JP6450596B2

JP6450596B2 - プレート式熱交換器及び冷凍サイクル装置

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Publication number: JP6450596B2
Application number: JP2015004035A
Authority: JP
Inventors: 貴宏図司
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-01-13
Also published as: JP2016130597A

Description

本発明の実施形態は、プレート式熱交換器及び冷凍サイクル装置に関する。

主面を対向させて積層されるとともに周縁部が接合された複数のプレートを備え、隣り合うプレートの間にそれぞれ流路が形成されたプレート式熱交換器、及び、この熱交換器を蒸発器或いは凝縮器として用いた冷凍サイクル装置が知られている。プレート式熱交換器においては、プレートを挟んで隣り合う流路にそれぞれ流体が流れ、これらの流体がプレートを介して熱交換する。

一般に、流体が複数のプレート式熱交換器を順に流れるようにこれらの熱交換器を直列に接続し、これらの熱交換器をそれぞれ蒸発器として機能させる多段蒸発の冷凍サイクル、或いはこれらの熱交換器をそれぞれ凝縮器として機能させる多段凝縮の冷凍サイクルを構成した場合、１段蒸発或いは１段凝縮の冷凍サイクルに比べて成績係数（ＣＯＰ）を向上させることが可能である。

多段蒸発或いは多段凝縮の冷凍サイクルにおいては、各プレート式熱交換器を接続する配管が必要となるために、コストの上昇、設置スペースの増大、或いは当該配管による圧力損失の増大といった問題が生じ得る。

また、多段蒸発或いは多段凝縮の冷凍サイクルにおいては、各プレート式熱交換器の流入口及び流出口における流体の温度差を小さくすることができるため、流体の流量を増加させることが可能である。しかしながら、流量の増加に伴い流速が速まると流体の圧力損失の増大を招き、流体を各プレート式熱交換器に送る動力を流量の増加以上に高めなければならないなど、効率面でも改善の余地がある。

特開平１１−２８７５７４号公報

本発明の一態様における目的は、多段蒸発或いは多段凝縮の冷凍サイクルに利用した場合に当該サイクルの製造コストの低減、設置スペースの低減、或いは高効率化などを図ることが可能なプレート式熱交換器、及び、当該熱交換器を用いた冷凍サイクル装置を提供することである。

一実施形態に係るプレート式熱交換器は、主面を対向させて積層された複数のプレートを備え、隣り合う上記プレートの間にそれぞれ流路が形成され、上記プレートを挟んで隣り合う上記流路の各々を流れる流体同士が熱交換するプレート式熱交換器であって、上記複数のプレートによって形成される複数の上記流路は、第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる第２流路と、上記第１流路と隣り合うとともに第３流体が流れ、この第３流体と上記第１流路を流れる上記第１流体とが熱交換する第３流路と、上記第２流路と隣り合うとともに上記第３流路を通過した後の上記第３流体が流れ、この第３流体と上記第２流路を流れる上記第２流体とが熱交換する第４流路と、前記第３流路と前記第４流路とを繋ぐ第５流路と、を含む。上記複数のプレートは、第１側辺部と、この第１側辺部の反対側の第２側辺部と、を有する。上記第５流路は、上記第３流路の上記第１側辺部の側と、上記第４流路の上記第２側辺部の側とを繋ぐ。

図１は、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成例を概略的に示す図である。図２は、第１実施形態に係るプレート式熱交換器における熱交換作用を説明するための図である。図３は、第１実施形態に係るプレート式熱交換器の一構成例を示す分解図である。図４Ａは、図１に示したプレート式熱交換器に適用可能な構成の一例を示す図である。図４Ｂは、図１に示したプレート式熱交換器に適用可能な構成の一例を示す図である。図５Ａは、図４ＡにおけるV−V線に沿った断面の一例を示す図である。図５Ｂは、第１実施形態の変形例を示す図である。図５Ｃは、第１実施形態の変形例を示す図である。図６は、第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成例を概略的に示す図である。図７は、第２実施形態に係るプレート式熱交換器における熱交換作用を説明するための図である。図８Ａは、図６に示したプレート式熱交換器に適用可能な構成の一例を示す図である。図８Ｂは、図６に示したプレート式熱交換器に適用可能な構成の一例を示す図である。図８Ｃは、図６に示したプレート式熱交換器に適用可能な構成の一例を示す図である。図９Ａは、図８ＡにおけるIX−IX線に沿った断面の一例を示す図である。図９Ｂは、第２実施形態の変形例を示す図である。図９Ｃは、第２実施形態の変形例を示す図である。図１０は、第３実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成例を概略的に示す図である。図１１は、第３実施形態において凝縮器として機能するプレート式熱交換器における熱交換作用を説明するための図である。図１２は、第３実施形態において蒸発器として機能するプレート式熱交換器における熱交換作用を説明するための図である。

いくつかの実施形態につき、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置Ｒ１の構成例を概略的に示す図である。図示した冷凍サイクル装置Ｒ１は、第１流体回路Ｃ１と、第２流体回路Ｃ２と、第３流体回路Ｃ３と、制御部１とを備える。

第１流体回路Ｃ１は、圧縮機１０と、熱交換器１１と、膨張装置１２と、プレート式熱交換器ＥＸと、第１配管Ｋ１とを含み、第１流体の一例である冷媒が循環する。圧縮機１０の吐出口１０ａと熱交換器１１、熱交換器１１と膨張装置１２、膨張装置１２とプレート式熱交換器ＥＸの第１流入口Ｅ１、プレート式熱交換器ＥＸの第１流出口Ｏ１と圧縮機１０の吸入口１０ｂが、それぞれ第１配管Ｋ１によって接続されている。

第２流体回路Ｃ２は、圧縮機２０と、熱交換器２１と、膨張装置２２と、上記プレート式熱交換器ＥＸと、第２配管Ｋ２とを含み、第２流体の一例である冷媒が循環する。圧縮機２０の吐出口２０ａと熱交換器２１、熱交換器２１と膨張装置２２、膨張装置２２とプレート式熱交換器ＥＸの第２流入口Ｅ２、プレート式熱交換器ＥＸの第２流出口Ｏ２と圧縮機２０の吸入口２０ｂが、それぞれ第２配管Ｋ２によって接続されている。

圧縮機１０，２０は、例えば、運転周波数が可変のインバータ制御によって駆動される圧縮機であって、インバータ装置を介して商用交流電源等の電源に電気的に接続されている。膨張装置１２，２２としては、例えば、入力される駆動パルスの数に応じて開度が変化するパルスモータバルブを利用することができる。図１の例においては、熱交換器１１に対向して送風ファン１３が配置され、熱交換器２１に対向して送風ファン２３が配置されている。

第３流体回路Ｃ３は、循環ポンプ３０と、上記プレート式熱交換器ＥＸと、第３配管Ｋ３ａ，Ｋ３ｂとを含み、第３流体の一例である水が循環する。第３配管Ｋ３ａはプレート式熱交換器ＥＸの第３流入口Ｅ３に接続され、第３配管Ｋ３ｂはプレート式熱交換器ＥＸの第３流出口Ｏ３に接続されている。循環ポンプ３０は、第３配管Ｋ３ａに設けられ、第３配管Ｋ３ａ内の水を第３流入口Ｅ３に送る。

