JP6860095B1 - シェルアンドプレート式熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】シェルアンドプレート式熱交換器の性能を向上させる。【解決手段】シェルアンドプレート式熱交換器（10）では、シェル（20）にプレート積層体（40）が収容される。プレート積層体（40）は、複数の熱交換部（45a,45b）に区分される。プレート積層体（40）の複数の熱交換部（45a,45b）は、それぞれが複数の伝熱プレート（50a,50b）を有する。複数の熱交換部（45a,45b）のうち熱交換量が最も少ない熱交換部（45b）が、複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）の最も近くに配置される。【選択図】図１

Description

本開示は、シェルアンドプレート式熱交換器に関するものである。
特許文献１に開示されているようなシェルアンドプレート式熱交換器が知られている。このシェルアンドプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートによって構成されたプレート積層体と、プレート積層体を収容するシェルとを備える。
特許文献１の熱交換器は、満液式の蒸発器である。この熱交換器では、シェル内に貯留された液冷媒にプレート積層体が浸かる。シェル内の液冷媒は、プレート積層体を流れる熱媒体と熱交換して蒸発し、シェルの上部に設けられた冷媒出口を通ってシェルの外部へ流出する。
特表２００６−５２７８３５号公報
上述したシェルアンドプレート式熱交換器において、プレート積層体から上方に流れるガス冷媒には、滴状の液冷媒が含まれる。そして、ガス冷媒と共にシェルから流出する液冷媒の量が多くなると、熱交換器の性能が低くなる。
本開示の目的は、シェルアンドプレート式熱交換器の性能を向上させることにある。
本開示の第１の態様は、内部空間（21）を形成するシェル（20）と、重ね合わされて互いに接合された複数の伝熱プレート（50a,50b）を有して上記シェル（20）の上記内部空間（21）に収容されるプレート積層体（40）とを備え、上記シェル（20）の上記内部空間（21）へ流入した冷媒を蒸発させるシェルアンドプレート式熱交換器を対象とする。そして、上記シェル（20）の上部には、上記内部空間（21）からガス冷媒を導出するための冷媒出口（22）が形成され、上記プレート積層体（40）には、上記シェル（20）の上記内部空間（21）に連通して冷媒が流れる冷媒流路（41）と、上記シェル（20）の上記内部空間（21）から遮断されて熱媒体が流れる熱媒体流路（42）とが、上記伝熱プレート（50a,50b）を挟んで隣り合うように複数ずつ形成され、上記プレート積層体（40）は、それぞれが複数の上記伝熱プレート（50a,50b）を有する複数の熱交換部（45a,45b）に区分され、複数の上記熱交換部（45a,45b）のうち熱交換量が最も少ない熱交換部である特定熱交換部（45b）が、複数の上記熱交換部（45a,45b）のうちで上記冷媒出口（22）の最も近くに配置されることを特徴とする。
特定熱交換部（45b）において発生するガス冷媒の量は、各熱交換部（45a,45b）において発生するガス冷媒の量のうちで最も少ない。従って、特定熱交換部（45b）から上方へ流れるガス冷媒の流速は、各熱交換部（45a,45b）から上方へ流れるガス冷媒の流速のうちで最も低くなる。プレート積層体（40）から上方へ流れるガス冷媒の流速が低いほど、そのガス冷媒に含まれる滴状の液冷媒の量が少なくなる。
第１の態様では、上方へ流れるガス冷媒の流速が最も低い特定熱交換部（45b）が、複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）の最も近くに配置される。その結果、ガス冷媒と共にシェル（20）から流出する液冷媒の量が減少し、シェルアンドプレート式熱交換器（10）の性能が向上する。
本開示の第２の態様は、上記第１の態様において、上記プレート積層体（40）では、複数の上記熱交換部（45a,45b）が上記熱媒体の流通経路において直列に配置され、上記熱媒体の流通経路において最も下流に配置された上記熱交換部である最下流熱交換部（45b）が、上記特定熱交換部を構成することを特徴とする。
第２の態様において、熱媒体は、複数の熱交換部（45a,45b）を順に通過し、その過程で冷却される。最下流熱交換部（45b）へ流入する熱媒体の温度は、各熱交換部（45a,45b）へ流入する熱媒体の温度のうちで最も低い。従って、最下流熱交換部（45b）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差は、各熱交換部（45a,45b）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差のうちで最も小さい。そして、この態様では、最下流熱交換部（45b）が特定熱交換部を構成する。
本開示の第３の態様は、上記第２の態様において、上記熱媒体の流通経路において最も上流に配置された上記熱交換部である最上流熱交換部（45a）が、上記プレート積層体（40）の複数の上記熱交換部（45a,45b）のうちで上記冷媒出口（22）から最も遠くに配置されることを特徴とする。
最上流熱交換部（45a）へ流入する熱媒体の温度は、各熱交換部（45a,45b）へ流入する熱媒体の温度のうちで最も高い。従って、最上流熱交換部（45a）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差は、各熱交換部（45a,45b）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差のうちで最も大きい。熱交換する熱媒体と冷媒の温度差が大きいほど、発生するガス冷媒の量が多くなる。
第３の態様では、各熱交換部（45a,45b）のうちで発生するガス冷媒の量が多い最上流熱交換部（45a）が、複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）から最も遠くに配置される。熱交換部（45a,45b）から冷媒出口（22）までの距離が離れるほど、冷媒出口（22）に到達するガス冷媒に含まれた滴状の液冷媒の量が少なくなる。従って、この態様によれば、最上流熱交換部（45a）を冷媒出口（22）から離れた位置に設けることによって、ガス冷媒と共にシェル（20）から流出する液冷媒の量を削減できる。
本開示の第４の態様は、上記第３の態様において、上記プレート積層体（40）は、上記熱媒体流路（42）において上記熱媒体が上下方向に流れるように構成され、上記最上流熱交換部（45a）の上記熱媒体流路（42）では上記熱媒体が下向きに流れ、上記最下流熱交換部（45b）の上記熱媒体流路（42）では上記熱媒体が上向きに流れることを特徴とする。
第４の態様の最上流熱交換部（45a）では、下向きに流れる熱媒体が冷媒と熱交換する。また、最下流熱交換部（45b）では、上向きに流れる熱媒体が冷媒と熱交換する。
本開示の第５の態様は、上記第２〜第４のいずれか一つの態様において、上記プレート積層体（40）は、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）に区分され、上記プレート積層体（40）では、上記熱媒体の流通経路において上記第１熱交換部（45a）の下流に上記第２熱交換部（45b）が配置され、上記第２熱交換部（45b）が有する上記伝熱プレート（50a,50b）の数に対する上記第１熱交換部（45a）が有する上記伝熱プレート（50a,50b）の数の比が、１以上３以下であることを特徴とする。
第５の態様では、“第２熱交換部（45b）が有する伝熱プレート（50a,50b）の数Ｎ２”に対する“第１熱交換部（45a）が有する伝熱プレート（50a,50b）の数Ｎ１”の比（Ｎ１／Ｎ２）が、１以上３以下となる。
本開示の第６の態様は、上記第１〜第５のいずれか一つの態様において、上記シェル（20）は、長手方向が横方向となる姿勢で設置され、長手方向の一方の端部が第１端部（20a）であって他方の端部が第２端部（20b）であり、上記冷媒出口（22）は、上記シェル（20）の長手方向の上記第２端部（20b）寄りに配置され、上記プレート積層体（40）は、複数の上記伝熱プレート（50a,50b）の積層方向が上記シェル（20）の長手方向に沿う姿勢で設置され、上記シェル（20）の第２端部（20b）寄りに位置する端部に上記特定熱交換部（45b）が設けられることを特徴とする。
第６の態様では、シェル（20）の長手方向の端部のうち冷媒出口（22）に近い方の端部である第２端部（20b）寄りに、プレート積層体（40）の特定熱交換部（45b）が設けられる。
図１は、実施形態のシェルアンドプレート式熱交換器の縦断面を示す断面図である。 図２は、図１のII−II断面を示す、シェルアンドプレート式熱交換器の断面図である。 図３は、図２のIII−III断面を示す、プレート積層体の断面図である。 図４は、実施形態の第１変形例のシェルアンドプレート式熱交換器の、図１に相当する断面を示す断面図である。 図５は、実施形態の第２変形例のシェルアンドプレート式熱交換器の、図１に相当する断面を示す断面図である。 図６は、実施形態の第３変形例のシェルアンドプレート式熱交換器の、図１に相当する断面を示す断面図である。 図７は、実施形態の第４変形例のシェルアンドプレート式熱交換器の、図１に相当する断面を示す断面図である。 図８は、実施形態の第５変形例のシェルアンドプレート式熱交換器の、図１に相当する断面を示す断面図である。 図９は、図８のIX−IX断面を示す、シェルアンドプレート式熱交換器の断面図である。
《実施形態》
実施形態について説明する。本実施形態のシェルアンドプレート式熱交換器（10）（以下では、「熱交換器」という）は、満液式の蒸発器である。本実施形態の熱交換器（10）は、冷凍サイクルを行う冷凍装置の冷媒回路に設けられ、冷媒によって熱媒体を冷却する。なお、熱媒体としては、水とブラインが例示される。
図１に示すように、本実施形態の熱交換器（10）は、シェル（20）と、プレート積層体（40）とを備える。プレート積層体（40）は、シェル（20）の内部空間（21）に収容される。
−シェル−
シェル（20）は、両端が閉塞された円筒状に形成される。シェル（20）は、その長手方向が横方向となる姿勢で設置される。シェル（20）は、図１における左端部が第１端部（20a）であり、図１における右端部が第２端部（20b）である。
シェル（20）の頂部には、シェル（20）の内部空間（21）から冷媒を導出するための冷媒出口（22）が設けられる。冷媒出口（22）は、シェル（20）の第２端部（20b）寄りの位置に設けられる。冷媒出口（22）は、配管を介して冷凍装置の圧縮機に接続される。
シェル（20）の底部には、シェル（20）の内部空間（21）へ冷媒を導入するための冷媒入口（32）が設けられる。冷媒入口（32）は、シェル（20）の長手方向の中央部に設けられる。冷媒入口（32）は、配管を介して冷凍装置の膨張機構に接続される。
シェル（20）には、熱媒体入口（23）と、熱媒体出口（24）とが設けられる。熱媒体入口（23）と熱媒体出口（24）のそれぞれは、管状の部材である。熱媒体入口（23）は、シェル（20）の第１端部（20a）を貫通してプレート積層体（40）に接続し、熱媒体をプレート積層体（40）へ導入する。熱媒体出口（24）は、シェル（20）の第２端部（20b）を貫通してプレート積層体（40）に接続し、プレート積層体（40）から熱媒体を導出する。
−プレート積層体−
図１に示すように、プレート積層体（40）は、積層された複数の伝熱プレート（50a,50b）によって構成される。プレート積層体（40）は、伝熱プレート（50a,50b）の積層方向が横方向となる姿勢で、シェル（20）の内部空間（21）に収容される。また、プレート積層体（40）は、伝熱プレート（50a,50b）の積層方向において、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）に区分される。
図２に示すように、プレート積層体（40）を構成する伝熱プレート（50a,50b）は、概ね半円形の板状の部材である。プレート積層体（40）は、伝熱プレート（50a,50b）の円弧状の縁部が下向きとなる姿勢で、シェル（20）の内部空間（21）の底部寄りに配置される。
図示しないが、シェル（20）の内面には、プレート積層体（40）を支持する突起状の支持部が設けられる。シェル（20）の内部空間（21）に収容された状態で、プレート積層体（40）はシェル（20）の内面から離間しており、プレート積層体（40）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の下向きの縁部とシェル（20）の内面との間に隙間（25）が形成される。
図３に示すように、プレート積層体（40）には、互いに形状が異なる第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とが、伝熱プレートとして設けられる。プレート積層体（40）は、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）とを複数ずつ備える。プレート積層体（40）では、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）が交互に積層される。以下の説明では、第１プレート（50a）と第２プレート（50b）のそれぞれについて、図３における左側の面を表（おもて）面とし、図３における右側の面を裏面とする。
〈第１熱交換部、第２熱交換部〉
図１に示すように、プレート積層体（40）は、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）に区分される。第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）のそれぞれは、積層された複数の伝熱プレート（50a,50b）によって構成される。本実施形態のプレート積層体（40）では、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）のそれぞれが、同数ずつの伝熱プレート（50a,50b）を備える。第１熱交換部（45a）は、シェル（20）の第１端部（20a）寄りに配置される。第２熱交換部（45b）は、シェル（20）の第２端部（20b）寄りに配置される。
詳しくは後述するが、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）のそれぞれには、下側連通路（46a,46b）及び上側連通路（47a,47b）が一つずつ形成される。第１熱交換部（45a）の第１上側連通路（47a）には、熱媒体入口（23）が接続する。第１熱交換部（45a）の第１下側連通路（46a）には、第２熱交換部（45b）の第２下側連通路（46b）が接続する。第２熱交換部（45b）の第２上側連通路（47b）には、熱媒体出口（24）が接続する。
プレート積層体（40）では、熱媒体の流通経路において、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）が直列に配置される。プレート積層体（40）における熱媒体の流通経路では、第１熱交換部（45a）の下流に第２熱交換部（45b）が配置される。従って、本実施形態のプレート積層体（40）では、第１熱交換部（45a）が最上流熱交換部であり、第２熱交換部（45b）が最下流熱交換部である。
上述したように、第２熱交換部（45b）は、シェル（20）の第２端部（20b）寄りに配置される。従って、本実施形態の熱交換器（10）において、最下流熱交換部である第２熱交換部（45b）は、プレート積層体（40）の各熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）の最も近くに配置される。また、本実施形態の熱交換器（10）において、最上流熱交換部である第１熱交換部（45a）は、プレート積層体（40）の各熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）から最も遠くに配置される。
〈冷媒流路、熱媒体流路〉
図３に示すように、プレート積層体（40）の第１熱交換部（45a）及び第２熱交換部（45b）では、伝熱プレート（50a,50b）を挟んで冷媒流路（41）と熱媒体流路（42）とが複数ずつ形成される。冷媒流路（41）と熱媒体流路（42）は、伝熱プレート（50a,50b）によって互いに仕切られる。
冷媒流路（41）は、第１プレート（50a）の表面と第２プレート（50b）の裏面に挟まれた流路である。冷媒流路（41）は、シェル（20）の内部空間（21）に連通する。熱媒体流路（42）は、第１プレート（50a）の裏面と第２プレート（50b）の表面に挟まれた流路である。熱媒体流路（42）は、シェル（20）の内部空間（21）から遮断される一方、シェル（20）に取り付けられた熱媒体入口（23）及び熱媒体出口（24）と連通する。
〈ディンプル〉
図２及び図３に示すように、第１プレート（50a）及び第２プレート（50b）には、多数のディンプル（61）が形成される。第１プレート（50a）のディンプル（61）は、第１プレート（50a）の表面側に膨出する。第２プレート（50b）のディンプル（61）は、第２プレート（50b）の裏面側に膨出する。
〈下側連通路、上側連通路〉
第１プレート（50a）には、下側凸部（51a）と上側凸部（53a）とが形成される。下側凸部（51a）と上側凸部（53a）のそれぞれは、第１プレート（50a）の表面側に膨出した円形の部分である。下側凸部（51a）と上側凸部（53a）のそれぞれは、第１プレート（50a）の幅方向の中央部に形成される。下側凸部（51a）は、第１プレート（50a）の下部に形成される。上側凸部（53a）は、第１プレート（50a）の上部に形成される。下側凸部（51a）の中心部には、第１下側孔（52a）が形成される。上側凸部（53a）の中心部には、第１上側孔（54a）が形成される。第１下側孔（52a）と第１上側孔（54a）のそれぞれは、第１プレート（50a）を厚さ方向に貫通する円形の孔である。
第２プレート（50b）には、下側凹部（51b）と上側凹部（53b）とが形成される。下側凹部（51b）と上側凹部（53b）のそれぞれは、第２プレート（50b）の裏面側に膨出した円形の部分である。下側凹部（51b）と上側凹部（53b）のそれぞれは、第２プレート（50b）の幅方向の中央部に形成される。下側凹部（51b）は、第２プレート（50b）の下部に形成される。上側凹部（53b）は、第２プレート（50b）の上部に形成される。下側凹部（51b）の中心部には、第２下側孔（52b）が形成される。上側凹部（53b）の中心部には、第２上側孔（54b）が形成される。第２下側孔（52b）と第２上側孔（54b）のそれぞれは、第２プレート（50b）を厚さ方向に貫通する円形の孔である。
第２プレート（50b）において、下側凹部（51b）は、第１プレート（50a）の下側凸部（51a）に対応する位置に形成され、上側凹部（53b）は、第１プレート（50a）の上側凸部（53a）に対応する位置に形成される。また、第２プレート（50b）において、第２下側孔（52b）は、第１プレート（50a）の第１下側孔（52a）に対応する位置に形成され、第２上側孔（54b）は、第１プレート（50a）の第１上側孔（54a）に対応する位置に形成される。第１下側孔（52a）と第２下側孔（52b）は、それぞれの直径が互いに実質的に等しい。第１上側孔（54a）と第２上側孔（54b）は、それぞれの直径が互いに実質的に等しい。
プレート積層体（40）において、各第１プレート（50a）の周縁部は、その第１プレート（50a）の裏面側に隣接する第２プレート（50b）の周縁部と溶接によって全周に亘って接合される。また、プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の第１下側孔（52a）が、その第１プレート（50a）の表面側に隣接する第２プレート（50b）の第２下側孔（52b）と重なり合い、重なり合った第１下側孔（52a）と第２下側孔（52b）の縁部が溶接によって全周に亘って接合される。また、プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の第１上側孔（54a）が、その第１プレート（50a）の表面側に隣接する第２プレート（50b）の第２上側孔（54b）と重なり合い、重なり合った第１上側孔（54a）と第２上側孔（54b）の縁部が溶接によって全周に亘って接合される。
プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の下側凸部（51a）及び第１下側孔（52a）と、各第２プレート（50b）の下側凹部（51b）及び第２下側孔（52b）とによって、下側連通路（46a,46b）が形成される。また、プレート積層体（40）では、各第１プレート（50a）の上側凸部（53a）及び第１上側孔（54a）と、各第２プレート（50b）の上側凹部（53b）及び第２上側孔（54b）とによって、上側連通路（47a,47b）が形成される。
下側連通路（46a,46b）と上側連通路（47a,47b）のそれぞれは、プレート積層体（40）における伝熱プレート（50a,50b）の積層方向に延びる通路である。また、下側連通路（46a,46b）と上側連通路（47a,47b）のそれぞれは、シェル（20）の内部空間（21）から遮断された通路である。
第１熱交換部（45a）の第１上側連通路（47a）は、第１熱交換部（45a）に形成された全ての熱媒体流路（42）に連通し、熱媒体入口（23）に接続する。第１熱交換部（45a）の第１下側連通路（46a）は、第１熱交換部（45a）に形成された全ての熱媒体流路（42）に連通し、第２熱交換部（45b）の第２下側連通路（46b）に接続する。第２熱交換部（45b）の第２下側連通路（46b）は、第２熱交換部（45b）に形成された全ての熱媒体流路（42）に連通する。第２熱交換部（45b）の第２上側連通路（47b）は、第２熱交換部（45b）に形成された全ての熱媒体流路（42）に連通し、熱媒体出口（24）に接続する。
−熱交換器における冷媒と熱媒体の流れ−
本実施形態の熱交換器（10）における冷媒と熱媒体の流れについて説明する。
〈熱媒体の流れ〉
図１に示すように、熱交換器（10）へ供給される熱媒体は、熱媒体入口（23）を通って第１熱交換部（45a）の第１上側連通路（47a）へ流入し、第１熱交換部（45a）の各熱媒体流路（42）へ分配される。第１熱交換部（45a）の各熱媒体流路（42）へ流入した熱媒体は、伝熱プレート（50a,50b）の幅方向へ広がりつつ、概ね下方へ向かって流れる。熱媒体流路（42）を流れる過程で、熱媒体は、冷媒流路（41）を流れる冷媒へ放熱する。その結果、熱媒体の温度が低下する。
第１熱交換部（45a）の各熱媒体流路（42）を流れる間に冷却された熱媒体は、第１下側連通路（46a）へ流入し、他の熱媒体流路（42）を通過した熱媒体と合流する。その後、熱媒体は、第２熱交換部（45b）の第２下側連通路（46b）へ流入し、第２熱交換部（45b）の各熱媒体流路（42）へ分配される。このように、第２熱交換部（45b）の各熱媒体流路（42）には、第１熱交換部（45a）において冷却された熱媒体が流入する。
第２熱交換部（45b）の各熱媒体流路（42）へ流入した熱媒体は、伝熱プレート（50a,50b）の幅方向へ広がりつつ、概ね上方へ向かって流れる。熱媒体流路（42）を流れる過程で、熱媒体は、冷媒流路（41）を流れる冷媒へ放熱する。その結果、熱媒体の温度が更に低下する。
第２熱交換部（45b）の各熱媒体流路（42）を流れる間に冷却された熱媒体は、第２上側連通路（47b）へ流入し、他の熱媒体流路（42）を通過した熱媒体と合流する。その後、第２上側連通路（47b）の熱媒体は、熱媒体出口（24）を通って熱交換器（10）の外部へ流出し、空気調和などに利用される。
〈冷媒の流れ〉
熱交換器（10）へは、冷媒回路の膨張機構を通過した気液二相状態の低圧冷媒が供給される。熱交換器（10）へ供給される冷媒は、冷媒入口（32）を通ってシェル（20）の内部空間（21）に流入する。シェル（20）の内部空間（21）は、その概ね下部に液冷媒が溜まった状態になる。プレート積層体（40）は、その大部分がシェル（20）内の液冷媒に浸かった状態になる。プレート積層体（40）では、冷媒流路（41）を満たす液冷媒が熱媒体流路（42）の熱媒体によって加熱されて蒸発する。
冷媒流路（41）において生じたガス冷媒は、冷媒流路（41）を上方へ向かって流れ、プレート積層体（40）の上方の空間に流れ込む。また、冷媒流路（41）において生じたガス冷媒の一部は、横方向に流れてプレート積層体（40）とシェル（20）の間の隙間（25）に流入し、この隙間（25）を通ってプレート積層体（40）の上方の空間に流れ込む。プレート積層体（40）の上方の空間へ流入した冷媒は、冷媒出口（22）を通ってシェル（20）の外部へ流出する。シェル（20）の外部へ流出した冷媒は、冷凍装置の圧縮機に吸入される。
−シェルから流出する液冷媒の量−
プレート積層体（40）の第１熱交換部（45a）では、熱媒体入口（23）から流入した熱媒体が冷と熱交換する。一方、プレート積層体（40）の第２熱交換部（45b）では、第１熱交換部（45a）において冷却された熱媒体が冷媒と熱交換する。従って、第２熱交換部（45b）において互いに熱交換する冷媒と熱媒体の温度差は、第１熱交換部（45a）において互いに熱交換する冷媒と熱媒体の温度差よりも小さい。
互いに熱交換する冷媒と熱媒体の温度差が小さいほど、冷媒が熱媒体から吸収する熱量が少なくなる。そのため、第２熱交換部（45b）において冷媒が熱媒体から吸収する熱量は、第１熱交換部（45a）において冷媒が熱媒体から吸収する熱量よりも少ない。従って、第２熱交換部（45b）は、プレート積層体（40）の各熱交換部（45a,45b）のなかで熱交換量が最も少ない特定熱交換部である。
互いに熱交換する冷媒と熱媒体の温度差が小さいほど、冷媒が熱媒体から吸収する熱量が少なくなり、発生するガス冷媒の量が少なくなる。そのため、本実施形態のプレート積層体（40）では、第２熱交換部（45b）において発生するガス冷媒の量が、第１熱交換部（45a）において発生するガス冷媒の量よりも少なくなる。その結果、第２熱交換部（45b）から上方へ流れる冷媒の流速は、第１熱交換部（45a）から上方へ流れる冷媒の流速よりも低くなる。
プレート積層体（40）の上方の空間に流れ込む冷媒は、微細な滴状の液冷媒を含んでいる。そして、プレート積層体（40）から上方へ向かうガス冷媒の流速が低いほど、ガス冷媒と共に冷媒出口（22）に到達する滴状の液冷媒の量が少なくなる。
本実施形態の熱交換器（10）では、上方へ向かうガス冷媒の流速が最も低い第２熱交換部（45b）が、プレート積層体（40）の各熱交換部（45a,45b）のなかで冷媒出口（22）の最も近くに配置される。そのため、冷媒出口（22）の付近におけるガス冷媒の流速が低く抑えられ、冷媒出口（22）からシェル（20）の外部へガス冷媒と共に流出する滴状の液冷媒の量が低く抑えられる。
−実施形態の特徴（１）−
本実施形態の熱交換器（10）では、プレート積層体（40）が複数の熱交換部（45a,45b）に区分される。複数の熱交換部（45a,45b）は、それぞれが複数の伝熱プレート（50a,50b）を有する。複数の熱交換部（45a,45b）のうち熱交換量が最も少ない熱交換部である特定熱交換部（45b）は、複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）の最も近くに配置される。
特定熱交換部（45b）において発生するガス冷媒の量は、各熱交換部（45a,45b）において発生するガス冷媒の量のうちで最も少ない。従って、特定熱交換部（45b）から上方へ流れるガス冷媒の流速は、各熱交換部（45a,45b）から上方へ流れるガス冷媒の流速のうちで最も低くなる。プレート積層体（40）から上方へ流れるガス冷媒の流速が低いほど、そのガス冷媒に含まれる滴状の液冷媒の量が少なくなる。
本実施形態の熱交換器（10）では、上方へ流れるガス冷媒の流速が最も低い特定熱交換部（45b）が、複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）の最も近くに配置される。その結果、ガス冷媒と共にシェル（20）から流出する液冷媒の量が減少し、熱交換器（10）の性能が向上する。
−実施形態の特徴（２）−
本実施形態のプレート積層体（40）では、複数の熱交換部（45a,45b）が熱媒体の流通経路において直列に配置される。熱媒体の流通経路において最も下流に配置された熱交換部である最下流熱交換部（45b）が、特定熱交換部を構成する。
本実施形態のプレート積層体（40）において、熱媒体は、複数の熱交換部（45a,45b）を順に通過し、その過程で冷却される。最下流熱交換部（45b）へ流入する熱媒体の温度は、各熱交換部（45a,45b）へ流入する熱媒体の温度のうちで最も低い。従って、最下流熱交換部（45b）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差は、各熱交換部（45a,45b）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差のうちで最も小さい。そして、本実施形態の熱交換器（10）では、最下流熱交換部（45b）が特定熱交換部を構成する。
−実施形態の特徴（３）−
本実施形態の熱交換器（10）では、熱媒体の流通経路において最も上流に配置された熱交換部である最上流熱交換部（45a）が、プレート積層体（40）の複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）から最も遠くに配置される。
最上流熱交換部（45a）へ流入する熱媒体の温度は、各熱交換部（45a,45b）へ流入する熱媒体の温度のうちで最も高い。従って、最上流熱交換部（45a）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差は、各熱交換部（45a,45b）において熱交換する熱媒体と冷媒の温度差のうちで最も大きい。熱交換する熱媒体と冷媒の温度差が大きいほど、発生するガス冷媒の量が多くなる。
本実施形態の熱交換器（10）では、各熱交換部（45a,45b）のうちで発生するガス冷媒の量が多い最上流熱交換部（45a）が、複数の熱交換部（45a,45b）のうちで冷媒出口（22）から最も遠くに配置される。熱交換部（45a,45b）から冷媒出口（22）までの距離が離れるほど、冷媒出口（22）に到達するガス冷媒に含まれた滴状の液冷媒の量が少なくなる。従って、本実施形態によれば、最上流熱交換部（45a）を冷媒出口（22）から離れた位置に設けることによって、ガス冷媒と共にシェル（20）から流出する液冷媒の量を削減できる。
−実施形態の特徴（４）−
本実施形態のプレート積層体（40）は、熱媒体流路（42）において熱媒体が上下方向に流れるように構成される。最上流熱交換部（45a）の熱媒体流路（42）では、熱媒体が下向きに流れる。最下流熱交換部（45b）の熱媒体流路（42）では、熱媒体が上向きに流れる。
本実施形態の最上流熱交換部（45a）では、下向きに流れる熱媒体が冷媒と熱交換する。また、最下流熱交換部（45b）では、上向きに流れる熱媒体が冷媒と熱交換する。
−実施形態の特徴（５）−
本実施形態のプレート積層体（40）は、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）に区分される。プレート積層体（40）では、熱媒体の流通経路において第１熱交換部（45a）の下流に第２熱交換部（45b）が配置される。第２熱交換部（45b）が有する伝熱プレート（50a,50b）の数Ｎ２に対する第１熱交換部（45a）が有する伝熱プレート（50a,50b）の数Ｎ１の比（Ｎ１／Ｎ２）が、１以上３以下である。
−実施形態の特徴（６）−
本実施形態の熱交換器（10）において、シェル（20）は、長手方向が横方向となる姿勢で設置される。シェル（20）は、長手方向の一方の端部が第１端部（20a）であり、他方の端部が第２端部（20b）である。冷媒出口（22）は、シェル（20）の長手方向の第２端部（20b）寄りに配置される。プレート積層体（40）は、複数の伝熱プレート（50a,50b）の積層方向がシェル（20）の長手方向に沿う姿勢で設置される。また、プレート積層体（40）では、シェル（20）の第２端部（20b）寄りに位置する端部に特定熱交換部（45b）が設けられる。
−実施形態の変形例−
上記実施形態の熱交換器（10）については、次のような変形例を適用してもよい。なお、以下の変形例は、熱交換器（10）の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
〈第１変形例〉
図４に示すように、上記実施形態のプレート積層体（40）では、“第１熱交換部（45a）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の枚数Ｎ１”と“第２熱交換部（45b）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の枚数Ｎ２”が異なっていてもよい。ただし、“第２熱交換部（45b）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の枚数Ｎ２”は、“第１熱交換部（45a）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の枚数Ｎ１”よりも少ない。
具体的に、上記実施形態のプレート積層体（40）において、“第１熱交換部（45a）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の枚数Ｎ１”の“第２熱交換部（45b）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の枚数Ｎ２”に対する比（Ｎ１／Ｎ２）は、１以上３以下（１≦Ｎ１／Ｎ２≦３）であるのが望ましい。Ｎ１／Ｎ２の値を１以上３以下に設定すれば、第２熱交換部（45b）から上方へ流れるガス冷媒の流速が、第１熱交換部（45a）から上方へ流れるガス冷媒の流速よりも確実に遅くなる。
〈第２変形例〉
図５に示すように、上記実施形態のプレート積層体（40）では、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）が離間していてもよい。本変形例のプレート積層体（40）において、第１熱交換部（45a）の第１下側連通路（46a）と、第２熱交換部（45b）の第２下側連通路（46b）とは、配管を介して互いに接続される。
〈第３変形例〉
図６に示すように、上記実施形態の熱交換器（10）では、シェル（20）の内部空間（21）において、プレート積層体（40）は、図６におけるシェル（20）の第１端部（20a）寄りに配置されていてもよい。図６では、シェル（20）の第２端部（20b）の内面と第２熱交換部（45b）の右端面との距離Ｌ２が、シェル（20）の第１端部（20a）の内面と第１熱交換部（45a）の左端面との距離Ｌ１よりも長い（Ｌ１＜Ｌ２）。
このように、本変形例の熱交換器（10）では、シェル（20）の冷媒出口（22）に近い第２端部（20b）と第２熱交換部（45b）の間に形成される第２空間（27）が、シェル（20）の冷媒出口（22）から遠い第１端部（20a）と第１熱交換部（45a）の間に形成される第１空間（26）よりも広くなる。また、本変形例の熱交換器（10）において、冷媒出口（22）は、熱交換器（10）を上方から見たときに第２空間（27）と重なる位置に設けられる。
第２空間（27）では、ガス冷媒が発生しない。そのため、本変形例によれば、冷媒出口（22）に到達するガス冷媒の流速を低く抑えることができ、その結果、ガス冷媒と共にシェル（20）から流出する液冷媒の量を低減できる。
〈第４変形例〉
図７に示すように、上記実施形態の熱交換器（10）において、冷媒出口（22）は、シェル（20）の第２端部（20b）の上部に設けられていてよい。
〈第５変形例〉
図８及び図９に示すように、上記実施形態の熱交換器（10）は、分散板（70）を備えていてもよい。
分散板（70）は、シェル（20）の底部の内面を覆う板状の部材であって、シェル（20）の底部との間に分散室（72）を形成する。分散板（70）は、シェル（20）の内面における冷媒入口（32）の開口端を覆う。また、分散板（70）は、シェル（20）の内部空間の全長に亘って設けられる。
分散板（70）の傾斜した側部には、複数の流出孔（71）が形成される。各流出孔（71）は、分散板（70）を板厚方向に貫通し、分散室（72）を分散板（70）の外側の空間と連通させる。分散板（70）の各側部では、複数の流出孔（71）が分散板（70）の長手方向に、互いに所定のピッチで一列に配置される。
分散板（70）は、第１熱交換部（45a）の下方に位置する第１部分（70a）と、第２熱交換部（45b）の下方に位置する第２部分（70b）とに区分される。第２部分（70b）に形成された複数の流出孔（71）のピッチは、第１部分（70a）に形成された複数の流出孔（71）のピッチよりも広い。
熱交換器（10）の冷媒入口（32）へ供給された冷媒は、分散板（70）に覆われた分散室（72）へ流入し、流出孔（71）を通って分散室（72）の外部へ流出する。上述したように、第２部分（70b）に形成された複数の流出孔（71）のピッチは、第１部分（70a）に形成された複数の流出孔（71）のピッチよりも広い。そのため、第２熱交換部（45b）へ供給される冷媒の流量は、第１熱交換部（45a）へ供給される冷媒の流量よりも少なくなる。その結果、第２熱交換部（45b）において発生するガス冷媒の量が、第１熱交換部（45a）において発生するガス冷媒の量よりも少なくなる。
〈第６変形例〉
上記実施形態の熱交換器（10）において、プレート積層体（40）は、三つ以上の熱交換部に区分されていてもよい。本変形例のプレート積層体（40）においても、三つ以上の熱交換部は、熱媒体の流通経路において直列に配置される。
本変形例のプレート積層体（40）は、熱媒体の流通経路において最も上流に位置する熱交換部（最上流熱交換部）がシェル（20）の冷媒出口（22）から最も遠くに位置し、熱媒体の流通経路において最も下流に位置する熱交換部（最下流熱交換部）がシェル（20）の冷媒出口（22）の最も近くに位置する姿勢で、シェル（20）の内部空間（21）に設置される。
〈第７変形例〉
上記実施形態の熱交換器（10）において、プレート積層体（40）を構成する伝熱プレート（50a,50b）には、ディンプル（61）に代えて、細長い畝状の凹凸が繰り返し形成された凹凸パターンが形成されていてもよい。
例えば、伝熱プレート（50a,50b）に形成される凹凸パターンは、凹凸の稜線が伝熱プレート（50a,50b）の幅方向に延びる形状であってもよい。また、伝熱プレート（50a,50b）に形成される凹凸パターンは、左右に折れ曲がるように蛇行したヘリンボーン形状であってもよい。
〈第８変形例〉
上記実施形態の熱交換器（10）において、プレート積層体（40）を構成する伝熱プレート（50a,50b）の形状は、半円形に限定されない。例えば、伝熱プレート（50a,50b）は、楕円形状であってもよいし、円形状であってもよい。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。また、明細書および特許請求の範囲の「第１」、「第２」、「第３」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。
以上説明したように、本開示は、シェルアンドプレート式熱交換器について有用である。
10 シェルアンドプレート式熱交換器
20 シェル
20a 第１端部
20b 第２端部
21 内部空間
22 冷媒出口
40 プレート積層体
41 冷媒流路
42 熱媒体流路
45a 第１熱交換部（最上流熱交換部）
45b 第２熱交換部（最下流熱交換部、特定熱交換部）
50a 第１プレート（伝熱プレート）
50b 第２プレート（伝熱プレート）

Claims (6)

  1. 内部空間（21）を形成するシェル（20）と、
    重ね合わされて互いに接合された複数の伝熱プレート（50a,50b）を有して上記シェル（20）の上記内部空間（21）に収容されるプレート積層体（40）とを備え、
    上記シェル（20）の上記内部空間（21）へ流入した冷媒を蒸発させるシェルアンドプレート式熱交換器であって、
    上記シェル（20）の上部には、上記内部空間（21）からガス冷媒を導出するための冷媒出口（22）が形成され、
    上記プレート積層体（40）には、上記シェル（20）の上記内部空間（21）に連通して冷媒が流れる冷媒流路（41）と、上記シェル（20）の上記内部空間（21）から遮断されて熱媒体が流れる熱媒体流路（42）とが、上記伝熱プレート（50a,50b）を挟んで隣り合うように複数ずつ形成され、
    上記プレート積層体（40）は、それぞれが複数の上記伝熱プレート（50a,50b）を有する複数の熱交換部（45a,45b）に区分され、
    複数の上記熱交換部（45a,45b）のうち熱交換量が最も少ない熱交換部である特定熱交換部（45b）が、複数の上記熱交換部（45a,45b）のうちで上記冷媒出口（22）の最も近くに配置される
    ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
  2. 請求項１において、
    上記プレート積層体（40）では、複数の上記熱交換部（45a,45b）が上記熱媒体の流通経路において直列に配置され、
    上記熱媒体の流通経路において最も下流に配置された上記熱交換部である最下流熱交換部（45b）が、上記特定熱交換部を構成する
    ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
  3. 請求項２において、
    上記熱媒体の流通経路において最も上流に配置された上記熱交換部である最上流熱交換部（45a）が、上記プレート積層体（40）の複数の上記熱交換部（45a,45b）のうちで上記冷媒出口（22）から最も遠くに配置される
    ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
  4. 請求項３において、
    上記プレート積層体（40）は、上記熱媒体流路（42）において上記熱媒体が上下方向に流れるように構成され、
    上記最上流熱交換部（45a）の上記熱媒体流路（42）では上記熱媒体が下向きに流れ、
    上記最下流熱交換部（45b）の上記熱媒体流路（42）では上記熱媒体が上向きに流れる
    ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
  5. 請求項２乃至４のいずれか一つにおいて、
    上記プレート積層体（40）は、第１熱交換部（45a）と第２熱交換部（45b）に区分され、
    上記プレート積層体（40）では、上記熱媒体の流通経路において上記第１熱交換部（45a）の下流に上記第２熱交換部（45b）が配置され、
    上記第２熱交換部（45b）が有する上記伝熱プレート（50a,50b）の数に対する上記第１熱交換部（45a）が有する上記伝熱プレート（50a,50b）の数の比が、１以上３以下である
    ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
    上記シェル（20）は、長手方向が横方向となる姿勢で設置され、長手方向の一方の端部が第１端部（20a）であって他方の端部が第２端部（20b）であり、
    上記冷媒出口（22）は、上記シェル（20）の長手方向の上記第２端部（20b）寄りに配置され、
    上記プレート積層体（40）は、複数の上記伝熱プレート（50a,50b）の積層方向が上記シェル（20）の長手方向に沿う姿勢で設置され、上記シェル（20）の第２端部（20b）寄りに位置する端部に上記特定熱交換部（45b）が設けられる
    ことを特徴とするシェルアンドプレート式熱交換器。
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