Hinsicht­lich Bauraums, geringem Gewicht, hoher Effi­zienz und langer Lebens­dauer sind elek­trisch ange­trie­bene, gasge­la­gerte Turbo­ver­dichter hierfür eine der besten Lösungen. Die neu entwi­ckelten ölfreien Turbo­ver­dichter Compa­Namic von ebm-papst im Motor­leis­tungs­be­reich von 10 kWe bis ca. 55 kWe ermög­li­chen variable Förder­mengen verschie­dener Kälte­mittel und kommen durch interne Volu­men­re­du­zie­rung von 90 % mit deut­lich weniger Kälte­mittel aus (Intro­bild). Die Entwick­lungen der Vari­anten mit 10 kWe für R290 und R1234ze(E) eignen sich für viele Appli­ka­ti­ons­ge­biete. Höchste Gasrein­heit durch Verzicht auf Ölschmie­rung und ein breites Einsatz­spek­trum erfor­derten aber inno­va­tive Ansätze bei der ölfreien Lager­technik, Aero­dy­namik, Moto­ren­aus­le­gung und der Leis­tungs­elek­tronik. Es wurden neue Methoden zur Präzi­si­ons­be­ar­bei­tung von Verdich­tern und Gasla­ge­rungen für die Ende 2028 geplante Groß­se­ri­en­pro­duk­tion inte­griert.

Die Aufgabe eines Verdich­ters für Wärme­pumpen und Kälte­technik besteht darin, Kälte­mittel möglichst effi­zient über lange Zeit­räume bei geringem Betriebs­ge­räusch zu verdichten. Idea­ler­weise arbeitet er dabei ölfrei, so bleibt das System sauber, die Effi­zienz der Wärme­über­tra­gung steigt und Neben­ag­gre­gate wie Ölab­scheider, Ölsumpf sowie der Konstruk­ti­ons­auf­wand für die Ölrück­füh­rung entfallen (Bild 1). Je nach Anwen­dungs­ge­biet müssen die Verdichter und vor allem ihre Lage­rung sowohl bei Dauer­lauf als auch bei Start-Stopp-Zyklen über viele Jahre möglichst wartungs­frei arbeiten. Auch sollen die Endge­räte so klein und leicht wie möglich ausfallen, sodass kompakte und dyna­mi­sche PFAS-freie Verdichter gefragt sind, die in belie­biger Einbau­lage zu montieren sind, ohne auf einen Ölrück­lauf achten zu müssen. Während Antrieb und Lage­rung für eine große Band­breite an Kälte­mit­teln nahezu gleich­bleiben können, muss die Aero­dy­namik mitunter stark an das einge­setzte Gas ange­passt werden.

In der Praxis konnten die Entwickler durch den Einsatz hoch­dre­hender Innen­läu­fer­mo­toren sehr kompakte Verdichter mit 10 kWe bei nur 130 mm Durch­messer und 300 mm Länge bei nur 6 kg Gewicht aufbauen. Gleich­zeitig konnte durch eine interne Volu­men­re­du­zie­rung auf nur noch 400 ccm bei dem ebm-papst Verdichter P3 – gegen­über herkömm­li­chen Verdich­tern mit ca. 5000 ccm – die nötige Kälte­mit­tel­menge dras­tisch redu­ziert werden. Durch den Ölver­zicht ist der Wärme­über­gang durch die fehlende Ober­flä­chen­be­net­zung mit Schmier­stoff (Öl inklu­sive Addi­tive) in den Wärme­tau­schern besser und die Druck­ver­luste sind mini­miert. Zudem gibt es keine Ölver­schmut­zung und Effi­zi­enz­de­gra­die­rung der Wärme­tau­scher wegen Öl über die Lebens­dauer. Ölwar­tung und Ölhand­ha­bungs­ein­rich­tungen entfallen, da nur reines Kälte­mittel im Umlauf ist. Die perfekt ausba­lan­cierten rotie­renden Teile ergeben einen vibra­ti­ons­freien, leisen Lauf. Der Schall­leis­tungs­pegel liegt bei rund 60 dB(A). Um das zu errei­chen, sind fort­schritt­liche tech­ni­sche Lösungen in vielen Teil­be­rei­chen nötig.

Das Schlüs­sel­ele­ment ist die Aero­dy­namik

Die unter­schied­li­chen Anfor­de­rungen der einge­setzten Heiz- bzw. Kühl­technik bestimmen die Verdich­ter­größe. Eine Motor­leis­tung von 10 kWe für die Kälte­mittel R290 und R1234ze(E) macht den Anfang im Produkt­port­folio. Diese eignet sich beson­ders für größere Gebäude oder indus­tri­elle Anwen­dungen. Um die unter­schied­li­chen Anfor­de­rungen resul­tie­rend aus der Enve­lope an Druck­ver­hältnis und Massen­strom effi­zient abzu­de­cken, muss die gesamte Band­breite an Ausle­gungs­mög­lich­keiten der Rad- und Schau­fel­geo­me­trie genutzt werden. Dabei werden die SCOP (Seasonal Coef­fi­cient of Perfor­mance) Punkte aus unter­schied­li­chen Appli­ka­tionen genutzt. Außerdem ist gerade bei kleinen Lauf­rad­durch­mes­sern die Redu­zie­rung der auftre­tenden Schau­fel­spalt­ver­luste auf ein tech­nisch mögli­ches Minimum entschei­dend. Dadurch wird eine sehr effi­zi­ente Aero­dy­namik sicher­ge­stellt.

Die Hüll­kurve (Enve­lope) (Bild 2 und 3) beschreibt die Einsatz­grenzen. Die X-Achse ist die Verdamp­fungs­tem­pe­ratur und die Y-Achse stellt die Verflüs­si­gungs­tem­pe­ratur dar. Dabei braucht man für die MidLift und High­Lift Vari­anten höhere Druck­ver­hält­nisse und daher 2-stufige Lösungen. Für die LowLift Version ist eine 1-stufige Lösung ausrei­chend. Die Kenn­felder wurden nach der Simu­la­tion auch im neuen, hoch­mo­dernen ebm-papst eigenen Verdichter-Prüf­feld gemessen, veri­fi­ziert und opti­miert. Aus dem Kern­ge­schäft der Venti­la­toren steht zudem bereits ein leis­tungs­fä­higes Umwelt­er­pro­bungs-Test­zen­trum zur Verfü­gung. Hier werden die Verdichter einer Lang­zeit­prü­fung unter­zogen.

Lage­rungs­tech­no­logie

Die hohe Leis­tung und Dynamik der Einheiten in Bezug zu ihrer Größe erfor­dern ein ausge­klü­geltes Lager­system. Die Tabelle (Bild 4) zeigt die Unter­schiede der hoch­dre­henden Lager­tech­no­lo­gien mit Schwer­punkt auf Radi­al­la­gern. Güns­tige Gleit- und Kugel­lager haben bei hohen Dreh­zahlen nur eine kurze Lebens­dauer und können zudem das Gas mit Öl oder Fett verun­rei­nigen. Magnet- und Gaslager dagegen arbeiten prak­tisch ohne Verschleiß. Magne­ti­sche Lager sind aller­dings noch sehr teuer – Gaslager sind daher ein guter Kompro­miss. Insbe­son­dere hydro­dy­na­misch starre Gaslager ermög­li­chen im Vergleich zu Foli­en­la­gern eine präzise Posi­tio­nie­rung der Welle, dies erlaubt im Betrieb das Einstellen eines mini­malen Schau­fel­spalts zwischen Schau­feln und Volute für eine beson­ders effi­zi­ente Strö­mungs­ma­schine. Im Betrieb schwebt die Welle auf einem Polster des verdich­teten Arbeits­gases. Gleit- und Kühl­mittel entfallen und eine mögliche Verun­rei­ni­gung durch zusätz­liche Stoffe wird vermieden. Die Kälte­mittel bleiben absolut rein. Eine geeig­nete Mate­ri­al­aus­wahl bzw. Hart­be­schich­tung der Lage­r­ober­flä­chen sorgt für einen prak­tisch verschleiß­freien Start bzw. Rotor­aus­lauf. Grund­sätz­lich sind die ebm-papst Verdichter auf eine Lebens­dauer von ca. 150.000 Stunden und mehr als eine Mio. Start-Stopps ausge­legt.

Bild 2: Verdich­te­ren­ve­lope für R290. (Bild | ebm-papst)

Bild 3: Verdich­te­ren­ve­lope für R1234ze(E). (Bild | ebm-papst)

Effi­zi­enter Motor mit kompakten Abmes­sungen

Die Motor­leis­tung defi­niert sich als Produkt aus Dreh­mo­ment und Dreh­zahl, weshalb hohe Leis­tungen durch hohe Dreh­zahlen auch mit einem kompakten Elek­tro­motor erreicht werden können. Trotz kleinem Dreh­mo­ment leisten die kompakten, hoch­dre­henden Innen­läu­fer­mo­toren 10 kWe bei ca. 160.000 U/min und größere Vari­anten bis 55 kWe bei ca. 60.000 U/min. Die High­Speed-Antriebe erfor­dern jedoch eine exakt ange­passte Geome­trie von Stator und Perma­nent­ma­gnet-Rotor, da es sonst zu erheb­li­chen Eisen-, Kupfer- und Rotor­ver­lusten kommt, die durch frequenz­be­dingte Effekte zusätz­lich gestei­gert werden. Höhere Span­nungen erlauben klei­nere Kupfer­quer­schnitte, stellen aber erhöhte Anfor­de­rungen an die Wick­lungs­iso­la­tion. Um die entste­hende Abwärme abzu­führen, wurden unter­schied­liche Kühlungs­kon­zepte entwi­ckelt. Glei­ches gilt für die Leis­tungs­elek­tronik.

Leis­tungs­elek­tronik für Schnell­läufer

Die Leis­tungs­elek­tronik muss den Betriebs­be­din­gungen ange­passt sein. Bei den Verdich­tern kann sie die große Band­breite der Versor­gungs­span­nung nutzen und erlaubt durch einen modu­laren Aufbau der Endstufen eine gute Leis­tungs­ska­lie­rung. So sind die übli­chen Netz­span­nungen von ca. 320V bis 480V 3 phasig AC. Die hohe Dreh­zahl der Innen­läu­fer­mo­toren erfor­dert für die Rege­lung in Puls­weiten- oder Puls­am­pli­tu­den­mo­du­la­tion Ströme mit Frequenzen bis über 100 kHz, die die Leis­tungs­end­stufen zuver­lässig bereit­stellen müssen. Für alle Kompo­nenten gilt es, auch bei Teil­last einen möglichst hohen Wirkungs­grad von mehr als 97 % zu errei­chen und die gängigen Normen bzw. Anwen­der­vor­gaben, z. B. für Ober­wellen, müssen einge­halten werden.

Neue Verfahren für Seri­en­fer­ti­gung

Die beschrie­bene Gasla­ge­rung erfor­dert bei den hoch­tou­rigen „Compa­Namic“ Verdich­tern sehr enge Ferti­gungs­to­le­ranzen. Diese lassen sich nur durch eine spezi­elle Produk­ti­ons­um­ge­bung und Präzi­si­ons­mess­technik einhalten. Für die Ferti­gung der Präzi­si­ons­teile in großen Serien sind daher teil­weise neue Verfahren nötig. Die gesamte Produk­tion läuft unter gleich­blei­bender Tempe­ratur, also klima­ti­siert, ab. Statt der herkömm­li­chen 3 bis 4 µm können so Tole­ranzen unter 1 µm einge­halten werden. Der gesamte Ferti­gungs­pro­zess wird durch eine In-Line-Präzi­si­ons­mes­sung über­wacht. Es versteht sich von selbst, dass alle bauteil­be­zo­genen Mess­werte in einer Daten­bank erfasst und mit Seri­en­nummer gespei­chert werden. Um trotz des Aufwands die Stück­kosten wirt­schaft­lich in Groß­serie produ­zieren zu können, darf die Ferti­gung möglichst keinen Ausschuss produ­zieren und muss dementspre­chend laufend nach­jus­tiert werden.

So werden wirt­schaft­lich effi­zi­ente, ölfreie Turbo­ver­dichter gefer­tigt, die vor allem beson­ders umwelt­freund­liche und natür­liche Kälte­mittel mit sehr nied­rigem Treib­haus­po­ten­zial verdichten. Der hohe Wirkungs­grad bei geringem Betriebs­ge­räusch schont die Umwelt und der vibra­ti­ons­freie Lauf vermeidet Körper­schall­über­tra­gung in die Anlage. Damit eignen sich die neuen ebm-papst High­Speed-Verdichter Compa­Namic auch für anspruchs­volle Anwen­dungen mit hohen Anfor­de­rungen an Lauf­ruhe und Zuver­läs­sig­keit.