Temperaturwechsel: Effizienter prüfen mit CO₂-Kältetechnik

Im Zuge steigender Anforderungen an Produktqualität und Nachhaltigkeit gewinnt die Optimierung von Prüfprozessen zunehmend an Bedeutung. In der Umweltsimulation bringt Weiss Technik mit seiner neuen CO₂-Kältetechnologie eine Lösung auf den Markt, die nicht nur den Vorgaben der EU-F-Gas-Verordnung entspricht, sondern auch zu deutlich verkürzten Prüfzeiten führt.

Neue Potenziale bei der IEC 60068-2-14

Ein Beispiel aus der Praxis zeigt das Potenzial: Die Temperaturwechselprüfung nach IEC 60068-2-14 (Ed. 7), Prüffall Na (TA -40 °C, TB +85 °C bei 3 K/min), kann durch gezieltes „Test Tailoring Increased Severity“ mit Sollwerten jenseits der Vorzugstemperaturen modifiziert werden. So erlaubt es die Norm, den Prüfling kurzzeitig mit -50 °C (statt -40 °C) und +95 °C (statt +85 °C) zu beaufschlagen, um die Kerntemperatur schneller zu erreichen – bei gleichem Stressniveau für das Bauteil.

Die Temperatursollwerte der Prüfung werden für eine bestimmte Zeit unter beziehungsweise über die Zieltemperaturen (-40°C und +85°C) gesetzt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Vorzugs- und Soll-Temperaturen aus der IEC 60068-2-1 zu wählen sind. Basierend auf diesen Angaben wäre die nächste Vorzugstemperatur -50°C. Es ist oft sinnvoll, den gleichen Temperaturunterschied von 10 K für den oberen Wert TBi anzuwenden. Wird für die Zeiträume „ts*“ der Prüfnorm die Soll-Temperatur des Prüfschranks zeitweise auf -50°C und +95°C eingestellt, kann sich die Umtemperierung des Prüflings stark beschleunigen.

Auch ohne „Test Tailoring Increased Severity“ erfolgt die Umtemperierung des Prüflings mit CO₂-Kältetechnik drei Stunden schneller. Das liegt vor allem an der stark abfallenden Kälteleistung des R449A- Systems mit einer Endtemperatur von -40°C. Es braucht sehr lange, um den Prüfling von -30°C auf -40°C zu temperieren.

Warum CO₂ schneller kühlt

Die physikalischen Vorteile der CO₂-Technologie (R744) zeigen sich insbesondere im unteren Temperaturbereich. Während herkömmliche Kälteanlagen mit R449A bei -40 °C an Effizienz verlieren, erreicht ein CO₂-System deutlich höhere Kälteleistung – entscheidend für kurze Umtemperierzeiten.

Die im Beispiel weitere, sehr deutliche Reduzierung der Prüfzeit ist mit dem zeitweisen Temperaturvorhalt von -50°C möglich. Die anströmende Luft erreicht schnell -50°C und wird erst auf -40°C geregelt, wenn die Kerntemperatur des Prüflings sich der Zieltemperatur -40°C nähert (∆Ts). Noch effizienter wird der Prozess durch ein Zubehörpaket, das Weiss Technik für seine Geräte anbietet: Temperaturfühler zur exakten Messung am Prüfling und vordefinierte Prüfprogramme erleichtern die Implementierung im Laboralltag.

Auch ohne „Test Tailoring Increased Severity“ erfolgt die Umtemperierung des Prüflings mit CO₂-Kältetechnik drei Stunden schneller. Das liegt vor allem an der stark abfallenden Kälteleistung des R449A- Systems mit einer Endtemperatur von -40°C. Es braucht sehr lange, um den Prüfling von -30°C auf -40°C zu temperieren.

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Alternative Wege zur Effizienzsteigerung

Auch mit Prüfschränken, die bis -70 °C arbeiten, lassen sich kürzere Prüfzeiten realisieren – allerdings auf Kosten eines deutlich höheren Energieverbrauchs. Weitere Reduzierungen der Prüfzeit durch noch extremere Temperaturvorhalte sind technisch zwar möglich, bergen jedoch das Risiko einer unbeabsichtigten Verschärfung der Prüfumgebung, insbesondere bei hohen Temperaturen.

Wenn die reine Dauer der Prüfung nicht ausschlaggebend ist, kann Effizienz auch über eine höhere Prüfkapazität erreicht werden: CO₂-basierte Systeme erlauben dank ihrer Leistungsreserve die simultane Umtemperierung mehrerer Prüflinge – insbesondere in Kombination mit den aktuellen Normvorgaben. Davon profitieren unter anderem auch Prüfungen nach IEC 60068-2-2, Prüffälle Bd und Be.

Geräteersatz sinnvoll planen

Steht der Austausch älterer Prüfschränke an, kann ein Modell mit CO₂-Kältetechnik und einer Minimaltemperatur von -50 °C ein Gerät mit -40 °C problemlos ersetzen. In vielen Anwendungen ist sogar ein Ersatz von -70 °C-Anlagen möglich. Die Kälteleistung bei -40 °C liegt bei CO₂-Systemen etwa bei der Hälfte eines -70 °C-Kaskadensystems – ist aber für zahlreiche Prüffälle nach IEC 60068-2-1, etwa Ab, Ad und Ae, vollkommen ausreichend.

Fazit: Mehr Prüfkapazität bei weniger Aufwand

Die neue CO₂-Kältetechnologie eröffnet durch intelligentes Thermomanagement und eine normkonforme Prüfstrategie neue Wege zu mehr Effizienz, höherer Kapazität und niedrigeren Energiekosten im Prüflabor. Wer Prüfzeiten verkürzen und gleichzeitig regulatorischen Anforderungen gerecht werden will, findet hier eine zukunftssichere Alternative zur klassischen Kältetechnik.