专利名称：节能的气候试验室及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种气候试验室，这种气候试验室用在试验实验室中以让材料和/或组分样本经历规定数量的温度循环，这些样本被适当地装载和设置在绝热空腔中。
背景技术：
这些温度循环由加热和冷却步骤交替组成，在这些步骤之间设有预定长度的时间段，在该时间段内所述样本被保持在在最高温度和最低温度，其中每种情况所涉及的温度值由与被试验材料和/或组分相关的试验规定提供。
虽然在达到和维持最高温度方面不存在任何特殊的问题，尽管这个温度会达到+180℃，但使用高功率级或低功率级的传统电加热元件就足以实现这个目的，而降到所需的最低温度也即制冷系统的使用却遇到了许多的问题，尤其是当这个最低温度值非常低的时候，例如-70℃。
与制冷系统使用有关的第一个问题涉及实际需要的设备类型。解决这个问题的方案尽管仅从技术方面来说总体是非常简单的，然而无论如何其成本却是非常昂贵的。为了可以降到温度值这么低的最低温度，制冷单元实际上必须为两级级联类型，其中高温级或回路的蒸发器设置成与低温级或回路的冷凝器进行热交换。因此是由低温级的蒸发器(其中使用的制冷剂介质的沸点比高温级制冷剂介质低)与气候试验室中的绝热空腔进行物理热交换。
由于冷却速度(即将绝热空腔内部从其最高温度降到最低温度所用的时间)实际上是一个非常关键的因素，因而制冷单元将最低设定温度维持所需时间所提供的制冷量被发现仅占冷却步骤所提供制冷量的一个不多的百分比(大约10％)，于是导致产生了第二个就事情而言严重得多的问题。由于这个最低温度必须维持在非常小的容差范围内，典型地为±0.5℃，因此在制冷单元各级或回路中就不太可能重复频繁地使用压缩机的开/关循环，正好相反的是，这些压缩机必须保持持续运行，虽然已经适当地使用了可调节流速的电磁阀。
对于这第二个问题，现有技术通常采用的方案是提供和启动合适的旁通装置来切断高温级蒸发器以及低温级冷凝器、膨胀阀和蒸发器中的制冷剂介质流。在这种方式中，制冷剂介质在各个压缩机的排出侧和吸气侧之间保持循环。总之，在这种方式中，十分明显的是相当可观的能量都被浪费掉了，而且还应注意到制冷剂介质的流速保持不变，即在冷却步骤中和在空腔维持其最低设定温度时都保持着相同的速度。
发明目的与之相反，人们所期望的是在气候试验室的绝热空腔保持最低设定温度时，可以阻止这种大量的能量浪费，而这实际上也是本发明的主要目的。
本发明的另一个目的是增加气候试验室的冷却速度以减少冷却步骤的持续时间，从而相应减少温度循环的持续时间，这对于实验室试验设施的消费者是明显有好处的，而且由于这样意味着更低的能耗，因此甚至从成本方面考虑也是明显有利的。
根据本发明，这些以及其它从下面描述可明显看出的目的将在包括所附权利要求所列特征和特点的气候试验室中得以实现。
总之，从下面给出的两个优选而不是单个的实施例的说明中，可以更加容易地理解该具有创造性的气候试验室的特征和特点，以及其超过现有技术方案的优点。考虑到本文所要求的所有特征涉及气候试验室的制冷单元，在附图中图1示出了根据本发明的两级级联制冷单元的回路图，其中所有通常已知的部件和零件都已经有意地省略掉以使图面更加清楚，这些部件和零件是遵守安全准则的要求和规定和/或执行辅助操作(填充制冷剂介质、维护以及类似操作)所必须使用的，但它们对本发明而言则毫无关系；以及图2示出了单级制冷单元相似的回路图。
具体实施例方式
在图1中，低温级的流体动力回路通常以100表示，并且可以使用例如R23(即三氟甲烷)作为制冷剂介质。该回路包括以下部件蒸发器110，该蒸发器由设置在气候试验室的绝热空腔10中位于折流板12后方的一组翅片管组成，该折流板12用来使气流转向。在一种本身已知的方式中，在空腔10中还设置有一组电加热元件14(实际上，就是一组并联设置的铠装电阻型加热元件)、设定和控制最高温度和最低设定温度的可调恒温器15的探针16、限定温度的安全恒温器17、适于在空腔10中提供规则气流的电动风扇19的叶轮18。可调恒温器15设置在空腔10的外面，并且与控制整个气候试验室的PLC25相关联。具体而言，PLC25通过相应的电连接22和23连接到两个变换器20和30上，并且由电源主线路供给能量。限定温度的安全恒温器17也连接到常规线路(未示出，但连接到电源主线路上)以给电加热元件14通电；压缩机120(在下文中被称作“第一压缩机”)，该压缩机由异步电机驱动，并且通过输电线22连接到变换器20上，该变换器在最大设定值和最小设定值之间控制压缩机的转速；压缩机120的排出管122，其上设置有通过供给管125(其走向与该排出管122平行)与压缩机下座连接的油分离器126，油流动指示器127安装在该供给管125上以指示油的流通情况；连接油分离器126和冷凝器105的管128，该冷凝器构成逆流热交换器150的热侧；收集液体制冷剂介质的储存器130，该储存器设置在管128的末端，并通过管132连接到蒸发器110的入口111，在管132上依次设置有电磁阀134(在下文中被称作电磁阀I)和构成低温级回路100节流元件的恒温控制阀136；
压缩机120的返回或吸气管124，其直径大于排出管122并且连接到蒸发器110的出口112。
在本发明的这个第一实施例中，低温级的流体动力回路100最后还包括旁通管路140，该旁通管路通过T形接头142(在下文中被称作第六接头)连接到第一压缩机120的排出管122，并且还通过另一个T形接头(第七接头)连接到该压缩机的吸气管124。从第六接头142开始，在旁通管路140上依次安装有电磁阀146(在下文中被称作电磁阀II)和毛细管148。
在图1中，高温级的流体动力回路通常以200表示，并且可以使用例如R404a(即44.1％的R125、51.9％的R143a和4.0％的R134a的混合物)作为制冷剂介质，该回路依次包括以下部件压缩机210(在下文中被称作第二压缩机)，该压缩机由异步电机驱动，并通过输电线32连接到变换器30上，该变换器在最大设定值和最小设定值之间控制该压缩机的转速；压缩机210的排出管212；压缩机210的返回或吸气管214，其直径大于排出管212并且连接到热交换器150冷侧的出口；冷凝器220(实际上是带有相关电动冷却风扇的一组翅片管)，该冷凝器设置在压缩机210排出管212的末端并且通过一较短的连接管223连接到储存液体剂介质的储存器224；从储存器224接出的出口管230，其上依次设置有干燥过滤器232、指示油流通情况的油流动指示器234和T形接头236(在下文中被称作第一接头)。从该第一接头236接出的管240(被称作主管)上依次安装有电磁阀242、244(在下文中分别被称作电磁阀III和电磁阀IV)和构成高温级流体动力回路200节流元件的恒温控制阀246。主管240一直连到高温级回路200的蒸发器205，该蒸发器构成前述热交换器150的冷侧。
根据本发明的基本特征，从所述第一T形接头236还接出次管241，其上安装有电磁阀248(在下文中被称作电磁阀V)，并且延伸通过密封罐250，最终通过电磁阀III242下游的T形接头245(在下文中被称作第二接头)进入主管240。在罐250(其构成本发明的另一重要特征，并且由于其用作冷量存储装置因而在下文中被称作存储罐，这将在下文中进行具体解释)中，通过设置有闸阀239的管237填充有任意合适类型的共晶液，例如乙二醇水溶液。
除了次管241，管252的盘管形的一段也穿过罐250，该管252在下文中被称作回收管。该回收管252从T形接头254(在下文中被称作第三接头)开始，该接头位于第二接头245的下游和电磁阀IV244的上游，并且在管252上还依次设有另一电磁阀256(在下文中被称作电磁阀VI)和恒温控制阀258。回收管252在存储罐250的下游一直延续到其位于另一T形接头255(在下文中被称作第五接头)处的终点，该接头位于热交换器150冷侧出口下游处的第二压缩机210吸气管214上。
在本发明的这个实施例中，高温级流体动力回路200最后还包括旁通管路260，该旁通管路在一个与管230分开的位置从液体制冷剂介质储存器224引出来，并最终在节流阀246与热交换器150冷侧入口之间的位置进入主管240上的T形接头266(在下文中被称作第四接头)。在一种本身已知的方式中，在旁通管路260上依次设置有另一电磁阀262(在下文中被称作电磁阀VII)和毛细管264。
假设对于气候室中将实施的试验类型，规定要求执行由四个步骤依次组成的N循环，即将放置于室内绝热空腔中的样本加热到最高设定温度t1＝+170℃；将样本维持在所述温度t13小时；将样本冷却至最低设定温度t2＝-70℃；将样本维持在所述温度t23小时，则其操作模式如下文所述。
在根据该规定执行的第一个N试验循环中，装置完全是常规运行模式，即开始的两步在PLC25的控制下由电动风扇19辅助电加热元件14来实施。在下面的冷却步骤中，PLC25一旦已经先关闭加热元件14而保持电动风扇19规律运行，则会使变换器20和30以最大频率为压缩机120和210的驱动电机供电，例如如果线路频率为50Hz则最大频率为60Hz，直到连接到PLC的探针16最终检测到空腔10中温度已经达到t2为止。在这个冷却步骤中，PLC25确保回路中电磁阀的状态为下表1所示状态，其中ON表示相应电磁阀的螺线管被通电，而OFF表示它被断电。
表1
于是这样可以确保制冷单元的两级都在全容量下运行并且需要一定的时间T1(因此也就是第一个操作循环第三步的持续时间)来将空腔10中的温度从t1降到t2。
在试验循环接下来的第四步中，PLC25将空腔10维持在最低设定温度t2，变换器20和变换器30降低压缩机120和210的电机转速。一旦达到压缩机的合适操作容许的最低速度之后，PLC25确保在整个第四步的持续时间内，回路中电磁阀的状态为下表2所示的状态表2
于是，鉴于这个步骤中空腔10所需的非常少的制冷量，几乎高温级回路200的整个制冷量都不再需要用在热交换器150中来冷却流入低温级回路100的制冷剂介质。根据本发明的基本特征，高温级回路200的制冷量更确切地说被用来通过回收管252冷却(到凝固点)存储罐250中的共晶液。
在接下来的(第二个)N规定温度循环的冷却步骤中，PLC25确保回路中电磁阀的状态为下表3所示的状态表3
这样在次管241中，即节流阀246的上游，制冷剂介质由罐250中聚集的冷量进行过冷却，从热力学的角度来看其优点是显而易见的。
通过影响和调节热交换器150中该同一制冷剂介质的蒸发，这种过冷对于低温回路100中制冷剂介质的冷凝产生有利的影响，从而增加低温级回路的效率。最终的结果就是，第个二操作循环中将空腔10温度从t1降到t2的第三步的持续时间与第一个循环中所需的时间TI不同，而是一个比TI短很多的值TII。第二个操作循环的第四步与第一个操作循环的第四步相似。根据规定实施的所有后续试验循环都将按照与上述第二个循环相同的方式和模式进行。
从上面的描述最容易理解的是实验室试验总持续时间的减少，并因而减少了相关的能量消耗，由此可得出，对于定购了试验的消费者而言，显然的好处在于可以在短得多的时间内得到想要的试验结果，并且可以为试验支付更少的费用，而对于那些经营试验实验室和使用气候试验室的人而言，所带来的好处在于获得了给定时期内例如一年内可以进行更多试验的能力。
如果罐250的冷量存储已经彻底完成，即其中装载的共晶液已经完全冻结，则回路200的旁通功能将被启动。然后PLC25确保回路中电磁阀的状态为下表4所示的状态表4
现在继续来描述本发明的第二个实施例，该实施例由图2示出并且包括单级制冷单元，首先应注意到这个实施例目的用在要实施的试验循环的最低设定温度高于第一个实施例的情况，即例如该温度值t2＝-20℃，但最大或最高温度值可以与第一个实施例中考虑的相同，即t1＝+170℃。
在图2中，流体动力回路通常以400表示，并使用例如R404A作为制冷剂介质，该回路通过其蒸发器405来冷却气候试验室的绝热空腔310。在空腔310中除蒸发器405外设置有设定和控制最高和最低设定温度的可调节恒温器315的探针316；位于偏转气流的折流板312后并且由限定温度的恒温器317控制的一组电加热元件314；适于在空腔310中提供规则气流的电动风扇319的叶轮318。该可调节恒温器315设置在空腔310外并且与控制整个气候试验室的PLC325相关联。具体而言，PLC325通过电线323与变换器320连接，并且由电源主线路供给能量。限定温度的安全恒温器317也连接到电加热元件314的常规电源线路(未示出)上。
回路400除上述具有出口406和出口407的蒸发器405之外还包括第一螺线关闭阀408(在下文中被称作电磁阀I)和构成回路的节流元件的恒温控制阀409，所述电磁阀I和所述恒温控制阀沿着管440设置在蒸发器405入口406的上游，该管440在下文中被称作主管；由变换器320控制的异步电机驱动的压缩机410，该压缩机通过电源线路322连接到该变换器320；压缩机410的排出管412；压缩机410的返回或吸气管414，其直径大于压缩机的排出管412，并且连接到蒸发器405的出口407；冷凝器420(实际上是带有相关电动冷却风扇422的一组翅片管)，该冷凝器设置在压缩机410排出管412的末端并且通过一较短的连接管423连接到储存液体制冷剂介质的储存器424；从储存器424引出的出口管430，其上依次设置有干燥过滤器432、指示油流通情况油流动指示器434以及T形接头436(在下文中被称作第一接头)。该第一接头436是上述主管440和所谓次管441(它构成本发明的基本特征，这将在下文中具体解释)流入的位置。
沿着主管440，从电磁阀408和节流阀409上游的第一接头436开始，依次设置电磁阀442(电磁阀II)、第二T形接头444、第三T形接头446和第四T形接头448。
次管441依次包括在电磁阀443(电磁阀III)的下游的盘管形段，所述盘管形段穿过密封罐450，并且最终通过第二T形接头444进入主管440，如上所述，该T形接头444设置在螺线管II442的下游。
罐450用作冷量存储装置或冷量聚集器，因为它通过设置有闸阀439的管437充满了任意合适类型的共晶液，例如乙二醇水溶液。除了次管441，穿过罐450的还有所谓回收管452的盘管形段。该回收管452从前述第三T形接头446分支离开主管440，并且在其所述盘管段的下游该回收管在第五T形接头454处连接并且流入压缩机410的返回或吸气管414。另一电磁阀456(电磁阀IV)和另一恒温控制阀458依次设置在所述第三T形接头446和回收管452的所述盘管段开始处之间。
在一种本身已知的方式中，回路400最后还包括旁通管路460，该旁通管路460从直接位于冷凝器424下游的液体制冷剂介质储存器424引出，并且在第四T形接头448处流入压缩机410的返回或吸气管414。最后一个阀462(电磁阀V)和毛细管464依次设置在旁通管路460上。
假设对于气候室绝热空腔310中将实施的试验类型，规定要求执行由四个步骤依次组成的N循环，即将放置于室内绝热空腔中的样本加热到最高设定温度t1＝+170℃；将样本维持在所述温度t13小时；将样本冷却至最低设定温度t2＝-20℃；将样本维持在所述温度t23小时，则其操作模式如下文所述。
在第一个规定的N试验循环的前两步中，在PLC325的控制下，空腔310由通过电动风扇319辅助作用的电加热元件314进行加热。在接下来的冷却步骤中，PLC325一旦已经先关闭了电加热元件314而保持电动风扇419规律运行，则使变换器320以最大频率为压缩机410的驱动电机供电，例如如果线路频率为50Hz则最大频率为60Hz，从而使其转速达到其所允许的最高值。在该第一个操作循环的第三步中，一旦PLC325的探针316指示空腔310中的温度最终已经达到了设定温度t2＝-20℃，因此一旦时间TI已经过去，则该步骤终止，在该步骤中PLC325确保回路中的电磁阀为下表5所示的状态表5
这样会导致制冷单元400通常常规的运行，另一方面该单元在接下来的第一个循环的第四步中也保持以常规方式运行。在该具有预定持续时间的第四步中，变换器320实际上将该压缩机的电机转速降至压缩机410的合适运行允许的最低速度，并且PLC325确保回路中螺线管的状态为下表6所示的状态表6
结果，根据前述的本发明的基本特征，由于维持空腔310最低设定温度所需非常少量的制冷量，回路400几乎所有的制冷量此时更确切地说都用来通过回收管452冷却(到凝固点)冷量存储罐450中的共晶液。
在下一个操作循环中，即第二个规定的N循环，PLC325确保在降低空腔310中样本温度的第三步骤中，回路中电磁阀的状态为下表7所示的状态，表7
于是可以得到以下结果，在次管441中，即节流阀408的上游，制冷剂介质由冷量储存罐450中冻结的共晶液积聚的冷量进行过冷却。
与第一个实施例中的情况相同，这种过冷却具有增加热效率的效果，从而第二个操作循环上述步骤的持续时间也不再与第一个循环相应步骤的持续时间TI相同，而是TII＜TI。然后，所有后续的规定试验循环以与第二个循环相同的方式和模式进行。因此，由此得到的好处也实际上与上文中提到的本发明第一个实施例的好处相同。
即使在本发明的第二个实施例中，如果罐450中的冷量储存已经完成，即共晶液已经充分冻结，则回路400的旁通功能启动。然后，PLC325确保回路中电磁阀的状态为下表8所示的状态
表8
尽管本发明已经详细参照其两个优选实施例进行了描述，然而可以理解的是在不超出所附权利要求限定的范围内，本发明本身还可以以多种不同的形式和变形方式进行实施。
权利要求
1.一种气候试验室，其中在一系列的规定试验循环中，至少一个试验空腔(10，310)通过制冷单元被冷却到并被保持在最低设定温度，所述制冷单元包括至少一个制冷剂介质流过其中的制冷回路(200；400)，所述气候试验室包括压缩机(210；410)，该压缩机具有排出管(212；412)和吸气管(214；414)，并且由转速在最大值和最小值之间可调的电机驱动，冷凝器(220；420)，具有入口(111；406)和出口(112；407)的蒸发器(110；405)，节流装置(246；409)，该节流装置位于冷凝器(220；420)与蒸发器(105；405)入口(111；406)之间的主管(240；440)的末端，其特征在于，所述气候试验室还包括充有储冷介质的罐(250；450)，并且被使得穿过所述罐的有次管(241；441)，该次管在所述节流装置(246；409)的上游在沿着所述主管(240；440)的第一和第二接头(236，245；436，444)之间延伸，回收管(252；452)，该回收管在第三接头(254；446)和沿着所述吸气管(214；414)的第四接头(266；448)之间延伸，所述第三接头沿着所述主管(240；440)位于所述第二接头(254；444)的下游；其它阀装置(242，248，256；442，443，456)，这些阀装置适于选择地打开和关闭以实现在将所述试验空腔维持在最低设定温度的试验循环步骤中用流经所述次管(241；441)的制冷剂介质冷却储冷介质，在压缩机(210；410)的驱动电机在其最低转速下运行时实施所述步骤，回收储冷介质积聚的冷量，以在试验循环的冷却步骤中过冷却流经所述次管(241；441)的制冷剂介质，考虑到减少试验循环的总持续时间，在压缩机(210；410)的驱动电机在其最大转速下运行时实施所述步骤，以及由此减少实施所述规定试验循环的能耗。
2.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于所述制冷回路(200)构成两级级联制冷单元的高温级，其中所述蒸发器(205)构成热交换器(150)的冷侧，而第二制冷回路(100)的冷凝器(105)构成其热侧，该第二制冷回路(100)构成所述制冷单元的低温级，并且所述第二制冷回路(100)的蒸发器(110)与所述至少一个试验空腔(10)进行热交换。
3.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于所述压缩机(210；410)由电机驱动，该电机的转速通过变换器(30；320)控制。
4.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于设置有可编程的控制单元(25；325)。
5.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于所述储冷介质是共晶液。
6.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于所述储冷介质是乙二醇水溶液。
7.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于所述压缩机(120，210；410)由异步电机驱动。
8.根据权利要求1所述的气候试验室，其特征在于优选为电加热型的加热元件(14；314)被安装成与所述至少一个试验空腔(10)进行热交换。
9.一种在气候试验室中实施一系列计划试验循环的方法，包括通过制冷单元冷却至少一个试验空腔(10；310)并将其维持在最低设定温度的步骤，该制冷单元包括至少一个制冷介质流过其中的制冷回路(200；400)，并且还包括转速在最大值和最小值之间可调的压缩机(210；410)，其特征在于，在所述将所述空腔(10；310)维持在最低设定温度的步骤中，压缩机(210；410)以其最小转速运行并且制冷量被用来冷却储冷介质，而在压缩机(210；410)以其最大转速运行的冷却步骤中，所述储冷介质存储的冷量被回收用来过冷却所述制冷回路(200；400)中的制冷剂介质。
全文摘要
一种气候试验室(10)，该气候试验室用于实施一系列规定的试验循环并且通过至少一个包括可变速压缩机(120，210，410)的制冷回路(100，200，410)进行冷却。在将所述室(10)保持在最低设定温度的试验循环步骤中，压缩机(120，210，410)以其最小转速运行并且制冷量被用来冷却储冷介质。然后，在压缩机(120，210，410)以其最大转速运行的冷却步骤中，储冷介质储藏的冷量被回收用来过冷却制冷剂介质。
文档编号F25D16/00GK101084403SQ200480044662
公开日2007年12月5日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者M·阿斯卡尼 申请人:安吉尔安东尼工业股份公司