DE10161667C1 - Wärmetauscher aus Kunststoff - Google Patents
Wärmetauscher aus KunststoffInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus Kunststoff, der aus einer Vielzahl von Hohlkammerelementen besteht und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) jeweils aus einem ausgehärteten Fasergewebe (11a) bestehen, wobei zwei Deckschichten (12, 13) über faserförmige Stehfäden (14) beabstandet sind. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher findet vorzugsweise in der chemischen Industrie sowie in der Fahrzeugtechnik Anwendung.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus Kunststoff gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Wärmetauscher sind in der Technik sehr weit verbreitet und werden vielfältig
eingesetzt. Sie werden benötigt, um die Wärme kontinuierlich von einem Strom an
einen anderen Strom zu übertragen. Diese Übertragung soll möglichst effizient er
folgen, und der Wärmetauscher sollte eine möglichst kleine Oberfläche aufweisen.
Meist werden die Wände der Wärmetauscher aus Metall gefertigt. Eine ausführ
liche Beschreibung von gängigen Wärmetauschern findet man z. B. in S. Kakac, H.
Liu, "Heat Exchangers", CRC Press, New York, 1997. Hierbei ist es generell
wichtig, dass alle auftretenden Wärmewiderstände klein gehalten werden. Dies
bedeutet, dass für einen Wärmetauscher mit dünnen Metallwänden besonders die
internen und die externen Wärmeübergangszahlen αi und αa hoch sein müssen,
damit der übertragbare Wärmestrom maximal ist. Bei solchen Situationen spielt
der Wärmewiderstand im Körper nur noch eine untergeordnete Rolle.
Vielfach werden Wärmetauscher jedoch auch in Bereichen eingesetzt, wo die
durchströmenden Medien, zwischen denen Wärme getauscht wird, aggressiv sind
und die Metallwände angreifen. Dies führt zu einem schnellen Ausfall der
Wärmetauscher. Hier kann man Wärmetauscher aus Kunststoff einsetzen. Ein
Beispiel eines solchen Wärmetauschers ist z. B. in EP 0167 938 A1 beschrieben.
Wärmetauscher dieser Art haben neben der Verträglichkeit gegenüber aggressi
ven Medien und einer verminderten Neigung zum Verschmutzen auch noch den
Vorteil, dass sie sehr leicht aus einzelnen Segmenten modular aufbaubar sind und
in der gesamten Formgebung viel mehr Freiraum einräumen als Wärmetauscher
aus Metall. Zudem geht aus DE 199 29 718 A1 eine Wärmespeichermatte aus
Kunststoff als bekannt hervor, mit einer Vielzahl von aus Fasergewebe herstellten
Hohlkammerelementen, in denen Speichermaterial gemeinsam mit einer
Arbeitsmittelführung sowie einem zugehörigen Träger einen flexiblen Verbund
bildet.
Bei den oben beschriebenen Wärmetauschern aus Kunststoff treten jedoch auch deutliche
Nachteile auf. Zunächst einmal spielt bei Wärmetauschern aus Kunststoff der
Wärmewiderstand durch die Kunststoffwand eine wichtige Rolle. Dominiert dieser
Wärmewiderstand, so wird der zu übertragende Wärmestrom zu klein und der
Wärmetauscher aus Kunststoff ist nicht mehr besonders lohnend. Dieser Nachteil ist
insbesondere in der Anordnung gemäß EP 0167 938 A1 ersichtlich, da die Wände bevorzugt
durch Extrusion hergestellt werden.
Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen Wärmetauscher aus Kunststoff liegt darin,
dass der Wärmeübergang im Inneren des Wärmetauschers nur durch Einbringen von
Einbauten angefacht werden kann. Dies ist meist kostenintensiv in der Herstellung.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aus Kunststoff
dahingehend weiter zu entwickeln, dass der Wärmeübertrag im Innern des Wärme
tauschers verbessert ist, wobei der Wäremtauscher einfach und kostengünstig herstellbar
ist.
Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher aus Kunststoff gelöst, der eine Vielzahl von
Hohlkammerelementen aufweist, und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die
Hohlkammerelemente aus einem ausgehärteten Fasergewebe bestehen, wobei jeweils zwei
Deckschichten über faserförmige Stehfäden beabstandet sind.
Durch einen derartigen Aufbau wird die Wandstärke der einzelnen Hohlkammerelemente
des Wäremetauschers im Vergleich zu den bekannten, mittels Extrusion hergestellten
Strukturen deutlich vermindert. Dadurch wird der Wärmeübergang innerhalb des
Wärmetauschers effektiv verbessert. Daneben hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung
den Vorteil, dass durch die Verwendung von Fasergeweben eine leichte Bauweise möglich
ist. Ferner führen die innerhalb des Fasergewebes zwischen den Deckschichten
angeordneten Stehfäden zu einem hohen Maß an Verwirbelung des durch die
Hohlkammerelemente strömenden Mediums, so dass aufgrund von erhöhten Turbulenzen
der Wärmeaustausch ebenso verbessert ist.
Vorzugsweise ist das Fasergewebe eine aus Glas-, Polyester- oder Polyamidfasern
dreidimensional gewobene oder gestickte Struktur, wobei die Deckschichten über die
dreidimensional verwirkte Stehfäden miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil,
dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher einfach herstellbar ist, da eine automatische
Fertigung derartiger Gewebe möglich ist. Dies hat auch zur Folge, dass die
Herstellungskosten im Vergleich zu bekannten Kunststoffwärmetauschern reduziert sind.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht das Fasergewebe aus miteinander
vernähten zweidimensionalen Faser-Deckschichten. Dabei können für Deckschichten und
Nähfäden unterschiedliche Materalien verwendet werden. Zudem können
vorteilhafterweise gezielte Hohlkammerformen eingebracht werden und die
Hohlkammerelemente in der Ebene gekrümmt gestaltet werden.
Zweckmäßigerweise ist die Anzahl, Ausrichtung und/oder Anordnung der Stehfäden
einstellbar. Dadurch ist ein einfaches Anpassen an gewünschte Strukturanforderungen
gewährleistet. Ferner können durch die Wahl der Anzahl, Ausrichtung und/oder
Anordnung der Stehfäden die Turbulenzen innerhalb der einzelnen Hohlkammerelemente
einfach angepasst werden, ohne dass größere Modifikationen des Aufbaus nötig sind.
Dabei kann der zur Verfügung stehende Druckverlust im Wärmetauscher in weiten
Bereichen durch die Stehfadendichte ganz gezielt eingestellt werden.
Vorzugsweise ist das Fasergewebe mittels einem duromeren oder thermoplastischen
Kunstharz ausgehärtet, so dass eine stabile, dreidimensionale Struktur zur Bildung des
jeweiligen Hohlkammerelements zur Verfügung steht. Somit kann durch einen einfachen
Arbeitsschritt die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit, die zur Bildung des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers erforderlich ist, erzielt werden.
Ferner zeichnen sich die Hohlkammerelemente dadurch aus, dass sie durch seitliche Außen
wände geschlossen sind, so dass ein entsprechender Kanal zur Führung des strömenden
Mediums ausgebildet ist. Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform bestehen die
Außenwände durch seitlich zusammengedrücktes Fasergewebe. Alternativ können die
Außenwände z. B. aus zweidimensionalem Fasergewebe, blechförmigen oder anderen
geeigneten Materialien bestehen. Somit sind vorteilhafterweise unterschiedliche
Alternativen zur Ausbildung der seitlichen Außenwände möglich.
Wird die zweite Alternative gewählt, ist es zweckmäßig, die Außenwände nachträglich
seitlich an dem ausgehärteten Fasergewebe mittels Kleben, Klemmen oder anderen
geeigneten Befestigungsmitteln anzubringen.
Vorzugsweise sind die Hohlkammerelemente schicht- und/oder wabenförmig angeordnet.
Somit ist ein modularer Aufbau des Wärmetauschers mit einer großen Vielfalt an
Variationamöglichkeiten gegeben.
Es ist ferner zweckmäßig, die Hohlkammerelemente durch Kleben, Klemmen oder derglei
chen miteinander zu verbinden. Damit können die einzelnen Hohlkammerelemente beliebig
zu einer Wärmetauscherstruktur angeordnet werden, ohne dass durch das Verbinden der
einzelnen Hohlkammerelemente der Wärmeaustausch beeinträchtigt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Hohlkammerelemente zweifachgekrümmt oder lokal
verformt herstellbar sind, so dass die Struktur des Wärmetauschers an bestimmte
Abmessungen oder Platzgegebenheiten anpassbar ist. Dies wird vorzugsweise dadurch
realisiert, dass das dreidimensionale Fasergewebe vor dem Aushärten an die gewünschte
Form bzw. Krümmung angepasst wird, so dass die ausgehärtete Struktur die gewünschte
Form aufweist.
Besonders zweckmäßig ist es, dass mehrere Hohlkammerelemente in integraler
Verbundbauweise herstellbar sind, wobei das mittels Weben oder Sticken hergestellte
Faserverbundgewebe gleich mehrere Deckschichten aufweist, die jeweils über faserförmige
Stehfäden verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet insbesondere in der chemischen Industrie sowie
in der Fahrzeugtechnik Anwendung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen in näheren Einzel
heiten erläutert. In denen zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Wärmetauschers aus Kunststoff gemäß dem Stand der
Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in
Schichtanordnung;
Fig. 3a-d verschiedene Ausgestaltungen der den erfindungsgemäßen Wärmetauscher
bildenden Hohlkammerelemente;
Fig. 4 ein formanpassbares, gekrümmtes Hohlkammerelement;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines Hohlkammerelementes mit zusammengedrückten
Außenwänden;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Fasergewebes gemäß einer alternativen
Ausführungsform; und
Fig. 7 eine Draufsicht auf das in Fig. 6 dargestellte Fasergewebe.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Wärmetauscher aus Kunststoff 1, der aus einer Vielzahl
gestapelter Hohlkammerplatten 2 besteht. Die Hohlkammerplatten 2 sind mittels Extrusion
hergestellt und weisen jeweils eine Vielzahl von Hohlkammern 3 auf. Dabei berühren sich
jeweils die Wände 4, 5 der Hohlkammerplatten 2, und die einzelnen Hohlkammern 3 stehen
über Stege 6 miteinander in Verbindung. Dabei sind die einzelnen Hohlkammerplatten 2
vorzugsweise lediglich im Bereich der Stirnseite miteinander verbunden.
Der Wärmewiderstand dieses bekannten Wärmetauschers 1 wird aufgrund der
Herstellungsweise der Hohlkammerplatten 2 mittels Extrusion durch die Wände 4, 5
dominiert. Ferner kann der Wärmeübergang innerhalb des Wärmetauschers nur durch
Einbringen von zusätzlichen Einbauten angefacht werden.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Wärmetauscher aus Kunststoff gemäß der
vorliegenden Erfindung. Der Wärmetauscher 10 besteht aus einer Vielzahl von
Hohlkammerelementen, die in Fig. 2 jeweils mit Bezugszeichen 11 bezeichnet sind. In
Fig. 2 sind die Hohlkammerelemente 11 schichtförmig angeordnet. Selbstverständlich
kann auch eine wabenförmige oder eine andere geeignete Anordnung gewählt werden.
Ferner kann, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, die Struktur, Dicke etc. der jeweiligen
Holkammerelemente 11 variieren. Jedes einzelne Hohlkammerelement 11 stellt einen Kanal
zum Führen des durch den Wärmetauscher strömenden Mediums dar.
Zur Verdeutlichung der Ausgestaltung der Hohlkammerelemente 11 zeigt Fig. 3 in
schematischer Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen. Die jeweiligen
Hohlkammerelemente 11 bestehen aus einem dreidimensionalen Abstandsgewebe, das
primär aus einem gewobenen oder gestickten Fasergewebe 11a hergestellt wird. Die Fasern
des Gewebes bestehen dabei vorzugsweise aus Glas-, Polyester- oder Polyamidfasern.
Bekanntlicherweise wird z. B. beim Weben durch abwechselndes Heben und Senken von
Kettfäden sowie durch ein Einführen eines Schussfadens in den durch die gesenkten bzw.
gehobenen Kettfäden gebildeten Zwischenraum eine entsprechende Verkreuzung von
Kett- und Schussfäden erzeugt. Dies führt zu den bekannten zweidimensionalen Geweben.
Werden nun in regelmäßigerweise bestimmte Kettfäden dreidimensional verwirkt, entsteht
eine dreidimensionale Struktur, wobei jeweils zwei zweidimensionale Deckschichten 12, 13
über die verwirkten Kettfäden, die im folgenden als Stehfäden 14 bezeichnet werden,
miteinander verbunden sind. Folglich weisen die die Hohlkammerelemente 11
begrenzenden Deckschichten 12, 13 eine deutlich geringere Dicke als bei herkömmlichen
Kunststoffwärmetauschen aus. Die Dicke der Deckschichten 12, 13 beträgt typischerweise
0,5-2 mm, so dass der Wärmeaustausch innerhalb des Wärmetauschers nicht durch die
Wandstärke in ungewünschterweise limitiert ist. Ferner kann die Anzahl, Ausrichtung
und/oder Anordnung der Stehfäden 14 auf einfache Weise variiert werden, wie das sowohl
in Fig. 2 als auch in Fig. 3a bis 3c schematisch dargestellt ist. Alternativ kann eine
kreuzförmige Anordnung der Stehfäden 14 zur Beabstandung der Deckschichten 12, 13
gewählt werden (Fig. 3d). Dies ermöglicht ein einfaches Anpassen an gewünschte
Anforderungen. Die in Fig. 3a-d dargestellten Ausführungsformen dienen jedoch nur der
beispielhaften Erläuterung und schränken den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
nicht ein.
Das so hergestellte Fasergewebe weist zunächst eine stoffartige Struktur auf, so dass es
problemlos an gewünschte Formen anpassbar ist. Um eine für einen Wärmetauscher
geeignete stabile bzw. feste, dreidimensionale Struktur zu erhalten, wird das Fasergewebe
ausgehärtet. Das Aushärten erfolgt typischerweise mit einem duromeren oder
thermoplastischen Kunstharz bei Temperaturen zwischen 60-120°C. Beim Aushärten
stellen sich die Stehfäden automatisch auf, so dass nach dem Aushärten die
zweidimensionalen Deckschichten 12, 13 über die Stehfäden 14 beabstandet sind. Dabei
können zu Hilfszwecken Kunststoffplatten verwendet werden, an denen die
zweidimensionalen Deckschichten vorübergehend befestigt sind, so dass eine
Wellenbildung der Deckschichten wirksam vermieden wird. Alternativ kann, wie bereits
erwähnt, die Flexibilität des nicht ausgehärteten Fasergewebes dazu ausgenutzt werden,
formangepasste Hohlkammerelemente herzustellen. Hierzu wird das Fasergewebe vor dem
Aushärten in die gewünschte Form gebracht, mit geeigneten Mitteln in dieser Form fixiert
und anschließend ausgehärtet, so dass beispielsweise das in Fig. 4 dargestellte gekrümmte
Hohlkammerelement entsteht.
Zum Transport des durch den Wärmetauscher strömenden Mediums müssen die
Hohlkammerelemente 11 selbstverständlich seitlich geschlossen sein. Diese seitlichen
Außenwänden sind in Fig. 3 mit Bezugszeichen 15 und 16 bezeichnet. Die Außenwände
könne dabei auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein. Besonders einfach ist es, vor dem
Aushärten das Fasergewebe seitlich zusammenzudrücken, so dass das in Fig. 5 schematisch
dargestellte seitlich geschlossene Hohlkammerelement entsteht. Alternativ können
zweidimensionale Fasergewebe, blechförmige oder andere gleichermaßen geeignete
Materialien und Strukturen verwendet werden, die in der Regel nach dem Aushärten des
Fasergewebes seitlich an diesem angebracht sind. Dies kann durch Kleben, Klemmen oder
mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel geschehen.
Die so durch die einzelnen Hohlkammerelemente gebildeten Kanäle für das strömende
Medium unterscheidet sich folglich von dem in Fig. 1 skizzierten Stand der Technik
zusätzlich darin, dass innerhalb der Kanäle die Stehfäden 14 verlaufen. Dadurch wird ein
gewisses Maß an Verwirbelung des strömenden Mediums hervorgerufen. Der Grad der
Turbulenzen ist durch Wahl der Anzahl, Ausrichtung, Anordnung der Stehfäden auf
einfache Weise einstellbar. Dies bedeutet aber auch, dass der zur Verfügung stehende
Druckverlust im Wärmetauscher in weiten Bereichen durch die Stehfadendichte gezielt
eingestelltbar ist.
Ferner sei angemerkt, dass der Wärmetauscher gemäß einer alternativen Ausführungsform
in Verbundbauweise bzw. integral hergestellbar ist. Das heißt, dass ein Fasergewebe
hergestellt wird, so gleich mehrere der Deckschichten 12, 13 in alternierender Anordnung
aufweist, die jeweils wiederum über verwirkte Stehfäden 14 miteinander verbunden sind.
Somit sind die einzelnen Hohlkammerelemente 11 bereits durch den Herstellungsprozeß
miteinander verbunden. Anschließend wird das mehrfachschichtförmige Fasergewebe in
seiner Gesamtheit ausgehärtet, so dass eine entsprechende schichtförmige Anordnung
entsteht, ohne dass einzelne Hohlkammerelemente gestapelt oder in anderer Weise
miteinander verbunden werden müssen.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das wie oben beschriebe
ausgehärtete Fasergewebe auch aus miteinander vernähten herkömmlichen,
zweidimensionalen Fasergeweben bestehen. Dies ist in Fig. 6 schematisch dargestellt,
wobei die aus zweidimensionalem Fasergewebe bestehenden Deckschichten wiederum mit
Bezugszeichen 12 und 13 bezeichnet sind und der Näh- bzw. Stehfaden wiederum mit
Bezugszeichen 14. Dabei kann das Vernähen der Deckschichten 12, 13 gezielt erfolgen, so
dass beispielsweise eine wie in Fig. 7 dargestellt Kanalform mit entsprechender
Düsenwirkung erzielt wird. Dabei können unterschiedliche Materialien für Deckschichten
und Fäden verwendet werden. Eine Variation der Anzahl, Ausrichtung, Anordnung etc. der
Fäden 14 ist genauso wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 2 bis 5 beschriebenen
Ausführungsform möglich. Daneben ist auch eine in der Ebene gekrümmte Ausgestaltung
der Hohlkammerelemente auf einfache Weise möglich.
Claims (15)
1. Wärmetauscher aus Kunststoff bestehend aus einer Vielzahl von
Hohlkammerelementen (11), dadurch gekennzeichnet, dass die
Hohlkammerelemente (11) aus einem ausgehärteten Fasergewebe (11a) bestehen,
wobei jeweils zwei Deckschichten (12, 13) über faserförmige Stehfäden (14)
beabstandet sind.
2. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Fasergewebe (11a) eine aus Glas-, Polyester- oder Polyamidfasern dreidimensional
gewobene oder gestickte Struktur ist, wobei die faserförmigen Stehfäden (14)
dreidimensional verwirkte Kettfäden sind.
3. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Fasergewebe (11a) aus miteinander vernähten zweidimensionalen Faser-Deckschichten
(12, 13) besteht.
4. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass Anzahl, Ausrichtung und Anordnung der Stehfäden (14)
einstellbar ist.
5. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Fasergewebe (11a) mittels einem duromeren oder
thermoplastischen Kunstharz ausgehärtete ist, so dass die Hohlkammerelemente (11)
eine stabile, dreidimensionale Struktur aufweisen.
6. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) seitlich durch Außenwände (15,
16) abgeschlossen sind.
7. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Außenwände (15, 16) aus seitlich zusammengedrücktem Fasergewebe (11a) bestehen.
8. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Außenwände (15, 16) aus Fasergewebe, blechförmigen oder anderen geeigneten
Materialien bestehen.
9. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Außenwände (15, 16) mittels Kleben, Klemmen oder anderen geeigneten
Befestigungsmitteln an dem ausgehärtetem Fasergewebe (11a) angebracht sind.
10. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) schicht- und/oder wabenförmig
angeordnet sind.
11. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Hohlkammerelementen (11) durch Kleben,
Klemmen oder dergleichen miteinander verbunden sind.
12. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) eine gekrümmte Form
aufweisen.
13. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) zweifach gekrümmt und/oder
lokal verformt herstellbar sind.
14. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Hohlkammerelemente integral in Verbundbauweise
herstellbar sind.
15. Verwendung des Wärmetauschers aus Kunststoff gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche in der chemischen Industrie oder in der Fahrzeugtechnik.
Priority Applications (1)
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DE2001161667 DE10161667C1 (de) | 2001-12-14 | 2001-12-14 | Wärmetauscher aus Kunststoff |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2001161667 Expired - Fee Related DE10161667C1 (de) | 2001-12-14 | 2001-12-14 | Wärmetauscher aus Kunststoff |
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Legal Events
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130702 |