(57)【要約】【課題】一定温度範囲の熱を蓄えて安定に蓄熱可能な蓄熱装置を提供する。【解決手段】本発明に係る蓄熱装置１０は、所定の共晶温度を有する１種の合金又は混合塩を充填した耐熱性枠体１１、あるいは共晶温度が異なる２種以上の合金又は混合塩を共晶温度の高さの順に隔壁１１ａを介して隣接させて充填した耐熱性枠体１１を備え、所定の共晶温度を有する１種の合金又は混合塩を充填した耐熱性枠体１１を吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３とし、又は合金又は混合塩が２種以上の場合、共晶温度が最も高い合金（１）又は混合塩（１）を充填した耐熱性枠体１１を吸熱側蓄熱部１２とし、共晶温度が最も低い合金（２）又は混合塩（２）を充填した耐熱性枠体１１を放熱側蓄熱部１３とすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の共晶温度を有する１種の合金又は混合塩を充填した耐熱性枠体、あるいは共晶温度が異なる２種以上の合金又は混合塩を共晶温度の高さの順に隔壁を介して隣接させて充填した耐熱性枠体を備えることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
所定の共晶温度を有する１種の合金又は混合塩を充填した耐熱性枠体を吸熱部及び放熱部とすることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
合金又は混合塩が２種以上の場合、共晶温度が最も高い合金（１）又は混合塩（１）を充填した耐熱性枠体を吸熱部とし、共晶温度が最も低い合金（２）又は混合塩（２）を充填した耐熱性枠体を放熱部とすることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
集熱部品を備える請求項１乃至３のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記耐熱性枠体が伸縮可能な構造である請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項６】
請求項２に記載の蓄熱装置と、
前記放熱部に接続されるエネルギー変換装置と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項３に記載の蓄熱装置と、
前記放熱部に接続されるエネルギー変換装置と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項８】
前記エネルギー変換装置が熱電変換モジュールであることを特徴とする請求項６又は７に記載のシステム。
【請求項９】
前記エネルギー変換装置がスターリングエンジンであることを特徴とする請求項６又は７に記載のシステム。
【請求項１０】
温度ヒューズ及び／又は冷却部を備える請求項６乃至９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
請求項８に記載のシステムを用い、前記吸熱部において吸熱することによって蓄熱し、前記放熱部から放出される熱を熱源にして前記熱電変換モジュールで発電させる方法。
【請求項１２】
請求項９に記載のシステムを用い、前記吸熱部において吸熱することによって蓄熱し、前記放熱部から放出される熱を熱源にしてスターリングエンジンを稼動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の共晶温度を有する合金又は混合塩を備えた蓄熱装置及び当該蓄熱装置を備えるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題の高まりに応じて、工場等における生産設備、発電所、自動車等から生ずる排熱は、熱エネルギーとして効率的に利用する様々な手段が検討されている。このような排熱は、新たなエネルギーに変換されて利用される。
【０００３】
排熱を新たなエネルギーに変換する装置として、例えば、特許文献１には、熱から発電する２つの熱電変換モジュールの間に所定の温度に設定される温度設定層を設けた熱処理装置が示されている。また、特許文献２には、高温側と低温側の発電素子の間に熱流を制御可能な中間熱伝達ループを設けた熱電発電システムが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３４７００号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、工場等における生産設備、発電所、自動車等から生ずる排熱は温度の上昇と下降が激しいために、温度が安定して生ずるものではないため、この排熱を利用して得られるエネルギーも安定して供給できないという問題がある。
このような温度の激しく上昇する排熱は、熱電変換モジュールやスターリングエンジン等のエネルギー変換装置の熱源として利用しても、エネルギー変換装置が壊れてしまう問題が生ずる。
【０００６】
ところで、共晶反応を有する合金又は混合塩は、加熱すると温度が上昇し、加熱を止めると温度が降下するが、共晶点近傍では温度変化が緩やかになる。このような合金又は混合塩を用いた蓄熱装置を、排熱が発生する熱源と、例えば熱電変換モジュール等のエネルギー変換装置との間に設けることができれば、共晶点近傍の一定温度範囲の熱を、安定してエネルギー変換装置に供給できる。
【０００７】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、一定温度範囲の熱を蓄えて安定に蓄熱可能な蓄熱装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記蓄熱装置から放出される一定温度範囲の熱によって、前記エネルギー変換装置を安定に稼動させるシステムを提供することを目的とする。
更に、本発明は、前記エネルギー変換装置が熱電変換モジュールの場合、前記蓄熱装置から放出される一定温度範囲の熱によって一定の発電量を維持できる発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）  所定の共晶温度を有する１種の合金又は混合塩を充填した耐熱性枠体、あるいは共晶温度が異なる２種以上の合金又は混合塩を共晶温度の高さの順に隔壁を介して隣接させて充填した耐熱性枠体を備えることを特徴とする蓄熱装置。
【０００９】
（２）  所定の共晶温度を有する１種の合金又は混合塩を充填した耐熱性枠体を吸熱部及び放熱部とすることを特徴とする（１）に記載の蓄熱装置。
【００１０】
（３）  合金又は混合塩が２種以上の場合、共晶温度が最も高い合金（１）又は混合塩（１）を充填した耐熱性枠体を吸熱部とし、共晶温度が最も低い合金（２）又は混合塩（２）を充填した耐熱性枠体を放熱部とすることを特徴とする（１）に記載の蓄熱装置。
【００１１】
（４）  集熱部品を備える（１）乃至（３）のいずれかに記載の蓄熱装置。
【００１２】
（５）  前記耐熱性枠体が伸縮可能な構造である（１）乃至（４）のいずれかに記載の蓄熱装置。
【００１３】
（６）  （２）に記載の蓄熱装置と、前記放熱部に接続されるエネルギー変換装置と、を備えることを特徴とするシステム。
【００１４】
（７）  （３）に記載の蓄熱装置と、前記放熱部に接続されるエネルギー変換装置と、を備えることを特徴とするシステム。
【００１５】
（８）  前記エネルギー変換装置が熱電変換モジュールであることを特徴とする（６）又は（７）に記載のシステム。
【００１６】
（９）  前記エネルギー変換装置がスターリングエンジンであることを特徴とする（６）又は（７）に記載のシステム。
【００１７】
（１０）  温度ヒューズ及び／又は冷却部を備える（６）乃至（９）のいずれかに記載のシステム。
【００１８】
（１１）  （８）に記載のシステムを用い、前記吸熱部において吸熱することによって蓄熱し、前記放熱部から放出される熱を熱源にして前記熱電変換モジュールで発電させる方法。
【００１９】
（１２）  （９）に記載のシステムを用い、前記吸熱部において吸熱することによって蓄熱し、前記放熱部から放出される熱を熱源にしてスターリングエンジンを稼動させる方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、一定温度範囲の熱を蓄えて安定に蓄熱可能な蓄熱装置を提供することができる。
また、本発明によれば、前記蓄熱装置から放出される一定温度範囲の熱によって、前記エネルギー変換装置を安定に稼動させるシステムを提供できる。
更に、本発明によれば、前記エネルギー変換装置が熱電変換モジュールの場合、前記蓄熱装置から放出される一定温度範囲の熱によって一定の発電量を維持できる発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る蓄熱装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】高温側及び低温側の合金の共晶温度範囲の一例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る合金の一例であるＳｎ−Ｚｎ合金の状態図を示している。
【図４】変形例１に係る蓄熱装置を模式的に示す図である。
【図５】変形例２に係る蓄熱装置を模式的に示す図である。
【図６】変形例３に係る蓄熱装置を模式的に示す図である。
【図７】変形例４に係る蓄熱装置を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る熱エネルギー変換システムの一例を模式的に示す図である。
【図９】変形例に係る熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図１０】３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金の金属組織の顕微鏡写真である。
【図１１】変形例に係る熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図１２】参考例における熱電変換モジュールの高温側及び低温側の温度変化、並びに熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図１３】実施例１において、蓄熱装置に熱電対を設けた位置を示す図である。
【図１４】実施例１における所定箇所の温度変化を示す図である。
【図１５】実施例２〜９において、蓄熱装置又は熱エネルギー変換システムに熱電対を設けた位置を示す図である。
【図１６】実施例２における蓄熱装置の所定箇所の温度変化を示す図である。
【図１７】実施例３における蓄熱装置の所定箇所の温度変化を示す図である。
【図１８】実施例４における蓄熱装置の所定箇所の温度変化を示す図である。
【図１９】実施例５における蓄熱装置の所定箇所の温度変化を示す図である。
【図２０】実施例６における蓄熱装置の所定箇所の温度変化を示す図である。
【図２１】実施例７における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図２２】実施例８における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図２３】実施例９における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図２４】実施例１０において、熱エネルギー変換システムに熱電対を設けた位置を示す図である。
【図２５】実施例１０における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化を示す図である。
【図２６】実施例１１における熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図２７】実施例１１における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図２８】実施例１２における熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図２９】実施例１２における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図３０】実施例１３における熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図３１】実施例１３における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化、熱電変換モジュールの開放電圧の変化、及び蓄熱用枠体の伸び量の変化を示す図である。
【図３２】実施例１４における熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図３３】実施例１４における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化、及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【図３４】実施例１５における熱エネルギー変換システムを模式的に示す図である。
【図３５】実施例１５における熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化、及び熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
【００２３】
《第１実施形態》
本発明の蓄熱装置は、熱源から得た温度が不安定な熱を潜熱により蓄積する装置である。
本発明の蓄熱装置は、所定の共晶温度を有する合金又は混合塩で蓄熱し、この合金又は混合塩は１種類でもよいし複数種類でもよい。
以下に説明する本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置１０は、本発明の蓄熱装置の一例として、２種類の合金を用いたものである。
図１は、本発明の実施形態に係る蓄熱装置１０の一例を模式的に示す図である。
【００２４】
蓄熱装置１０は、箱状の耐熱性枠体１１と、熱源１００側の耐熱性枠体１１の内部に合金（１）が充填されて形成される吸熱側蓄熱部１２と、吸熱側蓄熱部１２と耐熱性枠体１１の隔壁１１ａを介して隣接し、耐熱性枠体１１の内部に合金（２）が充填されて形成される放熱側蓄熱部１３と、を備える。
【００２５】
＜蓄熱装置１０の構成＞
［耐熱性枠体］
耐熱性枠体１１は、箱状体であり、内部に所定の容量の空間を有する。耐熱性枠体１１は、奥行き方向において耐熱性枠体１１の内部を２等分にする隔壁１１ａを有する。すなわち、耐熱性枠体１１は、隔壁１１ａを介して隣接する所定の容量の空間を２つ有する。なお、本実施形態に係る耐熱性枠体１１は箱状体に形成しているが、本発明においては箱状体に限らず、管状体等の合金を充填可能な形状とすることができる。また、本実施形態に係る耐熱性枠体１１は内部を２等分にしているが、本発明においては２等分に限らず、充填する合金の特性等に応じた容積比で分けることができる。また、合金（１）及び合金（２）が同種の合金である場合は、隔壁１１ａを設けないこともできる。この場合、耐熱性枠体１１は、１つの空間を有することとなる。
更に、耐熱性枠体１１は、放熱側蓄熱部１３における吸熱側蓄熱部１２と接する面とは反対側の面を、吸熱側蓄熱部１２と接する面より広くすることもできる。これにより、例えば、蓄熱装置１０を熱電変換モジュールに接続する場合、１つの蓄熱装置１０に複数の熱電変換モジュールに接続することができる。
【００２６】
また、耐熱性枠体１１は、所定の厚さの耐熱材（例えば、ＳＳ、ＳＵＳ、ＳＣＨ、ＳＣＳ等）で形成されている。
耐熱性枠体１１は、２つの空間を形成し１面が開放された箱部と、箱部の開放された１面を塞ぐ蓋部とを備える。
【００２７】
吸熱側蓄熱部１２は、耐熱性枠体１１の２つの空間のうち熱源１００側の空間に合金（１）が充填されて形成されている。
放熱側蓄熱部１３は、耐熱性枠体１１の２つの空間のうち熱源１００側の反対側の空間に合金（２）が充填されて形成されている。
本実施形態において、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３は、直接耐熱性枠体１１に合金（１）又は合金（２）が充填されているが、本発明はこれに限定されず、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３は、それぞれ個別の枠体を備え、この枠体に合金（１）又は合金（２）が充填され、合金（１）又は合金（２）が充填された枠体を、耐熱性枠体１１と着脱自在に設けることもできる。
【００２８】
［合金］
吸熱側蓄熱部１２の合金（１）の共晶温度は、放熱側蓄熱部１３の合金（２）の共晶温度より高い。
合金（１）は、熱源１００により発生する熱の温度及び熱量の変動を吸収し、所定の温度範囲の熱を合金（２）に供給する。
合金（２）は、合金（１）から供給された熱の温度変化を吸収し、所定の温度範囲の熱を蓄熱する。
【００２９】
合金（１）及び合金（２）は、所定の共晶温度を有する合金であり、熱源１００により発生する熱の温度範囲に、共晶温度が含まれる合金が選択される。
例えば、熱源１００により発生する熱の温度範囲が図２中のＴ１からＴ２の範囲であり、蓄熱装置１０に接続される熱電変換モジュールの無次元性能指数ＺＴが温度変化に伴って図２中に示されるように変化する場合、合金（１）としては、共晶温度が図２中のＴ３からＴ４の範囲であるものを選択することが好ましく、合金（２）としては、共晶温度が図２中のＴ５からＴ６の範囲であるものを選択することが好ましい。このように合金（１）及び合金（２）を選択することにより、無次元性能指数ＺＴが最も高くなるような温度範囲の熱を熱電変換モジュールに伝達することができる。
【００３０】
図３は、本実施形態に係る合金の一例であるＳｎ−Ｚｎ合金の状態図を示している。
図３に示すように、本実施形態に係る合金の一例であるＳｎ−Ｚｎ合金の共晶温度は、１９９℃である。
合金は、例えば、Ｓｎ−Ｚｎ合金の様に共晶温度が１９９℃である場合、合金の温度を１９９℃より高く加熱する場合には熱を吸熱し、１９９℃より低く冷却する場合には熱を放熱する。
【００３１】
合金による吸熱量及び発熱量は、合金の熱容量（比熱×比重×容積）＋融解エンタルピーを変化させることで、調整可能となる。例えば、吸熱量及び発熱量をより大きくしたい場合には、比重や融解エンタルピーがより大きい金属で合金を組成したり、容積をより大きくしたりすることで、合金の吸熱量及び発熱量をより大きくできる。
【００３２】
本実施形態において、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３の合金を、それぞれ異なるものとしているが、本発明はこれに限定されず、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３の合金を同じものとすることもできる。この場合、耐熱性枠体１１の隔壁１１ａを設けず、耐熱性枠体１１の空間を１つにすることもできる。
【００３３】
また、本実施形態において、耐熱性枠体１１の内部の空間を２等分にし、この２つの空間に２種類の合金を充填しているが、本発明はこれに限定されず、耐熱性枠体１１の内部の空間を３以上の空間に分割し、これらの空間にそれぞれ異なる合金を充填することもできる。この場合、合金は、熱源１００側から、共晶温度が高い順に充填される。
【００３４】
また、本実施形態において、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３には合金を充填しているが、本発明はこれに限定されず、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３に混合塩を充填することができる。
【００３５】
（合金及び混合塩の具体例）
合金及び混合塩の具体例を以下に示す。
表１は、低温用の合金（１）及び合金（２）の具体例である。低温用とは、熱源１００より発生される熱の温度が最大４００℃までの場合に用いられる合金である。
表２は、表１に示した合金以外の低温用の合金及び低温用の混合塩の具体例である。
【表１】
2012215378.tif 000003
【００３６】
【表２】
2012215378.tif 000004
【００３７】
表３は、中温用の合金（１）及び合金（２）の具体例である。中温用とは、熱源１００より発生される熱の温度が最大８００℃までの場合に用いられる合金である。
表４は、表３に示した合金以外の中温用の合金及び中温用の混合塩の具体例である。
【表３】
2012215378.tif 000005
【００３８】
【表４】
2012215378.tif 000006
【００３９】
表５は、高温用の合金（１）及び合金（２）の具体例である。高温用とは、熱源１００より発生される熱の温度が最大１０００℃までの場合に用いられる合金である。
表６は、表５に示した合金以外の高温用の合金の具体例である。
【表５】
2012215378.tif 000007
【００４０】
【表６】
2012215378.tif 000008
【００４１】
＜蓄熱装置１０の製造方法＞
蓄熱装置１０の製造方法について説明する。
まず、吸熱側蓄熱部１２及び放熱側蓄熱部１３を形成する２つの空間を有する耐熱性枠体１１を箱部と蓋部とに分けて製作する。
次に、熱源１００で発生する熱の温度範囲に応じて、合金（１）及び合金（２）の合金の種類を選択する。
合金（１）を組成する２種類の単体金属を所定の重量比で配合し、るつぼ炉にて加熱することで溶解し、箱部における吸熱側蓄熱部１２を形成する空間に注湯する。また、合金（２）を組成する２種類の単体金属を所定の重量比で配合し、るつぼ炉にて加熱することで溶解し、箱部における放熱側蓄熱部１３を形成する空間に注湯する。
次に、箱部に蓋部を取り付ける。
なお、更に、熱損失を防ぐため、蓄熱装置１０に断熱材を巻き付ける場合もある。
【００４２】
＜蓄熱装置１０における熱伝達のメカニズム＞
熱源１００において熱が発生していない状態では、吸熱側蓄熱部１２の合金（１）及び放熱側蓄熱部１３の合金（２）は、固体状態である。
熱源１００において熱が発生すると、まず、合金（１）の温度が上昇する。合金（１）は、共晶温度まで温度が上昇すると一定時間その温度を保ち、その後固液共存状態となり、温度の上昇が緩やかとなる。
この合金（１）の熱は、合金（２）に伝達される。合金（２）は、共晶温度まで温度が上昇すると一定時間その温度を保ち、その後固液共存状態となり、温度の上昇が緩やかとなる。
蓄熱装置１０に熱電変換モジュールを取り付けた場合には、この合金（２）の熱は、熱電変換モジュールに伝達される。
なお、蓄熱装置１０は、共晶温度付近における吸熱／発熱反応により、熱の温度変動を吸収することができるが、合金（１）及び／又は合金（２）が共晶反応及び共析反応を有する場合には、共析温度付近における吸熱／発熱反応によっても、熱の温度変動を吸収することができる。
【００４３】
＜蓄熱装置の変形例１＞
次に、蓄熱装置の変形例１について説明する。
図４は、変形例１に係る蓄熱装置１０Ａを模式的に示す図である。
蓄熱装置１０Ａは、吸熱側蓄熱部１２Ａに集熱部品１２ｂが設けられている。蓄熱装置１０Ａにおける合金（１）と合金（２）の容積比は略３：７である。
吸熱側蓄熱部１２Ａは、耐熱性枠体１１の隔壁１１ａにより分けられた２つの空間のうち熱源１００側の空間に合金（１）が充填された部分と、合金（１）が充填された管状体１２ａと、管状体１２ａの外周に螺旋状に形成された集熱部品１２ｂと、を備える。
集熱部品１２ｂは、気体や液体の熱を吸熱する部品であり、気体と接する面積を増加させるフィンである。集熱部品１２ｂで吸熱された熱は、管状体１２ａに伝達され、管状体１２ａに充填された合金（１）に吸熱される。集熱部品１２ｂを設けることで、気体や液体から熱を吸熱する場合に、吸熱の効率を向上できる。
なお、図４には、集熱部品１２ｂの具体的な一態様としてフィンを示しているが、集熱部品１２ｂの態様はフィンに限定されず、例えば、ジャバラ状の管状体とすることもできる。
【００４４】
＜蓄熱装置の変形例２＞
次に、蓄熱装置の変形例２について説明する。
図５は、変形例２に係る蓄熱装置１０Ａ’を模式的に示す図である。
変形例２は、耐熱性枠体に隔壁が設けられておらず、耐熱性枠体の空間及び管状体に１種類の合金が充填されている点が、変形例１と異なる。
蓄熱装置１０Ａ’は、１つの空間を有する耐熱性枠体１１Ａと、管状体１２ａと、管状体１２ａの外周に螺旋状に形成された集熱部品１２ｂと、を備え、耐熱性枠体１１Ａの空間及び管状体１２ａに同一種類の合金（１）が充填されている。
【００４５】
＜蓄熱装置の変形例３＞
次に、蓄熱装置の変形例３について説明する。
図６は、変形例３に係る蓄熱装置１０Ｂを模式的に示す図である。
蓄熱装置１０Ｂは、吸熱側蓄熱部１２の熱源１００側に温度ヒューズ１５が設けられている。蓄熱装置１０Ｂにおける合金（１）と合金（２）の容積比は略４：６である。
温度ヒューズ１５は、所定の温度で溶解する可溶性合金１５ａと、可溶性合金１５ａを保持する保持部材１５ｂと、を備える。
可溶性合金１５ａは、合金（１）で吸熱可能な温度近傍で溶解する合金で形成されている。可溶性合金１５ａの融点は、合金（１）の共晶温度よりも高く、合金（１）の融点よりも低ければよい。
保持部材１５ｂは、少なくとも高温用（最大１０００℃）の合金（１）より融点が高い、例えば、銅等により形成されている。
温度ヒューズ１５は、熱源１００から発生した熱の温度が合金（１）で吸熱可能な温度のときは、熱を吸熱し合金（１）にこの熱を伝達し、熱源１００から発生した熱の温度が合金（１）で吸熱可能な温度を超えたときには、可溶性合金１５ａが溶解し、熱が合金（１）に伝達するのを防止する。
図６に示す蓄熱装置１０Ｂでは、蓄熱装置１０と熱源１００との間に温度ヒューズ１５を設けたが、蓄熱装置１０に熱電変換モジュールを接続する場合、この温度ヒューズ１５は、蓄熱装置１０と熱電変換モジュールとの間に設けることもできる。
【００４６】
＜蓄熱装置の変形例４＞
次に、蓄熱装置の変形例４について説明する。
図７は、変形例４に係る蓄熱装置１０Ｃを模式的に示す図である。
蓄熱装置１０Ｃは、耐熱性枠体１１Ｂがジャバラ状の伸縮管（ベローズ）となっている。熱源１００の熱を蓄熱装置１０Ｃの吸熱側蓄熱部１２から吸熱し、放熱側蓄熱部１３から放熱する場合、合金（１）及び合金（２）の体積は固体状態よりも膨張する。また、耐熱性枠体１１Ｂ内の気体も加熱により膨張する。耐熱性枠体１１Ｂは、このように耐熱性枠体１１Ｂ内の合金や気体が膨張した場合に伸長することができるため、耐熱性枠体が破損したり耐熱性枠体から合金が漏れ出たりすることを防ぐことができる。
なお、図７では、耐熱性枠体１１Ｂをジャバラ状の管状管（ベローズ）としたが、これに限定されるものではなく、伸縮可能な構造であればよい。
【００４７】
《第２実施形態》
本発明の第２実施形態に係る熱エネルギー変換システムは、熱源から得た熱を利用して発電するシステムである。
図８は、本発明の実施形態に係る熱エネルギー変換システム１の一例を模式的に示す図である。
熱エネルギー変換システム１は、熱を発生する熱源１００に面する蓄熱装置１０と、熱源１００の反対側において蓄熱装置１０と接する熱電変換モジュール２０と、熱電変換モジュール２０と接する冷却装置３０と、を備える。なお、本実施形態に係る熱エネルギー変換システム１は冷却装置３０を備えるが、本発明において冷却装置３０は必須の構成ではない。
【００４８】
蓄熱装置１０は、第１実施形態と同様の構成であるので、説明を省略する。
熱電変換モジュール２０は、熱電変換層２０ａと、熱電変換層２０ａを挟み、一方が蓄熱装置１０に接し、他方が冷却装置３０に接する一対の電極層２０ｂと、を備える。熱電変換モジュール２０は、電極層２０ｂの一方を高温、他方を低温に維持して温度差を形成させ、かかる温度差に対応させて起電力が発生するゼーベック効果を利用し、熱を電力に変換する。
熱電変換層２０ａを構成する熱電変換材料としては、例えば、高温用としてシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）系材料が用いられ、高温用として酸化物系、クラスレート系、ＬＡＳＴ（Ａｇ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｔｅ系）、ＴＡＧＳ（Ｔｅ、Ａｇ，Ｇｅ、Ｓｂ系）系材料が用いられ、中温用としてマグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）系、ＰｂＴｅ系、Ｃｏ−Ｓｂ系、Ｚｎ−Ｓｂ系、Ｍｎ−Ｓｉ系材料が用いられ、低温用としてビスマス−テルル（Ｂｉ２Ｔｅ３）系材料が用いられる。
蓄熱装置１０と電極層２０ｂとの間、及び冷却装置３０と電極層２０ｂとの間には、絶縁層を設けてもよい。
【００４９】
冷却装置３０は、流体又は気体である冷媒（図８中矢印）を流通させる冷却管３０ａを備え、冷却管を熱電変換モジュール２０の他方の電極層２０ｂに当接させて、冷却管３０ａを流通する冷媒により冷却する。冷却装置３０は、公知の技術を流用できる。例えば、冷却装置３０は、特開２００８−１５９７６２号公報に示された冷媒冷却用熱交換器を備えた冷却装置や、特開２００５−３２１１５６号公報に示された流体が流通する伝熱管を備えた熱交換器を流用できる。
【００５０】
なお、一般に２つの固体間の接触熱抵抗は、それぞれの固体の接触面における表面粗さや固体間の接触圧力等に依存する。したがって、蓄熱装置１０から熱電変換モジュール２０への熱伝達、及び熱電変換モジュール２０から冷却装置３０への熱伝達を効率化するためには、接触面の表面粗さを小さくしたり、接触圧力を大きくしたりすることが好ましい。
【００５１】
＜熱エネルギー変換システムの変形例１＞
次に、熱エネルギー変換システムの変形例１について説明する。
図９は、変形例に係る熱エネルギー変換システム１Ａを模式的に示す図である。
熱エネルギー変換システム１Ａは、蓄熱装置１０Ｄに、耐熱性枠体１１Ｃの熱電変換モジュール２０に対面する面に開口１６が形成されている点が、熱エネルギー変換システム１（図８参照）と異なる。
【００５２】
蓄熱装置１０Ｄと熱電変換モジュール２０との間には、僅かな隙間２５が存在する場合がある。熱エネルギー変換システム１Ａは、放熱側蓄熱部１３の合金（２）が、共晶温度において、デンドライト組織（柱状組織）が液相の過剰な溶け出しを防止し、隙間２５から液層が流出しない合金（例えば、３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金）である場合に適用される。
図１０は、３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金の金属組織の顕微鏡写真である。
ここで、３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金の記載に付した各数字は、配合割合を％表示したものであり、例えば、３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金との記載であれば、Ｓｎの配合割合が３０％であり、Ｚｎの配合割合が７０％であることを示す。以下、合金の記載に付した数字は同様の意味である。
【００５３】
熱エネルギー変換システム１Ａにおいて、合金（２）は、共晶温度まで温度が上昇すると一定時間その温度を保ち、その後、デンドライト組織と液相が混在する固液共存状態となり、デンドライト組織が隙間をシールし、液相の過剰な溶け出しを防止する。また液相は電極層２０ｂを濡らし合金（２）と電極層２０ｂの熱伝達を容易にする。
【００５４】
＜熱エネルギー変換システムの変形例２＞
次に、熱エネルギー変換システムの変形例２について説明する。
図１１は、変形例に係る熱エネルギー変換システム１Ｂを模式的に示す図である。
熱エネルギー変換システム１Ｂは、熱電変換モジュール２０の低温側に更に、蓄熱装置１０’と熱電変換モジュール２０Ａとを連結してから、冷却装置３０を接続している点が、熱エネルギー変換システム１（図８参照）と異なる。
【００５５】
蓄熱装置１０’は、吸熱側蓄熱部１２’に合金（３）が充填され、放熱側蓄熱部１３’に合金（４）が充填されている点が蓄熱装置１０（図１参照）と異なる。
合金（１）と合金（２）、あるいは合金（３）と合金（４）は、同一種類の合金であってもよいし、種類が異なる合金であってもよい。また、合金（１）〜（４）がそれぞれ種類の異なる合金である場合、熱源１００側から合金（１）〜（４）の順に共晶温度が高い合金であることが好ましい。
【００５６】
熱エネルギー変換システム１Ｂにおいて、熱電変換モジュール２０はその熱電変換材料が中・高温用（例えば、Ｍｇ２Ｓｉ系材料）であり、熱電変換モジュール２０Ａはその熱電変換材料が低温用（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３系材料）であることが好ましい。
【００５７】
＜熱エネルギー変換システムの変形例３＞
次に、熱エネルギー変換システムの変形例３について説明する。
変形例３に係る熱エネルギー変換システムは、熱電変換モジュール２０の代わりに、スターリングエンジンを備える。
変形例３に係る熱エネルギー変換システムは、熱源から得た熱を熱源にしてスターリングエンジンを稼動させるシステムである。
スターリングエンジンは、シリンダと、シリンダ内で往復移動するピストンを備える。
変形例３に係る熱エネルギー変換システムは、シリンダの壁面に蓄熱装置及び冷却装置を接触させて、シリンダ内の気体の膨張・圧縮を繰り返すことで、ピストンを往復移動させ、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する。
【実施例】
【００５８】
まず、参考例を説明する。
参考例では、蓄熱装置を設けずに、熱電変換モジュールの高温側を加熱し、冷却側を冷やし、時間経過における高温側及び低温側の温度変化、並びに熱電変換モジュールの開放電圧を測定した。
参考例においては、熱電変換モジュールとして以下のモジュールを用いた。
商品名：サーモ・モジュール
型番：Ｔ１５０−６０−１２７
メーカー名：Ｓ．Ｔ．Ｓ社
構成：
１．熱電素子：Ｂｉ−Ｔｅ系（実測素子サイズ：略□１．３×１．５ｍｍ）
２．素子数  ：２５４本（１２７対）
３．モジュールサイズ：３９．６×３９．６×４．１６（ｍｍ）
また、参考例において、熱電変換モジュールの高温側には肉厚１０ｍ／ｍの低炭素鋼板を低温側に水冷低炭素鋼板ボックスを配置し、高温側の低炭素鋼板をバーナーにより間欠加熱した。
【００５９】
図１２は、参考例における熱電変換モジュールの高温側及び低温側の温度変化、並びに熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す図である。
一点鎖線は、熱電変換モジュールの高温側の温度変化を示す。
二点鎖線は、熱電変換モジュールの低温側の温度変化を示す。
実線は、熱電変換モジュールの開放電圧の変化を示す。
図１２に示すように、熱電変換モジュールの高温側の温度が激しく変動し、この高温側の温度変動により、熱電変換モジュールの開放電圧の出力も激しく変動することが確認できた。また、高温側の温度が２００℃を超えた場合、熱電変換モジュールが破損することが確認できた。
【００６０】
以下、本発明について、実施例を挙げて詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
以下に説明する実施例１〜６では、実施形態の蓄熱装置の所定箇所に測定装置（グラフテック社製：ｍｉｄｉ  ＬＯＧＧＥＲ  ＧＬ２００）に接続された熱電対を設け、蓄熱装置の吸熱側蓄熱部を熱源により加熱し、時間経過における上記所定箇所の温度変化を測定した。また、実施例７〜１０では、熱エネルギー変換システムの所定箇所の温度変化に加え、熱電変換モジュールの開放電圧を測定した。
＜実施例１＞
実施例１は、変形例２に係る蓄熱装置１０Ａ’（図５参照）を用いた実施例である。
図１３は、実施例１において、蓄熱装置１０Ａ’に熱電対を設けた位置を示す図である。
測定箇所Ａ（図１３中点線）に設けた熱電対は、熱源中央部の温度変化を測定する。
測定箇所Ｂ（図１３中一点鎖線）に設けた熱電対は、管状体１２ａ中央部に充填された合金（１）の温度変化を測定する。
測定箇所Ｃ（図１３中二点鎖線）に設けた熱電対は、管状体１２ａの耐熱性枠体１１Ａ近傍に充填された合金（１）の温度変化を測定する。
測定箇所Ｄ（図１３中太い点線）に設けた熱電対は、熱源の耐熱性枠体１１Ａ近傍の温度変化を測定する。
測定箇所Ｅ（図１３中太い一点鎖線）に設けた熱電対は、耐熱性枠体１１Ａの管状体１２ａ近傍に充填された合金（１）の熱源側の温度変化を測定する。
測定箇所Ｆ（図１３中太い二点鎖線）に設けた熱電対は、耐熱性枠体１１Ａ中央部に充填された合金（１）の温度変化を測定する。
測定箇所Ｇ（図１３中実線）に設けた熱電対は、耐熱性枠体１１Ａの放熱側近傍に充填された合金（１）の温度変化を測定する。
測定箇所Ｈ（図１３中破線）に設けた熱電対は、耐熱性枠体１１Ａの放熱側の温度変化を測定する。
【００６１】
図１４は、実施例１における所定箇所の温度変化を示す図である。図１４中における各線は、以下のものを示す。
点線は、測定箇所Ａにおいて測定された熱源中央部の温度変化を示す。
一点鎖線は、測定箇所Ｂにおいて測定された管状体１２ａ中央部に充填された合金（１）の温度変化を示す。
二点鎖線は、測定箇所Ｃにおいて測定された管状体１２ａの耐熱性枠体１１Ａ近傍に充填された合金（１）の温度変化を示す。
太い点線は、測定箇所Ｄにおいて測定された熱源の耐熱性枠体１１Ａ近傍の温度変化を示す。
太い一点鎖線は、測定箇所Ｅにおいて測定された耐熱性枠体１１Ａの管状体１２ａ近傍に充填された合金（１）の温度変化を示す。
太い二点鎖線は、測定箇所Ｆにおいて測定された耐熱性枠体１１Ａ中央部に充填された合金（１）の温度変化を示す。
実線は、測定箇所Ｇにおいて測定された耐熱性枠体１１Ａの放熱側近傍に充填された合金（１）の温度変化を示す。
破線は、測定箇所Ｈにおいて測定された耐熱性枠体１１Ａの放熱側の温度変化を示す。
【００６２】
実施例１では、合金（１）として５０Ｓｎ−５０Ｚｎ合金を用い、熱源により間欠加熱した。
図１４に示すように、約６０分間の加熱により、加熱部の温度は４５０〜４７０℃まで上昇したが、耐熱性枠体１１Ａの放熱側近傍に充填された合金（１）は、いったん２５０〜２７０℃まで上昇するが、その後５０〜６０分間一定範囲の温度（５０Ｓｎ−５０Ｚｎの共晶温度である１９９℃前後）に保たれている。
よって、本発明の蓄熱装置が一定範囲温度の熱を蓄えられることを確認できた。
【００６３】
図１５は、実施例２〜９において、蓄熱装置又は熱エネルギー変換システムに熱電対を設けた位置を示す図である。
測定箇所Ａ（図１５中点線）に設けた熱電対は、バーナーにより加熱されている加熱部の温度変化を測定する。
測定箇所Ｂ（図１５中一点鎖線）に設けた熱電対は、合金（１）の熱源側の温度変化を測定する。
測定箇所Ｃ（図１５中二点鎖線）に設けた熱電対は、合金（１）の合金（２）側の温度変化を測定する。
測定箇所Ｄ（図１５中太い一点鎖線）に設けた熱電対は、合金（２）の合金（１）側の温度変化を測定する。
測定箇所Ｅ（図１５中太い二点鎖線）に設けた熱電対は、合金（２）の合金（１）側とは反対側の温度変化を測定する。
測定箇所Ｆ（図１５中破線）に設けた熱電対は、耐熱性枠体１１における加熱部とは反対側の温度変化を測定する。
測定箇所Ｇ（図１５中太い点線）に設けた熱電対は、冷却装置３０の冷媒によって冷却されている冷却部の温度変化を測定する。
【００６４】
図１６〜２３は、各実施例における所定箇所の温度変化や開放電圧の変化を示す図であり、各図中における各線は、以下のものを示す。
点線は、測定箇所Ａにおいて測定された加熱部の温度変化を示している。
一点鎖線は、測定箇所Ｂにおいて測定された合金（１）の熱源側の温度変化を示す。
二点鎖線は、測定箇所Ｃにおいて測定された合金（１）の合金（２）側の温度変化を示す。
太い一点鎖線は、測定箇所Ｄにおいて測定された合金（２）の合金（１）側の温度変化を示す。
太い二点鎖線は、測定箇所Ｅにおいて測定された合金（２）の合金（１）側とは反対側の温度変化を示す。
破線は、測定箇所Ｆにおいて測定された耐熱性枠体１１における加熱部とは反対側の温度変化を示す。
太い点線は、測定箇所Ｇにおいて測定された冷却装置３０の冷媒の温度変化を示す。
実線は、熱電変換モジュール２０の開放電圧の変化を示す。
【００６５】
＜実施例２＞
実施例２〜７は、第１実施形態に係る蓄熱装置１０（図１参照）を用いた実施例である。
図１６は、実施例２における蓄熱装置１０の所定箇所の温度変化を示す図である。
実施例２では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を用い、合金（２）として３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
図１６に示すように、４，５分間の加熱により、加熱部の温度は５００〜６００℃まで上昇したが、この加熱部の温度変化に対して合金（１）の温度変化は緩やかであり、合金（２）は３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金の共晶温度（１９９℃）まで温度が上昇すると一定範囲の温度（１９９℃前後）に保たれている。また、合金（２）はバーナーをオフにし加熱を止めた後２０〜３０分間一定範囲の温度（１９９℃前後）に保たれている。
よって、本発明の蓄熱装置が一定範囲温度の熱を蓄えられることを確認できた。
【００６６】
＜実施例３＞
図１７は、実施例３における蓄熱装置１０の所定箇所の温度変化を示す図である。
実施例３では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を用い、合金（２）として３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を用い、バーナーにより連続加熱した。
図１７に示すように、３０〜３５分間の加熱により、合金（１）の温度が３００〜４００℃となっても、合金（２）は３０〜４０分間一定範囲の温度（３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金の共晶温度である１９９℃前後）に保たれている。
よって、本発明の蓄熱装置が一定範囲温度の熱を蓄えられることを確認できた。
【００６７】
＜実施例４＞
図１８は、実施例４における蓄熱装置１０の所定箇所の温度変化を示す図である。
実施例４では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として８６Ａｌ−１１Ｓｉ−３Ｃｕ合金を用い、合金（２）として８０Ａｌ−２０Ｍｇ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
図１８に示すように、４〜５分間の加熱により、合金（１）の温度が５２０〜５８０℃となっても、合金（２）は３０〜４０分間一定範囲の温度（８０Ａｌ−２０Ｍｇ合金の共晶温度である４５０℃前後）に保たれている。
よって、本発明の蓄熱装置が一定範囲温度の熱を蓄えられることを確認できた。
【００６８】
＜実施例５＞
図１９は、実施例５における蓄熱装置１０の所定箇所の温度変化を示す図である。
実施例５では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として８０Ａｌ−２０Ｎｉ合金を用い、合金（２）として９３Ａｌ−７Ｓｉ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
図１９に示すように、４０〜５０分間の加熱により、合金（１）の温度が６００〜７００℃となっても、高温側の合金（１）の共晶点で吸熱されるため、合金（２）は一定範囲の温度（９３Ａｌ−７Ｓｉ合金の共晶温度である５７７℃前後）に保たれている。
よって、本発明の蓄熱装置が一定範囲温度の熱を蓄えられることを確認できた。
【００６９】
＜実施例６＞
図２０は、実施例６における蓄熱装置１０の所定箇所の温度変化を示す図である。
実施例６では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）及び合金（２）として３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
図２０に示すように、２，３分間の加熱により、加熱部の温度は３００〜４００℃まで上昇したが、この加熱部の温度変化に対して合金（１）の温度変化は緩やかであり、合金（２）は３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金の共晶温度（１９９℃）まで温度が上昇すると一定範囲の温度（１９９℃前後）に保たれている。また、実施例２と比べると一定範囲の温度に保たれている時間が短いものの、合金（２）はバーナーをオフにし加熱を止めた後１０〜１５分間一定範囲の温度（１９９℃前後）に保たれている。
【００７０】
＜実施例７＞
図２１は、実施例７における熱エネルギー変換システム１の所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュール２０の開放電圧の変化を示す図である。
実施例７では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を用い、合金（２）として３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
また、実施例７においては、熱電変換モジュール２０として以下のモジュールを用いた。
商品名：サーモ・モジュール
型番：Ｔ１５０−６０−１２７
メーカー名：Ｓ．Ｔ．Ｓ社
構成：
１．熱電素子：Ｂｉ−Ｔｅ系（実測素子サイズ：略□１．３×１．５ｍｍ）
２．素子数  ：２５４本（１２７対）
３．モジュールサイズ：３９．６×３９．６×４．１６（ｍｍ）
また、熱電変換モジュール２０の電極と蓄熱装置１０との接触面には伝熱シート（グラファイトシート）を用いた。
また、熱電変換モジュール２０の冷却装置３０側の電極には、グリース（東レ・ダウコーニング社製：ＳＣ１０２  ＣＯＭＰＯＵＮＤ（熱伝導材））を塗布した。
【００７１】
図２１に示すように、加熱開始時（０分）から約２０分〜約１００分の間及び約１６０分〜約２８０分の間において、合金（２）は一定範囲の温度（３０Ｓｎ−７０Ｚｎの共晶温度である１９９℃前後）に保たれ、熱電変換モジュール２０の開放電圧は２．５Ｖ前後に維持されていることから、熱電変換モジュール２０の開放電圧は合金（２）の温度に追随することが確認できた。
【００７２】
＜実施例８＞
図２２は、実施例８における熱エネルギー変換システム１の所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュール２０の開放電圧の変化を示す図である。
実施例８では、耐熱性枠体における１００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として８０Ａｌ−２０Ｎｉ合金を用い、合金（２）として９３Ａｌ−７Ｓｉ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
また、実施例８においては、熱電変換モジュール２０として以下のモジュールを用いた。
商品名：ユニレグ型Ｍｇ２Ｓｉ熱電変換モジュール
型番：試作品
メーカー名：日本サーモスタット株式会社
構成：
１．熱電素子：Ｍｇ２Ｓｉ（素子サイズ：４ｍｍ□×１０ｍｍ）
２．素子数  ：９本
３．モジュールサイズ：２８×２８×１２（ｍｍ）
また、熱電変換モジュール２０の冷却装置３０側の電極には、グリース（東レ・ダウコーニング社製：ＳＣ１０２  ＣＯＭＰＯＵＮＤ（熱伝導材））を塗布した。
【００７３】
図２２に示すように、加熱開始時（０分）から約１５０分の間において、加熱部が６００〜７００℃に亘る加熱を３回繰り返したが、この間（約１５０分間）、合金（２）は一定範囲の温度（９３Ａｌ−７Ｓｉの共晶温度である５７７℃前後）に保たれ、熱電変換モジュール２０の開放電圧は０．３５Ｖ前後に維持されていることが確認できた。
また、合金（２）はバーナーをオフにし加熱を止めた後３０分間一定範囲の温度（５７７℃前後）に保たれ、熱電変換モジュール２０の開放電圧は０．３５Ｖ前後に維持されていることが確認できた。
【００７４】
＜実施例９＞
図２３は、実施例９における熱エネルギー変換システム１の所定箇所の温度変化及び熱電変換モジュール２０の開放電圧の変化を示す図である。
実施例９では、耐熱性枠体における６０ｍｍ×６０ｍｍ×１５ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）として１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を用い、合金（２）として３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
また、実施例９においては、熱電変換モジュール２０として実施例７と同様のモジュールを用いた。
【００７５】
図２３に示すように、加熱開始時（０分）から約５分〜約５５分の間において、合金（２）は一定範囲の温度（３０Ｓｎ−７０Ｚｎの共晶温度である１９９℃前後）に保たれ、熱電変換モジュール２０の開放電圧は３．５〜４．０Ｖ前後に維持されていることから、熱電変換モジュール２０の開放電圧は合金（２）の温度に追随することが確認できた。
【００７６】
＜実施例１０＞
実施例１０では、耐熱性枠体における６０ｍｍ×６０ｍｍ×１５ｍｍの２つの空間に合金（１）及び（２）をそれぞれ充填し、合金（１）及び（２）として３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を用い、バーナーにより間欠加熱した。
また、実施例１０においては、熱電変換モジュール２０として実施例７と同様のモジュールを用いた。
【００７７】
図２４は、実施例１０において、熱エネルギー変換システム１に熱電対を設けた位置を示す図である。
測定箇所Ａ（図２４中一点鎖線）に設けた熱電対は、合金（１）の温度変化を測定する。
測定箇所Ｂ（図２４中太い一点鎖線）に設けた熱電対は、合金（２）の温度変化を測定する。
測定箇所Ｃ（図２４中点線）に設けた熱電対は、冷却装置３０の冷媒によって冷却されている冷却部の温度変化を測定する。
【００７８】
図２５は、実施例１０における熱エネルギー変換システム１の所定箇所の温度変化を示す図である。図２５中における各線は、以下のものを示す。
一点鎖線は、測定箇所Ａにおいて測定された合金（１）の温度変化を示す。
二点鎖線は、測定箇所Ｂにおいて測定された合金（２）の温度変化を示す。
点線は、測定箇所Ｃにおいて測定された冷却装置３０の冷媒によって冷却されている冷却部の温度変化を示す。
実線は、熱電変換モジュール２０の開放電圧の変化を示す。
【００７９】
図２５に示すように、加熱開始時（０分）から約５分〜約５５分の間において、合金（２）は一定範囲の温度（３０Ｓｎ−７０Ｚｎの共晶温度である１９９℃前後）に保たれ、熱電変換モジュール２０の開放電圧は２．５Ｖ前後に維持されていることから、熱電変換モジュール２０の開放電圧は合金（２）の温度に追随することが確認できた。
【００８０】
なお、実施例９及び実施例１０では、実施例７及び実施例８よりも耐熱性枠体のサイズが小さく、充填されている合金の量が約１／１０となっているため、吸収できる温度変動も小さく、その結果、熱電変換モジュール２０の開放電圧の変動が実施例７及び実施例８よりも大きくなっている。このため、このようなサイズの小さい熱エネルギー変換システムは、熱源の温度変動が小さい場合や、設置サイズに制約のある場合に適用することが好ましい。また、必要に応じて、複数の耐熱性枠体又は熱エネルギー変換システムを組み合わせてもよく、あるいは、複数の耐熱性枠体又は熱エネルギー変換システムを繋げて用いてもよい。
【００８１】
＜実施例１１＞
実施例１１では、煙道内の雰囲気から吸熱し、電力に変換することを想定し、図２６に示すような熱エネルギー変換システム１１０を構成した。
図２６に示すように、６５０ｍｍ×８５０ｍｍの煙道１２０の下方からバーナー１３０で加熱し、上方に雰囲気を逃がしている。煙道１２０の内部には吸熱用のエロフィンチューブ１４０（内径φ２７ｍｍ、外径φ６５ｍｍ）を配置しており、その内部には高温側の１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を充填している。また、エロフィンチューブ１４０の両端には蓄熱用枠体１４１Ａ，１４１Ｂ（７０ｍｍ×７０ｍｍ×１００ｍｍ）を連結している。蓄熱用枠体１４１Ａ，１４１Ｂは、それぞれ内部が吸熱側蓄熱部１４２Ａ，１４２Ｂと放熱側蓄熱部１４３Ａ，１４３Ｂとの２つの空間に分かれており、エロフィンチューブ１４０と連続している吸熱側蓄熱部１４２Ａ，１４２Ｂには高温側の１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を充填しており、放熱側蓄熱部１４３Ａ，１４３Ｂには低温側の３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を充填している。
