JP5837099B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえばビル用マルチエアコンなどに適用される空気調和装置に関するものである。
従来から、高元側の第1の冷凍サイクル及び低元側の第2の冷凍サイクルを有し、これらの冷凍サイクルを循環する冷媒を対向流で熱交換させるための中間熱交換器が搭載された二元式の空気調和装置が存在している(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の技術は、第1及び第2の冷凍サイクルを循環する冷媒に、温度勾配の異なる非共沸混合冷媒を採用している。
また、アキュムレーター内に貯留された液冷媒の量により冷媒の循環組成が変化することを考慮して、凝縮温度及び蒸発温度の制御をし、熱交換効率を向上させることを可能としている空気調和装置も提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
さらに、第1の冷凍サイクル及び第2の冷凍サイクルを有し、これらを循環する冷媒を熱交換させることでお湯を生成することが可能となっているビル用マルチエアコンが提案されている(たとえば、特許文献3参照)。
特開平7−269964号公報(たとえば、明細書の6頁及び図3参照) 特開平11−182951号公報(たとえば、明細書の5、6頁及び図1参照) WO2009/098751号公報(たとえば、明細書の第5頁及び図1参照)
特許文献1に記載の技術は、中間熱交換器に供給される冷媒を対向流とすることにより熱交換効率の向上が可能となっているが、ph線図における非共沸混合冷媒の温度勾配の観点から熱交換効率を向上させるものではなかった。すなわち、特許文献1に記載の技術は、第1の冷凍サイクルを流れる非共沸混合冷媒と、第2の冷凍サイクルを流れる非共沸混合冷媒との温度勾配とが大きく異なることに起因して熱交換効率が低減してしまうという課題があった。
特許文献2に記載の技術は、冷媒の循環組成が変化することを考慮することで熱交換効率の向上が可能となっているが、ph線図における非共沸混合冷媒の温度勾配の観点から熱交換効率を向上させるものではなかった。すなわち、特許文献2に記載の技術は、異なる冷凍サイクルにおける非共沸混合冷媒の同士の温度勾配が異なると熱交換効率が低減してしまうことが考慮されていないので、冷媒として非共沸混合冷媒を適用すると、熱交換効率が低減してしまうという課題があった。
特許文献3に記載の技術は、第1の冷凍サイクル及び第2の冷凍サイクルを循環する冷媒が、そもそも非共沸混合冷媒でないため、ph線図における非共沸混合冷媒の温度勾配によって熱交換効率が低減してしまうことがなかった。すなわち、特許文献3に記載の技術は、ph線図における非共沸混合冷媒の温度勾配の観点から熱交換効率を向上させるものではなかったため、冷媒として非共沸混合冷媒を適用すると、熱交換効率が低減してしまうという課題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、熱交換効率を向上させることを可能とする空気調和装置を提供することを目的としている。
本発明に係る空気調和装置は、第1圧縮機、熱源側熱交換器、第1絞り装置、第1熱媒体間熱交換器、及び加熱用熱交換器の第1流路を第1冷媒配管で接続して第1の冷凍サイクルを構成し、第2圧縮機、加熱用熱交換器の第2流路、第2絞り装置、及び第2熱媒体間熱交換器を第2冷媒配管で接続して第2の冷凍サイクルを構成し、第1の冷凍サイクルに充填する第1冷媒及び第2の冷凍サイクルに充填する第2冷媒を、同一圧力における飽和ガス温度と飽和液温度とが異なる非共沸混合冷媒とし、第1冷媒と第2冷媒とを加熱用熱交換器で熱交換させる空気調和装置において、加熱用熱交換器は、加熱用熱交換器の第1流路に供給される第1冷媒と第2流路に供給される第2冷媒が、対向流となるように第1冷媒配管及び第2冷媒配管に接続され、加熱用熱交換器における第1冷媒の入口側の飽和ガス温度と、出口側の飽和液温度との差を第1の温度差とし、加熱用熱交換器における第2冷媒の出口側の飽和ガス温度と、入口側の温度との差を第2の温度差とするとき、第2絞り装置の開度を制御して、第1の温度差と第2の温度差との差を所定値以下に収めるものである。
本発明の空気調和装置によれば、第1の温度差と第2の温度差との差を所定値以下に収めることにより、加熱用熱交換器に流入する第1冷媒と第2冷媒との熱交換効率を向上させることができる。
また、本発明の空気調和装置によれば、熱交換効率を向上させることができる分、省エネルギー化を図ることができる。
本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の回路構成例を示す図である。 図2に示す空気調和装置の全冷房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。 図2に示す空気調和装置の全暖房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。 図2に示す空気調和装置の冷房主体運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。 図2に示す空気調和装置の暖房主体運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。 所定の非共沸冷媒のph線図の説明図である。 第1熱源側冷媒に非共沸冷媒を採用し、第2熱源側冷媒に単一冷媒を採用した場合であって、加熱用熱交換器内の両方の冷媒温度の説明図である。 第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒に非共沸冷媒を採用した場合であって、加熱用熱交換器内の両方の冷媒温度の説明図である。 熱媒体間熱交換器に供給される非共沸混合冷媒の同一圧力における飽和ガスと飽和液との温度差の説明図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の回路構成例である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。図1に基づいて、空気調和装置の設置例について説明する。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
図1においては、本実施の形態に係る空気調和装置は、熱源機である1台の室外機1と、複数台の室内機2と、室外機1と室内機2との間に介在する熱媒体変換機3と、給湯装置14と、を有している。
室外機1と熱媒体変換機3とは、第1熱源側冷媒を導通する冷媒配管4で接続されている。熱媒体変換機3と室内機2とは、第1熱媒体を導通する配管(熱媒体配管)5で接続されている。また、給湯装置14と熱媒体変換機3とは、第1熱源側冷媒を導通する冷媒配管4で接続されている。
なお、給湯装置14は後ほど説明する貯湯タンク24に接続されており、室外機1で生成された温熱が、貯湯タンク24に貯留される水の加熱に利用されるようになっている。
室外機1は、通常、ビルなどの建物9の外の空間(たとえば、屋上など)である室外空間6に配置され、熱媒体変換機3を介して室内機2に冷熱又は温熱を供給するものである。室内機2は、建物9の内部の空間(たとえば、居室など)である室内空間7に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給できる位置に配置され、空調対象空間となる室内空間7に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給するものである。
熱媒体変換機3は、室外機1及び室内機2とは別筐体として、室外空間6及び室内空間7とは別の位置に設置できるように構成されており、室外機1及び室内機2とは冷媒配管4及び熱媒体配管5でそれぞれ接続され、室外機1から供給される冷熱あるいは温熱を室内機2に伝達するものである。
給湯装置14は、給湯などの負荷側へお湯を供給するものである。なお、図1において、この給湯装置14は、室内空間7に設置された例を図示しているが、それに限定されるものではなく、たとえば建物9の内部のいずれかの位置に設置されているとよい。
図1に示すように、本実施の形態1に係る空気調和装置においては、室外機1と熱媒体変換機3とが冷媒配管4を介して接続されるとともに、熱媒体変換機3と給湯装置14とが冷媒配管4を介して接続されている。また、熱媒体変換機3と各室内機2とが熱媒体配管5を介して接続されている。
このように、本実施の形態に係る空気調和装置は、冷媒配管4及び熱媒体配管5によって各ユニット(室外機1、室内機2、給湯装置14及び熱媒体変換機3)が接続されて構成されており、施工が容易となっている。
なお、図1においては、熱媒体変換機3が、建物9の内部ではあるが室内空間7とは別の空間である天井裏などの空間(以下、単に空間8と称する)に設置されている状態を例に示している。熱媒体変換機3は、その他、エレベーターなどがある共用空間などに設置することも可能である。また、図1においては、室内機2が天井カセット型である場合を例に示してあるが、これに限定するものではなく、天井埋込型や天井吊下式など、室内空間7に直接又はダクトなどにより、暖房用空気あるいは冷房用空気を吹き出せるようになっていればどんな種類のものでもよい。
図1においては、室外機1が室外空間6に設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、室外機1は、換気口付の機械室などの囲まれた空間に設置してもよく、排気ダクトで廃熱を建物9の外に排気することができるのであれば建物9の内部に設置してもよく、あるいは、水冷式の室外機1を用いる場合にも建物9の内部に設置するようにしてもよい。このような場所に室外機1を設置するとしても、特段の問題が発生することはない。
また、熱媒体変換機3は、室外機1の近傍に設置することもできる。ただし、熱媒体変換機3から室内機2までの距離が長すぎると、第1熱媒体の搬送動力がかなり大きくなるため、省エネの効果は薄れることに留意が必要である。さらに、室外機1、室内機2及び熱媒体変換機3の接続台数を図1に図示してある台数に限定するものではなく、本実施の形態に係る空気調和装置が設置される建物9に応じて台数を決定すればよい。
図2は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置(以下、空気調和装置100と称する)の回路構成例を示す図である。図2に基づいて、空気調和装置100の詳しい構成について説明する。
図2に示すように、室外機1と熱媒体変換機3とは熱媒体間熱交換器15a、15bなどが冷媒配管4で接続されて第1の冷凍サイクルを構成し、熱媒体変換機3と室内機2とは熱媒体間熱交換器15a、15bなどが熱媒体配管5で接続されて第1の熱媒体サイクルを構成している。
また、給湯装置14は加熱用熱交換器15cなどが冷媒配管4cで接続されて第2の冷凍サイクルを構成し、給湯装置14と貯湯タンク24とは熱媒体間熱交換器15dなどが熱媒体配管5aで接続されて第2の熱媒体サイクルを構成している。
[室外機1]
室外機1には、圧縮機10aと、四方弁などの第1冷媒流路切替装置11と、熱源側熱交換器12と、アキュムレーター19とが冷媒配管4を介して接続されて搭載されている。また、室外機1には、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c及び逆止弁13dが設けられている。第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び逆止弁13dを設けることで、室内機2の要求する運転に関わらず、熱媒体変換機3に流入させる第1熱源側冷媒の流れを一定方向にすることができる。
圧縮機10aは、第1熱源側冷媒を吸入し、その第1熱源側冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。圧縮機10aは、吐出側が第1冷媒流路切替装置11に接続され、吸入側がアキュムレーター19に接続されている。なお、圧縮機10aが第1圧縮機に相当する。
第1冷媒流路切替装置11は、暖房運転時(全暖房運転モード時及び暖房主体運転モード時)における第1熱源側冷媒の流れと冷房運転時(全冷房運転モード時及び冷房主体運転モード時)における第1熱源側冷媒の流れとを切り替えるものである。なお、図2では、第1冷媒流路切替装置11が、圧縮機10の吐出側と第1接続配管4aとを接続するとともに、熱源側熱交換器12とアキュムレーター19とを接続している状態を図示している。
熱源側熱交換器12は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器(又は放熱器)として機能し、図示省略のファンなどの送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、その冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。熱源側熱交換器12は、一方が第1冷媒流路切替装置11に接続され、他方が逆止弁13aが設けられる冷媒配管4に接続されている。
アキュムレーター19は、過剰な冷媒を貯留するものである。アキュムレーター19は、一方が第1冷媒流路切替装置11に接続され、他方が圧縮機10aの吸入側に接続される。
逆止弁13aは、熱源側熱交換器12と熱媒体変換機3との間における冷媒配管4に設けられ、所定の方向(室外機1から熱媒体変換機3への方向)のみに冷媒の流れを許容するものである。逆止弁13bは、第1接続配管4aに設けられ、暖房運転時において圧縮機10aから吐出された冷媒を熱媒体変換機3に流通させるものである。逆止弁13cは、第2接続配管4bに設けられ、暖房運転時において熱媒体変換機3から戻ってきた冷媒を圧縮機10の吸入側に流通させるものである。逆止弁13dは、熱媒体変換機3と第1冷媒流路切替装置11との間における冷媒配管4に設けられ、所定の方向(熱媒体変換機3から室外機1への方向)のみに冷媒の流れを許容するものである。
第1接続配管4aは、室外機1内において、第1冷媒流路切替装置11と逆止弁13dとの間における冷媒配管4と、逆止弁13aと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、を接続するものである。
第2接続配管4bは、室外機1内において、逆止弁13dと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、熱源側熱交換器12と逆止弁13aとの間における冷媒配管4と、を接続するものである。
なお、図2に示す空気調和装置100は、第1接続配管4a、第2接続配管4b、及び逆止弁13a〜13dが設けられたものであるが、それに限定されるものではな。すなわち、必ずしも第1接続配管4a、第2接続配管4b、及び逆止弁13a〜13dが、空気調和装置100に設けられる必要はない。
[室内機2]
室内機2には、それぞれ利用側熱交換器26が搭載されている。この利用側熱交換器26は、熱媒体配管5によって熱媒体変換機3の熱媒体流量調整装置25と第2熱媒体流路切替装置23に接続するようになっている。この利用側熱交換器26は、図示省略のファンなどの送風機から供給される空気と第1熱媒体との間で熱交換を行ない、室内空間7に供給するための暖房用空気あるいは冷房用空気を生成するものである。
この図2では、4台の室内機2が熱媒体変換機3に接続されている場合を例に示しており、紙面下から室内機2a、室内機2b、室内機2c、室内機2dとして図示している。また、室内機2a〜室内機2dに応じて、利用側熱交換器26も、紙面下側から利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26b、利用側熱交換器26c、利用側熱交換器26dとして図示している。なお、図1と同様に、室内機2の接続台数は、図2に示す4台に限定されるものではない。
[熱媒体変換機3]
熱媒体変換機3には、2つの熱媒体間熱交換器15と、2つの絞り装置16と、2つの開閉装置17と、2つの第2冷媒流路切替装置18と、2つのポンプ21と、4つの第1熱媒体流路切替装置22と、4つの第2熱媒体流路切替装置23と、4つの熱媒体流量調整装置25と、が搭載されている。
また、熱媒体変換機3には、各種検出装置(2つの第1温度センサー31、4つの第2温度センサー34、4つの第3温度センサー35、及び、圧力センサー36)が設けられている。
2つの熱媒体間熱交換器15(熱媒体間熱交換器15a、熱媒体間熱交換器15b)は、凝縮器(放熱器)又は蒸発器として機能し、第1熱源側冷媒と第1熱媒体とで熱交換を行ない、室外機1で生成され第1熱源側冷媒に貯えられた冷熱又は温熱を第1熱媒体に伝達するものである。熱媒体間熱交換器15aは、冷媒循環回路Aにおける絞り装置16aと第2冷媒流路切替装置18aとの間に設けられており、冷房暖房混在運転モード時において第1熱媒体の冷却に供するものである。また、熱媒体間熱交換器15bは、冷媒循環回路Aにおける絞り装置16bと第2冷媒流路切替装置18bとの間に設けられており、冷房暖房混在運転モード時において第1熱媒体の加熱に供するものである。なお、熱媒体間熱交換器15a、15bが第1熱媒体間熱交換器に相当する。
2つの絞り装置16(絞り装置16a、絞り装置16b)は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、第1熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置16aは、冷房運転時の第1熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15aの上流側に設けられている。絞り装置16bは、冷房運転時の第1熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15bの上流側に設けられている。2つの絞り装置16は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁などで構成するとよい。なお、絞り装置16a、16bが第1絞り装置に相当する。
2つの開閉装置17(開閉装置17a、開閉装置17b)は、二方弁などで構成されており、冷媒配管4を開閉するものである。開閉装置17aは、第1熱源側冷媒の入口側における冷媒配管4に設けられている。開閉装置17bは、第1熱源側冷媒の入口側と出口側の冷媒配管4を接続した配管に設けられている。2つの第2冷媒流路切替装置18(第2冷媒流路切替装置18a、第2冷媒流路切替装置18b)は、四方弁などで構成され、運転モードに応じて第1熱源側冷媒の流れを切り替えるものである。第2冷媒流路切替装置18aは、冷房運転時の第1熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15aの下流側に設けられている。第2冷媒流路切替装置18bは、冷房運転時の第1熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15bの下流側に設けられている。
2つのポンプ21(ポンプ21a、ポンプ21b)は、熱媒体配管5を導通する第1熱媒体を循環させるものである。ポンプ21aは、熱媒体間熱交換器15aと第2熱媒体流路切替装置23との間における熱媒体配管5に設けられている。ポンプ21bは、熱媒体間熱交換器15bと第2熱媒体流路切替装置23との間における熱媒体配管5に設けられている。2つのポンプ21は、たとえば容量制御可能なポンプなどで構成するとよい。
4つの第1熱媒体流路切替装置22(第1熱媒体流路切替装置22a〜第1熱媒体流路切替装置22d)は、三方弁などで構成されており、第1熱媒体の流路を切り替えるものである。第1熱媒体流路切替装置22は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。
第1熱媒体流路切替装置22は、利用側熱交換器26の熱媒体流路の出口側に設けられているものである。詳細には、第1熱媒体流路切替装置22は、熱媒体間熱交換器15a、熱媒体間熱交換器15b、及び熱媒体流量調整装置25に接続されている。
4つの第2熱媒体流路切替装置23(第2熱媒体流路切替装置23a〜第2熱媒体流路切替装置23d)は、三方弁などで構成されており、第1熱媒体の流路を切り替えるものである。第2熱媒体流路切替装置23は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。
第2熱媒体流路切替装置23は、利用側熱交換器26の第1熱媒体の流路の入口側に設けられている。詳細には、第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a、熱媒体間熱交換器15b、及び利用側熱交換器26に接続されている。
4つの熱媒体流量調整装置25(熱媒体流量調整装置25a〜熱媒体流量調整装置25d)は、開口面積を制御できる二方弁などで構成されており、熱媒体配管5に流れる流量を制御するものである。熱媒体流量調整装置25は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。
熱媒体流量調整装置25は、利用側熱交換器26の熱媒体流路の出口側に設けられているものである。詳細には、熱媒体流量調整装置25は、一方が利用側熱交換器26に接続され、他方が第1熱媒体流路切替装置22に接続されている。なお、熱媒体流量調整装置25は、利用側熱交換器26の第1熱媒体の流路の入口側に設けてもよい。
2つの第1温度センサー31(第1温度センサー31a、第1温度センサー31b)は、熱媒体間熱交換器15から流出した第1熱媒体、つまり熱媒体間熱交換器15の出口における第1熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスターなどで構成するとよい。
第1温度センサー31aは、ポンプ21aの入口側における熱媒体配管5に設けられている。第1温度センサー31bは、ポンプ21bの入口側における熱媒体配管5に設けられている。
4つの第2温度センサー34(第2温度センサー34a〜第2温度センサー34d)は、第1熱媒体流路切替装置22と熱媒体流量調整装置25との間に設けられ、利用側熱交換器26から流出した第1熱媒体の温度を検出するものであり、サーミスターなどで構成するとよい。
第2温度センサー34は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。なお、第2温度センサー34は、熱媒体流量調整装置25と利用側熱交換器26との間の流路に設けられていてもよい。また、熱媒体流量調整装置25を利用側熱交換器26の第1熱媒体の流路の入口側に設けてもよい。
4つの第3温度センサー35(第3温度センサー35a〜第3温度センサー35d)は、熱媒体間熱交換器15の第1熱源側冷媒の入口側又は出口側に設けられ、熱媒体間熱交換器15に流入する第1熱源側冷媒の温度又は熱媒体間熱交換器15から流出した第1熱源側冷媒の温度を検出するものであり、サーミスターなどで構成するとよい。
第3温度センサー35aは、熱媒体間熱交換器15aと第2冷媒流路切替装置18aとの間に設けられている。第3温度センサー35bは、熱媒体間熱交換器15aと絞り装置16aとの間に設けられている。第3温度センサー35cは、熱媒体間熱交換器15bと第2冷媒流路切替装置18bとの間に設けられている。第3温度センサー35dは、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間に設けられている。
圧力センサー36は、第3温度センサー35dの設置位置と同様に、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間に設けられ、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間を流れる第1熱源側冷媒の圧力を検出するものである。
熱媒体を導通する熱媒体配管5は、熱媒体間熱交換器15aに接続されるものと、熱媒体間熱交換器15bに接続されるものと、で構成されている。熱媒体配管5は、熱媒体変換機3に接続される室内機2の台数に応じて分岐(ここでは、各4分岐)されている。そして、熱媒体配管5は、第1熱媒体流路切替装置22、及び第2熱媒体流路切替装置23で接続されている。第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を制御することで、熱媒体間熱交換器15aからの熱媒体を利用側熱交換器26に流入させるか、熱媒体間熱交換器15bからの熱媒体を利用側熱交換器26に流入させるかが決定されるようになっている。
[給湯装置14、ポンプ21c、貯湯タンク24]
給湯装置14は、第1熱源側冷媒の温熱を第2熱源側冷媒に伝達させ、さらに、当該第2熱源側冷媒の温熱を第2熱媒体に伝達させるものである。
給湯装置14には、第2の冷凍サイクルを構成するものとして、第2熱源側冷媒を圧縮する圧縮機10bと、凝縮器として機能する熱媒体間熱交換器15dと、第2熱源側冷媒を減圧させる絞り装置16dと、蒸発器として機能する加熱用熱交換器15cと、が搭載されている。
また、給湯装置14には、第1の冷凍サイクルの一部を構成するものとして、第1熱源側冷媒を減圧させる絞り装置16cが搭載されている。
また、給湯装置14には、第2の熱媒体サイクルを構成するものとして、第2熱媒体を搬送するためのポンプ21c、及び第2熱媒体を貯留可能な貯湯タンク24が接続されて設けられている。
さらに、給湯装置14には、第2熱源側冷媒の圧力を検出する第2圧力センサー37及び第1熱源側冷媒の圧力を検出する第3圧力センサー39と、第2熱源側冷媒の温度を検出する第4温度センサー38、第1熱源側冷媒の温度を検出する第5温度センサー40及び第2熱媒体の温度を検出する第6温度センサー41とが設けられている。
なお、空調調和装置100は、図2に示すように、給湯装置14が1台設けられた構成に限定されるものではなく、複数台が設けられていてもよい。なお、空気調和装置100は、給湯装置14が複数台設けられている場合には、給湯装置14が冷媒配管4を介して熱媒体変換機3に並列接続されているとよい。
圧縮機10bは、第2熱源側冷媒を吸入し、その第2熱源側冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成するとよい。圧縮機10bは、吐出側が熱媒体間熱交換器15dに接続され、吸入側が加熱用熱交換器15cに接続されている。なお、圧縮機10bが第2圧縮機に相当する。
加熱用熱交換器15cは、蒸発器として機能し、第1熱源側冷媒と第2熱源側冷媒とで熱交換を行なわせることで、室外機1で生成され第1熱源側冷媒に貯えられた温熱を第2熱源側冷媒に伝達させるものである。加熱用熱交換器15cの第2熱源側は、一方が圧縮機10bの吸入側に接続され、他方が絞り装置16dに接続されている。
なお、加熱用熱交換器15cには、加熱用熱交換器15cにおける第1熱源側冷媒の流れ方向と、第2熱源側冷媒の流れ方向とが、運転モードによらず、対向流となるように冷媒配管4及び冷媒配管4cに接続されている。これにより、加熱用熱交換器15cにおける熱交換効率を向上させている。
絞り装置16dは、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、第2熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置16dは、一方が熱媒体間熱交換器15dに接続され、他方が加熱用熱交換器15cに接続されている。絞り装置16dは、たとえばステッピングモータを設けるなどして開度調整を可能とするとよい。なお、絞り装置16cは、絞り装置16a、16bと同様に第1絞り装置に相当する。
熱媒体間熱交換器15dは、凝縮器(放熱器)として機能し、第2熱源側冷媒と第2熱媒体とで熱交換を行なわせることで、給湯装置14で生成され第2熱源側冷媒に貯えられた温熱を第2熱媒体に伝達させるものである。熱媒体間熱交換器15dの第2熱源側は、一方が圧縮機10bの吐出側に接続され、他方が絞り装置16dに接続されている。なお、熱媒体間熱交換器15dが第2熱媒体間熱交換器に相当する。
絞り装置16cは、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、第1熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置16cは、全暖房運転、暖房主体運転、及び冷房主体運転時における第1熱源側冷媒の流れにおいて加熱用熱交換器15cの下流側に設けられている。絞り装置16cは、たとえばステッピングモータを設けるなどして開度調整を可能とするとよい。なお、絞り装置16cが第1絞り装置に相当する。
ポンプ21cは、熱媒体配管5aを導通する第2熱媒体を循環させるものである。ポンプ21cは、熱媒体間熱交換器15dと貯湯タンク24との間における熱媒体配管5aに設けられている。ポンプ21cは、たとえば容量制御可能なポンプなどで構成するとよい。
貯湯タンク24は、熱媒体配管5aを導通する第2熱媒体を貯留するものである。貯湯タンク24は、一方がポンプ21cの吐出側に接続され、他方が熱媒体間熱交換器15dに接続されている。
第2圧力センサー37は、加熱用熱交換器15cから流出した第2熱源側冷媒の圧力を検出するものである。この第2圧力センサー37は、第4温度センサー38の設置位置と同様に、加熱用熱交換器15cと圧縮機10bの吸入側との間に設けられているものである。
第3圧力センサー39は、加熱用熱交換器15cから流出した第1熱源側冷媒の圧力を検出するものである。この第3圧力センサー39は、第5温度センサー40の設置位置と同様に、加熱用熱交換器15cの下流側に設けられているものである。
第4温度センサー38は、加熱用熱交換器15cから流出した第2熱源側冷媒の温度を検出するものである。この第4温度センサー38は、第2圧力センサー37の設置位置と同様に、加熱用熱交換器15cと圧縮機10bの吸入側との間に設けられているものである。
第5温度センサー40は、加熱用熱交換器15cから流出した第1熱源側冷媒の温度を検出するものである。この第5温度センサー40は、第3圧力センサー39の設置位置と同様に、加熱用熱交換器15cの下流側に設けられているものである。
第6温度センサー41は、熱媒体間熱交換器15dから流出した第2熱媒体の温度を検出するものである。この第6温度センサー41は、熱媒体間熱交換器15dとポンプ21cの吸入側との間に設けられているものである。
なお、第4温度センサー38、第5温度センサー40及び第6温度センサー41は、たとえばサーミスターなどで構成するとよい。
[第1制御装置80及び第2制御装置81]
第1制御装置80及び第2制御装置81は、マイコンなどで構成されており、熱媒体変換機3の各種検出装置で検出された情報(温度情報、圧力情報)、給湯装置14の各種検出装置で検出された情報、及びリモコンからの指示に基づいて、圧縮機10a、10bなどの動作を統括制御し、後述する各運転モードを実行可能なものである。第1制御装置80と第2制御装置81とは、相互に情報のやり取りを実施し、連携制御をすることができるものである。
なお、詳細には、第1制御装置80には、第1温度センサー31、第2温度センサー34、第3温度センサー35、及び圧力センサー36の検出結果が出力され、第2制御装置81には、第4温度センサー38、第5温度センサー40、第6温度センサー41、第2圧力センサー37、及び第3圧力センサー39の検出結果が出力される。そして、第1制御装置80と第2制御装置81とは、第1制御装置80に出力された検出結果及び第2制御装置81に出力された検出結果を相互にやり取りし、以下の動作を統括制御するものである。
すなわち、第1制御装置80は、圧縮機10aの駆動周波数、熱源側熱交換器12に付設される図示省略の送風機の回転数(ON/OFF含む)、絞り装置16の開度、開閉装置17の開閉、第1冷媒流路切替装置11及び第2冷媒流路切替装置18の切替、ポンプ21、21cの駆動周波数、第1熱媒体流路切替装置22の切り替え、第2熱媒体流路切替装置23の切り替え、熱媒体流量調整装置25の開度などの統括制御をするものである。また、第2制御装置81は、圧縮機10bの駆動周波数、絞り装置16c、16dの開度などの統括制御をするものである。
第1制御装置80の設置位置は、図2では熱媒体変換機3に設けられているものとして説明しているが、それに限定されるものではなく、たとえばユニット毎に設けてもよいし、室外機1に設けてもよい。また、第2制御装置81の設置位置は、図2に示すように、たとえば給湯装置14に設けるとよい。なお、第1制御装置80と第2制御装置81とは、有線又は無線によって両者が通信可能に接続され、連携制御を行うことができるように構成されている。
そして、空気調和装置100では、圧縮機10a、第1冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12、開閉装置17、第2冷媒流路切替装置18、熱媒体間熱交換器15及び加熱用熱交換器15cの第1熱源側冷媒流路、絞り装置16、絞り装置16c、アキュムレーター19を、冷媒配管4で接続して冷媒循環回路Aを構成している。
また、熱媒体間熱交換器15の第1熱媒体流路、ポンプ21、第1熱媒体流路切替装置22、熱媒体流量調整装置25、利用側熱交換器26、及び第2熱媒体流路切替装置23を、熱媒体配管5で接続して熱媒体循環回路Bを構成している。
そして、熱媒体間熱交換器15のそれぞれに複数台の利用側熱交換器26を並列に接続して、熱媒体循環回路Bを複数系統としているのである。
また、圧縮機10b、加熱用熱交換器15cの第2熱源側冷媒流路、熱媒体間熱交換器15dの第2熱源側冷媒流路、及び絞り装置16dを、冷媒配管4cで接続して冷媒循環回路A2を構成している。
さらに、ポンプ21c、貯湯タンク24、及び熱媒体間熱交換器15dの第2熱媒体流路を、熱媒体配管5aで接続して熱媒体循環回路B2を構成している。
よって、空気調和装置100では、室外機1と熱媒体変換機3とが、熱媒体変換機3に設けられている熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して接続され、熱媒体変換機3と室内機2とも、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して接続されている。さらに、熱媒体変換機3と給湯装置14とが、給湯装置14に設けられている加熱用熱交換器15cを介して接続され、給湯装置14と貯湯タンク24とが、熱媒体間熱交換器15dを介して接続されている。
すなわち、空気調和装置100では、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bで冷媒循環回路Aを循環する第1熱源側冷媒と熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体とが熱交換し、加熱用熱交換器15cで冷媒循環回路Aを循環する第1熱源側冷媒と冷媒循環回路A2を循環する第2熱源側冷媒とが熱交換し、熱媒体間熱交換器15dで冷媒循環回路A2を循環する第2熱源側冷媒と熱媒体循環回路B2を循環する第2熱媒体とが熱交換するようになっている。
そして、第1熱源側冷媒の流路と、第2熱源側冷媒の流路とは、独立しており、互いに混じり合うことはない。また、第1熱媒体の流路と、第2熱媒体の流路とにおいても、独立しており、互いに混じり合うことはない。
次に、空気調和装置100が実行する各運転モードについて説明する。この空気調和装置100は、各室内機2からの指示に基づいて、その室内機2で冷房運転あるいは暖房運転が可能になっている。つまり、空気調和装置100は、室内機2の全部で同一運転をすることができるとともに、室内機2のそれぞれで異なる運転をすることができるようになっている。それに加えて、空気調和装置100は、第1の冷凍サイクルの第1熱源側冷媒の温熱及び第2の冷凍サイクルの第2熱源側冷媒の温熱を利用して、貯湯タンク24に貯留される第2熱媒体を加温することができるものである。
空気調和装置100が実行する運転モードには、駆動している室内機2の全てが冷房運転を実行する全冷房運転モード、駆動している室内機2の全てが暖房運転を実行する全暖房運転モード、冷房負荷の方が大きい冷房主体運転モード、及び、暖房負荷の方が大きい暖房主体運転モードがある。なお、全暖房運転モード、暖房主体運転モード及び冷房主体運転モード時には、給湯装置14を運転して、第2熱媒体を加温することも含まれる。以下に、各運転モードについて、熱源側冷媒及び熱媒体の流れとともに説明する。
[全冷房運転モード]
図3は、図2に示す空気調和装置100の全冷房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図3では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生している場合を例に全冷房運転モードについて説明する。なお、図3では、太線で表された配管が冷媒(第1熱源側冷媒)、及び熱媒体(第1熱媒体)の流れる配管を示している。また、図3では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図3に示す全冷房運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10aから吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を第1熱媒体が循環するようにしている。なお、全冷房運転モードにおいては、給湯装置14は停止している。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の第1熱源側冷媒が圧縮機10aによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10aから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧液冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高圧液冷媒は、開閉装置17aを経由した後に分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。
この二相冷媒は、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入し、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出したガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10aへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、第3温度センサー35cで検出された温度と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。また、開閉装置17aは開、開閉装置17bは閉となっている。
次に、熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについて説明する。
全冷房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。
それから、熱媒体は、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bから流出して熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bに流入する。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bから流出した熱媒体は、第1熱媒体流路切替装置22a及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21a及びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の熱媒体配管5内では、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、第1温度センサー31aで検出された温度、あるいは、第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。熱媒体間熱交換器15の出口温度は、第1温度センサー31a又は第1温度センサー31bのどちらの温度を使用してもよいし、これらの平均温度を使用してもよい。このとき、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方へ流れる流路が確保されるように、中間的な開度にしている。
全冷房運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ熱媒体が流れないようにする。図3においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c、利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c、熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、熱媒体を循環させればよい。
[全暖房運転モード]
図4は、図2に示す空気調和装置100の全暖房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図4では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生している場合を例に全暖房運転モードについて説明する。なお、図4では、太線で表された配管が冷媒(第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒)、及び熱媒体(第1熱媒体及び第2熱媒体)の流れる配管を示している。また、図4では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図4に示す全暖房運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10aから吐出された第1熱源側冷媒を熱源側熱交換器12を経由させずに熱媒体変換機3へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を熱媒体が循環するようにしている。また、全暖房運転モードにおいては、給湯装置14を運転して第2熱媒体を加温することも含まれている。ここでの全暖房運転モードの説明では、給湯装置14を運転しているものとして説明する。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の第1熱源側冷媒が圧縮機10aによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10aから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入し、開閉装置17の手前で分岐された高温・高圧のガス冷媒の一方は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入する。
熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は、開閉装置17bを通って、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した二相冷媒は、第2接続配管4bを導通し、逆止弁13cを通過して、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。
そして、熱源側熱交換器12に流入した二相冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して圧縮機10aへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるサブクール(過冷却度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度が制御される。また、開閉装置17aは閉、開閉装置17bは開となっている。なお、熱媒体間熱交換器15の中間位置の温度が測定できる場合は、その中間位置での温度を圧力センサー36の代わりに用いてもよく、安価にシステムを構成できる。
また、熱媒体変換機3に流入した高温・高圧のガス冷媒の他方、すなわち熱媒体変換機3の閉となっている開閉装置17aの手前で分岐された第1熱源側冷媒は、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を介して給湯装置14に流入する。そして、給湯装置14に流入した第1熱源側冷媒は、加熱用熱交換器15cで第2熱源側冷媒に温熱を伝達して凝縮液化し、液冷媒となる。加熱用熱交換器15cから流出した液冷媒は、絞り装置16cで膨張させられて気液二相冷媒となる。
絞り装置16cから流出した気液二相冷媒は、給湯装置14から流出し、冷媒配管4を介して熱媒体変換機3に再度流入し、絞り装置16a及び絞り装置16bから流出した冷媒と合流する。
このとき、絞り装置16cは、第5温度センサー40の検出温度と、第3圧力センサー39の検出圧力から換算した飽和温度との温度差であるサブクールが一定になるように、開度が制御される。
冷媒循環回路A2における第2熱源側冷媒の流れについて説明する。
第2熱源側冷媒が圧縮機10bによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10bから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15dに流入する。そして、熱媒体間熱交換器15dで第2熱媒体に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。なお、熱媒体間熱交換器15dにおいて、第2熱源側冷媒は第2熱媒体に放熱し、第2熱媒体を加温している。
熱媒体間熱交換器15dから流出した二相冷媒は、絞り装置16dを介して加熱用熱交換器15cに流入する。加熱用熱交換器15cに流入した二相冷媒は、第1熱源側冷媒から温熱を伝達される。なお、加熱用熱交換器15cにおいて、第2熱源側冷媒が第1熱源側冷媒から吸熱した熱は、第2熱源側冷媒が蒸発するための熱量として消費される。加熱用熱交換器15cから流出したガス冷媒は、再び圧縮機10bへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16dは、第4温度センサー38の検出温度と、第2圧力センサー37の検出圧力から換算した飽和温度との温度差である過熱度が一定になるように、開度が制御される。また、圧縮機10bの回転周波数は、第6温度センサー41の検出温度が目標温度になるように制御される。
熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについて説明する。
全暖房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で第1熱源側冷媒の温熱が第1熱媒体に伝えられ、暖められた第1熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a、第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bに流入する。そして、第1熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気に放熱し、室内空間7の暖房を行なう。
それから、第1熱媒体は、利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bから流出して熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bに流入する。このとき、熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bに流入するようになっている。熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bから流出した第1熱媒体は、第1熱媒体流路切替装置22a、第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21a及びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の熱媒体配管5内では、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、第1温度センサー31aで検出された温度、あるいは、第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。熱媒体間熱交換器15の出口温度は、第1温度センサー31a又は第1温度センサー31bのどちらの温度を使用してもよいし、これらの平均温度を使用してもよい。
このとき、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方へ流れる流路が確保されるように、中間的な開度にしている。また、本来、利用側熱交換器26aは、その入口と出口の温度差で制御すべきであるが、利用側熱交換器26の入口側の熱媒体温度は、第1温度センサー31bで検出された温度とほとんど同じ温度であり、第1温度センサー31bを使用することにより温度センサーの数を減らすことができ、安価にシステムを構成できる。
全暖房運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ熱媒体が流れないようにすればよい。
熱媒体循環回路B2における第2熱媒体の流れについて説明する。
熱媒体間熱交換器15dで第2熱源側冷媒の温熱が第2熱媒体に伝えられ、暖められた第2熱媒体がポンプ21cによって熱媒体配管5a内を流動させられることになる。ポンプ21cで加圧されて流出した第2熱媒体は、貯湯タンク24に流入する。貯湯タンク24に流入した第2熱媒体は、再び熱媒体間熱交換器15dに流入した後に、ポンプ21cへ吸い込まれる。
[冷房主体運転モード]
図5は、図2に示す空気調和装置100の冷房主体運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図5では、利用側熱交換器26aで冷熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで温熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、図5では、太線で表された配管が冷媒(第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒)、及び熱媒体(第1熱媒体及び第2熱媒体)の循環する配管を示している。また、図5では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図5に示す冷房主体運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10aから吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15aと利用側熱交換器26aとの間、熱媒体間熱交換器15bと利用側熱交換器26bとの間を、それぞれ第1熱媒体が循環するようにしている。また、冷房主体運転モードにおいては、給湯装置14を運転して第2熱媒体を加温することも含まれている。ここでの冷房主体運転モードの説明では、給湯装置14を運転しているものとして説明する。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける第1熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の第1熱源側冷媒が圧縮機10aによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10aから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した二相冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した二相冷媒の一方は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入した二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで、第1熱媒体を冷却しながら、低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10aへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16bは、第3温度センサー35cで検出された温度と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。また、絞り装置16aは全開、開閉装置17aは閉、開閉装置17bは閉となっている。なお、絞り装置16bは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度を制御してもよい。また、絞り装置16bを全開とし、絞り装置16aでスーパーヒート又はサブクールを制御するようにしてもよい。
また、熱媒体変換機3に流入した二相冷媒の他方、すなわち熱媒体変換機3の閉となっている開閉装置17aの手前で分岐された第1熱源側冷媒は、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を介して給湯装置14に流入する。そして、給湯装置14に流入した第1熱源側冷媒は、加熱用熱交換器15cで第2熱源側冷媒に温熱を伝達して凝縮液化し、液冷媒となる。加熱用熱交換器15cから流出した液冷媒は、絞り装置16cで膨張させられて気液二相冷媒となる。
絞り装置16cから流出した気液二相冷媒は、給湯装置14から流出し、冷媒配管4を介して熱媒体変換機3に再度流入し、絞り装置16bから流出した冷媒と合流する。
このとき、絞り装置16cは、第5温度センサー40の検出温度と、第3圧力センサー39の検出圧力から換算した飽和温度との温度差であるサブクールが一定になるように、開度が制御される。
冷媒循環回路A2における第2熱源側冷媒の流れについて説明する。
第2熱源側冷媒が圧縮機10bによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10bから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15dに流入する。そして、熱媒体間熱交換器15dで第2熱媒体に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。なお、熱媒体間熱交換器15dにおいて、第2熱源側冷媒は第2熱媒体に放熱し、第2熱媒体を加温している。
熱媒体間熱交換器15dから流出した二相冷媒は、絞り装置16dを介して加熱用熱交換器15cに流入し、第1熱源側冷媒から温熱を伝達される。なお、加熱用熱交換器15cにおいて、第2熱源側冷媒が第1熱源側冷媒から吸熱した熱は、第2熱源側冷媒が蒸発するための熱量として消費される。加熱用熱交換器15cから流出したガス冷媒は、再び圧縮機10bへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16dは、第4温度センサー38の検出温度と、第2圧力センサー37の検出圧力から換算した飽和温度との温度差である過熱度が一定になるように、開度が制御される。また、圧縮機10bの回転周波数は、第6温度センサー41の検出温度が目標温度になるように制御される。
熱媒体循環回路Bにおける第1熱媒体の流れについて説明する。
冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで第1熱源側冷媒の温熱が第1熱媒体に伝えられ、暖められた第1熱媒体がポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。また、冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が第1熱媒体に伝えられ、冷やされた第1熱媒体がポンプ21aによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a、第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bに流入する。
利用側熱交換器26bでは第1熱媒体が室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。また、利用側熱交換器26aでは第1熱媒体が室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。このとき、熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bに流入するようになっている。利用側熱交換器26bを通過し若干温度が低下した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25b及び第1熱媒体流路切替装置22bを通り、熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21bへ吸い込まれる。利用側熱交換器26aを通過し若干温度が上昇した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通って、熱媒体間熱交換器15aへ流入し、再びポンプ21aへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の熱媒体配管5内では、暖房側、冷房側ともに、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、暖房側においては第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を、冷房側においては第2温度センサー34で検出された温度と第1温度センサー31aで検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。
冷房主体運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ第1熱媒体が流れないようにすればよい。
熱媒体循環回路B2における第2熱媒体の流れについて説明する。
熱媒体間熱交換器15dで第2熱源側冷媒の温熱が第2熱媒体に伝えられ、暖められた第2熱媒体がポンプ21cによって熱媒体配管5a内を流動させられることになる。ポンプ21cで加圧されて流出した第2熱媒体は、貯湯タンク24に流入する。貯湯タンク24に流入した第2熱媒体は、再び熱媒体間熱交換器15dに流入した後に、ポンプ21cへ吸い込まれる。
[暖房主体運転モード]
図6は、図2に示す空気調和装置100の暖房主体運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図6では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生している場合を例に暖房主体運転モードについて説明する。なお、図6では、太線で表された配管が冷媒(第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒)、及び熱媒体(第1熱媒体及び第2熱媒体)の流れる配管を示している。また、図6では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図6に示す暖房主体運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10aから吐出された第1熱源側冷媒を熱源側熱交換器12を経由させずに熱媒体変換機3へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を熱媒体が循環するようにしている。また、暖房主体運転モードにおいては、給湯装置14を運転して第2熱媒体を加温することも含まれている。ここでの暖房主体運転モードの説明では、給湯装置14を運転しているものとして説明する。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の第1熱源側冷媒が圧縮機10aによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10aから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入し、開閉装置17の手前で分岐された高温・高圧のガス冷媒の一方は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入したガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する第1熱媒体から吸熱することで蒸発し、第1熱媒体を冷却する。この低圧二相冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。
室外機1に流入した二相冷媒は、逆止弁13cを通って、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12に流入した二相冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して圧縮機10aへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16bは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度が制御される。また、絞り装置16aは全開、開閉装置17a、17bは閉となっている。なお、絞り装置16bを全開とし、絞り装置16aでサブクールを制御するようにしてもよい。
また、熱媒体変換機3に流入した高温・高圧のガス冷媒の他方、すなわち熱媒体変換機3の閉となっている開閉装置17aの手前で分岐された第1熱源側冷媒は、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を介して給湯装置14に流入する。そして、給湯装置14に流入した第1熱源側冷媒は、加熱用熱交換器15cで第2熱源側冷媒に温熱を伝達して凝縮液化し、液冷媒となる。加熱用熱交換器15cから流出した液冷媒は、絞り装置16cで膨張させられて気液二相冷媒となる。
絞り装置16cから流出した気液二相冷媒は、給湯装置14から流出し、冷媒配管4を介して熱媒体変換機3に再度流入し、絞り装置16bから流出した冷媒と合流する。
このとき、絞り装置16cは、第5温度センサー40の検出温度と、第3圧力センサー39の検出圧力から換算した飽和温度との温度差であるサブクールが一定になるように、開度が制御される。
冷媒循環回路A2における第2熱源側冷媒の流れについて説明する。
第2熱源側冷媒が圧縮機10bによって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10bから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15dに流入する。そして、熱媒体間熱交換器15dで第2熱媒体に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。なお、熱媒体間熱交換器15dにおいて、第2熱源側冷媒は第2熱媒体に放熱し、第2熱媒体を加温している。
熱媒体間熱交換器15dから流出した二相冷媒は、絞り装置16dを介して加熱用熱交換器15cに流入し、第1熱源側冷媒から温熱を伝達される。なお、加熱用熱交換器15cにおいて、第2熱源側冷媒が第1熱源側冷媒から吸熱した熱は、第2熱源側冷媒が蒸発するための熱量として消費される。加熱用熱交換器15cから流出したガス冷媒は、再び圧縮機10bへ再度吸入される。
このとき、絞り装置16dは、第4温度センサー38の検出温度と、第2圧力センサー37の検出圧力から換算した飽和温度との温度差である過熱度が一定になるように、開度が制御される。また、圧縮機10bの回転周波数は、第6温度センサー41の検出温度が目標温度になるように制御される。
熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについて説明する。
暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで第1熱源側冷媒の温熱が第1熱媒体に伝えられ、暖められた第1熱媒体がポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。また、暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が第1熱媒体に伝えられ、冷やされた第1熱媒体がポンプ21aによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した第1熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a、第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
利用側熱交換器26bでは第1熱媒体が室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。また、利用側熱交換器26aでは第1熱媒体が室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。このとき、熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25bの作用によって第1熱媒体の流量が室内にて必要とされる負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26bに流入するようになっている。利用側熱交換器26bを通過し若干温度が上昇した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25b及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15aに流入し、再びポンプ21aへ吸い込まれる。利用側熱交換器26aを通過し若干温度が低下した第1熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通り、熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の熱媒体配管5内では、暖房側、冷房側ともに、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに第1熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、暖房側においては第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を、冷房側においては第2温度センサー34で検出された温度と第1温度センサー31aで検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。
暖房主体運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは第1熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ第1熱媒体が流れないようにすればよい。
熱媒体循環回路B2における第2熱媒体の流れについて説明する。
熱媒体間熱交換器15dで第2熱源側冷媒の温熱が第2熱媒体に伝えられ、暖められた第2熱媒体がポンプ21cによって熱媒体配管5a内を流動させられることになる。ポンプ21cで加圧されて流出した第2熱媒体は、貯湯タンク24に流入する。貯湯タンク24に流入した第2熱媒体は、再び熱媒体間熱交換器15dに流入した後に、ポンプ21cへ吸い込まれる。
[給湯装置14の温度設定]
この給湯装置14は、第2熱媒体の温度を、利用側熱交換器26a〜26dを流れる第1熱媒体の目標温度よりも、高い温度に設定している。これは、第2熱媒体が、主に給湯負荷を賄うために使用するものであるためである。たとえば、利用側熱交換器26a〜26dを流れる第1熱媒体の目標温度が50℃、熱媒体間熱交換器15dを流れる第2熱媒体の目標温度は70℃などの値に設定される。
そのため、給湯装置14に使用されている第2熱源側冷媒の凝縮温度又は擬似凝縮温度は、室外機1と熱媒体変換機3の間を循環する冷媒の凝縮温度又は擬似凝縮温度よりも高い値に制御される。たとえば、給湯装置14に使用されている第2熱源側冷媒の凝縮温度又は擬似凝縮温度が75℃、室外機1と熱媒体変換機3の間を循環する冷媒の凝縮温度又は擬似凝縮温度が55℃といった値に制御される。
[非共沸冷媒について]
第1の冷凍サイクル内の冷媒配管4の内部には、たとえば、化学式がCで表されるテトラフルオロプロペン(たとえば、HFO1234yf、HFO1234ze(E)など)と、化学式がCHで表されるジフルオロメタン(R32)とを含む混合冷媒とが混合されて循環している。なお、HFO1234zeについては、二つの幾何学的異性体が存在しており、二重結合に対してFとCFが対称の位置にあるトランス型と、同じ側にあるシス型があり、両者で物性が異なる。本実施の形態のHFO1234ze(E)はトランス型である。
テトラフルオロプロペンは、化学式中に二重結合を有するため、大気中で分解しやすく、地球温暖化係数(GWP)がたとえば4程度(HFO1234yfの場合)と低く、環境に優しい冷媒である。しかし、テトラフルオロプロペンは従来の空気調和装置に採用されてきたR410Aなどの冷媒に比べて密度が小さいため、単独で冷媒として使用すると、大きな暖房能力や冷房能力を発揮させるためには、圧縮機を非常に大きなものにしなければならない。また、配管での圧力損失の増大を防ぐため、冷媒配管も太いものにしなければならず、コストの高い空気調和装置になってしまう。
そこで、テトラフルオロプロペンにR32を混合した冷媒を採用することが考えられる。このR32は、冷媒の特性が従来の冷媒に近いため比較的使いやすい冷媒である。しかし、R410AのGWP2088程度と比べると小さいが、R32のGWPが675程度と比較的高い。すなわち、環境に対する負荷の観点で言えば、R32は、その他の冷媒と混合せずに単独で使用するには、若干向いていない冷媒である。
そこで、テトラフルオロプロペンとR32とを混合させた冷媒を使用することにより、GWPをあまり大きくせずに、冷媒の特性を改善し、地球環境にも易しく、かつ、効率のよい空気調和装置を得ることができる。テトラフルオロプロペンとR32との混合比率としては、質量%で、たとえば70%対30%などのように混合させて使用することが考えられるが、この混合比率に限ったものではない。
しかし、HFO1234yfの沸点が−29(℃)、R32の沸点は−53.2(℃)であるため、テトラフルオロプロペンとR32とを混合させた冷媒は、沸点の異なる冷媒を有する非共沸冷媒となる。この非共沸冷媒は、たとえば、アキュムレータ19などの液溜に流入すると、沸点の低い方の成分が液冷媒として滞留する。これにより、空気調和装置の配管内を循環する冷媒の循環組成が時々刻々と変化することになる。
[非共沸冷媒のph線図における温度勾配]
図7は、所定の非共沸冷媒のph線図(圧力−エンタルピ線図)の説明図である。図8は、第1熱源側冷媒に非共沸冷媒を採用し、第2熱源側冷媒に単一冷媒を採用した場合であって、加熱用熱交換器15c内の両方の冷媒温度の説明図である。図9は、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒に非共沸冷媒を採用した場合であって、加熱用熱交換器15c内の両方の冷媒温度の説明図である。
なお、図8及び図9の横軸は、加熱用熱交換器15cの第1熱源側冷媒の流路及び第2熱源側冷媒の流路に対応している。すなわち、この横軸の正の方向が第1熱源側冷媒の流路の入口側に対応し、負の方向が第1熱源側冷媒の流路の出口側に対応している。また、この横軸の正の方向が第2熱源側冷媒の流路の出口側に対応し、負の方向が第2熱源側冷媒の流路の入口側に対応している。図8及び図9の縦軸は、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒の温度を示している。
また、以下の説明において「入口側の第1熱源側冷媒」とは、加熱用熱交換器15cに流入する第1熱源側冷媒を指し、「出口側の第1熱源側冷媒」とは、加熱用熱交換器15cから流出する第1熱源側冷媒を指すものとする。また、第2熱源側冷媒についても同様である。
図7に示すように、非共沸冷媒は沸点が異なるため、ph線図を描くと、同一圧力における飽和液温度と飽和ガス温度が異なる。すなわち、圧力P1における飽和液温度TL1 は、圧力P1における飽和ガス温度TG1 よりも低い温度となる。これにより、ph線図の二相領域における等温線は、所定の温度勾配で傾いている。
混合している冷媒の比率を変えると、ph線図は異なったものとなり、温度勾配が変化する。たとえば、HFO1234yfとR32との混合比率を70%対30%とした場合は、温度勾配が高圧側で5.6℃、低圧側で6.8℃程度となる。また、HFO1234yfとR32との混合比率を50%対50%とした場合は、温度勾配が高圧側で2.5℃、低圧側で2.8℃程度となる。
すなわち、圧力損失が小さいものと仮定すれば、上述のような混合比率の第1熱源側冷媒が、給湯装置14の加熱用熱交換器15cに供給されると、加熱用熱交換器15cの入口から出口に向かって、冷媒温度が徐々に下がることになる。
なお、共沸混合冷媒以外の冷媒、すなわち単一冷媒や擬似共沸混合冷媒などのような冷媒の場合には、冷媒の循環組成が変化することがないため、二相変化する領域におけるエンタルピ変化は冷媒の相変化に利用され、温度勾配は生じない。すなわち、非共沸冷媒でない冷媒の場合には、加熱用熱交換器15cの入口から出口に向かって、冷媒温度が徐々に下がることはない。
[非共沸混合冷媒による効果1]
加熱用熱交換器15cにおいては、第1熱源側冷媒と第2熱源側冷媒とが対向流となっている。すなわち、冷媒の位置関係としては、入口側の第1熱源側冷媒が出口側の第2熱源側冷媒に対応し、出口側の第1熱源側冷媒が入口側の第2熱源側冷媒に対応することになる。
ここで、仮に、第2熱源側冷媒として単一冷媒や擬似共沸混合冷媒(たとえばHFO1234yfなど)を採用するものとする。この場合には、[非共沸冷媒のph線図における温度勾配]で説明したように、単一冷媒や擬似共沸冷媒が同一圧力における飽和ガス温度と飽和液温度が同じかほぼ同じ(温度勾配がない)であるため、加熱用熱交換器15cのうちの第2熱源側冷媒の流路においては、ほとんど一定の温度となる。
具体的には、入口側の第1熱源側冷媒温度及び出口側の第2熱源側冷媒温度と、出口側の第1熱源側冷媒温度及び入口側の第2熱源側冷媒温度とは、図8に示したようになる。 ここで、加熱用熱交換器15cにおける第1熱源側冷媒の入口側の飽和ガス温度と出口側の飽和液温度との温度差から、加熱用熱交換器15cにおける第2熱源側冷媒の出口側の飽和ガス温度と入口側の温度との温度差を「差し引いた値」が大きい。
このように、第2熱源側冷媒として単一冷媒や擬似共沸混合冷媒を採用すると、上記「差し引いた値」が大きくなって加熱用熱交換器15cの熱交換効率が低減してしまい、給湯装置14の運転効率が悪くなってしまう。
そこで、実施の形態1に係る空気調和装置100では、第2熱源側冷媒として非共沸混合冷媒(たとえばHFO1234yfとR32との混合冷媒)を採用する。非共沸混合冷媒では、同一圧力における飽和ガス温度が飽和液温度よりも高い(温度勾配を有する)。そのため、加熱用熱交換器15cにおける入口側の第2熱源側冷媒温度よりも出口側の第2熱源側冷媒温度の方が高い状態となる。
具体的には、入口側の第1熱源側冷媒温度及び出口側の第2熱源側冷媒温度と、出口側の第1熱源側冷媒温度及び入口側の第2熱源側冷媒温度とは、図9に示したようになる。
ここで、加熱用熱交換器15cにおける第1熱源側冷媒の入口側の飽和ガス温度と出口側の飽和液温度との温度差から、加熱用熱交換器15cにおける第2熱源側冷媒の出口側の飽和ガス温度と入口側の温度との温度差を「差し引いた値」は、図8における「差し引いた値」と比較すると小さくなる。なお、図9における「差し引いた値」は、第1熱源側冷媒と第2熱源側冷媒の二相部(蒸発器において過熱度がゼロの場合は全域)の温度差に対応するものである。
このように、第2熱源側冷媒として非共沸混合冷媒を採用すると、上記「差し引いた値」が小さくなって加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることができる。
ただし、加熱用熱交換器15cの入口側の第2熱源側冷媒には、乾き度がたとえば0.1〜0.2程度の気液混在状態の二相冷媒が流入するため、加熱用熱交換器15cにおける第2熱源側冷媒の出口側温度と第2熱源側冷媒の入口側温度との温度差は、飽和ガス温度と飽和液温度との温度差よりも小さくなる。
[非共沸混合冷媒による効果2]
次に、加熱用熱交換器15cにおける第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒の状態について説明する。
第1熱源側冷媒は、加熱用熱交換器15cの入口側においてガス部(気相)、加熱用熱交換器15cの出口側において液部(液相)となり、当該入口側と当該出口側の間において二相部(気液二相)となっている。なお、ガス部と液部の長さは(二相部に比べて)それほど長くなく、熱伝達率も小さいため、全体の熱交換量に対する寄与度は小さい。そのため、加熱用熱交換器15cの熱交換の大半は、第1熱源側冷媒の二相部で行われている。
また、加熱用熱交換器15cの第2熱源側冷媒の流路においては、第2熱源側冷媒の出口側での過熱度が小さい値に制御される。この過熱度の値が小さいこと、及び気相の熱伝達率は小さいことにより、加熱用熱交換器15cの熱交換の大半は第2熱源側冷媒の二相部で行われることになる。
したがって、加熱用熱交換器15cにおいては、第1熱源側冷媒の二相部と第2熱源側冷媒の二相部とによる熱交換が、加熱用熱交換器15cにおける全熱交換量の大半を占めている。
そこで、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒が、二相部の状態であるときの温度差を小さくすることで、加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることができる。なお、二相部の状態であるときの温度差を小さくするとは、「第1熱源側冷媒の入口側の飽和ガス温度(ガスから二相に変わる点)」と「出口側の飽和液温度(二相から液に変わる点)」との温度差(第1の温度差)と、加熱用熱交換器15cにおける「第2熱源側冷媒の出口側の飽和ガス温度(二相からガスに変わる点)」と「入口側の温度(たとえば乾き度0.1〜0.2)」との温度差(第2の温度差)と、の温度差を小さい値にする(第1の温度差と第2の温度差を近い値にする)ことである。
なお、この状態は、第1の温度差と第2の温度差との差を所定値以下に収めるように絞り装置16dの開度を調整することで実現してもよいし、第2の温度差を第1の温度差に近づけるように絞り装置16dの開度を調整して実現してもよい。なお、この「所定値」については後述するものとする。
また、第2熱源側冷媒の入口側の二相冷媒の乾き度が、たとえば0.1〜0.2などのようにあまり大きくない場合には、上記の第1の温度差と、「第2熱源側冷媒の飽和ガス(二相からガスに変わる点)温度」と「第2熱源側冷媒の飽和液(二相から液に変わる点)温度」との温度差とを近い値にすることでも、加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることができる。
[非共沸混合冷媒による効果3]
図10は、加熱用熱交換器15cに供給される非共沸混合冷媒(HFO1234yfとR32)の同一圧力における飽和ガスと飽和液との温度差(図7に示す温度勾配に対応)の説明図である。
なお、図10において、横軸は混合冷媒に占めるR32の割合を示し、縦軸は冷媒の温度差を示している。また、「凝縮側」とは、加熱用熱交換器15cで第1熱源側冷媒が凝縮する側に対応しており、「凝縮側温度差」とは、各混合割合において、飽和ガス温度が45℃となる圧力における飽和ガスと飽和液との温度差を示している。
また、「蒸発側」とは、加熱用熱交換器15cで第2熱源側冷媒が蒸発する側に対応しており、「蒸発側温度差」とは、各混合割合において、飽和ガス温度が5℃となる圧力における飽和ガスと蒸発器入口冷媒との温度差を示している。
さらに、加熱用熱交換器15cの蒸発側温度差は、入口乾き度が「0.1」、「0.2」及び「飽和液」の場合の3つを例に示している。
図10に示すように、HFO1234yfとR32との非共沸混合冷媒において、それぞれの混合比が同じ(図10のR32が0.5)であれば、蒸発側の飽和ガスと飽和液との温度差が、凝縮側の飽和ガスと飽和液との温度差よりも大きいことがわかる。
また、第2熱源側冷媒の乾き度が0.1の場合でも、蒸発側の温度差の方が、凝縮側の温度差よりも大きい。すなわち、加熱用熱交換器15cにおいては、蒸発側である第2熱源側冷媒の入口乾き度が0.1程度と小さければ、蒸発側である第2熱源側冷媒の飽和ガスと飽和液との温度差の方が、凝縮側である第1熱源側冷媒の飽和ガスと飽和液との温度差よりも大きい。
さらに、蒸発側であって入口側の第2熱源側冷媒の乾き度が0.2の場合は、凝縮側の温度差の方が蒸発側の温度差よりも大きい。すなわち、加熱用熱交換器15cにおいては、凝縮側である第1熱源側冷媒の飽和ガスと飽和液との温度差の方が、蒸発側である第2熱源側冷媒の飽和ガスと飽和液との温度差よりも少し大きい値になる。
そこで、この図10に基づき、たとえば以下のように第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒の割合を設定するとよい。
すなわち、第1熱源側冷媒に占めるR32の割合が20%である場合には、第2熱源側冷媒のR32の割合が約8%又は約24%と設定する。これは、図10に示すように、第1熱源側冷媒に占めるR32の割合が20%である場合には、飽和ガスと飽和液との温度差は7.3℃となり、そして、第2熱源側冷媒の乾き度が0.1のときおいて、第2熱源側冷媒のR32の割合を約8%又は約24%と設定することで、温度差を約7.3度とすることができるためである。
これは、上述の[非共沸混合冷媒による効果2]において説明した、加熱用熱交換器15cにおける「第1熱源側冷媒の入口側の飽和ガス温度(ガスから二相に変わる点)」と「出口側の飽和液温度(二相から液に変わる点)」との温度差(第1の温度差)と、加熱用熱交換器15cにおける「第2熱源側冷媒の出口側の飽和ガス温度(二相からガスに変わる点)」と「入口側の温度(たとえば乾き度0.1〜0.2)」との温度差(第2の温度差)とを近い値にすることに対応している。これにより、加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることができる。
なお、実際には、双方の温度に1℃以内の温度差があっても、熱交換効率に大きな差はない。そこで、たとえば、第1熱源側冷媒に占めるR32の割合が20%であり、第2熱源側冷媒の乾き度が0.1である場合は、第2熱源側冷媒に占めるR32の割合が6〜29%と設定すればよい。これにより、第1の温度差と第2の温度差との差を1℃以内に収めることができる。
また、第2熱源側冷媒の入口乾き度が非常に小さい場合には、第2熱源側冷媒を飽和液とみなしてよい。第1熱源側冷媒に占めるR32の割合が20%である場合には、第2熱源側冷媒に占めるR32の割合を6%又は28%とすると、第1の温度差と第2の温度差とを近い値にすることができ、第2熱源側冷媒に占めるR32の割合を5〜8%、23〜32%とすると、第2の温度差第1の温度差差を1℃以内に収めることができる。
このように、第2の温度差を第1の温度差の1℃以内に収まるように、好ましくはこれらの温度差がさらに近い値になるように空気調和装置100に冷媒を充填することで、加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることができる。
[非共沸混合冷媒の充填方法]
ここまで、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒のR32とHFO1234yfの混合割合について説明してきた。次に、当該混合割合の冷媒を空気調和装置100に充填する方法について説明する。
所定の混合割合の冷媒を、空気調和装置100に充填する方法としては、第1の冷凍サイクルに充填する冷媒と、第2の冷凍サイクルに充填する冷媒として、別々の組成割合が充填された冷媒ボンベを使って、充填する方法がある。
たとえば、空気調和装置100のようなビル用マルチエアコンにおいて、第1熱源側冷媒は、機器が現地に設置された後に充填される。より詳細には、機器が設置された後に、R32の割合が20%である冷媒ボンベによって、第1の冷凍サイクルに第1熱源側冷媒が充填される。
一方、第2熱源側冷媒は、工場から出荷前に、機器に予め充填される。より詳細には、加熱用熱交換器15cの第2熱源側冷媒側流路の第2熱源側冷媒の入口乾き度が0.1である場合には、工場から出荷前に予め、第2熱源側冷媒に占めるR32の割合が約8%又は約24%である冷媒ボンベによって、第2の冷凍サイクルに第2熱源側冷媒が充填される。
このように、R32が所定の割合となっている冷媒ボンベを使用して、第1の冷凍サイクル及び第2の冷凍サイクルに、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒を充填するのが、最も簡単である。しかし、現実には、R32が所定の割合、すなわち都合の良い割合の冷媒が2種類共、製品化され、市場に流通していることはまれである。
たとえば、R32の割合が20%である冷媒ボンベのみが、混合冷媒として市場に流通している場合には、以下のようにして、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒を空気調和装置100に充填するとよい。
たとえば、R32の割合が20%である冷媒ボンベのみが、混合冷媒として市場に流通している場合には、その冷媒を第1熱源側冷媒として現地で第1の冷凍サイクルに充填することになる。ここで、R32の割合が24%である冷媒を、第2の冷媒として、第2の冷凍サイクルに充填したいものとする。
このとき、工場で、HFO1234yfの冷媒ボンベとR32の冷媒ボンベを用い、第2の冷凍サイクルに、まず、規定冷媒量の0.76倍の量のHFO1234yfを充填し、その後、規定冷媒量の0.24倍のR32冷媒を充填してから、出荷するようにするとよい。
また、工場で、第2熱源側冷媒に含まれる2種類の冷媒を充填するのが製造工程上、難しい場合がある。このような場合には、後から冷媒が追加充填できるような、充填口を設置しておくとよい。これにより、第2の冷凍サイクルに、冷媒ボンベによって規定冷媒量の0.76倍の量のHFO1234yfを工場で充填して出荷し、後から、R32の冷媒ボンベによって規定冷媒量の0.24倍のR32冷媒を追加充填することが可能となる。
[冷媒配管4]
以上説明したように、本実施の形態1に係る空気調和装置100は、幾つかの運転モードを具備している。これらの運転モードにおいては、室外機1と熱媒体変換機3とを接続する配管4には熱源側冷媒が流れている。
[熱媒体配管5]
本実施の形態1に係る空気調和装置100が実行する幾つかの運転モードにおいては、熱媒体変換機3と室内機2を接続する熱媒体配管5には水や不凍液などの熱媒体が流れている。
[実施の形態1のまとめ]
実施の形態1に係る空気調和装置100は、第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒を非共沸混合冷媒としたときにおいて、絞り装置16dの開度を調整することで第1の温度差と第2の温度差との差を所定値以下に収めることにより、加熱用熱交換器15cに流入する第1熱源側冷媒と第2熱源側冷媒との熱交換効率を向上させることができる。そして、このように熱交換効率を向上させることができる分、省エネルギー化を図ることができる。
実施の形態2.
図11は、実施の形態2に係る空気調和装置200の回路構成例である。なお、本実施の形態2では、実施の形態1と同一部分には同一符号とし、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
たとえば、実施の形態1に係る空気調和装置100の場合には、凝縮温度の変化や冷媒循環量の変化、給湯装置14の貯湯タンク24へ供給する第2熱媒体の出口温度(出湯温度)の目標値、第2熱媒体の循環流量の変化などに応じて、第2の冷凍サイクルの圧縮機10bの周波数が変化し、加熱用熱交換器15cへ流入する第2熱源側冷媒の入口乾き度が変化する場合がある。
このように、第2熱源側冷媒の入口乾き度が変化すると、入口側の第2熱源側冷媒温度が変化してしまう場合がある。すなわち、加熱用熱交換器15cにおける出口側の第2熱源側冷媒温度と入口側の第2熱源側冷媒温度との温度差が変化、すなわち第2の温度差が変化してしまう場合があるということである。そして、この第2の温度差が変化することで第1熱源側冷媒の温度差とずれてしまい、加熱用熱交換器15cでの熱交換効率の悪化につながる。
そこで、本実施の形態2に係る空気調和装置200は、第2熱源側冷媒の入口乾き度が変化しても、加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることを可能にしたものである。
空気調和装置200は、図11に示すように、第2の冷凍サイクルの圧縮機10bの吸入側と、加熱用熱交換器15cとの間にアキュムレーター19aが設置されている。このアキュムレーター19aは、貯留する第2熱源側冷媒の量を変化させることが可能であり、これにより、第2の冷凍サイクルを循環する第2熱源側冷媒の循環組成を変化させることを可能としている。
HFO1234yfの沸点は−29℃、R32の沸点は−53.2℃であるため、R32の方が先に蒸発する。したがって、充填時の組成割合を基準としたとき、気液二相状態においては冷媒ガス中にR32が多く含まれ、冷媒液中にHFO1234yfが多く含まれる。したがって、気液二相状態の第2熱源側冷媒がアキュムレーター19aに流入すると、液冷媒が貯留されるため、沸点が高いHFO1234yfの方が、R32よりも多くアキュムレーター19a内に貯留されることなる。すなわち、充填時の組成割合を基準としたとき、第2の冷凍サイクル内を循環する第2熱源側冷媒の循環組成は、R32が多い状態になる。
したがって、たとえば第1の冷凍サイクルの第1熱源側冷媒のR32の割合が20%である場合に、第2の冷凍サイクルの第2熱源冷媒を、R32の割合が8%となるように充填したときには、アキュムレーター19aに溜まる冷媒量を、絞り装置16dの開度を調整することにより、「第2熱源側冷媒の飽和ガス側温度」と「第2熱源側冷媒の入口側の二相冷媒温度」との温度差である第2の温度差を大きく調整することができる。
また、第2の冷凍サイクルの第2熱源冷媒を、R32の割合が24%となるように充填したときには、アキュムレーター19aに溜まる冷媒量を、絞り装置16dの開度を調整することにより、第2の温度差を小さく調整することができる。
すなわち、アキュムレーター19aにより、第2の温度差を大きく調整することや、第2の温度差を小さく調整することが可能であるので、第2熱源側冷媒の乾き度が変化してしたとしても、第1の温度差に対して第2の温度差を1℃以内に収めることができる。
本実施の形態2では、第2圧力センサー37の検出圧力から算出した飽和ガス温度及び飽和液温度と、第4温度センサー38の検出温度とを用い、絞り装置16dの開度を変化させることにより、アキュムレーター19aに流入する第2熱源側冷媒の乾き度を制御し、循環組成を制御する。
このとき、第2熱源側冷媒の飽和ガス温度と飽和液温度との温度差から、加熱用熱交換器15cの第2熱源側冷媒の入口冷媒の乾き度を仮定して、加熱用熱交換器15cの飽和ガスと第2熱源側冷媒の入口冷媒の温度との温度差を推測するようにしてもよい。
また、加熱用熱交換器15cに流入する第2熱源側冷媒の乾き度の演算結果を利用した方が、循環組成を精度よく制御することができる。
そこで、図11に示すように、熱媒体間熱交換器15dから流出する第2熱源側冷媒の圧力を検出する第4圧力センサー42、熱媒体間熱交換器15dから流出する第2熱源側冷媒の温度を検出する第7温度センサー43を設置するとよい。そして、第4圧力センサー42及び第7温度センサー43の検出結果から、熱媒体間熱交換器15dから流出する第2熱源側冷媒のエンタルピーを演算し、これから、加熱用熱交換器15cの第2熱源側冷媒の入口冷媒の乾き度を演算し、循環組成の制御に利用する。
実施の形態2のここまでの説明では、第2の冷凍サイクルを循環する第2熱源側冷媒の入口乾き度の変化により、第1の温度差と第2の温度差との差がずれてしまい、加熱用熱交換器15cでの熱交換効率が悪化する場合について述べた。
一方、第1の冷凍サイクルを循環する第1熱源側冷媒が原因で、加熱用熱交換器15cでの熱交換効率が悪化する場合もあるのでそれについて述べる。
第1の冷凍サイクルにおいて、全冷房運転と全暖房運転とでは、冷凍サイクルで必要となる冷媒量が異なる。すなわち、全冷房運転の時の方が多くの冷媒量が必要となる。したがって、全暖房運転時には余剰冷媒が発生するため、アキュムレーター19に、その余剰の第1熱源側冷媒が貯留されることとなる。
すると、アキュムレーター19への貯留量に応じて、循環している第1熱源側冷媒に含まれるR32の組成が変化する。すなわち、加熱用熱交換器15cにおける出口側の第1熱源側冷媒温度と入口側の第1熱源側冷媒温度との差である第1の温度差が変化する結果として、第1の温度差と第2の温度差との差がずれてしまい、加熱用熱交換器15cでの熱交換効率が悪化する可能性がある。
そこで、絞り装置16dの開度を制御して、アキュムレーター19aの第2熱源側冷媒の貯留量を変化させるとよい。これにより、第2の冷凍サイクルを循環している第2熱源側冷媒のR32とHFO1234yfとの割合が変化し、第1の温度差と第2の温度差との差のずれを低減させ、加熱用熱交換器15cの熱交換効率を向上させることができ、給湯装置14の運転効率を向上させることができる。
実施の形態1、2では、利用側熱交換器26にて暖房負荷又は冷房負荷のみが発生している場合は、対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を中間の開度にし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方に熱媒体が流れるようにしている。これにより、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方を暖房運転又は冷房運転に使用することができるため、伝熱面積が大きくなり、効率のよい暖房運転又は冷房運転を行なうことができる。
また、利用側熱交換器26にて暖房負荷と冷房負荷とが混在して発生している場合は、暖房運転を行なっている利用側熱交換器26に対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を加熱用の熱媒体間熱交換器15bに接続される流路へ切り替え、冷房運転を行なっている利用側熱交換器26に対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を冷却用の熱媒体間熱交換器15aに接続される流路へ切り替えることにより、各室内機2にて、暖房運転、冷房運転を自由に行なうことができる。
なお、実施の形態1、2で説明した第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、三方弁などの三方流路を切り替えられるもの、開閉弁などの二方流路の開閉を行なうものを2つ組み合わせるなど、流路を切り替えられるものであればよい。
また、ステッピングモーター駆動式の混合弁などの三方流路の流量を変化させられるもの、電子式膨張弁などの2方流路の流量を変化させられるものを2つ組み合わせるなどして第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23として用いてもよい。この場合は、流路の突然の開閉によるウォーターハンマーを防ぐこともできる。
さらに、実施の形態1、2では、熱媒体流量調整装置25が二方弁である場合を例に説明を行なったが、三方流路を持つ制御弁とし利用側熱交換器26をバイパスするバイパス管と共に設置するようにしてもよい。
また、利用側熱媒体流量制御装置25は、ステッピングモーター駆動式で流路を流れる流量を制御できるものを使用するとよく、二方弁でも三方弁の一端を閉止したものでもよい。また、利用側熱媒体流量制御装置25として、開閉弁等の二法流路の開閉を行うものを用い、ON/OFFを繰り返して平均的な流量を制御するようにしてもよい。
第2冷媒流路切替装置18が四方弁であるかのように示したが、これに限るものではなく、二方流路切替弁や三方流路切替弁を複数個用い、同じように冷媒が流れるように構成してもよい。
実施の形態1、2では、利用側熱交換器26と熱媒体流量調整装置25とが1つしか接続されていない場合でも同様のことが成り立つのは言うまでもなく、更に熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16として、同じ動きをするものが複数個設置されていても、当然問題ない。さらに、熱媒体流量調整装置25は、熱媒体変換機3に内蔵されている場合を例に説明したが、これに限るものではなく、室内機2に内蔵されていてもよく、熱媒体変換機3と室内機2とは別体に構成されていてもよい。
第1熱源側冷媒及び第2熱源側冷媒として、R32とHFO1234yfとの混合冷媒を用い、第1熱源側冷媒として、R32が20%、HFO1234yfが80%の混合冷媒を使用する場合を例に説明を行ったが、当然、混合比率はこれに限るものではないし、冷媒種もこれに限るものではなく、R407C(R32:R125:R134a=23%:25%:52%)などの非共沸混合冷媒や、その他の非共沸混合冷媒でもよく、同様の効果を奏する。
第1熱媒体及び第2熱媒体は、同じ熱媒体を使用しても、異なるものを使用してもよい。なお、熱媒体(第1熱媒体及び第2熱媒体)としては、たとえばブライン(不凍液)や水、ブラインと水の混合液、水と防食効果が高い添加剤の混合液などを用いることができる。したがって、熱媒体が室内機2を介して室内空間7に漏洩したとしても、熱媒体に安全性の高いものを使用しているため安全性の向上に寄与することになる。
また、一般的に、熱源側熱交換器12及び利用側熱交換器26a〜26dには、送風機が取り付けられており、送風により凝縮あるいは蒸発を促進させる場合が多いが、これに限るものではなく、たとえば利用側熱交換器26a〜26dとしては放射を利用したパネルヒータのようなものも用いることができるし、熱源側熱交換器12としては、水や不凍液により熱を移動させる水冷式のタイプのものも用いることができ、放熱あるいは吸熱をできる構造のものであればどんなものでも用いることができる。
また、ここでは、利用側熱交換器26a〜26dが4つである場合を例に説明を行ったが、幾つ接続してもよい。
また、熱媒体間熱交換器15a、15bが2つである場合を例に説明を行ったが、当然、これに限るものではなく、熱媒体を冷却又は/及び加熱できるように構成すれば、幾つ設置してもよい。
また、ポンプ21a、21bはそれぞれ一つとは限らず、複数の小容量のポンプを並列に並べてもよい。
また、第1の冷凍サイクル又は/及び第2の冷凍サイクルに、循環組成を検知できる機能を持たせると、更に精度よく、制御できる。循環組成の検知は、絞り装置16a、16b、16c、16dの入口及び出口の圧力及び温度を測定することにより演算によって、算出することができる。なお、冷媒の循環組成はその他の方法によって、検知してもよい。また、アキュムレーター19又は/及び19aに、冷媒が溜まっていない状態での冷媒の循環組成は、設置時の冷媒の充填組成となどとし、運転状態(各部の温度及び圧力の測定値)から、アキュムレーターに貯留されている冷媒量を推測し、この推測値を元に、循環組成を演算するようにしてもよい。
また、本実施の形態1、2では、以下のような構成例を説明した。すなわち、圧縮機10、四方弁(第1冷媒流路切替装置)11、熱源側熱交換器12を室外機1に収容している。また、利用側熱交換器26を室内機2に収容し、熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16を熱媒体変換機3に収容している。さらに、室外機1と熱媒体変換機3との間を2本一組の配管で接続し、室外機1と熱媒体変換機3との間で第1熱源側冷媒を循環させ、室内機2と熱媒体変換機3との間をそれぞれ2本一組の配管で接続し、室内機2と熱媒体変換機3との間で第1熱媒体を循環させ、熱媒体間熱交換器15で第1熱源側冷媒と第1熱媒体とを熱交換させるシステムを例に説明を行った。しかし、空気調和装置100、200は、それに限るものではない。
たとえば、圧縮機10、四方弁(第1冷媒流路切替装置)11、熱源側熱交換器12を室外機1に収容し、空調対象空間の空気と第1熱源側冷媒とを熱交換させる負荷側熱交換器及び絞り装置16を室内機2に収容し、室外機1及び室内機2とは別体に形成された中継器を備え、室外機1と中継器との間を2本一組の配管で接続し、室内機2と中継器との間をそれぞれ2本一組の配管で接続し、中継機を介して室外機1と室内機2との間で第1熱源側冷媒を循環させ、全冷房運転、全暖房運転、冷房主体運転、暖房主体運転を行うことができる直膨システムにも適用することができ、同様の効果を奏する。
また、ここでは、冷房暖房混在運転ができるものとして説明をしてきたが、これに限定するものではない。熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16がそれぞれ1つで、それらに複数の利用側熱交換器26と熱媒体流量調整装置25が並列に接続され、冷房運転か暖房運転のいずれかしか行なえない構成であっても同様の効果を奏する。また、室内機まで冷媒を循環させる直膨システムであり、冷房運転か暖房運転のいずれかしか行なえない構成であってもよい。
1 熱源機(室外機)、2 室内機、2a〜2d 室内機、3、3a、3b 熱媒体変換機、4 冷媒配管、4a 第1接続配管、4b 第2接続配管、5 熱媒体配管、6 室外空間、7 室内空間、8 空間、9 建物、10a 圧縮機(第1圧縮機)、10b 圧縮機(第2圧縮機)、11 四方弁(第1冷媒流路切替装置)、12 熱源側熱交換器、13a〜13d 逆止弁、14 給湯装置、15a、15b 熱媒体間熱交換器(第1熱媒体間熱交換器)、15c 加熱用熱交換器、15d 熱媒体間熱交換器(第2熱媒体間熱交換器)、16a、16b、16c 絞り装置(第1絞り装置)、16d 絞り装置(第2絞り装置)、17a、17b 開閉装置、18a、18b 第2冷媒流路切替装置、19 アキュムレーター(第1アキュムレーター)、19a アキュムレーター(第2アキュムレーター)、21a〜21c ポンプ(熱媒体送出装置)、22a〜22d 第1熱媒体流路切替装置、23a〜23d 第2熱媒体流路切替装置、24 貯湯タンク、25a〜25d 熱媒体流量調整装置、26a〜26d 利用側熱交換器、31a、31b 第1温度センサー、34a〜34d 第2温度センサー、35a〜35d 第3温度センサー、36 圧力センサー、37 第2圧力センサー、38 第4温度センサー、39 第3圧力センサー、40 第5温度センサー、41 第6温度センサー、42 第4圧力センサー、43 第7温度センサー、80 第1制御装置、81 第2制御装置、100、200 空気調和装置、100A 空気調和装置、A 冷媒循環回路、B 熱媒体循環回路。

Claims (10)

  1. 第1圧縮機、熱源側熱交換器、第1絞り装置、第1熱媒体間熱交換器、及び加熱用熱交換器の第1流路を第1冷媒配管で接続して第1の冷凍サイクルを構成し、
    第2圧縮機、前記加熱用熱交換器の第2流路、第2絞り装置、及び第2熱媒体間熱交換器を第2冷媒配管で接続して第2の冷凍サイクルを構成し、
    前記第1の冷凍サイクルに充填する第1冷媒及び第2の冷凍サイクルに充填する第2冷媒を、同一圧力における飽和ガス温度と飽和液温度とが異なる非共沸混合冷媒とし、
    前記第1冷媒と前記第2冷媒とを前記加熱用熱交換器で熱交換させる空気調和装置において、
    前記加熱用熱交換器は、当該加熱用熱交換器の前記第1流路に供給される前記第1冷媒と前記第2流路に供給される前記第2冷媒が、対向流となるように前記第1冷媒配管及び前記第2冷媒配管に接続され、
    前記加熱用熱交換器における前記第1冷媒の入口側の飽和ガス温度と、出口側の飽和液温度との差を第1の温度差とし、
    前記加熱用熱交換器における前記第2冷媒の出口側の飽和ガス温度と、入口側の温度との差を第2の温度差とするとき、
    前記第2絞り装置の開度を制御して、前記第1の温度差と前記第2の温度差との差を所定値以下に収める
    ことを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記第1冷媒のうち余剰液冷媒となっている前記第1冷媒を貯留する第1アキュムレータを前記第1の冷凍サイクルに備え、
    前記第1アキュムレータに貯留される余剰液冷媒の量に起因して前記第1の温度差が変化するとき、
    前記第1の温度差の変化に対応するように前記第2絞り装置を制御して、前記第1の温度差と前記第2の温度差との差が所定値以下に収まるようにする
    ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  3. 前記第2の温度差を前記第1の温度差に近づけるように前記第2絞り装置の開度を制御する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和装置。
  4. 前記第2冷媒を貯留する第2アキュムレータを前記第2の冷凍サイクルの前記第2圧縮機の吸入側に備え、
    前記第2の冷凍サイクルの運転状態の変化に応じて前記第2絞り装置を制御して、前記第1の温度差と前記第2の温度差との差が所定値以下に収まるように前記第2アキュムレータに貯留する前記第2冷媒の冷媒量を変化させる
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の空気調和装置。
  5. 前記所定値は、1℃以下である
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の空気調和装置。
  6. 前記加熱用熱交換器に流入する前記第2冷媒の入口乾き度を仮定し、当該仮定した値に基づいて前記第2の温度差を演算する
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の空気調和装置。
  7. 前記第1の冷凍サイクル及び前記第の冷凍サイクルに循環する冷媒の循環組成を検知する循環組成検知機能を備えた
    ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の空気調和装置。
  8. 前記第1冷媒及び前記第2冷媒の双方が、R32とHFO1234yfとの混合冷媒、または、R32とトランス型のHFO1234zeとの混合冷媒である
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の空気調和装置。
  9. 前記第1熱媒体間熱交換器を複数備え、
    前記第2熱媒体間熱交換器、熱媒体を搬送するポンプ、及び水を貯留する貯湯タンクを熱媒体配管で接続して熱媒体サイクルを構成し、
    前記複数の第1熱媒体間熱交換器のすべてに高温高圧の前記第1冷媒を供給する全暖房運転モードと、
    前記複数の第1熱媒体間熱交換器のすべてに低温低圧の前記第1冷媒を供給する全冷房運転モードと、
    前記複数の第1熱媒体間熱交換器の一部に高温高圧の前記第1冷媒を供給するとともに、前記複数の第1熱媒体間熱交換器の他の一部に低温低圧の前記第1冷媒を供給する冷房暖房混在運転モードとを実行し、
    前記全冷房運転モードにおいては、
    前記第2圧縮機の運転を停止し、
    前記全暖房運転モード及び前記冷房暖房混在運転モードにおいては、
    前記第2圧縮機を運転させて、
    前記加熱用熱交換器において前記第1冷媒から温熱を伝達された前記第2冷媒を、前記第2圧縮機より吐出させ、当該吐出した前記第2冷媒の温熱を前記第2熱媒体間熱交換器を介して前記熱媒体に伝達させる
    ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の空気調和装置。
  10. 前記第1熱媒体間熱交換器において、前記第1冷媒と熱交換を行う媒体が、水及び/又は不凍液である
    ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の空気調和装置。
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