JP5389713B2 - 熱延コイルの顕熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱延コイルの顕熱を回収する顕熱回収装置に関するものである。

従来、熱間圧延の後に巻き取られたコイル（熱延コイル）の温度は、５００〜８００℃であるため、コイルヤードにおいて常温になるまで冷却されている。しかし、この冷却工程において熱延コイルの持つ膨大な顕熱は大気中に放出されることになり、この顕熱の有効活用が求められてきた。

そこで、特許文献１には、熱延コイルを密閉容器内の水に接触させ、大気圧以上の圧力の蒸気を発生させることにより、熱延コイルの顕熱を回収する方法が記載されている。また、特許文献２には、熱延コイルを溶融塩に浸して蒸気を発生させることにより、熱延コイルの顕熱を回収する方法が記載されている。

一方、特許文献３には、スターリング機関を用いて、スターリング機関と接続された冷凍室の内部における温度を下げる装置が記載されている。

特開昭６４−０７５８０１号公報 特開昭５９−０８０７３０号公報 特開平０８−３０３８９６号公報

本発明は、特許文献１，２に記載の技術とは異なる手段によって、熱延コイルの顕熱を回収することができる顕熱回収装置を提供することにある。

本発明は、熱延コイルの顕熱を回収する顕熱回収装置であって、ヒータの加熱による作動ガスの膨張と、クーラの冷却による作動ガスの圧縮とを繰り返して運動エネルギを生成するスターリングエンジンと、ヒータおよび熱延コイルに接触して、熱延コイルの顕熱をヒータに伝達する伝熱部材と、を有する。

ここで、ヒータおよび伝熱部材は、熱延コイルの中心に空間を形成する内径部に挿入することができる。そして、ヒータおよび伝熱部材のうち、互いに接触する領域に対して、内径部への挿入方向に対して傾斜したテーパ面を設けることができる。

伝熱部材のうち、内径部と接触する接触面は、内径部に沿った形状に形成することができる。これにより、伝熱部材および内径部の接触面積を確保することができる。また、伝熱部材の接触面は、内径部のうち、熱延コイルの端部が位置する領域とは異なる領域に接触させることができる。伝熱部材は、ヒータを覆う形状に形成することができる。これにより、熱延コイルから伝熱部材に伝達された熱を、ヒータに対して効率良く伝達することができる。

熱延コイルを搬送するコンベヤに対して下方に配置され、ヒータが内径部に進入した位置と、ヒータが内径部から退避した位置との間でスターリングエンジンを昇降させる第１昇降機と、コンベヤに対して上方に配置され、内径部に進入した位置と、内径部から退避した位置との間で伝熱部材を昇降させる第２昇降機と、を設けることができる。これにより、コンベヤによって所定の位置に搬送された熱延コイルに対して、伝熱部材およびヒータを接触させることができ、熱延コイルをコンベヤに載せたままの状態で、熱延コイルの顕熱を回収することができる。

本発明によれば、伝熱部材を用いて、熱延コイルの顕熱をスターリングエンジンのヒータに伝達することにより、熱延コイルの顕熱を無駄にすることなく、スターリングエンジンの動力源として利用することができる。

スターリングエンジンの動作を説明する図である。 スターリングエンジンの動作を説明する図である。 スターリングエンジンの動作を説明する図である。 スターリングエンジンの動作を説明する図である。 熱延コイルの搬送機構を示す図である。 本発明の実施形態１である顕熱回収装置の構成を示す概略図である。 実施形態１において、一対の伝熱ブロックの外観図である。 伝熱ブロックを熱延コイルの内径部に接触させる工程を示す図である。 伝熱ブロックを熱延コイルの内径部に接触させる工程を示す図である。 伝熱ブロックを熱延コイルの内径部に接触させる工程を示す図である。 スターリングエンジンのヒータを伝熱ブロックに接触させる工程を示す図である。 スターリングエンジンのヒータを伝熱ブロックに接触させる工程を示す図である。 スターリングエンジンのヒータを伝熱ブロックに接触させる工程を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）

本発明の実施形態１である顕熱回収装置について説明する。本実施形態である顕熱回収装置は、スターリングエンジンを用いて熱延コイルの熱エネルギを運動エネルギに変換するものである。

まず、スターリングエンジンの動作原理について、図１Ａから図１Ｄを用いて説明する。図１Ａから図１Ｄは、スターリングエンジンの構成を示すとともに、スターリングエンジンの動作を説明する図である。

スターリングエンジン１０は、ディスプレーサピストン１１を収容する第１シリンダ１２を有しており、第１シリンダ１２の内部には、膨張空間（高温空間）Ｓ１および圧縮空間（低温空間）Ｓ２が形成されている。第１シリンダ１２には、第１シリンダ１２の外部に配置された熱交換器１３が接続されており、熱交換器１３および第１シリンダ１２には、作動ガスが充填されている。

ディスプレーサピストン１１および第１シリンダ１２の間には、作動ガスの漏れを防止するためのシールが設けられている。作動ガスとしては、伝熱性能を向上させたり、熱交換器１３における圧力損失を低減させたりすることができるガスを用いることが好ましく、例えば、ヘリウムを用いることができる。

熱交換器１３は、ヒータ１３ａ、再生器１３ｂおよびクーラ１３ｃを有している。ヒータ１３ａは、第１シリンダ１２内の膨張空間Ｓ１と接続されており、ヒータ１３ａおよび膨張空間Ｓ１の間で、作動ガスが移動するようになっている。また、クーラ１３ｃは、第１シリンダ１２内の圧縮空間Ｓ２と接続されており、クーラ１３ｃおよび圧縮空間Ｓ２の間で、作動ガスが移動するようになっている。

ヒータ１３ａは、作動ガスを加熱して、作動ガスを膨張させる。クーラ１３ｃは、作動ガスを冷やして、作動ガスを圧縮させる。ヒータ１３ａおよびクーラ１３ｃの間には、再生器１３ｂが配置されており、再生器１３ｂは、ヒータ１３ａからの熱を蓄える機能を有している。ヒータ１３ａからクーラ１３ｃに作動ガスが移動するときには、作動ガスの熱が再生器１３ｂに蓄えられる。また、クーラ１３ｃからヒータ１３ａに作動ガスが移動するときには、作動ガスは、再生器１３ｂに蓄えられた熱を受けて高温状態となる。再生器１３ｂは、例えば、ステンレス鋼で形成された金網を積層することによって構成することができる。

第１シリンダ１２の圧縮空間Ｓ２には、第２シリンダ１４が接続されており、第２シリンダ１４内には、パワーピストン１５が配置されている。パワーピストン１５および第２シリンダ１４の間には、作動ガスの漏れを防止するためのシールが設けられている。ディスプレーサピストン１１およびパワーピストン１５は、コンロッドを介してクランクシャフトに接続されており、ディスプレーサピストン１１およびパワーピストン１５の往復運動は、クランクシャフトの回転力に変換される。

次に、スターリングエンジン１０の動作について説明する。

図１Ａにおいて、ディスプレーサピストン１１を矢印Ｄ１の方向に移動させると、圧縮空間Ｓ２に存在した作動ガスは、熱交換器１３を通過して、膨張空間Ｓ１に移動する。ここで、圧縮空間Ｓ２内の作動ガスは、クーラ１３ｃを通過し、再生器１３ｂを通過するときに、再生器１３ｂに蓄えられた熱を受け取り、ヒータ１３ａに移動する。ヒータ１３ａに移動した作動ガスは、ヒータ１３ａによって加熱されることによって膨張する。

膨張した作動ガスは、膨張空間Ｓ１に移動することにより、ディスプレーサピストン１１を矢印Ｄ１の方向に押し込む。このディスプレーサピストン１１の移動によって、圧縮空間Ｓ２内の作動ガスは、第２シリンダ１４にも移動し、図１Ｂに示すように、第２シリンダ１４内のパワーピストン１５を矢印Ｄ２の方向に移動させる。

ディスプレーサピストン１１およびパワーピストン１５は、クランクシャフトを介して接続されているため、パワーピストン１５が矢印Ｄ２の方向に移動することに応じて、ディスプレーサピストン１１は、図１Ｃの矢印Ｄ３の方向に移動する。ディスプレーサピストン１１が矢印Ｄ３の方向に移動すると、膨張空間Ｓ１内の作動ガスは、熱交換器１３を通過して、圧縮空間Ｓ２に移動する。

ここで、膨張空間Ｓ１内の作動ガスは、再生器１３ｂを通過するときに熱を奪われ、クーラ１３ｃで冷却される。クーラ１３ｃによって冷却された作動ガスは圧縮するため、第２シリンダ１４内の作動ガスが第１シリンダ１２に移動する。これに伴って、パワーピストン１５は、矢印Ｄ４の方向に移動する。

上述したように、膨張空間Ｓ１および圧縮空間Ｓ２において、作動ガスを膨張および圧縮させることにより、ディスプレーサピストン１１およびパワーピストン１５を往復動作させて、クランクシャフトの回転力（運動エネルギ）を生成することができる。

図１Ａから図１Ｄに示す構成は、スターリングエンジン１０の概略を示すものであり、ディスプレーサピストン１１およびパワーピストン１５の位置関係や、第１シリンダ１２および第２シリンダ１４の位置関係は、適宜変更することができる。すなわち、本実施形態で用いられるスターリングエンジン１０は、作動ガスの膨張および収縮を繰り返して行わせて、運動エネルギを生成できるものであればよい。

次に、本実施形態の顕熱回収装置において、熱延コイルの熱をスターリングエンジン１０のヒータ１３ａに伝達させる機構について説明する。

まず、図２に示すように、熱延コイル２０は、一対のコンベヤ３１，３２に載置され、コンベヤ３１，３２によって一方向に搬送される。熱延コイル２０の中心には、空間を形成する内径部２１が設けられている。一対のコンベヤ３１，３２は、内径部２１の空間を塞がない位置で熱延コイル２０を保持している。

図３に示すように、コンベヤ３１，３２の下方には、スターリングエンジン１０が配置されており、スターリングエンジン１０は、第１昇降機４０によって支持されている。第１昇降機４０は、スターリングエンジン１０をコンベヤ３１，３２に近づく方向に移動（上昇）させたり、コンベヤ３１，３２から離れる方向に移動（下降）させたりする。第１昇降機４０は、公知の構成を適宜用いることができ、例えば、パンタグラフを利用した機構を採用することができる。

スターリングエンジン１０の上部には、ヒータ１３ａが設けられている。第１昇降機４０によってスターリングエンジン１０を上昇させると、ヒータ１３ａを、一対のコンベヤ３１，３２の間を通過して、熱延コイル２０の内径部２１に進入させることができる。また、第１昇降機４０によってスターリングエンジン１０を下降させると、ヒータ１３ａを内径部２１から退避させ、一対のコンベヤ３１，３２の間を通過して初期位置に戻すことができる。

ヒータ１３ａは、テーパ面で構成された先端部１３ａ１と、円柱状に形成された基端部１３ａ２とを有している。基端部１３ａ２の径Ｒ１は、熱延コイル２０の内径部２１における径Ｒ２よりも小さくなっている。先端部１３ａ１においては、基端部１３ａ２側から先端に向かうにつれて径が小さくなっている。

一対のコンベヤ３１，３２の上方には、一対の伝熱ブロック５１，５２が配置されている。伝熱ブロック５１，５２は、同一形状に形成されており、面対称に配置されている。伝熱ブロック５１，５２は、後述するように、熱延コイル２０の顕熱を伝達するために用いられるため、熱伝導率の高い材料（例えば、銅合金）で形成することが好ましい。

伝熱ブロック５１，５２は、第２昇降機５３のアーム５３ａ，５３ｂに接続されており、第２昇降機５３の動作によって、一対のコンベヤ３１，３２に近づく方向に移動（下降）したり、一対のコンベヤ３１，３２から離れる方向に移動（上昇）したりする。

伝熱ブロック５１，５２を下降させることにより、伝熱ブロック５１，５２を熱延コイル２０の内径部２１に進入させることができる。また、伝熱ブロック５１，５２を上昇させることにより、伝熱ブロック５１，５２を内径部２１から退避させることができる。

また、第２昇降機５３のアーム５３ａ，５３ｂは、互いに近づく方向に移動したり、離れる方向に移動したりすることができる。図３に示す状態では、伝熱ブロック５１，５２が互いに接触している。

図４には、伝熱ブロック５１，５２の外観図を示している。伝熱ブロック５１のうち、伝熱ブロック５２と対向する面には、溝部５１ａが形成されている。同様に、伝熱ブロック５２のうち、伝熱ブロック５１と対向する面には、溝部５２ａが形成されている。溝部５１ａ，５２ａは、スターリングエンジン１０におけるヒータ１３ａの先端部１３ａ１に沿って形成されており、先端部１３ａ１と接触する。また、伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂは、熱延コイル２０の内径部２１に沿った形状に形成されている。

次に、熱延コイル２０から顕熱を回収するときの動作について説明する。

まず、コンベヤ３１，３２によって熱延コイル２０を所定位置まで搬送する。所定位置とは、上述したように伝熱ブロック５１，５２やヒータ１３ａを内径部２１に進入させることができる熱延コイル２０の位置である。

図５Ａは、伝熱ブロック５１，５２の初期位置を示す。ここで、図５Ａに示すように、第２昇降機５３を駆動することにより、初期位置にある伝熱ブロック５１，５２を下降させ、熱延コイル２０の内径部２１に伝熱ブロック５１，５２を進入させる。

つぎに図５Ｂに示すように、伝熱ブロック５１，５２を互いに離れる方向、言い換えれば、熱延コイル２０の径方向に移動させることにより、伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂを熱延コイル２０の内径部２１に接触させる。伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂは、内径部２１に沿った形状に形成されているため、図５Ｃに示すように、外周面５１ｂ，５２ｂを内径部２１に対して隙間無く接触させることができる。図５Ｃは、図５Ｂの矢印Ｄ５の方向から見たときの上面図である。

ここで、熱延コイル２０の内径部２１には、熱延コイル２０の一端部が存在しているため、伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂは、熱延コイル２０の一端に接触させないことが好ましい。熱延コイル２０の一端部が位置する領域は、熱延コイル２０の厚さの分だけ段差が生じているため、一端部が位置する領域に伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂを接触させてしまうと、外周面５１ｂ，５２ｂおよび内径部２１の間に隙間が生じてしまう。この隙間は、伝熱ブロック５１，５２よりも熱伝導率の低い空気層となるため、熱延コイル２０の顕熱を電動ブロック５１，５２に効率良く伝達させることができなくなってしまう。

熱延コイル２０をコンベヤ３１，３２に載置するときに、熱延コイル２０の向きを揃えておけば、内径部２１において、熱延コイル２０の一端部が存在する位置を概ね固定することができる。一方、センサを用いることにより、内径部２１のうち、熱延コイル２０の一端部が存在する領域を検出することもできる。熱延コイル２０の一端部を検出する場合には、検出結果に応じて、伝熱ブロック５１，５２の向きを変更して、伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂが熱延コイル２０の一端部に接触しないようにすることができる。伝熱ブロック５１，５２の向きを変更するためには、内径部２１への挿入方向を回転軸として、伝熱ブロック５１，５２を回転させればよい。

次に、第１昇降機４０を駆動することにより、図６Ａに示すように、初期位置にあるスターリングエンジン１０を上昇させ、ヒータ１３ａを熱延コイル２０の内径部２１に進入させる。熱延コイル２０の内径部２１には、既に伝熱ブロック５１，５２が位置しているため、スターリングエンジン１０の上昇に応じて、ヒータ１３ａの先端部１３ａ１は、図６Ｂに示すように、伝熱ブロック５１，５２の溝部５１ａ，５２ａと接触する。図６Ｃは、図６Ｂの矢印Ｄ６の方向から見たときの上面図である。

ここで、ヒータ１３ａの先端部１３ａ１および伝熱ブロック５１，５２の溝部５１ａ，５２ａは、テーパ面で構成されているため、先端部１３ａ１を溝部５１ａ，５２ａに接触させた状態で、先端部１３ａ１を上方に変位させれば、伝熱ブロック５１，５２の外周面５１ｂ，５２ｂを熱延コイル２０の内径部２１に密接させることができる。これにより、熱延コイル２０の顕熱は、伝熱ブロック５１，５２を介してヒータ１３ａに伝達され、スターリングエンジン１０の熱源として利用することができる。

本実施形態によれば、熱延コイル２０の顕熱を運動エネルギとして回収することができ、発電機を用いて電気エネルギーとして有効活用することができる。また、本実施形態では、熱延コイル２０の顕熱を積極的に回収することができるため、熱延コイル２０をコイルヤードで放熱する場合に比べて、熱延コイル２０の冷却期間を短縮することもできる。

本実施形態では、図４に示す形状の伝熱ブロック５１，５２を用いているが、これに限るものではない。すなわち、スターリングエンジン１０のヒータ１３ａを熱延コイル２０の内径部２１に進入させた状態において、伝熱ブロックがヒータ１３ａおよび内径部２１に接触することができればよい。

本実施形態では、２つの伝熱ブロック５１，５２を用いているが、３つ以上の伝熱ブロックを用いることもできる。すなわち、ヒータ１３ａの外周面（内径部２１と対向する面）を複数の領域に分けたときに、各領域に対応した位置に伝熱ブロックを配置することができる。この場合においても、各伝熱ブロックには、ヒータ１３ａのテーパ面と接触するテーパ面を形成しておけばよい。これにより、伝熱ブロックをヒータ１３ａおよび熱延コイル２０の内径部２１に効率良く接触させることができる。

本実施形態では、図２に示すように熱延コイル２０を横置きにした状態でスターリングエンジン１０および伝熱ブロック５１，５２を上下方向から内径部２１に進入させるようにしているが、これに限るものではない。すなわち、熱延コイル２０を縦置きにし、スターリングエンジン１０および伝熱ブロック５１，５２を水平方向の左右から内径部２１に進入させる方法を用いても良い。

１０：スターリングエンジン、１１：ディスプレーサピストン、１２：第１シリンダ、
１３：熱交換器、１３ａ：ヒータ、１３ａ１：先端部、１３ａ２：基端部、
１３ｂ：再生器、１３ｃ：クーラ、１４：第２シリンダ、１５：パワーピストン、
Ｓ１：膨張空間、Ｓ２：圧縮空間、２０：熱延コイル、２１：内径部、
３１，３２：コンベヤ、４０：第１昇降機、５１，５２：伝熱ブロック、
５１ａ，５２ａ：溝部、５１ｂ，５２ｂ：外周面、５３：第２昇降機、
５３ａ，５３ｂ：アーム、

Claims (7)

1. 熱延コイルの顕熱を回収する顕熱回収装置であって、
   ヒータの加熱による作動ガスの膨張と、クーラの冷却による作動ガスの圧縮とを繰り返して運動エネルギを生成するスターリングエンジンと、
   前記ヒータおよび前記熱延コイルに接触して、前記熱延コイルの顕熱を前記ヒータに伝達する伝熱部材と、
   を有することを特徴とする顕熱回収装置。
2. 前記ヒータおよび前記伝熱部材は、前記熱延コイルの中心に空間を形成する内径部に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の顕熱回収装置。
3. 前記ヒータおよび前記伝熱部材は、互いに接触する領域において、前記内径部への挿入方向に対して傾斜したテーパ面を有することを特徴とする請求項２に記載の顕熱回収装置。
4. 前記伝熱部材のうち、前記内径部と接触する接触面は、前記内径部に沿った形状に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の顕熱回収装置。
5. 前記伝熱部材の前記接触面は、前記内径部のうち、前記熱延コイルの端部が位置する領域とは異なる領域と接触することを特徴とする請求項４に記載の顕熱回収装置。
6. 前記伝熱部材は、前記ヒータを覆う形状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の顕熱回収装置。
7. 前記熱延コイルの内径部に対して進入可能な位置に配置され、前記ヒータが前記内径部に進入した位置と、前記ヒータが前記内径部から退避した位置との間で前記スターリングエンジンを移動させる第１の駆動機構と、
   前記第１の駆動機構と同様に、前記熱延コイルの前記内径部に対して進入可能な位置に配置され、前記内径部に進入した位置と、前記内径部から退避した位置との間で前記伝熱部材を移動させる第２の駆動機構と、
   を有することを特徴とする請求項２から６のいずれか１つに記載の顕熱回収装置。
   

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