JP2008034700A - Heat treatment device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently obtain a stable output from a thermoelectric module. <P>SOLUTION: This heat treatment device is provided with: a heat source 3; a plurality of thermoelectric modules 81 and 82 laminated toward the heat source 3; and a temperature setting layer 9 installed between the first thermoelectric module 81 installed at the low temperature side and the second thermoelectric module 82 installed at the high temperature side among the plurality of thermoelectric modules 81 and 82, and set to a predetermined temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱源と熱源に向けて積層される複数の熱電モジュールを備える熱処理装置に関するものである。   The present invention relates to a heat treatment apparatus including a heat source and a plurality of thermoelectric modules stacked toward the heat source.

抵抗加熱炉や連続炉等の工業炉(熱処理装置)には、複数の熱電素子からなる熱電モジュールを備えるものがある。このような熱電モジュールは、高温側と低温側との温度差によって起電力を発生するP型発電素子とN型発電素子とが交互に複数接続されることによって構成されている。   Some industrial furnaces (heat treatment apparatuses) such as resistance heating furnaces and continuous furnaces include a thermoelectric module including a plurality of thermoelectric elements. Such a thermoelectric module is configured by alternately connecting a plurality of P-type power generation elements and N-type power generation elements that generate an electromotive force due to a temperature difference between a high temperature side and a low temperature side.

ところで、熱電モジュールは、その形成材料によって、最も効率的に発電が可能な温度領域が異なる。例えば、ビスマステルル系材料を形成材料として用いる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は、200〜300℃である。
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。
特開昭59−198883号公報 特開昭60−34084号公報 特開平8−64874号公報 特開2005−33894号公報 特開2005−79347号公報
By the way, the temperature region in which thermoelectric modules can generate electric power most efficiently differs depending on the forming material. For example, a temperature range in which a thermoelectric module using a bismuth tellurium-based material as a forming material can efficiently generate power is 200 to 300 ° C.
However, in an industrial furnace such as a resistance heating furnace or a continuous furnace, the temperature in the furnace becomes high, exceeding the temperature range in which the thermoelectric module can efficiently generate power. For this reason, in the conventional industrial furnace, the structure which laminated | stacked several thermoelectric modules in the direction of a heat source may be taken. In this way, by laminating a plurality of thermoelectric modules in the direction of the heat source, the thermal load is distributed to the plurality of laminated thermoelectric modules, so the difference between the temperature on the high temperature side and the temperature on the low temperature side of each thermoelectric module is determined. Thus, the thermoelectric module can be brought close to a temperature range where power can be generated efficiently, and more efficient power generation can be performed.
JP 59-198883 A JP 60-34084 A JP-A-8-64874 JP 2005-33894 A JP 2005-79347 A

しかしながら、工業炉の炉内の温度は必ずしも安定はしていない。このため、上述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効率的な発電を実現した場合であっても、炉内の温度変動に応じて熱電モジュールからの出力値が変動するため、安定した出力を得ることができなかった。   However, the temperature in the furnace of an industrial furnace is not necessarily stable. For this reason, even if it is a case where efficient electric power generation is realized by laminating a plurality of thermoelectric modules in the direction of the heat source as described above, the output value from the thermoelectric module varies depending on the temperature variation in the furnace. , Could not get a stable output.

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、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を目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to obtain an efficient and stable output from a thermoelectric module.

上記目的を達成するために、本発明は、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、複数の上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ることを特徴とする。   To achieve the above object, the present invention provides a heat source, a plurality of thermoelectric modules stacked toward the heat source, a first thermoelectric module installed on a low temperature side among the plurality of thermoelectric modules, and a high temperature side. It is provided between the 2nd thermoelectric module installed, and is provided with the temperature setting layer set to predetermined temperature, It is characterized by the above-mentioned.

このような特徴を有する本発明によれば、第1熱電モジュールと第2熱電モジュールとの間に所定の温度に設定される温度設定層が設置される。そして、温度設定層の温度を設定することによって、第1熱電モジュールの高温側が温度設定層の温度雰囲気に晒される。   According to the present invention having such characteristics, a temperature setting layer that is set to a predetermined temperature is installed between the first thermoelectric module and the second thermoelectric module. And by setting the temperature of the temperature setting layer, the high temperature side of the first thermoelectric module is exposed to the temperature atmosphere of the temperature setting layer.

