JP2002171776A - 工業炉用熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電素子の破壊による発電不能の問題を起す
ことなく、工業炉の熱エネルギーを電力として回収でき
るようにする。 【解決手段】 加熱室３を覆う断熱材３ａの外側に、空
隙部６を介して水冷ジャケット７を装備させた工業炉と
しての抵抗加熱炉８において、水冷ジャケット７の内壁
面に、断熱材３ａとは非接触となるように熱電モジュー
ル９を張り付ける。熱電モジュール９は、それぞれ複数
のＰ型熱電素子９ａとＮ型熱電素子９ｂとを交互に並
べ、高温側の一端部同士と低温側の一端部同士を、電極
１７と１８により順次連結する。両端の電極１７又は１
８を、電力回収ライン１１を介し蓄電装置１２にて回収
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は抵抗加熱炉や燃焼炉
の如き工業炉で用いる熱電発電装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】この種、熱電発電装置は、複数のＰ型発
電素子とＮ型発電素子を交互に配して、それぞれの一端
部同士と他端部同士を交互に電極により連結してなる発
電モジュールを、上記電極を介して高温側の部材と低温
側の部材に接触させ、高温側からの熱流を低温側に流す
ことで電流を取り出すようになっているもので、従来よ
り広く知られており、たとえば、ボイラやゴミ焼却炉等
では、上記熱電モジュールを、高温配管と冷却水配管か
ら導いた冷却板との間に取り付けるようにしており、こ
の際、熱伝達率を高めるために、熱電モジュールを、電
気的絶縁体を介してボルトやばねを用いて締め付けるこ
とが行われている。

【０００３】しかしながら、上記熱電モジュールに用い
られている熱電素子は構造の脆い材料により製造されて
おり、この熱電素子に非常に強い締付力が負荷される構
造として取り付けるようにしているため、温度差による
熱応力が加わることにより破壊に至ることがあり、又、
高温部では、熱サイクルにより電極と熱電素子との連結
部（ロウ付け部）にクリープや破壊が生じることがあ
る。上記熱電素子は電気的に直列に連結されているた
め、１個所でも破壊が生じると発電不能となってしまう
という問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、電子部品の
如き高機能材料をワークとして用いる工業炉の中には、
炉体の外側に水冷ジャケットを配置して、ワークを急速
加熱した後に急冷処理を行う方式（バッチ式炉）やワー
クを連続焼結した後に連続冷却を行う方式（連続炉）等
があり、このような方式の場合、ワークに加わる熱に比
して、炉体を通して水冷ジャケット内の冷却水に伝わる
熱量が非常に大きく、エネルギーを無駄にしているとい
う特性がある。これらの熱エネルギーを上記の熱電発電
法を用いて直流電力として回収することにより、省エネ
ルギー化を図ることが望まれている。

【０００５】そこで、本発明は、上述したような熱電素
子の破壊による発電不能の問題を起すことなく、工業炉
の熱エネルギーを電力として回収することができるよう
な工業炉用熱電発電装置を提供しようとするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、外側に水冷ジャケットが装備してある炉
内に、断熱材で覆われた加熱室を設け、該加熱室の断熱
材と水冷ジャケットとの間に空間部が形成されるように
してある工業炉の炉内に、複数の熱電素子を電気的に連
結してなる熱電モジュールの低温側を上記空間部の水冷
ジャケット側壁面に接触させて張り付けて、該熱電モジ
ュールの高温側と上記断熱材を非接触とするようにし、
且つ該熱電モジュールを、電力回収ラインを介して蓄電
装置に接続した構成とする。

【０００７】断熱材から流れる主として放射熱が熱電モ
ジュールの高温側で受けられ、熱電モジュールから取り
出された電力が蓄電装置にて回収されることになる。こ
の際、熱電モジュールの高温側は炉内断熱材に対し非接
触であることから、熱電素子には熱応力が作用しにくく
なり破壊が防止される。

【０００８】又、加熱保持室部の出口側に、冷却室部を
配置して炉室を形成し、該炉室の外側に水冷ジャケット
を装備させると共に、炉室内にワークを連続搬送する搬
送コンベヤの搬送部を通すようにしてある工業炉の上記
水冷ジャケット側の内壁面に、複数の熱電素子を電気的
に連結してなる熱電モジュールの低温側を張り付け、該
熱電モジュールを、電力回収ラインを介して蓄電装置に
接続した構成としても、同様に電力を回収することがで
きて、熱電素子の破壊を防止することができる。

【０００９】更に、工業炉を複数とし、各工業炉の熱電
モジュールからの電力回収ラインを、１つの蓄電装置に
集合させて接続するようにした構成とした場合は、回収
した電力を、合理的に供給することができるようにな
る。

【００１０】更に又、熱電モジュールの高温側の受熱面
に、集熱板を配置した構成とすることによって、熱電モ
ジュールの受熱効率をより向上させることができるよう
になる。

【００１１】又、熱電モジュールの熱電素子の高温側受
熱面に、ワイヤ又はバネ材にて電気的接続を施した構成
とすることにより、高温側の熱応力を緩和することがで
きる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１３】図１（イ）（ロ）は本発明の実施の一形態
を示すもので、バッチ式の抵抗加熱炉への採用例につい
て示す。すなわち、外側に水冷ジャケット７を備えた炉
内に、一側に雰囲気ガス供給管１を、又、他側に廃ガス
管２をそれぞれ接続し且つ内部でワーク４を加熱するよ
う電気ヒータ５を貫通させて備えていて、外側を断熱材
３ａで覆ってなる加熱室３を設け、且つ上記断熱材３ａ
の外側と上記水冷ジャケット７との間に空間部６を形成
し、該空間部６を真空又はガス雰囲気として運転するよ
うにしてある工業炉としての抵抗加熱炉８において、ユ
ニット化された多数の熱電モジュール９を、上記水冷ジ
ャケット７に接するように炉内面に、上記断熱材３ａと
は非接触に張り付け、且つ上記各熱電モジュール９を、
ダイオード等の逆流防止器１０を備えた電力回収ライン
１１を介して蓄電装置１２に接続し、該蓄電装置１２か
らの電力供給ライン１３を、抵抗加熱炉８の個別制御器
１４に接続し、上記加熱室３内を加熱したときに断熱材
３ａから水冷ジャケット７に流れる放射熱を主とする熱
流１５を基に、各熱電モジュール９により熱エネルギー
を電気エネルギーに変換し、蓄電装置１２で回収した電
力を制御器１４に供給できるようにする。

【００１４】上記熱電モジュール９は、図１（ロ）にそ
の一例の詳細を示す如く、それぞれ複数のＰ型熱電素子
９ａとＮ型熱電素子９ｂとを交互に並べて、これら熱電
素子９ａと９ｂとが直列に導通するように、熱電素子９
ａと９ｂの高温側となる一端部同士をワイヤ１６により
接続された電極１７により順次連結すると共に、低温側
となる他端部同士を電極１８により順次連結し、両端に
位置する電極１８又は１７に電力回収ライン１１を接続
するようにしてあり、低温側を、セラミックやプラスチ
ック等の薄い絶縁体１９を介して冷却ジャケット７に接
するように張り付けるようにしてある。

【００１５】加熱室３内に配置されたワーク４をヒータ
５により加熱すると、その熱の多くが断熱材３ａを通し
て水冷ジャケット７に伝えられるが、このとき、断熱材
３ａから流れる熱流１５のほとんどは放射熱であるた
め、この熱エネルギーは水冷ジャケット７へ到達する前
に熱電モジュール９の高温側受熱面にて受けられ、低温
側に伝えられることで電気エネルギーに変換される。こ
れにより、発生した直流電力は電力回収ライン１１によ
り蓄電装置１２に回収され、制御器１４等の直流で動作
する機器に供給される。したがって、このように電力回
収を行うことで、抵抗加熱炉８の消費電力を低減するこ
とができる。

【００１６】上記において、熱電モジュール９の低温側
は絶縁体１９を介して水冷ジャケット７に接している
が、高温側は断熱材３ａに対し非接触としてあり、しか
も高温側の電極１７はワイヤ１６により接続されていて
電極１７同士は自由に動けるようにしてあって、各熱電
素子９ａ，９ｂには締付力が作用していないので、高温
側は熱応力を受けにくく、そのため、各熱電素子９ａ，
９ｂの破壊をなくすことができ、発電不能となってしま
うような事態の発生を未然に防ぐことができる。

【００１７】又、上述したように、熱電モジュール９
は、高温側を炉内断熱材３ａに対し非接触としてあっ
て、主として放射伝熱を受ける構造としてあるため、高
温側に絶縁体を配置する必要がなく、熱電素子９ａ，９
ｂに熱が伝わり易くなることから、熱電モジュール９自
体の組み立てが簡単となり、安価に製作することができ
る。更に、ヒータ５の電源を切って加熱室３を冷却する
場合にも、断熱材３ａからは暫くの間熱流１５が発して
いるので、この熱流１５を用いて発電することができて
有利となる。

【００１８】次に、図２は本発明の実施の他の形態を示
すもので、図１（イ）（ロ）に示したと同様な構成にお
いて、熱電モジュール９の熱電素子９ａ，９ｂの高温側
の受熱面同士をワイヤ１６により接続された電極１７に
より連結することに代えて、バネ材の機能をもたせた集
熱板兼用の導電板２８にて接続したものである。

【００１９】図２に示すように構成すると、導電板２８
は熱流１５を受ける面積が広くなって有利となると共に
バネ材の機能によって高温側の熱応力を良好に緩和する
ことができる。

【００２０】又、図３（イ）（ロ）は本発明の実施の更
に他の形態を示すもので、図１（イ）（ロ）に示したと
同様な構成において、図３（イ）は、熱電モジュール９
の高温側に、黒体製の集熱板２０を各熱電素子９ａ，９
ｂの受熱面を覆うように配置したものであり、図３
（ロ）は、同じく熱電モジュール９の高温側に、多数の
集熱フィン２１を設けてなる黒体（黒鉛等）製の集熱板
２０を配置したものである。

【００２１】図３（イ）に示すように、熱電モジュール
９の高温側受熱面に集熱板２０を配置すると、該集熱板
２０により断熱材３ａからの熱流１５を受け易くするこ
とができるので、発電効率を向上させることができ、
又、図３（ロ）に示すようにした場合は、集熱フィン２
１により、受熱面積を更に広くすることができるので、
発電効率をより向上させることができる。この時、フィ
ン形状は放射光に対して黒体のようになる形状にしてお
くと更に効果的である。

【００２２】次いで、図４は本発明の実施の更に別の形
態を示すもので、工業炉としての連続炉２２への適用例
について示す。すなわち、炉室２３を、加熱ガスを流す
ようにした加熱保持室部２４と、該加熱保持室部２４の
入側に配置した昇温室部２５と、上記加熱保持室部２４
の出側に配置した冷却室部２６とからなる構成として、
各室部２５，２４，２６の外側に水冷ジャケット２７を
装備し、且つ各室部２５，２４，２６内に、ワーク４を
搬送する搬送コンベヤ２９の搬送部を連続的に通過させ
るようにし、ワーク４を、昇温室２５で昇温させてか
ら、加熱保持室部２４で焼結処理した後、冷却室部２６
で冷却して排出するようにしてある工業炉としての連続
炉２２において、上記水冷ジャケット２７の内壁面所要
個所に、図１（ロ）又は図２あるいは図３（イ）や図３
（ロ）に示す如き構成の熱電モジュール９を、高温側が
非接触となるように張り付け、熱電モジュール９で取り
出された電力を蓄電装置１２で回収して、制御器１４等
の電力として供給できるようにしたものである。なお、
図４において、図１（イ）と同一部分には同一符号が付
してある。

【００２３】図４に示すような連続炉２２に適用した場
合、昇温室部２５と加熱保持室部２４では、主として加
熱ガスの対流熱及び放射熱を熱電モジュール９が受熱す
ることにより、又、冷却室部２６では、ワーク４からの
放射熱を熱電モジュール９で受熱することにより、電力
を取り出して回収することができ、図１（イ）（ロ）の
実施の形態の場合と同様な作用効果を奏し得る。

【００２４】図５は本発明の実施の更に別の形態を示す
もので、上記したような抵抗加熱炉８や連続炉２２等が
複数基設置されている場合への適用例について示す。す
なわち、複数の抵抗加熱炉８（又は連続炉２２）の冷却
ジャケットの内壁面に張り付けた各熱電モジュール９の
電力回収ライン１１を、１つの蓄電装置１２に集合させ
るようにし、且つ各抵抗加熱炉８（又は連続炉２２）の
稼働状況などの信号を中央制御器３０から分配制御器３
１に入力できるようにして電力を必要とする抵抗加熱炉
８（又は連続炉２２）に電力を供給できるようにしたも
のである。なお、図５において、図１（イ）と同一部分
には同一符号が付してある。

【００２５】図５に示すようにした場合は、複数の抵抗
加熱炉８（又は連続炉２２）から取り出した電力をすべ
て１つの蓄電装置１２に蓄電させて、電力を必要とする
抵抗加熱炉（又は連続炉）２２のみに供給することがで
きるので、電力を合理的且つ有効に使用することができ
て更なる省エネルギー化を図ることができる。

【００２６】なお、上記図１、図４の実施の形態では、
バッチ式の工業炉として抵抗加熱炉８を示したが、冷却
ジャケットを装備した構成の燃焼炉であってもよいこ
と、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種
々変更を加え得ることは勿論である。

【００２７】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明の工業炉用熱電
発電装置によれば、外側に水冷ジャケットが装備してあ
る炉内に、断熱材で覆われた加熱室を設け、該加熱室の
断熱材と水冷ジャケットとの間に空間部が形成されるよ
うにしてある工業炉の炉内に、複数の熱電素子を電気的
に連結してなる熱電モジュールの低温側を上記空間部の
水冷ジャケット側壁面に接触させて張り付けて、該熱電
モジュールの高温側と上記断熱材を非接触とするように
し、且つ該熱電モジュールを、電力回収ラインを介して
蓄電装置に接続した構成としたり、加熱保持室部の出口
側に、冷却室部を配置して炉室を形成し、該炉室の外側
に水冷ジャケットを装備させると共に、炉室内にワーク
を連続搬送する搬送コンベヤの搬送部を通すようにして
ある工業炉の上記水冷ジャケット側の内壁面に、複数の
熱電素子を電気的に連結してなる熱電モジュールの低温
側を張り付け、該熱電モジュールを、電力回収ラインを
介して蓄電装置に接続した構成としてあるので、熱電モ
ジュールで取り出した電力を蓄電装置で回収できること
により、炉の消費電力を低減できると共に、熱電モジュ
ールの高温側が熱応力を受けにくい構造となって熱電素
子の破壊を抑えることができることにより、発電不能と
なってしまうことを防止することができ、しかも、熱電
モジュールの高温側には絶縁体を配置する必要がないの
で、熱電モジュールの組み立てを容易に行うことがで
き、又、工業炉を複数とし、各工業炉の熱電モジュール
からの電力回収ラインを、１つの蓄電装置に集合させて
接続するようにした構成とすることにより、回収した電
力を、電力を必要とする個所へ供給することができてよ
り有効に利用することができ、更に、熱電モジュールの
高温側の受熱面に、集熱板を配置した構成とすることに
よって、熱電モジュールによる受熱効率をより向上させ
ることができ、更に又、熱電モジュールの熱電素子の高
温側受熱面に、ワイヤ又はバネ材にて電気的接続を施し
た構成とすることにより、高温側の応力を良好に緩和す
ることができる、等の優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工業炉用熱電発電装置の実施の一形態
を示すもので、（イ）は抵抗加熱炉への適用例を示す概
要図、（ロ）は（イ）のＡ部拡大図である。

【図２】本発明の実施の他の形態を示す熱電モジュール
の構成例図である。

【図３】本発明の実施の更に他の形態を示すもので、
（イ）（ロ）はいずれも熱電モジュールの構成例図であ
る。

【図４】本発明の実施の更に別の形態を示すもので、連
続炉への適用例を示す概要図である。

【図５】本発明の実施の更に別の形態を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

３ 加熱室 ３ａ 断熱材 ４ ワーク ５ ヒータ ６ 空間部 ７ 水冷ジャケット ９ 熱電モジュール ９ａ Ｐ型熱電素子 ９ｂ Ｎ型熱電素子 １１ 電力回収ライン １６ ワイヤ ２０ 集熱板 ２１ 集熱フイン ２２ 連続炉 ２３ 炉室 ２４ 加熱保持室部 ２６ 冷却室部 ２７ 水冷ジャケット ２８ 導電板（バネ材）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外側に水冷ジャケットが装備してある炉
   内に、断熱材で覆われた加熱室を設け、該加熱室の断熱
   材と水冷ジャケットとの間に空間部が形成されるように
   してある工業炉の炉内に、複数の熱電素子を電気的に連
   結してなる熱電モジュールの低温側を上記空間部の水冷
   ジャケット側壁面に接触させて張り付けて、該熱電モジ
   ュールの高温側と上記断熱材を非接触とするようにし、
   且つ該熱電モジュールを、電力回収ラインを介して蓄電
   装置に接続した構成を有することを特徴とする工業炉用
   熱電発電装置。
2. 【請求項２】 加熱保持室部の出口側に、冷却室部を配
   置して炉室を形成し、該炉室の外側に水冷ジャケットを
   装備させると共に、炉室内にワークを連続搬送する搬送
   コンベヤの搬送部を通すようにしてある工業炉の上記水
   冷ジャケット側の内壁面に、複数の熱電素子を電気的に
   連結してなる熱電モジュールの低温側を張り付け、該熱
   電モジュールを、電力回収ラインを介して蓄電装置に接
   続した構成を有することを特徴とする工業炉用熱電発電
   装置。
3. 【請求項３】 工業炉を複数とし、各工業炉の熱電モジ
   ュールからの電力回収ラインを、１つの蓄電装置に集合
   させて接続するようにした請求項１又は２記載の工業炉
   用熱電発電装置。
4. 【請求項４】 熱電モジュールの高温側の受熱面に、集
   熱板を配置した請求項１、２又は３記載の工業炉用熱電
   発電装置。
5. 【請求項５】 熱電モジュールの熱電素子の高温側受熱
   面に、ワイヤ又はバネ材にて電気的接続を施した請求項
   １、２、３又は４記載の工業炉用熱電発電装置。