Der Swing-Kompressor von seiner Entstehung bis heute
25 Jahre Tradition – von R22 bis R32
Insbesondere die Forderungen nach einem reduzierten Stromverbrauch und der Nutzung alternativer Kältemittel – bedingt durch das Verbot chlorhaltiger Kältemittel (FCKW) – bildeten den Anstoß für die Entwicklung und die Markteinführung des Swing-Kompressors für die Nutzung von HFKW-Kältemitteln im Jahre 1997. Bis heute ersetzt diese von Daikin patentierte Technik den Rollkolbenverdichter in Wärmepumpen und Klimaanlagen und wird stetig für die Nutzung in neuen Produktreihen – wie dem „CO2 Conveni-Pack“ oder den „Altherma“-Luft-Wasser-Wärmepumpen von Daikin weiterentwickelt.
Zusätzlich vergrößert sich durch die Vorgaben der F-Gase-Verordnung und die Anforderungen der Ökodesign-Richtlinie der Spagat zwischen klimaschonendem Kältemittel und Energieeffizienz der Anlage. Das Ziel – die Reduktion der durch die Erzeugung von Kälte, Klima und Wärme verursachten Treibhausgase – kann jedoch nur erreicht werden, wenn gleichzeitig energetisch sinnvolle Technologien entwickelt und eingesetzt werden. Diesen Balanceakt schaffen Entwicklungen wie der Daikin-Swing-Kompressor.
Neue technische und gesetzliche Anforderungen
Eingeführt im Jahr 1995 für die Verwendung mit dem chlorhaltigen Kältemittel R22, wurde der Swing-Kompressor später für den Ersatz chlorfreier Kältemittel weiterentwickelt. Da mit dem Montreal Protokoll das Verbot von Kältemitteln mit Ozonabbaupotenzial beschlossen wurde, kamen nur noch alternative Kältemittel zum Einsatz, die kein Chlor mehr enthielten. Aufgrund der fehlenden Schmierwirkung von Chlor hatte dies wesentlichen Einfluss auf die Verdichterkonstruktion. Zudem benötigte man anstelle der bis dato bewährten Mineralöle von nun an synthetische Schmierstoffe, welche andere Charakteristika aufweisen und sich beispielsweise bei Temperaturüberschreitung zersetzen. Die Weiterentwicklung des Swing-Kompressors bot eine effiziente und betriebssichere Möglichkeit für die Nutzung des FKW-Kältemittels R407C.
Später stellte der durch die F-Gase-Verordnung geforderte Umgang mit Low-GWP-Kältemitteln die technische Entwicklung teilweise vor große Herausforderungen, um neben der Optimierung des Energieverbrauchs ebenso Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Rentabilität gerecht zu werden. Für die Verwendung zukunftsweisender Kältemittel wie R32 in den Bereichen Wärmepumpe und Klimaanlage oder CO2 im Bereich der Gewerbekälte wurde der Swing-Kompressor bereits weiterentwickelt, und bietet hier neben einer hohen Effizienz die erforderliche Ausfallsicherheit.
Entwicklung und Technik des Swing-Kompressors
Für die Neuentwicklung des Swing-Kompressors wurde Daikin bereits in den 90er Jahren als erster Hersteller der Kälte- und Klimabranche mit dem Innovationspreis der japanischen Gesellschaft zur Förderung der Maschinenbauindustrie ausgezeichnet – ein Hinweis, welche Innovation dieser Kompressor darstellte. Neben dem Ersatz chlorhaltiger Kältemittel wie R22 war u.a. die Forderung nach einer robusteren, zuverlässigeren Kompressor-Technik Anlass für Daikin, die Forschung in diese Richtung voranzutreiben. Bedingt durch die Einführung der leistungsgeregelten Inverter-Technologie kam das Bestreben hinzu, auch im Teillastbereich möglichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Folgender Vergleich setzt die Vor- und Nachteile der Rollkolben- und der Swing-Technologie in Relation:
Der Rollkolbenverdichter: Druckfeder und Trennschieber
Der Rollkolben (Bild 1) ist auf einem Exzenter frei beweglich gelagert, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Die freie drehbare Lagerung erlaubt es dem Kolben, sich auf der Innenwandung des Verdichtungsraumes „abzurollen“. Mit der exzentrischen Rotation des Kolbens im kreisförmigen Gehäuse wird durch Erweiterung des sichelförmigen Saugraums das Kältemittel eingelassen und durch Verkleinerung druckseitig verdichtet. Die Abtrennung zwischen Saug- und Druckraum wird dabei einerseits durch die Berührungslinie des Kolbens an der Zylinderwand, andererseits mittels eines federbelasteten Trennschiebers realisiert, welcher permanent gegen den Kolben drückt. Hierbei muss der Anpressdruck des Schiebers, der aus der Federbelastung und der auf den Schieber wirkenden Kraft des Druckgases resultiert, entsprechend groß sein, um einem saugseitigen Überströmen des Druckgases entgegenzuwirken.
Aufgrund der Kolbenbewegung kommt es am Auflagepunkt des Schiebers zu einer Hitzebelastung durch Reibungswärme, sogenannten Hotspots, und es wird zusätzlich Antriebsleistung des Motors benötigt. Denn der Trennschieber muss mit dem einlaufenden Rollkolben gegen seine Federkraft zurückgedrückt werden. Ebenso muss mit der Umkehrbewegung des Trennschiebers am Scheitelpunkt des Kolbens mit einem gewissen Bypass-Faktor, das heißt Verlusten durch überströmendes Druckgas, gerechnet werden.
Der Swing-Kompressor: Trennflosse statt Trennschieber
Die Schwachstellen des Trennschiebers löst der Daikin-Swing-Kompressor (Bild 2) durch seine Konstruktion der Druckraum-Abtrennung in Form einer Flosse, die auf dem Kolben selbst sitzt. Analog zum Rollkolben ist auch der Swingkolben frei beweglich gelagert, jedoch folgt dieser einem nunmehr orbitierenden Bewegungsablauf. Das hieraus resultierende Eintauchverhalten der Trennflosse wird mittels eines drehbar gelagerten Gleitsteins ausgeglichen. Somit entfällt die Notwendigkeit des Anpress-Schiebers und die Ausfallgefahr durch Überhitzung oder ein Schmierungsabriss aufgrund zu hoher Reibungshitze werden vermieden. Gleichzeitig übernimmt der Gleitstein die kopfseitige Führung des Swingkolbens. Da Kolben samt Flosse aus einem Vollmaterial gefertigt sind, ist konstruktionsbedingt kein Überströmen von Druckgas möglich. Durch die drehbare Lagerung des Gleitsteins ist jegliche Klemmwirkung ausgeschlossen.
Wurde der Swing-Kompressor ursprünglich für Anlagen kleinerer Baugrößen wie Wärmepumpen und Klimageräte konzipiert, kommt er heute auch in der Gewerbekälte zum Einsatz.
Gerade in Verbindung mit der innovativen Inverter-Technologie von Daikin macht der Einsatz von Swing-Kompressoren Sinn. Dank der bedarfsgerechten Angleichung der Systemleistung auch im Teillastbetrieb, in dem Anlagen größtenteils arbeiten, wird neben dem Komfort auch die Energieeffizienz erhöht.
Bild 3 zeigt den Daikin-Swing-Kompressor, wie er im neuen „CO2 Conveni-Pack“ in der Anordnung als zweistufige Verdichtung zum Einsatz kommt, verglichen mit einer CO2-Rollkolbentechnologie, ebenfalls in zweistufiger Ausführung. Die Prozentzahlen basieren auf Betriebsbedingungen mit einem Hochdruck von 90 bar, einem Mitteldruck von 54,1 bar und einem Niederdruck von 26,5 bar. Im Gesamten ist die Effizienz des Swing-Kompressors höher. Am Scheitelpunkt verglichen, ergibt sich eine Differenz von 10 % beider Kurven. Im unteren Teillastbereich werden es sogar bis zu 18 % Steigerung der Effizienz gegenüber der Rollkolbentechnik. Nennenswert ist hierbei, dass die Kurve im unteren Teillastbereich sehr stabil bleibt.
Das Beispiel des neuen „CO2 Conveni-Packs“ von Daikin zeigt, dass die Technologie auch heute stetig weiterentwickelt wird.
Heizen und Klimatisieren mit dem Kältemittel CO2
Im „CO2 Conveni-Pack“ werden insgesamt drei Doppelswing-Kompressoren eingesetzt. In dem transkritischen Kältesystem setzt man auf eine zweistufige Verdichtung, was zu einem geringeren Verdichtungsverhältnis in jedem Schritt führt (siehe Bild 4). Positive Auswirkungen sind ein niedrigerer Energieverbrauch, ein größerer Modulationsbereich und letztlich eine höhere Lebenserwartung verglichen mit der einstufigen Technologie.
Dies bietet insbesondere bei der Entwicklung eines „Conveni-Pack“ mit dem Kältemittel CO2 immense Vorteile. Denn wie auch bei den bekannten „Conveni-Pack“-Systemen werden neben der Bereitstellung der Gewerbekälte auch die Betriebsarten für Komfort- Klimatisierung, Wärmerückgewinnung und sogar Wärmepumpenbetrieb zur autarken Raumkonditionierung integriert. Dies erfordert insbesondere von den Verdichtern ein breites Arbeitsspektrum sowie ein stets stabiles Teillastverhalten. Um im Wärmepumpenbetrieb ausreichend Wärmeleistung abgeben zu können, sind hohe Temperaturen und die damit verbundenen hohen Betriebsdrücke erforderlich, die eine extreme Verstärkung des Kompressors notwendig machen. Ein effizientes und stabiles Teillastverhalten wird durch einen großzügig dimensionierten direkt-kommutierten Elektromotor mit starken Neodym-Magneten ermöglicht. Dieser garantiert den Betrieb des Verdichters unter allen Betriebsbedingungen.
Das „Conveni-Pack“ macht, verglichen mit konventionellen Systemen, Energieeinsparungen bis zu 50 % möglich. Dazu tragen zum Beispiel die Nutzung der Abwärme aus der Gewerbekälte oder Außenwärme im saisonal bedingten Wärmerückgewinnungs- und Wärmepumpenbetrieb und der konsequente Einsatz der Inverter-Technologie bei allen Kompressoren im System bei. Eine intelligente Laststeuerung, die das System für jedes Bedarfsprofil ausbalanciert, spart zusätzlich Energie ein. So bietet der im „CO2 Conveni-Pack“ verbaute Doppelswing-Kompressor einen isentropen Wirkungsgrad von 69,5 % und ist damit der effizienteste hermetische CO2-Verdichter, der auf dem Markt erhältlich ist. Die trotz geringer Betriebslautstärke möglichen Druckimpulse werden durch zwei im Verdichtergehäuse integrierte Pulsationsdämpfer homogenisiert, während der dem Verdichter vorgeschaltete Flüssigkeitsabscheider zum Schutz auch bei schwierigsten Betriebsbedingungen dient.
Rasante Entwicklungen
Die Geschichte zeigt, dass die Entwicklungen im Bereich Kälte- und Klimatechnik rasant voranschreiten. Und das nicht nur im Bereich Neuentwicklungen – auch vorhandene Technologien müssen an neue gesetzliche Verordnungen und sich ändernde Kundenanforderungen angepasst werden. Der Daikin-Swing-Kompressor ist ein anschauliches Beispiel, wie ein System über 25 Jahre dank intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit auch heute nachhaltig auf aktuelle Bedürfnisse ausgelegt werden kann.
