DE3013150A1 - Electric rotary machine with cooling ducts in stator - has outer pipeline for coolant supply, extending over stator and forming upstream and downstream branches - Google Patents
Electric rotary machine with cooling ducts in stator - has outer pipeline for coolant supply, extending over stator and forming upstream and downstream branchesInfo
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Abstract
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die vorliegende Erfindung bezieht sioh auf eine elektrische. Maschine mit Flüssigkeitskühlung und insbesondere auf - eine elektrische Maschine mit Ständerkuhlung. The present invention relates to an electrical. machine with liquid cooling and in particular on - an electric machine with stator cooling.
Die Erfindung kann vorwiegend für die Herstellung von leistungsfähigen elektrischen Masohinen, insbesondere von Turbogeneratoren, verwendet werden. The invention can be used primarily for the production of powerful electric masohines, especially turbo-generators, can be used.
E5 sind elektrische Maschinen mit Direktflüssigkeitskühlung des Kernes und der Ständerwicklung bekannt (vgl. Titow, W.W. u.a.: "Turbogeneratory, rastschot i konetrakzija" (Turbogeneratoren, deren Berechnung und Aufbau") Energie-Verlag, Moskau, 1967, S. 200), in welchen die Eühlflüssigkeit in Kanälen umläuft, die in einzelnen in Radial-bzw. Axialkanälen des Ständerkernes und der Wicklung angeordneten Körpern (Rohren, Segmenten u.a.) ausgeführt sind. E5 are electrical machines with direct liquid cooling of the core and the stator winding known (cf. Titow, W.W. u.a .: "Turbogeneratory, rastschot i konetrakzija "(turbo generators, their calculation and construction") Energie-Verlag, Moscow, 1967, p. 200), in which the cooling liquid circulates in channels that are in individual in radial or Axial channels of the stator core and the winding arranged Bodies (pipes, segments, etc.) are executed.
Die Kühlungsbaugruppen solcher Maschinen haben einen komplizierten Aufbau und sind wegen der in ihnen enthaltenen zahlreiohen Verbindungen unzuverlässig. Einen unerläßlichen Bestandteil des Kühlmittelkreislaufs bildet ein Gebläse (Pumpe, Verdichter u.ä.) Es ist ferner eine elektrische Maschine (vgl. US-PS Nr. 355032) bekannt, welche einen Läufer und einen Ständer enthält, der vom Läufer mit einem luftdichten Mantel abgetrennt ist, welcher geschlossene Zellen für Stirnteile der Ständerwicklung bildet, die mittels Formkanä1mit Radial-- und Axialabsohnitten sowie durch eine Außenrohrleitung für den Umlauf des Kühlmittels im Ständer miteinander verbunden sind. In der AuBenrohrleitung sind ein Kühler und ein Gebläse (Pumpe oder Lüfter) angeordnet. Von dem für den s zwangläufigen Umlauf des Kühlmittels bestimmten Gebläse wird eine gewisse Energiemenge verbraucht, wodurch der Wirkun6E-grad der elektrischen Maschine gesenkt wird. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine durch Vorhandensein der Einrichtungen mit beweglichen Bauteilen und -gruppen erheblich gesenkt.The cooling assemblies of such machines are complex Structure and are unreliable because of the numerous connections they contain. An essential part of the coolant circuit is a fan (pump, Compressor, etc.) It is also an electrical machine (see US-PS No. 355032) known, which contains a runner and a stand, which is from the runner with a airtight jacket is separated, which closed cells for forehead parts of the Stator winding forms, which by means of Formkanä1mit Radial- and Axialabsohnitten as well by an outer pipe for the circulation of the coolant in the stator with each other are connected. In the outside pipeline are a cooler and a fan (Pump or fan) arranged. From the circulation of the coolant that is inevitable for the s certain blowers consume a certain amount of energy, which increases the efficiency the electric machine is lowered. It also increases reliability the electrical machine by the presence of the devices with moving Components and groups significantly reduced.
