KR101885344B1 - 섬유 열처리를 위한 오븐 - Google Patents

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Abstract

개선된 오븐(1)은 오븐을 통해 처리될 제품(11)을 이동시키도록 구성 및 배치된 컨베이어, 가열된 1차 공기 흐름(47)을 제공하도록 구성 및 배치된 1차 공기 전달 시스템(45), 가열된 2차 공기 흐름(48)을 제공하도록 구성 및 배치된 2차 공기 전달 시스템, 제품 및 1차 공기 흐름을 수용 및 포함하도록 구성 및 배치된 공정 인클로저(21), 가열된 2차 공기 흐름을 수용하도록 구성 및 배치된 절연된 인클로저(2)를 포함하며, 공정 인클로저는 절연된 인클로저 및 가열된 2차 공기 흐름을 통해 연장하도록 또한 1차 공기 흐름을 2차 공기 흐름으로부터 분리시키도록 구성 및 배치된다.

Description

섬유 열처리를 위한 오븐{OVEN FOR FIBER HEAT TREATMENT}
본 발명은 일반적으로 오븐(oven) 및 건조기(dryer)에 관한 것으로서, 특히 섬유 번들(bundle) 또는 토우(tow)를 처리하기 위한 개선된 오븐에 관한 것이다.
제품의 연속적인 스트림을 처리하는 대류식(convection) 오븐 및 건조기가 널리 사용되고 있다. 많은 오븐에 있어서, 제품은 평행하게 이동하는 컨베이어상으로 운반되거나 또는 텍스타일(textile) 또는 웨브(web)의 경우에 외부 드라이브들(drives) 사이의 장력 하에 현수되어, 하나 또는 그 이상의 레벨로 수평으로 이동한다. 순환하는 뜨거운 공기 흐름이 가열 또는 건조를 위해 제품과 접촉된다. 기술적으로 중요한 등급(class)의 오븐은, 탄화(carbonization) 전에 열가소성 특징을 제공하기 위해 폴리머 또는 유기 탄소 섬유 전구체(precursor)를 공기 중에서 처리한다.
폴리아크릴로니트릴(PAN)과 같은 탄소 섬유 전구체 물질에 산화 열처리를 제공하기 위한 오븐이 이 산업분야에 알려져 있다. 미국 특허 제6,776,611호는 가열 공기흐름이 토우 포맷(format)으로 PAN 둘레로 순환되고 또한 토우 이동의 방향과 직교하는 방향으로 섬유와 접촉하는 오븐을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,515,561호는 가열 공기흐름이 토우 포맷으로 PAN 둘레로 순환되고 또한 토우 이동의 방향과 직교하는 방향으로 섬유와 접촉하는 오븐을 개시하고 있다.
제한적이지 않고 단지 예시의 목적을 위해 서술된 실시예의 대응하는 부품, 부분, 또는 표면의 대응하는 삽입된 도면부호를 참조하여, 본 발명은 오븐을 통해 처리될 제품(11)을 이동시키도록 구성 및 배치된 컨베이어, 가열된 1차(primary) 공기 흐름(47)을 제공하도록 구성 및 배치된 1차 공기 전달 시스템(45), 가열된 2차(secondary) 공기 흐름(48)을 제공하도록 구성 및 배치된 2차 공기 전달 시스템, 제품 및 1차 공기 흐름을 수용 및 포함하도록 구성 및 배치된 공정 인클로저(enclosure)(21), 가열된 2차 공기 흐름을 수용하도록 구성 및 배치된 절연된(insulated) 인클로저(2)를 포함하며, 상기 공정 인클로저는 절연된 인클로저 및 가열된 2차 공기 흐름을 통해 연장하도록 또한 1차 공기 흐름을 2차 공기 흐름으로부터 분리시키도록 구성 및 배치되는 개선된 오븐(1)을 제공한다.
컨베이어는 제품을 공정 인클로저를 통해 전방으로 또는 후방으로 이동하는 개별적인 통로를 갖는 제1 방향(49)으로 이동시키도록 구성될 수 있으며, 공정 인클로저는 실질적으로 제1 방향과 평행한 길이방향 인클로저 축선(50)을 가질 수 있으며, 공정 인클로저(47)의 1차 공기 흐름은 실질적으로 제1 방향과 평행할 수 있으며, 또한 공정 인클로저에 근접한 절연된 인클로저(48)의 2차 공기 흐름은 실질적으로 제1 방향과 직교할 수 있다.
1차 공기 전달 시스템은 1차 공기 흐름 및 이송된 제품을 수용하도록 또한 1차 공기 흐름 및 이송된 제품을 공정 인클로저로 배출하도록 구성 및 배치된 입력 챔버(10)를 포함할 수 있다. 컨베이어는 제품을 공정 인클로저를 통해 제1 방향으로 이동시키도록 구성 및 배치될 수 있으며, 또한 챔버는 가열된 1차 공기 흐름 및 이송된 제품을 제1 방향으로 공정 인클로저로 배출할 수 있다. 입력 챔버는 입력 개구(38), 공기 입력 개구와는 상이한 제품 입력 개구(39), 상기 제품 입력 개구와 반대인 공정 인클로저로의 배출 개구(43), 및 공기 흐름을 공기 입력 개구로부터 배출 개구로 지향시키도록 구성 및 배치된 공기 흐름 방향지시기(directional)(37)를 포함할 수 있다. 공기 입력 개구는 실질적으로 배출 개구와 직교하도록 배향될 수 있으며, 또한 공기 흐름 방향지시기는 공기 흐름을 실질적으로 제1 방향과 직교하는 방향으로부터 실질적으로 제1 방향과 평행한 방향으로 전환시키도록 구성 및 배치될 수 있다. 배출 개구는 제품 입력 개구 보다 크기가 더 클 수 있다. 챔버는 제품 입력 개구 크기 조정 기구를 추가로 포함할 수 있으며, 또한 개구 크기 조정 기구는 제1 플레이트(plate)(29) 및 제2 플레이트(30)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 플레이트는 그 사이에 가변형 갭(gap)(39)을 제공하기 위해 서로에 관해 조정 가능하다. 로킹 기구는 제품 개구의 크기를 변화시키기 위해 플레이트를 챔버에 관한 위치로 조정 가능하게 로킹하도록 구성 및 배치될 수 있으며, 또한 로킹 기구는 로킹 나사(31)를 포함할 수 있다.
