JP5991131B2 - 鍛接管設備列およびそれを用いた熱電発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、管材や管材に成形される前の鋼板などの輻射による熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する熱電発電装置を備えた鍛接管設備列およびそれを用いた熱電発電方法に関するものである。

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部と低温部との間に起電力が生じることは、ゼーベック効果として古くから知られており、このような性質を利用し、熱電発電素子を用いて熱を直接電力に変換することも知られている。
近年、製鉄工場等の製造設備では、例えば、上記のような熱電発電素子を用いた発電により、これまで廃熱として棄ててきたエネルギー、例えば、管材や鋼板の輻射による熱エネルギーを利用する取組みが推進されている。

熱エネルギーを利用する方法としては、例えば、特許文献１には、受熱装置を高温物体に対峙して配置し、高温物体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。
また、特許文献２には、廃熱として処理されている熱エネルギーに、熱電素子モジュールを接触させて電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。

特開昭５９−１９８８８３号公報 特開昭６０−３４０８４号公報

しかしながら、特許文献１では、板状のスラブ連鋳ラインに適用できる旨の記載があるものの、実操業におけるスラブの温度変化や、スラブ量の変動による放出熱量（熱エネルギー）の変動など、操業条件の変動による熱源温度の変化については考慮されていない。加えて、鍛接管ラインで製造される管材などのいわゆる条鋼のように、熱源の形状が特殊なものについては、考慮されていない。
また、特許文献２では、モジュールを、熱源に対して固定する必要があるため、鍛接管製造設備における鋼板や管材のように、移動する熱源に対しては、当該技術を適用できないという問題がある。

本発明は、上記した現状に鑑み開発されたもので、各種の製造プロセス、特に、熱源が移動する鍛接管ライン、また、放出状態が変動する管材や管材に成形される前の鋼板の熱エネルギーを、効率良く電気エネルギーに変換して回収することができる熱電発電装置や、それを備えた鍛接管設備列およびそれらを用いた熱電発電方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上述した課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、熱エネルギーの放出状態に応じて、熱源と熱電発電ユニットの距離などの設置位置を調整することによって、高効率な熱電発電を行うことができることを知見し、新たな製鉄所における熱利用が可能な熱電発電装置を備えた鍛接管設備列を、それを用いた熱電発電方法と共に開発した。
本発明は上記知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．加熱炉と鍛接機とストレッチレデューサとを有し、熱延コイルに巻かれた鋼板を管材とする鍛接管設備列において、
加熱炉からストレッチレデューサに至るまでの鋼板および管材の搬送路のいずれかの位置で、鋼板および管材のうち少なくとも一に対峙し、かつ鋼板および管材のうち少なくとも一の温度、および／または熱電発電ユニットの出力に応じて設置された、熱電発電ユニットを有する熱電発電装置を備えたことを特徴とする鍛接管設備列。

２．前記熱電発電ユニットを、鋼板および管材のうち少なくとも一の温度分布および／または熱電発電ユニットの出力に応じ、高温部に対して低温部では近接して設置することを特徴とする前記１に記載の鍛接管設備列。

３．前記熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールを、鋼板および管材のうち少なくとも一の温度分布および／または熱電発電ユニットの出力に応じ、低温部に対して高温部を密に配置することを特徴とする前記１または２に記載の鍛接管設備列。

４．前記熱電発電装置が、鋼板および管材のうち少なくとも一の温度および／または熱電発電ユニットの出力を測定して求めた温度および／または出力に応じて、該熱電発電ユニットと該鋼板および管材のうち少なくとも一との距離を制御する移動手段を有することを特徴とする前記１乃至３のいずれかに記載の鍛接管設備列。

５．前記熱電発電装置が、さらに熱反射材を備えることを特徴とする前記１乃至４のいずれかに記載の鍛接管設備列。

６．前記熱電発電装置が、鋼板および管材のうち少なくとも一の外周部を囲む形状になることを特徴とする前記１乃至５のいずれかに記載の鍛接管設備列。

７．前記熱電発電装置は、少なくとも１箇所の開口部が設けられたことを特徴とする前記１乃至６のいずれかに記載の鍛接管設備列。

８．前記移動手段が、熱電発電ユニットの一体移動を行うことを特徴とする前記１乃至７のいずれかに記載の鍛接管設備列。

９．前記熱電発電装置は、少なくとも１箇所の開口部を有する保温板が設けられたことを特徴とする前記１乃至８のいずれかに記載の鍛接管設備列。

１０．前記１乃至９のいずれかに記載の鍛接管設備列を用い、鋼板および管材のうち少なくとも一の熱を受熱して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

本発明に従うことで、熱電発電ユニットと熱源（鋼板および管材）とを、発電効率の良い状態に保持することができるため、発電効率が効果的に向上する。その結果、従来に比べて、熱源から放出される熱エネルギーを、高いレベルで回収することができる。

本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の設置例を示す図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニットの断面図である。 本発明の一実施形態に従う熱電発電装置の設置場所を示す図である。 管材と熱電発電ユニットとの距離に対する発電出力比の関係を表したグラフである。 本発明の一実施形態に従う熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置を示す断面図である。 ａ〜ｃは、本発明に従う反射材付きの熱電発電装置の設置例を示す図である。 (Ａ)乃至(Ｅ)は、本発明に従う熱電発電ユニットの他の設置例を示す図である。 ａ〜ｄは、本発明に従う熱電発電装置の配置例を示す図である。

以下、本発明を、具体的に説明する。
図１は、本発明の熱電発電装置の一実施形態を説明する模式図である。図中、１は熱電発電ユニットおよび２は熱源（管材）である。
本発明において、熱電発電装置は、熱源２に対峙して、熱源２の温度および／または熱電発電ユニットの出力に応じて配置された熱電発電ユニット１を具備している。なお、熱源２として、管材を示しているが、本発明では、管材になる前の鋼板でも同じ効果を得ることができ、図中の管材は鋼板に置き換えることができる。

本発明における熱源は、鍛接管装置における鋼板および管材（以下、単に管材等とも言う）である。その他、棒鋼、線材、軌条などの条鋼も本発明を適用することができる。
また、本発明の熱電発電装置は、管材等の幅方向および長手方向に少なくとも一つの、熱電発電ユニットを具備している。そして、その熱電発電ユニットは、管材等に対峙する受熱手段と、少なくとも一つの熱電発電モジュールと、放熱手段とを有する。

通常、管材は、温度分布も円筒状になるため、上掲図１に示したように、外側が円弧状の形状となる。この実施形態は、熱電発電ユニットの設置範囲の、特に横幅を狭めることができる。そのため、特に、管材の上方向に設備の設置裕度があって、横方向に裕度がない場合などに、有利に用いることができる。また、この実施形態は、楕円の半割形状とすることができるので保温効果に優れるという特長を有し、熱エネルギーの回収効果に優れた熱電発電装置とすることができる。
この実施形態に対し、前述した熱電発電ユニットと管材との距離を制御する方式を付加すれば、実操業における熱源の温度変動等があった場合でも、さらに効率良く対応できる熱電発電装置とすることができる。

受熱手段は、材質にもよるが、熱電素子の高温側温度プラス数度から数十度、場合によっては数百度程度の温度になる。それ故、受熱手段は、その温度で、耐熱性や、耐久性を持つものであればよい。例えば、銅や銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックスの他、一般の鉄鋼材料を用いることができる。
なお、アルミニウムは融点が低いため、熱源に応じた熱設計を行い、熱に耐えられる場合に使用することができる。また、セラミックスは、熱伝導率が小さいため、受熱手段の中で温度差がついてしまうが、管材等と管材等の間に熱源が無い状態が発生する箇所においては、蓄熱効果も期待できるので使用することが可能である。

他方、放熱手段は、従来公知のものでよく、特別の制限はないが、フィンを具備した冷却デバイスや、接触熱伝達を活用した水冷デバイス、沸騰熱伝達を活用したヒートシンク、冷媒流路を有した水冷板等が好ましい形態として例示される。
また、熱電発電ユニットの低温側をスプレー冷却などで水冷しても、低温側は効率よく冷却される。特に、熱電発電ユニットを熱源より下方に設置する場合には、スプレー冷却を適用しても、スプレーを適切に配置すれば、残水はテーブル下に落下して、熱電発電ユニットの高温側を冷却することなく、熱電発電ユニットの低温側は効率よく冷却される。スプレー冷却を行う場合には、スプレー冷媒が接触して冷却される側が放熱手段となる。

