Estudio de la trayectoria tecnológica y científica de los compresores scroll para refrigeración y bombas de calor

Abstract

[ES] El presente trabajo de investigación estudia de la trayectoria tecnológica y científica de los compresores scroll para refrigeración y bombas de calor. La metodología utilizada es el análisis de conectividad de citas tanto de patentes como de artículos científicos utilizando las bases de datos de la USPTO y de la Web of Science, respectivamente. Las trayectorias de patentes y de artículos científicos fueron generadas con el uso de los programas Citnet Explorer y Pajek. La trayectoria científica resultante consta de quince artículos científicos, identificándose cinco líneas de investigación que incluyen el estudio de conformidades axial y radial del compresor utilizando modelos geométricos; rendimiento de compresores scroll con inyección de vapor, utilizando modelos geométricos detallados de las espirales del compresor; uso de modelos semi-empíricos para el análisis del uso de refrigerantes naturales, mejoras del rendimiento del sistema con inyección de vapor, velocidad variable; aplicaciones en expansores para ciclos orgánicos Rankine y base para el modelado de otras tecnologías de compresor como compresores de tornillo y rotativo de pistones y uso de modelos empíricos de compresores scroll. La trayectoria tecnológica consta de trece patentes, las cuales fueron agrupadas en tres grupos de invenciones relacionadas con dispositivos scroll con diferentes espesores en las volutas, con sistemas de sellado entre scrolles, nervaduras de refuerzo y disipación de calor, acoplamientos, uso de manivelas locas; dispositivos scroll para aplicaciones de compresores, bombas de vacío y expansores; dispositivos scroll para ciclos compactos de energía. Desde la aparición de la primera patente de compresor scroll en 1905, esta tecnología tuvo que superar el desafío de contar con un mecanizado de los scrolles con tolerancias estrechas en su fabricación, razón por la cual, tanto para la trayectoria tecnológica como para la trayectoria científica, la red principal de patentes y artículos científicos empezaron a inicios de la década de los 80. Se identificaron dos partes en la coevolución de las trayectorias científica y tecnológica. La primera parte que trata sobre el modelado de un compresor scroll para análisis de conformidades geométricas, uso de nuevos refrigerantes y estimación del rendimiento de sistemas. La segunda parte que trata sobre el rendimiento de un expansor scroll en un ciclo ORC. Finalmente, el compresor scroll es una tecnología muy versátil, que ha sido continuamente innovada para dar solución en el sector de la refrigeración, de acuerdo con las exigencias de eficiencia energética, demanda energética en climas extremos, nuevos refrigerantes, nuevos sistemas de calefacción, producción de agua caliente sanitaria, ciclos ORC y aplicaciones en expansores y bombas de vacío.

[EN] This research work studies the technological and scientific trajectory of scroll compressors for refrigeration and heat pumps. The methodology used is the citation connectivity analysis of both patents and scientific papers using the USPTO and Web of Science databases, respectively. The patent and scientific papers trajectories were generated with the use of the Citnet Explorer and Pajek programs. The resulting scientific trajectory consists of fifteen scientific papers, identifying five lines of research that include the study of axial and radial conformities of the compressor using geometric models; performance of vapor injection scroll compressors, using detailed geometric models of the compressor coils; use of semi-empirical models for the analysis of the use of natural refrigerants, system performance improvements with vapor injection, variable speed; applications in expanders for organic Rankine cycles and base for the modeling of other compressor technologies such as screw and rotary piston compressors, and the use of empirical models of scroll compressors. The technological trajectory consists of thirteen patents, which were grouped into three groups of inventions related to scroll devices with different thicknesses in the volutes, with sealing systems between scrolls, reinforcement ribs, and heat dissipation, couplings, use of idler cranks; scroll devices for compressor, vacuum pump, and expander applications; scroll devices for compact power cycles. Since the appearance of the first scroll compressor patent in 1905, this technology had to overcome the challenge of having machining of scrolls with tight tolerances in their manufacture, which is why, both for the technological trajectory and the scientific trajectory, the main network of patents and scientific articles began in the early 1980s. Two parts were identified in the co-evolution of the scientific and technological trajectories. The first part that deals with the modeling of a scroll compressor for analysis of geometric conformities, use of new refrigerants, and estimation of system performance. The second part that deals with the performance of a scroll expander in an ORC loop. Finally, the scroll compressor is a very versatile technology, which has been continuously innovated to provide solutions in the refrigeration sector, in accordance with the requirements of energy efficiency, energy demand in extreme climates, new refrigerants, new heating systems, production of domestic hot water, ORC cycles and applications in expanders and vacuum pumps.