daher Der Erfindung liegt/die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, in welcher durch Ausnutzung von Energie der Xårmeverluste in wirksamen Ständerteilen die erforderliche Kuh1wirkung an wirksamen und konstruktiven Ständerteilen gesichert, der Energieaufwand für die Kühlung gesenkt und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bei hoher Zuverlässigkeit und einfacher Bedienung erhöht werden kann. Therefore the invention is / the object of an electrical Specify the machine in which the Xarm losses in effective stand parts the necessary cow 1 effect on effective and constructive Stand parts secured, the energy consumption for cooling reduced and the efficiency the electrical machine increased with high reliability and simple operation can be.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer elektrischen Maschine, welche einen Läufer, einen mit Kühlmittel gefüllten Stander mit Kanälen zum Durchströmen des Kühlmittels sowie einen luftdichten Mantel enthält, der den Ständer vom Läufer abtrennt und Zellen für Stirnteile der Ständerwicklung bildet, die mittels der genannten Ständerkanäle sowie durch eine mit einem Kühler verbundene AuBenrohrleitung für den Umlauf des Kühlmitteis im Ständer miteinander verbunden sind, die Außenrohrleitung erfindungsremäß mindestens teilweise über dem Ständer verlegt ist, so daß ein aufsteigender und ein absteigender Strang des Kreislaufs gebildet werden, der Kühler im oberen Teil des absteigenden Stranges angeordnet ist und Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet wird. This object is achieved in that in an electrical machine, which has a runner, a coolant-filled stator with channels through which it can flow of the coolant and an airtight jacket that separates the stator from the rotor separates and forms cells for end parts of the stator winding, which by means of said Stator ducts as well as an external pipeline connected to a cooler for the circulation of the cooling medium in the stator are connected to one another, the outer pipeline according to the invention is at least partially laid over the stand, so that an ascending and a descending branch of the circuit is formed, the cooler in the upper one Part of the descending leg is arranged and liquid is used as a coolant will.
Im aufsteigenden Strang des kreislaufs kann zweckmäßigerweise ein Heizkörper angeordnet werden, durch welchen der gerichtete Umlauf im Zeitpunkt des Anlassens der elektrischen Maschine beschleunigt wird. In the ascending leg of the cycle can expediently a Radiators are arranged through which the directed circulation at the time of Starting the electrical machine is accelerated.
Es ist zweckmäßig, den Heizkörper im unteren Teil des aufsteigenden Stranges des Kreislaufs in unmiLtelbarer Nähe vom Ständer anzuordnen. Damit wird die wirkung des Heizkörpers auf den Umlauf des Sühlmittels erhöht. It is convenient to place the radiator in the lower part of the ascending To arrange the strand of the circuit in the immediate vicinity of the stand. So that will the effect of the radiator on the circulation of the coolant increases.
Zu diesem Zweck ist es ferner vorteilhaft, den aufsteigenden Strang des Kreislaufs mindestens teilweise. sowie den an diesem anliegender. Ständerteil mit Wärme isolierung zu versehen. For this purpose it is also advantageous to use the ascending strand of the cycle at least partially. as well as the one attached to this. Stand part to be provided with thermal insulation.
