(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンが排出する排気ガスの浄化手段であって、前記エンジンから排出される前記排気ガスを前記エンジンへの吸気として還流する還流通路と、前記エンジンから排出される前記排気ガスを冷却する冷却装置を備えたＥＧＲ（Exhaust gas recirculation）装置と、
熱電効果を有する材料で構成される熱電素子と、前記熱電素子の一端側に設置され、分割された高温側基板と、前記熱電素子の他端側に設置された低温側基板と、前記熱電素子を直列接続する電極と、前記熱電素子と前記高温側基板と前記電極を密封する筐体とを備え、前記冷却装置における温度差が生じる箇所に設けられ、温度差により発電する熱電素子デバイスとを備え、
前記冷却装置は、前記エンジンから排出される前記排気ガスを通すガス通路と、前記ガス通路の壁面を取り囲み、前記排気ガスの温度よりも低い温度で冷却する冷却路とを備え、
前記熱電素子デバイスは、前記高温側基板側が前記ガス通路の壁面と接し、前記低温側基板側が前記冷却路の壁面と接するように設けられ、
前記熱電素子と前記高温側基板との間に設置された前記電極は、分割された前記高温側基板同士を接合する、
ことを特徴とする排出ガス再循環冷却発電器。
【請求項２】
前記熱電素子デバイスが発電した電力の電力値から、前記熱電素子デバイスに生じる温度差に対する発生電力量の関係情報に基づいて、前記熱電素子デバイスの前記高温側基板と前記低温側基板の間に生じた温度差を算出する制御部を有することを特徴とする請求項１記載の排出ガス再循環冷却発電器。
【請求項３】
前記熱電素子デバイスは、電流を流すことにより前記高温側基板側が発熱する機能を有すことを特徴とする請求項２記載の排出ガス再循環冷却発電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室から排出される排気ガスを燃焼室に再循環させるため、高温の排気ガスを冷却する排出ガス再循環技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人類のエネルギ消費量は、歴史的に例を見ないほど増加が加速された結果、ＣＯ２などの温暖化ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。ＣＯ２発生をできるだけ抑制するために、現在捨てられている未利用の排熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電システムの出現が渇望されている。
【０００３】
一方、自動車産業に代表されるエンジンシステムにおいては、環境負荷への低減を実現するシステムとしてＣＯ２、ＮＯ２（窒素酸化物）、並びにＰＭ（媒などの微粒子）などの環境負荷の高い物質の発生を抑制するシステムとして、ＥＧＲ（Exhaust gas recirculation  排出ガス再循環）が期待されている。最近、再循環ガスを冷却することにより、さらにＣＯ２、ＮＯ２並びにＰＭ等の低い排気ガスを実現するＥＧＲシステムの開発が進められている。
【０００４】
燃焼室では、冷却した再循環ガスを吸気として混合することにより低温での燃焼となるため、有害ガスの排出量が低下し、さらに燃費が向上することが知られている。
【０００５】
特許文献１には、ＥＧＲを最適に制御するために、空気量を測定する装置を備えたエンジン制御装置について記載されている。
【０００６】
特許文献２には、ハイブリッド車両において、定められたエンジン動作可能領域の範囲内で運転されるようにエンジン回転数を補正する制御装置について記載されている。
【０００７】
特許文献３には、ディーゼルエンジンにおいて、高負荷運転領域では、ＮＯｘおよびパーティキュレートの生成を抑制するために、ディーゼルエンジンの気筒内に、複数回に分けて燃料を噴射するように制御する制御装置について記載されている。
【０００８】
特許文献４には、乾留ガスを、投入された廃棄物の中を通過させて廃棄物の投入口部側から取り出すようにしたため、フィルターを用いることなく乾留ガスを精製できる乾留システムについて記載されている。
【０００９】
特許文献５には、排気ガス還流を実行しているときは、冷却器を経由して吸気供給し、排気ガス還流が行われている状態からの加速時には、バイパス通路を経由して吸気供給するディーゼルエンジンについて記載されている。
【特許文献１】特開２０００−９７１０１号
【特許文献２】特開２００１−３７００８号
【特許文献３】特開２００１−４１０８９号
【特許文献４】特開２００６−２２５４１２号
【特許文献５】特開２００７−１２７０３８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１から５には、いかにして有害な排気ガスの排出量を低減するのかについて記載されている。しかしながら、このような排気ガスの発生の低減のためには、最適な温度や時間などの精密な制御を必要とし、さらには多くの機器を必要とする。その結果、これらを駆動、制御するために、あらたな電力を必要とすることとなる。
【００１１】
近年、自動車では、安全性、快適性の追求から、自動車において消費される電力量は増加の一途をたどっている。例えば、冷房やパワーウィンドウ、音響機器、前を走る車との車間距離を測るレーダなど多くの電子機器が自動車には設けられている。
【００１２】
したがって、環境負荷低減の面と車内電力供給の面を考慮した燃費向上技術であるＥＧＲシステムも、車内電力供給量の過多により、ＥＧＲシステムを用いた効果を十分に発揮することができない状況に陥りつつある。
【００１３】
また、ＥＧＲ装置自身も、装置自身の制御のために電力を消費している。ＥＧＲシステムによる燃費向上のためには、複雑な制御およびバルブ駆動等の電力消費量の大きい構成機器を必要するため、消費電力が増加する問題も発生する。
【００１４】
さらに、このようなＥＧＲシステムでは、再循環ガスの温度によって、有害ガスの排出量および燃費が異なるため、きめ細かな温度調節ができることが必要となる。
【００１５】
また、車載する機器が多くなる状況においては、車両の大型化を抑止し、省スペースへの要求も満たす必要がある。
【００１６】
本発明の目的は、エンジンシステムにＥＧＲシステムを用いて環境負荷低減能力を向上させた上で電力供給を可能とする排出ガス再循環冷却発電器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、吸気を燃焼する燃焼器から排出されるエンジンシステムのＣＯ２、ＮＯ２並びにＰＭの発生を抑制させることにより、環境負荷への低減を実現するＥＧＲシステムの冷却部分に熱電素子デバイスを搭載することにより、エンジンシステムの環境負荷低減と、電力供給を同時に実現する。
【００１８】
これにより、エンジンシステムにＥＧＲシステムを用いて環境負荷低減能力を向上させた上に、さらに電力供給を可能にすることにより、エネルギの高効率利用の実現を可能とし、一層の環境負荷低減を実現する。
【００１９】
（１）本発明の一実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、エンジンが排出する排気ガスの浄化手段であって、冷却装置を備えたＥＧＲ（Exhaust gas recirculation）装置において、前記冷却装置における温度差が生じる箇所に、温度差により発電する熱電素子デバイスを有する。
【００２０】
（２）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（１）であって、前記ＥＧＲ装置は、前記エンジンから排出される排気を前記エンジンへの吸気として還流する第１の通路と、前記エンジンから排出される前記排気ガスを前記エンジンへの吸気として還流する第２の通路と、前記第２の通路に設けられ、前記エンジンから排出される排気ガスを冷却する前記冷却装置を備える。
【００２１】
（３）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（１）であって、前記ＥＧＲ装置は、前記エンジンから排出される前記排気ガスを前記エンジンへの吸気として還流する還流通路と、前記エンジンから排出される排気ガスを冷却する前記冷却装置とを有する。
【００２２】
（４）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（２）または（３）のうちいずれか一項であって、前記熱電素子デバイスは、熱電効果を有する材料から構成される熱電素子と、前記熱電素子の一端側に設置された高温側基板と、前記熱電素子と前記高温側基板との間に設置された第１の電極と、前記熱電素子の他端側に設置された低温側基板と、前記熱電素子と前記低温側基板との間に設置された第２の電極と、を有する。
【００２３】
（５）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（４）であって、前記冷却装置は、前記エンジンから排出される前記排気ガスを通すガス通路と、前記ガス通路の壁面を取り囲み、前記排気ガスの温度よりも低い温度で冷却する冷却路とを備え、前記熱電素子デバイスは、前記高温側基板側が前記ガス通路の壁面と接し、前記低温側基板が前記冷却路の壁面と接するように設けられている。
【００２４】
（６）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（５）であって、前記熱電素子デバイスが発電した電力の電力値から、前記熱電素子デバイスに生じる温度差に対する発生電力量の関係情報に基づいて、前記熱電素子デバイスの前記高温側基板と前記低温側基板の間に生じた温度差を算出する制御部を有する。
【００２５】
（７）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（５）であって、前記熱電素子デバイスは、電流を流すことにより前記高温側基板側が発熱する機能を有す。
【００２６】
（８）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（４）であって、前記高温側基板は、構造的不連続となるように複数に分割されている。
【００２７】
（９）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（８）であって、さらに前記高温側基板は、絶縁性を有し前記第１の電極と接する高温側基板母材と、前記高温側基板母材上に設けられた高温側基板補強材で構成されている。
【００２８】
（１０）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(９）であって、さらに、前記複数の高温側基板は、隣り合う前記高温側基板部材同士を前記高温側基板母材または前記高温側補強材と比べて同等または低い弾性を有する接合部材で接合する。
【００２９】
（１１）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１０）であって、前記複数の高温側基板部材は、前記接合部材により接合されることにより、物性的弾性または構造的弾性のいずれか一つ以上の弾性特性を有する。
【００３０】
（１２）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１１）であって、前記接合部材は前記第１の電極であり、隣り合う前記高温側基板同士を少なくとも１つ以上の前記第１の電極で接合する。
【００３１】
（１３）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１１）であって、前記複数の高温側基板は、隣り合う前記高温側基板部材同士について、前記第１の電極と接する側を前記接合部材で接合する。
【００３２】
（１４）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１３）であって、前記接合部材は、前記第１の電極と接する。
【００３３】
（１５）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１３）であって、前記接合部材は、前記第１の電極と接しない。
【００３４】
（１６）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１１）であって、隣り合う前記高温側基板の前記高温側基板補強材同士と前記接合部材は一体の材料であり、隣り合う前記高温側基板の前記高温側基板補強材同士が構造的連続となるように設けられている。
【００３５】
（１７）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１６）であって、隣り合う前記高温側基板補強材同士は、少なくとも一箇所以上で構造的連続性を有する。
【００３６】
（１８）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１１）であって、前記第１の電極、前記第２の電極および前記熱電素子が外気から遮断する枠を有する。
【００３７】
（１９）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(８）であって、前記第１の電極は、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子と接するように設けられた均熱部材とを備える。
【００３８】
（２０）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記(１４）であって、前記第２の電極が、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子と接するように設けられた均熱部材とを備える。
【００３９】
（２１）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（４）または(８）から(２０)のうち、いずれか１つであって、前記熱電素子における熱電効果を有する材料は、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、MgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物、もしくはこれらの混合物、又はこれらの接合体である。
【００４０】
（２２）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（４）または(８）から（２１）のうち、いずれか１つであって、前記熱電素子が、互いに離間するｎ型電導部及びｐ型電導部から構成される熱電素子対であり、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれか一方が、前記ｎ型電導部上に配置される第１の部分と、前記ｐ型電導部上に配置される第２の部分とに離間する。
【００４１】
（２３）本実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器は、上記（４）または(８）から（２２）のうち、いずれか１つに記載されている、複数個の熱電素子デバイスが、該複数個の熱電素子デバイスのいずれもが該複数個の熱電素子デバイスのいずれもが隣の熱電モジュールと電気的に接続されるように構成されている。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る排出ガス再循環冷却発電器によって、ＥＧＲシステムの冷却部分に熱電モジュールを搭載することにより、特別の装置の付加およびスペース増加をすることなく電力を発生させることができる。熱電素子デバイスで発生する電力量から熱電素子デバイスに生じた温度差を正確に計測することができる。そのため、計測機器の削減となる。さらに、熱電素子デバイスに電圧をかけることで、発熱反応が起こり、排気ガスの温度を微調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付す。
【００４４】
図１は、本発明の実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器が用いられる車両エンジンの外観を示す概略図である。
【００４５】
車両エンジンは、過給機１、エンジン本体２、ＥＧＲシステム３を有している。過給機１は、エンジン本体２が排出した排気ガスおよび外気をエンジン本体２に送り込む。エンジン本体２は、直列多気筒用である。エンジン本体２は、図示しない燃焼室を有している。燃焼室は、図示しない燃料ポンプの回転駆動により、図示しない燃料タンクに貯溜されたガソリン、軽油等の燃料が供給される。エンジン本体２は、過給機１によって送り込まれた吸気と燃料を混合されて燃焼室内で燃焼する。燃焼により発生した燃焼ガスは、排気ガスとなって外部に排出される。
【００４６】
ＥＧＲシステム３は、エンジン本体２から排出された排気ガスを、エンジン本体２の排気ガスを排出した排気側から排気ガスを吸入する吸気側に循環させ、排気ガスと外気とを混合するシステムである。
【００４７】
ＥＧＲシステム３について、図２および図３を用いて説明する。図２は、ＥＧＲシステム３を模式的に示した図である。図３は、冷却器８の外観を示す図である。
【００４８】
ＥＧＲシステム３は、図２に示すように、排出口４、排出口バルブ５、排気通路６、バイパス通路７、冷却器８、第１のバルブ９、第２のバルブ１０、吸入口１１、温度計１２を有している。
【００４９】
吸入口４は、エンジン本体２と接続されている。エンジン本体２には、吸入口４を介して過給機１によって外気が送り込まれる。また、エンジン本体２には、排出口４が接続されている。排出口４は、エンジン本体２の燃焼室内での燃焼により発生した排気ガスを外部に排出するように設けられている。排出口４には、排出口バルブ５が設けられている。排出口バルブ５は、図８に示す制御部３００によって開閉を制御している。
【００５０】
排気通路６は、排出口４と吸入口１１とを接続している。排出口４では、エンジン本体２と排出口バルブ５の間に設けられている。エンジン本体２が排出した排気ガスが、外部に排出されるか、排気通路６を介して吸入口１１へ循環する場合の排気ガスの量について、制御部３００によって制御される排出口バルブ５の開閉状態によって調節される。
【００５１】
排気通路６の任意の位置には、冷却器８が設けられている。冷却器８は、排気通路６を介して循環する排気ガスを冷却する構造となっている。冷却器８の構造については、後に詳述する。排気通路６を覆うように設けられている。また、排気通路６には、排出口４から吸入口１１へ排気ガスを循環する方向に対して、冷却器８の上流側または下流側（図２では下流側に図示）に第１のバルブ９が設けられている。排気通路６を介して循環される排気ガスは、制御部３００によって制御される第１のバルブ９の開閉状態によって、循環を遮断または循環する排気ガスの量が調節される。
【００５２】
排気通路２１には、バイパス通路７が設けられている。バイパス通路７は、排出口４から吸入口１１へ排気ガスを循環する方向に対して冷却器８の上流側と下流側をつなぐように設けられている。また、バイパス通路７の任意の位置には、第２のバルブ１０が設けられている。バイパス通路７を介して循環される排気ガスは、制御部３００によって制御される第２のバルブ１１の開閉状態によって、循環を遮断または循環する排気ガスの量が調節される。
【００５３】
つまり、例えば、排気口バルブ５が完全に閉状態では、エンジン本体２から排出される排気ガスは、排気通路２１を介して、吸入口１１へ循環する。この場合、第１のバルブ９が完全に閉状態で、第２のバルブ１０が開状態であれば、排気ガスは、冷却器７を通過することはなく、バイパス通路７を介して吸入口１１へ循環する。また、第１のバルブ９が開状態で、第２のバルブ１０が完全に閉状態であれば、排気ガスは、バイパス通路７を通過することはなく、冷却器７を介して吸入口１１へ循環する。制御部３００は、第１のバルブ９および第２のバルブ１０を開状態とした場合の開く量を調節することで、バイパス通路７を介して吸入口１１へ循環する排気ガスの量と、冷却器７を介して吸入口１１へ循環する排気ガスの量をそれぞれ調節することができる。
【００５４】
また、排気口バルブ５が開状態、第１のバルブ９および第２のバルブ１０を閉状態とした場合は、エンジン本体２から排出される排気ガスは、外部へ排出される。
【００５５】
制御部３００は、排気口バルブ５、第１のバルブ９、第２のバルブ１０の開閉状態を制御することで、排気ガスの流れを制御することができる。
【００５６】
吸入口１１には、吸入口１１を介して排気ガスおよび外気がエンジン本体２へ送り込まれる直前に温度計１２が設けられている。温度計１２は、排気ガスおよび外気の混合ガスの温度を測定している。
【００５７】
エンジン本体２へ送り込まれる排気ガスおよび外気の混合ガスの温度は、有害ガスの排出量の低減とおよび燃費向上の両面が考慮されて決定されている。したがって、制御部３００は、温度計１２が計測する温度を観測しつつ、排気口バルブ５、第１のバルブ９、第２のバルブ１０を制御している。つまり、排気ガスを吸入口１１へ循環する場合、制御部３００は、第１のバルブ９および第２のバルブ１０の開く量を調節することで、バイパス通路７を介して吸入口１１へ循環する排気ガスの量と、冷却器７を介して吸入口１１へ循環する排気ガスの量をそれぞれ調節し、結果として、エンジン本体２へ送り込まれる外気の混合ガスの温度を制御している。
【００５８】
次に、冷却器８について、図３および図４を用いて説明する。図３は、冷却器８を示す外観図である。図４は、図３の冷却器８のＡ−Ａ断面図である。冷却器８は、排気通路６の任意の位置に、接続されている。冷却器８は、循環ガス吸入口８１、循環ガス排気口８２、循環ガス通路８３、冷却水吸入口８４、冷却水排出口８５、冷却水路８６、冷却水バイパス路８７が設けられている。
【００５９】
排気ガス吸入口８１は、排出口４から吸入口１１へ排気ガスを循環する方向に対して冷却器８の上流側であり、排気通路６から排気ガスが送り込まれる。排気ガス排気口８２は、排出口４から吸入口１１へ排気ガスを循環する方向に対して冷却器８の下流側であり、冷却器８で冷却された排気ガスを排気通路６へ排出する。
【００６０】
循環ガス通路８３は、冷却器８内で、排気ガス吸入口８１から送り込まれた排気ガスを循環ガス排気口８２へ導く筒状の通路である。
【００６１】
冷却水吸入口８４は、冷却器８を通過する排気ガスを冷却するための液体を冷却器８の内部に送り込む。冷却水排出口８５は、冷却器８を通過する排気ガスを冷却する液体を冷却器８の外部に排出する。冷却器８内では、冷却水吸入口８４から送り込まれた液体は、冷却水路８６を介して冷却水排出口８５から排出する。冷却水路８６は、例えば、筒状の循環ガス通路８３を同心で覆うように設けられている。そのため、循環ガス通路８３を通過する排気ガスは、冷却水路８６に送り込まれた液体によって冷却される。
【００６２】
冷却水バイパス路８７は、冷却水吸入口８４および冷却水排出口８５と接続している。冷却水バイパス路８７は、冷却水吸入口８４から送り込まれた液体について冷却水路８６を介することなく冷却水排出口８５から排出する。例えば、冷却水吸入口８４に図示しない切換弁が設けられており、制御部３００は、冷却するための液体を冷却水路８６に送り込むか冷却水バイパス路８７へ送り込むかを切り換えることができる。そのため、制御部３００は、温度計１２が計測する温度を観測しつつ、エンジン本体２に送り込まれる排気ガスおよび外気の混合ガスの温度が設定温度になるように、排気ガスを冷却するための水量を制御することもできる。
【００６３】
ここでは、エンジン本体２が排出した排気ガスを排出口４から吸入口１１へと循環させる冷却器８が設けられた排気通路６には、排気ガスを循環する方向に対して冷却器８の上流側と下流側をつなぐようにバイパス通路７が設けられている例について説明するが、バイパス通路７が設けられていないＥＧＲシステム３であっても同様である。
【００６４】
また、図４は、本発明の実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器について示している。循環ガス通路８３と冷却水路８６との間には、複数の熱電素子デバイス２０が設けられている。図５は、熱電素子デバイス２０について、縦方向の断面図である。
【００６５】
熱電素子デバイス２０は、低温側電極２０１、熱電素子２０２、低温側基板２０３、ケース２０４、高温側基板２０５、高温側電極２０６を有している。
【００６６】
図４及び図５に示すように、熱電素子デバイス２０のＸ側の高温側基板２０５側が循環ガス通路８３の壁面と接し、Ｙ側の低温側基板２０３が冷却水路８６の壁面と接している。
【００６７】
熱電素子２０２は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の対で構成されている。そして、熱電素子２０２が配列される位置に対応して配列された低温側に設けられた低温側電極２０１は、低温側基板２０３にアレイ状に配列されている。そして、低温側電極２０１側は、低温側基板２０３と接するように熱電素子デバイス２０を冷却するための冷却水路８６と接している。
【００６８】
低温側基板２０３は、熱電素子２０２と接続されている低温側電極２０１を電気的に絶縁するために電気的絶縁性を有する材料が用いられている。そして、熱電素子２０２の低温側基板２０３側は、冷却水路８６と熱的に接続している。
【００６９】
また、熱電素子デバイス２０は、複数の熱電素子２０２を外気から遮断するように筐体であるケース２０４を有している。ケース２０４は、複数の熱電素子２０２の周囲を取り囲む金属枠で構成され、低温側基板２０３と接続することで、複数の熱電素子２０２を密封している。ケース２０４は、複数の熱電素子２０２等からなる内部構成品を外気から遮断するとともに、ケース２０４の内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する。
【００７０】
不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンから選択されるガスからなることが好ましい。或いはこれらの混合ガスでもよい。これらの非酸化性の気体をケース２０４内に封入し、内部雰囲気を非活性とすることにより、半導体チップ等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱電素子デバイス２０が得られる。
【００７１】
また、熱電素子デバイス２０において、不活性ガス雰囲気の圧力が、常温で外気圧より低く設定されていることが好ましい。ケース２０４内の不活性ガス雰囲気の圧力を外気圧より低く設定することにより、高温時の内圧の上昇に伴う破損を防止するとともにケース２０４内の不活性ガス雰囲気中に水分が残留することが効果的に防止でき、水分による半導体チップの劣化損傷を効果的に抑止できる。さらに、ケース２０４内のガス雰囲気における熱伝導性が低下するために、熱電素子２０２からケース２０４方向に熱が放散することが防止でき、熱−電気変換効率を高めることができる。
【００７２】
ケース２０４を構成する金属は、例えばニッケル基合金のような耐熱合金もしくは耐熱金属から形成される。耐熱合金もしくは耐熱金属としては、高温度使用環境における耐久性の点から、ニッケル基合金の他、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金又はニッケル若しくは銅を含有する合金のいずれかより選択されることが好ましい。
【００７３】
熱電素子２０２は、低温側電極２０６との接触する側と逆側に高温側電極２０６が接触している。そして、高温側電極２０６と接触するように高温側基板２０５が設けられている。高温側基板２０５は、ケース２０４と接触して設けられ、高温側基板２０５と対向するように熱電素子デバイス２０を熱するための循環ガス通路８３と接している。
【００７４】
熱電素子２０２を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は、図５に示すように高温側電極２０６および低温側電極２０１によって直列接続されている。
【００７５】
熱電素子２０２は、図５に示す通り、互いに離間した対により構成されている。熱電素子４、ペルチェ効果、ゼーベック効果、又はトムソン効果といった熱電効果を有する熱電材料からそれぞれ構成される。このような材料の典型的なものとして、以下の熱電半導体、すなわち、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するＣｏＳｂ３基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物がある。
【００７６】
また、これらの混合物から熱電素子２０２を構成することもできる。さらに、これらの物質、化合物、又は混合物の接合体により、熱電素子２０２を構成してもよい。これらは、熱伝導率が比較的小さいという性質を有している。このため、これらの物質等から熱電素子２０２が構成される場合には、熱電素子２０２内での温度勾配が維持され易いため、熱電素子デバイス２０の性能が向上される。
【００７７】
また、これらの熱電半導体には、ｐ型電導及びｎ型電導といった２つの電導型がある。本実施形態のように、熱電素子２０２が対として構成される場合は、典型的には、この対の一方がｎ型電導性であり、他方がｐ型電導性である。
【００７８】
このような熱電素子デバイス２０は、低温側基板２０３と高温側基板２０５の温度差が大きいほど発生する電力は大きくなる。
【００７９】
排気通路２１を介して冷却器に送り込まれる排気ガスは高温であり、有害ガスの排出量の低減とおよび燃費向上の両面から、エンジン本体２に送り込まれる排気ガスおよび外気の混合ガスの温度は、数十度と設定されていることもある。
【００８０】
例えば、冷却器８の循環ガス通路８３を通過する排気ガスを冷却するために冷却水路８６に送り込まれる温度が２０度前後とする。熱電素子デバイス２０の高温側基板２０７側が、高温の排気が通過する循環ガス通路８３と接し、低温側基板２０５が２０度前後の液体が送り込まれる冷却水路８６と接している。このため、熱電素子デバイス２０の低温側基板２０３と高温側基板２０５には大きな温度差が生じるため、熱電素子デバイス２０によって、効率よく電力を発生させることができる。
【００８１】
また、冷却器８に設けられた循環ガス通路８３と冷却水路８６との間は、構造上の安定性を確保するための遊びとして、空間が設けられている。したがって、熱電素子デバイス２０を図４に示すように循環ガス通路８３と冷却水路８６との間に配置しても、熱電素子デバイス２０は薄い構造のため、循環ガス通路８３と冷却水路８６との間に設けられている空間に配置することが容易であり、冷却器８の大型化とはならない。冷却器８の循環ガス通路８３と冷却水路８６との間に図４に示すように複数の熱電素子デバイス２０を配置することで、多くの電力を発生させることができる。
【００８２】
したがって、車載された多くの電子機器、ＥＧＲシステム３に設けられた排出口バルブ５、冷却器８、第１のバルブ９、第２のバルブ１０、温度計１２およびこれらを制御する制御部３００に必要な電力の一部を発生させることができる。つまり、冷却器８の冷却水路８６に送り込まれた排気ガスを冷却するための液体が循環ガス通路８３を通過する排気ガスを冷却するときの熱エネルギを、熱電素子デバイス２０が電力を発生することで、回収することができる。
【００８３】
図３では、温度計１２が排気ガスおよび外気がエンジン本体２へ送り込まれる直前の吸入口１１に設けられている例を示している。
【００８４】
先にも述べたとおり、エンジン本体２へ送り込まれる排気ガスおよび外気の混合ガスの温度は、有害ガスの排出量の低減とおよび燃費向上の両面が考慮されて決定されているため、設定された正確な温度である必要がある。そのため、例えば、温度計１２が、冷却器８の下流側、バイパス通路７の任意の位置に設けられていることもある。
【００８５】
図１に示すように、ＥＧＲシステム３は、エンジン本体２およびその他の車両エンジンを構成する機器と近接しているため、エンジン本体２の駆動による振動で精密な計器である温度計１２が故障する可能性が高い。
【００８６】
そのため、図４に示すように循環ガス通路８３と冷却水路８６との間に配置され、これらの間の温度差によって熱電素子デバイス２０で発生する電力量は、熱電素子デバイス２０の間の温度差によって決まっているため、熱電素子デバイス２０で発生した電力を制御部３００が計測することで、正確な温度差を計測することができる。
【００８７】
図９は、制御部９による熱電素子デバイス２０で発生する電力量から熱電素子デバイス２０の間の温度差の算出、排出口バルブ５、第１のバルブ９、第２のバルブ１０の制御を説明する図である。
【００８８】
熱電素子デバイス２０が電力を発生すると、電力値情報が制御部３００へ送信される。制御部３００は、熱電素子デバイス２０に生じる温度差に対する発生電力量の関係情報を有している。そのため、制御部３００は、当該関係情報と熱電素子デバイス２０で発生した電力の電力値を比較して、熱電素子デバイス２０に生じる温度差情報を取得することができる。また、冷却水路８６に送り込まれた液体の温度は既知のため、制御部３００は、熱電素子デバイス２０で発生した電力から計測した温度差と冷却水路８６に送り込まれた液体の温度から、循環ガス通路８３を通過する排気ガスの温度を算出することができる。
【００８９】
また、制御部３００は、排気ガスが送り込まれる循環ガス吸入口８１付近に配置された熱電素子デバイス２０で発生した電力から算出した温度差から排気ガスの温度を算出することができる。また、制御部３００は、排気ガスを排出する循環ガス排出口８２付近に配置された熱電素子デバイス２０で発生した電力から算出した温度差から排気ガスの温度を算出することもできる。熱電素子デバイス２０を冷却器８に用いることで、制御部３００は、冷却器８を通過後の冷却された排気ガスの温度を、温度計１２を必要としないで算出することができる。そのため、コスト面、構造面で特別な温度測定の計器の設置を削減することができる。したがって、制御部３００は、冷却器８を通過する排気ガスの温度によって、駆動回路３０１によって排出口バルブ５、第１のバルブ９、第２のバルブ１０の開閉制御をし、エンジン本体２に送り込まれる排気ガスが設定された温度となるように調整することができる。
【００９０】
また、熱電素子デバイス２０は、循環ガス通路８３と冷却水路８６との間に配置されているため、構造面で外部からの振動が緩和される利点がある。
【００９１】
熱電素子デバイス２０は、上記説明したように、高温側基板２０５、高温側電極２０６に温度差が生じることで、電力を発生させている。これとは逆に、熱電素子デバイス２０に電流を流すと、熱電素子デバイス２０では、ペルチェ効果によって電子が移動し、発熱反応が起こる。そのため、冷却器８から排出される冷却された排気ガスの温度を微調整したい場合、または、ＥＧＲシステムの始動時等に制御部３００は、熱電素子デバイス２０に電流を流すことで、熱電素子デバイス２０は発熱反応が起こるため、排気ガスの温度を調整することができる。
【００９２】
制御部３００は、熱電素子デバイス２０の高温側基板２０５および高温側電極２０６に生じる温度差で発生じた電力を取得する制御と、熱電素子デバイス２０に電流を流すことで発熱反応が起こす制御は切換可能である。
【００９３】
したがって、冷却器８に設けられた循環ガス通路８３と冷却水路８６との間に熱電素子デバイス２０を設けることで、電力を取得と排気ガスの温度の微調整を効果的にすることができる。
【００９４】
制御部３００は、第１のバルブ９および第２のバルブ１０を開状態とした場合の開く量を調節することで、バイパス通路７を介して吸入口１１へ循環する排気ガスの量と、冷却器７を介して吸入口１１へ循環する冷却された排気ガスの量をそれぞれ調節することで、設定された温度となる排気ガスを得ている。制御部３００が第１のバルブ９および第２のバルブ１０を微妙に制御することよって排気ガスの温度を制御するのは、気体の流量の調整である点から、難しい面が多い。
【００９５】
熱電素子デバイス２０の発熱反応により排気ガスの温度を設定温度まで調整することは、熱電素子デバイス２０に流す電流と、それに対する発熱温度の関係は既知のため、微調整がしやすい利点がある。
【００９６】
上記のように、熱電素子デバイス２０を冷却器８に配置することで、設備の大型化を招くことなく、電力を得る装置となる。また、熱電素子デバイス２０を用いることで、排気ガスの温度を微調整することもできる。さらに、熱電素子デバイス２０に生じた電力の電力値から温度差を計測できるので、温度計測の機器を削減することもできる。
【００９７】
バイパス通路７が設けられていないＥＧＲシステム３であっても、熱電素子デバイス２０を冷却器８に配置することで電力の取得と排気ガスの温度の微調整を効果的にすることができる。この場合、ＥＧＲシステム３にバイパス通路７を設けなくても、熱電素子デバイス２０に流す電流の時間を制御することで、エンジン本体２に送り込まれる排気ガスの温度を所望の温度に調整することができる。しがたって、バイパス通路７を用いなくても、上記同様の効果をもたらすことができるのみならず、省スペースへの要求も満たすことができる。
【００９８】
車載用の車両エンジンに接続されたＥＧＲシステム３に熱電素子デバイス２０を配置した本発明の実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器について上記説明したが、車載用の車両エンジン以外にも、小型発電機用エンジン、工場またはプラントの常用発電機また非常用発電機のエンジン等、さまざまなエンジンに対して、ＥＧＲシステム３が接続されることで、本発明の実施形態に係る排出ガス再循環冷却発電器を用いることができる。この場合、エンジンの大きさ、性能等に応じた規模の冷却装置を必要とするため、冷却装置の大型化に伴って、熱電素子デバイス２０を多く設置することも可能となり、上記説明した効果をもたらすことができる。
【００９９】
以下に、上記説明した熱電素子デバイス２０の高温側基板２０５について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、図５に示す熱電モジュールについて、Ｘ側からＹ側に向かって見た高温側基板２０５のＩ−Ｉ断面図である。図６（ｂ）および図６（ｃ）は、高温側基板２０５および高温側電極２０６の側面断面図の拡大図である。図６（ｄ）は、Ｙ側からＸ側に向かって見た高温側基板２０５および高温側電極２０６のII−II断面図である。
【０１００】
図７に示すように、高温側基板２０５を図６に示す状態から図７に示すように分割溝２０９を設けることもできる。
【０１０１】
図７（ａ）は、図５に示す熱電素子デバイス２０について、Ｘ側からＹ側に向かって見た高温側基板２０５のＩ−Ｉ断面図である。図７（ｂ）および図７（ｃ）は、高温側基板２０５および高温側電極２０６の側面断面図の拡大図である。図７（ｄ）は、Ｙ側からＸ側に向かって見た高温側基板２０５および高温側電極２０６のII−II断面図である。
【０１０２】
高温側基板２０５は、高温側基板母材２０７と高温側基板補強材２０８を有している。高温側基板２０５は、熱電素子２０２と接続された高温側電極２０６とケース２０４の間に設けられている。
【０１０３】
高温側基板母材２０７は、高温側電極２０６を電気的に絶縁するため、電気的絶縁性を有し熱伝導性の高い材料（例えばセラミック）で構成されている。高温側基板補強材２０８は、高温側基板母材２０７とケース２０４の間に設けられている。高温側基板補強材２０８は、破損し易い高温側基板母材２０７を保護するために、例えば、弾性を有する金属が設けられている。熱電素子２０２の高温側基板２０５側は、ケース２０４および循環ガス通路８３と熱的に接続している。ここでは、高温側基板２０５は、高温側基板母材２０７と高温側基板補強材２０８を有している場合ついて説明するが、高温側基板２０５が高温側基板補強材２０８を有さず、高温側基板母材２０７のみであっても同様である。
【０１０４】
図７（ｄ）に示すように、高温側電極２０６は、高温側基板２０５の高温側基板母材２０７に複数配列されている。図７（ａ）は、図６（ａ）に示す高温側基板２０５を構成する高温側基板母材２０７および高温側基板補強材２０８に対して、Ｘ側からＹ側に向かう方向に、高温側基板母材２０７および高温側基板補強材２０８を分断するように分割溝２０９が設けられている。分割溝２０９は、分割溝２０９によって分割された複数の高温側基板２０５が連続とならないように、複数の高温側基板２０５を分割している。
【０１０５】
ここでは、高温側基板２０５の中心線沿って、分割２０９が２つ設けられている。これによって、高温側基板２０５は、構造的連続性を有しない４つの分割された高温側基板２０５に分割されている。高温側基板２０５の分割数は２以上であれば、十分に効果を得ることが可能である。本実施形態においては、高温側基板２０５を４分割にした場合を例に説明する。
【０１０６】
循環ガス通路８３には温度分布が生じるため、循環ガス通路８３を構成する部材は温度分布に対応した熱膨張を起こす。よって、循環ガス通路８３を構成する部材は変形を生じ、熱電素子デバイス２０は、その変形の影響を受けて、隙間の発生、内部構造物への応力の発生を招く。構造に生じた隙間は、熱伝導の低下並びに電気抵抗の増加を生じせしめ、熱電素子デバイス２０の性能を低下させる。
【０１０７】
ここで、高温側基板２０５を分割した構造とすることにより、分割された高温側基板２０５の各々を構造的に独立させることにより、循環ガス通路８３を構成する部材は、循環ガス通路８３を構成する部材のうち変形した箇所と対向する位置に設けられた分割された高温側基板２０５のそれぞれの部位の変形に追従して移動することが可能となる。
【０１０８】
すなわち、高温側基板２０５の高温側基板母材２０７および高温側基板補強材２０８を図７に示すように、例えば高温側基板２０５を４分割にすることにより、熱電素子デバイス２０が循環ガス通路８３の温度分布による局所的な変形を受ける高温側基板２０５の範囲を１／４に小さくすることができる。つまり、循環ガス通路８３の温度分布による局所的な変形が生じたとき、変形した箇所と対向する位置に設けられた分割された高温側基板２０５のみが影響を受けるのみで、残りの分割された高温側基板２０５は影響を受けない。
【０１０９】
そのため、循環ガス通路８３の温度分布により変形を受ける高温側基板２０５の領域を小さくすることにより、例えば、高温側基板２０５のＸ側からＹ側に沿った垂直方向の変位量も低減することができる。よって、循環ガス通路８３の温度分布による局所的な変形によって生じる隙間量、内部構造物（熱電素子２０２）への応力を低減することを可能とする。
【０１１０】
分割された高温側基板母材２０７または高温側基板補強材２０８を接合部材により接合することにより、高温側基板７の設置を一回で行うことを可能とし、熱電素子デバイス２０の組立て性の向上を図ることができる。
【０１１１】
接合部材としては、分割された高温側基板母材２０７、高温側基板補強材２０８と比べて同等または低い弾性を有する材料で構成されている。複数に分割された高温側基板２０５は、この接合部材によってそれぞれを接合することで構造的に連続性を有する。さらに、接合部材の材質、複数に分割された高温側基板２０５の接合の仕方によって、高温側基板部材２０５は、物性的弾性または構造的弾性のいずれか一つ以上の弾性特性を有することとなる。
【０１１２】
高温側基板２０５を分割する分割溝２０９が、熱電素子デバイス２０を組立てる際に高温側電極２０６と対向する位置に設けられている場合、隣り合う分割された高温側基板２０５同士を高温側電極２０６で接合することで、複数に分割された高温側基板２０５は、構造的連続性を有するようにすることもできる。高温側電極２０５が接合部材の替わりとなる。隣り合う分割された高温側基板２０５同士は、少なくとも１つ以上の高温側電極２０６で接合すればよい。
【０１１３】
また、接合部材を用いて、分割された高温側基板母材２０７を接合してもよい。ここで用いる接合部材は、例えば、０．１ｍｍ以下の厚さの薄箔材など、分割された高温側基板母材２０７、高温側基板補強材２０８より弾性が低い部材である。隣り合う分割された高温側基板２０５同士が、少なくとも１箇所以上で接合部材によって接合されている場合であってもよい。
【０１１４】
また、隣り合う高温側基板補強材２０８同士が構造的連続となるように設けてもよい。高温側基板２０６を構成する高温側基板補強材２０８は、高温側基板母材２０７と同様に分割せずに、高温側基板２０６が高温側基板補強材２０８によって構造的連続性を有するように高温側基板母材２０７の上面一帯に配置することもできる。このとき、高温側基板母材２０７に設けた分割溝２０９の全てを覆うように高温側基板補強材２０８を設けることができる。
【０１１５】
また、隣り合う高温側基板補強材２０８が、高温側基板母材２０７に設けた分割溝２０９に沿って等間隔で空孔を設けてもよい。つまり、隣り合う高温側基板補強材２０８同士が、少なくとも一箇所以上で構造的連続性を有すればよい。
【０１１６】
隣り合った高温側基板母材２０７上に設けられた高温側基板補強材２０８同士は、一体となった高温側基板補強材２０８であっても、高温側基板補強材２０８に用いられている材料、材質と同一もしくは同等の材料、材質であり、高温側基板母材２０７、高温側基板補強材２０８と比べて同等または低い弾性を有する別の接合部材で接合してもよい。
【０１１７】
ここでは、高温側基板２０５に分割溝２０８を設けたが、低温側基板２０１にも分割溝２０８を設けて低温側基板２０１を分割することもできる。
【０１１８】
上記説明したように、高温側電極２０６は、電極部材のみで構成された例を示したが、図８に示すように、高温側電極２０６について、電極部材２１０と、この電極部材２１０の下面と接するよう設けられる弾性部材２１１と、この弾性部材２１１に接するよう設けられる均熱効果を有する均熱部材２１２を用いてもよい。均熱部材２１２は、熱電素子２０２と接続している。
【０１１９】
弾性部材２１１は、高温側電極２０６の一部を構成しており、導電性を有している。また、弾性部材２１１は、所定の弾性を有し、特に、熱電素子２０２に比べて変形し易くなるように構成されると好ましい。
【０１２０】
均熱部材２１２は、高温側電極２０６の一部を構成し、導電性を有している。また、均熱部材２１２は、熱電素子２０２に比べて、高い熱伝導性を有するよう構成される。具体的には、均熱部材２１２は、金属箔などの薄い板材から構成される。また、均熱部材２１２は、弾性部材２１１が有する熱伝導性よりも高い熱伝導性を全体として有すると好ましい。
【０１２１】
ここで、均熱部材２１２は、均熱効果があると説明したが、材料の拡散を防止する機能を有するものであってもよい。
【０１２２】
熱電素子２０２は、高温側電極２０６の均熱部材２１２と接するように配置され、均熱部材２１２に対しては、接合も接着もされない。すなわち、熱電素子４は均熱部材２１２と接触するに留まる。低温側電極２０１は、半田などの接合材により、熱電素子４に対して接合されている。
【０１２３】
このように、熱電素子デバイス２０が動作中には、熱電素子デバイス２０内は、温度分布が生じている。この温度分布により、熱電素子デバイス２０内には、熱膨張係数の差による熱応力が生じている。
【０１２４】
本実施形態においては、弾性部材２１１が金属細線網などの編込線により構成され、熱電素子４が有する弾性よりも高く、電極部材２１０が有する弾性と同等か高い弾性を有しているため、熱応力を緩和することができる。言い換えると、弾性部材２１１は、電極部材２１０と熱電素子２０２との間の熱膨張係数の差により生じる熱応力を緩和する機能を有する。このため、熱応力により熱電素子デバイス２０内に生じ得る破損や、熱電素子２０２の劣化といった問題を解消することができる。なお、熱応力は、均熱部材２１２は熱電素子２０２に接触しているに過ぎず、両者は互いに偏倚することができるため、より緩和される。
【０１２５】
均熱部材２１２は、弾性部材２１１に接合又は接触し、かつ熱電素子２０２に接触し、しかも、これらよりも熱伝導性に優れるため、弾性部材２１１からの熱エネルギを均熱部材２１２の平面内で均熱化した上で、熱電素子２０２に伝達することができる。
【０１２６】
ここでは、高温側電極２０６が、電極部材２１０、弾性部材２１１、均熱部材２１２を有するとしたが、低温側電極２０１のみに、電極部材２１０、弾性部材２１１、均熱部材２１２を有するようにしても、高温側電極２０６と低温側電極２０１の両方が、電極部材２１０、弾性部材２１１、均熱部材２１２を有するようにしてもよい。高温側電極２０６と低温側電極２０１の両方が電極部材２１０、弾性部材２１１、及び均熱部材２１２を有することで、熱電素子２０２は、その上下端において均熱部材２１２と接している。したがって、その上下端において、熱膨張差により発生する熱応力がより緩和されるとともに、均熱性が向上するため、より大きな熱電変換効率が得られる。
【０１２７】
均熱部材２１２の形状として、板状を例示したが、熱電素子４と接する部分のみが平板状であれば、熱電素子２０２間に撓み部分を有するようにすることができる。このよう形状であっても、均熱部材２１２は、弾性部材２１１からの熱を均一にしてから熱電素子２０２へ伝達することができる。加えて、撓み部分が変形可能なため、均熱部材２１２は熱応力の緩和にも資する。
【０１２８】
本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明に係る排出ガス再循環冷却発電器が用いられる車両エンジンの外観を示す概略図。
【図２】本発明に係るＥＧＲシステムの模式図。
【図３】本発明に係るＥＧＲシステムに用いられる冷却器の概観図。
【図４】本発明に係るＥＧＲシステムに用いられる冷却器の断面図。
【図５】本発明に係る熱電素子デバイスの構造を示す図。
【図６】本発明に係る熱電素子デバイスの高温側基板の構造を示す図。
【図７】本発明に係る熱電素子デバイスの高温側基板の構造を示す図。
【図８】本発明に係る熱電素子デバイスの構造を示す図。
【図９】本発明に係るＥＧＲシステムの制御について示す図。
【符号の説明】
【０１３０】
１…過給機、２…エンジン本体、３…ＥＧＲシステム、４…排出口、５…排出口バルブ、６…排気通路、７…バイパス通路、８…冷却器、９…第１のバルブ、１０…第２のバルブ、１１…吸入口、１２…温度計、２０…熱電素子デバイス、８１…循環ガス吸入口、８２…循環ガス排気口、８３…循環ガス通路、８４…冷却水吸入口、８５…冷却水排出口、８６…冷却水路、８７…冷却水バイパス路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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