KR20200108246A - 냉매 - Google Patents

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아이딘 무라트
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바이스 움벨트테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 열교환기를 구비한 냉각 회로를 포함하는 냉각 장치용 냉매에 관한 것으로, 상기 냉매는 열교환기에서 상전이를 겪고, 상기 냉매는 이산화탄소(CO2)의 질량 분율, 다이플루오로메테인(CH2F2)의 질량 분율, 및 적어도 하나의 다른 성분의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물이며, 상기 냉매 혼합물에서 상기 이산화탄소의 질량 분율은 9 내지 75 질량 퍼센트, 상기 다이플루오로메테인의 질량 분율은 70 질량 퍼센트 이하, 상기 다른 성분은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(C3H2F4)이고, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 47 질량 퍼센트 이하이다.

Description

냉매{REFRIGERANT}
본 발명은 냉각 장치용 냉매 및 냉매를 갖는 시험 챔버 및 냉매의 사용에 관한 것으로서, 이산화탄소의 질량 분율, 다이플루오로메테인의 질량 분율, 및 적어도 하나의 다른 성분의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물로 이루어진 냉매가 상전이를 겪는 적어도 하나의 열교환기를 갖는 냉각 회로를 포함하는 냉각 장치용 냉매에 관한 것이다.
이러한 종류의 냉매는 전형적으로 냉각 장치의 폐쇄 냉각 회로 내에서 순환하며 물질 상태의 상이한 변화 시퀀스를 겪는다. 냉매는 미리 정의된 온도 차이 내에서 냉각 회로에 사용될 수 있는 성질을 가져야 한다. 단일 성분 냉매 및 적어도 2종의 성분의 냉매 혼합물은 종래 기술로부터 알려져 있다. 냉매는 우선일에서의 최신 버전의 독일 산업 표준 DIN 8960 섹션 6에 따라 분류된다.
법적 규정에 따라, 냉매는 대기 중 오존의 고갈 또는 지구 온난화에 크게 기여해서는 안된다. 이는 본질적으로 불소화 또는 염소화 물질이 냉매로 사용되지 않아야 한다는 것을 의미하며, 그렇기 때문에 천연 냉매 또는 가스가 옵션이다. 또한, 안전 규정을 준수해야 하기 때문에, 냉각 회로의 충전, 운송 및 작동이 복잡하지 않도록 냉매는 불연성이어야 한다. 또한, 그러한 경우에 필요한 구조적 수단으로 인해 가연성 냉매를 사용하면 냉각 회로의 생산이 더 비싸진다. 가연성은 열을 방출하여 주변 산소에 반응하는 냉매의 특성을 나타낸다. 냉매는 우선일에서의 최신 버전의 유럽 표준 EN2의 화재 등급 C와 DIN 378 등급 A2, A2L, 및 A3에서 분류된 경우 특히 가연성이다.
더욱이, 냉매는 비교적 낮은 CO2 등가물을 가져야 하며; 즉, 냉매가 배출되는 경우 환경에 대한 간접적인 손상을 피하기 위해 상대 지구 온난화 지수(GWP)는 가능한 한 낮아야 한다. GWP는 정의된 질량의 온실 가스가 지구 온난화에 기여하는 정도, 기준값으로 사용되는 이산화탄소를 나타낸다. 이 값은 특정 기간 동안의 평균 온난화 효과를 나타내며, 100년 동안 비교를 위해 설정되었다. 상대적 CO2 등가물 또는 GWP의 정의에 대해, 우선일에서의 최신 버전의 기후 변화에 대한 정부 간 패널(Intergovernmental Panel on Climate Change: IPCC), 평가 보고서, 부록 8.A, 표 8.A.1을 참조한다.
2500 미만과 같이 GWP가 낮은 냉매는, 이들 냉매가 비교적 높은 GWP를 갖는 냉매보다 냉각 회로와 관련된 온도 범위에서 냉각 용량이 현저히 낮은 경향이 있다는 단점이 있다. 비교적 높은 질량 분율의 이산화탄소를 갖는 냉매 혼합물로 더 낮은 GWP가 달성될 수 있으며; 그러나, 이들 냉매 혼합물은 혼합된 상이한 물질로 인해 제오트로픽(zeotropic) 특성을 가질 수 있으며, 이는 많은 냉각 회로에서 바람직하지 않다.
제오트로픽 냉매 혼합물에서, 온도 글라이드(temperature glide)로 알려진 온도 범위에 걸쳐 상 전이가 일어난다. 온도 글라이드는 일정한 압력에서 비점과 이슬점 온도 사이의 차이를 의미한다. 제오트로픽 냉매 혼합물은 전형적으로 높은 질량 분율의 불연성 성분을 함유하지만, 이는 비교적 높은 GWP를 특징으로 한다. 언뜻 보기에, 이산화탄소는 불연성이며 GWP가 낮기 때문에 냉매 혼합물에 적합한 구성 요소인 것으로 보인다. 그러나, 다른 성분과 이산화탄소의 혼합물에서, 다른 성분이 가연성인 경우 이산화탄소의 질량 분율이 비교적 커야 하는 것이 필수적이다. 그러나, 이산화탄소는 결빙 온도 또는 -56.6 °C의 어는점을 가지므로 높은 이산화탄소 농도에서 -60 °C 이하의 온도를 달성하기 어렵기 때문에 이는 불리하다.
또한, 냉매의 사용은 가능한 한 간단해야 하며, 즉, 냉각 장치의 광범위한 기술적 재구성이 필요하지 않다. 특히, 3K를 초과하는 온도 글라이드를 갖는 냉매의 경우, 냉각 회로의 팽창 요소 및 열교환기 또는 증발기는 냉매의 증발 온도로 조정되어야 하고 대응하는 제어가 제공되어야 한다. 또한, 냉각 장치의 정적 작동을 위해 설계된 냉매들 사이에는 차이가 있어야 하며, 즉, 냉각 장치는 열교환기 또는 증발기에서 실질적으로 더 긴 시간에 걸쳐 일정한 온도를 가지며, 동적 냉각 장치를 위해 설계된 냉매는 열교환기에서 비교적 빠른 온도 변화를 나타낸다. 이러한 종류의 동적 냉각 장치는 시험 챔버에 통합되어 있으며, 예를 들어, 사용된 냉매는 넓은 온도 범위 내에서 사용 가능하여야 함을 의미한다.
시험 챔버는 일반적으로 물체, 특히 장치의 물리적 및/또는 화학적 특성을 시험하는 데 사용된다. 예를 들어, -60 °C 내지 +180 °C 범위의 온도가 설정될 수 있는 온도 시험 챔버 또는 기후 시험 챔버가 알려져 있다. 기후 시험 챔버에서, 원하는 기후 조건이 추가로 설정될 수 있으며, 이어서 장치 또는 시험 물질이 정해진 기간 동안 노출된다. 이러한 종류의 시험 챔버는 자주 또는 종종 요구되는 공급 라인을 통해 단지 건물에 연결되고 온도 및 기후를 제어하는 데 필요한 모든 모듈을 포함하는 모바일 장치로 실현된다. 시험될 물질을 보유하는 시험 공간의 온도는 전형적으로 시험 공간 내의 순환 공기 덕트에서 제어된다. 순환 공기 덕트는 시험 공간 내의 공기 처리 공간을 형성하며, 순환 공기 덕트를 통해 흐르는 공기를 가열 또는 냉각하기 위한 열교환기와 시험 공간이 배치된다. 팬 또는 환기장치는 시험 공간에 위치한 공기를 흡입하여 순환 공기 덕트의 각 열교환기로 보낸다. 이러한 방식으로, 시험 물질은 온도 제어되거나 정의된 온도 변화에 노출될 수 있다. 시험 간격 동안, 온도는 시험 챔버의 최대 온도와 최소 온도 사이에서 반복적으로 변할 수 있다. 이러한 종류의 시험 챔버는 예를 들어 EP 0 344 397 A2에 알려져 있다.
냉각 회로에서 순환하는 냉매는 전술한 온도차 내에서 냉각 회로에서 사용될 수 있는 특성을 가져야 한다. 특히, 냉매의 이슬점 온도는 달성될 냉각 회로의 온도 범위의 최소 온도보다 높을 수 없으며, 그렇지 않으면 시험 공간을 냉각시키는 역할을 하는 열교환기에서 냉매가 증발될 때 최소 온도를 달성할 수 없기 때문이다. 공비(azeotropic) 냉매의 이슬점 온도는 열교환기의 팽창 요소 바로 뒤에 도달한다. 시험 공간을 위한 직선 냉각 회로는 시험 챔버의 온도를 정밀하게 제어하기 위해 매우 높은 공간 온도 안정성을 필요로 하며, 이는 제오트로픽 냉매를 사용하여 전혀 또는 단지 제한된 정도로 달성될 수 없다. 이 경우, 제오트로픽 냉매의 이슬점 온도 또는 이슬점은 온도 차이 때문에 시험 공간에서 열교환기 영역의 시험 공간 온도에 따라 국소적으로 변할 수 있으므로 고온 안정성은 달성될 수 없다. 따라서, 시험 챔버의 냉각 회로에서 제오트로픽 냉매, 즉 온도 글라이드를 갖는 냉매의 사용이 회피된다.
또한, 제오트로픽 냉매 혼합물이 연속적으로 증발되는 냉각 장치가 알려져 있다. 이는 냉매의 성분이 팽창 요소에 의해 차례로 증발됨을 의미한다. 이러한 종류의 냉각 장치는 혼합 유체 캐스케이드(cascade) 시스템이라고도 하며 실질적으로 정적 극저온을 실현하는 데 적합하다.
WO 2017/157864 A1은 다른 성분들 중에서 이산화탄소 및 펜타플루오로에테인을 함유하는 냉매를 개시하고 있다. 예를 들어, 이산화탄소의 경우 30 내지 70 wt%, 및 펜타플루오로에테인의 경우 20 내지 80 wt%의 범위가 냉매를 위해 지시된다. 혼합 파트너로서의 다이플루오로메테인이 또한 개시되어 있다.
DE 41 16 274 A1는 혼합 파트너로서 이산화탄소 및 다이플루오로메테인을 함유하는 냉매에 관한 것이다. 예를 들어, 이산화탄소 5 내지 50 wt% 및 다이플루오로메테인 25 내지 70 wt%의 질량 분율이 지시된다.
따라서, 본 발명의 목적은 환경 친화적이고 안전한 방식으로 적어도 -60 °C에 이르는 온도를 달성할 수 있는 냉각 장치용 냉매, 냉매를 갖는 시험 챔버, 및 냉매의 사용을 제안하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 냉매, 청구항 제16항의 특징을 갖는 시험 챔버, 및 청구항 제17항의 특징을 갖는 냉매의 사용에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 열교환기를 갖는 냉각 회로를 포함하는 냉각 장치용 냉매에 있어서, 냉매는 이산화탄소의 질량 분율, 다이플루오로메테인의 질량 분율, 및 적어도 하나의 다른 성분의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물이고, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 9 내지 75 질량 퍼센트, 상기 다이플루오로메테인의 질량 분율은 70 질량 퍼센트 이하, 상기 다른 성분은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜이고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 47 질량 퍼센트 이하이다.
본 출원의 우선일에서의 독일 산업 표준 DIN 8960의 최신 버전에 따르면, 이산화탄소(CO2)는 명칭 R744으로 냉매 또는 구성 성분으로도 알려져 있고, 펜타플루오로에테인(C2HF5)은 R125 명칭으로 알려져 있고, 다이플루오로메테인 (CH2F2)은 R32 명칭으로 알려져 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(C3H2F4)은 R1234yf 명칭으로 알려져 있고, 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜(C3H2F4)은 R1234ze 명칭으로 알려져 있고, 1,1,1,2-테트라플루오로에테인(C2H2F4)은 R134a 명칭으로 알려져 있고, 플루오르화메틸(CH3F)은 R41 명칭으로 알려져 있고, 에테인 (C2H6)은 R170 명칭으로 알려져 있고, 에테인 (C2H6)은 R170 명칭으로 알려져 있고, 1,1-다이플루오로에테인(C2H2F2)은 R1132a 명칭으로 알려져 있고, 에텐(C2H4)은 R1150 명칭으로 알려져 있고, 플루오로에테인(C2H3F)은 R1141 명칭으로 알려져 있고, 프로판(C3H8)은 R290 명칭으로 알려져 있고, 프로펜(C3H6)은 R1270 명칭으로 알려져 있고, 플루오로에테인(CH2FCH3)은 R161 명칭으로 알려져 있다.
본 발명은 이산화탄소 및 낮은 GWP를 갖고, 불연성 또는 가연성인 하나 이상의 플루오르화 냉매의 냉매 혼합물을 제한적인 정도로만 제공한다. 이산화탄소의 분율은 가능한 한 낮아야 하며, 그렇지 않으면 이산화탄소의 분율이 증가함에 따라 냉매 혼합물의 어는점이 증가하기 때문이다. 그러나, 이산화탄소의 더 낮은 질량 분율은 이산화탄소의 GWP 감소 효과를 감소시킨다. 이것이 부분적으로 불소화된 냉매가 이산화탄소보다 현저히 높은 GWP를 가지면서도 난연 효과가 향상된 이유이다. 펜타플로오로에테인, 다이플루오로메테인, 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜은 특히 상당한 양의 불소 원자를 함유하여 바람직하지 않은 높은 GWP를 초래한다. 그러나, 놀랍게도 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어 1597 미만의 충분히 낮은 GWP는 9 내지 97 질량 퍼센트의 이산화탄소, 70 질량 퍼센트 이하의 다이플루오로메테인, 및 47 질량 퍼센트 이하의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율을 함유하는 냉매 혼합물로 달성될 수 있다. 또한 알 수 있듯이, 다이플루오로메테인의 난연 효과는 이산화탄소의 난연 효과보다 비교적 크다. 또한, 냉매 혼합물의 제3 성분으로서 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 첨가함으로써 다이플루오로메테인 및 이산화탄소의 부정적인 특성이 감소될 수 있다. 따라서, 다이플루오로메테인 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜을 함유하는 냉매 혼합물은 불연성으로 분류될 수 있다. 동시에, 다이플루오로메테인 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜은 펜타플루오로에테인 단독보다 이산화탄소와 함께 더 낮은 동결 온도를 갖는다. 결과적으로, 다이플루오로메테인, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 및 이산화탄소의 혼합물은 펜타플루오로에테인 및 이산화탄소 단독보다 더 낮은 동결 온도를 달성할 수 있다. 따라서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜은 냉매 혼합물의 어는점을 상당히 낮추고, 냉매 혼합물이 불연성이기 위해서는 이산화탄소의 특정 질량 분율이 필요하다. 그러나 동시에, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜은 최종 압축 농도가 높고 가연성이므로, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜은 이산화탄소의 유일한 혼합 파트너로서 한도 내에서만 적합하다. 다이플루오로메테인은 냉매 혼합물의 어는점을 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜만큼 낮출 수는 없지만, 이산화탄소보다 난연 효과가 더 크므로 유리하다.
결과적으로, 냉매 혼합물은 3차(ternary) 또는 4차(quaternary) 혼합물일 수 있다.
유리하게는, 냉매 혼합물 중 이산화탄소의 질량 분율은 25 내지 55 질량 퍼센트일 수 있다.
특히 유리하게는, 냉매 혼합물 중 이산화탄소의 질량 분율은 35 내지 45 질량 퍼센트일 수 있다.
냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 10 내지 70 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 10 내지 70 질량 퍼센트일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 45 질량 퍼센트 이하일 수 있으며, 상기 냉매는 펜타플루오로에테인의 질량 분율을 가질 수 있고, 이 경우 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 35 질량 퍼센트 이하일 수 있다. 이 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율과 함께, 이산화탄소는 펜타플루오로에테인과 특히 유리한 방식으로 혼합될 수 있다. 언급된 성분들을 첨가함으로써 냉매 혼합물의 어는점을 상당히 감소시킬 수 있다. 이러한 감소는 냉매 혼합물의 어는점이 의도된 증발 온도보다 낮고, 동시에 증발 온도와 관련된 증기압은 주위 압력보다 높거나 약간 낮도록 설정될 수 있다.
유리하게는, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 25 내지 55 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 25 내지 55 질량 퍼센트일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 30 질량 퍼센트 이하일 수 있고, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 20 질량 퍼센트 이하일 수 있다.
특히 유리하게는, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 35 내지 45 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 35 내지 45 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 11 내지 21 질량 퍼센트, 및 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 10 질량 퍼센트 이하이다.
대안적으로, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 9 내지 69 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 53 질량 퍼센트 이하일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 40 질량 퍼센트 이하일 수 있고, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 50 질량 퍼센트 이하일 수 있으며, 상기 냉매는 1,1,1,2-테트라플루오로에테인의 질량 분율을 가지며, 상기 테트라플루오로에테인의 질량 분율은 40 질량 퍼센트 이하일 수 있다. 펜타플루오로에테인은 불연성이며, 이는 지시된 최소량으로 펜타플루오로에테인과 이산화탄소를 함유하는 모든 혼합물이 불연성임을 의미한다. 어는점은 다이플루오로메테인 단독에 비해 상당히 감소되지는 않는다. 3150의 GWP는 다른 가능한 구성 요소의 GWP보다 훨씬 높다. 따라서, 이는 냉매 혼합물의 GWP를 감소시키기 위해 냉매 혼합물 내의 다른 물질로 부분적으로 대체될 수도 있다. 펜타플루오로에테인의 난연 효과는 이산화탄소보다 크며, 이는 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율이 감소될 수 있음을 의미하며, 이는 어는점을 낮추고 여전히 불연성을 보장하지만 GWP를 증가시킨다.
유리하게는, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 24 내지 54 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 8 내지 38 질량 퍼센트일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 24 질량 퍼센트 이하일 수 있고, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 5 내지 35 질량 퍼센트일 수 있고, 테트라플루오로에테인의 질량 분율은 24 질량 퍼센트 이하일 수 있다.
특히 유리하게는, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 34 내지 44 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 18 내지 28 질량 퍼센트일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 4 내지 14 질량 퍼센트일 수 있고, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 15 내지 25 질량 퍼센트일 수 있고, 테트라플루오로에테인의 질량 분율은 4 내지 14 질량 퍼센트일 수 있다. 이 경우, 냉매의 GWP를 더욱 감소시킬 수 있다.
따라서, 냉매 혼합물에서 냉매 R410A의 질량 분율이 또한 적어도 부분적으로 사용될 수 있다. 냉매 R410A는 동일한 질량 분율의 펜타플루오로에테인 및 다이플루오로메테인을 함유한다. 냉매 R410A는 쉽게 구할 수 있는 기성품 냉매 혼합물이며, 이는 이산화탄소를 R410A 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜과 간단히 부분적으로 혼합함으로써 냉매가 비용 효율적이고 간단한 방식으로 준비될 수 있음을 의미한다.
대안적으로, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 15 내지 75 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 8 내지 68 질량 퍼센트일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 47 질량 퍼센트 이하일 수 있다. 유리하게는, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 30 내지 60 질량 퍼센트일 수 있고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 23 내지 53 질량 퍼센트일 수 있고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 32 질량 퍼센트 이하일 수 있다.
특히 유리하게는, 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 40 내지 50 질량 퍼센트이고, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 33 내지 43 질량 퍼센트이고, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 9 내지 22 질량 퍼센트이다.
이 경우, 냉매 혼합물은 이산화탄소, 다이플루오로메테인 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜만으로 구성될 수 있다. 적어도 35 질량 퍼센트의 이산화탄소의 질량 분율은 냉매 혼합물이 불연성으로 분류되기에 충분하다.
또한, 냉매는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율을 가질 수 있고, 이 경우 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 35 질량 퍼센트 이하, 바람직하게는 20 질량 퍼센트 이하, 특히 바람직하게는 10 질량 퍼센트 이하일 수 있다.
따라서, 냉매 혼합물이 30 질량 퍼센트 이하, 바람직하게는 20 질량 퍼센트 이하, 특히 바람직하게는 10 질량 퍼센트 이하의 플루오로에테인, 에테인, 1,1-다이플루오로에테인, 에텐, 플루오로에테인, 아세틸렌, 프로판, 프로펜, 및/또는 플루오로에테인을 추가 성분으로서 각각 함유하는 경우에 특히 유리하다. 상기 성분(들)의 이러한 비교적 적은 질량 분율로도 냉매의 개선된 특성이 달성될 수 있다.
표 1, 표 2, 및 표 3에는 전술한 실시예에 따른 냉매의 예가 도시되어 있다.
냉매 R744
[질량%]		 R32
[질량%]		 R125
[질량%]		 R1234yf
[질량%]		 GWP [-] 비점 [°C] 글라이드 [°C]
1 35-45 35-45 0-10 11-21 237-655 -75.8 to -78.8 16.8-18.3
2 25-55 25-55 0-20 > 0-30 170-1072 -75.1 to -80.6 15.2-18.3
3 10-70 10-70 0-35 > 0-45 69-1597 -67.3 to -83.5 10.4-17.8
냉매 R744
[질량%]		 R32
[질량%]		 R125
[질량%]		 R1234yf
[질량%]		 R134a
[질량%]		 GWP [-] 비점 [°C] 글라이드 [°C]
4 34-44 18-28 15-25 4-14 4-14 738-1231 -79.1 to -80.2 18.8-22
5 24-54 8-38 5-35 > 0-24 0-24 291-1684 -77.3 to -81.1 16.6-29.8
6 9-69 > 0-53 0-50 > 0-40 0-40 2-2329 -62.8 to -83.3 11-31
냉매 R744
[질량%]		 R32
[질량%]		 R1234yf
[질량%]		 R1234ze
[질량%]		 GWP [-] 비점 [°C] 글라이드 [°C]
7 40-50 33-43 12-22 223-292 -77.9 to -80.1 17.4-17.6
8 30-60 23-53 2-32 156-359 -75 to -81.8 16.5-17.2
9 15-75 8-68 > 0-47 55-460 -67.2 to -84.3 12.3-16.2
10 40-50 33-43 9-19 0-10 223-292 -78 to -79.9 17.4-22.1
11 30-60 23-53 > 0-30 0-20 156-360 -75.5 to -81.7 16.5-27.2
12 15-75 18-68 > 0-45 0-35 122-461 -67.6 to -84.3 12.3-30.5
다른 실시예에서, 냉매는 약 1bar의 증발 압력에서 10.4K 내지 31K 범위의 온도 글라이드를 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 이산화탄소와 다이플루오로메테인, 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜과의 혼합물은 특히 유리한 것으로 입증되었다. 또한, 이 냉매 혼합물은 어는점을 농도 의존적으로 감소시킨다. 따라서, 질량 분율이 지시된 질량 분율로부터 벗어날 때 상이한 온도 적용을 위한 가연성 및 불연성 냉매 혼합물이 발생할 수 있다.
냉매는 100년에 걸쳐 2329 미만, 바람직하게는 1597 미만, 특히 바람직하게는 460 미만의 상대 CO2 등가물을 가질 수 있다. 결과적으로, 냉매는 환경에 거의 해를 끼치지 않을 수 있다.
냉매는 불연성일 수 있다. 냉매가 불연성인 경우, 냉매의 가연성 측면에서 특별한 안전 조치가 필요하지 않기 때문에, 특히 냉각 회로 및 시험 챔버가 보다 비용 효율적으로 설계될 수 있다. 이 경우, 냉매는 적어도 화재 등급 C 및/또는 냉매 안전 그룹 A1으로 분류되지 않을 수 있다. 또한, 운송 방식과 상관없이, 운송 전에 냉각 회로가 냉매로 채워질 수 있기 때문에 냉각 회로의 운송 및 이송이 더 용이하다. 가연성 냉매가 사용되는 경우, 설치 장소에서 시동할 때까지 충전이 불가능할 수 있다. 또한, 점화 소스의 존재 하에서 불연성 냉매의 사용이 가능하다.
공기 컨디셔닝을 위한 본 발명에 따른 시험 챔버는 시험 물질을 수용하며 환경에 대해 밀봉될 수 있고 온도-절연되는 시험 공간, 및 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함하며, -70 °C 내지 +180 °C 온도 범위에서의 온도가 온도 제어 장치에 의해 시험 공간 내에 확립 가능하며, 온도 제어 장치는 본 발명에 따른 냉매를 갖는 냉각 회로를 포함하는 냉각 장치, 열교환기, 압축기, 응축기, 및 팽창 요소를 갖는다. 본 발명에 따른 시험 챔버의 장점과 관련하여, 본 발명에 따른 냉매의 장점에 대한 설명이 참조된다.
온도 제어 장치에 의해, -80 °C 내지 +180 °C, 바람직하게는 -90 °C 내지 +180 °C, 특히 바람직하게는 -100 °C 내지 +180 °C의 온도 범위에서의 온도가 시험 공간 내에 확립될 수 있다. 혼합 유체 캐스케이드 시스템에서와 달리, 냉매에 함유된 모든 성분을 갖는 냉매는 팽창 요소에 의해 한번에 증발될 수 있다. 이산화탄소의 어는점은 -56.6 °C이므로, 큰 질량 분율의 이산화탄소를 함유하는 냉매 혼합물은 원칙적으로 -56.6 °C 미만의 온도를 달성하는 데 더 이상 적합하지 않다. 그러나, 본 발명에 따른 냉매의 사용은 -70 °C 미만의 냉매의 이슬점 온도를 달성할 수 있게 한다.
냉각 회로는 내부 열교환기를 가질 수 있고, 내부 열교환기는 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류의 냉각 회로의 고압 측에, 또한 압축기의 상류 및 열교환기의 하류의 냉각 회로의 저압 측에 연결될 수 있다. 내부 열교환기를 사용하고 내부 열교환기를 통해 고압 측의 액화 냉매를 냉각함으로써, -56 °C 미만의 온도에 쉽게 도달할 수 있다. 내부 열교환기에 의해 냉각된 냉매의 증발 온도는 비 냉각 냉매의 증발 온도에 비해 팽창 요소에서 감소될 수 있다. 따라서, 내부 열교환기를 통해 저압 측으로부터 고압 측으로 전달되는 냉각 용량은 팽창 요소에서 냉매의 증발 온도를 감소시키기 위해 적어도 부분적으로, 바람직하게는 독점적으로 사용될 수 있다. 또한, 이 경우 냉매의 이슬점 온도 또는 냉매의 이슬점의 위치가 내부 열교환기로 이동될 수 있기 때문에, 온도 글라이드를 갖는 제오트로픽 냉매의 사용이 우선 가능해진다. 제오트로픽 냉매의 온도 글라이드 결과, 냉매의 달성된 이슬점 온도는 비교적 높을 수 있고 따라서 열교환기가 더 이상 냉각되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 냉매의 일부만이 열교환기에서 증발될 수 있고 냉매의 습증기 부분의 사용 불가능한 부분은 내부 열교환기로 이동될 수 있다. 전체적으로, 이것은 이산화탄소의 질량 분율을 함유하고 환경 친화적이지만, 시험 공간에서 저온을 확립하기 위해 제오트로픽 특성을 갖는 냉매를 허용한다. 또한, 온도 글라이드의 일부 또는 냉매의 습증기의 일부가 시험 공간의 열교환기로부터 내부 열교환기로 이동되면, 제오트로픽 냉매와 함께 비교적 개선된 온도 안정성이 달성될 수 있다. 이 경우, 열교환기를 통한 냉용량 출력은 온도 글라이드의 섹션에서만 생성될 수 있으며, 이는 냉각 회로에서 냉매의 이슬점 변화가 열교환기의 온도 안정성에 거의 영향을 미치지 않음을 의미한다. 또한, 이 경우 단일 열교환기는 유체, 즉 시험 공간 내의 공기를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다.
열교환기는 냉매의 일부만이 열교환기에서 증발할 수 있는 방식으로 치수 설정될 수 있다. 이는 냉매의 이슬점 또는 이슬점 온도의 위치가 열교환기에서 내부 열교환기로 이동될 수 있다는 이점을 초래한다. 제오트로픽 냉매의 온도 글라이드로 인해, 열교환기에서 냉매의 부분 증발은 내부 열교환기에서 냉매의 후속하는 남은 증발보다 열교환기에서 더 낮은 온도를 달성한다.
시험 챔버의 일 실시예에서, 열교환기는 시험 공간에 배치될 수 있다. 이 경우, 열교환기는 팬에 의해 순환되는 공기가 열교환기와 접촉할 수 있도록 시험 공간의 공기 처리 공간에 배치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 시험 공간의 순환된 양의 공기는 열교환기를 통한 냉각 장치에 의해 시험 공간에서 직접 냉각될 수 있다. 시험 챔버는 냉각 회로를 단독의 단일 냉각 회로로서 가질 수 있다. 이 경우, 냉각 회로는 시험 공간에 직접 연결된다.
시험 챔버의 다른 실시예에서, 응축기는 냉각 장치의 다른 냉각 회로의 캐스케이드 열교환기로서 실현될 수 있다. 따라서, 시험 챔버는 적어도 2개의 냉각 회로를 가질 수 있고, 이 경우, 냉각 회로는 냉각 장치의 제2 스테이지를 형성할 수 있고, 냉각 회로의 상류에 배치된 다른 냉각 회로는 냉각 장치의 제1 스테이지를 형성할 수 있다. 이 경우, 응축기는 냉각 회로를 통한 캐스케이드 열교환기 또는 열교환기 역할을 한다. 시험 챔버의 이 실시예는 시험 공간에서 특히 저온이 확립되도록 한다.
온도 제어 장치는 시험 공간 내에 히터 및 가열 열교환기를 포함하는 가열 장치를 가질 수 있다. 가열 장치는 시험 공간 내의 온도가 가열 열교환기에 의해 상승될 수 있는 방식으로 가열 열교환기를 가열하는 전기 저항 가열기일 수 있다. 시험 공간에서 순환되는 공기를 냉각 또는 가열하기 위해 제어 장치에 의해 열교환기와 가열 열교환기가 구체적으로 제어될 수 있다면, 상기 지시된 온도 범위 내의 온도는 온도 제어 장치에 의해 시험 공간 내에 확립될 수 있다. 시험 물질 또는 시험 물질의 작동 상태에 관계없이 시험 간격 동안, 시험 공간에서 ±1 K, 바람직하게는 ±0.3 K 내지 ±0.5 K 또는 ±0.3 K 미만의 시간에 걸친 온도 안정성이 확립될 수 있다. 시험 간격은 시험 물질이 실질적으로 일정한 온도 또는 기후 조건에 노출되는 완전 시험 기간의 세그먼트이다. 가열 열교환기는 냉매가 흐를 수 있고 전기 저항 히터의 가열 요소를 갖는 공유 열교환기 바디가 실현될 수 있는 방식으로 냉각 회로의 열교환기와 결합될 수 있다. 응축기는 공기, 물 또는 다른 냉각제로 냉각될 수 있다. 원칙적으로, 응축기는 임의의 적절한 유체를 사용하여 냉각될 수 있다. 본질적인 측면에서, 응축기에서 발생된 열 부하는 냉매가 완전히 액화될 때까지 응축될 수 있는 방식으로 냉각 공기 또는 냉각수를 통해 배출된다.
냉각 회로에서 적어도 하나의 제어 가능한 제2 팽창 요소를 갖는 제1 바이패스(bypass)가 실현될 수 있고, 이 경우, 제1 바이패스는 내부 열교환기의 상류 및 응축기의 하류에 있는 냉각 회로에 연결될 수 있고, 제1 바이패스는 제어 가능한 추가 내부 냉각 시스템으로서 실현될 수 있다. 따라서, 제1 바이패스는 냉매를 위한 재 주입 장치를 형성할 수 있다. 이에 따라, 냉매는 저압 측의 내부 열교환기에서 제어 가능한 제2 팽창 요소로부터 재순환될 수 있다. 이 경우, 제1 바이패스는 내부 열교환기의 상류 및 열교환기의 하류의 냉각 회로의 저압 측에 연결될 수 있다. 제2 팽창 요소에 의해 냉각되거나 그 온도 수준이 낮아진 냉매는 내부 열교환기를 통해 안내되어 내부 열교환기의 고압 측에서 냉매의 냉각을 강화시킬 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 내부 열교환기의 냉각 용량이 더욱 정밀하게 제어될 수 있다.
적어도 하나의 제3 팽창 요소를 포함하는 제2 바이패스가 냉각 회로 내에 형성될 수 있고, 이 경우, 제2 바이패스는 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 냉각 회로의 저압 측의 압축기의 상류에서 제어될 수 있는 방식으로, 응축기의 하류 및 열교환기의 상류의 팽창 요소를 바이패스하고 냉매는 제3 팽창 요소에 의해 계량될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 압축 장치일 수 있는 압축기의 잠재적 과열 및 손상이 무엇보다도 방지될 수 있다. 결과적으로, 압축기의 상류에 위치한 기체 냉매는 아직 액체인 냉매를 첨가함으로써 제3 팽창 요소의 작동에 의해 제2 바이패스를 통해 냉각될 수 있다. 제3 팽창 요소는 그 자체가 압축기의 상류의 냉각 회로에서 압력 및/또는 온도 센서에 커플링된 제어 장치에 의해 작동될 수 있다. 특히 유리하게, 30 °C 이하의 흡입 가스 온도는 제2 바이패스를 통해 설정될 수 있다. 또한, 압축기의 작동 시간이 제어될 수 있는 방식으로 냉매가 계량될 수 있다. 원칙적으로, 압축기 또는 압축기 장치가 반복적으로 켜지고 꺼지는 것은 불리하다. 압축기를 장기간 작동시키면 압축기의 수명이 연장될 수 있다. 예를 들어, 압축기의 자동 비활성화를 지연시키고 압축기의 작동 시간을 연장시키기 위해, 냉매는 제2 바이패스를 통해 팽창 요소 또는 응축기를 지나갈 수 있다.
적어도 하나의 다른 팽창 요소를 포함하는 다른 바이패스가 냉각 회로에 형성될 수 있고, 다른 바이패스는 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 냉각 회로의 저압 측에서 압축기의 상류에서 제어될 수 있고, 및/또는 냉각 회로의 고압 측과 저압 측 사이의 압력 차이가 균일화될 수 있는 방식으로 압축기 하류 및 응축기 상류의 압축기를 바이패스한다. 제2 바이패스는 자기 밸브와 같이 설정 가능하거나 제어 가능한 밸브가 추가적으로 장착될 수 있다. 다른 팽창 요소를 통해 고압 측과 저압 측을 연결하면 시스템 정지시 압축된 기체 냉매가 냉각 회로의 고압 측에서 저압 측으로 점진적으로 흐르게 된다. 이는 또한 팽창 요소가 폐쇄된 경우에도 고압 측과 저압 측 사이의 점진적인 압력 균등화를 보장한다. 다른 팽창 요소의 단면은 고압 측에서 저압 측으로 흐르는 냉매가 냉각 장치의 정상 작동에 단지 중요하지 않은 영향만을 미치도록 치수가 정해질 수 있다. 동시에, 압축기의 상류에 위치한 기체 냉매는 다른 바이패스를 통해 액체 냉매를 첨가함으로써 냉각될 수 있다.
또한, 내부 열교환기는 보조 냉각부 또는 열교환기, 특히 플레이트 열교환기로 구현될 수 있다. 보조 냉각부는 서로 접촉하는 냉각 회로의 2개의 라인 섹션에 의해 간단하게 실현될 수 있다.
팽창 요소는 스로틀 및 자기 밸브를 가질 수 있으며, 이 경우 냉매는 스로틀 및 자기 밸브를 통해 계량될 수 있다. 스로틀은 설정 가능한 밸브 또는 냉매가 자기 밸브에 의해 라우팅되는 모세관일 수 있다. 자기 밸브 자체는 제어 장치에 의해 작동될 수 있다.
또한, 온도 제어 장치는 냉각 회로 내에 적어도 하나의 압력 센서 및/또는 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 제어 장치를 포함할 수 있고, 이 경우, 측정된 온도 및/또는 압력의 함수로서 제어 장치에 의해 자기 밸브가 작동될 수 있다. 제어 장치는 센서로부터의 데이터 세트를 처리하고 자기 밸브를 제어하는 데이터 처리 수단을 포함할 수 있다. 이 경우, 냉각 장치의 기능은 또한 예를 들어 적절한 컴퓨터 프로그램을 통해 사용되는 냉매로 조정될 수 있다. 또한, 제어 장치는 시험 챔버의 위태롭거나 바람직하지 않은 작동 상태로 인한 시험 챔버 및 시험 물질의 손상을 방지하기 위해, 필요한 경우 오작동을 알리고 시험 챔버의 셧다운을 시작할 수 있다.
본 발명에 따른 9 내지 75 질량 퍼센트의 이산화탄소의 질량 분율, 70 질량 퍼센트 이하의 다이플루오로메테인의 질량 분율, 및 47 질량 퍼센트 이하의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물로 이루어진 냉매가 사용될 때, 냉매는 시험 챔버의 시험 공간에서 공기를 컨디셔닝하는 데 사용되며, 시험 공간은 시험 물질을 수용하며 환경에 대해 밀봉 가능하고 온도 절연이며, 냉매를 갖는 냉각 회로, 열교환기, 압축기, 응축기, 및 팽창 요소를 포함하는 시험 챔버의 온도 제어 장치의 냉각 장치는, 시험 공간 내에서 -60 °C 내지 +180 °C, 바람직하게는 -70 °C 내지 +180 °C, 특히 바람직하게는 -80 °C 내지 +180 °C의 온도에서 온도를 확립하기 위해 사용된다.
냉매는 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류의 냉각 회로의 고압 측에 연결되고 압축기의 상류 및 열교환기의 하류의 냉각 회로의 저압 측에 연결되는 냉각 회로의, 고압 측의 내부 열교환기에 의해 냉각될 수 있으며, 내부 열교환기에 의한 고압 측 냉매의 냉각은 팽창 요소에서 증발 온도를 낮추기 위해 사용 가능하다. 고압 측 냉매의 증발 온도를 낮추는 동안, 저압 측 냉매의 흡입 압력은 일정하게 유지될 수 있다. 그러한 경우에, 흡입 압력의 추가적인 제어 및 팽창 압력의 함수로서 팽창 요소의 제어 형태와 같은 더 큰 시스템 복잡성이 반드시 필요한 것은 아니다. 특히, 압축기는 냉각 회로의 작동 상태에 관계없이 일정한 출력으로 작동될 수도 있다. 피스톤 펌프가 특히 압축기로 사용될 때, 장기 사용 수명을 달성하기 위해서는 피스톤 펌프가 장기간 작동하고 일정 속도로 작동하는 것이 필수적이다.
고압 측의 냉매는 내부 열교환기에 의해 저압 측의 일정한 흡입 압력에서 저압 측의 냉매에 의해 냉각될 수 있다. 결과적으로, 냉매는 팽창 요소로부터 내부 열교환기까지 및 포함하여 냉각 회로의 증발 섹션 상에서 일정한 흡입 압력에서 증발할 수 있다. 냉매의 흡입 압력 또는 증발 압력이 일정하면, 냉매는 냉매의 온도 글라이드에 따라 낮은 증발 온도에서의 팽창 요소로부터 높은 증발 온도에서의 내부 열교환기로 증발될 수 있다. 온도 글라이드로 인한 이슬점 온도는 시험 공간 내의 냉각될 유체 또는 공기의 온도보다 높을 수 있다. 냉매의 증발 온도가 동일한 흡입 압력에서 시험 공간에서 냉각될 공기의 온도와 같으면, 공기는 더 이상 냉각될 수 없다. 그러나, 다른 열교환기에서 도달된 이슬점 온도는 내부 열교환기의 고압 측에서 냉매의 액체 온도보다 낮으므로, 이는 냉매의 액체 온도가 추가적으로 감소될 수 있음을 의미한다. 따라서, 흡입 압력을 변화시키지 않고 팽창 요소의 하류의 증발 온도를 낮추어, 시험 공간 내의 공기의 추가 냉각이 달성될 수 있다.
따라서, 팽창 요소를 통해 라우팅된 냉매의 제1 부분은 열교환기에서 증발될 수 있고, 냉매의 제2 부분은 내부 열교환기에서 증발될 수 있다. 냉매가 증발하는 냉각 회로의 증발 섹션은 내부 열교환기까지 팽창 요소로부터 연장될 수 있다. 증발 섹션은 내부 열교환기를 통과할 수 있으며, 이 경우 냉매의 이슬점은 압축기의 상류에서 내부 열교환기의 출구에 위치될 수 있다. 제1 부분/ 제2 부분 비율은 시험 공간 또는 열교환기에서 온도의 함수로서 냉각 회로의 작동 동안 변할 수 있다. 예를 들어, 열교환기의 온도와 시험 공간의 온도 사이의 비교적 큰 온도 차이는 열교환기 내의 냉매의 가열을 가속화시킬 수 있으며, 이는 내부 열교환기의 입구 또는 압축기의 상류의 열교환기의 출구를 향해 냉매의 이슬점을 이동시킨다. 이러한 낮은 이슬점의 이동은 시험 공간에서 비교적 낮은 온도 또는 목표 온도가 확립되지 않은 한 허용될 수 있다. 열교환기의 온도가 시험 공간의 온도에 접근할 때, 이슬점은 이동하고 따라서 제2 부분은 냉매의 제1 부분에 대해 성장한다.
고압 측 냉매의 증발 온도는 자체 제어 방식으로 낮아질 수 있다. 열교환기의 온도에 따라, 이 경우 열교환기의 온도는 더 이상 냉매의 상 전이를 일으키기에 충분하지 않기 때문에, 더 이상 증발하지 않는 냉매는 흐름 방향으로 열교환기에서 배출될 수 있다. 따라서, 습증기 또는 액체 냉매는 내부 열교환기에서 재 증발되는데, 여기서 고압 측과 저압 측 사이의 온도차가 열교환기보다 항상 더 클 수 있기 때문이다. 내부 열교환기에서의 열교환에 의해 내부 열교환기에 의해 팽창 요소의 상류의 액체 냉매의 온도가 감소되면, 팽창 요소의 상류에서 냉매의 에너지 밀도 및 열교환기에서 달성될 수 있는 온도 차이가 증가한다. 팽창 요소, 열교환기, 및 내부 열교환기의 상호 작용은 원칙적으로 제어될 필요가 없다.
특히 유리하게는, 냉각 장치는 냉매의 임계점 아래에서 독점적으로 작동된다. 냉각 장치가 냉매의 삼중점 아래에서 작동되는 경우, 냉매의 초 임계 상태에 도달되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 냉각 장치는 초 임계 상태에서 작동하도록 구성될 필요가 없으며, 이는 냉각 장치의 제조 비용을 절감시킨다.
특히, 일정한 흡입 압력은 또한 내부 열교환기에 의해 고압 측 냉매의 증발 온도를 낮추는 동안 유지될 수 있다. 따라서, 내부 열교환기를 통한 고압 측 냉매의 냉각은 팽창 요소에서 냉매의 증발 온도를 부분적으로 또는 독점적으로 낮추기 위해 이용될 수 있다.
냉매의 이슬점 온도는 온도 범위의 최소 온도보다 높을 수 있다. 최신 기술로부터 알려진 시험 챔버에서, 이 경우 온도 범위의 최소 온도는 더 이상 이러한 종류의 냉매로 확립될 수 없지만, 냉매의 이슬점 온도와 실질적으로 상응하는 비교적 높은 최소 온도일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 시험 챔버에서, 고압 측의 액화된 냉매를 내부 열교환기로 냉각할 수 있기 때문에, 이슬점 온도가 온도 범위의 달성 가능한 최소 온도보다 높은 냉매가 사용될 수 있으며, 이는 팽창 요소에서의 냉매의 증발 온도가 비교적 낮을 수 있음을 의미한다.
냉매는 0.3 내지 5 bar의 압력 범위에서의 흡입 압력 또는 증발 압력에서 절대적으로 증발될 수 있다. 그 압력 범위 내에서 냉매를 사용하면 냉각 회로의 저압 측을 구성하기 위해 특별한 내압 모듈 및 구성 요소가 사용될 필요가 없기 때문에 냉각 회로를 비용 효율적으로 생산할 수 있다.
또한, 냉매는 5 내지 35 bar의 압력 범위에서의 응축 압력에서 완전히 응축될 수 있다. 여기에서도, 고압 측은 비교적 높은 압력에 적응될 필요가 없는 모듈 및 구성 요소를 사용하여 구성될 수 있다.
사용의 다른 실시예는 장치 청구항 제1항에 따른 청구항의 특징의 설명으로부터 명백하다.
이하, 첨부된 도면을 사용하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 냉매의 압력-엔탈피 다이어그램이다.
도 2는 냉각 장치의 제1 실시예의 개략도이다.
도 3은 냉각 장치의 제2 실시예의 개략도이다.
도 4는 냉각 장치의 제3 실시예의 개략도이다.
도 5는 냉각 장치의 제4 실시예의 개략도이다.
도 6은 냉각 장치의 제5 실시예의 개략도이다.
도 2는 시험 챔버(미도시)의 냉각 장치(10)의 제1 실시예를 도시한다. 냉각 장치(10)는 냉매, 열교환기(12), 압축기(13), 응축기(14), 및 팽창 요소(15)를 갖는 냉각 회로(11)를 포함한다. 응축기(14)는 현재의 경우에 다른 냉각 회로(16)에 의해 냉각된다. 열교환기(12)는 시험 챔버의 시험 공간(미도시)에 배치된다. 또한, 냉각 회로(11)는 내부 열교환기(19)가 연결되는 고압 측(17) 및 저압 측(18)을 갖는다.
도 1은 냉각 회로(11)에서 순환하는 냉매에 대한 압력 엔탈피 다이어그램 (log p/h 다이어그램)을 도시하며, 냉매는 제오트로픽 냉매이다. 도 1 및 도 2의 결합된 뷰에 따르면, 위치 A로부터 시작하여, 압축기(13)의 상류 냉매는 흡입 및 압축되어, 위치 B에 따라 압축기(13)의 하류에서 압력이 달성된다. 냉매는 압축기(13)에 의해 압축되고, 이어서 위치 C에 따라 응축기(14)에서 액화된다. 냉매는 고압 측(17)의 내부 열교환기(19)를 통과하여 추가적으로 냉각되고, 팽창 요소(15)의 상류 C´에 도달한다. 내부 열교환기(19)에 의해, 열교환기(12)에서 사용될 수 없는 습증기 영역(위치 E 내지 E´)의 일부는 냉매의 온도를 추가적으로 낮추기 위해 사용될 수 있다(위치 C´ 내지 C). 팽창 요소(15)에서, 냉매는 이완되고(위치 C´ 내지 D) 열교환기(12)에서 부분적으로 액화된다(위치 D´ 내지 E). 그 다음, 냉매의 습증기는 저압 측(18)의 내부 열교환기(19)로 들어가고, 여기서 냉매의 이슬점의 이슬점 온도가 위치 E´에 도달할 때까지 냉매가 재 증발된다. 따라서, 냉매의 증발 섹션(22)의 제1 서브 섹션(20)은 열교환기(12)를 통해 이어지고, 증발 섹션(22)의 제2 서브 섹션(21)은 내부 열교환기(19)를 통해 이어진다. 본질적인 양태는 팽창 요소(15)에서의 증발 온도가 변하더라도 저압 측(18) 상의 압축기(13)의 흡입 압력이 증발 섹션(22)에서 일정하게 유지된다는 점이다.
냉매는 9 내지 75 질량 퍼센트의 이산화탄소의 질량 분율, 70 질량 퍼센트 이하의 다이플루오로메테인의 질량 분율, 및 47 질량 퍼센트 이하의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물이다. 원칙적으로 상기 표 1, 표 2, 및 표 3에 열거된 냉매는 냉각 회로(11) 및 후술하는 냉각 회로에 사용될 수 있다.
도 3은 냉각 장치(23)의 가장 간단한 실시예의 개략도이며, 냉각 장치(23)는 자체 제어된다. 냉각 장치(23)는 열교환기(25), 압축기(26), 응축기(27), 팽창 요소(28), 및 내부 열교환기(29)를 구비한 냉각 회로(24)를 포함한다. 열교환기(25)의 온도에 따라, 완전히 증발되지 않은 냉매는 열교환기(25) 또는 시험 공간(미도시)의 온도가 더 이상 상전이를 일으키기에 충분히 높지 않기 때문에 열교환기(25)로부터 배출된다. 이 경우, 냉매 정액(still liquid)은 내부 열교환기(29)에서 재증발되는데, 그 이유는 온도차가 항상 열교환기(25)에서보다 커야 하기 때문이다. 일단 내부 열교환기(29)에서의 열교환에 의해 팽창 요소(28) 상류의 액체 냉매의 온도가 감소되면, 열교환기(25)에서 달성될 수 있는 에너지 밀도 및 온도차는 증가한다. 냉각 장치(23)는 센서 등을 통한 정교한 제어가 필요하지 않다.
도 4는 제1 바이패스(31) 및 제2 바이패스(32)를 갖는다는 점에서 도 3의 냉각 장치와 다른 냉각 장치(30)를 도시한다. 제어 가능한 제2 팽창 요소(33)는 제1 바이패스(31)에 배치되고, 제1 바이패스(31)는 추가적인 내부 냉각 시스템(34)으로서 구성된다. 제1 바이패스(31)는 바로 내부 열교환기(29)의 상류의 응축기(27)의 하류 및 열교환기(25)의 하류 및 내부 열교환기(29)의 상류에서 냉각 회로(24)에 연결된다. 따라서, 제1 바이패스(31)는 열교환기(25)를 갖는 팽창 요소(28)를 바이패스하고, 내부 열교환기(29)는 제2 팽창 요소(33)를 통해 증발 냉매를 공급할 수 있다. 내부 열교환기(29)로 유입된 흡입 가스 질량 흐름은 열교환기(25)에 의해 야기될 수 있는 높은 흡입 가스 온도의 경우에 제1 바이패스(31)에 의해 추가적으로 냉각될 수 있다. 이러한 방식으로, 팽창 요소의 상류에서 냉매의 증발이 배제될 수 있다. 따라서, 제1 바이패스(31)는 냉각 장치(30)의 변화하는 부하 사례에 반응하는 데 사용될 수 있다. 제2 바이패스(32)는 제3 팽창 요소(35)를 가지며, 응축기(27)의 하류 및 내부 열교환기(29)의 상류 및 내부 열교환기(29)의 하류 및 압축기(26)의 상류의 냉각 회로(24)에 연결된다. 이는 허용할 수 없을 정도로 높은 최종 압축 온도를 피하기 위해 압축기(26)의 상류에서 흡입 가스 질량 흐름이 제2 바이패스(32)를 통해 충분히 감소될 수 있게 한다.
도 5는 다른 냉각 회로(37)를 갖는다는 점에서도 도 4의 냉각 장치와 다른 냉각 장치(36)를 도시한다. 다른 냉각 회로(37)는 냉각 회로(39)의 응축기(38)를 냉각시키는 역할을 한다. 응축기(38)는 현재의 경우에 캐스케이드 열교환기(40)로서 실현된다. 또한, 냉각 회로(39)는 다른 팽창 요소(42)를 갖는 다른 바이패스(41)를 갖는다. 다른 바이패스(41)는 압축기(26)의 하류 및 응축기(38)의 상류 및 내부 열교환기(29)의 하류 및 압축기(26)의 상류에 있는 냉각 회로(39)에 연결된다. 따라서, 아직 액화되지 않고 압축된 냉매는 다른 바이패스(41)를 통해 압축기(26)의 상류로 역류하여, 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 제어될 수 있다.
도 6은 냉각 회로(44) 및 다른 냉각 회로(45), 특히 냉각 회로(44)의 내부 열교환기(46)를 갖는 냉각 장치(30)를 도시한다. 이 경우에, 열교환기(47)는 시험 챔버(미도시)의 온도-절연된 시험 공간에 배치된다.

Claims (17)

  1. 냉매가 상전이를 겪는 적어도 하나의 열교환기(12, 25, 47)를 포함하는 냉각 회로(11, 24, 39, 44)를 갖는 냉각 장치(10, 23, 30, 36, 43)용 냉매에 있어서,
    상기 냉매는 이산화탄소(CO2)의 질량 분율, 다이플루오로메테인(CH2F2)의 질량 분율, 및 적어도 하나의 다른 성분의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물이며,
    상기 냉매 혼합물에서 상기 이산화탄소의 질량 분율은 9 내지 75 질량 퍼센트, 상기 다이플루오로메테인의 질량 분율은 70 질량 퍼센트 이하, 상기 다른 성분은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(C3H2F4)이고, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 47 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 10 내지 70 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 10 내지 70 질량 퍼센트, 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 45 질량 퍼센트 이하이며, 상기 냉매는 펜타플루오로에테인(C2HF5)의 질량 분율을 갖고, 상기 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 35 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 25 내지 55 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 25 내지 55 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 30 질량 퍼센트 이하, 및 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 20 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 35 내지 45 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 35 내지 45 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 11 내지 21 질량 퍼센트, 및 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 10 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 9 내지 69 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 53 질량 퍼센트 이하, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 40 질량 퍼센트 이하, 및 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 50 질량 퍼센트 이하이며, 상기 냉매는 1,1,1,2-테트라플루오로에테인(C2H2F4)의 질량 분율을 가지며, 상기 테트라플루오로에테인의 질량 분율은 40 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 24 내지 54 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 8 내지 38 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 24 질량 퍼센트 이하, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 5 내지 35 질량 퍼센트, 및 테트라플루오로에테인의 질량 분율은 24 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 34 내지 44 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 18 내지 28 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 4 내지 14 질량 퍼센트, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 15 내지 25 질량 퍼센트, 및 테트라플루오로에테인의 질량 분율은 4 내지 14 질량 퍼센트인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 15 내지 75 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 8 내지 68 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 47 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 30 내지 60 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 23 내지 53 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 32 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물에서 이산화탄소의 질량 분율은 40 내지 50 질량 퍼센트, 다이플루오로메테인의 질량 분율은 33 내지 43 질량 퍼센트, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 9 내지 22 질량 퍼센트인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜(C3H2F4)의 질량 분율을 갖고, 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜의 질량 분율은 35 질량 퍼센트 이하, 바람직하게는 20 질량 퍼센트 이하, 특히 바람직하게는 10 질량 퍼센트 이하인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  12. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매 혼합물은 플루오르화메틸(CH3F), 에테인(C2H6), 1,1-다이플루오로에테인(C2H2F2), 에텐(C2H4), 플루오로에테인(C2H3F), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 프로펜(C3H6), 및/또는 플루오로에테인을 추가 성분으로서 가지며, 각각은 30 질량 퍼센트 이하, 바람직하게는 20 질량 퍼센트 이하, 특히 바람직하게는 10 질량 퍼센트 이하의 양인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  13. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 10.4K 내지 31K 범위의 온도 글라이드를 갖는 것을 특징으로 하는, 냉매.
  14. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 100년에 걸쳐 2329 미만의 상대 CO2 등가물을 갖는 것을 특징으로 하는, 냉매.
  15. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 불연성인 것을 특징으로 하는, 냉매.
  16. 공기를 컨디셔닝하기 위한 시험 챔버로서,
    시험 물질을 수용하며 환경에 대해 밀봉될 수 있고 온도 절연되는 시험 공간, 및
    상기 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 장치를 포함하며,
    -70 °C 내지 +180 °C 온도 범위의 온도가 상기 온도 제어 장치에 의해 상기 시험 공간 내에 확립 가능하며, 상기 온도 제어 장치는 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 냉매를 갖는 냉각 회로(11, 24, 39, 44)를 포함하는 냉각 장치(10, 23, 30, 36, 43), 열교환기(12, 25, 47), 압축기(13, 26), 응축기(14. 27, 38), 및 팽창 요소(15, 28)를 갖는, 시험 챔버.
  17. 시험 챔버의 시험 공간에서 공기를 컨디셔닝하기 위해, 9 내지 75 질량 퍼센트의 이산화탄소(CO2)의 질량 분율, 70 질량 퍼센트 이하의 다이플루오로메테인(CH2F2)의 질량 분율, 및 47 질량 퍼센트 이하의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(C3H2F4)의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물로 이루어진 냉매의 사용에 있어서,
    상기 시험 공간은 시험 물질을 수용하며 환경에 대해 밀봉되고 온도 절연이며,
    냉매를 갖는 냉각 회로(11, 24, 39, 44), 열교환기(12, 25, 47), 압축기(13, 26), 응축기(14. 27, 38), 및 팽창 요소(15, 25, 28)를 포함하는 시험 챔버의 온도 제어 장치의 냉각 장치(10, 23, 30, 36, 43)는, 시험 공간 내에서 -60 °C 내지 +180 °C, 바람직하게는 -70 °C 내지 +180 °C, 특히 바람직하게는 -80 °C 내지 +180 °C의 온도에서 온도를 확립하기 위해 사용되는, 냉매의 사용.
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