TWI524044B - 用於纖維熱處理之烤爐 - Google Patents

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TWI524044B TW101148814A TW101148814A TWI524044B TW I524044 B TWI524044 B TW I524044B TW 101148814 A TW101148814 A TW 101148814A TW 101148814 A TW101148814 A TW 101148814A TW I524044 B TWI524044 B TW I524044B
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Description

用於纖維熱處理之烤爐
本發明一般而言係關於烤爐及乾燥機領域，且更特定而言係關於用於處理纖維束或絲束之一經改良之烤爐。
處理連續產物流之對流烤爐及乾燥機廣泛使用。在諸多烤爐中，在平行移動傳送器上載送或者在紡織品或織物之情形中在外部驅動之間的張力下懸置之產物在一或多個位準下水平地移動。使一循環熱氣流與產物接觸以用於加熱或乾燥。一技術上重要種類之烤爐在空氣中處理聚合或有機碳纖維前驅體以在碳化之前提供熱塑性質。
在工業中習知用於給諸如聚丙烯腈(PAN)之碳纖維前驅體材料提供氧化熱處理之烤爐。美國專利第6,776,611號闡述其中加熱氣流圍繞呈絲束型式之PAN循環且在垂直於絲束行進之方向之一方向上接觸纖維之一烤爐。美國專利第4,515,561號揭示其中加熱氣流圍繞呈絲束型式之PAN循環且在平行於絲束行進之方向之一方向上接觸纖維之一烤爐。
僅出於圖解說明之目的且不以限制方式，藉助對所揭示實施例之對應部件、部分或表面之括弧註明，本發明提供一種經改良之烤爐(1)，該烤爐包括：一傳送器，其經組態及配置以移動欲透過一烤爐處理之一產物(11)；一初級空氣遞送系統(45)，其經組態及配置以提供一經加熱初級氣 流(47)；一次級空氣遞送系統(46)，其經組態及配置以提供一經加熱次級氣流(48)；一處理殼體(21)，其經組態及配置以接納及容納該產物及該初級氣流(47)；一絕緣殼體(2)，其經組態及配置以接納該經加熱次級氣流(48)，該處理殼體經組態及配置以延伸穿過該絕緣殼體及該經加熱次級氣流(48)且使該初級氣流(47)與該次級氣流(48)分離。
該傳送器可經組態以將該產物在一第一方向(49)上移動穿過該處理殼體，其中個別通路向前或向後移動，該處理殼體可具有實質上平行於該第一方向之一縱向殼體軸(50)，該處理殼體中之該初級氣流(47)可實質上平行於該第一方向且接近於該處理殼體之該絕緣殼體中之該次級氣流(48)可實質上垂直於該第一方向。
該初級空氣遞送系統(45)可包括一輸入室(10)，該輸入室經組態及配置以接納該初級氣流(47)及該經傳送產物且將該初級氣流(47)及該經傳送產物輸出至該處理殼體。該傳送器可經組態及配置以將該產物在一第一方向上移動穿過該處理殼體且該室可將該經加熱初級氣流(47)及該經傳送產物在該第一方向上輸出至該處理殼體。該輸入室可包括：一空氣輸入開口(38)；一產物輸入開口(39)，其不同於該空氣輸入開口；該處理殼體之一輸出開口(43)，其與該產物輸入開口相對；及一氣流引導器(37)，其經組態及配置以將氣流自該空氣輸入開口引導至該輸出開口。該空氣輸入開口可係實質上垂直於該輸出開口而定向且該氣流引導器可經組態及配置以將該氣流自實質上垂直於該第一 方向之一方向導向至實質上平行於該第一方向之一方向。該輸出開口可在大小上大於該產物輸入開口。該室可進一步包括一產物輸入開口大小調整機構，且該開口大小調整機構可包括一第一板(29)及一第二板(30)，該第一板及該第二板可相對於彼此調整以便在其間提供一可變間隙(39)。一鎖定機構可經組態及配置以相對於該室將該等板可調整地鎖定於一位置中以便變化該產物開口之大小，且該鎖定機構可包括鎖定螺絲(31)。
該烤爐可進一步包括一輸出室(18)，該輸出室經組態及配置以自該殼體接納該產物及該初級氣流(47)以及排放該初級氣流(47)且排放該產物。該輸出室可包括：一輸入開口(44)，其來自該處理殼體；一產物排放開口(41)，其與該輸入開口相對；及一空氣排放開口(42)，其不同於該產物排放開口。該空氣排放開口可係實質上垂直於該輸入開口而定向。該輸出室可進一步包括一產物輸入開口大小調整機構，且該開口大小調整機構可包括一第一板及一第二板，該第一板及該第二板可相對於彼此調整以便在其間提供一可變間隙(41)。一鎖定機構可經組態及配置以相對於該室將該等板可調整地鎖定於一位置中以便變化該產物排放開口之大小，且該鎖定機構可包括鎖定螺絲。
該初級空氣遞送系統(45)可包括選自由以下項組成之一群組之一或多個裝置：一風扇(3)、一加熱器(4)、一溫度計(6)、一歧管(7)、一閥(8)、一流量計(9)及一導管(5)。該初級空氣遞送系統(45)可包括一單個再生式風扇、一單個 直列式加熱器、一溫度計、一單個歧管，該歧管經組態及配置以將氣流分流至複數個下游路徑中，該等路徑中之每一者包括一閥及一流量計，其中該初級氣流(47)經產生且在使其與該產物接觸之前透過該加熱器、該歧管及該閥循環不超過一次。該初級空氣遞送系統(45)可包括一單個再生式風扇、一歧管，該歧管經組態及配置以在使氣流與該產物接觸之前將氣流分流至複數個下游路徑中，該等路徑中之每一者包括一閥、一流量計、一直列式加熱器及一溫度計。該初級空氣遞送系統(45)可不全部地或部分地使排出該處理殼體之初級氣流(47)再循環。
該次級空氣遞送系統(46)可包括：一風扇(12)；一加熱器(13)；一溫度計(35)；一再循環進口(26)，其用於接納來自該絕緣殼體之已使用空氣；一空氣排排放口(16)，其具有用於自該絕緣殼體排放空氣之一流量控制閥(17)；及一補給空氣進口(14)，其具有用於接納補給空氣之一流量控制閥(15)，其中該次級氣流(48)可包括該已使用空氣及該補給空氣之一混合。該補給氣流及該排放氣流可由該等閥(15、17)控制以變化該次級氣流(48)中之該補給空氣及該已使用空氣之量。該次級空氣遞送系統(46)可包括：一插拔式風扇(12)，其具有垂直於該處理殼體軸(50)之一軸，該插拔式風扇位於一絕緣殼體壁上沿著該烤爐之一產物行程尺寸之大約中間處，該風扇具有用於接納空氣之一上游進口錐(26)及向下引導氣流之一排放充氣部(32)；一加熱器(13)，其定位於下游且靠近該風扇排放埠；一溫度計 (35)，其定位於下游且靠近該加熱器；一組引導葉片(28)，其定位於靠近該加熱器且靠近該絕緣殼體之一底板，該等引導葉片將該氣流導向90度以毗鄰於該絕緣殼體之該底板而流動；一第二組葉片(23)，其將該氣流分流成大約兩半且將該氣流之一第一半部分導向90度以與該第一方向對準且將該氣流之第二半部分導向90度以與該第一方向相反；一第三組葉片(24a)，其將該氣流之該第一部分導向90度以在垂直於該殼體軸之一方向上向上流動；一第四組葉片(24b)，其將該氣流之該第二部分導向90度以在垂直於該殼體軸之一方向上向上流動；一流量調節裝置(22)，其橫跨該烤爐之一長度且寬於該處理殼體之一最寬尺寸且該向上氣流在接觸該處理殼體之前穿過該流量調節裝置；一上部穿孔板(27)，其在該處理殼體上面；及一空氣收集充氣部(36)，其使流動穿過該上部穿孔板且至該風扇進口錐中之空氣與自該風扇排放且流動穿過該加熱器、該等導向葉片、該流量調節器且越過該處理殼體之空氣分離。該流量調節裝置可包括具有位於其間之一蜂巢式結構之兩個穿孔板，且該蜂巢式結構可係一蜂巢結構。
初級空氣遞送系統及次級空氣遞送系統可經組態及配置以將該初級氣流遞送至該處理殼體內部且在約相同之一溫度範圍下將該次級氣流遞送至該處理殼體外部。
該處理殼體可具有一長度及一剖面特性尺寸且該長度可係該剖面特性尺寸之至少約五十倍。該處理殼體可具有係圓形、正方形、矩形、卵形或橢圓形之一剖面形狀。
該烤爐可包括多個處理殼體，該等處理殼體經組態及配置以接納及容納該產物及該初級氣流且延伸穿過該絕緣殼體。該烤爐可進一步包括與該等各別多個處理殼體連通之多個輸入室及輸出室。
在開篇處，應清楚地理解，貫穿數個圖式圖中，相同參考編號意欲一致地識別相同結構元件、部分或表面，此乃因此等元件、部分或表面可藉由整個書面說明書進一步闡述或闡釋，此詳細說明係整個書面說明書之一組成部分。除非另有指示，否則圖式意欲連同說明書一起閱讀(例如，交叉陰影、部件之配置、比例、程度等)且欲將其視為本發明之整個書面說明之一部分。如在以下說明中所使用，術語「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」及「下」以及其形容詞及狀語衍生詞(例如，「水平地」、「向右地」、「向上地」等)僅指代當特定圖式圖面向讀者時所圖解說明結構之定向。類似地，術語「向內地」及「向外地」通常視情況指代一表面相對於其伸長軸或旋轉軸之定向。
參考圖式，且更特定而言參考其圖1，本發明提供用於纖維熱處理之一經改良之烤爐，該烤爐之一第一實施例通常指示為1。儘管本發明具有用於提供一高效且高品質纖維熱處理之諸多應用，但其在此實施例中關於其對用於碳纖維前驅體之一氧化穩定烤爐之應用進行闡述。
如圖1中所展示，烤爐1包含矩形絕緣殼體2，矩形絕緣 殼體2係使用結構鋼及鋼薄片及礦物或玻璃絕緣之習用構造。產物層11經配置且在平行水平面中移動穿過烤爐1。在呈絲束型式之碳纖維前驅體之情形中，產物層11係並排配置成一個水平層之絲束且滾子或其他回穿(pass-back)裝置用以形成穿過整個烤爐之一個連續蜿蜒路徑。
產物接觸空氣或程序空氣在風扇3處經加壓且穿過直列式加熱器4。風扇3可係能夠具有所期望流量及壓降之任何習用風扇且較佳地係為一再生類型。較佳地，風扇3自一經過濾源汲取空氣或自工廠環境外部汲取新鮮空氣。直列式加熱器4可係電驅動式或化石燃料驅動式，且應能夠在一單個空氣通路中使空氣升至期望之程序溫度。程序空氣之溫度範圍較佳地介於約攝氏100度與600度之間，更佳地介於約攝氏200度與400度之間。排出加熱器4之空氣之溫度經由一習用電子回饋迴路(使用用以量測溫度之溫度計6及用以調變至加熱器4之電力之一閘流體或氣體流量控制閥)來控制。
經加熱空氣進入歧管7且在進入烤爐1之前分流至複數個路徑中。穿過進口管道5之每一此氣體路徑包含閥8及流量計9，閥8及流量計9量測及控制經加熱空氣之流率。閥8可係針對期望之溫度範圍設計之任何習用控制閥。儘管未在圖上展示，但加熱器4、下游管道及歧管7較佳地藉助約50mm或更大厚度之纖維玻璃或石棉而絕熱。可使用程序空氣進口列之替代組態。舉例而言，一單獨加熱器可安裝於流量控制閥8下游之每一氣體進口路徑5中。
現參考圖2，在此實施例中，複數個程序氣體進口經由管道5經引導穿過端室10之側壁中之開口38，在端室10中，氣體然後由偏轉器37引導至管狀殼體21中，管狀殼體21透過開口43連接至室10之後壁且穿過絕緣殼體2中之孔且至烤爐1中。偏轉器37將氣流自一橫向方向導向90度至垂直於產物11之行進方向之一方向。藉由具有一減小面積之產物入口39來防止空氣流出室10之產物入口39。產物開口39由一上部產物槽板29及一下部產物槽板30界定。可藉由使槽板29及30垂直地滑動而調整產物槽或開口39之大小，其中板29及30藉助於鎖定螺絲31而鎖定在適當位置中或允許行進。在PAN氧化烤爐中，產物層11之厚度變化但係通常約3mm或更小。在操作期間板29與板30之間的間隙39較佳地介於約2mm與20mm之間，且更佳地介於約6mm與10mm之間。用於清潔或其他維護之板29與板30之間的最大調整間隙係處於約等於產物殼體21之高度尺寸之最小值。可使用用於固定板29及30之位置之其他構件。舉例而言，可採用彈簧負載螺栓。
與烤爐尺寸相比，程序空氣殼體21具有一相對小剖面且較佳地係具有介於約0.01米與0.40米之間(且更佳地介於0.02米與0.10米之間)的一直徑之管。殼體21內之產物氣流之速度較佳地介於約0.1m/sec與10m/sec之間，且更佳地介於約1m/sec與6m/sec之間。剖面特性尺寸(在一圓柱形管之情形中之直徑)對殼體21之長度之比率較佳地大於約10且更佳地大於約50。剖面特性尺寸對長度之高比率確保 空氣流動沿著產物層11之行進方向發生。當所展示實施例中之殼體21係圓管時，其他剖面管形狀(諸如正方形、矩形、橢圓形或卵形)可用作一替代方案。熟習此項技術者應理解，取決於殼體21之剖面慣性矩及長度，其可需要沿著烤爐之長度之機械支撐件以防止向下彎曲或蠕變。此等支撐件可以規則間隔沿著烤爐長度定位於殼體21下方且經焊接或螺栓連接至絕緣殼體2之內部表面。
現參考圖3，複數個處理殼體21及產物層11橫穿烤爐且穿過絕緣殼體2並透過室18中之開口44至出口端室18中。產物11透過類似於與入口端室10一起闡述之板29及30之一組可調整槽板之間的一槽41排出端室18。程序空氣如由箭頭47所展示在殼體21內部流動且在橫向方向上透過室18中之開口42及包含閥19之複數個排放管道40排出。所排放空氣然後收集於排放集管20中，排放集管20連接至一適當空氣排放系統。
再次參考圖1，程序空氣行進穿過烤爐系統一次。程序空氣在風扇3處進入且藉助加熱器4、閥8及流量計9加熱並設定為一控制流量。入口端室10引導產物11及幾乎所有程序空氣兩者至處理殼體21中，在處理殼體21中，空氣藉助產物層11傳遞熱與質量。空氣及產物11透過出口端室18排出烤爐，排放程序空氣在出口端室18中經引導穿過控制閥19且進入排放集管20中。處理殼體21內部之壓力較佳地極接近周圍壓力，且更佳地在約1mbar內且甚至更佳地在約0.1mbar內。端室10及18中之閥8及19以及槽開口39及41之 高度分別係用於調整此壓力之手段。接近周圍壓力確保極少空氣實際上透過產物槽排出或進入處理殼體21，此意指幾乎所有程序空氣(通常約98%或更多)接觸產物層11。若排放歧管20在拉力或負壓力之情況下連接至一排放處置系統，則可進一步增加控制之程度。在此情形中，烤爐可操作以使得殼體21具有一輕微負壓力，從而事實上消除產物槽處之程序氣體之逸出。