本発明に用いられる熱電発電モジュール５は、図２に示すように、熱電素子３であるＰ型およびＮ型の半導体を数十〜数百対の電極４で接続した熱電素子群が二次元的に配列されており、さらにその両側に配置した絶縁材６とからなる。また、上記熱電発電モジュール５は、両側もしくは片側に熱伝導シートや保護板を具備していても良い。さらにその保護板がそれぞれ、受熱手段７や放熱手段８を兼ねていても良い。
受熱手段７および／または放熱手段８である冷却板自体が絶縁材であったり、表面に絶縁材が被覆されたりしている場合は、絶縁材の代替としても良い。図中、１は熱電発電ユニット、３は熱電素子、４は電極、６は絶縁材、５は熱電発電モジュール、７は受熱手段および８は放熱手段である。

本発明では、受熱手段と熱電発電モジュールの間や、放熱手段と熱電発電モジュールの間、そして絶縁材と保護板の間などに、部材同士の熱接触抵抗を低減し、熱電発電効率の一層の向上を図るために、前述した熱伝導シートを設けることができる。この熱伝導シートは、所定の熱伝導率を有しており、熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができるシートであれば、特に制限はないが、グラファイトシート等が例示される。
なお、本発明に従う熱電発電モジュールの大きさは、１×１０^−２ｍ^２以下とすることが好ましい。モジュールの大きさを上述程度とすることで熱電発電モジュールの変形を抑制することができるからである。より好ましくは、２．５×１０^−３ｍ^２以下である。
また、熱電発電ユニットの大きさは、１ｍ^２以下とすることが好ましい。ユニットを１ｍ^２以下とすることで熱電発電モジュールの相互間や、熱電発電ユニット自体の変形を抑制することができるからである。より好ましくは、２．５×１０^−１ｍ^２以下である。なお、本発明では、上記した熱電発電ユニットを複数個同時に用いることができる。

本発明では、管材等（熱電発電ユニットが対峙した位置および温度測定に適した近傍を含む）の温度および／または熱電発電ユニットの出力に応じて設置された熱電発電ユニットを有している。
管材の製造ライン（鍛接管ライン）とは、図３に示すように、熱延コイルで供給される鋼板９を、加熱炉１１にて１２５０℃程度に加熱した後、成形鍛接機１２にて管状に鍛接し、ついで熱間レデューサ１３にて所望の径の管材１０とし、ロータリーホットソー１４にて所望の長さに切断した後、クーリングベット１５で冷却してストレートナー１７で矯正し、さらに、管端部の面取りを施す一連の工程を含んでいる。なお、１６はサイザーである。

すなわち、かかる熱電発電ユニットを、鍛接管ラインの加熱炉から鍛接機に至るまでの鋼板搬送路や、管材搬送路（図中ＡおよびＢ）のいずれかの位置に、それぞれの管材等の温度に応じて設置することで、実操業における熱源の温度変動等に対応して、効率的な発電をすることができる。
なお、本発明における熱電発電装置（熱電発電ユニット）の設置は、管材等の上方に限らず下方にも設置することができ、設置箇所も１箇所に限らず、複数箇所でも良い。

熱電発電ユニットが高い稼働率を維持するためには、管材等に近接する時間が長い場所に、熱電発電ユニットを設置することが好ましい。

熱源である管材等が熱電発電装置とわずかな空間を保って通過する時には電気が生じ、熱電発電装置近傍に熱源がない時には熱から電気への変換効率が悪化するが、そのような場合は、パワーコンディショナー等を介し、系統電力と連系させれば、生じた電気を問題なく利用できる。なお、独立電源として使用する場合は、太陽光発電と同様に、蓄電池を用いて、生じた電力の変動を吸収して使用することができる。

また、本発明では、熱電発電装置の上流側に温度計を設置し、この温度計の測定値に応じて、熱電発電ユニットと管材等との距離を制御することができる。かかる機能を有することで、例えば、製品ロットの切り替えなど、管材等の温度に変動などがあった場合でも、その温度変動等に適格に対応して、熱電発電を行うことができ、結果的に、熱電発電の効率が向上する。

なお、上記した温度計は、放射温度計などの非接触型が好ましい。
そして、管材等の温度と最も熱電発電の効率のよい距離との関係をあらかじめ求めておけば、上記の温度計の測定値に応じて、上記した熱電発電ユニットと管材等との距離を、その温度変動に応じて適切に変更することができる。

