Verdichter für Gleichstrom

Komfort wird in der heutigen Zeit immer wichtiger – auch in der Kältetechnik. Dies gilt besonders für den Bereich mobiler Kältetechnik von mobilen Kühlboxen mit Verdichtertechnik bis hin zu Fahrzeugkabinenkühlung von Lkw. Aus diesem Grund beschäftigen wir uns heute mit Verdichtern für Gleichstrom und mobilen Einsatz.

Verdichter mit EC-Motor | Es gibt zwei Hauptpunkte, die für Verdichter in mobilen Anwendungen besonders wichtig sind: zum einen die mechanische Eignung für den Einsatz in nicht stationären Anwendungen wie z.B. Wohnmobilen, Lkw, Booten und Kühlboxen. Da die mechanischen Beanspruchungen eines Verdichters – beispielsweise in einem Lkw – ungleich höher sind als im stationären Betrieb, müssen die Verdichter hierfür (Typen „BD“ = battery driven = batteriebetrieben) ausgelegt sein. So sind bei BD-Verdichtern die interne Aufhängung und diverse Innenteile mechanisch verstärkt, so dass sie beständig sind gegenüber wechselnden Fliehkräften, Straßenunebenheiten etc. Zum anderen spielt die Versorgung mit Gleichstrom eine entscheidende Rolle. In den meisten mobilen Anwendungen arbeitet die Bordelektrik auf Gleichstrombasis. In normalen Pkw – inklusive Luxuslimousinen mit einem BD-Verdichter im Champagnerkühler – handelt es sich dabei in der Regel um 12 V d.c. (direct current = Gleichstrom), in Lkw dagegen ist es der Standard 24 V Gleichstrom.

Verschiedene Drehzahlen | Aufgrund dieser Tatsache unterscheidet sich die Elektronik von BD-Verdichtern erheblich von Anlassvorrichtungen für stationäre Verdichter, die für Wechselstrom konzipiert sind. Bei Verdichter für Gleichstrom ist die Stromrichtung der Versorgungsspannung – im Gegensatz zu Wechselstrom – immer gleich und ändert sich auch nicht. Daher muss elektronisch ein Drehfeld generiert werden. Mit anderen Worten: ein BD-Verdichter benötigt grundsätzlich eine Elektronik für den Betrieb, so dass es sich anbietet, diese mit zusätzlichen Features auszustatten. Dazu zählt die Möglichkeit, den Verdichter auch mit anderen Drehzahlen betreiben zu können. Die Standarddrehzahl eines BD-Verdichters ist 2000 Umdrehungen pro Minute (ein Wechselstromverdichter dreht mit einem Polpaar und 50 Hz ca. 2900 U/min). Die Drehzahl kann aber bei den meisten BD-Verdichtern problemlos auf bis zu 3500 U/min (bei manchen Typen sogar bis 4500 U/min) erhöht werden. Zu diesem Zweck schaltet man einen Widerstand zwischen die Anschlüsse „C“ und „T“ der Elektronik. Je nach Widerstandswert kann damit die gewünschte Drehzahl definiert werden. Als Widerstand kann einfach ein Standardwiderstand ausgewählt werden, der in etwa die Größe des Tabellen-Widerstandswertes in der BD-Broschüre aufweist.  Dass der Verdichter dann z.B. anstelle von 2500 mit 2511 Umdrehungen pro Minute läuft, ist für die Praxis nicht relevant. Mit steigender Verdichterdrehzahl steigt auch die Kälteleistung, da der Verdichter dadurch mehr Volumen durchsetzt – bzw. der Volumenstrom höher wird. Durch diese Tatsache ist es unter Umständen möglich, einen kleineren BD-Typ als Service-Ersatz für einen etwas größeren Verdichter einzusetzen, indem die Drehzahl etwas angehoben wird.  So kann der 2 cm³ Verdichter „BD 35F“ mit einer Drehzahl von gut 2500 U/min als Ersatz für einen „BD 50F“ mit 2,5 cm³ bei 2000 U/min eingesetzt werden.

Batterieschutzabschaltung | In stationären Kältesystemen, die an der Steckdose betrieben werden, ist eine Unterspannungsschutzabschaltung nicht üblich und wäre auch nur in Ausnahmefällen sinnvoll. Ganz anders stellt sich die Situation bei d.c.-Verdichtern dar. Es wäre äußerst ärgerlich, wenn ein Pkw der Luxusklasse aufgrund leerer Batterie nicht mehr starten könnte, nur weil der BD-Verdichter für das Kühlfach in der Rücksitzbank diese vollständig leergezogen hat. Um dies zu verhindern, ist die Standard BD-Elektronik mit einer Batterieschutzabschaltfunktion ausgestattet. Diese liegt als „Werkseinstellung“ bei 9,6 V als Ausschalt- und 10,6 V als Wiedereinschaltwert bei Bordspannungen von 12 V. Da diese Werte schon recht niedrig liegen, können sie mit Widerständen – ähnlich der Verfahrensweise bei der Drehzahlvorwahl – geändert werden. Der Pfad des Schutzabschaltwiderstandes liegt zwischen „C“ („common“ = gemeinsam) und „P“ („protection“ = Schutz). Damit sind auch höhere Abschaltwerte realisierbar, d.h., die Batterie darf weniger stark entladen werden. Bei Sonderelektroniken wie beispielsweise für den Solareinsatz, ist diese Funktion meist entfernt, da ein Photovoltaik-Panel unterschiedliche Spannungen inklusive Unterspannungen liefert, ohne dass hier „Gefahr im Verzug“ ist.

Thermostat | Der Kühlbefehl kann bei Gleichstromverdichtern direkt an die Elektronik angeschlossen werden. Zu diesem Zweck ist ein potentialfreier Kontakt zwischen die Kontakte „C“ und „T“ (Thermostat) zu schalten. Hier ist ein einfaches Thermostat (Kühlschrankthermotat oder KP-Thermostat) vorzusehen. Sobald der Verdichter eingeschaltet werden soll, schaltet der Thermostat durch. Ist die gewünschte Temperatur z.B. in der Kühlbox erreicht, so öffnet der Kontakt des Thermostaten und der Verdichter stoppt. Besondere Anforderungen hinsichtlich Kontaktbelastung gibt es für diese Thermostate nicht, da sie nicht in den Laststromkreis eingebunden sind. Allgemein sind die Amperewerte in einem Auto / Lkw aber immer recht hoch, da mit viel kleinerer Spannung als im stationären Bereich gearbeitet wird und damit der Strom entsprechend höher sein muss, um die gleiche Leistungsaufnahme zu erzielen.

Diagnosefunktion | Um den Service und die Inbetriebnahme zu erleichtern, ist eine Diagnosefunktion in die Verdichter­elektronik integriert. Diese Funktion unterscheidet zwischen fünf verschiedenen Fehlerdiagnosen: „Batterieschutzabschaltung“, „Lüfterüberstrom“, „Anlauf mit Gegendruck“, „Mindestdrehzahl“ und „Elektronik Übertemperatur“. „Batterieschutzabschaltung“ bedeutet, dass die Batterieschutzspannung unterschritten ist – bzw. die Wiedereinschaltspannung des Batterieschutzes noch nicht erreicht ist. Damit darf der Verdichter nicht gestartet werden, damit die geschwächte Batterie nicht mehr weiter entladen wird. „Lüfterüberstrom“ bedeutet, dass der Lüfter, der an den Klemmen „+“ und „F“ angeschlossen ist, zu viel Strom zieht (mehr als 1 A). Als Lüfter ist immer ein 12 V-Gerät auszuwählen – egal ob der BD-Verdichter an einem 12 oder 24 V-Bordnetz betrieben wird.

Bei „Anlauf mit Gegendruck“ sagt uns die Diagnosefunktion, dass ein Gegendruck im Kältesystem von mehr als 5 bar Differenz zwischen Saug- und Druckseite einen Start des Verdichters unterbindet. Ideal für den Anlauf eines Gleichstromverdichters ist ein vollständiger Druckausgleich im Sys­tem, aber auch kleine Druckunterschiede können im Anlauf überwunden werden. Im Extremfall kann dieser Fehlercode aber auch bedeuten, dass es einen mechanischen Defekt im Verdichter gibt, der einen Start verhindert (z.B. Fressungen in der Kurbelwellenlagerung). Hierbei wird dieser Fehlercode auch ohne einen messbaren Differenzdruck vor und nach dem Verdichter auftreten. Ein weiterer Fehlercode ist „Unterschreitung Mindestdrehzahl“. Dieser Code wird ausgegeben, wenn eine zu hohe Last (z.B. zu hohes Druckniveau auf der Druckseite) auf den Verdichter einwirkt und die Drehzahl auf unter 1850 U/min drückt. Die letzte Möglichkeit der Fehlerdiagnosen ist „Elektronik Übertemperatur“. Besonders bei mobilen Anwendungen in sehr kleinen Abteilen oder im Sommer im Motorraum kann es zu hohen Temperaturen in der Elektronikeinheit kommen. Als Schutz für diese Einheit kann bei besonders hoher thermischer Beanspruchung eine Abschaltung nötig sein. Diese fünf Diagnosen werden als Intervallsignal ausgegeben. Sollte eine LED an der BD-Elektronik angeschlossen sein, dann ist der Fehlercode direkt über das Blinksignal ablesbar. Fehlercode 3 (Anlauf mit Gegendruck) wird durch dreimaliges Blinken, anschließende Pause, erneutes dreimaliges Blinken usw. angezeigt. Ist keine LED angeschlossen, so können zwischen den Kontakten „+“ und „D“ (Diode) die Intervallimpulse mit einem Multifunktionsmessgerät (Stellung >24 V d.c.) herausgemessen werden. Dann wäre z.B. zweimal kurzer Impuls – Pause – zweimal kurz – Pause usw. der Fehlercode 2, also „Lüfterüberstrom“.

Verdichterkühlung und Montage |
BD-Verdichter sind grundsätzlich Einzylindermaschinen mit vertikal angeordneter Kurbelwelle. Sie werden normalerweise schon mit ausreichender Ölfüllmenge ausgeliefert, so dass ein Ölzusatz im Regelfall nicht notwendig ist. Die Verdichter besitzen aufgrund der zusätzlichen Wärmeabstrahlung eine Ölschleuderkühlung.
Bei den kleinen Leistungsgrößen reicht hier meist die statische Kühlung durch die Umgebungsluft aus, bei den größeren Verdichtern bzw. hohen Verdampfungstemperaturen ist eine Kühlung durch Zwangsbelüftung notwendig. Aus diesem Grund sollten diese Verdichter nicht mit einer Schalldämmhaube ausgerüstet werden. Ein Blick in das jeweilige Datenblatt gibt Aufschluss darüber, ob statische Kühlung („S“) ausreicht oder doch auf („F“ fan = Lüfter) Zwangsbelüftung zurückgegriffen werden muss. Die Lötanschlüsse dieser Verdichter sind mit Capsoluten verschlossen, um unnötigen Fremdpartikel- oder Feuchtigkeitseintrag in den Verdichter zu vermeiden. Zur Entfernung dieser Capsolute gibt es spezielle Capsolutheber, mit denen alle Verschlüsse geöffnet werden sollten. D. h.­,
selbst wenn der Prozessstutzen nicht benötigt wird, muss dieser unbedingt vom Capsoluten befreit und zugelötet werden. Die Montage der Verdichter erfolgt auf Gummipuffern. Diese Montagegummis sollten immer verwendet werden, da die Pufferung zusammen mit den internen Aufhängefedern des inneren Verdichterblocks die Kräfte beim Start und Stopp des Verdichters, Fliehkräfte und Erschütterungen auffängt.

Vergleich der Technologien | Als Alternative zu Kompressionskältesystemen für den mobilen Gleichstrombetrieb sind hauptsächlich zwei weitere Technologien verbreitet: Kühlung mittels Peltier-Element und Absorptionskühlschränke. Peltierelemente sind preislich attraktiv, bieten aber verglichen mit BD-Verdichtersystemen nur sehr geringe Kälteleistungen. Sie werden gerne in einfache und kleinere Kühlboxen für den Privatbereich verbaut. Auch ist ihr Einsatz hinsichtlich maximaler Differenztemperatur begrenzt. So ist eine Verdampfungstemperatur im Minusbereich bei 30 °C Außentemperatur mit einem Peltierelement nicht machbar – mit BD-Technik allerdings schon. Energetisch gesehen ist die Verdichtertechnik im Gleichstrombereich – nicht zuletzt aufgrund de EC-Motor-Technologie – deutlich effizienter. Als Faustregel ist hier nur etwa 1/3 des Stromverbrauchs anzunehmen, den ein entsprechendes Peltierelement verbrauchen würde. Energetisch gesehen liegt der Absorptionskühlschrank auf ähnlichem Niveau wie das Peltierelement. Auch er verbraucht dreimal mehr Strom als Verdichterkühlung. Absorptionskühlschränke gibt es als Minibars in Hotels und – als mobile Anwendung – häufig in Wohnmobilen. Die Absorptionskühlschränke in Campern werden in der Regel mittels Wärmequelle (meist Propanbrenner) betrieben.

Ausblick | Soviel zu Verdichter für Gleichspannung im mobilen Einsatz. In der nächsten Ausgabe werden wir uns mit elektronischer Medientemperaturregelung– gerne auch als „elektronische Saugdrosselregelung“ bezeichnet – beschäftigen.