JP5345832B2 - 排熱利用発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温の装置における排熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによって排熱エネルギーを回収する排熱利用発電装置に関するものであり、例えば高温の装置に設けられたセンサを用いて測定した測定信号を無線で送信する無線機器の電源として好適な技術である。

従来、各種の製造プラント等において、中央の監視制御装置から遠く離れた位置に温度計などのセンサを分散して配置する場合、電源線や信号線のための膨大な配線工事費が必要であった。近年では、無線技術の進展によって、測定信号を無線伝送することが可能になり、コストは低減できるものの、無線伝送装置の電源として通常電池を使用することから、頻繁に電池交換を行わなければならず、メンテナンス性に問題があった。

また、鉄鋼業は、エネルギーを多量に消費する産業であり、これまで多くの排熱回収装置が導入され、省エネルギーの観点で成果を上げてきた。しかし、低温排熱の回収については不十分であり、今後のさらなる改善が期待されている。

低温排熱の回収を実現するものとして、ｐ型とｎ型半導体からなる熱電半導体素子の一方側（ｐｎ接合部に相当）を高温にし、他方側を低温にして温度差を生じさせることでゼーベック効果により発電する方法が知られている。すなわち、熱電半導体素子の低温側にある、ｐ型半導体とｎ型半導体それぞれに設けられた電極から電力を取り出すことができる。例えば、自動車の場合、この熱電半導体素子の一方側をエンジンの排気管（高温側伝熱面）に接触させ、他方側を冷却器（低温側伝熱面）に接触させるように配置することで、エンジンの排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。

こうした熱電半導体素子を用いた排熱利用発電装置の起電力は、高温側と低温側の温度差に依存する。このため、特許文献１には、低温側を冷却水通路に隣接して配置する構造が開示されている。

また、特許文献２には、低温側を冷却ファンで冷却することにより、効率的な熱電変換を行うことが開示されている。さらに、特許文献３にも、変圧器の排熱を利用した熱電変換システムが開示されている。

特開昭６３−１１１２６８号公報 特開昭６０−５９９８２号公報 特開２００７−１９２６０号公報

しかしながら、特許文献１の熱電変換装置は、容易に冷却水が得られる場合の排熱利用であり、近くに冷却水がない設備や、移動する設備等のように簡単に冷却水を得られない場合には、高温側と低温側との温度差を大きくすることは困難である。

また、冷却ファンにより冷却する方法は、冷却ファンを駆動するエネルギーが必要となる。したがって、例えば特許文献２のように、他の用途のために最初から設置されている冷却ファンを兼用する場合には意味があるが、高温側と低温側との温度差を大きくして排熱回収装置の起電力を大きくするためだけに冷却ファンを駆動させると、そのエネルギー分の損失があり、排熱利用発電装置としては効率が悪い。

このような従来の問題点に鑑みて、本発明は、冷却水を得られない場合や冷却ファンが設置されていない場合においても、高温側と低温側との温度差を大きくして、効率良く安定した熱起電力が得られる排熱利用発電装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、高温の装置からの排熱を利用し、熱電半導体素子の一方側の面を高温側とし他方側の面を低温側として、両面間に温度差を生じさせることにより発電させる排熱利用発電装置であって、前記熱電半導体素子の低温側が、銅製の冷却板と、基端が前記冷却板に挿入され先端が外方へ突出したヒートパイプと、前記ヒートパイプの先端部が内部を貫通している冷却フィンとで構成されていることを特徴とする排熱利用発電装置を提供する。低温側にヒートパイプを設けることにより、冷却板から容易に放熱させることができるとともに、高温側を冷却することがなく、高温側と低温側との温度差を得やすくなる。

前記発電装置において、前記冷却フィンは複数の開口部を有する冷却フードに収納されており、前記複数の開口部のうちのいずれかから冷却フードの内部の空気を吸引することにより気流を発生させて、前記冷却フィンが冷却される。冷却フィンの周囲の空気が流動することにより、さらに冷却効果が増す。