また、本発明においては、上記温度設定層が、上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という構成を採用することができる。
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。
In the present invention, a configuration in which the temperature setting layer includes a fluid set to the predetermined temperature and a flow path through which the fluid flows can be employed.
Further, when such a configuration is adopted, when the first thermoelectric module is installed on a water cooling jacket in which a fluid flows in a predetermined direction, the fluid of the temperature setting layer is cooled by the water cooling. A configuration can be adopted in which the fluid flows in the same direction as the fluid flowing inside the jacket.

また、本発明においては、上記第1熱電モジュールが、ビスマステルル系材料を用いて形成されてい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。
Moreover, in this invention, the said 1st thermoelectric module can employ | adopt the structure that it is formed using the bismuth tellurium type material.
In the case of adopting such a configuration, the temperature setting layer employs a configuration in which the temperature is set such that the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side of the first thermoelectric module is 200 to 300 ° C. be able to.

本発明によれば、温度設定層の温度を設定することによって、第1熱電モジュールの高温側が温度設定層の温度雰囲気に晒される。温度設定層の温度は、所定の温度に強制的に設定されているため、熱源の温度が変動した場合であっても、熱源の温度変動と比較して変動が小さい。このため、第1熱電モジュールから安定した出力が得られる。
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。
According to the present invention, by setting the temperature of the temperature setting layer, the high temperature side of the first thermoelectric module is exposed to the temperature atmosphere of the temperature setting layer. Since the temperature of the temperature setting layer is forcibly set to a predetermined temperature, even when the temperature of the heat source fluctuates, the fluctuation is smaller than the temperature fluctuation of the heat source. For this reason, a stable output can be obtained from the first thermoelectric module.
Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain an efficient and stable output from the thermoelectric module by setting the temperature of the temperature setting layer to a temperature at which the first thermoelectric module can efficiently generate power.

以下、図面を参照して、本発明に係る熱処理装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。   Hereinafter, an embodiment of a heat treatment apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.

(第1実施形態)
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。
(First embodiment)
In the first embodiment, a case where the present invention is applied to a resistance heating furnace (heat treatment apparatus) will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a resistance heating furnace 1 of the present embodiment. As shown in this figure, a resistance heating furnace 1 of the present embodiment includes a water cooling jacket 2 configured as an outermost shell, a heating chamber 3 housed in the water cooling jacket 2 and covered with a heat insulating material 3a. The gas supply pipe 4 communicated from the one side of the water cooling jacket 2 to the inside of the heating chamber 3, the waste gas pipe 5 communicated from the other side of the water cooling jacket 2 to the inside of the heating chamber 3, the water cooling jacket 2 and the heating And an electric heater 6 installed through the chamber 3.

このような本実施形態の抵抗加熱炉1においては、加熱室3の内部にワークwを載置し、さらに水冷ジャケット2と加熱室3との間の空間7を真空雰囲気あるいは所定のガス雰囲気にした状態で、電気ヒータ6を駆動する。この際、ガス供給管4から所定ガスを加熱室3に供給することによって、ワークwが所定ガス雰囲気で加熱処理される。なお、所定ガスは、廃ガス管5を介して加熱室3から外部に排気される。   In the resistance heating furnace 1 of this embodiment, the workpiece w is placed inside the heating chamber 3, and the space 7 between the water cooling jacket 2 and the heating chamber 3 is set to a vacuum atmosphere or a predetermined gas atmosphere. In this state, the electric heater 6 is driven. At this time, by supplying a predetermined gas from the gas supply pipe 4 to the heating chamber 3, the workpiece w is heated in a predetermined gas atmosphere. The predetermined gas is exhausted from the heating chamber 3 to the outside through the waste gas pipe 5.

そして、本実施形態の抵抗加熱炉1では、ユニット化された熱電モジュール8が加熱室3に向けて2段に積層された状態で、水冷ジャケット2の内壁部2aに複数設置されている。各熱電モジュール8は、周知のP型熱電素子とN型熱電素子とが基板上に交互に配列されるとともに互いに直列に接続されたものである。
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。
In the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, a plurality of unitized thermoelectric modules 8 are installed on the inner wall 2 a of the water cooling jacket 2 in a state where the thermoelectric modules 8 are stacked in two stages toward the heating chamber 3. Each thermoelectric module 8 is formed by alternately arranging well-known P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements on a substrate and connecting them in series.
In the following description, among the thermoelectric modules 8 stacked in two stages, the thermoelectric module 8 positioned on the water cooling jacket 2 side is referred to as a lower thermoelectric module 81 (first thermoelectric module) and is positioned on the heating chamber 3 side. The thermoelectric module 8 is referred to as an upper thermoelectric module 82 (second thermoelectric module).

図2は、熱電モジュール8の近傍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、低温側に設置される下段熱電モジュール81と、高温側に設置される上段熱電モジュール82と、下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82との間に設置される温度設定部9(温度設定層)とを備えている。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the vicinity of the thermoelectric module 8. As shown in this figure, the resistance heating furnace 1 of the present embodiment includes a lower thermoelectric module 81 installed on the low temperature side, an upper thermoelectric module 82 installed on the high temperature side, a lower thermoelectric module 81, and an upper thermoelectric module 82. And a temperature setting unit 9 (temperature setting layer) installed between the two.

下段熱電モジュール81は、一方側の面(低温側の面)が水冷ジャケット2の内壁部2aに当接された状態で、他方側の面(高温側の面)が温度設定部9に当接された状態で設置されている。なお、下段熱電モジュール81が当接される水冷ジャケット2の内部には、冷却水Xが所定方向に流されており、これによって水冷ジャケット2の表面すなわち下段熱電モジュール81の低温側の面が室温程度となるように温度設定されている。
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。
The lower thermoelectric module 81 has one surface (low temperature side surface) in contact with the inner wall 2a of the water cooling jacket 2 and the other surface (high temperature side surface) in contact with the temperature setting unit 9. Installed. The cooling water X is allowed to flow in a predetermined direction inside the water cooling jacket 2 with which the lower thermoelectric module 81 is abutted, so that the surface of the water cooling jacket 2, that is, the low temperature side surface of the lower thermoelectric module 81 is at room temperature. The temperature is set so as to be about.
The lower thermoelectric module 81 has a main power generation function among the thermoelectric modules 8, and includes a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element using a bismuth tellurium-based material capable of exhibiting the highest power generation efficiency. It is what you have. The lower thermoelectric module 81 having a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element using this bismuth tellurium-based material has high power generation efficiency when the temperature difference between the low temperature side surface and the high temperature side surface is 200 to 300 ° C. In particular, the highest power generation efficiency is exhibited in the vicinity of 250 ° C.

温度設定部9は、上述のように下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82との間に設置されており、所定の温度に設定された油Y(流体)と、この油Yが流れる流路91とによって構成されている。なお、図1に示すように、温度設定部9の流路91は、全ての下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82との間に亘って配設されており、全ての下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82との間に油Yが流れるように構成されている。そして、油Yは、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。
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。
The temperature setting unit 9 is installed between the lower thermoelectric module 81 and the upper thermoelectric module 82 as described above, and the oil Y (fluid) set to a predetermined temperature and the flow path 91 through which the oil Y flows. And is composed of. As shown in FIG. 1, the flow path 91 of the temperature setting unit 9 is disposed between all the lower thermoelectric modules 81 and the upper thermoelectric modules 82, and all the lower thermoelectric modules 81 and the upper thermoelectric modules 82 are arranged. Oil Y is configured to flow between the thermoelectric module 82. The oil Y is caused to flow in the same direction as the cooling water X flowing inside the water cooling jacket 2.
In the present embodiment, the temperature of the oil Y is set to 200 to 300 ° C. For this reason, the temperature of the temperature setting unit 9 is 200 to 300 ° C., and the high temperature side surface of the lower thermoelectric module 81 is 200 to 300 ° C. That is, the temperature of the temperature setting unit 9 is set so as to generate a differential temperature that allows the lower thermoelectric module 81 to generate power efficiently.

そして、上述のように、下段熱電モジュール81は、高温側の面と低温側の面との温度差が250℃近傍において最も高い発電効率を発揮するビスマステルル系材料を用いて形成されている。このため、低温側の面が室温程度とされ、高温側の面が200〜300℃とされる本実施形態における下段熱電モジュール81は、効率的な発電を行うことが可能となる。   As described above, the lower thermoelectric module 81 is formed using a bismuth tellurium material that exhibits the highest power generation efficiency when the temperature difference between the high-temperature side surface and the low-temperature side surface is around 250 ° C. For this reason, the lower thermoelectric module 81 in the present embodiment in which the low-temperature side surface is set to about room temperature and the high-temperature side surface is 200 to 300 ° C. can perform efficient power generation.

上段熱電モジュール82は、一方側の面(低温側の面)が温度設定部9に当接された状態で、他方側の面(高温側の面)が加熱室3に向けられた状態で設置されている。
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。
The upper thermoelectric module 82 is installed in a state where one side surface (low temperature side surface) is in contact with the temperature setting unit 9 and the other side surface (high temperature side surface) faces the heating chamber 3. Has been.
The upper thermoelectric module 82 includes a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element using a material corresponding to a temperature difference generated between a high temperature side surface and a low temperature side surface.

図3は、P型熱電素子及びN型熱電素子の形成材料の違いによる発電効率の違いを説明するためのグラフであり、横軸が絶対温度、縦軸が性能指数を示している。
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。
FIG. 3 is a graph for explaining the difference in power generation efficiency due to the difference in the formation materials of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element, with the horizontal axis indicating the absolute temperature and the vertical axis indicating the performance index.
As shown in this figure, a thermoelectric module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are formed using a bismuth tellurium-based material exhibits high power generation efficiency in a range of 200 to 300 ° C. In contrast, thermoelectric modules in which P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements are formed using lead tellurium-based materials exhibit high power generation efficiency in the range of 600 to 700 ° C., and silicon germanium-based materials are used. The thermoelectric module in which the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are used exhibits high power generation efficiency in the vicinity of 1200 ° C.
For this reason, for example, when the temperature of the high temperature side surface of the upper thermoelectric module 82 generated by receiving radiation from the heating chamber 3, that is, the temperature to which the high temperature side surface of the upper thermoelectric module 82 is exposed is about 900 ° C. The temperature difference between the high-temperature side surface and the low-temperature side surface (the surface in contact with the temperature setting unit 9) of the upper thermoelectric module 82 is in the range of about 600 to 700 ° C. Therefore, in such a case, it is preferable to use a thermoelectric module in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are formed using a lead tellurium-based material as the upper stage thermoelectric module.

図1に戻り、各熱電モジュール8は、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と接続されている。蓄電装置12は、電力供給ライン13を介して制御装置14と接続されている。そして、制御装置14は、蓄電装置12から供給される電力を用いて動作する。   Returning to FIG. 1, each thermoelectric module 8 is connected to a power storage device 12 via a power recovery line 11 including a backflow preventer 10 such as a diode. The power storage device 12 is connected to the control device 14 via the power supply line 13. Control device 14 operates using the electric power supplied from power storage device 12.

図4は、水冷ジャケット2の内部を流れる冷却水Xの流路20と、温度設定部9の油Yの流路30とを模式的に示した図である。この図に示すように、冷却水Xの流路20は、水冷ジャケット2の内部を含む循環流路として構成されており、その途中部位にポンプ機能を有するチラー21が設置されている。そして、冷却水Xは、チラー21の駆動によって流路20内を流れるとともに、チラー21を通過する際に室温まで冷却される。また、油Yの流路30は、温度設定部9の流路91を含む循環流路として構成されており、その途中部位に油Yの熱を回収して温度を200〜300℃にするための熱交換器31と、油Yに流れを付与するポンプ32とが設置されている。そして、油Yは、ポンプ32の駆動によって流路30内を流れるとともに、熱交換器31を通過する際にその温度を200〜300℃に冷却される。なお、熱交換器31に熱電モジュールを付設し、熱交換器31において回収した熱を用いて発電を行っても良い。これによって、温度設定部9の流路91を流れることによって、油Yに吸熱された抵抗加熱炉1の内部の熱が電力に変換されるため、より効率的な抵抗加熱炉となる。また、熱交換器31において回収した熱によって蒸気を生成し、蒸気タービンを駆動して発電を行っても良い。また、熱交換器31によって回収した熱は、お湯等の生成に用いても良い。   FIG. 4 is a diagram schematically showing the flow path 20 of the cooling water X flowing inside the water cooling jacket 2 and the flow path 30 of the oil Y of the temperature setting unit 9. As shown in this figure, the flow path 20 of the cooling water X is configured as a circulation flow path including the inside of the water cooling jacket 2, and a chiller 21 having a pump function is installed in the middle of the flow path. The cooling water X flows in the flow path 20 by driving the chiller 21 and is cooled to room temperature when passing through the chiller 21. Moreover, the flow path 30 of the oil Y is configured as a circulation flow path including the flow path 91 of the temperature setting unit 9, in order to recover the heat of the oil Y in the middle of the temperature setting to 200 to 300 ° C. The heat exchanger 31 and a pump 32 that applies a flow to the oil Y are installed. The oil Y flows through the flow path 30 by driving the pump 32 and is cooled to 200 to 300 ° C. when passing through the heat exchanger 31. Note that a thermoelectric module may be attached to the heat exchanger 31 and power generation may be performed using the heat recovered in the heat exchanger 31. As a result, since the heat inside the resistance heating furnace 1 absorbed by the oil Y is converted into electric power by flowing through the flow path 91 of the temperature setting unit 9, a more efficient resistance heating furnace is obtained. Further, steam may be generated by the heat recovered in the heat exchanger 31, and power generation may be performed by driving a steam turbine. Further, the heat recovered by the heat exchanger 31 may be used for generating hot water or the like.

