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Die Erfindung betrifft ein Klimagerät sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Klimageräts.
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Aus der
DE 10 2008 034 122 A1 ist eine aus zwei Wärmetauschern gebildete Klimaanlage bekannt, bei der die Wärmetauscher jeweils ein Kapillarrohrregister aufweisen, durch das ein zu kühlendes und/oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Kapillarrohrregister im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser oder einer hygroskopischen Sorptionslösung benetzt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird. Die Kapillarrohrregister ihrerseits bestehen jeweils aus zumindest einer Kapillarrohrmatte, deren Kapillarrohre eine hydrophile oder wasserspreitende Oberfläche mit einem Kontaktwinkel unter 20° aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine gleichmäßige Benetzung der Kapillarrohre schon bei einer sehr geringen Menge zugeführter Sorptionslösung bzw. zugeführten Wassers stattfindet. Eine gleichmäßige Benetzung ist erwünscht; andererseits jedoch behindert die Sorptionslösung bzw. das Wasser auf der Oberfläche der Kapillarrohre den Wärmeaustausch, so dass eine gleichmäßige Bedeckung der Kapillarrohre mit einer möglichst geringen Lösungs- oder Wassermenge vorteilhaft ist. Die Klimaanlage wird derart betrieben, dass die beiden Wärmetauscher von dem Fluid in einem geschlossenen Kreislauf nacheinander durchströmt werden, wobei beispielsweise im Kühlbetrieb (Sommerbetrieb) in dem ersten Wärmetauscher die zugeführte Außenluft an der mit der Sorptionslösung benetzten Oberfläche der Kapillarrohre entfeuchtet und gekühlt wird. Das im geschlossenen Kreislauf zirkulierende Fluid nimmt dabei Wärme auf und gelangt dann in den zweiten Wärmetauscher, in welchem es durch Wärmeabgabe an die aus dem gekühlten Raum herausgeführte Abluft, die vorher durch adiabate Kühlung in einem Befeuchter von Raumtemperatur auf Sättigungstemperatur abgekühlt wurde, wieder abgekühlt wird, um in der Lage zu sein, nach der Rückführung in den ersten Wärmetauscher die durch diesen strömende Außenluft wieder zu kühlen.
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Diese bekannte Klimaanlage ist jedoch sehr aufwendig, da sie zwei Wärmetauscher und den diese verbindenden Fluidkreislauf benötigt; außerdem ist eine Pumpe erforderlich, die das Fluid durch den Kreislauf treibt und hierfür Energie verbraucht. Zudem ist der Wirkungsgrad nicht optimal, da ein zweifacher Wärmeaustausch mit den jeweils zugehörigen Verlusten stattfindet. Diese Verluste sind auch dadurch erheblich, dass durch den von der Pumpe erzeugten Druck des Fluids die Kapillarrohre eine gewisse Wandstärke aufweisen müssen. Weiterhin besteht im Winter die Gefahr einer Eisbildung auf den Wärmetauscherflächen, wenn die zugeführten Außenluft auf Temperaturen unter 0°C sinkt.
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Die
DE 199 52 639 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Luftkonditionierung durch Sorption und Desorption von Wasser mittels einer im Kreislauf geführten hygroskopischen Sorptionslösung. In dieser erfolgen eine Trocknung des zu konditionierenden Luftstroms durch Sorption von darin enthaltenem Wasser und eine Regenerierung der durch die Sorption von Wasser niedrig konzentrierten Sorptionslösung durch Desorption von Wasser unter Verwendung von Niedrigtemperaturwärme und Umgebungsluft mittels eines Solarkollektors. Die Trocknung des zu konditionierenden Luftstroms wird in einem Rieselfilm-Stoff-Wärmetauscher durchgeführt, indem die hygroskopische Sorptionslösung als Rieselfilm auf einer Seite einer senkrechten Trennwand flächig herabfließt. Auf der anderen Seite der Trennwand fließt Wasser als Rieselfilm flächig herab und befeuchtet einen quer zum Rieselfilm strömenden Luftstrom, der durch Wasseraufnahme abgekühlt wird. Aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der Trennwand wird hierdurch auch dem zu konditionierenden Luftstrom Wärme entzogen. Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass die beiden Luftströme im Kreuzstrom zueinandergeführt werden, so dass kein zufriedenstellender Wirkungsgrad erzielt wird. Weiterhin musst der Stoff-Wärmetauscher so angeordnet werden, dass die Sorptionslösung und das Wasser durch Schwerkraft herabfließen können, d. h., sie müssen im Gleichstrom geführt werden. Darüber hinaus ist es schwierig, einen optimalen Bedeckungsgrad der Trennwand mit einer möglichst geringen Menge der Sorptionslösung bzw. des Wassers zu erzielen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Klimagerät mit einem Wärmetauscher, in dem die Strömungspfade für die Zuluft und die Abluft durch eine wärmeleitende Trennwand voneinander getrennt sind und die wärmeleitende Trennwand zumindest auf einer Seite eine hydrophile Oberfläche aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben von diesem anzugeben, die einen geringen Aufwand sowohl für die Installation als auch den Betrieb erfordern und mit denen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Außerdem soll der Wärmetauscher in jeder Lage installierbar sein und es soll die Frostempfindlichkeit herabgesetzt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Klimagerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Klimageräts bzw. des Verfahrens ergeben sich aus den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.
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Das Klimagerät mit nur einem Wärmetauscher, in welchem der Wärmeaustausch direkt zwischen der Zuluft und der Ablauf ohne Zwischenschaltung eines Speicherfluids stattfindet, ist wesentlich einfacher und hat einen deutlich höheren Wirkungsgrad als ein solches mit zwei durch einen Fluidkreislauf miteinander verbundenen Wärmetauschern. Wenn beispielsweise im Heizbetrieb (Winterbetrieb) die aktive, Flüssigkeit führende Schicht auf der die wärmere Abluft führenden Seite der wärmeleitenden Trennwand mit einer hygroskopischen Sorptionslösung wie einer wässrigen Lithiumchloridlösung gleichmäßig getränkt wird, nimmt diese Sorptionslösung Feuchtigkeit aus der Abluft auf, so dass durch Kondensation Wärme freigesetzt wird. Diese Wärme entsteht unmittelbar an der Oberfläche der wärmeleitenden Trennwand und wird damit auch durch diese hindurch zu der die kältere Zuluft führenden Seite übertragen. Da die Zuluft bei Temperaturen unter 0°C nur eine geringe Feuchte enthält und da durch den durch die Kondensation begünstigten Wärmeaustausch die Temperatur der Oberfläche der Trennwand auf der die Zuluft führenden Seite stärker angehoben wird, kann eine einen Wärmeaustausch unterbindende Eisbildung auf den Wärmetauscherflächen weitgehend vermieden und damit ein ungestörter Betrieb des Klimageräts auch bei tiefen Außentemperaturen sichergestellt werden.
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Die Sorptionslösung hat insbesondere die Wirkung, dass schon bei relativ hoher Temperatur der Abluft, beispielsweise oberhalb 10°C, durch eine Verschiebung der Sättigungslinie zu geringerer Feuchtigkeit hin, ein größerer Teil der Wärme freigesetzt wird, während dies ohne die Sorptionslösung erst bei tieferen Temperaturen, beispielsweise unterhalb 10°C, einsetzt. Dies hat eine größere Temperaturdifferenz an der Trennwand und damit einen größeren Wärmeaustausch zur Folge.
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Es wurde gefunden, dass durch Bildung der hydrophilen Oberfläche durch eine aktive, Flüssigkeit führende Schicht, durch die eine hygroskopische Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in allen Richtungen diffundiert, und durch Verwendung einer wässrigen Lithiumchloridlösung als Sorptionslösung der Wirkungsgrad eines Klimageräts um bis zu 40% gesteigert werden kann.
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Im Sommerbetrieb (Kühlbetrieb) diffundiert auf der Zuluftseite die Sorptionsflüssigkeit in der aktiven, Flüssigkeit führenden Schicht, um Feuchte aus der Luft aufzunehmen. Dabei wird die Sorptionsflüssigkeit im Gegenstrom zum Luftstrom bewegt, weil die höhere Konzentration mit der austretenden Luft in Kontakt kommen muss, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Auf der Abluftseite diffundiert in der aktiven, Flüssigkeit führenden Schicht Wasser zur Befeuchtung der Abluft während der Wärmeabgabe, weil damit auch die latente Wärme der Abluft genutzt werden kann. Vorteilhafterweise wird auch hier der Wasserstrom im Gegenstrom zur Luft geführt, weil das in der Regel kalte Wasser mit Überschuss gefahren wird, um bei Verwendung von Trinkwasser den Kalk im Wasser abzuführen, und das Wasser mehr Wärme aufnimmt, wenn es auf der warmen Seite austritt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen beide Seiten der wärmeleitenden Trennwand jeweils eine aktive, Flüssigkeit führende Schicht auf. Der die kühlere Luft führenden Seite wird vorzugsweise Wasser in gleicher Weise wie die Sorptionslösung auf der anderen Seite der Trennwand zugeführt, jedoch in entgegengesetzter Richtung, da die beiden Luftströme ebenfalls in entgegengesetzter Richtung entlang der Trennwand geführt werden. Im Winterbetrieb werden daher die Abluftseite mit Sorptionslösung und die Zu luftseite mit Wasser getränkt, und im Sommerbetrieb werden die Abluftseite mit Wasser und die Zuluftseite mit Sorptionslösung getränkt. Es ist jedoch im Winterbetrieb auch möglich, anstelle des Wassers eine wasserreichere Sorptionslösung als auf der anderen Seite zu verwenden. So kann die Sorptionslösung, die die Trennwand auf der wärmeren Seite bedeckt und Wasser aufgenommen hat, nach der Abführung aus dem Wärmetauscher auf der kühleren Seite wieder in diesen hineingeführt werden, so dass sie hier das Wasser zur Befeuchtung der kälteren Luft wieder abgibt. Die Sorptionslösung kann somit in einem Kreislauf geführt werden, in welchem sie abwechselnd Wasser aufnimmt und wieder abgibt. Andererseits ist die Verwendung von Wasser im Winterbetrieb dann nicht möglich, wenn die Gefahr besteht, dass die Temperatur der Außenluft unter 0°C sinkt.
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Wird die auf der wärmeren Seite mit Wasser angereicherte Sorptionslösung auf der kühleren Seite vollständig regeneriert, so heben sich die auf der wärmeren Seite durch Kondensation erzielte Erwärmung und die auf der kühleren Seite durch Verdunstung erzielte Abkühlung gegeneinander auf und es wird damit die für die Befeuchtung der Zuluft notwendige Wärme vollständig von der Abluftseite gewonnen.
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Die Stärke der Hydrophilie wird anhand des sogenannten Kontaktwinkels gemessen. Dies ist der Randwinkel von Wassertropfen, die auf einer Fläche positioniert werden. Bei einem großen Kontaktwinkel wird die Fläche als hydrophob bezeichnet, ist der Kontaktwinkel kleiner als 20°, wird sie als hydrophil bezeichnet.
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Die aktive, Flüssigkeit führende Schicht hat hier einen Kontaktwinkel von 0° in Bezug auf die sie benetzende Flüssigkeit, die somit durch Kapillarwirkung vollständig aufgesaugt und in der Schicht gehalten wird. Wenn Flüssigkeit nachgeliefert wird, breitet sich diese in der Schicht nach allen Seiten, d. h., auch entgegen der Schwerkraft aus. Dadurch ist es möglich, die Flüssigkeiten auf beiden Seiten der Trennwand im Gegenstrom zueinander zu führen. Es wird vorzugsweise nur soviel Flüssigkeit nachgeliefert, dass diese vollständig von der Schicht aufgenommen werden kann, d. h. es sollte kein Wasser auf der Oberfläche der Schicht fließen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Sorptionslösung Wasser aus der Luft aufnehmen kann, so dass nur so viel Sorptionslösung zugeführt werden muss, dass die Schicht durch die Summe aus Sorptionslösung und aufgenommenem Wasser vollständig getränkt wird.
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Da die Flüssigkeit in der aktiven Schicht gehalten wird, wird auch eine Aerosolbildung mit Sicherheit verhindert. Denn auch bei dünnen Rieselfilmen können Aerosole entstehen, wenn die Rieselmenge groß wird oder die Relativgeschwindigkeit zur Luft einen Grenzwert überschreitet. Die Gefahr der Aerosolbildung bewirkt daher eine Begrenzung der Leistung konventioneller Anlagen.
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Weiterhin wird die Schwerkraft für den Transport der Sorptionsflüssigkeit nicht mehr benötigt und der Wärmetauscher kann jeden beliebigen Winkel zur Senkrechten haben. Die Diffusionsrichtung der Sorptionsflüssigkeit kann somit auch waagerecht oder sogar senkrecht nach oben sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Wärmetauschers mit einer Trennwand, die auf beiden Seiten mit einer eine hydrophyle Oberfläche bildenden, aktiven Schicht versehen ist, und
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2 ein einen Wärmetauscher nach 1 verwendendes Klimagerät in schematischer Darstellung.
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In 1 zeigt zwei aneinanderliegende Luftführungskanäle 1 und 2 eines Wärmetauschers, die durch eine wärmeleitende Trennwand 3 voneinander getrennt sind. Die Trennwand 3 ist auf beiden Seiten mit einer aktiven, Flüssigkeit führenden Schicht 4 überzogen, die eine Dicke von mehr als 10 μm hat. Diese Dicke wird insbesondere anhand der vorgesehenen Menge der pro Zeiteinheit durch die Schicht 4 fließenden Flüssigkeit so bestimmt, dass die gesamte Flüssigkeit in der Schicht aufgenommen und gehalten werden kann. Die Schicht 4 hat die Eigenschaft, dass eine von ihr aufgenommene Flüssigkeit durch Kapillarwirkung gehalten wird und sich bei Zuführung weiterer Flüssigkeit in allen Richtungen ausbreitet.
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Die Schicht 4 besteht zweckmäßig aus einem Vlies, in welchem beispielsweise ein 20%iger Anteil aus Polyesterfasern ein Grundgitter bildet, in das Zellulose eingebettet ist. Diese wiederum besteht vorzugsweise aus zwei unterschiedlichen Komponenten, nämlich einem Hauptanteil aus feinen Zellulosefasern, die die aktive Funktion der Diffusion bewirken, und einem kleineren Anteil von etwa 10% aus groben Zellulosefasern, die die Abstützung im Grundgitter sicherstellen. Zusätzlich kann ein Bindemittel eingesetzt werden, das vorteilhaft aus Ethylen-Vinylacetat besteht.
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Findet beispielsweise im Winter der Heizbetrieb statt, werden dem Kanal 2 die wärmere Abluft und dem Kanal 1 die kühlere Zuluft sowie außerdem der auf der Seite des Kanals 2 befindlichen Schicht 4 die hygroskopische Sorptionslösung im Gegenstrom zur Abluft zugeführt.
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Die Sorptionslösung entzieht der Abluft Wasser, wodurch Kondensationswärme freigesetzt wird. Da die Kondensation unmittelbar in der Schicht 4 stattfindet, wird ein erheblicher Teil der erzeugten Wärme durch die Trennwand 3 übertragen und an die Zuluft abgegeben, so dass diese sich stärker erwärmt als in dem Fall, in welchem keine Sorptionslösung verwendet wird.
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Durch die Sorptionslösung wird die Sättigungslinie der Abluft zu geringen Feuchten hin verschoben. Dadurch kann zusätzliche Kondensationswärme gewonnen werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht. Es wurde festgestellt, dass bei tiefen Außentemperaturen die Verwendung der Sorptionslösung die Leistung eines Wärmetauschers um bis zu 40% steigern kann.
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Durch die geringere Feuchte und die niedrigere Frostgrenze der Sorptionslösung wird auch die Eisbildung auf den Wärmetauscherflächen zu deutlich tieferen Temperaturen hin verschoben.
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Die Sorptionslösung nimmt während des Durchgangs durch den Kanal 2 im Gegenstrom zur Abluft Wasser auf und wird am der Ausgangsöffnung 7 gegenüberliegenden, die Eingangsöffnung 5 aufweisenden Ende über eine Auslassöffnung 9 aus dem Kanal 2 herausgeführt. Um die mit Wasser angereicherte Sorptionslösung wieder verwenden zu können, muss sie somit durch Wasserentzug regeneriert werden. Dies kann außerhalb des Wärmetauschers durch Erwärmung erfolgen; jedoch ist auch eine Regenerierung innerhalb des Wärmetauschers selbst möglich, indem die Trennwand 3 auch auf der dem Kanal 1 zugewandten Seite mit einer aktiven Schicht 4 versehen und dieser die wasserreiche, aus dem Zwischenraum 2 entnommene Sorptionslösung über zumindest eine Einlassöffnung 10 im Gegenstrom zur Zuluft zugeführt wird. Die Einlassöffnung 10 befindet sich gegenüberliegend der Eingangsöffnung 6 für die Zuluft am die Ausgangsöffnung 11 für die Zuluft aufweisenden Ende.
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Die wasserreiche Sorptionslösung breitet sich gleichmäßig in der Schicht 4 innerhalb des Kanals 1 aus, so dass diese gleichförmig getränkt wird. Während ihrer Bewegung im Gegenstrom zur Zuluft gibt sie einen Teil ihres Wassers an die Zuluft ab, wodurch diese befeuchtet wird. Die hierfür notwendige Wärme wird aus der Abluft gewonnen.
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Die Ausbildung nach 1 ist auch für den Sommerbetrieb, d. h. zur Kühlung der Zuluft geeignet. Bei diesem strömt die kühlere Abluft durch die Eingangsöffnung 5 in den Kanal 2 und durch die Ausgangsöffnung 7 wieder aus diesem heraus. Der Schicht 4 auf der dem Kanal 2 zugewandten Seite der Trennwand 3 wird über die Einlassöffnung 8 Wasser zugeführt, das auf der gegenüberliegenden Seite durch die Auslassöffnung 9 wieder abgeführt wird. Das Wasser bewegt sich somit entgegengesetzt zur Abluft durch den Kanal 2, wobei es die Schicht 4 gleichförmig tränkt. Hierbei verdunstet ein Teil des Wassers, wodurch Wärme entzogen wird und die Trennwand 3 gekühlt wird. Somit wird der Kühleffekt für die Zuluft im Kanal 1 verstärkt und der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht.
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Die wärmere Zuluft strömt durch die Eingangsöffnung 6 in den Kanal 1 und durch die Ausgangsöffnung 11 aus diesen heraus, und die Sorptionslösung wird durch die Einlassöffnungen 10 der Schicht 4 innerhalb des Kanals 1 zugeführt, um sich durch Kapillarwirkung unter gleichförmiger Tränkung der Schicht 4 entgegengesetzt zur Strömung der Zuluft zur Auslassöffnung 12 hin zu bewegen. Durch den Kontakt der Zuluft mit der Sorptionslösung wird der Zuluft Feuchtigkeit entzogen durch die Verschiebung der Sättigungslinie zu niedrigeren relativen Feuchten hin. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wird an die kühlere Abluft auf der anderen Seite abgegeben. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem die Abluft vor Eintritt in den Wärmetauscher in einem Wäscher adiabat gekühlt wird. Dann kann die Austrittstemperatur der Zuluft noch weiter gesenkt werden bis in die Nähe der Feuchtkugeltemperatur der Abluft.
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2 zeigt das Klimagerät mit dem Wärmetauscher nach 1 im Sommerbetrieb, wobei nur die Luftführungswege dargestellt sind. Die Außenluft gelangt in den Kanal 1 des Wärmetauschers und verlässt diesen als gekühlte und entfeuchtete Zuluft, um mittels eines Ventilators 13 in einen zu klimatisierenden Raum 14 befördert zu werden. Verbrauchte Raumluft wird aus dem Raum 14 abgezogen und über einen Befeuchter 15 zur adiabaten Abkühlung mittels eines Ventilators 16 in den Kanal 2 des Wärmetauschers befördert, um in diesem eine Abkühlung der Außen- bzw. Zuluft zu bewirken.
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Im Winterbetrieb wird der Befeuchter 15 nicht benötigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034122 A1 [0002]
- DE 19952639 A1 [0004]
