Akustik und Betriebsverhalten von Scroll-Verdichtern

Aufgeschnittener Scroll-Verdichter
Aufgeschnittener Scroll-Verdichter

Mit der schnell fortschreitenden Entwicklung neuer E-Fahrzeuge rückt das Thermomanagement im Fahrzeug zu einer zentralen Schlüsselkomponente in den Fokus. Über das HVAC-System und dem eingeschlossenen Kältekreislauf wird nicht nur die Klimatisierung der Fahrgastzelle gesteuert, sondern auch die Kühlung der Elektromotoren und vor allem der Batterie. Da all diese Prozesse eine hohe elektrische Leistung erfordern, hat ein effizientes Thermomanagement direkten Einfluss auf die Reichweite des E-Fahrzeuges.

Im Elektrofahrzeug wird die Akustik in der Fahrgastzelle und das Außengeräusch nicht mehr durch den Verbrennungsmotor (vor allem in den niedrigen Geschwindigkeitsbereichen) maskiert. Damit gewinnt die Akustik des Thermomanagementsystems eine entscheidende Bedeutung. Hierbei muss unterschieden werden zwischen der strömungsinduzierten Schallübertragung und der Transferpfade, die durch Strukturschwingungen hervorgerufen werden. Eine der wichtigsten und dominierenden Schallquellen ist hierbei der Verdichter.

In Klimaanlagen moderner E-Fahrzeuge werden elektrisch betriebene Scroll – Verdichter eingesetzt. Sie bestehen in ihrem Grundaufbau aus zwei Spiralen, wobei sich eine Spirale exzentrisch zu einer zweiten, festen Spirale bewegt. Die Abb. 1 gibt einen schematischen Überblick über das Wirkprinzip.

Arbeitsphasen des Scroll-Verdichters: Eintritt, Kompression und Austritt des Gases (von links nach rechts)

Arbeitsphasen des Scroll-Verdichters: Eintritt, Kompression und Austritt des Gases (von links nach rechts)

Um den Betrieb des Verdichters im Fahrzeug zu simulieren, wird ein Kältekreislauf am Lehrstuhl aufgebaut. Messungen des abgestrahlten Schallspektrums werden im Akustikraum durchgeführt. Durch den Verdichter angeregte Vibrationen werden mithilfe optischer Schwingungsmesstechnik erfasst.

Ziel für zukünftige Entwicklungen ist es, physikalische Entstehungsmechanismen im Verdichter dem abgestrahlten Schallspektrum zuzuordnen. Dies betrifft ebenfalls die von dem Verdichter übertragenen Schwingungsanregungen. Nur dadurch ist es möglich, Verbesserungen am Wirkprinzip des Verdichters vorzunehmen, der die Quelle als Schallursache verbessert. Aber auch für gezielte nachfolgende Schalldämpfungsmaßnahmen hat die Kenntnis des Quellmechanismus eine dominierende Bedeutung. Es können Dämpfungsmaßnahmen gezielt auf den Frequenzbereich der Anregung abgestimmt und dementsprechend unterdrückt werden.

Projektbearbeitung:

Lukas Saur, M. Sc.

Wiss. Mitarbeiter
Raum: Raum 0.522