このような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とが加熱室3(熱源)方向に積層されているため、単一層の熱電モジュールしか設置されていない場合と比較して、各熱電モジュール8の低温側の面と高温側の面との差温が小さくなる。したがって、抵抗加熱炉1の内部温度が、単一層の熱電モジュールにおいて効率的な発電を行える温度を越えている場合であっても、本実施形態の抵抗加熱炉1によれば、効率的な発電を行うことが可能となる。
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。
According to the resistance heating furnace 1 of this embodiment as described above, since the lower thermoelectric module 81 and the upper thermoelectric module 82 are stacked in the direction of the heating chamber 3 (heat source), only a single layer thermoelectric module is installed. Compared with the case, the temperature difference between the low temperature side surface and the high temperature side surface of each thermoelectric module 8 is reduced. Therefore, even if the internal temperature of the resistance heating furnace 1 exceeds the temperature at which efficient power generation can be performed in the single-layer thermoelectric module, the resistance heating furnace 1 of the present embodiment enables efficient power generation. Can be performed.
Further, according to the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, the temperature setting unit 9 is installed between the lower thermoelectric module 81 and the upper thermoelectric module 82. For this reason, the surface on the high temperature side of the lower thermoelectric module 81 in contact with the temperature setting unit 9 is always set to the temperature of the temperature setting unit 9. Since the temperature of the temperature setting unit 9 is forcibly set according to the temperature of the oil Y, even if the radiation dose from the heating chamber 3, that is, the temperature of the heat source fluctuates, the temperature of the lower thermoelectric module 81 is increased. Surface temperature fluctuation can be reduced. Therefore, a stable output can be obtained from the lower thermoelectric module 81 having the main function of power generation.
Therefore, according to the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, an efficient and stable output can be obtained from the thermoelectric module 8.

また、本実施形態の抵抗加熱炉1によれば、温度設定部9の油Yは、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。
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。
Further, according to the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, the oil Y of the temperature setting unit 9 is caused to flow in the same direction as the cooling water X flowing inside the water cooling jacket 2.
Since the oil Y of the temperature setting unit 9 and the cooling water X flowing inside the water cooling jacket 2 are exposed to a high temperature atmosphere inside the resistance heating furnace 1, the temperature gradually rises. However, in the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, the oil Y of the temperature setting unit 9 is caused to flow in the same direction as the cooling water X flowing inside the water cooling jacket 2, and therefore, as shown in FIG. The temperature of the cooling water X similarly rises, and the temperature difference between the temperature of the oil Y and the temperature of the cooling water X is always constant. For this reason, the temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface of the lower thermoelectric module 81 is always constant, and a stable output can be obtained from the lower thermoelectric module 81.

また、本実施形態の抵抗加熱炉1においては、下段熱電モジュール81の低温側の面が水冷ジャケット2と当接されている。この水冷ジャケット2の内部には、室温程度に温度設定された冷却水Xが流れているため、下段熱電モジュール81の低温側の面の温度を室温程度に安定させることが可能となる。このため、本実施形態の抵抗加熱炉1においては、下段熱電モジュール81の温度変動を抑止し、下段熱電モジュール81からの出力をさらに安定させることができる。   Further, in the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, the low temperature side surface of the lower thermoelectric module 81 is in contact with the water cooling jacket 2. Since the cooling water X whose temperature is set to about room temperature flows inside the water cooling jacket 2, the temperature on the low temperature side surface of the lower thermoelectric module 81 can be stabilized to about room temperature. For this reason, in the resistance heating furnace 1 of this embodiment, the temperature fluctuation of the lower thermoelectric module 81 can be suppressed, and the output from the lower thermoelectric module 81 can be further stabilized.

また、本実施形態の抵抗加熱炉1においては、ビスマステルル系材料を用いて形成された熱電モジュールを下段熱電モジュール81として用いている。
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。
Further, in the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, a thermoelectric module formed using a bismuth tellurium-based material is used as the lower thermoelectric module 81.
For this reason, it becomes possible to convert heat into electric power with high efficiency, and the resistance heating furnace 1 is more efficient.

また、さらに本実施形態の抵抗加熱炉1においては、ビスマステルル系材料を用いて形成された熱電モジュールが最も効率的に発電が行えるように、温度設定部9の温度が200〜300℃に設定され、水冷ジャケット2の内部を流れる冷却水Xが室温程度に設定されている。すなわち、下段熱電モジュール81の低温側と高温側との差温が、ビスマステルル系材料を用いて形成された熱電モジュールが最も効率的に発電可能な温度に設定されている。
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。
Further, in the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, the temperature of the temperature setting unit 9 is set to 200 to 300 ° C. so that the thermoelectric module formed using the bismuth tellurium material can generate power most efficiently. The cooling water X flowing through the water cooling jacket 2 is set to about room temperature. That is, the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side of the lower thermoelectric module 81 is set to a temperature at which the thermoelectric module formed using the bismuth tellurium material can generate power most efficiently.
For this reason, according to the resistance heating furnace 1 of the present embodiment, the thermoelectric module 8 can perform more efficient power generation.

(第2実施形態)
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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

本第2実施形態では、本発明を連続炉に適用した例について説明する。
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。
In the second embodiment, an example in which the present invention is applied to a continuous furnace will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the continuous furnace 40 of the second embodiment. As shown in this figure, the continuous furnace 40 of this embodiment maintained the temperature of the temperature rising part 41 which raises the temperature of the workpiece | work w by heating, and the workpiece | work w heated up by the temperature rising part 41. The holding part 42 which gas-processes by exposing to a predetermined gas atmosphere in the state, and the cooling part 43 which cools the workpiece | work w gas-processed by the holding part 42 with the water cooling plate 44 are provided. The temperature raising unit 41, the holding unit 42, and the cooling unit 43 are connected to each other, and the workpiece w is conveyed in the order of the temperature raising unit 41, the holding unit 42, and the cooling unit 43 by a conveying unit 45 such as a belt conveyor. .

このような連続炉40においては、ワークwが加熱された状態で搬送されるため、常にワークwから輻射線が射出される。すなわち、本実施形態の連続炉40においては、ワークwが熱源となっている。   In such a continuous furnace 40, since the workpiece | work w is conveyed in the heated state, a radiation ray is always inject | emitted from the workpiece | work w. That is, in the continuous furnace 40 of the present embodiment, the workpiece w is a heat source.

そして、昇温部41の内壁部41aと、保持部42の内壁部42aと、冷却部43の内壁部43aとに、下段熱電モジュール81及び上段熱電モジュール82が複数設置され、図6に示すように、各下段熱電モジュール81と各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。   A plurality of lower-stage thermoelectric modules 81 and upper-stage thermoelectric modules 82 are installed on the inner wall 41a of the temperature raising section 41, the inner wall 42a of the holding section 42, and the inner wall 43a of the cooling section 43, as shown in FIG. In addition, a temperature setting unit 9 is installed between each lower thermoelectric module 81 and each upper thermoelectric module 82.

このような構成を有する本実施形態の連続炉40においても、熱源からの輻射線による熱が熱電モジュール8(下段熱電モジュール81,上段熱電モジュール82)によって電力に変換される。そして、熱電モジュール8によって発電された電力は、蓄電装置12(図6においては不図示)に一時的に蓄電された後、制御装置14(図6においては不図示)の動作によって消費される。   Also in the continuous furnace 40 of this embodiment having such a configuration, heat from radiation from the heat source is converted into electric power by the thermoelectric module 8 (lower thermoelectric module 81, upper thermoelectric module 82). The electric power generated by the thermoelectric module 8 is temporarily stored in the power storage device 12 (not shown in FIG. 6) and then consumed by the operation of the control device 14 (not shown in FIG. 6).

そして、本実施形態の連続炉40によれば、上記第1実施形態の抵抗加熱炉1と同様に、下段熱電モジュール81と上段熱電モジュール82とがワークw(熱源)方向に積層されているため、単一層の熱電モジュールしか設置されていない場合と比較して、各熱電モジュール8の低温側の面と高温側の面との差温が小さくなる。したがって、連続炉40の内部温度が、単一層の熱電モジュールにおいて効率的な発電を行える温度を越えている場合であっても、本実施形態の連続炉40によれば、効率的な発電を行うことが可能となる。
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。
And according to the continuous furnace 40 of this embodiment, since the lower stage thermoelectric module 81 and the upper stage thermoelectric module 82 are laminated | stacked on the workpiece | work w (heat source) direction similarly to the resistance heating furnace 1 of the said 1st Embodiment. Compared with the case where only a single-layer thermoelectric module is installed, the temperature difference between the low temperature side surface and the high temperature side surface of each thermoelectric module 8 is reduced. Therefore, even if the internal temperature of the continuous furnace 40 exceeds the temperature at which efficient power generation can be performed in the single-layer thermoelectric module, the continuous furnace 40 of this embodiment performs efficient power generation. It becomes possible.
Further, according to the continuous furnace 40 of the present embodiment, the temperature setting unit 9 is installed between the lower thermoelectric module 81 and the upper thermoelectric module 82. For this reason, the surface on the high temperature side of the lower thermoelectric module 81 in contact with the temperature setting unit 9 is always set to the temperature of the temperature setting unit 9. Since the temperature of the temperature setting unit 9 is forcibly set by the temperature of the oil Y, even if the radiation dose from the work w, that is, the temperature of the heat source fluctuates, the surface on the high temperature side of the lower thermoelectric module 81 Temperature fluctuation can be reduced. Therefore, a stable output can be obtained from the lower thermoelectric module 81 having the main function of power generation.
Therefore, according to the continuous furnace 40 of the present embodiment, it is possible to obtain an efficient and stable output from the thermoelectric module 8.

なお、本実施形態の連続炉40においては、昇温部41と保持部42と冷却部43との内部温度が異なるため、各部41〜43の内部温度に応じて、効率的な発電が成されるように、上段熱電モジュールの形成材料が適宜選択される。   In the continuous furnace 40 of the present embodiment, since the internal temperatures of the temperature raising unit 41, the holding unit 42, and the cooling unit 43 are different, efficient power generation is performed according to the internal temperature of each unit 41 to 43. Thus, the material for forming the upper thermoelectric module is appropriately selected.

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る熱処理装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of the heat processing apparatus which concerns on this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態においては、本発明の熱処理装置の一例として、抵抗加熱炉や連続炉を挙げて説明した。
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。
For example, in the above embodiment, a resistance heating furnace or a continuous furnace has been described as an example of the heat treatment apparatus of the present invention.
However, the present invention is not limited to this, and can be applied to any heat treatment apparatus having a heat source that emits radiation. Further, the heat treatment apparatus of the present invention is not limited to an apparatus having a heat source for heat-treating a processing object such as a heating object, or an apparatus having a heated processing object as a heat source. Including a device to be heated. For example, an apparatus that includes an exhaust gas flue of a combustion engine as a heat source and converts heat from the exhaust gas flue into electric power by a thermoelectric module is also included in the heat treatment apparatus of the present invention.

また、上記実施形態においては、熱電モジュールが2段に積層される構成とした。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに複数の熱電モジュールを積層させても良い。
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。
In the above embodiment, the thermoelectric modules are stacked in two stages. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of thermoelectric modules may be stacked.
In such a case, the temperature setting unit 9 may be installed between the thermoelectric modules, or may be in contact with the high temperature side surface of the main thermoelectric module having the main power generation function, that is, the thermoelectric module having the largest power generation amount. A temperature setting unit 9 may be installed.

また、上記実施形態においては、温度設定部9は、油Yによって温度設定されるものとして説明した。
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。
Moreover, in the said embodiment, the temperature setting part 9 demonstrated as what is temperature-set by the oil Y. FIG.
However, the present invention is not limited to this, and various fluids can be used for the temperature setting of the temperature setting unit 9. For example, instead of the oil Y, a fluid such as water, a solution containing an organic compound, an aqueous salt solution, an acidic or alkaline aqueous solution, or a mixed solution of these fluids may be used. Furthermore, a liquid metal, an emulsion, or a suspension containing particles can also be used. Gas may be used instead of liquid. And it is preferable that it is a heat storage material as a fluid used for the temperature setting part 9 more.
In addition, when using the above-mentioned various fluids instead of the oil Y, in order to ensure the stable temperature of the temperature setting part 9, it is preferable to adjust a pressure so that various fluids do not raise | generate a phase transformation.
In addition to this, instead of the oil Y, a sherbet-like high-temperature mixture in which the melting point is not constant but the temperature is stable can also be used. Thereby, it can suppress that the temperature of the temperature setting part 9 raises with the radiation from a heat source, and it becomes possible to make the output from each thermoelectric module constant.

また、水冷ジャケット2内に流れる冷却水Xの替わりに、有機化合物を含む溶液、塩水溶液、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。   Further, instead of the cooling water X flowing in the water cooling jacket 2, a solution containing an organic compound, an aqueous salt solution, an emulsion, a suspension containing particles, or the like can be used.

また、上記実施形態の上段熱電モジュール82の高温側の面に当接させて、フィン、受熱板やヒートパイプ等の熱伝導部材を設置し、熱源の熱を効率的に上段熱電モジュール82の高温側の面に効率的に熱が伝達されるようにしても良い。   Further, heat conduction members such as fins, heat receiving plates and heat pipes are placed in contact with the high temperature side surface of the upper thermoelectric module 82 of the above embodiment, and the heat of the heat source is efficiently increased to the high temperature of the upper thermoelectric module 82. Heat may be efficiently transferred to the side surface.

本発明の第1実施形態である抵抗加熱炉1の概略構成を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically schematic structure of the resistance heating furnace 1 which is 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態である抵抗加熱炉1が備える熱電モジュール8の近傍を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the vicinity of the thermoelectric module 8 with which the resistance heating furnace 1 which is 1st Embodiment of this invention is provided. P型熱電素子及びN型熱電素子の形成材料の違いによる発電効率の違いを説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the difference in electric power generation efficiency by the difference in the formation material of a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element. 本発明の第1実施形態である抵抗加熱炉1における、水冷ジャケット2の内部を流れる冷却水Xの流路20と、温度設定部9の油Yの流路30とを模式的に示した図である。The figure which showed typically the flow path 20 of the cooling water X which flows through the inside of the water cooling jacket 2, and the flow path 30 of the oil Y of the temperature setting part 9 in the resistance heating furnace 1 which is 1st Embodiment of this invention. It is. 本発明の第1実施形態である抵抗加熱炉1において、油Yと冷却水Xとの差温が一定となることを説明するための図である。In the resistance heating furnace 1 which is 1st Embodiment of this invention, it is a figure for demonstrating that the temperature difference between the oil Y and the cooling water X becomes fixed. 本発明の第2実施形態である抵抗加熱炉40の概略構成を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically schematic structure of the resistance heating furnace 40 which is 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1……抵抗加熱炉(熱処理装置)、2……水冷ジャケット、3……加熱室(熱源)、8……熱電モジュール、81……下段熱電モジュール(第1熱電モジュール)、82……上段熱電モジュール(第2熱電モジュール)、9……温度設定部(温度設定層)、91……流路、40……連続炉(熱処理装置)、w……ワーク、X……冷却水(流体)、Y……油(流体)


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Resistance heating furnace (heat processing apparatus), 2 ... Water cooling jacket, 3 ... Heating chamber (heat source), 8 ... Thermoelectric module, 81 ... Lower thermoelectric module (1st thermoelectric module), 82 ... Upper thermoelectric Module (second thermoelectric module), 9 ... temperature setting section (temperature setting layer), 91 ... flow path, 40 ... continuous furnace (heat treatment device), w ... work, X ... cooling water (fluid), Y: Oil (fluid)


Claims (5)

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
を備えることを特徴とする熱処理装置。
A heat source,
A plurality of thermoelectric modules stacked toward the heat source;
A temperature setting layer installed between a first thermoelectric module installed on a low temperature side and a second thermoelectric module installed on a high temperature side among the plurality of thermoelectric modules, and set to a predetermined temperature. The heat processing apparatus characterized by the above-mentioned.
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請求項1記載の熱処理装置。
The temperature setting layer includes
A fluid set at the predetermined temperature;
The heat treatment apparatus according to claim 1, further comprising: a flow path through which the fluid flows.
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2記載の熱処理装置。
When the first thermoelectric module is installed on a water-cooled jacket in which fluid flows in a predetermined direction inside,
The heat treatment apparatus according to claim 2, wherein the fluid in the temperature setting layer is caused to flow in the same direction as the fluid flowing in the water cooling jacket.
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1〜3いずれかに記載の熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1, wherein the first thermoelectric module is formed using a bismuth tellurium-based material. 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4記載の熱処理装置。



5. The heat treatment apparatus according to claim 4, wherein the temperature setting layer is temperature-set so that a temperature difference between a low temperature side and a high temperature side of the first thermoelectric module is 200 to 300 ° C. 6.



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