(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１方向に長い絶縁性可撓膜、及び前記１方向に沿って前記絶縁性可撓膜中に埋め込まれ、電気的に接続された奇数個の熱電変換パターンとを含み、前記１方向に関して折り畳むことにより前記奇数個の熱電変換パターンが積層配置され、厚さ方向に温度差が生じると発電を行う熱電発電部と、  
積層方向の最上方の前記熱電変換パターン上方、及び奇数番目の前記熱電変換パターン上方に配置された板状又は膜状部分を含み、それら板状又は膜状部分に熱的に結合して、前記熱電発電部の一方の側方に導出された部分を含む第１の伝熱機構と、  
積層方向の上方から偶数番目の前記熱電変換パターン上方、及び最下方の前記熱電変換パターン下方に配置された板状又は膜状部分を含み、それら板状又は膜状部分に熱的に結合して、前記熱電発電部の他方の側方に導出された部分を含む第２の伝熱機構と、  
を有し、
前記第１、第２の伝熱機構は、前記絶縁性可撓膜より高い熱伝導率を有し、少なくとも１つの方向に関して柔軟性を有し、前記絶縁性可撓膜の変形に応じて変形する熱電発電装置。
【請求項２】
前記絶縁性可撓膜は，前記熱電変換パターンを挟んだ第１、第２の絶縁性可撓膜を含む請求項１に記載の熱電発電装置。  
【請求項３】
前記第１、第２の絶縁性可撓膜は、ポリイミド、カプトン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルエチルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）のいずれかを含む請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記第１、第２の伝熱機構は、銅、銀、アルミニウムのいずれかを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。  
【請求項５】
前記熱電発電部の、前記熱電変換パターンが配置される部分各々は、前記第１の伝熱機構に熱的に結合し、前記絶縁性可撓膜よりも熱伝導率が高い材料で形成された第１の熱良導体と、前記第２の伝熱機構に熱的に結合し、前記絶縁性可撓膜よりも熱伝導率が高い材料で形成された第２の熱良導体とを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。  
【請求項６】
前記第１の熱良導体と前記第２の熱良導体とは、前記板状又は膜状部分の面内方向に関してずれた位置に配置されており、
前記熱電変換パターンは、前記第１の熱良導体に重なる位置から前記第２の熱良導体に重なる位置まで延在している請求項５に記載の熱電発電装置。  
【請求項７】
前記第１、第２の熱良導体は、前記板状又は膜状部分の平面への投影像が重ならないように配置された請求項６に記載の熱電発電装置。  
【請求項８】
前記熱電変換パターンが、Ｐ型熱電変換パターンおよびＮ型熱電変換パターンを含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度差を利用して熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題への関心の高まりから、様々なクリーンエネルギが注目されている。クリーンエネルギの一つとして、温度差を利用して、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電が挙げられる。
【０００３】
柔軟性を有する絶縁性のフィルムに熱電変換材料を形成した薄膜状の熱電発電素子が知られている。絶縁性のフィルムの両面に、面内方向にずらして熱伝導率の高い材料を取り付けることにより、厚さ方向の温度差から、面内方向の温度差を生じさせる。この面内方向の温度差を利用して、熱電変換が行われる。
【０００４】
また、熱電変換材料が、フィルムの一方の表面から他方の表面まで接続する構造を持つ熱電発電素子が知られている。この熱電発電素子では、厚さ方向の温度差によって、熱電変換が行われる。
【０００５】
膜状の熱電変換素子と、断熱板とを交互に積層した熱電変換素子が知られている。積層方向と直交する方向の温度差を利用して、熱電発電が行われる。断熱板が挟まれていることにより、高温部から低温部への熱の伝導を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８６２５５号公報
【特許文献２】特開平８−１５３８９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. Micromech. Microeng. Vol. 15 (2005) S233-S238
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の熱電発電装置に比べて、発電能力を高めることが可能な熱電発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によると、１方向に長い絶縁性可撓膜、及び前記１方向に沿って前記絶縁性可撓膜中に埋め込まれ、電気的に接続された奇数個の熱電変換パターンとを含み、前記１方向に関して折り畳むことにより前記奇数個の熱電変換パターンが積層配置され、厚さ方向に温度差が生じると発電を行う熱電発電部と、積層方向の最上方の前記熱電変換パターン上方、及び奇数番目の前記熱電変換パターン上方に配置された板状又は膜状部分を含み、それら板状又は膜状部分に熱的に結合して、前記熱電発電部の一方の側方に導出された部分を含む第１の伝熱機構と、積層方向の上方から偶数番目の前記熱電変換パターン上方、及び最下方の前記熱電変換パターン下方に配置された板状又は膜状部分を含み、それら板状又は膜状部分に熱的に結合して、前記熱電発電部の他方の側方に導出された部分を含む第２の伝熱機構と、を有し、前記第１、第２の伝熱機構は、前記絶縁性可撓膜より高い熱伝導率を有し、少なくとも１つの方向に関して柔軟性を有し、前記絶縁性可撓膜の変形に応じて変形する熱電発電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１による熱電発電装置の断面図である。
【図２】実施例２による熱電発電装置の断面図である。
【図３−１】実施例２による熱電発電装置の製造途中段階における平面図及び断面図である。
【図３−２】実施例２による熱電発電装置の製造途中段階における平面図及び断面図である。
【図３−３】実施例２による熱電発電装置の製造途中段階における平面図及び断面図である。
【図３−４】実施例２による熱電発電装置の製造途中段階における平面図及び断面図である。
【図３−５】実施例２による熱電発電装置の製造途中段階における平面図及び断面図である。
【図３−６】実施例２による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図４】実施例３による熱電発電装置の断面図である。
【図５】実施例３による熱電発電装置の可撓膜の展開平面図及び温度分布を示すグラフである。
【図６】実施例４による熱電発電装置の分解斜視図及び断面図である。
【図７】実施例５による熱電発電装置の分解斜視図及び断面図である。
【図８】実施例６による熱電発電装置の可撓膜の展開平面図である。
【図９】実施例６による熱電発電装置の分解斜視図である。
【図１０】実施例７による熱電発電装置の断面図である。
【図１１】実施例８による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図１２】実施例８による熱電発電装置の断面図である。
【図１３】実施例９による熱電発電装置の断面図である。
【図１４】実施例９による熱電発電装置の可撓膜の展開斜視図及び温度分布を示すグラフである。
【図１５】実施例１０による熱電発電装置の可撓膜の展開平面図である。
【図１６】実施例１１による熱電発電装置の製造途中段階における斜視図である。
【図１７】実施例１１による熱電発電装置の断面図である。
【図１８】実施例１２による熱発電装置の断面図である。
【図１９】実施例１３による熱発電装置の断面図である。
【図２０】温度分布のシミュレーションを行った試料を断面図である。
【図２１】温度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図２２】実施例１４による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図２３】実施例１４による熱発電装置の断面図である。
【図２４】（２４Ａ）は、実施例１５による熱電発電装置の製造途中段階における断面図であり、（２４Ｂ）は、実施例１５による熱発電装置の断面図である。
【図２５】（２５Ａ）は、実施例１５の変形例による熱電発電装置の製造途中段階における断面図であり、（２５Ｂ）は、実施例１５の変形例による熱発電装置の断面図である。
【図２６】実施例１７による熱電発電装置の製造途中段階における平面図及び断面図である。
【図２７】実施例１７による熱電発電装置の製造途中段階における斜視図である。
【図２８】実施例１７による熱電発電装置の断面図である。
【図２９】（２９Ａ）及び（２９Ｂ）は、それぞれ実施例１７による熱電発電装置の温度分布のシミュレーションに用いた試料の平面図及び断面図であり、（２９Ｃ）は、比較例による熱電発電装置の断面図である。
【図３０】実施例１７及び比較例による熱電発電装置の温度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３１】（３１Ａ）は、実施例１８による熱電発電装置の製造途中段階における断面図であり、（３１Ｂ）は、実施例１８による熱電発電装置の断面図である。
【図３２】実施例１９による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図３３】実施例１９による熱電発電装置の断面図である。
【図３４】実施例２０による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図３５】実施例２０による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図３６】実施例２０による熱電発電装置の製造途中段階における断面図である。
【図３７】実施例２０による熱電発電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、実施例１〜実施例２０について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１に、実施例１による熱電発電装置の断面図を示す。板状または膜状の複数の熱電発電素子２０と、板状または膜状の複数の伝熱部材２１とが、交互に積層されている。熱電発電素子２０は、少なくとも３枚積層される。積層方向の両端には、伝熱部材２１が配置される。熱電発電素子２０の各々は、熱電発電素子２０の厚さ方向に温度差が生じると、発電を行う。
【００１４】
第１の熱結合部材２２が、積層方向に並ぶ伝熱部材２１同士を、一つおきに接続する。第２の熱結合部材２３が、第１の熱結合部材２２に接続されていない伝熱部材２１同士を接続する。第１の熱結合部材２２は、それに接続されている伝熱部材２１に熱的に結合し、第２の熱結合部材２３は、それに接続されている伝熱部材２１に熱的に結合している。
【００１５】
層間配線２４が、積層方向に相互に隣り合う熱電発電素子２０を電気的に接続する。例えば、複数の熱電発電素子２０が直列に接続される。両端の熱電発電素子２０の一方が、端子２５に接続され、他方が端子２６に接続されている。発電された電力が、端子２５、２６から取り出される。
【００１６】
熱電発電素子２０の積層枚数は奇数であり、伝熱部材２１の積層枚数は偶数である。このため、両端の伝熱部材２１の一方は第１の熱結合部材２２に接続され、他方は第２の熱結合部材２３に接続される。第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３、及び伝熱部材２１は、熱電発電素子２０に比べて熱伝導率が高い材料で形成されている。
【００１７】
両端の伝熱部材２１の一方、例えば第１の熱結合部材２２に接続された伝熱部材２１が高温になり、他方、例えば第２の熱結合部材２３に接続された伝熱部材２１が低温になる。このような温度差が生じると、第１の熱結合部材２２に接続されたすべての伝熱部材２１の温度が、第２の熱結合部材２３に接続された伝熱部材２１の温度よりも高くなる。これにより、熱電発電素子２０の各々に、厚さ方向の温度差が発生する。この温度差により発電が行われる。積層方向に隣り合う熱電発電素子２０に与えられる厚さ方向の温度勾配は、相互に逆向きになる。熱電発電素子２０の各々に与えられる温度差は、積層構造の最下面と最上面との温度差よりやや小さくなるものの、最下面と最上面との温度差が複数の熱電発電素子２０に均等に分割される場合よりも十分大きい。このため、熱電発電素子２０を積層することにより、単位面積当たりの発電能力を高くすることができる。
【実施例２】
【００１８】
図２に、実施例２による熱電発電装置の断面図を示す。帯状の第１の可撓膜３０と第２の可撓膜３１とが貼り合わせられて、長手方向に５層に折り畳まれている。折り畳まれた第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１のうち、厚さ方向に重なっている平板状の部分の各々が、１つの熱電発電素子２０（図１）に対応する。折り返し部分３３の第１の可撓膜３０と第２の可撓膜３１との間に、層間配線２４が配置されている。
【００１９】
熱電発電素子２０の各々は、第１の可撓膜３０の外側の表面に設けられた第１の熱良導体３７、第２の可撓膜３１の外側の表面に設けられた第２の熱良導体３８、及び第１の可撓膜３０と第２の可撓膜３１との間に挟みこまれた熱電変換パターン３２を含む。第１の熱良導体３７及び第２の熱良導体３８は、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１よりも熱伝導率の高い材料で形成される。一例として、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１には、ポリイミド、カプトン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルエチルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）等の絶縁性の材料を用いることができる。これらの材料から、熱電変換材料の成膜条件、熱電発電装置の使用条件等を吟味して、適切なものが選択される。第１の熱良導体３７及び第２の熱良導体３８には、例えば銅等の金属を用いることができる。
【００２０】
第１の熱良導体３７と第２の熱良導体３８とは、面内方向にずれた位置に配置されている。例えば、図２においては、第１の熱良導体３７と第２の熱良導体３８とが、図の左右方向、すなわち、折り畳む前の第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の長手方向にずれている。
【００２１】
熱電発電素子２０の間に、板状の伝熱部材２１が配置されている。第１の熱結合部材２２が、伝熱部材２１を、一つおきに接続する。図２においては、最も下の伝熱部材２１、及び最も下の伝熱部材２１から数えて奇数番目の伝熱部材２１に、第１の熱結合部材２２が接続されている。第２の熱結合部材２３は、偶数番目の伝熱部材２１に接続されている。
【００２２】
折り畳まれた積層構造の折り返し部分３３は、相互に反対側を向く２つの側面（図２において左側及び右側の側面）に現れる。第１の熱結合部材２２は、折り返し部分が現れる一方の側面（図２において左側の側面）に沿って配置され、第２の熱結合部材２３は、他方の側面（図２において右側の側面）に沿って配置される。
【００２３】
次に、実施例２による熱電発電装置の製造方法について説明する。
【００２４】
図３Ａａに示すように、帯状の第１の可撓膜３０に、５個の熱電発電部３４が画定されている。熱電発電部３４は、第１の可撓膜３０の長手方向に１列に配列する。熱電発電部３４の間に、折り返し部分３３が画定される。図３Ａｂに、図３Ａａの一点鎖線３Ａｂ−３Ａｂにおける断面図を示す。第１の可撓膜３０には、例えば厚さ５０μｍ、幅１０ｍｍのポリイミド膜が用いられる。第１の可撓膜３０の長手方向に関する熱電発電部３４の各々の寸法は、例えば３ｍｍ〜１００ｍｍである。熱電発電部３４の個数は、５個以外の奇数としてもよい。
【００２５】
第１の可撓膜３０の熱電発電部３４の一方の表面に、それぞれ１枚の第１の熱良導体３７を組み込む。第１の熱良導体３７には、例えば厚さ２５μｍの銅箔が用いられる。第１の熱良導体３７は、第１の可撓膜３０の表層部を削って形成された凹部内に埋め込むことにより、第１の可撓膜３０に組み込まれる。第１の熱良導体３７は、熱電発電部３４の各々の内部領域の、長手方向に偏った位置に配置される。実施例２においては、すべての熱電発電部３４内において、第１の熱良導体３７が同一の側（図３Ａａ及び図３Ａｂにおいて左側）に偏った位置に配置されている。
【００２６】
なお、複数の銅箔を載置した作業台の上にポリイミド前駆体溶液を塗布した後、イミド化することによって、第１の熱良導体３７が組み込まれた第１の可撓膜３０を作製してもよい。
【００２７】
図３Ｂａに示すように、第１の可撓膜３０の、第１の熱良導体３７が組み込まれた表面とは反対側の表面に、複数のＰ型熱電変換パターン３２Ｐを形成する。図３Ｂｂに、図３Ｂａの一点鎖線３Ｂｂ−３Ｂｂにおける断面図を示す。Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐの各々は、熱電発電部３４内に配置され、第１の可撓膜３０の長手方向に長い平面形状を有する。第１の可撓膜３０の幅方向に、複数（図３Ｂａにおいて３個）のＰ型熱電変換パターン３２Ｐが配列する。
【００２８】
Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐには、例えばクロメルが用いられ、その膜厚は約１μｍであり、幅は１ｍｍである。Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐは、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐを形成すべき領域に開口を持つメタルマスク４０を用いたスパッタリングにより形成することができる。
【００２９】
図３Ｃａに示すように、第１の可撓膜３０の表面に、複数のＮ型熱電変換パターン３２Ｎを形成する。図３Ｃｂに、図３Ｃａの一点鎖線３Ｃｂ−３Ｃｂにおける断面図を示す。Ｎ型熱電変換パターン３２Ｎの各々は、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐとほぼ同一の平面形状を有し、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐの間に配置される。
【００３０】
Ｎ型熱電変換パターン３２Ｎには、例えばコンスタンタンが用いられ、その膜厚は約１μｍである。Ｎ型熱電変換パターン３２Ｎは、Ｎ型熱電変換パターン３２Ｎを形成すべき領域に開口を持つメタルマスク４１を用いたスパッタリングにより形成することができる。
【００３１】
図３Ｄａに示すように、第１の可撓膜３０の表面に、複数の層内配線２７及び層間配線２４を形成する。図３Ｄｂに、図３Ｄａの一点鎖線３Ｄｂ−３Ｄｂにおける断面図を示す。層内配線２７は、相互に幅方向に隣り合うＮ型熱電変換パターン３２ＮとＰ型熱電変換パターン３２Ｐとの端部同士を接続する。１つの熱電発電部３４内において、Ｎ型熱電変換パターン３２ＮとＰ型熱電変換パターン３２Ｐとが交互に接続された１つの直列回路が形成される。
【００３２】
層間配線２４は、相互に隣り合う熱電発電部３４内の直列回路の端部同士を接続する。図３Ｄａにおいては、Ｐ型熱電発電パターン３２Ｐの端部同士が、層間配線２４によって接続される。層間配線２４により、複数の熱電発電部３４内に形成された直列回路が、直列に接続される。
【００３３】
層間配線２４及び層内配線２７には、例えば銅（Ｃｕ）が用いられ、その厚さは例えば０．３μｍである。なお、銅以外に、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いてもよい。層間配線２４及び層内配線２７は、層間配線２４及び層内配線２７に対応する開口が形成されたメタルマスク４２を用いたスパッタリングにより形成することができる。
【００３４】
図３Ｅａ及び図３Ｅｂに示すように、第１の可撓膜３０に、第２の可撓膜３１を、接着剤等を用いて貼り付ける。図３Ｅｂは、図３Ｅａの一点鎖線３Ｅｂ−３Ｅｂにおける断面図を示す。第２の可撓膜３１は、第１の可撓膜３０とほぼ同一の平面形状を有する。Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐ、Ｎ型熱電変換パターン３２Ｎ、層内配線２７、及び層間配線２４は、第１の可撓膜３０と第２の可撓膜３１との間に挟まれる。
【００３５】
第２の可撓膜３１の外側の表面に、第２の熱良導体３８が組み込まれている。第２の熱良導体３８は、第１の熱良導体３７を第１の可撓膜３０に組み込む方法と同様の方法により、第２の可撓膜３１に組み込むことができる。第２の可撓膜３１には、例えば厚さ５０μｍのポリイミド膜が用いられ、第２の熱良導体３８には、例えば厚さ２５μｍの銅箔が用いられる。
【００３６】
第２の熱良導体３８は、熱電発電部３４内において、第１の熱良導体３７に対して、第２の可撓膜３１の長手方向にずれた位置（図３Ｅａ及び図３Ｅｂにおいて右側にずれた位置）に配置される。Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎの各々は、第１の熱良導体３７に重なる位置から、第２の熱良導体３８に重なる位置まで延在する。
【００３７】
図３Ｆに示すように、折り返し部分３３で屈曲させることにより、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１を折り畳む。折り畳むことにより、熱電発電部３４が重なり、５層の積層構造が得られる。一つの側面（図３Ｆにおいて左側の側面）に折り返し部分３３が現れ、反対側の側面（図３Ｆにおいて右側の側面）に、他の折り返し部分３３が現れる。複数の熱電発電部３４内に、それぞれ熱電変換素子２０が形成されている。
【００３８】
図２に示したように、第１の熱結合部材２２に、３枚の伝熱部材２１を接合し、第２の熱結合部材２３に、３枚の伝熱部材２１を接合する。これらの接合には、熱伝導を妨げない方法、例えば溶接等が用いられる。伝熱部材２１には、例えば厚さ１００μｍの銅板が用いられる。なお、銅板に代えて、アルミニウム板、銀板等を用いてもよい。第１の熱結合部材２２に接合された伝熱部材２１を、折り返し部分３３が現れた一方の側面（図２において左側の側面）から、熱電発電素子２０の間に挿入する。第２の熱結合部材２３に接合された伝熱部材２１を、折り返し部分３３が現れた他方の側面（図２において右側の側面）から、熱電発電素子２０の間に挿入する。
【００３９】
第１の熱良導体３７は、第２の熱結合部材２３に接合された伝熱部材２１に接触し、第２の熱良導体３８は、第１の熱結合部材２２に接合された伝熱部材２１に接触する。例えば、第１の熱結合部材２２に接合された最も外側（図２において最も下）の伝熱部材２１を、高温部に密着させ、第２の熱結合部材２３に接合された最も外側（図２において最も上）の伝熱部材２１を、低温部に密着させる。
【００４０】
第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３、及び伝熱部材２１の熱伝導率は、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の熱伝導率よりも高い。このため、第１の熱結合部材２２に接合された伝熱部材２１が、第２の熱結合部材２３に接合された伝熱部材２１よりも高温になる。また、第１の熱良導体３７及び第２の熱良導体３８の熱伝導率が、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の熱伝導率よりも高い。このため、高温の伝熱部材２１から、第２の熱良導体３８、第２の可撓膜３１、第１の可撓膜３０、及び第１の熱良導体３７を経由して、低温の伝熱部材２１に至るまでの熱経路が形成される。これにより、熱電発電素子２０の各々において、第２の熱良導体３８から第１の熱良導体３７に向かって温度が低下する向きの温度勾配が発生する。このように、第１の熱良導体３７及び第２の熱良導体３８は、熱電発電素子２０の厚さ方向の温度差から、面内方向の温度差を生じさせる。
【００４１】
面内方向の温度差が生じることにより、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎの各々に、長手方向の温度差が発生する。この温度差に起因して、熱電効果による熱起電力が発生する。実施例２による熱電発電装置も、実施例１と同様に、単位面積当たりの発電能力を高めることができる。
【００４２】
第１の熱良導体３７と第２の熱良導体３８との面内方向のずれ量は、効率的に面内方向の温度差を発生させるように設定されている。一例として、積層方向に直交する仮想平面への、第１の熱良導体３７の垂直投影像と、第２の熱良導体３８の垂直投影像とが重ならないように配置される。第１の熱良導体３７の垂直投影像と、第２の熱良導体３８の垂直投影像との、相互に対向する縁の位置が一致するように配置してもよい。
【００４３】
実施例２による熱電発電装置は、複数の熱電発電素子２０が積層された多層構造を有する。熱電発電素子２０同士を電気的に接続する層間配線２４は、図３Ｄａ及び図３Ｄｂに示した工程において、１つの熱電発電素子２０内の層内配線２７と同時に形成される。このため、複数の熱電発電素子２０を積層した後に、熱電発電素子２０同士を接続する方法に比べて、製造工程を簡略化することができる。
【００４４】
次に、折り返し部分３３の信頼性について説明する。折り返し部分３３の曲率を小さくすると、信頼性の低下が懸念される。実施例２では、フレキシブルプリント基板の規格であるＪＩＳ  Ｃ５０１６の耐折性試験に準ずるＲ＝０．３８を基準に設計を行った。可撓膜の素材として、折り曲げ角１３５°、折り曲げ速度１７０回／分の条件で、折り曲げ回数７０回以上の基準を満たす性能のものを採用した。実施例２の熱電発電装置においては、製造時に折り曲げた後は、使用中に繰り返して折り曲げることはない。このため、上記基準を満たす可撓膜を用いることにより、十分な信頼性を確保することができる。
【００４５】
さらに、折り返し部分３３の外側に、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３が配置されているため、折り返し部分３３に外力が直接作用することを防止できる。このため、外力による折り返し部分３３の磨耗等を抑制することができる。
【００４６】
また、実施例２による熱電発電装置は、折り返し部分３３が現れた一方の側面から他方の側面に向かう方向（図２において左右方向）に関して、熱電発電装置の湾曲を阻害する構造を持たない。このため、図２の左右方向（湾曲容易方向）に関して高い柔軟性を有する。発熱体の表面が柱面である場合に、湾曲容易方向と柱面の湾曲方向とを揃えることにより、柱面の表面に沿うように熱電発電装置を容易に湾曲させることができる。
【００４７】
実施例２では、熱電変換材料としてクロメルとコンスタンタンとを用いたが、その他の材料を用いてもよい。例えば、ＢｉＴｅ系材料、ＰｂＴｅ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料、シリサイド系材料、スクッテルダイト系材料、遷移金属酸化物系材料、亜鉛アンチモン系材料、ホウ素化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系材料、カーボンナノチューブ等を用いてもよい。
【００４８】
ＢｉＴｅ系材料の例として、ＢｉＴｅ、ＳｂＴｅ、ＢｉＳｅ、及びこれらの化合物が挙げられる。ＰｂＴｅ系材料の例として、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、及びこれらの化合物が挙げられる。Ｓｉ−Ｇｅ系材料の例として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等が挙げられる。シリサイド系材料の例として、ＦｅＳｉ、ＭｎＳｉ、ＣｒＳｉ等が挙げられる。スクッテルダイト系材料は、一般式ＭＸ３またはＲＭ４Ｘ１２で表される。ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｒｈ、またはＩｒを表し、Ｘは、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂを表し、Ｒは、Ｌａ、Ｙｂ、またはＣｅを表す。遷移金属酸化物系材料の例として、ＮａＣｏＯ、ＣａＣｏＯ、ＺｎＩｎＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢｉＳｒＣｏＯ、ＰｂＳｒＣｏＯ、ＣａＢｉＣｏＯ、ＢａＢｉＣｏＯ等が挙げられる。亜鉛アンチモン系材料の例として、ＺｎＳｂが挙げられる。ホウ素化合物の例として、ＣｅＢ、ＢａＢ、ＳｒＢ、ＣａＢ、ＭｇＢ、ＶＢ、ＮｉＢ、ＣｕＢ、ＬｉＢ等が挙げられる。クラスタ固体の例として、Ｂクラスタ、Ｓｉクラスタ、Ｃクラスタ、ＡｌＲｅ、ＡｌＲｅＳｉ等が挙げられる。酸化亜鉛系材料の例として、ＺｎＯが挙げられる。
【実施例３】
【００４９】
図４に、実施例３による熱電発電装置の断面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００５０】
実施例２では、図３Ｅｂに示したように、すべての熱電発電部３４において、第２の熱良導体３８が第１の熱良導体３７に対して同一の向きにずれて配置されている。このため、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１を折り畳んだ状態では、第１の熱良導体３７から第２の熱良導体３８に向かう向きが、隣り合う熱電発電素子２０の間で反転することになる。
【００５１】
実施例３においては、図４に示すように、折り畳んだ状態で、すべての熱電発電素子２０において、第１の熱良導体３７に対して第２の熱良導体３８が、同一方向（図４において左向き）にずれて配置される。具体的には、熱電発電素子２０内において、第１の熱良導体３７は、第２の熱結合部材２３側に偏った位置に配置され、第２の熱良導体３８は、第１の熱結合部材２２側に偏った位置に配置されている。
【００５２】
第１の熱結合部材２２に接合された伝熱部材２１は、第２の熱良導体３８に接触するのに十分な位置まで挿入すればよい。同様に、第２の熱結合部材２３に接合された伝熱部材２１は、第１の熱良導体３７に接触するのに十分な位置まで挿入すればよい。
【００５３】
図５に、第１の可撓膜３０の展開平面図を示す。実施例２では、図３Ｄａに示したように、層間配線２４がＰ型熱電変換パターン３２Ｐ同士を接続していた。実施例３では、層間配線２４は、一方の熱電発電部３４内のＰ型熱電変換パターン３２Ｐと、他方の熱電発電部３４内のＮ型熱電発電パターン３２Ｎとを接続する。
【００５４】
図５の下側に、温度分布の一例を示す。相互に隣り合う折り返し部分３３の一方が高温部となり、他方が低温部となる。熱電発電部３４内においては、高温部の折り返し部分３３から低温部の折り返し部分３３に向かって、温度が徐々に低下する。
【００５５】
実施例３においては、図４に示したように、伝熱部材２１の挿入の深さを、実施例２の構造に比べて浅くすることができる。このため、使用材料の削減、装置の軽量化を図ることができる。さらに、実施例３の構造は、実施例２の構造に比べて、面内方向の温度差をより効率的に発生させることができる。
【実施例４】
【００５６】
図６Ａ及び図６Ｂに、それぞれ実施例４による熱電発電装置の分解斜視図及び断面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００５７】
実施例２では、折り返し部分３３が現れている側面から、熱電発電素子２０の間に伝熱部材２１が挿入される。実施例４では、折り返し部分３３が現れている側面に隣接する側面から、熱電発電素子２０の間に伝熱部材２１が挿入される。実施例４においても、実施例２と同様に、単位面積当たりの発電能力を高めることができる。
【００５８】
実施例２による熱電発電装置は、折り返し部分３３が現れた側面の一方から他方に向かう方向に関して、高い柔軟性を有していた。その反面、それに直交する方向に関しては、折り返し部分３３、第１の熱結合部材２２、及び第２の熱結合部材２３が、積層構造の湾曲を阻害するため、柔軟性は低くなる。実施例４では、折り返し部分３３が現れる側面と、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３が配置される側面とが異なる。このため、湾曲し易さの方向依存性が少ない。
【実施例５】
【００５９】
図７Ａ及び図７Ｂに、それぞれ実施例５による熱電発電装置の分解斜視図及び断面図を示す。以下、図６に示した実施例４による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００６０】
実施例４では、実施例２と同様に、熱電発電素子２０内の面内方向の温度勾配の向きが、積層方向に隣り合う２つの熱電発電素子２０の間で反転している。実施例５においては、実施例３と同様に、すべての熱電発電素子２０において、面内方向の温度勾配の向きが揃っている。具体的には、図７Ｂに示すように、第１の熱良導体３７から第２の熱良導体３８に向かう面内方向の向きが、すべての熱電発電素子２０で同一（図７Ｂにおいて左向き）である。
【００６１】
第１の熱結合部材２２に接合された伝熱部材２１は、第２の熱良導体３８に接触するのに必要な大きさにされており、熱電発電素子２０の面内全域には配置されない。同様に、第２の熱結合部材２３に接合された伝熱部材２１は、第１の熱良導体３７に接触するのに必要な大きさにされており、熱電発電素子２０の面内全域には配置されない。このため、実施例４の熱電発電装置に比べて、第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３、及び伝熱部材２１を小さくすることができる。また、実施例３の場合と同様に、面内方向の温度差効率的に発生させることができる。
【実施例６】
【００６２】
図８に、実施例６による熱電発電装置に用いられる第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の展開平面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００６３】
実施例６では、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の折り返し部分３３のうち、層間配線２４が形成されていない領域に切り込み（スリット）４５が形成されている。熱電発電部３４内の構成は、実施例２のものと同一である。すなわち、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の、折り返し部分３３の幅が、熱電発電部３４の幅よりも狭くなっている。切り込み４５は、第１の可撓膜３０と第２の可撓膜３１とを貼り合わせた後に形成してもよいし、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１として、予め切り込み４５が形成されたものを用いてもよい。
【００６４】
図９に、実施例６による熱電発電装置の分解斜視図を示す。第１の熱結合部材２２は、折り返し部分３３が現れた側面の一方（図９において左側奥）に沿って配置され、第２の熱結合部材２３は、折り返し部分３３が現れた側面の他方（図９において右側手前）に沿って配置される。第１の熱結合部材２２の少なくとも一部、及び第２の熱結合部材２３の少なくとも一部は、熱電発電部３４の幅の範囲内に配置される。ただし、第１の熱結合部材２２は、対応する側面に現れている折り返し部分３３の幅の範囲内には配置されない。すなわち、第１の熱結合部材２２は、折り返し部分３３を避ける位置に配置される。同様に、第２の熱結合部材２３は、対応する側面に現れている折り返し部分３３の幅の範囲内には配置されない。
【００６５】
実施例６では、折り返し部分３３が現れた側面において、折り返し部分３３と第１の熱結合部材２２とが重ならず、折り返し部分３３と第２の熱結合部材２３とが重ならない。このため、折り返し部分３３が現れている側面の柔軟性が高まり、折り返し部分３３が現れている一方の側面から他方の側面に向かう方向に直交する方向にも湾曲しやすくなる。また、装置の軽量化を図ることが可能になる。
【実施例７】
【００６６】
図１０に、実施例７による熱電発電装置の断面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００６７】
実施例２では、折り返し部分３３が積層方向に重なり、面内方向に関して同じ位置に配置されていた。実施例７では、積層方向に隣り合う２つの折り返し部分３３が面内方向（図１０において横方向）にずれている。このように、折り返し部分３３を面内方向にずらすことにより、折り返し部分３３の曲率半径を大きくすることができる。
【００６８】
実施例２では、第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３、及び伝熱部材２１に金属板を用いた。実施例７では、導電ペースト、例えば銀（Ａｇ）ペースト等を固化させた材料が用いられる。以下、熱電発電装置の製造方法について説明する。
【００６９】
第１の可撓膜３０に第２の可撓膜３１を貼り合わせた状態（図３Ｅｂに示した状態）で、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の外側の表面にＡｇペーストを塗布する。塗布されたＡｇペーストを固化させる前に、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１を折り畳む。折り畳むと、熱電発電素子２０の間にＡｇペーストが充填された状態になる。積層方向の両端に位置する熱電発電素子２０の外側の表面、及び折り返し部分３３の外側の表面は、Ａｇペーストで覆われた状態になる。
【００７０】
この状態で、例えば２００℃で３０分程度の熱処理を行うことにより、Ａｇペーストを固化させる。Ａｇペーストが固化されることにより、第１の可撓膜３０の表面を覆う熱伝導膜５１、及び第２の可撓膜３１の表面を覆う熱伝導膜５０が形成される。Ａｇペーストが固化して得られる熱伝導膜５０、５１は、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１よりも高い熱伝導率を持つ。このため、熱伝導膜５０、５１のうち、熱電発電素子２０の間に充填された部分が、図２に示した実施例２の伝熱部材２１として作用する。折り返し部分３３の表面を覆う部分が、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３として作用する。
【００７１】
第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１に塗布されたＡｇペーストは、可撓膜の変形に応じて容易に変形する。このため、折り返し部分３３の面内方向の位置をずらせた複雑な形状の熱電発電装置でも、容易に製造することができる。さらに、複雑な形状になっても、第１の熱良導体３７と熱伝導膜５１との間の高い密着性、及び第２の熱良導体３８と熱伝導膜５０との間の高い密着性を維持することができる。
【実施例８】
【００７２】
図１１に、実施例８による熱電発電装置の製造途中段階における断面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００７３】
第１の可撓膜３０に第２の可撓膜３１を貼り合わせた（実施例２の図３Ｅｂの状態）後、第１の可撓膜３０の外側の表面に、両面粘着シート５５を用いて銅等の熱伝導率の高い材料で形成された熱伝導膜５６を貼り付ける。同様に、第２の可撓膜３１の外側の表面に、両面粘着シート５７を用いて熱伝導膜５８を貼り付ける。熱伝導膜５６、５８の貼り付けには、例えば一対のロール６０、６１を用いた圧着法を適用することができる。その他に、加熱接着用の接着剤を用いた加熱接着法を適用することも可能である。熱伝導膜５６、５８は、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の変形に応じて、変形することができる。
【００７４】
図１２に示すように、熱伝導膜５６、５８を貼り付けた第１の可撓膜３１及び第２の可撓膜３１を折り畳む。第１の可撓膜３０が向き合う部分において、熱伝導膜５６同士が密着する。同様に、第２の可撓膜３１が向き合う部分において、熱伝導膜５８同士が密着する。熱伝導膜５６同士、及び熱伝導膜５８同士の密着性を高めるために、接着剤を用いてもよい。
【００７５】
熱伝導膜５６、５８のうち、熱電発電素子２０の間に挟まれた部分が、図２に示した伝熱部材２１として作用する。折り返し部分３３の外側の表面を覆う熱伝導膜５６及び熱伝導膜５８が、それぞれ第２の熱結合部材２３及び第１の熱結合部材２２として作用する。
【００７６】
実施例８による熱電発電装置は、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１を折り畳んだ後、伝熱部材２１等を装着する工程を実施する必要がない。
【実施例９】
【００７７】
図１３に、実施例９による熱電発電装置の断面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００７８】
実施例２では、図３Ｄａ等に示した複数のＰ型熱電変換パターン３２Ｐは、すべて同一の熱電変換材料で形成し、複数のＮ型熱電変換パターン３２Ｎも、すべて同一の熱電変換材料で形成した。実施例９では、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎの材料または組成を、熱電発電素子２０ごとに異ならせている。
【００７９】
一例として、図１３の積層構造の最も下側の伝熱部材２１が最も高温になり、最も上側の伝熱部材２１が最も低温になる場合について考察する。第１の熱結合部材２２及び伝熱部材２１は、熱良導体で形成されているが、熱伝導率は無限大ではない。このため、第１の熱結合部材２２に接合されている伝熱部材２１の温度は同一ではなく、下方から上方に向かって、温度が低くなる。第１の熱結合部材２２に接合されている伝熱部材２１の温度を、下側から順番にＴＨ３、ＴＨ２、ＴＨ１とすると、不等式ＴＨ３＞ＴＨ２＞ＴＨ１が成り立つ。同様に、第２の熱結合部材２３に接合されている伝熱部材２１の温度を、上側から順番にＴＬ１、ＴＬ２、ＴＬ３とすると、不等式ＴＬ３＞ＴＬ２＞ＴＬ１が成り立つ。なお、温度ＴＨ１は、温度ＴＬ３よりも十分高い。
【００８０】
図１４に、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１の展開平面図を示す。展開平面図の下に、温度分布の一例を示す。図１４において、最も左側の熱発電領域３４内に形成されているＰ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎの両端には、厚さ方向の温度差ＴＨ３−ＴＬ３に起因する温度差が発生する。左から２番目〜５番目の熱電発電部３４内に形成されているＰ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎの両端には、それぞれＴＨ２−ＴＬ３、ＴＨ２−ＴＬ２、ＴＨ１−ＴＬ２、及びＴＨ１−ＴＬ１に起因する温度差が発生する。
【００８１】
熱電変換材料の熱電変換効率は、一般に動作温度に依存する。図１４に示したように、積層された複数の熱電発電素子２０の動作温度は、それぞれ異なる。実施例９では、熱電発電素子２０を構成するＰ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎの材料として、その動作温度に最も適したものが用いられる。このような構成にするためには、熱電発電部３４ごとに異なる成膜工程で、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐ及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎを形成すればよい。
【００８２】
一例として、ＳｅをドーピングしたＮ型熱電変換材料（Ｂｉ２Ｔｅ３）０．９５（Ｂｉ２Ｓｅ３）０．０５の最適動作温度は、約３００Ｋである。ＳｂをドーピングしたＮ型熱電変換材料（Ｂｉ０．７Ｔｅ０．３）２Ｔｅ３の最適動作温度は、約２２０Ｋである。ＳｂをドーピングしたＰ型熱電変換材料（Ｂｉ２Ｔｅ３）０．２５（Ｓｂ２Ｔｅ３）０．７５の最適動作温度は、３４０Ｋ以上である。ＳｂとＳｅをドーピングしたＰ型熱電変換材料Ｂｉ０．８Ｓｂ１．２Ｔｅ３＋７％Ｂｉ２Ｓｅ３の最適動作温度は、約２４０Ｋである。このように、熱電変換材料の組成、ドーパント、ドーパントの濃度等を調節することにより、最適動作温度を調節することができる。ここで、最適動作温度は、高温端と低温端との平均温度を意味する。
【００８３】
実施例９では、各層の動作温度に応じて好適な熱電変換材料が選択される。このため、発電効率を高めることができる。
【実施例１０】
【００８４】
図１５に、実施例１０による熱電発電装置の第１の可撓膜３０の展開平面図を示す。以下、図２に示した実施例２による熱電発電装置との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００８５】
実施例２による熱電発電装置では、図３Ｅａに示したように、相互に隣り合う熱電発電部３４内の回路を、層間配線２４が接続していた。実施例１０では、熱電発電部３４内の回路の各々が、引き出し配線２８により、外部端子２９まで引き出される。
【００８６】
実施例１０においては、外部端子２９同士を接続することにより、熱電発電部３４内の回路を、直列に接続することもできるし、並列に接続することもできる。また、一つの熱電発電部３４内の回路が断線した場合、断線が発生した熱電発電部３４内の回路を避けて、他の良好な熱電発電部３４内の回路のみを接続することもできる。
【実施例１１】
【００８７】
図１６に、実施例１１による熱電発電装置の展開斜視図を示す。実施例１１による熱電発電装置は、複数の熱電発電素子２０を含む。熱電発電素子２０の各々は、いわゆるπ型熱電変換素子が集合したものであり、厚さ方向に温度差が生じると発電を行う。層間配線２４が、複数の熱電変換素子２０を直列に接続する。層間配線２４には、例えば柔軟性を有するフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）が用いられる。
【００８８】
図１７に、実施例１１による熱電発電装置の断面図を示す。板状の熱電発電素子２０が重ねられている。積層方向に隣り合う熱電発電素子２０同士は、層間配線２４で接続されている。熱電発電素子２０の間に、伝熱部材２１が挿入されている。さらに、積層方向の両端の熱電発電装置２０の外側の表面にも、伝熱部材２１が接している。
【００８９】
第１の熱結合部材２２が、伝熱部材２１を、一つおきに接続する。第２の熱結合部材２３が、第１の熱結合部材２２に接続されていない伝熱部材２１を接続する。
【００９０】
実施例１１においても、実施例１〜実施例１０の場合と同様に、単位面積当たりの発電効率を高めることができる。
【実施例１２】
【００９１】
図１８に、実施例１２による熱発電装置の断面図を示す。以下の説明では、図１に示した実施例１による熱発電装置との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。
【００９２】
実施例１では、伝熱部材２１、第１の熱結合部材２２、及び第２の熱結合部材２３の厚さが均一であった。実施例１２では、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３のいずれも、最も外側の伝熱部材２１に接触している端部から遠ざかるに従って、徐々に厚くなっている。例えば、図１８において、最も下の伝熱部材２１が熱発生源に結合している場合、第１の熱結合部材２２は、熱発生源から遠ざかるに従って徐々に厚くなっている。第２の熱結合部材２３は、ヒートシンク等の熱吸収源から遠ざかるに従って徐々に厚くなっている。
【００９３】
すなわち、第１の熱結合部材２２で構成される熱経路の断面積が、積層方向の第１の向き（図１８において上向き）に向かって大きくなっている。第２の熱結合部材２３で構成される熱経路の断面積は、第１の向きとは反対向き（図１８において下向き）に向かって大きくなっている。
【００９４】
第１の熱良導体３７及び第２の熱良導体３８の配置は、図２に示した実施例２の配置と同一である。
【００９５】
第１の熱結合部材２２の温度は、熱発生源に直接結合している最も下の伝熱部材２１との接続箇所において最も高く、この接続箇所から遠ざかるに従って徐々に低くなる。また、第２の熱結合部材２３の温度は、熱吸収源に直接結合している最も上の伝熱部材２１との接続箇所において最も低く、この接続箇所から遠ざかるに従って徐々に高くなる。
【００９６】
実施例１２では、第１の熱結合部材２２が構成する熱経路の断面が、熱発生源から遠ざかるに従って大きくなっている。断面積が大きくなると、熱抵抗が低下する。このため、特に熱発生源から遠く、熱発生源からの熱が伝わり難い部分において、第１の熱結合部材２２の温度分布の傾きを小さくすることができる。同様に、熱吸収源から遠く、冷却効果が伝わり難い部分において、第２の熱結合部材２３の温度分布の傾きを小さくすることができる。
【００９７】
これにより、熱発生源に最も近い熱電発電素子２０の動作温度と、熱吸収源に最も近い熱電発電素子２０の動作温度との差を小さくすることができる。
【００９８】
さらに、実施例１２においては、最も外側の伝熱部材２１以外の内側の伝熱部材２１の各々は、第１の熱結合部材２２または第２の熱結合部材２３に接続された端部から先端に向かって徐々に厚くなっている。このため、内側の伝熱部材２１の先端近傍の温度の傾きを、緩やかにすることができる。これにより、面内方向の温度差が小さくなってしまうことを抑制することができる。
【００９９】
また、第１の熱結合部材２２に接続されている伝熱部材２１の各々の平均の厚さは、熱発生源からの距離が遠いほど厚い。同様に、第２の熱結合部材２３に接続されている伝熱部材２１の各々の平均の厚さは、熱吸収源からの距離が遠いほど厚い。
【０１００】
実施例１２では、内側の伝熱部材２１の厚さを変化させたが、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３のみ、厚さを変化させ、内側の伝熱部材２１の厚さは均一にしてもよい。また、実施例１２では、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３の厚さ（熱経路の断面積）を、徐々に連続的に変化させたが、階段状に変化させてもよい。厚さを階段状に変化させる場合には、変化させる段数を２段にしてもよいし、それ以上の段数にしてもよい。
【実施例１３】
【０１０１】
図１９に、実施例１３による熱発電装置の断面図を示す。以下の説明では、図２に示した実施例２との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。
【０１０２】
熱発生源７０からヒートシンク等の熱吸収源７１に向かって、６枚の伝熱部材２１Ａ〜２１Ｆが配置されている。隣り合う伝熱部材の間に、熱電発電素子２０が挟まれている。１番目、３番目、及び５番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｅが第１の熱結合部材２２に接続され、２番目、４番目、及び６番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｄ、２１Ｆが第２の熱結合部材２３に接続されている。
【０１０３】
実施例１３では、第１の熱結合部材２２が、相互に連続する相対的に薄い部分２２Ａと相対的に厚い部分２２Ｂとを含む。薄い部分２２Ａは、１番目の伝熱部材２１Ａと３番目の伝熱部材２１Ｃとを接続し、厚い部分２２Ｂは、３番目の伝熱部材２１Ｃと５番目の伝熱部材２１Ｅとを接続する。
【０１０４】
第２の熱結合部材２３も、相互に連続する相対的に薄い部分２３Ａと相対的に厚い部分２３Ｂとを含む。薄い部分２３Ａは、６番目の伝熱部材２１Ｆと４番目の伝熱部材２１Ｄとを接続し、厚い部分２３Ｂは、４番目の伝熱部材２１Ｄと２番目の伝熱部材２１Ｂとを接続する。
【０１０５】
実施例１３の第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３は、それぞれ図１８に示した実施例１２の第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３の厚さを、階段状に変化させた場合に相当する。
【０１０６】
５番目の伝熱部材２１Ｅは、第１の熱結合部材２２に接続されている他の１番目及び３番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃよりも厚い。２番目の伝熱部材２１Ｂは、第２の熱結合部材２３に接続されている他の４番目及び６番目の伝熱部材２１Ｄ、２１Ｆよりも厚い。
【０１０７】
一例として、第１の熱結合部材２２の薄い部分２２Ａ、第２の熱結合部材２３の薄い部分２３Ａ、１番目、３番目、４番目、６番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｆの厚さは１００μｍである。第１の熱結合部材２２の厚い部分２２Ｂ、第２の熱結合部材２３の厚い部分２３Ｂ、２番目、５番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｅの厚さは１８０μｍである。
【０１０８】
第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３の各々は、例えば薄い部分となる薄い銅板と、厚い部分となる厚い銅板とを、圧着または溶接することにより作製される。
【０１０９】
図２０Ａ〜図２０Ｃに、温度分布のシミュレーションを行った試料の断面図を示す。図２０Ａ及び図２０Ｃに示す試料では、第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３、１番目〜６番目の伝熱部材２１Ａ〜２１Ｆの厚さが等しい。ただし、図２０Ｃの試料の各部分は、図２０Ａの試料の対応する部分よりも厚い。図２０Ｂの試料は、図１９に示した実施例１３による熱発電装置の構造に対応する。
【０１１０】
図２０Ａの試料の伝熱部材２１Ａ〜２１Ｆ、第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３の厚さをｔとする。図２０Ｂの１番目、３番目、４番目、６番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｆ、第１の熱結合部材２２の薄い部分２２Ａ、第２の熱結合部部材２３の薄い部分２３Ａの厚さをｔとした。２番目、５番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｅ、第１の熱結合部材２２の厚い部分２２Ｂ、第２の熱結合部部材２３の厚い部分２３Ｂの厚さは、厚さｔよりも厚くｋｔとした。ここで、ｋは厚さの倍率を表す定数である。図２０Ｃの試料では、伝熱部材２１Ａ〜２１Ｆ、第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３の厚さをｋｔとした。
【０１１１】
いずれの試料においても、４番目の伝熱部材２１Ｄと５番目の伝熱部材２１Ｅとの間の熱電発電素子の中心Ｐ１、３番目の伝熱部材２１Ｃと４番目の伝熱部材２１Ｄとの間の熱電発電素子の中心Ｐ２、２番目の伝熱部材２１Ｂと３番目の伝熱部材２１Ｃとの間の熱電発電素子の中心Ｐ３の温度をシミュレーションにより求めた。電熱部材２１Ａ〜２１Ｆ、第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３の部分にはアルミニウムが配置され、伝熱部材２１Ａ〜２１Ｆの間の熱電発電素子の部分にはポリイミドが配置されているという条件でシミュレーションを行った。また、温度の境界条件として、１番目の伝熱部材２１Ａの外側の表面温度を１００℃とし、６番目の熱電発電素子２１Ｆの外側の表面温度を０℃とした。
【０１１２】
図２１に、シミュレーション結果を示す。図２１の横軸は、熱発電装置内の場所Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に対応する。縦軸は、温度を単位「℃」で表す。中実の四角記号は図２０Ａの試料、中実の丸記号は図２０Ｃの試料の温度を示す。中抜きの四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ図２０Ｂの構造において、ｋ＝１．２、ｋ＝１．５、ｋ＝１．８の試料の温度を示す。
【０１１３】
図２０Ｂの試料では、図２０Ａの試料よりも、温度のばらつきが小さいことがわかる。温度のばらつきの観点のみに着目すると、図２０Ｃの試料が最も優れている。ただし、図２０Ｃの試料は、全ての伝熱部材２１Ａ〜２１Ｆが厚いため、図２０Ｂの試料に比べて柔軟性の点で劣る。図２０Ｂの構造にすることにより、柔軟性を損ねることなく、温度のばらつきを軽減することができる。また、図２０Ｂの構造は、材料費の点でも、図２０Ｃの構造より優れている。
【０１１４】
実施例１３では、第１の熱結合部材２２に接続されている伝熱部材に着目したとき、１番目の伝熱部材２１Ａと３番目の伝熱部材２１Ｃとの厚さを同一にし、５番目の伝熱部材２１Ｅのみを厚くしたが、３番目の伝熱部材２１Ｃを、１番目の伝熱部材２１Ａの厚さと５番目の伝熱部材２１Ｅの厚さとの中間の厚さとしてもよい。
【０１１５】
より一般的には、第１の熱結合部材２２に接続された伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｅに着目すると、熱電発電素子２０の積層方向の一方の第１の端に配置された伝熱部材が最も薄く、端の伝熱部材からの距離が遠いほど厚くなる。第２の熱結合部材２３に接続された伝熱部材２１Ｂ、２１Ｄ、２１Ｆに着目すると、積層方向の第１の端とは反対側の第２の端に配置された伝熱部材が最も薄く、端の伝熱部材からの距離が遠いほど厚くなる。
【実施例１４】
【０１１６】
図２２に、実施例１４による熱発電装置の製造途中段階における断面図を示す。以下の説明では、図１１に示した実施例８との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。
【０１１７】
実施例８では、熱伝導膜５６、５８の厚さが均一であった。実施例１４で用いられる熱伝導膜５６、５８は、熱電発電部３４と折り返し部分３３とが交互に配列する方向（折り畳み方向）に関して、厚さが単調に変化している。一方の熱伝導膜５６は、一端（図２２において左端）から他端（図２２において右端）に向かって徐々に厚くなっており、他方の熱伝導膜５８は、その逆に、一端（図２２において左端）から他端（図２２において右端）に向かって徐々に薄くなっている。熱伝導膜５６、５８には、例えば銅、アルミニウム等が用いられる。厚さを徐々に変化させた構造は、例えば圧延圧力を調整することによって形成することができる。
【０１１８】
図２３に、実施例１４による熱発電装置の概略断面図を示す。熱伝導膜５６、５８の薄い方の端部が、最も外側に配置されるように、熱電発電素子２０が折り畳まれている。図２３では、熱電発電素子２０の詳細な構造の表示を省略している。また、両面粘着シート５５、５７（図２２）の表示も省略している。
【０１１９】
熱伝導膜５８のうち、最も外側の熱電発電素子２０の外側の表面に密着している部分が１番目の伝熱部材２１Ａとして作用する。熱伝導膜５８のうち、熱電発電素子２０の間に挟まれた部分は、３番目及び５番目の伝熱部材２１Ｃ、２１Ｅとして作用する。もう一方の熱伝導膜５６のうち、最も外側の熱電発電素子２０の外側の表面に密着している部分が６番目の伝熱部材２１Ｆとして作用する。熱伝導膜５６のうち、熱電発電素子２０の間に挟まれた部分は、２番目及び４番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｄとして作用する。
【０１２０】
熱伝導膜５８、５６のうち、折り返し部分３３（図２２）の表面に密着する部分が、それぞれ第１の熱結合部材２２、第２の熱結合部材２３として作用する。熱伝導膜５８の厚さが単調に変化しているため、熱伝導膜５８のうち、１番目の伝熱部材２１Ａと３番目の伝熱部材２１Ｃとを接続する部分２２Ａは、１番目の伝熱部材２１Ａとの接続点から３番目の伝熱部材２１Ｃとの接続点に向かって、徐々に厚くなる。同様に、熱伝導膜５８のうち、３番目の伝熱部材２１Ｃと５番目の伝熱部材２１Ｅとを接続する部分２２Ｂは、３番目の伝熱部材２１Ｃとの接続点から５番目の伝熱部材２１Ｅとの接続点に向かって、徐々に厚くなる。
【０１２１】
実施例１４による熱発電装置の第１の熱接続部材２２及び第２の熱接続部材２３は、図１８に示した実施例１２の第１の熱接続部材２２及び第２の熱接続部材２３と同様の厚さ分布の傾向を示す。
【０１２２】
また、第１の熱接続部材２２に接続された１番目、３番目、５番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｅに着目すると、熱発生源に接する１番目の伝熱部材２１Ａが最も薄く、１番目の伝熱部材２１Ａから遠いほど、伝熱部材が厚くなっている。同様に、第２の伝熱部材２３に接続された２番目、４番目、６番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｄ、２１Ｆに着目すると、熱吸収源に接する６番目の伝熱部材２１Ｆが最も薄く、６番目の伝熱部材２１Ｆから遠いほど、伝熱部材が厚くなっている。
【実施例１５】
【０１２３】
図２４Ａに、実施例１５による熱発電装置の、製造途中段階の断面図を示す。以下の説明では、図１１に示した実施例８との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。実施例８では、第１の可撓成膜３０の表面に、１枚の熱伝導膜５６を貼り付け、第２の可撓性膜３１の表面にも、１枚の熱伝導膜５８を貼り付けた。
【０１２４】
実施例１５では、第１の可撓膜３０の表面に３枚の熱伝導膜５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃが、両面粘着シート５５によって貼り付けられている。１枚目の熱伝導膜５６Ａは、図２４Ａにおいて一方の端部（図２４Ａにおいて左端）の熱電発電部３４から、他方の端部（図２４Ａにおいて右端）の熱電発電部３４までの領域に貼り付けられている。２枚目の熱伝導膜５６Ｂは、図２４Ａにおいて、左から２番目の熱電発電部３４から５番目の熱電発電部３４までの領域に貼り付けられている。３枚目の熱伝導膜５６Ｃは、図２４Ａにおいて、左から４番目の熱電発電部３４から５番目の熱電発電部３４までの領域に貼り付けられている。すなわち、左から１番目〜５番目の熱電発電部３４の第１の可撓膜３０には、それぞれ１枚、２枚、２枚、３枚、３枚の熱伝導膜が貼り付けられている。
【０１２５】
第２の可撓膜３１にも、３枚の熱伝導膜５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃが、両面粘着シート５７により貼り付けられている。ただし、各熱電発電部３４に貼り付けられている熱伝導膜の枚数の並びと、第１の可撓膜３０に貼り付けられている熱伝導膜の枚数の並びとは、相互に反転させた関係を有する。
【０１２６】
より一般的には、第１の可撓膜３０に貼り付けられた熱伝導膜の枚数は、折り畳み方向の一方の端（図２４Ａにおいて左端）から他方の端（右端）に向かって多くなっており、第２の可撓膜３１に貼り付けられた熱伝導膜の枚数は、折り畳み方向の一方の端（左端）から他方の端（右端）に向かって少なくなっている。
【０１２７】
図２４Ｂに、実施例１５による熱発電装置の概略断面図を示す。図２４Ｂにおいては、熱電発電素子２０の詳細な構造の表示、両面粘着シート５５、５７の表示は省略している。図２４Ａにおいて熱伝導膜５６Ａが１枚だけ貼り付けられた面、及び熱伝導膜５８Ａが１枚だけ貼り付けられた面が最も外側に配置されるように、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１が折り畳まれている。
【０１２８】
１番目の伝熱部材２１Ａは、１枚の熱伝導膜５６Ａで構成される。２番目の伝熱部材２１Ｂは、３枚の熱伝導膜５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃで構成され、折り畳まれることによって合計６枚の熱伝導膜が積層された構造を有する。同様に、３番目及び４番目の伝熱部材２１Ｃ、２１Ｄは、４枚の熱伝導膜が積層された構造を有する。５番目の伝熱部材２１Ｅは、６枚の熱伝導膜が積層された構造を有する。６番目の伝熱部材２１Ｆは、１枚の熱伝導膜５８Ａで構成される。
【０１２９】
このため、１番目、３番目、５番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｅに着目すると、１番目の伝熱部材２１Ａに接触する熱発生源からの距離が遠いほど、伝熱部材が厚くなる。同様に、２番目、４番目、６番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｄ、２１Ｆに着目すると、６番目の伝熱部材２１Ｆに接する熱吸収源からの距離が遠いほど、伝熱部材が厚くなる。
【０１３０】
実施例１５においては、実施例１４で用いた厚さが徐々に変化する熱伝導膜を準備する必要はなく、均一な厚さの熱伝導膜を準備すればよい。
【実施例１６】
【０１３１】
図２５Ａに、実施例１６による熱発電装置の製造途中段階の断面図を示す。以下の説明では、図２４Ａに示した実施例１５との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。実施例１６では、図２５Ａの左から２番目の熱電発電部３４の第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１に貼り付けられた熱伝導膜の枚数が、実施例１５の場合より、それぞれ１枚少ない。さらに、左から４番目の熱電発電部３４の第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１に貼り付けられた熱伝導膜の枚数も、実施例１５の場合より、それぞれ１枚少ない。
【０１３２】
図２５Ｂに、実施例１６による熱発電装置の断面図を示す。以下の説明では、図２４Ｂに示した実施例１５との相違点に着目し、同一の構成については説明を省略する。
【０１３３】
実施例１６では、２番目の伝熱部材２１Ｂ及び５番目の伝熱部材２１Ｅが、５枚の熱伝導膜で構成されている。また、３番目の伝熱部材２１Ｃ及び４番目の伝熱部材２１Ｄが、３枚の熱伝導膜で構成されている。
【０１３４】
実施例１６においても、１番目、３番目、５番目の伝熱部材２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｅに着目すると、熱発生源からの距離が遠いほど、伝熱部材が厚くなる。同様に、２番目、４番目、６番目の伝熱部材２１Ｂ、２１Ｄ、２１Ｆに着目すると、熱吸収源からの距離が遠いほど、伝熱部材が厚くなる。
【０１３５】
実施例１５と同様に、実施例１４で用いた厚さが徐々に変化する熱伝導膜を準備する必要はなく、均一な厚さの熱伝導膜を準備すればよい。
【実施例１７】
【０１３６】
次に、実施例１７による熱電発電装置について、図６に示した実施例４による熱電発電装置との相違点に着目して説明する。実施例４による熱電発電装置と同一の構成については説明を省略する。
【０１３７】
実施例４による熱電発電装置の図３Ａａ、図３Ａｂ〜図３Ｅａ、図３Ｅｂに示した製造工程は、実施例１７による熱電発電装置の製造工程と共通である。以下、図３Ｅａ、図３Ｅｂに示した状態以降の工程について説明する。
【０１３８】
図２６Ａに、折り畳み前の熱電発電素子２０の平面図を示す。図２６Ｂに、図２６Ａの一点鎖線２６Ｂ−２６Ｂにおける断面図を示す。第１の可撓膜３０、第２の可撓膜３１、第１の熱良導体３７、及び第２の熱良導体３８に、複数の貫通孔８０を形成する。貫通孔８０は、熱電発電部３４内に配置され、層間配線２４、層内配線２７、Ｐ型熱電変換パターン３２Ｐ、及びＮ型熱電変換パターン３２Ｎのいずれとも重ならない位置に配置される。熱電発電素子２０を折り畳んだとき、複数の貫通孔８０が厚さ方向に重なる。
【０１３９】
図２７に、折り畳んだ状態の熱電発電素子２０及び伝熱部材２１の斜視図を示す。実施例４と同様に、第１の熱結合部材２２に、３枚の第１の伝熱部材２１Ａが接続されており、第２の熱結合部材２３に、３枚の第２の伝熱部材２１Ｂが接続されている。
【０１４０】
３枚の第１の伝熱部材２１Ａのうち最も外側の伝熱部材２１Ａの内側の表面に、第１の伝熱柱（第１の伝熱構造）８１Ａが取り付けられている。同様に、３枚の第２の伝熱部材２１Ｂのうち最も外側の伝熱部材２１Ｂの内側の表面に、第２の伝熱柱（第２の伝熱構造）８１Ｂが取り付けられている。第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂには、伝熱部材２１と同様に、熱伝導率の高い材料、例えば銅、アルミニウム等が用いられる。
【０１４１】
第１の伝熱部材２１Ａ及び第２の伝熱部材２１Ｂに、それぞれ第１の貫通孔８２Ａ及び第２の貫通孔８２Ｂが形成されている。第１の伝熱部材２１Ａを熱電発電部３４の間に挿入したとき、第１の貫通孔８２Ａと、熱電発電領域３４に形成されている貫通孔８０とが、厚さ方向に重なる。同様に、第２の伝熱部材２１Ｂを熱電発電部３４の間に挿入したとき、第２の貫通孔８２Ｂと貫通孔８０とが、厚さ方向に重なる。第１の貫通孔８２Ａと第２の貫通孔８２Ｂとは重ならない。
【０１４２】
熱発電装置の組み立て時に、第２の伝熱柱８１Ｂは、貫通孔８０、第１の貫通孔８２Ａを通過して、中央の第２の伝熱部材２１Ｂまで到達する。第１の伝熱柱８１Ａは、貫通孔８０、第２の貫通孔８２Ｂを通過して、中央の第１の伝熱部材２１Ａまで到達する。
【０１４３】
図２８Ａ及び図２８Ｂに、組み立て後の熱電発電装置の断面図を示す。図２８Ｂは、図２８Ａの一点鎖線２８Ｂ−２８Ｂにおける断面図に対応し、図２８Ａは、図２８Ｂの一点鎖線２８Ａ−２８Ａにおける断面図に対応する。
【０１４４】
第１の伝熱柱８１Ａが、貫通孔８０、第２の貫通孔８２Ｂ、及び貫通孔８０を順番に通過して、中央の第１の伝熱部材２１Ａまで達する。第１の伝熱柱８１Ａは、中央の第１の伝熱部材２１Ａに、例えば半田８５により固定され、熱的に結合されている。同様に、第２の伝熱柱８１Ｂが、貫通孔８０、第１の貫通孔８２Ａ、及び貫通孔８０を順番に通過して、中央の第２の伝熱部材２１Ｂまで達する。第２の伝熱柱８１Ｂは、中央の第２の伝熱部材２１Ｂに、例えば半田８５により固定され、熱的に結合されている。
【０１４５】
半田８５は、組み立て前に、予め第１の伝熱柱８１Ａ及び第２の伝熱柱８１Ｂの先端に盛られている。組み立て後に、第１の伝熱部材２１Ａ及び第２の伝熱部材２１Ｂを、半田の融点以上まで加熱した後、降温させることにより、第１の伝熱柱８１Ａを、半田８５を介して第１の伝熱部材２１Ａに固定し、第２の伝熱柱８１Ｂを、半田８５を介して第２の伝熱部材２１Ｂに固定することができる。
【０１４６】
第１の伝熱柱８１Ａは、第２の貫通孔８２Ｂを通過する位置において、第２の伝熱部材２１Ｂに接触しておらず、第２の伝熱部材２１Ｂから熱的に切り離されている。同様に、第２の伝熱柱８１Ｂも、第１の伝熱部材２１Ａから熱的に切り離されている。なお、ここで「熱的に切り離されている」とは、完全な断熱状態を意味するのではなく、第１の可撓膜３０及び第２の可撓膜３１よりも熱伝導率の高い材料を介して接続されていないことを意味する。
【０１４７】
第１の熱結合部材２２から第１の伝熱柱８１Ａまでの距離は、第１の熱結合部材２２から第２の伝熱柱８１Ｂまでの距離よりも長い。同様に、第２の熱結合部材２３から第２の伝熱柱８１Ｂまでの距離は、第２の熱結合部材２３から第１の伝熱柱８１Ａまでの距離よりも長い。
【０１４８】
最も外側の第１の伝熱部材２１Ａを熱発生源に接触させ、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂを熱吸収源に接触させた場合について考察する。最も外側の第１の伝熱部材２１Ａから、第１の熱結合部材２２及び第１の伝熱柱８１Ａを通って、内側の第１の伝熱部材２１Ａに熱が伝達される。また、内側の第２の伝熱部材２１Ｂから、第２の熱結合部材２３及び第２の伝熱柱８１Ｂを通して、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂまで熱が伝達される。
【０１４９】
このため、第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂが設けられていない場合に比べて、内側の第１の伝熱部材２１Ａを効率的に加熱し、内側の第２の伝熱部材２１Ｂを効率的に冷却することができる。これにより、発電効率を高めることが可能になる。
【０１５０】
特に、第１の伝熱部材２１Ａのうち第１の熱結合部材２２から遠い領域ほど熱が伝わり難い。この熱が伝わり難い領域に、第１の伝熱柱８１Ａを配置することが好ましい。一例として、第１の熱結合部材２２から見て、第１の伝熱部材２１Ａの中間点よりも先端側の領域に、第１の伝熱柱８１Ａを配置することが好ましい。第２の伝熱部材２１Ｂを配置する好ましい位置も、第１の伝熱部材２１Ａと同様である。
【０１５１】
図２９Ａ〜図３０を参照して、第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂの効果を確認するために行ったシミュレーションの結果について説明する。
【０１５２】
図２９Ａに、シミュレーションの対象となる試料の平面図を示す。第１及び第２の伝熱部材２１Ａ、２１Ｂの平面形状は、一辺の長さが２．５ｍｍの正方形とした。この正方形の隣り合う２つの頂点よりもやや内側の対角線上に、第１の伝熱柱８１Ａを配置し、他の隣り合う２つの頂点よりもやや内側の対角線上に、第２の伝熱柱８１Ｂを配置した。第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂの断面は、直径が０．２５ｍｍの円形とした。各辺から第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂの中心までの距離は０．６２５ｍｍとした。
【０１５３】
図２９Ｂに、シミュレーションの対象となる試料の断面図を示す。第１の貫通孔８２Ａ及び第２の貫通孔８２Ｂの平面形状は、直径０．４ｍｍの円形とした。熱電発電素子２０は、ポリイミドを主体とする厚さ０．１ｍｍのシートとし、第１及び第２の伝熱部材２１Ａ、２１Ｂ、及び第１及び第２の熱結合部材２２、２３は、アルミニウムを主体とした厚さ０．１ｍｍのシートとした。第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂの材料は、第１及び第２の伝熱部材２１Ａ、２１Ｂの材料と同一とした。
【０１５４】
図２９Ｃに、第１及び第２の伝熱柱を配置していない比較例の試料の断面図を示す。比較例においては、熱電発電素子２０、第１及び第２の伝熱部材２１Ａ、２１Ｂに貫通孔が形成されていない。
【０１５５】
最も外側の第１の伝熱部材２１Ａの外側の表面の温度を１００℃とし、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂの外側の表面の温度を０℃とした。この条件の下で、熱電発電装置内の各位置の温度を３次元モデルシミュレーションにより求めた。
【０１５６】
図３０に、第１の伝熱部材２１Ａの中心に対応する位置の、厚さ方向の温度分布のシミュレーション結果を示す。横軸は、温度を単位「℃」で表し、縦軸は、厚さ方向の位置に対応する。図３０の太い実線は、図２９Ａ、図２９Ｂに示した実施例１７に対応する試料のシミュレーション結果を示し、細い破線は、図２９Ｃに示した比較例の試料のシミュレーション結果を示す。熱電発電素子２０の各層の両面の温度差は、実施例１７に対応する試料の方が、比較例の試料より大きいことがわかる。
【０１５７】
このように、第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂを配置することにより、大きな温度差を生じさせることができる。このため、発電効率を高くすることが可能になる。一般的に、発電電力は、温度差の２乗に比例する。実施例１７に対応する試料の発電電力は、図２９Ｃに示した比較例の試料の発電電力の約１．５倍になる。
【０１５８】
実施例１７では、実施例４による熱電発電装置に第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂを設けたが、図２に示した実施例２、図５に示した実施例３、図７に示した実施例５、図９に示した実施例６、図１３に示した実施例９、図１８に示した実施例１２、及び図１９に示した実施例１３による熱電発電装置に、第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂを設けてもよい。
【実施例１８】
【０１５９】
図３１Ａに、実施例１８による熱電発電装置の製造途中段階における断面図を示す。以下、図２８Ａ、図２８Ｂに示した実施例１７による熱電発電装置との相違点に着目して説明する。実施例１７による熱電発電装置と同一の構成については説明を省略する。
【０１６０】
実施例１７の熱電発電装置と同様に、熱電発電素子２０に貫通孔８０が形成されており、第１の伝熱部材２１Ａに第１の貫通孔８２Ａが形成されており、第２の伝熱部材２１Ｂに第２の貫通孔８２Ｂが形成されている。第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂは設けられていない。実施例１８においては、第１及び第２の伝熱柱８１Ａ、８１Ｂの代わりに、第１の伝熱ピン９０Ａ及び第２の伝熱ピン９０Ｂが準備される。第１及び第２の伝熱ピン９０Ａ、９０Ｂは、熱伝導性の高い材料、例えば銅、アルミニウム等で形成される。
【０１６１】
実施例１７では、図２８Ａに示したように、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３が、熱電発電素子２０の折り返し部分３３が現れていない縁に沿って配置されていたが、実施例１８では、折り返し部分３３が現れている縁に沿って配置されている。なお、実施例１７と同様に、折り返し部分３３が現れていない縁に沿うように、第１の熱結合部材２２及び第２の熱結合部材２３を配置してもよい。
【０１６２】
図３１Ｂに示すように、第１の伝熱ピン９０Ａが、最も外側の第１の伝熱部材２１Ａを突き破り、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂ内に挿入される。さらに、中央の第１の伝熱部材２１Ａを突き破り、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂ内に挿入され、反対側の第１の伝熱部材２１Ａまで達する。第２の伝熱ピン９０Ｂも、同様に、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂ及び中央の第２の伝熱部材２１Ｂを突き破るとともに、貫通孔８０及び第１の貫通孔８２Ａを通過して、反対側の第２の伝熱部材２１Ｂまで達する。
【０１６３】
第１の伝熱ピン９０Ａと第１の伝熱部材２１Ａとが接触することにより、両者が熱的に結合される。第１の伝熱ピン９０Ａの側面を半田で覆っておき、挿入後に、半田を溶融及び固化させることによって、第１の伝熱ピン９０Ａと第１の伝熱部材２１Ａとの熱伝達効率を高めてもよい。第２の伝熱ピン９０Ｂについても同様に、側面を半田で覆っておいてもよい。
【０１６４】
第１の伝熱ピン９０Ａは、第２の伝熱部材２１Ｂに接触しておらず、第２の伝熱ピン９０Ｂは、第１の伝熱部材２１Ａに接触していない。
【０１６５】
第１の伝熱ピン９０Ａ及び第２の伝熱ピン９０Ｂが、それぞれ実施例１７の第１の伝熱柱（第１の伝熱構造）８１Ａ及び第２の伝熱柱（第２の伝熱構造）８１Ｂと同じ機能を有する。このため、実施例１８においても、実施例１７と同様に、発電効率を高めることができる。
【０１６６】
実施例１８においては、熱電発電部３４、第１の伝熱部材２１Ａ、及び第２の伝熱部材２１Ｂを積層構造に組み立てた後に、第１及び第２の伝熱ピン９０Ａ、９０Ｂが挿入される。このため、実施例１７に比べて、組み立て作業が容易である。
【実施例１９】
【０１６７】
図３２に、実施例１９による熱電発電装置の製造途中段階における断面図を示す。以下、図２８Ａ、図２８Ｂに示した実施例１７による熱電発電装置との相違点に着目して説明する。実施例１７による熱電発電装置と同一の構成については説明を省略する。
【０１６８】
熱電発電素子２０に、実施例１７と同様の貫通孔８０が形成されている。両端の第１の伝熱部材２１Ａの内側の表面に、第１の凸型伝熱柱（嵌合部）９３Ａが形成されており、中央の第１の伝熱部材２１Ａの対応する位置に、第１の凹型伝熱柱（嵌合部）９４Ａが形成されている。第１の凸型伝熱柱９３Ａの先端、及び第１の凹型伝熱柱９４Ｂの先端は、相互に嵌合する幾何学的形状にされている。第１の凸型伝熱柱９３Ａの先端を、第１の凹型伝熱柱９４Ａに嵌合させることにより、第１の凸型伝熱柱９３Ａを第１の凹型伝熱柱９４Ａに固定することができる。
【０１６９】
第２の伝熱部材２１Ｂにも、同様に、第２の凸型伝熱柱（嵌合部）９３Ｂ及び第２の凹型伝熱柱（嵌合部）９４Ｂが形成されている。第１の伝熱部材８２Ａ及び第２の伝熱部材８２Ｂには、実施例１７と同様に、それぞれ第１の貫通孔８２Ａ及び第２の貫通孔８２Ｂが形成されている。
【０１７０】
図３３に示すように、組み立てられた状態では、第１の凸型伝熱柱９３Ａと第１の凹型伝熱柱９４Ａとが、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂ内を経由して、相互に嵌合している。第２の凸型伝熱柱９３Ｂと第２の凹型伝熱柱９４Ｂも、同様に、貫通孔８０及び第１の貫通孔８２Ａ内を経由して、相互に嵌合している。
【０１７１】
相互に嵌合した第１の凸型伝熱柱９３Ａと第１の凹型伝熱柱９４Ａとが、図２８Ａに示した実施例１７の第１の伝熱柱（第１の伝熱構造）８１Ａと同じ機能を有する。同様に、相互に嵌合した第２の凸型伝熱柱９３Ｂと第２の凹型伝熱柱９４Ｂとが、図２８Ａに示した実施例１７の第２の伝熱柱（第２の伝熱構造）８１Ｂと同じ機能を有する。このため、実施例１７と同様に、発電効率を高めることができる。
【０１７２】
実施例１９においては、組み立て時に半田を溶融させるための加熱処理が不要である。
【実施例２０】
【０１７３】
図３４〜図３７を参照して、実施例２０による熱電発電装置の製造方法について説明する。以下、図２８Ａ、図２８Ｂに示した実施例１７による熱電発電装置との相違点に着目して説明する。実施例１７による熱電発電装置と同一の構成については説明を省略する。
【０１７４】
図３４に示すように、最も外側に配置すべき第１の伝熱部材２１Ａ及び第２の伝熱部材２１Ｂを除いて、２枚の第１の伝熱部材２１Ａ及び２枚の第２の伝熱部材２１Ｂを、熱電発電部３４を介して交互に積層する。熱電発電部３４には、実施例１７と同様の貫通孔８０が形成されている。第１の伝熱部材２１Ａ及び第２の伝熱部材２１Ｂには、それぞれ実施例１７と同様の第１の貫通孔８２Ａ及び第２の貫通孔８２Ｂが形成されている。
【０１７５】
２枚の第１の伝熱部材２１Ａの一部分が、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂを介して相互に対向する。この両者が対向する部分を、圧着器具１００を用いて圧着する。同様に、２枚の第２の伝熱部材２１Ｂのうち、貫通孔８０及び第１の貫通孔８２Ａを介して対向する部分を、圧着器具１００を用いて圧着する。
【０１７６】
図３５に、圧着後の熱電発電装置の部分断面図を示す。２枚の第１の伝熱部材２１Ａのうち少なくとも一方が変形し、第１の窪み９５Ａが形成される。一方の第１の伝熱部材２１Ａの変形した部分が、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂ内を経由して、他方の第１の伝熱部材２１Ａに接続される。この変形した部分は、第２の伝熱部材２１Ｂに接触していない。これにより、第１の伝熱部材２１Ａ同士の良好な熱的結合が確保されるとともに、第２の伝熱部材２１Ｂからは熱的に切り離される。同様に、２枚の第２の伝熱部材２１Ｂのうち少なくとも一方が変形し、両者が相互に接続される。第２の伝熱部材２１Ｂの表面に第２の窪み９５Ｂが形成される。
【０１７７】
図３６に示すように、第１の窪み９５Ａ及び第２の窪み９５Ｂ内を、伝熱充填部材９６で埋め込む。伝熱充填部材９６には、例えば半田や、熱伝導率の高い接着剤等を用いることができる。最も外側の第１の伝熱部材２１Ａを、最も外側の熱電発電部３４を介して第２の伝熱部材２１Ｂに重ね、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂを、最も外側の熱電発電部３４を介して第１の伝熱部材２１Ａに重ねる。
【０１７８】
最も外側の第１の伝熱部材２１Ａの一部が、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂを介して、中央の第１の伝熱部材２１Ａに対向する。この対向する部分を、圧着器具１００を用いて相互に圧着する。同様に、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂの一部が、貫通孔８０及び第１の貫通孔８２Ａを介して、中央の第２の伝熱部材２１Ｂに対向する。この対向する部分を、圧着器具１００を用いて相互に圧着する。
【０１７９】
図３７に示すように、最も外側の第１の伝熱部材２１Ａの一部が変形し、変形した部分が、貫通孔８０及び第２の貫通孔８２Ｂ内を経由して、中央の第１の伝熱部材２１Ａに接続される。同様に、最も外側の第２の伝熱部材２１Ｂの一部が変形し、変形した部分が、貫通孔８０及び第１の貫通孔８２Ａ内を経由して、中央の第２の伝熱部材２１Ｂに接続される。最も外側の第１及び第２の伝熱部材２１Ａ、２１Ｂの外側の表面に窪みが形成される。この窪みの内部を、伝熱充填部材９６で埋め込む。
【０１８０】
第１の伝熱部材２１Ａ同士が圧着された部分が、図２８Ａに示した実施例１７の第１の伝熱柱（第１の伝熱構造）８１Ａと同じ機能を有し、第２の伝熱部材２１Ｂ同士が圧着された部分が、図２８Ａに示した実施例１７の第２の伝熱柱（第２の伝熱構造）８１Ｂと同じ機能を有する。このため、実施例１７と同様に、発電効率を高めることができる。第１の伝熱部材２１Ａ同士が圧着された部分は、面内方向に関して同じ位置に配置することが好ましい。同様に、第２の伝熱部材２１Ｂ同士を圧着した部分も、面内方向に関して同じ位置に配置することが好ましい。
【０１８１】
また、実施例２０では、伝熱柱を用いないため、部品点数を削減し、低コスト化を図ることができる。また、圧着によって、伝熱部材が強固に接続されるため、熱電発電装置の信頼性を高めることができる。
【０１８２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１８３】
以上の実施例１〜実施例２０を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１８４】
（付記１）
板状または膜状の外形を有し、厚さ方向に積層され、厚さ方向に温度差が生じると発電を行う複数の熱電発電部と、
積層方向に隣り合う２つの前記熱電発電部の間、及び積層方向の両端の２つの前記熱電発電部の外側の表面上に配置された複数の伝熱部材と、
積層方向に並ぶ前記伝熱部材同士を、一つおきに接続し、熱的に結合させる第１の熱結合部材と、
前記第１の熱結合部材に接続されていない前記伝熱部材同士を接続し、熱的に結合させる第２の熱結合部材と
を有する熱電発電装置。
【０１８５】
（付記２）
さらに、積層方向に隣り合う２つの前記熱電発電部同士を接続する層間配線を有する付記１に記載の熱電発電装置。
【０１８６】
（付記３）
前記熱電発電部の各々は、可撓膜、及び該可撓膜に形成された熱電変換材料からなる熱電変換パターンを含む熱電発電素子の一部の領域で構成され、該熱電発電素子を折り畳むことによって前記熱電発電部が積層されている付記１または２に記載の熱電発電装置。
【０１８７】
（付記４）
前記第１の熱結合部材、及び該第１の熱結合部材に接続された前記伝熱部材は、前記可撓膜の一方の表面に形成され、該可撓膜の変形に応じて変形するた第１の熱伝導膜で形成され、
前記第２の熱結合部材、及び該第２の熱結合部材に接続された前記伝熱部材は、前記可撓膜の他方の表面に形成され、該可撓膜の変形に応じて変形するた第２の熱伝導膜で形成されている付記３に記載の熱電発電装置。
【０１８８】
（付記５）
前記熱電発電素子の複数の折り返し部分は、前記積層方向に垂直な仮想平面の面内方向にずれている付記３または４に記載の熱電発電装置。
【０１８９】
（付記６）
前記熱電発電部の各々は、前記第１の熱結合部材に接続された前記伝熱部材に熱的に結合し、前記可撓膜よりも熱伝導率が高い材料で形成された第１の熱良導体と、前記第２の熱結合部材に接続された前記伝熱部材に熱的に結合し、前記可撓膜よりも熱伝導率が高い材料で形成された第２の熱良導体とを含み、
前記第１の熱良導体と前記第２の熱良導体とは、前記熱電発電部の積層方向に垂直な仮想平面の面内方向にずれた位置に配置されており、
前記熱電変換パターンは、前記第１の熱良導体に重なる位置から前記第２の熱良導体に重なる位置まで延在している付記３乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【０１９０】
（付記７）
前記熱電発電部のすべてにおいて、前記第１の熱良導体に対して前記第２の熱良導体が、前記仮想平面の面内の同一の方向にずれている付記６に記載の熱電発電装置。
【０１９１】
（付記８）
前記熱電発電素子の折り返し部分の幅は、前記熱電発電部の幅よりも狭く、
前記第１の熱結合部材は、前記熱電発電素子の折り返し部分が現れる第１の側面に沿って配置されており、前記熱電発電部の幅の範囲内に少なくとも一部が配置され、前記第１の側面に現れている折り返し部分の幅の範囲内には配置されていない付記３に記載の熱電発電装置。
【０１９２】
（付記９）
前記第１の熱結合部材で構成される熱経路の断面積が、前記積層方向の第１の向きに向かって大きくなっており、前記第２の熱結合部材で構成される熱経路の断面積が、前記第１の向きと反対の向きに向かって大きくなっている付記１に記載の熱電発電装置。
【０１９３】
（付記１０）
前記第１の熱結合部材に接続された複数の前記伝熱部材においては、前記積層方向の一方の端に配置された前記伝熱部材が最も薄く、端の伝熱部材からの距離が遠いほど厚く、前記第２の熱結合部材に接続された複数の前記伝熱部材においては、前記積層方向の前記一方の端とは反対側の端に配置された前記伝熱部材が最も薄く、その端の伝熱部材からの距離が遠いほど厚い付記１に記載の熱電発電装置。
【０１９４】
（付記１１）
前記第１の熱伝導膜は、前記可撓膜の折り畳み方向の一方の端から他方の端に向かって薄くなっており、前記第２の熱伝導膜は、前記一方の端から他方の端に向かって厚くなっている付記４に記載の熱電発電装置。
【０１９５】
（付記１２）
前記第１の熱伝導膜及び前記第２の熱伝導膜の各々は、積層された複数の膜を含み、
前記第１の熱伝導膜は、前記可撓膜の折り畳み方向の一方の端から他方の端に向かって積層枚数が多くなっており、前記第２の熱伝導膜は、前記一方の端から他方の端に向かって積層枚数が少なくなっている付記４に記載の熱電発電装置。
【０１９６】
（付記１３）
さらに、前記伝熱部材のうち前記第１の熱結合部材に接続された第１の伝熱部材同士を、前記熱電発電部を貫通して熱的に結合させる第１の伝熱構造を有する付記１乃至３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【０１９７】
（付記１４）
さらに、前記伝熱部材のうち前記第２の熱結合部材に接続された第２の伝熱部材同士を、前記熱電発電部を貫通して熱的に結合させる第２の伝熱構造を有する付記１３に記載の熱電発電装置。
【０１９８】
（付記１５）
前記第１の伝熱構造は、前記第２の伝熱部材に接触することなく、該第２の伝熱部材を厚さ方向に貫通し、前記第２の伝熱構造は、前記第１の伝熱部材に接触することなく、該第１の伝熱部材を厚さ方向に貫通している付記１４に記載の熱電発電装置。
【０１９９】
（付記１６）
前記第１の伝熱構造は、２枚の前記第１の伝熱部材の相互に対向する表面に両端が固定された第１の伝熱柱を含む付記１３乃至１５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【０２００】
（付記１７）
前記第１の伝熱構造は、
２枚の前記第１の伝熱部材の相互に対向する表面のそれぞれに形成された嵌合部を含み、一方の嵌合部と他方の嵌合部とは、相互に嵌合する幾何学的形状を有する付記１３乃至１６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【０２０１】
（付記１８）
前記第１の伝熱構造は、
少なくとも２枚の前記第１の伝熱部材を貫通し、該第１の伝熱部材に接触する伝熱ピンを含む付記１３乃至１６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【０２０２】
（付記１９）
前記第１の伝熱構造は、
相互に隣り合う２枚の前記第１の伝熱部材の一部の領域が圧着により相互に接続された構造を有する付記１３乃至１６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【符号の説明】
【０２０３】
２０  熱電発電素子
２１  伝熱部材
２１Ａ  第１の伝熱部材
２１Ｂ  第２の伝熱部材
２２  第１の熱結合部材
２３  第２の熱結合部材
２４  層間配線
２５、２６  端子
２７  層内配線
２８  引き出し配線
２９  外部端子
３０  第１の可撓膜
３１  第２の可撓膜
３２  熱電変換パターン
３２Ｐ  Ｐ型熱電変換パターン
３２Ｎ  Ｎ型熱電変換パターン
３３  折り返し部分
３４  熱電発電部
３７  第１の熱良導体
３８  第２の熱良導体
４０、４１  メタルマスク
４５  スリット
５０、５１  熱伝導膜
５５、５７  両面粘着シート
５６、５８  熱伝導膜
６０、６１  ロール
７０  熱発生源
７１  熱吸収源
８０  貫通孔
８１Ａ  第１の伝熱柱（第１の伝熱構造）
８１Ｂ  第２の伝熱柱（第２の伝熱構造）
８２Ａ  第１の貫通孔
８２Ｂ  第２の貫通孔
８５  半田
９０Ａ  第１の伝熱ピン（第１の伝熱構造）
９０Ｂ  第２の伝熱ピン（第２の伝熱構造）
９３Ａ  第１の凸型伝熱柱（嵌合部）
９３Ｂ  第２の凸型伝熱柱（嵌合部）
９４Ａ  第１の凹型伝熱柱（嵌合部）
９４Ｂ  第２の凹型伝熱柱（嵌合部）
９５Ａ  第１の窪み
９５Ｂ  第２の窪み
９６  伝熱充填部材
１００  圧着器具
【図１】
0005891584.tif 000002
【図２】
0005891584.tif 000003
【図３−１】
0005891584.tif 000004
【図３−２】
0005891584.tif 000005
【図３−３】
0005891584.tif 000006
【図３−４】
0005891584.tif 000007
【図３−５】
0005891584.tif 000008
【図３−６】
0005891584.tif 000009
【図４】
0005891584.tif 000010
【図５】
0005891584.tif 000011
【図６】
0005891584.tif 000012
【図７】
0005891584.tif 000013
【図８】
0005891584.tif 000014
【図９】
0005891584.tif 000015
【図１０】
0005891584.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0005891584.tif 000020
【図１５】
0005891584.tif 000021
【図１６】
0005891584.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
0005891584.tif 000031
【図２６】
0005891584.tif 000032
【図２７】
0005891584.tif 000033
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
0005891584.tif 000037
【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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