CN211648388U - 压缩机和制冷设备 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本申请涉及制冷设备技术领域,具体涉及一种压缩机和制冷设备。
背景技术
变频冰箱压缩机因可以在较低转速运行,解决了传统定速压缩机频繁启动,冷冻冷藏室温度波动大,温控精度差,耗电量高的问题,已经得到大力推广普及。从变频冰箱实际使用和制冷控制过程看,新冰箱启用首次上电或任意时刻检测到冷冻温度传感器大于10℃且冷藏温度传感器大于15℃时或在用户放入速冻食物时,都有快速制冷需求,此时变频活塞压缩机都是以最高频率连续运行,直到拉低温程序结束或速冻功能退出,而传统变频活塞压缩机只能运行到75Hz(即4500rpm),提供的冷量受限,往往需要以最高运行频率跑4小时,甚至更长,才能满足各间室温度控制要求,相对长的拉低温或速冻时长,影响了冰箱内食物保鲜度,特别是海鲜、水果等。
另外据统计,大冷量需求时长占用户冰箱使用时长的比例为15~25%左右,其余为中低负荷运行,所以不适合为满足短时的大冷量需求而采用大排量传统变频压缩机,这样只会大马拉小车,增加总耗电量,压缩机成本也增加了,另外大排量传统变频活塞压缩机整体在冰箱中占据空间更大,进而影响冰箱内部的整体布局和储存空间。
如何实现在大幅提升变频活塞压缩机冷量上限的情况下,压缩机保持排量不变,甚至提升排量,是目前压缩机领域难以解决的技术问题。
实用新型内容
因此,本申请要解决的技术问题在于提供一种压缩机和制冷设备,能够在压缩机保持排量不变的情况下,大幅提升变频活塞压缩机冷量上限,大幅度提升整机能效。
为了解决上述问题,本申请提供一种压缩机,包括泵体组件和驱动电机,泵体组件包括转动部分和固定部分,驱动电机与转动部分驱动连接,固定部分包括吸气口和吸气阀片,吸气阀片设置在泵体组件的吸气口处,驱动电机的相间永磁磁链峰峰值ψf范围为:
其中kw1为基波绕组因数,P为电机极对数,吸气阀片的刚度范围为450~600N/m,吸气阀片的固有频率的范围为300~410Hz。
优选地,驱动电机包括转子组件和定子组件,转子组件包括转子铁芯和磁钢,磁钢表贴于转子铁芯的外周壁上。
优选地,转子铁芯的外周壁沿周向设置有多个凸条,各凸条沿转子铁芯的轴向延伸,相邻的凸条之间形成安装槽,磁钢安装在安装槽内,定子组件包括定子铁芯,定子铁芯内设置有转子安装孔,转子组件设置在转子安装孔内。
优选地,磁钢的至少一端沿轴向伸出定子铁芯外,且伸出定子铁芯的长度L的范围为3mm≤L≤5mm。
优选地,磁钢的径向最大厚度H与磁钢的最大外径D2的比值范围为0.22≤2H/D2≤0.26。
优选地,定子铁芯的齿部宽度H1与轭部最小宽度H2之间的比值满足1.3≤H1/H2≤1.5。
优选地,定子铁芯上设置有定子绕组,定子绕组的线圈带漆皮直径大于或等于0.63mm。
优选地,定子组件与转子组件之间的气隙δ≤0.35mm。
优选地,电机的反电势有效值为e,反电势系数Ke=e/(0.128*n*P),单位为V/(rad/s),其中n为反电势为e时所对应的转速,P为电机极对数,Ke满足:
0.06≤Ke≤0.078。
优选地,在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内,磁钢的外周侧包括第一弧线段和位于第一弧线段两端的第一切边段,第一切边段与该磁钢的径向中心线之间的夹角为α,第一弧线段的圆心角为β,定子铁芯包括齿靴,齿靴的内周壁包括第二弧线段和位于第二弧线段两端的第二切边段,第二弧线段的圆心角为λ,其中0.59≤sinβ/sinα≤0.6;1.745≤sinβ/sinλ≤1.755。
优选地,在垂直于转子铁芯的中心轴线的截面内,磁钢的外周侧包括第一弧线段和位于第一弧线段两端的第一切边段,第一切边段与该磁钢的径向中心线之间的夹角为α,其中58.5°≤α≤60.5°。
优选地,定子铁芯的定子冲片和/或转子铁芯的转子冲片的厚度小于或等于0.35mm。
优选地,当压缩机的排量为8.0~9.0cc时,驱动电机的最高转速大于或等于6000rpm,当压缩机的排量为7.0~8.0cc时,驱动电机的最高转速大于或等于6600rpm,当压缩机的排量为6.0~7.0cc时,驱动电机的最高转速大于或等于7200rpm。
根据本申请的另一方面,提供了一种制冷设备,包括压缩机,该压缩机为上述的压缩机。
本申请提供的压缩机,包括泵体组件和驱动电机,泵体组件包括转动部分和固定部分,驱动电机与转动部分驱动连接,固定部分包括吸气口和吸气阀片,吸气阀片设置在泵体组件的吸气口处,驱动电机的相间永磁磁链峰峰值ψf范围为:其中kw1为绕组因数,P为电机极对数,吸气阀片的刚度范围为450~600N/m,吸气阀片的固有频率的范围为300~410Hz。通过限定驱动电机的相间永磁磁链峰峰值ψf的范围,能够提供最优的永磁磁链范围,从而改变磁链值,使得永磁磁链处于合理范围内,降低输出电压对于电机最高转速的限制,使得压缩机能够突破传统压缩机高效运行区间范围和上限转速的限制,实现电机在预定的转速范围内高效率运行,使得压缩机在电机最高转速运行时提供最大冷量,从而能够实现同排量情况下冷量上限大幅拓宽,实现新冰箱启用首次上电或食物需要快速冷冻时,拉低温或速冻时长缩短20%以上,由于电机转速的提高,导致压缩机的运行频率大幅提高,吸气阀片的结构性能无法与压缩机频率的提升相匹配,因此,为了满足冰箱拉低温或速冻时长大幅缩短要求,本申请对吸气阀片刚度和固有频率进行了寻优设计,可以满足电机高转速运行时吸排气阀片跟随电机转速及时闭合,确保高速运转冷量不衰减,甚至提高,吸排气损失功低。通过采用本申请的压缩机,可以实现在同一泵体结构平台下,排量降小20~25%,最大输出制冷量不变;或者压缩机排量不变,最大输出冷量可提升至1.3倍以上。
附图说明
图1为本申请实施例的压缩机的驱动电机的定子铁芯的第一种结构示意图;
图2为本申请实施例的压缩机的驱动电机的定子铁芯的第二种结构示意图;
图3为本申请实施例的压缩机的驱动电机的转子铁芯的结构示意图;
图4为本申请实施例的压缩机的驱动电机的转子铁芯的立体结构示意图;
图5为本申请实施例的压缩机与现有技术中的压缩机的输出转矩比较图;
图6为本申请实施例的压缩机在处于120Hz时的最大制冷量与吸气阀片刚度对应曲线图;
图7为本申请实施例的压缩机的电压极限椭圆与电流极限圆的结构示意图;
图8为本申请实施例的压缩机与传统压缩机的拉低温试验对比图。
附图标记表示为:
1、转子铁芯;2、磁钢;3、凸条;4、定子铁芯;5、第一弧线段;6、第一切边段;7、第二弧线段;8、第二切边段;9、齿靴。
具体实施方式
结合参见图1至图8所示,根据本申请的实施例,压缩机包括泵体组件和驱动电机,所述泵体组件包括转动部分和固定部分,所述驱动电机与所述转动部分驱动连接,所述固定部分包括吸气口和吸气阀片,所述吸气阀片设置在所述泵体组件的吸气口处,所述驱动电机的相间永磁磁链峰峰值ψf范围为:
其中kw1为基波绕组因数,P为电机极对数,所述吸气阀片的刚度范围为450~600N/m,所述吸气阀片的固有频率的范围为300~410Hz。
通过限定驱动电机的相间永磁磁链峰峰值ψf的范围,能够提供最优的永磁磁链范围,从而改变磁链值,使得永磁磁链处于合理范围内,降低输出电压和输出电流对于电机最高转速的限制,使得压缩机能够突破传统压缩机高效运行区间范围和上限转速的限制,实现电机在预定的转速范围内高效率运行,使得压缩机在电机最高转速运行时提供最大冷量,从而能够实现同排量情况下冷量上限大幅拓宽,实现新冰箱启用首次上电或食物需要快速冷冻时,拉低温或速冻时长缩短20%以上,由于电机转速的提高,导致压缩机的运行频率大幅提高,吸气阀片的性能无法与压缩机频率的提升相匹配,因此,为了满足冰箱拉低温或速冻时长大幅缩短要求,本申请对吸气阀片刚度和固有频率进行了寻优设计,可以满足电机高转速运行时吸排气阀片跟随电机转速及时闭合,确保高速运转冷量不衰减,甚至提高,吸排气损失功低。通过采用本申请的压缩机,可以实现在同一泵体结构平台下,排量降小20~25%,最大输出制冷量不变;或者压缩机排量不变,最大输出冷量可提升至1.3倍以上。
如想提高变频活塞压缩机运行最高转速和额定点能效,关键需要解决两个问题:
(1)由于变频控制器输出电压、输出电流的极限值限制,如想运行到更高频率,永磁同步电机永磁磁链需要降低,导致最大输出转矩下降,电机效率也随之下降;
(2)压缩机泵体在采用较传统压缩机更高的高转速进行运转的情况下,原有的吸排气阀片吸排气损失功增大,不能及时开启和关闭,造成压缩机功耗和制冷量都有恶化,整机能效有较大下降。
因此,如果想要提高压缩机运行最高转速和额定点能效,需要从磁链和吸气阀片两个方面来进行考虑。
变频活塞压缩机电机一般为隐极式永磁同步电机,表贴式转子结构,d轴和q轴电感近似,同时变频控制器往往采用id=0的控制方式,由电磁转矩公式Tem=Pψfiq+p(Ld-Lq)idiq,可知磁阻转矩为0,所以电机输出电磁转矩Tem与永磁磁链ψf直接相关,优化永磁磁链ψf即可实现最优输出转矩。
此外变频控制器通常都遵循电压极限椭圆和电流极限圆(图2),电压极限圆与电流极限圆交集部分,为电机可运行范围,由此可知,在控制器输出端电压、电流极限的情况下,转速有最高转速。
本申请通过对磁链进行优化,通过降低磁链的方式来降低反电势,在反电势降低之后,随着电机转速的提高,最高转速对应的反电势较优化前降低,因此,当反电势达到极限值时,电机转速可以达到更高的转速值,通过这种方式,能够有效突破传统压缩机的限制,使得电机转速上限得到大幅度提高,从而提高压缩机的运行频率,突破传统变频活塞压缩机高效运行区间范围和上限转速,实现在预定的转速范围内电机高效区间面积大,并且最高效率点提升,实现最高运行转速可达7200rpm,即120Hz,同排量情况下冷量上限大幅拓宽。
例如,降低磁链前1000rpm的反电势为10V,7200rpm时则为72V,降低之后1000rpm时为5V,7200rpm时为36V,由此,可以降低其反电势,使得最大转速能够得到有效提高。
本申请同时基于压缩机泵体各零部件研究,特别是吸排气阀片刚度及固有频率的变化,对吸排气功损耗、动态响应能力和回流率的影响,以高速情况下冷量冷量不衰减为目标,提出一种最优的吸排气阀参数。这样本申请压缩机在拓宽了最高运行转速范围的同时,整机能效相比传统变频活塞压缩机实现大幅度提升。
本申请基于对压缩机泵体结构参数和电机参数的长期研究及大量实验,得出满足宽频段的运行的压缩机泵体结构参数和电机参数相互关联的对应关系,基于此参数链关系设计的电机及其压缩机,可以实现最大转速是传统压缩机转速的1.7倍。
通过对于磁链运行区间和吸气阀片的结构优化,可以实现在电压、电流限制下的高转速运行,同时在预定的转速范围内电机高效区间面积大,并且最高效率点提升。
对于这种高速变频活塞压缩机,通过研究及大量测试数据表明,高速区域的冷量与吸气阀片刚度有直接关系,应用的高速区域范围不同,其对应的最优阀片刚度不同,吸排气损失功也能得到降低。
基于该分析,结合图6所示,当压缩机运行在120Hz工况下,当吸气阀片的刚度大于或等于450N/m之后,压缩机的制冷量输出基本上变化不大,因此,本申请将高速运行下的吸气阀片刚度范围限定在450~600N/m,从而既能够保证压缩机在高频运行工况下,具有较高的制冷量,满足压缩机的制冷量输出能力,又能够避免吸气阀片刚度过高导致产生性能浪费,过于提高阀片成本,从而能够在成本和性能上达到较优的均衡。
通过采用本申请的上述方案,可以提供最优的永磁磁链范围,实现电机在预定的转速范围内高效率运行,另外在最高转速运行时提供最大冷量,为了能够满足冰箱拉低温或速冻时长大幅缩短要求,对吸气阀片刚度和固有频率寻优设计,以满足电机高转速运行时吸排气阀片可以跟随电机转速及时闭合,确保高速运转冷量不衰减,甚至提高,吸排气损失功低。
驱动电机包括转子组件和定子组件,转子组件包括转子铁芯1和磁钢2,磁钢2表贴于转子铁芯1的外周壁上。
在本实施例中,转子铁芯1的外周壁沿周向设置有多个凸条3,各凸条3沿转子铁芯1的轴向延伸,相邻的凸条3之间形成安装槽,磁钢2安装在安装槽内,定子组件包括定子铁芯4,定子铁芯4内设置有转子安装孔,转子组件设置在转子安装孔内。
磁钢2的至少一端沿轴向伸出定子铁芯4外,且伸出定子铁芯4的长度L的范围为3mm≤L≤5mm。
对于驱动电机而言,由于反电势e=Ndφ/dt=dλ/dt,因此,影响电机反电势的除了时变磁通之外,就是线圈匝数N,想要降低反电势,可以考虑降低线圈匝数N,然而,如果降低线圈匝数N,就会导致磁链降低,进而导致电机的最大输出转矩降低,因此,为了避免电机的输出转矩降低,可以加大磁钢2的轴向长度,使得磁钢2沿轴向伸出定子铁芯4,从而在降低线圈匝数的基础上实现反电势的降低,保证电机的最大转速可以有效提高,并可以避免磁链降低,保证电机的输出转矩,提高电机的工作性能。
磁钢2的径向最大厚度H与磁钢2的最大外径D2的比值范围为0.22≤2H/D2≤0.26。
定子铁芯4的齿部宽度H1与轭部最小宽度H2之间的比值满足1.3≤H1/H2≤1.5。
由于磁链值是由转子产生的磁通与定子绕组交链产生的,所以针对磁链范围的设计则需要从定子、转子两方面综合考虑。从转子侧考虑,磁通大小直接与磁钢有关,磁钢的切边决定了转矩脉动的大小,磁钢的厚度则决定了定子绕组所能交链磁通的大小,通过仿真及实验分析,当磁钢满足厚度与磁钢最大半径比为0.22~0.26时,可满足相间磁链值得要求。从定子侧考虑,磁通大小直接与绕组匝数有关,而定子有效槽面积的大小又直接影响了绕组匝数,在电机外形已确定的前提下,齿部宽度和轭部宽度的占比又直接影响了槽面积,通过分析可知在齿部和轭部宽度比为1.3~1.5时,可满足反电势系数的范围。
定子铁芯4上设置有定子绕组,定子绕组的线圈带漆皮直径大于或等于0.63mm。因为电机定子槽面积相同,槽满率不变的,当为了降低磁链而降低匝数时,绕组线径相应增大,能够有效保证定子绕组的槽满率。
定子组件与转子组件之间的气隙δ≤0.35mm,即δ=(D1-D2)/2≤0.35mm,可以有效的提高电机转矩输出能力,结合参见图5所示,在额定电流0.9A时,电机采用0.35mm气隙比0.5mm气隙输出转矩提高了4%。
电机的反电势有效值为e,反电势系数Ke=e/(0.128*n*P),单位为V/(rad/s),其中n为反电势为e时所对应的转速,P为电机极对数,Ke满足:0.06≤Ke≤0.078。
通过限定反电势系数,能够保证所确定的电机可以满足宽频运行的关系,使得反电势与转速之间的关系能够满足电机高速运行的需求。
对于本申请而言,当电机型号确定时,电机极对数P值确定,能够影响反电势系数的因素为反电势e以及该反电势e所对应的转速n,因此,当限定合理的反电势系数之后,1000rpm时反电势e与转速n之间的关系成反比,而通过对电机磁链进行控制,能够有效降低反电势e,相应的,可以大幅提升电机转速n,满足压缩机快速制冷时的转速要求,满足压缩机的高频运行需求。
当电机转速n确定时,此时反电势系数Ke与反电势e之间呈正比,因此需要限定Ke的最大值,从而避免反电势e过大而导致对电机转速形成限制,同时当Ke过小时,也可能导致反电势降低,进而导致线圈匝数降低,电流增大,控制器损耗增大,电机整体效率降低,因此,通过合理限定反电势系数Ke的上限值和下限值,能够避免反电势过低导致控制器损耗过大,电机整体效率降低的问题,同时也能够避免反电势过大而导致电机转速无法有效提供的问题,可以使得电机转速和电机工作性能之间能够达到较优的均衡,提高电机工作的整体能效。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内,磁钢2的外周侧包括第一弧线段5和位于第一弧线段5两端的第一切边段6,第一切边段6与该磁钢2的径向中心线之间的夹角为α,第一弧线段5的圆心角为β,定子铁芯4包括齿靴9,齿靴9的内周壁包括第二弧线段7和位于第二弧线段7两端的第二切边段8,第二弧线段7的圆心角为λ,其中0.59≤sinβ/sinα≤0.6;1.745≤sinβ/sinλ≤1.755。
通过限定上述结构,能够有效降低电机的转矩脉动,通过实验证明,在该限定范围内,转矩脉动可以有效的从17%降低到2%。
在垂直于转子铁芯1的中心轴线的截面内,磁钢2的外周侧包括第一弧线段5和位于第一弧线段5两端的第一切边段6,第一切边段6与该磁钢2的径向中心线之间的夹角为α,其中58.5°≤α≤60.5°。
通过增加磁钢切边,可以与定子铁芯4上的切边相互配合,有效地降低转矩脉动,减小由电磁力引起的噪声振动。
优选地,定子铁芯4的定子冲片和/或转子铁芯1的转子冲片的厚度小于或等于0.35mm,能够有效降低铁损,提高电机效率。
当压缩机的排量为8.0~9.0cc时,驱动电机的最高转速大于或等于6000rpm,当压缩机的排量为7.0~8.0cc时,驱动电机的最高转速大于或等于6600rpm,当压缩机的排量为6.0~7.0cc时,驱动电机的最高转速大于或等于7200rpm。
由于压缩机的制冷量同时受到压缩机排量和电机转速的影响,因此,如果要保持压缩机的制冷量不变,需要在压缩机的排量降低时,提高电机转速,在压缩机的排量升高时,降低电机转速,从而能够使得压缩机的排量与转速之间形成良好的匹配,保证压缩机的制冷性能。
本申请的压缩机尤其适用冷媒R600a、R134a或R290。
对于kw1而言,电机槽极比为3:2时,kw1=0.866;槽极比为6:5时,kw1=0.933,其它槽极比均按已知公知技术的绕组因数计算方法计算。
本申请的压缩机,其驱动电机在最大转速大于或等于6000rpm。
本申请的压缩机,其运行频率最大值大于80Hz。
根据本申请的实施例,制冷设备包括压缩机,该压缩机为上述的压缩机。
该制冷设备例如为冰箱或者冰柜等。
本领域的技术人员容易理解的是,在不冲突的前提下,上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (14)
2.根据权利要求1所述的压缩机,其特征在于,所述驱动电机包括转子组件和定子组件,所述转子组件包括转子铁芯(1)和磁钢(2),所述磁钢(2)表贴于所述转子铁芯(1)的外周壁上。
3.根据权利要求2所述的压缩机,其特征在于,所述转子铁芯(1)的外周壁沿周向设置有多个凸条(3),各所述凸条(3)沿所述转子铁芯(1)的轴向延伸,相邻的所述凸条(3)之间形成安装槽,所述磁钢(2)安装在所述安装槽内,所述定子组件包括定子铁芯(4),所述定子铁芯(4)内设置有转子安装孔,所述转子组件设置在所述转子安装孔内。
4.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,所述磁钢(2)的至少一端沿轴向伸出所述定子铁芯(4)外,且伸出所述定子铁芯(4)的长度L的范围为3mm≤L≤5mm。
5.根据权利要求2所述的压缩机,其特征在于,所述磁钢(2)的径向最大厚度H与所述磁钢(2)的最大外径D2的比值范围为0.22≤2H/D2≤0.26。
6.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,所述定子铁芯(4)的齿部宽度H1与轭部最小宽度H2之间的比值满足1.3≤H1/H2≤1.5。
7.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,所述定子铁芯(4)上设置有定子绕组,所述定子绕组的线圈带漆皮直径大于或等于0.63mm。
8.根据权利要求2所述的压缩机,其特征在于,所述定子组件与所述转子组件之间的气隙δ≤0.35mm。
9.根据权利要求2所述的压缩机,其特征在于,所述电机的反电势有效值为e,反电势系数Ke=e/(0.128*n*P),单位为V/(rad/s),其中n为反电势为e时所对应的转速,P为电机极对数,Ke满足:
0.06≤Ke≤0.078。
10.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的截面内,所述磁钢(2)的外周侧包括第一弧线段(5)和位于所述第一弧线段(5)两端的第一切边段(6),所述第一切边段(6)与该磁钢(2)的径向中心线之间的夹角为α,所述第一弧线段(5)的圆心角为β,所述定子铁芯(4)包括齿靴(9),所述齿靴(9)的内周壁包括第二弧线段(7)和位于所述第二弧线段(7)两端的第二切边段(8),所述第二弧线段(7)的圆心角为λ,其中0.59≤sinβ/sinα≤0.6;1.745≤sinβ/sinλ≤1.755。
11.根据权利要求2所述的压缩机,其特征在于,在垂直于所述转子铁芯(1)的中心轴线的截面内,所述磁钢(2)的外周侧包括第一弧线段(5)和位于所述第一弧线段(5)两端的第一切边段(6),所述第一切边段(6)与该磁钢(2)的径向中心线之间的夹角为α,其中58.5°≤α≤60.5°。
12.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,所述定子铁芯(4)的定子冲片和/或所述转子铁芯(1)的转子冲片的厚度小于或等于0.35mm。
13.根据权利要求1所述的压缩机,其特征在于,当所述压缩机的排量为8.0~9.0cc时,所述驱动电机的最高转速大于或等于6000rpm,当所述压缩机的排量为7.0~8.0cc时,所述驱动电机的最高转速大于或等于6600rpm,当所述压缩机的排量为6.0~7.0cc时,所述驱动电机的最高转速大于或等于7200rpm。
14.一种制冷设备,包括压缩机,其特征在于,所述压缩机为权利要求1至13中任一项所述的压缩机。
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CN201922270531.3U CN211648388U (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 压缩机和制冷设备 |
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CN201922270531.3U CN211648388U (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 压缩机和制冷设备 |
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CN201922270531.3U Active CN211648388U (zh) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | 压缩机和制冷设备 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |