车辆用兰肯循环系统的制作方法

本发明涉及车辆用兰肯循环系统，尤其涉及兰肯循环系统向车辆搭载的搭载构造。

背景技术：

专利文献1公开了涉及搭载于车辆的兰肯循环系统的技术。在该兰肯循环系统中进行下述动作：通过发动机的废热使液相流体沸腾而变化为气相流体，通过使气相流体膨胀而作功，使膨胀后的气相流体冷凝而返回成液相流体。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-94271号公报

专利文献2：日本特开2002-316530号公报

专利文献3：日本特开2011-189824号公报

发明所要解决的课题

如上述现有技术那样，在将兰肯循环系统搭载于车辆等移动体的情况下，因行驶风或气压变化等，包围兰肯循环系统的周围环境始终在变化。尤其是兰肯循环系统的构成零部件之一的气液分离器不具有热源，因此可能受到低温环境较大的影响而散热量增大。来自气液分离器的散热量增大时，积存于内部的气相流体(蒸气)会发生冷凝。这种情况下，向膨胀机传送的蒸气量减少，因此系统的热回收效率下降。在上述现有技术中，未进行用于抑制气液分离器的温度下降的考察，在提高兰肯循环系统的热回收效率方面还有改善的空间。

技术实现要素：

本发明鉴于上述那样的课题而作出，其目的在于提供一种能够抑制气液分离器的温度下降而提高兰肯循环系统的热回收效率的车辆用兰肯循环系统。

用于解决课题的方案

第一发明涉及一种车辆用兰肯循环系统，其具备：

沸腾器，其向在内燃机中循环的制冷剂赋予废热，使所述制冷剂蒸气化；

气液分离器，其将从所述沸腾器送出的气液二相的制冷剂分离成气相流体和液相流体；

过热器，其通过使从所述气液分离器送出的气相流体与所述内燃机的排气进行热交换而过热；

膨胀机，其使通过了所述过热器的气相流体膨胀而回收热能；及

冷凝器，其使通过了所述膨胀机的气相流体冷凝而返回成液相流体，

所述车辆用兰肯循环系统的特征在于，

所述气液分离器固定于所述内燃机的气缸盖。

第二发明以第一发明为基础，其特征在于，

所述气液分离器包含金属制的托架而构成，

所述气液分离器经由所述托架而固定于所述气缸盖。

第三发明以第一或第二发明为基础，其特征在于，

所述冷凝器相对于所述气液分离器而配置在车辆前方侧，

在从正面观察车辆时，所述气液分离器配置于所述气液分离器的一部分与所述冷凝器重叠的位置。

第四发明以第一至第三发明中任一发明为基础，其特征在于，

在所述内燃机直列地排列设置有多个气缸，

所述气液分离器相对于包含所述气缸的中心轴且与所述气缸的列方向平行的面而固定于排气侧。

第五发明以第一至第四发明中任一发明为基础，其特征在于，

所述车辆用兰肯循环系统还具备将所述过热器及所述气液分离器一体地覆盖的保温槽。

发明效果

根据第一发明，由于气液分离器固定于气缸盖，因此气缸盖的热量高效率地向气液分离器传递。因此，根据本发明，能够抑制气液分离器的温度下降，故能够抑制兰肯循环的效率下降。

根据第二发明，气液分离器经由金属制的托架而固定于气缸盖。因此，根据第二发明，能够将气液分离器可靠地固定于气缸盖，并且能够经由托架将气缸盖的热量高效率地向气液分离器传递。

根据第三发明，朝向气液分离器流动的行驶风的一部分被冷凝器遮挡。因此，根据本发明，能抑制气液分离器的散热，因此能够抑制兰肯循环的效率下降。

根据第四发明，气液分离器通过排气侧的排气热而保持为高温，因此能够有效地抑制从气液分离器的散热。

根据第五发明，能够通过保温槽将气液分离器的周围维持成高温，因此能够有效地抑制从气液分离器的散热。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的兰肯循环系统的结构的图。

图2是用于说明气液分离器的固定构造的示意图。

图3是用于说明气液分离器相对于卧式发动机的最佳的位置关系的图。

图4是用于说明气液分离器相对于卧式发动机的最佳的位置关系的图。

图5是用于说明气液分离器相对于立式发动机的最佳的位置关系的图。

图6是用于说明气液分离器相对于凝汽器的位置关系的图。

图7是用于说明本发明的实施方式2的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图8是用于说明本发明的实施方式3的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图9是用于说明本发明的实施方式3的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图10是用于说明本发明的实施方式4的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图11是用于说明本发明的实施方式4的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图12是用于说明本发明的实施方式5的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图13是用于说明本发明的实施方式5的兰肯循环系统中的气液分离器的固定构造的示意图。

图14是用于说明托架6a的形状的图。

图15是用于说明托架6b的形状的图。

图16是表示本发明的实施方式6的兰肯循环系统的结构的图。

符号说明

2a、2b；4a、4b；6a、6b；163 托架

10 发动机

12 制冷剂流路

14、18、28、32、36、42、46 制冷剂管

16、160、162 气液分离器

22 排气通路

24 催化剂

26 排气歧管

30 过热器

34 涡轮(膨胀机)

40 凝汽器(冷凝器)

50 保温槽

61a、61b 冲裁部

100、110、120、130、140、150 兰肯循环系统

101 气缸盖

102 气缸体

103 变速器

104 气缸

121 出口端口

161、164 入口端口

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。对于在各图中通用的零部件标注同一符号而省略重复的说明。需要说明的是，在以下所示的实施方式中提及各零部件的个数、数量、量、范围等数字的情况下，除了特别明示的情况和在原理上明确地确定为该数字的情况之外，没有将本发明限定为该提及的数字。而且，以下所示的实施方式中说明的构造除了特别明示的情况和在原理上明确地确定为此的情况之外，本发明并非必须如此。

实施方式1.

1.兰肯循环系统的结构

图1是表示实施方式1的兰肯循环系统100的结构的图。实施方式1的兰肯循环系统100作为包含内燃机(发动机)10并搭载于车辆的车辆用兰肯循环系统而构成。发动机10的类别、构造没有限定。但是，在发动机10的气缸体及气缸盖上形成有供在发动机10中循环的制冷剂流动的制冷剂流路12。制冷剂流路12包括将气缸的周围包围的水套。发动机10通过与在制冷剂流路12中流动的制冷剂进行热交换而被冷却。在本实施方式中，使用水作为制冷剂。

发动机10通过发动机10的废热使在制冷剂流路12内流通的制冷剂沸腾并使其一部分发生蒸气化来进行冷却。即，制冷剂流路12作为通过发动机10的热量使在其内部流动的液相的制冷剂沸腾的沸腾器发挥功能。需要说明的是，制冷剂流路12只要是能够流通发动机10的内部的通路即可，其结构没有特别限定。而且，流通于制冷剂流路12的制冷剂只要在常温下为液相流体，并通过发动机10的热量发生沸腾而变化为气相流体即可，没有限定为水。

发动机10的制冷剂流路12经由制冷剂管14而与气液分离器16连接。当制冷剂通过发动机10的热量而沸腾时，液相流体与气相流体一起从制冷剂流路12喷出。气液分离器16将流入到气液分离器16内的气液二相的制冷剂分离成液相流体和气相流体。气液分离器16经由制冷剂管18而与第一水泵20连接。由气液分离器16分离后的液相流体经由制冷剂管18向第一水泵20流入，并由第一水泵20向制冷剂流路12输送。

气液分离器16经由制冷剂管28而与过热器30连接。过热器30在发动机10的排气通路22中设置于催化剂24的上游。更详细而言，过热器30以包覆排气歧管26的周围的方式设置，并与排气歧管26一体化。由过热器30的内壁面和排气歧管26的外壁面围成的空间成为从气液分离器16输送的气相流体流动的流路。在气液分离器16中，气相流体与液相流体共存，因此气相流体成为饱和蒸气。进入过热器30的气相流体通过吸收从排气歧管26的壁面传来的排气热而成为过热蒸气。需要说明的是，过热器30不是必须与排气歧管26一体化，只要是能够吸收排气热的结构，则也可以与排气通路22的其他部位(例如催化剂24)一体化。

