EP0711963A1 - Kältegerät - Google Patents

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EP0711963A1
EP0711963A1 EP95115790A EP95115790A EP0711963A1 EP 0711963 A1 EP0711963 A1 EP 0711963A1 EP 95115790 A EP95115790 A EP 95115790A EP 95115790 A EP95115790 A EP 95115790A EP 0711963 A1 EP0711963 A1 EP 0711963A1
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Detlef Cieslik
Friedrich Dipl.-Ing. Arnold
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BSH Hausgeraete GmbH
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F25B39/022—Evaporators with plate-like or laminated elements
    • F25B39/024—Evaporators with plate-like or laminated elements with elements constructed in the shape of a hollow panel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/12—Inflammable refrigerants

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration device with at least one refrigeration space, which is cooled by an evaporator which is integrated in a closed refrigeration circuit and is formed from a composite plate and which is equipped with refrigerant channels for guiding the refrigerant driven in the refrigeration circuit by a compressor.
  • refrigerants based on fluorine-chlorinated hydrocarbons (CFCs) or fluorocarbons (CFCs), such as isobutane are used in their refrigeration cycle instead of the anti-ozone layer or the greenhouse effect.
  • CFCs fluorine-chlorinated hydrocarbons
  • CFCs fluorocarbons
  • the object of the invention is to design a vaporizer formed from a composite plate in its operation with hydrocarbon-based refrigerants using simple constructive measures such that a loss in performance due to the vaporizer is prevented in the refrigeration system.
  • This object is achieved according to the invention in that a refrigerant based on hydrocarbons is used as the refrigerant, which is guided in refrigerant channels, the channel cross-section of which, compared to the refrigerants based on HFC or CFCs, has a higher volume flow Hydrocarbon-based refrigerant is largely adapted and that the refrigerant flow paths provided next to the evaporator in the refrigerant circuit are essentially unchanged in terms of their flow-through cross section, which is used to guide refrigerants based on CFCs or CFCs.
  • the solution according to the invention minimizes the pressure drop of the refrigerant flowing in the refrigerant channels of the evaporator between the evaporator inlet and the evaporator outlet, as a result of which the evaporation temperature of the refrigerant is almost uniform over the entire evaporator surface and thus the refrigeration capacity of the refrigerant compressor and the energy balance of the refrigeration cycle are significantly increased. It is also achieved by this solution that the channel lengths and the number of which can be largely unchanged in comparison to operation with refrigerants based on HFC or CFC, so that a narrower ducting, which is difficult to control in terms of production engineering, is avoided over the entire evaporator board, which would change its size significantly.
  • the channel cross-sectional area of the refrigerant channels for guiding the hydrocarbon-based refrigerant is increased by 25 to 50% compared to the channel cross-sectional area of the refrigerant channels for guiding refrigerants based on HFC or CFC.
  • a particularly high performance improvement with even more cost-effective production is achieved with an increase in the cross-sectional area of the duct if, according to a further advantageous embodiment of the subject of the invention, the increase in the cross-sectional area of the duct of the refrigerant ducts, which serve to guide the refrigerant based on hydrocarbons, is 50% the cross-sectional area of the refrigerant channels which are used to guide the refrigerant based on HFC or CFC.
  • the channel cross-sectional area is between 17 mm2 and 18.5 mm2 but is preferably 18 mm2.
  • a refrigerant channel is particularly streamlined and, on the other hand, is still easy to manufacture if, according to a next advantageous embodiment of the subject of the invention, it is provided that the channel cross-sectional area has a hydraulic equivalent diameter of approximately 3 mm, which is composed of a channel width of 12 mm and a channel height of 2.1 mm results.
  • a vaporizer is particularly expedient if, according to a next advantageous embodiment of the subject of the invention, it is provided that the vaporizer is designed as an evaporator board composed of a composite plate with refrigerant channels produced in the so-called roll bonding process.
  • the evaporator is designed as an evaporator board composed of a composite plate with refrigerant channels produced in the so-called Z-bonding process.
  • This is connected on the pressure side to a condenser 12, the tubing of which is adapted to refrigerants based on fluorohydrocarbons or fluorochlorohydrocarbons with regard to the flowable cross section.
  • a dryer cartridge 13 On the output side of the condenser 12 is connected a dryer cartridge 13, the output of which is provided with a throttle tube 14, the through-flow cross section is adapted to refrigerants formed on the basis of fluorocarbon or fluorochlorohydrocarbons.
  • the throttle tube 14 is laid over the major part of its tube length within a suction tube 15 connected on the suction side to the compressor 11, which is connected together with the throttle tube 14 to an evaporator 16 designed for a so-called single-tube connection.
  • This is made of circuit board-like material and has two temperature zones, which are supplied by a continuous refrigerant duct with refrigerants driven by the compressor 11 and formed on the basis of hydrocarbons, such as isobutane.
  • the two sections of different temperatures of the evaporator 16 are designed as a C-shaped freezer compartment evaporator 17 with a rear wall evaporator 19 for a normal cooling compartment, which is connected in terms of refrigeration via a connecting web 18.
  • the evaporator 16 is formed by welding two aluminum sheet metal plates 20 and 21 of equal area, of which the plate 20 is provided with a pressure corresponding to its course to produce refrigerant channels, while the plate 21 is unprinted.
  • an aluminum sheet with the designation AL 99.5 W7 with a material thickness of 0.75 mm has already been found to be suitable for producing the refrigerant channels 22, while an aluminum sheet with the designation AL has been found for the unprinted board 21 1230 and a material thickness of 0.6 mm has already given good results.
  • the materials used can be used to produce refrigerant channels 22, the cross section of which is particularly suitable for the so-called roll bond process the management of hydrocarbon-based refrigerants, such as isobutane with the industrial name R600a, and which have a cross-sectional area whose size exceeds the duct cross-sectional areas used so far with CFC or CFC-based refrigerants by 50%.
  • the invention can also be applied to a board-like evaporator 16, the refrigerant channels 22 of which are produced in the so-called Z-bonding process.

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Abstract

Bei einem Kältegerät mit wenigstens einem Kälteraum, welcher von einem in einem geschlossenen Kältekreislauf (10) eingebundenen, aus einem Plattenverbund gebildeten Verdampfer (16) gekühlt ist, welcher mit Kältemittelkanälen (22) zur Führung des im Kältekreislauf von einem Verdichter (11) angetriebenen Kältemittel ausgestattet ist, ist als Kältemittel in bekannter Weise ein auf Kohlenwasserstoffen basierendes Kältemittel eingesetzt, welches in Kältemittelkanälen (22) geführt ist, deren Kanalquerschnitt (A) an den, im Vergleich zu den auf Fluor-Kohlenwasserstoffen oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen basierenden Kältemitteln höheren Volumenstrom, der auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel weitestgehend angepaßt ist, wobei die neben dem Verdampfer (16) im Kältemittelkreislauf vorgesehenen Kältemittel-Fließstrecken (12,14) hinsichtlich ihres zur Führung von auf Fluor-Kohlenwasserstoffen oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel dienenden durchströmbaren Querschnittes im wesentlichen unverändert sind. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kältegerät mit wenigstens einem Kälteraum, welcher von einem in einen geschlossenen Kältekreislauf eingebundenen, aus einem Plattenverbund gebildeten Verdampfer gekühlt ist, welcher mit Kältemittelkanälen zur Führung des im Kältekreislauf von einem Verdichter angetriebenen Kältemittel ausgestattet ist.
  • Bei Kältegeraten ist in deren Kältekreislauf heutzutage anstatt der ozonschichtfeindlichen bzw. den Treibhauseffekt fördernden Kältemittel auf der Basis von Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen (FCKW) bzw. Fluor-Kohlenwasserstoffen (FKW), ein auf Kohlenwasserstoffen basierendes Kältemittel, wie beispielsweise Isobutan eingesetzt. Durch den Einsatz derartiger, im Vergleich zu den bisher eingesetzten Kältemitteln mit geringerer Dichte beaufschlagtem Kältemittel in den bekannten Kältekreisläufen kommt es bei den darin eingebundenen Verdampfern in deren Kältemittelkanälen zu einem deutlichen Anstieg des durch sie fließenden Kältemittelvolumens pro Zeiteinheit. Hieraus resultiert ein nicht unerheblicher Druckabfall entlang der Kältemittelkanäle, welcher seinerseits eine Leistungseinbuße des gesamten Kältemittelsystems zur Folge hat. Zu einer besonders spürbaren Leistungseinbuße kommt es, wenn die auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel bei für große Kälteleistung ausgelegten Verdampfern zu Einsatz kommen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen aus einem Plattenverbund gebildeten Verdampfer bei seinem im Betrieb mit auf Kohlenwasserstoff basierenden Kältemitteln mit einfachen konstruktiven Maßnahmen derart zu gestalten, daß eine Leistungseinbuße, bedingt durch den Verdampfer, im Kältesystem verhindert ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Kältemittel in bekannter Weise ein auf Kohlenwasserstoffen basierendes Kältemittel eingesetzt ist, welches in Kältemittelkanälen geführt ist, deren Kanalquerschnitt an den, im Vergleich zu den auf FKW- oder FCKW basierenden Kältemitteln höheren Volumenstrom, der auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel weitestgehend angepaßt ist und daß die neben dem Verdampfer im Kältemittelkreislauf vorgesehenen Kältemittel-Fließstrecken hinsichtlich ihres zur Führung von auf FKW oder FCKW basierenden Kältemittel dienenden, durchströmbaren Querschnitts im wesentlichen unverändert sind.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ist der Druckabfall des in den Kältemittelkanälen des Verdampfers strömenden Kältemittels zwischen Verdampfereingang und Verdampferausgang minimiert, wodurch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels über die gesamte Verdampferfläche nahezu vergleichmäßigt und somit die Kälteleistung des Kältemittelverdichters und die Energiebilanz des Kältekreislaufes deutlich erhöht ist. Ferner ist durch diese Lösung erreicht, daß die Kanallängen und deren Anzahl im Vergleich zu einem Betrieb mit auf FKW oder FCKW basierenden Kältemitteln weitestgehend unverändert sein können, so daß eine engere, fertigungstechnisch nur schwer beherrschbare Kanalführung über die gesamte Verdampferplatine, die deren Größe wesentlich verändern würde, vermieden ist. Außerdem ermöglicht eine solche Lösung, daß die bisher bei auf FKW oder FCKW basierenden Kältemitteln zum Einsatz gekommenen Verflüssiger bzw. Drosselstrecken im Kältemittel-Kreislauf ohne kältetechnische Änderungen auch für den Betrieb von auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemitteln einsetzbar sind.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kanalquerschnittsfläche der Kältemittelkanäle zur Führung des auf Kohlenwasserstoff basierenden Kältemittels gegenüber der Kanalquerschnittsfläche der Kältemittelkanäle zur Führung von auf FKW oder FCKW basierenden Kältemittel um 25 bis 50 % vergrößert ist.
  • Eine Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche in dieser Größenordnung ist vor allem in sogenannten Rollbond-Herstellverfahren der Kältemittelkanäle auf den platinenartigen Verdampfern auch kostenmäßig noch günstig. .
  • Eine besonders hohe Leistungsverbesserung bei noch kostengünstiger Fertigung wird bei einer Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche erzielt, wenn nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, daß die Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche der Kältemittelkanäle, welche zur Führung des auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemittels dienen, 50 % gegenüber der Kanalquerschnittsfläche der Kältemittelkanäle beträgt, welche zur Führung von des auf FKW oder FCKW basierenden Kältemittels dienen.
  • Eine besonders deutliche Reduzierung der Druckverluste für das strömende Kältemittel in den Kältemittelkanälen wird erzielt, wenn nach einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, daß die Kanalquerschnittsfläche zwischen 17 mm² und 18,5 mm² liegt aber vorzugsweise 18 mm² beträgt.
  • Einerseits besonders strömungsgünstig ausgebildet und andererseits noch gut fertigbar ist ein Kältemittelkanal, wenn nach einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, daß die Kanalquerschnittsfläche einen hydraulischen Ersatzdurchmesser von etwa 3 mm aufweist, welcher sich aus einer Kanalbreite von 12 mm und einer Kanalhöhe von 2,1 mm ergibt.
  • Besonders günstige Ergebnisse hinsichtlich eines minimierten Druckabfalles für das in den Kältemittelkanälen des Verdampfers strömenden Kältemittels hat sich ergeben, wenn nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, daß das auf Kohlenwasserstoff basierende Kältemittel als Isobutan ausgebildet ist.
  • Besonders zweckmäßig ist ein Verdampfer ausgebildet, wenn nach einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung vorgesehen ist, daß der Verdampfer als aus einem Plattenverbund zusammengesetzte Verdampferplatine mit im sogenannten Rollbondverfahren hergestellten Kältemittelkanälen ausgebildet ist.
  • Entsprechend einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Verdampfer als aus einem Plattenverbund zusammengesetzte Verdampferplatine mit im sogenannten Z-Bondverfahren hergestellten Kältemittelkanälen ausgebildet ist.
  • Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung einen Kältekreislauf mit einem darin eingebundenen, aus zusammengefügten Platinen gefertigten Zweitemperaturen-Verdampfer,
    Fig. 2
    in Ansicht von oben den Zweitemperaturen-Verdampfer in einbaufertigem Zustand, mit in einer der Platinen eingeformten Kältemittelkanälen, in raumbildlicher Darstellung und
    Fig. 3
    in vergrößertem Maßstab einen der Kältemittelkanäle in Schnittdarstellung, gemäß der Schnittlinie III-III.
  • Gemäß Fig. 1 ist ein zu einem nicht dargestellten Haushalts-Kühlschrank mit ***-Gefrierfach gehörender, vereinfacht schematisch dargestellter Kältekreislauf 10 gezeigt, welcher mit einem Verdichter 11 ausgestattet ist. Dieser ist druckseitig an einen Verflüssiger 12 angeschlossen, dessen Berohrung hinsichtlich des durchströmbaren Querschnitts an auf Fluor-Kohlenwasserstoffe oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffe basierende Kältemittel angepaßt ist. An den Verflüssiger 12 schließt sich ausgangsseitig eine Trocknerpatrone 13 an, deren Ausgang mit einem Drosselrohr 14 versehen ist, dessen durchströmbarer Querschnitt an auf der Basis von Fluor-Kohlenwasserstoff oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen gebildeten Kältemittel angepaßt ist. Das Drosselrohr 14 ist über den überwiegenden Teil seiner Rohrlänge innerhalb eines saugseitig an den Verdichter 11 angeschlossenen Saugrohres 15 verlegt, welches zusammen mit dem Drosselrohr 14 an einen für einen sogenannten Einrohranschluß ausgebildeten Verdampfer 16 angeschlossen ist. Dieser ist aus platinenartigem Material gebildet und weist zwei Temperaturzonen auf, welche von einem durchgehenden Kältemittelkanalzug mit vom Verdichter 11 angetriebenen, auf der Basis von Kohlenwasserstoffen gebildeten Kältemittel, wie beispielsweise Isobutan versorgt sind.
  • Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, sind die beiden Abschnitte unterschiedlicher Temperatur des Verdampfers 16 als C-förmig gebogener Gefrierfachverdampfer 17 mit einem über einen Verbindungssteg 18 kältetechnisch damit verbundenen Rückwandverdampfer 19 für ein Normalkühlfach ausgebildet. Der Verdampfer 16 ist im vorliegenden Fall durch Verschweißen von zwei gleichflächigen Aluminium-Blechplatinen 20 und 21 gebildet, von denen die Platine 20 zur Erzeugung von Kältemittelkanälen mit einem deren Verlauf entsprechenden Druck versehen ist, während die Platine 21 unbedruckt ist. Für die bedruckte Aluminium-Blechplatine 20 hat sich zur Erzeugung der Kältemittelkanäle 22 ein Aluminiumblech mit der Bezeichnung AL 99,5 W7 mit einer Materialstärke von 0,75 mm als bereits gut geeignet herausgestellt, währenddessen für die unbedruckte Platine 21 ein Aluminiumblech mit der Bezeichnung AL 1230 und einer Materialstärke von 0,6 mm bereits gute Ergebnisse erbracht hat. Mit den zur Anwendung kommenden Materialien lassen sich im sogenannten Rollbond-Verfahren Kältemittelkanäle 22 herstellen, deren Querschnitt besonders für die Führung von auf Kohlenwasserstoff basierenden Kältemitteln, wie Isobutan mit der Industriebezeichnung R600a geeignet ist und welche eine Querschnittsfläche aufweisen, deren Größe die der bislang bei auf FKW oder FCKW basierenden Kältemittel zum Einsatz gekommene Kanalquerschnittsflächen um 50 % übersteigt. Dadurch kann der durch das Isobutan innerhalb der Kältemittelkanäle 22 verursachte höhrer Volumenstrom des vom Verdichter 11 innerhalb der Kältemittelkanäle 22 bewegten Kältemittels keinen den Wirkungsgrad des Kältekreislaufes 10 deutlich herabsetzenden Druckabfällen innerhalb der Kältemittelkanäle 22 erzeugen. Gute Ergebnisse hinsichtlich eines deutlich verminderten Druckabfalles über die gesamte Länge der Kältemittelkanäle 22 haben sich bei einer Kanalbreite "b" von 12 mm und einer Kanalhöhe "h" von 2,1 mm mit einem hydraulischen Ersatzdurchmesser von 3 mm und mit einer daraus resultierenden Kanalquerschnittsfläche "A" von 18 mm² ergeben, wobei die den Kanalabmessungen üblicherweise anhaftenden Fertigungstoleranzen die positiven Ergebnisse nicht zu schmälern vermögen.
  • Es versteht sich, daß die Erfindung auch auf einen platinenartigen Verdampfer 16 anwendbar ist, dessen Kältemittelkanäle 22 im sogenannten Z-Bondverfahren hergestellt sind.

Claims (8)

  1. Kältegerät mit wenigstens einem Kälteraum, welcher von einem in einem geschlossenen Kältekreislauf eingebundenen, aus einem Plattenverbund gebildeten Verdampfer gekühlt ist, welcher mit Kältemittelkanälen zur Führung des im Kältekreislauf von einem Verdichter angetriebenen Kältemittels ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel in bekannter Weise ein auf Kohlenwasserstoffen basierendes Kältemittel eingesetzt ist, welches in Kältemittelkanälen (22) geführt ist, deren Kanallquerschnitt (A) an den im Vergleich zu den auf Fluor-Kohlenwasserstoffen oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen basierenden Kältemitteln höheren Volumenstrom der auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel weitestgehend angepaßt ist und daß die neben dem Verdampfer (16) im Kältemittelkreislauf (10) vorgesehenen Kältemittel-Fließstrecken (12, 14) hinsichtlich ihres zur Führung von auf Fluor-Kohlenwasserstoffen oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel dienenden durchströmbaren Querschnitts im wesentlichen unverändert sind.
  2. Kältegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalquerschnittsfläche (A) der Kältemittelkanäle (22) zur Führung des auf Kohlenwasserstoff basierenden Kältemittels gegenüber der Kanalquerschnittsfläche der Kältemittelkanäle zur Führung von auf Fluor-Kohlenwasserstoffen oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen basierenden Kältemittel um 25 % bis 50 % vergrößert ist.
  3. Kältegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche (A) der Kältemittelkanäle (22), welche zur Führung des auf Kohlenwasserstoffen basierenden Kältemittels dienen, 50 % gegenüber der Kanalquerschnittsfläche der Kältemittelkanäle beträgt, welche zur Führung des auf Fluor-Kohlenwasserstoffen oder Fluor-Chlorkohlenwasserstoffen basierenden Kältemittels dienen.
  4. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalquerschnittsfläche (A) zwischen 17 qmm und 18,5 qmm liegt aber vorzugsweise 18 qmm beträgt.
  5. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalquerschnittsfläche (A) einen hydraulischen Ersatzdurchmesser von etwa 3 mm aufweist, welcher sich aus einer Kanalbreite (b) von 12 mm und einer Kanalhöhe (h) von 2,1 mm gibt.
  6. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Kohlenwasserstoff basierende Kältemittel als Isobutan ausgebildet ist.
  7. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (16) als aus einem Plattenverbund zusammengesetzte Verdampferplatine mit im sogenannten Rollbond-Verfahren hergestellten Kältemittelkanälen (22) ausgebildet ist.
  8. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdamper (16) als aus einem Plattenverbund zusammengesetzte Verdampferplatine mit im sogenannten Z-Bondverfahren hergestellten Kältemittelkanälen (22) ausgebildet ist.
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