(57)【要約】【課題】熱電変換装置における熱から電力への変換効率をより向上する。【解決手段】複数の熱電素子が配列された熱電モジュール２１と、熱源側を向く受熱面２２１を有するとともに上記熱源からの輻射熱を吸収して上記熱電モジュール２１に伝熱する受熱部２２とを備える熱電変換装置であって、上記受熱部２２の上記受熱面２２１が粗面とされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電素子が配列された熱電モジュールと、熱源側を向く受熱面を有するとともに前記熱源からの輻射熱を吸収して前記熱電モジュールに伝熱する受熱部とを備える熱電変換装置であって、
前記受熱部の前記受熱面が粗面とされていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記受熱部は、一方側の面が前記受熱面とされ、他方側の面が前記熱電モジュールに当接される当接面とされた板状部材であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記受熱部は、ニッケルによって形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換装置。
【請求項４】
熱源と、該熱源からの輻射熱を電力に変換する熱電変換装置とを備える熱処理装置であって、
前記熱電変換装置として、請求項１〜３いずれかに記載の熱電変換装置を用いることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置及び熱処理装置に関するものであり、特に、抵抗加熱炉や連続炉等の工業炉（熱処理装置）及び当該工業炉に設置される熱電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
抵抗加熱炉や連続炉等の工業炉（熱処理装置）には、複数の熱電素子からなる熱電モジュールを備えるものがある。このような熱電モジュールは、高温側と低温側との温度差によって起電力を発生するＰ型発電素子とＮ型発電素子とが交互に複数接続されることによって構成されている。
このような熱電モジュールは、受熱板等の伝熱部材と組み合わされて熱電変換装置として用いられる場合がある。
そして、このような熱電変換装置を備える工業炉によれば、工業炉内部の熱の一部を電力に変換し、この電力を制御装置等において用いることが可能となるため、エネルギー効率の良い工業炉となる。
【特許文献１】特開昭５９−１９８８８３号公報
【特許文献２】特開昭６０−３４０８４号公報
【特許文献３】特開平８−６４８７４号公報
【特許文献４】特開２００５−３３８９４号公報
【特許文献５】特開２００５−７９３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、現在のところ、工業炉等の熱処理装置における熱の多くは外部に放熱されており、電力に変換される熱は一部である。このため、熱処理装置におけるエネルギー効率をさらに向上させる技術が要望されている。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、熱電変換装置における熱から電力への変換効率をより向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の熱電変換装置は、複数の熱電素子が配列された熱電モジュールと、熱源側を向く受熱面を有するとともに上記熱源からの輻射熱を吸収して上記熱電モジュールに伝熱する受熱部とを備える熱電変換装置であって、上記受熱部の上記受熱面が粗面とされていることを特徴とする。
【０００６】
このような特徴を有する本発明の熱電変換装置によれば、受熱部の受熱面が粗面とされ、粗面とされた受熱面を介して受熱部に吸収された輻射熱が熱電モジュールに伝熱される。
【０００７】
また、本発明の熱電変換装置においては、上記受熱部が、一方側の面が上記受熱面とされ、他方側の面が上記熱電モジュールに当接される当接面とされた板状部材であるという構成を採用することができる。
【０００８】
また、本発明の熱電変換装置においては、上記受熱部が、ニッケルによって形成されているという構成を採用することができる。
【０００９】
次に、本発明の熱処理装置は、熱源と、該熱源からの輻射熱を電力に変換する熱電変換装置とを備える熱処理装置であって、上記熱電変換装置として、本発明の熱電変換装置を用いることを特徴とする。
【００１０】
このような特徴を有する本発明の熱処理装置によれば、本発明の熱電変換装置を備えているため、熱電変換装置において、粗面とされた受熱面を介して受熱部に吸収された輻射熱が熱電モジュールに伝熱される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱電変換装置によれば、受熱部の受熱面が粗面とされ、粗面とされた受熱面を介して受熱部に吸収された輻射熱が熱電モジュールに伝熱される。粗面とされた受熱面は、鏡面である場合と比較してより多くの輻射熱を吸収する。すなわち粗面とすることによって受熱面の輻射率が向上する。
したがって、本発明の熱電変換装置によれば、より多くの輻射熱を熱電モジュールに効率的に伝達することが可能となり、熱電変換装置における熱から電力への変換効率をより向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明に係る熱電変換装置及び熱処理装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１３】
図１は、本実施形態の熱電変換装置２０を備える抵抗加熱炉１（熱処理装置）の概略構成を模式的に示した断面図である。まず、抵抗加熱炉１について説明すると、図１に示すように、抵抗加熱炉１は、最外殻として構成される水冷ジャケット２と、水冷ジャケット２の内部に収納されるとともに断熱材３ａによって覆われた加熱室３と、水冷ジャケット２の一方側から加熱室３の内部に連通されるガス供給管４と、水冷ジャケット２の他方側から加熱室３の内部に連通される廃ガス管５と、水冷ジャケット２及び加熱室３を貫通して設置される電気ヒータ６とを備えている。
【００１４】
このような抵抗加熱炉１においては、加熱室３の内部にワークＸを載置し、さらに水冷ジャケット２と加熱室３との間の空間７を真空雰囲気あるいは所定のガス雰囲気にした状態で、電気ヒータ６を駆動する。この際、ガス供給管４から所定ガスを加熱室３に供給することによって、ワークＸが所定ガス雰囲気で加熱処理される。なお、所定ガスは、廃ガス管５を介して加熱室３から外部に排気される。
【００１５】
そして、抵抗加熱炉１では、ユニット化された複数の熱電変換装置２０が水冷ジャケット２の内壁部２ａに設置されている。
図２は、熱電変換装置２０を模式的に示した断面図である。この図に示すように、熱電変換装置２０は、熱電モジュール２１と、受熱板２２（受熱部）とを備えている。
【００１６】
熱電モジュール２１は、周知のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが基板上に交互に配列されるとともに互いに直列に接続されたものである。そして、熱電モジュール２１は、一方側（高温側）を加熱室３側に向け、他方側（低温側）を水冷ジャケット２の内壁部２ａに当接して設置されている。  
【００１７】
受熱板２２は、一方側の面が加熱室３側を向く受熱面２２１とされ、他方側の面が熱電モジュール２１の一方側と当接される当接面２２２とされた平板状部材である。
そして、本実施形態の熱電変換装置２０においては、受熱板２２の受熱面２２１が粗面とされている。すなわち、受熱板２２は、加熱室３からの輻射熱を受ける面が粗面化されている。なお、このように受熱面２２１が粗面化された受熱板２２は、受熱板２２の一方側の面をサンドペーパーによって擦ったり、受熱板２２の一方側の面に対して、ブラスト処理やエッチング処理を施すことによって形成することができる。
また、受熱板２２の形成材料としては、熱伝導率の高い金属等の材料を好適に用いることができ、例えばニッケルを用いることができる。
【００１８】
このような受熱板２２においては、加熱室３からの輻射熱を受熱面２２１から吸収し、吸収した熱を当接面２２２側から熱電モジュール２１に伝熱する。そして、本実施形態においては、受熱面２２１が粗面とされている。粗面は鏡面と比較して輻射熱の反射率が小さく輻射率が高い。したがって、従来のように受熱面が略鏡面である場合と比較して、本実施形態における受熱板２２は、より多くの輻射熱を吸収してより多くの熱を熱電モジュール２１に伝熱する。
【００１９】
なお、各熱電モジュール２１は、ダイオード等の逆流防止器１０を備えた電力回収ライン１１を介して蓄電装置１２と接続されている。蓄電装置１２は、電力供給ライン１３を介して制御装置１４と接続されている。そして、制御装置１４は、蓄電装置１２から供給される電力を用いて動作する。
【００２０】
このように構成された抵抗加熱炉１が動作すると、上述のようにワークＸが加熱処理され、これに伴って加熱室３から輻射熱Ｌが放熱される。すなわち、抵抗加熱炉１においては、加熱室３が熱源となっている。
【００２１】
そして、加熱室３からの輻射熱Ｌは、熱電変換装置２０において受熱板２２の粗面とされた受熱面２２１によって吸収される。受熱板２２に吸収された熱は、受熱板２２の内部を伝熱され、当接面２２２を介して熱電モジュール２１に伝熱される。そして、熱電モジュール２１に電熱された熱は電力に変換される。
【００２２】
熱電モジュール２１において発電された電力は、電力回収ライン１１を介して蓄電装置１２に送電され、蓄電装置１２において一時的に蓄電される。そして、蓄電装置１２に一時的に蓄電された電力は、適宜電力供給ライン１３を介して制御装置１４に供給され、制御装置１４の動作のために消費される。
【００２３】
このように本実施形態の熱電変換装置２０によれば、受熱板２２の受熱面２２１が粗面とされ、粗面とされた受熱面２２１を介して受熱板に吸収された輻射熱が熱電モジュール２１に伝熱される。粗面とされた受熱面２２１は、鏡面である場合と比較してより多くの輻射熱を吸収する。すなわち粗面とすることによって受熱面２２１の輻射率が向上する。
したがって、本実施形態の熱電変換装置２０によれば、より多くの輻射熱を熱電モジュール２１に効率的に伝達することが可能となり、熱電変換装置２０における熱から電力への変換効率をより向上させることが可能となる。
【００２４】
また、このような本実施形態の熱電変換装置２０を備える抵抗加熱炉１は、従来の抵抗加熱炉と比較して、より多くの熱を電力に変換し、この電力を制御装置等において用いることが可能となるため、よりエネルギー効率の良いものとなる。
【００２５】
図３は、熱電変換装置２０の受熱板２２の受熱面２２１を粗面とした場合と鏡面とした場合とにおける受熱板２２の輻射率について比較するための実験データである。
なお、本実験において、受熱面２２１が鏡面の場合の表面状態は、Ｒａが０．０１μｍ、ＲＭＳが０．０１μｍ、Ｒｍａｘが０．２７μｍ、Ｒｚが０．２０μｍとし、受熱面２２１が粗面の場合の表面状態は、Ｒａが１．４１、ＲＭＳが１．８０μｍ、Ｒｍａｘが１７．２５μｍ、Ｒｚが１２．３９μｍとした。
【００２６】
そして、図３に示すように、受熱面２２１が鏡面の場合における受熱板２２の輻射率は、熱源の温度が２００℃の場合に０．１０μｍであり、３００℃の場合に０．１１μｍであった。一方、受熱面２２１が粗面の場合における受熱板２２の輻射率は、熱源の温度が２００℃の場合に０．１９μｍであり、３００℃の場合に０．２０μｍであった。
この結果から、受熱面２２１が粗面とされている場合には、鏡面とされた場合よりも、受熱板２２の輻射率が向上することが分かった。
【００２７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００２８】
上記第１実施形態においては、熱電変換装置２０を抵抗加熱炉１に設置した構成について説明した。本第２実施形態においては、熱電変換装置２０を連続炉３０（熱処理装置）に設置する構成について説明する。
【００２９】
図４は、本第２実施形態の連続炉３０を模式的に示した断面図である。この図に示すように、本実施形態の連続炉３０は、加熱することによってワークＸの温度を上昇させる昇温部３１と、昇温部３１によって昇温されたワークＸを、温度を保持した状態で所定ガス雰囲気に晒すことによってガス処理する保持部３２と、保持部３２によってガス処理されたワークＸを水冷板３４によって冷却する冷却部３３とを有している。そして、昇温部３１と保持部３２と冷却部３３とは連接されており、ワークＸは、ベルトコンベア等の搬送部３５によって昇温部３１、保持部３２、冷却部３３の順に搬送される。
【００３０】
このような連続炉３０においては、ワークＸが加熱された状態で搬送されるため、常にワークＸから輻射熱が放熱される。すなわち、本実施形態の連続炉３０においては、ワークＸが熱源となっている。
そして、昇温部３１、保持部３２及び冷却部３３の内部に熱電変換装置２０が複数設置されている。
【００３１】
連続炉３０においては、ワークＸから放熱された輻射熱が熱電変換装置２０によって電力に変換され、この電力が制御部（不図示）等において用いられる。
そして、熱電変換装置２０がより多くの熱を電力に変換するものであるために、連続炉は、従来の連続炉と比較して、よりエネルギー効率の良いものとなる。
【００３２】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る熱電変換装置及び熱処理装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３３】
例えば、上記実施形態においては、本発明の熱電変換装置２０が設置される熱処理装置の一例として、抵抗加熱炉や連続炉を挙げて説明した。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、輻射線を射出する熱源を有する熱処理装置全般に適用することができる。
【００３４】
また、上記実施形態においては、受熱板２２が板状部材である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、板状ではない他の形状を有する受熱部を用いても良い。なお、このような構成を採用する場合であっても、受熱部における輻射熱を受ける面、すなわち受熱面が粗面とされる。
また、受熱板２２の大きさは必ずしも熱電モジュールと同一でなくても構わない。例えば、受熱面２２１の領域をより確保するために、受熱面２２１が熱電モジュール２１の上面よりも広い受熱板であっても構わない。
【００３５】
また、例えば、さらに輻射率を向上させるために、輻射率の高い材料からなる膜を
受熱面上に形成しても構わない。このような膜の材料としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、スズアンチモン複合酸化物、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用いることができる。
【００３６】
また、上記実施形態においては、受熱板２２の当接面２２２と熱電モジュール２１とが当接している構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、受熱板の当接面２２２と熱電モジュール２１との間に挟まれた他の部材を介して熱を伝熱する構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態である熱電変換装置を備える抵抗加熱炉の概略構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である熱電変換装置を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態である熱電変換装置が備える受熱板の輻射率と従来の熱電変換装置が備える受熱板の輻射率とを比較するための実験データである。
【図４】本発明の一実施形態である熱電変換装置を備える連続炉の概略構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１……抵抗加熱炉（熱処理装置）、３……加熱室（熱源）、２０……熱電変換装置、２１……熱電モジュール、２２……受熱板、２２１……受熱面、２２２……当接面、Ｌ……輻射熱、Ｘ……ワーク（熱源）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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