(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向して配置された第１電極および第２電極と、
第１主面および第２主面と、前記第１主面および第２主面の間に位置しており、前記第１電極および第２電極がそれぞれ電気的に接続された第１端面および第２端面とを有する積層体と、
を備え、
前記積層体は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１材料から形成された第１層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２材料から形成された第２層とが交互に積層された構造を有し、
前記複数の第１層と前記複数の第２層の積層面は、前記第１電極および第２電極が対向する方向に対して傾斜しており、
前記積層体は、前記第１主面および第２主面の少なくとも一方に、半導体層または絶縁体層を有し、かつ前記半導体層または絶縁体層の少なくとも一部の面上に、炭素を含む炭素含有層を有し、
前記第１主面と前記第２主面との温度差によって前記第１電極および第２電極間に電位差が発生する、熱発電素子。
【請求項２】
前記第１主面および前記第２主面は平面であり、前記積層体は直方体形状を有する請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項３】
前記積層体は管形状を有し、前記第１主面および前記第２主面は、それぞれ、前記管の外周面および内周面である請求項１に記載の熱発電素子。
【請求項４】
前記第２材料はＢｉを含み、
前記第１材料は、Ｂｉを含まず、Ｂｉとは異なる金属を含む請求項１から３のいずれかに記載の熱発電素子。
【請求項５】
前記炭素含有層は、前記第１材料および前記炭素を含む第１部分と前記第２材料および前記炭素を含む第２部分とを有する請求項１から４のいずれかに記載の熱発電素子。
【請求項６】
前記積層体は焼結体であり、前記炭素含有層は、前記焼結体の一部である請求項１から５のいずれかに記載の熱発電素子。
【請求項７】
請求項１に規定される熱発電素子を含み、
前記積層体が管形状を有する、熱発電チューブ。
【請求項８】
相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１材料の原料からなり、一対の積層面と、前記一対の積層面との間に位置し、前記一対の積層面に対して非垂直な第１側面および第２側面とを有する複数の第１圧粉体、および、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２材料の原料からなり、一対の積層面と、前記一対の積層面との間に位置し、前記一対の積層面に対して非垂直な第１側面および第２側面とを有する複数の第２圧粉体を用意する工程（Ａ）と、
前記複数の第１圧粉体および前記複数の第２圧粉体を、前記積層面が互いに接触するように交互に積層することにより、積層圧粉体を形成し、前記複数の第１圧粉体および前記複数の第２圧粉体の各第１側面および各第２側面が、それぞれ前記積層圧粉体の第１主面および第２主面を構成し、前記第１主面および第２主面の少なくとも一方に、カーボンシート、カーボンパウダーおよびグラファイトシートから選ばれる１つを配置する工程（Ｂ）と、
前記カーボンシートが配置された前記積層圧粉体を焼結する工程（Ｃ）と
を包含し、
前記焼結する工程（Ｃ）の後、前記１つが配置されていた前記第１主面または前記第２主面から炭素を含む部分が実質的に除去されない、熱発電素子の製造方法。
【請求項９】
前記焼結する工程（Ｃ）において、前記積層圧粉体に圧力を加えながら前記積層圧粉体を焼結する請求項８に記載の熱発電素子の製造方法。
【請求項１０】
前記焼結する工程（Ｃ）は、ホットプレス法または放電プラズマ法によって行われる請求項９に記載の熱発電素子の製造方法。
【請求項１１】
前記複数の第１圧粉体および複数の第２圧粉体のそれぞれは、前記第１および第２側面を外周面および内周面とする管形状を有し、前記第１側面と第２側面は、前記一対の積層面によって接続されており、前記積層面は円錐台の側面形状を有する請求項１０に記載の熱発電素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の熱発電チューブを複数備える熱発電ユニットであって、
前記複数の熱発電チューブの各々は、外周面および内周面と、前記内周面によって区画される流路と、を有し、前記内周面と前記外周面との間の温度差によって各熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されており、
前記熱発電ユニットは、
前記複数の熱発電チューブを内部に収容する容器であって、前記内部に流体を流すための流体入口および流体出口と、各熱発電チューブが挿入される複数の開口部とを有する容器と、
前記複数の熱発電チューブを電気的に接続する複数の導電性部材と、
を更に備え、
前記容器は、
前記複数の熱発電チューブを取り囲む胴部と、
前記胴部に固定され、前記複数の開口部が設けられた一対のプレートであって、前記複数の導電性部材を収容するチャネルが前記複数の開口部の少なくとも２つを相互に連結するように形成された一対のプレートと、
を有し、
各プレートの前記複数の開口部には、それぞれ、各熱発電チューブの端部が挿入されており、前記プレートにおける前記チャネルには、前記複数の導電性部材が収容されており、
前記複数の熱発電チューブは、前記チャネルに収容された前記複数の導電性部材によって電気的に直列に接続されている、熱発電ユニット。
【請求項１３】
請求項１２に記載の熱発電ユニットと、
前記容器の前記流体入口および前記流体出口に連通した第１媒体路と、
前記複数の熱発電チューブの前記流路に連通した第２媒体路と、
前記複数の導電性部材に電気的に接続され、前記複数の熱発電チューブで発生した電力を取り出す電気回路と、
を備える、熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、熱を電力に変換する熱発電素子に関する。また、熱発電素子を備える熱発電ユニットおよび熱発電ユニットを含む熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、熱を電力に、あるいは電力を熱に変換することができる素子である。ゼーベック効果を示す熱電材料から形成した熱電変換素子は、比較的低温（例えば２００℃以下）の熱源から熱エネルギーを得て電力に変換することができる。このような熱電変換素子を利用した熱発電技術によれば、従来、蒸気、温水、排気ガスなどの形態で未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することが可能になる。【０００３】
以下、熱電材料から形成した熱電変換素子を「熱発電素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」と称する。一般の熱発電素子は、キャリアの電気的極性が互いに異なるｐ型半導体およびｎ型半導体が組み合わされた、いわゆる「π型構造」を有する（例えば、特許文献１）。「π型構造」の熱発電素子では、ｐ型半導体とｎ型半導体とが電気的に直列に、かつ熱的に並列に接続される。「π型構造」では、温度勾配の方向と電流の流れる方向とは互いに平行または反平行である。このため、高温熱源側または低温熱源側の電極に出力端子を設ける必要がある。したがって、各々が「π型構造」を有する複数の熱発電素子を電気的に直列に接続するためには、複雑な配線構造が必要になる。【０００４】
特許文献２は、互いに対向する第１電極および第２電極の間に、ビスマス層と、ビスマスとは異なる金属からなる金属層とが交互に積層された積層体を有する熱発電素子を開示している。特許文献２に開示される熱発電素子では、第１電極と第２電極とを結ぶ直線の方向に対して積層面が傾斜している。また、特許文献３ならびに非特許文献１および２は、チューブ型熱発電素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０１６６８５号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０５６４６６号
【特許文献３】国際公開第２０１２／０１４３６６号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】菅野他、第７２回応用物理学会学術講演会  講演予稿集、３０ａ−Ａ−１４「非対角熱電効果を用いたチューブ型発電デバイス」  （２０１１）
【非特許文献２】Ａ．Ｓａｋａｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ２０１２  “Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｉｎ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｕｂｕｌａｒ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  （ＴＴＥＧ）”  （２０１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱発電技術を利用した実用的な熱発電素子、熱発電ユニットおよびシステムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様である熱発電素子は、互いに対向して配置された第１電極および第２電極と、第１主面および第２主面と、前記第１主面および第２主面の間に位置しており、前記第１電極および第２電極がそれぞれ電気的に接続された第１端面および第２端面とを有する積層体とを備え、前記積層体は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１材料から形成された第１層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２材料から形成された第２層とが交互に積層された構造を有し、前記複数の第１層と前記複数の第２層の積層面は、前記第１電極および第２電極が対向する方向に対して傾斜しており、前記積層体は、前記第１主面および第２主面の少なくとも一方に炭素を含む炭素含有層を有し、前記第１主面と前記第２主面との温度差によって前記第１電極および第２電極間に電位差が発生する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の熱発電素子、熱発電ユニットおよびシステムによれば、熱発電の実用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】熱発電素子１０の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの熱発電素子１０の上面図である。
【図２】熱発電素子１０の上面１０ａに高温熱源１２０を接触させ、かつ、下面１０ｂに低温熱源１４０を接触させた状態を示す図である。
【図３】熱発電チューブＴの概略構成を示す斜視図である。
【図４Ａ】本開示による熱発電素子の一実施形態を示す断面図である。
【図４Ｂ】本開示による熱発電素子の一実施形態を示す他の断面図である。
【図４Ｃ】炭素含有層の下層に中間層を備える熱発電素子を示す模式的な断面図である。
【図４Ｄ】直方体形状を有する熱発電素子１０Ｍの模式的な断面図である。
【図５】（ａ）から（ｄ）は、積層体を形成するための圧粉体の形状を示す側面図、断面図上面図および斜視図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、熱発電素子の製造工程を示す工程図である。
【図７】（ａ）は、熱発電素子の製造工程を示す工程図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、熱発電素子の製造工程を示す工程図である。
【図９】（ａ）は、熱発電素子の製造工程を示す工程図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図１０】熱発電素子の製造工程を示す工程図である。
【図１１】（ａ）は、実施例および参考例の熱発電素子の発電特性を示す図であり、（ｂ）は比較例の熱発電素子の発電特性を示す図である。
【図１２】本開示による熱発電システムが備える例示的な熱発電ユニット１００の概略構成を示す斜視図である。
【図１３】熱発電チューブＴの外周面と内周面との間に温度差を与えるための構成の例を示すブロック図である。
【図１４】熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の電気的接続の例を模式的に示す図である。
【図１５】（ａ）は、熱発電ユニット１００が備える熱発電チューブＴのうちの１つ（ここでは熱発電チューブＴ１）を示す斜視図であり、（ｂ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って熱発電チューブＴ１を切断したときの断面を示す図である。
【図１６】（ａ）は、本開示の熱発電システムが備える熱発電ユニットの一態様を示す正面図であり、（ｂ）は、熱発電ユニット１００の側面のうちの一つを示す図（ここでは右側面図）である。
【図１７】図１６（ｂ）のＭ−Ｍ断面の一部を示す図である。
【図１８】（ａ）は、プレート３６の一部の断面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）において矢印Ｖ１で示す方向から見たときの導電性部材Ｊ１の外観を示す図である。
【図１９】（ａ）は、導電性部材Ｊ１を収容するチャネルＣ６１近傍の分解斜視図であり、（ｂ）は、第２プレート部分３６ｂのシール面（第１プレート部分３６ａと対向する面）のうち、開口部Ａ６１およびＡ６２に対応する部分を示す斜視図である。
【図２０】（ａ）は、導電性リング状部材５６の１つの例示的な形状を示す斜視図であり、（ｂ）は、導電性リング状部材５６の他の例の形状を示す斜視図である。
【図２１】（ａ）は、導電性リング状部材５６および熱発電チューブＴ１を示す断面図であり、（ｂ）は、導電性リング状部材５６に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図であり、（ｃ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図である。
【図２２】図１６（ａ）に示される熱発電ユニット１００の側面のうちの他の一つを示す図（左側面図）である。
【図２３】（ａ）は、プレート３４の一部の断面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）において矢印Ｖ２で示す方向から見たときの導電性部材Ｋ１の外観を示す図である。
【図２４】導電性部材Ｋ１を収容するチャネルＣ４１近傍の分解斜視図である。
【図２５】熱発電チューブＴの外周面に接する媒体と、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内周面に接する媒体とが混ざり合わないように分離するための構造の例を示す断面図である。
【図２６】（ａ）は、本開示の熱発電システムの実施形態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示す熱発電システムが備えるバッファ槽の構成例を示す斜視図である。
【図２７】（ａ）は、本開示の熱発電システムの他の実施形態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図２８】（ａ）は、本開示の熱発電システムの更に他の実施形態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２９】（ａ）は、本開示の熱発電システムの更に他の実施形態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３０】本開示の熱発電システムの更に他の実施形態を示す図である。
【図３１】本開示による熱発電システムが備える電気回路の構成例を示すブロック図である。
【図３２】本開示による熱発電システムが使用される形態の構成例を示すブロック図である。
【図３３】熱発電ユニット１００に導入された高温媒体および低温媒体の流れ方向の例を模式的に示す図である。
【図３４】（ａ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１の一部を示す断面図であり、（ｂ）は、導電性部材Ｊ１の貫通孔Ｊｈ１に導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒが挿入された状態を示す断面図である。
【図３５】端部に面取り部Ｃｍを有する熱発電チューブＴの断面図である。
【図３６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、電気的に直列に接続された熱発電チューブＴを流れる電流を模式的に示す図である。
【図３７】２個の開口部Ａ６１、Ａ６２およびその近傍における電流の向きを模式的に示す図である。
【図３８】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、電極に極性の表示を有する熱発電チューブを示す斜視図である。
【図３９】（ａ）および（ｂ）は、高温媒体と低温媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現するための構造の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本願の出願人は、上述したように、特許文献２、３において、ビスマス層と、ビスマスとは異なる金属からなる金属層とが交互に積層された積層体を有する熱発電素子を開示している。この熱発電素子は、第１電極と第２電極とを結ぶ直線の方向に対して積層面が傾斜していることによって、従来の熱発電素子とは異なり、温度勾配の方向と電流の流れる方向とを直交させることができる。これによって、従来の熱発電素子を用いた熱発電システムでは、実現が容易ではなかった高温熱源および低温熱源の配置を取ることができ、高温熱源および低温熱源をより利用しやすい熱発電システムを提供し得る。
【００１２】
本開示による熱発素子の実施形態を説明する前に、この熱発電素子の基本構成と動作原理を説明する。後述するように、本開示の熱発電素子はチューブ状を有する場合、より高温熱源および低温熱源を利用しやすい場合がある。しかし、チューブ状の熱発電素子の動作原理は、より単純な形状を有する熱発電素子について説明することが可能であり、その方が理解しやすい。
【００１３】
まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照する。図１Ａは、概略的に直方体の形状を有する熱発電素子１０の断面図であり、図１Ｂは熱発電素子１０の上面図である。参考のため、図１Ａおよび図１Ｂには、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示されている。図示されている熱発電素子１０は、金属層２０と熱電材料層２２とが傾斜した状態で交互に積層された構造（積層体）を有している。この例において、積層体の形状は直方体であるが、他の形状であっても動作原理は同じである。
【００１４】
図示されている熱発電素子１０では、上記の積層体を左右から挟み込むように第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２が設けられている。図１Ａに示される断面において、積層面はＺ軸方向に対して角度θ（０＜θ＜πラジアン）だけ傾斜している。
【００１５】
このような構成を有する熱発電素子１０では、上面１０ａと下面１０ｂとの間に温度差が与えられると、熱電材料層２２よりも熱伝導性の高い金属層２０を優先的に熱が伝達するため、各熱電材料層２２の温度勾配にＺ軸方向成分が生じる。このため、各熱電材料層２２にはゼーベック効果によってＺ軸方向の起電力が発生し、起電力が積層体内で直列的に重畳される結果、全体として第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に大きな電位差が発生する。図１Ａおよび図１Ｂに示される積層体を有する熱発電素子は、特許文献２に開示されている。特許文献２の開示内容の全体を本願に援用する。
【００１６】
図２は、熱発電素子１０の上面１０ａに高温熱源１２０を接触させ、かつ、下面１０ｂに低温熱源１４０を接触させた状態を示している。この状態では、高温熱源１２０から低温熱源１４０に熱発電素子１０を介して熱Ｑが流れ、熱発電素子１０から第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２を介して電力Ｐを取り出すことができる。大局的に見た場合、熱発電素子１０では、温度勾配の方向（Ｙ軸方向）と電流の方向（Ｚ軸方向）とは直交しており、電力を取り出すための一対の電極Ｅ１、Ｅ２間に温度差を与える必要がない。
【００１７】
簡単のため、熱発電素子１０の積層体の形状が直方体である場合を説明したが、以下の実施形態では、積層体がチューブ形状を有する熱発電素子を例に挙げる。このようなチューブ状の熱発電素子を本明細書では「熱発電チューブ（Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」と称する。なお、本明細書において、「チューブ」の用語は「パイプ」の用語とは区別されず、「チューブ」および「パイプ」の両方を含むように解釈される。
【００１８】
図３は、熱発電チューブＴの一例を示す斜視図である。熱発電チューブＴは、中央に貫通孔を有する金属層２０および熱電材料層２２が傾斜した状態で交互に積層されたチューブ本体Ｔｂと、一対の電極Ｅ１、Ｅ２とを備えている。このような熱発電チューブＴを製造する方法は、例えば特許文献３に開示されている。特許文献３に開示されている方法によれば、底部に孔を有する金属カップと、同様に底部に孔を有する熱電材料カップとを交互に重ね合わせ、その状態でプラズマ焼結を行うことにより、両者を結合する。特許文献３の開示内容の全体を本願に援用する。
【００１９】
図３の熱発電チューブＴは、その内周面によって規定される内部の流路（以下、「内部流路」と称することがある。）を、例えば高温媒体が流れるように配管に接続される。その場合、熱発電チューブＴの外周面は低温媒体に接触させられる。こうして、熱発電チューブＴの内周面と外周面との間に温度差が与えられることにより、一対の電極Ｅ１、Ｅ２の間に電位差が発生し、電力を取り出すことが可能になる。
【００２０】
なお、本明細書では、「高温媒体」または「低温媒体」における「高温」および「低温」の語は、それぞれの媒体の具体的な温度ではなく、これらの間の相対的な温度の高低を表す。また、「媒体」は、典型的には、気体、液体、またはこれらの混合体からなる流体である。「媒体」は、流体中に分散した粉末などの固体を含んでいてもよい。
【００２１】
熱発電チューブＴの形状は、チューブ状であれば良く、円筒に限定されない。言い換えると、熱発電チューブＴの軸に対して垂直な面で熱発電チューブＴを切断したとき、「外周面」および「内周面」の切断面上における形状は円である必要は無く、楕円、多角形などの閉曲線であればよい。また、熱発電チューブＴの軸は、典型的には直線であるが、直線に限定されない。これらのことは、図１Ａ、図１Ｂおよび図２を参照しながら説明した熱発電の原理から明らかである。
【００２２】
このように、特許文献３に開示された熱発電チューブＴによれば、熱電材料層２２を含むチューブ本体Ｔｂが、高温媒体や低温媒体と接触して熱を利用したり、チューブ本体Ｔｂが高温媒体と低温媒体とを区切る壁となり得る。このため、従来の熱発電素子と比べて、熱の利用効率を高めることができる。
【００２３】
しかし、チューブ本体Ｔｂが高温媒体や低温媒体と接触する場合、媒体が流体であれば、チューブ本体Ｔｂが媒体からずり応力（せん断応力）を受け、内周面や外周面が削れてしまう。また、高温媒体や低温媒体中に不純物が含まれる場合、チューブ本体Ｔｂの内周面や外周面に不純物が堆積し、熱発電チューブＴの発電特性に影響を与えたり、高温媒体や低温媒体の流路を妨げる、あるいは、媒体の流れを乱すなどの課題が生じ得る。
【００２４】
本願発明者は、このような課題に鑑み、新規な熱発電素子および熱発電システムを想到した。本発明の一態様の概要は以下の通りである。
【００２５】
本発明の一態様である熱発電素子は、互いに対向して配置された第１電極および第２電極と、第１主面および第２主面と、前記第１主面および第２主面の間に位置しており、前記第１電極および第２電極がそれぞれ電気的に接続された第１端面および第２端面とを有する積層体とを備え、前記積層体は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１材料から形成された第１層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２材料から形成された第２層とが交互に積層された構造を有し、前記複数の第１層と前記複数の第２層の積層面は、前記第１電極および第２電極が対向する方向に対して傾斜しており、前記積層体は、前記第１主面および第２主面の少なくとも一方に炭素を含む炭素含有層を有し、前記第１主面と前記第２主面との温度差によって前記第１電極および第２電極間に電位差が発生する。
【００２６】
前記第１主面および前記第２主面は平面であり、前記積層体は直方体形状を有していてもよい。
【００２７】
前記積層体は管形状を有し、前記第１主面および前記第２主面は、それぞれ、前記管の外周面および内周面であってよい。
【００２８】
前記第２材料はＢｉを含み、前記第１材料は、Ｂｉを含まず、Ｂｉとは異なる金属であってよい。
【００２９】
前記炭素含有層は、前記第１材料および前記炭素を含む第１部分と前記第２材料および前記炭素を含む第２部分とを有していてもよい。
【００３０】
前記積層体は焼結体であり、前記炭素含有層は、前記焼結体の一部であってよい。
【００３１】
本発明の一態様である熱発電チューブは上記熱発電素子を含み、前記積層体が管形状を有する。
【００３２】
本発明の一態様である熱発電素子の製造方法は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１材料の原料からなり、一対の積層面と、前記一対の積層面との間に位置し、前記一対の積層面に対して非垂直な第１側面および第２側面とを有する複数の第１圧粉体、および、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２材料の原料からなり、一対の積層面と、前記一対の積層面との間に位置し、前記一対の積層面に対して非垂直な第１側面および第２側面とを有する複数の第２圧粉体を用意する工程（Ａ）と、前記複数の第１圧粉体および前記複数の第２圧粉体を、前記積層面が互いに接触するように交互に積層することにより、積層圧粉体を形成し、前記複数の第１圧粉体および前記複数の第２圧粉体の各第１側面および各第２側面が、それぞれ前記積層圧粉体の第１主面および第２主面を構成し、前記第１主面および第２主面の少なくとも一方に、カーボンシート、カーボンパウダーおよびグラファイトシートから選ばれる１つを配置する工程（Ｂ）と、前記カーボンシートが配置された前記積層圧粉体を焼結する工程（Ｃ）とを包含し、前記焼結する工程（Ｃ）の後、前記１つが配置されていた前記第１主面または前記第２主面から炭素を含む部分が実質的に除去されない。
【００３３】
前記焼結する工程（Ｃ）において、前記積層圧粉体に圧力を加えながら前記前記積層圧粉体を焼結してもよい。
【００３４】
前記焼結する工程（Ｃ）は、ホットプレス法または放電プラズマ法によって行われてもよい。
【００３５】
前記複数の第１圧粉体および複数の第２圧粉体のそれぞれは、前記第１および第２側面を外周面および内周面とする管形状を有し、前記第１側面と第２側面は、前記一対の積層面によって接続されており、前記積層面は円錐台の側面形状を有していてもよい。
【００３６】
本発明の一態様である熱発電ユニットは、上記熱発電チューブを備える熱発電ユニットであって、前記複数の熱発電チューブの各々は、外周面および内周面と、前記内周面によって区画される流路とを有し、前記内周面と前記外周面との間の温度差によって各熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されており、前記熱発電ユニットは、前記複数の熱発電チューブを内部に収容する容器であって、前記内部に流体を流すための流体入口および流体出口と、各熱発電チューブの前記流路が挿入される複数の開口部とを有する容器と、前記複数の熱発電チューブを電気的に接続する複数の導電性部材と、を更に備え、前記容器は、前記複数の熱発電チューブを取り囲む胴部と、前記胴部に固定され、前記複数の開口部が設けられた一対のプレートであって、前記複数の導電性部材を収容するチャネルが前記複数の開口部の少なくとも２つを相互に連結するように形成された一対のプレートとを有し、各プレートの前記複数の開口部には、それぞれ、各熱発電チューブの端部が挿入されており、前記プレートにおける前記チャネルには、前記複数の導電性部材が収容されており、前記複数の熱発電チューブは、前記チャネルに収容された前記複数の導電性部材によって電気的に直列に接続されている。
【００３７】
本発明の一態様である熱発電システムは、上記熱発電ユニットと、前記容器の前記流体入口および前記流体出口に連通した第１媒体路と、前記複数の熱発電チューブの前記流路に連通した第２媒体路と、前記複数の導電性部材に電気的に接続され、前記複数の熱発電チューブで発生した電力を取り出す電気回路とを備える。
【００３８】
以下本発明による熱発電素子、熱発電ユニット、熱発電システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００３９】
（第１の実施形態）
図４Ａは、本実施形態の熱発電素子１０の断面を示している。本実施形態の熱発電素子１０は、図３に示すように管形状を有する。図４Ａは管の軸を含む断面を示している。熱発電素子１０は、積層体２８と第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２とを備える。積層体２８は、第１主面である外周面２４と、第２主面である内周面２６と、外周面２４および内周面２６の間に位置し、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２がそれぞれ電気的に接続された第１端面２５および第２端面２７とを有する。積層体２８は、複数の熱電材料層２２と複数の金属層２０とを含む。複数の熱電材料層２２と複数の金属層２０とは交互に積層されている。
【００４０】
内周面２６によって区画される領域が流路Ｆ１を形成している。図示されている例では、外周面２４および内周面２６は、それぞれ、軸方向に垂直な断面の形状が円であるが、これらの形状は前述したように、円に限定されず、楕円または多角形であってもよい。軸方向に垂直な面で切断したときの流路の断面積の大きさは、特に限定されない。熱発電素子の内部流路に供給される媒体の流量に応じて、流路の断面積または熱発電素子の本数が適宜設定されればよい。
【００４１】
図示されている例において、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、それぞれ、円筒形状を有しているが、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の形状はこれに限定されない。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、それぞれ、積層体２８の両端またはその近傍において、金属層２０および熱電材料層２２の少なくとも一方に電気的に接続され、かつ、流路Ｆ１を閉塞しない任意の形状を有し得る。図４Ａの例では、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の外周面が積層体２８の外周面２４に整合しているが、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の外周面と積層体２８の外周面２４とが整合している必要はない。例えば、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の外周面の直径（外径）が積層体２８の外周面２４の直径（外径）よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。また、軸方向に垂直な平面で切った第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の断面形状が、軸方向に垂直な平面で切った積層体２８の外周面２４の断面形状と異なっていてもよい。
【００４２】
第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、導電性を有する材料、典型的には金属から形成される。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、積層体２８の両端またはその近傍に位置する１個または複数の金属層２０から構成されていてもよい。その場合、積層体２８の一部が第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２として機能することになる。あるいは、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、積層体２８の外周面の一部を覆うように設けられた金属層または輪帯状金属部材から形成されていてもよいし、積層体２８の内周面２６と接触するように積層体２８の両端から流路Ｆ１内に部分的に嵌め込まれた一対の円筒状金属部材であってもよい。
【００４３】
金属層２０および熱電材料層２２は、図４Ａに示されるように、傾斜した状態で交互に積層されている。このような構成を有する熱発電素子は、基本的には、図１および図２を参照しながら説明した原理と同様の原理で動作する。したがって、熱発電素子１０の外周面２４と内周面２６との間に温度差を与えると、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電位差が生じる。このときの温度勾配の概略的な方向は、外周面２４と内周面２６とに垂直な方向である。
【００４４】
積層体２８における積層面の、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２とが対向する方向に対する傾斜角度（以下、単に「傾斜角度」と称する。）θは、例えば、５°以上６０°以下の範囲内に設定され得る。傾斜角度θは、２０°以上４５°以下であってもよい。傾斜角度θの適切な範囲は、金属層２０を構成する材料と熱電材料層２２を構成する熱電材料との組み合わせに依存して異なる。
【００４５】
積層体２８における金属層２０の厚さと熱電材料層２２の厚さとの比（以下、単に「積層比」と称する。）は、例えば、２０：１〜１：９の範囲に設定され得る。ここで、金属層２０の厚さは、積層面に垂直な方向における厚さ（図４Ａ中、Ｔｈで示す厚さ）を意味する。同様に、熱電材料層２２の厚さは、積層面に垂直な方向における厚さを意味する。なお、金属層２０および熱電材料層２２の積層の総数は適宜設定され得る。
【００４６】
金属層２０は、任意の金属材料から形成され得、例えばニッケルまたはコバルトから形成され得る。ニッケルおよびコバルトは、高い熱発電特性を示す金属材料の例である。金属層２０は、銀または金を含んでいてもよい。金属層２０は、これらの例示された金属材料を単独で含んでいてもよいし、合金として含んでいてもよい。金属層２０が合金から形成される場合、この合金が、銅、クロムまたはアルミニウムを含んでいてもよい。このような合金の例は、コンスタンタン、クロメルまたはアルメルである。
【００４７】
熱電材料層２２は、使用温度に応じて任意の熱電材料から形成され得る。熱電材料層２２に使用され得る熱電材料の例は、Ｂｉ、Ｓｂなどの単元素からなる熱電材料、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系などの合金系熱電材料、ＣａxＣｏＯ2、ＮａxＣｏＯ2、ＳｒＴｉＯ3などの酸化物系熱電材料を含む。本明細書における「熱電材料」とは、絶対値が３０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を有し、かつ、電気抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下の材料を意味する。このような熱電材料は、結晶でも、非晶質でもよい。高温媒体の温度が２００℃程度またはそれ以下である場合、熱電材料層２２は、例えばＢｉＳｂＴｅ系合金の緻密体から形成され得る。ＢｉＳｂＴｅ系合金の代表的な化学組成は、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3であるが、これに限定されない。ＢｉＳｂＴｅはＳｅなどのドーパントを含んでいてもよい。ＢｉとＳｂの組成比は、適宜調整され得る。
【００４８】
熱電材料層２２を構成する熱電材料の他の例としては、ＢｉＴｅ、ＰｂＴｅなどが挙げられる。熱電材料層２２がＢｉＴｅから構成される場合、ＢｉＴｅの化学組成をＢｉ2ＴｅXと表記したとき、２＜Ｘ＜４であればよい。代表的な化学組成は、Ｂｉ2Ｔｅ3である。Ｂｉ2Ｔｅ3は、ＳｂまたはＳｅを含有し得る。Ｓｂを含有するＢｉＴｅの化学組成は（Ｂｉ1-YＳｂY）2ＴｅXのように表される。このとき、０＜Ｙ＜１であれば良く、０．６＜Ｙ＜０．９であるとより好ましい。
【００４９】
第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２を構成する材料は、導電性に優れる材料であれば任意である。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、銅、銀、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、クロム、金、白金、インジウムなどの金属から形成され得る。あるいは、窒化チタン（ＴｉＮ）、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）などの窒化物または酸化物から形成されてもよい。ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどから第１電極Ｅ１または第２電極Ｅ２を形成してもよい。なお、チューブ本体Ｔｂ１の両端が金属層２０である場合、前述したように、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、金属層２０で代用され得る。
【００５０】
本明細書では、熱発電チューブの典型例として、金属層と熱発電材料層とが交互に積層された構成を備える素子を説明しているが、本開示に使用され得る積層体の構造は、このような例に限定されない。相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１材料から形成された第１層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２材料から形成された第２層とを積層すれば、上述した熱発電は可能である。金属層２０および熱電材料層２２は、それぞれ、第１層および第２層の例である。
【００５１】
熱発電素子１０の積層体２８は、外周面２４および内周面２６の少なくとも一方に炭素を含む炭素含有層を有する。本実施形態では、積層体２８は、外周面２４および内周面２６に、それぞれ、炭素含有層１２および炭素含有層１４を含んでいる。
【００５２】
炭素含有層１２は、積層体２８の外周面２４から内部にかけて、厚さｔ１２を有し、この範囲で積層体２８に炭素が拡散している。より具体的には、炭素含有層１２は、金属層２０に炭素が拡散している部分１２ｍと熱電材料層２２に炭素が拡散している部分１２ｈとを含んでいる。
【００５３】
同様に、炭素含有層１４は、積層体２８の内周面２６から内部にかけて、厚さｔ１４を有し、この範囲で積層体２８に炭素が拡散している。より具体的には、炭素含有層１４は、金属層２０に炭素が拡散している部分１４ｍと熱電材料層２２に炭素が拡散している部分１４ｈとを含んでいる。金属層２０や熱電材料層２２が炭素を含有している場合には、部分１２ｍ、１２ｈ、１４ｍ、１４ｈは、金属層２０や熱電材料層２２よりも多く炭素を含有している領域として定義される。
【００５４】
炭素含有層１２および炭素含有層１４は炭素を含んでいることによって、特に熱電材料層２２よりも高い硬度を有する。したがって、高温媒体や低温媒体の流体が接しても、外周面２４および内周面２６が研削されるのを抑制することができる。また、炭素含有層１２および炭素含有層１４の外周面２４および内周面２６側で炭素の濃度が高い場合、外周面２４および内周面２６が平滑になり、高温媒体や低温媒体に含まれ得る不純物の堆積や付着が抑制される。
【００５５】
炭素含有層１２および炭素含有層１４の硬度の向上および表面平滑性の向上に、炭素含有層１２および炭素含有層１４における炭素の濃度および厚さｔ１２、ｔ１４は影響し得る。このため、熱発電素子１０に求められる研削に対する耐久性や不純物付着の抑制の能力に応じてこれらを決定することができる。
【００５６】
具体的には、炭素含有層１２の厚さｔ１２および炭素含有層１４の厚さｔ１４が大きいほど、研削に対する耐久性は高まる。しかし、厚さｔ１２および炭素含有層１４の厚さｔ１４が大きくなると、金属層２０および熱電材料層２２において、設計された特性を発揮する部分が減少し、熱発電素子１０の発電能力が低下し得る。このため、熱発電素子１０の発電能力と研削に対する耐久性とを考慮し、厚さｔ１２および厚さｔ１４を決定することができる。例えば、積層体２８の管形状の厚さ、つまり、外周面２４および内周面２６の間隔が１ｍｍ〜３ｍｍ程度である場合、厚さｔ１２および厚さｔ１４は１００μｍから３００μｍ程度に設定することができる。
【００５７】
また、炭素含有層１２および炭素含有層１４の外周面２４側および内周面２６側における炭素濃度が高いほど、外周面２４および内周面２６が平滑になると考えられる。このため、炭素含有層１２および炭素含有層１４の外周面２４側および内周面２６側は実質的に炭素のみを含む部分があってもよい。ただし、炭素濃度が高い部分が厚いと、炭素含有層１２および炭素含有層１４、特に、熱電材料層２２に炭素が拡散した部分１４ｈおよび１２ｈに導電性が生じ、熱発電素子１０の発電能力が低下し得る。つまり、炭素含有層１２および炭素含有層１４は導電性を有さず、絶縁性を有すると有益である。この点を考慮する限り、炭素含有層１２および炭素含有層１４における炭素濃度は、厚さ方向に均一であってもよいし、外周面２４および内周面２６側の方が内部よりも高くなっていてもよい。
【００５８】
典型的には積層体２８は焼結体であり、炭素含有層１２および炭素含有層１４は、それぞれ焼結体の一部である。焼結体の一部として炭素含有層１２および炭素含有層１４を設ける場合、以下において詳細に説明するように、積層体２８の圧粉体の外周面２４および内周面２６に対応する面にカーボンシート、カーボンパウダー、グラファイトシートなどを配置し、圧粉体を焼結することによって、炭素が圧粉体内に拡散し、焼結に伴って、炭素含有層１２および炭素含有層１４が、焼結した積層体２８の外周面２４および内周面２６に形成される。
【００５９】
このように本実施形態の熱発電素子１０によれば、外周面２４および内周面２６の少なくとも一方に炭素含有層を有する。炭素含有層は、高い硬度を有するため、流体が接しても、外周面２４および内周面２６の少なくとも一方が研削されるのを抑制することができる。また、炭素含有層の平滑性によって、高温媒体や低温媒体に含まれ得る不純物の堆積や付着が抑制される。
【００６０】
なお、上述したように熱発電素子はチューブ形状に限られず、直方体形状を有していてもよい。例えば図４Ｂに示すように熱発電素子は、平面によって構成される第１主面２４’’、第２主面２６’’を有する直方体形状を備えていてもよい。この場合、第１主面２４’’および第２主面２６’’に炭素含有層１２および炭素含有層１４がそれぞれ位置している。
【００６１】
図４Ｃに、炭素含有層の下層に中間層を備える熱発電素子を示す。図４Ｃに示す熱発電素子１０Ｍは、炭素含有層１２の下層、すなわち積層体２８内において炭素含有層１２よりも外周面２４から遠い側に中間層１２Ｍを有している。また、熱発電素子１０Ｍは、炭素含有層１４の下層、すなわち積層体２８内において炭素含有層１４よりも内周面２６から遠い側に中間層１４Ｍを有している。中間層１２Ｍ、１４Ｍは、半導体層または絶縁層である。
【００６２】
上述したように、炭素含有層が金属的な性質を有する場合には、熱発電素子の発電能力が低下することがある。後に実施例を参照して説明するように、中間層１２Ｍ、１４Ｍを設けることにより、熱発電素子の発電能力の低下を抑制し得る。なお、このような中間層は、積層体２８の外周面２４側または内周面２６側の少なくとも一方に設けることができる。
【００６３】
中間層１２Ｍ、１４Ｍの材料としては、比較的高い電気抵抗値が得られれば特に限定されない。例えば、中間層１２Ｍ、１４Ｍの材料は、酸化物、炭化物、窒化物、有機物等から適宜選択することができる。安定な材料として、アルミナ、窒化ホウ素等を用いることができる。中間層１２Ｍ、１４Ｍは、規則的な結晶構造を持たないアモルファス状であってもよい。また、十分な絶縁性がえられれば、中間層１２Ｍ、１４Ｍの厚さは均一である必要はなく、１ｎｍ〜１００μｍ程度の厚さであってもよい。熱発電素子の発電性能を低下させないという観点から、半導体層または絶縁体層は十分に薄く、また熱伝導性が高いと有益である。なお、十分な電気抵抗が損なわれない限りにおいて、炭素含有層を形成するためのカーボンシート等からの中間層への元素の拡散、および／または積層体２８からの中間層への元素の拡散は許容され得る。
【００６４】
図４Ｃに例示した構成では、中間層１２Ｍは、金属層２０に絶縁材料または半導体材料が拡散している部分１２Ｍｍ（以下、「第１部分１２Ｍｍ」ということがある）と熱電材料層２２に絶縁材料または半導体材料が拡散している部分１２Ｍｈ（以下、「第２部分１２Ｍｈ」ということがある）とを含んでいる。しかしながら、中間層１２Ｍは、第１部分１２Ｍｍまたは第２部分１２Ｍｈの少なくとも一方を含んでいればよい。同様に、中間層１４Ｍは、金属層２０に絶縁材料もしくは半導体材料が拡散している部分１４Ｍｍ、または熱電材料層２２に絶縁材料もしくは半導体材料が拡散している部分１４Ｍｈの少なくとも一方を含んでいればよい。
【００６５】
図４Ｂを参照して説明したように、熱発電素子の形状はチューブ形状に限られない。図４Ｄは、直方体形状を有する熱発電素子１０Ｍの模式的な断面を示す。図４Ｄに示す熱発電素子１０Ｍは、平面によって構成される第１主面２４’’、第２主面２６’’を有する直方体形状を備える。図示する例では、第１主面２４’’および第２主面２６’’に炭素含有層１２および炭素含有層１４がそれぞれ位置している。さらに、炭素含有層１２の下層に中間層１２Ｍが、炭素含有層１４の下層に中間層１４Ｍがそれぞれ位置している。
【００６６】
次に、図５から図９を参照しながら、熱発電素子１０の製造方法の実施形態を説明する。
【００６７】
まず、金属層２０および熱電材料層２２を構成する材料の原料からなる圧粉体を用意する。より具体的には、金属層２０を構成する材料の原料の粉末および熱電材料層２０を構成する材料の原料の粉末を用意し、それぞれの粉末をプレス成型などによってかため、圧粉体２０’および圧粉体２２’を形成する。
【００６８】
図５（ａ）から（ｄ）は、それぞれ、金属層２０となる圧粉体２０’および熱電材料層２２となる圧粉体２２’の形状を示す側面図、断面図、上面図および斜視図である。圧粉体２０’および圧粉体２２’は、それぞれ、内周面２３ａおよび外周面２３ｂを有する管形状を備えている。内周面２３ａおよび外周面２３ｂは、円錐台形状の積層面２３ｃおよび積層面２３ｄによって接続されている。内周面２３ａおよび外周面２３ｂが形成する円筒の直径はそれぞれｄｉｎおよびｄｏｕｔである。管形状の軸を通る断面を見た場合（図５（ｂ））、内周面２３ａに対して、積層面２３ｃおよび積層面２３ｄはθの角度を成している。
【００６９】
図６（ａ）に示すように、内周面２３ａの直径ｄｉｎよりわずかに小さい直径を有する中棒７１を用意する。図６（ｂ）に示すように、中棒７１の外周面にカーボンシート１４’を巻きつける。カーボンシート１４’には、例えば焼結体を製造する際に用いる離型剤として入手可能なカーボンシートを用いることができる。また、炭素繊維、あるいは、炭素繊維と炭素との複合材料等によって形成されたシート状のカーボン、グラファイトシートなどを用いることができる。カーボンパウダーが分散された樹脂シート等を用いることもできる。カーボンシート１４’の厚さは、例えば、１００μｍから５００μｍである。
【００７０】
図７（ａ）に示すように、カーボンシート１４’を巻きつけた中棒７１に圧粉体２０’および圧粉体２２’を交互に挿入し、積層する。これにより、圧粉体２０’および圧粉体２２’の積層面２３ｄまたは積層面２３ｃが、隣接する圧粉体２０’および圧粉体２２’の積層面２３ｃまたは積層面２３ｄと接触する。図７（ｂ）は積層した圧粉体２０’および圧粉体２２’の断面を示している。図７（ｂ）に示すように、圧粉体２０’および圧粉体２２’の各内周面２３ａはカーボンシート１４’に概ね接するか、近接している。
【００７１】
図８（ａ）は、圧粉体２０’および圧粉体２２’の積層が完了した積層圧粉体８０を示している。圧粉体２０’および圧粉体２２’の各外周面２３ｂが積層圧粉体８０の外周面２４’を構成する。図には示さないが、圧粉体２２’の各内周面２３ａが積層圧粉体８０の内周面を構成しており、この内周面にカーボンシート１４’が配置される。
【００７２】
次に図８（ｂ）に示すように、積層圧粉体８０の外周面２４’にカーボンシート１２’を巻きつける。カーボンシート１２’にも上述した材料を用いることができる。これにより、積層圧粉体８０の外周面２４’および内周面２６’にカーボンシート１２’およびカーボンシート１４’が配置された管形状を有する積層圧粉体８１が完成する。
【００７３】
図９（ａ）に示すように積層圧粉体８１を焼成ダイ７２の空間に挿入する。図９（ｂ）は焼成ダイ７２に挿入された積層圧粉体８１の断面を示している。上述したように、積層圧粉体８１において外周面２４’にはカーボンシート１２’が配置され、内周面２６’はカーボンシート１４’が配置されている。
【００７４】
次に、積層圧粉体８１を焼成する。焼成は、金属層２０、熱電材料層２２を構成する材料や、原料粉の形状等に応じて適切な温度を選択し得る。例えば、圧粉体２０’にニッケル粉末を用い、圧粉体２２’にＢｉＳｂＴｅ系合金の粉末を用いる場合、２００℃以上６００℃以下の範囲で適切な温度を選択することができる。
【００７５】
緻密な焼成体を得るために、焼成時に積層圧粉体８１に圧力を加えてもよい。具体的には、ホットプレス法や放電プラズマ焼結法によって焼成してもよい。例えば、治具７３Ｕおよび７３Ｌを用いて管形状の両端から圧力を加えることによって、焼成ダイ７２内で積層圧粉体８１は３方向から圧力を受ける。
【００７６】
また、治具７３Ｕおよび７３Ｌによって、矢印で示すように、積層圧粉体８１および焼成ダイ７２に直流パルス電圧を印加し、パルス電圧によって、積層圧粉体８１を加熱する。これにより、圧粉体２０’および圧粉体２２’がそれぞれ焼結するとともに、材料が異なる圧粉体２０’と圧粉体２２’との接合が行われる。
【００７７】
また、カーボンシート１２’およびカーボンシート１４’の炭素が、圧粉体２０’および圧粉体２２’と反応し、積層圧粉体８０の外周面２４’および内周面２６’から炭素が拡散し、炭素を含んで圧粉体２０’および圧粉体２２’が焼結する。これにより、図４Ａに示す熱発電素子１０の積層体２８が得られる。積層体２８において、外周面２４および内周面２６には、炭素含有層１２および炭素含有層１４が形成されている。形成された炭素含有層１２および炭素含有層１４は除去しない。ただし、炭素含有層１２および炭素含有層１４を実質的に除去しない限り、外周面２４および内周面２６の表面の平滑性をより高めたり、不要な凹凸を除去するために、炭素含有層１２および炭素含有層１４の一部を除去してもよい。また、カーボンシート１２’およびカーボンシート１４’の炭素は、すべて圧粉体２０’および圧粉体２２’と反応しなくてもよく、実質的に炭素のみを含む層が外周面２４’および内周面２６’の表層部分に残っていてもよい。
【００７８】
その後、成形体２８の第１端面２５および第２端面２７に、上述した方法により、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２を設け、電気的に接合することにより熱発電素子１０が完成する。
【００７９】
なお、例えば、積層圧粉体８０の内周面に接触するカーボンシート１４’の積層圧粉体８０と対向する面に半導体または絶縁体の粉末を分散させておくことにより、中間層１４Ｍを形成することができる。同様に、積層圧粉体８０の外周面２４’に巻きつけるカーボンシート１２’の積層圧粉体８０と対向する面に半導体または絶縁体の粉末を分散させておくことにより、中間層１２Ｍを形成することができる。中間層１２Ｍ、１４Ｍは、焼結体の一部であり得る。このようにして、図４Ｃに示す熱発電素子１０Ｍの積層体２８を得ることができる。ただし、上述の構成が達成されれば、中間層の形成方法は特定のものに限定されるものではない。上述した方法の他、焼結前の積層圧粉体８０の内周面および／または外周面に半導体または絶縁体の粉末を分散させておいてもよい。半導体または絶縁体の粉末を分散させる最も簡便な方法としては、スプレー法による塗布などが挙げられる。
【実施例】
【００８０】
本実施形態の熱発電素子を下記条件で作製し、特性を調べた。また、比較のため、カーボンシート１２’およびカーボンシート１４’を用いずに積層体を形成し、炭素含有層のない熱発電素子および炭素含有層のない熱発電素子の外周面および内周面に導電性を有しないエポキシ樹脂を設けた熱発電素子をそれぞれ参考例および比較例として作製し、発電特性等の評価を行った。【００８１】
（実施例１）
（１）熱発電素子の作製
ＢｉＳｂＴｅ粉末及びニッケル粉末を油圧プレスで加圧し、圧縮して圧粉化する。作製される圧粉体は均一な形状にするためにそれぞれの材料の秤量を行い、１つの圧粉体のサイズが内径１０ｍｍ、外径１４ｍｍ、高さ６．４ｍｍ及びテーパー部の角度θが２０°となるようにそれぞれの粉末質量を調整した。図５（ａ）から（ｄ）に示すように、上記工程で得られるＢｉＳｂＴｅおよびニッケル粉末の圧粉体２２’、２０’をそれぞれ１７個および１８個作製した。【００８２】
次に、図６から図９に示すように、厚さ２００ミクロンのカーボンシート１４’を巻きつけた中棒７１に圧粉体２０、’２２’を交互に積層し、積層圧粉体８０を形成した。積層圧粉体８０の外周面２４’に厚さ２００ミクロンのカーボンシート１２’を巻きつけ、カーボンシート１２’、１４’が巻きつけられた積層圧粉体８１を得た。【００８３】
積層圧粉体８１の加圧焼結・接合には放電プラズマ焼結法を用いた。接合は５０ＭＰａの加圧下において約５００℃で行った。また焼成雰囲気は５×１０-3Ｐａの真空であった。高温・加圧環境下での接合後、真空中で室温まで冷却して接合後の積層体を取り出した。圧粉体の積層体は上記の焼結プロセスによって焼結・異種材料の接合が同時に行われた。また、炭素含有層１２、１４が同時に形成された。得られたチューブの長さは中心軸方向に約５５〜６０ｍｍであった。上記工程を２回繰り返し、得られた２個の部材を半田で接着した。その後、得られたチューブの端部を切断・平坦化処理することで１１０ｍｍ程度の熱発電デバイスが得られた。また熱発電チューブの両端電極として端部に銅チューブを半田で設置した。得られた素子を実施例１の熱発電素子とした。【００８４】
なお、上記の方法によって得られた金属層２０および熱電材料層２２の積層体の、チューブの軸方向を含む断面についてＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による観察を行った。その結果、金属層２０では、積層体２８の外周面２４から内部にかけて炭素が拡散している部分１２ｍが形成されており（図４Ｃ参照）、さらにその内側（外周面２４から遠い側）に、酸化ニッケルからなる厚さ１０ｎｍ程度の酸化物層が存在していることが分かった。また、金属層２０では、積層体２８の内周面２６から内部にかけて炭素が拡散している部分１４ｍが形成されており（図４Ｃ参照）、さらにその内側（内周面２６から遠い側）に、酸化ニッケルからなる厚さ１０ｎｍ程度の酸化物層が存在していることが分かった。これらの酸化物層は、チューブ作製時の加熱によって生成されたものと考えられる。【００８５】
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、ＢｉＳｂＴｅ及びニッケル粉末の圧粉体２２’、２０’をそれぞれ１７個および１８個作製した。次に、これらの圧粉体の内周面及び外周面に、スプレーを用いて窒化ホウ素を付与することにより、圧粉体の内周面及び外周面に窒化ホウ素膜（絶縁膜）を形成した。その後、実施例１と同様に、厚さ２００ミクロンのカーボンシート１４’を巻きつけた中棒７１に圧粉体２０、’２２’を交互に積層し、積層圧粉体８０を形成した。また、積層圧粉体８０の外周面２４’に厚さ２００ミクロンのカーボンシート１２’を巻きつけ、カーボンシート１２’、１４’が巻きつけられた積層圧粉体８１を得た。さらに、実施例１と同様にして、加圧焼結・接合、電極の設置等を行い、実施例２の熱発電素子を得た。【００８６】
（実施例３）
実施例１と同様の方法により熱発電素子を作製した。その後、熱発電素子の外周面および内周面を研磨することにより、炭素含有層１２及び炭素含有層１４を除去した。熱発電素子の外周面および内周面を更に研磨することにより、前述の酸化物層も除去した。その後、導電性カーボンペーストを熱発電素子の外周面および内周面に塗布し、乾燥させることにより炭素含有層を形成した。これにより、実施例３の熱発電素子を得た。【００８７】
（参考例）
中棒７１にカーボンシートを巻きつけず、また積層圧粉体８０の外周面２４’にカーボンシートを巻きつけないことを除いては実施例１の熱発電素子と同様にして、参考例の熱発電素子を作製した。参考例の熱発電素子の作製方法から明らかなように、参考例の熱発電素子は、炭素含有層を有しない。【００８８】
（比較例）
実施例１の熱発電素子の作製と同様の手順によって熱発電素子を作製した後、リューターで炭素含有層１２、１４を完全に除去し、内周面および外周面にエポキシ樹脂を塗布した素子を比較例の熱発電素子とした。【００８９】
（２）発電特性の測定およびその結果
実施例１、参考例および比較例の熱発電素子の管の内側に９０℃の温水を２０Ｌ／ｍｉｎの流量で、管の外側に１０℃の冷水を２０Ｌ／ｍｉｎの流量で流し、電圧を測定した。【００９０】
作製した実施例１の熱発電素子、参考例の熱発電素子および比較例の熱発電素子の発電特性を図１１（ａ）および（ｂ）に示す。【００９１】
図１１（ａ）に示すように、実施例１の熱発電素子は参考例の熱発電素子（炭素含有層なし）と比べて、わずかに開放端電圧は低下する。しかし、電圧の低下は、約１０％程度である。このため、得られる最大電力も９０％程度の低下にとどまる。【００９２】
一方、図１１（ｂ）に示すように比較例の熱発電素子では、開放端電圧が大きく低下した。具体的には、開放端電圧が３０％以上低下した。得られる最大電力も参考例に較べて３０％以上低下している。【００９３】
これは、実施例１の熱発電素子において、炭素含有層を設けることによって設計通りの発電特性を有する熱電材料層の部分体積が減少したから、あるいは、炭素含有層が導電性を有するからであると考えられる。【００９４】
また、図１１（ｂ）に示すように、熱発電素子の外周面および内周面を保護する目的で、外周面および内周面にエポキジ樹脂を設けた場合、エポキシ樹脂の熱伝導性が悪いため、熱発電素子の外周面と内周面との間に大きな温度差を設けることができず、開放端電圧が大きく低下したと考えられる。【００９５】
実施例１〜３の熱発電素子の発電電力の測定結果を表１に示す。【００９６】
【表１】
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【００９７】
表１に示すように、実施例３の熱発電素子においても高い発電電力が得られているが、実施例１および実施例２の熱発電素子では、実施例３の熱発電素子よりもさらに高い発電電力が得られている。このことから、炭素含有層の下層に、酸化ニッケルなどを含有する半導体層、あるいは窒化ホウ素などを含有する絶縁層を形成することにより、より高い発電電力が得られることがわかった。【００９８】
（３）熱発電素子の長時間動作試験およびその結果
実施例１〜３、参考例および比較例の熱発電素子を長時間使用した場合における、外周面および内周面の研削および不純物の堆積について実験をした。具体的には、実施例１〜３、参考例および比較例の熱発電素子の管の内側に９０℃の温水を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で、管の外側に１０℃の冷水を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で３０日間流し、測定を継続した。その結果、参考例の熱発電素子においてはチューブ表面に不純物の付着による明らかな変色・材料の剥離が見られた。一方、実施例１〜３の熱発電素子では、大きな外見・性能上の変化は見られなかった。【００９９】
以上のことから、本実施形態の熱発電素子によれば、炭素含有層を設けることにより、発電特性をほとんど低下させることなく、流体の接触による積層体の削れや不純物の付着を抑制できることが確認できた。また、炭素含有層の下層に半導体層または絶縁体層を形成することにより、発電特性の低下を抑制して、流体の接触による積層体の削れや不純物の付着を抑制しながら、より高い発電電力を得ることができることがわかった。よって、本実施形態の熱発電素子によれば、熱電材料層を含む積層体、つまり、本体チューブを高温熱源媒体や低温熱源媒体と接し、これらの流路を規定する管や壁面として機能させることによって、熱のロスを小さくし、熱電材料層に高い効率で温度差を形成することができる。よって高効率で発電を行うことのできる熱発電素子が実現する。また、炭素含有層によって、積層体の削れや不純物の付着を抑制することができ、耐久性に優れる熱発電素子を実現することができる。【０１００】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の熱発電素子を用いた熱発電ユニットおよび熱発電システムの実施の形態を説明する。図１２は、本開示による熱発電システムが備える例示的な熱発電ユニット１００の概略構成を示す斜視図である。図１２に示される熱発電ユニット１００は、複数の熱発電チューブＴと、これらの熱発電チューブＴを内部に収容する容器３０と、熱発電チューブＴを電気的に接続する複数の導電性部材Ｊとを備えている。図１２の例では、容器３０の内側に１０本の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０が収められている。１０本の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０は、典型的には、互いに略平行に配置されるが、配置の態様はこれに限定されない。熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０には第１の実施形態の熱発電素子が用いられる。【０１０１】
熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々は、前述したように、外周面および内周面と、内周面によって区画される内部流路とを有する。熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々は、内周面と外周面との間の温度差によってそれぞれの軸方向に起電力を発生するように構成されている。すなわち、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々において、外周面と内周面との間に温度差を与えることにより、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０から電力が取り出される。例えば、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々における内部流路に高温媒体を接触させ、かつ、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の外周面に低温媒体を接触させることにより、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０から電力を取り出すことができる。また、逆に、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々における内周面に低温媒体を接触させ、かつ、外周面に高温媒体を接触させてもよい。【０１０２】
図１２に示す例では、容器３０の内部において熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の外周面に接する媒体と、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内部流路において各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内周面に接する媒体とは、それぞれ別々の配管（不図示）を介して供給され、混ざり合わないように分離されている。【０１０３】
図１３は、熱発電チューブＴの外周面と内周面との間に温度差を与えるための構成の例を示すブロック図である。図１３に破線で示す矢印Ｈは、高温媒体の流れを模式的に示し、実線で示す矢印Ｌは、低温媒体の流れを模式的に示している。図１３に示した例では、高温媒体および低温媒体が、ポンプＰ１およびＰ２によってそれぞれ循環する。例えば、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の内部流路に高温媒体が供給され、容器３０の内部に低温媒体が供給される。図１３では記載が省略されているが、高温媒体には不図示の高温熱源（例えば熱交換器）から熱が供給され、低温媒体からは不図示の低温熱源に熱が供給される。高温熱源としては、従来、未利用のまま周囲環境に捨てられていた比較的低温（例えば２００℃以下）の蒸気、温水、排気ガスなどを使用することができる。もちろん、より高温の熱源を用いてもよい。【０１０４】
図１３に示す例では、高温媒体および低温媒体が、それぞれ、ポンプＰ１およびＰ２によって循環しているが、本開示の熱発電システムは、そのような例に限定されない。高温媒体および低温媒体の一方または両方が、循環系を構成することなく、各々の熱源から周囲環境に捨てられてもよい。例えば、地中から湧き出した高温の温泉水が高温媒体として熱発電ユニット１００に与えられ、その後、温度が低下した温泉水として発電以外の用途に利用されたり、そのまま捨てられたりしてもよい。低温媒体についても、地下水、川の水、海水が汲み上げられて熱発電ユニット１００に与えられてもよい。これらは、低温媒体として利用された後、必要に応じて適当な温度に低下され、元の水源に返されたり、周囲環境に捨てられたりしてもよい。【０１０５】
再び図１２を参照する。本開示における熱発電ユニット１００では、導電性部材Ｊを介して複数の熱発電チューブＴが電気的に接続される。図１２の例では、隣接して配置されている２本の熱発電チューブＴが個々の導電性部材Ｊによって接続されている。全体として、複数の熱発電チューブＴは電気的に直列に接続されている。例えば、図１２において最も手前に見える２本の熱発電チューブＴ３および熱発電チューブＴ４の右端部は、導電性部材Ｊ３によって相互に接続されている。一方、これら２本の熱発電チューブＴ３、Ｔ４の左端部は、それぞれ、導電性部材Ｊ２、Ｊ４によって他の熱発電チューブＴ２、Ｔ５に接続されている。【０１０６】
図１５（ａ）に、熱発電ユニット１００が備える熱発電チューブＴのうちの１つ（ここでは熱発電チューブＴ１）の斜視図を示す。図示するように、熱発電チューブＴ１は、金属層２０および熱電材料層２２が交互に積層されたチューブ本体Ｔｂ１と、一対の電極Ｅ１、Ｅ２とを備えている。図１５（ｂ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って熱発電チューブＴ１を切断したときの断面を示す。【０１０７】
図１４は、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の電気的接続の例を模式的に示している。図１４に示すように、導電性部材Ｊ１〜Ｊ９の各々は、２本の熱発電チューブを電気的に接続している。導電性部材Ｊ１〜Ｊ９は、全体として熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０を電気的に直列に接続するように配列されている。この例では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０および導電性部材Ｊ１〜Ｊ９から形成される回路は、一筆書き（ｔｒａｖｅｒｓａｂｌｅ）である。この回路は、一部に並列的に接続された熱発電チューブを含んでいて良く、回路が一筆書きであることは必須ではない。【０１０８】
図１４の例では、例えば熱発電チューブＴ１から熱発電チューブＴ１０に電流が流れる。電流は、熱発電チューブＴ１０から熱発電チューブＴ１に流れてもよい。この電流の向きは、熱発電チューブＴに使用する熱電材料の種類、熱発電チューブＴの内周面と外周面との間で生じる熱流の向き、熱発電チューブＴにおける積層面の傾斜の方向などに依存して決まる。熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の接続は、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々で生じた起電力が相殺されず、重畳されるように決定される。【０１０９】
なお、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０を流れる電流の向きと、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内部流路を流れる媒体（高温媒体または低温媒体）の流れ方向とは、相互に無関係である。例えば、図１４の例では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内部流路を流れる媒体の流れ方向は、全てに共通して例えば図中の左側から右側であってもよい。【０１１０】
＜熱発電ユニットの一態様＞
次に、図１６を参照する。図１６（ａ）は、本開示の熱発電システムが備える熱発電ユニットの一態様を示す正面図であり、図１６（ｂ）は、熱発電ユニット１００の側面のうちの一つを示す図（ここでは右側面図）である。図１６（ａ）に示されるように、この態様における熱発電ユニット１００は、複数の熱発電チューブＴと、複数の熱発電チューブＴを内部に収容する容器３０とを備えている。このような構造は、一見したところ、熱交換器の「シェル・アンド・チューブ構造」に似ている。しかしながら、熱交換器では、複数のチューブは単に流体を流す管路として機能するだけであり、電気的接続は不要である。本開示の熱発電システムでは、実用上、熱交換器には要求されないチューブ相互間の安定した電気的接続を達成することが求められる。【０１１１】
図１３を参照しながら説明したように、熱発電ユニット１００には、高温媒体および低温媒体が供給される。例えば、複数の開口部Ａを介して、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の内部流路に高温媒体が供給される。一方、容器３０の内部には、後述する流体入口３８ａを介して低温媒体が供給される。これにより、熱発電チューブＴの外周面と内周面との間に温度差が与えられる。このとき、熱発電ユニット１００において、高温媒体と低温媒体との間の熱交換が行われるとともに、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々において、それぞれの軸方向に起電力が発生する。【０１１２】
本実施形態における容器３０は、熱発電チューブＴを取り囲む筒状の胴部（シェル）３２と、胴部３２の開放された両端を塞ぐように設けられた一対のプレート３４、３６とを有している。より詳細には、プレート３４は胴部３２の左端に固定され、プレート３６は胴部３２の右端に固定されている。プレート３４および３６には、各々に各熱発電チューブＴが挿入される複数の開口部Ａが設けられており、プレート３４、３６の対応する一対の開口部Ａには、それぞれ、熱発電チューブＴの両端部が挿入されている。【０１１３】
このプレート３４、３６は、シェル・アンド・チューブ型熱交換器における管板（チューブシート）と同様に、複数のチューブ（熱発電チューブＴ）を空間的に分離した状態で支持する機能を有している。しかし、本実施形態におけるプレート３４、３６は、後に詳しく説明するように、熱交換器の管板には無い電気的接続機能を有している。【０１１４】
図１６（ａ）に示されている例において、プレート３４は、胴部３２に固定された第１プレート部分３４ａと、第１プレート部分３４ａに対して脱着可能に取り付けられた第２プレート部分３４ｂとを有している。同様に、プレート３６は、胴部３２に固定された第１プレート部分３６ａと、第１プレート部分３６ａに対して脱着可能に取り付けられた第２プレート部分３６ｂを有している。プレート３４および３６に設けられた開口部Ａは、それぞれ、第１プレート部分３４ａ、３６ａおよび第２プレート部分３４ｂ、３６ｂを貫通し、各熱発電チューブＴの流路を容器３０の外部に開放している。【０１１５】
容器３０を構成する材料の例は、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）などの金属である。容器３０を構成する材料の他の例は、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂などである。胴部３２およびプレート３４、３６は、同一の材料から形成されていてもよいし、異なる材料から形成されていてもよい。胴部３２および第１プレート部分３４ａ、３６ａが金属から形成されている場合、第１プレート部分３４ａ、３６ａは、例えば溶接により胴部３２に固定される。胴部３２の両端にフランジが設けられている場合、このフランジに第１プレート部分３４ａ、３６ａが固定されていてもよい。【０１１６】
動作時、容器３０の内部には流体（低温媒体または高温媒体）が導入されるため、容器３０の内部は気密または水密が保たれる必要がある。後述するように、プレート３４、３６の開口部Ａでは、熱発電チューブＴの端部が挿入された状態で気密または水密を保つためのシールが実現される。胴部３２とプレート３４、３６との間で隙間はなく、動作時には気密または水密が保たれる構造が実現される。【０１１７】
図１６（ｂ）に示されるように、プレート３６には１０個の開口部Ａが設けられている。同様に、プレート３４にも１０個の開口部Ａが設けられている。図１６に示される例において、プレート３４の開口部Ａとプレート３６の開口部Ａとは鏡面対称の配置関係にあり、対応する一対の開口部Ａの中心点を結ぶ１０本の直線は互いに平行である。このような構成によれば、対応する一対の開口部Ａによって各熱発電チューブＴが平行に支持され得る。容器３０内において、複数の熱発電チューブＴは平行の関係にある必要はなく、「非平行」または「ねじれ」の関係にあってもよい。【０１１８】
プレート３６は、図１６（ｂ）に示されるように、プレート３６に設けられた開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結するように形成されたチャネル（以下、「連結溝」と称することがある）Ｃを有する。図１６（ｂ）に示す例では、チャネルＣ６１は、開口部Ａ６１と開口部Ａ６２とを相互に連結している。他のチャネルＣ６２〜Ｃ６５についても同様に、プレート３６に設けられた開口部Ａのうちの２つを相互に連結している。後述するように、チャネルＣ６１〜Ｃ６５の各々には、導電性部材が収容される。【０１１９】
図１７は、図１６（ｂ）のＭ−Ｍ断面の一部を示す。なお、図１７では、容器３０の下半分における断面は示されておらず、その正面が示されている。図１７に示されるように、容器３０は、その内部に流体を流すための流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂを有している。熱発電ユニット１００では、流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂが、容器３０の上部に配置されている。流体入口３８ａの配置は、容器３０の上部に限定されず、流体入口３８ａが、例えば容器３０の下部に配置されてもよい。流体出口３８ｂも同様である。流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂは、それぞれ、流体の入口および出口として固定して使用される必要はなく、流体の入口および出口が定期的または不定期的に反転して用いられてもよい。流体の流れ方向が固定されている必要はない。また、流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂの各々の個数は１個に限定されず、流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂの一方または両方が複数であってもよい。【０１２０】
図３３は、熱発電ユニット１００に導入された高温媒体および低温媒体の流れ方向の例を模式的に示す図である。図３３の例では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の内部流路に高温媒体ＨＭが供給されており、容器３０の内部に低温媒体ＬＭが供給されている。この場合、プレート３４に設けられた開口部Ａを介して、各熱発電チューブの内部流路に高温媒体ＨＭが導入される。各熱発電チューブの内部流路に導入された高温媒体ＨＭは、各熱発電チューブの内周面と接触する。一方、流体入口３８ａから容器３０の内部に低温媒体ＬＭが導入される。容器３０の内部に導入された低温媒体ＬＭは、各熱発電チューブの外周面と接触する。【０１２１】
図３３に示した例では、高温媒体ＨＭは、各熱発電チューブの内部流路を流れる間に、低温媒体ＬＭと熱の交換を行う。低温媒体ＬＭと熱の交換を行い、温度の低下した高温媒体ＨＭは、プレート３６に設けられた開口部Ａを介して熱発電ユニット１００の外部に排出される。一方、低温媒体ＬＭは、容器３０の内部を流れる間に、高温媒体ＨＭと熱の交換を行う。高温媒体ＨＭと熱の交換を行い、温度の上昇した低温媒体ＬＭは、流体出口３８ｂから熱発電ユニット１００の外部に排出される。なお、図３３に示した高温媒体ＨＭの流れ方向および低温媒体ＬＭの流れ方向は、あくまでも例である。高温媒体ＨＭおよび低温媒体ＬＭのいずれか一方またはこれらの両方が、図の右側から左側に向かって流れていてもよい。【０１２２】
ある態様では、熱発電チューブＴの流路に高温媒体ＨＭ（例えば温水）を導入し、かつ、流体入口３８ａから低温媒体ＬＭ（例えば冷却水）を導入して容器３０の内部を低温媒体ＬＭで満たすことができる。逆に、熱発電チューブＴの流路には低温媒体ＬＭ（例えば冷却水）を導入し、かつ、流体入口３８ａから高温媒体ＨＭ（例えば温水）を導入して容器３０の内部を高温媒体ＨＭで満たしてもよい。こうして、熱発電チューブＴの各々における外周面２４と内周面２６との間に発電に必要な温度差を与えることができる。【０１２３】
＜流体に対するシールおよび熱発電チューブ間の電気的接続の態様＞
図１８（ａ）は、プレート３６の一部の断面を示す図である。図１８（ａ）は、熱発電チューブＴ１および熱発電チューブＴ２の両方の中心軸を含む平面で切断したときの断面を模式的に示している。図１８（ａ）には、プレート３６が有する複数の開口部Ａのうち、２個の開口部Ａ６１、Ａ６２およびその近傍の構造が示されている。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）において矢印Ｖ１で示す方向から見たときの導電性部材Ｊ１の外観を示す。この導電性部材Ｊ１は、２つの貫通孔Ｊｈ１、Ｊｈ２を有している。より詳細には、導電性部材Ｊ１は、貫通孔Ｊｈ１を有する第１リング部分Ｊｒ１と、貫通孔Ｊｈ２を有する第２リング部分Ｊｒ２と、これらのリング部分Ｊｒ１、Ｊｒ２とを接続する連結部Ｊｃとを有している。【０１２４】
プレート３６の開口部Ａ６１には、図１８（ａ）に示されるように、熱発電チューブＴ１の端部（第２電極側）が挿入されており、開口部Ａ６２には、熱発電チューブＴ２の端部（第１電極側）が挿入されている。この状態において、導電性部材Ｊ１の貫通孔Ｊｈ１およびＪｈ２には、それぞれ、熱発電チューブＴ１の端部および熱発電チューブＴ２の端部が挿入されている。熱発電チューブＴ１の端部（第２電極側）と熱発電チューブＴ２（第１電極側）とは、この導電性部材Ｊ１によって電気的に接続される。本明細書では、２本の熱発電チューブを電気的に接続する導電性部材を「連結プレート」と称する場合がある。【０１２５】
なお、第１リング部分Ｊｒ１および第２リング部分Ｊｒ２の形状は、円環形状に限定されない。熱発電チューブとの間の電気的接続が確保できれば、貫通孔Ｊｈ１またはＪｈ２の形状は、円、楕円または多角形であってもよい。例えば、貫通孔Ｊｈ１またはＪｈ２の形状が、軸方向に垂直な平面で切断したときの第１電極Ｅ１または第２電極Ｅ２の断面形状と異なっていてもよい。本明細書において、「リング」という場合には、円環状以外の形状も含まれる。【０１２６】
図１８（ａ）の例において、第１プレート部分３６ａには、開口部Ａ６１、Ａ６２に対応して凹部Ｒ３６が設けられている。この凹部Ｒ３６は、開口部Ａ６１と開口部Ａ６２との間を連結する溝部分Ｒ３６ｃを含んでいる。この溝部分Ｒ３６ｃには、導電性部材Ｊ１の連結部Ｊｃが位置している。一方、第２プレート部分３６ｂには、開口部Ａ６１に対応した凹部Ｒ６１と開口部Ａ６２に対応した凹部Ｒ６２とが設けられる。この例では、凹部Ｒ３６と凹部Ｒ６１、Ｒ６２とによって形成された空間の内部に、シールおよび電気的接続を実現するための各種の部材が配置されている。当該空間は、導電性部材Ｊ１を収容するチャネルＣ６１を形成しており、チャネルＣ６１によって開口部Ａ６１と開口部Ａ６２とが連結されている。【０１２７】
図１８（ａ）の例では、導電性部材Ｊ１の他に、第１のＯリング５２ａ、座金５４、導電性リング状部材５６、第２のＯリング５２ｂがチャネルＣ６１に収容されており、各熱発電チューブＴ１、熱発電チューブＴ２の端部が、これらの部材の孔を貫いている。容器３０の胴部３２に近い側に配置された第１のＯリング５２ａは、第１プレート部分３６ａに形成された座面Ｂｓａと接し、胴部３２の内部に供給された流体がチャネルＣ６１の内部に進入しないようにシールを実現している。一方、容器３０の胴部３２から遠い側に配置された第２のＯリング５２ｂは、第２プレート部分３６ｂに形成された座面Ｂｓｂと接しており、第２プレート部分３６ｂの外側に存在する流体がチャネルＣ６１の内部に進入しないようにシールを実現している。【０１２８】
Ｏリング５２ａ、５２ｂは、断面がＯ形（円形）の環型のシール部品である。Ｏリング５２ａ、５２ｂは、ゴム、金属、プラスティックなどから形成され、部品同士の隙間からの流体の流出または流入を防ぐ機能を有している。図１８（ａ）において、第２プレート部分３６ｂの右側には、各熱発電チューブＴの流路と連通する空間が位置し、その空間内には高温媒体または低温媒体を構成する流体が存在している。本実施形態では、図１８に示す部材を用いることにより、熱発電チューブＴの電気的接続と、高温媒体および低温媒体を構成する流体に対するシールとを実現することができる。なお、導電性リング状部材５６の構造と機能の詳細については後述する。【０１２９】
プレート３６について説明した構成と同様の構成がプレート３４にも設けられている。前述したように、プレート３４の開口部Ａとプレート３６の開口部Ａとの関係は鏡面対称にあるが、プレート３４とプレート３６とにおいて、２つの開口部Ａを連結する溝部が形成されている位置は鏡面対称ではない。もしプレート３４において熱発電チューブＴを電気的に接続する導電性部材の配列パターンと、プレート３６において熱発電チューブＴを電気的に接続する導電性部材の配列パターンとが鏡面対称であれば、複数の熱発電チューブＴを直列的に接続できない。【０１３０】
本実施形態のように、胴部３２に固定されたプレート（例えばプレート３６）が、第１プレート部分（３６ａ）と第２プレート部分（３６ｂ）とを含む場合、第１プレート部分（３６ａ）における複数の開口部Ａの各々は、第１のＯリング５２ａを受ける第１の座面（Ｂｓａ）を有し、第２プレート部分（３６ｂ）における複数の開口部Ａの各々は、第２のＯリングを受ける第２の座面（Ｂｓｂ）を有する。しかし、プレート３４、３６は、図１８に示されるような構成を有している必要はなく、例えばプレート３６は、第１プレート部分３６ａと第２プレート部分３６ｂとに分かれている必要もない。第２プレート部分３６ｂの代わりに他の部材によって導電性部材Ｊ１を押圧すれば、第１のＯリング５２ａが第１の座面（Ｂｓａ）を押圧してシールが実現され得る。【０１３１】
なお、図１８（ａ）の例では、熱発電チューブＴ１と導電性部材Ｊ１との間に導電性リング状部材５６が介在している。同様に、熱発電チューブＴ２と導電性部材Ｊ１との間にも、もう１つの導電性リング状部材５６が介在している。【０１３２】
導電性部材Ｊ１は、典型的には、金属から形成される。導電性部材Ｊ１を構成する材料の例は、銅（無酸素銅）、真鍮、アルミニウムなどである。腐食防止の観点から、ニッケルめっきまたは錫めっきが施されてもよい。なお、導電性部材Ｊ（ここではＪ１）と、導電性部材Ｊの２つの貫通孔（ここではＪｈ１およびＪｈ２）にそれぞれ挿入される熱発電チューブ（ここではＴ１およびＴ２）との間の電気的接続が確保できる限りにおいて、導電性部材Ｊの一部に絶縁性コーティングが施されていてもよい。すなわち、導電性部材Ｊは、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していてもよい。例えば、テフロン（登録商標）などの樹脂から絶縁性コートが形成されてもよい。導電性部材Ｊの本体がアルミニウムから構成される場合には、表面の一部に絶縁性コートとしての絶縁酸化被膜を形成してもよい。【０１３３】
図１９（ａ）は、導電性部材Ｊ１を収容するチャネルＣ６１近傍の分解斜視図である。図１９（ａ）に示すように、第１のＯリング５２ａ、導電性リング状部材５６、導電性部材Ｊ１、および第２のＯリング５２ｂは、容器３０の外側から開口部Ａ６１および開口部Ａ６２の各々の内部に挿入される。必要に応じて、第１のＯリング５２ａと導電性リング状部材５６との間に座金５４が配置される。座金５４は、導電性部材Ｊ１と第２のＯリング５２ｂとの間にも配置され得る。座金５４は、後述する導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆとＯリング５２ａ（または５４ｂ）との間に挿入される。【０１３４】
図１９（ｂ）は、第２プレート部分３６ｂのシール面（第１プレート部分３６ａと対向する面）のうち、開口部Ａ６１およびＡ６２に対応する部分を示す。上述したように、第２プレート部分３６ｂにおける開口部Ａ６１およびＡ６２は、第２のＯリング５２ｂを受ける座面Ｂｓｂを有している。したがって、第１プレート部分３６ａのシール面と第２プレート部分３６ｂのシール面とを対向させて、フランジ接合などにより第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂを結合すると、第１プレート部分３６ａ内の第１のＯリング５２ａを座面Ｂｓａに押圧することができる。より詳細には、第２の座面Ｂｓｂが、第２のＯリング５２ｂ、導電性部材Ｊ１、および導電性リング状部材５６を介して、第１のＯリング５２ａを座面Ｂｓａに押圧する。これにより、高温媒体および低温媒体から導電性部材Ｊ１をシールすることができる。【０１３５】
第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂが金属などの導電性材料から形成されている場合、第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂのシール側表面は、絶縁材料によってコートされ得る。第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂのうち、動作時に導電性部材Ｊに接触する領域は、導電性部材Ｊから電気的に絶縁されるように絶縁コートされ得る。ある態様では、例えばフッ素スプレーによるフッ素樹脂コートが第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂのシール側表面に形成され得る。【０１３６】
＜導電性リング状部材の構成の詳細＞
次に、図２０（ａ）および図２０（ｂ）を参照しながら、導電性リング状部材５６の構成を詳細に説明する。【０１３７】
図２０（ａ）は、導電性リング状部材５６の１つの例示的な形状を示す斜視図である。図２０（ａ）の導電性リング状部材５６は、リング状の平坦部５６ｆと、複数の弾性部５６ｒとを備える。平坦部５６ｆは、貫通孔５６ａを有する。複数の弾性部５６ｒの各々は、平坦部５６ｆの貫通孔５６ａの周縁から突出し、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力で付勢されている。このような導電性リング状部材５６は、１枚の金属板（厚さは、例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ）を加工することによって容易に作製することができる。なお、導電性部材Ｊも、同様に１枚の金属板（厚さは、例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ）を加工することによって容易に作製することができる。【０１３８】
導電性リング状部材５６の貫通孔５６ａには、熱発電チューブＴの端部（第１電極または第２電極）が挿入される。このため、リング状の平坦部５６ｆの貫通孔５６ａの形状およびサイズは、熱発電チューブＴの端部（第１電極または第２電極）における外周面の形状およびサイズに整合するように設計される。【０１３９】
ここで、図２１を参照しながら、導電性リング状部材５６の形状をより詳細に説明する。図２１（ａ）は、導電性リング状部材５６および熱発電チューブＴ１の一部を示す断面図である。図２１（ｂ）は、導電性リング状部材５６に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図である。図２１（ｃ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１の貫通孔に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図である。図２１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って熱発電チューブＴ１を切断したときの断面を示している。【０１４０】
図２１（ａ）に示すように、例えば、熱発電チューブＴ１の端部（第１電極または第２電極）における外周面が直径Ｄの円筒面であるとする。この場合、導電性リング状部材５６の貫通孔５６ａは、熱発電チューブＴ１の端部が通過可能なように、直径がＤ＋δ１（δ１＞０）である円形を有するように形成される。これに対して、複数の弾性部５６ｒの各々は、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力が付勢されるように形成されている。複数の弾性部５６ｒの各々は、図２１（ａ）に示したように、例えば、貫通孔５６ａの中心に向かって傾くように形成される。すなわち、弾性部５６ｒは、外力が与えられない限り、断面の直径がＤよりも小さな円筒の外周面（この外周面の直径をＤ−δ２（δ２＞０）とする。）に外接するように加工されている。【０１４１】
Ｄ＋δ１＞Ｄ＞Ｄ−δ２の関係から、熱発電チューブＴ１の端部が貫通孔５６ａに挿入されたとき、複数の弾性部５６ｒの各々は、図２１（ｂ）に示すように、熱発電チューブＴ１の端部における外周面と物理的に接触する。このとき、複数の弾性部５６ｒの各々は、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力が付勢されているので、複数の弾性部５６ｒの各々は、熱発電チューブＴ１の端部における外周面を弾性力で押圧する。こうして、貫通孔５６ａに挿入された熱発電チューブＴ１の外周面は、複数の弾性部５６ｒとの間で安定した物理的かつ電気的な接触を実現する。【０１４２】
次に、図２１（ｃ）を参照する。導電性部材Ｊ１は、プレート３４、３６に設けられた開口部Ａ内において、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆに接触する。より詳細には、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１が熱発電チューブＴ１の端部が装着されたとき、図２１（ｃ）に示したように、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆの表面と、導電性部材Ｊ１のリング状部分Ｊｒ１の表面とが接触する。このように、本実施形態では、導電性リング状部材５６と導電性部材Ｊ１との間の電気的な接続は、平面同士の接触によって行われる。導電性リング状部材５６と導電性部材Ｊ１との間の接触が平面同士の接触であるので、熱発電チューブＴ１で発生した電流を流すのに十分な接触面積を確保することができる。平坦部５６ｆの幅Ｗは、熱発電チューブＴ１で発生した電流を流すのに十分な接触面積が得られるように適宜設定され得る。なお、導電性リング状部材５６と導電性部材Ｊ１との間の接触面積が確保できる限りにおいて、平坦部５６ｆの表面または導電性部材Ｊ１のリング状部分Ｊｒ１の表面が凹凸形状を有していてもよい。例えば、平坦部５６ｆの表面に形成された凹凸形状と、平坦部５６ｆの表面に形成された凹凸形状に対応するような凹凸形状を導電性部材Ｊ１のリング状部分Ｊｒ１の表面に形成することで、より大きな接触面積を確保することもできる。【０１４３】
次に、図３４を参照する。図３４（ａ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１の一部を示す断面図である。図３４（ｂ）は、導電性部材Ｊ１の貫通孔Ｊｈ１に導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒが挿入された状態を示す断面図である。図３４（ａ）および（ｂ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１を切断したときの断面を示している。【０１４４】
ここで、導電性部材Ｊの貫通孔（ここではＪｈ１）の直径を２Ｒｒとすると、導電性部材Ｊの貫通孔は、熱発電チューブＴ１の端部が通過可能なように、Ｄ＜２Ｒｒを満足するように形成される。また、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆの直径を２Ｒｆとすると、導電性部材Ｊの貫通孔は、平坦部５６ｆの表面と、リング状部分Ｊｒ１の表面とが確実に接触するように、２Ｒｒ＜２Ｒｆを満足するように形成される。【０１４５】
なお、図３５に示すように、熱発電チューブＴの端部に面取り部Ｃｍが形成されていてもよい。導電性リング状部材５６が熱発電チューブＴ１の端部に挿入される時、例えば、導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒと熱発電チューブＴの端部とが接触することによって、熱発電チューブＴの端部が損傷することがある。熱発電チューブＴが端部に面取り部Ｃｍを有することで、弾性部５６ｒと熱発電チューブＴの端部とが接触することによる熱発電チューブＴの端部の損傷が抑制される。熱発電チューブＴの端部の損傷が抑制されることで、導電性部材Ｊ１が高温媒体および低温媒体からより確実にシールされる。また、熱発電チューブＴ１の外周面と、弾性部５６ｒとの間の電気的な接触不良が低減される。面取り部Ｃｍは、図３５に示したような曲面状であってもよいし、平面状であってもよい。【０１４６】
こうして、導電性部材Ｊ１は、導電性リング状部材５６を介して、熱発電チューブＴの端部における外周面と電気的に接続する。本実施形態では、第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂを結合することにより、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆと導電性部材Ｊとの安定した電気的接触が実現するとともに、前述したシールを実現できる。【０１４７】
更に、熱発電チューブＴの端部に対応させて導電性リング状部材５６を配置しておくことで、導電性部材Ｊ１のシールをより確実に行うことができる。前述したように、第１のＯリング５２ａは、導電性部材Ｊ１、および導電性リング状部材５６を介して座面Ｂｓａに押圧される。ここで、導電性リング状部材５６は、平坦部５６ｆを有している。すなわち、第１のＯリング５２ａに対する押圧力は、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆを介して第１のＯリング５２ａに与えられる。すなわち、導電性リング状部材５６が平坦部５６ｆを有するので、第１のＯリング５２ａに対して均等に押圧力を与えることができる。したがって、座面Ｂｓａに対して、第１のＯリング５２ａを確実に押圧することができ、容器内の液体に対するシールを確実に行うことができる。また、第２のＯリング５２ｂに対しても同様に適切な押圧力を与えることができるので、容器外の液体に対するシールも確実に行うことができる。【０１４８】
次に、導電性リング状部材５６を熱発電チューブＴに嵌め込む方法の一例を説明する。【０１４９】
まず、図１９（ａ）に示されるように、第１プレート部分３６ａの開口部Ａ６１、Ａ６２内に、それぞれ、熱発電チューブＴ１、熱発電チューブＴ２の端部が挿入される。その後、第１のＯリング５２ａと、必要に応じて座金５４を熱発電チューブの先端から嵌め、開口部Ａ６１、Ａ６２の奥に移動させる。次に、導電性リング状部材５６を熱発電チューブの先端から嵌め、開口部Ａ６１、Ａ６２の奥に移動させる。その後、導電性部材Ｊ１と、必要に応じて座金５４および第２のＯリング５２ｂを熱発電チューブの先端から嵌め、開口部Ａ６１、Ａ６２の奥に移動させる。最後に、第２プレート部分３６ｂのシール面を第１プレート部分３６ａに対向させ、第２プレート部分３６ｂの開口部に熱発電チューブの先端が挿入されるようにして第２プレート部分３６ｂと第１プレート部分３６ａとを結合する。この結合には、例えば、フランジ接合を適用できる。この場合、第２プレート部分３６ｂおよび第１プレート部分３６ａの結合は、図１６に示す第２プレート部分３６ｂに設けられた孔３６ｂｈおよび第１プレート部分３６ａに設けられた孔を介してボルトおよびナットで行うことができる。【０１５０】
導電性リング状部材５６と熱発電チューブＴとの接続は永久的ではなく、導電性リング状部材５６は熱発電チューブＴに対して着脱可能である。例えば、熱発電チューブＴを新しい熱発電チューブＴに交換する場合、上述した導電性リング状部材５６を熱発電チューブＴに嵌め込む動作の逆の動作を行えばよい。導電性リング状部材５６は繰り返して使用することも可能であるし、新しい導電性リング状部材５６に交換されてもよい。【０１５１】
導電性リング状部材５６の形状は、図２０（ａ）に示す例に限定されない。平坦部５６ｆの幅（半径方向のサイズ）と貫通孔５６ａの半径との比率も任意である。また、個々の弾性部５６ｒは多様な形状を有し得るし、複数の弾性部５６ｒの個数も任意である。【０１５２】
図２０（ｂ）は、導電性リング状部材５６の他の例の形状を示す斜視図である。図２０（ｂ）の導電性リング状部材５６も、リング状の平坦部５６ｆと、複数の弾性部５６ｒとを備える。平坦部５６ｆは、貫通孔５６ａを有する。複数の弾性部５６ｒの各々は、平坦部５６ｆの貫通孔５６ａの周縁から突出し、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力で付勢されている。この例では、弾性部５６ｒの個数は４個である。弾性部５６ｒの個数は２個であってもよいが、３個以上であることが好ましい。弾性部５６ｒの個数は例えば６個以上に設定される。【０１５３】
なお、平板状の導電性部材Ｊを導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆに接触させる構成によれば、導電性部材Ｊのリング状部分における貫通孔と、これに挿入される熱発電チューブとの間に隙間（あそび）が許容される。このため、熱発電チューブが脆い材料から形成されている場合でも、導電性部材Ｊのリング状部分Ｊｒ１が熱発電チューブを損傷することなく安定した接続を実現できる。【０１５４】
＜連結プレートを介した電気的接続＞
上述したように、プレート３６に設けられた開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結するように形成されたチャネルＣの内部に、導電性部材（連結プレート）が収容される。ここで、導電性リング状部材５６以外の部材を用いて、２本の熱発電チューブの端部を電気的に接続することも可能である。したがって、ある態様では、チャネルＣ内の導電性リング状部材５６は省略され得る。このとき、２本の熱発電チューブの端部は、例えば、コード、導体棒、導電性ペーストなどによって電気的に接続され得る。２本の熱発電チューブの端部がコードを介して相互に電気的に接続される場合、熱発電チューブの端部とコードとは、ハンダ、圧着、ワニ口クリップなどを介して電気的に接続され得る。【０１５５】
しかしながら、図１０および図１１に示したように、チャネルＣの内部に収容された導電性部材で２本の熱発電チューブの端部を電気的に接続することによって、熱発電チューブＴの端部と導電性部材Ｊ１とをより確実に電気的に接続できる。導電性部材Ｊが平板状である場合（例えば、連結部Ｊｃの幅が大きい場合）には、コードなどを用いる場合と比較して、２本の熱発電チューブ間における電気抵抗を低減できる。更に、熱発電チューブＴの端部に端子などが固定されないので、熱発電チューブＴの交換が容易である。導電性リング状部材５６によって、２本の熱発電チューブの端部の固定および電気的接続の両方を実現することも可能である。【０１５６】
熱発電ユニット１００では、プレート（３４または３６）に、開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結するように形成されたチャネルＣが設けられているので、熱交換器の管板には無い電気的接続機能が実現される。また、第１のＯリング５２ａおよび第２のＯリング５２ｂが、それぞれ、座面ＢｓａおよびＢｓｂを押圧するように構成できるので、熱発電チューブＴの端部が挿入された状態で気密または水密を保つためのシールが実現される。このように、プレート（３４または３６）にチャネルＣを設けることで、導電性リング状部材５６が省略された態様であっても、２本の熱発電チューブの端部の電気的接続と、高温媒体および低温媒体を構成する流体に対するシールとを実現することが可能である。【０１５７】
＜熱流の向きと積層面の傾斜の方向との間の関係＞
ここで、図３６を参照しながら、熱発電チューブＴにおける熱流の向きと、熱発電チューブＴにおける積層面の傾斜の方向との間の関係を説明する。【０１５８】
図３６（ａ）は、電気的に直列に接続された熱発電チューブＴを流れる電流を模式的に示す図である。図３６（ａ）では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０のうちの３本（Ｔ１〜Ｔ３）の断面を模式的に示している。【０１５９】
図３６（ａ）では、熱発電チューブＴ１の一端（例えば第１電極側の端部）に、導電性部材Ｋ１が接続されており、熱発電チューブＴ１の他端（例えば第２電極側の端部）には、導電性部材（連結プレート）Ｊ１が接続されている。導電性部材Ｊ１は、熱発電チューブＴ２の一端（第１電極側の端部）とも接続されており、これにより、熱発電チューブＴ１と熱発電チューブＴ２とが電気的に接続される。更に、熱発電チューブＴ２の他端（第２電極側の端部）と、熱発電チューブＴ３の一端（第１電極側の端部）とは、導電性部材Ｊ２によって電気的に接続されている。【０１６０】
このとき、図３６（ａ）に示したように、熱発電チューブＴ１における積層面の傾斜の方向と、熱発電チューブＴ２における積層面の傾斜の方向とは、互いに反対である。同様に、熱発電チューブＴ２における積層面の傾斜の方向と、熱発電チューブＴ３における積層面の傾斜の方向とは、互いに反対である。すなわち、熱発電ユニット１００では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々は、連結プレートを介して自身に接続される熱発電チューブとは、積層面の傾斜の方向が互いに反対である。【０１６１】
ここで、図３６（ａ）に示したように、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々の内周面に高温媒体ＨＭを接触させ、外周面に低温媒体ＬＭを接触させたとする。すると、熱発電チューブＴ１では、例えば図の右側から左側に向かって電流が流れる。これに対して、熱発電チューブＴ２では、熱発電チューブＴ１とは積層面の傾斜の方向が互いに反対であるので、図の左側から右側に向かって電流が流れる。【０１６２】
図３７は、２個の開口部Ａ６１、Ａ６２およびその近傍における電流の向きを模式的に示す図である。図３７は、図１９（ａ）に対応する図である。図３７では、電流の流れ方向が、破線の矢印で模式的に示されている。図３７に示したように、熱発電チューブＴ１で生じた電流は、開口部Ａ６１側のリング状導電性部材５６、導電性部材Ｊ１および開口部Ａ６２側のリング状導電性部材５６を順に介して熱発電チューブＴ２に向けて流れる。熱発電チューブＴ２に流入した電流は、熱発電チューブＴ２で生じた電流と重畳されて熱発電チューブＴ３に向けて流れる。熱発電チューブＴ３は、図３６（ａ）に示したように、熱発電チューブＴ２とは積層面の傾斜の方向が互いに反対である。そのため、熱発電チューブＴ３では、図３６（ａ）において右側から左側に向かって電流が流れる。したがって、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々で生じた起電力は、相殺されることなく重畳される。このように、積層面の傾斜の方向が交互に反対となるように、複数の熱発電チューブＴを順に接続することによって、熱発電ユニットからより大きな電圧を取り出すことができる。【０１６３】
次に、図３６（ｂ）を参照する。図３６（ｂ）は、図３６（ａ）と同様に、電気的に直列に接続された熱発電チューブＴを流れる電流を模式的に示している。図３６（ｂ）においても、図３６（ａ）に示した例と同様に、積層面の傾斜の方向が交互に反対となるように、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３が順に接続されている。この場合も、相互に接続された２本の熱発電チューブにおいて積層面の傾斜の方向が互いに反対であるので、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々で生じた起電力は、相殺されることなく重畳される。【０１６４】
ここで、図３６（ｂ）に示したように、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々の内周面に低温媒体ＬＭを接触させ、外周面に高温媒体ＨＭを接触させると、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ３で発生する電圧の極性は、図３６（ａ）に示した場合とは逆になる。別の言い方をすれば、各熱発電チューブにおける温度勾配の向きを反転させると、各熱発電チューブにおける起電力の極性（各熱発電チューブを流れる電流の向きといってもよい。）が反転する。したがって、例えば、図１６（ａ）に示した場合と同様に導電性部材Ｋ１側から導電性部材Ｊ３側に向かって電流が流れるようにするには、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ３における第１電極側および第２電極側が図１６（ａ）に示した場合と反対になるようにすればよい。なお、図３６（ａ）および（ｂ）に示した電流の向きはあくまで例示である。金属層２０を構成する材料および熱電材料層２２を構成する熱電材料によっては、電流の向きは、図１６（ａ）および（ｂ）に示した電流の向きと反対になることもある。【０１６５】
図３６（ａ）および（ｂ）を参照して説明したように、熱発電チューブＴで発生する電圧の極性は、熱発電チューブＴにおける積層面の傾斜の方向に依存する。そのため、例えば熱発電チューブＴを交換する場合には、熱発電ユニット１００内における熱発電チューブＴの内周面と外周面との間の温度勾配を考慮して、適切に熱発電チューブＴを配置する。【０１６６】
図３８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、電極に極性の表示を有する熱発電チューブを示す斜視図である。図３８（ａ）に示す熱発電チューブＴでは、第１電極Ｅ１ａおよび第２電極Ｅ２ａに、熱発電チューブで発生する電圧の極性を識別するためのモールド（凹凸形状）Ｍｐが形成されている。図３８（ｂ）に示す熱発電チューブＴでは、第１電極Ｅ１ｂおよび第２電極Ｅ２ｂに、熱発電チューブＴにおける積層面が、第１電極Ｅ１ｂおよび第２電極Ｅ２ｂのどちらの側に傾斜しているかを示すマークＭｋが付されている。モールドまたはマークは互いに組み合わされてもよい。モールドまたはマークは、チューブ本体Ｔｂに付与されていてもよいし、第１電極および第２電極のいずれか一方にのみ付与されていてもよい。【０１６７】
このように、例えば第１電極および第２電極に、熱発電チューブＴで発生する電圧の極性を識別するためモールドまたはマークを付与しておくこともできる。これにより、熱発電チューブＴにおける積層面が、第１電極Ｅ１ａおよび第２電極Ｅ２ａのどちらの側に傾斜しているかを熱発電チューブＴの外観から判断することが可能である。モールドまたはマークを付与することに代えて、第１電極と第２電極とを互いに異なる形状としてもよい。例えば、第１電極と第２電極との間で、長さ、太さまたは軸方向に垂直な断面の形状などを異ならせてもよい。【０１６８】
＜熱発電ユニット１００の外部に電力を取り出すための電気的接続構造＞
再び図１４を参照する。図１４に示す例では、１０本の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０が導電性部材Ｊ１〜Ｊ９によって電気的に直列に接続されている。導電性部材Ｊ１〜Ｊ９の各々による２つの熱発電チューブＴの接続については、前述した通りである。以下、直列回路の両端に位置する２本の発電チューブＴ１、Ｔ１０から熱発電ユニット１００の外部に電力を取り出すための電気的接続構造の例を説明する。【０１６９】
まず図２２を参照する。この図２２は、図１６（ａ）に示される熱発電ユニット１００の側面のうちの他の一つを示す図（左側面図）である。図１６（ｂ）がプレート３６の側の構成を示しているのに対して、図２２は、プレート３４の側の構成を示している。プレート３６について説明した構成および動作と共通する構成および動作の説明は繰り返さない。【０１７０】
図２２に示されるように、チャネルＣ４２〜Ｃ４５は、プレート３４に設けられた開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結している。本明細書では、このようなチャネルを「相互接続部分」と称する場合がある。各相互接続部分に収容される導電性部材は、導電性部材Ｊ１と同様の構成を有する。これに対して、プレート３４に設けられたチャネルＣ４１は、プレート３４における開口部Ａ４１から外縁まで延びるように設けられている。本明細書では、プレートに設けられた開口部から外縁まで延びるように設けられているチャネルを「端子接続部分」と称する場合がある。図２２に示したチャネルＣ４１およびＣ４６は、端子接続部分である。端子接続部分には、外部回路に接続するための端子として機能する導電性部材が収容される。【０１７１】
図２３（ａ）は、プレート３４の一部の断面を示す図である。図２３（ａ）は、熱発電チューブＴ１の中心軸を含む平面で切断したときの断面を模式的に示しており、図２２におけるＲ−Ｒ線断面図に相当する。図２３（ａ）には、プレート３４が有する複数の開口部Ａのうち、開口部Ａ４１およびその近傍の構造が示されている。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）において矢印Ｖ２で示す方向から見たときの導電性部材Ｋ１の外観を示す。この導電性部材Ｋ１は、一端に貫通孔Ｋｈを有している。より詳細には、導電性部材Ｋ１は、貫通孔Ｋｈを有するリング部分Ｋｒと、リング部分Ｋｒからリング部分Ｋｒの外側に向かって延びる端子部Ｋｔとを有している。導電性部材Ｋ１は、導電性部材Ｊ１と同様に、典型的には、金属から形成される。【０１７２】
プレート３４の開口部Ａ４１には、図２３（ａ）に示されるように、熱発電チューブＴ１の端部（第１電極側）が挿入されている。この状態において、導電性部材Ｋ１の貫通孔Ｋｈには、熱発電チューブＴ１の端部が挿入されている。このように、本実施形態における導電性部材（Ｊ、Ｋ１）は、熱発電チューブＴを通す少なくとも１個の孔を有する導電性プレートであるといえる。なお、開口部Ａ４１０およびその近傍の構造は、プレート３４の開口部Ａ４１０に熱発電チューブＴ１０の端部が挿入されること以外は、開口部Ａ４１およびその近傍の構造と同様である。【０１７３】
