DE3114404A1 - Heat exchanger, in particular small internal-combustion engines which utilise waste heat - Google Patents
Heat exchanger, in particular small internal-combustion engines which utilise waste heatInfo
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Abstract
Description
Wärmeübertrager, insbesondere für kleine Verbren-Heat exchangers, especially for small combustion
nungsmotoren mit Abwärmeverwertung Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.tion engines with waste heat recovery The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
Es sind bereits zahlreiche Abgas-Wärmeübertrager für Verbrennungsmotoren bekannt geworden, die jeweils lediglich eine spezielle Forderung erfüllen. Diese Abgas-Wärmeübertrager sind nicht geeignet, vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, wie sie insbesondere beispielsweise beim stationären Einsatz von kleinen Verbrennungsmotoren in Wärmepumpenanlagen auftreten. Dort soll einerseits bei sehr einfachem Aufbau und gleichzeitig geringem Bauaufwand ein hoher Wärmeübergang erreicht werden, um insbesondere einen hohen Teil der Abwärme noch wieder nutzbar zu machen,und andererseits soll alternativ oder kumulativ die Möglichkeit gegeben sein, schalldämpfende Maßnahmen einzusetzen.Die Abwärmeverwertung und die Schalldämpfung der Verbrennungsmotoren crfolgt hierbei in voneinander getrennten Apparaten, was einen hohen Montage- und Isolationsaufwand erforderlich macht. Außerdem ist der erforderliche Raumaufwand beträchtlich.There are already numerous exhaust gas heat exchangers for internal combustion engines become known, each of which only meet a special requirement. These Exhaust gas heat exchangers are not suitable for meeting a wide range of requirements as they are in particular, for example, in the stationary use of small Combustion engines occur in heat pump systems. There should be on the one hand at very A high heat transfer achieved with a simple structure and at the same time low construction costs in order to make a large part of the waste heat usable again, and on the other hand, the possibility should alternatively or cumulatively be given, sound-absorbing The waste heat recovery and the soundproofing of the combustion engines This takes place in separate devices, which means a high level of assembly and Makes isolation effort required. In addition, the space required is considerably.
In der Patentanmeldung P 30 39 742 ist zur Teil-Lösung dieser Probleme bereits vorgeschlagen worden, im Behälter des Abgas-Wärmeübertragers einen Hohl-Körper anzuordnen, in dem wahlweise schalldämpfende Einbauten, Schwingungstilger oder Abgas-Reinigungseinrichtungen untergebracht sind. Zwischen dem Hohlkörper und der Behälterwand ist ein spaltartiger Abgas-Kanal begrenzt, durch den die Abgase unter hoher Turbulenz, also mit hohem Wärmeübergang auf die Behälterwand, geführt werden. Auf der Außenseite der Behälterwand ist ein Kühlkanal angebracht.In the patent application P 30 39 742 is part of the solution to these problems has already been proposed, a hollow body in the container of the exhaust gas heat exchanger to be arranged in which either sound-absorbing fixtures, vibration absorbers or exhaust gas cleaning devices are housed. There is a gap between the hollow body and the container wall Exhaust channel limited through which the exhaust gases under high turbulence, so with high Heat transfer to the container wall, are performed. On the outside of the container wall a cooling duct is attached.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die Abwärme des Kühlwassers und die Abwärme der Abgase unter gleichzeitiger Schalldämpfung mit geringem Bau- und Raumaufwand verwertbar sind.The invention is based on the object of providing a heat exchanger generic type so that the waste heat of the cooling water and the waste heat the exhaust gases with simultaneous soundproofing with little construction and space requirements are usable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine kompakte Schalldämpfungs- und Wärmeübertrager-Einheit geschaffen, in der zwei Wärmeübertrager in der optimalen Weise hintereinandergeschaltet sind, so daß auf sehr gedrängtem Raum eine optimale Wärmeverwertung bei geringstmöglicher Schallentwicklung erfolgen kann.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. The measures according to the invention result in a compact Soundproofing and heat exchanger unit created in which two heat exchangers are cascaded in the optimal way, so that on very crowded In the room, optimal heat utilization can be achieved with the lowest possible noise generation can.
Diese kompakte Baueinheit hat also eine hohe Leistungsdichte.This compact unit therefore has a high power density.
Durch die Maßnahmen nach Anspruch 2 wird die Kompaktheit der Anlage und ihre Unempfindlichkeit noch weiter gesteigert, da alle funktionswesentlichen Baugruppen in dem Behälter untergebracht sind. Durch die Maßnahmen nach Anspruch 3 wird erreicht, daß ein Teil der im Abgaswärmedbertrager übertragenen Wärme, wo ja ein höheres Temperaturniveau herrscht als im Kühlwasser-Wärmetauscher, zum Kühlwasser-Wärmetauscher abgegeben wird.The measures according to claim 2, the compactness of the system and their insensitivity is further increased, since all are functionally essential Assemblies are housed in the container. By the measures according to claim 3 it is achieved that part of the heat transferred in the exhaust gas heat exchanger, where yes a the temperature level is higher than in the cooling water heat exchanger, is delivered to the cooling water heat exchanger.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen machen es möglich, daß die Ausgestaltung nach der Patentanmeldung P 30 39 742, die zu einem besonders guten Wärmeübergang der Abgase auf das Kühlmittel führt, gemäß Anspruch 4 auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen werden kann.The measures according to the invention make it possible that the design according to the patent application P 30 39 742, which leads to a particularly good heat transfer the exhaust gases leads to the coolant, according to claim 4 also in the inventive Design can be provided.
Durch die Maßnahmen nach Anspruch 5 wird der Schalldämpfungseffekt besonders günstig.By the measures according to claim 5, the sound dampening effect very cheap.
Die Ansprüche 6 und 7 geben konstruktiv besonders einfache und hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung besonders effektive Ausgestaltungen für den Kühlwasser-Wärmetauscher wieder.The claims 6 and 7 give structurally particularly simple and in terms of the heat transfer performance particularly effective configurations for the cooling water heat exchanger again.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt Fig. 1 einen Wärmeübertrager gemäß der Erfindung im vertikalen Längsschnitt gemäß der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2, Fig 2 einen horizontalen Querschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 1 gamäß der Schni@@@@@@ 11-11 in Fig. 1, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers im vertikalen Längsschnitt gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 4, Fig. 4 einen horizontalen Querschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 3 gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 ein drittes AusfUhrungsbeJspel eines crfindunjgemäßen Wärmeübertragers im vertikalen Längsschnitt.Further advantages and features of the invention emerge from the following Description of exemplary embodiments based on the drawing. It shows Fig. 1 a Heat exchanger according to the invention in a vertical longitudinal section according to the section line 1-1 in Fig. 2, Fig. 2 shows a horizontal cross section through the heat exchanger Fig. 1 shows the section 11-11 in Fig. 1, Fig. 3 shows a further embodiment of a heat exchanger according to the invention in a vertical longitudinal section according to the section line III-III in Fig. 4, Fig. 4 a horizontal cross section through the heat exchanger According to FIG. 3, according to the section line IV-IV in FIGS. 3 and 5, a third embodiment example of a heat exchanger according to the invention in a vertical longitudinal section.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Wärmeübertrager weist einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 1 auf, auf dessen zylindrischer Behälterwand 2 ein ringzylindrischer Kühlkanal 3 angeordnet ist, der ebenfalls durch ein Rohr gebildet ist, das konzentrisch zum Behälter 1 angeordnet ist und so einen Kühlmantel bildet. An einem1 einem Abgaseintritt 4 benachbarten Ende mündet ein Kühlmittel-Eintritts-Stutzen 5 in den Kühlkanal 3, während am entgegengesetzten Ende ein Kühlmittel-Austritts-Stutzen 6 aus dem Kühlkanal 3 ausmündet. Der Kühlkanal 3 kann selbstverständlich nicht nur durch ein Rohr 7,sondern auch durch eine um den Behälter 1 gewickelte und wärmeleitend mit diesem verbundene Rohrschlange gebildet werden, auch wenn die in der Zeichnung dargestellte Lösung fertigungstechnisch besonders einfach ist.The heat exchanger shown in FIGS. 1 and 2 has an im essential cylindrical container 1, on the cylindrical container wall 2 an annular cylindrical cooling channel 3 is arranged, which is also through a pipe is formed, which is arranged concentrically to the container 1 and so a cooling jacket forms. A coolant inlet nozzle opens at an end adjacent to an exhaust gas inlet 4 5 into the cooling channel 3, while at the opposite end a coolant outlet nozzle 6 opens out of the cooling channel 3. The cooling channel 3 can of course not only by a tube 7, but also by a wound around the container 1 and conductively with this connected pipe coil are formed, even if those in the drawing The solution shown is particularly simple in terms of production technology.
Der Behälter 1 ist an seinen Stirnseiten mit Stirnwänden 8 bzw. 9 abgeschlossen, in die - entsprechend der Strömungsrichtung 1o von Abgasen - ein Abgas-Eintritts-Stutzen 11 einmündet bzw. ein Abgas-Austritts-Stutzen 12 ausmündet.The container 1 is provided with end walls 8 and 9 on its end faces completed, in which - according to the direction of flow 1o of exhaust gases - a Exhaust gas inlet stub 11 opens out or an exhaust gas outlet stub 12 opens out.
