(57)【要約】【課題】熱電変換モジュールの熱効率に優れるとともに、この熱電変換モジュールを使用した場合に炉のメンテナンスが容易であり、しかも炉を長期間安定して使用することができる熱電変換ユニットを備えるトンネル型炉を提供することを目的としている。【解決手段】複数の熱電変換素子を互いに離間して配置してなる熱電変換モジュールを受熱部材と冷却部材とで把持し、上記受熱部材と上記冷却部材との間に形成された空間内に、非酸化性ガスを存在させる。【選択図】          図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電変換素子を互いに離間して配置してなる熱電変換モジュールを受熱部材と冷却部材とで把持し、前記受熱部材と前記冷却部材との間に形成された空間内に、非酸化性ガスを存在させたことを特徴とする熱電変換発電ユニット。
【請求項２】
加熱部と冷却部とを有し、これら加熱部および冷却部の内部で被加熱体を順次搬送するトンネル型炉において、前記加熱部と前記冷却部との間に請求項１に記載の熱電変換発電ユニットを備えたことを特徴とするトンネル型炉。
【請求項３】
内部で被加熱体が搬送される内管と、この内管の外周面の少なくとも一部に互いに離間して配置された熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールを覆う冷却手段とを備え、前記内管の少なくとも一部に、前記内管の内部から前記内管と前記冷却手段とにより形成された空間へ連通する複数の孔を設けるとともに、前記空間から外部に通ずるガス排出部を設け、前記内管の内部から前記空間を介して外部へ非酸化性ガスを流通させたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル型炉。
【請求項４】
内部で被加熱体が搬送される内管と、この内管の外周面の少なくとも一部に互いに離間して配置された熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールを覆う冷却手段とを備え、外部から前記内管と前記冷却手段とにより形成された空間へ連通するガス供給部およびガス排出部を設け、外部から前記空間を介して外部へ非酸化性ガスを流通させたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル型炉。
【請求項５】
前記熱電変換素子と、前記冷却手段とを着脱可能としたことを特徴とする請求項４に記載のトンネル型炉。
【請求項６】
内部で被加熱体が搬送される内管と、この内管の内周面の少なくとも一部と内管内に設けられた受熱部材との間に把持された熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの配設位置に対応して前記内管を覆う冷却手段とを備え、前記内管の内部に非酸化性ガスを存在させたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル型炉。
【請求項７】
前記受熱部材を、前記内管に連結された固定アングルによって支持し、または前記内管に溶接されたボルトにより締結することを特徴とする請求項６に記載のトンネル型炉。
【請求項８】
内部で被加熱体が搬送される内管と、この内管の内周面の少なくとも一部に、前記内管に連結されたフックにより互いに離間して支持された熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールに対し前記内管とは逆側にリベット締結された受熱部材と、前記熱電変換モジュールの配設位置と対応して前記内管を覆う冷却手段とを備え、前記内管の内部に非酸化性ガスを存在させたことを特徴とする請求項２に記載のトンネル型炉。
【請求項９】
前記受熱部材に複数のフィンを設けることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のトンネル型炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換してゼーベック効果を利用するための熱電変換ユニットおよびこのユニットを備えるトンネル型炉に係り、とくに、熱効率に優れるとともにメンテナンスが容易であり、しかも長期間安定して使用できるトンネル型炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールによる直接発電システムは、構造が簡単で可動部分がないため、信頼性が高く保守点検が容易であるという利点があるが、現状の出力密度およびエネルギー変換効率は未だ低いため、宇宙用など特殊な用途でしかも低い出力規模に限って開発が行われてきた。しかしながら、昨今の環境対策の観点から、ゴミ焼却炉などの廃熱を利用した発電システムへの適用が期待を集めており、発電単価の低減や熱電変換モジュールシステムの耐久性の向上などが望まれている。
【０００３】
このような熱電変換モジュールは、無端ベルト式もしくはプッシャー式の粉末冶金用の焼結炉、または空気等の雰囲気で加熱されるセラミックス用の焼結炉（以下、「トンネル型炉」と称する。）に適用することができる。具体的には、トンネル型炉により生ずる廃熱を利用して発電し、例えば電気炉の稼働に供することができる。このような熱電変換モジュールを利用した技術としては、無端ベルト型の連結炉の昇温部、加熱部、冷却部の内周面に、セラミックと黒鉛とを備える熱電変換モジュールを付設した構成の工業炉用熱電発電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１７１７７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、熱電変換モジュールを昇温部または加熱部に設けると、熱電変換モジュールを冷却する冷却手段による熱損失が発生し、全体として優れた熱効率を実現することができない。また、上記技術では、炉の内周面に熱電変換モジュールが設けられていることから、メンテナンスを施すことが困難であり、炉の稼働中には、熱電変換モジュールの補修作業を行うことができない。さらに、上記技術では、熱電変換モジュールを炉壁に垂下させた構造を採用している。この垂下構造と各部材間の熱応力緩和手段が不十分であることが相まって、熱電変換モジュールが炉の稼働中に剥離落下するおそれがあり、また酸化性ガス雰囲気を採用しているため、熱電変換モジュールが酸化して機能劣化するおそれもある。このため、上記技術には、炉を長期間安定的に使用することができないという問題がある。
【０００６】
よって、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱電変換モジュールの熱効率に優れるとともに、この熱電変換モジュールを使用した場合に炉のメンテナンスが容易であり、しかも炉を長期間安定して使用することができる熱電変換ユニットおよびそのユニットを備えるトンネル型炉を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電変換ユニットは、複数の熱電変換素子を互いに離間して配置してなる熱電変換モジュールを受熱部材と冷却部材とで把持し、上記受熱部材と上記冷却部材との間に形成された空間内に、非酸化性ガスを存在させたことを特徴としている。本発明の熱電変換ユニットによれば、受熱部材と冷却部材との間に形成された空間内に、非酸化性ガスを存在させたことから、熱電変換モジュールの酸化が発生せず、機能劣化することがない。また、この熱電変換ユニットは、上記構造から、新設備に採用することができることはもちろん、既存設備に容易に付設することもできる。なお、上記付設の際には、熱電変換ユニットと他の部材との間のギャップを結合剤で充填すると、熱伝導性が一層高められ、これにより発電性能が向上する。
【０００８】
ここで、熱電変換モジュールとは、具体的には、複数の熱電変換素子と接続パッドで接続し、銅板で挟み込んだものであり、通常は２５ｍｍ角程度のものをいう。また、接続パッドとは、電気絶縁体を電気伝導性および熱伝導性の良好な銅で挟み込み、これらの熱膨張係数の違いによる熱応力の相違を緩和するために、銅と電気絶縁体の間にこれらの混合物中間層を備える複層構造部材をいう。接続パッドは、全体的に熱伝導性が良好であり、熱電変換素子間の電気結線の機能、受熱と放熱側との電気絶縁部分、温度勾配および銅と電気絶縁体との熱膨張差による応力緩和機能が得られる。接続パッドは、粉末冶金法により、一体にまたは層を分割して製造することができる。
【０００９】
次に、本発明のトンネル型炉は、加熱部と冷却部とを有し、これら加熱部および冷却部の内部で被加熱体を順次搬送するものであって、上記加熱部と上記冷却部との間に上述した本発明の熱電変換発電ユニットを備えたことを特徴としている。このようなトンネル型炉によれば、例えば、加熱部に、煉瓦等を設けて断熱するとともに、発電部を加熱部と冷却部との間に設けることで、熱電変換モジュールの優れた熱効率を実現することができる。また、本発明のトンネル型炉は、上記した熱電変換モジュールを使用していることから、例えば、炉の外周面に熱電変換モジュールを設けることもでき、この場合には、炉のメンテナンスが容易である。さらに、本発明のトンネル型炉では、熱電変換モジュールの炉の外周面への付設や、熱電変換モジュールの構成部材として熱応力緩和部材（例えば、特許文献２に記載の傾斜材料）の使用が可能である。このため、熱電変換モジュールが炉の稼働中に剥離落下することがない。また、炉の稼働時には、非酸化性ガス雰囲気を採用しているため、熱電変換モジュールが酸化して機能劣化するおそれもない。したがって、炉を長期間安定して使用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、従来のメッシュベルト式焼結炉の一般的構造を示す断面図である。同図に示す炉は、３つのユニット、すなわち予熱ゾーン１、加熱ゾーン２および冷却ゾーン３に分かれており、上記各ゾーン１，２，３ごとに分割された内管１ａ，２ａ，３ａが互いに締結され、各内管１ａ，２ａ，３ａの中を連続的に無端ベルト４が通っている。
【００１１】
予熱ゾーン１では、内管１ａの周囲にヒータ１ｂが取り付けられ、その外側は耐熱煉瓦１ｃにより包囲されている。加熱ゾーン２は、内管２ａの周囲にヒータ２ｂが取り付けられ、その外側は耐熱煉瓦２ｃにより包囲されている。冷却ゾーン３は、内管３ａの周囲にウォータージャケット３ｂが取り付けられている。ヒータ１ｂ，２ｂは、ともに電熱式であり、内管内には還元性ガス（例えば、水素ガス、または水素と窒素との混合ガス）が存在している。
【００１２】
使用に際し、加熱ゾーン２は、鉄系焼結合金用では１１００〜１２００℃、銅焼結合金用では７５０〜７８０℃とする。また、予熱ゾーン１および加熱ゾーン２の炉表面温度は約５００℃とする。無端ベルト４上の焼結されたワークは、蓄熱された状態から冷却ゾーン３に移動するとウォータージャケット３ｂにより酸化しない温度まで冷却されて取り出される。ウォータージャケット３ｂの冷却水は、随時補給され、暖まった水はプール等に導かれて大気放熱するか、冷却装置で冷やされてリサイクルされる。なお、図１に示すトンネル型炉には、本発明の熱電変換モジュールは配置されていない。
【００１３】
図２は、本発明の実施形態のメッシュベルト式焼結炉の一般的構造を示す断面図である。同図に示す炉は、図１に示す炉と異なり、４つのユニット、すなわち予熱ゾーン１１、加熱ゾーン１２、冷却ゾーン１３、および加熱ゾーン１２と冷却ゾーン１３との間に配置された発電ゾーン１４に分かれており、上記各ゾーン１１，１２，１３，１４ごとに分割された内管１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａが互いに締結され、各内管１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａの中を連続的に無端ベルト１５が通っている。
【００１４】
予熱ゾーン１１、加熱ゾーン１２および冷却ゾーン１３の構造は、図１に示す従来構造と同様である。また、発電ゾーン１４は、内管１４ａの周囲に本発明の熱電変換モジュール１４ｂが取り付けられた構造となっている。なお、内管内には還元性ガスが存在している。
【００１５】
このように、内管１４ａを含む発電ゾーン１４を加熱ゾーン１２と冷却ゾーン１３との間に挿入する構造を採用することにより、熱電変換素子の起電力発生効率を高めることができる。なお、図３に示すように、加熱ゾーン１２と冷却ゾーン１３との間に、２つの発電ゾーン１４，１５を挿入することもできる。具体的には、各内管１４ａ，１５ａの周囲に熱電変換モジュール１４ｂ，１５ｂを取り付ける。これにより、発電効果をさらに高めることができる。この場合、高温側の熱電変換モジュール１４ｂには、例えば、ＳｉＧｅ素子を使用することができ、また、低温側の熱電変換モジュール１５ｂには、例えば、ＰｂＴｅ素子を使用することができる。また、ＳｉＧｅ素子の発電性能は、約８３０℃で最大であり、ＰｂＴｅ素子の発電性能は、約４００℃で最大である。よって、炉の冷却ゾーンの温度に対応して、ＳｉＧｅ素子は４５０〜９００℃の範囲、ＰｂＴｅ素子は２００〜４５０℃の範囲で効率よく発電することができる。
【００１６】
次に、図２および図３に示す発電ゾーン１４，１５に使用する熱電変換モジュールについて具体的に説明する。
図４（ａ），（ｂ）は、本発明の熱電変換モジュールの一部を示す断面図である。これらの図に示す熱電変換モジュールは、Ｐ型熱電変換素子２１とＮ型熱電変換素子２２と、隣接する素子２１，２２を接続する接続パッド２３とから構成されている。なお、図示は省略されているが、接続パッド２３の外側には銅板が固定されている。
【００１７】
ここで、接続パッド２３は、熱電変換素子のＰ型とＮ型とを接続し、電気絶縁するとともに熱伝導を実現するためのものである。図４（ａ），（ｂ）ともに、接続パッド２３は粉末積層成形および焼結を経て製造することができる。
【００１８】
図４（ａ）では、接続パッド２３は、素子２１，２２側から銅層２３ａ、銅とアルミナとの混合層２３ｂ、アルミナ層２３ｃ、銅とアルミナとの混合層２３ｄ、および銅層２３ｅからなる構成が採用されている。これに対し、図４（ｂ）では、接続パッド２３は、素子２１，２２側から銅層２３ｆ、銅とアルミナとの混合層２３ｇ、およびアルミナ層ｈからなる構成が採用されている。ここで、混合層２３ｂ，２３ｄ，２３ｇは、例えば、銅とアルミナとの混合比を１：１とした混合層とすることができ、また他の傾斜組成を採用することもできる。
【００１９】
図４（ａ），（ｂ）に示した接続パッド２３の各層２３ａ〜２３ｈは、各層２３ａ〜２３ｈの間に結着剤等の接合剤を介在させて接合することができ、また各層２３ａ〜２３ｈを単に積み重ねて適当な締結具を用いて把持し接合することもできる。なお、図４（ｂ）に示す接合パッド２３は、アルミナ層２３ｈが露出した構造となっており、この構造は、アルミナ層２３ｈとこのアルミナ層２３ｈと接する図示しない銅板（受熱板または放熱板）との間でスリップすることが想定できる場合に適用することができる。
【００２０】
上記した接合剤としては、炭素系物質と結着剤との混合剤や、銅粉または銀粉を水ガラスに分散させた銅ペーストまたは銀ペーストを使用することができる。また、上記混合剤を使用する場合には、高温側（受熱板側）には低融点ガラスを使用することができ、低温側（放熱板側）には樹脂系物質を使用することが望ましい。さらに、上記結着剤は、各部材の接着機能、固定機能、部材間の凹凸部の充填機能、熱伝導機能、および電気伝導機能を有し、使用温度および決着箇所に応じて選択することができる。
【００２１】
また、図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の熱電変換モジュールの好適な形状を示す断面図である。これらの図に示す熱電変換モジュールは、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２と、隣接する素子３１，３２を接続する接続パッド３３と、接続パッド３３の外側に位置する銅板３４，３５とから構成されている。
【００２２】
図５（ａ）に示す例では、各部材３１〜３５は、接合材を用いて一体となっており、後行程で炉に全体として平面に取り付けられる。図５（ｂ）に示す例では、上下面が円筒状に湾曲した構造となっており、円筒曲面に取り付けられる。この例では、接続パッド３３を湾曲形状に圧粉成形することによって湾曲形状を実現している。図５（ｃ）に示す例は、図５（ｂ）に示す例と同様に、上下面が湾曲した構造となっているが、この例では、銅板３４，３５（受熱板または放熱板）を湾曲形状に圧粉成形することによって湾曲形状を実現している。図５（ｄ）は、銅板３４，３５をボルト３６により締結した構造を採用している。この例を採用する場合には、熱電変換素子３１，３２および接続パッド３３の間には、ボルト３６から離間するにつれて隙間が生じ易い。このため、この隙間を埋める充填剤として接合材を各部材間に塗布することが望ましい。
【００２３】
さらに、図６（ａ），（ｂ）は、図５に示す熱電変換モジュールの結線例を示す上面図である。図６（ａ）に示す例は、４７個の熱電変換素子４１を加熱側結線４２と冷却側結線４３とにより直列に結線した例であり、例えば、熱電変換素子４１ａと４１ｂとを出力端子とすることができる。この例は、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すいずれの例にも対応するものである。なお、図６（ａ）に示す空白部４４にボルトを配置した場合が、図５（ｄ）に示す例に対応するものとなる。熱電変換モジュール内の結線は、接続パッドの表面銅層によりなされる。このように、各熱電変換モジュールの出力端子同士を直列結線し、コンバータを介して蓄電池へ、あるいは変圧器を介して照明等の付加装置に出力することができる。なお、図６（ｂ）に示す例は、４２個の素子４２を直列結線した他の結線例である。
【００２４】
以上は、本発明の好適な熱電変換モジュールであるが、以下に本発明の熱電変換モジュールを用いたトンネル型炉についての好適例を具体的に説明する。
図７は、本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの一例を示す断面図である。この発電ゾーンは、内管５１と、内管５１の外周面の少なくとも一部（同図では、外周面の上部および図示しない外周面の両側部）に互いに離間して配置された複数の熱電変換モジュール５２と、複数の熱電変換モジュール５２を覆うウォータージャケット５３とを備えている。また、この発電ゾーンは、内管５１の少なくとも一部に、内管の内部５４から内管５１とウォータージャケット５３とにより形成された空間５５へ連通する複数の孔５６が形成されているとともに、空間５５から外部に通ずるガス排出管５７が形成されており、内管の内部５４から空間５５を介して外部へ非酸化性ガスを流通させる構造となっている。さらに、内管５１とウォータージャケット５３の下板との間は密閉シール５８により密閉状態とされている。なお、上記非酸化性ガスは、水素、または水素と窒素（アンモニア分解ガスを含む）との混合ガスとすることが望ましい。
【００２５】
このような構成の下、図示しない無端ベルト上で熱せられたワークの熱により内管５１の温度が上昇する。この温度上昇により得られた熱を熱電変換モジュール５２の一端により受けるとともに、ウォータージャケット５３により熱電変換モジュール５２の他端が冷却され、これらの温度差に応じてゼーベック効果に基づく発電がなされる。炉の使用時には、熱電変換モジュール５２は相当の温度に上昇しており、この温度は空気中では熱電変換モジュール５２が酸化する程度の温度である。しかしながら、熱電変換モジュール５２同士の間およびモジュールを構成する素子同士の間には隙間が存在し、これらの隙間に非酸化性ガスが流通するので、熱電変換モジュール５２が酸化されて劣化することはない。なお、外部に放出された非酸化性ガスは燃焼処理される。
【００２６】
図８は、図７に示す発電ゾーンの軸断面図である。各部材の配置および固定を実施する際には、例えば、内管５１の熱電変換モジュール５２を設置する予定面を上にし、銅ペースト等の接合剤を塗布して熱電変換モジュール５２を積載するとともに、熱電変換モジュール５２同士を結線する。次いで、熱電変換モジュール５２の最上面に位置する銅板上に接合剤を塗布した後、ウォータージャケット５３を積載してボルト締めする。以上の操作を熱電変換モジュール５２を設置する予定面全てに対して順次行う。ここで使用する接合剤は、熱可塑性であってもそのまま使用することができる。接合剤は、上述したように、各部材の当接部に生じた隙間を埋め、熱伝導性を良好にするためのものであるため、黒鉛系よりも銅系を用いることが好ましく、銀系を用いることがさらに好ましい。以上のように組み立てられた発電ゾーンは、図７に示すように隣り合うゾーン（点線部分）と内管を連結して使用される。なお、以上に示した例は、単なる一例であり、各部材の配置および固定は種々の設計変更が可能である。
【００２７】
図９は、本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図である。この発電ゾーンは、内管６１と、内管６１の外周面の少なくとも一部（同図では、外周面の上部および図示しない外周面の両側部）に互いに離間して配置された複数の熱電変換モジュール６２と、複数の熱電変換モジュール６２を覆うウォータージャケット６３とを備えている。また、この発電ゾーンには、外部から内管６１とウォータージャケット６３とにより形成された空間６４へ連通するガス供給管６５およびガス排出管６６が形成されており、外部から空間６４を介して外部へ非酸化性ガスを流通させる構造となっている。
【００２８】
このような構成の下では、内管６１の内部の雰囲気がたとえ空気等の酸化性ガスであっても、熱電変換モジュール６２が収納されている空間６４は、内管６１の内部と隔離されており、しかも空間６４には非酸化性ガスが導入されているので、熱電変換モジュール６２が酸化して劣化することはない。
【００２９】
図１０は、本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図であり、本例は図９に示したトンネル型炉の変形例である。本例の基本的構造は、図９に示す発電ゾーンの構造と同じであるが、本例では、熱電変換モジュール６２とウォータージャケット６３とが着脱可能な構造となっている。すなわち、熱電変換モジュール６２がウォータージャケット６３の底部と直接接続されておらず、これら部材６２，６３の間には別途に分割部材６７が取り付けられている。
【００３０】
このような構成の下では、熱電変換モジュール６２やウォータージャケット６３の組み立ておよび補修が容易である。また、熱電変換モジュール６２とウォータージャケット６３との間は、組み立ての際に隙間を生じ易いことから、銅ペースト等の接合材を塗布しておくことが好ましい。なお、本例の発電ゾーンは、熱電変換モジュール６２が収納されている空間６４に非酸化性ガスを流通させて使用することができるが、ガス管６８に図示しない真空ポンプを接続し、空間６４内を脱気減圧して使用することもできる。
【００３１】
図１１は、図７〜図１０に示した各種構造の発電ゾーンにて出力電気を外部に取り出すための構造を示す断面図である。この構造では、例えばウォータージャケットと接している冷却板７１を貫通する孔７２に±の各銅線７３，７４が埋め込まれたセラミックス等の絶縁材７５をシール材７６を介して装着された構造が採用されている。このように、熱電変換モジュール７７からの銅線７３，７４を結線することで、出力電気を外部に導き出すことができる。なお、熱電変換モジュール７７を脱気減圧状態で使用する場合には、図に示すように、真空ポンプ接続口７８を設けることが望ましい。
【００３２】
図１２は、本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図であり、本例は図７，８に示したトンネル型炉の変形例である。この発電ゾーンは、内管８１と、内管８１の内周面の少なくとも一部（同図では、外周面の上部および図示しない外周面の両側部）と内管８１内に設けられた受熱部材８２との間に挟まれ配置された複数の熱電変換モジュール８３と、複数の熱電変換モジュール８３の配設位置に対応して内管８１を覆うウォータージャケット８４とを備えている。また、この発電ゾーンは、内管８１内部に非酸化性ガスを流通させる構造となっている。
【００３３】
この構成の下では、図７，８に示す発電ゾーンと同様に、炉内雰囲気ガスにより熱電変換モジュール８３の酸化防止を図ることができる。本例では、内管８１の内側に熱電変換モジュール８３を設置し、受熱部材８２で熱電変換モジュール８３の落下等を防止するとともに受熱する構造を採用している。受熱性向上のためには、受熱部材８２を銅製とすることが好ましく、また、受熱部材８２を、図１２に示すように、複数のフィン８２ａを有する構造とすることが好ましい。
【００３４】
実際に、各部材を組み立てる場合には、内管８１の熱電変換モジュール８３を設置する予定面を下にして、銅ペースト等の接合剤を塗布して熱電変換モジュール８３を積載する。次いで、熱電変換モジュール８３を受熱部材８２で覆い、受熱部材８２と、それに対向する内管８１の内面とに棒等で楔を打ち、受熱部材８２が移動しないようにする。最後に、図１２に示すように、固定アングル８４を用いて適当な強度に固定し、棒等を取り去る。以上の操作を熱電変換モジュール８３を設置する予定面全てに対して順次行う。なお、固定アングル８４間は、耐熱シート８５で塞がれている。以上のように組み立てられた発電ゾーンは、図１２に示すように隣り合うゾーンと内管を連結して使用される。
【００３５】
図１３は、本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図であり、本例は図１２に示したトンネル型炉の変形例である。本例の基本的構造は、図１２に示す発電ゾーンの構造と同じであるが、本例では、受熱部材８２が、内管８１に溶接されたボルト８６により締結されている。本例においても、図１２に示す例と同様の効果が得られる。
【００３６】
図１４は、図１２，１３に示す発電ゾーンの接合形態を示す軸断面図であり、複数の熱電変換モジュール８３が、内管８１の上部湾曲面と、両側面とに設置されており、下側面に無端ベルト８７が通っている。
【００３７】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、図１４に示す発電ゾーンの主要構成部材の接合形態を部分的に示す断面図である。図１５（ａ）に示す例では、内管８１、熱電変換モジュール８３および受熱部材８２の接合に、接合剤は一切使用していない。図１５（ｂ）に示す例では、内管８１と熱電変換モジュール８３との接合にのみ、接合剤８８を使用している。図１５（ｃ）に示す例では、内管８１と熱電変換モジュール８３との間の接合、および熱電変換モジュール８３と受熱部材８２との間の接合に、接合剤８８を使用している。このように、接合剤の使用は、適宜決定することができるが、接地面が大きくかつ平滑でない場合や、面状態が良好でない内管８１との接合を実施する場合には、接合剤を用いて隙間充填を行い、熱伝導性を高めることが望ましい。
【００３８】
図１６は、本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図であり、図１７は、図１６に示す各部材の取り付け構造を詳細に示す断面図である。この発電ゾーンは、図１６，１７に示すように、内管９１と、内管９１の内周面の少なくとも一部（同図では、外周面の上部および図示しない外周面の両側部）に、内管９１に連結された断面Ｔ字状のフック９２により互いに離間して支持された複数の熱電変換モジュール９３と、各熱電変換モジュール９３に対し内管９１とは逆側にリベット９４により締結された受熱部材９５と、複数の熱電変換モジュール９３の配設位置と対応して内管９１を覆うウォータージャケット９６とを備えている。また、この発電ゾーンは、内管９１内部に非酸化性ガスを流通させる構造となっている。
【００３９】
実際に、各部材を組み立てる場合には、内管９１内部に複数の断面Ｔ字状のフック９２を溶接し、内管９１内面の熱電変換モジュール９３を配設する予定面に銅ペースト等の接合剤９７を塗布する。次いで、外側銅板９３ａ，９３ｂが幅広となっている熱電変換モジュール９３をフック９２間の凹部に嵌合させて装着し、ねじ止めする。最後に複数のフィン９５ａを有する受熱部材９５の銅板本体部分９５ｂと熱電変換モジュール９３の外側銅板９３ｂとをリベット９４により締結する。
【００４０】
以上図７、９，１０，１２，１３，１６に示した発電ゾーンを備えるトンネル型炉は、いずれも、加熱部には煉瓦等を設けて断熱するとともに、発電部を加熱部と冷却部との間に設けることで、熱電変換モジュールの優れた熱効率を実現することができる。また、これらのトンネル型炉は、とくに炉の外周面に熱電変換モジュールを設けることもでき、この場合には、炉のメンテナンスが容易である。さらに、上記トンネル型炉では、熱電変換モジュールの炉の外周面への付設や、熱電変換モジュールの構成部材として熱応力緩和部材の使用が可能である。このため、熱電変換モジュールが炉の稼働中に剥離落下することがない。また、炉の稼働時には、非酸化性ガス雰囲気を採用しているため、熱電変換モジュールが酸化して機能劣化するおそれもない。したがって、炉を長期間安定して使用することができる。
【００４１】
なお、図７、９，１０，１２，１３，１６に示した発電ゾーンを備えるトンネル型炉は、いずれも、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子にＳｉＴｅを使用した場合には、各素子から５Ｗの出力が得られる。このため、２０００個のＳｉＴｅ素子を使用した場合には、１０ｋＷの出力が得られ、年間約６１３００ｋＷの出力が期待できる。また、発電された電気は、現場の照明、制御温度計測機器等の運転、炉から排出された昇温後の冷却水の再冷却用モータの駆動に使用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、とくに、発電部の位置の適正化、熱電変換モジュールの配設構造の適正化、熱電変換モジュールの構成部材の適正化、および熱電変換モジュールの使用雰囲気の適正化により、熱電変換モジュールの優れた熱効率の実現を前提に、炉のメンテナンスが容易であり、しかも長期間安定して使用することができるトンネル型炉を提供することができる。よって、本発明は、昨今の環境対策に鑑みた廃熱を利用した発電システムのトンネル型炉への適用を有利に実現することができる点で有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のメッシュベルト式焼結炉の一般的構造を示す断面図である。
【図２】本発明のメッシュベルト式焼結炉の一般的構造を示す断面図である。
【図３】本発明のメッシュベルト式焼結炉の他の構造を示す断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の熱電変換モジュールを示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の熱電変換モジュールの好適形状について示す断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、それぞれ図５に示す熱電変換モジュールの結線例を示す上面図である。
【図７】本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの一例を示す断面図である。
【図８】図７に示す発電ゾーンの軸断面図である。
【図９】本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図である。
【図１０】本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図である。
【図１１】図７〜図１０に示した各種構造の発電ゾーンにて出力電気を外部に出すための構造を示す断面図である。
【図１２】本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図である。
【図１３】本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図である。
【図１４】図１２，１３に示す発電ゾーンの接合形態を示す軸断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１４の接合形態を部分的に示す断面図である。
【図１６】本発明のトンネル型炉の発電ゾーンの他の例を示す断面図である。
【図１７】図１６に示す各部材の取り付け構造を詳細に示す断面図である。
【符号の説明】
５１…内管、５２…熱電変換モジュール、５３…ウォータージャケット、５４…内管の内部、５５…空間、５６…孔、５７…ガス排出管、５８…密閉シール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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