Projekt 20574/01

Weiterentwicklung eines zweistufigen Hermetikverdichters für das Kältemittel CO

Projektdurchführung

LG ThermoTechnologies GmbH
Adam-Ries-Str. 16
09456 Annaberg-Buchholz

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Vorhabens war die Weiterentwicklung eines zweistufigen Hermetikverdichters mit CO2 als Kältemittel. Die im vorangegangen Projekt getesteten Prototypen hatten bereits den Stand einer Machbarkeitsstudie erreicht und sollten nun für einen Einsatz in der PKW-Klimatisierung zur Produktreife gebracht und für ein Fahrstandsklimagerät für Straßenbahnen bis zum Prototypen entwickelt werden. Weitere Anwendungen sollten ableitbar sein.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass eine anwendungsbezogene Gestaltung des Verdichters unter Einbeziehung des konkreten Prozesses nötig ist. Somit sind neben umfangreichen Experimenten zur Ermittlung des Betriebsverhaltens, der Leistungsparameter und Wirkungsgrade auch theoretische Berechnungen ein wichtiger Projektbestandteil.
Für die Durchsetzbarkeit am Markt und die Gewährleistung einer hohen Anlagenzuverlässigkeit muss eine Anlagenkonfiguration erreicht werden, die durch ein Minimum an Verbindungen und ein Maximum an Integration von Bauteilen in Baugruppen gekennzeichnet ist. In diesem Zusammenhang ist auch die Frage nach dem optimalen Kältemittel- und Ölmanagement zu beantworten. Durch die gegenseitigen Wechselwirkungen können diese Aufgaben nur durch komplexes Vorgehen bewältigt werden.
Eine wesentliche Säule einer Produktentwicklung zur Anwendungsreife ist der Nachweis einer ausreichenden Lebensdauer der Bauteile und des Gesamtaggregats. In Hinblick auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer kommt beim hier verfolgten Verdichterkonzept dem Kolbendichtring eine Schlüsselrolle zu. Dazu wurden in Zusammenarbeit mit dem Hersteller des Kolbenrings weitere Entwicklungsarbeiten durchgeführt.
Schließlich sind Einsatzuntersuchungen beim Anwender, zunächst der Visteon Deutschland GmbH, unter Einbeziehung der Feinabstimmung der Anlage essentiell.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde die Lebensdauer des Verdichters bzw. seiner Komponenten entscheidend verbessert. Derzeit werden die zur Absicherung der für eine Marktreife vorausgesetzten Lebensdauer erforderlichen Anpassungen umgesetzt.

Das Prinzip der Sprayschmierung wurde an der Versuchsanlage erfolgreich getestet. Damit ist die Machbarkeit eines Verdichters ohne Ölsumpf mit sehr geringer Ölmenge und geringem Ölwurf praktisch nachgewiesen.

Das Kolben-Zylinder-System zeichnet sich durch eine extrem gute Dichtheit aus. Dadurch konnten relativ hohe Liefergrade im Bereich von 0,75...0,8 erzielt werden.

Sowohl das Kolben-Zylinder-System als auch das gesamte Triebwerk weisen geringe Reibleistungen auf. Die geringen mechanischen Verluste und der geringe Strömungswiderstand der modifizierten Ventile sind die Grundlage für hohe isentrope Gütegrade der beiden Verdichterstufen. In der 1. Stufe wurden mit Werten um 0,8 bereits sehr hohe Gütegrade nachgewiesen. In der 2. Stufe wird der Gütegrad noch zu stark durch Aufheizung des Sauggases in der Saugkammer gemindert. Der Einsatz eines Motors mit einem akzeptablen Wirkungsgrad von mindestens 80 % wird das Problem entscheidend verringern, da dann signifikant niedrigere Gehäusetemperaturen zu erwarten sind. Der optimierte Motor ist auch der Schlüssel für die Anhebung des Gesamtgütegrads auf Werte >0,7.

Der Massestrom des Verdichters ist noch nicht applikationsgerecht. Das ist der Weiterverwendung des aus einer vorangegangenen Entwicklungsetappe stammenden Gehäuses geschuldet. Neben dem Massestrom ist die erzielbare Kälteleistung und damit auch die Leistungszahl des Prozesses insbesondere bei der Fahrzeugklimatisierung entscheidend von der Eintrittstemperatur des CO2 in das Drosselorgan beeinflusst. Die ermittelten Leistungskennfelder bestätigen diese Grundaussage. Anlagen mit einem inneren Wärmeüberträger haben für den vorliegenden Anwendungsfall das Potential zur Realisierung von Leistungszahlen von deutlich über 2 bei Maximallast. Beim vorgestellten Verdichter ist dafür analog zu den Aussagen zum isentropen Gütegrad ein Motor mit einem Wirkungsgrad im gesamten Arbeitsbereich von mindestens 80 % essentiell.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Veröffentlichung der Ergebnisse ist für die dkv-Tagung 2006 geplant.


Fazit

Auf dem weiteren Weg zum Serienprodukt ist zunächst der endgültige Nachweis der geforderten Lebensdauer zu erbringen. Weiterhin muss der Verdichter in Hinblick auf die anwendungsgerechte Förderleistung modifiziert werden. Hauptziel ist dabei ein Kompromiss aus geringer Kolbengeschwindigkeit (Lebensdauer), Effizienz der Verdichtung sowie dem optimalen Motorkonzept (Wirkungsgrad, Lastbereich, Drehzahl, Kosten sowie Gewicht und Bauvolumen). Darüber hinaus ist die Funktion der Sprayschmierung in einer realen Klimaanlage auch unter Extrembedingungen nachzuweisen