炭素繊維前駆体の熱処理方法
【課題】熱処理装置外に排出された糸条からのガスの発生を防止しつつ、熱処理の生産性を向上させることができる熱処理方法を提供する。
【解決手段】熱処理装置１内を走行する糸条Ｆの速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲としつつ、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条Ｆの温度を２００℃以下とする。
【解決手段】熱処理装置１内を走行する糸条Ｆの速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲としつつ、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条Ｆの温度を２００℃以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭素繊維前駆体の熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱処理装置に設けられた熱処理室に加熱気体を循環させ、糸条入口から熱処理室内に炭素繊維の前駆体繊維の糸条を連続的に送入し、糸条出口から熱処理装置の外部に該糸条を連続的に送出することで、熱処理室内で該糸条を連続的に熱処理する熱処理方法が知られている。このような熱処理方法としては、例えば、縦型熱処理装置の熱処理室に隣接して上下にシール室を設け、熱処理室内に生じる上下方向の圧力差による熱処理室内への外気の流入および熱処理室内からの熱風の吹き出しを防止できるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、熱処理室の糸条出口近辺へのタールの凝縮を防止し、糸条へのタールの付着等による生産への悪影響を回避できる熱処理装置および熱処理方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５９−１１２０６３号公報
【特許文献２】特開２００６−１４４１６７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、上記従来の熱処理方法では、熱処理室の糸条出口近辺で高温の糸条から発生するタールが冷却され凝縮することを防止するため、シール室内あるいは糸条出入口近辺の温度を２００度以上の高温に保つ必要がある。したがって、生産性の向上を目的として糸条が熱処理装置内を走行する速度を上昇させると、熱処理装置外に糸条が高温のまま排出されてしまう。この場合、熱処理装置外で高温の糸条からシアンガス等のガスが発生するという課題がある。
また、熱処理装置外でのガスの発生を防止するために、熱処理装置内を走行する糸条の速度を低下させると、熱処理の生産性が低下してしまうという課題がある。また、シール室内あるいは熱処理室の糸条出入口近辺の温度を低下させた場合、タールが冷却され凝縮することによって糸条の生産に悪影響を及ぼすという課題がある。
【０００４】
そこで、この発明は、熱処理装置外に排出された糸条からのガスの発生を防止しつつ、熱処理の生産性を向上させ、かつタールの冷却、凝縮による生産への悪影響を回避することができる炭素繊維前駆体の熱処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明は、熱処理装置の熱処理室に加熱気体を循環させ、糸条入口より前記熱処理室内に糸条を連続的に送入し、糸条出口より前記熱処理室外に前記糸条を連続的に送出し、前記熱処理室内で前記糸条を連続的に熱処理する熱処理方法において、前記熱処理装置内を走行する前記糸条の速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲としつつ、前記糸条出口における前記糸条の温度を２００℃以下とすることを特徴とする。
このように熱処理することで、糸条が熱処理装置内を走行する速度を適切な速度範囲に維持し、糸条の熱処理量を増加させることができるので、熱処理の生産性を向上させることができる。また、炭素繊維の前駆体繊維の糸条は、通常２００℃を超える高温に加熱されるとシアン等のガスを発生するが、熱処理装置の糸条出口における糸条の温度を２００℃以下に低下させることで、熱処理装置外での糸条からのガスの発生を防止できる。
【０００６】
また、本発明は前記熱処理室に隣接してシール室が設けられ、Ｔを前記糸条出口における前記糸条の温度、ＴＦを前記シール室内の雰囲気温度、Ｔ０を前記熱処理室内の雰囲気温度、ｔを前記糸条の前記シール室内滞在時間、ｈを前記糸条の境膜伝熱係数、Ａを前記糸条の表面積、ＣＰを前記糸条の比熱、ρを前記糸条の密度、Ｖを前記糸条の体積とした場合に下記式（Ｉ）、下記式（ＩＩ）を満たす関係が成立することを特徴とする。
Ｔ＝ＴＦ−（ＴＦ−Ｔ０）ｅ−ｍｔ…（Ｉ）
ｍ＝ｈＡ／ＣＰ／ρ／Ｖ…（ＩＩ）
【０００７】
熱処理される糸条の形状および物性を特定すれば、上記の式（ＩＩ）を用いて定数ｍを算出できる。そして、式（Ｉ）により、糸条出口における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室内の雰囲気温度Ｔ０、糸条のシール室内滞在時間ｔの関係式が得られる。
これにより、シール室内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室内の雰囲気温度Ｔ０、糸条のシール室内滞在時間ｔのそれぞれの限定要素、例えば熱処理装置の構造、糸条が耐炎化される条件、熱処理装置の設置スペース等を考慮しつつ、それぞれを最適な値に調整し、熱処理の生産性を向上させ、熱処理装置外での糸条からのガスの発生を防止できる。
【０００８】
また、前記シール室は排気口と温度検出装置とを備え、前記温度検出装置の信号に基づいて前記排気口からの排気量を調整することにより前記熱処理装置の前記糸条出口における前記糸条の温度を制御してもよい。
これにより、シール室からの排気量を調整し、シール室内の雰囲気温度ＴＦの目標値を上記の式（Ｉ）より算出したＴを２００℃以下とする値として、シール室内の雰囲気温度ＴＦを制御することで、糸条出口における糸条の温度Ｔを２００℃以下とすることができる。
【０００９】
また、前記熱処理室の前記糸条出口に、前記糸条の厚みに応じてスリット幅が変更可能、かつ前記糸条の接触部分が取り外し可能にスリット部材を設けてもよい。
これにより、糸条の厚みに応じて最適なスリット幅とし、糸条の損傷およびタールによる影響を防止することができる。また、糸条から発生したタールが冷却されて凝縮し、スリット部材に付着したとしても、スリット部材を定期的に取り外して洗浄することができる。したがって、タールが糸条の生産に悪影響を及ぼす前に、スリット部材に付着したタールを取り除くことができるので、タールが冷却され凝縮しても生産に悪影響を及ぼすことがない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱処理装置の糸条出口における糸条温度を２００℃以下にすることで熱処理装置外に排出された糸条からのガスの発生を防止することができる。また、熱処理装置内を走行する糸条の速度を比較的高速に維持できるので、熱処理の生産性を向上させることができる。また、熱処理室の糸条出口および糸条入口付近に付着したタールを取り除くことができるので、タールの冷却、凝縮による生産への悪影響を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第一実施形態）
次に、本発明の第一の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、熱処理装置１は箱型の熱処理室２を備えている。熱処理室２には内部に熱風を循環させる図示しない熱風循環装置が連結されている。また、熱処理室２には排気口３０が設けられている。排気口３０は排気路３１を介してファン１４に接続されている。排気路３１の途中には、例えばバルブ等の流量調節機構１３が設けられている。ファン１４は外部の図示しないガス回収処理装置に接続されている。
【００１２】
熱処理室２の図示左右両側の外壁３，３には、シール室４，４がそれぞれ連設されている。シール室４，４の外壁５，５には被処理物、例えばポリアクリロニトリル系繊維からなる炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆを送入、送出するためのスリット状の糸条入口７，糸条出口７´がそれぞれ設けられている。同様に、熱処理室２の外壁３，３にもシール室４，４の糸条入口７，糸条出口７´に対応して糸条入口６，糸条出口６´が設けられている。熱処理室２の糸条入口６，糸条出口６´とシール室４，４の糸条入口７，糸条出口７´は、シール室４，４の上下方向にそれぞれ３段、糸条の走行方向に対応して設けられている。
【００１３】
シール室４，４の内部には、上下方向に各３段設けられた糸条入口６，７、糸条出口６´，７´を別々の区画４ａ，４ｂ，４ｃに分割する仕切り板１２が設けられている。また、シール室４，４は排気口１５，１５を備え、排気路３２，３２を介して排気ファン１７，１７に接続されている。排気路３２の途中には、例えばバルブ等の流量調節機構１６が設けられている。また、図２に示すように、排気口１５はシール室４，４を仕切り板１２で分割した区画４ａ，４ｂ，４ｃに各々設けられている。図２に示すように、各排気口１５に接続された排気路３３には、例えばバルブ等の流量調節機構３４が各々設けられている。
