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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät.
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Ein Hauptziel bei der Neuentwicklung dieser Geräte ist die Steigerung ihrer Energieeffizienz. Diese Energieeffizienz wird in einer normierten Messung bestimmt. Das Ergebnis, das ein Gerätemodell bei dieser Messung erzielt, lässt keinen sicheren Rückschluss auf den tatsächlichen Energieverbrauch des Geräts beim Verbraucher zu, da sich die Einsatzbedingungen der Geräte von einem Haushalt zum anderen stark unterscheiden können. Dennoch ist es für die Verbraucher ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Kaufentscheidung.
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Die normierte Messung wird bei einer Umgebungsraumtemperatur von 25°C durchgeführt. Die Kältemaschine eines Kältegerätes schaltet immer dann ein, wenn die Temperatur einer Lagerkammer im Inneren des Gerätes ein vorgegebenes Zielfenster verlässt. Typischerweise ist bei einem Kühlgerät die Kältemaschine nur zwischen 30 bis 50% der Gesamtzeit aktiv, das heißt die Wärme, die während der gesamten Betriebszeit in das Gerät eindringt, wird in lediglich 30 bis 50% dieser Zeit wieder heraus transportiert. Die Effizienz der Kältemaschine wird neben Verlusten größtenteils von den Temperatumiveaus bestimmt, zwischen denen die Wärme transportiert wird. Diese Temperatumiveaus sind bei einer auf Kompression und Dekompression eines zirkulierenden Kältemittels basierenden Kältemaschine durch die Temperatur des Verflüssigers und des Verdampfers gegeben. Je kürzer die Zeit ist, in der eine gegebene Wärmemenge aus dem Gerät hinaus befördert muss, umso warmer muss der Verdampfer und umso kälter muss der Verflüssiger sein, denn nur durch eine ausreichend große Temperaturdifferenz zwischen dem Verflüssiger und der Umgebung beziehungsweise dem Verdampfer und der Lagerkammer kann die benötigte Wärmetransportleistung erreicht werden. Je größer jedoch diese Temperaturdifferenzen sind, umso geringer ist die Effizienz.
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Diese Überlegung führt zu dem Schluss, dass eine hocheffiziente Kältemaschine eigentlich eine Laufzeit von 100% haben sollte, d. h. die Kältemaschine sollte gerade so leistungsfähig sein, dass sie die ins Gerät eindringende Wärme wieder hinaus befördern kann. Der Wärmezustrom in das Gerät ist jedoch abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Lagerkammer und der Umgebung. Ein Kältegerät, dessen Kältemaschine dimensioniert ist, um bei der Umgebungsraumtemperatur der normierten Messung von 25°C so eben 100% Laufzeit zu erreichen, würde zwar bei der Messung ausgezeichnet abschneiden, wäre aber nicht praxistauglich, da es bei Umgebungsraumtemperaturen oberhalb von 25°C nicht mehr in der Lage ist, die gewünschte Temperatur der Lagerkammer aufrecht zu erhalten.
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Um diesem Dilemma zu begegnen, sind Kältegeräte mit drehzahlgeregelten Verdichtern vorgeschlagen worden. Diese sind in der Lage, ihre Kühlleistung durch Änderung der Verdichterdrehzahl zu variieren und sie so an die Umgebungsraumtemperatur beziehungsweise die gewünschte Temperatur der Lagerkammer so anzupassen, dass eine Verdichterlaufzeit von nahe 100% erreicht wird. Auf diese Weise können zwar die Temperaturdifferenzen zwischen Umgebung und Verflüssiger beziehungsweise zwischen Verdampfer und Lagerkammer minimiert werden, doch muss der Verdichter, um auch bei Umgebungsraumtemperaturen über 25°C die gewünschte Temperatur der Lagerkammer aufrecht erhalten zu können, bei 25°C Umgebungsraumtemperatur unter Teillast arbeiten. Unter Teillast ist jedoch der Verdichter im Allgemeinen weniger effizient als unter Volllast. D. h. eine ideale Energieeffizienz ist auf diesem Wege nicht erreichbar; es ändert sich gegenüber einem Kältegerät mit nicht drehzahlgeregeltem Verdichter allenfalls die Hauptursache der Verluste.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Kältegerät zu schaffen, das sowohl unter den normierten Messbedingungen des Energieeffizienztests ein ausgezeichnetes Ergebnis erreicht als auch unter ungünstigeren Bedingungen als denen des Energieeffizienztests noch eine befriedigende Kühlung gewährleisten kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer Lagerkammer, einer die Lagerkammer kühlenden Hauptkältemaschine und einer zur Unterstützung der Kältemaschine zuschaltbaren Hilfskühleinrichtung. Das Vorhandensein der Hilfskühleinrichtung erlaubt es, die Hauptkältemaschine auf höchste Effizienz bei den normierten Messbedingungen oder auch bei typischerweise in der Praxis erwarteten Einsatzbedingungen zu optimieren, ohne Rücksicht darauf, dass eine solcherart optimierte Hauptkältemaschine bei ungünstigeren Bedingungen als denen, für die sie optimiert ist, keine befriedigende Kühlung mehr gewährleistet. Unter diesen ungünstigeren Bedingungen kann die Kühlung durch Hinzuschalten der Hilfskühleinrichtung aufrecht erhalten werden.
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In der Praxis bedeutet dies, dass die Kühlleistung der Hauptkältemaschine bemessen sein sollte, um eine Soll-Temperatur der Lagerkammer nur bis zu einer Umgebungsraumtemperatur von 25°C aufrecht zu erhalten. Wenn die Umgebungsraumtemperatur 25°C überschreitet, kommt die Hilfskühleinrichtung zum Einsatz.
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Eine Steuerung der Hilfskühleinrichtung könnte sich einfach an der Umgebungsraumtemperatur orientieren und die Hilfskühleinrichtung immer dann zuschalten, wenn die Umgebungsraumtemperatur 25°C übersteigt. Da die benötigte Kühlleistung jedoch nicht nur von der Umgebungsraumtemperatur sondern auch von der Soll-Temperatur der Lagerkammer abhängt, könnte eine solche Steuerung dazu führen, dass bei einer hohen Soll-Temperatur die Hilfskühleinrichtung zugeschaltet wird, obwohl die Kältemaschine noch in der Lage wäre, die Soll-Temperatur aufrecht zu erhalten, oder dass bei niedriger Soll-Temperatur die Kühlleistung der Hauptkältemaschine schon bei einer Umgebungstemperatur unterhalb von 25°C nicht mehr ausreicht.
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Eine Möglichkeit, die Soll-Temperatur bei minimalem Einsatz der Hilfskühleinrichtung aufrecht zu erhalten, ist, eine Steuereinheit vorzusehen, die die Hilfskühleinrichtung zuschaltet, wenn sie trotz laufender Hauptkältemaschine einen Anstieg der Temperatur in der Lagerkammer erfasst.
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Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, in an sich bekannter Weise die Hauptkältemaschine einzuschalten, wenn die Temperatur in der Lagerkammer eine erste Einschaltschwelle überschreitet, und zusätzlich die Hilfskühleinrichtung einzuschalten, wenn die Temperatur eine zweite Einschaltschwelle überschreitet, die höher als die erste ist.
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Umgekehrt kann die Steuereinheit eingerichtet ist, die Hilfskühleinrichtung auszuschalten, wenn die Temperatur eine erste Ausschaltschwelle unterschreitet, und die Hauptkältemaschine auszuschalten, wenn die Temperatur eine zweite Ausschaltschwelle unterschreitet, die niedriger als die erste ist. So kann, wenn der Kühlleistungsbedarf der Lagerkammer die Leistungsfähigkeit der Hauptkältemaschine übersteigt, die Hauptkältemaschine kontinuierlich laufen, und es genügt, die Hilfskühleinrichtung ein- und auszuschalten, um die Temperatur der Lagerkammer im Zielfenster zu halten.
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Einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge weisen die Hauptkältemaschine und die Hilfskühleinrichtung jeweils einen Verflüssiger auf.
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Um Wechselwirkungen zwischen der Hauptkältemaschine und der Hilfskühleinrichtung zu minimieren, ist es zweckmäßig, wenn beide auch jeweils einen eigenen Verflüssiger und eine eigene Drosselstelle aufweisen.
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Ein auf die Drosselstellen folgender Verdampfer kann der Hauptkältemaschine und der Hilfskühleinrichtung gemeinsam sein. Auf diese Weise lassen sich gegenüber einer vollständigen Duplizierung der Kältemaschine Kosten einsparen.
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Dennoch ist es sinnvoll, wenn die Hauptkältemaschine und die Hilfskühleinrichtung getrennte Kältemittelkreise aufweisen, um einander im Betrieb möglichst wenig zu beeinflussen. Eine solche Trennung der Kältemittelkreise ist mit der Existenz eines gemeinsamen Verdampfers durchaus vereinbar, da getrennte Leitungen für beide Kältemittelkreise auf dem Verdampfer ausgebildet sein können.
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Es kann auch zweckmäßig sein, dass sich die Kältemittelkreise der Hauptkältemaschine und der Hilfskühleinrichtung am Verdampfer überschneiden. Dadurch wird insbesondere die Verwendung eines herkömmlichen, in großer Stückzahl gefertigten und dementsprechend preiswert verfügbaren Verdampfers möglich.
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Eine weitere Vereinfachung kann dadurch erreicht werden, dass die Kältemittelkreise von Hauptkältemaschine und Hilfskühleinrichtung sich auch am Verflüssiger überschneiden. In diesem Fall können der Verflüssiger und der Verdampfer zweckmäßigerweise über zwei Drosselstellen verbunden sein, von denen eine zuschaltbar ist. Indem diese jeweils zusammen mit dem Verdichter der Hilfskühleinrichtung zugeschaltet wird, kann eine unerwünschte Zunahme des Druckabfalls an der Drosselstelle aufgrund von durch den Betrieb des Verflüssigers der Hilfskühleinrichtung erhöhtem Kältemitteldurchsatz vermieden werden.
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Wenn zwei ähnlich effiziente, aber unterschiedlich leistungsfähige Kältemaschinen vorhanden sind, kann die Steuereinheit eine von ihnen als Hauptkältemaschine und die andere als Hilfskühleinrichtung auswählen. Dies eröffnet unter anderem die Möglichkeit, das Kältegerät für zwei verschiedene Umgebungsraumtemperaturen zu optimieren, indem die Leistung der beiden Kältemaschinen so ausgewählt wird, dass eine Kältemaschine durch Dauerbetrieb bei der ihr zugeordneten Umgebungsraumtemperatur die Lagerkammer im Zielfenster halten kann.
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Die Steuereinheit kann dann zweckmäßigerweise eingerichtet sein, die leistungsschwächere Kältemaschine als Hauptkältemaschine auszuwählen, wenn im Betrieb mit der leistungsstärkeren Kältemaschine als Hauptkältemaschine deren Laufzeit einen vorgegebenen Prozentsatz der Gesamtbetriebszeit unterschreitet, bzw. die leistungsstärkere Kältemaschine als Hauptkältemaschine auszuwählen, wenn im Betrieb mit der leistungsschwächeren Kältemaschine als Hauptkältemaschine die Laufzeit der Hilfskühlvorrichtung einen vorgegebenen Prozentsatz überschreitet.
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Eine von der Kältemaschine komplett unabhängige Hilfskühleinrichtung kann auch ein Peltierelement umfassen. Zwar ist der Wirkungsgrad eines Peltierelements im Allgemeinen schlechter als der einer nach thermodynamischen Prinzipien arbeitenden Hilfskühleinrichtung, doch da die Hilfskühleinrichtung nur während eines kleinen Teils der Laufzeit des Geräts in Betrieb sein sollte, wirkt sich diese schlechtere Effizienz nur wenig auf den Gesamtwirkungsgrad des Geräts aus. Auch aufgrund der Tatsache, dass sich bei einer thermodynamischen Hilfskühleinrichtung das Verhältnis von Gestehungskosten zu Kühlleistung bei niedriger Leistung wesentlich stärker verschlechtert als bei einem Peltierelement, kann das Peltierelement eine wirtschaftliche Lösung darstellen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Diese Beschreibung nennt auch Merkmale der Ausführungsbeispiele, die nicht in den Ansprüchen enthalten sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Zusammenhang. miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten könnten; statt dessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Haushaltskältegerät;
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2 einen zu 1 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung des Kältegeräts;
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3 eine schematische Darstellung des Kühlsystems eines Kältegeräts gemäß einer dritten Ausgestaltung;
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4 eine Draufsicht auf den Verdampfer des Kältegeräts der dritten Ausgestaltung;
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5 eine zur 3 analoge Darstellung gemäß einer vierten Ausgestaltung; und
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6 eine zur 3 analoge Darstellung gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Haushaltskältegerät mit einem Korpus 1 und einer Tür 2, die eine Lagerkammer 3 für Kühlgut umschließen. In dem Fachmann an sich vertrauter Weise ist an der Rückseite des Korpus 1 in Bodennähe eine Maschinenraumnische 4 ausgespart, in der ein Verdichter 5 für Kältemittel untergebracht ist. Ein Auslass des Verdichters 5 ist mit einem Verflüssiger 6 verbunden. Der Verflüssiger 6 ist hier als passiv belüfteter Verflüssiger an einer Rückwand 7 des Korpus 1 montiert dargestellt; ein aktiv durch einen Ventilator belüfteter Verflüssiger könnte auch an anderen Stellen am Kältegerät angebracht sein.
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Der Verflüssiger 6 ist über eine Drosselstelle, hier in Form einer Kapillare 8, mit einem die Lagerkammer 3 kühlenden Verdampfer 9 verbunden. Der Verdampfer 9 ist hier als Coldwall-Verdampfer dargestellt, andere fachübliche Verdampfertypen kommen ebenfalls in Betracht.
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Eine Hilfskühleinrichtung in Form eines Peltierelements 10 kann an diversen Stellen des Kältegeräts eine wärmeisolierende Schicht 11 des Korpus 1 oder der Tür 2 überbrückend angebracht sein. Im Falle eines Standgeräts ermöglicht insbesondere die in der Figur gezeigte Anbringung des Peltierelements 10 in der Tür 2 eine ungehinderte Abgabe von dessen Abwärme über eine freiliegende metallische Außenhaut der Tür 2.
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Eine in der Figur nicht dargestellte elektronische Steuereinheit 12 (siehe 3) steuert den Betrieb sowohl des Verdichters 5 als auch des Peltierelements 10 in später noch genau beschriebener Weise.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältegeräts in einem zur 1 analogen Schnitt. Als Hilfskühleinrichtung ist hier anstelle des Peltierelements eine zweite thermodynamische Kältemaschine vorgesehen. Ein Verdichter 13 dieser Hilfskühleinrichtung ist neben dem Verdichter 5 der Hauptkältemaschine in der Maschinenraumnische 4 untergebracht. Im Allgemeinen wird der Verdichter 13 kleiner und leistungsschwächer als der Verdichter 5 sein. Der Verflüssiger 6 und der Verdampfer 9, die zusammen mit dem Verdichter 5 die Hauptkältemaschine bilden, teilen sich die Rückwand 7 mit einem Verflüssiger 14 und einem Verdampfer 15, die zusammen mit dem Verdichter 13 die Hilfskühleinrichtung bilden. Der Verdampfer 9 belegt einen oberen Teil der Rückwand 7, um eine Kühlung der Lagerkammer 3 auf ihrer gesamten Höhe sicherstellen zu können, auch wenn der Verdampfer 15 nicht in Betrieb ist.
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Abweichend von der Fig. können Verdampfer 9, 15 auch jeweils nebeneinander angeordnet sein und beide bis an die Decke der Lagerkammer reichen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Steuereinheit 12 in der Lage ist, die Hauptkältemaschine und die Hilfskühlvorrichtung unter den beiden vorhandenen Kältemaschinen dynamisch auszuwählen. Indem sie z. B. die kleinere Kältemaschine 13, 14, 15 als Hauptkältemaschine auswählt, wenn aufgrund einer niedrigen Umgebungsraumtemperatur die größere Kältemaschine 5, 6, 9 nur eine Laufzeit von deutlich weniger als 100% erreicht, ist auch bei einer solchen niedrigen Umgebungsraumtemperatur ein Kühlbetrieb mit ausgezeichneter Energieeffizienz möglich.
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Das Vorhandensein der zwei voneinander unabhängigen Kältemaschinen 5, 6, 9 und 13, 14, 15 macht das Kältegerät der 2 einigermaßen aufwändig. Eine vereinfachte Ausgestaltung ist in 3 gezeigt, wobei der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Schema des Kühlsystems gezeigt ist; Korpus 1 und Tür 2 können die gleichen sein wie in 1 und 2 dargestellt. Die zwei Verdichter 5, 13 des Kältegeräts der 3 versorgen jeweils einen ihnen ausschließlich zugeordneten Verflüssiger 6 bzw. 14, und Kapillaren 8, 16 verlaufen von den zwei Verflüssigern 6, 14 zu einem gemeinsamen Verdampfer 17.
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Der Verdampfer 17 ist, wie in 4 gezeigt, mit getrennten Leitungssystemen 18, 19 ausgestattet, von denen jedes sich in an sich üblicher Weise in Mäandern über die Platine des Verdampfers 17 erstreckt. Die Leitungssysteme 18, 19 sind voneinander getrennt, so dass auch bei dieser Ausgestaltung zwei voneinander unabhängige Kältemittelkreisläufe existieren. Beide Leitungssysteme 18, 19 sind über im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Verdampfers 17 verteilt, so dass die gesamte Verdampferoberfläche zum Kühlen der Lagerkammer 3 nutzbar ist, egal, ob nur der Verdichter 5 (oder der Verdichter 13, falls die Kältemaschine 13, 14, 15 von der Steuereinheit als Hauptkältemaschine ausgewählt ist) oder beide Verdichter 5, 13 in Betrieb sind. Proportional zum Verhältnis der Leistungen der Verdichter 5, 13 ist das vom Verdichter 13 versorgte Leitungssystem 19 kürzer als das dem Verdichter 5 zugeordnete Leitungssystem 18.
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Ein abermals vereinfachtes Kühlsystem ist in 5 gezeigt. Hier sind der Verdichter 5 der Hauptkältemaschine und der Verdichter 13 der Hilfskühleinrichtung in einem einzigen Kältemittelkreis parallel zueinander angeordnet und versorgen gemeinsam über eine einzige Zuleitung einen einzigen Verflüssigen 20 und Verdampfer 21. Wenn beide Verdichter 5, 13 gemeinsam in Betrieb sind, führt dies zu einem verstärkten Stau des Kältemittels an der Kapillare 8 zwischen Verflüssiger 20 und Verdampfer 21 und infolge dessen zu einem höheren Druck des Kältemittels im Verflüssiger 20. Dies kann je nach Dimensionierung des Kältemittelkreises nützlich sein, um infolge der Druckerhöhung eine höhere Kondensationstemperatur des Kältemittels im Verflüssiger 20 zu erreichen und eine schnelle. Kondensation des Kältemittels im Verflüssiger 20 auch bei hoher Umgebungstemperatur, wenn typischerweise beide Verdichter 5, 13 gleichzeitig in Betrieb sind, zu erreichen.
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Der höhere Druck im Verflüssiger 20 führt aber auch dazu, dass die für einen gegebenen Kältemitteldurchsatz erforderliche Leistung des Verdichters 5 bei eingeschaltetem Verdichter 13 höher ist als bei ausgeschaltetem, was wiederum die Effizienz des Kältegeräts beeinträchtigen kann. Um diesem Problem abzuhelfen, sieht die Ausgestaltung der 6 eine zweite Kapillare 22 parallel zur Kapillare 8 vor, die mit Hilfe eines Magnetventils 23 absperrbar ist. Die Steuereinheit 12 öffnet das Magnetventil 23 immer dann, wenn beide Verdichter 5, 13 eingeschaltet sind. Durch eine geeignete Wahl der Durchgangswiderstände der Kapillaren 16, 22 kann eine Drucksteigerung im Verflüssiger 20 durch das Hinzuschalten des Verdichters 13 vollständig unterdrückt werden oder auf einen an die bei gleichzeitigem Betrieb beider Verdichter 5, 13 zu erwartende Umgebungstemperatur angepassten Wert begrenzt werden.
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Die Arbeitsweise der Steuereinheit 12 kann für alle oben beschriebenen Ausgestaltungen einheitlich sein. Die Steuereinheit 12 ist in fachüblicher Weise mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Lagerkammer 3 verbunden und schaltet den Verdichter 5 immer dann ein, wenn die von dem Sensor erfasste Temperatur der Lagerkammer eine vom Benutzer wählbare erste Einschaltschwelle T1 übersteigt. Nach dem Einschalten des Verdichters 5 muss eine von der Bauart des Kältegeräts abhängige Zeitspanne verstreichen, bevor sich der Betrieb des Verdichters 5 auf die von dem Sensor erfasste Temperatur auswirkt. Nach Verstreichen dieser Zeitspanne erfasst die Steuereinheit 12 die Temperatur der Lagerkammer 3 erneut. Wenn sie eine zweite Einschaltschwelle T2 > T1 erreicht hat oder seit der vorhergehenden Messung weiter angestiegen ist, ist davon auszugehen, dass die Leistung des Verdichters 5 zum Kühlen der Lagerkammer 3 nicht mehr ausreicht, so dass die Steuereinheit 12 auch den Verdichter 13 (oder, bei der Ausgestaltung der 1, das Peltierelement 10) aktiviert.
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Die Steuereinheit kann in folgender Weise eingerichtet sein, um unter den Kältemaschinen 5, 6, 9 und 13, 14, 15 die Hauptkältemaschine und die Hilfskühleinrichtung dynamisch auszuwählen: Wenn die Kältemaschine 5, 6, 9 als Hauptkältemaschine ausgewählt ist, überwacht die Steuereinheit den Anteil der Betriebszeit dieser Kältemaschine an der Gesamtbetriebszeit des Kältegeräts. Wenn dieser Anteil kleiner ist als eine in Abhängigkeit vom Verhältnis der Leistungen der Verdichter 5, 13 festgelegter Grenzwert, dann macht die Steuereinheit die leistungsschwächere Kältemaschine 13, 14, 15 zur Hauptkältemaschine, sodass diese hocheffizient im Wesentlichen kontinuierlich laufen kann. Wenn die Kältemaschine 13, 14, 15 die Hauptkältemaschine ist, kann die Steuereinheit anhand der Laufzeit der Kältemaschine 5, 6, 9 beurteilen, ob die Hauptkältemaschine überfordert ist. Ist der Anteil der Betriebszeit der stärkeren Kältemaschine an der Gesamtbetriebszeit des Kältegeräts größer als ein zweiter Grenzwert, dann wird diese wieder als Hauptkältemaschine gewählt.
