KR20200051588A - 냉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 열교환기를 구비하는 냉각 회로(11)를 포함하는 냉각 디바이스(10)용 냉매에 관한 것으로서, 냉매는 열교환기 내에서 상 전이를 경험하고, 냉매는 이산화탄소의 질량 분율 및 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물로 되어 있고, 냉매 혼합물 내의 이산화탄소의 질량 분율은 10 내지 50 질량 %, 바람직하게 30 내지 50 질량 %이고, 다른 컴포넌트는 펜타플루오로에테인 및/또는 디플루오로메테인으로 되어 있다.

Description

냉매
본 발명은 냉매에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 냉각 디바이스용 냉매, 냉매를 가진 테스트 챔버 및 냉매의 용도에 관한 것이다. 냉각 디바이스는 적어도 하나의 열교환기를 가진 냉각 회로를 포함하고, 여기서, 냉매는 상 전이(phase transition)를 경험하고, 이산화탄소의 질량 분율 및 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질량 분율로 조성된 냉매 혼합물로 구성된다.
일반적으로, 이러한 종류의 냉매들은 냉각 디바이스들의 폐(closed) 냉각 회로 내부에서 순환하고, 물질 상태의 일련의 상이한 변화들을 경험한다. 냉매들은 냉각 회로 내에서 미리정의된 온도 차이 이내에서 사용될 수 있는 그러한 성질을 가져야 한다. 단일-컴포넌트 냉매들과 적어도 2개의 컴포넌트들의 냉매 혼합물은 선행기술로부터 알려져 있다. 냉매들은 독일 산업 표준 DIN 8960 섹션 6에 따라 분류된다.
법 규정에 따르면, 냉매는 대기 중의 오존 감소 또는 지구 온난화에 현저한 기여를 해서는 안된다. 이것은 본질적으로 플루오르화 물질 또는 염소화 물질을 냉매로서 사용할 수 없고, 천연 냉매들 또는 가스들이 선택되는 것을 의미한다. 나아가서, 임의의 안전 규정들을 준수하기 위해, 냉매는 냉각 회로의 충진, 선적 및 작동이 복잡하지 않도록 불연성이어야 한다. 또한, 가연성 냉매가 사용되면 구조적 조치들이 필요하기 때문에 냉각 회로의 제조에 더 많은 비용이 소요된다. 가연성은 방출열에 의한 주변 산소에 반응하는 냉매의 속성을 의미한다. 특히, 최신판 기준으로 유럽 표준 EN2의 화재 등급 C 및 DIN 378 등급 A2,A2L 및 A3로 분류되면, 냉매는 가연성이다.
나아가서, 냉매는 상대적으로 낮은 CO2 당량을 가져야만 하고, 즉, 냉매가 방출되는 경우 환경에 대한 간접적인 영향을 피하기 위해 상대적인 지구온난화지수(GWP)가 가능한 한 상대적으로 낮아야 한다. GWP는 기준값으로서 기능하는 이산화탄소에 대한 지구온난화에 기여하는 온실 가스의 정의된 양의 정도를 의미한다. 상기 값은 특정 기간 동안의 평균 온난화 효과를 설명하고, 여기서, 특정 기간은 비교가능성을 위해 20년으로 되어 있다. 상대적인 CO2 당량 또는 GWP의 정의를 위해, 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC), 평가 보고서, 부록 8.A.1를 참고한다.
2500보다 더 적은 낮은 GWP를 가진 냉매들은, 이러한 냉매들이 상대적으로 더 높은 GWP를 가진 냉매들보다 냉각 회로와 관련된 온도 범위에서 현저히 더 낮은 냉각 용량을 가지는 경향이 있는 단점을 가진다. 더 낮은 GWP는 비교적 높은 이산화탄소의 분율를 가진 냉매 혼합물들을 이용하여 얻어질 수 있다. 그러나, 이러한 냉매 혼합물들은 상이한 물질들의 혼합에 기인하는 비공기(zeotropic) 성질들을 가질 수 있어서, 많은 냉각 회로들에서 바람직하지 않다.
비공기 냉매 혼합물에서, 상 전이는 온도 활주(glide)로서 알려진 온도 범위에 걸쳐 발생한다. 온도 활주는 일정한 압력에서 끓는 온도와 이슬점 온도 사이의 차이를 의미한다. 일반적으로, 비공기 냉매 혼합물들은 불연성 컴포넌트의 높은 질량 분율을 포함하지만, 비교적 높은 GWP의 특징을 가진다. 언뜻보기에, 이산화탄소는 불연성이고 낮은 GWP를 가지기 때문에, 용매 혼합물을 위한 적절한 컴포넌트로 보인다. 그러나, 다른 컴포넌트와 이산화탄소의 혼합물에서, 다른 컴포넌트가 가연성이면, 이산화탄소의 질량 분율은 필수적으로 비교적 커야 한다. 그러나, 이산화탄소의 어는 온도 또는 어는점은 -56.6℃이므로, 높은 이산화탄소 농도에서 최대 -60℃의 온도를 달성하기 어렵기 때문에 이것은 불리하다.
또한, 냉각 디바이스의 비용이 많이 드는 기술적 리스턱쳐링이 필요하지 않도록 냉매들의 사용은 가능한 한 단순해야 한다. 특히, 냉매가 3K 보다 큰 온도 활주를 가지는 경우, 문제의 냉각 회로의 팽창 요소 및 열교환기 또는 증발기는 냉매의 증발 온도에 맞춰져야 하고 상응하는 제어가 제공되어야 한다. 더군다나, 냉각 디바이스의 정적 작동을 위해 설계된 냉매들 사이의 구별이 필요하다. 즉, 냉각 디바이스는 열교환기 또는 증발기에서 온도가 실질적으로 일정하게 유지되고, 열교환기에서 비교적 빠른 온도 변화를 나타낸다. 이러한 종류의 동적(dynamic) 냉각 디바이스들은 테스트 챔버들에 통합되고, 예를 들어, 사용되는 냉매는 넓은 온도 범위 내에서 사용할 수 있음을 의미한다.
일반적으로, 테스트 챔버들은 대상물 특히, 디바이스들의 물리적 및/또는 화학적 특성들을 테스트하는데 사용된다. 예를 들어, -60℃ 내지 +180℃의 온도 범위가 설정될 수 있는, 온도 테스트 챔버들 또는 기후 테스트 챔버들이 알려져 있다. 기후 테스트 챔버들 내에서, 요구되는 기후 조건들이 부가적으로 설정될 수 있고, 이어서, 디바이스 또는 테스트 재료는 미리정의된 시간 기간 동안 노출된다. 이러한 종류의 테스트 챔버들은 종종 요구되는 공급 라인들을 통해 빌딩에 단순히 연결되고, 온도와 기후를 제어하는데 필요한 모든 모듈들을 구비하는 이동식 디바이스들로서 구현된다. 테스트될 재료를 보유하는 테스트 공간의 온도는 일반적으로 테스트 공간 내부의 순환 공기 덕트 내에서 제어된다. 순환 공기 덕트는 테스트 공간 내의 공기 처리 공간을 형성하고, 순환 공기 덕트와 테스트 공간을 통해 유동하는 공기를 가열 또는 냉각하기 위한 열교환기들이 배치된다. 팬 또는 환기 장치는 테스트 공간 내에 위치된 공기를 흡입하여 순환 공기 덕트 내의 각각의 열교환기로 공기를 보낸다. 이렇게 하여, 테스트 재료는 온도-제어될 수 있거나 정의된 온도 변화에 노출될 수 있다. 테스트 간격 동안, 온도는 테스트 챔버의 최대 온도와 최소 온도 사이에서 반복적으로 변화할 수 있다. 이러한 종류의 테스트 챔버는 예를 들어, EP 0 344 397 A2로부터 알려져 있다.
냉각 회로 내에서 순환하는 냉매는, 전술한 온도 차이 이내에서 냉각 회로 내에서 사용될 수 있는 그러한 속성을 가져야 한다. 특히, 테스트 공간을 냉각시키도록 기능하는 열교환기 내에서 냉매가 증발될 때 그렇지 않으면 달성할 수 없게 되는 최소 온도 때문에, 냉매의 이슬점 온도는 냉각 회로의 달성될 온도 범위의 최대 온도보다 더 높아서는 안된다. 비공기 냉매들의 이슬점 온도는 열교환기 내의 팽창 요소 바로 뒤에 도달된다. 테스트 공간들을 위한 스트레이트(straight) 냉각 회로들은 테스트 챔버의 온도를 정밀하게 제어하기 위해 매우 높은 공간 온도 안정성을 필요로 하고, 비공기 냉매들을 이용하여 제한된 정도로만 달성되거나 전혀 달성될 수 없다. 이 경우, 온도 차이로 인해 비공기 냉매의 이슬점 온도 또는 이슬점은 테스트 공간 내의 열교환기의 영역 내의 테스트 공간 내의 온도의 함수로서 국부적으로 변할 수 있기 때문에, 고온 안정성이 달성될 수 없다. 따라서, 테스트 챔버들의 냉각 회로들 내에서 비공기 냉매의 사용 즉, 온도 활주를 가진 냉매들의 사용이 회피된다.
나아가서, 비공기 냉매 혼합물이 연속적으로 증발되는 냉각 디바이스들이 알려져 있다. 이것은 냉매들의 컴포넌트들이 증발 요소에 의해 차례로 증발되는 것을 의미한다. 이러한 종류의 냉각 디바이스들은 혼합 유체 캐스케이드 시스템이라고도 하며, 실질적으로 정적 극저온 온도 구현에 적합하다.
본 발명의 목적은 냉각 디바이스용 냉매, 냉매를 가진 테스트 챔버, 및 최대 적어도 -60℃의 온도들이 환경친화적이고 안전한 방식으로 달성될 수 있는 냉매의 용도를 제안하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들을 가진 냉매, 청구항 12의 특징들을 가진 테스트 챔버 및 청구항 18의 특징들을 가진 냉매의 용도에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 냉각 디바이스용 냉매에서, 냉각 디바이스는 적어도 하나의 열교환기를 가진 냉각 회로를 구비하고, 냉매는 열교환기 내에서 상 전이(phase transition)를 경험하고, 냉매는 이산화탄소의 질량 분율 및 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물로 되어 있고, 냉매 혼합물 내의 이산화탄소의 질량 분율은 10 내지 50 질량 % 바람직하게, 30 내지 50 질량 %이고, 다른 컴포넌트는 플루오로메테인(fluoromethane) 및/또는 디플루오로메테인(difluoromethane)으로 되어 있다.
응용의 우선 순위 날짜로서, 독일 산업 표준 DIN 8960 최신 버전에 따르면, 이산화탄소(CO2)는 냉매 또는 R744 컴포넌트로 명명되고, 펜타플루오로에테인(C2HF5)은 R125로 명명되고, 디플루오로메테인(CH2F2)은 R32로 명명되고, 트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene)은 R1123으로 명명되고, 1,1-디플루오로에텐(C2H2F2)는 R-1132a로 명명되고, 플루오로에텐(C2H3F)는 R1141로 명명된다.
본 발명은 GWP가 낮고 불연성(nonflammable) 또는 제한된 정도로만 가연성인 이산화탄소 및 하나 이상의 플루오르화 냉매들의 냉매 혼합물을 제공한다. 이산화탄소의 질량 분율의 증가에 따라 냉매 혼합물의 어는점이 상승하기 때문에, 이산화탄소의 분율은 가능한 한 낮아야 한다. 그러나, 이산화탄소의 더 낮은 질량 분율은 이산화탄소의 GWP-감소 효과를 감소시킨다. 이것 때문에, 부분적으로 플루오르화된 냉매들은 이산화탄소보다 현저하게 더 높은 GWP를 가지면서 내염(flame-retardant) 효과도 향상된다. 특히, 펜타플루오로에테인과 디플루오로메테인은 상당한 양의 불소 원자들을 함유하여, 원하지 않게 높은 GWP를 야기한다. 그러나, 놀랍게도 발견된 바와 같이, 펜타플루오로에테인 및/또는 디플루오로메테인과 함께 30 내지 40 질량 %의 이산화탄소의 질량 분율을 함유하는 냉매 혼합물을 이용하여, 예를 들어, < 150의 상당히 낮은 GWP가 달성될 수 있다. 역시 발견된 바와 같이, 펜타플루오로에테인의 내염 효과는 이산화탄소의 그것보다 비교적 더 크다. 나아가서, 냉매 혼합물의 제3 컴포넌트로서 디플루오로메테인을 부가함으로써 펜타플루오로에테인과 이산화탄소의 부정적인 특성들이 감소될 수 있다. 그러므로, 펜타플루오로에테인과 디플루오로메테인을 함유하는 냉매 혼합물은 불연성으로서 분류될 수 있다. 동시에, 디플루오로메테인은 펜타플루오로에테인과 함께 하는 것보다 이산화탄소와 함께 하면 어는점이 더 낮다. 결과적으로, 펜타플루오로에테인, 디플루오로메테인 및 이산화탄소의 혼합물은 펜타플루오로에테인 및 이산화탄소 단독보다 더 낮은 동결 온도를 달성할 수 있다. 따라서, 디플루오로메테인은 냉매 혼합물의 어는점을 현저하게 낮추고, 냉매 혼합물이 불연성이기 위해서는 이산화탄소의 특정 질량 분율이 필요하다. 그러나, 동시에, 디플루오로메테인은 최종 압축 온도가 높게 되어, 이런 이유로 디플루오로메테인은 이산화탄소에 대한 유일한 혼합 파트너로서 제한된 범위 내에서만 적합이다. 펜타플루오로에테인은 냉매 혼합물의 어는점을 디플루오로메테인만큼 낮출 수 없지만 이산화탄소보다 내염 효과가 더 크기 때문에 유리하다.
냉매 혼합물 내의 플루오로메테인의 질량 분율은 30 내지 33 질량 %, 바람직하게 31 질량 %일 수 있고, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 70 내지 67 바람직하게 69 질량 %일 수 있다. 따라서, 이 경우 이산화탄소와 펜타플루오로에텐 단독으로 구성된 냉매 혼합물이 생성될 수 있다. 펜타플루오로에테인은 불연성이고, 이것은 펜타플로오로에테인과 이산화탄소를 포함하는 모든 혼합물들이 불연성임을 의미한다. 어는점은 디플로우로메테인과 R1123과 비교하여 훨씬 감소되지 않는다. 3150의 GWP는 다른 가능한 컴포넌트들의 GWP보다 훨씬 더 높다. 그래서, 냉매 혼합물의 GWP를 감소시키기 위해 냉매 혼합물 내의 다른 물질로 부분적으로 대체될 수도 있다. 펜타플루오로에테인의 난연 효과는 이산화탄소의 난연 효과보다 더 크다. 이것은 냉매 혼합물 내의 이산화탄소의 질량 분율이 감소될 수 있음을 의미하고, 이는 어는점을 더 많이 낮추고 여전히 불연성을 보장하지만 GWP를 증가시킨다. 따라서, 이산화탄소, 펜타플루오로에테인, 및 R1132A, R1123과 R1141의 혼합물들 역시 가능하다.
냉매의 다른 실시예에서, 이산화탄소의 질량 분율은 44 내지 48 질량 %, 바람직하게 45.8 질량 %일 수 있고, 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 56 내지 52 질량 % 바람직하게, 54.2 질량 %일 수 있다. 이 경우 냉매 혼합물은 이산화탄소와 디플루오로메테인 단독으로만 구성될 수 있다. 냉매 혼합물이 불연성으로 분류되기 위해서는 적어도 35 질량 %의 이산화탄소의 질량 분율로도 충분하다. 어는점은 R125,R1132A 및 R1141과 함께하는 것보다 더 감소된다. 이것은 어는점의 감소가 가능할 수 있기 때문이다. 그러나, 디플루오로메테인의 GWP는 R1132A, R1141, R1123 및 이산화탄소의 GWP보다 더 크다. 디플루오로메테인은 소분자(small molecule)로 명명될 수 있고, 이것은 동일한 기술 조건들 하에서 압축될 때 디플루오로메테인의 최종 압축 온도가 펜타플루오로에테인과 같은 더 크고 무거운 분자들의 압축 온도보다 더 높은 결과를 가진다. 냉매 R410A와 R410B는 디플루오로메테인보다 더 낮은 최종 압축 온도를 나타내기 때문에, R410A와 R410B는 이산화탄소와 특히 적합한 혼합 파트너들이다.
그러므로, 냉매 혼합물은 바이너리(binary) 혼합물일 수 있다.
냉매 혼합물은 부가적 컴포넌트로서 트리플루오로에틸렌, 1,1-디플루오로에텐 또는 플루오로에텐을 가질 수 있다. 1,1-디플루오로에텐은 GWP가 매우 낮아 GWP를 감소시키기에 적합한 컴포넌트이다. 더군다나, 매우 낮은 어는점과 매우 낮은 표준 끓는점을 가지고 있어서, 극저온(cryogenic) 응용에 사용가능하다. 그러나, 1,1-디플루오로에텐과 플루오로에텐은 가연성이고, 혼합되는 경우, 냉매 혼합물에서 10 m%를 초과하지 않아야 한다. 트리플루오로에틸렌은 GWP가 매우 낮아서 GWP를 감소시키기에 적합한 컴포넌트이다. 디플루오로메테인과 열역학적으로 유사하기 때문에, 이산화탄소, 디플루오로메테인 및 트리플루오로에틸렌의 냉매 혼합물들이 생산될 수 있다. 디플루오로메테인과 유사하게, 트리플루오로에틸렌은 어는점(펜타플루오로에테인보다 큼)을 크게 감소시킬 수 있다. 트리플루오로에틸렌과 디플루오로메테인의 질량 분율은 바람직하게 45/55일 수 있다.
다른 실시예에서, 냉매는 33 내지 38 질량 %, 바람직하게 35 질량 %의 이산화탄소의 질량 분율, 33.5 내지 31 질량 %, 바람직하게 32.5 질량 %의 펜타플루오로에테인의 질량 분율 및 33.5 내지 31 질량 %, 바람직하게 32.5 질량 %의 디플루오로메테인의 질량 분율을 가질 수 있다. 따라서, 냉매 혼합물은 3개 이하의 컴포넌트들 구성될 수 있다. 이 경우, 디플루오로메테인과 펜타플루오로에테인 컴포넌트들의 질량 분율은 동일하다. 전술한 바와 같이, 이산화탄소와 펜타플루오로에테인 및 디플루오로메테인의 혼합물이 특히 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 냉매 혼합물은 대략 1 기압(bar)의 증발 압력에서 > 7 K의 온도 활주를 가질 수 있다. 나아가서, 이러한 냉매 혼합물은 어는점을 농도-의존적으로 감소시킨다. 따라서, 상이한 온도 적용을 위한 가연성 및 불연성 냉매 혼합물은 질량 분율들이 지시된 질량 분율들로부터 벗어날 때 발생할 수 있다.
다른 실시예에서, 냉매 내의 이산화탄소의 질량 분율은 10 내지 35 질량 % 일 수 있고, 이 경우 펜타플루오로에테인의 질량 분율과 디플루오로메테인의 질량 분율은 함께 65 내지 80 질량 %이고, 펜타플루오로에테인과 디플루오로메테인의 질량 분율들의 비는 0.7 내지 1.3일 수 있다.
더군다나, 이산화탄소의 질량 분율은 33 내지 38 질량 %, 바람직하게 35 질량 %일 수 있고, 냉매 R410A 또는 냉매 R410B의 질량 분율은 67 내지 62 질량 %, 바람직하게 65 질량 %일 수 있다. 냉매 R410A는 동일한 질량 분율의 펜타플루오로에테인과 디플루오로메테인을 함유한다. 냉매 R410A는 쉽게 구입할 수 있는 기성품 냉매 혼합물이다. 즉, R410A와 이산화탄소를 간단히 혼합함으로써 비용 효율적이고 간단한 방식으로 냉매를 제조할 수 있다.
아래 표 1에서, 전술한 실시예들에 따른 냉매들의 예들을 나타내었다.
냉매 1 2 3 4
R744(wt%) 31 45.8 35 35
R125(wt%) 69 32.5
R32(wt%) 54.2 32.5
R410A(wt%) 65
온도 활주 (K) 17.1 15.9 15.7 15.7
온도 활주(℃) -77.7 내지 -60.6 -78.7 내지 -62.8 -77 내지 -61.3 -77 내지 -61.3
어는점(℃) -80 -87 -86 -86
또한, 냉매는 10K 이상, 바람직하게 15K 이상, 특히 바람직하는 18K 이상의 온도 활주를 가질 수 있다. 냉매의 온도 활주는 20K를 초과하지 않아야 냉각 디바이스가 합리적인 방식으로 작동될 수 있다.
냉매는 20년에 걸쳐 <2500, 바람직하게 <1500, 특히 바람직하게 <500의 상대 CO2 당량을 가질 수 있다. 결과적으로, 냉매는 환경에 거의 해를 끼치지 않을 수 있다.
냉매는 불연성일 수 있다. 냉매가 불연성인 경우, 냉매의 가연성 측면에서 특별한 안전 조치가 필요하지 않기 때문에 냉각 회로 및 특히, 테스트 챔버를 보다 비용 효율적으로 설계할 수 있다. 이 경우, 냉매는 화재 등급 C 및/또는 냉매 안전 그룹 A1으로 적어도 분류되지 않을 수 있다. 또한, 운송 방식에 상관없이, 운송 전에 냉각 회로가 냉매로 채워질 수 있기 때문에 냉각 회로의 선적과 운송이 더 용이하다. 가연성 냉매를 사용하는 경우 설치 장소에서 시동할 때까지 충진이 불가능할 수 있다. 또한, 점화원의 존재 하에서 불연성 냉매의 사용이 가능하다.
공기 컨디셔닝을 위한 본 발명에 따른 테스트 챔버는 테스트 물질을 수용하고 환경에 대해 밀봉될 수 있고 온도-절연되는 테스트 공간, 및 테스트 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 디바이스를 포함하고, 테스트 공간 내에서 온도 제어 디바이스에 의해 -70℃ 내지 +180℃ 범위의 온도가 설정될 수 있고, 온도 제어 디바이스는 본 발명에 따른 냉매를 가진 냉각 회로를 포함하는 냉각 디바이스, 열교환기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 구비한다. 본 발명에 따른 테스트 챔버의 장점들과 관련하여, 본 발명에 따른 냉매의 장점들에 대한 설명이 참조된다.
온도 제어 디바이스에 의해, 테스트 공간 내에는 -60℃ 내지 +180℃, 바람직하게 -80℃ 내지 +180℃, 특히 바람직하게 -100℃ 내지 +180℃ 범위의 온도가 수립될 수 있다. 혼합 유체 캐스케이드 시스템과 달리, 냉매에 포함된 모든 컴포넌트들을 갖는 냉매는 팽창 요소에 의해 한 번에 증발될 수 있다. 이산화탄소의 어는점은 -56.6℃이므로, 대량의 이산화탄소를 함유하는 냉매 혼합물들은 원칙적으로 -56.6℃ 미만의 온도를 달성하기에 더 이상 적합하지 않다. 그러나, 본 발명에 따른 냉매를 사용하면 냉매의 이슬점 온도는 60℃ 미만으로 달성될 수 있다.
냉각 회로는 내부(internal) 열교환기를 가질 수 있고, 내부 열교환기는 팽창 요소의 상류와 응축기의 하류에 있는 냉각 회로의 고압측, 및 압축기의 상류와 열교환기의 하류에 있는 냉각 회로의 저압측에 연결될 수 있다. 내부 열교환기의 사용과 내부 열교환기에 의한 고압측의 액화된 냉매의 냉각에 의해, -56℃ 미만의 온도들에 쉽게 도달할 수 있다. 내부 열교환기에 의해 냉각된 냉매의 증발 온도는 냉각되지 않은 냉매의 증발 온도에 비해 팽창 요소에서 감소될 수 있다. 따라서, 내부 열교환기를 통해 저압측으로부터 고압측으로 전달되는 축냉 용량(cold capacity)은, 팽창 요소에서 냉매의 증발 온도를 감소시키기 위해 적어도 부분적으로, 바람직하게 독점적으로 사용될 수 있다. 더군다나, 이 경우, 냉매의 이슬점 온도의 위치 또는 이슬점은 내부 열교환기로 이동될 수 있기 때문에, 온도 활주를 갖는 비공기 냉매의 사용이 우선적으로 가능해진다. 비공기 냉매의 온도 활주의 결과로서, 냉매의 얻어진 이슬점 온도는 비교적 높을 수 있으므로, 열교환기의 더 많은 냉각을 방지할 수 있다.
그러므로, 냉매의 일부분만이 열교환기에서 증발될 수 있고, 냉매의 습증기(wet vapor) 부분의 사용불가능한 부분은 내부 열교환기로 이동될 수 있다. 전체적으로, 이것은 이산화탄소의 질량 분율을 함유하는 한편 환경 친화적인 냉매들이 테스트 공간 내에서 저온을 수립하는데 사용될 수 있도록 비공기 특성들을 가지게 한다. 더군다나, 온도 활주의 일부 또는 냉매의 습증기의 일부가 테스트 공간의 열교환기로부터 내부 열교환기로 이동되면, 비공기 냉매를 이용하여 비교적 개선된 온도 안정성이 달성될 수 있다. 이 경우, 열교환기를 통한 축냉 용량 출력은 온도 활주의 한 섹션에서만 생성될 수 있고, 이것은 냉각 회로 내의 냉매의 이슬점의 변화가 열교환기의 온도 안정성에 거의 영향을 미치지 않음을 의미한다. 나아가서, 단일 열교환기는 유체, 즉 이 경우, 테스트 공간 내의 공기를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다.
열교환기는 냉매의 일부만이 열교환기 내에서에서 증발할 수 있는 방식으로 치수가 정해질 수 있다. 이것은 냉매의 이슬점 또는 이슬점 온도의 위치가 열교환기를 벗어나서 내부 열교환기로 이동될 수 있는 이점을 초래한다. 비공기 냉매의 온도 활주로 인해, 열교환기 내의 냉매의 부분 증발은 내부 열교환기 내의 다음의 냉매의 나머지 증발보다 열교환기 내에서 더 낮은 온도를 달성한다.
테스트 챔버의 일 실시예에서, 열교환기는 테스트 공간 내에 배치될 수 있다. 이 경우, 열교환기는 팬에 의해 순환되는 공기가 열교환기와 접촉할 수 있도록 테스트 공간의 공기 처리 공간 내에 배치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 테스트 공간의 순환되는 일정 양의 공기는 열교환기를 통한 냉각 디바이스에 의해 테스트 공간 내에서 직접적으로 냉각될 수 있다. 테스트 챔버는 유일한, 단일 냉각 회로로서의 냉각 회로를 가질 수 있다. 이 경우, 냉각 회로는 테스트 공간에 직접적으로 연결된다.
테스트 챔버의 다른 실시예에서, 응축기는 냉각 디바이스의 다른 냉각 회로의 캐스케이드 열교환기로서 실현될 수 있다. 부응하여, 테스트 챔버는 적어도 2개의 냉각 회로들을 구비할 수 있고, 이 경우, 냉각 회로는 냉각 디바이스의 제2 스테이지를 형성할 수 있고, 냉각 회로의 상류에 배치된 다른 냉각 회로는 냉각 디바이스의 제1 스테이지를 형성할 수 있다. 이 경우, 응축기는 캐스케이드 열교환기 또는 냉각 회로를 위한 열교환기의 역할을 한다. 테스트 챔버의 이러한 실시예는 테스트 공간 내에서 특히, 저온이 확립되게 한다.
온도 제어 디바이스는 히터를 구비하는 가열 디바이스 및 테스트 공간 내의 가열 열교환기를 구비할 수 있다. 가열 디바이스는 테스트 공간 내의 온도가 가열 열교환기에 의해 상승될 수 있는 방식으로 가열 열교환기를 가열하는 전기 저항 히터일 수 있다. 열교환기와 가열 열교환기가 테스트 공간에서 순환되는 공기를 냉각 또는 가열하기 위해 제어 장치에 의해 구체적으로 제어될 수 있으면, 위에서 언급된 온도 범위 내의 온도는 온도 제어 디바이스에 의해 테스트 공간 내에서 수립될 수 있다. 테스트 재료 또는 테스트 재료의 작동 상태에 관계없이 테스트 간격 동안 테스트 공간에서, ±1K, 바람직하게 ±0.3K 내지 ±0.5K 또는 ±0.3K 미만의 시간 경과에 따른 온도 안정성이 수립될 수 있다. 테스트 간격은 테스트 물질이 실질적으로 일정한 온도 또는 기후 조건에 노출되는 완전 테스트 기간의 세그먼트이다. 가열 열교환기는, 냉매가 흐를 수 있고 전기 저항 히터의 가열 요소들을 가진 공유된 열교환기 본체가 실현될 수 있는 방식으로, 냉각 회로의 열교환기와 결합될 수 있다. 응축기는 공기, 물 또는 다른 냉각수로 냉각될 수 있다. 원칙적으로, 응축기는 임의의 적합한 유체를 사용하여 냉각될 수 있다. 본질적인 측면은, 냉매가 완전히 액화될 때까지 응축될 수 있는 방식으로 응축기에서 발생된 열 부하가 냉각 공기 또는 냉각수를 통해 배출되는 것이다.
적어도 하나의 제어가능한 제2 팽창 요소를 가진 제1 바이패스가 냉각 회로 내에 실현될 수 있고, 이 경우, 제1 바이패스는 내부 열교환기의 상류와 응축기의 하류에 있는 냉각 회로에 연결될 수 있고, 제1 바이패스는 제어가능한 부가적인 내부 냉각 시스템으로서 구현될 수 있다. 따라서, 제1 바이패스는 냉매를 위한 재-주입 디바이스를 형성할 수 있다. 부응하여, 냉매는 저압측 상의 내부 열교환기 내의 제어가능한 제2 팽창요소로부터 재순환될 수 있다. 이 경우, 제1 바이패스는 내부 열교환기의 상류와 열교환기의 하류에 있는 냉각 회로의 저압측에 연결될 수 있다. 냉각되거나 제2 팽창 요소에 의해 온도 레벨이 낮아진 냉매는 내부 열교환기를 통해 유도될 수 있고 내부 열교환기의 고압측 상의 냉매의 냉각을 강화할 수 있다. 또한, 이러한 방식을 이용하여 내부 열교환기의 냉각 용량이 더욱 정밀하게 제어될 수 있다.
적어도 하나의 제3 팽창 요소를 포함하는 제2 바이패스가 냉각 회로 내에 형성될 수 있고, 이 경우, 제2 바이패스는 응축기의 하류와 내부 열교환기의 상류의 팽창 요소를 우회하고, 냉매는 제3 팽창 요소에 의해 계량될 수 있으므로, 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력은 냉각 회로의 저압측 상의 압축기의 상류에서 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 압축기 디바이스일 수 있는 압축기의 잠재적인 과열과 손상이 무엇보다도 방지될 수 있다. 결과적으로, 압축기의 상류에 위치된 기체 냉매는 여전히 액체 상태인 냉매를 첨가함으로써 제3 팽창 요소의 작동에 의해 제2 바이패스를 통해 냉각될 수 있다. 제3 팽창 요소는 그 자체가 압축기의 상류의 냉각 회로 내의 압력 및/또는 온도 센서에 결합된 제어 디바이스에 의해 작동될 수 있다. 특히 유리하게, 제2 바이패스를 통해 ≤30℃의 흡입 가스 온도가 설정될 수 있다. 또한, 냉매는 압축기의 작동 시간이 제어될 수 있는 방식으로 계량될 수 있다. 원칙적으로, 압축기 또는 압축기 디바이스가 반복적으로 켜지고 꺼지는 것은 불리하다. 압축기가 장시간 작동하면 압축기의 수명이 연장될 수 있다. 예를 들어, 압축기의 자동적인 비활성화를 지연시키고 압축기의 작동 시간을 연장시키기 위해, 냉매는 제2 바이패스를 통해 팽창 요소 또는 응축기를 지나가도록 할 수 있다.
적어도 하나의 다른 팽창 요소를 포함하는 다른 바이패스가 냉각 회로 내에 형성될 수 있고, 다른 바이패스는 압축기의 하류와 응축기의 상류에서 압축기를 우회함으로써, 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 냉각 회로의 저압측 상의 압축기의 상류에서 제어될 수 있고, 및/또는 냉각 회로의 고압측과 저압측 사이의 압력 차이가 동일해 질 수 있다. 제2 바이패스에는 자기(magnetic) 밸브와 같은 설정가능하거나 제어가능한 밸브가 부가적으로 장착될 수 있다. 다른 팽창 요소를 통한 고압측과 저압측의 연결은 시스템 정지시 압축된 기체 냉매가 냉각 회로의 고압측으로부터 저압측으로 점진적으로 흐르게 한다. 또한, 이것은 팽창 요소가 폐쇄된 경우에도, 고압측과 저압측 사이의 점진적인 압력 평형을 보장한다. 다른 팽창 요소의 단면의 치수는 고압측으로부터 저압측으로 흐르는 냉매가 냉각 디바이스의 정상 작동에 거의 영향을 미치지 않도록 정해질 수 있다. 동시에, 압축기의 상류에 위치된 기체 냉매는 다른 바이패스를 통해 액체 냉매를 첨가함으로써 냉각될 수 있다.
나아가서, 내부 열교환기는 서브(sub)-냉각 섹션 또는 열교환기, 특히 판형(plate) 열교환기로 구현될 수 있다. 서브-냉각 섹션은 서로 접촉하는 냉각 회로의 2개의 라인 섹션들에 의해 간단하게 구현될 수 있다.
팽창 요소는 스로틀(throttle) 및 자기 밸브를 구비할 수 있고, 이 경우 냉매는 스로틀 및 자기 밸브를 통해 계량될 수 있다. 스로틀은 자기 밸브에 의해 냉매가 라우팅되는 설정가능한 밸브 또는 모세관일 수 있다. 자기 밸브 자체는 제어 디바이스에 의해 작동될 수 있다.
또한, 온도 제어 디바이스는 냉각 회로 내의 적어도 하나의 압력 센서 및/또는 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 제어 디바이스를 구비할 수 있고, 이 경우 자기 밸브는 측정된 온도 및/또는 압력의 함수로서 제어 디바이스에 의해 작동될 수 있다. 제어 디바이스는 센서들로부터의 데이터 세트를 처리하고 자기 밸브들을 제어하는 데이터 처리 수단을 포함할 수 있다. 이 경우, 냉각 디바이스의 기능은 또한 예를 들어, 적절한 컴퓨터 프로그램을 통해 사용되는 냉매로 조정될 수 있다. 더군다나, 제어 디바이스는, 테스트 챔버의 임계적이거나 바람직하지 않은 작동 상태들로 인한 손상으로부터 테스트 챔버와 테스트 재료를 보호하기 위해, 필요한 경우, 오작동을 시그널링하고 테스트 챔버의 셧다운을 개시할 수 있다.
10 내지 501 질량 % 바람직하게 20 내지 50 질량 %의 이산화탄소의 질량 분율 및 펜타플루오로에테인 및/또는 디플루오로메테인으로 되어 있는 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질량 분율로 조성된 냉각제 혼합물로 구성된 냉매가 본 발명에 따른 사용될 때, 냉매는 테스트 챔버의 테스트 공간 내의 공기를 컨디셔닝하는데 사용되고, 테스트 공간은 테스트 물질을 수용하는 기능을 하고 환경과 온도에 대해 밀봉가능하고, 냉매를 가진 냉각 회로, 열교환기, 압축기, 응축기 및 팽창 요소를 구비하는, 테스트 챔버의 온도 제어 디바이스의 냉각 디바이스는, 테스트 공간 내에서 -60℃ 내지 +180℃, 바람직하게 -70℃ 내지 +180℃, 특히 바람직하게 -80℃ 내지 +180 ℃ 범위의 온도를 수립하는데 사용된다.
냉매는, 팽창 요소의 상류와 응축기의 하류에 있는 냉각 회로의 고압측, 및 응축기의 상류와 열교환기의 하류측에 있는 냉각 회로의 저압측에 연결된, 냉각 회로의 내부 열교환기에 의해 냉각될 수 있고, 내부 열교환기에 의한 고압측의 냉매의 냉각은, 팽창 요소에서 증발 온도를 낮추는 데 사용될 수 있다. 고압측 냉매의 증발 온도를 낮추는 동안, 저압측 냉매의 흡입 압력은 일정하게 유지될 수 있다. 그러한 경우에, 흡입 압력의 추가 제어 및 흡입 압력의 함수로서 팽창 요소의 제어의 형태와 같은 더 큰 시스템 복잡성은 반드시 필요한 것은 아니다. 특히, 압축기는 냉각 회로의 작동 상태에 관계없이 일정한 출력으로 작동될 수도 있다. 피스톤 펌프들이 특히, 압축기들로 사용될 때, 장기 사용 수명을 달성하기 위해서, 피스톤 펌프들은 장시간 작동하고 일정한 속도로 작동하는 것이 필수적이다.
고압측의 냉매는 내부 열교환기에 의해 저압측 상의 일정한 흡입 압력에서 저압측의 냉매에 의해 냉각될 수 있다. 결과적으로, 냉매는 팽창 요소로부터 내부 열교환기까지 포함하여 냉각 회로의 증발 섹션에서 일정한 흡입 압력으로 증발할 수 있다. 냉매의 흡입 압력 또는 증발 압력이 일정하면, 냉매는 낮은 증발 온도에서 팽창 요소로부터 높은 증발 온도에서 내부 열교환기까지 냉매의 온도 활주에 따라 증발할 수 있다. 온도 활주로 인한 이슬점 온도는 테스트 공간 내에서 냉각될 유체 또는 공기의 온도보다 더 높을 수 있다. 냉매의 증발 온도가 동일한 흡입 압력에서 테스트 공간에서 냉각될 공기의 온도와 동일하면, 공기는 더 이상 냉각될 수 없다. 그러나, 다른 열교환기 내에서 도달된 이슬점 온도는 내부 열교환기의 고압측 상의 냉매의 액체 온도보다 더 낮고, 이것은 냉매의 액체 온도가 더 감소될 수 있음을 의미한다. 부응하여, 팽창 요소의 하류의 증발 온도는 흡입 압력을 변화시키지 않으면서 낮아질 수 있어서, 테스트 공간 내의 공기의 추가적인 냉각이 달성될 수 있다.
따라서, 팽창 요소를 통해 라우팅된 냉매의 제1 부분은 열교환기 내에서 증발될 수 있고, 냉매의 제2 부분은 내부 열교환기 내에서 증발될 수 있다. 냉매가 그 안에서 증발하는 냉각 회로의 증발 섹션은 팽창 요소로부터 내부 열교환기까지 연장될 수 있다. 증발 섹션은 내부 열교환기 전체에 걸쳐 뻗을 수 있고, 이 경우 냉매의 이슬점은 압축기의 상류에서 내부 열교환기의 출구에 위치될 수 있다. 제1 부분/제2 부분 비율은 테스트 공간 내부의 온도 함수로서 또는 열교환기에서 온도의 함수로서 냉각 회로의 작동 동안 변할 수 있다. 예를 들어, 열교환기의 온도와 테스트 공간 내의 온도 사이의 비교적 큰 온도 차이는, 열교환기 내의 냉매의 가열의 가속화로 이어질 수 있고, 냉매의 이슬점이 내부 열교환기의 입구 또는 압축기 상류에 있는 열교환기 출구 쪽으로 이동되게 한다. 테스트 공간 내에서 비교적 낮은 온도 또는 목표 온도가 아직 수립되지 않은 한 이러한 종류의 이슬점의 이동은 허용될 수 있다. 열교환기의 온도가 테스트 공간 내의 온도로 접근할 때, 이슬점이 이동하고 따라서 냉매의 제2 부분은 제1 부분에 대해 성장한다.
고압측의 냉매의 증발 온도는 자체-제어 방식으로 낮아질 수 있다. 열교환기의 온도에 따라, 열교환기의 온도는 냉매의 상 전이를 더 이상 야기하기에 충분하지 않기 때문에, 더 이상 증발하지 않는 냉매는 열교환기로부터 흐름 방향으로 배출될 수 없다. 따라서, 고압측과 저압측 사이의 온도 차이는 열교환기보다 항상 더 클 수 있기 때문에, 습증기 또는 액체 냉매는 내부 열교환기 내에서 재-증발된다. 팽창 요소의 상류의 액체 냉매의 온도가 내부 열교환기 내의 열교환에 의해 내부 열교환기에 의해 감소되면, 열교환기에서 달성될 수 있는 팽창 요소의 상류에 있는 냉매의 에너지 밀도 및 온도 차이가 증가한다. 원칙적으로, 팽창 요소, 열교환기 및 내부 열교환기의 상호 작용은 제어될 필요가 없다.
특히 유리하게, 냉각 디바이스는 냉매의 임계점 아래에서 독점적으로 작동된다. 냉각 디바이스가 냉매의 삼중점(triple point) 아래에서 작동되면, 냉매의 초 임계(supercritical) 상태의 도달이 방지될 수 있다. 따라서, 냉각 디바이스는 초 임계 상태에서 작동하도록 구성될 필요가 없고, 이것은 냉각 디바이스의 제조 비용을 절감시킨다.
특히, 내부 열교환기에 의해 고압측 냉매의 증발 온도를 낮추는 동안 일정한 흡입 압력이 유지될 수 있다. 부응하여, 내부 열교환기를 통한 고압측 냉매의 냉각은, 또한 팽창 요소에서 냉매의 증발 온도를 부분적으로 또는 독점적으로 낮추기 위해 이용될 수 있다.
냉매의 이슬점 온도는 온도 범위의 최소 온도보다 더 높을 수 있다. 최신 기술로 알려진 테스트 챔버에서, 온도 범위의 최소 온도는 이러한 종류의 냉매로 더 이상 수립될 수 없지만, 비교적 더 높은 최소 온도는, 냉매의 이슬점 온도에 실질적으로 상응한다. 그러나, 본 발명에 따른 테스트 챔버에서, 고압측 상의 액화 냉매가 내부 열교환기에 의해 냉각될 수 있기 때문에, 이슬점 온도가 온도 범위의 달성가능한 최소 온도보다 더 높은 냉매가 사용될 수 있고, 이것은 팽창 요소에서 냉매의 증발 온도가 비교적 더 낮을 수 있음을 의미한다.
냉매는 0.3 내지 5 기압의 압력 범위에서 흡입 압력 또는 증발 압력에서 절대적으로 증발될 수 있다. 이러한 압력 범위 내에서 냉매를 사용하면, 냉각 회로의 저압측을 구성하기 위해 특별한 내압 모듈 및 컴포넌트들을 사용할 필요가 없기 때문에 냉각 회로를 비용 효율적으로 생산할 수 있다.
또한, 냉매는 5 내지 35 기압의 압력 범위에서 응축 압력에서 절대적으로 응축될 수 있다. 여기에서도, 고압측은 비교적으로 더 높은 압력에 적응될 필요가 없는 모듈 및 컴포넌트들 사용하여 구성될 수 있다.
사용의 다른 실시예들은 디바이스 청구항 1에 종속하는 청구항들의 특징들의 설명으로부터 명백하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 냉매에 대한 압력-엔탈피 다이어그램이다.
도 2는 냉각 디바이스의 제1 실시예의 개략도이다.
도 3은 냉각 디바이스의 제2 실시예의 개략도이다.
도 4는 냉각 디바이스의 제3 실시예의 개략도이다.
도 5는 냉각 디바이스의 제4 실시예의 개략도이다.
도 6은 냉각 디바이스의 제5 실시예의 개략도이다.
도 2는 테스트 챔버(미도시)의 냉각 디바이스(10)의 제1 실시예를 도시한다. 냉각 디바이스(10)는 냉매를 가진 냉각 회로(11), 열교환기(12), 압축기(13), 응축기(14) 및 팽창 요소(15)를 구비한다. 본 실시예에서, 응축기(14)는 다른 냉각 회로(16)에 의해 냉각된다. 열교환기(12)는 테스트 챔버의 테스트 공간(미도시) 내에 배치된다. 더군다나, 냉각 회로(11)는 내부 열교환기(19)가 연결되는 고압측(17)과 저압측(18)을 갖는다.
도 1은 냉각 회로(11) 내에서 순환하는 냉매에 대한 압력-엔탈피 다이어그램 (log p/h 다이어그램)을 도시하고, 냉매는 비공기(Zeotropic) 냉매이다. 도 1 및 도 2의 결합된 도면에 따르면. 위치 A에서 시작하여, 압축기(13) 상류의 냉매는 흡입 및 압축됨으로써, 위치 B에 따라 압축기(13)의 하류에서 일정한 압력에 도달된다. 냉매는 압축기(13)에 의해 압축된 후, 위치 C에 따라 응축기(14) 내에서 액화된다. 냉매는 고압측(17) 상의 내부 열교환기(19)를 통과하여 추가적으로 냉각되고, 팽창 요소(15)의 상류 위치 C'에 도달한다. 내부 열교환기(19)에 의해, 열교환기(12)에서 사용할 수 없는 습증기 영역(위치 E 내지 E')의 일부는 냉매의 온도를 더 낮추기 위해 사용될 수 있다(위치 C' 내지 C). 냉매는 팽창 요소(15)에서 이완되고(위치 C' 내지 D'), 열교환기(12) 내에서 부분적으로 액화된다(위치 D' 내지 E). 그 다음, 냉매의 습증기는 저압측(18) 상의 내부 열교환기(19)로 들어가고, 여기서 냉매의 이슬점 온도 또는 이슬점이 위치 E'에 도달할 때까지 냉매는 재-증발된다. 그러므로, 냉매의 증발 섹션(22)의 제1 서브 섹션(20)은 열교환기(12) 전체에 걸쳐 뻗어 있고, 증발 섹션(22)의 제2 서브 섹션(21)은 내부 열교환기(19) 전체에 걸쳐 뻗어 있다. 본질적인 측면은, 팽창 요소(15)에서 증발 온도가 변화하더라도, 저압측(18) 상의 압축기(13)의 흡입 압력이 증발 섹션(22) 상에서 일정하게 유지 된다는 것이다.
냉매는 30 내지 50 질량 %의 이산화탄소의 질량 분율 및 펜타플루오로에테인과 디플루오로메테일 수 있는 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질량 분율로 구성되는 냉매 혼합물이다. 원칙적으로, 위의 표 1에 열거된 냉매들은 냉각 회로(11) 및 후술되는 냉각 회로들에 사용될 수 있다.
도 3은 냉각 디바이스(23)의 가장 간단한 실시예의 개략도이고, 냉각 디바이스(23)는 자체-제어된다. 냉각 디바이스(23)는 열교환기(25), 압축기(26), 응축기(27), 팽창 요소(28) 및 내부 열교환기(29)를 구비하는 냉각 회로(24)를 포함한다. 열교환기(25)의 온도에 따라, 열교환기(25)의 온도 또는 테스트 공간(미도시) 내의 온도가 상 전이를 더 이상 야기하기에 충분히 높지 않기 때문에, 완전히 증발되지 않은 냉매가 열교환기(25)로부터 배출된다. 이 경우, 여전히 액체인 냉매는 내부 열교환기(29) 내에서 재-증발된다. 왜냐하면, 거기서 온도 차이는 항상 열교환기(25)에서 보다 더 커야하기 때문이다. 팽창 요소(28) 상류의 액체 냉매의 온도가 내부 열교환기(29) 내의 열교환에 의해 감소되었으면, 그것을 이용하여 열교환기(25)에서 달성될 수 있는 에너지 밀도와 온도 차이는 증가한다. 냉각 디바이스(23)는 센서 등을 통한 정교한 제어가 필요하지 않다.
도 4는 제1 바이패스(31) 및 제2 바이패스(32)를 구비하는 점에서 도 3의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(30)를 도시한다. 제어가능한 제2 팽창 요소(33)는 제1 바이패스(31) 내에 배치되고, 제1 바이패스(31)는 부가적인 내부 냉각 시스템(33)으로서 구성되어 있다. 제1 바이패스(31)는 내부 열교환기(29)의 상류에 있는 응축기(27)의 바로 하류인 지점과, 열교환기(25)의 하류이고 내부 열교환기(29)의 바로 상류인 지점 사이의 냉각 회로(24)에 연결된다. 따라서, 제1 바이패스(31)는 열교환기(25)와 함께 팽창 요소(28)를 우회하고, 내부 열교환기(29)는 제2 팽창 요소(33)를 통해 증발하는 냉매를 공급할 수 있도록 되어 있다. 내부 열교환기(29)로 유입된 흡입 가스 질량 흐름은, 열교환기(25)에 의해 야기될 수도 있는 높은 흡입 가스 온도들의 경우, 제1 바이패스(31)에 의해 추가로 냉각될 수 있다. 이러한 방식으로, 팽창 요소의 상류에서 냉매의 증발이 배제될 수 있다. 그러므로, 제1 바이패스(31)는 냉각 디바이스(30)의 변화하는 부하 사례들에 반응하는데 사용될 수 있다. 제2 바이패스(32)는 제3 팽창 요소(35)를 구비하고, 응축기(27)의 하류이고 내부 열교환기(29)의 상류인 지점과, 내부 열교환기(29)의 하류이고 압축기(26)의 상류인 지점 사이의 냉각 회로(24)에 연결된다. 이것은, 허용할 수 없을 정도로 높은 최종 압축 온도를 피하기 위해, 압축기(26)의 상류에서 흡입 가스 질량 흐름이 제2 바이패스(32)를 통해 충분히 감소될 수 있게 한다.
도 5는 다른 냉각 회로(37)를 갖는 점에서 도 4의 냉각 디바이스와 상이한 냉각 디바이스(36)를 도시한다. 다른 냉각 회로(37)는 냉각 회로(39)의 응축기(38)를 냉각시키는 역할을 한다. 본 실시예에서, 응축기(38)는 캐스케이드 열교환기(40)로서 구현된다. 나아가서, 냉각 회로(39)는 다른 팽창 요소(42)를 갖는 다른 바이패스(41)를 구비한다. 다른 바이패스(41)는 압축기(26)의 하류이고 응축기 (38)의 상류인 지점과, 내부 열교환기(29)의 하류이고 압축기(26)의 상류인 지점 사이의 냉각 회로(39)에 연결된다. 따라서, 아직 액화되지 않았지만 압축된 냉매는 다른 바이패스(41)를 통해 압축기(26)의 상류로 역류할 수 있으므로, 냉매의 흡입 가스 온도 및/또는 흡입 가스 압력이 제어될 수 있다.
도 6은 냉각 회로(44) 및 다른 냉각 회로(45), 특히 냉각 회로(44) 내의 내부 열교환기(46)를 구비하는 냉각 디바이스(30)를 도시한다. 본 실시예의 경우, 열교환기(47)는 테스트 챔버(미도시)의 온도-절연된 테스트 공간 내에 배치된다.
10...냉각 디바이스 11...냉각 회로
12...열교환기 13...압축기
14...응축기 15...팽창 요소
16...다른 냉각 회로 17...고압측
18...저압측 19...내부 열교환기
22...증발 섹션 23...냉각 디바이스
25...열교환기 26...압축기
27...응축기 28...팽창 요소
29...내부 열교환기 30...다른 냉각 디바이스
31...제1 바이패스 32...제2 바이패스
33...내부 냉각 시스템 36...다른 냉각 디바이스
37...다른 냉각 회로 38...응축기
39...냉각 회로 40...캐스케이드 열교환기
41...다른 바이패스 42...다른 팽창 요소
44...냉각 회로 45...다른 냉각 회로
46...내부 열교환기 47...열교환기

Claims (20)

  1. 냉매가 상 전이(phase transition)를 경험하고, 적어도 하나의 열교환기(12,25,47)를 가진 냉각 회로(11,24,39,44)를 구비하는 냉각 디바이스(10,23,30,36,43)용 냉매로서,
    상기 냉매는 이산화탄소(CO2)의 질량 분율 및 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질량 분율로 구성된 냉매 혼합물로 되어 있고;
    상기 냉매 혼합물 내의 상기 이산화탄소의 질량 분율은 10 내지 50 질량 %, 바람직하게 30 내지 50 질량 %이고, 상기 다른 컴포넌트는 펜타플루오로에테인(C2HF5) 및/또는 디플루오로메테인(CH2F2)으로 되어 있는, 냉매.
  2. 청구항 1에서,
    상기 냉매 혼합물 내의 상기 이산화탄소의 질량 분율은 31 내지 46 질량 %인, 냉매.
  3. 청구항 1에서,
    상기 이산화탄소의 질량 분율은 30 내지 33 질량 %, 바람직하게 31 질량 %이고, 상기 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 70 내지 67 질량 %, 바람직하게 69 질량 %인, 냉매.
  4. 청구항 1에서,
    상기 이산화탄소의 질량 분율은 44 내지 48 질량 %, 바람직하게 45.8 질량 %이고, 상기 펜타플루오로메테인의 질량 분율은 56 내지 52 질량 %, 바람직하게 54.2 질량 %인, 냉매.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
    상기 냉매 혼합물은 바이너리(binary) 혼합물인, 냉매.
  6. 청구항 1에서,
    상기 냉매 혼합물은 부가적 컴포넌트로서 트리플루오로에틸렌, 1,1-디플루오로에텐(C2H2F2) 또는 플루오로에텐(C2H3F)를 가진, 냉매.
  7. 청구항 1에서,
    상기 이산화탄소의 질량 분율은 33 내지 38 질량 %, 바람직하게 35 질량 %이고, 상기 펜타플루오로에테인의 질량 분율은 33.5 내지 31 질량 %, 바람직하게 32.5 질량 %이고, 상기 디플루오로메테인의 질량 분율은 33.5 내지 31 질량 %, 바람직하게 32.5 질량 %인, 냉매.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에서,
    상기 이산화탄소의 질량 분율은 33 내지 38 질량 %, 바람직하게 35 질량 %이고, 냉매 R410A 또는 냉매 R410B의 질량 분율은 67 내지 62 질량 %, 바람직하게 65 질량 %인, 냉매.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에서,
    상기 냉매는 비공기(zeotropic)이고,
    상기 냉매는 10K 이상, 바람직하게 15K 이상, 특히 바람직하게 18K 이상의 온도 활주(glide)를 가진, 냉매.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에서,
    상기 냉매는 20년에 걸쳐, <2500, 바람직하게 <1500, 특히 바람직하게 <500의 상대 CO2 당량을 가진, 냉매.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에서,
    상기 냉매는 불연성인, 냉매.
  12. 공기를 컨디셔닝하기 위한 테스트 챔버로서,
    테스트 재료를 수용하는 기능을 하고 환경에 대해 밀봉될 수 있고 온도-절연된 테스트 공간, 및
    상기 테스트 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 디바이스를 구비하고,
    상기 온도 제어 디바이스에 의해 -70℃ 내지 +180℃ 범위의 온도가 상기 테스트 공간 내에 수립될 수 있고,
    상기 온도 제어 디바이스는, 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 냉매를 가진 냉각 회로(11,24,39,44)를 포함하는 냉각 디바이스(10,23,30,36,43), 열교환기(12,25,47), 압축기(13,26), 응축기(14,27,38) 및 팽창 요소(15,28)를 구비하는, 테스트 챔버.
  13. 청구항 12에서,
    상기 냉각 회로(11,24,39,44)는 내부 열교환기(19,29,46)를 구비하고, 상기 내부 열교환기는 상기 팽창 요소(15,28)의 냉각 회로 상류와 상기 응축기(14,27,38)의 하류의 고압측(17)에 연결되고, 상기 압축기(13,26)의 냉각 회로 상류와 상기 열교환기(12,25,47)의 하류의 저압측(18)에 연결되는, 테스트 챔버.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에서,
    상기 열교환기(12,25,47)는 상기 냉매가 상기 열교환기 내에서 부분적으로만 증발할 수 있도록 구성되는, 테스트 챔버.
  15. 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에서,
    상기 응축기(14,27,38)는 상기 냉각 디바이스의 다른 냉각 회로(36,43)의 캐스케이드 열교환기(40)로서 구현되는, 테스트 챔버.
  16. 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에서,
    상기 온도 제어 디바이스는 히터 및 상기 테스트 공간 내의 가열 열교환기를 포함하는 가열 디바이스를 구비하는, 테스트 챔버.
  17. 청구항 12 내지 청구항 16 중 어느 한 항에서,
    적어도 하나의 제어가능한 제2 팽창 요소(33)를 가진 제1 바이패스(31)가 상기 냉각 회로(24,39,44) 내에 구현되고,
    상기 제1 바이패스는 상기 내부 열교환기(29,46)의 냉각 회로 상류와 상기 응축기(27,38)의 하류에 연결되어 있고,
    상기 바이배스는 부가적인 제어가능한 내부 냉각(34)으로서 구현되어 있는, 테스트 챔버.
  18. 10 내지 50 질량 %, 바람직하게 30 내지 50 질량 %의 이산화탄소(CO2)의 질량 분율 및 펜타플루오로에테인(C2HF5) 및/또는 디플루오로메테인(CH2F2)으로 되어 있는 적어도 하나의 다른 컴포넌트의 질양 분율로 조성된 냉매 혼합물로 구성되고, 테스트 챔버의 테스트 공간 내의 공기를 컨디셔닝하기 위한 냉매의 용도로서,
    상기 테스트 공간은 테스트 재료를 수용하는 기능을 하고 환경에 대해 밀봉되어 있고 온도-절연되며,
    냉매를 가진 냉각 회로(11,24,39,44), 열교환기(12,25,47), 압축기(13,26), 응축기(14,27,38) 및 팽창 요소(15,25,28)를 구비하는, 상기 테스트 챔버의 온도 제어 디바이스의 냉각 디바이스(10,23,30,36,43)는, -60℃ 내지 +180℃, 바람직하게 -70℃ 내지 +180℃, 특히 바람직하게 -80℃ 내지 +180℃의 온도에서 상기 테스트 공간의 온도를 수립하는데 사용되는, 냉매의 용도.
  19. 청구항 18에서,
    상기 팽창 요소(15,25,28)의 냉각 회로 상류와 상기 응축기(14,27,38)의 하류의 고압측(17)에 연결되고 상기 압축기(13,26)의 냉각 회로 상류와 상기 열교환기(12,25,47)의 하류의 저압측(18)에 연결되는, 상기 냉각 회로(11,24,39,44)의 내부 열교환기(12,29,46)는, 상기 고압측의 냉매를 냉각시키는데 이용되고,
    상기 내부 열교환기를 이용한 상기 고압측의 냉매의 냉각은 팽창 요소에 있는 증발 온도를 낮추는데 이용되는, 냉매의 용도.
  20. 청구항 18 또는 청구항 19에서,
    상기 고압측(17)의 냉매는 상기 내부 열교환기(19,29,46)를 이용하여 상기 하류측 상의 일정한 흡입 압력에서 저압측(18)의 냉매에 의해 냉각되는, 냉매의 용도.

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