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Die Erfindung betrifft eine Rückführgeometrie eines Turboverdichters zur optimierten Strömungsverbindung einer ersten und zweiten Verdichterstufe des Turboverdichters.
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Aus dem Stand der Technik sind Lösungen zur Verbindung der ersten und zweiten Verdichterstufe bei Turboverdichtern bekannt, bei denen als Rückführgeometrie rotationssymmetrische Rückführkanäle (auch bekannt als sog. „return channels“) verwendet werden.
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Sie bestehen meist aus einer nach dem Verdichterlaufrad der ersten Verdichterstufe angeordneten Rückführgeometrie, einem 180°-Krümmer, einer meist mit Leiträdern versehene radialen Düse und einer 90°-Umlenkung zum Eintritt in den Bereich des nachfolgenden Verdichterlaufrads. Ein entsprechender Aufbau ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 3056741 A1 oder der
EP 2918848 A1 bekannt.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Turboverdichtern entsteht ein unerwünschter Drall bei der Strömung in der ersten Verdichterstufe. Zudem ist die Zuströmung in die zweite Verdichterstufe ungleichmäßig. Weiterhin ist nachteilig, dass es bei geringen Massenströmen innerhalb des einen vorgesehenen rotationssymmetrischen Rückführkanals zur unerwünschten Strömungsablösung kommen kann. Ferner ist der Druckverlust im Rückführkanal vergleichsweise hoch.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Rückführgeometrie für einen Turboverdichter bereit zu stellen, der das Risiko der Strömungsablösung verringert und den Druckverlust minimiert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Rückführgeometrie eines Turboverdichters vorgeschlagen, der ausgebildet ist zur Strömungsverbindung einer ersten und zweiten Verdichterstufe des Turboverdichters. Die Rückführgeometrie weist mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete, zumindest teilweise in Umfangsrichtung verlaufende Teilspiralen auf, die zumindest abschnittsweise getrennt voneinander verlaufende Strömungskanäle zur Strömungsverbindung der ersten und zweiten Verdichterstufe bilden. In „Rückführgeometrie“ ist der Wortbestandteil „-geometrie“ enthalten, bestimmt jedoch die sich ergebende Strömungsleitung durch die Ausbildung der Strömungskanäle.
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Die Mehrzahl an Strömungskanälen verringert den Strömungsquerschnitt jedes einzelnen Strömungskanals und bietet eine gleichmäßigere Zuströmung in die zweite Verdichterstufe. Zudem kann die maximale Erstreckungsweite, insbesondere in radialer Richtung, jedes einzelenden Kanals gegenüber einem einzelnen rotationssymmetrischen Rückführkanal vergrößert werden, ohne dass bei Betriebspunkten mit geringem Massenstrom großflächige Strömungsablösungen oder Rückströmungen zu verzeichnen wären.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strömungskanäle mehrere nacheinander angeordnete Krümmer ausbilden, welche die Strömung zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe mehrfach umlenken. Auf diese Weise ist es möglich, aus der radialen Abströmrichtung des Verdichterlaufrads des Turboverdichteres in der ersten Verdichterstufe eine optimale axiale Anströmung des Verdichterlaufrads der zweiten Verdichterstufe zu realisieren.
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Besonders günstig ist eine Ausführung der Rückführgeometrie, bei der die Krümmer der Strömungskanäle die Strömung aus einer radialen Ausströmrichtung zunächst in eine erste Axialrichtung in Richtung der zweiten Verdichterstufe und anschließend zurück in eine radiale Einströmrichtung, welche der Ausströmrichtung entgegenläuft, leiten. Noch vorteilhafter ist die Ausbildung, bei der der in Strömungsrichtung gesehen letzte Krümmer der Strömungskanäle die Strömung anschließend zur Einströmrichtung in eine zweite Axialrichtung leitet, welche der ersten Axialrichtung entgegenläuft. Die zweite Axialrichtung entspricht dabei der Ansaugrichtung des Verdichterlaufrads der zweiten Verdichterstufe, so dass über die Strömungskanäle eine vordefinierte Zuströmung genau zum Ansaugbereich des Verdichterlaufrads der zweiten Verdichterstufe erfolgen kann. Die Krümmer erzeugen dabei jeweils eine im Wesentlichen 90°-Umlenkung.
