DE102009019759A1 - Air conditioning unit, particularly for vehicle, has compressor for compressing working medium, and has heat sink that is arranged downstream compressor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsmediums und mit einer stromabwärts des Verdichters angeordneten Wärmesenke, wobei stromabwärts der Wärmesenke eine Expansionseinrichtung zum Entspannen des Arbeitsmediums angeordnet ist und wobei stromabwärts der Expansionseinrichtung ein Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme auf das entspannte Arbeitsmedium angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimatisierungseinrichtung.The The invention relates to an air conditioning device, in particular for a vehicle, with a compressor for compressing a Working medium and with a downstream of the compressor arranged heat sink, wherein downstream of the heat sink arranged an expansion device for relaxing the working medium and wherein downstream of the expansion device is a heat exchanger for transferring heat to the relaxed working medium is arranged. Furthermore, the invention relates to a method for operating such an air conditioning device.
Die
Als nachteilig bei einer derartigen Klimaanlage ist der Umstand zu sehen, dass im Wärmepumpenbetrieb vergleichsweise geringe Wirkungsgrade auftreten können.When disadvantageous in such an air conditioner is the fact that that in heat pump operation comparatively low efficiencies occur can.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Klimatisierungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit einem verbesserten Wirkungsgrad betreibbar ist.task It is therefore an air conditioning device of the present invention to create the type mentioned, which with an improved Efficiency is operable.
Diese Aufgabe wird durch eine Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.These Task is by an air conditioning device with the features of claim 1 and a method for operating a Air conditioning device with the features of the claim 13 solved. Advantageous embodiments with appropriate Further developments of the invention are dependent on the respective Claims specified.
Die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung umfasst einen Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsmediums und eine stromabwärts des Verdichters angeordnete Wärmesenke. Eine weitere Wärmesenke stromabwärts ist direkt oder indirekt mit einer Wärmequelle vor dem Verdichter verbunden. Stromabwärts der Wärmesenke ist eine Expansionseinrichtung zum Entspannen des Arbeitsmediums angeordnet. Stromabwärts der Expansionseinrichtung ist ein Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme auf das entspannte Arbeitsmedium angeordnet. Zwischen dem Wärmeübertrager und dem Verdichter ist eine weitere Wärmequelle vorgesehen, mittels welcher Wärme auf das dem Verdichter zuführbare Arbeitsmedium übertragbar ist. Bei Einsatz eines Sammlers, eines Trockners, eines inneren Wärmetauschers vor dem Verdichter, ist die Lage der Wärmesenke zwangsläufig zwischen erster Wärmequelle und Verdichter. Damit liegt im Wärmepumpenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung das Arbeitsmedium bereits eingangsseitig des Verdichters bereits vergleichsweise warm vor. Durch Betreiben des Verdichters wird der Wärmeinhalt des Arbeitsmediums weiter erhöht. Das dann ausgangsseitig des Verdichters besonders stark erwärmte Arbeitsmedium kann so an der stromabwärts des Verdichters angeordneten Wärmesenke Wärme auf ein der Wärmesenke zugeführtes Kühlmedium übertragen, auch wenn das Kühlmedium bereits eine relativ hohe Temperatur aufweist.The Air conditioning device according to the invention comprises a compressor for compressing a working fluid and a downstream the heat sink arranged in the compressor. Another heat sink downstream is directly or indirectly with a heat source connected in front of the compressor. Downstream of the heat sink is an expansion device for relaxing the working medium arranged. Downstream of the expansion device is a heat exchanger for transmitting Heat is arranged on the relaxed working medium. Between the heat exchanger and the compressor is a provided further heat source, by means of which heat transferred to the compressor feedable working fluid is. When using a collector, a dryer, an internal heat exchanger Before the compressor, the position of the heat sink is inevitable between first heat source and compressor. That is in heat pump operation of the air conditioning device the Working medium already on the input side of the compressor already comparatively warm before. By operating the compressor, the heat content of the working medium further increased. This then on the output side the compressor particularly strong heated working fluid can so at the downstream of the compressor arranged heat sink Heat to a heat sink supplied Transfer cooling medium, even if the cooling medium already has a relatively high temperature.
Handelt
es sich, wie beim Stand der Technik gemäß der
Vorliegend sorgt hingegen die weitere Wärmequelle dafür, dass auch bei einem bereits vergleichsweise warmen Kühlmedium an der Wärmesenke ein vergleichsweise hoher Temperaturunterschied zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmedium vorliegt. Die Wärmesenke ist so in der Lage, dem Arbeitsmedium besonders weitgehend Wärme zu entziehen. Damit ist ein verbesserter Wirkungsgrad der Klimatisierungseinrichtung, insbesondere bei ungünstigen Betriebesbedingungen, nämlich bei bereits vergleichsweise warmem Kühlmedium an der Wärmesenke, erreichbar.present On the other hand, the additional heat source ensures that that even with a comparatively warm cooling medium at the heat sink a comparatively high temperature difference exists between the working medium and the cooling medium. The heat sink is thus able to the working medium especially largely to remove heat. This is an improved Efficiency of the air conditioning device, especially in unfavorable Operating conditions, namely at already comparatively warm cooling medium at the heat sink, reachable.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Wärmesenke und der Expansionseinrichtung eine weitere Wärmesenke zum Verringern einer Temperatur des an der Expansionseinrichtung zu entspannenden Mediums angeordnet. Dadurch kann dem Arbeitsmedium bereits vor dem Erreichen der Expansionseinrichtung Wärme entzogen werden. Bei einer gegebenen Verringerung des Drucks an der Expansionseinrichtung liegt dann das Arbeitsmittel stromabwärts der Expansionseinrichtung kühler vor, als dies ohne das Vorsehen der weiteren Wärmesenke der Fall wäre. Es muss also um dieselben Eintrittsbedingungen an dem Wärmeübertrager zu erreichen, das Arbeitsmedium an der Expansionseinrichtung weniger stark entspannt werden. Dadurch ist die Klimatisierungseinrichtung effizienter betreibbar. Bei einer gegebenen Verringerung des Drucks an der Expansionseinrichtung ist durch das Vorsehen der zusätzlichen Wärmesenke stromaufwärts der Expansionseinrichtung ein größerer Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium an dem Wärmeübertrager erreichbar. Dieser erhöhte Wirkungsgrad des Wärmeübertragers führt ebenso zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Klimatisierungseinrichtung.In an advantageous embodiment of the invention is between the Heat sink and the expansion device another heat sink for reducing a temperature of the expansion device arranged to relaxing medium. This can be the working medium even before reaching the expansion device heat be withdrawn. For a given reduction in pressure the expansion device is then the working fluid downstream the expansion device cooler than this without the Provision of the further heat sink would be the case. It must therefore be the same conditions of entry to the heat exchanger to reach the working medium at the expansion device less be greatly relaxed. This is the air conditioning device operated more efficiently. For a given reduction in pressure at the expander is provided by the provision of the additional heat sink upstream of the expansion device a larger Heat input into the working fluid at the heat exchanger reachable. This increased efficiency of the heat exchanger also leads to an improvement in the efficiency of the Air conditioning unit.
Besonders vorteilhaft sind die weitere Wärmequelle und die weitere Wärmesenke durch einen inneren Wärmeübertrager bereitgestellt. Hierbei dient ein hochdruckseitiger Leitungsbereich der Klimatisierungseinrichtung als die weitere Wärmequelle und ein niederdruckseitiger Leitungsbereich der Klimatisierungseinrichtung als die Wärmesenke. Ein solcher innerer Wärmeübertrager ist kompakt realisierbar und hoch effizient, da keine externen Wärmequellen bzw. Wärmesenken vorzusehen sind.Especially advantageous are the further heat source and the others Heat sink through an internal heat exchanger provided. This is a high-pressure side line area the air conditioning device as the further heat source and a low-pressure side line region of the air conditioning device as the heat sink. Such an internal heat exchanger is compact and highly efficient as there are no external heat sources or heat sinks are provided.
Die weitere Wärmequelle kann ausgangsseitig des Wärmeübertragers angeordnet sein. Hier ist nämlich Bauraum zum Unterbringen der weiteren Wärmequelle, insbesondere zum Unterbringen des inneren Wärmeübertragers, vergleichsweise leicht verfügbar. Der innere Wärmeübertrager kann so vergleichsweise groß ausgelegt werden.The Another heat source can be the output side of the heat exchanger be arranged. Here is space to accommodate the further heat source, in particular for housing the internal heat exchanger, comparatively easily available. The internal heat exchanger can be interpreted as comparatively large.
