(57)【要約】【課題】  ラジエータの大型化を必要とせずに、エンジンの作動負荷に応じて最大限の発電量を確保可能とする熱電発電装置を提供する。【解決手段】  高温側熱源をエンジン１０からの排気ガスとし、低温側熱源をラジエータ２１によって冷却されるエンジン１０の冷却水とし、熱電素子１１１によって発電を行う熱電発電装置において、エンジン１０作動時におけるラジエータ２１の放熱能力Ｑｒから、エンジン１０の冷却損失分Ｑｅを除いたラジエータ余裕放熱能力ΔＱｘが大きくなる程、熱電素子１１１に生ずる温度差が大きくなるように、熱電素子１１１への排気ガスあるいは冷却水の少なくとも一方の供給条件を可変する可変手段を設ける。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側熱源をエンジン（１０）からの排気ガスとし、低温側熱源をラジエータ（２１）によって冷却される前記エンジン（１０）の冷却水とし、熱電素子（１１１）によって発電を行う熱電発電装置において、
前記エンジン（１０）作動時における前記ラジエータ（２１）の放熱能力（Ｑｒ）から、前記エンジン（１０）の冷却損失分（Ｑｅ）を除いたラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）が大きくなる程、前記熱電素子（１１１）に生ずる温度差が大きくなるように、前記熱電素子（１１１）への前記排気ガスあるいは前記冷却水の少なくとも一方の供給条件を可変する可変手段を設けたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記可変手段は、前記排気ガスが流通する本流路（１１）から分岐する分岐流路（１１２）と、
前記分岐流路（１１２）を開閉する開閉弁（１１２ａ）と、
前記開閉弁（１１２ａ）の開度を制御する制御装置（１２０）とを有し、
前記熱電素子（１１１）には前記分岐流路（１１２）に供給される前記排気ガスによって前記高温側熱源を成すようにし、
前記制御装置（１２０）は、前記ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）が大きくなる程、前記開閉弁（１１２ａ）の開度を大きくする側に制御することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記可変手段は、前記冷却水が流通するエンジン冷却水回路（２０）から分岐する分岐水流路（１１４）と、
前記分岐水流路（１１４）の分岐部に設けられて、前記エンジン冷却水回路（２０）側および前記分岐水流路（１１４）側への前記冷却水の流量割合を調節する流量調節弁（１１４ａ）と、
前記流量調節弁（１１４ａ）の開度を制御する制御装置（１２０）とを有し、
前記熱電素子（１１１）には前記分岐水流路（１１４）に供給される前記冷却水によって前記低温側熱源を成すようにし、
前記制御装置（１２０）は、前記ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）が大きくなる程、前記流量調節弁（１１４ａ）の前記分岐水流路（１１４）側の開度を大きくするように制御することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記熱電素子（１１１）の低温側熱源は、前記ラジエータ（２１）を通過した後の冷却水によって形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記エンジン冷却水回路（２０）中で、前記ラジエータ（２１）の上流側および前記流量調節弁（１１４ａ）の下流側を結ぶバイパス流路（２２）と、
前記制御装置（１２０）によって制御されると共に、前記バイパス流路（２２）下流側および前記エンジン冷却水回路（２０）の合流点に設けられ、前記合流点から前記ラジエータ（２１）へ向かう流路、前記バイパス流路（２２）、前記合流点から前記エンジン（１０）に戻る流路同士の連通状態を切替える切替え弁（２４）とを設けたことを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記ラジエータ（２１）の放熱部（２１１）は、所定放熱能力を確保する第１放熱部（２１１ａ）と、残りの第２放熱部（２１１ｂ）とに分割されており、
前記第１放熱部（２１１ａ）を通過した前記冷却水の出口側（２１２ａ）は、前記流量調節弁（１１４ａ）の下流側に接続され、
前記第２放熱部（２１１ｂ）を通過した前記冷却水の出口側（２１２ｂ）は、前記流量調節弁（１１４ａ）に接続されたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子によってエンジンの排気ガスの持つ熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電発電装置として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。これは、エンジンの排気ガスを高温側熱源とし、外気を低温側熱源として熱電素子によって発電を行うものであり、ここでは、エンジンの排気管から複数の枝管を介してバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス通路に熱電素子を当接させている。そして、各枝管を開閉する電磁弁を設け、排気ガス温度が所定値以上となった時に、制御部によって各電磁弁を個別に閉じてバイパス通路内の排気ガス流量を制御することで、熱電素子の高温側温度を耐熱温度以下の一定温度に保持するようにしている。
