DD141706B1 - Prüfkammer zur Simulation von Klimaparametern - Google Patents

Description

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Titel äer Erfindung

Prüfkammer zur Simulation von Kliraaparame tern

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Die Erfindung betrifft eine Prüfkammer zur Simulation extremer Klimaparameter Temperatur und Feuchte mit großem Arbeitsbereich und hoher Präzision.

^harakt^rj-sj Ik de r^ bekan η t e η te с ha is о he η Lös u η ge n

Dem Klima mit seinen Hauptkomponenten Lufttemperatur und Luftfeuchte ist im Komplex der möglichen Umwelteinflüsse ein besonderer Bang zuzuordnen. Prüfkammern für die Umweltsimulation dienen deshalb bevorzugt der Erzeugung eines Klimas aus diesen beiden Hauptkoraponenten 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» Ibre Auswahl wird bestimmt von den geforderten Klimawerten? Temperaturbereich', Temporaturkonslanz, maximal erreichbare Luftfeuchte, Temperaturänderungsgeschvrindigkeit sowie dem technisch-Ökonomischen Aufwand. In dem System der direkten Lufttemperierung sind Verdampfer und Heiakörper im Nutzraum abgeschirmt angeordnet udö stehen über den zirkuliere ηdeπ Luftstrom energiemäßig direkt mit dem Nutzraum in Verbindung. Das System der Nutsraummanteltemperierung ist gekennzeichnet durch großfläohige Verdampfer und Heiz-

körper, weIohe an der Außenseite des Nutzraumes angeordnet sind. Der Energiefluß erfolgt durch 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, vergleichbar mit dem Verdampfer bei der direkten Lufttemperierung, gefördert. In dem CSSE Patent 96 808 wird die indirekte Lufttemperierung mit -zwei gegenseitig getrenntenLuftumläufen angewendet, ein Umlauf für die Temperierung des Nutzraumes und der zweite Umlauf für den Wasserdampfgehalt 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 V/asserdampfgehalt wird dem Nutzraum mit dem zweiten Umlauf von außen zugeführt und in einfacher Welse von einem Ventilator verwirbelt. Bekannt ist weiterhin die Kombination der direkten und der indirekten Lufttemperierung an SohadgasPrüf schranken und Phytosohränken für Planzen%^rersuohe mit einem Umlauf für die indirekte Temperierung des Nutzraumes und einem davon abgezweigten Teiletrom für die direkte Temperierung. Hierbei ist in den direkt temperierten äußeren Behälter ein Nutzraum eingesetztj der eine eigene Tür hat. Er wird von der temperierten und zugleich be- oder entfeuchteten Luft allseitig umströmt. Ein Teil der klimatisiertem Luft des äußeren Umlaufes wird in den Nutzraum geführt und durchströmt diesen. Die Luft wird dabei in einfacher Weise verwirbelt und nach außen abgeführt.

Den bekannten Temperier sys t-з men haftet der Mangel an, daß mit бот jeweils gewählten Temperiersystem nur in einem begrenzten Bereich der Lufttemperatur und Luftfeuchte hohe Forderungen der Konstanz und hoher Feuchten, aber keine hohen Anderungsgesohwindigkeiten erfüllt werden können, und beliebig gewählte reproduzierbare Klimawerte in dem weiten Temperaturbereich von ca. minus 100⁰C bis ca, 180⁰C mit hoher Konstanz und hoher iinderungsgesohviinöigkeit 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 Prüfraummaüteltemperierung sind einfaoh im Aufbau, sie erfüllen aber nur begrenzte Forderungen hinsichtlich der Temperaturkonstanz einschließlich der gleichmäßigen Tempei-aturverteilung im Nutzraura und erreichbarer hoher Fouchten, Dies insbesondere, da bei dem Regelbefohl "Kühlen" eine zeitliche Temperaturkonstana plus der örtliohen Temperaturvorteilung ira Mittelwert - 0,5 K nicht erreichbar ist und weiterhin die wärmeübertragungsabhängige Temperatur· differenz zwischen mittlerer Lufttemperatur und nied~ rigster Verdampfe robe rfIac heη temperatur bzw, Prüfraummanteltempcratur, die während des Kühlbefehles stets > 1,0 K ist infolge begrenzter Möglichkeiten der Energieanpassung der Kühlleistung des Kältemittelverdichters einschließlich Verdampfer an den Bedarf der. Kühlleistung bei der jeweiligen Prüfraumtemperatur im Klimabereioh, stabile höchste Feuchten von ca, 97 % und darüber nicht erreichbar siad_e Mit der indirekten Flüssigkeitstemperierung werden gute Werte, der Temperaturkonstanz, der hohen Feuchte und der gleichmäßigen Tomperaturverteilung erreicht« Nachteilig wirkt die hohe Wärmekapazität der Teiapeyierflüssigkeit auf

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die Änderungsgesohwindigkeit der Temperatur, die Im Mittelwert kleiner als bei den direkt temperierten Prüfkammern 1st. Der Temperaturbereich, ist infolge dor Einsatzgrenzen der Temporie!flüssigkeit begrenzt und liegt bei minus 30 Grad Celsius bis plus 100 Grad Celsius.

Die Ausführung mit zwei gegeneinander getrennten Luft-. Umläufen verbessei4 die Güteparameter der Temperaturdifferenz und der Erreichung hoher Feuchte 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 Änderungsgeschwindlgkeiten« Die Verbesserung der Güteparameter, bezogen auf die Verkleinerung der Temperaturdiffergnz und Erreichung hoher Feuchte wird erreicht, weil die Störeinflüsse auf den Nutzrauriiy -insbesondere durch den Wärmeeinfall und die Kühlwirkung des Verdampfers und des um den Nutzraum zirkulierenden temperaturgeregelten Luftstxomes- in Verbindung mit dem thermischen Dämpfungsverhalten des Nutzraumes vermindert werden. Da jedoch der um den Nutaraura zirkulierende temperaturgeregelte Luftstrom mit den V/änden des Nutzraumes eine Reihenschaltung im Wärmeaustausch darstellt, besitzen die einzelnen Y/äncie unterschiedliche mittlere Temperatüren, die bei größeren Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur im Nutzraum und der Außentemperatur ebenfalls relativ groß werden, Extreme Klimavvcrte im weiten Temperaturbereich bis 180 Grad Celsius bei gleichzeitig kleiner Tomperaturdiffereuu im Nutzraura plus/minus 0,15 Grad Celsius können deshalb Dicht erzielt werden. Da weiterhin die Änderungsgeschwinäigkeit der Tem-

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peratur im Nutzraum von den beiden Größen der Wärmekapazität und des Wärmedurchganges abhängig ist, jedooh die bekannten Ausführungen bei den unterschiedlichen Betriebszuständcn der Aufheizung / Abkühlung und Sollwert - Regelung keine Veränderung des Wärmedurchganges vornehmen, tritt beim Aufheizen / Abkühlen ein zu großer Temperaturgradient zwischen dem äußeren Behälter und dem Nutzraum, insbesondere bei deren Einbauten, ein. Das führt zu langer Angleichzeit in der anzufahrenden Sollwerttemperatür und ist damit zeit- und energieökonomisch nachteilig.

Ziel der Erfindung,

Es ist das Ziel der Erfindung eine Prüfkanimer zur Simulation von Klimapararaetern 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 Enorgieelnzatz erzeugt und aufrecht erhält.

Darlegung; des Wesens. der_Erf_ipdung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Führung des TemperierraGdiums in der Prüfka,mmer um- und in-dem. Nutzraum zweckmäßig au verändern, damit die in der Zielstellung genannten Güteparameter der Klirnakomponenten ökonomisch erreicht v^erden.

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Die Aufgabe wild erfindungsgemaß dadurch gelbst, daß zwei getrennte Umläufe für das gasförmige Temperiermediura, das vorzugsweise Luft ist, in einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf eine bisher nioht 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 Räume. Diese stehen für einen äußeren Kreislauf miteinander in Verbindung, indem in einer Fläche 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 goteilt. In dem Baum zwischen dem äußeren Behälter und dem Leitblech sind als Energieglieder Kältemittelverdampfer und elektrische Heizkörper angeordnet. Der innere Behälter umschließt an fünf Seiten den Nutzraum, Die dadurch gebildeten zwei Bäume 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, v/6 Io he s vorzugsweise Luft ist, mittels Kaitemittelverdampfer gekühlt oder duroh Heiskörper erwärmt. Der Ventilator bewegt das Temperiermedium, dessen Strömung von dom Umlenkblech geteilt wird, duroh das perforierte Leitblech und eine gleichmäßige Spaltströmung umfließt allseitig parallel die Wände dos inneren Behälters und die innere Tür. Mit der erfindungsgemäßen Ausführung des äußeren Kreislaufes wird erreicht, daß das gasförmige Temporiermedium erst nach einer Dämpfung der Regelschwankungen den inneren Behälter mit innerer Tür umströmt, wobei ein allseitiger Energieaustausch, über die Wände mit dem ebenfalls gasförmigem Temperiermeäium des inneren Kreislaufes erfolgt. Der Ventilator bewegt das Temperiermedium im inneren Kreislauf durch die Öffnung des Nutzraumes und es strömt an fünf Seiten um den Nutzraum herum duroh die perforierte Fläche hindurch» In dem Nutzraum bildet sich eine gerichtete Strömung mit geringer Geschwindigkej.t aus. Die erfindungsgemäße Anordnung des äußeren Kreislaufes und des inneren Kreislaufes führt die getrennten Ströme des Temperiermodium 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 werdeO sowohl die Wirkungen der Energie impulse der Energieglieder durch die Reihenschaltung mehreren Wäi'meviiderstäode plus Wärmekapazitäten, wie sie der fünfseitige Mantel mit Rahmen und Tür des äußeren Raumes einschließlich den Eleraen-

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ten der Luftleiteinrichtung sowie der Nutzraum wiederum mit seiner Luftleiteinrichtung unter dera Einfluß des strömenden Temperiermediums Luft darstellen, soweit ausgesiebt und in eine gleichförmig strömende Wärmemenge umgewandelt, daß in Nutzraummitte eine Temperaturkonstanz von ^i0,1 K erreioht wird, als auch duroh veränderte Luftführung mittels Klappensteuerung die Wärmewiderstände reduziert werden und damit eine hohe Temperaturänderungsgesohwindigkeit ermöglicht wird« Weiterhin wird duroh die vollständige temperaturgeregelte Luft-Umströmung der Nutzraum vollständig von den Störeinflüssen des V/ärraaeinfalles bzw» der Wärmeverluste infolge der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Nutzraumtemperatur, die bei vorliegendem extrem großem Temperaturbereioh hohe Baträge annehmen kann, abgeschirmt«, Da im Nutzraum keine Energieglieder angeordnet sind -аіѳ Wände stellen die Wärmeaustausch.! lac hen dar-, zirkuliert der Luftumlauf im Nützraum mit geringem Druckverlust und erfordert damit nur eine kleine Lüftorleistung. Damit wird die eingetragene Wärmemenge durch den Ventilator gering und in Verbindung mit dem von äußeren Störeinflüssen abgeschirmten Nutzraum wird die Temperaturdifferenz zwisohen mittlerer Nutzraumlufttemperatur und der Nutzraurawandungstemperatur so klein, daß in einem Temperaturbereichsumfeng von 110 K als Teilbereich des gesamten Temperaturbereiches eine obere Grenzfeuchte von 98 % rel· Feuchte erreioht wird. Das schließt die geringe Wärmemenge mit ein, wie sie durch dosierbare Feuohtluft der Befeuchtung in den Nutzraum'eingetragen wird. Gleichzeitig bewirkt die Abschirmung des Nutzraumes eine geringe örtliche Abweichung beliebiger Ternperaturpunkte bezogen auf die Temperatur in Nutaraum-· mitte von griO,2 K im genannten Teilbereich.

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Die volle Wirkung der Wärmewiderständo plus Wärmekapazitäten wird dadurch erreicht, daß der Nutzraum nur quasi punktförmige Berührung zum äußeren Kaum besitzt oder der Wärmewiderstand duroh Wärmeleitung größer ist als der Wärmewiderstand duroh Wärmeübertragung über das Temperiermodium Luft. Das ist auch ein Beitrag zum Gesamtergebnis. Da die Gesamtkapazität der Temperiereinriohtung bei noch höheren Güteparametern bei maximal 1/3 der Wärmekapazität flüssigkeitstemperierter Einrichtungen liegt, reduziert sich der Energiebedarf bei gleioher Änderungsgeschwindigkeit 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 A'nderungsgesohwindigkeiten - eine wirksame thermodynamische Anpassung« Diese wurde daduroh gefunden, daß der äußere und innere Kreislauf des Temperiermediums 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 Ä'naerungsgeschwindigkeit auf die Sollwertregelung mit geringerer Heiz^/Kühlleictung urasohaltet, wobei die Winkelklappe geschlossen wird_e Bei großer A'nderungsgeschwindigkeit der Temperatur wird der duroh 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 v/ieder mit dem Teilstrom des

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äußeren Kreislaufes vereinigt. Die daduroh wirksame Verminderung des Wärmewidsrstandes vermindert ebenfalls den Temperaturgradient zwischen äußerem und innerem Behälter beim Aufheizen / Abkühlen und der gewählte Sollwert wird schneller erreioht. Auf diese Weise wird die thermodynamisohe Anpassung an den Betriebszustand erreioht. Funktionell mit der automatischer Umso hai tu.ng sind gekoppelt:

- bei hoher Änderungsgeschwindigkeit eine hohe Heiz-/ Kühlleistung mit geöffneter Winkelklappe

- bei Sollwertregelung der Temperatur eine geringere Heiz-/ Kühlleistung mit geschlossener Winkelklappe.

Ausführungsboispiel

Nach Figur 1 und Figur 2 besitzt der an fünf Seiten thermisch isolierte äußere Behälter 1 an der Bedieoseite den Bahmen 2 und.die dioht schließende thermisch 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 6er Nutsraum 10. Der innere Behälter 4 und Nutsraum 10 sind an einer Seite an dem gemeinsamen Rahmen 11 befestigt«. Der Nutzraum 10 wird an dem Rahmen.11 von der Nutzraumtür 12, welohe mit der äußeren Tür 3 kor-,respondicrt, dicht geschlossen„

Zwioоheα dem Behälter 1 und der Wand des inneren Behälters 4 ist mit Abstand zu di^!ei Flächen ein U-förmiges Leitblech 5 angeordnet^ das mit seinen Kanten an dem Eahraen 2 und dan beiden Seitenflächen der inneren Wand dos Behälters 1 formschlüssig befestigt ist.

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In dem äußeren Raum 20 zwischen dem Behälter 1 und dem Leitbleoh 5 sind als Energieglieder Kältemittelverdampfer 23 und elektrische Heizkörper 24 angeordnet. In dem Leitbleoh 5 befindet sioh in einer Fläche· die Öffnung б mit dem Ventilator 7, und die gegenüberliegende Fläohe 8 ist perforiert, d.h. mit einer Anzahl Durohbrüchen versehen. Diese perforierte Fläche 8 wird von dem Umlenkblech 9 geteilt. Der innere Behälter 4 umschließt an fünf Seiten den Nutzxaum An seiner Bedienseite befindet sich die Nutzraumtür 12, In einer Fläche der Wand des Nutzraumes 10 befindet sioh die Öffnung 14 mit dem Ventilator 15. Die gegenüberliegende Fläche 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 Seitemvänden und außen an der Schiene 27 befestigte Bolzen 28 aus wenig wärmeIeitfähigom Material. Die Schiene 27 wird auf in dem Behälter 1 befestigten Auflagebolzen 29 abgestützt. Der von dem Behälter 1 mit dem Kahmeα 2 und Tür 3 sowie пет 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 Energiegliedesn Verdampfer 23 oder Heizkörper 24 abgekühlte oder aufgeheizte Temperier' medium wird von dem Ventilator 7 um das Leitblech 5 und im Gegenstrom an dor Innenseite des Lsitbleches um den Behälter 4 geführt. Der Behälter 4 mit dem Bahmea 11 und der Nutzraumtür 12 umschließen den Inneren Kreislauf des Temperiermediums, 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 Nutaraum 10 und an fünf Seiten im Gogenstrom um den Nutzraura herum. In äer Wand des Behälters 4 ist die Durohgangsöffnung für die fliegend angeordnete Welle 16 großer als der Wellendurchmesser und bildet einen Eingspalt 30. Ein Teil der Luft des inneren Kreis· laufes entweicht durch diesen Eingspalt in den äußeren Kreislauf und von dort durch die Luftabführung 26 naoh außen. An der Kante 18 ist eine Winke!klappe 19 schwenkbar angeordnet, die als Teil des Behälters mit ihren äußeren Flächenteilen an der Wand des Behälters dicht anliegt. Wird die Winkelklappe 19 mittels Sohwenkeinrichtung 22 geschwenkt, dann gibt sie eine Öffnung zwisohen dem äußeren und dem inneren Kreislauf frei. Dieser Betriebszustand ermöglicht es, bei Bedarf im Nutsraum eine hohe Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur zu erzielen.

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Claims (1)

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   Erf in d u η gs an spr υ oh

   Prüfkammer zur Simulation extremer Klimaparameter Temperatur und Feuchte mit zwei getrennten Umläufen für das gasförmige Temperiermedium mit einem thermisch isolierten äußeren Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Behälter (1) und drei Wänden eines fünfseitigen inneren Behälters (4) mit Abstand zu den 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 (?) aufnimmt und dessen gegenüberliegende Fläche (B) perforiert ist, wobei diese perforierte Fläche von einem Umlenkblech (9) geteilt wird, sowie der Nutzraum(io) an fünf Flächen mit Abstand von dem inneren Behälter umhüllt ist und beide an dem Eahmen (11) für die Nutzraumtür (12) befestigt sind, wobei 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 gegenüber liegende Fläche (17) in bekannter './eise perforiert ist, und daß für eine wahlweise Verbindung der an sich getrennten Kreisläufe an einer dem Umlenkblech (9) parallelen Kante (18) des Behälters (4) eine schwenkbare Winkelklappe (19) als Teil des Behälters gelagert ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen