WO1999050178A1 - Method and device for continuously burning powder carbon - Google Patents

Description

明細書

粉末カーボン連続焼成方法およびその装置 技術分野

本発明は、 粉末カーボン連続焼成方法およびその装置に関し、 詳しくは、 マイ クロ波を照射して粉末力一ボンを連続的に焼成する方法およびその装置に関す る。 背景技術

従来、 粉末カーボンを黒鉛化焼成する場合には、 図 6に示すようなアチソン炉 と呼ばれる炉 2 0を用い、 まず原料の粉末カーボンを黒鉛の容器 2 1に詰め、 こ の容器 2 1を炉 2 0中に多数配置し、 多量のパッキングコークス 2 2でこれらの 容器 2 1の全周を覆い、 パッキングコークス 2 2の周りに熱遮蔽ライニング 2 3 を施した後、 炉 2 0内の容器 2 1を全体的に数日間通電加熱して昇温焼成し、 こ の後数週間かけて自然放熱し、 降温していた。 なお、 同図において、 2 4は耐火 れんが炉壁、 2 5は黒鉛端子電極、 2 6はブスバーである。

上記従来の焼成装置における炉 2 0は、 焼成作業が終わるまで次の焼成作業を 行うことができない、 いわゆるバッチ方式の加熱炉であった。

このため、 次のような問題点があった。

( 1 ) 焼成品とともに、 焼成品以外の物、 すなわち炉 2 0内の容器 2 1の周りの パッキングコークス 2 2や熱遮蔽ライニング 2 3等も同時に加熱し、 焼成品とと もに昇温した後に降温させる過程を取っているため、 熱効率が悪く、 生産におけ る電力単価が高いものとなった。

( 2 ) 昇温焼成および降温過程に数週間かかるため、 粉末カーボンの容器詰めお よびこれらの容器の埋め込み作業期間に容器の取り出し作業期間を加えれば、 一 回の黒鉛化焼成作業に約一ヶ月必要となり、 粉末カーボンの生産量の増加に対応 するのが困難であった。

( 3 ) パッキングコークスの充填作業等、環境的に苛酷な粉じん作業があるため、 粉末カーボンの生産量の増加に対応すべくアチソン炉を増設しても、 焼成作業の ための人員の確保が難しかった。

そのため、 例えば、 リチウム電池の多用化等により今後期待される電池市場か らの粉末カーボンの生産量の増加要求に対して、 アチソン炉を用いた従来の焼成 方法では十分に対応できなかった。 発明の開示

本発明は、 上記実情に鑑みてなされたもので、 熱効率が高く、 粉末カーボンの 生産量の増加の要求にも十分対応でき、 しかも、 少ない作業人員で稼動すること ができる粉末カーボン連続焼成方法およびその装置を提供することを目的とす る。 . すなわち、 本発明は、 一つの側面として、 焼成管内に粉末カーボンを供給し、 該粉末カーボンの堆積層の上面にマイク口波を照射して該堆積層の内部に高温焼 成層を形成しつつ、 粉末カーボンを連続的に焼成するようにした粉末カーボン連 続焼成方法である。

本発明は、 別の側面として、 炉内に設けられた焼成管と、 該焼成管の一端から 粉末カーボンを連続的に供給する粉末カーボン供給装置と、 該焼成管の他端から 粉末カーボンの焼成品を連続的に取り出す焼成品取出装置と、 該炉内に延長して 設けられ、 該焼成管内に供給されて堆積する粉末カーボンの堆積層の上面にマイ ク口波を照射するマイク口波導波管とを具備してなり、 マイクロ波の照射により 粉末カーボンの堆積層の内部に高温焼成層を形成する粉末カーボンの連続焼成装 置 ある。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明に係る粉末カーボン連続焼成装置の一実施形態を概略的に示す 断面図である。

図 2は、 本発明に係る粉末力一ボン連続焼成装置における粉末カーボンの堆積 部の高温焼成層を示した概略図である。

図 3は、 図 2に示した粉末カーボンの堆積部の高温焼成層の存在を確認するた めに実施した有限要素法による解析モデルを示す断面図である。 図 4は、 図 3に示した解析モデルを用いて行った解析結果を示す図である。 図 5は、 図 4において矢印 Aで示す円で囲む部分を拡大して示す図である。 図 6は、 従来の粉末カーボン焼成装置を示す斜視図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明に係る粉末カーボン連続焼成方法およびその装置の実施形態を添 付図面を参照しながら詳細に説明する。

図 1は、 本発明に係る粉末カーボン連続焼成装置の一実施形態を示す。

同図における粉末カーボン連続焼成装置 1は、 中央に設けられた炉 2と、 該炉 の下方に設けられた焼成管 3 と、 炉 2の上部に付設され、 粉末カーボンを炉 2内 に連続的に供給する粉末カーボン供給装置 4と、 炉 2の下部に付設され、 焼成管 3の下方から粉末カーボンの焼成品を連続的に取り出す焼成品取出装置 5 と、 炉 2内に延長して設けられ、 焼成管 3内に堆積する粉末カーボンの堆積層 6の上面 に斜め上方からマイク口波を照射するマイク口波導波管 7とを備えた構成となつ ている。

本実施形態の焼成装置 1に適用される粉末カーボンの粒径は、 通常の大きさの もので、 とくに限定されない。

炉 2は、 炉内壁 8によって下方に向かって狭くなるように形成され、 その下部 2 aが平行に形成されている。 炉 2は耐火性のある断熱材 9によって包囲されて いる。

焼成管 3の上部 3 aは、 炉 2の下部 2 a内に位置している。 焼成管 3の上部 3 a と炉 2の下部 2 a との間の空間には、 粉末カーボン供給装置 4によって送り込 まれた粉末カーボンの一部が充填されて、 粉末カーボン断熱層 1 0が形成され る。 焼成管 3の下方部分は、 断熱性能が下げられており、 これにより、 粉末カー ボンの温度を焼成しない温度まで下げることができる領域、 いわゆる降温領域に なっている。 粉末力一ボン供給装置 4による原料の粉末カーボンの供給と、 焼成 品取出装置 5による焼成品である焼成カーボンの取り出しは、 一定のバランスで 連続的に行なわれるようになつており、 これにより、 焼成管 3内の粉末カーボン の堆積形状が常時保持される。 マイク口波導波管 7は、 焼成管 3の上部 3 a付近に向かってマイク口波を照射 するもので、 炉 2の炉内壁 8に下方に傾斜されて設けられている。 マイクロ波導 波管 7は、 本実施形態では左右一対設けているが、 勿論これに限らず、 1個また は 3個以上であっても良い。

本実施形態の焼成装置 1では、 まず、 粉末カーボン供給装置 4によって粉末力 一ボンを炉 2を通じて焼成管 3の上部 3 aに連続的に供給する。 これにより、 焼 成管 3の上部 3 a内には、 粉末カーボンの堆積層 6が形成される。 これと同時に、 マイク口波導波管 7を通じて、 焼成管 3内の粉末カーボンの堆積層 6の上面にマ イク口波を照射する。 これにより、 粉末カーボンの堆積層 6の内部には、 高温焼 成層 1 1 (図 2参照） が形成される。 粉末カーボンは、 この高温焼成層 1 1を通 過することにより焼成され、 黒鉛化される。 なお、 炉 2は、 その周囲の断熱材 9 によって十分に断熱されている。 また、 粉末カーボンの堆積層 6の内部の高温焼 成層 1 1は、 焼成管 3の周囲の粉末カーボン断熱層 1 0によって十分断熱されそ おり、 マイクロ波加熱による熱損失が抑えられる。

この状態で、 炉 2内への粉末カーボンの投入量およびマイク口波の照射量を一 定にし、 高温焼成層 1 1 をその堆積層 6 とともに降下させることによって、 炉 2 内の熱バランスは一定し、 連続的に粉体カーボンの焼成を行うことができる。 こ のようにして焼成された粉末カーボンは、 焼成管 3下方の降温領域を通過するこ とにより、 焼成しない温度まで速やかに降温される。 この降温された焼成粉末力 一ボンは、 粉体の分離作業を必要とせず、 焼成品取出装置 5により焼成管 3の下 方から取り出すことができる。

なお、 粉末カーボンの黒鉛化焼成に必要な温度は約 3 2 0 0 °Cである。 一般的 に、 粉末カーボンの表面からの加熱でその表層の温度もこの焼成温度まで高めよ う とすると、 その表層からその周囲部への放射熱損失が極めて大きいため、 熱効 率が極めて低かった。 これに対して、 本実施形態では、 図 2に示すように、 マイ ク口波を用いて粉体力一ボンの堆積層 6の内部を直接加熱して、 表層から離れた 放射熱損失のない内部に高温焼成層 1 1を形成するようにしているので、 粉末力 一ボンを熱効率良く焼成することができる。

さらに、 本実施形態では、 粉末カーボンの堆積層 6の表層上に、 常温の原料粉 末力一ボンを連続的に供給するようにしているため、 表層の温度はさほど高くな らない。 この表層温度が高くならない理由と しては、 高温焼成層 1 1から表層ま での粉体カーボン層が高い空隙率の低熱伝導率を有すること等に起因する。 これ により、 表層からの熱損失が抑えられ、 高温焼成層 1 1から焼成管 3側への熱損 失が低減され、 焼成管 3の過度の昇温が制限される。

本実施形態による焼成方法では、 表層における焼成温度に達していない層の厚 みは、 数 m m程度である。 一般的に、 炉 2内に供給された粉末カーボンの焼成品 を上方から取り出す場合は、 該焼成品の温度が十分低くなつた後、 高い精度で表 層を除去する作業が必要となる。 このような表層除去作業は容易でないので、 焼 成品の取り出し作業は極めて困難である。

これに対して、 本実施形態では、 連続的に供給される粉末カーボンを、 高温焼 成層 1 1を通った後、 連続的に降温させつつ炉 2の下方から取り出す、 いわゆる 堆積降下方式を採用しているので、 上記したような表層除去作業が不要となり、 焼成品の取り出し作業を容易にかつ迅速に行うことができる。

なお、 本実施形態による方式では、 加熱強度が弱くなる焼成管 3の下方側に高 温焼成層 1 1 を降下させるようにしているため、 適切な焼成温度が保持され、 十 分な焼成時間を得ることができる。

図 3は、 上述したような本実施形態の焼成装置における効果を確認するために実 施した F E M解析モデルを示す。 このモデルでは、 熱的特性が十分模擬できるよ う、粉末カーボンの堆積部 6の表面からの放熱、炉 2の回りの断熱材 9の熱伝導、 粉末カーボンの堆積降下速度 （物質移動） を加味している。 図 4および図 5は、 上記の解析結果を示すもので、 炉 2内の温度分布を示している。 同図により、 焼 成管 3内の表層から離れた内部に粉末カーボンの黒鉛化温度に達した高温焼成層 1 1が形成されており、 しかも、 その焼成温度を保持する時間が長くなるよう、 該高温焼成層が下方に伸びていることが確認できる。 なお、 図 4において、 モデ ルの外表面温度拘束は、 1 0 0 ° Cとし、 中央下部の粉末カーボン降下速度 （物 質移動） は、 1 m m Z 1 1秒と している。 図 5において、 升目は図 4に示したモ デルの寸法を示し、 狭い間隔の升の幅が 1 m mであり、 広い間隔の升の幅が 5 m mである。 また、 同図において、 中央の領域が高温焼成層 1 1を示し、 その温度 は 3 0 0 6〜 3 3 6 9 ° Cの範囲にあり、 その隣の領域の温度は 2 6 4 2〜 3 0 0 6 ° Cの範囲にあり、 またその隣の領域の温度は 2 2 7 9〜 2 6 4 2 ° Cの範 囲にあり、 さらにその隣の領域の温度は 1 9 1 6〜 2 2 7 9 ° Cの範囲にあり、 外側の領域の温度は 1 9 1 6 ° C以下にあることを示している。

本発明は、 上記説明した実施形態に限定されるものではなく、 本発明の技術思 想の範囲における修飾、 変更、 付加は全て本発明に含まれる。 産業上の利用可能性

以上説明したように、 本発明に係る粉末力一ボンの連続焼成方法およびその装 置によれば、 焼成管内に粉末カーボンを供給し、 該粉末カーボンの堆積層の上面 にマイク口波を照射して該粉末カーボンの堆積層の内部に高温焼成層を形成しつ つ、 粉末カーボンを連続的に焼成するようにしているので、 次のような効果を得 ることができる。

( 1 ) マイクロ波を用いて粉末カーボンの堆積層の内部を直接加熱して、 該堆積 層の内部に高温焼成層を形成するようにしているので、 焼成における熱損失を低 減し、 その熱効率を向上させることができる。

( 2 ) 上部から連続的に供給して堆積させた粉末カーボンを、 上記高温焼成層を 通じて降下させつつ焼成し、 その焼成品を下方から取り出すようにしたので、 従 来のような未焼成の表層を除去する作業が無くなり、 連続的に焼成することが可 能となる。 しかも、 加熱強度が弱くなる焼成管の下方側に高温焼成層を降下させ るよ うにしているため、 該高温焼成層の温度が過度に上昇されることも無く な り、 適切な焼成温度が保持されるので、 十分な焼成時間を得ることができる。

( 3 ) 焼成管の上部に原料粉末カーボンを連続的に供給することにより、 堆積し た粉末カーボンの加熱側の表面温度をより低く保持することができ、 これによつ て、 その粉末カーボンの表面における放射熱損失を低減することができる。

( 4 ) 高温焼成層の周囲に粉末カーボン断熱層を配置することで、 高温焼成層か らその周囲側への熱損失を低減することができるとともに、 焼成管の耐久時間を 満足する温度以下に焼成管の温度を維持することができる。 また、 粉末カーボン 断熱層は、 焼成品と同等の粉末カーボンを配置して形成しているので、 他の特別 な断熱材が不要であり、 経済的である。

1998年 3月 27日 日本国出願の特願平 1 0— 8 0 6 4 9号の明細書、 図面、 要約、 およびクレームの記載は、 本明細書の記載の一部と してその全体をここに引用す る。

Claims

請求の範囲

1.焼成管内に粉末カーボンを供給し、 該粉末カーボンの堆積層の上面にマイク口 波を照射して該堆積層の内部に高温焼成層を形成しつつ、 粉末カーボンを連続的 に焼成することを含む粉末カーボンの連続焼成方法。

2.上記粉末カーボンを上方から上記焼成管内に連続的に供給し、 上記高温焼成層 を経て下方へ降下させ、 上記焼成管の下方から粉末カーボンの焼成品を連続的に 取り出すことを含む請求項 1に記載の粉末カーボンの連続焼成方法。

3.炉内に設けられた焼成管と、 該焼成管の一端から粉末カーボンを連続的に供給 する粉末カーボン供給装置と、 該焼成管の他端から粉末カーボンの焼成品を連続 的に取り出す焼成品取出装置と、 該炉内に延長して設けられ、 該焼成管内に供給 されて堆積する粉末カーボンの堆積層の上面にマイク口波を照射するマイクロ波 導波管とを含み、 マイク口波の照射により粉末カーボンの堆積層の内部に高温焼 成層を形成する粉末カーボンの連続焼成装置。

4.上記粉末カーボンの堆積層の内部の高温焼成層に対応して上記焼成管の周囲に 設けた粉末カーボン断熱層を含む請求項 3に記載の粉末カーボンの連続焼成装