【０００３】
また、特許文献２に示されるように、低温側熱源としてエンジン冷却用の冷却水を用いたものが知られており、安定した低温側熱源を容易に確保するようにしている。
【特許文献１】実開昭６３−１６２９１６号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術においては、所定値より低い排気ガス温度領域では、その時の排気ガス温度と外気温度との成り行きによって発電量が決定されることになり、積極的に有効な発電量を得ようとする思想は無い。
【０００５】
また、特許文献２の技術においては、排気ガスの熱が冷却水に吸熱されることから、発電量によっては冷却水の温度上昇が大きくなり、エンジンのオーバーヒートに繋がることが考えられる。これを防止するためには、ラジエータの大型化の考慮が必要となる。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、エンジン冷却水を低温側熱源として使用するものにおいて、ラジエータの大型化を必要とせずに、エンジンの作動負荷に応じて最大限の発電量を確保可能とする熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、高温側熱源をエンジン（１０）からの排気ガスとし、低温側熱源をラジエータ（２１）によって冷却されるエンジン（１０）の冷却水とし、熱電素子（１１１）によって発電を行う熱電発電装置において、エンジン（１０）作動時におけるラジエータ（２１）の放熱能力（Ｑｒ）から、エンジン（１０）の冷却損失分（Ｑｅ）を除いたラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）が大きくなる程、熱電素子（１１１）に生ずる温度差が大きくなるように、熱電素子（１１１）への排気ガスあるいは冷却水の少なくとも一方の供給条件を可変する可変手段を設けたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）分で排気ガスから冷却水が吸熱する分の放熱がまかなえる。そして、その放熱可能分に見合った排気ガスあるいは冷却水を熱電素子（１１１）に供給することで、ラジエータ（２１）を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。
【００１０】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、可変手段としては、排気ガスが流通する本流路（１１）から分岐する分岐流路（１１２）と、分岐流路（１１２）を開閉する開閉弁（１１２ａ）と、開閉弁（１１２ａ）の開度を制御する制御装置（１２０）とを有し、熱電素子（１１１）には分岐流路（１１２）に供給される排気ガスによって高温側熱源を成すようにし、制御装置（１２０）は、ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）が大きくなる程、開閉弁（１１２ａ）の開度を大きくする側に制御すると良い。
【００１１】
これにより、ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）分に見合った排気ガスを分岐流路（１１２）に流入させることで、ラジエータ（２１）を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明のように、可変手段としては、冷却水が流通するエンジン冷却水回路（２０）から分岐する分岐水流路（１１４）と、分岐水流路（１１４）の分岐部に設けられて、エンジン冷却水回路（２０）側および分岐水流路（１１４）側への冷却水の流量割合を調節する流量調節弁（１１４ａ）と、流量調節弁（１１４ａ）の開度を制御する制御装置（１２０）とを有し、熱電素子（１１１）には分岐水流路（１１４）に供給される冷却水によって低温側熱源を成すようにし、制御装置（１２０）は、ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）が大きくなる程、流量調節弁（１１４ａ）の分岐水流路（１１４）側の開度を大きくするように制御しても良い。
【００１３】
これにより、ラジエータ余裕放熱能力（ΔＱｘ）分に見合った冷却水を分岐水流路（１１４）に流入させることで、ラジエータ（２１）を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、熱電素子（１１１）の低温側熱源は、ラジエータ（２１）を通過した後の冷却水によって形成されることを特徴としている。
【００１５】