さらに、熱電発電ユニットの出力に応じて、熱電発電ユニットと管材等との距離を制御することができる。図４に、管材から熱電発電ユニットまでの距離と、定格出力時の発電出力比を１とした場合の発電出力比との関係を、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュール間隔および管材の温度をパラメータとして調査した結果を示す。例えば、管材の温度が１１５０℃の場合は、熱電発電ユニットと管材との距離を１５０ｍｍに、また管材の温度が１０００℃の場合は、上記距離を８０ｍｍに移動させ制御すると、最も効率の良い熱電発電を行うことができる。
上掲図４に示したような関係を求めることで、熱電発電ユニットの出力に応じて、管材と熱電発電ユニットの距離を調節することが可能である。本発明では、上記した管材の代わりに熱源を鋼板とし、熱電発電ユニットの出力が大きくなるように熱電発電ユニットと鋼板との距離を調整することもできる。また、上記距離の調整に際しては、実測出力を用いても良いし、管材等の温度などから予測される出力値を用いても良い。

上述したように熱電発電ユニットの出力は、定格出力となるように設定するのが好ましいが、熱電素子が壊れないように、熱電発電ユニットの耐熱温度上限を考慮して設定する必要がある。耐熱上限を考慮した場合は、発電出力比の目標を適宜下げることができるが、０．７程度までとすることが好ましい。

本発明では、管材等のサイズや品種に応じて、あらかじめ熱電発電ユニットの位置を設定しておいてもよい。また、サイズや品種に応じた熱電発電ユニット毎の出力電力実績から、あらかじめ、熱電発電ユニットの設置位置を設定してもよい。さらに、熱電発電ユニット毎の出力電力実績からおよび／または温度などから予測される出力電力予測から、サイズ、品種に応じてあらかじめ熱電発電ユニットの設置場所を設定しても良い。加えて、設備導入時に、熱電発電ユニットと熱源である管材等との距離や、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置を決定しておいても良い。

例えば、管材の温度が１１００℃の場合は、熱電発電ユニットと管材との距離を１２０ｍｍに、また管材の温度が１０００℃の場合は、上記距離を６０ｍｍに制御し、他方、鋼板の温度が１２００℃の場合は、熱電発電ユニットと鋼板との距離を９０ｍｍに、また鋼板の温度が１１５０℃の場合は、上記距離を６０ｍｍに制御すれば、最も効率の良い熱電発電を行うことができる。

本発明では、図１に示すように、熱電発電ユニット１を、熱源２の温度や、温度分布、形態係数および／または熱電発電ユニットの出力に応じ、高温部より低温部で近接させて設置した熱電発電装置とすることが好ましい。すなわち、熱電発電ユニットを、管材等の温度および／または熱電発電ユニットの出力に応じ、高温部に対して低温部では近接して設置することもできる。

かかる装置は、特に、温度の変更があまりない連続ラインに向いている。というのは、管材等の幅方向（管材等の進行方向に直角な方向）の温度分布および／または熱電発電ユニットの出力を、あらかじめ測定して、上記の距離に反映することで、単に平坦に熱電発電ユニットを設置した場合に比べて、熱電発電ユニットの発電効率を最適化することができるからである。

例えば、図１の中央部分で、鋼板搬送路においては、鋼板温度：１２００℃の時、ユニットと鋼板の距離を９０ｍｍに、端部分は距離を７５ｍｍに制御すると、効率良く熱電発電が行える。一方、管材搬送路においては、管材温度：１２００℃の時、ユニットと管材との距離を１９５ｍｍに、端部分は距離を１７０ｍｍに制御すると、効率良く熱電発電が行える。
鋼板幅方向の温度分布は、鋼板の端部より板厚から板厚の２倍程度の位置（以下、幅端部という）で急激に低下する場合が多いので、熱電発電ユニットを予め移動させて制御することが好ましい。というのは、上記幅端部では、熱電発電ユニットを移動させる電力に対して、得られる電力が少ないという結果になる可能性が大きいためである。

本発明における熱電発電装置は、図５に示すように、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置密度を、管材等の温度、温度分布、形態係数および／または熱電発電ユニットの出力に応じ、低温部に対して高温部を密とすることができる。
かかる装置もまた、温度の変更があまりない連続ラインに向いている。というのは、管材等の幅方向（管材等の進行方向に直角な方向）の温度分布および／または熱電発電ユニットの出力を、あらかじめ測定して、上記した配置密度に反映することで、単に一定間隔で熱電発電ユニットを設置した場合に比べて、熱電発電ユニットの発電効率を最適化することができるからである。

上記配置密度を変更した具体的な例としては、管材等の直上部（中央部分）、すなわち高温部においては、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールを密に配置し、管材等の端部分、すなわち低温部においては、幅方向の熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールを疎に配置すれば、個々の熱電発電ユニットの発電効率を、効果的に向上させた熱電発電装置とすることができる。

例えば、図５において、段落〔００２０〕に述べたように、管材を鋼板に置き換えた鋼板搬送路においては、ユニット中の熱電発電モジュールの配置を５０ｍｍ間隔とし、幅端部分は５５ｍｍ間隔とすれば、効率良く熱電発電が行える。また、管材搬送路においては、ユニット中の熱電発電モジュールの配置を６５ｍｍ間隔とし、端部分は８０ｍｍ間隔とすると、効率良く熱電発電が行える。また、前掲図４に示したように、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュール間隔をパラメータとして熱電発電ユニットの出力を調査し、調査した結果を、本発明の熱電発電モジュール間隔設定データとして用いても良い。
なお、上記の実施形態は、ユニット中の熱電発電モジュールの配置を粗密にしても良いし、ユニット自体を粗密に設置しても良い。

また、上記配置密度の変更は、特に、管材等の上方向に設備の設置裕度が無い場合に向いている。なお、この実施形態も、熱電発電ユニットと管材等との距離を制御する手段をさらに付加すれば、実操業における熱源の温度変動等があった場合に、適切に熱電発電ユニットと管材等との距離を制御し、一層効率良く発電できる。

本発明における、熱電発電ユニットの出力に応じとは、管材等の温度に対応して位置を変更したり、熱電発電モジュールの疎密度を変更したりすることが含まれるが、熱電発電ユニットを初期位置に設置した際などに、ユニット間の出力差があった場合、出力が小さいユニットを出力が大きくなるように動かす、すなわち、管材等に対して近接して設置するという対応も含まれる。また、温度に応じとは、単に管材等の温度を基準とするだけではなく、管材等の温度分布や形態係数を基準にすることができる。

本発明における熱電発電装置は、図６ａ〜ｃに示すように、さらに、熱を集約する熱反射材を備えることができる。図中、１８は熱反射材である。かかる熱反射材を用いることによって、個々の熱電発電ユニットに対する集熱効果が上がり、効率の良い熱電発電を行うことができる。
なお、熱反射材は、図６ａに示したように、管材（熱源）の両脇（図中、管材の進行方向は、図面奥から手前である。）に、設置するのが、集熱効率の点で好ましい。

本発明における熱反射材の形状は、平面や、曲面、またＶ字やＵ字の断面を持つものであっても良い。なお、熱反射材は平面〜凹面を持つものが良いが、凹面の熱反射材への入射角によって焦点における収差が変化するので、所定の入射角に対して最も収差が少なくなるように最適な熱反射材形状（曲率）を有するよう、一の熱反射材または複数の熱反射材面群を設置することが好ましい。
この熱反射材を有する実施形態は、図６に示したように、熱電発電ユニットの任意の箇所に集熱をさせることができるので、以下に述べるように、熱電発電装置の設置裕度が一層向上するという利点がある。

例えば、図６ａに示したように、熱電発電ユニットにバランスよく熱を集めることで、熱電発電ユニットを従来公知の設置位置とした熱電発電装置を用いても、個々の熱電発電ユニットの発電効率を最適化することができる。さらに、図６ｂに示したように、任意の箇所に集約した熱エネルギーを、熱電発電ユニットに照射することができる。この実施形態の利点は、熱電発電ユニットの設置面積が限られている場合や、大面積の熱電発電ユニットが入手できない場合、熱電発電ユニットが上下できない場合などでも、熱反射材１８を適切に動かすことで効率の良い熱電発電を行うことができるところにある。また、熱反射材１８は、駆動部を設け、外部信号により角度を変えることで、上記の集熱箇所を変更することもできる。

さらに、熱反射材１８の設置場所は、上掲した図６ａおよびｂのように管材の両脇が考えられるが、熱電発電ユニットの設置位置に応じて、熱源の下部や上部に設置することもできる。また、図６ｃに示したように、４枚の反射材と２個の熱電発電ユニットを組合せることもできる。
なお、本発明における熱反射材としては、熱エネルギー（赤外線）を反射できるものであれば特に定めはなく、鏡面仕上げをした鉄などの金属や耐熱タイル等に錫メッキを施したものなど、設置場所、物品の調達コスト等を考慮して、適宜選択することができる。

すなわち、本発明における管材等の温度および／または熱電発電ユニットの出力に応じて設置された熱電発電ユニットとは、ユニット自身の距離設定のみならず、上述したような熱反射材の距離や角度の変更を行ったユニットをも含むものである。

図７(Ａ)乃至(Ｅ)に、本発明に従う熱電発電ユニットの設置例を示す。
本発明における熱電発電ユニットは、図７(Ａ)乃至(Ｅ)に示したように、管材（熱源）の外周部を囲む形状とすることもできる。
また、図７(Ａ)にしたように、本発明にかかる熱電発電装置は、少なくとも１箇所の開口部を設けることができる。

本発明で、管材等の側面や下面に熱電発電ユニットを設置する場合は、管材等からの熱による対流影響から、熱電発電装置と管材等との距離：ｄsを、その上面の距離：ｄuと比して、ｄs≦ｄuの関係を満足するように設置することが好ましい。
従って、図中例示した、距離：ａ，ｃおよびｅは、上述した距離：ｄuに相当するものとすれば、距離：ｂ，ｄおよびｆは、上述した距離：ｄsに相当するものとなる。なお、図中同一の記号で表したｂ，ｅおよびｆは、それぞれが異なる距離であっても良いが、それぞれの距離が上記ｄuおよびｄsの関係を満足していることが重要である。
このように、本発明では、熱源と熱電発電ユニットとの距離を、同一装置内であっても、適宜変えることができる。

熱電発電ユニットを全面に設置しない場合は、熱源の熱を外部に放出させないよう板（保温板）を設置すると、効率的な熱電発電を行うことができる。保温板の材質は、鉄やインコネルなどの金属（合金）やセラミックス等、一般的に高温物の保温板として使用されているものであって、設置場所の温度に耐えられるものであれば、特に制限はないが、板の放射率は小さいものとし、熱源からの放射熱が、板に吸収されることを低減して、熱電発電ユニットへ向かうようにすることが好ましい。

本発明は、熱電発電ユニットの一体移動を行う移動手段を備えることができる。この移動手段によって、熱電発電ユニットと管材等との距離を制御することができる。距離制御は、パワーシリンダを用いて行うことが好適である。
上記の移動する手段としては、熱電発電ユニットを一体で上下に昇降移動できるものが挙げられる。また、前後左右に移動できるものであっても、特に問題はなく使用できる。
なお、温度変動が少ないところでは、距離を制御する手段として、例えば、熱電発電ユニットなどを、鉄板にボルトで固定し、熱電発電ユニットの移動時には、当該ボルトを緩めて適宜移動させ、再び、当該ボルトで固定するなどの手段を採用しても構わない。また、本発明では、複数の熱電発電ユニットを有する熱電発電装置としても良く、このように複数の熱電発電ユニット有する場合は、少なくとも一つの熱電発電ユニットに移動手段を有していれば良い。
なお、製造開始もしくは終了時などの非定常状態においては、管材等の高さ変動などに起因する装置の破損を防ぐため、発電領域から退避位置に移動させたり、再度発電領域に移動させたりすることができる。

本発明にかかる熱電発電装置は、少なくとも１箇所の開口部を有する管材の保温板を有することができる。ここで、図８ａ〜ｄに保温板の形状を示す。
図８ａ，ｂに示したように、Ｕ字やＶ字断面の保温板が保温性がよく好ましい。また、本発明では、図８ａ等に示したように、保温板の開口部を利用し、管材に対峙させて熱電発電ユニットを設置することができる。

ここに、本発明の保温板は、図８ｃに示したように、２箇所の開口部を有するＵ字断面のものであっても良い。また、図８ｄに示したように、２箇所の開口部を有するＶ字断面のものであっても良い。
勿論、開口部が３箇所以上であっても問題はない。また、開口部は、熱電発電ユニットの部分だけ開口していても良いし、上面部分が大きく開いていても良い。

上記したそれぞれの実施形態は、それぞれ任意に組み合わせることができる。例えば、距離の変更だけで最適な熱電発電効率を得ようとすると、極端に大きな曲率の楕円弧状の設置としなければならない場合などには、熱反射材を用いる実施形態を組合せて、その曲率を緩くすることもできる。
もちろん、本発明は、全ての実施形態の機能を同時に備えていても良いことは言うまでもない。

本発明に従う熱電発電ユニットの設置場所は、管材等の上方に設ける以外に、管材等の側面や、下面などに設置しても同等の効果を得られることは言うまでもない。

本発明に従う熱電発電方法は、図３に示すように、加熱炉と鍛接機とストレッチレデューサとを有する鍛接管ラインにおいて、加熱炉から鍛接機に至るまでの鋼板搬送路および鍛接機からストレッチレデューサに至るまでの管材搬送路の温度および／または熱電発電ユニットの出力に応じて設置された熱電発電装置を用いて行うものである。

また、本発明に従う熱電発電方法は、図１および５乃至８に示したように、熱電発電ユニットの設置形態を変更したり、熱反射材を備えたりした熱電発電装置を用いることもでき、その際、前述した複数の実施形態にかかる熱電発電装置を併せて用いることができる。

〔実施例１〕
図２に記載したような構成の熱電発電ユニットであって、熱電発電モジュールの間隔を６０ｍｍとした１ｍ^２の面積を有する熱電発電ユニットを用い、発明例１として、管材温度が１２００℃の場合、熱電発電ユニットと管材との距離を１５５ｍｍに、管材温度が１１５０℃の場合、上記距離を１２５ｍｍに、それぞれ制御した。一方、比較例１は、上記距離を１５５ｍｍに固定した。なお、管材は、外径：１２０ｍｍの大きさのものを使用した。
それぞれ、管材温度が１２００℃で０．５時間、管材温度が１１５０℃で０．５時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、図３に記載の装置の設置場所Ｂにおいて実施した。
その結果、発明例１では、５ｋＷの発電することができたのに対し、比較例１では、管材温度が変化した際に発電量が低下して、２ｋＷの発電量となった。

〔実施例２〕
発明例２は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用いて図１に示した構成とし、中央部分は、熱電発電ユニットと管材との距離を１５５ｍｍに、その他、端部の熱電発電ユニットはその距離を１２５ｍｍに制御した。一方、比較例２は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用い、単純に熱電発電ユニットを平面的に設置した。
それぞれ、管材温度が１２００℃で1時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
その結果、発明例２では、５ｋＷの発電量を達成したのに対し、比較例２では、２ｋＷの発電量にとどまった。

〔実施例３〕
発明例３は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用いて図５に示した構成とし、熱電発電ユニットと管材との距離を１２５ｍｍとし、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールの配置を、中央部分で５５ｍｍ間隔とし、端部で６０ｍｍ間隔とした。比較例３は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用い、単純に熱電発電ユニットを平面的に配置した。
それぞれ、管材温度が１２００℃で１時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
その結果、発明例３では、５ｋＷの発電量を達成したのに対し、比較例３では、２ｋＷの発電量にとどまった。

〔実施例４〕
発明例４は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用いて図６ａに示した構成とし、熱電発電ユニットを平面的に設置して、さらに熱を集約する熱反射材を設置した。一方、比較例４は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用い、単純に熱電発電ユニットを平面的に設置した。
それぞれ、管材温度が１１００℃で１時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
その結果、発明例４では、５ｋＷの発電量を達成したのに対し、比較例４では、２ｋＷの発電量にとどまった。

〔実施例５〕
発明例５は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用いて図１に示した構成とし、熱電発電モジュールの間隔を８０ｍｍとし、管材の直上において、管材温度が１１５０℃の場合、熱電発電ユニットと管材との距離を１５０ｍｍに、管材温度が１０７５℃の場合、その距離を１１０ｍｍに制御した。さらに、端部においては、上記距離を、それぞれ、１２０ｍｍ、８０ｍｍに制御した。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
管材温度が１１５０℃で０．５時間、管材温度が１０７５℃で０．５時間の熱電発電を行ったところ、発明例５では、６ｋＷの発電量を実現した。

〔実施例６〕
発明例６は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用いて図１に示した構成とし、管材温度が１１５０℃の場合、熱電発電ユニットと管材との距離を１５０ｍｍに、管材温度が１１００℃の場合、その距離を１２０ｍｍに制御した。さらに、端部における上記距離を、それぞれ、１４０ｍｍ、１１０ｍｍに制御した。加えて、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールを８０ｍｍ間隔に配置した。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
管材温度が１１５０℃で０．５時間、管材温度が１１００℃で０．５時間の熱電発電を行ったところ、発明例６では、７ｋＷの発電量を実現した。

〔実施例７〕
発明例７は、実施例１と同じ大きさの熱電発電ユニットを用いて、図１および図５を組合せた構成とし、管材温度が１１５０℃の場合、熱電発電ユニットと管材との距離を５０ｍｍに、さらに、端部の熱電発電ユニットにおける上記距離を、それぞれ、３５ｍｍに制御した。加えて、熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールを、６０ｍｍ間隔に配置し、端部の熱電発電ユニットは６５ｍｍ間隔とした。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
管材温度が１１５０℃で１時間の熱電発電を行ったところ、発明例７では、７ｋＷの発電量を実現した。

〔実施例８〕
発明例８は、保温板を設置し、熱電発電ユニットを図１に示した構成とし、管温度が１２００℃の場合、熱電発電ユニットと管材との距離を１５５ｍｍに、管温度が１１５０℃の場合、上記距離を１２５ｍｍに、それぞれ制御した。
それぞれ、１ｍ^２の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、管温度が１２００℃で０．５時間、管温度が１１５０℃で０．５時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
その結果、発明例８では、５．１ｋＷの発電することができた。

〔実施例９〕
発明例９は、保温板を設置し、図７Ｄに示したように、中央部分は、熱電発電ユニットと管材との距離を１５５ｍｍに、端部分はその距離を１２５ｍｍに制御した。１ｍ^２の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、管温度が１２００℃で１時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
その結果、発明例９では、５．１ｋＷの発電量を達成した。

〔実施例１０〕
発明例１０は、保温板を設置し、熱電発電ユニット中の熱電モジュールの配置を、図７Ｅの中央部分で６０ｍｍ間隔とし、端部分で８０ｍｍ間隔とした。１ｍ^２の面積を有する熱電発電ユニットを設置し、管温度が１１００℃で１時間の熱電発電を行った。なお、本実施例は、実施例１と同じ大きさの管材を用い、同一の場所で実施した。
その結果、発明例１０では、５．１ｋＷの発電量を達成した。

上記した発明例および比較例の結果から、本発明を用いた鍛接管設備列の優れた発電効果が確認できた。なお、以上の実施例では、管材の温度に応じて熱電発電ユニットの設置場所等を変更したが、鋼板の温度や熱電発電ユニットの出力に応じて熱電発電ユニットの設置場所を決定しても、本発明に従う限り、同様の結果が得られることを確認している。

本発明によれば、管材等から発生する熱を、効果的に電力へと変換できるので、製造工場における省エネルギー化に貢献する。

１ 熱電発電ユニット
２ 熱源（管材）
３ 熱電素子
４ 電極
５ 熱電発電モジュール
６ 絶縁材
７ 受熱手段
８ 放熱手段
９ 鋼板
１０ 管材
１１ 加熱炉
１２ 成形鍛接機
１３ 熱間レデューサ
１４ ロータリーホットソー
１５ クーリングベット
１６ サイザー
１７ ストレートナー
１８ 熱反射材

Claims (9)

1. 加熱炉と鍛接機とストレッチレデューサとを有し、熱延コイルに巻かれた鋼板を管材とする鍛接管設備列において、
   加熱炉からストレッチレデューサに至るまでの鋼板および管材の搬送路のいずれかの位置で、鋼板および管材のうち少なくとも一に対峙し、かつ鋼板および管材のうち少なくとも一の温度、および／または熱電発電ユニットの出力に応じて設置された、熱電発電ユニットを有する熱電発電装置を備え、
   前記熱電発電ユニット中の熱電発電モジュールを、前記鋼板および管材のうち少なくとも一の、幅方向端部に対して幅方向中央部で密に配置したことを特徴とする鍛接管設備列。
2. 前記熱電発電ユニットを、鋼板および管材のうち少なくとも一の温度分布および／または熱電発電ユニットの出力に応じ、高温部に対して低温部では近接して設置することを特徴とする請求項１に記載の鍛接管設備列。
3. 前記熱電発電装置が、鋼板および管材のうち少なくとも一の温度および／または熱電発電ユニットの出力を測定して求めた温度および／または出力に応じて、該熱電発電ユニットと該鋼板および管材のうち少なくとも一との距離を制御する移動手段を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の鍛接管設備列。
4. 前記熱電発電装置が、さらに熱反射材を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鍛接管設備列。
5. 前記熱電発電装置が、鋼板および管材のうち少なくとも一の外周部を囲む形状になることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の鍛接管設備列。
6. 前記熱電発電装置は、少なくとも１箇所の開口部が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の鍛接管設備列。
7. 前記移動手段が、熱電発電ユニットの一体移動を行うことを特徴とする請求項３に記載の鍛接管設備列。
8. 前記熱電発電装置は、少なくとも１箇所の開口部を有する保温板が設けられたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の鍛接管設備列。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の鍛接管設備列を用い、鋼板および管材のうち少なくとも一の熱を受熱して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

Images