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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Kälteerzeugung.
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Zur Kälteerzeugung werden üblicherweise Kältemaschinen eingesetzt, welche auf der Basis von Kältemitteln arbeiten. Die häufigste Bauform einer Kältemaschine ist die Kompressionskältemaschine, bei der zur Kälteerzeugung ein Wechsel des Aggregatszustandes des Kältemittels von flüssig zu gasförmig genutzt wird. Das Kältemittel wird in einem Kältemittelkreislauf bewegt und durch einen Kompressor komprimiert, d. h. verdichtet. Das verdichtete Kältemittel wird einem Wärmetauscher, insbesondere einem Verflüssiger, zugeführt und verflüssigt dort unter Wärmeabgabe. Das verflüssigte Kältemittel wird zur Druckänderung unter Verwendung einer Drossel, beispielsweise eines Expansionsventils, entspannt und einem weiteren Wärmetauscher, insbesondere einem Verdampfer, zugeführt. Im Verdampfer verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei einer niedrigen Temperatur und wird daraufhin dem Kompressor zugeführt.
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Eine weitere Bauform einer Kältemaschine ist die Sorptionskältemaschine, welche mit einem Sorptionsmittel arbeitet. Das Sorptionsmittel nimmt das Kältemittel auf und gibt dieses unter Einwirkung von Wärme durch Desorption ab, bei der das Kältemittel das Sorptionsmittel im flüssigen oder gasförmigen Aggregatszustand verlässt. Bekannte Sorptionskältemaschinen arbeiten entweder auf der Basis einer Adsorption, bei der das Kühlmittel an das Sorptionsmittel angagert, oder auf der Basis einer Absorption, bei der das Kühlmittel durch das Sorptionsmittel absorbiert wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Konzept eines Kältegerätes, insbesondere eines Haushaltskältegerätes, mit zwei Kältemaschinen zu schaffen, wovon eine der Kältemaschinen als Sorptionskältemaschine mit einem Sorptionsmittel arbeitet und die andere Kältemaschine beispielsweise eine Kompressionskältemaschine ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Sorptionskältemaschine energieeffizient gemeinsam mit einer Kompressionskältemaschine betrieben werden kann, wenn jede Kältemaschine einen eigenen Kältemittelkreislauf aufweist. Ferner kann das Sorptionsmittel der Sorptionskältemaschine durch die bei der Kälteerzeugung entstehende Abwärme der Kompressionskältemaschine beaufschlagt werden, um eine Desorption des Kältemittels herbeizuführen. Da die Abwärme der Kompressionskältemaschine nicht der Umgebung, sondern dem Sorptionsmittel zugeführt wird, kann erfindungsgemäß die Energiebilanz eines Kältegerätes bei einer Steigerung dessen Kältewirkungsgrades verbessert werden. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Heizung zur Beheizung des Sorptionsmittels nicht mehr notwendig.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer Kompressionskältemaschine, welche einen ersten Kältemittelkreislauf aufweist, und mit einer Sorptionskältemaschine, welche einen zweiten Kältemittelkreislauf aufweist. Unter Kältegerät wird insbesondere ein Haushaltskältegerät verstanden, also ein Kältegerät, das zur Haushaltsführung in Haushalten oder im Gastronomiebereich eingesetzt wird, und insbesondere dazu dient Lebensmittel und/oder Getränke bei bestimmten Temperaturen zu lagern, wie beispielsweise ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank, eine Kühlgefrierkombination, eine Gefriertruhe oder ein Weinkühlschrank.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf strömungstechnisch getrennt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der erste Kältemittelkreislauf einen ersten Verflüssiger und der zweite Kältemittelkreislauf umfasst einen zweiten Verflüssiger. Der erste Verflüssiger und der zweite Verflüssiger weisen jeweils zumindest einen mäanderförmig geformten Rohrabschnitt auf. Die mäanderförmig geformten Rohrabschnitte sind ineinandergreifend oder einander kreuzend oder übereinanderliegend oder versetzt übereinanderliegend angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der erste Kältemittelkreislauf einen ersten Verdampfer und der zweite Kältemittelkreislauf einen zweiten Verdampfer. Der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer sind bevorzugt benachbart zueinander angeordnet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Reduktion der Abmessungen des Kältegerätes erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der erste Verdampfer einen ersten Rohrverdampferabschnitt und der zweite Verdampfer einen zweiten Rohrverdampferabschnitt. Der erste Rohrverdampferabschnitt formt parallel angeordnete Stege und der zweite Rohrverdampferabschnitt formt einen Steg, welcher den parallel angeordneten Stegen angeordnet ist. Dadurch wird eine gemeinsame Verdampfereinheit geschaffen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sorptionskältemaschine zur Desorption des Kältemittels mit der Abwärme der Kompressionskältemaschine, insbesondere mit der Abwärme des Kompressors und/oder des Verflüssigers der Kompressionskältemaschine beaufschlagbar. Dadurch wird die Energieeffizienz des Kältegerätes in vorteilhafter Weise erhöht.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kompressionskältemaschine ein erstes Kältemittel und einen Kompressor zur Kompression des ersten Kältemittels. Die Sorptionskältemaschine umfasst ein Sorptionsmittel zur Sorption eines zweiten Kältemittels. Der Kompressor ist bevorzugt vorgesehen, das Sorptionsmittel zur Desorption des zweiten Kältemittels mit der bei der Kompression des ersten Kältemittels entstehenden Abwärme zu beaufschlagen. Hierzu ist der Kompressor beispielsweise derart angeordnet, dass die Abwärme das Sorptionsmittel erreichen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen der erste Kältemittelkreislauf und der zweite Kältemittelkreislauf jeweils einen Verdampfer und jeweils eine dem jeweiligen Verdampfer strömungstechnisch vorgeschaltete Drossel, insbesondere ein Ventil. Die jeweilige Drossel dient beispielsweise zur Entspannung des jeweiligen Kältemittels.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sorptionskältemaschine eine Adsorptionskältemaschine oder eine Absorptionskältemaschine.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kompressionskältemaschine und die Sorptionskältemaschine gemeinsam in einem Kältegerätgehäuse angeordnet. Dadurch kann beispielsweise ein besonders energieeffizientes Haushaltskältegerät bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kältegerätes, insbesondere eines Haushaltskältegerätes, mit dem Schritt des Anordnens einer Kompressionskältemaschine mit einem ersten Kältemittelkreislauf in einem Kältemittelgehäuse und mit dem Schritt des Anordnens einer Sorptionskältemaschine mit einem zweiten Kältemittelkreislauf, welcher von dem ersten Kältemittelkreislauf strömungstechnisch getrennt ist, in dem Kältemittelgehäuse.
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Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein prinzipielles Diagramm eines Kältegerätes gemäß einer Ausführungsform;
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2 ein prinzipielles Diagramm eines Kältegerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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3 ein prinzipielles Diagramm eines Kältegerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 ein prinzipielles Diagramm eines Kältegerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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5 ein prinzipielles Diagramm eines Kältegerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt ein prinzipielles Schaubild eines Kältegeräts 101 mit einer ersten Kältemaschine 103, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine, und einer zweiten Kältemaschine 105, beispielsweise einer Sorptionskältemaschine. Die zweite Kältemaschine 105 umfasst ein Sorptionsmittel 107 zur Sorption eines Kältemittels. Bevorzugt ist das Sorptionsmittel 107 zur Desorption des Kältemittels mit der Abwärme der ersten Kältemaschine 103 beaufschlagbar. Die Abwärme kann beispielsweise durch ein Wärme erzeugendes Element 109 der ersten Kältemaschine 103, beispielsweise durch einen Kompressor, erzeugt werden.
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2 zeigt ein prinzipielles Schaubild eines Kältegerätes 201 mit einer ersten Kältemaschine, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine, und einer zweiten Kältemaschine 202, beispielsweise einer Sorptionskältemaschine. Die erste Kältemaschine umfasst einen Verdampfer 203, welchem strömungstechnisch eine Drossel 205, beispielsweise ein Entspannungsventil, nachgeschaltet ist. Der Drossel 205 ist strömungstechnisch ein Verflüssiger 207 nachgeschaltet, welcher beispielsweise ein Rohrverflüssiger sein kann. Dem Verflüssiger 207 ist ein Hybridkälteerzeugungselement 209 nachgeschaltet, welches die zweite Kältemaschine 202 sowie einen Kompressor 211 umfasst. Die zweite Kältemaschine 202, beispielsweise eine Adsorptionskältemaschine oder eine Absorptionskältemaschine, umfasst ein Sorptionsmittel 213, das in unmittelbarer Nähe zum Kompressor 211 angeordnet sein kann, so dass die bei der Kompression eines Kältemittels entstehende Abwärme das Sorptionsmittel 213 zur Desorption erwärmen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Verflüssiger 207 das Kältemittel direkt der zweiten Kältemaschine 202 bzw. dem Sorptionsmittel 213 zuführen. Nach Desorption kann das Kältemittel vermittels des Kompressors 211 dem Verdampfer 203 zugeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Verflüssiger 207 das Kältemittel dem Kompressor 211 zuführen, welcher das komprimierte Kältemittel der zweiten Kältemaschine 202, insbesondere dem Sorptionsmittel 213 zuführt. Dadurch kann dem Kältemittel in vorteilhafter Weise die Restwärme entzogen werden. Nach Desorption kann die zweite Kältemaschine 202 das Kältemittel dem Verdampfer 207 zuführen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Kältemaschine den Verdampfer 203, die Drossel 205, den Verflüssiger 207 sowie den Kompressor 211. Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet der alleine Kompressor 211 die erste Kältemaschine, so dass der Verdampfer 203, die Drossel 205 und der Verflüssiger 207 gemeinsame Elemente der ersten Kältemaschine und der zweiten Kältemaschine 202 sind. Somit kann das Hybridkälteerzeugungselement 209 (Twin-Kältemaschine) eine Kombination des Kompressors 211 und der zweiten Kältemaschine 202 umfassen.
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Das Sorptionsmittel der zweiten Kältemaschine 202 wird bevorzugt aus der thermischen Energie der Abwärme des Kompressors 211, bei dem es sich um einen gewöhnlichen Kompressor handeln kann, erhitzt.
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Allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der Kältespeicherung mittels der zweiten Kältemaschine 202 die Abwärme der ersten Kältemaschine ausgenutzt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich zu der Abwärme des Kompressors 211 auch die Abwärme des Verflüssigers 207 zur Desorption eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann statt der Abwärme des Kompressors 211 die Abwärme des Verflüssigers 207 oder eines Abschnitts desselben zur Desorption verwendet werden.
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3 zeigt ein Kältegerät 301 mit einer Kompressionskältemaschine 303, welche einen Wärmetauscher 305 aufweist und eine Ausführungsform der ersten Kältemaschine sein kann. Das Kältegerät umfasst ferner eine Sorptionskältemaschine 307, welche benachbart zu der Kompressionskältemaschine 303 angeordnet ist und eine Ausführungsform der zweiten Kältemaschine sein kann. Die Sorptionskältemaschine 307 umfasst ein Sorptionsmittel 309, das im Betrieb der Abwärme des Wärmetauschers 305 zur Desorption eines Kältemittels ausgesetzt wird. Der Wärmetauscher 305 kann beispielsweise ein Verflüssiger oder ein Verdampfer sein. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Verlängerung des Wärmetauschers 305, beispielsweise eines Verflüssigers, welcher ein Rohrverflüssiger sein kann, bis in das Innere der zweiten Kältemaschine 307 hinein vorgesehen sein, um das Sorptionsmittel 309 der Sorptionskältemaschine 307 aus der thermischen Energie der Abwärme des verlängerten Wärmetauschers zu erhitzen.
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4 zeigt ein prinzipielles Schaubild eines Kältegerätes 401 mit einer Sorptionskältemaschine 403 und einer Kompressionskältemaschine, welche einen Verdampfer 405, eine dem Verdampfer 405 strömungstechnisch nachgeordnete Drossel 407, einen der Drossel 407 nachgeordneten Verflüssiger 409 sowie einen Kompressor 411 aufweisen kann. Der Verflüssiger 409 umfasst ein Steuerungsventil 413, das der Drossel 407 nachgeschaltet und kompressorseitig angeordnet ist. Ein Ausgang des Steuerungsventils 413 ist mit dem Kompressor 411 verbunden, dessen Ausgang mit dem Verdampfer 405 verbunden ist. Ein Ausgang des Steuerungsventils 413 ist ferner über ein weiteres Steuerungsventil 415 mit der Sorptionskältemaschine 403 verbunden. Ein Eingang des Steuerungsventils 413 oder ein dem Steuerungsventil 413 strömungstechnisch vorgeschalteter Abschnitt des Verflüssigers 409 ist über ein weiteres Steuerungsventil 417 mit der Sorptionskältemaschine 403 verbunden. Jedes der Steuerungsventile 413, 415 und 417 ist optional und kann entweder alleine oder in Kombination mit einem der übrigen Steuerungsventile verwendet werden.
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Die Sorptionskältemaschine 403 umfasst ein Sorptionsmittel 419 sowie einen Behälter 421 zur Aufnahme des Kältemittels nach Desorption. Das Sorptionsmittel 419 wird durch die Abwärme des Kompressors 411 zur Desorption des Kältemittels erwärmt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Kältemittel oder eine Teilmenge des Kältemittels dem Sorptionsmittel 419, Verflüssiger ausgangsseitig, über das Steuerungsventil 417 zugeleitet werden. Ist das Steuerventil 413 gesperrt, so wird das Kältemittel insgesamt dem Sorptionsmittel 419 zugeleitet. Ist das Steuerungsventil 413 hingegen geöffnet oder nur teilweise geöffnet, so wird eine weitere Teilmenge des Kältemittels dem Kompressor 411 zugeleitet.
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Die Steuerungsventile 413, 415 und 417 sind optional und können zur Steuerung des Kältemittelkreislaufes vorgesehen sein.
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Der Kompressor 411 kann das durch den Verflüssiger 409 zugeleitete Kältemittel und/oder das durch die Sorptionskältemaschine 403 zugeleitete Kältemittel komprimieren und dem Verdampfer 405 zuführen. Durch das optionale Steuerungsmittel 415 kann ferner die dem Kompressor 411 direkt zugeführte Menge des Kältemittels reguliert werden.
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Die Sorptionskältemaschine 403 kann beispielsweise als eine Adsorptions- oder als eine AbSorptionskältemaschine ausgeführt sein. Gemäß einer Ausführungsform kann ein Abschnitt des Verflüssigers 409 in das Innere der Sorptionskältemaschine 403 verlängert werden und so zur zusätzlichen oder alternativen Erwärmung des Sorptionsmittels 419 beitragen.
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5 zeigt ein prinzipielles Schaubild eines Kältegerätes 500 mit einer Kompressionskältemaschine und einer Sorptionskältemaschine, welche getrennte Kältemittelkreisläufe umfassen.
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Die Kompressionskältemaschine umfasst einen ersten Kältemittelkreislauf mit einem ersten Verdampfer 501, einer dem ersten Verdampfer 501 strömungstechnisch nachgeordneten Drossel 503, einem der Drossel 503 strömungstechnisch nachgeordneten ersten Verflüssiger 505 und einem dem ersten Verflüssiger 505 strömungstechnisch nachgeordneten Kompressor 507. Ein Ausgang des Kompressors 507 ist mit dem ersten Verdampfer 501 verbunden.
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Die Sorptionskältemaschine umfasst einen zweiten Kältemittelkreislauf mit einem zweiten Verdampfer 508, einer dem zweiten Verdampfer 508 strömungstechnisch nachgeordneten Drossel 509, einem der Drossel 509 strömungstechnisch nachgeordneten zweiten Verflüssiger 511 und einem dem zweiten Verflüssiger 511 nachgeordneten Sorptionsabschnitt 513 der Sorptionskältemaschine. Der Sorptionsabschnitt 513 umfasst ein Sorptionsmittel 515 sowie einen Kältemittelabschnitt 517 zur Aufnahme des Kältemittels nach der Desorption.
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Die Verdampfer 501 und 508 können zu einer Verdampfereinheit 518 zusammengefasst werden.
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Wie in 5 dargestellt, kann der erste Verdampfer 501 beispielsweise ein Rohrverdampfer sein mit einem ersten aus einem Rohr geformten Rohrverdampferabschnitt 519, welcher einen ersten Steg 521 und einen zweiten Steg 523 bildet. Die Stege 521 und 523 sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet und beispielsweise durch Biegung desselben Rohrs geformt. Der zweite Rohrverdampfer 507 umfasst einen Rohrverdampferabschnitt 524, welcher beispielsweise aus einem gebogenen Rohr geformt ist. Der Verdampferabschnitt 523 formt einen Steg 525, welcher zwischen den Stegen 521 und 523 des Verdampferabschnitts 519 des ersten Verdampfers 501 angeordnet ist.
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Der Sorptionsabschnitt 513 und der Kompressor 5007 können gemäß einer Ausführungsform als ein Hybridkälteerzeugungselement 526 verstanden werden.
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Wie in 5 ferner dargestellt ist, können der erste Verflüssiger 505 und der zweite Verflüssiger 511 als Rohrverflüssiger geformt sein, welche beispielsweise spiegelverkehrt derart angeordnet sein könne, dass die Verflüssigerabschnitte zumindest teilweise überlappen. Die durch das Rohr geformten Abschnitte des jeweiligen Verflüssigers können jedoch ineinandergreifend angeordnet werden.
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Im Betrieb wird das Sorptionsmittel 515 durch die Abwärme des Kompressors 507 und/oder durch die Abwärme des ersten Verflüssigers 505 erwärmt, wodurch das Kältemittel durch Desorption freigegeben und dem Kältemittelabschnitt 517 zugeführt wird. Aufgrund der Trennung der Kältemittelkreisläufe gelangt das Kältemittel von dem Kältemittelabschnitt 517 aus zu dem zweiten Verflüssiger 511.
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Aufgrund der voneinander getrennten Kältemittelkreisläufe können für die Kompressionskältemaschine und für die Sorptionskältemaschine, welche als eine Adsorptionskältemaschine oder eine Absorptionskältemaschine ausgeführt sein kann, gleiche oder unterschiedliche Kältemittel eingesetzt werden, wodurch die thermische Effizienz des Kältegerätes 500 weiter erhöht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Kältegerät
- 103
- erste Kältemaschine
- 105
- zweite Kältemaschine
- 107
- Sorptionsmittel
- 109
- Wärme erzeugendes Element, insbesondere Kompressor oder Verflüssiger
- 201
- Kältegerät
- 202
- zweite Kältemaschine
- 203
- Verdampfer
- 205
- Drossel
- 207
- Verflüssiger
- 209
- Hybridkälteerzeugungsgerät
- 211
- Kompressor
- 213
- Sorptionsmittel
- 301
- Kältegerät
- 303
- Kompressionskältemaschine
- 305
- Wärmetauscher
- 307
- Sorptionskältemaschine
- 309
- Sorptionsmittel
- 401
- Kältegerät
- 403
- Sorptionskältemaschine
- 405
- Verdampfer
- 407
- Drossel
- 409
- Verflüssiger
- 411
- Kompressor
- 413
- Steuerungsventil
- 415
- weiteres Steuerungsventil
- 417
- weiteres Steuerungsventil
- 419
- Sorptionsmittel
- 421
- Behälter
- 500
- Kältegerät
- 501
- erster Verdampfer
- 503
- Drossel
- 505
- erster Verflüssiger
- 507
- Kompressor
- 508
- zweiter Verdampfer
- 509
- Drossel
- 511
- zweiter Verflüssiger
- 513
- Sorptionsabschnitt
- 515
- Sorptionsmittel
- 517
- Kältemittelabschnitt
- 518
- Verdampfereinheit
- 519
- Rohrverdampferabschnitt
- 521
- erster Steg
- 523
- zweiter Steg
- 524
- Verdampferabschnitt
- 525
- Steg
- 526
- Hybridkälteerzeugungselement