プレート式熱交換器ＥＸは、第１流入口Ｅ１と第１流出口Ｏ１の間に第１流体回路Ｃ１の冷媒が流れる少なくとも１本の第１流路Ｐ１を備え、第２流入口Ｅ２と第２流出口Ｏ２の間に第２流体回路Ｃ２の冷媒が流れる少なくとも１本の第２流路Ｐ２を備え、第３流入口Ｅ３と第３流出口Ｏ３の間に第３流体回路Ｃ３の水が流れる少なくとも１本の第３流路Ｐ３及び少なくとも１本の第４流路Ｐ４を備える。第３流路Ｐ３は第３流入口Ｅ３側に位置し、第４流路Ｐ４は第３流出口Ｏ３側に位置し、これらは直列に接続されている。図１の例においては、２本の第１流路Ｐ１と、２本の第２流路Ｐ２と、３本の第３流路Ｐ３と、３本の第４流路Ｐ４とが設けられ、各第１流路Ｐ１と各第３流路Ｐ３が交互に並び、各第２流路Ｐ２と各第４流路Ｐ４が交互に並んでいる。プレート式熱交換器ＥＸは、さらに、第５流路Ｐ５を備えている。第５流路Ｐ５は、第３流体回路Ｃ３の水が流れる流路であって、第３流路Ｐ３と第４流路Ｐ４とを繋いでいる。

図１に示した冷凍サイクル装置Ｒ１の各要素は、例えば、筐体Ｈの内部に収容されている。なお、第３配管Ｋ３ａ，Ｋ３ｂは、この筐体Ｈの外部に延出している。制御部１は、各圧縮機１０，２０、各膨張装置１２，２２、各送風ファン１３，２３、及び循環ポンプ３０などを制御する。

本実施形態において、熱交換器１１及び熱交換器２１は凝縮器として機能し、プレート式熱交換器ＥＸは蒸発器として機能する。すなわち、第１流体回路Ｃ１において、圧縮機１０にて圧縮された冷媒は熱交換器１１にて空冷されて凝縮した後、膨張装置１２及び第１流入口Ｅ１を通って第１流路Ｐ１に流入し、第３流路Ｐ３を流れる水と熱交換して蒸発し、第１流出口Ｏ１から流出して圧縮機１０に戻る。また、第２流体回路Ｃ２において、圧縮機２０にて圧縮された冷媒は熱交換器２１にて空冷されて凝縮した後、膨張装置２２及び第２流入口Ｅ２を通って第２流路Ｐ２に流入し、第４流路Ｐ４を流れる水と熱交換して蒸発し、第２流出口Ｏ２から流出して圧縮機２０に戻る。

図２は、プレート式熱交換器ＥＸにおける熱交換作用を説明するための図であって、第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水の温度ＴＷ、第１流路Ｐ１を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ１、及び、第２流路Ｐ２を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ２の関係を示す。横軸はプレート式熱交換器ＥＸにおける水の流路の位置を示しており、第３流出口Ｏ３を起点としている。縦軸は温度（℃）である。

第３配管Ｋ３ａから第３流入口Ｅ３に流入した温度ＴＷ１の水は、第３流路Ｐ３を通る際に第１流路Ｐ１を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ１）により温度ＴＷ２に冷却され、その後、第４流路Ｐ４を通る際に第２流路Ｐ２を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ２）により更に冷却されて、温度ＴＷ３となる。なお、蒸発温度ＴＥ１は温度ＴＷ２未満の値に設定され（ＴＥ１＜ＴＷ２）、蒸発温度ＴＥ２は温度ＴＷ３未満（ＴＥ２＜ＴＥ３）かつ、蒸発温度ＴＥ１未満の値に設定される（ＴＥ１＞ＴＥ２）。

このように、図１に示した構成例によれば、多段蒸発（図１の例においては２段蒸発）の冷凍サイクル装置Ｒ１を実現することができる。例えば、温度ＴＷ３に冷却され第３流出口Ｏ３から第３配管Ｋ３ｂに流出した水は、図示せぬタンクなどを通った後、第３配管Ｋ３ａに戻る。例えば、本実施形態に係る冷凍サイクル装置Ｒ１は、第３配管Ｋ３ｂを通る水或いは上記タンクに溜められた水を冷却対象物を冷却するための配管に導くことで、冷却専用のチラーとして利用することができる。

図３は、プレート式熱交換器ＥＸの一構成例を示す分解図である。この図に示すプレート式熱交換器ＥＸは、第１カバープレートＣＰＬ１と、第２カバープレートＣＰＬ２と、複数のプレートＰＬ１〜ＰＬ１８とを備える。プレートＰＬ１〜ＰＬ１８は、第１カバープレートＣＰＬ１及び第２カバープレートＣＰＬ２の間に配置される。

各プレートＣＰＬ１，ＣＰＬ２，ＰＬ１〜ＰＬ１８は、第１側辺部Ｓ１と、この第１側辺部Ｓ１の反対側の第２側辺部Ｓ２とを有する。第１側辺部Ｓ１及び第２側辺部Ｓ２は、いずれもＸ方向と平行に延びる。図３の例において、各プレートＣＰＬ１，ＣＰＬ２，ＰＬ１〜ＰＬ１８は、短辺である第１側辺部Ｓ１及び第２側辺部Ｓ２と、Ｘ方向と直交するＹ方向に延びる一対の長辺とを有する長方形状である。各プレートＣＰＬ１，ＣＰＬ２，ＰＬ１〜ＰＬ１８は、それぞれの主面を対向させてＸ方向及びＹ方向と直交するＺ方向に積層されている。各プレートＣＰＬ１，ＣＰＬ２，ＰＬ１〜ＰＬ１８の周縁部は、ろう付けなどにより接合されている。

第１カバープレートＣＰＬ１は、上述の第１流入口Ｅ１、第１流出口Ｏ１、及び第３流入口Ｅ３を備える。第２カバープレートＣＰＬ２は、上述の第２流入口Ｅ２、第２流出口Ｏ２、及び第３流出口Ｏ３を備える。

プレートＰＬ１〜ＰＬ１８は、例えばヘリンボーン型である凹凸パターンを有している。図３においては、このヘリンボーン型の凹凸パターンの稜線をＶ字型で示している。プレートＰＬ１〜ＰＬ１８の凹凸パターンは、交互に上下が反転している。

Ｚ方向に順に並ぶプレートＰＬ１及びプレートＰＬ２の間には流路Ｐａが形成され、Ｚ方向に順に並ぶプレートＰＬ２及びプレートＰＬ３の間には流路Ｐｂが形成される。以降、プレートＰＬ１８まで交互に流路Ｐａと流路Ｐｂが形成される。上述の第１流路Ｐ１、第２流路Ｐ２、第３流路Ｐ３、第４流路Ｐ４及び第５流路Ｐ５は、いずれもこれら流路Ｐａ，Ｐｂによって構成される。

図４Ａは、第３流体回路Ｃ３の水のプレート式熱交換器ＥＸにおける流れの一例を示す図である。図４Ｂは、第１流体回路Ｃ１及び第２流体回路Ｃ２の冷媒のプレート式熱交換器ＥＸにおける流れの一例を示す図である。図４Ａ及び図４Ｂは、図３に示したプレート式熱交換器ＥＸのＹ−Ｚ平面と平行な断面の模式図に相当する。

図４Ａ及び図４Ｂに示すプレート式熱交換器ＥＸは、第１カバープレートＣＰＬ１及び第２カバープレートＣＰＬ２の間に、プレートＰＬ１〜ＰＬ１８を備える。これらのプレートＰＬ１〜ＰＬ１８により、９本の流路Ｐａと、８本の流路Ｐｂとが交互に形成される。

