DE202012010993U1 - heat shield - Google Patents
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Abstract
Hitzeschild (1) zur Abschirmung heißer Bereiche eines Bauteils mit mindestens einer metallischen Lage (2) und einer zu der metallischen Lage (2) zumindest bereichsweise benachbart angeordneten Isolierlage (3) aus porösem Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierlage (3) auf der der metallischen Lage (2) abgewandten Oberfläche mindestens einen in das poröse Isoliermaterial eingebrachten Strömungskanal (10) in Form einer an der der metallischen Lage (2) abgewandten Oberfläche der Isolierlage (3) verlaufenden Nut aufweist.Heat shield (1) for shielding hot areas of a component with at least one metallic layer (2) and an insulating layer (3) of porous insulating material arranged adjacent to the metallic layer (2), at least in regions, characterized in that the insulating layer (3) on the the surface facing away from the metallic layer (2) has at least one flow channel (10) introduced into the porous insulating material in the form of a groove running away from the metallic layer (2) of the insulating layer (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild zur Abschirmung heißer Bereiche eines Bauteils. Derartige Hitzeschilde werden beispielsweise zur Abschirmung heißer Bereiche von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Katalysatoren, Abgaskrümmern, Turboladern und dergleichen oder auch in der Batteriekonditionierung eingesetzt. Sie weisen herkömmlicherweise mindestens eine metallische Blechlage auf. Zusätzlich zu dieser Blechlage, die der Stabilisierung des Hitzeschildes dient, wird typischerweise als weitere Lage eine Isolationsschicht aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem porösen Material vorgesehen.The present invention relates to a heat shield for shielding hot areas of a component. Such heat shields are used for example for shielding hot areas of internal combustion engines, in particular of catalysts, exhaust manifolds, turbochargers and the like or in the battery conditioning. They conventionally have at least one metallic sheet metal layer. In addition to this sheet metal layer, which serves to stabilize the heat shield, an insulation layer of an insulating material, for example a porous material, is typically provided as a further layer.
Soweit die Isolationsschicht nicht zwischen zwei Blechlagen eingebettet ist, wird die Isolationsschicht vollflächig auf das abzuschirmende heiße Bauteil aufgebracht, sodass es auf diesem aufliegt.As far as the insulating layer is not embedded between two sheet metal layers, the insulation layer is applied over the entire surface of the hot component to be shielded, so that it rests on this.
Der Betrieb von Verbrennungsmotoren und dergleichen unterliegt jedoch Lastschwankungen, die über die Zeit zu unterschiedlicher Wärmeerzeugung führen. So ist es beispielsweise unmittelbar nach einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors erforderlich, diesen so rasch wie möglich auf hohe Temperatur zu bringen, um die Emissionen und den Verbrauch minimal zu halten.However, the operation of internal combustion engines and the like are subject to load fluctuations that lead to different heat generation over time. For example, immediately after a cold start of an internal combustion engine, it is necessary to bring it to high temperature as quickly as possible in order to minimize emissions and consumption.
Hierzu wird eine Isolation vorgesehen, die die Wärmeabstrahlung des heißen bzw. sich erwärmenden Bauteils möglichst weitgehend verhindert. Erreicht der Verbrennungsmotor den Volllastbetrieb, so ist es andererseits erforderlich, eine möglichst hohe Wärmeabstrahlung zuzulassen, um eine Überhitzung des heißen Bauteils oder dessen Einzelteile zu verhindern. Dies ist vor allem dort wichtig, wo diese Bauteile nicht gegenüber hohen Temperaturen dauerhaltbar sind.For this purpose, an insulation is provided which prevents the heat radiation of the hot or warming component as much as possible. On the other hand, if the internal combustion engine reaches full-load operation, it is necessary to allow the highest possible heat radiation in order to prevent overheating of the hot component or its individual parts. This is especially important where these components are not durable against high temperatures.
Aufgrund der Priorität des Überhitzungsschutzes für das abgeschirmte Bauteil und der Dauerhaltbarkeit des Hitzeschilds ist es bei den Hitzeschildanordnungen des Stands der Technik häufig notwendig, diese so auszulegen, dass die Emissionsreduktion beim Kaltstart nicht oder nur in geringem Maß berücksichtigt wird. Bei neueren Fahrzeugen, insbesondere auch bei Hybridfahrzeugen, überwiegen jedoch Teillastzustände und Betriebsphasen mit häufigen Neustarts. Aus diesem Grunde ist es notwendig, diese Betriebszustände bei der Auslegung stärker zu berücksichtigen.Due to the priority of the shielded component overheat protection and the durability of the heat shield, the heat shield assemblies of the prior art often require that they be designed so that the emission reduction at cold start is not taken into account, or only to a small extent. In newer vehicles, especially in hybrid vehicles, however, partial load conditions and operating phases with frequent reboots predominate. For this reason, it is necessary to consider these operating conditions more in the design.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an, die es sich zur Aufgabe macht, ein Hitzeschild zur Verfügung zu stellen, mit dem in sämtlichen Betriebszuständen eine hervorragende Isolation erzielt werden kann und dennoch bei hoher Wärmebelastung eine hinreichende Wärmeabfuhr möglich ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Baugruppe mit einem wärmeerzeugenden Bauteil, an dem ein Hitzeschild gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.This is where the present invention, which makes it its mission to provide a heat shield available with the excellent insulation can be achieved in all operating conditions and yet sufficient heat dissipation is possible with high heat load. The present invention also relates to an assembly having a heat-generating component on which a heat shield according to the present invention is arranged.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Hitzeschild gemäß Anspruch 1 und die Baugruppe gemäß Anspruch 19. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hitzeschildes werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.This object is achieved by the heat shield according to claim 1 and the assembly according to claim 19. Advantageous developments of the heat shield according to the invention are given in the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung löst die oben genannten Probleme nunmehr dadurch, dass ein Hitzeschild zur Abschirmung heißer Bereiche eines Bauteils zur Verfügung gestellt wird, das mindestens eine metallische Lage aufweist. Benachbart zu dieser metallischen Lage ist eine weitere in der Lagenebene weitgehend parallel zu der metallischen Lage verlaufende Isolierlage angeordnet. Die Isolierlage besteht aus porösem Isoliermaterial bzw. enthält dieses. Vorteilhafterweise ist auf der der metallischen Lage abgewandten Oberfläche der Isolierlage keine weitere Lage angeordnet bzw. lediglich Lagen, die entsprechend der Kontur der Isolierlage ausgebildet sind, sodass die Isolierlage direkt oder indirekt auf dem heißen Bauteil zu liegen kommt. Die Isolierlage weist nun auf ihrer Oberfläche, die der metallischen Lage abgewandt ist, mindestens einen Strömungskanal auf. Dieser ist in Form einer Nut in die Oberfläche der Isolierlage eingebracht.The present invention now solves the above problems by providing a heat shield for shielding hot areas of a component having at least one metallic layer. Adjacent to this metallic layer, a further insulating layer extending substantially parallel to the metallic layer in the layer plane is arranged. The insulating layer consists of porous insulating material or contains this. Advantageously, no further layer is disposed on the surface facing away from the metallic layer of the insulating layer or only layers which are formed according to the contour of the insulating layer, so that the insulating layer comes to rest directly or indirectly on the hot component. The insulating layer now has on its surface, which faces away from the metallic layer, at least one flow channel. This is introduced in the form of a groove in the surface of the insulating layer.
Liegt nun die Isolierlage vollflächig auf dem heißen Bauteil auf, so begrenzt das heiße Bauteil gemeinsam mit den Wandungen der Nut Strömungskanäle in der Isolierlage. Über diese Strömungskanäle findet nun bei hoher Temperatur des heißen Bauteils eine Konvektion zwischen dem Bauteil und der Isolationsschicht statt, die, insbesondere wenn das Bauteil eine hohe Temperatur aufweist, die Wärme zwischen dem Bauteil und der Isolationsschicht nach außen abführt.If now the insulating layer over the entire surface on the hot component, so limits the hot component together with the walls of the groove flow channels in the insulating layer. Convection now takes place at high temperature of the hot component via these flow channels between the component and the insulating layer, which dissipates the heat between the component and the insulating layer to the outside, in particular if the component has a high temperature.
Erfindungsgemäß sind also die Strömungskanäle unmittelbar in dem porösen Isolationsmaterial integriert. Durch die Ausbildung als Nut, die durch das Anliegen des Hitzeschildes an dem heißen Bauteil zum Strömungskanal geschlossen wird, ist es möglich, die Strömungskanäle in einfacher Form in die Isolationsschicht einzubringen. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Hitzeschild ist nun, dass beispielsweise bei noch kaltem Bauteil die Konvektion zwischen dem Bauteil und dem Hitzeschild gering ist und so nur wenig Wärme abgeführt wird. Ist das Bauteil auf hohe Temperatur gebracht, so findet ein stärkerer Wärmeabtransport durch die integrierten Strömungskanäle des Hitzeschildes statt.According to the invention, therefore, the flow channels are integrated directly in the porous insulation material. By forming a groove, which is closed by the concern of the heat shield on the hot component to the flow channel, it is possible to introduce the flow channels in a simple form in the insulation layer. An advantage of the heat shield according to the invention is now that, for example, when the cold component, the convection between the component and the heat shield is low and so little heat is dissipated. If the component is brought to high temperature, there is a stronger heat dissipation through the integrated flow channels of the heat shield instead.
Im Hinblick auf eine möglichst einfache Fertigung und Befestigung des Hitzeschilds ist es bevorzugt, wenn dieses aus mehreren Teilschalen besteht, die zu einem das Bauteil ringförmig geschlossen umgebenden Hitzeschild zusammengesetzt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Hitzeschild aus zwei Halbschalen aufgebaut ist, die wiederum aus mindestens einer außen liegenden metallischen Lage und einer innen liegenden Isolationsschicht bestehen. Es ist aber ebenso möglich, eine größere Anzahl an Teilschalen, insbesondere drei oder vier Teilschalen, zu einem ringförmig geschlossenen Hitzeschild zu kombinieren. Die Teilschalen werden beispielsweise – insbesondere an an allen Teilschalen an deren Randbereichen zumindest abschnittsweise vorhandenen kragenförmigen Vorsprüngen – nach Anbringen um das Bauteil herum – miteinander verbunden. Ebenso ist es möglich, die Teilschalen jeweils einzeln zu montieren. Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass mindestens zwei Halbschalen über eine Art Scharnier miteinander verbunden sind und so das Hitzeschild als ganzes montiert werden kann. Es kann sich hierbei um gesondert gefertigte Scharniere handeln, die mit den Teilschalen verbunden sind oder aber auch um entsprechende Biegebereiche, die integral in der metallischen Lage des Hitzeschilds vorgesehen sind, in letzterem Fall hängen die Teilschalen unmittelbar zusammen und sind keine separaten Bauteile.With regard to the simplest possible production and attachment of the heat shield, it is preferred if this consists of several shells, which are assembled into a heat shield surrounding the component annularly closed. In particular, it is advantageous if the heat shield is constructed from two half-shells, which in turn consist of at least one outer metallic layer and an inner insulating layer. However, it is also possible to combine a larger number of partial shells, in particular three or four partial shells, to form an annularly closed heat shield. For example, the partial shells are connected to one another, in particular on all partial shells at their edge regions, at least in sections, by means of collar-shaped projections which are present around the component after being attached around the component. It is also possible to mount the partial shells individually. A further advantageous variant provides that at least two half shells are connected to one another via a kind of hinge and so the heat shield can be mounted as a whole. These may be hinges made separately, which are connected to the subshells or else to corresponding bending areas, which are provided integrally in the metallic layer of the heat shield, in the latter case, the subshells hang directly together and are not separate components.
In vorteilhaften Weiterbildungen können die Strömungskanäle an ihren Ein- und Auslässen offenbar bzw. verschließbar und damit zu- oder abschaltbar sein. Dies ermöglicht eine Regelung der Oberflächentemperatur des heißen Bauteils. Hierzu kann auch vorteilhafterweise ein Regelkreis mit einem Temperatursensor, beispielsweise an dem heißen Bauteil oder dem Hitzeschild, insbesondere an dessen Oberfläche, verwendet werden. Zur Regelung der Strömungskanäle können Aktuatoren eingesetzt werden oder auch thermosensible Materialien, die durch ihre temperaturgesteuerte Eigendynamik die Kanäle verschließen oder öffnen. Eine Öffnung der Kanäle ist insbesondere unter Volllast zur verbesserten Wärmeabfuhr vorzusehen.In advantageous developments, the flow channels can be open or closed at their inlets and outlets, and thus switched on or off. This allows a regulation of the surface temperature of the hot component. For this purpose, advantageously also a control loop with a temperature sensor, for example on the hot component or the heat shield, in particular on its surface, can be used. To regulate the flow channels actuators can be used or thermosensitive materials that close or open the channels by their temperature-controlled momentum. An opening of the channels is to be provided in particular under full load for improved heat dissipation.
Die Durchströmung der Strömungskanäle mit Gas bzw. Luft erfolgt entweder passiv durch natürliche Konvektion, gegebenenfalls im Falle eines Fahrzeugmotors auch bzw. zusätzlich durch den Fahrwind, oder auch durch ein aktives Durchblasen der Gase, beispielsweise mittels eines Ventilators. Weiter ist es auch möglich, das Gas vorab zu konditionieren. Hierzu kann es beispielsweise mittels einer elektrischen Heizung oder mit Hilfe eines Phasenwechselmaterials erwärmt werden. Alternativ kann es mit Hilfe der Klimaanlage des Fahrzeugs gekühlt werden, ehe es durch die Kanäle des Hitzeschilds tritt.The flow through the flow channels with gas or air is carried out either passively by natural convection, optionally in the case of a vehicle engine or additionally by the driving wind, or by an active blowing of the gases, for example by means of a fan. Furthermore, it is also possible to condition the gas in advance. For this purpose, it can be heated, for example, by means of an electric heater or with the aid of a phase change material. Alternatively, it may be cooled by the vehicle's air conditioning system before passing through the heat shield channels.
Vorteilhafterweise besteht das Isoliermaterial aus einem Vlies, das beispielsweise mittels eines keramischen Binders verfestigt ist. Ein solches Vlies kann zu einem Formteil geprägt werden, wobei zugleich die Strömungskanäle in die der Metalllage abgewandte Seite eingeprägt werden können. Ggf. kann auch eine zusätzliche Oberflächenbehandlung erfolgen, beispielsweise mittels eines keramikbasierten Hochtemperaturklebers oder eines keramikbasierten Hochtemperaturlacks, um die Oberfläche der Isolationsschicht zu verfestigen (Hautbildung). Derartige Hochtemperaturkleber und -lacke können beispielsweise Materialien sein, die bei 150°C bis 250°C zur Hautbildung neigen.Advantageously, the insulating material consists of a non-woven, which is solidified for example by means of a ceramic binder. Such a non-woven can be embossed into a molded part, wherein at the same time the flow channels can be embossed in the side facing away from the metal layer. Possibly. An additional surface treatment can also be carried out, for example by means of a ceramic-based high-temperature adhesive or a ceramic-based high-temperature varnish, to solidify the surface of the insulation layer (skin formation). Such high-temperature adhesives and lacquers may be, for example, materials which tend to form skins at 150 ° C. to 250 ° C.
Als Isolationsmaterial sind insbesondere Glasmatten, vorteilhafterweise aus SiO2, Al2O3 und/oder CaO mit Binder, expandierter Glimmer, Basaltsteinwolle, jegliche Arten keramischer Massen, Blähton oder Hochtemperaturschäume wie Polyimid oder Melamin geeignet. Auch Sandwichkonstruktionen, insbesondere mit mindestens einem der oben genannten Materialien, sind möglich.Particularly suitable as insulating material are glass mats, advantageously of SiO 2 , Al 2 O 3 and / or CaO with binder, expanded mica, basalt rock wool, all types of ceramic compositions, expanded clay or high-temperature foams such as polyimide or melamine. Also sandwich constructions, in particular with at least one of the above materials, are possible.
