CN101918810A - 具有温湿度控制的试验箱 - Google Patents
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Abstract
一种试验箱能够在其温度被高效冷却而不必从空气中除去大量水分的模式下运转。试验箱包括限定具有空气的工作空间的结构，以及温度控制系统。该温度控制系统包括定位成与工作空间的空气连通的热交换器，与热交换器耦接的冷流体源，与热交换器耦接的热流体源，以及用于控制进入热交换器的冷流体和热流体的混合物的控制器。该控制器被编程，使得进入热交换器的混合物的温度被控制，从而限制热交换器和工作空间内的空气之间的温差。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种温湿度控制试验箱以及一种控制其中温湿度的方法。
【背景技术】
通用型环境试验箱典型地设计为要求不同运转模式的若干任务。一个这样的任务可以是温度范围从180℃至-70℃的高低温的切换和稳定。典型地，为了用机械制冷达到较低温度，使用级联制冷系统(cascaderefrigeration system)。这要求两个独立的制冷回路(级)：一个处于低级的高压制冷剂和一个处于高级的相对低压制冷剂来“级联”来自试验箱的热量，降低封闭空间中的空气温度。
另一个任务可以是精确控制试验箱(cabinet)工作空间内的温湿度。当以温度/湿度模式运转时，重要的是使得冷却盘管保持为高于水的冰点温度以防止水分(moisture)过度迁移(即在盘管上结冰)及阻塞通过冷却盘管的气流。考虑到这个原因，一些设计在试验箱工作空间内结合了独立的冷却盘管并且利用高级制冷剂以维持冷却盘管的温度高于水的冰点。在受控的压力下，制冷剂由液体膨胀为蒸气。基于温度/湿度运转模式所要求的最低温度但高于水的冰点来设定蒸发压力。当在运转范围内的最高温度/湿度组合(combination)要求制冷时，一部分冷却盘管的温度显著地低于工作箱内的气流的露点温度，导致冷凝以及由于冷凝的潜热导致相当大的冷却要求。为了维持受控的湿度条件，从空气中冷凝的水分必须被替换。蒸汽可以由向试验箱空气开放的锅炉(未示出)增加，或者由加压蒸汽板(pressurized steam rail)(未示出)增加。水分也可以通过喷雾系统增加至试验箱。水分的再引入通常伴随着显热(蒸汽)，进一步增加冷却负荷。额外的冷却引起额外的冷凝，这增加了要求替换冷凝水分的蒸汽的数量。结果是，温度和湿度必须持续地监测和校正，以确保它们保持在期望的范围之内。
市场上还存在一种需求，当试验箱内的产品产生热量时，其运转在高温度/湿度条件下。试验箱内的产品或者热负荷可落入两类之一，两类为：产生热量的热负荷被称为“动负荷”(live load)，以及不产生热量的热负荷被称为“静负荷”(dead load)。在包含动负荷的系统里维持高温度/湿度条件是一项挑战。现有系统或者限制温度/湿度范围，或者限制动负荷造成的可允许的热耗散量，或者现有系统是专有的，使得设备的整体效用受到削弱(compromised)。
【发明内容】
本发明提供一种试验箱，该试验箱能够在其温度得以高效地冷却而不必从空气中除去大量水分的模式下运转。这在温度和湿度控制都重要时是尤其期望的。一方面，试验箱包括限定具有空气的工作空间的结构，以及温度控制系统(例如，具有压缩机、冷凝器和蒸发器阀的制冷系统)。温度控制系统包括定位成与工作空间的空气连通的热交换器(例如，蒸发器)，与热交换器耦接的冷流体源(例如，压缩的、冷凝的以及节流的制冷剂)，与热交换器耦接的热流体源(例如，压缩的制冷剂气体)，以及用于控制进入热交换器的冷流体和热流体的混合物的控制器(例如，通过调节冷流体阀和/或热流体阀)。为了限制由热交换器上的冷凝所引起的湿度损失，优选的是：控制器被编程，使得进入热交换器的混合物的温度可被控制以限制热交换器和工作空间内的空气之间的温差。
本发明也实施了一种控制试验箱的温度的方法，该试验箱具有包括冷流体源、限制冷流体流的控制阀、热流体源以及热交换器的温度控制系统。该方法包含以下步骤：将热交换器定位在试验箱里、使得冷流体(例如，压缩的、冷凝的以及节流的制冷剂)流向热交换器、使得热流体(例如，压缩的制冷剂气体)流向热交换器、使得冷流体与热流体混合以产生混合物，以及控制混合物中的热流体与冷流体的比率(例如，调节冷流体阀和/或热流体阀以控制与热流体混合的冷流体量，从而控制热交换器里的混合物的温度)。为了限制由于热交换器上冷凝所引起的湿度损失，优选的是：控制包括调节热交换器中的混合物的温度以控制热交换器和工作空间内的空气之间的温差。
通过参考详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
【附图说明】
图1是依照本发明的制冷装置的第一构造的示意图。
图2是依照本发明的制冷装置的第二构造的示意图。
图3是示出了控制图1的装置的一种方式的流程图。
【具体实施方式】
在详细说明本发明的任一实施例之前，应当理解的是：本发明不受限于本申请中以下描述中所阐述的或者以下附图中所示出的构造细节和部件布置。本发明能够有其它实施例并且能够以不同方式实施或执行。另外，应该理解的是：本文中所使用的措辞和用语是为了描述而不应当被视为限制。本文中所使用的“包括”、“包含”或者“具有”及它们的变体意味着囊括此后所列的项目及其等同项目以及额外项目。除非规定或者另外加以限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”以及“耦接”及它们的变体被广泛使用，并且均囊括直接和间接的安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理的或者机械的连接或者耦接。
这是一种使用蒸气制冷剂流经闭环系统来控制温度/湿度试验箱10中的温度的装置和方法。蒸气制冷剂循环通过环境试验箱负荷空间14内的控温盘管12。当要求冷却而不减少湿度时，可预处理蒸气制冷剂以控制(即大量地减少，而仍然获得期望的冷却结果)盘管12和横穿盘管12的湿空气流之间的温差，从而减少或者消除来自气流中的、凝结于盘管12上的水分量。因为水分在冷却过程中损失较少，所以减少了通过向试验箱负荷空间14增加蒸汽以替换水分的需要。因为来自蒸汽的显热增加较少并且冷凝转换而来的潜热较少，系统的效率得以改善并且系统能够容纳耗散更多热量的试验负荷。当期望除湿时，控温盘管12能以本领域技术人员熟知的方式充当蒸发器。也就是说，蒸发器的一部分可被控制以下降至低于试验箱空气的露点温度，使得在蒸发器上通过的试验箱空气冷凝在盘管上。如必要的话，试验箱内的加热器(未示出)重新加热除湿后的空气。
依照本发明，进入控温盘管12的制冷剂是冷液体或液体/蒸气制冷剂与热蒸气制冷剂的混合物，与传统蒸发器盘管相比，其整体上具有更大的质量流率。增加的流率允许盘管12与负荷空间14之间在较低温差下发生热传递。因此，控温盘管12能向负荷空间14提供高效冷却而不会从负荷空间的空气中除去水分。本发明可以应用于任一制冷回路。下面描述了两个可能的构造。
在图1所示的一种构造中，单级闭环制冷系统16包括单级压缩机18、冷凝器20、膨胀阀22和盘管12。压缩机18压缩制冷剂气体，然后该制冷剂气体由冷凝器20冷凝为液体制冷剂，该冷凝器20可以是风冷的、液冷的或者其它合适类型的冷凝器。液体制冷剂经由液体管线24行进至膨胀阀22。然后制冷剂行进至盘管12，该盘管12位于环境试验箱负荷空间14内。蒸发用的制冷剂以本领域技术人员熟知的方式从负荷空间14除去热量。
依照本发明，过热蒸气管线26流体地将压缩机18连接至盘管12，允许过热蒸气旁路过冷凝器20并且与来自液体管线24的液体或两相制冷剂在进入盘管12之前混合。人工操作阀28和第一控制阀30位于过热蒸气管线26上，且第二控制阀32位于液体管线24上。第一控制阀30和第二控制阀32由试验箱控制器34进行控制以调整进入盘管12的过热蒸气与液体或两相制冷剂的混合物。更适合地，依照本发明，因为进入盘管的制冷剂混合物的温度是受控制的，所以盘管12应当被称为“控温盘管”。应当理解的是：第一控制阀30和第二控制阀32可被合并成单个的三通阀，其一个入口来自过热蒸气管线26，一个入口来自液体管线24，且一个出口通向盘管12。
试验箱控制器34以两种模式运转：温度控制和温度/湿度控制。在各模式下，通过第一控制阀30和第二控制阀32的制冷剂流被调整以获得过热蒸气和液体或两相制冷剂的混合物，该混合物适合将负荷空间14维持在由用户所输入的温度和湿度的设定值。
在温度控制模式下，制冷剂混合物被控制以使试验箱10的温度达到设定值而不必担心湿度水平。在这种模式下，为了在试验箱中快速获得所期望的温度，通过将盘管12冷却至低温来实现冷却。在这种模式下，盘管12的一部分可低于试验箱10中的空气的露点，并且因而能导致试验箱10中的冷凝以及空气湿度的减少。
在温度/湿度控制模式下，温度受控(temperature-controlled)的制冷剂混合物被引入控温盘管12。当需要高相对湿度和冷却时，对负荷空间的空气进行除湿是不期望的和低效的(因为上面已说明的原因)。因此，来自液体管线24的液体制冷剂用仪表计量并且与来自过热蒸气管线26的蒸气制冷剂流混合。这导致进入盘管12的制冷剂的温度会超过正常状态的温度，且因而盘管12和试验箱10中的空气之间的温差ΔT相对较小。结果是：在盘管12上的冷凝(如果有的话)非常地少，且因而试验箱10内的空气中的水分损失(如果有的话)非常地少。
图3显示了示出温度/湿度控制模式的温度控制部分的流程图。在此控制过程期间，经过热蒸气管线26的过热蒸气流维持为常量，且因而通过调节第二控制阀32以改变从液体管线24进入的液体制冷剂量，使对进入盘管12的制冷剂的所有控制得以实现。首先，测量试验箱负荷空间内部的温度TC，并且与期望的温度范围TD进行比较，该温度范围TD可由用户输入。典型地，用户输入一个特定的期望温度，且控制器提供待维持的合理的温度范围。
如果TC高于TD，那么试验箱需要冷却，控制器34稍微地开启第二控制阀32以增加液体制冷剂量，该液体制冷剂与来自过热蒸气管线26的蒸气制冷剂混合。该液体制冷剂的量初始设定较低，以减少负荷空间的空气与盘管12之间的温差。如果观察不到负荷空间的空气的温度降低，那么控制器34通过进一步开启第二控制阀32进一步增加液体制冷剂的质量流率。如本领域众所已知的，通过以计算过的时间周期以脉冲方式使得阀开启和关闭，阀可以以脉冲宽度调制以控制质量流率。继续此过程直到探测出TC的降低为止。一探测出TC降低，就保持该过程稳定，并监测该过程直到TC在TD范围之内，或者直到TC不再向TD移动为止。当TC落入TD范围之内时，因为在试验箱10内的动负荷将继续耗散热量，所以对温度的监测要继续。
如果TC低于TD，那么试验箱需要较少冷却，且因此控制器34稍微地关闭第二控制阀32以减少液体制冷剂量，该液体制冷剂与来自过热蒸气管线26的蒸气制冷剂混合。如果观察不到负荷空间的空气的温度的增加，那么控制器34通过进一步关闭第二控制阀32进一步减少液体制冷剂的质量流率。如本领域众所已知的，通过以计算过的时间周期以脉冲方式使得阀开启和关闭，阀可以以脉冲宽度调制以控制质量流率。继续此过程直到探测出TC的增加为止。一探测出TC增加，就保持该过程稳定，并监测该过程直到TC在TD范围之内，或者直到TC不再向TD移动为止。如果TC不再向TD移动并且第二控制阀完全关闭，为了增加TC以落入TD范围之内，那么可能有必要增加热量(例如，通过辅助热源)。当TC落入TD范围之内时，对温度的监测要继续。
当需要除湿时，制冷剂混合物被控制到其温度低于负荷空间的空气的露点。典型地，借助第一控制阀30，通过减少脉冲频率或通过关闭阀，减少过热蒸气制冷剂量，以及借助处在期望的脉冲频率下的第二控制阀32，液体或两相制冷剂混合物可以进入控温盘管12。热制冷剂和冷制冷剂的质量流率可被控制，以获得期望温度的混合物。控温盘管12可以以本领域技术人员熟知的方式充当蒸发器，分盘管12的至少一部被冷却到远低于负荷空间的空气的露点的温度，使得负荷空间空气中的一部分水分得以冷凝并且从系统中被除去。每当期望除湿时，将继续这种方法。如果期望对负荷空间14中的空气进行加热，试验箱中的独立加热器(未示出)可以用于加热空气而不会对除湿过的空气增加水分。
在图2所示的另一种构造中，用于低温冷却的级联制冷系统36包括高级制冷系统38和低级制冷系统40。高级制冷系统38借助级联热交换器42冷却低级制冷系统40。
高级制冷系统38以本领域技术人员熟知的方式运转，包括高级压缩机44、高级风冷或者水冷冷凝器46、电磁阀48、以及与低级制冷系统40成热传递连通的级联热交换器42。膨胀阀50位于通向级联热交换器42的入口。
低级制冷系统40包括与级联热交换器42成流体连通的低级压缩机54和位于负荷空间14内的盘管12。液体管线56流体地将级联热交换器42连接至盘管12并且也可以包括膨胀阀或者其它膨胀设备(未示出)。运送来自冷凝器42的液体制冷剂的注入管线52包括电磁阀和膨胀阀，以选择性地冷却返回压缩机的过热蒸气制冷剂。在一些情况下，离开盘管12的过热蒸气可导致压缩机54过热，因此注入管线通过选择性地允许一些液体制冷剂膨胀来冷却过热蒸气。除了本发明所述系统的一部分外，级联系统以本领域技术人员熟知的方式运转，如下文所述的。
依照本发明，过热蒸气管线58流体地将低级压缩机54连接至盘管12(该盘管12更适合被称为“控温盘管”，如上文所说明的)并且包括第一控制阀30。液体管线包括第二控制阀32。第一控制阀30和第二控制阀32被试验箱控制器34控制以调整进入控温盘管12的过热蒸气与液体或两相制冷剂的混合物。控温盘管12位于试验箱10内并且与负荷空间14成热传递连通。
第二种构造的试验箱控制器34以两种模式运转：温度模式和温度/湿度模式。在各模式下，经过第一控制阀30和第二控制阀32的制冷剂流被调整以获得过热蒸气与液体或两相制冷剂的混合物，该混合物适合将负荷空间14维持在由用户所输入的温度或温度/湿度的设定值。这两种模式与之前在本发明的第一个构造里所描述的模式相同。
在用于试验箱的温度/湿度控制的级联系统的在先设计中，高级蒸发器位于试验箱负荷空间14中。依照本发明，高级制冷系统38上的专有的高级冷却回路被从试验箱的温度转换环境14中除去。质量的除去减少了热负荷并且改善了温度转换性能。制冷剂回路和运转模式也作了简化。需要的回路部件较少，增加了装备的稳定性并减少了成本。这种设计也改善了效率并且增加了装备在高相对湿度情况下的散热量而不会削弱其它运转模式。
在另一种构造中，为了向盘管12提供温度受控的制冷剂，热交换器可以在液体管线和过热蒸气管线之间提供热传递连通，而不是将液体管线与过热蒸气管线合并以及对制冷剂的混合物进行控制。
因此，本发明尤其提供了一种用于控制动负荷试验箱的湿度和温度的装置和方法。在以下权利要求中对本发明的不同特征和优点进行阐述。
Claims (14)
1.一种试验箱，其包含：
限定具有空气的工作空间的结构；
制冷系统，其包含：
定位成与所述工作空间内的空气连通的热交换器；
与所述热交换器耦接并产生热流体的压缩机；
与所述压缩机耦接并产生液体的冷凝器；以及
与所述冷凝器耦接并产生冷流体的节流阀；
以及
用于控制进入所述热交换器的冷流体和热流体的混合物的控制器。
2.根据权利要求1所述的试验箱，其特征在于，所述控制器被编程，使得所述混合物与所述工作空间内的空气之间的温差被控制。
3.根据权利要求1所述的试验箱，其特征在于，所述制冷系统进一步包含限制进入所述热交换器的冷流体量的冷流体阀，其中所述控制器调节所述冷流体阀以控制与所述热流体混合的冷流体量，从而控制进入所述热交换器的所述混合物的温度。
4.根据权利要求3所述的试验箱，其特征在于，所述控制器包括温度-湿度模式，为了减少所述热交换器上冷凝的形成，该温度-湿度模式被编程以限制所述混合物温度的下降，从而限制所述混合物与所述空气之间的温差。
5.根据权利要求4所述的试验箱，其特征在于，所述控制器进一步包括除湿模式，为了增加所述热交换器上冷凝的形成，该除湿模式被编程以允许所述混合物温度的更大下降，从而增加所述混合物与所述空气之间的温差。
6.根据权利要求1所述的试验箱，其特征在于，所述热交换器是蒸发器。
7.根据权利要求6所述的试验箱，其特征在于，所述冷流体是制冷剂。
8.根据权利要求6所述的试验箱，其特征在于，所述制冷系统进一步包含热流体管线，所述热流体管线使得所述压缩机的输出端与所述蒸发器的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的试验箱，其特征在于，所述制冷系统进一步包含限制进入所述蒸发器的热流体量的热流体阀，其中所述控制器调节热流体阀以控制与离开所述蒸发器阀的制冷剂混合的热流体量，从而控制进入所述蒸发器的所述混合物的温度。
10.一种控制具有温度控制系统的试验箱的温度的方法，所述温度控制系统包括冷流体源、限制所述冷流体流的控制阀、热流体源以及热交换器，所述方法包含：
将所述热交换器定位在所述试验箱中；
使得所述冷流体流向所述热交换器；
使得所述热流体流向所述热交换器；
使得所述冷流体与所述热流体混合以产生混合物；以及
为了操控所述热交换器上冷凝的形成，控制所述混合物中热流体和冷流体的比率，从而控制所述混合物与所述试验箱内空气之间的温差。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述试验箱进一步包括冷流体阀，并且其中控制包括调节所述冷流体阀以控制与所述热流体混合的所述冷流体量，从而控制所述热交换器内所述混合物的温度。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使得冷流体流动的步骤包含以下步骤：
将制冷剂压缩成为过热蒸气；
使得所述过热蒸气冷凝成为饱和的或过冷液体；以及
使得所述液体节流成为所述冷流体。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使得热流体流动的步骤包含以下步骤：
使一部分过热蒸气转向所述热交换器，其中所述过热蒸气是所述热流体。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述试验箱包括热流体阀，并且其中控制包括调节所述热流体阀以控制与所述冷流体混合的热流体量，从而控制所述热交换器内的所述混合物的温度。
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