DE102019216925A1 - Temperature control system for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Temperierungssystem (1) für ein Kraftfahrzeug (2),
- mit einem Kühlmittelkreislauf (3), in welchem ein Kühlmittel (4) strömt,
- mit einem Kältemittelkreislauf (5), in welchem ein Kältemittel (6) strömt,
- wobei im Kühlmittelkreislauf (3) ein Kühlmittelkühler (7), ein Chiller (8), zumindest eine zu temperierende Komponente (9) und eine erste Kühlmittelpumpe (10) angeordnet sind,
- wobei im Kältemittelkreislauf (5) ein Kondensator (11), der Chiller (8), ein Verdampfer (12) und ein Kompressor (13) zum Verdichten des Kältemittels (6) angeordnet sind.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine den Chiller (8) umgehende erste Kühlmittelbypassleitung (14) vorgesehen ist, in welcher eine erste Ventileinrichtung (15) angeordnet ist, die einen durch den Chiller (8) und die erste Kühlmittelbypassleitung (14) strömenden Kühlmittelstrom in Abhängigkeit einer chilleraustrittsseitigen Kühlmitteltemperatur steuert oder regelt.
The invention relates to a temperature control system (1) for a motor vehicle (2),
- With a coolant circuit (3) in which a coolant (4) flows,
- With a refrigerant circuit (5), in which a refrigerant (6) flows,
- A coolant cooler (7), a chiller (8), at least one component (9) to be temperature-controlled and a first coolant pump (10) are arranged in the coolant circuit (3),
- A condenser (11), the chiller (8), an evaporator (12) and a compressor (13) for compressing the refrigerant (6) are arranged in the refrigerant circuit (5).
It is essential to the invention that a first coolant bypass line (14) which bypasses the chiller (8) is provided, in which a first valve device (15) is arranged which, depending on the flow of coolant flowing through the chiller (8) and the first coolant bypass line (14) a coolant temperature on the chiller outlet side controls or regulates.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperierungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf und einem Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Elektrofahrzeug mit einer Fahrzeugkabine und einem solchen Temperierungssystem.The present invention relates to a temperature control system for a motor vehicle with a cooling circuit and a refrigerant circuit according to the preamble of
Bei batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wird ein Kältemittelkreislauf zum Kühlen einer Kabinenluft an einem Verdampfer und zum Kühlen eines Niedertemperaturkreislaufes in einem Chiller eingesetzt. Die Zieltemperatur am Chiller unterscheidet sich dabei jedoch deutlich von der des Verdampfers, wobei für den Chiller, welcher das Kühlmittel für eine Fahrzeugbatterie kühlt bzw. temperiert, eine Zieltemperatur von 25 bis 35°C angestrebt wird. Für den Verdampfer zur Kühlung der Kabinenluft hingegen wird eine Zieltemperatur von 2 bis 10°C bzw. maximal 12°C angestrebt. Beide Wärmeübertrager, das heißt der Chiller und der Verdampfer, sind im Kältemittelkreislauf parallel verschaltet. Bei der Verwendung eines einzigen Kompressors stellt sich dabei sowohl am Verdampfer für die Kabinenluft als auch am Chiller nahezu derselbe Kältemitteldruck und somit auch nahezu dieselbe Kältemitteltemperatur ein. Dies ist jedoch entsprechend der zuvor genannten Zielvorgaben für die Temperaturen am Chiller und am Verdampfer nicht erwünscht. Um dabei eine kältemittelseitige Regelung der Leistung am Chiller vornehmen zu können, wurde dort bislang ein elektrisch schaltbares Expansionsventil vorgesehen, über welches ein Kältemittelmassenstrom über den Chiller und damit die gewünschte Kältemitteltemperatur eingestellt wird.In battery-electric vehicles, a refrigerant circuit is used to cool cabin air on an evaporator and to cool a low-temperature circuit in a chiller. The target temperature at the chiller differs significantly from that of the evaporator, however, a target temperature of 25 to 35 ° C. is aimed for for the chiller that cools or tempers the coolant for a vehicle battery. For the evaporator for cooling the cabin air, however, a target temperature of 2 to 10 ° C or a maximum of 12 ° C is aimed for. Both heat exchangers, i.e. the chiller and the evaporator, are connected in parallel in the refrigerant circuit. When using a single compressor, almost the same refrigerant pressure and therefore almost the same refrigerant temperature is established on the evaporator for the cabin air as on the chiller. However, this is not desirable in accordance with the aforementioned targets for the temperatures on the chiller and on the evaporator. In order to be able to regulate the refrigerant output on the chiller, an electrically switchable expansion valve was previously provided, via which a refrigerant mass flow via the chiller and thus the desired refrigerant temperature is set.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass das Takten des Kältemittelkreislaufs, insbesondere in bestimmten Betriebszuständen, zu Schwingungen im Kältemittelkreislauf führt, welches sich in einer schlechten Regelgüte oder auch in akustischen Problemen niederschlagen. Des Weiteren muss ein elektrischer Aktuator für eine vergleichsweise hohe Anzahl an Zyklen (Taktung) ausgelegt werden, um eine Haltbarkeit des Expansionsventils über die Lebensdauer garantieren zu können. Dies schlägt sich insbesondere in einer erhöhten Menge an Kupfer und Stahl und damit die höheren Kosten und einem höheren Gewicht nieder.However, it is disadvantageous here that the clocking of the refrigerant circuit, in particular in certain operating states, leads to vibrations in the refrigerant circuit, which is reflected in poor control quality or also in acoustic problems. Furthermore, an electrical actuator must be designed for a comparatively high number of cycles (clocking) in order to guarantee the durability of the expansion valve over the service life. This is particularly reflected in an increased amount of copper and steel and thus the higher costs and weight.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Temperierungssystem eines Kraftfahrzeuges eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.The present invention therefore deals with the problem of specifying an improved or at least an alternative embodiment for a temperature control system of a motor vehicle, which in particular overcomes the disadvantages known from the prior art.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, anstelle eines elektrisch schaltbaren (taktbaren) Expansionsventils eine Kühlmittelbypassleitung am Chiller sowie eine Ventileinrichtung zur Steuerung des in der Kühlmittelbypassleitung strömenden Kühlmittelstroms vorzusehen und dadurch die Leistung des Chillers ohne bislang erforderliches, konstruktiv aufwendiges und teures elektrisch schaltbaren Expansionsventil zu steuern bzw. zu regeln. Selbstverständlich ist für die Verdampfung des Kältemittels im Chiller nach wie vor eine Drossel/Expansionsorgan erforderlich, wobei nun eine einfaches TXV (thermostatisches Expansionsventil) oder eine fixe Drossel (fix Orifice - unveränderlicher Querschnitt), ausreicht und eben kein elektrisch schaltbares (taktbares) Expansionsventil mehr erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Temperierungssystem für ein Kraftfahrzeug weist dabei in bekannter Weise einen Kühlkreislauf auf, in dem ein Kühlmittel strömt, sowie einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Kältemittel strömt. Im Kühlmittelkreislauf sind dabei ein Kühlmittelkühler, ein Chiller, zumindest eine zu temperierende Komponente und eine erste Kühlmittelpumpe angeordnet, wobei im Kältemittelkreislauf ein Kondensator, der Chiller, ein Verdampfer und ein Kompressor zum Verdichten des Kältemittels angeordnet sind. Der Kondensator kann dabei in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Kühlmittelkühler stehen. Mit einem „wärmeübertragenden Kontakt“ ist dabei beispielsweise eine Reihenschaltung des Kondensators und des Kühlmittelkühlers gemeint, sodass diese von einem Luftstrom nacheinander durchströmt sind. Hierdurch ist eine Wärmeübertragung durch den Luftstrom möglich, der je nach Durchströmungsrichtung im Kondensator Wärme aufnimmt und diese zum Kühlmittelkühler weiterführt, oder umgekehrt. Mit einem „wärmeübertragenden Kontakt“ sind keine direkte Anbindung bzw. ein körperlicher Kontakt zwischen dem Kondensator und dem Kühlmittelkühler oder eine fluidische Verbindung zwischen Kältemittel und Kühlmittel gemeint. Erfindungsgemäß ist nun die den Chiller umgehende erste Kühlmittelbypassleitung vorgesehen, in welcher eine erste Ventileinrichtung angeordnet ist, die einen den Chiller durchströmenden Kühlmittelstrom in Abhängigkeit einer chilleraustrittsseitigen Kühlmitteltemperatur steuert oder regelt. Hierdurch kann auf ein bislang erforderliches elektrisch schaltbares Expansionsventil verzichtet werden, wodurch nicht nur dieses vergleichsweise teure Bauteil entfällt, sondern auch ein entsprechender Verkabelungs- und Steuerungsaufwand für dasselbe. Insgesamt kann somit mit dem erfindungsgemäßen Temperierungssystem eine konstruktiv vergleichsweise einfache Steuerung bzw. Regelung der Zieltemperatur am Chiller erreicht werden, die zudem kostengünstig ist.The present invention is based on the general idea of providing a coolant bypass line on the chiller and a valve device for controlling the coolant flow flowing in the coolant bypass line instead of an electrically switchable (clockable) expansion valve, and thereby the performance of the chiller without the previously required, structurally complex and expensive electrically switchable expansion valve to control or regulate. Of course, a throttle / expansion device is still required for the evaporation of the refrigerant in the chiller, whereby a simple TXV (thermostatic expansion valve) or a fixed throttle (fix orifice - unchangeable cross-section) is sufficient, and just no more electrically switchable (tactile) expansion valve is required. The temperature control system according to the invention for a motor vehicle has, in a known manner, a cooling circuit in which a coolant flows, and a refrigerant circuit in which a coolant flows. A coolant cooler, a chiller, at least one component to be temperature-controlled and a first coolant pump are arranged in the