これにより、ラジエータ（２１）によって温度低下した冷却水を低温側熱源とすることができるので、高温側熱源（排気ガス）との温度差を大きくして発電量を増加させることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の発明において、エンジン冷却水回路（２０）中で、ラジエータ（２１）の上流側および流量調節弁（１１４ａ）の下流側を結ぶバイパス流路（２２）と、制御装置（１２０）によって制御されると共に、バイパス流路（２２）下流側およびエンジン冷却水回路（２０）の合流点に設けられ、合流点からラジエータ（２１）へ向かう流路、バイパス流路（２２）、合流点からエンジン（１０）に戻る流路同士の連通状態を切替える切替え弁（２４）とを設けたことを特徴としている。
【００１７】
これにより、通常、バイパス流路（２２）に配設されるサーモスタット（２３）では、冷却水温度によってラジエータ（２１）側あるいはバイパス流路（２２）側への冷却水の流量が規制されるが、ここでは冷却水温度に関わらず、切替え弁（２４）によって、例えばエンジン（１０）始動時にバイパス流路（２２）側から流量調節弁（１１４ａ）を介して、熱電素子（１１１）側へ供給することで、発電を可能とすると共に、発電時の冷却水の吸熱によって、早期暖機が可能となる。このように、冷却水温度に関わらず冷却水の流し方を種々設定可能となるので、発電、エンジン暖機、エンジン冷却等におけるきめ細かな制御が可能となる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、請求項４または請求項５に記載の発明において、ラジエータ（２１）の放熱部（２１１）は、所定放熱能力を確保する第１放熱部（２１１ａ）と、残りの第２放熱部（２１１ｂ）とに分割されており、第１放熱部（２１１ａ）を通過した冷却水の出口側（２１２ａ）は、流量調節弁（１１４ａ）の下流側に接続され、第２放熱部（２１１ｂ）を通過した冷却水の出口側（２１２ｂ）は、流量調節弁（１１４ａ）に接続されたことを特徴としている。
【００１９】
これにより、流量調節弁（１１４ａ）を分岐水流路（１１４）側に開くことで、第２放熱部（２１１ｂ）を通過した冷却水が熱電素子（１１１）側に流れることに成るが、分岐水流路（１１４）はエンジン冷却水回路（２０）より通水抵抗が高くなるため、第２放熱部（２１１ｂ）を通過する冷却水量が少なくなる。よって、第２放熱部（２１１ｂ）の出口側（２１２ｂ）の冷却水温度（Ｔｗ２）を第１熱交換部（２１１ａ）の出口側（２１２ａ）の冷却水温度（Ｔｗ３）よりも低くすることができるので、熱電素子（１１１）における発電量を増大させることができる。
【００２０】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の熱電発電装置１００は、水冷式のエンジン１０を有する車両に適用され、熱電素子１１１における排気ガスと冷却水との温度差よって発電を行うものとしている。尚、ここでは発電後の排気ガスを用いて、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスの冷却機能も持たせるようにしている。まず、図１〜図６を用いてその基本構成について説明する。
【００２２】
図１に示すように、エンジン１０には燃焼用の空気を吸入する吸気管１２と、燃焼後の排気ガスを排出する排気管１１が設けられている。吸気管１２内には、図示しない車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量に応じて開度が可変されるスロットルバルブ１２ａが設けられている。
【００２３】
エンジン１０は、エンジン制御装置１４によって最適な作動が制御される。具体的には、エンジン制御装置１４には、エンジン回転数信号、スロットルバルブ開度信号、車速信号等が入力される。そして、エンジン回転数信号およびスロットルバルブ開度信号に対する燃料噴射量を対応付けたマップを予め記憶しており、このマップに基づいて吸気管１２側に所定のタイミングで必要とされる燃料が噴射される。尚、エンジン制御装置１４は後述する制御装置１２０と互いの信号の授受が可能となるように接続されている。
【００２４】
また、エンジン１０にはエンジン冷却水回路２０が設けられている。エンジン冷却水回路２０は、エンジン１０内の冷却水がウォータポンプ１３によってラジエータ２１を通って循環するようにした回路である。ここではウォータポンプ１３はエンジン１０の駆動力を受けて作動するエンジン駆動式のポンプとしている。そして、ラジエータ２１の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン１０の作動温度が適切に制御される。因みに、エンジン冷却水回路２０には、ラジエータ２１をバイパスするバイパス流路２２と、ラジエータ２１側あるいはこのバイパス流路２２側への冷却水流量を調節するサーモスタット（流量制御弁）２３とが設けられている。冷却水温度が所定温度（例えば９０℃）以下においては、サーモスタット２３によってラジエータ２１側が閉じられ、冷却水がバイパス流路２２側を流通することで冷却水の過冷却が防止される。これは、例えばエンジン１０始動直後のように冷却水が充分に昇温していない場合に対応し、エンジン１０の暖機が促進される。
【００２５】
尚、エンジン冷却水回路２０には、ラジエータ２１に対して並列となるようにヒータコア３１が配設されて冷却水回路を形成するヒータ温水回路３０が設けられている。ヒータコア３１は、冷却水（温水）を熱源として空調用空気を加熱する暖房装置用の熱交換器である。
【００２６】
そして、熱電発電装置１００は、上記エンジン１０の燃焼後の排気ガスおよび冷却水回路２０の冷却水を用いたものとしており、熱電発電器１１０と制御装置１２０とから成る。
【００２７】
熱電発電器１１０は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電素子１１１に後述する分岐流路１１２および冷却水配管１１４が配設されたものとしている。
【００２８】
即ち、分岐流路１１２は、エンジン１０の排気管（本発明の本流路に対応）１１から分岐して再び排気管１１に合流するように形成された流路であり、排気ガスの一部が流通できるようにしている。そして、分岐流路１１２は、熱電素子１１１の一側面側に当接され、排気ガスが熱電素子１１１の高温側熱源となるようにしている。また、分岐流路１１２の熱電素子１１１に対する排気ガスの上流側には、この分岐流路１１２を開閉する分岐開閉弁（電磁弁）１１２ａが設けられている。
【００２９】
一方、冷却水配管１１４は、エンジン冷却水回路２０のラジエータ２１の下流側から分岐してウォータポンプ１３側に接続される回路として形成されており、熱電素子１１１の他側面側に当接されるようにしている。即ち、ラジエータ２１を通過した後の冷却水が熱電素子１１１側に供給され、この冷却水が熱電素子１１１の低温側熱源となるようにしている。
【００３０】
また、分岐流路１１２の熱電素子１１１に対する排気ガスの下流側において、分岐流路１１２からエンジン１０の吸気管１２に連通する導入流路１１３が設けられている。更に、導入流路１１３には、この導入流路１１３を開閉する導入開閉弁（電磁弁）１１３ａが設けられている。
【００３１】
そして、排気管１１内には排気ガスの温度を検出する排気温センサ１３０が設けられており、この排気温センサ１３０で検出された温度信号は、後述する制御装置１２０に出力されるようにしている。
【００３２】
制御装置１２０は、以下に説明する軸トルクマップ、エンジン１０の冷却損失熱量マップ、エンジン１０の通水流量マップ、ラジエータ２１の基準放熱量マップ、分岐開閉弁１１２ａの開度マップや各種演算式を予め記憶しており、これらのマップや演算式に基づいて分岐開閉弁１１２ａの開度を制御する。また、上記排気温センサ１３０から得られる排気ガス温度に基づいて導入開閉弁１１３ａの開度を制御する。
【００３３】
本実施形態では、上記分岐流路１１２、分岐開閉弁１１２ａ、制御装置１２０によって、熱電素子１１１への排出ガスの供給条件を可変する可変手段が形成される。
【００３４】
以下、各種マップおよび演算式について説明する。軸トルクマップは、図２に示すように、エンジン制御装置１４から得られる燃料噴射量Ｌと軸トルクＴとを予め関係付けたものであり、エンジン１０作動時における軸トルクＴを算出するために用いられる。そして、この軸トルクＴとエンジン制御装置１４から得られるエンジン回転数Ｎｅとから数式１に基づいて軸出力Ｐを算出するようにしている。
【００３５】
（数１）
軸出力Ｐ＝ａ×エンジン回転数Ｎｅ×軸トルクＴ
尚、ａは定数である。
【００３６】
冷却損失熱量マップは、図３に示すように、軸出力Ｐをパラメータ（ここでは無負荷Ｐ１〜全負荷Ｐ７）として、エンジン回転数Ｎｅとエンジン１０の冷却損失熱量Ｑｅとを予め関係付けたものであり、エンジン１０作動時における冷却損失熱量Ｑｅを算出するために用いられる。因みに、冷却損失熱量Ｑｅは、エンジン１０における燃料の全燃焼熱量に冷却損失を乗じたものであり、ラジエータ２１で放熱される熱量である。
【００３７】
通水流量マップは、図４に示すように、エンジン回転数Ｎｅ（Ｎｅ１〜Ｎｅ４・・・であり、これはウォータポンプ１３の回転数に比例する）をパラメータにしたウォータポンプ特性Δｈｐと、エンジン冷却水回路２０、ヒータ温水回路３０、冷却水配管１１４を含めた通水抵抗特性Δｈｔとを示したもので、エンジン１０を流通するエンジン通水流量Ｖｅを算出するために用いられる。
【００３８】
そして、エンジン通水流量Ｖｅマップから得られたエンジン通水流量Ｖｅから数式２に基づいて、ラジエータ２１を流通するラジエータ通水流量Ｖｗを算出するようにしている。
【００３９】
（数２）
ラジエータ通水流量Ｖｗ＝Ｋ×エンジン通水流量Ｖｅ
尚、Ｋはラジエータ２１、バイパス流路２２、サーモスタット２３、ヒータコア３１、冷却水配管１１４の各抵抗係数から決定される定数である。
【００４０】
基準放熱量マップは、図５に示すように、上記数式２によって得られるラジエータ通水流量Ｖｗ（低流量Ｖｗ１〜高流量Ｖｗ４・・・）をパラメータとして、ラジエータ２１のコア部前面に流入する空気の前面風速ｖａとラジエータ２１の基準放熱量Ｑｒとを予め関係付けたものであり、エンジン１０作動時における基準放熱量Ｑｒを算出するために用いられる。尚、ここで前面風速ｖａは、エンジン制御装置１４から得られる車速ｖを用いて決定するようにしており、車両のバンパーやグリルによる抵抗分を考慮して、数式３で算出されるようにしている。
【００４１】
（数３）
前面風速ｖａ＝ｂ×車速ｖ
尚、ｂは定数であり、ここでは１／５としている。
【００４２】