过热器30经由制冷剂管32而与作为膨胀机的涡轮34连接。在涡轮34中，使从过热器30输送来的气相流体(过热蒸气)膨胀而进行热能的回收。在制冷剂管32与涡轮34的连接部设有未图示的超音速喷嘴。气相流体从超音速喷嘴向涡轮34喷附而使涡轮34旋转。涡轮34的旋转经由未图示的减速机向发动机10的输出轴传递。即，由涡轮34回收的热能用于辅助发动机10。但是，也可以通过涡轮34对发电机进行驱动，并将产生的电力蓄积于蓄电池。

通过涡轮34膨胀的气相流体经由制冷剂管36向凝汽器(冷凝器)40输送。输送到凝汽器40的气相流体由凝汽器40冷却而冷凝，返回成液相流体。通过气相流体的冷凝而产生的液相流体从凝汽器40经由制冷剂管42向捕集罐(catch tank)44输送，暂时积存于捕集罐44。捕集罐44经由制冷剂管46而与气液分离器16连接。在制冷剂管46设有第二水泵48。第二水泵48是用于将积存于捕集罐44的液相流体向气液分离器16输送的泵。在第二水泵48与气液分离器16之间设有防止液相流体从气液分离器16侧向捕集罐44侧逆流的未图示的止回阀。需要说明的是，制冷剂管46可以是将捕集罐44与制冷剂管18的中途之间连接的结构。根据这样的结构，通过驱动第二水泵48，将积存于捕集罐44的液相流体向气液分离器16及发动机10输送。

此外，兰肯循环系统100具备作为控制装置的ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)70。ECU70至少具备输入输出接口、存储器、以及运算处理装置(CPU)。输入输出接口是为了从安装在兰肯循环系统100上或安装在搭载有该兰肯循环系统100的发动机10上的各种传感器取入传感器信号，并对兰肯循环系统100具备的各种致动器输出操作信号而设置。在存储器存储有各种控制程序及映射等。CPU从存储器读出控制程序等并执行，基于取入的传感器信号而生成各种致动器的操作信号。

2.兰肯循环系统的车辆搭载构造

兰肯循环系统100搭载在用于收纳发动机10的车辆的发动机室内。由于发动机室内的搭载空间有限，因此在配置兰肯循环系统100的各构成零部件时，会产生各种制约。而且，由于兰肯循环系统100的构成零部件之一的气液分离器16不具有热源，因此容易受到周围温度的影响。因此，当将气液分离器16配置于低温的区域时，会因来自气液分离器16的散热而使内部的气相流体(蒸气)的冷凝进展。因此，本申请的发明者为了抑制由来自气液分离器16的散热引起的兰肯循环系统100的热回收效率的下降，对气液分离器16的车辆搭载构造反复地进行了仔细研究。其结果是，本申请的发明者发现了以下说明的气液分离器16的车辆搭载构造。

2-1.气液分离器的固定构造

图2是用于说明气液分离器的固定构造的示意图。需要说明的是，图中(A)示出该兰肯循环系统的车辆俯视的图，图中(B)示出搭载于车辆的兰肯循环系统的正面观察车辆时的图。而且，在图2中，省略表示兰肯循环系统100的主要的构成零部件以外的结构。如图2所示，兰肯循环系统100搭载于车辆的发动机室1内。发动机10搭载于在发动机室1内设置的发动机安装件上(未图示)。气液分离器16经由托架2a、2b而固定于发动机10。更详细而言，托架2a的一端固定于气液分离器16的上部，另一端固定于发动机10的气缸盖101的上表面。而且，托架2b的一端固定于气液分离器16的下部，另一端固定于发动机10的气缸体102的侧面。需要说明的是，托架2a、2b是对金属制的板材进行加工而形成的结构，并成为能确保为了固定气液分离器16而所需的强度的形状。而且，托架2a、2b与发动机10之间的固定、及托架2a、2b与气液分离器16之间的固定分别使用多个螺栓。

根据上述的气液分离器16的固定构造，气液分离器16经由金属制的托架2a、2b而固定于发动机10。由此，由发动机10产生的热量经由托架2a、2b向气液分离器16传递。气液分离器16通过来自发动机10的受热而能够抑制由温度下降引起的蒸气的冷凝，因此能抑制兰肯循环系统100的热回收效率的下降。

需要说明的是，托架若至少包含将气液分离器16固定于气缸盖101的托架2a，则能够将高温的气缸104附近的热量向气液分离器16高效率地传递。因此，托架只要至少包含托架2a即可，是否需要包含托架2b在内的其他托架及固定构造不受限定。而且，托架2a、2b的材质并不局限于金属，但是优选导热率高且强度高的材质。

2-2.气液分离器的配置

如上所述，经由托架2a、2b而将气液分离器16固定于发动机10，由此能够抑制气液分离器16的温度下降，但是通过气液分离器16的配置能够进一步抑制温度下降。以下，将焦点放在气液分离器16与其他构成零部件的位置关系上来说明用于进一步提高兰肯循环系统100的热回收效率的构造。

2-2-1.气液分离器与发动机的位置关系

图2(A)中的S1表示包含气缸104的中心轴L1、且与沿着气缸体102的长度方向串联设置的多个气缸104的列方向平行的面。而且，图2(B)中的S2表示气缸盖101的与气缸体102的对合面。需要说明的是，在以下的说明中，“排气侧”是指相对于面S1设有发动机10的排气通路22的排气侧，“进气侧”是指相对于面S1设有发动机10的未图示的进气通路的进气侧。

在图2所示的固定构造中，变速器103固定于气缸体102的侧面。气液分离器16配置于变速器103的上方的排气侧(即发动机10的排气通路22一侧)的空间。发动机10的排气侧的区域由于排气热的影响而与发动机10的进气侧相比成为高温。因此，根据图2所示的气液分离器16的配置，在发动机室1内能够将气液分离器16配置于高温的区域，因此能有效地抑制气液分离器16的温度下降。

另外，在图2所示的固定构造中，气液分离器16相对于面S2而配置在发动机10的气缸盖101一侧。在车辆的发动机室1的内部，越靠向上方，温度越高。因此，根据图2所示的气液分离器16的配置，在发动机室1内能够将气液分离器16配置在高温的区域，因此能有效地抑制气液分离器16的温度下降。

另外，在图2所示的固定构造中，气液分离器16配置在过热器30的附近，因此能够缩短制冷剂管28的配管长度。由此，能够抑制从制冷剂管28的散热，因此能够进一步提高兰肯循环系统100的热回收效率。

图3至图5按照发动机的种类而示出气液分离器16相对于发动机10的配置的具体例。需要说明的是，在各个图中，示出从配置P1至配置P6这6种位置来作为气液分离器16的配置的例子。更详细而言，配置P1及配置P2是相对于发动机10成为变速器103的相反侧的位置，配置P1表示进气侧的位置，配置P2表示排气侧的位置。配置P3及配置P4是发动机10的上方的位置，配置P3表示进气侧的位置，配置P4表示排气侧的位置。而且，配置P5及配置P6是变速器103的上方的位置，配置P5表示进气侧的位置，配置P6表示排气侧的位置。

图3及图4是用于说明气液分离器相对于卧式发动机的良好的位置关系的图。需要说明的是，在此所说的卧式发动机是指以气缸104的列方向垂直于车辆的行进方向的方式配置的发动机。而且，图3是车辆的前方侧成为排气侧的配置的例子，图4是车辆的后方侧成为排气侧的配置的例子。

在发动机10为卧式发动机的情况下，如图3及图4所示，气液分离器16优选配置成相对于发动机10的面S1而成为排气侧的配置P2、配置P4或配置P6。尤其是，气液分离器16优选配置成能够积极地接受排气歧管26或过热器30的热量的配置P4。

图5是用于说明气液分离器相对于立式发动机的最佳的位置关系的图。需要说明的是，在此所说的立式发动机是指以气缸104的列方向平行于车辆的行进方向的方式配置的发动机。即使在发动机10为立式发动机的情况下，也与卧式发动机的情况同样，气液分离器16优选配置成相对于发动机10的面S1成为排气侧的配置P2、配置P4或配置P6，更优选能够积极地接受排气歧管26或过热器30的热量的配置P4。

2-2-2.气液分离器与凝汽器的位置关系

图6是用于说明气液分离器相对于凝汽器的位置关系的图。需要说明的是，图6中的(A)示出从车辆的侧面侧示意性地透视了发动机室1内的图，图6中的(B)示出在(A)中的B方向即正面观察车辆时，示意性地透视了发动机室1的内部的图。

如图6中的(A)所示，凝汽器40相对于气液分离器16配置在车辆前方侧，在更靠前方配置有用于将行驶风向发动机室1内取入的格栅3。而且，如图6中的(B)所示，在从正面观察车辆时，气液分离器16配置于气液分离器16的一部分与凝汽器40重叠的位置。根据图6所示的气液分离器16的配置，对气液分离器16的周围进行喷吹的来自格栅3的行驶风的一部分被凝汽器40遮挡。由此，能够减少由行驶风引起的气液分离器16的温度下降。

需要说明的是，在上述的例子中，在从正面观察车辆时，气液分离器16的下部与凝汽器40重叠，但是气液分离器16与凝汽器40的位置关系并不局限于此。即，在从正面观察车辆时，气液分离器16的至少一部分与凝汽器40重叠即可，由此能够减少由行驶风引起的气液分离器16的温度下降。

实施方式2.

接下来，说明实施方式2的兰肯循环系统110。图7是用于说明实施方式2的兰肯循环系统110中的气液分离器16的固定构造的示意图。需要说明的是，图中(A)示出该兰肯循环系统的车辆俯视的图，图中(B)示出搭载于车辆的兰肯循环系统的从正面观察车辆时的图。而且，在图7中，对于与图2所示的实施方式1的兰肯循环系统100通用的零部件标注同一符号。

在实施方式2的兰肯循环系统110中，气液分离器16配置在发动机10的排气侧的上方的区域且在车辆俯视下与过热器30或排气歧管26重叠的位置。气液分离器16经由托架4a、4b而固定于发动机10。托架4a、4b分别固定于气缸盖101的上表面，以从该上表面沿着排气侧的水平方向突出的方式配置。气液分离器16由上述的托架4a、4b夹持并固定，由此过热器30的上表面由气液分离器16及托架4a、4b覆盖。需要说明的是，托架4a、4b是对金属制的板材进行加工而形成的结构，成为能确保为了固定气液分离器16所需的强度的形状。而且，托架4a、4b与发动机10之间的固定、及托架4a、4b与气液分离器16之间的固定分别通过多个螺栓来固定。

根据这样的结构，托架4a、4b作为高效率地接受过热器30的热量并向气液分离器16传递的热传递构件发挥功能。由此，气液分离器16能够高效率地接受过热器30的热量，因此能抑制温度下降。

然而，在实施方式2的兰肯循环系统110中，对托架4a、4b的形状没有限定，托架4a、4b只要是至少覆盖过热器30或排气歧管26的上表面侧的形状即可。而且，托架4a、4b的材质并不局限于金属，但是优选导热率高且强度高的材质。

实施方式3.

接下来，说明实施方式3的兰肯循环系统120。实施方式3的兰肯循环系统120在气缸盖101与气液分离器160一体构成的构造上具有特征。图8及图9是用于说明实施方式3的兰肯循环系统120中的气液分离器的固定构造的示意图。需要说明的是，图8示出从排气侧观察气液分离器160与气缸盖101一体化的状态的图，图9示出从进气侧观察气液分离器160与气缸盖101分解的状态的图。

如这些图所示，在气液分离器160设有制冷剂的入口端口161。入口端口161用于将从发动机10的制冷剂流路12导出的制冷剂向气液分离器160引导。气液分离器160的入口端口161通过焊接等而接合于气缸盖101的制冷剂流路12的出口端口121，由此实现气液分离器16与气缸盖101的一体化。

根据这样的结构，由于气液分离器160与气缸盖101一体地固定，因此通过来自气缸盖101的传热的作用能抑制温度下降。而且，通过气液分离器160与气缸盖101一体化，能够提高热传递性并削减制冷剂管或托架等部件。

实施方式4.

接下来，说明实施方式4的兰肯循环系统130。实施方式4的兰肯循环系统130在用于向气缸盖安装气液分离器162的托架163与气液分离器162一体构成的点上具有特征。图10及图11是用于说明实施方式4的兰肯循环系统130中的气液分离器162的固定构造的示意图。需要说明的是，图10示出从进气侧观察在气缸盖101安装有气液分离器162的状态的立体图，图11示出从排气侧观察在气缸盖101安装有气液分离器162的状态的立体图。

如这些图所示，在气液分离器162上一体地设置托架163。托架163的一端侧通过焊接等而直接接合于气液分离器162的主体，另一端侧通过螺栓等而固定于气缸盖101的侧面。而且，在气液分离器162设有制冷剂的入口端口164。入口端口164与气缸盖101的制冷剂流路12的出口端口(未图示)连接。

根据这样的结构，由于气液分离器162固定于气缸盖101，因此通过来自气缸盖101的传热的作用能抑制温度下降。而且，通过托架163与气液分离器162一体化，能够提高热传递性并削减部件个数。

实施方式5.

接下来，说明实施方式5的兰肯循环系统140。实施方式5的兰肯循环系统140在气液分离器16的配置及托架6a、6b的冲裁形状上具有特征。图12及图13是用于说明实施方式5的兰肯循环系统140中的气液分离器16的固定构造的示意图。需要说明的是，图12示出从排气侧观察将气液分离器16安装于发动机10的状态的立体图。而且，图13示出省略了图12中的气液分离器16的图示的图。而且，在图12及图13中，对于与图2所示的实施方式1的兰肯循环系统100通用的零部件标注同一符号。

如这些图所示，气液分离器16配置于在俯视车的情况下与过热器30及排气歧管26不重叠的位置，即从过热器30及排气歧管26沿水平方向分离的位置。在气液分离器16的固定中使用托架6a及6b。托架6a的一端固定在气液分离器16的上下方向中间部附近，另一端固定于发动机10的气缸盖101的上表面。而且，托架6b的一端固定于气液分离器16的下部，另一端固定于发动机10的气缸体102的侧面。

图14是用于说明托架6a的形状的图。而且，图15是用于说明托架6b的形状的图。如图14所示，在托架6a设有多个冲裁部61a。而且，同样，在托架6b设有多个冲裁部61b。需要说明的是，冲裁部61a、61b的形状及个数只要是能够确保用于固定气液分离器16的强度的范围内即可，没有特别限定。

根据这样的结构，发动机10的热量经由托架6a、6b向气液分离器16传递。但是，由于气液分离器16配置在从过热器30及排气歧管26分离的位置，因此，因行驶风等的影响而从发动机10传递的托架6a、6b的热量的向周围的散热可能变大。根据上述托架6a、6b的构造，通过设置冲裁部61a、61b而使托架6a、6b的表面积减小，因此能有效地抑制由从托架6a、6b的散热而引起的气液分离器16的温度下降。

实施方式6.

图16是表示实施方式6的兰肯循环系统150的结构的图。需要说明的是，图中(A)示出该兰肯循环系统的车辆俯视的图，图中(B)示出搭载于车辆的兰肯循环系统的从正面观察车辆时的图。而且，在图16中，对于与图7所示的实施方式2的兰肯循环系统110通用的零部件标注同一符号。

实施方式6的兰肯循环系统150与图7所示的实施方式2的兰肯循环系统110同样，气液分离器16配置于发动机10的排气侧的上方的区域且在车辆俯视下与过热器30或排气歧管26重叠的位置。并且，以至少覆盖气液分离器16和过热器30的方式设置保温槽50。保温槽50是用于限制热量的出入而对槽内部进行保温的结构。

根据这样的结构，通过保温槽50的保温功能来抑制配置于内部的气液分离器16的温度下降。而且，气液分离器16配置在过热器30的正上方，由此气液分离器16与过热器30的距离缩短，能够由容量比较小的保温槽50将它们覆盖。由此，能够减小保温槽50的热容量，因此保温效果得以提高。