오븐은 제품 및 인클로저로부터의 1차 공기 흐름을 수용하도록 또한 1차 공기 흐름을 방출하고 또한 제품을 배출하도록 구성 및 배치된 배출 챔버(18)를 추가로 포함할 수 있다. 배출 챔버는 공정 인클로저로부터의 입력 개구(44), 상기 입력 개구와는 반대인 제품 배출 개구(41), 및 상기 제품 배출 개구와는 상이한 공기 방출 개구(42)를 포함할 수 있다. 공기 방출 개구는 실질적으로 입력 개구와 직교하여 배향될 수 있다. 배출 챔버는 제품 입력 개구 크기 조정 기구를 추가로 포함할 수 있으며, 또한 개구 크기 조정 기구는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 플레이트는 그 사이에 가변형 갭(41)을 제공하기 위해 서로에 관해 조정 가능하다. 로킹 기구는 제품 배출 개구의 크기를 변화시키기 위해, 플레이트를 챔버에 관한 위치로 조정 가능하게 로킹하도록 구성 및 배치될 수 있으며, 또한 로킹 기구는 로킹 나사를 포함할 수 있다.
1차 공기 전달 시스템은 팬(fan)(3), 히터(4), 검온기(thermometer)(6), 매니폴드(7), 밸브(8), 유량계(9), 및 파이프(5)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 장치를 포함할 수 있다. 1차 공기 전달 시스템은 단일의 재생 팬, 단일의 인라인(in-line) 히터, 검온기, 공기 흐름을 복수의 하류 경로들로 분할하도록 구성 및 배치된 단일의 매니폴드를 포함할 수 있으며, 상기 경로들의 각각은 밸브 및 유량계를 포함하며, 1차 공기 흐름이 발생되며 또한 제품과 접촉하기 전에 히터, 매니폴드, 및 베인을 통해 한 번만 순환된다. 1차 공기 전달 시스템은 단일의 재생 팬, 공기 흐름을 복수의 하류 경로들로 분할하도록 구성 및 배치된 매니폴드를 포함하며, 상기 경로들의 각각은 제품과 접촉하기 전에 밸브, 유량계, 인라인 히터, 및 검온기를 포함한다. 1차 공기 전달 시스템은 공정 인클로저를 빠져나오는 1차 공기 흐름을 전체적으로 또는 부분적으로 재순환시킬 수 없다.
2차 공기 전달 시스템은 팬(12), 히터(13), 검온기(35), 절연된 인클로저로부터 사용된 공기를 수용하기 위한 재순환 입구(26), 절연된 인클로저로부터 공기를 방출하기 위해 흐름 제어 밸브(17)를 갖는 공기 방출 출구(16), 보급(make-up) 공기를 수용하기 위해 흐름 제어 밸브(125)를 갖는 보급 공기 입구(14)를 포함할 수 있으며, 2차 공기 흐름은 사용된 공기와 보급 공기의 혼합물을 포함할 수 있다. 보급 공기 흐름 및 방출 공기 흐름은 2차 공기 흐름에서 보급 공기 및 사용된 공기의 양을 변화시키기 위해 밸브(15, 17)에 의해 제어될 수 있다. 2차 공기 전달 시스템은 오븐의 제품 이동 치수에 따라 대략 중간에서 절연 인클로저 벽상에 위치된, 공정 인클로저 축선(50)과 직교하는 축선을 갖는 플러그 팬(12), 하류에 그리고 팬 배출 포트의 근처에 위치된 히터(13), 하류에 그리고 히터 근처에 위치된 검온기(35), 히터의 근처에 또한 흐름을 절연된 인클로저의 바닥에 인접한 흐름으로 90°전환시키는 절연된 인클로저의 바닥 근처에 위치된 한 세트의 지향 베인(directing vane)(28), 흐름을 대략 절반으로 분할하고 또한 흐름의 제1 절반 부분을 제1 방향으로 정렬되도록 90°전환시키며 또한 흐름의 제2 절반 부분을 제1 방향과는 반대가 되도록 90°전환시키는 베인의 제2 세트(23), 인클로저 축선과 직교하는 방향으로 상향하여 흐르도록 흐름의 제1 부분을 90°전환시키는 베인의 제3 세트(24a), 인클로저 축선과 직교하는 방향으로 상향하여 흐르도록 흐름의 제2 부분을 90°전환시키는 베인의 제4 세트(24b), 오븐의 길이에 걸쳐 있으며 또한 공정 인클로저의 가장 넓은 치수 보다 넓으며 또한 이를 통해 공정 인클로저와 접촉하기 전에 상향의 공기 흐름이 통과하는 흐름 조정 장치(22), 공정 인클로저 위의 상부 천공(perforated) 플레이트(27), 및 상부 천공 플레이트를 통해 팬 입구 원추부(cone) 내로 흐르는 공기를 팬으로부터 배출되고 또한 히터, 전환 베인, 흐름 조정기(conditioner)를 통해 공정 인클로저 위로 흐르는 공기로부터 분리하는 공기 수집 플레넘(plenum)(36)을 포함할 수 있으며, 상기 팬은 공기를 수용하기 위한 상류 입구 원추부(26) 및 흐름을 하향으로 지향시키는 배출 플레넘(32)을 갖는다. 흐름 조정 장치는 그 사이에 위치된 다공질(cellular) 구조를 갖는 두 개의 천공된 플레이트를 포함할 수 있으며, 상기 다공질 구조는 벌집 구조일 수 있다.