図２３（ａ）の例において、第１プレート部分３４ａには、開口部Ａ４１に対応して凹部Ｒ３４が設けられている。この凹部Ｒ３４は、開口部Ａ４１から第１プレート部分３４ａの外縁にまで達する溝部分Ｒ３４ｔを含んでいる。この溝部分Ｒ３４ｔには、導電性部材Ｋ１の端子部Ｋｔが位置している。この例では、凹部Ｒ３４と、第２プレート部分３４ｂに設けられた凹部Ｒ４１とによって形成された空間が、導電性部材Ｋ１を収容するチャネルを形成している。図１８（ａ）に示した例と同様に、図２３（ａ）の例においても、導電性部材Ｋ１の他に、第１のＯリング５２ａ、座金５４、導電性リング状部材５６、第２のＯリング５２ｂがチャネルＣ４１に収容されており、熱発電チューブＴ１の端部が、これらの部材の孔を貫いている。第１のＯリング５２ａは、胴部３２の内部に供給された流体がチャネルＣ４１の内部に進入しないように、シールを実現する。また、第２のＯリング５２ｂは、第２プレート部分３４ｂの外側に存在する流体がチャネルＣ４１の内部に進入しないように、シールを実現する。【０１７４】
図２４は、導電性部材Ｋ１を収容するチャネルＣ４１近傍の分解斜視図である。例えば、第１のＯリング５２ａ、座金５４、導電性リング状部材５６、導電性部材Ｋ１、座金５４および第２のＯリング５２ｂが、容器３０の外側から開口部Ａ４１の内部に挿入される。第２プレート部分３４ｂのシール面（第１プレート部分３４ａと対向する面）は、図１９（ｂ）に示した第２プレート部分３６ｂのシール面とほぼ同様の構成を有する。すなわち、第１プレート部分３４ａおよび第２プレート部分３４ｂを結合することで、第２プレート部分３４ｂの第２の座面Ｂｓｂが、第２のＯリング５２ｂ、導電性部材Ｋ１、および導電性リング状部材５６を介して、第１のＯリング５２ａを第１プレート部分３４ａの座面Ｂｓａに押圧する。これにより、高温媒体および低温媒体から導電性部材Ｋ１をシールすることができる。【０１７５】
導電性部材Ｋ１のリング部分Ｋｒは、プレート３４に設けられた開口部Ａ内において、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆに接触する。こうして、導電性部材Ｋ１は、導電性リング状部材５６を介して、熱発電チューブＴの端部における外周面と電気的に接続する。ここで、導電性部材Ｋ１の一端（端子部Ｋｔ）は、図２３（ａ）に示したように、プレート３４の外部に突出する。したがって、端子部Ｋｔのうち、プレート３４の外部に突出した部分は、熱発電ユニットと外部回路とを接続するための端子として機能し得る。図２４に示したように、端子部Ｋｔのうち、プレート３４の外部に突出した部分がリング状に形成されていてもよい。本明細書では、一端に熱発電チューブが挿入され、他端が外部に突出する導電性部材を「端子プレート」と称することがある。【０１７６】
このように、熱発電ユニット１００では、端子接続部分に収容された２個の端子プレートに、熱発電チューブＴ１および熱発電チューブＴ１０がそれぞれ接続されている。また、複数の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０は、２個の端子プレートの間において、チャネルの相互接続部分に収容された連結プレートを介して電気的に直列に接続されている。したがって、一端がプレートの外部に突出する２個の端子プレートを介して、複数の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０によって生じた電力を外部に取りだすことができる。【０１７７】
導電性リング状部材５６および導電性部材（Ｊ、Ｋ１）の配置は、チャネルＣ内において適宜変更され得る。このとき、導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒが導電性部材の貫通孔（Ｊｈ１、Ｊｈ２またはＫｈ）に挿入されるように、導電性リング状部材５６および導電性部材を配置すればよい。また、前述したように、導電性リング状部材５６が省略された態様によって、熱発電チューブＴの端部と導電性部材Ｋ１とが電気的に接続されてもよい。なお、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆの一部を延長して、導電性部材Ｋ１の端子部Ｋｔの代用とすることもできる。この場合、導電性部材Ｋ１を省略してもよい。【０１７８】
なお、上述の実施形態では、第１プレート部分に設けられた凹部および第２プレート部分に設けられた凹部からチャネルＣが形成されたが、第１プレート部分および第２プレート部分のいずれか一方に設けられた凹部からチャネルＣが形成されてもよい。容器３０が金属から構成される場合、導電性部材（連結プレート、端子プレート）と容器３０とが導通しないように、チャネルＣ内部に絶縁性コーティングが施されていてもよい。例えば、プレート３４（３４ａおよび３４ｂ）が、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していてもよい。プレート３６（３６ａおよび３６ｂ）も同様に、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していてもよい。第１プレート部分に設けられた凹部の表面および第２プレート部分に設けられた凹部の表面に絶縁性コーティングが施されている場合は、導電性部材の表面の絶縁性コーティングを省略できる。【０１７９】
＜シールおよび電気的接続のための構造の他の例＞
図２５は、熱発電チューブＴの外周面に接する媒体と、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内周面に接する媒体とが混ざり合わないように分離するための構造の例を示す断面図である。図２５に示す例では、容器３０の外側からブッシング６０が挿入されることで、高温媒体と低温媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続が実現される。【０１８０】
図２５の例において、プレート３４ｕに設けられた開口部Ａ４１は、雌ネジ部Ｔｈ３４を有している。より詳細には、プレート３４ｕの開口部Ａ４１に対応して設けられた凹部Ｒ３４の壁面にネジ山が形成されている。凹部Ｒ３４には、雄ネジ部Ｔｈ６０を有するブッシング６０が挿入される。ブッシング６０は、軸方向に沿って貫通孔６０ａを有している。ここで、プレート３４ｕの開口部Ａ４１に、熱発電チューブＴ１の端部が挿入されている。したがって、貫通孔６０ａは、凹部Ｒ３４にブッシング６０が挿入された状態において熱発電チューブＴ１の内部流路に連通する。【０１８１】
凹部Ｒ３４とブッシング６０との間に形成された空間の内部には、シールおよび電気的接続を実現するための各種の部材が配置される。図２５の例では、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａから容器３０の外側に向かって、Ｏリング５２、導電性部材Ｋ１およびリング状導電性部材５６が順に配置されている。熱発電チューブＴ１の端部は、これらの部材の孔に挿入されている。Ｏリング５２は、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａおよび熱発電チューブＴ１の端部の外周面と接する。ここで、雌ネジ部Ｔｈ３４に雄ネジ部Ｔｈ６０が挿入されると、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆおよび導電性プレートＫ１を介して、雄ネジ部Ｔｈ６０がＯリング５２を座面Ｂｓａに押圧する。すなわち、胴部３２の内部に供給された流体が熱発電チューブＴ１の内部流路に供給された流体と混ざり合わないようにシールを実現することができる。また、熱発電チューブＴ１の外周面が導電性リング状部材５６の複数の弾性部５６ｒと接触し、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆが導電性部材Ｋ１のリング部分Ｋｒと接触するので、熱発電チューブと導電性部材とを電気的に接続することができる。【０１８２】
このように、図２５に示す部材を用いることによって、より簡易な構成で、高温媒体と低温媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現することもできる。【０１８３】
図３９（ａ）および（ｂ）は、高温媒体と低温媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現するための構造の他の例を示す断面図である。図３９（ａ）では、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａから容器３０の外側に向かって、第１のＯリング５２ａ、座金５４、リング状導電性部材５６、導電性部材Ｋ１、座金５４および第２のＯリング５２ｂが順に配置されている。図３９（ａ）に示す例では、導電性プレートＫ１および導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆを介して、雄ネジ部Ｔｈ６０がＯリング５２ａを座面Ｂｓａに押圧する。図３９（ｂ）では、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａから容器３０の外側に向かって、第１のＯリング５２ａ、導電性部材Ｋ１、リング状導電性部材５６および第２のＯリング５２ｂが順に配置されている。また、図３９（ｂ）では、ブッシング６０に形成された貫通孔６０ａ内に、貫通孔６４ａを有するブッシング６４が更に挿入されている。貫通孔６４ａは、熱発電チューブＴ１の内部流路に連通している。図３９（ｂ）に示す例では、ブッシング６４の雄ネジ部Ｔｈ６４が、第２のＯリング５２ｂを座面Ｂｓａに向けて押圧する。このように、第１のＯリング５２ａおよび第２のＯリング５２ｂを配置することによって、高温媒体を構成する流体および低温媒体を構成する流体の両方に対するシールを行ってもよい。高温媒体を構成する流体および低温媒体を構成する流体の両方に対するシールを行うことで、導電性リング状部材５６の腐食が抑制される。【０１８４】
上述したように、導電性部材Ｋ１の端子部Ｋｔの一端は、プレート３４ｕの外部に突出し、熱発電ユニットと外部回路とを接続するための端子として機能し得る。図２５ならびに図３９（ａ）および（ｂ）に示したような態様において、導電性部材Ｋ１（端子プレート）の代わりに、導電性部材Ｊ１のような連結プレートが適用されてもよい。この場合は、貫通孔Ｊｈ１に熱発電チューブＴ１の端部が挿入される。必要に応じて、Ｏリングと導電性部材との間などに座金５４が配置されてもよい。【０１８５】
＜熱発電システムの実施形態＞
次に、本開示の熱発電システムの実施形態を説明する。【０１８６】
図２６（ａ）は、本開示の熱発電システムの実施形態を示す図である。図２６（ｂ）は、図２６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２６（ｃ）は、図２６（ａ）に示す熱発電システムが備えるバッファ槽の構成例を示す斜視図である。図２６（ａ）において、実線の太い矢印は、熱発電チューブの外周面と接する媒体、すなわち容器３０の中（熱発電チューブの外側）を流れる媒体の流れ方向を概略的に示している。破線の太い矢印は、熱発電チューブの内周面に接する媒体、すなわち、熱発電チューブの貫通孔（内部流路）を流れる媒体の流れ方向を概略的に示している。本明細書では、各容器３０の流体入口および流体出口に連通した管路を「第１媒体路」と称し、各熱発電チューブの流路に連通した管路を「第２媒体路」と称する場合がある。【０１８７】
図２６（ａ）に示される熱発電システム２００Ａは、第１の熱発電ユニット１００−１と、第２の熱発電ユニット１００−２とを備えている。第１の熱発電ユニット１００−１および第２の熱発電ユニット１００−２は、それぞれ、前述した熱発電ユニット１００の構成と同一の構成を有している。熱発電システム２００Ａは、更に、第１の熱発電ユニット１００−１と第２の熱発電ユニット１００−２の間に置かれた太い円筒状のバッファ槽４４を備えている。このバッファ槽４４は、第１の熱発電ユニット１００−１における複数の熱発電チューブの流路に連通する第１開口部４４ａ１と、第２熱発電ユニット１００−２における複数の熱発電チューブの流路に連通する第２開口部４４ａ２とを有している。【０１８８】
熱発電システム２００Ａでは、第１の熱発電ユニット１００−１の流体入口３８ａ１から導入された媒体は、第１の熱発電ユニット１００−１の容器３０、第１の熱発電ユニット１００−１の流体出口３８ｂ１、中継のための管路４０、第２の熱発電ユニット１００−２の流体入口３８ａ２および第２の熱発電ユニット１００−２の容器３０を順に流れ、流体出口３８ｂ２に到達する（第１媒体路）。すなわち、第１の熱発電ユニット１００−１の容器３０の内部に供給された媒体は、管路４０を介して、第２の熱発電ユニット１００−２の容器３０の内部に供給される。この管路４０は、直線的である必要はなく、屈曲していてもよい。【０１８９】
一方、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路は、バッファ槽４４の第１開口部４４ａ１および第２開口部４４ａ２を介して、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブの内部流路に連通している（第２媒体路）。第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路の各々に導入された媒体は、バッファ槽４４で合流した後、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブの内部流路の各々に導入される。【０１９０】
複数の熱発電ユニットを備える熱発電システムにおいては、各熱発電チューブの流路に連通した第２媒体路は、任意に設計され得る。ここで、１つの容器３０内において複数の熱発電チューブを介して行われる熱交換の程度は、熱発電チューブの位置によって異なることが生じ得る。したがって、隣接する２つの熱発電ユニット間において、例えば、一方の熱発電ユニットの各熱発電チューブの内部流路と、他方の熱発電ユニットの各熱発電チューブの内部流路とを直列的に接続すると、内部流路を流れる媒体の温度のばらつきが拡大する。各熱発電チューブの内部流路を流れる媒体の温度のばらつきが拡大すると、各熱発電チューブの発電量がばらつく可能性がある。【０１９１】
熱発電システム２００Ａでは、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路からバッファ槽４４の内部に流れ込んだ媒体は、バッファ槽４４の中で熱を交換し、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブの内部流路に供給される。第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路からバッファ槽４４の内部に流れ込んだ媒体が、バッファ槽４４の中で熱を交換するので、媒体温度が均一化され得る。このように、各熱発電チューブの内部流路を流れる媒体を、他の熱発電チューブの内部流路を流れる媒体と混合することで、複数の熱発電チューブの内部流路を流れる媒体の温度が均一化されるという利点が得られる。【０１９２】
図２６（ａ）の例では、第２媒体路が、複数の熱発電チューブＴの流路を同一方向に流体が流れるように構成されている。しかしながら、複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向は、同一方向に限定されない。複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向は、高温媒体および低温媒体の流路の設計に応じて多様に設定可能である。また、本開示の熱発電システムにおける複数の熱発電ユニットは、直列的または並列的に連結され得る。【０１９３】
＜熱発電システムの他の実施形態＞
図２７（ａ）は、本開示の熱発電システムの他の実施形態を示す図である。図２７（ｂ）は、図２７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図２７（ｃ）は図２７（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。【０１９４】
この実施形態における熱発電システム２００Ｂのバッファ槽４４は、内部に２枚の邪魔板４６ａ、４６ｂを有している。２枚の邪魔板４６ａ、４６ｂには、それぞれ、異なる複数の位置に矩形の開口部が設けられている。バッファ槽４４の内部を流れる媒体は、邪魔板４６ａ、４６ｂの各々に設けられた複数の開口部を通過する。このとき、乱流が生じ、撹拌効果によって媒体温度の均一化が促進される。このように、バッファ槽４４が、複数の熱発電チューブの流路からバッファ槽４４内に流れ込んできた流体の流れを乱す構造物を内部に有していてもよい。【０１９５】
邪魔板４６ａ、４６ｂは、流体の流れ方向を部分的に変化させる形状を有していればよい。したがって、邪魔板４６ａ、４６ｂに形成される開口部の形状、大きさ、および位置は、図示されている例に限定されず、任意の形状、大きさ、および位置に設定され得る。各邪魔板は、複数の片に分割されていてもよいし、開口部はスリットであってもよい。邪魔板４６ａ、４６ｂの個数も任意であり、１枚の邪魔板でも撹拌効果を発揮し得る。邪魔板は平板状である必要はなく、らせん状、放射状、グリッド状であってもよい。【０１９６】
また、媒体を撹拌して温度分布を均一化する効果を示すものであれば、邪魔板以外の構成をバッファ槽の内部またはバッファ槽の形状そのものに付与していてもよい。例えば、バッファ槽４４の内壁に凹凸を設けたり、内壁に溝またはフィンを設けたりしてもよい。また、バッファ槽４４の途中を細く絞ってもよい。【０１９７】
図２８（ａ）は、本開示の熱発電システムの更に他の実施形態を示す図である。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。【０１９８】
バッファ槽４４内に配置される構造物は、バッファ槽４４内に流れ込んできた流体の流れ方向を部分的に変化させる可動部を有し得る。この実施形態における熱発電システム２００Ｃのバッファ槽４４は、内部に回転する羽根４８を有している。羽根４８は、不図示の支持部材によって回転可能に支持されており、媒体の流れによって回転する。羽根４８は、モータなどの外部動力源によって回転させられてもよい。羽根４８が回転することにより、乱流が生じ、撹拌効果によって媒体温度の均一化が促進される。このような羽根４８は、回転しないように固定されていたとしても、邪魔板と同様に媒体の流れを乱すため、媒体温度の均一化は向上する。バッファ槽４４内に設けられる羽根４８の個数は、複数であってもよい。【０１９９】
羽根４８の代わりに、あるいは、羽根４８とともに、媒体の流れによって回転、搖動、変形する他の撹拌機構がバッファ槽４４内に設けられていてもよい。【０２００】
図２９（ａ）は、本開示の熱発電システムの更に他の実施形態を示す図である。図２９（ｂ）は、図２９（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。【０２０１】
この実施形態における熱発電システム２００Ｄのバッファ槽４４は、内部に仕切り板４６ｃを有している。これにより、バッファ槽４４の内部の空間が、２つの空間４４Ａおよび４４Ｂに分割される。例えば、図２９（ｂ）に示すように、空間４４Ａは、第２の熱発電ユニット１００−２の容器に設けられた開口部Ａのうちの半分と連通する。空間４４Ｂは、第２の熱発電ユニット１００−２の容器に設けられた開口部Ａのうち、残りの半分と連通する。【０２０２】
熱発電システム２００Ｄでは、バッファ槽４４の内部に形成された空間４４Ａに、第１の熱発電ユニット１００−１における複数の熱発電チューブのうちの半分から媒体が流れ込む。空間４４Ｂには、第１の熱発電ユニット１００−１における複数の熱発電チューブのうち、残りの半分から媒体が流れ込む。バッファ槽４４に形成された２つの空間４４Ａ、４４Ｂの各々において、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路から流れ込んだ媒体の熱交換が行われる。このように、バッファ槽４４の内部を複数の空間に分割して、分割された空間ごとに、バッファ槽４４に流れ込む媒体の熱交換を行わせてもよい。【０２０３】
仕切り板４４ｃの形状、数および配置は、図示されている例に限定されず、任意の形状、数および配置に設定され得る。３個以上の発電ユニットが直列的に連結される場合には、隣接する２個の発電ユニットの間に挿入されたバッファ槽ごとに仕切り板４４ｃの形状、数または配置を異ならせてもよい。バッファ槽ごとに仕切り板４４ｃの形状、数または配置を異ならせることで、媒体温度の均一化が促進され得る。【０２０４】
上記の図２７、図２８および図２９を参照しながら説明した邪魔板、撹拌機構および仕切り板は、組み合わせて使用してもよい。３個以上の発電ユニットが直列的に連結される場合、バッファ槽４４は、隣接する２個の発電ユニットの間のすべてに挿入してもよいし、一部のみに挿入してもよい。【０２０５】
なお、邪魔板、撹拌機構および仕切り板は、容器３０の内部に設けてもよい。例えば高温媒体が熱発電チューブの内部流路を流れるとき、容器３０の内部には低温媒体が流れる。低温媒体は容器３０内の熱発電チューブによって加熱されて部分的に昇温するが、熱発電チューブから離れた部分の温度は相対的に低い。したがって、容器３０内で低温媒体の流れを邪魔板や撹拌機構によって乱せば、低温媒体の温度分布が均され、低温媒体が熱発電チューブに接する部分での温度を低下させることができる。【０２０６】
次に、図３０を参照する。図３０は、本開示の熱発電システムの更に他の実施形態を示す図である。図３０において、図２６（ａ）と同様に、実線の太い矢印は、熱発電チューブの外周面と接する媒体の流れ方向を概略的に示している。また、破線の太い矢印は、熱発電チューブの内周面に接する媒体の流れ方向を概略的に示している。熱発電システム２００Ｅでは、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向と、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向とは、互いに反平行に構成されている。【０２０７】
熱発電システム２００Ｅでは、第１の熱発電ユニット１００−１および第２の熱発電ユニット１００−２が、空間的に並列に配置されている。例えば、第２の熱発電ユニット１００−２は、第１の熱発電ユニット１００−１の横に配置される。なお、第１の熱発電ユニット１００−１および第２の熱発電ユニット１００−２は、鉛直方向に沿って積み重ねられてもよい。この場合、概略的には、第１媒体路中の媒体は鉛直方向に沿って流れる。【０２０８】
図３０に示したように、バッファ槽４４は、屈曲した形状であり得る。このように、本開示の実施形態による熱発電システムでは、高温媒体および低温媒体の流路の設計は多様に可能である。例えば、熱発電システムを設置する場所の面積などに応じて、柔軟な設計が可能である。図２６〜図３０は、あくまでも幾つかの例を示すだけであり、各容器の流体入口および流体出口に連通した第１媒体路、および各熱発電チューブの流路に連通した第２媒体路は、任意に設計され得る。なお、複数の熱発電ユニットは、電気的に直列にも接続され得るし、電気的に並列にも接続され得る。【０２０９】
＜熱発電システムが備える電気回路の構成例＞
次に、図３１を参照しながら、本開示による熱発電システムが備える電気回路の構成例を説明する。【０２１０】
図３１の例において、本実施形態における熱発電システム２００は、熱発電ユニット１００−１、１００−２から出力される電力を受け取る電気回路２５０を備えている。すなわち、ある態様では、複数の導電性部材は、複数の熱発電チューブに電気的に接続された電気回路を有し得る。【０２１１】
この電気回路２５０は、熱発電ユニット１００−１、１００−２から出力される電力の電圧を上昇させる昇圧回路２５２と、昇圧回路２５２から出力される直流電力を交流電力（周波数は例えば５０／６０Ｈｚまたはその他の周波数）に変換するインバータ（ＤＣ−ＡＣインバータ）回路２５４とを有している。インバータ回路２５４から出力される交流電力は、負荷４００に供給され得る。負荷４００は、交流電力を使用して動作する各種の電気機器または電子機器であり得る。負荷４００は、それ自体が充電機能を有していてもよいし、電気回路２５０に固定されている必要も無い。負荷４００で消費されない交流電力は、商用系統４１０に連系されて売電され得る。【０２１２】
図３１の例における電気回路２５０は、熱発電ユニット１００−１、１００−２から得られる直流電力を蓄積するための充放電制御部２６２および蓄電部２６４を備えている。蓄電部２６４は、例えばリチウムイオン二次電池などの化学電池や、電気二重層コンデンサなどのキャパシタであり得る。蓄電部２６４に蓄えられた電力は、必要に応じて、充放電制御部２６２によって昇圧回路２５２に与えられ、インバータ回路２５４を介して交流電力として使用または売電され得る。【０２１３】
熱発電ユニット１００−１、１００−２から得られる電力の大きさは、時間に応じて周期的または不定期的に変動する場合がある。例えば、高温媒体の熱源が工場の廃熱である場合、工場の稼働スケジュールに応じて高温媒体の温度が変動する可能性がある。そのような場合、熱発電ユニット１００−１、１００−２の発電状態が変動するため、熱発電ユニット１００−１、１００−２から得られる電力の電圧および／または電流の大きさが変動してしまう。そのような発電状態の変動があっても、図３１に示される熱発電システム２００では、充放電制御回路２６２を介して蓄電部２６４に電力を蓄積すれば、発電量の変動による影響は抑制され得る。【０２１４】
発電とともにリアルタイムで電力を消費する場合は、発電状態の変動に応じて昇圧回路２５２の昇圧比を調整してもよい。また、発電状態の変動を検知または予測して、熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給する高温媒体または低温媒体の流量および温度などを調整し、それによって発電状態を定常状態に保持する制御を行ってもよい。【０２１５】
再び図１３を参照する。図１３に例示されるシステムでは、高温媒体の流量がポンプＰ１によって調整され得る。同様に、低温媒体の流量はポンプＰ２によって調整され得る。高温媒体および低温媒体の一方または両方の流量を調整することにより、熱発電チューブの発電量を制御することが可能である。【０２１６】
なお、不図示の高温熱源から高温媒体に供給する熱の量を調整することにより、高温媒体の温度を制御することも可能である。同様に、低温媒体から不図示の低温熱源に放出する熱の量を調整することにより、低温媒体の温度を制御することも可能である。【０２１７】
図１３には示されていないが、高温媒体の流路および低温媒体の流路の少なくとも一方に弁および分岐路を設け、それによって発電システムに供給される各媒体の流量を調整してもよい。【０２１８】
＜熱発電システムの他の実施形態＞
以下、図３２を参照しながら、本開示による熱発電システムの他の実施形態を説明する。【０２１９】
本実施形態では、一般廃棄物処理施設（いわゆるごみ処理場またはクリーンセンター）に複数の熱発電ユニット（例えば１００−１、１００−２）が設けられている。近年の廃棄物処理施設では、ごみ（廃棄物）を燃焼する際に発生した熱エネルギーから高温高圧水蒸気（例えば４００〜５００℃、数メガパスカル）が生成されることがある。このような水蒸気のエネルギーは、タービン発電によって電力に変換され、施設内の電力使用に供されている。【０２２０】
本実施形態による熱発電システム３００は、複数の熱発電ユニットを備えている。図３２の例では、熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給される高温媒体が廃棄物処理施設におけるごみの燃焼熱を得て生成されている。より詳細には、このシステムは、焼却炉３１０と、焼却炉３１０で生じた燃焼熱から高温高圧水蒸気を生成するボイラ３２０と、ボイラ３２０で生成された高温高圧水蒸気によって回転するタービン３３０とを備えている。タービン３３０の回転エネルギーは、不図示の同期発電機に与えられ、同期発電機によって交流電力（例えば３相交流電力）に変換される。【０２２１】
タービン３３０を回転する仕事に使用された水蒸気は、復水器３６０によって液体の水に戻り、ポンプ３７０によってボイラ３２０に供給される。この水は、ボイラ３２０、タービン３３０、復水器３６０によって構成される「熱サイクル」を循環する作動媒体である。ボイラ３２０で水に与えられた熱の一部は、タービン３３０を回転させる仕事をした後、復水器３６０で冷却水に与えられる。一般的に、冷却水は、復水器３６０と冷却塔３５０との間を循環する。【０２２２】
このように焼却炉３１０で発生した熱のうち、タービン３３０によって電力に変換されるエネルギーは一部であり、タービン３３０を回転させた後の低温低圧の水蒸気が保有する熱エネルギーは、従来、電気エネルギーに変換して利用されることなく周囲環境に捨てられることが多かった。本実施形態では、このようなタービン３３０で仕事をした後の低温の水蒸気、または熱水を高温媒体の熱源として有効に利用することができる。本実施形態では、このような低温（例えば１４０℃程度）の水蒸気から熱交換器３４０によって熱を得て、例えば９９℃の温水を得る。そして、この温水を高温媒体として熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給する。【０２２３】
一方、低温媒体としては、例えば、廃棄物処理施設で使用される冷却水の一部が利用され得る。廃棄物処理施設が冷却塔３５０を有している場合、この冷却塔３５０から例えば１０℃程度の水を得て、低温媒体として使用することができる。低温媒体は、特別な冷却塔を利用して得る必要は無く、施設内または近隣の井戸水や川の水を用いて代用することも可能である。【０２２４】
図３２の熱発電ユニット１００−１、１００−２は、例えば図３１に示される電気回路２５０に接続され得る。熱発電ユニット１００−１、１００−２で生成された電力は、施設内で使用されたり、蓄電部２６４に蓄えられたりすることができる。余剰電力は、交流電力に変換された後、商用系統４１０を介して売電され得る。【０２２５】
図３２の熱発電システム３００は、ボイラ３２０およびタービン３３０を備える廃棄物処理施設の廃熱利用システムに複数の熱発電ユニットを組み込んだ形態を有している。しかし、熱発電ユニット１００−１、１００−２の動作にとって、ボイラ３２０、タービン３３０、復水器３６０、熱交換機３４０は不可欠の構成要素ではない。従来は捨てられていたような比較的低い温度の気体または熱水があれば、それを直接に高温媒体として有効に利用することもできるし、熱交換器を介して他の気体または液体を加熱し、それを高温媒体として利用することもできる。図３２のシステムは、実用的な例の１つに過ぎない。【０２２６】
各実施形態について説明したことから明らかなように、本開示の熱発電システムの実施形態によれば、未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することができる。例えば、廃棄物処理施設におけるごみの燃焼熱を利用して高温媒体を生成することにより、従来は捨てられていたような比較的低い温度の気体または熱水が保有する熱エネルギーを有効に活用することが可能となる。【０２２７】
なお、本開示の熱発電システムの製造方法は、前述した複数の熱発電チューブを用意する工程と、複数の熱発電チューブを前述の構成を有する第１および第２の容器の複数の開口部に挿入し、複数の熱発電チューブを前記第１および第２の容器の各々の内部に保持する工程と、複数の導電性部材によって複数の熱発電チューブを電気的に接続する工程と、第１の容器の内部に保持される複数の熱発電チューブの流路に連通する第１開口部、および、第２の容器の内部に保持される複数の熱発電チューブの流路に連通する第２開口部を有するバッファ槽を第１の容器と第２の容器との間に配置する工程とを含む。【０２２８】
また、本開示の発電方法は、前述した熱発電システムの各容器の流体入口および流体出口を介して第１媒体を各容器内に流し、第１媒体を各熱発電チューブの外周面に接触させる工程と、各熱発電チューブの前記流路内に第１媒体の温度とは異なる温度を有する第２媒体を流す工程と、複数の導電性部材を介して、複数の熱発電チューブで発生した電力を取り出す工程とを含む。【０２２９】
本開示の熱発電ユニットは、上記のバッファ槽を介して連結して使用されることなく、単独で使用されてもよい。本開示の熱発電ユニットは、複数の熱発電チューブを備え、前記複数の熱発電チューブの各々は、外周面および内周面と、内周面によって区画される流路とを有し、内周面と外周面との間の温度差によって各熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている。複数の熱発電チューブは、複数のプレート状の導電性部材によって電気的に直列に接続されている。複数のプレート状の導電性部材は、熱媒体から絶縁されていれば、熱発電チューブを囲む容器の内部または外部に位置していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２３０】
本開示による熱発電システムは、自動車や工場などから排出される排ガスなどの熱を用いた発電機として利用可能である。
【符号の説明】
【０２３１】
１０、１０Ｍ    熱発電素子
１０ａ    上面
１０ｂ    下面
１２    炭素含有層
１２ｍ、１２Ｍｍ    第１部分
１２ｈ、１２Ｍｈ    第２部分
１２Ｍ  中間層
１４    炭素含有層
１４ｍ、１４Ｍｍ    第１部分
１４ｈ、１４Ｍｈ    第２部分
１４Ｍ  中間層
２０    金属層
２０’  圧粉体
２２    熱電材料層
２４    外周面
２４’  圧粉体
２５    第１端面
２６    内周面
２７    第２端面
２８    積層体
３０    容器
３２    胴部
３４、３４ｕ、３６    プレート
３４ａ    プレート３４の第１プレート部分
３４ｂ    プレート３４の第２プレート部分
３５      中継プレート
３６ａ    プレート３６の第１プレート部分
３６ｂ    プレート３６の第２プレート部分
３６ｂｈ  第２プレート部分３６ｂの孔
３８ａ、３８ａ１、３８ａ２    容器３０の流体入口
３８ｂ、３８ｂ１、３８ｂ２    容器３０の流体出口
４０、４２    管路
４４    バッファ槽
４４Ａ、４４Ｂ    バッファ槽４４の内部の空間に形成された２つの空間
４４ａ１    第１開口部
４４ａ２    第２開口部
４６ａ、４６ｂ    邪魔板
４６ｃ    仕切り板
４８      羽根
５２      Ｏリング
５２ａ    第１のＯリング
５２ｂ    第２のＯリング
５４      座金
５６      導電性リング状部材
５６ｆ    リング状の平坦部
５６ｒ    複数の弾性部
５６ａ    貫通孔
６０      ブッシング
６０ａ    ブッシング６０の貫通孔
１００    熱発電ユニット
１００−１    第１の熱発電ユニット
１００−２    第２の熱発電ユニット
１２０    高温熱源
１４０    低温熱源
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ    熱発電システム
２５０    電気回路
２５２    昇圧回路
２５４    インバータ回路
２６２    充放電制御部
２６４    蓄電部
３１０    焼却炉
３２０    ボイラ
３３０    タービン
３４０    熱交換器
３５０    冷却塔４００    負荷
４１０    商用系統
Ａ    プレート３４、３６の開口部
Ａ４１、Ａ４１０  プレート３４の開口部
Ａ６１、Ａ６２    プレート３６の開口部
Ｃ    プレート３４、３６のチャネル
Ｃ４１〜Ｃ４６    プレート３４のチャネル
Ｃ６１〜Ｃ６５    プレート３６のチャネル
Ｂｓａ    第１の座面
Ｂｓｂ    第２の座面
Ｅ１      第１電極
Ｅ２      第２電極
Ｊ        導電性部材
Ｊ１〜Ｊ９    導電性部材
Ｊｃ      連結部
Ｊｈ１、Ｊｈ２    導電性部材Ｊの２つの貫通孔
Ｊｒ１    導電性部材Ｊの第１リング部分
Ｊｒ２    導電性部材Ｊの第２リング部分
Ｋ１      導電性部材
Ｋｈ      導電性部材Ｋ１の貫通孔
Ｋｒ      導電性部材Ｋ１のリング部分
Ｋｔ      導電性部材Ｋ１の端子部
Ｒ３４、Ｒ３６    凹部
Ｒ３４ｔ  溝部分
Ｒ３６ｃ  溝部分
Ｒ４１、Ｒ６１、Ｒ６２    凹部
Ｔ    熱発電チューブ
Ｔ１〜Ｔ１０    熱発電チューブ
Ｔｂ      チューブ本体
Ｔｂ１    チューブ本体
Ｔｈ３４  開口部Ａ４１の雌ネジ部
Ｔｈ６０  ブッシング６０の雄ネジ部
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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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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【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】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【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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【図３８】
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【図３９】
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