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Die
Erfindung betrifft ein Kühl-
und/oder Gefriergerät
mit wenigstens einem Raum zur Aufnahme von Kühl- und/oder Gefriergut sowie
mit wenigstens einem Kälteaggregat,
das einen oder mehrere thermoakustische Kühler umfasst.
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Außer durch
den Einsatz herkömmlicher Kühlkreisläufe bestehend
aus Kompressor, Verflüssiger,
Drossel und Verdampfer ist es bekannt, die Kühlung mittels der sogenannten
thermoakustischen Kühlung
zu bewirken.
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Bei
der thermoakustischen Kühlung
wird der Effekt genutzt, dass akustische Wellen (Schallwellen) inhomogene
Temperaturverteilungen an begrenzenden Kontaktflächen erzeugen können. Zum
Beispiel wird durch einen Resonator (z. B. Lautsprecher) das Arbeitsmedium
(z. B. Helium) zu monochromatischen Schwingungen hoher Intensität angeregt.
Das Arbeitsmedium wird durch die longitudinalen Wellen in einem
sogenannten Stack hin- und hergeleitet. Dieser Stack besteht vorzugsweise
aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und geringer
Wärmeleitfähigkeit.
Durch die longitudinale Schwingung wird nun durch Kompression und
Expansion des Arbeitsmediums dieses lokal erwärmt und abgekühlt. Im
vereinfachten Modell werden viele nebeneinander liegende Gaspakete
betrachtet, die in ihrer Zusammenarbeit dem einen Wärmetauscher
(kaltes Reservoir) Wärme
entnehmen und jeweils um eine Schwingungsamplitude pro Gaspaket
längs des
Stacks zum anderen Wärmetauscher
(warmes Reservoir) transportieren. Mit diesem Prozeß ist es
möglich,
Wärme von
einem Wärmeüberträger auf
einen anderen zu übertragen
und somit eine Kältemaschine
anzutreiben.
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Ein
denkbarer Wärmeträgerkreislauf
umfaßt einen
sogenannten kalten Wärmetauscher,
den genannten thermoakustischen Kühler, einen warmen Wärmetauscher
und eine Pumpe zur Förderung
des Wärmeträgermediums
durch den Wärmeträgerkreislauf.
Während
der Resonator des thermoakustischen Kühlers in Betrieb ist überträgt das Arbeitsmedium Wärme vom
ersten Wärmeüberträger auf
den zweiten. Anschließend
wird die Wärme
auf das Wärmeträgermedium übertragen.
Das Wärmeträgermedium wird
dann mittels der Pumpe in den warmen Wärmetauscher gefördert, in
dem es abgekühlt
wird. Mit derselben oder einer zweiten Pumpe wird das Wärmeträgermedium
im kalten Wärmetauscher
des thermoakustischen Kühlers
abgekühlt
und dem kalten Kreislauf zugeführt.
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Im
Wesentlichen kann der vorgenannte Wärmeträgerkreislauf folgendermaßen betrieben
werden:
- – Das
z. B. in einer warmen Wärmetauschereinheit
erwärmte
Wärmeträgermedium
gelangt in den warmen Wärmetauscher,
in dem es Wärme abgibt.
- – Das
z. B. in einer kalten Wärmetauschereinheit abgekühlte Wärmeträgermedium
gelangt in den kalten Wärmetauscher,
in dem es Wärme
aus dem zu kühlenden
Raum aufnimmt.
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Der
kalte Wärmetauscher
ist vorzugsweise im Geräteinnenraum,
d. h. beispielsweise im Kühlfach,
Kaltlagerfach oder Gefrierfach oder in einem Kühlluftkanal angeordnet und
dient wie ausgeführt zur
Kühlung
des entsprechenden Kompartimentes.
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Unter
dem Begriff „thermoakustischer
Kühler” wird im
Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Einheit oder
Baugruppe verstanden, in der ein Resonator Schallwellen erzeugt,
die in Kombination mit einem „Stack” (ein System
mit großer
Oberfläche
und hoher Wärmekapazität aber geringer
Wärmeleitfähigkeit
durch das das Arbeitsmedium z. B. Helium Wärme von einem Wärmeübertrager bzw.
Wärmetauschereinheit
auf eine/n zweite/n überträgt. Von
der Erfindung sind beliebige Varianten eines thermoakustischen Kühlers umfasst.
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Ein
Problem vorbekannter, nach dem Prinzip der thermoakustischen Kühlung arbeitender
Kälteaggregate
besteht darin, dass z. B. die Dauer der Abtauphase der kalten Wärmetauschereinheit
sowie des kalten Wärmetauschers
vergleichsweise groß ist.
Während
der Abtauphase kann beispielsweise die kalte Wärmetauschereinheit keine Kühlleistung erbringen.
Dies führt
dazu, dass Temperaturschwankungen im Gerät einen erheblichen Umfang
annehmen können,
da der kalte Teilkreislauf durch das Abtauen der kalten Wärmetauschereinheit
nicht betrieben wird ist. Denkbar ist dabei, dass im unteren Bereich
des Kühlgerätes die
Lufttemperatur den Gefrierpunkt unterschreitet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kühl- und/oder
Gefriergerät der
eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere
dahingehend, dass Temperaturschwankungen auf ein möglichst
geringes Niveau reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kühl-
und/oder Gefriergerät
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen,
dass das Kühl-
und/oder Gefriergerät
mit einem oder mehreren Räumen
zur Aufnahme von Kühl-
und/oder Gefriergut sowie mit wenigstens einem Kälteaggregat versehen ist, wobei das
Kälteaggregat
wenigstens zwei kalte Wärmetauschereinheiten
zur Kühlung
des oder der Räume
aufweist. Erfindungsgemäß sind also
zwei oder mehr kalte Wärmetauschereinheiten
vorgesehen. Dadurch ist es möglich,
im Gerät
eine kontinuierliche Kühlung zu
erreichen, indem stets eine der kalten Wärmetauschereinheiten oder auch
beide kalte Wärmetauschereinheiten
in Betrieb sind. Vorzugsweise ist somit vorgesehen, dass die kalten
Wärmetauschereinheiten
nie alle zeitgleich abgetaut werden. Die Erfindung ist nicht auf
den Einsatz von zwei kalten Wärmetauschereinheiten
beschränkt,
d. h. auch der Einsatz von mehr als zwei kalten Wärmetauschereinheiten
ist möglich.
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In
einer möglichen
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die kalten Wärmetauschereinheiten
parallel angeordnet sind.
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Sind
wenigstens zwei der kalten Wärmetauschereinheiten
parallel angeordnet, kann vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung
des Wärmeträgermediums
stromaufwärts
oder stromabwärts
dieser Wärmetauschereinheiten
ein oder mehrere Ventile angeordnet sind. Ferner kann eine Steuereinheit vorgesehen
sein, die derart ausgeführt
ist, dass sie das oder die Ventile derart ansteuert, dass stets
wenigstens einer der Wärmetauscher
von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
wird und somit den Geräteinnenraum
kühlt.
Dadurch wird der oben genannte Vorteil erzielt, dass eine kontinuierliche
Kühlung
im Kühlgerät erfolgt,
was den Vorteil mit sich bringt, dass Temperaturschwankungen im
Kühl- bzw.
Gefrierraum minimiert werden.
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Der
aus dem Stand der Technik bekannte Nachteil von unter Umständen erheblichen
Temperaturschwankungen kann somit vermieden werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der thermoakustische Kühler Bereiche
oder Einheiten aufweist, in denen durch die Longitudinalwellen Wärme aufgenommen wird,
und Bereiche oder Einheiten, in denen durch die Longitudinalwellen
Wärme abgegeben
wird.
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Es
ist möglich,
dass die Bereiche oder Einheiten des thermoakustischen Kühlers, in
denen durch die Longitudinalwellen Wärme abgegeben wird, die kalten
Wärmetauschereinheiten
umfassen.
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Ferner
ist denkbar, dass die Bereiche oder Einheiten des thermoakustischen
Kühlers,
in denen durch die Longitudinalwellen Wärme aufgenommen wird, wenigstens
eine warme Wärmetauschereinheit umfassen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
wenigstens zwei der kalten Wärmetauschereinheiten
parallel angeordnet sind und dass in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums
stromaufwärts
oder stromabwärts
der wenigstens zwei kalten Wärmetauschereinheiten
ein oder mehrere Ventile angeordnet sind. Die Steuereinheit kann
derart ausgeführt
sein, dass sie das oder die Ventile derart ansteuert, dass die Anzahl
der von dem Wärmeträgermedium
durchströmten
kalten Wärmetauschereinheiten
von Betriebsparametern abhängt.
Ein solcher Betriebsparameter kann beispielsweise die erforderliche
Kühlleistung
sein. Denkbar ist somit, dass in einem Betriebsmodus eine der kalten
Wärmetauschereinheiten
und in einem anderen Betriebsmodus beide bzw. mehrere oder alle der
kalten Wärmetauschereinheiten
von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
werden. Werden mehrere kalte Wärmetauschereinheiten
von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
bzw. gekühlt,
ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen
mehr Kühlleistung
zur Verfügung steht.
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Bei
dem genannten Ventil kann es sich um ein bistabiles oder auch um
ein tristabiles Ventil handeln, wobei das bistabile Ventil dafür sorgt,
dass stets eine der kalten Wärmetauschereinheiten
von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
wird und wobei das tristabile Ventil in einer Schaltstellung dafür sorgt, dass
beide kalten Wärmetauschereinheiten
von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
werden. Das Ventil kann dabei beispielsweise als Magnetventil ausgeführt sein.
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Wie
ausgeführt,
kann außer
der Parallelschaltung oder Reihenschaltung von zwei kalten Wärmetauschereinheiten
selbstverständlich
auch vorgesehen sein, dass mehr als zwei kalte Wärmetauschereinheiten vorgesehen
sind und/oder dass eine Kombination aus parallel und in Reihe geschalteten
kalten Wärmetauschereinheiten
vorgesehen ist.
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Es
ist möglich,
dass wenigstens zwei der kalten Wärmetauschereinheiten parallel
angeordnet sind, das in Strömungsrichtung
des Wärmeträgermediums
stromaufwärts
oder stromabwärts
der wenigstens zwei kalten Wärmetauschereinheiten
ein oder mehrere Ventile angeordnet sind und dass eine Steuereinheit
vorgesehen ist, die das oder die Ventile derart ansteuert, dass
die Anzahl der kalten Wärmetauschereinheiten,
die von dem Wärmeträgermedium durchströmt werden,
von einem oder mehreren Betriebsparametern abhängt.
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Darüber hinaus
kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der kalten Wärmetauschereinheiten in
Reihe angeordnet sind, dass Bypassleitungen vorgesehen sind, die
jeweils über
Ventile zuschaltbar oder absperrbar sind und die jeweils einen oder
mehrere der kalten Wärmetauscher
umgehen, und dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die die Ventile
derart ansteuert, dass stets wenigstens eine der Wärmetauschereinheiten
von dem Wärmeträgermedium durchströmt wird.
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Weiter
können
wenigstens zwei der kalten Wärmetauschereinheiten
in Reihe angeordnet sein, wobei Bypassleitungen vorgesehen sind,
die jeweils über
Ventile zuschaltbar oder absperrbar sind und die jeweils einen oder
mehrere der kalten Wärmetauschereinheiten
umgehen, und dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die die Ventile
derart ansteuert, dass die Anzahl der kalten Wärmetauschereinheiten, die von
dem Wärmeträgermedium
durchströmt
werden, von einem oder mehreren Betriebsparametern abhängen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit vorgesehen,
die das Kälteaggregat
derart schaltet, dass eine der kalten Wärmetauschereinheiten zum Zwecke
der Abtauung für
eine Zeitspanne nicht von dem Wärmeträgermedium durchströmt wird.
Die Zeitspanne kann konstant, d. h. fest vorgegeben oder durch den
Nutzer einstellbar sein. Denkbar ist ebenfalls, dass die Zeitspanne
von Betriebsparametern abhängt,
wozu z. B. die Außentemperatur,
die gewählte
oder gemessene Temperatur des Geräteinnenraums, die Betriebsdauer
und dergleichen zählen
können.
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Wie
oben ausgeführt,
kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die derart ausgeführt ist,
dass sie in Abhängigkeit
der erforderlichen Kühlleistung die
Anzahl der kalten Wärmetauschereinheiten
festlegt, die von dem Wärmeträgermedium
durchströmt werden.
Denkbar ist beispielsweise, dass in Abhängigkeit der Außentemperatur
und/oder in Abhängigkeit
des Sollwertes der Temperatur des Geräteinnenraums die Anzahl der
kalten Wärmetauschereinheiten,
die zur Kühlung
beitragen, verringert oder vergrößert wird.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Zeichnung eines Wärmeträgerkreislaufs mit thermoakustischen
Kühler;
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2:
eine schematische Darstellung eines thermoakustischen Kühlers.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Wärmeträgerkreislaufs
für ein Kühl- und/oder
Gefriergerät
mit einem thermoakustischen Kühler 10.
Dabei befindet sich der thermoakustische Kühler zwischen einem kalten
Teilkreislauf 20 und einem warmen Teilkreislauf 30,
die jeweils an einer Seite des thermoakustischen Kühlers 10 angeschlossen
sind. Der Teilkreislauf 20 weist dabei eine Pumpe 21 auf,
die stromabwärts
des thermoakustischen Kühlers
im kalten Teilkreislauf 20 angeordnet ist.
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Der
kalte Teilkreislauf 20 ist mit einer Pumpe 21 und
zwei seriell geschalteten kalten Wärmetauschern 23, 24 ausgeführt. Dabei
kann der erste kalte Wärmetauscher 24 dem
Gefrierteil und der zweite kalte Wärmetauscher 23 dem
Kühlteil
des Kühl- und/oder Gefriergerätes zugeordnet
sein. Kühlteil und
Gefrierteil bilden jeweils einen für sich abgegrenzten Raum zur
Aufnahme von Kühl-
und/oder Gefriergut. Auslaufseitig des thermoakustischen Kühlers 10 führt die
Leitung 22 Wärmeträgermedium zur
Pumpe 21, während
nach dem Durchlaufen der Wärmetauscher 23, 24 die
Leitung 25 das Wärmeträgermedium
zurück
zum thermoakustischen Kühler 10 führt.
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Die
kalten Wärmetauscher 23, 24 sind
im Kühl-
und/oder Gefrierraum oder um den Kühl- und/oder Gefrierraum herum
angeordnet, um den Kühl-
und/oder Gefrierraum zu kühlen
bzw. Wärme aus
diesem abzuführen.
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Der
warme Teilkreislauf 30 weist einen luftgekühlten, an
der Außenseite
des Kühl- und/oder Gefriergerätes angebrachten
warmen Wärmetauscher 32 auf,
wobei das im Teilkreislauf 30 befindliche Wärmeträgermedium
mittels der Pumpe 31 gefördert wird.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau eines thermoakustischen Kühlers 10,
der eine warme Wärmetauschereinheit 14 und
zwei kalte Wärmetauschereinheiten 18, 19 umfasst.
Diese Wärmetauschereinheiten 18, 19 bestehen
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
oder weisen ein solches Material auf. Durch die durch den Resonator 12 erzeugten
Schallwellen werden die Gasmoleküle
im Stack 16 erwärmt
und transportieren Wärme
von den kalten Wärmeüberträgern 18, 19 auf
den warmen Wärmeüberträger 14.
Dementsprechend erfährt
das Wärmeträgermedium
das durch die erwärmte
Wärmetauschereinheit 14 geführt wird,
eine Erwärmung und
das Wärmeträgermedium,
das durch die abgekühlte
Wärmetauschereinheit 18, 19 geführt wird, eine
Abkühlung.
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Der
thermoakustische Kühler 10 weist
Bereiche oder Einheiten auf, in denen durch die Longitudinalwellen
Wärme aufgenommen
wird, und Bereiche oder Einheiten, in denen durch die Longitudinalwellen
Wärme abgegeben
wird. Dabei ist in 2 der Bereich, in dem Wärme aufgenommen
wird, die warme Wärmetauschereinheit 14 und
der Bereich, in dem Wärme
abgegeben wird, der oder die jeweils in Betrieb befindliche/n kalte
Wärmetauschereinheit 18, 19.
Die warme Wärmetauschereinheit 14 ist
dabei dem warmen Teilkreislauf 30 zugeordnet bzw. steht mit
diesem in Verbindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass nicht nur ein, sondern zwei oder mehr als zwei kalte Wärmetauschereinheiten 18, 19 zur
Kühlung
des Geräteinnenraums
angeordnet sind. Dies ermöglicht
es, eine kontinuierliche Kühlung
im Kühlgerät vorzunehmen,
wodurch Temperaturschwankungen minimiert werden. Gemäß der Erfindung
besteht somit die Möglichkeit,
dass stets eine der kalten Wärmetauschereinheiten 18, 19 oder
auch beide Wärmetauschereinheiten 18, 19 in
Betrieb sind, d. h. zur Kühlung
beitragen.
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Da
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
immer entweder die erste oder die zweite kalte Wärmetauschereinheit 18, 19 in
Betrieb ist, sind die Temperaturschwankungen im Gerät minimal.
Außerdem
ist der Energieverbrauch des Systems vorteilhafter als bei vorbekannten
Kälteaggregaten,
die nach dem Prinzip der thermoakustischen Kühlung arbeiten.
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Das
Abtauen einer der kalten Wärmetauschereinheiten 18, 19 kann
beispielsweise dadurch erfolgen, dass diese über eine bestimmte Zeitdauer hinweg
nicht von dem Wärmeträgermedium
durchströmt
wird.
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Um
eine der kalten Wärmetauschereinheiten 18, 19 vom
kalten Teilkreislauf 20 zu entkoppeln, ist ein Ventil 40 vorgesehen
sowie entsprechend angeordnete Bypassleitungen 44, 45, 46.
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So
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Ventil 40 mittels
der nicht näher
dargestellten Steuereinheit derart geschaltet wird, dass der Ventilausgang 42 gesperrt
ist, um die Wärmetauschereinheit 19 abzutauen,
d. h. über
eine bestimmte Zeitdauer hinweg also nicht mit Wärmeträgermedium zu durchströmen. Somit
fördert
die Pumpe 21 des kalten Teilkreislaufs 20 Wärmeträgermedium
aus der kalten Wärmetauschereinheit 18 über die
Leitungen 44 und 22 in den kalten Teilkreislauf 20 hinein
und führt
das Wärmeträgermedium über die
Leitung 25 wieder zurück
zur kalten Wärmetauschereinheit 18.
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Die
Leitung 25 kann, wie hier in 2 jedoch nicht
näher dargestellt,
auch am Ventilanschluß 42 des
Ventils 40 angeschlossen sein, so dass bei entsprechender
Stellung des Ventils 40 auch die kalte Wärmetauschereinheit 18 überbrückt werden
kann.
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In
diesem Fall ist zur Überbrückung der
kalten Wärmetauschereinheit 18 und
zum alleinigen Betrieb mit der kalten Wärmetauschereinheit 19 der Ventilausgang 43 gesperrt,
während
die Ventilausgänge 41 und 42 des
Ventils 40 geöffnet
sind. Der Rücklauf
aus dem kalten Teilkreislauf 20 erfolgt über die
in diesem Fall auch mit dem Ventilanschluß 42 verbundene Leitung 25,
so dass das Wärmeträgermedium über die
Leitung 45 in die kalte Wärmetauschereinheit 19 strömt und diese über die
Leitungen 46 und 22 wieder verläßt.
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Genausogut
ist es jedoch auch möglich, dass
sämtliche
Ausgänge
bzw. Eingänge
des Ventils 40 geöffnet
sind, so dass die kalten Wärmetauschereinheiten 18, 19 parallel
betrieben werden können. Genausogut
kann auch vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium kommend von der Leitung 25 zunächst die
kalte Wärmetauschereinheit 18 und
danach die kalte Wärmetauschereinheit 19 durchströmt.
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Es
ist möglich,
dass die Zeitspanne der Abtauphase vorgegeben ist und in konstanten
Intervallen mit gleichbleibender Länge erfolgt. Genausogut ist
es jedoch auch möglich,
das Abtauphasen durch Nutzereingabe vorgegeben werden können, wozu entsprechende
Eingabemittel vorgesehen sein können.
Derartige Eingabemittel können
beispielsweise in einem Tastenfeld oder einem Display mit Eingabemöglichkeit
an einem entsprechend ausgeführten Kühl- und/oder
Gefriergerät
vorgesehen sein. Ferner ist denkbar, dass geräteseitig beispielsweise durch die
Gerätesteuerung
bzw. Geräteregelung
anhand eines oder mehrerer Betriebsparameter, die beispielsweise
die Innentemperatur des Kühlraums
oder Gefrierraums des Kühl-
und/oder Gefriergerätes
umfassen können,
eingestellt wird.
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Weiter
kann durch eine Gerätesteuerung und/oder
-regelung vorgegeben werden, wie viele kalte Wärmetauschereinheiten 18, 19 zum
Erreichen der erforderlichen Kühlleistung
durchströmt
werden müssen.
So kann es beispielsweise ausreichend sein, dass für das Erreichen
einer Kühltemperatur
im Innenbehälter
lediglich die kalte Wärmetauschereinheit 18 durchströmt werden
muss. Sofern beispielsweise durch Nutzereingabe vorgegeben wird,
dass die Betriebstemperatur abzusenken ist, beispielsweise auf eine
Gefriertemperatur, kann entsprechend Bedarf geräteseitig nun die kalte Wärmetauschereinheit 19 zugeschaltet
werden.