JP2013002764A - 制御冷却炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炉内のコンベヤ上を流れるワークを熱源とするにあたって効率的な発電を行えるようにした制御冷却炉を提供する。
【解決手段】熱量を持ったワークＷ、例えば鍛造後のワークＷを搬送対象とするコンベヤ２が炉壁３にてトンネル状に囲まれている。熱電発電モジュール８と、その熱電発電モジュール８を冷却するための水冷式のヒートシンク１６、および受熱板１５の三者が予めユニット化されている熱電発電ユニット１０，１１，１２を、上記炉壁３にワーク搬送方向に沿って複数個直列に並設してある。熱電発電モジュール８で生成された電力は蓄電池１９に蓄えられ、外気導入ダクトに付帯するファンモータ２１等の電力として使用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鍛造、熱処理あるいは焼結等の工業分野でワークの冷却のために使用される制御冷却炉の構造に関する。

コンベヤにより搬送されるワークの冷却を目的とした制御冷却炉の一般的な構造としては、例えばトンネル構造の炉壁に外気導入ダクトと排気ダクトが付帯していて、外気を導入する一方で高温の内気を外部に排出し、もって炉内の雰囲気温度をコントロールしつつワークの冷却速度を調整するようにしている。

この従来の制御冷却炉の構造では、いわゆる廃熱を外部に放出するだけで有効利用されていないだけでなく、外気導入ダクトまたは排気ダクトに付帯するファンの運転に大量の電気エネルギーを必要とし、エネルギー効率の向上が図れないことになる。

その一方、発電所やごみ焼却設備等におけるいわゆる廃熱を利用した廃熱発電装置が特許文献１〜３にて提案されている。これらの設備では、ダクトにおける高温媒体の流れ方向において一様に熱電発電モジュール（熱電変換モジュール）を配置した構造となっている。

特開平１０−１９００７３号公報 特開２００９−８１２８７号公報 特開２０１０−１３５６４３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された技術では、排気が有している廃熱は有効利用することができても、ワークそのものが持つ熱量は熱源として直接的には有効利用されていないため、いわゆる廃熱発電の熱電エネルギー効率および発電効率の向上の上でなおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、炉内のコンベヤ上を流れるワークを熱源とするにあたって効率的な発電を行えるようにした制御冷却炉を提供しようとするものである。

本発明は、熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤをトンネル状に囲んでいる炉壁に熱電発電モジュールを設けたものである。

本発明によれば、ワークが持つ熱量を熱電発電モジュールで直接受けて熱電変換により起電力とすることができるため、熱電エネルギー効率ひいては発電効率が向上する。

本発明に係る制御冷却炉のより具体的な形態を示す図で、図２のＡ−Ａ線に沿う概略断面説明図。 図１のＢ−Ｂ線に沿う概略断面説明図。 図１の詳細を示す拡大図。２のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図。 図３の側面説明図。

図１，２は本発明に係る制御冷却炉を実施するためのより具体的な形態を示し、ここでは、例えば熱間鍛造後のワークを冷却するための制御冷却炉に適用した場合の例を示している。そして、図１は概略構造として図２のＡ−Ａ線に沿う断面説明図を、図２は同じく図１のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図をそれぞれ示している。

図１，２に示すように、制御冷却炉１は、熱間鍛造後のワークＷを搬送するためのコンベヤ２、例えば金属ベルトコンベヤや金網チェーンコンベヤ等のコンティニアスタイプのワーク搬送用のコンベヤ２の三方を両側壁および上壁に相当する炉壁３にて方形トンネル状に取り囲んでいるもので、コンベヤ２の搬送始端部側から搬送終端部側に向かって先に述べたような熱間鍛造後のワークＷが連続的に搬送される。炉壁３のうち上壁に相当する部位には外気導入手段としての外気導入ダクト４および排気手段としての排気ダクト５がそれぞれ立設されていて、これらのダクト４，５にはファン６または７がそれぞれに付帯している。そして、炉内には外気導入ダクト４を通してワークＷを冷却するための外気が強制的に導入される一方、炉内で高温となった排気が排気ダクト５を通して炉外に排出されるようになっていて、それらの外気導入量および排気量を個別に適宜調節することで炉内の雰囲気温度が制御可能となっている。

制御冷却炉１の炉壁３のうち上壁および両側壁に相当する部分には、それぞれれにその全長にわたって熱電発電モジュール８を配設してあるとともに、熱電発電モジュール８の背面側には冷却手段として例えば水冷式の冷却ジャケット９を熱電発電モジュール８に密着するように配設してある。この冷却ジャケット９は冷却媒体として冷却水が循環するようになっている。

したがって、コンベヤ２上を流れるワークＷが持つ熱はそれぞれの熱電発電モジュール８の受熱面が輻射熱として受熱することになる。その一方、冷却ジャケット９は冷却水が循環していることから、この冷却水をもって熱電発電モジュール８が冷却される。そのため、熱電発電モジュール８の表裏両面間に温度差が発生することでいわゆるゼーベック効果により起電力が発生することになる。

図３は図１の詳細を示しているとともに、図４は図３の側面図を示している。

図３，４に示すように、コンベヤ２を三方からトンネル状に取り囲む炉壁３には、上壁および両側壁に相当する部分ごとにそれぞれにワーク搬送方向に沿って複数の熱電発電ユニット１０，１１，１２を直列に並べて配置してあり、これにより実質的に熱間鍛造後のワークＷを熱源とする廃熱発電装置を構築してある。上側の熱電発電ユニット１０と両側の熱電発電ユニット１１，１２とはその向きが異なるだけで共に同じ構造であるので、ここでは代表して上側の熱電発電ユニット１０の詳細構造について説明する。

図３に示すように、炉壁の一部である枠体１３には熱電発電モジュール８を主要素とする熱電発電ユニット１０を複数の連結ボルト１４にて連結支持させてある。ここでは、最も下側に位置して熱電発電ユニット１０の母体となる受熱板１５の上に二つで一組の熱電発電モジュール８を積層するとともに、その上に同じく二つで一組の水冷式のヒートシンク１６と押さえプレート１７を重ね合わせて、それらの熱電発電モジュール８とヒートシンク１６および押さえプレート１７の三者を複数の押さえボルト１８にて受熱板１５に共締め固定してある。水冷式のヒートシンク１６は先に述べた冷却手段としての冷却ジャケット９（図１，２参照）に相当していて、図３に示すように冷却水が循環することで強制冷却されることになる。また、受熱板１５は熱伝導性に優れた金属製のもので、二つで一組の熱電発電モジュール８の総受熱面積よりも十分に大きな大きさを有している。さらに、熱電発電モジュール８は蓄電池１９に接続されていて、後述するように熱電発電モジュール８の起電力をもって生成された電力が蓄電池１９に充電されるようになっている。

そして、押さえボルト１８の締め込み加減にて受熱板１５、熱電発電モジュール８、ヒートシンク１６および押さえプレート１７同士の密着度を調整し、特に受熱板１５と熱電発電モジュール８との熱伝導効率が最適となるように調整してある。受熱板１５の表面には例えば黒体スプレー塗装にて黒色塗装を施してあり、その黒色塗装の塗膜を符号１５ａで示す。なお、熱電発電モジュール８は、例えば先の特許文献３のほか、特開２００９−２７２３２７号公報および特開２０１０−１７７６２５号公報等にて公知の構造のものである。

このような熱電発電ユニット１０のそれぞれを一つのユニットとして、図３，４に示すようにコンベヤ２によるワーク搬送方向に沿って複数の熱電発電ユニット１０，１０‥を直列に並べて配置してある。なお、このような構造は炉壁３の両側壁に相当する部分に配置した熱電発電ユニット１１，１２についても全く同様である。

したがって、制御冷却炉１に熱間鍛造後のワークＷが搬入されてくると、ワークＷが持つ熱量を受けて、特に輻射熱や炉内対流により炉内雰囲気温度が上昇する。このような炉内雰囲気温度の上昇やワークＷからの直接的な輻射熱の影響により、それぞれの熱電発電ユニット１０，１１，１２の受熱板１５が熱伝導により受熱して、背面側の熱電発電モジュール８の表面に伝導される。一方、ヒートシンク１６は冷却水が循環することで例えば２０℃程度に保たれており、これに接触している熱電発電モジュール８の裏面も冷却されることになる。このように、熱電発電モジュール８の表裏面間に温度差が発生することでゼーベック効果により起電力が発生することになる。

この場合において、図２，４に示したように、制御冷却炉１の炉内には外気導入ダクト４によって外気が導入されている一方、排気ダクト５により排気されて、炉内の雰囲気温度が所定の温度となるように制御されているものの、水冷式のヒートシンク１６の冷却効果によって炉内雰囲気温度が一段と低下することになる。また、必要に応じてヒートシンク１６に供給すべき冷却水量を積極的に調整することでそのヒートシンク１６の冷却能力を調整し、もって炉内雰囲気温度を調整することが可能となる。

上記のように熱電発電モジュール８での起電力をもって生成された電力は図３の蓄電池１９に一旦蓄えられ（充電作用）、例えば付帯機器その他の電力として有効利用する。図３の例では、例えば制御機器２０の切り換えにより、蓄電池１９に蓄えられた電力を使用して、図２，４の外気導入ダクト４や排気ダクト５に付帯しているファン６または７のためのファンモータ２１の駆動することができるほか、ワーク搬送用コンベヤ２のコンベヤ駆動モータ２２を駆動することができる。また、発電量が安定している場合には、蓄電池１９を介さずに直接的にファンモータ２１やコンベヤ駆動モータ２２に電力供給して、それらを駆動することももちろん可能となる。

ここで、水冷式のヒートシンク１６の冷却効果によって炉内雰囲気温度の制御が十分に行われる場合には、図２，４に示した外気導入用ダクト４や排気ダクト５に付帯しているファン６または７の駆動は必ずしも必要でなくなる。

このように制御冷却炉１に廃熱発電装置としての機能を具備させることで効率的な廃熱回収を行え、熱電エネルギー効率ひいては発電効率が向上するとともに、制御冷却炉１の消費電力の削減に寄与できる。

また、受熱板１５が熱電発電モジュール８に比べて十分に大きな面積を有しているため、より発電効率に優れたものとなるほか、受熱板８に黒色塗装を施してあることで、受熱板８の放射率を上昇させる（１．０に近付ける）ことができ、電熱ロスを減少させることができる。

さらに、上記の実施の形態では、熱量を持つワークＷを熱間鍛造後のワークとしているが、これは一例にすぎず、例えば熱処理や焼結後のワークのほか加熱された液体等を熱源とすることもできるものである。

１…制御冷却炉
２…コンベヤ
３…炉壁
４…外気導入ダクト（外気導入手段）
５…排気ダクト（排気手段）
６…ファン
７…ファン
８…熱電発電モジュール
９…冷却ジャケット（冷却手段）
１０…熱電発電ユニット
１１…熱電発電ユニット
１２…熱電発電ユニット
１５…受熱板
１６…ヒートシンク（冷却手段）
１９…蓄電池
２１…ファンモータ
２２…コンベヤ駆動用モータ
Ｗ…ワーク

Claims (7)

1. 熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤをトンネル状に囲んでいる炉壁に熱電発電モジュールを設けたことを特徴とする制御冷却炉。
2. 上記熱電発電モジュールとともにその熱電発電モジュールを冷却するための冷却手段を炉壁に設けたことを特徴とする請求項１に記載の制御冷却炉。
3. 上記熱電発電モジュールと冷却手段とが熱電発電ユニットとして予めユニット化されていて、この熱電発電ユニットを炉壁に設けたことを特徴とする請求項２に記載の制御冷却炉。
4. 上記炉壁にはワーク搬送方向に沿って複数の熱電発電ユニットを並設してあることを特徴とする請求項３に記載の制御冷却炉。
5. 上記冷却手段が水冷式のものであり、その冷却手段による冷却能力を調整することで炉内の雰囲気温度が制御可能となっていることを特徴とする請求項３または４に記載の制御冷却炉。
6. 炉内への外気導入手段と炉内からの排気手段とを備えていることにより、炉内の雰囲気温度が制御可能となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の制御冷却炉。
7. 上記外気導入手段がファン付きの外気導入ダクトであり、
   上記排気手段がファン付きの排気ダクトであることを特徴とする請求項６に記載の制御冷却炉。

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