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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Kombination eines Kältemittel-Akkumulators und eines internen Wärmeübertragers für Kältemittel, ein Anschlussbauteil, einen internen Wärmeübertrager sowie einen Akkumulator.
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In Klimaanlagen für Fahrzeuge ist es insbesondere bei der Verwendung von modernen Kältemitteln, wie zum Beispiel R744, erforderlich, einen internen Wärmeübertrager vorzusehen. Hierbei bestehen besondere Herausforderungen darin, eine unerwünschte Wärmeübertragung von dem Wärmeübertrager zum Speicherbereich des Akkumulators einzuschränken oder zu verhindern, da dies die Effizienz beeinträchtigen würde. Ferner weisen derartige Kombinationsbauteile eine erhebliche Längserstreckung auf, was für die Montage und die Vereinbarkeit mit Beschränkungen im Hinblick auf den Bauraum zu Problemen führen kann. Schließlich besteht stets die Notwendigkeit, derartige Bauteile möglichst kostengünstig herstellen zu können.
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STAND DER TECHNIK
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund besteht eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine kostengünstig herstellbare und effiziente Kombination eines Kältemittelakkumulators und internen Wärmeübertragers zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Kombination, die sich durch einen Mittelabschnitt mit Fluidanschlüssen und zwei Endabschnitte auszeichnet, von denen einer als Akkumulator und einer als Wärmeübertrager ausgebildet ist. Einzelne Bauteile, insbesondere Kappen oder becherförmige Abschnitte, wie nachfolgend genauer beschrieben, der Endabschnitte können an den Mittelabschnitt anbringbar, insbesondere damit verschweißt sein, was in besonders einfacher Weise durch eine einzige Kehlnaht möglich ist. In jedem Fall sorgt der Mittelabschnitt dafür, dass die beiden Funktionen Akkumulation und Wärmeübertragung räumlich voneinander getrennt sind, so dass unerwünschte Wärmeübertragung, von dem Wärmeübertrager zum Speicherbereich des Akkumulators deutlich eingeschränkt und die Effizienz erhöht wird.
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Ferner können erfindungsgemäß sämtliche Fluidanschlüsse an dem Mittelabschnitt konzentriert werden, sodass lediglich der Mittelabschnitt in geeigneter Weise, beispielsweise spanend, bearbeitet werden muss, was die Herstellungskosten senkt. Darüber hinaus kann der Mittelabschnitt auch jegliche Befestigungsvorrichtungen aufweisen, so dass entsprechende Vorrichtungen an den Endabschnitten nicht notwendig sind, und diese vereinfacht werden können. Der Mittelabschnitt kann in vorteilhafter Weise einstückig ausgebildet sein. Der Mittelabschnitt kann auch als Mittelflansch bezeichnet werden und kann in besonders effizienter Weise als Fließpressteil ausgebildet sein. Alternativ ist eine Gestaltung als Gießteil möglich, wobei in diesem Fall zwei Hälften des Mittelabschnitts für eine einfache Entformung mit wenigen Grad konisch ausgebildet sein können. Befestigungsvorrichtungen, die an dem Mittelabschnitt konzentriert sind, vereinfachen darüber hinaus die Montage.
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Schließlich können Akkumulator und Wärmeübertrager jeweils in ihrer Größe unabhängig voneinander ausgebildet werden. Die äußere Hülle des vorangehend beschriebenen Kombibauteils stellt einen Druckbehälter dar, in dessen Inneren das Druckniveau des Akkumulator-Teils herrscht und dem Niederdruck des Kältemittelkreislaufs entspricht. Im Stillstand dient das gesamte niederdruckseitige Volumen von Akkumulator und innerem Wärmeübertrager als Ausgleichsvolumen für das im Kältereislauf eingeschlossene Kältemittel und verhindert unzulässig hohe Stillstandsdrücke.
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Zur Kompensation von Kältemittelverlusten durch unvermeidbare Leckagen an Verdichterwelle und Kreislaufschnittstellen, befindet sich üblicherweise etwas mehr Kältemittel im System (Akkumulator) als für die Funktion notwendig wäre. Je größer die Menge an zusätzlichem Kältemittel, desto länger das Serviceintervall für das Klimaanlagensystem. Die Menge, die als zusätzliches Kältemittel eingefüllt werden darf, hängt wiederum von der Größe des Ausgleichsvolumens ab. Bei kleinen Druckbehältern, wie es das Kombibauteil darstellt, ist man bemüht, ein freies inneres Volumen von einem Liter nicht zu überschreiten, um so besonderen Anforderungen aus der Druckbehälterverordnung zu entgehen. Genannt sei in vorteilhafter Weise, dass unterhalb der 1 Liter Grenze die Notwendigkeit der jährlichen Wartung vermieden wird.
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Kombibauteile nach dem Stand der Technik weisen deshalb nie mehr als 1 Liter freies inneres Volumen auf. Der Wunsch nach mehr zusätzlichem Kältemittel, bzw. längerem Serviceintervall, unterliegt hier einer technischen Grenze. Ein zweiter Druckbehälter mit dem alleinigen Ziel, als Ausgleichsvolumen zu dienen, widerspricht allen Aspekten der Wirtschaftlichkeit, Kosten, Bauraum und Gewicht.
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Die äußere Hülle des erfindungsgemäßen Kombibauteils stellt bauartbedingt, bzw. durch dessen Architektur, bereits eine Hintereinanderschaltung zweier Druckbehälter dar, so dass insgesamt bis zu nahezu 2 Liter freies Volumen als Ausgleichsvolumen für zusätzliches Kältemittel zur Verfügung gestellt werden können, was die Flexibilität im Hinblick auf die Erfüllung von Anforderungen seitens beispielsweise der Automobilhersteller wesentlich und nahezu ohne größeren Mehraufwand erhöht. Akkumulator- und Wärmeübertrager-Teil stellen unabhängige Druckbehälter dar und sind statt durch eine äußere Rohrleitung durch eine interne Rohrverbindung (in den Zeichnungen mit 28 bezeichnet) seriell miteinander verbunden. Gleichzeitig bleiben sowohl der Akkumulator als auch der Wärmeübertrager jeweils unterhalb einer Größe von 1 Liter.
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Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kombination sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Für zumindest einen Endabschnitt wird bevorzugt, dass er eine einstückige Kappe oder einen einstückigen Becher aufweist. Insbesondere können die Kappen oder Becher beider Endabschnitte gleich gestaltet sein, um die Teilevielfalt zu verringern. Ferner trägt dies zur Kostensenkung bei, da separate Behälter für die beschriebenen Abschnitte entfallen können.
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Im Hinblick auf die notwendige Druckbeständigkeit wird für zumindest eine Kappe oder zumindest einen Becher bevorzugt, dass sie/er einen Halbkugel- oder Halbellipsoidabschnitt aufweist.
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Die Zahl der Einzelteile kann ferner dadurch in vorteilhafter und kostensparender Weise verringert werden, dass der Mittelabschnitt ferner den Zyklon für die Trennung der Flüssigkeits- von der Gasphase am Eintritt des Akkumulators aufweist.
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Wie bereits erwähnt, wird für den Mittelabschnitt aus Gründen der Effizienz bei der Herstellung und Vereinfachung der Montage bevorzugt, dass er ferner zumindest eine Befestigungsvorrichtung aufweist.
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Diese kann in besonders einfacher Weise in einer Öffnung in dem Mittelabschnitt aufgenommen sein.
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In vorteilhafter Weise kann ferner ein Fluidanschluss bezüglich einer Längsachse der Kombination geneigt sein, beispielsweise um die Strömungsrichtung für den Eintritt in den Zyklon vorzugeben.
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Im Sinne einer symmetrischen Gestaltung können die Fluidanschlüsse zentral an dem Mittelabschnitt vorgesehen sein, sie können jedoch auch dezentral oder exzentrisch vorgesehen sein, wenn die Einbausituation dies erfordert.
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Im Hinblick auf eine möglichst umfangreiche Verringerung unerwünschter Wärmeübertragung von dem Wärmeübertrager zu dem Akkumulator bietet es ferner Vorteile, wenn der Wärmeübertrager im Einbauzustand oberhalb des Akkumulators angeordnet ist.
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Die Erfindung manifestiert sich ferner in dem durch den vorangehend beschriebenen Mittelabschnitt gebildeten Anschlussbauteil, das zumindest vier Fluidanschlüsse aufweist, an das an zumindest zwei entgegengesetzten Seiten Komponenten eines Kältemittelkreislaufs montierbar sind. In vorteilhafter Weise kann der Mittelabschnitt oder das Anschlussbauteil ferner zumindest eine Verbindung zwischen den Endabschnitten bzw. den anzubringenden Komponenten aufweisen.
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Schließlich besteht die Erfindung auch in einem internen Wärmeübertrager oder Kältemittel-Akkumulator, der derart montierbar ist, dass Fluidanschlüsse zu einer weiteren Komponente, wie einem Akkumulator oder internen Wärmeübertrager und nicht, wie im Stand der Technik mit getrennten Bauteilen üblich, zu externen Leitungen gerichtet sind. Dies entspricht im Hinblick auf das Kombinationsbauteil der Tatsache, dass die beiden Komponenten, interner Wärmeübertrager und Kältemittel-Akkumulator, an entgegengesetzten Seiten des Mittelabschnitts vorgesehen sind, wodurch die beschriebenen Vorteile erreicht werden können.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform in einer perspektiven Ansicht;
- 2 einen Querschnitt durch den Mittelabschnitt der in 1 gezeigten Ausführungsform;
- 3-5 verschiedene Längsschnitte durch die in 1 gezeigte Ausführungsform;
- 6 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform;
- 7 und 8 verschiedene Querschnitte durch die in 6 gezeigte Ausführungsform;
- 9-11 verschiedene Längsschnitte durch die in 6 gezeigte Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Wie in 1 gezeigt ist, besteht die erfindungsgemäße Kombination 10 im Wesentlichen aus einem Mittelabschnitt 12, einem Akkumulator 14 und einem internen Wärmeübertrager 16. In der perspektiven Gesamtansicht von 1 sind von dem Akkumulator 14 und dem internen Wärmeübertrager 16 lediglich die äußeren, becherförmigen Behälter mit im Wesentlichen halbkugelförmigen Enden zu erkennen. Diese sind in dem gezeigten Fall zur Verringerung der Teilevielfalt identisch gestaltet und jeweils mittels einer Schweißnaht 18 mit dem Mittelabschnitt 12 verbunden.
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Die in 1 an dem Mittelabschnitt 12 gezeigten Fluidanschlüsse und die Befestigungsvorrichtung 20 sind in 2 genauer erkennbar. Die Befestigungsvorrichtung 20 kann zur Dämpfung einen Block 22 aus geeignet weichem Material aufweisen und mit einem Stift in eine Bohrung oder Öffnung 44 in den Mittelabschnitt 12 eingesetzt sein. In dem Mittelabschnitt 12, der als einziges Bauteil spanend bearbeitet werden muss, sind zwei Hochdruckanschlüsse 24, die zu dem Wärmeübertrager 16 führen, und zwei Niederdruckanschlüsse 26 ausgebildet, die zu dem Akkumulator führen. Ferner weist der Mittelabschnitt 12 einen in diesem Fall zentralen Durchgang 28 für die Verbindung zwischen Wärmeübertrager 16 und Akkumulator 14 auf. Wie in 2 erkennbar ist, kann der Mittelabschnitt im Wesentlichen zylindrisch gestaltet sein und dort, wo Fluidanschlüsse vorgesehen sind, mit ebenen Abschnitten versehen sein, wie ergänzend in 1 erkennbar ist.
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Wie in 3 für den Hochdruckeinlass 24 erkennbar ist, kann die sich an diesen Einlass zu der Wendel 30 des Wärmeübertragers 16 anschließende Leitung, die in vorteilhafter Weise nicht als separates Rohr ausgebildet ist, sondern als interne Leitung in Form einer Bohrung oder eines Kanals, bezüglich der Längsachse (in den 1 und 3-5 vertikal) geneigt sein. Gleiches gilt für den Hochdruckauslass 24.2, dem niederdruckseitigen Auslass ( 3 Mitte links) und ferner für den Zuleitungskanal zu einem niederdruckseitigen Zyklon 32, der, wie in 3 gezeigt, in vorteilhafter Weise in den Mittelabschnitt 12 integriert sein kann. Wenngleich dieser nicht dargestellt ist, kann dieser Kanal insbesondere tangential in den Zyklon 32 münden, um in effizienter Weise für eine vorteilhafte Strömungsrichtung zu sorgen. Geneigte Kanäle sind spanend mit vertretbarem Aufwand herstellbar und bieten ferner den Vorteil, dass der Mittelabschnitt 12 hierdurch kompakt und leicht gestaltet werden kann. Insbesondere wenn der Mittelabschnitt 12 jedoch als Fließpressteil ausgebildet oder gegossen wird, und sich so zur zylindrischen Mantelfläche erhabene Anschlüsse wirtschaftlich darstellen lassen, können die genannten Zuleitungen jedoch auch im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse verlaufen.
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Der Akkumulator 14 weist ferner einen Deflektor 34, einen Behälter 36 für Trocknungsmittel in Form eines Vliessäckchens, das jedoch auch im Bereich des Wärmeübertragers 16 untergebracht sein kann, und eine in der 3 und 4 nicht erkennbare, jedoch die zentrale Verbindung 28 umgebende Saugröhre 40 mit einer Ölablassöffnung am unteren Ende auf. Flüssiges Kältemittel tropft hierbei durch den Ringspalt zwischen Deflektor 34 und der Außenwandung des Zyklon 32 in das Speichervolumen des Akkumulators 14. Gasförmiges Kältemittel wird durch den Ringspalt zwischen der zentralen Verbindung 28 und der nachfolgend beschriebenen Saugröhre 40 angesaugt. Der Einlass befindet sich hierbei an der Oberseite des Deflektors 34. In dem beschriebenen Ringspalt strömt die Gasphase zunächst nach unten in den sogenannten Sumpf des Akkumulators, um dort durch die sogenannte Ölschnüffelbohrung dosiert Öl aufzunehmen und zurückzuführen. Nachfolgend wird die Gasphase zusammen mit dem Öl in die zentrale Verbindung 28 umgelenkt und strömt gemäß den Figuren nach oben in den Wärmeübertrager 16.
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Die Verbindung 28 erstreckt sich somit bis in einen oberen Bereich des Wärmeübertragers 16, in dem sich im äußeren Bereich die Wendel 30 und radial innerhalb eine Strömungsführung 38 befindet. Die Wendel 30 kann aus einem im wesentlichen glatten Rohr bestehen, sie weist jedoch vorzugsweise an der Außenseite radiale Rippen auf, um die Effizienz zu erhöhen. Zu dem Deflektor sei erwähnt, dass dieser nicht, wie im Stand der Technik üblich, als dünne Scheibe gestaltet ist, sondern von oben nach unten einen Ringkanal und keinen Ringspalt ausbildet. Hierdurch wird verhindert, dass Teile der Gasphase in das Akkumulatorvolumen gelangen und dort die abgeschiedene Flüssigkeit aufwirbeln. In diesem Zusammenhang wird auf die am 20.11.2020 eingereichte Anmeldung desselben Anmelders mit dem Titel „Deflector for Refrigerant Accumulator“ verwiesen, deren Offenbarung in dieser Hinsicht zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Gleichwohl kann, bei hinreichender Größe bzw. Volumen des Akkumlators 14 dieser Erfindung, zur Kosteneinsparung auch ein Deflektor in flacher Scheibenausführung eingesetzt werden oder auch gänzlich auf einen Deflektor verzichtet werden. Es sei ergänzend erwähnt, dass 3 dem Schnitt I-I, 4 dem Schnitt H-H, und 5 dem Schnitt G-G von 2 entspricht.
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Dementsprechend ist in 4 der Hochdruckauslass 24.2 zu erkennen und dessen geneigte Leitung in Richtung der Wendel. Im Übrigen entspricht die Darstellung im Wesentlichen derjenigen von 3.
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Dies gilt in ähnlicher Weise für 5, in der zusätzlich die durch sämtliche Bauteile hindurchgehende Verbindung 28 sowie die diese im Bereich des Akkumulators 14 umgebende äußere Saugröhre 40 zu erkennen ist. Es sei noch erwähnt, dass im Bereich der Verbindungen von Ein- und Auslass der Wendel 30 sowie der durchgehenden Verbindung 28 mit dem Mittelabschnitt 12 jeweils O-Ringe zur Abdichtung vorgesehen sein können.
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Die Ausführungsform von 6 unterscheidet sich von der bislang beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen durch einen umfangreich verlängerten Mittelabschnitt 12, was dazu führt, dass die druckdichte Abdichtung von Akkumulator 14 und Wärmeübertrager 16 durch deutlich kürzere Kappen erfolgt, die im Wesentlichen insgesamt halbkugel- oder ellipsoidförmig sind und lediglich einen vergleichsweise kurzen, zu der Schweißnaht 18 gerichteten zylindrischen Abschnitt aufweisen. Die Fluidanschlüsse sind im Wesentlichen identisch zu den in den vorangehenden Figuren gezeigten, in dem gezeigten Fall jedoch an unterschiedlichen Stellen in der axialen Richtung ausgebildet. Wie in 6 ergänzend zu erkennen ist, können an der Ober- und/oder Unterseite weitere Befestigungsvorrichtungen, optional mit Blöcken aus weichem Material, vorgesehen sein.
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Insbesondere sind, wie in 7 zu erkennen ist, die Hochdruckanschlüsse 24 in diesem Fall radial gegenüberliegend ausgebildet und innerhalb des Mittelabschnitts etwas in Richtung des Wärmeübertragers 16, also gemäß 6 nach oben, versetzt.
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Wie in 8 zu erkennen ist, sind in dem gezeigten Fall die Niederdruckanschlüsse 26 beide in der gemäß 8 unteren Hälfte des Mittelabschnitts ausgebildet. Insbesondere der Niederdruckeinlass, in 8 rechts, kann nach unten, d. h. in Richtung des in 8 erkennbaren Zyklons geneigt ausgebildet sein. In 8 ist ferner die tangentiale Einmündung in den Zyklon 32 zu erkennen. Jeweils zentral in den 7 und 8 ist wiederum die mittlere Verbindung 28 zu sehen.
Allgemein, und wegen der überwiegend orthogonal zur Mittelachse verlaufenden Bohrungen, Leitungen und Kanäle, lassen sich alle vier Anschlüsse in beliebigem Winkel zueinander anordnen.
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Wie in den 7 und 8 erkennbar ist, können sich ebene Abschnitte, welche die spanende Bearbeitung zur Ausbildung der Fluidanschlüsse 24, 26 erleichtern, außerhalb der Zylinderform erstrecken, die die Grundgestalt des Mittelabschnitts 12 bildet, wie in 6 erkennbar. Es sei ferner erwähnt, dass gemäß 6 und 9-11 die Fluidanschlüsse im Wesentlichen zentral an dem Mittelabschnitt 12 vorgesehen sind, jedoch auch außerhalb der Mitte angeordnet sein können.
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9 entspricht nunmehr dem Schnitt E-E von 8, 10 dem Schnitt D-D, und 11 dem Schnitt C-C von 7. Der innere Aufbau entspricht im Wesentlichen demjenigen von 3-5, wobei durch die besondere Gestaltung in 10 beide Verbindungen zwischen den Hochdruckanschlüssen 24 und der Wendel 30 erkennbar sind.
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In den Figuren mit 42 angedeutet ist ferner jeweils ein Filter. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der gesamte Kältemittel- und Ölmassenstrom gefiltert werden, und ein separater Filter an der Ölschnüffelbohrung kann entfallen. Ferner kann durch die Platzierung am Auslass (9) der Austrag von Eigenverschmutzung verhindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20200047098 A1 [0003]
- DE 102006031197 B4 [0003]
- CN 000101799232 B [0003]