1차 공기 전달 시스템 및 2차 공기 전달 시스템은 거의 동일한 온도 범위로 1차 공기 흐름을 공정 인클로저의 내측으로 전달하고 또한 2차 공기 흐름을 공정 인클로저의 외측으로 전달하도록 구성 및 배치될 수 있다.
공정 인클로저는 길이 및 횡단면 특성 치수를 가질 수 있으며, 또한 길이는 횡단면 특성 치수의 적어도 약 50 배일 수 있다. 공정 인클로저는 원형, 정사각형, 직사각형, 계란형, 또는 타원형인 횡단면 형상을 가질 수 있다.
오븐은 제품 및 1차 공기 흐름을 수용 및 포함하도록 구성 및 배치되며 또한 절연된 인클로저를 통해 연장하는 복수의 공정 인클로저를 포함할 수 있다. 오븐은 각각의 복수의 공정 인클로저와 연통하는 복수의 입력 챔버 및 배출 챔버를 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오븐의 사시도이다.
도 2는 명확함을 위해 단부 챔버의 상부 시트(sheet) 금속이 제거된, 도 1의 표시된 영역(A) 내에서 취한, 도 1에 도시된 실시예의 확대된 상세도이다.
도 3은 명확함을 위해 절연 인클로저의 하나의 벽이 제거된, 도 1에 도시된 실시예의 확대된 후면 사시도이다.
도 4는 일반적으로 도 1의 선 B-B 상에서 취한, 도 1에 도시된 실시예의 수직 횡단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 오븐의 제2 실시예의 횡단면도이다.
설명에 앞서, 유사한 도면 부호는 여러 도면을 통해 동일한 구조적 요소들, 부분들 또는 표면들을 특정하도록 의도되었으며, 그와 같은 요소들, 부분들 또는 표면들에 대해서는 전체 기재된 명세서에 의해 추가로 서술 또는 설명될 수 있으며, 이 상세한 설명은 일체인 부분임을 명확히 인식해야 한다. 달리 나타내지 않는 한, 도면은 명세서와 함께 판독되어야 하며[예를 들어, 교차 해칭선(cross-hatching), 부품들의 배열, 비례, 각도 등], 본 발명의 전체 기재된 서술의 일부분으로 간주되어야 한다. 아래의 설명에서 사용된 바와 같이, "수평", "수직", "좌", "우", "상", "하"라는 용어는 그 형용사 및 부사적 파생어(일례로, "수평으로", "우측으로", "상향으로" 등)와 마찬가지로 독자가 특정 도면에 마주하였을 때에 단순히 그 예시된 구조의 방향을 나타낼 뿐이다. 마찬가지로, "내향으로" 및 "외향으로"라는 용어는 일반적으로는 그 연장 축선 또는 회전 축선에 대한 표면의 방향을 적절히 나타낸다.
도면에 있어서, 특히 그 도 1에 있어서, 본 발명은 섬유 열처리를 위해 개선된 오븐을 제공하며, 그 제1 실시예가 일반적으로 도면부호 1로 도시되어 있다. 본 발명은 효율적인 또한 고품질의 섬유 열처리를 제공하기 위한 많은 용도를 갖고 있지만, 이 실시예에서는 탄소 섬유 전구체를 위한 산화 안정화 오븐에의 그 적용에 대해 서술된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 오븐(1)은 직사각형 절연 인클로저(2)를 포함하며, 이것은 구조적 및 시트 스틸 그리고 광물(mineral) 또는 유리 절연재(insulation)를 사용한 종래의 구조를 갖는다. 제품 층(11)은 오븐(1)을 통해 평행한 수평면에 배치되고 또한 이 수평면으로 이동한다. 토우 포맷의 탄소 섬유 전구체의 경우에 있어서, 제품 층(11)은 하나의 수평 층에서 나란히 토우 배치되며, 또한 롤러 또는 다른 패스-백(pass-back) 장치가 전체 오븐을 통해 하나의 연속적인 구불구불한 경로를 형성하는데 사용된다.
제품 접촉 공기 또는 공정 공기는 팬(3)에서 압축되며 그리고 인라인 히터(4)를 통과한다. 팬(3)은 요구된 흐름 및 압력 강하가 가능한 종래의 임의의 팬일 수 있으며, 또한 재생 타입이 바람직하다. 팬(3)은 여과된 소스로부터 공기를 인출하거나 또는 신선한 공기가 식물 환경 외부로부터 인출되는 것이 바람직하다. 인라인 히터(4)는 전기식 또는 화석-연료 구동식이며, 또한 공기의 단 한번 통과로 공기를 원하는 공정 온도로 상승시킬 수 있다. 공정 공기의 온도 범위는 약 100 내지 600℃ 가 바람직하며, 약 200 내지 400℃ 가 더욱 바람직하다. 히터(4)를 빠져나오는 공기의 온도는 온도를 측정하는 검온기(6)를 사용하는 종래의 전자 피드백 루프 및 히터(4)로의 전력을 조절하는 사이리스터(thyristor) 또는 가스 흐름 제어 밸브를 통해 제어된다.
가열된 공기는 매니폴드(7)에 들어가며, 또한 오븐(1)에 들어가기 전에 복수의 경로들로 분할된다. 입구 배관(5)을 통한 이런 각각의 가스 경로는 밸브(8) 및 유량계(9)를 포함하며, 이것은 가열된 공기의 유동율을 측정 및 제어한다. 밸브(8)는 원하는 온도 범위로 설계된 종래의 임의의 제어 밸브일 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 히터(4), 하류 배관, 및 매니폴드(7)는 바람직하기로는 약 50 mm 또는 그 이상의 두께를 갖는 섬유 유리 또는 광물울(mineral wool)로 단열된다. 공정 공기 입구 트레인(train)의 대안적인 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 분리된 히터가 흐름 제어 밸브(8)의 하류에서 각각의 가스 입구 경로(5)에 설치될 수 있다.
이제 도 2에 있어서, 이 실시예에서 복수의 공정 가스 입구는 배관(5)을 거쳐 단부 챔버(10)의 측벽의 개구(38)를 통해 지향되며, 거기에서 그후 가스는 편향판(deflector)에 의해 관형(tubular) 인클로저(21) 내로 향하게 하며, 이것은 개구(43)를 통해 챔버(10)의 후벽에 연결되며 또한 절연 인클로저(2)의 구멍을 통해 오븐(1)을 통과한다. 편향판(37)은 흐름을 횡방향으로부터 제품(11)의 이동 방향과 수직한 방향으로 90°전환시킨다. 공기는 감소된 면적의 제품 입구(39)를 가짐으로써 챔버(10)의 제품 입구(39)로부터 흐르는 것이 방지된다. 제품 개구(39)는 상부 제품 슬롯(slot) 플레이트(29) 및 하부 제품 슬롯 플레이트(30)에 의해 형성된다. 제품 슬롯 또는 개구(39)의 크기는 슬롯 플레이트(29, 30)를 수직으로 미끄러지게 함으로써 조정될 수 있으며, 상기 플레이트(29, 30)는 제 위치에 로킹되거나 또는 로킹 나사(31)에 의해 이동이 허용된다. PAN 산화 오븐에 있어서, 제품 층(11)의 두께는 변하지만, 일반적으로 3 mm 또는 그 보다 작다. 작동 중 플레이트들(29, 30) 사이의 갭(39)은 약 2 내지 20 mm 가 바람직하며, 또한 약 6 내지 10 mm 가 더욱 바람직하다. 세척 또는 다른 유지보수를 위해 플레이트들(29, 30) 사이의 조정된 최대 갭은 제품 인클로저의 높이 치수와 최소한 대략적으로 동일하다. 플레이트(29, 30)의 위치를 고정하기 위한 다른 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 스프링 하중식 볼트가 사용될 수 있다.
공정 공기 인클로저(21)는 오븐 치수에 비해 상대적으로 작은 횡단면을 가지며, 또한 약 0.01 내지 0.40 미터, 또한 더욱 바람직하기로는 0.02 내지 0.10 미터의 직경을 갖는 튜브가 바람직하다. 인클로저(21) 내의 제품 공기 흐름의 속도는 약 0.1 내지 10 m/sec 가 바람직하며, 또한 약 1 내지 6 m/sec 가 더욱 바람직하다. 인클로저(21)의 길이에 대한 횡단면 특성 치수(원통형 튜브의 경우에, 직경)의 비율은 약 10 보다 큰 것이 바람직하며, 또한 약 50 보다 큰 것이 더욱 바람직하다. 길이에 대한 횡단면 특성 치수의 높은 비율은 공기의 흐름이 제품 층(11)의 이동의 방향을 따라 발생한다. 도시된 실시예에서의 인클로저(21)는 둥근 튜브이지만, 정사각형, 직사각형, 계란형, 또는 타원형과 같은 다른 횡단면 튜브 형상이 대안으로서 사용될 수 있다. 본 기술분야의 숙련자라면 관성의 횡단면 모멘트 및 인클로저의 길이에 따라 이들은 하류의 보우잉(bowing) 또는 크리핑(creeping)을 방지하기 위해 오븐의 길이를 따라 기계적 지지체를 요구할 수 있음을 인식해야 한다. 이들 지지체는 오븐 길이를 따라 규칙적인 간격으로 인클로저(21) 아래에 위치되거나 또는 절연 인클로저(2)의 내측 표면에 용접 또는 볼트결합될 수 있다.
도 3에 있어서, 복수의 공정 인클로저(21) 및 제품 층(11)이 오븐을 횡단하며 또한 챔버(18)의 개구(44)를 통해 절연 인클로저(2) 및 출구 단부 챔버(18) 내를 통과한다. 제품(11)은 입구 단부 챔버(10)와 함께 서술된 플레이트(29, 30)와 유사한 조정 가능한 슬롯 플레이트들의 세트 사이에서 슬롯(41)을 통해 단부 챔버(18)를 빠져나간다. 공정 공기는 화살표(47)로 도시된 바와 같이, 인클로저(21)의 내측으로 흐르며 또한 챔버(18)의 개구(42) 및 밸브(19)를 포함하는 복수의 방출 배관(40)을 통해 횡단 방향으로 빠져나간다. 그후, 방출된 공기가 방출 헤더(header)(20)에 수집되며, 이것은 적절한 공기 배출 시스템에 연결되어 있다.
도 1에 있어서, 공정 공기는 오븐 시스템을 통해 한 번 이동한다. 이것은 팬(3)에 들어가고, 또한 히터(4), 밸브(8), 및 유량계(9)에 의해 제어된 흐름으로 가열 및 세팅된다. 입구 단부 챔버(10)는 제품(11) 및 거의 모든 공정 공기 모두를 공정 인클로저(21) 내로 지향시키며, 거기에서 공기가 제품 층(11)으로 열 및 질량을 전달한다. 공기 및 제품(11)은 출구 단부 챔버(18)를 통해 오븐을 빠져나가며, 거기에서 방출 공정 공기가 제어 밸브(19)를 통해 그리고 방출 헤더(20) 내로 지향된다. 공정 인클로저(21)의 내측의 압력은 대기압에 매우 근접한 것이 바람직하며, 또한 약 1 mbar 이내가 가장 바람직하며, 또한 심지어 약 0.1 mbar 이내가 더욱 바람직하다. 밸브(8, 19) 및 단부 챔버(10, 18)의 슬롯 개구(39, 41)의 높이는 각각 이 압력을 조정하기 위한 수단이다. 대기압에 가까운 압력은 매우 적은 공기가 실제로 제품 슬롯을 통해 공정 인클로저(21)를 빠져나가거나 또는 이에 들어가는 것을 보장하며, 이것은 전형적으로 약 98% 또는 그 이상의 거의 모든 공정 공기가 제품 층(11)과 접촉하는 것을 의미한다. 제어도(degree of control)는 방출 매니폴드(20)가 인출 또는 네거티브(negative) 압력으로 방출 취급 시스템에 연결되면, 추가로 증가될 수 있다. 이 경우, 오븐은 인클로저(21)가 실제로 제품 슬롯에서 공정 가스의 탈출을 제거하는, 미세한 네거티브 압력을 갖도록 작동될 수 있다.
서술된 공정 공기 시스템은 제품과 접촉하는 가스가 오염물로부터 자유로운 제품 인클로저(21)에 들어가며 또한 단일의 공기 통과 중에만 공정 오염물을 픽업(pick up)한다는 장점을 갖는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 오븐에서, 0.25 m/min 로 이동하는 1.0 dTex PAN 의 열처리 24000 필라멘트는 시안화수소(HCN) 가스의 약 1.1 gr/hr 을 발생시킬 것이다. 각각 50 mm 직경과 그리고 4.0 m/sec 의 공기 속도 및 250℃ 의 온도를 갖는 여섯 개의 오븐 인클로저(21)에 의해, 공기 스트림에서 HCN 의 계산된 최대 농도는 약 8 ppm 이다. 이것은 약 40 내지 80 ppm 사이에 있는 전형적인 산업용 오븐 내에서 보여지는 HCN 농도에 필적한다.
다시 도 1에 있어서, 또한 2차 공기 흐름이 인클로저(21)에 제공된다. 2차 공기 흐름이 팬(12)에 의해 압축되며 또한 히터(13)에 의해 가열된다. 팬(12)은 요구된 흐름, 온도, 및 압력 강하가 가능한 종래의 임의의 팬일 수 있으며, 또한 플러그 타입 구성이 바람직하다. 히터(13)는 전기식 또는 화석-연료 작동식일 수 있으며, 또한 공기의 순환 스트림을 원하는 공정 온도로 가열할 수 있다. 2차 공기 온도는 온도를 측정하기 위해 검온기(35)를 사용하는 종래의 전자 피드백 루프 및 히터(13)의 전력을 조절하는 사이리스터 또는 가스 흐름 제어 밸브를 통해 조절된다. 2차 공기 루프의 목적은 공정 공기 또는 제품 층이 오븐을 횡단할 때 공정 공기 또는 제품 층에 대한 열손실 또는 열이득을 방지하는 것이므로, 2차 공기의 온도가 실질적으로 공정 공기 온도의 세팅값과 동일한 온도로 세팅 및 제어된다.
도 2, 3, 및 4에 있어서, 2차 공기 흐름은 팬 휘일(32)로부터 히터(13)를 통해 하향하여 수직으로 흐른다. 이것은 전환 베인(28)의 세트에 의해 오븐(1)의 후방을 향해 수평으로 그리고 횡단하여 흐르도록 90°전환된다. 그후, 2차 공기 흐름은 절반으로 분할되며 그리고 전환 베인(23)에 의해 오븐(1)의 입구 또는 출구를 향해 수평으로 및 길이방향으로 재지향된다. 그후, 2차 공기 흐름은 전환 베인(24a, 24b)에 의해 상향으로 수직하게 지향되며 그리고 흐름 조정기(25)에 들어간다. 흐름 조정기(25)는 흐름을 곧바르게 또한 공기 속도를 균일하게 하도록 설계되며, 또한 그 전체 서술이 여기에 참조인용된 발명의 명칭이 "공기 흐름 분배 시스템"인 미국 특허출원 제13/180,215호에 서술된 바와 같이, 천공된 스틸 플레이트 및 다공질 벌집 구조물을 포함하는 장치가 바람직하다. 흐름 조정기(25)는 상부에 제2 천공 플레이트(22)를 포함하며, 이를 통해 공기가 균일한 속도 및 균일한 수직 방향으로 흐른다. 플레이트(22) 바로 위의 공기 흐름은 평균에 대한 표준 편차의 비율이 약 10% 보다 작도록, 더욱 바람직하기로는 약 3% 보다 낮도록, 속도 특성을 갖는다. 플레이트(22) 바로 위의 흐름의 방향은 약 10°의 수직도(degree of vertical), 또한 약 3°의 수직도 이내인 것이 더욱 바람직하다. 수직 흐름의 평균 속도는 약 1 내지 10 m/sec 가 바람직하며, 또한 약 3 내지 6 m/sec 가 더욱 바람직하다.
도 2, 3, 및 4에 있어서, 2차 공기는 공정 공기 인클로저(21) 위로 그리고 둘레로 상향하여 흐르며, 또한 그후 천공된 플레이트(27)를 통해 계속 상향으로 흐른다. 그후, 공기가 수집 플레넘 용적(36)에 들어간다. 플레넘(36)은 수직 벽(33)에 의해 공정 튜브(21) 위로 상향하여 흐르는 공기 스트림으로부터 분리되며, 또한 수평 벽(34)에 의해 오븐 바닥을 따라 이동하는 흐름으로부터 분리된다. 재순환하는 2차 공기 흐름 경로가 도 3, 4, 및 5에 화살표(48)로 도시되어 있다. 2차 공기 스트림의 대부분은 팬 입구 원추부(26)에 들어감으로써 팬(12)을 통해 재순환한다. 2차 공기의 일부가 2차 오븐 공기 방출 개구(16)에서 방출되며, 또한 이 흐름은 2차 공기 방출 밸브(17)에 의해 조절된다. 2차 공기 스트림을 위한 보급 공기 흐름이 2차 공기 입구(14)에서 오븐에 들어가며, 또한 보급 공기 밸브(15)에 의해 조절된다. 2차 공기 스트림이 제품과 접촉하지 않기 때문에, 이것은 기본적으로 깨끗하게 존재하며, 또한 그에 따라 정상적인 조건에서, 매우 적은 방출 또는 보급 공기가 요구된다. 그러나, 오븐 온도를 낮추는 것이 바람직할 때, 보급 공기 흐름은 오븐 내로 차가운 실내 공기를 도입하는데 유용하다.
2차 공기 스트림은 이것이 공정 공기 인클로저(21)의 내부 길이를 따라 흐를 때, 공정 공기의 온도를 균일하게 유지시킨다. 예를 들어, 2차 공기 흐름이 없다면, 공정 공기의 온도는 속도에 따라 오븐의 입구와 출구 사이에서 약 20 내지 50℃ 로 강하되며, 가장 큰 온도 강하는 가장 낮은 공기 속도에 대응한다. 약 3 m/sec 또는 이 보다 큰 2차 공기 흐름에 의해, 오븐 길이에 대한 공정 공기 온도 변화는 약 2℃ 보다 작다.
원하는 오븐 작동 온도의 변화에 대한 응답 시간, 또는 설정값은 실제로 2차 공기 스트림의 응답 시간에 의해 결정된다. 이것은 공정 공기가 오직 제품 층(11)과만 접촉하는 관류(once-through) 공기 흐름 및 상대적으로 작은 공기 인클로저(21)로 구성되어 있으며 또한 그에 따라 2차 공기 시스템 보다 훨씬 많은 열 관성을 갖기 때문이다. 2차 공기는 플러그 팬 휘일(32) 및 오븐 내의 다른 모든 금속 부품 뿐만 아니라, 상대적으로 큰 절연 인클로저(2)의 내측과도 접촉한다. 예를 들어, 5.0 m(길이)×2.5 m(높이)×1.0 m(폭)의 치수의 절연 인클로저를 갖는 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예와 유사한 오븐은 1℃ 당 약 800,000 주울의 열 관성을 갖는다. 오븐이 약 300℃ 의 온도로 작동한다면, 인클로저 및 단부를 통해 약 10 kW 의 열손실이 있을 것이다. 이 예에 있어서, 30 kW 의 전력 용량을 갖는 가열 요소(13)는 따라서 오븐의 온도를 상승시키는데 유용한 20 kW 전력을 가질 것이며, 이것은 오븐 온도를 약 15℃ 상승시키는데 약 10분의 시간으로 나타날 것이다. 이 예에 있어서, 밸브(15, 17)는 보급 공기가 전력을 인출하는 것을 방지하기 위해 폐쇄되는 것으로 가정하였다. 다른 실시예는 방금 서술한 동일한 오븐 온도를 사용하여 오븐 설정값을 약 15℃ 낮출 것이다. 이 경우, 밸브(15, 17)가 개방되고 또한 히터(13)가 차단된다. 이 예에 있어서, 약 170 Nm＾3/hr(100 scfm) 의 보급 공기 흐름은 약 7분에서 발생하는 약 15℃ 강하로 나타난다.
PAN 전구체의 발열 폭주(runaway) 중 제품 인클로저(21)에서의 최대 온도 상승의 계산은, 본 발명이 수냉(water quenching) 시스템을 요구하지 않음을 나타낼 것이다. 가정된 조건은 단일의 51 mm 직경의 둥근 인클로저에서 1 m/min(0.288 kg/hr 의 질량비)의 1.0 dTex 의 4×12,000 필라멘트 토우 및 250℃ 에서의 1.0 m/sec(6.2 kg/hr 의 질량비)의 공기 속도이다. PAN 반응열이 그램 당 2425 주울과 동일하고 또한 모든 반응 에너지가 흐르는 공기에 의해 흡수된다고 가정하면, 계산된 공기 온도 상승은 약 110℃ 이다. 따라서, 심지어 전형적인 범위의 바닥에 가까운 공기 흐름일지라도, 인클로저(21)가 약 360℃ 위의 온도를 경험하는 것은 아니다.
