WO2015162780A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

　ベーン背室の圧力を制御する電磁切替え弁等を用いず、二気筒ロータリ圧縮機の運転モードを単独運転と通常の並列運転とに切替え可能なヒートポンプ装置を用いて、運転モード切替えによる省エネ運転を実現するため、各ベーンの先端部をロータの外周面に押付ける第１力が発生するとともに、一方のベーンを磁気吸引し第２力を付与する永久磁石が配置され、複数のシリンダ室が圧縮運転を行っている状態から、電動機の回転周波数を低下させる、または、前記減圧機構の開度を開けることで、第１力より第２力が大きくなり、一方のベーンの後端部が永久磁石に磁気吸引され、一方のシリンダ室を非圧縮運転に切り替える能力制御装置を備えた。

Description

ヒートポンプ装置

　本発明は、複数気筒の運転モードの切替えにより能力変更が可能な二気筒ロータリ圧縮機を搭載したヒートポンプ装置に関するものである。

　地球温暖化防止の観点から、１９９７年京都議定書に温室効果ガスの排出規制が盛り込まれ、２００５年国際法として発効された。二酸化炭素排出量の削減と省エネルギー化を図るため、空調冷熱分野では、従来の給湯暖房器に代わってヒートポンプ機器の普及促進と、ヒートポンプ機器の一層の高効率化が進められている。このような中で、従来から空調機や給湯機などのヒートポンプ機器では、冷媒圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルが一般的である。

　空調機器の省エネ規制強化が促進されているが、特に、最新の新規格では、従来規格より実負荷に近い運転条件で省エネ性能を評価する特徴がある。日本国内の省エネ性能の表示は、従来は、定格条件で冷暖平均ＣＯＰでの効率評価表示であったが、２０１１年より中間条件を加えた冷暖４条件のＣＯＰから算出するＡＰＦ（通年エネルギー消費効率）表示に変更となった。さらに、欧州では２０１２年から、低負荷条件に加えた冷房４条件、暖房４条件より、それぞれ、冷房ＳＥＥＲ、暖房ＳＣＯＰを評価算出する新規格で省エネ性能を表示する方法が採用されている。

　ここで、低負荷条件とは、外気温と室内温度との温度差が小さくて、室内温度一定に保つために必要な熱量が小さい条件である。蒸気圧縮機式冷凍サイクルの高圧（Ｐｄ）と低圧（Ｐｓ）との差異が小さい状態で、かつ、定常状態で必要な熱量も小さい状態（例えば、定格能力の２５％以下）である。運転開始時を除けば、定常運転時に必要な能力は定格条件の１０％から５０％程度であり、定格運転する時間よりも、低負荷条件から中間条件で運転する時間が長い。このため、通年の省エネ性能を実質的に評価するには、従来規格で評価対象外であった低負荷条件について、ＣＯＰを改善することが新たな課題となっている。

　また、近年空調機は、立ち上げ時間の短縮や、低外気温環境での高暖房能力化が要求されるようになってきており、一定以上の定格能力が必要になっている。その一方で、住宅の高気密高断熱化が進んできたことにより定常運転時に必要な能力は小さくなり、必要な運転能力範囲が広がっている。そのため、より広い運転範囲、回転数範囲で高効率を維持することが要求されるようになり、従来のインバータによる回転数制御のみでは、低速の低負荷能力で高効率に維持することは難しくなっている。

　そこで、機械的に排除容積を可変する手段（機械式容量制御）を用いた冷媒圧縮機が再び注目されている。
　例えば、特許文献１には、二気筒ロータリ圧縮機において、低負荷時に一方の圧縮部を非圧縮状態として冷媒循環流量を半減する構成が開示されている。この構成では、電動機の回転数を落とさずに運転できるので、圧縮機効率を向上させることができる。
　その具体的な手段として、ブレード背室の一方に常時圧縮作用をなすシリンダ室で圧縮された高圧ガスの一部を導入してブレードの後端部に高圧を付与し、ブレード先端部を偏心ローラ周壁に当接させる圧縮運転と、ブレード背室に低圧ガスを導いてブレード先端部を偏心ローラ周壁から離間させ、永久磁石に保持させる非圧縮運転とに切り替える、圧力切替え手段を備えた二気筒ロータリ圧縮機が開示されている。

　特許文献２には、二気筒ロータリ圧縮機の一方のシリンダ内における圧縮状態を非圧縮状態に切り替える休筒切替え機構を有し、この休筒切替え機構の作動タイミングに合わせて、先に運転周波数を一旦最低運転周波数に低下させておくように制御する手段が開示されている。以下、両方のシリンダ圧縮状態は、通常のツイン圧縮（並列運転）と同義であり、また、片側シリンダの非圧縮状態は休筒運転（単独運転）と同義である。

　また、特許文献３には、内部高圧（吐出圧）の密閉シェル内に電動要素と複数個の圧縮部とを収納した二気筒ロータリ圧縮機で、起動時には軽トルクの休筒運転でスムーズに起動させる方法が開示されている。この二気筒ロータリ圧縮機では複数個の圧縮部のうち、少なくとも一方の圧縮部のベーン背面側に、ベーンを外方側に引っ張るバネを設けている。すると、起動時には、吐出圧と吸入圧との差圧が小さいため、一方の圧縮部側では、引張りバネの引上げる力がベーンを内方側に差圧で押付ける力より大きくなり、ベーンが回転ピストン（ロータ）から離間して非圧縮状態になる。

特開２０１１－５８４８２号公報 特開平５－２５６２８６号公報 実開昭６１－１５９６９１号公報

　特許文献１、及び、特許文献２に記載の二気筒ロータリ圧縮機では、低負荷時に非圧縮運転のシリンダのブレード背室に低圧ガスを導くために、圧力切替え弁やこの弁を制御する通電制御手段、切替え圧力を導く配管、これらの機構を圧縮機のシェルに取り付ける構成等を追加設置する必要があった。
　このため、一般的な二気筒ロータリ圧縮機に比べ大型化と製作コストの増加を招くという問題があった。

　また、特許文献３の二気筒ロータリ圧縮機の場合、起動時は一方のシリンダが非圧縮状態の休筒運転（単独運転と同義）で圧縮動作を開始し、ベーンの後端部の圧力が上昇すると、受動的にツイン圧縮運転（並列運転と同義）に切り替わる。つまり、特許文献３の二気筒ロータリ圧縮機の場合、特許文献１、特許文献２のような密閉シェル外に電磁切替え弁や配管接続等が必要でなく、受動的に圧縮状態と非圧縮状態とを切り替える方式である。しかしながら、特許文献３は、そもそも起動時の急激な圧力上昇や負荷上昇を多少緩和することを目的とした技術であり、通常のツイン圧縮運転かあるいは休筒運転かどちらの運転モードで動作するかは成り行きで決定される。また、圧縮機の運転モードが自動的に切り替る圧力条件の前後付近の状態においては、運転モードが一定に定まらないで不安定な状態になる。すなわち、特許文献３の二気筒ロータリ圧縮機を搭載したヒートポンプ装置では適切な温度制御ができないという問題があった。

　以上、電磁切替え弁等を用いないで受動的に運転モードを切り替える休筒切替え機構を備えた二気筒ロータリ圧縮機を搭載したヒートポンプ装置において、環境条件と目標温度に合わせて圧縮機の運転モードを適切に選択しながら、目標対象物を設定温度にスムーズに近づけるように制御するため、運転モードを能動的に切替えながら制御（アクティブ制御）手段が必要である。
　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、ベーン背室の圧力を制御する電磁切替え弁等を用いず、二気筒ロータリ圧縮機の運転モードを単独運転と通常の並列運転とに切替え可能なヒートポンプ装置を用いて、運転モード切り替えによる省エネ運転を実現することを目的とする。

　本発明に係るヒートポンプ装置は、電動機と圧縮機構とを収容し底部に潤滑油を貯留させる密閉容器と、前記圧縮機構が備える２個のシリンダと、前記シリンダを貫通する駆動軸と、前記駆動軸を回転駆動する電動機と、前記シリンダの内径部に吸入圧空間から低圧の冷媒を吸収し圧縮した高圧の冷媒を吐出圧空間に排出するシリンダ室と、前記シリンダ室にそれぞれ配置される偏心ピン軸部と、前記偏心ピン軸部に摺動自在に取り付けられ前記シリンダ室内で偏心回転するリング形状のピストンと、前記ピストンの外周面に先端部が押付けられ着接した状態で前記シリンダ室を区画する各ベーンと、前記各ベーンを往復動自在に収容し前記シリンダ室に開口する各ベーン溝と、前記各ベーンの後端部を収容する前記シリンダ室に連通する各ベーン背室と、を備え、前記シリンダ室は前記吸入圧空間に常時連通し、前記ベーン背室は前記吐出圧空間に常時連通し、前記各ベーンには、前記先端部と前記後端部とにそれぞれ作用する圧力の差圧によって前記各ベーンを前記ピストンに近づける方向に作用する第１力が作用し、一方の前記シリンダの前記ベーン背室には永久磁石が配置され前記一方のシリンダに配置された一方のベーンを前記ピストンから離間する方向に作用する第２力を付与し、前記第１力を正の値とし前記第２力を負の値とするときの合力が正の値の場合は前記一方のベーンの先端部を前記ピストンの外周面に押付けて前記圧縮機構の圧縮運転を行い、負の値の場合は前記一方のベーンの先端部が前記ピストンから離間して前記圧縮機構の非圧縮運転を行う切替え機構を有するロータリ圧縮機を備えたヒートポンプ装置であって、前記ロータリ圧縮機と、放熱側熱交換器と、膨張機構と、吸熱側熱交換器とを配管で接続した冷媒回路を構成し、前記電動機の回転周波数、もしくは前記膨張機構の開度を指令し、目標対象物を設定温度に近づけるように制御し、前記ロータリ圧縮機を前記２個のシリンダが圧縮運転を行う並列運転と、前記２個のシリンダのうち前記一方のシリンダが非圧縮運転となる単独運転とに運転モードを切り替える能力制御装置を備えたものである。

　本発明に係るヒートポンプ装置によれば、二気筒ロータリ圧縮機の運転モードを切り替える際に、従来必要であったベーン背室の圧力を制御する電磁切替え弁と圧力導入配管類を用いないで、運転モードを安定に切り替えながら目標対象物を円滑に温度制御することを可能とし、従来のヒートポンプ装置より小型化と低コスト化を実現することができる。

実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１の構造を示す概略縦断面図である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０の圧縮運転状態（第２ロータ２３が軸回転角０ｄｅｇの状態）を示す概略横断面図（図１のＡ－Ａ断面）である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０の非圧縮運転状態（休筒状態）を示す概略横断面図（図１のＡ－Ａ断面）である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０が圧縮運転状態時の第２ベーン２４の状態（軸回転角０度）を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０が圧縮運転状態時の第２ベーン２４の状態（軸回転角０度）を示す横断面図である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の先端部２４ａが第２ロータ２３の外周面から離間した状態（磁石吸引途中）を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の先端部２４ａが第２ロータ２３の外周面から離間した状態（磁石吸引途中）を示す横断面図である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の後端部２４ｂが吸着固定した状態（磁石吸着）を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の後端部２４ｂが吸着固定した状態（磁石吸着）を示す横断面図である。 実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１の圧縮運転の過程で第２ロータ２３の軸回転角に対する第２ベーン２４に作動する力（差圧の押付け力Ｆｐ、および吸引磁力Ｆｍ）を示した図である。 実施の形態１に係るヨーク３３の平坦部３３ｂと第２ベーン２４の後端部２４ｂとの距離（背面ギャップ）に対する第２ベーン２４に作用する吸引磁力Ｆｍとの関係を示す図である。 実施の形態１に係る電動機８の回転周波数と第２ベーン２４の上死点位置（第２ロータ２３が軸回転角０ｄｅｇの状態）で働く吸引磁力Ｆｍとの関係を示した図である。 実施の形態１に係るヒートポンプ装置２００の基本構成を示す図である。 実施の形態１に係る休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の起動から目標状態到達までの動作例１を示した図である。 実施の形態２に係る休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の起動から目標状態到達までの動作例２を示した図である。 実施の形態３に係る休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の起動から目標状態到達までの動作例３を示した図である。 実施の形態３に係る目標の室温２０℃を保つために必要な暖房熱負荷率に対する圧縮機効率と回転周波数の特性を示した図である。

　以下に説明する実施の形態１～３に係る電磁切替え弁等を用いないで受動的に運転モードを切り替える休筒切替え機構を備えた二気筒ロータリ圧縮機を搭載したヒートポンプ装置において、環境条件と目標温度に合せて圧縮機の運転モードを適切に選択しながら、目標対象物を設定温度にスムーズに近づけるように制御するため、以下の構成が必要である。
１）圧縮機の運転モードが休筒運転（単独運転）なのか通常のツイン圧縮運転（並列運転）なのかを判別する手段。
２）一旦、圧縮機の運転モードが切り替わったら、運転モードを安定に保つ手段。
３）受動的な休筒切替え機構を備えた圧縮機を搭載したヒートポンプ装置を用いて、運転モードを能動的に切り替えながら制御（アクティブ制御）する手段。
本発明では、１）と２）の手段に加えて、３）を実現する手段について開示する。

　以下、図面に基づいて、本発明に係る二気筒ロータリ圧縮機１、およびヒートポンプ装置２００の一例について説明する。以下では、まず、ヒートポンプ装置２００に備えられた二気筒ロータリ圧縮機１について説明する。なお、以下に示す図面では、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。

　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１の構造を示す概略縦断面図である。
　図２は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０の圧縮運転状態（第２ロータ２３が軸回転角０ｄｅｇの状態）を示す概略横断面図（図１のＡ－Ａ断面）である。なお、図２の括弧内の番号は、実施の形態１に係る第１圧縮部１０に対応した構成番号を示している。
　図３は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０の非圧縮運転状態（休筒状態）を示す概略横断面図（図１のＡ－Ａ断面）である。
　図４は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０が圧縮運転状態時の第２ベーン２４の状態（軸回転角０度）を示す縦断面図である。
　図５は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０が圧縮運転状態時の第２ベーン２４の状態（軸回転角０度）を示す横断面図である。
　図６は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の先端部２４ａがロータ２３の外周面から離間した状態（磁石吸引途中）を示す縦断面図である。
　図７は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の先端部２４ａがロータ２３の外周面から離間した状態（磁石吸引途中）を示す横断面図である。
　図８は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の後端部２４ｂが吸着固定した状態（磁石吸着）を示す縦断面図である。
　図９は、実施の形態１に係る第２圧縮部２０が非圧縮運転状態時で第２ベーン２４の後端部２４ｂが吸着固定した状態（磁石吸着）を示す横断面図である。

［二気筒ロータリ圧縮機１の基本構成と基本動作］
　実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１は、例えば空調機や給湯機等のヒートポンプ装置２００（図１３を参照）の主要構成要素の一つとして利用され、ガス冷媒を圧縮し高温高圧状態にして蒸気圧縮式冷凍サイクル内に冷媒を循環させる役割をするものである。

　図１に示すように二気筒ロータリ圧縮機１は、密閉シェル３の内部空間７に、第１圧縮部１０及び第２圧縮部２０で構成された圧縮機構９９を備え、これら第１圧縮部１０及び第２圧縮部２０は駆動軸を介して電動機８で駆動される。

　密閉シェル３は、上端部及び下端部が閉塞された例えば円筒形状の密閉容器である。密閉シェル３の底部には、圧縮機構９９を潤滑する潤滑油が貯蔵される潤滑油貯蔵部３ａが設けられている。また、密閉シェル３の上部には、外部冷媒回路に導かれる圧縮機吐出管２が設けられている。

　電動機８は、インバータ制御等によって例えば回転周波数が可変であり、回転子８ａと固定子８ｂとを備えている。固定子８ｂは、略円筒形状に形成されており、外周部が密閉シェル３に例えば焼き嵌め等により固定されている。この固定子８ｂには、外部電源から電力供給されるコイルが巻回されている。回転子８ａは、略円筒形状をしており、固定子８ｂの内周面と所定の間隔を介して、固定子８ｂの内周部に配置されている。この回転子８ａには駆動軸が固定されており、電動機８と圧縮機構９９とは、駆動軸を介して接続された構成となっている。つまり、電動機８が回転することにより、圧縮機構９９には駆動軸を介して回転動力が伝達されることとなる。

　駆動軸は、該駆動軸の上部を構成する長軸部５ａと、該駆動軸の下部を構成する短軸部５ｂと、これら長軸部５ａと短軸部５ｂとの間に形成された偏心ピン軸部５ｃ，５ｄと、中間軸部５ｅと、で構成されている。ここで、偏心ピン軸部５ｃは、その中心軸が長軸部５ａ及び短軸部５ｂの回転中心軸から所定距離だけ偏心した円筒形状をしており、後述する第１圧縮部１０の第１シリンダ室１２内に配置される。また、偏心ピン軸部５ｄは、その中心軸が長軸部５ａ及び短軸部５ｂの回転中心軸から所定距離だけ偏心した円筒形状をしており、後述する第２圧縮部２０の第２シリンダ室２２内に配置されるものである。

　また、偏心ピン軸部５ｃと偏心ピン軸部５ｄとは、位相が１８０度ずれて設けられている。これら偏心ピン軸部５ｃと偏心ピン軸部５ｄは、中間軸部５ｅによって接続されている。なお、中間軸部５ｅは、後述する中間仕切板４の貫通孔内に配置される。このように構成された駆動軸は、長軸部５ａが第１支持部材の軸受部６０ａで回転自在に支持され、短軸部５ｂが第２支持部材の軸受部７０ａで回転自在に支持されている。
　つまり、駆動軸が回転した際に、第１シリンダ室１２及び第２シリンダ室２２内において、偏心ピン軸部５ｃ，５ｄが偏心回転運動する構成となっている。

　第１圧縮部１０、第２圧縮部２０は、それぞれ、シリンダ１１、２１、ロータ１３、２３（本発明のピストンに相当する）、およびベーン１４、２４等で構成される。シリンダ１１、２１は、それぞれ駆動軸（より詳しくは、長軸部５ａ及び短軸部５ｂ）と略同心となる略円筒状の貫通孔が上下方向に貫通形成された平板部材である。この貫通孔は、一方の端部が支持部材のフランジ部６０ｂ、７０ｂにより閉塞され、他方の端部が中間仕切板４によって閉塞され、シリンダ室１２、２２を形成している。

　第１シリンダ室１２の第２シリンダ室２２内には、それぞれ、ロータ１３、２３が設けられている。このロータ１３、２３は、それぞれリング状に形成されており、駆動軸の偏心ピン軸部５ｃ、５ｄに摺動自在に設けられている。また、シリンダ１１、２１には、それぞれシリンダ室１２、２２に連通し、シリンダ室１２、２２の半径方向に延びるベーン溝１９、２９（シリンダ室１２に連通するベーン溝１９は図示しない）が形成されている。そして、このベーン溝１９、２９には、それぞれ往復動自在にベーン１４、２４が設けられている。ベーン１４、２４の先端部２４ａはそれぞれロータ１３、２３の外周部に当接することにより、シリンダ室１２、２２は、それぞれ吸入室と圧縮室とに分割される。

　また、シリンダ１１、２１には、それぞれ、ベーン溝１９、２９の後方、つまりベーン１４、２４の後端部１４ｂ、２４ｂを収容するベーン背室１５、２５が形成されている。このベーン背室１５、２５はシリンダ１１、２１を上下方向に貫通するように設けられている。また、ベーン背室１５、２５は密閉シェル３の内部空間７に一部開放されており、潤滑油貯蔵部３ａに貯留されている潤滑油がベーン背室１５、２５に流入できる構成となっている。ベーン背室１５、２５に流入した潤滑油は、ベーン溝２９とベーン１４、２４の側面との間に流れ込み、両者の間の摺動抵抗を低減させる。後述のように、実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１は、圧縮機構９９で圧縮された冷媒が密閉シェル３の内部空間７に吐出される構成となっている。このため、ベーン背室１５、２５は、密閉シェル３の内部空間７と同じ吐出圧力Ｐｄの高圧雰囲気となる。

　シリンダ１１、２１には、それぞれ、ガス冷媒をシリンダ室１２、２２に流入させるための吸入マフラ６が接続されている。吸入マフラ６は、容器６ｂ、流入管６ａ、流出管６ｃと流出管６ｄとを備えている。容器６ｂは、冷凍サイクルを構成する蒸発器から流出した低圧の冷媒を貯留する。流入管６ａは、蒸発器から容器６ｂに低圧冷媒を導き、流出管６ｃ、６ｄは、それぞれ、容器６ｂに貯留された冷媒のうちのガス冷媒がシリンダ吸入流路１７、２７を経由して、シリンダ室１２、２２に導く役割をする。

　また、シリンダ室１２、２２には、内部で圧縮されたガス冷媒を吐出する吐出口１８、２８が形成されている。この吐出口１８、２８は支持部材のフランジ部６０ｂ、７０ｂに形成された貫通孔と連通しており、当該貫通孔には、シリンダ室１２、２２内が所定の圧力以上となった際に開く開閉弁１８ａ、２８ａが設けられている。また、支持部材には、貫通孔を覆うように吐出マフラ６３、７３が取り付けられている。

　［圧縮機構９９の第２圧縮部２０の休筒切替え機構３１の基本構成と動作］
　上記のように、第１圧縮部１０及び第２圧縮部２０の基本的な圧縮機構の構成は同じであるが、第２圧縮部２０には休筒切替え機構３１が設置されている点で異なっている。
　実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１は、第２圧縮部２０に休筒切替え機構３１を備えたことにより、第１圧縮部１０と第２圧縮部２０とを同時に圧縮運転する並列運転モードと、第１圧縮部１０が圧縮運転を行い、第２圧縮部２０が非圧縮運転となる単独運転モードとに切り替え可能に構成される。
　ここで、図１は、単独運転モード時、すなわち第１圧縮部１０が圧縮運転状態、第２圧縮部２０が休筒状態（非圧縮運転状態）の縦断面図を示している。また、図２は、第２圧縮部２０が圧縮運転状態の第２ベーン２４の状態を示し、図３は、第２圧縮部２０が非圧縮運転状態の第２ベーン２４の状態を示している。
　以下、休筒切替え機構３１の詳細な構成について説明する。

　［休筒切替え機構３１の基本構成］
休筒切替え機構３１は、シリンダ２１の収納室３７内に配置されている。そして、第２ベーン背室２５の後方側に永久磁石３２が配置され、永久磁石３２の前方側に第２ベーン２４に磁束密度を集中させるためのヨーク３３が取り付けられて主に構成されている。ヨーク３３は凹型形状の磁性材料で作製されており、凹型形状の平坦部３３ｂとこれに直立する二又突起部３３ａとで構成されている。

　ヨーク３３の平坦部３３ｂの底面には直方体の永久磁石３２が張り付けられている。平坦部３３ｂの上面には非磁性の薄い長方形平板で構成されたスペーサ３４が取り付けてある。スペーサ３４は、第２ベーン２４の後端部２４ｂが磁気により吸着固定したときに、後端部２４ｂとヨーク３３の平坦部３３ｂとの距離（背面ギャップ）を一定に保って、吸引磁力のばらつきを小さくするものである。また、第２シリンダ２１が通常の圧縮動作時には、第２ロータ２３の上死点位置（図２の第２ロータ２３の位置、第２ロータ２３の軸回転角０ｄｅｇ）で上記ベーンの後端部２４ｂが、ヨーク３３の凹型形状の二又突起部３３ａの先端側内角付近に接近するようにヨーク３３が配置されている。
　そして、第２ベーン２４に磁束を集中的に通過させるため、永久磁石３２とヨーク３３との周囲を非磁性材料である保持具３６で覆い、永久磁石３２とヨーク３３とを固定する。
　また、永久磁石３２の背面側は磁性材料のシリンダ２１外縁で囲まれている。もし、永久磁石３２とシリンダ外縁との間に隙間が発生するならば、その隙間に磁性材料のシム３８を差し込んで調整する。

　［第２ベーン２４に作用する押付け力Ｆｐ（以降、本発明の第１力に相当）と吸引磁力Ｆｍ（以降、本発明の第２力に相当）］
　第１ベーン１４及び第２ベーン２４には、先端部１４ａ、２４ａ側に吸入圧Ｐｓ（第１シリンダ室１２及び第２シリンダ室２２に吸入された低圧冷媒の圧力）が作用し、後端部１４ｂ、２４ｂ側には吐出圧力Ｐｄ（密閉シェル３の内部空間７の圧力、つまり、圧縮機構９９で圧縮された高圧冷媒の圧力）が作用する。
　このため、第１ベーン１４及び第２ベーン２４の双方には、先端部１４ａ、２４ａ及び後端部１４ｂ、２４ｂに作用する圧力の差（Ｐｄ－Ｐｓ）に応じて、第１ベーン１４及び第２ベーン２４を第１ロータ１３及び第２ロータ２３側へ押付ける押付け力Ｆｐが作用する。さらに、第１ベーン背室１５の後方には圧縮バネ４０が取り付けられており、差圧の押付け力に加えて、圧縮バネ４０の押付け力が第１ベーン１４に働くこととなる。例えば、起動時にはこの差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が小さいので圧縮バネ４０の押付け力により第１ベーン１４が第１ロータ１３に着接して圧縮動作をする。

　一方、第２ベーン背室２５の後方に圧縮バネ４０が取り付けられていないため、差圧による押付け力のみが第２ベーン２４を第２ロータ２３に押付け力Ｆｐとして働く。
　図１０は、実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１の圧縮運転の過程で第２ロータ２３の軸回転角に対する第２ベーン２４に作動する力（差圧の押付け力Ｆｐ、および吸引磁力Ｆｍ）を示した図である。
　圧縮運転過程ではシリンダ１１、２１の内圧が変動し、押付け力Ｆｐの最大値Ｆｐｍａｘは、第２ロータ２３の軸回転角が０ｄｅｇ付近（図２の状態で、第２ロータ２３がベーン溝２９の中心軸に最接近した状態）のときに生じる。
　このときの押付け力Ｆｐの最大値Ｆｐｍａｘは、
　Ｆｐｍａｘ＝Ｐｄ（０ｄｅｇ）×ベーン後端部面積－Ｐｓ（０ｄｅｇ）×ベーン先端部面積となる。

　図１１は、ヨーク３３の平坦部３３ｂと第２ベーン２４の後端部２４ｂとの距離（背面ギャップ）に対する第２ベーン２４に作用する吸引磁力Ｆｍとの関係を示す図である。
　第２ベーン２４に作用する吸引磁力Ｆｍは、
Ｆｍ＝Ｂｇ^２×Ｓ／（２×μ_０）［Ｎ］
　Ｂｇ：吸着面の磁束密度［Ｔ］
　Ｓ：吸着面の面積［ｍ^２］
　μ_０：真空中の透磁率
　で表され、磁束密度は永久磁石３２からの距離にほぼ反比例して急激に減少する。

　まず、第２圧縮部２０が圧縮運転を行っている時における第２ロータ２３の軸回転角が０ｄｅｇのときの吸引磁力Ｆｍを第１吸引磁力Ｆｍ１とする。
　このとき、押付け力Ｆｐｍａｘ＞第１吸引磁力Ｆｍ１の関係が成り立っている。すると、第２ベーン２４は上死点位置（第２ロータ２３の軸回転角０ｄｅｇ）から下死点位置（軸回転角１８０ｄｅｇ）まで、第２ロータ２３の周面に着接しながら上下往復動し圧縮運転状態が維持される。このときのベーン２４は、図４及び５の状態である。
　一方、第２ベーン２４に作用する吸引磁力Ｆｍは、第２ロータ２３の軸回転角が０ｄｅｇ付近のときに、第２ベーン２４の後端部２４ｂがヨーク３３の二又突起部３３ａに最も接近するので最大となる。このときの吸引磁力Ｆｍが上記の第１吸引磁力Ｆｍ１となるように、永久磁石３２とヨーク３３、第２ベーン背室２５まわりの休筒切替え機構３１を設計する。

　次に、第２ベーン２４の上死点位置（軸回転角０ｄｅｇ）で第１吸引磁力Ｆｍ１が働いて、差圧の押付け力Ｆｐｍａｘ＜第１吸引磁力Ｆｍ１の関係が成り立つと、第２ベーン２４の先端部２４ａが第２ロータ２３の外周面から離間する（図６、７に示したベーン２４の状態）。さらに、第２ベーン２４が後方側に移動すると、ヨーク３３が直方体形状の場合（図１１の曲線１）には、第２ベーン２４の後端部２４ｂとヨーク３３の平坦部３３ｂとの距離である背面ギャップに反比例するかのように吸引磁力Ｆｍが働く。そして、第２ベーン２４の後端部２４ｂがスペーサ３４に着座し、永久磁石３２の磁気により吸着固定され（図８、９に示したベーン２４の状態）、非圧縮状態に保持される。

　一方、ヨーク３３が凹型形状の場合（図１１の曲線２）には、第２ベーン２４の先端部２４ａが離間状態（永久磁石に吸引される移動途中）で働く第２吸引磁力Ｆｍ２が、ほぼ一定に保たれる点が特徴的である。さらに、ベーン２４の後端部２４ｂが後方に移動してスペーサ３４に着座すると、吸着時に働く第３吸引磁力Ｆｍ３（１０Ｎ）は、第１吸引磁力Ｆｍ１（７Ｎ）より値が大きくなり、一旦吸着固定されると休筒状態が安定に保持される。また、ヨーク３３が凹型形状の場合の曲線２の吸着時の吸引磁力Ｆｍの勾配（移動量に対する変化率）は曲線１より緩やかなため、スペーサ３４とヨーク３３との厚みである背面ギャップのばらつきによる第３吸引磁力Ｆｍ３への影響を比較的小さくできる点が特徴である。

　また、曲線１や曲線２のように永久磁石の吸引磁力の特性を利用すると、圧縮状態から非圧縮状態へ切り替わるときの第１吸引磁力Ｆｍ１と、非圧縮状態から圧縮状態へ切換わるときの第３吸引磁力Ｆｍ３との差を大きくとることで、運転モードを切り替える方向によって切り替え差圧に差異のあるヒステリシス効果が生まれる。先行技術文献３のように、ベーンをロータから離間する方向に作用する第２力として引っ張りバネだけを用いた場合には、運転モードの切り替え前後でベーンの不安定な挙動が起こり得るが、本発明のように第２力として永久磁石による吸引磁力を利用した場合には、ヒステリシス効果により運転モードの切り替え前後で安定な状態を保つことができる。

［吸引磁力Ｆｍへの電動機８の回転周波数の影響］
　図１２は、電動機８の回転周波数と第２ベーン２４の上死点位置（軸回転角０ｄｅｇ）で働く吸引磁力Ｆｍとの関係を示した図である。
　通常圧縮運転中は磁性体である鋼材の第２ベーン２４が、磁界中を高速で上下往復動するため、第２ベーン２４には渦電流による渦損失が発生する。そのため、往復動する第２ベーン２４に働く吸引磁力Ｆｍは静止状態で働く吸引磁力Ｆｍより低下する。電動機８の回転周波数が３０Ｈｚ以下では第２ベーン２４に働く吸引磁力Ｆｍの低下率が３％以内で影響が小さいが、６０Ｈｚで１０％低下、９０Ｈｚで２０％低下する。このため、電動機８の回転周波数が低下するほど第２ベーン２４に働く吸引磁力は大きくなる。すなわち、負荷が低下して電動機８の回転周波数が低下すると吸引磁力Ｆｍが大きくなり、並列運転から単独運転へ運転モードの移行が促進される。

［ヒートポンプ装置２００の基本構成］
　図１３は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置２００の基本構成を示す図である。
　ヒートポンプ装置２００は、図１と同様の二気筒ロータリ圧縮機１、四方弁２０１、室内側熱交換器２０２、膨張機構２０３および室外側熱交換器２０４を有し、これらを冷媒回路配管２０７で接続して蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成している。通常、四方弁２０１、膨張機構２０３は電磁式で遠隔操作可能であり、膨張機構２０３は電磁膨張弁（ＬＥＶ）が一般的に用いられる。
以下では、ヒートポンプ装置２００の一例として空調機用のヒートポンプ装置２００について説明する。

　室内機Ｂには室内側熱交換器２０２が配置され、室外機Ａには二気筒ロータリ圧縮機１、四方弁２０１、膨張機構（電磁膨張弁）２０３及び室外側熱交換器２０４が配置されている。ヒートポンプ装置２００は、電磁式の四方弁２０１により暖房運転及び冷房運転を切り替え可能となっている。暖房運転する場合には、四方弁２０１を図１０の実線で示す暖房運転時経路２０１ａ側に接続する。これにより、二気筒ロータリ圧縮機１で高温高圧状態に圧縮した冷媒ガスが室内側熱交換器２０２に流入し、室内側熱交換器２０２が放熱側熱交換器（凝縮器）として動作する。冷房運転する場合には、四方弁２０１を点線で示す冷房運転時経路２０１ｂ側に接続する。これにより、二気筒ロータリ圧縮機１の吸入側が室内側熱交換器２０２に接続されて、室内側熱交換器２０２が吸熱側熱交換器（蒸発器）として動作する。

　二気筒ロータリ圧縮機１は、上述したように電動機８及び２つの圧縮部１０、２０を有し、一方の圧縮部を非圧縮運転状態とする単独運転モードと、両方の圧縮部を圧縮運転状態とする通常の並列運転とが、圧縮機の運転条件により受動的に切り替わる構造を有している。具体的には、上述したように二気筒ロータリ圧縮機１の運転開始直後や、あるいは、二気筒ロータリ圧縮機１が低負荷（室内と室外の温度差が小さい）で吸入圧と吐出圧の差圧が小さい状態では単独運転で運転を行う。あるいは、起動後しばらく経過し、定格負荷まで吐出圧が上昇して吸入圧との差圧が大きくなると、第２ベーン２４に作用する押付け力Ｆｐ（第１力）が大きくなって、並列運転に切り替わる。

　次に、ヒートポンプ装置２００に備えられたセンサ類について説明する。室内機Ｂには、室内温度を検出する室内温度センサ１７１と、室内側熱交換器２０２を通過する室内気流の噴出し口に温度センサ１７２が備えてある。室内温度センサ１７１、及び１７２で検知した信号は、後述の能力制御装置１６０に入力されるようになっている。

　なお、ヒートポンプ装置２００の制御に用いられるセンサは、図１３に示したものに限定されず、室内側熱交換器２０２および室外側熱交換器２０４の気流側または冷媒側に設けられた温度センサ、二気筒ロータリ圧縮機１の吸入側及び吐出側に設けられた温度センサ及び圧力センサなどを必要に応じて適宜採用することができる。

　次に、ヒートポンプ装置２００に備えられた制御回路について説明する。室外機Ａは、交流電源１４０からの電源により二気筒ロータリ圧縮機１の電動機８を駆動する電力を供給するインバータ駆動制御装置１５０と、この装置から取得したインバータ波形に基づいて運転モードを判別する検知判別手段１４５と、能力制御装置１６０とを備えている。インバータ駆動制御装置１５０、検知判別手段１４５、能力制御装置１６０には、各種制御を行うプログラムを記憶した記憶部や演算を行うＣＰＵなどの回路が内蔵されている。

　［休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の動作例１］
　二気筒ロータリ圧縮機１を搭載したヒートポンプ装置２００において、休筒切替え機構３１の動作を説明する。
図１４は、休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の起動から室温を目標状態に到達させるまでの動作例１を示した図である。
　例えば、欧州の新省エネ規格を参考に、目標の状態を外気温（乾球）２７℃、室温（乾球）２０℃の冷房低負荷状態（冷房定格３．５ｋＷの２０％負荷相当）を仮定する。例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒であれば、吸入圧（約１．５ＭＰａ）と吐出圧（約１．７ＭＰａ）の差圧０．２ＭＰａ、回転周波数２０ｒｐｓの運転条件が想定される。ここで、図１４に示す単独運転モードから並列運転モードへの切替え差圧Ａを０．３ＭＰａ、並列運転モードから単独運転モードへの切替え差圧Ｂを０．８ＭＰａとなるように休筒切替え機構３１を設計した。

　（１）起動運転から加速運転へ
　起動時は、二気筒ロータリ圧縮機１の吸入圧Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとの差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が０であり、第２圧縮部２０の第２ベーン２４は永久磁石３２に吸引され、第２ベーンの先端部２４ａが第２ロータ２３から離間した状態であることから、第１圧縮部１０のみが圧縮動作（すなわち、単独運転モード）を開始する。
　このとき、膨張機構（電磁膨張弁）２０３を閉じておくか、あるいは、開度を絞って、二気筒ロータリ圧縮機１を動作させると、比較的短時間でＰｄが上昇し差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）を大きくすることができる。電動機８の回転周波数を上昇させながら、第２ロータ２３への第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第３吸引磁力Ｆｍ３より大きくなると、第２ベーン２４の後端部２４ｂがスペーサ３４に吸着固定された状態からはずれる。

このとき第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第１吸引磁力Ｆｍ１より大きいので第２ベーン２４の先端部２４ａは第２ロータ２３の外周面に着接した状態となり、第２圧縮部２０も圧縮動作（すなわち、並列運転モード）を開始する。
　単独運転モードから並列運転モードへの切り替え時には電動機８の回転周波数は一瞬低下するが、運転モードが単独運転モードから並列運転モードに切り替わったことは、インバータ駆動制御装置１５０から取得したインバータ波形に基づいて、検知判別手段１４５で検知したうえで、能力制御装置１６０において、適切な回転周波数を再度決定する。同等の冷房能力あるいは暖房能力を保つため、つまり冷媒循環量を同等に保つため、単独運転から並列運転への切り替え後には、切り替え前の単独運転での出力周波数の１／２倍程度の運転周波数で、インバータ駆動制御装置１５０を制御するので、直ちに安定な運転状態に戻すことができる。

　（２）加速運転からフルパワー運転へ
　比較短時間で目標の室温（冷房低負荷定常運転）に到達するため、まず、最大能力（フルパワー）で運転し室内機Ｂの吹き出し温度（温度センサ１７２の検出温度）を下げることが望ましい。そこで、フルパワー運転に到達するまで、並列運転モードで電動機８の回転周波数を上げながら、インバータ駆動制御装置１５０と、能力制御装置１６０とで、回転周波数を上げた状態で膨張機構（電磁膨張弁）２０３の開度を調整しながら、並列運転モードとして適切なフルパワー運転条件に近づけていく。

　（３）フルパワー運転から減速運転へ
しばらくの間、フルパワー運転を継続し、室内機Ｂの吹き出し気流温度（温度センサ１７２の検出温度）を低下させた結果、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標の室温（乾球）２０℃に到達したと判断すると、電動機８を減速運転に切り替える。この減速運転では、目標の室温（乾球）２０℃を保つように熱収支がバランスする適切な運転条件を探しながら、電動機８の回転周波数を下げ、膨張機構（電磁膨張弁）２０３の開度を調整する。例えば、室温が目標の温度より低下しそうであれば、電動機８の回転周波数を下げることで差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が小さくなる。

　（４）減速運転から冷房低負荷定常運転、差圧目標の到達へ
減速運転で急速に回転周波数を減速させることで、冷媒循環量が低下し、差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が小さくなることで第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが小さくなる効果と、第２ベーン２４に働く渦損失が低下することで第１吸引磁力Ｆｍ１が大きくなる効果とが第２ベーン２４に同時に働くこととなる。このため、並列運転モードから目標の単独運転モードの条件に短時間で近づくことができる。第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第１吸引磁力Ｆｍ１より小さくなると、第２ベーン２４の先端部２４ａが第２ロータ２３の外周面から離間し、第２ベーン２４の後端部２４ｂがスペーサ３４に吸着固定され、第２圧縮部２０が再び休筒状態（すなわち、単独運転モード）となる。

　運転モードが、並列運転モードから単独運転モードに切り替わった瞬間は、電動機８の回転周波数が急激に増加（オーバシュート）する方向に一瞬振れるが、インバータ駆動制御装置１５０により運転状態は安定に保たれる。さらに、能力制御装置１６０により運転モードを検知判別すると、室内温度センサ１７１で検知した温度が目標の室温に近づくように、能力制御装置１６０で、回転周波数を再度決定し、決定した運転周波数で電動機８が動作するようにインバータ駆動制御装置１５０を制御する。目標の冷房低負荷条件の付近あれば、単独運転から並列運転への切り替え後の前記出力周波数は、切り替え前の単独運転での前記出力周波数の約２倍程度に切り替わる。

　目標の冷房低負荷条件では、並列運転モードから単独運転モードへの図１４に記載された切替え差圧Ｂより低い単独運転モードの差圧領域にあるため、冷房低負荷定常運転をそのまま継続し、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標の室温（乾球）２０℃の変動幅の許容範囲（±１℃程度）に入るように、室内側熱交換器２０２のファン２０５の速度などで微調整しながら目標の室温を保持する。

　ここで、上記（４）減速運転から冷房低負荷定常運転、差圧目標の到達する過程において、第２ベーン２４に作用する差圧を減圧する手段としては、
　１）ファン２０５、２０６を増速する手段
　２）電動機８の回転周波数を減速する手段
　３）電磁膨張弁２０３の開度を開く手段
　４）四方弁２０１を切り替えて差圧を減圧してから元に戻す手段
　があるが、差圧を減圧する効果の大きさは、４）＞３）＞２）＞１）の順番となる。並列運転モードから単独運転モードにより短時間で切り替えるため、通常は、２）電動機８の回転周波数を減速する手段、または、３）電磁膨張弁２０３の開度を開く手段が用いられる。さらに短時間で運転モードを単独運転モードに切り替えることの手段としては、４）四方弁２０１を切り替える手段が用いられる。例えば、図１３の実線の暖房運転時経路２０１ａであった状態から、四方弁２０１を冷房運転時経路２０１ｂの状態へ切り替え、差圧を減圧して直ちに元の暖房運転時経路２０１ａの状態に戻す動作を繰り返すことによって、第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第１吸引磁力Ｆｍ１より小さくなり、第２ベーン２４の先端部２４ａが第２ロータ２３の外周面から離間し、第２ベーン２４の後端部２４ｂがスペーサ３４に吸着固定され、第２圧縮部２０が再び休筒状態（すなわち、単独運転モード）に切り替わる。

　以上、実施の形態１に係る二気筒ロータリ圧縮機１を搭載したヒートポンプ装置では、運転モードの切り替えが可能なヒートポンプ装置で従来必要であった、電磁切替え弁や切替え圧をシェル内の圧縮機構に導く配管などの追加構成部品がなくても、運転モードの切替えを安定動作させながら、目標対象物の温度制御をすることが可能になり、従来のヒートポンプ装置より小型化と低コスト化を実現することができる。

実施の形態２．
　［休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の動作例２］
　図１５は、休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の起動から目標状態到達までの動作例２を示した図である。
　例えば、欧州の新省エネ規格を参考に、目標の状態を外気温（乾球）３５℃、室温（乾球）２７℃の冷房定格定常状態（冷房定格３．５ｋＷの１００％負荷相当）を仮定する。
　例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒であれば、吸入圧（約１．１ＭＰａ）と吐出圧（約２．７ＭＰａ）の差圧１．６ＭＰａ、回転周波数５０ｒｐｓの運転条件が想定される。ここで、図１４に示す単独運転モードから並列運転モードへの切替え差圧Ａを０．３ＭＰａ、並列運転モードから単独運転モードへの切替え差圧Ｂを０．８ＭＰａとなるように休筒切替え機構３１を設計した。
　動作例１で示した、（１）起動運転から加速運転へ、（２）加速運転からフルパワー運転へ、（３）フルパワー運転から減速運転への動作は同じであるが、（４）減速運転から冷房定格定常運転、目標の冷房定格条件に到達するまでの動作が異なる。

　目標の冷房定格運転条件は、図１５に記載された単独運転モードから並列運転モードへの切替え差圧Ａより高い並列運転モードの差圧領域に位置するため、（４）の減速運転から冷房定格定常運転の差圧目標の到達へ到る経路は並列運転モードのままである。
　回転周波数を減速させる減速運転の課程で、差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が極端に小さく（切替え差圧Ｂ以下に）ならないように注意すれば、並列運転モードのままで、電動機８の回転周波数を低下させながら、膨張機構（電磁膨張弁）２０３の開度を調整しながら目標の室温である冷房定格の運転条件に接近させていく。

　第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第１吸引磁力Ｆｍ１より大きな状態を保ったまま、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標室温に近づくように電動機８の運転周波数を再度決定し、決定した運転周波数で電動機８が動作するようにインバータ駆動制御装置１５０を制御する。その後、冷房定格定常運転を継続し、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標の室温（乾球）２０℃の変動幅の許容範囲（±１℃程度）に入るように、室内側熱交換器２０２のファン２０５の速度などで微調整しながら目標の室温を保持する。

　以上、実施の形態２に係る二気筒ロータリ圧縮機１を搭載したヒートポンプ装置では、実施の形態１と同様にして、電磁切替え弁等の追加構成部品がなくても、運転モードの切り替えを安定動作させながら、目標対象物の温度制御をすることが可能になり、従来のヒートポンプ装置より小型化と低コスト化を実現することができる。

実施の形態３．
　［休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の動作例３］
　図１６は、休筒切替え機構３１によるヒートポンプ装置２００の起動から目標状態到達までの動作例３を示した図である。
　例えば、欧州の新省エネ規格を参考に、目標の状態を外気温（乾球）１２℃、室温（乾球）２０℃の暖房低負荷状態（暖房定格３．５ｋＷの２５％負荷相当）を仮定する。例えば、Ｒ４１０Ａ冷媒であれば、吸入圧（約１．１ＭＰａ）と吐出圧（約１．６ＭＰａ）の差圧０．５ＭＰａ、回転周波数２０ｒｐｓの運転条件が想定される。目標の差圧条件は、単独運転モードから並列運転モードへの切替え差圧Ａ（０．３ＭＰａ）より低く、並列運転モードから単独運転モードへの切替え差圧Ｂ（０．８ＭＰａ）より高いヒステリシス領域の中間ぐらいに位置するため、実施の形態１や実施の形態２に比べるとより複雑な制御方法が必要である。
　実施の形態１の動作例１で示した、（１）起動運転から加速運転へ、（２）加速運転からフルパワー運転へ、（３）フルパワー運転から減速運転への動作は同じであるが、（４）減速運転から暖房低負荷定常運転にかけて、目標の暖房低負荷条件に到達するまでの動作が異なる。

　（４）減速運転から暖房低負荷定常運転、差圧目標の到達へ
　本実施の形態３で、目標とする暖房低負荷条件の差圧は、ヒステリシス領域に位置するため、並列運転モードと単独運転モードの２つの運転モードが可能である。減速運転から暖房低負荷定常運転にかけて、目標の差圧条件に到達する経路は大きく分けて、経路１と経路２の２種類がある。経路１では並列運転モードのままで暖房低負荷定常運転を行う。　経路２の場合は単独運転モードに切り替えてから暖房低負荷定常運転を行う。

　減速運転の課程では、温調対象物を加熱もしくは冷却するヒートポンプ装置の能力が、目標対象物が設定温度となる運転条件で必要な熱量より過剰なので、経路１では、並列運転のままで温調対象物を加熱もしくは冷却するヒートポンプ装置の能力が、必要な熱量と釣合う回転周波数まで減速する。また、経路２では、回転周波数の減速もしくは膨張機構の開度を広げることで単独運転に切り替えてから必要な熱量と釣り合う回転周波数で運転する。本実施の形態３では、上記経路１または経路２のいずれかの経路と運転方法が選択される。

　図１７は、実施の形態３に係る目標の室温２０℃を保つために必要な暖房熱負荷率に対する圧縮機効率と回転周波数の特性を示した図である。
　通常圧縮機の運転可能な回転周波数範囲は１０ｒｐｓから１００ｒｐｓ程度であって、必要な暖房熱負荷に釣り合う回転周波数は、単独運転が並列運転の２倍程度であるので、運転できる暖房熱負荷率の範囲も異なる。並列運転の場合は熱負荷率２５％から１２０％まで運転可能なのに対して、単独運転の場合は１５％から６５％の熱負荷率まで運転可能である。また、並列運転と単独運転では圧縮機効率が優位な領域が異なり、暖房熱負荷率３５％以下の領域では単独運転の方が並列運転より圧縮機効率が高いことがわかる。

　能力制御装置１６０において、データベース（例えば、図１７に記載の線図）に基づいて、標対象物が設定温度となる運転条件で必要な熱量、及び、単独運転モードと並列運転モードそれぞれにおいて必要な熱量に釣り合う回転周波数と圧縮機効率とを算出し、圧縮機効率の観点から優位な運転モードを経路１と経路２の中から選択した上で、電動機の回転周波数と膨張機構の開度を調整し、室内温度を設定値に円滑に近づけるように適切な運転制御を行う。

　経路２を選択する場合には、実施の形態１と同様に、回転周波数を比較的急速に減速させることが可能である。この減速運転の過程で、第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第１吸引磁力Ｆｍ１より小さくなると、第２ベーン２４の先端部２４ａが第２ロータ２３の外周面から離間し、後端部２４ｂがスペーサ３４に吸着固定され、第２圧縮部２０が再び休筒状態（すなわち、単独運転モード）を開始する。

　運転モードが、並列運転モードから単独運転モードに切り替わったことは、能力制御装置１６０により検知、判別する。室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標室温に近づくように電動機８の運転周波数を再度決定し、決定した運転周波数で電動機８が動作するようにインバータ駆動制御装置１５０を制御する。その後、低負荷定常運転を継続し、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標の室温（乾球）２０℃の変動幅の許容範囲（±１℃程度）に入るように調整しながら、目標の暖房低負荷状態に到達する。

　また、経路２では、急速に電動機８の回転周波数を減速させることで、冷媒循環量が低下し、差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が小さくなることで第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが小さくなる効果と、第２ベーン２４に働く渦損失が低下することでの第１吸引磁力Ｆｍ１が大きくなる効果とが第２ベーン２４に同時に働くこととなる。このため、並列運転モードから目標の単独運転モードの条件に短時間で近づけることができる。

　経路１を選択する場合には、減速運転時に差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）が、並列運転モードから単独運転モードへの切替え差圧Ｂより小さくならないように、目標の暖房低負荷運転することが必要である。電動機８の回転周波数を緩やかに減速させながら、膨張機構（電磁膨張弁）２０３の開度を緩やかに調整することで、目標の運転条件に緩やかに接近させることができる。ここでは、例えば、回転周波数を６０Ｈｚから２０Ｈｚに一気に低下させると吸引磁力Ｆｍが１０％急増し、単独運転モードに切り替わる可能性があるため、電動機８の回転周波数を緩やかに低下させる必要がある。

　経路１の場合には、差圧をより緩やかに微調整する手段が必要である。室外側熱交換器（暖房時の蒸発器）のファンを増速することで、冷媒蒸発温度（温度センサ１７３で計測）と外気温度（室外機気流吸い込み温度）との温度差を小さくし、蒸発圧力（Ｐｓに相当）を上昇させて、第２ベーンに作用する差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）を低下させることができる。　　あるいは、室内側熱交換器（暖房運転時の凝縮器）のファンを増速することで、冷媒凝縮温度と室内温度との温度差を小さくし、凝縮圧力（Ｐｄに相当）を低下させて、第２ベーンに作用する差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）を低下させることができる。また、逆にファン速度を減速すると差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）を増加させることもできる。
　ベーンに作用する差圧（Ｐｄ－Ｐｓ）を増減させる代表的な手段である、電動機８の回転周波数や膨張機構の開度に比べると、ファン速度の増減による差圧への影響は小さくて、感度の鈍い手段である。緩やかに変化させるための微調整として使うのがよい。

　第２ベーン２４の押付け力Ｆｐｍａｘが、第１吸引磁力Ｆｍ１より大きな状態を保ったまま、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標室温に近づくように電動機８の運転周波数を再度決定し、決定した運転周波数で電動機８が動作するようにインバータ駆動制御装置１５０を制御する。
　その後、低負荷定常運転を継続し、室内温度センサ１７１で検知した温度が、目標の室温（乾球）２０℃の変動幅の許容範囲（±１℃程度）に入るように調整しながら、目標の暖房低負荷状態に、より省エネ運転で到達する。
　このとき、室内気流噴出し温度を微調整する手段としては、室内側熱交換器のファン速度を利用することも可能である。

　また、図１７に示すように、低負荷領域で電動機８の回転周波数が１５ｒｐｓ以下であれば並列運転から単独運転に切り替えた方が高効率運転の下限域を拡大することができる。また、比較的高荷領域で電動機８の回転周波数が６０ｒｐｓ以上であれば単独運転から並列運転に切り替える方が高効率運転の上限域を拡大することができる。そこで、一般的なヒートポンプエアコンの運転制御と同様にして、暖房熱負荷に合わせて室温が目標温度となるように圧力と回転周波数を変化させるが、電動機８の回転周波数が１５ｒｐｓ以下に達すると一旦差圧が低下して並列運転から単独運転に切り替わるように制御を行う。反対に、電動機８の回転周波数が６０ｒｐｓ以上に達すると一旦差圧を上昇させて単独運転から並列運転に切り替わるように運転制御を行う。
実施の形態１と同様に、第２ベーン２４に作用する差圧を減圧する手段は、
　１）ファン２０５、２０６を増速する手段
　２）電動機８の回転周波数を減速する手段
　３）電磁膨張弁２０３の開度を広げる手段
　４）四方弁２０１を切り替えて差圧を減圧してから元に戻す手段
　がある。
　また、差圧を上昇させる手段は、
　１）ファン２０５、２０６を減速する手段
　２）電動機８の回転周波数を増速する手段
　３）電磁膨張弁２０３の開度を狭める手段
　がある。
　これらの手段を使って、実施の形態１と同様の運転モード切り替え制御を行うことができる。図１７は、暖房運転時の性能特性を示すが、冷房運転時にも同様の運転モード切り替え制御を行えばよいので、説明を省略する。

　以上、実施の形態３に係る二気筒ロータリ圧縮機１を搭載したヒートポンプ装置では、実施の形態１と同様にして、運転モードを切り替えるための電磁弁等の追加部品がなくても、運転モードの切り替えを安定動作させながら、目標対象物の温度制御をすることが可能になり、従来のヒートポンプ装置より小型化と低コスト化を実現することができる。

　また、二気筒ロータリ圧縮機１は、第２圧縮部２０に、第２ベーン２４が第２ロータ２３から離れた状態になったときに、第２ベーン２４を保持する凹型形状のヨーク３３を備えている。このため、第２ベーン２４が第２ロータ２３の外周壁から離間した際に、第２ベーン２４の位置を安定に保つこともできる。

　なお、上記では、休筒状態となる第２圧縮部２０を第１圧縮部１０の下方に配置した例を説明したが、休筒状態となる第２圧縮部２０を第１圧縮部１０の上方に配置してもよい。

　また、以上の実施の形態１～３の二気筒ロータリ圧縮機１は、インバータで駆動し、回転周波数を可変できることを前提に説明したが、非インバータの一定速圧縮機の場合には、電動機８の回転周波数を増減速する手段は使えないので、それ以外の手段である、
　１）ファン２０５、２０６の速度を調整する手段
　２）電磁膨張弁２０３の開度を調整する手段
　３）四方弁２０１を切り替えて差圧を減圧してから元に戻す手段
　を使って、実施の形態１と同様の運転モード切り替え制御を行うことができる。

　また、以上の実施の形態１～３のヒートポンプ装置では、膨張機構２０３は電磁膨張弁であり、連続的に開度を調整できるとしたが、電磁膨張弁でない場合には、別の方法で膨張開度を調整するか、あるいは、それ以外の手段である、
　１）ファン２０５、２０６の速度を調整する手段
　２）電動機８の回転周波数を調整する手段
　３）四方弁２０１を切り替えて差圧を減圧してから元に戻す手段
　を使って、実施の形態１と同様の運転モード切り替え制御を行うことができる。

　実施の形態１～３では、密閉形高圧シェル形式（圧縮部１０、２０と電動機８を同じ吐出圧の密閉シェル内に配置したもの）の二気筒ロータリ圧縮機を用いたヒートポンプ装置について説明したが、その他のシェル形式においても同様の構成を採用することができる。例えば、半密閉式のシェル形式の場合や、中間圧シェル形式及び低圧シェル形式の場合にも、ベーンを差圧によりロータに押し付けて圧縮運転を行う形式の場合には、同様の効果を奏することができる。

　１　二気筒ロータリ圧縮機、２　圧縮機吐出管、３　密閉シェル、３ａ　潤滑油貯蔵部、４　中間仕切板、５ａ　長軸部、５ｂ　短軸部、５ｃ　偏心ピン軸部、５ｄ　偏心ピン軸部、５ｅ　中間軸部、６　吸入マフラ、６ａ　流入管、６ｂ　容器、６ｃ　流出管、６ｄ　流出管、７　内部空間、８　電動機、８ａ　回転子、８ｂ　固定子、１０　第１圧縮部、１１　第１シリンダ、１２　第１シリンダ室、１３　第１ロータ（本発明のピストンに相当）、１４　第１ベーン、１４ａ　先端部、１４ｂ　後端部、１５　第１ベーン背室、１７　シリンダ吸入流路、１８　吐出口、１８ａ　開閉弁、１９　ベーン溝、２０　第２圧縮部、２１　第２シリンダ、２２　第２シリンダ室、２３　第２ロータ（本発明のピストンに相当）、２４　第２ベーン、２４ａ　先端部、２４ｂ　後端部、２５　第２ベーン背室、２７　シリンダ吸入流路、２８　吐出口、２８ａ　開閉弁、２９　ベーン溝、３１　休筒切替え機構、３２　永久磁石、３３　ヨーク、３３ａ　二又突起部、３３ｂ　平坦部、３４　スペーサ、３６　保持具、３７　収納室、３８　シム、４０　圧縮バネ、６０ａ　軸受部、６０ｂ　フランジ部、６３　吐出マフラ、７０ａ　軸受部、７０ｂ　フランジ部、７３　吐出マフラ、９９　圧縮機構、１４０　交流電源、１４５　検知判別手段、１５０　インバータ駆動制御装置、１６０　能力制御装置、１７１　１７２　１７３　温度センサ、２００　ヒートポンプ装置、２０１　四方弁、２０１ａ　暖房運転時経路、２０１ｂ　冷房運転時経路、２０２　室内側熱交換器、２０３　膨張機構（電磁膨張弁）、２０４　室外側熱交換器、２０５　ファン（室内側）、２０６　ファン（室外側）、２０７　冷媒回路配管、Ａ　室外機、Ｂ　室内機。

Claims (8)

1. 　電動機と圧縮機構とを収容し底部に潤滑油を貯留させる密閉容器と、前記圧縮機構が備える２個のシリンダと、前記シリンダを貫通する駆動軸と、前記駆動軸を回転駆動する電動機と、前記シリンダの内径部に吸入圧空間から低圧の冷媒を吸収し圧縮した高圧の冷媒を吐出圧空間に排出するシリンダ室と、前記シリンダ室にそれぞれ配置される偏心ピン軸部と、前記偏心ピン軸部に摺動自在に取り付けられ前記シリンダ室内で偏心回転するリング形状のピストンと、前記ピストンの外周面に先端部が押付けられ着接した状態で前記シリンダ室を区画する各ベーンと、前記各ベーンを往復動自在に収容し前記シリンダ室に開口する各ベーン溝と、前記各ベーンの後端部を収容する前記シリンダ室に連通する各ベーン背室と、を備え、
   　前記シリンダ室は前記吸入圧空間に常時連通し、前記ベーン背室は前記吐出圧空間に常時連通し、前記各ベーンには、前記先端部と前記後端部とにそれぞれ作用する圧力の差圧によって前記各ベーンを前記ピストンに近づける方向に作用する第１力が作用し、一方の前記シリンダの前記ベーン背室には永久磁石が配置され前記一方のシリンダに配置された一方のベーンを前記ピストンから離間する方向に作用する第２力を付与し、前記第１力を正の値とし前記第２力を負の値とするときの合力が正の値の場合は前記一方のベーンの先端部を前記ピストンの外周面に押付けて前記圧縮機構の圧縮運転を行い、負の値の場合は前記一方のベーンの先端部が前記ピストンから離間して前記圧縮機構の非圧縮運転を行う切替え機構を有するロータリ圧縮機を備えたヒートポンプ装置であって、
   　前記ロータリ圧縮機と、放熱側熱交換器と、膨張機構と、吸熱側熱交換器とを配管で接続した冷媒回路を構成し、前記電動機の回転周波数、もしくは前記膨張機構の開度を指令し、目標対象物を設定温度に近づけるように制御し、前記ロータリ圧縮機を前記２個のシリンダが圧縮運転を行う並列運転と、前記２個のシリンダのうち前記一方のシリンダが非圧縮運転となる単独運転とに運転モードを切り替える能力制御装置を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 　前記能力制御装置は、前記並列運転の状態から前記電動機の回転周波数の減速、もしくは前記膨張機構の開度を増加することによって、前記第１力より前記第２力が大きくなり、前記一方のベーンの後端部が前記永久磁石に吸着固定され、前記一方のシリンダ室が非圧縮運転となる前記単独運転に前記運転モードを切り替えることを特徴とする前記ロータリ圧縮機を搭載した請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 　前記能力制御装置は、前記単独運転の状態から、前記電動機の回転周波数の増速、もしくは前記膨張機構の開度を減少するによって、前記第１力より前記第２力が小さくなり、前記一方のベーンの後端部を前記永久磁石に吸着固定された状態から開放し、前記一方のシリンダ室が圧縮運転となる前記並列運転に前記運転モードを切り替えることを特徴とする前記ロータリ圧縮機を搭載した請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
4. 　前記放熱側熱交換器を室内側とする暖房運転時経路と、前記放熱側熱交換器を室外側とする冷房運転時経路とに切り替える四方弁を、前記ロータリ圧縮機の吐出側に配置して構成した前記冷媒回路において、
   　前記能力制御装置は、前記四方弁を前記暖房運転時の経路と前記冷房運転時の経路とに一旦切り替えて元に戻す動作によって、前記各ベーンに作用する前記差圧が低下し、前記第１力より前記第２力が大きくなり、前記一方のベーンの後端部が前記永久磁石に吸着固定され、前記一方のシリンダ室が非圧縮運転となる前記単独運転に前記運転モードを切り替えることを特徴とする前記ロータリ圧縮機を搭載した請求項１に記載のヒートポンプ装置。
5. 　前記能力制御装置は、前記電動機の回転周波数もしくは前記膨張機構の開度の制御に加え、凝縮器のファン速度もしくは蒸発器のファン速度を制御し、前記目標対象物を設定温度に近づけるように制御することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
6. 　前記能力制御装置は、前記目標対象物が設定温度となる運転条件で必要な熱量に対し、前記単独運転と前記並列運転のそれぞれの運転モードで前記熱量に釣り合う前記電動機の回転周波数と圧縮機効率とを算出し、前記圧縮機効率の優位な前記運転モードを選択して、前記電動機の回転周波数、もしくは前記膨張機構の開度を制御し、前記目標対象物を設定温度に近づけるように制御することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
7. 　前記切替え機構は、前記２個のシリンダが圧縮運転を行っている状態で、前記一方のベーンの後端部が前記永久磁石に最も接近した位置で、前記第１力が前記第２力より小さくなり、前記一方のベーンの先端部が前記ピストンから離間し、前記一方のシリンダを非圧縮運転に切り替えることを特徴とする前記ロータリ圧縮機を搭載した請求項１～６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
8. 　前記電動機に駆動電力を供給するインバータ駆動制御装置と、前記インバータ駆動制御装置から取得したインバータ波形に基づいて、前記運転モードを判別する検知判別手段と、を備え、
   　前記能力制御装置は、前記インバータ駆動制御装置の出力周波数と、前記膨張機構の開度と、を制御することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。

Images