(57)【要約】【課題】簡易な構造によって炭素繊維に張力を付与する炭化炉装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る炭化炉装置は、繊維２０を設置するための炉と、第１の孔３１を有し、繊維２０を吊るす際の支持台となる支持フレーム３０と、第２の孔５３を有し、自重により繊維２０を重力方向に引っ張る錘５０と、複数に分割され、分割された面を互いに近づけることにより繊維２０を挟持する第１及び第２の保持部材４０とを備える。炉内において、第１の保持部材４０は繊維２０の一端を保持すると共に第１の孔３１に嵌合し、第２の保持部材４０は繊維２０の他端を保持すると共に第２の孔５３に嵌合し、錘５０が自重により繊維２０を重力方向に引っ張った状態にしたうえで、繊維２０を高温かつ低酸素環境に晒す。第１及び第２の保持部材４０は、繊維２０の太さに応じて第１の孔３１及び第２の孔５３にそれぞれ嵌合するテーパ面を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維を設置するための炉と、
第１の孔を有し、前記繊維を吊るす際の支持台となる支持フレームと、
第２の孔を有し、自重により前記繊維を重力方向に引っ張る錘と、
複数に分割され、当該分割された面を互いに近づけることにより前記繊維を挟持する第１の保持部材と、
複数に分割され、当該分割された面を互いに近づけることにより前記繊維を挟持する第２の保持部材と、を備え、
前記炉内において、前記第１の保持部材は前記繊維の一端を保持すると共に前記第１の孔に嵌合し、前記第２の保持部材は前記繊維の他端を保持すると共に前記第２の孔に嵌合し、前記錘が自重により前記繊維を重力方向に引っ張った状態にしたうえで、前記繊維を高温低酸素環境に晒すことにより炭素繊維を製造する炭化炉装置であって、
前記第１及び前記第２の保持部材は、前記繊維の太さに応じて前記第１及び第２の孔にそれぞれ嵌合するテーパ面を有している、
炭素繊維の炭化炉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素繊維の炭化炉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維を製造する方法として、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）繊維やレーヨン繊維を高温かつ低酸素環境に晒すことにより炭素以外の元素を脱離させる方法が知られている。また、繊維に対して所定の引張応力を加えながら高温かつ低酸素環境に晒すことにより、引張強度や引張弾性の高い炭素繊維を製造することが提案されている。例えば、特許文献１には、連続予備炭化以前の工程と連続炭化以降の工程とを分離することにより、黒鉛化炉での予備炭化繊維束の黒鉛化処理時に引張強度、引張弾性率の向上を図ることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−０１７３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された装置は、炉体に繊維を貫通させるための開口部を設け、且つ、炉内を低酸素環境にする必要がある。そのため、開口部を設けながら大気の流入を防ぐためには大掛かりな設備が必要となる。また、大掛かりな設備を用意することにより製造コストが上昇する原因となる。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構造によって炭素繊維に張力を付与する炭化炉装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る炭素繊維の炭化炉装置は、繊維を設置するための炉と、第１の孔を有し、前記繊維を吊るす際の支持台となる支持フレームと、第２の孔を有し、自重により前記繊維を重力方向に引っ張る錘と、複数に分割され、当該分割された面を互いに近づけることにより前記繊維を挟持する第１の保持部材と、複数に分割され、当該分割された面を互いに近づけることにより前記繊維を挟持する第２の保持部材と、を備え、前記炉内において、前記第１の保持部材は前記繊維の一端を保持すると共に前記第１の孔に嵌合し、前記第２の保持部材は前記繊維の他端を保持すると共に前記第２の孔に嵌合し、前記錘が自重により前記繊維を重力方向に引っ張った状態にしたうえで、前記繊維を高温低酸素環境に晒すことにより炭素繊維を製造する炭化炉装置であって、前記第１及び前記第２の保持部材は、前記繊維の太さに応じて前記第１及び第２の孔にそれぞれ嵌合するテーパ面を有している。
【０００７】
このような構成により、炭化炉装置において繊維が収縮しても、第１及び第２の保持部が有するテーパ面が第１及び第２の孔にそれぞれ嵌合した状態を維持し、繊維に対して錘の自重による引張応力を付与し続けることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、簡易な構造によって炭素繊維に張力を付与する炭化炉装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る炭化炉装置１の構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態に係るフレーム３０の正面図である。
【図３】実施の形態に係るフレーム３０の平面図である。
【図４】実施の形態に係る保持部材４０の正面図である。
【図５】実施の形態に係る保持部材４０の平面図である。
【図６】実施の形態に係る保持部材４０の右側面図である。
【図７】実施の形態に係る錘５０の正面図である。
【図８】実施の形態に係る錘５０の平面図である。
【図９】実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。
【図１０】実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。
【図１１】実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。
【図１２】実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る炭化炉装置１の構成を示す模式図である。炭化炉装置１は、本実施の形態に係る装置であって、ＰＡＮ繊維やレーヨン繊維に対して所定の引張応力を付加したうえで、炉内を高温かつ低酸素環境にすることにより、炭素繊維を製造する。炭化炉装置１は、炉体１０、真空バルブ１１、真空ポンプ１２、不活性ガス供給バルブ１３、不活性ガス供給ポンプ１４、設置台１５、加熱装置１６、フレーム３０、保持部材４０、錘５０を備える。また、保持部材４０は、繊維２０を保持している。繊維２０は、直径５マイクロメートル程度の糸状の繊維である。
【００１１】
以下に、炭化炉装置１が備える各部の詳細について説明する。炉体１０は、内部を密閉空間とし、繊維２０を高温かつ低酸素環境に晒す。炉体１０は、内部に設置台１５、加熱装置１６、フレーム３０、保持部材４０、錘５０を備える。また、炉体１０は、真空バルブ１１及び不活性ガス供給バルブ１３と接続されている。
【００１２】
真空バルブ１１は、開閉バルブであり、一端を炉体１０に接続され、他端を真空ポンプ１２に接続されている。真空ポンプ１２は、炉体１０を真空引きするためのポンプである。真空ポンプ１２は、真空バルブ１１が開いている状態において、炉体１０内部の空気を吸引する。真空ポンプ１２が炉体１０内部の空気を吸引した後、真空バルブ１１は、閉じる。
【００１３】
不活性ガス供給バルブ１３は、開閉バルブであり、一端が炉体１０に接続され、他端が不活性ガス供給ポンプ１４に接続されている。不活性ガス供給ポンプ１４は、炉体１０内に不活性ガスを供給するためのポンプである。炉体１０内部が真空引きされた後、不活性ガス供給ポンプ１４は、図示しない不活性ガスタンクから、不活性ガスを炉体１０内に送り込む。不活性ガスが十分に炉体１０内に送り込まれ、例えば炉体１０内部が大気圧に達すると、不活性ガス供給バルブ１３は閉じる。不活性ガスは、ＰＡＮ繊維やレーヨン繊維が炭化する際に酸化反応を起こさないように充填されるガスであり、例えばアルゴンガスや窒素ガスである。
【００１４】
設置台１５は、フレーム３０を設置するための台である。加熱装置１６は、炉体１０内部を加熱するための装置である。加熱装置１６は、例えばカーボンヒータである。加熱装置１６により、炉体１０内部は摂氏１２００度前後まで加熱される。
【００１５】
フレーム３０は、繊維を吊るす際の支持台となる支持フレームである。フレーム３０は、保持部材４０が嵌合する孔を有している。また、フレーム３０は、黒鉛を成形することにより形成される。
【００１６】
保持部材４０は、繊維２０を保持するための保持部材である。２個の保持部材４０が、繊維２０の一端を挟持し、これとは別の２個の保持部材４０が、繊維２０の他端を挟持する。すなわち、炭化炉装置１は、４個の保持部材４０を備えている。また、繊維２０の一端を挟持する２個の保持部材４０は、フレーム３０の孔に嵌合し、繊維２０の他端を挟持する２個の保持部材は、錘５０の孔に嵌合する。保持部材４０は、黒鉛を成形することにより形成される。
【００１７】
錘５０は、自重により繊維２０を重力方向に引っ張る錘である。すなわち、錘５０は、繊維２０を挟持した２個の保持部材４０と嵌合し、繊維２０がフレーム３０に吊るされることにより、繊維２０に対して引張応力を付与する。錘５０は、黒鉛を成形することにより形成される。
【００１８】
次に、図２及び図３を参照しながら、実施の形態に係るフレーム３０の詳細を説明する。尚、図２には、方向を参照する目的でｘｙｚ座標が示されており、紙面の左右方向がｘ軸、紙面の鉛直方向がｙ軸、そして、紙面の上下方向がｚ軸となっている。図２のｘｙｚ座標系は図２〜図１１に示す各ｘｙｚ座標系と同じ方向を示している。つまり図２のｚ軸は、図３〜図１１のｚ軸と共通した方向を示している。
【００１９】
図２は、実施の形態に係るフレーム３０の正面図である。フレーム３０は、中空の矩形枠体であり、上面すなわちｚ軸プラス側の面に孔３１を有する。孔３１の側面は、テーパ面である側面３２である。側面３２の角度Ａは、２度〜４５度を設定することができるが、３度〜１０度が好ましい。
【００２０】
図３は、実施の形態に係るフレーム３０の平面図である。孔３１は円形状をしており、ｚ軸プラス側の面からｚ軸マイナス側へ向かうにしたがって、直径が小さくなる同心円を呈している。
【００２１】
次に、図４〜図６を参照しながら、保持部材４０の詳細を説明する。図４は、実施の形態に係る保持部材４０の正面図である。保持部材４０は、側面４２、側面４３、上面４４、底面４５を有している。側面４２は、フレーム３０の有する孔３１に対応したテーパによって形成される局面である。側面４２の角度Ｂは、２度〜４５度を設定することができるが、３度〜１０度が好ましい。側面４３は、ｙｚ平面と平行な平面であり、繊維２０を挟持する平面である。上面４４及び底面４５はそれぞれｘｙ平面と平行である。
【００２２】
図５は、実施の形態に係る保持部材４０の平面図である。上面４４は紙面手前側すなわちｚ軸プラス側の平面であり、底面４５は紙面奥側すなわちｚ軸マイナス側の平面である。上面４４及び底面４５は、同心の半円形を呈している。つまり、２個の保持部材４０を互いに側面４３同士を対向させ密着させることにより、円錐台形状となる。換言すると、保持部材４０は、円錐台を底面直径部から鉛直方向すなわちｚ軸方向に２分割した形状である。
【００２３】
図６は、実施の形態に係る保持部材４０の右側面図である。側面４３は左右方向の辺すなわちｙ軸プラス側及びｙ軸マイナス側の辺がテーパである側面４２と交差する。
【００２４】
次に、図７及び図８を参照しながら錘５０の詳細を説明する。図７は、実施の形態に係る錘５０の正面図である。錘５０は、外側面５２、上面５４、底面５５、及び内側面５１を有する中空の円柱形状をしている。錘５０は、外側面はｘｙ平面に対して鉛直に切立った円柱形状を呈している。すなわち、上面５４の外径と、底面５５の外径とは同心かつ同径の円である。また、錘５０は、ｚ軸方向に孔５３が開いている。孔５３の内側面５１はテーパによって形成される。
【００２５】
図８は、実施の形態に係る錘５０の平面図である。上面５４の内径と、底面５５の内径はｚ軸方向において同心であり、ｚ軸プラス側の上面５４からｚ軸マイナス方向へ向かうにしたがって、直径が大きくなる同心円を呈している。
【００２６】
次に、図９を参照しながら保持部材４０が繊維２０を保持する状態を説明する。図９は、実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。図９は、図１の断面Ｉにおける断面図である。繊維２０は、２個の保持部材４０ａ及び４０ｂがそれぞれ有する側面４３ａ及び側面４３ｂによって挟まれている。また、保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂは、繊維２０を挟持したうえで、錘５０の孔５３に嵌合している。
【００２７】
続いて図１０を参照しながら保持部材４０が繊維２０を保持する状態をさらに説明する。図１０は、実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。図１０は、図９における断面IIにおける断面図である。図１０において、錘５０は、自重により重力方向すなわちｚ軸マイナス方向に向かう方向の力を受けている。保持部材４０ａの側面４２ａ及び保持部材４０ｂの側面４２ｂは、錘５０が有する内側面５１と接触している。保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂは、テーパ面である側面４２ａ及び側面４２ｂにおいて、内側面５１と接触することにより、ｘ軸方向及びｚ軸方向の力を受けている。
【００２８】
ｘ軸方向においては、保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂは、側面４３ａと側面４３ｂとが互いに近づく方向に力を受けている。つまり、保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂは、錘５０から受ける力によって繊維２０を挟持する。このとき、繊維２０の太さは直径ｄ１である。
【００２９】
ｚ軸方向においては、保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂは、自重方向すなわちｚ軸マイナス方向に力を受けている。つまり、繊維２０に引張応力を付与する。
【００３０】
このようにして、繊維２０は、保持部材４０によって狭持され、錘５０及び保持部材４０によって引張応力が付与される。
【００３１】
続いて、図１１を参照しながら、保持部材４０が繊維２０を挟持した状態において、炭化炉装置１を高温かつ低酸素環境にした場合の状態について説明する。図１１は、実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。ここで、図１０は炭化炉装置１に繊維２０を設置した直後であり、高温かつ低酸素環境に晒す前の状態である。そして、図１１は、炭化炉装置１が炉内内部を高温かつ低酸素環境にし、繊維２０が炭化した状態である。つまり、繊維２０は、高温環境下において、炭素以外の元素が脱離し、収縮している。その結果、図１０と図１１とを比較すると、繊維２０の太さは、直径ｄ１から直径ｄ２へと小さくなり、長さも短くなっている。繊維２０の直径がｄ１からｄ２へと小さくなったことにより、保持部材４０ａと、保持部材４０ｂとは互いに近づいている。具体的には、保持部材４０ａと、保持部材４０ｂとは、図１０において示されるように、側面４３ａと側面４３ｂとの距離がｄ１であった。そして、繊維２０が収縮することにより、保持部材４０ａと、保持部材４０ｂとは、図１１において示されるように、側面４３ａと側面４３ｂとの距離がｄ２になっている。
【００３２】
このように、繊維２０が収縮し、保持部材４０ａと、保持部材４０ｂとが互いに近づくことにより、接触するテーパ面がずれ、錘５０は、保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂに対して、相対的に下方向すなわちｚ軸マイナス方向に移動する。そして、内側面５１と、側面４２ａ及び側面４２ｂとが接触する位置において停止する。
【００３３】
このような構成により、炭化炉装置１において繊維２０が収縮しても、保持部材４０ａ及び保持部材４０ｂが有するテーパ面である側面４２ａ及び側面４２ｂが孔５３に嵌合した状態を維持し、繊維２０に対して錘５０の自重による引張応力を付与し続けることができる。
【００３４】
次に、図１２を参照しながら、繊維２０の上側端部を保持する保持部材４０の状態について説明する。図１２は、実施の形態に係る炭化炉装置１において繊維を保持する状態を示す断面図である。尚、図１２は、図９における断面IIに対応した、フレーム３０及び保持部材４０の状態を示した断面図である。
【００３５】
図１２において、保持部材４０ｃ及び４０ｄは、側面４２ｃ及び側面４２ｄにおいて、フレーム３０の有する側面３２と接触している。ここで、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄは、自重により重力方向すなわちｚ軸マイナス方向に力を受けている。その結果、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄは、側面３２に接触する。保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄは、側面３２に接触することにより、互いに近づく方向に力を受けている。つまり、保持部材４０ｃは、側面３２に接触することにより、ｘ軸マイナス方向に力を受ける。そして、同様に、保持部材４０ｄは、側面３２に接触することにより、ｘ軸プラス方向に力を受ける。このようにして、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄは、繊維２０を挟持する。
【００３６】
図１２において示したように、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄはテーパ面である側面４２ｃ及び側面４２ｄにおいて孔３１の側面３２と接触している。そのため、繊維２０が収縮した場合においては、繊維２０の太さが細くなるにしたがって、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄが互いに近づく方向に移動する。そして、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄは、側面４２ｃと側面４２ｄとが、側面３２と接触する位置において停止し、繊維２０を挟持する。
【００３７】
このような構成により、炭化炉装置１において繊維２０が収縮しても、保持部材４０ｃ及び保持部材４０ｄが有するテーパ面である側面４２ｃ及び側面４２ｄが孔３１に嵌合した状態を維持し、繊維２０に対して錘５０の自重による引張応力を付与し続けることができる。
【００３８】
したがって、本実施の形態により、簡易な構造によって炭素繊維に張力を付与する炭化炉装置を提供することができる。
【００３９】
尚、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。また、本明細書において、炭素繊維は黒鉛繊維を含むものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１  炭化炉装置
１０  炉体
１１  真空バルブ
１２  真空ポンプ
１３  不活性ガス供給バルブ
１４  不活性ガス供給ポンプ
１５  設置台
１６  加熱装置
２０  繊維
３０  フレーム
４０  保持部材
５０  錘
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2018066080.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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