원칙적으로, 인클로저(21)는 많은 상이한 물질들로 제조될 수 있지만, 바람직한 물질은 약 500℃ 위로 될 때까지 기계적 강도를 견딜 수 있으며 또한 그에 따라 이 발열 폭주도(degree of exothermic runaway)를 용이하게 견딜 수 있는, 304 와 같은 오스테나이트(austenitic) 스텐레스 스틸이다. 본 발명의 관류 공기 흐름은 공기 흐름 자체가 가벼운 물질을 이송하려는 경향을 가지며 또한 항상 신선한 공기로 대체되기 때문에, 발열 폭주 후 남아있는 재(ash) 또는 다른 찌꺼기의 제거를 촉진시킨다. 공정 공기 스트림이, 예를 들어 약 5 분 내로 약 100℃ 급속히 냉각될 수 있기 때문에, 단부 챔버(10, 18)는 푸시 로드(push rod) 등의 삽입을 촉진시켜 남아있는 찌꺼기를 제거하기 위해 임의의 발열 이벤트 후 짧은 시간 내에 개방될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 횡단면을 도시하고 있다. 이 실시예에 있어서, 제품 층(11)을 포함하는 공정 공기 인클로저 튜브(21)는 수평의 이격거리(spacing)가 X 로 묘사되고 또한 수직의 이격거리가 Y 로 묘사되는 복수의 수직 행렬(row and column)로 배치된다. 인클로저(21)의 수직 및 수평 이격거리의 비율(Y/X)은 열교환기에서 종래의 튜브 번들을 위해 사용된 원리를 따르는 것이 바람직하다. PAN 섬유 공정에 있어서, 수직 이격거리(Y)는 오븐의 외측으로의 토우 운송 고려사항으로부터 설정되며, 전형적인 제품 층 이격거리는 바람직하기로는 약 0.1 내지 0.4 미터, 또한 더욱 바람직하기로는 약 0.15 내지 0.20 미터이다.
서술된 개선사항은 많은 장점을 제공한다. 오븐은 광범위한 공기 속도에 대해 가열된 길이의 전체를 통해 공기와 섬유 제품 사이에 균일한 공기 속도 및 일관된 접촉각(contact angle)을 제공한다. 또한, 공기의 온도는 속도와는 관계 없이 전체 가열 길이에 대해 균일하다. 또한, 온도의 설정 시의 지연이 시간 및 공정 물질을 소비하기 때문에, 균일한 정상-상태 온도가 신속히 달성될 수 있다. 또한, 공정 접촉 공기는 제품의 품질을 열화(degrade)시킬 수 있는 습기, 섬유 플라이(fly), 미립자, 및 공정 오프-가스(off-gas) 화학물이 없이 도입될 수 있다. 또한, 공정 압력을 제어하는 능력은 공정 오프-가스의 탈출을 방지한다. 특히, PAN 기반 탄소 섬유 전구체는 오븐의 외측에 농축이 허용된다면 흡입 위험을 제기하는 독성 시안화수소(HCN)을 방출하는 것으로 알려져 있다.
또한, 탄소 섬유 전구체를 위해, 오븐은 공정 업셋(upset)을 효율적인 방식으로 취급하는 것을 가능하게 한다. 전구체 토우가 오븐 내측에서 파괴될 때, 한 가지 타입의 공정 업셋이 발생한다. 파괴된 토우 단부는 내부 접근을 허용하기 위해 전체 공정이 정지되어야만 하고 또한 오븐이 대기로 냉각될 때까지, 파괴 후 즉시, 또는 나중에 다른 토우 및 상이한 표고(elevation)의 다른 토우 통로와 뒤얽힌다. 오븐(1)의 디자인에 의해, 하나의 최소한의 횡단면 영역 인클로저(21) 내에 토우 파괴가 포함된다. 토우는 인클로저 때문에 그 정상적인 경로로부터 멀리 낙하될 수 없으며, 또한 그에 따라 오븐 부품 또는 다른 토우상에 걸릴 가능성이 거의 없다. 또한, 오븐(1)은 제거 경로가 기본적으로 직선형이고 또한 토우 제거 지점이 단부로부터 오븐의 외측에 있고 또한 그에 따라 오븐에 들어가거나 또는 오븐을 대기 온도로 냉각할 것을 요구하지 않기 때문에, 파괴된 토우를 오븐으로부터 끄집어 내는 것을 촉진시킨다.
탄소 섬유 전구체가 화재로 나타나는 발열 폭주 반응을 경험할 때, 다른 타입의 공정 업셋이 발생한다. 오븐은 화재가 전체 오븐 용적을 통해 번지는 것을 제한한다. 발열 공정 폭주의 경우에, 따라서 발생된 열이 제한된다. 관류 공정 공기 스트림은 연소의 산물 및 발생된 열을 오븐으로부터 이송하며, 또한 딜러지(deluge) 물 시스템을 사용할 필요가 없다. 발열 이벤트 또는 화재 후, 2차 공기 흐름을 정지시킬 필요가 없으며, 오븐을 대기 온도로 냉각시킬 필요가 없으며, 또한 오븐에 들어갈 필요가 없다. 또한, 오븐은 설치 및 유지하는데 값비싼 딜러지 물 시스템에 의지하지 않고서도 화재가 번지는 것을 제한하며, 또한 이것은 작동되었을 때 공정이 재시작될 수 있기 전에 대기 온도 오븐의 내측에서 시간이 소요되는 청소(cleanup)를 요구한다. 이것은 발열 폭주 또는 화재로 인한 전체 공정 업셋이 종래의 탄소 섬유 전구체 오븐에 의한 시간에 비해, 겨우 몇 분일 수 있다.
오븐(1)의 디자인은 균일한 공기 속도를 제공하며, 또한 일관된 접촉각, 온도 균일성, 짧은 온도 응답 시간, 청정한 공정 가스는 오프 가스의 차후 공정 처리에 대한 요구를 감소 또는 제거하며, 또한 공정 업셋의 효율적인 취급을 가능하게 한다. 섬유는 섬유 카티너리(catenary) 및 고유 진동을 고려한 기본적으로 최소한의 가능한 횡단면 영역인 인클로저(21) 내의 오븐을 통과한다. 이 작은 횡단면은 그 횡단면 특성 치수에 대한 공정 인클로저 길이의 비율이 매우 커서, 공기 흐름이 거의 정확히 섬유와 평행한 것을 보장하는 경계 조건을 형성한다는 것을 의미한다. 작은 횡단면 영역은 주어진 공기 속도에 대해 공정 공기의 요구된 양이 최소한으로 유지되며, 그에 따라 압축화(pressurization) 및 가열에 최소한의 에너지를 요구한다는 추가적인 장점을 갖는다.
