JP2021152444A - 冷却装置、テストチャンバ及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境にやさしく安全な方法で簡単な手段によって、少なくとも−８０℃に達する温度が確立され得る冷却装置を動作させる方法、冷却装置、冷却装置を有するテストチャンバを提供する。【解決手段】冷却装置の冷媒を含む冷却回路１１、熱交換器１２、内部熱交換器１９、圧縮機１３、凝縮器１４、及び制御可能な膨張要素１５を有する冷却装置によって、熱交換器において−８０℃以下の温度が確立され、冷媒は、熱交換機内で相遷移を経て、冷却回路１１の高圧側１７の冷媒は、内部熱交換器１９によって冷却され、内部熱交換器１９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用いられ、非共沸冷媒が冷媒として用いられ、膨張要素１５は、膨張要素１５における膨張の間、冷媒が部分的に凝固するように冷却装置１０の制御装置によって制御される。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置を動作させる方法、冷却装置、及び冷却装置を有するテストチャンバに関し、この冷却装置は、冷媒を含む冷却回路、熱交換器、内部熱交換器、圧縮機、凝縮器、及び制御可能な膨張要素を有し、冷却装置によって前記熱交換器において−８０℃以下の温度が確立され、冷媒は、熱交換機内で相遷移を経て、冷却回路の高圧側の前記冷媒は、内部熱交換器によって冷却され、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用いられ、非共沸冷媒が冷媒として用いられる。

そのような方法及び冷却装置は、物体、特に装置の物理的及び／又は化学的特性を調べるために使用されるいわゆるテストチャンバ内で一般に使用される。例えば、−７０℃から＋１８０℃までの範囲の温度が設定可能な温度テストチャンバ又は環境テストチャンバが知られている。環境テストチャンバにおいては、装置又はテスト材料が規定の期間にわたって暴露される所望の環境条件が更に設定され得る。テストされるテスト材料を受け入れるテスト空間の温度は、テスト空間内の循環空気ダクト内で一般に制御される。循環空気ダクトは、循環空気ダクト及びテスト空間を通って流れる空気を加熱又は冷却するために熱交換器が配置される空気処理空間をテスト空間に形成する。送風機又は換気装置は、テスト空間に位置する空気を吸い込み、循環空気ダクト内の熱交換器のそれぞれに導く。このようにして、テスト材料の温度が制御されることが可能であり、又はテスト材料が規定の温度変化に暴露されることが可能である。テスト期間中、温度は、例えばテストチャンバの最高温度と最低温度との間で変動する。そのようなテストチャンバは、例えばEP 0 344 397 A2から知られている。

冷媒が放出される場合における環境への間接的な損傷を避けるために、冷却回路で使用される冷媒は非常に低いＣＯ_２当量を有さなければならない、すなわち、相対的温室効果能力又は地球温暖化指数（ＧＷＰ）ができるだけ低くなければならない。ＧＷＰは、二酸化炭素を参照値として、規定の質量の温室効果ガスが地球温暖化にどれだけ寄与するかを示す。その値は、ここでは比較のために１００年が設定される、特定の期間にわたる平均温暖化効果を表す。相対ＣＯ_２当量又はＧＷＰの定義のためには、気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）、第５次評価報告書、附属書8.A、表8.A.1が参照される。純粋物質冷媒としての二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用することが知られている。二酸化炭素は、低コストで利用可能であり、不燃性であり、ＧＷＰが１であるため本質的に環境的に中立である。二酸化炭素は56.6℃の凝固温度又は三重点を有し、そのため二酸化炭素を使用してより低い温度を達成することはできない。更に、従う必要があり得るあらゆる安全規則のため、充填、輸送、及び冷却回路の運転を複雑にしないように、冷媒は不燃性でなければならない。また、可燃性の冷媒が使用されるなら、その場合に必要とされる構造手段のため、冷却回路の製造はより費用がかかるようになる。可燃性は、熱を放出することによって周囲の酸素に反応する冷媒の特性のことをいう。冷媒は、本願の優先日より前の最新版において、特にヨーロッパ標準ＥＮ２の火災クラスＣ、並びにＤＩＮ３７８のクラスＡ２、Ａ２Ｌ及びＡ３に分類されるなら、可燃性である。

非共沸冷媒混合物において、相遷移は、温度勾配（temperature glide）として知られる温度範囲で起こる。温度勾配とは、一定圧力における沸点及び露点の間の差を表す。しかし非共沸冷媒混合物は、比較的高いＧＷＰによって特徴付けられる、高い質量分率の不燃性成分を典型的には含む。また、冷媒の使用は、なるべく簡単でなければならず、すなわち、冷却装置の大規模な技術的再構成を必要とすべきではない。特に３Ｋより大きい温度勾配を有する冷媒を用いると、当該冷却回路の膨張要素及び熱交換器又は蒸発器は、冷媒の蒸発温度に調節されなければならず、それに従った制御が提供されなければならない。

さらに、冷却装置の静的動作のために、すなわち熱交換器又は蒸発器における温度が長期間にわたって実質的に一定である冷却装置のために設計された冷媒と、熱交換器において比較的速い温度変化を呈する動的冷却装置のために設計された冷媒とは、区別がなされなければならない。この種の動的冷却装置は、例えばテストチャンバに統合されており、このことは、使用される冷媒は、広い温度範囲で使用可能でなければならないことを意味する。さらに非共沸冷媒混合物が連続的に蒸発する冷却装置が知られている。このことは、膨張要素によって冷媒の成分が次々に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、実質的に静的な極低温を実現するのに適している。

よって本発明の目的は、環境にやさしく安全な方法で簡単な手段によって、少なくとも−８０℃に達する温度が確立され得る冷却装置を動作させる方法、冷却装置、冷却装置を有するテストチャンバを提案することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する方法、請求項１４の特徴を有する冷却装置、請求項１９の特徴を有するテストチャンバ、及び請求項２１の特徴を有する冷媒の使用によって達成される。

本発明による冷却装置を動作させる方法において、前記冷却装置は、冷媒を含む冷却回路、熱交換器、内部熱交換器、圧縮機、凝縮器、及び制御可能な膨張要素を有し、前記冷却装置によって前記熱交換器において−８０℃以下の温度が確立され、前記冷媒は、前記熱交換機内で相遷移を経て、前記冷却回路の高圧側の前記冷媒は、前記内部熱交換器によって冷却され、前記内部熱交換器による前記高圧側の前記冷媒の冷却は、前記膨張要素における蒸発温度を下げるために用いられ、非共沸冷媒が冷媒として用いられ、前記膨張要素は、前記膨張要素における膨張の間、前記冷媒が部分的に凝固するように前記冷却装置の制御装置によって制御される。

本発明による方法では、冷却回路を循環する冷媒が熱交換器を通って流れるように、熱交換器が冷却回路に接続され、又は冷却回路に組み込まれる。例えば、熱交換器は、熱交換器によって空気が調和され、及び／又は空気の温度が制御されるように、テストチャンバのテスト空間内に、又はテスト空間の空気処理空間に配置され得る。内部熱交換器も、冷却回路に組み込まれ得るし、凝縮器の下流かつ膨張要素の上流で冷媒の流れの向きに配置され得る。冷媒は内部熱交換器内で過冷却され、よって、冷媒の蒸発温度が低下する。
これにより、冷媒が、膨張要素における膨張の後、熱交換器において蒸発するとき、熱交換器において比較的低い温度を確立することが可能になる。規定の量の冷媒がある期間内に膨張要素を経由して流れるように、膨張要素は冷却装置の制御装置によって制御され得、過冷却された冷媒は、常に液体である、又は液相にある。冷媒の凝集の状態は、膨張要素における液体から気体への膨張の後、膨張要素における蒸発温度の関数として変化する。冷媒はある温度の範囲又は勾配において徐々に蒸発し、冷却回路及び／又は熱交換器において、冷媒は液相及び気相のセクションにある。この場合、冷却装置は、いわゆる冷蒸気圧縮冷凍システムとして運転される。本発明によると、膨張要素における膨張の間、冷媒が部分的に凝固するように、膨張要素は制御装置によって制御される。これは、冷却回路の膨張要素の下流において、冷媒が少なくとも部分的に固体状態であることを意味する。この場合、冷媒は完全には凝固しないということが重要であり、その結果、冷媒のまだ液体又は気体の成分が冷却回路内の冷媒の固体成分を輸送することが可能であり、固体成分による冷却回路の起こり得る閉塞が防止される。次に、冷媒の部分的に凝固した、すなわち固体の成分は、昇華する、すなわち、固相から気相へ遷移する。このように、冷媒の昇華のエンタルピーを利用することが可能であり、それは融解のエンタルピーと蒸発のエンタルピーとの合計である。したがって、融解のエンタルピーを冷凍のために追加的に利用することが可能である。冷媒の昇華の過程は、冷媒の蒸発の過程より低い温度で起きるので、冷蒸気過程において冷媒で可能な温度より更に低い温度を冷媒で達成することが可能になる。冷媒の凝固する成分は、したがって、冷媒の全ての成分の中で最も高い凝固点を有する。冷媒の成分が凝固するとき、固体の粒子が冷媒の液相内で形成されて、相が強力に混合され、冷媒の流れを確実にする。したがって、全体として、冷却装置の調節された制御装置及び／又は膨張要素の調節された制御によってのみ冷媒を部分的に凝固させることが可能であり、それによって、熱交換器においてより低い温度を達成することが可能になる。この過程において、冷蒸気過程にも使用される、かつ、環境に優しく安全なやり方で使用され得る冷媒が、使用され得る。

その結果、冷媒は、熱交換器において部分的に昇華し得る。このプロセスで、熱交換器内の冷媒の凝固した部分及び／又は液相中の粒子は、昇華する。その結果、液相の三重点が低下され、その低い三重点のせいで、従来の蒸発が起きる。冷却装置の温度範囲を拡大させること又は低下することに加えて、冷却装置の容積を増すことも達成される。要件に依存して、冷却装置は、冷媒を部分的に昇華させることと共に、又は完全に蒸発する及び／又は液体の冷媒と共に運転され得る。したがって、この方法によれば、実質的に従来の冷却回路を用いて冷却装置を動作させることが可能である。よって圧縮機又は圧縮機装置は、従来のやり方で、過熱された冷媒を吸気し、冷却回路の再構築を必要とすることなく、冷却回路内でそれを連続的に搬送できる。

冷却回路内の膨張要素の下流かつ熱交換器の上流では、冷媒は、固相の粒子を持つ、液相及び／又は気相の均質な混合物で形成され得る。特に、液相及び／又は湿り蒸気と、固相の粒子との均質な混合物が形成され得る最大の範囲において、固相の粒子による冷却回路の詰まり又は閉塞が防止され得る。さらに、冷媒の成分は、分離（demix）しないことが確実にされ得る。したがって、成分つまり冷媒混合物の混合比率は、冷却回路にわたって、常に実質的に一定つまり同一である。

膨張要素は、冷却回路の低圧側で圧力が１バール以下になるように制御装置によって制御され得る。よって、冷却回路における昇華温度及び／又は昇華圧力は、１バールの周囲圧力よりも低く設定することも可能である。この圧力は、制御装置によって及び／又は膨張要素によって特に容易に設定又は制御され得る。

この目的のためには、さらなる追加の冷却回路の再構築又は構成要素は必要ではない。例えば、低圧側での圧力は、圧縮機が運転されている間に、膨張要素の絞り弁を調整することによって、制御装置によって容易に作られ得る。この場合、昇華圧力は、用いられる冷媒及び／又は冷媒に含まれる成分の、及びそれらそれぞれの昇華温度の関数として選択され得る。その結果、制御装置は、用いられる冷媒の関数として設定又はプログラミングされ得る。

ある質量分率の二酸化炭素（ＣＯ_２）及びある質量分率の少なくとも１つの他の成分からなる冷媒混合物が冷媒として用いられ得る。この冷媒混合物は、二酸化炭素及び低ＧＷＰを有し不燃性又は限られた可燃性しか有しない１つ以上のフッ化冷媒から構成され得る。二酸化炭素の質量分率は、なるべく低くなければならないが、それは、もしそうでなければ冷媒混合物の凝固点は、二酸化炭素の質量分率が大きくなるにつれて高くなるからである。しかし二酸化炭素の質量分率が低いと、二酸化炭素のＧＷＰ低減効果が減る。これは、部分的にフッ化された冷媒が二酸化炭素よりも大幅に大きいＧＷＰを有すると共に、難燃効果が改善される理由である。この冷媒は、１０Ｋ以上、好ましくは１５Ｋ以上、より好ましくは１８Ｋ以上の温度勾配を有し得る。冷媒の温度勾配は、冷却装置が適切に動作され得るようにするため２０Ｋより大きくならないようにしなければならない。

冷媒の成分の比率は、冷却回路において常に一定に維持され得る。冷媒の成分は、冷媒の混合比率において膨張要素を介して誘導されることが明示的に規定される。

他の成分は、冷却回路で作られる圧力における二酸化炭素の凝固点よりも低い凝固点を有し得る。この場合、二酸化炭素は、膨張要素において部分的に又は完全に凝固する冷媒の成分である。冷媒は、最も高い融点を持つ成分の又は二酸化炭素の三重点に近いか又はそれより下の温度まで、内部熱交換器において過冷却され得る。膨張要素における冷媒の膨張の間、二酸化炭素は、冷媒の過冷却の関数として部分的に又は完全に凝固し得る。もし冷却装置が制御装置によって従来のように運転されるなら、膨張の間、二酸化炭素は、最初は液相だけであり得る。冷媒混合物の他の成分は、冷媒混合物又は二酸化炭素より低い凝固点を有し、膨張要素における膨張の間、液相を形成し、この液相が、固相として存在する、つまり粒子の形態で存在する二酸化炭素のための分散媒として機能する。

二酸化炭素の質量分率は、１０−５０質量パーセント、好ましくは３０−５０質量パーセントであり得る。そのような質量分率を持つとき、十分に低いＧＷＰが達成され得る。同時に、二酸化炭素の質量分率が比較的高い場合に起こる、冷却回路の詰まりが防止され得る。

他の成分は、ペンタフルオロエタン及び／又はジフルオロメタンであり得る。ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンは、特に大量のフッ素原子を含み、これが望ましくない高ＧＷＰにつながる。しかし驚きをもって発見されたことに、３０−４０質量パーセントの質量分率の二酸化炭素と、ペンタフルオロエタン及び／又はジフルオロメタンとを含む冷媒混合物を用いると、十分に低いＧＷＰ、すなわち４００未満が達成され得る。さらなる成分の選択で、例えば１５０未満のような低ＧＷＰ値が達成され得る。また発見されたのは、ペンタフルオロエタンの難燃効果は、二酸化炭素のそれよりも比較的大きいことである。さらに、ペンタフルオロエタンの、及び二酸化炭素の不利な特性は、冷媒混合物の第３成分としてジフルオロメタンを追加することによって低減され得る。よって、ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンを含む冷媒混合物は、不燃性として分類され得る。同時に、ジフルオロメタンは、ペンタフルオロエタンの凝固温度よりも低い凝固温度を有する。その結果、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、及び二酸化炭素の混合物は、ペンタフルオロエタン及び二酸化炭素だけよりも低い凝固温度を達成する。よってジフルオロメタンは、冷媒混合物の凝固点を大幅に下げ、冷媒混合物が不燃性を呈するためには、二酸化炭素のある質量分率が要求される。しかし同時に、ジフルオロメタンでは、圧縮温度が最終的に高くなるが、これは、二酸化炭素との混合でジフルオロメタンだけを用いるという条件の下でだけジフルオロメタンが適切である理由である。ペンタフルオロエタンは、ジフルオロメタンほどは冷媒混合物の凝固点を下げることはできないが、二酸化炭素よりも難燃効果が大きいので有利である。

他の実施形態では、冷媒においては、二酸化炭素の質量分率は、３３から３８質量パーセント、好ましくは３５質量パーセントであり、ペンタフルオロエタンの質量分率は、３３．５から３１質量パーセント、好ましくは３２．５質量パーセントであり、ジフルオロメタンの質量分率は、３３．５から３１質量パーセント、好ましくは３２．５質量パーセントである。したがって、冷媒混合物は、３つの成分だけから構成され得る。この場合、成分ジフルオロメタン及びペンタフルオロエタンの質量分率は、等しい。上述のように、二酸化炭素と、ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンとの混合物は、特に優位性があることが証明された。この冷媒混合物は、１バール近傍の蒸発圧力において７Ｋより大きい温度勾配を有し得る。さらにこの冷媒混合物は、凝固点が濃度依存で低下することにつながる。よって異なる温度の応用例のための可燃性及び不燃性冷媒混合物は、質量分率を示された質量分率からずらすことで実現され得る。

本願の優先日の前の最新版のＤＩＮ ８９６０によれば、二酸化炭素（ＣＯ_２）は、Ｒ７４４の呼称で冷媒又は成分として知られ、ペンタフルオロエタン（Ｃ_２ＨＦ_５）は、Ｒ１２５の呼称で知られ、ジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２）は、Ｒ３２の呼称で知られる。

冷媒は、−７５℃より低い温度において部分的に凝固し得て、−７５℃より高い温度において液体及び／又は気体であり得る。その結果、この場合、冷媒は、液相及び気相だけの冷媒として、又は液相、気相、及び固相の冷媒として、冷却装置の動作のために用いられ得る。

この方法では、熱交換器において−９０℃以下の温度、好ましくは−１００℃以下の温度が確立され得る。この場合、この方法は、冷媒を用いた冷却装置の従来の運転方法では不可能であるはずの、熱交換器における温度の本質的な低下を可能にする。

前記冷媒は、不燃性であり得て、１００年にわたり２５００未満の、好ましくは１５００未満の、さらに好ましくは５００未満の相対ＣＯ_２当量を有し得る。その結果、冷媒は、環境にほとんど悪影響を与えないようになり得る。もし冷媒が不燃性なら、特に冷却回路及びテストチャンバは、より費用対効果が高くなるように設計され得るが、これは、冷媒の可燃性の点で特別な安全対策を施さなくてもよいからである。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には分類されないかもしれない。さらに、冷却回路の発送及び運送は、より簡単になるが、これは、運送形態にかかわらず、運送される前に冷却回路が冷媒を含んでもよいからである。もし可燃性冷媒が用いられるなら、設置場所での立ち上げまでは、充填が可能ではないかもしれない。さらに、着火源が存在しても不燃性冷媒の使用は、可能である。

冷却装置は、圧縮冷凍（compression refrigerating）システムとして実現され、第１動作状態では、液相及び気相である冷媒を有する圧縮冷凍システムとして動作し、第２動作状態では、部分的に固相である冷媒を有する昇華冷凍システムとして動作する。

本発明による冷却装置は、空気を調和させるように機能し、前記冷却装置は、冷媒を含む冷却回路、熱交換器、内部熱交換器、圧縮機、凝縮器、及び制御可能な膨張要素を有し、前記冷却装置によって前記熱交換器において−８０℃以下の温度が確立され、前記冷媒は、前記熱交換機内で相遷移を経ることが可能であり、前記内部熱交換器は、前記冷却回路の高圧側の前記冷媒を冷却し、前記膨張要素における蒸発温度を下げるために用いられ、前記冷媒は、非共沸冷媒であり、前記冷却装置は、膨張要素が制御される制御装置を有し、前記膨張要素は、前記膨張要素における膨張の間、前記冷媒が部分的に凝固するように前記制御装置によって制御され得る。本発明による冷却装置の優位性については、本発明による方法の優位性の記載が参照される。

前記内部熱交換器は、前記膨張要素の上流かつ前記凝縮機の下流で、前記冷却回路の前記高圧側に接続され、前記圧縮機の上流かつ前記熱交換器の下流で、前記冷却回路の低圧側に接続され得る。内部熱交換器の使用及び内部熱交換器による高圧側の液化した冷媒の冷却によって、−５６℃より低い温度が容易に到達され得る。内部熱交換器によって冷却された冷媒の蒸発温度は、非冷却冷媒の蒸発温度に対して膨張要素において低減され得る。よって、内部熱交換器を介して低圧側から高圧側に移動された冷却能力は、少なくとも部分的には、好ましくはもっぱら、膨張要素における冷媒の蒸発温度を低減するために用いられ得る。さらに、温度勾配を有する非共沸冷媒の使用が可能になるが、その理由は第一義的には、冷媒の露点温度の位置又は冷媒の露点が、この場合は内部熱交換器内部にシフトされ得るからである。非共沸冷媒の温度勾配の結果として、冷媒の得られた露点温度は、比較的高くなり得て、よって熱交換器がさらに冷却することを防止し得る。よって、いわゆる実効温度勾配、すなわち熱交換器における等圧部分蒸発の間の温度差は、目標とするやり方で制御され得る。その結果、７Ｋより大きい高温度勾配を有する冷媒が用いられるときにも、温度は正確に設定され得る。内部熱交換器は、過冷却セクション又は熱交換器、特にプレート式熱交換器として実現され得る。過冷却セクションは、互いに接触している冷却回路の２つのラインセクションによって簡単には実現され得る。

前記制御装置は、前記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し、前記膨張要素は、測定された温度及び／又は圧力の関数として前記制御装置によって駆動可能である。膨張要素は、絞り弁及び磁気弁を有し得て、この場合、冷媒は、絞り弁及び磁気弁を介して計量され得る。絞り弁は、設定可能なバルブ又はキャピラリーであり得て、これを介して冷媒は磁気バルブによって送られる。磁気弁そのものは、制御装置によって駆動され得る。制御装置は、センサからのデータのセットを処理し、磁気弁を制御するデータ処理のための手段を含み得る。この場合、冷却装置の機能の制御は、例えば、適切なコンピュータプログラムを介して冷媒に対しても調節され得る。さらに、この制御装置は、機能不全の信号を発出し、危険な又は望まれない動作状態による損傷から冷却装置を保護するために、必要に応じて冷却装置のシャットダウンを開始し得る。

他の実施形態では、前記凝縮器は、前記冷却装置の他の冷却回路のカスケード熱交換器として実現され得る。したがって、冷却装置は、少なくとも２つの冷却回路を有し得て、この場合、冷却回路は、冷却装置の第２ステージを形成し得て、冷却回路の上流に配置されたもう１つの冷却回路は、冷却装置の第１ステージを形成し得る。この場合、凝縮器は、カスケード熱交換器又は他の冷却回路のための熱交換器として機能する。この実施形態は、テスト空間内の熱交換器において特に低い温度が確立されることを可能にする。

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バイパスが前記冷却回路に実現され得て、この場合、前記第１バイパスは、前記内部熱交換器の上流かつ前記凝縮機の下流で前記冷却回路に接続され得て、前記第１バイパスは、制御可能な追加の内部冷却システムとして実現され得る。よって第１バイパスは、冷媒のための再注入（re-injection）装置を形成し得る。したがって、冷媒は、低圧側において制御可能な第２膨張要素から内部熱交換器に供給され得る。この場合、第１バイパスは、内部熱交換器の上流かつ熱交換器の下流において冷却回路の低圧側に接続され得る。冷却された、つまりその温度レベルが第２膨張要素によって下げられた冷媒は、内部熱交換器を通るように導かれ得て、内部熱交換器の高圧側において冷媒の冷却を強め得る。またこのようにして、内部熱交換器の冷却能力は、より正確に制御され得る。

本発明によるテストチャンバは、本発明による冷却装置を有し、前記テストチャンバは、空気を調和させるための、周囲とは遮断され、断熱であり、試料を収納するよう機能するテスト空間と、前記冷却装置を含み、前記テスト空間の温度を制御するよう機能する温度制御装置とを備え、前記温度制御装置によって前記テスト空間内の温度が、温度範囲−８０℃から＋１８０℃、好ましくは−９０℃から＋１８０℃、さらに好ましくは−１００℃から＋１８０℃にあるように確立され得る。前記温度制御装置は、前記テスト空間内に、ヒーターを有する加熱装置、及び加熱熱交換器を有し得る。加熱装置は、例えば電気抵抗ヒーターであり得て、これは、加熱している熱交換器によってテスト空間内の温度が上げられ得るように、加熱している熱交換器を加熱する。もし熱交換器及び加熱している熱交換器が、テスト空間内で循環される空気を冷却又は加熱するために制御装置によってターゲットにされたようなやり方で制御され得るなら、上で示された温度範囲の温度が、温度制御装置によってテスト空間内で確立され得る。代替として、試料の排熱によってテスト空間内で高い温度が確立され得る。

テストチャンバのさらなる実施形態は、装置の請求項１４に戻って参照する従属請求項の特徴の記載から導かれる。

ある質量分率の二酸化炭素及びある質量分率の少なくとも１つの他の成分からなる冷媒混合物からなる非共沸冷媒であって、前記他の成分は、前記冷却回路で作られた圧力において前記二酸化炭素の凝固点よりも下の凝固点を有し、前記冷却回路における前記他の成分は、液相及び／又は気相であり、前記二酸化炭素は、少なくとも部分的には固相であるような、非共沸冷媒が冷却装置の冷却回路において本発明によって用いられるとき、前記他の成分は、固相の前記二酸化炭素のための分散媒である。本発明による使用の優位性については、本発明による方法の優位性の記載が参照される。使用の他の実施形態は、方法の請求項１及び装置の請求項１４を戻って参照する従属請求項の特徴の記載から導かれる。

以下、本発明の好ましい実施形態が添付の図面を参照してより詳細に説明される。

図１は、冷媒の圧力−エンタルピー図である。 図２は、冷却装置の第１実施形態の概略図である。 図３は、冷却装置の第２実施形態の概略図である。 図４は、冷却装置の第３実施形態の概略図である。 図５は、冷却装置の第４実施形態の概略図である。 図６は、冷却装置の第５実施形態の概略図である。

図２は、テストチャンバ（図示せず）の冷却装置１０の第１実施形態を示す。冷却装置１０は、冷媒を有する冷却回路１１と、熱交換器１２と、圧縮機１３と、凝縮器１４と、膨張要素１５とを含む。凝縮器１４は、目下の場合、他の冷却回路１６によって冷却される。熱交換器１２は、テストチャンバのテスト空間（図示せず）に配置される。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が接続される。

図１は、冷却回路１１内を循環する冷媒の圧力−エンタルピー図（log p/h図）を示し、冷媒は非共沸冷媒である。圧力−エンタルピー図において、冷媒の凝集（aggregation）のさまざまな状態が示されている。特に、気相の冷媒の領域４８、液相の冷媒の領域４９、固相の冷媒の領域５０、固液相の冷媒の領域５１、液気相の冷媒の領域５２、及び、固液気相の冷媒の領域５３が示されている。液相の組成は膨張中に変化するので、冷媒は３相共存の平衡状態でもあり得る。凝集の各状態の間の遷移は、領域４８から５３までの間の境界線５４で生じる。

図１と図２とを組み合わせてみると、位置Ａから出発して、圧縮機１３の上流の冷媒は、吸気され、圧縮され、位置Ｂによると圧縮機１３の下流ではそれによって圧力が得られる。冷媒は、圧縮機１３によって圧縮され、位置Ｃによると凝縮器１４内でその後液化される。冷媒は内部熱交換器１９を高圧側１７において通り、そこで更に冷却され、このようにして膨張要素１５の上流の位置Ｃ’に達する。内部熱交換器１９によって、熱交換器１２において利用できない湿り飽和蒸気領域（位置ＥからＥ’まで）の一部が冷媒の温度を更に低下させるために使用され得る（位置Ｃ’からＣまで）。膨張要素１５において、冷媒は緩和され（位置Ｃ’からＤ’まで）、熱交換器１２において部分的に液化される（位置Ｄ’からＥ）。この過程において、内部熱交換器１９における冷媒の過冷却の機能として、又は膨張要素１５の制御の機能として、冷媒は部分的に凝固する。次に、冷媒の湿り飽和蒸気は、内部熱交換器１９に低圧側１８において入り、そこで冷媒は、位置Ｅ’において冷媒の露点温度又は露点に達するまで再び蒸発する。したがって、冷媒の蒸発セクション２２の第１サブセクション２０は、熱交換器１２を通り、蒸発セクション２２の第２サブセクション２１は、内部熱交換器１９を通っている。重要な点は、圧縮機１３の低圧側１８における吸気圧力が、膨張要素１５における蒸発温度が変化しても蒸発セクション２２において一定に保たれるということである。

冷媒は、質量分率が３０−５０質量パーセントの二酸化炭素とある質量分率の少なくとも１つの他の成分との混合冷媒であり、他の成分はペンタフルオロエタン（pentafluoroethane）及び／又はジフルオロメタン（difluoromethane）である。基本的には、冷却回路１１及び以下で説明される冷却回路において、他の適切な冷媒も使用可能である。

図３は、冷却装置２３の最も簡単な実施形態の概略図を示し、冷却装置２３は、自動制御をしている。冷却装置は、熱交換器２５を有する冷却回路２４と、圧縮機２６と、凝縮器２７と、膨張要素２８と、内部熱交換器２９とを含む。熱交換器２５における、又はテスト空間（図示せず）内の温度は、もはや相遷移を生じさせるのに十分高くはないので、熱交換器２５における温度に応じて、完全には蒸発していない冷媒が熱交換器２５から流出する。この場合、内部熱交換器２９における温度差は熱交換器２５におけるより常に大きくなければならないので、まだ液体の冷媒は内部熱交換器２９内で再蒸発される。膨張要素２８の上流の液冷媒の温度が内部熱交換器２９における熱交換によって低下すると、エネルギー密度及びそれを用いて熱交換器２５において実現可能な温度差が増加する。冷却装置２３は、センサ等による複雑な制御を必要としない。

図４は、第１バイパス３１と第２バイパス３２とを有する点で図３の冷却装置とは異なる冷却装置３０を示す。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は追加的な内部冷却システム３４として構成されている。第１バイパス３１は、凝縮器２７のすぐ下流かつ内部熱交換器２９の上流と、熱交換器２５の下流かつ内部熱交換器２９の上流とに接続されている。よって第１バイパス３１は、熱交換器２５とともに膨張要素２８をバイパスし、内部熱交換器２９は第２膨張要素３３を経由して気体冷媒が供給されることが可能である。内部熱交換器２９に導入される吸入気体の質量流は、吸入気体温度が高い場合には、それは熱交換器２５によって引き起こされ得るのであるが、第１バイパス３１によって追加的に冷却され得る。このようにして、膨張要素の上流の冷媒の蒸発が防止される。したがって、第１バイパス３１は、冷却装置３０の負荷が変化する場合に対処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、凝縮器２７の下流かつ内部熱交換器２９の上流で、及び、内部熱交換器２９の下流かつ圧縮機２６の上流で冷却回路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圧縮温度を回避するために、圧縮機の上流での吸入気体質量流を第２バイパス３２を経由して大いに十分に減少させることが可能になる。

図５は、他の冷却回路３７を有する点で図４の冷却装置とは異なる冷却装置３６を示す。他の冷却回路３７は、冷却回路３９の凝縮器３８を冷却する働きをする。凝縮器３８は、目下の場合においてはカスケード熱交換器４０として実現される。更に、冷却回路３９は、もう一つの膨張要素４２を有するもう一つのバイパス４１を有する。他のバイパス４１は、圧縮機２６の下流かつ凝縮器３８の上流で、及び、内部熱交換器２９の下流かつ圧縮機２６の上流で冷却回路３９に接続されている。よって、まだ液化していないが圧縮されている冷媒は、他のバイパス４１を経由して圧縮機２６の上流に戻って流れることが可能であり、それによって冷媒の吸入気体温度及び／又は吸入気体圧力が制御され得る。

図６は、冷却回路４４と、他の冷却回路４５と、特に、冷却回路４４内の内部熱交換器４６とを有する冷却装置３０を示す。目下の場合、熱交換器４７は、テストチャンバ（図示せず）の断熱されたテスト空間内に配置される。

Claims (21)

1. 冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）を動作させる方法であって、
   前記冷却装置は、冷媒を含む冷却回路（１１，２４，３９，４４）、熱交換器（１２，２５，４７）、内部熱交換器（１９，２９，４６）、圧縮機（１３，２６）、凝縮器（１４，２７，３８）、及び制御可能な膨張要素（１５，２５，２８）を有し、
   前記冷却装置によって前記熱交換器において−８０℃以下の温度が確立され、
   前記冷媒は、前記熱交換機内で相遷移を経て、
   前記冷却回路の高圧側（１７）の前記冷媒は、前記内部熱交換器によって冷却され、
   前記内部熱交換器による前記高圧側の前記冷媒の冷却は、前記膨張要素における蒸発温度を下げるために用いられ、
   非共沸冷媒が冷媒として用いられ、
   前記膨張要素は、前記膨張要素における膨張の間、前記冷媒が部分的に凝固するように前記冷却装置の制御装置によって制御される
   方法。
2. 前記冷媒は、前記熱交換器（１２，２５，４７）内で部分的に昇華する
   請求項１に記載の方法。
3. 前記冷却回路（１１，２４，３９，４４）において、前記膨張要素（１５，２５，２８）の下流かつ前記熱交換器（１２，２５，４７）の上流において、前記冷媒は、固相の粒子を持つ、液相及び／又は気相の均一混合物で形成される
   請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記膨張要素（１５，２５，２８）は、前記冷却回路（１１，２４，３９，４４）の低圧側（１８）では１バール以下の圧力になるように前記制御装置によって制御される
   請求項１−３のいずれか１項に記載の方法。
5. ある質量分率の二酸化炭素（ＣＯ_２）及びある質量分率の少なくとも１つの他の成分からなる冷媒混合物が冷媒として用いられる
   請求項１−４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記冷媒の成分の比率が前記冷却回路（１１，２４，３９，４４）内で常に一定に維持される
   請求項５に記載の方法。
7. 前記他の成分は、前記冷却回路（１１，２４，３９，４４）で作られた圧力において前記二酸化炭素（ＣＯ_２）の凝固点よりも下の凝固点を有する
   請求項５又は請求項６に記載の方法。
8. 二酸化炭素（ＣＯ_２）の前記質量分率は、１０−５０質量パーセントであり、好ましくは３０−５０質量パーセントである
   請求項５−７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記他の成分は、ペンタフルオロエタン（Ｃ_２ＨＦ_５）及び／又はジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２）である
   請求項５−８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記冷媒は、−７５℃より低い温度において部分的に凝固し、−７５℃より高い温度において液体及び／又は気体である
    請求項１−９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記熱交換器において−９０℃以下の温度、好ましくは−１００℃以下の温度が確立される
    請求項１−１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記冷媒は、不燃性であり、１００年にわたり２５００未満の、好ましくは１５００未満の、さらに好ましくは５００未満の相対ＣＯ_２当量を有する
    請求項１−１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）は、圧縮冷凍システムとして実現され、第１動作状態では、液相及び気相である冷媒を有する圧縮冷凍システムとして動作し、第２動作状態では、部分的に固相である冷媒を有する昇華冷凍システムとして動作する
    請求項１−１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 空気を調和させるための冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）であって、
    前記冷却装置は、冷媒を含む冷却回路（１１，２４，３９，４４）、熱交換器（１２，２５，４７）、内部熱交換器（１９，２９，４６）、圧縮機（１３，２６）、凝縮器（１４，２７，３８）、及び制御可能な膨張要素（１５，２５，２８）を有し、
    前記冷却装置によって前記熱交換器において−８０℃以下の温度が確立され、
    前記冷媒は、前記熱交換機内で相遷移を経て、
    前記内部熱交換器は、前記冷却回路の高圧側（１７）の前記冷媒を冷却し、前記膨張要素における蒸発温度を下げるために用いられ、
    前記冷媒は、非共沸冷媒であり、
    前記冷却装置は、膨張要素が制御される制御装置を有し、
    前記膨張要素は、前記膨張要素における膨張の間、前記冷媒が部分的に凝固するように前記制御装置によって制御され得る
    冷却装置。
15. 前記内部熱交換器（１２，２５，４７）は、前記膨張要素（１５，２５，２８）の上流かつ前記凝縮機（１４，２７，３８）の下流で、前記冷却回路（１１，２４，３９，４４）の前記高圧側（１７）に接続され、前記圧縮機（１３，２６）の上流かつ前記熱交換器の下流で、前記冷却回路の低圧側（１８）に接続される
    請求項１４に記載の冷却装置。
16. 前記制御装置は、前記冷却回路（１１，２４，３９，４４）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し、前記膨張要素（１５，２５，２８）は、測定された温度及び／又は圧力の関数として前記制御装置によって駆動可能である
    請求項１４又は請求項１５に記載の冷却装置。
17. 前記凝縮器（１４，２７，３８）は、前記冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）の他の冷却回路（３６，４３）のカスケード熱交換器（４０）として実現される
    請求項１４−１６のいずれか１項に記載の冷却装置。
18. 少なくとも１つの制御可能な第２膨張要素（３３）を有する第１バイパス（３１）が前記冷却回路（２４，３９，４４）に実現され、前記第１バイパスは、前記内部熱交換器（２９，４６）の上流かつ前記凝縮機（２７，３８）の下流で前記冷却回路に接続され、前記第１バイパスは、制御可能な追加内部冷却システム（３４）として実現される
    請求項１４−１７のいずれか１項に記載の冷却装置。
19. 請求項１４−１８のいずれか１項に記載の冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）を有するテストチャンバであって、
    前記テストチャンバは、空気を調和させるための、周囲とは遮断され、断熱であり、試料を収納するよう機能するテスト空間と、前記冷却装置を含み、前記テスト空間の温度を制御するよう機能する温度制御装置とを備え、
    前記温度制御装置によって前記テスト空間内の温度が、温度範囲−８０℃から＋１８０℃、好ましくは−９０℃から＋１８０℃、さらに好ましくは−１００℃から＋１８０℃にある
    テストチャンバ。
20. 前記温度制御装置は、前記テスト空間内に、ヒーターを有する加熱装置、及び加熱熱交換器を備える
    請求項１９に記載のテストチャンバ。
21. 冷却装置（１０，２３，３０，３６，４３）の冷却回路（１１，２４，３９，４４）における、ある質量分率の二酸化炭素（ＣＯ_２）及びある質量分率の少なくとも１つの他の成分からなる冷媒混合物からなる非共沸冷媒の使用であって、
    前記他の成分は、前記冷却回路で作られた圧力において前記二酸化炭素の凝固点よりも下の凝固点を有し、
    前記冷却回路における前記他の成分は、液相及び／又は気相であり、
    前記冷却回路における前記二酸化炭素は、少なくとも部分的には固相であり、
    前記他の成分は、固相の前記二酸化炭素のための分散媒である
    使用。

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