Ergänzend, bevorzugt jedoch alternativ, kann die weitere Wärmequelle eingangsseitig des Verdichters angeordnet sein. Hier ist dann ein besonders geringer Wärmeverlust vor dem Eintritt des Arbeitsmediums in den Verdichter gegeben. Ist die weitere Wärmequelle durch den inneren Wärmeübertrager bereitgestellt, so weist der als Wärmesenke dienende, niederdruckseitige Leitungsbereich der Klimatisierungseinrichtung hierbei aufgrund des vergleichsweise langen Leitungsweges bis zum Erreichen der Wärmesenke eine vergleichsweise niedrige Temperatur auf. Dies ist für das Übertragen von Wärme günstig.In addition, but preferably, alternatively, the further heat source Be arranged on the input side of the compressor. Here is one particularly low heat loss before the entry of the working medium placed in the compressor. Is the further heat source provided by the internal heat exchanger, so has the heat sink serving, low-pressure side Line area of the air conditioning device in this case due the comparatively long conduction path until reaching the heat sink a comparatively low temperature. This is for transferring heat favorably.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zum Übertragen von Umgebungswärme auf das Arbeitsmedium ausgebildet. Ist die Klimatisierungseinrichtung in einem Fahrzeug untergebracht, so kann der Wärmeübertrager in einem Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet sein, wo eine effiziente Aufnahme von Umgebungswärme durch den Wärmeübertrager ermöglicht ist. Durch Nutzen der Umgebungswärme steht ein besonders großes Wärmereservoir zur Verfügung.In a further advantageous embodiment of the invention is the Heat exchanger for transferring ambient heat trained on the working medium. Is the air conditioning device housed in a vehicle, so the heat exchanger be located in a front area of the vehicle, where an efficient Absorption of ambient heat by the heat exchanger is possible. By using the ambient heat is a particularly large heat reservoir for Available.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Klimatisierungseinrichtung einen Sammelbehälter umfasst. Ein solcher, in den Wärmepumpenkreis eingebundener Sammelbehälter dient als Ausgleichsgefäß und als Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium. Bevorzugt weist der Sammelbehälter einen Trockner auf, mittels welchem Wasser aus dem Arbeitsmedium entfernbar ist. Über den Sammelbehälter sind bevorzugt auch sonstige Verunreinigungen aus dem Arbeitsmedium abscheidbar, welche ansonsten zu einer Schädigung des Verdichters führen könnten.When Furthermore, it has been shown to be advantageous if the air-conditioning device comprises a collection container. Such, in the heat pump cycle integrated collecting tank serves as a compensating vessel and as a reservoir for the working medium. Prefers the collecting container has a dryer, by means of which Water is removable from the working medium. About the collection container are also preferred other impurities from the working medium Deposable, which otherwise leads to damage to the compressor could lead.
Vorteilhaft ist der Sammelbehälter zudem in einen Kälteanlagenkreis der Klimatisierungseinrichtung eingebunden, wobei der Kälteanlagenkreis eine weitere Expansionseinrichtung und einen der weiteren Expansionseinrichtung nach geschalteten Verdampfer umfasst. So dient derselbe Sammelbehälter zum Bevorraten des Arbeitsmediums beim Betreiben der Klimatisierungseinrichtung als Wärmepumpe und beim Betreiben der Klimatisierungseinrichtung als Kälteanlage.Advantageous the collecting tank is also in a refrigeration system the air conditioning device involved, the refrigeration system a further expansion device and one of the further expansion device includes after switched evaporator. So serves the same collection container for Storage of the working medium when operating the air conditioning device as a heat pump and when operating the air conditioning device as a refrigeration system.
Beim Betreiben der Klimatisierungseinrichtung als Wärmepumpe ist derjenige Teil des Kälteanlagenkreises, welcher die weitere Expansionseinrichtung und den der weiteren Expansionseinrichtung nach geschalteten Verdampfer umfasst, vorzugsweise nicht von dem Arbeitsmedium durchströmt, wenngleich gefüllt.At the Operating the air conditioning device as a heat pump is the part of the refrigeration system, which the further expansion device and the further expansion device according to switched evaporator comprises, preferably not from the working medium flows through, though filled.
Der Verdampfer ist bei Anordnung der Klimatisierungseinrichtung in einem Fahrzeug bevorzugt in einem Klimakasten des Fahrzeugs angeordnet. Im Kälteanlagenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung wird den Klimakasten durchströmende Zuluft mittels des Verdampfers gekühlt, und die gekühlte Zuluft strömt in den Innenraum des Fahrzeugs ein.Of the Evaporator is in arrangement of the air conditioning in one Vehicle preferably arranged in a climate box of the vehicle. In the refrigeration system operation of the air conditioning device is the air box flowing through the supply air by means of the evaporator cooled, and the cooled supply air flows in the interior of the vehicle.
Zur Wirkungsgradverbesserung der Klimatisierungseinrichtung kann in dem Kälteanlagenkreis im inneren Wärmeübertrager angeordnet sein. Eine besonders kompakte Integration des inneren Wärmeübertragers in den Kälteanlagenkreis ist erreichbar, wenn der Sammelbehälter den inneren Wärmeübertrager umfasst. Der Sammelbehälter mit dem inneren Wärmeübertrager ist niederdruckseitig zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter und hochdruckseitig zwischen dem Wärmeübertrager zum Kühlen des Arbeitsmediums und der dem Verdampfer vorgeschalteten, weiteren Expansionseinrichtung angeordnet. Mittels des inneren Wärmeübertragers ist Wärme aus dem hochdruckseitigen Arbeitsmedium an das niederdruckseitige Arbeitsmedium übertragbar.To improve the efficiency of the air conditioning device may be arranged in the refrigeration system in the inner heat exchanger. A particularly compact integration of the internal heat exchanger into the refrigeration system can be achieved if the collecting container comprises the internal heat exchanger. The collecting tank with the inner heat exchanger is the low pressure side between the evaporator and the compressor and high pressure side between the heat exchanger for cooling the working medium and the evaporator upstream, further expansion device arranged. By means of the internal heat exchanger, heat can be transferred from the high-pressure side working medium to the low-pressure side working medium.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Umgebungsleitung vorgesehen ist, mittels welcher der innere Wärmeübertrager oder eine Seite dessen umgehbar ist. Da das Durchströmen des inneren Wärmeübertragers mit einem Druckverlust des Arbeitsmediums verbunden ist, kann durch das Umgehen des inneren Wärmeübertragers die Klimatisierungseinrichtung mit besonders geringerem Druckverlust und dadurch besonders verbrauchsgünstig betrieben werden, wenn die Klimatisierungseinrichtung als Wärmepumpe betrieben wird. Hierbei werden dennoch die Sammlungs- und/oder Trocknungs- und/oder Reinigungsfunktionen des Sammelbehälters genutzt. Bevorzugt ist eine Absperreinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Umgehungsleitung versperrbar ist, wenn die Klimatisierungseinrichtung als Kälteanlage betrieben werden soll.in this connection it has been shown to be advantageous if an environmental line is provided, by means of which the internal heat exchanger or a side of which is bypassable. As the flow through the internal heat exchanger with a pressure loss the working medium is connected, by bypassing the inner Heat exchanger, the air conditioning device operated with a particularly low pressure loss and therefore particularly fuel-efficient be when the air conditioning device as a heat pump is operated. Here are still the collection and / or drying and / or Cleaning functions of the collection container used. Prefers a shut-off device is provided, by means of which the bypass line lockable is when the air conditioning device as a refrigeration system should be operated.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Wärmesenke und dem Wärmeübertrager des Wärmepumpenkreises eine Umgehungsleitung mit einer Absperreinrichtung angeordnet, wobei durch Öffnen der Absperreinrichtung der Wärmeübertrager mit dem Arbeitsmedium unter Umgehung zumindest der Expansionseinrichtung beaufschlagbar ist. Nach Öffnen der Absperreinrichtung strömt also das verdichtete Arbeitsmedium, ohne vorher entspannt zu werden, dem Wärmeübertrager zu. In diesem Fall dient der Wärmeübertrager dann als Gaskühler, wobei das mittels des Gaskühlers gekühlte Arbeitsmedium im Kälteanlagenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung derjenigen Expansionseinrichtung zugeführt wird, welche dem Verdampfer vorgeschaltet ist. Bevorzugt dient die Umgehungsleitung auch zum Umgehen des inneren Wärmeübertragers des Wärmepumpenkreises.According to one Another advantageous embodiment of the invention is between the heat sink and the heat exchanger the heat pump circuit a bypass line with a Shut-off arranged, wherein by opening the shut-off device the heat exchanger with the working medium below Bypassing of at least the expansion device can be acted upon. After opening the shut-off device flows so the compressed working medium without first being relaxed, to the heat exchanger. In this case, the serves Heat exchanger then as a gas cooler, where the cooled by the gas cooler working medium in refrigeration system operation of the air conditioning device that expansion device is supplied, which is connected upstream of the evaporator. Preferably, the bypass line also serves to bypass the inner heat exchanger of the heat pump circuit.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Wärmesenke in einen Kühlmittelkreis zum Kühlen eines Aggregates des Antriebs, wie beispielsweise dem Antriebsaggregat selber eingebunden ist. Die Wärmeabgabe von dem verdichteten Arbeitsmittel an das Kühlmittel des Kühlmittelkreises sorgt hierbei dafür, dass die in dem Kühlmittelkreis eingespeiste Wärme zum Erwärmen eines Luftstroms, insbesondere eines zu dem Innenraum des Fahrzeugs zuführbaren Zuluftstroms, zur Verfügung steht. Insbesondere im Warmlaufbetrieb des Antriebsaggregats kann das Einspeisen der Wärme in den Kühlmittelkreis ergänzend oder alternativ dazu eingesetzt werden, dass das Antriebsaggregat besonders rasch eine den Verbrauch günstig beeinflussende Betriebstemperatur erreicht. Im Gegensatz zum Nutzen eines Verdampfers der Klimatisierungseinrichtung als Heizeinrichtung, wobei der Verdampfer im Wärmepumpenbetrieb als Kondensator eingesetzt wird und zum Heizen des Zuluftstroms dient, ist durch Nutzen des Kühlmittelkreises als Wärmequelle für den Innenraum eine unerwünschte Beaufschlagung des Zuluftstroms mit zu viel Feuchte vermeidbar.After all it has proven to be advantageous if the heat sink in a coolant circuit for cooling an aggregate the drive, such as the drive unit itself involved is. The heat release from the compressed working fluid ensures the coolant of the coolant circuit in this case, that in the coolant circuit injected heat for heating an air stream, in particular one that can be fed to the interior of the vehicle Supply air flow is available. Especially in warm-up mode of the drive unit can be the feeding of heat in the coolant circuit complementary or alternative be used to ensure that the drive unit particularly quickly the consumption favorably influencing the operating temperature reached. In contrast to the benefit of an evaporator of the air conditioning device as a heater, the evaporator in heat pump mode is used as a condenser and for heating the supply air is, by using the coolant circuit as a heat source for the interior an undesirable admission the supply air flow with too much moisture avoidable.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Klimatisierungseinrichtung mit einem verbesserten Wirkungsgrad betrieben, wenn
- a) ein Verdichter ein Arbeitsmedium verdichtet,
- b) dem verdichteten Arbeitsmedium an einer stromabwärts des Verdichters angeordneten Wärmesenke Wärme entzogen wird,
- c) das Arbeitsmittel stromabwärts der Wärmesenke mittels einer Expansionseinrichtung entspannt wird, und
- d) stromabwärts der Expansionseinrichtung mittels eines Wärmeübertrages Wärme auf das entspannte Arbeitsmedium übertragen wird, wobei
- a) a compressor compresses a working medium,
- b) heat is removed from the compressed working medium at a heat sink arranged downstream of the compressor,
- c) the working fluid downstream of the heat sink is expanded by means of an expansion device, and
- d) heat is transferred to the relaxed working medium downstream of the expansion device by means of a heat transfer, wherein
Die für die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung.The for the air conditioning device according to the invention described preferred embodiments and advantages also apply to the invention Method for operating an air conditioning device.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the below mentioned in the figure description and / or in the figures alone shown features and feature combinations are not only in the specified combination, but also usable in other combinations or in isolation, without to leave the scope of the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the claims, the following description is more preferred Embodiments and with reference to the drawings, in which identical or functionally identical elements with identical reference numerals are provided. Showing:
Von
einem Kraftfahrzeug
Über
eine Hochdruckleitung
Das
erwärmte, entspannte Arbeitsmedium wird über eine
Niederdruckleitung
Im
Bereich des inneren Wärmeübertragers
Im
Kälteanlagenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung
Das
gekühlte und unter einem weiterhin hohen Druck stehende
Arbeitsmedium strömt dann dem inneren Wärmeübertrager
Im
Kälteanlagenbetrieb wird also der innere Wärmeübertrager
Eine
Eintrittsleitung
Im
Wärmepumpenbetrieb strömt das in den Sammelbehälter
Bei
der in
Durch Öffnen
der Absperreinrichtung
Im
Wärmepumpenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20130920 |
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R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |