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Die folgende Erfindung betrifft ein Kältegerät, insbesondere ein Haushaltskältegerät, mit wenigstens einem Fach, das nach Wahl eines Benutzers auf einer Betriebstemperatur unterhalb oder oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten werden kann, um etwa Speisen zu kühlen oder für den baldigen Verzehr warmzuhalten.
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Diese Variabilität der Betriebstemperatur wird bei einem bekannten Kältegerät der Anmelderin erreicht, indem in einem Kältemittelkreislauf zwischen einem Auslass eines Verdichters ein Verflüssiger, eine erste steuerbare Drosselstelle, ein Wärmeübertrager des variablen Fachs, eine zweite steuerbare Drosselstelle und ein erster Verdampfer eines gekühlten Fachs in Reihe verbunden sind. Im Kühlbetrieb des variablen Fachs ist der Druckabfall an der ersten steuerbaren Drosselstelle hoch, so dass Kondensation nur im Verflüssiger stattfindet und auch der Wärmeübertrager des variablen Fachs als Verdampfer arbeitet; im Heizbetrieb findet der Druckabfall im Wesentlichen an der zweiten Drosselstelle statt, so dass auch im Wärmeübertrager Kältemittel kondensiert und dabei Wärme freisetzt. Um sicherzustellen, dass ausreichend Wärme den Wärmeübertrager erreicht, ist der Verflüssiger zwangsbelüftet, und die Leistung eines Lüfters des Verflüssigers kann im Vergleich zum Kühlbetrieb reduziert werden, um die Menge des Kältemitteldampfs, die den Wärmeübertrager erreicht, und damit die Heizleistung des Wärmeübertragers zu steuern.
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Flüssiges Kältemittel, das während des Heizbetriebs im Verflüssiger anfällt, sollte vom Wärmeübertrager ferngehalten werden; deswegen sieht das herkömmliche Kältegerät stromabwärts vom Verflüssiger eine als Abscheider ausgelegte Verzweigung vor, die das flüssige Kältemittel abtrennt, um es in einem parallel zu dem Wärmeübertrager angeordneten zweiten Verdampfer zu nutzen.
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Eine Leitung, die das flüssige Kältemittel dem zweiten Verdampfer zuführt, bildet mit einer Saugleitung, die von einem Auslass des ersten Verdampfers zu einem Einlass des Verdichters führt, einen internen Wärmeübertrager, in dem sich das flüssige Kältemittel in thermischem Kontakt mit dem abgesaugten Kältemitteldampf abkühlt. Wenn infolge von Heizbetrieb des variablen Fachs der Massenstrom des flüssigen Kältemittels zu gering ist, kann der Fall eintreten, dass die Temperatur des flüssigen Kältemittel bei Erreichen des zweiten Verdampfers unter dessen Verdampfungstemperatur liegt und zumindest in einem Teil des zweiten Verdampfers keine Verdampfung stattfindet; außerdem kann die Temperatur des Kältemitteldampfs bei Erreichen des Verdichters noch so niedrig sein, dass Wasserdampf an der Saugleitung kondensiert, was nicht nur die Effizienz der Kälteerzeugung beeinträchtigt, sondern auch zu elektrischen Problemen und Korrosion führen kann.
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Es besteht daher Bedarf nach einem Kältegerät mit wenigstens einem in Heiz- oder Kühlbetrieb nutzbaren Fach; bei dem die Betauungsgefahr vermindert und der Wirkungsgrad verbessert sind.
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Um diesen Bedarf zu befriedigen, ist vorgesehen, dass an einem Kältegerät, insbesondere Haushaltskältegerät, mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, wenigstens einem ersten Verdampfer, einer vom ersten Verdampfer zum Verdichter verlaufenden Saugleitung, wenigstens einem zwischen Verflüssiger- und Verdampferbetrieb umschaltbaren Wärmeübertrager und mit einer Ventilanordnung zum Umschalten des Wärmeübertragers zwischen einem Verdampferbetriebszustand, in dem ein Einlass des umschaltbaren Wärmeübertragers über eine erste Drosselstelle mit dem Verflüssiger und ein Auslass des umschaltbaren Wärmeübertragers mit dem Verdampfer verbunden ist, und einem Verflüssigerbetriebszustand, in dem der Auslass des umschaltbaren Wärmeübertragers über eine zweite Drosselstelle mit dem Verdampfer verbunden ist, dem umschaltbaren Wärmeübertrager eine erste Zufuhrleitung für die Zufuhr von Kältemittel im Verdampferbetriebszustand und eine von der ersten Zufuhrleitung getrennte zweite Zufuhrleitung für die Zufuhr von Kältemittel im Verflüssigerbetriebszustand zugeordnet ist und dass nur die erste Zufuhrleitung mit der Saugleitung zu einem internen Wärmeübertrager verbunden ist.
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Eine Vorkühlung des den umschaltbaren Wärmeübertrager erreichenden Kältemittels durch den internen Wärmeübertrager kann so auf den Fall des Verdampferbetriebszustands beschränkt bleiben, während im Fall des Verflüssigerbetriebszustands eine Verflüssigung des Kältemittels vor Erreichen des umschaltbaren Wärmeübertragers ausgeschlossen bleibt.
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Um den Druckabfall zwischen dem umschaltbaren Wärmeübertrager und dem ersten Verdampfer entsprechend dem Verdampfer- und Verflüssigerbetriebszustand in weitem Umfang variieren zu können, ist als zweite Drosselstelle zwischen beiden vorzugsweise ein gesteuertes Expansionsventil vorgesehen.
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Um eine Einbuße an am umschaltbaren Verdampfer nutzbarer Heizleitung durch Wärmeabgabe über den Verflüssiger zu vermeiden, kann der umschaltbare Verdampfer im Verflüssigerbetriebszustand zum Verflüssiger parallel geschaltet sein. So kann Kältemittel dem umschaltbaren Verdampfer unmittelbar nach Verlassen des Verdichters zugeführt werden, ohne dass es Gelegenheit hat, Wärme über den Verflüssiger abzugeben.
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Eine Rahmenheizung kann dem Verflüssiger und dem umschaltbaren Wärmeübertrager gemeinsam vorgeschaltet sein, oder sie kann in Reihe mit dem Verflüssiger parallel zum umschaltbaren Wärmeübertrager angeordnet sein.
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An der ersten Zufuhrleitung sollte ein Absperrventil vorgesehen sein, um eine Sperrung der ersten Zufuhrleitung im Verflüssigerbetriebszustand zu ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst das Kältegerät wenigstens zwei umschaltbare Wärmeübertrager, die unabhängig voneinander zwischen Verdampferbetriebszustand und Verflüssigerbetriebszustand umschaltbar sind. Wenn diese jeweils unterschiedlich großen Fächern des Kältegeräts zugeordnet sind, kann ein Benutzer zwischen diversen Volumina des im Verflüssigerbetriebszustand nutzbaren Bereichs wählen.
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Vorzugsweise beträgt das Volumen eines dieser Fächer zwischen 150% und 250% des Volumens des anderen.
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Um die Versorgung der umschaltbaren Verdampfer zu steuern, kann die Ventilanordnung ein Wegeventil umfassen, das im Verdampferbetriebszustand geschlossen ist und im Verflüssigerbetriebszustand wenigstens eines der umschaltbaren Wärmeübertrager den Einlass des betreffenden Wärmeübertragers wenigstens zeitweilig mit einem Auslass des Verdichters verbindet.
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Des weiteren - und vorzugsweise mittels des besagten Wegeventils - kann die Ventilanordnung zwischen einer ersten Offenstellung, in der sie einen Auslass des Verdichters mit dem Einlass des ersten Wärmeübertragers verbindet, und einer zweiten Offenstellung, in der sie den Auslass des Verdichters mit dem Einlass des zweiten Wärmeübertragers verbindet, getaktet umschaltbar sein. Unter getakteter Umschaltung wird hier eine periodische Umschaltung verstanden, wobei die Periode kurz genug ist, um eine Kondensation in beiden umschaltbaren Wärmeübertragern gleichzeitig zu ermöglichen.
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Ein zweiter Verdampfer kann dem ersten Verdampfer in Reihe vorgeschaltet und parallel zu dem wenigstens einen umschaltbaren Wärmeübertrager angeschlossen sein, um gleichzeitig mit dem Betrieb des wenigstens einen umschaltbaren Wärmeübertragers im Verflüssigerbetriebszustand noch ein Fach kühlen zu können.
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Wenn der erste Verdampfer und der zweite Verdampfer über eine dritte Drosselstelle verbunden sind, kann die Temperatur des zweiten Verdampfers höher eingestellt werden als die des ersten, um die Fächer der beiden Verdampfer auf unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu halten. Typischerweise können auf diese Weise ein Normalkühlfach und ein Gefrierfach implementiert werden; andere Kombinationen wie etwa Normalkühl- und Kaltlagerfach oder Kaltlager- und Gefrierfach sind selbstverständlich auch möglich.
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Eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten Verdampfer und dem zweiten Verdampfer kann mit dem Saugrohr zu einem Abschnitt des internen Wärmeübertragers verbunden sein, insbesondere kann dieser Abschnitt unmittelbar an einen Auslass des ersten Verdampfers anschließen, um eine erste Erwärmung des in der Saugleitung zirkulierenden Kältemitteldampfs zu bewirken, bevor dieser einen zweiten Abschnitt des internen Wärmeübertragers erreicht, in welchem der Wärmeaustausch mit der ersten Zufuhrleitung stattfindet.
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Um die Temperaturdifferenz zwischen den Fächern des ersten und des zweiten Verdampfers an den Bedarf anpassen zu können, umfasst auch die dritte Drosselstelle vorzugsweise ein gesteuertes Expansionsventil.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
- 1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kältegeräts.
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Das Kältegerät der 1 umfasst in einem wärmeisolierenden Gehäuse ein kaltes gekühltes Fach 1, typischerweise ein Gefrierfach, ein warmes gekühltes Fach 2, typischerweise ein Normalkühlfach, sowie ein erstes und ein zweites flexibles, d.h. wahlweise kühl- und heizbares Fach 3, 4.
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Eine von einem Auslass 5 eines Verdichters 6 ausgehende Kältemittelleitung 7 erreicht über eine Verzweigung 8 zunächst eine Rahmenheizung 9 und einen Verflüssiger 10. Dem Verflüssiger 10 kann zum Steuern seiner Leistung ein Lüfter 26 zugeordnet sein. An einer weiteren Verzweigung 11 stromabwärts vom Verflüssiger 10 gabelt sich die Kältemittelleitung 7 in drei Zweige 12a-c. In jedem Zweig 12a-c folgen aufeinander: ein Ventil 13a-c, eine Zufuhrleitung 14a-c, die als Kapillare ausgebildet sein kann, ein Wärmeübertrager 15a, b bzw. ein Verdampfer 15c und ein gesteuertes Expansionsventil 16a-c. Die Wärmeübertrager 15a, b stehen jeweils in thermischem Kontakt mit einem der Fächer 3, 4, der Verdampfer 15c steht in Kontakt mit dem Fach 2. Es bestehen nicht notwendigerweise strukturelle Unterschiede zwischen dem Verdampfer 15c und den Wärmeübertragern 15a, b; beide können identisch oder lediglich in ihren Abmessungen voneinander verschieden sein. Typischerweise sind die Wärmeübertrager 15a, b und der Verdampfer 15c als Lamellen-Wärmeübertrager von an sich bekannter Bauart ausgeführt, bei denen jeweils eine Vielzahl von untereinander parallelen Lamellen zu einem Block zusammengefasst sind, die Kältemittelleitung 7 in Mäandern die Lamellen kreuzt und Luft in den Zwischenräumen zwischen den Lamellen zirkuliert, und jedem Lamellen-Wärmeübertrager ist ein Lüfter 17a-c zugeordnet, der die Intensität der Luftzirkulation und damit die mit dem jeweils zugeordneten Fach 2, 3 oder 4 ausgetauschte thermische Leistung steuert.
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Stromabwärts der Expansionsventile 16a-c vereinigen die drei Zweige 12a-c sich an einem Zusammenfluss 18. Der Zusammenfluss 18 kann stromaufwärts von einem das Fach 1 kühlenden Verdampfer 19 liegen; vorzugsweise befindet er sich im Verdampfer 19 selbst, d.h. der Verdampfer 19 verfügt über je einen Einlass für jeden Zweig 12a-c. Analog zu den Lüftern 17a-c ist auch dem Verdampfer 19 ein Lüfter 27 zugeordnet.
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Von einem Auslass des Verdampfers 19 aus verläuft eine Saugleitung 20 zu einem Einlass 21 des Verdichters 6. Die Saugleitung 20 bildet mit einem stromabwärts vom Verdampfer 15c gelegenen Verbindungsleitung 22 des Zweigs 12c sowie mit den Zufuhrleitungen 14a-c einen internen Wärmeübertrager 23, in dem der in der Saugleitung 20 zirkulierende Kältemitteldampf zunächst in thermischem Kontakt mit der Verbindungsleitung 22, anschließend in thermischem Kontakt mit den Zufuhrleitungen 14a-c, erwärmt wird. Zu diesem Zweck können die Verbindungsleitung 22 und die Zufuhrleitungen 14a-c an der Oberfläche der Saugleitung 20 befestigt oder in deren Innerem geführt sein.
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An die Verzweigung 8 ist ein Einlass eines Wegeventils 24 angeschlossen. Das Wegeventil 24 hat je einen Auslass, der mit dem Einlass des Wärmeübertragers 15a bzw. 15b über je eine Zufuhrleitung 25a bzw. 25b verbunden ist, und ist zwischen geschlossenen Stellung, einer zum Wärmeübertrager 15a hin offenen Stellung und einer zum Wärmeübertrager 15b hin offenen Stellung umschaltbar.
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Mit dem oben beschriebenen Aufbau ist eine Vielzahl an Betriebszuständen realisierbar:
- In einem ersten Betriebszustand wechseln die zum Wärmeübertrager 15a hin offene Stellung und die geschlossene Stellung des Wegeventils 24 miteinander ab, das Ventil 13a ist geschlossen, und das Expansionsventil 16a ist gesteuert, um eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Wärmeübertrager 15a und dem Verdampfer 19 aufrecht zu erhalten. So wird in jeder offenen Phase des Wegeventils 24 der Wärmeübertrager 15a mit warmem, dichtem Kältemittel aus dem Verdichter 6 beaufschlagt, und die im Wärmeübertrager 15a stattfindende Kondensation beheizt das Fach 3. D.h. der erste Betriebszustand ist ein Verflüssigerbetriebszustand des Wärmeübertragers 15a.
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Dabei im Wärmeübertrager 15a verflüssigtes Kältemittel gelangt über das Expansionsventil 16a in den Verdampfer 19, verdampft dort wieder und kühlt so das Fach 1.
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In jeder Schließphase des Wegeventils 24 gelangt dichter Kältemitteldampf in den Verflüssiger 10 und kondensiert dort. Das so erhaltene flüssige Kältemittel verteilt sich über die Ventile 13b, 13c auf die Zufuhrleitungen 14b, 14c bzw. den Wärmeübertrager 15b und den Verdampfer 15c, so dass dort Verdampfung stattfindet und die Fächer 2, 4 gekühlt werden, d.h. für den Wärmeübertrager 15b ist der erste Betriebszustand ein Verdampferbetriebszustand. Im Wärmeübertrager 15b bzw. Verdampfer 15c nicht verbrauchtes flüssiges Kältemittel erreicht über eines der Expansionsventile 16b, 16c den Verdampfer 19 und trägt so zur Kühlung des Fachs 1 bei.
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Die Höhe der im Fach 3 freigesetzten Heizleistung (bzw. seine Betriebstemperatur) ist einerseits durch das Tastverhältnis der zum Wärmeübertrager 15a hin offenen Stellung des Ventils 13a, zum anderen durch die Drehzahl des Lüfters 17a bestimmt; je langsamer dieser läuft, umso langsamer ist die Kondensation, und umso weniger Kältemitteldampf kann trotz offenen Ventils 13a in den Wärmeübertrager 15a nachfließen und umso mehr Kältemitteldampf muss daher den Weg über den Verflüssiger 10 nehmen.
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Der Massenstrom über den Verdichter 10 ist daher mit der Zeit veränderlich, und mit ihm auch der Druckabfall auf den Zufuhrleitungen 14b, 14c. Um dennoch den Wärmeübertrager 15b und den Verdampfer 15c auf einem gewünschten Verdampfungsdruck halten zu können, empfiehlt es sich, als Ventile 13a-c gesteuerte Expansionsventile zu verwenden, die nicht nur in der Lage sind, ihren Zweig 12a-c bei Bedarf abzusperren, sondern auch, in offenem Zustand eine vorgegebene Druckdifferenz aufrechtzuerhalten.
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Denkbar ist aber auch, mit dem veränderlichen Massenstrom einhergehende Schwankungen des Verdampfungsdrucks in Wärmeübertrager 15b und Verdampfer 15c zu tolerieren und eine Betriebstemperatur der Fächer 2, 4 konstant zu halten, indem die Drehzahl der Lüfter 17b, c bei sinkender Verdampfungstemperatur reduziert bzw. bei steigender Verdampfungstemperatur erhöht wird.
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So können im ersten Betriebszustand unterschiedliche Betriebstemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur in den Fächern 1, 2, 4 aufrechterhalten werden, wobei die Betriebstemperatur des Fachs 2 höher oder niedriger als die des Fachs 4 sein kann. Sowohl das dem Verdampfer 15c zufließende als auch das von dort abfließende Kältemittel durchlaufen den internen Wärmetauscher 23; desgleichen das Kältemittel auf dem Weg zum Wärmeübertrager 15b, so dass sämtliches Kältemittel, dessen Wärme nicht zum Heizen eines Fachs benötigt wird, den internen Wärmetauscher 23 durchläuft.
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Analoges gilt für einen zweiten Betriebszustand, in welchem die zum Wärmeübertrager 15b hin offene Stellung und die geschlossene Stellung des Wegeventils 24 miteinander abwechseln und das Ventil 13b geschlossen ist, so dass das Fach 4 beheizt und das Fach 3 gekühlt wird, d.h. der zweite Betriebszustand ist ein Verdampferbetriebszustand für den Wärmeübertrager 15a und ein Verflüssigerbetriebszustand für den Wärmeübertrager 15b.
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Die Fächer 3, 4 sind unterschiedlich groß, so kann ein Benutzer die Auswahl zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand anhand des Platzbedarfs des warmzuhaltenden Guts treffen. Z.B. kann das Volumen des Fachs 3 zwischen 150 und 250% des Volumens des Fachs 4 betragen, oder umgekehrt.
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In einem dritten Betriebszustand wechseln die zum Wärmeübertrager 15a hin offene Stellung, die zum Wärmeübertrager 15b hin offene Stellung und die geschlossene Stellung des Wegeventils 24 miteinander ab. Beide Fächer 2, 3 werden beheizt, d.h. beide Wärmeübertrager 15a, 15b befinden sich im Verflüssigerbetriebszustand. Da beide Ventile 13a, 13b geschlossen sind, findet über die Zufuhrleitungen 14a, 14b im internen Wärmetauscher 23 kein Wärmeaustausch statt; zum Vorwärmen des abgesaugten Kältemittels steht nur der über den Verdampfer 15c laufende Strom zur Verfügung. Über die Tastverhältnisse der zum Wärmeübertrager 15a bzw. zum Wärmeübertrager 15b offenen Phasen kann die auf jedes Fach 3, 4 entfallende Heizleistung gesteuert und können wenn gewünscht unterschiedliche Betriebstemperaturen für die beiden Fächer 3, 4 eingestellt werden.
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In einem vierten Betriebszustand befindet sich das Wegeventil 24 dauerhaft in der geschlossenen Stellung. Die Ventile 13a, 13b sind offen, die Wärmeübertrager 15a, 15b befinden sich im Verdampferbetriebszustand und kühlen die Fächer 3, 4. Kältemittel auf dem Weg zu den Wärmeübertragern 15a, 15b durchläuft die Zufuhrleitungen 14a, 14b und damit auch den internen Wärmetauscher 23.
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So werden einerseits Wärmeverluste und Kondensation des Kältemittels vor Erreichen des Wärmeübertragers 15a oder 15b vermieden, wenn dieser im Verflüssigerbetriebsmodus arbeitet; andererseits wird im Verdampferbetriebsmodus ein hoher Wirkungsgrad erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fach
- 2
- Fach
- 3
- Fach
- 4
- Fach
- 5
- Auslass
- 6
- Verdichter
- 7
- Kältemittelleitung
- 8
- Verzweigung
- 9
- Rahmenheizung
- 10
- Verflüssiger
- 11
- Verzweigung
- 12a-c
- Zweig
- 13a-c
- Ventil
- 14a-c
- Zufuhrleitung
- 15 a-c
- Wärmeübertrager/Wärmeübertrager/Verdampfer
- 16a-c
- Expansionsventil
- 17 a-c
- Lüfter
- 18
- Zusammenfluss
- 19
- Verdampfer
- 20
- Saugleitung
- 21
- Einlass
- 22
- Verbindungsleitung
- 23
- Interner Wärmetauscher
- 24
- Wegeventil
- 25 a-c
- Zufuhrleitung
- 26
- Lüfter