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Je nach Bauart des Turboverdichters kann das Verdichterlaufrad der zweiten Verdichterstufe in gleicher Richtung wie das Verdichterlaufrad der vorherigen Verdichterstufe angeordnet sein, d.h. die Richtung des Eintritts ist bei beiden Verdichterlaufrädern gleich. Ebenso können beide Verdichterlaufräder auch in entgegengesetzter Richtung angeordnet sein, d.h. in sog. Rücken an Rücken Anordnung, die überwiegend bei zweistufigen Turboverdichtern sinnvoll ist, wobei die beispielsweise als Spirale ausgebildete Ausströmgeometrie der zweiten Verdichterstufe und das sich daran anschließende Austrittsrohr durch den Bereich zwischen den einzelnen Teilspiralen der Rückführgeometrie geführt werden können. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf zweistufige Turboverdichter beschränkt, sonder auch auf mehrstufige Ausführungen anwendbar.
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In einer Weiterbildung der Rückführgeometrie ist vorgesehen, dass sich die Strömungskanäle der Teilspiralen von einem Eintrittsbereich der ersten Verdichterstufe, insbesondere vom Austrittsbereich des Laufrads der ersten Verdichterstufe, zu einem Austrittsbereich der ersten Verdichterstufe, insbesondere zum Eintrittsbereich des Laufrads der zweiten Verdichterstufe, erstrecken und sich im Austrittsbereich zu einem umfangssymmetrischen Gesamtkanal vereinigen. Der Gesamtkanal bildet dann die Zuströmung für die bzw. in die zweite Verdichterstufe. Dies funktioniert besonders vorteilhaft bei einer Ausführung bei der sich die Strömungskanäle in Strömungsrichtung nach dem in Strömungsrichtung gesehen letzten Krümmer, der die Strömung in die zweite Axialrichtung leitet, zu dem Gesamtkanal vereinigen.
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Ferner ist ein Ausführungsbeispiel der Rückführgeometrie dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strömungskanäle in einem Übergang zu dem Gesamtkanal jeweils gekrümmte Wände und/oder gekrümmte Drallstreben aufweisen. Die Drallstreben sind ausgebildet, der Strömung beim Eintritt in den Gesamtkanal einen vordefinierten Drall zu verleihen, der die Ansaugung durch das Verdichterrad der zweiten Verdichterstufe effektiv begünstigt.
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Zur Unterstützung der Strömungsumlenkung wird in einer Ausführungsvariante die Rückführgeometrie derart ausgebildet, dass der in den Strömungskanälen jeweils gebildete Krümmer, der die Strömung aus der radialen Ausströmrichtung in die erste Axialrichtung in Richtung der zweiten Verdichterstufe umlenkt, jeweils eine Leitstrebe aufweist, welche sich entlang des jeweiligen Strömungskanals in Radialrichtung nach außen und in die erste Axialrichtung erstreckt. Die Leitstreben unterteilen den jeweiligen Strömungskanal in einer vorteilhaften Ausführung mittig, so dass beide verbleibenden Teile des jeweiligen Strömungskanals mit gleich großem Massenstrom durchströmt werden. Auch wird in einer Weiterbildung vorgesehen, dass sich die Leitstreben radial außerhalb eines Zungenradius der Rückführgeometrie erstrecken, d.h. gegenüber einem durch den Zungenradius gebildeten Eintritt des jeweiligen Strömungskanals nach radial außen beabstandet.
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Strömungstechnisch ist ferner eine Ausführung der Rückführgeometrie vorteilhaft, bei der die Strömungskanäle einen Axialabschnitt aufweisen, in denen die Strömung in die erste Axialrichtung in Richtung der zweiten Verdichterstufe geleitet wird, und der Axialabschnitt der Strömungskanäle als Diffusor ausgebildet ist. Durch die Ausbildung des jeweiligen Axialabschnitts als Diffusor wird die Strömung verzögert, Reibungsverluste werden reduziert und ein statischer Druck aufgebaut. Der Axialabschnitt der Rückführgeometrie verläuft vorteilhaferweise parallel zu einer Rotationsachse des Turboverdichters.
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Weiterhin ist eine Ausführung der Rückführgeometrie günstig, bei der die Strömungskanäle einen der ersten Verdichterstufe zuordenbaren Einströmradialabschnitt und einen der zweiten Verdichterstufe zuordenbaren Ausströmradialabschnitt aufweisen, welche die Strömung jeweils in die Einströmrichtung bzw. in die Ausströmrichtung leiten, bevor das Strömungsfluid vorzugsweise axial aus der Rückführgeometrie ausströmt. Strömungstechnisch ist dabei die Ausführung von Vorteil, bei der sich die Strömungskanäle im Ausströmradialabschnitt bezüglich ihres Querschnitts in Strömungsrichtung aufweiten, so dass eine Beschleunigung der Strömung im Ausströmradialabschnitt verringert oder gar vermieden wird.
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Gebildet werden die Strömungskanäle der Teilspiralen der Rückführgeometrie in einer kompakten Ausführung durch ein Zwischenscheibengehäuse des Turboverdichters, der die erste Verdichterstufe von der zweiten Verdichterstufe trennt. Die Strömungskanäle können sich in der Außenumfangsfläche des Zwischenscheibengehäuses erstrecken. In einer Weiterbildung werden die Strömungskanäle der Teilspiralen gebildet durch das Zwischenscheibengehäuse und das Turboverdichtergehäuse, wobei die Strömungskanäle durch einen Kanalfreiraum zwischen einer Außenfläche des Zwischenscheibengehäuses und einer Innenwandfläche des Turboverdichtergehäuses gebildet sind. Beispielsweise verlaufen die Strömungskanäle in der Außenumfangsfläche des Zwischenscheibengehäuses und werden von dem Turboverdichtergehäuse abgedeckt. In alternativen Ausführungen können das Turboverdichtergehäuse und das Zwischenscheibengehäuse auch mehrteilig ausgebildet werden.
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Bei einer Weiterbildung der Rückführgeometrie ist vorgesehen, dass das Zwischenscheibengehäuse eine Axialöffnung zur Aufnahme des Verdichterlaufrads der ersten Verdichterstufe mit einem Axialöffnungsradius R1 aufweist und die Strömungskanäle der Teilspiralen sich ausgehend von dem Zungenradius R2 des Zwischenscheibengehäuse erstecken. Der Zungenradius wird dabei um den Faktor 1,4 - 1,8 größer ist als der Axialöffnungsradius R1 festgelegt. Eine weitere Vergrößerung würde das Risiko einer zu vermeidenden Strömungsablösung bergen.
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In einer Ausführungsvariante der Rückführgeometrie erstrecken sich die Teilspiralen an dem durch den Zungenradius R2 bestimmten Eintritt der Strömungskanäle mit einem Winkel a3 = 60° - 80° gegenüber einer Radialebene im Umfangsrichtung verlaufend nach radial außen. Die Abströmrichtung des Verdichterlaufrads der ersten Verdichterstufe und die Einströmrichtung in die Strömungskanäle kann somit bezüglich der Abströmwinkel und Einströmwinkel aufeinander abgestimmt werden.
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Bezüglich der Größe der Strömungskanäle der Rückführgeometrie ist in einer vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass das Verhältnis der Erstreckung (a1) der Strömungskanäle der Teilspiralen in Umfangsrichtung gegenüber angrenzenden Umfangsabschnitten (a2) ohne Strömungskanäle gebildet wird, so dass gilt 0,2 ≤ a1/(a1+a2) ≤ 0,5.
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Die Erfindung umfasst ferner einen Turboverdichter in Radialbauweise mit einer Rückführgeometrie gemäß einem der vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Turboverdichters;
- 2 eine Explosionsdarstellung der Teile des Turboverdichters aus 1;
- 3 eine Draufsicht auf ein Zwischenscheibengehäuse aus 2 mit Teilspiralen, welche die Strömungskanäle bilden;
- 4 eine einlassseitige Draufsicht auf eine schematisch dargestellte, sich durch einen Strömungsverlauf ergebende Strömungsgeometrie;
- 5 eine seitliche Schnittansicht der Strömungsgeometrie aus 4;
- 6 eine rückseitige Draufsicht der Strömungsgeometrie aus 4;
- 7 eine Seitenansicht der Strömungsgeometrie aus 4.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch und dienen zum besseren Verständnis der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen benennen gleiche Teile in allen Ansichten.
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In 1 ist schematisch ein Turboverdichter 1 mit einem Turboverdichtergehäuse 3 und einem darin aufgenommenem Zwischenscheibengehäuse 2 dargestellt. An dem Zwischenscheibengehäuse 2 ist am Strömungseinlass 4, teilweise in eine Axialöffnung eingesetzt, ein Verdichterlaufrad 6 der ersten Verdichterstufe angeordnet, das ein Strömungsfluid axial ansaugt und radial in Richtung der zweiten Verdichterstufe ausbläst. In dem Zwischenscheibengehäuse 2 ist axial getrennt zum Verdichterlaufrad 6 das Verdichterlaufrad 7 der zweiten Verdichterstufe angeordnet, welches das Strömungsfluid ebenfalls axial ansaugt und radial in Richtung des Auslasses 11 des Zwischenscheibengehäuses 2 und schließlich des Austritts 12 am Turboverdichtergehäuse 3 ausbläst.
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Das Turboverdichtergehäuse 3 und das Zwischenscheibengehäuse 2 stellen eine Rückführgeometrie zur Strömungsverbindung der ersten und zweiten Verdichterstufe mit mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Teilspiralen bereit, die getrennt voneinander verlaufende Strömungskanäle 5 zur Herstellung der Strömungsverbindung vom Eintrittsbereich der ersten Verdichterstufe zum Austrittsbereich der zweiten Verdichterstufe bilden, wie es in der Explosionsdarstellung gemäß 2 und 3 zu erkennen ist. Die Strömungskanäle 5 sind jeweils erzeugt durch einen Kanalfreiraum zwischen der Außenfläche des Zwischenscheibengehäuses 2 und der Innenwandfläche des Turboverdichtergehäuses 3. Die Geometrie der jeweiligen Strömungskanäle 5 kann dabei von beiden Bauteilen oder beispielsweise auch nur durch das Zwischenscheibengehäuse 2, wie im gezeigten Fall, bestimmt werden.
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In der in den 2 und 3 dargestellten Ausführung wird die Rückführgeometrie zur Strömungsverbindung der ersten und zweiten Verdichterstufe durch sieben Teilspiralen mit jeweils identischen Strömungskanälen 5 erzeugt, die sich vom Strömungseinlass 4 nach radial außen und gleichzeitig in Umfangsrichtung erstrecken. Die Strömung wird von durch in den Strömungskanälen 5 vorgesehene Krümmer 15, 16 mehrfach umgelenkt, und zwar durch den ersten Krümmer 15 aus einer im Wesentlichen radialen Ausströmrichtung in eine erste Axialrichtung in Richtung der zweiten Verdichterstufe und anschließend durch den zweiten Krümmer 16 zurück in die radiale Einströmrichtung, welche der Ausströmrichtung entgegenläuft. Der dritte Krümmer der Strömungskanäle 5 liegt innerhalb des Zwischenscheibengehäuses 2 und ist deshalb nicht zu erkennen, leitet die Strömung jedoch anschließend zur Einströmrichtung in eine zweite Axialrichtung, welche der ersten Axialrichtung entgegenläuft.
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In jedem der Strömungskanäle 5 ist eine Leitstrebe 8 vorgesehen, die sich in radialer und axialer Richtung über den ersten Krümmer 15 hinweg erstreckt und das Strömungsfluid in dem jeweiligen Strömungskanal 5 während der ersten Umlenkung mittig aufteilt.
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Die geometrische Gestaltung der Strömungsverbindung der Rückführgeometrie ist in den 4 - 7 anhand der sich ergebenden Strömungsgeometrie dargestellt, d.h. in den 4 - 7 sind keine Bauteile, sondern die sich durch den Aufbau des Turboverdichtergehäuses 3 und insbesondere des Zwischenscheibengehäuses 2 ergebende geometrische Form der frei durchströmbaren Rückführgeometrie und mithin der sich ergebenden Strömung von der ersten zur zweiten Verdichterstufe gezeigt. Deshalb wird die die Form der Strömungskanäle 5 repräsentierende Strömung in den 4 - 7 mit 5' gekennzeichnet. Die geometrische Form des Zwischenscheibengehäuses 2 ist dabei so gestaltet, dass sich die Strömungskanäle 5 von dem Eintrittsbereich mit dem Strömungseinlass 4 der ersten Verdichterstufe zu dem Austrittsbereich der ersten Verdichterstufe erstrecken und im Austrittsbereich zu einem umfangssymmetrischen Gesamtkanal 9 mit einem Radius R9 und einem undurchströmten Zentralabschnitt um die Rotationsachse mit einem Radius R10 erstrecken.
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Die Rückführgeometrie teilt sich in einen Anzahl n Strömungskanäle 5 (im vorliegenden Fall n=7) mit jeweils umfänglicher Ausdehnung a1 auf, die Zwischenbereiche ohne Strömungskanäle sind mit a2 gekennzeichnet. Das Verhältnis a1/(a1+2) wird in einem Bereich von 0,2-0,5 festgelegt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen alle Strömungskanäle 5 dieselbe Größe und denselben Strömungsquerschnitt auf, jedoch können diese auch abweichend voneinander ausgebildet werden, so dass beispielsweise die Längen a1 jedes Strömungskanals oder mancher Strömungskanäle 5 variiert, so dass gleten würde a11+a21≠a12+a22.
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Die einzelnen Strömungskanäle 5 weisen im Übergang zu dem Gesamtkanal 9 jeweils gekrümmte Drallstreben auf, die der Strömung beim Eintritt in den Gesamtkanal 9 einen Drall verleihen, so dass die Strömung am Auslass in die zweite Verdichterstufe einen vordefinierten Drall aufweist. Die Drallstreben sind als Negativ in der in 7 gezeigten Strömung mit dem Bezugszeichen 22' gekennzeichnet und weisen einen Öffnungswinkel a5 auf.
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Die Strömungskanäle 5 sind in ihrem Axialabschnitt z, in denen die Strömung in die erste Axialrichtung in Richtung der zweiten Verdichterstufe geleitet wird, als Diffusor ausgebildet und weisen einen Diffusorwinkel a4 auf, wobei die Bedingung [R5(z)2-R4(z)2] (a1 ·π·n)/360 ≤ 2·π·R2·b2 erfüllt wird. Dabei ist R5 der Außenradius als Funktion der axialen Koordinate z, R4 der Radius der Innenwandung des Strömungskanals 5 als Funktion der axialen Koordinate z, R2 der Zungenradius oder Austrittsradius der Rückführgeometrie und b2 die Strömungskanalbreite im Ausströmradialabschnitt. Das Diffusionsverhältnis R2/R1 wird in einem Bereich von 1,4-1,8 festgelegt. An den Zungenradius R2 anschließend folgen die Teilspiralen der Strömungskanäle 5 mit einem Zungenwinkel a3 zwischen 60° und 80° mit dem Zungenradius R11 sowie einer am Eintritt kleinsten durchströmten Fläche 27. Die zur Verbesserung der Umlenkung angebrachte Leitstrebe 8 beginnt bei R3>R2, so dass die kleinste durchströmte Fläche im jeweiligen Strömungskanal 5 nicht weiter verengt wird. Der Diffusorwinkel ist ausgebildet im Abschnitt z2 des Axialabschnitts z, der einen Teil der geraden Axialerstreckung z1 bestimmt. Die Strömungskanalbreite b2 im radialen Ausströmrichtungsabschnitt ist geringer als die Strömungskanalbreiten b6 und b7 im gegenüberliegenden radialen Einströmrichtungsabschnitt.
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Die radiale Umlenkung und Zusammenführung der Strömung 5' ist so gestaltet, dass die Strömungsgeschwindigkeiten möglichst nicht oder nur wenig verändert werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist deshalb die Bedingung erfüllt, dass b6·R6·a1/360·n = b7·R7. Dabei ist b6 die Strömungskanalbreite angrenzend an den zweiten Krümmer 16 beim Radius R6 und b7 die Strömungskanalbreite unmittelbar vor dem dritten Krümmer beim Radius R7, gemäß 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3056741 A1 [0003]
- EP 2918848 A1 [0003]
