熱処理炉および熱処理物の製造方法
【課題】折り返しロールの機幅方向温度ムラを小さくすることで、均一な特性の熱処理物を製造することができる熱処理炉を提供する。
【解決手段】折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部６を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁５に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロール８を備えた熱処理炉において、上記折り返しロールが、ロールの内部の複数の領域に、別個に制御可能な温度調整手段９を備えている。
【解決手段】折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部６を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁５に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロール８を備えた熱処理炉において、上記折り返しロールが、ロールの内部の複数の領域に、別個に制御可能な温度調整手段９を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理炉および熱処理物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、炭素繊維の製造工程の一つに代表されるように、有機繊維束に熱処理を行い連続的に熱処理物を製造する技術分野が存在する。かかる連続的な熱処理の工程では、熱により化学反応を進行させているが、化学反応が発熱反応の場合、加熱により反応を開始させるとともに、反応熱を除熱し、化学反応を制御することが必要である。前述の炭素繊維の例では、有機繊維束に熱風を吹き付けることにより有機繊維束を加熱し、酸化または環化反応を促している。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃えて切れてしまう。よって、熱風による加熱と除熱のバランスをとる必要があり、低速で長時間、熱処理することにより製造を行っている。
【０００３】
このような製造工程では、処理が低速であることから、生産性を上げるためには同時に処理する有機繊維束の本数を増やす必要がある。このため、多数本の有機繊維をシート状に引き揃え、ライン数を増やして熱処理を行っている。
【０００４】
また、低速であるが故に長時間熱処理をする必要があることから、装置の大型化を抑制しつつ有効反応長を確保するために、１つの熱処理炉の中を何度も折り返している。
【０００５】
かかる必要から、低速で長時間、熱処理するための熱処理炉として図２に示すような熱処理炉１’が使われている。
【０００６】
熱処理炉１’では、水平方向にシート状に引き揃えられた多数本の有機繊維束７’が、スリット状開口部６を通って熱処理室２内に入り熱処理され、スリット状開口部６を通って一旦処理室外へ出、折り返しロール８により走行方向を１８０°折り返され、再度、熱処理室内に入るということを複数回繰り返して熱処理される。
【０００７】
かかる構造の熱処理炉により、炭素繊維を製造する際に、多数の有機繊維束を同時に熱処理するため、製造された炭素繊維の特性にライン間でバラツキが生じることがあった。
【０００８】
ライン間の特性のバラツキは、熱処理のムラに起因するものと考えられるが、熱処理のムラとはすなわち酸化または環化反応の進み具合、すなわち反応率にムラがあることである。反応率は糸温度によって決まり、糸温度は熱処理炉内の温度に依存するため、特性のバラツキは炉内温度ムラが要因の一つと考えられる。そのため、これまで炉内の温度を均一化する手段が種々検討されてきた。
【０００９】
例えば、特許文献１において、有機繊維束が熱処理室内に入るスリットの上流側に遠赤外線や熱風により繊維の加熱手段を備えることで、処理室内のスリット状開口部近傍の温度低下を抑制する技術が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２において、熱風循環室により熱処理室の四方を囲むことで熱処理室全体を保温し、熱処理室の壁からの放熱を抑制し機幅方向の温度を均一化する技術が開示されている。
【００１１】
これらは、いずれもスリット状開口部あるいは、熱処理室の壁からの放熱を抑制することで、炉内温度を均一としようとするものであるが、これらの方法を適用しても、製品の特性のバラツキ改善には限界があった。
【特許文献１】特開2003-342838号公報
【特許文献２】特開2000-178836号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、熱処理ムラがなく、特性のバラツキの小さな熱処理品を生産性良く得ることが可能な熱処理炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、従来の熱処理炉を用いた熱処理では特性のバラツキの小さな熱処理品を得ることが出来ない原因を検討したところ、熱処理室外の折り返しロールにおいて、軸受けからの放熱や大気との熱伝達によって、折り返しロールの機幅方向中央部と比較して機幅方向端部のロール温度が低下し、かかる端部を通過する繊維が、中央部を通過する繊維と比較して相対的に繊維温度が低くなり繊維束の反応が進みにくくなり、また、機幅方向で温度の異なる繊維束が熱処理炉内に入ることで炉内温度の斑につながるためであろうとの考えの下に、折り返しロールの、ロール内部の複数の領域に、別個に制御可能な加熱手段を備え、温度制御してみたところ、従来の熱処理炉と比較して、格段に特性のバラツキの小さな熱処理品を得られることを見出した。すなわち、本発明は、以下に規定する熱処理炉及び熱処理物の製造方法を提供する。
【００１４】
（１）折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備えた熱処理炉において、該折り返しロールが、ロールの内部の複数の領域に、別個に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする熱処理炉。
【００１５】
（２）前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている（１）に記載の熱処理炉。
【００１６】
（３）前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として冷却手段が、ロールの中央の領域に設置されている請求項１に記載の熱処理炉。
【００１７】
（４）前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段としてロール両端の領域に加熱手段、ロール中央部の領域に冷却手段を設置した請求項１に記載の熱処理炉。
【００１８】
（５）前記ロール両端の領域において、ロールの内部の加熱手段が、機幅方向にさらに２つ以上の領域に分割されており、それぞれの領域で独立した制御手段を有する（２）または（４）に記載の熱処理炉。
【００１９】
（６）前記ロールの内部の加熱手段が、ロール両端からロールの全長の２０％以上５０％以下の領域に設置されている（２）（４）および（５）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２０】
（７）加熱手段が遠赤外線ヒータである（２）、（４）および（５）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２１】
（８）前記ロールの内部の加熱手段が、ロールの表面温度を検出する温度センサと該温度センサにより検出された温度に基づいてフィードバック制御する制御回路を有する（１）から（７）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２２】
（９）前記ロールの内部の温度調整手段が、２００℃以上３００℃以下に温度制御可能である（１）から（８）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２３】
（１０）折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、前記折り返しロールがロールの内部の複数の領域に分割され、少なくともひとつの領域に制御可能な温度調整手段を備えた熱処理炉を用いて、前記折り返しロールの表面の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することを特徴とする熱処理物の製造方法。
【００２４】
（１１）ロールの中央の領域とそれを挟む両端の領域のロールの表面温度を検出し、該表面温度の差をフィードバックして加熱および／または冷却手段を制御する（１０）に記載の熱処理物の製造方法。
【００２５】
（１２）被熱処理物が、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束であり、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御した前記熱処理炉にて酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化された繊維束を得る（１０）または（１１）に記載の熱処理物の製造方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、熱処理ムラを小さくすることができるため、均一な特性の熱処理物を製造することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の熱処理炉は、折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備えた熱処理炉において、該折り返しロールのロールの内部が、複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする。
【００２８】
折り返して水平走行する被熱処理物とは、典型的には有機繊維束に熱処理を行い連続的に熱処理物を製造する場合の有機繊維束が挙げられ、たとえば、炭素繊維の製造工程の一つである耐炎化工程における炭素繊維前駆体であるポリアクリロニロニトリル系繊維が挙げられる。このような工程では、熱により化学反応を進行させているが、化学反応が発熱反応の場合、加熱により反応を開始させるとともに、反応熱を除熱し、化学反応を制御することが必要である。前述の炭素繊維の例では、有機繊維束に熱風を吹き付けることにより有機繊維束を加熱し、酸化または環化反応を促している。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃えて切れてしまう。よって、熱風による加熱と除熱のバランスをとる必要があり、低速で長時間、熱処理することにより製造を行っている。
【００２９】
このような製造工程では、処理が低速であることから、生産性を上げるためには同時に処理する有機繊維束の本数を増やす必要がある。このため、かかる工程に適用する熱処理炉では多数本の被熱処理物（前述の例では有機繊維束）をシート状に引き揃え、ライン数を増やして熱処理を行っている。
【００３０】
また、本発明の熱処理炉は、前述のように、熱風による加熱と除熱のバランスをとる必要から、低速で長時間熱処理をする必要があることから、装置の大型化を抑制しつつ有効反応長を確保するために、１つの熱処理炉の中を何度も折り返している。このため複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、これにより折り返して、走行させる構成を採るものである。
【００３１】
本発明の熱処理炉は、折り返しロールのロールの内部が、複数の領域に分割されている。本発明においてロールの内部とは、ロールを幅方向に見たときの幅方向の位置をいい、ロールの内部が複数の領域に分割されているとは、ロールの幅方向に制御可能な温度調節手段を有する部分領域が少なくとも１あり、１または複数の、制御可能な温度調節手段を有する部分領域と、温度調節手段を有しない部分領域とが配置されている、あるいは、制御可能な温度調節手段を有する部分領域が複数配置されていることをいう。かかる制御可能な温度調節手段を有する部分領域、温度調節手段を有しない部分領域という場合の領域の境界は、ロールの内側部分に隔壁を有するなど構造的に明確でなくても良い。例えば、制御可能な温度調節手段を有する部分領域が複数（制御可能な温度調節手段ごとに１の領域と数えるものとする）並んで配置されている場合、隣接する制御可能な温度調節手段の中間点を境界とする。なお、制御可能な温度調節手段を有する部分領域が並んで配置されているとは、隣接する制御可能な温度調節手段の間隔が、１５０ｍｍ以内であることをいうものとする。また、制御可能な温度調節手段を有する部分領域と温度調節手段を有しない部分領域が隣接している部分では、制御可能な温度調節手段の最端部に対応する位置を制御可能な温度調節手段を有する部分領域と温度調節手段を有しない部分領域との境界とする。
【００３２】
本発明の熱処理炉は前述のように、ロールの内部が、複数の領域に分割されているが、その少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする。ここで、制御可能な温度調節手段とは、ロールを任意の温度に維持するため、ロールの温度に応じてロールを加熱または冷却するための手段のことをいう。
【００３３】
加熱手段としては直接加熱方式と間接加熱方式とがある。直接加熱方式とはロール内部にヒータの入る穴を加工してヒータを挿入したり高温の熱媒を循環したりしてロールを直接加熱する方法である。挿入するヒータとしては、例えばシーズヒータやカートリッジヒータが一般的である。しかし、ロールの内部にヒータを挿入してしまうと、ロールが回転しているために、ヒータへ電力を供給することが困難になる。熱媒でも同様に熱媒の供給、回収が困難になる。一方、間接加熱方式とは、ロールの内部の空気を加熱して熱伝達によりロールを加熱する方式、または、ふく射によりロールの内壁面を加熱する方式のことを言う。
【００３４】
冷却手段も直接冷却方式と間接冷却方式とがある。直接冷却方式にはロール内部に流路を作成し冷却水を循環させる方法等がある。間接冷却方式には冷却風を吹き付ける方法等がある。
【００３５】
本発明の熱処理炉の好ましい態様の１つとして、前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成が挙げられる。ここで、中央の領域とは、ロールの軸方向に垂直な面でロールを３つの領域に区分した場合の真ん中の領域をいい、それを挟む両端の領域とは、中央の領域の両側にある残りの２つの領域をいう。仕切り板で物理的に区分されていてもよいし、必ずしも物理的に区分されている必要はない。また、加熱手段としては、ロールの温度を上げるためのものであれば特に限定されず、ロール内部にヒータの入る穴を加工してシーズヒータやカートリッジヒータ等を挿入する、ロールに流路を形成して熱媒を循環させる、ロール内部に赤外線ヒータを設置する等の手段がある。かかる構成をとることにより、軸受けからの放熱や大気との熱伝達により機幅方向中央部と比較して温度の下がり易かった端部の温度を上げることができ、ロール温度を機幅方向で均一にすることが可能となるので好ましい。
【００３６】
本発明の熱処理炉の好ましい態様の１つとして、前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前期温度調整手段として冷却手段が、ロールの中央の領域に設置されている構成が挙げられる。また、冷却手段としては、ロールの温度を下げることができる手段であれば特に限定されず、ロールに流路を形成して冷却水を循環させる、ロールに冷却風を吹き付ける等の手段がある。かかる構成をとることにより、中央部の温度を下げることができ、ロール温度を機幅方向で均一にすることが可能となるので好ましい。
【００３７】
本発明の熱処理炉の好ましい態様の１つとして、前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前期温度調整手段としてロール両端の領域に加熱手段、ロール中央部の領域に冷却手段を設置されている構成が挙げられる。かかる構成をとることにより、温度の下がりやすいロールの両端部が加熱され、温度の下がりにくいロールの中央部が冷却されることでロール温度を機幅方向で均一にすることが可能となるので好ましい。
【００３８】
本発明の熱処理炉は、前述の温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成において、ロールの内部の加熱手段が、各端部領域において、機幅方向にさらに２つ以上の領域に分割されており、それぞれの領域が独立した制御手段を有することが好ましい。かかる構成とすることにより、中央部から端部へ向かって連続的に温度が低下するロールに対して、端部のロールほど出力値を上げるというようなより精密な温度コントロールが可能となるためである。ここで、独立した制御手段とは、複数ある加熱手段にそれぞれに対して出力値が設定できることをいう。たとえば図４に前記折り返しロール８の各端部の加熱手段を２つの領域に分割した例を示す。９ａの加熱手段を９ｂの出力よりも大きくすることによって、ロール表面温度をより均一な状態に保つことが可能となる。
【００３９】
本発明の熱処理炉は、前述の温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成において、ロールの内部の加熱手段が、ロール両端からロールの全長の２０％以上５０％以下の領域に設置されていることが好ましい。ここで、ロールの全長とは、炉の側壁間距離をいう。炉の側壁とは例えば図３において機幅方向の炉壁１１のことであり、すなわちロールの全長はＷのことをいう。ロール全長の３０％の場合、ロール全長１５％の長さの加熱手段がロールの両端部に１つずつ設置されていることをいう。５０％以上の長さでは、機幅方向中央部まで加熱手段を設置することになる。しかし、中央部は温度が高いため、加熱の必要性が低いためである。かかる構成とすることにより、ロール表面温度をより均一な状態に保つことが可能となるためである。
【００４０】
本発明の熱処理炉は、前述の温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成において、ロールの内部の加熱手段が、遠赤外線ヒータであることが好ましい。ここで、遠赤外線ヒータは、電磁波の内の遠赤外線を物体に放射吸収させて熱を発生させるヒータでたとえばセラミックヒータ、石英ヒータ等のことをいう。加熱手段として、遠赤外線ヒータを用いることにより、ヒータを固定した状態で回転するロールの内壁面を間接的に加熱するためヒータへの電力の供給が容易であり、また、輻射を利用するために熱損失が少ないためである。
【００４１】
本発明の熱処理炉は、前記ロールの内部の温度調整手段が、ロールの表面温度を検出する温度センサと該温度センサにより検出された温度に基づいてフィードバック制御する制御回路を有することが好ましい。温度センサとは、温度を検知して電気信号に変換する器具のことであり、例えば接触式のサーミスタや熱電対、非接触式の放射温度計等のことをいう。接触式の温度計は、測定部と被処理物とが接触して品質の悪化や、被処理物が切断されることによる生産性の悪化といった問題を引き起こす可能性があるため非接触式の温度センサを用いることが好ましい。スポット径は３mm以下であることが望ましい。処理条件により被処理物の径、ライン間ピッチは異なるが、３mm以下であればほとんどの処理条件においてライン間の領域でロール表面温度を測定することができるためである。フィードバック制御する制御回路とは温度調節手段の出力値を自動的に調整する回路のことで、たとえば、ロール表面温度の最高温度と最低温度との差が小さくなるように温度調整手段の出力値を決定することのできる回路のことを言う。かかる構成をとることにより、外気温や生産条件によらずロール表面温度を機幅方向で均一に保つことが可能となる。
【００４２】
本発明の熱処理炉は、前記ロール内部の温度調整手段が、２００℃以上３００度以下に温度制御可能であることが望ましい。この熱処理炉は各ライン間の均一な熱処理が行えることから、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御可能とすることにより、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束を被熱処理物として酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化されたいわゆる耐炎化した繊維束を得る、耐炎化炉に好適である。炉内温度とは、熱風の熱処理室流入時の温度のことをいい、耐炎化炉の場合、具体的には、炉内温度とは、ダクト１２と熱処理室２とが接続している面１３の中心における熱風温度を示す。
図１では熱風が熱処理室２を上から下へ向かって流れる構成を示しているため、上側の接続している面の中心で温度を測定する。なお、熱風が下から上へ向かって流れる場合は、下側の接続している面の中心で温度を測定する。耐炎化炉では、繊維束に熱風を吹き付けて２００℃以上に加熱することで酸化または環化反応が起こりやすくなる。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃え切れてしまうため、炉内温度は３００℃以下であることが好ましい。
【００４３】
本発明の熱処理物の製造方法は、折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、前記折り返しロールがロールの内部が複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えた熱処理炉を用いて、前記折り返しロールの表面の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することを特徴とする。ロールの表面温度の最高温度と最低温度とは、シート状に引き揃えられた被処理物の両端のライン間の領域におけるロールの表面温度の最高温度と最低温度のことを言う。最高温度と最低温度の測定は、例えば、非接触温度計によりロールの機幅方向中央部と端部で測定する前述の方法で行う。温度差は必要とされる特性に対応する温度の管理幅によって決定され、管理幅が狭くより均一な特性を必要とする場合には、温度差を小さく設定し、管理幅が広く特性の均一性がさほど重視されない場合には温度差を大きく設定すればよい。かかる構成をとることにより、ロール機幅方向の最高温度と最低温度との差を管理することができるため、熱処理量を制御することができる。その結果、糸の太さムラ等の特性のバラツキを制御することが可能となる。 本発明の熱処理物の製造方法は、ロールの中央と端部のロール表面温度を検出し、該表面温度の差をフィードバックして加熱および／または冷却手段を制御することを特徴とする。ロールの中央とは、最も温度の高い機幅方向の２つの炉壁の中間をいい、端部とは、最も温度の低いシート状に引き揃えられた被処理物のうち最もロール端部に近いラインと２番目に近いラインとの間のことをいう。かかる構成をとることにより、少ない温度の検出数で効率的にフィードバックをかけることが可能となる。
【００４４】
本発明の熱処理物の製造方法とは、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束であり、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御した前記熱処理炉にて酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化された繊維束を得る。連続繊維束とは、単糸が数千から数万本束めたマルチフィラメントのことをいう。酸化雰囲気下とは、酸素が含有している気体のことをいい、たとえば空気のようなものである。少なくとも部分的に酸化または環化したとは、ポリアクリルニトリルの分子鎖内のある部分では酸化または環化反応が進んでいるが残りの部分では反応が進んでいないということである。
【００４５】
以下に本発明の望ましい実施の１形態を例に、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
図１は温度調節手段として加熱手段を用いた場合の熱処理炉の一例を簡略化して示した断面図で、図４は図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。図１において、熱処理炉１は、熱処理室２、ダクト１２、ダクト内ヒータ３、ファン４を有する熱処理炉全体を示している。ダクト内ヒータ３で所望の温度に加熱された熱風は、ファン４で送風されて、熱処理室２内を上から下へ向けて流れる。熱処理室２を流れ出た熱風は再びダクト１２へ送風される。このように、ダクト内ヒータ３で所望の温度に加熱された熱風はファン４により熱処理室２とダクト１２を循環している。なお、熱処理室２内を熱風が下から上へ向かって流れるように循環方向を逆転させても良い。
【００４７】
熱処理室２は、一対の走行方向の炉壁５にスリット状開口部６と前記走行方向の炉壁５の外部で前記スリット状開口部６の間に折り返しロール８を有する。機幅方向の炉壁１１やダクト１２は断熱材により覆われていることが好ましい。熱効率を高めることによりダクト内ヒータ３の消費電力を小さくすることができるためである。本発明の熱処理炉１は、かかる構造を有することにより、該スリット状開口部６を介して熱処理室２にシート状に機幅方向に引き揃えられた多本数の被熱処理物（図中では有機繊維束７）を通過させ熱処理を行うものである。
【００４８】
シート状に機幅方向に引き揃えられた多本数の被熱処理物（図中では有機繊維束７）は該スリット状開口部６から、一旦、炉外に出、折り返しロール８によって走行方向を１８０°折り返し、再度、熱処理室２に入る。これらを繰り返して熱処理室２内を通過し、熱処理される。また、熱風を流す方向についても、この形態では引き揃えられた被熱処理物を含む面に対して垂直な方向に流すように構成しているが、引き揃えられた被熱処理物を含む面に対して平行な方向に流すように構成しても良い。また、上記の形態においては、被熱処理物が熱処理室内を５回通過するようにしているが、通過回数は、被熱処理物の走行速度、炉体長等に応じて必要な処理時間を確保できるよう、任意に設定して良い。
【００４９】
本例においては、前記折り返しロール８は、その内部の複数の領域に別個に出力を制御することができる加熱手段９が設けられている。
【００５０】
加熱手段９が折り返しロール８の外部に設置された場合、生産開始時に被熱処理物（図中では有機繊維束７）を折り返しロール８に掛けるときに邪魔になり作業性が悪化する。また、生産中に被熱処理物が切れて折り返しロール８に巻きついたとき、被熱処理物が加熱手段９に接触して火災を引き起こす可能性がある。かかる理由により加熱手段９は折り返しロール８の内部に設置することが好ましい。また、加熱手段は、折り返しロール８の複数の領域に備えられ、かつ、別個に制御できることが必要である。折り返しロール８は、温度調整手段を設けない場合には、熱処理室２を通過することで温度の高くなっている被熱処理物と接触している機幅方向中央部の温度が高く、一方、軸受けからの放熱や大気との熱伝達によって端部の温度が低くなっている。したがって、１つの加熱手段９で折り返しロール８全体を均一に加熱するのでは、機幅方向の温度むらを小さくするのが困難である。かかる理由により、折り返しロール８の温度を機幅方向で均一に保つためには、複数の加熱手段９を折り返しロール８の内部に設置し、それぞれの設置領域における折り返しロール８の温度に合わせて別個に加熱手段９の出力を制御することが必要である。
【００５１】
前記折り返しロール８の温度は機幅方向中央部から端部へ向けて温度が低下する場合が多いため、前記折り返しロール８の内部の加熱手段９は、少なくとも折り返しロール８の両端部に設置されることが前記折り返しロール８の温度を幅方向に均一化できることから好ましい。ただし、温度の高い折り返しロール８の機幅方向中央部の温度より高い温度で均一化するのであるならば、前記折り返しロール８の内部の加熱手段９は、両側端部だけでなく、中央部にも設置して折り返しロール８全体に設置されても良い。中央部の加熱手段９の出力は小さく、両側端部の出力は大きくすることで、折り返しロール８の機幅方向中央部の温度より高い温度で均一化することが可能となる。
【００５２】
また、温度調節手段として、加熱手段９に換えて／または加えて、前記折り返しロール８の機幅方向中央部に冷却手段を設置しても折り返しロール８の温度を機幅方向で均一に保つことができる。かかる態様においては、冷却手段として冷却風をロールに吹き付ける構成が温度が下がり易く好ましい。図５に示す様に折り返しロールの両端部に加熱手段９を、さらに中央部に冷却手段１４を設置することも好ましい。なお、かかる態様におけるロール８に冷却手段を設置した領域とは、ロール８の冷却手段１４に対向する冷却手段１４の幅の領域をいうものとする。
【００５３】
また、前記折り返しロール８の温度は幅方向に連続的に温度が低下するため、１つの加熱手段だけでロール温度を均一に保つことは困難な場合がある。このような場合には、前記折り返しロール８の各端部の加熱手段を２つ以上の領域に分割して設置することも好ましい。かかる構成を採ることにより、端部のヒータほど出力値をあげるというようなより精密な温度コントロールが可能となるため、ロール表面温度をより均一に保つことができるためである。図６に前記折り返しロール８の各端部の加熱手段を２つの領域に分割した例を示す。９aの加熱手段の出力を９bの出力よりも大きくすることによって、ロール表面温度をより均一な状態に保つことが可能となる。
【００５４】
加熱手段９の長さは、ロール全長の２０％以上５０％以下であることが好ましい。５０％以上の長さでは、機幅方向中央部まで加熱手段９を設置することになる。しかし、中央部は温度が高いため、加熱の必要性が低い場合が多い。すなわち、加熱手段９は別個に制御できるため、中央部の加熱手段９は、必要性が低いためである。
【００５５】
一方、２０％以下の長さでは、外気温が低い場合などには、折り返しロール８の機幅方向温度を均一に保つことが難しくなる場合が生じるためである。
【００５６】
折り返しロールの加熱方法は、折り返しロールの内部に遠赤外線ヒータを取り付けて折り返しロールの内壁面を加熱するのが好ましい。ロールの加熱方法としては、直接加熱方式と間接加熱方式が考えられる。直接加熱方式とは、ロール内部にヒータの入る穴を加工してヒータを挿入してヒータを直接加熱する方法である。挿入するヒータとしては、シーズヒータやカートリッジヒータが一般的である。しかし、ロールの内部にヒータを挿入してしまうと、ロールが回転しているために、ヒータへ電力を供給することが困難になる。一方、間接加熱方式とは、ロールの内部の空気を加熱して熱伝達によりロールを加熱する方式、または、ふく射によりロールの内壁面を加熱する方式のことを言う。間接加熱では、ヒータを固定した状態で回転するロールの内壁面を間接的に加熱するためヒータへの電力の供給は問題にならない。空気を加熱して熱伝達によりロールを加熱する方式は、空気を介してロールを加熱するために熱損失が大きい。一方、ふく射による加熱方式は、ロールの内壁面を加熱し空気を加熱しにくいので熱損失が少ない。かかる理由により、ふく射を利用した遠赤外線ヒータを用いることが好ましい。
【００５７】
本発明の熱処理炉は、前記折り返しロール８の表面温度を検出する温度センサ１０と該温度センサにより検出された温度に基づいて、加熱手段９および／または冷却手段１４をフィードバック制御する制御回路を有することが好ましい。かかる構成を有することにより、加熱手段９および／または冷却手段１４の出力値を、ロールの表面温度の最高温度と最低温度との温度差により決定することができる。なお、ロールの表面温度の最高温度と最低温度は、シート状に引き揃えられた被処理物の両端のライン間の領域におけるロールの表面温度の最高温度と最低温度を示し、測定に用いる温度センサは、非接触温度計が好ましい。接触式の温度計は、測定部と被処理物とが接触して品質の悪化や、被処理物が切断されることによる生産性の悪化といった問題を引き起こす可能性があるためである。ロール表面温度の測定は、１本のロールに対して少なくとも機幅方向中央部と端部の少なくとも２箇所で行うことが好ましい。なお、ここでいう端部とは、シート状に引き揃えられた被処理物のうち最もロール端部に近いラインと２番目に近いラインとの間のことを言う。中央部で最高温度を、端部で最低温度を測定する。さらに好ましくは、中央部と両側端部の３箇所で行うことが好ましい。熱処理炉の形状が必ずしも左右対称であるとは限らないためである。この場合、両側端部の２つの測定値は、その平均値を最低温度とする。なお、温度センサのスポット径は直径３mm以下であることが望ましい。処理条件により被処理物の径、ライン間ピッチは異なるが、３mm以下であればほとんどの処理条件においてライン間の領域でロール表面温度を測定することができるためである。
【００５８】
なお、必ずしも全てのロールで測定する必要はなく、複数あるロールのうち１本だけを測定し、その結果をもとに測定していないロールの加熱手段９の出力値を決めるような構成でも良い。前記温度差は必要とされる特性に対応する温度の管理幅によって決定され、管理幅が狭くより均一な特性を必要とする場合には、温度差を小さく設定し、管理幅が広く特性の均一性がさほど重視されない場合には温度差を大きく設定すれば良いことから、処理条件の緻密なコントロールが可能となる。
【００５９】
この熱処理炉は各ライン間の均一な熱処理が行えることから、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御可能とすることにより、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束を被熱処理物として酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化されたいわゆる耐炎化した繊維束を得る、耐炎化炉に好適である。炉内温度とは、熱風の熱処理室流入時の温度のことをいい、耐炎化炉の場合、具体的には、炉内温度とは、ダクト１２と熱処理室２とが接続している面１３の中心における熱風温度を示す。
【００６０】
図１では熱風が熱処理室２を上から下へ向かって流れる構成を示しているため、上側の接続している面の中心で温度を測定する。なお、熱風が下から上へ向かって流れる場合は、下側の接続している面の中心で温度を測定する。耐炎化炉では、繊維束に熱風を吹き付けて２００℃以上に加熱することで酸化または環化反応が起こりやすくなる。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃え切れてしまうため、炉内温度は３００℃以下であることが好ましい。
【００６１】
本発明の製造方法は、折り返しロールの表面温度の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することが好ましい。ロールの表面温度の最高温度と最低温度は、シート状に引き揃えられた被処理物の両端のライン間の領域におけるロールの表面温度の最高温度と最低温度を示す。最高温度と最低温度の測定は、非接触温度計によりロールの機幅方向中央部と端部で測定する前述の方法で行う。温度差は必要とされる特性に対応する温度の管理幅によって決定され、管理幅が狭くより均一な特性を必要とする場合には、温度差を小さく設定し、管理幅が広く特性の均一性がさほど重視されない場合には温度差を大きく設定すればよい。
【００６２】
本発明の製造方法は、1本の折り返しロールの機幅方向において、最も温度の高い中央部と、最も温度の低い端部の温度を、温度センサにより検出し、その温度差が小さくなるようフィードバックにより加熱手段９および／または冷却手段１４の出力値を決定した熱処理炉で製造することが好ましい。なお、ここでの端部とは、シート状に引き揃えられた被処理物のうち最もロール端部に近いラインと２番目に近いラインとの間のことを言う。
【００６３】
前述のとおり、本発明者は、従来の熱処理炉を用いた熱処理では特性のバラツキの小さな熱処理品を得ることが出来ない原因を検討したところ、熱処理室外の折り返しロールにおいて、軸受けからの放熱や大気との熱伝達によって、折り返しロールの機幅方向中央部と比較して機幅方向端部のロール温度が低下し、かかる端部を通過する繊維が、中央部を通過する繊維と比較して相対的に繊維温度が低くなり繊維束の反応が進みにくくなり、また、機幅方向で温度の異なる繊維束が熱処理炉内に入ることで炉内温度の斑につながるためであろうとの仮説の下に検討し本発明に至った。ここではかかる仮説の妥当性を確認し、本発明におけるヒータの配置等に関する知見を得るために、折り返しロールの、ロール内部の複数の領域に、別個に制御可能な加熱手段を備え、温度制御する系をコンピュータにより熱流体解析を行った。 図７、８のように構成されたモデル空間に対し、市販の汎用熱流体解析ソフト（株式会社シー・ディー・アダプコ・ジャパンの「ＳＴＡＲ−ＣＤ」）による熱流体解析を行った。なお、図９は図７のＢ−Ｂ’矢視の断面図である。本ソフトは流体の運動方程式であるナヴィエ・ストークス方程式を有限体積法により解析するものである。固体と流体の熱連成解析機能を用いることにより、ロールと糸の温度も解析することができる。なお、解析では糸の移動に伴い熱が輸送される現象もモデル化している。すなわち、炉外で温度の低下した被処理物が熱処理炉内に入ることによって、炉内温度が低下する現象も考慮されている。
【００６４】
解析は３次元で、機幅方向中央断面を対称面とした１／２モデルで行った。熱処理室の走行方向距離(ｘ)は７ｍ、高さ(y)は１.５ｍ、炉外領域の走行方向距離(w)は３ｍ、ロールはステンレス製の円筒中空で外径(d)０.２５ｍ、内径(d’)０.２０ｍ、スリット状開口距離(s)は０.０２ｍとした。機幅方向の長さ(z)は１.５ｍとした。直径３ｍｍの被処理物２５０本を揃えて、速度３ｍ／分でロールを介して２回折り返し、ジグザグに熱処理室を出入している。なお、１２５本の被処理物は、機幅方向で１０ｍｍの等間隔に引き揃えられている。
【００６５】
境界条件として、熱処理室内においては、上面に２５０℃の空気が流速１ｍ／秒で均一に供給される流入境界１６を、下面には上面より供給された流量分が流出する流出境界１７を、熱処理炉の内壁面には厚さ０.１ｍの断熱材に相当する壁面境界１９を与えた。熱処理室の外側領域には、上下面と側面が大気圧０.１MPaになるよう圧力境界１５を設定した。なお、解析初期における雰囲気温度は３０℃とし、圧力境界１５から解析領域に流入してくる空気の温度は３０℃とした。ロール領域には、３０℃の空気と熱伝達係数１０.０Ｗ／ｍ２Ｋで接触するような熱伝達境界２０を、ヒータに相当する領域の内壁面にヒータの出力値をヒータ出力境界２１として与え、冷却風を吹き付ける領域の外壁面に３０℃の空気と熱伝達境界６０.０Ｗ／ｍ２Ｋで接触するような冷却熱伝達境界２２を与えた。また、機幅方向中央断面には対称境界１８を設定することで１／２モデルにしている。
【００６６】
ロール２本だけで折り返している構成であるが、この構成で炉内温度の均一化効果を確認することができれば、ロールの数が増えた場合でも効果が得られることは明白である。よって、以上の条件は、本発明による熱処理炉の状況をよく模擬していると言える。
【００６７】
それぞれ図９、表１のように異ならせ、本発明の解析例、比較解析例として熱流体解析を行った。
【００６８】
図９は各解析例および比較解析例のロール断面形状を表している。ロール軸方向中央の断面に対して対称形状であるため半分のみを記載している。ヒータ(1)２３とヒータ(2)２４の出力および長さ、冷却風を吹き付ける領域２５の長さは表１に示すとおりである。
【００６９】
図１０、１１に示すロール表面および炉内６点、T1_ roll、T2_roll、T1_edge、T2_edge、T1_middle、T2_ middleにおける温度の解析結果から評価を行った。なお、図１１は図１０のＣ−Ｃ‘矢視の断面図である。温度評価位置の高さ(e)は０.６２５ｍ、T1とT2の機幅方向の間隔(ｄ)は1.２４５ｍとした。添え字「middle」は走行方向の炉内中央の位置で、「edge」は走行方向の炉壁からの距離(c)が０.２ｍの位置を表す。
【００７０】
表１に記載されている項目は、前記６点の温度結果を用いて下式により算出した値である。
【００７１】
【数１】
【００７２】
【表１】
【００７３】
[解析例１]
端部に５００W/m2のヒータが０．５m、中央部に２４０W/m2のヒータが１．０ｍ、ロール全体にヒータが設置されている状態とした。
【００７４】
[比較解析例１]
ヒータのない従来の一般的な熱処理炉と言える。ヒータを設けた解析例１と比較してロール表面の機幅方向温度差、炉内の機幅方向温度差のいずれも大きい。
【００７５】
[解析例２]
端部にのみ５００W/m2で長さ０.５ｍのヒータが設置されている状態とした。解析例１と比較してロールの温度が低下する端部に熱を与えているため、ロール表面、炉内のいずれも機幅方向温度差は小さくなっている。
【００７６】
[解析例3]
解析例２において端部のヒータを出力の異なる２つのヒータに等分して、それぞれの出力が５００W/m2と９５０W/m2の状態とした。最もロールの温度が下がる端部のヒータ出力を大きくしたことによって、ロール表面および炉内の機幅方向温度差は小さくなった。今回検討した解析例の中で最もロール表面および炉内の機幅方向温度差が小さいため、最も均一な特性の熱処理物を製造できると考えられる。
【００７７】
[解析例４]
解析例２において端部に５００W/m2で長さが０.２ｍのヒータが設置されている状態とした。ヒータ長さが短ければ、ロール表面温度を高く均一に保つことが難しくなる。
【００７８】
[解析例５]
解析例２において端部に５００W/m2で長さが１.０ｍのヒータが設置されている状態とした。解析例２と比較してロール表面および炉内の機幅方向温度差はが大きくなっている。ヒータ長さが長すぎても、ロール温度を均一に保つことが難しくなることがわかる。
【００７９】
[解析例６]
中央部に０．７５ｍ（全体モデルでは１．５ｍ）の冷却領域が設置されている状態とした。最もロールの温度が上がる中央部を冷却したことによって、比較解析例１と比較してロール表面および炉内の機幅方向温度差は小さくなった。
【００８０】
[解析例７]
解析例２において中央部に０．７５ｍ（全体モデルでは１．５ｍ）の冷却領域が設置されている状態とした。解析例２と比較して、ロール表面および炉内の機幅方向温度差は小さくなった。
以上の熱流体解析結果から本発明によりロール表面および炉内の機幅方向温度差を小さくすることができることから、均一な特性の熱処理物を製造できることを確認した。
【実施例】
【００８１】
本発明を実施例に基づいて説明する。
【００８２】
[実施例１]
図１２、１３のように構成された熱処理炉で評価を行った。前記熱処理炉は解析を実施した形状と同じである。ただし、解析は１／２モデルで実施したため、機幅方向の長さ(z’)は３ｍである。図１２は機幅方向中央断面における概略図を、図１３は図１２のD−D’における断面図である。熱処理室の走行方向距離(x)が７ｍ、機幅方向の長さ(z’)が３ｍ、高さ(y)が１.５ｍ、ロールはステンレス製の円筒中空で外径(d)０.２５ｍ、内径(d’)０.２０ｍ、スリット状開口距離(s)が０.０２ｍの耐炎化炉で評価を行った。直径３ｍｍのポリアクリロニトリルを含む繊維束２５０本を揃えて、速度３ｍ／分でロールを介して２回折り返し、ジグザグに熱処理室を出入している。なお、２５０本の繊維束は、機幅方向で１０ｍｍの等間隔に引き揃えている。それぞれのロール内部の両側端部には、長さ(L1)０.５ｍの遠赤外線ヒータ２６を設置した。これは、ロール全長の３３.３％の領域にヒータを設置したことになる。遠赤外線ヒータ２６はフィードバック制御回路を備えている。中央部と端部に設置された２つの温度センサ１０によって検出されたロール表面温度の最高温度と最低温度との温度差が１５℃以下になるように遠赤外線ヒータの出力を制御した。なお、温度センサには、スポット径２ｍｍの放射温度計を用いた。熱処理室には２５０℃の熱風を上から下へ向かって流速１ｍ／秒で均一に供給した。
【００８３】
ロール表面温度は温度センサ１０によって検出し（１）式で、炉内温度は図１０、１１に示す６箇所に熱電対を取り付けて（２）（３）式により評価した。
【００８４】
その結果、ロール表面の機幅方向温度差は１５℃、炉内の機幅温度差は１.３℃、と小さかった。
【００８５】
[比較例１]
実施例１においてヒータの電源をオフにした状態、すなわち従来の一般的な熱処理炉で測定を行った。
【００８６】
その結果、ロール表面の機幅方向温度差は４５℃、炉内の機幅温度差は３.３℃、と大きかった。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の１実施形態に係る熱処理炉の断面図である。
【図２】従来の熱処理炉の断面図である。
【図３】本発明の１実施形態に係る熱処理炉の断面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。
【図６】図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。
【図７】解析モデルの断面図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ’矢視の断面図である。
【図９】解析例および比較解析例のロール断面図である。
【図１０】温度評価位置を示す断面図である。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ’矢視の断面図である。
【図１２】本発明の１実施形態に係る熱処理炉の断面図である。
【図１３】図１２のＤ−Ｄ’矢視の断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ ：熱処理炉
１’：従来の熱処理炉
２ ：熱処理室
３ ：ヒータ
４ ：ファン
５ ：走行方向の炉壁
６ ：スリット状開口部
７ ：被熱処理物
７’：有機繊維束
８ ：折り返しロール
９ ：加熱手段
９ａ：加熱手段ａ
９ｂ：加熱手段ｂ
１０：温度センサ
１１：機幅方向の炉壁
１２：ダクト
１３：ダクトと熱処理室とが接続している面
１４：冷却手段
１５：圧力境界
１６：流入境界
１７：流出境界
１８：対称境界
１９：壁面境界
２０：熱伝達境界
２１：ヒータ出力境界
２２：冷却熱伝達境界
２３：ヒータ(1)
２４：ヒータ(2)
２５：冷却風を吹き付ける領域
２６：遠赤外線ヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理炉および熱処理物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、炭素繊維の製造工程の一つに代表されるように、有機繊維束に熱処理を行い連続的に熱処理物を製造する技術分野が存在する。かかる連続的な熱処理の工程では、熱により化学反応を進行させているが、化学反応が発熱反応の場合、加熱により反応を開始させるとともに、反応熱を除熱し、化学反応を制御することが必要である。前述の炭素繊維の例では、有機繊維束に熱風を吹き付けることにより有機繊維束を加熱し、酸化または環化反応を促している。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃えて切れてしまう。よって、熱風による加熱と除熱のバランスをとる必要があり、低速で長時間、熱処理することにより製造を行っている。
【０００３】
このような製造工程では、処理が低速であることから、生産性を上げるためには同時に処理する有機繊維束の本数を増やす必要がある。このため、多数本の有機繊維をシート状に引き揃え、ライン数を増やして熱処理を行っている。
【０００４】
また、低速であるが故に長時間熱処理をする必要があることから、装置の大型化を抑制しつつ有効反応長を確保するために、１つの熱処理炉の中を何度も折り返している。
【０００５】
かかる必要から、低速で長時間、熱処理するための熱処理炉として図２に示すような熱処理炉１’が使われている。
【０００６】
熱処理炉１’では、水平方向にシート状に引き揃えられた多数本の有機繊維束７’が、スリット状開口部６を通って熱処理室２内に入り熱処理され、スリット状開口部６を通って一旦処理室外へ出、折り返しロール８により走行方向を１８０°折り返され、再度、熱処理室内に入るということを複数回繰り返して熱処理される。
【０００７】
かかる構造の熱処理炉により、炭素繊維を製造する際に、多数の有機繊維束を同時に熱処理するため、製造された炭素繊維の特性にライン間でバラツキが生じることがあった。
【０００８】
ライン間の特性のバラツキは、熱処理のムラに起因するものと考えられるが、熱処理のムラとはすなわち酸化または環化反応の進み具合、すなわち反応率にムラがあることである。反応率は糸温度によって決まり、糸温度は熱処理炉内の温度に依存するため、特性のバラツキは炉内温度ムラが要因の一つと考えられる。そのため、これまで炉内の温度を均一化する手段が種々検討されてきた。
【０００９】
例えば、特許文献１において、有機繊維束が熱処理室内に入るスリットの上流側に遠赤外線や熱風により繊維の加熱手段を備えることで、処理室内のスリット状開口部近傍の温度低下を抑制する技術が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２において、熱風循環室により熱処理室の四方を囲むことで熱処理室全体を保温し、熱処理室の壁からの放熱を抑制し機幅方向の温度を均一化する技術が開示されている。
【００１１】
これらは、いずれもスリット状開口部あるいは、熱処理室の壁からの放熱を抑制することで、炉内温度を均一としようとするものであるが、これらの方法を適用しても、製品の特性のバラツキ改善には限界があった。
【特許文献１】特開2003-342838号公報
【特許文献２】特開2000-178836号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、熱処理ムラがなく、特性のバラツキの小さな熱処理品を生産性良く得ることが可能な熱処理炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、従来の熱処理炉を用いた熱処理では特性のバラツキの小さな熱処理品を得ることが出来ない原因を検討したところ、熱処理室外の折り返しロールにおいて、軸受けからの放熱や大気との熱伝達によって、折り返しロールの機幅方向中央部と比較して機幅方向端部のロール温度が低下し、かかる端部を通過する繊維が、中央部を通過する繊維と比較して相対的に繊維温度が低くなり繊維束の反応が進みにくくなり、また、機幅方向で温度の異なる繊維束が熱処理炉内に入ることで炉内温度の斑につながるためであろうとの考えの下に、折り返しロールの、ロール内部の複数の領域に、別個に制御可能な加熱手段を備え、温度制御してみたところ、従来の熱処理炉と比較して、格段に特性のバラツキの小さな熱処理品を得られることを見出した。すなわち、本発明は、以下に規定する熱処理炉及び熱処理物の製造方法を提供する。
【００１４】
（１）折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備えた熱処理炉において、該折り返しロールが、ロールの内部の複数の領域に、別個に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする熱処理炉。
【００１５】
（２）前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている（１）に記載の熱処理炉。
【００１６】
（３）前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として冷却手段が、ロールの中央の領域に設置されている請求項１に記載の熱処理炉。
【００１７】
（４）前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段としてロール両端の領域に加熱手段、ロール中央部の領域に冷却手段を設置した請求項１に記載の熱処理炉。
【００１８】
（５）前記ロール両端の領域において、ロールの内部の加熱手段が、機幅方向にさらに２つ以上の領域に分割されており、それぞれの領域で独立した制御手段を有する（２）または（４）に記載の熱処理炉。
【００１９】
（６）前記ロールの内部の加熱手段が、ロール両端からロールの全長の２０％以上５０％以下の領域に設置されている（２）（４）および（５）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２０】
（７）加熱手段が遠赤外線ヒータである（２）、（４）および（５）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２１】
（８）前記ロールの内部の加熱手段が、ロールの表面温度を検出する温度センサと該温度センサにより検出された温度に基づいてフィードバック制御する制御回路を有する（１）から（７）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２２】
（９）前記ロールの内部の温度調整手段が、２００℃以上３００℃以下に温度制御可能である（１）から（８）のいずれかに記載の熱処理炉。
【００２３】
（１０）折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、前記折り返しロールがロールの内部の複数の領域に分割され、少なくともひとつの領域に制御可能な温度調整手段を備えた熱処理炉を用いて、前記折り返しロールの表面の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することを特徴とする熱処理物の製造方法。
【００２４】
（１１）ロールの中央の領域とそれを挟む両端の領域のロールの表面温度を検出し、該表面温度の差をフィードバックして加熱および／または冷却手段を制御する（１０）に記載の熱処理物の製造方法。
【００２５】
（１２）被熱処理物が、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束であり、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御した前記熱処理炉にて酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化された繊維束を得る（１０）または（１１）に記載の熱処理物の製造方法。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、熱処理ムラを小さくすることができるため、均一な特性の熱処理物を製造することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の熱処理炉は、折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備えた熱処理炉において、該折り返しロールのロールの内部が、複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする。
【００２８】
折り返して水平走行する被熱処理物とは、典型的には有機繊維束に熱処理を行い連続的に熱処理物を製造する場合の有機繊維束が挙げられ、たとえば、炭素繊維の製造工程の一つである耐炎化工程における炭素繊維前駆体であるポリアクリロニロニトリル系繊維が挙げられる。このような工程では、熱により化学反応を進行させているが、化学反応が発熱反応の場合、加熱により反応を開始させるとともに、反応熱を除熱し、化学反応を制御することが必要である。前述の炭素繊維の例では、有機繊維束に熱風を吹き付けることにより有機繊維束を加熱し、酸化または環化反応を促している。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃えて切れてしまう。よって、熱風による加熱と除熱のバランスをとる必要があり、低速で長時間、熱処理することにより製造を行っている。
【００２９】
このような製造工程では、処理が低速であることから、生産性を上げるためには同時に処理する有機繊維束の本数を増やす必要がある。このため、かかる工程に適用する熱処理炉では多数本の被熱処理物（前述の例では有機繊維束）をシート状に引き揃え、ライン数を増やして熱処理を行っている。
【００３０】
また、本発明の熱処理炉は、前述のように、熱風による加熱と除熱のバランスをとる必要から、低速で長時間熱処理をする必要があることから、装置の大型化を抑制しつつ有効反応長を確保するために、１つの熱処理炉の中を何度も折り返している。このため複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、これにより折り返して、走行させる構成を採るものである。
【００３１】
本発明の熱処理炉は、折り返しロールのロールの内部が、複数の領域に分割されている。本発明においてロールの内部とは、ロールを幅方向に見たときの幅方向の位置をいい、ロールの内部が複数の領域に分割されているとは、ロールの幅方向に制御可能な温度調節手段を有する部分領域が少なくとも１あり、１または複数の、制御可能な温度調節手段を有する部分領域と、温度調節手段を有しない部分領域とが配置されている、あるいは、制御可能な温度調節手段を有する部分領域が複数配置されていることをいう。かかる制御可能な温度調節手段を有する部分領域、温度調節手段を有しない部分領域という場合の領域の境界は、ロールの内側部分に隔壁を有するなど構造的に明確でなくても良い。例えば、制御可能な温度調節手段を有する部分領域が複数（制御可能な温度調節手段ごとに１の領域と数えるものとする）並んで配置されている場合、隣接する制御可能な温度調節手段の中間点を境界とする。なお、制御可能な温度調節手段を有する部分領域が並んで配置されているとは、隣接する制御可能な温度調節手段の間隔が、１５０ｍｍ以内であることをいうものとする。また、制御可能な温度調節手段を有する部分領域と温度調節手段を有しない部分領域が隣接している部分では、制御可能な温度調節手段の最端部に対応する位置を制御可能な温度調節手段を有する部分領域と温度調節手段を有しない部分領域との境界とする。
【００３２】
本発明の熱処理炉は前述のように、ロールの内部が、複数の領域に分割されているが、その少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする。ここで、制御可能な温度調節手段とは、ロールを任意の温度に維持するため、ロールの温度に応じてロールを加熱または冷却するための手段のことをいう。
【００３３】
加熱手段としては直接加熱方式と間接加熱方式とがある。直接加熱方式とはロール内部にヒータの入る穴を加工してヒータを挿入したり高温の熱媒を循環したりしてロールを直接加熱する方法である。挿入するヒータとしては、例えばシーズヒータやカートリッジヒータが一般的である。しかし、ロールの内部にヒータを挿入してしまうと、ロールが回転しているために、ヒータへ電力を供給することが困難になる。熱媒でも同様に熱媒の供給、回収が困難になる。一方、間接加熱方式とは、ロールの内部の空気を加熱して熱伝達によりロールを加熱する方式、または、ふく射によりロールの内壁面を加熱する方式のことを言う。
【００３４】
冷却手段も直接冷却方式と間接冷却方式とがある。直接冷却方式にはロール内部に流路を作成し冷却水を循環させる方法等がある。間接冷却方式には冷却風を吹き付ける方法等がある。
【００３５】
本発明の熱処理炉の好ましい態様の１つとして、前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成が挙げられる。ここで、中央の領域とは、ロールの軸方向に垂直な面でロールを３つの領域に区分した場合の真ん中の領域をいい、それを挟む両端の領域とは、中央の領域の両側にある残りの２つの領域をいう。仕切り板で物理的に区分されていてもよいし、必ずしも物理的に区分されている必要はない。また、加熱手段としては、ロールの温度を上げるためのものであれば特に限定されず、ロール内部にヒータの入る穴を加工してシーズヒータやカートリッジヒータ等を挿入する、ロールに流路を形成して熱媒を循環させる、ロール内部に赤外線ヒータを設置する等の手段がある。かかる構成をとることにより、軸受けからの放熱や大気との熱伝達により機幅方向中央部と比較して温度の下がり易かった端部の温度を上げることができ、ロール温度を機幅方向で均一にすることが可能となるので好ましい。
【００３６】
本発明の熱処理炉の好ましい態様の１つとして、前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前期温度調整手段として冷却手段が、ロールの中央の領域に設置されている構成が挙げられる。また、冷却手段としては、ロールの温度を下げることができる手段であれば特に限定されず、ロールに流路を形成して冷却水を循環させる、ロールに冷却風を吹き付ける等の手段がある。かかる構成をとることにより、中央部の温度を下げることができ、ロール温度を機幅方向で均一にすることが可能となるので好ましい。
【００３７】
本発明の熱処理炉の好ましい態様の１つとして、前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前期温度調整手段としてロール両端の領域に加熱手段、ロール中央部の領域に冷却手段を設置されている構成が挙げられる。かかる構成をとることにより、温度の下がりやすいロールの両端部が加熱され、温度の下がりにくいロールの中央部が冷却されることでロール温度を機幅方向で均一にすることが可能となるので好ましい。
【００３８】
本発明の熱処理炉は、前述の温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成において、ロールの内部の加熱手段が、各端部領域において、機幅方向にさらに２つ以上の領域に分割されており、それぞれの領域が独立した制御手段を有することが好ましい。かかる構成とすることにより、中央部から端部へ向かって連続的に温度が低下するロールに対して、端部のロールほど出力値を上げるというようなより精密な温度コントロールが可能となるためである。ここで、独立した制御手段とは、複数ある加熱手段にそれぞれに対して出力値が設定できることをいう。たとえば図４に前記折り返しロール８の各端部の加熱手段を２つの領域に分割した例を示す。９ａの加熱手段を９ｂの出力よりも大きくすることによって、ロール表面温度をより均一な状態に保つことが可能となる。
【００３９】
本発明の熱処理炉は、前述の温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成において、ロールの内部の加熱手段が、ロール両端からロールの全長の２０％以上５０％以下の領域に設置されていることが好ましい。ここで、ロールの全長とは、炉の側壁間距離をいう。炉の側壁とは例えば図３において機幅方向の炉壁１１のことであり、すなわちロールの全長はＷのことをいう。ロール全長の３０％の場合、ロール全長１５％の長さの加熱手段がロールの両端部に１つずつ設置されていることをいう。５０％以上の長さでは、機幅方向中央部まで加熱手段を設置することになる。しかし、中央部は温度が高いため、加熱の必要性が低いためである。かかる構成とすることにより、ロール表面温度をより均一な状態に保つことが可能となるためである。
【００４０】
本発明の熱処理炉は、前述の温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている構成において、ロールの内部の加熱手段が、遠赤外線ヒータであることが好ましい。ここで、遠赤外線ヒータは、電磁波の内の遠赤外線を物体に放射吸収させて熱を発生させるヒータでたとえばセラミックヒータ、石英ヒータ等のことをいう。加熱手段として、遠赤外線ヒータを用いることにより、ヒータを固定した状態で回転するロールの内壁面を間接的に加熱するためヒータへの電力の供給が容易であり、また、輻射を利用するために熱損失が少ないためである。
【００４１】
本発明の熱処理炉は、前記ロールの内部の温度調整手段が、ロールの表面温度を検出する温度センサと該温度センサにより検出された温度に基づいてフィードバック制御する制御回路を有することが好ましい。温度センサとは、温度を検知して電気信号に変換する器具のことであり、例えば接触式のサーミスタや熱電対、非接触式の放射温度計等のことをいう。接触式の温度計は、測定部と被処理物とが接触して品質の悪化や、被処理物が切断されることによる生産性の悪化といった問題を引き起こす可能性があるため非接触式の温度センサを用いることが好ましい。スポット径は３mm以下であることが望ましい。処理条件により被処理物の径、ライン間ピッチは異なるが、３mm以下であればほとんどの処理条件においてライン間の領域でロール表面温度を測定することができるためである。フィードバック制御する制御回路とは温度調節手段の出力値を自動的に調整する回路のことで、たとえば、ロール表面温度の最高温度と最低温度との差が小さくなるように温度調整手段の出力値を決定することのできる回路のことを言う。かかる構成をとることにより、外気温や生産条件によらずロール表面温度を機幅方向で均一に保つことが可能となる。
【００４２】
本発明の熱処理炉は、前記ロール内部の温度調整手段が、２００℃以上３００度以下に温度制御可能であることが望ましい。この熱処理炉は各ライン間の均一な熱処理が行えることから、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御可能とすることにより、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束を被熱処理物として酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化されたいわゆる耐炎化した繊維束を得る、耐炎化炉に好適である。炉内温度とは、熱風の熱処理室流入時の温度のことをいい、耐炎化炉の場合、具体的には、炉内温度とは、ダクト１２と熱処理室２とが接続している面１３の中心における熱風温度を示す。
図１では熱風が熱処理室２を上から下へ向かって流れる構成を示しているため、上側の接続している面の中心で温度を測定する。なお、熱風が下から上へ向かって流れる場合は、下側の接続している面の中心で温度を測定する。耐炎化炉では、繊維束に熱風を吹き付けて２００℃以上に加熱することで酸化または環化反応が起こりやすくなる。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃え切れてしまうため、炉内温度は３００℃以下であることが好ましい。
【００４３】
本発明の熱処理物の製造方法は、折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、前記折り返しロールがロールの内部が複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えた熱処理炉を用いて、前記折り返しロールの表面の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することを特徴とする。ロールの表面温度の最高温度と最低温度とは、シート状に引き揃えられた被処理物の両端のライン間の領域におけるロールの表面温度の最高温度と最低温度のことを言う。最高温度と最低温度の測定は、例えば、非接触温度計によりロールの機幅方向中央部と端部で測定する前述の方法で行う。温度差は必要とされる特性に対応する温度の管理幅によって決定され、管理幅が狭くより均一な特性を必要とする場合には、温度差を小さく設定し、管理幅が広く特性の均一性がさほど重視されない場合には温度差を大きく設定すればよい。かかる構成をとることにより、ロール機幅方向の最高温度と最低温度との差を管理することができるため、熱処理量を制御することができる。その結果、糸の太さムラ等の特性のバラツキを制御することが可能となる。 本発明の熱処理物の製造方法は、ロールの中央と端部のロール表面温度を検出し、該表面温度の差をフィードバックして加熱および／または冷却手段を制御することを特徴とする。ロールの中央とは、最も温度の高い機幅方向の２つの炉壁の中間をいい、端部とは、最も温度の低いシート状に引き揃えられた被処理物のうち最もロール端部に近いラインと２番目に近いラインとの間のことをいう。かかる構成をとることにより、少ない温度の検出数で効率的にフィードバックをかけることが可能となる。
【００４４】
本発明の熱処理物の製造方法とは、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束であり、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御した前記熱処理炉にて酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化された繊維束を得る。連続繊維束とは、単糸が数千から数万本束めたマルチフィラメントのことをいう。酸化雰囲気下とは、酸素が含有している気体のことをいい、たとえば空気のようなものである。少なくとも部分的に酸化または環化したとは、ポリアクリルニトリルの分子鎖内のある部分では酸化または環化反応が進んでいるが残りの部分では反応が進んでいないということである。
【００４５】
以下に本発明の望ましい実施の１形態を例に、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
図１は温度調節手段として加熱手段を用いた場合の熱処理炉の一例を簡略化して示した断面図で、図４は図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。図１において、熱処理炉１は、熱処理室２、ダクト１２、ダクト内ヒータ３、ファン４を有する熱処理炉全体を示している。ダクト内ヒータ３で所望の温度に加熱された熱風は、ファン４で送風されて、熱処理室２内を上から下へ向けて流れる。熱処理室２を流れ出た熱風は再びダクト１２へ送風される。このように、ダクト内ヒータ３で所望の温度に加熱された熱風はファン４により熱処理室２とダクト１２を循環している。なお、熱処理室２内を熱風が下から上へ向かって流れるように循環方向を逆転させても良い。
【００４７】
熱処理室２は、一対の走行方向の炉壁５にスリット状開口部６と前記走行方向の炉壁５の外部で前記スリット状開口部６の間に折り返しロール８を有する。機幅方向の炉壁１１やダクト１２は断熱材により覆われていることが好ましい。熱効率を高めることによりダクト内ヒータ３の消費電力を小さくすることができるためである。本発明の熱処理炉１は、かかる構造を有することにより、該スリット状開口部６を介して熱処理室２にシート状に機幅方向に引き揃えられた多本数の被熱処理物（図中では有機繊維束７）を通過させ熱処理を行うものである。
【００４８】
シート状に機幅方向に引き揃えられた多本数の被熱処理物（図中では有機繊維束７）は該スリット状開口部６から、一旦、炉外に出、折り返しロール８によって走行方向を１８０°折り返し、再度、熱処理室２に入る。これらを繰り返して熱処理室２内を通過し、熱処理される。また、熱風を流す方向についても、この形態では引き揃えられた被熱処理物を含む面に対して垂直な方向に流すように構成しているが、引き揃えられた被熱処理物を含む面に対して平行な方向に流すように構成しても良い。また、上記の形態においては、被熱処理物が熱処理室内を５回通過するようにしているが、通過回数は、被熱処理物の走行速度、炉体長等に応じて必要な処理時間を確保できるよう、任意に設定して良い。
【００４９】
本例においては、前記折り返しロール８は、その内部の複数の領域に別個に出力を制御することができる加熱手段９が設けられている。
【００５０】
加熱手段９が折り返しロール８の外部に設置された場合、生産開始時に被熱処理物（図中では有機繊維束７）を折り返しロール８に掛けるときに邪魔になり作業性が悪化する。また、生産中に被熱処理物が切れて折り返しロール８に巻きついたとき、被熱処理物が加熱手段９に接触して火災を引き起こす可能性がある。かかる理由により加熱手段９は折り返しロール８の内部に設置することが好ましい。また、加熱手段は、折り返しロール８の複数の領域に備えられ、かつ、別個に制御できることが必要である。折り返しロール８は、温度調整手段を設けない場合には、熱処理室２を通過することで温度の高くなっている被熱処理物と接触している機幅方向中央部の温度が高く、一方、軸受けからの放熱や大気との熱伝達によって端部の温度が低くなっている。したがって、１つの加熱手段９で折り返しロール８全体を均一に加熱するのでは、機幅方向の温度むらを小さくするのが困難である。かかる理由により、折り返しロール８の温度を機幅方向で均一に保つためには、複数の加熱手段９を折り返しロール８の内部に設置し、それぞれの設置領域における折り返しロール８の温度に合わせて別個に加熱手段９の出力を制御することが必要である。
【００５１】
前記折り返しロール８の温度は機幅方向中央部から端部へ向けて温度が低下する場合が多いため、前記折り返しロール８の内部の加熱手段９は、少なくとも折り返しロール８の両端部に設置されることが前記折り返しロール８の温度を幅方向に均一化できることから好ましい。ただし、温度の高い折り返しロール８の機幅方向中央部の温度より高い温度で均一化するのであるならば、前記折り返しロール８の内部の加熱手段９は、両側端部だけでなく、中央部にも設置して折り返しロール８全体に設置されても良い。中央部の加熱手段９の出力は小さく、両側端部の出力は大きくすることで、折り返しロール８の機幅方向中央部の温度より高い温度で均一化することが可能となる。
【００５２】
また、温度調節手段として、加熱手段９に換えて／または加えて、前記折り返しロール８の機幅方向中央部に冷却手段を設置しても折り返しロール８の温度を機幅方向で均一に保つことができる。かかる態様においては、冷却手段として冷却風をロールに吹き付ける構成が温度が下がり易く好ましい。図５に示す様に折り返しロールの両端部に加熱手段９を、さらに中央部に冷却手段１４を設置することも好ましい。なお、かかる態様におけるロール８に冷却手段を設置した領域とは、ロール８の冷却手段１４に対向する冷却手段１４の幅の領域をいうものとする。
【００５３】
また、前記折り返しロール８の温度は幅方向に連続的に温度が低下するため、１つの加熱手段だけでロール温度を均一に保つことは困難な場合がある。このような場合には、前記折り返しロール８の各端部の加熱手段を２つ以上の領域に分割して設置することも好ましい。かかる構成を採ることにより、端部のヒータほど出力値をあげるというようなより精密な温度コントロールが可能となるため、ロール表面温度をより均一に保つことができるためである。図６に前記折り返しロール８の各端部の加熱手段を２つの領域に分割した例を示す。９aの加熱手段の出力を９bの出力よりも大きくすることによって、ロール表面温度をより均一な状態に保つことが可能となる。
【００５４】
加熱手段９の長さは、ロール全長の２０％以上５０％以下であることが好ましい。５０％以上の長さでは、機幅方向中央部まで加熱手段９を設置することになる。しかし、中央部は温度が高いため、加熱の必要性が低い場合が多い。すなわち、加熱手段９は別個に制御できるため、中央部の加熱手段９は、必要性が低いためである。
【００５５】
一方、２０％以下の長さでは、外気温が低い場合などには、折り返しロール８の機幅方向温度を均一に保つことが難しくなる場合が生じるためである。
【００５６】
折り返しロールの加熱方法は、折り返しロールの内部に遠赤外線ヒータを取り付けて折り返しロールの内壁面を加熱するのが好ましい。ロールの加熱方法としては、直接加熱方式と間接加熱方式が考えられる。直接加熱方式とは、ロール内部にヒータの入る穴を加工してヒータを挿入してヒータを直接加熱する方法である。挿入するヒータとしては、シーズヒータやカートリッジヒータが一般的である。しかし、ロールの内部にヒータを挿入してしまうと、ロールが回転しているために、ヒータへ電力を供給することが困難になる。一方、間接加熱方式とは、ロールの内部の空気を加熱して熱伝達によりロールを加熱する方式、または、ふく射によりロールの内壁面を加熱する方式のことを言う。間接加熱では、ヒータを固定した状態で回転するロールの内壁面を間接的に加熱するためヒータへの電力の供給は問題にならない。空気を加熱して熱伝達によりロールを加熱する方式は、空気を介してロールを加熱するために熱損失が大きい。一方、ふく射による加熱方式は、ロールの内壁面を加熱し空気を加熱しにくいので熱損失が少ない。かかる理由により、ふく射を利用した遠赤外線ヒータを用いることが好ましい。
【００５７】
本発明の熱処理炉は、前記折り返しロール８の表面温度を検出する温度センサ１０と該温度センサにより検出された温度に基づいて、加熱手段９および／または冷却手段１４をフィードバック制御する制御回路を有することが好ましい。かかる構成を有することにより、加熱手段９および／または冷却手段１４の出力値を、ロールの表面温度の最高温度と最低温度との温度差により決定することができる。なお、ロールの表面温度の最高温度と最低温度は、シート状に引き揃えられた被処理物の両端のライン間の領域におけるロールの表面温度の最高温度と最低温度を示し、測定に用いる温度センサは、非接触温度計が好ましい。接触式の温度計は、測定部と被処理物とが接触して品質の悪化や、被処理物が切断されることによる生産性の悪化といった問題を引き起こす可能性があるためである。ロール表面温度の測定は、１本のロールに対して少なくとも機幅方向中央部と端部の少なくとも２箇所で行うことが好ましい。なお、ここでいう端部とは、シート状に引き揃えられた被処理物のうち最もロール端部に近いラインと２番目に近いラインとの間のことを言う。中央部で最高温度を、端部で最低温度を測定する。さらに好ましくは、中央部と両側端部の３箇所で行うことが好ましい。熱処理炉の形状が必ずしも左右対称であるとは限らないためである。この場合、両側端部の２つの測定値は、その平均値を最低温度とする。なお、温度センサのスポット径は直径３mm以下であることが望ましい。処理条件により被処理物の径、ライン間ピッチは異なるが、３mm以下であればほとんどの処理条件においてライン間の領域でロール表面温度を測定することができるためである。
【００５８】
なお、必ずしも全てのロールで測定する必要はなく、複数あるロールのうち１本だけを測定し、その結果をもとに測定していないロールの加熱手段９の出力値を決めるような構成でも良い。前記温度差は必要とされる特性に対応する温度の管理幅によって決定され、管理幅が狭くより均一な特性を必要とする場合には、温度差を小さく設定し、管理幅が広く特性の均一性がさほど重視されない場合には温度差を大きく設定すれば良いことから、処理条件の緻密なコントロールが可能となる。
【００５９】
この熱処理炉は各ライン間の均一な熱処理が行えることから、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御可能とすることにより、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束を被熱処理物として酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化されたいわゆる耐炎化した繊維束を得る、耐炎化炉に好適である。炉内温度とは、熱風の熱処理室流入時の温度のことをいい、耐炎化炉の場合、具体的には、炉内温度とは、ダクト１２と熱処理室２とが接続している面１３の中心における熱風温度を示す。
【００６０】
図１では熱風が熱処理室２を上から下へ向かって流れる構成を示しているため、上側の接続している面の中心で温度を測定する。なお、熱風が下から上へ向かって流れる場合は、下側の接続している面の中心で温度を測定する。耐炎化炉では、繊維束に熱風を吹き付けて２００℃以上に加熱することで酸化または環化反応が起こりやすくなる。その反応は、発熱を伴っており除熱しなければ暴走反応により有機繊維束が燃え切れてしまうため、炉内温度は３００℃以下であることが好ましい。
【００６１】
本発明の製造方法は、折り返しロールの表面温度の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することが好ましい。ロールの表面温度の最高温度と最低温度は、シート状に引き揃えられた被処理物の両端のライン間の領域におけるロールの表面温度の最高温度と最低温度を示す。最高温度と最低温度の測定は、非接触温度計によりロールの機幅方向中央部と端部で測定する前述の方法で行う。温度差は必要とされる特性に対応する温度の管理幅によって決定され、管理幅が狭くより均一な特性を必要とする場合には、温度差を小さく設定し、管理幅が広く特性の均一性がさほど重視されない場合には温度差を大きく設定すればよい。
【００６２】
本発明の製造方法は、1本の折り返しロールの機幅方向において、最も温度の高い中央部と、最も温度の低い端部の温度を、温度センサにより検出し、その温度差が小さくなるようフィードバックにより加熱手段９および／または冷却手段１４の出力値を決定した熱処理炉で製造することが好ましい。なお、ここでの端部とは、シート状に引き揃えられた被処理物のうち最もロール端部に近いラインと２番目に近いラインとの間のことを言う。
【００６３】
前述のとおり、本発明者は、従来の熱処理炉を用いた熱処理では特性のバラツキの小さな熱処理品を得ることが出来ない原因を検討したところ、熱処理室外の折り返しロールにおいて、軸受けからの放熱や大気との熱伝達によって、折り返しロールの機幅方向中央部と比較して機幅方向端部のロール温度が低下し、かかる端部を通過する繊維が、中央部を通過する繊維と比較して相対的に繊維温度が低くなり繊維束の反応が進みにくくなり、また、機幅方向で温度の異なる繊維束が熱処理炉内に入ることで炉内温度の斑につながるためであろうとの仮説の下に検討し本発明に至った。ここではかかる仮説の妥当性を確認し、本発明におけるヒータの配置等に関する知見を得るために、折り返しロールの、ロール内部の複数の領域に、別個に制御可能な加熱手段を備え、温度制御する系をコンピュータにより熱流体解析を行った。 図７、８のように構成されたモデル空間に対し、市販の汎用熱流体解析ソフト（株式会社シー・ディー・アダプコ・ジャパンの「ＳＴＡＲ−ＣＤ」）による熱流体解析を行った。なお、図９は図７のＢ−Ｂ’矢視の断面図である。本ソフトは流体の運動方程式であるナヴィエ・ストークス方程式を有限体積法により解析するものである。固体と流体の熱連成解析機能を用いることにより、ロールと糸の温度も解析することができる。なお、解析では糸の移動に伴い熱が輸送される現象もモデル化している。すなわち、炉外で温度の低下した被処理物が熱処理炉内に入ることによって、炉内温度が低下する現象も考慮されている。
【００６４】
解析は３次元で、機幅方向中央断面を対称面とした１／２モデルで行った。熱処理室の走行方向距離(ｘ)は７ｍ、高さ(y)は１.５ｍ、炉外領域の走行方向距離(w)は３ｍ、ロールはステンレス製の円筒中空で外径(d)０.２５ｍ、内径(d’)０.２０ｍ、スリット状開口距離(s)は０.０２ｍとした。機幅方向の長さ(z)は１.５ｍとした。直径３ｍｍの被処理物２５０本を揃えて、速度３ｍ／分でロールを介して２回折り返し、ジグザグに熱処理室を出入している。なお、１２５本の被処理物は、機幅方向で１０ｍｍの等間隔に引き揃えられている。
【００６５】
境界条件として、熱処理室内においては、上面に２５０℃の空気が流速１ｍ／秒で均一に供給される流入境界１６を、下面には上面より供給された流量分が流出する流出境界１７を、熱処理炉の内壁面には厚さ０.１ｍの断熱材に相当する壁面境界１９を与えた。熱処理室の外側領域には、上下面と側面が大気圧０.１MPaになるよう圧力境界１５を設定した。なお、解析初期における雰囲気温度は３０℃とし、圧力境界１５から解析領域に流入してくる空気の温度は３０℃とした。ロール領域には、３０℃の空気と熱伝達係数１０.０Ｗ／ｍ２Ｋで接触するような熱伝達境界２０を、ヒータに相当する領域の内壁面にヒータの出力値をヒータ出力境界２１として与え、冷却風を吹き付ける領域の外壁面に３０℃の空気と熱伝達境界６０.０Ｗ／ｍ２Ｋで接触するような冷却熱伝達境界２２を与えた。また、機幅方向中央断面には対称境界１８を設定することで１／２モデルにしている。
【００６６】
ロール２本だけで折り返している構成であるが、この構成で炉内温度の均一化効果を確認することができれば、ロールの数が増えた場合でも効果が得られることは明白である。よって、以上の条件は、本発明による熱処理炉の状況をよく模擬していると言える。
【００６７】
それぞれ図９、表１のように異ならせ、本発明の解析例、比較解析例として熱流体解析を行った。
【００６８】
図９は各解析例および比較解析例のロール断面形状を表している。ロール軸方向中央の断面に対して対称形状であるため半分のみを記載している。ヒータ(1)２３とヒータ(2)２４の出力および長さ、冷却風を吹き付ける領域２５の長さは表１に示すとおりである。
【００６９】
図１０、１１に示すロール表面および炉内６点、T1_ roll、T2_roll、T1_edge、T2_edge、T1_middle、T2_ middleにおける温度の解析結果から評価を行った。なお、図１１は図１０のＣ−Ｃ‘矢視の断面図である。温度評価位置の高さ(e)は０.６２５ｍ、T1とT2の機幅方向の間隔(ｄ)は1.２４５ｍとした。添え字「middle」は走行方向の炉内中央の位置で、「edge」は走行方向の炉壁からの距離(c)が０.２ｍの位置を表す。
【００７０】
表１に記載されている項目は、前記６点の温度結果を用いて下式により算出した値である。
【００７１】
【数１】
【００７２】
【表１】
【００７３】
[解析例１]
端部に５００W/m2のヒータが０．５m、中央部に２４０W/m2のヒータが１．０ｍ、ロール全体にヒータが設置されている状態とした。
【００７４】
[比較解析例１]
ヒータのない従来の一般的な熱処理炉と言える。ヒータを設けた解析例１と比較してロール表面の機幅方向温度差、炉内の機幅方向温度差のいずれも大きい。
【００７５】
[解析例２]
端部にのみ５００W/m2で長さ０.５ｍのヒータが設置されている状態とした。解析例１と比較してロールの温度が低下する端部に熱を与えているため、ロール表面、炉内のいずれも機幅方向温度差は小さくなっている。
【００７６】
[解析例3]
解析例２において端部のヒータを出力の異なる２つのヒータに等分して、それぞれの出力が５００W/m2と９５０W/m2の状態とした。最もロールの温度が下がる端部のヒータ出力を大きくしたことによって、ロール表面および炉内の機幅方向温度差は小さくなった。今回検討した解析例の中で最もロール表面および炉内の機幅方向温度差が小さいため、最も均一な特性の熱処理物を製造できると考えられる。
【００７７】
[解析例４]
解析例２において端部に５００W/m2で長さが０.２ｍのヒータが設置されている状態とした。ヒータ長さが短ければ、ロール表面温度を高く均一に保つことが難しくなる。
【００７８】
[解析例５]
解析例２において端部に５００W/m2で長さが１.０ｍのヒータが設置されている状態とした。解析例２と比較してロール表面および炉内の機幅方向温度差はが大きくなっている。ヒータ長さが長すぎても、ロール温度を均一に保つことが難しくなることがわかる。
【００７９】
[解析例６]
中央部に０．７５ｍ（全体モデルでは１．５ｍ）の冷却領域が設置されている状態とした。最もロールの温度が上がる中央部を冷却したことによって、比較解析例１と比較してロール表面および炉内の機幅方向温度差は小さくなった。
【００８０】
[解析例７]
解析例２において中央部に０．７５ｍ（全体モデルでは１．５ｍ）の冷却領域が設置されている状態とした。解析例２と比較して、ロール表面および炉内の機幅方向温度差は小さくなった。
以上の熱流体解析結果から本発明によりロール表面および炉内の機幅方向温度差を小さくすることができることから、均一な特性の熱処理物を製造できることを確認した。
【実施例】
【００８１】
本発明を実施例に基づいて説明する。
【００８２】
[実施例１]
図１２、１３のように構成された熱処理炉で評価を行った。前記熱処理炉は解析を実施した形状と同じである。ただし、解析は１／２モデルで実施したため、機幅方向の長さ(z’)は３ｍである。図１２は機幅方向中央断面における概略図を、図１３は図１２のD−D’における断面図である。熱処理室の走行方向距離(x)が７ｍ、機幅方向の長さ(z’)が３ｍ、高さ(y)が１.５ｍ、ロールはステンレス製の円筒中空で外径(d)０.２５ｍ、内径(d’)０.２０ｍ、スリット状開口距離(s)が０.０２ｍの耐炎化炉で評価を行った。直径３ｍｍのポリアクリロニトリルを含む繊維束２５０本を揃えて、速度３ｍ／分でロールを介して２回折り返し、ジグザグに熱処理室を出入している。なお、２５０本の繊維束は、機幅方向で１０ｍｍの等間隔に引き揃えている。それぞれのロール内部の両側端部には、長さ(L1)０.５ｍの遠赤外線ヒータ２６を設置した。これは、ロール全長の３３.３％の領域にヒータを設置したことになる。遠赤外線ヒータ２６はフィードバック制御回路を備えている。中央部と端部に設置された２つの温度センサ１０によって検出されたロール表面温度の最高温度と最低温度との温度差が１５℃以下になるように遠赤外線ヒータの出力を制御した。なお、温度センサには、スポット径２ｍｍの放射温度計を用いた。熱処理室には２５０℃の熱風を上から下へ向かって流速１ｍ／秒で均一に供給した。
【００８３】
ロール表面温度は温度センサ１０によって検出し（１）式で、炉内温度は図１０、１１に示す６箇所に熱電対を取り付けて（２）（３）式により評価した。
【００８４】
その結果、ロール表面の機幅方向温度差は１５℃、炉内の機幅温度差は１.３℃、と小さかった。
【００８５】
[比較例１]
実施例１においてヒータの電源をオフにした状態、すなわち従来の一般的な熱処理炉で測定を行った。
【００８６】
その結果、ロール表面の機幅方向温度差は４５℃、炉内の機幅温度差は３.３℃、と大きかった。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の１実施形態に係る熱処理炉の断面図である。
【図２】従来の熱処理炉の断面図である。
【図３】本発明の１実施形態に係る熱処理炉の断面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。
【図６】図１のＡ−Ａ’矢視の断面図である。
【図７】解析モデルの断面図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ’矢視の断面図である。
【図９】解析例および比較解析例のロール断面図である。
【図１０】温度評価位置を示す断面図である。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ’矢視の断面図である。
【図１２】本発明の１実施形態に係る熱処理炉の断面図である。
【図１３】図１２のＤ−Ｄ’矢視の断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ ：熱処理炉
１’：従来の熱処理炉
２ ：熱処理室
３ ：ヒータ
４ ：ファン
５ ：走行方向の炉壁
６ ：スリット状開口部
７ ：被熱処理物
７’：有機繊維束
８ ：折り返しロール
９ ：加熱手段
９ａ：加熱手段ａ
９ｂ：加熱手段ｂ
１０：温度センサ
１１：機幅方向の炉壁
１２：ダクト
１３：ダクトと熱処理室とが接続している面
１４：冷却手段
１５：圧力境界
１６：流入境界
１７：流出境界
１８：対称境界
１９：壁面境界
２０：熱伝達境界
２１：ヒータ出力境界
２２：冷却熱伝達境界
２３：ヒータ(1)
２４：ヒータ(2)
２５：冷却風を吹き付ける領域
２６：遠赤外線ヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備えた熱処理炉において、該折り返しロールのロールの内部が、複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする熱処理炉。
【請求項２】
前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項３】
前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として冷却手段が、ロールの中央の領域に設置されている請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項４】
前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段としてロール両端の領域に加熱手段、ロール中央部の領域に冷却手段を設置した請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項５】
前記ロール両端の領域において、ロールの内部の加熱手段が、機幅方向にさらに２つ以上の領域に分割されており、それぞれの領域が独立した制御手段を有する請求項２または４に記載の熱処理炉。
【請求項６】
前記ロールの内部の加熱手段が、ロール両端からロールの全長の２０％以上５０％以下の領域に設置されている請求項２、４および５のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項７】
加熱手段が遠赤外線ヒータである請求項２、４および５のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項８】
前記ロールの内部の温度調整手段が、ロールの表面温度を検出する温度センサと該温度センサにより検出された温度に基づいてフィードバック制御する制御回路を有する請求項１から７のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項９】
前記ロールの内部の温度調整手段が、２００℃以上３００℃以下に温度制御可能である請求項１から８のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項１０】
折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、前記折り返しロールがロールの内部が複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えた熱処理炉を用いて、前記折り返しロールの表面の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することを特徴とする熱処理物の製造方法。
【請求項１１】
ロールの中央の領域とそれを挟む両端の領域のロールの表面温度を検出し、該表面温度の差をフィードバックして加熱および／または冷却手段を制御する請求項１０に記載の熱処理物の製造方法。
【請求項１２】
被熱処理物が、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束であり、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御した前記熱処理炉にて酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化された繊維束を得る請求項１０または１１に記載の熱処理物の製造方法。
【請求項１】
折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備えた熱処理炉において、該折り返しロールのロールの内部が、複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えることを特徴とする熱処理炉。
【請求項２】
前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として加熱手段が、ロールの両端の領域に設置されている請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項３】
前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段として冷却手段が、ロールの中央の領域に設置されている請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項４】
前記ロールの内部が、中央の領域とそれを挟む両端の領域に分割され、前記温度調整手段としてロール両端の領域に加熱手段、ロール中央部の領域に冷却手段を設置した請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項５】
前記ロール両端の領域において、ロールの内部の加熱手段が、機幅方向にさらに２つ以上の領域に分割されており、それぞれの領域が独立した制御手段を有する請求項２または４に記載の熱処理炉。
【請求項６】
前記ロールの内部の加熱手段が、ロール両端からロールの全長の２０％以上５０％以下の領域に設置されている請求項２、４および５のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項７】
加熱手段が遠赤外線ヒータである請求項２、４および５のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項８】
前記ロールの内部の温度調整手段が、ロールの表面温度を検出する温度センサと該温度センサにより検出された温度に基づいてフィードバック制御する制御回路を有する請求項１から７のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項９】
前記ロールの内部の温度調整手段が、２００℃以上３００℃以下に温度制御可能である請求項１から８のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項１０】
折り返して水平走行する被熱処理物を出入するための複数のスリット状開口部を該被熱処理物の走行方向の一対の炉壁に有し、該炉壁の外部で前記スリット状開口部の間に折り返しロールを備え、前記折り返しロールがロールの内部が複数の領域に分割され、少なくとも１の領域に制御可能な温度調整手段を備えた熱処理炉を用いて、前記折り返しロールの表面の最高温度と最低温度との差を制御して熱処理することを特徴とする熱処理物の製造方法。
【請求項１１】
ロールの中央の領域とそれを挟む両端の領域のロールの表面温度を検出し、該表面温度の差をフィードバックして加熱および／または冷却手段を制御する請求項１０に記載の熱処理物の製造方法。
【請求項１２】
被熱処理物が、ポリアクリロニトリルを含む連続繊維束であり、炉内温度を２００℃以上３００℃以下に制御した前記熱処理炉にて酸化雰囲気下で熱処理することにより、少なくとも部分的に酸化または環化された繊維束を得る請求項１０または１１に記載の熱処理物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−２６７７９４（Ｐ２００８−２６７７９４Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８０１７０（Ｐ２００８−８０１７０）
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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