(57)【要約】【課題】抵抗加熱ヒーターの消耗を抑え、しかも２５００℃以上での加熱焼成を可能にした炭素繊維連続黒鉛化炉を提供する。【解決手段】炭素繊維からなる被処理物を連続的に加熱焼成して黒鉛化する炭素繊維連続黒鉛化炉である。炭素繊維からなる被処理物を供給する供給部と、供給部から供給された被処理物を黒鉛化処理するチャンバーと、チャンバーから導出された黒鉛化処理後の被処理物を回収する回収部と、を備える。チャンバーは、供給された被処理物を予加熱する予加熱ゾーンと、予加熱後の被処理物を通電加熱する通電加熱ゾーンとを有する。通電加熱ゾーンは、予加熱後の被処理物を掛け渡して走行させる一対の通電ロールと、一対の通電ロールに接続されて、一対の通電ロールに掛け渡された予加熱後の被処理物を介して一対の通電ロール間に電流を通じる直流電源と、を有して構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維からなる被処理物を連続的に加熱焼成して黒鉛化する炭素繊維連続黒鉛化炉であって、
炭素繊維からなる被処理物を供給する供給部と、
前記供給部から供給された被処理物を黒鉛化処理するチャンバーと、
前記チャンバーから導出された黒鉛化処理後の被処理物を回収する回収部と、を備え、
前記チャンバーは、供給された被処理物を予加熱する予加熱ゾーンと、予加熱後の被処理物を通電加熱する通電加熱ゾーンとを有し、
前記通電加熱ゾーンは、予加熱後の被処理物を掛け渡して走行させる一対の通電ロールと、該一対の通電ロールに接続されて、該一対の通電ロールに掛け渡された予加熱後の被処理物を介して該一対の通電ロール間に電流を通じる直流電源と、を有して構成されていることを特徴とする炭素繊維連続黒鉛化炉。
【請求項２】
前記一対の通電ロールの上流側および下流側に、前記一対の通電ロールを走行する被処理物に対して張力を付与するテンションロールが設けられていることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維連続黒鉛化炉。
【請求項３】
前記チャンバーは、設置面に対して非導電性部材を介して浮かした状態に配設され、
前記回収部は、非導電性の巻き取りロールによって前記黒鉛化処理後の被処理物を巻き取ることで該被処理物を回収するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維連続黒鉛化炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維連続黒鉛化炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
黒鉛（グラファイト）は、潤滑性、導電性、耐熱性、耐薬品性等、工業的に優れた性質を有し、半導体分野、原子力分野、航空・機械分野等、幅広い分野で用いられている。黒鉛は、一般にはカーボン粉末を黒鉛化炉で高温（例えば２０００℃〜３０００℃）に加熱して製造されるが、炭素繊維を加熱焼成して黒鉛化する黒鉛化炉も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
炭素繊維は、炭化処理により焼成されて形成されたもので、このような炭素繊維を黒鉛化する黒鉛化炉は、不活性雰囲気下で約２０００℃〜３０００℃の温度に加熱することで炭素繊維を黒鉛化し、黒鉛化繊維とする加熱炉である。
このような黒鉛化炉としては、抵抗加熱ヒーターを用いて炭素繊維を前記温度範囲に加熱し、焼成して黒鉛化するものが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３２５５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７６２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、抵抗加熱ヒーターは、高温での加熱、例えば２５００℃以上で加熱した場合に消耗が激しく、したがって量産レベルにおいてこのような２５００℃以上の温度域で加熱焼成するには問題がある。
しかし、炭素繊維を黒鉛化する際には、特に２５００℃以上で加熱すると高弾性が得られることから、高弾性を得るべく、２５００℃以上、好ましくは２８００℃程度での加熱焼成を行うことが望まれている。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、抵抗加熱ヒーターの消耗を抑え、しかも２５００℃以上での加熱焼成を可能にした炭素繊維連続黒鉛化炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の炭素繊維を連続的に加熱焼成して黒鉛化する炭素繊維連続黒鉛化炉であって、炭素繊維からなる被処理物を供給する供給部と、前記供給部から供給された被処理物を黒鉛化処理するチャンバーと、前記チャンバーから導出された黒鉛化処理後の黒鉛化製品を回収する回収部と、を備え、前記チャンバーは、供給された被処理物を予加熱する予加熱ゾーンと、予加熱後の被処理物を通電加熱する通電加熱ゾーンとを有し、前記通電加熱ゾーンは、予加熱後の被処理物を掛け渡して走行させる一対の通電ロールと、該一対の通電ロールに接続されて、該一対の通電ロールに掛け渡された予加熱後の被処理物を介して該一対の通電ロール間に電流を通じる直流電源と、を有して構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記炭素繊維連続黒鉛化炉においては、前記一対の通電ロールの上流側および下流側に、前記一対の通電ロールを走行する被処理物に対して張力を付与するテンションロールが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記炭素繊維連続黒鉛化炉において、前記チャンバーは、設置面に対して非導電性部材を介して浮かした状態に配設され、前記回収部は、非導電性の巻き取りロールによって前記黒鉛化処理後の被処理物を巻き取ることで該被処理物を回収するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の炭素繊維連続黒鉛化炉によれば、チャンバーが被処理物を予加熱する予加熱ゾーンと、予加熱後の被処理物を通電加熱する通電加熱ゾーンとを有しているので、予加熱ゾーンにて例えば抵抗加熱ヒーターで被処理物を１０００℃程度にまで加熱し、その後、通電加熱ゾーンにて一対の通電ロールとこれに掛け渡されて走行する予加熱後の被処理物とに電流を通じ、被処理物を通電加熱することにより、該被処理物を高温で焼成することができる。したがって、例えば予加熱ゾーンにて抵抗加熱ヒーターを使用しても予加熱ゾーンでは比較的低温での加熱（予加熱）しか行わず、高温での焼成には抵抗加熱ヒーターを使用することなく通電加熱によって行うため、抵抗加熱ヒーターの消耗を抑え、しかも通電加熱によって２５００℃以上での加熱焼成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の炭素繊維連続黒鉛化炉の一実施形態を説明するための図であって、炭素繊維連続黒鉛化炉を模式化した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の炭素繊維連続黒鉛化炉を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明の炭素繊維連続黒鉛化炉の一実施形態を説明するための模式図であり、図１中符号１は炭素繊維連続黒鉛化炉（以下、黒鉛化炉と記す。）である。
【００１３】
この黒鉛化炉１は、炭素繊維からなる被処理物Ｗを連続的に加熱焼成して黒鉛化するもので、炭素繊維からなる被処理物Ｗを巻き出して供給する巻き出し部２（供給部）と、巻き出し部２から供給された被処理物Ｗを黒鉛化処理するチャンバー３と、チャンバー３から導出された黒鉛化処理後の被処理物Ｗを巻き取って回収する巻き取り部４（回収部）と、を備えて構成されている。
【００１４】
巻き出し部２は、巻き出しロール２ａに炭素繊維からなる被処理物Ｗを巻き取ったもので、巻き出しロール２ａが図示しない軸受けに回転可能に支持されていることにより、巻き取った被処理物Ｗ（炭素繊維）を連続的に巻き出すようになっている。なお、このような巻き出しのための回転は、後述する巻き取り部４側に設けられたモータ等の駆動源の駆動によって被処理物Ｗが巻き取られ、引っ張られることでなされるようになっている。ただし、巻き出し部２の巻き出しロール２ａにもモータ等の駆動源（図示せず）を連結し、これの駆動によって巻き出しロール２ａを回転させるようにしてもよい。
【００１５】
被処理物Ｗである炭素繊維としては、多数本（例えば数千本〜数万本）の長尺な炭素繊維が平面状に束ねられて巻き出しロール２ａに巻き取られ、したがって巻き出される際にも多数本が平面状に巻き出されるように構成されている。ただし、このように多数本を束ねることなく、１本、あるいは数本〜数百本を平面状に並べて巻き取り、その状態で巻き出すように構成してもよい。
【００１６】
また、被処理物Ｗである炭素繊維としては、繊維の状態のものに限定されることなく、このような炭素繊維をシート状に織った織布、あるいは織らずにシート状に成形した不織布などを用いることもできる。すなわち、このような炭素繊維からなるシートを長尺に形成してこの長尺シートを被処理物Ｗとし、巻き出しロール２ａに巻き取って製造時にこれを巻き出すように構成してもよい。
【００１７】
なお、図１では、他の構成要素を見易くするため、被処理物Ｗとして１本の炭素繊維、あるいは複数本が束ねられてなる炭素繊維を処理する形態を記載している。ただし、量産時には、当然ながら多数本（例えば数千本〜数万本）の炭素繊維やシート状の炭素繊維を処理するようになる。
【００１８】
チャンバー３は、巻き出し部２から巻き出されて供給された被処理物Ｗを黒鉛化処理するもので、内部に閉空間を有し、この閉空間を処理ゾーンとした直方体状のものである。このチャンバー３は、床、側壁、天井が、いずれも耐熱性、断熱性を有する材料によって形成されている。すなわち、チャンバー３内は後述する通電加熱ゾーンが１０００℃〜３０００℃程度にまで昇温されるため、このような高温に耐えられる耐熱性および断熱性を有するものが用いられている。
【００１９】
また、このチャンバー３は、これを設置する部屋の設置面５（床面）に対して非導電性部材６を介して浮かした状態に配設されている。非導電性部材６としては、例えば非導電性セラミックスが用いられる。このようにチャンバー３を設置面５に対して浮かして配置しておくことにより、チャンバー３から設置面５への漏電を防止することができる。
【００２０】
また、このチャンバー３には、その巻き出し部２側の側壁に被処理物Ｗを導入するための導入口３ａが形成され、後述する巻き取り部４側の側壁に被処理物Ｗを導出するための導出口３ｂが形成されている。これら導入口３ａ、導出口３ｂは、いずれも、チャンバー３の側壁の外側に設けられたエア吹き出し装置（図示せず）からのエアの吹き出しにより、エアシールされている。
【００２１】
また、このチャンバー３には、配管（図示せず）を介して窒素供給源（図示せず）が接続されている。この窒素供給源は、チャンバー３内に窒素を循環させることにより、チャンバー３内を窒素雰囲気にしている。このようなチャンバー３内の窒素雰囲気は、前記した導入口３ａ、導出口３ｂがエアシールされていることにより、ほとんど外気が流入しないため良好に維持される。
【００２２】
また、このチャンバー３には、その内部に予加熱ゾーン７と通電加熱ゾーン８とが設けられている。予加熱ゾーン７は、巻き出し部２側、すなわち導入口３ａ側に配置された処理空間であり、本実施形態では一対の抵抗加熱ヒーター９、抵抗加熱ヒーター９が被処理物Ｗの走行路の上下に相対向して配置されている。抵抗加熱ヒーター９は、従来公知の一般的なもので、図示しない電源に接続されて予加熱ゾーン７を８００℃〜１０００℃程度に加熱するものである。
【００２３】
したがって、このような予加熱ゾーン７の抵抗加熱ヒーター９、抵抗加熱ヒーター９間を走行する被処理物Ｗは、８００℃〜１０００℃程度に加熱されることにより、焼成による炭化が進んでその特性が非導電性から導電性に変化する。また、このような焼成による炭化の過程で、被処理物Ｗ（炭素繊維）は必要に応じて添加された添加剤が分解して気化する。したがって、予加熱ゾーン７には、その天井側にダクト（図示せず）が設けられ、さらに天井にダクトに通じる気化ガス排出筒１０が設けられている。これにより、被処理物Ｗ（炭素繊維）に添加された添加剤は、予加熱ゾーン７での加熱によって分解し、気化してチャンバー３の外に排出される。
【００２４】
なお、予加熱ゾーン７における抵抗加熱ヒーター９の配置については、被処理物Ｗの上下に配置するのに代えて、被処理物Ｗの左右に配置してもよい。また、抵抗加熱ヒーター９の数については、２つでなく、１つ、あるいは３つ以上であってもよい。
【００２５】
チャンバー３内の、予加熱ゾーン７より下流側、すなわち導出口３ｂ側には、通電加熱ゾーン８が配置されている。通電加熱ゾーン８は、予加熱ゾーン７に連通する処理空間であって、これらの間には必要に応じて断熱材からなる隔壁（図示せず）が設けられている。ただし、隔壁を設けた場合には、当然ながら被処理物Ｗが走行するための貫通孔を形成しておく。
【００２６】
この通電加熱ゾーン８には、一対の通電ロール１１、通電ロール１１と、一対のテンションロール１２、テンションロール１２とが設けられている。通電ロール１１、通電ロール１１は、所定の間隔をおいて平行に配置され、かつ図示しない軸受けによって回転自在に配設されており、これらの間に予加熱後の被処理物Ｗを掛け渡して走行させるようになっている。これら通電ロール１１、通電ロール１１は、後述するように通電加熱によって被処理物Ｗを１０００℃〜３０００℃、特に黒鉛化して高弾性を付与できる温度である２５００℃〜３０００℃程度、好ましくは２８００℃〜３０００℃程度に加熱するべく、３０００℃程度にまで耐える耐熱性と、導電性とを有するもの、例えばグラファイトによって形成されている。
【００２７】
これら通電ロール１１、通電ロール１１には、それぞれ配線（図示せず）を介して直流電源１３が接続されている。ここで、これら通電ロール１１、通電ロール１１は直接接していないため、非処理時においては直流電源１３をオンにしてもこれらの間に電流が流れない。一方、処理時において通電ロール１１、通電ロール１１に予加熱後の被処理物Ｗが掛け渡されると、被処理物Ｗは予加熱によって導電性に変化しているため、この被処理物Ｗを介して通電ロール１１、通電ロール１１間に電流が流れる。したがって、被処理物Ｗが通電加熱される。
【００２８】
直流電源１３には、図示しない制御部が設けられており、この制御部を制御することによって通電ロール１１、通電ロール１１間に所望の大きさの電流を流すことができる。すなわち、通電ロール１１、通電ロール１１間に掛け渡された被処理物Ｗに所望の電流を流し、被処理物Ｗを所望の温度に通電加熱できるようになっている。被処理物Ｗに流す電流値と通電加熱されることによる被処理物Ｗの加熱温度との相関を予め求めておくことにより、被処理物Ｗの通電加熱温度を直流電源１３の制御部によって適宜に制御することができる。
【００２９】
一対の通電ロール１１、通電ロール１１の上流側および下流側には、これら通電ロール１１、通電ロール１１より下方に、それぞれテンションロール１２が配設されている。これらテンションロール１２、テンションロール１２は、隣り合う通電ロール１１に対してそれぞれ所定の間隔をおいて平行に配置され、かつ図示しない軸受けによって回転自在に配設されている。また、これらテンションロール１２、テンションロール１２も、通電ロール１１、通電ロール１１間が２８００℃〜３０００℃程度に加熱されるため、このような温度まで耐える耐熱性を有したもの、例えばグラファイトによって形成されている。
【００３０】
上流側のテンションロール１２は、予加熱ゾーン７から水平方向に走行してきた被処理物Ｗの走行方向を上方に変更するとともに、この被処理物Ｗに張力（テンション）を付与するものである。下流側のテンションロール１２は、下流側の通電ロール１１から下方に走行してきた被処理物Ｗの走行方向を水平方向に変更するとともに、この被処理物Ｗに張力（テンション）を付与するものである。
【００３１】
ここで、これらテンションロール１２、テンションロール１２には、例えばその軸受けに張力維持機構（図示せず）が設けられている。張力維持機構は、例えばテンションロール１２を昇降させることにより、テンションロール１２と通電ロール１１との間を走行する被処理物Ｗの張力を補正し、これによって通電ロール１１、通電ロール１１間を走行する被処理物Ｗの張力を予め設定された張力に調整するものである。
【００３２】
したがって、通電ロール１１、通電ロール１１間を走行する被処理物Ｗは、上流側のテンションロール１２と下流側のテンションロール１２とによって適宜な張力が付与され、撓むことなく所定の張力を維持した状態で走行するようになっている。すなわち、通電加熱による焼成によって膨張や収縮が起こっても、前記張力維持機構によってその張力が予め設定された張力に維持される。
【００３３】
下流側のテンションロール１２の側方の、チャンバー３の側壁には、導出口３ｂが形成されており、この導出口３ｂの外方（チャンバー３の外方）には、巻き取り部４が配設されている。巻き取り部４は、巻き取りロール４ａによって通電加熱後（黒鉛化処理後）の被処理物Ｗを巻き取り、これを回収するように構成されている。すなわち、巻き取りロール４ａは図示しない軸受けに回転可能に支持されているとともに、モータ等の駆動源に連結されている。したがって、駆動源の駆動によって巻き取りロール４ａを回転させることにより、被処理物Ｗを巻き取って回収することができる。また、このように被処理物Ｗを巻き取ることで、巻き出し部２から被処理物Ｗを巻き出させ、予加熱ゾーン７、通電加熱ゾーン８を走行させることができるようになっている。
【００３４】
巻き取りロール４ａは、非導電性で、かつ耐熱性の材質のもの、例えば非導電性セラミックスなどによって形成されている。これにより、通電ロール１１側からの漏電を防止するとともに、通電加熱後の比較的高温の被処理物Ｗを支障無く巻き取ることができる。
【００３５】
このような構成からなる黒鉛化炉１によって被処理物Ｗを黒鉛化するには、まず、被処理物Ｗをセットする。すなわち、巻き出し部２の巻き出しロール２ａに被処理物Ｗを巻き取っておくとともに、この被処理物Ｗの一端側を導入口３ａからチャンバー３内に入れ、相対向して配置された抵抗加熱ヒーター９、抵抗加熱ヒーター９間を通し、さらに通電加熱ゾーン８にまで延ばす。そして、上流側のテンションロール１２に引き回した後、一対の通電ロール１１、通電ロール１１間に掛け渡し、さらに下流側のテンションロール１２に引き回す。そして、導出口３ｂから引き出して巻き取りロール４ａに巻き取る。
【００３６】
このようにして被処理物Ｗをセットしたら、予加熱ゾーン７の抵抗加熱ヒーター９、抵抗加熱ヒーター９に通電して発熱させ、かつ、通電ロール１１、通電ロール１１被処理物に通電するとともに、巻き取り部４の駆動源を駆動させて巻き取り部４に被処理物Ｗを巻き取らせる。
【００３７】
このようにして巻き取り部４に被処理物Ｗを巻き取らせると、被処理物Ｗは連続的に走行させられて巻き出し部２から巻き出される。巻き出し部２から巻き出され、導入口３ａを通ってチャンバー３内に導入された被処理物Ｗは、予加熱ゾーン７にて相対向する抵抗加熱ヒーター９、抵抗加熱ヒーター９間を通過することで８００℃〜１０００℃程度に予加熱される。すると、被処理物Ｗは前述したように加熱され、焼成されることで炭化が進み、導電性になる。
【００３８】
さらに、予加熱された被処理物Ｗは、上流側のテンションロール１２によって張力が付与された後、走行方向が変えられ、通電ロール１１、通電ロール１１間に掛け渡された状態で走行する。すると、予加熱された被処理物Ｗは導電性になっているため、この被処理物Ｗを介して通電ロール１１、通電ロール１１間に電流が流れ、被処理物Ｗにも電流が流れる。これにより、被処理物Ｗは通電加熱され、予め設定された温度で焼成されることにより、黒鉛化処理される。
黒鉛化処理された被処理物Ｗは下流側のテンションロール１２によって走行方向が変えられ、導出口３ｂから導出された後、巻き取り部４に巻き取られる。
【００３９】
本実施形態の黒鉛化炉１にあっては、チャンバー３が被処理物Ｗを予加熱する予加熱ゾーン７と、予加熱後の被処理物Ｗを通電加熱する通電加熱ゾーン８とを有しているので、予加熱ゾーン７にて抵抗加熱ヒーター９で被処理物を８００℃〜１０００℃程度にまで加熱して導電性を付与し、その後、通電加熱ゾーン８にて一対の通電ロール１１、通電ロール１１とこれに掛け渡されて走行する予加熱後の被処理物Ｗとに電流を通じ、被処理物Ｗを通電加熱することにより、該被処理物Ｗを例えば２８００℃〜３０００℃程度の高温で焼成することができる。
【００４０】
したがって、抵抗加熱ヒーター９を使用しているものの、この抵抗加熱ヒーター９が使用される予加熱ゾーンでは比較的低温での加熱（予加熱）しか行わず、高温での焼成には抵抗加熱ヒーターを使用することなく通電加熱によって行うため、量産レベルでの製造においても抵抗加熱ヒーター９の消耗を抑えることができる。また、通電加熱によって例えば２８００℃以上の高温での加熱焼成を行うことができるため、得られる黒鉛化炭素繊維に高弾性を付与することができる。
【００４１】
また、一対の通電ロール１１、通電ロール１１の上流側および下流側にテンションロール１２を設けているので、これらテンションロール１２、テンションロール１２によって一対の通電ロール１１、通電ロール１１間を走行する被処理物Ｗに対して適正な張力を付与することができる。したがって、通電加熱による焼成によって被処理物Ｗに膨張や収縮が起こっても、この被処理物Ｗを通電ロール１１、通電ロール１１間にて撓ませることなく、また過剰に引っ張ることなく、適正な張力で通電ロール１１、通電ロール１１間を走行させることができる。よって、この被処理物Ｗを介して通電ロール１１、通電ロール１１間に一定の電流を安定的に流すことができ、これによって被処理物Ｗにも一定の電流を流して一定の温度で通電加熱することができる。したがって、得られる黒鉛化炭素繊維の品質を安定させることができる。
【００４２】
また、チャンバー３を、その設置面５に対して非導電性部材６を介して浮かした状態に配設しているので、チャンバー３から設置面５への漏電を防止することができる。さらに、巻き取り部４の巻き取りロール４ａを非導電性にしているので、通電ロール１１側から被処理物Ｗを通じての巻き取り部４への漏電を防止することができる。
【００４３】
また、通電加熱手段として一対の通電ロール１１、通電ロール１１を用いているので、通電加熱手段としての装置構成を小型化することができ、したがってチャンバー３を小型化することができる。また、炭素繊維の黒鉛化を連続して行うことができるため、生産効率を向上することができる。
【００４４】
また、図示していないものの、前述したように長尺シート状に形成した炭素繊維を被処理物Ｗとして用い、これを連続的に黒鉛化処理することもできる。したがって、繊維状、シート状のいずれの形態の被処理物Ｗであっても同じ黒鉛化炉１で連続黒鉛化処理することができ、したがって繊維状の被処理物Ｗと、シート状の被処理物Ｗとを別の黒鉛化炉で処理する場合に比べ、設備費やランニングコストを格段に低減することができる。
【００４５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、一対のテンションロール１２、テンションロール１２の上方に通電ロール１１、通電ロール１１を配設したが、これらテンションロール１２や通電ロール１１の配置はチャンバー３の形状や大きさ等に応じて適宜にレイアウトすることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１…黒鉛化炉（炭素繊維連続黒鉛化炉）、２…巻き出し部（供給部）、３…チャンバー、４…巻き取り部（回収部）、４ａ…巻き取りロール、５…設置面、６…非導電性部材、７…予加熱ゾーン、８…通電加熱ゾーン、９…抵抗加熱ヒーター、１１…通電ロール、１２…テンションロール、１３…直流電源、Ｗ…被処理物
【図１】
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