Development Of 2-Cylinder Rotary Compressor

Purdue University
Purdue e-Pubs
International Compressor Engineering Conference
School of Mechanical Engineering
2002
DESARROLLO DE UNA SERIE DE COMPRESORES ROTATIVOS DE 2
CILINDROS PARA USO COMERCIAL NO INTENSIVO CON R410A
H. Kato
Toshiba Carrier Corp.
M. Hasegawa
Toshiba Carrier Corp.
A. Morishima
Toshiba Carrier Corp.
Para más información para este y otros trabajos: http://docs.lib.purdue.edu/icec
Kato, H.; Hasegawa, M. y Morishima, A., “ Development Of 2-Cylinder Rotary Compressor Series For Light Commercial
Use With R410A “ (2002). International Compressor Engineering Conference. Paper 1513.
http://docs.lib.purdue.edu/icec/1513
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DESARROLLO DE UNA SERIE DE COMPRESORES
ROTATIVOS DE 2 CILINDROS PARA USO COMERCIAL
NO INTENSIVO CON R410A
*Hisataka Kato, Masumi Hasegawa, Akira Morishima
Toshiba Carrier Corporation First Compressor Department
336,Tadewara Fuji-shi, Shizuoka-ken,416-8521,Japan
Tel.: +81-545-62-5642;Fax: +81-545-66-0305
E-Mail: hisataka.kato@toshiba.co.jp *Autor para correspondencia
RESUMEN
Hemos desarrollado, por primera vez en el sector, una serie de compresores rotativos de 2 cilindros
para acondicionadores de aire comerciales de uso no intensivo, utilizando un nuevo refrigerante
R410A (HFC).
Dado que resulta posible conseguir una mayor eficiencia en un sistema de aire acondicionado, se
ha elegido el nuevo refrigerante R410A desde el punto de vista de la prevención del calentamiento
global. Por otro lado, la carga impuesta a los elementos de compresión se incrementa, porque la presión
de operación del R410A es aproximadamente 1,6 veces más alta que la del R22. Adoptando el
mecanismo rotativo de 2 cilindros y optimizando la dimensión de las partes mecánicas, hemos podido
hacer que las características dinámicas de los cojinetes sean equivalentes a las del compresor convencional,
pudiendo así conseguir una alta calidad.
Además, esta serie de compresores consigue una eficiencia 20% mayor en un amplio rango de velocidades
de operación, y entre un 33 y 50% menos peso que los compresores convencionales, gracias
al mecanismo rotativo de 2 cilindros y a un nuevo motor CC, que está compuesto de un rotor con un
imán permanente de tierras raras y un estator de devanado concentrado.
INTRODUCCIÓN
En Japón, la regulación sobre el consumo total de refrigerante HCFC actualmente empleado en acondicionadores
de aire fue aprobada en 1996. La reducción debe comenzar en 2004 y la obsolescencia
total está programada para 2020. Para cumplir con esta normativa, se está promoviendo la introducción
de acondicionadores de aire que usen un refrigerante que no dañe la capa de ozono, para sustituir
al refrigerante HCFC. Asimismo, en los últimos años se ha incrementado la demanda social relativa
al ahorro de energía para la prevención del calentamiento global, y entre los desarrollos tecnológicos
relacionados con nuevos refrigerantes están pasando a ser dominantes los estudios dirigidos a mejorar
la eficiencia.
Hemos conseguido mejorar la eficiencia tanto del compresor como del sistema de aire acondicionado
adoptando por primera vez en el sector, en 1997, un nuevo refrigerante R410A y hemos conseguido
un considerable ahorro de energía.
Por otro lado, en acondicionadores de aire comerciales para almacenes y oficinas, se consideraba
generalmente como primer candidato al R407C. Sin embargo, hemos elegido el R410A, el mismo
refrigerante utilizado en acondicionadores de aire domésticos, ya que puede conseguirse una alta
eficiencia del sistema de aire acondicionado y resulta fácil de manejar, debido a su carácter seudoaceotrópico.
Con este refrigerante R410A, esperamos conseguir un gran progreso en el campo de
los acondicionadores de aire comerciales. Al comparar el nuevo refrigerante R410A con el R22, el
volumen circulado necesario para obtener una misma capacidad puede ser hasta un 70% inferior al
del R22. En consecuencia el caudal de refrigerante pasa a ser pequeño y se minimiza la pérdida de

presión dentro del ciclo de refrigeración. Específicamente, se trata de un refrigerante que permitirá
conseguir un gran incremento en la eficiencia del sistema a medida que aumente el volumen en circulación.
Por otro lado, la presión de operación es unas 1,6 veces más alta que la del R22, por lo que
hace falta adoptar contramedidas frente a la alta presión en las partes mecánicas del compresor y en la
carcasa del mismo. Este artículo describe las ventajas de la recién desarrollada serie de compresores
A2 . A3 para acondicionadores de aire comerciales con el nuevo refrigerante R410A, junto con las
medidas técnicas necesarias para resolver los problemas detectados durante el desarrollo.
RESUMEN DEL PRODUCTO
La Figura 1 muestra una sección transversal de nuestro recién desarrollado compresor rotativo CC
de 2 cilindros y sin escobillas. Este compresor utiliza un nuevo refrigerante R410A que no daña la
capa de ozono. La parte mecánica de compresión adopta una estructura rotativa de 2 cilindros, y en
la parte de motor se emplea un motor CC sin escobillas, compuesto de un estator con devanado concentrado
y un rotor que integra imanes permanentes de tierras raras. Se utiliza un aceite refrigerante
que es miscible con el refrigerante HFC. Puede conseguirse un amplio rango de operación, de 15s 21
a 120s 21 , excitado mediante un inversor.
1. Mejora de la eficiencia
PUNTOS PRINCIPALES DEL DESARROLLO
Para responder a la demanda social de ahorro de energía con vistas a la prevención del calentamiento
global, se intenta continuamente mejorar la eficiencia de los acondicionadores de aire. Convencionalmente,
en los acondicionadores de aire comerciales se utilizaba ampliamente un compresor en espiral
(scroll) con R407C. Nosotros decidimos usar refrigerante R410A, con el que puede conseguirse una
alta eficiencia en un sistema de aire acondicionado. Como resultado de la adopción de R410A, se
incrementa la alta presión en el compresor scroll convencional, se incremente también la carga en la
dirección axial (carga de empuje) y las pérdidas mecánicas se hacen inaceptablemente grandes. Asimismo,
al excitar mediante un inversor, la tasa de compresión es fija e igual a la tasa de compresión de
diseño para el compresor scroll. En consonancia, aunque la eficiencia a una frecuencia específica es
alta, resulta difícil mejorar la eficiencia dentro de un amplio rango de operación. Por ello, decidimos
adoptar una estructura rotativa de 2 cilindros. Asimismo, como resultado de la utilización del refrigerante
R410A, se consiguió una mejora de la eficiencia modificando la dimensión de la parte mecánica
de compresión y optimizando la reducción de volumen en el puerto de descarga y el volumen del
camino del gas comprimido.
Para mejorar la eficiencia del compresor, también es necesario mejorar la eficiencia del motor. Es
necesaria una alta capacidad en los acondicionadores de aire comerciales, para poder acondicionar
un área habitable de gran tamaño. Hace falta un motor de alta potencia que satisfaga esta necesidad,
así que se decidió adoptar imanes permanentes de tierras raras. Se dispusieron cuatro imanes permanentes
de tierras raras (neodimio-hierro-boro) en el nuevo rotor desarrollado. La energía máxima es
unas 8 veces mayor que la del imán de ferrita que se utiliza comúnmente en los acondicionares de aire
domésticos, con lo que se consiguió un incremento de potencia manteniendo un tamaño compacto.
Asimismo, en lo que respecta al estator, se desarrolló un nuevo estator de devanado concentrado para
usarlo en esta clase de acondicionadores de aire. Como puede verse en el diagrama de comparación
de motores de la Figura 2, el estator de devanado concentrado permite reducir la altura de la bobina
terminal con respecto a la del estator convencional de devanado distribuido. En concreto, se puede
reducir la longitud de la circunferencia de la bobina. Para mejorar la eficiencia del motor, una medida
efectiva consiste en reducir las pérdidas en el cobre, que provocan un calentamiento indeseado
de la bobina. Con el fin de reducir la resistencia de la bobina, la longitud de su circunferencia debe
ser lo menor posible y hay que maximizar el diámetro del hilo de la bobina. En el nuevo estator de

devanado concentrado que hemos desarrollado, la densidad de flujo magnético en los componentes
es alta y tienden a incrementarse las pérdidas en el hierro, si comparamos con el estator de devanado
distribuido. Sin embargo, hemos conseguido reducir significativamente las pérdidas en el cobre disminuyendo
en un 40% la cantidad de hilo en el imán. Así, hemos logrado mejorar considerablemente
la eficiencia del motor.
En la Figura 3 se muestra la eficiencia de la nueva serie de compresores A3 que hemos desarrollado,
con sus mejoras de rendimiento, comparada con la eficiencia del compresor scroll R22 de capacidad
equivalente que incorporaban los acondicionadores de aire comerciales. La eficiencia que se
muestra en la figura indica el cociente con respecto a la eficiencia del compresor scroll funcionando a
60s 21 . Con respecto al compresor scroll convencional, se consigue una mejora de aproximadamente
el 9% en la tasa de eficiencia mecánica, del 14% en la tasa de eficiencia del motor y del 20% en la
tasa de eficiencia global del compresor, para funcionamiento a 60s 21 . Asimismo, hemos podido lograr
una considerable mejora del rendimiento para un amplio rango de operación, desde las bajas hasta
las altas velocidades de rotación. (Las condiciones de medida están en consonancia con las normas
internas de evaluación de un compresor inversor).
2. Medidas contra el incremento de presión
Debido al aumento de la presión de operación y a la mejora de la capacidad que se consigue con la
adopción del R410A, cobra importancia la fiabilidad de las partes mecánicas de la compresión, como
el eje y el rodamiento. La Tabla 1 muestra la dimensión de las partes mecánicas de la compresión en
la serie de compresores A3. El locus del centro del eje se determinó mediante un programa de análisis
no lineal. Se calculó también el esfuerzo al que se somete al rodamiento, de acuerdo con la fuerza
reactiva de compresión y el espesor mínimo de la película de aceite entre el eje y el rodamiento. Se
realizó también un estudio comparativo con un modelo convencional. La comparación se llevó a
cabo basándose en nuestro compresor rotativo simple de 6,3 kW y máxima capacidad, que utiliza
R22. Para maximizar la fiabilidad del eje y del rodamiento es necesario minimizar el esfuerzo soportado
por el rodamiento. Con este fin, hemos optimizado las dimensiones de las partes mecánicas de
la compresión, por ejemplo reduciendo la altura del cilindro y adoptando una estructura rotativa de
2 cilindros con una baja fluctuación de par motor. El resultado se muestra en la Figura 4. A pesar de
tener unas dos veces la capacidad del modelo base, y a pesar del hecho de que el diámetro del eje es
idéntico, pudimos comprobar que el esfuerzo del rodamiento era solo 1,3 veces mayor que en el modelo
base para el rodamiento principal, y 1,5 veces en el rodamiento secundario. Pudimos comprobar
también que el espesor mínimo de la película de aceite era equivalente.
3. Reducción de tamaño y de peso
Además de las partes mecánicas de la compresión, también es importante que la carcasa del compresor
sea resistente a la presión. En los acondicionadores de aire comerciales hace falta una alta
capacidad, por lo que el compresor tiende a ser de gran tamaño. La realización de un diseño resistente
a la presión se complica al aumentar el tamaño, de modo que, si se utiliza un refrigerante R410A de
alta presión, es necesario que el tamaño sea lo más compacto posible. Es por esta razón por la que
resultan tan ventajosos el nuevo rotor y el nuevo estator de devanado concentrado que hemos desarrollado.
Adoptando este nuevo motor rotativo de 2 cilindros y optimizando las dimensiones de las
partes mecánicas de la compresión, hemos conseguido reducir significativamente el tamaño y el peso
del compresor y hemos podido hacer frente a la presión incrementada del R410A. En la Figura 5 se
comparan la apariencia externa y el peso de nuestro compresor convencional scroll para R22 usado
en esta clase de acondicionadores de aire comerciales y los de la nueva serie de compresores A2 . A3
que hemos desarrollado. Se ha conseguido una considerable reducción del tamaño y del peso, de 1/2
~ 2/3. Además, el pequeño tamaño y el peso reducido del compresor facilitan la tarea de instalación.
Asimismo, proporciona otras muchas ventajas, como la posibilidad de utilizar de manera efectiva el
espacio de la unidad exterior cuando la estructura de tuberías internas es compleja.

4. Fiabilidad
Con respecto a la ruta del gas dentro del compresor, el gas es tomado del acumulador, comprimido
por la parte mecánica y descargado en la carcasa principal. A continuación, el gas fluye hacia la parte
superior pasando a través del espacio en el rotor y el estator, y luego se lo descarga hacia el exterior
del compresor a través de la tubería de descarga. En ese momento, una parte del lubricante que se
encuentra en reserva en el fondo de la carcasa principal entra en el cilindro junto con el gas y luego
se lo descarga hacia el exterior de la carcasa a través del espacio existente. La velocidad de flujo del
gas de descarga se expresa mediante la fórmula V 5 G . v/A (tasa de flujo . volumen específico / área
de paso) y la velocidad de flujo se incrementa a medida que disminuye el área de paso. Cuando la
velocidad de flujo del gas de descarga se incrementa, también lo hace la cantidad de aceite aspirado
hacia la parte superior, y el nivel de aceite podría llegar a ser demasiado bajo.
En los acondicionadores de aire comerciales que utilizan las nuevas series de compresores A2 y
A3 que hemos desarrollado, la longitud de las tuberías es larga y hace falta mucho tiempo para que
el lubricante vuelva al compresor. Por ello, resulta importante minimizar la cantidad de aceite descargado.
El estator de devanado concentrado permite incrementar el área de paso en la ranura del
motor. De ese modo disminuye la velocidad de flujo del gas de descarga y se minimiza la cantidad de
aceite aspirado hacia la parte superior. En la práctica, el nuevo estator de devanado concentrado que
hemos desarrollado permite multiplicar por 3 el área de paso de la ranura, si lo comparamos con el
estator convencional de devanado distribuido. En la Figura 6 se muestran los datos comparativos de
la cantidad de aceite descargado, para el estator de devanado concentrado y el estator convencional
de devanado distribuido. A medida que se incrementa la velocidad de rotación para el estator de devanado
concentrado, sigue manteniéndose en un nivel aceptable la cantidad de aceite descargado. De
ese modo, se incrementa la diferencia en cuanto a cantidad de aceite descargado entre el estator de
devanado concentrado y el estator convencional de devanado distribuido. Como consecuencia, resulta
fácil mantener el aceite lubricante en reserva en el compresor, con lo que el eje y los rodamientos
pueden lubricarse suficientemente. Asimismo, a pesar del hecho de que el compresor es ahora más
compacto y de que la cantidad de aceite es menor, no se ha modificado la longitud máxima de tubería.
Como hemos descrito anteriormente, resulta obvio que el estator de devanado concentrado resulta
efectivo a la hora de conseguir una alta fiabilidad del compresor.
5. Ruido
Para el inversor con el que se excita el nuevo compresor que hemos desarrollado, hemos utilizado
un sistema de control vectorial basado en DSP (procesador digital de la señal), capaz de realizar un
procesamiento aritmético de alta velocidad. Al implementar este sistema de control, resulta posible
detectar de forma siempre precisa e inmediata la posición del rotor y puede minimizarse la fluctuación
del par motor, por lo que la excitación se lleva a cabo con una mayor eficiencia. Asimismo, como se
muestra en la Figura 7, resulta posible reducir los componentes armónicos de mayor orden en la forma
de onda de la corriente del motor y hacer que esa forma de onda se aproxime a una onda senoidal
suave; de ese modo hemos podido conseguir una reducción en el nivel de ruido. La Figura 8 muestra
la comparación en el nivel de ruido, entre la excitación con el inversor convencional y con el inversor
de control vectorial. Resulta perceptible la reducción en la banda de frecuencias de 1 kHz ~ 5 kHz, y
se contribuye incluso de forma significativa a la reducción del ruido aplicado del acondicionador de
aire.
TABLA DE COMPRESORES DE LA SERIE
La Tabla 2 muestra la serie de compresores rotativos CC de 2 cilindros excitados por inversor que
hemos desarrollado. Además de las series DA91A1 y DA130A1 para acondicionadores de aire domésticos,
se muestran las nuevas series desarrolladas para acondicionadores de aire comerciales:
DA220A2 para una capacidad de refrigeración de 6,3 ~ 8,0 kW y DA420A3 para 11,2 ~ 16,0 kW.

CONCLUSIONES
Hemos adoptado el R410A como sustituto del HCFC y hemos desarrollado un compresor rotativo
CC de 2 cilindros para acondicionadores de aire comerciales con una capacidad de refrigeración de
6,3 ~ 16,0 kW. Como consecuencia, hemos conseguido una considerable mejora del rendimiento y
un diseño más compacto, si comparamos con el compresor scroll convencional. Este compresor está
siendo utilizado en nuestra serie “Super Power Eco” 1 de acondicionadores de aire para uso comercial
y en la serie “Smart Eco”.
Esperamos continuar proporcionando productos con una eficiencia y fiabilidad aún mayores, para
dar satisfacción a las demandas de ahorro de energía con el fin de prevenir el calentamiento global.
REFERENCIA
1. K.Nobuo, “Light Commercial type air conditioner SUPER POWER ECO”. TOSHIBA REVIEW
56,9,2001, p64-67.
Carcasa superior
Rotor del motor
Tubo de descarga
Tubo de succión
Acumulador
Estator del motor
Unidad de compresión
(2 cilindros)
Carcasa principal
Figura 1 Sección transversal del compresor rotativo de 2 cilindros optimizado.
Extremo de la bobina
Estator
Devanado
Rotor
Imán
Figura 2 Comparación de la estructura del motor.

Tasa de eficiencia global
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
Serie A3
Convencional scroll
0,4
0 20 40 60 80 100 120
Velocidad de rotación (rps)
Tasa de eficiencia del motor
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
Serie A3
Convencional scroll
0,4
0 20 40 60 80 100 120
Velocidad de rotación (rps)
Tasa de eficiencia mecánica
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
Serie A3
Convencional scroll
0,4
0 20 40 60 80 100 120
Velocidad de rotación (rps)
Figura 3 Comparación de la eficiencia del compresor.
Tipo 2 cilindros (R410A) 1 cilindro (R22)
Cilindro: calibre 3 altura (mm) Ø 63 3 22 Ø 63 3 34
Excentricidad de la manivela (mm) 5,307 5,307
Desplazamiento (cm3/rev) 42,3 32,7
Tabla 1. Dimensiones optimizadas
Esfuerzo de compresión
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Rodamiento principal
Rodamiento secundario
2 cilindros (R410A) 1 cilindro (R22)
Espesor de la película de aceite
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Rodamiento principal
Rodamiento secundario
2 cilindros (R410A) 1 cilindro (R22)
Figura 4. Resultados del análisis (2 cilindros / 1 cilindro).

Serie de compresores Serie A2 Serie A3
Cociente de masas (% con respecto al
compresor convencional)
Cociente de volúmenes (% con respecto
al compresor convencional)
Convencional
scroll
50 67 100
39 61 100
Capacidad (kW) 6,3 ~ 8,0 11,2 ~ 16,0 11,2 ~ 16,0
Figura 5. Comparación entre las series de compresores.
Cantidad de aceite descargado
(ml/min)
60
40
20
0
Motor convencional
Nuevo motor
30 60 90 120
Velocidad de rotación (rps)
Figura 6. Cantidad de aceite descargado.

Onda rectangular
Onda senoidal aproximada
Figura 7. Forma de onda de la corriente (corriente del motor).
OA 31,5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16kHz
Reducción de ruido
Figura 8. Comparación del nivel de potencia
Modelo Serie DA91A1 Serie DA130A1 Serie DA220A2 Serie DA420A3
Tipo de compresión
Refrigerante
utilizado
Rotativo
hermético
Rotativo
hermético
Rotativo
hermético
Rotativo
hermético
R410A R410A R410A R410A
Desplazamiento 9,06 cm3/rev 13,1 cm3/rev 22,1 cm3/rev 42,3 cm3/rev
Capacidad (60s 21 ) 2,75 kW 4,00 kW 6,95 kW 13,4 kW
Tipo de motor
Motor CC sin
escobillas
Motor CC sin
escobillas
Motor CC sin
escobillas
Motor CC sin
escobillas
Polos 4 polos 4 polos 4 polos 4 polos
Rango de rotación 9 ~ 140 s 21 9 ~ 120 s 21 15 ~ 120 s 21 15 ~ 120 s 21
Peso 10 kg 10 kg 15 kg 24 kg
Diámetro exterior
3 altura
Ø 116 274 mm
Ø 116 3 274 mm Ø 130 3 300 mm Ø 156 3 360 mm
Tabla 2. Características de los compresores rotativos CC de 2 cilindros.