説明

加熱炉

【課題】炭素繊維糸条材料が連続的に挿入され不活性ガスが充満した筒状のインナーマッフルの周囲を断熱材層を備えたアウターマッフルで囲繞し、前記インナーマッフルの外側であって前記アウターマッフルの内側に前記ガスが充満した加熱空間を形成し、この加熱空間に棒状のヒータを配置した加熱炉において、ヒータを改良してヒータの寿命を延長することで、生産性の向上及び製品品質の向上を図る。
【解決手段】ヒータ11の基部13の縮径部17に炭素繊維糸条18を券回積層させた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、例えばポリアクリロニトリル(PAN)、ピッチ、レーヨン等の糸条材料を熱処理加工して炭素繊維糸条を連続的に製造する加熱炉や、炭素繊維糸条を熱処理加工して黒鉛化繊維糸条を連続的に製造する加熱炉に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、加熱炉の軸線方向に沿って走行する炭素繊維を包囲する筒状のマッフルと、さらにこのマッフルを包囲した状態で前記マッフル内を走行する炭素繊維を加熱するヒータとを備えた加熱炉が知られている(特許文献1)。
この加熱炉は黒鉛化繊維の製造工程において炭化珪素の成長を抑制すると共に、マッフル内を走行する炭素繊維への炭化珪素の付着およびマッフル内壁面への炭化珪素の付着を抑え、黒鉛化繊維の生産性を向上している。
このような加熱炉の炉内温度は、炭素繊維の製造の場合には1000〜2000℃、黒鉛化繊維の製造の場合には2000〜3000℃付近の高温に加熱する必要がある。
【特許文献1】特開2004−132557号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、加熱に際してはヒータ自体の耐熱性および耐久性の制約を受け、炭素繊維を均一に加熱することが要求されるため、生産性を低下させずに高品質な製品を製造できる加熱炉が要望されている。
【0004】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、加熱炉に用いられるヒータを改良してヒータの寿命を延長することで、生産性の向上及び製品品質の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記の課題を解決するこの発明の加熱炉およびヒータは、炭素繊維糸条材料が連続的に挿入され不活性ガスが充満した筒状のインナーマッフルの周囲を断熱材層を備えたアウターマッフルで囲繞し、前記インナーマッフルの外側であって前記アウターマッフルの内側に前記ガスが充満した加熱空間を形成し、この加熱空間に棒状のヒータを配置した加熱炉であって、前記ヒータの基部の縮径部に炭素繊維糸条を券回積層させたことを特徴とする。
【0006】
このように構成することで、不活性ガス、例えば窒素ガスに晒され、且つ、特に高温となるヒータの縮径部を券回積層された炭素繊維糸条によって窒素ガスから保護することができる。また、縮径部が特に高温になっても、券回積層された炭素繊維糸条によって縮径部における炭素材の蒸発などのよる減耗を防止し、縮径部における断面積の極端な減少を防止することができる。
【0007】
また、この発明の前記ヒータは前記インナーマッフルの長手方向に交叉する方向に沿って複数個配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、例えば、ヒータの数、断面積、加熱温度などを任意に設定することによって、インナーマッフルに応じた最適な加熱環境を設定することができる。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、ヒータ基部の縮径部に炭素繊維糸条を券回積層して縮径部を窒素ガスから保護することで、縮径部における炭化窒素が形成される窒素ガスと炭素材であるヒータとの反応を防止することができ、縮径部における極端な減耗の進行を防止することができる。また、縮径部が特に高温になっても、券回積層された炭素繊維糸条によって炭素材の蒸発などによる縮径部の減耗を防止することができ、縮径部における極端な断面積の減少を防止することができる。
よって、ヒータの寿命を延長することができ、且つ、ヒータ断面積の部分的な減少による加熱温度の偏りを防止することができるので、生産性の向上及び製品品質の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
この発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1に示すように、加熱炉1には軸線2に沿って筒状のインナーマッフル3が備えられている。このインナーマッフル3は、例えば炭素材などの高耐熱性材料により形成されている。インナーマッフル3の一端には入口部31が接続されており、入口部31には炭素繊維糸条材料Mが挿入される材料挿入口4が設けられている。インナーマッフル3の他端には出口部32が接続されており、出口部32には炭素繊維糸条製品Pを排出する製品排出口5が設けられている。ここで、炭素繊維糸条材料Mは、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)、ピッチ、レーヨン等の糸条である。入口部31と出口部32は、例えば鉄やステンレスなどの構造材料により形成されており、必要に応じて水冷される。材料挿入口4と製品排出口5にはそれぞれ不活性ガスの漏洩を防止するシール部6,6が設けられている。また、入口部31には、インナーマッフル3の長手方向の軸線2から略直角方向に分岐する排気口7が設けられている。排気口7は図示しない処理設備に接続されている。
【0010】
インナーマッフル3は入口部31、出口部32を除いて、外側に断熱材層8を備えた筒状のアウターマッフル9によって囲繞されている。アウターマッフル9は高耐熱性材料、例えば炭素材によって形成されている。断熱材層8も高耐熱性材料、例えば炭素材あるいは黒鉛材のフェルト状物や粒状物によって形成され、断熱材層8の外側は外殻10によって覆われている。外殻10は、例えば鉄やステンレスなどの構造材料により形成されており、必要に応じて水冷される。
断熱材層8に囲繞されたアウターマッフル9の両端は閉塞され、アウターマッフル9の内側であって、インナーマッフル3の外側に断面略円形の棒状のヒータ11を複数備えた加熱空間12を形成している。ヒータ11にも高耐熱性材料、例えば炭素材が用いられている。ヒータ11は加熱炉1の長手方向の軸線2に略直交するように、インナーマッフル3の周囲に複数設けられている。
【0011】
図2に示すように、ヒータ11の基部13は端子部14に接続されている。端子部14は図示しない電源及び制御部に接続されている。また、端子部14は、端子ボックス33により囲繞、閉塞されており、必要に応じて水冷される。ヒータ11の基部13は、端子部14に接続された接続部15の径D1が拡径され、アウターマッフル9内部の加熱空間12に挿入される挿入部16の径D2は縮径されている。すなわち、ヒータ11の基部13には接続部15と挿入部16の間に段差状の縮径部17が形成されている。
また、ヒータ11の挿入部16の基部13側の部分から縮径部17にかけては炭素繊維糸条18が緊密に層を成して券回されている。ここで、この炭素繊維糸条18の積層部19の積層厚Tは、例えば3〜5mmであり、券回長さLは、例えば150〜300mmとなっている。
【0012】
加熱空間12、断熱材層8、インナーマッフル3の内部および端子ボックス33内部には、図示しないガス供給源より供給された窒素ガスが充満している。インナーマッフル3内部に供給された窒素ガスは、材料挿入口4と製品排出口5に設けられたシール部6によって漏洩が防止され、排気口7から排出され、図示しない処理設備によって回収される。
また、図示しないガス供給源によって端子ボックス33から供給された窒素ガスは、アウターマッフル9に設けられたヒータ11挿入口20から加熱空間12内部に入り、加熱空間12を通って図示しない排気口より排出されて処理設備によって回収される。
【0013】
また、加熱炉1の材料挿入口4側の外部の軸線2上には一対の略円柱状のローラR1、R2が設けられ、図示しないモータによって互いに逆向きに回転するようになっている。同様に、加熱炉1の製品排出口5側の外部にも同様に一対のローラR2,R3が設けられている。ローラR1,R2およびローラR3,R4は軸線2を挟んで、それぞれ軸線2に接するように設置されている。
【0014】
次に、作用について説明する。上記の構成により、端子部14に接続されたヒータ11に、任意に設定した加熱環境に応じて端子部14から電流を供給し、加熱空間12内を加熱しておく。ここで、加熱空間12には断熱材層8側から窒素ガスが供給され、窒素ガスが充満しているので、ヒータ11の酸化、焼失が防止される。その結果、インナーマッフル3は加熱空間12内のヒータ11によって加熱され、内部の温度が1000〜2000℃に上昇する。
【0015】
次いで、ローラR1,R2及びローラR3,R4の回転によって炭素繊維糸条材料Mに張力を与えて、インナーマッフル3の内部に材料挿入口4から連続的に挿入する。炭素繊維糸条材料Mは窒素ガスが充満したインナーマッフル3の内部に挿入されると、複数のヒータ11によって設定された加熱環境下で、製品排出口5に近づくにつれて徐々に焼成されていき、最終的には炭素繊維糸条製品PとなってローラR1〜R4の回転によって製品排出口5から排出される。
【0016】
炭素材を用いた高温炉において不活性ガスとして窒素ガスを使用している場合には、その炭素材の減耗の原因は、炭化窒素が形成される高温での炭素と窒素の反応だと考えられる。しかし、炭化窒素の平衡濃度は高くなく、炭化窒素濃度が平衡に達した窒素ガスでは、それ以上反応は進まない。
ここで、ヒータ11は縮径部17において縮径され、挿入部16の断面積が接続部15よりも減少しているので、挿入部16の電気抵抗が増大してより高温となり、インナーマッフル3をより高温まで加熱することができる。しかし、縮径部17は他の部位に比べて窒素ガスの供給元に近いため炭化窒素を含んでいない窒素ガスに晒されるが、炭素繊維糸条18をヒータ11の縮径部17から挿入部16の基部13側の一部まで連続的かつ緊密に券回積層したことによって、特に高温になる縮径部17と窒素ガスとの接触を防止して、縮径部17において窒化炭素の形成が加速されるのを防止することができる。
したがって、特に炭化窒素を含んでいない窒素ガスに晒される縮径部17において、極端な減耗の進行を防止することができる。よって、ヒータ11の寿命を延長して交換の周期を延長し、炭素繊維糸条製品Pの生産性を向上させることができる。
【0017】
また、縮径部17が他の部位と比較して特に高温になるため、縮径部17において炭素材の蒸発などによる減耗が進行しやすく、これにより縮径部17における電気抵抗がさらに増大して、縮径部17がさらに高温となり、縮径部17における断面積の減少が特に加速する傾向があるが、炭素繊維糸条18を縮径部17から挿入部16の基部13側の一部まで連続的かつ緊密に券回積層したことによって、縮径部17における炭素材の蒸発などによる局所的な減耗の進行を防止して、縮径部17における極端な断面積の減少を防止することができる。
したがって、ヒータ11の寿命を延長させることができるだけでなく、局所的な電気抵抗の増加を防止して各ヒータ11の加熱温度を均一にすることができるので、炭素繊維糸条製品Pの生産性を向上させ、製品品質を向上させることができる。
【0018】
また、ヒータ11がインナーマッフル3の長手方向の軸線2に交叉する方向に沿って複数個配置されているので、材料挿入口4側のヒータ11から順次、製品排出口5側のヒータ11まで、例えば、ヒータ11の設置数、各ヒータ11の断面積、抵抗値及び電流値などを任意に設定することができる。
したがって、挿入される炭素繊維糸条材料Mの、例えば、材質、太さ、挿入速度などに合わせた任意の加熱環境を設定し、高品質の炭素繊維糸条製品Pを効率よく得るための加熱環境を任意に設定することができることができるので、炭素繊維糸条製品Pの製品品質を向上させ、生産性を向上させることができる。
【0019】
尚、上述した実施の形態では炭素繊維糸条の製造に用いる加熱炉について説明したが、この発明は炭素繊維糸条を材料として黒鉛化繊維糸条を製造する加熱炉に適用することも可能である。また、ヒータの基部の縮径部に券回積層した炭素繊維糸条の積層厚さ及び券回長さはヒータの加熱環境によって決定されるので、ヒータの寿命を必要に応じて延長するものであれば、上述した実施の形態の積層厚さ及び券回長さでなくてもよい。また、不活性ガスとして窒素ガス以外のガスを用いてもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】この発明の実施の形態に係る加熱炉の軸線に沿う断面図である
【図2】図1のA−A線に沿う部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【0021】
1 加熱炉
3 インナーマッフル
4 材料挿入口(入口)
5 製品排出口(出口)
8 断熱材層
9 アウターマッフル
11 ヒータ
12 加熱空間
17 縮径部
18 炭素繊維糸条
M 炭素繊維糸条材料

【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素繊維糸条材料が連続的に挿入され不活性ガスが充満した筒状のインナーマッフルの両端入出口を除く周囲を断熱材層を備えたアウターマッフルで囲繞し、前記インナーマッフルの外側であって前記アウターマッフルの内側に前記ガスが充満した加熱空間を形成し、この加熱空間に棒状のヒータを配置した加熱炉であって、
前記ヒータの基部の縮径部に炭素繊維糸条を券回積層させたことを特徴とする加熱炉。
【請求項2】
前記ヒータは前記インナーマッフルの長手方向に交叉する方向に沿って複数個配置されていることを特徴とする請求項1記載の加熱炉。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2008−82611(P2008−82611A)
【公開日】平成20年4月10日(2008.4.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−262262(P2006−262262)
【出願日】平成18年9月27日(2006.9.27)
【出願人】(000006035)三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Fターム(参考)】