(57)【要約】      （修正有）【課題】少なくとも−６０℃以下の温度を、環境にやさしく、安全に達成できる、冷却デバイス用の冷媒、冷媒を有するテストチャンバ、および冷媒の使用を提供する。【解決手段】少なくとも１つの熱交換器を有する冷却回路を備える冷却デバイス用の冷媒であって、冷媒は、熱交換器内で相転移し、二酸化炭素を６０質量％以下、ペンタフルオロエタンを１１〜７２質量％、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンを５１質量％以下含む、混合冷媒である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの熱交換器（１２、２５、４７）を備える冷却回路（１１、２４、３９、４４）を有する冷却デバイス（１０、２３、３０、３６、４３）用の冷媒であって、前記冷媒は、前記熱交換器内で相転移し、前記冷媒は、所定質量分率の二酸化炭素（ＣＯ２）、ペンタフルオロエタン（Ｃ２ＨＦ５）、および少なくとも１つの他の成分を含む混合冷媒であり、
前記混合冷媒における前記二酸化炭素の質量分率は、６０質量％以下であり、前記ペンタフルオロエタンの質量分率は、１１〜７２質量％であり、前記他の成分は、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（Ｃ３Ｈ２Ｆ４）であり、前記２，３，３，３−テトラフルオロプロペンの質量分率は、５１質量％以下であることを特徴とする、冷媒。
【請求項２】
前記混合冷媒における二酸化炭素の質量分率は、１５〜４５質量％であることを特徴とする、請求項１に記載の冷媒。
【請求項３】
前記混合冷媒における二酸化炭素の質量分率は、２５〜３５質量％であることを特徴とする、請求項２に記載の冷媒。
【請求項４】
前記２，３，３，３−テトラフルオロプロペンの質量分率は、６〜３６質量％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項５】
前記２，３，３，３−テトラフルオロプロペンの質量分率は、１６〜２６質量％であることを特徴とする、請求項４に記載の冷媒。
【請求項６】
前記ペンタフルオロエタンの質量分率は、２６〜５７質量％であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項７】
前記ペンタフルオロエタンの質量分率は、３６〜４７質量％であることを特徴とする、請求項６に記載の冷媒。
【請求項８】
前記冷媒は、所定質量分率のジフルオロメタン（ＣＨ２Ｆ２）を有し、前記ジフルオロメタンの質量分率は、３０質量％以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項９】
前記ジフルオロメタンの質量分率は、２１質量％以下であることを特徴とする、請求項８に記載の冷媒。
【請求項１０】
前記ジフルオロメタンの質量分率は、３〜１１質量％であることを特徴とする、請求項９に記載の冷媒。
【請求項１１】
前記混合冷媒は、フルオロメタン（ＣＨ３Ｆ）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、１，１−ジフルオロエテン（Ｃ２Ｈ２Ｆ２）、エテン（Ｃ２Ｈ４）、フルオロエテン（Ｃ２Ｈ３Ｆ）、エチン（Ｃ２Ｈ２）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、プロペン（Ｃ３Ｈ６）、および／またはフルオロエタン（ＣＨ２ＦＣＨ３）を、追加の成分として、それぞれ３０質量％以下、好ましくは２０質量％以下、特に好ましくは１０質量％以下の量で有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項１２】
前記冷媒の温度勾配が０．２〜２６．４Ｋの範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項１３】
前記冷媒の１００年間の相対的ＣＯ２換算値が２６８１未満であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項１４】
前記冷媒が不燃性であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の冷媒。
【請求項１５】
空調のためのテストチャンバであって、前記テストチャンバは、テスト空間と、前記テスト空間の温度を制御するための温度制御デバイスとを備え、前記テスト空間は、テスト材料を収容し、環境に対して絶縁可能で、かつ断熱され、前記テスト空間内の温度は、前記温度制御デバイスによって、−７０℃〜＋１８０℃の温度範囲に設定可能であり、前記温度制御デバイスは、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の冷媒と、熱交換器（１２、２５、４７）と、コンプレッサ（１３、２６）と、コンデンサ（１４、２７、３８）と、膨張部（１５、２８）とを有する冷却回路（１１、２４、３９、４４）を備える冷却デバイス（１０、２３、３０、３６、４３）を有する、テストチャンバ。
【請求項１６】
質量分率が６０質量％以下の二酸化炭素（ＣＯ２）、質量分率が１１〜７２質量％のペンタフルオロエタン（Ｃ２ＨＦ５）、および質量分率が５１質量％以下の２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（Ｃ３Ｈ２Ｆ４）を含む混合冷媒からなる冷媒の、テストチャンバのテスト空間内での空調のための使用であって、前記テスト空間は、テスト材料を収容し、環境に対して絶縁され、かつ断熱され、前記テストチャンバの温度制御デバイスの冷却デバイス（１０、２３、３０、３６、４３）は、前記冷媒と、熱交換器（１２、２５、４７）と、コンプレッサ（１３、２６）と、コンデンサ（１４、２７、３８）と、膨張部（１５、２５、２８）とを有する冷却回路（１１、２４、３９、４４）を備え、前記冷却デバイスは、前記テスト空間内の温度を−６０℃〜＋１８０℃、好ましくは−７０℃〜＋１８０℃、特に好ましくは−８０℃〜＋１８０℃の温度に設定するために使用される、前記冷媒の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却デバイス用の冷媒、冷媒を有するテストチャンバ、および冷媒の使用に関する。冷媒は、少なくとも１つの熱交換器を有する冷却回路を備える冷却デバイス用である。熱交換器において、冷媒は、相転移する。冷媒は、所定質量分率の二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、および少なくとも１つの他の成分を含む混合冷媒からなる。
【背景技術】
【０００２】
この種の冷媒は、典型的には冷却デバイスの閉冷却回路内を循環し、一連の状態変化を起こす。冷媒は、冷却回路内で所定の温度差内で使用できるような性質を有するべきである。単一成分の冷媒や少なくとも２つの成分からなる混合冷媒が当該技術水準にて知られている。冷媒は、優先日における最新版の独工業規格ＤＩＮ  ８９６０  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ６にしたがって分類される。
【０００３】
法的規制により、冷媒は、大気圏におけるオゾン破壊や地球温暖化に著しく寄与するものであってはならない。これは、基本的に一切のフッ素化または塩素化物質が冷媒として使われず、天然の冷媒またはガスが選択肢となるであること意味する。さらに、冷媒は、安全規制に則り、冷却回路の充填、出荷、および動作を複雑にしないように、不燃性であるべきである。可燃性の冷媒を使用する場合は構造上の対策が必要になるので、冷却回路の製造がよりコスト高となる。可燃性とは、熱を放出することによって周囲の酸素に対して反応する冷媒の性質を指す。具体的には冷媒が、優先日における最新版の欧州規格ＥＮ２の火災区分（fire class）ＣおよびＤＩＮ３７８区分Ａ２、Ａ２ＬおよびＡ３に分類される場合、可燃性である。
【０００４】
さらに、冷媒は、比較的低いＣＯ２換算値を有するべきである。すなわち、冷媒が放出された場合に環境への間接的なダメージを回避するために、相対的な地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、できるだけ低くすべきである。ＧＷＰは、二酸化炭素を基準値として、規定質量の温室効果ガスがどれくらい地球温暖化に寄与するかを示す。この値は、特定期間にわたって平均した温暖化効果を表す。ここでは、比較のために１００年に設定する。相対的ＣＯ２換算値またはＧＷＰの定義については、優先日における最新版のIntergovernmental Panel on Climate Change（ＩＰＣＣ），Assessment Report,Appendix 8.A,Table 8.A.1を参照する。
【０００５】
２５００未満といったＧＷＰが低い冷媒は、ＧＷＰが比較的より高い冷媒よりも冷却回路に関する温度範囲内における冷却容量（cold capacity）が著しく低い傾向にあるという欠点を有する。より低いＧＷＰは、二酸化炭素の質量分率が比較的高い混合冷媒を用いることにより達成できる。しかし、これらの混合冷媒は、異なる物質が混合されているので非共沸性を有するおそれがあり、多くの冷却回路において望ましくない。
【０００６】
非共沸混合冷媒においては、温度勾配（temperature glide）として知られる温度範囲にわたって相転移が生じる。温度勾配とは、圧力が一定の場合の沸騰温度と露点温度との差を指す。非共沸混合冷媒は、典型的には、高質量分率の不燃性成分を含むが、不燃性成分は、ＧＷＰが比較的高いことを特徴とする。一見、二酸化炭素は、不燃性であり、ＧＷＰが低いので、混合冷媒として適切な成分であると思われる。しかし、二酸化炭素と別の成分との混合物において、別の成分が可燃性である場合は、必然的に二酸化炭素の質量分率は、比較的大きくしなければならない。しかし、これは、不都合である。なぜなら、二酸化炭素の凝固温度または凝固点は、−５６．６℃なので、二酸化炭素濃度が高い場合は、−６０℃以下の温度を達成することはほぼできないからである。
【０００７】
また、冷媒の利用が、できるだけ簡単である、すなわち、冷却デバイスの広範な技術的改変を必要としない方がよい。特に温度勾配が３Ｋよりも大きい冷媒の場合、当該冷却回路の膨張部および熱交換器または蒸発器を冷媒の蒸発温度に調節する必要があり、対応する制御を行う必要がある。さらに、冷却デバイスの静的動作のために設計された、すなわち、熱交換器または蒸発器における温度がより長期間にわたり実質的に一定である冷却デバイス用に設計された冷媒と、熱交換器において温度が比較的急速に変化する動的冷却デバイス用に設計された冷媒とは区別しなければならない。この種の動的冷却デバイスは、例えばテストチャンバに一体化される。このことは、使用される冷媒が広い温度範囲内で使用可能である必要があることを意味する。
【０００８】
テストチャンバは、典型的には、対象物、特にデバイスの物理的および／または化学的性質をテストするために使用される。例えば、温度を−６０℃〜＋１８０℃の範囲内で設定できる温度テストチャンバまたは気候テストチャンバが知られている。気候テストチャンバにおいては、所望の気候条件をさらに設定できる。デバイスまたはテスト材料は、所定の期間その条件にさらされる。この種のテストチャンバは、建物とは必要な供給ラインを介して接続されるだけであり、温度および気候を制御するために必要なすべてのモジュールを備える移動型デバイスとして実現されることが少なくない。テスト対象の材料を保持するテスト空間の温度は、典型的にはテスト空間内の循環空気ダクトにおいて制御される。循環空気ダクトは、テスト空間において空気処理空間を形成する。空気処理空間内に、循環空気ダクトおよびテスト空間を流れる空気を加熱または冷却するための熱交換器が配置される。ファンまたは換気装置は、テスト空間内に位置する空気を吸い込み、そして空気を循環空気ダクト内のそれぞれの熱交換器に向ける。このようにして、テスト材料は、温度制御されたり、所定の温度変化にさらされたりする。テスト期間中は、テストチャンバの最高温度と最低温度との間で、温度が繰り返し変化させられる。この種のテストチャンバは、例えばEP 0 344 397 A2により知られている。
【０００９】
冷却回路内を循環する冷媒は、冷却回路において上記温度差内で使用できるような性質を有さなければならない。特に、冷媒の露点温度は、達成すべき冷却回路の温度範囲の最低温度よりも高くてはならない。なぜなら、テスト空間を冷却するように熱交換器において冷媒が蒸発しなければ、最低温度は達成されないからである。共沸冷媒は、熱交換器における膨張部を越えると直ちに露点温度に達する。テスト空間用のストレート冷却回路は、テストチャンバの温度を精度よく制御するために非常に高い空間温度安定性を必要とする。このような制御は、非共沸冷媒を使用しては、全く達成できないか、または限られた程度にしか達成できない。この場合において高い温度安定性が達成できない理由は、非共沸冷媒の露点温度または露点が、温度があるテスト空間内の熱交換器の領域においては、テスト空間内の温度の関数として局所的に変動するからである。したがって、非共沸冷媒、すなわち、温度勾配を有する冷媒をテストチャンバの冷却回路内で使用することは忌避される。
【００１０】
さらに、非共沸混合冷媒を連続して蒸発させる冷却デバイスが知られている。これは、冷媒の成分を膨張部によって次々と蒸発させることを意味する。この種の冷却デバイスはまた、混合流体カスケードシステムと呼ばれ、実質的に静的な低温度を実現するのに適している。
【００１１】
WO 2017/157864 A1は、特に成分として二酸化炭素およびペンタフルオロエタンを含む冷媒を開示する。この冷媒に対して、例えば、二酸化炭素の範囲が３０〜７０重量％、ペンタフルオロエタンの範囲が２０〜８０重量％であることが示されている。また、共に混合されるものとしてジフルオロメタンが開示されている。
【００１２】
DE 41 16 274 A1は、共に混合されるものとして二酸化炭素およびジフルオロメタンを含む冷媒に関する。例えば、二酸化炭素の質量分率が５〜５０重量％であり、ジフルオロメタンの質量分率が２５〜７０重量％であることが示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、少なくとも−６０℃以下の温度を環境にやさしく、安全に達成できる、冷却デバイス用の冷媒、冷媒を有するテストチャンバ、および冷媒の使用を提案することである。
【００１４】
この目的は、請求項１の特徴を有する冷媒、請求項１５の特徴を有するテストチャンバ、および請求項１６の特徴を有する冷媒の使用によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
少なくとも１つの熱交換器を有する冷却回路を備える冷却デバイス用の、本発明に係る冷媒において、冷媒は、熱交換器において相転移し、冷媒は、所定質量分率の二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、および少なくとも１つの他の成分を含む混合冷媒であり、混合冷媒における二酸化炭素の質量分率は、６０質量％以下であり、ペンタフルオロエタンの質量分率は、１１〜７２質量％であり、他の成分は、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンであり、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンの質量分率は、５１質量％以下である。
【００１６】
本願優先日における最新版の独工業規格ＤＩＮ  ８９６０によると、二酸化炭素（ＣＯ２）は、Ｒ７４４と呼ばれる冷媒または成分として知られ、ペンタフルオロエタン（Ｃ２ＨＦ５）は、呼称Ｒ１２５で知られ、ジフルオロメタン（ＣＨ２Ｆ２）は、呼称Ｒ３２で知られ、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（Ｃ３Ｈ２Ｆ４）は、呼称Ｒ１２３４ｙｆで知られ、フルオロメタン（ＣＨ３Ｆ）は、呼称Ｒ４１で知られ、エタン（Ｃ２Ｈ６）は、呼称Ｒ１７０で知られ、１，１−ジフルオロエテン（Ｃ２Ｈ２Ｆ２）は、呼称Ｒ１１３２ａで知られ、エテン（Ｃ２Ｈ４）は、呼称Ｒ１１５０で知られ、フルオロエテン（Ｃ２Ｈ３Ｆ）は、呼称Ｒ１１４１で知られ、プロパン（Ｃ３Ｈ８）は、呼称Ｒ２９０で知られ、プロペン（Ｃ３Ｈ６）は、呼称Ｒ１２７０で知られ、フルオロエタン（ＣＨ２ＦＣＨ３）は、呼称Ｒ１６１で知られている。
【００１７】
本発明は、二酸化炭素と、ＧＷＰが低く、不燃性であるか、または限られた程度だけ可燃性である１つ以上のフッ素化冷媒との混合冷媒を提供する。二酸化炭素の割合は、できるだけ低くする必要がある。なぜなら、そのようにしなければ、混合冷媒の凝固点が二酸化炭素の質量分率が大きくなるにつれ上昇するからである。しかし、二酸化炭素の質量分率が低くなると、二酸化炭素によるＧＷＰ低減効果が小さくなる。このため、部分的にフッ素化された冷媒は、改善された難燃効果を有しながらも、二酸化炭素よりも著しく高いＧＷＰを有する。特に、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、および２，３，３，３−テトラフルオロプロペンは、フッ素原子を著しく多く含むので、ＧＷＰが望ましくないほど高くなる。しかし、驚くべきことに、質量分率が６０質量％以下の二酸化炭素、１１〜７２質量％のペンタフルオロエタン、および５１質量％以下の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンを含む混合冷媒を用いて、十分に低いＧＷＰ（例えば２１０３未満）を達成できることを見出した。また、ペンタフルオロエタンの難燃効果は、二酸化炭素と比較して大きいことを見出した。さらに、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンを混合冷媒の第３成分として加えることによって、ペンタフルオロエタンおよび二酸化炭素の負の性質を低減できる。したがって、ペンタフルオロエタンおよび２，３，３，３−テトラフルオロプロペンを含む混合冷媒は、不燃性に分類できる。同時に、ジフルオロメタンおよび２，３，３，３−テトラフルオロプロペンは、ペンタフルオロエタンを併用する場合と比べて、二酸化炭素を併用すると凝固温度が低くなる。よって、ペンタフルオロエタン、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン、および二酸化炭素の混合物は、ペンタフルオロエタンおよび二酸化炭素だけの場合と比べて、低い凝固温度を達成できる。したがって、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンは、混合冷媒の凝固点を著しく低下させるが、混合冷媒を不燃性にするためには、所定質量分率の二酸化炭素が必要である。しかし、同時に、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンは、高い最終圧縮温度を招き、可燃性である。このため、２，３，３，３−テトラフルオロプロペンは、限定的ではあるが二酸化炭素に対して単独で混合することに適する。ペンタフルオロエタンは、混合冷媒の凝固点を２，３，３，３−テトラフルオロプロペンほど大きくは低減できないが、二酸化炭素よりも大きな難燃効果を有するという利点がある。
【００１８】
よって、混合冷媒は、３成分混合物であってもよい。
【００１９】
好適には、混合冷媒における二酸化炭素の質量分率は、１５〜４５質量％であってもよい。
【００２０】
特に好適には、混合冷媒における二酸化炭素の質量分率は、１５〜４５質量％であってもよい。
【００２１】
混合冷媒における２，３，３，３−テトラフルオロプロペンの質量分率は、６〜３６質量％であってもよい。この質量分率の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンの場合、二酸化炭素は、特に好適なやり方でペンタフルオロエタンと混合可能である。混合冷媒の凝固点は、上記の成分を加えることによって著しく低減できる。この低減は、混合冷媒の凝固点が意図される蒸発温度よりも低くなり、同時に、蒸発温度に対応づけられた蒸気圧が周囲圧力よりも高くなってもよいか、またはわずかだけ低くなってもよいように設定できる。
【００２２】
好適には、混合冷媒におけるフルオロメタンの質量分率は、１６〜２６質量％であってもよい。
【００２３】
好適には、ペンタフルオロエタンの質量分率は、２６〜５７質量％であってもよい。ペンタフルオロエタンは、不燃性である。このことは、上記最小量のペンタフルオロエタンおよび二酸化炭素を含む混合物は、すべて不燃性であることを意味する。凝固点は、ジフルオロメタンだけの場合と比べて同程度には低減されない。ペンタフルオロエタンのＧＷＰの値３１５０は、他の可能な成分よりも著しく高い。したがって、混合冷媒のＧＷＰを低減するために、ペンタフルオロエタンは、混合冷媒において他の物質と部分的に置き換えてもよい。ペンタフルオロエタンの難燃効果は、二酸化炭素よりも大きい。このことは、混合冷媒における二酸化炭素の質量分率を低減することができ、それにより、凝固点をさらに降下させ、なおも不燃性を確保するが、ＧＷＰを上昇させる。
【００２４】
特に好適には、ペンタフルオロエタンの質量分率は、３６〜４７質量％であってもよい。この場合、冷媒のＧＷＰは、なおさらに低減できる。
【００２５】
さらに、冷媒は、所定質量分率のジフルオロメタンを含んでもよい。この場合、ジフルオロメタンの質量分率は、３０質量％以下であってもよい。したがって、混合冷媒において、また、所定の質量分率の冷媒Ｒ４１０Ａを少なくとも部分的に使用してもよい。冷媒Ｒ４１０Ａは、同じ質量分率のペンタフルオロエタンおよびジフルオロメタンを含む。冷媒Ｒ４１０Ａは、既製の混合冷媒であり、容易に購入できる。このことは、冷媒は、二酸化炭素とＲ４１０Ａおよび２，３，３，３−テトラフルオロプロペンとを簡単に部分的に混合することによって、費用対効果よくかつ簡単に用意できることを意味する。
【００２６】
好適には、ジフルオロメタンの質量分率は、２１質量％以下である。
【００２７】
特に好適には、ジフルオロメタンの質量分率は、３〜１１質量％である。
【００２８】
この場合、混合冷媒は、二酸化炭素、ペンタフルオロエタン、および２，３，３，３−テトラフルオロプロペンのみからなってもよい。二酸化炭素の質量分率が３５質量％以上であれば、混合冷媒が不燃性に分類されるのに十分である。
【００２９】
したがって、また、混合冷媒がフルオロメタン、エタン、１，１−ジフルオロエテン、エテン、フルオロエテン、エチン、プロパン、プロペン、および／またはフルオロエタンをそれぞれ、追加の成分として、３０質量％以下、好ましくは２０質量％以下、特に好ましくは１０質量％以下の質量分率で含めば、特に好適である。さらにこの比較的低い質量分率の上記成分を用いることで、冷媒の性質を向上させることができる。
【００３０】
表１に、上記実施形態に係る例を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
別の実施形態において、冷媒は、蒸発圧力が約１ｂａｒの場合に０．２〜２６．４Ｋの範囲の温度勾配を有してもよい。上述のように、二酸化炭素とペンタフルオロエタンおよび２，３，３，３−テトラフルオロプロペンとの混合物は、特に好適であることが分かっている。さらに、この混合冷媒は、凝固点が濃度に依存して低下するようになる。したがって、質量分率が上記の質量分率から離れると、異なる温度アプリケーションに対して、可燃性および不燃性混合冷媒が得られ得る。
【００３３】
冷媒は、１００年間の相対的ＣＯ２換算値が２６８１未満、好ましくは２１０３未満、特に好ましくは１６８６未満であってもよい。よって、冷媒は、環境に対する悪影響がほとんどない冷媒であり得る。
【００３４】
冷媒、不燃性であってもよい。冷媒が不燃性であれば、冷却回路およびテストチャンバは、特に、より費用対効果よく設計できる。なぜなら、冷媒が可燃性であることによる、特別な安全対策を講じる必要がないからである。この場合、冷媒は、少なくとも火災区分Ｃおよび／または冷媒安全群Ａ１に分類されないようにできる。さらに、冷却回路の出荷および搬送がより容易になる。なぜなら、搬送方式に関係なく、搬送の前に冷却回路に冷媒を充填できるからである。可燃性の冷媒が使用される場合、設置場所での立ち上げがなされるまで充填が可能でないことがある。さらに、点火源の存在下においても不燃性冷媒は使用することが可能である。
【００３５】
空調のための本発明に係るテストチャンバは、テスト空間と、テスト空間の温度を制御するための温度制御デバイスとを備える。テスト空間は、テスト材料を収容し、環境に対して絶縁可能で、かつ断熱される。テスト空間内の温度は、温度制御デバイスによって、−７０℃〜＋１８０℃の温度範囲に設定可能である。温度制御デバイスは、本発明に係る冷媒と、熱交換器と、コンプレッサと、コンデンサと、膨張部とを有する冷却回路を備える冷却デバイスを有する。本発明に係るテストチャンバの利点に関し、本発明に係る冷媒の利点の記載を参照する。
【００３６】
温度制御デバイスによって、−８０℃〜＋１８０℃、好ましくは−９０℃〜＋１８０℃、特に好ましくは−１００℃〜＋１８０℃の温度範囲の温度がテスト空間内に設定されてもよい。混合流体カスケードシステムとは異なり、冷媒に含まれるすべての成分を有する冷媒は、膨張部によって一度に蒸発できる。二酸化炭素の凝固点は、−５６．６℃であるので、含有する二酸化炭素の質量分率が大きい混合冷媒は、原理的には、−５６．６℃を下回る温度を達成することにはもはや適さない。しかし、本発明に係る冷媒を使用することによって、冷媒の露点温度を−７０℃未満にすることが達成可能になる。
【００３７】
冷却回路は、内部熱交換器を有してもよい。内部熱交換器は、膨張部の上流およびコンデンサの下流で冷却回路の高圧側、ならびにコンプレッサの上流および熱交換器の下流で冷却回路の低圧側に接続されてもよい。内部熱交換器を使用し、高圧側の液化冷媒を内部熱交換器によって冷却することによって、−５６℃を下回る温度に容易に達することができる。内部熱交換器によって冷却された冷媒の蒸発温度は、冷却されていない冷媒の蒸発温度と比べて、膨張部において低くできる。したがって、低圧側から高圧側に内部熱交換器を経由して移動する冷却容量を少なくとも部分的に、好ましくはそれのみを使用して、膨張部における冷媒の蒸発温度を低くできる。さらに、温度勾配を有する非共沸冷媒を使用することが可能になる。なぜなら、この場合、冷媒の露点温度または冷媒の露点である位置は、内部熱交換器内に移動できるからである。非共沸冷媒の温度勾配の結果として達成された冷媒の露点温度は、比較的高く、したがって熱交換器がさらに冷却することを防止し得る。
【００３８】
したがって、冷媒の一部だけが熱交換器内で蒸発し、冷媒の湿り蒸気部分の使用されなかった部分は、内部熱交換器内に移動できる。全体として、これにより、所定の質量分率の二酸化炭素を含み、環境にやさしくありながら、非共沸性を有する冷媒を使用して、テスト空間内に低温度を設定できるようになる。さらに、冷媒の温度勾配が生じている部分または湿り蒸気となっている部分がテスト空間内の熱交換器から内部熱交換器に移動する場合、非共沸冷媒を用いることによりかなり改善された温度安定性を達成できる。この場合、熱交換器から出力される冷却容量は、温度勾配の部分のみにおいて生成できる。このことは、冷却回路内の冷媒の露点の移動が熱交換器の温度安定性にほとんど影響を与えないことを意味する。さらに、この場合、１つの熱交換器を使用して、テスト空間内の流体、すなわち、空気を冷却してもよい。
【００３９】
熱交換器は、冷媒の一部だけが熱交換器内で蒸発できるような大きさにされてもよい。これにより、冷媒の露点または露点温度の位置が熱交換器を出て内部熱交換器内に移動できるという利点が得られる。非共沸冷媒の温度勾配により、熱交換器内の冷媒の部分的な蒸発は、内部熱交換器内の冷媒のそれに続く残余の蒸発よりも熱交換器内の温度を低くする。
【００４０】
テストチャンバの一実施形態において、熱交換器は、テスト空間内に配置されてもよい。この場合、熱交換器はまた、ファンによって循環する空気が熱交換器に接触するように、テスト空間の空気処理空間内に配置されてもよい。このようにして、テスト空間を循環するある量の空気をテスト空間において冷却デバイスによって熱交換器を介して直接に冷却できる。テストチャンバは、冷却回路を１つだけ有してもよい。この場合、冷却回路は、テスト空間に直接接続される。
【００４１】
テストチャンバの別の実施形態において、コンデンサは、冷却デバイスの別の冷却回路のカスケード熱交換器として実現されてもよい。したがって、テストチャンバは、少なくとも２つの冷却回路を有してもよい。この場合、冷却回路が冷却デバイスの第２段を形成し、その冷却回路の上流に配置される別の冷却回路が冷却デバイスの第１段を形成してもよい。この場合、コンデンサは、カスケード熱交換器または冷却回路のため熱交換器として機能する。テストチャンバのこの実施形態は、テスト空間において特に低い温度を設定可能にする。
【００４２】
温度制御デバイスは、ヒータと加熱熱交換器とを備える加熱デバイスをテスト空間内に有していてもよい。加熱デバイスは、テスト空間内の温度を加熱熱交換器によって上昇させることができるように加熱熱交換器を加熱する電気抵抗ヒータとしてもよい。熱交換器および加熱熱交換器が制御デバイスによって特別に制御され、テスト空間内を循環する空気を冷却または加熱できる場合、上記温度範囲内の温度は、温度制御デバイスによってテスト空間内に設定できる。±１Ｋ、好ましくは±０．３Ｋ〜±０．５Ｋまたは±０．３Ｋ未満、である時間温度安定性が、テスト材料またはテスト材料の操作状態に関係なく、テスト期間中にテスト空間内に設定されてもよい。テスト期間は、全テスト期間の一区間であって、テスト材料が実質的に一定の温度または気候条件にさらされる期間である。加熱熱交換器は、冷却回路の熱交換器と一体であってもよく、この場合、冷媒が流れることができ、電気抵抗ヒータである加熱素子を有する共通の熱交換器本体を実現できる。コンデンサは、空気、水または他の冷却材を用いて冷却してもよい。原理的には、コンデンサは、任意の適切な流体を使用して冷却してもよい。本質的な態様は、冷媒が完全に液化されるまで凝縮できるように、コンデンサにおいて生成される熱負荷が冷却空気または冷却水を介して放出されることである。
【００４３】
少なくとも１つの制御可能な第２膨張部を有する第１バイパスが、冷却回路において実現されてもよい。この場合、第１バイパスは、内部熱交換器の上流およびコンデンサの下流で冷却回路に接続されてもよく、第１バイパスは、制御可能な、追加の内部冷却システムとして実現されてもよい。したがって、第１バイパスは、冷媒のための再注入デバイスを形成してもよい。これにより、冷媒は、低圧側で内部熱交換器における制御可能な第２膨張部から再利用され得る。この場合に、第１バイパスは、内部熱交換器の上流および熱交換器の下流で冷却回路の低圧側に接続されてもよい。第２膨張部によって冷却された（すなわち、温度レベルが低下した）冷媒は、内部熱交換器を介して導かれ、内部熱交換器の高圧側での冷媒の冷却を強化してもよい。また、内部熱交換器の冷却容量は、このようにしてさらにより精度よく制御できる。
【００４４】
少なくとも１つの第３膨張部を備える第２バイパスが冷却回路において形成されてもよい。この場合、第２バイパスは、コンデンサの下流および内部熱交換器の上流で膨張部を迂回する。冷媒の吸引ガス温度および／または吸引ガス圧力を冷却回路の低圧側においてコンプレッサの上流で制御できるように、冷媒は、第３膨張部によって計量され得る。このようにして、コンプレッサ（例えば、コンプレッサデバイスであってもよい）に起こり得る過熱およびダメージを特に防止できる。よって、コンプレッサの上流に位置する気体の冷媒は、依然として液体の冷媒を加えて第３膨張部を作動させることによって第２バイパスを介して冷却できる。第３膨張部は、制御デバイスによって作動させることができる。制御デバイス自体は、冷却回路においてコンプレッサの上流で圧力および／または温度センサーに接続される。特に好適には、第２バイパスを介して吸引ガス温度を３０℃以下に設定できる。また、冷媒は、コンプレッサの動作時間を制御できるように測定され得る。原理的には、コンプレッサまたはコンプレッサデバイスのオンオフが繰り返し切り換えられることは好ましくない。コンプレッサの耐用期間は、コンプレッサがより長期間動作すれば、長くできる。冷媒は、例えば、コンプレッサの自動停止を遅延させ、そしてコンプレッサの動作時間を長くするために、第２バイパスを介して膨張部またはコンデンサ越えて導くことができる。
【００４５】
少なくとも１つの他の膨張部を備える別のバイパスが冷却回路において形成されてもよい。この別のバイパスは、冷媒の吸引ガス温度および／または吸引ガス圧力を冷却回路の低圧側においてコンプレッサの上流で制御できるか、および／または冷却回路の高圧側および低圧側間の圧力差を等しくできるように、コンプレッサの下流およびコンデンサの上流でコンプレッサを迂回する。第２バイパスは、さらに磁気バルブなどの設定可能または制御可能なバルブを備えてもよい。高圧側および低圧側をその別の膨張部を介して接続することによって、このように圧縮された気体の冷媒がシステム停止時に冷却回路の高圧側から低圧側に徐々に流れることが確実にされる。これによりまた、膨張部が閉じられた際に、高圧側および低圧側間で圧力が徐々に等しくされることが確実にされる。その別の膨張部の断面は、高圧側から低圧側に流れる冷媒が冷却デバイスの正常動作にわずかな影響しか与えないような大きさにされてもよい。同時に、コンプレッサの上流に位置する気体の冷媒は、液体の冷媒をその別のバイパスを介して加えることによって冷却されてもよい。
【００４６】
さらに、内部熱交換器は、過冷却部または熱交換器、特にプレート熱交換器、として実現されてもよい。過冷却部は、互いに接する冷却回路の２つのライン部によって簡単に実現されてもよい。
【００４７】
膨張部は、スロットルおよび磁気バルブを有してもよい。この場合、冷媒は、スロットルおよび磁気バルブを介して測定できる。スロットルは、設定可能なバルブまたはキャピラリーであってもよい。冷媒は、磁気バルブによってスロットルを経由して送られる。磁気バルブ自体は、制御デバイスによって作動させてもよい。
【００４８】
また、温度制御デバイスは、冷却回路において、少なくとも１つの圧力センサーおよび／または少なくとも１つの温度センサーを備える制御デバイスを備えてもよい。この場合、磁気バルブは、制御デバイスによって、測定された温度および／または圧力に応じて、作動させることができる。制御デバイスは、センサーからのデータセットを処理し、磁気バルブを制御するデータ処理手段を備えてもよい。この場合、冷却デバイスの機能は、例えば、適切なコンピュータプログラムを介して、使用される冷媒に対して調節してもよい。さらに、制御デバイスは、致命的なまたは望ましくないテストチャンバの動作状態によるダメージからテストチャンバおよびテスト材料を保護するために、必要に応じて、故障を送信し、そしてテストチャンバの停止を開始してもよい。
【００４９】
本発明にしたがって、質量分率が６０質量％以下の二酸化炭素、質量分率が１１〜７２質量％のペンタフルオロエタン、および質量分率が５１質量％以下の２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（Ｃ３Ｈ２Ｆ４）を含む混合冷媒からなる冷媒を使用する場合、冷媒は、テストチャンバのテスト空間において空調のために使用される。テスト空間は、テスト材料を収容し、環境に対して絶縁可能で、かつ断熱される。テストチャンバの温度制御デバイスの冷却デバイスは、冷媒と、熱交換器と、コンプレッサと、コンデンサと、膨張部とを有する冷却回路を備え、テスト空間内において、温度を−６０℃〜＋１８０℃、好ましくは−７０℃〜＋１８０℃、特に好ましくは−８０℃〜＋１８０℃の温度範囲に設定するために使用される。
【００５０】
冷媒は、冷却回路の内部熱交換器によって冷却できる。内部熱交換器は、冷却回路の高圧側が、膨張部の上流でコンデンサの下流に接続され、かつ冷却回路の低圧側が、コンプレッサの上流で熱交換器の下流に接続される。内部熱交換器による高圧側の冷媒の冷却は、膨張部において蒸発温度を低下させるために有用である。高圧側の冷媒の蒸発温度を低下させている間、低圧側の冷媒の吸引圧力は、一定に保持できる。その場合、吸引圧力のさらなる制御や吸引圧力の関数としての膨張部の制御などの、より複雑なシステムは、必ずしも必要とされない。特に、コンプレッサは、冷却回路の動作状態に関係なく、一定の出力で動作させてもよい。ピストンポンプがコンプレッサとして使用される場合には、長い耐用期間を達成するために、ピストンポンプが長期間一定速度で動作させることが不可欠である。
【００５１】
高圧側の冷媒は、内部熱交換器によって、低圧側で、一定の吸引圧力で低圧側の冷媒によって冷却されてもよい。よって、冷媒は、膨張部から内部熱交換器まで（内部熱交換器を含む）の冷却回路の蒸発部において一定の吸引圧力で蒸発できる。冷媒の吸引圧力または蒸発圧力が一定であれば、冷媒は、低い蒸発温度の膨張部から高い蒸発温度の内部熱交換器において、冷媒の温度勾配に応じて蒸発できる。温度勾配から得られる露点温度は、冷却されるべき流体の温度またはテスト空間内の空気の温度よりも高くなり得る。同じ吸引圧力では、冷媒の蒸発温度がテスト空間において冷却されるべき空気の温度と一旦等しくなると、空気は、それ以上冷却されない。しかし、他方の熱交換器において到達した露点温度は、内部熱交換器の高圧側での冷媒の液体温度よりも低い。このことは、冷媒の液体温度をさらに低くできることを意味する。したがって、膨張部の下流での蒸発温度は、吸引圧力を変化させることなく低下させることができる。これにより、テスト空間内の空気をさらに冷却することが可能になる。
【００５２】
したがって、膨張部を経由して送られる冷媒の第１部分は、熱交換器において蒸発させることができ、冷媒の第２部分は、内部熱交換器内で蒸発させることができる。冷媒が蒸発する冷却回路の蒸発部は、膨張部から内部熱交換器まで伸びてもよい。蒸発部は、内部熱交換器の全体にわたってもよい。この場合、冷媒の露点は、コンプレッサの上流における内部熱交換器の出口に位置してもよい。第１の部分／第２の部分比は、テスト空間内または熱交換器における温度の関数として、冷却回路の動作中に変化してもよい。例えば、熱交換器の温度とテスト空間内の温度との比較的大きな温度差によって、熱交換器内の冷媒の加熱が促進されてもよい。これにより、冷媒の露点は、コンプレッサの上流における内部熱交換器の入口または熱交換器の出口に向かって移動する。この種の露点の移動は、比較的低い温度または目標温度がテスト空間内でまだ設定されていない限り、許容できる。熱交換器の温度がテスト空間内の温度に近づくとき、露点は、移動し、したがって第２の部分は、冷媒の第１部分に対して大きくなる。
【００５３】
高圧側の冷媒の蒸発温度は、自己制御により低下させることができる。熱交換器における温度に応じて、もはや蒸発していない冷媒は、熱交換器から流れ方向に放出できる。なぜなら、熱交換器における温度は、この場合、冷媒を相転移させるのにもはや十分でないからである。したがって、湿り蒸気または液体の冷媒は、内部熱交換器内で再蒸発する。なぜなら、ここで、高圧側と低圧側との間の温度差は、熱交換器における温度差よりも常に大きくできるからである。膨張部の上流での液体の冷媒の温度が内部熱交換器によって内部熱交換器における熱交換によって低減されるならば、膨張部の上流での冷媒のエネルギー密度および熱交換器においてこのように達成可能な温度差が増加する。膨張部、熱交換器および内部熱交換器の相互作用は、原理的には、制御される必要がない。
【００５４】
特に好適には、冷却デバイスは、冷媒の臨界点より下側でのみ動作する。冷却デバイスが冷媒の三重点より下側で動作する場合、冷媒が超臨界状態に達ないようにできる。したがって、冷却デバイスは、臨界状態での動作のための構成を必要としないので、冷却デバイスの製造コストが節約される。
【００５５】
特に、また、内部熱交換器によって高圧側の冷媒の蒸発温度を下げている間、一定の吸引圧力が維持されてもよい。したがって、内部熱交換器を介して高圧側の冷媒を冷却することはまた、膨張部における冷媒の蒸発温度を下げることを目的の一部として、またはそれのみのために利用できる。
【００５６】
冷媒の露点温度は、温度範囲の最低温度よりも高くてもよい。そのような場合、当該技術水準にて知られているテストチャンバにおいては、この種の冷媒を用いて温度範囲の最低温度は設定できず、冷媒の露点温度に実質的に対応する比較的より高い最低温度が設定できるだけである。しかし、本発明に係るテストチャンバにおいては、温度範囲の達成すべき最低温度よりも高い露点温度を有する冷媒を使用できる。なぜなら、高圧側の液化冷媒は、内部熱交換器によって冷却できるからである。このことは、膨張部での冷媒の蒸発温度を比較的より低くできることを意味する。
【００５７】
冷媒は、０．３〜５ｂａｒの圧力範囲内の吸引圧力または蒸発圧力で完全に蒸発させることができる。冷媒をその圧力範囲内で使用することによって、冷却回路を費用対効果よく製造できるようになる。なぜなら、冷却回路の低圧側を構成するために、特定の耐圧モジュールや構成要素を使用する必要がないからである。
【００５８】
また、冷媒は、５〜３５ｂａｒの圧力範囲内の凝縮圧力で完全に凝縮させることができる。ここで、また高圧側も、比較的より高い圧力に適合させる必要のないモジュールや構成要素を使用して構成できる。
【００５９】
使用についての他の実施形態がデバイス請求項１に従属する請求項の特徴の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、冷媒についての圧力−エンタルピー図である。
【図２】図２は、冷却デバイスの第１の実施形態の模式図である。
【図３】図３は、冷却デバイスの第２の実施形態の模式図である。
【図４】図４は、冷却デバイスの第３の実施形態の模式図である。
【図５】図５は、冷却デバイスの第４の実施形態の模式図である。
【図６】図６は、冷却デバイスの第５の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図を参照してより詳細に説明する。
【００６２】
図２は、テストチャンバ（不図示）の冷却デバイス１０の第１の実施形態を示す。冷却デバイス１０は、冷媒と、熱交換器１２と、コンプレッサ１３と、コンデンサ１４と、膨張部１５とを有する冷却回路１１を備える。コンデンサ１４は、ここでは、別の冷却回路１６によって冷却される。熱交換器１２は、テストチャンバのテスト空間（不図示）内に配置される。さらに、冷却回路１１は、内部熱交換器１９が接続される高圧側１７および低圧側１８を有する。
【００６３】
図１は、冷却回路１１において循環する冷媒についての圧力−エンタルピー図（ｌｏｇ  ｐ／ｈ図）を示す。冷媒は、非共沸冷媒である。図１および２を組み合わせて見ると、位置Ａから開始して、コンプレッサ１３の上流における冷媒が吸い込まれ、そして圧縮される。これにより、所定圧力がコンプレッサ１３の下流で達成される（位置Ｂを参照）。冷媒は、コンプレッサ１３によって圧縮された後、コンデンサ１４内で液化される（位置Ｃを参照）。冷媒は、高圧側１７で内部熱交換器１９を通って、さらに冷却され、膨張部１５の上流における位置Ｃ’に達する。内部熱交換器１９によって、熱交換器１２内で使用できない湿り蒸気領域（位置Ｅ〜Ｅ’）の部分は、冷媒の温度をさらに下げるために使用できる（位置Ｃ’〜Ｃ）。膨張部１５において、冷媒は、緩和状態となり（位置Ｃ’〜Ｄ’）、そして熱交換器１２内で部分的に液化される（位置Ｄ’〜Ｅ）。次いで、冷媒の湿り蒸気は、低圧側１８で内部熱交換器１９に入り、そこで冷媒は、露点温度または露点が位置Ｅ’に達するまで再蒸発する。したがって、冷媒の蒸発部２２の第１区分２０は、熱交換器１２の全体にわたり、蒸発部２２の第２区分２１は、内部熱交換器１９の全体にわたる。本質的な態様は、膨張部１５における蒸発温度が変化した場合でも、低圧側１８のコンプレッサ１３の吸引圧力が蒸発部２２で一定に保たれることである。
【００６４】
冷媒は、質量分率が６０質量％以下の二酸化炭素、質量分率が１１〜７２質量％のペンタフルオロエタン、および質量分率が５１質量％以下の２，３，３，３−テトラフルオロプロペンを含む混合冷媒である。原理的には、表１に上記した冷媒を冷却回路１１および以下に記載の冷却回路において使用できる。
【００６５】
図３は、自己制御を行う冷却デバイス２３の最も簡単な実施形態の模式図である。冷却デバイス２３は、熱交換器２５と、コンプレッサ２６と、コンデンサ２７と、膨張部２８と、内部熱交換器２９とを有する冷却回路２４を備える。熱交換器２５における温度に応じて、完全に蒸発していない冷媒は、熱交換器２５から逃れる。なぜなら、熱交換器２５における温度またはテスト空間（不図示）内の温度は、もはや相転移を起こすほど十分には高くないからである。この場合、依然として液体の冷媒は、内部熱交換器２９内で再蒸発する。なぜなら、そこでの温度差は、常に熱交換器２５における温度差よりも大きくなるからである。膨張部２８の上流において液体の冷媒の温度が内部熱交換器２９内での熱交換によって一旦低下すると、熱交換器２５において冷媒を用いて達成可能なエネルギー密度および温度差が増加するからである。冷却デバイス２３は、センサーなどによる複雑な制御を必要としない。
【００６６】
図４は、冷却デバイス３０を示す。冷却デバイス３０は、図３の冷却デバイスとは、第１バイパス３１および第２バイパス３２を有するという点で異なる。制御可能である第２膨張部３３が第１バイパス３１内に配置される。第１バイパス３１は、追加の内部冷却システム３４として構成される。第１バイパス３１は、内部熱交換器２９の上流のコンデンサ２７の下流の直後、ならびに熱交換器２５の下流および内部熱交換器２９の上流で冷却回路２４に接続される。したがって、第１バイパス３１は、熱交換器２５を有する膨張部２８を迂回し、内部熱交換器２９には、第２膨張部３３を介して、蒸発した冷媒を供給できる。内部熱交換器２９内に導入される吸引ガスマスフロー（ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ）は、熱交換器２５によって高吸引ガス温度が生じ得る場合、さらに第１バイパス３１によって冷却できる。このようにして、膨張部の上流での冷媒の蒸発は、排除できる。したがって、第１バイパス３１を使用して、冷却デバイス３０の負荷が変化する場合に反応できる。第２バイパス３２は、第３膨張部３５を有し、コンデンサ２７の下流および内部熱交換器２９の上流、ならびに内部熱交換器２９の下流およびコンプレッサ２６の上流で冷却回路２４に接続される。これにより、第２バイパス３２を介して、コンプレッサ２６の上流での吸引ガスマスフローを極めて十分に低減し、許容できないほど高い最終圧縮温度を回避できる。
【００６７】
図５は、別の冷却回路３７を有するという点で図４の冷却デバイスと異なる冷却デバイス３６を示す。別の冷却回路３７は、冷却回路３９のコンデンサ３８を冷却するように機能する。コンデンサ３８は、ここでは、カスケード熱交換器４０として実現される。さらに、冷却回路３９は、別の膨張部４２を有する別のバイパス４１を有する。別のバイパス４１は、コンプレッサ２６の下流およびコンデンサ３８の上流、ならびに内部熱交換器２９の下流およびコンプレッサ２６の上流で冷却回路３９に接続される。したがって、まだ液化されていないが圧縮されている冷媒は、別のバイパス４１を経由してコンプレッサ２６の上流に戻るように流れることができる。これにより、冷媒の吸引ガス温度および／または吸引ガス圧力を制御できる。
【００６８】
図６は、冷却回路４４および別の冷却回路４５ならびに、特に、冷却回路４４内の内部熱交換器４６を有する冷却デバイス３０を示す。ここでは、熱交換器４７がテストチャンバ（不図示）の断熱テスト空間内に配置される。
【図１】
2020143281.tif 000004
【図２】
2020143281.tif 000005
【図３】
2020143281.tif 000006
【図４】
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【図５】
2020143281.tif 000008
【図６】
2020143281.tif 000009
【外国語明細書】
2020143281000001.pdf