【００８２】
蓄熱用枠体１４１Ａの放熱側には熱電変換モジュール１５０を配置し、熱電変換モジュール１５０の低温側には更に冷却装置１６０を配置した。蓄熱用枠体１４１Ａ、熱電変換モジュール１５０、及び冷却装置１６０は、Ｍ１０ボルトで固定した。
熱電変換モジュール１５０としては、以下のモジュールを用いた。
商品名：サーモ・モジュール
型番：Ｔ１５０−６０−１２７
メーカー名：Ｓ．Ｔ．Ｓ社
構成：
１．熱電素子：Ｂｉ−Ｔｅ系（実測素子サイズ：略□１．３×１．５ｍｍ）
２．素子数  ：２５４本（１２７対）
３．モジュールサイズ：３９．６×３９．６×４．１６（ｍｍ）
なお、熱電変換モジュール１５０と蓄熱用枠体１４１Ａとの接触面には伝熱シート（グラファイトシート）を挟んだ。また、熱電変換モジュール１５０の冷却装置１６０側の電極には、グリース（東レ・ダウコーニング社製：ＳＣ１０２  ＣＯＭＰＯＵＮＤ（熱伝導材））を塗布した。
【００８３】
また、温度変化を測定するため、図２６のＡ〜Ｆで示す測定箇所に熱電対を設けた。
測定箇所Ａは、エロフィンチューブ１４０の下方６０ｍｍの位置であり、煙道１２０の中心部における雰囲気温度を測定するものである。
測定箇所Ｂは、エロフィンチューブ１４０内の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｃは、吸熱側蓄熱部１４２Ａ内の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｄは、放熱側蓄熱部１４３Ａ内のうち、吸熱側蓄熱部１４２Ａに近い部分の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｅは、放熱側蓄熱部１４３Ａ内のうち、熱電変換モジュール１５０に近い部分の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｆは、冷却装置１６０内を流れる冷却水の温度を測定するものである。
【００８４】
図２６の煙道１２０をバーナー１３０により間欠加熱した際の各測定箇所の温度変化、及び熱電変換モジュール１５０の開放電圧の変化を図２７に示す。
図２７に示すように、加熱開始時（０分）から約４０分〜約５０分で煙道１２０の中心部における雰囲気温度は５５０℃まで達したが、エロフィンチューブ１４０及び吸熱側蓄熱部１４２Ａの合金が共析温度（２７５℃）及び共晶温度（３８２℃）にて吸熱するため、エロフィンチューブ１４０及び吸熱側蓄熱部１４２Ａの合金の温度上昇は緩やかである。また、約５０分後に加熱を一旦止めた後も、共析温度（２７５℃）及び共晶温度（３８２℃）にて発熱するため、エロフィンチューブ１４０及び吸熱側蓄熱部１４２Ａの合金の温度下降は一様ではなくなっている。
また、煙道１２０の中心部における雰囲気温度が２００〜５５０℃の範囲となるよう間欠加熱しても、放熱側蓄熱部１４３Ａの合金の温度は３０Ｓｎ−７０Ｚｎの共晶温度である１９９℃前後に保たれ、熱電変換モジュール１５０の開放電圧は５Ｖ前後に維持されていることが確認できた。
また、加熱を完全に止めた後も約３０分間は、放熱側蓄熱部１４３Ａの合金の温度は１９９℃前後に保たれ、熱電変換モジュール１５０の開放電圧は５Ｖ前後に維持されていることが確認できた。
【００８５】
＜実施例１２＞
実施例１２では、温度ヒューズの効果を確認するため、図２８に示すような熱エネルギー変換システム１７０を構成した。
図２８に示すように、蓄熱用枠体１８０（６０ｍｍ×６０ｍｍ×６０ｍｍ）は、内部が吸熱側蓄熱部１８１と放熱側蓄熱部１８２との２つの空間に分かれており、吸熱側蓄熱部１８１には高温側の１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金を充填しており、放熱側蓄熱部１８２には低温側の３０Ｓｎ−７０Ｚｎ合金を充填している。
蓄熱用枠体１８０の高温側には、伝熱シート（グラファイトシート）を挟んで温度ヒューズ１９０が設けた。温度ヒューズ１９０は円筒状であり、耐火物製の筐体（□６０ｍｍ）に収められている。温度ヒューズ１９０は、１５Ａｌ−８５Ｚｎ合金の融点４５０℃よりも低い４１９℃の融点を持つ亜鉛製の可溶性合金１９１と、可溶性合金１９１を保持するＳＳ４００製の保持部材１９２Ａ，１９２Ｂとを備える。なお、温度ヒューズ１９０の総厚みは３０ｍｍ、可溶性合金１９１の厚みは６ｍｍ、保持部材１９２Ａ，１９２Ｂの厚みは１２ｍｍである。
【００８６】
蓄熱用枠体１８０の放熱側には伝熱シート（グラファイトシート）を挟んで熱電変換モジュール２００を配置し、熱電変換モジュール２００の低温側には更に冷却装置２１０を配置した。熱電変換モジュール２００としては、実施例１１と同様のモジュールを用いた。また、冷却装置２１０としては、水冷ヒートシンク（高木製作所製：Ｓ−２００Ｗ、無酸素銅製、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１９ｍｍ、表面粗度１．６ａ）を用いた。なお、熱電変換モジュール２００の冷却装置２１０側の電極には、グリース（東レ・ダウコーニング社製：ＳＣ１０２  ＣＯＭＰＯＵＮＤ（熱伝導材））を塗布した。
【００８７】
また、温度変化を測定するため、図２８のＡ〜Ｆで示す測定箇所に熱電対を設けた。
測定箇所Ａは、受熱側となる保持部材１９２Ａの温度を測定するものである。
測定箇所Ｂは、可溶性合金１９１の温度を測定するものである。
測定箇所Ｃは、伝熱側となる保持部材１９２Ｂの温度を測定するものである。
測定箇所Ｄは、吸熱側蓄熱部１８１内のうち、温度ヒューズ１９０に近い部分の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｅは、放熱側蓄熱部１８２内のうち、熱電変換モジュール２００に近い部分の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｆは、冷却装置２１０内を流れる冷却水の温度を測定するものである。
【００８８】
図２８の温度ヒューズ１９０をバーナーにより間欠加熱した際の各測定箇所の温度変化、及び熱電変換モジュール２００の開放電圧の変化を図２９に示す。
図２９に示すように、温度ヒューズ１９０の可溶性合金１９１が溶解する温度に達する前にバーナーでの加熱を止めることを２回繰り返した後、可溶性合金１９１の溶解温度以上となるようにバーナーで連続加熱した。連続加熱により、温度ヒューズ１９０の受熱側の保持部材１９２Ａの温度が上昇し、可溶性合金１９１と接触している面が可溶性合金１９１の融点近くの温度になるに従い、その面付近の可溶性合金１９１が徐々に溶解していって、最終的に自重で落下し、保持部材１９２Ａと可溶性合金１９１との間に間隙が生じる。その結果、保持部材１９２Ａからの伝熱が悪くなり、可溶性合金１９１の温度が下がり、可溶性合金１９１の溶解が一旦終了している。更に連続加熱を続けると、可溶性合金１９１が融点近くの温度に達し、上記と同じ現象が生じて間隙が更に大きくなる。この繰り返しにより、保持部材１９２Ａと可溶性合金１９１との間の間隙は徐々に大きくなっていく。その結果として、可溶性合金１９１が初めて溶解温度に達してから約１００℃以上の温度上昇をしても、可溶性合金１９１の温度は溶解温度でほぼ一定に保たれ、保持部材１９２Ｂの温度もほぼ一定に保たれ、蓄熱用枠体１８０に一定温度を伝達している。このことから、温度ヒューズとしての役割を果たしていることが確認できた。
なお、可溶性合金１９１の温度が下がり、可溶性合金１９１の溶解が一旦終了してから、次に溶解し、間隙が生じるまでの時間は、最初は図２９中のｔ１の長さであったが、繰り返すに従って、ｔ２、ｔ３と次第に長くなることが分かった。
【００８９】
＜実施例１３＞
実施例１３では、蓄熱用枠体にジャバラ状の伸縮管（ベローズ）を用いることによる伸縮作用を確認するため、図３０に示すような熱エネルギー変換システム２２０を構成した。
図３０に示すように、耐熱性のベローズの両端にフランジ板を溶接することにより、蓄熱用枠体２３０（φ１２０ｍｍ×１２０ｍｍ）を構成した。蓄熱用枠体２３０の中央には仕切り板が設けられ、吸熱側蓄熱部２３１と放熱側蓄熱部２３２との２つの空間に分かれており、吸熱側蓄熱部２３１には２０Ｓｎ−８０Ｚｎ合金を充填しており、放熱側蓄熱部２３２には８０Ｓｎ−２０Ｚｎ合金を充填している。
フランジ板には石英ガラス板２３３Ａ，２３３Ｂを一体に取り付け、石英ガラス板２３３Ａには石英ガラス棒２３４を取り付けた。そして、図示しない接触型デジタルセンサ（キーエンス社製、センサヘッドＧＴ２−Ｈ１２、アンプＧＴ２−７０ＭＣＮ）により、石英ガラス棒２３４を介して蓄熱用枠体２３０の全長の変化を測定可能とした。
【００９０】
蓄熱用枠体２３０の放熱側には伝熱シート（グラファイトシート）を挟んで熱電変換モジュール２４０を配置し、熱電変換モジュール２４０の低温側には更に冷却装置２５０を配置した。冷却装置２５０は、圧縮コイルバネにより約４ｋｇＦの押し付け力にて熱電変換モジュール２４０に対して押し付けた。熱電変換モジュール２４０としては、実施例１１と同様のモジュールを用いた。また、冷却装置２５０としては、水冷ヒートシンク（高木製作所製：Ｓ−２００Ｗ、無酸素銅製、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１９ｍｍ、表面粗度１．６ａ）を用いた。なお、熱電変換モジュール２４０の冷却装置２５０側の電極には、グリース（東レ・ダウコーニング社製：ＳＣ１０２  ＣＯＭＰＯＵＮＤ（熱伝導材））を塗布した。
【００９１】
また、温度変化を測定するため、図３０のＡ〜Ｅで示す測定箇所に熱電対を設けた。
測定箇所Ａは、バーナー側のフランジ板の温度を測定するものである。
測定箇所Ｂは、吸熱側蓄熱部２３１内の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｃは、放熱側蓄熱部２３２内の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｄは、熱電変換モジュール２４０側のフランジ板の温度を測定するものである。
測定箇所Ｅは、冷却装置２５０内を流れる冷却水の温度を測定するものである。
【００９２】
図３０の熱エネルギー変換システム２２０をバーナーにより間欠加熱した際の各測定箇所の温度変化、熱電変換モジュール２４０の開放電圧の変化、及び蓄熱用枠体２３０の伸び量の変化を図３１に示す。なお、図３１中、伸び量が正の値である場合は蓄熱用枠体２３０が伸張したことを意味し、伸び量が負の値である場合は蓄熱用枠体２３０が収縮したことを意味する。
図３１に示すように、最大約５５０℃まで加熱した後、約２００〜約５００℃の範囲で間欠加熱しても、蓄熱用枠体２３０には合金の漏れや破損等の異常は認められなかった。また、蓄熱用枠体２３０にベローズを用いることによる蓄熱効果への影響はなく、放熱側蓄熱部２３２内の合金の共晶温度付近に保たれ、その結果、熱電変換モジュール２４０の開放電圧は５．０Ｖ前後で安定した。
蓄熱用枠体２３０は、温度上昇に従って最大１ｍｍほど伸張し、また、加熱停止後には温度下降に従って収縮しており、加熱のサイクルに同調していることが確認できた。
【００９３】
＜実施例１４＞
実施例１４では、冷却装置の種類による影響を確認するため、図３２に示すような熱エネルギー変換システム２６０を構成した。冷却装置２７０としては、ＳＳ４００製の鉄板で作製された水冷ボックスの表面に黒皮を貼り付けたものを用い、実施例１３と同様に、圧縮コイルバネにより約４ｋｇＦの押し付け力にて熱電変換モジュール２４０に対して押し付けた。その他の構成は実施例１３と同様であるため、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９４】
図３２の熱エネルギー変換システム２６０をバーナーにより間欠加熱した際の各測定箇所の温度変化、及び熱電変換モジュール２４０の開放電圧の変化を図３３に示す。
図３３に示すように、最大約５５０℃まで加熱した後、約２００〜約５００℃の範囲で間欠加熱しても、蓄熱用枠体２３０には合金の漏れや破損等の異常は認められなかった。また、蓄熱用枠体２３０にベローズを用いることによる蓄熱効果に変化はなく、放熱側蓄熱部２３２内の合金の共晶温度付近に保たれ、その結果、熱電変換モジュール２４０の開放電圧は４．０〜４．５Ｖで安定した。なお、実施例１３と比較して熱電変換モジュール２４０の開放電圧が低くなっているのは、冷却装置の表面粗度や表面性状の違いにより、冷却装置２７０を用いた場合の方が熱抵抗が高かったためと推測される。
【００９５】
＜実施例１５＞
実施例１５では、蓄熱用枠体にジャバラ状の伸縮管（ベローズ）を用いた他の構成を検討するため、図３４に示すような熱エネルギー変換システム２８０を構成した。
図３４に示すように、耐熱性のベローズの両端に、ベローズの外径と等しい内径の円筒を有するフランジを差し込み、蓄熱用枠体２９０（φ１２０ｍｍ×１２０ｍｍ）を構成した。蓄熱用枠体２９０の中央には仕切り板が設けられ、吸熱側蓄熱部２９１と放熱側蓄熱部２９２との２つの空間に分かれており、吸熱側蓄熱部２９１には２０Ｓｎ−８０Ｚｎ合金を充填しており、放熱側蓄熱部２９２には８０Ｓｎ−２０Ｚｎ合金を充填している。また、フランジの隙間から合金が漏れ出ることを防ぐため、ベローズの谷部に耐火ロープ２９３（φ９イソウールロープ）を３谷分だけ巻きつけた。
【００９６】
蓄熱用枠体２９０の放熱側には伝熱シート（グラファイトシート）を挟んで熱電変換モジュール３００を配置し、熱電変換モジュール３００の低温側には更に冷却装置３１０を配置した。冷却装置３１０は、圧縮コイルバネにより約４ｋｇＦの押し付け力にて熱電変換モジュール３００に対して押し付けた。熱電変換モジュール３００としては、実施例１１と同様のモジュールを用いた。また、冷却装置３１０としては、水冷ヒートシンク（高木製作所製：Ｓ−２００Ｗ、無酸素銅製、８０ｍｍ×８０ｍｍ×１９ｍｍ、表面粗度１．６ａ）を用いた。なお、熱電変換モジュール３００の冷却装置３１０側の電極には、グリース（東レ・ダウコーニング社製：ＳＣ１０２  ＣＯＭＰＯＵＮＤ（熱伝導材））を塗布した。
【００９７】
また、温度変化を測定するため、図３４のＡ〜Ｃで示す測定箇所に熱電対を設けた。
測定箇所Ａは、吸熱側蓄熱部２９１内の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｂは、放熱側蓄熱部２９２内の合金温度を測定するものである。
測定箇所Ｃは、冷却装置３１０内を流れる冷却水の温度を測定するものである。
【００９８】
図３４の熱エネルギー変換システム２８０をバーナーにより間欠加熱した際の各測定箇所の温度変化、及び熱電変換モジュール３００の開放電圧の変化を図３５に示す。
図３５に示すように、吸熱側蓄熱部２９１内の合金の溶解温度（３８０℃）以上となるように間欠加熱を繰り返したが、蓄熱用枠体２９０には合金の漏れや破損等の異常は認められなかった。また、ベローズの両端を溶接しないことによる蓄熱効果への影響はなく、放熱側蓄熱部２９２内の合金の共晶温度付近に保たれ、その結果、熱電変換モジュール３００の開放電圧は６．０〜６．５Ｖで安定した。
なお、温度上昇に伴う蓄熱用枠体２９０の伸びは、ベローズの１山分（約５ｍｍ）であった。
【符号の説明】
【００９９】
１，１Ａ，１Ｂ  熱エネルギー変換システム、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ  蓄熱装置、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ  耐熱性枠体、１１ａ  隔壁、１２  吸熱側蓄熱部、１３  放熱側蓄熱部、１４  集熱部品、１４ａ  フィン、１５  温度ヒューズ、１５ａ  可溶性合金、１５ｂ  保持部材、１６  開口、２０  熱電変換モジュール、２０ａ  熱電変換層、２０ｂ  電極層、２５  隙間、３０  冷却装置、１００  熱源、１１０  熱エネルギー変換システム、１２０  煙道、１３０  バーナー、１４０  エロフィンチューブ、１４１Ａ，１４１Ｂ  蓄熱用枠体、１４２Ａ，１４２Ｂ  吸熱側蓄熱部、１４３Ａ，１４３Ｂ  放熱側蓄熱部、１５０  熱電変換モジュール、１６０  冷却装置、１７０  熱エネルギー変換システム、１８０  蓄熱用枠体、１８１  吸熱側蓄熱部、１８２  放熱側蓄熱部、１９０  温度ヒューズ、１９１  可溶性合金、１９２Ａ，１９２Ｂ  保持部材、２００  熱電変換モジュール、２１０  冷却装置、２２０  熱エネルギー変換システム、２３０  蓄熱用枠体、２３１  吸熱側蓄熱部、２３２  放熱側蓄熱部、２３３Ａ，２３３Ｂ  石英ガラス板、２３４  石英ガラス棒、２４０  熱電変換モジュール、２５０  冷却装置、２６０  熱エネルギー変換システム、２７０  冷却装置、２８０  熱エネルギー変換システム、２９０  蓄熱用枠体、２９１  吸熱側蓄熱部、２９２  放熱側蓄熱部、２９３  耐火ロープ、３００  熱電変換モジュール、３１０  冷却装置
【図１】
2012215378.tif 000009
【図２】
2012215378.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
2012215378.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2012215378.tif 000022
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2012215378.tif 000025
【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１０】
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