JP5087875B2

JP5087875B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP5087875B2
Application number: JP2006207952A
Authority: JP
Inventors: 稔智太田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: JP2008032341A

Description

本発明は、熱源を有する熱処理装置に関するものである。

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。
このような熱電モジュールを備える工業炉によれば、工業炉内部の熱の一部を電力に変換することが可能となるため、エネルギー効率の良い工業炉となる。
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

ところで、上述のような工業炉では、配管の接続部等の温度上昇を抑止したい箇所に熱源からの輻射線が照射されないように、輻射線の一部を反射板（反射部）で反射することが提案されている。これによって、温度上昇を抑止したい箇所に輻射線が照射されることを抑止でき、当該箇所の温度上昇を抑止することができる。
また、効率的な熱処理を実現するために、熱源からの輻射線を反射板によって熱源に戻すことも提案されている。これによって、エネルギーを熱源に戻すことができ、効率的な加熱を行うことができる。
そして、このような反射板は、熱電モジュールが配置されていない箇所に設置されることとなる。

しかしながら、反射板に入射する輻射線は、その全てが反射されるわけではなく、一部が反射板に吸収される。そして、このように輻射線の一部が反射板に吸収されることによって熱が発生し、エネルギー損失が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、熱源を有する熱処理装置におけるさらなるエネルギー効率の向上を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、熱源を有する熱処理装置であって、熱源からの輻射線の少なくとも一部を反射する反射部と、上記反射部が上記輻射線の一部を吸収することによって発生する熱を電力に変換する熱電モジュールとを備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、反射部が輻射線の一部を吸収することによって発生する熱が熱電モジュールによって電力に変換される。

また、本発明においては、上記熱源及び上記反射部を収納する水冷ジャケットを備え、上記熱電モジュールは、上記水冷ジャケットと上記反射部との間に設置されるという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記反射部が、上記熱源に向けて上記輻射線を反射するという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記熱源が、熱処理対象物が内部にて加熱処理される加熱室であるという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記熱源が、加熱処理された熱処理対象物であるという構成を採用することもできる。

本発明によれば、反射部が輻射線の一部を吸収することによって発生する熱が熱電モジュールによって電力に変換される。つまり、従来、無駄となっていたエネルギーを用いて電力を生成することができる。
したがって、本発明によれば、熱源を有する熱処理装置における、さらなるエネルギー効率の向上を実現することができる。

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、各部材の縮尺を適宜変更している。

（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。

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Ｘ（熱処理対象物）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Ｘ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。

そして、本実施形態の抵抗加熱炉１では、ユニット化された複数の熱電モジュール８が水冷ジャケット２の内壁部２ａに設置されている。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。そして、熱電モジュール８は、図１に示すように、一方側（高温側）を炉内（加熱室３側）に向け、他方側（低温側）を水冷ジャケット２の内壁部２ａに接触して設置されている。

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。

また、本実施形態の抵抗加熱炉１では、水冷ジャケット２とガス供給管４との接続部Ａ、水冷ジャケット２と廃ガス管５との接続部Ｂ、及び、水冷ジャケット２と電気ヒータ６との接続部Ｃ１，Ｃ２に、加熱室３からの輻射線Ｌが照射されることを抑止する反射部２０が設置されている。
反射部２０は、接続部Ａと加熱室３との間に設置され接続部Ａへ向かう輻射線Ｌを反射する反射板２１と、接続部Ｂと加熱室３との間に設置され接続部Ｂへ向かう輻射線Ｌを反射する反射板２２と、接続部Ｃ１と加熱室３との間に設置され接続部Ｃ１に向かう輻射線Ｌを反射する反射板２３と、接続部Ｃ２と加熱室３との間に設置され接続部Ｃ２に向かう輻射線Ｌを反射する反射板２４と、から構成されている。

そして、本実施形態の抵抗加熱炉１は、反射部２０と水冷ジャケット２との間に設置される熱電モジュール９を有している。この反射部２０と水冷ジャケット２との間に設置される熱電モジュール９は、上述の熱電モジュール８と同様の構成を有しており、また熱電モジュール８と同様に電力回収ライン１１を介して蓄電装置１２と接続されている。
反射部２０は、上述のように加熱室３からの輻射線Ｌを反射するが、入射される輻射線Ｌを１００％反射することはできず、入射される輻射線Ｌの一部を吸収する。このように反射部２０が輻射線Ｌを吸収すると、反射部２０から熱が発生する。そして、この熱が、熱電モジュール９によって電力に変換される。
すなわち、反射部２０と水冷ジャケット２との間に設置される熱電モジュール９は、反射部２０が輻射線Ｌの一部を吸収することによって発生する熱を電力に変換するものである。

このような本実施形態の抵抗加熱炉１が動作すると、上述のようにワークＸが加熱処理され、これに伴って加熱室３から輻射線Ｌが水冷ジャケット２の内壁部２ａに向けて射出される。すなわち、本実施形態の抵抗加熱炉１においては、加熱室３が熱源となっている。

加熱室３から水冷ジャケット２の内壁部２ａに向けて射出された輻射線Ｌのうち、水冷ジャケット２とガス供給管４との接続部Ａに向かう輻射線Ｌは、反射板２１によって反射される。これによって、接続部Ａが高温化することを抑止することができる。
また、水冷ジャケット２と廃ガス管５との接続部Ｂに向かう輻射線Ｌは、反射板２２によって反射される。これによって、接続部Ｂが高温化することを抑止することができる。
また、水冷ジャケット２と電気ヒータ６との接続部Ｃ１に向かう輻射線Ｌは、反射板２３によって反射される。これによって、接続部Ｃ１が高温化することを抑止することができる。
また、水冷ジャケット２と電気ヒータ６との接続部Ｃ２に向かう輻射線Ｌは、反射板２４によって反射される。これによって、接続部Ｃ２が高温化することを抑止することができる。

そして、本実施形態の抵抗加熱炉１においては、輻射線Ｌを反射部２０（反射板２１〜２４）が反射する際に、輻射線Ｌの一部を吸収することによって反射部２０から発生した熱が、各反射部２０と水冷ジャケット２との間に設置された熱電モジュール９によって電力に変換される。

従来の抵抗加熱炉においては、反射部２０が輻射線Ｌの一部を吸収することによって発生した熱は再利用されることなく損失されていた。これに対して、本実施形態の抵抗加熱炉１は、従来損失されていた熱が熱電モジュール９によって電力に変換されるため、さらなるエネルギー効率の向上を実現することが可能となる。

そして、熱電モジュール９において発電された電力は、電力回収ライン１１を介して蓄電装置１２に送電され、蓄電装置１２において一時的に蓄電される。そして、蓄電装置１２に一時的に蓄電された電力は、適宜電力供給ライン１３を介して制御装置１４に供給され、制御装置１４の動作のために消費される。

なお、接続部Ａ，Ｂ，Ｃ１，Ｃ２以外の箇所に向かう輻射線Ｌは、水冷ジャケット２の内壁部２ａに設置された複数の熱電モジュール８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も、熱電モジュール９によって発電された電力と同様に、蓄電装置１２に送電された後に制御装置１４に供給され、制御装置１４の動作のために消費される。

このような本実施形態の抵抗加熱炉１によれば、上述のように、輻射線Ｌの一部が反射部２０によって吸収されることによって発生する熱が、熱電モジュール９によって電力に変換されるため、さらなるエネルギー効率の向上を実現することが可能となる。

また、本実施形態の抵抗加熱炉１によれば、熱電モジュール９は、高温側を加熱室３側に向け、低温側を水冷ジャケット２の内壁部２ａに接触して設置されている。このため、高温側と低温側との間に大きな温度差が生じ、より効率的に電力を生成することが可能となる。

（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。

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２は、本第２実施形態の連続炉３０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３０は、加熱することによってワークＸの温度を上昇させる昇温部３１と、昇温部３１によって昇温されたワークＸ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３２と、保持部３２によってガス処理されたワークＸを水冷板３４によって冷却する冷却部３３とを有している。そして、昇温部３１と保持部３２と冷却部３３とは連接されており、ワークＸは、ベルトコンベア等の搬送部３５によって昇温部３１、保持部３２、冷却部３３の順に搬送される。

このような連続炉３０においては、ワークＸが加熱された状態で搬送されるため、常にワークＸから輻射線Ｌが射出される。すなわち、本実施形態の連続炉３０においては、ワークＸ（熱処理対象物）が熱源となっている。

昇温部３１の内部には、ワークＸから射出される輻射線Ｌを再度ワークＸに戻るように、ワークＸに向けて反射する複数の反射部２０が設置されている。そして、反射部２０と昇温部３１の内壁部３１ａとの間には、複数の熱電モジュール９が設置されている。

また、保持部３２の内部にも、ワークＸから射出される輻射線Ｌを再度ワークＸに戻るように、ワークＸに向けて反射する複数の反射部２０が設置されている。そして、反射部２０と保持部３２の内壁部３２ａとの間にも、複数の熱電モジュール９が設置されている。

冷却部３３には、反射部２０が設置されておらず、冷却部３３の内壁部３３ａに熱電モジュール８が複数設置されている。

このような構成を有する本実施形態の連続炉３０では、昇温部３１及び保持部３２においては、ワークＸから射出された輻射線Ｌが反射部２０によってワークＸに向けて反射される。つまり、ワークＸから放出されたエネルギーが再度ワークＸに供給される。このため、ワークＸの昇温及び保温を効率的に行うことができる。
また、上記第１実施形態と同様に、反射部２０は、入射される輻射線Ｌを１００％反射することができないため、一部が反射部２０に吸収される。これによって、反射部２０が熱を発生する。本実施形態の連続炉３０は、反射部２０と内壁部３２ａ，３３ａとの間に熱電モジュール９を備えているため、反射部２０において発生した熱を電力に変換することができる。
よって、本実施形態の連続炉３０は、さらなるエネルギー効率の向上を実現することが可能となる。

また、冷却部３３では、ワークＸから射出された輻射線Ｌは、熱電モジュール８によって電力に変換される。
そして、熱電モジュール９及び熱電モジュール８によって発電された電力は、上記第１実施形態と同様に、蓄電装置１２（図２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２においては不図示）の動作によって消費される。

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。

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、上記第１実施形態においては、水冷ジャケット２とガス供給管４との接続部Ａ、水冷ジャケット２と廃ガス管５との接続部Ｂ、及び、水冷ジャケット２と電気ヒータ６との接続部Ｃ１，Ｃ２に輻射線Ｌが照射されることを反射部２０を用いて抑止する構成とした。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、反射部２０によって任意の箇所に輻射線Ｌが照射されることを抑止する構成とすることができる。
この場合であっても、反射部２０が輻射線Ｌを吸収することによって発生する熱を電力に変換する熱電モジュール９が、反射部２０の近傍に設置されることとなる。

また、例えば、熱電モジュール９の高温側の表面を鏡面とすることによって、熱電モジュール９の高温側の表面に反射部２０の機能を持たせることもできる。このような場合には、熱電モジュール９及び反射部２０を一体とすることができる。

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。本発明の第２実施形態である連続炉３０の概略構成を模式的に示した断面図である。

符号の説明

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）、９……熱電モジュール、２０……反射部、３０……連続炉（熱処理装置）、Ｘ……ワーク

Claims

熱源を有する熱処理装置であって、
熱源からの輻射線の少なくとも一部を反射する反射部と、
前記反射部が前記輻射線の一部を吸収することによって発生する熱を電力に変換する熱電モジュールと、
前記熱源及び前記反射部を収納する水冷ジャケットと、
前記水冷ジャケットと接続されるガス供給管、廃ガス管及び電気ヒータと
を備え、
前記反射部は、
前記水冷ジャケット及び前記ガス供給管の接続部と前記熱源との間に前記熱電モジュールと接せずに設置される反射板と、
前記水冷ジャケット及び前記廃ガス管の接続部と前記熱源との間に前記熱電モジュールと接せずに設置される反射板と、
前記水冷ジャケット及び前記電気ヒータの接続部と前記熱源との間に前記熱電モジュールと接せずに設置される反射板と
から構成され、
前記熱電モジュールは、前記水冷ジャケットと前記反射板との間に設置されている
ことを特徴とする熱処理装置。
前記反射部は、前記熱源に向けて前記輻射線を反射することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
前記熱源は、熱処理対象物が内部にて加熱処理される加熱室であることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置。
前記熱源は、加熱処理された熱処理対象物であることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置。