Bei der er-indungsaemäßen elektrischen Maschine erübrigt sich der Einsatz eines Gebläses im Kühlflüssigkeitskreislauf dank der Ausnutzung von Energie der Wärmeverluste in wirksamen Ständerteilen, durch welche der Umlauf der Kühlflüssigkeit infolge der Differenz der Sichten der erwärmten und der gekühlten Flüssigkeit verursacht wird. Somit wird der Energieaufwand für die Kühlung des Ständers gesenkt, und die Zuyerlässigkeit sowie der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht. In the case of the electrical machine according to the invention, the Use of a fan in the coolant circuit thanks to the utilization of energy the heat losses in effective stator parts, through which the circulation of the cooling liquid caused by the difference in the views of the heated and cooled liquid will. Thus, the energy consumption for cooling the stator is reduced, and the Reliability and the efficiency of the electrical machine increased.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend gnhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einiger Figur die erfindungsgemaße elektrische Maschine mit Ständerkählung im Schnitt gezeigt. Embodiments of the invention are hereinafter based on the Drawing explained in more detail, in some of the figures the electrical according to the invention Machine with column counting shown in section.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine enthält einen Läufer 1, der von einem Ständer 3 durch einen luftdiohten Mantel 2 abgetrennt ist. Die Kühlung des Läufers 1 wird unabhängig von der kühlung des Ständers 3 auf eine an sich bekannte und geeignete Weise gesichert. Aus diesem Grunde ist die Kühlanlage des Läufers 1 in der Figur nicht dargestellt. The electrical machine according to the invention contains a rotor 1, which is separated from a stand 3 by an airtight jacket 2. The cooling the rotor 1 is independent of the cooling of the stator 3 on a known per se and appropriately secured. For this reason is the cooling system of the rotor 1 is not shown in the figure.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung stellt der luftdichte Mantel 2 einen im Ringspalt zwischen dem Läufer 1 und dem Ständer 3 angeordneten Zylinder dar, welcher eich aber die gesamte Länge des Gehäuses des Ständers 3 erstreckt. According to an advantageous embodiment of the invention the airtight jacket 2 in the annular gap between the rotor 1 and the stator 3 arranged cylinder, which calibrates the entire length of the housing of the Stand 3 extends.
Der Ständer 3 weist üblicherweise einen Kern 4 und eine Stabwicklung auf, deren Stirnteile 5 in der Figur gezeigt sind. Im Kern 4 des Ständers 3 sowie in den Gicklungsstäben einschließlich der XicklungEstirnteile 5 sind Eanäle 6 zum Durchströmen der Kühlflüssigkeit ausgeführt. The stator 3 usually has a core 4 and a rod winding on, the end parts 5 of which are shown in the figure. In the core 4 of the stand 3 as well in the winding bars including the winding front parts 5 there are channels 6 to the Running through the cooling liquid.
Es ist von Vorteil, die genannten Kanäle zur Herabsetzung des Strömungswiderstandes als Axialkanäle auszuführen. It is advantageous to use the channels mentioned to reduce the flow resistance to be carried out as axial channels.
Der luftdichte Mantel 2 bildet, wie dies in der Figur gezeigt ist, ringförmige Zellen 7 und 8 für Stirnteile 5 der Wicklung des Ständers 3, welche von dem Gehäuse des Ständers 3, den Stirndeckeln, dem luftdichten Mantel 2 sowie dem Endteil des Kernes 4 des Ständers 3 begrenzt sind. Die Zellen 7 und 8 sind mittels der Kanäle 6 sowie durch eine mindestens teilweise über dem Ständer 3 verlegte AuBenrohrleitung miteinander verbunden. Die Außenrohrleitung ist für den Umlauf der Kühlflüssigkeit bestimmt und schließt den von den Zellen 7 und 8 für Stirnteile der Ständerwicklung, den Kanälen 6, dem aufsteigenden Strang 9 sowie den absteigenden Strang 10 gebildeten Kreislauf ab. Im oberen Teil des absteigenden Strange8 10 ist ein Kühler 11 angeordnet.The airtight jacket 2 forms, as shown in the figure, annular cells 7 and 8 for end parts 5 of the winding of the stator 3, which from the housing of the stand 3, the end caps, the airtight jacket 2 and the end part of the core 4 of the stand 3 are limited. The cells 7 and 8 are means of the channels 6 and by an external pipeline laid at least partially over the stand 3 connected with each other. The outer pipe is for the circulation of the coolant determines and closes that of cells 7 and 8 for the front parts of the stator winding, the channels 6, the ascending strand 9 and the descending strand 10 are formed Cycle off. In the upper part of the descending line 8 10, a cooler 11 is arranged.
Der gesamte Raum des Ständers 3 sowie der Kreislauf werden mit Kühlflüssigkeit gefüllt. 81s Kühlflüssigkeit wird eine isolierstoff- und baustoffbezogene inaktive Flüssigkeit mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand verwendet. The entire space of the stand 3 and the circuit are filled with cooling liquid filled. 81s coolant becomes an insulation and building material related inactive liquid with a high electrical resistivity is used.
Zum Ausgleich der Wärmeausdehnung der Kühlflüssigkeit kann eine beliebige an sich bekannte und geeignete Vorrichtung, beispielsweise ein Dehnungeauegleichgeiaß 12, eingesetzt werden. To compensate for the thermal expansion of the cooling liquid, any known and suitable device, for example a Dehnungeauegleichgeiaß 12, can be used.
Nach einer möglichen Ausführungsvariante der erfindung weist die erfindungagemaBe elektrische Maschine einen Heizkörper 13 auf, der im aufsteigenden Strang des Kreislaufs angeordnet und für die Beschleunigung des gerichteten Umlaufs im Zeitpunkt des Anlassens der elektrischen Maschine bestimmt ist. Als Heizkörper 13 kann ein beliebiger ansich bekannter Erhitzer genügender Leistung eingesetzt werden, wobei ein Heizleiter bevorzugt wird. According to a possible embodiment of the invention, the erfindungagemaBe electrical machine on a heater 13, which is in the ascending Arranged strand of the circuit and for the acceleration of the directed circulation is determined at the time of starting the electrical machine. As a radiator 13 any heater known per se of sufficient power can be used with a heating conductor being preferred.
Es ist von Vorteil, den Heizkörper 13 im unteren Teil des aufsteigenden Stranges des Kreislaufs in unmittelbarer Nähe vom Stander 3 anzuordnen, wie dies in der Figur gezeigt ist. It is advantageous to have the radiator 13 in the lower part of the ascending To arrange strand of the circuit in the immediate vicinity of the stander 3, like this is shown in the figure.
Zur Erhöhung der Kreislaufwirkung sind der aufsteigende Strang sowie der an diesen anliegende Teil des Ständers 3 mit Wärmeisolierung 14 versehen. To increase the circulatory effect are the ascending strand as well the part of the stator 3 lying against it is provided with thermal insulation 14.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere des Turbogenerators, besteht im folgenden. Da Kraftwerke heutzutage nach dem Baugruppenprinzip gebaut werden, wird der Turbogenerator nur beim Anlassen der gesamten Baugruppe angelassen. Das Anlassen wird in naohstehender Reihenfolge vorgenommen. The mode of operation of the electrical machine according to the invention, in particular of the turbo generator, consists of the following. Since power plants nowadays use the assembly principle are built, the turbo generator is only when the entire assembly is started left on. Starting is carried out in the following order.
Zunächst wird die Kesselanlage und dann die Dampf turbine in Betrieb gesetzt. Kurz vor dem Anlassen der Turbine wird der Kühler 11 eingeschaltet. Da die Temperatur der Kühlflüssigkeit über den gesamten Kreislauf gleich ist, ist die Wichte der Kühlflüssigkeit gleich groß und der Druck in den Zellen 7 und 8 somit gleich stark, weil die Druckstärke durch die Wichte der Kühlflüssigkeit und die Höhe des aufsteigenden und des absteigenden Stranges9 bzw. 10 des Kreislaufs über dem Gehäuse des Ständers 3 bestimmt wird. Unter diesen Bedingungen bleibt die Flüssigkeit im Kreislauf unbeweglich. Nach dem Einschalten des Kühlers 11 wird die Flüssigkeit im Kühlerraum gekühlt und durch den absteigenden Strang 10 abwärts gefördert, so daß die eine höhere Temperatur aufweisende Flüssigkeit verdrängt wid. Im Ausmaß des Abfalls der Flüssigkeitstemperatur im absteigenden Strang 10 nimmt der Druck in der Zelle 8 zu. Die Kühlflüssigkeit strömt infolge der auftretenden Druckdifferenz in den Zellen 7 und z aus der Zelle 8 in die Zelle 7 über. Nachdem der vorgegebene Durchfluß der Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers erreicht ist (der Durchfluß wird durch die Differenz der Kühlflüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs bestimmt und überwacht), wird die elektrische Maschine eingeschaltet. Durch einen Teil der Wärmeverluste in wirksamen Teilen des Ständers 3 wird die Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers 3 erwärmt. Die in den Kanälen 6 erwärmte Flüssigkeit strömt über die Zelle 7 durch den aufsteigenden Strang 9 des Kreislaufs zum Kühler 11. Die erwähnte Temperaturdifferenz wird erhöht, die Druckdifferenz in den Zellen und somit der Durchfluß in den Kanälen 6 des Ständers nehmen zu. Dabei wird aber der Anteil der Wärmeverluste an der Erwärmung der Flüssigkeit in den Kanälen 6 