DE602004012905T2

DE602004012905T2 - Energie sparende klimaprüfkammer und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE602004012905T2
Application number: DE602004012905T
Authority: DE
Inventors: Maurizio Ascani
Original assignee: Angelantoni Industrie SpA
Current assignee: Angelantoni Industrie SpA
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: CA2588359A1; CN100526757C; US8020389B2; WO2006067810A1; MX2007007230A; ATE391274T1; AU2004325833A1; EP1828693B1; AU2004325833B2; CA2588359C; US20090205344A1; EP1828693A1; KR101093583B1; KR20070101252A; HK1108477A1; JP4555347B2; ES2300866T3; CN101084403A; JP2008524624A; IL183367A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Klimaprüfkammern der Art, die in Prüflaboratorien verwendet wird, um Materialproben und/oder Komponenten, die ordnungsgemäß in thermisch isolierten Hohlräumen gelagert und angeordnet sind, vorgeschriebenen Anzahlen von Temperaturzyklen zu unterwerfen.
Diese Temperaturzyklen bestehen aus Aufheizschritten, die mit Abkühlschritten abwechseln, wobei Perioden einer vorgegebenen Zeitdauer zwischen ihnen vorgesehen sind, in denen die Proben auf einer Maximaltemperatur und einer Minimaltemperatur gehalten werden, wobei die betreffenden Temperaturwerte in jedem Fall durch die Prüfvorgaben gegeben sind, die sich auf die zu prüfenden Materialien und/oder Komponenten beziehen.
Während man auf keine besonderen Probleme stößt, um in der Lage zu sein, eine Maximaltemperatur zu erreichen und aufrechtzuerhalten, obwohl die letztere auch bis zu +180°C erreichen kann, da für einen solchen Zweck der Einsatz herkömmlicher elektrischer Heizelemente mit einer höheren oder niedrigeren Anschlussleistung alles ist, was erforderlich ist, stößt man beim Herunterfahren auf die minimale geforderte Temperatur, was natürlich die Verwendung einer Kühleinheit einschließt, auf eine Anzahl von Problemen, insbesondere wenn diese Minimaltemperatur einen sehr geringen Wert, z. B. –70°C, hat. Aus dem Dokument US 4 798 059 ist eine sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendete Klimaanlage bekannt.
Ein erstes Problem, das mit dem Einsatz einer Kühleinheit verbunden ist, betrifft die Art der Einrichtung, die tatsächlich benötigt wird. Eine Lösung dieses Problems ist auf jeden Fall ziemlich aufwendig, obwohl sie von einem rein technischen Standpunkt alles in allem einfach ist. Um in der Lage zu sein, Minimaltemperaturen mit solch niedrigen Werten zu erreichen, muss die Kühleinheit eigentlich vom zweistufigen Kaskadentyp sein, in dem der Verdampfer der Stufe oder dem Kreislauf höherer Temperatur in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Verflüssiger der Stufe oder dem Kreislauf niedrigerer Temperatur angeordnet ist. Es ist deshalb der Verdampfer der Stufe niedrigerer Temperatur (in dem von einem Kühlmittel Gebrauch gemacht wird, das einen niedrigeren Siedepunkt als das Kühlmittel aufweist, das in der Stufe höherer Temperatur verwendet wird), der physikalisch in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem wärmeisolierten Hohlraum der Klimaprüfkammer steht.
Ein zweites und für die Angelegenheit weit gravierenderes Problem leitet sich aus der Tatsache ab, dass es sich bedingt durch die Abkühlrate (d. h. die erforderliche Zeit, um das Innere des wärmeisolierten Hohlraums von seiner Maximaltemperatur auf seine Minimaltemperatur herab zu bringen), die tatsächlich ein ziemlich kritischer Faktor ist, herausstellt, dass die Kühlleistung, die von der Kühleinheit bereitzustellen ist, um die minimale Einstelltemperatur über die erforderliche Zeitspanne aufrechtzuerhalten, gerade einmal einen bescheidenen Prozentanteil (ungefähr 10%) der Kühlleistung ausmacht, die während der Abkühlschritte bereitzustellen ist. Da eine solche Minimaltemperatur innerhalb sehr enger Toleranzen, die gewöhnlich ±0,5°C betragen, aufrechterhalten werden muss, ist es nicht möglich, von einem wiederholten, vielmaligen EIN/AUS-Zyklus der Kompressoren in den Stufen oder Kreisläufen der Kühleinheit Gebrauch zu machen; im Gegenteil, es ist ein kontinuierlicher Betrieb für diese Kompressoren erforderlich, wenn auch unter einer geeigneten Verwendung von Magnetventilen mit einer regelbaren Durchflussrate.
Die allgemein akzeptierte, dem Stand der Technik entsprechende Lösung dieses zweiten Problems besteht in der Bereitstellung und Aktivierung geeigneter Umgehungs leitungsanordnungen, um den Strom der Kühlmittel im Verdampfer der Stufe höherer Temperatur wie auch im Verflüssiger, dem Expansionsventil und dem Verdampfer der Stufe niedrigerer Temperatur abzuschalten. Auf diese Weise läuft die Zirkulation der Kühlmittel zwischen der Förderseite und der Ansaugseite der jeweiligen Kompressoren weiter. Jedenfalls ist die beträchtliche Energiemenge, die dadurch vergeudet wird, ganz offensichtlich, wobei auch die Tatsache zu beachten ist, dass die Durchflussrate der Kühlmittel unverändert bleibt, d. h., sie bleibt sowohl während der Abkühlschritte als auch dann, wenn der Hohlraum auf seiner minimalen Einstelltemperatur gehalten wird, die gleiche.
Es wäre hingegen wünschenswert und es ist tatsächlich eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, zu verhindern, dass während des Haltens der wärmeisolierten Hohlräume der Klimaprüfkammer auf der minimalen Einstelltemperatur eine so beträchtliche Energiemenge vergeudet wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit der Klimaprüfkammern, so dass die Dauer der Abkühlschritte und folglich der Temperaturzyklen entsprechend verringert wird – mit einem klaren Vorteil für die Auftraggeber der Laborprüfeinrichtungen sogar unter dem Gesichtspunkt der Kosten wegen des besagten geringeren Energieverbrauchs.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben zusammen mit weiteren, die aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden, in Klimaprüfkammern gelöst, welche die Merkmale und Charakteristiken einbeziehen, wie sie in den angefügten Ansprüchen angegeben sind.
Merkmale und Charakteristiken der erfindungsgemäßen Klimaprüfkammern wie auch ihre Vorteile gegenüber Lösungen vom Stand der Technik werden auf jeden Fall schneller aus der nachfolgend gegebenen Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen verständlich, obwohl das nicht die einzigen Ausführungsformen sind. Unter Beachtung dessen, dass sich alle hier beanspruchten Charakteristiken auf die Kühleinheit der Klimaprüfkammern beziehen, ist in der beigefügten Zeichnung:
1 eine Darstellung des Kreislaufschaltbildes einer zweistufigen Kaskaden-Kühleinheit entsprechend vorliegender Erfindung, in der alle allgemein bekannten Teile und Elemente, die verwendet werden müssen, um die Forderungen und Festlegungen der Sicherheitsbestimmungen zu erfüllen und/oder Hilfsprozesse (Einfüllen der Kühlmittel, Wartung und dergleichen) auszuführen, die aber überhaupt keine Bedeutung mit Hinblick auf die vorliegende Erfindung haben, der besseren Übersichtlichkeit halber absichtlich weggelassen worden sind;
2 eine Darstellung eines ähnlichen Kreislaufschaltbildes für eine einstufige Kühleinheit ist.
Der fluiddynamische Kreislauf der Stufe niedrigerer Temperatur, der in 1 bei 100 allgemein angegeben ist und der zum Beispiel als ein Kühlmittel R23 (d. h. Methyltrifluorid) verwenden kann, umfasst die folgenden Komponenten:

– einen Verdampfer 110, der aus einer Batterie von Rippenrohren besteht, die im Inneren des wärmeisolierten Hohlraums 10 der Klimaprüfkammer hinter einem Prallblech 12 (baffle plate) angeordnet ist, das zum Umlenken des Luftstroms vorgesehen ist. In einer an sich bekannten Art und Weise ist im Hohlraum 10 auch vorgesehen: eine Gruppe von elektrischen Heizelementen 14 (tatsächlich eine Gruppe von ummantelten Heizelementen vom Widerstandstyp in einer Parallelschaltungsanordnung), der Messfühler 16 eines regelbaren Thermostaten 15 für das Einstellen und Steuern einer Höchsttemperatur und einer niedrigsten Einstelltemperatur, ein die Temperatur begrenzender Sicherheitsthermostat 17, das Gebläserad 18 eines motorgetriebenen Gebläses 19, das zum Ausbilden eines gleichmäßigen Luftstroms im Inneren des Hohlraums 10 geeignet ist. Der regelbare Thermostat 15 ist außerhalb des Hohlraums 10 angeordnet, und er ist mit einer programmierbaren Steuerung 25 verbunden, welche die gesamte Klimaprüfkammer steuert. Insbesondere ist die programmierbare Steuerung 25 über die jeweiligen elektrischen Anschlüsse 23 und 33 mit zwei Invertern 20 und 30 verbunden und wird vom Stromversorgungsnetz mit Energie versorgt. Der die Temperatur begrenzende Sicherheitsthermostat 17 ist seinerseits mit den gängigen Leitungen (nicht dargestellt, aber an das Stromversorgungsnetz angeschlossen) verbunden, um die elektrischen Heizelemente 14 mit Energie zu versorgen;
– einen Kompressor 120 (der nachfolgend als der "erste Kompressor" bezeichnet wird), welcher durch einen Asynchronmotor angetrieben wird, der über die Stromleitung 22 an den Inverter 20 angeschlossen ist, welcher dessen Drehzahl zwischen einem maximalen und einem minimalen Einstellwert steuert;
– das Förderrohr 122 des Kompressors 120, an dem ein Ölabscheider 126 vorgesehen ist, der über ein Bedienungsrohr 125 (das parallel zu demselben Förderrohr 122 verläuft) mit dem unteren Sockel des Kompressors verbunden ist, wo ein Ölflussanzeiger 127 eingebaut ist, um den Durchlauf von Öl anzuzeigen;
– ein Rohr 128, das den Ölabscheider 126 mit dem Kondensor (Verflüssiger) 105 verbindet, der die heiße Seite eines Gegenstrom-Wärmeaustauschers 150 bildet;
– einen am Ende des Rohrs 128 angeordneten Behälter 130 zum Sammeln des flüssigen Kühlmittels, der mit dem Einlass 111 des Verdampfers 110 über ein Rohr 132 verbunden ist, an dem aufeinander folgend ein Magnetventil 134 (nachfolgend als Magnetventil I bezeichnet) und ein thermostatisch gesteuertes Ventil 136 angeordnet sind, die das Drosselbauteil des Kreislaufs 100 der Stufe tieferer Temperatur bilden;
– das Rücklauf- oder Ansaugrohr 124 des Kompressors 120, das einen größeren Durchmesser aufweist als das Förderrohr 122 und das mit dem Auslass 112 des Verdampfers 110 verbunden ist.

In dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der fluiddynamische Kreislauf 100 der Stufe tieferer Temperatur schließlich eine Umgehungsleitung 140, die über eine T-Armatur 142 (nachfolgend als die sechste Armatur bezeichnet) mit dem Förderrohr 122 des ersten Kompressors 120 verbunden ist und die ferner über eine weitere T-Armatur (siebente Armatur) mit dem Ansaugrohr 124 desselben Kompressors verbunden ist. Ausgehend von der sechsten Armatur 142 sind an der Umgehungsleitung 140 aufeinander folgend ein Magnetventil 146 (nachfolgend als Magnetventil II bezeichnet) und ein Kapillarrohr 148 installiert.
Der fluiddynamische Kreislauf der Stufe höherer Temperatur, der in 1 bei 200 allgemein angegeben ist und der zum Beispiel als ein Kühlmittel R404a (d. h. ein Gemisch aus 44,1% des R125, 51,9% des R143a und 4,0% des 134a) verwenden kann, umfasst wiederum die folgenden Komponenten:

– einen Kompressor 210 (der nachfolgend als der "zweite Kompressor" bezeichnet wird), welcher durch einen Asynchronmotor angetrieben wird, der über die Stromleitung 32 an den Inverter 30 angeschlossen ist, welcher dessen Drehzahl zwischen einem maximalen und einem minimalen Einstellwert steuert;
– das Förderrohr 212 des Kompressors 210;
– das Rücklauf- oder Ansaugrohr 214 des Kompressors 210, das einen größeren Durchmesser aufweist als das Förderrohr 212 und das mit dem Auslass der kalten Seite des Wärmeaustauschers 150 verbunden ist;
– einen Kondensor (Verflüssiger) 220 (eigentlich eine Batterie von Rippenrohren mit den zugehörigen motorgetriebenen Kühlgebläsen), der am Ende des Förderrohrs 212 des Kompressors 210 angeordnet ist und der über ein kurzes Verbindungsrohr 223 mit einem Behälter 224 für das flüssige Kühlmittel verbunden ist;
– ein Auslassrohr 230 aus dem Behälter 224, an dem aufeinander folgend angeordnet sind: ein Trocknungsfilter 232, ein Ölflussanzeiger 234 für die Anzeige des Öldurchlaufs, und eine T-Armatur 236 (nachfolgend als erste Armatur bezeichnet). Von dieser ersten Armatur 236 geht ein (als Hauptrohr bezeichnetes) Rohr 240 ab, an dem aufeinander folgend die Magnetventile 242, 244 (nachfolgend als Magnetventil III bzw. Magnetventil IV bezeichnet) und ein thermostatisch gesteuertes Ventil 246 installiert sind, die das Drosselbauteil des fluiddynamischen Kreislaufs der Stufe höherer Temperatur 200 bilden. Das Hauptrohr 240 reicht herauf zum Verdampfer 205 des Kreislaufs 200 der Stufe höherer Temperatur 200, welcher die kalte Seite des bereits erwähnten Wärmeaustauschers 150 bildet.

Entsprechend einem grundlegenden Merkmal der vorliegenden Erfindung zweigt von der ersten T-Armatur 236 auch ein Nebenrohr 241 ab, in das ein Magnetventil 248 (nachfolgend als Magnetventil V bezeichnet) eingebaut ist und das sich durch einen abgedichteten Tank 250 hindurch erstreckt, um schließlich über eine T-Armatur 245 (nachfolgend als die zweite Armatur bezeichnet), die stromab vom Magnetventil III 242 liegt, in das Hauptrohr 240 zu münden. Im Tank 250 (der ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung bildet und nachfolgend als Speichertank bezeichnet wird, da er als ein Kältespeicherungshilfsmittel wirkt, wie das ausführlicher nachfolgend erläutert wird) wird über ein Rohr 237, das mit einem Absperrventil 239 ausgestattet ist, eine eutektische Flüssigkeit irgendeines geeigneten Typs, wie zum Beispiel eine wässrige Ethylen-Glycol-Lösung, gefüllt.
Ferner läuft durch den Tank 250 hindurch zum Nebenrohr 241 hin auch eine wendelförmige Länge eines Rohrs 252, das nachfolgend als das Rückgewinnungsrohr bezeichnet werden soll.
Das Rückgewinnungsrohr 252 geht von einer T-förmigen Armatur 254 ab (nachfolgend als die dritte Armatur bezeichnet), die stromab von der zweiten Armatur 245 und stromauf vom Magnetventil IV 244 liegt, und am Rohr 252 sind aufeinander folgend auch ein weiteres Magnetventil 256 (nachfolgend als Magnetventil VI bezeichnet) und ein thermostatisch gesteuertes Ventil 258 vorgesehen. Das Rückgewinnungsrohr 252 geht stromab vom Speichertank 250 aus weiter, bis es seinen Endpunkt an einer weiteren T-förmigen Armatur 255 (nachfolgend als die fünfte Armatur bezeichnet) erreicht, die am Ansaugrohr 214 des zweiten Kompressors 210 stromab vom Auslass der kalten Seite des Wärmeaustauschers 150 liegt.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der fluiddynamische Kreislauf 200 der Stufe höherer Temperatur schließlich eine Umgehungsleitung 260, die aus dem Behälter 224 des flüssigen Kühlmittels an einer bezüglich des Rohrs 230 abgesonderten Stelle herausführt und die in einer T-Armatur 266 (nachfolgend als die vierte Armatur bezeichnet) am Hauptrohr 240 an einer Stelle endet, die zwischen dem Drosselventil 246 und dem Einlass der kalten Seite des Wärmeaustauschers 150 liegt. In einer an sich bekannten Art und Weise sind an der Umgehungsleitung 260 aufeinander folgend ein weiteres Magnetventil 262 (nachfolgend als Magnetventil VII bezeichnet) und ein Kapillarrohr 264 angeordnet.
Die Funktionsweise ist die folgende unter der Annahme, dass die Vorschriften für die Art der in der Klimakammer auszuführenden Prüfung das Ausführen von N Zyklen erfordern, die aus vier Schritten der Reihe nach bestehen, d. h.: Aufheizen der im wärmeisolierten Hohlraum der Kammer angeordneten Probe bis zu einer maximalen Einstelltemperatur t₁ = +170°C, Halten der Probe auf der Temperatur t₁ für 3 Stunden, Abkühlen der Probe auf eine minimale Einstelltemperatur t₂ = –70°C, Halten der Probe auf der Temperatur t₂ für 3 Stunden.
In dem ersten der N Prüfzyklen, die entsprechend der Vorschrift auszuführen sind, ist der Betrieb der Vorrichtung ein uneingeschränkt herkömmlicher, d. h. die ersten zwei Schritte werden ausgeführt, indem gesteuert durch die programmierbare Steuerung (PLC) 25 und unterstützt durch das motorgetriebene Gebläse 19 von den elektrischen Heizelementen 14 Gebrauch gemacht wird. In dem anschließenden Abkühlungsschritt bewirkt die programmierbare Steuerung 25, nachdem sie die Heizelemente 14 abgeschaltet hat, während jedoch das motorgetriebene Gebläse 19 regulär weiter betrieben wird, dass die Inverter 20 und 30 die Antriebsmotoren der Kompressoren 120 und 210 bei der Maximalfrequenz versorgen, z. B. bei 60 Hz, wenn die Netzfrequenz 50 Hz ist, bis der Messfühler 16, der an die programmierbare Steuerung angeschlossen ist, schließlich ermittelt, dass im Hohlraum 10 die Temperatur t₂ erreicht wurde. Während dieses Abkühlungsschrittes sorgt die programmierbare Steuerung 25 dafür, dass der Zustand der Magnetventile in den Kreisläufen so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben, wobei EIN bedeutet, dass die Magnetspule des entsprechenden Ventils mit Strom versorgt wird, während AUS bedeutet, dass sie abgeschaltet ist. Tabelle 1

I = 134 II = 146 III = 242 IV = 244 V = 248 VI = 256 VII = 262

EIN AUS EIN EIN AUS AUS AUS
Es ergibt sich folglich, dass beide Stufen der Kühleinheit mit voller Leistung arbeiten und eine bestimmte Zeit T_I benötigen (welche deshalb die Dauer des dritten Schritts des ersten Betriebszyklus ist), um die Temperatur im Hohlraum 10 von t₁ auf t₂ herunterzufahren.
In dem nachfolgenden vierten Schritt des Prüfzyklus, im Verlaufe dessen die programmierbare Steuerung 25 den Hohlraum 10 auf der minimalen Einstelltemperatur t₂ hält, setzen der Inverter 20 und der Inverter 30 die Drehzahl der Motoren beider Kompressoren 120 und 210 herab. Beim Erreichen der niedrigsten Drehzahl, die für ein einwandfreies Arbeiten der Kompressoren erlaubt ist, gewährleistet die programmierbare Steuerung 25, dass während der Dauer dieses vierten Schritts der Zustand der Magnetventile so wie in der nachstehenden Tabelle 2 angezeigt ist: Tabelle 2

I = 134 II = 146 III = 242 IV = 244 V = 248 VI = 256 VII = 262

EIN AUS EIN EIN AUS EIN AUS
Demzufolge ist es unter Beachtung der geringen Menge an Kühlleistung, die vom Hohlraum 10 in diesem Schritt benötigt wird, nahezu die gesamte Kühlleistung des Kreislaufs 200 der Stufe höherer Temperatur, die nicht länger im Wärmeaustauscher 150 verwendet wird, um das in den Kreislauf 100 der Stufe tieferer Temperatur fließende Kühlmedium abzukühlen. Entsprechend einem grundlegenden Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Kühlleistung des Kreislaufs 200 der Stufe höherer Temperatur 200 vielmehr dazu verwendet, um über das Rückgewinnungsrohr 252 die eutektische Flüssigkeit im Speichertank 250 (bis zum Gefrierpunkt) abzukühlen.
Im Abkühlungsschritt des nächsten (zweiten) der N vorgeschriebenen Temperaturzyklen gewährleistet die programmierbare Steuerung 25, dass der Zustand Magnetventile in den Kreisläufen so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 3 angezeigt, Tabelle 3

I = 134 II = 146 III = 242 IV = 244 V = 248 VI = 256 VII = 262

EIN AUS AUS EIN EIN EIN AUS

so dass im Nebenrohr 241, d. h. stromauf vom Drosselventil 246, das Kühlmittel durch die im Tank 250 akkumulierte Kälte unterkühlt wird, mit Vorteilen, die von einem thermodynamischen Standpunkt aus leicht zu verstehen sind.
Dieses Unterkühlen durch Beeinflussen und Aufbereiten der Verdampfung desselben Kühlmittels im Wärmeaustauscher 150 hat eine vorteilhafte Auswirkung auf die Kondensation des Kühlmittels im Kreislauf 100 des Kreislaufes niedrigerer Temperatur, wodurch die Leistungsfähigkeit des letzteren gesteigert wird. Das Endergebnis ist, dass die Dauer des dritten Schrittes des zweiten Betriebszyklus, in dem die Temperatur im Hohlraum 10 von t₁ auf t₂ heruntergefahren wird, nicht die gleiche ist wie die Zeit T_I, die im ersten Zyklus benötigt wird, sondern einen Wert T_II aufweist, der bedeutend kleiner ist als T_I. Der vierte Schritt des zweiten Betriebszyklus ist ähnlich zum vierten Schritt des ersten Betriebszyklus. Alle anschließenden Prüfzyklen, die entsprechend den Vorschriften auszuführen sind, laufen dann auf die gleiche Art und Weise ab, wie oben in Verbindung mit dem zweiten Zyklus beschrieben ist.
Am einfachsten lässt sich aus der obigen Beschreibung die Verringerung der Gesamtdauer einer Laborprüfung und demzufolge des zugehörigen Energieverbrauchs einschätzen, woraus sich für den Auftraggeber, der die Prüfung bestellt hat, der klare Vorteil ergibt, in der Lage zu sein, die gewünschten Prüfergebnisse in einer weit kürzeren Zeit zu erhalten, wie auch einen niedrigeren Preis für die Prüfung zu bezahlen, während für diejenigen, die das Prüflabor betreiben und die Klimaprüfkammer verwenden, der zugehörige Vorteil in der Fähigkeit liegt, in einer gegebenen Zeitperiode, z. B. einem Jahr, eine größere Anzahl von Prüfungen laufen zu lassen.
Sollte der Zustand auftreten, in dem die Kältespeicherung im Tank 250 vollständig abgeschlossen ist, d. h. die darin eingelagerte eutektische Flüssigkeit vollständig gefroren ist, dann wird die Umgehungsfunktion des Kreislaufs 200 aktiviert. Die programmierbare Steuerung 25 gewährleistet dann, dass der Zustand der Magnetventile in den Kreisläufen so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 4 angezeigt: Tabelle 4

I = 134 II = 146 III = 242 IV = 244 V = 248 VI = 256 VII = 262

EIN AUS AUS EIN EIN AUS EIN
Beim Übergang zur Beschreibung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 2 dargestellt ist und die eine einstufige Kühleinheit umfasst, sollte zunächst angemerkt werden, dass eine solche Ausführungsform zur Anwendung vorgesehen ist, wenn die minimale Einstelltemperatur der auszuführenden Prüfzyklen höher ist als in der ersten Ausführungsform, d. h. z. B. einen Wert t₂ = –20°C hat, wobei der Wert der maximalen oder höchsten Temperatur der gleiche sein kann wie jener, der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform in Betracht gezogen wurde, d. h. t₁ = +170°C.
Der fluiddynamische Kreislauf, der in 2 bei 400 allgemein angegeben ist und der als ein Kühlmittel zum Beispiel R404A einsetzt, wird verwendet, um mit seinem Verdampfer 405 den wärmeisolierten Hohlraum 310 der Klimaprüfkammer abzukühlen. Im Inneren des Hohlraums 310 sind zusätzlich zum Verdampfer 405 angeordnet: der Messfühler 316 des regelbaren Thermostaten 315 zum Festlegen und Steuern einer maximalen und einer minimalen Einstelltemperatur; eine Gruppe von elektrischen Heizelementen 314, die durch einen die Temperatur begrenzenden Thermostaten 317 gesteuert werden, hinter einem Prallblech 312 zum Ablenken des Luftstroms; das Flügelrad 318 des Gebläses 319, das zum Ausbilden eines gleichmäßigen Luftstroms im Inneren des Hohlraums 310 geeignet ist. Der regelbare Thermostat 315 ist außerhalb des Hohlraums 310 angeordnet und einer programmierbaren Steuerung 325 zugeordnet, welche die gesamte Klimaprüfkammer steuert. Insbesondere ist die programmierbare Steuerung 325 über eine elektrische Leitung 323 mit einem Inverter 320 verbunden und wird vom Stromversorgungsnetz mit Energie versorgt. Der die Temperatur begrenzende Sicherheitsthermostat 317 ist seinerseits an die gängige Stromversorgungsleitung (nicht dargestellt) der elektrischen Heizelemente 314 angeschlossen.
Der Kreislauf 400 umfasst zusätzlich zu dem oben erwähnten Verdampfer 405, der einen Einlass 406 und einen Auslass 407 aufweist:

– ein erstes Magnet-Abschaltventil 408 (nachfolgend als Magnetventil I bezeichnet) und ein thermostatisch gesteuertes Ventil 409, welche das Drosselbauteil des Kreislaufs bilden, das stromauf vom Einlass 406 des Verdampfers 405 längs eines Rohres 440 liegt, das nachfolgend als das Hauptrohr bezeichnet wird;
– einen Kompressor 410, welcher durch einen Asynchronmotor angetrieben wird, der durch den Inverter 320 gesteuert wird, an den er über die Stromversorgungsleitung 322 angeschlossen ist;
– das Förderrohr 412 des Kompressors 410;
– das Rücklauf- oder Ansaugrohr 414 des Kompressors 410, das einen größeren Durchmesser aufweist als dessen Förderrohr 412 und das mit dem Auslass 407 des Verdampfers 405 verbunden ist,
– einen Verflüssiger 420 (eigentlich eine Batterie von Rippenrohren mit den zugehörigen motorgetriebenen Kühlgebläsen 422), der am Ende des Förderrohrs 412 des Kompressors 410 angeordnet und über ein kurzes Verbindungsrohr 423 mit einem Behälter 424 für das flüssige Kühlmittel verbunden ist;
– ein Auslassrohr 430 aus dem Behälter 424, an dem aufeinander folgend angeordnet sind: ein Trocknungsfilter 432, ein Ölflussanzeiger 434 für die Anzeige des Öldurchlaufs, und eine T-Armatur 436 (nachfolgend als erste Armatur bezeichnet). Diese erste Armatur 436 ist die Stelle, wo das oben erwähnte Hauptrohr 440 und ein sogenanntes Nebenrohr 441 (das ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung bildet, wie im weiteren ausführlicher erläutert wird) einmünden.

Längs des Hauptrohres 440 sind ausgehend von der ersten Armatur 436 stromauf vom Magnetventil I 408 und dem Drosselventil 409 aufeinander folgend ein Magnetventil 442 (Magnetventil II), eine zweite T-Armatur 444, eine dritte T-Armatur 446 und eine vierte T-Armatur 448 vorgesehen.
Das Nebenrohr 441 umfasst stromab von einem Magnetventil 443 (Magnetventil III) wiederum eine wendelförmige Länge davon, die durch einen abgedichteten Tank 450 hindurchführt und über die zweite T-Armatur 444 im Hauptrohr 440 endet, wobei diese T-Armatur stromab vom Magnetventil II 442 liegt, wie oben angemerkt wurde.
Der Tank 450 wirkt als ein Kältespeicherungshilfsmittel oder ein Kälteakkumulator, da er über ein Rohr 437, das mit einem Absperrventil 439 versehen ist, mit einer eutektischen Flüssigkeit irgendeines geeigneten Typs, wie zum Beispiel einer wässrige Ethylen-Glycol-Lösung, gefüllt ist. Ferner läuft durch den Tank 450 hindurch zum Nebenrohr 441 hin auch eine wendelförmige Länge eines sogenannten Rückgewinnungsrohrs 452. Dieses Rückgewinnungsrohr 452 zweigt vom Hauptrohr 440 von der zuvor erwähnten T-förmigen Armatur 446 ab, und stromab von dessen wendelförmiger Länge vereinigt es sich mit und mündet in das Rücklauf- oder Ansaugrohr 414 des Kompressors 410 an der Stelle, wo eine fünfte T-Armatur 454 vorgesehen ist. Ein weiteres Magnetventil 456 (Magnetventil IV) und ein weiteres thermostatisch gesteuertes Ventil 458 sind der Reihe nach zwischen der dritten T-Armatur 446 und dem Anfang der wendelförmigen Länge des Rückgewinnungsrohrs 452 vorgesehen.
In einer an sich bekannten Art und Weise umfasst der Kreislauf 400 schließlich eine Umgehungsleitung 460, die aus dem Behälter 424 des flüssigen Kühlmittels herauskommt, welcher unmittelbar stromab vom Verflüssiger 424 aus liegt, und die an der Stelle, wo die vierte T-Armatur 448 vorgesehen ist, in das Rücklauf- oder Ansaugrohr 414 des Kompressors 410 mündet. Der Reihe nach sind an der Umgehungsleitung 460 ein letztes Ventil 462 (Magnetventil V) und ein Kapillarrohr 464 vorgesehen.
Die Funktionsweise ist die folgende unter der Annahme, dass die Vorschriften für die Art der im wärmeisolierten Hohlraum 310 der Klimakammer durchzuführenden Prüfung das Ausführen von N Zyklen erfordern, die aus vier Schritten bestehen, d. h.: Aufheizen der im wärmeisolierten Hohlraum der Kammer angeordneten Probe bis zu einer maximalen Einstelltemperatur t₁ = +170°C, Halten der Probe auf der Temperatur t₁ für 3 Stunden, Abkühlen der Probe auf eine minimale Temperatur t₂ = –20°C, Halten der Probe auf der Temperatur t₂ für 3 Stunden.
In den ersten zwei Schritten des ersten der vorgeschriebenen N Prüfzyklen wird der Hohlraum 310 gesteuert von der programmierten Steuerung 325 durch die elektrischen Heizelemente 314 aufgeheizt, was durch das motorgetriebene Gebläse 319 unterstützt wird. Im anschließenden Abkühlungsschritt bewirkt die programmierbare Steuerung 325, nachdem sie die Heizelemente 314 abgeschaltet hat, während jedoch das motorgetriebene Gebläse 419 regulär weiter betrieben wird, dass der Inverter 320 den Antriebsmotor des Kompressors 410 bei der Maximalfrequenz versorgt, z. B. bei 60 Hz, wenn die Netzfrequenz 50 Hz ist, so dass dessen Drehzahl ihren höchsten zulässigen Wert erreicht. Während dieses dritten Schrittes des ersten Betriebszyklus, der abgeschlossen ist, wenn der Messfühler 316 der programmierbaren Steuerung 325 anzeigt, dass im Inneren des Hohlraums 310 schließlich die Einstelltemperatur t₂ = –20°C erreicht worden ist, und folglich nach dem Ablauf einer Zeit T_I sorgt die programmierbare Steuerung 325 dafür, dass der Zustand der Magnetventile im Kreislauf so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 5 angegeben: Tabelle 5

I^A = 408 II^A = 442 III^A = 443 IV^A = 456 V^A = 462

EIN EIN AUS AUS AUS
Dies ergibt einen im Allgemeinen herkömmlichen Betrieb des Kühlkreislaufs 400, der andererseits auch im anschließenden vierten Schritt des ersten Prüfzyklus einen herkömmlichen Betrieb beibehält. Während dieses vierten Schrittes, der eine vorgegebene Dauer aufweist, setzt der Inverter 320 tatsächlich die Drehzahl des Motors des Kompressors 410 auf die niedrigste Drehzahl herab, die für ein einwandfreies Arbeiten eben dieses Kompressors erlaubt ist, und die programmierbare Steuerung 325 gewährleistet, dass der Zustand der Magnetventile im Kreislauf so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 6 angegeben: Tabelle 6

I^A = 408 II^A = 442 III^A = 443 IV^A = 456 V^A = 462

EIN AUS EIN EIN AUS
Demzufolge wird unter Beachtung der geringen Menge an Kühlleistung, die benötigt wird, um den Hohlraum 310 auf der minimalen Einstelltemperatur zu halten, an diesem Punkt nahezu die gesamte Kühlleistung des Kreislaufs 400 eher dazu verwendet, die eutektische Flüssigkeit im Kältespeichertank 450 über das Rückgewinnungsrohr 452 abzukühlen (bis zum Gefrierpunkt), was dem oben erwähnten grundlegenden Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht.
Im nächsten Betriebszyklus, d. h. im zweiten der vorgeschriebenen N Zyklen, gewährleistet die programmierbare Steuerung 325 im dritten Schritt, in dem die Probentemperatur im Hohlraum 310 abgekühlt wird, dass der Zustand der Magnetventile im Kreislauf so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 7 angegeben, Tabelle 7

I^A = 408 II^A = 442 III^A = 443 IV^A = 456 V^A = 462

EIN AUS EIN AUS AUS

mit dem Ergebnis, dass im Nebenrohr 441, d. h. stromauf vom Drosselventil 408, das Kühlmittel durch die Kalte, die von der gefrorenen eutektischen Flüssigkeit im Kältespeichertank 450 gespeichert ist, unterkühlt wird.
Wie im Fall der ersten Ausführungsform hat diese Unterkühlung eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades zur Folge, und im Ergebnis ist die Dauer des oben erwähnten Schrittes des zweiten Betriebszyklus nicht mehr die gleiche wie die Dauer T_I des entsprechenden Schrittes des ersten Zyklus, sondern vielmehr T_II < T_I. Alle nachfolgenden spezifizierten (vorgeschriebenen) Prüfzyklen laufen dann auf die gleiche Art und Weise ab wie der zweite Zyklus. Demzufolge sind die Vorteile, die sich daraus ableiten, praktisch die gleichen wie die, auf welche hier im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zuvor bereits hingewiesen wurde.
Sollte sogar in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Zustand auftreten, in dem die Kältespeicherung im Tank 450 vollständig abgeschlossen ist, d. h. die eutektische Flüssigkeit ordnungsgemäß gefroren ist, dann wird die Umgehung des Kreislaufs 400 aktiviert. Die programmierbare Steuerung 325 sorgt dann dafür, dass der Zustand der Magnetventile im Kreislauf so ist, wie in der nachstehenden Tabelle 8 angezeigt: Tabelle 8

I^A = 408 II^A = 442 III^A = 443 IV^A = 456 V^A = 462

EIN AUS EIN AUS EIN
Obwohl die Erfindung oben mit besonderer Bezugnahme auf ein paar ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird anzuerkennen sein, dass die Erfindung selbst auch in einer Anzahl unterschiedlicher Formen und Varianten verwirklicht werden kann, ohne deren Geltungsbereich zu verlassen, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Klimaprüfkammer, in der während einer Abfolge spezifizierter Prüfzyklen mindestens ein Prüfhohlraum (10, 310) durch eine Kühleinheit, die mindestens einen Kühlkreislauf (200; 400) enthält, durch den ein Kühlmittel fließt, bis auf eine minimale Einstelltemperatur herabgekühlt und auf ihr gehalten wird, umfassend: – einen Kompressor (210; 410) mit einem Förderrohr (212; 412) und einem Ansaugrohr (214; 414), angetrieben durch einen Elektromotor, dessen Drehzahl zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert einstellbar ist, – einen Kondensor (220; 420), – einen Verdampfer (205; 405), der über einen Einlass (111; 406) und einen Auslass (112; 407) verfügt, – eine Drosselvorrichtung (246; 409) am Ende eines Hauptrohrs (240; 440) zwischen dem Kondensor (220; 420) und dem Einlass (111; 406) des Verdampfers (105; 405), dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner enthält: – einen Tank (250; 450), der mit einem Kältespeichermittel gefüllt und vorgesehen ist für einen Durchgang von – einem sekundären Rohr (241; 441), das sich zwischen einem ersten und einem zweiten Teil (236, 245; 436, 444) entlang des Hauptrohres (240; 440) erstreckt, stromauf von der Drosselvorrichtung (246; 409), – ein Rückgewinnungsrohr (252; 452), das sich zwischen einem dritten Teil (254; 446) stromab von dem zweiten Teil (245; 444) entlang des Hauptrohres (240; 440) und einem fünften Teil (255; 454) entlang des Ansaugrohres (214; 414) erstreckt, – weitere Ventilmittel (242, 248, 256; 442, 443, 456), die geeignet sind, wahlweise geöffnet und geschlossen zu werden, um: – ein Kältespeichermittel durch das Kühlmittel, das durch das Rückgewinnungsrohr (252; 452) fließt, während der Prüfzyklen kühlen zu lassen, in denen der Prüfhohlraum auf der minimalen Einstelltemperatur gehalten wird, wobei die Schritte mit dem Antriebsmotor des Kompressors (210; 410) ausgeführt werden, der bei seiner minimalen Drehzahl arbeitet, – die Kälte, die durch das Kältespeichermittel aufgespeichert ist, rückzugewinnen, um das Kühlmittel, das durch das sekundäre Rohr (241; 441) während der Abkühlungsschritte der Prüfzyklen fließt, zu unterkühlen, wobei die Schritte mit dem Antriebsmotor des Kompressors (210; 410) ausgeführt werden, der im Hinblick auf eine Verringerung der Gesamtdauer der Prüfzyklen bei seiner maximalen Drehzahl arbeitet, und im Ergebnis – den Energieverbrauch beim Ausführen der spezifizierten Prüfzyklen zu verringern.
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, wobei der Kühlkreislauf (200) die Stufe mit einer höheren Temperatur einer zweistufigen Kaskaden-Kühleinheit bildet, in welcher der Verdampfer (205) die kalte Seite eines Wärmeaustauschers (150) bildet, der als seine warme Seite den Kondensor (105) eines zweiten Kühlkreislaufes (100) aufweist, welcher die Stufe niedrigerer Temperatur derselben Kühleinheit bildet, und wobei der Verdampfer (110) des zweiten Kühlkreislaufes (100) in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem mindestens einen Prüfhohlraum (10) steht.
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, wobei der Kompressor (210; 410) durch einen Elektromotor angetrieben wird, dessen Drehzahl mit Hilfe eines Inverters (30; 320) gesteuert oder geregelt wird.
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bereitstellung einer programmierbaren Steuer- oder Regeleinheit (25; 325).
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, wobei das Kältespeichermittel eine eutektische Flüssigkeit ist.
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, wobei das Kältespeichermittel eine wässrige Ethylen-Glycol-Lösung ist.
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, wobei die Kompressoren (120, 210; 410) durch Asynchronmotoren angetrieben werden.
Klimaprüfkammer nach Anspruch 1, wobei die Heizelemente (14; 314) vorzugsweise der elektrischen Bauart in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem mindestens einen Prüfhohlraum (10) eingebaut sind.
Verfahren zum Ausführen einer Folge von geplanten Prüfzyklen in einer Klimaprüfkammer, das die Schritte umfasst, mindestens einen Prüfhohlraum (10; 310) abzukühlen und ihn auf einer minimalen Einstelltemperatur zu halten, indem eine Kühleinheit verwendet wird, wobei die letztere mindestens einen Kühlkreislauf (200; 400) aufweist, durch den ein Kühlmittel hindurchfließt, und die auch einen Kompressor (210; 410) enthält, dessen Drehzahl zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schritte, in denen der Hohlraum (10; 310) auf der minimalen Einstelltemperatur gehalten wird, der Kompressor (210; 410) bei seiner minimalen Drehzahl arbeitet und die Kühlkapazität verwendet wird, ein Kältespeichermittel zu kühlen, wohingegen während der Abkühlungsschritte, in denen der Kompressor (210; 410) bei seiner maximalen Drehzahl arbeitet, die vom Kältespeichermittel gespeicherte Kälte rückgewonnen wird, um das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf (200; 400) zu unterkühlen.