JP5733005B2 - 廃熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電モジュール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、高温媒体の流れ方向において一様に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

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、コンベヤの上流側と下流側とではワークの温度が異なり、必然的に得られる輻射熱量や熱電発電モジュールの内部抵抗もコンベヤの上流側と下流側とでは異なることになる。そのため、特許文献１〜３に記載された技術のように、高温体の流れ方向において一様に熱電発電モジュールを配置しただけでは、廃熱発電のための電気回路が煩雑になるとともに、発電量が低下することが懸念され、効率的な発電を行えないことになる。

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、熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤの少なくとも上方に、その搬送方向に沿って、高さ位置調整が可能な複数の熱電発電ユニットを並べて設けて発電設備を構築するにあたり、ワーク自体の放熱により上流側から下流側に向かってワークの温度が徐々に低下してしまういわゆる熱勾配を考慮し、上記高さ位置調整機能を使ってそれぞれの熱電発電ユニットの高さ位置を調整することで、上流側の熱電発電ユニットとコンベヤ上のワークとのなす離間距離よりも下流側の熱電発電ユニットとコンベヤ上のワークとのなす離間距離を小さくしたものである。

本発明によれば、コンベヤによるワークの流れ方向において上記のような熱勾配があっても、熱電発電ユニット側で得られる温度または熱量は一定したものとなり、電気回路を簡素化できるとともに、発電効率を高めることができる。

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、その側面説明図。 図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図。

図１〜３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。

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、その搬送方向に沿って複数（この例では四つ）の熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｂを直列に並べて配置してあり、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。

図２は図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図を、図３は図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図をそれぞれ示しており、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の上部に断熱材６を介して断面が略Ｌ字状の取付プレート７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７に対して熱電発電モジュール８を主要素とする熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄを複数の連結ボルト９を介して連結支持させてある。

より具体的には、図２に示すように、最も下側に位置して熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの母体となる受熱板１０の上に二つで一組の熱電発電モジュール８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１１と押さえプレート１２を重ね合わせて、それらの熱電発電モジュール８とヒートシンク１１および押さえプレート１２の三者を複数の押さえボルト１３にて受熱板１０に共締め固定してある。受熱板１０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８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１３の締め込み加減にて受熱板１０、熱電発電モジュール８、ヒートシンク１１および押さえプレート１２同士の密着度を調整し、特に受熱板１０と熱電発電モジュール８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１０の高さ位置は連結ボルト９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１０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１０ａで示す。なお、熱電発電モジュール８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。

このような熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄのそれぞれを一つのユニットとして、図１，３に示すようにコンベヤ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３Ａ〜３Ｄを並べて配置してある。同時に、上記のような連結ボルト９による受熱板１０の高さ調整機能を使って、それぞれの熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの高さ位置、すなわちコンベヤ２の搬送面から受熱板１０とのなす距離を相互に異ならしめてある。

つまり、図１，２では、最も上流側の熱電発電ユニット３Ａとコンベヤ２上のワークＷとのなす離間距離よりも一段下流側の熱電発電ユニット３Ｂとコンベヤ２上のワークＷとのなす離間距離を小さくして、以降の熱電発電ユニット３Ｂと熱電発電ユニット３Ｃとの関係、および熱電発電ユニット３Ｃと熱電発電ユニット３Ｄとの関係についても同様とし、複数の熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの高さ位置を漸次且つ段階的に小さくして、図１の例では熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの高さ位置が下流側のものほど次第に低くなるように設定して、いわゆる高さ勾配を持たせてある。なお、図１，３において、熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄが配置されていない部分ではコンベヤ２の上方が開放されたままとなっている。

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３Ａ〜３Ｄの受熱板１０が輻射熱として受熱し、図２の熱電発電モジュール８の下面に伝導される。一方、ヒートシンク１１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８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８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。

そして、コンベヤ２によって搬送されるワークＷは放冷によって徐々に温度が低下し、上流側にある時の温度よりも下流側にある時の温度の方が小さくなって、いわゆる熱勾配を有することになるが、その熱勾配に合わせるかたちで各熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの高さ位置が下流側に向かって漸次低くなるように設定していわゆる高さ勾配を持たせてあるため、上記のような熱勾配に応じた効率的な熱発電を行えるようになり、電気回路の煩雑化を招くことなく、発電効率が向上することになる。

また、受熱板１０とその両側の側壁部５との間に断熱材６が介在していることで、受熱板１０から側壁部５への熱伝導を抑制して、受熱板１０の熱量を安定化させることができる。さらに、受熱板１０が熱電発電モジュール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１０に黒色塗装を施してあることで、受熱板１０の放射率を上昇させる（１．０に近付ける）ことができ、電熱ロスを減少させることができる。

ここで、それぞれの熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの高さ位置は連結ボルト９による調整機能を使って行っているが、これに代えて、断熱材６の高さ寸法を変えて、つまり複数の熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄのうち下流側の熱電発電ユニットほどその断熱材６の高さ寸法を段階的に小さくすることで同等の機能を発揮させることができる。

なお、コンベヤ２の両側の側壁部５もワークＷからの熱を受熱することになるが、その冷却速度は受熱板１０よりも速いものとなる。その一方、断熱材６の存在により側壁部５と受熱板１０との間の熱伝導は遮られているため、側壁部５の受熱による熱電発電への影響はほとんどないものと理解することができる。

また、ワークＷが変更になる場合には、先に述べた連結ボルト９による調整機能を使って、あるいは断熱材６の高さ寸法を適宜調整して、それぞれの熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄの高さ位置が最適なものとなるように調整するものとする。

さらに、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。その上、熱電発電ユニット３Ａ〜３ＤはワークＷの上方に設けるのに加えて、輻射熱を受熱できればワークＷの側方や下方にも熱電発電ユニット３Ａ〜３Ｄを配置するようにしても良い。

１…熱間プレス機
２…コンベヤ
３Ａ…熱電発電ユニット
３Ｂ…熱電発電ユニット
３Ｃ…熱電発電ユニット
３Ｄ…熱電発電ユニット
５…側壁部
８…熱電発電モジュール
１０…受熱板
Ｗ…ワーク

Claims (4)

1. 熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤの少なくとも上方に、その搬送方向に沿って、高さ位置調整が可能な複数の熱電発電ユニットを並べて設け、
   上記高さ位置調整機能を使ってそれぞれの熱電発電ユニットの高さ位置を調整することで、上流側の熱電発電ユニットとコンベヤ上のワークとのなす離間距離よりも下流側の熱電発電ユニットとコンベヤ上のワークとのなす離間距離を小さくしたことを特徴とする廃熱発電装置。
2. コンベヤの搬送方向に沿って三つ以上の熱電発電ユニットを並べて設け、
   各熱電発電ユニットとコンベヤ上のワークとのなす離間距離をコンベヤの上流側から下流側に向かって漸次小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱発電装置。
3. コンベヤの搬送方向に沿って三つ以上の熱電発電ユニットを並べて設け、
   各熱電発電ユニットとコンベヤ上のワークとのなす離間距離をコンベヤの上流側から下流側に向かって段階的に小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱発電装置。
4. 上記熱電発電ユニットは、熱電発電モジュールのワーク側の面に当該熱電発電モジュールの面積よりも大きな受熱板を設けてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の廃熱発電装置。

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