KR20070101252A

KR20070101252A - 에너지 절약형 항온항습기와 그 작동 방법

Info

Publication number: KR20070101252A
Application number: KR1020077013957A
Authority: KR
Inventors: 마우리지오 아스카니
Original assignee: 안젤란토니 인두스트리 에스.피.에이.
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2007-10-16
Also published as: CA2588359C; IL183367A0; EP1828693A1; ATE391274T1; US20090205344A1; DE602004012905D1; JP2008524624A; DK1828693T3; HK1108477A1; EP1828693B1; CN101084403A; AU2004325833A1; US8020389B2; MX2007007230A; AU2004325833B2; CA2588359A1; IL183367A; ES2300866T3; DE602004012905T2; KR101093583B1

Abstract

항온항습기(10)는 일련의 테스트 싸이클을 수행하고 회전 속도가 변할 수 있는 압축기(120, 210, 410)를 포함하는 적어도 하나의 냉동 회로(100, 200, 410)에 의해 냉각된다. 상기 항온항습기(10)가 최저 설정 온도로 유지되는 테스트 싸이클의 단계 동안에, 압축기(120, 210, 410)는 최저 회전 속도로 작동하고 냉동 용량은 냉각 저장 매체를 냉각시키는데 사용된다. 그리고 나서 냉각 저장 매체가 저장한 냉기가 재생되어 압축기(120, 210, 410)가 최대 회전 속도로 작동하는 냉각 단계 동안에 냉매를 아냉각 시킨다.

Description

에너지 절약형 항온항습기와 그 작동 방법{ENERGY-SAVING CLIMATIC TEST CHAMBER AND METHOD OF OPERATION}

본 발명은 시험실(testing laboratory)에서 사용되는 종류의 항온항습기(climatic test chamber)에 관한 것이다.

어떤 물질 및/또는 부품의 견본을 단열 캐버티(thermally insulated cavity)에 놓아두고 소정 수만큼의 온도 싸이클(temperature cycle)을 충분히 겪게한다.

이러한 온도 싸이클은 서로 교대되는 냉각단계와 가열단계로 구성되며, 두 단계 사이에는 소정 시간 동안의 기간이 제공된다. 이 기간 동안 상기 견본은 최대 온도와 최저 온도에서 유지된다. 여기서 최대, 최저 온도 값은 각각 테스트할 물질 및/또는 부품에 관련된 테스트 사양에 의하여 제공된다.

최대 온도에 도달하고 이 온도를 유지하는데 있어서 특별한 문제점은 없다. 최대 온도가 180℃까지 올라가더라도 마찬가지이다. 이는 높거나 혹은 낮은 출력 정격(power rating)을 갖는 통상적인 전기 가열 요소(electric heating element)를 사용하는 것만으로도 충분하기 때문이다. 그러나 요구되는 최소 온도에 도달하는데 있어서 많은 문제가 있으며, 특히 최소 온도가 -70℃와 같이 매우 낮은 값일 때 특히 심해진다. 최소 온도에 도달하려면 당연히 냉동유닛(refrigerating init)을 사용하는 것을 의미한다.

냉동유닛을 사용하는데 관련된 첫번째 문제점은 실질적으로 필요한 장비의 종류에 관련된다. 비록 단지 기술적인 관점에서는 쉽지만, 이런 문제점의 해결책은 어찌됐건 상당히 비싸다는 것이다. 매우 낮은 최소 온도에 도달하기 위해서는 냉동유닛이 실제로 2단 캐스케이드 방식(2-stage cascade type)이어야 한다. 2단 캐스케이드 방식에서는 고온 단(higher-temperature stage) 혹은 고온 회로(higher-temperature circuit)의 증발기(evaporator)가 저온 단(lower-temperature stage) 혹은 저온 회로(lower-temperature circuit)의 응축기(condenser)와 열교환 되도록 배치되어야 한다. 따라서 저온 단에서 사용되는 냉매는 고온 단에서 사용되는 냉매보다 끓는점이 낮고, 저온단의 증발기가 실질적으로 항온항습기의 단열 캐버티와 열교환 조건에 있다.

두번째 문제점은 더 심각하다. 냉각율(cool-down rate)이 실제로 매우 중요한 인자이기 때문에, 설정된 최소 온도를 필요한 시간 동안 유지하는데 있어서 냉동유닛에 의하여 제공되는 냉동 용량(refrigerating capacity)이 냉각 단계 동안에 제공되는 냉동 용량의 약 10%정도 되는 작은 비율을 차지한다. 여기서 냉각율은 단열 캐버티의 내부를 최대 온도에서 최소 온도로 냉각시키는데 걸리는 시간이다. 최소 온도는 전형적으로 ±0.5℃정도의 매우 엄격한 공차 내에서 유지되어야 하기 때문에 냉동유닛의 단 또는 회로의 압축기를 반복적이고 빈번하게 ON/OFF할 수 없다. 이와 반대로 이런 압축기를 적절한 가변 유량 솔레노이드 밸브(adjustable flow-rate solenoid valve)를 사용하여 계속 작동시키는 것이 필요하다.

이런 두번째 문제점을 해결하기 위하여 일반적으로 채용된 선행기술은 저온 단의 응축기, 팽창밸브, 그리고 증발기 뿐만이 아니라 고온 단의 증발기에도 냉매의 유동을 컷-오프(cut off)하기 위하여 적절한 바이패스 장치(by-pass arrangement)를 제공하여 활성화하는 것이다. 이런 방식에서는 냉매가 각 압축기의 공급측(delivery side)과 흡입측(suction side) 사이를 계속 순환한다. 어쨌든 이런 방식에서는 상당한 양의 에너지가 낭비되는 것이 명백하다. 이는 또한 냉매의 유량이 변하지 않은 채로 유지된다는 점을 고려해 보아도 마찬가지이다. 즉 냉각 단계와 캐버티가 설정된 최소 온도로 유지되는 단계 동안 모두 냉매의 유량이 동일하다.

이와는 반대로 항온항습기의 단열 캐버티가 설정된 최소 온도로 유지되는 동안에 상당한 양의 에너지가 낭비되지 않도록 하는 것이 바람직하며, 이것이 본 발명의 주요한 목적이다.

본 발명의 또 다른 목적은 항온항습기의 냉각율을 증가시키는 것이다. 그 결과 냉각 단계의 지속기간이 감소되고 이에 따라 온도 싸이클의 지속기간도 감소된다. 이는 시험실 기기를 사용하는 고객에게 명백한 장점이다. 또한 이에 따른 낮은 에너지 소비 때문에 비용적인 측면에서도 장점이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적들은 청구항에서 열거한 특징들을 포함하는 항온항습기에 의하여 달성되고 뒤따르는 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.

공지 기술에 대한 본 발명의 장점이나 본 발명의 특징은 다음의 실시예에 관한 설명으로 더욱 쉽게 이해될 수 있다. 물론 이런 실시예는 본 발명의 유일한 실시예는 아니다. 여기서 주장되는 본 발명의 특징 모두는 항온항습기의 냉동유닛에 관련된다.

도 1은 본 발명에 따른 2단 캐스케이드 냉동유닛의 회로도를 나타낸다. 여기서 일반적으로 알려진 부품이나 아이템들이 본 발명과 관련성이 없을 경우에는 명쾌한 설명을 위하여 일부러 삭제되었다. 이러한 부품이나 아이템들은 필요조건과 안전 표준 규제, 또는 냉매를 채우거나 유지보수 등과 같은 보조적인 작동을 수행하는데 사용된다.

도 2는 1단 냉동유닛을 위한 유사한 회로도를 나타낸다.

도 1에서 부호 100으로 표시되고 냉매로서, 예컨데 R23(즉, 메틸 트리플루오라이드, methyl trifluoride)를 사용할 수 있는 저온 단의 유체역학적 회로(fluid-dynamic circuit)는 증발기(110), 압축기(120), 압축기(120)의 공급 파이프(122), 파이프(128), 저장기(130, reservoir), 압축기(120)의 리턴 또는 흡입 파이프(124, return or suction pipe)를 포함한다.

증발기(110)는 핀이 달린 다수의 파이프들(a battery of finned pipes)로 구성되며, 항온항습기의 단열 캐버티(10) 내부와 공기 유동을 전환하기 위하여 제공되는 배플 플레이트(12, baffle plate) 뒤에 위치한다. 또한 캐버티(10) 내부에는 실질적으로 한 그룹의 피복된 저항-타입의 가열요소(sheathed resistance-type heating element)가 평행하게 연결되도록 배열되는(in a parallel-connected arrangement) 전기 가열 요소(14), 최고 온도와 최저 온도를 제어하고 설정하기 위한 조정가능 써모스탯(15, adjustable thermostat)의 프루브(16, probe), 온도 제한 안전 써모스탯(17, temperature-limiting safety thermostat), 캐버티(10) 내부의 정규 공기 유동(regular flow of air)을 제공하도록 적용되는 모터-구동 팬(19, motor-driven fan)의 임펠러(18, impeller)가 있다. 조정가능 써모스탯(15)은 캐버티(10) 외부에 배치되고 PLC(25)와 연합하여 전체 항온항습기를 제어한다. 특히 PLC(25)는 각각 전기 연결부(23, 33, electric connection)를 통하여 두 인버터(20, 30, inverter)와 연결되고 메인 전력 공급관(power-supply main)으로부터 전력을 공급받는다. 온도 제한 안전 써모스탯(17)은 미도시되었으나 메인 전력 공급관에 연결된 통상적인 선에 연결되어 전기 가열 요소(14)에 전력을 준다.

압축기(120, 이하 제1압축기로 칭함)는 비동기 모터(asynchronous motor)에 의하여 구동되고, 전력선(22, power line)을 통하여 인버터(20)에 연결된다. 인버터(20)는 최고 설정 값과 최저 설정 값 사이에서 모터의 회전속도를 제어한다.

압축기(120)의 공급 파이프(122)에는 오일 분리기(126, oil separator)가 제 공된다. 오일 분리기(126)는 서비스 파이프(125, service pipe)를 통하여 압축기의 하부 베이스(lower base)와 연결된다. 서비스 파이프는 공급 파이프(122)와 평행하다. 여기에서 오일 유동 지시기(127, oil-flow indicator)가 장착되어 오일의 통과를 가르킨다.

파이프(128)는 오일 분리기(126)를 응축기(105)에 연결한다. 응축기는 향류형 열교환기(150, counter-flow heat exchanger)의 고온부를 형성한다.

저장기(130)는 액체 냉매를 모으며 파이프(128)의 끝에 위치하고, 파이프(132)를 통하여 증발기(110)의 입구(111)에 연결된다. 파이프(132)에는 순차적으로 솔레노이드 밸브(134, 이하 밸브I로 칭한다)와 자동 온도 조절로 제어되는 밸브(136, thermostatically controlled valve)가 제공되어, 저온 단 회로(100)의 교축부재(throttling member)를 형성한다.

압축기(120)의 리턴 또는 흡입 파이프(124)는 공급 파이프(122)보다 큰 직경을 가지며 증발기(110)의 출구(112)에 연결된다.

본 발명의 이런 일 실시예에 있어서, 저온 단의 유체역학적 회로(100)는 최종적으로 바이패스 라인(140, by-pass line)을 포함한다. 바이패스 라인(140)은 T-피팅(142, T-fitting)을 통하여 제1압축기(120)의 공급 파이프(122)에 연결된다. 여기서 T-피팅(142)을 이하 제6피팅으로 칭한다. 또한 바이패스 라인(140)은 또 다른 T-피팅(제7피팅)을 통하여 같은 압축기의 흡입 파이프(124)에 연결된다. 바이패스 라인(140)에는 제6피팅(142)부터 시작하여 순차적으로 솔레노이드 밸브(146, 이하 솔레노이드 밸브II로 칭한다), 모세관(148, capillary tube)이 장착된다.

도 1에서 부호 200으로 표시되고 냉매로서, 예컨데 R404a(즉, 44.1%의 R125와 51.9%의 R143a와 4%의 R134a의 혼합물)를 사용할 수 있는 고온 단의 유체역학적 회로(fluid-dynamic circuit)는 압축기(210), 압축기(210)의 공급 파이프(212), 압축기(210)의 리턴 또는 흡입 파이프(214), 응축기(220), 저장기(224)로부터 나오는 출구 파이프(230, outlet pipe)를 포함한다.

압축기(210, 이하 제2압축기로 칭함)는 비동기 모터(asynchronous motor)에 의하여 구동되고, 전력선(32)을 통하여 인버터(30)에 연결된다. 인버터(30)는 최고 설정 값과 최저 설정 값 사이에서 모터의 회전속도를 제어한다.

압축기(210)의 리턴 또는 흡입 파이프(214)는 공급 파이프(212)보다 큰 직경을 가지며 열교환기(150)의 저온부의 출구에 연결된다.

실질적으로 응축기(220)는 관련된 모터 구동 냉각팬을 갖는 핀이 달린 다수의 튜브들(a battery of finned tubes)이다. 응축기(220)는 압축기(210)의 공급 파이프(212)의 끝에 위치하고, 짧은 연결 파이프(223)를 통하여 액체 냉매를 위한 저장기(224)에 연결된다.

저장기(224)로부터 나오는 출구 파이프(230)에는 순차적으로 드라잉 필터(232, drying filter), 오일의 통과를 가르키는 오일 유동 지시계(234), T-피팅(236)이 제공된다. T-피팅(236)은 이하 제1피팅으로 칭한다. 제1피팅(236)에서 파이프(240)가 출발된다. 이 파이프(240)를 주 파이프라 칭한다. 여기에는 순차적으로 솔레노이드 밸브들(242, 244)과 자동 온도 조절로 제어되는 밸브(246)가 장착되어 고온 단의 유체역학적 회로(200)의 교축부재를 형성한다. 이하 밸브(242, 244)는 각각 솔레노이드 밸브III, 솔레노이드 밸브IV로 칭한다. 주 파이프(240)는 고온 단의 회로(200)의 증발기(205)까지 도달하여 앞서 언급한 열교환기(150)의 저온부를 형성한다.

본 발명의 기본적 특징에 의하면, 상기 T-피팅(236)에서 부 파이프(241, secondary pipe)가 또한 출발한다. 여기에는 솔레노이드 밸브(248, 이하 솔레노이드 밸브V로 칭함)가 장착되고, 밀봉된 탱크(250, sealed tank)를 통하여 결국 솔레노이드 밸브III(242)의 하류에 위치하는 T-피팅(245, 이하 제2피팅으로 칭함)에 의하여 주 파이프(240)로 들어가는 끝까지 신장된다. 탱크(250) 안에는 게이트 밸브(239, gate valve)가 제공된 파이프(237)를 통하여 예컨데 수성 에틸렌 글리콜 용액(aqueous ethylene glycol solution)과 같은 적당한 종류의 공융액(eutectic liquid)이 채워진다. 이 탱크(250)는 본 발명의 또 다른 중요한 특징을 형성하고, 나중에 상세하게 설명되듯이 냉각 저장 수단으로 작용하기 때문에 이하 저장 탱크로 칭한다.

부 파이프(241)에 부언하여, 탱크(250)를 통하여 또한 코일 형상의 구간을 갖는 파이프(252)가 통과하는데, 이를 이하 회수 파이프(recovery pipe)라 칭한다. 회수 파이프(252)는 T형상의 피팅(254)에서 시작되며 이를 이하 제3피팅이라 칭한다. 제3피팅(254)은 제2피팅(254)의 하류와 솔레노이드 밸브IV의 상류에 위치한다. 회수 파이프(252)에는 순차적으로 솔레노이드 밸브(256, 이하 솔레노이드 밸브VI라 칭함), 자동 온도 조절로 제어되는 밸브(258)가 제공된다. 회수 파이프(252)는 또 다른 T형상의 피팅(255, 이하 제5피팅이라 칭함)에 있는 종단점(termination point)에 이를 때까지 저장 탱크(250)의 하류로 연장된다. T형상의 피팅(255)은 열교환기(150)의 저온부 출구의 하류에 있는 제2압축기(210)의 흡입 파이프(214)에 위치한다.

본 발명의 이런 일 실시예에 있어서, 고온 단의 유체역학적 회로(200)는 최종적으로 바이패스 라인(260)을 포함한다. 바이패스 라인(260)은 액체 냉매의 저장기(224)에서 파이프(230)에 대하여 분리된 위치로 나와 T-피팅(266, 이하 제4피팅이라 칭함)에서 끝난다. T-피팅(266)은 주 파이프(240) 위에서 교축밸브(246)와 열교환기(150)의 저온부의 입구 사이에 위치한다. 그 자체로 알려진 방법으로 바이패스 라인에는 순차적으로 솔레노이드 밸브(262, 이하 솔레노이드 밸브VII라 칭함)와 모세관(264)이 제공된다.

작동 방식은 다음과 같다. 항온항습기에서 수행되는 테스트와 같은 종류라는 가정하에서 테스트 사양은 N 싸이클을 수행하는 것을 요구한다. 이 싸이클은 순차적으로 4단계로 구성된다. 즉, 제1단계로 항온항습기의 단열 캐버티에 놓인 견본을 최대 설정 온도 t1(=170℃)까지 가열한다. 제2단계로 견본을 3시간 동안 상기 온도 t1로 유지한다. 제3단계로 견본을 최소 설정 온도인 t2(=-70℃)로 냉각시킨다. 제4단계로 견본을 3시간 동안 상기 온도 t2로 유지한다.

테스트 사양에 따라 수행될 N 테스트 싸이클의 첫 번째 싸이클에서 본 기기의 작동은 완전히 통상적인 것이다. 즉, 처음의 두 단계는 전기 가열 요소(14)를 사용하여 수행되며, PLC(25)의 제어 하에 모터-구동 팬(19)에 의하여 보조된다. 다음 냉각 단계에서 PLC(25)는 우선 가열 요소(14)를 끄고 모터-구동 팬(19)은 정기 적으로 작동하도록 유지하면서 PLC에 연결된 프루브(16)가 캐버티(10) 내의 온도가 t2에 도달한 것을 감지할 때까지 인버터(20, 30)가 압축기(120, 220)의 구동 모터에 최대 주파수로 전력을 공급하도록 한다. 예컨데 선주파수(line frequency)가 50Hz라면 최대 주파수 60Hz로 공급한다. 이런 냉각 단계 동안에 PLC(25)는 회로 내의 솔레노이드 밸브들의 상태를 다음의 표 1과 같이 한다. 여기서 ON은 대응하는 밸브의 솔레노이드가 활성화된 것이고, OFF는 비활성화된 것을 의미한다.

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

따라서 냉동유닛의 각 단이 최대 용량으로 작동하게 하여 캐버티 내의 온도가 t1에서 t2로 떨어지는데 T_I의 시간이 필요하다. 따라서 첫 번째 작동 싸이클의 제3단계의 지속기간이 T_I이다.

뒤따르는 이 테스트 싸이클의 제4단계에서 PLC(25)는 캐버티(10)를 최저 설정 온도 t2로 유지하고, 인버터(20, 30)는 두 압축기(120, 210)의 모터의 회전 속도를 감소시킨다. 압축기의 정확한 작동에 의하여 허용될 수 있는 최저 속도에 도달하면, PLC(25)는 이 제4단계 동안에 회로 내의 솔레노이드 밸브들의 상태를 다음의 표 2와 같이 한다.

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

결과적으로 이 제4단계에서 캐버티(10)에 필요한 냉동전력이 매우 작다는 것을 고려하면, 고온 단 회로(200)의 냉동 용량 전부가 열교환기(150) 내에서 저온 단의 회로(100)로 들어오는 냉매를 냉각하는데 더 이상 사용되지 않는다. 본 발명의 기본적인 특징에 따르면, 고온 단의 회로(200)의 냉동 용량은 오히려 회수 파이프(252)를 통하여 저장 탱크(250) 내의 공융액을 (어는점까지)냉각하는데 사용된다.

소정의 N 싸이클 중에서 다음(두 번째) 싸이클의 냉각 단계에서, PLC(25)는 회로 내의 솔레노이드 밸브의 상태를 다음의 표 3과 같이 한다.

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

그 결과 부 파이프(241)에서 즉, 교축밸브(246)의 상류에서 냉매가 탱크(250)에 축적된 냉기에 의하여 아냉각되므로(subcooled) 열역학적 관점에서의 장점을 즉시 알 수 있다.

이런 아냉각(subcooling)은 열교환기(150) 내의 동일한 냉매의 증발에 영향을 미치고 이를 조정하여, 저온 단의 회로(100) 내의 냉매의 응축에 유리한 효과를 갖는다. 그 때문에 저온 단 회로의 효율을 향상시킨다.

궁극적으로 캐버티 내의 온도가 t1에서 t2로 내려가는 두 번째 작동 싸이클의 제3단계의 지속기간이 첫 번째 싸이클에서 필요한 시간인 T_I과 동일하지 않고 T_I보다 상당히 적은 값인 T_II가 된다. 두 번째 싸이클의 제4단계는 첫 번째 싸이클의 제4단계와 유사하다. 테스트 사양에 따라 수행될 이후의 테스트 사이클은 두 번째 싸이클과 관련하여 설명한 방식과 동일한 방식으로 진행된다.

앞선 설명에서 즉시 감지할 수 있는 것은 실험실 테스트의 전체 지속기간이 감소되고 관련된 에너지 소비가 감소된다는 것이다. 테스트를 주문한 고객은 더 짧은 시간과 더 싼 가격으로 테스트 결과를 얻을 수 있다는 명백한 장점이 있다. 항온항습기를 사용하여 테스트를 하는 실험자는, 예컨데 1년과 같은 주어진 기간 내에 더 많은 수의 테스트를 수행할 수 있다는 장점이 있다.

탱크(250) 내의 냉기를 저장하는 것이 완전히 완료되어 탱크 안에 적재된 공융액이 완전히 어는 조건이 발생하면 회로(200)의 바이패스 기능이 활성화된다. 그리고 나서 PLC(25)는 회로 내의 솔레노이드 밸브의 상태를 다음의 표4와 같이 한다.

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

본 발명의 또 다른 실시예를 설명하겠다. 이는 도 2에 도시되었으며 다단 냉동이 아닌 일단 냉동 유닛을 포함한다. 본 실시예에서 제일 먼저 주목해야 할 점은 수행될 테스트 싸이클의 최소 설정 온도가 앞선 실시예 보다 높은 경우에 적용된다는 것이다. 즉 예컨데 t2가 -20℃인 경우이다. 그러나 최고 온도는 앞선 실시예와 관련되어 고려한 값과 동일(즉, t1이 170℃인 경우) 할 수 있다.

도 2에서 부호 400으로 표시되고 냉매로서, 예컨데 R404A를 사용할 수 있는 유체역학적 회로는 증발기(405)를 사용하여 항온항습기의 단열 캐버티(310)를 냉각시키는데 사용된다. 캐버티(310) 내부에는 증발기(405) 이외에 최대, 최소 설정 온도를 설정하고 제어하기 위한 조정가능 써모스탯(315)의 프루브(316); 공기 유동을 전환하기 위한 배플 플레이트(312) 뒤에서 온도 제한 안전 써모스탯(317)에 의하여 제어되는 한 그룹의 전기 가열 요소(314); 캐버티(310) 내부에서 정규한 공기 유동을 제공하도록 적용되는 모터 구동 팬(319)의 임펠러(318);가 배열된다. 조정가능 써모스탯(315)은 캐버티(310) 외부에 배열되고 전체 항온항습기를 제어하는 PCL(325)에 연합된다. 특히 PLC(325)는 전기선(323, electric line)를 통하여 인버터(320)와 연결되고 메인 전력 공급관으로부터 전력을 공급받는다. 온도 제한 안전 써모스탯(317)은 전기 가열 요소(314)의 미도시된 통상적인 전력공급선에 연결된다.

회로(400)는 입구(406)와 출구(407)를 갖는 앞서 언급한 증발기(405) 이외에 제1솔레노이드 차단 밸브(408, fist solenoid shut-off valve)와 자동 온도 조절로 제어되는 밸브(409), 압축기(410), 압축기(410)의 공급 파이프(412), 압축기(410)의 리턴 또는 흡입 파이프(414), 응축기(420), 저장기(424)로부터 나오는 출구 파이프(430)를 포함한다.

제1솔레노이드 차단 밸브(408, 이하 솔레노이드 밸브I로 칭함)와 자동 온도 조절로 제어되는 밸브(409)는 회로의 교축부재를 형성하고, 파이프(440, 이하 주 파이프로 칭함)를 따라 증발기(405)의 입구(406)의 상류에 위치한다.

압축기(410)는 인버터(320)에 의하여 제어되는 비동기 모터에 의하여 구동된다. 압축기(410)는 전력공급선(322)을 통해 인버터(320)에 연결된다.

압축기(410)의 리턴 또는 흡입 파이프(414)는 공급 파이프(412)보다 큰 직경을 가지며 증발기(405)의 출구(407)에 연결된다.

실질적으로 응축기(420)는 관련된 모터 구동 냉각팬(422)을 갖는 핀이 달린 다수의 튜브들이다. 응축기(420)는 압축기(410)의 공급 파이프(412)의 끝에 위치하고, 짧은 연결 파이프(423)를 통하여 액체 냉매를 위한 저장기(424)에 연결된다.

저장기(424)로부터 나오는 출구 파이프(430)에는 순차적으로 드라잉 필터(432), 오일의 통과를 가르키는 오일 유동 지시기(434), T-피팅(436, 이하 제1피팅으로 칭함)이 제공된다. 제1피팅(436)은 앞서 언급한 주 파이프(440)와 소위 부 파이프(441)가 흘러 들어오는 곳이다. 부 파이프(441)는 본 발명의 기본적인 특징을 형성하며, 차후에 더욱 상세히 설명될 것이다.

주 파이프(440)를 따라, 솔레노이드 밸브I(408)과 교축밸브(409)의 상류인 제1피팅(436)에서 시작하여 순차적으로 솔레노이드 밸브(442, 이하 솔레노이드 밸브II), 제2T-피팅(444), 제3T-피팅(446), 제4T-피팅(448)이 제공된다.

부 파이프(441)는 솔레노이드 밸브(443, 이하 솔레노이드 밸브III로 칭함)의 하류에서 밀봉된 탱크(450)를 관통하는 코일 형상의 구간을 포함하고, 제2T-피팅(444)에 의하여 주 파이프(440)로 들어가며 끝난다. 앞서 언급하였듯이 제2T-피팅(444)은 솔레노이드 밸브II(442)의 하류에 위치한다.

탱크(450)는 냉각 저장 수단 또는 냉각 축적기(cold accumulator)로 작용한다. 이는 게이트 밸브(439)가 제공된 파이프(437)를 통하여, 예컨데 수성 에틸렌 글리콜 용액과 같은 적당한 종류의 공융액이 채워지기 때문이다. 부 파이프(441) 이외에 탱크(450)를 통하여 소위 회수 파이프(452)의 코일 형상 구간이 또한 지나간다. 이 회수 파이프(452)는 앞서 언급한 제3T-피팅(446)에서 주 파이프(440)와 분기된다. 그리고 상기 코일 형상의 구간의 하류인 제5T-피팅(454)이 제공되는 곳에서 압축기(410)의 리턴 또는 흡입 파이프(414)와 만난다. 상기 제3T-피팅(446)과 상기 코일 형상의 구간의 시작점 사이에서 추가적인 솔레노이드 밸브(456, 이하 솔레노이드 밸브IV로 칭함)와 추가적인 자동 온도 조절로 제어되는 밸브(458)가 순차적으로 제공된다.

그 자체로 알려진 방식으로, 회로(400)는 최종적으로 바이패스 라인(460)을 포함한다. 바이패스 라인(460)은 응축기(420)의 바로 하류에 위치하는 액체 냉매의 저장기(424)에서 나와 제4T-피팅(448)이 제공되는 곳에서 압축기(410)의 리턴 또는 흡입 파이프(414)로 들어간다. 바이패스 라인(460)에는 순차적으로 마지막 밸브(462, 이하 솔레노이드 밸브V라 칭함)와 모세관(464)이 제공된다.

작동 방식은 다음과 같다. 항온항습기(310)에서 수행되는 테스트와 같은 종류라는 가정하에서 테스트 사양은 N 싸이클을 수행하는 것을 요구한다. 이 싸이클은 4단계로 구성된다. 즉, 제1단계로 항온항습기의 단열 캐버티에 놓인 견본을 최대 설정 온도 t1(=170℃)까지 가열한다. 제2단계로 견본을 3시간 동안 상기 온도 t1로 유지한다. 제3단계로 견본을 최소 설정 온도인 t2(=-20℃)로 냉각시킨다. 제4단계로 견본을 3시간 동안 상기 온도 t2로 유지한다.

N 테스트 싸이클의 첫 번째 싸이클의 제1,2단계에서, 캐버티(310)는 전기 가열 요소(314)에 의하여 가열되고, PLC(325)의 제어 하에 모터-구동 팬(319)이 이를 보조한다. 다음 냉각 단계에서 PLC(325)는 가열 요소(314)를 끄고 모터-구동 팬(319)은 정기적으로 작동하도록 유지하면서 인버터(320)가 압축기(410)의 구동 모터에 최대 주파수로 전력을 공급하게 한다. 예컨데 선주파수(line frequency)가 50Hz라면 최대 주파수 60Hz로 공급한다. 그 결과 모터의 회전 속도는 허용 가능한 최대치에 도달한다. 이 냉각 단계인 제3단계는 PLC(325)의 프루브(316)가 캐버티(310) 내부의 온도가 설정온도 t2(=-20℃)에 도달하였음을 지시할 때 끝난다. 이 때 T_I만큼의 시간이 경과한다. 첫 번째 싸이클 싸이클의 제3단계 동안에 PLC(325)는 회로 내의 솔레노이드 밸브들의 상태를 다음의 표 5와 같이 한다.

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

이는 일반적으로 냉동유닛(400)의 통상적인 작동방법이다. 첫 번째 싸이클의 뒤따르는 제4단계에서도 역시 통상적인 방법으로 작동한다. 설정된 지속기간을 갖는 이 제4단계 동안에 인버터(320)는 압축기(410)의 모터의 회전 속도를 동일한 압축기의 정확한 작동에 의하여 허용될 수 있는 최저 속도까지 감소시킨다. 그리고 PLC(325)는 회로 내의 솔레노이드 밸브들의 상태를 다음의 표 6과 같이 한다.

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

결과적으로 최소 설정 온도를 유지하는데 있어서 캐버티(310)가 필요한 냉동 용량이 매우 작다면, 회로(400)의 전체 냉동 용량의 대부분은 이 시점에서 회수 파이프(452)를 통하여 냉각 저장 탱크(450) 내의 공융액을 (어는점까지)냉각하는데 사용된다.

다음 작동 싸이클 즉, 소정의 N 싸이클 중에서 두 번째 싸이클에서, PLC(325)는 캐버티(310) 내의 견본의 온도가 내려가는 제3단계에서의 회로 내의 솔레노이드 밸브의 상태를 다음의 표 7과 같이 한다.

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

그 결과 부 파이프(441)에서 즉, 교축밸브(408)의 상류에서 냉각 저장 탱크(450)안에서 결빙된 공용액에 의하여 축적된 냉기에 의하여 냉매가 아냉각된다.

앞선 실시예의 경우처럼, 이런 아냉각 열역학적 효율을 증가시키는 영향을 갖는다. 그 결과 두 번째 작동 싸이클의 앞서 언급한 단계의 지속기간(T_II)이 첫 번째 싸이클에서 대응되는 단계의 지속기간(T_I)과 동일하지 않고 더 줄어들게 된다(T_II<T_I). 이후의 수행될 모든 싸이클은 두 번째 싸이클의 방법과 동일하게 진행된다. 따라서 여기서 유래되는 장점들은 본 발명의 첫 번째 실시예와 연관하여 앞서서 이미 설명한 것과 실질적으로 동일하다.

본 발명의 두 번째 실시예에서도, 탱크(450) 내의 냉기를 저장하는 것이 완전히 완료되어 공융액이 충분히 어는 조건이 발생하면 회로(400)의 바이패스가 활성화된다. 그리고 나서 PLC(325)는 회로 내의 솔레노이드 밸브의 상태를 다음의 표8과 같이 한다.

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

비록 본 발명은 앞서서 소수의 바람직한 실시예와 함께 설명되었으나, 청구항에 의하여 정의되는 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함을 인식해야 할 것이다.

Claims

일련의 소정 테스트 싸이클 동안, 냉매가 흐르는 적어도 하나의 냉동 회로(200, 400)를 포함하는 냉동유닛이 적어도 하나의 테스트 캐버티(10, 310)를 냉각시키고 최소 설정 온도로 유지하는 항온항습기로서,

공급 파이프(212; 412)와 흡입 파이프(214; 414)를 갖고, 최대값과 최소값 사이에서 회전속도가 조정가능한 전기 모터에 의하여 구동되는 압축기(210; 410);

응축기(220; 420);

입구(111; 406)와 출구(112; 407)를 갖는 증발기(110; 405); 및

응축기(220; 420)와 증발기(105; 405)의 입구 사이에 위치하는 주 파이프(240; 440)의 끝에 있는 교축부재(246; 409); 를 포함하고,

냉각 저장 매체로 채워지고 부 파이프(241; 444)와 회수 파이프(252; 452)가 통과되도록 하는 탱크(250; 450); 및

추가적인 밸브 수단(242, 248, 256; 442, 443, 456);을 더 포함하고,

상기 부 파이프(242; 444)는 상기 교축부재(246; 409)의 상류에서 상기 주 파이프(240; 440)를 따라서 있는 제1, 2피팅(236, 245; 436, 444) 사이에서 신장되고,

상기 회수 파이프(252; 452)는 상기 주 파이프(240; 440)를 따라 상기 제2피팅(254; 444)의 하류에 있는 제3피팅(254; 446)과 상기 흡입 파이프(214; 414)에 따라서 있는 제4피팅(266; 448) 사이에서 신장되고,

상기 추가적인 밸브 수단(242, 248, 256; 442, 443, 456)은 선택적으로 개폐되어, 최소 회전 속도로 작동되는 압축기(210; 410)의 구동 모터로 수행되며 상기 테스트 캐버티가 최소 설정 온도로 유지되는 테스트 싸이클의 어느 단계 동안에, 상기 부 파이프(241; 441)를 통과하여 흐르는 냉매에 의하여 냉각 저장 매체를 냉각시키고,

테스트 싸이클의 냉각 단계 동안에 상기 부 파이프(241; 441)를 통과하여 흐는 냉매를 아냉각시키기 위하여 냉각 저장 매체가 축적한 냉기를 재생(recover)하며, 테스트 싸이클의 전체 지속 기간을 줄이기 위하여 상기 단계는 최대 회전 속도로 작동하는 압축기(210; 410)의 구동 모터로 수행되고,

결과적으로 소정의 테스트 싸이클을 수행하는데 있어서 에너지 소비를 줄이는 것을 특징으로 하는 항온항습기.
제1항에 있어서, 상기 냉동 회로(200)는 2단 캐스케이드 냉동유닛의 고온 단을 형성하고, 상기 증발기(205)는 열교환기(150)의 저온부를 형성하고, 같은 냉동유닛의 저온 단을 형성하는 제2냉동 회로(100)의 응축기(105)가 열교환기(150)의 고온부를 형성하고, 상기 제2냉동 회로(100)의 증발기(110)가 상기 적어도 하나의 테스트 캐버티(10)와 열교환 조건을 갖는 항온항습기.
제1항에 있어서, 상기 압축기(210; 410)는 인버터(30; 320)에 의하여 회전 속도가 제어되는 전기 모터에 의하여 구동되는 항온항습기.
제1항에 있어서, 프로그램 가능한 제어유닛(25; 320)를 제공하는 것을 특징하는 항온항습기.
제1항에 있어서, 상기 냉각 저장 매체는 공융액인 항온항습기.
제1항에 있어서, 상기 냉각 저장 매체는 수성 에틸렌 글리콜 용액인 항온항습기.
제1항에 있어서, 상기 압축기(120; 210; 410)가 비동기 모터(asynchronous motor)에 의하여 구동되는 항온항습기.
제1항에 있어서, 바람직하게는 전기적 형태의 가열 요소(14; 314)가 장착되어 상기 적어도 하나의 테스트 캐버티(10)와 열교환 관계에 있는 항온항습기.
냉동유닛에 의하여 적어도 하나의 테스트 캐버티(10; 310)를 냉각하는 단계와 최소 설정 온도를 유지하는 단계로 구성되고, 최저 설정 온도로 유지하는 단계는 냉매가 흐르는 적어도 하나의 냉동 회로(200; 400)로 구성되고 회전 속도를 최대값과 최소값 사이에서 조절가능한 압축기(210; 410)를 포함하는 항온항습기에서의 일련의 계획된 테스트 싸이클을 수행하는 방법에 있어서,

상기 캐버티(10; 310)가 상기 최저 설정 온도로 유지되는 단계 동안에는, 압축기(210; 410)가 최저 회전 속도로 작동하고, 냉동 용량이 냉각 저장 매체를 냉각시키는데 사용되는 반면에 압축기(210; 410)가 최고 회전 속도로 작동하는 냉각 단계 동안에는, 상기 냉각 저장 매체가 저장한 냉기가 재생되어 상기 냉동 회로(200; 400)의 냉매를 아냉각하는 것을 특징으로하는 항온항습기에서의 일련의 계획된 테스트 싸이클을 수행하는 방법.