JP2007051332A - 焼入装置及び冷却剤の廃熱回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器における廃熱を熱電変換することにより、ワークの焼入処理においてワークから冷却剤に与えられた熱を有効に回収及び利用できるようにする。
【解決手段】焼入槽１の流出口８及び流入口９に連通して焼入槽１の外部において焼入油７を循環させる循環経路２中に、熱電変換装置３，４を配置した。熱電変換装置３，４には給水装置１１，１２から冷却水を供給する。熱電変換装置３，４内において焼入油経路２１と冷却水経路２２との間に熱電変換モジュール２３を配置し、焼入油経路２１内の焼入油７の顕熱が冷却水経路２２内の冷却水に放出される間に、熱電変換モジュール２３において発電された電力を蓄電装置６に蓄電する。
【選択図】図１

Description

この発明は、所定温度に加熱された鋼製部品等の被処理物（以下、「ワーク」という。）を急冷する焼入処理に用いられる焼入装置、及び、焼入処理に用いられる冷却剤の廃熱回収方法に関する。

ワークに対する熱処理としてワークを所定温度に加熱後に急冷する焼入処理には、連続式又はバッチ式の焼入装置が用いられている。このような焼入装置は、焼入油等の冷却剤を貯留した冷却剤槽を備えている。冷却剤槽内の冷却剤中に、加熱された複数のワークが順次浸漬される。ワークに対して焼入処理を適正に行うためには、冷却剤槽に貯留された冷却剤の温度を一定温度範囲に維持する必要がある。しかし、冷却剤の温度は、高温のワークが浸漬されることによって上昇していく。

このため、焼入装置では、冷却槽内の冷却剤をオイルクーラ等の冷却器に循環させ、冷却水等の冷媒との間で熱交換させることによって冷却剤を冷却するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

ところが、冷却器において冷媒との熱交換によって冷却剤を冷却するのみでは、ワークの持出熱によって冷却剤に蓄えられた多量の熱エネルギが、何ら利用されることなく無駄に廃棄されることになる。

そこで、従来の焼入装置では、冷却器における冷却剤からの廃熱を用いて、加熱前のワークに対する前洗浄処理に使用される洗浄液を加熱するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特開平０６−１５８１４８号公報 実公平０７−００２６０７号公報

しかしながら、特許文献２に記載された従来の焼入装置のように、冷却器における廃熱を前洗浄液の加熱に使用する方法では、冷却器において得られる廃熱が十分に利用されておらず、廃熱を効率的に利用しているとはいえない。

例えば、ワークの加熱温度を８５０℃、焼入油の温度を１５０℃、前洗浄液の加熱温度を６０℃、前洗浄処理前のワークの温度を２５℃とすると、焼入処理時のワークに対する熱収支は８５０℃−１５０℃＝７００℃であるのに対して、前洗浄処理時のワークに対する熱収支は６０℃−２５℃＝３５℃であり、高々廃熱の５％程度しか利用することができない。

この発明の目的は、冷却器における廃熱を熱電変換することにより、ワークの焼入処理においてワークから冷却剤に与えられた熱を有効に回収及び利用することができる焼入装置及び冷却剤の廃熱回収方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明の焼入装置及び冷却剤の廃熱回収方法は、
流出口及び流入口を有する焼入槽と、前記流出口及び前記流入口に連通して前記焼入槽の外部において冷却剤を循環させる循環経路と、前記循環経路中を循環する前記冷却剤の熱を電力に変換する熱電変換装置と、を備え、焼入槽内の冷却剤を前記焼入槽外に配置された循環経路中に循環させ、この間に前記冷却剤の顕熱によって熱電発電を行うことを特徴とする。

この構成により、焼入処理時にワークから冷却剤に与えられた顕熱が熱電発電によって電気エネルギとして回収される。したがって、冷却剤の顕熱が電力として利用される。

また、前記循環経路に熱交換界面を挟んで冷却媒体が接触する冷却装置をさらに備え、前記熱電変換装置を前記熱交換界面に設置したことを特徴とする。

この構成においては、冷却剤が循環する循環経路と冷却剤を冷却する冷却媒体との熱交換界面に熱電変換装置が設置される。したがって、冷却媒体による冷却剤の冷却効率が低下することなく、冷却剤の顕熱による熱電発電が行われる。

さらに、前記循環経路中に複数の前記熱電変換装置を直列に設置したことを特徴とする。

この構成においては、冷却剤の循環経路を循環する冷却剤の顕熱が複数の熱電変換装置によって電気エネルギに変換される。したがって、冷却剤の顕熱による熱電発電の効率が高くなる。

加えて、前記複数の前記熱電変換装置のそれぞれは、前記循環経路中の各設置位置における前記冷却剤の温度に応じて互いに異なる材質の熱電変換素子を備えたことを特徴とする。

この構成においては、冷却剤の循環経路を循環する冷却剤の顕熱が冷却剤の温度に応じて互いに異なる熱電変換素子を備えた複数の熱電変換装置によって電気エネルギに変換される。したがって、冷却剤の顕熱による熱電発電の効率がより高くなる。

この発明の焼入装置及び冷却剤の廃熱回収方法によれば、焼入処理時にワークから冷却剤に与えられた顕熱を熱電発電によって電気エネルギとして回収することにより、冷却剤の顕熱を電力として有効に利用することができる。

また、冷却剤が循環する循環経路と冷却剤を冷却する冷却媒体との熱交換界面に熱電変換装置を設置することにより、冷却媒体による冷却剤の冷却効率を低下させることなく、冷却剤の顕熱を電気エネルギとして回収することができる。

さらに、冷却剤の循環経路を循環する冷却剤の顕熱を複数の熱電変換装置によって電気エネルギに変換することにより、冷却剤の顕熱による熱電発電の効率を高くすることができる。

加えて、冷却剤の循環経路を循環する冷却剤の顕熱を冷却剤の温度に応じて互いに異なる熱電変換素子を備えた複数の熱電変換装置によって電気エネルギに変換することにより、冷却剤の顕熱による熱電発電の効率をより高くすることができる。

図１は、この発明の実施形態に係る冷却剤の廃熱回収方法を用いた焼入装置１０の構成を示す概略図である。焼入装置１０は、一例として、焼入槽１、循環経路２、熱電変換装置３，４、ポンプ５、蓄電装置６を備えている。

焼入槽１は、図示しない加熱炉の近傍に配置されている。焼入槽１には、冷却剤である焼入油７が貯留されている。焼入槽１内には、加熱炉で所定温度に加熱された単一又は複数のワークが、所定時間間隔で投入される。ワークは、焼入槽１内の焼入油７中に浸漬されて焼入処理される。このとき、ワークの顕熱が、焼入油７に与えられる。焼入槽１は、焼入油７の流出口８及び流入口９を備えている。循環経路２は、焼入槽１の外部に配置され、流出口８と流入口９とに連通している。

熱電変換装置３，４は、循環経路２中に直列に配置されている。熱電変換装置３，４は、それぞれ給水装置１１，１４を備えている。給水装置１１，１４は、それぞれ給水管１２，１５を経由して熱電変換装置３，４のそれぞれに冷却媒体である冷却水を供給する。熱電変換装置３，４は、それぞれ排水管１３，１６を備えている。熱電変換装置３，４のそれぞれに供給された冷却水は、排水管１３，１６を経由して熱電変換装置３，４のそれぞれから排水される。熱電変換装置３，４は、循環経路２中を流通する焼入油７の顕熱を電力に変換しつつ焼入油７を冷却する。

ポンプ５は、焼入槽１に貯留されている焼入油７を循環経路２を経由して循環させる。焼入油７は、流出口８から循環経路２中に流出し、循環経路２を経由して流入口９から焼入槽１の内部に戻される。

蓄電装置６は、熱電変換装置３，４において発電された電力を蓄電する。蓄電装置６に蓄電された電力は、変換されて使用に適した形とされ又はそのままの形で、焼入装置１０及び燒入装置１０が配置されている施設内の電源の一部又は全部として使用される。

図２は、燒入装置１０に含まれる熱電変換装置３，４の要部の構成を示す図である。熱電変換装置３は、焼入油経路２１と冷却水経路２２との間に熱電変換モジュール２３を配置して構成されている。焼入油経路２１は、循環経路２に接続されている。焼入油経路２１の内部には、焼入槽１から循環経路２を経由して流入した高温の焼入油７が流通する。冷却水経路２２は、給水管１２及び排水管１３に接続されている。冷却水経路２２の内部には、給水装置１１から給水管１２を経由して供給された低温の冷却水が流通する。焼入油経路２１及び冷却水経路２２は、接触面積を広くするために熱電変換装置３内で繰り返し蛇行させて立体的に配置されている。

熱電変換モジュール２３は、少なくとも１層の熱電変換層３７と、互いに平行にして所定の間隙を設けて配置された少なくとも２つの平板状の絶縁層３１，３２と、を備えている。絶縁層３１，３２は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。

絶縁層３１と絶縁層３２との間は、例えば、熱電変換層３７が１層のみからなる場合には、Ｐ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層３７にされている。Ｐ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体３５，３６によって互いに直列に接続されている。

熱電変換モジュール２３において、一方の絶縁層３１は焼入油経路２１の壁面に密着しており、他方の絶縁層３２は冷却水経路２２の壁面に密着している。焼入油経路２１内を流通する高温の焼入油７の顕熱の一部は、熱電変換モジュール２３を貫通して伝導する熱損失として冷却水経路２２を流通する低温の冷却水に奪われる。このとき、熱電変換モジュール２３において、一方の絶縁層３１と他方の絶縁層３２との間に生じた温度差、即ち熱電変換層３７の両端部の温度差に応じた電力を発生する。所定数の熱電変換素子は互いに直列に接続されているため、熱電変換モジュール１４から所定数の熱電変換素子のそれぞれの起電力の和として所定レベルの電力が出力される。

つまり、焼入油７の冷却量、即ち顕熱の減少量は、熱電変換モジュール２３の熱電変換素子３７における熱電発電に用いられる熱量と熱電変換モジュール２３を貫通する熱量、即ち冷却水に奪われる熱量との和である。熱電変換素子３７における熱電発電に用いられる熱量は、熱電変換層３７における高温側と低温側との温度差である。したがって、熱電変換モジュール２３における熱電発電の効率を向上させるためには、絶縁層３１，３２の伝熱抵抗を小さくして熱電変換層３７における高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。

このため、絶縁層３１，３２は、いずれも熱良導体で構成されており、それぞれ焼入油経路２１の壁面及び冷却水経路２２の壁面に密着している。これによって、焼入油経路２１内の焼入油７から放出された熱量のうち、熱電変換層３７における熱電発電に使用される熱量を大きくすることができ、熱電変換モジュール２３における熱電発電の効率を向上させることができる。

熱電変換装置４は、熱電変換装置３と略同一に構成されている。熱電変換装置４は、循環経路２において熱電変換装置３の下流側に配置されている。熱電変換装置４内には、熱電変換装置３において冷却された焼入油７が流入する。したがって、熱電変換装置４内には、熱電変換装置３に流入する焼入油７よりも低温状態の焼入油７が流入する。

このように、２つの熱電変換装置３，４を循環経路２内に直列に配置した場合には、熱電変換装置３，４に流入する焼入油７の温度が相違し、熱電変換装置３，４における熱電変換モジュール２３の作動温度が相違する。

熱電変換モジュール２３は、熱電変換層３７の素材、即ち、本実施形態ではＰ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４の材質によって適用温度範囲が異なる。このため、熱電変換装置３及び熱電変換装置４のそれぞれにおいて、熱電変換モジュール２３の熱電変換層３７の素材を作動温度に応じて選択することにより、熱電変換装置３及び熱電変換装置４における発電効率を高くすることができる。これは、循環経路２内に３つ以上の熱電変換装置を直列に配置する場合にも同様である。

焼入槽１内においてワークの焼入処理によって温度が上昇した焼入油７は、循環経路２内を流通する間に熱電変換装置３，４によって冷却されて焼入槽１内に戻される。この結果、焼入槽１内の焼入油７を、連続炉においては連続的に、バッチ炉においては所定のサイクルタイムの間に、焼入処理に適した温度に維持又は回復させることができる。

なお、焼入装置１０における熱電変換装置の配置個数や配置方法は、図１に示した構成に限るものではない。例えば、複数の熱電変換装置を循環経路２中に並列に配置することもでき、別の冷却装置を併用することもできる。

この発明の実施形態に係る冷却剤の廃熱回収方法を用いた焼入装置１０の構成を示す概略図である。 燒入装置１０に含まれる熱電変換装置３，４の要部の構成を示す図である。

符号の説明

１ 焼入槽
２ 循環経路
３，４ 熱電変換装置
５ ポンプ
６ 蓄電装置
８ 流出口
９ 流入口
１０ 焼入装置
１１，１４ 給水装置
２１ 焼入油経路
２２ 冷却水経路
２３ 熱電変換モジュール
３１，３２ 絶縁層
３３ Ｐ型半導体素子
３４ Ｎ型半導体素子
３５，３６ 導電体

Claims (5)

1. 流出口及び流入口を有する焼入槽と、前記流出口及び前記流入口に連通して前記焼入槽の外部において冷却剤を循環させる循環経路と、前記循環経路中を循環する前記冷却剤の熱を電力に変換する熱電変換装置と、を備えたことを特徴とする焼入装置。
2. 前記循環経路に熱交換界面を挟んで冷却媒体が接触する冷却装置をさらに備え、前記熱電変換装置を前記熱交換界面に設置したことを特徴とする請求項１に記載の焼入装置。
3. 前記循環経路中に複数の前記熱電変換装置を直列に設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の焼入装置。
4. 前記複数の前記熱電変換装置のそれぞれは、前記循環経路中の各設置位置における前記冷却剤の温度に応じて互いに異なる材質の熱電変換素子を備えたことを特徴とする請求項３に記載の焼入装置。
5. 焼入槽内の冷却剤を前記焼入槽外に配置された循環経路中に循環させ、この間に前記冷却剤の顕熱によって熱電発電を行うことを特徴とする冷却剤の廃熱回収方法。

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