JP5866000B2 - 空調給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、空調と給湯を行う空調給湯システムに関する。

空調と給湯を行う空調給湯システムとして、例えば、特許文献１に示す技術が開示されている。
特許文献１には、室内機と給湯熱源用回路とを並列に接続するとともに、室内機と熱源機とが、分岐ユニットを介して少なくとも２本の接続配管で接続される空調給湯複合システムについて記載されている。
特許文献１に記載の技術では、冷房運転及び暖房運転のいずれの場合においても、冷媒−冷媒熱交換器（中間熱交換器）の一次側（空調用熱交換器側）を凝縮器として機能させ、二次側（給湯用熱交換器側）を蒸発器として機能させる。これによって、空調熱源と給湯熱源の排熱を相互に利用するようになっている。

特開２０１０−２３６８１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、室内機と冷媒−冷媒熱交換器（中間熱交換器）とが並列に接続されるため、給湯サイクルが稼働しない場合でも冷媒−冷媒熱交換器を通流する冷媒が、外気と熱的に接触する。したがって、空調給湯複合システムに対し、空調負荷（空調運転に伴う熱負荷）を超える負荷が加わる場合がある。

例えば、特許文献１に記載の技術において、空調サイクルで暖房運転を実行し、給湯サイクルを稼働させない場合（つまり、給湯負荷が無い場合）、冷媒−冷媒熱交換器を通流する冷媒は、室内機と同程度の高温になる。これは、冷媒−冷媒熱交換器が室内機と並列接続されているためである。
一方、給湯ユニットは、通常、室外又は屋内の非空調空間に設置されている。したがって、給湯サイクルの構成要素である冷媒−冷媒熱交換器は、給湯ユニットの周囲温度である室外温度程度になっている。
そうすると、暖房運転を行う際に、冷媒−冷媒熱交換器において高温の冷媒から低温の室外空気に熱が放出されてしまう。

この結果、特許文献１に記載の技術では、空調に必要な負荷に加えて、さらに冷媒−冷媒熱交換器において冷媒から室外空気に放熱されることになる。この熱は、室内の快適性の向上や給湯に利用するための熱として活用されないため、システム全体の効率を悪化させてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、高い運転効率を実現できる空調給湯システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、内部熱交換器が、空調用冷媒回路が備える環状回路の一部分を構成する一次側伝熱管と、減圧装置を介して前記環状回路から分岐する分岐配管に接続される二次側伝熱管と、を有し、前記分岐配管は、前記二次側伝熱管において吸熱した第一冷媒を空調用圧縮機の吸入側に導くように配設され、制御装置は、冷房運転を行う場合、空調熱源側熱交換器を凝縮器として機能させ、空調利用側熱交換器を蒸発器として機能させるように四方弁を制御するとともに、第一冷媒を前記内部熱交換器で冷却し、さらに第二膨張弁で減圧してから前記空調利用側熱交換器に流入させ、暖房運転を行う場合、前記空調利用側熱交換器を凝縮器として機能させ、前記空調熱源側熱交換器を蒸発器として機能させるように前記四方弁を制御するとともに、第一冷媒を前記第二膨張弁及び第一膨張弁で順次減圧してから前記空調熱源側熱交換器に流入させ、暖房運転を行い、かつ、給湯運転を行わない暖房運転通常モードを実行する場合、前記第二膨張弁で減圧した第一冷媒を前記内部熱交換器で冷却し、さらに前記第一膨張弁で減圧してから前記空調熱源側熱交換器に流入させることを特徴とする。

本発明によれば、高い運転効率を実現する空調給湯システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る空調給湯システムの系統図である。 給湯運転モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。 冷房運転（通常）モードにおける冷媒の流れを示す系統図である。 冷房運転（排熱）モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。 冷房運転時における冷媒の状態を示す圧力-比エンタルピ線図である。 暖房運転（通常）モードにおける冷媒の流れを示す系統図である。 暖房運転（通常）モードにおける冷媒の状態を示す圧力-比エンタルピ線図である。 暖房運転（排熱）モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。 暖房運転（排熱）モードにおける冷媒の状態を示す圧力-比エンタルピ線図である。 本発明の第２実施形態に係る空調給湯システムにおいて、給湯運転モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。 従来技術に係る空調給湯システムを用いた場合の、暖房運転時における冷媒の状態を示す圧力-比エンタルピ線図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

≪空調給湯システム≫
図１は、本発明の第１実施形態に係る空調給湯システムの系統図である。図１に示すように、空調給湯システムＳは、室外機１と、室内機２ａ，２ｂと、給湯ユニット３と、給湯タンクユニット４と、制御装置５０と、を備えている。
室内機２ａ，２ｂは、室内（被空調空間内）に設置されている。また、室外機１、給湯ユニット３、及び給湯タンクユニット４は、室外（被空調空間外）に設置されている。ちなみに、図１では、一例として、空調給湯システムＳが室内機を２台備える場合を示している。

また、室内機２ａ，２ｂと室外機１とはそれぞれ制御部（図示せず）を有し、通信線（図示せず）を介して相互に通信することができるようになっている。なお、図１では、前記した各制御部を模式的に制御装置５０として示している。

空調給湯システムＳは、室内機２ａ，２ｂが設置された室内を冷房する「冷房運転」と、室内機２ａ，２ｂが設置された室内を暖房する「暖房運転」と、被加熱液体（例えば、水）を加熱してタンク４２に高温の被加熱液体を供給する「給湯運転」と、冷房運転及び給湯運転を行う「冷房給湯運転」と、暖房運転及び給湯運転を行う「暖房給湯運転」と、を行う機能を有している。

また、空調給湯システムＳは、第一冷媒が循環する空調用冷媒回路１０と、第二冷媒が循環する給湯用冷媒回路３０と、被加熱液体が通流する給湯回路４０と、を備えている。

＜空調用冷媒回路＞
以下では、室外機１に対して並列に接続された室内機２ａ，２ｂを総称して、単に「室内機２」と記すことがあるものとする。
空調用冷媒回路１０は、空調用圧縮機１１と、四方弁１２と、室外熱交換器１３と、室外用膨張弁１４と、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａと、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａと、室内機２と、が順次接続された環状回路を備えている。また、空調用圧縮機１１の吸入側には、空調用圧縮機１１での液圧縮を防止するために第一冷媒を気液分離するアキュムレータ１９が設置されている。また、内部熱交換器１５の二次側に流入する手前側で第一冷媒を減圧するように、内部熱交換器用膨張弁１６が設置されている。

空調用圧縮機１１は、第一冷媒を圧縮して高温高圧にする圧縮機である。空調用圧縮機１１として、例えば、ロータリ式、スクロール式、レシプロ式の圧縮機を用いることができる。
四方弁１２は、冷房運転と暖房運転とで室内熱交換器１８ａ，１８ｂを通流する第一冷媒の向きを切り替える。すなわち、四方弁１２の切り替えによって、冷房運転時には空調用膨張弁１７ａ，１７ｂで膨張した低温低圧の第一冷媒が、室内熱交換器１８ａ，１８ｂに流入するようになっている。また、暖房運転時には、空調用圧縮機１１で圧縮された高温高圧の第一冷媒が、室内熱交換器１８ａ，１８ｂに流入するようになっている。

室外熱交換器１３（空調熱源側熱交換器）は、四方弁１２を介して空調用圧縮機１１の吐出側に接続され、室外ファン１３ｆから送られてくる空気（室外空気）と第一冷媒との熱交換を行う熱交換器である。
室外用膨張弁１４（第一膨張弁）は、室外熱交換器１３と中間熱交換器２１との間に介在し、給湯運転モード及び暖房運転モードにおいて第一冷媒を減圧する減圧装置として機能する。
中間熱交換器２１は、一次側伝熱管２１ａを通流する第一冷媒と、二次側伝熱管２１ｂを通流する第二冷媒との熱交換を行う熱交換器である。

内部熱交換器１５は、一次側（室内用膨張弁１７ａ，１７ｂに接続されている側）を通流する第一冷媒と、二次側（内部熱交換器用膨張弁１６に接続されている側）を通流する第一冷媒との熱交換を行う熱交換器である。
すなわち、内部熱交換器１５は、前記した環状回路の一部分を構成する一次側伝熱管１５ａと、内部熱交換器用膨張弁１６を介して前記環状回路から分岐する配管Ｐに接続される二次側伝熱管１５ｂと、を有する。
ちなみに、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂは、一端が内部熱交換器用膨張弁１６に接続され、他端が四方弁１２とアキュムレータ１９とをつなぐ配管に接続されている。

内部熱交換器用膨張弁１６（減圧装置）は、運転モードに応じて配管Ｐから流入する第一冷媒を減圧し、減圧された第一冷媒を内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに向けて流出する。これによって、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する第一冷媒を冷却するようになっている。

室内用膨張弁１７ａ，１７ｂ（第二膨張弁）は、内部熱交換器１５と室内熱交換器１８ａ，１８ｂとの間に介在し、冷房運転モード及び暖房運転モードにおいて第一冷媒を減圧する減圧装置として機能する。
室内熱交換器１８ａ，１８ｂ（空調利用側熱交換器）は、四方弁１２を介して空調用圧縮機１１の吐出側に接続され、室内ファン１８ｆから送られてくる空気（室内空気）と第一冷媒との熱交換を行う熱交換器である。

図１に示すように、室内機２ａを構成する室内用膨張弁１７ａと室内熱交換器１８ａとが直列に接続され、室内機２ｂを構成する室内用膨張弁１７ｂと室内熱交換器１８ｂとが直列に接続されている。そして、室内機２ａと室内機２ｂとが並列に接続されている。なお、記載において、室内用膨張弁１７ａ，１７ｂを単に「室内用膨張弁１７」と記し、室内熱交換器１８ａ，１８ｂを単に「室内熱交換器１８」と記すことがあるものとする。

なお、第一冷媒として、HFC、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒（例えば、CO₂冷媒）などを用いることができる。

＜給湯用冷媒回路＞
給湯ユニット３に設けられた給湯用冷媒回路３０は、給湯用圧縮機３１と、給湯用熱交換器３２の一次側伝熱管３２ａと、給湯用膨張弁３３と、中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂとが環状に配管で接続されている。

給湯用圧縮機３１は、第二冷媒を圧縮して高温高圧にする圧縮機である。
給湯用熱交換器３２は、一次側伝熱管３２ａを通流する第二冷媒と、二次側伝熱管３２ｂを通流する被加熱液体との熱交換を行う熱交換器である。
給湯用膨張弁３３は、第二冷媒を減圧する減圧装置として機能する。
第二冷媒として、HFC、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒（例えば、ＣＯ_２冷媒）などを用いることができる。なお、第二冷媒は第一冷媒よりも高い臨界点（温度、圧力）を有する冷媒を使用することが好ましい。

＜給湯回路＞
給湯回路４０は、給湯用ポンプ４１と、給湯用熱交換器３２の二次側伝熱管３２ｂと、タンク４２と、を環状に配管で接続して構成されている。
給湯用ポンプ４１は、タンク４２から被加熱液体を汲み上げ、給湯用熱交換器３２の二次側伝熱管３２ｂに向けて圧送するポンプである。
タンク４２は、被加熱液体を貯留するものであり、断熱材（図示せず）で覆われている。前記したように、被加熱液体として、例えば水を用いることができる。

また、給湯タンクユニット４は、給水金具４３と、給湯金具４５と、三方弁４４，４６と、を備えている。
給水金具４３は、一端が三方弁４４に接続され、他端が給水端末（図示せず）に接続されている。そして、使用者が給湯端末（図示せず）を開操作した場合に、給水源からの圧力によって、給水金具４３を介してタンク４２の下部に被加熱液体（水）が流入するようになっている。

三方弁４４，４６は、通流する被加熱液体の流量比率を調整可能に構成され、配管４７ａを介して相互に接続されている。そして、各三方弁４４，４６の開度に応じた流量の被加熱液体（水）を、配管４７ａを介して流入させることにより、タンク４２から供給される高温の被加熱液体を適度な温度に調整するようになっている。
給湯金具４５は、一端が三方弁４６に接続され、他端が給湯端末（図示せず）に接続されている。そして、使用者が給湯端末を開操作することにより、温度調整がされた被加熱液体（湯）が給湯金具４５を介して給湯端末に供給されるようになっている。

＜制御装置５０＞
また、空調給湯システムＳは、制御装置５０を備えている。
制御装置５０は、空調給湯システムの運転モードを決定し、決定した運転モードに従って各種弁（四方弁１２、室外用膨張弁１４、内部熱交換器用膨張弁１６、室内用膨張弁１７、給湯用膨張弁３３）の状態（開度）、圧縮機（空調用圧縮機１１、給湯用圧縮機３１）の回転速度、各熱交換器のファン（室外ファン１３ｆ、室内ファン１８ｆ）の回転速度、及び給湯用ポンプ４１の回転速度を制御して、空調給湯システムＳの各種運転を制御する機能を有している。

（各運転モードの制御）
次に、制御装置５０が実行する空調給湯システムＳの各運転モードについて説明する。
なお、以下に説明する各系統図において、第一冷媒、第二冷媒、被加熱液体のそれぞれが通流している配管を太線で図示し、流れる向きを矢印で図示することとする。また、各種弁（室外用膨張弁１４、内部熱交換器用膨張弁１６、室内用膨張弁１７、給湯用膨張弁３３）について、通流を閉止しているものを黒塗りで図示するものとする。

（１．給湯運転モード）
図２は、給湯運転モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。このモードにおいて、室内ファン１８ｆは停止している。
制御装置５０は、四方弁１２の切替手段（図示せず）が給湯運転の位置となるように制御する。すなわち、制御装置５０は、空調用圧縮機１１の吐出側と室内熱交換器１８とが接続され、アキュムレータ１９と室外熱交換器１３とが接続されるように、四方弁１２の切替手段（図示せず）を制御する。また、制御装置５０は、内部熱交換器用膨張弁１６を全閉とし、室内用膨張弁１７を全開とし、室外用膨張弁１４の開度（絞り）を制御する。さらに、制御装置５０は、空調用圧縮機１１及び給湯用圧縮機３１、及び室外ファン１３ｆの回転速度を制御する。

このモードにおける空調用冷媒回路１０について説明する。
空調用圧縮機１１から吐出された高温高圧の第一冷媒は、四方弁１２、室内熱交換器１８、室内用膨張弁１７、及び内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通過し、凝縮器として機能する中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。ちなみに、給湯運転モードでは室内ファン１８ｆを停止させているため、室内熱交換器１８を通流する第一冷媒と室内空気との熱交換はほとんど行われない。
中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａを通流する高温高圧の第一冷媒は、中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂを通流する第二冷媒と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。

中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａから流出した中温高圧の第一冷媒は、室外用膨張弁１４で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり、蒸発器として機能する室外熱交換器１３に流入する。室外熱交換器１３を通流する第一冷媒は、室外ファン１３ｆにより送られてくる空気（室外空気）と熱交換することにより、前記空気から熱を汲み上げる（吸熱する）。そして、吸熱した第一冷媒は、室外熱交換器１３から四方弁１２及びアキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する。

次に、給湯用冷媒回路３０について説明する。
給湯用圧縮機３１から吐出された高温高圧の第二冷媒は、凝縮器として機能する給湯用熱交換器３２の一次側伝熱管３２ａに流入する。給湯用熱交換器３２の一次側伝熱管３２ａを通流する第二冷媒は、二次側伝熱管３２ｂを通流する被加熱液体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第二冷媒となる。
給湯用熱交換器３２の一次側伝熱管３２ａから流出した中温高圧の第二冷媒は、給湯用膨張弁３３で減圧され、低温低圧の第二冷媒となる。

そして、低温低圧の第二冷媒は、蒸発器として機能する中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂに流入する。中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂを通流する第二冷媒は、一次側伝熱管２１ａを通流する高温高圧の第一冷媒と熱交換することにより、第一冷媒から熱を汲み上げる（吸熱する）。さらに、吸熱した第二冷媒は、中間熱交換器２１から給湯用圧縮機３１に還流する。

次に、給湯回路４０について説明する。制御装置５０は、給湯用ポンプ４１の回転速度を制御する。
給湯用ポンプ４１を駆動することにより、タンク４２の下部から流出した被加熱液体は、給湯用熱交換器３２の二次側伝熱管３２ｂに流入する。給湯用熱交換器３２の二次側伝熱管３２ｂを通流する被加熱液体は、一次側伝熱管３２ａを通流する第二冷媒と熱交換することにより吸熱し、高温の被加熱液体となる。そして、給湯用熱交換器３２の二次側伝熱管３２ｂから流出した高温の被加熱液体は、給湯用ポンプ４１によりタンク４２の上部に圧送され、タンク４２内に貯留される。

（２．冷房運転（通常）モード）
図３は、冷房運転（通常）モードにおける冷媒の流れを示す系統図である。このモードにおいて、給湯用冷媒回路３０及び給湯回路４０は停止している。
制御装置５０は、四方弁１２の切替手段（図示せず）が冷房運転の位置となるように制御する。すなわち、制御装置５０は、空調用圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器１３とが接続され、アキュムレータ１９と室内熱交換器１８とが接続されるように、四方弁１２の切替手段（図示せず）を制御する。

また、制御装置５０は、室外用膨張弁１４の絞りを全開とし、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに適切な量の第一冷媒が流通するように、内部熱交換器用膨張弁１６の絞り(開度)を制御する。また、制御装置５０は、室内（被空調空間）で発生する空調負荷に応じた量の第一冷媒が室内熱交換器１８に通流するように室内用膨張弁１７の開度（絞り）を制御する。
さらに、制御装置５０は、空調用圧縮機１１、室内ファン１８ｆ、及び室外ファン１３ｆの回転速度を制御する。

以下では、図５に示す圧力-比エンタルピ線図を参照しながら、空調用冷媒回路１０を通流する第一冷媒の状態について説明する。
なお、図５に示す圧力−比エンタルピ線図において、縦軸は絶対圧力（kPa）を示し、横軸は比エンタルピ（kJ/kg）を示している。また、第一冷媒は、飽和液線及び飽和蒸気線で囲まれた部分で気液二相状態であり、飽和液線の左側で液体状態であり、飽和蒸気線の右側では気体状態となっている。なお、他の圧力−比エンタルピ線図についても同様である。
また、以下の説明において、かっこ内の符号は、図５に示すＡ〜Ｆの状態に対応している。また、符号Ｗは、空調用圧縮機１１によって与えられるエンタルピを示している。

空調用圧縮機１１から吐出された高温高圧の第一冷媒（Ａ）は、四方弁１２を介して、凝縮器として機能する室外熱交換器１３に流入する（Ｂ）。室外熱交換器１３を通流する高温高圧の第一冷媒は、室外ファン１３ｆにより送られてくる空気（室外空気）と熱交換することにより前記空気に放熱（排熱）し、中温高圧の第一冷媒となる（Ｃ１）。

室外熱交換器１３から流出した中温高圧の第一冷媒は、室外用膨張弁１４を通過し、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。ここで、中間熱交換器２１の周囲温度は室外温度程度であるため、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａを通流する第一冷媒は室外空気と熱交換して放熱し、冷却される（Ｃ２）。
そして、中間熱交換器２１から流出した第一冷媒は、分岐点Ｑで配管Ｐ１と配管Ｐ２に分流する。なお、配管Ｐ２に分流する第一冷媒の量が、分岐点Ｑに流入する第一冷媒の量の３〜５％となるように、内部熱交換器用膨張弁１６の開度（絞り）が制御される。

配管Ｐ２から内部熱交換器用膨張弁１６に流入した第一冷媒は、この内部熱交換器用膨張弁１６で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに流入する。内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂを通流する第一冷媒は、一次側伝熱管１５ａを通流する中温高圧の第一冷媒と熱交換して吸熱し（Ｅ）、配管Ｌに流入する。そして、配管Ｌに流入した第一冷媒は、室内熱交換器１８から流入する第一冷媒と合流し、アキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する。

一方、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する中温高圧の第一冷媒は、前記した二次側伝熱管１５ｂを通流する低温低圧の第一冷媒と熱交換することによってさらに冷却される（Ｃ３）。この結果、一次側伝熱管１５ａから流出する第一冷媒のエンタルピをより小さくし、冷房利用熱を大きくすることができる。つまり、蒸発器で流通する冷媒量を低減させ、蒸発器として機能する室内熱交換器１８での圧力損失を低減できるため、空調用冷媒回路１０において効率良く第一冷媒を循環させることができる。

そして、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａから流出した第一冷媒は、室内用膨張弁１７で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり（Ｄ）、室内熱交換器１８に流入する。
室内熱交換器１８を通流する第一冷媒は、室内ファン１８ｆから送られてくる空気（室内空気）と熱交換することにより前記空気から吸熱し（Ｆ）、四方弁１２及びアキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する（Ｇ）。

（３．冷房運転（排熱）モード）
図４は、冷房運転（排熱）モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
制御装置５０は、四方弁１２の切替手段（図示せず）が冷房運転の位置となるように制御する。また、制御装置５０は、室外用膨張弁１４の絞りを全開とし、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに適切な量の第一冷媒が流通するように、内部熱交換器用膨張弁１６の絞り(開度)を制御する。また、制御装置５０は、室内（被空調空間）で発生する空調負荷に応じた量の第一冷媒が室内熱交換器１８に通流するように室内膨張弁の開度（絞り）を制御する。さらに、制御装置５０は、空調用圧縮機１１、室内ファン１８ｆ、及び室外ファン１３ｆの回転速度を制御する。
また、制御装置５０は、給湯負荷に適した冷媒量が流通するように、給湯用圧縮機３１の回転速度、及び給湯用膨張弁３３の絞り（開度）を制御する。また、制御装置５０は、給湯回路４０内を流動する被加熱液体（水）の循環量を適切とするように給湯用ポンプ４１の回転速度を制御する。

以下、図４及び図５を用いて空調用冷媒回路１０の動作を説明する。なお、給湯用冷媒回路３０及び給湯回路４０の動作は、前記した給湯運転モードの場合と同様であるため、説明を省略する。

空調用圧縮機１１から吐出された高温高圧の第一冷媒（Ａ）は、四方弁１２を介して、凝縮器として機能する室外熱交換器１３に流入する（Ｂ）。室外熱交換器１３を通流する高温高圧の第一冷媒は、室外ファン１３ｆにより送られてくる空気（室外空気）と熱交換することにより前記空気に放熱（排熱）し、中温高圧の第一冷媒となる（Ｃ１）。

室外熱交換器１３から流出した中温高圧の第一冷媒は、室外用膨張弁１４を通過し、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。ここで、中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂは蒸発器として作用するため、一次側伝熱管２１ａを通流する第一冷媒は二次側伝熱管２１ｂを通流する第二冷媒に放熱し、冷却される（Ｃ２）。これによって、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａから流出する第一冷媒を充分低い温度とすることができる。
そして、中間熱交換器２１から流出した第一冷媒は、分岐点Ｑで配管Ｐ１と配管Ｐ２に分流する。

配管Ｐ２から内部熱交換器用膨張弁１６に流入した第一冷媒は、この内部熱交換器用膨張弁１６で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに流入する。内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂを通流する第一冷媒は、一次側伝熱管１５ａを通流する中温高圧の第一冷媒と熱交換して吸熱し（Ｅ）、配管Ｌに流入する。そして、配管Ｌに流入した第一冷媒は、室内熱交換器１８から流入する第一冷媒と合流し、アキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する。

一方、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する中温高圧の第一冷媒は、前記した二次側伝熱管１５ｂを通流する低温低圧の第一冷媒と熱交換することによってさらに冷却される（Ｃ３）。そして、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａから流出した第一冷媒は、室内用膨張弁１７で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり（Ｄ）、室内熱交換器１８に流入する。
室内熱交換器１８を通流する第一冷媒は、室内ファン１８ｆから送られてくる空気（室内空気）と熱交換することにより前記空気から吸熱し（Ｆ）、四方弁１２及びアキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する（Ｇ）。

このように、空調用冷媒回路１０を循環する第一冷媒は、室外熱交換器１３で冷却され、さらに、中間熱交換器２１、及び内部熱交換器１５において冷却される。したがって、蒸発器と機能する室内熱交換器１８で利用できるエンタルピ差が増大するため、室内熱交換器１８を通流する第一冷媒の量を低減することができる。これによって、蒸発器として機能する室内熱交換器１８で生じる圧力損失が低減されるため、空調用冷媒回路１０の効率を改善することができる。
ちなみに、冷房運転（排熱）モードは、給湯用冷媒回路３０での冷温排熱を中間熱交換器２１で活用できるため、前記した冷房運転（通常）モードよりも中間熱交換器２１の冷却量を増加させるができる。したがって、空調用冷媒回路１０の効率をさらに改善することができる。

（４．暖房運転（通常）モード）
図６は、暖房運転（通常）モードにおける冷媒の流れを示す系統図である。このモードにおいて、給湯用冷媒回路３０及び給湯回路４０は停止している。
制御装置５０は、四方弁１２の切替手段（図示せず）が暖房運転の位置となるように制御する。すなわち、制御装置５０は、空調用圧縮機１１の吐出側と室内熱交換器１８とが接続され、アキュムレータ１９の吸入側と室外熱交換器１３とが接続されるように、四方弁１２の切替手段（図示せず）を制御する。

また、制御装置５０は、室内（被空調空間）で発生する空調負荷に応じた量の第一冷媒が空調用冷媒回路１０を循環するように、室内用膨張弁１７及び室外用膨張弁１４の開度（絞り）を制御する。また、制御装置５０は、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに適切な量の第一冷媒が流通するように、内部熱交換器用膨張弁１６の絞り(開度)を制御する。
さらに、制御装置５０は、空調用圧縮機１１、室内ファン１８ｆ、及び室外ファン１３ｆの回転速度を制御する。

以下、図６及び図７を用いて空調用冷媒回路１０の動作を説明する。
空調用圧縮機１１から吐出された高温高圧の第一冷媒（Ａ）は、四方弁１２を介して、凝縮器として機能する室内熱交換器１８に流入する（Ｂ）。室内熱交換器１８を通流する高温高圧の第一冷媒は、室内ファン１８ｆにより送られてくる空気（室内空気）と熱交換することにより前記空気に放熱（排熱）し、中温高圧の第一冷媒となる（Ｃ１）。

室外熱交換器１３のから流出した中温高圧の第一冷媒は、室内用膨張弁１７を通過し（Ｃ２）、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。なお、室内用膨張弁１７の開度（絞り）は全開に近い状態となっており、室内用膨張弁１７ではほとんど減圧されない（図７のＣ１→Ｃ２参照）。これによって、室内用膨張弁１７から流出する第一冷媒が気液二相状態となることを防止し、内部熱交換器１５及び中間熱交換器２１で生じる圧力損失を低減でき、圧力損失によって生ずる温度低下を抑制できる。

室内用膨張弁１７を通過した中温高圧の第一冷媒は、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａに流入する。内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する第一冷媒は、二次側伝熱管１５ｂを通流する低温低圧の第一冷媒と熱交換して冷却される（Ｃ３）。この結果、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する第一冷媒の温度を周囲温度（室外温度）程度まで低下させることができ、中間熱交換器２１で発生する室外空気との熱交換を抑制できる。したがって、空調負荷以上の負荷が空調用冷媒回路１０に加わることを防止し、効率良く空調用冷媒回路１０を運転できる。

そして、内部熱交換器１５から流出した第一冷媒は、分岐点Ｑで配管Ｐ２と配管Ｐ３に分流する。なお、配管Ｐ２に分流する第一冷媒の量が、配管Ｐ１を通流する第一冷媒の量の３〜５％となるように、内部熱交換器用膨張弁１６の開度（絞り）が制御される。
配管Ｐ２から内部熱交換器用膨張弁１６に流入した第一冷媒は、この内部熱交換器用膨張弁１６で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり、内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂに流入する。内部熱交換器１５の二次側伝熱管１５ｂを通流する第一冷媒は、一次側伝熱管１５ａを通流する中温高圧の第一冷媒と熱交換して吸熱して加熱され（Ｅ）、配管Ｌに流入する。

このように、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する第一冷媒が放熱した熱は、二次側伝熱管１５ｂを通流する第一冷媒が吸熱することによって、空調用冷媒回路１０内で再回収できる。
そして、配管Ｌに流入した第一冷媒は、室外熱交換器１３から流入する第一冷媒と合流し、アキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する。

一方、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａから流出した第一冷媒は、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。前記したように、中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂ内の第二冷媒は、周囲温度（室外温度）程度まで低下している。したがって、中間熱交換器２１において熱交換はほとんど生じない。
中間熱交換器２１から流出した第一冷媒は、室外用膨張弁１４で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり（Ｄ）、蒸発器として機能する室外熱交換器１３に流入する。室外熱交換器１３を通流する第一冷媒は、室外ファン１３ｆにより送られてくる空気（室外空気）と熱交換することにより前記空気から吸熱し（Ｆ）、四方弁１２及びアキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する（Ｇ）。

以上のような動作によって、空調用冷媒回路１０を循環する第一冷媒は、中間熱交換器２１で生じる室外空気への放熱を低減し、空調負荷以上の負荷が空調用冷媒回路１０に加わることを防止できる。したがって、内部熱交換器１５で熱を再回収した場合、蒸発器（室外熱交換器１３）で要求される吸熱量を減少させることができる。この結果、第一冷媒の蒸発器の蒸発圧力Ｐｅ２を、熱回収を行わない場合の蒸発圧力Ｐｅ１よりも高くすることができ、空調用冷媒回路１０の効率が改善する。

（５．暖房運転（排熱）モード）
図８は、暖房運転（排熱）モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
制御装置５０は、四方弁１２の切替手段（図示せず）が暖房運転の位置となるように制御する。また、制御装置５０は、室内（被空調空間）で発生する空調負荷に応じた量の第一冷媒が空調用冷媒回路１０を循環するように、室内用膨張弁１７及び室外用膨張弁１４の開度を制御する。また、制御装置５０は、内部熱交換器用膨張弁１６の絞りを全閉とする。これによって、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａを通流する第一冷媒から、二次側伝熱管２１ｂを通流する第二冷媒に温熱を供給でき、給湯用冷媒回路３０の熱源として利用することができる。
さらに、制御装置５０は、空調用圧縮機１１、室内ファン１８ｆ、及び室外ファン１３ｆの回転速度を制御する。

また、制御装置５０は、給湯負荷に適した冷媒量が流通するように、給湯用圧縮機３１の回転速度、及び給湯用膨張弁３３の絞り（開度）を制御する。また、制御装置５０は、給湯回路４０内を流動する被加熱液体（水）の循環量を適切となるように給湯用ポンプ４１の回転速度を制御する。

以下、図８及び図９を用いて空調用冷媒回路１０の動作を説明する。なお、給湯用冷媒回路３０及び給湯回路４０の動作は、前記した給湯運転モードの場合と同様であるため、説明を省略する。

空調用圧縮機１１から吐出された高温高圧の第一冷媒（Ａ）は、四方弁１２を介して、凝縮器として機能する室内熱交換器１８に流入する（Ｂ）。室内熱交換器１８を通流する高温高圧の第一冷媒は、室内ファン１８ｆにより送られてくる空気（室内空気）と熱交換することにより前記空気に放熱（排熱）し、中温高圧の第一冷媒となる（Ｃ１）。

室外熱交換器１３のから流出した中温高圧の第一冷媒は、室内用膨張弁１７及び内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通過し、中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。なお、室内用膨張弁１７の開度（絞り）は全開に近い状態となっており、室内膨張弁ではほとんど減圧されない。
また、内部熱交換器用膨張弁１６の開度は全閉となっているため、内部熱交換器１５においては第一冷媒が熱交換されることはない。

中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａを通流する中温高圧の第一冷媒は、中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂを通流する第二冷媒と熱交換し、放熱する（Ｃ２）。中間熱交換器２１から流出した第一冷媒は、室外用膨張弁１４で減圧されて低温低圧の第一冷媒となり（Ｄ）、室外熱交換器１３に流入する。
室外熱交換器１３を通流する第一冷媒は、室外ファン１３ｆにより送られてくる空気（室外空気）と熱交換することにより前記空気から吸熱し（Ｅ）、四方弁１２及びアキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１に還流する（Ｆ）。

＜効果＞
本実施形態に係る空調給湯システムＳによれば、冷房運転時において、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通流する第一冷媒を、二次側伝熱管１５ｂを通流する低温低圧の第一冷媒により冷却する。したがって、蒸発器として機能する室内熱交換器１８での圧力損失を低減できるため、空調給湯システムＳ全体の運転効率を向上することができる。

また、暖房運転（通常）モードでは、第一冷媒が中間熱交換器２１に流入する前に、内部熱交換器１５で冷却する。したがって、中間熱交換器２１で生じる室外空気への放熱を低減し、空調負荷以上の負荷が空調用冷媒回路１０に加わることを防止できる。また、内部熱交換器１５では、一次側伝熱管１５ａを通流する第一冷媒が放熱した熱を、二次側伝熱管１５ｂを通流する第一冷媒が吸熱することによって、空調用冷媒回路１０内で再回収できる。
このように、給湯側冷凍サイクルが非稼働時においても、中間熱交換器２１で発生する余剰負荷を抑制し、冷房・暖房のいずれの運転においても空調給湯システムＳ全体の効率を向上することができる。

また、暖房運転（排熱）モードでは、内部熱交換器用膨張弁１６を全閉とすることで、内部熱交換器１５で熱交換が起こらないようにすることで、中間熱交換器２１に高温の第一冷媒を通流させ、第二冷媒と熱交換させる。したがって、空調給湯システムＳ全体の効率を向上することができる。

図１１に、従来技術（例えば、特許文献１）に係る空調給湯システムを用いた場合の、暖房運転時における冷媒の状態を示す圧力-比エンタルピ線図を示す。
図１１に示すように、空調用圧縮機を吐出した第一冷媒は（Ａ）、室内熱交換器に流入する（Ｂ）。そして、第一冷媒は、室内熱交換器において室内空気と熱交換し（Ｃ１）、中間熱交換器に流入する。前記したように、通常、中間熱交換器は室外機に設置されているため、室外空気と熱的に接触している。そうすると、中間熱交換器において第一冷媒は、室外に放熱することとなる（Ｃ２）。したがって、図１１に示す（Ｃ１）−（Ｃ２）での放熱分だけ、蒸発器として機能する室外熱交換器に要求される加熱量が増加する。この結果、第一冷媒の蒸発圧力がＰｅ１からＰｅ２に低下するとともに、空調用圧縮機の仕事量がＷ１からＷ２に低下する。したがって、空調給湯システム全体の効率が低下してしまう。

これに対して、本実施形態では、前記したように、冷房・暖房のいずれの場合でも空調給湯システムＳ全体の効率を向上することができる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、第１実施形態と比較してバイパス配管Ｕ、二方弁６１，６２，６３（開閉手段）が設置されている点が異なるが、その他の構成は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る空調給湯システムＳ１において、給湯運転モードにおける冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
図１０に示すバイパス配管Ｕは、内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａと室内用膨張弁１７とをつなぐ配管と、空調用圧縮機１１の吐出側の配管と、を接続する配管である。バイパス配管Ｕの一端は、空調用圧縮機１１の吐出側と二方弁６１とをつなぐ配管に接続され（符号Ｔ参照）、他端は内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａと二方弁６３とをつなぐ配管に接続されている（符号Ｖ参照）。

また、空調用冷媒回路１０において空調用圧縮機１１の吐出側と四方弁１２との間に二方弁６１が設けられ、バイパス配管Ｕの途中に二方弁６２が設けられている。また、内部熱交換器１５を構成する一次側伝熱管１５ａと、室内用膨張弁１７との間に二方弁６３が設けられている。
すなわち、二方弁６１，６２，６３は、給湯運転モードにおいて、空調用圧縮機１１から流出する第一冷媒を、バイパス配管Ｕを介して内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａに流入させるための「開閉手段」となっている。

制御装置５０は、四方弁１２の切替手段（図示せず）が給湯運転の位置となるように制御する。また、制御装置５０は、内部熱交換器用膨張弁１６を全閉とし、室内用膨張弁１７を全開とし、室外用膨張弁１４の開度（絞り）を制御する。
また、制御装置５０は、二方弁６１，６３を閉状態にするとともに、二方弁６２を開状態とする。これによって、空調用圧縮機１１から吐出される高温高圧の第一冷媒が室内熱交換器１８に流入することを防止できる。
さらに、制御装置５０は、空調用圧縮機１１及び給湯用圧縮機３１、及び室外ファン１３ｆの回転速度を制御する。なお、給湯運転モードにおいて制御装置５０は、室内ファン１８ｆを停止させている。

このモードにおける空調用冷媒回路１０について説明する。なお、給湯用冷媒回路３０及び給湯回路４０の動作は、前記した給湯運転モードの場合と同様であるため、説明を省略する。
空調用圧縮機１１から吐出された高温高圧の第一冷媒は、二方弁、及び内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａを通過し、凝縮器として機能する中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａに流入する。
中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａを通流する高温高圧の第一冷媒は、中間熱交換器２１の二次側伝熱管２１ｂを通流する被加熱液体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。

中間熱交換器２１の一次側伝熱管２１ａから流出した中温高圧の第一冷媒は、室外用膨張弁１４で減圧され、低温低圧の第一冷媒となる。
そして、低温低圧の第一冷媒は、蒸発器として機能する室外熱交換器１３に流入する。室外熱交換器１３を通流する第一冷媒は、室外ファン１３ｆにより送られてくる空気（室外空気）と熱交換することにより、前記空気から熱を汲み上げる（吸熱する）。そして、吸熱した第一冷媒は、室外熱交換器１３から四方弁１２及びアキュムレータ１９を介して空調用圧縮機１１へと還流する。

なお、その他の運転モード（冷房運転（通常）モード、冷房運転（排熱）モード、暖房運転（通常）モード、及び暖房運転（排熱）モード）を実行する際、制御装置５０は、二方弁６１，６３を全開とし、二方弁６２を全閉とする。
この場合の制御については第１実施形態と同様であるから、説明を省略する。

＜効果＞
図１０に示すバイパス配管Ｕ及び二方弁６１，６２，６３を設置することによって、給湯運転時において室内熱交換器１８に第一冷媒が流入しなくなる。つまり、室内熱交換器１８での不要な熱交換が発生せず、中間熱交換器２１において第二冷媒と、高温の第一冷媒とをさらに効率良く熱交換することができる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る給湯空調システムについて各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、室外機１と、給湯ユニット３と、給湯タンクユニット４とを別体の構成として説明したが、これに限らない。すなわち、これらの構成をヒートポンプユニットとして一体化してもよい。

また、前記各実施形態では、内部熱交換器用膨張弁１６（減圧装置）によって第一冷媒を減圧する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、内部熱交換器用膨張弁１６に代えて、キャピラリチューブなどを用いてもよい。
また、前記各実施形態では、室内機を２台設置する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、室内機は１台であってもよいし、３台以上であってもよい。なお、複数台の室内機を設置する場合には、それぞれの室内機を互いに並列接続する。
また、前記第２実施形態において、空調用圧縮機１１から流出する第一冷媒を、バイパス配管Ｕを介して内部熱交換器１５の一次側伝熱管１５ａに流入させるための「開閉手段」として二方弁６１，６２，６３を用いたが、これに限らない。すなわち、二方弁に代えて、前記「開閉手段」の作用を実現するための三方弁を設置してもよい。

Ｓ，Ｓ１ 空調給湯システム
１ 室外機
１０ 空調用冷媒回路
１１ 空調用圧縮機
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器（空調熱源側熱交換器）
１４ 室外用膨張弁（第一膨張弁）
１５ 内部熱交換器
１６ 内部熱交換器用膨張弁（減圧装置）
１７ａ，１７ｂ 室内用膨張弁（第二膨張弁）
１８ａ，１８ｂ 室内熱交換器（空調利用側熱交換器）
１９ アキュムレータ
２ａ，２ｂ 室内機
２１ 中間熱交換器
３０ 給湯用冷媒回路
４０ 給湯回路
５０ 制御装置
６１，６２，６３ 二方弁（開閉手段）
Ｕ バイパス配管

Claims (5)

1. 第一冷媒が循環する空調用冷媒回路と、第二冷媒が循環する給湯用冷媒回路と、制御装置と、を備える空調給湯システムにおいて、
   前記空調用冷媒回路は、
   空調用圧縮機と、四方弁と、空調熱源側熱交換器と、第一膨張弁と、第一冷媒と第二冷媒とを熱交換可能な中間熱交換器と、第一冷媒を冷却可能な内部熱交換器と、第二膨張弁と、空調利用側熱交換器と、が順次接続される環状回路を備え、
   前記内部熱交換器は、
   前記環状回路の一部分を構成する一次側伝熱管と、減圧装置を介して前記環状回路から分岐する分岐配管に接続される二次側伝熱管と、を有し、
   前記分岐配管は、前記二次側伝熱管において吸熱した第一冷媒を前記空調用圧縮機の吸入側に導くように配設され、
   前記制御装置は、
   冷房運転を行う場合、前記空調熱源側熱交換器を凝縮器として機能させ、前記空調利用側熱交換器を蒸発器として機能させるように前記四方弁を制御するとともに、第一冷媒を前記内部熱交換器で冷却し、さらに前記第二膨張弁で減圧してから前記空調利用側熱交換器に流入させ、
   暖房運転を行う場合、前記空調利用側熱交換器を凝縮器として機能させ、前記空調熱源側熱交換器を蒸発器として機能させるように前記四方弁を制御するとともに、第一冷媒を前記第二膨張弁及び前記第一膨張弁で順次減圧してから前記空調熱源側熱交換器に流入させ、
   暖房運転を行い、かつ、給湯運転を行わない暖房運転通常モードを実行する場合、前記第二膨張弁で減圧した第一冷媒を前記内部熱交換器で冷却し、さらに前記第一膨張弁で減圧してから前記空調熱源側熱交換器に流入させること
   を特徴とする空調給湯システム。
2. 前記第二膨張弁と、当該第二膨張弁に直列に接続される前記空調利用側熱交換器と、を含む室内機ユニットを複数備え、
   前記室内機ユニットが並列に接続されること
   を特徴とする請求項１に記載の空調給湯システム。
3. 前記減圧装置は、膨張弁又はキャピラリチューブであること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空調給湯システム。
4. 前記内部熱交換器の一次側伝熱管と前記第二膨張弁とをつなぐ配管と、前記空調用圧縮機の吐出側の配管と、を接続するバイパス配管と、
   給湯運転モードにおいて、前記空調用圧縮機から流出する第一冷媒を、前記バイパス配管を介して前記内部熱交換器の一次側伝熱管に流入させるための開閉手段と、を備えること
   を特徴とする請求項３に記載の空調給湯システム。
5. 前記制御装置は、
   暖房運転で生じる排熱を給湯運転に用いる暖房運転排熱モードにおいて、前記減圧装置による第一冷媒の減圧を行わないこと
   を特徴とする請求項１に記載の空調給湯システム。

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