ebenfalls vergrößert. First the boiler system and then the steam turbine put into operation. Shortly before the turbine is started, the cooler 11 is switched on. Since the temperature of the cooling liquid is the same over the entire circuit, is the density of the cooling liquid is the same and the pressure in cells 7 and 8 is therefore the same equally strong because the pressure strength due to the weight of the coolant and the Height of the ascending and descending strand 9 and 10 of the circuit above the housing of the stand 3 is determined. Under these conditions the liquid remains immobile in the circulatory system. After turning on the cooler 11, the liquid cooled in the cooler space and conveyed downward through the descending strand 10, so that the higher temperature liquid displaces wid. To the extent the drop in liquid temperature in the descending leg 10 increases the pressure in cell 8 too. The cooling liquid flows as a result of the pressure difference that occurs in cells 7 and z from cell 8 to cell 7. After the specified Flow of the cooling liquid in the channels 6 of the stator is reached (the flow is determined by the difference in the coolant temperature in the ascending and in the descending strand 9 or 10 of the circuit is determined and monitored), the electrical Machine switched on. By some of the heat losses in effective parts of the Stand 3, the cooling liquid in the channels 6 of the stand 3 is heated. the In the channels 6 heated liquid flows over the cell 7 through the ascending Line 9 of the circuit to the cooler 11. The mentioned temperature difference is increased, the pressure difference in the cells and thus the flow in the channels 6 of the stator increase. But it will the proportion of heat losses in the Heating of the liquid in the channels 6 is also increased.
Durch zügige Beanspruchung der elektrischen Maschine wird der optimale Nennbetrieb der ganzen Anlage gesichert. Rapid use of the electrical machine becomes the optimal one Rated operation of the whole system secured.
Zur Beschleunigung des gerichteten Umlaufs der Kühlflüssigkeit in den Kanälen 6 des Ständers 3 ist es zweckmäßig, den aufsteigenden Strang 9 mit einem Heizkörper 13 zu versehen. Der Heizkörper wird zusammen mit dem Fühler 11 eingeschaltet und ermöglicht es, die erforderliche Differenz der Flüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs sohneller zu erreichen. Der Heizkörper 13 wird abgeschaltet, wenn der stabile Nennbetrieb der elektrischen Maschine erreicht ist. Der erwähnte Heizkörper 13 kann ferner für die Sicherung des auverlässigen Wechselbetriebs der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Dabei wird der Heizkörper nötigenfalls abhängig von der Differenz der Flüssigkeitstemperatur im aufsteigenden und im absteigenden Strang automatisch eingeschaltet. Zur Erhöhung der Wirksamkeit ist es zweckmäßig, den Heizkörper 13 im unteren Teil des aufsteigenden Stranges 9 in unmittelbarer Nähe vom Ständer 3 anzuordnen. Die Länge des aufsteigenden Stranges 9 kann 5 bis 10 m, dessen Durchmesser 0,3 bis 0,5 m und der Unterschied zwischen der Rohrwandungs- und der Umgebungstemperatur 50 bis 800C betrages. To accelerate the directed circulation of the coolant in the channels 6 of the stand 3, it is useful to the ascending strand 9 with a Heating element 13 to be provided. The heating element is switched on together with the sensor 11 and allows the required difference in liquid temperature in the ascending and in the descending line 9 or 10 of the circuit sohneller to reach. Of the Heating element 13 is switched off when the stable nominal operation of the electrical machine is reached. The aforementioned heating element 13 can also be used for securing the unreliable Alternating operation of the electrical machine are used. This is the radiator if necessary, depending on the difference in the liquid temperature in the ascending and automatically switched on in the descending line. To increase the effectiveness it is appropriate to place the radiator 13 in the lower part of the ascending strand 9 to be arranged in the immediate vicinity of the stand 3. The length of the ascending strand 9 can be 5 to 10 m, its diameter 0.3 to 0.5 m and the difference between the pipe wall and ambient temperature is 50 to 800C.
