(57)【要約】【課題】従来の空気熱源と地中熱源を同時利用する空気調和機においては、運転状況により、室外熱交換手段などの適切な流路断面積が異なるため効率的な熱源利用が行えないという課題があった。【解決手段】  室外熱交換手段１０４は、流路断面積の大きいガス側熱交換部１１６と流路断面積の小さい液側熱交換部１１７を有し、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１を操作することにより、この二つの熱交換部を状況に応じて直列、並列に接続し、あるいはバイパスする。運転モード、外気温センサ１２２と熱媒温度センサ１２４と室温センサ１２３の出力などといった情報を用いて圧縮機１０２、室外送風機１０５、ポンプ１１３の駆動、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１の開閉を制御することで、状況に応じた効率の高い運転を行なうことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮して送り出す圧縮機と、室外空気と前記冷媒との間で熱交換する室外熱交換器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記冷媒と室内空気との間で熱交換する室内熱交換器とが冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成するとともに、熱媒体を循環させるポンプと、前記熱媒体と地中との間で熱交換する地中熱交換器と、前記熱媒体と前記冷媒との間で熱交換する地中熱利用熱交換器とで熱媒体循環系を構成し、前記地中熱利用熱交換器を前記室外熱交換器と前記膨張弁との間に配置する空気調和機において、
前記室外熱交換器は、流路断面積の異なる少なくとも２つ以上の熱交換器を備え、
前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器を順に通過する直列経路と、
前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器に分流する並列経路と、を少なくとも設け、
前記直列経路と並列経路を切り換える冷媒回路切換手段を設けることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器を通過しないバイパス経路をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項３】
前記室外熱交換器は、前記経路断面積の大きいガス側熱交換部と、前記経路断面積の小さい液側熱交換部とで少なくとも構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の空気調和機。
【請求項４】
前記冷媒回路切換手段は、少なくとも２つ以上の開閉弁あるいは少なくとも２つ以上の切り換え可能な三方弁あるいは開閉弁と切り換え可能な三方弁の組み合わせにより構成されてい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機。
【請求項５】
室内温度を測定する室温センサと、
外気温度を測定する外気温センサと、
前記熱媒体の温度である熱媒体温度を測定する熱媒体センサと、を備え、
前記室内温度と前記空気調和機の設定温度とに基づき算出する運転能力と、
前記外気温度と前記熱媒体温度とに基づき算出する熱源温度差と、に基づいて、
運転モードを決定することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の空気調和機。
【請求項６】
冷房運転あるいは暖房運転において、
前記熱源温度差により、前記地中熱が利用できないと判断された場合は、
前記冷媒回路切換手段は前記直列経路を選択し、
前記ポンプの駆動を停止することを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。
【請求項７】
冷房運転において、
前記熱源温度差により、前記地中熱が利用可能であり、
かつ、前記地中熱が前記運転能力に対して不十分だと判断された場合は、
前記冷媒回路切換手段は前記直列経路を選択し、
前記ポンプを駆動することを特徴とする請求項５または６のいずれか１項に記載の空気調和機。
【請求項８】
暖房運転において、
前記熱源温度差により、前記地中熱が利用可能であり、
かつ、前記地中熱が前記運転能力に対して不十分だと判断された場合は、
前記冷媒回路切換手段は前記並列経路を選択し、
前記ポンプを駆動することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の空気調和機。
【請求項９】
冷房運転あるいは暖房運転において、
前記熱源温度差により、前記地中熱が利用可能であり、
かつ、前記地中熱が前記運転能力に対して十分だと判断された場合は、
前記冷媒回路切換手段は前記バイパス経路を選択し、
前記ポンプを駆動することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の空気調和機。
【請求項１０】
除霜運転時において、
前記地中熱利用熱交換器における冷媒流路の入口付近に、前記冷媒の温度である冷媒流入温度を測定する流入温度センサを、備え、
前記並列経路または前記直列経路に接続し、
前記熱媒体温度が冷媒流入温度よりも高いときは、
前記ポンプを駆動す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機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍およびヒートポンプサイクルを用いて空気調和を行なう空気調和機において、空気熱源に加えて、地中熱源など複数の熱源を利用してエネルギーの有効利用を図る技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年は、地球温暖化防止の観点から空気調和機の運転効率が重要視されており、国策においても空気調和機の効率に対する規制が導入され、二十年前の装置に比べると消費電力が半分以下となる装置も販売されている。
【０００３】
こうした運転効率の向上は、主に圧縮機や送風機の効率向上や熱交換器の高性能化によって実現されてきた。
【０００４】
圧縮機や送風機においては、インバータ化に加えて、モーターのローターに高価な希土類の磁石を採用、モーター駆動方式の改良により高速運転が困難であった巻数が多い仕様のステーターも使いこなすことで、期間消費電力の低減を実現してきた。
【０００５】
熱交換器については、性能向上のため投入量が年々増加する傾向にあり、空気調和機の大きさも大型化してきている。また単に大型化するだけでなく、フィンの切起しや曲げ形状に工夫を凝らし熱交換性能に優れたフィンの開発や、冷媒配管の細管化や管径変化の最適化により高性能化を図る技術も開発されている。
【０００６】
こうした各要素の高性能化とは別に、空気熱源の利用だけではなく、従来利用されていなかった熱源を利用することで、空気調和機の運転効率向上や電力消費量の削減の取り組みもなされている。
【０００７】
太陽熱や、地中熱、未利用河川水などの自然の熱源、さらには工場などにおけるボイラーや発電機などの廃熱などの利用が盛んに試みられている。その中には、太陽熱や廃熱を暖房に利用することは言うに及ばず、吸収式冷凍機やデシカント空調機の熱源として使用して冷房に利用する技術さえ開発されてきた。
【０００８】
地中熱や未利用河川水については、冷凍、ヒートポンプサイクルと組合せて小型化することが容易であるが、未利用河川水利用についてはその名の通り河川もしくは、湖沼や海が必要でありその設置条件は限られている。
【０００９】
それに比べると地中熱は、設置条件の制約は緩く、地域を問わず設置例が増えている。特にここ数年は、国や自治体の補助などを背景にその着工数を大幅に増やしており、新しい熱源としての可能性が期待されている。
【００１０】
これまで、地中熱として利用されている領域は３０ｍより深い地中であり、大型のビルや公共の建造物が主であったが、３０ｍより浅い地中の利用技術も開発が進み、戸建住宅なども対象となる中で、その数を増やしている。
【００１１】
地中温度は、地下１０ｍ以下においては、年間を通して年間平均気温付近で安定（１５℃前後）している。１〜２ｍの深さでも、冬は８℃程度、夏は２５℃程度の温度を維持しており、夏は冷房、冬は暖房に利用することが可能である。
【００１２】
地中熱源は、平均気温を中心に緩やかに変動する一方、土壌の移動がないため熱の移動は熱伝導が主であり、過剰に採熱すると温度が上昇あるいは低下して有効に利用できない状態になってしまううえ、回復に長い期間を必要とする。地下水脈があり、地下水が移動するような環境ではかなり良好な条件を維持することができるが、地中熱の過剰採取は避けなければ適切な空調が行なえなくなることに変わりはない。
【００１３】
これを回避するための先行技術として、地中熱源と空気熱源を使用する方法がある。
【００１４】
特許文献１は、異なる複数の熱源を用い、それぞれの熱源の状況に応じて熱交換器の接続パターンを切り替えて、ヒートポンプの性能を最大限に引き出すもので、熱源の種類として地中の記載はないが、地中熱源と空気熱源を使用する場合の接続パターンが全て記載されている。
【００１５】
地中熱源と空気熱源を使用する場合の接続パターンで具体的に言うと、地中熱源のみ使用する場合、空気熱源のみ使用する場合、まず地中熱源を使用し次に空気熱源を使用する場合、まず空気熱源を使用し次に空気熱源を使用する場合をあげており、加えて地中熱源と空気熱源を並列に接続し同時使用することも可能であることに言及している。
【００１６】
しかしながら、特許文献１は、熱源や熱交換器の形態などについて限定するものではなく、熱交換器については実際に使用する熱源や、冷媒および熱媒に合わせて選択することとなる。
【００１７】
空気と冷媒あるいは熱媒との間で熱交換する場合、フィンチューブ型熱交換器を使用するのが一般的である。フィンチューブ型熱交換器は、冷媒あるいは熱媒を流すチューブと、チューブに熱交換を促進するためのフィンが取り付けられており、チューブやフィンの隙間に空気を流して熱交換するもので、その用途に応じて様々な形態のものが使用されている。
【００１８】
相変化をする冷媒を使用する場合には、流れる冷媒の密度が大きく変化するため、均一な流路断面では、流路全域にわたって熱交換に適した流速を維持することが困難である。そのため、密度の低いガス域と密度の高い液域とで、並列に使用する流路の数や流路の断面積を変え、良好な熱交換性能が得られるように設計される。通常、液側よりもガス側のパス数（流路断面積）が大きくなるように設計されている。
【００１９】
近年は、ルームエアコンやパッケージエアコンなどの空気調和機で使用される室外熱交換器では、ガス側と液側でパス数が大きく異なり、ガス側が４〜８パスで途中パス数が半分程度になり液側が１パスといったパス構成がとられることも珍しくない。
【００２０】
また、熱交換器が蒸発器である場合、一般的に、気液二相状態で熱交換器に入り、液冷媒が蒸発を完了あるいはほぼ完了し、気相あるいはほぼ気相状態で熱交換器を出るのが望ましい。凝縮器の場合には、気相状態で熱交換器に入り、ガス冷媒が凝縮を完了あるいは過冷却のとれた液相状態で熱交換器を出るのが望ましい。そして、一連のサイクルにおいて凝縮器と蒸発器では凝縮器のほうが冷媒の圧力は高く、気相状態であっても凝縮器入口よりも蒸発器出口の方が圧力は低くて流速が早くなるので、パス数（流路断面積）は凝縮器入口よりも蒸発器出口の方が大きいのが望ましい。
【００２１】
そして、特許文献２では、冷房、暖房、除霜などの運転モードに応じて室外熱交換器や室内熱交換器のパス数を切換えて、性能を向上させ、より快適な空調の実現を目指した発明が提示されている。
【００２２】
図１０は、特許文献２の一実施例である空気調和機で、最も単純な構造をしている例の一つである。
【００２３】
図１０の空気調和機は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、室内熱交換器５で冷凍あるいはヒートポンプサイクルを構成し、二方弁６、三方弁７で接続あるいは切離しができるようになっている。
【００２４】
室外熱交換器３の冷媒流路３ａは三パス配備され、これらを蛇行するように接続してその第一パスおよび第三パスに配管接続するとともに、同三パスの第一パスおよび第二パスの連結部と四方弁２との間に、第一開閉弁８を備えた第一バイパス９が接続される一方、第二パスおよび第三パスの連結部と前記膨張弁４との間に、第二開閉弁１０を備えた第二バイパス１１が接続されている。
【００２５】
冷房運転時には冷房冷媒流れ方向１２の方向に、暖房運転時には暖房冷媒流れ方向１３の方向に冷媒は流れ、図５の四方弁２の状態では暖房状態となっている。除霜運転時には、冷房運転と同じく冷房冷媒流れ方向１２の方向に冷媒を流す。
【００２６】
そして、冷房運転時には記第一開閉弁８と第二開閉弁１０を閉じることにより、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４および室内熱交換器５からなる冷媒流路を形成する。
【００２７】
また、暖房運転時には、第一開閉弁８と第二開閉弁１０を開くことにより、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器５、膨張弁４、第二開閉弁１０を備えた第二バイパス１１、室外熱交換器３および第一開閉弁８を備えた第一バイパス９からなる冷媒流路を形成する。
【００２８】
さらに、除霜運転時には、第一開閉弁８と第二開閉弁９を開くことにより、圧縮機１、四方弁２、第一開閉弁８を備えた第一バイパス９、室外熱交換器３、第二開閉弁１０を備えた第二バイパス１１、膨張弁４および室内熱交換器５からなる冷媒流路を形成する。
【００２９】
これによって、冷房運転、暖房運転または除霜運転などの運転モードに応じて室外熱交換器３のパス数を適宜切り換えることができる。冷房運転時および暖房運転時には、ともに適切なパス数となって性能を向上させることができるようにし、除霜運転時には、室外熱交換器３の数カ所から高温の冷媒を流入させることで除霜運転時間をより短縮させることができるようにして、性能の向上と快適な空気調和を実現している。さらに特許文献２では、室内熱交換器５の冷媒流路５ａが複数のパスからなる構成となっており、これによって、同室内熱交換器５の熱交換効率を向上させることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特許第３１４０３３１号公報
【特許文献２】特許第３９８５３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
しかしながら、空気熱源も使用する地中熱利用空気調和機においては、循環冷媒が空気熱源を利用するための室外熱交換器あるいは地中熱源を利用するための地中熱利用熱交換器の適切なパス数が、冷房運転、暖房運転、除霜運転などの運転モードごとに変化するとともに、室外熱交換器と地中熱利用熱交換器の負荷状況によっても、適切なパス数（流路断面積）が変化する。
【００３２】
特に空気熱源と地中熱源（特に浅層）を同時に使用し、室外熱交換器と地中熱利用熱交換器が直列に接続される装置においては、運転モード、外気温および外気温と室温の差や室内の熱負荷の変化に起因する熱源の総負荷の変化、外気温と地中温度の差の変化に起因する室外熱交換器と地中熱利用熱交換器の負荷バランスの変化によって、室外熱交換器あるいは地中熱利用熱交換器の適切なパス数（流路断面積）が異なる。
【００３３】
先行技術文献の特許文献１のように、室外熱交換器と地中熱利用熱交換器の利用形態を変える方法は、流路断面積の適正化を図るものではなく、地中熱利用の効果が得られなくなることもある。具体的には、熱源機が蒸発側となり、地中熱利用熱交換器、室外熱交換器の順に冷媒が流れるような場合、室外熱交換器の１パス部（液部）の流動抵抗が大きくなると、地中熱利用熱交換器の冷媒圧力が適切に下がらず飽和温度が地中から得られる熱媒の温度と同等以上となって、地中熱を利用することができないどころか放熱してしまうことさえある。
【００３４】
特許文献２の運転モードに応じてパス数を変更する方法は、地中熱利用熱交換器を有するものではなく、地中熱利用熱交換器との関係性について示唆を与えるものではない。
【００３５】
つまり、従来の空気熱源と地中熱源を同時利用する空気調和機においては、運転状況により室外熱交換手器などの適切なパス数が異なるため効率的な熱源利用が行えないことがあった。
【００３６】
従って本発明は、こうした課題を解決し、運転モード、熱源の総負荷の変化、室外熱交換器と地中熱利用熱交換器の負荷バランスの変化応じて、室外熱交換器あるいは地中熱利用熱交換器の流路断面積を適切に保ち、運転効率の高い地中熱利用空気調和機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は、冷媒を圧縮して送り出す圧縮機と、室外空気と前記冷媒との間で熱交換する室外熱交換器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記冷媒と室内空気との間で熱交換する室内熱交換器とが冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成するとともに、熱媒体を循環させるポンプと、前記熱媒体と地中との間で熱交換する地中熱交換器と、前記熱媒体と前記冷媒との間で熱交換する地中熱利用熱交換器とで熱媒体循環系を構成し、前記地中熱利用熱交換器を前記室外熱交換器と前記膨張弁との間に配置する空気調和機において、前記室外熱交換器は、流路断面積の異なる少なくとも２つ以上の熱交換器を備え、前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器を順に通過する直列経路と、前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器に分流する並列経路と、を少なくとも設け、前記直列経路と並列経路を切り換える冷媒回路切換手段を設けることを特徴とするものである。
【００３８】
これにより、前記冷媒回路切換手段で前記直列経路や前記並列経路を選択することができる。そのため、地中熱と併用する場合において、冷房運転や暖房運転といった冷媒流路の異なる運転モードにより室外熱交換器に流入する冷媒の状態が異なる条件でも、条件に適した回路を選択することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の空気調和機は、冷房や暖房、除霜などの各運転モードにおいて冷媒の状態に適した効率の良い運転を行うことができる。さらには空調能力の大きさ、前記室外熱交段器と前記地中熱利用熱交換器の利用比率に応じて前記室外熱交換器の接続状態を適切に変更することができるので、状況に応じた効率の高い運転を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１における地中熱源を利用する空調システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１における室外熱交換器を直列に接続した形態を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態１における制御のブロック図
【図４】本発明の実施の形態１における冷房運転時のフローチャート
【図５】本発明の実施の形態１における室外熱交換器を並列に接続した形態を示す構成図
【図６】本発明の実施の形態１における暖房運転時のフローチャート
【図７】本発明の実施の形態１における除霜運転時の形態を示す構成図
【図８】開閉弁と三方弁を用いた場合の構成例を示す図
【図９】三方弁を用いた場合の構成例を示す図
【図１０】従来の地中熱利用を行なう空気調和機の構成図
【発明を実施するための形態】
【００４１】
第１の発明は、冷媒を圧縮して送り出す圧縮機と、室外空気と前記冷媒との間で熱交換する室外熱交換器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記冷媒と室内空気との間で熱交換する室内熱交換器とが冷凍サイクルあるいはヒートポンプサイクルを構成するとともに、熱媒体を循環させるポンプと、前記熱媒体と地中との間で熱交換する地中熱交換器と、前記熱媒体と前記冷媒との間で熱交換する地中熱利用熱交換器とで熱媒体循環系を構成し、前記地中熱利用熱交換器を前記室外熱交換器と前記膨張弁との間に配置する空気調和機において、前記室外熱交換器は、流路断面積の異なる少なくとも２つ以上の熱交換器を備え、前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器を順に通過する直列経路と、前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器に分流する並列経路と、を少なくとも設け、前記直列経路と並列経路を切り換える冷媒回路切換手段を設けることを特徴とするものである。
【００４２】
これにより、前記冷媒回路切換手段で前記直列経路や前記並列経路を選択することができる。そのため、地中熱と併用する場合において、冷房運転や暖房運転といった冷媒流路の異なる運転モードにより室外熱交換器に流入する冷媒の状態が異なる条件でも、条件に適した回路を選択することができる。
【００４３】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷媒が少なくとも２つ以上の前記熱交換器を通過しないバイパス経路をさらに設けたことを特徴とするものである。
【００４４】
これにより、地中熱を十分に利用できる場合は、バイパス経路を選択することができる。したがって、冷媒が前記室外熱交換器を流通するために必要な前記圧縮機の消費電力を抑えることができる。
【００４５】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、前記室外熱交換器は、前記経路断面積の大きいガス側熱交換部と、前記経路断面積の小さい液側熱交換部とで少なくとも構成されていることを特徴とするものである。
【００４６】
これにより、地中熱と室外熱交換器とを併用する際に、冷房運転又は暖房運転に合わせ冷媒の流速を維持した運転を行うことができる。したがって、効率の良い運転を行い、消費電力を削減することができる。
【００４７】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、前記冷媒回路切換手段は、少なくとも２つ以上の開閉弁あるいは少なくとも２つ以上の切り換え可能な三方弁あるいは開閉弁と切り換え可能な三方弁の組み合わせにより構成されていることを特徴とするものである。
【００４８】
これにより、前記冷媒回路切換手段をより安価に簡潔な形式で実現できる。
【００４９】
第５の発明は、第２の発明から第４の発明において、室内温度を測定する室温センサと、外気温度を測定する外気温センサと、前記熱媒体の温度である熱媒体温度を測定する熱媒体センサと、を備え、前記室内温度と前記空気調和機の設定温度とに基づき算出する運転能力と、前記外気温度と前記熱媒体温度とに基づき算出する熱源温度差と、に基づいて、運転モードを決定することを特徴とするものである。
【００５０】
これにより、地中熱利用熱交換器の能力に併せて適切な経路を選択することができる。従って不要な前記ポンプの消費電力などを抑制することができる。
【００５１】
第６の発明は、第５の発明において、冷房運転時あるいは暖房運転時に、前記熱源温度差により、前記地中熱が利用できないと判断された場合は、前記冷媒回路切換手段は前記直列経路を選択し、前記ポンプの駆動を停止することを特徴とするものである。
【００５２】
これにより、ポンプの駆動を適切な運転モード時に行うことができ、不要な電力の消費を抑えることができる。  第７の発明は、第５の発明または第６の発明において、冷房運転時に、前記熱源温度差により、前記地中熱が利用可能であり、かつ、前記地中熱が前記運転能力に対して不十分だと判断された場合は、前記冷媒回路切換手段は前記直列経路を選択し、前記ポンプを駆動することを特徴とするものである。
【００５３】
これにより、冷房運転において、地中熱のみでは熱交換が不十分な場合に、室外熱交換器と併用することができ、かつ、室外熱交換器での熱伝達性能を良好に保った運転を行うことができる。
【００５４】
第８の発明は、第５の発明から第７の発明において、暖房運転時に、前記熱源温度差により、前記地中熱が利用可能であり、かつ、前記地中熱が前記運転能力に対して不十分だと判断された場合は、前記冷媒回路切換手段は前記並列経路を選択し、前記ポンプを駆動することを特徴とするものである。
【００５５】
これにより、暖房運転において、地中熱のみでは熱交換が不十分な場合に、室外熱交換器と併用することができ、かつ、室外熱交換器での圧力損失を抑え、十分な地中熱を利用し、消費電力を抑えることができる。
【００５６】
第９の発明は、第５の発明から第８の発明において、冷房運転時あるいは暖房運転時に、前記熱源温度差により、前記地中熱が利用可能であり、かつ、前記地中熱が前記運転能力に対して十分だと判断された場合は、前記冷媒回路切換手段は前記バイパス経路を選択し、前記ポンプを駆動することを特徴とするものである。
【００５７】
これにより、地中熱が十分な時に地中熱のみを利用した運転が可能となり、消費電力を抑えた運転を実現できる。
【００５８】
第１０の発明は、第５の発明から第９の発明において、除霜運転時に、前記地中熱利用熱交換器における冷媒流路の入口付近に、前記冷媒の温度である冷媒流入温度を測定する流入温度センサを、備え、前記並列経路または前記直列経路に接続し、前記熱媒体温度が冷媒流入温度よりも高いときは、前記ポンプを駆動することを特徴とするものである。
【００５９】
これにより、除霜運転の際に、地中熱を除霜に用いることができ、室内機からの冷気を防止し、快適な運転を実現できる。
【００６０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和機の構成図を示すものである。
【００６１】
図１に示すように、第１の実施の形態における空気調和機の室外機１０１は、圧縮機１０２、冷房状態の四方弁１０３、室外熱交換手段１０４と順に接続され、室外熱交換手段１０４へは室外送風機１０５が熱交換のため外気を送っている。室外熱交換手段１０４から地中熱利用熱交換器１０６、膨張弁１０７へと順に接続され、二方弁１０８を介して室内機１０９に接続される。室内機１０９には、室内熱交換器１１０と、熱交換のため室内の空気を送る室内送風機１１１が設けられている。冷媒は、室内機１０９から、三方弁１１２へと戻り、四方弁１０３を経て圧縮機１０２へ戻る。
【００６２】
地中熱利用熱交換器１０６とポンプ１１３と地中採熱部１１４で熱媒（ブライン）の循環系を構成し、地中熱の利用を可能としている。地中熱を利用する場合にはポンプ１１３を駆動し、利用しない場合は停止する。また、ポンプ１１３の出力は、利用する地中熱の量に応じて調整するとより省エネとなる。
【００６３】
室外熱交換手段１０４は、四方弁１０３からガス側接続部１１５へと冷媒配管が接続されており、流路断面積の大きなガス側熱交換部１１６と流路断面積の小さな液側熱交換部１１７が配備されており、この二つの熱交換部を状況に応じて直列、並列に切換えて使用する。さらに、場合によってはバイパス経路を設け、最終的に液側接続部１１８へと接続される。本実施例では、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７はパス数を変えて流路断面積を異なるものにしており、配管の径を一定に保つことで設計を容易にしている。なお、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７は流路断面積が異なればよい。
【００６４】
ここで、ガス側とは、対となるもう一方と比較してガス比率の高い側という意味である。同様に、逆に液側とは、対となるもう一方と比較して液比率の高い側という意味である。
【００６５】
そして、冷媒回路切換え手段として、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１が配備されている。
【００６６】
室外機１０１には外気温を検出する外気温センサ１２２と、地中採熱部１１４より戻った熱媒体の温度を検出する熱媒温度センサ１２４とがそれぞれ備えられている。また、室内機１０９には室温を検出する室温センサ１２３が備えられており、これらのセンサより得られる情報を用いて制御回路１２５が、空調能力、地中熱利用量を決定し、圧縮機１０２、室外送風機１０５、ポンプ１１３の駆動、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１の開閉を制御している。
【００６７】
本発明においては、基本的に消費電力の削減を旨としており、冷房であれば外気温より低い温度の地中熱を、暖房であれば外気温よりも高い温度の地中熱を利用する。従って、熱源として外気も地中熱も使用する場合には、室外熱交換手段１０４と膨張弁１０７の間に配置するのが望ましい。
【００６８】
また、ガス側熱交換部１１６、液側熱交換部１１７は、空気と熱交換する場合に最も一般的なフィンチューブ型熱交換器である。冷房運転には、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７とを、直列に接続し、良好な性能が得られるように設計されている。通常、フィンチューブ型の熱交換器においては、設備投資などの観点から共用が容易なように、全て同じ管径で設計し、パス数によってその流路断面を調整している。ガス比率の高いガス側熱交換部１１６が液側熱交換部１１７よりもパス数が多くなっているため、ガス側熱交換部１１６が液側熱交換部１１７よりも流路断面積が大きくなる構成となっている。
【００６９】
室外熱交換手段１０４のガス側端であるガス側接続部１１５は、ガス側熱交換部１１６のガス側端と接続されるとともに、第一の開閉弁を介して液側熱交換部１１７のガス側端と接続され、ガス側熱交換部１１６の液側端は第二の開閉弁を介して液側熱交換部１１７のガス側と接続されるとともに、第三開閉弁１２１を介して液側接続部１１８と接続されている。そして、液側熱交換部１１７の液側端は、液側接続部１１８と接続される。
【００７０】
以上述べた構成により、本発明の実施例においては、運転モード、外気温センサ１２２と熱媒温度センサ１２４と室温センサ１２３の出力などといった情報を用いて制御回路１２５が、運転能力、地中熱利用量を決定し、圧縮機１０２、室外送風機１０５、ポンプ１１３の駆動、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１の開閉を制御することができ、状況に応じた効率の高い運転を行なうことができる。
【００７１】
また、実施の形態１において、制御回路１２５は、室温センサ１２３から得られた室温から目標室温を引いた室温偏差と、外気温センサ１２２の検出した外気温から熱媒温度センサ１２４から得られた熱媒体の温度を引いた熱源温度差に基づいて制御を行う。室温偏差は空気調和機の運転能力つまり圧縮機１０２の回転数に直結するものであり、熱源温度差は、利用可能な地中熱利用量に直結するものである。なお、それぞれのセンサから得られた温度情報をそのまま利用するのではなく、室温偏差、熱源温度差として演算処理した値を使用することで制御が容易になる。
【００７２】
室温偏差は空気調和機の運転能力つまり圧縮機１０２の回転数に直結するもので、冷房の場合、室温偏差が任意の値よりも大きければその分、圧縮機１０２の回転数を大きくする必要がある。室温偏差が小さくなるにつれて圧縮機１０２の回転数を小さくし、偏差が任意の値よりも小さくなった場合には、圧縮機１０２を停止する。
【００７３】
暖房運転の場合にはその反対に、室温偏差が任意の値より小さければその分、圧縮機１０２の回転数を大きくし、室温偏差が大きくなるにつれて圧縮機１０２の回転数を小さくし、偏差が任意の値よりも大きくなった場合には、圧縮機１０２を停止する。
【００７４】
熱源温度差は、利用可能な地中熱利用量に直結し、冷房であれば熱源温度差が任意の値よりも大きいほど大きな熱を利用することができる。そして、熱源温度差が小さくなると利用できる熱量は減り、任意の値よりも小さくなると地中熱の利用は不適と判断し利用を中止する。
【００７５】
暖房ではその逆で熱源温度差が任意の値よりも小さいほど大きな熱を利用することができ、熱源温度差が大きくなると利用できる熱量は減り、任意の値よりも大きくなると地中熱の利用は不適と判断し利用を中止する。
【００７６】
図２〜４を用いて、空気調和機１００の冷房運転について具体的に説明する。
【００７７】
図３に示すように、制御回路１２５は、圧縮機１０２、室外送風機１０５、外気温センサ１２２、室温センサ１２３、熱媒温度センサ１２４の情報を取得し、ポンプ１１３、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１を制御する。
【００７８】
具体的に図４のフローチャートを用いて説明する。まず、熱媒温度センサ１２４より地中熱を利用できるかどうかの指標である地中熱利用量を算出し、地中熱が利用できるか否か、すなわち地中熱利用量がゼロより大きいかを判断する（Ｓ４０１）。地中熱が利用可能な場合、ポンプ１１３を駆動する（Ｓ４０２）。一方、地中熱が利用できない場合はポンプ１１３を停止し、不要な消費電力を抑える（Ｓ４０３）。次に、室内温度、場合によって外気温度から室内機１０９を設定温度で駆動するために必要な運転能力を算出する。そして、地中熱利用量と運転能力を比較し、運転能力に対して地中熱利用量は十分か否かを判断する（Ｓ４０４）。地中熱利用量が十分であれば、地中熱利用のみで運転するため、室外熱交換手段１０４をバイパス経路で運転する（Ｓ４０５）。すなわち、図１に示す構造で運転する。すると冷媒は室外熱交換手段１０４で冷やされることなく、地中採熱部１１４で地中熱により十分に冷やされた熱媒体によって地中熱利用熱交換器１０６で冷媒が冷やされる。地中熱源のみの利用であるので、室外送風機１０５は停止し、熱交換と無駄な電力消費を抑えることができ、さらに、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１は全て開とし圧力損失も最小にすることができる。なお、地中熱源のみの利用であるので、バイパス経路を選択するが、冷媒が通過する際の圧力損失も小さくすればよい。
【００７９】
一方、地中熱利用量が不十分である場合は、室外熱交換手段１０４について直列経路で運転する（Ｓ４０６）。すなわち図２に示すように、冷媒がガス側熱交換部１１６、液側熱交換部１１７の順に通過する経路にすることで、冷媒の通過する経路が絞られ、冷房運転において好ましい構成とすることができる。なぜならば、冷房運転の場合、室外熱交換手段１０４は凝縮器となり、流速が低下して圧力損失はとても発生しにくくなる。したがって、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７とが直列に接続されることにより、冷媒の状態変化に伴い流速低下しないように、流路を絞ることで、冷媒に加わる圧力を大きくし、流速の低下を防止するように構成されている。
【００８０】
しかも圧損が増えにくいばかりか、液化が進んでも流速を維持することで熱伝達性能を良好に保つことができるからである。
【００８１】
なお、それぞれのセンサから得られた温度情報をそのまま利用するのではなく、室温偏差、熱源温度差として演算処理した値を使用することで制御が容易になる。
【００８２】
続いて、図５および６を加え、空気調和機１００の暖房運転について具体的に説明する。
【００８３】
基本的な制御は前述の冷房運転と、四方弁１０３の向きが異なり冷媒の流路の向きが異なること以外、大きく異ならない。ただし、図６に示したフローチャートのＳ６０６で、室外熱交換手段１０４と地中熱利用熱交換器１０６を併用すべきと判断した場合の経路が異なる。具体的には、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７とが並列になるように、第一開閉弁１１９は開、第二開閉弁１２０は閉、第三開閉弁１２１は開として圧縮機１０２、ポンプ１１３、室外送風機１０５を駆動する。
【００８４】
暖房運転の場合、冷媒は流通抵抗の小さい液成分を多く含む状態で地中熱利用熱交換器１０６に流入し、熱媒体に温められることで冷媒は流通抵抗の大きいガス成分を多く含む状態で、室外熱交換手段１０４に流入する。ここで、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７とが並列となりパス数が多くなっているため、流通抵抗の増大を防止し、不要に圧縮機１０２の出力を上げる必要がない。すなわち、直列に接続した場合に比べ室外熱交換手段１０４の圧力損失を抑えることができ、液側接続部１１８の飽和温度の上昇を抑えることができ、十分な地中熱の利用ができるようになり、性能の向上を図ることができる。
【００８５】
一方、Ｓ６０７に示す室外熱交換手段１０４のみ利用する場合は、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７とが直列になるように、第一開閉弁１１９は閉、第二開閉弁１２０は開、第三開閉弁１２１は閉として圧縮機１０２、室外送風機１０５を駆動し、ポンプ１１３を停止する。冷媒が流通抵抗の小さい液成分を多く含む状態で流入するため、液側熱交換部１１７、ガス側熱交換部１１６の順にパス数が多くなることで、冷媒の流通抵抗の増大に合わせ、効率よく熱交換を行うことができる。
【００８６】
地中熱を利用しない場合は、室外熱交換手段１０４の中で冷媒が液体からガスへ変化する。そのため、流路断面積の小さい、すなわちパス数の少ない液側熱交換部１１７とガス側熱交換部１１６を直列に繋ぎこの順で冷媒を流すことで、流速が落ちることなく効率よく熱交換ができるため、上述の構成とするとよい。
（実施の形態２）
次に、除霜運転を行なう場合について図７を用いながら説明する。
【００８７】
本発明の実施の形態１においては、暖房時には地中熱利用熱交換器１０６で吸熱するので、室外熱交換手段１０４の負担が減るので、着霜しにくくなり除霜運転の頻度自体は少なくなる。実施の形態２では、実施の形態１と同じ構成要素を有しており、図７に示すように、流入温度センサ１２６がさらに備えられている。なお、図７では地中熱利用熱交換器１０６の出口付近に流入温度センサ１２６を設けているが、第三開閉弁１２１の付近など、室外熱交換手段１０４に流入する冷媒の温度を測定できる位置に設置すればよい。
【００８８】
除霜運転時は、四方弁１０３を冷房運転時と同じ流路設定にし、圧縮機１０２から吐出された冷媒を室外熱交換手段１０４へと送る。室外送風機１０５は、外気温が高い場合には駆動させて除霜に利用しても良いが、高くない場合は冷媒の熱が霜を溶かすことにだけ使われるように停止させる。また、室内送風機１１１についても、冷気が吹出さないように運転は中止する。
【００８９】
除霜運転中は、室外熱交換手段１０４から流出する冷媒はゼロ℃程度で、霜が溶けてくると流出する冷媒の温度は少しずつ上昇し、霜が溶けきると一気上昇する。一方、地中採熱部１１４の能力が極端に不足しない限り、地中の温度はゼロ℃以上であり、地中熱で冷媒を加熱することができる。
【００９０】
地中熱によって冷媒を加熱することができれば、除霜時間を短縮し、室内機１０９からの冷気の落下（コールドドラフト）を抑制し快適性を向上させることができる。
【００９１】
霜が溶けきり、地中熱利用熱交換器１０６へ流入する冷媒の温度が上昇して地中から戻る熱媒体の温度より高くなると、冷媒を冷やすことになってしまうので、その場合はポンプ１１３を停止し地中熱の利用をやめるのが良い。
【００９２】
このとき、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１の状態については、基本的に第一開閉弁１１９は閉、第二開閉弁１２０は開、第三開閉弁１２１は閉でよいが、下流となる液側熱交換部１１７の実質的な除霜開始が遅くなることで残霜が発生する可能性があるような場合には、除霜開始時は、第一開閉弁１１９は開、第二開閉弁１２０は閉、第三開閉弁１２１は開とし、途中から第一開閉弁１１９を閉、第二開閉弁１２０を開、第三開閉弁１２１を閉とすることで、液側熱交換部１１７の実質的な除霜開始を早くし、冷媒の流れを途中で変更することで、冷媒の偏流なども避けることができ良好な除霜を行うことができる。
【００９３】
上記の動作どおり弁の開閉し、ポンプ１１３、室外送風機１０５、室内送風機１１１を駆動することで、除霜運転の効率と快適性を向上させることができる。
【００９４】
また、実施の形態１では、室外熱交換手段はパス数の異なる２つの部分で構成されているが、パス数の異なる３つ以上の部分で構成されるような場合については、液側の２つの部分について本発明の構成を適用すれば同様の効果を発揮することができる。
【００９５】
言い換えれば、パス数の異なる３つ以上の部分で構成されるような場合、液側から２つの熱交換部を用いて実施の形態１と同様の構成とし、それ以外の室外熱交換部を、実施の形態１における四方弁１０３とガス側接続部１１５の間にガス側から順に装入していけばよい。
【００９６】
実施の形態１及び実施の形態２においては、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１の三つの開閉弁で、冷媒回路切換え手段を構成したが、開閉弁と切換え可能な三方弁を一つずつ組み合わせて使用する方法や、切換え可能な三方弁を二つ使用する方法で冷媒回路切換え手段を構成することも可能である。
【００９７】
黒く塗られた弁は閉状態を、白抜きの弁は開状態を示すものである。（２−ａ）は、第二開閉弁１２０が開状態、第一開閉弁１１９と第三開閉弁１２１が閉状態で、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７は直列に接続されている。
【００９８】
同様に、（２−ｂ）は、第一開閉弁１１９と第三開閉弁１２１が開状態、第二開閉弁１２０が閉状態で、ガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７は並列に接続されている。
【００９９】
そして、（２−ｃ）は、第一開閉弁１１９、第二開閉弁１２０、第三開閉弁１２１全て開状態で、ガス側接続部１１５と液側接続部１１８が短絡されている。
【０１００】
図８は、図１および図２における第三開閉弁１２１と切換三方弁１２７を用いて冷媒回路切換え手段を構成した場合の、第三開閉弁１２１の開閉と、切換三方弁１２７の回転位置を示す説明図である。
【０１０１】
図２の場合と同様に、（３−ａ）はガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７が直列に、（３−ｂ）はガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７が並列に、（３−ｃ）はガス側接続部１１５と液側接続部１１８が短絡されるよう接続されている。
【０１０２】
図９は、図３と同様の切換三方弁１２７と、さらにもう一つの第二切換三方弁１２８とを用いて冷媒回路切換え手段を構成した場合の、切換三方弁１２７と第二切換三方弁１２８の回転位置を示す説明図である。
【０１０３】
図２の場合と同様に、（３−ａ）はガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７が直列に、（３−ｂ）はガス側熱交換部１１６と液側熱交換部１１７が並列に、（３−ｃ）はガス側接続部１１５と液側接続部１１８が短絡されるよう接続されている。
【０１０４】
図１から図４に示した冷媒回路切換え手段は、いずれも、開閉弁や三方弁という一般に広く普及している弁体であり、安価に調達できるとともに、高い信頼性も担保することができる。従って、安価で信頼性の高い空気調和機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
以上のように、本発明にかかる空気調和機は、外気とは異なる熱源を適切かつ有効に利用して、効率のよい装置を提供するもので、その技術は空気調和機だけに止まらず、給湯などにも広く適用することができ、効果をもたらすものである。
【符号の説明】
【０１０６】
１０１  室外機
１０２  圧縮機
１０３  四方弁
１０４  室外熱交換手段
１０５  室外送風機
１０６  地中熱利用熱交換器
１０７  膨張弁
１０８  二方弁
１０９  室内機
１１０  室内熱交換器
１１１  室内送風機
１１２  三方弁
１１３  ポンプ
１１４  地中採熱部
１１５  ガス側接続部
１１６  ガス側熱交換部
１１７  液側熱交換部
１１８  液側接続部
１１９  第一開閉弁
１２０  第二開閉弁
１２１  第三開閉弁
１２２  外気温センサ
１２３  室温センサ
１２４  熱媒温度センサ
１２５  制御回路
１２６  流入温度センサ
１２７  切換三方弁
１２８  第二切換三方弁
【図１】
2020008234.tif 000003
【図２】
2020008234.tif 000004
【図３】
2020008234.tif 000005
【図４】
2020008234.tif 000006
【図５】
2020008234.tif 000007
【図６】
2020008234.tif 000008
【図７】
2020008234.tif 000009
【図８】
2020008234.tif 000010
【図９】
2020008234.tif 000011
【図１０】
2020008234.tif 000012