JP4887961B2 - 熱処理装置 - Google Patents
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Description
ところが、抵抗加熱炉や連続炉等の工業炉では、炉内の温度が高温となり、熱電モジュールが効率的に発電することが可能な温度領域を越える。このため、従来の工業炉では、熱電モジュールを熱源の方向に複数積層させる構成を採る場合があった。このように、熱電モジュールを熱源の方向に複数積層させることによって、積層される複数の熱電モジュールに熱負荷が分散するため、各熱電モジュールの高温側の温度と低温側の温度との差温を、熱電モジュールが効率的に発電可能な温度領域に近づけることができ、より効率的な発電を行うことが可能となる。
また、このような構成を採用する場合には、内部において所定方向に流体が流される水冷ジャケット上に上記第1熱電モジュールが設置されている場合に、上記温度設定層の上記流体が、上記水冷ジャケットの内部に流れる上記流体と同一方向に流されるという構成を採用することができる。
このような構成を採用する場合には、上記温度設定層は、上記第1熱電モジュールの低温側と高温側との差温が200〜300℃となるように温度設定されるという構成を採用することができる。
したがって、本発明によれば、第1熱電モジュールが効率的に発電可能な温度に温度設定層の温度を設定することによって、熱電モジュールから効率的にかつ安定した出力を得ることが可能となる。
本第1実施形態では、本発明を抵抗加熱炉(熱処理装置)に適用した場合について説明する。
図1は、本実施形態の抵抗加熱炉1の概略構成を模式的に示した断面図である。この図に示すように、本実施形態の抵抗加熱炉1は、最外殻として構成される水冷ジャケット2と、水冷ジャケット2の内部に収納されるとともに断熱材3aによって覆われた加熱室3と、水冷ジャケット2の一方側から加熱室3の内部に連通されるガス供給管4と、水冷ジャケット2の他方側から加熱室3の内部に連通される廃ガス管5と、水冷ジャケット2及び加熱室3を貫通して設置される電気ヒータ6とを備えている。
なお、以下の説明において、2段に積層された熱電モジュール8のうち、水冷ジャケット2側に位置する熱電モジュール8を下段熱電モジュール81(第1熱電モジュール)と称し、加熱室3側に位置する熱電モジュール8を上段熱電モジュール82(第2熱電モジュール)と称する。
この下段熱電モジュール81は、熱電モジュール8の中でも主たる発電機能を有するものであり、最も高い発電効率を発揮することが可能なビスマステルル系材料を用いたP型熱電素子とN型熱電素子とを有するものである。なお、このビスマステルル系材料を用いたP型熱電素子とN型熱電素子とを有する下段熱電モジュール81は、低温側の面と高温側の面との差温が200〜300℃において高い発電効率を発揮し、特に250℃近傍において最も高い発電効率を発揮する。
また、本実施形態においては、油Yの温度は、200〜300℃に設定されている。このため、温度設定部9の温度が200〜300℃となり、下段熱電モジュール81の高温側の面が200〜300℃となる。すなわち温度設定部9の温度は、下段熱電モジュール81が効率的に発電することが可能な差温を生じるように設定されている。
この上段熱電モジュール82は、高温側の面と低温側の面との間に生じる差温に応じた材料を用いたP型熱電素子とN型熱電素子とを有するものである。
この図に示すように、ビスマステルル系の材料を用いてP型熱電素子とN型熱電素子とが形成された熱電モジュールは200〜300℃の範囲で高い発電効率を発揮する。これに対して、鉛テルル系の材料を用いてP型熱電素子とN型熱電素子とが形成された熱電モジュールは600〜700℃の範囲で高い発電効率を発揮し、シリコンゲルマニウム系の材料を用いてP型熱電素子とN型熱電素子とが形成された熱電モジュールは1200℃近傍で高い発電効率を発揮する。
このため、例えば加熱室3からの輻射線を受けることによって生じる上段熱電モジュール82の高温側の面の温度、すなわち上段熱電モジュール82の高温側の面が晒される温度が約900℃である場合には、上段熱電モジュール82の高温側の面と低温側の面(温度設定部9に当接する面)との差温が約600〜700℃の範囲となる。よって、このような場合には、鉛テルル系の材料を用いてP型熱電素子とN型熱電素子とが形成された熱電モジュールを上段熱電モジュールとして用いることが好ましい。
また、本実施形態の抵抗加熱炉1によれば、下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82との間に温度設定部9が設置されている。このため、温度設定部9に当接される下段熱電モジュール81の高温側の面が常に温度設定部9の温度とされる。温度設定部9の温度は、油Yの温度によって強制的に設定されているため、加熱室3からの輻射線量すなわち熱源の温度が変動した場合であっても、下段熱電モジュール81の高温側の面の温度変動を小さくすることができる。よって、発電の主たる機能を有する下段熱電モジュール81から安定した出力を得ることができる。
したがって、本実施形態の抵抗加熱炉1によれば、熱電モジュール8から効率的にかつ安定した出力を得ることが可能となる。
温度設定部9の油Yと、水冷ジャケット2の内部を流れる冷却水Xとは、抵抗加熱炉1の内部において高温雰囲気に晒されるため、徐々に温度が上昇してしまう。しかしながら、本実施形態の抵抗加熱炉1においては、温度設定部9の油Yが、水冷ジャケット2の内部を流れる冷却水Xと同一方向に流されるため、図5に示すように、油Yと冷却水Xとが同様に昇温し、油Yの温度と冷却水Xの温度との差温が常に一定となる。このため、下段熱電モジュール81の高温側の面と低温側の面との温度差が、常に一定となり、下段熱電モジュール81から安定した出力を得ることができる。
このため、高効率で熱を電力に変換することが可能となり、より効率的な抵抗加熱炉1となっている。
このため、本実施形態の抵抗加熱炉1によれば、熱電モジュール8によって、より効率的な発電を行うことが可能となる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本第2実施形態において、上記第1実施形態と同様の部分については、同一符合を付し、その説明を省略あるいは簡略化する。
図6は、本第2実施形態の連続炉40を模式的に示した断面図である。この図に示すように、本実施形態の連続炉40は、加熱することによってワークwの温度を上昇させる昇温部41と、昇温部41によって昇温されたワークwを、温度を保持した状態で所定ガス雰囲気に晒すことによってガス処理する保持部42と、保持部42によってガス処理されたワークwを水冷板44によって冷却する冷却部43とを有している。そして、昇温部41と保持部42と冷却部43とは連接されており、ワークwは、ベルトコンベア等の搬送部45によって昇温部41、保持部42、冷却部43の順に搬送される。
また、本実施形態の連続炉40によれば、下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82との間に温度設定部9が設置されている。このため、温度設定部9に当接される下段熱電モジュール81の高温側の面が常に温度設定部9の温度とされる。温度設定部9の温度は、油Yの温度によって強制的に設定されているため、ワークwからの輻射線量すなわち熱源の温度が変動した場合であっても、下段熱電モジュール81の高温側の面の温度変動を小さくすることができる。よって、発電の主たる機能を有する下段熱電モジュール81から安定した出力を得ることができる。
したがって、本実施形態の連続炉40によれば、熱電モジュール8から効率的にかつ安定した出力を得ることが可能となる。
しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、輻射線を射出する熱源を有する熱処理装置全般に適用することができる。また、本発明の熱処理装置は、処理対象物を加熱等熱処理する熱源を有する装置、あるいは加熱された処理対象物を熱源として有する装置に限定されるものではなく、廃熱等によって所定の部位が加熱される装置を含むものである。例えば、燃焼機関の排ガス煙道を熱源として備え、この排ガス煙道からの熱を熱電モジュールにて電力に変換する装置等も、本発明の熱処理装置に含まれるものである。
このような場合には、各熱電モジュールの間に温度設定部9を設置しても良いし、主たる発電機能を有するメインの熱電モジュールすなわち最も発電量の大きい熱電モジュールの高温側面に当接するように温度設定部9を設置しても良い。
しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、温度設定部9の温度設定のために、各種流体を用いることができる。例えば、油Yの替わりに、水、有機化合物を含む溶液、塩水溶液、酸性またはアルカリ性水溶液、あるいはこれら流体の混合溶液等の流体を用いることもできる。また、さらには、液体金属、エマルジョン、あるいは粒子を含んだ懸濁液等を用いることもできる。また、液体の替わりに気体を用いても良い。そして、より温度設定部9に用いられる流体としては、蓄熱材であることが好ましい。
なお、上述の各種流体を油Yの替わりに用いる場合には、温度設定部9の安定した温度を確保するために、各種流体が相変態を起こさないように、圧力を調整することが好ましい。
また、この他にも、油Yの替わりに、融点が一定でないものの、温度が安定するシャーベット状高温混合物を用いることもできる。これによって、温度設定部9の温度が熱源からの輻射線によって上昇することを抑止することができ、各熱電モジュールからの出力を一定にすることが可能となる。
Claims (4)
- 熱源と、該熱源に向けて積層される複数の熱電モジュールと、複数の前記熱電モジュールのうち低温側に設置される第1熱電モジュールと高温側に設置される第2熱電モジュールとの間に設置され、かつ、所定の温度に設定される温度設定層とを備え、
前記温度設定層は、前記所定の温度に設定される流体と、該流体の流れる流路とを備える
ことを特徴とする熱処理装置。 - 内部において所定方向に流体が流される水冷ジャケット上に前記第1熱電モジュールが設置されている場合に、
前記温度設定層の前記流体は、前記水冷ジャケットの内部に流れる前記流体と同一方向に流される
ことを特徴とする請求項1記載の熱処理装置。 - 前記第1熱電モジュールは、ビスマステルル系材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の熱処理装置。
- 前記温度設定層は、前記第1熱電モジュールの低温側と高温側との差温が200〜300℃となるように温度設定されることを特徴とする請求項3記載の熱処理装置。
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