JP2020125461A - 冷媒 - Google Patents

Abstract

【課題】環境にやさしく安全な方法により少なくとも−６０℃までの温度に達することのできる、冷却装置用の冷媒の提供。【解決手段】熱交換器内で相転移を起こし、二酸化炭素と、ペンタフルオロエタンと、ジフルオロメタンと、少なくとも１つの他の成分により構成される冷媒混合物。ここで、二酸化炭素の質量分率が２８〜５１質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率が１４．５〜３２質量％、ジフルオロメタンの質量分率が１４．５〜３８質量％であって、他の成分はフルオロメタンである。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置用の冷媒、冷媒を有する試験チャンバー、及び冷媒の使用に関する。冷媒は、冷却装置用である。冷却装置は、冷媒が相転移する少なくとも１つの熱交換器を有する冷却回路を備える。冷媒は、二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、及び少なくとも１つの他の成分により構成される冷媒混合物からなる。

この種の冷媒は、通常、冷却装置における閉じた冷却回路内を循環し、一連の異なる状態変化を受ける。冷媒は、事前に定義された温度差の範囲内において、冷却回路で使用可能な性質を有しなければならない。技術水準から、単一の成分からなる冷媒と、少なくとも２つの成分からなる冷媒の混合物とが知られている。冷媒は、優先日におけるドイツ業界標準ＤＩＮ８９６０セクション６の最新版に基づき分類される。

法規制により、冷媒は、大気中のオゾン層の減少や地球温暖化の大きな要因となってはならない。これは、フッ素化物質又は塩素化物質が冷媒として本質的に使用されないことを意味し、自然冷媒又はガスがオプションである理由となっている。更に、遵守すべき安全規制において、冷媒は、冷却回路における充填、輸送、及び操作を複雑にしないために不燃性にすべきである。また、可燃性の冷媒が使用されると、構造上の方策が必要となり、冷却回路の生産はより高価になる。可燃性とは、熱を放出することにより周囲の酸素と反応する冷媒の特性を指す。冷媒は、特に、優先日における最新版の欧州標準ＥＮ２の防火クラスＣ及びＤＩＮ３７８クラスＡ２、Ａ２Ｌ、Ａ３に分類される場合において、可燃性とする。

更に、冷媒は比較的低いＣＯ_２換算値にしなければならない。つまり、冷媒が放出された場合の環境への間接的な影響を避けるために、相対的地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、出来る限り低くすべきである。ＧＷＰは、二酸化炭素を基準値として、規定された温室効果ガスの質量がどの程度地球温暖化に影響するのかを示す。この値は、特定の期間に亘る平均の温暖化効果を表しており、ここでは比較を可能とするために１００年が設定されている。相対的なＣＯ_２換算値又はＧＷＰの定義については、優先日における最新版の気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）、評価報告書、付録８．Ａ、表８．Ａ．１を参照されたい。

２５００未満のようなＧＷＰの低い冷媒は、比較的高いＧＷＰの冷媒と比較して、冷却回路に関連のある温度範囲において、冷却能力が著しく低い傾向があるという欠点を有する。低ＧＷＰは、二酸化炭素の質量分率が比較的高い冷媒混合物で達成できる。しかし、これらの冷媒混合物は、様々な物質が混合されているため、非共沸特性を有する可能性があり、多くの冷却回路において望ましいものでない。

非共沸性冷媒混合物は、温度グライド（temperature glide）として知られている温度範囲を超えることで相転移が起こる。温度グライドとは、一定の圧力における沸点と露点の差をいう。しかし、非共沸性冷媒混合物は、通常、比較的高いＧＷＰを特徴とする不燃性成分の質量分率が高くなっている。一見、二酸化炭素は、不燃性であり、低ＧＷＰのため、冷媒混合物に適した成分のように思われる。しかし、二酸化炭素と他の成分とからなる混合物において、他の成分が可燃性である場合には、二酸化炭素の質量分率が比較的大きくなければならない。しかし、二酸化炭素の凍結温度、即ち凝固点は−５６．６℃であり、高い二酸化炭素濃度の場合においては、−６０℃までの温度に達することはほとんど不可能である。

また、冷媒の使用においても、可能な限りシンプルにすべきである。つまり、冷却装置の大規模な技術的再構築を必要とすべきではない。特に、３Ｋを超える温度グライドを有する冷媒において、膨張要素及び問題の冷却回路における熱交換器、即ち蒸発器は、冷媒の蒸発温度に合わせる必要があり、また、それに対応する制御を行う必要がある。更に、冷却装置、つまり、熱交換器、即ち蒸発器の温度が、長期間に亘り実質的に一定である冷却装置の静的な操作のために設計された冷媒と、熱交換器において比較的急速な温度変化を示す動的な冷却装置のために設計された冷媒とを、区別する必要がある。この種の動的な冷却装置は、例えば、試験チャンバーに組み込まれている。これは、使用される冷媒が広い温度範囲において使用できる必要があることを意味する。

試験チャンバーは、通常、物体の、特に装置の、物理的及び／又は化学的な性質を試験するために使用される。例えば、−６０℃から＋１８０℃までの温度に設定可能な温度試験チャンバー又は気候試験チャンバーが知られている。気候試験チャンバーにおいては、装置、又は試験材料が、所定期間に亘って曝されることになる所望の気候条件が付加的に設定され得る。この種の試験チャンバーは、しばしば又はときどき、必要な供給ラインを介して建造物に単に接続された移動機器として実現され、温度及び空調を制御するための全ての必要な構成部材を備えている。試験されることになる試験材料を収容する試験空間の温度は、通常、試験空間内の空気循環ダクトにおいて制御される。空気循環ダクトは、空気循環ダクトと試験空間を流通する空気を加熱又は冷却するための熱交換器が配置される試験空間内に、空調スペースを構成する。ファン又は通風機が、試験空間内に存在する空気を吸入するとともに、空気循環ダクトにおけるそれぞれの熱交換器に案内するようになっている。そうして、試験材料を温度について制御でき、又は所定の温度変化に曝すことができる。試験の合間、温度は、試験チャンバーの最高温度と最低温度との間で繰り返し相互に変化し得る。この種の試験チャンバーは、例えば、ＥＰ０３４４３９７Ａ２に開示されている。

冷却回路を循環する冷媒は、前記の温度差内において、冷却回路で使用できるような性質のものでなければならない。特に、冷媒の露点温度は、達するべき冷却回路の温度範囲における最低温度より高くしてはならない。これは、そうでなければ、冷媒が、試験空間を冷却するための熱交換器において蒸発するときに、最低温度に達することができないためである。共沸性冷媒の露点温度は、熱交換器の膨張要素のすぐ後ろで達するようになっている。試験空間のための連続の冷却回路は、試験チャンバーの温度を正確に制御するために、非常に高い空間温度安定性を必要とする。これは、非共沸性冷媒を使用すると、全く達成できないか、限られた程度にしか達成できない。非共沸性冷媒の露点温度、即ち露点は、試験空間における熱交換器の領域において、試験空間における温度の関数として、温度差によって局所的にシフトする場合があるので、この場合、高温安定性は達成できない。そのため、非共沸性冷媒の使用、即ち、温度グライドを有する冷媒の試験チャンバーにおける冷却回路での使用は避けられる。

更に、連続的に蒸発する非共沸性冷媒混合物を有する冷却装置が知られている。これは、冷媒の成分が膨張要素によって次々と蒸発することを意味する。この種の冷却装置は、混合流体カスケードシステムとも呼ばれ、実質的に静的な低温を実現するのに適している。

ＷＯ２０１７／１５７８６４Ａ１では、他の成分の中に二酸化炭素とペンタフルオロエタンとを含む冷媒が開示されている。例えば、冷媒について、二酸化炭素３０〜７０ｗｔ％、ペンタフルオロエタン２０〜８０ｗｔ％が示されている。また、混合物の共存物としてジフルオロメタンも開示されている。

ＤＥ４１１６２７４Ａ１では、混合物として二酸化炭素及びジフルオロメタンを含む冷媒が開示されている。例えば、二酸化炭素の質量分率が５〜５０ｗｔ％、ジフルオロメタンの質量分率が２５〜７０ｗｔ％の冷媒が示されている。

それ故に、本発明の目的は、環境にやさしく安全な方法により、少なくとも−６０℃までの温度に達することのできる、冷却装置用の冷媒、冷媒を有する試験チャンバー、及び冷媒の使用を提案することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有する冷媒、請求項２２の特徴を有する試験チャンバー、及び請求項２３の特徴を有する冷媒の使用によって達成される。

本発明に係る、少なくとも１つの熱交換器を有する冷却回路を備えた冷却装置用の冷媒は、熱交換器内で相転移を起こし、二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、及び少なくとも１つの他の成分により構成される冷媒混合物であって、冷媒混合物における二酸化炭素の質量分率が２８〜５１質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率が１４．５〜３２質量％、ジフルオロメタンの質量分率が１４．５〜３８質量％、好ましくは３２質量％までであって、他の成分はフルオロメタンである。

出願の優先日におけるドイツの業界標準ＤＩＮ８９６０の最新版によると、二酸化炭素（ＣＯ_２）がＲ７４４との名称で冷媒又は成分としても知られており、フルオロメタン（ＣＨ_３Ｆ）がＲ４１との名称で知られており、ペンタフルオロエタン（Ｃ_２ＨＦ_５）がＲ１２５との名称で知られており、ジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２）がＲ３２との名称で知られている。

本発明は、二酸化炭素と、ＧＷＰが低く、不燃性又は限定された程度においてのみ可燃性である、１つ以上のフッ素化冷媒との冷媒混合物を提供する。二酸化炭素の質量分率が増加すると、冷媒混合物の凝固点が上昇するため、二酸化炭素の割合は、可能な限り低くする必要がある。しかし、二酸化炭素の質量分率が低いと、二酸化炭素のＧＷＰ低減効果が低下する。これが、部分的にフッ素化された冷媒が、改善された難燃性効果も有するが、その一方で、二酸化炭素よりもはるかに高いＧＷＰを示す理由である。特に、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、及びフルオロメタンは、望ましくない高ＧＷＰをもたらす相当量のフッ素原子を含んでいる。しかし、驚くべきことに、二酸化炭素の質量分率が２８〜５１質量％であって、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン及びフルオロメタン含む冷媒混合物は、例えば１３００未満の十分に低いＧＷＰを実現できることがわかった。また、ペンタフルオロエタンの難燃性効果は、二酸化炭素よりも比較的大きいことがわかった。更に、ペンタフルオロエタンと二酸化炭素の好ましくない特性は、冷媒混合物の４番目の成分としてフルオロメタンを添加することにより低減できる。したがって、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン及びフルオロメタンを含む冷媒混合物は、不燃性として分類できる。同時に、ジフルオロメタンとフルオロメタンは、ペンタフルオロエタンと混合するよりも、二酸化炭素と混合するの方が凝固点が低くなる。その結果、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、フルオロメタン及び二酸化炭素の混合物は、単独のペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン及び二酸化炭素よりも低い凝固点を達成できる。したがって、フルオロメタンは、冷媒混合物を不燃性とするために二酸化炭素の一定の質量分率が必要な、冷媒混合物の凝固点を大幅に低下させる。しかし、同時に、ジフルオロメタンとフルオロメタンは、最終的に高い圧縮温度をもたらし、可燃性である。そのため、ジフルオロメタンとフルオロメタンは、二酸化炭素の唯一の混合共存物として、制限された中でのみ適当である。ペンタフルオロエタンは、冷媒混合物の凝固点をジフルオロメタンとフルオロメタンまで下げることはできないが、二酸化炭素よりも大きな難燃性効果があり、これは有利である。

その結果、冷媒混合物は、４つの要素からなる混合物とすることができる。

冷媒混合物におけるフルオロメタンの質量分率は、１〜２０質量％とすることができる。このフルオロメタンの質量分率により、二酸化炭素は、特に有利な方法でペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンと混合できる。冷媒混合物の凝固点は、前記成分を追加することにより、大幅に下げることができる。この低下は、冷媒混合物の凝固点が意図した蒸発温度よりも低くなるように、同時に、蒸発温度に関連する蒸気圧が周囲の圧力よりも高いか又は僅かに低くなるように、設定できる。

