EP3682175A1 - Verfahren und vorrichtung zur konditionierung von luft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur konditionierung von luft

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EP3682175A1
EP3682175A1 EP18765013.0A EP18765013A EP3682175A1 EP 3682175 A1 EP3682175 A1 EP 3682175A1 EP 18765013 A EP18765013 A EP 18765013A EP 3682175 A1 EP3682175 A1 EP 3682175A1
Authority
EP
European Patent Office
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refrigerant
heat exchanger
temperature
cooling circuit
test chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP18765013.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David BLAUFELDER
Bjoern STROH
Karim Werner
Yannik Zahrt
Volker Schlosser
Christian Haack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weiss Technik GmbH
Original Assignee
Weiss Umwelttechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Weiss Umwelttechnik GmbH filed Critical Weiss Umwelttechnik GmbH
Publication of EP3682175A1 publication Critical patent/EP3682175A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L1/00—Enclosures; Chambers
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L7/50—Cryostats
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    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F25B2400/04—Refrigeration circuit bypassing means
    • F25B2400/0401—Refrigeration circuit bypassing means for the compressor
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    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/21—Refrigerant outlet evaporator temperature

Definitions

  • the invention relates to a method for conditioning air in a closable against an environment and temperature-insulated test chamber of a test chamber for receiving test material and a test chamber, wherein by means of a cooling device of a tempering of the test chamber, with a cooling circuit with a refrigerant, a heat exchanger, a Compressor, a condenser and an expansion element, a temperature in a temperature range of at least -20 ° C to + 1 80 ° C is formed within the test chamber, by means of an internal heat exchanger of the cooling circuit connected to a high pressure side of the cooling circuit in a flow direction before Expansion organ and subsequently the
  • Such methods or test chambers are regularly used for checking physical and / or chemical properties of objects, in particular devices. So are Temperature test cabinets or climatic test cabinets known within which temperatures in a range of -50 ° C to + 1 80 ° C can be set. In climatic testing cabinets, additionally desired climatic conditions can be set, to which the device or the test material is then exposed for a defined period of time.
  • Such test chambers are regularly or partially designed as a mobile device, which is connected only with required supply lines to a building and includes all necessary for temperature control and air conditioning modules. A temperature of a test material to be tested receiving
  • the test room is regularly located in a recirculating air duct inside the test room.
  • the recirculating air channel forms an air treatment room in
  • Test chamber are arranged in the heat exchanger for heating or cooling of the recirculating air duct or the test chamber by flowing air.
  • a fan or a fan sucks in the air located in the test chamber and directs it in the circulating air channel to the respective heat exchangers.
  • the test material can be tempered or exposed to a defined temperature change. During a test interval, a temperature between a maximum temperature and a minimum temperature of the test chamber can then be changed repeatedly.
  • a test chamber is for example from the
  • an internal heat exchanger after a condenser and in front of an expansion element on a high-pressure side of the cooling circuit for cooling a liquefied refrigerant.
  • the internal heat exchanger can also be cooled via a bypass with another expansion valve.
  • the thus formed internal supplementary cooling of the cooling circuit is used regularly to improve efficiency or increase the performance of the cooling circuit. For example, at a constant evaporation temperature of the refrigerant on the expansion element, a suction pressure of the compressor or a Pressure difference between high and low pressure side can be reduced, whereby energy can be saved.
  • the refrigerant circulating in the cooling circuit must be such that it can be used in the cooling circuit within the aforementioned temperature difference.
  • a dew point temperature of the refrigerant may not be higher than a minimum temperature of the temperature range of the cooling circuit to be reached, otherwise the minimum temperature would not be achievable if the refrigerant in the heat exchanger, which serves to cool the test space, evaporates.
  • the dew point temperature of azeotropic refrigerants is reached immediately after the expansion element in the heat exchanger.
  • Especially cooling circuits for test rooms require a very high spatial temperature stability for precise temperature control of the test chamber, as is not or only with restrictions achievable with zeotropic refrigerants.
  • a high temperature stability is not achievable here, since the dew point temperature or a dew point of the zeotropic refrigerant can shift locally as a function of a temperature in the test room in the area of the heat exchanger in the test room due to temperature differences.
  • the use of zeotropic refrigerants or refrigerants with temperature glide in cooling circuits of test chambers is therefore avoided.
  • cooling devices are known in which a zeotropic refrigerant mixture is vaporized successively. This means that the refrigerant components are evaporated in succession via an expansion device.
  • Such cooling devices are also referred to as a mixture cascade system and are suitable for forming a substantially static low temperature, dynamic temperature changes are not formed.
  • the refrigerant must be such that it can be used in the cooling circuit within the aforementioned temperature difference.
  • the refrigerant must not be used for ozone depletion the atmosphere and does not contribute significantly to global warming.
  • essentially no fluorinated gases or chlorinated substances can be used as the refrigerant, which is why natural refrigerants or gases come into question.
  • the refrigerant should not be flammable in order not to complicate, inter alia, filling, shipping and operation of the test chamber due to safety regulations that may have to be complied with.
  • the production of a cooling circuit by the use of a combustible refrigerant due to the structural measures required by it becomes more expensive.
  • Flammability is understood here as the property of the refrigerant to react with ambient oxygen with the release of heat.
  • a refrigerant is particularly flammable if it falls into fire class C according to European standard EN2 or DIN 378 classes A2, A2L and A3.
  • a refrigerant should have a relatively low C0 2 equivalent, ie a relative global warming potential (GWP) should be as low as possible in order to avoid indirect damage to the environment caused by the refrigerant upon release.
  • the GWP indicates how much a given mass of a greenhouse gas contributes to global warming, with carbon dioxide as a benchmark. The value describes the average warming effect over a certain period of time, whereby 20 years are defined here for comparability.
  • IPCC Intergovernmental Panel on climate Change
  • Assessment Report Appendix 8.A, Table 8.A. 1 referenced.
  • a disadvantage of refrigerants with low GWP, for example, ⁇ 2500, is that these refrigerants in the temperature ranges relevant for a test chamber, a partially significantly reduced refrigeration capacity in the
  • a temperature control device of the test chamber is provided with a cooling circuit with a refrigerant, a heat exchanger, a compressor, a condenser and an expansion device, a temperature in a temperature range of at least -20 ° C to
  • the evaporation temperature of the refrigerant cooled by means of the internal heat exchanger is thus lowered at the expansion device relative to an evaporation temperature of an uncooled refrigerant.
  • the cooling capacity transmitted via the internal heat exchanger from the low-pressure side to the high-pressure side is thus used at least partially, preferably exclusively for lowering the evaporation temperature of the refrigerant on the expansion element.
  • the dew point temperature of the refrigerant obtained can be comparatively high and thus prevent further cooling of the heat exchanger.
  • the dew point temperature of the refrigerant obtained can be comparatively high and thus prevent further cooling of the heat exchanger.
  • only a portion of the refrigerant is evaporated in the heat exchanger and displaced the unusable portion of the wet steam portion of the refrigerant in the internal heat exchanger.
  • refrigerants with a mass fraction of C0 2 on the one hand are environmentally friendly but on the other hand have zeotropic properties, for the formation of low temperatures in one
  • a suction pressure of the refrigerant of the low pressure side can be kept constant.
  • Suction pressure then is not mandatory.
  • the compressor can then be operated with a constant power, regardless of an operating state of the cooling circuit.
  • piston pumps as compressors, it is essential that they are to achieve a long life over long periods of time and constant speed in use.
  • the refrigerant may evaporate on an evaporative path of the refrigeration cycle from the expansion device up to and including the internal heat exchanger at a constant suction pressure. At the constant suction pressure of the refrigerant, the refrigerant may then evaporate from the expansion device having a low evaporation temperature to the internal heat exchanger having a high evaporation temperature corresponding to the temperature glide of the refrigerant.
  • the dew point temperature resulting from the temperature glide can be above the temperature of the medium to be cooled or the air in the test chamber. As soon as an evaporation temperature of the refrigerant at the same suction pressure corresponds to the temperature of the air to be cooled in the test room, no further cooling of the air can be achieved.
  • the dew point temperature which is reached in the further heat exchanger is still below the liquid temperature of the refrigerant on the high pressure side of the internal heat exchanger, so that a liquid temperature of the refrigerant can be further reduced. Accordingly, an evaporation temperature can be lowered after the expansion device without a change in the suction pressure and thus a further cooling of the air can be achieved in the test room.
  • the suction pressure by a variation of an injected or be varied over the expansion device led amount of the refrigerant, if this should be required for power adjustment.
  • a first subset of the refrigerant conducted via the expansion element in the heat exchanger and a second subset of the refrigerant in the internal heat exchanger can be vaporized.
  • An evaporative path of the refrigeration cycle within which the refrigerant evaporates may extend from the expansion device to the internal heat exchanger.
  • the evaporation path can run through the internal heat exchanger, wherein preferably a dew point of the refrigerant can be located at an outlet of the internal heat exchanger in the flow direction in front of the compressor.
  • a ratio of the first subset to the second subset may change during operation of the cooling circuit as a function of a temperature in the test chamber or on the heat exchanger.
  • the lowering of the evaporation temperature of the refrigerant of the high pressure side can be self-regulating. Depending on the temperature at the heat exchanger can no longer evaporating refrigerant from this in
  • a temperature of> + 60 ° C to + 1 80 ° C can be reduced to a temperature of ⁇ -20 ° C within the test chamber.
  • the refrigerant is then strongly heated in the heat exchanger by the comparatively high temperature in the test room, which is why the cooling circuit with respect to its construction, at least on the low pressure side of the cooling circuit, can be technically adapted to a heated in this temperature range refrigerant.
  • Such a heated refrigerant is otherwise no longer optimally usable on the high pressure side of the cooling circuit. Nevertheless, with the refrigerant also a temperature of ⁇ -20 ° C can be formed in the test room.
  • a temperature in a temperature range of -57 ° C to + 1 80 ° C, preferably -80 ° C to + 1 80 ° C, more preferably - 100 ° C to + 1 80 ° C, within the Test room are formed.
  • the refrigerant with all the components contained in the refrigerant can be vaporized simultaneously via the expansion device. Since a freezing point of C0 2 is -56.6 ° C, refrigerant mixtures containing a large mass fraction of C0 2 , in principle, no longer suitable for achieving temperatures below -56, 6 ° C. Only through the Use of the internal heat exchanger and the cooling of the liquefied refrigerant on the high-pressure side can be achieved temperatures below -56.6 ° C with such refrigerants.
  • a refrigerant can be used which has a temperature glide of> 5 K, preferably> 10 K, particularly preferably> 20 K.
  • a temperature glide of the refrigerant should not be> 30 K, so that the cooling device can be operated properly.
  • the refrigerant can be absolutely vaporized at a suction pressure or evaporation pressure in a pressure range of 0.3 to 5 bar.
  • the use of the refrigerant within this pressure range allows a cost-effective design of the cooling circuit, since then no special, pressure-stable assemblies and components for forming the low pressure side of the cooling circuit are required.
  • the refrigerant may be a non-flammable refrigerant having a relative C0 2 equivalent, based on 20 years, of ⁇ 2500, preferably ⁇ 500, particularly preferably ⁇ 100. Consequently, the refrigerant can be little harmful to the environment. If the refrigerant is not flammable, it becomes possible to make the test chamber, and in particular the cooling circuit, less expensive since no special safety precautions are to be taken regarding the combustibility of the refrigerant. The refrigerant can then be assigned at least not the fire class C and / or the refrigerant safety group AI. In addition, shipping or transport of the test chamber is simplified because the test chamber are filled with the refrigerant before a transport, regardless of the mode of transport can.
  • a mixture of carbon dioxide from a mass fraction of carbon dioxide (C0 2 ) of 30 to 50 percent by mass and a mass fraction of at least one further component may be used, wherein the further component pentafluoroethane (C 2 HF 5 ) and / or difluoromethane (CH 2 F 2 ) be can.
  • Such a refrigerant mixture of carbon dioxide and one or more fluorinated refrigerants may have a low GWP and be not or only partially combustible. A proportion of carbon dioxide must be as low as possible, otherwise a freezing point of the refrigerant mixture increases with an increasing mass fraction of carbon dioxide.
  • a lower proportion by weight of carbon dioxide reduces a GWP-reducing effect of carbon dioxide.
  • partially fluorinated refrigerants have a significantly higher GWP than carbon dioxide, although they also have an improved fire-retardant effect.
  • pentafluoroethane and difluoromethane contain a significant amount of fluorine atoms, resulting in an undesirably high GWP.
  • a sufficiently low GWP ie for example ⁇ 150, can be achieved with a refrigerant mixture with a mass fraction of carbon dioxide of 30 to 40% by mass with pentafluoroethane and / or difluoromethane.
  • a fire retardant effect of pentafluoroethane is comparatively greater than that of carbon dioxide.
  • a refrigerant mixture with pentafluoroethane and difluoromethane is classified as nonflammable.
  • difluoromethane with carbon dioxide at a lower freezing temperature than with pentafluoroethane indicates difluoromethane with carbon dioxide at a lower freezing temperature than with pentafluoroethane. Consequently, a lower freezing temperature can be achieved with a mixture of pentafluoroethane, difluoromethane and carbon dioxide than with pentafluoroethane and carbon dioxide alone.
  • Difluoromethane thus significantly reduces the freezing point of the refrigerant mixture, whereby a certain mass fraction of carbon dioxide is required so that the refrigerant mixture is not flammable. At the same time, however, difluoromethane produces a high compression end temperature, which is why difluoromethane is only of limited suitability as sole mixing partner for carbon dioxide. Pentafluoroethane can not lower a freezing point of the refrigerant mixture as far as difluoromethane, but has a higher flame retardant effect compared to carbon dioxide, which is advantageous.
  • the cooling device is operated exclusively below the critical point of the refrigerant. If the cooling device is operated below the triple point of the refrigerant, reaching a supercritical state of the refrigerant can be excluded. So it is then not necessary to form the cooling device for operation in the supercritical state, whereby costs for the formation of the cooling device can be saved.
  • the test chamber according to the invention for the conditioning of air comprises a test space closable to an environment and temperature-insulated for receiving test material and a temperature control device for controlling the temperature of the test chamber, wherein by means of the temperature control device a temperature in a temperature range of at least -20 ° C to + 1 80 ° C can be formed within the test chamber, wherein the tempering a cooling device with a cooling circuit with a refrigerant, a heat exchanger, a compressor, a
  • the cooling circuit has an internal heat exchanger, wherein the internal heat exchanger is connected to a high pressure side of the cooling circuit in a flow direction in front of the expansion element and condenser, and in a low pressure side of the cooling circuit in a flow direction before the compressor and then the heat exchanger, wherein the refrigerant is a zeotropic refrigerant, wherein the refrigerant of the high pressure side of the refrigerant of the low pressure side at a constant suction pressure on the low pressure side by means of the internal heat exchanger is cooled.
  • the constant suction pressure can in particular be maintained during a lowering of the evaporation temperature of the refrigerant of the high pressure side by the internal heat exchanger. Accordingly, the cooling of the refrigerant of the high-pressure side via the internal heat exchanger and at least partially or even exclusively for lowering an evaporation temperature of the refrigerant on the expansion element can be used.
  • the suction pressure can also be set dynamically if a constant temperature over a longer period of time is to be formed in the test chamber. Even then, the internal heat exchanger primarily serves to lower the evaporation temperature of the refrigerant, regardless of the resulting from the temperature in the test chamber suction pressure.
  • a dew point temperature of the refrigerant may be higher than a minimum temperature of the temperature range. In the known from the prior art test chambers is then no longer the minimum temperature of the temperature range in the case of such a refrigerant
  • Test chamber can be formed, but a comparatively higher minimum temperature, which substantially corresponds to the dew point temperature of the refrigerant.
  • the test chamber according to the invention can, however, a
  • Refrigerants are used whose dew point temperature is higher than an achievable minimum temperature of the temperature range, since the liquefied refrigerant can be cooled on the high pressure side by means of the internal heat exchanger, so that a vaporization temperature of the refrigerant can be comparatively lower at the expansion device.
  • the heat exchanger can be designed dimensioned such that the refrigerant can evaporate only partially in the heat exchanger. This results in the advantage that the dew point or the location of the dew point temperature of the refrigerant out of the heat exchanger, can be moved into the internal heat exchanger.
  • the heat exchanger may be arranged in the test room. Also, the heat exchanger can then be arranged in an air treatment room of the test room, so that air circulated by a fan can come into contact with a heat exchanger. This makes it possible to directly cool a recirculated air volume of the test room by means of the cooling device via the heat exchanger in the test room.
  • the test chamber may then have the refrigeration cycle as a sole, single refrigeration cycle.
  • the cooling circuit is then connected directly to the test room.
  • the condenser can be designed as a cascade heat exchanger of a further cooling circuit of the cooling device.
  • the test chamber can then have at least two cooling circuits, wherein the cooling circuit can form a second stage of the cooling device and a further cooling circuit, which is then upstream of the cooling circuit, a first stage of the cooling device.
  • the capacitor then serves as a cascade heat meübertrager or heat exchanger for the cooling circuit. In this embodiment of a test chamber, it becomes possible to form particularly low temperatures in the test room.
  • the tempering device may have a heating device with a heater and a heating heat exchanger in the test chamber.
  • the heating device can be, for example, an electrical resistance heater which heats the heating heat exchanger, such that a temperature increase in the test space is made possible via the heating heat exchanger. If the heat exchanger and the heating / heat exchanger can be controlled in a targeted manner by means of a control device for cooling or heating the air circulated in the test, a temperature in the above-indicated temperature range can be formed within the test chamber by means of the temperature control device.
  • a time constant temperature of ⁇ 1 K preferably ⁇ 0.3 K to ⁇ 0.5 K or less ⁇ 0.3 K can be formed during a test interval in the test room regardless of the test material or a Millzu- state of the test.
  • a test interval is understood to be a time period of a complete test period in which the test material is exposed to a substantially constant temperature or climatic condition.
  • the heating and heat exchanger can be combined together with the heat exchanger of the cooling circuit such that a common heat exchanger body is formed, which can be flowed through by the refrigerant and the heating elements of an electrical resistance heater.
  • the condenser can be with one air cooling or water cooling or another
  • Coolant be formed.
  • the condenser can be cooled with any suitable fluid. It is essential that the heat load occurring at the condenser via the air cooling or water cooling is dissipated so that the refrigerant can condense so that it is completely liquefied.
  • a first bypass may be formed with at least one controllable second expansion element, wherein the first bypass may be connected in a flow direction in front of the internal heat exchanger and then the condenser to the cooling circuit, wherein the first bypass may be formed as a controllable internal supplementary cooling.
  • the first bypass may thus form a refrigerant back-injection device.
  • the first bypass can then be connected to the low-pressure side of the cooling circuit in a flow direction in front of the internal heat exchanger and subsequently the heat exchanger.
  • the cooled by the second expansion element or its temperature level lowered refrigerant can then be passed through the internal heat exchanger and a cooling of the refrigerant on the high pressure side of the internal
  • a second bypass may be formed with at least a third expansion element, wherein the second bypass bridges the expansion device downstream of the condenser and the internal heat exchanger, via the third expansion element, the refrigerant is metered so that a suction gas temperature and / or a suction gas pressure of the refrigerant can be controlled on the low pressure side of the cooling circuit upstream of the compressor.
  • gaseous refrigerant located upstream of the compressor via the second bypass can be cooled by metering in still liquid refrigerant by actuating the third expansion element.
  • An actuation of the third expansion element can be effected by a control device, which in turn with a pressure and / or temperature sensor in a cooling circuit before coupled to the compressor. It is particularly advantageous if an overheating of the suction gas from 2 K to 60 K based on a suction gas temperature can be set via the second bypass.
  • the refrigerant can be metered so that an operating period of the compressor is regulated.
  • a compressor life can be extended if it is used for longer periods of time.
  • a refrigerant can be conducted past the expansion device or the condenser in order, for example, to delay an automatic shutdown of the compressor and to extend a service life of the compressor.
  • a further bypass may be formed with at least one further expansion element, wherein the further bypass bridges the compressor downstream of the compressor and before the condenser, such that a suction gas temperature and / or a suction gas pressure of the refrigerant on the low pressure side of the cooling circuit before the compressor can be regulated, and / or that a pressure difference between the high-pressure side and a low-pressure side of the cooling circuit can be compensated.
  • the second bypass can additionally be equipped with an adjustable or controllable valve, for example a solenoid valve.
  • a cross-section of the further expansion element can be dimensioned such that an overflow of the refrigerant from the high-pressure side to the low-pressure side only insignificantly influences a normal operation of the cooling device. Nevertheless, it is possible hen that is located upstream of the compressor gaseous refrigerant is cooled by dosing of the liquid refrigerant via the further bypass.
  • the internal heat exchanger may be further configured as a subcooling section or a heat exchanger, in particular plate heat exchanger.
  • the subcooling path can already be formed by two adjoining line sections of the cooling circuit.
  • the expansion element may have a throttle element and a solenoid valve, wherein refrigerant can be metered via the throttle element and the solenoid valve.
  • the throttle body may be an adjustable valve or a capillary, via which then refrigerant is conducted by means of the solenoid valve.
  • the solenoid valve can in turn be actuated by means of a control device.
  • the temperature control device may also include a control device with at least one pressure sensor and / or at least one temperature sensor in the cooling circuit, wherein a solenoid valve can be actuated by means of the control device as a function of a measured temperature or a pressure.
  • the control device may comprise data processing means which process data sets of sensors and actuate the solenoid valves.
  • a regulation of a function of the cooling device can then also be adapted, for example via a corresponding computer program, to the refrigerant used.
  • the controller may signal a malfunction and, if necessary, cause a shutdown of the test chamber to protect the test chamber and the test material from damage by critical or undesirable operating conditions of the test chamber.
  • test chamber results from the feature descriptions of the subclaims dependent on method claim 1.
  • preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
  • Fig. 1 is a pressure-enthalpy diagram for a refrigerant
  • Fig. 2 is a schematic representation of a first embodiment of a cooling device
  • Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of a cooling device
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a third embodiment of a cooling device
  • Fig. 5 is a schematic representation of a fourth embodiment of a cooling device
  • Fig. 6 is a schematic representation of a fifth embodiment of a cooling device.
  • the cooling device 1 0 comprises a cooling circuit 1 1 with a refrigerant, a heat exchanger 12, a compressor 13 and a condenser 14 and an expansion element 15.
  • the condenser 14 is here cooled by a further cooling circuit 1 6.
  • the heat exchanger 12 is arranged in a test chamber of the test chamber, not shown here.
  • the cooling circuit 1 1 a high-pressure side 17 and a low-pressure side 1 8, to which an internal heat exchanger 19 is connected.
  • Fig. 1 shows a pressure-enthalpy diagram (log p / h diagram) for the circulating in the cooling circuit 1 1 refrigerant, which is a zeotropic refrigerant.
  • the refrigerant is sucked in front of the compressor 13 and compressed, so that a pressure corresponding to the position B in the flow direction after the compressor 13 is achieved.
  • the refrigerant is compressed by means of the compressor 13 and subsequently liquefied according to the position C in the condenser 14.
  • the refrigerant passes through the internal heat exchanger 19 on the high-pressure side 17 and is further cooled in this, so that the position C in the flow direction in front of the expansion element 15 is achieved.
  • the portion of the wet steam region (positions E to E ') which can not be used in the heat exchanger 12 can be used to further reduce a temperature of the refrigerant (positions C to C).
  • the expansion member 15 is carried out a relaxation of the refrigerant (positions C to D ') and a partial liquefaction in the heat exchanger 12 (positions D' to E).
  • the wet steam of the refrigerant enters the internal heat exchanger 19 on the low pressure side 1 8, wherein here a re-evaporation of the refrigerant to the dew point temperature or the dew point of the refrigerant at the position E 'takes place.
  • a first section 20 of an evaporation section 22 of the refrigerant therefore passes through the heat exchanger 12, with a second section 21 of the evaporation section 22 passing through the internal heat exchanger 19. It is essential here that a suction pressure of the compressor 13 on the low-pressure side 18 is kept constant on the evaporation path 22 even with a change in the evaporation temperature at the expansion element 15.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a simplest embodiment of a cooling device 23, wherein the cooling device 23 is designed to be self-regulating.
  • the cooling device comprises a cooling circuit 24 with a heat exchanger 25, a compressor 26, a condenser 27, an expansion element 28 and an internal heat exchanger 29.
  • a temperature at the heat exchanger 25 escapes not completely evaporated refrigerant from the heat transfer. 25 since the temperature at the heat exchanger 25 or in a test chamber, not shown here, is no longer sufficient to produce a phase change. In this case, liquid refrigerant in the internal heat exchanger 29 is re-evaporated, since a temperature difference must always be greater than at the heat exchanger 25.
  • FIG. 4 shows a cooling device 30 which, in contrast to the cooling device from FIG. 3, has a first bypass 3 1 and a second bypass 32.
  • a controllable second expansion element 33 is arranged, wherein the first bypass 3 1 is designed as an internal supplementary cooling 34.
  • the first bypass 3 1 is connected directly downstream of the condenser 27 in front of the internal heat exchanger 29 and in the flow direction to the heat exchanger 25 and in front of the internal heat exchanger 29 to the cooling circuit 24.
  • the first bypass 3 1 thus bridges the expansion element 28 with the heat exchanger 25, it being possible for the refrigerant to be supplied to the internal heat exchanger 29 via the second expansion element 33.
  • a suction gas mass flow, which is conducted into the internal heat exchanger 29, can be additionally cooled by means of the first bypass 3 1 at high suction gas temperatures, which can arise through the heat exchanger 25.
  • the second bypass 32 has a third expansion element 35 and is downstream of the condenser 27 and in front of the internal heat exchanger 29 and subsequently the internal heat exchanger 29 and before the compressor 26 to the cooling circuit 24th connected. This makes it possible to reduce a suction gas mass flow upstream of the compressor 26 via the second bypass 32 so far that impermissibly high compression end temperatures are avoided.
  • FIG. 5 shows a cooling device 36 which, in contrast to the cooling device from FIG. 4, has a further cooling circuit 37.
  • the further cooling circuit 37 serves to cool a condenser 38 of a cooling circuit 39.
  • the condenser 38 is designed here as a cascade heat exchanger 40.
  • the cooling circuit 39 has yet another bypass 41 with a further expansion element 42.
  • the further bypass 41 is connected in the flow direction of the cooling circuit 39 following the compressor 26 and before the condenser 38 and subsequently the internal heat exchanger 29 and before the compressor 26 to the cooling circuit 39.
  • Fig. 6 shows a cooling device 30 with a cooling circuit 44 and another cooling circuit 45 and in particular an internal heat exchanger 46 in the cooling circuit 44.
  • a heat exchanger 47 is arranged here in a non-illustrated, temperature-insulated test chamber of a test chamber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von Luft in einem gegenüber einer Umgebung verschließbaren und temperaturisolierten Prüfraum einer Prüfkammer zur Aufnahme von Prüfgut sowie eine Prüfkammer, wobei mittels einer Kühleinrichtung (10) einer Temperiervorrichtung der Prüfkammer, mit einem Kühlkreislauf (11) mit einem Kältemittel, einem Wärmeübertrager (12), einem Verdichter (13), einem Kondensator (14) und einem Expansionsorgan (15), eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -20 °C bis + 180 °C innerhalb des Prüfraums ausgebildet wird, wobei mittels eines internen Wärmeübertragers (19) des Kühlkreislaufs, angeschlossen an einer Hochdruckseite (17) des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan und nachfolgend dem Kondensator, und an einer Niederdruckseite (18) des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Verdichter und nachfolgend dem Wärmeübertrager, das Kältemittel der Hochdruckseite gekühlt wird, wobei als Kältemittel ein zeotropes Kältemittel verwendet wird, wobei die Kühlung des Kältemittels der Hochdruckseite mittels des internen Wärmeübertragers zur Absenkung einer Verdampfungstemperatur am Expansionsorgan verwendet wird.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR KONDITIONIERUNG VON LUFT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von Luft in einem gegenüber einer Umgebung verschließbaren und temperaturisolierten Prüfraum einer Prüfkammer zur Aufnahme von Prüfgut sowie eine Prüfkammer, wobei mittels einer Kühleinrichtung einer Temperiervorrichtung der Prüfkammer, mit einem Kühlkreislauf mit einem Kältemit- tel, einem Wärmeübertrager, einem Verdichter, einem Kondensator und einem Expansionsorgan, eine Temperatur in einem Temperaturbereich von zumindest -20°C bis + 1 80°C innerhalb des Prüfraums ausgebildet wird, wobei mittels eines internen Wärmeübertragers des Kühlkreislaufs, angeschlossen an einer Hochdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan und nachfolgend dem
Kondensator, und an einer Niederdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Verdichter und nach dem Wärmeübertrager, das Kältemittel der Hochdruckseite gekühlt wird.
Derartige Verfahren beziehungsweise Prüfkammern werden regelmäßig zur Überprüfung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Gegenständen, insbesondere Vorrichtungen eingesetzt. So sind Temperaturprüfschränke oder Klimaprüfschränke bekannt, innerhalb derer Temperaturen in einem Bereich von -50° C bis + 1 80°C eingestellt werden können. Bei Klimaprüfschränken können ergänzend gewünschte Klimabedingungen eingestellt werden, denen dann die Vorrichtung beziehungsweise das Prüfgut über einen definierten Zeitraum ausgesetzt wird. Derartige Prüfkammern sind regelmäßig beziehungsweise teilweise als ein mobiles Gerät ausgebildet, welches lediglich mit erforderlichen Versorgungsleitungen mit einem Gebäude verbunden ist und alle zur Temperierung und Klimatisierung erforderlichen Baugruppen umfasst. Eine Temperierung eines das zu prüfende Prüfgut aufnehmenden
Prüfraums erfolgt regelmäßig in einem Umluftkanal innerhalb des Prüfraums. Der Umluftkanal bildet einen Luftbehandlungsraum im
Prüfraum aus, in dem Wärmetauscher zur Erwärmung oder Kühlung der den Umluftkanal beziehungsweise den Prüfraum durchströmenden Luft angeordnet sind. Dabei saugt ein Lüfter beziehungsweise ein Ventilator die im Prüfraum befindliche Luft an und leitet sie im Umluftkanal zu den j eweiligen Wärmetauschern. Das Prüfgut kann so temperiert oder auch einem definierten Temperaturwechsel ausgesetzt werden. Während eines Prüfintervalls kann dann eine Temperatur zwischen einem Temperatur- maximum und einem Temperaturminimum der Prüfkammer wiederholt wechseln. Eine derartige Prüfkammer ist beispielsweise aus der
EP 0 344 397 A2 bekannt.
Weiter ist es ebenfalls bekannt, einen internen Wärmeübertrager nach einem Kondensator und vor einem Expansionsorgan an einer Hochdruck- seite des Kühlkreislaufs zur Kühlung eines verflüssigten Kältemittels anzuschließen. Der interne Wärmeübertrager kann auch über einen Bypass mit einem weiteren Expansionsventil gekühlt werden. Die so ausgebildete interne Ergänzungskühlung des Kühlkreislaufs dient regelmäßig einer Verbesserung eines Wirkungsgrades beziehungsweise einer Leistungssteigerung des Kühlkreislaufs . Beispielsweise kann dann bei einer gleichbleibenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels am Expansionsorgan ein Saugdruck des Verdichters beziehungsweise eine Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite vermindert werden, wodurch Energie eingespart werden kann.
Das im Kühlkreislauf zirkulierende Kältemittel muss dabei so beschaffen sein, dass es im Kühlkreis innerhalb der vorgenannten Temperaturdiffe- renz verwendbar ist. Insbesondere kann eine Taupunkttemperatur des Kältemittels nicht höher sein als eine minimale Temperatur des zu erreichenden Temperaturbereiches des Kühlkreislaufs, da sonst bei einem Verdampfen des Kältemittels in dem Wärmeübertrager, der zur Kühlung des Prüfraums dient, die minimale Temperatur nicht erreichbar wäre . Die Taupunkttemperatur von azeotropischen Kältemitteln wird unmittelbar nach dem Expansionsorgan in dem Wärmeübertrager erreicht. Gerade Kühlkreisläufe für Prüfräume erfordern zur präzisen Temperierung der Prüfkammer eine sehr hohe räumliche Temperaturkonstanz, wie sie mit zeotropischen Kältemitteln nicht oder nur mit Einschränkungen erzielbar ist. Eine hohe Temperaturkonstanz ist hier nicht erzielbar, da sich die Taupunkttemperatur beziehungsweise ein Taupunkt des zeotropischen Kältemittels in Abhängigkeit einer Temperatur im Prüfraum im Bereich des Wärmetauschers im Prüfraum durch Temperaturdifferenzen örtlich verschieben kann. Eine Verwendung zeotropischer Kältemittel bezie- hungsweise von Kältemitteln mit Temperaturglide in Kühlkreisläufen von Prüfkammern wird daher vermieden.
Weiter sind Kühleinrichtungen bekannt, bei denen ein zeotropes Kältemittelgemisch sukzessive verdampft wird. Das heißt Stoffkomponenten des Kältemittels werden nacheinander über ein Expansionsorgan ver- dampft. Derartige Kühleinrichtungen werden auch als Gemischkaskadenanlage bezeichnet und sind zur Ausbildung einer im Wesentlichen statischen Tieftemperatur geeignet, dynamische Temperaturwechsel sind nicht ausbildbar.
Auch muss das Kältemittel so beschaffen sein, dass es im Kühlkreislauf innerhalb der vorgenannten Temperaturdifferenz verwendbar ist. Infolge gesetzlicher Bestimmungen darf das Kältemittel nicht zum Ozonabbau in der Atmosphäre und nicht wesentlich zur globalen Erwärmung beitragen. So können im Wesentlichen keine fluorierten Gase oder chlorierten Stoffe als Kältemittel eingesetzt werden, weshalb natürliche Kältemittel beziehungsweise Gase in Frage kommen. Darüber hinaus sollte das Kälte- mittel nicht brennbar sein, um unter anderem eine Befüllung, einen Versand und einen Betrieb der Prüfkammer nicht aufgrund eventuell einzuhaltender Sicherheitsvorschriften zu erschweren. Auch verteuert sich die Herstellung eines Kühlkreislaufs durch die Verwendung eines brennbaren Kältemittels infolge der dadurch erforderlichen konstruktiven Maßnahmen. Unter Brennbarkeit wird hier die Eigenschaft des Kältemittels verstanden, mit Umgebungssauerstoff unter Freisetzung von Wärme zu reagieren. Ein Kältemittel ist insbesondere dann brennbar, wenn es in die Brandklasse C nach der europäischen Norm EN2 beziehungsweise der DIN 378 Klassen A2, A2L und A3 fällt. Darüber hinaus sollte ein Kältemittel ein relativ geringes C02-Äquiva- lent aufweisen, das heißt ein relatives Treibhauspotential oder auch Global Warming Potential (GWP) sollte möglichst gering sein, um eine indirekte Schädigung der Umwelt durch das Kältemittel bei Freisetzung zu vermeiden. Das GWP gibt an, wieviel eine festgelegte Masse eines Treibhausgases zur globalen Erwärmung beiträgt, wobei als Vergleichswert Kohlendioxid dient. Der Wert beschreibt die mittlere Erwärmungswirkung über einen bestimmten Zeitraum, wobei hier zur Vergleichbarkeit 20 Jahre festgelegt werden. Zur Definition des relativen C02-Äqui- valents beziehungsweise GWPs wird auf den fünften Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Assessment Report, Appendix 8.A, Table 8.A. 1 verwiesen.
Nachteilig bei Kältemitteln mit geringem GWP, beispielsweise < 2500, ist, dass diese Kältemittel in den für eine Prüfkammer relevanten Temperaturbereichen eine teilweise deutlich verringerte Kälteleistung im
Vergleich zu Kältemitteln mit vergleichsweise größerem GWP aufweisen. Mit Kältemittelgemischen, die einen vergleichsweise hohen Masse- anteil an Kohlendioxid aufweisen, kann ein niedriger GWP erzielt werden, wobei diese Kältemittelgemische aufgrund der unterschiedlichen, miteinander gemischten Stoffe zeotrope Eigenschaften aufweisen können, was wiederum bei Prüfkammern unerwünscht ist. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Konditionierung von Luft in einem Prüfraum einer Prüfkammer sowie eine Prüfkammer vorzuschlagen, mit dem beziehungsweise der Temperaturen bis mindestens -20°C bei hoher Temperaturkonstanz mit einem umweltfreundlichen Kältemittel erzielbar sind. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Prüfkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konditionierung von Luft in einem gegenüber einer Umgebung verschließbaren und temperaturisolier- ten Prüfraum einer Prüfkammer zur Aufnahme von Prüfgut wird mittels einer Kühleinrichtung einer Temperiervorrichtung der Prüfkammer, mit einem Kühlkreislauf mit einem Kältemittel, einem Wärmeübertrager, einem Verdichter, einem Kondensator und einem Expansionsorgan, eine Temperatur in einem Temperaturbereich von zumindest -20° C bis
+ 1 80° C innerhalb des Prüfraums ausgebildet, wobei mittels eines internen Wärmeübertragers des Kühlkreislaufs, angeschlossen an einer Hochdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan und nachfolgend dem Kondensator, und an einer Niederdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Verdichter und nachfolgend dem Wärmeübertrager, das Kältemittel der Hochdruckseite gekühlt wird, wobei als Kältemittel ein zeotropes Kältemittel verwendet wird, wobei die Kühlung des Kältemittels der Hochdruckseite mittels des internen Wärmeübertragers zur Absenkung einer Verdampfungstemperatur am Expansionsorgan verwendet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Verdampfungstemperatur des mittels des internen Wärmeübertragers gekühlten Kältemittels am Expansionsorgan relativ zu einer Verdampfungstemperatur eines ungekühlten Kältemittels abgesenkt. Die über den internen Wärme- tauscher von der Niederdruckseite auf die Hochdruckseite übertragene Kälteleistung wird somit zumindest teilweise, bevorzugt ausschließlich zur Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels am Expansionsorgan genutzt. Weiter wird es auch möglich, ein zeotropes Kältemittel mit einem Temperaturglide zu verwenden, da dann der Ort der Taupunkttemperatur des Kältemittels beziehungsweise der Taupunkt des Kältemittels in den internen Wärmeübertrager verschoben werden kann. Infolge des Temperaturglides des zeotropen Kältemittels kann die erzielte Taupunkttemperatur des Kältemittels vergleichsweise hoch sein und so eine weitergehende Abkühlung des Wärmeübertragers verhindern. Bei der Erfindung wird daher nur ein Teil des Kältemittels in dem Wärmeübertrager verdampft und der nicht nutzbare Teil des Nassdampfanteils des Kältemittels in den internen Wärmeübertrager verlagert. Insgesamt wird es so möglich, auch Kältemittel mit einem Masseanteil an C02, die einerseits umweltfreundlich sind aber andererseits zeotrope Eigenschaf- ten aufweisen, zur Ausbildung niedriger Temperaturen in einem
Prüfraum zu verwenden. Dadurch, dass ein Teil des Temperaturglides beziehungsweise ein Teil des Nassdampfes des Kältemittels von dem Wärmeübertrager im Prüfraum in den internen Wärmeübertrager verlagert wird, wird es darüber hinaus möglich, mit dem zeotropen Kältemit- tel eine vergleichsweise verbesserte Temperaturkonstanz zu erzielen. Eine über den Wärmeübertrager abgegebene Kälteleistung wird nur innerhalb eines Abschnitts des Temperaturglides erzeugt, so dass eine Verschiebung des Taupunktes des Kältemittels im Kühlkreislauf kaum eine Temperaturkonstanz des Wärmeübertragers beeinflussen kann.
Weiter ist für die Erfindung wesentlich, dass hier lediglich ein einziger Wärmetauscher zur Kühlung eines Mediums, hier der Luft im Prüfraum, vorgesehen ist. Während der Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels der Hochdruckseite kann ein Saugdruck des Kältemittels der Niederdruckseite konstant gehalten werden. Ein größerer anlagentechnischer Aufwand, beispielsweise eine ergänzende Regelung des Saugdrucks, wie auch über eine Regelung des Expansionsorgans in Abhängigkeit des
Saugdrucks, ist dann nicht zwingend erforderlich. Insbesondere kann der Verdichter dann auch mit einer konstanten Leistung, unabhängig von einem Betriebszustand des Kühlkreislaufs, betrieben werden. Gerade bei einer Verwendung von Kolbenpumpen als Verdichter ist es wesentlich, dass diese zur Erzielung einer langen Lebensdauer über lange Zeiträume und konstanter Drehzahl im Einsatz sind.
Das Kältemittel kann auf einer Verdampfungsstrecke des Kühlkreislaufs von dem Expansionsorgan bis einschließlich dem internen Wärmeübertrager bei einem konstanten Saugdruck verdampfen. Bei dem konstanten Saugdruck beziehungsweise Verdampfungsdruck des Kältemittels kann dann das Kältemittel von dem Expansionsorgan mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur bis hin zu dem internen Wärmeübertrager mit einer hohen Verdampfungstemperatur entsprechend dem Temperaturglide des Kältemittels verdampfen. Die durch den Temperaturglide sich erge- bende Taupunkttemperatur kann dabei über der Temperatur des zu kühlenden Mediums beziehungsweise der Luft in dem Prüfraum liegen. Sobald eine Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei gleichem Saugdruck der Temperatur der zu kühlenden Luft in dem Prüfraum entspricht, kann keine weitere Abkühlung der Luft erzielt werden. Die Taupunkttemperatur, die im weiteren Wärmetauscher erreicht wird, liegt j edoch noch unter der Flüssigkeitstemperatur des Kältemittels auf der Hochdruckseite des internen Wärmeübertragers, so dass eine Flüssigkeitstemperatur des Kältemittels weiter reduziert werden kann. Demnach kann eine Verdampfungstemperatur nach dem Expansionsorgan ohne eine Veränderung des Saugdrucks abgesenkt und damit eine weitergehende Kühlung der Luft in dem Prüfraum erzielt werden. Prinzipiell kann der Saugdruck durch eine Variation einer eingespritzten beziehungsweise über das Expansionsorgan geleiteten Menge des Kältemittels variiert werden, wenn dies zur Leistungsanpassung erforderlich sein sollte .
So kann eine erste Teilmenge des über das Expansionsorgan geleiteten Kältemittels in dem Wärmeübertrager und eine zweite Teilmenge des Kältemittels in dem internen Wärmeübertrager verdampft werden. Eine Verdampfungsstrecke des Kühlkreislaufs, innerhalb dem das Kältemittel verdampft, kann sich von dem Expansionsorgan bis hin zu dem internen Wärmeübertrager erstrecken. Dabei kann die Verdampfungsstrecke durch den internen Wärmeübertrager verlaufen, wobei vorzugsweise ein Tau- punkt des Kältemittels an einem Ausgang des internen Wärmeübertragers in Strömungsrichtung vor dem Verdichter liegen kann. Ein Verhältnis der ersten Teilmenge zu der zweiten Teilmenge kann sich während eines Betriebs des Kühlkreislaufs in Abhängigkeit einer Temperatur in dem Prüfraum beziehungsweise an dem Wärmeübertrager verändern. Bei- spielsweise kann sich bei einer vergleichsweise großen Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wärmeübertragers und einer Temperatur im Prüfraum eine beschleunigte Erwärmung des Kältemittels im Wärmeübertrager ergeben, die zu einer Verschiebung des Taupunkts des Kältemittels bis hin zu einem Eingang des internen Wärmeübertragers oder Ausgang des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung vor dem Verdichter führt. Eine derartige Verschiebung des Taupunktes kann toleriert werden, so lange noch keine vergleichsweise niedrige Temperatur beziehungsweise Soll-Temperatur im Prüfraum ausgebildet ist.
Nähert sich die Temperatur des Wärmetauschers der Temperatur im Prüfraum an, erfolgt eine Verschiebung des Taupunktes und damit eine Vergrößerung der zweiten Teilmenge relativ zur ersten Teilmenge des Kältemittels .
Die Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels der Hochdruckseite kann selbstregelnd erfolgen. Je nach Temperatur am Wärme- Übertrager kann nicht mehr verdampfendes Kältemittel aus diesem in
Strömungsrichtung ausgeleitet werden, da in diesem Fall die Temperatur am Wärmeübertrager nicht mehr ausreicht um einen Phasenwechsel des Kältemittels zu erzeugen. So wird Nassdampf beziehungsweise flüssiges Kältemittel im internen Wärmeübertrager nachverdampft, da hier ein Temperaturunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Nieder- druckseite immer größer als am Wärmeübertrager sein kann. Wenn mittels des internen Wärmeübertragers eine Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Expansionsorgan durch den Wärmeaustausch am internen Wärmeübertrager reduziert wird, erhöht sich die Energiedichte des Kältemittels vor dem Expansionsorgan und die damit erzielbare Temperaturdifferenz am Wärmeübertrager. Eine Regelung des Zusammenspiels von Expansionsorgan, Wärmeübertrager und internem Wärmeübertrager ist prinzipiell nicht erforderlich.
Mittels der Temperiervorrichtung kann eine Temperatur von > +60°C bis + 1 80° C auf eine Temperatur von < -20° C innerhalb des Prüfraums reduziert werden. Das Kältemittel wird dann im Wärmeübertrager durch die vergleichsweise hohe Temperatur im Prüfraum stark erwärmt, weshalb der Kühlkreislauf hinsichtlich seiner Konstruktion zumindest auf der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs, an ein in diesem Temperaturbereich erwärmtes Kältemittel technisch angepasst sein kann. Ein derart erwärmtes Kältemittel ist sonst nicht mehr auf der Hochdruckseite des Kühlkreislaufs optimal nutzbar. Gleichwohl kann mit dem Kältemittel auch eine Temperatur von < -20°C in dem Prüfraum ausgebildet werden.
Mittels der Temperiervorrichtung kann eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -57°C bis + 1 80°C, bevorzugt -80°C bis + 1 80°C, beson- ders bevorzugt - 100°C bis + 1 80°C , innerhalb des Prüfraums ausgebildet werden. Im Gegensatz zu einer Gemischkaskadenanlage kann hier das Kältemittel mit allen im Kältemittel enthaltenen Stoffkomponenten gleichzeitig über das Expansionsorgan verdampft werden. Da ein Gefrierpunkt des C02 bei -56,6 °C liegt, sind Kältemittelgemische, die einen großen Masseanteil an C02 enthalten, prinzipiell nicht mehr zur Erzielung von Temperaturen unter -56 ,6 °C geeignet. Erst durch den Einsatz des internen Wärmetauschers und die damit durchgeführte Kühlung des verflüssigten Kältemittels der Hochdruckseite können Temperaturen unter -56,6 °C mit derartigen Kältemitteln erreicht werden.
Weiter kann ein Kältemittel verwendet werden, welches einen Tempera- turglide von > 5 K, bevorzugt > 10 K, besonders bevorzugt > 20 K aufweist. Ein Temperaturglide des Kältemittels sollte dabei nicht > 30 K sein, damit die Kühleinrichtung sinnvoll betrieben werden kann.
Das Kältemittel kann bei einem Saugdruck beziehungsweise Verdampfungsdruck in einem Druckbereich von 0,3 bis 5 bar absolut verdampft werden. Der Einsatz des Kältemittels innerhalb dieses Druckbereichs ermöglicht eine kostengünstige Ausbildung des Kühlkreislaufs, da dann keine besonderen, druckstabilen Baugruppen und Komponenten zur Ausbildung der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs erforderlich sind.
Auch kann das Kältemittel bei einem Kondensationsdruck in einem
Druckbereich von 5 bis 35 bar absolut kondensiert werden. Auch hier kann die Hochdruckseite dann mit Baugruppen und Komponenten ausgebildet werden, die nicht an vergleichsweise höhere Drücke angepasst sein müssen.
Das Kältemittel kann ein nicht brennbares Kältemittel mit einem relati- ven C02-Äquivalent, bezogen auf 20 Jahre, von < 2500, bevorzugt < 500, besonders bevorzugt < 100, verwendet werden. Folglich kann das Kältemittel wenig umweltschädigend sein. Wenn das Kältemittel nicht brennbar ist, wird es möglich, die Prüfkammer und insbesondere den Kühlkreislauf kostengünstiger auszubilden, da keine besonderen Sicherheits- Vorkehrungen hinsichtlich Brennbarkeit des Kältemittels zu beachten sind. Das Kältemittel kann dann zumindest nicht der Brandklasse C und/oder der Kältemittelsicherheitsgruppe A I zugeordnet werden. Darüber hinaus wird ein Versand beziehungsweise ein Transport der Prüfkammer vereinfacht, da die Prüfkammer bereits vor einem Transport, unabhängig von der Transportart mit dem Kältemittel befüllt werden kann. Bei brennbarem Kältemittel ist gegebenenfalls erst eine Befüllung im Rahmen einer Inbetriebnahme am Aufstellort möglich. Weiter ist eine Verwendung des nicht brennbaren Kältemittels bei im Prüfraum vorhandenen Zündquellen möglich. Sensoren zur Detektion einer entzündbaren Atmosphäre im Bereich des Wärmeübertragers im Prüfraum sind dann nicht erforderlich.
Als Kältemittel kann ein Kältemittelgemisch aus einem Masseanteil Kohlendioxid (C02) von 30 bis 50 Masseprozent und einem Masseanteil mindestens einer weiteren Komponente verwendet werden, wobei die weitere Komponente Pentafluorethan (C2HF5) und/oder Difluormethan (CH2F2) sein kann. Ein derartiges Kältemittelgemisch aus Kohlendioxid und einem bzw. mehreren fluorierten Kältemitteln kann einen geringen GWP aufweisen und nicht oder nur eingeschränkt brennbar sein. Ein Anteil an Kohlendioxid muss dabei möglichst gering sein, da sonst ein Gefrierpunkt des Kältemittelgemisches mit einem steigenden Masseanteil von Kohlendioxid zunimmt. Ein geringerer Masseanteil an Kohlendioxid mindert j edoch eine das GWP reduzierende Wirkung des Kohlendioxids. So weisen teilfluorierte Kältemittel einen deutlich höheren GWP als Kohlendioxid auf, wobei diese j edoch auch eine verbesserte brandhem- mende Wirkung haben. Insbesondere Pentafluorethan und Difluormethan enthalten eine erhebliche Menge an Fluoratomen, was zu einem unerwünscht hohen GWP führt. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann j edoch mit einem Kältemittelgemisch mit einem Masseanteil Kohlendioxid von 30 bis 40 Masseprozent mit Pentafluorethan und/oder Difluormethan ein ausreichend niedriger GWP, d.h. beispielsweise < 150 erzielt werden. Wie sich ebenfalls herausgestellt hat ist eine brandhemmende Wirkung von Pentafluorethan vergleichsweise größer als die von Kohlendioxid. Durch ein Hinzufügen von Difluormethan als dritte
Komponente des Kältemittelgemisches können die negativen Eigenschaf- ten des Pentafluorethans und des Kohlendioxids darüber hinaus reduziert werden. So ist ein Kältemittelgemisch mit Pentafluorethan und Difluormethan als nicht brennbar einzustufen. Gleichzeitig weist Difluormethan mit Kohlendioxid eine tiefere Gefriertemperatur auf als mit Pentafluo- rethan. Folglich kann mit einem Gemisch aus Pentafluorethan, Difluor- methan und Kohlendioxid eine geringere Gefriertemperatur als mit Pentafluorethan und Kohlendioxid alleine erreicht werden. Difluormethan senkt damit den Gefrierpunkt des Kältemittelgemisches signifikant ab, wobei ein bestimmter Masseanteil an Kohlendioxid erforderlich ist, damit das Kältemittelgemisch nicht brennbar ist. Gleichzeitig erzeugt Difluormethan j edoch eine hohe Verdichtungsendtemperatur, weshalb Difluormethan als alleiniger Mischungspartner für Kohlendioxid nur eingeschränkt geeignet ist. Pentafluorethan kann einen Gefrierpunkt des Kältemittelgemisches nicht so weit absenken wie Difluormethan, hat aber eine im Vergleich zu Kohlendioxid höhere flammhemmende Wirkung, was vorteilhaft ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühleinrichtung ausschließlich unterhalb des kritischen Punktes des Kältemittels betrieben wird. Wenn die Kühleinrichtung unterhalb des Tripelpunktes des Kältemittels betrieben wird, kann ein Erreichen eines überkritischen Zustands des Kältemittels ausgeschlossen werden. So ist es dann auch nicht erforderlich, die Kühleinrichtung für einen Betrieb im überkritischen Zustand auszubilden, wodurch Kosten zur Ausbildung der Kühleinrichtung eingespart werden können.
Die erfindungsgemäße Prüfkammer zur Konditionierung von Luft um- fasst einen gegenüber einer Umgebung verschließbaren und temperaturi- solierten Prüfraum zur Aufnahme von Prüfgut und eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Prüfraums, wobei mittels der Temperiervorrichtung eine Temperatur in einem Temperaturbereich von zumindest -20 ° C bis + 1 80 °C innerhalb des Prüfraums ausbildbar ist, wobei die Temperiervorrichtung eine Kühleinrichtung mit einem Kühlkreislauf mit einem Kältemittel, einem Wärmeübertrager, einem Verdichter, einem
Kondensator und einem Expansionsorgan aufweist, wobei der Kühlkreis- lauf einen internen Wärmeübertrager aufweist, wobei der interne Wärmenübertrager an einer Hochdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan und nachfolgend dem Kondensator, und in einer Niederdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strö- mungsrichtung vor dem Verdichter und nachfolgend dem Wärmeübertrager angeschlossen ist, wobei das Kältemittel ein zeotropes Kältemittel ist, wobei das Kältemittel der Hochdruckseite von dem Kältemittel der Niederdruckseite bei einem konstanten Saugdruck auf der Niederdruckseite mittels des internen Wärmeübertragers kühlbar ist. Zu den Vortei- len der erfindungsgemäßen Prüfkammer wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Der konstante Saugdruck kann insbesondere auch während einer Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels der Hochdruckseite durch den internen Wärmeübertrager aufrechterhalten werden. Demnach ist die Kühlung des Kältemittels der Hochdruckseite über den internen Wärmeübertrager auch zumindest teilweise oder auch ausschließlich zur Absenkung einer Verdampfungstemperatur des Kältemittels am Expansionsorgan nutzbar. Prinzipiell kann der Saugdruck auch dynamisch eingestellt werden, wenn eine über einen längeren Zeitabschnitt konstan- te Temperatur im Prüfraum ausgebildet werden soll. Auch dann dient der interne Wärmeübertrager primär zur Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels unabhängig von dem sich aus der Temperatur im Prüfraum ergebenden Saugdruck.
Eine Taupunkttemperatur des Kältemittels kann höher sein als eine Minimaltemperatur des Temperaturbereichs. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Prüfkammern ist dann mit einem derartigen Kältemittel nicht mehr die Minimaltemperatur des Temperaturbereichs im
Prüfraum ausbildbar, sondern eine vergleichsweise höhere Minimaltemperatur, die im wesentlichen der Taupunkttemperatur des Kältemittels entspricht. Bei der erfindungsgemäßen Prüfkammer kann j edoch ein
Kältemittel verwendet werden, dessen Taupunkttemperatur höher ist als eine erzielbare Minimaltemperatur des Temperaturbereichs, da das verflüssigte Kältemittel auf der Hochdruckseite mittels des internen Wärmeübertragers gekühlt werden kann, sodass eine Verdampfungstemperatur des Kältemittels am Expansionsorgan vergleichsweise geringer sein kann.
Der Wärmeübertrager kann derart dimensioniert ausgebildet sein, dass das Kältemittel nur teilweise in dem Wärmeübertrager verdampfen kann. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass der Taupunkt beziehungsweise der Ort der Taupunkttemperatur des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager heraus, in den internen Wärmeübertrager verschoben werden kann.
Aufgrund eines Temperaturglides des zeotropen Kältemittels wird bei dem teilweisen Verdampfen des Kältemittels in dem Wärmeübertrager eine niedrigere Temperatur im Wärmeübertrager erzielt, als bei dem nachfolgenden, restlichen Verdampfen des Kältemittels in dem internen Wärmeübertrager.
In einer Ausführungsform der Prüfkammer kann der Wärmeübertrager in dem Prüfraum angeordnet sein. Auch kann der Wärmeübertrager dann in einem Luftbehandlungsraum des Prüfraums angeordnet sein, so dass von einem Lüfter umgewälzte Luft mit einem Wärmeübertrager in Kontakt gelangen kann. So wird es möglich eine umgewälzte Luftmenge des Prüfraums mittels der Kühleinrichtung über den Wärmeübertrager im Prüfraum direkt abzukühlen. Die Prüfkammer kann dann den Kühlkreislauf als einen alleinigen, einzigen Kühlkreislauf aufweisen. Der Kühlkreislauf ist dann direkt an den Prüfraum angeschlossen. In einer weiteren Ausführungsform der Prüfkammer kann der Kondensator als ein Kaskaden-Wärmeübertrager eines weiteren Kühlkreislaufs der Kühleinrichtung ausgebildet sein. Demnach kann die Prüfkammer dann zumindest zwei Kühlkreisläufe aufweisen, wobei der Kühlkreislauf eine zweite Stufe der Kühleinrichtung und ein weiterer Kühlkreislauf, der dann dem Kühlkreislauf vorgelagert ist, eine erste Stufe der Kühleinrichtung ausbilden kann. Der Kondensator dient dann als ein Kaskaden-Wär- meübertrager beziehungsweise Wärmeübertrager für den Kühlkreislauf. Bei dieser Ausführungsform einer Prüfkammer wird es möglich, besonders niedrige Temperaturen in dem Prüfraum auszubilden.
Die Temperiervorrichtung kann eine Heizeinrichtung mit einer Heizung und einem Heiz-Wärmeübertrager in dem Prüfraum aufweisen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine elektrische Widerstandsheizung sein, die den Heiz-Wärmeübertrager beheizt, derart, dass über den Heiz-Wärmeübertrager eine Temperaturerhöhung in dem Prüfraum ermöglicht wird. Wenn der Wärmeübertrager und der Heiz-Wärmeüber- trager mittels einer Regeleinrichtung zur Kühlung oder Wärmung der im Prüfung umgewälzten Luft gezielt gesteuert werden können, kann mittels der Temperiervorrichtung innerhalb des Prüfraums eine Temperatur in dem vorstehend angegebenen Temperaturbereich ausgebildet werden. Dabei kann unabhängig vom Prüfgut beziehungsweise eines Betriebszu- Standes des Prüfgutes eine zeitliche Temperaturkonstanz von ± 1 K, vorzugsweise ±0,3 K bis ±0,5 K oder kleiner ±0,3 K während eines Prüfintervalls in dem Prüfraum ausgebildet werden. Unter einem Prüfintervall wird j e ein Zeitabschnitt eines vollständigen Prüfzeitraums verstanden, in dem das Prüfgut einer im Wesentlichen gleichbleibenden Temperatur oder Klimabedingung ausgesetzt wird. Der Heiz-Wärmeübertrager kann zusammen mit dem Wärmeübertrager des Kühlkreislaufs derart kombiniert sein, dass ein gemeinsamer Wärmeübertragerkörper ausgebildet ist, der vom Kältemittel durchströmbar ist und der Heizelemente einer elektrischen Widerstandsheizung aufweist. Der Kondensator kann mit einer Luftkühlung oder Wasserkühlung oder einer anderen
Kühlflüssigkeit ausgebildet sein. Prinzipiell kann der Kondensator mit j edem geeigneten Fluid gekühlt werden. Wesentlich ist, dass die am Kondensator anfallende Wärmelast über die Luftkühlung oder Wasserkühlung so abgeführt wird, dass das Kältemittel so kondensieren kann, dass es vollständig verflüssigt ist. Im Kühlkreislauf kann ein erster Bypass mit zumindest einem regelbaren zweiten Expansionsorgan ausgebildet sein, wobei der erste Bypass in einer Strömungsrichtung vor dem internen Wärmeübertrager und nachfolgend dem Kondensator an den Kühlkreislauf angeschlossen sein kann, wobei der erste Bypass als regelbare interne Ergänzungskühlung ausgebildet sein kann. Der erste Bypass kann so eine Rückeinspritzeinrichtung für Kältemittel ausbilden. Demnach kann von dem regelbaren zweiten Expansionsorgan im internen Wärmeübertrager auf der Niederdruckseite Kältemittel zugeführt werden. Der erste Bypass kann dann an der Nieder- druckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem internen Wärmeübertrager und nachfolgend dem Wärmeübertrager angeschlossen sein. Das durch das zweite Expansionsorgan gekühlte beziehungsweise seinem Temperaturniveau abgesenkte Kältemittel kann dann durch den internen Wärmeübertrager hindurch geleitet werden und eine Kühlung des Kältemittels auf der Hochdruckseite des internen
Wärmeübertragers verstärken. Auch wird eine Kühlleistung des internen Wärmeübertragers dadurch noch genauer regelbar.
In dem Kühlkreislauf kann ein zweiter Bypass mit zumindest einem dritten Expansionsorgan ausgebildet sein, wobei der zweite Bypass das Expansionsorgan in Strömungsrichtung nachfolgend dem Kondensator und vor dem internen Wärmeübertrager überbrückt, wobei über das dritte Expansionsorgan das Kältemittel so dosierbar ist, dass eine Sauggastemperatur und/oder ein Sauggasdruck des Kältemittels auf der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs vor dem Verdichter geregelt werden kann.
Dadurch kann unter anderem verhindert werden, dass der Verdichter, bei dem es sich beispielsweise um einen Kompressor handeln kann, eventuell überhitzt dann beschädigt wird. Folglich kann über den zweiten Bypass durch Betätigung des dritten Expansionsorgans vor dem Verdichter befindliches gasförmiges Kältemittel durch Zudosieren von noch flüssi- gern Kältemittel gekühlt werden. Eine Betätigung des dritten Expansionsorgans kann durch eine Steuervorrichtung erfolgen, die ihrerseits mit einem Druck- und/oder Temperatursensor in einem Kühlkreislauf vor dem Verdichter gekoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn über den zweiten Bypass eine Überhitzung des Sauggases von 2 K bis 60 K bezogen auf eine Sauggastemperatur eingestellt werden kann. Auch kann das Kältemittel so dosiert werden, dass eine Betriebsdauer des Verdich- ters regelbar ist. Prinzipiell ist es nachteilig, wenn der Verdichter beziehungsweise Kompressor vielfach eingeschaltet und ausgeschaltet wird. Eine Lebensdauer eines Kompressors kann verlängert werden, wenn dieser längere Zeitabschnitte in Betrieb ist. Über den zweiten Bypass kann ein Kältemittel an dem Expansionsorgan oder dem Konden- sator vorbeigeführt werden, um beispielsweise ein automatisches Abschalten des Kompressors zu verzögern und eine Betriebsdauer des Kompressors zu verlängern.
In dem Kühlkreislauf kann ein weiterer Bypass mit zumindest einem weiteren Expansionsorgan ausgebildet sein, wobei der weitere Bypass den Verdichter in Strömungsrichtung nachfolgend dem Verdichter und vor dem Kondensator überbrückt, derart, dass eine Sauggastemperatur und/oder ein Sauggasdruck des Kältemittels auf der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs vor dem Verdichter regelbar sein kann, und/oder dass eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und einer Nieder- druckseite des Kühlkreislaufs ausgeglichen werden kann. Der zweite Bypass kann ergänzend mit einem einstellbaren oder regelbaren Ventil, beispielsweise einem Magnetventil ausgestattet sein. Durch die Verbindung von Hochdruckseite und Niederdruckseite über das weitere Expansionsorgan kann sichergestellt werden, dass bei einem Anlagenstillstand das so verdichtete und gasförmige Kältemittel von der Hochdruckseite allmählich auf die Niederdruckseite des Kühlkreislaufs strömt. So wird auch bei geschlossenem Expansionsorgan sichergestellt, dass ein allmählicher Druckausgleich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite erfolgt. Ein Querschnitt des weiteren Expansionsorgans kann dabei so bemessen sein, dass ein Überströmen des Kältemittels von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite einen normalen Betrieb der Kühleinrichtung nur unwesentlich beeinflusst. Gleichwohl kann vorgese- hen sein, dass vor dem Verdichter befindliches gasförmiges Kältemittel durch Zudosieren von dem flüssigen Kältemittel über den weiteren Bypass gekühlt wird.
Der interne Wärmeübertrager kann weiter als eine Unterkühlstrecke oder ein Wärmetauscher, insbesondere Plattenwärmetauscher, ausgebildet sein. Die Unterkühlstrecke kann bereits durch zwei aneinander anliegende Leitungsabschnitte des Kühlkreislaufs ausgebildet sein.
Das Expansionsorgan kann ein Drosselorgan und ein Magnetventil aufweisen, wobei über das Drosselorgan und das Magnetventil Kältemit- tel dosiert werden kann. Das Drosselorgan kann ein einstellbares Ventil oder eine Kapillare sein, über das dann mittels des Magnetventils Kältemittel geleitet wird. Das Magnetventil kann seinerseits mittels einer Regeleinrichtung betätigt werden.
Auch kann die Temperiervorrichtung eine Regeleinrichtung mit zumin- dest einem Drucksensor und/oder zumindest einem Temperatursensor in dem Kühlkreislauf umfassen, wobei ein Magnetventil mittels der Regeleinrichtung in Abhängigkeit von einer gemessen Temperatur beziehungsweise eines Drucks betätigt werden kann. Die Regeleinrichtung kann Mittel zur Datenverarbeitung umfassen, die Datensätze von Senso- ren verarbeiten und die Magnetventile ansteuern. Eine Regelung einer Funktion der Kühleinrichtung kann dann auch, beispielsweise über ein entsprechendes Computerprogramm, an das verwendete Kältemittel angepasst sein. Weiter kann die Regeleinrichtung eine Betriebsstörung signalisieren und gegebenenfalls eine Abschaltung der Prüfkammer veranlassen, um die Prüfkammer und das Prüfgut vor einer Beschädigung durch kritische oder unerwünschte Betriebszustände der Prüfkammer zu schützen.
Weitere Ausführungsformen einer Prüfkammer ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezoge- nen Unteransprüche . Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für ein Kältemittel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Kühleinrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Kühleinrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Kühleinrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Kühleinrichtung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Kühleinrichtung.
Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Kühleinrichtung 10 einer hier nicht näher dargestellten Prüfkammer. Die Kühleinrichtung 1 0 umfasst einen Kühlkreislauf 1 1 mit einem Kältemittel, einem Wärmeübertrager 12 , einem Verdichter 13 und einem Kondensator 14 sowie einem Expansionsorgan 15. Der Kondensator 14 wird hier durch einen weiteren Kühlkreislauf 1 6 gekühlt. Der Wärmeübertrager 12 ist in einem hier nicht dargestellten Prüfraum der Prüfkammer angeordnet. Weiter weist der Kühlkreislauf 1 1 eine Hochdruckseite 17 und eine Niederdruckseite 1 8 auf, an die ein interner Wärmeübertrager 19 angeschlossen ist. Die Fig. 1 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm (log p/h-Diagramm) für das im Kühlkreislauf 1 1 zirkulierende Kältemittel, bei dem es sich um ein zeotropes Kältemittel handelt. Ausgehend von der Position A wird nach einer Zusammenschau der Fig. 1 und 2 das Kältemittel vor dem Verdichter 13 angesaugt und komprimiert, sodass ein Druck entsprechend der Position B in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 13 erzielt wird. Das Kältemittel wird mittels des Verdichters 13 verdichtet und entsprechend der Position C nachfolgend im Kondensator 14 verflüssigt. Das Kältemittel durchläuft den internen Wärmeübertrager 19 auf der Hochdruckseite 17 und wird in diesem weiter abgekühlt, sodass die Position C in Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan 15 erreicht wird. Mithilfe des internen Wärmeübertragers 19 kann der im Wärme- Übertrager 12 nicht nutzbare Teil des Nassdampfgebietes (Positionen E bis E ') zur weiteren Reduzierung einer Temperatur des Kältemittels (Positionen C bis C) genutzt werden. An dem Expansionsorgan 15 erfolgt eine Entspannung des Kältemittels (Positionen C bis D ') und eine teilweise Verflüssigung in dem Wärmeübertrager 12 (Positionen D ' bis E) . Danach gelangt der Nassdampf des Kältemittels in den internen Wärmeübertrager 19 auf der Niederdruckseite 1 8 , wobei hier eine Nachverdampfung des Kältemittels bis zur Taupunkttemperatur beziehungsweise dem Taupunkt des Kältemittels bei der Position E ' erfolgt. Eine erste Teilstrecke 20 einer Verdampfungsstrecke 22 des Kältemittels verläuft daher durch den Wärmeübertrager 12, wobei eine zweite Teilstrecke 21 der Verdampfungsstrecke 22 durch den internen Wärmeübertrager 19 verläuft. Wesentlich ist hier, dass auf der Verdampfungsstrecke 22 ein Saugdruck des Verdichters 13 auf der Niederdruckseite 1 8 auch bei einer Änderung der Verdampfungstemperatur am Expansionsorgan 15 konstant gehalten wird.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer einfachsten Ausführungsform einer Kühleinrichtung 23 , wobei die Kühleinrichtung 23 selbstregelnd ausgebildet ist. Die Kühleinrichtung umfasst einen Kühlkreislauf 24 mit einem Wärmeübertrager 25 , einem Verdichter 26 , einem Kondensator 27, einem Expansionsorgan 28 und einem internen Wärmeübertrager 29. Je nach einer Temperatur am Wärmeübertrager 25 entweicht nicht vollständiges verdampftes Kältemittel aus dem Wärmeüber- trager 25 , da die Temperatur am Wärmeübertrager 25 beziehungsweise in einem hier nicht gezeigten Prüfraum nicht mehr ausreicht, um einen Phasenwechsel zu erzeugen. In diesem Fall wird noch flüssiges Kältemittel im internen Wärmeübertrager 29 nachverdampft, da hier ein Temperatur- unterschied immer größer als am Wärmeübertrager 25 sein muss. Sobald die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Expansionsorgan 28 durch den Wärmeaustausch im internen Wärmeübertrager 29 reduziert wurde, erhöht sich die Energiedichte und die damit erzielbare Temperaturdifferenz am Wärmeübertrager 25. Bei der Kühleinrichtung 23 ist eine aufwendige Regelung mit Sensoren etc . nicht erforderlich.
Die Fig. 4 zeigt eine Kühleinrichtung 30, die im Unterschied zur Kühleinrichtung aus Fig. 3 mit einem ersten Bypass 3 1 und einem zweiten Bypass 32 ausgebildet ist. In dem ersten Bypass 3 1 ist ein regelbares zweites Expansionsorgan 33 angeordnet, wobei der erste Bypass 3 1 als interne Ergänzungskühlung 34 ausgebildet ist. Der erste Bypass 3 1 ist unmittelbar in Strömungsrichtung nachfolgend dem Kondensator 27 vor dem internen Wärmetauscher 29 sowie in Strömungsrichtung nach dem Wärmeübertrager 25 und vor dem internen Wärmeübertrager 29 an den Kühlkreislauf 24 angeschlossen. Der erste Bypass 3 1 überbrückt somit das Expansionsorgan 28 mit dem Wärmeübertrager 25 , wobei über das zweite Expansionsorgan 33 dem internen Wärmeübertrager 29 verdampfendes Kältemittel zugeführt werden kann. Ein Sauggasmassenstrom, der in den internen Wärmeübertrager 29 geleitet wird, kann mithilfe des ersten Bypass 3 1 bei hohen Sauggastemperaturen, welche durch den Wärmeübertrager 25 entstehen können, zusätzlich gekühlt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass es zu keiner Verdampfung von Kältemittel vor dem Expansionsorgan kommen kann. Mittels des ersten Bypass 3 1 ist es daher möglich, auf wechselnde Lastfälle der Kühleinrichtung 30 zu reagieren. Der zweite Bypass 32 weist ein drittes Expansionsorgan 35 auf und ist in Strömungsrichtung nachfolgend dem Kondensator 27 und vor dem internen Wärmeübertrager 29 sowie nachfolgend dem internen Wärmeübertrager 29 und vor dem Verdichter 26 an den Kühlkreislauf 24 angeschlossen. Dadurch wird es möglich einen Sauggasmassenstrom vor dem Verdichter 26 über den zweiten Bypass 32 soweit zu reduzieren, dass unzulässig hohe Verdichtungsendtemperaturen vermieden werden.
Die Fig. 5 zeigt eine Kühleinrichtung 36, die im Unterschied zur Küh- leinrichtung aus Fig. 4 einen weiteren Kühlkreislauf 37 aufweist. Der weitere Kühlkreislauf 37 dient zur Kühlung eines Kondensators 38 eines Kühlkreislaufs 39. Der Kondensator 38 ist hier als ein Kaskaden-Wärmeübertrager 40 ausgebildet. Weiter weist der Kühlkreislauf 39 noch einen weiteren Bypass 41 mit einem weiteren Expansionsorgan 42 auf. Der weitere Bypass 41 ist in Strömungsrichtung des Kühlkreislaufs 39 nachfolgend dem Verdichter 26 und vor dem Kondensator 38 sowie nachfolgend dem internen Wärmeübertrager 29 und vor dem Verdichter 26 an den Kühlkreislauf 39 angeschlossen. Über den weiteren Bypass 41 kann somit noch nicht verflüssigtes, aber verdichtetes Kältemittel zu- rück, vor den Verdichter 26 strömen, wodurch eine Sauggastemperatur und/oder ein Sauggasdruck des Kältemittels geregelt werden kann.
Die Fig. 6 zeigt eine Kühleinrichtung 30 mit einem Kühlkreislauf 44 und einem weiteren Kühlkreislauf 45 und insbesondere einem internen Wärmeübertrager 46 in dem Kühlkreislauf 44. Ein Wärmeübertrager 47 ist hier in einem nicht dargestellten, temperaturisolierten Prüfraum einer Prüfkammer angeordnet.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Konditionierung von Luft in einem gegenüber einer Umgebung verschließbaren und temperaturisolierten Prüfraum einer Prüfkammer zur Aufnahme von Prüfgut, wobei mittels einer Kühleinrichtung (10, 23, 30, 36, 43) einer Temperiervorrichtung der Prüfkammer, mit einem Kühlkreislauf (11, 24, 39, 44) mit einem Kältemittel, einem Wärmeübertrager (12, 25, 47), einem Verdichter (13, 26), einem Kondensator (14, 27, 38) und einem Expansionsorgan (15, 28), eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -20 °C bis + 180 °C innerhalb des Prüfraums ausgebildet wird, wobei mittels eines internen Wärmeübertragers (19, 29, 46) des Kühlkreislaufs, angeschlossen an einer Hochdruckseite (17) des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan und nachfolgend dem Kondensator, und an einer Niederdruckseite des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Verdichter und nachfolgend dem Wärmeübertrager, das Kältemittel der Hochdruckseite gekühlt wird, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass als Kältemittel ein zeotropes Kältemittel verwendet wird, wobei die Kühlung des Kältemittels der Hochdruckseite mittels des internen Wärmeübertragers zur Absenkung einer Verdampfungstemperatur am Expansionsorgan verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass während der Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels der Hochdruckseite (17) ein Saugdruck des Kältemittels der Niederdruckseite (18) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Kältemittel auf einer Verdampfungsstrecke (22) des Kühlkreislaufs (11, 24, 39, 44) von dem Expansionsorgan (15, 28) bis einschließlich dem internen Wärmeübertrager (19, 29, 46) bei einem konstanten Saugdruck verdampft.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass eine erste Teilmenge des über das Expansionsorgan (15, 28) geleiteten Kältemittels in dem Wärmeübertrager (12, 25, 47) und eine zweite Teilmenge des Kältemittels in dem internen Wärmeübertrager (19, 29, 46) verdampft werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Absenkung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels der Hochdruckseite (17) selbstregelnd erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass mittels der Temperiervorrichtung eine Temperatur von > +60 °C bis +180 °C auf eine Temperatur von < -20 °C innerhalb des
Prüfraums reduziert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass mittels der Temperiervorrichtung eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -57 °C bis +180 °C, bevorzugt -80 °C bis + 180 °C, besonders bevorzugt -100 °C bis +180 °C, innerhalb des Prüfraums ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass ein Kältemittel mit einem Temperaturglide von > 5 K, bevorzugt > 10 K, besonders bevorzugt > 20 K verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Kältemittel bei einem Saugdruck in einem Druckbereich von 0,3 bis 5 bar absolut verdampft wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Kältemittel bei einem Kondensationsdruck in einem Druckbereich von 5 bis 35 bar absolut kondensiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass ein nicht brennbares Kältemittel mit einem relativen C02-Äqui- valent, bezogen auf 20 Jahre, von < 2500, bevorzugt < 500, besonders bevorzugt < 100, verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass als Kältemittel ein Kältemittelgemisch aus einem Masseanteil Kohlendioxid (C02) von 30 bis 50 Masseprozent und einem Massean- teil mindestens einer weiteren Komponente verwendet wird, wobei die weitere Komponente Pentafluorethan (C2HF5) und/oder Difluor- methan (CH2F2) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Kühleinrichtung (10, 23, 30, 36, 43) ausschließlich unterhalb des kritischen Punktes des Kältemittels betrieben wird.
Prüfkammer zur Konditionierung von Luft, umfassend einen gegenüber einer Umgebung verschließbaren und temperaturisolierten Prüfraum zur Aufnahme von Prüfgut, und eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Prüfraums, wobei mittels der Temperiervorrichtung eine Temperatur in einem Temperaturbereich von -20 °C bis + 180 °C innerhalb des Prüfraums ausbildbar ist, wobei die Temperiervorrichtung eine Kühleinrichtung (10,23, 30, 36, 43) mit einem Kühlkreislauf (11, 24, 39, 44) mit einem Kältemittel, einem Wärmeübertrager (12, 25, 47), einem Verdichter (13, 26), einem Kondensator (14, 27, 38) und einem Expansionsorgan (15, 28) aufweist, wobei der Kühlkreislauf einen internen Wärmeübertrager (19, 29, 46) aufweist, wobei der interne Wärmeübertrager an einer Hochdruckseite (17) des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan und nachfolgend dem Kondensator, und an einer Niederdruckseite (18) des Kühlkreislaufs in einer Strömungsrichtung vor dem Verdichter und nachfolgend dem Wärmeübertrager angeschlossen ist,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Kältemittel ein zeotropes Kältemittel ist, wobei das Kälte- mittel der Hochdruckseite von dem Kältemittel der Niederdruckseite bei einem konstanten Saugdruck auf der Niederdruckseite mittels des internen Wärmeübertragers kühlbar ist.
15. Prüfkammer nach Anspruch 14,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass eine Taupunkttemperatur des Kältemittels höher ist als eine Minimaltemperatur des Temperaturbereichs.
16. Prüfkammer nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Wärmeübertrager (12, 25, 47) derart dimensioniert ausgebildet ist, dass das Kältemittel nur teilweise in dem Wärmeübertrager verdampfen kann.
Prüfkammer nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Kondensator (14, 27, 38) als ein Kaskaden-Wärmeübertrager (40) eines weiteren Kühlkreislaufs (36, 43) der Kühleinrichtung ausgebildet ist.
Prüfkammer nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Temperiervorrichtung eine Heizeinrichtung mit einer Heizung und einem Heiz-Wärmeübertrager in dem Prüfraum aufweist.
. Prüfkammer nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass in dem Kühlkreislauf (24, 39, 44) ein erster Bypass (31) mit zumindest einem regelbaren zweiten Expansionsorgan (33) ausgebildet ist, wobei der erste Bypass in einer Strömungsrichtung vor dem inter- nen Wärmeübertrager (29, 46) und nachfolgend dem Kondensator (27, 38) an den Kühlkreislauf angeschlossen ist, wobei der erste Bypass als regelbare interne Ergänzungskühlung (34) ausgebildet ist.
20. Prüfkammer nach einem der Ansprüche 14 bis 19,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass in dem Kühlkreislauf (24 , 39, 44) ein zweiter Bypass (32) mit zumindest einem dritten Expansionsorgan (35) ausgebildet ist, wobei der zweite Bypass das Expansionsorgan (28) in Strömungsrichtung nachfolgend dem Kondensator (27, 38) und vor dem internen Wärme- Übertrager (29, 46) überbrückt, wobei über das dritte Expansionsorgan Kältemittel so dosierbar ist, dass eine Sauggastemperatur und/oder ein Sauggasdruck des Kältemittels auf der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs vor dem Verdichter (26) regelbar ist.
Prüfkammer nach einem der Ansprüche 14 bis 20,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass in dem Kühlkreislauf (39) ein weiterer Bypass (41 ) mit zumindest einem weiteren Expansionsorgan (42) ausgebildet ist, wobei der weitere Bypass den Verdichter (26) in Strömungsrichtung nachfolgend dem Verdichter und vor dem Kondensator überbrückt, derart, dass eine Sauggastemperatur und/oder ein Sauggasdruck des Kältemittels auf der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs vor dem Verdichter regelbar ist, und/oder dass eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs ausgleichbar ist.
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