開度マップは、図６に示すように、排気放熱量Ｑｅｘと分岐開閉弁１１２ａの開度とを予め関係付けたものである。ここで排気放熱量Ｑｅｘは、以下の数式４によって算出されるラジエータ２１の余裕熱量ΔＱｘに等しい熱量としている。
【００４３】
（数４）
余裕熱量ΔＱｘ＝基準放熱量Ｑｒ−冷却損失熱量Ｑｅ＝排気放熱量Ｑｅｘ
分岐開閉弁１１２ａの開度は、排気放熱量Ｑｅｘが大きくなる程、大きくなるように対応付けている。
【００４４】
次に、上記構成に基づく作動について説明する。エンジン１０の作動において、スロットルバルブ１２ａの開度に応じて、吸入管１２から燃焼用の空気が吸入され、図示しないインジェクタから噴射される燃料と混合されて燃焼される。そして、燃焼後の排気ガスは図示しない触媒によって浄化され排気管１１から大気に排出される。また、ウォータポンプ１３の作動により、冷却水はエンジン冷却水回路２０および冷却水配管１１４を循環する。
【００４５】
制御装置１２０は、図２〜図６に示す各マップおよび数式１〜数式４に基づいて分岐開閉弁１１２ａの開度を調整する。図７は、その時の制御フローを示すものであり、以下、その詳細を説明する。
【００４６】
まず、ステップＳ１００で各種信号（燃料噴射量Ｌ、エンジン回転数Ｎｅ、スロットルバルブ開度Ｂｋ、車速ｖ等のデータ）を読み込み、ステップＳ１１０で冷却損失熱量Ｑｅを算出する。即ち、図２の軸トルクマップからその時の燃料噴射量Ｌに対応する軸トルクＴを算出し、数式１より、軸出力Ｐをａ×Ｎｅ×Ｔとして算出する。そして、図３の冷却損失熱量マップから、その時のエンジン回転数Ｎｅおよび上記で得られた軸出力Ｐに対応する冷却損失熱量Ｑｅを算出する。
【００４７】
次に、ステップＳ１２０で基準放熱量Ｑｒを算出する。ここでは、図４の通水流量マップからその時のエンジン回転数Ｎｅにおけるポンプ特性Δｈｐと通水抵抗特性Δｈｔとの交点からエンジン通水流量Ｖｅを算出する。更に、このエンジン通水流量Ｖｅから数式２を用いてラジエータ通水流量Ｖｗを算出する。そして、図５の基準放熱量マップからその時のラジエータ通水流量Ｖｗにおける前面風速ｖａ（数式３を用いて算出）に対応する基準放熱量Ｑｒを算出する。
【００４８】
次に、ステップＳ１３０で上記の冷却損失熱量Ｑｅと基準放熱量Ｑｒを用いて、数式４から余裕熱量ΔＱｘをＱｒ−Ｑｅとして算出する。
【００４９】
次に、ステップＳ１４０で余裕熱量ΔＱｘがゼロより大きいかを判定し、否と判定するとステップＳ１５０で分岐開閉弁１１２ａを閉じて、ステップＳ１００に戻る。即ち、これは、エンジン１０の負荷が最も高く、本来の基準放熱量Ｑｒで冷却損失熱量Ｑｅをすべて放熱させる場合であり、熱電発電器１１０側への排気ガスの供給を停止させることで、冷却水配管１１４中の冷却水の温度上昇を避けて、エンジン１０のオーバーヒートを防止する。
【００５０】
一方、ステップＳ１４０で余裕熱量ΔＱｘがゼロより大きいと判定すると、ステップＳ１６０で排気放熱量Ｑｅｘを算出する。この排気放熱量Ｑｅｘは、数式４より余裕熱量ΔＱｘに等しい値として設定する。尚、余裕熱量ΔＱｘがゼロより大きいということは、エンジン１０の負荷が低く、ラジエータ２１にとってはエンジン１０の冷却損失熱量Ｑｅ分の放熱を行いつつ、余裕熱量ΔＱｘ分の放熱能力を有することを意味する。
【００５１】
そして、ステップＳ１７０で図６の開度マップに基づき、分岐開閉弁１１２ａ
の開度を可変する。即ち、排気放熱量Ｑｅｘが大きい程、開度を大きくして、分岐流路１１２に流入する排気ガスの量を増加させ（排気ガス側の温度を高めて）、冷却水配管１１４内の冷却水との温度差を大きくして熱電素子１１１による発電量を積極的に増加させる。そして、この発電によって得られた電力は、図示しない充電器（バッテリ）へ充電されたり、各種補機作動のために使用される。この時、排気ガスによって冷却水は吸熱することになるが、その吸熱分はラジエータ２１の余裕熱量ΔＱｘによって放熱がまかなわれる訳である。
【００５２】
尚、制御装置１２０は、排気温センサ１３０からの排気ガス温度が低い程、即ちエンジン１０の負荷が低い程、導入開閉弁１１３ａの開度を大きくする側に調整する。上記のように熱電素子１１１によって発電が行われる際に、排気ガスは冷却水配管１１４の冷却水によって逆に冷却されることになる。そして、この冷却された排気ガスは、導入開閉弁１１３ａから導入流路１１３を流通して、吸入管１２内に流入する。
【００５３】
これは、あたかも専用の熱交換器で排気ガスを冷却した後に、この排気ガスを吸気側に流入させるＥＧＲガス冷却装置と等価な作用を果たすものと成り、エンジン１０における出力を低下させること無く、燃焼温度を低下させ、排気ガス中のＮＯＸ濃度を低下させる。
【００５４】
このように本発明においては、熱電素子１１１の低温側の熱源をエンジン１０の冷却水を用いるようにし、エンジン１０作動時におけるラジエータ２１の基準放熱量Ｑｒから、エンジン１０の冷却損失熱量Ｑｅを除いたラジエータ２１の余裕熱量ΔＱｅｘが大きくなる程、分岐開閉弁１１２ａの開度を大きくする側に制御するようにしているので、余裕熱量ΔＱｅｘで排気ガスから冷却水が吸熱する分の放熱がまかなえる。そして、その放熱可能分に見合った排気ガスを分岐流路１１２に流入させることで、ラジエータ２１を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。
【００５５】
そして、熱電素子１１１の発電によりエンジン１０においては本来の発電機（オルターネータ）に要する作動負荷を低減できるので、エンジン１０の燃費を向上させることができる。
【００５６】
また、熱電素子１１１の低温側熱源としてラジエータ２１を通過した後の冷却水を用いるようにしているので、ラジエータ２１によって温度低下した冷却水を低温側熱源とすることができ、高温側熱源（排気ガス）との温度差を大きくして発電量を増加させることができる。
【００５７】
尚、冷却水配管１１４は、上記第１実施形態に対してサーモスタット２３の下流側から分岐するようにしたり、また、ラジエータ２１の上流側から分岐するようにしても良い。
【００５８】
また、図８に示すように、冷却水配管１１４（熱電素子１１１）をラジエータ２１に対して、直列に配置するようにしても良い。
【００５９】
また、エンジン１０の出力や排気ガス中のＮＯＸの濃度に応じて、導入流路１１３および導入開閉弁１１３ａは廃止するようにしても良い。
【００６０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、低温側熱源となる冷却水の流量を可変するようにしたものである。
【００６１】
ここでは、第１実施形態と同様に、エンジン冷却水回路２０のラジエータ２１の下流側から分岐してウォータポンプ１３側に接続される冷却水配管（本発明における分岐水流路に対応）１１４を設けており、熱電素子１１１の低温側熱源となるようにしている。
【００６２】
そして、冷却水配管１１４の分岐点に流量調節弁１１４ａを設けている。流量調節弁１１４ａは、エンジン冷却水回路２０側（以下、エンジン１０側）および冷却水配管１１４側への冷却水の流量割合を調節可能とする弁であり、制御装置１２０によって、その開度が制御されるようにしている。本実施形態では、上記冷却水配管１１４、流量調節弁１１４ａ、制御装置１２０によって、熱電素子１１１への冷却水の供給条件を可変する可変手段が形成される。
【００６３】
そして、制御装置１２０は、エンジン１０作動時におけるラジエータ２１の余裕熱量ΔＱｘ（第１実施形態の数式４）が大きくなる程、流量調節弁１１４ａの冷却水配管１１４側の開度を大きくして、冷却水配管１１４を流通する冷却水量を増加させ、分気流路１１２内の排気ガスとの温度差を大きくして熱電素子１１１による発電量を積極的に増加させる。
【００６４】
これにより、余裕熱量ΔＱｘ分で排気ガスから冷却水が吸熱する分の放熱がまかなえるため、余裕熱量ΔＱｘ分に見合った冷却水を冷却水配管１１４に流入させることで、ラジエータ２１を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。
【００６５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１０〜図１２に示す。第３実施形態は、上記第２実施形態に対して、サーモスタット２３を、制御装置１２０によって開度が制御される切替え弁２４に変更したものである。
【００６６】
切替え弁２４は、図１１に示すように、内部の弁体位置が制御装置１２０によって回動され、ラジエータ２１へ向かう流路、バイパス流路２２、エンジン１０に戻る流路同士の連通状態を切替え可能とする弁としている。
【００６７】
即ち、この切替え弁２４においては、図１１（ａ）〜（ｃ）に示す、通常のサーモスタット２３と同様の連通状態に加えて、図１１（ｄ）のバイパス流路２２からラジエータ２１へ向かう流路への連通状態の形成も可能としている。
【００６８】
そして、エンジン１０始動後に、切替え弁２４を図１１（ｄ）の連通状態に切替えることにより、また、流量調節弁１１４ａを冷却水配管１１４側およびエンジン１０側の両者を開状態にすることにより、図１２に示すような冷却水の流れが形成でき、熱電素子１１１による発電を可能とすると共に、発電時の冷却水の吸熱によって、エンジン１０の早期暖機が可能となる。このように、サーモスタット２３とは異なり、冷却水温度の制約を受けずに冷却水の流し方を種々設定可能となるので、発電、エンジン暖機、エンジン冷却等におけるきめ細かな制御が可能となる。
【００６９】
尚、上記第３実施形態の変形例として、図１３に示すように、流量調節弁１１４ａと切替え弁２４とを統合した切替え弁２４ａとしても良い。この切替え弁２４ａにおいては、例えば、４つの接続部（ラジエータ２１側、バイパス流路２２側、エンジン１０側、冷却水配管１１４側）に対して、それぞれ独立して開閉可能な弁体を設けるものとすれば良く、部品点数の低減が可能となる。
【００７０】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１４〜図１６に示す（熱電発電器１１０への分岐流路１１２の図示は省略している）。第４実施形態は、上記第２実施形態に対して、冷却水配管１１４にから熱電素子１１１に供給する冷却水の温度を可変するようにしたものである。
【００７１】
図１４に示すように、ここでは、ラジエータ２１の放熱部２１１を第１放熱部２１１ａと第２放熱部２１１ｂとの２つに分割している。第１放熱部２１１ａは、車両の高負荷時（例えば低速登坂時）に対して、それよりも負荷の軽い中負荷時（例えば高速走行時）での放熱能力（本発明における所定放熱能力）を確保するサイズ（全体の略７５％）にしており、残りを第２放熱部２１１ｂとしている。
【００７２】
ラジエータ２１の出口側タンク２１２内には、第１放熱部２１１ａおよび第２放熱部２１１ｂの境界部となる位置に仕切り板２１２ｃを設けている。そして、第１放熱部２１１ａに対応する出口側タンク２１２に第１出口部２１２ａを設け、第２放熱部２１１ｂに対応する出口側タンク２１２に第２出口部２１２ｂを設けている。よって、ラジエータ２１を流通する冷却水は、第１放熱部２１１ａを通り、第１出口部２１２ａから流出するものと、第２放熱部２１１ｂを通り、第２出口部２１２ｂから流出するものとに分かれる。
【００７３】
そして、第１出口部２１２ａは、流量調節弁１１４ａとサーモスタット２３との間（流量調節弁１１４ａの下流側）に接続され、また、第２出口部２１２ｂは、流量調節弁１１４ａに接続されている。
【００７４】
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。
【００７５】
１．低負荷時（アイドリング、通常走行時）  図１４
エンジン１０出口側の冷却水温度は、低いレベルにあり（例えば８２℃以下）、サーモスタット２３は、ラジエータ２１側を閉じている。制御装置１２０は、流量調節弁１１４ａのエンジン１０側（エンジン冷却回路２０側）と冷却水配管１１４側の両者を開くようにする。
【００７６】
エンジン１０出口側から流出する冷却水は、バイパス流路２２側とラジエータ２１側に分かれる。バイパス流路２２側へ流れた冷却水は、エンジン１０に戻る。一方、ラジエータ２１側に流れた冷却水は、第１放熱部２１１ａ、第２放熱部２１１ｂをそれぞれ流れる。
【００７７】
第１放熱部２１１ａを経て第１出口部２１２ａから流出する冷却水は、サーモスタット２３によって止められ、流量調節弁１１４ａ側に流れる。また、第２放熱部２１１ｂを経て第２出口部２１２ｂから流出する冷却水は、流量調節弁１１４ａに至り、上記第１出口部２１２ａからの冷却水と合流して、冷却水配管１１４を通りエンジン１０に戻る。この時、熱電素子１１１（熱電発電器１１０）において、発電が行われる。
【００７８】
ここで、温度の低い冷却水がラジエータ２１で冷却され、且つ、この冷却水の全量が熱電素子１１１に至ることになるので、排気ガス側との温度差を大きくして充分な発電量を確保することができる。尚、冷却水は、ラジエータ２１において冷却されるものの、熱電素子１１１において排気ガスの熱を吸熱するのでエンジン１０にとっては、暖機性の悪化は抑えられる。
【００７９】
２．中負荷時（高速走行時）  図１５
エンジン１０出口側の冷却水温度Ｔｗ１は、中間レベルにあり（例えば８２℃から１００℃）、サーモスタット２３は、ラジエータ２１側とバイパス流路２２側の両者を開いている（冷却水温度Ｔｗ１が高い程、ラジエータ２１側の開度が大きくなる）。制御装置１２０は、流量調節弁１１４ａの冷却水配管１１４側を開くようにする。
【００８０】
エンジン１０出口側から流出する冷却水は、バイパス流路２２側とラジエータ２１側に分かれる。バイパス流路２２側へ流れた冷却水は、エンジン１０に戻る。一方、ラジエータ２１側に流れた冷却水は、第１放熱部２１１ａ、第２放熱部２１１ｂをそれぞれ流れる。
【００８１】
第１放熱部２１１ａを経て第１出口部２１２ａから流出する冷却水は、サーモスタット２３を通り、エンジン１０に戻る。また、第２放熱部２１１ｂを経て第２出口部２１２ｂから流出する冷却水は、流量調節弁１１４ａに至り、冷却水配管１１４を通りエンジン１０に戻る。この時、熱電素子１１１（熱電発電器１１０）において、発電が行われる。
【００８２】
ここで、冷却水配管１１４はエンジン冷却水回路２０より通水抵抗が高くなるため、第１放熱部２１１ａを通過する冷却水量Ｖｗ３に比べて、第２放熱部２１１ｂを通過する冷却水量Ｖｗ２は少なくなる。よって、第２放熱部２１１ｂの流出側の冷却水温度Ｔｗ２を第１熱交換部２１１ａの流出側の冷却水温度Ｔｗ３よりも低くすることができるので、熱電素子１１１における発電量を増大させることができる。
【００８３】
因みに、本発明者の一試算例を以下に示す。ラジエータ２１の放熱部２１１を分割せずに全体で放熱するものとし、例えばエンジン１０の出口側の冷却水温度Ｔｗ１を１００℃、ラジエータ２１の冷却水流量が４０Ｌ／ｍｉｎ、ラジエータ２１の前面風速が３ｍ／ｓｅｃ、ラジエータ２１の入口空気温度が３０℃とすると、ラジエータ２１の出口側の冷却水温度は、９３℃となる。この冷却水（９３℃）と４００℃の排気ガスとを熱電素子１１１に供給すると、温度差３０７℃で発電することになる。
【００８４】
一方、本実施形態のラジエータ２１の放熱部２１１を分割したものにおいては、第２放熱部２１１ｂを流通する冷却水流量Ｖｗ２が５Ｌ／ｍｉｎとなり、第２放熱部２１１ｂを経て第２出口部２１２ｂから流出する冷却水温度Ｔｗ２は、８２℃となる。この冷却水（８２℃）と４００℃の排気ガスとを熱電素子１１１に供給すると、温度差３１８℃で発電することになる。
【００８５】
ここで、熱電素子１１１における最大発電量は、以下の数式５に示されるように、排気ガス温度ＴＨと冷却水温度ＴＬとの温度差の２乗に比例する。
【００８６】
（数５）
最大発電量＝１／４・ｐｆ・（ＴＨ−ＴＬ）２
但し、ｐｆはゼーベック係数（Ｗ／Ｋ）である。
【００８７】
よって、上記の放熱部２１１を分割したものにおいては、分割しないものに比べて最大発電量は、３１８２／３０９２＝１０７から、７％の向上が見込めることになる。
【００８８】
３．高負荷時（低速登坂走行時）  図１６
エンジン１０出口側の冷却水温度は、高いレベルにあり（例えば１００℃以上）、サーモスタット２３は、ラジエータ２１側を開いている。制御装置１２０は、流量調節弁１１４ａのエンジン冷却水回路２０側を開くようにする。
【００８９】
エンジン１０出口側から流出する冷却水は、ラジエータ２１側に流れ、第１放熱部２１１ａ、第２放熱部２１１ｂをそれぞれ流れる。
【００９０】
第１放熱部２１１ａを経て第１出口部２１２ａから流出する冷却水は、サーモスタット２３を通り、エンジン１０に戻る。また、第２放熱部２１１ｂを経て第２出口部２１２ｂから流出する冷却水は、流量調節弁１１４ａに至り、上記第１出口部２１２ａからの冷却水と合流して、エンジン１０に戻る。この時、熱電素子１１１（熱電発電器１１０）には冷却水が供給されないので、発電は停止される。即ち、冷却水はラジエータ２１でフルに冷却され、エンジン１０の負荷に対応する訳である。
【００９１】
このように、本実施形態においては、エンジン１０の負荷（余裕熱量ΔＱｘ）に応じて、熱電素子１１１への冷却水量を可変すると共に、ラジエータ２１の出口側温度を低下させることで、より効果的な発電を可能としている。
【００９２】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、排気ガスの流量を可変するものとし、上記第２〜第４実施形態では、冷却水の流量あるいは温度を可変するものとして説明したが、両者（排気ガスおよび冷却水）の可変を組合せたものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１実施形態における全体構成を示す模式図である。
【図２】燃料噴射量と軸トルクとの関係を示す軸トルクマップである。
【図３】軸出力をパラメータとしたエンジン回転数とエンジン冷却損失熱量との関係を示す冷却損失熱量マップである。
【図４】エンジン通水流量に対するポンプ特性および通水抵抗特性を示す通水流量マップである。
【図５】前面風速ｖａとラジエータの基準放熱量Ｑｒとの関係を示す基準放熱量マップである。
【図６】排気放熱量Ｑｅｘと分岐開閉弁の開度との関係を示す開度マップである。
【図７】分岐開閉弁の開度を制御するための制御フローチャートである。
【図８】第１実施形態の変形例１における全体構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第２実施形態における全体構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第３実施形態における全体構成を示す模式図である。
【図１１】切替え弁の切替え状態を示す断面図である。
【図１２】第３実施形態における冷却水の流れ方の一例を示す模式図である。
【図１３】第３実施形態の変形例２における全体構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第４実施形態における全体構成を示す模式図である（低負荷時）。
【図１５】本発明の第４実施形態における全体構成を示す模式図である（中負荷時）。
【図１６】本発明の第４実施形態における全体構成を示す模式図である（高負荷時）。
【符号の説明】
【００９４】
１０  エンジン
１１  排気管（本流路）
２１  ラジエータ
２２  バイパス流路
２４  切替え弁
１００  熱電発電装置
１１１  熱電素子
１１２  分岐流路
１１２ａ  分岐開閉弁
１１４  冷却水配管（分岐水流路）
１１４ａ  流量調節弁
１２０  制御装置
２１１  放熱部
２１１ａ  第１放熱部
２１１ｂ  第２放熱部
２１２ａ  第１出口部（出口側）
２１２ｂ  第２出口部（出口側）
【図１】
2004360681.tif 000003
【図２】
2004360681.tif 000004
【図３】
2004360681.tif 000005
【図４】
2004360681.tif 000006
【図５】
2004360681.tif 000007
【図６】
2004360681.tif 000008
【図７】
2004360681.tif 000009
【図８】
2004360681.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004360681.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004360681.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2004360681.tif 000016
【図１５】
2004360681.tif 000017
【図１６】
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