DE10300487A1

DE10300487A1 - Kühlvorrichtung sowie Thermostat mit einer solchen Kühlvorrichtung

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Publication number: DE10300487A1
Application number: DE10300487A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Enomoto
Original assignee: Espec Corp
Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: US20030126875A1; US20050120740A1; US7415836B2; CN1432782A; US6938432B2; DE10300487B4; CN1280597C

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Kühlvorrichtung mit einem Kompressor (2), einem Kondensator (3), einer Expansionsvorrichtung (5) und einem Verdampfer (6, 35), die in dieser Reihenfolge durch eine Rohrleitung verbunden sind, um einen Kühlkreislauf zu bilden, wobei der Kompressor (2) ausgebildet ist, um ein Kühlmittel in einer gasförmigen Phase zu komprimieren, bevor es dem Kondensator (3) zugeführt wird, wo eine Wärmemenge aus dem Kühlmittel entnommen wird, um das Kühlmittel in eine flüssige Phase oder in ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch zu überführen, und das Kühlmittel dann dem Verdampfer (6, 35) durch die Expansionsvorrichtung (5) zugeführt und anschließend zu dem Kompressor (2) zurückgeführt wird, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kühlvorrichtung weiterhin einen Heizabschnitt (11) aufweist, der zwischen dem Verdampfer (6, 35) und dem Kompressor (2) angeordnet ist, wobei das Kühlmittel, welches den Verdampfer (6, 35) verläßt, noch das Gas-Flüssigkeits-Gemisch ist, bis es in dem Heizabschnitt (11) erwärmt und vollständig in einen gasförmigen Zustand überführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (nachfolgend einfach auch als ein "Kühler" bezeichnet), die zur Einbindung in ein Herstellungssystem und/oder ein Überwachungssystem beispielsweise zur Herstellung, zum Prüfen und/oder zum Auswerten von Halbleitern, elektronischen Vorrichtungen oder dergleichen innerhalb eines Raums, der auf einer konstanten Temperatur gehalten werden muß, geeignet ist.
Kühlvorrichtungen werden in breitem Umfang als Kühlschränke, Klimaanlagen und dergleichen verwendet, um niedrigere Temperaturen zur Verfügung zu stellen. Wie es im Stand der Technik gut bekannt ist, umfaßt jeder Kühler einen eingebauten Kühlkreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, die in dieser Reihenfolge miteinander durch eine Leitung verbunden sind.
In dem Kühlkreislauf werden aufeinanderfolgende Volumina eines Kühlmittels in einer gasförmigen Phase kontinuierlich durch den Kompressor komprimiert und zu dem Kondensator transportiert. Der Kondensator wird eine Wärmemenge aus jedem Volumen des gasförmigen Kühlmittels entfernen, um es in eine flüssige Masse zu verflüssigen oder um ein Gemisch mit einem Dampfanteil und einem Flüssigkeitsanteil zu erzeugen. Die so gebildete flüssige Masse bzw. das Dampf/Flüssigkeits-Gemisch wird dann dem Verdampfer durch das Expansionsventil oder dergleichen zugeführt. Der anschließende Verdampfungsprozeß ist vorgesehen, um eine Wärmemenge aus einer Umgebungslast durch Wärmetausch zu entfernen, d. h. das zu kühlende Objekt aufgrund der latenten Verdampfungswärme des Kühlmittels zu kühlen. Mit anderen Worten wird jedes flüssige Kühlmittelvolumen Wärme von der Umgebungslast aufnehmen, um wieder zu verdampfen, bevor es zu dem Kompressor zurückkehrt.
Es ist erwünscht, daß alle aufeinander folgenden Volumina des Kühlmittels, welche zu dem Kompressor zurückkehren, sich in einem voll verdampften Zustand befinden, um das sogenannte Problem der "Kompression einer Flüssigkeit" zu vermeiden.
Daher sind frühere Systeme so ausgelegt, daß jedes der aufeinander folgenden Kühlmittelvolumina unabhängig davon, ob es eine Flüssigkeit oder ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit ist, in einen perfekten gasförmigen Zustand überführt werden.
Das Expansionsventil oder dergleichen in dem Kühlkreislauf des früheren Systems ist gesteuert worden, um die Temperatur an dem Auslaß des Verdampfers höher als die Temperatur von gesättigtem Dampf (nachfolgend die "Sättigungsdampftemperatur") des Kühlmittels zu halten. Im einzelnen ist das Maß der Überhitzung des Kühlmitteldampfs so durch die Steuerung eines Expansionsventils oder dergleichen reguliert worden, daß sie am Verdampferauslaß konstant ist.
Die Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 61-89456 (nachfolgend '456-Schrift genannt) offenbart einen Vorschlag, welcher gemacht wurde, um jedes Volumen des Kühlmittels zu dem Kompressor in einen vollständig verdampften Zustand zurückzuführen. Die in der '456-Schrift beschriebene Gegenmaßnahme verwendet einen Wärmetausch zwischen einer Niedrigdruckseite und einer Hochdruckseite, wobei die Niedrigdruckseite zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor strömt und die Hochdruckseite zwischen dem Kompressor und dem Expansionsventil liegt. Der Kühlmittelanteil, welcher den Verdampfer verlassen hat, wird so vor dem Eintritt in den Kompressor überhitzt werden.
Der Vorschlag gemäß der '456-Schrift zielt auf eine perfekte Verdampfung des Kühlmittels innerhalb des Verdampfers ab. Der Wärmetausch zwischen der Niedrigdruckseite und der Hochdruckseite ist vorgesehen, um den Kühlmitteldampf, welcher von dem Verdampfer ausgestoßen wird, zu überhitzen, so daß verhindert wird, daß selbst eine sehr kleine Flüssigkeitsmenge nicht zu dem Kompressor zurückkehren kann.
In früheren Kühlern ist auch eine Temperatursteuerung von den Bereichen, die mit der Umgebungslast des Wärmetauschs in Verbindung stehen, bewirkt worden, indem der Kompressor ein- oder ausgeschaltet wird.
Wenn die Temperatur der die Umgebungslast kontaktierenden Bereiche oberhalb einer Zieltemperatur liegt, wird der Kompressor in dem Kühler betätigt werden, um die Temperatur des Verdampfers herabzusetzen und auf diese Weise die Bereiche weiter zu kühlen. Wenn im Gegensatz dazu die Temperatur der die Umgebungslast kontaktierenden Bereiche unterhalb der Zieltemperatur liegt, dann wird der Kompressor abgeschaltet werden.
Die Ein-Aus-Steuerung des Kompressors, um die Temperatur der die Umgebungslast kontaktierenden Bereiche nahe der Zieltemperatur zu halten, hat jedoch zu einem gewissen Problem geführt. Solch eine einfache Steuerungsmethode hat oft zu einer Schwankung oder einem "Jagen" der Temperatur der Bereiche geführt.
Einige Anlagen zur Herstellung, Prüfung und/oder Auswertung von Halbleitern, elektronischen Bauteilen und dergleichen oder einige Arten von Testvorrichtungen für Umweltfaktoren müssen strenger "thermoreguliert" werden. Eine Ein-Aus-Steuerung von Kompressoren, wie sie oben beschrieben ist, wird jedoch eine zufriedenstellende Stabilität der Temperatur der Kühlerbereiche, die mit der Umgebungslast in Kontakt stehen, nicht gewährleisten können, so daß es zu einer signifikante Schwankung der Temperatur des zu steuernden Objekts kommen wird und es schwierig wird, den strengen Anforderungen gerecht zu werden.
Einige von den Anlagen sind daher mit schnell ansprechenden Heizvorrichtungen zusätzlich zu den Kühlern versehen, so daß ein übermäßiges Maß an Kühlung durch die Wärme, welche die Heizvorrichtungen ausstoßen werden, kompensiert wird.
Diese Annäherung zur Vermeidung des in den früheren Systemen inhärenten Problems schließt jedoch einen Widerspruch dahingehend ein, daß auf der einen Seite eine Kühlung erfolgt und auf der anderen Seite gleichzeitig eine Erwärmung erfolgt, wodurch der Energiewirkungsgrad herabgesetzt wird und eine Energieeinsparung verhindert wird.
Eine der wichtigsten Erfordernisse bei Umwelttestern und dergleichen besteht darin, daß die Temperaturverteilung in jedem von ihnen so klein wie möglich sein sollte, aber die früheren Vorrichtungen sind in diesem Punkt nicht zufriedenstellend gewesen.
Beispielsweise müssen die Umwelttester und dergleichen innerhalb eines sehr weiteren Bereiches von Zieltemperaturen arbeiten, die von -40°C bis +100°C reichen können. Ein in solchen Testern oder dergleichen installierter Kühler muß daher einen Verdampfer mit einer solch hohen Leistung (bzw. hohen Effizienz des Wärmetauschs) enthalten, daß er der niedrigsten Zieltemperatur des Systems genügt. Wenn die Temperatur der Umgebungslast (beispielsweise einer Temperaturkammer) sehr hoch ist, dann wird das Kühlmittel, welches in dem Verdampfer enthalten ist, bald gasförmig werden und sofort seine gesamte latente Wärme in dem Verdampfer aufnehmen. Als ein Ergebnis wird die Temperatur ungleichmäßig werden, selbst wenn der Verdampfer selbst in dieser Art von Kühlern enthalten ist, wodurch eine unerlaubte Temperaturverteilung über die Umgebungslast erzeugt wird, welche genaue Umgebungstest unmöglich macht.
Um die Temperaturverteilung in der Umgebungslast des Wärmetauschs zu verringern, kann ein zusätzliches oder Hilfsmittel (so wie Sole) verwendet und in der Temperatur durch den Kühler gesteuert werden, bevor es der Umgebungslast zugeführt wird. Eine solche Gegenmaßnahme erfordert jedoch ihren eigenen Kreislauf, ihre eigenen Zirkulationspumpen und andere Vorrichtungen für das zusätzliche Kühlmittel, wodurch der Kühler teuer und zu groß in seiner Gesamtgröße wird, um in einem nicht so großen vorgegebenen Raum untergebracht zu werden.
Die Fig. 11 zeigt ein Beispiel dieses Systems, welches ein zusätzliches Kühlmittel verwendet. Sein Hauptbereich ist ein Kühler, der aus einem Kompressor 100, einem Kondensator 101, einem Expansionsventil 102 und einem Verdampfer 103 besteht. Zusätzlich zu diesen Hauptvorrichtungen ist ein Reservoir 105 in einem solchen Vorschlag erforderlich und wird eine darin eingetauchte elektrische Heizvorrichtung 106 erfordern, wodurch die Ausrüstungskosten steigen, ein größerer Raum erforderlich wird und der thermische Wirkungsgrad in unvernünftiger Weise herabgesetzt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile, die mit den früheren Kühlern verbunden sind, zu beseitigen und eine verbesserte Kühlvorrichtung zu schaffen, welche die Genauigkeit der Temperatursteuerung verbessert, die Temperaturverteilung darin reduziert und dennoch ökonomisch in den Herstellungskosten ist.
Um diese Aufgabe zu lösen schafft die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung mit einem Kompressor, einem Kondensator, einer Expansionsvorrichtung und einem Verdampfer, die miteinander in dieser Reihenfolge durch eine Rohrleitung verbunden sind, um in üblicher Weise einen Kühlkreislauf zu bilden. In dieser Vorrichtung komprimiert der Kompressor ein gasförmiges Kühlmittel, bevor es dem Kondensator zugeführt wird, wo eine Wärmemenge von dem Kühlmittel entfernt werden wird, um das Kühlmittel in eine flüssige Phase oder in ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch zu überführen. Das Kühlmittel wird dann dem Verdampfer durch die Expansionsvorrichtung zugeführt und anschließend zu dem Kompressor zurückgeführt. Die Vorrichtung der Erfindung umfaßt weiterhin einen Heizabschnitt, der zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordnet ist. Das Kühlmittel, welches den Verdampfer verläßt, wird noch ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch sein, bis es in dem Heizabschnitt weiter erwärmt und vollständig in einen gasförmigen Zustand gebracht wird.
Der Heizabschnitt kann vorzugsweise eine elektrische Heizvorrichtung oder eine ähnliche Heizquelle besitzen. Es genügt jedoch, daß jedes aufeinander folgende Volumen des Kühlmittels, welches durch den Heizabschnitt strömt, eine notwendige Wärmemenge beispielsweise aufgrund eines Wärmetauschs zwischen ihm und der Umgebungsluft aufnehmen kann. Dies gilt auch für andere nachfolgend beschriebene Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung bleibt das Kühlmittel ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch, bis es den Verdampfer verläßt. So wird das Kühlmittel eine Temperatur besitzen, die zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Verdampfers fast konstant bleibt, wodurch die Temperaturverteilung innerhalb dieses Bereiches minimiert wird. Das Volumen des Kühlmittels, welches innerhalb des Verdampfers strömt, wird noch nicht seine gesamte latente Verdampfungswärme an dem Auslaß aufgenommen haben. Aufgrund eines solchen Verhaltens des Kühlmittels wird selbst eine beträchtliche Veränderung der Kühllast eine bemerkbare Veränderung der Gesamttemperatur des Innenraums des Verdampfers mit sich bringen, so daß der Betrieb des Kühlers bei dieser Ausführungsform der Erfindung stabilisiert wird.
Der Heizabschnitt, der zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor in dieser Ausführungsform vorgesehen ist, wird dem Kühlmittel eine ausreichende Wärme geben und es vollständig in einen gasförmigen Zustand überführen. Entsprechend wird kein Kühlmittel in der flüssigen Phase in den Kompressor eintreten.
Vorzugsweise kann die Wärmequelle für einen solchen Heizabschnitt ein Strom eines Kühlmittels sein, der innerhalb einer Hochdruckseite dieses Kühlers stromabwärts von seinem Kompressor und stromaufwärts von seiner Expansionsvorrichtung strömt.
Jede zusätzliche oder spezielle Wärmequelle, die Energieverluste und eine komplizierte Struktur mit sich bringen würde, ist bei dieser Ausführungsform nicht länger erforderlich.
In dem Fall, daß die Wärmequelle ein Kühlmittelstrom ist, der innerhalb der Hochdruckseite strömt, kann die Wärmequelle in einer von zwei Bereichen des Kreislaufes plaziert sein. Ein Bereich liegt stromabwärts von dem Kompressor und stromaufwärts von dem Kondensator, während der andere stromaufwärts von dem Kondensator und stromabwärts von der Expansionsvorrichtung liegt.
Vorzugsweise kann der beschriebene Kühler auch eine Regulierungsvorrichtung aufweisen, um die Strömungsgeschwindigkeit oder den Strömungsdruck zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor zu steuern.
Ein Beispiel dieser Regulierungsvorrichtung ist ein geeignetes Ventil wie ein elektrisch betätigtes Ventil (nachfolgend "elektrisches Ventil" genannt), das im Öffnungsbereich allmählich verändert werden kann. Ein anderes Beispiel einer Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes ist ein oszillierendes Ventil, das häufig und schnell in Reaktion auf Pulssignale öffnet und schließt, um den Durchsatz in Abhängigkeit von der Pulsbreite zu ändern. Noch ein anderes Beispiel einer Regulierungsvorrichtung ist eine Vorrichtung, um die Strömungsrate des Kühlmittels zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor konstant zu halten.
Die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Drucks umfaßt Vorrichtungen, die geeignet sind, um den Druck des Kühlmittelstroms konstant zu halten oder wahlweise einzustellen.
Der vorliegende Kühler mit einer solchen Regulierungsvorrichtung zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor, um den Strömungsdurchsatz oder -druck zu steuern, kann den Kühlmitteldruck, welcher innerhalb des Verdampfers auftritt, einstellen, um die Sättigungsdampftemperatur einzustellen.
In bevorzugter Weise kann eine solche Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes oder des Drucks des Kühlmittelstroms zwischen der Heizvorrichtung und dem Kompressor wirken.
Die Durchsatzsteuerung wird in diesem Fall einfacher und präziser, weil das Kühlmittel, welches stromabwärts von dem Heizabschnitt strömt, ein trockener Dampf und nicht irgendein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit ist.
Vorzugsweise umfaßt der vorliegende Kühler weiterhin einen Bypass, um es dem Kühlmittel zu erlauben, die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes oder Drucks zu umgehen.
Aufgrund eines solchen Bypasses wird das Kühlmittel in diesem Fall die Möglichkeit haben, die Regulierungsvorrichtung zu umgehen, wenn die Regulierungsvorrichtung inaktiv bleiben muß. Dieser Bypass verhindert das Abschalten der Regulierungsvorrichtung oder ist wirksam, um ihren Widerstand gegen den Kühlmittelstrom zu reduzieren.
Auch vorzugsweise und alternativ kann ein Bypass als eine Brücke zwischen einem stromaufwärtigen Bereich und einem stromabwärtigen Bereich in dem Strömungskanal für das Kühlmittel vorgesehen sein. Der stromabwärtige Bereich ist zwischen dem Kompressor und dem Kondensator vorgesehen, während der stromabwärtige Bereich zwischen der Regulierungsvorrichtung und dem Kompressor angeordnet ist.
Der Kühler von dieser Ausbildungsform mit der Brücke zwischen beiden Bereichen ist dahingehend vorteilhaft, daß ein hinreichendes Kühlmittelvolumen dem Kompressor selbst dann zugeführt werden wird, wenn die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes oder Drucks bemerkbar gedrosselt ist.
Vorzugsweise kann eine Ein-Aus-Vorrichtung zum Öffnen des Bypasses von dieser Art in der Brücke angeordnet sein, um sie zu öffnen, wenn die Regulierungsvorrichtung in Richtung ihrer geschlossenen Position über einen bestimmten Grenzwert betätigt ist. Eine solche Ein-Aus-Vorrichtung kann ein elektromagnetisches Ventil, ein elektrisches Ventil, ein pneumatisches Ventil oder dergleichen sein.
Da der Bypass nur geöffnet werden wird, wenn die Regulierungsvorrichtung nicht weit genug offen ist, wird irgendeine nutzlose Zirkulation des Kühlmittels verhindert, wenn die Regulierungsvorrichtung weit genug offen ist, während gleichzeitig ein ausreichender Durchsatz des Kühlmittels zu dem Kompressor gewährleistet ist.
Weiterhin kann der Kühler gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen Temperatursensor aufweisen, um die Temperatur einer Umgebungslast (oder eines zu kühlenden Objekts) für den Wärmetausch zu erfassen. Die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes oder Drucks des Kühlmittelstroms wird basierend auf der erfaßten Temperatur betätigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet "basierend auf der erfaßten Temperatur" sowohl die Fälle der Verwendung eines einzelnen Temperaturwertes und alternativ die Verwendung des Temperaturwertes mit einer anderen Temperatur oder mehreren Temperaturen, die in anderen Bereichen von diesem Kühler erfaßt werden, oder zusammen mit irgendeinem anderen Faktor oder anderen Faktoren, die auch darin gemessen werden.
Eine Temperatursteuerung basierend auf der erfaßten Temperatur der Umgebungslast wird es möglich machen, die aktuelle Temperatur davon zu steuern, um irgendeinem gewünschten Niveau durch Einstellung des Kühlmitteldrucks innerhalb des Verdampfers zu folgen.
Es ist bevorzugt bei dem Kühler der beschriebenen Art, daß Wärme mittels des Verdampfers und zwischen dem Kühlmittel und einem Wärmeübertragungsmedium ausgetauscht wird. Der Temperatursensor kann nahe einer Auslaßöffnung für das Wärmeübertragungsmedium angeordnet sein.
In diesem Kühler wird das Kühlmittel und das Wärmeübertragungsmedium sowie eine Sole Wärme zwischen ihnen innerhalb des Verdampfers in einer direkten Weise austauschen. Der Wärmetausch kann einfach und direkt durch den Verdampfer gesteuert werden, ohne für das Medium ein Reservoir zu benötigen, welches zusätzlichen Raum erfordern würde.
Es ist auch bevorzugt, daß der hierin verwendete Verdampfer einen Doppelzylinder umfaßt, der aus einem äußeren Rohr und einem darin installierten und koaxial dazu ausgerichteten inneren Rohr besteht. Eines der Rohre kann als ein Kanal für das Kühlmittel dienen, während das andere Rohr als ein weiterer Kanal für das Wärmeübertragungsmedium dient.
Ungeachtet eines solchen einfachen Aufbaus kann der vorliegende Kühler effektiv einen Wärmetausch ausführen.
Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung auch eine Kühlvorrichtung mit einem Kompressor, einem Kondensator, einer Expansionsvorrichtung und einem Verdampfer, die miteinander in dieser Reihenfolge durch eine Rohrleitung verbunden sind, um in üblicher Weise einen Kühlkreislauf zu bilden. In dieser Vorrichtung komprimiert der Kompressor ein gasförmiges Kühlmittel, bevor es dem Komdensator zugeführt wird, wo eine Wärmemenge aus dem Kühlmittel beseitigt werden wird, wenn das Kühlmittel in eine flüssige Phase oder in ein Gas-Flüssigkeits- Gemisch überführt wird. Das Kühlmittel wird dann dem Verdampfer durch die Expansionsvorrichtung zugeführt und anschließend zu dem Kompressor zurückgeführt werden. Die Expansionsvorrichtung ist einer Steuerung unterzogen, um ihr Öffnungsmaß zu verändern, und die Vorrichtung umfaßt weiterhin einen Heizabschnitt, der zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordnet ist, wobei die Steuerung der geöffneten Position der Expansionsvorrichtung basierend auf einer erfaßten Temperatur des Kühlmittels erfolgt, welches stromabwärts von dem und hinter den Heizabschnitt und stromaufwärts von dem Kompressor strömt.
Bei dem Kühler gemäß dieser Ausführungsform wird der Öffnungsbereich der Expansionsvorrichtung basierend auf der Kühlmitteltemperatur, die stromabwärts von dem Heizabschnitt gemessen wird, gesteuert, wobei dieser Abschnitt zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor wie oben bereits erwähnt wirksam ist. Dieser Aufbau der Vorrichtung ist insofern vorteilhaft, daß ein gewünschtes vorgegebenes Maß der Überhitzung des Kühlmittels gewährleistet werden kann, so daß selbst eine geringe Menge an flüssigem Kühlmittel nicht in den Kompressor strömen sollte.
Auch gemäß diesem Aspekt wird das Kühlmittel ein Gas- Flüssigkeits-Gemisch bleiben, bis es den Verdampfer verläßt. Vorzugsweise wird die Expansionsvorrichtung automatisch gesteuert, um ihren Öffnungsbereich zu verändern, so daß der Heizabschnitt das Gemisch erwärmen und vollständig in die gasförmige Phase überführen wird.
Die Temperatur des Objekts kann in diesem Kühler in einen engeren Bereich fallen als in einem früheren Kühler ohne Fehler durch Verwendung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs.
Vorzugsweise kann die Steuerung der Expansionsvorrichtung basierend auf dem Unterschied zwischen der spezifischen Sättigungsdampftemperatur innerhalb des Kühlkreislaufs und der aktuellen Temperatur, die stromabwärts von dem Heizabschnitt und stromaufwärts von dem Kompressor gemessen wird, gesteuert werden.
Dieses Merkmal, welches auf der Temperaturdifferenz beruht, ist dahingehend vorteilhaft, daß das gewünschte Maß an Überhitzung des Kühlmittels leicht erreicht werden kann, so daß auch eine kleine Menge an flüssigem Kühlmittel nicht zu dem Kompressor zurückkehren sollte.
Es wird auch leicht gemacht, das Kühlmittel in dem gemischt gasförmigen-flüssigen Zustand zu halten, bis es an dem Ausgang des Verdampfers ankommt.
In einem bevorzugten Beispiel ist die Expansionsvorrichtung mit einem rohrförmigen Körper versehen, der abgedichtet und mit einem geeigneten Fluid gefüllt ist, das sich in Reaktion auf eine Temperaturänderung ausdehnen oder zusammenziehen wird, wodurch die Temperaturdifferenz wie oben erwähnt erfaßt wird.
Die so durch eine solch einfache Anordnung erfaßte Temperaturdifferenz wird hierin verwendet, um die Expansionsvorrichtung zu steuern.
Vorzugsweise kann der Öffnungsbereich des Expansionsvorrichtung eingestellt werden, um den Temperaturunterschied konstant zu halten, der zwischen der Temperatur eines Bereichs neben dem Auslaß der Expansionsvorrichtung und der Temperatur des Kühlmittels, welches den Heizabschnitt verlassen, aber noch nicht in die Regulierungsvorrichtung eingetreten ist, beobachtet werden wird.
Es wird auch in diesem Fall leicht, das gewünschte Maß der Überhitzung des Kühlmittels, welches aus dem Heizabschnitt und in die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes oder Drucks strömt, zu realisieren.
Bevorzugterweise kann dieser Kühler mit der Regulierungsvorrichtung an einem Zwischenpunkt zwischen dem Heizabschnitt und dem Kompressor auch als die Expansionsvorrichtung ein Expansionsventil zusammen mit einem wärmeempfindlichen Rohr aufweisen, wobei dieses Rohr auch an einem anderen Zwischenpunkt zwischen dem Heizabschnitt und der Regulierungsvorrichtung angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht auch eine einfache Erfassung der Temperaturdifferenz, so daß sie verläßlich das gewünschte Maß der Überhitzung des Kühlmittels, welches den Heizabschnitt verläßt, realisiert, so daß auch eine kleine Menge an flüssigem Kühlmittel nicht zu dem Kompressor zurückkehren sollte.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Thermostat vorgesehen, der irgendeinen der zuvor beschriebenen Kühler in der Weise aufweist, daß der Kühler dazu dient, das Objekt zu kühlen, dessen Temperatur in dem Thermostat gesteuert werden sollte.
Die Temperatursteuerung des Thermostats ist für eine präzise Steuerung frei von irgendeiner bemerkbaren Temperaturschwankung vernünftig.
Der in diesem Thermostat verwendete Verdampfer kann vorzugsweise ein Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart sein, der wenigstens eine Wärmeleitungsplatte und Kanäle als Kühlmittelpassagen aufweist oder wenigstens eine Leitungsplatte und Kavitäten für das Kühlmittel besitzt.
Im Gebrauch können zu kühlende Gegenstände auf die leitende Platte möglicherweise zu dem Zwecke sie zu testen gelegt werden. Irgendeine Art von Sole und irgendein Kreislauf dafür sind nicht länger notwendig, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu realisieren, wodurch die Ausrüstungskosten herabgesenkt werden, Energie gespart und Raum für das Thermostat verringert wird.
Eine Leitung für das Kühlmittel kann an einer Seite der leitenden Platte aus Metall befestigt sein, wodurch die Herstellung des Direktexpansionswärmetauschers der Plattenart erleichtert wird.
Strömungskanäle für das Kühlmittel können alternativ als innere Bereiche der wärmeleitenden Metallplatte ausgebildet sein, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeleitung in den Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart verbessert wird.
Vorzugsweise kann eine ebene Heizvorrichtung an einer Seite der leitenden Metallplatte befestigt sein, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung von dieser Platte, die in dem Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart enthalten ist, gewährleistet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft sie einen Thermostat mit irgendeiner der beschriebenen Kühlvorrichtungen, so daß die Kühlvorrichtung dazu dient, das Objekt in dem Thermostat zu kühlen, sowie eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Objekts. Der Kühler, der diesen Thermostat bildet, hat den Bypass, um es dem flüssigen Medium zu erlauben, die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes oder des Drucks davon zu umgehen. Dieses Thermostat hat einen ersten Betriebsmodus, einen zweiten Betriebsmodus und einen dritten Betriebsmodus der Temperatursteuerung im Betrieb. In dem ersten Betriebsmodus, der für die Steuerung innerhalb eines Bereiches niedriger Temperaturen geeignet ist, wird bei geschlossenem Bypass die Kühlvorrichtung aktiv gehalten, aber die Heizvorrichtungen inaktiv bleiben. In dem zweiten Betriebsmodus, der zur Steuerung innerhalb eines anderen Bereiches von mittleren Temperaturen geeignet ist, werden bei geöffnetem Bypass sowohl der Kühler als auch die Heizvorrichtung eingeschaltet. In dem dritten Betriebsmodus, der für die Steuerung innerhalb eines weiteren Bereiches von höheren Temperaturen geeignet ist, wird der Kühler ausgeschaltet bleiben und die Heizvorrichtung bei geschlossenem Bypass tätig sein.
In dieser Art von Thermostat mit einer Temperaturkammer, die in dem Bereich von niedrigeren Temperaturen arbeitet, wird irgendeine unerlaubte Temperaturänderung weder in dem Verdampfer noch in der Temperaturkammer auftreten. Wenn das Thermostat innerhalb des Bereiches der mittleren Temperaturen arbeitet, dann wird der Bypass geöffnet werden, um den Durchsatz des Kühlmittels nicht einzuschränken. Dies wird zu einer präzisen Steuerung der Temperatur durch eine Kombination des Kühlers mit der Heizvorrichtung wie in der früheren Art gewährleisten. In dem Fall der Steuerung innerhalb des Bereiches höherer Temperaturen wird nur die Heizvorrichtung wie bei den früheren Vorrichtungen tätig sein.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Schema einer Rohrleitung, welche Vorrichtungen miteinander in einer Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbindet;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers der Direktexpansionsart, welcher in der in Fig. 1 gezeigten Kühlvorrichtung verwendet wird;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Modifikation des Wärmetauschers der Direktexpansionsart;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifikation des Wärmetauschers der Direktexpansionsart;
Fig. 5 ein Schema einer Rohrleitung, welche Vorrichtungen in einer Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbindet;
Fig. 6 ein Schema einer Rohrleitung, welche Vorrichtungen in einer Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbindet;
Fig. 7 ein Schema einer Rohrleitung, welche die Vorrichtungen in einer Kühlvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung miteinander verbindet, um ein Thermostat zu bilden;
Fig. 8 ein Schema einer Rohrleitung, welche die Vorrichtungen in einer Kühlvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung miteinander verbindet, um ein Thermostat zu bilden;
Fig. 9 ein Schema einer Rohrleitung, welche die Vorrichtungen in einer Kühlvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform miteinander verbindet, um ein Thermostat zu bilden, welches als eine Zuführvorrichtung ausgebildet ist, um eine Sole zuzuführen, die auf einer konstanten Temperatur gehalten wird;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Verdampfers, welcher in der Zuführvorrichtung verwendet wird, die in Fig. 8 gezeigt ist und zum Zuführen der Sole dient; und
Fig. 11 ein Schema einer Rohrleitung, welche Vorrichtungen in einer herkömmlichen Kühlvorrichtung miteinander verbindet, um eine Zuführvorrichtung zu bilden, um die auf einer konstanten Temperatur gehaltene Sole zuzuführen.
Die Fig. 1 zeigt eine Kühlvorrichtung 1 (nachfolgend auch einfach als "Kühler" bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Kühler 1 kann verwendet werden, um die Funktion von Halbleitern oder dergleichen zu testen.
In ähnlicher Weise wie die bisherigen Kühler umfaßt dieser Kühler 1 einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, ein Expansionsventil 5 und einen Verdampfer 6. Zusätzlich zu diesen Vorrichtungen umfaßt der Kühler 1 weiterhin ein elektrisches Ventil 10, so daß sie miteinander verbunden sind, um einen Kühlkreislauf zu bilden. Das besondere bei diesem Kühler besteht darin, daß er einen eingebauten Heizabschnitt (bzw. Wärmetauschabschnitt 11) und einen Bypass 12 aufweist.
Der Kompressor 2 ist eine Pumpe, um einen Kühlmitteldampf zu komprimieren, und diese Pumpe 2 ist von der hin- und hergehenden Art, der Drehkolbenart oder der Schraubenspindelart wie bei den bekannten Kompressoren.
Der Kondensator 3 ist ein Wärmetauscher, der ausgebildet ist, um den durch ihn hindurchfließenden Kühlmitteldampf unter Verwendung eines Luftstroms, der von einem nicht dargestellten Gebläse zugeführt wird, zu kühlen.
Das Expansionsventil 5 ist ein sogenanntes thermostatisches Expansionsventil, das manchmal auch als "automatisches thermisches Expansionsventil" oder "thermosensitives Expansionsventil" bezeichnet wird und mit einem wärmeempfindlichen Rohr 13 ausgerüstet ist. In dem Expansionsventil 5 ist ein Kolben installiert, der sich bewegt, um den offenen Bereich der Öffnung in Abhängigkeit von der Temperatur, welche durch das wärmeempfindliche Rohr 13 detektiert wird und auch von der Temperatur eines Bereichs, der nahe der Auslaßöffnung des Ventils 5 liegt, zu erweitern oder zu verringern.
Das wärmeempfindliche Rohr 13 ist mit Medium gefüllt und abgedichtet, so daß es sich in Reaktion auf eine Temperaturänderung des Mediums erweitert oder zusammenzieht. Der Innendruck des wärmeempfindlichen Rohrs 13 wird variieren und auf den Kolben durch einen Flansch oder dergleichen wirken, so daß der Kolben eine Kraft in einer Richtung und der Temperatur, welche durch dieses wärmeempfindliche rohr 13 erfaßt wird, folgend erhält. Andererseits wird auch der Kühlmitteldruck, der an der Auslaßseite der Öffnung auftritt, auf den Kolben durch den Flansch oder dergleichen wirken, so daß die Temperatur des Kühlmittels, die an der Auslaßseite vorliegt, eine weitere Kraft auf den Kolben in einer entgegengesetzten Richtung ausübt. Wenn die Kräfte ins Gleichgewicht miteinander kommen, wird der Kolben zu einem Stillstand kommen. Das Expansionsventil 5 wird so auf der Basis der erfaßten Temperaturen der Bereiche um das wärmeempfindliche Rohr 13 herum und nahe des Expansionsventils 5 betätigt und gesteuert.
Das Expansionsventil 5 wird seinen offenen Bereich verändern, um den Unterschied zwischen den beiden Temperaturen auf einem Zielwert zu halten.
Der Kühler 1 von dieser Ausführungsform ist zu dem Zweck konstruiert worden, die Umweltleistung von Halbleitern oder dergleichen zu testen, und sein Verdampfer 6 ist ein Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart. Eine Kühlmittelleitung in der Form eines in diesem Verdampfer 6 ausgebildeten Kanals oder einer Kavität kann an ihrem Umfang mit einer wärmeleitenden Platte verbunden sein.
Die Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Beispiel eines solchen Verdampfers 6 in der vorliegenden Ausführungsform, worin eine stark wärmeleitende Metallplatte 15 darin den Kühlmittelkanal 16 definiert.
Alternativ kann der Kühlmittelkanal ein Rohr 14 sein, das an einer Seite einer leitenden Metallplatte 17 angeschweißt ist, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Alternative, bei welcher die leitende Metallplatte 15 integral mit einer Flächenheizvorrichtung 19 beispielsweise der elektrischen Art ausgebildet ist. Diese Heizvorrichtung wird verwendet, um die Temperatur der Platte 15 zu erhöhen. Die Heizvorrichtung 19 kann beispielsweise zu dem Zweck verwendet werden, die Platte 15 nach jedem oder einem Operationszyklus zu erwärmen und zu trocknen.
Ein Temperatursensor 22 in der Form einer Thermokupplung, eines Thermistors oder dergleichen ist an dem Verdampfer 6 befestigt.
Das elektrische Ventil 10, das durch einen Schrittmotor betätigt wird, wird seinen offenen Bereich in Folge einer Reihe von relevanten Signalen verändern.
Wie oben erwähnt, umfaßt der vorliegende Kühler 1 den Kompressor 2, den Kondensator 3, das Expansionsventil 5 und den Verdampfer 6, die in dieser Reihenfolge in Reihe durch eine Leitung verbunden sind, um einen Kühlkreislauf zu bilden. Das elektrische Ventil 10 ist als eines der wichtigsten Teile in dieser Ausführungsform stromabwärts von dem Verdampfer 6 angeordnet.
Wie oben bereits bemerkt ist, hat der Kühler 1 einen Heizabschnitt 11, der aus Rohrabschnitten besteht, die nahe zueinander angeordnet sind. Einer dieser Rohrabschnitte ist stromabwärts von dem Verdampfer 6 angeordnet, wobei der andere Rohrabschnitt in der Hochdruckseite des Kreislaufes integriert ist.
Der eine Rohrabschnitt in dieser Ausführungsform ist zwischen der Auslaßöffnung des Verdampfers 6 und dem elektrischen Ventil 10 wirksam, der andere Rohrabschnitt ist ein Abschnitt, der zwischen dem Kompressor 2 und dem Kondensator 3 plaziert ist. Diese parallelen und nebeneinander liegenden Abschnitte erstrecken sich über eine Strecke von beispielsweise 100 mm bis 200 mm, so daß ein Wärmetausch zwischen ihnen direkt stattfindet.
In einer Zone, die zwischen dem Kompressor 2 und dem Kondensator 3 definiert ist, wird das Kühlmittel in seinem komprimierten Zustand strömen, um diese Zone zu einem Hochdruckbereich zu machen und die Leitung darin heißer werden zu lassen. Im Gegensatz dazu ist eine andere Zone zwischen dem Auslaßbereich des Verdampfers 6 und dem elektrischen Ventil 10 ein Niedrigdruckbereich, in dem die Leitung kälter ist. Somit dient in dem Heizabschnitt 11 die strömende Masse des Kühlmittels, welches sich durch den Hochdruckbereich bewegt, als eine Wärmequelle, um die andere Masse des Kühlmittels, die durch den Niedrigdruckbereich strömt, zu erwärmen. Mit anderen Worten führt der Heizabschnitt 11 einen Wärmetausch zwischen der kalten Masse des Kühlmittels, welche aus dem Verdampfer 6 ausströmt, und der wärmeren Masse, welche in den Hochdruckbereich strömt, aus.
Der Bypass 12 zweigt an einem Zwischenpunkt der Hochdruckleitung zwischen dem Kompressor 2 und dem Heizabschnitt 11 ab, um mit einem Bereich der Niedrigdruckleitung zwischen dem elektrischen Ventil 10 und dem Kompressor 2 verbunden zu sein. Ein elektromagnetisches Ventil 18 und ein Kapilarrohr 20 sind in dem Bypass 12 angeordnet oder mit diesem verbunden.
Der Kühler 1 von dieser Ausführungsform wird nun ausgehend von seinem Kompressor 2 näher beschrieben. Der Speisungsauslaß des Kompressors 2 ist mit dem Einlaß des Kondensators 3 über den Heizabschnitt 11 verbunden. Der Auslaß des Kondensators 3 ist mit dem Einlaß des Verdampfers 6 über das Expansionsventil 5 verbunden. Der Dampfauslaß dieses Verdampfers 6 erstreckt sich durch den Heizabschnitt 11 zu dem elektrischen Ventil 10, dessen Auslaßseite dann zu der Einlaß- oder Ansaugöffnung des Kompressors 2 reicht.
Der Bypass 12 mit dem elektromagnetischen Ventil 18 und dem Kapillarrohr 20 verbindet den Punkt der Hochdruckleitung zwischen dem Kompressor 2 und dem Heizabschnitt 11 mit dem Punkt der Niedrigdruckleitung zwischen dem elektrischen Ventil 10 und dem Kompressor 2.
Eine geeignete Menge eines thermischen Mediums (eines Heizmittels), typischerweise eines Kühlmittels wie einem alternativen Flon ist in der Reihe von jenen Rohrbereichen gehalten und darin abgedichtet, um nicht zu lecken.
Das wärmeempfindliche Rohr 13, das zu dem Expansionsventil 5 gehört, ist in einem "Nacherhitzungsbad" angeordnet, das zwischen dem Heizabschnitt 11 und dem elektrischen Ventil 10 definiert ist, um die Temperatur eines Kühlmittelstroms in diesem Pfad zu erfassen.
An dieser Stelle ist anzumerken, daß das wärmeempfindliche Rohr für das Expansionsventil in jedem früheren Kühler üblicherweise nahe des Auslasses des Verdampfers angeordnet ist. Im Unterschied zu einem solchen Kühler ist das wärmeempfindliche Rohr 13 der vorliegenden Ausführungsform fern von dem Auslaß angeordnet, so daß der Heizabschnitt 11 zwischen der Position von dem wärmeempfindlichen Rohr 13 und dem Verdampfer 6 wirksam ist.
Das Expansionsventil 5 wird betätigt, um das Maß der Überhitzung auf der Basis der in dem Nacherhitzungspfad zwischen dem Heizabschnitt 11 und dem elektrischen Ventil 10 erfaßten Kühlmitteltemperatur zu steuern. Zu diesem Zweck wird die Öffnung des Expansionsventils 5 automatisch eingestellt werden, um eine konstante Temperaturdifferenz zwischen der Kühlmitteltemperatur in dem Nacherhitzungspfad und der Sättigungsdampftemperatur, die nahe des Auslasses des Expansionsventils 5 gemessen wird, beizubehalten, die kontinuierlich beobachtet wird. Wenn ein beobachteter Unterschied zwischen der aktuellen Temperatur des Kühlmittels, welches gerade den Heizabschnitt 11 verlassen hat, und der Sättigungsdampftemperatur, die in diesem Kühlmittelkreislauf inhärent ist, größer als ein vorgegebener Zielwert ist, dann wird das Expansionsventil 5 betätigt werden, um seinen Öffnungsbereich zu vergrößern. Wenn im Gegensatz dazu die aktuelle Differenz kleiner als der Targetwert wird, dann wird das Expansionsventil 5 seinen Öffnungsbereich verringern.
Das Maß des Überhitzungseffekts durch das Expansionsventil 5 muß in geeigneter Weise im Hinblick auf die Kapazitäten des Kompressors 2 und des Verdampfers 6 und unter Berücksichtigung der Wärmemenge, welche die Kühlmittelmasse an der Niedrigdruckseite von dem Heizabschnitt 11 erhalten wird, in geeigneter Weise so gewählt werden, daß die Kühlmittelmasse vor dem Verlassen des Verdampfers 6 weiterhin ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch bleibt. Eine solche Voreinstellung der überhitzten Temperatur kann allgemein in einen Bereich von 3°C bis 8°C und speziell innerhalb eines engeren Bereiches von 4°C bis 6°C fallen.
Der vorliegende Kühler 1 umfaßt weiterhin einen Steuerkreis 21, in welchen die Signale, welche die aktuelle Temperatur des Verdampfers 6 anzeigen, von dem damit verbundenen Temperatursensor 22 eingegeben werden. Dieser Steuerkreis 21 vergleicht dann die aktuelle Temperatur mit einem Zielwert, der durch ein geeignetes, nicht dargestelltes Einstellmittel vorgegeben wird, so daß Pulse erzeugt werden, welche dem erfaßten aktuellen Temperaturunterschied entsprechen. Diese Pulse werden als ein Befehlssignal in das elektrische Ventil 10 eingegeben, um eine PID-Steuerung (bzw. eine Proportional-integrierte- und Differentialsteuerung) durchzuführen. Im einzelnen wird der offene Bereich des Ventils 10 vergrößert bzw. verringert, wenn die von dem Temperatursensor 22 erfaßte Temperatur höher oder niedriger als der Zielwert ist.
Im Betrieb wird der Kühler 1 der vorliegenden Ausführungsform in der folgenden Weise arbeiten und funktionieren.
Wie schon oben beschrieben wurde, kann der Kühler 1 in vorteilhafterweise verwendet werden, um Umwelttests an Halbleitern oder dergleichen auszuführen, und ist sein Verdampfer 6 ein Wärmetauscher der Direktexpansion der Plattenart. Ein oder mehrere Testkörper können auf die einzelne leitende Metallplatte 15 gedrückt werden oder zwischen zwei solchen leitenden Platten 15 in einer Sandwichanordnung angeordnet sein.
Eine gasförmige Masse des Kühlmittels wird in dem Kompressor 2 komprimiert und anschließend dem Kondensator 3 zugeführt. In diesem Kondensator 3 wird Wärme von der strömenden Gasmasse kontinuierlich herausgezogen, um sie in eine flüssige Phase oder in ein Gas-Flüssigkeits- Gemisch umzuwandeln. Die Strömungsgeschwindigkeit der so umgewandelten Masse des Kühlmittels wird durch das Expansionsventil 5 gesteuert, bevor diese Masse in den Verdampfer 6 eingeblasen wird. Das Kühlmittel verdampft teilweise in dem Verdampfer 6 unter Gewinnung von Wärme in der Metallplatte oder den Metallplatten 15, um die Platte oder die Platten 15 abzukühlen.
Die verdampfte Masse des Kühlmittels, welche den Verdampfer 6 verläßt, wird erhitzt werden, während sie durch den Heizabschnitt 11 strömt, bevor sie an dem elektrischen Ventil 10 ankommt. Dieses elektrische Ventil 10 ist gesteuert, um seinen Öffnungsbereich in Reaktion auf die von dem Temperatursensor 22 an dem Verdampfer 6 erfaßte Temperatur zu verändern und so die Einengung des gasförmigen Kühlmittelstroms, welcher zu dem Kompressor 2 zurückkehrt, zu optimieren.
Es ist eine bemerkenswerte Eigenschaft der aufeinander folgenden Kühlmittelströme innerhalb des Kühlers 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, daß jede Kühlmittelmasse ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch bleibt, bis, wenn und sogar nachdem sie den Verdampfer 6 verläßt (und somit bis sie in dem Heizabschnitt 11 erwärmt wird).
Aus einem anderen Gesichtspunkt besitzt der vorliegende Kühler 1 den Heizabschnitt 11, der stromabwärts von dem Verdampfer 6 angeordnet ist. Aufeinander folgende Kühlmittelmassen werden in diesem Abschnitt 11 erwärmt, so daß sie überhitzt werden, bevor sie zu dem Kompressor 2 zurückkehren. Das Maß der Überhitzung an dem Auslaß des Expansionsventils 5 wird basierend auf der erfaßten Temperatur des Nacherhitzungspfades, welche stromabwärts von dem Heizabschnitt 11 ausgebildet ist, reguliert.
Weiterhin wird eine Zieltemperatur bei der Regulierung des Expansionsventils 5 ausgewählt, wobei die Kapazitäten des Kompressors 2 und des Verdampfers 6 und die Wärme, welche die Kühlmittelmasse an der Niedrigungsseite vom dem Heizabschnitt 11 aufnehmen wird, in Betracht gezogen werden, so daß jede Kühlmittelmasse ein Gas-Flüssigkeits- Gemisch bleibt, bis sie den Verdampfer 6 verläßt, und wünschenswerterweise selbst für eine gewisse Zeit nach dem Verlassen von diesem.
Mit anderen Worten befinden sich solche aufeinander folgenden Kühlmittelmassen, welche als Gas-Flüssigkeits- Gemisch bleiben, in einem nassen Zustand. Die Temperatur der Kühlmittelmasse ist so gleichmäßig und gleich der Sättigungsdampftemperatur innerhalb des Verdampfers 6. Aufgrund einer solchen vernachlässigbaren Änderung oder Verteilung der Temperatur, welche von dem vorliegenden Kühler 1 gefordert wird, zeigen alle Bereiche seiner leitenden Metallplatte 15 dieselbe Temperatur, wodurch die Temperaturen von Halbleitern oder dergleichen, die auf verschiedene Bereiche der Platte 15 gelegt werden, ausgeglichen werden.
Das Gas-Flüssigkeits-Gemisch von jeder Kühlmittelmasse hält eine Menge an latenter Wärmeenergie mehr oder weniger zurück, wenn sie den Verdampfer 6 verläßt. Dank dieser Eigenschaft kann das System eine konstante Temperatur beibehalten, selbst wenn eine signifikante Änderung in der Kühllast auftreten würde.
Die Sättigungsdampftemperatur kann innerhalb eines bestimmten Bereiches in diesem Kühler 1 angehoben oder abgesenkt werden, weil das elektrische Ventil 10 an einem stromabwärts gelegenen Punkt des Heizabschnitts 11 angeordnet ist. Dies bedeutet, daß die Arbeitstemperatur des Verdampfers 6 (somit von der leitenden Metallplatte 15) frei geändert werden kann.
Wenn das elektrische Ventil 10 gedrosselt wird, dann wird der Innendruck des Verdampfers 6 ansteigen, um die Verdampfung des Kühlmittels abzubremsen, was eine höhere Sättigungsdampftemperatur mit sich bringt. Als ein Ergebnis wird der Verdampfer 6 und somit auch die Metallplatte 15 eine heißere Oberfläche haben. Wenn andererseits dieses Ventil 10 weit geöffnet wird, wird der Innendruck absinken, um die Sättigungsdampftemperatur und damit auch die Oberflächentemperatur des Verdampfers 6 abzusenken.
Das geeignete Einstellmittel, das nicht gezeigt ist aber an dem Kühler 5 von dieser Ausführungsform vorgesehen ist, dient dazu, eine gewünschte Zieltemperatur einzustellen. Wie ebenfalls oben erwähnt ist, dient der Steuerkreis 21 dazu, diese Zieltemperatur mit der aktuellen Temperatur, welche durch den Temperatursensor 22 erfaßt wird, zu vergleichen, um Pulssignale zu erzeugen und sie in das elektrische Ventil 10 einzugeben. Wenn die aktuelle Temperatur höher oder niedriger als die Zieltemperatur ist, wird der Öffnungsbereich des Ventils vergrößert bzw. verkleinert.
In dem Fall, daß die von dem Temperatursensor 22 erfaßte Temperatur des Verdampfers 6 deutlich höher als der Zielwert liegt, dann wird das elektrische Ventil 10 voll geöffnet. Gleichzeitig wird auch das thermostatische Expansionsventil 5 zu einer maximalen Verringerung der aktuellen Temperatur beitragen. Als ein Ergebnis nähert sich die aktuelle Temperatur in dem Verdampfer 6 der Zieltemperatur an, wobei das elektrische Ventil 10 seinen Öffnungsbereich verringert. Entsprechend wird der Verdampfer 6 seinen Mediumdruck zurückgewinnen, um die aktuelle Temperatur auf ein moderates Niveau anzuheben. Es wird nun deutlich sein, daß das elektrische Ventil betätigt wird, um seinen Öffnungsbereich zu verändern und dadurch den Verdampfer 6 so zu steuern, daß er immer eine geeignete Verdampfungstemperatur (und einen geeigneten Verdampfungsdruck) zeigt.
Somit arbeitet das Expansionsventil 5, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten, wobei das elektrische Ventil 10 tätig ist, um das aktuelle Niveau der Temperatur zu steuern. Wenn das elektrische Ventil 10 gedrosselt wird, dann wird der Einlaßdruck des Kompressors 2 absinken, so daß die Tendenz besteht, die Kühlkapazität zu verringern und entsprechend das Maß der Überhitzung in dem Verdampfer 6 zu erhöhen. In einem solchen Fall wird jedoch das Expansionsventil 5 weiter geöffnet, um den nassen Zustand des Kühlmittels, welches aus dem Verdampfer 6 strömt, beizubehalten.
Kurz gesagt arbeitet das elektrische Ventil 10, um den Innendruck des Verdampfers 6 zu verändern und dadurch seine Temperatur auf einem Zielniveau zu halten, während das Expansionsventil 5 dazu dient, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu verändern. Aufgrund dieser Funktion des Expansionsventils 5 kann das Kühlmittel in dem Verdampfer 6 immer als ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch existieren, was wiederum eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur über dem Verdampfer erfordert.
Der Kühler 1 von dieser Ausführungsform ist eine ökonomische Kühlvorrichtung, weil sie kein Solezirkulationssystem benötigt, das bisher unabdingbar war, um eine solche gleichmäßige Temperaturverteilung zu realisieren.
Wie schon beschrieben wurde hat der Kühler 1 von dieser Ausführungsform den Bypass 12 als ein Sicherheitsmittel, der einen Spalt zwischen den beiden Punkten an der Rohrleitung überbrückt, wobei einer der Punkte zwischen dem Kompressor 2 und dem Heizabschnitt 11 liegt und der andere Punkt zwischen dem Kompressor 2 und dem elektrischen Ventil 10 liegt. Der in diesem Kühler gebildete Kühlmittelkreislauf umfaßt das elektrische Ventil 10 zur Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, welches in diesem Kreislauf zirkuliert. Wenn nun der Kühlmittelstrom übermäßig gedrosselt würde, würde der Saugdruck des Kompressors 2 entsprechend und extrem abfallen, was zu einem Problem führen würde. Um ein solches Problem zu vermeiden, ist hier der Bypass 12 als Kurzschluß vorgesehen, um die stromaufwärtige Seite mit dem Kondensator 3 und dem Expansionsventil 5 mit der stromabwärtigen Seite einschließlich des Verdampfers 6, des elektrischen Ventils 10 und des Heizabschnitts 11 direkt zu verbinden.
Das in dem Bypass 12 angeordnete elektromagnetische Ventil 18 wird durch den Steuerkreis 21 so gesteuert, daß es öffnet, wenn das elektrische Ventil 10 über ein Limit gedrosselt wird. Als ein Ergebnis wird der Bypass 12 öffnen, um das dem Kompressor 2 zugeführte Kühlmittel aufzufüllen.
Ein solcher komplementärer Strom des Kühlmittels zurück zu dem Kompressor 2 braucht nicht so stark im Volumen zu sein, sondern kann bei einer moderaten Rate insofern erfolgen, als er eine weiche Ansaugung von Kühlmittel fortsetzt, wobei der Kondensator 3 immer mit einer ausreichenden Kühlmittelmenge versorgt werden muß. Das Kapillarrohr 20 an dem Bypass 12 wird vorzugsweise hierin verwendet, um diesem Erfordernis gerecht zu werden, obwohl es durch jede andere Art von Drosselmittel ersetzt werden kann oder damit versehen werden kann.
Auch kann das elektromagnetische Ventil 18 von dem Bypass 12 weggelassen werden, wenn es so in einigen Fällen gewünscht ist.
Nachfolgend werden nunmehr die Ergebnisse einiger Experimente beschrieben werden, welche für die Auswertung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden. Die vorliegenden Erfinder fertigten ein Modell des Kühlers 1, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, und dieses Modell hatte einen Verdampfer 6, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die Temperatur der Kühlmittelmasse, welche durch den Verdampfer 6 strömt, wurde so gesteuert, daß sie um einige Grad Celsius niedriger als seine Oberflächentemperatur war.
Die Variation oder Verteilung der Oberflächentemperatur des Verdampfers betrug etwa ± 0,3°C. Die Zieltemperatur konnte zwischen -40°C bis 0°C verändert werden, und die beobachtete Schwankung der aktuellen Temperatur betrug ± 0,1°C oder weniger verglichen mit der Zieltemperatur, die vorgegeben worden war.
Das Modell des Kühlers zeigte während des Betriebs bei -10°C und -20°C Innendrücke, wie sie in der Tabelle 1 aufgelistet sind. Tabelle 1 INNENDRUCK
Bemerkungen: Die Druckwerte sind in dem absoluten Druck angegeben.
Frühere Kühlvorrichtungen mußten das System mit, einem zusätzlichen Kühlmedium und Kühlmechanismus verwenden, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, sofern und wenn ein solches geringes Maß an Temperaturverteilung, das mit dem vergleichbar ist, welches mit dieser Ausführungsform erreicht wurde, gewünscht war. Der Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart, welcher hierin als der Verdampfer 6 verwendet wird, zeigte sich jedoch in der Lage, eine Leistung zu liefern, die mit einem solchen System, welches mit einem zusätzlichen Kühlmedium versehen war, vergleichbar ist. Ein Solekreislauf ist somit in der vorliegenden Kühlvorrichtung nicht länger notwendig, so daß keine Wärmeverluste, die in der früheren Zirkulationspumpe in dem Solekreislauf oder in der Rohrleitung und/oder in den Behältern dafür auftraten, vorhanden sind. Somit trägt die vorliegende Kühlvorrichtung dazu bei, Energie zu sparen und Kosten und Raum für die Ausrüstung zu reduzieren.
Der Heizabschnitt 11, welcher in dieser Ausführungsform vorgesehen ist, nutzt die Kühlmittelmasse auf der Hochdruckseite, welche zwischen dem stromaufwärtigen Kompressor 2 und dem stromabwärtigen Kondensator 3 definiert ist. Eine solche Masse wird die andere Masse an der Niedrigdruckseite, welche zwischen dem Auslaß des Verdampfers 6 und dem stromabwärts gelegenen elektrischen Ventil 10 definiert ist, erwärmen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern kann anstelle des Heizabschnitts 11 eine elektrische Heizvorrichtung 23 verwenden, die an der Niedrigdruckseite vorgesehen ist, um die durchfließende Masse, wie in der zweiten Ausführungsform, die in der Fig. 5 gezeigt ist, zu erwärmen. Diese Heizvorrichtung 23, welche immer mit einem elektrischen Strom von einer ausreichenden Energie versorgt wird, hat vorzugsweise eine Kapazität, die groß genug ist, um das erforderliche Maß der Überhitzung zu gewährleisten.
Obwohl die Wärmequelle 11 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ein Kühlmittelstrom ist, der in der Hochdruckseite stromabwärts von den Kompressor 2 und stromaufwärts von dem Kondensator 3 strömt, kann die Wärmequelle 11 ein Kühlmittelstrom sein, der innerhalb der Hochdruckseite stromabwärts von dem Kondensator 2 und stromaufwärts von dem Expansionsventil 5 strömt, wie es in der Fig. 6 gezeigt ist.
Der in der Fig. 6 gezeigte Kühler hat einen Heizabschnitt, der aus Rohrabschnitten besteht, die eng zueinander angeordnet sind. Einer dieser Rohrabschnitte ist stromabwärts von dem Verdampfer 6 angeordnet, wobei der andere Rohrabschnitt in der Hochdruckseite des Kreislaufes eingeschlossen ist. Der eine Rohrabschnitt in dieser Ausführungsform ist zwischen der Auslaßöffnung des Verdampfers 6 und dem elektrischen Ventil 10 wirksam, und der andere Rohrabschnitt ist ein Bereich, der zwischen dem Kondensator 3 und dem Expansionsventil 5 angeordnet ist. Im einzelnen erstrecken sich die parallelen und nebeneinander liegenden Rohrabschnitte über eine Strecke von etwa 100 mm bis 200 mm, so daß ein Wärmetausch zwischen ihnen direkt stattfindet. Zusätzlich ist in dieser Ausführungsform ein Pulskonvertor 25 zwischen einem Temperaturregulator (Steuerkreis) 21 und einem elektrischen Ventil 10 angeordnet.
Die Temperatur an dem Bereich zwischen dem Kondensator 3 und dem Expansionsventil 5, d. h. die Temperatur an der Auslaßseite des Kondensators 3, ist niedriger als die Temperatur an dem Bereich zwischen dem Kompressor 2 und dem Kondensator 3, der in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird. Weil jedoch das Kühlmittel, welches in dem Bereich zwischen dem Kondensator 3 und dem Expansionsventil 5 strömt, flüssig ist, ist der Wärmetauschwirkungsgrad zwischen dem Kühlmittel und der Leitung verglichen mit der Ausführungsform, welche in Fig. 1 gezeigt ist, hoch mit dem Ergebnis, daß die Menge an ausgetauschter Wärme größer als die in Fig. 1 ist. Daher kann durch die Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Anordnung der Heizabschnitt (der Wärmetauschabschnitt) 11 kompakt gehalten werden.
Zusätzlich wird die Wärmetauschmenge in dem Heizabschnitt (Wärmetauschabschnitt) 11 stabilisiert, weil das Kühlmittel, welches in dem Bereich zwischen dem Kondensator 3 und dem Expansionsventil 5 strömt, einer geringeren Temperaturschwankung als das Kühlmittel, welches in dem Bereich zwischen dem Kompressor 2 und dem Kondensator 3 strömt, unterliegt. Daher wird der Einfluß, der auf den Kreislauf durch die Außentemperaturschwankungen ausgeübt wird, reduziert, und die Leistung des Kreislaufes wird stabilisiert.
Alternativ kann die Länge des Rohrabschnitts zwischen dem Verdampfer 6 und dem Kompressor 2 beträchtlich verlängert werden, so daß die Kühlmittelmasse, welche zwischen dem Verdampfer und dem elektrischen Ventil 10 strömt, in Kontakt mit der Umgebungsluft für eine längere Zeit gehalten werden kann, um auf diese Weise wesentlich erwärmt zu werden. Als eine weitere alternative Ausführungsform des Heizabschnitts kann jeder geeignete luftgekühlte Wärmetauscher (wie beispielsweise der Leitungswendelart oder der mit Rippen versehenen Rohrschlangen) an der Niedrigdruckseite zwischen dem Verdampfer 6 und dem elektrischen Ventil 10 angeordnet sein.
In jedem Fall muß die Kapazität des Heizabschnitts groß genug sein, um die Kühlmittelmasse auf ein Überhitzungsmaß zu erwärmen, welches dem Überhitzungsmaß entspricht, welches durch die Steuerung des Expansionsventils gegeben wird, oder höher als dieses ist. Obwohl es empfohlen ist, daß der Heizabschnitt eine etwas größere Kapazität hat, um Schwankungen in der aktuellen Kühllast zu kompensieren, sollte eine übermäßige Erhitzung durch diesen Abschnitt vermieden werden, so daß sie die Kühlkapazität des Kühlers 1 nicht herabsetzt.
Obwohl der Kühler der beschriebenen Ausführungsform zur Verwendung in Testgeräten für Halbleiter oder dergleichen verwendet wird, bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf Kühler für andere Instrumente oder Ausrüstungen.
Die Fig. 7 zeigt einen Kühler, der als eine Temperaturkammer 33 mit einem thermostatähnlichen Mechanismus ausgebildet ist, wobei der Kühler 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. In der nachfolgenden Beschreibung werden denjenigen Bauteilen, welche denjenigen aus den vorhergehenden Ausführungsformen entsprechen, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, um ihre Beschreibung nicht zu wiederholen.
Der in der Fig. 7 dargestellte Kühler 30 umfaßt auch einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, ein Expansionsventil 5, einen Verdampfer 35 und ein elektrisches Ventil 10. Diese Vorrichtungen sind miteinander in dieser Reihenfolge verbunden, um einen Kühlkreislauf zu bilden, in welchem ein Heizabschnitt 11 in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform angeordnet ist.
Die Verdampfer 6 in den vorherigen Ausführungsformen sind jeweils ein Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart, welcher das Objekt durch eine Wärmeleitung durch Kontakt zwischen dem Objekt und der Platte kühlt. Der in der dritten Ausführungsform verwendete Verdampfer 35 ist jedoch ein Verdampfer 35 der Kühlschlangenart oder der Rippenschlangenart in ähnlicher Weise wie diejenigen, die in herkömmlichen Klimaanlagen und Kühlgeräten vorhanden sind. In dem Verdampfer 35 wird Wärme zwischen dem Kühlmittel und einem Umgebungsfluid, das in der Temperaturkammer 33 gehalten wird, ausgetauscht.
Der Kühler 30 der dritten Ausführungsform besitzt keinen Bypass, der den Kondensator 30 und den Verdampfer umgeht, sondern besitzt einen anderen Bypass 31, der ein elektromagnetisches Ventil 32 hat und das elektrische Ventil 10 umgeht.
Die Temperaturkammer 33, bei welcher der Kühler 30 von dieser Ausführungsform vorgesehen ist, hat einen kastenartigen Körper, der mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt ist. Eine Trennwand 34 ist in diesem Körper befestigt, so daß ein Luftkanal 38 durch und zwischen einer Seite dieser Trennwand 34 und einer Seitenwand des Körpers der Kammer definiert wird. Der Verdampfer 35 ist in dem Luftkanal 38 installiert, wobei ein Temperatursensor 22 an einer anderen geeigneten Stelle innerhalb der Kammer 33 angeordnet ist.
Weiterhin sind eine elektrische Heizvorrichtung 36 und ein Gebläse 37 an entsprechenden Stellen der Temperaturkammer 33 fixiert und werden durch einen Steuerkreis 40 gesteuert.
Die aktuelle Temperatur von dieser Temperaturkammer 33 muß wahlweise und innerhalb eines weiten Temperaturbereiches reguliert werden. Zu diesem Zweck ist ein weiter Bereich hierin in drei Zonen unterteilt, d. h. in einen kalten Bereich von niedrigen Temperaturen, einen mittleren Bereich von mittleren Temperaturen und eine heißen Bereich von höheren Temperaturen. Die Temperatur innerhalb jeder Zone wird unter Verwendung von entweder dem Kühler 30 und der elektrischen Heizvorrichtung 36 oder von beiden reguliert werden.
Beispielsweise deckt der kalte Bereich Temperaturen von -40°C bis 0°C ab, deckt der mittlere Bereich Temperaturen von 0°C bis 40°C ab und deckt der heiße Bereich Temperaturen von 40°C bis 100°C ab.
Temperaturen, welche in den kalten Bereich von -40°C bis 0°C fallen, können präzise und normal unter alleiniger Verwendung des Kühlers 30 reguliert werden, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Nur wenn die Temperatur innerhalb dieses Bereichs in einer kurzen Zeit erhöht werden soll, dann kann die elektrische Heizvorrichtung 36 eingeschaltet werden.
Die Regulierung der Temperatur innerhalb des kalten Bereiches wird durch Betätigung des elektrischen Ventils 10 des Kühlers 30 bewirkt, um die Sättigungsdampftemperatur zu verändern. Somit wird das elektromagnetische Ventil 32, das in dem Bypass 31 angeordnet ist, während der Steuerung innerhalb des kalten Bereiches geschlossen bleiben.
Die Vorrichtungen in diesem System werden in jedem von diesen kalten, mittleren und heißen Bereichen wie in Tabelle 2 gezeigt tätig sein. Tabelle 2 BETRIEB DER VORRICHTUNGEN
Bemerkung: "EM-Ventil/Bypass" bezeichnet das elektromagnetische Ventil, das in dem Bypass angeordnet ist.
Die Temperaturkammer 33 mit dem Thermostat in dieser Ausführungsform wird innerhalb des kalten Bereiches unter alleiniger Verwendung des Kühlers 30 in der Temperatur gesteuert. Wie der Verdampfer 35 der vorherigen Ausführungsform zeigt der Verdampfer 35 des Kühlers 30 in der vorliegenden Ausführungsform niemals eine bemerkbare Temperaturverteilung, so daß die durchströmende Luft gleichmäßig gekühlt wird. Dank dieses Merkmals wird keine signifikante Verteilung in der Temperaturkammer 33 von dieser Ausführungsform beobachtet werden.
Es ist jedoch nahezu unmöglich, sich nur auf den Kühler 30 innerhalb des mittleren Temperaturbereiches von 0°C bis 40°C zu verlassen, so daß die elektrische Heizvorrichtung 36 in Kombination mit dem Kühler 30 verwendet wird. Im einzelnen wird der Kühler 30 in diesem Fall das Kühlmittel zunächst in einen etwas unterkühlten Zustand wie in der früheren Art bringen, und wird die schnell reagierende elektrische Heizvorrichtung 36 anschließend das Kühlmittel auf eine laufende Zieltemperatur in einer kalibrierenden Weise erwärmen.
Während des Betriebs der Temperaturkammer 33 in dem mittleren Temperaturbereich von 0°C bis 40°C bleibt das elektromagnetische Ventil 32 in dem Bypass 31 offen, was es dem Kühlmittel erlaubt, das elektrische Ventil 10 aus den folgenden Gründen zu umgehen.
Das elektrische Ventil 10 wird in dieser Ausführungsform auf der Basis der Temperatur gesteuert, welche durch den Sensor 22 erfaßt wird, der in der Temperaturkammer 33 angeordnet ist. Wenn daher die aktuelle oder Zieltemperatur von dieser Kammer beträchtlich hoch ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß das elektrische Ventil 10 abgesperrt wird, um die Sättigungsdampftemperatur zu erhöhen. Um einen moderaten Strom durch den Kompressor selbst in einem solchen Fall beizubehalten, wird das elektromagnetische Ventil 32 geöffnet, um es dem Kühlmittel zu erlauben, durch den Bypass 31 zu strömen und so daß elektrische Ventil 10 zu umgehen.
Es wird verstanden werden, daß ein geeigneter elektrischer Kreis oder eine Software einen solchen Bypass 31 ersetzen können. Dieser Kreislauf oder diese Software wird dazu dienen, das elektrische Ventil 10 vor einem Schließen zu beschützen und es voll oder teilweise (beispielsweise etwa 50%) offen zu halten, selbst wenn die aktuelle oder Zieltemperatur von dieser Kammer höher als ein Grenzwert ist.
In dem heißen Bereich von 40°C bis 100°C arbeitet der Kühler kaum und wird fast nur die elektrische Heizvorrichtung 36 gesteuert werden, um die Temperatur der Kammer 33 zu regulieren.
Wie oben diskutiert ist die in Fig. 7 gezeigte Temperaturkammer ausgebildet, um Temperaturen zwischen -40°C im kalten Bereich und 100°C im heißen Bereich zu steuern. In einem Fall jedoch, wo eine Temperatursteuerung in einem Kalt-Mittel-Bereich von -40°C bis 10°C ausreicht, kann eine einfachere Ausrüstung verwendet werden.
Eine als ein Thermostat ausgebildete Temperaturkammer 45 gemäß einer vierten Ausführungsform, welche in der Fig. 8 gezeigt ist, hat einen Kühler 41, der einen Kompressor 2, einen Kondensator 3, ein Expansionsventil 5, einen Verdampfer 35 und ein elektrisches Ventil 10 aufweist, die in Reihe verbunden sind, um einen Kühlkreislauf zu bilden. Dieser Kreislauf umfaßt in ähnlicher Weise wie die vorherigen Ausführungsformen einen Heizabschnitt 11, aber er besitzt keine elektrische Heizvorrichtung.
Der Verdampfer 35 ist ähnlich dem in der Fig. 7 gezeigten, so daß ein Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel und der Luft, welche in der Temperaturkammer 45 gehalten ist, stattfindet.
Der Kühler 41 in der vierten Ausführungsform umfaßt weder einen Bypass zur Umgehung des Kondensators 3 noch irgendeinen anderen Bypass zum Umgehen des elektrischen Ventils 10.
Die Fig. 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform, in welcher der Kühler der Erfindung bei einer Vorrichtung vorgesehen ist, um eine Sole mit einer konstanten Temperatur zuzuführen.
Diese Sole-Zuführvorrichtung 50 hat einen Kühler 51 mit einem Kompressor 2, einem Kondensator 3, einem Expansionsventil 5, einem Verdampfer 52 und einem elektrischen Ventil 10. Diese Vorrichtungen sind in dieser Reihenfolge in Reihe verbunden, um einen Kühlkreislauf zu bilden, in welchem ein Heizabschnitt 11 wie in den vorherigen Ausführungsformen eingeschlossen ist.
Auch in diesem Fall umfaßt der Kühler 41 weder einen Bypass zum Umgehen des Kondensators 3 noch einen anderen Bypass zum Umgehen des elektrischen Ventils 10.
Der Verdampfer 52 besteht in diesem Fall im wesentlichen aus einem Doppelzylinder, dessen äußeres Rohr 55 koaxial ein inneres Rohr 53 mit U-förmiger Grundform einschließt. Ein innerer Kanal erstreckt sich durch das innere Rohr, und ein äußerer Kanal ist zwischen dem inneren und äußeren Rohr 53, 55 definiert.
Gegenüberliegende Enden des inneren Rohrs 53 sind mit dem Kondensator 3 und dem Heizabschnitt 11 verbunden, so daß das Kühlmittel durch den Innenkanal strömt. Gegenüberliegende Enden des äußeren Rohrs 55 haben Außenumfangsbereiche, die mit einem Einlaßrohr 56 bzw. einem Auslaßrohr 57 verbunden sind. Die Sole wird durch den äußeren Kanal durch das Einlaßrohr 56 eintreten und diesen Kanal durch das Auslaßrohr 57 verlassen, während seine Temperatur durch einen Sensor 58, der an dem Auslaßrohr 57 befestigt ist, erfaßt wird.
Die Temperatur regelnde Sole-Zuführvorrichtung 50 von dieser Ausführungsform hat auch einen Steuerkreis 21, um die Zieltemperatur mit der aktuellen Temperatur der Sole zu vergleichen. Die aktuelle Temperatur wird durch den Sensor 22 erfaßt, der neben dem Auslaß des Verdampfers 52 angeordnet ist. Ein Unterschied zwischen diesen Temperaturen wird bewirken, daß der Steuerkreis 21 Pulssignale erzeugt und zu dem elektrischen Ventil 10 überträgt, wodurch dieses in Reaktion auf eine solche Differenz betätigt wird.
Das Kühlmittel, das durch den inneren Kanal in den Verdampfer 52 strömt, wird ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch bleiben, bis es diesen Verdampfer 52 der Sole- Zuführvorrichtung 50 verläßt. Alle Teile in dem Verdampfer 52 zeigen eine Temperatur, die gleich der Sättigungsdampftemperatur ist, wodurch eine Temperaturverteilung innerhalb des Verdampfers 52 von diesem Kühler 51 minimiert wird.
Das Kühlmittel wird seine latente Wärme nicht verbrauchen, bevor es aus dem Verdampfer 52 von diesem Kühler 51 strömt, da sein gasförmig-flüssig-Zustand beibehalten wird, bis es den Verdampfer 52 verläßt. Mit anderen Worten haben aufeinanderfolgende Kühlmittelmassen eine Kältemenge in Reserve, so daß jede von ihnen auf einer konstanten Temperatur trotz einer möglichen Änderung der Kühllast gehalten werden kann. Somit werden aufeinanderfolgenden Massen der Sole eine gleichmäßige und konstantere Temperatur erhalten, während sie durch den äußeren Kanal strömen, bevor sie einer Umgebungskühllast ausgesetzt werden.
Der Kühler 51 von dieser Ausführungsform ist konstruiert, um einen direkten Wärmetausch zwischen der Sole und dem Kühlmittel innerhalb des Verdampfers 52 zu bewirken, und die Temperatur an seinem Auslaß wird verwendet, um eine Temperatursteuerung für diesen Kühler vorzunehmen. Der Verdampfer 52 kann nun hinsichtlich seiner Kühlleistung genau gesteuert werden, so daß irgendein Reservoir für die Sole nicht benötigt wird. Da eine überflüssige Heizvorrichtung wie eine elektrische Heizvorrichtung in diesem System zum Zweck der präzisen Temperatursteuerung nicht verwendet zu werden braucht, werden die laufenden Kosten dieses Systems reduziert und auch ein Raum für die Ausrüstung bemerkbar verringert. Das Kühlmittel braucht nicht länger übermäßig behandelt zu werden, um den unterkühlten Zustand zu bewirken, so daß Energieverluste vermieden werden.
Obwohl die temperaturempfindlichen Rohre 13 jeweils zwischen dem Heizabschnitt 11 und dem elektrischen Ventil 10 in allen Ausführungsformen angeordnet sind, können sie alternativ zwischen diesem elektrischen Ventil 10 und dem Kompressor 2 angeordnet sein, wobei das thermische Expansionsventil 5 in jedem Fall als das Expansionsmittel verwendet wird.
Solche thermischen Expansionsventile 5 können durch geeignete elektronische Ventile ersetzt werden. In einem solchen Fall werden zwei Temperatursensoren verwendet, so daß einer von ihnen stromaufwärts von dem Verdampfer 6 oder 35 angeordnet ist und der andere Sensor stromabwärts von dem Heizabschnitt 11 angeordnet ist.
Wenn eine Temperatursteuerung in einem engeren Bereich verglichen mit den Fällen der beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt wird, kann das Expansionsmittel von der manuellen Art oder ein Kapillarrohr sein.
In den beschriebenen Ausführungsformen wird das Maß der Unterkühlung basierend auf der Differenz zwischen einer Temperatur und der anderen Temperatur, d. h. der Sättigungstemperatur, die nahe des Auslasses von dem Expansionsventil 5 erfaßt wird, gesteuert. Die eine Temperatur wird von einem Rohrabschnitt zwischen dem Heizabschnitt 11 und dem elektrischen Ventil 10 gemessen. Es kann jedoch die Steuerung des laufenden Öffnungsbereiches des Expansionsventils S auch nur auf der Basis der einen Temperatur erfolgen. Eine solche alternative Steuerung kann in einer solchen Weise ausgeführt werden, daß die Kühlmittelmasse, welche zwischen dem Heizabschnitt 11 und dem elektrischen Ventil 10 strömt, eine Temperatur zeigt, welche Fachleute wahrscheinlich als Halten der Masse in einem trockenen Zustand ansehen werden.
Obwohl das elektrische Ventil 10 in allen Ausführungsformen zwischen dem Heizabschnitt 11 und dem Kompressor 2 angeordnet ist, kann es in einem alternativen Bereich zwischen dem Verdampfer 6 oder 35 und dem Heizabschnitt 11 plaziert sein. Die Kühlmittelmasse in diesem Bereich stromaufwärts von dem Heizabschnitt ist jedoch noch ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit, so daß die Steuerung des Durchflusses nicht notwendigerweise leicht ist. Im Gegensatz dazu befindet sich die Kühlmittelmasse an der stromabwärtigen Seite des Heizabschnitts 11 in ihrem trockenen Zustand, um die Strömungsrate zu steuern, und daher ist das elektrische Ventil 10 in jeder Ausführungsform vorzugsweise an dieser Seite angeordnet.
Irgendein geeignetes Ventil von einer anderen Art als das elektrische Ventil 10 kann verwendet werden, und in einigen Fällen kann es eine feste Öffnung sein, die vielleicht nur einen Tag lang effektiv sein wird.
Irgendein anderes Ventil kann anstelle des elektrischen Ventils 10 verwendet werden, um seine Primärseite (d. h. die Einlaßseite) auf einem konstanten Druck zu halten. Weiterhin kann dieses Ventil 10 durch irgendein anderes Ventil ersetzt werden, um den Verdampfungsdruck zu regulieren, wenn es dem Verdampfer erlaubt wird, auf einer festen Temperatur zu arbeiten.
Zusammenfassend kann der Verdampfer, der in der vorliegenden Kühlvorrichtung enthalten ist, bei irgendeiner gewünschten Zieltemperatur, ohne eine bemerkbare Schwankung in der aktuellen Temperatur im Laufe der Zeit arbeiten. Somit können Umgebungstester oder dergleichen in vorteilhafter Weise diese Vorrichtung verwenden, so daß ein stabiler Zustand in Bezug auf ihre Arbeitstemperatur erhalten wird und verläßliche Messungen vorgenommen werden können.

Claims

1. Eine Kühlvorrichtung mit einem Kompressor (2), einem Kondensator (3), einer Expansionsvorrichtung (5) und einem Verdampfer (6, 35), die in dieser Reihenfolge durch eine Rohrleitung verbunden sind, um einen Kühlkreislauf zu bilden, wobei der Kompressor (2) ausgebildet ist, um ein Kühlmittel in einer gasförmigen Phase zu komprimieren, bevor es dem Kondensator (3) zugeführt wird, wo eine Wärmemenge aus dem Kühlmittel entnommen wird, um das Kühlmittel in eine flüssige Phase oder in ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch zu überführen, und das Kühlmittel dann dem Verdampfer (6, 35) durch die Expansionsvorrichtung (5) zugeführt und anschließend zu dem Kompressor (2) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung weiterhin einen Heizabschnitt (11) aufweist, der zwischen dem Verdampfer (6, 35) und dem Kompressor (2) angeordnet ist, wobei das Kühlmittel, welches den Verdampfer (6, 35) verläßt, noch das Gas- Flüssigkeits-Gemisch ist, bis es in dem Heizabschnitt (11) erwärmt und vollständig in einen gasförmigen Zustand überführt wird.

2. Eine Kühlvorrichtung mit einem Kompressor (2), einem Kondensator (3), einer Expansionsvorrichtung (5) und einem Verdampfer (6, 35), die in dieser Reihenfolge durch eine Rohrleitung verbunden sind, um einen Kühlkreislauf zu bilden, wobei der Kompressor (2) ausgebildet ist, um ein Kühlmittel in einer gasförmigen Phase zu komprimieren, bevor es dem Kondensator (3) zugeführt wird, wo eine Wärmemenge aus dem Kühlmittel entnommen wird, um das Kühlmittel in eine flüssige Phase oder in ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch zu überführen, und das Kühlmittel dann dem Verdampfer (6, 35) durch die Expansionsvorrichtung (5) zugeführt und anschließend zu dem Kompressor (2) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsvorrichtung einer Steuerung zur Änderung des Maßas, zu dem sie geöffnet ist, unterworfen ist und daß die Vorrichtung weiterhin einen Heizabschnitt (11) aufweist, der zwischen dem Verdampfer (6, 35) und dem Kompressor (2) angeordnet ist, so daß die Expansionsvorrichtung (5) basierend auf einer erfaßten Temperatur des Kühlmittels, welches stromabwärts von dem und hinter den Heizabschnitt (11) strömt, gesteuert wird.

3. Eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmequelle für den Heizabschnitt (11) ein Strom des Kühlmittels ist, der in einer Hochdruckseite der Vorrichtung strömt.

4. Eine Kühlvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Regulierungsvorrichtung (10) aufweist, um die Strömungsgeschwindigkeit oder den Strömungsdruck zwischen dem Verdampfer (6, 35) und dem Kompressor (2) zu steuern.

5. Eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierungsvorrichtung (10) zwischen dem Heizabschnitt (11) und dem Kompressor (2) angeordnet ist.

6. Eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin einen Bypass (12) aufweist, um es dem Kühlmittel zu erlauben, die Regulierungsvorrichtung (10), zu umgehen.

7. Eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin einen Temperatursensor (22) aufweist, um die Temperatur der Umgebungslast für den Wärmetausch zu erfassen, so daß die Regulierungsvorrichtung (10) basierend auf der so erfaßten Temperatur betätigt wird.

8. Eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme mittels des Verdampfers (6, 35) und zwischen dem Kühlmittel und einem Wärmeübertragungsmedium ausgetauscht wird und der Temperatursensor (22) nahe einer Auslaßöffnung plaziert ist, die in dem Verdampfer (6) und für das Wärmebetreibungsmedium ausgebildet ist.

9. Eine Kühlvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsvorrichtung (5) basierend auf einem Unterschied zwischen einer ersten Temperatur, die nahe eines Auslasses der Expansionsvorrichtung (5) erfaßt wird, und einer zweiten Temperatur, die stromabwärts von und hinter dem Heizabschnitt (11) erfaßt wird, gesteuert wird.

10. Eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Regulierungsvorrichtung (10) zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit oder des Strömungsdrucks des Kühlmittels zwischen dem Verdampfer (6) und dem Kompressor (2) aufweist, wobei die Expansionsvorrichtung (5) gesteuert wird, um den Unterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur, die zwischen dem Heizabschnitt (11) und der Regulierungsvorrichtung (10) erfaßt wird, konstant zu halten.

11. Ein Thermostat mit der Kühlvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, so daß in dem Thermostat ein Objekt durch die Kühlvorrichtung gekühlt wird.

12. Ein Thermostat mit der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektinnenthermostat durch die Kühlvorrichtung (30) gekühlt wird und daß der Verdampfer (35) ein Direktexpansionswärmetauscher der Plattenart mit wenigstens einer leitenden Platte, deren Oberflächentemperatur im wesentlichen gleichförmig gehalten werden soll, ist.

13. Ein Thermostat mit der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objekt in dem Thermostat durch die Kühlvorrichtung (30) gekühlt wird und daß das Thermostat weiterhin eine Heizvorrichtung (36) zum Erwärmen des Objekts aufweist, wobei in einem ersten Betriebsmodus innerhalb eines Bereiches von niedrigen Temperaturen bei geschlossenem Bypass (31) die Kühlvorrichtung (30) aktiv gehalten wird, aber die Heizvorrichtung (36) inaktiv bleibt, in einem zweiten Betriebsmodus innerhalb eines anderen Bereiches von mittleren Temperaturen sowohl die Kühlvorrichtung (30) als auch die Heizvorrichtung (36) bei geöffnetem Bypass (31) eingeschaltet sind und in einem dritten Betriebsmodus innerhalb eines anderen Bereiches von höheren Temperaturen die Kühlvorrichtung (30) ausgeschaltet bleibt und nur die Heizvorrichtung (36) bei geschlossenem Bypass (31) tätig ist.