JP2019027395A - 排気熱回収ユニット及び排気熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替え可能な統合型排気熱回収ユニットを提供する。【解決手段】内燃機関から排出される排気と内燃機関へと流入する冷却媒体との温度差により発電する熱電発電装置と排気から回収した熱を冷却媒体に与える熱回収器とを備える排気熱回収ユニットにおいて、熱電発電装置及び熱回収器を共通のハウジング内に収納し、ハウジング内における冷却媒体の流路を冷却媒体が熱電発電装置に到達した後に熱回収器に到達するように構成し、排気の流れに対して熱電発電装置と熱回収器とを並列に配置する。上記排気熱回収ユニットと熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替える機構と当該機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替える制御装置とにより排気熱回収システムを構成する。【選択図】図２０

Description

本発明は、排気熱回収ユニット及び排気熱回収システムに関する。より具体的には、本発明は、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる排気熱回収ユニット及び排気熱回収システムに関する。

省エネルギーの観点から、例えば内燃機関等の熱源からの排熱を無駄にせず再利用することが従来検討されている。現時点において広く採用されている方法としては、例えば、内燃機関の冷却媒体を排熱によって加熱して暖機を促進させる熱回収器（ヒートコレクタ）及び排熱を電気へと変換する熱電発電装置等を挙げることができる。

より有効な排熱利用を目的として、熱回収器と熱電発電装置とを１つの排気熱回収ユニットとして統合し、内燃機関の排気管に介装することも検討されている。具体的には、例えば、排気の流れにおける上流側に熱回収器及び後流側に熱電発電装置が直列に配置された統合型排気熱回収ユニットが知られている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、このような配置においては、上流側にある熱回収器が下流側にある熱電発電装置よりも先に排気の熱を奪うため、熱電発電装置に到達する排気の温度が低くなり熱電発電装置における発電効率が低下する場合がある。

そこで、上記問題に対し、排気の流れにおける上流側に熱電発電装置及び下流側に熱回収器が直列に配置された統合型排気熱回収ユニットが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、このような配置においては、上流側にある熱電発電装置が下流側にある熱回収器よりも先に排気の熱を奪うため、熱回収器に到達する排気の温度が低くなり熱回収器における冷却媒体の加熱効率が低下する場合がある。

また、内燃機関の冷却媒体の温度が所定の温度（例えば、８０℃）以上になるとラジエータにおける放熱によって冷却媒体の温度を十分に低下させることが困難となり内燃機関を十分に冷却することが困難となる虞がある。このような場合、熱回収器による熱回収は実施せずに熱電発電装置による発電のみを実施することが望ましい。

上記のように、熱回収器及び熱電発電装置の両方を備える統合型排気熱回収ユニットにおいては、熱回収器及び熱電発電装置の両方を稼働させるべき場合のみならず、熱回収器及び熱電発電装置の何れか一方のみを稼働させるべき場合もある。しかしながら、上記のように熱回収器及び熱電発電装置が直列に配置されている統合型排気熱回収ユニット（以降、「直列統合型排気熱回収ユニット」と称される場合がある。）において熱回収器及び熱電発電装置の何れか一方のみを独立に稼働させることは困難である。

直列統合型排気熱回収ユニットにおいて熱回収器及び熱電発電装置への冷却媒体の供給を個別に切り替える機構（例えば、切替弁等）を設ければ、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることが可能となる。しかしながら、このような機構の追加はユニットの大型化及び複雑化に繋がり、ユニットの重量及び製造コストの増大を招く。

更に、熱電発電装置に到達する排気の温度が過度に高いと、熱電発電装置を構成する熱電変換素子の高熱源側と低熱源側との間の温度差が過大となり、当該熱電変換素子の破損に繋がる虞がある。このような場合、熱電発電装置への高温の排気の供給を停止することが望ましいが、直列統合型排気熱回収ユニットにおいては、熱電発電装置への排気の供給のみを個別に停止することは困難である。

勿論、熱回収器と熱電発電装置とを別個に設ければ、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを個別に切り替えることのみならず、熱電発電装置への排気の供給のみを個別に停止することもまた可能である。しかしながら、このように熱回収器と熱電発電装置とを別個に設けることは、統合型排気熱回収ユニットの更なる大型化、複雑化並びに重量及び製造コストの更なる増大を招く。

特開２０１６−１０２４４６号公報 特開２０１６−１０９０１８号公報

上述したように、当該技術分野においては、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる統合型排気熱回収ユニットが求められている。本発明は、このような要求に応えるために為されたものである。

上記に鑑みて、本発明に係る排気熱回収ユニット（以降、「本発明ユニット」と称される場合がある。）は、熱電発電装置と、熱回収器と、を備える統合型排気熱回収ユニットである。熱電発電装置は、内燃機関から排出される排気と内燃機関へと流入する冷却媒体との温度差により発電する。熱回収器は、内燃機関から排出される排気から回収した熱を冷却媒体に与える。本発明ユニットにおいて、熱電発電装置及び熱回収器は共通のハウジング内に収納されており、排気の流れに対して熱電発電装置と熱回収器とが並列に配置されている。ハウジング内における冷却媒体の流路である冷媒流路は、冷却媒体が熱電発電装置に到達した後に熱回収器に到達するように構成されている。

加えて、本発明に係る排気熱回収システム（以降、「本発明システム」と称される場合がある。）は、上述した本発明ユニットと、切り替え機構と、制御装置と、を備える排気熱回収システムである。切り替え機構は、本発明ユニットを構成する熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えるように構成された機構である。制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替えるように構成されている。

上記のように、本発明ユニットにおいては、排気の流れに対して熱電発電装置と熱回収器とが並列に配置されている。従って、上述した直列統合型排気熱回収ユニットに比べて、ユニットをより小型化すると共に、排気の圧力損失をより小さくすることができる。

また、直列統合型排気熱回収ユニットとは異なり、熱電発電装置及び熱回収器のうち上流側にある方が下流側にある方よりも先に排気の熱を奪うために下流側にある方に到達する排気の温度が低くなり下流側にある方における発電効率又は冷却媒体の加熱効率が低下するという問題を生ずる虞が無い。

更に、前述したように直列統合型排気熱回収ユニットにおいては、熱回収器及び熱電発電装置の両方へ排気が常に供給される。従って、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えるためには熱回収器及び熱電発電装置への冷却媒体の供給を個別に切り替える機構（例えば、切替弁等）を設ける必要がある。即ち、複雑な構成を有する冷却媒体の流路（冷媒流路）が必要であり、ユニットの大型化及び複雑化を招く。

一方、本発明ユニットにおいては、熱電発電装置と熱回収器とが排気の流れに対して並列に配置されている。従って、本発明ユニットによれば、熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替えることにより、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる。このため、本発明ユニットにおいては、熱回収器及び熱電発電装置への冷却媒体の供給を個別に切り替える機構を設ける必要が無い。その結果、上記のように、熱電発電装置及び熱回収器を収納するハウジング内において冷却媒体が熱電発電装置に到達した後に熱回収器に到達するように冷媒流路を構成することができる。換言すれば、本発明ユニットによれば、熱電発電装置及び熱回収器の両方に冷却媒体が常に供給されるような簡潔な構成を有する冷媒流路を採用することができるので、ユニットの大型化及び複雑化を回避することができる。

加えて、上記のような本発明ユニットと切り替え機構と制御装置とを備える排気熱回収システムである本発明システムにおいては、制御装置によって切り替え機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給をそれぞれ独立に切り替えることができる。従って、本発明ユニット及び本発明システムによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

本発明の第１実施形態に係る排気熱回収ユニット（第１ユニット）の構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。 第１ユニットの構成のもう１つ具体例を示す模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係る排気熱回収システム（第３システム）の構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。 第３システムの構成のもう１つ具体例を示す模式的な断面図である。 本発明の第４実施形態に係る排気熱回収システム（第４システム）の構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。 第４システムの構成のもう１つ具体例を示す模式的な断面図である。 本発明の第５実施形態に係る排気熱回収システム（第５システム）の構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。 第５システムの構成のもう１つ具体例を示す模式的な断面図である。 本発明の第６実施形態に係る排気熱回収システム（第６システム）の構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。 第６システムの構成のもう１つ具体例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施例１に係る排気熱回収ユニット（第１実施例ユニット）の使用時の姿勢における上面図（平面図）である。 第１実施例ユニットを排気の流れの上流側から見たときの正面図である。 第１実施例ユニットを排気の流れに対して右側から見たときの側断面図である。 図１１に示した線Ａ−Ａを含む平面による第１実施例ユニットの断面図である。 本発明の実施例２に係る排気熱回収システム（第２実施例システム）の使用時の姿勢における模式的な断面図である。 第２実施例システムにおける排気の供給流路の切り替え状態の１つの例を示す模式的な断面図である。 第２実施例システムにおける排気の供給流路の切り替え状態のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施例２の変形例に係る排気熱回収ユニット（第２実施例ユニットの変形例）の使用時の姿勢における模式的な断面図である。 第２実施例システムの変形例における排気の供給流路の切り替え状態の１つの例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施例３に係る排気熱回収システム（第３実施例システム）の使用時の姿勢における模式的な断面図である。 第３実施例システムにおける排気の供給流路の切り替え状態の１つの例を示す模式的な断面図である。 第３実施例システムにおける排気の供給流路の切り替え状態のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 第３実施例システムにおける排気の供給流路の切り替え状態の更にもう１つの例を示す模式的な断面図である。

《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係る排気熱回収ユニット（以降、「第１ユニット」と称される場合がある。）について説明する。

第１ユニットは、熱電発電装置と、熱回収器と、を備える統合型排気熱回収ユニットである。熱電発電装置は、内燃機関から排出される排気と内燃機関へと流入する冷却媒体との温度差により発電する。このような熱電発電装置の構成は、排気と冷却媒体との温度差により発電することが可能である限り、特に限定されない。熱電発電装置の構成の具体例としては、例えば、ゼーベック効果による熱電変換素子の接合点の一方を高熱源（排気）と、他方を低熱源（冷却媒体）と、それぞれ熱伝導可能に配設し、両者の間に電位差を生じさせることにより、熱エネルギーを電力エネルギーに変換する構成を挙げることができる。

更に、熱電変換素子の高熱源側の接合点と排気との間及び／又は熱電変換素子の低熱源側の接合点と冷却媒体との接触面積を増大させて、これらの間での熱交換を促進することを目的として、排気の流路の内側及び／又は熱電変換素子の低熱源側の接合点と熱伝導可能な位置にフィン等を設けてもよい。

熱回収器は、内燃機関から排出される排気から回収した熱を内燃機関へと流入する冷却媒体に与える。このような熱回収器の構成は、排気から回収した熱を冷却媒体に与えることが可能である限り、特に限定されない。熱回収器の具体例としては、例えば、所定の流路（例えば、管等）の内側を流れる排気から当該流路の外側を流れる冷却媒体へと、当該流路を画定する部材（例えば、管壁等）を介して、熱を移動させる熱交換器等を挙げることができる。逆に、所定の流路の内側を冷却媒体が流れ、当該流路の外側を排気が流れるようにしてもよい。更に、所定の流路を画定する部材と排気及び／又は冷却媒体との接触面積の増大を目的として当該流路の外側及び／又は内側にフィン等を設けてもよい。

第１ユニットにおいて、熱電発電装置及び熱回収器は共通のハウジング内に収納されている。ここで言う「共通のハウジング」とは、当該ハウジングの内部空間が１つの連続的な空間であることを意味する。従って、当該ハウジングは、熱電発電装置及び熱回収器の両方を収納する単一の容器によって構成されていてもよい。或いは、当該ハウジングは、例えば、冷却媒体の流れを過度に妨げない限り、熱電発電装置及び熱回収器をそれぞれ収納する別個の容器からなり且つこれら別個の容器の内部空間が互いに連通するように構成されていてもよい。

内燃機関へと流入する冷却媒体を上記ハウジングの内部空間を介して循環させることにより、熱電発電装置及び熱回収器の両方に冷却媒体を常に供給して、熱電発電装置及び熱回収器の両方から冷却媒体が常に受熱することが可能な冷媒流路を容易に構成することができる。また、回収器及び熱電発電装置への冷却媒体の供給を個別に切り替える機構（例えば、切替弁等）を必要としないので、ユニットの大型化及び複雑化を回避することができる。

また、排気の流れに対して熱電発電装置と熱回収器とが並列に配置されている。ここで言う「排気の流れに対して並列に配置されている」構成は、内燃機関から排出される排気が、熱電発電装置及び熱回収器の何れか一方に供給された後に残る他方に供給される「排気の流れに対して直列に配置されている」構成ではなく、内燃機関から排出される排気を熱電発電装置及び熱回収器の両方に分けて同時に供給することが可能な構成を意味する。

上記のように、第１ユニットにおいては、排気の流れに対して熱電発電装置と熱回収器とが並列に配置されている。従って、前述した直列統合型排気熱回収ユニットに比べて、ユニットをより小型化すると共に、排気の圧力損失をより小さくすることができる。更に、直列統合型排気熱回収ユニットとは異なり、熱電発電装置及び熱回収器のうち上流側にある方が下流側にある方よりも先に排気の熱を奪うために下流側にある方に到達する排気の温度が低くなり下流側にある方における発電効率又は冷却媒体の加熱効率が低下するという問題が生ずる虞が無い。

加えて、詳しくは後述するように熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替える機構と組み合わせることにより、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる。このため、前述したように、第１ユニットにおいては、熱回収器及び熱電発電装置への冷却媒体の供給を個別に切り替える機構を設ける必要が無い。従って、第１ユニットによれば、ユニットの大型化及び複雑化を回避することができる。

更に、ハウジング内における冷却媒体の流路である冷媒流路は、冷却媒体が熱電発電装置に到達した後に熱回収器に到達するように構成されている。このような冷媒流路の構成は、冷却媒体が熱電発電装置に到達した後に熱回収器に到達することが可能である限り、特に限定されない。冷媒流路の具体例としては、例えば、ハウジング内に導入された冷却媒体を熱電発電装置における冷却媒体の流路（低熱源側）に導いた後に熱回収器における冷却媒体の流路に導き、その後にハウジングから冷却媒体を導出するように構成された配管等を挙げることができる（後述する図１を参照）。

或いは、ハウジングの内面と熱電発電装置及び熱回収器の外面との間の空隙並びに熱電発電装置の外面と熱回収器の外面との間の空隙を冷媒流路とし、熱電発電装置に近い位置から冷却媒体をハウジング内へと冷却媒体を導入し、熱回収器に近い位置から冷却媒体をハウジング外へと導出するようにしてもよい（後述する図２を参照）。

上記によれば、例えばラジエータにおける放熱等によって冷却された冷却媒体が、熱回収器よりも先に熱電発電装置に到達するので、熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差を大きくすることができ、結果として熱電発電装置による発電効率を高めることができる。このようにして熱電発電装置における発電に利用された冷却媒体の温度はある程度上昇するが、当該冷却媒体が熱電発電装置の後に到達する熱回収器においては内燃機関から排出された非常に高い温度を有する排気と当該冷却媒体との間において熱交換が実施される。従って、熱回収器における排気と冷却媒体との温度差は依然として大きいので、熱回収器において十分に大きい熱量を排気から冷却媒体に与えることができる。即ち、熱回収器において十分に高い熱回収効率を達成することができる。

以上のように、第１ユニットによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる。

ここで、図面を参照しながら第１ユニットの構成について説明する。図１は第１ユニットの構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。図１に示す第１ユニット１０１は、熱電発電装置１０と、熱回収器２０と、を備える統合型排気熱回収ユニットである。熱電発電装置１０は、内燃機関（図示せず）から排出される排気と内燃機関へと流入する冷却媒体との温度差により発電する。熱回収器２０は、内燃機関から排出される排気から回収した熱を内燃機関へと流入する冷却媒体に与える。

第１ユニット１０１において、熱電発電装置１０及び熱回収器２０は共通のハウジング３０内に収納されている。また、排気の流れに対して熱電発電装置１０と熱回収器２０とが並列に配置されている。図１に示した例においては、熱電発電装置１０に排気を供給する排気流路１１と、熱回収器２０に排気を供給する排気流路２１と、が並列に配設されている。尚、図１において排気の流れは白抜きの矢印によって示されている。

ハウジング３０内における冷却媒体の流路である冷媒流路３１は、斜線が施された領域によって表されている。即ち、ハウジング３０内における冷却流路３１は、冷却媒体が熱電発電装置１０に到達した後に熱回収器２０に到達するように構成されている。より具体的には、図１において斜線が施された矢印によって表されているように、冷却媒体はハウジング３０の下部からハウジング３０内に導入され、熱電発電装置１０を構成する熱電変換素子１２（黒塗りの四角形）の内側（高熱源側）に配設された排気流路１１とは反対側（低熱源側）に形成された空間を通過した後、熱回収器２０の内側に配設された排気流路２１の周囲に形成された空間を通過し、ハウジング３０の上部からハウジング３０外に導出される。

尚、図１に示した例においては、上記のようにハウジング３０内に独立して形成された冷却媒体の流路（配管）により、ハウジング３０内に導入された冷却媒体を熱電発電装置１０に導いた後に熱回収器２０に導き、その後にハウジング３０から導出している。

しかしながら、図２に示す第１ユニット１０２のように、ハウジング３０の内面と熱電発電装置１０及び熱回収器２０の外面との間の空隙並びに熱電発電装置１０の外面と熱回収器２０の外面との間の空隙を冷媒流路とし、熱電発電装置１０に近い位置から冷却媒体をハウジング３０内へと導入し、熱回収器２０に近い位置から冷却媒体をハウジング３０外へと導出するようにしてもよい。図２に示した例においては、排気流路１１と熱電変換素子１２とその周囲の空隙を含む領域（破線によって囲まれる領域）が熱電発電装置１０に該当し、排気流路２１とその周囲の空隙を含む領域（点線によって囲まれる領域）が熱回収器２０に該当する。

尚、上述した図１及び図２に示した構成はあくまでも第１ユニットの構成の模式的な例示に過ぎず、各構成要素の配置並びに排気及び冷却媒体の流れる方向等、第１ユニットの構成の詳細については、上述した構成要件を満たす限り、これらの例示に限定されない。

例えば、上述した図１及び図２においては、本発明に関する理解を容易にすることを目的として、熱電発電装置１０が１つの排気流路１１を備え且つ熱回収器２０が１つの排気流路２１を備える構成を例示したが、熱電発電装置１０及び／又は熱回収器２０が複数の排気流路を備えていてもよい。また、熱電発電装置１０における熱電変換素子１２の数及び配置についても、熱電発電装置１０の構成に応じて種々の組み合わせを採用することができる。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る排気熱回収ユニット（以降、「第２ユニット」と称される場合がある。）について説明する。

第２ユニットは、当該排気熱回収ユニットの使用時の姿勢にあるハウジング内において、冷却媒体が鉛直方向における下側からハウジング内に導入され、鉛直方向における上側から導出されるように、冷媒流路が構成されている点を除き、上述した第１ユニットと同様の構成を有する排気熱回収ユニットである。ここで言う「排気熱回収ユニットの使用時の姿勢」とは、例えば、車両に搭載された内燃機関からの排気熱の回収を目的として第２ユニットが使用される場合においては、当該車両に搭載された第２ユニットの姿勢（配設状態）を意味する。

上記により、熱電発電装置及び／又は熱回収器における受熱により冷却媒体から蒸気が発生した場合においても、当該蒸気が鉛直方向における上側からハウジング外へと容易に排出される。従って、冷媒流路内に滞留した当該蒸気の圧力が過度に上昇して例えば冷却流路の破損等の問題に繋がる虞を低減することができる。

更に、第２ユニットにおいては、熱電発電装置は鉛直方向における下側に、熱回収器は鉛直方向における上側に配置されている。一方、上記のように、冷媒流路は、冷却媒体が鉛直方向における下側からハウジング内に導入され、鉛直方向における上側から導出されるように構成されている。即ち、第２ユニットにおいても、冷却媒体は、熱電発電装置に到達した後に熱回収器に到達する。

上記により、第２ユニットにおいても、第１ユニットと同様に、熱電発電装置による発電効率を高めると共に、熱回収器において十分に高い熱回収効率を達成することができる。

尚、第１ユニット１０１に関する説明において述べた通り、図１及び図２に示した例においては、冷却媒体は、鉛直方向における下側からハウジング３０内に導入され、鉛直方向における上側から導出される。従って、図１及び図２に例示した構成は、第２ユニットの構成要件を満たしている。

《第３実施形態》
以下、本発明の第３実施形態に係る排気熱回収システム（以降、「第３システム」と称される場合がある。）について説明する。

第３システムは、上述した第１ユニット及び第２ユニットを始めとする本発明に係る排気熱回収ユニット（本発明ユニット）と、切り替え機構と、制御装置と、を備える排気熱回収システムである。

切り替え機構は、排気熱回収ユニットを構成する熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えるように構成された機構である。このような切り替え機構の構成は、熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えることが可能である限り、特に限定されない。切り替え機構の具体例としては、例えば、熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給流路にそれぞれ介装された弁及び当該供給流路の熱電発電装置及び熱回収器への分岐部に介装された三方弁等を挙げることができる。また、これらの弁は、例えば電動機等のアクチュエータによって開閉を切り替えたり、開度を調整したりすることができる。

制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替えるように構成されている。このような制御装置の構成は、切り替え機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替えることが可能である限り、特に限定されない。制御装置の具体例としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びインタフェース等を含むマイクロコンピュータを主要構成部品として有する電子制御回路（ＥＣＵ）等を挙げることができる。ＣＰＵは、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたインストラクション（ルーチン）を実行することにより、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて切り替え機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替える。

以上のように、第３システムによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替えることができる。

ここで、図面を参照しながら第３システムの構成について説明する。図３は第３システムの構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。図３に示す第３システム３０１は、第１ユニット１０１と、切り替え機構４０と、制御装置（ＥＣＵ）５０と、を備える排気熱回収システムである。第１ユニット１０１の構成については図１を参照しながら既に上述したので、ここでは説明を繰り返さない。

切り替え機構４０は、第１ユニット１０１を構成する熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替える。図３に示した例における切り替え機構４０は、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の熱電発電装置１０及び熱回収器２０への分岐部に介装されたロータリー型三方弁として構成されている。内部に排気の流路が形成されたロータ４１（流路部分が白抜きになっている黒い円）をアクチュエータとしての電動機（図示せず）によって回転させることにより、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えることができる。

具体的には、ロータ４１が図３の（ａ）に示す状態にある場合、熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方への排気の供給流路が開いているので、熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方へ排気を供給することができる。ロータ４１が（ｂ）に示す状態にある場合、熱電発電装置１０への排気の供給流路のみが開いているので、熱電発電装置１０のみに排気を供給することができる。ロータ４１が（ｃ）に示す状態にある場合、熱回収器２０への排気の供給流路のみが開いているので、熱回収器２０のみに排気を供給することができる。

尚、上述したように、切り替え機構４０の構成は上記に限定されず、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えることが可能である限り、特に限定されない。例えば、上記のようなロータリー型三方弁に代えて、仕切板状の弁体を所定の軸の周りに回転させる単純な構造を採用してもよい。或いは、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路にそれぞれ個別の弁を介装してもよい。この場合の弁の方式も特に限定されず、例えば仕切弁及びバタフライ弁等、種々の方式から適宜選択することができる。

制御装置５０は、切り替え機構４０を制御して熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給を切り替える。図３に示した例においては、制御装置５０は、ロータ４１を回転させるアクチュエータとしての電動機（図示せず）への電源供給を制御して、ロータ４１を所定の回転位置に回転させることにより、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の開閉を切り替えることができる。

次に、図４は第３システムの構成のもう１つの具体例を示す模式的な断面図である。図４に示す第３システム３０２は、第１ユニット１０２と、切り替え機構４０と、制御装置（ＥＣＵ）５０と、を備える排気熱回収システムである。第１ユニット１０２の構成については図２を参照しながら既に上述したので、ここでは説明を繰り返さない。

第３システム３０２においては、切り替え機構４０として、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の熱電発電装置１０及び熱回収器２０への分岐部において所定の軸の周りに回転可能に配設された仕切板状の弁体４２を備える切り替え弁を採用している。弁体４２をアクチュエータとしての電動機（図示せず）によって回転させることにより、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えることができる。

具体的には、弁体４２が図４の（ａ）に示す状態にある場合、熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方への排気の供給流路が開いているので、熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方へ排気を供給することができる。弁体４２が（ｂ）に示す状態にある場合、熱電発電装置１０への排気の供給流路のみが開いているので、熱電発電装置１０のみに排気を供給することができる。弁体４２が（ｃ）に示す状態にある場合、熱回収器２０への排気の供給流路のみが開いているので、熱回収器２０のみに排気を供給することができる。

尚、上述した図３及び図４に示した構成はあくまでも第３システムの構成の模式的な例示に過ぎず、各構成要素の配置、排気及び冷却媒体の流れる方向、並びに制御装置によって実行される制御の具体的内容等、第３システムの構成及び動作の詳細については、上述した構成要件を満たす限り、これらの例示に限定されない。

《第４実施形態》
以下、本発明の第４実施形態に係る排気熱回収システム（以降、「第４システム」と称される場合がある。）について説明する。

上述したように、第３システムによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替えることができる。

第４システムは、その時々の内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態を所定の検出手段によって検出し、その結果に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、制御装置によって自動的に、それぞれ独立に切り替えることができるように構成される。

具体的には、第４システムは、温度検出手段と、電力検出手段と、を更に備える点を除き、上述した第３システムと同様の構成を有する排気熱回収システムである。温度検出手段は、内燃機関から流出する冷却媒体の温度である冷媒温度を検出するように構成されている。このような温度検出手段の構成は、冷媒温度を検出することが可能である限り、特に限定されない。温度検出手段の具体例としては、例えば、サーミスター等の温度センサ等を挙げることができる。尚、温度検出手段は、必ずしも冷媒温度自体を検出する必要は無く、冷媒温度と相関関係を有する温度を検出し、検出された温度を制御装置によって冷媒温度に換算するようにしてもよい。或いは、検出された温度に基づいて後述する制御を実行するようにしてもよい。

電力検出手段は、熱電発電装置によって発電される電力である発電電力を検出するように構成されている。このような電力検出手段の構成は、発電電力を検出することが可能である限り、特に限定されない。電力検出手段の具体例としては、例えば、熱電発電装置の出力電圧を検出する電圧センサと出力電流を検出する電流センサとの組み合わせ等を挙げることができる。これによれば、検出された出力電圧及び出力電流に基づいて制御装置によって発電電力を算出することができる。

更に、第４システムにおいて、制御装置は、以下に列挙する（１）乃至（４）に示す制御を実行するように構成されている。

（１）冷媒温度が所定の下限温度未満であると判定される場合は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を開く。ここで言う「所定の下限温度」としては、例えば、内燃機関の暖機が不要であると判断される冷媒温度の最低温度を採用することができる。換言すれば、良好な運転効率を達成し得る内燃機関の最低温度に対応する冷媒温度を所定の下限温度として設定することができる。このような下限温度に冷媒温度が到達していない（即ち、冷媒温度が下限温度未満である）場合、熱回収器による熱交換（熱回収）を実施して冷媒温度を高めることが望ましい。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を開き、熱回収器による熱交換を実施する。

（２）冷媒温度が所定の上限温度以上であると判定される場合は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を閉じ且つ熱電発電装置への排気の供給流路を開く。ここで言う「所定の上限温度」としては、例えば、ラジエータにおける放熱によって冷却媒体の温度を十分に低下させることが困難となり内燃機関を十分に冷却することが困難となる虞があると判断される冷却媒体の最低温度（例えば、８０℃）を採用することができる。このような上限温度に冷媒温度が到達している（即ち、冷媒温度が上限温度以上である）場合、熱回収器による熱交換（熱回収）を停止して冷媒温度の更なる上昇を低減することが望ましい。

そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を閉じる。このとき熱電発電装置への排気の供給流路が閉じている場合、内燃機関から排出される排気の排出経路が遮断されてしまう。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を開く。当然のことながら、このとき熱電発電装置への排気の供給流路が既に開いている場合は、制御装置によって熱電発電装置への排気の供給流路を改めて開く必要は無い。

（３）冷媒温度及び発電電力に基づき、熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差未満であると判定される場合は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を開く。上記「熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差」は、冷媒温度及び発電電力に基づいて制御装置によって算出することができる。具体的には、例えば、熱電発電装置を構成する熱電変換素子の高熱源側と低熱源側との間の温度差を検出する検出手段を備える実験用の熱電発電装置を用意し、当該熱電発電装置を用いて上記温度差と発電電力との対応関係を様々な冷媒温度において予め求めておく。そして、実際の制御の実行時には、上述した温度検出手段によって検出される冷媒温度及び上述した電力検出手段によって検出される発電電力から上記対応関係に基づいて上記温度差を特定することができる。

また、ここで言う「所定の上限温度差」としては、例えば、熱電発電装置を構成する熱電変換素子の高熱源側と低熱源側との間の温度差によって生ずる熱電変換素子の高熱源側と低熱源側との間の熱変形量の違い等に起因する熱電変換素子の破損が発生する上記温度差の最小値を採用することができる。このような最小値は第４システムを構成する熱電発電装置を用いる事前実験等によって予め求めておくことができる。

このような上限温度差に上記温度差が到達していない（即ち、上記温度差が所定の上限温度差未満である）場合、熱電発電装置による熱電変換を実施しても上記のような熱電変換素子の破損が発生する可能性は低い。従って、この場合、省エネルギーの観点からは、熱電発電装置による熱電変換を実施することが望ましい。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を開き、熱電発電装置による熱電変換を実施する。

（４）上記温度差が上記上限温度差以上であると判定される場合は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を閉じ且つ熱回収器への排気の供給流路を開く。上記上限温度差に上記温度差が到達している（即ち、上記温度差が上限温度差以上である）場合、熱電発電装置への排気の供給を実施又は継続すると、上記のような熱電変換素子の破損が発生する可能性が高い。従って、この場合、熱電発電装置への排気の供給を停止して上記温度差の更なる増大を低減することが望ましい。

そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を閉じる。このとき熱回収器への排気の供給流路が閉じている場合、内燃機関から排出される排気の排出経路が遮断されてしまう。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を開く。当然のことながら、このとき熱回収器への排気の供給流路が既に開いている場合は、制御装置によって熱回収器への排気の供給流路を改めて開く必要は無い。

以上のように、第４システムによれば、その時々の内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態を所定の検出手段によって検出し、その結果に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、制御装置によって自動的に、それぞれ独立に切り替えることができる。

ここで、図面を参照しながら第４システムの構成について説明する。図５は第４システムの構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。図５に示す第４システム４０１は、温度検出手段５１及び電力検出手段５２を更に備える点並びにこれらの検出手段による検出結果に応じて熱電発電装置１０による熱電変換及び熱回収器２０による熱交換の実施と非実施とを自動的且つ独立に切り替えるように制御装置５０が構成されている点を除き、図３を参照しながら上述した第３システム３０１と同様の構成を有する。従って、以下の説明においては、第３システム３０１との相違点に着目して、第４システム４０１について説明する。

温度検出手段５１は、図示しない内燃機関から流出する冷却媒体の温度である冷媒温度を検出するように構成されている。電力検出手段５２は、熱電発電装置１０によって発電される電力である発電電力を検出するように構成されている。制御装置５０は、切り替え機構４０を制御して、上述した（１）乃至（４）に示す制御を実行する。具体的には、制御装置５０は、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の分岐部に介装されたロータリー型三方弁のアクチュエータとしての電動機（図示せず）を制御してロータ４１を回転させることにより、以下の（１’）乃至（４’）に列挙する制御を実行する。

（１’）冷媒温度が所定の下限温度未満であると判定される場合は、切り替え機構４０を制御して熱回収器２０への排気の供給流路を開く（図５の（ａ）又は（ｃ）を参照）。
（２’）冷媒温度が所定の上限温度以上であると判定される場合は、切り替え機構４０を制御して熱回収器２０への排気の供給流路を閉じ且つ熱電発電装置１０への排気の供給流路を開く（図５の（ｂ）を参照）。
（３’）冷媒温度及び発電電力に基づき、熱電発電装置１０における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差未満であると判定される場合は、切り替え機構４０を制御して熱電発電装置１０への排気の供給流路を開く（図５の（ａ）又は（ｂ）を参照）。
（４’）温度差が上限温度差以上であると判定される場合は、切り替え機構４０を制御して熱電発電装置１０への排気の供給流路を閉じ且つ熱回収器２０への排気の供給流路を開く（図５の（ｃ）を参照）。

ロータ４１が図５の（ｄ）に示す状態にある場合、即ち、熱電発電装置１０への排気の供給流路及び熱回収器２０への排気の供給流路の両方が閉じられている場合、内燃機関から排出される排気の排出経路が遮断されてしまう。従って、制御装置５０は、上記（１’）乃至（４’）に示したように、ロータ４１が図５の（ｄ）に示す状態にはならないように、切り替え機構４０を制御する。

次に、図６は第４システムの構成のもう１つの具体例を示す模式的な断面図である。図６に示す第４システム４０２は、温度検出手段５１及び電力検出手段５２を更に備える点並びにこれらの検出手段による検出結果に応じて熱電発電装置１０による熱電変換及び熱回収器２０による熱交換の実施と非実施とを自動的且つ独立に切り替えるように制御装置５０が構成されている点を除き、図４を参照しながら上述した第３システム３０２と同様の構成を有する。また、第４システム４０２が備える制御装置５０が実行する制御は、上述した（１）乃至（４）及び（１’）乃至（４’）に列挙する制御と同様である。従って、第４システム４０２の構成及び第４システム４０２が備える制御装置５０が実行する制御についての説明は割愛する。

尚、第４システム４０２においては、第３システム３０２と同様に、切り替え機構４０として、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の分岐部において所定の軸の周りに回転可能に配設された仕切板状の弁体４２を備える切り替え弁を採用している。従って、第４システム４０１とは異なり、熱電発電装置１０への排気の供給流路及び熱回収器２０への排気の供給流路の両方が閉じられてしまって内燃機関から排出される排気の排出経路が遮断されてしまう虞は無い。

尚、上述した図５及び図６に示した構成はあくまでも第４システムの構成の模式的な例示に過ぎず、各構成要素の配置、排気及び冷却媒体の流れる方向、並びに制御装置によって実行される制御の具体的内容等、第４システムの構成及び動作の詳細については、上述した構成要件を満たす限り、これらの例示に限定されない。

《第５実施形態》
以下、本発明の第５実施形態に係る排気熱回収システム（以降、「第５システム」と称される場合がある。）について説明する。

上述したように、冷媒温度が所定の上限温度以上であると判定される場合は、熱回収器への排気の供給流路を閉じて熱回収器への排気の供給を停止することが望ましい。また、熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差以上であると判定される場合は、熱電発電装置への排気の供給流路を閉じて熱電発電装置への排気の供給を停止することが望ましい。

従って、冷媒温度が所定の上限温度以上であり且つ熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差以上であると判定される場合は、熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を閉じることが望ましい。しかしながら、上述した第３システム及び第４システムにおいて熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を閉じると、内燃機関から排出される排気の排出経路が遮断されてしまう。

そこで、第５システムにおいては、排気熱回収ユニットを経由しない排気の流路であるバイパス流路が更に設けられ、切り替え機構を制御して熱電発電装置、熱回収器及びバイパス流路への排気の供給を切り替えるように制御装置が構成されている点を除き、上述した第３システムと同様の構成を有する排気熱回収システムである。

具体的には、第５システムは、本発明に係る排気熱回収ユニット（本発明ユニット）を経由しない排気の流路であるバイパス流路を更に備える。このようなバイパス流路は、第５システムに含まれる本発明ユニットが備える熱電発電装置及び熱回収器との熱の授受を実質的に伴わずに排気を排出することができる排気の流路である限り、特に限定されない。

更に、第５システムにおいては、排気熱回収ユニットを構成する熱電発電装置及び熱回収器並びにバイパス流路への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えるように、切り替え機構が構成されている。このような切り替え機構の構成は、熱電発電装置への排気の供給流路、熱回収器への排気の供給流路及び上記バイパス流路への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えることが可能である限り、特に限定されない。切り替え機構の具体例としては、第３システムについて上述したように、例えば、熱電発電装置、熱回収器及びバイパス流路への排気の供給流路にそれぞれ介装された弁及び当該供給流路の熱電発電装置、熱回収器及びバイパス流路への分岐部に介装された四方弁等を挙げることができる。また、これらの弁は、例えば電動機等のアクチュエータによって開閉を切り替えたり、開度を調整したりすることができる。

加えて、切り替え機構を制御して熱電発電装置、熱回収器及びバイパス流路への排気の供給を切り替えるように、制御装置が構成されている。このような制御装置の構成は、切り替え機構を制御して熱電発電装置、熱回収器及びバイパス流路への排気の供給を切り替えることが可能である限り、特に限定されない。制御装置の具体例としては、例えば、上述したような電子制御回路（ＥＣＵ）等を挙げることができる。ＥＣＵを構成するＣＰＵは、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたインストラクション（ルーチン）を実行することにより、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて切り替え機構を制御して熱電発電装置及び熱回収器への排気の供給を切り替える。

以上のように、第５システムによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替えることができる。加えて、第５システムによれば、冷媒温度が所定の上限温度以上であり且つ熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差以上であると判定される場合等において熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を閉じても、内燃機関から排出される排気の排出経路をバイパス流路によって確保することができる。

ここで、図面を参照しながら第５システムの構成について説明する。図７は第５システムの構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。図７に示す第５システム５０１は、以下の点を除き、図３を参照しながら上述した第３システム３０１と同様の構成を有する。

第５システム５０１は、第１ユニット１０１を経由しない排気の流路であるバイパス流路６０を更に備える。図７に示した例においては、バイパス流路６０は、図示しない内燃機関から排出される排気が流れる流路が内部に形成された排気管である。熱電発電装置１０に排気を供給する排気流路１１と、熱回収器２０に排気を供給する排気流路２１と、バイパス流路６０と、は互いに並列に配設されている。尚、図７においても、排気の流れは白抜きの矢印によって示されている。

更に、第５システム５０１においては、第１ユニット１０１を構成する熱電発電装置１０及び熱回収器２０並びにバイパス流路６０への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えるように、切り替え機構４０が構成されている（格子が施された円として示す領域）。尚、図７においては切り替え機構４０の具体的な構成は省略したが、切り替え機構４０の構成の具体例については後述する実施例において詳細に説明する。

加えて、第５システム５０１においては、切り替え機構４０を制御して熱電発電装置１０、熱回収器２０及びバイパス流路６０への排気の供給を切り替えるように、制御装置５０が構成されている。図７に示した例においては、制御装置５０は、切り替え機構４０を構成する弁体（図示せず）を回転させるアクチュエータとしての電動機（図示せず）への電源供給を制御して、熱電発電装置１０、熱回収器２０及びバイパス流路６０への排気の供給流路の開閉を切り替えることができる。

次に、図８は第５システムの構成のもう１つの具体例を示す模式的な断面図である。図８に示す第５システム５０２は、第１ユニット１０１に代えて第１ユニット１０２を備える点を除き、図７を参照しながら上述した第５システム５０１と同様の構成を有する。従って、第５システム５０２の詳細についての説明は割愛する。

尚、上述した図７及び図８に示した構成はあくまでも第５システムの構成の模式的な例示に過ぎず、各構成要素の配置、排気及び冷却媒体の流れる方向、並びに制御装置によって実行される制御の具体的内容等、第５システムの構成及び動作の詳細については、上述した構成要件を満たす限り、これらの例示に限定されない。

《第６実施形態》
以下、本発明の第６実施形態に係る排気熱回収システム（以降、「第６システム」と称される場合がある。）について説明する。

上述したように、第５システムによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替えることができる。加えて、第５システムによれば、冷媒温度が所定の上限温度以上であり且つ熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差以上であると判定される場合等において熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を閉じても、内燃機関から排出される排気の排出経路をバイパス流路によって確保することができる。

第６システムは、その時々の内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態を所定の検出手段によって検出し、その結果に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、制御装置によって自動的に、それぞれ独立に切り替えることができるように構成される。更に、第６システムは、熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を閉じる場合には、制御装置によって自動的に、内燃機関から排出される排気の排出経路をバイパス流路によって確保するように構成される。

具体的には、第６システムは、温度検出手段と、電力検出手段と、を更に備える点を除き、上述した第５システムと同様の構成を有する排気熱回収システムである。温度検出手段は、内燃機関から流出する冷却媒体の温度である冷媒温度を検出するように構成されている。電力検出手段は、熱電発電装置によって発電される電力である発電電力を検出するように構成されている。このような温度検出手段及び電力検出手段の構成については、上述した第３システムに関する説明において既に述べたので、ここでの説明は割愛する。

更に、第６システムにおいて、制御装置は、以下に列挙する（５）乃至（９）に示す制御を実行するように構成されている。

（５）冷媒温度が所定の下限温度未満であると判定される場合は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を開く。ここで言う「所定の下限温度」については、第４システムに関する説明において既に述べたので、ここでの説明は割愛する。上述したように、冷媒温度が下限温度に到達していない（即ち、冷媒温度が下限温度未満である）場合、熱回収器による熱交換（熱回収）を実施して冷媒温度を高めることが望ましい。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を開き、熱回収器による熱交換を実施する。

（６）冷媒温度が所定の上限温度以上であると判定される場合は切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を閉じる。ここで言う「所定の上限温度」についても、第４システムに関する説明において既に述べたので、ここでの説明は割愛する。冷媒温度が上限温度に到達している（即ち、冷媒温度が上限温度以上である）場合、熱回収器による熱交換（熱回収）を停止して冷媒温度の更なる上昇を低減することが望ましい。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱回収器への排気の供給流路を閉じる。

（７）冷媒温度及び発電電力に基づき、熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差未満であると判定される場合は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を開く。上記「熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差」及び「所定の上限温度差」については、第４システムに関する説明において既に述べたので、ここでの説明は割愛する。上記温度差が上限温度差に到達していない（即ち、上記温度差が所定の上限温度差未満である）場合、熱電発電装置による熱電変換を実施しても上述したような熱電変換素子の破損が発生する可能性は低い。従って、この場合、省エネルギーの観点からは、熱電発電装置による熱電変換を実施することが望ましい。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を開き、熱電発電装置による熱電変換を実施する。

（８）上記温度差が上記上限温度差以上であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置への前記排気の供給流路を閉じる。上記温度差が上記上限温度差に到達している（即ち、上記温度差が上限温度差以上である）場合、熱電発電装置への排気の供給を実施又は継続すると、上述したような熱電変換素子の破損が発生する可能性が高い。従って、この場合、熱電発電装置への排気の供給を停止して上記温度差の更なる増大を低減することが望ましい。そこで、制御装置は、切り替え機構を制御して熱電発電装置への排気の供給流路を閉じる。

（９）熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を同時に閉じる場合は、切り替え機構を制御してバイパス流路への排気の供給流路を開く。当然のことながら、内燃機関から排出される排気の全ての排出流路が遮断されてしまうと当該内燃機関の運転を継続することはできない。そこで、制御装置は、上記（５）乃至（８）に列挙した制御の結果として熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を同時に閉じることとなる場合、バイパス流路への排気の供給流路を開く。当然のことながら、このときバイパス流路への排気の供給流路が既に開いている場合は、制御装置によってバイパス流路への排気の供給流路を改めて開く必要は無い。

上記（９）に示した制御により、上記（５）乃至（８）に列挙した制御の結果として熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を同時に閉じることとなる場合においても、内燃機関から排出される排気の排出経路をバイパス流路によって確保することができる。

以上のように、第６システムによれば、その時々の内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態を所定の検出手段によって検出し、その結果に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、制御装置によって自動的に、それぞれ独立に切り替えることができる。

上記に加えて、第６システムによれば、冷媒温度が所定の上限温度以上であり且つ熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差以上であると判定される場合等において熱回収器への排気の供給流路及び熱電発電装置への排気の供給流路の両方を閉じても、制御装置によって自動的に、内燃機関から排出される排気の排出経路をバイパス流路によって確保することができる。

ここで、図面を参照しながら第６システムの構成について説明する。図９は第６システムの構成の１つの具体例を示す模式的な断面図である。図９に示す第６システム６０１は、以下の（Ａ）乃至（Ｃ）に列挙する点を除き、図７を参照しながら上述した第５システム５０１と同様の構成を有する。

（Ａ）温度検出手段５１及び電力検出手段５２を更に備える。上述した第５システム５０１に関する説明において既に述べたように、温度検出手段５１は、図示しない内燃機関から流出する冷却媒体の温度である冷媒温度を検出するように構成されている。また、電力検出手段５２は、熱電発電装置１０によって発電される電力である発電電力を検出するように構成されている。

（Ｂ）温度検出手段５１及び電力検出手段５２による検出結果に応じて熱電発電装置１０による熱電変換及び熱回収器２０による熱交換の実施と非実施とを自動的且つ独立に切り替えるように制御装置５０が構成されている。具体的には、制御装置５０は、上述した（５）乃至（８）に列挙する制御を実行する。

（Ｃ）熱電発電装置１０への排気の供給流路及び熱回収器２０への排気の供給流路の両方を閉じる場合にはバイパス流路６０への排気の供給流路を自動的に開くように制御装置５０が構成されている。具体的には、制御装置５０は、上述した（９）に示す制御を実行する。

次に、図１０は第６システムの構成のもう１つの具体例を示す模式的な断面図である。図１０に示す第６システム６０２は、第１ユニット１０１に代えて第１ユニット１０２を備える点を除き、図９を参照しながら上述した第６システム６０１と同様の構成を有する。従って、第６システム６０２の詳細についての説明は割愛する。

尚、上述した図９及び図１０に示した構成はあくまでも第６システムの構成の模式的な例示に過ぎず、各構成要素の配置、排気及び冷却媒体の流れる方向、並びに制御装置によって実行される制御の具体的内容等、第６システムの構成及び動作の詳細については、上述した構成要件を満たす限り、これらの例示に限定されない。

以上、本発明の種々の実施形態に係る排気熱回収ユニット及び排気熱回収システムについて説明してきたが、本発明の代表的な実施例に係る排気熱回収ユニットにつき、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

〔構成〕
図１１は、本発明の実施例１に係る排気熱回収ユニット（以降、「第１実施例ユニット１０１ｅ」と称される）の使用時の姿勢（例えば、車両搭載時の姿勢等）における当該ユニットの上面図（平面図）である。第１実施例ユニット１０１ｅは、上述した第１ユニット１０１及び／又は１０２に対応する排気熱回収ユニットである。

第１実施例ユニット１０１ｅを構成する熱電発電装置１０及び熱回収２０器並びに冷却媒体の流路である冷媒流路３１はハウジング３０内に収納されている。図１１において、排気は、第１実施例ユニット１０１ｅの紙面に向かって左側から導入され、右側へと排出される（白抜きの矢印を参照）。冷却媒体は、第１実施例ユニット１０１ｅの紙面に向かって右下側に設けられた冷媒流路の導入部３１ａからハウジング３０内に導入され、左上側に設けられた冷媒流路の導出部３１ｂを介してハウジング３０内から上側へと排出される（斜線が施された矢印を参照）。

図１２は、第１実施例ユニット１０１ｅを排気の流れの上流側から見たときの正面図である。冷却媒体は、ハウジング３０の紙面に向かって右下側に設けられた冷媒流路の導入部３１ａからハウジング３０内に導入され、左上側に設けられた冷媒流路の導出部３１ｂを介してハウジング３０内から上側へと排出される（斜線が施された矢印を参照）。排気は、排気流路１１により熱電発電装置１０の高熱源側へと導入され、及び／又は、排気流路２１により熱回収器２０の高熱源側へと導入される。図１２に示した例においては、排気からの受熱効率を高めることを目的として、排気流路１１及び２１の内部に波板状のフィン１１ｆ及び２１ｆがそれぞれ形成されている。

図１３は、第１実施例ユニット１０１ｅを排気の流れに対して右側から（即ち、図１１に示す矢印Ａの方向から）見たときの側面図である。但し、図１３においては、第１実施例ユニット１０１ｅのハウジング３０が図１に示した線Ａ−Ａを含む平面によって切り取られた状態を示している。

図１３に示されるように、紙面に向かって下側に熱電発電装置１０が、紙面に向かって上側に熱回収器２０が、それぞれ配置され、それらが共通のハウジング３０内に収納されている。図１３に示した熱電発電装置１０は３つのケース１３によって構成されており、各々のケース１３の内部には排気流路１１及び熱電変換素子１２（図示せず）が収納されている。即ち、熱電発電装置１０は３系統の熱電発電部を備えている。熱回収器２０は２つのケース２３によって構成されており、各々のケース２３の内部には排気流路２１が収納されている。即ち、熱回収器２０は２系統の熱回収部を備えている。尚、ケース２３と排気流路２１とは必ずしも別個の部材である必要は無く、排気流路２１がケース２３を兼ねていてもよい。即ち、排気流路２１及びケース２３が一体的に形成されていてもよい。

図１４は、図１１に示した線Ａ−Ａを含む平面による第１実施例ユニット１０１ｅの断面図である。（ａ）に示すように、第１実施例ユニット１０１ｅは、３系統の熱電発電部１０ｐを備える熱電発電装置１０と、２系統の熱回収部２０ｐを備える熱回収器２０と、によって構成されている。また、（ｂ）に示すように、個々の熱電発電部１０ｐは、ケース１３の内部に収納された排気流路１１及び熱電変換素子１２を備える。更に、（ｃ）に示すように、個々の熱回収部２０ｐは、ケース２３の内部に収納された排気流路２１を備える。

ケース１３及びケース２３の表面には、外側に突出するディンプル１３ｄ及び２３ｄがエンボス加工によってそれぞれ形成されている。第１実施例ユニット１０１ｅは、３系統の熱電発電部１０ｐ及び２系統の熱回収部２０ｐが積層されることによって構成されている。この状態において、上記ディンプル同士が当接して隣接するケースの間に空隙を形成する。第１実施例ユニット１０１ｅにおいては、当該間隙によって冷媒流路３１を構成している。また、このようにして構成される冷媒流路３１はハウジング３０内において連通している。

尚、隣接するケースの間に空隙を形成するための方策は上記に限定されず、例えば、別個の部材をケースの表面に取り付けることによりディンプルを形成してもよく、或いは、隣接するケースの間にスペーサを介在させてもよい。

〔効果〕
第１実施例ユニット１０１ｅによれば、上記構成により高熱源である排気流路１１と低熱源である冷媒流路３１との間に熱電変換素子１２を介在させて熱電発電装置１０を集成することにより、効率の良い熱電発電を実現することができる。一方、熱回収器２０においては、排気流路２１と冷媒流路３１とが交互に隣接して形成されるので、排気と冷却媒体との間での熱交換効率を高め、効率の良い熱回収を実現することができる。

更に、熱電発電装置１０と熱回収器２０とを並列に配置しているので、ユニットの大型化及び複雑化を低減することができると共に、排気流路の全長を短くすることができるので排気の圧力損失を低減することができる。また、上述したような切り替え機構を第１実施例ユニット１０１ｅの上流側に設けることにより、熱回収器による熱交換（暖機）及び熱電発電装置による熱電変換（発電）の実施と非実施とをそれぞれ独立に切り替えることができる。

加えて、第１実施例ユニット１０１ｅにおいては、使用時の姿勢にあるハウジング３０内において、冷却媒体が鉛直方向における下側からハウジング３０内に導入され、鉛直方向における上側から導出されるように、冷媒流路３１が構成されている。一方、ハウジング３０内において、熱電発電装置１０は鉛直方向における下側に、熱回収器２０は鉛直方向における上側に配置されている。これにより、冷却媒体が熱回収器２０よりも先に熱電発電装置１０に到達するので、熱電発電装置１０による発電効率を高めることができる。その後、ある程度加熱された冷却媒体が熱回収器２０に到達することとなるが、熱回収器２０における排気と冷却媒体との温度差は依然として大きいので、熱回収器２０において十分に高い熱回収効率を達成することができる。

次に、本発明のもう１つの代表的な実施例に係る排気熱回収システムにつき、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

〔構成〕
図１５は、本発明の実施例２に係る排気熱回収システム（以降、「第２実施例システム３０１ｅ」と称される）の使用時の姿勢（例えば、車両搭載時の姿勢等）における当該システムの断面図である。第２実施例システム３０１ｅは、上述した第３システム３０１及び／又は３０２に対応する排気熱回収システムである。

第２実施例システム３０１ｅは、上述した第１実施例ユニット１０１ｅと、切り替え機構４０と、制御装置５０と、を備える排気熱回収システムである。第２実施例システム３０１ｅにおける切り替え機構４０は、前述した第３システム３０２と同様に、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の熱電発電装置１０及び熱回収器２０への分岐部において所定の軸の周りに回転可能に配設された仕切板状の弁体４２を備える。前述したように、制御装置（ＥＣＵ）５０によりアクチュエータとしての電動機（図示せず）を制御して弁体４２を回転させることにより、熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えることができる。

例えば内燃機関の冷間始動時等において冷媒温度が所定の下限温度未満であり当該内燃機関の暖機が必要であると判断される場合は、図１５に示すように熱電発電装置１０への排気の供給流路を閉じるように弁体４２を回転させる。これにより、熱回収器２０のみに排気を供給して、排気から冷却媒体への熱の移動（受熱）を優先的に実施することができる。

また、熱電発電装置１０による熱電変換と熱回収器２０による熱交換とを並行して実施する場合は、図１６に示すように熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方への排気の供給流路を開くように弁体４２を回転させる。これにより、熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方へ排気を供給して、熱電発電装置１０による熱電変換と熱回収器２０による熱交換とを並行して実施することができる。

更に、例えば内燃機関が十分に暖機されており冷媒温度が所定の下限温度以上であり熱電発電装置１０による熱電変換を重点的に実施したい場合及び冷媒温度が所定の上限温度以上であり冷媒温度の更なる上昇を回避したい場合等においては、図１７に示すように熱回収器２０への排気の供給流路を閉じるように弁体４２を回転させる。これにより、熱電発電装置１０のみに排気を供給して、熱電発電装置１０による熱電変換（発電）を優先的に実施することができる。

〔効果〕
以上のように、第２実施例システム３０１ｅによれば、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替えることができる。尚、前述した第４システムのように予め定められた条件に従って制御装置５０により、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを自動的に切り替えるようにしてもよい。

〔実施例２の変形例〕
上記第２実施例システム３０１ｅは、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替え可能に構成した。しかしながら、熱電発電装置による熱電変換は常に実施し、熱回収器による熱交換の実施と非実施のみを切り替え可能に構成することもできる。そこで、このような本発明の実施例２の変形例に係る排気熱回収システム（以降、「第２実施例システム３０２ｅ」と称される）につき、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

〔構成〕
図１８は、第２実施例システム３０２ｅの使用時の姿勢における断面図である。図１８に示すように、第２実施例システム３０２ｅは、弁体４２によって熱電発電装置１０への排気の供給流路を閉じることができないように切り替え機構４０が構成されている点を除き、上述した第２実施例システム３０１ｅと同様の構成を有する。

例えば内燃機関の冷間始動時等において冷媒温度が所定の下限温度未満であり当該内燃機関の暖機が必要であると判断される場合は、図１８に示すように切り替え機構４０によって熱回収器２０への排気の供給流路を開いて、熱電発電装置１０による熱電変換と熱回収器２０による熱交換とを並行して実施することができる。

一方、例えば内燃機関が十分に暖機されており冷媒温度が所定の下限温度以上であり熱電発電装置１０による熱電変換を重点的に実施したい場合及び冷媒温度が所定の上限温度以上であり冷媒温度の更なる上昇を回避したい場合等においては、図１９に示すように、熱回収器２０への排気の供給流路を閉じて、熱電発電装置１０による熱電変換のみを優先的に実施することができる。

〔効果〕
以上のように、第２実施例システム３０２ｅによっても、ユニットの大型化及び複雑化を低減しつつ、内燃機関及び排気熱回収ユニットの状態に応じて、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを、それぞれ独立に切り替えることができる。尚、この場合も、前述した第４システムのように予め定められた条件に従って制御装置５０により、熱回収器による熱交換及び熱電発電装置による熱電変換の実施と非実施とを自動的に切り替えるようにしてもよい。

次に、本発明の更にもう１つの代表的な実施例に係る排気熱回収システムにつき、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

〔構成〕
図２０は、本発明の実施例３に係る排気熱回収システム（以降、「第３実施例システム５０１ｅ」と称される）の使用時の姿勢（例えば、車両搭載時の姿勢等）における当該システムの断面図である。第３実施例システム５０１ｅは、上述した第５システム５０１及び／又は５０２に対応する排気熱回収システムである。

第３実施例システム５０１ｅは、上述した第１実施例ユニット１０１ｅと、切り替え機構４０と、制御装置５０と、第１実施例ユニット１０１ｅを経由しない排気の流路であるバイパス流路６０と、を備える排気熱回収システムである。

図２０に示すように、切り替え機構４０を構成する弁体４２は、熱電発電装置１０、熱回収器２０及びバイパス流路６０への排気の供給流路の開閉を必要に応じて切り替えるように設計された形状を有する。尚、弁体４２の具体的な形状は、熱電発電装置１０、熱回収器２０及びバイパス流路６０への排気の供給流路の形状並びに実現しようとする熱電発電装置１０、熱回収器２０及びバイパス流路６０への排気の供給流路の開閉パターンに応じて適宜設計される。

図２０に示すようにバイパス流路６０への排気の供給流路を閉じるように弁体４２を回転させることにより、熱電発電装置１０及び熱回収器２０の両方に排気を供給して、熱電発電装置１０による熱電変換と熱回収器２０による熱交換とを並行して実施することができる。

また、図２１に示すように熱回収器２０及びバイパス流路６０への排気の供給流路を閉じるように弁体４２を回転させることにより、熱電発電装置１０のみに排気を供給して、熱電発電装置１０による熱電変換のみを実施することができる。

更に、図２２に示すように熱回収器２０への排気の供給流路のみを閉じるように弁体４２を回転させることにより、熱電発電装置１０及びバイパス流路６０に排気を供給して、熱電発電装置１０による熱電変換を実施しつつ、排気の一部については第１実施例ユニット１０１ｅを経由すること無くバイパス流路６０を介して排出することができる。

加えて、熱電発電装置１０による熱電変換及び熱回収器２０による熱交換の何れも実施する必要が無い場合は、図２３に示すように熱電発電装置１０及び熱回収器２０への排気の供給流路を両方とも閉じるように弁体４２を回転させることにより、バイパス流路６０のみに排気を供給して、第１実施例ユニット１０１ｅを経由すること無くバイパス流路６０のみを介して全ての排気を排出することができる。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び変形例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び変形例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。

１０…熱電発電装置、１０ｐ…熱電発電部、１１…排気流路、１１ｆ…フィン、１２…熱電変換素子、１３…（熱電発電部の）ケース、２０…熱回収器、２０ｐ…熱回収部、２１…排気流路、２１ｆ…フィン、２３…（熱回収部の）ケース、３０…ハウジング、３１…冷媒流路、３１ａ…冷媒流路の導入部、３１ｂ…冷媒流路の導出部、４０…切り替え機構、４１…ロータ、４２…弁体、５０…制御装置、５１…温度検出手段、５２…電力検出手段、６０…バイパス流路、１０１及び１０２…排気熱回収ユニット、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１及び６０２…排気熱回収システム。

Claims (6)

1. 内燃機関から排出される排気と前記内燃機関へと流入する冷却媒体との温度差により発電する熱電発電装置と、前記排気から回収した熱を前記冷却媒体に与える熱回収器と、を備える排気熱回収ユニットにおいて、
   前記熱電発電装置及び前記熱回収器は共通のハウジング内に収納されており、
   前記排気の流れに対して前記熱電発電装置と前記熱回収器とが並列に配置されており、
   前記ハウジング内における前記冷却媒体の流路である冷媒流路は、前記冷却媒体が前記熱電発電装置に到達した後に前記熱回収器に到達するように構成されている、
   排気熱回収ユニット。
2. 請求項１に記載の排気熱回収ユニットであって、
   前記排気熱回収ユニットの使用時の姿勢にある前記ハウジング内において、
   前記冷却媒体が鉛直方向における下側から前記ハウジング内に導入され、鉛直方向における上側から導出されるように、前記冷媒流路が構成されており、
   前記熱電発電装置は鉛直方向における下側に、前記熱回収器は鉛直方向における上側に配置されている、
   排気熱回収ユニット
3. 請求項１又は請求項２に記載の排気熱回収ユニットと、
   前記排気熱回収ユニットを構成する前記熱電発電装置及び前記熱回収器への前記排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えるように構成された機構である切り替え機構と、
   前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置及び前記熱回収器への前記排気の供給を切り替えるように構成された制御装置と、
   を備える排気熱回収システム。
4. 請求項３に記載の排気熱回収システムであって、
   前記内燃機関から流出する冷却媒体の温度である冷媒温度を検出するように構成された温度検出手段と、
   前記熱電発電装置によって発電される電力である発電電力を検出するように構成された電力検出手段と、
   を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記冷媒温度が所定の下限温度未満であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱回収器への前記排気の供給流路を開き、前記冷媒温度が所定の上限温度以上であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱回収器への前記排気の供給流路を閉じ且つ前記熱電発電装置への前記排気の供給流路を開き、
   前記冷媒温度及び前記発電電力に基づき、前記熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差未満であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置への前記排気の供給流路を開き、前記温度差が前記上限温度差以上であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置への前記排気の供給流路を閉じ且つ前記熱回収器への前記排気の供給流路を開く、
   ように構成されている、
   排気熱回収システム。
5. 請求項３に記載の排気熱回収システムであって、
   前記排気熱回収ユニットを経由しない排気の流路であるバイパス流路を更に備え、
   前記排気熱回収ユニットを構成する前記熱電発電装置及び前記熱回収器並びに前記バイパス流路への前記排気の供給流路の開閉を互いに独立に切り替えるように、前記切り替え機構が構成されており、
   前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置、前記熱回収器及び前記バイパス流路への前記排気の供給を切り替えるように、前記制御装置が構成されている、
   排気熱回収システム。
6. 請求項５に記載の排気熱回収システムであって、
   前記内燃機関から流出する冷却媒体の温度である冷媒温度を検出するように構成された温度検出手段と、
   前記熱電発電装置によって発電される電力である発電電力を検出するように構成された電力検出手段と、
   を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記冷媒温度が所定の下限温度未満であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱回収器への前記排気の供給流路を開き、前記冷媒温度が所定の上限温度以上であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱回収器への前記排気の供給流路を閉じ、
   前記冷媒温度及び前記発電電力に基づき、前記熱電発電装置における排気と冷却媒体との温度差が所定の上限温度差未満であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置への前記排気の供給流路を開き、前記温度差が前記上限温度差以上であると判定される場合は前記切り替え機構を制御して前記熱電発電装置への前記排気の供給流路を閉じ、
   前記熱回収器への前記排気の供給流路及び前記熱電発電装置への前記排気の供給流路の両方を同時に閉じる場合は、前記切り替え機構を制御して前記バイパス流路への前記排気の供給流路を開く、
   ように構成されている、
   排気熱回収システム。

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