수 있다.
다음으로, 저온탄화로(160)는 600~1000℃의 온도로 처리하는 구간으로 타르와 HCN,이산화탄소등을 제거하여 탄소성분 외에는 열분해로 제거하는 과정이다. 이러한 과정에서 섬유는 산화안정화로(140)에서와 같이 구획된 점진적인 온도 상승구간을 거쳐 처리된다. 열처리되는 과정에서는 저온탄화로(160)의 반응챔버 가스주입구(155)를 통하여 불활성가스가 주입되는데, 아르곤 또는 질소가스 등을 사용한다. 이러한 저온탄화로(160)에 탄소섬유를 이루는 섬유사가 투입되는 저온탄화로 입구(161)와 저온탄화로 출구(162)에 산소차폐챔버(150)을 두어 열처리되는 동안 불활성가스 외에 외부 공기가 저온탄화로(160) 내부로 유입되지 않도록 한다. 저온탄화로(160)는 세라믹펠트로 이루어진 단열재가 구성되고, 히터, 발열된 열에 의해 가열되는 머플, 불활성가스가 유입되는 반응챔버 가스주입구(155)로 구성된다. 단열재는 세라믹펠트, 히터는 전기를 인가하여 발열되는 칸탈히터가 가능하다. 또한, 머플은 스텐레스 스틸로 이루어질 수 있다.
다음으로, 저온탄화를 거친 섬유사는 고온탄화로(170)에 유입되는데, 고온탄화로는 물, 일산화탄소, 질소등을 제거하여 섬유사 내부의 탄소성분만 남게 하고 열분해 한다. 1000~1500℃의 온도로 처리하는 고온탄화로(170) 역시 고온탄화로(170)에서와 같이 구획된 점진적인 온도 상승구간을 거쳐 처리된다. 열처리되는 과정에서는 고온탄화로(170)의 반응챔버 가스주입구(155)를 통하여 불활성가스가 주입되는데, 아르곤 또는 질소가스 등을 사용한다. 이러한 고온탄화로(170)에 탄소섬유를 이루는 섬유사가 투입되는 고온탄화로 입구(171)와 고온탄화로 출구(172)에 산소차폐챔버(150)을 두어 열처리되는 동안 불활성가스 외에 외부 공기가 고온탄화로(170) 내부로 유입되지 않도록 차폐챔버 가스주입구(220)를 통하여 불활성가스를 주입한다. 차폐챔버 가스주입구(220)로 주입되는 불활성가스는 반응챔버 가스주입구(155)를 통하여 주입되는 불활성가스와 동일할 수도 있고, 서로 다른 불활성가스를 사용될 수도 있다. 또한, 도시하지는 않았으나 디스트리뷰터 캡(400)과 홀(440)이 가스주입구(220)과 산소차폐챔버(150)의 접합부위에 형성되어 가스주입시 균일한 가스분사를 유도할 수 있다.
고온탄화로(170)는 단열재가 구성되고, 히터, 발열된 열에 의해 가열되는 머플, 불활성가스가 유입되는 반응챔버 가스주입구(155)로 구성된다. 단열재는 흑연 펠트(graphite felt), 히터는 전기를 인가하여 발열되는 봉 형상의 흑연히터가 가능하다. 또한, 머플 또한 1000℃이상의 온도를 견딜 수 있는 흑연재질로 사용할 수 있다. 산소차폐챔버(150)는 도 2에 도시된 바와 같이 저온탄화로(160)의 입구(161)와 고온탄화로 출구(171)에 장착될 수도 있다.
도 3 내지 도 8은 산소차폐챔버의 내부 구조를 도시한 도면이다.
산소차폐챔버(150)는 탄소섬유가 고온에서 산소를 만나게 되면 산화되는 특성이 있어 탄화로 내부에 산소가 존재할 시 공정 진행중인 탄소화된 섬유와 반응하고, 이로 인하여 섬유의 인장강도가 낮아져 섬유 끊어짐, 부스러짐을 막는 역할을 한다.
도 3은 탄화로 내부의 공기를 배기시키는 구조이다. 이러한 산소차폐챔버(150)는 탄소섬유 전구체 섬유의 유입구(210)와 토출구(200), 가스주입구(220)로 구성되며, 일측은 챔버에 닿고 일측은 가스 주입구(220)를 통하여 주입된 가스가 세극(A)을 통과하도록 서로 이격되게 포개지는 제 1 패널(300) 및 제 2 패널(302)로 구성되는 산소차폐패널쌍이 구비된다. 또는 제 1 패널(300)은 제 2 패널(302)에 비하여 급한 경사를 갖으며, 제 1 패널(300)은 제 2 패널(302)보다 그 길이가 짧고, 직선 또는 유선형상일 수 있다. 도시된 바는 제 1 패널(300)과 제 2 패널(302)와 같은 두 개의 패널이 세극(A)을 형성하도록 이격되게 포개져 있으나, 하나의 패널에 하나 이상의 홀을 구비하여 가스주입구(220)를 통하여 주입된 가스가 홀을 통과하여 토출구(200)로 향하도록 유도할 수도 있다.
다음으로, 제 1 패널(300)과 제 2 패널(302)로 구성되는 산소차폐패널쌍과 상하로 마주보는 형상의 제 3 패널(303)과 제 4 패널(304)이 구비된다. 제 3 패널(303)과 제 4 패널(304) 역시 일측은 챔버에 닿고 일측은 서로 이격되게 포개진다. 또한, 제 3 패널(303)은 제 4 패널(304)에 비하여 급한 경사를 갖으며, 제 3 패널(303)은 제 4 패널(304)보다 그 길이가 짧다. 상기 산소차폐패널쌍은 유선형이다. 상술한 바와 같이, 도시된 바는 제 3 패널(303)과 제 4 패널(304)과 같은 두 개의 패널이 세극(A)을 형성하도록 이격되게 포개져 있으나, 하나의 패널에 하나 이상의 홀을 구비하여 가스주입구(220)를 통하여 주입된 가스가 홀을 통과하여 토출구(200)로 향하도록 유도할 수도 있다.
차폐챔버 가스주입구(220)를 통하여 주입된 질소 또는 아르곤과 같은 불활성가스는 제 1 패널(300)과 제 2 패널(302)이 세극(A)을 거쳐 산소차폐챔버(150) 내부로 들어가게 되는데, 상기 세극(A)이 좁을 수록 베르누이의 원리에 의하여 주입된 가스의 속력이 빨라지게 된다. 이로 인하여 탄화설비에 장착된 경우, 탄소화 공정 후 바깥 방향으로 탄화로 내부의 공기를 빠르게 배기할 수 있는 효과가 있다. 가스주입구(220)는 세극(A)과 마주 대향하는 중심이 같은 곳에 위치한다. 제 3 패널(303)과 제 4 패널(304)도 이와 같다.
도 4는 도 3의 변형된 실시예로서, 산소차폐를 위한 제 1 패널(300) 및 제 2 패널(302)로 이루어지는 산소차폐패널쌍과 제 3 패널(303) 및 제 4 패널(304)로 이루어지는 제 1 패널(300) 및 제 2 패널(302)과 마주보는 형상의 산소차폐패널쌍이 각각 반복해서 일방향으로 늘어선 형태이다. 이러한 다수의 산소차폐패널은 탄화 공정을 진행하는 과정에 있어서 빠른 속도로 공기가 빠지고 외부 대기 유입을 방지할 수 있어 공정시간을 단축할 수 있는 장점을 갖을 수 있다.
도 5는 도 3의 변형된 실시예로서, 차폐챔버 가스주입구(220)를 통하여 불활성가스를 차폐챔버(150)의 유입구(210)와 토출구(200)를 중심으로 양방향에서 유체를 유입시켜 내부의 유체를 빠르게 배기시킬 수 있는 구조를 도시한 도면이다.
산소차폐챔버(150)는 섬유사의 유입구(210)와 토출구(200), 차폐챔버 가스주입구(220)로 구성되며, 일측은 챔버에 닿고 일측은 서로 이격되게 포개지는 제 5 패널(305) 및 제 6 패널(306)은 토출구(200)와 유입구(210)를 중심으로 마주 대향하는 하나의 쌍, 제 5 패널(305) 및 제 6 패널(306)과 좌우대칭인 제 7 패널(307) 및 제 8 패널(308)이 포함되는 다른 하나의 쌍, 제 7 패널(307) 및 제 8 패널(308)이 토출구(200)와 유입구(210)를 중심으로 마주 대향하는 하나의 쌍으로 이루어진다. 제 5 패널(305)은 제 6 패널(306)에 비하여 급한 경사를 갖는 것을 특징으로 한다. 제 8 패널(308)은 제 7 패널(307)에 비하여 급한 경사를 갖는 것을 특징으로 한다. 또한 제 5 패널(305)와 제 8 패널(308)은 제 6 패널(306)과 제 7 패널(307)보다 그 길이가 짧다. 상기 산소차폐패널쌍은 유선형인 것을 특징으로 한다.
도시된 바는 제 5 패널(305) 및 제 6 패널(306), 제 7 패널(307) 및 제 8 패널(308)과 같은 두개의 패널이 쌍을 이루고 세극을 형성하도록 이격되게 포개져 있으나, 하나의 패널에 하나 이상의 홀을 구비하여 가스주입구(220)를 통하여 주입된 가스가 홀을 통과하여 토출구(200)로 향하도록 유도할 수도 있다.
차폐챔버 가스주입구(220)를 통하여 주입된 질소 또는 아르곤과 같은 불활성가스는 제 5 패널(305)과 제 6 패널(306)이 이격되게 포개지는 구간을 거쳐 산소차폐챔버(150) 내부로 들어간다. 가스주입구(220)는 이격되게 포개지는 구간과 마주 대향하는 곳에 위치한다. 제 7 패널(307)과 제 8 패널(308)의 경우도 마찬가지이다. 가스주입구(220)를 통하여 주입된 가스는 베르누이 원리로 인하여 산소차폐챔버(150) 내부로 일정한 방향을 갖고 움직이게 되는데, 도시된 바와 같이, 중간에 공핍공간을 형성하게 되는 구조적 특징을 가지게 된다. 이러한 구조는 특별히 외부의 대기유입을 방지하는 효과를 갖을 수 있다.
도 6 은 산소차폐패널의 방향을 변형한 실시예로서, 차폐챔버 내부에 공핍층을 형성시켜 산소의 유입을 방지하는 구조이다.
도시된 바와 같이, 탄화로 내부의 가스를 빠르게 토출시키는 구조인 제 1 영역(B)에는 차폐챔버 가스주입구(220)를 통하여 불활성가스가 주입되어 유체의 흐름이 탄화로 밖으로 유도된다. 이로 인하여 저온탄화로(160) 또는 고온탄화로(170)에서 열처리하는 과정에서 발생하는 가스를 효과적으로 배출할 수 있다. 동시에, 외부의 산소가 탄화로 내부로 유입되는 것을 막기 위하여 산소의 유입을 방지하는 구조인 제 2 영역(C)으로는 불활성가스를 유입시키지 않는다. 좀 더 상세히 설명하자면, 도시된 바와 같이 제 2 영역(C)의 중심부를 기준으로, 토출구(200)쪽으로 갈수록 공간이 넓어지게 된다. 따라서 베르누이 원리에 의하여 상대적으로 토출구(200)쪽의 공기의 속도가 느려 산소차폐챔버(150) 내부로 공기가 유입되지 않는다. 따라서, 탄화로 중에서도 저온탄화로(160)와 고온탄화로 출구(172)에 위치하는 것이 바람직하다.
도 7은 산소의 유입방지를 강화할 수 있는 구조이다. 도시된 바와 같이, 탄화설비에 탄화로 내부의 가스를 빠르게 토출시키는 제 1 영역(B)과 산소의 유입을 방지하는 제 2 영역(C)을 차례로 연결한다. 이 때, 제 1 영역(B)으로는 가스를 유입시키지 않고, 제 2 영역(C)으로는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성기체를 유입시킨다. 이로 인하여 대기중으로는 산소차폐챔버(150) 내부를 거쳐 유입된 불활성기체가 나가게 되고, 제 1 영역(B)와 만나는 부분은 상대적으로 넓은 공간이 형성되어 유체의 흐름이 느려지게 된다. 주입된 질소가스가 커튼과 같이 외부의 산소를 막아주게 되어 외부공기 즉 산소의 유입을 보다 적극적으로 막을 수 있는 구조이다. 따라서 저온탄화로(160)의 입구(161)과 고온탄화로 입구(171)에 적합하다.
도 8은 도 7의 산소 유입방지를 강화할 수 있는 구조를 3차원으로 나타낸 도면이다. 먼저 산소차폐챔버(150)는 가스주입구(220)와 주입된 가스를 챔버 내부로 고르게 분사시키기 위한 디스트리뷰터 캡(distributor cap)(400)과 홀(440), 상술한 바와 같은 산소의 유입을 방지하는 구조(C)로 구성된 다수의 산소차폐패널, 토출구와 유입구간의 높이를 조절할 수 있는 간격가변성을 갖는 높이 조절부(420)가 있다. 이러한 높이 조절부(420)는 수동으로 작동되거나 구동수단을 이용하여 전자적, 기계적 메커니즘을 갖도록 구성될 수 있다. 공정시에는 높이 조절부(420)를 이용하여 토출구와 유입구의 높이를 좁혀 최대한 산소의 유입을 막도록 하고, 공정 후에는 도 4에 도시된 바와 같이 탄화로 내부의 공정 후 가스를 빼기 위하여 토출구의 높이를 높여 빠른 시간 내에 가스를 배출시킬 수 있다. 또한, 도시된 도면은 제 2 영역(C)으로만 이루어져 있으나, 탄화로 내부의 가스를 빠르게 토출시키는 구조(B), 또는 도 3 내지 도 7에서 상술한 바와 같은 변형된 구조들이 모두 가능하다.
도 9 내지 도 12는 저온탄화로 또는 고온탄화로에 장착된 산소차폐챔버의 실시형태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 9는 슬릿형상의 산소차폐패널(154)이 다수 형성된 산소차폐챔버(150)가 저온탄화로(160) 또는 고온탄화로(170)에 장착된 도면이고, 도 10은 산소차폐챔버(150)에 두개의 패널이 이격되어 감싸는 형태의 산소차폐패널(305,306,307,308)로 구성된 제 2 영역(C)으로 이루어진 산소차폐챔버(150)가 저온탄화로(160) 또는 고온탄화로(170)에 장착된 구조이다. 도 11은 산소차폐챔버(150)에 두개의 패널이 이격되어 감싸는 형태로, 반복해서 일방향으로 늘어섰으며, 저온탄화로(160) 또는 고온탄화로(170)를 중심으로 마주 대향하는 제 1 영역(B)을 갖는 산소차폐챔버(150)를 도시한 도면이다. 도 12는 저온탄화로(160) 또는 고온탄화로(170)에 제 1 영역(B)과 제 2 영역(C)의 순서로 산소차폐챔버(150)가 장착된 구조이다. 각각의 산소차폐패널의 이격된 곳과 중심은 같고 마주 대향하는 위치에 각각 차폐챔버 가스주입구(220)가 위치하는데, 상술한 바와 같이 가스를 주입하거나 주입하지 않는 방법으로 구조적인 특성으로 인한 유체의 방향 뿐 아니라 속도나 흐름을 조절할 수 있다. 차폐챔버 가스주입구(220)로 주입되는 불활성가스는 반응챔버 가스주입구를 통하여 주입되는 불활성가스와 동일할 수도 있고, 서로 다른 불활성가스를 사용될 수도 있다.
도 13 내지 도 16은 저온탄화로와 고온탄화로에 장착된 산소차폐챔버의 실시형태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 13은 산소의 유입을 막는 것을 목적으로 하는 구조의 산소차폐챔버(150)가 장착된 저온탄화로(160)와 고온탄화로(170)를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 가스주입구(155)로는 가스를 주입할 수도 있지만, 주입하지 않고 구조자체를 이용하여 기체의 흐름을 유도할 수 있다. 도 13은 저온탄화로(160)와 고온탄화로(170)는 산소의 유입을 방지하는 구조인 제 2 영역(C)을 갖는 산소차폐챔버(150)로 연결되고, 저온탄화로(160)의 입구(161)와 고온탄화로(170)의 출구(172)는 제 1 영역(B)을 갖는 산소차폐챔버(150)가 장착된 구조이다. 각각의 산소차폐챔버(150)에는 가스주입구(155)가 구비된다. 도 15는 저온탄화로(160)와 고온탄화로(170)는 제 2 영역(C)을 갖는 산소차폐챔버(150)로 연결되고, 저온탄화로(160)의 입구(161)와 고온탄화로(170)의 출구(172)는 슬릿형상의 산소차폐패널(154)이 다수 형성된 산소차폐챔버(150)가 장착된 구조도 가능하다. 상기 슬릿형상의 산소차폐패널(154)이 다수 형성된 산소차폐챔버(150)로는 가스 주입구가 구비될 수도 있고, 없을 수도 있다. 다음으로, 도 16은 저온탄화로(160)와 고온탄화로(170)는 제 2 영역(C)을 갖는 산소차폐챔버(150)로 연결되고, 저온탄화로(160)의 입구(161)와 고온탄화로(170)의 출구(172)는 탄화로 내부의 가스를 빠르게 토출시키는 구조로 형성된 제 1 영역(B)과 산소의 유입을 방지하는 구조인 제 2 영역(C)의 순서로 저온탄화로(160) 또는 고온탄화로(170)에 장착된 구조이다. 각각의 산소차폐패널의 이격된 곳과 마주 대향하는 위치에 가스주입구(155)가 위치하는데, 도 13 내지 도 16에서 상술한 바와 같이 가스를 주입하거나 주입하지 않는 방법으로 구조적인 특성으로 인한 유체의 방향뿐 아니라 속도나 흐름을 조절할 수 있다. 저온탄화로(160)와 고온탄화로(170)의 중간에 연결된 산소차폐챔버(150)의 구조는 제 2 영역(C)으로만 도시되어 있으나, 제 1 영역(B)과 제 2 영역(C), 제 1 영역(B), 또는 슬릿형상의 산소차폐패널(154)이 다수 형성된 구조로 각각 또는 조합해서 목적에 맞도록 연결할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 탄소섬유 제조장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 탄소섬유 제조장치 120: 섬유공급용상자체
130 : 드라이브롤러 140 : 산화안정화로
150 : 산소차폐챔버 154 : 슬릿형상의 산소차폐패널
155 : 반응챔버 가스주입구 160 : 저온탄화로
170 : 고온탄화로 180 : 후처리장치
190 : 와인더 200 : 토출구
210 : 유입구 220 : 차폐챔버 가스주입구
300 : 제 1 패널 302 : 제 2 패널
303 : 제 3 패널 304 : 제 4 패널
305 : 제 5 패널 306 : 제 6 패널
307 : 제 7 패널 308 : 제 8 패널
400: 디스트리뷰터 캡 420 : 높이 조절부
440 : 홀 A : 세극
B : 제 1 영역 C : 제 2 영역

Claims (12)

  1. 산소차폐챔버는 탄소섬유 전구체 섬유가 유입되는 유입구와 탄소섬유 전구체 섬유가 토출되는 토출구를 갖고 상기 유입구의 탄소섬유 전구체 섬유 통과 면적은 상기 토출구의 탄소섬유 전구체 섬유 통과 면적보다 작은 탄소섬유 전구체 섬유 통로 부재; 및
    상기 토출구를 향하여 유체를 주입하도록 상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로에 연결된 가스 주입구;
    상기 산소차폐챔버가 일측 또는 양측에 장착된 저온탄화로;
    상기 저온탄화로와 연결되며 상기 산소차폐챔버가 일측 또는 양측에 장착된 고온탄화로를 포함하며,
    상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로는 상기 가스 주입구를 통하여 주입된 가스가 세극이 포함된 산소차폐패널을 통과하여 상기 토출구로 향하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 저온탄화로는 산화안정화로와 연결되며 상기 산화안정화로는 서로 다른 온도 챔버로 구성된 탄소섬유 제조장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 저온탄화로와 상기 고온탄화로는 섬유장력조절장치로 연결된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온탄화로 및 상기 고온탄화로는 가스주입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  5. 제1 항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 가스주입구를 통하여 주입되는 가스는 동일하거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스는 질소 또는 아르곤인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소차폐패널은 유선형인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체 섬유 통로 부재는 높이가 조절되는 높이 조절부를 포함하는 탄소섬유 제조장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스주입구는 디스트리뷰터 캡과 홀을 포함하는 탄소섬유 제조장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스주입구는 상기 산소차폐패널의 세극과 중심을 맞춘 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 산화안정화로와 상기 저온탄화는 섬유장력조절장치로 연결된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
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