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Die
Erfindung betrifft eine Kühlanlage mit einem Kältemittelkreislauf,
der mehrere Verdampferstrecken und einen eine Verteilung von Kältemittel auf
die Verdampferstrecken bewirkenden Verteiler aufweist, der für
jede Verdampferstrecke ein ansteuerbares Ventil aufweist.
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Eine
derartige Kühlanlage ist aus
DE 195 47 744 A1 bekannt.
Die bekannte Kühlanlage weist einen einzelnen Verdichter
und einen einzelnen Kondensator, jedoch zwei voneinander getrennt
ausgebildete Verdampfer auf. Der vom Kompressor geförderte
Kältemittelstrom wird nach dem Kondensator und vor den
Expansionsventilen mit Hilfe eines 3/2-Wegeventils in zwei Teilströme
aufgeteilt, wobei die Stellung des 3/2-Wegeventils von einer Reglereinheit
gesteuert wird. Mit dieser Ausbildung ist allerdings nur eine Aufteilung
des Kältemittelstromes auf zwei Verdampfungsstrecken möglich.
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Um
mehrere Verdampfungsstrecken versorgen zu können, ist aus
US 5,832,744 eine Kühlanlage
bekannt, bei der der Verteiler zwischen einem Kältemitteleinlass
und mehreren Kältemittelauslässen ein Ventil aufweist,
dem eine rotierende Turbinenscheibe nachgeschaltet ist. Die Turbinenscheibe
soll dafür sorgen, dass das Kältemittel gleichmäßig
auf alle Ausgänge des Verteilers und damit auch gleichmäßig
auf alle Verdampfer verteilt wird.
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Ein
derartiger Verteiler sichert zwar theoretisch eine gleichmäßige
Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Verdampfer.
Allerdings bewirken bereits kleine Unterschiede in Abmessungen,
die sich beispielsweise bei der Herstellung ergeben können,
dass das Kältemittel ungleichförmig auf die einzelnen
Verdampfer verteilt wird. Darüber hinaus ist es bei derartigen
Verteilern erforderlich, dass die einzelnen Verdampfer im Grunde
die gleiche thermische Belastung und auch den gleichen Strömungswiderstand
haben. Wenn dies nicht der Fall ist, kann der Fall auftreten, dass
ein Verdampfer zu viel Kältemittel erhält, so
dass das Kältemittel nicht vollständig verdampft
wird, bevor es durch den Verdampfer hindurch gelaufen ist. Ein anderer
Verdampfer, der an den gleichen Verteiler angeschlossen ist, kann
zu wenig Kältemittel erhalten, so dass der Verdampfer die
gewünschte Kälteleistung nicht erbringen kann. Die Überversorgung
bzw. die Unterversorgung der Verdampfer kann vor allem dann zu Schwierigkeiten führen,
wenn Temperatursensoren, die an den Verdampfern oder anderen Stellen
der Kühlanlage angeordnet sind, ein Expansionsventil steuern.
Das Expansionsventil kann unter ungünstigen Umständen
in Eigenschwingungen ver setzt werden, was die Kapazität
und die Effektivität der Kühlanlage weiter verschlechtert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen
gewünschten Betrieb der Kühlanlage zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Kühlanlage der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass der Verteiler ein Gehäuse
und einen im Gehäuse drehbar gelagerten Rotor aufweist,
dessen Umfang mindestens einen radial gerichteten Vorsprung aufweist,
der mit jeweils einem Ventilelement eines Ventils zusammen wirkt.
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Wenn
im Folgenden von einer "Kühlanlage" die Rede ist, dann
ist dieser Begriff weit zu verstehen. Er umfasst insbesondere Kühlsysteme,
Gefriersysteme, Klimaanlagen und Wärmepumpen. Der Begriff "Kühlanlage"
wurde lediglich zur Vereinfachung verwendet. Die Verdampferstrecken
können in unterschiedlichen Verdampfern angeordnet sein.
Die Erfindung wird aus Gründen der Einfachheit im Zusammenhang
mit mehreren Verdampfern erläutert. Die Erfindung ist aber
auch anwendbar, wenn ein Verdampfer mehrere einzeln oder gruppenweise
ansteuerbare Verdampferstrecken aufweist.
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Der
Verteiler weist also für jede Verdampferstrecke ein ansteuerbares
Ventil auf, dass durch den radial gerichteten Vorsprung des Rotors
gesteuert werden kann. Damit ist es möglich, die einzelnen
Verdampferstrecken individuell zu steuern, d. h. es ist möglich,
jedem Verdampfer die Menge an Kältemittel zuzuführen,
die er benötigt. Man muss keine Rücksicht mehr
darauf nehmen, dass die Verdampfer alle den gleichen Strömungswiderstand
haben. Auch ist es von untergeordneter Bedeutung, wenn die Verdampfer
unterschiedliche Kälteleistung abgeben müssen.
Ein Verdampfer, bei dem eine größere Kälteleistung
erforderlich ist, bekommt entsprechend mehr Kältemittel
als ein Verdampfer, der wenig Kälteleistung erbringen muss.
Man muss lediglich dafür sorgen, dass das Ventil des Verdampfers,
der mehr Kältemittel benötigt, bei einer Umdrehung
des Rotors für eine längere Zeit geöffnet
bleibt als bei einem Verdampfer, der weniger Kältemittel
benötigt. Da der Rotor einen radial gerichteten Vorsprung
aufweist, reicht es aus, wenn der Rotor in radialer Richtung stabil
genug abgestützt ist. Alle anderen Lagerungen können dann
relativ einfach ausgebildet werden, weil die hier wirkenden Kräfte
klein sind. Ein radial gerichteter Vorsprung lässt sich
auch relativ einfach fertigen, beispielsweise in Form eines Nockens.
Man kann mehr als zwei Verdampferstrecken mit geringem Aufwand versorgen.
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Vorzugsweise
sind die Ventilelemente bezogen auf die Rotationsachse des Rotors
radial bewegbar. Damit kann die Wirkung des radial gerichteten Vorsprungs
unmittelbar in eine Bewegung des Ventilelements umgesetzt werden.
Dies vereinfacht den Aufbau des Verteilers. Wenn die Ventilelemente
radial bewegbar sind, dann steht ausreichend Platz für die
Anordnung der Ventilelemente zur Verfügung.
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Vorzugsweise
weist jedes Ventilelement eine Rückstellfeder auf, die
das Ventilelement in Richtung auf einen Ventilsitz drückt.
Das Ventil bleibt also ohne die Wirkung des Nockens oder radialen
Vorsprungs am Rotor ge schlossen. Erst, wenn der Vorsprung auf das
Ventilelement wirkt, wird es gegen die Kraft der Rückstellfeder
vom Ventilsitz abgehoben und öffnet damit das Ventil.
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Vorzugsweise
ist die Rückstellfeder in einem Käfigeinsatz abgestützt,
der in einer Auslassöffnung des Gehäuses angeordnet
ist. Der Käfigeinsatz ist einerseits in der Lage, die Rückstellfeder
so zu unterstützen, dass sie die notwendige Schließkraft
auf das Ventilelement ausüben kann. Andererseits weist
der Käfigeinsatz auch eine oder mehrere ausreichend groß dimensionierte
Durchlassöffnungen auf, so dass Kältemittel, das
durch einen Spalt zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz
strömt, auch durch den Käfigeinsatz hindurch in
den entsprechenden Auslass des Verteilers strömen kann.
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Bevorzugterweise
weist der Käfigeinsatz eine Führungsöffnung
für das Ventilelement auf, in der ein Schaft des Ventilelements
geführt ist. Der Käfigeinsatz stützt
also nicht nur die Rückstellfeder ab, sondern er führt
das Ventilelement auch linear, so dass das Ventilelement gegenüber
dem Ventilsitz nicht oder nur in einem zulässigen Maße
kippen kann. Damit wird sichergestellt, dass das Ventil dicht schließen
kann.
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Vorzugsweise
ist der Käfigeinsatz mit Presssitz in der Auslassöffnung
angeordnet. Dies ermöglicht eine relativ einfache Herstellung.
Der vormontierte Käfigeinsatz mit Rückstellfeder
und Ventilelement wird einfach in die Auslassöffnung des
Gehäuses eingepresst. Die dabei entstehenden Reibungskräfte
reichen aus, um den Käfigeinsatz im Gehäuse festzuhalten.
Die auf den Käfigeinsatz wirkenden Kräfte sind
ohnehin relativ gering. Sie set zen sich bei geöffnetem
Ventilelement zusammen aus der Kraft der Rückstellfeder
und dem Druck, der vom Kältemittel auf das Ventilelement
ausgeübt wird.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem Rotor und jedem Ventilelement ein Stößel
angeordnet. Der Stößel bildet ein Übertragungselement
zwischen dem Rotor und dem Ventilelement. Dies ermöglicht
es, bei einem relativ kleinen Rotor auch Ventile dann zu betätigen,
wenn sie auf einem größeren Radius angeordnet
sind. Damit schafft man die Möglichkeit, eine ausreichende
Anzahl von Ventilen unterzubringen. Darüber hinaus hat
man größere konstruktive Freiheiten.
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Hierbei
ist bevorzugt, dass der Stößel eine Länge
aufweist, die kürzer ist als eine Entfernung zwischen einem
Ventilelement, das am Ventilsitz anliegt, und dem Rotor außerhalb
des Vorsprungs. Bei geschlossenem Ventil besteht also ein Spiel
zwischen dem Stößel und dem Rotor. Damit kann
man sicherstellen, dass das Ventil auf jeden Fall geschlossen bleibt,
wenn der Stößel nicht von dem radialen Vorsprung
am Rotor beaufschlagt ist. Das Spiel kann so dimensioniert werden,
dass im gesamten Temperaturbereich, für den der Verteiler
zugelassen ist, sichergestellt ist, dass die Ventile sicher schließen.
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Vorzugsweise
weist das Gehäuse in einer Kammer, die einen Verteilereinlass
mit den Ventilen verbindet, einen umlaufenden Vorsprung auf, durch den
die Stößel hindurch geführt sind. Der
Vorsprung kann in Umfangsrichtung auch unterbrochen sein, solange
sichergestellt ist, dass für jedes Ventil eine Bohrung
oder ein Durch lass vorhanden ist, durch den der Stößel
geführt ist. Durch die Kammer wird die Verteilung von Kältemittel
auf die einzelnen Ventile bewirkt.
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In
einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann
vorgesehen sein, dass die Stößel in einem Stößel-Haltering
gehalten sind. Der Stößel-Haltering ist in das
Gehäuse eingesetzt. Wenn er zusammen mit dem umlaufenden
Vorsprung verwendet wird, dann ist sichergestellt, dass die Stößel
an zwei in Bewegungsrichtung einen Abstand aufweisenden Stellen
abgestützt sind. Damit lässt sich auf Dauer sicherstellen,
dass die Stößel und die Ventilelemente immer eine
vorbestimmte Ausrichtung zueinander behalten.
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Vorzugsweise
weisen die Stößel an ihren dem jeweiligen Ventilelement
zugewandten Ende eine Durchmesserverringerung auf. Der Stößel
kann also über den größten Teil seiner
Länge mit einem ausreichend großen Durchmesser
versehen sein, so dass er die Druckkräfte, die vom Vorsprung
des Rotors auf das jeweilige Ventilelement übertragen werden,
aufnehmen kann. Wenn er an seiner Spitze eine Verjüngung
aufweist, dann ist er in der Lage, weit genug durch die Öffnung
hindurch zu treten, an deren Außenseite der Ventilsitz
gebildet ist. Damit ist es möglich, die Ventile ausreichend
weit zu öffnen, so dass der Strömungswiderstand
für das Kältemittel klein gehalten werden kann.
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Bevorzugterweise
ist jedes Ventilelement konusförmig ausgebildet. Damit
lässt sich auf einfache Weise eine Abdichtung zwischen
Ventilsitz und Ventilelement erreichen. Das Ventilelement kann darüber hinaus
ein Stück weit durch die Öffnung geführt
werden, an deren Außenseite der Ventilsitz ausgebildet ist,
so dass es leicht von dem Stößel erreicht werden kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kühlanlage mit mehreren
Verdampfern,
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2 einen
Verteiler in perspektivischer Darstellung von außen,
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3 den
Verteiler in Draufsicht ohne Motor,
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4 eine
vergrößerte Darstellung des Rotors mit Vorsprung,
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5 eine
Schnittdarstellung eines Ventils,
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6 einen
vergrößerten Ausschnitt aus 5 und
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7 eine
perspektivische Darstellung eines Ventilelements in einem Käfigeinsatz.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Kühlanlage 1,
bei der ein Verdichter 2, ein Kondensator 3, ein
Sammler 4, ein Verteiler 5 und eine Verdampferanordnung 6 mit
mehreren parallel angeordneten Verdampfern 7a–7d in
einem Kreislauf zusammengeschaltet sind. Die Verdampferanordnung 6 kann
auch einen einzelnen Verdampfer aufweisen, der mehrere Verdampferstre cken
aufweist, die einzeln oder gruppenweise angesteuert werden sollen. Es
ist auch möglich, die Verdampferanordnung 6 mit mehreren
Verdampfern vorzusehen, von denen mindestens einer mehrere Verdampferstrecken
aufweist.
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In
an sich bekannter Weise verdampft flüssiges Kältemittel
in den Verdampfern 7a–7d, wird durch
den Verdichter 2 komprimiert, im Kondensator 3 verflüssigt
und im Sammler 4 gesammelt. Der Verteiler 5 ist
dafür vorgesehen, das flüssige Kältemittel auf
die einzelnen Verdampfer 7a–7d zu verteilen.
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Am
Ausgang eines jeden Verdampfers 7a–7d ist
ein Temperatursensor 8a–8d angeordnet. Der
Temperatursensor 8a–8d ermittelt die
Temperatur des den Verdampfer 7a– 7d verlassenden
Kältemittels. Diese Temperatur-Information wird an eine Steuereinheit 9 weiter
geleitet, die in Abhängigkeit von den Temperatursignalen
der Temperatursensoren 8a–8d den Verteiler 5 steuert.
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Die 2 bis 7 zeigen
nun den Verteiler 5 in teilweise schematisierter Darstellung.
Der Verteiler 5 weist einen Antriebsmotor 10 auf,
der beispielsweise als Schrittmotor ausgebildet ist. Der Antriebsmotor 10 ist
auf ein Gehäuse 11 aufgesetzt, das einen in 2 nicht
sichtbaren Eingang und mehrere Ausgänge 12 aufweist.
Im Motor 10 kann die Steuereinheit 9 integriert
sein. Es ist aber auch möglich, die Steuereinheit 9 getrennt
vom Motor 10 anzuordnen und den Motor 10 lediglich
mit Signalen von der Steuereinheit 9 zu versorgen.
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3 zeigt
den Verteiler 5 von oben, wobei der Motor 10 entfernt
worden ist, so dass man in das Innere des Verteilers hinein sehen
kann. Der Motor 10 dient, wie dies in 2 zu
erkennen ist, gleichzeitig als Deckel für das Gehäuse.
Zwischen dem Motor 10 und dem Gehäuse 11 ist
eine Dichtung 13 angeordnet, die verhindert, dass Kältemittel
aus dem Gehäuse 11 entweichen kann.
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Der
Motor 10 treibt einen Rotor 14 an, der im Gehäuse 11 angeordnet
ist. Der Rotor 14 weist einen radialen Vorsprung 15 auf,
der die Form eines Nockens mit zwei abgeschrägten Flanken 16, 17 hat. Wenn
sich der Rotor 14 dreht, dann wirkt der Vorsprung 15 jeweils
auf einen Stößel 18 und lenkt diesen
radial nach außen aus. Die Stößel 18 sind
in einem Stößel-Haltering 19 gehalten.
Wie aus 5 hervorgeht, weist das Gehäuse 11 einen
Vorsprung 20 auf, der in eine Verteilerkammer 21 ragt.
Die Stößel 18 sind in dem Vorsprung 20 ein
weiteres Mal gehalten.
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Die
Verteilerkammer 21 verbindet den Eingang mit den Ventilen 22,
von denen jeweils eines für jeden Ausgang 12 vorgesehen
ist. Bei einem Vorsprung 15 am Rotor 14 kann also
eines der sechs Ventile 22 geöffnet sein. Die Öffnungsdauer
bestimmt die Menge an Kältemittel, die durch das entsprechende
Ventil und damit den entsprechenden Ausgang 12 abströmen
kann.
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Die
Ventile 22 sind untereinander gleich aufgebaut. Jedes Ventil 22 weist
ein Ventilelement 23 auf, das mit einem Ventilsitz 24 zusammen
wirkt. Das Ventilelement 23 weist einen konusförmig
ausgebildeten Kopf 25 auf, der durch eine Gehäusewand 26 hindurch
geführt ist, an deren radialer Außenseite der Ventilsitz 24 angeordnet
ist.
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Das
Ventilelement 23 wird mit seinem Kopf 25 durch
die Kraft einer Rückstellfeder 27 in Richtung auf
den Ventilsitz 24 gedrückt. Die Rückstellfeder 27 greift
an der radial äußeren Seite des Kopfes 25 an. Von
dort erstreckt sich auch ein Schaft 28 des Ventilelements 23 radial
nach außen. Der Schaft 28 hat einen geringeren
Durchmesser als der Kopf 25, so dass die Rückstellfeder 27 eine
ausreichende Anlagefläche hat.
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Die
Rückstellfeder 27 ist mit ihrem anderen Ende an
einem Käfigeinsatz 29 abgestützt, der
in eine Auslassöffnung 30 eingepresst ist. Der
Käfigeinsatz 29 sitzt also mit einer Presspassung
im Gehäuse 11. Wie aus 7 zu erkennen
ist, weist der Käfigeinsatz 29 mehrere Beine 31 auf,
mit denen er im Gehäuse 11 gehalten ist. Dazwischen
befinden sich Zwischenräume, durch die Kältemittel
bei geöffnetem Ventil 22, also vom Ventilsitz 24 abgehobenen
Ventilelement 23, in den entsprechenden Ausgang 12 strömen
kann.
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Der
Käfigeinsatz 29 weist eine Führungsöffnung 34 auf
und führt den Schaft 28 des Ventilelements 23 damit
so, dass das Ventilelement 23 in ausreichendem Maße
gegen ein Kippen gesichert ist. Damit wird ein Verkanten des Ventilelements 23 gegenüber
dem Ventilsitz 24 vermieden, sofern es über ein
vorbestimmtes Maß hinaus geht.
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Die
Stößel 18 sind kürzer als eine
Entfernung zwischen dem Ventilelement 23 und dem Rotor 14 in den
Bereichen außerhalb des radialen Vorsprungs 15.
Damit ergibt sich immer ein gewisses Spiel zwischen dem Rotor 14 und
dem Stößel 18, der mit einem geschlossenen
Ventil zusammen wirkt bzw. zwischen dem Stößel 18 und
dem Ventilelement 23. Damit kann man auf einfache Weise
sicherstellen, dass dann, wenn der Vorsprung 15 am Rotor 14 das
entsprechende Ventil 22 gerade nicht bewusst öffnen soll,
das Ventil geschlossen ist.
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Der
Stößel 18 weist an seinem Ende, das mit dem
Ventilelement 23 zusammenwirkt, eine Durchmesserverringerung 32 auf.
Damit lässt sich einerseits gewährleisten, dass
der Stößel 18 einen ausreichenden Querschnitt
aufweist, um die vom Vorsprung 15 ausgeübten Druckkräfte
ohne Verformung aufnehmen zu können. Andererseits ist er
in dem Bereich, in dem er mit dem Ventilelement 23 zusammenwirkt,
dünn genug, um durch die Öffnung 33 in der
Wand 26 des Gehäuses zu passen, an deren radialer
Außenseite der Ventilsitz 24 angeordnet ist. Man
kann also sicherstellen, dass auch dann, wenn der Stößel 18 mit
seiner Durchmesserverringerung 32 in die Öffnung 33 hinein
ragt, ein ausreichender Strömungsquerschnitt für
das Kältemittel durch das entsprechende Ventil 22 gegeben
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19547744
A1 [0002]
- - US 5832744 [0003]