好ましくは、冷媒混合物におけるフルオロメタンの質量分率が４〜１２質量％であってもよい。

特に好ましくは、フルオロメタンの質量分率は６〜１０質量％である。

更に、ジフルオロメタンの質量分率は１４．５〜３２質量％とすることができる。この場合、冷媒混合物における冷媒Ｒ４１０Ａの質量分率は、２９〜６４質量％とすることができる。冷媒Ｒ４１０Ａには、同じ質量分率のペンタフルオロエタンとジフルオロメタンが含まれている。冷媒Ｒ４１０Ａは、簡単に購入ができる既製の冷媒混合物である。つまり、冷媒は、Ｒ４１０Ａとフルオロメタンに二酸化炭素を混合するという、費用対効果の高い単純な方法により、準備することが可能である。

冷媒に係る１つの実施形態において、二酸化炭素の質量分率を３０〜３８質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率を２７〜３１質量％、ジフルオロメタンの質量分率を２７〜３１質量％とすることができる。その結果、冷媒Ｒ４１０Ａの質量分率を５４〜６２質量％とすることができる。したがって、この場合には、二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ及びフルオロメタンのみからなる冷媒混合物が生成されるようになっている。ペンタフルオロエタンは、不燃性であるため、ペンタフルオロエタンと指定された最小量の二酸化炭素からなる全ての混合物は、不燃性である。その凝固点は、単独のジフルオロメタンと比較しても下がっていない。ＧＷＰ３１５０は、他の可能な成分のＧＷＰよりも大幅に高くなっている。したがって、冷媒混合物のＧＷＰを低下させるために、冷媒混合物において、部分的に他の物質と置き換えてもよい。ペンタフルオロエタンの難燃性効果は、二酸化炭素よりも大きい。これは、凝固点を更に低下させ、不燃性が確保されることになるが、ＧＷＰが増加することになる冷媒混合物において、二酸化炭素の質量分率を低下させることが可能であることを意味する。

好ましくは、二酸化炭素の質量分率を３２〜３６質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率を２８〜３０質量％、ジフルオロメタンの質量分率を２８〜３０質量％とすることができる。その結果、冷媒Ｒ４１０Ａの質量分率を５６〜６０質量％とすることができる。

冷媒に係る他の実施形態において、二酸化炭素の質量分率を４１〜４９質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率を２１．５〜２５．５質量％、ジフルオロメタンの質量分率を２１．５〜２５．５質量％とすることができる。その結果、冷媒Ｒ４１０Ａの質量分率を４３〜５１質量％とすることができる。この場合、冷媒混合物は、二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、及びフルオロメタンのみから構成されていてもよい。二酸化炭素の質量分率が少なくとも３５質量％であることは、冷媒混合物を不燃性として分類するには十分である。しかし、ジフルオロメタンのＧＷＰは、二酸化炭素のＧＷＰよりも比較的大きくなっている。ジフルオロメタンは小分子と呼ばれ、同じ技術的条件下で圧縮された場合において、ジフルオロメタンの最終的な圧縮温度は、ペンタフルオロエタンのようなより大きくより重い分子よりも高くなる。冷媒Ｒ４１０Ａは、ジフルオロメタン単独よりも低い最終圧縮温度を示す。このため、Ｒ４１０Ａは二酸化炭素及びフルオロメタンの特に適した混合共存物である。

したがって、フルオロメタンの質量分率が６〜１０質量％の場合は、特に好ましい。

更に、二酸化炭素の質量分率を４３〜４７質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率を２２．５〜２４．５質量％、ジフルオロメタンの質量分率を２２．５〜２４．５質量％とすることができる。その結果、冷媒Ｒ４１０Ａの質量分率を４５〜４９質量％とすることができる。

表１に、前記実施形態における冷媒の例を示す。

冷媒に係る他の実施形態においては、二酸化炭素の質量分率を３５〜５０質量％、フルオロメタンの質量分率を１〜１５質量％とすることができる。前記のように、二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン及びフルオロメタンの混合物は、特に好ましいことが証明されている。この冷媒混合物は、約１ｂａｒの蒸気圧で１２Ｋを超える温度グライドを有していてもよい。更に、この冷媒混合物は、濃度に依存して凝固点を低下させる。そのため、質量分率が指定された質量分率から逸脱した場合には、異なる温度で適用される可燃性及び不燃性の冷媒混合物が生じる。

好ましくは、フルオロメタンの質量分率を１〜９質量％とすることができる。

特に好ましくは、フルオロメタンの質量分率は３〜７質量％である。

好ましくは、二酸化炭素の質量分率を３６〜４４質量％とすることができる。

特に好ましくは、二酸化炭素の質量分率は３８〜４２質量％である。

ペンタフルオロエタンの質量分率を１５〜３０質量％、ジフルオロメタンの質量分率を２３〜３８質量％とすることができる。この場合、ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンの構成要素の質量分率は、互いに異なっていてもよい。

好ましくは、ペンタフルオロエタンの質量分率を１８〜２６質量％、ジフルオロメタンの質量分率を２９〜３７質量％とすることができる。この場合、冷媒のＧＷＰを更に低下させることができる。

特に好ましくは、ペンタフルオロエタンの質量分率は２０〜２４質量％、ジフルオロメタンの質量分率は３１〜３５質量％である。

表２に、前記実施形態における冷媒の例を示す。

更に、冷媒は、９Ｋ〜１６Ｋの温度グライドを有することができる。冷媒の温度グライドは、冷却装置を合理的な方法で操作できるように、１６Ｋを超えるべきではない。

冷媒は、１００年を通して、相対ＣＯ_２換算値を１３４０未満、好ましくは１０７０未満、特に好ましくは１０００未満とすることができる。その結果、冷媒は、環境に殆ど害を及ぼさないことも可能である。

冷媒は不燃性であり得る。冷媒が不燃性である場合、冷媒の可燃性に関して特別な安全対策を講じる必要がないため、特に冷却回路と試験チャンバーは、より費用対効果の高い設計が可能である。この場合、冷媒は、少なくとも火災クラスＣ及び／又は冷媒安全グループＡ１に分類されることはない。更に、冷却回路は、輸送方法に関係なく、輸送前に冷媒を充填できるため、冷却回路の配送及び輸送がより簡単になる。可燃性の冷媒が使用される場合には、作動開始までに設置場所では充填できない可能性がある。更に、不燃性の冷媒は、発火源の存在下において使用できる。

空気を調整するための本発明に係る試験チャンバーは、試験材料を受ける機能を有し、外部環境に対して封止可能であり断熱された試験空間と、試験空間の温度を制御するための温度制御装置とを備え、温度制御装置の使用により、試験空間内において−７０℃から＋１８０℃までの温度を達成可能であり、温度制御装置は、本発明に係る冷媒と、熱交換器と、圧縮機と、凝縮器、膨張要素と、を有する冷却回路を含む冷却装置を備える。本発明に係る試験チャンバーの利点については、本発明に係る冷媒の利点に関する説明を参照する。

温度制御装置により、試験空間内に、−８０℃から＋１８０℃、好ましくは−９０℃から＋１８０℃、特に好ましくは−１００℃から＋１８０℃までの温度を実現できる。混合流体カスケードシステムと異なり、冷媒に含まれる全ての成分を有する冷媒を、膨張要素により、一度に蒸発させることができる。二酸化炭素の凝固点が−５６．６℃であるため、二酸化炭素の質量分率が大きい冷媒混合物は、原則として、−５６．６℃未満の温度に達するのに適していない。しかし、本発明に係る冷媒の使用は、冷媒の露点温度を−７０℃未満にすることを可能にする。

冷却回路は、内部熱交換器を有することができる。内部熱交換器は、膨張要素の上流側及び凝縮器の下流側の、冷却回路における高圧側と、圧縮機の上流側及び熱交換器の下流側の、冷却回路における低圧側とを接続できる。内部熱交換器の使用及び内部熱交換器による高圧側回路の液化冷媒の冷却により、−５６℃未満の温度に簡単に到達できる。内部熱交換器により冷却された冷媒の蒸発温度は、冷却されていない冷媒の蒸発温度と比較して、膨張要素において低下させることができる。したがって、内部熱交換器を介して、低圧側から高圧側に移動する冷却能力は、少なくとも部分的に、好ましくは排他的に、膨張要素での冷媒の蒸発温度を下げるために使用できる。更に、まず第一に、温度グライドを有する非共沸性冷媒の使用が可能になる。この場合において、冷媒の露点温度、即ち冷媒の露点の位置を、内部熱交換器にシフトさせることができるからである。非共沸性冷媒における温度グライドの結果として、達成された冷媒の露点温度は、比較的高く、その結果として、熱交換器の更なる冷却を妨げ得る。

したがって、冷媒の一部のみが熱交換器において蒸発し得るので、冷媒の湿った蒸気の一部における使用できない部分が内部熱交換器内にシフトし得る。全体として、これにより、冷媒は、二酸化炭素を含み、環境に優しく、その一方で、試験空間内に低温を実現するために使用されるための非共沸特性を有することが可能となる。更に、温度グライドの一部、即ち冷媒の湿った蒸気の一部が試験空間内の熱交換器から内部熱交換器内にシフトする場合には、非共沸性冷媒によって、比較的改善された温度安定性を達成できる。この場合、熱交換器を介した冷却能力の出力は、温度グライドの部分のみで生み出される。これは、冷却回路における冷媒の露点のシフトは、熱交換器の温度安定性に殆ど影響を与えないことを意味する。更に、単一の熱交換器を使用して、流体、つまり、この場合における試験空間内の空気を冷却してもよい。

熱交換器は、冷媒の一部のみが熱交換器において蒸発できるように寸法を設定できる。これにより、冷媒の露点、即ち露点温度の位置を熱交換器から内部熱交換器にシフトさせることができるという利点がある。非共沸性冷媒の温度グライドにより、熱交換器における冷媒の部分的な蒸発は、内部熱交換器内における冷媒の残りの蒸発よりも、熱交換器においてより低い温度に達することになる。

試験チャンバーに係る１つの実施形態において、熱交換器は、試験空間に配置できる。この場合、熱交換器は、また、ファンによって循環される空気が熱交換器と接触可能となるように、試験空間における空調スペース内に配置できる。これにより、熱交換器を介した冷却装置によって、試験空間における循環される空気を直接的に試験空間において冷却できる。試験チャンバーは、ただ一つの単独の冷却回路として、冷却回路を有することができる。この場合、冷却回路は、直接的に試験空間に接続される。

試験チャンバーに係る他の実施形態において、凝縮器は、冷却装置の他の冷却回路におけるカスケード式熱交換器とすることができる。それに応じて、試験チャンバーは、少なくとも２つの冷却回路を有することができる。その場合、冷却回路は、冷却装置における２段目を形成してもよく、冷却回路の上流側に配置される他の冷却回路は、冷却装置における１段目を形成してもよい。この場合、凝縮器は、カスケード式熱交換器、即ち冷却回路のための熱交換器として機能する。試験チャンバーに係る本実施形態は、試験空間において、特に低い温度を実現できる。

温度制御装置は、試験空間内に、ヒータ及び加熱式熱交換器を有する加熱装置を備えていてもよい。加熱装置は、加熱式熱交換器によって試験空間内の温度を上昇させることができるように、加熱式熱交換器を加熱する電気抵抗ヒータとすることができる。制御装置を用いることにより、熱交換器と加熱式熱交換器が試験空間内を循環する空気の冷却又は加熱のために特別に制御可能な場合は、温度制御装置を用いて、前述した温度範囲内に収まる温度を試験空間内に実現できる。これに関連して、±１Ｋ、好ましくは±０．３Ｋから±０．５Ｋ又は±０．３Ｋ未満の温度の時間的な安定性を、試験材料又は試験材料の作動状態とは独立して、試験間隔の最中に、試験空間内に実現できる。試験間隔は、試験材料が本質的に一定の温度、即ち気候条件に曝されることになる、全試験期間における時間区分である。加熱式熱交換器は、冷媒が流通可能であり且つ電気抵抗ヒータにおける加熱要素を備える、共有される熱交換器の本体が実現できるように、冷却回路における熱交換器と組み合わせてもよい。凝縮器は、空冷式、水冷式、又は他の冷却剤により冷却できる。一般に、凝縮器は、任意の適切な流体を用いて冷却され得る。重要なことは、冷媒が完全に液化するまで冷媒を凝縮させるように、凝縮器に生じる熱的な負荷を空冷又は水冷によって消散させることである。

少なくとも１つの制御可能な第２膨張要素を有する第１バイパスを、冷却回路において実現できる。この場合、第１バイパスは、内部熱交換器の冷却回路上流側と凝縮器の下流側に接続され、制御可能な付加的内部冷却システムとして実現できる。このため、第１バイパスは、冷媒のための再注入装置を形成できる。その結果、冷媒は、低圧側回路において、内部熱交換器の制御可能な第２膨張要素から再利用され得る。この場合、第１バイパスは、内部熱交換器の冷却回路上流側の低圧側及び熱交換器の下流側に接続できる。第２膨張要素により冷却された、即ち温度レベルが低下した冷媒は、内部熱交換器を通過して、内部熱交換器の高圧側において、冷媒の冷却を強化できる。また、この方法により、内部熱交換器の冷却能力を更に正確に制御できる。

少なくとも１つの第３膨張要素を有する第２バイパスを、冷却回路に形成できる。この場合、第２バイパスは、凝縮器の膨張要素下流側及び内部熱交換器の上流側の膨張要素をバイパスして、冷媒が、冷媒における吸入気体温度及び／又は吸入気体圧力を、冷却回路の低圧側における圧縮機の上流側で制御可能となるように、第３膨張要素によって定量で供給できる。これを通じて、数ある中で、例えば、圧縮デバイスでもよい圧縮機が、過度に加熱されてダメージを受けることを防止できる。その結果として、静的な液体の冷媒（still-liquid refrigerant）を加えることで、圧縮機の上流側における気体状の冷媒を、第３膨張要素を作動させることにより第２バイパスを介して冷却できる。第３膨張要素は、制御装置によって作動させることができる。この制御装置は、圧縮機の上流側における冷却回路内において、それ自体が圧力及び／又は温度センサーに結合されている。吸入気体温度が、第２バイパスを介して３０℃以下に設定されていれば特に有効である。また、冷媒は、圧縮機の作動時間を制御できるように、定量で供給できる。一般に、圧縮機、又は圧縮機装置は、過度に頻繁に繰り返しオンオフされることは望ましくない。圧縮機の作動時間を長くすると、圧縮機の耐用期間を長くすることができる。例えば、圧縮機を自動的にオフ状態にするのを遅らせて、圧縮機の作動期間を長くするために、冷媒は、第２バイパスを介して、膨張要素又は凝縮器を通過するように案内してもよい。

少なくとも１つの他の膨張要素を含む別のバイパスを冷却回路に形成できる。この別のバイパスは、冷媒の吸入気体温度及び／又は吸入気体圧力を、冷却回路の低圧側における圧縮機の上流側で制御でき、及び／又は、冷却回路の高圧側と低圧側との間における圧力差を等しくできるように、圧縮機の下流側と凝縮器の上流側とをバイパスする。第２バイパスは、磁力弁などの設定可能な、又は制御可能な弁を更に備えていてもよい。他の膨張要素を介して、高圧側と低圧側とを接続すると、システムが停止した場合に、圧縮された気体状の冷媒が冷却回路の高圧側から低圧側に徐々に流れることを保証する。これにより、膨張要素が閉じている場合であっても、高圧側と低圧側との間の段階的な圧力の均等化が保証される。他の膨張要素の横断面の大きさは、高圧側から低圧側に流れる冷媒が冷却装置の通常の動作に僅かな影響しか及ぼさないように、決めることができる。同時に、圧縮機の上流側に位置する気体状の冷媒は、他のバイパスを介して液体状の冷媒を加えることにより冷却できる。

更に、内部熱交換器は、補助的な冷却部又は熱交換器、特にプレート式熱交換器として実現できる。その補助的な冷却部は、互いに接触している冷却回路の２つのライン部によって、簡単に実現できる。

膨張要素は、スロットルと磁力弁を備えていてもよい。この場合、スロットル及び磁力弁を介して冷媒を定量で供給できる。そのスロットルは、磁力弁を用いて冷媒を案内できる調整可能な弁又は毛細管とすることができる。磁力弁自体は、制御装置を用いて作動させることができる。

また、温度制御装置は、冷却回路内に、少なくとも１つの圧力センサ、及び／又は、少なくとも１つの温度センサを有する調整装置を備えることができる。この場合、温度及び／又は圧力の測定値に応じて、調整装置を用いて磁力弁を作動させるようにすることができる。調整装置は、センサから出力されるデータセットを処理するデータ処理手段を有し、磁力弁を制御するようにしてもよい。この場合、冷却装置の機能は、例えば、適切なコンピュータプログラムを介して使用される冷媒に合わせて調整できる。更に、試験チャンバーの致命的な又は望ましくない作動状態による損傷から試験チャンバーと試験材料を保護するために、必要に応じて、故障を知らせ、試験チャンバーを停止させてもよい。

本発明に基づいて使用される場合、冷媒は、質量分率が２８〜５１質量％の二酸化炭素と、質量分率が１４．５〜３２質量％のペンタフルオロエタンと、質量分率が１４．５〜３８質量％好ましくは最大３２質量％までの、のジフルオロメタンと、少なくとも１つの他の成分とにより構成され、他の成分はフルオロメタンである冷媒混合物により構成される。冷媒は、試験チャンバーの試験空間内の空気を調整するために使用され、試験空間は、試験材料を受ける機能を有し且つ外部環境に対して封止可能に断熱されている。試験チャンバーにおける温度制御装置の冷却装置は、冷媒と、熱交換器と、圧縮機と、凝縮器と、膨張要素とを有する冷却回路を備え、試験空間内において、−６０℃から＋１８０℃、好ましくは−７０℃から＋１８０℃、特に好ましくは−８０℃から＋１８０℃までの温度を達成するために使用される。

冷媒は、冷却回路における内部熱交換器により冷却され得る。内部熱交換器は、膨張要素の上流側及び凝縮器の下流側の、冷却回路における高圧側と、圧縮機の上流側及び熱交換器の下流側の、冷却回路における低圧側とに接続されており、内部熱交換器による高圧側の冷媒の冷却は、膨張要素における蒸発温度を下げるために使用できる。高圧側の冷媒の蒸発温度が低下している間、低圧側における冷媒の吸入圧力を一定に保つことができる。その場合、吸入圧力の関数として追加的な吸入圧力の制御及び膨張要素の制御など、システムをとても複雑にすることは、必ずしも必要ではない。特に、圧縮機は、冷却回路の作動状態に関係なく、一定の出力で作動させることも可能である。特に、ピストンポンプを圧縮機として使用する場合において、長期間の耐用期間を実現するためには、ピストンポンプを一定の速度で長時間作動させることが不可欠である。

高圧側の冷媒は、内部熱交換器による低圧側の一定の吸入圧力によって、低圧側の冷媒により冷却され得る。その結果、冷媒は、膨張要素から内部熱交換器までを含む冷却回路の蒸発部において、一定の吸入圧力で蒸発できる。冷媒の吸入圧力、又は蒸発圧力が一定の場合、冷媒は、蒸発温度が低い膨張要素から、蒸発温度が高い内部熱交換器へ、冷媒の温度グライドに応じて、蒸発できる。温度グライドから生じる露点温度は、冷却される流体、又は試験空間における空気の温度よりも高くてもよい。冷媒の蒸発温度が、同じ吸入圧力における試験空間で冷却される空気の温度と等しくなると、空気はそれ以上冷却できなくなる。しかし、他の熱交換器で達する露点温度は、内部熱交換器の高圧側における冷媒の液体温度よりも低くなる。これは、冷媒の液体温度を更に下げることができるということを意味する。したがって、膨張要素の下流側における蒸発温度は、吸入圧力を変えることなく下げることができ、試験空間の空気の実現すべき更なる冷却を可能にする。

この結果として、膨張要素を介して送られた冷媒の第１部分は、熱交換器において蒸発でき、冷媒の第２部分は、内部熱交換器において蒸発できる。冷却回路において冷媒が蒸発する蒸発部は、膨張要素から内部熱交換器に及んでいてもよい。蒸発部は、内部熱交換器を通過していてもよい。この場合、冷媒の露点は、圧縮機の上流側における内部熱交換器の出口であってもよい。第１部分／第２部分の比率は、試験空間又は熱交換器における温度の関数として、冷却回路の作動中に変化してもよい。例えば、熱交換器の温度と試験空間における温度との差が比較的大きい場合、熱交換器の冷媒の加熱が促進される場合がある。その結果として、冷媒の露点が内部熱交換器の入口、又は圧縮機の上流側における熱交換器の出口にシフトする。この種の露点のシフトは、試験空間において、比較的低い温度又は目標温度が実現されない限り、許容できる。熱交換器の温度が試験空間における温度に近づくと、露点がシフトし、これにより、第２部分が冷媒の第１部分に対して大きくなる。

高圧側における冷媒の蒸発温度は、自己制御によって下げることができる。熱交換器の温度に応じて、蒸発しなくなった冷媒は、熱交換器から流れ方向に排出される。これは、熱交換器の温度が、この場合においては、冷媒の相転移を引き起こすのに十分ではないためである。この結果として、湿った蒸気、又は液体状の冷媒は、内部熱交換器において再び蒸発する。これは、高圧側と低圧側との温度差が熱交換器よりも常に大きくなるためである。膨張要素の上流側における液体状の冷媒の温度が、内部熱交換器における熱交換によって低下した場合、膨張要素の上流側における冷媒のエネルギー密度と、熱交換器において達成可能な温度差が増加する。膨張要素、熱交換器、及び内部熱交換器の相互作用は、原則として、制御する必要はない。

特に好ましくは、冷却装置は、専ら冷媒の臨界点以下でのみ作動する。冷却装置が冷媒の三重点以下で作動する場合には、冷媒が超臨界状態に達することを防ぐことができる。このため、冷却装置は、超臨界状態で作動するように構成する必要がなく、冷却装置の製造コストを節約できる。

特に、内部熱交換器により高圧側における冷媒の蒸発温度を下げている間において、一定の吸入圧力を維持できる。この結果、内部熱交換器を介した高圧側における冷媒の冷却は、膨張要素における冷媒の蒸発温度を下げるために、部分的に又は排他的に利用されることがある。

冷媒の露点温度は、温度範囲における最低温度よりも高くすることができる。最新技術から知られている試験チャンバーにおいては、この場合におけるこの種の冷媒では、冷媒の露点温度に実質的に相当する比較的高い最低温度を除いて、温度範囲の最低温度に達することができないことがある。しかしながら、本発明に係る試験チャンバーにおいては、露点温度が温度範囲において達成可能な最低温度よりも高い冷媒は、高圧側の液体状の冷媒が内部熱交換器によって冷却されるため、使用できる。これは、膨張要素における冷媒の蒸発温度を比較的低くできることを意味する。

冷媒は、０．３から５ｂａｒまでの吸入圧力又は蒸発圧力で完全に蒸発できる。その圧力範囲内において冷媒を使用すると、冷却回路における低圧側を構築するために、特別な耐圧部品や構成要素を使用する必要がないため、冷却回路において費用対効果の高い製造が可能になる。

また、冷媒は、５〜３５ｂａｒまでの凝縮圧力で完全に凝縮できる。ここでも、高圧側は、比較的高い圧力に適応する必要のない部品と構成要素とを使用して構築できる。

使用における他の態様は、装置に係る請求項１を引用した従属項の特徴部の記載から明らかである。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。

図１は、冷媒における圧力とエンタルピーの図である。 図２は、冷却装置の第１の実施形態の概略図である。 図３は、冷却装置の第２の実施形態の概略図である。 図４は、冷却装置の第３の実施形態の概略図である。 図５は、冷却装置の第４の実施形態の概略図である。 図６は、冷却装置の第５の実施形態の概略図である。

図２には、試験チャンバー（図示せず）の冷却装置１０に係る第１の実施形態が示されている。冷却装置１０は、冷却回路１１を備えており、冷却回路１１は、冷媒、熱交換器１２、圧縮機１３、凝縮器１４、及び膨張要素１５を有している。凝縮器１４は、手近な他の冷却回路１６により冷却される。熱交換器１２は、試験チャンバーにおける試験空間（図示せず）に配置されている。更に、冷却回路１１は、高圧側１７と低圧側１８とを有し、これらに内部熱交換器１９が接続されている。

図１には、冷却回路１１を循環する冷媒に関する圧力−エンタルピー図（ｌｏｇ ｐ／ｈ図）が示されている。ここで、冷媒は非共沸性冷媒である。図１及び図２の組み合わせによると、Ａ地点から始まり、圧縮機１３の上流側の冷媒が吸入及び圧縮され、これにより圧力が圧縮機１３の下流側のＢ地点に達する。冷媒は、圧縮機１３により圧縮され、続いて、凝縮器１４で液化されＣ地点に達する。冷媒は、高圧側１７の内部熱交換器１９を通過し、そこで更に冷却され、膨張要素１５の上流側で位置Ｃ´に達する。内部熱交換器１９により、熱交換器１２では使用できない湿った蒸気領域の部分（位置ＥからＥ´）を使用して、冷媒の温度を更に下げることができる（位置Ｃ´からＣ）。膨張要素１５で、冷媒は緩和され（位置Ｃ´からＤ´）、熱交換器１２で部分的に液化される（位置Ｄ´からＥ）。次に、冷媒の湿った蒸気は、低圧側１８の内部熱交換器１９に入り、そこで、冷媒は、位置Ｅ´で冷媒の露点温度、即ち露点に達するまで再蒸発する。したがって、冷媒の蒸発部２２の第１サブセクション２０は、熱交換器１２を通り、蒸発部２２の第２サブセクション２１は内部熱交換器１９を通る。本質的な特徴は、膨張要素１５の蒸発温度が変化しても、低圧側１８における圧縮機１３の吸入圧力が蒸発部２２において一定に保たれることである。

冷媒は、二酸化炭素の質量分率が２８〜５１質量％、ペンタフルオロエタンの質量分率が１４．５〜３２質量％、ジフルオロメタンの質量分率が１４．５〜３８質量％、好ましくは３２質量％までであり、少なくとも１つの他の成分を含む冷却混合物であって、他の成分はフルオロメタンである。原則として、前記の表１及び表２に記載されている冷媒を、冷却回路１１及び以下に説明する冷却回路で使用できる。

図３には、冷却装置２３の最も簡単な実施形態の概略図が示されている。冷却装置２３は、自己制御式である。冷却装置２３は、冷却回路２４を有し、冷却回路２４は、熱交換器２５、圧縮機２６、凝縮器２７、膨張要素２８及び内部熱交換器２９を備える。熱交換器２５の温度によっては、熱交換器２５、又は試験空間（図示せず）の温度は、もはや相転移を引き起こすほど高くないため、完全に蒸発していない冷媒は、熱交換器２５から逃げる。この場合、内部熱交換器２９において、温度差が常に熱交換器２５よりも大きくなければならないため、静的な液体状の冷媒が再蒸発する。膨張要素２８の上流側における液体状の冷媒の温度が、内部熱交換器２９での熱交換により低下すると、熱交換器２５で達することのできるエネルギー密度及び温度差が増加する。冷却装置２３は、センサなどによる精巧な制御を必要としていない。

図４は、冷却装置３０を示しており、第１バイパス３１及び第２バイパス３２を有する点において、図３の冷却装置と異なる。制御可能な第２膨張要素３３が第１バイパス３１に配置され、第１バイパス３１は、付加的内部冷却システム３４として構成される。第１バイパス３１は、内部熱交換器２９の上流側且つ凝縮器２７のすぐ下流側と、内部熱交換器２９の上流側且つ熱交換器２５の下流側とにおいて、冷却回路２４に接続されている。したがって、第１バイパス３１は、熱交換器２５と第１膨張要素２８を回避し、内部熱交換器２９は、第２膨張要素３３を介して蒸発する冷媒が供給される。内部熱交換器２９に流入した吸入気体質量流量は、熱交換器２５による吸入気体温度が高い場合、第１バイパス３１により更に冷却できる。このように、膨張要素の上流側において、冷媒の蒸発を防ぐことができる。したがって、第１バイパス３１は、冷却装置３０の負荷変化に対応するために使用され得る。第２バイパス３２は、第３膨張要素３５を有し、内部熱交換器２９の上流側且つ凝縮器２７の下流側と、内部熱交換器２９の下流側且つ圧縮機２６の上流側とにおいて、冷却回路２４に接続されている。これにより、許容できないほど高い最終的な圧縮温度を回避するために、第２バイパス３２を介して、圧縮機２６の上流側の吸入気体質量流量を十分に低減できる。

図５は、冷却装置３６を示しており、他の冷却回路３７を有するという点において、図４の冷却装置と異なる。他の冷却回路３７は、冷却回路３９の凝縮器３８を冷却する機能を有する。凝縮器３８は、手近なカスケード式熱交換器４０として実現される。更に、冷却回路３９は、他の膨張要素４２を有する他のバイパス４１を有する。他のバイパス４１は、圧縮機２６の下流側且つ凝縮器３８の上流側と内部熱交換器２９の下流側且つ圧縮機２６の上流側とにおいて、冷却回路３９に接続されている。したがって、まだ液化されていないが圧縮された冷媒は、他のバイパス４１を介して圧縮機２６の上流側に戻ることができ、それにより、冷媒の吸入気体温度及び／又は吸入気体圧力を制御できる。

図６は、冷却装置３０を示し、冷却装置３０は、冷却回路４４及び他の冷却回路４５、特に冷却回路４４内に内部熱交換器４６を有する。手近な例において、熱交換器４７は、試験チャンバー（図示せず）の断熱された試験空間に配置されている。

Claims (23)

1. 冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）用の冷媒であって、
   前記冷却装置は、前記冷媒が相転移する少なくとも１つの熱交換器（１２，２５，４７）を有する冷却回路（１１，２４，３９，４４）を備え、
   前記冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ_２）、ペンタフルオロエタン（Ｃ_２ＨＦ_５）、ジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２）、及び少なくとも１つの他の成分により構成される冷媒混合物であり、
   前記冷媒混合物における前記二酸化炭素の質量分率が２８〜５１質量％、前記ペンタフルオロエタンの質量分率が１４．５〜３２質量％、前記ジフルオロメタンの質量分率が１４．５〜３８質量％、前記他の成分がフルオロメタン（ＣＨ_３Ｆ）であることを特徴とする冷媒。
2. 請求項１に記載された冷媒において、
   前記冷媒混合物における前記フルオロメタンの質量分率が１〜２０質量％であることを特徴とする冷媒。
3. 請求項２に記載された冷媒において、
   前記冷媒混合物における前記フルオロメタンの質量分率が４〜１２質量％であることを特徴とする冷媒。
4. 請求項３に記載された冷媒において、
   前記フルオロメタンの質量分率が６〜１０質量％であることを特徴とする冷媒。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された冷媒において、
   前記ジフルオロメタンの質量分率が１４．５〜３２質量％であることを特徴とする冷媒。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された冷媒において、
   前記二酸化炭素の質量分率が３０〜３８質量％、前記ペンタフルオロエタンの質量分率が２７〜３１質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が２７〜３１質量％であることを特徴とする冷媒。
7. 請求項６に記載された冷媒において、
   前記二酸化炭素の質量分率が３２〜３６質量％、前記ペンタフルオロエタンの質量分率が２８〜３０質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が２８〜３０質量％であることを特徴とする冷媒。
8. 請求項１から３のいずれか１項に記載された冷媒において、
   前記二酸化炭素の質量分率が４１〜４９質量％、前記ペンタフルオロエタンの質量分率が２１．５〜２５．５質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が２１．５〜２５．５質量％であることを特徴とする冷媒。
9. 請求項８に記載された冷媒において、
   前記フルオロメタンの質量分率が６〜１０質量％であることを特徴とする冷媒。
10. 請求項８又は９に記載された冷媒において、
    前記二酸化炭素の質量分率が４３〜４７質量％、前記ペンタフルオロエタンの質量分率が２２．５〜２４．５質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が２２．５〜２４．５質量％であることを特徴とする冷媒。
11. 請求項１に記載された冷媒において、
    前記二酸化炭素の質量分率が３５〜５０質量％、及び前記フルオロメタンの質量分率が１〜１５質量％であることを特徴とする冷媒。
12. 請求項１１に記載された冷媒において、
    前記フルオロメタンの質量分率が１〜９質量％であることを特徴とする冷媒。
13. 請求項１２に記載された冷媒において、
    前記フルオロメタンの質量分率が３〜７質量％であることを特徴とする冷媒。
14. 請求項１１から１３のいずれか１項に記載された冷媒において、
    前記二酸化炭素の質量分率が３６〜４４質量％であることを特徴とする冷媒。
15. 請求項１４に記載された冷媒において、
    前記二酸化炭素の質量分率が３８〜４２質量％であることを特徴とする冷媒。
16. 請求項１１から１５のいずれか１項に記載された冷媒において、
    前記ペンタフルオロエタンの質量分率が１５〜３０質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が２３〜３８質量％であることを特徴とする冷媒。
17. 請求項１６に記載された冷媒において、
    前記ペンタフルオロエタンの質量分率が１８〜２６質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が２９〜３７質量％であることを特徴とする冷媒。
18. 請求項１７に記載された冷媒において、
    前記ペンタフルオロエタンの質量分率が２０〜２４質量％、及び前記ジフルオロメタンの質量分率が３１〜３５質量％であることを特徴とする冷媒。
19. 請求項１から１８のいずれか１項に記載された冷媒において、
    前記冷媒の温度グライドが９Ｋ〜１６Ｋの範囲であることを特徴とする冷媒。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載された冷媒において、
    前記冷媒の相対ＣＯ_２換算値が１００年で１３４０未満であることを特徴とする冷媒。
21. 請求項１から２０のいずれか１項に記載された冷媒において、
    前記冷媒が不燃性であることを特徴とする冷媒。
22. 空気を調整するための試験チャンバーであって、
    前記試験チャンバーは、試験材料を受ける機能を有し且つ外部環境に対して封止可能であり断熱された試験空間と、該試験空間の温度を制御するための温度制御装置と、を備え、
    前記温度制御装置の使用により、前記試験空間内において−７０℃から＋１８０℃までの温度を達成可能であり、
    前記温度制御装置は、請求項１から２１のいずれか１項に記載された冷媒と、熱交換器（１２，２５，４７）と、圧縮機（１３，２６）と、凝縮器（１４，２７，３８）及び膨張要素（１５，２８）と、を有する冷却回路（１１，２４，３９，４４）を含む冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）を備えることを特徴とする試験チャンバー。
23. 冷媒の使用であって、
    前記冷媒は、２８〜５１質量％の二酸化炭素（ＣＯ_２）と、１４．５〜３２質量％のペンタフルオロエタン（Ｃ_２ＨＦ_５）と、１４．５〜３８質量％のジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２）と、少なくとも１つの他の成分とからなり、他の成分はフルオロメタン（ＣＨ_３Ｆ）により構成される冷却混合物であり、
    試験チャンバーにおける試験空間内の空気を調整するために使用され、
    前記試験空間は、試験材料を受ける機能を有し且つ外部環境に対して封止可能であって断熱されており、
    前記試験チャンバーにおける温度制御装置の冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）は、
    前記冷媒と、熱交換器（１２，２５，４７）と、圧縮機（１３，２６）と、凝縮器（１４，２７，３８）と、膨張要素（１５，２５，２８）と、を有する冷却回路（１１，２４，３９，４４）を含み、
    前記試験空間内において、−６０℃から＋１８０℃、好ましくは−７０℃から＋１８０℃、特に好ましくは−８０℃から＋１８０℃までの温度を達成するために使用されることを特徴とする冷媒の使用。

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