(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理室と、この熱処理室の上方側に設けた熱風排出口および下方側に設けた熱風供給口と、熱処理室の側方側に設けた糸条導入口および糸条導出口とを有し、熱処理室内で糸条を水平方向に走行させながら、その糸条に下方から熱風を吹き付けて熱処理するようにするとともに、複数本の糸条を、水平面内において任意のピッチＰｈを保つように熱処理室内に導入し、かつ、熱処理室内への出入を繰り返しながら熱処理室の上下方向において任意のピッチＰｖを保つようにし、さらに、熱風が糸条を通過するときの圧力低下量をΔＰ（Ｐａ）、炉外雰囲気の密度と熱風の密度との差に基づいて熱風に生ずる浮力をＦ（Ｎ／ｍ３）、上下方向の糸条ピッチをＰｖ（ｍ）としたとき、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが０．７〜１．６の範囲内になるように、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈおよびＰｖから選ばれる少なくとも一つの条件が調整されてなる熱処理炉。
【請求項２】
熱処理室上部の圧力Ｐ１と熱処理室下部の圧力Ｐ２との関係が、−９Ｐａ≦Ｐ１−Ｐ２≦６Ｐａとなるように、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈおよびＰｖから選ばれる少なくとも一つの条件が調整されてなる請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項３】
熱処理室上部の圧力Ｐ１と熱処理室下部の圧力Ｐ２との関係が、Ｐ１−Ｐ２＞６Ｐａであれば熱風の流速が大きくなるように調整し、Ｐ１−Ｐ２＜−９Ｐａであれば熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項４】
熱処理室上部の圧力Ｐ１と炉外雰囲気の圧力Ｐ０との関係が、Ｐ１−Ｐ０＞３Ｐａであれば熱風の流速が大きくなるように調整し、Ｐ１−Ｐ０＜−５Ｐａであれば熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項５】
熱処理室下部の圧力Ｐ２と炉外雰囲気の圧力Ｐ０との関係が、Ｐ２−Ｐ０＜−３Ｐａであれば熱風の流速が大きくなるように調整し、Ｐ２−Ｐ０＞４Ｐａであれば熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項６】
熱処理室の上半分にある糸条導入口または糸条導出口から熱処理室外への熱風流出が観測された場合には熱風の流速が大きくなるように調整し、熱処理室の下半分にある糸条導入口または糸条導出口から熱処理室外への熱風流出が観測された場合には熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項７】
熱風排出口から排出される熱風の温度が最大になるように、熱風の流速を調整する手段を有する請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項８】
糸条と熱処理室側面を構成する側壁との間の未処理ゾーンにおいて、水平方向に設置した仕切板を上下方向に少なくとも１つ以上有する請求項１〜７のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項９】
前記熱処理炉が炭素繊維の製造に用いられる耐炎化炉である請求項１〜８のいずれかに記載の熱処理炉。
【請求項１０】
請求項９に記載の耐炎化炉を用いたことを特徴とする炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維の製造に用いて好適な熱処理炉およびそれを用いた炭素繊維の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱処理炉、特に炭素繊維の製造に用いられる熱処理炉としては、熱処理室の上面に設けた熱風供給口および下面に設けた熱風排出口と、熱処理室の側壁に糸条導入口と糸条導出口とを有し、熱処理室内で糸条を水平方向に走行させながら、その糸条に上方から熱風を吹き付けて熱処理するようにした熱処理炉が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような熱処理炉においては、例えばそれが耐炎化炉である場合、複数本のポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系のプリカーサ（前駆体繊維）からなる糸条は、水平面内において任意のピッチを保ちながら熱処理室内に導入され、かつ、熱処理室の両側に設置されたガイドローラによって走行方向を反転しながら熱処理室内への出入を繰り返し、熱処理室の上下方向において任意のピッチを保ちながら走行し、耐炎化処理される。
【０００４】
特許文献１に開示されている熱処理炉においては、熱処理室側壁の糸条導入口および糸条導出口の外側に隣接してシール室を設け、そのシール室に排気機構を備えることで、熱処理室から流出する熱風を排気し、有害ガスの炉外への漏出を阻止すると共に、熱処理室内への外気流入を抑制している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１７３７６１号公報（第２−６頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に開示された熱処理炉では、生産性を上げるための一手段として、熱処理室内を出入りする糸条の段数を増やす場合、流れが糸条を通過する際に生じる抵抗が大きくなり、流れの上流から下流に向けて生じる圧力低下が増大する。このため、熱処理室内と炉外雰囲気との圧力差も増大し、前記シール室だけでは熱処理室内への外気流入を防ぐことができなくなる。結果、熱処理室の上方に設けた糸条導入口および糸条導出口からは熱処理室内の熱風が流出し、熱処理室の下方に設けた糸条導入口および糸条導出口からは外気が熱処理室内へ流入するようになる。
【０００７】
熱処理室内への外気流入は、熱処理室内の温度むらを引き起こし、製品の品質を低下させるという問題がある。また、外気の流入した領域は、温度が低いために糸条の熱処理が進行せず、生産性が低下する。また、熱風排出口から排出される熱風を熱風供給口に戻して循環使用する場合、外気の流入によって温度が低下した循環熱風を、再び所望の温度に加熱するためのヒータ消費電力量が増えるため、エネルギー効率が低下するという問題がある。
【０００８】
また上記熱処理炉では、熱処理室から流出する熱風を排気すると共に、熱処理室への外気流入を抑制するために、熱処理室の外側にシール室という追加設備が必要であり、設備の設置スペースが大きくなるとともに、設備費が増大し製造原価が上がるという問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、特別な追加設備を設置することなく、熱処理室外への熱風流出と熱処理室内への外気流入とを防ぎ、熱処理室内の温度均一性に優れた熱処理炉、およびそれを用いた炭素繊維の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題に対し、本発明者らは、熱風に作用する浮力を利用することで解決できることを見出した。すなわち、本発明によれば、熱処理室と、この熱処理室の上方側に設けた熱風排出口および下方側に設けた熱風供給口と、熱処理室の側方側に設けた糸条導入口および糸条導出口とを有し、熱処理室内で糸条を水平方向に走行させながら、その糸条に下方から熱風を吹き付けて熱処理するようにするとともに、複数本の糸条を、水平面内において任意のピッチＰｈを保つように熱処理室内に導入し、かつ、熱処理室内への出入を繰り返しながら熱処理室の上下方向において任意のピッチＰｖを保つようにし、さらに、熱風が糸条を通過するときの圧力低下量をΔＰ（Ｐａ）、炉外雰囲気の密度と熱風の密度との差に基づいて熱風に生ずる浮力をＦ（Ｎ／ｍ３）、上下方向の糸条ピッチをＰｖ（ｍ）としたとき、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが０．７〜１．６の範囲内になるように、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈおよびＰｖから選ばれる少なくとも一つの条件が調整されてなる熱処理炉が提供される。
【００１１】
ここで水平方向とは、地面に対して概略平行となる方向のことである。概略平行とした理由の１つは、糸条は自重によって懸垂するため、その走行方向は地面に対して完全に平行とはならないためである。もう１つの理由は、熱処理室の両側で糸条を支えるガイドローラに段差があるなどの原因で、糸条の走行方向が地面に対して傾斜しても、糸条が熱処理室の向かい合う２側面に渡してあれば、実質的には以下に記す本発明の原理が成り立つためである。
【００１２】
一般に、熱処理室内の熱風は外気に比べ気体密度が小さいため、熱風には浮力が作用し、熱処理室の上下方向に圧力勾配が生じる。すなわち、炉外雰囲気の圧力に対して熱処理室上方の圧力は大きくなり、熱処理室下方の圧力は小さくなる。一方、熱処理室内の熱風には、流れが糸条を通過する際の抵抗によって圧力損失が生じ、熱風の上流から下流に向けて圧力が低下する。
【００１３】
本発明の熱処理炉は、熱風の上流となる熱風供給口を熱処理室の下方側に設け、熱風の下流となる熱風排出口を熱処理室の上方側に設けることで、流れが糸条を通過する際の抵抗によって生じる圧力勾配が、浮力の作用によって生じる圧力勾配に対して逆符号となるようにしている。そのため、浮力の作用によって生じる圧力勾配と流れが糸条を通過する際の抵抗によって生じる圧力勾配とが打ち消し合い、熱処理室の上下方向に生じる圧力勾配が小さくなる。結果として、熱処理室内と炉外雰囲気との圧力差が小さくなり、何ら特別な追加設備を設置することなく、熱処理室外への熱風流出と熱処理室内への外気流入とを防ぎ、熱処理室内の温度均一性に優れた熱処理炉が提供される。
【００１４】
上記熱処理炉において、複数本の糸条を、水平面内において任意のピッチＰｈを保つように熱処理室内に導入し、かつ、熱処理室内への出入を繰り返しながら熱処理室の上下方向において任意のピッチＰｖを保つようにすることで、糸条の大量処理が可能な多段熱処理炉が提供される。
【００１５】
上記多段熱処理炉において、熱風が糸条を通過するときの圧力低下量をΔＰ（単位：Ｐａ）、炉外雰囲気の密度と熱風の密度との差に基づいて熱風に生ずる浮力をＦ（単位：Ｎ／ｍ３）、上下方向の糸条ピッチをＰｖ（単位：ｍ）としたとき、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが０．７〜１．６の範囲内になるように、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈおよびＰｖから選ばれる少なくとも一つの条件を調整することで、温度均一性に優れた熱処理炉が提供される。Ｆ×Ｐｖ／ΔＰの範囲は、外気流入を防止するための範囲として採用したものである。
【００１６】
ここでＦ×Ｐｖ／ΔＰの調整に、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈを用いる理由を以下に述べる。
【００１７】
ΔＰは流れが糸条を通過する際に生じる糸条１段あたりの圧力低下量である。ΔＰは、水平面内における糸条のピッチＰｈ、糸条の形状、熱風の流速などによって変化する。このうち変更可能な生産条件は、糸条ピッチＰｈと熱風の流速である。ΔＰの値は、実験的に測定しても良いし、生産機において測定しても良いし、数値シミュレーションによって求めても良い。
【００１８】
また、熱風に作用する浮力Ｆは、炉外雰囲気の密度をρ０（単位：ｋｇ／ｍ３）、熱風の密度をρｈ（単位：ｋｇ／ｍ３）、重力加速度の大きさをｇ（単位：ｍ／ｓ２）とすると、Ｆ＝ｇ（ρ０−ρｈ）と表される。地上の常温・大気圧雰囲気下に置かれた熱処理炉の場合、重力加速度の大きさｇと炉外雰囲気密度ρ０はほぼ固定されるため、変更可能な生産条件は熱風の温度によって決まる密度ρｈである。糸条が熱処理室の上下方向にピッチＰｖを保ちながら多段に並んでいる場合、浮力による糸条１段あたりの圧力上昇量はＦ×Ｐｖとなる。
【００１９】
以上の理由により、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈの調整によって、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが決定されることになる。
【００２０】
また、前記多段熱処理炉における別の好まし態様として、熱処理室上部の圧力Ｐ１と熱処理室下部の圧力Ｐ２との関係が、−９Ｐａ≦Ｐ１−Ｐ２≦６Ｐａとなるように、熱風の流速、熱風の温度、糸条のピッチＰｈおよびＰｖから選ばれる少なくとも一つの条件を調整することで、温度均一性に優れた熱処理炉が提供される。Ｐ１−Ｐ２の範囲は、外気流入を防止するための範囲として採用したものである。
【００２１】
圧力を測定する際の熱処理室上部とは、糸条の最上段より上側で、かつ熱処理室の上面より下側の領域である。同様に熱処理室下部とは、糸条の最下段より下側で、かつ熱処理室の下面よりも上側の領域である。圧力Ｐ１およびＰ２は各領域内の静圧である。Ｐ１とＰ２との圧力差は、絶対圧力計で測定したそれぞれの領域の圧力の差として求めても良いし、差圧計を用いて２つの領域の圧力差を直接測定しても良い。また、数値シミュレーションによって求めても良い。測定値は時間的に変動するので、各測定箇所で３回以上サンプリングし、その平均値とすることが好ましい。測定箇所は、各領域内で１カ所づつとしても良いし、各領域内で複数箇所測定し、その平均値として求めても良い。
【００２２】
また、前記多段熱処理炉における別の好ましい態様として、熱処理室上部の圧力Ｐ１と熱処理室下部の圧力Ｐ２との関係が、Ｐ１−Ｐ２＞６Ｐａであれば熱風の流速が大きくなるように調整し、Ｐ１−Ｐ２＜−９Ｐａであれば熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する熱処理炉が提供される。
【００２３】
熱風の流速を調整する手段としては、ファンの回転数を変更するものや、ダンパの開き具合を変更するものがある。また、これを自動化するために、圧力差を逐次検出するための検出装置と、同検出装置によって検出された信号により、ファンの回転数やダンパの開き具合を調整する制御装置とを備えることもある。
【００２４】
また、前記多段熱処理炉における別の好ましい態様として、熱処理室上部の圧力Ｐ１と炉外雰囲気の圧力Ｐ０との関係が、Ｐ１−Ｐ０＞３Ｐａであれば熱風の流速が大きくなるように調整し、Ｐ１−Ｐ０＜−５Ｐａであれば熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する熱処理炉が提供される。
【００２５】
また、前記多段熱処理炉における別の好ましい態様として、熱処理室下部の圧力Ｐ２と炉外雰囲気の圧力Ｐ０との関係が、Ｐ２−Ｐ０＜−３Ｐａであれば熱風の流速が大きくなるように調整し、Ｐ２−Ｐ０＞４Ｐａであれば熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する熱処理炉が提供される。Ｐ１−Ｐ０およびＰ２−Ｐ０の範囲は、外気流入を防止するための範囲として採用したものである。
【００２６】
また、前記多段熱処理炉における別の好ましい態様として、熱処理室の上半分にある糸条導入口または糸条導出口から熱処理室外への熱風流出が観測された場合には熱風の流速が大きくなるように調整し、熱処理室の下半分にある糸条導入口または糸条導出口から熱処理室外への熱風流出が観測された場合には熱風の流速が小さくなるように調整する手段を有する熱処理炉が提供される。
【００２７】
熱処理室の上半分とは、熱処理室の高さ方向において、中央より上側の領域の少なくとも一部のことである。同様に、熱処理室の下半分とは、熱処理室の高さ方向において、中央より下側の領域の少なくとも一部のことである。
【００２８】
また、前記多段熱処理炉における別の好ましい態様として、熱風排出口から排出される熱風の温度が最大になるように、熱風の流速を調整する手段を有する熱処理炉が提供される。
【００２９】
また、前記全ての熱処理炉における別の好ましい態様として、糸条と熱処理室側面を構成する側壁との間の未処理ゾーンにおいて、水平方向に設置した仕切板を上下方向に少なくとも１つ以上有する熱処理炉が提供される。
【００３０】
ここで未処理ゾーンとは、糸条と熱処理室側面を構成する側壁との間の空間のことである。具体的には、熱処理室の側面を構成する側壁のうち、糸条導入口または糸条導出口のいずれをも有さない側壁と糸条との間の空間である。未処理ゾーンは、通常、炉外への放熱によって側壁近傍の温度が低下し、糸条の熱処理不足が生じるのを回避するために設けられるが、熱処理室内で糸条を水平方向に走行させながらその糸条に下方から熱風を吹き付けて熱処理する場合に、下方からの熱風が走行糸条を避けてこの未処理ゾーンを通過するため、この未処理ゾーンを仕切板によって塞ぐことによって効率よく熱処理することができるのである。
【００３１】
前記仕切板は、上下方向には糸条と同じ高さとなる位置に設置するのがより好ましい。また前記仕切板は、糸条走行方向に糸条導入口から糸条導出口にかけて設置することがより好ましい。
【００３２】
また、前記の熱処理炉は全て、炭素繊維の製造に用いて好適なものであり、耐炎化炉や炭化炉として用いることができ、特に耐炎化炉として好適なものである。
【００３３】
したがって本発明に係る炭素繊維の製造方法は、上記の耐炎化炉を用いて炭素繊維を製造することを特徴とする方法からなる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の熱処理炉を、炭素繊維製造用の耐炎化炉として使用する場合の一例を示す概略構成図である。耐炎化炉内の熱処理室１には、熱処理室の上方側にある上面に設けた熱風排出口２と熱処理室の下方側にある下面に設けた熱風供給口３とが、糸条６を挟んで対向するように配置されている。熱処理室１の側方側にある側壁には糸条導入口４および糸条導出口５を有し、熱処理室１内で糸条６を水平方向に走行させ、その糸条６に下方から２００〜３５０℃の熱風を吹き付けて耐炎化処理する。糸条導入口４および糸条導出口５は、熱処理室外への熱風流出や熱処理室内への外気流入を防止する効果を高めるため、糸条が接触しない程度に開口面積が小さいことが好ましい。
【００３５】
糸条６は、各ガイドローラ７で走行方向を反転しながら、熱処理室１の側壁に設けた糸条導入口４と糸条導出口５とを通り、熱処理室１内を複数回通過する。糸条６は、熱処理室１の上下方向において、ガイドローラ７の設置間隔によって決まる任意のピッチＰｖを保ちながら走行する。
【００３６】
図２は図１の鉛直断面の一例である。複数本の糸条６が水平面内において任意のピッチＰｈを保ちながら導入される。熱処理室の側面を構成する側壁のうち、糸条導入口または糸条導出口を有さない側壁と糸条との間には未処理ゾーン１０を有する。図３は溝付きのガイドローラ断面の一例である。水平面内におけるピッチＰｈは、ガイドローラに刻まれた溝のピッチによって決まる。
【００３７】
図４は、熱風排出口２から排出される熱風を熱風供給口３に戻して循環使用するようにした場合の一例である。ファン８は、熱風供給口３へ熱風を送風すると共に熱風排出口２から熱風を吸い込み、ヒータ９で熱風を所望の温度に制御している。
【００３８】
また特開平１１−１７３７６１号公報に開示されているように、熱処理室１の側壁に設けた糸条導入口４および糸条導出口５の外側に、シール室を設けても良い。
【００３９】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
【００４０】
【実施例】
［参考例１］太さ１．１デシテックスのＰＡＮ系のプリカーサ単糸を１２，０００本束ねた糸条を耐炎化処理した。熱処理室の下面に熱風供給口を設け、上面に熱風排出口を設けることで、熱処理室の下から上へ熱風を流し、糸条に対して下方から熱風を吹き付けた。熱風排出口から排出した熱風は、再び熱風供給口に戻して循環使用した。熱風排出口と熱風供給口との間に設けたファンの回転数を変更し、熱風供給口および熱風排出口における熱風の平均速度が１ｍ／秒になるように制御した。また、熱風排出口と熱風供給口との間に設けたヒータによって、熱風供給口における熱風の平均温度が２５０℃になるように制御した。糸条は、熱処理室の両側に設置されたガイドローラによって走行方向を反転しながら、熱処理室内へ１９回の出入を繰り返すようにした。糸条の走行速度は０．０５ｍ／秒とした。上下方向の糸条ピッチＰｖは０．２ｍ、水平面内の糸条ピッチＰｈは０．０１ｍとした。熱処理室の側面を構成する側壁のうち、糸条導入口または糸条導出口を有さない側壁から０．３ｍ内側までの領域を未処理ゾーンとした。炉外雰囲気の温度は３０℃であった。
【００４１】
糸条導入口および糸条導出口を有する熱処理室の側壁から０．２ｍ離れた位置に、熱処理室の高さ方向に５カ所、熱電対を配置し、熱処理室内の温度を測定した。５カ所の測定点は、糸条の最上段付近に設けたものをＡ点、糸条の最下段付近に設けたものＥ点とし、残りの３点はＡ点とＥ点との間にほぼ等間隔になるように設け、上からＢ点、Ｃ点、Ｄ点とした。測定の結果、Ａ点：２４９℃、Ｂ点：２４８℃、Ｃ点：２４７℃、Ｄ点：２４９℃、Ｅ点、２５０℃となり、設定温度（熱風供給口の平均温度２５０℃）との差は最大で３℃となった。
【００４２】
また、糸条導入口および糸条導出口の周辺に７８デシテックス２４フィラメントのナイロン糸を長さ約０．０７ｍに切断した吹き流しを設置し、熱処理室外への熱風流出を観測した結果、吹き流しは垂れ下がった状態であり、顕著な熱風の流出は観測されなかった。
【００４３】
［比較例１］太さ１．１デシテックスのＰＡＮ系のプリカーサ単糸を１２，０００本束ねた糸条を耐炎化処理した。従来の熱処理炉と同様に、熱処理室の上面に熱風供給口を設け、下面に熱風排出口を設けることで、熱処理室の上から下へ熱風を流し、糸条に対して上方から熱風を吹き付けた。その他の条件は参考例１と同じにした。概略図を図５に示す。
【００４４】
参考例１と同様に、熱処理室内の温度を測定した結果、Ａ点：２４９℃、Ｂ点：２４１℃、Ｃ点：２３３℃、Ｄ点：１７０℃、Ｅ点、１３６℃となり、設定温度（熱風供給口の平均温度２５０℃）との差は最大で１１４℃となった。このことから、熱処理室の下方では、糸条導入口および糸条導出口から外気が流入していることが明らかであった。
【００４５】
また、参考例１と同様に、糸条導入口および糸条導出口の周辺に７８デシテックス２４フィラメントのナイロン糸を長さ約０．０７ｍに切断した吹き流しを設置した結果、熱処理室の上方では吹き流しが炉外側になびき、顕著な熱風の流出が観測された。また、熱処理室の下方では吹き流しが炉内側になびき、顕著な熱風の流入が観測された。
【００４６】
このように、参考例１によれば、熱処理室の下から上へ熱風を流すことで、熱処理室内からの熱風流出と熱処理室内への外気流入とを防ぎ、熱処理室内の温度均一性を大幅に向上させることができた。
【００４７】
［実施例１〜５、比較例２〜５］太さ１．１デシテックスのＰＡＮ系のプリカーサ単糸を１２，０００本束ねた糸条を耐炎化処理した。熱処理室の下面に熱風供給口を設け、上面に熱風排出口を設けることで、熱処理室の下から上へ熱風を流し、糸条に対して下方から熱風を吹き付けた。熱風排出口から排出した熱風は、再び熱風供給口に戻して循環使用した。熱風排出口と熱風供給口との間に設けたファンの回転数を調節し、熱風供給口および熱風排出口における熱風の平均速度を０．６ｍ／秒から１．４ｍ／秒まで０．１ｍ／秒刻みで変化させた。その他の条件は参考例１と同じにした。
【００４８】
上記熱処理炉において、糸条の最上段から上側へ０．１ｍ離れた位置の熱処理室の側壁に圧力測定管を設け、この位置の圧力をＰ１とした。差圧計の一端を圧力測定管につなぎ、他端を熱処理室外へ設置することで、熱処理室上部と炉外雰囲気との圧力差Ｐ１−Ｐ０を測定した。同様に、糸条の最下段から下側へ０．１ｍ離れた位置の熱処理室の側壁に圧力測定管を設け、熱処理室下部と炉外雰囲気との圧力差Ｐ２−Ｐ０を測定した。また、熱処理室上部と熱処理室下部との圧力差Ｐ１−Ｐ２は、前述のＰ１−Ｐ０とＰ２−Ｐ０との差として求めた。その他、参考例１と同様に、熱処理室内の温度をＡ点〜Ｅ点の５カ所で測定した。また参考例１と同様に、糸条導入口および糸条導出口の周辺に７８デシテックス２４フィラメントのナイロン糸を長さ約０．０７ｍに切断した吹き流しを設置し、熱処理室外への熱風流出を観測した。
【００４９】
測定結果を表１に示す。熱処理室外への熱風流出が起こらない圧力範囲は、−９Ｐａ≦Ｐ１−Ｐ２≦６Ｐａ、−５Ｐａ≦Ｐ１−Ｐ０≦３Ｐａ、−３Ｐａ≦Ｐ２−Ｐ０≦４Ｐａであった。
【００５０】
表１中に示したＦ×Ｐｖ／ΔＰの導出方法を以下に記す。熱風が糸条を通過するときに生じる糸条１段あたりの圧力低下量は、数値シミュレーションによって求めた。具体的には、図６に示すような２次元断面モデルにおいて、糸条を固体とし、それを通過する熱風の流速を変化させることで、各流速における圧力低下量を知ることができる。数値シミュレーションの結果、上記の耐炎化処理条件における圧力低下量（単位：Ｐａ）は、ΔＰ＝０．９３×Ｕ２となった。ここで、Ｕは熱風の平均流速（単位：ｍ／ｓ）である。次に、浮力Ｆは、炉外雰囲気の密度をρ０（単位：ｋｇ／ｍ３）、熱風の密度をρｈ（単位：ｋｇ／ｍ３）、重力加速度の大きさをｇ（単位：ｍ／ｓ２）とすると、Ｆ＝ｇ（ρ０−ρｈ）で表され、Ｆ＝９．８×（１．１５−０．６７）＝４．７Ｎ／ｍ３となる。
【００５１】
上記熱処理室内の圧力勾配は、主に、熱風の浮力によって生じる圧力勾配と、熱風が糸条を通過する際の抵抗によって生じる圧力勾配とが打ち消し合った結果として生じる。したがって、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが１に近いほど熱処理室上部と熱処理室下部との圧力差は小さくなる。表１に示すように、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが０．７〜１．６の範囲内であれば、熱処理室外への熱風流出はなかった。また、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが１に近いほど、熱風排出口で測定した循環排気温度が大きくなった。また、Ａ点〜Ｅ点の５カ所で測定した熱処理室内の温度と、設定温度（熱風供給口の平均温度２５０℃）との差は、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが１に近いほど小さくなった。
【００５２】
このように、本発明によれば、Ｆ×Ｐｖ／ΔＰが０．７〜１．６の範囲内になるように、熱風の流速Ｕ、熱風の温度、糸条のピッチＰｈおよびＰｖから選ばれる少なくとも一つの条件を調整することで、熱処理室内からの熱風流出を防ぐことができる。また、熱風排出口から排出される熱風の温度が最大になるように熱風の流速を調整することで、熱風を循環使用する際に必要なヒータの消費エネルギーが小さくなると同時に、熱処理室内の温度均一性が向上する。
【００５３】
【表１】
0004292771.tif 000002
【００５４】
［参考例２］太さ１．１デシテックスのＰＡＮ系のプリカーサ単糸を１２，０００本束ねた糸条を耐炎化処理した。熱処理室の下面に熱風供給口を設け、上面に熱風排出口を設けることで、熱処理室の下から上へ熱風を流し、糸条に対して下方から熱風を吹き付けた。熱風排出口から排出した熱風は、再び熱風供給口に戻して循環使用した。熱風排出口と熱風供給口との間に設けたファンの回転数を変更し、熱風供給口および熱風排出口における熱風の平均速度が１ｍ／秒になるように制御した。概略図を図７に示すように、熱処理室の側面を構成する側壁のうち、糸条導入口または糸条導出口を有さない側壁から０．３ｍ内側までの領域を未処理ゾーン１０とした。未処理ゾーン内には糸条と同じ高さとなる位置に、糸条と同じ段数の仕切板１１を設置した。仕切板１１の幅は０．２７ｍとし、糸条導入口から糸条導出口にかけて連続的に設置した。その他の条件は参考例１と同じにした。
【００５５】
未処理ゾーン１０は仕切板１１によって流れが滞留し、ほぼ無風の状態となった。糸条が走行する領域の風速は１．０±０．２ｍ／秒であり、熱風供給口および熱風排出口における平均速度とほぼ等しかった。これに対し参考例１では、糸条が存在しない未処理ゾーンの風速が３〜５ｍ／秒と非常に速く、糸条が走行する領域の風速は０．９±０．２ｍ／秒と熱風供給口および熱風排出口における平均速度よりも若干遅くなっていた。
【００５６】
参考例１と同様に、熱処理室内の温度を測定した結果、Ａ点：２４７℃、Ｂ点：２４８℃、Ｃ点：２４５℃、Ｄ点：２４９℃、Ｅ点、２４９℃となり、設定温度（熱風供給口の平均温度２５０℃）との差は最大で５℃となった。
【００５７】
このように参考例２によれば、熱処理室内の温度むらだけでなく風速むらも小さくなるため、糸条のばたつきが低減し、工程安定性が向上する。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱処理炉によれば、特別な追加設備を設置することなく、熱処理室内からの熱風流出と熱処理室内への外気流入とを防ぎ、熱処理室内の温度むらを小さくすることが可能であり、工程安定性の確保と、製造原価の低減が実現できる。
【００５９】
また、熱処理室内の温度均一性に優れているため、熱風を循環使用する際に必要なヒータの消費電力量が小さくなり、省エネ効果がある。
【００６０】
また、熱処理室内では熱風に作用する浮力によって生じる圧力勾配と、熱風が糸条を通過する際の抵抗によって生じる圧力勾配とが打ち消し合うため、熱処理室内の温度均一性を悪化させることなく、糸条の段数を増やし、生産性を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱処理炉の概略構成図であり、図１の鉛直方向断面図である。
【図３】溝付きのガイドロールの一例を示す部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。
【図５】従来用いられてきた熱処理炉の一般的な形態である。
【図６】熱風が糸条を通過する際に生じる糸条１段あたりの圧力低下量を数値シミュレーションで求めるために用いる、解析モデルの一実施形態である。
【図７】本発明の一実施形態に係る熱処理炉の概略構成図であり、図１の鉛直方向断面図である。
【符号の説明】
１：熱処理室
２：熱風排出口
３：熱風供給口
４：糸条導入口
５：糸条導出口
６：糸条
７：ガイドローラ
８：ファン
９：ヒータ
１０：未処理ゾーン
１１：仕切板
Ｐｈ：水平面内の糸条ピッチ
Ｐｖ：上下方向の糸条ピッチ
Ｐ０：炉外雰囲気の圧力
Ｐ１：熱処理室上部の圧力
Ｐ２：熱処理室下部の圧力
ΔＰ：熱風が糸条を通過する際に生じる糸条１段あたりの圧力低下量
Ｆ：熱風に作用する浮力
ｇ：重力加速度の大きさ
ρ０：炉外雰囲気の密度
ρｈ：熱風の密度
Ｕ：熱風の平均流速
【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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