KR20200102371A - 온도 챔버 및 방법 - Google Patents

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레우첼 데니스
스트로 비욘
잘트 야닉
블라우펠데르 데이비드
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바이스 움벨트테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 주위로부터 폐쇄될 수 있고 시험 재료를 수용하는 역할을 하는 온도-절연 공간 및 시험 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 디바이스를 포함하는 온도 챔버 및 공기를 컨디셔닝하기 위한 방법에 관한 것으로, 온도 제어 디바이스는 -50℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 공간 내에 확립되도록 허용하며, 온도 제어 디바이스(10)는 냉매, 열 교환기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 갖는 냉각 회로(11)를 포함하는 냉각 디바이스(10)를 갖고, 제트 디바이스(20)가 열 교환기의 하류 및 압축기의 상류에서 냉각 회로의 저압측(18)에 접속되고, 제1 바이패스(22)가 압축기의 하류에서 냉각 회로의 고압측(17)에 접속되고, 냉매는 구동 유체로서 제1 바이패스를 통해 고압측으로부터 제트 디바이스에 공급될 수 있다.

Description

온도 챔버 및 방법 {TEMPERATURE CHAMBER AND METHOD}
본 발명은 공기를 컨디셔닝하기 위한 온도 챔버 및 방법에 관한 것으로, 특히 주위로부터 폐쇄될 수 있고 시험 재료를 수용하는 역할을 하는 온도-절연 공간 및 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 디바이스를 포함하는 시험 챔버 등에 관한 것이며, 온도 제어 디바이스는 -50℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 공간 내에 확립되도록 허용하며, 온도 제어 디바이스는 냉매, 열 교환기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 갖는 냉각 회로를 포함한다.
이러한 종류의 온도 챔버 또는 시험 챔버 및 방법은 통상적으로 물체 및 특히 온도 챔버의 물리적 및/또는 화학적 특성을 시험하는 데 사용된다. 예를 들어, -50℃ 내지 +180℃ 범위의 온도가 설정될 수 있는 온도 시험 캐비닛 또는 기후 시험 캐비닛이 알려져 있다. 기후 시험 캐비닛에서, 원하는 기후 조건이 추가로 설정될 수 있으며, 이에 온도 챔버 또는 시험 재료가 규정된 기간 동안 노출된다. 이러한 종류의 시험 챔버는 통상적으로 또는 부분적으로 모바일 디바이스로서 구성되고, 이는 단지 필요한 공급 라인을 통해 건물에 접속되고 온도 제어 및 공기 컨디셔닝에 필요한 모든 모듈을 포함한다. 시험될 시험 재료를 보유하는 공간 또는 시험 공간의 온도 제어는 통상적으로 공간 내의 순환 공기 관(air duct)에서 일어난다. 순환 공기 관은 공간 내에 공기 처리 공간을 형성하고, 여기에 순환 공기 관을 통해 그리고 공간을 통해 흐르는 공기를 가열 또는 냉각하기 위한 열 교환기가 배치된다. 팬 또는 송풍기는 공간에 위치된 공기를 흡입하여 순환 공기 관의 각각의 열 교환기로 또는 그 반대로 공기를 보낸다. 이러한 방식으로, 시험 재료는 온도-제어될 수 있거나 규정된 온도 변화에 노출될 수 있다. 시험 간격 동안, 온도는 예를 들어, 시험 챔버의 최대 온도와 최소 온도 사이에서 반복적으로 변할 수 있다. 이러한 종류의 시험 챔버가 예를 들어, EP 0 344 397 A2호 또는 EP 3 315 940 A1호로부터 알려져 있다.
공간의 온도 범위 내에서 온도 제어에 대해 높은 요구가 주어지면, 시험 챔버의 동작 중에 부하 요건이 정기적으로 변한다. 따라서, 압축기 및 팽창 요소에 의해 발생된 냉각 용량은 연속적으로 제어 가능해야 한다. 마찬가지로, 압축기의 서비스 수명을 연장시키기 위해 압축기가 너무 자주 켜지거나 꺼지지 않는 것이 바람직하다. 이 요건은 제어 가능한 팽창 요소를 포함하고 이를 통해 냉각 용량이 열 교환기를 지나 재순환될 수 있는 바이패스(bypass)에 의해 종종 해결되며, 이는 냉각 회로의 고압측과 저압측 사이에서 확립된다. 압축기에 의해 냉각 회로에서 생성되는 이러한 질량 흐름의 필요한 분포에 의해, 압축기에서 바람직하지 않은 부하의 발생 없이도 현재 온도와 타겟 온도 사이의 작은 온도차도 열 교환기에서 균등화될 수 있다. 그러나, 압축기의 용량이 여전히 최적으로 활용되지 않는다는 단점이 있다.
