JP5414638B2 - 空気調和システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源側ユニットと複数台の利用側ユニットを有するマルチ型の空気調和システムに係り、特に、空気調和システムによる空調と、その排熱を熱源とした給湯を同時に行うことができる空気調和システムに関する。

空気調和システムによる空調と、その排熱を熱源とした給湯を同時に行うことができる従来の空気調和システムとしては特許文献１に記載のヒートポンプシステムなどがある。このヒートポンプシステムは、複数の熱交換器及び圧縮機で構成された空調用ヒートポンプと給湯用ヒートポンプを１つの筐体内に設置し、このヒートポンプシステムは室内空調用の熱負荷や給湯用の貯湯タンクなどに接続されている。

給湯用ヒートポンプは、前記貯湯タンク内の温水を加熱するものであり、冷媒は二酸化炭素が用いられ、圧縮機からの加熱ガスは熱交換器内で超臨界状態で温水と熱交換され、温水は加熱されて貯湯タンクに貯留される。

空調用ヒートポンプは各熱負荷に温熱または冷熱を供給するものであり、圧縮機と冷暖切替用の四方弁を備え、冷房時には凝縮器に、暖房時には蒸発器となる熱交換器と接続されている。

前記熱交換器と各熱負荷は水配管で接続されており、循環ポンプにより循環される温水と熱交換器との熱交換により、利用側熱負荷への温熱供給を可能としている。また、空調用ヒートポンプと貯湯タンクを水配管で接続し、温水を冷却することで給湯ヒートポンプ性能を向上している。

特許第４２２９８８１号公報

上記特許文献１記載のヒートポンプシステムでは、空調用ヒートポンプと給湯用ヒートポンプの２つのヒートポンプを必要とし、複数の水配管と複数の熱交換器により互いに熱交換するシステムとなっているが、システム構成が複雑となり、イニシャルコストが高くなる課題がある。また、空調用ヒートポンプの冷房運転時の排熱利用については、地中熱採熱管を介して給湯用ヒートポンプに利用されているが、間接的な利用方法であり効果が小さい。更に、空調用ヒートポンプ側の空調負荷が冷房と暖房を同時に利用する場合については考慮されていない。特に、この特許文献１記載の発明は、新規設備として空調用ヒートポンプと給湯用ヒートポンプを同時に設置することを前提としたものであり、最初に空調設備のみを導入し、後から新たに給湯設備を追加設置するような場合には対応できない。

本発明の目的は、既設の空気調和システムに、後から給湯ユニットを追加設置できるようにすることにより、給湯ユニット用の新たな熱源機の追加設置を必要とせず、しかも空調用ヒートポンプから発生する排熱も有効に利用して温水を製造できる効率の良い空気調和システムを得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器及び膨張弁を有する熱源側ユニットと、利用側熱交換器及び膨張弁を有する複数台の利用側ユニットと、前記熱源側ユニットと前記利用側ユニットとを接続する液配管、高圧ガス配管及び低圧ガス配管と、前記熱源側ユニット及び前記複数台の利用側ユニットに伝送線を介して接続されこれらのユニットを制御するコントローラとを備えた空気調和システムにおいて、前記熱源側ユニット及び前記複数台の利用側ユニットを制御する前記コントローラには、前記利用側ユニットが接続されている場合の制御プログラムと、前記利用側ユニットに加えて給湯ユニットが接続された場合の制御プログラムとが記憶されており、前記熱源側ユニットと前記利用側ユニットとを接続する前記液配管と前記高圧ガス配管に前記給湯ユニットが接続され、且つ前記伝送線に給湯ユニットが接続されることで、前記熱源側ユニット及び前記複数台の利用側ユニットを制御する前記コントローラは前記給湯ユニットの接続を認識し、それによって、該コントローラは、前記熱源側ユニット、利用側ユニット及び給湯ユニットを、利用側ユニットに加えて給湯ユニットが接続された場合の前記制御プログラムに従って制御するように構成され、前記給湯ユニットは、貯湯タンクと、貯湯タンク内の水と前記熱源側ユニットからの高圧ガス冷媒とを熱交換させる熱交換器とを備え、前記熱交換器の入口側は前記高圧ガス配管と、出口側は前記液配管と接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、既設の空調システムに、後から給湯ユニットを追加設置できるように構成しているので、給湯ユニット用の新たな熱源機の追加設置を必要とせず、しかも空調用ヒートポンプから発生する排熱も有効に利用して温水を製造できる効率の良い空気調和システムを得ることができる効果がある。

本発明の空気調和システムの実施例１を示す冷凍サイクル系統図。 図１に示す実施例１の制御ブロック図。 図１に示す実施例１において給湯ユニットの接続を自動認識して制御できるようにする制御フローを説明するフローチャート。 図１に示す実施例１における冷房、給湯同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図。 図１に示す実施例１における暖房、給湯同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図。 図１に示す実施例１における冷房、暖房、給湯同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図。 図１に示す実施例１における冷房、暖房、給湯同時運転時の別の動作を説明する冷凍サイクル系統図。 図１に示す熱源側ユニットの構成を一部破断して内部構成がわかるようにした正面図。 図１に示す給湯ユニットの構成を説明する図で、（ａ）図は筐体の上面パネルを除去して示す平面図、（ｂ）図は筐体の正面パネルを除去して示す正面図。 図１に示す熱源側ユニットと給湯ユニットの設置例を説明する正面図。 図１に示す空気調和システムにおける伝送線の接続図。

以下、本発明の具体的実施例を、図面を用いて説明する。各図において同一符号を付した部分は同一部分を示している。

本発明の空気調和システムの実施例１を図１〜図１１を用いて説明する。
図１は本発明の空気調和システムの実施例１を示す冷凍サイクル系統図である。
本実施例における空気調和システム１００は、２台の熱源側ユニット１２（１２ａ，１２ｂ）と、３台の利用側ユニット１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）と、３台の冷暖切替ユニット２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）で構成されるマルチ型の空気調和機、１台の給湯ユニット２７、及びこれらを制御するコントローラ（制御装置）により構成されている。

なお、熱源側ユニット１２の接続台数は２台に限らず１台或いは３台以上でも良い。利用側ユニット１６については複数台であれば良く、２台或いは４台以上でも良い。給湯ユニット２７の接続台数は２台以上でも良い。

前記熱源側ユニット１２（１２ａ，１２ｂ）は、冷房運転と暖房運転を同時に運転可能な冷暖同時運転用の熱源側ユニットであり、各熱源側ユニットはそれぞれ、室外熱交換器７（７ａ，７ｂ）、高低圧切替用の四方弁４（４ａ，４ｂ）、冷暖切替用の四方弁５（５ａ，５ｂ）、圧縮機１（１ａ，１ｂ）、該圧縮機の吸入側の冷媒配管に設けられた気液分離器１１（１１ａ，１１ｂ）、圧縮機の吐出側に設けられた油分離器２（２ａ，２ｂ）と逆止弁３（３ａ，３ｂ）、過冷却器９（９ａ，９ｂ）、電動膨張弁６（６ａ，６ｂ），１０（１０ａ，１０ｂ）などを備えている。また、８（８ａ，８ｂ）は前記室外熱交換器７に外部空気を供給して熱交換させるための送風機である。前記圧縮機１（１ａ，１ｂ）は容量可変型の圧縮機で構成されている。なお、前記圧縮機１は１台または複数台の一定速型圧縮機で構成するようにしても良い。

前記冷暖切替用の四方弁５（５ａ，５ｂ）は冷房運転側または暖房運転側に切替えられて使用される。また、前記高低圧切替用の四方弁４（４ａ，４ｂ）は、冷房運転する場合に高圧ガス配管２８を低圧ガス配管として使用したい場合に切り変えられて使用できるようにしたもので、低圧ガス流路を拡大し、冷房運転時の性能を向上させるためのものである。これらの四方弁４，５は前記熱源側ユニット１２に備えられたコントローラ（制御装置）３６（３６ａ，３６ｂ）（図２参照）により制御される。

前記熱源側ユニット１２と前記利用側ユニット１６を接続する冷媒配管は、高圧ガス配管２８、低圧ガス配管２９及び液配管３０で構成され、これらの冷媒配管２８，２９，３０のそれぞれの一端側は、前記熱源側ユニット１２ａ，１２ｂと、高圧ガス阻止弁３１（３１ａ，３１ｂ）、低圧ガス阻止弁３２（３２ａ，３２ｂ）または液阻止弁３３（３３ａ，３３ｂ）を介してそれぞれ接続されている。

前記利用側ユニット１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）はそれぞれ熱交換器１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）、送風機１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）、電動膨張弁１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）、及びそれらを制御するコントローラ３８（３８ａ，３８ｂ，３８ｃ）（図２参照）などで構成され、前記熱交換器１３の一方側は前記電動膨張弁１５を介して前記液配管３０と接続され、他方側は、冷房時には前記低圧ガス配管と接続し、暖房時には前記高圧ガス配管と接続するための前記冷暖切替ユニット２２に接続されている。この冷暖切替ユニット２２は、それぞれの利用側ユニットを冷房側或いは暖房側に切替えて運転可能にするもので、この冷暖切替ユニットにより、冷房で運転される利用側ユニットと暖房で運転される利用側ユニットとを同一空気調和システム内に同時に混在させて運転することを可能にしている。

前記冷暖切替ユニット２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）は、それぞれ高圧側主電動膨張弁１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）、高圧側副電動膨張弁１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）、低圧側主電動膨張弁１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）、低圧側副電動膨張弁２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）、キャピラリ２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）、及びそれらを制御するコントローラ３７（３７ａ，３７ｂ，３７ｃ）（図２参照）などで構成されている。この冷暖切替ユニット２２の一端側の配管は、前記利用側ユニット１６に接続され、他端側は、前記高圧側主電動膨張弁１７、高圧側副電動膨張弁１８及びキャピラリ２１が前記高圧ガス配管２８と、前記低圧側主電動膨張弁１９及び低圧側副電動膨張弁２０が前記低圧ガス配管２９と接続されるように構成されている。利用側ユニットを冷房運転する場合には前記高圧側主電動膨張弁１７、高圧側副電動膨張弁１８が閉とされ、前記低圧側主電動膨張弁１９及び低圧側副電動膨張弁２０が開とされて、熱交換器１３で蒸発された低圧ガス冷媒を低圧ガス配管２９側に流す。また、利用側ユニットを暖房運転する場合には前記高圧側主電動膨張弁１７、高圧側副電動膨張弁１８が開とされ、前記低圧側主電動膨張弁１９及び低圧側副電動膨張弁２０が閉とされて、高圧ガス配管２８からの高温高圧のガス冷媒を熱交換器１３に流す。

前記給湯ユニット２７は、貯湯タンク２３、該貯湯タンク２３内の水と前記熱源側ユニット１２からの高圧ガス冷媒とを熱交換させる熱交換器２５、前記貯湯タンク２３内の水を前記熱交換器２５に循環させるための循環ポンプ２４、前記貯湯タンク２３に設けられた給水口３４及び給湯口３５などを備えている。また、前記熱交換器２５の入口側は前記高圧ガス配管２８に、出口側は前記液配管３０に接続され、前記熱交換器２５と液配管３０とを接続する冷媒配管には電動膨張弁２６が設けられている。前記循環ポンプ２４と電動膨張弁２６は給湯ユニット２７を制御するためのコントローラ４２（図２参照）により制御されるように構成されている。この給湯ユニットを制御するためのコントローラ４２は前記熱源側ユニット１２ａと１２ｂのコントローラ３６ａと３６ｂとを接続している伝送線４４（図２参照）に接続される。なお、前記給水口３４は給水管と接続されて貯湯タンク２３への水の補給を行い、給湯口３５は給湯管と接続されて給湯を行う。

図２は図１に示す実施例１の制御ブロック図である。
各熱源側ユニット１２（１２ａ，１２ｂ）においては、それぞれの圧縮機１（１ａ，１ｂ）、電動膨張弁６（６ａ，６ｂ），１０（１０ａ，１０ｂ）、送風機８（８ａ，８ｂ）、四方弁４（４ａ，４ｂ），５（５ａ，５ｂ）をコントローラ３６（３６ａ，３６ｂ）により制御している。また、前記コントローラ３６には、制御情報として圧縮機用温度センサ３７（３７ａ，３７ｂ）、外気センサ３８（３８ａ，３８ｂ）、高圧圧力センサ３９（３９ａ，３９ｂ）、低圧圧力センサ４０（４０ａ，４０ｂ）、配管温度センサ４１（４１ａ，４１ｂ）からの情報が送られるようになっている。コントローラ３６はこれらのセンサからの情報に基づき、予めプログラムされている制御手順と圧力及び温度の目標値に従って各構成部品を制御する。また、前記熱源側ユニット１２ａと１２ｂは伝送線４４を介して通信され、熱源ユニット１２ａを初期設定時にコントローラ３６ａから親機として設定（親機設定）することで、熱源側ユニット１２ａのコントローラ３６ａが、熱源側ユニットを複数台接続時の空気調和システム全体も制御するメインコントローラとして決定される。初期設定時に親機として設定されなかった前記他の熱源側ユニット１２ｂは子機として設定（子機設定）され、そのコントローラ３６ｂは親機設定された熱源側ユニット１２ａのメインコントローラ３６ａの指令に従い、子機設定された熱源側ユニット１２ｂ内の各部品を制御する。

前記メインコントローラ３６ａと、前記各利用側ユニット１６のコントローラ３８（３８ａ，３８ｂ，３８ｃ）及び前記各冷暖切替ユニット２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）のコントローラ３７（３７ａ，３７ｂ，３７ｃ）とは、伝送線４５（図２参照）を介して接続され、前記メインコントローラ３６ａは各ユニットのコントローラを介して前記各ユニットの各部品を制御する。

なお、前記メインとなるコントローラ３６ａには、予め空調用の前記利用側ユニット２２のみが接続されている場合の制御プログラムＡと、空調用の前記利用側ユニット２２に加えて給湯ユニット２７が接続された場合の制御プログラムＢが記憶されている。従って、空気調和システムを最初に設置した際、空調用の利用側ユニット２２のみが設置された場合には、前記メインコントローラ３６ａは前記制御プログラムＡに従って制御される。その後、給湯ユニット２７が前記空気調和システムに追加設置された場合には前記制御プログラムがＡからＢに変更されて制御される。

利用側ユニット２２は親機設定された前記熱源側ユニット１２ａのコントローラ（メインコントローラ）３６ａと伝送線４５を介して通信される。リモコン４３（４３ａ，４３ｂ，４３ｃ）の発停信号により、コントローラ３８は送風機１４を制御し、リモコン４３によって設定された温度条件をメインコントローラ３６ａに送信する。また、冷媒状態を把握するためのガス温度センサ３９（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ）、液温度センサ４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）、空気状態を把握するための吸い込み温度センサ４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）、吹出し温度センサ４２（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）での検出値も前記メインコントローラ３６ａに送信される。前記メインコントローラ３６ａは最適な冷媒状態に調整するための電動膨張弁１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）の開度指令を各利用側ユニットのコントローラ３８（３８ａ，３８ｂ，３８ｃ）に送信する。コントローラ３８は前記メインコントローラ３６ａの指令に従い、電動膨張弁１５を制御する。

冷暖切替ユニット１６は、親機設定された前記熱源側ユニット１２ａのメインコントローラ３６ａに、利用側ユニット２２と共に、伝送線４５を介して通信される。前記メインコントローラ３６ａは、伝送線４５により通信されている利用側ユニット１６からの冷房運転指令または暖房運転指令により、冷暖切替ユニット１６のコントローラ３７を介して、電動膨張弁１７，１８，１９，２０の開度を制御し、利用側ユニット１６を高圧ガス配管３１または低圧ガス配管３２に接続されるように切り替える。これにより、一つの空気調和システム内で、冷房運転する利用側ユニットと暖房運転する利用側ユニットを混在させて同時に運転させることが可能となる。

給湯ユニット２７は、空気調和システムを最初に設置時に、同時に設置することも、或いは空気調和システムを設置完了後に後から追加設置することも可能である。給湯ユニット２７は、前記熱源側ユニット１２と前記利用側ユニット１６とを接続している前記液配管３０と前記高圧ガス配管２８に接続される。また、給湯ユニット２７のコントローラ４２は熱源ユニット１２ａと１２ｂを接続している伝送線４４に接続されて、親機設定された熱源ユニット１２ａの前記メインコントローラ３６ａと通信される。前記伝送線４４に給湯ユニット２７のコントローラ４２が接続されることで、前記メインコントローラ３６ａは給湯ユニット２７の接続を認識し、それによって該メインコントローラ３６ａは、前記熱源側ユニット１２、利用側ユニット１６及び給湯ユニット２７を、利用側ユニットに加えて給湯ユニットが接続された場合の前記制御プログラムＢに従って制御する。

このようにメインコントローラ３６ａは、制御対象となる空気調和システム内に給湯ユニット２７が接続されていることを認識することで、初めて利用側ユニットによる空気調和調和と、給湯ユニットによる給湯を同時運転するように制御する。給湯ユニット２７の熱交換器２５への入口側の水温を検出する水温センサ５１、熱交換器２５の出口側の水温を検出する水温センサ５２、熱交換器２５の入口側の高圧ガス冷媒の温度を検出するガス温度センサ５３、熱交換器２５の出口側の凝縮液冷媒の温度を検出する液温度センサ５４が設けられており、これらのセンサからの各検出値が給湯ユニット２７のコントローラ４２を介して前記メインコントローラ３６ａに送信される。メインコントローラ３６ａは最適な水温及び冷媒状態となるよう電動膨張弁２６及び循環ポンプ２４の制御指令値をコントローラ４２に送信し、該コントローラ４２は前記制御指令値に基づき前記電動膨張弁２６及び循環ポンプ２４を制御する。

図３は図１に示す実施例１において給湯ユニットの接続を自動認識して制御できるようにする制御フローを説明するフローチャートである。空気調和システムが電源投入されると親機設定された熱源側ユニット１２ａのコントローラ（メインコントローラ）３６ａは接続されている機器の機種情報を取得する（ステップＳ１）。その取得した機器情報の中に給湯ユニットが含まれているかを判断する（ステップＳ２）。給湯ユニットが含まれている場合にはステップＳ３に移り、利用側ユニット１６に加えて給湯ユニット２７が接続された場合の前記制御プログラムＢに変更され、この制御プログラムに従って運転制御が開始される。前記ステップＳ２で給湯ユニットが含まれていないと判断された場合には、空調用の利用側ユニット２２のみが接続されている場合の制御プログラムＡで運転開始される。

このように構成することにより、既設の空気調和システム１００に後から給湯ユニット２７を追加設置して、既設の熱源側ユニット１２により温水を製造することも可能になる。従って、給湯用の特別な熱源ユニットは不要となり、しかも冷房運転している利用側ユニットの熱を利用して温水を製造できるから空気調和システム全体の効率も向上できる効果がある。

次に、図４〜図７により図１に示す実施例１の動作を説明する。
図４は図１に示す実施例１における冷房、給湯同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図で、利用側ユニット１６は全て冷房運転され、同時に給湯ユニット２７の運転もされている場合の冷媒の流れを説明する。

冷媒は図４に示す実線矢印の方向に流れ、圧縮機１（１ａ，１ｂ）から吐出された高圧ガス冷媒の一方は四方弁４（４ａ，４ｂ）を通過し、高圧ガス阻止弁３１（３１ａ，３１ｂ）、高圧ガス配管２８へと流れる。残りの高圧ガス冷媒は四方弁５（５ａ，５ｂ）を通過し、複数の冷媒通路で構成された熱源側の熱交換器７（７ａ，７ｂ）で凝縮される。凝縮された液冷媒は、過冷却器９（９ａ，９ｂ）を通過する際、該過冷却器の上流側で分岐され電動膨張弁１０（１０ａ，１０ｂ）で減圧された冷媒と熱交換されて更に冷却される。これにより液阻止弁３３を通過する冷媒は過冷却状態となる。前記分岐され減圧された冷媒は過熱状態となり、低圧側配管を通って気液分離器１１（１１ａ，１１ｂ）へ流れる。前記過冷却器９の効果により、熱交換器７だけで熱交換するよりも、冷媒の過冷却度をより大きくとることができ、より効率の良い運転が可能となる。また、前記分岐された冷媒は利用側ユニット１６の熱交換器１３を通過しないため、低圧ガス配管２９の圧力損失も軽減でき、特に熱源側ユニット１２と利用側ユニット１６との間の距離が長い長配管時での性能向上に効果がある。液配管３０を通過した冷媒は利用側ユニット１６の電動膨張弁１５に入る。電動膨張弁１５は任意の絞り量に設定可能な膨張装置であり、電動膨張弁１５で減圧された冷媒は、蒸発器となる利用側の熱交換器１３に送られて蒸発し、送風機１４からの室内空気と熱交換して室内空気を冷却する。熱交換器１３で蒸発した冷媒は、冷暖切替ユニット２２を介して低圧ガス配管２９に流れ、更に気液分離器１１に流入して適切な吸入かわき度に調整されて再び圧縮機１に吸入される。冷房運転時には前記冷暖切替ユニット２２における低圧側主電動膨張弁１９及び低圧側副電動膨張弁２０は開となり、高圧側主電動膨張弁１７及び高圧側副電動膨張弁１８は閉となるように制御される。

利用側ユニットの冷房負荷が小さい場合、或いは利用側容量を低減させる場合、利用側の負荷変動に応じて熱源側ユニット１２の容量可変式圧縮機１の容量を低減させるか、或いは熱源側ユニットの送風機８の風量を低下させて熱交換量を低減させる。更に利用側ユニット１６の負荷が熱源側ユニット１２の容量に対して極端に小さくなった場合、熱源側ユニット１２の運転台数も低減させる。

前記冷暖切替ユニット２２は利用側ユニットが冷房運転する場合には、低圧ガス配管２９へ接続するために、高圧側の電動膨張弁１７，１８を閉止し、低圧側の電動膨張弁１９，２０を開くが、高圧ガス配管２８或いは低圧ガス配管２９へ接続するための前記電動膨張弁１７〜２０の口径が異なるようにして、口径の小さい電動膨張弁から操作するようにすれば、電動膨張弁操作時の圧力変化による冷媒流動音を低減できる効果がある。なお、前記電動膨張弁１７〜２０の単独操作であっても、冷媒の流れを制御することは可能である。また、本実施例では高圧側に設置された電動膨張弁１７の前後をバイパスするキャピラリ２１を設置しているが、このキャピラリ２１を設けることにより、電動膨張弁１７の閉止時に冷媒が封止されて、冷媒のガス化によって圧力上昇するのを緩和できる効果がある。

また、高圧ガス配管２８を流れる高温高圧のガス冷媒は給湯ユニット２７へ入り、熱交換器２５において、循環ポンプ２４により循環される貯湯タンク２３からの水と熱交換される。熱交換器２５においてガス冷媒は気液二相状態となり、循環される水は加熱されて給湯利用可能温度まで上昇される。貯湯タンク２３内に設けられ、熱交換器２５へ供給される水の温度を検出する水温センサ５１と、熱交換器２５で加熱されて貯湯タンクに戻される温水の温度を検出する水温センサ５２（図２参照）からの検出温度に応じて循環ポンプ２４を制御し、給湯の必要状況に応じて、貯湯タンク２３内の水温を制御する。また、熱交換器２５を流れる冷媒の入口側の温度を検出するガス温度センサ５３と、出口側の温度を検出する液温度センサ５４の値、及び前記貯湯タンク２３内の温度に応じて、電動膨張弁２６の開度を制御し、冷媒流量を制御することで、加熱冷媒ガスと循環水との熱交換量を最適化するように制御される。これにより安定した冷房運転と給湯ユニットの同時運転が可能になる。

前記電動膨張弁２６を通過した冷媒は液配管３０へ接続され、利用側ユニット１６に流れる。これにより利用側ユニット１６で吸熱し熱源側ユニット１２の熱交換器７で大気へ排熱されていた熱量の一部を給湯ユニットの熱源として再利用することができ、熱源ユニット１２の負荷を低減し、大気への排熱量も低減した効率の良い空気調和システムを得ることができる。

図５は図１に示す実施例１における暖房、給湯同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図で、利用側ユニット１６は全て暖房運転され、同時に給湯ユニット２７の運転もされている場合の冷媒の流れを説明する。

冷媒は図５に示す破線矢印の方向に流れ、圧縮機１から吐出されたガス冷媒は四方弁４を通過し、高圧ガス阻止弁３１、高圧ガス配管２８へと流れる。高圧ガス配管２８を流れる冷媒は冷暖切替ユニット２２において高圧側の主電動膨張弁１７及び副電動膨張弁１８を通過し、利用側ユニット１６に流れる。利用側ユニット１６に流れた高温高圧のガス冷媒は複数の冷媒通路で構成された熱交換器１３で送風機１４からの室内空気と熱交換されて凝縮し、電動膨張弁１５で任意の過冷却度を確保すべく、絞り量を任意に調整される。高温高圧ガス冷媒が熱交換器１３で放熱されることにより暖房がなされる。凝縮された液冷媒は、熱源側ユニット１２と利用側ユニット１６を接続する液配管３０に流れ、液阻止弁３３、過冷却器９を通過して、電動膨張弁６に入って減圧される。電動膨張弁６は任意の絞り量に設定可能な膨張装置であり、電動膨張弁６で減圧された冷媒は、蒸発器となる熱源側の熱交換器７に送られて蒸発する。蒸発した冷媒は四方弁５を経由し、気液分離器１１において適切な吸入かわき度に調整されて再び圧縮機１に吸入される。

利用側ユニット１６の暖房負荷が小さい場合、或いは利用側容量を低減させる場合、利用側の負荷変動に応じて熱源側ユニット１２の容量可変式圧縮機１の容量を低減させるか、或いは熱源側ユニット１２の送風機８の風量を低下させて熱交換量を低減させる。更に利用側ユニット１６の負荷が熱源側ユニット１２の容量に対して極端に小さくなった場合、熱源側ユニット１２の運転台数も低減させる。

また、高圧ガス配管２８を流れる高温高圧のガス冷媒の一部は給湯ユニット２７へ入り、熱交換器２５において、循環ポンプ２４により循環される貯湯タンク２３からの水と熱交換される。熱交換器２５においてガス冷媒は気液二相状態となり、循環される水は加熱されて、給湯利用可能温度まで上昇される。熱交換器２５へ供給される水の温度を検出する水温センサ５１と、熱交換器２５で加熱されて貯湯タンクに戻される温水温度を検出する水温センサ５２からの検出温度に応じて循環ポンプ２４を制御し、給湯の必要状況に応じて、貯湯タンク２３内の水温を制御する。また、冷媒の熱交換器２５への入口側の温度を検出するガス温度センサ５３と、出口側の温度を検出する液温度センサ５４の値、及び前記貯湯タンク２３内の温度に応じて、電動膨張弁２６の開度を制御し、冷媒流量を制御することで、加熱冷媒ガスと循環水との熱交換量を最適化するように制御される。これにより安定した暖房運転と給湯ユニットの同時運転が可能になる。

前記電動膨張弁２６を通過した冷媒は液配管３０へ接続され、利用側ユニット１６からの液冷媒と合流して熱源側ユニット１２へ流れ、電動膨張弁６で減圧された後、熱交換器７において利用側ユニットからの冷媒と共に大気との熱交換により吸熱して蒸発し、気液分離器１１を経由して圧縮機１へ吸入される。

図６は図１に示す実施例１における冷房、暖房、給湯同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図で、利用側ユニット１６ａは冷房運転、利用側ユニット１６ｂは暖房運転で、同時に給湯ユニット２７の運転もされている場合の冷媒の流れを説明する。なお、この例では、利用側ユニット１６ｃは停止状態となっている。

給湯ユニット２７が運転されている場合には熱源ユニット１２ａを停止し、熱源ユニット１２ｂの熱交換器７ｂを蒸発器として使用する。なお、休止側の熱源ユニットを１２ａと１２ｂのどちらかにするかは、親機設定された熱源側ユニット１２ａのメインコントローラ３６ａにより、各熱源ユニット１２ａ，１２ｂの運転時間を考慮して、各熱源ユニットの運転時間が平準化するようにローテーション制御が行なわれる。

圧縮機１ｂから吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４ｂから高圧ガス阻止弁３１ｂ、高圧ガス配管２８へと流れる。高圧ガス配管２８を流れる冷媒は冷暖切替ユニット２２ｂにより高圧側の電動膨張弁１７ｂ，１８ｂを通過し、利用側ユニット１６ｂに流れる。利用側ユニット１６ｂに流入したガス冷媒は、複数の冷媒通路で構成された熱交換器１３ｂで放熱して凝縮し、暖房が為される。凝縮した液冷媒は電動膨張弁１５ｂにより任意の過冷却度を確保すべく、絞り量を調整される。また、凝縮された液冷媒は、同時に冷房運転中の利用側ユニット１６ａの電動膨張弁１５ａに入る。電動膨張弁１５ａは任意の絞り量に設定可能な膨張装置であり、電動膨張弁１５ａで減圧された冷媒は、蒸発器となる利用側熱交換器１３ａに送られて蒸発し、室内空気は冷却される。蒸発した冷媒は、冷暖切替ユニット２２ａにより低圧側の電動膨張弁１９，２０を通過して、低圧ガス配管２９に流れ、熱源側ユニット１２ｂの気液分離器１１ｂにおいて適切な吸入かわき度に調整された後、圧縮機１に再び吸入される。このように利用側ユニット１６ｂの暖房運転で放熱された液冷媒を、利用側ユニット１６ａの冷房運転で吸熱に利用することにより、熱回収サイクルが可能となり、効率の良い冷暖同時運転を実現できる。

また、高圧ガス配管２８を流れる加熱ガス冷媒は給湯ユニット２７へ入り、熱交換器２５において、循環ポンプ２４により循環される貯湯タンク２３からの水と熱交換される。熱交換器２５においてガス冷媒は気液二相状態となり、循環される水は加熱されて給湯利用可能温度まで上昇される。熱交換器２５へ供給される水の温度を検出する水温センサ５１と、熱交換器２５で加熱されて貯湯タンクに戻される温水温度を検出する水温センサ５２からの検出温度に応じて循環ポンプ２４を制御し、給湯の必要状況に応じて、貯湯タンク２３内の水温を制御する。また、冷媒の熱交換器２５への入口側温度を検出するガス温度センサ５３と出口側温度を検出する液温度センサ５４の値、及び貯湯タンク２３内の温度に応じて、電動膨張弁２６の開度を調整して冷媒流量を制御することで、加熱冷媒ガスと循環水との熱交換量を最適化するように運転される。これにより安定した冷房、暖房、給湯の同時運転が可能になる。

前記電動膨張弁２６を通過した冷媒は液配管３０へ接続され、熱源側ユニット１２ｂへ流れ（利用側ユニット１６ａの冷房負荷が大きい場合には該利用側ユニット１６ａにも一部流れる）、電動膨張弁６ｂで減圧された後、熱交換器７ｂにおいて大気との熱交換により吸熱して蒸発し、気液分離器１１を経由して圧縮機１へ吸入される。

図７は図１に示す実施例１における冷房、暖房、給湯の同時運転時の動作を説明する冷凍サイクル系統図で、図６に示した動作とは異なる別の動作を説明するものである。この動作例は、利用側ユニットの冷房負荷が暖房負荷より多い場合の例で、熱源側ユニット１２ａを凝縮器として使用することで、凝縮器と蒸発器の熱収支を保ち、適正なサイクル状態を実現するようにしている。

即ち、図６の例では、暖房負荷と給湯負荷を合わせた負荷が冷房負荷よりも大きいために、凝縮冷媒の一部を熱源側ユニットの熱交換器で蒸発させて大気から吸熱しているが、図７の例では、冷房負荷が、暖房負荷と給湯負荷を合わせた負荷よりも大きいために、圧縮機からの高圧ガス冷媒の一部を熱源側ユニットの熱交換器で凝縮させて大気へ放熱し、この凝縮冷媒と、前記暖房負荷及び給湯負荷からの凝縮冷媒と合わせて冷房負荷に供給するようにしている。他の動作は図６に示したものとほぼ同様であるので、その説明を省略する。

この図７の例や前述した図６の例のように、利用側ユニットの冷房負荷、暖房負荷及び給湯ユニットの負荷の状況に応じて、熱源側ユニットを、凝縮器或いは蒸発器として使用し、更に熱源側ユニットの運転台数や圧縮機容量を制御することで、同一の空気調和システム内で、冷房、暖房、給湯の同時運転が可能な冷凍サイクルを成立させることができる。

図８は図１に示す熱源側ユニットの構成を一部破断して内部構成がわかるようにした正面図である。図８において、熱源側ユニット１２の筐体５０内には、圧縮機１、高低圧切替用の四方弁４、冷暖切替用の四方弁５、熱交換器７、気液分離器１１、高圧ガス阻止弁３１、低圧ガス阻止弁３２及び液阻止弁３３など、図１に示す熱源側ユニットを構成している部品が冷媒配管で接続されて収容されている。また、前記圧縮機１の上方には図２に示すコントローラ３６が設置されている。更に、筐体５０の上部には送風機８が設置されていて、前記熱交換器７を通して外部空気を吸引し、熱交換後の空気を筐体上方に排出するようにしている。前記圧縮機１と気液分離器１１は、前記四方弁４，５を介して接続されている。前記高圧ガス阻止弁３１、低圧ガス阻止弁３２、液阻止弁３３は熱源側ユニットの正面に設けられており、空気調和システムの設置時に、熱源側ユニットと、利用側ユニットや給湯ユニットとを冷媒配管で容易に接続できるようにしている。

図９は図１に示す給湯ユニットの構成を説明する図で、（ａ）図は筐体の上面パネルを除去して示す平面図、（ｂ）図は筐体の正面パネルを除去して示す正面図である。給湯ユニット２７の筐体内には、貯湯タンク２３、循環ポンプ２４、熱交換器２５、電動膨張弁２６、コントローラ４２などが収容されている。前記熱交換器２５はこの例ではプレート式の熱交換器で構成されている。また、４６は冷凍サイクルの高圧ガス配管２８に接続するための高圧ガス配管口、４７は同じく液配管３０に接続するための液配管口、４８は貯湯タンク２３に水を供給するための給水配管、４９は貯湯タンク２３の温水を給湯箇所に送るための給湯配管である。

図１０は図１に示す熱源側ユニットと給湯ユニットの設置例を説明する正面図で、熱源側ユニット１２を２台、給湯ユニットを１台設置した場合の例である。各熱源側ユニット１２の高圧ガス阻止弁３１、低圧ガス阻止弁３２、液阻止弁３３にはそれぞれ高圧ガス配管２８、低圧ガス配管２９及び液配管３０が接続されている。また、給湯ユニット２７の高圧ガス配管口４６及び液配管口４７にはそれぞれ高圧ガス配管２８及び液配管３０が接続されている。また、前記給湯ユニット２７には給水配管４８と給湯配管４９も接続されている。給湯ユニット２７は空調用の熱源側ユニット１２を熱源機として共用しているため、空気調和システムと給湯システムを別々に構築する場合に比べ、給湯用の熱源機が不要となるので、省スペース化及び低コスト化が可能となる。

図１１は図１に示す空気調和システムにおける伝送線の接続図である。親機として設定された熱源側ユニット１２ａには、熱源側ユニット１２ｂと給湯ユニット２７が伝送線４４を介して接続されている。また、熱源側ユニット１２ａには、伝送線４５により、冷暖切換ユニット２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）と、これらの冷暖切換ユニット２２を介して利用側ユニット１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）が接続されている。

以上述べた本発明の実施例によれば、既設の冷暖同時運転可能な空気調和システムに後付けで給湯ユニットを接続すること可能になり、給湯専用の熱源機をなくすことができる。また、空気調和システムの排熱を熱源とした空調や給湯が可能になり、効率を向上することも可能である。

特に、ホテルや病院では個室毎の冷房又は暖房の設定がされるため、一つの空気調和システム内で、冷房、暖房の同時運転が可能なマルチ型空気調和システムが増加しつつある。この空気調和システムにより各階ごとに熱源側ユニットを設置する必要がなくなり、また熱源側ユニットと利用側ユニットを接続する配管本数も減らすことができるから、配管スペースも低減できる。また、新たに給湯システムを追加設置する場合、貯湯タンクや熱交換器の他に、温水を製造するための電気ヒータやガス加熱器、或いはヒートポンプのための熱源機が必要になる。加熱源として、電気ヒータやガス加熱器を採用した場合、効率の面で課題がある。一方、ヒートポンプを利用した給湯システムを採用する場合には、高価な熱源機が必要で、広い設置スペースも必要であるという課題があった。

これに対し、本実施例の採用により、新たに給湯専用の熱源機を設置することなく、給湯ユニットの追加設置が可能となり、空調用と給湯用の熱源ユニットを共用化できるため低コスト化と省スペース化が図れる。また、同一冷凍サイクル内で空調、給湯同時運転することで空調利用時の排熱を給湯に利用することもでき、効率の高い空気調和システムを実現できる。更に、熱源ユニットと給湯ユニットは別筐体で構成されているので、熱源ユニットと給湯ユニットが一体化されているものより、コンパクトで運搬性も良くなる。

このように本実施例によれば、空調による排熱を給湯に利用できる効率の良い空気調和システムを実現できると共に、既設の空気調和システムに対して、低価格で据付面積を小さくできる給湯ユニットを追加設置することが可能になるという効果が得られる。

１（１ａ，１ｂ）：圧縮機、２（２ａ、２ｂ）：油分離器、３（３ａ、３ｂ）：逆止弁
４（４ａ，４ｂ）：高低圧切替用の四方弁、５（５ａ，５ｂ）：冷暖切替用の四方弁
６（６ａ，６ｂ），１０（１０ａ，１０ｂ）：電動膨張弁
７（７ａ，７ｂ）：熱源側の熱交換器、８（８ａ，８ｂ）：送風機
９（９ａ，９ｂ）：過冷却器、１１（１１ａ，１１ｂ）：気液分離器
１２（１２ａ，１２ｂ）：熱源側ユニット
１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）：利用側の熱交換器
１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）：送風機
１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）：電動膨張弁
１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）：利用側ユニット
１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）：高圧側主電動膨張弁
１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）：高圧側副電動膨張弁
１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ）：低圧側主電動膨張弁
２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）：低圧側副電動膨張弁
２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）：キャピラリ
２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）：冷暖切替ユニット
２３：貯湯タンク、２４：循環ポンプ、２５：熱交換器、２６：電動膨張弁
２７：給湯ユニット、２８：高圧ガス配管、２９：低圧ガス配管、３０：液配管
３１：高圧ガス阻止弁、３２：低圧ガス阻止弁、３３：液阻止弁
３４：給水口、３５：給湯口
３６ａ，３６ｂ：熱源ユニットのコントローラ
３７ａ，３７ｂ，３７ｂ：利用側ユニットのコントローラ
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ：冷暖切替ユニットのコントローラ
３９ａ，３９ｂ，３９ｃ：ガス温度センサ
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ：液温度センサ
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ：吸い込み温度センサ
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ：吹出し温度センサ
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ：操作リモコン
４４，４５：伝送線
４６：高圧ガス配管口、４７：液配管口、４８：給水配管、４９：給湯配管
５０：筐体
５１，５２：水温センサ、５３：ガス温度センサ、５４：液温度センサ
１００：空気調和システム。

Claims (8)

1. 圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器及び膨張弁を有する熱源側ユニットと、利用側熱交換器及び膨張弁を有する複数台の利用側ユニットと、前記熱源側ユニットと前記利用側ユニットとを接続する液配管、高圧ガス配管及び低圧ガス配管と、前記熱源側ユニット及び前記複数台の利用側ユニットに伝送線を介して接続されこれらのユニットを制御するコントローラとを備えた空気調和システムにおいて、
   前記熱源側ユニット及び前記複数台の利用側ユニットを制御する前記コントローラには、前記利用側ユニットが接続されている場合の制御プログラムと、前記利用側ユニットに加えて給湯ユニットが接続された場合の制御プログラムとが記憶されており、
   前記熱源側ユニットと前記利用側ユニットとを接続する前記液配管と前記高圧ガス配管に前記給湯ユニットが接続され、且つ前記伝送線に給湯ユニットが接続されることで、前記熱源側ユニット及び前記複数台の利用側ユニットを制御する前記コントローラは前記給湯ユニットの接続を認識し、それによって、該コントローラは、前記熱源側ユニット、利用側ユニット及び給湯ユニットを、利用側ユニットに加えて給湯ユニットが接続された場合の前記制御プログラムに従って制御するように構成され、
   前記給湯ユニットは、貯湯タンクと、貯湯タンク内の水と前記熱源側ユニットからの高圧ガス冷媒とを熱交換させる熱交換器とを備え、前記熱交換器の入口側は前記高圧ガス配管と、出口側は前記液配管と接続されている
   ことを特徴とする空気調和システム。
2. 請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記給湯ユニットは、該給湯ユニットを制御するためのコントローラを備え、この給湯ユニットを制御するためのコントローラは前記伝送線に接続されることを特徴とする空気調和システム。
3. 請求項２に記載の空気調和システムにおいて、前記給湯ユニットは、前記貯湯タンクに設けられた給水口及び給湯口と、貯湯タンク内の水を前記熱交換器に循環させるための循環ポンプと、前記熱交換器と前記液配管とを接続する冷媒配管に設けられた電動膨張弁とを備え、前記循環ポンプと前記電動膨張弁は前記給湯ユニットを制御するためのコントローラにより制御されることを特徴とする空気調和システム。
4. 請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記各利用側ユニットは、その利用側熱交換器の一方側が前記膨張弁を介して前記液配管に接続され、他方側が、冷房時には前記低圧ガス配管と接続し、暖房時には前記高圧ガス配管と接続するための冷暖切替ユニットに接続されていることを特徴とする空気調和システム。
5. 請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記高圧ガス配管の前記熱源側ユニット側に設けられた高圧ガス阻止弁と、前記低圧ガス配管の前記熱源側ユニット側に設けられ低圧ガス阻止弁と、前記液配管の前記熱源側ユニット側に設けられた液阻止弁とを備えることを特徴とする空気調和システム。
6. 請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記熱源側ユニットに設けられている前記圧縮機は容量可変型圧縮機又は複数台の一定速型圧縮機で構成されると共に、前記圧縮機の吸入側には気液分離器が備えられていることを特徴とする空気調和システム。
7. 請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記熱源側ユニットは複数台備えられていると共に、各熱源側ユニットにはそれぞれの熱源側ユニットを制御するコントローラを搭載しており、前記熱源側ユニットの何れかに搭載されている前記コントローラをメインコントローラとして空気調和システム全体も制御することを特徴とする空気調和システム。
8. 請求項７に記載の空気調和システムにおいて、前記各利用側ユニット及び前記給湯ユニットにはそれぞれのユニットを制御するためのコントローラが搭載され、前記１台の熱源側ユニットのメインコントローラと各ユニットのコントローラは前記伝送線を介して接続され、前記メインコントローラは各ユニットのコントローラを介して前記各ユニットを制御することを特徴とする空気調和システム。

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