(57)【要約】  本発明は、試験材料を受け入れるのに役立ち、環境に対して密閉することができ、断熱されている、試験室の試験空間内の空気を調整する方法と、試験室とに関する。−２０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度が試験室の温度制御装置の冷却装置１０によって試験空間内に確立される。冷却装置は、冷媒と、熱交換器１２と、圧縮機１３と、凝縮器１４と、膨張要素１５とを有する冷却回路１１を具備する。膨張要素の上流かつ凝縮器の下流の冷却回路の高圧側１７と、圧縮機の上流かつ熱交換器の下流の冷却回路の低圧側１８とに接続される冷却回路の内部熱交換器１９が、高圧側の冷媒を冷却するために使用される。非共沸冷媒が冷媒として使用され、内部熱交換器による高圧側の冷媒の冷却が膨張要素での蒸発温度を下げるために使用される。
2020533555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験室の試験空間であって、試験材料を受け入れるのに役立ち、環境に対して密閉することができ、断熱されている試験室の試験空間内の空気を調整する方法であって、
−２０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度が前記試験室の温度制御装置の冷却装置（１０、２３、３０、３６、４３）によって前記試験空間内に確立され、
前記冷却装置は、冷媒と、熱交換器（１２、２５、４７）と、圧縮機（１３、２６）と、凝縮器（１４、２７、３８）と、膨張要素（１５、２８）とを有する冷却回路（１１、２４、３９、４４）を具備し、
前記膨張要素の上流かつ前記凝縮器の下流の冷却回路の高圧側（１７）と、前記圧縮機の上流かつ前記熱交換器の下流の前記冷却回路の低圧側とに接続される前記冷却回路の内部熱交換器（１９、２９、４６）が、前記高圧側の前記冷媒を冷却するために使用される方法において、
非共沸冷媒が前記冷媒として使用され、前記内部熱交換器による前記高圧側の前記冷媒の冷却が前記膨張要素での蒸発温度を下げるために使用されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記高圧側（１７）の前記冷媒の前記蒸発温度が低下している間、前記低圧側（１８）の前記冷媒の吸引圧力は一定に保持されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記冷媒は、前記膨張要素（１５、２８）から前記内部熱交換器（１９、２９、４６）であって、それ自体を含む内部熱交換器までの前記冷却回路（１１、２４、３９、４４）の蒸発部（２２）にて一定の吸引圧力で蒸発することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
膨張要素（１５、２８）を経由した前記冷媒の第１の部分が、前記熱交換器（１２、２５、４７）にて蒸発し、前記冷媒の第２の部分が前記内部熱交換器（１９、２９、４６）にて蒸発することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記高圧側（１７）の前記冷媒の前記蒸発温度は、自己制御的に低下することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記温度制御装置は、前記試験空間にて＋６０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度を−２０°Ｃ未満の温度に下げるために使用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記温度制御装置は、−５７°Ｃ〜＋１８０°Ｃ、好ましくは−８０°Ｃ〜＋１８０°Ｃ、特に好ましくは−１００°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度を前記試験空間にて確立するために使用されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
温度すべりが５Ｋ以上、好ましくは１０Ｋ以上、特に好ましくは２０Ｋ以上の冷媒が使用されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記冷媒は、絶対圧力０．３〜５バール（０．０３〜０．５ＭＰａ）の圧力範囲の吸引圧力で蒸発することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記冷媒は、絶対圧力５〜３５バール（０．５〜３．５ＭＰａ）の圧力範囲の凝縮圧力で凝縮することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
２０年以上にわたって、２５００未満、好ましくは５００未満、特に好ましくは１００未満の相対的なＣＯ2当量を有する不燃性冷媒が使用されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
３０〜５０質量パーセントの質量分率の二酸化炭素（ＣＯ2）と所定の質量分率の少なくとも１つの他の成分から構成される冷媒混合物が前記冷媒として使用され、前記他の成分はペンタフルオロエタン（Ｃ2ＨＦ5）及び／又はジフルオロメタン（ＣＨ2Ｆ2）であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却装置（１０、２３、３０、３６、４３）は、前記冷媒の臨界点以下でのみ動作することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
空気を調整するための試験室であって、前記試験室は、試験材料を受け入れるのに役立ち、環境に対して密閉することができ、断熱されている試験空間と、前記試験空間の温度を制御する温度制御装置とを具備し、
−２０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度が、前記温度制御装置によって前記試験空間内で確立可能であり、
前記温度制御装置は、冷媒と、熱交換器（１２、２５、４７）と、圧縮機（１３、２６）と、凝縮器（１４、２７、３８）と、膨張要素（１５、２８）とを有する冷却回路（１１、２４、３９、４４）を具備する冷却装置（１０、２３、３０、３６、４３）を有し、
前記冷却回路は内部熱交換器（１９、２９、４６）を有し、
前記内部熱交換器は、前記膨張要素の上流かつ前記凝縮器の下流の前記冷却回路の高圧側（１７）と、前記圧縮機の上流かつ前記熱交換器の下流の前記冷却回路の低圧側（１８）とに接続される、試験室において、
前記冷媒は非共沸冷媒であり、前記高圧側の前記冷媒は、前記内部熱交換器によって前記低圧側にて一定の吸引圧力で前記低圧側の前記冷媒によって冷却可能であることを特徴とする、試験室。
【請求項１５】
前記冷媒の露点温度が前記温度範囲の最低温度よりも高いことを特徴とする、請求項１４に記載の試験室。
【請求項１６】
前記熱交換器（１２、２５、４７）は、前記熱交換器内で前記冷媒が部分的にしか蒸発することができないようなサイズであることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の試験室。
【請求項１７】
前記凝縮器（１４、２７、３８）は、前記冷却装置の別の冷却回路（３６、４３）のカスケード熱交換器（４０）として実現されることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の試験室。
【請求項１８】
前記温度制御装置は、前記試験空間にヒータと加熱熱交換器とを具備する加熱装置を有することを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の試験室。
【請求項１９】
少なくとも１つの制御可能な第２の膨張要素（３３）を有する第１のバイパス（３１）が冷却回路（２４、３９、４４）にて実現され、
前記第１のバイパスは、前記内部熱交換器（２９、４６）の上流かつ凝縮器（２７、３８）の下流の前記冷却回路に接続され、
前記第１のバイパスは追加の制御可能な内部冷却（３４）として実現されることを特徴とする、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の試験室。
【請求項２０】
少なくとも１つの第３の膨張要素（３５）を有する第２のバイパス（３２）が前記冷却回路（２４、３９、４４）にて実現され、
前記第２のバイパスは、前記凝縮器（２７、３８）の下流かつ前記内部熱交換器（２９、４６）の上流の前記膨張要素（２８）を迂回し、
冷媒は、前記圧縮機（２６）の上流の前記冷却回路の前記低圧側にて前記冷媒の吸引ガス温度及び／又は吸引ガス圧力が制御可能であるように、前記第３の膨張要素によって計量可能であることを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の試験室。
【請求項２１】
少なくとも１つの他の膨張要素（４２）を有する別のバイパス（４１）が前記冷却回路（３９）にて実現され、
前記他のバイパスは、前記冷却回路の前記低圧側での前記冷媒の吸引ガス温度及び／又は吸引ガス圧力が圧縮機の上流で制御可能であるように、かつ／又は前記冷却回路の前記高圧側と前記低圧側との間の圧力差を均等化することができるように、前記圧縮機の下流かつ前記凝縮器の上流の前記圧縮機（２６）を迂回することを特徴とする、請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の試験室。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験材料を受け入れるのに役立ち、環境に対して密閉することができ、断熱されている試験室の試験空間内の空気を調整する方法及び試験室に関する。試験室の温度制御装置の冷却装置によって試験空間内に少なくとも−２０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度が確立されている。冷却装置は、冷媒と、熱交換器と、圧縮機と、凝縮器と、膨張要素とを有する冷却回路を備える。膨張要素の上流かつ凝縮器の下流の冷却回路の高圧側と、圧縮機の上流かつ熱交換器の下流の冷却回路の低圧側とに接続された冷却回路の内部熱交換器が高圧側の冷媒を冷却するために使用される。
【背景技術】
【０００２】
この種の方法及び試験室が、典型的には、物体、特に装置の物理的特性及び／又は化学的特性を試験するために使用される。例えば、−５０°Ｃ〜＋８０°Ｃの範囲の温度を設定することができる温度試験室又は気候試験室が知られている。気候試験室では、所望の気候条件を追加設定することができる。そのとき、所望の気候条件に装置又は試験材料が規定の期間暴露される。この種の試験室が、必要な供給線を介して単に建物に接続され、温度と気候を制御するのに必要な全モジュールを備えたモバイル機器として実現されることがよくあるか、時々ある。被試験材料を保持する試験空間の温度は、典型的には、試験空間内の循環空気ダクトにて制御される。循環空気ダクトは、試験空間に空気処理空間を形成する。空気処理空間には、循環空気ダクトと試験空間とを流れる空気を加熱するか冷却するための熱交換器が配置される。ファン又は換気装置が、試験空間にある空気を吸引し、循環空気ダクト内のそれぞれの熱交換器に送る。このようにして、試験材料を、温度制御するか、規定の温度変化に暴露することができる。試験間隔では、温度が試験室の最高温度と最低温度との間で繰り返し変化する可能性がある。この種の試験室が、例えば、特許文献１（欧州特許出願公開第３４４３９７号明細書）から知られている。
【０００３】
さらに、このほか、液化冷媒を冷却するために、内部熱交換器を凝縮器の下流かつ膨張要素の上流の冷却回路の高圧側に接続することが知られている。内部熱交換器はこのほか、別の膨張弁を有するバイパスを介して冷却されてもよい。冷却回路のこのように実現された追加の内部冷却は、典型的には、冷却回路の効率を改善するか性能を向上させるのに役立つ。例えば、膨張要素での冷媒の気化温度が同じままである場合に、圧縮機の吸引圧力又は高圧側と低圧側との間の圧力差を減少させることができる。これは、エネルギーを節約する。
【０００４】
冷却回路内を循環する冷媒は、上記の温度差内で冷却回路にて使用できる性質のものである必要がある。特に、冷媒の露点温度を、達成しなければならない冷却回路の温度範囲の最低温度より高くすることはできない。なぜなら、そうしないと、試験空間を冷却するのに役立つ熱交換器内で冷媒が蒸発するときに最低温度が達成できないことになるからである。共沸冷媒（azeotropic refrigerants）の露点温度は、熱交換器の膨張要素のすぐ後ろにて達成される。試験空間の直線冷却回路には、試験室の温度を正確に制御するために非常に高い空間温度安定性が必要である。これは、非共沸冷媒（zeotropic refrigerant）ではまったく達成できないか、限られた程度にしか達成できない。この場合、温度差により試験空間内の熱交換器の領域の試験空間内の温度の関数として、非共沸冷媒の露点温度又は露点が局所的に変化する可能性があるため、高温安定性を達成することができない。それ故、試験室の冷却回路での非共沸冷媒、即ち、温度すべり（temperature glide）を有する冷媒の使用を回避する。
【０００５】
さらに、非共沸冷媒混合物が連続的に蒸発する冷却装置が知られている。これは、冷媒の成分が膨張要素によって次々と蒸発することを意味する。この種の冷却装置は混合流体カスケードシステムとも呼ばれ、実質的に静的な極低温度を実現するのに適している。動的な温度変化を実現するこができない。
【０００６】
このほか、冷媒は、上記の温度差内で冷却回路にて使用することができるような性質のものである必要がある。法規制により、冷媒は大気中のオゾン層の破壊に寄与してはならず、地球温暖化に大きく寄与してはならない。これは、冷媒としてフッ素化物質又は塩素化物質を本質的に使用することができないことを意味する。そのため、天然冷媒又はガスが一つの選択肢である。さらに、遵守する必要のある任意の安全規制によって、試験室の充填、輸送及び操作を複雑にしないために、冷媒は不燃性である必要がある。このほか、可燃性の冷媒を使用すると、その場合に必要な構造上の対策のために、冷却回路の生産がさらにコストのかかるものになる。可燃性とは、熱を放出することにより周囲の酸素と反応する冷媒の特性を指す。冷媒は、特に欧州規格ＥＮ２の火災クラスＣ及びＤＩＮ ３７８クラスＡ２、Ａ２Ｌ及びＡ３に分類されている場合、可燃性である。
【０００７】
さらに、冷媒のＣＯ2当量を比較的低くする必要がある。即ち、冷媒が放出された場合の環境への間接的な損傷を回避するために、相対的な地球温暖化係数（ＧＷＰ）を可能な限り低くする必要がある。ＧＷＰは、温室効果ガスの規定の質量がどの程度地球温暖化に寄与しているかを示し、二酸化炭素が基準値として機能する。この値は、特定の期間にわたる平均温暖化効果を表し、比較可能性のためにここでは２０年が設定されている。相対的なＣＯ2当量又はＧＷＰの定義については、気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）、評価レポート、付録８．Ａ、表８．Ａ．１を参照されたい。
【０００８】
２５００未満などのＧＷＰが低い冷媒には、ＧＷＰが比較的高めの冷媒よりも試験室に関連する温度範囲での低温容量が著しく低い傾向があるという欠点がある。二酸化炭素の質量分率が比較的高い冷媒混合物では、ＧＷＰを低くすることができる。ただし、このような冷媒混合物は、さまざまな物質が混合されているため共沸特性を有する可能性があり、これは試験室では望ましいことではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第３４４３９７号明細書
【発明の概要】
【００１０】
このため、本発明の目的は、試験室の試験空間内及び試験室内の空気を調節する方法を提案することであり、これにより、環境に優しい冷媒を用いて、高温安定性にて少なくとも−２０°Ｃまでの温度を達成することができる。
【００１１】
この目的は、請求項１の特徴を有する方法及び請求項１４の特徴を有する試験室により達成される。
【００１２】
試験材料を受け入れるのに役立ち、環境に対して密閉することができ、断熱されている、試験室の試験空間内の空気を調整する、本発明の方法では、冷媒と、熱交換器と、圧縮機と、凝縮器と、膨張要素とを有する冷却回路を備える試験室の温度制御装置の冷却装置を使用して、−２０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度を試験空間内に確立し、膨張要素の上流かつ凝縮器の下流の冷却回路の高圧側と、圧縮機の上流かつ熱交換器の下流の冷却回路の低圧側とに接続される冷却回路の内部熱交換器を使用して、高圧側の冷媒を冷却する。非共沸冷媒が冷媒として使用され、内部熱交換器による高圧側の冷媒の冷却を使用して、膨張要素での蒸発温度を下げる。
【００１３】
このため、本発明による方法では、内部熱交換器によって冷却された冷媒の蒸発温度は、非冷却冷媒の蒸発温度に対して膨張要素にて低下する。このため、内部熱交換器を介して低圧側から高圧側に伝達される低温容量は、少なくとも部分的に、好ましくは独占的に、膨張要素での冷媒の蒸発温度を低下させるために使用される。さらに、この場合、冷媒の露点温度又は冷媒の露点の位置を内部熱交換器に移行することができるため、温度すべりを有する非共沸冷媒の使用が最初に可能になる。非共沸冷媒の温度すべりの結果として、達成された冷媒の露点温度は比較的高く、このため熱交換器の追加の冷却を妨げる場合がある。このため、本発明によれば、冷媒の一部のみが熱交換器にて蒸発し、冷媒の湿り蒸気部分の使用することができない部分が内部熱交換器に移行する。全体として、これにより、所定の質量分率のＣＯ2を含む冷媒であって、環境に優しい一方で非共沸特性を有する冷媒を、試験空間にて低温を確立するために使用することが可能になる。さらに、試験空間内の熱交換器から内部熱交換器へ温度すべりの一部又は冷媒の湿り蒸気の一部を移行させることにより、比較的改善された温度安定性を非共沸冷媒によって達成することができる。熱交換器を介した低温容量出力を、温度すべりの一部のみで生成する。これは、冷却回路内の冷媒の露点の移行が熱交換器の温度安定性にほとんど影響を及ぼさないことを意味する。本発明の別の実質的な態様には、この場合、試験空間内の流体、即ち、空気を冷却するために単一の熱交換器を提供することが挙げられる。
【００１４】
高圧側の冷媒の蒸発温度が低下している間、低圧側の冷媒の吸引圧力を一定に保持することができる。その場合、吸引圧力の関数としての追加の吸引圧力の制御及び膨張要素の制御の形態などでのシステムの複雑さを増大させることは必ずしも必要ではない。特に、圧縮機はこのほか、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。特にピストンポンプを圧縮機として使用する場合、長期間の稼働を実現するために、ピストンポンプを長時間、一定速度で運転することが不可欠である。
【００１５】
冷媒は、膨張要素から内部熱交換器自体を含む内部熱交換器までの冷却回路の蒸発部にて一定の吸引圧力で蒸発することができる。冷媒の吸引圧力又は蒸発圧力が一定の場合、冷媒は、冷媒の温度すべりに応じて、低い蒸発温度の膨張要素から高い蒸発温度の内部熱交換器に至る間に蒸発することができる。温度すべりに起因する露点温度は、冷却対象の流体又は試験空間内の空気の温度よりも高い場合がある。冷媒の蒸発温度が同じ吸引圧力で試験空間にて冷却される空気の温度に等しくなると、空気はそれ以上冷却することができなくなる。ただし、他の熱交換器にて到達する露点温度は、内部熱交換器の高圧側の冷媒の液体温度よりも低い。これは、冷媒の液体温度をさらに下げることができることを意味する。このため、吸引圧力を変えることなく、膨張要素の下流の蒸発温度を下げることができ、試験空間内の空気をさらに冷却することが可能になる。原則として、吸引圧力は、性能を調整するために必要であれば、噴射される冷媒の量、即ち、膨張要素を経由する冷媒の量を変えることによって変えることができる。
【００１６】
このため、膨張要素を経由した冷媒の第１の部分を熱交換器にて蒸発させ、冷媒の第２の部分を内部熱交換器にて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を、膨張要素から内部熱交換器まで延ばしてもよい。蒸発部は、内部熱交換器を通過してもよく、その場合、冷媒の露点が、圧縮機の上流の内部熱交換器の出口に位置してもよい。第１の部分／第２の部分の比率が、冷却回路の動作中に、試験空間又は熱交換器の温度の関数として変化してもよい。例えば、熱交換器の温度と試験空間の温度との間の温度差が比較的大きいと、熱交換器内の冷媒の加熱が加速され、その結果、冷媒の露点が内部熱交換器の入口又は圧縮機の上流の熱交換器の出口に向かって移行する場合がある。露点のこの種の移行は、比較的低い温度又は目標温度が試験空間内で未だ確立されていない場合に限り、許容することができる。熱交換器の温度が試験空間内の温度に近づくと、露点が移行するため、第２の部分が冷媒の第１の部分に対して大きくなる。
【００１７】
高圧側の冷媒の蒸発温度は、自己制御方式で下げることができる。この場合、熱交換器の温度によっては、熱交換器の温度が冷媒の相転移を引き起こすのに十分ではないため、蒸発しなくなった冷媒を熱交換器から流れ方向に排出することができる。このため、ここでは高圧側と低圧側との間の温度差が常に熱交換器でのものよりも大きくなることがあるため、湿り蒸気又は液体冷媒が内部熱交換器にて再蒸発する。膨張要素の上流の液体冷媒の温度を、内部熱交換器での熱交換によって内部熱交換器を用いて低下させる場合、膨張要素の上流の冷媒のエネルギー密度、ひいては熱交換器にて達成可能な温度差が増大する。原則として、膨張要素と熱交換器と内部熱交換器との相互作用を制御する必要はない。
【００１８】
温度制御装置は、試験空間内の＋６０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度を−２０°Ｃ以下の温度に下げるために使用することができる。その場合、冷媒は熱交換器にて試験空間内の比較的高い温度によって強く加熱される。そのため、冷却回路は、少なくとも冷却回路の低圧側の構造に関して、その温度範囲で加熱された冷媒に合わせて技術的に調整されてもよい。そうでなければ、そのように加熱された冷媒を、冷却回路の高圧側で理想的に使用することができなくなる。それでも、冷媒はこのほか、試験空間内で−２０°Ｃ以下の温度を確立するために使用することができる。
【００１９】
温度制御装置は、−５７°Ｃ〜＋１８０°Ｃ、好ましくは−８０°Ｃ〜＋１８０°Ｃ、特に好ましくは−１００°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度を試験空間で確立するために、使用することができる。混合流体カスケードシステムとは異なり、冷媒に含まれる全成分を含む冷媒は、膨張要素によって一度に蒸発させることができる。ＣＯ２の凝固点は−５６．６°Ｃであるため、質量分率の大部分を占めるＣＯ２を含む冷媒混合物は、原則として−５６．６°Ｃ未満の温度を達成するのに適していない。内部熱交換器の使用と、それによる高圧側の液化冷媒の冷却とによって、この種の冷媒を使用して温度を−５６．６°Ｃ未満に到達させることができる。
【００２０】
さらに、５Ｋ以上、好ましくは１０Ｋ以上、特に好ましくは２０Ｋ以上の温度すべりを有する冷媒を使用してもよい。冷却装置を適切な方法で操作できるように、冷媒の温度すべりを３０ Ｋを超えないようにする必要がある。
【００２１】
冷媒は、絶対圧力０．３〜５バール（０．０３〜０．５ＭＰａ）の圧力範囲の吸引圧力又は蒸発圧力で蒸発させることができる。その圧力範囲内で冷媒を使用すると、冷却回路の低圧側を構築するために特別な耐圧モジュール及び耐圧部品を使用する必要がないため、冷却回路のコスト効率の高い生産が可能になる。
【００２２】
このほか、冷媒は、絶対圧力５〜３５バール（０．５〜３．５ＭＰａ）の圧力範囲の凝縮圧力で凝縮することができる。ここでも、高圧側は、比較的高めの圧力に適応する必要のないモジュールとコンポーネントを使用して構築することができる。
【００２３】
冷媒は、２０年にわたって２５００未満、好ましくは５００未満、特に好ましくは１００未満の相対的なＣＯ2当量を有する不燃性冷媒であってもよい。その結果、冷媒は環境にほとんど害を及ぼさない可能性がある。冷媒が不燃性の場合、冷媒の可燃性に関する特別な安全対策を講じる必要がないことになるため、特に試験室及び冷却回路をさらにコスト効率よく設計することができる。この場合、冷媒は少なくとも火災クラスＣ及び／又は冷媒安全グループＡ１に分類されていなくてもよい。さらに、輸送形態に関係なく、試験室は輸送前に冷媒で満たすことができるため、試験室の輸送と移送がいっそう簡単になる。可燃性冷媒を使用する場合、設置場所で起動するまで充填することができない場合がある。さらに、試験空間内に発火源が存在する状態で不燃性冷媒を使用することが可能である。その場合、試験空間の熱交換器の領域にて可燃性雰囲気を検出するためのセンサが不要である。
【００２４】
３０〜５０質量パーセントの質量分率の二酸化炭素（ＣＯ2）と、所定の質量分率の少なくとも１つの他の成分とから構成される冷媒混合物を冷媒として使用してもよい。他の成分は、ペンタフルオロエタン（Ｃ2ＨＦ5）及び／又はジフルオロメタン（ＣＨ2Ｆ2）である。二酸化炭素と１つ又は複数のフッ素化冷媒とから構成されるこの種の冷媒混合物は、ＧＷＰが低く、不燃性であるか、ある程度に可燃性が限られている場合がある。さもなければ、二酸化炭素の質量分率が増加すると冷媒混合物の凝固点が上昇するため、二酸化炭素の分率をできるだけ低くする必要がある。しかし、二酸化炭素の質量分率が低下すると、二酸化炭素のＧＷＰ削減効果が低下する。これが、部分的にフッ素化された冷媒が二酸化炭素よりもはるかに高いＧＷＰを有すると同時に、改善された難燃性効果を有する理由である。ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンは特に、かなりの量のフッ素原子を含んでおり、これは不必要に高いＧＷＰをもたらす。しかし、驚くべきことに、３０から４０質量パーセントの質量分率の二酸化炭素とペンタフルオロエタン及び／又はジフルオロメタンとを含む冷媒混合物によって、十分に低いＧＷＰ、即ち、例えば１５０未満を達成することができることがわかった。このほか、ペンタフルオロエタンの難燃効果が二酸化炭素の難燃効果よりも比較的大きいことがわかった。さらに、ペンタフルオロエタン及び二酸化炭素の負の特性は、冷媒混合物の第３の成分としてジフルオロメタンを添加することによって低減することができる。このため、ペンタフルオロエタンとジフルオロメタンとを含む冷媒混合物を不燃性として分類することができる。同時に、ジフルオロメタンでは、ペンタフルオロエタンによる凍結温度よりも二酸化炭素による凍結温度の方が低くなる。その結果、ペンタフルオロエタンとジフルオロメタンと二酸化炭素との混合物は、ペンタフルオロエタン及び二酸化炭素のみの場合よりも低い凍結温度を達成することができる。このため、ジフルオロメタンは冷媒混合物の凝固点を大幅に低下させ、冷媒混合物が不燃性になるためには、特定の質量分率の二酸化炭素が必要である。しかし、同時に、ジフルオロメタンは最終圧縮温度を高くする。これが、ジフルオロメタンが二酸化炭素の唯一の混合相手としての制限内でのみ適合している理由である。ペンタフルオロエタンは、冷媒混合物の凝固点をジフルオロメタンが下げるところまで下げることはできないが、二酸化炭素よりも大きな難燃効果があり、これは有利である。
【００２５】
特に有利には、冷却装置は、冷媒の臨界点より下でのみ動作する。冷却装置が冷媒の三重点より下で動作する場合、冷媒が超臨界状態に到達することを不可能にすることができる。このため、冷却装置は、超臨界状態で動作するように構成する必要がなく、冷却装置の製造コストを節約することができる。
【００２６】
空気を調整するための本発明の試験室は、試験材料を受け入れるのに役立ち、環境に対して密閉することができ、断熱されている試験空間と、試験空間の温度を制御する温度制御装置とを備える。−２０°Ｃ〜＋１８０°Ｃの温度範囲の温度が、温度制御装置によって試験空間内で確立可能であり、温度制御装置は、本発明による冷媒と、熱交換器と、圧縮機と、凝縮器と、膨張要素とを有する冷却回路を備える冷却装置を有し、冷却回路は内部熱交換器を有し、内部熱交換器は、膨張要素の上流かつ凝縮器の下流の冷却回路の高圧側と、圧縮機の上流かつ熱交換器の下流の冷却回路の低圧側とに接続される。冷媒は非共沸冷媒であり、高圧側の冷媒は、内部熱交換器によって低圧側にて一定の吸引圧力で低圧側の冷媒によって冷却可能である。本発明による試験室の利点に関して、本発明による方法の利点の説明を参照する。
【００２７】
特に、一定の吸引圧力はこのほか、内部熱交換器によって高圧側の冷媒の蒸発温度が低下する間、維持されてもよい。このため、内部熱交換器を介した高圧側の冷媒の冷却はこのほか、部分的又は排他的に、膨張要素での冷媒の蒸発温度を下げるために活用することができる。原則として、吸引圧力はこのほか、さらに長い期間の温度定数が試験空間にて確立されることになる場合、動的に設定されてもよい。その場合も、内部熱交換器は、主に、試験空間の温度に起因する吸引圧力に関係なく、冷媒の蒸発温度を下げる働きをする。
【００２８】
冷媒の露点温度を、温度範囲の最低温度より高くしてもよい。その場合、最新技術から知られている試験室では、温度範囲の最低温度は、この種の冷媒ではもはや確立することができないが、露点温度に実質的に相当する比較的高い最低温度は確立することができる。しかし、本発明による試験室では、高圧側の液化冷媒は内部熱交換器によって冷却することができるため、露点温度が温度範囲の達成可能な最低温度よりも高い冷媒を使用することができる。これは、膨張要素での冷媒の蒸発温度を比較的低くすることができることを意味する。
【００２９】
熱交換器は、冷媒の一部のみが熱交換器内で蒸発することができるように寸法決めされてもよい。これにより、冷媒の露点又は露点温度の位置を熱交換器から内部熱交換器に移行することができるという利点が得られる。非共沸冷媒の温度すべりのため、熱交換器内の冷媒の部分蒸発は、内部熱交換器内の冷媒の後続の残りの蒸発よりも熱交換器内の温度を低くする。
【００３０】
試験室の一実施形態では、熱交換器は試験空間に配置されてもよい。この場合、熱交換器はこのほか、ファンによって循環される空気が熱交換器と接触することができるように、試験空間の空気処理空間に配置されてもよい。このようにして、熱交換器を介した冷却装置により、試験空間の循環量の空気を試験空間にて直接冷却することができる。試験室は、唯一の単一冷却回路として冷却回路を有してもよい。この場合、冷却回路は試験空間に直接接続される。
【００３１】
試験室の別の実施形態では、凝縮器は、冷却装置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。このため、試験室は少なくとも２つの冷却回路を有してもよく、その場合、冷却回路は冷却装置の第２の段階を形成し、冷却回路の上流に配置された別の冷却回路は冷却装置の第１の段階を形成してもよい。この場合、凝縮器はカスケード熱交換器又は冷却回路の熱交換器として機能する。試験室のこの実施形態は、試験空間で特に低い温度を確立することを可能にする。
【００３２】
温度制御装置は、試験空間内にヒータ及び加熱熱交換器を備える加熱装置を有してもよい。加熱装置は、試験空間内の温度が加熱熱交換器によって上昇す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であってもよい。熱交換器及び加熱熱交換器が制御装置によって特に制御されて、試験空間で循環する空気を冷却するか加熱することができる場合、上記の温度範囲の温度を温度制御装置によって試験空間内で確立することができる。試験材料又は試験材料の動作状態に関係なく、試験間隔にて±１ Ｋ、好ましくは±０．３ Ｋ〜±０．５ Ｋ又は±０．３ Ｋ未満の経時的な温度安定性を試験空間に確立してもよい。試験間隔は、試験材料が実質的に一定の温度又は気候条件に暴露される全試験期間のうちの一区分である。加熱熱交換器は、冷媒が流通可能であり、電気抵抗ヒータの発熱体を有する共有熱交換器本体を実現することができるように、冷却回路の熱交換器と組み合わされてもよい。凝縮器は、空気、水又は別の冷却剤によって冷却されてもよい。原則として、凝縮器は適切な流体を使用して冷却することができる。必須の態様は、冷媒が完全に液化するまで凝縮することができるように、凝縮器にて発生した熱負荷が冷却空気又は冷却水を介して放出されることである。
【００３３】
少なくとも１つの制御可能な第２の膨張要素を有する第１のバイパスを冷却回路にて実現することができ、その場合、第１のバイパスは内部熱交換器の上流かつ凝縮器の下流の冷却回路に接続され、第１の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。このため、第１のバイパスは、冷媒のための再注入装置を形成してもよい。このため、冷媒は、低圧側の内部熱交換器の制御可能な第２の膨張要素から再生処理することができる。この場合、第１のバイパスは、内部熱交換器の上流かつ熱交換器の下流の冷却回路の低圧側に接続されてもよい。第２の膨張要素によって冷却されるか、温度レベルが低下した冷媒は、内部熱交換器を通って導かれ、内部熱交換器の高圧側で冷媒の冷却を強化してもよい。このほか、内部熱交換器の冷却能力を、この方法でさらに正確に制御することができる。
【００３４】
少なくとも１つの第３の膨張要素を備える第２のバイパスを冷却回路に形成してもよい。この場合、第２のバイパスは、凝縮器の下流かつ内部熱交換器の上流の膨張要素を迂回し、冷媒は、冷媒の吸引ガス温度及び／又は吸引ガス圧力を、冷却回路の低圧側の圧縮機の上流にて制御することができるように、第３の膨張要素によって測定することができる。このようにして、例えば、圧縮機装置であり得る圧縮機の潜在的な過熱及び損傷をとりわけ防止することができる。結果として、静止液体冷媒を加えることによる第３の膨張要素の作動によって、第２のバイパスを介して、圧縮機の上流に位置する気体冷媒を冷却することができる。第３の膨張要素は、制御装置によって作動させることができる。制御装置は、それ自体が圧縮機の上流の冷却回路の圧力及び／又は温度センサに結合されている。特に有利には、吸引ガス温度に対する２Ｋ〜６０Ｋの吸引ガスの過熱を、第２のバイパスを介して設定することができる。このほか、冷媒は、圧縮機の動作時間を制御することができるように、計量することができる。原則として、圧縮機又は圧縮機装置を繰り返し起動／停止することは不利である。圧縮機が動作する時間が長くなると、圧縮機の寿命が長くなる。冷媒が、例えば、圧縮機の自動停止を遅らせ、圧縮機の運転時間を延長するために、第２のバイパスを介して膨張要素又は凝縮器を通過するようにさせることができる。
【００３５】
少なくとも１つの他の膨張要素を備える別のバイパスを冷却回路に形成してもよい。この別のバイパスは、圧縮機の下流かつ凝縮器の上流の圧縮機を迂回し、冷媒の吸引ガス温度及び／又は吸引ガス圧力を、冷却回路の低圧側の圧縮機の上流にて制御することができたり、及び／又は冷却回路の高圧側と低圧側との間の圧力差を等しくすることができたりする。第２のバイパスには、電磁弁などの設定可能な弁又は制御可能な弁がさらに装備されてもよい。他の膨張要素を介して高圧側と低圧側とを接続すると、システムが停止した場合に、このように圧縮された気体冷媒が冷却回路の高圧側から低圧側に徐々に流れることを確実なものにする。これによりこのほか、膨張要素が閉じている場合でも、高圧側と低圧側との間の段階的な圧力均等化が確実なものになる。他の膨張要素の断面を、高圧側から低圧側に流れる冷媒が冷却装置の通常の動作にわずかな影響しか及ぼさないように寸法決めしてもよい。同時に、他のバイパスを介して液体冷媒を追加することにより、圧縮機の上流に位置する気体冷媒を冷却してもよい。
【００３６】
さらに、内部熱交換器は、副冷却部又は熱交換器、特にプレート式熱交換器として実現されてもよい。副冷却部は、冷却回路の互いに接触している２つの直線状区分によって簡単に実現されてもよい。
【００３７】
膨張要素は、絞り弁と電磁弁とを有してもよく、その場合、絞り弁と電磁弁とを介して冷媒を計量することができる。絞り弁は、設定可能な弁又は毛細管であってもよく、絞り弁を介して電磁弁によって冷媒が送られる。電磁弁自体は、制御装置によって作動してもよい。
【００３８】
このほか、温度制御装置は、冷却回路内に少なくとも１つの圧力センサ及び／又は少なくとも１つの温度センサを備える制御装置を備えてもよく、その場合、電磁弁を、測定された温度及び／又は圧力の関数として、制御装置によって作動することができる。制御装置は、センサからのデータのセットを処理し、電磁弁を制御するデータ処理手段を備えてもよい。この場合、冷却装置の機能をこのほか、例えば、適切なコンピュータープログラムを介して使用される冷媒に合わせて調整してもよい。さらに、制御装置は、試験室の危機的な動作状態又は望ましくない動作状態に起因する損傷から試験室及び試験材料を保護するために、必要に応じて、誤動作を通知し、試験室の運転停止を開始してもよい。
【００３９】
試験室の他の実施形態が、方法に関する請求項１に従属する請求項の特徴の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
以下、本発明の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【図１】図１は、冷媒の圧力−エンタルピー線図である。
【図２】図２は、冷却装置の第１の実施形態の概略図である。
【図３】図３は、冷却装置の第２の実施形態の概略図である。
【図４】図４は、冷却装置の第３の実施形態の概略図である。
【図５】図５は、冷却装置の第４の実施形態の概略図である。
【図６】図６は、冷却装置の第５の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図２は、（図示しない）試験室の冷却装置１０の第１の実施形態を示す。冷却装置１０は、冷媒と、熱交換器１２と、圧縮機１３と、凝縮器１４と、膨張要素１５とを有する冷却回路１１を備える。凝縮器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、試験室の（図示しない）試験空間に配置される。さらに、冷却回路１１は、高圧側１７と低圧側１８とを有し、高圧側と低圧側とに内部熱交換器１９が接続される。
【００４２】
図１は、冷却回路１１を循環する冷媒の圧力−エンタルピー線図（ｌｏｇ ｐ／ｈ線図）を示し、冷媒は非共沸冷媒である。図１と図２との組み合わせによれば、位置Ａから開始して、圧縮機１３の上流の冷媒が吸引されて圧縮され、それにより、位置Ｂが示す圧縮機１３の下流にて所定の圧力が達成される。冷媒は、圧縮機１３によって圧縮され、その後、位置Ｃが示す凝縮器１４にて液化される。冷媒は、高圧側１７の内部熱交換器１９を通過し、そこでさらに冷却され、膨張要素１５の上流の位置Ｃ´に到達する。内部熱交換器１９により、熱交換器１２にて使用することができない湿り蒸気領域の部分（位置Ｅ〜Ｅ´）を使用して、冷媒の温度をさらに下げることができる（位置Ｃ´〜Ｃ）。膨張要素１５では、冷媒は弛緩され（位置Ｃ´〜Ｄ´）、熱交換器１２にて部分的に液化される（位置Ｄ´〜Ｅ）。次に、冷媒の湿り蒸気は低圧側１８の内部熱交換器１９に流入し、そこで、冷媒は、位置Ｅ´にて冷媒の露点温度又は露点に達するまで再蒸発する。このため、冷媒の蒸発部２２の第１の小区分２０が熱交換器１２を通過し、蒸発部２２の第２の小区分２１が内部熱交換器１９を通過する。必須の態様は、膨張要素１５での蒸発温度が変化しても、低圧側１８での圧縮機１３の吸引圧力が蒸発部２２にて一定に保持されることである。
【００４３】
図３は、冷却装置２３の最も単純な実施形態の概略図を示し、冷却装置２３は自己制御式である。冷却装置２３は、熱交換器２５と、圧縮機２６と、凝縮器２７と、膨張要素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又は（図示しない）試験空間の温度が相転移を起こすほど高くないため、熱交換器２５の温度に応じて、完全に蒸発しない冷媒が熱交換器２５から漏出する。この場合、内部熱交換器２９での温度差が常に熱交換器２５での温度差よりも大きいものである必要があるため、未だ液状の冷媒が内部熱交換器２９にて再蒸発する。膨張要素２８の上流の液体冷媒の温度が内部熱交換器２９での熱交換により低下した時点で、熱交換器２５でのエネルギー密度とそれにより達成可能な温度差が増大する。冷却装置２３は、センサなどによる精緻な制御を必要としない。
【００４４】
図４は、第１のバイパス３１及び第２のバイパス３２を有するという点で図３の冷却装置と異なる冷却装置３０を示す。制御可能な第２の膨張要素３３が第１のバイパス３１に配置され、第１のバイパス３１は追加の内部冷却システム３４として構成される。第１のバイパス３１は、凝縮器２７のすぐ下流かつ内部熱交換器２９の上流と熱交換器２５の下流かつ内部熱交換器２９の上流との間にて冷却回路２４に接続される。このため、第１のバイパス３１は、熱交換器２５とともに膨張要素２８を迂回し、内部熱交換器２９は、第２の膨張要素３３を介して蒸発する冷媒を供給可能である。熱交換器２５によって引き起こされる可能性のある高い吸引ガス温度の場合、内部熱交換器２９に導入された吸引ガス質量流を第１のバイパス３１によってさらに冷却することができる。このようにして、膨張要素の上流での冷媒の蒸発を不可能にすることができる。このため、第１のバイパス３１を使用して、冷却装置３０の負荷状況の変化に対応することができる。第２のバイパス３２は、第３の膨張要素３５を有し、凝縮器２７の下流かつ内部熱交換器２９の上流と内部熱交換器２９の下流かつ圧縮機２６の上流との間で冷却回路２４に接続される。これにより、許容することができない高い最終圧縮温度を回避するために、圧縮機２６の上流の吸引ガス質量流を第２のバイパス３２を介して十分に低減することができる。
【００４５】
図５は、別の冷却回路３７を有するという点で図４の冷却装置とは異なる冷却装置３６を示す。他の冷却回路３７は、冷却回路３９の凝縮器３８を冷却するのに役立つ。凝縮器３８は、ここではカスケード熱交換器４０として実現されている。さらに、冷却回路３９は、別の膨張要素４２を有する別のバイパス４１を有する。他のバイパス４１は、圧縮機２６の下流かつ凝縮器３８の上流と内部熱交換器２９の下流かつ圧縮機２６の上流との間で冷却回路３９に接続される。このため、未だ液化されていないが圧縮された冷媒が、他のバイパス４１を介して圧縮機２６の上流に戻ることができ、それによって冷媒の吸引ガス温度及び／又は吸引ガス圧力を制御することができる。
【００４６】
図６は、冷却回路４４と、別の冷却回路４５と、特に冷却回路４４内の内部熱交換器４６とを有する冷却装置３０を示す。ここでは、熱交換器４７を、（図示しない）試験室の断熱された試験空間に配置する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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