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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Verflüssiger, eine Kapillare und ein Verdampfer in Reihe verbunden sind. Eine solche Kältemaschine und ein Kühl- und/oder Gefriergerät, in dem sie verwendet wird, ist aus
DE 10 2013 015 072 A1 bekannt.
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Dieses Dokument erklärt Geräusche, die beim Durchgang des Kältemittels durch die Kapillare entstehen, mit während des Durchgangs durch die Kapillare auftretender Verdampfung des Kältemittels und schlägt vor, eine Rückströmung entgegen der Hauptströmungsrichtung des Kältemittels, die bei der Bildung von Dampfblasen in der Kapillare auftreten soll, zu verhindern, indem zwischen dem Verflüssiger und der Kapillare ein poröser Körper angeordnet wird, der flüssiges Kältemittel mit geringem Strömungswiderstand passieren lässt, für dampfförmiges Kältemittel aber einen größeren Strömungswiderstand darstellt.
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Ein Problem dieses Vorschlags liegt darin, dass mit der Verdampfung von Kältemittel in erster Linie in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Kapillare zu rechnen ist, wo der hydrostatische Druck niedriger ist als am stromaufwärtigen. Wenn es in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Kapillare zur Verdampfung kommt, dann ist die Masse des zu verdrängenden flüssigen Kältemittels zwischen dem Ort der Blasenentstehung und dem stromabwärtigen Ende der Kapillare Richtung Kältemittels kleiner als in stromaufwärtiger Richtung. Folglich wird flüssiges Kältemittel in erster Linie nach stromabwärts verdrängt, und mit der Verdrängung entgegen der Hauptströmungsrichtung ist, wenn überhaupt, nur in geringem Umfang zu rechnen. Falls tatsächlich flüssiges Kältemittel durch die Blasenbildung in Richtung stromaufwärts verschoben wird, setzt der poröse Körper ihm nur einen geringen Strömungswiderstand entgegen. Eine Umkehr der Strömungsrichtung in der Kapillare ist daher, wenn sie denn auftritt, durch den porösen Körper nur schwierig zu verhindern.
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Auch die Kapillare selbst ist für flüssiges Kältemittel besser durchlässig als für gasförmiges, da bei flüssigem Kältemittel bereits eine relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeit genügt, um einen hohen Massenstrom zu erreichen. Dies bedeutet, dass, wenn sich flüssiges Kältemittel am Eingang der Kapillare der herkömmlichen Kältemaschine befindet, dieses Kältemittel so lange zügig abfließt, bis sich nur noch Kältemitteldampf am Eingang der Kapillare befindet. Sobald dieser über die Kapillare abzufließen beginnt, verringert sich deren Massenstrom, es kommt so zum Druckanstieg vor der Kapillare, so dass sich dort wieder flüssiges Kältemittel sammeln kann. Die daraus resultierenden ständigen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen sind ebenfalls eine Ursache für Betriebsgeräusche.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist, durch Vergleichmäßigung des Kältemittelstroms durch die Kapillare die Geräuschemission zu verringern.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer Kältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Verflüssiger, eine Kapillare und ein Verdampfer in Reihe verbunden sind, ein Element, dessen Durchlässigkeit für flüssiges Kältemittel höher ist als für dampfförmiges, stromabwärts von einer Einspritzstelle angeordnet ist, an der die Kapillare in den Verdampfer einmündet.
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Da in dem Element unvermeidlicherweise ein Druckabfall stattfindet, ist der Druck am Ausgang der Kapillare bei der erfindungsgemäßen Kältemaschine höher als bei einer Kältemaschine ohne ein entsprechendes Element. Bereits dies verringert die Neigung zur Blasenbildung in der Kapillare. Wenn Blasen hingegen stromabwärts von der Kapillare, in einem Zwischenraum zwischen Kapillare und Element oder innerhalb des Elements, entstehen, so geschieht dies bei einem höheren Druck und dementsprechend höherer Temperatur als der Verdampfungstemperatur, die stromabwärts des Elements im Verdampfer herrscht. Da in Folge der Integration des Elements in dem Verdampfer der Ort der Blasenentstehung in engem thermischem Kontakt mit dem stromabwärts vom Element liegenden Teil des Verdampfers steht, können Blasen dort allenfalls langsam wachsen, was wiederum abrupten Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit entgegenwirkt.
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Zweckmäßigerweise ist das Element von der Kapillare in seiner Struktur unterschieden, indem es nicht nur einen, sondern eine Vielzahl von Durchgängen aufweist, die enger als die Kapillare und parallel von Kältemittel durchflossen sind. So kann, auch wenn einzelne dieser Durchgänge durch eine Dampfblase in ihrer Durchlässigkeit eingeschränkt sind, über parallele, flüssigkeitsgefüllte Durchgänge flüssiges Kältemittel weiterhin zügig abfließen, was ebenfalls einer abrupten Geschwindigkeitsänderung des Stroms in der Kapillare bei Blasenbildung entgegenwirkt.
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Die Weite der Durchgänge sollte deutlich kleiner sein als die Maschenweite von Sieben, die bei herkömmlichen Kältegeräten meist vor dem Eingang in die Kapillare angeordnet sind, um im Kältemittelstrom mitgespülte feste Verunreinigungen daran zu hindern, in die Kapillare vorzudringen und diese zu verstopfen. Vorzugsweise haben die Durchgänge eine Weite von maximal 10 µm.
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Das Element ist zweckmäßigerweise in eine Kältemittelleitung des Verdampfers von einem stromaufwärtigen Ende aus eingeführt.
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Um das Element in der Kältemittelleitung zu fixieren, kann an einer Wand der Kältemittelleitung eine Schulter geformt sein, an der sich das Element abstützt.
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Das Element kann in der Kältemittelleitung ferner durch einen Ring fixiert sein, der in die Kältemittelleitung eingeschoben und durch Eindrücken einer Wand der Kältemittelleitung in letzterer verankert ist. Ein solcher Ring kann die oben erwähnte Schulter ersetzen; vorzugsweise wird er mit einer Schulter kombiniert, um das Element sowohl in stromabwärtiger als auch stromaufwärtiger Richtung zu fixieren.
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Um dem Element exakt die nötigen Durchlässigkeitseigenschaften verleihen zu können, ist es zweckmäßig, das Element aus einem in einem kontinuierlichen Prozess gefertigten Strang zu konfektionieren. So besteht in dem Fall, dass die gewünschten Durchlässigkeitseigenschaften nicht exakt erreicht werden, die Möglichkeit, Parameter des laufenden Strangfertigungsprozesses anzupassen, bis die gewünschte Durchlässigkeit erreicht ist.
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Das Element kann ein Granulat umfassen. Das Granulat könnte in losem Zustand in einer vom Kältemittel durchströmbaren Kapsel eingeschlossen sein. Denkbar wäre auch, ein Sieb in die Kältemittelleitung einzufügen, welches das Granulat zurückhält, und dann eine Portion des Granulats auf das Sieb zu geben. Beide Möglichkeiten hätten den Vorteil, dass über die Menge des Granulats die Durchlässigkeitseigenschaften des Elements leicht angepasst werden können. Ein Problem kann jedoch in letzterem Falle insbesondere darin liegen, dass das Granulat die Herstellung einer dichten Verbindung zwischen Kapillare und Verdampfer erschwert.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist deshalb das Granulat zu einem porösen Körper gesintert.
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Die Partikel des Granulats können insbesondere aus Glas, Keramik, Metall oder Kunststoff bestehen. Ein Kunststoffgranulat ist bevorzugt, da es am ehesten in der Lage ist, Drücken, die auf eine Verformung der Kältemittelleitung nach dem Einbau des Elements zurückgehen, ohne zu splittern nachzugeben.
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Zwischen einem Austrittsende der Kapillare und einer stromaufwärtigen Seite des Elements kann ein Freiraum vorgesehen sein, in dem sich vor dem Eintritt des Kältemittels in das Element Blasen bilden und sich von der Flüssigkeit absetzen können.
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Wenn die stromaufwärtige Seite des Elements vertikal ausgedehnt ist, wird der Kältemitteldampf im Allgemeinen in einen oberen Bereich der stromaufwärtigen Seite in das Element eintreten, wohingegen Durchgänge im unteren Bereich des Elements kontinuierlich mit flüssigem Kältemittel versorgt werden. Auch dies trägt zur Vergleichmäßigung des Kältemittelflusses durch das Element und somit zur Vermeidung von Geschwindigkeitsschwankungen des Kältemittelstroms bei.
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Das Austrittsende der Kapillare kann auch in das Element eintauchen, so dass sich der Strom des aus der Kapillare austretenden Kältemittels über eine große Eintrittsfläche des Elements verteilen kann. So kann vermieden werden, dass das Element auf seiner gesamten stromaufwärtigen Seite gleichzeitig mit Dampf beaufschlagt ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit einer Kältemaschine wie oben beschrieben.
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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 eine schematische Darstellung eines Haushaltskältegeräts mit einer Kältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 das stromaufwärtige Ende einer Kältemittelleitung eines Verdampfers des Kältegeräts aus 1 und darin zu montierende Elemente in einer auseinandergezogenen Darstellung;
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3 das stromaufwärtige Ende der 2 mit fertig montierten Elementen;
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4 eine zu 2 analoge Ansicht gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
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5 das stromaufwärtige Ende der 4 in fertig montiertem Zustand;
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6 das stromaufwärtige Ende in einem teilfertig montierten Zustand gemäß einer dritten Ausgestaltung; und
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7 das stromaufwärtige Ende gemäß einer vierten Ausgestaltung.
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1 zeigt schematisch ein Haushaltskältegerät mit einer Kältemaschine gemäß der Erfindung. Ein Druckanschluss eines Verdichters 1 – der typischerweise in einer Nische an der Rückseite eines Korpus des Kältegeräts untergebracht ist – ist mit einem Verflüssiger 2 verbunden. Der Verflüssiger 2 – vorzugsweise an der Rückseite des Korpus oberhalb der Nische angeordnet – umfasst eine sich in Mäandern erstreckende, gegebenenfalls durch (nicht dargestellte) die Mäander kreuzende Drähte versteifte Kältemittelleitung. Der Verflüssiger 2 ist über eine Trocknerpatrone 3 mit einer Kapillare 4 verbunden, die – zum Teil innerhalb einer Saugleitung 5 verlaufend – zu einem Verdampfer 6 führt.
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Der Verdampfer 6 kann im Rahmen der Erfindung von weitgehend beliebiger Bauart sein, in 1 ist er dargestellt als ein Plattenverdampfer mit einer ebenen ersten Platine, die flächig an einer Rückwand eines Innenbehälters des Kältegeräts befestigt ist, und einer zweiten Platine, die sich zwischen der ersten Platine und den Innenbehälter umgebendem Isolationsmaterial erstreckt und in der ein Kanalbild geformt ist, so dass beide Platinen zusammen die Wände einer Kältemittelleitung 7 bilden. Andere Bauformen von Verdampfern, etwa mit einer Kältemittelleitung in Form eines Rohrs, das auf einer Platine verlegt ist oder sich durch einen Block von Lamellen erstreckt, kommen ebenfalls in Betracht.
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Ausgehend von einer Einspritzstelle 8, an der die Kapillare 4 endet, verläuft die Kältemittelleitung 7 auf dem Verdampfer 6 in Mäandern abwärts bis zu einer tiefsten Stelle 9, um von dort entlang einer Kante des Verdampfers 6 wieder aufzusteigen und anschließend entlang einer Oberkante des Verdampfers zu einem der Einspritzstelle 8 benachbarten Anschluss 10 der Saugleitung 5 zu verlaufen.
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Die Kapillare 4 erstreckt sich innerhalb der Saugleitung 5 durch den Anschluss 10 und ist auf dem Verdampfer 6 in einer Engstelle 11 zwischen Anschluss 10 und Einspritzstelle 8 fixiert. Während des Formens des Kanalbilds in der zweiten Platine wird die Engstelle 11 zunächst mit dem gleichen Querschnitt wie der Rest der Kältemittelleitung 7 geformt, so dass durch den dann noch offenen Anschluss 10 ein selektiv durchlässiges Element 12 in einen stromaufwärtigen Abschnitt der Kältemittelleitung 7 eingeschoben werden kann. Nachdem anschließend auch die Kapillare 4 durch den Anschluss 10 eingeschoben worden ist, wird die Engstelle 11 zugedrückt, so dass sich die beiden Platinen dicht an die Außenseite der Kapillare 4 anschmiegen und einen Strom von Kältemittel auf dem kürzesten Wege von der Einspritzstelle 8 zum Anschluss 10 entlang dieser Außenseite unterbinden.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Kältemittelleitung 7 am vorgesehenen Einbauort des Elements 12. Die Kältemittelleitung 7 erstreckt sich nach links über den gezeigten Ausschnitt hinaus geradlinig bis zum Anschluss 10. Am rechten Rand des gezeigten Ausschnitts der Kältemittelleitung 7 ist in deren Wand 13 eine Schulter 14 geformt, die vorgesehen ist, um als Anschlag für einen elastischen Dichtring 15 zu dienen. Damit der Dichtring 15 von der schrägen Kontur der Schulter 14 unter axialem Druck nicht von der Wand 13 weg ins Innere der Kältemittelleitung 7 verdrängt wird und seine Dichtwirkung verliert, ist hier zusätzlich eine starre Unterlegscheibe 16 zwischen dem Dichtring 15 und der Schulter 14 vorgesehen, deren dem Dichtring 15 zugewandte Seite, wie gezeigt, eben ist oder sogar flach kegelstumpfförmig nach außen geneigt sein kann, um den Dichtring 15, wenn er Druck in axialer Richtung ausgesetzt ist, radial aufzuweiten und gegen die Wand 13 zu drücken.
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Auf den Dichtring 15 folgt das Element 12, hier in Form eines Körpers aus gesintertem Granulat, insbesondere Kunststoffgranulat. Das Element 12 hat eine große Zahl von Poren mit einer Weite von maximal 10 µm, die an sich sowohl für flüssiges als auch für dampfförmiges Kältemittel durchlässig sind, aufgrund ihrer Enge aber die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels stark einschränken und aus diesem Grund bei gegebenem Druckabfall einen wesentlich höheren Massenstrom von flüssigem als von gasförmigem Kältemittel zulassen. Das Element 12 ist erhalten, in dem ein sehr feines Kunststoffgranulat zunächst unter Bedingungen, bei denen die Partikel des Granulats nur unvollständig miteinander verschmelzen, zu einem Strang extrudiert und dieser anschließend in Elemente 12 zerschnitten wird.
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Anstatt durch einen porösen Sinterkörper könnte das Element 12 auch durch ein Sieb mit extrem feiner Maschenweite, das zum Beispiel durch Laserbohren eines dünnen Blechs erhalten ist, oder durch mehrere derartige, zu einem Stapel verbundene Siebe gebildet sein.
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Auf das Element 12 folgt ein weiterer elastischer Dichtring 17 sowie ein Sicherungsring 18, der wie die Unterlegscheibe 16 aus festem Material besteht. Der Sicherungsring 18 hat an seinem Außenumfang eine oder mehrere Aussparungen, hier in Form einer umlaufenden Nut 19.
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3 zeigt das Element 12, die Dichtringe 15, 17, die Unterlegscheibe 16 und den Sicherungsring 18 in Einbauposition, anschlagend an der Schulter 14. Am Ort des Sicherungsrings 18 ist nun eine weitere Schulter 20 in die Wand 13 eingedrückt, die in die Nut 19 des Sicherungsrings 18 eingreift. Die Schulter 20 ist so platziert, dass sie den Sicherungsring 18 in Richtung der Schulter 14 treibt, die Dichtringe 15, 17 beiderseits des Elements 12 in axialer Richtung komprimiert und so den Strom des Kältemittels, der aus der Kapillare 4 austritt, vollständig durch das Element 12 leitet.
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Indem jenseits des in 3 gezeigten Ausschnitts die Engstelle 11 geformt wird, entsteht zwischen dieser und der stromaufwärtigen Seite 22 des Elements 12 ein Freiraum 23, in den die Kapillare 4 einmündet. Der Druck in diesem Freiraum 23 ist infolge des Strömungswiderstands des Elements 12 höher als in dem jenseits des Elements 12 liegenden Hauptteil der Kältemittelleitung 7, und da der Freiraum 23 von derselben Wand 13 begrenzt ist wie der Hauptteil der Kältemittelleitung 7, ist er durch die dort stattfindende Verdampfung wirksam gekühlt. Blasen von Kältemitteldampf, die bereits im Freiraum entstehen, werden durch diese Kühlung in ihrem Wachstum begrenzt. Da außerdem aufgrund des im Vergleich zur Kapillare 4 um ein Vielfaches größeren Querschnitts des Freiraums 23 dort die Strömungsgeschwindigkeit reduziert ist, haben die Blasen Zeit, im Freiraum 23 aufzusteigen. Da Leitung 7 so orientiert ist, dass die stromaufwärtige Seite 22 in vertikaler Richtung ausgedehnt ist, treffen die Blasen auf die stromaufwärtige Seite 22 in einem oberen Bereich derselben und beginnen dort, in das Element 12 einzudringen. In einem unteren Bereich steht jedoch weiterhin flüssiges Kältemittel an der stromaufwärtigen Seite 22 an, so dass die von dort ausgehenden Poren des Elements 12 mit flüssigem Kältemittel gefüllt bleiben und einen starken Massenstrom des Kältemittels durchlassen.
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Wenn die Verdampfung in Freiraum 23 zu stark ist, wächst der Bereich der stromaufwärtigen Seite 22, an dem Dampf ansteht, und der Massenstrom durch das Element 12 nimmt ab. Dadurch steigt jedoch der Druck im Freiraum an, und dementsprechend nimmt die Neigung zur Blasenbildung ab; infolge der wirksamen Kühlung des Freiraums 23 über die Wand 13 kann es sogar zu Rekondensation kommen. Das Gesamtsystem tendiert daher zu einem stationären Zustand, in dem der Freiraum 23 gerade so viel Dampf enthält, dass der Abfluss von Dampf und Flüssigkeit über das Element 12 und der Zufluss über die Kapillare 4 einander die Waage halten und das Kältemittel mit im Wesentlichen gleichbleibender Geschwindigkeit geräuscharm durch die Kapillare 4 fließt.
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Das Element 12 kann in gleicher Weise natürlich auch in einem Kältemittelrohr, zum Beispiel eines Tube-on-Sheet-Verdampfers oder eines Lamellenverdampfers, montiert werden.
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4 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der der Sicherungsring 18 der 2 und 3 durch einen Druckring 21 mit kegelförmiger Außenkontur ersetzt ist. Nachdem hier das Element 12, die Dichtringe 15, 17, die Unterlegscheibe 16 und der Druckring 21 in die Kältemittelleitung 7 eingeführt worden sind, wird deren Wand 13 wie in 5 gezeigt stromaufwärts vom Druckring 21 nach innen gedrückt, um die Engstelle 11 zu bilden. Dadurch wird auch der Druckring 21 immer weiter in Richtung der Schulter 14 getrieben, bis das Element 12 in der Kältemittelleitung fixiert ist und die Dichtringe 14, 17 beiderseits des Elements 12 wirksam werden.
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6 zeigt eine Variante, bei der das Element 12 selbst an einer Seite 24 kegelförmig ist, um, wenn die Wand 13, wie in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet, um die Kapillare 4 herum verengt wird, dadurch gegen den Dichtring 15 gedrückt zu werden.
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7 zeigt eine Variante, bei der im Anschluss an das Element 12 ein Adapter 25 in die Kältemittelleitung 7 eingeschoben ist, der, wenn er das Element 12 gegen den Dichtring 15 gedrückt hält, mit seinen gegenüberliegenden Enden am Eingang 26 der Kältemittelleitung 7 freilegt. Wenn durch eine Bohrung des Adapters 23 hindurch die Kapillare 4 eingeschoben ist, hier bis in eine Aussparung 27 des Elements 12 hinein, kann der Adapter 23 sowohl an der Wand 13 der Kältemittelleitung 7 als auch an der Kapillare 4 dicht verlötet werden.
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8 zeigt eine weitere Abwandlung. Die Kapillare 4 ist hier an ihrem stromabwärtigen Ende mit einer Schulter 28 versehen, und ein Dichtring 29 ist zwischen der Schulter 28 und dem Element 12 rings um eine die Einspritzstelle 8 aufnehmende Aussparung 27 geklemmt. Die Dichtung 29 zwingt das an der Einspritzstelle 8 austretende Kältemittel durch das Element 12 hindurch.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Verflüssiger
- 3
- Trocknerpatrone
- 4
- Kapillare
- 5
- Saugleitung
- 6
- Verdampfer
- 7
- Kältemittelleitung
- 8
- Einspritzstelle
- 9
- tiefste Stelle
- 10
- Anschluss
- 11
- Engstelle
- 12
- Element
- 13
- Wand
- 14
- Schulter
- 15
- Dichtring
- 16
- Unterlegscheibe
- 17
- Dichtring
- 18
- Sicherungsring
- 19
- Nut
- 20
- Schulter
- 21
- Druckring
- 22
- stromaufwärtige Seite
- 23
- Freiraum
- 24
- Seite
- 25
- Adapter
- 26
- Eingang
- 27
- Aussparung
- 28
- Schulter
- 29
- Dichtring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015072 A1 [0001]
