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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kombinationskältegerät mit einem kalten und einem warmen Lagerfach, typischerweise einem Gefrierfach und einem Normalkühlfach, und mit einem Kältemittelkreis, in dem ein Verdichter einen ersten und einen zweiten Verdampfer versorgt, von denen der eine das kalte der andere das warme Lagerfach kühlt, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kältegeräts.
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Aus
DE4020537A1 ist ein Kombinationskältegerät bekannt, bei dem der Kältemittelkreis mehrere Zweige hat, die jeweils von einer Anzapfung an einem Verflüssiger ausgehen. Eine der Abzapfungen befindet sich am stromabwärtigen Ende des Verflüssigers, und ein von ihr ausgehender erster Zweig enthält eine erste Drossel und den Verdampfer des Gefrierfachs. Ein zweiter Zweig geht von einer Abzapfung an zentraler Stelle des Verflüssigers aus und enthält eine zweite Drossel. Der Verdampfer des Normalkühlfachs ist stromabwärts von einem Zusammenfluss der beiden Zweige angeordnet und kann somit entweder über den ersten Zweig in Reihe mit dem Gefrierfachverdampfer als auch über den zweiten Zweig für sich allein mit Kältemittel versorgt werden. Wenn der erste Zweig offen ist, befindet sich das gesamte Kältemittel des Kältemittelkreises in Umlauf, und Kühl- und Gefrierfach werden gleichzeitig gekühlt. Ist der zweite Zweig offen, dann ist ein Teil des Kältemittels in einem stromabwärtigen Teil des Verflüssigers gefangen und so vom Umlauf ausgeschlossen. Das noch in Umlauf befindliche Kältemittel scheidet sich nach Passieren der zweiten Drossel in einen Teil, der durch den Normalkühlfachverdampfer zurück zum Verdichter gelangt und erneut umgewälzt wird, und einen Teil, der in den Gefrierfachverdampfer übergeht und dort kondensiert. So nehmen in Zeiten, in denen das Normalkühlfach allein gekühlt wird, der Druck des zirkulierenden Kältemittels und infolgedessen auch die Verdampfungstemperatur im Normalkühlfachverdampfer kontinuierlich ab. Ein Gleichgewicht stellt sich erst dann ein, wenn die Temperaturen in beiden Verdampfern gleich sind. Eine solche niedrige Verdampfungstemperatur im Normalkühlfachverdampfer beeinträchtigt jedoch deutlich den Wirkungsgrad des Kältegeräts. Aus diesem Grund haben Kombinationskältegeräte im Allgemeinen eine schlechtere Energieeffizienz als Geräte, die nur kühlen oder nur gefrieren.
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Um diesem Problem abzuhelfen, wurde zum Beispiel in
US 5 465 591 A vorgeschlagen, zwischen dem Zusammenfluss der beiden Zweige des Kältemittelkreises und dem Auslass des kälteren Verdampfers ein Rückschlagventil anzubringen, um den Abfluss von Kältemittel zum Gefrierfachverdampfer und die daraus resultierende Absenkung der Verdampfungstemperatur im Normalkühlfachverdampfer zu verhindern. Ein solches Rückschlagventil verkompliziert den Aufbau des Kältegeräts und verteuert dementsprechend seine Montage. Außerdem bleibt eine Funktionsstörung des Rückschlagventils, da sie nicht zu einem Ausfall der Kälteerzeugung, sondern allenfalls zu häufigerem oder längerem Verdichterbetrieb führt, im Betrieb des Kältegeräts vom Benutzer meist unbemerkt, so dass in einem solchen Fall das Kältegerät einen Stromverbrauch aufweisen kann, der erheblich über der Spezifikation des Herstellers liegt.
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Es besteht daher Bedarf nach einem Kombinationskältegerät und einem Verfahren zum Betrieb eines Kombinationskältegeräts, bei denen auf andere, nicht störungsanfällige Weise eine angemessene Verdampfungstemperatur im Verdampfer des warmen Lagerfachs sichergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einem Kombinationskältegerät mit einem kalten und einem warmen Lagerfach und einem Kältemittelkreis, der sich an einer Gabelung in einen ersten und einen zweiten Zweig teilt, wobei in dem ersten Zweig ein erster Verdampfer zum Kühlen des kalten Lagerfachs angeschlossen ist, diesem ersten Verdampfer eine erste Drossel vorgeschaltet ist, ein zweiter Verdampfer zum Kühlen des warmen Lagerfachs zwischen einem Zusammenfluss der beiden Zweige und einem Sauganschluss eines Verdichters angeschlossen ist, und dem zweiten Verdampfer eine zweite Drossel vorgeschaltet ist, die erste Drossel bemessen ist, um, wenn bei laufendem Verdichter der erste Zweig offen und der zweite Zweig versperrt ist, flüssiges Kältemittel vor den Drosseln zu stauen, und die zweite Drossel bemessen ist, um das gestaute flüssige Kältemittel bei laufendem Verdichter abfließen zu lassen, wenn der erste Zweig versperrt und der zweite Zweig offen ist.
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Diese Auslegung der ersten Drossel unterscheidet sich wesentlich von der üblichen, bei der die Durchlässigkeit der Drossel für flüssiges Kältemittel höher als der Massendurchsatz des Verdichters ist, so dass flüssiges und gasförmiges Kältemittel in schnellem Wechsel die Drossel passieren und ein Stau von flüssigem Kältemittel somit ausgeschlossen ist.
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Anstatt zu Zeiten, an denen Kältemittel über den zweiten Zweig zirkuliert, um das warme Lagerfach zu kühlen, den Abfluss von Kältemittel zum ersten Verdampfer in der aus
US 5 465 591 A bekannten Weise durch ein Rückschlagventil zu unterdrücken, wird ein solcher Abfluss beim erfindungsgemäßen Kältegerät billigend in Kauf genommen. Eine Erniedrigung der Verdampfungstemperatur im zweiten Verdampfer in dieser Situation kann vermieden werden, indem die Gesamtmenge des Kältemittels im Kältemittelkreis so eingestellt wird, dass, auch wenn der erste Verdampfer mit flüssigem Kältemittel gefüllt ist, die Menge des zirkulierenden Kältemittels noch groß genug ist, um die Verdampfungstemperatur im zweiten Verdampfer zwischen den Temperaturen der beiden Lagerfächer zu halten. Umgekehrt kann eine ausreichend tiefe Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer, einige Grad unter der Solltemperatur des kalten Lagerfachs, dadurch erreicht werden, dass in Folge des Staus von flüssigem Kältemittel vor den Drosseln hinter diesen niedrige Drücke erreichbar sind.
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Da Kältemittel, das über den zweiten Zweig und den Auslassanschluss des ersten Verdampfers in den ersten Verdampfer hineingelangt, dem kalten Lagerfach auch unerwünschte Wärme zuführt, sollte das Fassungsvermögen des ersten Verdampfers eher gering, insbesondere kleiner als das des zweiten Verdampfers, sein.
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Ein solches kleines Fassungsvermögen ist insbesondere dann realisierbar, wenn der erste Verdampfer einen kleineren Leitungsquerschnitt hat als der zweite Verdampfer.
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Außerdem kann das kalte Lagerfach zweckmäßigerweise ein Fach mit geringem Kühlbedarf, insbesondere ein im Vergleich zum warmen Lagerfach kleines Fach und/oder ein innen liegendes Fach innerhalb des warmen Lagerfachs sein. So können auch die Außenabmessungen des ersten Verdampfers klein gegenüber denen des zweiten gehalten werden.
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Um eine Beeinträchtigung der Wirksamkeit des Verflüssigers durch darin aufgestautes flüssiges Kältemittel zu vermeiden, sollte zwischen den Verflüssigern und den Drosseln ein Sammler zum Aufnehmen des gestauten flüssigen Kältemittels eingefügt sein.
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Das Fassungsvermögen des Sammlers sollte dem des ersten Verdampfers entsprechen, so dass die Menge an flüssigem Kältemittel, die sich, wenn der zweite Zweig offen ist, im ersten Verdampfer ansammelt, bei offenem erstem Zweig in dem Sammler aufgestaut werden kann.
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Einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zu Folge ist die zweite Drossel im zweiten Zweig angeordnet, parallel zur ersten Drossel im ersten Zweig. Um die gewünschte Stauwirkung zu erzielen, sollte in diesem Fall die Durchlässigkeit der ersten Drossel kleiner sein als die der zweiten. Wenn die Drosseln in üblicher Weise durch Kapillaren gebildet sind, sollte somit die Kapillare der ersten Drossel länger oder enger sein als die der zweiten.
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Einer zweiten Ausgestaltung zu Folge kann die zweite Drossel auch der Gabelung vorgeschaltet sein, so dass Kältemittel, um über den ersten Verdampfer zu fließen, beide Drosseln in Reihe durchlaufen muss.
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Um die Verteilung des Kältemittelstroms auf die beiden Zweige zu steuern, kann an der Gabelung ein Wegeventil angeordnet sein.
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Der erste Zweig sollte zwischen dem ersten Verdampfer und dem Zusammenfluss der beiden Zweige frei von Ventilen sein; insbesondere kann dieser Abschnitt durch ein einteiliges Rohr gebildet sein.
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Um Temperaturschwankungen im kalten Lagerfach in Folge des Zuflusses von Kältemittel über den zweiten Zweig zu begrenzen, kann das kalte Lagerfach ein Phasenwechselmaterial enthalten.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kombinationskältegeräts mit einem kalten und einem warmen Lagerfach und einem Kältemittelkreis, der sich an einer Gabelung in einen ersten und einen zweiten Zweig teilt, mit den Schritten
- a) Betreiben eines Verdichters, während der erste Zweig offen und der zweite Zweig versperrt ist, um einen ersten Verdampfer zum Kühlen des kalten Lagerfachs über eine Drossel mit Kältemittel zu versorgen und flüssiges Kältemittel aufzustauen;
- b) Versperren des ersten Zweigs und Öffnen des zweiten Zweigs, um bei laufendem Verdichter über eine zweite Drossel und einen zweiten Verdampfer das vor den Drosseln gestaute flüssige Kältemittel zum Kühlen des warmen Lagerfachs (19) abfließen zu lassen.
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Vorzugsweise folgen die Schritte a) und b) in einer gleichen Betriebsphase des Verdichters aufeinander.
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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 Kombinationskältegerät;
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2 den Kältemittelkreislauf des Kombinationskältegeräts aus 1 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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3 den Kältemittelkreis gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
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4 einen schematischen Schnitt durch den Oberteil eines Kombinationskältegerät gemäß einer Weiterentwicklung; und
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5 eine Variante der Weiterentwicklung von 4.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kombinationskältegerät in einem schematischen Schnitt. Das Innere eines Korpus 18 des Geräts ist zum größten Teil von einem Normalkühlfach 19 ausgefüllt, das von einem Verdampfer 14, hier exemplarisch als Coldwall-Verdampfer an der Rückwand des Normalkühlfachs 19 dargestellt, gekühlt ist. Ein kleines Gefrierfach 20 ist in einem oberen Teil des Korpus 18 untergebracht und vom Normalkühlfach 19 durch eine Klappe 21 getrennt. Eine gemeinsame Tür 22 verdeckt sowohl das Normalkühlfach 19 als auch die Klappe 21. Ein Verdampfer 10 zum Kühlen des Gefrierfachs 20 kann hier, wie gezeigt, über Rückwand und Decke des Gefrierfachs 20 verteilt sein.
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Entsprechend der geringeren Größe des Gefrierfachs 20 ist das Fassungsvermögen des Verdampfers 10 für flüssiges Kältemittel deutlich kleiner als das des Verdampfers 14, sei es, indem eine Kältemittelleitung, die sich durch den Verdampfer 10 erstreckt, kürzer ist als die des Verdampfers 14, oder indem beim Verdampfer 10 der Querschnitt der Kältemittelleitung kleiner ist als im Verdampfer 14.
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Bei dem in 2 gezeigten Kältemittelkreis erstreckt sich eine Kältemittelleitung 1 ausgehend von einem Druckanschluss 2 eines Verdichters 3 zunächst über einen Verflüssiger 4 und einen Sammler 5 bis zu einer Gabelung 6, hier in Form eines Wegeventils 7. An einem ersten von der Gabelung 6 ausgehenden Leitungszweig 8 liegen eine erste Drossel 9 und der das Gefrierfach 20 kühlende erste Verdampfer 10. Ein zweiter Zweig 11 der Kältemittelleitung enthält eine zweite Drossel 12. Der zweite Verdampfer 14, der das Normalkühlfach 19 kühlt, liegt stromabwärts von einem Zusammenfluss 13, an dem die zwei Zweige 8, 11 wieder zusammentreffen, so dass dieser Verdampfer 14 wahlweise direkt über die Drossel 12 oder in Reihe mit dem Verdampfer 10 über die Drossel 9 mit Kältemittel versorgt wird. Ein Saugrohr 15 führt vom Auslass des zweiten Verdampfers zurück zu einem Sauganschluss 16 des Verdichters 3. Die Kapillaren der Drosseln 9, 12 verlaufen auf wenigsten einem Teil ihrer Länge innerhalb des Saugrohrs 15 oder in engem Kontakt mit diesem, um in an sich bekannter Weise einen Saug-/Drosselrohr-Wärmetauscher 17 zu bilden.
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Die Durchlässigkeit der Drosseln 9, 12 ist unterschiedlich, je nachdem ob gasförmiges oder flüssiges Kältemittel durch sie strömt. Aufgrund der stark unterschiedlichen Dichten ist mit flüssigem Kältemittel ein deutlich stärkerer Massenstrom erreichbar als mit gasförmigem. Deswegen passt sich bei den meisten herkömmlichen Kältegeräten der Massenstrom durch die Drossel selbsttätig an den Durchsatz des Verdichters an, indem flüssiges Kältemittel an der Drossel nicht gestaut wird, sondern jeder Tropfen, der die Drossel erreicht, sofort abfließt und anschließend solange Dampf durch die Drossel fließt, bis wieder flüssiges Kältemittel an der Drossel eingetroffen ist. Im Gegensatz dazu ist die Durchlässigkeit der Drossel 9 für flüssiges Kältemittel kleiner als der Massendurchsatz des Verdichters, so dass in einer ersten Stellung des Wegeventils 7, in der das Kältemittel dem ersten Zweig 8 zugeführt wird, das flüssige Kältemittel nicht so schnell über die Drossel 9 abfließen kann, wie es im Verflüssiger 4 nachgebildet wird, und sich das flüssige Kältemittel im Sammler 5 aufstaut.
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Je niedriger dadurch der Druck im Verdampfer 10 wird, umso geringer wird auch der Massendurchsatz des Verdichters 3. Das System konvergiert daher gegen einen Gleichgewichtszustand, in dem sich dieser Massendurchsatz und der Durchsatz der Kapillare 9 die Waage halten. Das Fassungsvermögen des Sammlers 5 sollte groß genug sein, um das in diesem Gleichgewichtszustand aufgestaute flüssige Kältemittel aufnehmen zu können.
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Der Sammler 5 kann ferner genutzt werden, um darin eine kleine Menge eines Trocknungsmittels unterzubringen, das dem Kältemittel das Wasser entzieht, das beim Zusammenbau des Kältemittelkreises darin gelöst oder an den Wänden der Rohrleitung 1 adsorbiert war.
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2 zeigt das Wegeventil 7 in einer zweiten Stellung, in der es den Sammler 5 mit dem zweiten Zweig 11 verbindet. Die Durchlässigkeit der zweiten Drossel 12 ist deutlich größer als die der ersten Drossel 9, so dass über sie das flüssige Kältemittel schneller abfließt, als es im Verflüssiger 4 nachgebildet wird. In dieser zweiten Stellung wird deshalb kein flüssiges Kältemittel im Sammler 5 aufgestaut, stattdessen fließt aus einer vorhergehenden Betriebsphase in der ersten Stellung des Wegeventils 7 aufgestautes flüssiges Kältemittel in der zweiten Stellung ab, bis der Sammler 5 leer ist und sich flüssiges und gasförmiges Kältemittel in der Drossel 12 abwechseln. In dem Maße, in dem in der zweiten Stellung das gestaute flüssige Kältemittel aus dem Sammler 5 abfließt, nimmt die Menge des Kältemittels in den Verdampfern 10, 14 zu, so dass sich im Verdampfer 14 ein höherer Druck und folglich eine höhere Verdampfungstemperatur einstellt als im Verdampfer 10 in der oben behandelten ersten Stellung des Wegeventils 7.
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Einer Weiterbildung zufolge unterstützt das Wegeventil 7 noch eine dritte Stellung, in der beide Zweige 8, 11 offen sind. Diese dritte Stellung wird jeweils nur für begrenzte Zeit eingenommen, wenn flüssiges Kältemittel vor dem Wegeventil 7 aufgestaut ist und im Normalkühlfach 19 Kühlbedarf besteht. So kann zu Beginn des Kühlbetriebs des Normalkühlfachs 19 der Verdampfer 10 auf direktem Wege über die Drossel 9 mit flüssigem Kältemittel geflutet werden, und das Kältemittel, das die Drossel 12 passiert, gelangt im wesentlichen vollständig in den Verdampfer 14. Auf diese Weise gelingt es in kurzer Zeit, auch den Verdampfer 14 zu füllen und darin eine Verdampfungstemperatur knapp unter der Solltemperatur des Normalkühlfachs 19 und über der des Gefrierfachs 20 zu erzielen, die einen energieeffizienten Betrieb erlaubt.
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Der in 3 gezeigte Kältemittelkreis unterscheidet sich von demjenigen der 2 durch die Platzierung der zweiten Drossel 12. Indem sie hier dem Sammler 5 unmittelbar nachgeschaltet ist, wirkt sie nicht nur auf den zweiten Zweig 11, sondern auch auf den ersten Zweig 8, und durch die Reihenschaltung der beiden Drosseln 9, 12 ist sichergestellt, dass die Durchlässigkeit des Zweiges 8 geringer als die des Zweiges 11 ist, so dass sich, wenn das Kältemittel über den Zweig 8 fließt, ein Teil davon im Sammler 5 aufstauen kann, dieser Teil aber abfließt, wenn der Weg über den zweiten Zweig 11 offen ist.
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4 zeigt das Oberteil eines weiterentwickelten Kältegeräts in einem zu 1 analogen Schnitt. Hier ist in Kontakt mit dem Verdampfer 10 ein Behälter mit einem Phasenwechselmaterial 23 angeordnet. Der Gefrierpunkt des Phasenwechselmaterials 23 ist knapp oberhalb der höchsten vom Benutzer einstellbaren Solltemperatur des Gefrierfachs 20, z.B. auf –15°C, eingestellt, so dass einerseits sichergestellt ist, dass das Phasenwechselmaterial 23 im Kühlbetrieb des Gefrierfachs 20, wenn Kältemittel über die Drossel 9 zugeführt wird, gefriert, und andererseits im Kühlbetrieb des Normalkühlfachs 19, wenn Kältemittel vom Zusammenfluss 13 her zufließt, das Gefrierfach 20 nicht über den Gefrierpunkt des Phasenwechselmaterials 23 erwärmt wird.
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In der Darstellung der 4 ist der Behälter mit dem Phasenwechselmaterial 23 nur an einem stromabwärtigen, zum Zusammenfluss 13 benachbarten Bereich des Verdampfers 10 angeordnet. Nachdem das Kältemittel in Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial 23 abgekühlt ist, kann es auch in einen stromaufwärtigen Teil des Verdampfers 10 vordringen, ohne dass dies noch zu einer unerwünschten Erwärmung des Gefrierfachs 20 führen könnte. Alternativ könnte das Phasenwechselmaterial natürlich auch über die gesamte Ausdehnung des Verdampfers 10 verteilt sein.
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In der Darstellung der 5 ist der Behälter mit dem Phasenwechselmaterial 23 beabstandet vom Gefrierfach 20 am Zweig 8 zwischen einem Auslass des Verdampfers 10 und dem Zusammenfluss 13 angeordnet. Der Gefrierpunkt des Phasenwechselmaterials 23 ist hier etwas höher gewählt als im Falle der 4, so dass das Phasenwechselmaterial 23 auch mit der Restkälte des im Gefrierfach-Kühlbetrieb aus dem Verdampfer 10 abfließenden Kältemitteldampfs noch gefroren werden kann; wie im Falle der 4 sorgt es zumindest für eine Vorkühlung, idealerweise für eine Verflüssigung des Kältemittels, das im Kühlbetrieb des Normalkühlfachs 18 zum Verdampfer 10 strömt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelleitung
- 2
- Druckanschluss
- 3
- Verdichter
- 4
- Verflüssiger
- 5
- Sammler
- 6
- Gabelung
- 7
- Wegeventil
- 8
- 1. Zweig
- 9
- 1. Drossel
- 10
- 1. Verdampfer
- 11
- 2. Zweig
- 12
- 2. Drossel
- 13
- Zusammenfluss
- 14
- 2. Verdampfer
- 15
- Saugrohr
- 16
- Sauganschluss
- 17
- Wärmetauscher
- 18
- Korpus
- 19
- Normalkühlfach
- 20
- Gefrierfach
- 21
- Klappe
- 22
- Tür
- 23
- Phasenwechselmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4020537 A1 [0002]
- US 5465591 A [0003, 0007]