所闡述之程序空氣系統具有以下益處，接觸產物之氣體進入不含污染物之產物殼體21且僅在一單個空氣通路期才附著程序污染物。舉例而言，熱處理以0.25m/min移動之1.0dTex PAN之24000個細絲之諸如圖1中所展示之一烤爐將產生約1.1gr/hr之氰化氫(HCN)氣體。藉助六個烤爐殼體21(每一者具有一50mm直徑)且在4.0m/sec之一空氣速度及攝氏250度之溫度下，氣流中之HCN之所計算最大濃度係約8ppm。此與介於約40ppm與80ppm之間的典型工業烤爐內部所遭受之HCN濃度相比係有利的。
再次參考圖1，亦將一次級氣流提供至殼體21。次級氣流由風扇12加壓且由加熱器13加熱。風扇12可係能夠具有所期望流量、溫度及壓降之任何習用風扇且較佳地係為一插拔類型組態。加熱器13可係電力供電或化石燃料供電且應能夠將一循環氣流加熱至期望之程序溫度。次級空氣溫度經由一習用電子回饋迴路(使用用以量測溫度之溫度計35及用以調變加熱器13之功率之一閘流體或氣體流量控制閥)來控制。次級空氣迴路之目的係防止程序空氣或產物 層在其橫穿烤爐時之熱量損失或增益，因此次級空氣之溫度經設定及控制為實質上相同於程序空氣溫度之設定之一溫度。
參考圖2、圖3及圖4，次級空氣自風扇輪32垂直地向下流動穿過加熱器13。該次級空氣藉由一組導向葉片28導向90度以水平地且橫向地朝向烤爐1之背部流動。次級氣流然後分流成兩半且藉由導向葉片23水平地及縱向地經重引導而朝向烤爐1之入口或出口端。次級氣流然後藉由導向葉片24a及24b向上垂直地引導且進入流量調節器25。流量調節器25經設計以整直流量且使空氣速度均勻，且較佳地係容納一穿孔剛板及蜂巢式蜂巢結構之一裝置，如美國專利申請案第13/180,215號標題為「Airflow Distribution System」中所闡述，該美國專利申請案之整個揭示內容以引用方式併入本文中。流量調節器25在頂部上包含一第二穿孔板22，空氣以一均勻速度且在均勻垂直方向上流動穿過第二穿孔板22。恰好在板22上方之氣流具有速度特性以使得標準偏差對平均值之比率小於約10%且更佳地小於約3%。恰好在板22上方之氣流之方向較佳地與垂線成約10度內且更佳地與垂線成約3度內。垂直氣流之平均速度較佳地介於約1m/sec與10m/sec之間，且更佳地介於約3m/sec與6m/sec之間。
再次參考圖2、圖3及圖4，次級空氣向上溢出且圍繞程序空氣殼體21且然後繼續向上穿過穿孔板27。空氣然後進入收集充氣部容積36。充氣部36藉由垂直壁33與向上溢出 程序管21之氣流分離且藉由水平壁34與沿著烤爐底板行進之氣流分離。在圖3、圖4及圖5中藉助箭頭48展示再循環次級氣流路徑。大部分次級氣流藉由進入風扇進口錐26而透過風扇12再循環。在次級烤爐空氣排放開口16處排放次級空氣之一部分且此流量藉由次級空氣排放閥17調節。次級氣流之補給氣流在次級空氣進口14處進入烤爐且藉由補給空氣閥15來調節。由於次級氣流不接觸產物，因此其基本上保持清潔且因此在穩定條件下需要極少排放空氣或補給空氣。然而，當期望降低烤爐溫度時，補給氣流可用於將冷室內空氣引入至烤爐中。
次級氣流因其沿著程序空氣殼體21之內部長度流動而保持程序空氣之溫度均勻。舉例而言，若不存在次級氣流，則程序空氣之溫度將取決於速度而在烤爐之入口及出口之間下降達介於約攝氏20度至50度之間，其中最大溫降對應於最低空氣速度。在約3m/sec或更大之一次級氣流之情況下，在烤爐之長度上之程序空氣溫度改變小於約攝氏2度。
對烤爐期望之操作溫度或設定點之一改變之回應時間實際上由次級氣流之回應時間判定。此乃因程序空氣由僅接觸產物層11及相對小空氣殼體21之一單程氣流組成且因此具有比次級空氣系統低得多之熱慣性。次級空氣接觸相對大絕緣殼體2之內部以及插拔式風扇輪32及烤爐內部之所有其他金屬組件。舉例而言，具有5.0m(長)×2.5m(高)×1.0m(寬)之尺寸之一絕緣殼體之類似於圖1至圖4中 所展示之實施例之一烤爐具有約800,000焦耳每攝氏度之一熱慣性。若烤爐以約攝氏300度之一溫度操作，則將存在透過殼體及端部之約10kW之熱損失。在此實例中，具有30kW之功率容量之加熱元件13將因此具有可用於升高烤爐溫度之20kW功率，此將導致以約10分鐘之一時間來使烤爐溫度升高大達約攝氏15度。在此實例中，假定閥15及17被關閉以防止補給空氣汲取電力。使用剛剛闡述之相同烤爐參數之另一實例將係達約攝氏15度之烤爐設定點之一降低。在此情形中，閥15及17打開且加熱器13關閉。在此實例中，約170Nm^3/hr(100scfm)之一補給氣流導致在約7分鐘內發生之約一攝氏15度之下降。
PAN前驅體之一放熱失控期間之產物殼體21中最大溫升之一計算將圖解說明本發明不需要水淬系統。假定條件係：1.0dTex之4×12,000個細絲絲束在一單個51mm直徑圓殼體21中達1m/min(0.288kg/hr之質量速率)，及在攝氏250度下1.0m/sec(6.2kg/hr之質量速率)之一空氣速度。假定PAN反應熱等於2425焦耳每克且所有反應能量由流動空氣吸收，所計算空氣溫升係約攝氏110度。因此，甚至在氣流接近典型範圍之底限之情況下，殼體21不應經歷高於約攝氏360度之一溫度。
然而，原則上，殼體21可由諸多不同材料製成，較佳材料係沃斯田鐵不銹鋼(諸如304)，沃斯田鐵不銹鋼直至高於約攝氏500度之前維持機械強度且可因此容易地耐受此程度之放熱失控。本發明之單程氣流促進在一放熱失控之後 剩餘之灰或其他碎屑之移除，此乃因氣流自身往往將較輕材料攜載出且不斷地由新鮮空氣替代。由於可在少於約5分鐘內將程序氣流迅速冷卻(舉例而言)達約攝氏100度，因此可在放熱事件之後在一短時間內打開端室10及18以促進插入推桿或諸如此類來移除任何剩餘碎屑。
圖5展示本發明之另一實施例之一剖面。在此實施例中，容納產物層11之程序空氣殼體管21經配置成多個垂直列及行，其中水平間隔由X描繪且垂直間隔由Y描繪。較佳地，殼體21之垂直與水平間隔之比率Y/X遵循用於熱交換器中之習用管束之原則。在PAN纖維處理中，垂直間隔Y根據烤爐外部之絲束傳輸考量因素而確立，其中典型產物層間隔較佳地介於約0.1米與0.4米之間，且更佳地介於約0.15米與0.20米之間。
所闡述之改良提供若干個益處。烤爐在空氣速度之一廣泛範圍內貫穿經加熱長度提供均勻空氣速度及空氣與纖維產物之間的一致接觸角。此外，空氣之溫度獨立於速度針對整個加熱長度係均勻的。此外，可迅速達成一均勻、穩態溫度，為一益處，此乃因溫度確立之延遲既浪費時間又浪費程序材料。此外，程序接觸空氣經引入而不含可使產物之品質降級之水分、纖維飛花、顆粒及程序廢氣化學物。此外，控制程序壓力之能力防止程序廢氣之逸出。特定而言，已知基於PAN之碳纖維前驅體釋放有毒氰化氫(HCN)，若允許在烤爐外部集聚該有毒氰化氫，其會造成一吸入危害。
此外，針對碳纖維前驅體，烤爐使得可能以一高效方式處置程序失穩。當前驅體絲束在烤爐內部斷裂時，發生一個類型之程序失穩。斷裂絲束端可剛好在斷裂之後或稍後當自烤爐拉出斷裂絲束時與不同立面處之其他絲束及其他通路之絲束纏結，直至整個程序必須停止且烤爐冷卻至周圍溫度以允許內部檢修為止。在烤爐1之設計之情況下，一絲束斷裂含納在一個最小剖面區域殼體21內。絲束由於該殼體而不能遠離其正常路徑而掉落且因此不太可能在烤爐部件或其他絲束上形成障礙。烤爐1亦促進將一斷裂絲束自烤爐拉出，此乃因移除路徑基本上係一直線且絲束移除點係來自烤爐外部之端且因此不需要進入烤爐或將烤爐冷卻至周圍溫度。
當碳纖維前驅體經歷導致一火花之一放熱失控反應時發生另一類型之程序失穩。烤爐限制火花遍及整個烤爐容積擴散。因此，在一放熱程序失控之情況下，限制所產生之熱量。單程程序氣流將燃燒之產物及所產生之熱量攜載出烤爐且不需要採用集水(deluge water)系統。在一放熱事件或火花之後，不需要停止次級氣流、不需要將烤爐冷卻至周圍溫度且不需進入烤爐。此外，在不求助於集水系統之情況下烤爐限制火花擴散，集水系統之安裝及維護係昂貴的且當啟動時在可重新開始程序之前需要對一周圍溫度烤爐內部之一耗時清潔。此意指，與在習用碳纖維前驅體烤爐之情況下之若干小時相比，由於一放熱失控或火花所致之整個程序失穩可係大約數分鐘。
烤爐1之設計提供均勻空氣速度及一致接觸角、溫度均勻度、短溫度回應時間、清潔程序氣體，減少或消除對廢氣之程序後處理之需要，且使得可能對程序失穩之高效處置。纖維穿過烤爐在係考量纖維懸重及自然振動之基本上最小可能剖面面積之殼體21內。此小剖面意指處理殼體長度對其剖面特性尺寸之比率係極大的，從而形成確保氣流幾乎完全平行於纖維之邊界條件。小剖面面積具有額外優勢：針對一既定空氣速度，所需程序空氣量保持為一最小值，藉此需要用於加壓及加熱之最小能量。
穿過此等產物殼體之空氣經過濾、加壓、加熱至期望之程序溫度及在上游經流量調變，平行於纖維流動穿過殼體且排出至一排放系統。空氣僅接觸系統之每一元件一次。此意指程序空氣不累積可使產物品質降級之水分、纖維飛花、顆粒或其他程序排氣化學物。由於不存在程序揮發物之聚集，因此來自PAN碳纖維前驅體之所排放程序空氣未必需要用以破壞HCN之昂貴焚化處理或後處理之其他手段。
單程加熱程序係極快熱的且因此可迅速改變程序空氣之溫度(舉例而言，在少於5分鐘內達攝氏100度)。此在絲束移除期間實質上減少浪費時間且促進操作者安全。可在不改變次級氣流或溫度之情況下完成絲束移除，以使得一旦斷裂絲束被移除，則程序氣流及溫度可迅速再確立。此意指，與在習用碳纖維前驅體烤爐之情況下之若干小時相比，由於一絲束斷裂所致之整個程序失穩可係大約數分 鐘。在處理殼體外部(且因此不與纖維接觸)之次級氣流之一益處係其維持烤爐1內之一高程度之溫度均勻度。此再循環氣流藉助與烤爐罩殼整體定位之一專用風扇及加熱器經加壓且經加熱至期望之處理溫度。此空氣在程序空氣殼體上方及周圍流動，保持外部表面處於期望之程序溫度，且因此防止來自平行於纖維流動之程序空氣之熱量損失。此影響甚至在極低程序空氣速度下提供程序接觸空氣之溫度均勻度，此係內在困難的，此乃因在彼情形中小熱量損失或增益將往往產生大溫差。為次級氣流提供新鮮冷空氣之一經調變供應。次級空氣溫度可藉助增加之加熱功率而升高或藉由增加新鮮冷空氣之吸入而降低。此意指，無論溫度改變係一增加還是一降低，皆可快速地使次級空氣溫度達平衡。
本發明涵蓋可做出之諸多改變及修改。因此，儘管已展示及闡述目前較佳形式之用於纖維熱處理之烤爐，且已論述數個修改及替代方案，但熟習此項技術者將易於瞭解，可在不背離本發明之精神及範疇之情況下做出各種額外改變及修改，如由以下申請專利範圍所定義及區別。
1‧‧‧烤爐/經改良之烤爐
2‧‧‧絕緣殼體/矩形絕緣殼體
3‧‧‧風扇
4‧‧‧加熱器/直列式加熱器
5‧‧‧導管/進口管道/氣體進口路徑
6‧‧‧溫度計
7‧‧‧歧管
8‧‧‧閥
9‧‧‧流量計
10‧‧‧輸入室/端室/室/入口端室
11‧‧‧產物/產物層
12‧‧‧風扇/插拔式風扇
13‧‧‧加熱器/加熱元件
14‧‧‧補給空氣進口/次級空氣進口
15‧‧‧流量控制閥/閥/補給空氣閥
16‧‧‧空氣排排放口/次級烤爐空氣排放開口
17‧‧‧流量控制閥/閥/次級空氣排放閥
18‧‧‧輸出室/室/出口端室/端室
19‧‧‧閥/控制閥
20‧‧‧排放集管/排放歧管
21‧‧‧處理殼體/管狀殼體/殼體/程序空氣殼體/烤爐殼體/產物殼體/程序管/空氣殼體/圓殼體/程序空氣殼體管/最小剖面區域殼體
22‧‧‧流量調節裝置/第二穿孔板/板
23‧‧‧第二組葉片/導向葉片
24a‧‧‧第三組葉片/導向葉片
24b‧‧‧第四組葉片/導向葉片
25‧‧‧流量調節器
26‧‧‧再循環進口/上游進口錐/風扇進口錐
27‧‧‧上部穿孔板/穿孔板
28‧‧‧引導葉片/導向葉片
29‧‧‧第一板/上部產物槽板/滑動槽板/板/固定板
30‧‧‧第二板/下部產物槽板/滑動槽板/板/固定板
31‧‧‧鎖定螺絲
32‧‧‧排放充氣部/風扇輪/插拔式風扇輪
33‧‧‧垂直壁
34‧‧‧水平壁
35‧‧‧溫度計
36‧‧‧空氣收集充氣部/收集充氣部容積/充氣部
37‧‧‧氣流引導器/偏轉器
38‧‧‧空氣輸入開口/開口
39‧‧‧產物輸入開口/可變間隙/產物入口/產物開口/開口/間隙/槽開口
40‧‧‧排放管道
41‧‧‧產物排放開口/可變間隙/槽/槽開口
42‧‧‧空氣排放開口/開口
43‧‧‧輸出開口/開口
44‧‧‧輸入開口/開口
45‧‧‧初級空氣遞送系統
46‧‧‧次級空氣遞送系統
47‧‧‧經加熱初級氣流/初級氣流/箭頭
48‧‧‧經加熱次級氣流/次級氣流/箭頭
49‧‧‧第一方向
50‧‧‧縱向殼體軸/處理殼體軸
A‧‧‧指示區域
B-B‧‧‧線
圖1係根據本發明之一項實施例之一烤爐之一透視圖。
圖2係在圖1之指示區域A內截取之圖1中所展示之實施例之一放大詳細視圖，其中為清晰起見移除端室之頂部金屬薄片。
圖3係圖1中所展示之實施例之一後透視圖，其中為清晰 起見移除絕緣殼體之一個壁。
圖4係大體在圖1之線B-B上截取之圖1中所展示之實施例之一垂直橫向剖面圖。
圖5係圖4中所展示之烤爐之一第二實施例之一剖面圖。
1‧‧‧烤爐/經改良之烤爐
2‧‧‧絕緣殼體/矩形絕緣殼體
3‧‧‧風扇
4‧‧‧加熱器/直列式加熱器
6‧‧‧溫度計
7‧‧‧歧管
8‧‧‧閥
9‧‧‧流量計
10‧‧‧輸入室/端室/室/入口端室
11‧‧‧產物/產物層
12‧‧‧風扇/插拔式風扇
16‧‧‧空氣排排放口/次級烤爐空氣排放開口
17‧‧‧流量控制閥/閥/次級空氣排放閥
18‧‧‧輸出室/室/出口端室/端室
19‧‧‧閥/控制閥
20‧‧‧排放集管/排放歧管
21‧‧‧處理殼體/管狀殼體/殼體/程序空氣殼體/烤爐殼體/產物殼體/程序管/空氣殼體/圓殼體/程序空氣殼體管/最小剖面區域殼體
22‧‧‧流量調節裝置/第二穿孔板/板
23‧‧‧第二組葉片/導向葉片
24a‧‧‧第三組葉片/導向葉片
24b‧‧‧第四組葉片/導向葉片
25‧‧‧流量調節器
27‧‧‧上部穿孔板/穿孔板
40‧‧‧排放管道
41‧‧‧產物排放開口/可變間隙/槽/槽開口
42‧‧‧空氣排放開口/開口
44‧‧‧輸入開口/開口
45‧‧‧初級空氣遞送系統
46‧‧‧次級空氣遞送系統
47‧‧‧經加熱初級氣流/初級氣流/箭頭
48‧‧‧經加熱次級氣流/次級氣流/箭頭
49‧‧‧第一方向

Claims (32)

  1. 一種烤爐，其包括：一傳送器，其經組態及配置以移動欲透過一烤爐處理之一產物；一初級空氣遞送系統，其具有一初級風扇及一初級加熱器且經組態及配置以提供一經加熱初級氣流；一次級空氣遞送系統，其具有一次級風扇及一次級加熱器且經組態及配置以提供一經加熱次級氣流；一處理殼體，其經組態及配置以接納及容納該產物及該初級氣流；一絕緣殼體，其經組態及配置以接納該經加熱次級氣流；該處理殼體經組態及配置以延伸穿過該絕緣殼體及該經加熱次級氣流且使該初級氣流與該次級氣流分離。
  2. 如請求項1之烤爐，其中：該傳送器經組態以將該產物在一第一方向上移動穿過該處理殼體；該處理殼體具有實質上平行於該第一方向之一縱向殼體軸；該處理殼體中之該初級氣流實質上平行於該第一方向；且接近於該處理殼體之該絕緣殼體中之該次級氣流實質上垂直於該第一方向。
  3. 如請求項1之烤爐，其中該初級空氣遞送系統包括一輸 入室，該輸入室經組態及配置以接納該初級氣流及該經傳送產物且將該初級氣流及該經傳送產物輸出至該處理殼體。
  4. 如請求項3之烤爐，其中該傳送器經組態及配置以將該產物在一第一方向上移動穿過該處理殼體且該室將該經加熱初級氣流及該經傳送產物在該第一方向上輸出至該處理殼體。
  5. 如請求項4之烤爐，其中該輸入室包括：一空氣輸入開口；一產物輸入開口，其不同於該空氣輸入開口；該處理殼體之一輸出開口，其與該產物輸入開口相對；及一氣流引導器，其經組態及配置以將氣流自該空氣輸入開口引導至該輸出開口。
  6. 如請求項5之烤爐，其中該空氣輸入開口係實質上垂直於該輸出開口而定向且該氣流引導器經組態及配置以將該氣流自實質上垂直於該第一方向之一方向導向至實質上平行於該第一方向之一方向。
  7. 如請求項5之烤爐，其中該室進一步包括一產物輸入開口大小調整機構。
  8. 如請求項7之烤爐，其中該開口大小調整機構包括一第一板及一第二板，該第一板及該第二板可相對於彼此調整以便在其間提供一可變間隙。
  9. 如請求項8之烤爐，且其進一步包括一鎖定機構，該鎖 定機構經組態及配置以相對於該室將該等板可調整地鎖定於一位置中以便變化該產物開口之該大小。
  10. 如請求項9之烤爐，其中該鎖定機構包括鎖定螺絲。
  11. 一種烤爐，包括：一傳送器，其經組態及配置以移動欲透過一烤爐處理之一產物；一初級空氣遞送系統，其經組態及配置以提供一經加熱初級氣流；一次級空氣遞送系統，其經組態及配置以提供一經加熱次級氣流；一處理殼體，其經組態及配置以接納及容納該產物及該初級氣流；一絕緣殼體，其經組態及配置以接納該經加熱次級氣流；該處理殼體經組態及配置以延伸穿過該絕緣殼體及該經加熱次級氣流且使該初級氣流與該次級氣流分離；及一輸出室，該輸出室經組態及配置以自該殼體接納該產物及該初級氣流且自該烤爐排放該初級氣流且排放該產物。
  12. 如請求項11之烤爐，其中該輸出室包括：一輸入開口，其來自該處理殼體；一產物排放開口，其與該輸入開口相對；及一空氣排放開口，其不同於該產物排放開口。
  13. 如請求項12之烤爐，其中該空氣排放開口係實質上垂直 於該輸入開口而定向。
  14. 如請求項12之烤爐，其中該輸出室進一步包括一產物輸入開口大小調整機構。
  15. 如請求項14之烤爐，其中該開口大小調整機構包括一第一板及一第二板，該第一板及該第二板可相對於彼此調整以便在其間提供一可變間隙。
  16. 如請求項15之烤爐，且其進一步包括一鎖定機構，該鎖定機構經組態及配置以相對於該室將該等板可調整地鎖定於一位置中以便變化該產物排放開口之該大小。
  17. 如請求項16之烤爐，其中該鎖定機構包括鎖定螺絲。
  18. 如請求項1之烤爐，其中該初級空氣遞送系統包括選自由以下項組成之一群組之一或多個裝置：一溫度計、一歧管、一閥、一流量計及一導管。
  19. 如請求項1之烤爐，其中該初級空氣遞送系統包括：一溫度計；一單個歧管，其經組態及配置以將氣流分流至複數個下游路徑中，該等路徑中之每一者包括一閥及一流量計；且其中該初級氣流經產生且在使其與該產物接觸之前透過該初級加熱器、該歧管及該閥循環不超過一次。
  20. 如請求項1之烤爐，其中該初級空氣遞送系統包括：一歧管，其經組態及配置以在使氣流與該產物接觸之前將該氣流分流至複數個下游路徑中，該等路徑中之每一者包括一閥、一流量計、一直列式加熱器及一溫度 計。
  21. 如請求項1之烤爐，其中該初級空氣遞送系統不全部地或部分地使排出該處理殼體之初級氣流再循環。
  22. 如請求項1之烤爐，其中該次級空氣遞送系統包括：一溫度計；一再循環進口，其用於接納來自該絕緣殼體之已使用空氣；一空氣排排放口，其具有用於自該絕緣殼體排放空氣之一流量控制閥；及一補給空氣進口，其具有用於接納補給空氣之一流量控制閥；其中該次級氣流可包括該已使用空氣及該補給空氣之一混合。
  23. 如請求項22之烤爐，其中補給氣流及排放氣流可由該等閥控制以變化該次級氣流中之該補給空氣及該已使用空氣之量。
  24. 如請求項2之烤爐，其中該次級空氣遞送系統包括：該次級風扇具有一插拔式風扇，該插拔式風扇具有垂直於該處理殼體軸之一軸，該插拔式風扇位於一絕緣殼體壁上沿著該烤爐之一產物行程尺寸之大約中間處，該次級風扇具有用於接納空氣之一上游進口錐及向下引導氣流之一排放充氣部；該次級加熱器，其定位於下游且靠近該風扇排放埠；一溫度計，其定位於下游且靠近該次級加熱器； 一組引導葉片，其定位於靠近該次級加熱器及靠近該絕緣殼體之一底板，該等引導葉片將該氣流導向90度以毗鄰於該絕緣殼體之該底板而流動；一第二組葉片，其將該氣流分流成大約兩半且將該氣流之一第一半部分導向90度以與該第一方向對準且將該氣流之該第二半部分導向90度以與該第一方向相反；一第三組葉片，其將該氣流之該第一部分導向90度以在垂直於該殼體軸之一方向上向上流動；一第四組葉片，其將該氣流之該第二部分導向90度以在垂直於該殼體軸之一方向上向上流動；一流量調節裝置，其橫跨該烤爐之一長度且寬於該處理殼體之一最寬尺寸且該向上氣流在接觸該處理殼體之前穿過該流量調節裝置；一上部穿孔板，其在該處理殼體上面；及一空氣收集充氣部，其使流動穿過該上部穿孔板且至該次級風扇進口錐中之空氣與自該次級風扇排放且流動穿過該加熱器、該等導向葉片、該流量調節器且越過該處理殼體之空氣分離。
  25. 如請求項24之烤爐，其中該流量調節裝置包括具有位於其間之一蜂巢式結構之兩個穿孔板。
  26. 如請求項25之烤爐，其中該蜂巢式結構係一蜂巢結構。
  27. 如請求項1之烤爐，其中該初級空氣遞送系統及該次級空氣遞送系統經組態及配置以在該處理殼體內部遞送該初級氣流且在約相同之一溫度範圍下在該處理殼體外部 遞送該次級氣流。
  28. 如請求項1之烤爐，其中該處理殼體具有一長度及一剖面特性尺寸且該長度係該剖面特性尺寸的至少約五十倍。
  29. 如請求項1之烤爐，其中處理殼體具有係圓形、正方形、矩形、卵形或橢圓形之一剖面形狀。
  30. 如請求項1之烤爐，且其包括多個處理殼體，該等處理殼體經組態及配置以接納及容納該產物及該初級氣流且延伸穿過該絕緣殼體。
  31. 一種烤爐，包括：一傳送器，其經組態及配置以移動欲透過一烤爐處理之一產物；一初級空氣遞送系統，其經組態及配置以提供一經加熱初級氣流；一次級空氣遞送系統，其經組態及配置以提供一經加熱次級氣流；多個處理殼體，其經組態及配置以接納及容納該產物及該初級氣流；一絕緣殼體，其經組態及配置以接納該經加熱次級氣流；各該處理殼體經組態及配置以延伸穿過該絕緣殼體及該經加熱次級氣流且使該初級氣流與該次級氣流分離；及與該等各別多個處理殼體連通之多個輸入室及多個輸 出室。
  32. 如請求項3之烤爐，其中該輸入室包括：一空氣輸入開口；一產物輸入開口，其不同於該空氣輸入開口且具有一產物開口大小；一輸出開口，其通至該處理殼體，其具有一輸出開口大小；其中該輸出開口大小大於該產物開口大小。
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