JP5712772B2 - 廃熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電モジュールを内蔵する熱電発電ユニットを用いた廃熱発電装置に関し、特にコンベヤ上を流れるワークを熱源に用いる廃熱発電装置に関する。

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、高温媒体の流れに近接させて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

上記のような熱電発電モジュールを内蔵した熱電発電ユニットを用いて、例えば熱間鍛造後のワークのようにコンベヤ上を流れるワークを熱源とする発電設備を構築しようとする場合、特許文献１〜３に記載のような閉空間での熱電変換と異なり、多くの場合にコンベヤの周囲が開放されているため、ワークから外気への放熱を抑制しつつ、ワークから受けた輻射熱の多くを熱電発電モジュールに伝えなければ効率の良い発電を行えないことになる。

また、上記のようなワークを熱源とする発電設備では、ワークおよび熱電発電ユニットの受熱部共に外部に露出するかたちとなって、多かれ少なかれ外気に放熱してしまうことになる。その一方、外気温は常に変動していて、例えば夏と冬の温度差が２０℃程度としても、熱電発電ユニットの受熱部での最高温度は夏と冬でその何倍もの温度差が発生するほか、朝と昼あるいは季節などの外気温温変動により同様の温度差が発生し、熱電発電ユニットでの発電効率が大幅に変動してしまうことになる。

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、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廃熱発電装置を提供しようとするものである。

本発明は、コンベヤ上を流れるワークを熱源とする発電設備を構築するにあたって、熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤの上方に、熱電発電モジュールを内蔵し且つ下面側に受熱板を有する熱電発電ユニットを設け、上記コンベヤの両側に側壁部を立設するとともに、上記受熱板のうちワークからの熱を受ける受熱面以外の部分を放熱防止手段としての保温材で包囲し、上記保温材を受熱板の下方側まで延長して、ワーク搬送方向での上流側となる一端部と下流側となる他端部に末広がり状のスカート部を形成してあることを特徴とするものである。

本発明によれば、熱電発電ユニットの受熱部からの放熱を抑制して、その発電ロスを減少させることができ、発電効率が向上する。

本発明に係る廃熱発電装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示す図で、その平面説明図。 図１の放熱防止手段としての保温材を取り去った状態を示す平面説明図。 図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。 図１のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図。 図４の右側面説明図。

図１〜５は本発明に係る廃熱発電装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、ここでは熱間鍛造後のワークを搬送するためのコンベヤに適用した場合の例を示している。

特に図１はその平面説明図を示し、また、図２は図１の一部の部材（後述する放熱防止手段としての保温材１３）を取り去った平面図を示している。さらに、図３は図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図をそれぞれ示している。その一方、図４は図１のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図を、図５の図４の右側面図をそれぞれ示している。

図１に示すように、量産鍛造工程における熱間鍛造プレス機１に隣接して例えばコンティニアスタイプのワーク搬送用のコンベヤ２が配設されている。熱間鍛造後のワークＷは所定のハンドリング手段にて鍛造プレス機１から取り出された上で、コンベヤ２の搬送面上に移載されて後工程へと搬送される。コンベヤ２により搬送される過程で放冷されたワークＷは、例えばコンベヤ２の終端部において所定のパレット等に移載された上で、後工程である仕上げ工程あるいは機械加工工程へと搬送される。

図１および図２，３に示すように、コンベヤ２の上方、より具体的にはコンベヤ２の搬送面と正対する上方側には、熱電発電ユニット３を配置してあり、これにより後述するように熱間鍛造後のワークＷそのものを熱源とする廃熱発電装置を構築してある。

コンベヤ２の搬送面である搬送体４の両側には左右で対をなす側壁部５を立設してあるとともに、それらの側壁部５の上部に断面が略Ｌ字状の取付プレート６を配置してある。側壁部５は例えばコンベヤ２のうちでも図示しない架台等から定位置固定式のものとして立設される。そして、これらの取付プレート６に対して熱電発電モジュール７を主要素とする熱電発電ユニット３を複数の連結ボルト８を介して連結支持させてある。

より具体的には、図３，４に示すように、最も下側に位置して熱電発電ユニット３の母体となる受熱部としての矩形状の受熱板９の上に二つで一組の略方形状の熱電発電モジュール７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１０と押さえプレート１１を重ね合わせて、それらの熱電発電モジュール７とヒートシンク１０および押さえプレート１１の三者を複数の押さえボルト１２にて受熱板９に共締め固定してある。受熱板９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７の受熱面積よりも十分に大きな大きさを有している。

そして、押さえボルト１２の締め込み加減にて受熱板９、熱電発電モジュール７、ヒートシンク１０および押さえプレート１１同士の密着度を調整し、特に受熱板９と熱電発電モジュール７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９の高さ位置は連結ボルト８の締め付け加減によって調整可能となっているとともに、受熱板９には例えば黒体スプレー塗装にて黒色塗装を施してある。その黒色塗装の塗膜を符号９ａで示す。なお、熱電発電モジュール７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。

図１および図３〜５に示すように、上記熱電発電ユニット３はその下面が開放されているのみで、それ以外の部分は放熱防止手段としての保温材１３にて覆われている。具体的には、熱電発電ユニット３の上面とその四周を含む熱電発電ユニット３全体が放熱防止手段としての保温材１３にていわゆるボックス状に包囲されていて、保温材１３による保温効果が付与されているとともに、受熱板９の下面のみが開放されてコンベヤ２上のワークＷと正対するようになっている。そして、熱電発電ユニット３を包囲している保温材１３は受熱板９よりもさらに下方側まで延長されている。

受熱板９の下方側まで延長された保温材１３の延長部のうち、図４に示すように、ワーク搬送方向での上流側となる一端部と下流側となる他端部では当該部位が外側に向けて斜状に曲折されて、末広がり状のスカート部１４，１５を形成している。つまり、ワーク搬送方向での上流側となる一端部のスカート部１４はさら上流側に向けて折り曲げてある一方、ワーク搬送方向での下流側となる他端部のスカート部１５はさら下流側に向けて折り曲げてあり、上流側のスカート部１４は下流側のスカート部１５に比べてその折り曲げ度合いが大きくなっている。これは、後述するように、コンベヤ２の上方空間のうち熱電発電ユニット３の配置位置において、コンベヤ２の下流側よりも上流側の方が大量の輻射熱が発生するためで、この輻射熱を積極的に熱電発電ユニット３の受熱板９に伝えるためである。

これらのスカート部１４，１５の曲折基部には比較的軟質の金属板等からなる断面略くの字状に屈曲したヒンジプレート１６が付設されていて、このヒンジプレート１６があることによってスカート部１４，１５がその傾斜姿勢を自己保持している。同時に、そのヒンジプレート１６の曲折度合いを適宜調整することでスカート部１４，１５の傾斜度合いを調整可能となっている。このスカート部１４，１５の傾斜度合いの調整は、例えば鍛造プレス機での加工対象となるワークＷの形状や高さ寸法等が変更になった場合に必要となる。

なお、この例ではコンベヤ２の上方に単一の熱電発電ユニット３を配置した例を示しているが、必要に応じてコンベヤ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３を直列に並設することももちろん可能である。

したがって、このような廃熱発電装置によれば、熱間プレス機１が稼働すると、そのプレスサイクル毎に熱間鍛造後のワークＷがコンベヤ２に移載されて、所定速度で搬送されることになる。搬送中のワークＷが持つ熱は熱電発電ユニット３の受熱板９が輻射熱として受熱し、図３の熱電発電モジュール７の下面に伝導される。一方、熱電発電モジュール７の上側のヒートシンク１０は冷却水が流入することで例えば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７の上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７の上下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、ワークＷからの輻射熱を受けた受熱板９からは多かれ少なかれ放熱を伴うことになるが、その受熱板９や熱電発電モジュール７を含む熱電発電ユニット３全体が保温材１３にて包囲または覆われているので、受熱板９からの放熱は最小限に抑制される。また、図３に示すように、受熱板９とその両側の側壁部５との間に保温材１３が介在していることにより、受熱板９から側壁部５への熱伝導を抑制して、熱効率を高めて発電ロスを少なくすることができる。

その一方、図４から明らかなように、保温材１３の下部がスカート部１４，１５として末広がり状のものとなっていることにより、ワークＷが放出する輻射熱をスカート部１４，１５にて受熱板９側に積極的に導いて、効率良く熱伝達することができる。図４の例では、熱電発電ユニット３の真下にあるワークＷからの輻射熱だけでなく、その前後に位置するワークＷからの輻射熱も受熱板９に受熱させることができる。特に、コンベヤ２の上流側ほどワークＷの温度が高く且つ大量の輻射熱が発生することから、上流側のスカート部１４が下流側のスカート部１５に比べてその屈曲度合いが大きくなっていることにより、温度が高く且つ大量の上流側の輻射熱を受熱板９側に効率良く受熱させることができる。

その上、熱電発電ユニット３の直下ではワークＷからの輻射熱により対流が発生することになるが、スカート部１４，１５はこれらの対流を外部に逃がさないように規制する役目もし、それの熱気を熱電発電ユニット３の直下に滞留させることで発電効率の向上に寄与できることになる。

さらには、受熱板９が熱電発電モジュール７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９に黒色塗装を施してあることで、受熱板９の放射率を上昇させる（１．０に近付ける）ことができ、伝熱ロスを一層減少させることができる。

このように本実施の形態によれば、コンベヤ２上のワークＷの輻射熱を効率良く受熱板９に受熱させることができるから、効率的な熱発電を行えるようになって、発電効率が向上することになる。

ここで、先にも述べたように、例えば鍛造プレス機１での加工対象となるワークＷの形状や高さ寸法等が変更になった場合には、連結ボルト８による高さ調整機能にて熱電発電ユニット３の高さを調整するとともに、それに応じてスカート部１４，１５の傾斜度合いを調整することにより、先に述べた輻射熱の対流保持効果等を維持することが可能となる。

なお、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、例えば熱処理後のワークや、加熱された液体等を熱源とすることもできる。

１…熱間プレス機
２…コンベヤ
３…熱電発電ユニット
５…側壁部
７…熱電発電モジュール
９…受熱板
１３…保温材（放熱防止手段）
１４…スカート部
１５…スカート部
１６…ヒンジプレート
Ｗ…ワーク

Claims (2)

1. 熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤの上方に、熱電発電モジュールを内蔵し且つ下面側に受熱板を有する熱電発電ユニットを設け、
   上記コンベヤの両側に側壁部を立設するとともに、
   上記受熱板のうちワークからの熱を受ける受熱面以外の部分を放熱防止手段としての保温材で包囲し、
   上記保温材を受熱板の下方側まで延長して、ワーク搬送方向での上流側となる一端部と下流側となる他端部に末広がり状のスカート部を形成してあることを特徴とする廃熱発電装置。
2. 上記スカート部はその角度調整が可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の廃熱発電装置。

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