냉각 회로의 고압측과 저압측 사이의 압력비, 즉, 압축기의 상류 및 하류의 각각의 압력의 비는 압축기의 용량에 필수적이다. 냉각 디바이스에서 팽창 요소 또는 열 교환기에서의 냉매의 증발 온도는 압축기의 흡입 압력에 의존하기 때문에, 특히 이 경우에 저온이 더 이상 달성될 수 없기 때문에 저압측의 흡입 압력이 무한히 상승될 수 없다. 그러나, 흡입 압력이 낮고 고압측과 저압측 사이의 압력차가 그에 따라 크면, 압축기의 효율 및 용량이 감소된다. 압축기의 최적의 동작점은 통상적으로 압력비 - 따라서 고압측과 저압측 사이의 압력차 - 가 작은 경우에 존재한다. 따라서, 더 낮은 온도를 달성하기 위해 더 큰 압축기가 선택되어야 할 수도 있다. 그러나, 더 큰 압축기 또는 최적으로 동작되지 않는 압축기는 냉각 디바이스를 동작시키기 위해 더 많은 에너지가 사용될 것을 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 온도 챔버가 에너지-절약 방식으로 동작될 수 있는 온도 챔버 및 온도 챔버의 공간에서 공기를 컨디셔닝하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 온도 챔버 및 청구항 19의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따라 공기를 컨디셔닝하기 위한 온도 챔버, 특히 시험 챔버 등은 주위로부터 폐쇄될 수 있고 시험 재료를 수용하는 역할을 하는 온도-절연 공간 또는 시험 공간, 및 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 디바이스를 포함하고, 온도 제어 디바이스는 -50℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 공간 내에 확립되도록 허용하며, 온도 제어 디바이스는 냉매, 열 교환기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 갖는 냉각 회로를 포함하며, 여기서 제트 디바이스가 열 교환기의 하류 및 압축기의 상류에서 냉각 회로의 저압측에 접속되며, 제1 바이패스가 압축기의 하류에서 냉각 회로의 고압측에 접속되고, 냉매는 구동 유체로서 제1 바이패스를 통해 고압측으로부터 제트 디바이스로 공급될 수 있다.
제트 디바이스는 또한 일반적으로 제트 펌프 또는 구동 유체 펌프라고 칭해지지만, 어떠한 움직이는 부품도 포함하지 않기 때문에 반드시 기계로 간주할 필요는 없다. 따라서, 제트 디바이스는 압축기의 상류에서 냉각 회로의 도관 섹션에 배치되고, 구동 유체가 제트 디바이스를 동작시키기 위해 제1 바이패스를 통해 제트 디바이스로 공급된다. 제1 바이패스는, 냉매 또는 구동 유체가 고압측으로부터 저압측의 제트 디바이스로 라우팅될 수 있도록 제트 디바이스에 접속된다. 제트 디바이스를 사용하면, 이러한 방식으로 제트 디바이스와 압축기 사이의 냉각 회로의 도관 섹션의 압력을 증가시킬 수 있다. 제트 디바이스에 의해 압축기의 상류에서 직접 흡입 압력을 증가시킴으로써, 압축기는 최적의 동작점에서 보다 효율적으로 동작될 수 있으며, 이는 압축기 용량의 향상된 활용을 허용하고 적용 가능한 경우 더 작은 압축기가 사용될 수 있게 한다. 동시에, 제트 디바이스의 상류 및 열 교환기의 하류에서의 증발 압력 또는 흡입 압력은 냉각 디바이스를 사용하여 비교적 저온이 달성될 수 있을 정도로 충분히 감소될 수 있다. 전체적으로, 이 경우 냉각 디바이스는 더 낮은 에너지 소비로 동작될 수 있다. 냉각 디바이스에는 팽창 요소 및 제1 바이패스만 제공될 수 있으며, 이는 다른 팽창 요소 또는 다른 바이패스가 반드시 존재할 필요는 없음을 의미한다.
제트 디바이스는 제1 바이패스에 접속된 구동 노즐 및 혼합 챔버를 가질 수 있으며, 여기서 구동 유체는 구동 노즐을 통해 냉각 회로의 흐름 방향으로 혼합 챔버로 도입될 수 있고, 혼합 챔버는 저압측의 냉각 회로의 도관 섹션을 형성할 수 있다. 노즐로부터 배출된 냉매 또는 구동 유체는 도관 섹션으로부터 냉매를 쓸어내어 이를 압축기 방향으로 전달할 수 있다. 유리하게는, 혼합 챔버는 압축기 방향으로 넓어지고/넓어지거나 확산기(diffuser)를 추가로 갖는다. 이 경우, 압축기의 상류에서 도관 섹션 상류에서 압력이 더 증가될 수 있다. 동시에, 냉각 회로의 제트 디바이스의 상류에서 도관 섹션으로부터의 냉매는 이 경우 제트 디바이스에 의해 흡입될 수 있다. 이는 제트 디바이스의 상류에서 도관 섹션에서의 압력을 추가로 감소시킬 수 있으며, 이는 냉각 디바이스를 사용하여 더 낮은 온도가 달성될 수 있게 한다. 고압측으로부터의 냉매 또는 구동 유체는 압축되고 고온의 냉매일 수 있으므로, 압축기의 상류에서 도관 섹션에서의 온도의 증가가 또한 달성될 수 있다. 또한, 고압측으로부터의 구동 유체는 또한 이미 액화된 냉매일 수 있다.
제1 바이패스에는 적어도 하나의 제1 제어 가능한 제어 요소가 제공될 수 있다. 이 경우, 제트 디바이스는 제1 제어 요소를 통해 제어되도록 구성될 수 있으며, 여기서 제트 디바이스는 원칙적으로 고정된 설정으로 또한 실현될 수 있다. 제1 제어 요소를 사용하면, 열 교환기에서 달성될 수 있는 증발 압력 - 그리고 따라서 냉각 디바이스를 사용하여 달성할 수 있는 온도 - 이 영향을 받을 수 있다. 또한, 제1 제어 요소 또는 제1 바이패스를 통한 고압측 및 저압측의 접속은 압축된 액체 및/또는 기체 냉매가, 설치가 여전히 정지되어 있을 때 냉각 회로의 고압측으로부터 저압측으로 점진적으로 흐르도록 보장한다. 이는 팽창 요소가 폐쇄된 경우에도 고압측과 저압측 사이에서 점진적인 압력 균등화가 발생하도록 보장한다.
제1 바이패스는 응축기의 상류에서 냉각 회로의 고압측에 접속될 수 있다. 이 경우, 고압측으로부터 압축된, 고온의 그리고 기체의 냉매가 구동 유체로서 제트 디바이스로 공급될 수 있다.
대안적으로, 제1 바이패스는 응축기의 하류에서 냉각 회로의 고압측에 접속될 수 있다. 이 경우, 고압측으로부터의 압축된, 저온의 그리고 액체의 냉매가 구동 유체로서 제트 디바이스로 공급될 수 있다.
적어도 하나의 제2 제어 요소를 갖는 제2 바이패스가 냉각 회로에 형성될 수 있으며, 여기서 제2 바이패스는 팽창 요소의 상류 및 응축기의 하류에서 냉각 회로에 접속될 수 있고, 팽창 요소를 우회할 수 있으며, 냉매의 흡입-기체 온도 및/또는 흡입-기체 압력이 냉각 회로의 저압측에서 압축기의 상류에서 제어될 수 있는 방식으로 냉매가 제2 제어 요소를 통해 계량 가능하다. 이러한 방식으로, 압축기 디바이스일 수 있는 압축기는 예를 들어, 잠재적으로 과열되어 손상되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 압축기의 상류에 위치된 기체 냉매는 제2 제어 요소를 작동시키고 여전히 액체인 냉매의 계량된 양을 추가함으로써 제2 바이패스를 통해 냉각될 수 있다. 제2 제어 요소는 압축기의 상류에서 냉각 회로의 압력 및/또는 온도 센서에 커플링된 제어기에 의해 작동될 수 있다. 흡입 기체 온도에 대한 2K 내지 60K의 흡입 기체의 과열이 제2 바이패스를 통해 설정될 수 있는 경우에 특히 유리하다. 또한, 압축기의 동작 시간이 제어될 수 있도록 냉매가 계량될 수 있다. 압축기가 반복적으로 켜지고 꺼지는 경우 일반적으로 불리하다. 압축기가 더 긴 기간 동안 동작하는 경우, 압축기의 서비스 수명이 연장될 수 있다. 예를 들어, 압축기의 자동 셧-다운을 지연시키고 압축기의 동작 시간을 연장시키기 위해 냉매는 제2 바이패스를 통해 팽창 요소를 지나도록 안내될 수 있다. 임의 선택적으로, 제2 제어 요소를 갖는 제2 바이패스는 냉각 회로의 고압측과 저압측 사이의 압력차를 제어하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 압력차가 균등화될 수 있다.
제2 바이패스는 열 교환기의 하류 및 제트 디바이스의 상류에서 냉각 회로에 접속될 수 있다. 이 경우, 고압측으로부터의 냉매는 제트 디바이스의 상류에서 저압측으로 도입될 수 있다.
대안적으로, 제2 바이패스는 제1 바이패스에 접속될 수 있다. 이 경우, 냉매는 제2 바이패스 및 제1 바이패스를 통해 고압측으로부터 제트 디바이스로 도입될 수 있고 구동 유체로서 사용될 수 있다. 제2 바이패스로부터의 냉매는 액화되고 응축기의 상류에서 고압측으로부터 취해진 제1 바이패스로부터의 냉매는 기체이기 때문에, 제트 디바이스를 구동하기에 적절한 액체 및 기체 냉매의 혼합이 실현될 수 있다. 또한, 제2 바이패스로부터의 냉매의 질량 흐름은 제1 바이패스에서 냉매 또는 구동 유체의 구동 질량 흐름을 증가시키는 데 사용될 수 있어, 압축기의 상류에서 도관 섹션에서의 압력이 더욱 더 증가될 수 있게 한다. 유리하게는, 제2 바이패스는 제1 제어 요소와 제트 디바이스 사이의 제1 바이패스에 접속될 수 있다. 적어도 하나의 다른 제어 요소를 갖는 다른 바이패스가 냉각 회로에서 실현될 수 있으며, 이 경우 다른 바이패스는 제트 디바이스의 상류와 열 교환기의 하류와 압축기의 상류와 제트 디바이스의 하류에서 냉각 회로에 접속될 수 있어, 제트 디바이스를 우회한다. 냉각 디바이스의 특정 동작 상태에서, 제1 바이패스의 제1 제어 요소, 및 존재한다면 제2 바이패스의 제2 제어 요소가 폐쇄될 수 있으며, 이는 제트 디바이스가 구동 유체를 공급받을 수 없음을 의미한다. 이 경우, 제트 디바이스는 압축기의 상류에서 도관 섹션에서의 압력을 증가시키는 데 사용될 수 없다. 반대로, 제트 디바이스는 냉각 회로에 배치되기 때문에 압축기의 상류에서 바람직하지 않은 압력 강하를 야기할 수 있다. 이 경우, 다른 바이패스를 통해 원칙적으로 차단될 수 없는 제트 디바이스를 우회하여 압축기의 상류에서 냉각 회로의 도관 단면을 넓힐 수 있다. 이러한 방식으로 압축기의 상류에서의 바람직하지 않은 압력 손실이 회피될 수 있다. 임의 선택적으로, 다른 제어 요소에는 냉매가 냉각 회로의 흐름 방향에 대해 흐르는 것을 방지하는 체크 밸브가 제공될 수 있다.
냉각 회로는 내부 열 교환기를 가질 수 있으며, 이 경우 내부 열 교환기는 팽창 요소의 상류에서 그리고 응축기의 하류에서 냉각 회로의 고압측에 접속될 수 있으며, 압축기의 상류에서 그리고 열 교환기의 하류에서 냉각 회로의 저압측에 접속될 수 있어, 고압측의 냉매가 내부 열 교환기에 의해 저압측의 냉매에 의해 냉각될 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 내부 열 교환기에 의해 냉각된 냉매의 증발 온도는 냉각되지 않은 냉매의 증발 온도에 비해 팽창 요소에서 낮아질 수 있다. 따라서, 내부 열 교환기를 통해 저압측으로부터 고압측으로 전달되는 냉용량(cold capacity)이 팽창 요소에서 냉매의 증발 온도를 낮추기 위해 적어도 부분적으로, 바람직하게는 배타적으로 사용된다. 또한, 이는 온도 글라이드(temperature glide)를 갖는 제오트로픽(zeotropic) 냉매가 사용될 수 있게 하며, 이 경우 냉매의 이슬점 온도 또는 냉매의 이슬점의 위치는 내부 열 교환기로 시프트될 수 있다. 제오트로픽 냉매의 온도 글라이드의 결과, 달성된 냉매의 이슬점 온도는 비교적 높을 수 있으므로, 열 교환기의 추가 냉각을 방지할 수 있다. 따라서, 냉매의 일부만이 열 교환기에서 증발될 수 있고, 냉매의 습증기(wet steam) 부분에서 사용 불가능한 부분이 내부 열 교환기로 시프트될 수 있다. 전체적으로, 이는 환경 친화적이며 제오트로픽 특성을 갖는 CO2의 질량 분율을 갖는 냉매가 또한 공간에서 저온을 확립하는 데 사용될 수 있게 한다. 또한, 냉매의 온도 글라이드의 일부 또는 습증기의 일부가 공간의 열 교환기로부터 내부 열 교환기로 시프트될 수 있다는 사실은 제오트로픽을 냉매를 사용하여 비교적 개선된 온도 안정성이 달성될 수 있게 한다. 열 교환기를 통한 냉용량 출력은 온도 글라이드의 섹션 내에서만 생성되는데, 이는 냉각 회로에서 냉매의 이슬점 시프트가 열 교환기의 온도 안정성에 거의 영향을 미치지 않음을 의미한다.
고압측 냉매의 증발 온도를 낮추는 동안, 저압측 냉매의 흡입 압력이 일정하게 유지될 수 있다. 이 경우 흡입 압력의 추가적인 제어 및 흡입 압력의 함수로서 팽창 요소의 제어와 같은 더 큰 설치 관련 복잡성이 더 이상 반드시 필요하지 않다. 특히, 압축기는 이 경우 냉각 회로의 동작 상태에 관계없이 일정한 출력으로 또한 동작될 수 있다. 특히 피스톤 펌프가 압축기로서 사용하는 경우, 긴 서비스 수명을 달성하기 위해서 일정 속도로 장기간 사용되는 것이 필수적이다.
냉매는 팽창 요소로부터 내부 열 교환기를 포함하여 이로 냉각 회로의 증발 섹션 상의 일정한 흡입 압력으로 증발할 수 있다. 냉매의 일정한 흡입 압력 또는 증발 압력에서, 냉매는 냉매의 온도 글라이드에 따라 낮은 증발 온도에 있는 팽창 요소로부터 높은 증발 온도에 있는 내부 열 교환기를 향해 증발할 수 있다. 온도 글라이드로 인한 이슬점 온도는 공간 또는 시험 공간에서 냉각될 유체 또는 공기의 온도보다 높을 수 있다. 냉매의 증발 온도가 동일한 흡입 압력에서 공간 내에서 냉각될 공기의 온도와 같으면, 공기의 추가 냉각이 달성될 수 없다. 그러나, 열 교환기에서 도달되는 이슬점 온도는 내부 열 교환기의 고압측에서 냉매의 액체 온도보다 낮으며, 이는 냉매의 액체 온도가 추가로 낮아질 수 있음을 의미한다. 따라서, 팽창 요소의 하류에서 증발 온도는 흡입 압력의 변화 없이 낮아질 수 있으며, 이에 의해 공간에서의 공기의 보다 광범위한 냉각이 달성될 수 있다.
내부 열 교환기는 압축기의 상류 및 제트 디바이스의 하류에서 저압측에 접속될 수 있다. 이 실시예에서, 압축기의 상류에서 도관 섹션에 위치된 냉매는 고압측에서 냉매를 과냉각시키기 위해 유리하게 사용될 수 있다.
대안적으로, 내부 열 교환기는 제트 디바이스의 상류 및 열 교환기의 하류에서 저압측에 접속될 수 있다. 이는 실질적으로 기체 냉매가 제트 디바이스에 공급될 수 있도록 보장한다. 동시에, 냉매는 고압측에서 냉매를 불충분하게 냉각시키는 데 사용될 수 있다.
내부 열 교환기는 불충분 냉각 섹션 또는 열 교환기, 특히 판형 열 교환기로 실현될 수 있다. 불충분 냉각 섹션은 서로 접촉하는 냉각 회로의 2개의 도관 섹션에 의해 간단하게 실현될 수 있다.
온도 제어 디바이스에 의해, -70℃ 내지 +180℃, 바람직하게는 -85℃ 내지 +200℃의 온도 범위에서의 온도가 공간 내에서 확립될 수 있다. 또한, 온도 제어 디바이스에 의해 공간 내에서 > +60℃ 내지 +180℃의 온도가 < -50℃의 온도로 감소될 수 있다. 이 경우, 열 교환기 내의 냉매는 공간 내의 비교적 높은 온도에 의해 강하게 가열되며, 이는 적어도 냉각 회로의 저압측에서 냉각 회로가 이 온도 범위에서 가열된 냉매에 대한 구성의 관점에서 기술적으로 조정될 수 있는 이유이다. 그렇지 않으면, 이러한 방식으로 가열된 냉매는 냉각 회로의 고압측에서 더 이상 최적으로 사용될 수 없다.
시험 챔버의 실시예에서, 열 교환기는 공간 내에 배치될 수 있다. 또한, 열 교환기는 공간의 공기 처리 공간에 배치될 수 있어, 송풍기에 의해 순환되는 공기가 열 교환기와 접촉할 수 있게 한다. 결과적으로, 공간의 순환된 공기의 양은 열 교환기를 통해 냉각 디바이스에 의해 공간에서 직접 냉각될 수 있다. 시험 챔버는 냉각 회로를 하나의 단일 냉각 회로로서 가질 수 있다. 이 경우, 냉각 회로는 공간에 직접 접속된다.
대안적으로, 열 교환기는 냉각 디바이스의 다른 냉각 회로에 대한 캐스케이드(cascade) 열 교환기를 형성할 수 있다. 따라서, 시험 챔버는 적어도 2개의 냉각 회로를 가질 수 있으며, 이 경우 냉각 회로는 냉각 디바이스의 제1 스테이지를 형성할 수 있다.
시험 챔버의 다른 실시예에서, 응축기는 냉각 디바이스의 다른 냉각 회로의 캐스케이드 열 교환기로 실현될 수 있다. 따라서, 시험 챔버는 이 경우에 적어도 2개의 냉각 회로를 가질 수 있고, 여기서 하나의 냉각 회로는 냉각 디바이스의 제2 스테이지를 형성할 수 있고, 이 경우 냉각 회로의 상류에 접속된 다른 냉각 회로는 냉각 디바이스의 제1 스테이지를 형성할 수 있다. 시험 챔버의 이 실시예에서, 공간에서 특히 낮은 온도를 확립하는 것이 가능해진다.
온도 제어 디바이스는 공간에 히터 및 가열 열 교환기를 포함하는 가열 디바이스를 가질 수 있다. 예를 들어, 가열 디바이스는, 공간 내의 온도가 가열 열 교환기를 통해 높아질 수 있는 방식으로 가열 열 교환기를 가열하는 전기 저항 히터일 수 있다. 열 교환기와 열 교환기가 제어 유닛에 의해 공간 내에서 순환되는 공기를 냉각 또는 가열하도록 구체적으로 제어될 수 있다면, 상술한 온도 범위의 온도는 온도 제어 디바이스에 의해 공간 내에서 확립될 수 있다. 시험 재료 또는 시험 재료의 동작 상태에 관계없이, 시험 간격 동안 공간에서 ±1 K, 바람직하게는 ±0.3 K 내지 ±0.5 K 또는 ±0.3 K 미만의 시간에 걸친 온도 일정성이 확립될 수 있다. 시험 간격이라는 용어는 시험 재료가 실질적으로 일정한 온도 또는 기후 조건에 노출되는 전체 시험 기간의 시간 세그먼트를 지칭한다. 가열 열 교환기는, 냉매가 흐를 수 있고 전기 저항 히터의 가열 요소를 갖는 공유 열 교환기 몸체가 형성되는 방식으로 냉각 회로의 열 교환기와 결합될 수 있다.
응축기는 공기 또는 물 또는 다른 냉각 유체에 의해 냉각될 수 있다. 원칙적으로, 응축기는 임의의 적합한 유체로 냉각될 수 있다. 실질적인 요점은 응축기에서 발생하는 열 부하가 냉매가 완전히 액화될 때까지 응축될 수 있는 방식으로 냉각 공기 또는 냉각수를 통해 소산된다는 것이다.
팽창 요소 및/또는 제어 요소는 스로틀(throttle) 요소 및 자기 밸브를 가질 수 있으며, 이 경우 냉매는 스로틀 요소 및 자기 밸브를 통해 계량될 수 있다. 스로틀 요소는 조종 가능 밸브 또는 모세관일 수 있으며, 냉매는 이를 통해 자기 밸브에 의해 라우팅된다. 자기 밸브 자체는 온도 디바이스의 제어 유닛에 의해 작동될 수 있다. 원칙적으로, 팽창 요소 및/또는 제어 요소는 또한 도관을 완전히 폐쇄하기 위한 차단 요소로서의 역할을 할 수 있다.
온도 제어 디바이스는 또한 냉각 회로 내에 적어도 압력 센서 및/또는 적어도 온도 센서를 갖는 제어 유닛을 포함할 수 있고, 여기서 자기 밸브는 측정된 온도의 함수 또는 압력의 함수로서 제어 유닛에 의해 작동될 수 있다. 제어 유닛은 센서로부터의 데이터 세트를 프로세싱하고 자기 밸브를 제어할 수 있는 데이터 프로세싱을 위한 수단을 포함할 수 있다. 이 경우에, 냉각 디바이스의 기능은 또한 예를 들어, 대응하는 컴퓨터 프로그램을 통해 사용되는 냉매에 대해 조정될 수 있다. 또한, 제어 유닛은 시험 챔버 및 시험 재료가 시험 챔버의 동작의 치명적이거나 바람직하지 않은 상태에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 오작동을 시그널링하거나, 필요한 경우 시험 챔버의 셧-다운을 개시할 수 있다.
주위로부터 폐쇄될 수 있고 시험 재료를 수용하는 역할을 하는 온도 챔버, 특히 시험 챔버 등의 온도-절연 공간에서 공기를 컨디셔닝하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 냉매, 열 교환기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 갖는 냉각 회로를 포함하는 온도 챔버의 온도 제어 디바이스의 냉각 디바이스는 공간 내에 -50℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도를 확립하는 데 사용되며, 여기서 제트 디바이스가 열 교환기의 하류 및 압축기의 상류에서 냉각 회로의 저압측에 접속되며, 고압측으로부터의 냉매는 압축기의 하류에서 냉각 회로의 고압측에 접속된 제1 바이패스를 통해 구동 유체로서 제트 디바이스에 공급된다. 본 발명에 따른 방법의 이점과 관련하여, 본 발명에 따른 온도 챔버의 이점에 대한 설명이 참조된다.
구동 유체는 제트 디바이스의 구동 노즐을 통해 냉각 회로의 흐름 방향으로 제트 디바이스의 혼합 챔버로 도입될 수 있고, 구동 노즐은 제1 바이패스에 접속되며, 여기서 냉매는 제트 디바이스의 상류에서 흡입 유체로서 혼합 챔버로 흡입될 수 있고, 흡입 유체의 압력보다 높은 압력에서 제트 디바이스의 하류에서 혼합 챔버로부터 배출될 수 있다.
본 방법의 다른 실시예는 디바이스 청구항 1에 따른 청구항들의 특징의 설명으로부터 명백하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 냉각 디바이스의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 냉각 디바이스의 제2 실시예의 개략도이다.
도 3은 냉각 디바이스의 제3 실시예의 개략도이다.
도 4는 냉각 디바이스의 제4 실시예의 개략도이다.
도 5는 냉각 디바이스의 제5 실시예의 개략도이다.
도 6은 냉각 디바이스의 제6 실시예의 개략도이다.
도 7은 냉각 디바이스의 제7 실시예의 개략도이다.
도 8은 냉각 디바이스의 제8 실시예의 개략도이다.
도 1은 온도 챔버 또는 시험 챔버(미도시)의 냉각 디바이스(10)의 제1 실시예를 나타낸다. 냉각 디바이스(10)는 냉매, 열 교환기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 갖는 냉각 회로(11)를 포함한다. 열 교환기(12)는 시험 챔버의 공간 또는 시험 공간(미도시)에 배치된다. 공간에서, 공기를 순환시키기 위한 팬(16)이 열 교환기(12)에 제공된다. 또한, 냉각 회로(11)는 고압측(17), 저압측(18) 및 보상 탱크(19)를 갖는다.
냉매는 압축기(13)의 상류에서 흡입되고 압축되어, 저압측(18)에 비해 고압측(17)에 대해 압력을 증가시킨다. 압축기(13)의 하류에서 냉매는 응축기(14)를 사용하여 액화된다. 냉매는 팽창 요소(15)에서 압축 해제되고 열 교환기(12)에서 적어도 부분적으로 또는 전체로 증발된다. 그 후, 냉매의 습증기는 압축기(13)로 복귀한다. 냉매의 흐름 방향으로 열 교환기(12)의 하류 및 압축기(13)의 상류에서, 제트 디바이스(20)는 압축기(13)의 상류에서 도관 섹션(21)에 접속된다. 또한, 고압측(17)으로부터의 냉매가 구동 유체로서 제트 디바이스(20)로 공급되는 제1 바이패스(22)가 압축기(13)의 하류 및 응축기(14)의 상류에 접속된다. 제1 바이패스(22)가 제트 디바이스(20)의 구동 노즐(미도시)에 접속되고, 이를 통해 냉매는, 도관 섹션(23)으로부터의 냉매가 제트 디바이스(20)의 상류에서 냉각 회로(11)로 흡입되어 가속되는 방식으로 구동 유체로서 제트 디바이스(20)의 혼합 챔버(미도시)로 도입된다. 이는 도관 섹션(23)의 압력에 비해 도관 섹션(21)의 압력을 증가시킨다. 유리하게는, 이는 압축기 디바이스일 수 있는 압축기(13)가 에너지 측면에서 유리한 출력 범위에서 동작될 수 있게 한다.
적어도 하나의 제2 제어 요소(25)를 갖는 제2 바이패스(24)가 냉각 회로(11)에 통합되고, 제2 바이패스(24)는 냉매의 흐름 방향으로 팽창 요소(15)의 상류 및 응축기(14)의 하류에서 냉각 회로(11)에 접속된다. 또한, 제2 바이패스(24)는 냉매의 흐름 방향으로 열 교환기(12)의 하류 및 제트 디바이스(20)의 상류에서 냉각 회로(11)에 접속되어, 제2 바이패스(24)는 팽창 요소(15)를 우회한다. 제2 제어 요소(25)를 통해, 냉매의 흡입 기체 온도 및/또는 흡입 기체 압력이 압축기(13)의 상류에서 냉각 회로(11)의 저압측(18) 상에서 제어될 수 있는 방식으로 이제 냉매가 계량될 수 있다.
도 2는 제1 제어 요소(27)가 제1 바이패스(22)에 배치되거나 접속된다는 점에서 도 1의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(26)의 제2 실시예를 나타낸다. 제1 제어 요소(27)를 통해, 제트 디바이스(20)의 구동이 제어될 수 있다. 이는 또한 예를 들어, 열 교환기(12)에서 달성될 수 있는 증발 압력이 영향을 받을 수 있게 한다.
도 3은 제2 바이패스(29)가 저압측(18)에 직접 접속되지 않고 제1 바이패스(22)에 접속된다는 점에서 도 2에 나타낸 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(28)의 실시예를 나타낸다. 따라서, 제1 바이패스(22)는 냉매의 흐름 방향으로 제1 제어 요소(27)의 하류 및 제트 디바이스(20)의 상류에서 제1 바이패스(22)에 접속된다. 제2 바이패스(29)의 제2 제어 요소(25)를 통해 제어되는 방식으로 흐르는 냉매는 또한 이 경우 제트 디바이스(20)에 대한 구동 유체로서 사용될 수 있다. 제트 디바이스(20)의 구동 질량 흐름의 이러한 증가는 도관 섹션(21)에서의 압력의 추가적인 증가를 가능하게 한다.
도 4는 다른 바이패스(31)가 제공된다는 점에서 도 3의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(30)의 실시예를 나타낸다. 다른 바이패스(31)에는 다른 제어 요소(32)가 제공되고, 다른 바이패스(31)는 냉매의 흐름 방향으로 제트 디바이스(20)의 상류 및 열 교환기(12)의 하류에서 예시와 같이 형성된 냉각 회로(33)에 접속된다. 또한, 다른 바이패스(31)는 압축기(13)의 상류 및 제트 디바이스(20)의 하류에서 냉각 회로(33)에 접속된다. 제2 제어 요소(25) 및 제1 제어 요소(27)가 폐쇄되면, 제트 디바이스(20)에 대한 구동 질량 흐름이 제공될 수 없으며, 이는 제트 디바이스(20)를 사용하여 압축기(13)의 상류에서 압력의 증가가 발생될 수 없음을 의미한다. 이 경우 구동되지 않는 제트 디바이스(20)는 압축기(13)의 상류에서 바람직하지 않은 압력 강하를 야기한다. 이제 제3 바이패스(31)가 도관 단면을 확대하고 이러한 압력 강하를 방지하기 위해 제트 디바이스(20)를 우회하는 데 사용될 수 있다.
도 5는 내부 열 교환기(36)가 예시와 같이 형성된 냉각 회로(35)에 접속된다는 점에서 도 2의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(34)의 다른 실시예를 나타낸다. 특히, 내부 열 교환기(36)는 냉매의 흐름 방향으로 팽창 요소(15)의 상류와 응축기(14)의 하류에서 고압측(17)에 접속되고, 제트 디바이스(20)의 상류와 열 교환기(12)의 하류에서 저압측(18)에 접속된다. 고압측(17)에서, 팽창 요소(15)를 향해 흐르는 냉매는 내부 열 교환기(36)에 의해 냉각될 수 있다. 냉각은 저압측(18) 상의 냉매가 내부 열 교환기(36)에서 재증발됨으로써 일어날 수 있다. 특히 이 경우에, 특히 넓은 온도 글라이드를 갖는 냉매가 사용될 수 있다.
도 6은 내부 열 교환기(36)가 제트 디바이스(20)와 압축기(13) 사이의 저압측(18)에 접속된다는 점에서 도 5의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(37)의 대안적인 실시예를 나타낸다.
도 7은 제1 바이패스(39)가 응축기(14)의 하류에 접속된다는 점에서 도 1의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(38)의 실시예를 나타낸다. 제1 바이패스(39)를 통해, 저온의 액체 냉매가 고압측(17)으로부터의 구동 유체로서 제트 디바이스(20)로 공급될 수 있다.
도 8은 제1 제어 요소(41)가 제1 바이패스(39)에 배치되거나 접속된다는 점에서 도 7의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(40)의 실시예를 나타낸다.

Claims (20)

  1. 공기를 컨디셔닝하기 위한 온도 챔버, 특히 시험 챔버 등으로서, 주위로부터 폐쇄될 수 있고 시험 재료를 수용하는 역할을 하는 온도-절연 공간, 및 상기 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 디바이스를 포함하고, 상기 온도 제어 디바이스는 -50℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 상기 공간 내에 확립되도록 허용하며, 상기 온도 제어 디바이스는 냉매, 열 교환기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 갖는 냉각 회로(11, 33, 35)를 포함하는 냉각 디바이스(10, 26, 28, 30, 34, 37, 38, 40)를 갖고,
    제트 디바이스(20)가 상기 열 교환기의 하류 및 상기 압축기의 상류에서 상기 냉각 회로의 저압측(18)에 접속되고, 제1 바이패스(22, 39)가 상기 압축기의 하류에서 상기 냉각 회로의 고압측(17)에 접속되고, 상기 냉매는 구동 유체로서 상기 제1 바이패스를 통해 상기 고압측으로부터 상기 제트 디바이스에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제트 디바이스(20)는 상기 제1 바이패스(22, 39)에 접속된 구동 노즐 및 혼합 챔버를 갖고, 상기 구동 유체는 상기 구동 노즐을 통해 상기 냉각 회로(11, 33, 35)의 상기 흐름 방향으로 상기 혼합 챔버로 도입되고, 상기 혼합 챔버는 상기 저압측(18)의 상기 냉각 회로의 도관 섹션을 형성하는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 바이패스(22, 39)에는 적어도 하나의 제1 제어 요소(27, 41)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 바이패스(22)는 상기 응축기(14)의 상류에서 상기 냉각 회로의 상기 고압측(17)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 바이패스(39)는 상기 응축기(14)의 하류에서 상기 냉각 회로의 상기 고압측(17)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제2 제어 요소(25)를 갖는 제2 바이패스(24, 29)가 상기 냉각 회로(11, 33, 35)에 형성되고, 상기 제2 바이패스는 상기 팽창 요소(15)의 상류 및 상기 응축기(14)의 하류에서 상기 냉각 회로에 접속되어 상기 팽창 요소를 우회하고, 상기 냉매는 상기 냉각 회로의 상기 저압측(18) 상의 상기 냉매의 흡입 기체 온도 및/또는 흡입 기체 압력이 상기 압축기(13)의 상류에서 제어 가능한 방식으로 상기 제2 제어 요소를 통해 계량될 수 있는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 바이패스(24)는 상기 열 교환기(12)의 하류 및 상기 제트 디바이스(20)의 상류에서 상기 냉각 회로(11, 35)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 바이패스(29)는 상기 제1 바이패스(22, 39)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 다른 제어 요소(32)를 갖는 다른 바이패스(31)가 상기 냉각 회로(33)에 형성되고, 상기 다른 바이패스는 상기 제트 디바이스(20)의 상류와 상기 열 교환기(12)의 하류와 상기 압축기(13)의 상류와 상기 제트 디바이스의 하류에서 상기 냉각 회로에 접속되어 상기 제트 디바이스를 우회하는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 회로(35)는 내부 열 교환기(36)를 가지며, 상기 내부 열 교환기는 상기 팽창 요소(15)의 상류 및 상기 응축기(14)의 하류에서 상기 냉각 회로의 상기 고압측(17)에 접속되고 상기 압축기(13)의 상류 및 상기 열 교환기(12)의 하류에서 상기 냉각 회로의 상기 저압측(18)에 접속되고, 상기 고압측의 상기 냉매는 상기 내부 열 교환기에 의해 상기 저압측의 상기 냉매에 의해 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 내부 열 교환기(36)는 상기 압축기(13)의 상류 및 상기 제트 디바이스(20)의 하류에서 상기 저압측(18)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 내부 열 교환기(36)는 상기 제트 디바이스(20)의 상류 및 상기 열 교환기(12)의 하류에서 상기 저압측(18)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    -70℃ 내지 +180℃, 바람직하게는 -85℃ 내지 +200℃의 온도 범위의 온도가 상기 온도 제어 디바이스에 의해 상기 공간 내에 확립될 수 있는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기(12)는 상기 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기(12)는 상기 냉각 디바이스(10, 26, 28, 30, 34, 37)의 다른 냉각 회로에 대한 캐스케이드(cascade) 열 교환기를 형성하는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축기(14)는 상기 냉각 디바이스(10, 26, 28, 30, 34, 37, 38, 40)의 다른 냉각 회로의 캐스케이드 열 교환기로서 실현되는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 제어 디바이스는 상기 공간에 히터 및 가열 열 교환기를 포함하는 가열 디바이스를 갖는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창 요소(15) 및/또는 상기 제어 요소(25, 27, 32, 41)는 스로틀(throttle) 요소 및 자기 밸브를 가지며, 상기 냉매는 상기 스로틀 요소 및 상기 자기 밸브를 통해 계량될 수 있는 것을 특징으로 하는, 온도 챔버.
  19. 주위로부터 폐쇄될 수 있고 시험 재료를 수용하는 역할을 하는 온도 챔버, 특히 시험 챔버 등의 온도-절연 공간에서 공기를 컨디셔닝하기 위한 방법으로서, 냉매, 열 교환기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 갖는 냉각 회로(11, 31, 35)를 포함하는 상기 온도 챔버의 온도 제어 디바이스의 냉각 디바이스(10, 26, 28, 30, 34, 37, 38, 40)에 의해 상기 공간 내에 -50℃ 내지 +180℃의 온도 범위의 온도가 확립되고,
    제트 디바이스(20)가 상기 열 교환기의 하류 및 상기 압축기의 상류에서 상기 냉각 회로의 저압측(18)에 접속되고, 상기 압축기의 하류에서 상기 냉각 회로의 고압측(17)에 접속된 제1 바이패스(22, 39)를 통해 상기 냉매가 구동 유체로서 상기 고압측으로부터 상기 제트 디바이스에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 구동 유체는 상기 제트 디바이스의 구동 노즐을 통해 상기 냉각 회로(11, 33, 35)의 흐름 방향으로 상기 제트 디바이스(20)의 혼합 챔버로 도입되고, 상기 구동 노즐은 상기 제1 바이패스(22, 39)에 접속되고, 상기 냉매는 상기 제트 디바이스의 상류에서 흡입 유체로서 상기 혼합 챔버로 흡입되고, 상기 흡입 유체의 압력보다 더 높은 압력으로 상기 제트 디바이스의 하류에서 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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