Die Ausbildung und Anordnung der Strömungskanäle kann in unterschiedlichster Weise erfolgen, wobei diese jeweils an den thermischen Bedarf, auch ggf. ermittelt mittels Thermographie des heißen, abzuschirmenden Bauteils, erfolgt. Die Strömungskanäle müssen dabei an den Bedarf an Wärmeabfuhr des heißen Bauteils und ggf. auch an den Bedarf an Wärmeabfuhr in besonderen Bereichen des heißen Bauteils, sogenannten Hot Spots, angepasst sein. Die Strömungskanäle können auf der Oberfläche der Isolierlage verschiedene Muster aufweisen, beispielsweise längs der Längserstreckung des Hitzeschildes oder auch quer hierzu, spiralförmig in Form eines einstufigen Gewindes oder einer zweistufigen Windung und/oder auch in Form mehrerer, in verglichen miteinander gegenläufiger Richtung durchströmter Strömungskanäle. Die Abstände der Strömungskanäle voneinander können auf den jeweiligen Bedarf an Wärmeabfuhr angepasst werden, beispielsweise im Bereich von Hot Spots enger geführt werden. Auch die Querschnitte der Strömungskanäle können im Verlauf konstant gehalten werden oder bezüglich ihrer Höhe oder Breite im Verlauf variiert werden, sodass auch eine Anpassung an lokale Gegebenheiten möglich ist. Die Gesamtlänge als auch das Muster der Strömungskanäle, eine mögliche Bündelung mehrerer Strömungskanäle an ihrem Einlass oder Auslass zu lediglich einem Kanal und dergleichen können den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Kanäle in den Teilschalen bündig zueinander ausgeführt werden, so dass die Strömung des Gases um das gesamte Bauteil erfolgt. Sind nur Kanäle vorhanden, die sich in Längsrichtung des Hitzeschilds erstrecken, ist dies selbstverständlich nicht notwendig.The formation and arrangement of the flow channels can be done in a variety of ways, these in each case to the thermal requirements, also possibly determined by means of thermography of the hot, shielded component takes place. The flow channels must be adapted to the need for heat dissipation of the hot component and possibly also to the need for heat dissipation in specific areas of the hot component, so-called hot spots. The flow channels may have different patterns on the surface of the insulating layer, for example along the longitudinal extent of the heat shield or transversely thereto, spirally in the form of a single-stage thread or a two-stage winding and / or in the form of several flow channels through which flow in compared with each other in opposite directions. The distances of the flow channels from each other can be adapted to the respective need for heat dissipation, for example in the range of hot spots are more narrow. The cross sections of the flow channels can be kept constant in the course or varied in height or width in the course, so that an adaptation to local conditions is possible. The overall length as well as the pattern of the flow channels, a possible bundling of several flow channels at their inlet or outlet to only one channel and the like can be adapted to the respective requirements. In particular, it is advantageous if the channels in the subshells are made flush with each other, so that the flow of the gas takes place around the entire component. Of course, if only channels are present which extend in the longitudinal direction of the heat shield, this is not necessary.
Insbesondere inn Bereichen eines Hot Spots kann es vorteilhaft sein, die Breite eines dort angeordneten Kanals zu verbreitern, vorteilhafterweise zusätzlich gleichzeitig aber seine Höhe zu verringern. Hierdurch erhöht sich dann die Kontaktfläche von Gas und Bauteil und somit die Wärmeübertragung auf das Gas, der Wärmeabtransport wird besser. Der Querschnitt der Strömungskanäle kann insbesondere im Bereich von Hot Spots auch in Strömungsrichtung des Gases stark variieren (unregelmäßige Querschnitte), sodass das Gas in Turbulenzen versetzt wird, wodurch der Wärmeübergang in das Gas verbessert wird.In particular, in areas of a hot spot, it may be advantageous to widen the width of a channel arranged there, advantageously additionally at the same time but to reduce its height. This then increases the contact surface of the gas and the component and thus the heat transfer to the gas, the heat dissipation is better. The cross-section of the flow channels can also vary greatly in the area of hot spots (also in the flow direction of the gas) (irregular cross sections), so that the gas is put into turbulence, whereby the heat transfer into the gas is improved.
Als Querschnitte für die Strömungskanäle sind 10–500 mm2, vorteilhafterweise 30–200 mm2 besonders geeignet. Die Abstände zwischen einzelnen Strömungskanälen können vorteilhafterweise 5–100 mm, weiter vorteilhaft 10–50 mm betragen.As cross sections for the flow channels 10-500 mm 2 , advantageously 30-200 mm 2 are particularly suitable. The distances between individual flow channels can advantageously be 5-100 mm, more advantageously 10-50 mm.
Im Falle gewindeförmig angeordneter Strömungskanäle, die sich insbesondere über mehrere Teilschalen fortsetzen, kann deren Steigung 25–100 mm, insbesondere 50 mm betragen. Die Kanalbreite liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen 3 und 30 mm, vorteilhafterweise bei 4 bis 20 mm und insbesondere bei 8 bis 12 mm. Für die Kanalhöhe sind 2–20 mm, vorteilhafterweise 5–15 mm und insbesondere 5–10 mm besonders geeignet.In the case of thread-shaped flow channels, which continue in particular over several partial shells, their pitch may be 25-100 mm, in particular 50 mm. The channel width is advantageously in the range between 3 and 30 mm, advantageously 4 to 20 mm and in particular 8 to 12 mm. For the channel height 2-20 mm, advantageously 5-15 mm and in particular 5-10 mm are particularly suitable.
Auch die Querschnittsform der Strömungskanäle kann variiert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden, beispielsweise durch Verwendung eines halbrunden, eines rechteckigen oder eines trapezförmigen Querschnittes, wobei im Falle eins trapezförmigen Querschnittes die längere Grundseite auf Seiten des heißen Bauteils oder diesen gegenüber angeordnet sein kann. Auch omegaförmige Querschnitte sind möglich. Die Anordnung der Strömungskanäle längs des heißen Bauteils ist besonders vorteilhaft, da sich hierdurch eine gute Kühlung ergibt. Allerdings ist auch eine schräge Führung, vorteilhafterweise unter einem Winkel zwischen 5 und 45 Grad, vorteilhafterweise 20 Grad, gegenüber der Längsorientierung des Bauteils geeignet.The cross-sectional shape of the flow channels can be varied and adapted to the respective requirements, for example by using a semicircular, a rectangular or a trapezoidal cross-section, in the case of a trapezoidal cross-section, the longer base side on the side of the hot component or can be arranged opposite. Also omega-shaped cross sections are possible. The arrangement of the flow channels along the hot component is particularly advantageous because this results in a good cooling. However, an oblique guide, advantageously at an angle between 5 and 45 degrees, advantageously 20 degrees, compared to the longitudinal orientation of the component is suitable.
Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Hitzeschilde gegeben. In allen diesen Beispielen werden für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet, sodass deren Wiederholung gegebenenfalls vermieden wird. In den folgenden Beispielen werden jeweils mehrere erfindungsgemäße Elemente anhand eines Beispiels in Kombination dargestellt. Jedes einzelne dieser erfindungsgemäßen Elemente kann jedoch auch unabhängig von den anderen Elementen des jeweiligen Beispiels eine erfindungsgemäße vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung darstellen.In the following some examples of heat shields according to the invention are given. In all these examples, the same or similar reference numerals are used for the same or similar elements, so that their repetition may be avoided. In the following examples, several elements according to the invention are shown in combination by way of example. However, each individual one of these elements according to the invention can also represent an advantageous development of the present invention independently of the other elements of the respective example.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified | ||
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20140109 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |