JP2022049287A - 熱処理炉および熱処理設備 - Google Patents

Abstract

【課題】振動が発生しにくく、熱電変換素子が炉内のガスに曝されにくく、排熱を回収可能な熱処理炉、および当該熱処理炉を備える熱処理設備を提供することを課題とする。【解決手段】熱処理炉２は、外殻３０と、外殻３０の内側に配置される断熱材３１と、断熱材３１の内側に配置され被処理物Ｗに熱処理を施す熱処理室３３と、を有する熱処理部３を備える。熱処理炉２は、さらに、熱処理部３の排熱を電力に変換する熱電変換素子４０２、４０３を有する熱電変換部４を備える。熱電変換素子４０２、４０３は、外殻３０と断熱材３１との間に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、被処理物に所定の熱処理を施す熱処理炉、および当該熱処理炉を備える熱処理設備に関する。

近年、省エネルギーの観点から、排熱の有効利用が注目されている。この点、特許文献１には、排熱回収用のスターリングエンジンを備える焼成炉が開示されている。焼成炉は、予熱帯と、焼成帯と、冷却帯と、を備えている。焼成帯からは、排ガスが発生する。当該排ガスによる腐食を防止するため、スターリングエンジンは、焼成帯を避けて、冷却帯に配置されている。

特開２０１３－１３０３６６号公報 特開２００３－９５７４１号公報

しかしながら、スターリングエンジンは、ピストンなどの可動部を備えている。このため、可動部の動きに伴い、不可避的に振動が発生してしまう。したがって、特許文献１の焼成炉の場合、振動に起因する不具合が、被処理物に発生しやすい。

この点、特許文献２などに開示されている熱電変換素子は、可動部を有しない。このため、仮に、特許文献１の焼成炉のスターリングエンジンの代わりに熱電変換素子を用いると（ただし、この技術は従来技術ではない）、振動の発生を抑制することができる。ここで、特許文献１の焼成炉のスターリングエンジン（具体的には高温側熱交換部）は、炉内に露出している。このため、仮に当該スターリングエンジンの代わりに熱電変換素子を用いると、熱電変換素子が炉内に露出することになる。したがって、熱電変換素子が炉内のガスに曝されてしまう。

そこで、本発明は、振動が発生しにくく、熱電変換素子が炉内のガスに曝されにくく、排熱を回収可能な熱処理炉、および当該熱処理炉を備える熱処理設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の熱処理炉は、外殻と、前記外殻の内側に配置される断熱材と、前記断熱材の内側に配置され被処理物に熱処理を施す熱処理室と、を有する熱処理部を備える熱処理炉であって、さらに、前記熱処理部の排熱を電力に変換する熱電変換素子を有する熱電変換部を備え、前記熱電変換素子は、前記外殻と前記断熱材との間に配置されることを特徴とする。ここで、「被処理物に熱処理を施す」には、内熱式炉のように、被処理物に直接熱処理を施す場合と、外熱式炉のように、被処理物に間接的に熱処理を施す場合と、が含まれる。

上記課題を解決するため、本発明の熱処理設備は、前記熱処理炉と、前記被処理物から発生する排ガスを燃焼させる排ガス処理炉と、を備える熱処理設備であって、前記排ガス処理炉は、外殻と、前記外殻の内側に配置される断熱材と、前記断熱材の内側に配置され前記排ガスを燃焼させる燃焼室と、を有する燃焼部を備え、さらに、前記燃焼部の排熱を電力に変換する熱電変換素子を有する熱電変換部を備え、前記排ガス処理炉の前記熱電変換素子は、前記外殻と前記断熱材との間に配置されることを特徴とする。

本発明の熱処理炉によると、熱処理部の排熱（詳しくは、排熱の少なくとも一部）を電力に変換することができる。すなわち、排熱を電力として回収することができる。また、熱電変換部の熱電変換素子は可動部を有しない。このため、熱電変換部に振動が発生しにくい。また、熱電変換素子は、外殻と断熱材との間に配置されている。このため、熱電変換素子が熱処理室に露出していない。したがって、熱処理室のガス（例えば、雰囲気ガス、原料ガス、燃焼ガス、排ガスなど）から、熱電変換素子を保護することができる。

本発明の熱処理設備によると、上述した熱処理炉の場合と同様に、熱処理炉のみならず、排ガス処理炉も、排熱を電力として回収することができる。また、排ガス処理炉の熱電変換部に振動が発生しにくい。また、燃焼室のガスから、熱電変換素子を保護することができる。

図１は、第一実施形態の熱処理設備の模式図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ方向断面図である。 図３は、図２の枠ＩＩＩ内の拡大図である。 図４は、電気回路の模式図である。 図５は、図１のＶ－Ｖ方向断面図である。 図６は、第二実施形態の熱処理設備のトンネルキルンの左右方向断面図である。 図７は、第三実施形態の熱処理設備のロータリーキルンの左右方向断面図である。 図８は、第四実施形態の熱処理設備のローラーハースキルンの熱電変換部の左右方向断面図である。 図９は、第五実施形態の熱処理設備のローラーハースキルンの熱電変換部の左右方向断面図である。

以下、本発明の熱処理炉および熱処理設備の実施の形態について説明する。

＜第一実施形態＞
［熱処理設備の構成］
まず、本実施形態の熱処理設備の構成について説明する。図１に、本実施形態の熱処理設備の模式図を示す。図１に示すように、本実施形態の熱処理設備１は、ローラーハースキルン２と、排ガス処理炉６と、を備えている。ローラーハースキルン２、排ガス処理炉６は、本発明の「熱処理炉」の概念に含まれる。ローラーハースキルン２は、被処理物に所定の熱処理を施すことにより、二次電池の負極材を製造する。熱処理の際、ローラーハースキルン２からは、可燃性の排ガスが発生する。排ガス処理炉６は、当該排ガスに燃焼処理を施す。

（ローラーハースキルン２）
ローラーハースキルン２においては、前側（上流側）から後側（下流側）に向かって、被処理物が搬送される。すなわち、ローラーハースキルン２は連続式炉である。また、ローラーハースキルン２においては、熱源（後述する上段ヒーター３３Ｕ、下段ヒーター３３Ｄ）により、被処理物が、直接、熱処理される。すなわち、ローラーハースキルン２は内熱式炉である。ローラーハースキルン２は、熱処理部３と、複数の熱電変換部４と、搬送路５と、搬入ユニット５３と、搬出ユニット５４と、を備えている。

（熱処理部３、搬入ユニット５３、搬出ユニット５４）
搬入ユニット５３はローラーハースキルン２の前端（上流端）に、搬出ユニット５４はローラーハースキルン２の後端（下流端）に、各々配置されている。熱処理部３は、搬入ユニット５３と搬出ユニット５４との間に、ローラーハースキルン２の前後方向（搬送方向）略全長に亘って、配置されている。

図２に、図１のＩＩ－ＩＩ方向断面図を示す。図３に、図２の枠ＩＩＩ内の拡大図を示す。図２、図３に示すように、熱処理部３は、外殻３０と、断熱材３１と、充填材３２と、複数の上段ヒーター３３Ｕと、複数の下段ヒーター３３Ｄと、熱処理室３３と、を備えている。上段ヒーター３３Ｕ、下段ヒーター３３Ｄは、本発明の「熱源」の概念に含まれる。上段ヒーター３３Ｕは、本発明の「最も上側に配置される熱源」の概念に含まれる。

外殻３０は、金属製であって、前後方向に長い角筒状を呈している。断熱材３１は、耐熱煉瓦製であって、外殻３０の内側（熱処理室３３に近い側）に配置されている。断熱材３１を形成する材料は、外殻３０を形成する材料よりも、熱伝導率が小さい。充填材３２は、セラミックファイバー（絶縁体）製であって、外殻３０の内面と、断熱材３１の外面と、の間に充填されている。熱処理室３３は、断熱材３１の内側に配置されている。

上段ヒーター３３Ｕは、電熱ヒーターである。上段ヒーター３３Ｕは、後述する搬送路５の加熱区間５１の上側に配置されている。上段ヒーター３３Ｕは、左右方向に延在している。複数の上段ヒーター３３Ｕは、前後方向に並置されている。下段ヒーター３３Ｄは、後述する搬送路５の加熱区間５１の下側に配置されている。下段ヒーター３３Ｄの構成、延在方向、並置方向は、上段ヒーター３３Ｕと同様である。

（搬送路５）
図１に示すように、搬送路５は、ローラーハースキルン２の前後方向全長に亘って配置されている。搬送路５は、熱処理室３３を経由している。搬送路５は、複数のローラー５０を備えている。複数のローラー５０は、前後方向に並置されている。図２に示すように、ローラー５０は、左右方向に延在している。ローラー５０は、モータ（図略）により、自身の軸周りに回転可能である。

図２に示すように、被処理物Ｗは、セラミック製の匣鉢に入った有機質の材料である。被処理物Ｗは、二次電池の負極材の原料である。被処理物Ｗからは、熱分解により、タールを含有する可燃性の排ガスが発生する。

図１、図２に示すように、搬送路５は、被処理物Ｗを、前側から後側に向かって搬送する。搬送路５つまり被処理物Ｗは、上段ヒーター３３Ｕよりも下側に配置されている。搬送路５は、前側から後側に向かって、加熱区間５１と、冷却区間５２と、を備えている。加熱区間５１、冷却区間５２は、熱処理室３３に配置されている。加熱区間５１には、雰囲気ガス（アルゴン）が供給される。加熱区間５１は、前側から後側に向かって、予熱区間５１０と、温度制御区間５１１と、を備えている。予熱区間５１０においては、被処理物Ｗを、所定の温度まで加熱する。温度制御区間５１１においては、被処理物Ｗの温度を、所定の温度パターンで制御する。冷却区間５２においては、熱処理後の被処理物Ｗ（つまり二次電池の負極材）を冷却する。

（熱電変換部４）
図１、図２に示すように、複数の熱電変換部４は、熱処理部３の熱電変換エリアＡに配置されている。具体的には、複数の熱電変換部４は、断熱材３１の外面（左右両面）において、熱処理室３３の内面（左右両面）よりも上側に配置されている。また、複数の熱電変換部４は、断熱材３１の外面（上面）の全部に配置されている。また、複数の熱電変換部４は、上段ヒーター３３Ｕよりも上側に配置されている。また、複数の熱電変換部４は、搬送路５の加熱区間５１の全部、および冷却区間５２の一部に配置されている。

図２に示す熱電変換部４は、ゼーベック効果により、熱処理部３の排熱を電力に変換する。つまり、排熱を回収する。図３に示すように、熱電変換部４は、熱電変換モジュール４０と、伝熱部４１と、ブラケット４２と、複数のヒートパイプ４３と、複数の放熱フィン４４と、空冷ファン４５と、を備えている。熱電変換モジュール４０は、前述の充填材３２と共に、外殻３０の内面と、断熱材３１の外面と、の間に介装されている。熱電変換モジュール４０は、高温部４００と、低温部４０１と、複数のｐ型素子４０２と、複数のｎ型素子４０３と、を備えている。ｐ型素子４０２、ｎ型素子４０３は、本発明の「熱電変換素子」の概念に含まれる。

高温部４００は、集熱板４００ａと、複数の電極４００ｂと、を備えている。集熱板４００ａは、セラミック（絶縁体）製であって、断熱材３１の外面に当接している。電極４００ｂは、金属（導体）製であって、集熱板４００ａの外側（熱処理室３３から遠い側）に配置されている。

低温部４０１は、放熱板４０１ａと、複数の電極４０１ｂと、一対の配線４０１ｃと、を備えている。放熱板４０１ａは、セラミック（絶縁体）製である。放熱板４０１ａの一部は、外殻３０に面接触している。放熱板４０１ａの残部は、後述する伝熱部４１に面接触している。電極４０１ｂは、金属（導体）製であって、放熱板４０１ａの内側に配置されている。正極側の配線４０１ｃは、複数の電極４０１ｂのうち、左端の電極４０１ｂに電気的に接続されている。負極側の配線４０１ｃは、複数の電極４０１ｂのうち、右端の電極４０１ｂに電気的に接続されている。

複数のｐ型素子４０２は、各々、ｐ型半導体製であって、内側の電極４００ｂと外側の電極４０１ｂとを連結している。複数のｎ型素子４０３は、各々、ｎ型半導体製であって、内側の電極４００ｂと外側の電極４０１ｂとを連結している。ｐ型素子４０２とｎ型素子４０３とは、面方向（外殻３０の内面の延在方向、または断熱材３１の外面の延在方向）に沿って、交互に配置されている。ｐ型素子４０２とｎ型素子４０３とは、電極４００ｂ、４０１ｂを介して、電気的に直列に接続されている。

伝熱部４１は、金属製であって、放熱板４０１ａの外側に配置されている。伝熱部４１は、外殻３０に埋設されている。ブラケット４２は、金属製であって、伝熱部４１つまり外殻３０の外側に配置されている。ヒートパイプ４３は、金属製であって、円筒状を呈している。複数のヒートパイプ４３は、所定間隔ずつ離間して、ブラケット４２から立設されている。ヒートパイプ４３の内部空間は密閉されている。当該内部空間には、作動液（図略）とウィック（図略）とが収容されている。

放熱フィン４４は、金属製であって、複数のヒートパイプ４３に配置されている。複数の放熱フィン４４は、所定間隔ずつ離間して配置されている。空冷ファン４５は、電動式ファンであって、ブラケット４２に配置されている。空冷ファン４５は、複数の放熱フィン４４を冷却する。

図４に、電気回路の模式図を示す。図４に示すように、電気回路Ｃは、全ての熱電変換部４と、負荷９０と、を備えている。図３に示すように、任意の熱電変換モジュール４０の左側（正極側）の配線４０１ｃは、左側（面方向一方）に隣り合う熱電変換モジュール（図略）の右側（負極側）の配線に電気的に接続されている。また、当該熱電変換モジュール４０の右側（負極側）の配線４０１ｃは、右側（面方向他方）に隣り合う熱電変換モジュール（図略）の左側（正極側）の配線に電気的に接続されている。このようにして、全ての熱電変換部４は、配線４０１ｃを介して、電気的に直列に接続されている。負荷９０には、熱電変換部４から取り出された直流電力が供給される。

（排ガス処理炉６）
図１に示す排ガス処理炉６においては、熱源（後述するバーナー６０３）により、被処理物である排ガスが、直接、加熱される。すなわち、排ガス処理炉６は内熱式炉である。排ガス処理炉６は、燃焼部６０と、複数の熱電変換部６１と、を備えている。

（燃焼部６０）
図５に、図１のＶ－Ｖ方向断面図を示す。図１、図５に示すように、燃焼部６０は、排ガス処理炉６の前後方向（軸方向、排ガスの流動方向）全長に亘って配置されている。燃焼部６０は、外殻６００と、断熱材６０１と、充填材６０２と、複数のバーナー６０３と、燃焼室６０４と、を備えている。バーナー６０３は、本発明の「熱源」の概念に含まれる。

外殻６００は、金属製であって、前後方向に長い円筒状を呈している。断熱材６０１は、耐熱煉瓦製であって、外殻６００の内側に配置されている。断熱材６０１を形成する材料は、外殻６００を形成する材料よりも、熱伝導率が小さい。充填材６０２は、セラミックファイバー製であって、外殻６００の内面と、断熱材６０１の外面と、の間に充填されている。燃焼室６０４は、断熱材６０１の内側に配置されている。燃焼室６０４には、複数のバーナー取付口６０４ａと、ガス入口６０４ｂと、ガス出口６０４ｃと、が開設されている。複数のバーナー取付口６０４ａ、ガス入口６０４ｂは、燃焼室６０４の側周面の前端付近に開口している。ガス出口６０４ｃは、燃焼室６０４の後端面に開口している。バーナー６０３は、バーナー取付口６０４ａに配置されている。バーナー６０３には、空気と燃料ガスとが供給される。

（熱電変換部６１）
図５に示す熱電変換部６１の構成は、前述の図３に示す熱電変換部４と同様である。また、電気回路は、前述の図４に示す電気回路Ｃと同様である。複数の熱電変換部６１は、燃焼部６０の熱電変換エリアＢに配置されている。具体的には、複数の熱電変換部６１は、複数のバーナー６０３よりも上側に配置されている。また、図１に示すように、複数の熱電変換部６１は、燃焼部６０の前後方向全長に亘って配置されている。

［熱処理設備の二次電池の負極材製造時の動き］
次に、本実施形態の熱処理設備の二次電池の負極材製造時の動きについて説明する。図１、図２に示すように、ローラーハースキルン２において、被処理物Ｗは、搬送路５の複数のローラー５０により、搬入ユニット５３から熱処理室３３に搬入される。ローラー５０により、被処理物Ｗは、予熱区間５１０、温度制御区間５１１、冷却区間５２を通過する。予熱区間５１０、温度制御区間５１１を通過する際、被処理物Ｗは、上段ヒーター３３Ｕ、下段ヒーター３３Ｄにより、加熱される。温度制御区間５１１においては、被処理物Ｗが熱分解し、二次電池の負極材が作製される。冷却区間５２を通過する際、被処理物Ｗ（負極材）は冷却される。冷却後の被処理物Ｗ（負極材）は、熱処理室３３から搬出ユニット５４に搬出される。

温度制御区間５１１における被処理物Ｗの熱分解に伴って、被処理物Ｗからは、タールを含有する可燃性の排ガスが発生する。図５に示すように、当該排ガスは、ガス入口６０４ｂを介して、排ガス処理炉６の燃焼室６０４に供給される。燃焼室６０４において、バーナー６０３により、排ガスは燃焼される。燃焼後の残ガスは、ガス出口６０４ｃを介して、燃焼室６０４から排出される。

［熱処理設備の排熱回収時の動き］
次に、本実施形態の熱処理設備の排熱回収時の動きについて説明する。上述したように、負極材製造時においては、ローラーハースキルン２の熱処理部３から、熱が発生する。当該熱の一部は被処理物Ｗの熱処理に利用され、残部は排熱となる。同様に、負極材製造時においては、排ガス処理炉６の燃焼部６０から、熱が発生する。当該熱の一部は排ガスの燃焼に利用され、残部は排熱となる。

このように、熱処理設備１からは排熱が発生する。本実施形態の熱処理設備１は、図２に示すローラーハースキルン２の熱処理部３からの排熱を、熱電変換部４により、回収している。また、図５に示す排ガス処理炉６の燃焼部６０からの排熱を、熱電変換部６１により、回収している。ここで、熱電変換部４、６１の排熱回収時の動きは同様である。以下、代表して熱電変換部４の排熱回収時の動きについて説明する。

図２、図３に示すように、排熱は、断熱材３１を介して、熱処理室３３から熱電変換部４に伝達される。このため、熱電変換モジュール４０は加熱される。ここで、高温部４００は、低温部４０１よりも、熱処理室３３に近い。このため、高温部４００の温度は上がりやすい。他方、低温部４０１には、内側から外側に向かって、伝熱部４１、ブラケット４２、複数のヒートパイプ４３、複数の放熱フィン４４が連なっている。また、複数のヒートパイプ４３、複数の放熱フィン４４は、空冷ファン４５により冷却されている。このため、低温部４０１の温度は下がりやすい。よって、高温部４００と低温部４０１との間には温度差が発生する。当該温度差に起因して、ｐ型素子４０２の正孔（ホール）が、高温部４００から低温部４０１に向かって移動する。また、ｎ型素子４０３の電子が、高温部４００から低温部４０１に向かって移動する。つまり、電力が発生する。このように、熱電変換部４は、熱処理部３からの排熱を、電力に変換して回収している。

［作用効果］
次に、本実施形態の熱処理設備の作用効果について説明する。本実施形態の熱処理設備１のローラーハースキルン２によると、熱処理部３の排熱（詳しくは、排熱の一部）を電力に変換することができる。すなわち、排熱を電力として回収することができる。また、図３に示すように、熱電変換モジュール４０は可動部を有しないため、構造が簡単である。また、熱電変換モジュール４０は可動部を有しないため、振動が発生しにくい。したがって、振動に起因する不具合がローラーハースキルン２や被処理物Ｗに発生しにくい。

図３に示すように、熱電変換モジュール４０は、外殻３０と断熱材３１との間に配置されている。このため、図２に示すように、熱電変換部４つまり熱電変換モジュール４０が熱処理室３３に露出していない。したがって、熱処理室３３の雰囲気や、排ガス中のタールから、熱電変換モジュール４０を保護することができる。

図３に示す熱電変換素子（ｐ型素子４０２、ｎ型素子４０３）の配置場所の温度（熱電変換素子の使用環境温度）は、２００℃以上８００℃以下に設定されている。２００℃以上であるため、熱電変換効率（発電効率）の低下を抑制することができる。また、８００℃以下であるため、熱電変換モジュール４０の耐熱性を確保することができる。

図２に示す熱処理室３３においては、熱が上側に移動しやすい。このため、熱処理室３３における、上段ヒーター３３Ｕよりも上側部分の熱は、被処理物Ｗの熱処理に寄与しにくく、排熱になりやすい。この点、熱電変換エリアＡは、上段ヒーター３３Ｕよりも上側に配置されている。このため、熱電変換エリアＡが上段ヒーター３３Ｕよりも下側に配置されている場合（この場合も本発明の権利範囲に含まれる）と比較して、より効果的に排熱を回収することができる。

図２に示すように、熱電変換エリアＡは、上段ヒーター３３Ｕよりも上側に配置されている。このため、図３に示す熱電変換部４の高温部４００が加熱されやすい。したがって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

図２に示す熱処理室３３においては、上側部分が高温に、下側部分が低温になりやすい。すなわち、熱処理室３３の温度分布は、上下方向にばらつきやすい。この点、熱電変換エリアＡは、上段ヒーター３３Ｕよりも上側に配置されている。このため、熱処理室３３の上側部分の熱を、熱電変換部４が吸収することができる。したがって、熱処理室３３の温度分布のばらつきを、抑制することができる。

図２に示すように、搬送路５つまり被処理物Ｗは、上段ヒーター３３Ｕよりも下側に配置されている。このため、上段ヒーター３３Ｕと熱電変換エリアＡとの間に被処理物Ｗが介在していない。したがって、熱電変換部４の高温部４００が加熱されやすい。よって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

図１に示すように、熱電変換エリアＡは、搬送路５の加熱区間５１の全部、および冷却区間５２の一部に配置されている。このため、熱電変換エリアＡが冷却区間５２だけに配置されている場合（この場合も本発明の権利範囲に含まれる）と比較して、熱電変換部４の高温部４００が加熱されやすい。よって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

図３に示すように、集熱板４００ａは、全面的に、断熱材３１に面接触している。このため、高温部４００が加熱されやすい。したがって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

図３に示すように、放熱板４０１ａの一部は、外殻３０に面接触している。外殻３０は、金属製であって、熱伝導率が大きく、放熱性が高い。このため、低温部４０１が冷却されやすい。したがって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

図３に示すように、放熱板４０１ａの残部は、伝熱部４１に面接触している。このため、放熱板４０１ａ、伝熱部４１、ブラケット４２、ヒートパイプ４３、放熱フィン４４（空冷ファン４５により冷却されている）という伝熱経路で、放熱板４０１ａの熱を逃がすことができる。したがって、低温部４０１が冷却されやすい。よって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

図３に示すように、ブラケット４２と複数の放熱フィン４４とは、複数のヒートパイプ４３により連結されている。このため、作動液の、高温側（ブラケット４２側）における蒸発、低温側（放熱フィン４４側）における凝縮を利用して、ブラケット４２から放熱フィン４４に迅速に熱を移動させることができる。

図２、図３に示す外殻３０と断熱材３１との間の隙間は、ローラーハースキルン２の組立時に不可避的に発生する隙間（デッドスペース）である。当該隙間には、充填材３２が充填されている。熱電変換モジュール４０は、当該隙間を利用して配置されている。このため、敢えて、ローラーハースキルン２に、熱電変換モジュール４０配置用のスペースを確保する必要がない。したがって、ローラーハースキルン２は、省スペース性に優れている。また、熱電変換モジュール４０は、充填材３２に埋設されている。充填材３２は、セラミックファイバー（絶縁体）製である。このため、面方向に隣り合う複数の熱電変換モジュール４０間において、電気的に短絡が発生しにくい。また、熱電変換モジュール４０は充填材３２に埋設されているため、熱電変換モジュール４０の位置決めが簡単である。

図１に示すように、本実施形態の熱処理設備１によると、ローラーハースキルン２および排ガス処理炉６により、排熱を回収することができる。排熱回収という点において、排ガス処理炉６の構成と、上述したローラーハースキルン２の構成と、は対応している。具体的には、燃焼部６０は熱処理部３に、熱電変換部６１は熱電変換部４に、各々対応している。よって、排ガス処理炉６は、ローラーハースキルン２と同様の作用効果を有している。

例えば、ローラーハースキルン２の場合と同様に、排ガス処理炉６の場合も、排熱を電力として回収することができる。また、図５に示す熱電変換部６１つまり熱電変換モジュールに振動が発生しにくい。また、燃焼室６０４の雰囲気や排ガスのタールから熱電変換モジュールを保護することができる。また、熱電変換モジュールにおいて、高温部と低温部との間の温度差を大きくすることができる。また、熱電変換エリアＢはバーナー６０３よりも上側に配置されているため、効果的に排熱を回収することができる。また、熱電変換エリアＢはバーナー６０３よりも上側に配置されているため、燃焼室６０４の温度分布のばらつきを抑制することができる。また、ヒートパイプにより、迅速にブラケットから放熱フィンに熱を移動させることができる。また、熱電変換モジュールは外殻６００と断熱材６０１との間の隙間を利用して配置されているため、省スペース性に優れている。また、熱電変換モジュールは絶縁性を有する充填材６０２に埋設されているため、面方向に隣り合う複数の熱電変換モジュール間において、電気的に短絡が発生しにくい。また、熱電変換モジュールは充填材６０２に埋設されているため、熱電変換モジュールの位置決めが簡単である。

＜第二実施形態＞
本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備との相違点は、ローラーハースキルンの代わりにトンネルキルンが配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図６に、本実施形態の熱処理設備のトンネルキルンの左右方向（搬送方向に対して直交する方向）断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。

トンネルキルン７は、連続式炉であり、内熱式炉である。トンネルキルン７は、本発明の「熱処理炉」の概念に含まれる。トンネルキルン７は、熱処理部３と、複数の熱電変換部７１と、搬送路５と、を備えている。熱処理部３は、外殻３０と、断熱材３１と、充填材３２と、熱処理室３３と、複数のヒーター３４と、を備えている。ヒーター３４は、本発明の「熱源」の概念に含まれる。ヒーター３４は、本発明の「最も上側に配置される熱源」の概念に含まれる。ヒーター３４は、電熱ヒーターである。ヒーター３４は、後述する被処理物Ｗの上側に配置されている。ヒーター３４は、左右方向に延在している。複数のヒーター３４は、前後方向に並置されている。搬送路５は、トンネルキルン７の前後方向（搬送方向）全長に亘って配置されている。搬送路５は、熱処理室３３を経由している。搬送路５は、左右二列のレール５５を備えている。台車７０は、左右二列の車輪７００を備えている。車輪７００つまり台車７０は、レール５５に沿って、前後方向に移動可能である。熱処理室３３には、前後方向に連なる複数の台車７０が配置されている。被処理物Ｗは、台車７０に載置されている。

熱電変換エリアＡは、ヒーター３４の上側に配置されている。熱電変換エリアＡには、複数の熱電変換部７１が配置されている。熱電変換部７１の構成は、前述の図３に示す熱電変換部４と同様である。また、電気回路は、前述の図４に示す電気回路Ｃと同様である。熱電変換部７１は、ゼーベック効果により、熱処理部３の排熱を電力に変換する。つまり、排熱を回収する。

本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態のように、トンネルキルン７に熱電変換エリアＡつまり熱電変換部７１を配置してもよい。

＜第三実施形態＞
本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備との相違点は、ローラーハースキルンの代わりにロータリーキルンが配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図７に、本実施形態の熱処理設備のロータリーキルンの左右方向（搬送方向に対して直交する方向）断面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。

ロータリーキルン８は、連続式炉であり、外熱式炉である。すなわち、後述するように、被処理物Ｗは、熱処理室３３内で、熱源（上段ヒーター３３Ｕ、下段ヒーター３３Ｄ）により、炉心管８０の側周壁を介して、間接的に熱処理される。ロータリーキルン８は、本発明の「熱処理炉」の概念に含まれる。

ロータリーキルン８は、炉心管８０と、熱処理部３と、複数の熱電変換部８１と、搬送路５と、を備えている。熱処理部３は、外殻３０と、断熱材３１と、充填材３２と、熱処理室３３と、複数の上段ヒーター３３Ｕと、複数の下段ヒーター３３Ｄと、を備えている。上段ヒーター３３Ｕ、下段ヒーター３３Ｄは、本発明の「熱源」の概念に含まれる。上段ヒーター３３Ｕは、本発明の「最も上側に配置される熱源」の概念に含まれる。

炉心管８０は、前後方向に延在する円筒状を呈している。炉心管８０は、自身の軸周りに回転可能である。炉心管８０は、熱処理部３を前後方向（搬送方向）に貫通している。つまり、炉心管８０の中間部は、熱処理室３３に収容されている。炉心管８０の前部（上流部）、後部（下流部）は、各々、熱処理室３３の外部に配置されている。搬送路５は、炉心管８０の内部に配置されている。搬送路５は、熱処理室３３を経由している。被処理物Ｗは、炉心管８０の内部を、前側（上流側）から後側（下流側）に向かって、移動する。

熱電変換エリアＡは、上段ヒーター３３Ｕの上側に配置されている。熱電変換エリアＡには、複数の熱電変換部８１が配置されている。熱電変換部８１の構成は、前述の図３に示す熱電変換部４と同様である。また、電気回路は、前述の図４に示す電気回路Ｃと同様である。熱電変換部８１は、ゼーベック効果により、熱処理部３の排熱を電力に変換する。つまり、排熱を回収する。

本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態のように、ロータリーキルン８に熱電変換エリアＡつまり熱電変換部８１を配置してもよい。また、熱処理室３３に、直接、被処理物Ｗを配置しなくてもよい。すなわち、熱処理室３３に、炉心管８０の側周壁を介して、間接的に被処理物Ｗを配置してもよい。つまり、被処理物Ｗに間接的に熱処理を施してもよい。

＜第四実施形態＞
本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備との相違点は、熱電変換部が熱電変換モジュールだけを備えている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図８に、本実施形態の熱処理設備のローラーハースキルンの熱電変換部の左右方向（搬送方向に対して直交する方向）断面図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図８に示すように、熱電変換部４は、熱電変換モジュール４０だけを備えている。熱電変換モジュール４０は、充填材３２と共に、外殻３０の内面と、断熱材３１の外面と、の間に介装されている。

本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態のように、熱電変換部４が、熱電変換モジュール４０だけを備えていてもよい。熱電変換部４の低温部４０１の放熱板４０１ａは、全面的に、金属製の外殻３０に面接触している。このため、低温部４０１が冷却されやすい。したがって、高温部４００と低温部４０１との間の温度差を大きくすることができる。

また、外殻３０に、図３に示す伝熱部４１を埋設する必要がない。このため、外殻３０の構造が簡単になる。したがって、既設のローラーハースキルン（熱処理炉）に熱電変換部４を追加配置しやすい。

＜第五実施形態＞
本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備との相違点は、ローラーハースキルンに、ゼーベック効果を利用するタイプの熱電変換部の代わりに、熱電子放出現象を利用するタイプの熱電変換部が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図９に、本実施形態の熱処理設備のローラーハースキルンの熱電変換部の左右方向（搬送方向に対して直交する方向）断面図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。

図９に示すように、熱電変換部９１の熱電変換モジュール９２は、充填材３２と共に、外殻３０の内面と、断熱材３１の外面と、の間に介装されている。熱電変換モジュール９２は、ケース９２０と、エミッタ電極９２１と、コレクタ電極９２２と、を備えている。エミッタ電極９２１、コレクタ電極９２２は、本発明の「熱電変換素子」の概念に含まれる。ケース９２０は、セラミック（絶縁体）製であって、箱状を呈している。ケース９２０の内部は真空である。エミッタ電極９２１、コレクタ電極９２２は、各々、ケース９２０に収容されている。エミッタ電極９２１は、半導体製であって、ケース９２０の断熱材３１側の内面に配置されている。コレクタ電極９２２は、半導体製であって、内外方向に所定間隔だけ離間して、エミッタ電極９２１に対向して配置されている。コレクタ電極９２２は、ケース９２０の外殻３０側の内面に配置されている。

断熱材３１を介して熱処理室から熱電変換モジュール９２に排熱が伝わると、エミッタ電極９２１およびコレクタ電極９２２から熱電子が放出される。ここで、エミッタ電極９２１は、コレクタ電極９２２よりも、仕事関数が小さい。このため、より多くの熱電子がエミッタ電極９２１から放出される。したがって、巨視的には、エミッタ電極９２１からコレクタ電極９２２に向かって、熱電子が移動する。当該熱電子の移動により、エミッタ電極９２１とコレクタ電極９２２との間に、電位差が発生する。このようにして、排熱を電力として回収する。

本実施形態の熱処理設備と第一実施形態の熱処理設備とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態のように、ローラーハースキルン（熱処理炉）に、熱電子放出現象を利用するタイプの熱電変換部９１を配置してもよい。本実施形態によると、エミッタ電極９２１とコレクタ電極９２２との間の温度差が小さい場合であっても、排熱を電力に変換することができる。

＜その他＞
以上、本発明の熱処理炉および熱処理設備の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

熱処理炉の種類は特に限定しない。例えば、バッチ式炉、連続式炉、内熱式炉、外熱式炉であってもよい。具体的には、図２に示すローラーハースキルン２、図５に示す排ガス処理炉６、図６に示すトンネルキルン７、図７に示すロータリーキルン８、シャトルキルンなどであってもよい。

雰囲気ガス（熱処理室３３に供給する雰囲気ガス）の種類は特に限定しない。不活性ガス（アルゴン、ヘリウムなど）、中性ガス（窒素、アンモニアなど）、酸化性ガス（酸素、水蒸気など）、還元性ガス（水素、一酸化炭素など）などであってもよい。熱処理の種類に応じて、適宜、雰囲気ガスを選択すればよい。

熱電変換部（図２、図３、図５～図９に示す熱電変換部４、６１、７１、８１、９１）の構成は特に限定しない。熱電変換部は、図３に示す伝熱部４１、ブラケット４２、ヒートパイプ４３、放熱フィン４４、空冷ファン４５のうち、少なくとも一つを備えていなくてもよい。図８に示すように、熱電変換部は、熱電変換モジュール４０だけを備えていてもよい。また、図８に示す外殻３０の上面（外面）に、図３に示すブラケット４２、ヒートパイプ４３、放熱フィン４４、空冷ファン４５を追加配置してもよい。この場合、当該外殻３０を、図３に示す伝熱部４１として利用することができる。また、熱電変換部の低温部４０１の冷却方法は特に限定しない。冷却水、ブロワー、空冷ファン４５などを用いて強制冷却（水冷、空冷）してもよい。また、自然冷却（放冷）してもよい。

搬送路５における熱電変換エリアＡ（つまり熱電変換部）の配置場所は特に限定しない。予熱区間５１０、温度制御区間５１１、冷却区間５２のうち、少なくとも一つに配置すればよい。例えば、加熱区間５１だけに配置してもよい。また、任意の区間（予熱区間５１０、温度制御区間５１１、冷却区間５２）の一部にだけ、熱電変換エリアＡを配置してもよい。

熱電変換素子（図３、図８に示すｐ型素子４０２、ｎ型素子４０３、図９に示すエミッタ電極９２１、コレクタ電極９２２）の材質は特に限定しない。熱処理室３３からの伝熱に対する耐熱性を有していればよい。例えば、金属、金属酸化物（金属酸化物多結晶体を含む）などであってもよい。

熱電変換素子の配置場所の温度は特に限定しない。好ましくは、２００℃以上８００℃以下とする方がよい。その理由は、２００℃未満の場合、熱電変換効率が低下するからである。また、８００℃超過の場合、熱電変換モジュール（図３、図８に示す熱電変換モジュール４０、図９に示す熱電変換モジュール９２）の耐熱性に影響が出るからである。なお、この温度範囲（２００℃以上８００℃以下）で使用するのに好適な熱電変換素子の材料は、金属酸化物多結晶体である。

図１に示す温度制御区間５１１における温度パターンは特に限定しない。連続的または間欠的に被処理物Ｗが加熱されていればよい。温度制御区間５１１における被処理物Ｗ自体の温度は、一定でも変化（昇温、降温）していてもよい。冷却区間５２における被処理物Ｗの冷却方法は特に限定しない。強制冷却でも自然冷却でもよい。冷却区間５２と熱処理室３３との位置関係は特に限定しない。例えば、図１に示すローラーハースキルン２のように、冷却区間５２を、熱処理室３３の内部に配置してもよい。また、図７に示すロータリーキルン８のように、冷却区間を、熱処理室３３の外部（後側、下流側）に配置してもよい。

被処理物（図２、図６、図７に示す被処理物Ｗ。図５に示す排ガス）の種類は特に限定しない。被処理物は、固体、液体、気体のいずれであってもよい。被処理物が二次電池の負極材の原料である場合、被処理物自体が有機質であってもよい。また、熱処理室３３に原料ガス（炭化水素ガス（メタン、エタン、プロパンなど））を供給し、当該原料ガスを熱分解させることにより、被処理物の表面に炭素皮膜を形成してもよい。また、被処理物は、二次電池の負極材以外の電池材料（二次電池の正極材など）の原料、廃材（炭素繊維強化プラスチックなど）、食品などであってもよい。

熱源（図２、図７に示す上段ヒーター３３Ｕ、下段ヒーター３３Ｄ、図５に示すバーナー６０３、図６に示すヒーター３４）の種類は特に限定しない。電熱ヒーター、電熱コイル、バーナー、マイクロ波加熱装置、熱風供給装置、温水供給装置、蒸気（水蒸気、過熱水蒸気など）供給装置などであってもよい。

図４に示す負荷９０に供給する電力は、直流電力でも交流電力でもよい。電気回路Ｃに、パワーコンディショナー（ＤＣ／ＡＣインバーター）を配置してもよい。すなわち、負荷９０に交流電力を供給してもよい。電気回路Ｃに、蓄電池を配置してもよい。負荷９０の種類は特に限定しない。例えば、照明、警報設備、空調設備などであってもよい。

図４に示す電気回路Ｃにおける、複数の熱電変換部の接続方法は特に限定しない。全ての熱電変換部を電気的に直列接続、または並列接続してもよい。全ての熱電変換部を、複数のユニット（複数の熱電変換部が電気的に直列に接続されたユニット）に分け、複数の当該ユニットを電気的に並列に接続してもよい。

熱処理部（図２、図３、図６～図９に示す熱処理部３）の外殻３０の構成は特に限定しない。外殻３０に放熱フィン４４を配置してもよい。また、外殻３０を波板で形成してもよい。こうすると、放熱性が高くなる。外殻３０の材質は特に限定しない。熱伝導率が高い金属（銅、アルミニウムなど）を用いてもよい。こうすると、放熱性が高くなる。図５に示す燃焼部６０の外殻６００の構成についても同様である。また、充填材（図２、図３、図６～図９に示す充填材３２、図５に示す充填材６０２）の種類は特に限定しない。セラミックファイバー、シリカウール、グラスウール、ロックウールなどの繊維状充填材、セラミッククロス、シリカクロス、ガラスクロスなどの布状充填材などを用いてもよい。また、外殻（図２、図３、図６～図９に示す外殻３０、図５に示す外殻６００）と断熱材（図２、図３、図６～図９に示す断熱材３１、図５に示す断熱材６０１）との間に充填材を配置しなくてもよい。また、熱処理室３３や燃焼室６０４を区画する部材（熱処理室３３や燃焼室６０４に露出する部材）は特に限定しない。例えば、断熱材であってもよい。また、断熱材の内側に配置される内装材（例えば、金属製やセラミック製の板）であってもよい。断熱材と充填材との性状の異同は特に限定しない。同一でも異なっていてもよい。例えば、断熱材を、塊状（バルク状、ブロック状）としてもよい。また、充填材を、外殻と断熱材との間の隙間の形状に追従して変形可能な、繊維状、布状としてもよい。

熱電変換素子として、排熱に起因するゼーベック効果を利用して、所望の負荷に電力を供給する熱電変換素子（図３、図８に示すｐ型素子４０２、ｎ型素子４０３）を用いてもよい。こうすると、高温部４００と低温部４０１との温度差を利用して、電力を得ることができる。

熱電変換素子として、排熱に起因する熱電子放出現象を利用して、所望の負荷に電力を供給する熱電変換素子（図９に示すエミッタ電極９２１、コレクタ電極９２２）を用いてもよい。こうすると、エミッタ電極９２１とコレクタ電極９２２との仕事関数の差を利用して、電力を得ることができる。

熱電変換素子を、熱処理室３３に露出しないように、断熱材３１に埋設してもよい。こうすると、熱処理室３３の雰囲気から、熱電変換素子を保護することができる。また、熱電変換素子を外殻３０と断熱材３１との間に配置する場合と比較して、熱電変換素子が加熱されやすくなる。また、熱電変換素子を、外殻３０に埋設してもよい。こうすると、低温部４０１の温度が下がりやすい。また、低温部４０１を外殻３０から外部に露出させてもよい。こうすると、さらに低温部４０１の温度が下がりやすい。

熱電変換エリアＡにおける熱電変換部の配置密度について、冷却区間５２よりも、加熱区間５１に、密に熱電変換部を配置してもよい（加熱区間５１だけに熱電変換部を配置する場合を含む）。こうすると、冷却区間５２よりも高温になりやすい加熱区間５１から、効果的に排熱を回収することができる。

熱電変換エリアＡにおける熱電変換部の配置密度について、予熱区間５１０よりも、温度制御区間５１１に、密に熱電変換部を配置してもよい（温度制御区間５１１だけに熱電変換部を配置する場合を含む）。こうすると、予熱区間５１０よりも高温になりやすい温度制御区間５１１から、効果的に排熱を回収することができる。

熱電変換エリアＡにおける熱電変換部の配置密度について、熱処理室３３の左右両外側（側方）よりも、熱処理室３３の上側に、密に熱電変換部を配置してもよい（熱処理室３３の上側だけに熱電変換部を配置する場合を含む）。こうすると、熱処理室３３の側方よりも高温になりやすい上側から、効果的に排熱を回収することができる。図５に示す熱電変換エリアＢにおける熱電変換部６１の配置密度についても同様である。

図３に示す熱電変換部４のヒートパイプ４３を、上下方向を含む方向（例えば、上下方向、放熱側から集熱側に向かって降りる勾配を有する斜め方向）に、延在させてもよい。こうすると、作動流体の自重を利用して、作動流体を移動させることができる。

１：熱処理設備、２：ローラーハースキルン（熱処理炉）、３：熱処理部、３０：外殻、３１：断熱材、３２：充填材、３３：熱処理室、３３Ｄ：下段ヒーター（熱源）、３３Ｕ：上段ヒーター（熱源）、３４：ヒーター（熱源）、４：熱電変換部、４０：熱電変換モジュール、４００：高温部、４００ａ：集熱板、４００ｂ：電極、４０１：低温部、４０１ａ：放熱板、４０１ｂ：電極、４０１ｃ：配線、４０２：ｐ型素子（熱電変換素子）、４０３：ｎ型素子（熱電変換素子）、４１：伝熱部、４２：ブラケット、４３：ヒートパイプ、４４：放熱フィン、４５：空冷ファン、５：搬送路、５０：ローラー、５１：加熱区間、５１０：予熱区間、５１１：温度制御区間、５２：冷却区間、５３：搬入ユニット、５４：搬出ユニット、５５：レール、６：排ガス処理炉（熱処理炉）、６０：燃焼部、６００：外殻、６０１：断熱材、６０２：充填材、６０３：バーナー（熱源）、６０４：燃焼室、６０４ａ：バーナー取付口、６０４ｂ：ガス入口、６０４ｃ：ガス出口、６１：熱電変換部、７：トンネルキルン（熱処理炉）、７０：台車、７００：車輪、７１：熱電変換部、８：ロータリーキルン（熱処理炉）、８０：炉心管、８１：熱電変換部、９０：負荷、９１：熱電変換部、９２：熱電変換モジュール、９２０：ケース、９２１：エミッタ電極（熱電変換素子）、９２２：コレクタ電極（熱電変換素子）、Ａ：熱電変換エリア、Ｂ：熱電変換エリア、Ｃ：電気回路、Ｗ：被処理物

Claims (6)

1. 外殻と、前記外殻の内側に配置される断熱材と、前記断熱材の内側に配置され被処理物に熱処理を施す熱処理室と、を有する熱処理部を備える熱処理炉であって、
   さらに、前記熱処理部の排熱を電力に変換する熱電変換素子を有する熱電変換部を備え、
   前記熱電変換素子は、前記外殻と前記断熱材との間に配置されることを特徴とする熱処理炉。
2. 前記熱処理部は、さらに、前記熱処理室に配置される少なくとも一つの熱源を有し、
   最も上側に配置される前記熱源に対して、前記熱電変換素子は上側に、前記被処理物は下側に、各々配置される請求項１に記載の熱処理炉。
3. 前記熱処理炉は、前記被処理物を搬送する搬送路を備える連続式炉であり、
   前記搬送路は、前記熱処理室に配置され前記被処理物を加熱する加熱区間と、前記加熱区間の下流側に配置され前記被処理物を冷却する冷却区間と、を有し、
   前記熱電変換素子は、前記加熱区間に配置される請求項１または請求項２に記載の熱処理炉。
4. 前記被処理物は、二次電池の負極材の原料であり、熱処理によりタールを含有する可燃性の排ガスを発生する請求項３に記載の熱処理炉。
5. 前記熱電変換素子の配置場所の温度は、２００℃以上８００℃以下である請求項４に記載の熱処理炉。
6. 請求項４または請求項５に記載の熱処理炉と、
   前記排ガスを燃焼させる排ガス処理炉と、
   を備える熱処理設備であって、
   前記排ガス処理炉は、
   外殻と、前記外殻の内側に配置される断熱材と、前記断熱材の内側に配置され前記排ガスを燃焼させる燃焼室と、を有する燃焼部を備え、
   さらに、前記燃焼部の排熱を電力に変換する熱電変換素子を有する熱電変換部を備え、
   前記排ガス処理炉の前記熱電変換素子は、前記外殻と前記断熱材との間に配置される熱処理設備。

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