이들 제품 인클로저를 통과한 공기는 여과되고, 압축되고, 원하는 공정 온도로 가열되며, 또한 상류로 조절된 흐름은 인클로저를 통해 섬유에 평행하게 흐르며, 그리고 배기 시스템으로 빠져나간다. 공기는 시스템의 각각의 요소를 한 번만 접촉한다. 이것은 공정 공기가 제품의 품질을 열화시킬 수 있는 습기, 섬유 플라이, 미립자, 및 공정 오프-가스 화학물을 축적하지 않음을 의미한다. 공정 휘발물(volatile)의 농축이 없기 때문에, PAN 탄소 섬유 전구체로부터의 방출된 공정 공기는 HCN 을 파괴하기 위해 고가의 소각장(incineration) 또는 후처리의 다른 수단을 필수적으로 요구하지 않는다.
관류 가열 공정은 열적으로(thermally) 매우 빠르며, 또한 그에 따라 공정 공기의 온도가 급속히, 예를 들어 5분 내에 100℃ 변화될 수 있다. 이것은 실질적으로 손실 시간을 감소시키며 또한 토우 제거 중 작업자 안전을 촉진시킨다. 토우 제거는 2차 공기 흐름 또는 온도의 변화 없이도 이루어질 수 있으므로, 일단 파괴된 토우가 제거되면, 공정 공기 흐름 및 온도가 급속히 재설정될 수 있다. 이것은 토우 파괴로 인한 전체 공정 업셋이 종래의 탄소 섬유 전구체 오븐에 의한 시간에 비해, 겨우 몇 분일 수 있음을 의미한다. 공정 인클로저 외측으로의 2차 공기 흐름 및 그에 따라 섬유와의 비접촉이라는 장점은, 이것이 오븐(1) 내에서 높은 온도 균일도(degree of temperature uniformity)를 유지한다는 점이다. 이 재순환된 공기 흐름은 오븐 케이싱과 일체로 위치된 전용의 팬 및 히터에 의해 원하는 공정 온도로 압축 및 가열된다. 이 공기는 공정 공기 인클로저 위로 그리고 둘레로 흘러서, 외측 표면을 원하는 공정 온도로 유지시키며, 또한 그에 따라 섬유와 팽행하게 흐르는 공정 공기로부터 열손실을 방지한다. 이 영향은 심지어 매우 낮은 공정 공기 속도에서도 공정 접촉 공기의 온도 균일도를 제공하며, 이것은 그 경우에 작은 열손실 또는 열이득이 큰 온도 차이를 생산하려는 경향을 갖기 때문에 본질적으로 어렵다. 2차 공기 흐름은 차가운 신선한 공기의 조절된 공급을 갖는다. 2차 공기 온도는 증가된 가열 전력으로 상승될 수 있으며 또는 차가운 신선한 공기의 흡입을 증가시킴으로써 낮춰질 수 있다. 이것은 2차 공기 온도가 온도 변화가 증가이거나 또는 감소이거나 신속히 평형으로 될 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 많은 변화 및 수정이 이루어질 수 있을 것으로 예상한다. 따라서, 섬유 열처리를 위해 지금까지 바람직한 형태의 오븐이 도시 및 설명되고 또한 여러 가지 수정 및 대안이 논의되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 하기의 특허청구 범위에 의해 정의 및 구별되는 바와 같이, 본 발명의 정신 및 범위로부터의 일탈 없이 다양한 추가적인 변화 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다
참고문헌:
1. 미국 특허 제6,776,611호, "산화 오븐", 스프레그, 피.에스.
2. 미국 특허 제4,515,561호, "섬유 처리 오븐", 멜가드, 에이치. 엘.
3. ISO-5167 1:2003 아넥스 시 "흐름 조정기 및 흐름 정류기"
4. 주카우스카스, 에이. "직교류의 튜브로부터의 열전달", 열전달 향상, 8권, 1972년.

Claims (1)

  1. 오븐으로서:
    오븐을 통해 처리될 제품을 이동시키도록 구성 및 배치된 컨베이어;
    1차 팬 및 1차 히터를 구비하며, 가열된 1차 공기 흐름을 제공하도록 구성 및 배치된 1차 공기 전달 시스템;
    2차 팬 및 2차 히터를 구비하며, 가열된 2차 공기 흐름을 제공하도록 구성 및 배치된 2차 공기 전달 시스템;
    상기 제품 및 상기 1차 공기 흐름을 수용 및 포함하도록 구성 및 배치된 공정 인클로저;
    상기 가열된 2차 공기 흐름을 수용하도록 구성 및 배치된 절연된 인클로저를 포함하며,
    상기 공정 인클로저는 상기 절연된 인클로저 및 상기 가열된 2차 공기 흐름을 지나 연장하도록 또한 상기 1차 공기 흐름을 상기 2차 공기 흐름으로부터 분리시키도록 구성 및 배치되고,
    상기 오븐은 상기 제품 및 상기 1차 공기 흐름을 수용 및 포함하도록 구성 및 배치되며 또한 상기 절연된 인클로저를 통해 연장하는 복수의 공정 인클로저 및 상기 각각의 복수의 공정 인클로저와 통신하는 복수의 입력 챔버 및 배출 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 오븐.
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