説明

制御冷却炉

【課題】炉内の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制御冷却炉を提供する。
【解決手段】熱量を持ったワークW、例えば鍛造後のワークWを搬送対象とするコンベヤ2が炉壁3にてトンネル状に囲まれている。熱電発電モジュール8と、その熱電発電モジュール8を冷却するための水冷式のヒートシンク16、および受熱板15の三者が予めユニット化されている熱電発電ユニット10,11,12を、上記炉壁3にワーク搬送方向に沿って複数個直列に並設してある。熱電発電モジュール8で生成された電力は蓄電池19に蓄えられ、外気導入ダクトに付帯するファンモータ21等の電力として使用する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鍛造、熱処理あるいは焼結等の工業分野でワークの冷却のために使用される制御冷却炉の構造に関する。
【背景技術】
【0002】
コンベヤにより搬送されるワークの冷却を目的とした制御冷却炉の一般的な構造としては、例えばトンネル構造の炉壁に外気導入ダクトと排気ダクトが付帯していて、外気を導入する一方で高温の内気を外部に排出し、もって炉内の雰囲気温度をコントロールしつつワークの冷却速度を調整するようにしている。
【0003】
この従来の制御冷却炉の構造では、いわゆる廃熱を外部に放出するだけで有効利用されていないだけでなく、外気導入ダクトまたは排気ダクトに付帯するファンの運転に大量の電気エネルギーを必要とし、エネルギー効率の向上が図れないことになる。
【0004】
その一方、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、ダクトにおける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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平10−190073号公報
【特許文献2】特開2009−81287号公報
【特許文献3】特開2010−135643号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1〜3に記載された技術では、排気が有している廃熱は有効利用することができても、ワークそのものが持つ熱量は熱源として直接的には有効利用されていないため、いわゆる廃熱発電の熱電エネルギー効率および発電効率の向上の上でなおも改善の余地を残している。
【0007】
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、炉内の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制御冷却炉を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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をトンネル状に囲んでいる炉壁に熱電発電モジュールを設けたものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、ワークが持つ熱量を熱電発電モジュールで直接受けて熱電変換により起電力とすることができるため、熱電エネルギー効率ひいては発電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明に係る制御冷却炉のより具体的な形態を示す図で、図2のA−A線に沿う概略断面説明図。
【図2】図1のB−B線に沿う概略断面説明図。
【図3】図1の詳細を示す拡大図。2のB−B線に沿う断面説明図。
【図4】図3の側面説明図。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図1,2は本発明に係る制御冷却炉を実施するためのより具体的な形態を示し、ここでは、例えば熱間鍛造後のワークを冷却するための制御冷却炉に適用した場合の例を示している。そして、図1は概略構造として図2のA−A線に沿う断面説明図を、図2は同じく図1のB−B線に沿う断面説明図をそれぞれ示している。
【0012】
図1,2に示すように、制御冷却炉1は、熱間鍛造後のワークWを搬送するためのコンベヤ2、例えば金属ベルトコンベヤや金網チェーンコンベヤ等のコンティニアスタイプのワーク搬送用のコンベヤ2の三方を両側壁および上壁に相当する炉壁3にて方形トンネル状に取り囲んでいるもので、コンベヤ2の搬送始端部側から搬送終端部側に向かって先に述べたような熱間鍛造後のワークWが連続的に搬送される。炉壁3のうち上壁に相当する部位には外気導入手段としての外気導入ダクト4および排気手段としての排気ダクト5がそれぞれ立設されていて、これらのダクト4,5にはファン6または7がそれぞれに付帯している。そして、炉内には外気導入ダクト4を通してワークWを冷却するための外気が強制的に導入される一方、炉内で高温となった排気が排気ダクト5を通して炉外に排出されるようになっていて、それらの外気導入量および排気量を個別に適宜調節することで炉内の雰囲気温度が制御可能となっている。
【0013】
制御冷却炉1の炉壁3のうち上壁および両側壁に相当する部分には、それぞれれにその全長にわたって熱電発電モジュール8を配設してあるとともに、熱電発電モジュール8の背面側には冷却手段として例えば水冷式の冷却ジャケット9を熱電発電モジュール8に密着するように配設してある。この冷却ジャケット9は冷却媒体として冷却水が循環するようになっている。
【0014】
したがって、コンベヤ2上を流れるワークWが持つ熱はそれぞれの熱電発電モジュール8の受熱面が輻射熱として受熱することになる。その一方、冷却ジャケット9は冷却水が循環していることから、この冷却水をもって熱電発電モジュール8が冷却される。そのため、熱電発電モジュール8の表裏両面間に温度差が発生することでいわゆるゼーベック効果により起電力が発生することになる。
【0015】
図3は図1の詳細を示しているとともに、図4は図3の側面図を示している。
【0016】
図3,4に示すように、コンベヤ2を三方からトンネル状に取り囲む炉壁3には、上壁および両側壁に相当する部分ごとにそれぞれにワーク搬送方向に沿って複数の熱電発電ユニット10,11,12を直列に並べて配置してあり、これにより実質的に熱間鍛造後のワークWを熱源とする廃熱発電装置を構築してある。上側の熱電発電ユニット10と両側の熱電発電ユニット11,12とはその向きが異なるだけで共に同じ構造であるので、ここでは代表して上側の熱電発電ユニット10の詳細構造について説明する。
【0017】
図3に示すように、炉壁の一部である枠体13には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10を複数の連結ボルト14にて連結支持させてある。ここでは、最も下側に位置して熱電発電ユニット10の母体となる受熱板15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16と押さえプレート17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16および押さえプレート17の三者を複数の押さえボルト18にて受熱板15に共締め固定してある。水冷式のヒートシンク16は先に述べた冷却手段としての冷却ジャケット9(図1,2参照)に相当していて、図3に示すように冷却水が循環することで強制冷却されることになる。また、受熱板15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の総受熱面積よりも十分に大きな大きさを有している。さらに、熱電発電モジュール8は蓄電池19に接続されていて、後述するように熱電発電モジュール8の起電力をもって生成された電力が蓄電池19に充電されるようになっている。
【0018】
そして、押さえボルト18の締め込み加減にて受熱板15、熱電発電モジュール8、ヒートシンク16および押さえプレート17同士の密着度を調整し、特に受熱板15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15の表面には例えば黒体スプレー塗装にて黒色塗装を施してあり、その黒色塗装の塗膜を符号15a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。
【0019】
このような熱電発電ユニット10のそれぞれを一つのユニットとして、図3,4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10,10‥を直列に並べて配置してある。なお、このような構造は炉壁3の両側壁に相当する部分に配置した熱電発電ユニット11,12についても全く同様である。
【0020】
したがって、制御冷却炉1に熱間鍛造後のワークWが搬入されてくると、ワークWが持つ熱量を受けて、特に輻射熱や炉内対流により炉内雰囲気温度が上昇する。このような炉内雰囲気温度の上昇やワークWからの直接的な輻射熱の影響により、それぞれの熱電発電ユニット10,11,12の受熱板15が熱伝導により受熱して、背面側の熱電発電モジュール8の表面に伝導される。一方、ヒートシンク16は冷却水が循環することで例えば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の裏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の表裏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。
【0021】
この場合において、図2,4に示したように、制御冷却炉1の炉内には外気導入ダクト4によって外気が導入されている一方、排気ダクト5により排気されて、炉内の雰囲気温度が所定の温度となるように制御されているものの、水冷式のヒートシンク16の冷却効果によって炉内雰囲気温度が一段と低下することになる。また、必要に応じてヒートシンク16に供給すべき冷却水量を積極的に調整することでそのヒートシンク16の冷却能力を調整し、もって炉内雰囲気温度を調整することが可能となる。
【0022】
上記のように熱電発電モジュール8での起電力をもって生成された電力は図3の蓄電池19に一旦蓄えられ(充電作用)、例えば付帯機器その他の電力として有効利用する。図3の例では、例えば制御機器20の切り換えにより、蓄電池19に蓄えられた電力を使用して、図2,4の外気導入ダクト4や排気ダクト5に付帯しているファン6または7のためのファンモータ21の駆動することができるほか、ワーク搬送用コンベヤ2のコンベヤ駆動モータ22を駆動することができる。また、発電量が安定している場合には、蓄電池19を介さずに直接的にファンモータ21やコンベヤ駆動モータ22に電力供給して、それらを駆動することももちろん可能となる。
【0023】
ここで、水冷式のヒートシンク16の冷却効果によって炉内雰囲気温度の制御が十分に行われる場合には、図2,4に示した外気導入用ダクト4や排気ダクト5に付帯しているファン6または7の駆動は必ずしも必要でなくなる。
【0024】
このように制御冷却炉1に廃熱発電装置としての機能を具備させることで効率的な廃熱回収を行え、熱電エネルギー効率ひいては発電効率が向上するとともに、制御冷却炉1の消費電力の削減に寄与できる。
【0025】
また、受熱板15が熱電発電モジュール8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8に黒色塗装を施してあることで、受熱板8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。
【0026】
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、例えば熱処理や焼結後のワークのほか加熱された液体等を熱源とすることもできるものである。
【符号の説明】
【0027】
1…制御冷却炉
2…コンベヤ
3…炉壁
4…外気導入ダクト(外気導入手段)
5…排気ダクト(排気手段)
6…ファン
7…ファン
8…熱電発電モジュール
9…冷却ジャケット(冷却手段)
10…熱電発電ユニット
11…熱電発電ユニット
12…熱電発電ユニット
15…受熱板
16…ヒートシンク(冷却手段)
19…蓄電池
21…ファンモータ
22…コンベヤ駆動用モータ
W…ワーク

【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱量を持ったワークを搬送対象とするコンベヤをトンネル状に囲んでいる炉壁に熱電発電モジュールを設けたことを特徴とする制御冷却炉。
【請求項2】
上記熱電発電モジュールとともにその熱電発電モジュールを冷却するための冷却手段を炉壁に設けたことを特徴とする請求項1に記載の制御冷却炉。
【請求項3】
上記熱電発電モジュールと冷却手段とが熱電発電ユニットとして予めユニット化されていて、この熱電発電ユニットを炉壁に設けたことを特徴とする請求項2に記載の制御冷却炉。
【請求項4】
上記炉壁にはワーク搬送方向に沿って複数の熱電発電ユニットを並設してあることを特徴とする請求項3に記載の制御冷却炉。
【請求項5】
上記冷却手段が水冷式のものであり、その冷却手段による冷却能力を調整することで炉内の雰囲気温度が制御可能となっていることを特徴とする請求項3または4に記載の制御冷却炉。
【請求項6】
炉内への外気導入手段と炉内からの排気手段とを備えていることにより、炉内の雰囲気温度が制御可能となっていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の制御冷却炉。
【請求項7】
上記外気導入手段がファン付きの外気導入ダクトであり、
上記排気手段がファン付きの排気ダクトであることを特徴とする請求項6に記載の制御冷却炉。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−2764(P2013−2764A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−135890(P2011−135890)
【出願日】平成23年6月20日(2011.6.20)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】