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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Wärmepumpenvorrichtung der eingangs genannten Art ist nach der
JP 2001 153482 A bekannt. Diese besteht unter anderem aus einem Verdichter (insbesondere Schraubenverdichter), dem ein Verflüssiger (auch Kondensator genannt) nachgeschaltet ist, dem wiederum ein Kältemittelsammler (auch Kältemitteltank genannt) nachgeschaltet ist. Der Kältemittelsammler ist dabei zur Zwischeneinspritzung von Kältemittel in den Verdichter mit diesem über eine Kältemittelleitung verbunden.
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Weiterhin ist bei dieser Wärmepumpenvorrichtung genau wie bei der noch zu erläuternden erfindungsgemäßen Vorrichtung dem Kältemittelsammler ein regelbares Expansionsventil nachgeschaltet, dem wiederum ein Verdampfer nachgeschaltet ist, dem wiederum der bereits genannte Verdichter nachgeschaltet ist. Der Kältemittelkreis der
JP 2001 153482 A entspricht also einem ganz klassischen Kältemittelkreis, allerdings ergänzt um den Kältemittelsammler für die Zwischeneinspritzung von Kältemittel in den Verdichter.
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Bei der Lösung nach der
JP 2001 153482 A mündet eine Kältemittelzuflussöffnung der zum Verdichter führenden Kältemittelleitung während des ordnungsgemäßen Betriebs der Wärmepumpenvorrichtung stets unterhalb des Kältemittelspiegels im Kältemittelsammler aus, d. h. bei dieser Lösung wird stets flüssiges Kältemittel aus dem Kältemittelsammler abgeführt, was die Möglichkeit eröffnet, den Verdichter zu kühlen, die Heißgastemperatur zu senken und somit die Einsatzgrenzen der Wärmepumpenvorrichtung im Vergleich zu einem klassischen Kältemittelkreis ohne Kältemittelsammler zu erweitern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenvorrichtung der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Insbesondere sollen die Einsatzgrenzen bzw. die Effizienz einer solchen Wärmepumpenvorrichtung noch mehr erweitert bzw. vergrössert werden.
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Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass zur Einstellung des Kältemittelspiegels im Kältemittelsammler zwischen dem Verflüssiger und dem Kältemittelsammler ein regelbares Expansionsventil angeordnet ist und dass die Kältemittelleitung je nach Einstellung des Expansionsventils eine während des Betriebs der Wärmepumpenvorrichtung oberhalb und/oder unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündende Kältemittelzuflussöffnung aufweist.
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Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung insbesondere dadurch aus, dass über das Expansionsventil der Kältemittelspiegel im Kältemittelsammler eingestellt werden kann, wobei die Kältemittelzuflussöffnung so ausgebildet ist, dass sie je nach Einstellung des Expansionsventils wahlweise oberhalb und/oder unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündend ausgebildet ist. Die Maßgabe ”und/oder” bedeutet dabei, dass die Kältemittelleitung mit ihrer Kältemittelzuflussöffnung entweder so ausgebildet ist, dass die Kältemittelzuflussöffnung entweder oberhalb oder unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündet, oder dass die Kältemittelzuflussöffnung so ausgebildet ist, dass sie sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündet, was wahlweise durch eine entsprechend große Kältemittelzuflussöffnung oder auch durch mehrere Kältemittelzuflussöffnungen an der in den Kältemittelsammler geführten Kältemittelleitung realisiert sein kann.
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Im Unterschied zur eingangs genannten Wärmepumpenvorrichtung ist es somit bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung möglich, wahlweise reinen Kältemitteldampf, flüssiges Kältemittel oder aber auch Kältemittelnassdampf dem Verdichter zuzuführen. In welchem Aggregatzustand das Kältemittel dabei in den Verdichter eingespritzt wird, kann über das regelbare Expansionsventil und damit über den Kältemittelspiegel im Kältemittelsammler festgelegt werden.
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Die Einspritzung von dampfförmigen Kältemittel verbessert die Effizienz und Leistung der Wärmepumpenvorrichtung.
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Die Einspritzung von flüssigem Kältemittel bietet, wie vorerwähnt, die Möglichkeit, den Verdichter zu kühlen, die Heißgastemperatur zu senken und somit die Einsatzgrenzen zu erweitern.
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Durch die Einspritzung von Kältemittelnassdampf, also die Kombination der beiden oben genannten Möglichkeiten, können über die Festlegung des Dampfflüssigkeitsverhältnisses die Vorteile beider Einspritzmethoden orientiert an der aktuellen Einsatzsituation gezielt genutzt werden.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Der Vollständigkeit halber wird noch auf folgende Dokumente hingewiesen:
Aus der
EP 1 965 154 B1 ist eine Wärmepumpenvorrichtung bekannt, bei der ein vergleichsweise kleiner Teil des aus dem Verflüssiger kommenden Kältemittels abgezweigt und zur Entspannung über ein regelbares Expansionsventil geführt wird, dem ein Wärmetauscher (so genannter Economiser) nach geschaltet ist, um Wärme zwischen dem kleinen, bereits entspannten Teil des Kältemittels und dem Rest des vom Verflüssiger kommenden Kältemittels zu übertragen. Nach dem Economiser kann das entspannte Kältemittel dem Verdichter eingespritzt werden, wobei sich über die Einstellung des Expansionsventils festlegen lässt, welchen Aggregatzustand (flüssig, nassdampfförmig oder dampfförmig) das eingespritzte Kältemittel hat. Im Vergleich zur erläuterten erfindungsgemäßen Lösung ist bei der Lösung nach der
EP 1 965 154 B1 ein im Vergleich zum Kältemittelsammler hochpreisigerer Wärmetauscher (der Economiser) erforderlich.
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Weiterhin wird auf die
DE 33 29 661 A1 hingewiesen, aus der eine der
EP 1 965 154 B1 entsprechende Lösung bekannt ist, wobei dort der Economiser bzw. der Wärmetauscher als Kältemittelsammler ausgebildet ist. In beiden Fällen wird aber das vom Verflüssiger kommende Kältemittel vor dem Wärmetauscher bzw. vor dem Kältemittelsammler in zwei Teilströme aufgeteilt, die erst am Verdichter wieder zusammengeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigt schematisch
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1 eine Grundausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kältemittelsammler;
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2 eine vergrößerte Darstellung des Kältemittelsammlers gemäß 1;
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3 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit einem 4/2-Wegeumschaltventil;
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4 ein Ausführungsbeispiel mit einem Sauggaswärmetauscher im Kältemittelsammler sowie einem 4/2-Wegeumschaltventil;
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5 eine vergrößerte Darstellung des Kältemittelsammlers gemäß 4; und
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6 eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik (
JP 2001 153482 A ).
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Die in den 1, 3, 4 und 6 dargestellten Wärmepumpenvorrichtungen bestehen in bekannter Weise aus einem Verdichter 1, insbesondere einem so genannten Schrauben- bzw. Scrollverdichter, dem ein Verflüssiger 2 nachgeschaltet ist, der besonders bevorzugt als Plattenkondensator ausgebildet ist. Diesem Kondensator ist ein Kältemittelsammler 3 (auch Hochdrucksammler genannt) nachgeschaltet, der zur Zwischeneinspritzung von Kältemittel in den Verdichter 1 mit diesem über eine Kältemittelleitung 4 verbunden ist. Diese Zwischeneinspritzung dient, wie bereits erläutert, dazu die Effizienz der Wärmepumpenvorrichtung zu erhöhen bzw. die Einsatzgrenzen der Wärmepumpenvorrichtung zu erweitern.
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Wesentlich für die in den 1, 3 und 4 dargestellte, erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung ist nun, dass zur Einstellung des Kältemittelspiegels im Kältemittelsammler 3 zwischen dem Verflüssiger 2 und dem Kältemittelsammler 3 ein elektronisch regelbares (und reversibel arbeitendes) Expansionsventil 5 angeordnet ist und dass die Kältemittelleitung 4 je nach Einstellung des Expansionsventils 5 eine während des Betriebs der Wärmepumpenvorrichtung oberhalb und/oder unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündende Kältemittelzuflussöffnung 6 aufweist.
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In 2 ist der Kältemittelsammler 3 zum besseren Verständnis vergrößert dargestellt. Wie ersichtlich, ist dabei ein Abschnitt 7 der Kältemittelleitung 4 im Kältemittelsammler 3 angeordnet. Die Kältemittelzuflussöffnung(en) 6 ist (sind) am Abschnitt 7 der Kältemittelleitung 4 angeordnet. Der Abschnitt 7 ist rohrförmig und insbesondere als u-förmiges Rohrstück ausgebildet. Der Abschnitt 7 weist ferner eine vertikale Erstreckungsrichtung und ein offenes Leitungsende 8 auf. Das offene Leitungsende 8 bildet mindestens eine der Kältemittelzuflussöffnungen 6 und ist während des Betriebs der Wärmepumpenvorrichtung vorzugsweise stets oberhalb des Kältemittelspiegels angeordnet. Wie weiterhin aus 2 ersichtlich, sind am Abschnitt 7 mehrere, übereinander angeordnete Kältemittelzuflussöffnungen 6 vorgesehen.
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Wie aus den 1, 3 und 4 ersichtlich, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kältemittelsammler 3 einen mit dem Expansionsventil 5 verbundenen, während des Betriebs der Wärmepumpenvorrichtung unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündenden Kältemittelzufuhranschluss 9 aufweist. Über diesen Kältemittelzufuhranschluss 9 gelangt das Kältemittel in den Kältemittelsammler 3. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kältemittelsammler 3 einen mit einem zweiten elektronisch regelbaren (und reversibel arbeitenden) Expansionsventil 10 verbundenen, während des Betriebs der Wärmepumpenvorrichtung unterhalb des Kältemittelspiegels ausmündend Kältemittelabfuhranschluss 11 aufweist. Über diesen Kältemittelabfuhranschluss 11 wird das Kältemittel zum zweiten Expansionsventil 10 abgeführt.
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Insbesondere aus 2 wird verständlich, wie der erfindungsgemäße Kältemittelsammler funktioniert: Über den Kältemittelzufuhranschluss 9 gelangt Kältemittel in den Kältemittelsammler 3. Über die elektronisch regelbaren Expansionsventile 5 und 10, die natürlich mit einer entsprechenden, nicht extra dargestellten Wärmepumpen-Regelungseinrichtung (auch Kältekreisregeler genannt) verbunden sind, wird die Höhe des Kältemittelspiegels eingestellt. Beim Füllstand gemäß 2 kann nur dampfförmiges Kältemittel über die Kältemittelzuflussöffnungen 6 in den Abschnitt 7, damit in die Kältemittelleitung 4 und von dort zum Verdichter 1 gelangen. Wird der Kältemittelspiegel erhöht, kann auch flüssiges Kältemittel über eine oder auch mehrere Kältemittelzuflussöffnungen 6 in den Abschnitt 7 und damit zum Verdichter 1 gelangen. Dieses flüssige Kältemittel vermischt sich dabei mit dem über die übrigen Kältemittelzuflussöffnung 6 einströmenden Kältemitteldampf zu einem Kältemittelnassdampf. Würde man schließlich den Kältemittelsammler 3 vollständig fluten, also einen solchen Kältemittelspiegel einstellen, bei dem alle Kältemittelzuflussöffnungen 6 im flüssigen Kältemittel positioniert sind, käme es am Verdichter zu einer vollständig flüssigen Zwischeneinspritzung, die, wie erläutert, insbesondere dann wünschenswert ist, wenn man den Verdichter kühlen will.
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Eine weitere bevorzugte Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung besteht wiederum mit Verweis auf 2 und 5 darin, dass der Kältemittelsammler 3 durch ein mindestens eine Durchgangsöffnung 12 aufweisendes, insbesondere vertikal orientiert angeordnetes Trennelement 13 bzw. Trennwand (vorzugsweise ein Lochblech, Metallgewebe oder dergleichen) in eine erste und eine zweite Kammer 14, 15 aufgeteilt ausgebildet ist, wobei in die erste Kammer 14 der Kältemittelzufuhranschluss 9 ausmündet und wobei von der ersten Kammer 14 der Kältemittelabfuhranschluss 11 abgeht.
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Aufgrund der Expansion des Kältemittels im Expansionsventil 5 ist die Strömung in der ersten Kammer 14 stark turbulent. Die Maßgabe des Trennelements 13 führt zu einer Beruhigung des Kältemittels in der zweiten Kammer 15, in der der Abschnitt 7 der Kältemittelleitung 4 angeordnet ist, was wiederum günstig für die angestrebt genaue Einstellung des Verhältnisses zwischen flüssigem und dampfförmigem Kältemittel ist.
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Wie bereits erläutert, ist dem Kältemittelsammler 3 ein zweites elektronisch regelbares Expansionsventil 10 nachgeschaltet, dem seinerseits ein mit dem Verdichter 1 verbundener Verdampfer 16 (insbesondere Lamellenverdampfer) nachgeschaltet ist. Mit Verweis auf 4 und 5 besteht eine weitere Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung darin, dass in der ersten Kammer 14 des Kältemittelsammlers 3 eine kältemittelführende und mit dem Kältemittel im Kältemittelsammler 3 wärmetauschende Leitung 17 angeordnet ist, die einerseits mit dem Verdampfer 16 und andererseits mit dem Verdichter 1 verbunden ist. Diese Leitung 17 bildet zusammen mit dem Kältemittelsammler 3 einen so genannten Sauggaswärmetauscher zur Unterkühlung des Kältemittels, wobei über die bereits erwähnte, nicht dargestellte Wärmepumpen-Regelungseinrichtung und entsprechende Sensoren zur Messung der Sauggasüberhitzung bzw. der Unterkühlung Einfluss auf die Expansionsventile 5 und 10 und damit auf den Kältemittelspiegel genommen werden kann.
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Weiterhin ist mit Verweis auf 3 und 4 vorgesehen, dass zwischen dem Verflüssiger 2 und dem Expansionsventil 5 ein (vorzugsweise bidirektional arbeitender) Filter 18 (auf Filtertrockner genannt) angeordnet ist. Außerdem ist auch zwischen dem zweiten Expansionsventil 10 und dem Verdampfer 16 ein (vorzugsweise bidirektional arbeitender) Filter 19 (Filtertrockner) angeordnet.
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Um die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung sowohl für Heiz- als auch für Kühlzwecke verwenden zu können, ist mit Verweis auf 3 und 4 ein dem Verdichter 1 nachgeschaltetes Umschaltventil, insbesondere ein 4/2-Wegeumschaltventil 20 vorgesehen: In den 3 und 4 ist dabei der Heizbetrieb dargestellt, bei dem über den Verdampfer 16 zum Beispiel Erdwärme aufgenommen und über den Verflüssiger 2 an einen Raum eines zu beheizenden Gebäudes abgegeben wird. Würde man das 4/2-Wegeumschaltventil gemäß den 3 und 4 um 90° drehen (sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn), was aufgrund des symmetrischen Aufbaus der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung ohne weiteres möglich ist, so würde der Verdampfer 16 zum Verflüssiger und der Verflüssiger 2 zum Verdampfer werden. In diesem Fall würde Wärme über den Verdampfer zum Beispiel aus einem Raum eines Gebäudes abgeführt und über den Verflüssiger zum Beispiel an die Umgebung des Gebäudes abgegeben werden.
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Zum besseren Verständnis wird nachfolgend noch die Funktionsweise der Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 4 genauer erläutert:
Bei der Lösung nach 3 wird gasförmiges Kältemittel über den Verdichter 1 auf ein höheres Druckniveau gebracht, über das 4/2-Wegeumschaltventil dem Verflüssiger 2 zugeführt und dort vollständig kondensiert und unterkühlt. Das flüssige Kältemittel durchläuft den Filter 18 und gelangt danach zum Expansionsventil 5, in dem es auf ein geringeres Druckniveau gebracht wird. Dabei geht ein Teil des Kältemittels in den gasförmigen Zustand über. Das Kältemittel wird danach dem Kältemittelsammler 3 zugeführt, welcher sich in zwei Bereiche unterteilt. Am Kältemittelzufuhranschluss 9 des Kältemittelsammlers 3 ist das Kältemittel aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit sehr turbulent. Danach strömt das Kältemittel über Durchgangsöffnung 12 am Trennelement 13 (siehe 2) in den beruhigten Bereich des Kältemittelsammlers 3 (Kammer 15), wo sich der flüssige Anteil aufgrund der Schwerkraft unten absetzt. Über die Kältemittelzuflussöffnung 6, die im oberen Bereich des Kältemittelsammlers 3 endet, wird ausschließlich gasförmiges Kältemittel angesaugt und der Zwischeneinspritzung des Verdichters 1 zugeführt.
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Das flüssige Kältemittel wird dem Expansionsventil 10 zugeführt, über das der Druck auf Verdampfungsdruckniveau abgebaut wird. Ein Teil des Kältemittels geht dabei in den gasförmigen Zustand über. Danach gelangt das Kältemittel in den Verdampfer 16, wo es vollständig verdampft und überhitzt wird. Über das 4/2-Wegeumschaltventil wird das Kältemittel schließlich dem Verdichter 1 zugeführt. Der Kreislauf schließt sich.
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Besonderheit: Um bei Betriebspunkten mit großen Druckverhältnissen eine zu hohe Temperatur am Kältemittelaustritt des Verdichters 1 zu verhindern, besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, den Flüssigkeitsanteil bei der Zwischeneinspritzung zu erhöhen. Die flüssigen Anteile des Kältemittels verdampfen dabei im Verdichter und nehmen dadurch Wärme auf. – Um dies zu realisieren, ist die Saugleitung (Kältemittelleitung 7) der Zwischeneinspritzung im Kältemittelsammler 3 so ausgeführt, dass sie durch den Flüssigkeitsanteil verläuft. Über so genannte Schnüffelbohrungen (Kältemittelzuflussöffnungen 6) in der Rohrleitung kann flüssiges Kältemittel angesaugt werden. Der Anteil an Flüssigkeit, der mit angesaugt wird, lässt sich regulieren, indem man über das Expansionsventil 5 nach dem Verflüssiger 2 den Füllstand im Kältemittelsammler 3 verändert. Als Regelgröße dient die Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters 1.
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Die Lösung gemäß 4 unterscheidet sich schließlich von der gemäß 3 darin, dass dort über eine Rohrschlange (Leitung 17) ein Wärmeübergang vom wärmeren Kältemittel im Kältemittelsammler 3 auf das kältere Kältemittel in der Rohrschlange stattfindet (Stichwort: Sauggasüberhitzung). Dadurch wird der gasförmige Anteil des Kältemittels im Kältemittelsammler teilweise oder vollständig kondensiert, wodurch das Verhältnis flüssig zu gasförmig zunimmt. Die Leitung 17 verläuft vom Verdampfer 16 über das 4/2-Wegeventil zur ersten Kammer 14 und von dort direkt zum Verdichter 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Verflüssiger
- 3
- Kältemittelsammler
- 4
- Kältemittelleitung
- 5
- Expansionsventil
- 6
- Kältemittelzuflussöffnung
- 7
- Abschnitt
- 8
- Leitungsende
- 9
- Kältemittelzufuhranschluss
- 10
- Expansionsventil
- 11
- Kältemittelabfuhranschluss
- 12
- Durchgangsöffnung
- 13
- Trennelement
- 14
- erste Kammer
- 15
- zweite Kammer
- 16
- Verdampfer
- 17
- Leitung
- 18
- Filter
- 19
- Filter
- 20
- 4/2-Wegeumschaltventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2001153482 A [0002, 0003, 0004, 0023]
- EP 1965154 B1 [0014, 0014, 0015]
- DE 3329661 A1 [0015]
