De koppelingsloze compressor - WAECO - AirCon Service

De koppelingsloze compressorTechnisch perspectiefDe koppelingsloze compressor ( deel I )Veel nieuwe ontwikkelingen zijn er voortdurend op diverse componenten in airconditioning systemen.Het uiteindelijke doel hiervan is vooral meer comfortabele en efficiëntere systemen te construeren. Eenzeer belangrijke ontwikkeling is de compressor met variabel slagvolume geweest. Een doorontwikkeldevariant hierop is de koppelingsloze, extern aangestuurde compressor, waarvan we in dit artikel deSanden en een aantal Denso uitvoeringen als voorbeeld zullen nemen.1

De koppelingsloze compressorVariabele compressorenEr zijn verschillende fabrikanten die koppelingsloze compressoren produceren en aanbieden, zoals Densohet type 7SEU16, 6SEU12 en de elektrische aangedreven compressor ES18, Zexel met de modellen DCSen Sanden met het type PXE.Voorloper van de koppelingsloze compressor was de zuigdruk geregelde, variabele slag compressor. Veelnadelen van de vroeger uitsluitend gebruikte intermitterend werkende compressor werden algeëlimineerd door de zuigdruk geregelde uitvoering. Vooral de inschakelklap, veelvuldig voorkomend bijeen lagere warmtebelasting, was vaak zeer duidelijk voelbaar en minder comfortabel. Ook de efficiencyvarieerde sterk, afhankelijk van de zuigdruk en daarmee de warmtebelasting. Bij intermitterendwerkende systemen met vaste slag compressor was tevens een thermostaat nodig of indirect werkendeen drukschakelaar in de zuigleiding om dichtvriezen van de verdamper te voorkomen. De constantezuigdruk van de variabele slag compressor heeft dit overbodig gemaakt.Tevens zorgt een constante zuigdruk in de verdamper voor een vrijwel constante luchtuitblaastemperatuur uit de verdamper en daarmee een beter beheersbare en meer comfortabeleinterieurtemperatuur. Het nadeel van deze variabele slag compressoren is een nog steeds aanwezige,relatief grote en zware magneetkoppeling. De inschakelklap is bijna verdwenen. Alleen nog bij hetinschakelen van het airco systeem of na sterk accelereren van het voertuig, waarbij meestal de koppelingeven uitschakelt, wordt het oncomfortabele inschakelen van de magneetkoppeling nog gevoeld.Extern geregelde compressorenDe extern geregelde compressor zonder magneetkoppelingheeft ook deze nadelen opgeheven. De zwaremagneetkoppeling is vervangen door slechts een poelie,vast gemonteerd op de compressoras (fig. 1). Om zoveelmogelijk gewicht te besparen is de poelie vaak ook nog vankunststof gemaakt. Totaal kan hiermee va. 1 kg aan gewichtworden bespaard. De poelie op de Denso compressor is vanhet zogenaamde DL-type. De “D” duidt op de aanwezigheidvan een demper (Demper) in de poelie, waardoor mindertrillingen worden doorgegeven en de werking geruislozerwordt. De “L” (Limiter) geeft aan, dat de over te brengenkracht tot een maximum waarde begrensd is. Deconstructie van demper en begrenzer wordt gevormd dooreen rubber verbinding tussen poelie en vast gemonteerdenaaf van de poelie op de compressoras.Tijdens normaal aandrijven van de compressor door de trekkracht van de riem via de poelie over tebrengen, worden resonanties en trillingen door de enigszins flexibele, rubberverbinding opgeheven.Wordt de weerstand van de compressor echter te groot door (bijna) vastlopen, dan zal boven eenvooraf bepaalde maximale kracht de rubberverbinding in de poelie, afhankelijk van de constructie,breken of doorslippen. Hiermee wordt breken of doorslippen van de aandrijfriem voorkomen.2

De koppelingsloze compressorTuimelschijf en stuurventielEvenals bij de al langer bekende, zuigdruk geregelde variabele slag compressoren, heeft ook deextern geregelde compressor inwendig een tuimelschijf, waarvan de schuinstelling kan wordenveranderd om daarmee de slag van de eraan verbonden plunjers te variëren. De direct door dezuigdruk geregelde compressor heeft een volledig mechanisch werkend regelventiel achter in decompressor gemonteerd. Dit ventiel zorgt voor een constante zuigdruk van ca. 2,0 bar rel. in dezuigleiding en verdamper van het airco systeem.Ook bij de extern geregelde compressor wordt een regelventielachter in de compressor gemonteerd (fig. 2) Het verschil is nuechter, dat het ventiel slechts gedeeltelijk mechanisch werkt enniet direct door de zuigdruk wordt aangestuurd. Eenelektronische regeleenheid (control unit) in de auto ontvangtdiverse signalen, zoals gewenste airco mode (normaal ac ofdefrost), gewenste en werkelijke temperatuur in de auto,buitentemperatuur, zuigdruk, enz. en berekent hiermee deideale regelventiel instelling. Het regelventiel krijgt vanuit deelektronische regeleenheid een pulserende regelstroom. Deregelstroom varieert tussen 0,1 en 0,6 A. De spoelweerstand vanhet regelventiel bedraagt bij ca. 20 °C omstreeks 8,5 ohm.Variërende zuigdrukDe extern geregelde compressor heeft nog een voordeel t.o.v. de mechanisch door de zuigdrukgeregelde uitvoering. Indien technisch gewenst kan de zuigdruk in het systeem variëren tussen ca.1,0 en 3,5 bar. Dit kan soms voordelen geven, zoals tijdelijk een lage zuigdruk bij laag compressortoerental, waardoor een verbeterde koelcapaciteit bij stationair draaiende motor wordt verkregen.Een hogere zuigdruk dan gemiddeld bij lagere warmtebelasting zal een efficiëntere werking van hetsysteem met een lager brandstofverbruik geven. Echter ontvochtiging zal bij deze hogere zuigdrukniet plaats vinden. Voor ontvochtiging is het absoluut noodzakelijk om dieper door te koelen, waarnade lucht naar behoefte meer of minder moet worden naverwarmd.Voordeel?Een ander voordeel, dat wel eens wordt genoemd, is het terugregelen van het slagvolume als depersdruk in het airco systeem te hoog dreigt te worden. Door het verminderen van het slagvolumewordt een acceptabele, stabiele toestand met minder hoge persdruk bereikt. Dit hoeft echter nietaltijd te worden gezien als een echt voordeel, omdat een te hoge persdruk meestal het gevolg is vaneen systeemfout of slechte service. Is dit aan de orde en wordt door het terugregelen van hetslagvolume weer een stabiele toestand bereikt, dan bestaat er waarschijnlijk ook het gevaar, dat degemiddelde servicemonteur het aanwezig zijn van een fout niet herkend. Het opslaan in het systeemvan een uitleesbare foutcode zou hiervoor een oplossing kunnen zijn.3

De koppelingsloze compressorConclusieAan de vele voordelen van de reeds langer bekende door de zuigdruk geregelde variabele slagcompressor t.o.v. de vaste slag uitvoering, zijn met de extern geregelde variabele slag compressor nogweer enkele voordelen toegevoegd. Een nadeel voor de gemiddelde storingsmonteur in het geval vanstoringen, zou de complexere elektronische aansturing van het regelventiel door de externeregeleenheid kunnen zijn.De koppelingsloze compressor ( deel II )In het voorgaande hebben we de koppelingsloze variabele slag compressor met externe regelingvergeleken met de mechanisch geregelde uitvoering en daarbij gezien dat de extern geregeldecompressor enkele extra regelmogelijkheden biedt. Dit keer gaan we de uitwendige werking van decompressor nader bekijken.Zowel bij de variabele- als vaste slag compressoren wordt de draaiende beweging van de compressoras,via de vast op de as gemonteerde aandrijfplaat en tuimelschijf omgezet in een heen en weer gaandebeweging van de plunjers. In zoverre is er geen enkel verschil tussen de meeste soorten compressorenvan het z.g. “swash-plate” type. Bij de vaste slag compressoren is de hoek van de tuimelschijf met decompressoras altijd even groot en daarmee de slag van de plunjers altijd constant. Decompressorcapaciteit kan alleen nog variëren door variatie van het toerental. De variabele slagcompressoren kunnen de capaciteit tevens veranderen door de hoek van de tuimelschijf met decompressoras groter of kleiner te maken. Dit geldt voor zowel de reeds langer bekende inwendigmechanisch geregelde compressoren, als ook voor de extern geregelde uitvoering.Een groter hoek met de as (bijna 90°) geeft een kleine verplaatsing van de plunjers (minimale capaciteit),een kleinere hoek ofwel een maximale schuine stand geeft een grote plunjer verplaatsing en dus eenmaximale capaciteit.4

De koppelingsloze compressorMinimale capaciteitTer verduidelijking van de werking kijken we naar de schematische voorstelling van een Densocompressor en regelventiel in fig. 1.Hierin is:. • Pd de persdruk. • Pc de druk in de tuimelschijf kamer (achter de plunjers). • P1 t/m P5 de druk op de plunjers (in een 5 cil. compressor). • Fs de veerkracht (van de veer achter de tuimelschijf). • F1 de reactiekracht van de aandrijfplaatDe elektronische airconditioning sturing zal als reactie van de diverse ontvangen ingestelde en gemetensignalen zoals o.a. gewenste interieur- en gemeten buitentemperatuur, motortoerental (= compressortoerental), een kleine uitgaande stroom naar de spoel van het regelventiel in de compressor geven. Alsgevolg hiervan zal de veer die zich onder in het regelventiel bevindt de ventielklep richting spoelverschuiven en de doorlaat tussen de hoge druk ruimte met persdruk Pd en de tuimelschijf kamer metdruk Pc vrijgeven. De druk Pc zal langzaam, omdat de vrijgegeven opening slechts zeer klein is, stijgennaar de druk Pd. De totale kracht van druk Pc x oppervlak links van de plunjers + veerkracht Fs +reactiekracht F1 wordt groter dan de kracht veroorzaakt door P1 t/m P5 rechts van de plunjers x hetoppervlak. De onderste plunjer zal dientengevolge naar rechts verschuiven en de hoek van detuimelschijf met de compressoras vergroten (de tuimelschijf komt meer rechtop te staan). De slag van deplunjers wordt kleiner en dus ook de capaciteit.5

De koppelingsloze compressorMaximale capaciteitVoor de maximale capaciteit kijken we naar het schema in fig.2. Een laag motortoerental en/of een hogewarmtebelasting op het airconditioning systeem geeft vanuit de elektronische sturen een relatief groteuitgangsstroom naar de poel van het regelventiel. De magneetkracht van de spoel wordt groter,waardoor de ventielklep richting veer onderin het ventiel zal verschuiven en de opening van Pd naar Pcafsluit. De druk Pc in de tuimelschijf kamer zal langzaam afnemen, waardoor de som van de krachten Pcx plunjeroppervlak + Fs + F1 kleiner wordt dan de totale kracht van P1 t/m P5 x plunjeroppervlak. Deonderste zuiger zal naar links gaan bewegen en de schuinstand van de tuimelschijf wordt groter tot in dekleinste hoek met de compressoras ook het maximale slagvolume van de compressor wordt verkregen.De aansturing van de extern geregelde compressor vanuit de elektronische regeleenheid kan nu dooreen willekeurig aantal te programmeren ingangssignalen worden beïnvloed. Een voorbeeld hiervan is demogelijkheid om de interieurtemperatuur te regelen zonder naverwarming door de kachel, door bijlagere buitentemperaturen met een hogere zuigdruk in het airconditioning systeem te werken. Hetvoordeel is een efficiënter systeem en dus brandstofbesparing. Het nadeel van deze regeling is echtereen zeer geringe of absoluut geen ontvochtiging. Wordt een goede ontvochtiging gewenst, dan zal dedoorstromende lucht toch dieper gekoeld moeten worden en daarna naverwarmd tot de gewenstetemperatuur. Een signaal gekoppeld aan bijvoorbeeld de “defr” instelling kan dit gewenst verschil aan deelektronica doorgeven.ConclusieDe werking van de elektronisch extern geregelde compressor verschilt niet veel van de zuigdrukgeregelde uitvoering. Naast de gewichtsbesparing door het niet aanwezig zijn van een zwaremagneetkoppeling heeft de extern geregelde compressor tevens tot voordeel, dat een groter aantalvariabelen gebruikt kan worden om invloed op de werking van het airconditioning systeem uit teoefenen. Dit geeft uiteindelijk meer comfort en een efficiëntere werking.6

De koppelingsloze compressorDe Sanden PXE extern geregelde, koppelingsloze swash plate compressor(doorsnee tekening van een Sanden extern geregelde PXE compressor)Gedurende het jaar 2003 heeft Sanden haar nieuwe PXE compressorserie op de markt gebracht. Op ditmoment wordt de PXE in een 130 cc en een 160 cc geleverd en onder andere ingezet in een aantalnieuwe Volkswagen modellen.DE PXE is een nieuw ontwikkelde variabele swash plate compressor zonder koppeling die extern wordtgeregeld. Door de mogelijkheid om de temperatuur in het interieur zonder bijregeling van de kachel naarde gewenste temperatuur af te koelen ontstaat een hoge graad van interieurcomfort en wordt brandstofbespaard.De capaciteit van de compressor wordt geregeld via een elektrisch signaal dat bij het elektronischregelventiel binnenkomt. Het elektrische signaal komt van de a/c besturingsunit en hangt af van debuitentemperatuur, de interieurtemperatuur, het motortoerental en enkele andere (voertuigtypeafhankelijke) factoren.7

De koppelingsloze compressorDe verklaring van de werking van de Sanden PXE compressor.De PXE compressoren werken met Sanden’s SP-10 olie en worden af fabriek met olie afgevuld geleverd.8

De koppelingsloze compressorDe elektrisch aangedreven Denso ES 18Elektrische Scroll compressorDe Denso ES 18 is een nieuw type elektrische inverter-compressor. Deze elektrische aangedreven scrollcompressor bevindt zich onder de motorkap van de Toyota Prius II, een hybride auto voorzien van eencombinatie van een elektromotor met een benzinemotor. Deze compressor wordt door de a/c invertervan het voertuig aangedreven. Deze is onderdeel van voertuiginverter.Aangezien de compressor met betrekking tot de prestatie niet langer van het toerental van de motorafhankelijk is kan de koelcapaciteit van de unit onder alle omstandigheden traploos geregeld worden.De toerentalregeling van de compressor wordt geregeld vanuit de stuurunit van het a/c systeem en isafhankelijk van de ingestelde temperatuur en de waarden die worden gemeten doorinterieurtemperatuursensor, de buitentemperatuursensor en de luchtkleppositiesensor.De opbouw van de ES 18 compressor wijkt behoorlijk af van compressoren die via een riem wordenaangedreven (zie fig. 1). Zo bestaat het achterste gedeelte van de compressor uit een borstellozemotor die via de 201,6 Volt wisselstroom vanuit de inverter wordt aangedreven. De motor drijft decompressoras aan die op zijn beurt is verbonden met de variabele spiraal. Voor in de behuizing vande compressor bevindt zich tevens een vaste spiraal. Deze is in de behuizing geïntegreerd. Door hetdraaien van de compressoras draait de variabele spiraal. Doordat de vaste spiraal niet meedraaitverandert het volume van de ruimte tussen de beide spiralen constant. Op deze wijze vindt hetaanzuigen, comprimeren en uitstromen van het koelgas plaats. Opvallend aan de compressor isverder dat deze van een olieafscheider is voorzien. Deze bevindt zich voor in de compressor. Deze isin staat de olie van het koelgas af te scheiden dat door de unit circuleert. Hierdoor is het mogelijkmeer olie in de compressor te houden en minder olie door het hele systeem te laten stromen terwijlzo toch de smering van de compressor optimaal kan worden verzorgd.9

De koppelingsloze compressorWerking van de olieafscheiderDe olieafscheider bevindt zich net voor de uitgangspoort van het koelgas. In deolieafscheider aangekomen moet het koelgas-olie mengsel om eencilindervormige pijp circuleren (Fig. 2).De centrifugale kracht die zo ontstaat zorgt ervoor dat gedurende de rotatie deolie en het gas van elkaar gescheiden worden. Door het verschil in gewichttussen de twee zal het koelgas door de uitgangsopening verdwijnen en de olienaar beneden zakken. Onderaan de olieafscheider bevindt zich een reservoirwaarin de olie wordt opgeslagen en vervolgens weer naar het interieur van decompressor wordt getransporteerd om de compressordelen te smeren.Alleen speciale olieDe a/c unit in de Prius II werkt niet met de gebruikelijke olie types ND-8, ND-9 of ND-10, maar met hetnieuwe type ND-11. ND-11 is speciaal voor deze compressor ontwikkeld. Naast de noodzakelijkeeigenschappen om de compressor onder alle omstandigheden te kunnen smeren, heeft ND-11 specialeisolerende eigenschappen. Deze zijn noodzakelijk om het hoogspanningsgedeelte van de compressor enhet mechanische gedeelte akoestisch van elkaar te isoleren. Het is van het grootste belang dat alleendeze olie wordt gebruikt. Indien hiervan wordt afgeweken kan het gebeuren dat de compressorovermatig lawaai gaat maken doordat de isolerende werking van de olie wordt gemist.LekzoekenHet feit dat de compressor met een olieafscheider is uitgerust roept wel vragen op met betrekking totlekdetectie. Een van de huidige en meest effectieve methodes om lekkages op te sporen is het gebruikvan lekdetectievloeistoffen die door middel van speciale UV-lampen worden opgelicht als ze via eenlekkage uittreden. Dergelijke lekdetectievloeistoffen worden door de olie door de a/c unitgetransporteerd. Indien nu het grootste gedeelte van de olie in de compressor achterblijft, is de vraag ofer dan nog voldoende olie over is om de lekdetectievloeistof te transporteren. Op dit moment lijkt ergeen eenduidig antwoord op deze vraag. Denso laat weten dat er inderdaad twijfel bestaat of dezelekdetectiemethode in compressoren met olieafscheider nog tot succes zal leiden. Ingewijden uit delekdetectie-industrie schijnen zich hierover minder zorgen te maken. De toekomst zal dit door ervaringwellicht uitwijzen.10