coolant circuit, with a condenser, the chiller, an evaporator and a compressor for compressing the coolant being arranged in the coolant circuit. The condenser can be in heat-transferring contact with the coolant cooler. A “heat-transferring contact” means, for example, a series connection of the condenser and the coolant cooler, so that an air stream flows through them one after the other. This enables heat transfer through the air flow, which, depending on the direction of flow, absorbs heat in the condenser and passes it on to the coolant cooler, or vice versa. A “heat transfer contact” does not mean a direct connection or physical contact between the condenser and the coolant cooler or a fluid connection between the refrigerant and the coolant. According to the invention, the first coolant bypass line bypassing the chiller is now provided, in which a first valve device is arranged which controls or regulates a coolant flow flowing through the chiller as a function of a coolant temperature on the chiller outlet side. This makes it possible to dispense with an electrically switchable expansion valve that was previously required, as a result of which not only this comparatively expensive component is eliminated, but also a corresponding cabling and control effort for the same. Overall, the temperature control system according to the invention can be used to achieve a structurally comparatively simple control or regulation of the target temperature on the chiller, which is also inexpensive.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die erste Ventileinrichtung als Thermostatventil oder als elektrisch steuerbares Ventil ausgebildet. Besonders die Ausbildungsvariante als Thermostatventil bietet dabei den großen Vorteil, dass hierdurch ein konstruktiv einfaches Selbstregulieren der Zieltemperatur am Chiller möglich ist, wobei ein derartiges Thermostatventil beispielsweise ein Wachsdehnelement aufweist, über welches die Ventileinrichtung schaltbar bzw. verstellbar und dadurch der durch den Chiller bzw. die erste Kühlmittelbypassleitung strömende Kühlmittelstrom regulierbar sind. Selbstverständlich ist auch eine alternative Ausführungsform mit einem elektrisch steuerbaren Ventil denkbar, wobei bei diesem zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen sein muss, der die chilleraustrittsseitige Kühlmitteltemperatur erfasst und an eine Steuereinrichtung bzw. eine Betätigungseinrichtung weiterleitet, die in Abhängigkeit der chilleraustrittsseitig erfassten Kühlmitteltemperatur die erste Ventileinrichtung steuert. Die zweite Variante bietet dabei den großen Vorteil, dass die erste Ventileinrichtung auch stromauf des Chillers im Kühlmittelkreislauf oder an einer beliebigen, insbesondere konstruktiv günstigen, Stelle in der ersten Kühlmittelbypassleitung platziert werden kann. In an advantageous development of the solution according to the invention, the first valve device is designed as a thermostatic valve or as an electrically controllable valve. In particular, the design variant as a thermostatic valve offers the great advantage that this enables a structurally simple self-regulation of the target temperature on the chiller, such a thermostatic valve having, for example, a wax expansion element, via which the valve device can be switched or adjusted and thereby by the chiller or first coolant bypass line flowing coolant flow are adjustable. Of course, an alternative embodiment with an electrically controllable valve is also conceivable, in which case a temperature sensor must additionally be provided, which detects the coolant temperature on the chiller outlet side and forwards it to a control device or an actuating device which controls the first valve device as a function of the coolant temperature detected on the chiller outlet side. The second variant offers the great advantage that the first valve device can also be placed upstream of the chiller in the coolant circuit or at any desired, in particular structurally advantageous, location in the first coolant bypass line.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die erste Ventileinrichtung stromab des Chillers im Kühlmittelkreislauf angeordnet. Hier bietet sich insbesondere die Verwendung eines Thermostatventiles für die erste Ventileinrichtung an, da über ein derartiges Thermostatventil, welches mit seinem Wachsdehnelement in den Kühlmittelkreislauf ragt, eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Regelung der Ventileinrichtung und damit der durch den Chiller und durch die erste Kühlmittelbypassleitung strömenden Kühlmittelströme möglich ist.In an advantageous development of the solution according to the invention, the first valve device is arranged downstream of the chiller in the coolant circuit. Here, in particular, the use of a thermostatic valve for the first valve device lends itself, since such a thermostatic valve, which projects into the coolant circuit with its wax expansion element, enables a comparatively simple and inexpensive control of the valve device and thus the coolant flows flowing through the chiller and through the first coolant bypass line is possible.
Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass die erste Ventileinrichtung stromauf des Chillers im Kühlmittelkreislauf oder in der ersten Kühlmittelbypassleitung angeordnet ist, wobei in diesem Fall ein Temperatursensor vorgesehen ist, der die chilleraustrittsseitige Kühlmitteltemperatur erfasst. Über eine entsprechende Betätigungseinrichtung wird dann die erste Ventileinrichtung in Abhängigkeit der chilleraustrittsseitigen Kühlmitteltemperatur gesteuert bzw. geregelt. In diesem Fall ist die erste Ventileinrichtung als elektrisch schaltbares bzw. steuerbares Ventil ausgebildet. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass die erste Ventileinrichtung nicht nur zwei Extremalschaltstellungen aufweist, sondern auch beliebige Zwischenstellungen, die eine beliebige Aufteilung der Kühlmittelströme durch die erste Kühlmittelbypassleitung und den Chiller ermöglichen.As an alternative to this, it is also conceivable that the first valve device is arranged upstream of the chiller in the coolant circuit or in the first coolant bypass line, in which case a temperature sensor is provided which detects the coolant temperature on the chiller outlet side. The first valve device is then controlled or regulated as a function of the coolant temperature on the chiller outlet side via a corresponding actuating device. In this case, the first valve device is designed as an electrically switchable or controllable valve. Of course, it is conceivable that the first valve device not only has two extreme switching positions, but also any intermediate positions that enable the coolant flows through the first coolant bypass line and the chiller to be divided as desired.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die zumindest eine zu temperierende Komponente eine Fahrzeugbatterie und/oder eine Elektronik. Eine derartige Fahrzeugbatterie kann beispielsweise Bestandteil eines Elektrofahrzeugs sein, wobei die Kühlung einer derartigen Fahrzeugbatterie maßgeblich für die Leistung derselben ist, da diese in einem vordefinierten Temperaturfenster ihre optimale Leistungsfähigkeit entfaltet. Auch eine Elektronik kann über den Kühlmittelkreislauf gekühlt und dadurch in einem die Funktionsfähigkeit sichernden Temperaturfenster gehalten werden.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the at least one component to be temperature-controlled is a vehicle battery and / or electronics. Such a vehicle battery can, for example, be part of an electric vehicle, the cooling of such a vehicle battery being decisive for the performance of the latter, since it develops its optimum performance in a predefined temperature window. Electronics can also be cooled via the coolant circuit and thus kept in a temperature window that ensures functionality.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist im Kühlmittelkreislauf stromab des Chillers eine Heizeinrichtung vorgesehen. Über eine derartige Heizeinrichtung ist es beispielsweise bei kalten Außentemperaturen möglich, das im Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel zu erwärmen und dadurch die zumindest eine zu kühlende bzw. zu temperierende Komponente zu beheizen. Insbesondere bei sehr tiefen Außentemperaturen fällt die Leistungsfähigkeit von Fahrzeugbatterien stark ab, so dass für deren optimale Leistungsentfaltung ein Beheizen vorteilhaft ist. Zusätzlich kann eine die Heizeinrichtung umgehende zweite Kühlmittelbypassleitung vorgesehen sein, in welcher eine zweite Ventileinrichtung angeordnet ist. Ist somit ein Beheizen des Kühlmittels nicht erforderlich, so ist die Heizeinrichtung abgeschaltet und das Kühlmittel fließt im Kühlmittelkreislauf nicht durch die Heizeinrichtung, sondern ausschließlich durch die zweite Kühlmittelbypassleitung, wodurch ein Strömungswiderstand und dadurch die Leistung einer Kühlmittelpumpe reduziert werden können.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, a heating device is provided in the coolant circuit downstream of the chiller. Such a heating device makes it possible, for example at cold outside temperatures, to heat the coolant flowing in the coolant circuit and thereby to heat the at least one component to be cooled or tempered. Particularly at very low outside temperatures, the performance of vehicle batteries drops sharply, so that heating is advantageous for their optimal performance. In addition, a second coolant bypass line that bypasses the heating device can be provided, in which a second valve device is arranged. If heating of the coolant is therefore not necessary, the heating device is switched off and the coolant does not flow in the coolant circuit through the heating device but exclusively through the second coolant bypass line, as a result of which a flow resistance and thereby the performance of a coolant pump can be reduced.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die erste Kühlmittelbypassleitung und die erste Ventileinrichtung zumindest teilweise in den Chiller integriert und bilden zusammen mit diesem eine vorgefertigte Baugruppe. Dies bietet den großen Vorteil, dass eine besonders kompakte Bauweise erzielt werden kann und zudem eine vorfertigbare Baugruppe, die die spätere Montage, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug, erleichtert.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the first coolant bypass line and the first valve device are at least partially integrated in the chiller and, together with it, form a prefabricated assembly. This offers the great advantage that a particularly compact design can be achieved and, in addition, a prefabricated assembly that facilitates subsequent assembly, for example in an electric vehicle.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Elektrofahrzeug mit einer Fahrzeugkabine und einem zuvor beschriebenen Temperierungssystem auszustatten und dadurch die zuvor beschriebenen Vorteile auf ein solches Elektrofahrzeug zu übertragen. Insbesondere kann dadurch das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug kostengünstiger und konstruktiv deutlich weniger aufwendig hergestellt werden.The present invention is further based on the general idea of equipping an electric vehicle with a vehicle cabin and a temperature control system described above and thereby transferring the advantages described above to such an electric vehicle. In particular, the electric vehicle according to the invention can thereby be manufactured more cost-effectively and in a structurally significantly less complex manner.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures with reference to the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 ein erfindungsgemäßes Temperierungssystem für ein Kraftfahrzeug, -
2 eine DetaildarstellungA aus1 , -
3 eine Darstellung wie in2 , jedoch mit einer elektrisch steuerbaren ersten Ventileinrichtung, -
4 eine Darstellung wie in2 , jedoch mit einer weiteren Kühlmittelpumpe in der ersten Kühlmittelbypassleitung, -
5 ein erfindungsgemäßes Temperierungssystem mit einer in der ersten Kühlmittelbypassleitung angeordneten ersten Ventileinrichtung und einem Temperatursensor, -
6 eine Darstellung wie in3 , jedoch mit einer stromauf des Chillers angeordneten ersten Ventileinrichtung.
-
1 an inventive temperature control system for a motor vehicle, -
2nd a detailed representationA out1 , -
3rd a representation like in2nd , but with an electrically controllable first valve device, -
4th a representation like in2nd , but with another coolant pump in the first coolant bypass line, -
5 a temperature control system according to the invention with a first valve device arranged in the first coolant bypass line and a temperature sensor, -
6 a representation like in3rd , but with a first valve device arranged upstream of the chiller.
Entsprechend der
Betrachtet man die Ausführungsformen der ersten Ventileinrichtung
Alternativ ist auch vorstellbar, ein elektrisch steuerbares Ventil E als erste Ventileinrichtung
Betrachtet man die
Betrachtet man nun die einzelnen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Temperierungssystems
Betrachtet man die erste Kühlmittelpumpe
Die zu temperierenden Komponenten
Des Weiteren vorgesehen sein kann eine im Kühlmittelkreislauf
Ist somit beispielsweise kein Beheizen der zu temperierenden Komponenten
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die erste Kühlmittelbypassleitung
Generell kann mit dem erfindungsgemäßen Temperierungssystem
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |