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Die Erfindung betrifft eine Klimakammer zur schnellen Erreichung und Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit und/oder einer vorgegebenen Temperatur der Luft in einem Probenraum.
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Es ist eine Vielzahl von Probenkammern bzw. Klimakammern für Untersuchungen an Werkstoffproben und dergleichen bekannt. Mit derartigen Klimakammern lassen sich beispielsweise definierte Temperaturen und/oder eine vorgegebene Luftfeuchtigkeit für ein bestimmtes gewünschtes Klima in einem Probenraum erzeugen.
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Den bekannten Klimakammern haftet jedoch unter anderem der Nachteil an, dass sich ein vorgegebenes Klima erst nach einer relativ langen Zeit einstellt. Sollen Werkstoffproben jedoch nur für eine kurze Zeit einem definierten Klima ausgesetzt werden, so können die Werkstoffproben oftmals nicht so lange in der Klimakammer verbleiben, weil die Messergebnisse ansonsten durch die zu lange Verweildauer in der Klimakammer beeinflusst würden.
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Um die Werkstoffproben nach dem Erreichen des vorgegebenen Klimas in den Probenraum verbringen zu können, muss eine Schleuse in der Klimakammer vorgesehen werden, die den konstruktiven Aufwand beträchtlich erhöht.
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Aufgrund der üblicherweise langen Einstellzeiten bis zum Erreichen eines vorgegebenen Klimas ist darüber hinaus die Anzahl der in den vorbekannten Klimakammern durchzuführenden Untersuchungen häufig begrenzt.
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Aus der
US 229 H1 ist eine Kammer zur Simulation von klimatischen Umweltzuständen, einschließlich der Wetterphänomene Tau und Frost bekannt. Die wärmeisolierte Kammer zur Aufnahme eines Testobjekts weist einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf. Die aus dem Luftauslass herausströmende Luft wird über einen Luftkonditionierer geleitet und wird von dort in einem geschlossenen Kreislauf wieder zurück zum Lufteinlass geführt. Im Bereich eines oberen Deckels der Kammer ist eine Kühlplatte angeordnet, die aus einer Vielzahl von Röhren gebildet ist. Die Röhren werden von einem Kühlmittel durchströmt, das von einem Kühlaggregat kontinuierlich umgewälzt wird. Sämtliche Funktionsorgane der Kammer werden mittels einer Steuereinheit kontrolliert. In der Kammer ist weiterhin eine Vielzahl von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren angeordnet. Ein Bypasszweig und ein hierzu paralleler Trocknungszweig zur schnellen Klimatisierung der Kammer sind nicht vorgesehen.
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Aus der
WO 02/33391 A1 ist ferner eine Klimakammer zur beschleunigten Simulation von witterungsbedingten Alterungsprozessen von Testobjekten bekannt. Die Kammer ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante zweigeteilt ausgebildet. In einer oberen Kammer wird das zu testende Produkt den gewünschten klimatischen Bedingungen ausgesetzt, während in einer unteren Kammer eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Erzeugung von definierten Vibrationen angeordnet ist. Beide Kammern sind durch eine Dichtungsmembran voneinander getrennt. Unterhalb des Deckels der oberen Kammer verläuft ein Kanal, in dem sich ein erster Wärmetauscher zum Heizen und ein zweiter Wärmetauscher zum Kühlen sowie ein Ventilator zur Umwälzung der Luft befinden. Der Kanal ist durch Klappen von der oberen Kammer abtrennbar, um eine Enteisung der Wärmetauscher durch Beheizen zu ermöglichen. Dem Luftstrom wird durch Abkühlung und die hiermit einhergehende Kondensation Feuchtigkeit entzogen, wodurch ein schneller Klimatisierungsprozess erschwert wird.
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Die
DE-OS 16 04 292 betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Regulierung der Feuchte in einer Klimakammer und ein Verfahren zu deren Betrieb. In einer Zuleitung zu der Klimakammer ist ein erster Feuchtigkeitsabscheider angeordnet. Dieser weist ein Peltierelement zur Kühlung des Luftstroms auf. Parallel zur Klimakammer ist ein Nebenzweig für den Luftstrom geschaltet, in dem sich ein zweiter, gleichfalls mit einem Peltierelement gebildeter Feuchtigkeitsabscheider sowie eine Pumpe befinden. In der Klimakammer ist ein Feuchtigkeitssensor angeordnet, der in Verbindung mit einem weiteren Regelsystem den zweiten Feuchtigkeitsabscheider steuert. Auch bei dieser Vorrichtung erfolgt die Einstellung der Luftfeuchte durch das trägere Kondensationsprinzip, das eine schnelle Klimatisierung erschwert. Darüber hinaus stellt diese Klimakammer kein vollständig in sich geschlossenes System dar. Die
DE-AS 1 698 104 betrifft einen Klimamess- und -prüfschrank. In einer thermisch isolierten Kammer befindet sich ein Ventilator, der die im Prüfraum befindliche Luft ansaugt und über einen Taupunktkühler führt. Nach dem die abgekühlte Luft den Taupunktkühler passiert hat, gelangt sie von unten durch einen Luftverteiler in einem geschlossenen Kreislauf wieder in den Prüfraum. Unterhalb des Taupunktkühlers sind eine Tropfschale zur Aufnahme des Kondensats sowie eine elektrische Heizung angeordnet. Ausgehend von einem Solebehälter wird mittels einer Pumpe Solelösung durch den Taupunktkühler und von dort wieder zurück zum Solebehälter gefördert. Mithilfe des Taupunktkühlers wird die im Prüfraum befindliche Luft unter ihren Taupunktsollwert herunter gekühlt, wobei eventuell auskondensierendes Wasser von der Tropfschale aufgefangen wird. Auch bei dieser Vorrichtung erfolgt eine Absenkung der Luftfeuchte durch das Auskondensieren mittels eines Luftkühlers und nicht mittels Zeolithen, wodurch eine schnelle Klimatisierung erschwert wird. Aus der
DE 198 17 372 C1 ist schließlich ein Klimaschrank bekannt, bei welchem die Luft im Nutzraum zur Temperatur- und Feuchteregelung umgewälzt wird. Ein Lüfter wälzt die Luft aus dem Nutzraum durch ein aus einer Vorkammer und einer U-förmigen Kammer gebildetes Umluftkammersystem kontinuierlich um. Der Lüfter saugt hierbei die Luft aus dem Nutzraum des Innenkessels in die Vorkammer. Aus der Vorkammer tritt die Luft in den Bodenbereich einer weiteren Kammer ein. In der Kammer kann die Luft dann über einen Eintrittsspalt zwischen Seitenwänden und Leitblechen einströmen und gelangt dann über Öffnungen in den Seitenwänden wieder zurück in den Nutzraum. Die vom Lüfter angesaugte Luft wird zwei alternierend aktiven Entfeuchtungsverdampfern zur Trocknung zugeführt. Der jeweils nicht in Betrieb befindliche Entfeuchtungsverdampfer wird enteist. Der Wechsel zwischen den mit oder ohne zeitlicher Überlappung alternierend betriebenen Entfeuchtungsverdampfern erfolgt dabei langsam und sensibel, um Feuchteschwankungen zu minimieren. Auch diese Klimakammer benutzt das Kondensationsprinzip anstelle einer Lufttrocknung mit Zeolithen, wodurch eine schnelle Klimaänderung in der Kammer erschwert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klimakammer zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Ausführungsformen von Klimakammern vermeidet.
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Die Klimakammer zur schnellen Erreichung und Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit und/oder einer vorgegebenen Temperatur der Luft in einem Probenraum umfasst nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 die folgenden Merkmale:
- a) mindestens einen Lüfter, mit dem die Luft ausgehend von einem Auslass des Probenraums zumindest teilweise über einen Bypasszweig und/oder zumindest teilweise über einen Trocknungszweig zurück zu einem Einlass des Probenraums in einem in sich geschlossenen Kreislauf kontinuierlich umwälzbar ist,
- b) zwei Leitorgane, mit denen ein Volumenstromanteil der Luft von bis zu 100% über den Trocknungszweig leitbar ist, um einen vorgegebenen Sollwert für die Luftfeuchtigkeit im Probenraum schnell zu erreichen und aufrecht zu erhalten,
- c) eine im Bereich des Einlasses angeordnete Heiz- und/oder Kühleinrichtung, mittels der die Temperatur der Luft zur schnellen Erreichung und Aufrechterhaltung des vorgegebenen Sollwertes für die Temperatur im Probenraum veränderbar ist, und
- d) im Trocknungszweig angeordnete Luftentfeuchter, in denen Zeolithe mit einer körnigen Konsistenz als Trocknungsmittel zur Trocknung der Luft angeordnet sind.
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Hierdurch kann die Luftfeuchtigkeit und/oder die Temperatur im Probenraum der erfindungsgemäßen Klimakammer sehr schnell und genau auf vorgegebene Werte gebracht werden.
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Die Luft ist mittels der zwei Leitorgane zumindest teilweise über den Bypasszweig und/oder zumindest teilweise über den Trocknungszweig zur schnellen Erreichung und Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Sollwertes für die Luftfeuchtigkeit im Probenraum führbar. Hierdurch ist eine nur partielle Ableitung des Luftstroms in den Bypasszweig möglich, wodurch die Luftfeuchtigkeit im Probenraum genauer regelbar ist.
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Die Temperatur der Luft ist zur schnellen Erreichung und Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Sollwertes für die Temperatur im Probenraum mittels einer Temperiereinrichtung, insbesondere mittels einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung veränderbar, wobei die Temperiereinrichtung insbesondere im Bereich des Einlasses angeordnet ist. Die Temperiereinrichtung weist eine Kühleinrichtung auf und kann zusätzlich eine Heizeinrichtung aufweisen. Durch die bevorzugt als Trocknungsmittel eingesetzten Zeolithe steigt die Temperatur im Probenraum bei der Aufnahme von Luftfeuchtigkeit durch die Zeolithe an. Dieser durch die exotherme Reaktion der Zeolithe bei der Aufnahme von Feuchtigkeit verursachte Anstieg der Temperatur der Luft im Probenraum wird mittels der Kühleinrichtung kompensiert, so dass die Lufttemperatur im Probenraum im Wesentlichen konstant bleibt. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise mit Peltierelementen oder dergleichen gebildet sein, die vom zu temperierenden Luftstrom durchsetzt werden. Mittels der optionalen Heizeinrichtung kann die Temperatur der Luft im Probenraum unabhängig von der Wirkung der Zeolithe im Bedarfsfall über den Wert der Umgebungslufttemperatur bzw. der Raumtemperatur angehoben werden. Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise elektrisch betrieben, so dass sich eine einfache Regelbarkeit ergibt. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung mit wendelförmig angeordneten Widerstandsdrähten oder dergleichen realisiert werden, die vom Luftstrom durchströmt werden. Die Luftentfeuchter ermöglichen eine schnelle und gezielte Entziehung von Feuchtigkeit aus dem Luftstrom und damit eine Absenkung der Luftfeuchtigkeit im Probenraum.
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Die Luftentfeuchter enthalten ein Trocknungsmittel, insbesondere Zeolithe oder dergleichen. Die bevorzugt als Trocknungsmittel eingesetzten Zeolithe ermöglichen eine schnelle Reduzierung der Luftfeuchtigkeit und weisen eine vorzugsweise körnige Konsistenz auf. Die Zeolithe können beispielsweise in grobmaschigen Drahtkörben untergebracht werden, deren Querschnittsflächen vorzugsweise in etwa einer Querschnittsfläche des Trocknungszweigs entsprechen. Die Drahtkörbe werden in die Luftentfeuchter eingesetzt, sodass die Luft die Zeolithe in den Luftentfeuchtern bevorzugt vollflächig durchströmt. Darüber hinaus ermöglichen die Drahtkörbe in den Luftentfeuchtern den raschen Austausch der Zeolithe. Die Zeolithe sind in der Lage, die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit durch physikalische Prozesse innerhalb der Kristallstruktur sehr fest an sich zu binden, sind aber auch nach einer vollständigen Sättigung mit Feuchtigkeit durch die Zufuhr von Wärme wieder regenerierbar.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei Leitorgane mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung in Abhängigkeit eines gemessenen Istwertes der Luftfeuchtigkeit und/oder in Abhängigkeit eines gemessenen Istwertes der Temperatur betätigbar sind. Die Steuer- und Regeleinrichtung ermöglicht eine weitgehend selbsttätige Erreichung und Aufrechterhaltung der vorgegebenen Luftfeuchtigkeitswerte und/oder der vorgegebenen Temperaturwerte im Probenraum der Klimakammer.
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In Gemäßheit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Bypasszweig ein Luftbefeuchter, insbesondere ein Ultraschallverdampfer, angeordnet. Der Luftbefeuchter ermöglicht gegebenenfalls eine gezielte Erhöhung der Luftfeuchtigkeit im Luftstrom.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Klimakammer.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Klimakammer zur schnellen Erreichung und Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit und/oder einer vorgegebenen Temperatur in einem Probenraum.
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Die Klimakammer 1 umfasst unter anderem einen Probenraum 2, einen Bypasszweig 3 sowie einen Trocknungszweig 4. Im Bereich eines Auslasses 5 aus dem Probenraum 2 befindet sich ein Lüfter 6. Der Lüfter 6 fördert die Luft aus dem Probenraum 2 über einen Auslasskrümmer 7 in Richtung der mit durchgezogenen Linien dargestellten Richtungspfeile in den Trocknungszweig 4, da die Leitorgane 8, 9 in der mit durchgezogenen Linien symbolisierten Position den Bypasszweig 3 im Wesentlichen absperren.
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Die Leitorgane 8, 9 können, wie in der 1 gezeigt, mit Klappen gebildet sein. Die Klappen können beispielsweise durch Servomotoren, Stellmotore oder andere Aktuatoren, kontrolliert von einer Steuer- und Regeleinrichtung, betätigt werden. Statt der Klappen als Leitorgane 8, 9 können alternativ auch andere elektrische oder pneumatisch betätigbare Absperrorgane, wie zum Beispiel Ventile, Schieber, Schlauchventile oder dergleichen, eingesetzt werden.
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Im Trocknungszweig 4 sind drei Luftentfeuchter 10, 11, 12 angeordnet. In den Luftentfeuchtern 10, 11, 12 befindet sich jeweils ein Trocknungsmittel 13. Als Trocknungsmittel 13 kommen bevorzugt Zeolithe mit einer körnigen Konsistenz zum Einsatz, die die aufgenommene Luftfeuchtigkeit sehr fest an sich binden und die beliebig oft durch die Zufuhr von Wärme regenerierbar sind. Das Trocknungsmittel 13 in Form der Zeolithe kann daher beispielsweise in grobmaschigen, gut Iuftdurchlässigen Drahtkörben in die Luftentfeuchter 10, 11, 12 eingesetzt werden. Die Drahtkörbe weisen hierbei vorzugsweise eine Querschnittsfläche auf, die ungefähr der Querschnittsfläche des Trocknungszweigs 4 entspricht, so dass die Luft das Trocknungsmittel 13 möglichst vollständig und ohne größere Strömungswiderstände durchströmt. Die Drahtkörbe mit dem darin befindlichen Trocknungsmittel 13 ermöglichen darüber hinaus eine schnelle Austauschbarkeit des Trocknungsmittels 13. Nach dem Durchströmen der Luftentfeuchter 10, 11, 12 wird die Luft von einem weiteren Lüfter 14 durch einen Einlasskrümmer 15, eine Temperiereinrichtung 16 sowie einen Einlass 17 zurück in den Probenraum 2 gefördert. Die Luft durchströmt somit die Klimakammer 1 in einem im Wesentlichen in sich geschlossenen Kreislauf. Im Probenraum 2 befindet sich eine in der Klimakammer 1 zu untersuchende Probe 18.
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Mittels der Temperiereinrichtung 16 wird die Luft im Bereich des Einlasskrümmers 15 im Bedarfsfall gekühlt, so dass die Temperatur der Luft gezielt abgesenkt werden kann. Verfügt die Temperiereinrichtung 16 über eine optionale Heizeinrichtung, so kann die Temperatur in der Probenkammer 2 darüber hinaus unabhängig von der Wirkung der Zeolithe auch über das Niveau der Umgebungslufttemperatur bzw. der Raumtemperatur angehoben werden.
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Dies kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn in der Klimakammer 1 eine Luftfeuchtigkeit eingestellt werden soll, die über der Sättigungsluftfeuchtigkeit bei der aktuellen Temperatur im Probenraum 2 liegt. In diesem Fall kann es erforderlich sein, die Temperatur der Luft mittels der Heizeinrichtung gezielt zu erhöhen, um eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit in der Klimakammer 1 bei der gewünschten Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 zu vermeiden.
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Weiterhin geben die Zeolithe als Trocknungsmittel 13 bei der Aufnahme von Feuchtigkeit einen Teil der Energie ab, die ihnen während der Regeneration durch Wärme zugeführt wurde. Die Wärmezufuhr während der Regeneration des Trocknungsmittels 13 bewirkt die vollständige reversible Austreibung der vom Trocknungsmittel 13 aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere des Wassers bzw. der Luftfeuchtigkeit, aus dem Kristallverbund der Zeolithe. Durch die Absorption von Luftfeuchtigkeit erwärmen sich somit die das Trocknungsmittel 13 bildenden Zeolithe in den Luftentfeuchtern 10, 11, 12 und damit auch die das Trocknungsmittel 13 durchströmende Luft, so dass die Luft gegebenenfalls mittels der in der Temperiereinrichtung 16 enthaltenen Kühleinrichtung wieder auf die Solltemperatur von beispielsweise 23°C heruntergekühlt werden muss. Die Abkühlfunktion der Temperiereinrichtung 16 ist im Allgemeinen immer erforderlich, um die Temperaturschwankungen der Luft infolge der Aufnahme von Luftfeuchtigkeit durch die Zeolithe zu kompensieren bzw. auszugleichen.
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Die Temperiereinrichtung 16 kann beispielsweise mit Peltierelementen als Kühleinrichtung aufgebaut werden, die gleichermaßen zum Heizen oder zum Kühlen der Luft geeignet sind. Alternativ kann die Temperiereinrichtung 16 auch eine getrennte Heiz- und Kühleinrichtung aufweisen. Denkbar sind in diesem Zusammenhang beispielsweise elektrische Heizelemente in Verbindung mit einer Absorberkühleinrichtung, Kompressorkühleinrichtung oder dergleichen, zur Bildung der Temperiereinrichtung. Die elektrischen Heizelemente können in bekannter Weise zum Beispiel mit wendelförmigen Widerstandsdrähten oder dergleichen gebildet sein.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Temperiereinrichtung 16 über die Möglichkeit einer zusätzlichen Beheizung der den Probenraum 2 durchströmenden Luft durch eine Heizeinrichtung verfügt. Im Fall einer fehlenden Beheizungsmöglichkeit hat die Luft im Probenraum 2 eine Temperatur, die in etwa der Umgebungslufttemperatur bzw. der Raumtemperatur entspricht, so dass die Klimakammer 1 ihrer Funktion nach im Wesentlichen einem Luftentfeuchter mit einer äußerst präzisen Einstellmöglichkeit für den Grad der Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 und nicht einer Klimakammer entspricht.
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Die Temperiereinrichtung 16 ist weiterhin mit einen Rückkühler 19 und einem weiteren Lüfter 20 ausgestattet. Der Rückkühler 19 dient insbesondere zur Abführung von Abwärme aus der Kühleinrichtung der Temperiereinrichtung 16 im Kühlbetrieb. Zur Verstärkung der Rückkühlungswirkung ist der Lüfter 20 vorgesehen, mittels dessen im Bedarfsfall Umgebungsluft durch den Rückkühler 19 gesaugt wird. Weiterhin ist eine Steuer- und Regeleinrichtung 21 vorgesehen.
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In der vorstehend beschriebenen Stellung der Leitorgane 8, 9 sinkt die Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 schnell ab, weil die Luft nahezu ausschließlich über den Trocknungszweig 4 geführt wird.
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Werden die Leitorgane 8, 9 in die mit gestrichelten Linien angedeutete Position verschwenkt, so ist der Weg für die Luft durch den Trocknungszweig 4 im Wesentlichen versperrt. Die Leitorgane 8, 9 bewegen sich hierbei in Richtung der kleinen gebogenen, an den Leitorganen 8, 9 angebrachten Pfeile. In dieser Stellung der Leitorgane 8, 9 wird die Luft nahezu ausschließlich über den Bypasszweig 3 entlang der gestrichelt gezeichneten Richtungspfeile geführt. In dieser Stellung der Leitorgane 8, 9 bleibt die Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 im Wesentlichen unverändert oder sie steigt zumindest nur sehr langsam an, weil die Luft im Wesentlichen nur noch über den Bypasszweig 3 geführt wird. Ein nennenswerter Anstieg der Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 erfolgt in dieser Stellung der Leitorgane 8, 9 nur bei einer Probe 18 mit einem hohem Feuchtigkeitsgehalt und/oder der Aktivierung eines nicht dargestellten, optionalen Luftbefeuchters durch die Steuer- und Regeleinrichtung 21.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Leitorgane 8, 9 Zwischenpositionen bzw. Zwischenstellungen einnehmen, so dass nur ein Teil der Luft über den Trocknungszweig 4 bzw. den Bypasszweig 3 geführt wird. Hierdurch kann eine langsamere und daher genauere Absenkung der Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 erreicht werden. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass die Leitorgane 8, 9 simultan zueinander bewegt werden, um einen unerwünschten Rückstau der Luft zu vermeiden. Alternativ können die Leitorgane 8, 9 auch unabhängig voneinander betätigt werden. Die Leitorgane 8, 9 werden mittels nicht dargestellter Aktuatoren, beispielsweise Servomotoren oder dergleichen, betätigt.
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Der Bypasszweig 3, der Trocknungszweig 4, der Auslasskrümmer 7 sowie der Einlasskrümmer 15 sind vorzugsweise mit Rohren oder dergleichen gebildet und stellen zusammen mit dem Probenraum 2 einen in sich geschlossenen, von der Umgebungsluft im Idealfall vollständig getrennten Kreislauf dar, in dem die Luft mittels der Lüfter 6, 14 während des Untersuchungszeitraums der Probe kontinuierlich zirkuliert bzw. umgewälzt wird. Hierdurch wird der Umgebungseinfluss auf die Klimakammer 1 minimiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimakammer 1 weisen die Rohre einen Durchmesser von weniger als 200 mm auf. Anstatt der vorstehend beschriebenen Rohre mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt können auch Lüftungskanäle oder dergleichen verwendet werden, die beispielsweise einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Gleichfalls sind größere Durchmesser als 200 mm für die Rohre möglich.
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Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Temperatur im Probenraum 2 grundsätzlich in Grad Celsius (°C) gemessen wird. Die Luftfeuchtigkeit der Luft im Probenraum 2 wird als relative Luftfeuchtigkeit in Prozent (rel. F. %) ermittelt. Die relative Luftfeuchtigkeit bezeichnet hierbei das Verhältnis in Prozent zwischen einer bei einer bestimmten Temperatur von der Luft theoretisch maximal aufnehmbaren Wassermenge zu der im Messzeitpunkt tatsächlich in der Luft vorhandenen Wassermenge.
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Im Probenraum sind bevorzugt mindestens ein Luftfeuchtigkeitssensor 22 sowie mindestens ein Temperatursensor 23 angeordnet. Mittels des Luftfeuchtigkeitssensors 22 und des Temperatursensors 23 werden die entsprechenden Messwerte bzw. die Istwerte der aktuell im Probenraum 2 herrschenden Temperatur und Luftfeuchtigkeit ermittelt und über nicht dargestellte Messleitungen an die Steuer- und Regeleinrichtung 21 weitergeleitet. Alternativ ist es möglich, weitere Luftfeuchtigkeitssensoren und/oder weitere Temperatursensoren innerhalb oder außerhalb des Probenraums 2 anzuordnen, um eine noch genauere Ermittlung der Istwerte für die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit zur Verbesserung der Regelung zu ermöglichen.
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Eine von der Darstellung der 1 abweichende Anordnung des Luftfeuchtigkeitssensors 22 und des Temperatursensors 23 ist gleichfalls möglich. So kann der Luftfeuchtigkeitssensor 23 beispielsweise im Bereich des Einlasskrümmers 15 oder des Auslasskrümmers 7 angeordnet sein. Weiterhin können Luftfeuchtigkeitssensoren im Bereich des Bypasszweiges 3 und/oder des Trocknungszweiges 4 angeordnet sein. Entsprechendes gilt auch für die Anordnung des Temperatursensors 23. Eine Abweichung von der in 1 exemplarisch gezeigten Anordnung des Luftfeuchtigkeitssensors 22 und des Temperatursensors 23 im Probenraum 2 kann beispielsweise zur Anpassung an bestimmte Prüf- und Untersuchungsbedingungen für die Probe 18 erforderlich sein.
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Weiterhin verfügt die erfindungsgemäße Klimakammer 1 über nicht dargestellte Eingabeeinrichtungen mit denen zum Beispiel Sollwerte für die zu erreichende bzw. die aufrechtzuerhaltende Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 von einem Benutzer vorwählbar sind. Die Eingabeeinrichtungen können beispielsweise Drehregler, Schalter, Taster oder dergleichen sein. Weiterhin kann die Klimakammer 1 über Ausgabeeinrichtungen, beispielsweise in der Form von Analoganzeigen, Digitalanzeigen, Kommunikationsschnittstellen oder dergleichen verfügen, die zum Beispiel die aktuellen Temperaturwerte und Luftfeuchtigkeitswerte im Probenraum 2 für einen Benutzer visualisieren. Ferner kann die erfindungsgemäße Klimakammer 1 mit einer Zeitschalteinrichtung ausgestattet sein, die beispielsweise nach dem Ablauf einer von einem Benutzer vorwählbaren Zeit für die gewünschte Verweildauer der Probe 18 im Probenraum 2 ein Signal abgibt.
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Die Steuer- und Regeleinrichtung 21 kontrolliert sämtliche Abläufe in der erfindungsgemäßen Klimakammer 1. Zu diesem Zweck sind unter anderem die Leitorgane 8, 9, die Temperiereinrichtung 16 sowie die Lüfter 6, 14, 20 über in der 1 nicht dargestellte Steuerleitungen mit der Steuer- und Regeleinrichtung 21 verbunden. Entsprechend hierzu sind auch der Luftfeuchtigkeitssensor 22 sowie der Temperatursensor 23 gleichfalls über Messleitungen mit der Steuer- und Regeleinrichtung 21 verbunden. Weiterhin sind die Eingabeeinrichtungen und die Ausgabeeinrichtungen für die Benutzer mit der Steuer- und Regeleinrichtung 21 verbunden. Die Steuer- und Regeleinrichtung 21 ist vorzugsweise mit einer Standardrechnereinheit, insbesondere mit einem Digitalrechner, gebildet.
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Der Begriff einer ”schnellen Erreichung” einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit und/oder Temperatur im Probenraum 2 bedeutet, dass bei einer Anfangsluftfeuchtigkeit von beispielsweise 50% im Probenraum 2 die Luftfeuchtigkeit nach der Inbetriebnahme der Klimakammer 1 innerhalb eines Zeitraums von weniger als 30 Sekunden einen Wert von weniger als 1% erreicht. Mittels der erfindungsgemäßen Klimakammer 1 ist es dabei insbesondere möglich, diesen Wert der Luftfeuchtigkeit von unter 1% bei einer Temperatur von beispielsweise 23°C (Raumtemperatur, Umgebungslufttemperatur) im Probenraum 2 schnell zu erreichen und zudem über die Versuchsdauer hinweg präzise aufrechtzuerhalten, das heißt im Wesentlichen konstant zu halten.
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Insgesamt ist mittels der erfindungsgemäßen Klimakammer 1 zunächst eine äußerst schnelle und zugleich präzise Einstellung sowie Aufrechterhaltung einer vom Benutzer vorgewählten Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 möglich. Zu diesem Zweck weist die Temperiereinrichtung 16 zunächst eine Kühleinrichtung auf. Darüber hinaus kann bei einer Temperiereinrichtung 16 mit der Möglichkeit einer Beheizung der den Probenraum 2 durchströmenden Luft mittels einer geeigneten Heizeinrichtung zudem eine schnelle und präzise Erreichung sowie Aufrechterhaltung einer vom Benutzer vorgegebenen Temperatur im Probenraum 2 verwirklicht werden, die unabhängig vom Einfluss der Zeolithe auch über dem Niveau der Umgebungslufttemperatur bzw. der Raumtemperatur liegen kann.
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Nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt ein Benutzer zunächst die gewünschten Sollwerte für die Luftfeuchtigkeit und/oder die Temperatur im Probenraum 2 mit der Eingabeeinrichtung vor. Vorab wird naturgemäß die zu untersuchende Probe 18 in den Probenraum 2 verbracht.
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Die vom Benutzer vorgegebenen Sollwerte werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 registriert und abgespeichert. Stellt ein Benutzer beispielsweise einen Sollwert von 23°C für die Temperatur und einen Sollwert von 10% für die relative Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 mittels der Eingabeeinrichtungen ein, so versucht die Steuer- und Regeleinrichtung 21 diese Werte so schnell wie möglich, insbesondere durch die Betätigung der Leitorgane 8, 9, der Temperiereinrichtung 16 sowie der Lüfter 6, 14 zu erreichen und dann konstant aufrecht zu erhalten. Die aktuell im Probenraum 2 herrschenden Werte, das heißt die Istwerte für die Luftfeuchtigkeit und/oder die Temperatur, werden hierbei mittels des Luftfeuchtigkeitssensors 22 und des Temperatursensors 23 kontinuierlich ermittelt und über Messleitungen an die Steuer- und Regeleinrichtung 21 weitergeleitet.
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Im Weiteren soll der genaue Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Regelprozesses für die Luftfeuchtigkeit sowie des entsprechenden Regelprozesses für die Temperatur am Beispiel einer vorgewählten Luftfeuchtigkeit von 10% und einer Temperatur von 23°C, die in etwa der Umgebungslufttemperatur bzw. der Raumtemperatur entspricht, näher erläutert werden.
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Beträgt der Wert der aktuellen relativen Luftfeuchtigkeit, das heißt der Istwert, im Probenraum 2 beispielsweise anfänglich 50%, so werden die Leitorgane 8, 9 von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 in die mit durchgezeichneten Linien dargestellte Position verschwenkt, so dass die Luft fast ausschließlich durch den Trocknungszweig 4 strömt. Durch die in den Luftentfeuchtern 10, 11, 12 als Trocknungsmittel 13 enthaltenen Zeolithe wird der Luft nun rasch die überschüssige Luftfeuchtigkeit entzogen, so dass die Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 zu sinken beginnt. Die aktuelle Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 wird hierbei ständig vom Luftfeuchtigkeitssensor 22 ermittelt.
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Die Leitorgane 8, 9 können beliebige ”Zwischenpositionen” bzw. Stellungen einnehmen und sind nicht auf die in der Darstellung der 1 exemplarisch dargestellte, vollständig geöffnete oder geschlossene Stellung bzw. Position beschränkt. Der Begriff der ”Zwischenposition” bzw. der Stellung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sowohl durch den Bypasszweig 3 als auch den Trocknungszweig 4 jeweils ein Volumenstromanteil zwischen 0% und 100% des gesamten Luftstroms in Abhängigkeit von der Stellung der Leitorgane 8, 9 geleitet wird, wobei die Summe der Volumenstromanteile der Teilluftströme im Trockungszweig 4 und im Bypasszweig 3 stets 100% beträgt.
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Die Bewegung der Leitorgane 8, 9 erfolgt vorzugsweise mittels so genannter ”Servomotoren”, die beliebige Stellungen bzw. ”Zwischenpositionen” der bevorzugt als Klappen ausgebildeten Leitorgane 8, 9 unter Kontrolle der Steuer- und Regeleinrichtung 21 erlauben.
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Die Stellung der Leitorgane 8, 9 wird während des eigentlichen Regelprozesses solange von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 variiert, bis der Istwert der Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2, abgesehen von einer tolerierbaren Regelabweichung, in etwa gleich dem vorgegebenen Sollwert von 10% für die Luftfeuchtigkeit ist. Weist die Probe 18 hierbei einen hohen Feuchtigkeitsgehalt auf, so werden die Leitorgane 8, 9 von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 auch weit geöffnet, um den Sollwert der Luftfeuchtigkeit durch die Hindurchleitung eines großen Volumenstromes von Luft durch den Trocknungszweig 4 schneller zu erreichen. Weist die Probe 18 dagegen einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt auf, so werden die Amplituden der Bewegungen der Leitorgane 8, 9 kontrolliert von der Steuer- und Regeleinrichtung verringert, um ein Überschwingen des Regelprozesses zu vermeiden und den Sollwert schneller zu erreichen.
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Ist der Sollwert erreicht, so können die Leitorgane 8, 9 von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 in die gestrichelt dargestellte Position verschwenkt werden, so dass die Luft nunmehr im Wesentlichen ausschließlich über den Bypasszweig 3 geführt wird und die Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 konstant bleibt.
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Bevorzugt befinden sich die Leitorgane 8, 9 jedoch in einer ”mittleren Position”, wenn der Sollwert der Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 abzüglich einer Regeltoleranz erreicht ist, um insbesondere einen schnelleren Ausgleich bei erneuten Schwankungen der Luftfeuchtigkeit zu ermöglichen.
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Verändert sich der im Probenraum 2 herrschende Wert der Luftfeuchtigkeit von 10% durch äußere Einflüsse und/oder durch den Einfluss der Probe 18 wieder, so wird die Luftfeuchtigkeit mittels des Trocknungszweigs 4 und einer entsprechenden Stellung der Leitorgane 8, 9, kontrolliert durch die Steuer- und Regeleinrichtung 21, wieder auf den vorgegebenen Sollwert von 10% gebracht.
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Beträgt der aktuelle Wert der Temperatur der Luft im Probenraum 2 beispielsweise 18°C, so wird dieser Temperaturwert vom Temperatursensor 23 ermittelt und an die Steuer- und Regeleinrichtung 21 weitergeleitet. Damit ist der Istwert der Temperatur im Probenraum 2 abzüglich einer Regeltoleranz kleiner als der vom Benutzer vorgegebene Sollwert von 23°C, so dass die Luft mittels der Temperiereinrichtung 16 solange beheizt wird, bis der Istwert der Temperatur dem Sollwert von 23°C abzüglich einer Regeltoleranz wieder entspricht. Eine Erhöhung der Temperatur der Luft im Probenraum 2 über das Niveau der Umgebungslufttemperatur bzw. der Raumtemperatur hinweg unabhängig von der Wirkung der Zeolithe ist in der Regel nur möglich, wenn die Temperiereinrichtung 16, wie weiter oben bereits dargestellt wurde, über die optionale Möglichkeit einer Beheizung mittels einer Heizeinrichtung, beispielsweise in Form von elektrisch betriebenen Heizelementen oder dergleichen, verfügt.
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Soll die exotherme Reaktion der Zeolithe für eine indirekte ”Beheizung” der Luft im Probenraum 2 eingesetzt werden, so ist zu berücksichtigen, dass sich hierdurch wiederum die Luftfeuchtigkeit im Probenraum 2 unter Umständen in unerwünschter Weise verändert.
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Ist der Istwert der Temperatur der Luft im Probenraum 2 dagegen größer als der vorgegebene Sollwert von 23°C, so wird die Luft durch die Kühleinrichtung der Temperiereinrichtung 16 solange abgekühlt, bis der Sollwert der Temperatur von 23°C abzüglich einer Regeltoleranz erreicht ist. In seiner Funktionsweise entspricht der Regelprozess für die Temperatur der Luft prinzipiell dem Regelprozess für die Luftfeuchtigkeit.
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Sowohl der Regelprozess für die Luftfeuchtigkeit bzw. der Regelprozess für die Temperatur werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 parallel geregelt bzw. sind aufeinander abgestimmt. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, auch die Lüfter 6, 14, die die Luft innerhalb der Klimakammer 1 umwälzen, von der Steuer- und Regeleinrichtung 21 geeignet anzusteuern, um beispielsweise den Trocknungsprozess im Trocknungszweigs 4 und/oder die Aufheizung bzw. Abkühlung der Luft in der Temperiereinrichtung 16 abzuschwächen oder zu intensivieren. Diese Ansteuerung der Lüfter 6, 14 kann beispielsweise durch eine Drehzahlregelung und/oder eine Verstellung der Anstellwinkel der Lüfterrotoren erfolgen. Entsprechendes gilt für den Lüfter 20.
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Der gesamte Regelungsvorgang ist aufgrund der parallel darzustellenden Regelprozesse für die Luftfeuchtigkeit und/oder die Temperatur relativ aufwändig, so dass die Realisierung der Regelung vorzugsweise softwaremäßig mittels der Steuer- und Regeleinrichtung 21 realisiert wird. Alternativ kann die Regelung auch mit analogen Schaltungen erfolgen.
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Aufgrund der Zwangsumwälzung der Luft mittels der Lüfter 6, 14 in Verbindung mit der schnellen Umschaltmöglichkeit zwischen dem Bypasszweig 3 und dem Trocknungszweig 4 kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vom Benutzer vorgegebene Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit in der Klimakammer 1 rasch und zudem über die gesamte Versuchsdauer hinweg sehr präzise aufrechterhalten, das heißt weitgehend konstant gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klimakammer
- 2
- Probenraum
- 3
- Bypasszweig
- 4
- Trocknungszweig
- 5
- Auslass
- 6
- Lüfter
- 7
- Auslasskrümmer
- 8
- Leitorgan
- 9
- Leitorgan
- 10
- Luftentfeuchter
- 11
- Luftentfeuchter
- 12
- Luftentfeuchter
- 13
- Trocknungsmittel
- 14
- Lüfter
- 15
- Einlasskrümmer
- 16
- Temperiereinrichtung
- 17
- Einlass
- 18
- Probe
- 19
- Rückkühler
- 20
- Lüfter
- 21
- Steuer- und Regeleinrichtung
- 22
- Luftfeuchtigkeitssensor
- 23
- Temperatursensor
