(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側熱源と低温側放熱部との間に熱電素子モジュールを設けた熱電発電装置において、
高炉の炉体に設置されたステーブクーラーに組み込まれ、該ステーブクーラーを低温側放熱部とするとともに、ステーブクーラーの内側面に保持された炉内耐火物を高温側熱源とし、
熱電素子モジュールの放熱面または放熱面と受熱面に接して、内部に熱媒体を充填した温度緩衝部材を設け、
低温側放熱部の平均温度をＴh2（Ｋ）としたとき、熱電素子モジュールの放熱面に接して設けられる温度緩衝部材の熱媒体の変態点Ｔm（Ｋ）がＴm＝Ｔh2±０．０５Ｔh2であることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
熱電素子モジュールの放熱面に接して設けられる温度緩衝部材の熱媒体が塩化カルシウム６水和物であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
高炉の炉体のうち、炉内に溶融物が存在しないシャフト部領域の炉壁に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
高温側熱源の平均温度をＴh1（Ｋ）としたとき、熱電素子モジュールの受熱面に接して設けられる温度緩衝部材の熱媒体の変態点Ｔm（Ｋ）がＴm＝Ｔh1±０．０５Ｔh1であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の熱電発電装置を備えることを特徴とする高炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉などの高温側熱源から放出される熱を、電気エネルギーに変換する熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所などの製造設備では、ＣＯ２発生を抑制するための様々な対策が進められており、その一つとして、廃熱として処理されている熱エネルギーを熱電発電により電気エネルギーに変換し、回収する方法が検討されている。
従来、高温側熱源から放出される熱を、電気エネルギーに変換するために、高温側熱源と低温側放熱部との間に熱電素子モジュールを設けた熱電発電装置が知られている。この熱電発電装置は、複数のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を交互に配置し、隣接する熱電素子の一端部どうしと他端部どうしを交互に電極で連結して構成された熱電素子モジュールを備え、その電極を高温側熱源と低温側放熱部に接するように設け、高温側と低温側の温度差により生じた熱起電力を発電出力として取り出すようにしたものである。
【０００３】
しかし、熱電発電装置が適用される高温側熱源（例えば、溶解炉などの炉壁）は、その温度が変動する場合があり、このような温度変動を生じると熱電素子の発電出力も変動するため、安定した発電出力が得られない問題がある。
このような問題に対して、特許文献１には、高温側熱源に接する電極に熱伝導度の大きいプレート（例えば、銅、アルミニウムなどの金属やベリリア、炭化珪素などからなるプレート）を接合し、このプレートに高温側熱源の温度変動を緩衝（吸収）させるようにした装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−３４０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のような高熱伝導性のプレートを設けただけでは、高温側熱源の温度が大きく変動した場合に、発電出力の変動を適切に抑えることができない。
したがって本発明の目的は、高温側熱源や低温側放熱部の温度変動に関わりなく、変動量が少ない安定した発電出力を得ることができる熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記のような従来技術の課題を解決すべく検討を重ねた結果、熱電素子モジュールの受熱面や放熱面に接して、内部に熱媒体を充填した温度緩衝部材を設けることにより、高温側熱源や低温側放熱部の温度変動を適切に緩衝し、受熱量や放熱量の変動を抑制できること、また、温度緩衝部材内に充填する熱媒体として、高温側熱源や低温側放熱部の温度に比較的近い変態点（例えば、融点）を有するものを用いることにより、特に効果的な温度緩衝作用が得られることが判った。
【０００７】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］高温側熱源と低温側放熱部との間に熱電素子モジュールを設けた熱電発電装置において、
高炉の炉体に設置されたステーブクーラーに組み込まれ、該ステーブクーラーを低温側放熱部とするとともに、ステーブクーラーの内側面に保持された炉内耐火物を高温側熱源とし、
熱電素子モジュールの放熱面または放熱面と受熱面に接して、内部に熱媒体を充填した温度緩衝部材を設け、
低温側放熱部の平均温度をＴh2（Ｋ）としたとき、熱電素子モジュールの放熱面に接して設けられる温度緩衝部材の熱媒体の変態点Ｔm（Ｋ）がＴm＝Ｔh2±０．０５Ｔh2であることを特徴とする熱電発電装置。
［2］上記［1］の熱電発電装置において、熱電素子モジュールの放熱面に接して設けられる温度緩衝部材の熱媒体が塩化カルシウム６水和物であることを特徴とする熱電発電装置。
［3］上記［1］または［2］の熱電発電装置において、高炉の炉体のうち、炉内に溶融物が存在しないシャフト部領域の炉壁に設置されることを特徴とする熱電発電装置。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの熱電発電装置において、高温側熱源の平均温度をＴh1（Ｋ）としたとき、熱電素子モジュールの受熱面に接して設けられる温度緩衝部材の熱媒体の変態点Ｔm（Ｋ）がＴm＝Ｔh1±０．０５Ｔh1であることを特徴とする熱電発電装置。
【０００８】
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの熱電発電装置を備えることを特徴とする高炉。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱電発電装置は、内部に熱媒体を充填した温度緩衝部材が高温側熱源や低温側放熱部の温度変動を適切に緩衝し、熱電素子モジュールの受熱量や放熱量の変動が抑えられるので、変動量の少ない安定した発電出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の熱電発電装置の概念図
【図２】本発明の熱電発電装置の一実施形態を模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の熱電発電装置の概念図であり、１は熱電素子モジュール、２は高温側熱源、３は低温側放熱部である。また、１０は熱電素子モジュール１の受熱面、１１は同じく放熱面である。
前記熱電素子モジュール１は、ゼーベック効果を利用し、高温側と低温側の温度差により生じた熱起電力を発電出力として取り出すようにしたものである。また、前記高温側熱源２と低温側放熱部３は、固体、気体、液体のいずれでもよい。例えば、高温側熱源２としては、溶解炉、精錬炉の炉壁や排ガスダクト、加熱炉の炉壁やスキッドなどのような設備が挙げられるが、スラグ、スラブ、鋼材、鋼板などのような材料類であってもよい。低温側放熱部３としては、溶解炉や精錬炉などの炉体の冷却用部材（例えば、ステーブクーラー、冷却ジャケットなど）などが挙げられる。また、低温側放熱部はフィンをつけて空冷してもよい。
【００１２】
前記熱電素子モジュール１の受熱面１０と放熱面１１に接して、内部に熱媒体ｈ１，ｈ２が充填された温度緩衝部材４，５（４０，５０は各部材の壁部）が設けられている。このうち温度緩衝部材４は、高温側熱源２の温度変動による受熱面１０の受熱量（高温側熱源２から受ける熱量）の変動を緩衝し、受熱量を均一化する。また、温度緩衝部材５は、低温側放熱部３の温度変動による放熱面１１の放熱量（低温側放熱部３に対する放熱量）の変動を緩衝し、放熱量を均一化する。熱電素子モジュール１の発電出力は、受熱面１０と放熱面１１の温度差により決まるので、それらの受熱量と放熱量の変動が抑えられることにより、発電出力の変動が抑えられる。
温度緩衝部材４，５はいずれか一方のみを設けることもできるが、発電出力の変動の要因は、一般には高温側熱源２の温度変動の影響の方が大きいので、少なくとも受熱面１０に温度緩衝部材４を設けることが好ましい。温度緩衝部材４，５は熱媒体ｈ１，ｈ２が充填（封入）されるものであるが、熱媒体ｈ１，ｈ２の熱膨張を考慮して、その熱膨張分を吸収する機構を備えることが好ましい。また、温度緩衝部材４，５の材質は、金属、合金など、特に種類は問わないが、熱媒体と反応性が無い或いは小さいものが好ましい。
【００１３】
温度緩衝部材４，５内に充填する熱媒体ｈ１，ｈ２の種類に特別な制限はないが、高温側熱源２と低温側放熱部３の各平均温度に比較的近い変態点（例えば、融点、凝固点、固相変態の変態点など）を有するものを用いることにより、特に効果的な温度緩衝作用が得られる。このような熱媒体ｈ１，ｈ２としては、水、溶液、化合物、金属、合金、塩類など、その種類を問わない。
具体的には、高温側熱源２の平均温度をＴh1（Ｋ）としたとき、これに接する温度緩衝部材４の熱媒体として、変態点Ｔm（Ｋ）がＴm＝Ｔh1±０．０５Ｔh1、より望ましくはＴm＝Ｔh1±０．０１Ｔh1である物質を用いることが好ましい。また、低温側放熱部３の平均温度をＴh2（Ｋ）としたとき、これに接する温度緩衝部材５の熱媒体として、変態点Ｔm（Ｋ）がＴm＝Ｔh2±０．０５Ｔh2、より望ましくはＴm＝Ｔh2±０．０１Ｔh2である物質を用いることが好ましい。ここで、高温側熱源２や低温側放熱部３の平均温度とは、操業中に変動する温度の時間平均値であり、温度変動の程度や変動サイクル、さらには発電出力の供給先の事情等に応じて、平均する時間を決めればよい。具体的には、操業中の１時間〜数日程度の時間平均、或いは短時間での温度変動が小さい設備では操業１サイクルにおける時間平均でもよい。例えば、２４時間の時間平均値としてもよい。また、高温側熱源２や低温側放熱部３の温度は、例えば、温度緩衝部材４，５の外面位置で測定される温度でもよく、場所によって温度に差がある場合には、面内平均温度とすればよい。
【００１４】
例えば、高温側熱源２の平均温度Ｔh1が１０７３Ｋ（約８００℃）の場合には、Ｔh1±０．０５Ｔh1は１０１９〜１１２７Ｋ、Ｔh1±０．０１Ｔh1は１０６２〜１０８４Ｋであるから、温度緩衝部材４内に充填する熱媒体は、変態点（例えば、融点）が１０１９〜１１２７Ｋのものが好ましく、特に１０６２〜１０８４Ｋのものが好ましい。好適な熱媒体としては、塩化ナトリウム（融点：約１０７４Ｋ）、Ｆｅ−１０Ｃｏ−５Ｃｒ合金（固相変態点：約１０７６Ｋ）、Ｎｉ−３０Ｆｅ−２０Ｃｏ合金（融点：１０９３Ｋ）、ＬｉＦ−２０ＣａＦ２塩（融点：１０４０Ｋ）等が挙げられる。
また、高温側熱源２の平均温度Ｔh1が８５３Ｋ（約５８０℃）の場合には、Ｔh1±０．０５Ｔh1は８１０〜８９６Ｋ、Ｔh1±０．０１Ｔh1は８４４〜８６２Ｋであるから、温度緩衝部材４内に充填する熱媒体は、変態点が８１０〜８９６Ｋのものが好ましく、特に８４４〜８６２Ｋのものが好ましい。好適な熱媒体としては、Ａｌ−１３％Ｓｉ合金（融点：約８５０Ｋ）、ＬｉＦ−ＮａＣｌ−ＮａＦ塩（融点：８５５Ｋ）等が挙げられる。
なお、温度安定化のためには、熱媒体は融解潜熱量が大きいものが好ましい。熱媒体の融解潜熱が大きいと、変態点から温度上昇／下降するのに必要な熱量がより多く必要となり、高温側熱源２や低温側放熱部３の温度変動をより効果的に緩衝できるからである。
【００１５】
一方、低温側放熱部３の平均温度Ｔh2が３０３Ｋ（約３０℃）の場合には、Ｔh2±０．０５Ｔh2は２８８〜３１８Ｋ、Ｔh2±０．０１Ｔh2は３００〜３０６Ｋであるから、温度緩衝部材５内に充填する熱媒体は、変態点（例えば、融点）が２８８〜３１８Ｋのものが好ましく、特に３００〜３０６Ｋのものが好ましい。好適な熱媒体としては、塩化カルシウム６水和物（融点：約３０３Ｋ）等が挙げられる。
熱媒体ｈ１，ｈ２は、適用される高温側熱源２や低温側放熱部３の平均温度Ｔh1,Ｔh2に応じて、上記のような変態点Ｔmを有するものを適宜選択すればよい。
以上のように高温側熱源２や低温側放熱部３の平均温度Ｔh1,Ｔh2に応じて、変態点ＴmがＴh1±０．０５Ｔh1、Ｔh2±０．０５Ｔh2、好ましくはＴh1±０．０１Ｔh1、Ｔh2±０．０１Ｔh2のものを用いることにより、高温側熱源２や低温側放熱部３に温度変動が生じても、温度緩衝部材４，５内の熱媒体ｈ１，ｈ２の温度はその変態点近傍で推移し、結果として、高温側熱源２や低温側放熱部３の温度変動を適切に緩衝する作用をすることになる。
【００１６】
本発明の熱電発電装置は、長期間にわたって安全且つ安定的に高発電出力を得るために、さらに以下のような条件を満足することが好ましい。
（a）繰り返し熱サイクルの比較的少ない高温側熱源に適用する。
（b）耐熱性が高く、且つ毒性元素を含まない熱電素子を用いる。
上記（a）については、熱電発電装置を繰り返し熱サイクルが多い高温側熱源に適用すると、熱電素子に熱サイクルの温度差による大きな熱応力が加わることにより破壊に至ることがあり、また、高温部では熱サイクルにより電極と熱電素子との連結部にクリープや破壊が生じることがあるので、好ましくない。（a）の条件を満たすのに好適な高温側熱源としては、例えば、連続的に操業される溶解炉（高炉など）の炉壁、排ガスダクトなどが考えられる。
また、上記（b）については、特に、約９００℃まで使用可能な酸化物系熱電素子（例えば、ｐ型：Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９、ｎ型：ＬａＮｉＯ３）、約６００℃まで使用可能なスクッテルダイト系やシリサイド系熱電素子などが、比較的安価で且つ毒性元素を含まないので好ましい。このような熱電素子を用い、高温側と低温側の温度差を大きくとることによって、熱エネルギーを電力として効率的に回収することができる。
【００１７】
本発明の熱電発電装置の好ましい実施形態としては、例えば、炉体冷却するための冷却用部材（例えば、ステーブクーラー、冷却ジャケットなど）を備えた炉において、その炉壁に設置され、且つ前記冷却用部材を低温側放熱部とすることが好ましい。このような形態で設置することにより、（i）従来では冷却用部材の冷媒で持ち去られていた廃熱を直接電力として回収できる、（ii）一方において、冷却用部材による炉体の冷却作用の一部を熱電発電モジュールが代替するだけであるので、炉内温度の低下が問題となることがない、（iii）炉内温度が高いため高温側熱源の温度が高く、しかも冷却用部材を低温側放熱部として利用することにより、高温側と低温側の十分な温度差を得ることができる、（iv）特に高炉などの溶解炉では、炉内温度の変動が小さく、且つ大きな昇降温は休風時のみであり、繰り返し熱サイクルが少ない、などの利点がある。
【００１８】
以上の点からして、本発明の熱電発電装置の特に好ましい実施形態としては、高炉の炉壁（好ましくは炉内に溶融物が存在しないシャフト部領域）に設置し、低温側放熱部としてステーブクーラー（冷却用部材）を利用することが好ましいと言える。
図２は、本発明の熱電発電装置を高炉のシャフト部（炉内に溶融物が存在しないシャフト部領域）に適用した場合の一実施形態を模式的に示すものである。図において、６は炉内耐火物（＝高温側熱源）、７はステーブクーラー（＝低温側放熱部）、７０はステーブクーラー７の冷却水流路、８は鉄皮（炉外殻）である。前記炉内耐火物６はステーブクーラー７の内側面（炉内側）に保持されている。この実施形態では、ステーブクーラー７の内側面（炉内側）の一部に本発明の熱電発電装置を組み込んだものであり、熱電素子モジュール１の受熱面１０は、温度緩衝部材４を介して炉内耐火物６（＝高温側熱源）と接し、放熱面１１は、温度緩衝部材４を介してステーブクーラー（＝低温側放熱部）６と接している。
【符号の説明】
【００１９】
１  熱電素子モジュール
２  高温側熱源
３  低温側放熱部
４，５  温度緩衝部材
６  炉内耐火物
７  ステーブクーラー
８  鉄皮
１０  受熱面
１１  放熱面
４０，５０  壁部
７０  冷却水流路
ｈ１，ｈ２  熱媒体
【図１】
0005515537.tif 000002
【図２】
0005515537.tif 000003