制冷剂

文档序号:1856393 发布日期:2021-11-19 浏览:32次 >En<

阅读说明:本技术 制冷剂 (Refrigerant ) 是由 克里斯蒂安·哈克 大卫·布劳费尔德 穆拉特·艾丁 于 2021-05-14 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种用于冷却装置(10)的制冷剂、一种用于调节空气的测试室以及制冷剂用于调节测试室的测试空间中的空气的用途。所述冷却装置(10)包括冷却回路(11),所述冷却回路(11)包括至少一个热交换器(12),所述冷却剂在所述热交换器中经历相变,所述制冷剂是包括一定分数的二氧化碳(CO-(2))、一定分数的1,1-二氟乙烯和一定分数的至少一种其他组分的制冷剂混合物,其中所述制冷剂混合物中二氧化碳的分数为45至90摩尔%,1,1-二氟乙烯的分数为5至40摩尔%。(The invention relates to a refrigerant for a cooling device (10), to a test chamber for conditioning air and to the use of a refrigerant for conditioning air in a test space of a test chamber. The cooling device (10) comprises a cooling circuit (11), the cooling circuit (11) comprising at least oneA heat exchanger (12) in which the coolant undergoes a phase change, the refrigerant being a refrigerant comprising a fraction of carbon dioxide (CO) 2 ) A refrigerant mixture of a fraction of 1, 1-difluoroethylene and a fraction of at least one other component, wherein the fraction of carbon dioxide in the refrigerant mixture is from 45 to 90 mole percent and the fraction of 1, 1-difluoroethylene is from 5 to 40 mole percent.)

制冷剂

技术领域

本发明涉及一种用于冷却装置的制冷剂并涉及一种具有该制冷剂的用于调节空气的测试室且涉及制冷剂用于调节测试室的测试空间中的空气的用途。

背景技术

这种制冷剂通常在冷却装置的封闭冷却回路内循环,并经历一系列不同的物质状态变化。制冷剂应当具有这样的性质,即它们可以在预定温度差内用于冷却回路。单组分制冷剂和至少两种组分的制冷剂混合物是现有技术已知的。在优先权日以前,制冷剂根据德国工业标准DIN 8960第6节的最新版本分类。

按照法律规定,制冷剂不能显著地有助于大气中臭氧的消耗或全球变暖。这意味着基本上没有氟化或氯化物质被用作制冷剂,这就是为什么天然制冷剂或气体是可选的原因。此外,制冷剂应当是不易燃的,以便不会由于必须遵守的任何安全规定而使冷却回路的填充、运输和操作复杂化。而且,如果使用易燃制冷剂,由于在这种情况下所需的构造措施,则冷却回路的生产变得更加昂贵。易燃性是指制冷剂通过释放热量与环境氧反应的性质。制冷剂是易燃的,特别是如果它在优先权日以前被分类在欧洲标准EN2的火灾等级C和DIN378等级A2、A2L和A3的最新版本中,更是如此。

此外,制冷剂应当具有相对低的CO2当量;即,相对全球变暖潜势(GWP)应当尽可能低,以便在制冷剂被释放的情况下避免对环境的间接损害。GWP指示限定质量的温室气体对全球变暖有多少贡献,二氧化碳作为参考值。该值描述了在特定时间段内的平均加温效果,出于可比性的目的在此设定了100年。关于相对CO2当量或GWP的定义,在优先权日以前可参考政府间气候变化小组(IPCC),评估报告,附录8.A,表8.A.1的最新版本。

具有低GWP(诸如<2500)的制冷剂具有以下缺点:与具有相对较高GWP的制冷剂相比,这些制冷剂倾向于在与冷却回路相关的温度范围内具有显著较低的冷容量。使用具有相对高的二氧化碳分数的制冷剂混合物可以实现更低的GWP;然而,由于混合的不同物质,这些制冷剂混合物可能具有共沸性质,这在许多冷却回路中是不希望的。

在共沸制冷剂混合物中,在称为温度滑移的温度范围内发生相变。温度滑移是指在恒压下沸腾温度和露点温度之间的差。然而,共沸制冷剂混合物通常含有高分数的不易燃组分,其特征在于相对高的GWP。初看之下,二氧化碳似乎是制冷剂混合物的合适组分,因为它是不易燃的并且具有低GWP。然而,在二氧化碳与另一组分的混合物中,必要的是,如果另一组分易燃,二氧化碳的分数必须相对较大。然而,这是不利的,因为二氧化碳具有-56.6℃的凝固温度或凝固点,这几乎不允许在高二氧化碳浓度下实现达到-60℃的温度。

而且,制冷剂的使用应该尽可能简单,即不需要冷却装置的大量技术改造。特别地,对于具有大于3K的温度滑移的制冷剂,所讨论的冷却回路的膨胀元件和热交换器或蒸发器必须被调节到制冷剂的蒸发温度,并且必须提供相应的控制。此外,必须区分设计用于冷却装置(即,在热交换器或蒸发器处的温度在较长时间段内基本恒定的冷却装置)的静态操作的制冷剂和设计用于动态冷却装置(其在热交换器处表现出相对快速的温度变化)的制冷剂。这种类型的动态冷却装置集成在例如测试室中,这意味着所使用的制冷剂必须在大的温度范围内使用。

测试室通常用于测试物体,特别是装置的物理和/或化学性质。例如,温度测试室或气候测试室是已知的,其中可以设定在-60℃至+180℃范围内的温度。在气候测试室中,可以另外设定所需的气候条件,然后将装置或测试材料暴露于该气候条件一段限定的时间。这种类型的测试室通常或有时被实现为移动装置,其仅仅经由所需的供应管线连接到建筑物并且包括控制温度和气候所需的所有模块。通常在测试空间内的循环空气管中控制保持待测试材料的测试空间的温度。循环空气管在测试空间中形成空气处理空间,用于加热或冷却流过循环空气管和测试空间的空气的热交换器设置在空气处理空间中。风扇或通风器抽吸位于测试空间中的空气并将其引导至循环空气管中的相应热交换器。这样,测试材料可被温度控制或暴露于限定的温度变化。在测试间隔期间,温度可以在测试室的最高温度和最低温度之间反复变化。例如,从EP 0 344 397 A2中已知这种类型的测试室。

在冷却回路中循环的制冷剂必须具有这样的性质,即它可以在前述温度差内用于冷却回路中。特别地,制冷剂的露点温度不能高于要实现的冷却回路的温度范围的最低温度,因为否则当制冷剂在用于冷却测试空间的热交换器中蒸发时,将不能实现最低温度。共沸制冷剂的露点温度在热交换器中紧接在膨胀元件之后达到。用于测试空间的直的冷却回路需要≤±0.5K的非常高的时间温度稳定性以精确地控制测试室的温度,这一点使用共沸制冷剂根本不能实现或者只能在有限的程度上实现。在这种情况下不能实现高温稳定性,因为由于温度差,在测试空间中的热交换器区域中,作为测试空间中的温度的函数,共沸制冷剂的露点温度或露点可能局部移动。因此,温度可能在蒸发期间发生变化,并且在热交换器处可能出现不同的温度。当使用共沸制冷剂时,维持≤±2K的空间温度分布是困难的,因为所描述的在热交换器处的温度层也可能在测试空间中出现。

制冷剂R23和R469 A尤其用作具有达到-70℃的温度的测试室的低温制冷剂。然而,R23具有14,800的GWP,这排除了此制冷剂在将来使用。尽管R469A确实具有为1347的显著更低的GWP,但它必须改造测试室的冷却回路,以便能够补偿与R23相比较低的性能以及与R23相比相对较高的温度滑移。

此外,已知其中连续蒸发共沸制冷剂混合物的冷却装置。这意味着制冷剂的组分通过膨胀元件相继蒸发。这种类型的冷却装置也被称为混合流体级联系统,并且适于实现基本静态的低温。

WO 2017/157864 A1公开了含有二氧化碳和五氟乙烷以及其他组分的制冷剂。例如,指出了制冷剂的二氧化碳范围为30至70wt%,五氟乙烷范围为20至80wt%。还公开了作为混合配物(mixing partner,或称为混合伴侣)的二氟甲烷。

DE 41 16 274 A1涉及含有二氧化碳和二氟甲烷作为混合配物的制冷剂。例如,指出了分数为5至50wt%的二氧化碳和分数为25至70wt%的二氟甲烷。

发明内容

因此,本发明的目的是提出一种用于冷却装置的制冷剂、一种具有制冷剂的测试室以及制冷剂的用途,这弥补了现有技术中已知的缺点。

该目的通过具有如下特征的制冷剂、具有如下特征的测试室以及具有如下特征的制冷剂的用途来实现。

在一个方面,提供了一种用于冷却装置的制冷剂。所述冷却装置具有冷却回路,所述冷却回路包括至少一个热交换器,所述制冷剂在所述至少一个热交换器中经历相变,所述制冷剂是包括一定分数的二氧化碳(CO2)、一定分数的1,1-二氟乙烯(C2H2F2)和一定分数的至少一种其他组分的制冷剂混合物。所述制冷剂混合物中二氧化碳的分数为45至90摩尔%,1,1-二氟乙烯的分数为5至40摩尔%。

在另一个方面,提供了一种用于调节空气的测试室。所述测试室包括:测试空间,所述测试空间用于容纳测试材料并且能够相对于环境是密封的并且是绝热的;以及温度控制装置,所述温度控制装置用于控制所述测试空间的温度,在-60℃至+180℃,优选-70℃至+180℃,特别优选-80℃至+180℃的温度范围内的温度能够借助于所述温度控制装置在所述测试空间内建立,所述温度控制装置具有冷却装置,所述冷却装置包括冷却回路,所述冷却回路具有根据前述权利要求中任一项所述的制冷剂、热交换器、压缩机、冷凝器和膨胀元件。

在又一个方面,提供了制冷剂用于调节测试室的测试空间中的空气的用途,所述制冷剂由制冷剂混合物组成,所述制冷剂混合物包括分数为45至90摩尔%的二氧化碳(CO2)、分数为5至40摩尔%的1,1-二氟乙烯(C2H2F2)和一定分数的至少一种其他组分,所述测试空间用于容纳测试材料并且相对于环境是密封的并且是绝热的,所述测试室的温度控制装置的冷却装置包括冷却回路,所述冷却回路具有所述制冷剂、热交换器、压缩机、冷凝器和膨胀元件,用于在所述测试空间内建立-60℃至+180℃,优选-70℃至+180℃,特别优选-80℃至+180℃的温度范围内的温度。

在一些实施方案中,在根据本发明的用于冷却装置的制冷剂中,所述冷却装置具有冷却回路,所述冷却回路具有至少一个热交换器,所述制冷剂在所述热交换器中经历相变,所述制冷剂是由一定分数的二氧化碳、一定分数的1,1-二氟乙烯和一定分数的至少一种其他组分组成的制冷剂混合物,其中所述制冷剂混合物中二氧化碳的分数为45至90摩尔%,1,1-二氟乙烯的分数为5至40摩尔%。

术语分数和摩尔%是指物质量分数。以摩尔%表示的范围也可以解释为以质量%表示的范围。

在本申请的优先权日之前,根据德国工业标准DIN 8960的最新版本,作为制冷剂或组分二氧化碳(CO2)的名称也为R744,五氟乙烷(C2HF5)的名称为R125,二氟甲烷(CH2F2)的名称为R32,2,3,3,3-四氟丙烯(C3H2F4)的名称为R1234yf,氟代甲烷(CH3F)的名称为R41,三氟甲烷(CHF3)的名称为R23,1,1-二氟乙烯(C2H2F2)的名称为R1132a,乙烯(C2H4)的名称为R1150,氟代乙烯(C2H3F)的名称为R1141,丙烷(C3H8)的名称为R290,丙烯(C3H6)的名称为R1270,六氟乙烷(C2F6)的名称为R116并且氟代乙烷(CH2FCH3)的名称为R161。

本发明提供二氧化碳与一种或多种氟化制冷剂的制冷剂混合物,氟化制冷剂具有低GWP并且不易燃或仅在有限程度上易燃。二氧化碳的分数必须尽可能低,因为否则制冷剂混合物的凝固点将随着二氧化碳分数的增加而升高。然而,较低的二氧化碳分数降低了二氧化碳的GWP降低效果。这就是为什么部分氟化的制冷剂具有显著高于二氧化碳的GWP,同时还具有改善的阻燃效果的原因。

令人惊讶地发现,使用含有分数为45至85摩尔%的二氧化碳、分数为5至40摩尔%的1,1-二氟乙烯和至少一种其他组分的制冷剂混合物可以实现足够低的GWP。此外,可以通过加入制冷剂混合物的第三组分来降低1,1-二氟乙烯和二氧化碳的负面性质。特别地,以与二氧化碳的指定混合比率使用1,1-二氟乙烯允许通过将其与至少一种其他组分混合而使制冷剂灵活地适应测试室中的不同应用。例如,适应现有的冷却回路,实现特定的低温温度或维持所需的温度稳定性。

有利地,制冷剂混合物中二氧化碳的分数为50至80摩尔%,优选为55至75摩尔%,并且1,1-二氟乙烯的分数为10至35摩尔%,优选为15至30摩尔%。在这种情况下,制冷剂混合物的GWP可以甚至进一步降低。

其他组分可以是六氟乙烷、二氟甲烷、五氟乙烷和/或三氟甲烷。已发现,这些组分对于使制冷剂适于不同要求是特别有利的。

制冷剂混合物中二氧化碳的分数可以为45至75摩尔%,优选为50至70摩尔%,特别优选为55至65摩尔%。

有利地,1,1-二氟乙烯的分数可以为5至40摩尔%,优选为10至35摩尔%,特别优选为20至30摩尔%。

另一组分可以是三氟甲烷或六氟乙烷,其中其分数可以为1至30摩尔%,优选为5至25摩尔%,特别是10至20摩尔%。

特别优选地,1,1-二氟乙烯的分数可以为1至30摩尔%,优选为5至25摩尔%,特别是10至20摩尔%,其中二氟甲烷和五氟乙烷可以是其他组分,并且二氟甲烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为3至23摩尔%,特别优选为8至18摩尔%,并且五氟乙烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别优选为2至12摩尔%。已发现,相比于二氧化碳,五氟乙烷的阻燃效果相对较大。同时,与五氟乙烷相比,二氟甲烷和三氟甲烷或六氟乙烷与二氧化碳表现出较低的凝固温度。虽然五氟乙烷不能如二氟甲烷与三氟甲烷或六氟乙烷那样降低制冷剂混合物的凝固点,但是相比于二氧化碳具有更大的阻燃效果,这是有利的。一个缺点在于五氟乙烷的GWP为3150,因此其可能高于制冷剂混合物的其他组分的GWP。

另一组分可以是三氟甲烷或六氟乙烷,其中其分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别优选为1至10摩尔%。

有利地,三氟甲烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为5至25摩尔%,特别优选为10至20摩尔%。

根据另一个实施方案,制冷剂混合物中二氧化碳的分数可以为55至85摩尔%,优选为60至80摩尔%,特别优选为65至75摩尔%,并且1,1-二氟乙烯的分数可以为5至35摩尔%,优选为10至30摩尔%,特别优选为15至25摩尔%。

在这种情况下,二氟甲烷和五氟乙烷可以是其他组分,并且二氟甲烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别优选为5至15摩尔%,并且五氟乙烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别是1至10摩尔%。

另一组分可以是三氟甲烷或六氟乙烷,其中其分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别是5至15摩尔%。

根据另一个实施方案,制冷剂混合物中二氧化碳的分数可以为55至90摩尔%,优选为65至80摩尔%,特别优选为70至74摩尔%,并且1,1-二氟乙烯的分数可以为5至35摩尔%,优选为10至20摩尔%,特别优选为14至18摩尔%。

在这种情况下,三氟甲烷和五氟乙烷可以是其他组分,并且三氟甲烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别优选为5至10摩尔%,并且五氟乙烷的分数可以为1至30摩尔%,优选为1至20摩尔%,特别优选为2至6摩尔%。

制冷剂混合物可以包括多至三种组分或者四种或更多种组分。因此,制冷剂混合物可以是三元制冷剂混合物或五元制冷剂混合物。可以提供的是,制冷剂混合物不含有超出此的任何更多组分。

制冷剂可以含有氟代甲烷、乙烷、2,3,3,3-四氟丙烯、乙烯、氟代乙烯、乙炔、丙烷、丙烯和/或氟代乙烷作为额外的组分,其量为各自为至多30摩尔%,优选各自为至多20摩尔%,特别优选各自为至多10摩尔%。即使利用此相对较低分数的所述一种或多种组分,也可以实现制冷剂的改善性能。

在下表中,示出了根据上述实施方案的制冷剂的示例。

在其他实施方案中,制冷剂可以具有≤5K或<5K的温度滑移。温度滑移与1巴的蒸发压力有关,并且可以在0.5K至25K之间。尤其是使用该表中所示的制冷剂1、3、5和7可以实现特别低的≤5K的温度滑移。使用该表中所示的制冷剂2、4、6和8可以实现>5K的温度滑移。使用制冷剂9,在具有使用70–74摩尔%的R744的实例中可以实现>5K的温度滑移,并且在具有使用65–80摩尔%和55–90摩尔%的R744的其他实例中可以实现<5K的温度滑移。对于温度滑移>5K的制冷剂,可能需要内部热交换器或同流换热器以进行安全操作并在冷却回路中实现<-55℃的温度。相反,对于温度滑移为≤5K的制冷剂,无需内部换热器来实现高的冷容量。然而,由于相应制冷剂在低蒸发温度下的低密度,必须改变冷却回路的管道和压缩机。与温度滑移为>5K的制冷剂相比,使用这些制冷剂,仅可能实现相对较高的温度。

制冷剂在100年内可具有2500的相对CO2当量,和/或制冷剂可以是易燃的。因此,制冷剂对环境的危害很小。

此外,制冷剂可以是特别安全的,这使得冷却回路和测试室特别地有可能更成本有效地设计,因为不必遵守制冷剂易燃性方面的特殊安全措施。

在这种情况下,制冷剂可以至少不被分类在火灾等级C和/或制冷剂安全组A1中。此外,冷却回路的运输和运送更容易,因为冷却回路可以在运送之前填充制冷剂,而与运送模式无关。如果使用易燃制冷剂,则直到在安装现场启动,才能进行填充。此外,在存在点火源的情况下可以使用不易燃制冷剂。

根据本发明的用于调节空气的测试室包括:测试空间,其用于容纳测试材料并且可以相对于环境密封并且是绝热的;以及温度控制装置,其用于控制测试空间的温度,-60℃至+180℃,优选-70℃至+180℃,特别优选-80℃至+180℃的温度范围内的温度可借助于温度控制装置在测试空间内建立,温度控制装置具有冷却装置,冷却装置包括冷却回路,所述冷却回路具有根据本发明的制冷剂、热交换器、压缩机、冷凝器和膨胀元件。关于根据本发明的测试室的优点,参考根据本发明的制冷剂的优点的描述。

与在混合流体级联系统中不同,具有制冷剂中含有的所有组分的制冷剂可以通过膨胀元件同时蒸发。由于二氧化碳的凝固点为-56.6℃,原则上,含有大分数二氧化碳的制冷剂混合物不再适于实现低于-56.6℃的温度。然而,根据本发明的制冷剂的使用允许实现低于-70℃的制冷剂的露点温度。

冷却回路可以具有内部热交换器,并且内部热交换器可以连接到膨胀元件上游和冷凝器下游的冷却回路的高压力侧且连接到压缩机上游和热交换器下游的冷却回路的低压力侧。通过使用内部热交换器和通过内部热交换器冷却高压力侧的液化制冷剂,可以容易地达到低于-56℃的温度。通过内部热交换器冷却的制冷剂的蒸发温度可以在膨胀元件处相对于未冷却的制冷剂的蒸发温度降低。从低压力侧经由内部热交换器传递到高压力侧的冷容量因此可以至少部分地、优选专门地用于降低制冷剂在膨胀元件处的蒸发温度。此外,首先可以使用具有>5K的温度滑移的制冷剂,因为在这种情况下制冷剂的露点温度的位置或制冷剂的露点可以移动到内部热交换器中。作为共沸制冷剂的温度滑移的结果,所获得的制冷剂的露点温度可以相对较高,从而防止热交换器进一步冷却。

因此,只有部分制冷剂可以在热交换器中蒸发,并且制冷剂的湿蒸气部分的不可用部分可以转移到内部热交换器中。总体上,这允许含有一定分数的二氧化碳并且在环境友好的同时具有共沸性质的制冷剂用于在测试空间中建立低温。此外,如果制冷剂的部分温度滑移或部分湿蒸气从测试空间中的热交换器转移到内部热交换器中,则利用共沸制冷剂可以实现相对改善的温度稳定性。在这种情况下,经由热交换器的冷容量输出可以仅在温度滑移的一部分中产生,这意味着冷却回路中的制冷剂的露点的移动对热交换器的温度稳定性几乎没有任何影响。此外,在这种情况下,可以使用单个热交换器来冷却流体,即测试空间中的空气。

热交换器的尺寸可以设置成使得只有部分制冷剂可以在热交换器中蒸发。这导致这样的优点,即制冷剂的露点或露点温度的位置可以移出热交换器进入内部热交换器。由于共沸制冷剂的温度滑移,在热交换器中制冷剂的部分蒸发在热交换器中实现了比随后在内部热交换器中制冷剂的剩余蒸发更低的温度。

在测试室的一个实施方案中,热交换器可以设置在测试空间中。在这种情况下,热交换器也可以设置在测试空间的空气处理空间中,使得由风扇循环的空气可以与热交换器接触。这样,测试空间的循环量的空气可以通过冷却装置经由热交换器在测试空间中直接冷却。测试室可以具有作为单独的单个冷却回路的冷却回路。在这种情况下,冷却回路直接连接到测试空间。

在测试室的另一实施方案中,冷凝器可以实现为冷却装置的另一冷却回路的级联热交换器。因此,测试室可具有至少两个冷却回路,在这种情况下,冷却回路可形成冷却装置的第二级,而设置在冷却回路上游的另一冷却回路可形成冷却装置的第一级。在这种情况下,冷凝器用作级联热交换器或用于冷却回路的热交换器。测试室的这个实施方案允许在测试空间中建立特别低的温度。

温度控制装置可以具有包括加热器的加热装置和在测试空间中的加热热交换器。加热装置可以是电阻加热器,其加热该加热热交换器,使得测试空间中的温度可以通过加热热交换器升高。如果热交换器和加热热交换器可以通过控制装置特别地控制以冷却或加热在测试空间中循环的空气,则可以通过温度控制装置在测试空间内建立上述温度范围内的温度。可以在测试间隔期间在测试空间中建立±1K,优选±0.3K至±0.5K或小于±0.3K的随时间变化的温度稳定性,而与测试材料或测试材料的操作状态无关。测试间隔是整个测试周期的一段,其中测试材料暴露于基本恒定的温度或气候条件。加热热交换器可以以这样的方式与冷却回路的热交换器结合,即,可以实现共用的热交换器主体,制冷剂可以流过热交换器主体并且热交换器主体具有电阻加热器的加热元件。冷凝器可以用空气、水或另一种冷却剂冷却。原则上,冷凝器可以使用任何合适的流体来冷却。主要方面在于,在冷凝器处产生的热负荷经由冷却空气或冷却水排出,使得制冷剂能够冷凝直到其完全液化。

具有至少一个可控第二膨胀元件的第一旁路可以在冷却回路中实现,在这种情况下,第一旁路可以连接到内部热交换器上游和冷凝器下游的冷却回路,并且第一旁路可以实现为可控的附加内部冷却系统。因此,第一旁路可以形成制冷剂的再注入装置。因此,制冷剂可以在低压力侧从可控第二膨胀元件在内部热交换器中再循环。在这种情况下,第一旁路可以连接到内部热交换器上游和热交换器下游的冷却回路的低压力侧。由第二膨胀元件冷却或使其温度水平降低的制冷剂可被引导通过内部热交换器并强化内部热交换器的高压力侧的制冷剂的冷却。而且,内部热交换器的冷却能力可以以这种方式甚至更精确地控制。

包括至少一个第三膨胀元件的第二旁路可以形成在冷却回路中,在这种情况下,第二旁路绕过冷凝器下游和内部热交换器上游的膨胀元件,并且制冷剂可以通过第三膨胀元件以这样的方式计量,即制冷剂的吸入气体温度和/或吸入气体压力可以在冷却回路的低压力侧在压缩机上游被控制。以此方式,可以尤其防止可能是例如压缩机装置的压缩机的潜在过热和损坏。因此,位于压缩机上游的气态制冷剂可以通过添加仍为液体的制冷剂来致动第三膨胀元件而经由第二旁路被冷却。第三膨胀元件可以通过控制装置来致动,第三膨胀元件本身联接到压缩机上游的冷却回路中的压力和/或温度传感器。特别有利地,可以经由第二旁路设定≤30℃的吸入气体温度。而且,制冷剂可以以能够控制压缩机的操作时间的方式计量。原则上,压缩机或压缩机装置重复地打开和关闭是不利的。如果压缩机操作更长的时间段,则可以延长压缩机的使用寿命。制冷剂可以经由第二旁路被引导经过膨胀元件或冷凝器,以便例如延迟压缩机的自动停用并且延长压缩机的操作时间。

包括至少一个另一膨胀元件的另一旁路可以形成在冷却回路中,另一旁路在压缩机的下游和冷凝器的上游绕过压缩机,其方式为使得可以在冷却回路的低压力侧在压缩机上游控制制冷剂的吸入气体温度和/或吸入气体压力,和/或可以平衡冷却回路的高压力侧和低压力侧之间的压力差。第二旁路可另外配备有可设定或可控阀,例如电磁阀。经由另一膨胀元件连接高压力侧和低压力侧确保了这样压缩的气态制冷剂在系统停止的情况下从冷却回路的高压力侧逐渐流向低压力侧。这也确保了即使当膨胀元件关闭时高压力侧和低压力侧之间的逐渐压力平衡。另一膨胀元件的截面的尺寸可以被设置成使得从高压力侧流到低压力侧的制冷剂对冷却装置的正常操作仅具有微小的影响。同时,位于压缩机上游的气态制冷剂可以通过经由另一旁路添加液体制冷剂来冷却。

此外,内部热交换器可以实现为过冷段或热交换器,特别是板式热交换器。过冷段可以简单地通过彼此接触的冷却回路的两个管线部分来实现。

膨胀元件可具有节流阀和电磁阀,在这种情况下,制冷剂可经由节流阀和电磁阀计量。节流阀可以是可设定的阀或毛细管,制冷剂经由可设定的阀或毛细管通过电磁阀被引导。电磁阀本身可以通过控制装置致动。

此外,温度控制装置可以包括控制装置,控制装置包括冷却回路中的至少一个压力传感器和/或至少一个温度传感器,在这种情况下,可以根据测量的温度和/或压力通过控制装置致动电磁阀。控制装置可以包括用于数据处理的装置,其处理来自传感器的数据集并控制电磁阀。在这种情况下,冷却装置的功能也可以通过例如适当的计算机程序调节到所使用的制冷剂。此外,如果需要,控制装置可发出故障信号并启动测试室的关闭,以保护测试室和测试材料免受由于测试室的危急或不希望的操作状态引起的损坏。

当根据本发明使用制冷剂时,制冷剂由制冷剂混合物组成,制冷剂混合物包括分数为45至90摩尔%的二氧化碳、分数为5至40摩尔%的1,1-二氟乙烯以及一定分数的另一组分,制冷剂用于调节测试室的测试空间中的空气,测试空间用于容纳测试材料并且可相对于环境密封并且是绝热的,测试室的温度控制装置的冷却装置包括冷却回路,所述冷却回路具有所述制冷剂、热交换器、压缩机、冷凝器和膨胀元件,冷却装置用于在测试空间内建立-60℃至+180℃、优选-70℃至+180℃、特别优选-80℃至+180℃的温度范围内的温度。

借助于冷却回路的内部热交换器,该内部热交换器可以连接至膨胀元件上游和冷凝器下游的冷却回路的高压力侧且连接至压缩机上游和热交换器下游的冷却回路的低压力侧,该高压力侧的制冷剂可以被冷却,借助于内部热交换器的高压力侧的制冷剂的冷却可用于降低膨胀元件处的蒸发温度。

在高压力侧的制冷剂的蒸发温度降低期间,低压力侧的制冷剂的吸入压力可以保持恒定。在这种情况下不一定需要更大的系统复杂性,例如以吸入压力的附加控制和膨胀元件根据吸入压力控制的形式。特别地,压缩机也可以在恒定输出下操作,而与冷却回路的操作状态无关。特别地,当活塞泵用作压缩机时,为了获得长的使用寿命,活塞泵必须长时间并以恒定的速度操作。

高压力侧的制冷剂可以通过内部热交换器在低压力侧以恒定吸入压力由低压力侧的制冷剂冷却。因此,制冷剂可以在冷却回路的蒸发部分上以恒定的吸入压力蒸发,冷却回路的蒸发部分从膨胀元件到内部热交换器并包括内部热交换器。如果制冷剂的吸入压力或蒸发压力恒定,则根据制冷剂的温度滑移,制冷剂可以从低蒸发温度下的膨胀元件蒸发到高蒸发温度下的内部热交换器。由温度滑移产生的露点温度可以高于待冷却流体或测试空间中的空气的温度。一旦制冷剂的蒸发温度等于测试空间中以相同吸入压力冷却的空气的温度,则空气不能被进一步冷却。然而,在另一热交换器中达到的露点温度低于内部热交换器的高压力侧的制冷剂的液体温度,这意味着制冷剂的液体温度可以进一步降低。因此,膨胀元件下游的蒸发温度可以被降低而不改变吸入压力,从而允许实现测试空间中的空气的进一步冷却。

仅一部分的制冷剂可以在热交换器中被蒸发。因此,经由膨胀元件引导的制冷剂的第一部分可以在热交换器中蒸发,并且制冷剂的第二部分可以在内部热交换器中蒸发。制冷剂在其中蒸发的冷却回路的蒸发部分可以从膨胀元件延伸到内部热交换器。蒸发部分可以穿过内部热交换器,在这种情况下,制冷剂的露点可以位于压缩机上游的内部热交换器的出口处。第一部分/第二部分比率可以在冷却回路的操作过程中作为测试空间中或热交换器处的温度的函数而改变。例如,热交换器的温度与测试空间中的温度之间相对较大的温度差可导致热交换器中制冷剂的加速加热,这导致制冷剂的露点朝向内部热交换器的入口或压缩机上游的热交换器的出口移动。只要在测试空间中还没有建立相对较低的温度或目标温度,就可以容许这种类型的露点的移动。当热交换器的温度接近测试空间中的温度时,露点移动,因此第二部分相对于制冷剂的第一部分增长。

在一定时间间隔期间,制冷剂可以在热交换器中以定时的方式被计量和蒸发。例如,膨胀元件可以是电磁阀,该电磁阀被配置为借助于控制装置来控制。电磁阀(即膨胀元件)的定时操作允许仅将少量的制冷剂有针对性地进料到热交换器中。特别地,维持低温通常仅需要低的冷容量。后者可以通过计量在热交换器处蒸发的制冷剂的量来产生。通过在一定时间间隔期间定时地打开和关闭膨胀元件,可以以特别简单的方式实现所述计量。计时地打开和关闭特别是指恒定的周期序列。

高压力侧的制冷剂的蒸发温度可以自控方式降低。根据热交换器处的温度,不再蒸发的制冷剂可以沿流动方向从热交换器排出,因为在这种情况下热交换器处的温度不再足以引起制冷剂的相变。因此,湿蒸气或液体制冷剂在内部热交换器中被再蒸发,因为这里高压力侧和低压力侧之间的温度差总是大于热交换器处的温度差。如果膨胀元件上游的液体制冷剂的温度借助于内部热交换器通过内部热交换器处的热交换而降低,则膨胀元件上游的制冷剂的能量密度和由此在热交换器处可实现的温度差增加。原则上不必控制膨胀元件、热交换器和内部热交换器的相互作用。

特别地,在通过内部热交换器降低高压力侧的制冷剂的蒸发温度期间,也可以保持恒定的吸入压力。因此,也可以部分地或专门地利用经由内部热交换器对高压力侧的制冷剂的冷却来降低制冷剂在膨胀元件处的蒸发温度。

制冷剂的露点温度可以高于温度范围的最低温度。在从现有技术已知的测试室中,在这种情况下,不能再利用这种类型的制冷剂建立温度范围的最低温度,而是建立相对较高的最低温度,该最低温度基本上对应于制冷剂的露点温度。然而,在根据本发明的测试室中,可以使用露点温度高于温度范围的可实现的最低温度的制冷剂,因为高压力侧的液化制冷剂可以通过内部热交换器冷却,这意味着制冷剂在膨胀元件处的蒸发温度可以相对较低。

制冷剂可以在0.3至5巴的压力范围内的吸入压力或蒸发压力下完全蒸发。在该压力范围内使用制冷剂允许成本有效地生产冷却回路,因为不必使用特殊的耐压模块和部件来构造冷却回路的低压力侧。

而且,制冷剂可以在5至35巴的压力范围内的冷凝压力下完全冷凝。这里,高压力侧也可以使用不必适于相对较高压力的模块和部件来构造。

根据上述特征的描述,用途的其他实施方案是显而易见的。

附图说明

在下文中,将参照附图更详细地说明本发明的优选实施方案。

图1是冷却装置的第一实施方案的示意图;

图2是制冷剂的压力-焓图;

图3是冷却装置的第二实施方案的示意图;

图4是冷却装置的第三实施方案的示意图;

图5是冷却装置的第四实施方案的示意图;

图6是冷却装置的第五实施方案的示意图;

图7是冷却装置的第六实施方案的示意图;

图8是冷却装置的第七实施方案的示意图;

图9是冷却装置的第八实施方案的示意图;

图10是冷却装置的第九实施方案的示意图;

图11是制冷剂的压力-焓图;

图12是膨胀元件的周期-时间图;

图13是用于冷却回路的温度-表面图。

具体实施方式

图1示出了测试室(未示出)的冷却装置10的第一实施方案。冷却装置10包括冷却回路11,其具有制冷剂、热交换器12、压缩机13、冷凝器14和膨胀元件15。在此情况下,冷凝器14由另一冷却回路16冷却。热交换器12设置在测试室的测试空间(未示出)中。此外,冷却回路11具有高压力侧17和低压力侧18,内部热交换器19连接到高压力侧17和低压力侧18。

图2示出了在冷却回路11中循环的制冷剂的压力-焓图(log p/h图),该制冷剂是共沸制冷剂。根据图1和图2的组合视图,从位置A开始,压缩机13上游的制冷剂被抽吸和压缩,由此根据位置B在压缩机13下游获得压力。制冷剂通过压缩机13压缩,随后在冷凝器14中根据位置C液化。制冷剂在高压力侧17通过内部热交换器19,在那里它被进一步冷却,因此到达膨胀元件15上游的位置C′处。通过内部热交换器19,热交换器12中不可用的湿蒸气区域的部分(位置E至E′)可以用于进一步降低制冷剂的温度(位置C′至C)。在膨胀元件15处,制冷剂松弛(位置C′至D′)并且在热交换器12中部分地液化(位置D′至E)。然后,制冷剂的湿蒸气在低压力侧18进入内部热交换器19,在那里制冷剂被再蒸发,直到在位置E′处达到制冷剂的露点温度或露点。因此,制冷剂的蒸发部分22的第一子部分20穿过热交换器12,蒸发部分22的第二子部分21穿过内部热交换器19。主要方面是,即使膨胀元件15处的蒸发温度改变,低压力侧18上的压缩机13的吸入压力在蒸发部分22上保持恒定。

制冷剂可以是来自上表的制冷剂2、4、6、8或9。这些制冷剂不含有超过三种的组分,并且具有>5K的高温度滑移,这就是为什么内部热交换器19对于安全操作和实现<-55℃的温度是必需的原因。如结合图1所描述的,利用这些制冷剂,在热交换器19中使用可在热交换器12处(即在测试空间(未示出)处)可使用的冷容量,以对在膨胀元件15上游的液体制冷剂进行过冷。当使用温度滑移>5K的制冷剂时,这种效果特别明显,并且因此性能的提高相应地高。经由精密传感器系统的控制是不必要的。然而,仅由于冷却回路16和冷却装置10的惯性,动态负荷变化(即温度变化)在有限程度上才是可能的。此外,位于测试空间中的制冷剂可以通过加热热交换器12而被蒸发。

图3示出了冷却装置23的最简单实施方案的示意图,冷却装置23是自控的。冷却装置23包括冷却回路24,其具有热交换器25、压缩机26、冷凝器27、膨胀元件28和内部热交换器29。取决于热交换器25处的温度,未完全蒸发的制冷剂从热交换器25逸出,因为热交换器25处或测试空间(未示出)中的温度不再高到足以引起相变。在这种情况下,仍为液体的制冷剂在内部热交换器29中被再蒸发,因为那里的温度差必须总是大于热交换器25处的温度差。一旦膨胀元件28上游的液体制冷剂的温度已经通过内部热交换器29中的热交换而降低,能量密度和利用其在热交换器25处可实现的温度差增加。冷却装置23不需要通过传感器等的精细控制。

图4示出了冷却装置30,其与图3的冷却装置的不同之处在于,其具有第一旁路31和第二旁路32。可控的第二膨胀元件33设置在第一旁路31中,第一旁路31构造成附加的内部冷却系统34。第一旁路31连接到紧邻冷凝器27下游和内部热交换器29上游以及热交换器25下游和内部热交换器29上游的冷却回路24。第一旁路31因此绕过膨胀元件28与热交换器25,内部热交换器29可经由第二膨胀元件33供应蒸发制冷剂。在可能由热交换器25引起的高吸入气体温度的情况下,引入内部热交换器29的吸入气体质量流可以另外通过第一旁路31冷却。这样,可以阻止膨胀元件上游的制冷剂蒸发。因此,第一旁路31可用于对冷却装置30的变化的负荷情况作出反应。第二旁路32具有第三膨胀元件35,并且连接到冷凝器27下游和内部热交换器29上游以及内部热交换器29下游和压缩机26上游的冷却回路24。这允许压缩机26上游的吸入气体质量流经由第二旁路32减小得足够多,以避免不允许的高最终压缩温度。

图5示出了冷却装置36,其与图4的冷却装置的不同之处在于,其具有另一旁路37。其他旁路37具有另一膨胀元件38,并且连接至在冷凝器27下游且在内部热交换器29上游以及在内部热交换器29下游且在压缩机26上游的冷却回路24。

第一旁路31使得可以应对不断变化的负荷情况。因此,在可能由热交换器25引起的高吸入气体温度的情况下,可以将吸入气体质量流引入到内部热交换器19中,并额外地通过经由第一旁路31的再次注入进行冷却。因此,可以确保在膨胀元件28的上游不可能发生蒸发。此外,经由其他旁路37的再次注入可以将压缩机26上游的吸入气体温度降低得足够低,从而避免了过高的压缩端温度。这使得即使在高度动态负荷变化的情况下,也可以将具有>5K的温度滑移的制冷剂用于低温应用。

图6示出了冷却装置39,其与图5的冷却装置的不同之处在于,它具有另一冷却回路40。其他冷却回路40用于冷却冷却回路42的冷凝器41。冷凝器41在此情况下作为级联热交换器43实现。

图7示出了冷却装置44,该冷却装置44具有冷却回路45和另一冷却回路46,以及特别是在冷却回路45中的内部热交换器47。在此情况下,热交换器48设置在测试室(未示出)的绝热测试空间中。

图8示出了没有内部热交换器的冷却装置49的最简单实施方案的示意图。冷却装置49的冷却回路50利用压缩机51、冷凝器52、膨胀元件53和在测试室(未示出)的绝热测试空间中的热交换器54实现。

在冷却回路50中循环的制冷剂可以是来自上表中的制冷剂1、3、5、7和9中的一个。这些制冷剂具有≤5K的温度滑移,这是为什么对于安全操作和实现<55℃的温度不需要内部热交换器的原因。相应制冷剂的低密度使得压缩机51以及冷却回路50的管道在低蒸发温度的情况下有必要进行相应地改变。

图9示出了冷却装置55,其与图8的冷却装置的不同之处在于,设置了具有第一膨胀元件57的第一旁路56和具有第二膨胀元件59的第二旁路58。第一旁路56和第二旁路58可以如结合图4所描述的使用。因此,压缩机51的吸入温度以及蒸发压力可以借助于第一膨胀元件57和第二膨胀元件59进行设定或控制。

图10示出了冷却装置60,其与图9的冷却装置的不同之处在于,它具有包括另一膨胀元件62的另一旁路61。借助于其他膨胀元件62,可以甚至进一步地降低吸入气体温度并且因此间接地进一步降低压缩端温度。

此外,基于图3和图8中所示的冷却装置,使用的制冷剂的有效温度滑移可以在所有冷却装置中被有利地降低。如可以从图11的线图中看到的,温度滑移不是线性的,主要是在温度滑移为>5K的制冷剂中。在图11中,箭头63标记了冷却回路的穿过测试空间中的热交换器的管段。热交换器中的有效温度滑移的降低可以使测试空间温度稳定。例如,通过利用压缩机吸入管线中的制冷剂的过热而实现完全蒸发。此外,通过有针对性地对制冷剂进行再加热或通过使用液体分离器,可以理想地利用制冷剂中含有的能量,以便提高安装效率。

图12中所示出的线图示出了作为另一个有利的措施的在一定时间间隔期间定时地打开和关闭膨胀元件。以这种方式,当仅需要相对较低的冷容量以维持温度时,就可以将在热交换器上蒸发的少量制冷剂进料到该热交换器中。

图13中所示出的线图示出了在压缩机的吸入管线66中利用制冷剂的过热。箭头64标记热交换器,更确切地说是当制冷剂通过在吸入管线上游的热交换器表面65(更确切地说是其表面66)时的温度升高的过程。借助电子膨胀元件,在热交换器的下游降低温度,同时确保吸入管线中的过热。

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