Unter solchen Bedingungen ist der Wärmeaustausch genügend wirksam, was zur Bildung von Sekundärwirbelung der durch den aufsteigenden Strang 9 aufwärts strömenden Flüssigkeit führen kann. Infolge der erwähnten Wirbelung kommt es zur Vergrößerung des Strömungswiderstandes, was seinerseits zu einiger Herabsetzung des Wirkungsgrades der Anlage beiträgt.Under such conditions the heat exchange is sufficiently effective that resulting in the formation of secondary eddies caused by the ascending strand 9 upwards flowing liquid. As a result of the vortex mentioned, it comes to Increasing the flow resistance, which in turn leads to some reduction contributes to the efficiency of the system.
Es ist deshalb zweckmäßig, den aufsteigenden Strang 9 mit der 'ffiårmeisolierung 14 zu versehen. Aus demselben Grunde wird auch der an den aufsteigenden Strang anliegende Teil des Genäuses des Ständers 3 wärmeisoliert.It is therefore useful to have the ascending strand 9 with the 'ffiårmeisolierung 14 to be provided. For the same reason, the one attached to the ascending strand also becomes Part of the body of the stand 3 is thermally insulated.
Effektivität, Stabilität und Zuverlässigkeit der beschriebenen Anlage wurden durch zahlreiche Untersuchungen bestätigt. Effectiveness, stability and reliability of the system described have been confirmed by numerous studies.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine enthält also einen Läufer 1 und einen Ständer 3, der mit Flüssigkeit gefüllt wird und vom Läufer durch einen luftdichten Mantel 2 abgetrennt -ist, welcher Zellen 7 und 8 für Stirnteile 5 der Wicklung des Ständers 3 bildet. Im Ständer 3 sind Kanäle 6 zum Durchströmen der Kühlflüssigkeit ausgeführt, durch welche die genannten Zellen miteinander verbunden werden. Die mindestens teilweise über dem Ständer 3 verlegte Außenrohrleitung bildet einen aufsteigenden sowie einen absteigenden Strang 9 bzw. 10 des Kreislaufs der KühlElüssigkeit, von welchen jeder mit je einer der genannten Zellen yerbunden ist. In, oberen Teil des absteigenden Stranges 10 ist ein Kühler 11 angeordnet, welcher den durch die Differenz der Wichten der erwärmten und der gekühlten Flüssigkeit bedingten Eigenkreislauf der Kühl-flüssigkeit abschließt. The electrical machine according to the invention therefore contains a rotor 1 and a stand 3, which is filled with liquid and from the runner by a airtight jacket 2 -is separated, which cells 7 and 8 for forehead parts 5 of the Winding of the stator 3 forms. In the stand 3 are channels 6 for flowing through the Running coolant through which said cells are connected to one another will. The outer pipeline, which is at least partially laid over the stand 3, forms an ascending and a descending strand 9 and 10 of the circuit of the Cooling liquid, each of which is bound to one of the named cells. In, the upper part of the descending strand 10, a cooler 11 is arranged, which that by the difference in the weights of the heated and cooled liquid conditional self-circulation of the coolant completes.
Die Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung yon leistungsfähigen elektrischen Maschinen, insbesondere yon Turbogeneratoren. The invention is particularly suitable for the production of powerful electrical machines, especially turbo generators.
Claims (4)
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DE3013150A1 true DE3013150A1 (en) | 1981-10-08 |
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ID=6099310
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |