JP7438397B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、給湯および空調を行う冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、給湯と空調とを同時に行うことができる冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、圧縮機の吐出側に設けられた２つの電磁弁と、四方弁とを用いて冷媒の流れを制御し、給湯冷房運転、冷房運転、暖房運転、または給湯運転を行う冷凍サイクル装置が提案されている。

特許第６１４１４２５号公報

特許文献１の冷凍サイクル装置では、複雑な弁構成により、給湯冷房運転、冷房運転、暖房運転、または給湯運転の切替えを実現している。この場合は、複数の弁が必要となるため、装置のコストが増加するとともに、制御が複雑になるといった課題がある。

本開示は、上記のような課題を解決するためのものであり、給湯、冷房および暖房を実施可能な冷凍サイクル装置において、部品点数を削減し、制御性を向上させることを目的とする。

本開示に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、流路切替弁と、第１熱交換器と、膨張弁と、を備える熱源ユニットと、第２熱交換器を備え、空調を行う空調ユニットと、第３熱交換器を備え、給湯を行う給湯ユニットと、を備え、流路切替弁は、圧縮機の吐出口に接続された第１ポートと、第２熱交換器に接続された第２ポートと、圧縮機の吸入口に接続された第３ポートと、第１熱交換器に接続された第４ポートと、を有し、流路切替弁は、第２ポートと第３ポートとが連通し、第３ポートと第４ポートとが連通し、第１ポートが何れのポートにも連通しない第１状態と、第１ポートと第４ポートとが連通し、第２ポートと第３ポートとが連通する第２状態と、第１ポートと第２ポートとが連通し、第３ポートと第４ポートとが連通する第３状態との何れかに設定されるものである。

本開示の冷凍サイクル装置によれば、圧縮機の吐出口に接続された第１ポートを有し、該第１ポートが何れのポートにも連通しない第１状態を実現できる流路切替弁を備えることで、部品点数が削減されるとともに、制御性を向上させることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の制御ブロック図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷房運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の暖房運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の給湯運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の第１給湯冷房運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の第２給湯冷房運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の第３給湯冷房運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の第１給湯暖房運転の動作を説明する図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の各運転における制御の一覧を示す表である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略または簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさおよび配置等は、本開示の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態１．
（冷凍サイクル装置の構成）
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の概略構成図である。図１に示すように、実施の形態１の冷凍サイクル装置１００は、熱源ユニット１と、空調ユニット２と、給湯ユニット３とからなる。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、空調ユニット２による冷房運転または暖房運転と、給湯ユニット３による給湯運転とを、個別に、または同時に実施することができる。熱源ユニット１と、空調ユニット２と、給湯ユニット３とは、配管および電源線または信号線等の配線によって接続されている。

熱源ユニット１は、空調ユニット２および給湯ユニット３に温熱および冷熱を供給する。熱源ユニット１は、圧縮機１１と、流路切替弁１２と、第１熱交換器１３と、第１ファン１４と、アキュムレータ１５と、第１膨張弁１６と、第２膨張弁１７と、第３膨張弁１８と、開閉弁１９と、制御装置５とを備えている。

空調ユニット２は、居室などの空調対象空間の冷房および暖房を行う。空調ユニット２は、例えば室内機である。空調ユニット２は、第２熱交換器２１と、第２ファン２２と、を備えている。

給湯ユニット３は、水を加熱し、お湯を供給する。給湯ユニット３は、第３熱交換器３１と、貯湯タンク３２と、ポンプ３３と、第４熱交換器３４と、を備えている。

冷凍サイクル装置１００は、空調冷媒回路と、給湯冷媒回路と、熱媒体回路とを備える。空調冷媒回路は、圧縮機１１、流路切替弁１２、第１熱交換器１３、第１膨張弁１６、第２膨張弁１７、第２熱交換器２１、およびアキュムレータ１５が配管により接続されて構成される。給湯冷媒回路は、圧縮機１１と流路切替弁１２との間から分岐した配管と、配管により接続された開閉弁１９、第３熱交換器３１および第３膨張弁１８と、第１膨張弁１６と第２膨張弁１７との間に接続される配管と、によって構成される。熱媒体回路は、ポンプ３３、第３熱交換器３１および第４熱交換器３４が配管により接続されて構成される。

空調冷媒回路および給湯冷媒回路を循環する冷媒は、例えば二酸化炭素、炭化水素またはヘリウム等の自然冷媒、ＨＦＣ４１０ＡまたはＨＦＣ４０７Ｃ等の塩素を含まない冷媒、もしくはＲ２２またはＲ１３４ａ等のフロン系冷媒である。熱媒体回路を循環する熱媒体は、水または不凍液を混合したブライン等である。

圧縮機１１は、低圧のガス冷媒を吸入して圧縮し、高圧のガス冷媒として吐出する流体機械である。圧縮機１１としては、運転周波数を調整可能なインバータ駆動の圧縮機が用いられる。圧縮機１１の運転周波数は、制御装置５によって制御される。圧縮機１１の吐出口に接続されている吐出側配管は、途中で分岐されており、一方が開閉弁１９を介して第３熱交換器３１に、他方が流路切替弁１２に、それぞれ接続されている。また、圧縮機１１の吐出口には、冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサＴ１が設けられている。

流路切替弁１２は、四方弁であり、第１ポートＡ、第２ポートＢ、第３ポートＣおよび第４ポートＤを有している。第１ポートＡは、圧縮機１１の吐出口に接続される。第２ポートＢは、第２熱交換器２１に接続される。第３ポートＣは、アキュムレータ１５を介して圧縮機１１の吸入口に接続される。第４ポートＤは、第１熱交換器１３に接続される。流路切替弁１２は、第１状態、第２状態および第３状態をとり得る。第１状態では、第２ポートＢと第３ポートＣとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通し、第１ポートＡは、何れのポートにも接続されず、閉塞される。第２状態では、第１ポートＡと第４ポートＤとが連通し、第２ポートＢと第３ポートＣとが連通する。第３状態では、第１ポートＡと第２ポートＢとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する。流路切替弁１２の状態は、制御装置５により切り替えられる。

第１熱交換器１３は、内部を流通する冷媒と、第１ファン１４により送風される空気と、の熱交換を行う。第１熱交換器１３は、例えばフィンチューブ式熱交換器である。第１熱交換器１３は、第１膨張弁１６と流路切替弁１２との間に設けられている。第１熱交換器１３は、冷房運転時には凝縮器として機能し、暖房運転時および給湯運転時には蒸発器として機能する。第１熱交換器１３には、第１熱交換器１３を流れる冷媒の温度を検出する第１冷媒温度センサＴ２が設けられている。また、第１熱交換器１３の冷房運転時における冷媒の出口には、第１熱交換器１３から流出した冷媒の温度を検出する第１出口温度センサＴ３が設けられている。

第１ファン１４は、空調対象空間外の空気を吸込み、第１熱交換器１３を通過させて空調対象空間外に吹出す。第１ファン１４は、例えばモータによって駆動されるプロペラファン、シロッコファンまたはクロスフローファンである。第１ファン１４の風量は、制御装置５によって制御される。

アキュムレータ１５は、流入した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒のみを圧縮機１１に吸入させる。アキュムレータ１５によって、運転時の余剰冷媒を貯留するとともに、状態変化時の圧縮機１１への液冷媒吸入を回避することができる。アキュムレータ１５は、圧縮機１１の吸入口と流路切替弁１２との間に設けられている。なお、アキュムレータ１５は、冷凍サイクル装置１００の必須の構成ではなく、省略してもよい。アキュムレータ１５を省略する場合は、圧縮機１１の吸入口と第３ポートＣとが直接接続される。

第１膨張弁１６、第２膨張弁１７および第３膨張弁１８は、冷媒を減圧させる電子膨張弁である。第１膨張弁１６は、冷房運転時における第１熱交換器１３の出口側に設けられている。第２膨張弁１７は、暖房運転時における第２熱交換器２１の出口側に設けられている。第３膨張弁１８は、第１膨張弁１６と第２膨張弁１７とを接続する配管から分岐し、第３熱交換器３１に接続される配管に設けられている。第１膨張弁１６、第２膨張弁１７および第３膨張弁１８の開度は、制御装置５によって制御される。

開閉弁１９は、電磁弁である。開閉弁１９の開閉は、制御装置５によって制御される。開閉弁１９は、圧縮機１１の吐出口と流路切替弁１２の第１ポートＡとを接続する配管から分岐し、第３熱交換器３１に接続される配管に設けられている。開閉弁１９が開の場合は給湯側冷媒回路に冷媒が流れ、開閉弁１９が閉の場合は給湯側冷媒回路に冷媒が流れない。

第２熱交換器２１は、内部を流通する冷媒と、第２ファン２２により送風される空気と、の熱交換を行う。第２熱交換器２１は、例えばフィンチューブ式熱交換器である。第２熱交換器２１は、第２膨張弁１７と流路切替弁１２との間に設けられている。第２熱交換器２１は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。第２熱交換器２１には、第２熱交換器２１を流れる冷媒の温度を検出する第２冷媒温度センサＴ４が設けられている。また、第２熱交換器２１の暖房運転時における冷媒の出口には、第２熱交換器２１から流出した冷媒の温度を検出する第２出口温度センサＴ５が設けられている。

第２ファン２２は、空調対象空間内の空気を吸込み、第２熱交換器２１を通過させて空調対象空間内に吹出す。第２ファン２２は、例えばモータによって駆動されるプロペラファン、シロッコファンまたはクロスフローファンである。第２ファン２２の風量は、制御装置５によって制御される。第２ファン２２によって空気が吹き出される吹出口には、吹出し空気の温度を検出する吹出し温度センサＴ６が設けられ、第２ファン２２によって空気が吸込まれる吸込口には、吸い込まれる室内空気の温度を検出する室内温度センサＴ７が設けられる。

第３熱交換器３１は、内部を流通する冷媒と、ポンプ３３により送られる熱媒体と、の熱交換を行う。第３熱交換器３１は、例えばプレート式熱交換器である。第３熱交換器３１は、開閉弁１９と第３膨張弁１８との間に設けられている。第３熱交換器３１には、第３熱交換器３１を流れる冷媒の温度を検出する第３冷媒温度センサＴ８が設けられている。また、第３熱交換器３１の冷媒の出口には、第３熱交換器３１から流出した冷媒の温度を検出する第３出口温度センサＴ９が設けられている。

貯湯タンク３２は、ステンレスなどの金属または樹脂などで形成される円筒形状のタンクである。貯湯タンク３２の内側には、貯湯タンク３２内のお湯の温度を検出する給湯温度センサＴ１０が設けられている。

ポンプ３３は、熱媒体回路に熱媒体を循環させる。ポンプ３３は、図示しないインバータ回路を備える。ポンプ３３の回転数は、制御装置５によって制御される。

第４熱交換器３４は、貯湯タンク３２内に設置されている。第４熱交換器３４は、貯湯タンク３２内の水と、熱媒体回路を循環する熱媒体と、の熱交換を行う。これにより、貯湯タンク３２内の水が加熱され、お湯が生成される。第４熱交換器３４は、例えばコイル式熱交換器である。

制御装置５は、プロセッサ、ＲＯＭまたはＲＡＭなどのメモリ、およびＩ／Ｏポート等を備えたマイクロコンピュータである。制御装置５は、熱源ユニット１と、空調ユニット２と、給湯ユニット３との動作を制御する。なお、本実施の形態では、熱源ユニット１が制御装置５を備える構成としたが、これに限定されない。例えば、制御装置５は、空調ユニット２または給湯ユニット３に設けられてもよいし、熱源ユニット１、空調ユニット２、給湯ユニット３にそれぞれ個別の制御装置５を設け、互いに通信する構成としてもよい。または、冷凍サイクル装置１００を管理する管理装置に制御装置５を設けてもよい。

図２は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の制御ブロック図である。制御装置５は、リモコン等を介して入力される設定情報と、各温度センサＴ１～Ｔ１０の検出結果とに基づいて冷凍サイクル装置１００全体の動作を制御する。リモコン等を介して入力される設定情報は、例えば実施する運転の設定、冷房設定温度、暖房設定温度、風量設定、および給湯設定温度などである。制御装置５は、設定情報と各温度センサＴ１～Ｔ１０の検出結果とに基づき、圧縮機１１の運転周波数、流路切替弁１２の状態、第１～第３膨張弁１６～１８の開度、開閉弁１９の開閉、各ファン１４、２２の風量、およびポンプ３３の回転数を制御する。

（冷凍サイクル装置の動作）
制御装置５は、冷房運転と、暖房運転と、給湯運転と、給湯冷房運転と、給湯暖房運転とを実施する。冷房運転は、給湯ユニット３における給湯は行わず、空調ユニット２における冷房のみを行う運転である。暖房運転は、給湯ユニット３における給湯は行わず、空調ユニット２における暖房のみを行う運転である。給湯運転は、給湯ユニット３における給湯のみを行い、空調ユニット２における冷房および暖房は行わない運転である。給湯冷房運転は、給湯ユニット３における給湯と、空調ユニット２における冷房とを同時に行う運転である。給湯暖房運転は、給湯ユニット３における給湯と、空調ユニット２における暖房とを同時に行う運転である。

また、制御装置５は、給湯冷房運転として、給湯負荷が大きく、且つ冷房負荷が大きい第１給湯冷房運転と、給湯負荷が大きく、且つ冷房負荷が小さい第２給湯冷房運転と、給湯負荷が小さく、且つ冷房負荷が大きい第３給湯冷房運転と、給湯負荷が小さく、且つ冷房負荷が小さい第４給湯冷房運転と、を実施する。さらに、制御装置５は、給湯暖房運転として、給湯負荷が大きく、且つ暖房負荷が大きい第１給湯暖房運転と、給湯負荷が大きく、且つ暖房負荷が小さい第２給湯暖房運転と、給湯負荷が小さく、且つ暖房負荷が大きい第３給湯暖房運転と、給湯負荷が小さく、且つ暖房負荷が小さい第４給湯暖房運転と、を実施する。

ここで、「給湯負荷が大きい」とは、給湯設定温度から給湯温度センサＴ１０により検出された給湯温度を減算した値ΔＴｗが予め定められた閾値α以上の場合をいい、「給湯負荷が小さい」とは、ΔＴｗが閾値α未満の場合をいう。また、「冷房負荷が大きい」とは、室内温度センサＴ７により検出された室内温度から冷房設定温度を減算した値ΔＴｃが予め定められた閾値β以上の場合をいい、「冷房負荷が小さい」とは、ΔＴｃが閾値β未満の場合をいう。また「暖房負荷が大きい」とは、暖房設定温度から室内温度センサＴ７により検出された室内温度を減算した値ΔＴｈが予め定められた閾値β以上の場合をいい、「暖房負荷が小さい」とは、ΔＴｈが閾値β未満の場合をいう。閾値αおよび閾値βは、例えば５℃である。

冷房運転、暖房運転、給湯運転、第１～第４給湯冷房運転、および第１～第４給湯暖房運転の切替えは、制御装置５により、流路切替弁１２の状態と、第１～第３膨張弁１６～１８の開度と、開閉弁１９の開閉とが制御されることにより実施される。各運転における冷媒の流れおよび各部の制御について以下に説明する。

（冷房運転）
図３は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の冷房運転の動作を説明する図である。図３の矢印は、冷媒が流れる方向を示している。冷房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第４ポートＤとが連通し、第２ポートＢと第３ポートＣとが連通する第２状態とし、第３膨張弁１８と開閉弁１９とを閉とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と第２膨張弁１７の開度とを制御する。また、制御装置５は、空調対象空間における冷房負荷に応じて、圧縮機１１の周波数を制御する。例えば、制御装置５は、冷房負荷が大きい場合は、圧縮機１１の周波数を高くし、冷房負荷が小さい場合は、圧縮機１１の周波数を低くする。

図３に示すように、冷房運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、流路切替弁１２の第１ポートＡから第４ポートＤを経由して、第１熱交換器１３に流入する。冷媒は、第１熱交換器１３にて高温高圧の気体から液体に相変化し、第１熱交換器１３を通過する空気を加熱する。その後、冷媒は第１膨張弁１６および第２膨張弁１７にて減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第２熱交換器２１に流入する。

制御装置５は、第１熱交換器１３の過冷却度が目標の過冷却度となるように第１膨張弁１６の開度を制御する。第１熱交換器１３の過冷却度は、第１冷媒温度センサＴ２によって検出される凝縮温度と、第１出口温度センサＴ３によって検出される出口温度との差から求められる。また、制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第２膨張弁１７の開度を制御する。目標の過冷却度および目標の吐出温度は、冷凍サイクル装置１００の設置条件、仕様および冷房設定温度などに基づき予め設定され、制御装置５に記憶される。

第２熱交換器２１に流入した冷媒は、液体から気体に相変化し、第２熱交換器２１を通過する空気を冷却する。冷却された空気が空調対象空間に吹き出されることにより、空調対象空間が冷房される。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第２ポートＢから第３ポートＣを経由して、アキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。

（暖房運転）
図４は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の暖房運転の動作を説明する図である。図４の矢印は、冷媒が流れる方向を示している。暖房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第２ポートＢとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第３状態とし、第３膨張弁１８と開閉弁１９とを閉とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と第２膨張弁１７の開度とを制御する。また、制御装置５は、空調対象空間における暖房負荷に応じて、圧縮機１１の周波数を制御する。例えば、制御装置５は、暖房負荷が大きい場合は、圧縮機１１の周波数を高くし、暖房負荷が小さい場合は、圧縮機１１の周波数を低くする。

図４に示すように、暖房運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、流路切替弁１２の第１ポートＡから第２ポートＢを経由して、第２熱交換器２１に流入する。冷媒は、第２熱交換器２１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、第２熱交換器２１を通過する空気を加熱する。加熱された空気が空調対象空間に吹き出されることにより、空調対象空間が暖房される。その後、冷媒は第２膨張弁１７および第１膨張弁１６にて減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第１熱交換器１３に流入する。

制御装置５は、第２熱交換器２１の過冷却度が目標の過冷却度となるように第２膨張弁１７の開度を制御する。第２熱交換器２１の過冷却度は、第２冷媒温度センサＴ４によって検出される凝縮温度と、第２出口温度センサＴ５によって検出される出口温度との差から求められる。また、制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第１膨張弁１６の開度を制御する。目標の過冷却度および目標の吐出温度は、冷凍サイクル装置１００の設置条件、仕様および暖房設定温度などに基づき予め設定され、制御装置５に記憶される。

第１熱交換器１３に流入した冷媒は、液体から気体に相変化し、第１熱交換器１３を通過する空気を冷却する。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第４ポートＤから第３ポートＣを経由して、アキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。

（給湯運転）
図５は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の給湯運転の動作を説明する図である。図５の矢印は、冷媒が流れる方向を示している。給湯運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第２ポートＢと第３ポートＣとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第１状態とし、第２膨張弁１７を閉とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と第３膨張弁１８の開度とを制御する。また、制御装置５は、給湯負荷に応じて、圧縮機１１の周波数を制御する。例えば、制御装置５は、給湯負荷が大きい場合は、圧縮機１１の周波数を高くし、給湯負荷が小さい場合は、圧縮機１１の周波数を低くする。

図５に示すように、給湯運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、開閉弁１９を通って第３熱交換器３１に流入する。冷媒は、第３熱交換器３１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、熱媒体回路を流れる熱媒体を加熱する。第３熱交換器３１によって加熱された熱媒体は、第４熱交換器３４に流入し、貯湯タンク３２内の水を加熱する。これにより、お湯を供給することができる。第３熱交換器３１を流出した冷媒は、第３膨張弁１８および第１膨張弁１６にて減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第１熱交換器１３に流入する。

制御装置５は、第３熱交換器３１の過冷却度が目標の過冷却度となるように第３膨張弁１８の開度を制御する。第３熱交換器３１の過冷却度は、第３冷媒温度センサＴ８によって検出される凝縮温度と、第３出口温度センサＴ９によって検出される出口温度との差から求められる。また、制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第１膨張弁１６の開度を制御する。目標の過冷却度および目標の吐出温度は、冷凍サイクル装置１００の設置条件、仕様および給湯設定温度などに基づき予め設定され、制御装置５に記憶される。

第１熱交換器１３に流入した冷媒は、液体から気体に相変化し、第１熱交換器１３を通過する空気を冷却する。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第４ポートＤから第３ポートＣを経由して、アキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。

（第１給湯冷房運転）
図６は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の第１給湯冷房運転の動作を説明する図である。図６の矢印は、冷媒が流れる方向を示している。第１給湯冷房運転は、給湯と冷房とを同時に行う給湯冷房運転において、給湯負荷が大きく、且つ冷房負荷が大きい場合に実施される運転である。第１給湯冷房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第２ポートＢと第３ポートＣとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第１状態とし、第１膨張弁１６と閉とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度とを制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を高く設定する。

図６に示すように、第１給湯冷房運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、開閉弁１９を通って第３熱交換器３１に流入する。冷媒は、第３熱交換器３１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、熱媒体回路を流れる熱媒体を加熱する。第３熱交換器３１によって加熱された熱媒体は、第４熱交換器３４に流入し、貯湯タンク３２内の水を加熱する。これにより、お湯を供給することができる。第３熱交換器３１を流出した冷媒は、第３膨張弁１８および第２膨張弁１７にて減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第２熱交換器２１に流入する。

制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第２膨張弁１７の開度を制御する。また、制御装置５は、第３熱交換器３１の過冷却度が目標の過冷却度となるように第３膨張弁１８の開度を制御する。

第２熱交換器２１に流入した冷媒は、液体から気体に相変化し、第２熱交換器２１を通過する空気を冷却する。冷却された空気が空調対象空間に吹き出されることにより、空調対象空間が冷房される。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第２ポートＢから第３ポートＣを経由して、アキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。

（第２給湯冷房運転）
図７は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の第２給湯冷房運転の動作を説明する図である。図７の矢印は、冷媒が流れる方向を示している。第２給湯冷房運転は、給湯と冷房とを同時に行う給湯冷房運転において、給湯負荷が大きく、且つ冷房負荷が小さい場合に実施される運転である。第２給湯冷房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第２ポートＢと第３ポートＣとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第１状態とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度とを制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を高く設定する。

図７に示すように、第２給湯冷房運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、開閉弁１９を通って第３熱交換器３１に流入する。冷媒は、第３熱交換器３１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、熱媒体回路を流れる熱媒体を加熱する。第３熱交換器３１によって加熱された熱媒体は、第４熱交換器３４に流入し、貯湯タンク３２内の水を加熱する。これにより、お湯を供給することができる。

第３熱交換器３１から流出した冷媒は、第３膨張弁１８によって減圧され、第２膨張弁１７と第１膨張弁１６とに分流される。制御装置５は、第３熱交換器３１の過冷却度が目標の過冷却度となるように第３膨張弁１８の開度を制御する。また、制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第１膨張弁１６の開度を制御する。さらに、制御装置５は、吹出し温度センサＴ６によって検出される吹出し温度が冷房設定温度となるように第２膨張弁１７の開度を制御する。

第２膨張弁１７に流入した冷媒は、減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第２熱交換器２１に流入する。第２熱交換器２１において、冷媒は、液体から気体に相変化し、第２熱交換器２１を通過する空気を冷却する。冷却された空気が空調対象空間に吹き出されることにより、空調対象空間が冷房される。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第２ポートＢに流入する。

一方、第１膨張弁１６に流入した冷媒は、減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第１熱交換器１３に流入する。第１熱交換器１３において、冷媒は、液体から気体に相変化し、第１熱交換器１３を通過する空気を冷却する。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第４ポートＤに流入する。

流路切替弁１２の第２ポートＢおよび第４ポートＤから流入した冷媒は、第３ポートＣからアキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。このように、第２給湯冷房運転では、第１熱交換器１３にも冷媒を流して蒸発器として機能させることで、冷房負荷が小さい場合にも大きい給湯負荷に対応することができる。

（第３給湯冷房運転）
図８は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の第３給湯冷房運転の動作を説明する図である。図８の矢印は、冷媒が流れる方向を示している。第３給湯冷房運転は、給湯と冷房とを同時に行う給湯冷房運転において、給湯負荷が小さく、且つ冷房負荷が大きい場合に実施される運転である。第３給湯冷房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第４ポートＤとが連通し、第２ポートＢと第３ポートＣとが連通する第２状態とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度とを制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を高く設定する。

図８に示すように、第３給湯冷房運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、開閉弁１９と、流路切替弁１２の第１ポートＡとに分流される。開閉弁１９に流入した冷媒は、第３熱交換器３１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、熱媒体回路を流れる熱媒体を加熱する。第３熱交換器３１によって加熱された熱媒体は、第４熱交換器３４に流入し、貯湯タンク３２内の水を加熱する。これにより、お湯を供給することができる。第３熱交換器３１から流出した冷媒は、第３膨張弁１８にて減圧され、第２膨張弁１７に流入する。

一方、流路切替弁１２の第１ポートＡに流入した冷媒は、第４ポートＤを経由して、第１熱交換器１３に流入する。冷媒は、第１熱交換器１３にて高温高圧の気体から液体に相変化し、第１熱交換器１３を通過する空気を加熱する。その後、冷媒は第１膨張弁１６にて減圧され、第２膨張弁１７に流入する。

制御装置５は、第１熱交換器１３の過冷却度が目標の過冷却度となるように第１膨張弁１６の開度を制御する。また、制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第２膨張弁１７の開度を制御する。また、制御装置５は、給湯温度センサＴ１０によって検出される給湯温度が、給湯設定温度となるように第３膨張弁１８の開度を制御する。

第２膨張弁１７に流入した冷媒は、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第２熱交換器２１に流入する。第２熱交換器２１において、冷媒は、液体から気体に相変化し、第２熱交換器２１を通過する空気を冷却する。冷却された空気が空調対象空間に吹き出されることにより、空調対象空間が冷房される。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第２ポートＢから第３ポートＣを経由して、アキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。このように、第３給湯冷房運転では、第１熱交換器１３にも冷媒を流して凝縮器として機能させることで、給湯負荷が小さい場合にも大きい空調負荷に対応することができる。

（第４給湯冷房運転）
第４給湯冷房運転は、給湯と冷房とを同時に行う給湯冷房運転において、給湯負荷が小さく、且つ冷房負荷が小さい場合に実施される運転である。第４給湯冷房運転における流路切替弁１２、第１膨張弁１６、第２膨張弁１７、第３膨張弁１８、および開閉弁１９の制御は第１給湯冷房運転と同じである。また、第４給湯冷房運転における冷媒の流れも、図６に示す第１給湯冷房運転と同じである。ただし、第４給湯冷房運転においては、第１給湯冷房運転よりも、圧縮機１１の運転周波数が低く設定される。

（第１給湯暖房運転）
図９は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の第１給湯暖房運転の動作を説明する図である。第１給湯暖房運転は、給湯と暖房とを同時に行う給湯暖房運転において、給湯負荷が大きく、且つ暖房負荷が大きい場合に実施される運転である。第１給湯暖房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第２ポートＢとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第３状態とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度と、を制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を高く設定する。

図９に示すように、第１給湯暖房運転では、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒は、開閉弁１９と、流路切替弁１２の第１ポートＡとに分流される。開閉弁１９に流入した冷媒は、第３熱交換器３１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、熱媒体回路を流れる熱媒体を加熱する。第３熱交換器３１によって加熱された熱媒体は、第４熱交換器３４に流入し、貯湯タンク３２内の水を加熱する。これにより、お湯を供給することができる。第３熱交換器３１から流出した冷媒は、第３膨張弁１８で減圧され、第１膨張弁１６に流入する。

一方、第１ポートＡに流入した冷媒は、第２ポートＢを経由して第２熱交換器２１に流入する。冷媒は、第２熱交換器２１にて、高温高圧の気体から液体に相変化し、第２熱交換器２１を通過する空気を加熱する。加熱された空気が空調対象空間に吹き出されることにより、空調対象空間が暖房される。その後、冷媒は第２膨張弁１７で減圧され、第１膨張弁１６に流入する。

制御装置５は、吐出温度センサＴ１によって検出される吐出温度が目標の吐出温度となるように第１膨張弁１６の開度を制御する。また、制御装置５は、第２熱交換器２１の過冷却度が目標の過冷却度となるように第２膨張弁１７の開度を制御する。また、制御装置５は、第３熱交換器３１の過冷却度が目標の過冷却度となるように第３膨張弁１８の開度を制御する。

第１膨張弁１６に流入した冷媒は、減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、第１熱交換器１３に流入する。第１熱交換器１３に流入した冷媒は、液体から気体に相変化し、第１熱交換器１３を通過する空気を冷却する。その後、冷媒は、流路切替弁１２の第４ポートＤから第３ポートＣを経由して、アキュムレータ１５に流入し、圧縮機１１に吸引されて、再度、高温高圧の気体となる。

（第２給湯暖房運転）
第２給湯暖房運転は、給湯と暖房とを同時に行う給湯暖房運転において、給湯負荷が大きく、且つ暖房負荷が小さい場合に実施される運転である。第２給湯暖房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第２ポートＢとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第３状態とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度と、を制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を高く設定する。

第２給湯暖房運転における冷媒の流れは、図９に示す第１給湯暖房運転と同じである。また、第１膨張弁１６の開度と第３膨張弁１８の開度の制御も第１給湯暖房運転と同じである。ただし、第２給湯暖房運転においては、冷房負荷が小さいため、制御装置５は、吹出し温度センサＴ６により検出される吹出し温度が冷房設定温度となるように、第２膨張弁１７の開度を制御する。

（第３給湯暖房運転）
第３給湯暖房運転は、給湯と暖房とを同時に行う給湯暖房運転において、給湯負荷が小さく、且つ暖房負荷が大きい場合に実施される運転である。第３給湯暖房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第２ポートＢとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第３状態とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度と、を制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を高く設定する。

第３給湯暖房運転における冷媒の流れは、図９に示す第１給湯暖房運転と同じである。また、第１膨張弁１６の開度と第２膨張弁１７の開度の制御も第１給湯暖房運転と同じである。ただし、第３給湯暖房運転においては、給湯負荷が小さいため、制御装置５は、給湯温度センサＴ１０により検出される給湯温度が給湯設定温度となるように、第３膨張弁１８の開度を制御する。

（第４給湯暖房運転）
第４給湯暖房運転は、給湯と暖房とを同時に行う給湯暖房運転において、給湯負荷が小さく、且つ暖房負荷が小さい場合に実施される運転である。第４給湯暖房運転において、制御装置５は、流路切替弁１２を第１ポートＡと第２ポートＢとが連通し、第３ポートＣと第４ポートＤとが連通する第３状態とし、開閉弁１９を開とする。また、制御装置５は、運転状態に応じて、第１膨張弁１６の開度と、第２膨張弁１７の開度と、第３膨張弁１８の開度と、を制御する。また、制御装置５は、圧縮機１１の周波数を第１給湯暖房運転時よりも低く設定する。

第４給湯暖房運転における冷媒の流れは、図９に示す第１給湯暖房運転と同じである。また、第１膨張弁１６の開度の制御も第１給湯暖房運転と同じである。ただし、第３給湯暖房運転において、制御装置５は、吹出し温度センサＴ６により検出される吹出し温度が冷房設定温度となるように、第２膨張弁１７の開度を制御する。また、制御装置５は、給湯温度センサＴ１０により検出される給湯温度が給湯設定温度となるように、第３膨張弁１８の開度を制御する。

図１０は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の各運転における制御の一覧を示す表である。なお、各運転における第１～第３膨張弁１６～１８の制御は、図１０に示す例に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、冷房運転および暖房運転において、第３膨張弁１８を閉としたが、第３膨張弁１８を開としてもよい。また、第１給湯冷房運転において、第３膨張弁１８を運転状態に応じて制御する構成としたが、運転状態によらず全開としてもよい。この場合、制御装置５は、圧縮機１１の吐出温度、または第３熱交換器３１の過冷却度に基づき第２膨張弁１７の開度を制御する。

上記のように、本実施の形態では、圧縮機１１の吐出口に接続された第１ポートＡを閉塞する状態（第１状態）をとり得る流路切替弁１２によって冷媒の流れ方向を切替えて給湯、冷房および暖房を実施している。そのため、複雑な弁構成により運転切替を行う場合に比べて、弁および配管等の部品点数を削減できるとともに、制御性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、給湯負荷と冷房負荷とが同じ場合、すなわち、第１給湯冷房運転および第４冷房給湯運転においては、第１熱交換器１３に冷媒が流れないよう第１膨張弁１６を閉としている。一方。給湯負荷と冷房負荷とが異なる場合、すなわち、第２給湯冷房運転および第３冷房給湯運転においては、第１熱交換器１３に冷媒が流れるよう第１膨張弁１６を開としている。このような構成とすることで、給湯負荷と冷房負荷とが異なる場合にも、効率よく給湯および冷房を実現することができる。

以上が実施の形態の説明であるが、本開示は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。例えば、給湯ユニット３によるお湯の生成方法は、実施の形態１のような熱媒体による熱交換方式に限定されない。例えば、貯湯タンク３２の水を直接配管に流して、熱媒体として第３熱交換器３１にて熱交換をさせて、再び貯湯タンク３２に戻す加熱方法にしてもよい。また、給湯ユニット３は、給湯温度センサＴ１０に替えて、または加えて熱媒体回路を流れる熱媒体の温度を検出する熱媒体温度センサを備えてもよい。

また、制御に用いられる各温度センサＴ１～Ｔ１０は、冷凍サイクル装置１００の必須の構成ではなく、省略することができる。例えば、冷媒の温度を検出する温度センサに替えて冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、検出された圧力から冷媒の温度を求めてもよい。また、室内温度および給湯温度は、制御装置５が、冷凍サイクル装置１００とは別に設けられた外部機器と通信を行って取得してもよい。

１ 熱源ユニット、２ 空調ユニット、３ 給湯ユニット、５ 制御装置、１１ 圧縮機、１２ 流路切替弁、１３ 第１熱交換器、１４ 第１ファン、１５ アキュムレータ、１６ 第１膨張弁、１７ 第２膨張弁、１８ 第３膨張弁、１９ 開閉弁、２１ 第２熱交換器、２２ 第２ファン、３１ 第３熱交換器、３２ 貯湯タンク、３３ ポンプ、３４ 第４熱交換器、１００ 冷凍サイクル装置、Ａ 第１ポート、Ｂ 第２ポート、Ｃ 第３ポート、Ｄ 第４ポート、Ｔ１ 吐出温度センサ、Ｔ２ 第１冷媒温度センサ、Ｔ３ 第１出口温度センサ、Ｔ４ 第２冷媒温度センサ、Ｔ５ 第２出口温度センサ、Ｔ６ 吹出し温度センサ、Ｔ７ 室内温度センサ、Ｔ８ 第３冷媒温度センサ、Ｔ９ 第３出口温度センサ、Ｔ１０ 給湯温度センサ。

Claims (7)

1. 圧縮機と、流路切替弁と、第１熱交換器と、膨張弁と、を備える熱源ユニットと、
   第２熱交換器を備え、空調を行う空調ユニットと、
   第３熱交換器を備え、給湯を行う給湯ユニットと、を備え、
   前記流路切替弁は、
   前記圧縮機の吐出口に接続された第１ポートと、
   前記第２熱交換器に接続された第２ポートと、
   前記圧縮機の吸入口に接続された第３ポートと、
   前記第１熱交換器に接続された第４ポートと、を有し、
   前記流路切替弁は、
   前記第２ポートと前記第３ポートとが連通し、前記第３ポートと前記第４ポートとが連通し、前記第１ポートが何れのポートにも連通しない第１状態と、
   前記第１ポートと前記第４ポートとが連通し、前記第２ポートと前記第３ポートとが連通する第２状態と、
   前記第１ポートと前記第２ポートとが連通し、前記第３ポートと前記第４ポートとが連通する第３状態との何れかに設定される冷凍サイクル装置。
2. 前記熱源ユニット、前記空調ユニットおよび前記給湯ユニットの動作を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記給湯ユニットにおける給湯を行う給湯運転と、前記空調ユニットにおける冷房を行う冷房運転と、前記空調ユニットにおける暖房を行う暖房運転と、を実施し、
   前記給湯運転において前記流路切替弁を前記第１状態とし、
   前記冷房運転において前記流路切替弁を前記第２状態とし、
   前記暖房運転において前記流路切替弁を前記第３状態とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記圧縮機の前記吐出口と前記流路切替弁の前記第１ポートとを接続する配管から分岐し、前記第３熱交換器に接続される配管に設けられた開閉弁をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記給湯運転において前記開閉弁を開とし、
   前記冷房運転および前記暖房運転において前記開閉弁を閉とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御装置は、
   前記給湯ユニットにおける給湯と、前記空調ユニットにおける冷房とを同時に実施する給湯冷房運転を実施し、
   前記給湯冷房運転において、給湯負荷および冷房負荷に応じて、前記流路切替弁を前記第１状態または前記第２状態に切り替える請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記制御装置は、
   前記給湯ユニットにおける給湯と、前記空調ユニットにおける暖房とを同時に実施する給湯暖房運転と、を実施し、
   前記給湯暖房運転において前記流路切替弁を前記第３状態とする請求項２～４の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記膨張弁は、
   前記冷房運転時における前記第１熱交換器の出口側に設けられた第１膨張弁と、
   前記暖房運転時における前記第２熱交換器の出口側に設けられた第２膨張弁と、
   前記第１膨張弁と前記第２膨張弁とを接続する配管から分岐し、前記第３熱交換器に接続される配管に設けられた第３膨張弁と、を含み、
   前記制御装置は、
   前記冷房運転および前記暖房運転において前記第３膨張弁を閉とし、
   前記給湯運転において前記第２膨張弁を閉とする請求項２～５の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記制御装置は、前記給湯冷房運転において、
   前記給湯負荷と前記冷房負荷とが同じ場合、前記第１膨張弁を閉とし、
   前記給湯負荷と前記冷房負荷とが異なる場合、前記第１膨張弁を開とする請求項４に従属する請求項６に記載の冷凍サイクル装置。

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