ここで、シール室４の糸条Ｆの走行方向の長さＬｓは繊維の性状、室内の清掃やメンテナンス作業性、熱処理装置の設置スペースおよび後述する糸条のシール室内滞在時間等を考慮して適宜決定される。
【００１４】
シール室４，４の外壁５，５には、糸条入口７，糸条出口７´を挟むように上下に一対のノズル１０ａ，１０ｂを備えたエアーカーテン手段８がそれぞれ設けられている。ノズル１０ａ、１０ｂは、圧力印加の点で好ましい支持部９の前端コーナー部分に取り付けられている。エアーカーテン手段８の上下のノズル１０ａ，１０ｂは単一の給気路３５に接続され、給気路３５には、例えばバルブ等の流量調節機構２１が設けられている。各流量調節機構２１はさらに共通給気路３７を介して給気ファン２４に接続されている。
【００１５】
熱処理室２およびシール室４，４の各区画４ａ，４ｂ，４ｃには、例えば赤外線温度計や熱電対等の温度検出装置３８が各室内の雰囲気温度および糸条温度を検出可能に設けられている。温度検出装置３８は図示しない排気量制御装置に接続され、検出した温度を電気信号として排気量制御装置に伝送することが可能となっている。同様に、シール室４，４の排気路３２に設けられた排気ファン１７も排気量制御装置に接続され、伝送された電気信号に応じて排気量を調整することが可能となっている。
【００１６】
シール室４，４の外壁５，５の外側には糸条入口７、糸条出口７´の高さに対応して糸条Ｆを掛け渡すロール１１が配置されている。ロール１１の回転軸は図示しないモータ、コントローラ、電源等に接続され、自在に回転可能となっている。また、ロール１１の表面は糸条Ｆに動力を伝達するのに適した摩擦係数を有している。
【００１７】
熱処理室２の外壁３，３の各糸条入口６および各糸条出口６´の上下には一対の板状のスリット部材４０が、糸条入口６，糸条出口６´を通過する糸条Ｆの走行方向と略平行に、糸条入口６，糸条出口６´の紙面垂直方向の幅と略同じか、それ以上の幅で設けられている。図３に示すように、スリット部材４０は上側部４１と下側部４２によって構成され、熱処理室２側にはフランジ部４３，４４が設けられている。スリット部材４０の上側部４１および下側部４２はそれぞれフランジ部４３，４４を介して熱処理室２の外壁３の上下方向に形成された固定溝４５，４６に、例えばボルト等の締結具によって上下方向に移動可能かつ取り外し可能に固定され、スリット幅Ｗが自在に変更可能となっている。
【００１８】
次に、本実施の形態の作用・効果について説明する。
図１に示すように、炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆが紙面に垂直方向に平行に揃えられた状態で熱処理装置１の図示左側のシール室４の最上段の糸条入口７から送入される。次いで、糸条Ｆは熱処理室２の外壁３の糸条入口６を通過し、熱処理室２の対抗する外壁３の糸条出口６´から送出される。さらに、糸条Ｆは熱処理室２に連接されたシール室４の外壁５の糸条出口７´を通過して熱処理装置１の外部に送出される。熱処理装置１の外部に送出された糸条Ｆはシール室４の外部のロール１１に巻き掛けられるようにして折り返され、送出された糸条出口７´の一つ下の糸条入口７から、再び熱処理装置１内部に送入される。
【００１９】
再び熱処理装置１内部に送入された糸条Ｆは、逆向きに同様の経路を経て熱処理装置１の外部に送出され、熱処理装置１外部のロール１１に再び巻き掛けられ折り返される。このように、糸条Ｆはロール１１によって熱処理装置１の外部で繰り返し折り返されながら、熱処理装置１に繰り返し送入、送出され、蛇行するようにして熱処理装置１の内部を通過する。このとき、糸条Ｆにはロール１１の回転とロール１１表面の摩擦によって動力が与えられ、図１の矢印Ｘ方向に連続的に送り出されている。また、熱処理装置内を走行する糸条Ｆの矢印Ｘ方向の速度は、ロール１１の回転を制御することによって自在に制御可能となっている。
【００２０】
一方、熱処理室２の内部には図示しない熱風循環装置によって熱風が循環し、例えば、約２００〜３００℃の温度に保たれている。したがって、熱処理室２内部に連続的に繰り返し送入された糸条Ｆは、熱処理室２内で徐々に耐炎化されていく。この際、糸条Ｆの酸化反応によって熱処理室２内にシアン化合物、アンモニア、及び一酸化炭素等の分解ガスが発生する。発生した分解ガスは、熱処理室２に設けられた排気口３０から排気ファン１４によって排出され、外部のガス回収処理装置によって回収され処理される。また、排気ファン１４による排気量の調整は、例えばバルブ等の流量調節機構１３により行うことができる。
【００２１】
シール室４，４の内部は、排気ファン１７，１７によって内部の気体を吸引することで負圧となっている。また、熱処理室２内部には加熱されることによって上部が高圧で下部が低圧となる上下方向の圧力分布が生じる。ここで、熱処理装置１外部の空気を給気ファン２４によってエアーカーテン手段８のノズル１０ａ，１０ｂに供給し、糸条Ｆに向かって噴出することによってエアーカーテンを形成する。これにより、シール室からの分解ガスの漏出を確実に防止することができると共に、熱処理室２内への外気の流入を抑制することができる。
【００２２】
また、非定常熱伝導の式より、Ｔを熱処理装置１の糸条出口７´における糸条Ｆの温度、ＴＦをシール室４内の雰囲気温度、Ｔ０を熱処理室２内の雰囲気温度、ｔを糸条Ｆのシール室４内滞在時間、ｈを糸条Ｆの境膜伝熱係数、Ａを糸条Ｆの表面積、ＣＰを糸条Ｆの比熱、ρを糸条Ｆの密度、Ｖを糸条Ｆの体積とした場合に下記式（Ｉ）、下記式（ＩＩ）を満たす関係が成立する。
Ｔ＝ＴＦ−（ＴＦ−Ｔ０）ｅ−ｍｔ…（Ｉ）
ｍ＝ｈＡ／ＣＰ／ρ／Ｖ…（ＩＩ）
【００２３】
ここで、糸条Ｆの比熱ＣＰ、糸条Ｆの密度ρは用いる炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆの仕様によって特定される。また、糸条Ｆの表面積Ａおよび糸条Ｆの体積Ｖは、例えば断面が略矩形状に整形された状態の糸条Ｆの寸法を、ノギス等により測定して得ることができる。また、温度検出装置３８によりシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を測定することができる。さらに、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔは、熱処理装置１内を走行する糸条Ｆの速度とシール室長さＬｓより算出することができる。
【００２４】
一方、糸条Ｆの境膜伝熱係数ｈは測定によって求めることが困難であるため、例えば、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを測定し、上記の式（Ｉ）に代入することで、定数ｍを逆算して求めてもよい。これにより、式（Ｉ）から熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔの関係式を得ることができる。
【００２５】
ここで、まず熱処理装置の設置スペースの制限から、シール室の長さＬｓを決定する。次に、炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆを耐炎化するのに要する温度と時間および糸条Ｆの走行方向の熱処理室２の長さの関係から、熱処理装置１内を走行する糸条Ｆの速度と熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を決定する。このとき糸条Ｆの速度は、従来よりも生産性を向上させることができ、かつ糸条Ｆを耐炎化できるように９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲で決定する。決定したシール室の長さＬｓと糸条Ｆの速度より、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔが得られる。
これにより、式（Ｉ）から熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室４内の雰囲気温度ＴＦの値（目標温度）を得ることができる。
【００２６】
シール室４内の雰囲気温度ＴＦは、シール室４のからの排気量を調整し、シール室４内への外気の流入量を増減させることで制御することができる。したがって、例えば、シール室４内の雰囲気温度ＴＦを温度検出装置３８によって検出し、検出された温度の信号を排気量制御装置に伝送し、伝送された温度の信号と上述の目標温度との差分に基づいて排気量制御装置によって排気量を調整することで、検出された温度と目標温度との差分を０とするようにシール室４内の雰囲気温度ＴＦを制御することができる。
【００２７】
したがって、本実施の形態によれば、シール室４内の雰囲気温度ＴＦを温度検出装置３８によって検出し、排気量制御装置によってシール室４からの排気量を調整し、糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下に制御することができる。
また、糸条Ｆが熱処理装置１内を走行する速度を上記の範囲とすることで、従来よりも一定時間に熱処理される糸条Ｆの量を増加させ、熱処理の生産性を向上させることができる。
【００２８】
一方、上記のようにシール室４内の雰囲気温度を制御することで、シール室４内の雰囲気温度が２００℃以下となった場合、糸条Ｆから発生したタールが熱処理室２の糸条出口６´近辺で冷却され凝縮する。しかし、糸条出口６´に糸条Ｆの厚みに応じてスリット幅Ｗが上下方向で変更可能、かつ糸条Ｆの接触部分、すなわち熱処理室２の糸条出口６´の上下に設けられたスリット部材４０の上側部４１および下側部４２を取り外し可能に設けたので、熱処理室２の糸条出口６´近辺でタールが凝縮し、スリット部材４０に付着したとしても、スリット部材４０を定期的に取り外して洗浄することができる。また、スリット幅Ｗを糸条Ｆの厚みに合わせて最適な幅に設定することができる。
【００２９】
したがって、本実施の形態によれば、スリット幅Ｗを糸条Ｆの厚さに応じて最適に設定することが可能であると共に、タールが糸条Ｆに付着するなどして生産に悪影響を及ぼす前に、スリット部材４０に付着したタールを取り除くことができるので、シール室内でタールが冷却され凝縮しても生産に悪影響を及ぼすことがない。
【００３０】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二の実施の形態を、図１〜３を援用して説明する。
本実施の形態では、シール室４の雰囲気温度ＴＦを制御するのではなく、シール室４内滞在時間ｔを調整することで、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とする点で上述の第一の実施の形態と異なる。その他の構成は第一の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３１】
上述の式（Ｉ）、式（ＩＩ）から、第一の実施の形態と同様に、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔの関係式を得ることができる。そして、第一の実施の形態と同様にシール室４の長さＬｓを決定した後、シール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を適当な値に決定する。
【００３２】
これにより、式（Ｉ）、式（ＩＩ）から、糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするために必要な糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔの最小値を得ることができるので、この最小値に基づいて糸条Ｆの速度が９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲となる最小のｔを決定することができる。
このとき、温度Ｔを２００℃以下とする糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔが存在しない場合、または、糸条Ｆの速度が９ｍ／ｍｉｎよりも小さくなってしまう場合は、シール室４の長さＬｓ、シール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を再度調整し、同様の手順を繰り返す。
【００３３】
したがって、本実施の形態によれば、予め決定したシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０に応じて、糸条出口７´における糸条Ｆの温度Ｔを２００℃以下とし、かつ糸条Ｆの速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲で最大とすることできる。よって、第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
(第一変形例)
次に、上述の実施の形態の第一変形例について、図１および図２を援用し、図６を用いて説明する。上述の本実施形態では図３に示すように、スリット部材４０を一体的に構成し、外壁３に直接取り付ける構造としたが、本変形例では、図６に示すように、熱処理室２の外壁３の糸条入口６，糸条出口６´を挟んで上下に、固定溝４５´を有する断面Ｌ字形状の第一支持部材４７が固定されている。固定溝４５´は図の上下方向に幅を持たせて形成されている。この第一支持部材４７に、第二部材支持部材４８の一端側が固定溝４５´を介してボルト等で着脱自在に固定されている。第二支持部材４８の他端側はＴ字状に形成され、その両端部は第二支持部材４８の一端側に立ち上がり、係止部４８´、４８´が形成されている。
【００３５】
また、第二支持部材４８のＴ字状に分岐にした他端側および係止部４８´、４８´を包み込むように、断面Ｃ字形状のスリット部材４０が装着されている。ここで、スリット部材４０としては、例えばステンレス製角パイプの一側面に切込みを入れたものを用いることができる。スリット部材４０は係止部４８´の端面に接し、熱処理装置１の奥行き方向にスライド可能に設けられている。また、スリット部材４０は、熱処理装置１の奥行き方向にスライドさせることで、着脱自在に装着されている。
【００３６】
上述のように、スリット部材４０の形状を、第二支持部材４８の先端に嵌め込み可能な形状とし、熱処理装置１の奥行き方向にスライド可能かつ着脱自在に構成したことで、スリット部材４０の取り付け、取り外しを簡便に行うことができる。したがって、本変形例によれば、熱処理装置１のメンテナンスを容易にすることができる。
また、第二支持部材４８の他端側の断面形状をＴ字形状に分岐させ、その両端部を一端側に立ち上げて係止部４８´を設け、スリット部材４０として、例えばステンレス製角パイプの一側面に切込みを入れた断面Ｃ字形状のものを用いている。係る構造は以下の好ましい特性を有する。即ち、
１）耐熱性を有する。
２）強度に優れ、取り外し、洗浄を繰り返して行う際の耐久性を有する。
３）耐久性を有しつつ、軽量化できるので作業性に優れる。
【００３７】
(第二変形例)
次に、本実施の形態の第二変形例について、図１および図２を援用し、図７を用いて説明する。本変形例は、上述の実施の形態および第一変形例と比較して、図７に示すように第一支持部材４７の熱処理室２の外壁３への固定部を支点４９として、第一支持部材４７および第二支持部材４８が上下方向を向く状態から、水平或いは斜め上、斜め下方向を向く状態に自在に回転可能となっている点で異なっている。その他の構成は第一変形例と同様であるので、説明は省略する。
【００３８】
このように、第一支持部材４７の固定部を支点４９としてスリット部材４０を回転自在に設けたので、熱処理室２の外側に設けられた支点４９の軸部分を回転させることで、スリット幅Ｗの調整を熱処理室２の外側から行うことができる。したがって、スリット幅Ｗの操作を容易にすることができる。
また、スリット幅Ｗの操作を熱処理室２の外側から行うためには、外壁３を貫通させて操作部を設ける必要がある。このため、外壁３の貫通部からの有害ガスの漏れを防止する必要がある。したがって、図３に示すように外壁３に長孔状の固定溝４５を形成する場合、固定溝４５全体をシールしなければならない。一方、本変形例では第一支持部材４７、第二支持部材４８を回転自在に設けたことで、支点４９の回転軸部分をシールするだけでよいので、その他方式と比較して、シール機構が単純となる。更に支点４９を中心としてスリット部材４０を回転させることでスリット幅Ｗを操作することができるので、スリット幅Ｗの操作のために必要な力も小さくできる。
【００３９】
また、熱処理室２は、温度の変化に伴って膨張・収縮する。一方糸条Ｆは熱処理室２に固定されていないので、熱処理室２とは連動せずに一定の位置を保つ。従って回転機構を有さない場合、熱処理室２の温度が低い状態でスリット部材４０の位置が適切となるように調節すると、昇温に伴い熱処理室２が膨張し、糸条入口６，糸条出口６´の位置も上に移動するので糸条の下側の隙間が狭くなる。また昇温完了後にスリット部材４０の位置が適切な位置となる状態に調節した上で昇温しようとすると、昇温開始時に糸条の上側の隙間が狭くなる。
【００４０】
このとき、回転機構を設けたことで、上下のスリット部材４０の位置を、昇温完了後に適切な位置となるように調整した上で、上側の第二支持部材４８を回転させて上げた状態で昇温を開始し、昇温完了後にこれを下ろすことができる。また、温度を下げる場合は逆に下側の第二支持部材４８を回転させ下げてから行うことができる。したがって、温度変化に伴って糸条入口６，糸条出口６´における糸条Ｆの上下の隙間が狭くなったとしても、上下のスリット部材４０の位置を調整し、糸条Ｆに接触することを防止できる。
【００４１】
加えて、清掃や糸条Ｆの品種切替を行った際、立ち上げ時に熱処理室２に糸条Ｆを通すに当たって、別の糸条と結んだものを通す必要が生じる。このとき、結び目が通る際にどちらか一方或いは両方の第二支持部材４８を回転させて、スリット部材４０を糸条Ｆから遠ざけておくことができる。したがって、糸条Ｆの結び目がスリット部材４０に接触することを防止できる。
【００４２】
尚、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、上記の式（Ｉ）、式（ＩＩ）の関係から糸条出口における糸条温度を２００℃以下とするものであれば、シール室の雰囲気温度、糸条のシール室内滞在時間以外のパラメータを調整しても良い。例えば、物性値、表面積等の異なる糸条を使用するなどして定数ｍを調整してもよいし、熱処理室内の雰囲気温度Ｔ０を調整してもよい。
また、熱処理装置は上述の実施の形態で説明した横型炉ではなく、糸条の走行方向が熱処理装置の上下方向となる縦型熱処理装置であってもよい。
【００４３】
また、シール室の温度検出装置は、シール室内の温度勾配に対応して糸条走行方向に複数設けてもよい。これにより、シール室内の温度分布、あるいは平均温度を得ることができる。また、シール室の排気量の制御方法は、温度検出装置によって検出した温度の信号に基づいて排気量を調整するものであれば、上述した制御方法でなくてもよい。また、シール室の糸条入口、糸条出口のシール手段は、エアーカーテン手段でなくてもよい。また、熱処理装置のパス数は上述の実施の形態のパス数と異なるものであっても差し支えない。
【００４４】
また、スリット部材は上下方向に移動可能かつ取り外し可能な構造であれば、上述の実施の形態および変形例に示した構造に限られない。すなわち、スリット部材を取り外し可能にする構造は、図３、図６および図７に示す構造に限定されるものではない。また、スリット部材を第二支持部材に装着するための構造は特に限定されない。
【実施例１】
【００４５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
上述の実施の形態において説明した熱処理装置により、糸条走行方向のシール室長さを１．５ｍ、熱処理装置内を走行する糸条走行速度を１２ｍ／ｍｉｎとして、繊度１８０００ｄｔｅｘ（１５Ｋ）の炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。このときの糸条のシール室内滞在時間は７．５ｓｅｃである。また、熱電対により、熱処理室雰囲気温度Ｔ０、シール室雰囲気温度ＴＦ、放射温度計(チノー製ＩＲ−ＴＡ)により糸条出口の糸条温度Ｔを測定した。次いで、上述の非定常熱伝導の式（Ｉ）より定数ｍを算出した。得られた値を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔを２００℃以下とすることができ、熱処理装置外でのシアンガス等のガスの発生を防止することができた。
また、図４に示すように、縦軸を糸条出口の糸条温度Ｔ、横軸を糸条のシール室内滞在時間ｔとするグラフを作成した。グラフ中、円形の点ｉは表１に示したデータを表している。また、一点鎖線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表１の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
【００４８】
これにより、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下にするためには、シール室内滞在時間ｔを約２．５ｓｅｃ以上とすればよいことが分かる。したがって、糸条走行速度を約３６ｍ／ｍｉｎまで上昇させることが考えられるが、例えば、熱処理室における熱処理時間等の制限により、糸条の走行速度の最大値は約２０ｍ／ｍｉｎとなる。したがって、糸条の走行速度を許容できる最大値まで増加させ、糸条の熱処理の生産性を向上することができる。
【実施例２】
【００４９】
シール室の排気量を調整し、シール室雰囲気温度ＴＦを１５６℃とした以外は、実施例１と同様の条件で炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。
【００５０】
【表２】
【００５１】
表２に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔを２００℃以下とすることができ、熱処理装置外においてシアンガス等のガスの発生を防止することができた。
図４に示すグラフ中、四角形の点ｉｉは表２に示したデータを表している。また、破線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表２の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
これにより、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下にするためには、シール室内滞在時間ｔを約５ｓｅｃ以上とすればよいことが分かる。したがって、糸条走行速度を約１８ｍ／ｍｉｎまで上昇させ、糸条の熱処理の生産性を向上することができる。
【実施例３】
【００５２】
熱処理室雰囲気温度Ｔ０を２４３℃まで上昇させ、シール室の排気量を調整し、シール室雰囲気温度ＴＦを９６℃とした以外は、実施例１、実施例２と同様に炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。
【００５３】
【表３】
【００５４】
表３に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔを２００℃以下とすることができ、熱処理装置外においてシアンガス等のガスの発生を防止することができた。
上述の図４に示すグラフと同様に、図５に示すグラフを作成した。図５に示すグラフ中、円形の点ｉｉｉは表３に示したデータを表している。また、一点鎖線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表３の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
これにより、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下にするためには、シール室内滞在時間ｔを約３ｓｅｃ以上とすればよいことが分かる。したがって、糸条走行速度を許容できる最大値である約２０ｍ／ｍｉｎまで増加させ、糸条の熱処理の生産性を向上することができる。
【００５５】
（比較例１）
シール室の排気量を調整し、シール室雰囲気温度ＴＦを２１５℃とした以外は、実施例３と同様に炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。
【００５６】
【表４】
【００５７】
表４に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以上となり、熱処理装置外においてシアンガス等のガスが検出された。
図５に示すグラフ中、四角形の点ｉｖは表４に示したデータを表している。また、破線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表４の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
これにより、シール室内滞在時間ｔを延長しても糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下に低下しないことが分かる。したがって、表４に示すようにシール室雰囲気温度ＴＦを２１５℃とした場合、熱処理装置外部でのシアンガスの発生を防止することができない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態における熱処理装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における熱処理装置の部分拡大側面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるスリット部材の断面図である。
【図４】本発明の実施例１、実施例２における糸条出口の糸条温度と糸条のシール室内滞在時間との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の実施例３、比較例１における糸条出口の糸条温度と糸条のシール室内滞在時間との関係を表すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態におけるスリット部材の変形例の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるスリット部材の変形例の断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 熱処理装置
２ 熱処理室
４ シール室
７ 糸条入口
７´ 糸条出口
１５ 排気口
３８ 温度検出装置
４０ スリット部材
Ｆ 糸条
Ｗ スリット幅
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭素繊維前駆体の熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱処理装置に設けられた熱処理室に加熱気体を循環させ、糸条入口から熱処理室内に炭素繊維の前駆体繊維の糸条を連続的に送入し、糸条出口から熱処理装置の外部に該糸条を連続的に送出することで、熱処理室内で該糸条を連続的に熱処理する熱処理方法が知られている。このような熱処理方法としては、例えば、縦型熱処理装置の熱処理室に隣接して上下にシール室を設け、熱処理室内に生じる上下方向の圧力差による熱処理室内への外気の流入および熱処理室内からの熱風の吹き出しを防止できるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、熱処理室の糸条出口近辺へのタールの凝縮を防止し、糸条へのタールの付着等による生産への悪影響を回避できる熱処理装置および熱処理方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５９−１１２０６３号公報
【特許文献２】特開２００６−１４４１６７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、上記従来の熱処理方法では、熱処理室の糸条出口近辺で高温の糸条から発生するタールが冷却され凝縮することを防止するため、シール室内あるいは糸条出入口近辺の温度を２００度以上の高温に保つ必要がある。したがって、生産性の向上を目的として糸条が熱処理装置内を走行する速度を上昇させると、熱処理装置外に糸条が高温のまま排出されてしまう。この場合、熱処理装置外で高温の糸条からシアンガス等のガスが発生するという課題がある。
また、熱処理装置外でのガスの発生を防止するために、熱処理装置内を走行する糸条の速度を低下させると、熱処理の生産性が低下してしまうという課題がある。また、シール室内あるいは熱処理室の糸条出入口近辺の温度を低下させた場合、タールが冷却され凝縮することによって糸条の生産に悪影響を及ぼすという課題がある。
【０００４】
そこで、この発明は、熱処理装置外に排出された糸条からのガスの発生を防止しつつ、熱処理の生産性を向上させ、かつタールの冷却、凝縮による生産への悪影響を回避することができる炭素繊維前駆体の熱処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明は、熱処理装置の熱処理室に加熱気体を循環させ、糸条入口より前記熱処理室内に糸条を連続的に送入し、糸条出口より前記熱処理室外に前記糸条を連続的に送出し、前記熱処理室内で前記糸条を連続的に熱処理する熱処理方法において、前記熱処理装置内を走行する前記糸条の速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲としつつ、前記糸条出口における前記糸条の温度を２００℃以下とすることを特徴とする。
このように熱処理することで、糸条が熱処理装置内を走行する速度を適切な速度範囲に維持し、糸条の熱処理量を増加させることができるので、熱処理の生産性を向上させることができる。また、炭素繊維の前駆体繊維の糸条は、通常２００℃を超える高温に加熱されるとシアン等のガスを発生するが、熱処理装置の糸条出口における糸条の温度を２００℃以下に低下させることで、熱処理装置外での糸条からのガスの発生を防止できる。
【０００６】
また、本発明は前記熱処理室に隣接してシール室が設けられ、Ｔを前記糸条出口における前記糸条の温度、ＴＦを前記シール室内の雰囲気温度、Ｔ０を前記熱処理室内の雰囲気温度、ｔを前記糸条の前記シール室内滞在時間、ｈを前記糸条の境膜伝熱係数、Ａを前記糸条の表面積、ＣＰを前記糸条の比熱、ρを前記糸条の密度、Ｖを前記糸条の体積とした場合に下記式（Ｉ）、下記式（ＩＩ）を満たす関係が成立することを特徴とする。
Ｔ＝ＴＦ−（ＴＦ−Ｔ０）ｅ−ｍｔ…（Ｉ）
ｍ＝ｈＡ／ＣＰ／ρ／Ｖ…（ＩＩ）
【０００７】
熱処理される糸条の形状および物性を特定すれば、上記の式（ＩＩ）を用いて定数ｍを算出できる。そして、式（Ｉ）により、糸条出口における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室内の雰囲気温度Ｔ０、糸条のシール室内滞在時間ｔの関係式が得られる。
これにより、シール室内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室内の雰囲気温度Ｔ０、糸条のシール室内滞在時間ｔのそれぞれの限定要素、例えば熱処理装置の構造、糸条が耐炎化される条件、熱処理装置の設置スペース等を考慮しつつ、それぞれを最適な値に調整し、熱処理の生産性を向上させ、熱処理装置外での糸条からのガスの発生を防止できる。
【０００８】
また、前記シール室は排気口と温度検出装置とを備え、前記温度検出装置の信号に基づいて前記排気口からの排気量を調整することにより前記熱処理装置の前記糸条出口における前記糸条の温度を制御してもよい。
これにより、シール室からの排気量を調整し、シール室内の雰囲気温度ＴＦの目標値を上記の式（Ｉ）より算出したＴを２００℃以下とする値として、シール室内の雰囲気温度ＴＦを制御することで、糸条出口における糸条の温度Ｔを２００℃以下とすることができる。
【０００９】
また、前記熱処理室の前記糸条出口に、前記糸条の厚みに応じてスリット幅が変更可能、かつ前記糸条の接触部分が取り外し可能にスリット部材を設けてもよい。
これにより、糸条の厚みに応じて最適なスリット幅とし、糸条の損傷およびタールによる影響を防止することができる。また、糸条から発生したタールが冷却されて凝縮し、スリット部材に付着したとしても、スリット部材を定期的に取り外して洗浄することができる。したがって、タールが糸条の生産に悪影響を及ぼす前に、スリット部材に付着したタールを取り除くことができるので、タールが冷却され凝縮しても生産に悪影響を及ぼすことがない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱処理装置の糸条出口における糸条温度を２００℃以下にすることで熱処理装置外に排出された糸条からのガスの発生を防止することができる。また、熱処理装置内を走行する糸条の速度を比較的高速に維持できるので、熱処理の生産性を向上させることができる。また、熱処理室の糸条出口および糸条入口付近に付着したタールを取り除くことができるので、タールの冷却、凝縮による生産への悪影響を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第一実施形態）
次に、本発明の第一の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、熱処理装置１は箱型の熱処理室２を備えている。熱処理室２には内部に熱風を循環させる図示しない熱風循環装置が連結されている。また、熱処理室２には排気口３０が設けられている。排気口３０は排気路３１を介してファン１４に接続されている。排気路３１の途中には、例えばバルブ等の流量調節機構１３が設けられている。ファン１４は外部の図示しないガス回収処理装置に接続されている。
【００１２】
熱処理室２の図示左右両側の外壁３，３には、シール室４，４がそれぞれ連設されている。シール室４，４の外壁５，５には被処理物、例えばポリアクリロニトリル系繊維からなる炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆを送入、送出するためのスリット状の糸条入口７，糸条出口７´がそれぞれ設けられている。同様に、熱処理室２の外壁３，３にもシール室４，４の糸条入口７，糸条出口７´に対応して糸条入口６，糸条出口６´が設けられている。熱処理室２の糸条入口６，糸条出口６´とシール室４，４の糸条入口７，糸条出口７´は、シール室４，４の上下方向にそれぞれ３段、糸条の走行方向に対応して設けられている。
【００１３】
シール室４，４の内部には、上下方向に各３段設けられた糸条入口６，７、糸条出口６´，７´を別々の区画４ａ，４ｂ，４ｃに分割する仕切り板１２が設けられている。また、シール室４，４は排気口１５，１５を備え、排気路３２，３２を介して排気ファン１７，１７に接続されている。排気路３２の途中には、例えばバルブ等の流量調節機構１６が設けられている。また、図２に示すように、排気口１５はシール室４，４を仕切り板１２で分割した区画４ａ，４ｂ，４ｃに各々設けられている。図２に示すように、各排気口１５に接続された排気路３３には、例えばバルブ等の流量調節機構３４が各々設けられている。
ここで、シール室４の糸条Ｆの走行方向の長さＬｓは繊維の性状、室内の清掃やメンテナンス作業性、熱処理装置の設置スペースおよび後述する糸条のシール室内滞在時間等を考慮して適宜決定される。
【００１４】
シール室４，４の外壁５，５には、糸条入口７，糸条出口７´を挟むように上下に一対のノズル１０ａ，１０ｂを備えたエアーカーテン手段８がそれぞれ設けられている。ノズル１０ａ、１０ｂは、圧力印加の点で好ましい支持部９の前端コーナー部分に取り付けられている。エアーカーテン手段８の上下のノズル１０ａ，１０ｂは単一の給気路３５に接続され、給気路３５には、例えばバルブ等の流量調節機構２１が設けられている。各流量調節機構２１はさらに共通給気路３７を介して給気ファン２４に接続されている。
【００１５】
熱処理室２およびシール室４，４の各区画４ａ，４ｂ，４ｃには、例えば赤外線温度計や熱電対等の温度検出装置３８が各室内の雰囲気温度および糸条温度を検出可能に設けられている。温度検出装置３８は図示しない排気量制御装置に接続され、検出した温度を電気信号として排気量制御装置に伝送することが可能となっている。同様に、シール室４，４の排気路３２に設けられた排気ファン１７も排気量制御装置に接続され、伝送された電気信号に応じて排気量を調整することが可能となっている。
【００１６】
シール室４，４の外壁５，５の外側には糸条入口７、糸条出口７´の高さに対応して糸条Ｆを掛け渡すロール１１が配置されている。ロール１１の回転軸は図示しないモータ、コントローラ、電源等に接続され、自在に回転可能となっている。また、ロール１１の表面は糸条Ｆに動力を伝達するのに適した摩擦係数を有している。
【００１７】
熱処理室２の外壁３，３の各糸条入口６および各糸条出口６´の上下には一対の板状のスリット部材４０が、糸条入口６，糸条出口６´を通過する糸条Ｆの走行方向と略平行に、糸条入口６，糸条出口６´の紙面垂直方向の幅と略同じか、それ以上の幅で設けられている。図３に示すように、スリット部材４０は上側部４１と下側部４２によって構成され、熱処理室２側にはフランジ部４３，４４が設けられている。スリット部材４０の上側部４１および下側部４２はそれぞれフランジ部４３，４４を介して熱処理室２の外壁３の上下方向に形成された固定溝４５，４６に、例えばボルト等の締結具によって上下方向に移動可能かつ取り外し可能に固定され、スリット幅Ｗが自在に変更可能となっている。
【００１８】
次に、本実施の形態の作用・効果について説明する。
図１に示すように、炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆが紙面に垂直方向に平行に揃えられた状態で熱処理装置１の図示左側のシール室４の最上段の糸条入口７から送入される。次いで、糸条Ｆは熱処理室２の外壁３の糸条入口６を通過し、熱処理室２の対抗する外壁３の糸条出口６´から送出される。さらに、糸条Ｆは熱処理室２に連接されたシール室４の外壁５の糸条出口７´を通過して熱処理装置１の外部に送出される。熱処理装置１の外部に送出された糸条Ｆはシール室４の外部のロール１１に巻き掛けられるようにして折り返され、送出された糸条出口７´の一つ下の糸条入口７から、再び熱処理装置１内部に送入される。
【００１９】
再び熱処理装置１内部に送入された糸条Ｆは、逆向きに同様の経路を経て熱処理装置１の外部に送出され、熱処理装置１外部のロール１１に再び巻き掛けられ折り返される。このように、糸条Ｆはロール１１によって熱処理装置１の外部で繰り返し折り返されながら、熱処理装置１に繰り返し送入、送出され、蛇行するようにして熱処理装置１の内部を通過する。このとき、糸条Ｆにはロール１１の回転とロール１１表面の摩擦によって動力が与えられ、図１の矢印Ｘ方向に連続的に送り出されている。また、熱処理装置内を走行する糸条Ｆの矢印Ｘ方向の速度は、ロール１１の回転を制御することによって自在に制御可能となっている。
【００２０】
一方、熱処理室２の内部には図示しない熱風循環装置によって熱風が循環し、例えば、約２００〜３００℃の温度に保たれている。したがって、熱処理室２内部に連続的に繰り返し送入された糸条Ｆは、熱処理室２内で徐々に耐炎化されていく。この際、糸条Ｆの酸化反応によって熱処理室２内にシアン化合物、アンモニア、及び一酸化炭素等の分解ガスが発生する。発生した分解ガスは、熱処理室２に設けられた排気口３０から排気ファン１４によって排出され、外部のガス回収処理装置によって回収され処理される。また、排気ファン１４による排気量の調整は、例えばバルブ等の流量調節機構１３により行うことができる。
【００２１】
シール室４，４の内部は、排気ファン１７，１７によって内部の気体を吸引することで負圧となっている。また、熱処理室２内部には加熱されることによって上部が高圧で下部が低圧となる上下方向の圧力分布が生じる。ここで、熱処理装置１外部の空気を給気ファン２４によってエアーカーテン手段８のノズル１０ａ，１０ｂに供給し、糸条Ｆに向かって噴出することによってエアーカーテンを形成する。これにより、シール室からの分解ガスの漏出を確実に防止することができると共に、熱処理室２内への外気の流入を抑制することができる。
【００２２】
また、非定常熱伝導の式より、Ｔを熱処理装置１の糸条出口７´における糸条Ｆの温度、ＴＦをシール室４内の雰囲気温度、Ｔ０を熱処理室２内の雰囲気温度、ｔを糸条Ｆのシール室４内滞在時間、ｈを糸条Ｆの境膜伝熱係数、Ａを糸条Ｆの表面積、ＣＰを糸条Ｆの比熱、ρを糸条Ｆの密度、Ｖを糸条Ｆの体積とした場合に下記式（Ｉ）、下記式（ＩＩ）を満たす関係が成立する。
Ｔ＝ＴＦ−（ＴＦ−Ｔ０）ｅ−ｍｔ…（Ｉ）
ｍ＝ｈＡ／ＣＰ／ρ／Ｖ…（ＩＩ）
【００２３】
ここで、糸条Ｆの比熱ＣＰ、糸条Ｆの密度ρは用いる炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆの仕様によって特定される。また、糸条Ｆの表面積Ａおよび糸条Ｆの体積Ｖは、例えば断面が略矩形状に整形された状態の糸条Ｆの寸法を、ノギス等により測定して得ることができる。また、温度検出装置３８によりシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を測定することができる。さらに、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔは、熱処理装置１内を走行する糸条Ｆの速度とシール室長さＬｓより算出することができる。
【００２４】
一方、糸条Ｆの境膜伝熱係数ｈは測定によって求めることが困難であるため、例えば、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを測定し、上記の式（Ｉ）に代入することで、定数ｍを逆算して求めてもよい。これにより、式（Ｉ）から熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔの関係式を得ることができる。
【００２５】
ここで、まず熱処理装置の設置スペースの制限から、シール室の長さＬｓを決定する。次に、炭素繊維の前駆体繊維の糸条Ｆを耐炎化するのに要する温度と時間および糸条Ｆの走行方向の熱処理室２の長さの関係から、熱処理装置１内を走行する糸条Ｆの速度と熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を決定する。このとき糸条Ｆの速度は、従来よりも生産性を向上させることができ、かつ糸条Ｆを耐炎化できるように９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲で決定する。決定したシール室の長さＬｓと糸条Ｆの速度より、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔが得られる。
これにより、式（Ｉ）から熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室４内の雰囲気温度ＴＦの値（目標温度）を得ることができる。
【００２６】
シール室４内の雰囲気温度ＴＦは、シール室４のからの排気量を調整し、シール室４内への外気の流入量を増減させることで制御することができる。したがって、例えば、シール室４内の雰囲気温度ＴＦを温度検出装置３８によって検出し、検出された温度の信号を排気量制御装置に伝送し、伝送された温度の信号と上述の目標温度との差分に基づいて排気量制御装置によって排気量を調整することで、検出された温度と目標温度との差分を０とするようにシール室４内の雰囲気温度ＴＦを制御することができる。
【００２７】
したがって、本実施の形態によれば、シール室４内の雰囲気温度ＴＦを温度検出装置３８によって検出し、排気量制御装置によってシール室４からの排気量を調整し、糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下に制御することができる。
また、糸条Ｆが熱処理装置１内を走行する速度を上記の範囲とすることで、従来よりも一定時間に熱処理される糸条Ｆの量を増加させ、熱処理の生産性を向上させることができる。
【００２８】
一方、上記のようにシール室４内の雰囲気温度を制御することで、シール室４内の雰囲気温度が２００℃以下となった場合、糸条Ｆから発生したタールが熱処理室２の糸条出口６´近辺で冷却され凝縮する。しかし、糸条出口６´に糸条Ｆの厚みに応じてスリット幅Ｗが上下方向で変更可能、かつ糸条Ｆの接触部分、すなわち熱処理室２の糸条出口６´の上下に設けられたスリット部材４０の上側部４１および下側部４２を取り外し可能に設けたので、熱処理室２の糸条出口６´近辺でタールが凝縮し、スリット部材４０に付着したとしても、スリット部材４０を定期的に取り外して洗浄することができる。また、スリット幅Ｗを糸条Ｆの厚みに合わせて最適な幅に設定することができる。
【００２９】
したがって、本実施の形態によれば、スリット幅Ｗを糸条Ｆの厚さに応じて最適に設定することが可能であると共に、タールが糸条Ｆに付着するなどして生産に悪影響を及ぼす前に、スリット部材４０に付着したタールを取り除くことができるので、シール室内でタールが冷却され凝縮しても生産に悪影響を及ぼすことがない。
【００３０】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二の実施の形態を、図１〜３を援用して説明する。
本実施の形態では、シール室４の雰囲気温度ＴＦを制御するのではなく、シール室４内滞在時間ｔを調整することで、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とする点で上述の第一の実施の形態と異なる。その他の構成は第一の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３１】
上述の式（Ｉ）、式（ＩＩ）から、第一の実施の形態と同様に、熱処理装置１の糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０、糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔの関係式を得ることができる。そして、第一の実施の形態と同様にシール室４の長さＬｓを決定した後、シール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を適当な値に決定する。
【００３２】
これにより、式（Ｉ）、式（ＩＩ）から、糸条出口７´における糸条の温度Ｔを２００℃以下とするために必要な糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔの最小値を得ることができるので、この最小値に基づいて糸条Ｆの速度が９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲となる最小のｔを決定することができる。
このとき、温度Ｔを２００℃以下とする糸条Ｆのシール室４内滞在時間ｔが存在しない場合、または、糸条Ｆの速度が９ｍ／ｍｉｎよりも小さくなってしまう場合は、シール室４の長さＬｓ、シール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０を再度調整し、同様の手順を繰り返す。
【００３３】
したがって、本実施の形態によれば、予め決定したシール室４内の雰囲気温度ＴＦ、熱処理室２内の雰囲気温度Ｔ０に応じて、糸条出口７´における糸条Ｆの温度Ｔを２００℃以下とし、かつ糸条Ｆの速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲で最大とすることできる。よって、第一の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
(第一変形例)
次に、上述の実施の形態の第一変形例について、図１および図２を援用し、図６を用いて説明する。上述の本実施形態では図３に示すように、スリット部材４０を一体的に構成し、外壁３に直接取り付ける構造としたが、本変形例では、図６に示すように、熱処理室２の外壁３の糸条入口６，糸条出口６´を挟んで上下に、固定溝４５´を有する断面Ｌ字形状の第一支持部材４７が固定されている。固定溝４５´は図の上下方向に幅を持たせて形成されている。この第一支持部材４７に、第二部材支持部材４８の一端側が固定溝４５´を介してボルト等で着脱自在に固定されている。第二支持部材４８の他端側はＴ字状に形成され、その両端部は第二支持部材４８の一端側に立ち上がり、係止部４８´、４８´が形成されている。
【００３５】
また、第二支持部材４８のＴ字状に分岐にした他端側および係止部４８´、４８´を包み込むように、断面Ｃ字形状のスリット部材４０が装着されている。ここで、スリット部材４０としては、例えばステンレス製角パイプの一側面に切込みを入れたものを用いることができる。スリット部材４０は係止部４８´の端面に接し、熱処理装置１の奥行き方向にスライド可能に設けられている。また、スリット部材４０は、熱処理装置１の奥行き方向にスライドさせることで、着脱自在に装着されている。
【００３６】
上述のように、スリット部材４０の形状を、第二支持部材４８の先端に嵌め込み可能な形状とし、熱処理装置１の奥行き方向にスライド可能かつ着脱自在に構成したことで、スリット部材４０の取り付け、取り外しを簡便に行うことができる。したがって、本変形例によれば、熱処理装置１のメンテナンスを容易にすることができる。
また、第二支持部材４８の他端側の断面形状をＴ字形状に分岐させ、その両端部を一端側に立ち上げて係止部４８´を設け、スリット部材４０として、例えばステンレス製角パイプの一側面に切込みを入れた断面Ｃ字形状のものを用いている。係る構造は以下の好ましい特性を有する。即ち、
１）耐熱性を有する。
２）強度に優れ、取り外し、洗浄を繰り返して行う際の耐久性を有する。
３）耐久性を有しつつ、軽量化できるので作業性に優れる。
【００３７】
(第二変形例)
次に、本実施の形態の第二変形例について、図１および図２を援用し、図７を用いて説明する。本変形例は、上述の実施の形態および第一変形例と比較して、図７に示すように第一支持部材４７の熱処理室２の外壁３への固定部を支点４９として、第一支持部材４７および第二支持部材４８が上下方向を向く状態から、水平或いは斜め上、斜め下方向を向く状態に自在に回転可能となっている点で異なっている。その他の構成は第一変形例と同様であるので、説明は省略する。
【００３８】
このように、第一支持部材４７の固定部を支点４９としてスリット部材４０を回転自在に設けたので、熱処理室２の外側に設けられた支点４９の軸部分を回転させることで、スリット幅Ｗの調整を熱処理室２の外側から行うことができる。したがって、スリット幅Ｗの操作を容易にすることができる。
また、スリット幅Ｗの操作を熱処理室２の外側から行うためには、外壁３を貫通させて操作部を設ける必要がある。このため、外壁３の貫通部からの有害ガスの漏れを防止する必要がある。したがって、図３に示すように外壁３に長孔状の固定溝４５を形成する場合、固定溝４５全体をシールしなければならない。一方、本変形例では第一支持部材４７、第二支持部材４８を回転自在に設けたことで、支点４９の回転軸部分をシールするだけでよいので、その他方式と比較して、シール機構が単純となる。更に支点４９を中心としてスリット部材４０を回転させることでスリット幅Ｗを操作することができるので、スリット幅Ｗの操作のために必要な力も小さくできる。
【００３９】
また、熱処理室２は、温度の変化に伴って膨張・収縮する。一方糸条Ｆは熱処理室２に固定されていないので、熱処理室２とは連動せずに一定の位置を保つ。従って回転機構を有さない場合、熱処理室２の温度が低い状態でスリット部材４０の位置が適切となるように調節すると、昇温に伴い熱処理室２が膨張し、糸条入口６，糸条出口６´の位置も上に移動するので糸条の下側の隙間が狭くなる。また昇温完了後にスリット部材４０の位置が適切な位置となる状態に調節した上で昇温しようとすると、昇温開始時に糸条の上側の隙間が狭くなる。
【００４０】
このとき、回転機構を設けたことで、上下のスリット部材４０の位置を、昇温完了後に適切な位置となるように調整した上で、上側の第二支持部材４８を回転させて上げた状態で昇温を開始し、昇温完了後にこれを下ろすことができる。また、温度を下げる場合は逆に下側の第二支持部材４８を回転させ下げてから行うことができる。したがって、温度変化に伴って糸条入口６，糸条出口６´における糸条Ｆの上下の隙間が狭くなったとしても、上下のスリット部材４０の位置を調整し、糸条Ｆに接触することを防止できる。
【００４１】
加えて、清掃や糸条Ｆの品種切替を行った際、立ち上げ時に熱処理室２に糸条Ｆを通すに当たって、別の糸条と結んだものを通す必要が生じる。このとき、結び目が通る際にどちらか一方或いは両方の第二支持部材４８を回転させて、スリット部材４０を糸条Ｆから遠ざけておくことができる。したがって、糸条Ｆの結び目がスリット部材４０に接触することを防止できる。
【００４２】
尚、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、上記の式（Ｉ）、式（ＩＩ）の関係から糸条出口における糸条温度を２００℃以下とするものであれば、シール室の雰囲気温度、糸条のシール室内滞在時間以外のパラメータを調整しても良い。例えば、物性値、表面積等の異なる糸条を使用するなどして定数ｍを調整してもよいし、熱処理室内の雰囲気温度Ｔ０を調整してもよい。
また、熱処理装置は上述の実施の形態で説明した横型炉ではなく、糸条の走行方向が熱処理装置の上下方向となる縦型熱処理装置であってもよい。
【００４３】
また、シール室の温度検出装置は、シール室内の温度勾配に対応して糸条走行方向に複数設けてもよい。これにより、シール室内の温度分布、あるいは平均温度を得ることができる。また、シール室の排気量の制御方法は、温度検出装置によって検出した温度の信号に基づいて排気量を調整するものであれば、上述した制御方法でなくてもよい。また、シール室の糸条入口、糸条出口のシール手段は、エアーカーテン手段でなくてもよい。また、熱処理装置のパス数は上述の実施の形態のパス数と異なるものであっても差し支えない。
【００４４】
また、スリット部材は上下方向に移動可能かつ取り外し可能な構造であれば、上述の実施の形態および変形例に示した構造に限られない。すなわち、スリット部材を取り外し可能にする構造は、図３、図６および図７に示す構造に限定されるものではない。また、スリット部材を第二支持部材に装着するための構造は特に限定されない。
【実施例１】
【００４５】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
上述の実施の形態において説明した熱処理装置により、糸条走行方向のシール室長さを１．５ｍ、熱処理装置内を走行する糸条走行速度を１２ｍ／ｍｉｎとして、繊度１８０００ｄｔｅｘ（１５Ｋ）の炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。このときの糸条のシール室内滞在時間は７．５ｓｅｃである。また、熱電対により、熱処理室雰囲気温度Ｔ０、シール室雰囲気温度ＴＦ、放射温度計(チノー製ＩＲ−ＴＡ)により糸条出口の糸条温度Ｔを測定した。次いで、上述の非定常熱伝導の式（Ｉ）より定数ｍを算出した。得られた値を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔを２００℃以下とすることができ、熱処理装置外でのシアンガス等のガスの発生を防止することができた。
また、図４に示すように、縦軸を糸条出口の糸条温度Ｔ、横軸を糸条のシール室内滞在時間ｔとするグラフを作成した。グラフ中、円形の点ｉは表１に示したデータを表している。また、一点鎖線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表１の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
【００４８】
これにより、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下にするためには、シール室内滞在時間ｔを約２．５ｓｅｃ以上とすればよいことが分かる。したがって、糸条走行速度を約３６ｍ／ｍｉｎまで上昇させることが考えられるが、例えば、熱処理室における熱処理時間等の制限により、糸条の走行速度の最大値は約２０ｍ／ｍｉｎとなる。したがって、糸条の走行速度を許容できる最大値まで増加させ、糸条の熱処理の生産性を向上することができる。
【実施例２】
【００４９】
シール室の排気量を調整し、シール室雰囲気温度ＴＦを１５６℃とした以外は、実施例１と同様の条件で炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。
【００５０】
【表２】
【００５１】
表２に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔを２００℃以下とすることができ、熱処理装置外においてシアンガス等のガスの発生を防止することができた。
図４に示すグラフ中、四角形の点ｉｉは表２に示したデータを表している。また、破線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表２の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
これにより、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下にするためには、シール室内滞在時間ｔを約５ｓｅｃ以上とすればよいことが分かる。したがって、糸条走行速度を約１８ｍ／ｍｉｎまで上昇させ、糸条の熱処理の生産性を向上することができる。
【実施例３】
【００５２】
熱処理室雰囲気温度Ｔ０を２４３℃まで上昇させ、シール室の排気量を調整し、シール室雰囲気温度ＴＦを９６℃とした以外は、実施例１、実施例２と同様に炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。
【００５３】
【表３】
【００５４】
表３に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔを２００℃以下とすることができ、熱処理装置外においてシアンガス等のガスの発生を防止することができた。
上述の図４に示すグラフと同様に、図５に示すグラフを作成した。図５に示すグラフ中、円形の点ｉｉｉは表３に示したデータを表している。また、一点鎖線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表３の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
これにより、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下にするためには、シール室内滞在時間ｔを約３ｓｅｃ以上とすればよいことが分かる。したがって、糸条走行速度を許容できる最大値である約２０ｍ／ｍｉｎまで増加させ、糸条の熱処理の生産性を向上することができる。
【００５５】
（比較例１）
シール室の排気量を調整し、シール室雰囲気温度ＴＦを２１５℃とした以外は、実施例３と同様に炭素繊維の前駆体繊維の糸条の熱処理を行った。
【００５６】
【表４】
【００５７】
表４に示した条件で糸条の熱処理を行った結果、糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以上となり、熱処理装置外においてシアンガス等のガスが検出された。
図５に示すグラフ中、四角形の点ｉｖは表４に示したデータを表している。また、破線はシール室雰囲気温度ＴＦ、熱処理室雰囲気温度Ｔ０および定数ｍを表４の条件に固定したときに、式（Ｉ）の関係を満たす糸条出口の糸条温度Ｔと糸条のシール室内滞在時間ｔを示している。
これにより、シール室内滞在時間ｔを延長しても糸条出口の糸条温度Ｔは２００℃以下に低下しないことが分かる。したがって、表４に示すようにシール室雰囲気温度ＴＦを２１５℃とした場合、熱処理装置外部でのシアンガスの発生を防止することができない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態における熱処理装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における熱処理装置の部分拡大側面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるスリット部材の断面図である。
【図４】本発明の実施例１、実施例２における糸条出口の糸条温度と糸条のシール室内滞在時間との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の実施例３、比較例１における糸条出口の糸条温度と糸条のシール室内滞在時間との関係を表すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態におけるスリット部材の変形例の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるスリット部材の変形例の断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 熱処理装置
２ 熱処理室
４ シール室
７ 糸条入口
７´ 糸条出口
１５ 排気口
３８ 温度検出装置
４０ スリット部材
Ｆ 糸条
Ｗ スリット幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理装置の熱処理室に加熱気体を循環させ、糸条入口より前記熱処理室内に糸条を連続的に送入し、糸条出口より前記熱処理室外に前記糸条を連続的に送出し、前記熱処理室内で前記糸条を連続的に熱処理する熱処理方法において、
前記熱処理装置内を通過する前記糸条の速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲としつつ、前記糸条出口における前記糸条の温度を２００℃以下とすることを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
前記熱処理室に隣接してシール室が設けられ、Ｔを前記糸条出口における前記糸条の温度、ＴＦを前記シール室内の雰囲気温度、Ｔ０を前記熱処理室内の雰囲気温度、ｔを前記糸条の前記シール室内滞在時間、ｈを前記糸条の境膜伝熱係数、Ａを前記糸条の表面積、ＣＰを前記糸条の比熱、ρを前記糸条の密度、Ｖを前記糸条の体積とした場合に下記式（Ｉ）、下記式（ＩＩ）を満たす関係が成立することを特徴とする請求項１記載の熱処理方法。
Ｔ＝ＴＦ−（ＴＦ−Ｔ０）ｅ−ｍｔ…（Ｉ）
ｍ＝ｈＡ／ＣＰ／ρ／Ｖ…（ＩＩ）
【請求項３】
前記シール室は排気口と温度検出装置とを備え、前記温度検出装置の信号に基づいて前記排気口からの排気量を調整することにより前記糸条出口における前記糸条の温度を制御することを特徴とする請求項２記載の熱処理方法。
【請求項４】
前記熱処理室の前記糸条出口に、前記糸条の厚みに応じてスリット幅が変更可能、かつ前記糸条の接触部分が取り外し可能にスリット部材を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱処理方法。
【請求項１】
熱処理装置の熱処理室に加熱気体を循環させ、糸条入口より前記熱処理室内に糸条を連続的に送入し、糸条出口より前記熱処理室外に前記糸条を連続的に送出し、前記熱処理室内で前記糸条を連続的に熱処理する熱処理方法において、
前記熱処理装置内を通過する前記糸条の速度を９ｍ／ｍｉｎ以上かつ２０ｍ／ｍｉｎ以下の範囲としつつ、前記糸条出口における前記糸条の温度を２００℃以下とすることを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
前記熱処理室に隣接してシール室が設けられ、Ｔを前記糸条出口における前記糸条の温度、ＴＦを前記シール室内の雰囲気温度、Ｔ０を前記熱処理室内の雰囲気温度、ｔを前記糸条の前記シール室内滞在時間、ｈを前記糸条の境膜伝熱係数、Ａを前記糸条の表面積、ＣＰを前記糸条の比熱、ρを前記糸条の密度、Ｖを前記糸条の体積とした場合に下記式（Ｉ）、下記式（ＩＩ）を満たす関係が成立することを特徴とする請求項１記載の熱処理方法。
Ｔ＝ＴＦ−（ＴＦ−Ｔ０）ｅ−ｍｔ…（Ｉ）
ｍ＝ｈＡ／ＣＰ／ρ／Ｖ…（ＩＩ）
【請求項３】
前記シール室は排気口と温度検出装置とを備え、前記温度検出装置の信号に基づいて前記排気口からの排気量を調整することにより前記糸条出口における前記糸条の温度を制御することを特徴とする請求項２記載の熱処理方法。
【請求項４】
前記熱処理室の前記糸条出口に、前記糸条の厚みに応じてスリット幅が変更可能、かつ前記糸条の接触部分が取り外し可能にスリット部材を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１４４３２５（Ｐ２００８−１４４３２５Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３５６９４（Ｐ２００６−３３５６９４）
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
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