図４Ａに示すように、第３流入口Ｅ３からプレート式熱交換器ＥＸに流入した水は、主流路ＭＰ１０１を通って第１カバープレートＣＰＬ１側の３本の流路Ｐａに分流され、その後、主流路ＭＰ１０２で合流する。主流路ＭＰ１０２を流れる水は、３本の流路Ｐａと２本の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ１０３で合流する。主流路ＭＰ１０３を流れる水は、第２カバープレートＣＰＬ２側の３本の流路Ｐａに分流され、その後、主流路ＭＰ１０４で合流し、第３流出口Ｏ３から流出する。この例においては、第１カバープレートＣＰＬ１側の３本の流路Ｐａが第３流路Ｐ３に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側の３本の流路Ｐａが第４流路Ｐ４に相当する。そして、第３流路Ｐ３と第４流路Ｐ４との間の３本の流路Ｐａおよび２本の流路Ｐｂが第５流路Ｐ５に相当する。

図４Ｂに示すように、第１流入口Ｅ１からプレート式熱交換器ＥＸに流入した冷媒は、主流路ＭＰ１０５を通って第１カバープレートＣＰＬ１側の２本の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ１０６で合流し、第１流出口Ｏ１から流出する。また、第２流入口Ｅ２からプレート式熱交換器ＥＸに流入した冷媒は、主流路ＭＰ１０７を通って第２カバープレートＣＰＬ２側の２本の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ１０８で合流し、第２流出口Ｏ２から流出する。この例においては、第１カバープレートＣＰＬ１側の２本の流路Ｐｂが第１流路Ｐ１に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側の２本の流路Ｐｂが第２流路Ｐ２に相当する。

図４Ａ及び図４Ｂに示す８本の流路Ｐｂのうち、第１カバープレートＣＰＬ１側から３番目の流路Ｐｂに、水も冷媒も流入しない第１空間層ＳＰ１が形成され、第２カバープレートＣＰＬ２側から３番目の流路Ｐｂに、水も冷媒も流入しない第２空間層ＳＰ２が形成される。

第１流路Ｐ１に相当する各流路Ｐｂにおける冷媒は第１方向Ｄ１に流れ、第２流路Ｐ２に相当する各流路Ｐｂにおける冷媒は第１方向Ｄ１に流れ、第３流路Ｐ３に相当する各流路Ｐａにおける水は第１方向Ｄ１と逆の第２方向Ｄ２に流れ、第４流路Ｐ４に相当する各流路Ｐａにおける水は第２方向Ｄ２に流れ、第５流路Ｐ５に相当する各流路Ｐａ，Ｐｂにおける水は第１方向Ｄ１に流れる。第１方向Ｄ１は各プレートＰＬ１〜ＰＬ１８の第１側辺部Ｓ１から第２側辺部Ｓ２に向かう方向であり、第２方向Ｄ２は第２側辺部Ｓ２から第１側辺部Ｓ１に向かう方向である。なお、プレート式熱交換器ＥＸは、例えば第１側辺部Ｓ１の側が下側に位置するように設置される。この場合において、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は、重力方向と平行になる。

一般に、各プレートＰＬ１〜ＰＬ１８を挟んで隣り合う流路を流れる水と冷媒の熱交換効率は、これらの流れ方向が同一である場合よりも、これらの流れ方向が互いに逆の場合（カウンターフロー）において高くなる。図４Ａ及び図４Ｂの例においては、第１流路Ｐ１を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水、及び、第２流路Ｐ２を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水が、いずれもカウンターフローとなっている。このような流れ方向により、プレート式熱交換器ＥＸの熱交換効率を高めることが可能となる。

さらに、プレート式熱交換器ＥＸが蒸発器として機能する場合には、冷媒が下降方向（重力方向）に流れる場合よりも、上昇方向（重力方向の反対方向）に流れる場合に良好な熱交換効率を得ることができる。本実施形態においては、カウンターフローを実現しつつも、第１流路Ｐ１及び第２流路Ｐ２の冷媒を上昇方向に流すことにより、プレート式熱交換器ＥＸの熱交換効率を高めることが可能となる。

図５Ａは、図４ＡにおけるV−V線に沿った断面の一例を示す図である。この図に示す断面は、プレートＰＬ１〜ＰＬ１８に上述のヘリンボーン型の凹凸パターンを形成した場合に得られるものである。Ｘ方向に並ぶ複数の６角形状の断面領域が流路Ｐａに相当し、Ｘ方向に並ぶ複数の４角形状（菱形）の断面領域が流路Ｐｂに相当する。図５Ａ及び図５Ｂに示すプレート式熱交換器ＥＸは、第１カバープレートＣＰＬ１と第２カバープレートＣＰＬ２の間に、１８枚のプレートＰＬ１〜ＰＬ１８を備える。これらのプレートＰＬ１〜ＰＬ１８により、９本の流路Ｐａと、８本の流路Ｐｂとが交互に形成される。

第１カバープレートＣＰＬ１側の３本の流路Ｐａが第３流路Ｐ３に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側の３本の流路Ｐａが第４流路Ｐ４に相当する。第１カバープレートＣＰＬ１側の２本の流路Ｐｂが第１流路Ｐ１に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側の２本の流路Ｐｂが第２流路Ｐ２に相当する。第１カバープレートＣＰＬ１側から３番目の流路Ｐｂは水も冷媒も流入しない第１空間層ＳＰ１に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側から３番目の流路Ｐｂは水も冷媒も流れない第２空間層ＳＰ２に相当する。また、第１空間層ＳＰ１と第２空間層ＳＰ２の間の３本の流路Ｐａ及び２本の流路Ｐｂが第５流路Ｐ５に相当する。

水が流れる第３流路Ｐ３、第４流路Ｐ４及び第５流路ＳＰ５の断面積を大きくすることで、これら流路における圧力損失を抑えることができる。図５Ａの例において、流路Ｐａに相当する６角形状の断面領域のＸ方向における幅はＷ１であり、流路Ｐｂに相当する４角形状の断面領域のＸ方向における幅はＷ１よりも小さいＷ２であり（Ｗ１＞Ｗ２）、これら断面領域のＺ方向における高さは同一である。すなわち、図５Ａの例において、第３流路Ｐ３、第４流路Ｐ４及び第５流路Ｐ５の各々の断面積は、第１流路Ｐ１及び第２流路Ｐ２の各々の断面積よりも大きく定められている。さらに、図４Ａに示した第３流入口Ｅ３及び第３流出口Ｏ３の断面積（例えば内径）の各々を、図４Ｂに示した第１流入口Ｅ１、第２流入口Ｅ２、第１流出口Ｏ１、及び第２流出口Ｏ２の断面積の各々よりも大きくしてもよい。また、図４Ａに示した主流路ＭＰ１０１〜ＭＰ１０４の断面積の各々を、図４Ｂに示した主流路ＭＰ１０５〜ＭＰ１０８の断面積の各々よりも大きくしてもよい。各部の断面積の具体的な値は、水及び冷媒の流速と圧力損失との関係などを考慮して、実験的、理論的、或いは経験的に定められる。

図５Ａの例においては、ヘリンボーン型の凹凸パターンを採用したことにより、第１流路Ｐ１と第３流路Ｐ３とが面する面積、及び、第２流路Ｐ２と第４流路Ｐ４とが面する面積を大きく確保できるため、熱交換効率を高めることが可能となる。一方で、第１空間ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２に相当する流路Ｐｂを設けたことにより、第５流路ＳＰ５を流れる水と第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水との熱交換を抑制することができる。また、第５流路Ｐ５を構成するプレートＰＬ７〜ＰＬ１２は、凸部同士が接触する多数の接点を有しているために、十分な耐圧能を確保できる。

圧力損失を減らすために、第５流路Ｐ５の断面積は第３流路Ｐ３の断面積及び第４流路Ｐ４の断面積と同等以上に設計することが望ましい。図５Ａの例において、第３流路Ｐ３の断面積は第１カバープレートＣＰＬ１と第１空間層ＳＰ１との間に並ぶ６角形状の流路の合計面積に相当し、第４流路Ｐ４の断面積は第２空間層ＳＰ２と第２カバープレートＣＰＬ２との間に並ぶ６角形状の流路の合計面積に相当し、第５流路Ｐ５の断面積は第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２の間に並ぶ６角形状及び４角形状の流路の合計面積に相当する。

なお、図５Ｂに示すように、第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２をそれぞれ隣り合う流路Ｐａ，Ｐｂにより構成してもよいし、より多くの流路Ｐａ，Ｐｂにより構成してもよい。これらの場合には、第５流路Ｐ５を流れる水と第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水とをより効果的に断熱することができる。また、第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２のいずれか一方のみを設けてもよいし、図５Ｃに示すように第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２を設けなくてもよい。

以上説明した第１実施形態に係るプレート式熱交換器ＥＸ及び冷凍サイクル装置Ｒ１によれば、多段蒸発の冷凍サイクルを構成することができる。したがって、１段蒸発の冷凍サイクルに比べて成績係数（ＣＯＰ）を向上させることが可能である。

また、多段蒸発に必要な流路Ｐ１〜Ｐ４を１つのプレート式熱交換器ＥＸに設けているために、複数の熱交換器により多段蒸発を実現する場合に比べて配管数が減り、コストの上昇、設置スペースの増大、或いは当該配管による圧力損失の増大などを防ぐことができる。

また、圧縮機１０，２０が独立しているために、複数の圧縮機を並列接続して冷凍サイクルの大能力化を図る場合に必要な均油回路、油戻し回路、油回収運転などが不要となり、サイクルの効率を高めることができる。圧縮機１０，２０の一方が故障した場合でも、他方を用いてバックアップ運転が可能であるとの効果も得られる。

また、水が流れる流路（第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４等）の断面積を大きくしているために第３流体回路Ｃ３における圧力損失が減るので、循環ポンプ３０に必要な動力を低減することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。第１実施形態と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
図６は、第２実施形態に係る冷凍サイクル装置Ｒ２の構成例を概略的に示す図である。この冷凍サイクル装置Ｒ２は、第４流体回路Ｃ４と、第５流体回路Ｃ５とをさらに備える点で、図１に示した冷凍サイクル装置Ｒ１と相違する。

第４流体回路Ｃ４は、圧縮機４０と、熱交換器４１と、膨張装置４２と、プレート式熱交換器ＥＸと、第４配管Ｋ４とを含み、第４流体の一例である冷媒が循環する。圧縮機４０の吐出口４０ａと熱交換器４１、熱交換器４１と膨張装置４２、膨張装置４２とプレート式熱交換器ＥＸの第４流入口Ｅ４、プレート式熱交換器ＥＸの第４流出口Ｏ４と圧縮機４０の吸入口４０ｂが、それぞれ第４配管Ｋ４によって接続されている。

第５流体回路Ｃ５は、圧縮機５０と、熱交換器５１と、膨張装置５２と、プレート式熱交換器ＥＸと、第５配管Ｋ５とを含み、第５流体の一例である冷媒が循環する。圧縮機５０の吐出口５０ａと熱交換器５１、熱交換器５１と膨張装置５２、膨張装置５２とプレート式熱交換器ＥＸの第５流入口Ｅ５、プレート式熱交換器ＥＸの第５流出口Ｏ５と圧縮機５０の吸入口５０ｂが、それぞれ第５配管Ｋ５によって接続されている。

圧縮機４０及び圧縮機５０は、例えば、運転周波数が可変のインバータ制御によって駆動される圧縮機であって、インバータ装置を介して商用交流電源等の電源に電気的に接続されている。膨張装置４２及び膨張装置５２としては、例えば、入力される駆動パルスの数に応じて開度が連続的に変化するパルスモータバルブを利用することができる。図６の例においては、熱交換器４１に対向して送風ファン４３が配置され、熱交換器５１に対向して送風ファン５３が配置されている。

第４流体回路Ｃ４及び第５流体回路Ｃ５の各要素は、例えば、筐体Ｈの内部に収容されている。

プレート式熱交換器ＥＸは、第４流入口Ｅ４と第４流出口Ｏ４の間に第４流体回路Ｃ４の冷媒が流れる少なくとも１本の第６流路Ｐ６を備え、第５流入口Ｅ５と第５流出口Ｏ５の間に第５流体回路Ｃ５の冷媒が流れる少なくとも１本の第７流路Ｐ７を備える。図６の例においては、２本の第１流路Ｐ１と、２本の第２流路Ｐ２と、５本の第３流路Ｐ３と、５本の第４流路Ｐ４と、２本の第６流路Ｐ６と、２本の第７流路Ｐ７と、第３流路Ｐ３と第４流路Ｐ４を繋ぐ第５流路Ｐ５とが設けられ、各第１流路Ｐ１、各第３流路Ｐ３、及び各第６流路Ｐ６が交互に並び、各第２流路Ｐ２、各第４流路Ｐ４、及び各第７流路Ｐ７が交互に並んでいる。

本実施形態において、熱交換器１１，２１，４１，５１は凝縮器として機能し、プレート式熱交換器ＥＸは蒸発器として機能する。第４流体回路Ｃ４において、圧縮機４０にて圧縮された冷媒は熱交換器４１にて空冷されて凝縮した後、膨張装置４２及び第４流入口Ｅ４を通って第６流路Ｐ６に流入し、第３流路Ｐ３を流れる水と熱交換して蒸発し、第４流出口Ｏ４から流出して圧縮機４０に戻る。また、第５流体回路Ｃ５において、圧縮機５０にて圧縮された冷媒は熱交換器５１にて空冷されて凝縮した後、膨張装置５２及び第５流入口Ｅ５を通って第７流路Ｐ７に流入し、第４流路Ｐ４を流れる水と熱交換して蒸発し、第５流出口Ｏ５から流出して圧縮機５０に戻る。

図７は、プレート式熱交換器ＥＸにおける熱交換作用を説明するための図であって、第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水の温度ＴＷ、第１流路Ｐ１を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ１、第２流路Ｐ２を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ２、第６流路Ｐ６を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ６、及び、第７流路Ｐ７を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ７の関係を示す。横軸はプレート式熱交換器ＥＸにおける水の流路の位置を示しており、第３流出口Ｏ３を起点としている。縦軸は温度（℃）である。

第３配管Ｋ３ａから第３流入口Ｅ３に流入した温度ＴＷ１の水は、第３流路Ｐ３を通る際に、第１流路Ｐ１を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ１）及び第６流路Ｐ６を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ６）により温度ＴＷ２に冷却され、その後、第４流路Ｐ４を通る際に第２流路Ｐ２を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ２）及び第７流路Ｐ７を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ７）により更に冷却されて、温度ＴＷ３となる。なお、蒸発温度ＴＥ１，ＴＥ６は同等であり温度ＴＷ２未満の値に設定され（ＴＥ１＝ＴＥ６＜ＴＷ２）、蒸発温度ＴＥ２，ＴＥ７は同等であり温度ＴＷ３未満（ＴＥ２＝ＴＥ７＜ＴＷ３）、かつ、蒸発温度ＴＥ１，ＴＥ６未満の値に設定される（ＴＥ１，ＴＥ６＞ＴＥ２＝ＴＥ７）。

このように、図６に示した構成例によれば、多段蒸発（図６の例においては２段蒸発）の冷凍サイクル装置Ｒ２を実現することができる。また、第３流体回路Ｃ３を流れる水の冷却に４つの流体回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５を用いるために、冷凍サイクル装置Ｒ２の大能力化を図ることが可能である。また、図６の例においては、均油回路などを設けることなく一般的な圧縮機を利用して４つの流体回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５を実現できる。

図８Ａは、第３流体回路Ｃ３の水のプレート式熱交換器ＥＸにおける流れの一例を示す図である。図８Ｂは、第１流体回路Ｃ１及び第２流体回路Ｃ２の冷媒のプレート式熱交換器ＥＸにおける流れの一例を示す図である。図８Ｃは、第４流体回路Ｃ４及び第５流体回路Ｃ５の冷媒のプレート式熱交換器ＥＸにおける流れの一例を示す図である。

図８Ａ〜図８Ｃに示すプレート式熱交換器ＥＸは、第１カバープレートＣＰＬ１及び第２カバープレートＣＰＬ２の間に、２８枚のプレートＰＬ１〜ＰＬ２８（後述の図９Ａを参照）を備える。これらのプレートＰＬ１〜ＰＬ２８により、１４本の流路Ｐａと、１３本の流路Ｐｂとが交互に形成される。

図８Ａに示すように、第３流入口Ｅ３からプレート式熱交換器ＥＸに流入した水は、主流路ＭＰ２０１を通って第１カバープレートＣＰＬ１側の５本の流路Ｐａに分流され、その後、主流路ＭＰ２０２で合流する。主流路ＭＰ２０２を流れる水は、第５流路Ｐ５を形成する４本の流路Ｐａと３本の流路Ｐｂに分流され、主流路ＭＰ２０３で合流する。主流路ＭＰ２０３を流れる水は、第２カバープレートＣＰＬ２側の５本の流路Ｐａに分流され、その後、主流路ＭＰ２０４で合流し、第３流出口Ｏ３から流出する。この例においては、第１カバープレートＣＰＬ１側の５本の流路Ｐａが第３流路Ｐ３に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側の５本の流路Ｐａが第４流路Ｐ４に相当する。

第３流入口Ｅ３が第１カバープレートＣＰＬ１の第２側辺部Ｓ２の側に設けられ、第３流出口Ｏ３が第２カバープレートＣＰＬ２の第１側辺部Ｓ１の側に設けられている。

図８Ｂに示すように、第１流入口Ｅ１からプレート式熱交換器ＥＸに流入した冷媒は、主流路ＭＰ２０５を通って第１カバープレートＣＰＬ１側から２番目及び４番目の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ２０６で合流し、第１流出口Ｏ１から流出する。また、第２流入口Ｅ２からプレート式熱交換器ＥＸに流入した冷媒は、主流路ＭＰ２０７を通って第２カバープレートＣＰＬ２側から２番目及び４番目の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ２０８で合流し、第２流出口Ｏ２から流出する。この例においては、第１カバープレートＣＰＬ１側から２番目及び４番目の流路Ｐｂが第１流路Ｐ１に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側から２番目及び４番目の流路Ｐｂが第２流路Ｐ２に相当する。第１流入口Ｅ１が第１カバープレートＣＰＬ１の第１側辺部Ｓ１の側に設けられ、第１流出口Ｏ１が第１カバープレートＣＰＬ１の第２側辺部Ｓ２の側に設けられている。また、第２流入口Ｅ２が第１カバープレートＣＰＬ１の第１側辺部Ｓ１の側に設けられ、第２流出口Ｏ２が第２カバープレートＣＰＬ２の第２側辺部Ｓ２の側に設けられている。

図８Ｃに示すように、第４流入口Ｅ４からプレート式熱交換器ＥＸに流入した冷媒は、主流路ＭＰ２０９を通って第１カバープレートＣＰＬ１側から１番目及び３番目の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ２１０で合流し、第４流出口Ｏ４から流出する。また、第５流入口Ｅ５からプレート式熱交換器ＥＸに流入した冷媒は、主流路ＭＰ２１１を通って第２カバープレートＣＰＬ２側から１番目及び３番目の流路Ｐｂに分流され、その後、主流路ＭＰ２１２で合流し、第５流出口Ｏ５から流出する。この例においては、第１カバープレートＣＰＬ１側から１番目及び３番目の流路Ｐｂが第６流路Ｐ６に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側から１番目及び３番目の流路Ｐｂが第７流路Ｐ７に相当する。第４流入口Ｅ４が第１カバープレートＣＰＬ１の第１側辺部Ｓ１の側に設けられ、第４流出口Ｏ４が第１カバープレートＣＰＬ１の第２側辺部Ｓ２の側に設けられている。また、第５流入口Ｅ５が第２カバープレートＣＰＬ２の第１側辺部Ｓ１の側に設けられ、第５流出口Ｏ５が第２カバープレートＣＰＬ２の第２側辺部Ｓ２の側に設けられている。

図８Ａ〜図８Ｃに示す第１カバープレートＣＰＬ１側から５番目の流路Ｐｂは水も冷媒も流入しない第１空間層ＳＰ１に相当し、第２カバープレートＣＰＬ２側から５番目の流路Ｐｂは水も冷媒も流れない第２空間層ＳＰ２に相当する。また、第１空間層ＳＰ１と第２空間層ＳＰ２の間の４本の流路Ｐａ及び３本の流路Ｐｂが第５流路Ｐ５に相当する。

図８Ａ〜図８Ｃの例においては、第３流路Ｐ３が第１空間層ＳＰ１と隣り合い、第４流路Ｐ４が第２空間層ＳＰ２と隣り合うが、第１流路Ｐ１又は第６流路Ｐ６が第１空間層ＳＰ１と隣り合い、第２流路Ｐ２又は第７流路Ｐ７が第２空間層ＳＰ２と隣り合うようにプレート式熱交換器ＥＸが構成されてもよい。すなわち、第１空間層ＳＰ１は、第１流路Ｐ１、第３流路Ｐ３、及び第６流路Ｐ６のうち第５流路Ｐ５の側に位置する一方と第５流路Ｐ５との間に形成され、第２空間層ＳＰ２は、第２流路Ｐ２、第４流路Ｐ４、及び第７流路Ｐ７のうち第５流路Ｐ５の側に位置する一方と第５流路Ｐ５との間に形成される。

このように、流路Ｐａ，Ｐｂを用いて第５流路Ｐ５を構成することができる。この場合においては、図５Ａ及び図５Ｂに関して述べたものと同様の効果を得ることができる。

第１流路Ｐ１及び第６流路Ｐ６に相当する各流路Ｐｂにおける冷媒は第１方向Ｄ１に流れ、第２流路Ｐ２及び第７流路Ｐ７に相当する各流路Ｐｂにおける冷媒は第１方向Ｄ１に流れ、第３流路Ｐ３に相当する各流路Ｐａにおける水は第２方向Ｄ２に流れ、第４流路Ｐ４に相当する各流路Ｐａにおける水は第２方向Ｄ２に流れる。すなわち、図８Ａ〜図８Ｃの例においても、上述のカウンターフローを実現できる。さらに、第２方向Ｄ２が重力方向と一致するようにプレート式熱交換器ＥＸを配置した場合には、第１流路Ｐ１、第２流路Ｐ２、第６流路Ｐ６、及び第７流路Ｐ７における冷媒の流れ方向（第１方向Ｄ１）がいずれも上昇方向となる。したがって、高効率の熱交換を実現することができる。

図９Ａは、図８ＡにおけるIX−IX線に沿った断面の一例を示す図である。この図に示す断面は、図５Ａの場合と同じく、プレートＰＬ１〜ＰＬ２８に上述のヘリンボーン型の凹凸パターンを形成した場合に得られるものである。

水が流れる第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４の断面積を大きくすることで、これら流路における圧力損失を抑えることができる。図９Ａの例において、第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４の各々の断面積は、第１流路Ｐ１及び第６流路Ｐ６の合計断面積及び第２流路Ｐ２及び第７流路Ｐ７の合計断面積の各々よりも大きく定められている。さらに、第３流入口Ｅ３及び第３流出口Ｏ３の断面積（例えば内径）の各々を、第１流入口Ｅ１と第４流入口Ｅ４の合計断面積、第２流入口Ｅ２と第５流入口Ｅ５の合計断面積、第１流出口Ｏ１と第４流出口Ｏ４の合計断面積、及び、第２流出口Ｏ２と第５流出口Ｏ５の合計断面積の各々よりも大きくしてもよい。また、主流路ＭＰ２０１〜ＭＰ２０４の断面積の各々を、主流路ＭＰ２０５，ＭＰ２０９の合計断面積、主流路ＭＰ２０６，ＭＰ２１０の合計断面積、主流路ＭＰ２０７，２１１の合計断面積、及び、主流路ＭＰ２０８，ＭＰ２１２の合計断面積の各々よりも大きくしてもよい。各部の断面積の具体的な値は、水及び冷媒の流速と圧力損失との関係などを考慮して、実験的、理論的、或いは経験的に定められる。

図９Ａの例においては、ヘリンボーン型の凹凸パターンを採用したことにより、第１流路Ｐ１及び第６流路Ｐ６と第３流路Ｐ３とが面する面積、及び、第２流路Ｐ２及び第７流路Ｐ７と第４流路Ｐ４とが面する面積を大きく確保できるため、熱交換効率を高めることが可能となる。一方で、第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２により、第５流路Ｐ５を流れる水と第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水との熱交換が抑制される。

なお、図９Ｂに示すように、第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２をそれぞれ隣り合う流路Ｐａ，Ｐｂにより構成してもよいし、より多くの流路Ｐａ，Ｐｂにより構成してもよい。これらの場合には、第５流路Ｐ５を流れる水と第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水とをより効果的に断熱することができる。また、第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２のいずれか一方のみを設けてもよいし、図９Ｃに示すように第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２を設けなくてもよい。また、第５流路Ｐ５を構成するプレート（図９ＡではプレートＰＬ１１〜ＰＬ１８、図９ＢではプレートＰＬ１２〜ＰＬ１９、図９ＣではプレートＰＬ１０〜ＰＬ１７）は、凸部同士が接触する多数の接点を有しているために、十分な耐圧能を確保できる。

圧力損失を減らすために、第５流路Ｐ５の断面積は第３流路Ｐ３の断面積及び第４流路Ｐ４の断面積と同等以上に設計することが望ましい。図９Ａの例において、第３流路Ｐ３の断面積は第１カバープレートＣＰＬ１と第１空間層ＳＰ１との間に並ぶ６角形状の流路の合計面積に相当し、第４流路Ｐ４の断面積は第２空間層ＳＰ２と第２カバープレートＣＰＬ２との間に並ぶ６角形状の流路の合計面積に相当し、第５流路Ｐ５の断面積は第１空間層ＳＰ１及び第２空間層ＳＰ２の間に並ぶ６角形状及び４角形状の流路の合計面積に相当する。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。本実施形態においては、複数のプレート式熱交換器ＥＸを用いて構成された多段蒸発及び多段凝縮の冷凍サイクル装置の一例を開示する。上述の各実施形態と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１０は、第３実施形態に係る冷凍サイクル装置Ｒ３の構成例を概略的に示す図である。この冷凍サイクル装置Ｒ３は、第２実施形態にて開示した冷凍サイクル装置Ｒ２を変形して構成したものであり、第１流体回路Ｃ１と、第２流体回路Ｃ２と、２つの第３流体回路Ｃ３（Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂ）と、第４流体回路Ｃ４と、第５流体回路Ｃ５と、２つのプレート式熱交換器ＥＸ（ＥＸＡ，ＥＸＢ）とを備える。冷媒が流れる各流体回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５は、図６に示した熱交換器１１，２１，４１，５１及び送風ファン１３，２３，４３，５３を備えていない。

第１流体回路Ｃ１において、圧縮機１０の吐出口１０ａとプレート式熱交換器ＥＸＡの第１流入口Ｅ１、プレート式熱交換器ＥＸＡの第１流出口Ｏ１と膨張装置１２、膨張装置１２とプレート式熱交換器ＥＸＢの第１流入口Ｅ１、プレート式熱交換器ＥＸＢの第１流出口Ｏ１と圧縮機１０の吸入口１０ｂがそれぞれ第１配管Ｋ１によって接続されている。

第２流体回路Ｃ２において、圧縮機２０の吐出口２０ａとプレート式熱交換器ＥＸＡの第２流入口Ｅ２、プレート式熱交換器ＥＸＡの第２流出口Ｏ２と膨張装置２２、膨張装置２２とプレート式熱交換器ＥＸＢの第２流入口Ｅ２、プレート式熱交換器ＥＸＢの第２流出口Ｏ２と圧縮機２０の吸入口２０ｂがそれぞれ第２配管Ｋ２によって接続されている。

第４流体回路Ｃ４において、圧縮機４０の吐出口４０ａとプレート式熱交換器ＥＸＡの第４流入口Ｅ４、プレート式熱交換器ＥＸＡの第４流出口Ｏ４と膨張装置４２、膨張装置４２とプレート式熱交換器ＥＸＢの第４流入口Ｅ４、プレート式熱交換器ＥＸＢの第４流出口Ｏ４と圧縮機４０の吸入口４０ｂがそれぞれ第４配管Ｋ４によって接続されている。

第５流体回路Ｃ５において、圧縮機５０の吐出口５０ａとプレート式熱交換器ＥＸＡの第５流入口Ｅ５、プレート式熱交換器ＥＸＡの第５流出口Ｏ５と膨張装置５２、膨張装置５２とプレート式熱交換器ＥＸＢの第５流入口Ｅ５、プレート式熱交換器ＥＸＢの第５流出口Ｏ５と圧縮機５０の吸入口５０ｂがそれぞれ第５配管Ｋ５によって接続されている。

プレート式熱交換器ＥＸＡ，ＥＸＢは、それぞれ、第１流入口Ｅ１と第１流出口Ｏ１の間に第１流体回路Ｃ１の冷媒が流れる少なくとも１本の第１流路Ｐ１を備え、第２流入口Ｅ２と第２流出口Ｏ２の間に第２流体回路Ｃ２の冷媒が流れる少なくとも１本の第２流路Ｐ２を備え、第４流入口Ｅ４と第４流出口Ｏ４の間に第４流体回路Ｃ４の冷媒が流れる少なくとも１本の第６流路Ｐ６を備え、第５流入口Ｅ５と第５流出口Ｏ５の間に第５流体回路Ｃ５の冷媒が流れる少なくとも１本の第７流路Ｐ７を備える。

さらに、プレート式熱交換器ＥＸＡ，ＥＸＢは、第３流入口Ｅ３と第３流出口Ｏ３の間に第３流体回路Ｃ３の冷媒が流れる少なくとも１本の第３流路Ｐ３と、少なくとも１本の第４流路Ｐ４と、少なくとも１本の第５流路Ｐ５とを備える。第３流路Ｐ３は第３流入口Ｅ３側に位置し、第４流路Ｐ４は第３流出口Ｏ３側に位置し、第５流路Ｐ５は第３流路Ｐ３と第４流路Ｐ４を繋ぐ。

プレート式熱交換器ＥＸＡ，ＥＸＢにおいて、各流路Ｐ１〜Ｐ７は、例えば図６及び図９Ａ等に示したプレート式熱交換器ＥＸと同様に、プレートＰＬ１〜プレートＰＬ２８の間に形成される流路Ｐａ，Ｐｂにより構成することができる。

本実施形態において、プレート式熱交換器ＥＸＡは凝縮器として機能し、プレート式熱交換器ＥＸＢは蒸発器として機能する。すなわち、第１流体回路Ｃ１において、圧縮機１０にて圧縮された冷媒は、プレート式熱交換器ＥＸＡの第１流入口Ｅ１を通って当該交換器ＥＸＡの第１流路Ｐ１に流入し、当該交換器ＥＸＡの第４流路Ｐ４を流れる水と熱交換して凝縮し、当該交換器ＥＸＡの第１流出口Ｏ１から流出する。プレート式熱交換器ＥＸＡの第１流出口Ｏ１から流出した冷媒は、膨張装置１２及びプレート式熱交換器ＥＸＢの第１流入口Ｅ１を通って当該交換器ＥＸＢの第１流路Ｐ１に流入し、当該交換器ＥＸＢの第３流路Ｐ３を流れる水と熱交換して蒸発し、当該交換器ＥＸＢの第１流出口Ｏ１から流出して圧縮機１０に戻る。

また、第２流体回路Ｃ２において、圧縮機２０にて圧縮された冷媒は、プレート式熱交換器ＥＸＡの第２流入口Ｅ２を通って当該交換器ＥＸＡの第２流路Ｐ２に流入し、当該交換器ＥＸＡの第３流路Ｐ３を流れる水と熱交換して凝縮し、当該交換器ＥＸＡの第２流出口Ｏ２から流出する。プレート式熱交換器ＥＸＡの第２流出口Ｏ２から流出した冷媒は、膨張装置２２及びプレート式熱交換器ＥＸＢの第２流入口Ｅ２を通って当該交換器ＥＸＢの第２流路Ｐ２に流入し、当該交換器ＥＸＢの第４流路Ｐ４を流れる水と熱交換して蒸発し、当該交換器ＥＸＢの第２流出口Ｏ２から流出して圧縮機２０に戻る。

また、第４流体回路Ｃ４において、圧縮機４０にて圧縮された冷媒は、プレート式熱交換器ＥＸＡの第４流入口Ｅ４を通って当該交換器ＥＸＡの第６流路Ｐ６に流入し、当該交換器ＥＸＡの第４流路Ｐ４を流れる水と熱交換して凝縮し、当該交換器ＥＸＡの第４流出口Ｏ４から流出する。プレート式熱交換器ＥＸＡの第４流出口Ｏ４から流出した冷媒は、膨張装置４２及びプレート式熱交換器ＥＸＢの第４流入口Ｅ４を通って当該交換器ＥＸＢの第６流路Ｐ６に流入し、当該交換器ＥＸＢの第３流路Ｐ３を流れる水と熱交換して蒸発し、当該交換器ＥＸＢの第４流出口Ｏ４から流出して圧縮機４０に戻る。

また、第５流体回路Ｃ５において、圧縮機５０にて圧縮された冷媒は、プレート式熱交換器ＥＸＡの第５流入口Ｅ５を通って当該交換器ＥＸＡの第７流路Ｐ７に流入し、当該交換器ＥＸＡの第３流路Ｐ３を流れる水と熱交換して凝縮し、当該交換器ＥＸＡの第５流出口Ｏ５から流出する。プレート式熱交換器ＥＸＡの第５流出口Ｏ５から流出した冷媒は、膨張装置５２及びプレート式熱交換器ＥＸＢの第５流入口Ｅ５を通って当該交換器ＥＸＢの第７流路Ｐ７に流入し、当該交換器ＥＸＢの第４流路Ｐ４を流れる水と熱交換して蒸発し、当該交換器ＥＸＢの第５流出口Ｏ５から流出して圧縮機５０に戻る。

プレート式熱交換器ＥＸＡにおいて、第１流路Ｐ１、第２流路Ｐ２、第６流路Ｐ６、及び第７流路Ｐ７の冷媒は第２方向Ｄ２に流れ、第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４の水は第１方向Ｄ１に流れ、第５流路Ｐ５の水は第２方向Ｄ２に流れる。プレート式熱交換器ＥＸＢにおいて、第１流路Ｐ１、第２流路Ｐ２、第６流路Ｐ６、及び第７流路Ｐ７の冷媒は第１方向Ｄ１に流れ、第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４の水は第２方向Ｄ２に流れ、第５流路Ｐ５の水は第１方向Ｄ１に流れる。このように、プレート式熱交換器ＥＸＡ，ＥＸＢのいずれにおいても、上述のカウンターフローが実現されている。

上述の通り、プレート式熱交換器ＥＸが蒸発器として機能する場合には、冷媒が下降方向に流れる場合よりも、上昇方向に流れる場合に良好な熱交換効率が得られる。また、プレート式熱交換器ＥＸが凝縮器として機能する場合には、冷媒が上昇方向に流れる場合よりも、下降方向に流れる場合に良好な熱交換効率が得られる。図１０に示した冷凍サイクル装置Ｒ３を第２方向Ｄ２が重力方向と一致するように設置した場合には、凝縮器であるプレート式熱交換器ＥＸＡの第１流路Ｐ１、第２流路Ｐ２、第６流路Ｐ６、及び第７流路Ｐ７における冷媒の流れ方向（第２方向Ｄ２）がいずれも下降方向となる。また、蒸発器であるプレート式熱交換器ＥＸＢの第１流路Ｐ１、第２流路Ｐ２、第６流路Ｐ６、及び第７流路Ｐ７における冷媒の流れ方向（第１方向Ｄ１）がいずれも上昇方向となる。したがって、プレート式熱交換器ＥＸＡ，ＥＸＢのいずれにおいても、高効率の熱交換を実現することができる。

図１１は、プレート式熱交換器ＥＸＡにおける熱交換作用を説明するための図であって、当該熱交換器ＥＸＡの第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水の温度ＴＡ、当該熱交換器ＥＸＡの第１流路Ｐ１を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する凝縮温度ＴＣ１、当該熱交換器ＥＸＡの第２流路Ｐ２を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する凝縮温度ＴＣ２、当該熱交換器ＥＸＡの第６流路Ｐ６を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する凝縮温度ＴＣ６、及び、当該熱交換器ＥＸＡの第７流路Ｐ７を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する凝縮温度ＴＣ７の関係を示す。横軸はプレート式熱交換器ＥＸＡにおける水の流路の位置を示しており、第３流入口Ｅ３を起点としている。縦軸は温度（℃）である。

第３流体回路Ｃ３Ａの第３配管Ｋ３ａからプレート式熱交換器ＥＸＡの第３流入口Ｅ３に流入した温度ＴＡ１の水は、第３流路Ｐ３を通る際に、第２流路Ｐ２を通る冷媒との熱交換（凝縮温度ＴＣ２）及び第７流路Ｐ７を通る冷媒との熱交換（凝縮温度ＴＣ７）により温度ＴＡ２に加熱され、その後、第４流路Ｐ４を通る際に第１流路Ｐ１を通る冷媒との熱交換（凝縮温度ＴＣ１）及び第６流路Ｐ６を通る冷媒との熱交換（凝縮温度ＴＣ６）により更に加熱されて、温度ＴＡ３となる。なお、凝縮温度ＴＣ２，ＴＣ７は同等であり温度ＴＡ１よりも大きい値に設定され（ＴＣ２＝ＴＣ７＞ＴＡ１）、凝縮温度ＴＣ１，ＴＣ６は同等であり、温度ＴＡ２よりも大きい値に設定され（ＴＣ１＝ＴＣ６＞ＴＡ２）、かつ、凝縮温度ＴＣ２，ＴＣ７よりも大きい値に設定される（ＴＣ２，ＴＣ７＜ＴＣ１，ＴＣ６）。

図１２は、プレート式熱交換器ＥＸＢにおける熱交換作用を説明するための図であって、当該熱交換器ＥＸＢの第３流路Ｐ３及び第４流路Ｐ４を流れる水の温度ＴＢ、当該熱交換器ＥＸＢの第１流路Ｐ１を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ１、当該熱交換器ＥＸＢの第２流路Ｐ２を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ２、当該熱交換器ＥＸＢの第６流路Ｐ６を流れる冷媒と第３流路Ｐ３を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ６、及び、当該熱交換器ＥＸＢの第７流路Ｐ７を流れる冷媒と第４流路Ｐ４を流れる水の熱交換に関する蒸発温度ＴＥ７の関係を示す。横軸はプレート式熱交換器ＥＸＢにおける水の流路の位置を示しており、第３流出口Ｏ３を起点としている。縦軸は温度（℃）である。

第３流体回路Ｃ３Ｂの第３配管Ｋ３ａから第３流入口Ｅ３に流入した温度ＴＢ１の水は、第３流路Ｐ３を通る際に、第１流路Ｐ１を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ１）及び第６流路Ｐ６を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ６）により温度ＴＢ２に冷却され、その後、第４流路Ｐ４を通る際に第２流路Ｐ２を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ２）及び第７流路Ｐ７を通る冷媒との熱交換（蒸発温度ＴＥ７）により更に冷却されて、温度ＴＢ３となる。なお、蒸発温度ＴＥ１，ＴＥ６は同等であり温度ＴＢ２未満の値に設定され（ＴＥ１＝ＴＥ６＜ＴＢ２）、蒸発温度ＴＥ２，ＴＥ７は同等であり、温度ＴＢ３未満の値に設定され（ＴＥ２＝ＴＥ７＜ＴＢ３）、かつ、蒸発温度ＴＥ１，ＴＥ６未満の値に設定される（ＴＥ１，ＴＥ６＞ＴＥ２，ＴＥ７）。

このように、図１０に示した構成例によれば、多段凝縮及び多段蒸発（図１０の例においては２段凝縮及び２段蒸発）の冷凍サイクル装置Ｒ３を実現することができる。また、第３流体回路Ｃ３Ａを流れる水の加熱及び第３流体回路Ｃ３Ｂを流れる水の冷却に４つの流体回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５を用いるために、冷凍サイクル装置Ｒ３の大能力化を図ることが可能である。

さらに、図１０に示した構成例によれば、プレート式熱交換器ＥＸＢにおいて第３流体回路Ｃ３Ｂを流れる水の冷却に伴って得た熱を、プレート式熱交換器ＥＸＡにおける第３流体回路Ｃ３Ａを流れる水の加熱に利用することができるために、高効率の冷凍サイクル装置Ｒ３を実現することが可能である。すなわち、冷凍サイクル装置Ｒ３は、冷却用のチラーとしての機能と、冷却に用いた熱を回収する排熱回収機としての機能を併せ持つ。
その他、本実施形態からは第１乃至第２実施形態と同様の効果が得られる。

以上説明した第１乃至第３実施形態に係る構成は、適宜の変形及び組合せが可能である。例えば、第１及び第２実施形態にて開示した冷凍サイクル装置Ｒ１，Ｒ２において冷媒の流れ方向を逆転させ、プレート式熱交換器ＥＸを凝縮器として用いてもよい。また、流体回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５において、四方弁などを用いて冷媒の流れ方向を切り替え可能とすることにより、ヒートポンプ式のチラーを実現することもできる。また、プレート式熱交換器ＥＸにより多くの冷媒流路を設けて３段以上の多段蒸発或いは多段凝縮の冷凍サイクルを実現することもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｒ１…冷凍サイクル装置、Ｃ１…第１流体回路、Ｃ２…第２流体回路、Ｃ３…第３流体回路、ＥＸ…プレート式熱交換器、１…制御部、１０，２０…圧縮機、１１，２１…熱交換器、１２，２２…膨張装置、１３，２３…送風ファン、３０…循環ポンプ。

Claims

主面を対向させて積層された複数のプレートを備え、隣り合う前記プレートの間にそれぞれ流路が形成され、前記プレートを挟んで隣り合う前記流路の各々を流れる流体同士が熱交換するプレート式熱交換器であって、
前記複数のプレートによって形成される複数の前記流路は、
第１流体が流れる第１流路と、
第２流体が流れる第２流路と、
前記第１流路と隣り合うとともに第３流体が流れ、この第３流体と前記第１流路を流れる前記第１流体とが熱交換する第３流路と、
前記第２流路と隣り合うとともに前記第３流路を通過した後の前記第３流体が流れ、この第３流体と前記第２流路を流れる前記第２流体とが熱交換する第４流路と、
前記第３流体が流れ、前記第３流路と前記第４流路とを繋ぐ第５流路と、を含み、
前記複数のプレートは、第１側辺部と、この第１側辺部の反対側の第２側辺部と、を有し、
前記第５流路は、前記第３流路の前記第１側辺部の側と、前記第４流路の前記第２側辺部の側とを繋ぐ、プレート式熱交換器。
前記第３流路の断面積及び前記第４流路の断面積は、前記第１流路の断面積及び前記第２流路の断面積よりも大きい、
請求項１に記載のプレート式熱交換器。
前記第１流路及び前記第３流路のうち前記第２流路及び前記第４流路の側に位置する一方と、前記第２流路及び前記第４流路のうち前記第１流路及び前記第３流路の側に位置する一方との間に形成された空間部をさらに含む、
請求項１又は２に記載のプレート式熱交換器。
前記第１流体及び前記第２流体は、前記第１流路及び前記第２流路において、前記第１側辺部の側から前記第２側辺部の側に向かう第１方向に流れ、
前記第３流体は、前記第３流路及び前記第４流路において、前記第２側辺部の側から前記第１側辺部の側に向かう前記第１方向とは逆の第２方向に流れ、第５流路において、前記第１方向に流れる、
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
前記複数のプレートによって形成される複数の前記流路は、
前記第３流路と隣り合うとともに第４流体が流れ、この第４流体と前記第３流路を流れる前記第３流体とが熱交換する第６流路と、
前記第４流路と隣り合うとともに第５流体が流れ、この第５流体と前記第４流路を流れる前記第３流体とが熱交換する第７流路と、
をさらに含む、請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
主面を対向させて積層された複数のプレートを備え、隣り合う前記プレートの間にそれぞれ流路が形成され、前記プレートを挟んで隣り合う前記流路の各々を流れる流体同士が熱交換するプレート式熱交換器と、
第１圧縮機、第１熱交換器、第１膨張装置、及び前記プレート式熱交換器を含み、第１流体が流れる第１流体回路と、
第２圧縮機、第２熱交換器、第２膨張装置、及び前記プレート式熱交換器を含み、第２流体が流れる第２流体回路と、
前記プレート式熱交換器を含み、第３流体が流れる第３流体回路と、
を備え、
前記プレート式熱交換器において、前記複数のプレートによって形成される複数の前記流路は、
前記第１流体が流れる第１流路と、
前記第２流体が流れる第２流路と、
前記第１流路と隣り合うとともに前記第３流体が流れ、この第３流体と前記第１流路を流れる前記第１流体とが熱交換する第３流路と、
前記第２流路と隣り合うとともに前記第３流路を通過した後の前記第３流体が流れ、この第３流体と前記第２流路を流れる前記第２流体とが熱交換する第４流路と、
前記第３流路と前記第４流路とを繋ぐ第５流路と、を含み、
前記複数のプレートは、第１側辺部と、この第１側辺部の反対側の第２側辺部と、を有し、
前記第５流路は、前記第３流路の前記第１側辺部の側と、前記第４流路の前記第２側辺部の側とを繋ぐ、冷凍サイクル装置。