炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置
【課題】炭素化炉内への外気の混入を防ぎ、炭素化炉内ガスの流出を防ぎ、繊維束に与えられるダメージを抑え、シール装置内、炭素化炉内のメンテナンス性が良好な炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を提供する。
【解決手段】閉塞箱体の前後壁部に繊維束入口および繊維束出口が形成され、繊維束入口と繊維束出口とを連結する空間内に繊維束が通され、空間を形成する繊維束とそれぞれ対向する一対の内壁面には、繊維束の走行方向と直交する方向に間隙をもって複数の絞り片が突設され、絞り片間に膨張室が形成されたラビリンスシール装置であって、炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口及び／又は繊維束導出口に接続され、一対の内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材が繊維束の走行方向に対して垂直方向に複数並べて配置されることで絞り片及び膨張室が形成されている炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置。
【解決手段】閉塞箱体の前後壁部に繊維束入口および繊維束出口が形成され、繊維束入口と繊維束出口とを連結する空間内に繊維束が通され、空間を形成する繊維束とそれぞれ対向する一対の内壁面には、繊維束の走行方向と直交する方向に間隙をもって複数の絞り片が突設され、絞り片間に膨張室が形成されたラビリンスシール装置であって、炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口及び／又は繊維束導出口に接続され、一対の内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材が繊維束の走行方向に対して垂直方向に複数並べて配置されることで絞り片及び膨張室が形成されている炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素繊維の製造において、炭素化炉内の不活性雰囲気を維持するために炭素化炉の繊維束導入口又は繊維束導出口に配置されるシール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、炭素繊維はポリアクリロニトリル系やレーヨン系等の有機繊維を酸化性雰囲気中において２００℃以上で耐炎化処理して耐炎化繊維とした後、該耐炎化繊維を不活性雰囲気中において３００℃以上で炭素化処理することによって得られる。前記炭素化処理において、炭素化炉内が外気の混入等により酸化性雰囲気になると炭素繊維の性能や品質が低下する。そのため、炭素化炉内の不活性雰囲気を維持すべく、通常、炭素化炉の繊維束導入口及び繊維束導出口には、外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内のガスの流出を防ぐため、シール装置が備えられている。
【０００３】
例えば特許文献１には、ハニカム材で構成された多数のセルを設けたシール室を用いて、幅方向へのラビリンス効果と軽量化とを達成したシール装置が開示されている。また、特許文献２には、雰囲気ガス流の乱れによる耐炎化繊維に与えるダメージを極力抑えることができるシール装置が開示されている。特許文献３、４には、繊維束の走行方向と直交する方向に複数の絞り片が突設され、該絞り片間に膨張室が形成され、該膨張室に繊維束に対し面状に不活性気体を吐出できる気体吐出部が備えられているシール装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−９７４６１号公報
【特許文献２】特開昭６２−２４３８３１号公報
【特許文献３】特開２００１−９８４２８号公報
【特許文献４】特開２０１０−７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に開示されたシール装置では、シール室が複雑な構造であり、シール機構や炭素化炉内の掃除を含めたメンテナンスが困難な問題があった。さらに、特許文献３、４に開示されたシール装置においても、繊維束に与えられるダメージの抑制、メンテナンス性が不十分であり、更なる改善が望まれている。
【０００６】
本発明では、炭素化炉内への外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内ガスの流出を防ぐことができ、繊維束に与えられるダメージを極力抑え、シール装置内、炭素化炉内の掃除等のメンテナンス性が良好な、炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置は、閉塞箱体の前後壁部に繊維束入口および繊維束出口が形成され、前記繊維束入口と前記繊維束出口とを連結する空間内に繊維束が通され、前記空間を形成する前記繊維束とそれぞれ対向する一対の内壁面には、該繊維束の走行方向と直交する方向に、間隙をもって複数の絞り片が突設され、前記絞り片間に膨張室が形成されたラビリンスシール装置であって、炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口および／又は繊維束導出口に接続され、前記一対の内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材が前記繊維束の走行方向に対して垂直方向に複数並べて配置されることで前記絞り片および前記膨張室が形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、炭素化炉内への外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内ガスの流出を防ぐことができ、繊維束に与えられるダメージを極力抑え、シール装置内、炭素化炉内の掃除等のメンテナンス性が良好な、炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図２】図１の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【図３】本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図４】本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図５】図４の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【図６】従来のシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図７】図６の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【図８】実施例１で用いた耐熱部材の断面図である。
【図９】実施例５で用いた耐熱部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。図２は、図１の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【００１１】
（シール装置）
ラビリンスシール装置は、一般的に流体の漏れを減少させることを目的とした接触部分のない装置と定義される。ラビリンスシール技術は非接触シール技術として、蒸気タービンや圧縮機の軸シール技術として広く用いられる。ラビリンスシール装置の原理は、流路中に絞り片と呼ばれる間隙（膨張室）を作るための障害物を複数設け、流体の縮小と拡大および渦流を発生させることでエネルギー消費、圧力損失を増大させ、流体の漏れ量を減少させるものである。なお、絞り片の形状について特に制限はないが、絞り片の高さ、厚みおよび設置間隔によってシール性能に影響を及ぼすので適宜設定する必要がある。なお、絞り片の材質としては、絞り片の熱変形を抑制し、寸法安定性を確保するため、黒鉛材又はチタン材からなることが好ましい。
【００１２】
図１において、繊維束１は、炭素化炉９の繊維束導入口側に接続されたシール装置のシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとの間隙を通過して、炭素化炉内１０に導入される。繊維束１には耐炎化繊維束を用いることができる。耐炎化繊維としては例えば前記耐炎化繊維を用いることができ、繊維束一本あたりの総繊度は３００から１００００テックスが好ましい。また、耐炎化繊維束の繊維束数は炭素化炉幅１ｍあたり３０から５００本が好ましい。繊維束１は炭素化炉内１０を通過することで炭素化処理され、炭素繊維束に転換される。その後、炭素化炉９の繊維束導出口側に接続された図１同様のシール装置のシール装置上部とシール装置下部（いずれも不図示）との間隙を通過して外部へ導出される。なお、炭素化炉幅とは、炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口での幅方向の長さのことを指す。
【００１３】
炭素化炉９の繊維束導入口および／又は繊維束導出口に接続されるシール装置は、対向する一対のシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂからなるラビリンスシール装置である。シール装置は閉塞箱体であり、前後壁部には繊維束入口と繊維束出口とが形成されている。繊維束入口と繊維束出口とを連結する空間は、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂの間隙により形成され、該空間内に繊維束が通される。繊維束１とそれぞれ対向するシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂの各内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材３が繊維束１の走行方向に対して垂直方向（以下、シール装置幅方向と示す場合有り）に複数並べて配置されている。これにより、繊維束の走行方向と直交する方向に、間隙をもって複数の絞り片１６が突設され、絞り片１６の間に膨張室８が形成されている。なお、図１では、４つの耐熱部材３がシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとにそれぞれ並べて配置されているが、並べる耐熱部材３の数は特に限定されず、例えば２から３０個を並べて配置することができる。
【００１４】
本発明に係るシール装置においては、このような構成であることにより、以下の効果を得ることができる。
１）シール装置を低コストで製作することができる。
２）炭素化炉内１０への外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内１０のガスの流出を防ぐことができる。
３）繊維束１に与えるダメージを極力抑え、炭素繊維の強度及び品位を向上させることができる。
４）シール装置及び炭素化炉９のメンテナンスが容易となる。
５）炭素繊維の製造におけるユーティリティー費を低減することができ、製造コスト低減が可能となる。
【００１５】
耐熱部材３の材質としては、耐熱部材３の熱変形を抑制し、寸法安定性を確保するため、黒鉛材又はチタン材からなることが好ましい。なお、耐熱部材３の大きさは、繊維束１が通過するシール装置の開口部の高さであるシール装置間隔Ｄ、繊維束１の厚み、炭素化処理時に発生する繊維束１の揺れ等に応じて適宜設定する必要がある。
【００１６】
（止め具）
複数並べられた溝形の断面を有する耐熱部材３は、接着剤の使用、溶接等の公知の方法で互いに連結されていてもよい。しかしながら、耐熱部材３は、耐熱部材３交換の際の作業性を考慮して、止め具４によって互いに連結されていることが好ましい。
【００１７】
（断熱材）
耐熱部材３同士が連結されている部分に、一定間隔の隙間を設けるか、該隙間に断熱材７を配置することが、シール装置の加熱による変形を抑制することができるため好ましい。図１では、各耐熱部材３はシール装置幅方向に４箇所、止め具４で互いに連結されており、連結部の隙間には断熱材７が配置されている。断熱材７の材質としては、アルミナシリカ、グラスウール等を用いることができる。なお、断熱材７は耐熱部材３と同じ材質を用いることもできるが、断熱材７の材質と比較して断熱性の高い、即ち熱伝導率が低く、耐熱性の高い材質を用いることが好ましい。
【００１８】
（取り付け枠固定具）
耐熱部材３は、接着剤の使用、溶接等の公知の方法で取り付け枠上部６Ａ又は取り付け枠下部６Ｂに取り付けられてもよい。しかしながら、耐熱部材３は、耐熱部材３交換の際の作業性を考慮して、取り付け枠固定具５によって取り付け枠上部６Ａ又は取り付け枠下部６Ｂに取り付けられていることが好ましい。
【００１９】
なお、図１には示されていないが、耐熱部材３の熱変形を抑制するため、取り付け枠固定具５の取り付け穴形状を長穴にすることが好ましい。例えば、シール装置幅方向中央部の取り付け枠固定具５は完全固定とし、その他の取り付け枠固定具５の取り付け穴を、取り付け枠固定具５がシール装置幅方向に動けるように長穴とすることにより、熱伸びによる変形を抑制できる。
【００２０】
（不活性気体供給口）
炭素化炉内１０への不活性気体の導入方法は特に限定されないが、例えば図１に示すように、炭素化炉９とシール装置との接続部に設けられた部屋に備えられた不活性気体供給口１２から不活性気体を導入することができる。また、不図示の排気口から不活性気体を排出することができる。なお、不活性気体の種類としては特に限定されず、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム等を用いることができる。
【００２１】
（シール装置の上下方向への移動）
図３は、本発明に係るシール装置と炭素化炉の他の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【００２２】
図３に示すシール装置は、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとにそれぞれ高さ調節機１３Ａ、１３Ｂが設置されているため、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとはそれぞれ独立して上下方向に移動することができる。これにより、導入する繊維束１の厚みや炭素化処理時に発生する繊維束１の揺れに応じて、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとの間に形成される間隙の大きさ及び高さ方向の位置を任意に調整できる。この調整により、不活性気体の流出を抑制し、且つ繊維束１とシール装置との接触を回避し、繊維束１のダメージを最小限とすることができる。
【００２３】
また、シール装置内部や炭素化炉９内部の清掃を行う際に、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとを大きく上げ下げして間隙を大きくすることができるため、内部の清掃が容易となり、掃除頻度を低下させることが可能となる。
【００２４】
（気体吐出部（多孔板））
図４は、本発明に係るシール装置と炭素化炉の他の一例の垂直方向断面を示した概略図である。図５は、図４の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【００２５】
図４に示すシール装置には、対向する２つの膨張室８に、気体が吐出される気体吐出部がそれぞれ設けられている。具体的には、図５に示すように対向する１段目の膨張室８に、不活性気体を導入する気体供給口１２及び多孔板１７が設けられている。多孔板１７を通して、気体供給口１２から導入された不活性気体を略垂直方向に面状に吐出することができる。
【００２６】
図４に示すように、気体吐出部は膨張室８に設けられた多孔板１７と気体供給口１２とにより形成されることが好ましい。多孔板１７が有する多数の気体吐出孔を介して不活性気体を吐出することにより、不活性気体を均一に面状に吐出させることができる。また、多孔板１７を採用した機構は簡易でありメンテナンスもし易い。
【００２７】
なお、多孔板１７に限定されるものではなく、不活性気体を面状に吐出できれば他の形態も採用し得る。また、図４においては、対向する１段目の膨張室８にのみ気体吐出部を設けているが、炭素化炉９から数えて２段目以降の膨張室８に２段以上の気体吐出部を設けることもできる。更に、図４では１枚の多孔板１７を採用しているが、多孔板１７の枚数は１枚に限定されるものではなく、不活性気体を均一に面状に吐出できる限り、気体吐出孔の孔数や気体吐出速度に応じて２枚積層することもでき、或いは３枚以上を積層することもできる。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２９】
（実施例１）
図１に示すシール装置及び炭素化炉９を用い、以下の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。なお、シール装置間隙Ｄは１０ｍｍとした。
耐炎化繊維 ： 総繊度１０００テックスの耐炎化繊維
投入繊維束数 ： ２００本
炭素化炉９幅 ： １．３ｍ
処理時間 ： １．５分
炭素化炉９内温度 ： １０００℃
炭素化炉９内圧力 ： ５Ｐａ
不活性気体 ： 窒素
不活性気体供給流量 ： ２００Ｎｍ3／時間
耐熱部材３ ： ３Ｔ×４０×２０、ニチアス（株）製、溝形鋼、厚さ３ｍｍ、幅４０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、装置幅方向長さ：１３００ｍｍ、材質：チタン材
断熱材７ ： 商品名：ファインフレックス１３００ペーパー−３ｔ、ニチアス（株）製、厚さ３ｍｍ、材質：アルミナシリカ。
【００３０】
なお、耐炎化繊維は以下の方法により作製した。アクリロニトリル（ＡＮ）、メチルアクリレート（ＭＡ）、およびメタクリル酸（ＭＡＡ）をモル比ＡＮ／ＭＡ／ＭＡＡ＝９６／２／２で共重合させたポリアクリロニトリル系重合体をジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）溶液（ポリマー濃度２０質量％、粘度５０Ｐａ・ｓ、温度６０℃）に溶解させて紡糸原液を調製した。該紡糸原液をホール数１００００の紡糸口金を通して、濃度が７０質量％、液温が３５℃のＤＭＡｃ水溶液中に吐出して水洗後、熱水浴中で３倍に延伸し、１３５℃で乾燥した。得られた糸条を２４０℃〜２７０℃の酸化雰囲気中で熱処理することにより、耐炎化繊維を作製した。
【００３１】
図８に本実施例で用いた耐熱部材３の断面図を示す。各耐熱部材３は、断熱材７を介して互いに装置幅方向に、止め具４（ボルト・ナット、４箇所）で連結されている。また、各耐熱部材３は、取り付け枠上部６Ａ又は取り付け枠下部６Ｂに、取り付け枠固定具５（１２箇所）により固定されている。
【００３２】
炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は６３Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は５％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。なお、シール装置間隙からの吹出し風量はアネモマスターによるシール装置間隙からの平均吹出し風速と開口面積から算出した。また、炭素化炉９内幅方向の風速斑とはシール装置間隙からの平均吹出し風速との関係における振れ幅のことを示し、装置幅方向に均等に５点測定した吹出し風速より算出した。
【００３３】
（実施例２）
図３に示すシール装置及び炭素化炉９を用い、シール装置間隙Ｄを８ｍｍとし、耐炎化繊維束１とシール装置との接触が極力生じないように開口高さの位置を調整した以外は実施例１と同様の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は５０Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は４％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３４】
（実施例３）
図４に示すシール装置及び炭素化炉９を用いた以外は実施例１と同様の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。なお、多孔板１７にはφ３ｍｍの孔をピッチ１０ｍｍ、千鳥配列で加工したものを用いた。また、不活性気体供給流量は、２箇所の多孔板１７から吐出される不活性気体の合計の流量を示し、各多孔板１７から吐出される不活性気体の流量は、該不活性気体供給流量の半分の流量である。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は９２Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は３％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３５】
（実施例４）
シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとに耐熱部材３をそれぞれ６個ずつ並べて連結し、シール装置間隙Ｄを１５ｍｍとした以外は実施例１と同様の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は８７Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は５％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３６】
（実施例５）
シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとに耐熱部材３をそれぞれ１０個ずつ並べて連結した以外は、図１に示すシール装置と同様のシール装置及び炭素化炉９を用い、以下の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。なお、シール装置間隙Ｄは２５ｍｍとした。
耐炎化繊維 ： 総繊度１０００テックスの耐炎化繊維（実施例１と同様に作製）
投入繊維束数 ： ３００本
炭素化炉９幅 ： ２．０ｍ
処理時間 ： １．５分
炭素化炉９内温度 ： １０００℃
炭素化炉９内圧力 ： ５Ｐａ
不活性気体 ： 窒素
不活性気体供給流量 ： １００Ｎｍ3／時間
耐熱部材３ ： 厚さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、高さ１２０ｍｍ、装置幅方向長さ：２０００ｍｍ、材質：黒鉛材
断熱材７ ： 商品名：ファインフレックス１３００ペーパー−３ｔ、ニチアス（株）製、厚さ３ｍｍ、材質：アルミナシリカ。
【００３７】
図９に本実施例で用いた耐熱部材３の断面図を示す。耐熱部材３の連結、固定方法は実施例１と同様である。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は４０Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は５％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３８】
（比較例１）
図６に示すシール装置及び炭素化炉９を用い、耐炎化繊維束１の炭素化を行った。図６に示すシール装置では、複数の耐熱部材３を用いる代わりに、４段に形成されている膨張室８及び絞り片１６が実施例１と同等の寸法となるように、ステンレス製の鋼材が一体に加工された一体加工部材１５を用いた。それ以外の条件は実施例１と同様とし、耐炎化繊維束１の炭素化を行った。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は１２０Ｎｍ3／時間であった。熱変形によりシール装置幅方向のシール装置間隔Ｄの斑が大きくなり、炭素化炉９内幅方向の風速斑は１０％と大きく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に実施例に比べ劣った。
【符号の説明】
【００３９】
１ 繊維束（耐炎化繊維束）
２Ａ シール装置上部
２Ｂ シール装置下部
３ 耐熱部材
４ 止め具
５ 取り付け枠固定具
６Ａ 取り付け枠上部
６Ｂ 取り付け枠下部
７ 断熱材
８ 膨張室
９ 炭素化炉
１０ 炭素化炉内
１１ ヒータ
１２ 不活性気体供給口
１３Ａ 高さ調節機
１３Ｂ 高さ調節機
１４ 気体吐出部
１５ 一体加工部材
１６ 絞り片
１７ 多孔板
Ｄ シール装置間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素繊維の製造において、炭素化炉内の不活性雰囲気を維持するために炭素化炉の繊維束導入口又は繊維束導出口に配置されるシール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、炭素繊維はポリアクリロニトリル系やレーヨン系等の有機繊維を酸化性雰囲気中において２００℃以上で耐炎化処理して耐炎化繊維とした後、該耐炎化繊維を不活性雰囲気中において３００℃以上で炭素化処理することによって得られる。前記炭素化処理において、炭素化炉内が外気の混入等により酸化性雰囲気になると炭素繊維の性能や品質が低下する。そのため、炭素化炉内の不活性雰囲気を維持すべく、通常、炭素化炉の繊維束導入口及び繊維束導出口には、外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内のガスの流出を防ぐため、シール装置が備えられている。
【０００３】
例えば特許文献１には、ハニカム材で構成された多数のセルを設けたシール室を用いて、幅方向へのラビリンス効果と軽量化とを達成したシール装置が開示されている。また、特許文献２には、雰囲気ガス流の乱れによる耐炎化繊維に与えるダメージを極力抑えることができるシール装置が開示されている。特許文献３、４には、繊維束の走行方向と直交する方向に複数の絞り片が突設され、該絞り片間に膨張室が形成され、該膨張室に繊維束に対し面状に不活性気体を吐出できる気体吐出部が備えられているシール装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−９７４６１号公報
【特許文献２】特開昭６２−２４３８３１号公報
【特許文献３】特開２００１−９８４２８号公報
【特許文献４】特開２０１０−７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に開示されたシール装置では、シール室が複雑な構造であり、シール機構や炭素化炉内の掃除を含めたメンテナンスが困難な問題があった。さらに、特許文献３、４に開示されたシール装置においても、繊維束に与えられるダメージの抑制、メンテナンス性が不十分であり、更なる改善が望まれている。
【０００６】
本発明では、炭素化炉内への外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内ガスの流出を防ぐことができ、繊維束に与えられるダメージを極力抑え、シール装置内、炭素化炉内の掃除等のメンテナンス性が良好な、炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置は、閉塞箱体の前後壁部に繊維束入口および繊維束出口が形成され、前記繊維束入口と前記繊維束出口とを連結する空間内に繊維束が通され、前記空間を形成する前記繊維束とそれぞれ対向する一対の内壁面には、該繊維束の走行方向と直交する方向に、間隙をもって複数の絞り片が突設され、前記絞り片間に膨張室が形成されたラビリンスシール装置であって、炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口および／又は繊維束導出口に接続され、前記一対の内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材が前記繊維束の走行方向に対して垂直方向に複数並べて配置されることで前記絞り片および前記膨張室が形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、炭素化炉内への外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内ガスの流出を防ぐことができ、繊維束に与えられるダメージを極力抑え、シール装置内、炭素化炉内の掃除等のメンテナンス性が良好な、炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図２】図１の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【図３】本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図４】本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図５】図４の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【図６】従来のシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【図７】図６の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【図８】実施例１で用いた耐熱部材の断面図である。
【図９】実施例５で用いた耐熱部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係るシール装置と炭素化炉の一例の垂直方向断面を示した概略図である。図２は、図１の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【００１１】
（シール装置）
ラビリンスシール装置は、一般的に流体の漏れを減少させることを目的とした接触部分のない装置と定義される。ラビリンスシール技術は非接触シール技術として、蒸気タービンや圧縮機の軸シール技術として広く用いられる。ラビリンスシール装置の原理は、流路中に絞り片と呼ばれる間隙（膨張室）を作るための障害物を複数設け、流体の縮小と拡大および渦流を発生させることでエネルギー消費、圧力損失を増大させ、流体の漏れ量を減少させるものである。なお、絞り片の形状について特に制限はないが、絞り片の高さ、厚みおよび設置間隔によってシール性能に影響を及ぼすので適宜設定する必要がある。なお、絞り片の材質としては、絞り片の熱変形を抑制し、寸法安定性を確保するため、黒鉛材又はチタン材からなることが好ましい。
【００１２】
図１において、繊維束１は、炭素化炉９の繊維束導入口側に接続されたシール装置のシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとの間隙を通過して、炭素化炉内１０に導入される。繊維束１には耐炎化繊維束を用いることができる。耐炎化繊維としては例えば前記耐炎化繊維を用いることができ、繊維束一本あたりの総繊度は３００から１００００テックスが好ましい。また、耐炎化繊維束の繊維束数は炭素化炉幅１ｍあたり３０から５００本が好ましい。繊維束１は炭素化炉内１０を通過することで炭素化処理され、炭素繊維束に転換される。その後、炭素化炉９の繊維束導出口側に接続された図１同様のシール装置のシール装置上部とシール装置下部（いずれも不図示）との間隙を通過して外部へ導出される。なお、炭素化炉幅とは、炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口での幅方向の長さのことを指す。
【００１３】
炭素化炉９の繊維束導入口および／又は繊維束導出口に接続されるシール装置は、対向する一対のシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂからなるラビリンスシール装置である。シール装置は閉塞箱体であり、前後壁部には繊維束入口と繊維束出口とが形成されている。繊維束入口と繊維束出口とを連結する空間は、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂの間隙により形成され、該空間内に繊維束が通される。繊維束１とそれぞれ対向するシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂの各内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材３が繊維束１の走行方向に対して垂直方向（以下、シール装置幅方向と示す場合有り）に複数並べて配置されている。これにより、繊維束の走行方向と直交する方向に、間隙をもって複数の絞り片１６が突設され、絞り片１６の間に膨張室８が形成されている。なお、図１では、４つの耐熱部材３がシール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとにそれぞれ並べて配置されているが、並べる耐熱部材３の数は特に限定されず、例えば２から３０個を並べて配置することができる。
【００１４】
本発明に係るシール装置においては、このような構成であることにより、以下の効果を得ることができる。
１）シール装置を低コストで製作することができる。
２）炭素化炉内１０への外気の混入を防ぎ、且つ炭素化炉内１０のガスの流出を防ぐことができる。
３）繊維束１に与えるダメージを極力抑え、炭素繊維の強度及び品位を向上させることができる。
４）シール装置及び炭素化炉９のメンテナンスが容易となる。
５）炭素繊維の製造におけるユーティリティー費を低減することができ、製造コスト低減が可能となる。
【００１５】
耐熱部材３の材質としては、耐熱部材３の熱変形を抑制し、寸法安定性を確保するため、黒鉛材又はチタン材からなることが好ましい。なお、耐熱部材３の大きさは、繊維束１が通過するシール装置の開口部の高さであるシール装置間隔Ｄ、繊維束１の厚み、炭素化処理時に発生する繊維束１の揺れ等に応じて適宜設定する必要がある。
【００１６】
（止め具）
複数並べられた溝形の断面を有する耐熱部材３は、接着剤の使用、溶接等の公知の方法で互いに連結されていてもよい。しかしながら、耐熱部材３は、耐熱部材３交換の際の作業性を考慮して、止め具４によって互いに連結されていることが好ましい。
【００１７】
（断熱材）
耐熱部材３同士が連結されている部分に、一定間隔の隙間を設けるか、該隙間に断熱材７を配置することが、シール装置の加熱による変形を抑制することができるため好ましい。図１では、各耐熱部材３はシール装置幅方向に４箇所、止め具４で互いに連結されており、連結部の隙間には断熱材７が配置されている。断熱材７の材質としては、アルミナシリカ、グラスウール等を用いることができる。なお、断熱材７は耐熱部材３と同じ材質を用いることもできるが、断熱材７の材質と比較して断熱性の高い、即ち熱伝導率が低く、耐熱性の高い材質を用いることが好ましい。
【００１８】
（取り付け枠固定具）
耐熱部材３は、接着剤の使用、溶接等の公知の方法で取り付け枠上部６Ａ又は取り付け枠下部６Ｂに取り付けられてもよい。しかしながら、耐熱部材３は、耐熱部材３交換の際の作業性を考慮して、取り付け枠固定具５によって取り付け枠上部６Ａ又は取り付け枠下部６Ｂに取り付けられていることが好ましい。
【００１９】
なお、図１には示されていないが、耐熱部材３の熱変形を抑制するため、取り付け枠固定具５の取り付け穴形状を長穴にすることが好ましい。例えば、シール装置幅方向中央部の取り付け枠固定具５は完全固定とし、その他の取り付け枠固定具５の取り付け穴を、取り付け枠固定具５がシール装置幅方向に動けるように長穴とすることにより、熱伸びによる変形を抑制できる。
【００２０】
（不活性気体供給口）
炭素化炉内１０への不活性気体の導入方法は特に限定されないが、例えば図１に示すように、炭素化炉９とシール装置との接続部に設けられた部屋に備えられた不活性気体供給口１２から不活性気体を導入することができる。また、不図示の排気口から不活性気体を排出することができる。なお、不活性気体の種類としては特に限定されず、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム等を用いることができる。
【００２１】
（シール装置の上下方向への移動）
図３は、本発明に係るシール装置と炭素化炉の他の一例の垂直方向断面を示した概略図である。
【００２２】
図３に示すシール装置は、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとにそれぞれ高さ調節機１３Ａ、１３Ｂが設置されているため、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとはそれぞれ独立して上下方向に移動することができる。これにより、導入する繊維束１の厚みや炭素化処理時に発生する繊維束１の揺れに応じて、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとの間に形成される間隙の大きさ及び高さ方向の位置を任意に調整できる。この調整により、不活性気体の流出を抑制し、且つ繊維束１とシール装置との接触を回避し、繊維束１のダメージを最小限とすることができる。
【００２３】
また、シール装置内部や炭素化炉９内部の清掃を行う際に、シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとを大きく上げ下げして間隙を大きくすることができるため、内部の清掃が容易となり、掃除頻度を低下させることが可能となる。
【００２４】
（気体吐出部（多孔板））
図４は、本発明に係るシール装置と炭素化炉の他の一例の垂直方向断面を示した概略図である。図５は、図４の繊維束１からシール装置を見た場合の概略平面図である。
【００２５】
図４に示すシール装置には、対向する２つの膨張室８に、気体が吐出される気体吐出部がそれぞれ設けられている。具体的には、図５に示すように対向する１段目の膨張室８に、不活性気体を導入する気体供給口１２及び多孔板１７が設けられている。多孔板１７を通して、気体供給口１２から導入された不活性気体を略垂直方向に面状に吐出することができる。
【００２６】
図４に示すように、気体吐出部は膨張室８に設けられた多孔板１７と気体供給口１２とにより形成されることが好ましい。多孔板１７が有する多数の気体吐出孔を介して不活性気体を吐出することにより、不活性気体を均一に面状に吐出させることができる。また、多孔板１７を採用した機構は簡易でありメンテナンスもし易い。
【００２７】
なお、多孔板１７に限定されるものではなく、不活性気体を面状に吐出できれば他の形態も採用し得る。また、図４においては、対向する１段目の膨張室８にのみ気体吐出部を設けているが、炭素化炉９から数えて２段目以降の膨張室８に２段以上の気体吐出部を設けることもできる。更に、図４では１枚の多孔板１７を採用しているが、多孔板１７の枚数は１枚に限定されるものではなく、不活性気体を均一に面状に吐出できる限り、気体吐出孔の孔数や気体吐出速度に応じて２枚積層することもでき、或いは３枚以上を積層することもできる。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００２９】
（実施例１）
図１に示すシール装置及び炭素化炉９を用い、以下の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。なお、シール装置間隙Ｄは１０ｍｍとした。
耐炎化繊維 ： 総繊度１０００テックスの耐炎化繊維
投入繊維束数 ： ２００本
炭素化炉９幅 ： １．３ｍ
処理時間 ： １．５分
炭素化炉９内温度 ： １０００℃
炭素化炉９内圧力 ： ５Ｐａ
不活性気体 ： 窒素
不活性気体供給流量 ： ２００Ｎｍ3／時間
耐熱部材３ ： ３Ｔ×４０×２０、ニチアス（株）製、溝形鋼、厚さ３ｍｍ、幅４０ｍｍ、高さ２０ｍｍ、装置幅方向長さ：１３００ｍｍ、材質：チタン材
断熱材７ ： 商品名：ファインフレックス１３００ペーパー−３ｔ、ニチアス（株）製、厚さ３ｍｍ、材質：アルミナシリカ。
【００３０】
なお、耐炎化繊維は以下の方法により作製した。アクリロニトリル（ＡＮ）、メチルアクリレート（ＭＡ）、およびメタクリル酸（ＭＡＡ）をモル比ＡＮ／ＭＡ／ＭＡＡ＝９６／２／２で共重合させたポリアクリロニトリル系重合体をジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）溶液（ポリマー濃度２０質量％、粘度５０Ｐａ・ｓ、温度６０℃）に溶解させて紡糸原液を調製した。該紡糸原液をホール数１００００の紡糸口金を通して、濃度が７０質量％、液温が３５℃のＤＭＡｃ水溶液中に吐出して水洗後、熱水浴中で３倍に延伸し、１３５℃で乾燥した。得られた糸条を２４０℃〜２７０℃の酸化雰囲気中で熱処理することにより、耐炎化繊維を作製した。
【００３１】
図８に本実施例で用いた耐熱部材３の断面図を示す。各耐熱部材３は、断熱材７を介して互いに装置幅方向に、止め具４（ボルト・ナット、４箇所）で連結されている。また、各耐熱部材３は、取り付け枠上部６Ａ又は取り付け枠下部６Ｂに、取り付け枠固定具５（１２箇所）により固定されている。
【００３２】
炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は６３Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は５％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。なお、シール装置間隙からの吹出し風量はアネモマスターによるシール装置間隙からの平均吹出し風速と開口面積から算出した。また、炭素化炉９内幅方向の風速斑とはシール装置間隙からの平均吹出し風速との関係における振れ幅のことを示し、装置幅方向に均等に５点測定した吹出し風速より算出した。
【００３３】
（実施例２）
図３に示すシール装置及び炭素化炉９を用い、シール装置間隙Ｄを８ｍｍとし、耐炎化繊維束１とシール装置との接触が極力生じないように開口高さの位置を調整した以外は実施例１と同様の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は５０Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は４％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３４】
（実施例３）
図４に示すシール装置及び炭素化炉９を用いた以外は実施例１と同様の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。なお、多孔板１７にはφ３ｍｍの孔をピッチ１０ｍｍ、千鳥配列で加工したものを用いた。また、不活性気体供給流量は、２箇所の多孔板１７から吐出される不活性気体の合計の流量を示し、各多孔板１７から吐出される不活性気体の流量は、該不活性気体供給流量の半分の流量である。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は９２Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は３％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３５】
（実施例４）
シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとに耐熱部材３をそれぞれ６個ずつ並べて連結し、シール装置間隙Ｄを１５ｍｍとした以外は実施例１と同様の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は８７Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は５％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３６】
（実施例５）
シール装置上部２Ａとシール装置下部２Ｂとに耐熱部材３をそれぞれ１０個ずつ並べて連結した以外は、図１に示すシール装置と同様のシール装置及び炭素化炉９を用い、以下の条件で耐炎化繊維束１の炭素化を行った。なお、シール装置間隙Ｄは２５ｍｍとした。
耐炎化繊維 ： 総繊度１０００テックスの耐炎化繊維（実施例１と同様に作製）
投入繊維束数 ： ３００本
炭素化炉９幅 ： ２．０ｍ
処理時間 ： １．５分
炭素化炉９内温度 ： １０００℃
炭素化炉９内圧力 ： ５Ｐａ
不活性気体 ： 窒素
不活性気体供給流量 ： １００Ｎｍ3／時間
耐熱部材３ ： 厚さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、高さ１２０ｍｍ、装置幅方向長さ：２０００ｍｍ、材質：黒鉛材
断熱材７ ： 商品名：ファインフレックス１３００ペーパー−３ｔ、ニチアス（株）製、厚さ３ｍｍ、材質：アルミナシリカ。
【００３７】
図９に本実施例で用いた耐熱部材３の断面図を示す。耐熱部材３の連結、固定方法は実施例１と同様である。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は４０Ｎｍ3／時間であった。炭素化炉９内幅方向の風速斑は５％以内と小さく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に良好であった。
【００３８】
（比較例１）
図６に示すシール装置及び炭素化炉９を用い、耐炎化繊維束１の炭素化を行った。図６に示すシール装置では、複数の耐熱部材３を用いる代わりに、４段に形成されている膨張室８及び絞り片１６が実施例１と同等の寸法となるように、ステンレス製の鋼材が一体に加工された一体加工部材１５を用いた。それ以外の条件は実施例１と同様とし、耐炎化繊維束１の炭素化を行った。炭素化処理において、シール装置間隙からの吹出し風量は１２０Ｎｍ3／時間であった。熱変形によりシール装置幅方向のシール装置間隔Ｄの斑が大きくなり、炭素化炉９内幅方向の風速斑は１０％と大きく、得られた炭素繊維は強度及び品位共に実施例に比べ劣った。
【符号の説明】
【００３９】
１ 繊維束（耐炎化繊維束）
２Ａ シール装置上部
２Ｂ シール装置下部
３ 耐熱部材
４ 止め具
５ 取り付け枠固定具
６Ａ 取り付け枠上部
６Ｂ 取り付け枠下部
７ 断熱材
８ 膨張室
９ 炭素化炉
１０ 炭素化炉内
１１ ヒータ
１２ 不活性気体供給口
１３Ａ 高さ調節機
１３Ｂ 高さ調節機
１４ 気体吐出部
１５ 一体加工部材
１６ 絞り片
１７ 多孔板
Ｄ シール装置間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉塞箱体の前後壁部に繊維束入口および繊維束出口が形成され、
前記繊維束入口と前記繊維束出口とを連結する空間内に繊維束が通され、
前記空間を形成する前記繊維束とそれぞれ対向する一対の内壁面には、該繊維束の走行方向と直交する方向に、間隙をもって複数の絞り片が突設され、
前記絞り片間に膨張室が形成されたラビリンスシール装置であって、
炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口および／又は繊維束導出口に接続され、
前記一対の内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材が前記繊維束の走行方向に対して垂直方向に複数並べて配置されることで前記絞り片および前記膨張室が形成されている炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置。
【請求項２】
前記耐熱部材が黒鉛材又はチタン材からなる請求項１に記載のシール装置。
【請求項３】
前記耐熱部材が止め具によって複数連結されている請求項１又は２に記載のシール装置。
【請求項４】
前記一対の内壁面がそれぞれ独立して上下方向に移動できる請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置。
【請求項５】
対向する２つの膨張室に、気体が吐出される気体吐出部がそれぞれ設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のシール装置。
【請求項６】
前記気体吐出部が、膨張室に設けられた不活性気体供給口と多孔板とにより形成されている請求項５に記載のシール装置。
【請求項７】
複数の耐熱部材の各間隙に、断熱材が配置されている請求項１から６のいずれか一項に記載のシール装置。
【請求項１】
閉塞箱体の前後壁部に繊維束入口および繊維束出口が形成され、
前記繊維束入口と前記繊維束出口とを連結する空間内に繊維束が通され、
前記空間を形成する前記繊維束とそれぞれ対向する一対の内壁面には、該繊維束の走行方向と直交する方向に、間隙をもって複数の絞り片が突設され、
前記絞り片間に膨張室が形成されたラビリンスシール装置であって、
炭素繊維製造用炭素化炉の繊維束導入口および／又は繊維束導出口に接続され、
前記一対の内壁面には、溝形の断面を有する耐熱部材が前記繊維束の走行方向に対して垂直方向に複数並べて配置されることで前記絞り片および前記膨張室が形成されている炭素繊維製造用炭素化炉のシール装置。
【請求項２】
前記耐熱部材が黒鉛材又はチタン材からなる請求項１に記載のシール装置。
【請求項３】
前記耐熱部材が止め具によって複数連結されている請求項１又は２に記載のシール装置。
【請求項４】
前記一対の内壁面がそれぞれ独立して上下方向に移動できる請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置。
【請求項５】
対向する２つの膨張室に、気体が吐出される気体吐出部がそれぞれ設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のシール装置。
【請求項６】
前記気体吐出部が、膨張室に設けられた不活性気体供給口と多孔板とにより形成されている請求項５に記載のシール装置。
【請求項７】
複数の耐熱部材の各間隙に、断熱材が配置されている請求項１から６のいずれか一項に記載のシール装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１８８７７１（Ｐ２０１２−１８８７７１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１６８２（Ｐ２０１１−５１６８２）
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【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２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【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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