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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer eine gekühlte Lagerkammer begrenzenden wärmedämmenden Wand und einem in die Wand eingelassenen Tank. Derartige Tanks sind zur Versorgung eines Kaltwasserspenders in Haushaltskältegeräten weit verbreitet.
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Wenn ein solcher Tank mit Wasser gefüllt ist, darf seine Temperatur nicht unter 0°C abfallen, zum einen, weil die mit dem Gefrieren des Wassers einhergehende Ausdehnung den Tank beschädigen und/oder eine an den Tank angrenzende Isoliermaterialschicht verdichten und damit ihr Wärmedämmvermögen beeinträchtigen kann, zum anderen, weil, wenn der Inhalt des Tanks gefroren ist, kein kaltes Wasser mehr abgezapft werden kann. Wenn die Lagerkammer, in deren Wand der Tank angeordnet ist, für einen Betrieb bei Temperaturen unter 0°C ausgelegt ist, müssen daher geeignete Maßnahmen getroffen werden, um ein Gefrieren des Tanks sicher zu unterbinden.
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Aus
DE 10 2006 052 554 A1 ist ein Kältegerät mit in die Rückwand einer Spendernische integriertem Wassertank bekannt, bei dem an einer Seite des Tanks luftführende Leitungen ausgespart sind, die über einen Durchgang in der Isoliermaterialschicht der Wand mit der Lagerkammer kommunizieren. Diese Leitungen fungieren als ein den Tank kühlender Wärmetauscher, der die Luft der Lagerkammer als Wärmeträgerfluid verwendet. Die geringe Wärmekapazität der Luft macht zum einen einen Ventilator erforderlich, um unter normalen Betriebsbedingungen für eine zum Kühlen des Tanks ausreichende Luftzirkulation zu sorgen. Zum anderen muss, damit diese Luft geräuscharm bei niedriger Geschwindigkeit zirkulieren kann, der Querschnitt der Leitungen groß sein, und infolge des knappen Einbauraums ist die Länge der Leitungen gering. Die Kombination von geringer Leitungslänge und großem Querschnitt führt dazu, dass die Luft durch den Wärmetauscher auch dann zirkuliert, wenn der Ventilator nicht im Betrieb ist.
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Um sicherzustellen, dass dies bei einer niedrigen Solltemperatur des Lagerfachs und niedriger Außentemperatur nicht zum Gefrieren des Tankinhalts führt, ist an dem Tank zusätzlich eine elektrische Heizung angeordnet. Deren Betrieb erfordert jedoch zusätzliche Energie, und da die von der Heizung freigesetzte Wärme letztlich die Lagerkammer aufheizt, führt ihr Betrieb auch zu längeren Verdichterlaufzeiten. Die Heizung beeinträchtigt somit erheblich die Energieeffizienz des Kältegeräts.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät mit einem in eine wärmedämmende Wand eingelassenen Tank anzugeben, bei dem eine Unterkühlung des Tanks ohne den Einsatz einer Heizung vermieden werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät, insbesondere einem Haushaltskältegerät, mit einer eine gekühlte Lagerkammer begrenzenden wärmedämmenden Wand, einem in die Wand eingelassenen Tank und einer Leitung für ein Wärmeträgerfluid, von der ein Teil einen in thermischem Kontakt mit dem Tank angeordneten ersten Wärmetauscher bildet, ein Absperrelement vorgesehen ist, das zwischen einer die Zirkulation des Wärmeträgerfluids in der Leitung zulassenden Stellung und einer die Zirkulation sperrenden Stellung umschaltbar ist.
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Vorzugsweise ist das Wärmeträgerfluid eine Flüssigkeit, da diese in der Lage ist, bei geringem Leitungsquerschnitt und niedriger Strömungsgeschwindigkeit mehr Wärmeenergie zu übertragen als ein Gas. Der Wärmetauscher belegt daher deutlich weniger Platz in einem Kältegerät als ein herkömmlicher, mit Luft als Wärmeträger arbeitender Wärmetauscher, so dass das nutzbare Volumen des Kältegeräts vergrößert werden kann.
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Der erste Wärmetauscher ist vorzugsweise an einer der Lagerkammer zugewandten Seite des Tanks angeordnet. So ist er gegenüber durch den Tank selber hindurch zuströmender Umgebungswärme abgeschirmt, und ein unnötiger Wärmeeintrag in das Wärmeträgerfluid wird vermieden.
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Wenn das Wärmeträgerfluid eine Flüssigkeit ist, kann es nicht unmittelbar aus der Lagerkammer angesaugt und in diese wieder entlassen werden. Vorzugsweise ist daher die Leitung ein geschlossener Kreis, von der ein zweiter Teil einen in thermischem Kontakt mit der Lagerkammer angeordneten zweiten Wärmetauscher bildet.
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Dieser zweite Wärmetauscher ist vorzugsweise an einer Innenseite der wärmedämmenden Wand angeordnet. Insbesondere kann er, ähnlich einem Coldwall-Verdampfer, zwischen einer Innenhaut und einer Isolationsmaterialschicht der wärmedämmenden Wand angeordnet sein.
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Eine Verklebung des zweiten Wärmetauschers an der Innenhaut begünstigt den Wärmeaustausch mit der Lagerkammer.
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Wenn der zweite Wärmetauscher oberhalb des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, kann Konvektion, die durch Abkühlung des Wärmeträgerfluids im zweiten Wärmetauscher angeregt wird, den Wärmetransport in dem Kreis fördern, ohne dass hierfür zusätzlich Antriebsenergie aufgewandt werden muss.
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Um die Zirkulation des Wärmeträgerfluids zu steuern, kann in dem geschlossenen Kreis auch eine Pumpe angeordnet sein.
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Eine solche Pumpe kann zweckmäßigerweise auch als Absperrglied zum Unterbinden der Zirkulation dienen. Besonders geeignet hierfür sind Pumpen, bei denen die angetriebenen Elemente den freien Querschnitt des Kreises komplett ausfüllen, wie etwa Zahnrad- oder Drehschieberpumpen, bei denen im Falle des Stillstands der beweglichen Elemente der Querschnitt des Kreises blockiert und dadurch die Zirkulation gesperrt ist.
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Alternativ kann auch ein ansteuerbares Ventil als Absperrglied dienen.
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Ein Steuersignal für ein solches Ventil und/oder für die Pumpe kann insbesondere von einer Thermostatregelung bereitgestellt werden.
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Wenn das Lagerfach auf eine Solltemperatur unter dem Gefrierpunkt des Wärmeträgerfluids abkühlbar ist, kann das Absperrglied auch durch wenigstens einen Abschnitt des zweiten Wärmetauschers gebildet sein, der durch gefrierendes Wärmeträgerfluid verschließbar ist. Indem bei zu niedriger Temperatur das Wärmeträgerfluid diesen verschließbaren Abschnitt blockiert, kann ebenfalls eine übermäßige Kühlung des Tanks, die zum Gefrieren von dessen Inhalt führen könnte, unterbunden werden.
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Noch einer Alternative zu Folge kann die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren genutzt werden, indem das Absperrglied eine wassergefüllte dehnbare Kammer umfasst, deren Volumenausdehnung beim Gefrieren den Querschnitt der Leitung wenigstens verengt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Kältegerät;
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2 den Verlauf einer Wärmeträgerleitung an der Innenseite der Tür des Kältegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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3 den Verlauf der Wärmeträgerleitung gemäß einer zweiten Ausgestaltung in einer zu 2 analogen Darstellung;
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4 ein vergrößertes Detail der wärmedämmenden Wand des Kältegeräts im Schnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung; und
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5 einen zu 4 analogen Schnitt gemäß einer vierten Ausgestaltung.
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Das in 1 in einem schematischen Schnitt gezeigte Kältegerät hat einen wärmeisolierenden Korpus 1 und eine Tür 2, die einen Innenraum begrenzen. Der Innenraum ist unterteilt in eine Lagerkammer 3, hier ein Gefrierfach, und eine Verdampferkammer 4, in der ein Verdampfer und ein Ventilator zum Umwälzen von Luft zwischen Verdampferkammer 4 und Lagerkammer 3 untergebracht sind.
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Ein Eisbereiter 5 ist unmittelbar unterhalb der Verdampferkammer 4 in der Lagerkammer 3 angeordnet, um mit Kaltluft aus der Verdampferkammer 4 unmittelbar beaufschlagt werden zu können. Unter dem Eisbereiter 5 ist ein Sammelbehälter 6 angebracht, der vom Eisbereiter 5 erzeugte Eisstücke auffängt. Eine Förderschnecke 7 am Boden des Sammelbehälters 6 dient zum Fördern von Eisstücken zu einem Auslass 8 an einem türnahen Ende des Sammelbehälters 6.
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In einem zentralen Bereich der Tür 2 ist eine Nische 12 gebildet, in der ein Benutzer einen Behälter platzieren kann, um Eis aus dem Sammelbehälter 6 darein ausgeben zu lassen, ohne dafür die Tür 2 zu öffnen. Eine obere Wand der Nische 12 liegt unter dem Auslass 8 des Sammelbehälters 6. Durch diese Wand erstreckt sich ein rohr- oder trichterförmiger Durchgang, auch als Eisrutsche 9 bezeichnet. Am unteren Ende der Eisrutsche 9 ist eine bewegliche Klappe 10 angeordnet, die in geschlossener Stellung die Eisrutsche 9 luftdicht versperrt, so dass keine Warmluft aus der Nische 12 durch die Eisrutsche 9 in die Lagerkammer 3 gelangen kann.
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An einer Außenseite der Klappe 10 ist ein Wasserauslass 11 angeordnet, über den ein in der Nische 12 platzierter Behälter ferner mit kaltem Wasser aus einem Tank 13 befüllbar ist. Der Tank 13 ist in eine Wand der Nische 12, hier eine Rückwand, eingelassen und sowohl von der Nische 12 als auch von der Lagerkammer 3 durch eine Wärmedämmschicht 14 getrennt, so dass sich im Tank 13 im stationären Betrieb eine Temperatur einstellt, die zwischen der Temperatur der Lagerkammer 3 und der der Umgebung liegt.
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Der Tank 13 ist über eine sich durch die Tür 2 und Wände des Korpus 1 erstreckende Leitung 15 an eine nicht dargestellte Hauswasserleitung angeschlossen. Wenn Wasser aus dem Tank 13 in einen Behälter der Nische 12 gezapft wird, wird ein Magnetventil 16 in der Leitung geöffnet, so dass kaltes Wasser aus dem Tank 13 durch von der Hauswasserleitung her nachfließendes, relativ warmes Wasser verdrängt wird. Wenn dieses Wasser seine Wärme nur über die Wärmedämmschicht 14 hinweg an die Lagerkammer 3 abgeben könnte, würde es sehr lange dauern, bis erneut kaltes Wasser abgezapft werden kann. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, den Wärmeaustausch zwischen dem Tank 13 und der Lagerkammer 3 intensivieren zu können. Bei Bedarf muss es aber auch möglich sein, diesen Wärmefluss wieder zu stoppen, um ein Gefrieren des Wassers im Tank 13 zu verhindern.
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Zu diesem Zweck sind in der Tür 2 zwei Wärmetauscher 17, 18 in einem Wärmeträgerkreis 22 miteinander verbunden, in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Einer von ihnen, hier auch als kalter Wärmetauscher 17 bezeichnet, ist an einer Innenseite der Tür 2 in engem thermischen Kontakt mit der Lagerkammer 3 angeordnet. Vorzugsweise ist er hinter einer in fachüblicher Weise aus Kunststoff tiefgezogenen Innenhaut der Tür 2 verborgen. Um einen schnellen Wärmeaustausch zu ermöglichen, kann der kalte Wärmetauscher 17 eine Leitung mit abgeflachtem, flächig an der Innenhaut anliegendem Querschnitt aufweisen; alternativ oder ergänzend kann eine Klebstoffschicht in einem von der Außenhaut und einer Rundung der Rohrleitung begrenzten Zwickel die Fläche, auf der ein intensiver Wärmeaustausch möglich ist, vergrößern. Der Gefrierpunkt der Wärmeträgerflüssigkeit liegt unterhalb der tiefsten für die Lagerkammer 3 einstellbaren Solltemperatur, so dass ein Einfrieren der Wärmeträgerflüssigkeit im kalten Wärmetauscher 17 ausgeschlossen ist. Die Wärmeträgerflüssigkeit kann z.B. eine für den Einsatz in Kraftfahrzeugkühlern gebräuchliche Frostschutzlösung sein.
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Der andere, warme Wärmetauscher 18 steht mit dem Tank 13 in Kontakt. Der warme Wärmetauscher 18 befindet sich hier an einer der Lagerkammer 3 zugewandten Seite des Tanks 13, um von der Umgebung durch den Tank 13 selbst isoliert zu sein und so eine unnötige Wärmeaufnahme aus der Umgebung zu vermeiden.
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2 zeigt eine Innenansicht der Tür 2 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Wärmetauscher 17, 18 und sie verbindende Leitungen 19, 20 sind in 2 gestrichelt dargestellt, da sie in der Realität nicht sichtbar sind. Vielmehr ist der kalte Wärmetauscher 17 oberhalb der Nische 12 zwischen der die gesamte Türinnenfläche überdeckenden Türinnenhaut und der Wärmedämmschicht 14 eingeschlossen, und zwischen dem warmen Wärmetauscher 18 und der Innenhaut liegt zusätzlich ein Teil der Wärmedämmschicht 14.
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Die Wärmetauscher 17, 18 und Leitungen 19, 20 können einteilig zusammenhängend aus einem Rohr oder Schlauch aus Metall oder Kunststoff gebildet sein, das sich im Falle der 2 in vertikal orientierten Mäandern erstreckt. Die beiden Enden des Rohrs oder Schlauchs sind mit Ein- und Ausgang einer Pumpe 21 verbunden, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden. Die Pumpe 21 ist hier in der Leitung 19 dargestellt, könnte aber an beliebiger Stelle des Wärmeträgerkreises 22, auch innerhalb eines der Wärmetauscher 17, 18, platziert sein.
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Die Pumpe 21 ist mit einem Temperaturfühler 23 verbunden, der an einer Oberseite des Tanks 13 angeordnet ist. Der Temperaturfühler 23 setzt die Pumpe 21 in Gang, wenn eine hohe erfasste Temperatur oder ein Temperaturanstieg darauf schließen lässt, dass frisches Wasser aus der Hauswasserleitung zugeströmt ist, und schaltet die Pumpe 21 ab, sobald eine Grenztemperatur von einigen Grad über 0°C unterschritten ist.
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Die Bauart der Pumpe 21 ist so gewählt, dass sie in ausgeschaltetem Zustand die Zirkulation von Wärmeträgerflüssigkeit durch die Wärmetauscher 17, 18 blockiert. So kommt zum Beispiel eine Zahnradpumpe als Pumpe 21 in Betracht.
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Wenn z.B. eine Kreiselpumpe oder allgemein eine Pumpe verwendet wird, die im Stillstand den Wärmeträgerkreis 22 nicht sperrt, sollte in dem Wärmeträgerkreis 22 ein Ventil vorgesehen sein, das bei abgeschalteter Pumpe als Absperrglied dient. Auch so kann eine Abkühlung des Tanks 13 über den Wärmeträgerkreis 22 zuverlässig unterbunden werden, falls die Temperatur des Wassers im Tank 13 nahe 0°C liegt.
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In der Ausgestaltung der 3 sind die Mäander der Wärmetauscher 17, 18 horizontal orientiert, die Leitung 19 verbindet auf direktem Wege obere Enden der Wärmetauscher 17, 18, und die Leitung 20 verbindet auf direktem Wege deren untere Enden. Diese Asymmetrie begünstigt eine rein durch Konvektion angetriebene Umwälzung der Wärmeträgerflüssigkeit im Kreis 22. Ein über einen Temperaturfühler am Tank 13 angesteuertes Ventil 24 fungiert hier als Absperrglied, das bei niedriger Temperatur des Tanks 13 die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit unterbindet. Wiederum ist das Ventil 24 in der Leitung 19 gezeigt, könnte aber an beliebiger anderer Stelle im Kreis 22 positioniert sein.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus der Tür 2, der den Tank 13 von der Lagerkammer 3 trennt, gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung. Der Gefrierpunkt der Wärmeträgerflüssigkeit liegt bei dieser Ausgestaltung unter 0°C, aber oberhalb der Temperatur der Lagerkammer 3, und dementsprechend ist der kalte Wärmetauscher 17 hier von der Lagerkammer 3 durch eine dünne Schicht Wärmedämmmaterial getrennt, die ein Gefrieren der Wärmeträgerflüssigkeit in dem Wärmetauscher 17 verhindert. In die Wärmedämmschicht 14, hier an der Oberseite der Nische 12, ist ein Wärmeleitkörper 25 eingebettet, der mit einem Ende an der Innenhaut 26 der Türe, mit dem anderen Ende an der Oberseite des Tanks 13 anliegt und einen Durchgang aufweist, durch den der Wärmeträgerkreis 22, hier wiederum die Leitung 19, verläuft. Der Querschnitt des Wärmeleitkörpers 25 ist klein im Verhältnis zur Oberfläche des Tanks 13; dementsprechend ist sein Einfluss auf die Temperatur des Tanks 13 vernachlässigbar. Der Durchgang bildet einen Engpass 27 des Kreises 22. Die den Engpass 27 begrenzenden Oberflächen des Wärmeleitkörpers 25 nehmen eine Temperatur zwischen der der Lagerkammer 3 und der des Tanks 13 an. Der Gefrierpunkt der in dem Wärmeträgerkreis 22 zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit ist so gewählt, dass die an den Engpass 27 angrenzende Oberfläche des Wärmeleitkörpers 25 diese Temperatur unterschreitet, wenn die Temperatur des Tanks 13 knapp über 0°C liegt. Die Schicht 28 aus verfestigter Wärmeträgerflüssigkeit, die sich in diesem Fall im Engpass 27 bildet, verengt den Engpass 27 zusätzlich. Dadurch verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit, was das Wachstum der Schicht 28 weiter begünstigt. Sobald diese den Engpass 27 verschließt, kommt auch hier der Wärmetransport zwischen den Wärmetauschern 17, 18 zum Erliegen, ohne dass es dafür eines Temperaturfühlers bedarf. Wenn Wasser abgezapft wird und warmes Wasser aus der Hauswasserleitung nachfließt, sammelt dieses sich in erster Linie im oberen Teil des Tanks 13 und erwärmt den Wärmeleitkörper 25, so dass die Schicht 28 schmilzt und der Wärmetransport wieder in Gang kommt. Eine Umschaltung zwischen einem offenen und einem gesperrten Zustand des Engpasses 27 erfolgt hier unmittelbar über die Temperaturen der Lagerkammer 3 und des Tanks 13 gesteuert, ohne einen Umweg über elektronische Regelkreise.
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5 zeigt einen zu 4 analogen Schnitt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Wiederum ist ein Wärmeleitkörper 25 zwischen der Innenhaut 26 und dem Tank 13 angeordnet. Der Wärmeleitkörper 25 enthält hier an seiner der Lagerkammer 3 zugewandten Seite eine wassergefüllte und mit einem beweglichen Kolben 30 verschlossene Kammer 29. Bevor der Tank 13 auf 0°C abkühlt, gefriert der Inhalt der Kammer 29 und treibt den Kolben 30 in den Engpass 27 hinein, so dass die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit vorzugsweise vollständig zum Erliegen kommt, zumindest aber stark genug eingeschränkt wird, um ein Gefrieren des Tanks 13 zu verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Korpus
- 2
- Tür
- 3
- Lagerkammer
- 4
- Verdampferkammer
- 5
- Eisbereiter
- 6
- Sammelbehälter
- 7
- Förderschnecke
- 8
- Auslass
- 9
- Eisrutsche
- 10
- Klappe
- 11
- Wasserauslass
- 12
- Nische
- 13
- Tank
- 14
- Wärmedämmschicht
- 15
- Leitung
- 16
- Magnetventil
- 17
- Wärmetauscher
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Leitung
- 20
- Leitung
- 21
- Pumpe
- 22
- Wärmeträgerkreis
- 23
- Temperaturfühler
- 24
- Ventil
- 25
- Wärmeleitkörper
- 26
- Innenhaut
- 27
- Engpass
- 28
- Schicht
- 29
- Kammer
- 30
- Kolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006052554 A1 [0003]
