DD141706A1 - Pruefkammer zur simulation von klimaparametern - Google Patents

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Martin Schneider
Horst Wieduwilt
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Lothar Goldschalt
Martin Schneider
Horst Wieduwilt
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pruefkammer zur Simulation extremer Klimaparameter Temperatur und Feuchte mit grossem Arbeitsbereich und hoher Praezision mit dem Ziel, dass diese extremen Klimawerte innerhalb kuerzester Zeit bei oekonomischem Energieeinsatz erzeugt und aufrechterhalten werden. Die Aufgabe besteht darin, die Fuehrung des Temperiermediums in der Pruefkammer und in dem Nutzraum zweckmaessig zu veraendern. Sie wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass zwei getrennte Umlaufe fuer das gasfoermige Temperiermedium in einem aeusseren und einem inneren Kreislauf eine bisher nicht angewendete gerichtete Fuehrung erhalten und beide Kreislaeufe untereinander verbunden werden koennen.-Figur-

Description

Titel der Erfindung
Prüfkammer zur Simulation.von Klimaparametern
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Prüfkammer zur Simulation extremer Klimaparameter Temperatur und Feuchte mit großem Arbeitsbereich und hoher Präzision.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Dem Klima mit seinen Hauptkomponenten Lufttemperatur und Luftfeuohte ist im Komplex der möglichen Umwelteinflüsse ein besonderer Bang zuzuordnen. Prüfkammern für die Umweltsimulation dienen deshalb bevorzugt der Erzeugung eines Klimas aus diesen beiden Hauptkomponenten in dem Nutzraum. Die relative Luftfeuchte stellt bei konstantem Wasserdampfge halt eine abhängige Größe der Lufttemperatur dar. Zur Erzeugung bestimmter Lufttemperaturen im Prüfraum werden verschiedene Temperiersysteme angewendet. Ihre Auswahl wird bestimmt von den geforderten Klimawerten: Temperaturbereich, Temperaturkonstanz, maximal erreichbare Luftfeuohte, Temperaturänderungsgeschwindigkeit sowie dem teohnisch-ökonomisohen Aufwand, In dem System der direkten Lufttemperierung sind Verdampfer und Heizkörper im Nutzraum abgesohirmt angeordnet und stehen über den zirkulierenden Luftstrom energiemäßig direkt mit dem Nutzraum in Verbindung. Das System der Nutzraummanteltemperierung ist gekennzeichnet durch großflächige Verdampfer und Heiz-
körper, welohe an der Außenseite des Nutzraumes angeordnet sind. Der Energiefluß erfolgt duroh die Wand des Nutzraumes, Ein weiteres System ist die indirekte Flüssigkeitstemperierung. Hierbei wird eine extern temperierte Flüssigkeit durch Kanäle in der Nutzraumwandung oder auch duroh einen Wärmeaustauscher, ver~ gleiohbar mit dem Verdampfer bei der direkten Lufttemperierung, gefördert. In dem CSSE Patent 96 808 wird die indirekte Luft temperierung mit -zwei gegenseitig getrennten Luftumlauf en angewendet, ein Umlauf für die Temperierung des Nutzraumes und der zweite Umlauf für den Wasserdampfge halt der Luft im Nutzraum. Hierfür ist in dem direkt temperierten äußeren Behälter mit Verdampfer und Heizkörper ein Nutzraum eingesetzt, der von der temperierten Luft in einfachem Kreislauf fünfseitig -ohne Türseite- umströmt wird. Die Luft mit unterschiedlichem Wasserdampfgehalt wird dem Nutzraum mit dem zweiten Umlauf von außen zugeführt und in einfacher Weise von einem Ventilator verwirbelt. Bekannt ist weiterhin die Kombination der direkten und der indirekten Lufttemperierung an Schadgas'- Prüfschränken und Phytosohränken für Planzenversuohe mit einem Umlauf für die indirekte Temperierung des Nutzraumes und einem davon abgezweigten Teilstrom für die direkte Temperierung. Hierbei ist in den direkt temperierten äußeren Behälter ein Nutzraum eingesetzt, der eine eigene Tür hat. Er wird von der temperierten und zugleich be- oder entfeuohteten Luft allseitig umströmt. Ein Teil der klimatisierten Luft des äußeren Umlaufes wird in den Nutzraum geführt und durchströmt diesen. Die Luft wird dabei in einfaoher Weise verwirbelt und nach außen abgeführt,
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Dea bekannten Temperiersystemen haftet der Mangel an, daß mit dem jeweils gewählten Temperiersystera nur in einem begrenzten Bereich der Lufttemperatur und Luftfeuohte hohe Forderungen der Konstanz und hoher Feuchten, aber keine hohen Änderungsgesohwindigkeiten erfüllt werden können, und beliebig gewählte reproduzierbare Klimawerte in dem weiten Temperaturbereich von ca« minus 1000C bis ca. 1800C mit hoher Konstanz und hoher Änderungsgesohwindigkeit einschließlich der Feuchte von ca* 98 % bei max - 8O0C nur sehr schwierig und mit hohem technisch-ökonomischem Aufwand realisiert werden können. Die direkte Lufttemperierung und die direkte Prüfraummanteltemperierung sind einfaoh im Aufbau, sie erfüllen aber nur begrenzte Forderungen hinsichtlich der Temperaturkonstanz einschließlich der gleichmäßigen Temperaturverteilung im Nutzraum und erreichbarer hoher Feuchten. Dies insbesondere, da bei dem JRegelbefehl "Kühlen" eine zeitliche Temperaturkonstanz plus der örtlichen Temperaturverteilung im Mittelwert - 0,5 K nicht erreichbar ist und weiterhin die wärmeübertragungsabhängige Temperaturdifferenz zwischen mittlerer Lufttemperatur und niedrigster Verdampferoberflächeηtemperatur bzw. Prüfraumraanteltemperatur, die während des Kühlbefehles stets > 1,0 K ist infolge begrenzter Möglichkeiten der Energieanpassung der Kühlleistung des Kältemittelverdichter einschließlich Verdampfer an den Bedarf der Kühlleistung bei der jeweiligen Prüfraumtemperatur im KLimabereioh, stabile höchste Feuohten von ca. 97 % und darüber nicht erreichbar sind. Mit der indirekten Flüssigkeitstemperierung werden gute Werte der Temperaturkonstanz, der hohen Feuchte und der gleichmäßigen Teraperaturverteilung erreicht. Nachteilig wirkt die hohe Wärmekapazität der Temperierflüssigkeit auf
öle Anderungsgeschwindigkeit der Temperatur, die im Mittelwert kleiner als bei den' direkt temperierten Prüf kammern ist. Der Temperaturbereich, ist infolge der Einsatzgrenzen der Temperierflüssigkeit begrenzt und liegt bei minus 30 Grad Celsius bis plus 100 Grad Celsius.
Die Ausführung mit zwei gegeneinander getrennten Luft-, umlaufen verbessert die Güteparameter der Temperaturdifferenz und der Erreichung hoher Feuohte im Nutzraum gegenüber den Temperiersystemen der direkten Lufttemperierung und der Nutzraummanteltemperierung. Gegenüber der indirekten Flüssigkeitstemperierung besitzt sie eine geringere Wärmekapazität und ermöglicht damit bei gleicher Energiezuführung höhere Änderungsgesohwindigkeiten. Die Verbesserung der Güteparameter, bezogen auf die Verkleinerung der Temperaturdifferenz und Erreichung hoher Feuohte wird erreicht, weil die Störeinflüsse auf den Nutzraum, -insbesondere durch den Wärmeeinfali und die Kühlwirkung des Verdampfers und des um den Nutzraum zirkulierenden temperaturgeregelten Luftstromes- in Verbindung mit dem thermischen Dämpfungsverhalten des Nutzraumes vermindert werden. . Da jedoch der um den Nutzraum zirkulierende temperaturgeregelte Luftstrom mit den Wänden des Nutzraumes eine Reihenschaltung im Wärmeaustausch darstellt, besitzen die einzelnen Wände unterschiedliche mittlere Temperaturen, die bei größeren Temperaturdifferenzen zv^isohen der Temperatur im Nutzraum und der Außentemperatur ebenfalls relativ groß werden» Extreme Klimawerte im weiten Temperaturbereich bis 180 Grad Celsius bei gleichzeitig kleiner Temperaturdifferenz im Nutzraum plus/minus 0,15 Grad Celsius können deshalb nioht erzielt werden. Da weiterhin die Änderungsgeschwindigkeit der Tem-
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peratur im Nutzraum von den beiden Größen der Wärmekapazität und des Wärmedurohganges abhängig ist, jedooh die bekannten Ausführungen bei den unterschiedlichen Betriebszuständen der Aufheizung. / Abkühlung und Sollwert - Regelung keine Veränderung des Wärmedurchganges vornehmen, tritt beim Aufheizen / Abkühlen ein zu großer Temperaturgradient-zwisohen dem äußeren Behälter und dem Nutzraum, insbesondere bei deren Einbauten, ein. Das führt zu langer Angleichzeit in der anzufahrenden Sollwerttemperatur und ist damit zeit- und energieökonomisch nachteilig.
Ziel der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Prüfkammer zur Simulation von Klimaparametern zu sohaffen, die extreme Klimawerte in einem Temperaturbereich von minus 100 Grad Celsius bis plus 180 Grad Celsius sowie einer relativen Luftfeuchte bis 97 # und darüber im Temperaturbereich von minus 30 Grad Celsius bis plus 80 Grad Celsius bei einer örtlichen plus zeitlichen Temperaturdifferenz von 0,15 Grad Celsius innerhalb kürzester Zeit bei ökonomischem Energieeinzatz erzeugt und aufrecht erhält.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Führung des Temperiermediums in der Prüfkammer um und in dem Nutzraura zweckmäßig zu verändern, damit die in der Zielstellung genannten Güteparameter der Klimakomponenten ökonomisch erreicht werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei getrennte Umläufe für das gasförmige Temperiermedium, das vorzugsweise Luft ist, in einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf eine bisher nicht angewendete gerichtete Führung der Kreisläufe erhalten und beide Kreisläufe miteinander verbunden werden können.
Zwisohen dem thermisch isolierten äußeren Behälter und drei Wänden eines inneren Behälters befindet sioh an drei Seiten mit Abstand zu beiden ein U-förmiges Leitblech und bildet so zwei Bäume. Diese stehen für einen äußeren Kreislauf miteinander in Verbindung, indem in einer Fläohe des trennenden Leitbleohes eine Öffnung mit einem Ventilator angeordnet ist und die gegenüberliegende Fläche des Leitbleohes perforiert ist. Diese perforierte Fläohe wird von einem Umlenkblech ge-* teilt. In dem Baum zwischen dem äußeren Behälter und dem Leitbleoh sind als Energieglieder Kältemittelverdampfer und elektrische Heizkörper angeordnet* Der Innere Behälter umschließt an fünf Seiten den Nutzraum» Die dadurch gebildeten zwei Eäume stehen für den inneren Kreislauf miteinander in Verbindung, indem in einer Fläche des Nutzraumes eine Öffnung mit einem Ventilator angeordnet ist und die gegenüberliegende Fläche des Nutzraumes perforiert ist* Die Ventilatoren für den äußeren und für den inneren Kreislauf befinden sich auf einer von einem Motor angetrieben gemeinsamen Welle. Eine weitere Neuheit besteht darin, daß in der Wand des inneren Behälters, welche die beiden Kreisläufe trennt, an einer Kante als Teil dieser Wand eine schwenkbare Winkelklappe angeordnet ist.
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In dem äußeren Kreislauf wird das gasförmige Temperiermedium, welohes vorzugsweise Luft ist, mittels Kältemittelverdampfer gekühlt oder duroh Heizkörper erwärmt» Der Yentilator bewegt das Temperiermedium, dessen Strömung von dem Umlenkblech geteilt wird, duroh das perforierte Leitbleoh und eine gleichmäßige Spal-tströmung umfließt allseitig parallel die Wände des inneren Behälters und die innere Tür. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des äußeren Kreislaufes wird erreicht, daß das gasförmige Temperiermedium erst nach einer Dämpfung der Regelschwankungen den inneren Behälter mit innerer Tür umströmt, wobei ein allseitiger Snergieaustausch über die Wände- mit dem ebenfalls gasförmigem Temperiermedium des inneren Kreislaufes erfolgt. Der Ventilator bewegt das Temperiermedium im inneren Kreislauf duroh die Öffnung des Nutzraumes und es strömt an fünf Seiten um den Nutzraum herum durch die·perforierte Fläohe hindurch. In dem Nutzraum bildet sioh eine gerichtete Strömung mit geringer Geschwindigkeit aus. Die erfindungsgemäße Anordnung des äußeren Kreislaufes und des inneren Kreislaufes führt die getrennten Ströme des Temperiermedium an den sie trennenden Wände des inneren Behälters im Gegenstrom aneinander vorbei« Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Temperierung ist es jetzt möglich, deren Funktionswirkung der geforderten Betriebsweise anzupassen, d.h. im Temperaturbereich von ca. minus 1000C bis ca, -1800C werden sowohl die Wirkungen der Energie impulse der Energieglieder durch die Reihenschaltung mehrerer Wärmewiderstände plus Wärmekapazitäten, wie sie der fünfseitige Mantel mit Rahmen und Tür des äußeren Raumes einschließlich den Elemen-
ten der Luftleite in richtung sowie des? Nutz* a um wiederum mit seiner Luftleiteinrichtung" unter dem Einfluß des strömenden Temperiermediums Luft darstellen, soweit ausgesiebt und in eine gleiohförmig strömende Wärmemenge umgewandelt, daß" in Nutzraummitte eine Temperaturkonstanz von SiO,1 K erreicht wird, als auoh duroh veränderte Luftführung mittels Klappensteuerung die Wärme~ ; widerstände reduziert werden und damit eine hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Weiterhin wird durch die vollständige temperaturgeregelte Luft-ümströmung der Nutzraum vollständig von den Störeinflüssen des Wärmeeinfalles bzw. der WarmeVerluste infolge der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Nutzraumtemperatur, die bei vorliegendem extrem großem Tem-Pjeraturbereioh hohe Beträge annehmen kann, abgeschirmt. Da im Nutzraum keine Energieglieder angeordnet sind -die Wände stellen die Wärmeaustausohflächen dar-, zirkuliert der Luftumlauf im Nutzraum mit geringem Druckverlust und erfordert damit nur eine kleine Lüfterleistung. Damit wird die eingetragene Wärmemenge duroh den Ventilator gering und in Verbindung mit dem von äußeren Störeinflüssen abgeschirmten Nutzraum wird die Temperaturdifferent zwisohen mittlerer Nutzraumlufttemperatur und der Nutzraumwaadungstemperatur so klein, daß in einem Temperaturbereichsumfang von 110 K als Teilbereich des gesamten Temperaturbereiches eine obere Grenzfeuohte von 98 % relo Feuchte erreicht wird. Das schließt die geringe Wärmemenge mit ein, wie sie durch dosierbare Feuohtluft der Befeuchtung in den Nutzraüm eingetragen wird. Gleichzeitig bewirkt die Abschirmung des Nutzraumes eine geringe örtliche Abweichung beliebiger Temperaturpunkte bezogen auf die Temperatur in Nutzraummitte von Sr+0,2 K im genannten Teilbereich*
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Die volle Wirkung der Wärmewiderstände plus Wärmekapazitäten wird dadurch erreicht, daß der Nutzraum nur quasi punktförmige Berührung zum äußeren Baum besitzt oder der Wärmewiderstand durch Wärmeleitung größer ist als der Wärmewiderstand durch Wärmeübertragung über das Temperiermedium Luft. Das ist auch ein Beitrag zum Gesamtergebnis. Da die Gesamtkapazität der Temperiereinrichtung bei noch höheren Güteparametern bei maximal 1/3 der Wärmekapazität flüssigkeitstemperierter Einrichtungen liegt, reduziert sich der Energiebedarf bei gleioher Anderungsgesohwindigkeit der Temperatur ebenfalls auf 1/3. Die beiden Betriebszustände Aufheizen / Abkühlen einerseits und Regelung bei der Sollwerttemperatur anderseits erfordern für eine optimale Betriebsweise - besonders bei hohen Inderungsgeschwindigkeiten - eine wirksame thermodynamische Anpassung. Diese wurde daduroh gefunden, daß der äußere und innere Kreislauf des Temperiermeäiums duroh eine schwenkbare Winkelklappe, vorzugsweise elektromagnetisch, automatisch gesteuert, abhängig vom Betriebszustand getrennt oder verbunden werden. Der Steuerbefehl wird vom Temperaturregler abgeleitet, der bei einem einstellbaren Abstand vom Sollwert ein Vorsignal abgibt und jetzt gleioh die Winkelklappe, wie auch die hohe Heiz-/ Kühlleistung für die große A'nderungsgesohwindigkeit auf die Sollwertregelung mit geringerer Heiz-/Kühlleistung umsohaltet, wobei die Winkelklappe geschlossen wird. Bei großer Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur wird der durch das Umlenkblech geteilte Luftstrom im äußerern Kreislauf über die geöffnete Winkelklappe als Teilstrom in den inneren Behälter mit dem Nutzraum geführt und naoh dessen Durohströmung wieder mit dem Teilstrom des
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äußeren Kreislaufes vereinigt. Die daduroh wirksame Verminderung des Wärniewiderstandes vermindert ebenfalls den Temperaturgradient zwisohen äußerem und innerem Behälter beim Aufheizen / Abkühlen und der gewählte Sollwert wird schneller erreicht. Auf diese Weise wird die thermödynamisohe Anpassungen den Betriebszustand erreioht. Funktionell mit der automatischer Umschaltung sind gekoppelt:
- bei hoher Änäerungsgeschwindigkeit eine hohe Heiz-/ Kühlleistung mit geöffneter Winkelklappe
- bei Sollwertregelung der Temperatur eine geringere Heiz-/ Kühlleistung mit geschlossener V/inkelklappe.
Ausführungsbeispiel
Nach Figur Ί und Figur 2 besitzt der an fünf Seiten thermisch isolierte äußere Behälter 1 an der Bedienseite den Rahmen 2 und die dioht schließende thermisoh isolierte äußere Tür 3. In diesem äußeren Behälter 1 befindet sich mit allseitigem Abstand der innere Behälter 4 und in diesem mit Abstand zu fünf Seiten der Nutzraum 10. Der innere Behälter 4 und Nutzraum 10 sind an einer Seite an dem gemeinsamen Rahmen 11 befestigt. Der Nutzraum 10 wird an dem Rahmen 11 von der Nutzr&umtür 12, welche mit der äußeren Tür 3 korrespondiert, dicht geschlossen.
Zwisohen dem Behälter 1 und der Wand des inneren Behälters 4 ist mit Abstand zu drei Flächen ein Unförmiges Leitblech 3 angeordnet, das mit seinen Kanten an dem Rahmen 2 und den beiden Seitenflächen der inneren Wand des Behälters 1 formschlüssig befestigt ist.
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In dern^äußeren Baum 20 zwisohen dem Behälter 1 und dem Leitblech 5 sind als Energieglieder Kältemittel-Verdampfer 23 und elektrische Heizkörper 24 angeordnet. In dem Leitbleoh 5 befindet sioh in einer Fläche die Öffnung 6 mit dem Ventilator 7, unä die gegenüberliegende Fläohe 8 ist perforiert, d.h. mit einer Anzahl Durchbrüohen versehen. Diese perforierte Fläche 8 wird von dem Umlenkblech 9 geteilt. Der innere Behälter 4 umschließt an fünf Seiten den Nutzraum An seiner Bedienseite befindet sich die Nutzraumtür 12. In einer Fläche der Wand des Nutzraumes -IO befindet sioh die Öffnung 14 mit dem Ventilator 15. Die gegenüberliegende Fläohe 17 des Nutzraumes 10 ist mit einer Anzahl Durchbrüchen versehen. Die Ventilatoren 7 und 15 sind auf einer von einem Motor angetriebenen gemeinsamen Welle 16 angeordnet. Die Halterung für den Behälter 4 und den Nutzraum 10 erfolgt mittels in den Seitenwänden und außen an der Schiene 27 befestigte Bolzen 28 aus wenig wärmeleitfähigem Material. Die Schiene 27 wird auf in dem Behälter 1 befestigten Auflagebolzen 29 abgestützt. Der von dem Behälter 1 mit dem Rahmen 2 und Tür 3 sowie dem Behälter 4 mit dem Rahmen 11 und der Nutzraumtür 12 begrenzte, von dem U-förmigen Leitblech 5 geteilte Raum, bildet den äußeren Kreislauf für das Temperiermedium Luft. Das von in bekannter Weise geregelten EnergiegliedesnVerdampfer 23 oder Heizkörper 24 abgekühlte oder aufgeheizte Temperier· medium wird von dem Ventilator 7 um das Leitbleoh 5 und im Gegenstrom an der Innenseite des Leitbleches um den Behälter 4 geführt. Der Behälter 4 mit dem Rahmen 11 und der Nutzraumtür 12 umschließen den inneren Kreislauf des Temperierinediums, welcher in bekannter Weise
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duroh die Luftzuführung 25 trockene oder feuohte Luft von außen erhält. Der Ventilator 15 bewegt diese duroh den Nutzraum 10 und an fünf Seiten im Gegenstrom um den Nutzraum herum. In der Wand des Behälters 4 ist die Durohgangsöffnung für die fliegend angeordnete Welle 16 größer als der Wellendurohmesser und bildet einen Eingspalt 30* Ein Teil der Luft des inneren Kreislaufes entweicht durch diesen Bingspalt in den äußeren Kreislauf und von dort duroh die Luftabfühiung 26 naoh außen. An der Kante 18 ist eine Winkelklappe 19 schwenkbar angeordnet, die als Teil des Behälters mit ihren äußeren Flächen te ilen an der Wand des Behälters dicht anliegt. Wird die Winkelklappe 19 mittels Sohwenkeinriohtung 22 geschwenkt, dann gibt sie eine Öffnung zwischen dem äußeren und dem inneren Kreislauf frei. Dieser Betriebszustand ermöglicht es$ bei Bedarf im Nutzraum eine hohe Inderungsgesohwindigkeit der Tem~ peratur zu erzielen.
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Claims (1)

  1. -« -211 fOO
    Erfindungsanspruoh
    Prüfkammer zur Simulation extremer Klimaparameter Temperatur und Feuchte mit zwei getrennten Umläufen für das gasförmige Temperiermedium, dadurch, gekennzeichnet, daß zwischen dem thermisch isolierten äußeren Behälter (1) und drei.Wänden eines fünfseitigen inneren Behälters (4) mit Abstand zu beiden Behältern ein U-förmiges Leitblech (5) angeordnet ist, das mit seinen Kanten an den beiden Seitenflächen der inneren Wand des Behälters (1) und dem Rahmen (2) für die äußere Tür (3) anliegt, und das Leitblech (5) für einen äußeren Kreislauf in der Öffnung (6) den Ventilator (7) aufnimmt und desse-n. gegenüberliegende Fläohe (8) perforiert ist, wobei diese perforierte Fläche von einem Umlenkblech (9) geteilt wird, sowie der Nutzraum (10) an fünf Fläohen mit Abstand von dem inneren Behälter umhüllt ist und beide an dem Eahmen (11) für die Nutzraumtür (12) befestigt sind, wobei die Nutzraumtür und die äußere Tür mit Abstand korrespondieren und für einen inneren Kreislauf eine Fläche der inneren Wand (13) in der Öffnung (14-) den Ventilator (15) aufnimmt, der mit dem Ventilator (7) auf einer gemeinsamen Welle (16) befestigt ist, und die gegenüberliegende Fläche (17) perforiert ist, und daß für eine wahlweise Verbindung der anlsich getrennten Kreisläufe an einer dem Umlenkblech (9) parallelen Kante (18) des Behälters (4) eine schwenkbare Winkelklappe (19) als Teil des Behälters gelagert ist.
    Hierzvi A Seite Zeichnung
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