KR20180048391A - 시험 챔버 - Google Patents

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크리스챤 학
요하네스 타이히만
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바이스 움벨트테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 공기를 조절하기 위한 시험 챔버에 관한 것으로, 상기 시험 챔버는 시험 물질을 수용하기 위해 환경에 대하여 밀봉 가능한 온도 절연형 시험 공간 및 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함하며, -20℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있고, 상기 온도 제어 장치는 냉매를 갖는 냉매 사이클(11), 열 전달기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 갖는 냉각 장치를 포함하며, 냉각 사이클은 내부 열 전달기(24)를 포함하고, 내부 열 전달기는 흐름 방향으로 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류에서 냉각 사이클의 고압측(18)에 연결되며, 상기 냉매는 냉각 장치의 조정 가능한 보충 냉동부(25)에 결합되는 내부 열 전달기를 통해 냉각될 수 있다.

Description

시험 챔버{TEST CHAMBER}
본 발명은 공기를 조절하기 위한 시험 챔버에 관한 것으로서, 상기 시험 챔버는 시험 물질을 수용하기 위해 환경에 대하여 밀봉 가능한 온도-절연형(temperature-insulated) 시험 공간 및 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함하며, -20℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있고, 상기 온도 제어 장치는 냉매를 갖는 냉각 사이클, 열 전달기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 갖는 냉각 장치를 포함한다.
이러한 시험 챔버는 일반적으로 물체, 특히 장치의 물리 및/또는 화학 특성을 시험하는 데 사용된다. 따라서, -50℃ 내지 +180℃ 범위의 온도가 설정될 수 있는 온도 시험 챔버 또는 기후 시험 챔버가 공지되어 있다. 기후 시험 챔버에서, 장치 또는 오히려 시험 물질이 정의된 일정 시간 동안 노출될 소망의 기후 조건이 추가적으로 설정될 수 있다. 이러한 시험 챔버는 요구되는 공급 라인을 사용하여 단지 빌딩에 연결되고 온도 및 조건을 제어하기 위해 모든 필요한 구조적 구성요소를 포함하는 이동 장치로서 규칙적으로 또는 부분적으로 실현된다. 시험될 시험 물질을 수용하는 시험 공간의 온도는 시험 공간 내의 공기 순환 덕트에서 규칙적으로 제어된다. 공기 순환 덕트는, 이 공기 순환 덕트 또는 시험 공간을 통해 흐르는 공기를 가열 또는 냉각하기 위한 열 교환기들이 각각 배열되는 공기 처리 공간을 시험 공간 내에 형성한다. 이 목적을 위해, 팬(fan) 또는 환기 장치(ventilator)가 시험 공간 내에 존재하는 공기를 흡입하고 공기 순환 덕트 내의 공기를 대응하는 열 교환기로 유도한다. 따라서, 시험 물질은 온도 조절될 수 있거나 심지어는 정의된 온도 변화에 노출될 수 있다. 시험 간격 동안, 온도는 시험 챔버의 최대 온도와 최소 온도 사이를 반복적으로 교번할 수 있다.
냉각 사이클에서 순환하는 냉매는 상기한 온도 범위 내에서 냉각 사이클에서 사용될 수 있도록 하는 방식으로 실현되어야 한다. 법률상 규정 때문에, 냉매는 실질적으로 대기 중의 오존 붕괴에 또는 지구 온난화에 기여하지 않아야 한다. 따라서, 불화 가스 또는 염화 물질이 냉매로서 사용될 수 없으므로, 그 대신에 천연 냉매 또는 오히려 가스가 적격이다. 또한, 냉매는 시험 챔버를 충전하는 것, 운송하는 것 또는 작동시키는 것이 가능한 한 충족되어야 하는 보안 조치로 인해 복잡해지지 않도록 인화성(flammable)이지 않아야 한다. 냉각 사이클을 생성하는 것은 또한 그에 속하는 요구되는 건설적인 조치의 결과로 인화성 냉매를 사용할 때 더 비싸게 된다. 인화성이란, 이러한 맥락에서 열의 방출 하에서 주위 산소와 반응하기 위한 냉매의 특성을 의미하는 것으로 이해된다. 냉매는 특히 유럽 표준 EN 2의 화재 등급 C뿐만 아니라 DIN 378 등급 A2, A2L 및 A3에 속할 때에 인화성이다.
또한, 냉매는 상당히 낮은 CO2 당량을 포함해야 하며, 즉 방출 시 냉매를 통해 환경을 간접적으로 손상시키는 것을 방지하기 위해서 상당히 낮은 온실 잠재력 또는 지구 온난화 잠재력(global warming potential: GWP)은 가능한 한 낮아야 한다. GWP는 미리 정해진 질량의 온실 가스가 지구 온난화에 얼마나 많이 기여하는지를 표시하며, 이산화탄소는 비교 가능한 수치로서 기능한다. 그 값은 비교를 위해 규정되어 있는 미리 정해진 일정 기간, 즉 20년에 걸친 평균 온난화 효과를 나타낸다. 상대 CO2 당량 또는 GWP를 정의하기 위해서, 기후 변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change: IPCC)의 5차 평가 보고서(평가 보고서, 부록 8.A, 표 8.A)가 참조된다.
낮은 GWP, 예를 들어 ＜ 2500을 갖는 냉매의 단점은, 이들 냉매가 시험 챔버와 관련된 온도 범위에서 비교적 높은 GWP를 갖는 냉매와 비교하여 부분적으로 현저히 감소된 냉동 용량(refrigerating capacity)을 포함한다는 것이다.
따라서, 당면한 본 발명의 목적은 적어도 -30℃의 온도에 도달될 수 있고 환경 친화적 냉매를 사용하여 작동될 수 있어야 하는 시험 챔버를 제안하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 시험 챔버에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 공기를 조절하기 위한 시험 챔버는, 시험 물질을 수용하기 위해 환경에 대하여 밀봉 가능한 온도-절연된 시험 공간 및 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함하며, -20℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있고, 상기 온도 제어 장치는 냉매를 갖는 냉각 사이클, 열 전달기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 갖는 냉각 장치를 포함하며, 냉각 사이클은 내부 열 전달기를 포함하고, 상기 내부 열 전달기는 흐름 방향으로 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류에서 냉각 사이클의 고압측에 연결되며, 상기 냉매는 냉각 장치의 조정 가능한 보충 냉동부에 결합되는 내부 열 전달기를 통해 냉각될 수 있다.
본 발명에 따른 시험 챔버에서, 시험 공간의 환경과의 온도 교환은 측벽, 바닥 벽 및 천장 벽의 온도 격리를 통해 대부분 방지된다. 열 전달기는 냉각 사이클에 연결되거나 그 안에 통합되어 냉각 사이클에서 순환하는 냉매가 열 전달기를 통해 흐른다. 냉각 사이클의 열 전달기는 시험 공간 내부에 또는 시험 공간의 공기 처리 공간 내에 배열될 수 있거나, 또는 대안적으로 냉각 장치가 2개의 캐스케이드식 냉각 사이클을 포함하면 냉각 장치의 다른 냉각 사이클에 결합될 수 있다. 열 전달기는 다른 냉각 사이클을 위한 응축기로서 기능한다. 냉각 장치는 압축기뿐만 아니라 압축된 냉매를 위한 응축기를 더 포함하며, 상기 응축기는 냉매의 흐름 방향으로 압축기의 하류에 배열된다. 압축된 후에 매우 높게 가압되고 본질적으로 기체인 압축된 냉매는 응축기에서 응축한 다음에는 본질적으로 액체이다. 액체 냉매는 팽창 요소를 통해 계속해서 흐르며, 결국에는 압력 강하에 따라 팽창할 때에 기체가 된다. 이렇게 함으로써, 냉매는 열 전달기를 통해 흘러서 냉각된다. 이어서, 기체 냉매가 압축기에 의해 재차 흡입되고 압축된다. 팽창 요소는 적어도 팽창 밸브, 스로틀, 스로틀 밸브 또는 유체 라인의 다른 적합한 수축부인 것으로 이해된다.
본 발명에서는, 흐름 방향으로 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류에서 고압측 상에 내부 열 전달기를 연결하거나 또는 그 내부 열 전달기를 냉각 사이클 내에 통합하려고 의도되어 있다. 따라서, 응축기에 의해 액화된 냉매는 응축기로부터 내부 열 전달기를 통해 팽창 요소로 흐른다. 이렇게 함으로써, 냉매가 내부 열 전달기를 통해 냉각될 수 있다. 이것은 냉각 장치의 조정 가능한 보충 냉동부에 결합되는 내부 열 전달기에 의해 발생한다. 조정 가능한 보충 냉동부는 내부 열 전달기를 통해 냉매의 임의의 추가 냉각 또는 과냉각(undercooling)을 가능하게 하는 임의의 가능한 유형의 냉각 장치일 수 있다. 이를 통해, 특히 비교적 낮은 GWP를 갖는 냉매의 감소된 냉동 용량을 보상할 수 있게 된다. 보충 냉동부가 조정될 수 있기 때문에, 보충 냉동부는 필요에 따라 냉매의 과냉각으로 조정될 수 있다. 과냉각이 과냉각의 유형에 따라 냉동 용량에 관한 용량의 변동을 겪기 때문에, 냉각 장치의 요구로 보충 냉동부를 제어함으로써 이러한 용량의 변동을 또한 조정하여, 냉매의 미리 정해진 온도로부터 온도의 바람직하지 않은 변동 또는 온도의 편차가 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 전체적으로, 환경 친화적 냉매를 사용하여 작동될 때에 시험 챔버의 감소된 냉동 용량을 보상할 수 있게 된다.
-60℃ 내지 +180℃, 바람직하게는 -80℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있다. -30℃ 내지 +180℃, 바람직하게는 -42℃ 내지 +180℃ 범위의 온도가 적어도 의도된다.
시험 공간 내의 온도가 ＞ +60℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 감소될 수 있다는 것은 필수적이다. 냉매는 시험 공간에서 비교적 높은 온도를 통해 열 전달기에서 아주 많이 가열되므로, 냉각 사이클은 적어도 냉각 사이클의 저압측 상에서, 그의 구성과 관련하여 이 온도 범위로 가열된 냉매로 기술적으로 조정될 수 있다. 이러한 가열된 냉매는 그렇지 않으면 더 이상 냉각 사이클의 고압측 상에서 이상적으로 사용될 수 없다.
냉매는 20년 기준으로 ＜ 2500, 바람직하게는 ＜ 500, 특히 바람직하게는 ＜ 100의 상대 CO2 당량을 포함할 수 있고, 이에 따라 환경에 약간만 유해할 수 있다. 또한, 냉매는 또한 인화성일 수 없으므로, 냉매의 인화성에 관한 특정 안전 조치가 고려될 필요가 없기 때문에 시험 챔버 및 특히 냉각 사이클을 덜 비싸게 실현할 수 있게 된다. 그러면, 냉매는 화재 등급 C 및/또는 냉매 안전 그룹 A1에 할당될 수 없다. 또한, 시험 챔버를 운송 또는 운반하는 것은, 시험 챔버가 운반 유형에 상관 없이 운반 전에 냉매로 충전될 수 있기 때문에 용이해진다. 인화성 냉매의 경우, 시험 챔버는 잠재적으로 설치 장소에서의 개시 범위 내에서만 충전될 수 있다. 또한, 시험 공간 내에 발화원을 갖는 비인화성 냉매를 사용할 수도 있다. 시험 공간 내의 열 전달기의 영역에서 발화 가능한 분위기를 검출하기 위한 센서는 불필요하다. 이러한 센서는 일반적으로 열적으로 안정하지 못하다.
시험 챔버의 일 실시예에서, 열 전달기는 시험 공간 내에 배열될 수 있다. 그런 다음, 열 전달기는 또한 시험 공간의 공기 조절 공간 내에도 배열될 수 있어 팬에 의해 순환되는 공기가 열 전달기와 접촉하게 될 수 있다. 따라서, 시험 공간으로부터 열 전달기를 통한 상당량의 순환 공기를 냉각 장치를 통해 시험 공간에서 직접 냉각할 수 있게 된다. 그러면, 시험 챔버는 단일의 개별 냉각 사이클로서의 냉각 사이클을 포함할 수 있다. 그러면, 냉각 사이클은 시험 공간에 직접 연결된다.
시험 챔버의 다른 실시예에서, 열 전달기는 냉각 장치의 다른 냉각 사이클을 위한 캐스케이드식 열 전달기를 형성할 수 있다. 따라서, 그러면 시험 챔버는 적어도 2개의 냉각 사이클을 포함할 수 있고, 하나의 냉각 사이클은 냉각 장치의 제1 스테이지를 실현하며, 시험 공간에 직접 연결되는 다른 냉각 사이클은 냉각 장치의 제2 스테이지를 실현한다. 그러면, 캐스케이드식 열 전달기 또는 열 전달기는 각각 다른 냉각 사이클을 위한 응축기로서도 기능한다. 시험 챔버의 이 실시예에서는, 그런 다음, 시험 공간에서 특히 낮은 온도를 실현할 수 있다.
다른 냉각 사이클은 다른 냉매, 다른 압축기, 다른 열 전달기, 다른 응축기 및 다른 팽창 요소를 포함할 수 있고, 상기 다른 열 전달기는 시험 공간 내에 배열될 수 있고, 상기 다른 냉각 사이클은 다른 응축기를 통해 냉각 사이클의 캐스케이드식 열 전달기에 결합될 수 있다. 그러면, 냉각 장치는, 연속적으로 스위칭되고 소위 콜드 캐스케이드(cold cascade)로서 실현하는 2개의 사이클을 포함한다.
온도 제어 장치는 시험 공간 내에 히터 및 가열식 열 전달기를 갖는 가열 장치를 포함할 수 있다. 가열 장치는, 예를 들어 가열식 열 전달기를 통해 시험 공간 내의 온도 상승이 가능해지도록 하는 방식으로 가열식 열 전달기를 가열하는 전기 저항 가열식일 수 있다. 열 전달기 및 가열식 열 전달기가 시험 공간에서 순환되는 공기를 냉각 또는 가열하기 위해 제어 장치를 통해 체계적으로 제어될 수 있는 경우, 전술한 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있다. 이러한 맥락에서, 시험 물질 또는 시험 물질의 작동 조건과 상관 없이, ±1K, 바람직하게는 ±0.3K 내지 ±0.5K의 일시적인 온도 안정성이 시험 간격 동안 시험 공간에서 실현될 수 있다. 이러한 맥락에서, 시험 간격은 시험 물질이 본질적으로 안정한 온도 또는 기후 조건을 겪게 되는 전체 시험 기간의 일정 기간인 것으로 이해된다. 가열식 열 전달기는, 냉매가 흐를 수 있고 전기 저항 히터의 가열 요소를 포함하는 공유형 열 전달기가 형성되도록 하는 방식으로 냉각 사이클의 열 전달기와 조합될 수 있다. 응축기는 공기 냉각기 또는 물 냉각기 또는 다른 냉각 액체를 갖고서 실현될 수 있다. 일반적으로, 응축기는 임의의 적합한 유체를 사용하여 냉각될 수 있다. 응축기에서 발생하는 열 부하가 공기 냉각기 또는 물 냉각기를 통해 소산되어 냉매가 완전히 액화되도록 하는 방식으로 냉매를 응축할 수 있다.
또한, 압력 균등화 장치가 냉매를 위한 냉각 사이클 내에 배열될 수 있고, 냉매의 온도가 냉각 사이클에서 20℃로 일정하게 실현될 때에 ＜ 40 바(bar), 바람직하게는 ＜ 25 바의 압력이 냉각 사이클에서 실현될 수 있다. 다른 냉각 사이클이 존재하면, 이 냉각 사이클은 또한 이러한 압력 균등화 장치를 포함할 수도 있다. 비교적 큰 온도차가 냉각 사이클에서 존재할 수 있기 때문에, 압력 균등화 장치가 이들 차이를 보상할 수 있는 경우에 특히 유리하다. 따라서, 매우 큰 온도 변동 및 이에 따라 냉매의 용적 변화는 압력 균등화 장치를 통해 냉매의 대응하는 팽창 계수에 따라 보상될 수 있다. 압력 균등화 장치는, 예를 들어 냉각 사이클의 저압측에 연결되는 냉매 저장부일 수 있다.
특히, 압력 균등화 장치는 전류 없이, 즉 냉매의 냉각 정지가 요구되지 않을 때에 온도 제어 장치가 본질적으로 안전하도록 실현될 수 있는 것으로 의도될 수 있다. 또한, 작동 준비를 하기 위해 시험 챔버를 운반하기 전에 냉각 사이클을 미리 완전히 충전할 수도 있다.
또한, 내부 열 전달기는 냉각 사이클의 조정 가능한 외부 보충 냉각부 및/또는 조정 가능한 내부 보충 냉각부에 결합될 수 있다. 외부 보충 냉각부는 냉각 사이클에 상관 없이 장치로부터 내부 열 전달기를 냉각하기 위해 에너지가 인가되는 보충 냉각부인 것으로 이해된다. 내부 보충 냉각부는 냉각 사이클 내에 통합된 장치를 통해 내부 열 전달기를 냉각하기 위해 에너지 또는 냉각 사이클의 냉동 용량이 사용되는 보충 냉각부인 것으로 이해된다. 따라서, 냉각 사이클의 내부 보충 냉각부에서는, 압축기, 열 전달기 및 응축기를 제외하고는, 외부 보충 냉각부와 비교하여 추가 에너지가 냉각 사이클에 외부에서 공급되지 않는다.
조정 가능한 외부 보충 냉각부는 냉각 장치의 냉동 스테이지의 재공급부로서 또는 외부 냉각수 배관(piping)으로서 실현될 수 있고, 상기 재공급부 또는 냉각수 배관은 내부 열 전달기에 연결될 수 있다. 간단한 실시예에서, 외부 보충 냉각부는 단지 내부 열 전달기에 결합된 냉각수 배관이고, 상기 냉각수 배관은 필요하다면 이 경우에는 다른 외부 냉각 장치에 의해 냉각된다. 시험 챔버가 적어도 2개의 냉각 사이클을 포함하면, 냉각 장치의 제2 스테이지 또는 오히려 냉동 스테이지 또는 오히려 냉각 장치의 다른 냉각 사이클이 내부 열 전달기를 통해 채널링되거나 그에 연결될 수 있다.
대안적으로, 조정 가능한 외부 보충 냉각부는 펠티에 소자 또는 가열 튜브로서 실현될 수 있다. 그러면, 내부 열 전달기는, 예를 들어 펠티에 소자 또는 가열 튜브가 고정되는, 냉각 사이클의 파이프 부분으로부터 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 조정 가능한 내부 보충 냉각부는 내부 열 전달기에 연결될 수 있는 흡수식 냉동기(absorption chiller)로서 실현될 수 있고, 상기 흡수식 냉동기는 압축기의 폐열을 사용하여 구동될 수 있다. 압축기의 폐열은 압축기로부터, 예컨대 냉각 사이클의 고압측의 튜브 부분으로부터 직접 응축기로 소산될 수 있다. 그런 다음, 흡수식 냉동기의 냉각 사이클은 또한 내부 열 전달기를 통해 채널링될 수도 있다.
유리한 실시예에 따르면, 조정 가능한 내부 보충 냉각부는 흐름 방향으로 팽창 요소의 하류에 배열된 냉각 사이클의 재공급부로서 실현될 수 있고, 상기 재공급부는 내부 열 전달기에 연결될 수 있다. 내부 열 전달기의 고압측의 파이프 부분은, 예를 들어 팽창 요소의 하류에서 전체적으로 또는 바이패스의 유형으로 재공급되거나 내부 열 전달기를 통해 채널링될 수 있어 팽창 요소 그 자체가 흐름 방향으로 팽창 요소의 상류에서 냉각 사이클의 파이프 부분을 냉각할 수 있다.
특히 유리한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 조정 가능한 제2 팽창 요소를 갖는 제1 바이패스가 냉각 사이클에서 실현될 수 있고, 상기 제1 바이패스는 흐름 방향으로 내부 열 전달기의 상류 및 응축기의 하류에서 냉각 사이클에 연결될 수 있으며, 상기 제1 바이패스는 조정 가능한 내부 보충 냉각부로서 실현될 수 있다. 그러면, 냉매는 흐름 방향으로 팽창 요소의 상류에서 제1 바이패스로 적어도 부분적으로 편향될 수 있고, 냉매는 제2 팽창 요소를 통해 감압되고 이에 따라 냉각된다. 그러면, 이 냉매는 팽창 요소의 상류에서 냉매를 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같이 실현된 내부 보충 냉각부는 특히 제2 팽창 요소를 통해 제어될 수 있어 내부 보충 냉각부가 항상 냉각 장치의 작동 요구 사항으로 조정될 수 있다.
또한, 내부 열 전달기는 흐름 방향으로 압축기의 상류 및 열 전달기의 하류에서 냉각 사이클의 저압측에 연결될 수 있고, 상기 제1 바이패스는 냉매를 위한 후방 주입(back-injection) 장치를 형성할 수 있으며, 상기 제1 바이패스는 후방 주입 밸브를 통해 내부 열 전달기의 저압측에 연결될 수 있고, 냉매는 조정 가능한 제2 팽창 요소로부터 후방 주입 밸브에 공급될 수 있다. 따라서, 열 전달기로부터 안내되는 냉매는 저압측 상에서 내부 열 전달기 내로 공급될 수 있고, 열 전달기에서 가열된 냉매는 비교적 저온을 갖는 냉매를 첨가함으로써 제1 바이패스로부터 냉각될 수 있다. 냉매는, 예를 들어 냉각 사이클의 파이프 부분에서 간단한 T 이음쇠(T-piece)로서 실현될 수 있는 후방 주입 밸브를 통해 제1 바이패스로부터 첨가된다. 제2 팽창 요소를 제어하는 것은, 온도가 내부 열 전달기의 고압측 상에서 있을 수 있는 것보다 후방 주입 장치를 통해 내부 열 전달기의 저압측 상에서 항상 더 낮게 설정될 수 있기 때문에 이 경우에 특히 유리하다. 이것은, 시험 공간에서 ＞ 60℃의 온도가 있고 열 전달기로부터의 냉매가 이에 따라 가열되는 경우에 특히 유리할 수 있다.
후방 주입 밸브는 내부 열 전달기의 열 전달 부분의 1/4 내지 1/2, 바람직하게는 1/3 뒤에 흐름 방향 또는 오히려 흡입 가스 집단 흐름(mass flow)의 흐름 방향으로 내부 열 전달기에 연결될 수 있다. 이 목적을 위해, 내부 열 전달기는 과냉각 부분의 유형으로서 실현될 수 있다.
선택적으로, 내부 열 전달기의 저압측은 흐름 방향으로 조정 가능한 제2 팽창 요소의 하류에서 제1 바이패스에 연결될 수 있고, 냉매는 조정 가능한 제2 팽창 요소로부터 내부 열 전달기에 공급될 수 있으며, 상기 내부 열 전달기는 흐름 방향으로 압축기의 상류 및 열 전달기의 하류에서 냉각 사이클의 저압측에 연결될 수 있고, 냉매는 내부 열 전달기의 저압측으로부터 압축기에 공급될 수 있다. 따라서, 열 전달기에 의해 가열된 냉매가 아니라, 오히려 제1 바이패스에 의해 냉각된 냉매만이 내부 열 전달기를 통해 직접 안내된다. 제2 팽창 요소를 통해 냉각되거나 오히려 온도가 저하된 냉매가 내부 열 전달기를 통해 채널링된 후, 냉매는 열 전달기로부터 압축기로 유도하는 냉각 사이클의 파이프 부분에 공급될 수 있다. 따라서, 내부 열 전달기의 냉동 용량이 더욱더 정밀하게 제어될 수 있다.
또한, 적어도 제3 팽창 요소를 갖는 제2 바이패스가 냉각 사이클에서 실현될 수 있고, 상기 제2 바이패스는 흐름 방향으로 응축기의 하류 및 내부 열 전달기의 상류에서 팽창 요소를 가교하며, 냉매는 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 압축기의 상류에서 냉각 사이클의 저압측 상에서 제어될 수 있도록 하는 방식으로 제3 팽창 요소를 통해 투여된다. 이를 통해, 특히, 압축기가 잠재적으로 과열되어 손상되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 제3 팽창 요소를 작동시킴으로써 제2 바이패스를 통해 압축기의 상류에 존재하는 가스 냉매는 여전히 액체 냉매를 첨가함으로써 냉각될 수 있다. 제3 팽창 요소는 압축기의 상류에서 냉각 사이클의 압력 센서 및/또는 온도 센서에 결합되는 제어 장치를 통해 작동될 수 있다. ≤ 30℃의 흡입 가스 온도가 제2 바이패스를 통해 설정될 수 있는 경우에 특히 유리하다. 냉매는 또한 압축기의 작동 기간이 제어될 수 있도록 투여될 수도 있다. 일반적으로, 압축기가 종종 켜지고 꺼지는 경우에 불리하다. 압축기의 서비스 수명은 한번에 오랜 기간에 걸쳐서 작동 상태로 유지되는 경우에 연장될 수 있다. 냉매는, 예를 들어 압축기가 자동적으로 차단되는 것을 지연시키고 압축기의 작동 기간을 연장시키기 위해서 제2 바이패스를 통해 압축 요소 또는 응축기를 지나서 안내될 수 있다.
적어도 다른 팽창 요소를 갖는 다른 바이패스가 냉각 사이클에서 실현될 수 있고, 상기 다른 바이패스는 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 압축기의 상류에서 냉각 사이클의 저압측 상에서 제어될 수 있도록 및/또는 냉각 사이클의 고압측과 저압측 간의 압력차가 보상될 수 있도록 하는 방식으로 흐름 방향으로 압축기의 하류 및 응축기의 상류에서 압축기를 가교할 수 있다. 다른 바이패스에는, 조정 가능하거나 제어 가능한 밸브, 예컨대 마그네틱 밸브(magnetic valve)가 상보적으로 설치될 수 있다. 다른 팽창 요소를 통한 고압측과 저압측 간의 연결을 통해, 설치가 정지될 때에 이 방식으로 압축된 가스 냉매가 고압측으로부터 냉각 사이클의 저압측으로 점차적으로 흐르는 것이 보장될 수 있다. 따라서, 폐쇄형 팽창 요소에서도 압력이 고압측과 저압측 간에서 점차적으로 보상되는 것이 보장된다. 다른 팽창 요소의 횡단면은 고압측으로부터 저압측으로의 냉매의 오버플로우가 냉각 장치의 정상 작동에 최소한으로만 영향을 미치도록 측정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 압축기의 상류에 있는 가스 냉매는 다른 바이패스를 통해 액체 용매를 첨가함으로써 냉각되는 것이 의도될 수 있다.
내부 열 전달기는 과냉각 부분 또는 열 전달기, 특히 플레이트 열 교환기로서 실현될 수 있다. 과냉각 부분은 서로 옆으로 배열된 냉각 사이클의 2개의 파이프 부분으로만 실현될 수 있다.
팽창 요소는 스로틀 및 마그네틱 밸브를 포함할 수 있고, 냉매는 상기 스로틀 및 상기 마그네틱 밸브를 통해 투여될 수 있다. 스로틀은 냉매가 마그네틱 밸브를 통해 안내될 수 있는 조정 가능한 밸브 또는 모세관일 수 있다. 마그네틱 밸브는 제어 장치를 통해 작동될 수 있다.
또한, 온도 제어 장치는 냉각 사이클에서 적어도 하나의 압력 센서 및/또는 적어도 하나의 온도 센서를 갖는 제어 장치를 포함할 수 있고, 마그네틱 밸브는 측정된 온도 또는 압력에 따라 제어 장치를 통해 작동될 수 있다. 제어 장치는 센서로부터의 데이터 세트를 처리하고 마그네틱 밸브를 제어하는 데이터를 처리하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 냉각 장치의 기능을 조절하는 것은 또한, 예를 들어 대응하는 컴퓨터 프로그램을 통해, 사용된 냉매로 조정될 수 있다. 또한, 제어 장치는, 필요하다면, 시험 챔버의 임계 또는 바람직하지 않은 작동 조건을 통해 시험 챔버 또는 시험 물질이 손상되는 것을 방지하기 위해서 작동 방해를 표시하고 시험 챔버의 차단을 개시할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 더 설명된다.
도면에서,
도 1은 냉각 장치의 제1 실시예의 개략도를 나타내고;
도 2는 냉각 장치의 제2 실시예의 개략도를 나타내며;
도 3은 냉각 장치의 제3 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 1은 냉매가 순환할 수 있는 냉각 사이클(11)을 갖는 냉각 장치(10)의 개략도를 도시한다. 냉매는 20 년 기준으로 ＜ 2500의 상대 CO2 당량을 포함한다. 또한, 냉각 장치(10)는 본 명세서에서 더 나타내지 않은 다른 시험 공간 내에 배열되거나 본 명세서에 더 나타내지 않은 다른 냉각 사이클에 연결되는 열 전달기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 포함한다. 팽창 요소(15)는 스로틀(16) 및 마그네틱 밸브(17)로부터 형성된다. 냉각 사이클(11)은 냉매의 흐름 방향으로 압축기(13)로부터 팽창 요소(15)로 연장되는 고압측(18)뿐만 아니라, 팽창 요소(15)로부터 압축기(13)로 연장되는 저압측(19)을 포함한다. 압축기(13)로부터 응축기(14)까지의 튜브 부분(20)에서, 냉매는 기체이며 비교적 높은 온도를 포함한다. 압축기(13)에 의해 압축된 냉매는 냉각 사이클(11)에서 응축기(14)로 흐르고, 상기 가스 냉매는 응축기(14)에서 액화된다. 냉매의 흐름 방향으로, 열 전달기(12)는 냉각 사이클(11)에서 응축기(14)를 뒤따르고, 상기 냉매는 이에 따라 응축기(14)와 팽창 요소(15) 사이의 냉각 사이클(11)의 튜브 부분(21)에서 액체 상태로 존재한다. 팽창 요소(15)의 하류에서 팽창하는 냉매를 통해, 열 전달기(12)는 냉각되고, 상기 냉매는 팽창 요소(15)와 열 전달기(12) 사이의 튜브 부분(22)에서 가스 상태로 전이되고 튜브 부분(23)을 통해 열 전달기(12)로부터 압축기(13)로 안내된다.
냉각 사이클(11)에서, 내부 열 전달기(24)는 튜브 부분(21)에서 냉각 사이클(11)의 고압측(18) 상에 또한 연결된다. 내부 열 전달기(24)는 조정 가능한 보충 냉각부(25)에 결합된다. 또한, 내부 열교환기(24)는 과냉각 부분(26)으로서 실현된다. 따라서 튜브 부분(23)은 열이 튜브 부분들(21, 23) 사이에서 전달될 수 있도록 하는 방식으로 부분들에서 튜브 부분(21)을 향해 안내된다.
조정 가능한 내부 보충 냉각부(25)는 조정 가능한 제 2 팽창 요소(28)를 갖는 제1 바이패스(27)에 의해 형성되고, 상기 제1 바이패스(27)는 튜브 부분(29)과 함께 튜브 부분(21)으로부터 분기하고 제2 팽창 요소(28)의 하류에서 튜브 부분(30)과 함께 냉매를 위한 후방 주입 장치(31)를 형성한다. 튜브 부분(30)은 특히 후방 주입 밸브(32)를 통해 과냉각 부분(26)의 영역에서 튜브 부분(23)에 연결된다. 후방 주입 밸브(32)는 냉매의 흐름 방향으로 과냉각 부분(26)의 길이의 1/3 후의 과냉각 부분(26)에 연결된다. 내부 보충 냉각부(25)를 제어하는 것은 스로틀(33) 및 마그네틱 밸브(34)를 포함하는 제2 팽창 요소(28)에 의해 가능해지며, 이를 통해 냉매의 온도가 감소되어 과냉각 부분(26) 또는 대응하는 튜브 부분(23)에서 거기에 흐르는 비교적 따뜻한 냉매에 첨가될 수 있다. 이를 통해, 과냉각 부분(26)에서 팽창 요소(15)의 상류에서 튜브 부분(21) 내로 흐르는 냉매가 냉각된다. 고압측(18) 상의 액화 냉매의 이러한 소위 과냉각을 통해, ＞ 2500의 CWP를 갖는 냉매와 비교하여 냉매의 감소된 냉동 용량을 보상할 수 있게 된다. 그럼에도 불구하고, 열 전달기(12)로부터 흐르는 냉매의 가능한 온도 변동은, 특히 ＞ 60℃의 온도가 시험 공간에서 실현될 때, 냉매의 첨가를 제어하는 것을 통해 보상될 수 있다.
또한, 제3 팽창 요소(38)를 형성하는 스로틀(36) 및 마그네틱 밸브(37)를 갖는 제2 바이패스(35)가 냉각 사이클(11) 내에 배열된다. 제2 바이패스(35)의 튜브 부분(39, 40)은 압축기(13)가 정지될 때에 제3 팽창 요소(38)를 통해 압력이 고압측(18)과 저압측(19) 사이에서 점차적으로 보상되도록 압축기(13)를 가교한다. 또한, 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력은 마그네틱 밸브(37)를 통해 압축기(13)의 상류에서 냉각 사이클(11)의 저압측(19) 상에서 조정될 수 있다.
도 2는 도 1의 냉각 장치와 비교하여, 응축기(44)와 열 전달기(45) 사이에 튜브 부분(43)을 갖는 냉각 사이클(42)을 포함하는 냉각 장치(41)를 도시하며, 여기서는 열교환기(46)로서 실현되는 내부 열 전달기(47)가 배열되어 있다. 제2 팽창 요소(32)를 갖는 제1 바이패스(48)는 튜브 부분(43)의 상류에서 열 전달기(46) 전에 분기하여 내부 열 전달기(47)의 저압측(50) 상에서 열 전달기(46)에 직접 연결된다. 제1 바이패스는 튜브 부분(51, 52)으로부터 형성되고, 튜브 부분(43)은 흐름 방향으로 저압측(50)으로부터 흐름 방향으로 압축기(55)의 상류에서 튜브 부분(54) 내로 개방된다.
도 3은 냉각 사이클(57)을 갖는 냉각 장치(56)를 도시하며, 도 2로부터의 냉각 장치와는 반대로, 이 경우에는 다른 팽창 요소(59)를 갖는 다른 바이패스(58)가 제공된다. 다른 팽창 요소(59)는 또한 스로틀(60) 및 마그네틱 밸브(61)를 포함한다. 다른 바이패스(58)는 냉각 사이클(57)의 고압측(65)으로부터 저압측(66)까지 응축기(63)의 하류 및 내부 열 전달기(64)의 상류에서 압축기(62)를 가교한다. 따라서, 다른 바이패스(58)는 압축기(62)의 상류에서 흡입 가스 온도를 제어하기 위해 사용된다.
또한, 냉각 사이클(57)에는 압력 센서(67) 및 온도 센서(68)가 의도된다. 냉매 압력은 압력 센서(67)를 사용하여 응축기의 하류에 있는 튜브 부분(69)에서 측정될 수 있고, 냉매 온도는 온도 센서(68)를 사용하여 팽창 요소(71)의 상류에 있는 튜브 부분(70)에서 직접 측정될 수 있다. 특히 본 명세서에 더 나타내지 않은 제어 장치를 통해 압력에 따라 냉매의 온도를 제어하는 것이 의도된다.

Claims (23)

  1. 공기를 조절하기 위한 시험 챔버로서,
    시험 물질을 수용하기 위해 환경에 대하여 밀봉 가능한 온도 절연형(temperature-insulated) 시험 공간 및 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함하며,
    -20℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있고, 상기 온도 제어 장치는 냉매를 갖는 냉매 사이클(11, 42, 57), 열 전달기(12, 45), 압축기(13, 55, 62), 응축기(14, 44, 63) 및 팽창 요소(15, 71)를 갖는 냉각 장치를 포함하며,
    냉각 사이클은 내부 열 전달기(24, 47, 64)를 포함하고, 내부 열 전달기는 흐름 방향으로 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류에서 냉각 사이클의 고압측(18, 65)에 연결되며, 상기 냉매는 냉각 장치의 조정 가능한 보충 냉동부에 결합되는 내부 열 전달기를 통해 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    -50℃ 내지 +180℃, 바람직하게는 -80℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 실현될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    ＞ +60℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 온도 제어 장치를 통해 시험 공간 내에서 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉매는 20년 기준으로 ＜ 2500, 바람직하게는 ＜ 500, 특히 바람직하게는 ＜ 100의 상대 CO2 당량을 포함하고, 상기 냉매는 인화성인 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 전달기(12, 45)는 시험 공간 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 전달기(12, 45)는 냉각 장치(10, 41, 56)의 다른 냉각 사이클을 위한 캐스케이드식(cascading) 열 전달기를 형성하는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  7. 제6항에 있어서,
    다른 냉각 사이클은 다른 냉매, 다른 압축기, 다른 열 전달기, 다른 응축기 및 다른 팽창 요소를 포함하고, 상기 다른 열 전달기는 시험 공간 내에 배열되며, 상기 다른 냉각 사이클은 다른 응축기를 통해 냉각 사이클(11, 42, 57)의 캐스케이드식 열 전달기에 결합되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 제어 장치는 시험 공간 내에 히터 및 가열식 열 전달기를 갖는 가열 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축기(14, 44, 63)는 공기 냉각기 또는 물 냉각기 또는 다른 냉각 액체를 갖고서 실현되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 열 전달기(12, 45)는 냉각 사이클(11, 42, 57)의 조정 가능한 외부 보충 냉동부 및/또는 조정 가능한 내부 보충 냉동부(25)에 결합되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  11. 제10항에 있어서,
    조정 가능한 외부 보충 냉동부는 냉각 장치(10, 41, 56)의 냉동 스테이지의 재공급부로서 또는 외부 냉각수 배관으로서 실현되고, 상기 재공급부 또는 냉각수 배관은 내부 열 전달기(24, 47, 64)에 연결되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  12. 제10항에 있어서,
    조정 가능한 외부 보충 냉동부는 펠티에 소자 또는 가열 튜브로서 실현되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  13. 제10항에 있어서,
    조정 가능한 내부 보충 냉동부는 내부 열 전달기(24, 47, 64)에 연결되는 흡수식 냉동기(absorption chiller)로서 실현되고, 상기 흡수식 냉동기는 압축기(13, 55, 62)의 폐열에 의해 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  14. 제10항에 있어서,
    조정 가능한 내부 보충 냉동부(25)는 흐름 방향으로 팽창 요소(15, 71)의 하류에 배열된 냉각 사이클(11, 42, 57)의 재공부로서 실현되고, 상기 재공급부는 내부 열 전달기(24, 47, 64)에 연결되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  15. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 조정 가능한 제2 팽창 요소(28, 49)를 갖는 제1 바이패스(27, 48)가 냉각 사이클(11, 42, 57)에서 실현되고, 상기 제1 바이패스는 흐름 방향으로 내부 열 전달기(24, 47, 64)의 상류 및 응축기(14, 44, 63)의 하류에서 냉각 사이클에 연결되며, 상기 제1 바이패스는 조정 가능한 내부 보충 냉동부(25)로서 실현되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  16. 제15항에 있어서,
    내부 열 전달기(24)는 흐름 방향으로 압축기(13)의 상류 및 열 전달기(12)의 하류에서 냉각 사이클(11)의 저압측(19)에 연결되고, 제1 바이패스(27)는 냉매를 위한 후방 주입(back-injection) 장치(31)를 형성하며, 상기 제1 바이패스는 후방 주입 밸브(32)를 통해 내부 열 전달기의 저압측(50)에 연결되고, 냉매는 조정 가능한 제2 팽창 요소(28)로부터 후방 주입 밸브에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  17. 제16항에 있어서,
    후방 주입 밸브(32)는 내부 열 전달기(24)의 열 전달 부분(26)의 1/4 내지 1/2, 바람직하게는 1/3 후에 흐름 방향으로 열 전달기(24)에 연결되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  18. 제15항에 있어서,
    내부 열 전달기(24, 47, 64)의 저압측(50)은 흐름 방향으로 조정 가능한 제2 팽창 요소(28, 49)의 하류에서 제1 바이패스(27)에 연결되고, 냉매는 조정 가능한 제2 팽창 요소로부터 내부 열 전달기에 공급될 수 있으며, 상기 내부 열 전달기는 흐름 방향으로 압축기(13, 55, 62)의 상류 및 열 전달기(12, 45)의 하류에서 냉각 사이클(11, 42, 57)의 저압측(19, 66)에 연결되고, 냉매는 내부 열 전달기의 저압측(50)으로부터 압축기에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  19. 제18항에 있어서,
    적어도 제3 팽창 요소(38)를 갖는 제2 바이패스(35)가 냉각 사이클(11, 42, 57)에서 형성되고, 상기 제2 바이패스는 흐름 방향으로 응축기(14, 44, 63)의 하류 및 내부 열 전달기의 상류에서 팽창 요소(15, 71)를 가교하며, 냉매는 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 압축기(13, 55, 62)의 상류에서 냉각 사이클의 저압측(19, 66) 상에서 조정될 수 있도록 하는 방식으로 제3 팽창 요소를 통해 투여될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 다른 팽창 요소(59)를 갖는 다른 바이패스(58)가 냉각 사이클(11, 42, 57)에서 실현되고, 상기 다른 바이패스는 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 압축기의 상류에서 냉각 사이클의 저압측(19, 66) 상에서 조정될 수 있도록 및/또는 냉각 사이클의 고압측(18, 65)과 저압측 간의 압력차가 보상될 수 있도록 하는 방식으로 흐름 방향으로 압축기의 하류 및 응축기(14, 44, 63)의 상류에서 압축기(13, 55, 62)를 가교하는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 열 전달기(24, 47, 64)는 과냉각 부분(26) 또는 열 교환기(46), 특히 플레이트 열 교환기로서 실현되는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창 요소(15, 28, 38, 49, 59, 71)는 스로틀(16, 33, 36, 60) 및 마그네틱 밸브(17, 34, 37, 61)를 포함하고, 냉매는 스로틀 및 마그네틱 밸브를 통해 투여될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
  23. 제22항에 있어서,
    온도 제어 장치는 냉각 사이클(11, 42, 57)에서 적어도 하나의 압력 센서(67) 및/또는 온도 센서(68)를 갖는 제어 장치를 포함하고, 마그네틱 밸브(17, 34, 37, 61)는 측정된 온도 또는 압력에 따라 제어 장치를 통해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시험 챔버.
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