JP5373959B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば住宅や事務所ビルなどに設置される空気調和装置に係り、特に、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルと、圧縮機により冷媒が強制循環する圧縮式サイクルとを併設し、それら２つの冷凍サイクルを使い分けることが可能な空気調和装置に関する。

自然循環式サイクルと圧縮式サイクルとの２つの冷凍サイクルを使い分ける従来技術として、例えば、特許文献１には、箱体内の空気を冷却するために、圧縮機、再熱用凝縮器、および冷却器を冷媒配管で順次接続して形成された冷凍サイクル（圧縮式サイクル）と、自然循環冷却用凝縮器と自然循環冷却用冷却器とを冷媒配管で接続して形成された自然循環冷却装置（自然循環式サイクル）とを併設した技術が開示されている。この特許文献１によると、自然循環冷却装置（自然循環式サイクル）によって箱体内の空気を冷却することができるため、冷凍サイクル（圧縮式サイクル）による冷却の負担は軽減される。よって、特許文献１に記載の技術によれば、消費電力を削減することができ、冷却システム全体の運転コストを低く抑えることができる。

また、特許文献２には、室内熱交換器と、室外熱交換器と、冷媒配管と、膨張弁と、別装置の圧縮冷凍機に相当する冷媒圧縮強制循環装置とを備えた冷媒自然循環冷却除湿装置が開示されている。この冷媒自然循環冷却除湿装置は、室外熱交換器と、この室外熱交換器より低い位置にある室内熱交換器と、膨張弁とを冷媒配管で環状に接続して形成された自然循環式サイクルと、冷媒圧縮強制循環装置による圧縮式サイクルとを有しており、自然循環式サイクルの室外熱交換器に対して圧縮式サイクルの蒸発熱交換器が密結合した構成となっている。この構成によれば、蒸発熱交換器は、室外熱交換器から熱を効率的に奪うことができるため、室内と室外との気温差が無くなり冷却除湿能力が低下したような場合であっても、冷媒圧縮強制循環装置を稼働することにより、冷媒自然循環冷却除湿装置の冷却除湿能力の低下を補うことができる。

さらに、特許文献２には、冷媒圧縮強制循環系を用いた冷媒圧縮強制循環冷暖房両用装置（圧縮式サイクル）に、冷媒自然循環を用いた冷媒自然循環冷却除湿装置（自然循環式サイクル）を併設した空気調和装置が開示されている。この空気調和装置によれば、冷媒自然循環冷却除湿装置により除湿を行いながら、冷媒圧縮強制循環冷暖房両用装置により暖房するような質の高いドライ運転モードを行うことができ、快適性を高めることができる。

特開２００３−１２１０７２号公報 特開平１０−３００１２８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、何れも自然循環式サイクルと圧縮式サイクルとが独立した冷凍サイクルを構成しているので、自然循環式サイクルの熱交換器を、冷暖房のピーク時などに圧縮式サイクルの熱交換器として利用することは不可能であった。そのため、自然循環式サイクルの熱交換器の熱交換機能が有効に活用されていないといった課題があった。

また、自然循環式サイクルは、２つの熱交換器間にヘッド差を設けておき、密度差により冷媒が自然に循環するサイクルであるため、外気温度が室内温度以下の場合であって、外気温度と室内温度の差が小さいときには、自然循環式サイクルを利用した冷房運転を行っても、除湿能力が得られないといった課題があった。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮式サイクルと自然循環式サイクルとを併設した空気調和装置において、自然循環式サイクルの熱交換器を圧縮式サイクルの熱交換器として利用して冷暖房能力を発揮させることにある。また、本発明は、外気温度が室内温度以下の場合に、自然循環式サイクルと圧縮式サイクルを併用することにより、外気温度と室内温度の差が小さいときでも除湿能力を高めることができる空気調和装置を提供することも目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の空気調和装置は、圧縮機と、熱源側の熱搬送媒体と冷媒とを熱交換させる第１および第２の熱源側熱交換器と、利用側の熱搬送媒体と冷媒とを熱交換させる第１および第２の利用側熱交換器と、冷媒の流路方向を切り替える流路切替弁と、第１および第２の膨張弁とを備えた空気調和装置であって、前記第１の熱源側熱交換器、前記第１の膨張弁および前記第１の熱源側熱交換器よりも低い位置に設置された前記第１の利用側熱交換器を順次冷媒配管で接続して環状に形成され、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルと、前記圧縮機の吐出口、前記流路切替弁、前記第２の熱源側熱交換器、前記第２の膨張弁、前記第２の利用側熱交換器、および前記圧縮機の吸込口を順次冷媒配管で接続して環状に形成され、前記圧縮機により冷媒が強制循環する第１の圧縮式サイクルと、前記圧縮機の吐出口、前記流路切替弁、前記第２の熱源側熱交換器、前記第１の熱源側熱交換器、前記第１の膨張弁、前記第１の利用側熱交換器、前記第２の利用側熱交換器、および前記圧縮機の吸込口を順次冷媒配管で接続して環状に形成され、前記圧縮機により冷媒が強制循環する第２の圧縮式サイクルとの少なくとも３つの冷凍サイクルを形成可能であり、前記自然循環式サイクルと前記第１の圧縮式サイクルとが独立して形成される第１の状態と、前記第２の圧縮式サイクルが形成される第２の状態とに冷凍サイクルを切り替えるサイクル切替手段を備えている。

本発明によれば、サイクル切替手段を操作して第２の圧縮式サイクルに切り替えると、自然循環式サイクルの熱交換器を第２の圧縮式サイクルの熱交換器として利用できるため、冷暖房能力を高めることができ、特に、冷暖房ピーク時に大きな効果を発揮することとなる。

また、本発明は、上記構成において、前記第１の利用側熱交換器、前記第２の利用側熱交換器、および被冷却空間に設置された室内熱交換器を利用側熱搬送媒体用配管で順次接続して環状の利用側熱搬送媒体循環回路を形成し、前記利用側熱搬送媒体循環回路に、前記利用側の熱搬送媒体としての水またはブラインを強制循環させるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、利用側熱搬送媒体循環回路を設け、被冷却空間に設置された室内熱交換器を介して被冷却空間の空気を冷暖房等する構成となっているため、従来のように室内機と室外機をつなぐ冷媒配管が不要となるうえ、冷媒量が少なくて済む。また、従来のような室内機と室外機とを冷媒配管で接続する構成において自然循環式サイクルを形成する場合には、室外機を室内機よりも高い位置に設置する必要があり、レイアウトの制約があった。ところが、本発明によれば、利用側熱搬送媒体循環回路を設ける構成であるため、レイアウトの自由度が増すという利点がある。

また、本発明は、上記構成において、前記第２の利用側熱交換器を、第１の分割熱交換器と第２の分割熱交換器とに２分割し、前記第１の分割熱交換器と前記第２の分割熱交換器とを繋ぐ連結用冷媒配管に第３の膨張弁を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、第１の分割熱交換器と第２の分割熱交換器と第３の膨張弁とにより、被冷却空間の空気を暖めながら除湿する再熱除湿運転を行うことができる。しかも、自然循環式サイクルと第１の圧縮式サイクルを併用することができるので、外気温度が室内温度以下の場合であって、外気温度と室内温度の差が小さいときでも除湿能力を高めることができる。加えて、温度、湿度の制御範囲が広くなるといった利点もある。

また、本発明は、上記構成において、前記第２の熱源側熱交換器および蓄熱タンクを熱源側熱搬送媒体用配管で接続して環状の熱源側熱搬送媒体循環回路を形成し、前記熱源側熱搬送媒体循環回路に、前記熱源側の熱搬送媒体としての水を強制循環させるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、熱源側熱交換器の排熱を利用して中間温水を作ることもできるため、この中間温水を給湯などに用いることにより、効率が向上する。さらに、本発明では、蓄熱タンクにより熱源側熱交換器の排熱を蓄熱できるため、例えば、空調負荷と給湯負荷の時間帯の相違を解消することも可能である。

また、本発明によれば、上記構成において、給湯用圧縮機、給湯用利用側熱交換器、給湯用膨張弁、および前記第２の熱源側熱交換器を順次給湯用冷媒配管で接続して環状の給湯サイクルを形成し、前記給湯サイクルに、前記熱源側の熱搬送媒体としての給湯用冷媒を前記給湯用圧縮機により強制循環させるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、中間温水よりも高温の温水を生成することができる。

また、本発明は、上記構成において、前記圧縮機の吸込口と吐出口とをバイパスするバイパス配管と、冷媒の流路を、前記圧縮機を経由する流路と前記バイパス配管を経由する流路との何れの流路にするかを切り替えるバイパス開閉手段とを設けたことを特徴としている。

本発明によれば、２つの熱源側熱交換器と２つの利用側熱交換器を用いた自然循環式サイクルを形成できるので、熱交換の効率の高い自然循環サイクルによる運転が可能となり、省エネを図ることができる。

本発明によれば、自然循環式サイクルの熱交換器を圧縮式サイクルの熱交換器として利用できるため、圧縮式サイクルの熱交換器のみを利用するのに比べて、熱交換器の伝熱面積が広くなり、熱交換効率が向上し、省エネを図ることができる。また、自然循環式サイクルと圧縮式サイクルとを併用できるため、外気温度が室内温度以下の場合であって、外気温度と室内温度の温度差が小さいときでも、除湿能力を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態例に係る空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．１における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．２における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．３における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．４における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．５における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．６における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．７における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．８における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．９における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．１０における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置の運転モードＮｏ．１１における冷媒と熱搬送媒体の流れを示す動作図である。 本発明の第４の実施の形態例に係る空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。

［本発明の第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置の構成、機能及び動作について、図１〜図５を用いて説明する。なお、図２〜図５中の熱交換器に付された矢印は、熱の流れを示している。図１において、１は冷媒用の容量可変型の圧縮機、２は圧縮式サイクル用四方弁（流路切替弁）、３はサイクル切替用四方弁（サイクル切替手段）、４は大気（熱源側の熱搬送媒体）と冷媒とを熱交換させる第１の熱源側熱交換器、５は第１の膨張弁、６は水（利用側の熱搬送媒体）と冷媒とを熱交換させる第１の利用側熱交換器、７は大気（熱源側の熱搬送媒体）と冷媒とを熱交換させる第２の熱源側熱交換器、８は水（利用側の熱搬送媒体）と冷媒とを熱交換させる第２の利用側熱交換器、９は第２の膨張弁、をそれぞれ表している。なお、第１の利用側熱交換器６は、第１の熱源側熱交換器４よりも低い位置に設置されている。つまり、第１の利用側熱交換器６と第１の熱源側熱交換器４とはヘッド差が設けられている。また、本実施形態において、冷媒としてＲ４１０Ａが用いられている。

自然循環式サイクルＴＳ１は、第１の熱源側熱交換器４と第１の膨張弁５を冷媒配管１４で接続し、第１の膨張弁５と第１の利用側熱交換器６を冷媒配管１５で接続し、第１の利用側熱交換器６とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１６で接続し、サイクル切替用四方弁３と第１の熱源側熱交換器４を冷媒配管１３で接続して環状に形成された冷凍サイクルである。そして、この自然循環式サイクル内を、冷媒が密度差により自然循環するようになっている。

第１の圧縮式サイクルＰＣ１は、圧縮機１の吐出口１ｂと圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１０で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と第２の熱源側熱交換器７を冷媒配管１１で接続し、第２の熱源側熱交換器７とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１２で接続し、サイクル切替用四方弁３と第２の膨張弁９を冷媒配管１７で接続し、第２の膨張弁９と第２の利用側熱交換器８を冷媒配管１８で接続し、第２の利用側熱交換器８と圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１９で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と圧縮機１の吸込口１ａを冷媒配管２０で接続して環状に形成された冷凍サイクルである。そして、圧縮機１により、冷媒が第１の圧縮式サイクルＰＣ１内を強制的に循環するようになっている。

第２の圧縮式サイクルＰＣ２は、圧縮機１の吐出口１ｂと圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１０で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と第２の熱源側熱交換器７を冷媒配管１１で接続し、第２の熱源側熱交換器７とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１２で接続し、サイクル切替用四方弁３と第１の熱源側熱交換器４を冷媒配管１３で接続し、第１の熱源側熱交換器４と第１の膨張弁５を冷媒配管１４で接続し、第１の膨張弁５と第１の利用側熱交換器６を冷媒配管１５で接続し、第１の利用側熱交換器６とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１６で接続し、サイクル切替用四方弁３と第２の膨張弁９を冷媒配管１７で接続し、第２の膨張弁９と第２の利用側熱交換器８を冷媒配管１８で接続し、第２の利用側熱交換器８と圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１９で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と圧縮機１の吸込口１ａを冷媒配管２０で接続して環状に形成された冷凍サイクルである。そして、圧縮機１により、冷媒が第２の圧縮式サイクルＰＣ２内を強制的に循環するようになっている。

自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１と第２の圧縮式サイクルＰＣ２の間でのサイクルの切替えは、サイクル切替用四方弁３の操作によって行われる。より詳細に説明すると、サイクル切替用四方弁３を操作して、冷媒配管１３と冷媒配管１６とが連通し、かつ、冷媒配管１２と冷媒配管１７とが連通した第１の状態にすると、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１の２つの独立した冷凍サイクルが形成される。つまり、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１の２つの冷凍サイクルが同時に形成される。これに対して、サイクル切替用四方弁３を操作して、冷媒配管１２と冷媒配管１３とが連通し、かつ、冷媒配管１６と冷媒配管１７とが連通した第２の状態にすると、第２の圧縮式サイクルＰＣ２のみが形成されることになる。このように、第１の実施の形態例に係る空気調和装置は、サイクル切替用四方弁４を操作することにより、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１とを同時に利用可能な状態と、第２の圧縮式サイクルＰＣ２のみを利用可能な状態との２つの状態を作り出すことができるのである。

また、３０は住宅、３１は住宅の室内（被冷却空間）に設置された室内熱交換器、３２は循環ポンプ、３３は冷温水回路用四方弁をそれぞれ表している。冷温水循環回路（利用側熱搬送媒体循環回路）ＣＷは、室内熱交換器３１と循環ポンプ３２を冷温水配管（利用側熱搬送媒体用配管）３５で接続し、循環ポンプ３２と冷温水回路用四方弁３３を冷温水配管３６で接続し、冷温水回路用四方弁３３と第２の利用側熱交換器８を冷温水配管３７で接続し、第２の利用側熱交換器８と第１の利用側熱交換器６を冷温水配管３８で接続し、第１の利用側熱交換器６と冷温水回路用四方弁３３を冷温水配管３９で接続し、冷温水回路用四方弁３３と室内熱交換器３１を冷温水配管４０で接続して環状に形成された回路である。そして、循環ポンプ３２により、水が冷温水循環回路ＣＷ内を強制循環するようになっている。

次に、第１の実施の形態例に係る空気調和装置で行える運転モードについて説明する。第１の実施の形態例に係る空気調和装置では、以下に示すように、運転モードＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４つの運転モードを行うことができる。なお、以下の説明において、hsはheat source、appはapplication、ＨはHumidityの略語である。

「運転モードＮｏ．１（図２）」
運転モードＮｏ．１は、第２の圧縮式サイクルＰＣ２を単独で利用した冷房運転のモードであり、夏場の昼間など、外気温度が高く、冷房負荷が大きい場合に用いられる運転モードである。この運転モードＮｏ．１は、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≧０」かつ「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≧０」、例えば室外温度Ｔhs＝３５℃で設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２７℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．１において、冷媒の循環経路は、図２の矢印の方向である。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１１とが連通し、冷媒配管１９と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１３が連通し、冷媒配管１６と冷媒配管１７が連通している。このように圧縮式サイクル用四方弁２とサイクル切替用四方弁３を切り替えることで、第２の圧縮式サイクルＰＣ２が形成されている。ここで、運転モードＮｏ．１において、第１の膨張弁５は所定の開度に調整されており、第２の膨張弁９は全開になっている。

圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、圧縮式サイクル用四方弁２を通って第２の熱源側熱交換器７に流入し、この第２の熱源側熱交換器７を流れる間に大気へ放熱して凝縮する。さらに、第２の熱源側熱交換器７を出た冷媒は、サイクル切替用四方弁３を通って第１の熱源側熱交換器４に流入し、この第１の熱源側熱交換器４を流れる間に大気へ放熱して凝縮し、最終的に液化する。液化した冷媒は、所定の開度に調整された第１の膨張弁５で減圧、膨張し、低温低圧の気液二相の状態で第１の利用側熱交換器６へと流入する。

この気液二相状態の冷媒は、第１の利用側熱交換器６を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水から吸熱して蒸発し、さらに、サイクル切替用四方弁３、第２の膨張弁９を順次通って、第２の利用側熱交換器８に流入する。そして、第２の利用側熱交換器８に流入した冷媒は、この第２の利用側熱交換器８を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水から吸熱することにより蒸発し、最終的にガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮式サイクル用四方弁２を通って圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

この運転モードＮｏ．１では、第１の利用側熱交換器６および第２の利用側熱交換器８により、冷温水循環回路ＣＷ内の水が冷却されるため、住宅３０内の空気は室内熱交換器３１によって冷却されることとなる。つまり、運転モードＮｏ．１は、冷房運転モードである。この運転モードＮｏ．１では、冷媒は、２つの熱源側熱交換器４、７で熱を大気へ放出し、２つの利用側熱交換器６、８で水から熱を吸収するようになっているため、熱交換器を効果的に用いて冷房能力を高めることができるのである。

「運転モードＮｏ．２（図３）」
運転モードＮｏ．２は、第２の圧縮式サイクルＰＣ２を単独で利用した暖房運転のモードであり、室内の暖房負荷の大きい場合、例えば冬場の夜間に用いる運転モードである。この運転モードＮｏ．２は、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦０」かつ「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≦０」の場合、例えば室外温度Ｔhs＝７℃、設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝１８℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．２における冷媒の循環経路は、図３の矢印の方向であり、図２と図３を比較すると明らかなように、運転モードＮｏ．２の冷媒の循環経路は、運転モードＮｏ．１の冷媒の循環経路と逆である。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１９とが連通し、冷媒配管１１と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１３が連通し、冷媒配管１６と冷媒配管１７が連通している。このように圧縮式サイクル用四方弁２とサイクル切替用四方弁３を切り替えることで、第２の圧縮式サイクルＰＣ２が形成されている。ここで、運転モードＮｏ．２において、第１の膨張弁５は所定の開度に調整されており、第２の膨張弁９は全開になっている。

圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、圧縮式サイクル用四方弁２を通って第２の利用側熱交換器８に流入し、この第２の利用側熱交換器８を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水へ放熱して凝縮する。さらに、第２の利用側熱交換器８を出た冷媒は、第２の膨張弁９、サイクル切替用四方弁３を順次通って第１の利用側熱交換器６に流入し、この第１の利用側熱交換器６を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水へ放熱して凝縮し、最終的に液化する。液化した冷媒は、所定の開度に調整された第１の膨張弁５で減圧、膨張し、低温低圧の気液二相の状態で第１の熱源側熱交換器４へと流入する。

この気液二相状態の冷媒は、第１の熱源側熱交換器４を流れる間に大気から吸熱して蒸発し、さらに、サイクル切替用四方弁３を通って第２の熱源側熱交換器７を流れる間に大気から吸熱することにより蒸発し、最終的にガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮式サイクル用四方弁２を通って圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

この運転モードＮｏ．２では、第１の利用側熱交換器６および第２の利用側熱交換器８により、冷温水循環回路ＣＷ内の水が加熱されるため、住宅３０内の空気は室内熱交換器３１によって加熱されることとなる。つまり、運転モードＮｏ．２は、暖房運転モードである。この運転モードＮｏ．２では、冷媒は、２つの熱源側熱交換器４、７で熱を大気から吸収し、２つの利用側熱交換器６、８で水へ熱を放熱するようになっているため、熱交換器を効果的に用いて暖房能力を高めることができるのである。

「運転モードＮｏ．３（図４）」
運転モードＮｏ．３は、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１を併用した冷房運転のモードであり、外気温度が室内温度よりもある程度低く冷房負荷が存在するような場合、特に除湿が必要となる場合（例えば、梅雨時の夜間など）に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．３は、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦−５」かつ「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≧０」、例えば室外温度Ｔhs＝１６℃で設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２５℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．３において、冷媒の循環経路は、図４の矢印の方向である。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１１とが連通し、冷媒配管１９と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１７が連通し、冷媒配管１３と冷媒配管１６が連通している。このように圧縮式サイクル用四方弁２とサイクル切替用四方弁３を切り替えることで、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１がそれぞれ独立して形成されているのである。ここで、運転モードＮｏ．３において、第１の膨張弁５は、第１の利用側熱交換器６で得たい交換熱量に応じて所定の開度に調整されており、第２の膨張弁９も所定の開度に調整されている。

第１の圧縮式サイクルＰＣ１の側では、圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、圧縮式サイクル用四方弁２を通って第２の熱源側熱交換器７に流入する。ガス冷媒は、第２の熱源側熱交換器７を流れる間に大気へ放熱して凝縮し、液化する。液化した冷媒は、所定の開度に調整された第２の膨張弁９で減圧、膨張し、低温低圧の気液二相の状態で第２の利用側熱交換器８へと流入する。この気液二相状態の冷媒は、第２の利用側熱交換器８を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水から吸熱して蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮式サイクル用四方弁２を通って圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

一方、自然循環サイクルＴＳ１の側では、第１の熱源側熱交換器４に滞留している冷媒は、大気へ放熱して凝縮し、液化する。密度の大きい液冷媒は、重力の影響を受けて下降していき、第１の膨張弁５を通り、第１の利用側熱交換器６を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水から吸熱して蒸発し、ガス化する。このとき、冷媒の密度差による圧力勾配ができるため、蒸発した冷媒は、第１の熱源側熱交換器４に向かって流れていく。

この運転モードＮｏ．３では、第１の利用側熱交換器６および第２の利用側熱交換器８により、冷温水循環回路ＣＷ内の水が冷却されるため、住宅３０内の空気は室内熱交換器３１によって冷却されることとなる。つまり、運転モードＮｏ．３は、冷房運転モードである。この運転モードＮｏ．３によれば、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１を併用しているため、第２の圧縮式サイクルＰＣ２を利用する運転モード１に比べて消費電力を抑えることができる。

さらに、外気温度が住宅３０の室内温度以下の場合であって、外気温度と室内温度の差が小さい場合には、自然循環式サイクルＴＳ１を利用した冷媒の自然循環が困難となり、冷却能力を確保することが困難となる。また、外気温度が室内空気の露点温度以上である場合、自然循環式運転のみでは除湿を行うことが困難である。しかし、運転モードＮｏ．３によれば、第１の圧縮式サイクルＰＣ１を利用して強制的に冷房運転を行うため、冷温水循環回路ＣＷを循環する水と第２の利用側熱交換器８を流れる冷媒とで熱交換が行われ、室内熱交換器３１へ供給する冷温水を所望の温度とすることができ、室内空気の冷却や除湿を行うことが可能となる。このとき、冷温水循環回路ＣＷの水は，室内熱交換器３１を介して住宅３０の室内空気と熱交換を行い、室内温度よりは低いが外気温度よりは高い温度の水となって、第一の利用側熱交換器６へと戻り、冷媒が蒸発することで熱を奪い、外気温度近くまで水の温度は低下する。外気温度近くまで温度の低下された水は、第二の利用側熱交換器２に送られ所望の温度まで冷却される。つまり、第１の圧縮式サイクルＰＣの運転が自然循環式サイクルＴＳ１の冷却能力の不足分をアシストしていることになる。このように、運転モードＮｏ．３は、特に外気温度と室内温度との差が小さい場合でも、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１とを併用して、効率の良い冷房運転を行うことができるのである。

「運転モードＮｏ．４（図５）」
運転モードＮｏ．４は、自然循環式サイクルＴＳ１のみを利用した冷房運転のモードであり、外気温度が室内温度よりもかなり低く、また、除湿負荷の少ない場合（例えば冬場の昼間など日射や内部負荷によって室内温度が上昇した場合）に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．４は、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦−１０」かつ「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≧０」、例えば室外温度Ｔhs＝１０℃で設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２５℃の場合に採用されるモードである。この運転モードＮｏ．４は、自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１とが形成される点で運転モードＮｏ．３と同じであるが、圧縮機１の運転を停止している点で運転モードＮｏ．３と相違する。つまり、運転モードＮｏ．３と運転モードＮｏ．４との相違は、圧縮機１が運転されているか否かである。なお、この運転モードＮｏ．４において、冷媒の循環経路は、図５の矢印の方向である。

この運転モードＮｏ．４では、例えば、外気温度よりも室内温度が高い場合に、上述した自然循環式サイクルＴＳ１のみで冷温水循環回路ＣＷ内の水を冷却し、その冷却した水と住宅３０の室内空気とを室内熱交換器３１で熱交換して室内を冷房することができる。このように、運転モードＮｏ．４は圧縮機１を停止した状態でも室内を冷房することができるため、消費電力の大幅な削減を行うことができる。

ここで、上記した実施の形態例では、冷媒配管内の冷媒としてフロン系冷媒であるＲ４１０ａを用いたが、この物質に代えて、Ｒ１３４ａ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＣＯ２を用いることもできる。また、上記した実施の形態例では、冷温水循環回路ＣＷ内を循環させる熱搬送媒体として水を用いたが、この物質に代えて、エチレングリコールなどのブラインを用いても良い。また、上記した実施の形態例では、水を利用側の熱搬送媒体として用いて冷温水循環回路ＣＷを設けた構成を採用したが、この構成に代えて、住宅３０内の空気を利用側の熱搬送媒体として用い、直接、利用側熱交換器６、８と住宅３０内の空気とを熱交換させるようにすることも可能である。

また、上記した実施の形態例では、サイクル切替手段としてサイクル切替用四方弁３を用いたが、この構成に代えて、三方弁を２つ組み合わせて四方弁と同じ機能を持たせた構成、および二方弁を４つ組み合わせて四方弁と同じ機能を持たせた構成を採用することもできる。ここで、サイクル切替手段としてサイクル切替用四方弁３を用いた場合には、１つのサイクル切替用四方弁３のみで自然循環式サイクルＴＳ１と第１の圧縮式サイクルＰＣ１とが独立して形成される第１の状態と、第２の圧縮式サイクルＰＣ２が形成される第２の状態とに冷凍サイクルを切り替えることができるので、部品点数を削減できるという利点がある。三方弁を２つ組み合わせて四方弁と同じ機能を持たせた構成を採用すると、冷凍サイクルを切り替えるための制御が容易になるといった利点がある。また、二方弁を４つ組み合わせて四方弁と同じ機能を持たせた構成を採用すると、二方弁は安価であるため、コストを低減できるといった利点がある。

［本発明の第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施の形態例に係る空気調和装置について図６および図７を用いて説明するが、第１の実施の形態例に係る空気調和装置と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。なお、図７において熱交換器に付された矢印は、熱の流れを示している。第２の実施の形態例に係る空気調和装置は、図６に示すように、圧縮式サイクル用四方弁２と第２の熱源側熱交換器７とを接続する冷媒配管１１に第１のバイパス用三方弁（バイパス開閉手段）４１を組み込み、第２の利用側熱交換器８と圧縮式サイクル用四方弁２とを接続する冷媒配管１９に第２のバイパス用三方弁（バイパス開閉手段）４２を組み込み、第１のバイパス用三方弁４１と第２のバイパス用三方弁４２とをバイパス用冷媒配管（バイパス配管）４３で接続することにより、冷媒が圧縮機１を迂回する流路、つまり、バイパスルートを形成した構成となっている。このようにバイパスルートを設けた構成が、第１の実施の形態例と相違している。

この相違により、第２の実施の形態例に係る空気調和装置では、２つの熱源側熱交換器４、７と２つの利用側熱交換器６、８とを用いた自然循環式サイクルＴＳ２を形成することができ、以下に説明する運転モードＮｏ．５による運転が可能となるのである。なお、自然循環式サイクルＴＳ２を形成するために、第１の熱源側熱交換器４と第２の熱源側熱交換器７はほぼ同じ高さ位置、または第１の利用側熱交換器６を第２の利用側熱交換器より低い高さ位置に設置し、第１の利用側熱交換器６と第２の利用側熱交換器８はほぼ同じ高さ位置に設置するとともに、第１の熱源側熱交換器４と第２の熱源側熱交換器７は、第１の利用側熱交換器６と第２の利用側熱交換器８よりも高い位置に設置してヘッド差を設けるようにしている。

自然循環式サイクルＴＳ２を形成するためには、サイクル切替用四方弁３を操作して、冷媒配管１２と冷媒配管１３を接続し、冷媒配管１６と冷媒配管１７を接続させる。さらに、第１のバイパス用三方弁４１と第２のバイパス用三方弁４２を操作して、冷媒が圧縮機１に流入することなくバイパス用冷媒配管４３を流れるように冷媒の流路を切り替える。そうすると、第２の熱源側熱交換器７、サイクル切替用四方弁３、第１の熱源側熱交換器４、第１の膨張弁５、第１の利用側熱交換器６、サイクル切替用四方弁３、第２の膨張弁９、第２の利用側熱交換器８、第２のバイパス用三方弁４２、バイパス用冷媒配管４３、第１のバイパス用三方弁２７が環状に繋がれた自然循環式サイクルＴＳ２が完成することとなる。続いて、運転モードＮｏ．５について説明する。

「運転モードＮｏ．５（図７）」
運転モードＮｏ．５は、自然循環式サイクルＴＳ２のみを利用した冷房運転のモードであり、運転モードＮｏ．４と同様に、外気温度が室内温度よりもかなり低く、また、除湿負荷の少ない場合（例えば、冬場の昼間など日射や内部負荷によって室内温度が上昇した場合）に用いられる。この運転モードＮｏ．５は、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦−１０」かつ「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≧０」、例えばＴhs＝１０℃で設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２５℃の場合に採用されるモードである。なお、運転モードＮｏ．５において、冷媒の循環経路は、図７の矢印の方向である。

この運転モードでは、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１３が連通し、冷媒配管１６と冷媒配管１７が連通している。また、第１のバイパス用三方弁４１と第２のバイパス用三方弁４２とにより、冷媒が圧縮機１に流入することなくバイパス用冷媒配管４３を流れるようになっている。運転モードＮｏ．５では、第１の膨張弁５は、第１の利用側熱交換器６で得たい交換熱量に応じて所定の開度に調整されており、第２の膨張弁９は全開になっている。なお、運転モードＮｏ．５において、圧縮機１は停止している。

第１の熱源側熱交換器４および第２の熱源側熱交換器７に滞留している冷媒は、大気へ放熱して、凝縮し液化する。密度の大きい液冷媒は、重力の影響を受けて第１の利用側熱交換器６および第２の利用側熱交換器８に向かって流れる。第１の利用側熱交換器６および第２の利用側熱交換器８へ流入した冷媒は、それぞれの利用側熱交換器６、８を流れる間に冷温水循環回路ＣＷ内を循環する水より吸熱して蒸発し、冷媒の密度差による圧力勾配により、第２の熱源側熱交換器７に向かって上昇していく。このようにして、冷媒は、自然循環式サイクルＴＳ２を密度差により自然循環するのである。

この運転モードＮｏ．５では、２つの熱源側熱交換器４、７と２つの利用側熱交換器６、８とを用いて自然循環式サイクルＴＳ２を形成できるので、上記した自然循環式サイクルＴＳ１に比べて冷却能力が向上する。圧縮機１による運転を必要としないため、電力を消費しない点において省エネ効果が高いことは言うまでもない。なお、第１の利用側熱交換器６および第２の利用側熱交換器８により、冷温水循環回路ＣＷ内の水が冷却されるため、住宅３０内の空気は室内熱交換器３１によって冷却されることとなる。つまり、運転モードＮｏ．５は、冷房運転モードである。

なお、この運転モードＮｏ．５において、サイクル切替用四方弁３を操作して、冷媒配管１２と冷媒配管１７とを接続し、冷媒配管１３と冷媒配管１６とを接続することにより、自然循環式サイクルＴＳ１と、第２の熱源側熱交換器７と第２の利用側熱交換器８とを用いた自然循環式サイクルの２つの自然循環式サイクルを形成することもできる。この場合の利点として、第１の利用側熱交換器６と第１の熱源側熱交換器４によって形成される自然循環サイクルで外気と水の温度差を大きく取れるため、大循環方式（自然循環式サイクルＴＳ２を用いる方式）で比べて冷却能力を確保できる可能性があること、あるいは、外気温度や負荷の変動に応じて運転モードＮｏ.４との切替が容易になることなどが挙げられる。

［本発明の第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施の形態例に係る空気調和装置について、図８〜図１４を用いて説明するが、第１の実施の形態例に係る空気調和装置と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。なお、図９〜図１４において熱交換器に付された矢印は、熱の流れを示している。第３の実施の形態例に係る空気調和装置は、住宅３０内の空気を利用側の熱搬送媒体として用い、第２の利用側熱交換器５８を第１の分割熱交換器５８ａと第２の分割熱交換器５８ｂとに２分割し、第１の分割熱交換器５８ａと第２の分割熱交換器５８ｂを繋ぐ連結用冷媒配管５２ａと連結用冷媒配管５２ｂの間に除湿弁（第３の膨張弁）５１を設けた構成としている。この構成が、第１の実施の形態例との主な相違点である。この構成により、第３の実施の形態例に係る空気調和装置は、住宅３０内の空気を暖めながら除湿する再熱除湿運転モードによる運転を可能としている。なお、図示していないが、住宅３０内の空気を第１の利用側熱交換器１および第２の利用側熱交換器５８（第１の分割熱交換器５８ａおよび第２の分割熱交換器５８ｂ）に送り込むための送風機が設けられている。

第３の実施の形態例に係る空気調和装置は、第１の実施の形態例と同様に、以下に説明する自然循環式サイクルＴＳ３、第１の圧縮式サイクルＰＣ３を併用可能な第１の状態と、第２の圧縮式サイクルＰＣ４を利用可能な第２の状態とにサイクル切替用四方弁３によって冷凍サイクルを切り替えることができるようになっている。

自然循環式サイクルＴＳ３は、第１の熱源側熱交換器４と第１の膨張弁５を冷媒配管１４で接続し、第１の膨張弁５と第１の利用側熱交換器６を冷媒配管１５で接続し、第１の利用側熱交換器６とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１６で接続し、サイクル切替用四方弁３と第１の熱源側熱交換器４を冷媒配管１３で接続して環状に形成されたサイクルである。そして、この自然循環式サイクルＴＳ３内を、冷媒が密度差により自然循環するようになっている。

第１の圧縮式サイクルＰＣ３は、圧縮機１の吐出口１ｂと圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１０で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と第２の熱源側熱交換器７を冷媒配管１１で接続し、第２の熱源側熱交換器７とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１２で接続し、サイクル切替用四方弁３と第２の膨張弁９を冷媒配管１７で接続し、第２の膨張弁９と第１の分割熱交換器５８ａを冷媒配管１８で接続し、第１の分割熱交換器５８ａと除湿弁５１を連結用冷媒配管５２ａで接続し、除湿弁５１と第２の分割熱交換器５８ｂを連結用冷媒配管５２ｂで接続し、第２の分割熱交換器５８ｂと圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１９で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と圧縮機１の吸込口１ａを冷媒配管２０で接続して環状に形成されたサイクルである。そして、圧縮機１により、冷媒が第１の圧縮式サイクルＰＣ３内を強制的に循環するようになっている。

第２の圧縮式サイクルＰＣ４は、圧縮機１の吐出口１ｂと圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１０で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と第２の熱源側熱交換器７を冷媒配管１１で接続し、第２の熱源側熱交換器７とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１２で接続し、サイクル切替用四方弁３と第１の熱源側熱交換器４を冷媒配管１３で接続し、第１の熱源側熱交換器４と第１の膨張弁５を冷媒配管１４で接続し、第１の膨張弁５と第１の利用側熱交換器６を冷媒配管１５で接続し、第１の利用側熱交換器６とサイクル切替用四方弁３を冷媒配管１６で接続し、サイクル切替用四方弁３と第２の膨張弁９を冷媒配管１７で接続し、第２の膨張弁９と第１の分割熱交換器５８ａを冷媒配管１８で接続し、第１の分割熱交換器５８ａと除湿弁５１を連結用冷媒配管５２ａで接続し、除湿弁５１と第２の分割熱交換器５８ｂを連結用冷媒配管５２ｂで接続し、第２の分割熱交換器５８ｂと圧縮式サイクル用四方弁２を冷媒配管１９で接続し、圧縮式サイクル用四方弁２と圧縮機１の吸込口１ａを冷媒配管２０で接続して環状に形成されたサイクルである。そして、圧縮機１により、冷媒が第２の圧縮式サイクルＰＣ４内を強制的に循環するようになっている。

次に、第３の実施の形態例に係る空気調和装置で行える運転モードについて説明する。第３の実施の形態例に係る空気調和装置では、以下に示すように、運転モードＮｏ．６〜Ｎｏ．１１の６つの運転モードを行うことができる。

「運転モードＮｏ．６（図９）」
運転モードＮｏ．６は、第２の圧縮式サイクルＰＣ４を単独で利用した再熱除湿運転のモードであり、室内温度が設定温度より高く、室内湿度が設定湿度よりわずかに高く、加熱と冷却除湿とが必要な負荷条件に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．６は、「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≧０」かつ「室内湿度Ｈapp−設定湿度Ｈuser≧０」かつ、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≧０」の場合、例えば設定湿度Ｈuser＝５０％、室内湿度Ｈapp＝６０％かつ設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２５℃で、室外温度Ths＝２７℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．６において、冷媒の循環経路は、図９の矢印の方向である。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１１とが連通し、冷媒配管１９と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１３が連通し、冷媒配管１６と冷媒配管１７が連通している。このように圧縮式サイクル用四方弁２とサイクル切替用四方弁３を切り替えることで、第２の圧縮式サイクルＰＣ４が形成されている。ここで、運転モードＮｏ．６において、第１の膨張弁５および第２の膨張弁９は全開になっており、除湿弁５１は所定の開度に調整されている。

圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２の熱源側熱交換器７、第１の熱源側熱交換器４を順に流れる間に、熱源側の熱搬送媒体である大気へ放熱して凝縮し、気液二相の状態で第１の利用側熱交換器６に流入する。この気液二相状態の冷媒は、第１の利用側熱交換器６を流れる間に、利用側の熱搬送媒体である住宅３０内の空気へ放熱することで凝縮し、続いて、第１の分割熱交換器５８ａを流れる間に、同様に住宅３０内の空気へ放熱してさらに凝縮して、液化する。液化した冷媒は、除湿弁５１で減圧、膨張して気液二相状態となる。気液二相状態の冷媒は、第２の分割熱交換器５２ｂを流れる間に、住宅３０内の空気から吸熱することにより蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

この運転モードＮｏ．６では、第１の利用側熱交換器６および第１の分割熱交換器５２ａにより、住宅３０内の空気は加熱され、第２の分割熱交換器５２ｂにより、住宅３０内の空気は冷却除湿されることとなる。

「運転モードＮｏ．７（図１０）」
運転モードＮｏ．７は、第２の圧縮式サイクルＰＣ４を単独で利用した再熱除湿運転のモードであり、室内温度が設定温度より高く、室内湿度が設定湿度より高く、冷却除湿と加熱が必要な負荷条件に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．７は、「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≧０」かつ「室内湿度Ｈapp−設定湿度Ｈuser≧１５」かつ、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≧０」の場合、例えば設定湿度Ｈuser＝５０％、室内湿度Ｈapp＝７０％かつ設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２５℃で、室外温度Ths＝２７℃の場合に採用されるモードである。

この運転モードＮｏ．７において、冷媒は、図９と図１０を比較して明らかなように、運転モードＮｏ．６と同じ循環経路を流れる。ただし、第２の膨張弁９と除湿弁５１の開閉状態が運転モードＮｏ．６と運転モードＮｏ．７とで相違しており、運転モードＮｏ．７では、第１の膨張弁５は全開であり、第２の膨張弁９は所定の開度に調整されており、除湿弁５１は全開となっている。

圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２の熱源側熱交換器７、第１の熱源側熱交換器４を順に流れる間に、熱源側の熱搬送媒体である大気へ放熱して凝縮し、気液二相の状態で第１の利用側熱交換器６に流入する。この気液二相状態の冷媒は、第１の利用側熱交換器６を流れる間に、利用側の熱搬送媒体である住宅３０内の空気へ放熱することで凝縮し、液化する。液化した冷媒は、第２の膨張弁９により減圧、膨張して気液二相の状態となる。気液二相の状態となった冷媒は、第１の分割熱交換器５８ａを流れる間に、住宅３０内の空気から吸熱することにより蒸発し、続いて、第２の分割熱交換器５８ｂを流れる間に同様に住宅３０内の空気から吸熱することによりさらに蒸発して、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

この運転モードＮｏ．７では、第１の利用側熱交換器６により住宅３０内の空気は加熱され、第１の分割熱交換器５２ａおよび第２の分割熱交換器５２ｂにより、住宅３０内の室空気は冷却除湿されることとなる。

「運転モードＮｏ．８（図１１）」
運転モードＮｏ．８は、第２の圧縮式サイクルＰＣ４を単独で利用した再熱除湿運転のモードであり、室内温度が設定温度より低く、室内湿度が設定湿度より高く、加熱と冷却除湿が必要な負荷条件に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．８は、「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≦０」かつ「室内湿度Ｈapp−設定湿度Ｈuser＞１０」かつ、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦０」の場合、例えば設定湿度Ｈuser＝５０％、室内湿度Ｈapp＝７０％かつ設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２０℃で、室外温度Ths＝１８℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．８における冷媒の循環経路は、図１１の矢印の方向であり、運転モードＮｏ．６と逆向きの経路となっている。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１９とが連通し、冷媒配管１１と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１３が連通し、冷媒配管１６と冷媒配管１７が連通している。ここで、運転モードＮｏ．８において、第１の膨張弁５および第２の膨張弁９は全開になっており、除湿弁５１は所定の開度に調整されている。

圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２の分割熱交換器５８ｂを流れる間に、利用側の熱搬送媒体である住宅３０内の空気へ放熱して凝縮し、液化する。液化した冷媒は、除湿弁５１で減圧、膨張して蒸発し、気液二相の状態となる。気液二相状態の冷媒は、第１の分割熱交換器５８ａを流れる間に、住宅３０内の空気から吸熱して蒸発し、続いて、第１の利用側熱交換器６を流れる間に、同様に住宅３０内の空気から吸熱してさらに蒸発する。そして、第１の利用側熱交換器６を出た気液二相状態の冷媒は、第１の熱源側熱交換器４および第２の熱源側熱交換器７を流れながら熱源側の熱搬送媒体である大気から吸熱して蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

この運転モードＮｏ．８では、第１の利用側熱交換器６および第１の分割熱交換器５２ａにより、住宅３０内の空気は冷却除湿され、第２の分割熱交換器５２ｂにより、住宅３０内の空気は加熱されることとなる。

「運転モードＮｏ．９（図１２）」
運転モードＮｏ．９は、第２の圧縮式サイクルＰＣ４を単独で利用した再熱除湿運転のモードであり、室内温度が設定温度より低く、室内湿度が設定湿度よりわずかに高い、加熱と若干の除湿が必要な負荷条件に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．９は、「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≦０」かつ「室内湿度Ｈapp−設定湿度Ｈuser≧０」かつ、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦０」の場合、例えば設定湿度Ｈuser＝５０％、室内湿度Ｈapp＝６０％かつ設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２０℃で、室外温度Ths＝１８℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．９における冷媒の循環経路は、図１２の矢印の方向であり、運転モードＮｏ．７と逆向きの経路となっている。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１９とが連通し、冷媒配管１１と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１３が連通し、冷媒配管１６と冷媒配管１７が連通している。ここで、運転モードＮｏ．９において、第１の膨張弁５は全開であり、第２の膨張弁９は所定の開度に調整されており、除湿弁５１は全開となっている。

圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２の分割熱交換器５８ｂを流れる間に、利用側の熱搬送媒体である住宅３０内の空気へ放熱して凝縮し、続いて、第１の分割熱交換器５８ａを流れる間に、同様に住宅３０内の空気へ放熱して凝縮し、液化する。液化した冷媒は、第２の膨張弁９で減圧、膨張して蒸発し、気液二相の状態となる。気液二相状態の冷媒は、第１の利用側熱交換器６を流れる間に、住宅３０内の空気から吸熱してさらに蒸発する。そして、第１の利用側熱交換器６を出た気液二相状態の冷媒は、第１の熱源側熱交換器４および第２の熱源側熱交換器７を流れながら熱源側の熱搬送媒体である大気から吸熱して蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

この運転モードＮｏ．９では、第１の利用側熱交換器６により、住宅３０内の空気は冷却除湿され、第１の分割熱交換器５８ａおよび第２の分割熱交換器５８ｂにより、住宅３０内の空気は加熱されることとなる。

「運転モードＮｏ．１０（図１３）」
運転モードＮｏ．１０は、自然循環式サイクルＴＳ３と第１の圧縮式サイクルＰＣ３を併用した再熱除湿運転のモードであり、室内温度が設定温度よりやや高く、室内湿度が設定湿度より高いため、冷却除湿と加熱が必要な負荷条件であって、外気温度が室内温度よりもかなり低い場合に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．１０は、「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≦０」かつ「室内湿度Ｈapp−設定湿度Ｈuser≧０」かつ、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦−１０」の場合、例えば設定湿度Ｈuser＝５０％、室内湿度Ｈapp＝７０％かつ設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２５℃で、室外温度Ths＝１０℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．１０において、冷媒の循環経路は、図１３の矢印の方向である。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１１とが連通し、冷媒配管１９と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１７が連通し、冷媒配管１３と冷媒配管１６が連通している。なお、運転モードＮｏ．１０において、第１の膨張弁５は、第１の利用側熱交換器６で得たい交換熱量に応じて所定の開度に調整されており、第２の膨張弁９は全開となっており、除湿弁５１は所定の開度に調整されている。

第１の圧縮式サイクルＰＣ３の側では、圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２の熱源側熱交換器７を流れる間に、熱源側の熱搬送媒体である大気へ放熱して凝縮し、気液二相の状態で第１の分割熱交換器５８ａに流入する。この気液二相状態の冷媒は、第１の分割側熱交換器５８ａを流れる間に、利用側の熱搬送媒体である住宅３０内の空気へ放熱することで凝縮し、液化する。液化した冷媒は、除湿弁５１で減圧、膨張して気液二相状態となる。気液二相状態の冷媒は、第２の分割熱交換器５２ｂを流れる間に、住宅３０内の空気から吸熱することにより蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

一方、自然循環サイクルＴＳ３の側では、第１の熱源側熱交換器４に滞留している冷媒は、大気へ放熱して、凝縮し液化する。密度の大きい液冷媒は、重力の影響を受けて下降していき、第１の膨張弁５を通り、第１の利用側熱交換器６を流れる間に住宅３０内の空気から吸熱して蒸発する。このとき、冷媒の密度差による圧力勾配ができるため、蒸発した冷媒は、第１の熱源側熱交換器４に向かって流れていく。

この運転モードＮｏ．１０では、住宅３０内の空気を、第１の利用側熱交換器６により冷房し、第１の分割熱交換器５８ａにより再加熱し、第２の分割熱交換器５８ｂにより冷却除湿している。よって、外気温度と住宅３０の室内温度以下の場合であって、外気温度と室内温度の差が小さい場合であっても、自然循環式サイクルＴＳ３と第１の圧縮式サイクルＰＣ３を併用することにより、適切な冷却除湿と加熱を行うことが可能となり、所望の温湿度環境を得ることができる。よって、自然循環サイクルに比べて除湿能力を高めることができる。

「運転モードＮｏ．１１（図１４）」
運転モードＮｏ．１１は、自然循環式サイクルＴＳ３と第１の圧縮式サイクルＰＣ３を併用した再熱除湿運転のモードであり、室内温度が設定温度より低いが、室内湿度が設定湿度より高いため、加熱と除湿が必要な負荷条件であって、外気温度が室内温度よりもかなり低い場合に用いられるモードである。この運転モードＮｏ．１１は、「室内温度Ｔapp−設定温度Ｔuser≦０」かつ「室内湿度Ｈapp−設定湿度Ｈuser≧０」かつ、「室外温度Ｔhs−設定温度Ｔuser≦−１０」の場合、例えば設定湿度Ｈuser＝５０％、室内湿度Ｈapp＝７０％かつ設定温度Ｔuser＝２３℃、室内温度Ｔapp＝２１℃で、室外温度Ths＝１０℃の場合に採用されるモードである。なお、この運転モードＮｏ．１１における冷媒の循環経路は、図１４の矢印の方向であり、第１の圧縮式サイクルＰＣ３での冷媒の循環経路の方向が、図１３と図１４を比較して明らかなように運転モードＮｏ．１０と逆向きとなっている。

この運転モードでは、まず、圧縮式サイクル用四方弁２により、冷媒配管１０と冷媒配管１９とが連通し、冷媒配管１１と冷媒配管２０とが連通している。また、サイクル切替用四方弁３により、冷媒配管１２と冷媒配管１７が連通し、冷媒配管１３と冷媒配管１６が連通している。なお、運転モードＮｏ．１１において、第１の膨張弁５は、第１の利用側熱交換器６で得たい交換熱量に応じて所定の開度に調整されており、第２の膨張弁９は全開となっており、除湿弁５１は所定の開度に調整されている。

第１の圧縮式サイクルＰＣ３の側では、圧縮機１の吐出口１ｂより吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２の分割熱交換器５８ｂを流れる間に、利用側の熱搬送媒体である住宅３０内の空気へ放熱して凝縮し、液化する。液化した冷媒は、除湿弁５１で減圧、膨張し、気液二相の状態となる。気液二相状態の冷媒は、第１の分割熱交換器５８ａを流れる間に、住宅３０内の空気から吸熱して蒸発し、さらに、第２の熱源側熱交換器７を流れる間に、熱源側の熱搬送媒体である大気から吸熱することにより蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は、圧縮機１の吸込口１ａに流入し、圧縮機１により再び圧縮されて高温高圧のガス冷媒となる。

一方、自然循環サイクルＴＳ３の側では、第１の熱源側熱交換器４に滞留している冷媒は、大気へ放熱して、凝縮し液化する。密度の大きい液冷媒は、重力の影響を受けて下降していき、第１の膨張弁５を通り、第１の利用側熱交換器６を流れる間に住宅３０内の空気から吸熱して蒸発する。このとき、冷媒の密度差による圧力勾配ができるため、蒸発した冷媒は、第１の熱源側熱交換器４に向かって流れていく。

この運転モードＮｏ．１１では、住宅３０内の空気を、第１の利用側熱交換器６により冷房し、第１の分割熱交換器５８ａにより冷却除湿し、第２の分割熱交換器５８ｂにより再加熱している。よって、外気温度と住宅３０の室内温度以下の場合で、特に、外気温度と室内温度の差が小さい場合であっても、自然循環式サイクルＴＳ３と第１の圧縮式サイクルＰＣ３を併用することにより、適切な冷却除湿と加熱を行うことが可能となり，所望の温湿度環境を得ることができる。よって、自然循環サイクルに比べて除湿能力を高めることができる。

なお、第３の実施の形態例に係る空気調和装置では、運転モードＮｏ．１０、Ｎｏ．１１において圧縮機１を停止させると、自然循環式サイクルＴＳ３のみを利用した運転を行うことができることは言うまでもない。

［本発明の第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施の形態例に係る空気調和装置について、図１５を用いて説明するが、第１の実施の形態例に係る空気調和装置と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。第４の実施の形態例に係る空気調和装置は、第２の熱源側熱交換器７を含む中間温水循環回路（熱源側熱搬送媒体循環回路）ＭＷを形成し、この中間温水循環回路ＭＷ内に熱源側の熱搬送媒体として水を循環させる構成となっている点に特徴がある。

中間温水循環回路ＭＷは、第２の熱源側熱交換器７と蓄熱タンク６１とを中間温水配管（熱源側熱搬送媒体用配管）６２、６３で接続して形成された環状の回路である。そして、図示しない循環ポンプにより、水が中間温水循環回路ＭＷ内を強制循環するようになっている。なお、蓄熱タンク６１には、蓄熱材が充填されている。

このように構成された第４の実施の形態例に係る空気調和装置では、例えば、上記した運転モードＮｏ．１およびＮｏ．３による運転を行うと、第２の熱源側熱交換器７で冷媒の温熱が外部に放出され、中間温水循環回路ＭＷ内を流れる水は、第２の熱源側熱交換器７からその温熱を吸収する。水が吸収した温熱は、蓄熱タンク６１によって蓄熱され、中間温水循環回路ＭＷ内を循環する水は中間温水となる。このように、第４の実施の形態例によれば、第２の熱源側熱交換器７の排熱を有効利用して中間温水を作ることができる。一般に、室内の冷房は昼間に需要が多いのに対して、給湯は夜間に需要が多いが、第４の実施の形態例に係る空気調和装置によれば、昼間に冷房運転を行った際の第２の熱源側熱交換器７の排熱を利用して蓄熱タンク６１に中間温水を蓄熱できるので、夜間に蓄熱タンク６１の中間温水を利用して給湯を行うといったことが可能となり、エネルギの有効利用が図られることとなる。なお、蓄熱タンク６１に太陽熱集熱器を接続して、再生可能エネルギを利用できるようにしても良いことは言うまでもない。

また、給湯サイクルの蒸発器として第２の熱源側熱交換器７を使用することもできる。具体的には、図１５に示すように、給湯用圧縮機７１、給湯用凝縮器７２、給湯用膨張弁７３、第２の熱源側熱交換器７を順次給湯用冷媒配管７４ａ〜７４ｄで接続して環状の給湯サイクルを形成し、給湯用凝縮器７２と貯湯タンク７５とを給湯用配管７６、７７で接続して湯を供給するための給湯システムを構築する。給湯サイクルでは、給湯用膨張弁７３により減圧、膨張した気液二相状態の給湯用冷媒は、第２の熱源側熱交換器７から吸熱して蒸発し、ガス化する。つまり、給湯サイクルにおいて、第２の熱源側熱交換器７は蒸発器として機能することとなる。なお、この例において、第２の熱源側熱交換器７と熱交換する熱源側の熱搬送媒体は、給湯用冷媒となる。この構成によれば、第２の熱源側熱交換器７を給湯システムと空調システムの両方に利用できるので、コストを低減することができる。なお、給湯用冷媒としては、Ｒ１３４ａ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＣＯ２などを使用すれば良い。

以上、説明したように、上記した実施の形態例によれば、自然サイクルに用いる熱交換器を圧縮式サイクルの熱交換器として利用することができるので、熱交換の効率を高めることができる。たま、上記した実施の形態例では、自然循環式サイクルと圧縮式サイクルとを併用できるため、外気温度が室内温度以下の場合で、外気温度と室内温度の差が小さいときでも除湿能力を高めることができる。また、上記した実施の形態例では、給水あるいは給湯の設備に熱交換器の排熱を利用することができるので、エネルギを有効に利用することができる。

１…圧縮機、１ａ…吸込口、１ｂ…吐出口、２…圧縮式サイクル用四方弁（流路切替弁）、３…サイクル切替用四方弁（サイクル切替手段）、４…第１の熱源側熱交換器、５…第１の膨張弁、６…第１の利用側熱交換器、７…第２の熱源側熱交換器、８…第２の利用側熱交換器、９…第２の膨張弁、１０〜２０…冷媒配管、３０…住宅（被冷却空間）、３１…室内熱交換器、３２…循環ポンプ、３３…冷温水回路用四方弁、３５〜４０…冷温水配管（利用側熱搬送媒体用配管）、４１…第１のバイパス用三方弁（バイパス開閉手段）、４２…第２のバイパス用三方弁（バイパス開閉手段）、４３…バイパス用冷媒配管（バイパス配管）、５１…除湿弁（第３の膨張弁）、５２ａ、５２ｂ…連結用冷媒配管、５８ａ…第１の分割熱交換器、５８ｂ…第２の分割熱交換器、６１…蓄熱タンク、６２、６３…中間温水配管（熱源側熱搬送媒体用配管）、７１…給湯用圧縮機、７２…給湯用凝縮器、７３…給湯用膨張弁、７４ａ〜７４ｄ…給湯用冷媒配管、７５…貯湯タンク、７６、７７…給湯用配管、ＴＳ１〜ＴＳ３…自然循環式サイクル、ＰＣ１、ＰＣ３…第１の圧縮式サイクル、ＰＣ２、ＰＣ４…第２の圧縮式サイクル、ＣＷ…冷温水循環回路（利用側熱搬送媒体循環回路）、ＭＷ…中間温水循環回路（熱源側熱搬送媒体循環回路）

Claims (6)

1. 圧縮機と、熱源側の熱搬送媒体と冷媒とを熱交換させる第１および第２の熱源側熱交換器と、利用側の熱搬送媒体と冷媒とを熱交換させる第１および第２の利用側熱交換器と、冷媒の流路方向を切り替える流路切替弁と、第１および第２の膨張弁とを備えた空気調和装置であって、
   前記第１の熱源側熱交換器、前記第１の膨張弁および前記第１の熱源側熱交換器よりも低い位置に設置された前記第１の利用側熱交換器を順次冷媒配管で接続して環状に形成され、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルと、
   前記圧縮機の吐出口、前記流路切替弁、前記第２の熱源側熱交換器、前記第２の膨張弁、前記第２の利用側熱交換器、および前記圧縮機の吸込口を順次冷媒配管で接続して環状に形成され、前記圧縮機により冷媒が強制循環する第１の圧縮式サイクルと、
   前記圧縮機の吐出口、前記流路切替弁、前記第２の熱源側熱交換器、前記第１の熱源側熱交換器、前記第１の膨張弁、前記第１の利用側熱交換器、前記第２の利用側熱交換器、および前記圧縮機の吸込口を順次冷媒配管で接続して環状に形成され、前記圧縮機により冷媒が強制循環する第２の圧縮式サイクルと
   の少なくとも３つの冷凍サイクルを形成可能であり、
   前記自然循環式サイクルと前記第１の圧縮式サイクルとが独立して形成される第１の状態と、前記第２の圧縮式サイクルが形成される第２の状態とに冷凍サイクルを切り替えるサイクル切替手段を備えた空気調和装置。
2. 請求項１の記載において、
   前記第１の利用側熱交換器、前記第２の利用側熱交換器、および被冷却空間に設置された室内熱交換器を利用側熱搬送媒体用配管で順次接続して環状の利用側熱搬送媒体循環回路を形成し、
   前記利用側熱搬送媒体循環回路に、前記利用側の熱搬送媒体としての水またはブラインを強制循環させるようにした
   ことを特徴とする空気調和装置。
3. 請求項１または２の記載において、
   前記第２の利用側熱交換器を、第１の分割熱交換器と第２の分割熱交換器とに２分割し、前記第１の分割熱交換器と前記第２の分割熱交換器とを繋ぐ連結用冷媒配管に第３の膨張弁を設けた
   ことを特徴とする空気調和装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、
   前記第２の熱源側熱交換器および蓄熱タンクを熱源側熱搬送媒体用配管で接続して環状の熱源側熱搬送媒体循環回路を形成し、
   前記熱源側熱搬送媒体循環回路に、前記熱源側の熱搬送媒体としての水を強制循環させるようにした
   ことを特徴とする空気調和装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項の記載において、
   給湯用圧縮機、給湯用利用側熱交換器、給湯用膨張弁、および前記第２の熱源側熱交換器を順次給湯用冷媒配管で接続して環状の給湯サイクルを形成し、
   前記給湯サイクルに、前記熱源側の熱搬送媒体としての給湯用冷媒を前記給湯用圧縮機により強制循環させるようにした
   ことを特徴とする空気調和装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項の記載において、
   前記圧縮機の吸込口と吐出口とをバイパスするバイパス配管と、冷媒の流路を、前記圧縮機を経由する流路と前記バイパス配管を経由する流路との何れの流路にするかを切り替えるバイパス開閉手段とを設けた
   ことを特徴とする空気調和装置。

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