また、前記高温の装置は高温の気体を排気する排気機構部を有し、前記冷却フードの内部の空気を吸引する吸引パイプが前記開口部に接続され、前記吸引パイプの先端が、排熱が発生する装置の前記排気機構部に連通している。排熱が発生する装置に通常設けられている排気機構を利用して冷却フィンの周囲の空気を吸引することにより、無駄な電力を使用することなく、効率良く低温側を冷却できる。さらに、前記高温の装置は焼結機であり、前記熱電半導体素子の高温側はパレットのサイドウォールの外壁面に接触して取り付けられており、前記吸引パイプの先端はウインドボックスに連通していてもよい。

本発明によれば、冷却水や冷却ファンがなくても、低温側を十分冷却することが可能であり、効率良く安定して発電される。そのため、本発明の排熱利用発電装置を設ければ、頻繁に電池交換などを行うことなく電力が供給され、メンテナンス性が改善される。

以下、本発明の実施形態を、鉄鋼プロセスにおける製造装置の一つである焼結機に適用した場合について、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、一般に使用されている焼結機２の例の概略図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。焼結機２は、図１に示すように、長手方向に移動可能に連結された多数個のパレット３と、これらのパレット３の下方に固定して設けられた複数個のウインドボックス４からなる排気手段とを具備する。各パレット３は、図２に示すように、底面にグレートバー１１を並べ、グレートバー１１を挟んで両側面に配置されるサイドウォール１２の外側に、車輪１３を備えている。図１（ｂ）に示すように、各パレット３は先端と後端とが連接されており、図の左右の駆動ローラ８ａ、８ｂの回転に従って、エンドレスに焼結機２内を周回する。各ウインドボックス４は、吸気管７を介してブロア（図示省略）で吸気／排気して減圧される。パレット３の周回中に、各パレット３に、原料供給ホッパー５からコークス粉を含む焼結原料が供給され、積載される。その焼結原料層の表面が点火炉６で着火され、グレートバー１１からなる底面およびウインドボックス４を介して、吸気管７により吸気されることで、焼結原料層の表面から下方に燃焼帯を進行させ、焼結鉱を製造する。図３は、図１（ａ）のＡ−Ａ線から見た断面図である。パレット３は、焼結機２の両側に固定して設けられた２本の軌条１４上を、各パレット３に備えられた車輪１３が転がることにより移動する。

上述のように、パレット３は駆動ローラ８の回転によりエンドレスに焼結機２内を周回する構造であり、パレット３そのものは動力源が備えられていない受動装置である。したがって、例えばパレット３内の焼結原料層の燃焼状態を把握する目的で温度計を設置し、その測定データを無線伝送しようとしても、パレット３には無線伝送装置のための電源を有していない。

温度測定データの無線伝送を最も簡単に実現する方法は、無線伝送装置の電源として電池を利用することである。そこで、熱電対による温度測定データ３点を１０秒周期で無線伝送するための電源として、単一乾電池２本を直列接続して実施したところ、電池寿命は最長でも３日間が限度であった。一方、焼結機は、通常、１〜１．５ヶ月連続運転され、運転途中で電池交換をすることは不可能である。したがって、３日間の電池寿命では、焼結機が運転されている間測定を継続することはできない。また、パレット３のサイドウォール１２およびその下部周辺は狭隘でスペースが限られているうえ、パレット３周辺は高温となるために乾電池を耐熱容器に収納して使用する必要があり、多くの乾電池を搭載することは困難である。

図４は、本発明の排熱利用発電装置の実施形態を示す分解斜視図であり、図５は、パレット３のサイドウォール１２に本実施形態の発電装置２０を装着した状態を示す図である。

発電装置２０は、図４に示すように、受熱板２１、熱電モジュール２２、断熱材２３、冷却板２４、ヒートパイプ２５、冷却フィン２６、冷却フード２７、吸引パイプ２８で構成される。熱電モジュール２２は、ｐｎ接合された約１００個の半導体素子からなり、例えば厚さが１〜２ｍｍ程度である。例えば図示するように４枚の熱電モジュール２２の両側を、銅製の受熱板２１（高温側）と銅製の冷却板２４（低温側）とで挟みこむ。熱電モジュール２２同士の間隙には、例えばシリコン系等の断熱材２３がはめ込まれる。この熱電モジュール２２は、市販のものを用いることができる。本明細書において、受熱板２１、熱電モジュール２２、断熱材２３および冷却板２４を合わせて、熱電ユニット２９と称する。

冷却板２４には、熱を冷却フィン２６に効率良く移動（熱輸送）させるために、複数例えば図示するように４本のヒートパイプ２５が挿入されている。ヒートパイプ２５は、基端が冷却板２４の内部に挿入され、先端部が外方へ突出し、その突出部分が、銅製の冷却フィン２６を貫通している。すなわち、ヒートパイプ２５の先端部の外周から放射状に広がるように、冷却フィン２６が配置されている。したがって、冷却板２４の熱がヒートパイプ２５の基端側から先端側へ効率良く移動するとともに、ヒートパイプ２５の先端側が冷却フィン２６を介して広い面積で空気と接触する。冷却フィン２６を構成する部材としては、銅の他、アルミニウム等のように熱伝導が良好で数百℃以上の耐熱性があるものであれば、用いることができる。冷却フィン２６は、開口部を有し、下面を除く５面が冷却フード２７で覆われて収納され、冷却フード２７の上面には、冷却フード２７内の空気を吸引する吸引パイプ２８が接続されている。吸引パイプ２８により冷却フード２７の内部の空気を吸引して気流を発生させ、冷却フィン２６を冷却する。冷却フード２７は、例えばステンレスで成形され、厚さ方向（図４の紙面に対して略垂直方向）の寸法は、３０〜４０ｍｍ程度である。冷却フード２７は、冷却フィン２６が機械的に破壊されるのを防止し、且つ、冷却フィン２６が気流により効率的に放熱できる形状とする。

図５に示すように、熱電ユニット２９は、受熱板２１をサイドウォール１２の外側（焼結原料層と反対側の外壁面）に接触させて、例えば４本のボルト（図示せず）によってサイドウォール１２に固定される。これにより、焼結原料層の燃焼による熱が受熱板２１に伝達される。熱電ユニット２９が固定されるサイドウォール１２の表面は、熱伝導性を向上させるため研磨されており、かつ、シリコングリスが塗布されている。図６は図５のＢ−Ｂ線から見た断面図であり、サイドウォール１２には強度を増すための梁が設けられており、その外側面には、深さが４０ｍｍ程度の凹部３０が形成されている。熱電ユニット２９や冷却フード２７は、凹部３０内に納めることが好ましい。また、必要に応じて、ヒートパイプ２５等を納めるための切り欠きを設け、発電装置２０全体がサイドウォール１２よりも外方へ突出しないように配置される。このように熱電ユニット２９の各部をサイドウォール１２にコンパクトに配置することにより、焼結機２の中をパレット３が移動する操業時にも邪魔にならず、また、熱電ユニット２９の破損を抑止することができる。

吸引パイプ２８は、サイドウォール１２に設けた吸引口３１に連結され、吸引パイプ２８の先端は、パレット３内部のグレートバー１１よりも下方に連通させる。図１（ｂ）、図３に示すように、サイドウォール１２の内側すなわちパレット３内部は、ウインドボックス４、吸気管７を介して吸気されているため、吸引パイプ２８を介して、空気が冷却フード２７の下面から吸引され、吸引口３１からウインドボックス４内へ排気される。このとき、冷却フード２７内を通過する空気により冷却フィン２６が抜熱され、空冷される。さらにヒートパイプ２５を介して冷却板２４が冷却され、受熱板２１と冷却板２４との間に十分な温度差が生じ、ゼーベック効果による発電（熱発電）が可能となる。

本実施形態を実施したところ、サイドウォール１２の表面の最高温度は約２００℃であり、このときの熱電ユニット２９の最大出力電圧は３Ｖ、最大出力（熱起電力）は４．５Ｗという出力が得られた。熱起電力の大きさは、熱電モジュール２２を構成する半導体素子の個数を変えて調節することができる。また、熱電ユニット２９を複数台用いても良い。

図７は、排熱利用発電装置１を含む無線子機４１の電源回路を示すブロック図である。熱電ユニット２９と並列に蓄電ユニット４２が接続されており、熱電ユニット２９が発電した電力を蓄電ユニット４２に蓄えて、無線子機４１の電源として使用する仕組みになっている。

また、切替スイッチ４４は、蓄電ユニット４２の両端の電圧が所定値Ｖ１ボルト以上で蓄電ユニット４２側を選択し、蓄電ユニット４２の両端の電圧が所定値Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）ボルト以下で乾電池４３側を選択するように、電源切替部（図示せず）で制御して切り替える。すなわち、蓄電ユニット４２に十分な蓄電量がある場合には、蓄電ユニット４２から無線子機４１へ電力を供給し、蓄電ユニット４２の蓄電量が不足してきたら、バックアップとして設けられている乾電池４３から無線子機４１へ電力を供給する構成となっている。これにより、例えば熱電対等のセンサ４５による測定データを、無線子機４１から継続的に送信することができる。なお、電源切替部は、蓄電ユニットの両端の電圧の代わりに、パレット３の温度データに基づいて切り替えるようにしてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、図４に示す熱電ユニット２９等の形状や、熱電半導体素子２２およびヒートパイプ２５の数等は、図示の例に限らない。

焼結機２のパレット３内の焼結原料層の燃焼状態を把握する目的で温度計を設置し、その測定データを無線伝送する無線子機４１の電源として、図８、図９に示すように、本発明の排熱利用発電装置１を適用した。無線子機の電源回路は図７と同様であり、本実施例では、バックアップ用乾電池４３として、単一乾電池２本を直列に接続して使用した。なお、図９は概略図であり、熱電ユニット２９がサイドウォール１２よりも外方へ突出して記載されているが、実施に際しては、前述の図６のように、サイドウォール１２の凹部３０内に納められた。

以上の実施例において、バックアップ用乾電池４３の寿命が、焼結機２の連続運転期間１〜１．５ヶ月以上もつことを目標にしたところ、条件によっては約半年以上もち、目標を大きく上回った。

以上では、鉄鋼業の上工程である高炉製鉄における焼結鉱を製造するプロセスの燃焼状態を把握するための温度無線伝送装置の電源として、本発明の排熱利用発電装置を用いる例を説明したが、本発明の排熱利用発電装置は、鉄鋼業の他プロセスや、他産業においても、燃焼および排気機構を有する場合に関して適用できる。

焼結機の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図１のパレットの斜視図である。 図１のＡ−Ａ線から見た断面図である。 本発明の排熱利用発電装置の分解斜視図である。 図４の発電装置をパレットのサイドウォールに装着した図である。 図５のＢ−Ｂ線から見た断面図である。 本発明の排熱利用発電装置を含む無線子機の電源回路を表すブロック図である。 本発明の排熱利用発電装置を設けた焼結機を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図８のＣ−Ｃ線から見た断面図である。

符号の説明

２ 焼結機
３ パレット
４ ウインドボックス
５ 原料供給ホッパー
６ 点火炉
７ 吸気管
８ａ、８ｂ 駆動ローラ
１１ グレートバー
１２ サイドウォール
１３ 車輪
１４ 軌条
２０ 発電装置
２１ 受熱板
２２ 熱電モジュール
２３ 断熱材
２４ 冷却板
２５ ヒートパイプ
２６ 冷却フィン
２７ 冷却フード
２８ 吸引パイプ
２９ 熱電ユニット
３０ 凹部
３１ 吸引口
４１ 無線子機
４２ 蓄電ユニット
４３ 乾電池
４４ 切替スイッチ
４５ センサ

Claims (2)

1. 高温の装置からの排熱を利用し、熱電半導体素子の一方側の面を高温側とし他方側の面を低温側として、両面間に温度差を生じさせることにより発電させる排熱利用発電装置であって、
   前記熱電半導体素子の低温側が、銅製の冷却板と、基端が前記冷却板に挿入され先端が外方へ突出したヒートパイプと、前記ヒートパイプの先端部が内部を貫通している冷却フィンとで構成され、
   前記冷却フィンは複数の開口部を有する冷却フードに収納されており、前記複数の開口部のうちのいずれかから冷却フードの内部の空気を吸引することにより気流を発生させて、前記冷却フィンが冷却され、
   前記高温の装置は高温の気体を排気する排気機構部を有し、前記冷却フードの内部の空気を吸引する吸引パイプが前記開口部に接続され、前記吸引パイプの先端が、排熱が発生する装置の前記排気機構部に連通していることを特徴とする、排熱利用発電装置。
2. 前記高温の装置は焼結機であり、前記熱電半導体素子の高温側はパレットのサイドウォールの外壁面に接触して取り付けられており、前記吸引パイプの先端はウインドボックスに連通していることを特徴とする、請求項１に記載の排熱利用発電装置。

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