In dem Innenraum des Behälters 1 ist ein ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Kühlwasser-Wärmetauscher 13 angeordnet, zwischen dessen zylindrischer Außenwand 14 und der zylindrischen Behälterwand 2 ein spaltartiger Abgaskanal 15, also ein Ringkanal, begrenzt ist, dessen Spaltweite a zwischen o,5 und 3 mm beträgt, d. h. dieser Spalt ist so eng, daß die durch den Stutzen 11 in den Innenraum des Behälters 1 tretenden Abgase mit hoher Turbulenz durch diesen engen Abgaskanal 15 zum Abgas-Austritts-Stutzen 12 strömen, wodurch ein hoher Wärmeübergang zur Behälterwand 2 und damit zum Kühlkanal 3 erreicht wird.In the interior of the container 1 is also essentially Cylindrical cooling water heat exchanger 13 arranged between its cylindrical outer wall 14 and the cylindrical container wall 2 a gap-like Exhaust duct 15, that is to say an annular duct, is limited, the gap width a of which is between 0.5 and is 3 mm, i.e. H. this gap is so narrow that the through the nozzle 11 in the interior of the container 1 passing exhaust gases with high turbulence through this narrow exhaust duct 15 to the exhaust gas outlet nozzle 12 flow, whereby a high heat transfer to the container wall 2 and thus to the cooling channel 3 is reached.
Konzentrisch zur Mittel-Längs-Achse 16 des Behälters und damit des Wärmetauschers 13 ist in letzterem ein zylindrischer, durch ein Rohr gebildeter Hohlkörper 17 angeordnet, dessen dem Abgas-Austritts-Stutzen 12 zugewandtes Ende von der zugeordneten Abschlußplatte 18 des Wärmetauschers 13 verschlossen wird. Der rohrförmig ausgebildete Abgas-Eintritts-Stutzen 11 ragt bis an die Nähe dieser Abschlußplatte 18. Konzentrisch zur Achse 16 und mit radialem Abstand zum Abgas-E tritts-Stutzen 11 ist ein Lochblech-Kanal 19 im Hohlkörper 17 angeordnet, wobei der Raum zwischen dem Lochblech-Kanal 19 und der Wand des Hohlkörpers 17 mit Schalldämmaterial 20, wie z. B. Steinwolle od. dgl.,gefüllt ist. Die Abgase strömen also durch den Abgas-Eintritts-Stutzen 11 in den Behälter 1 ein, treten in der Nähe der Abschlußplatte 18 in den Raum zwischen Stutzen 11 und Lochblech-Kanal 19 und strömen unter entsprechender Schalldämmung zurück bis in die Nähe des Abgaseintrittes 4, umströmen dann den Wärmetauscher 13 und durchströmen anschließend den Abgaskanal 15 unter Abgabe ihrer Wärme an das Kühlmedium im Kühlkanal 3 und verlassen anschließend den Behälter 1 durch den Abgas-Austritts-Stutzen 12. Dieses Prinzip ist bereits in der Patentanmeldung P 30 39 742 beschrieben.Concentric to the central longitudinal axis 16 of the container and thus the Heat exchanger 13 is in the latter a cylindrical, formed by a tube Hollow body 17 is arranged, the end of which faces the exhaust gas outlet nozzle 12 is closed by the associated end plate 18 of the heat exchanger 13. The tubular exhaust gas inlet nozzle 11 protrudes up to the vicinity of this End plate 18. Concentric to the axis 16 and with a radial distance to the exhaust gas E occurs-socket 11, a perforated sheet metal channel 19 is arranged in the hollow body 17, wherein the space between the perforated sheet metal channel 19 and the wall of the hollow body 17 with sound insulation material 20, such as B. rock wool od. Like. Is filled. The exhaust gases flow through the Exhaust gas inlet nozzle 11 enters the container 1, occur in the vicinity of the end plate 18 in the space between the nozzle 11 and perforated sheet metal channel 19 and flow under the corresponding Sound insulation back to the vicinity of the exhaust gas inlet 4, then flow around the heat exchanger 13 and then flow through the exhaust duct 15 releasing their heat to the Cooling medium in the cooling channel 3 and then leave the container 1 through the exhaust gas outlet nozzle 12. This principle has already been described in patent application P 30 39 742.
Der Kühlwasser-Wärmetauscher 13 ist als sogenannter Spiralwärmeübertrager ausgebildet, d. h. ein Paar von spiralig ineinander angeordneten Wänden 21, 22 ist vorgesehen, zwischen denen zwei Spiralkanäle, nämlich ein Motor-Kühlwasser-Kanal 23 und ein Heizkanal 24 ausgebildet sind. Die beiden Spiral-Wände 21, 22 sind einerseits auf der Abschlußplatte 18 und andererseits auf einer dem Abgaseintritt 4 benachbarten Stirnplatte 25 befestigt.The cooling water heat exchanger 13 is a so-called spiral heat exchanger trained, d. H. is a pair of spirally nested walls 21,22 provided, between which two spiral channels, namely an engine cooling water channel 23 and a heating channel 24 are formed. The two spiral walls 21, 22 are on the one hand on the end plate 18 and on the other hand on one of the exhaust gas inlet 4 adjacent Front plate 25 attached.
Dem in Fig. 2 gepunktet gekennzeichneten Kühlwasser-Kanal 23 wird das Kühlwasser vom Motor her durch einen Kühlwasser-Eintrittsstutzen 26 entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 27 zugeführt und strömt an der radial außenliegenden Stelle in ihn ein. Es verläßt ihn am radial innenliegenden Ende entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 28 und strömt durch einen Kühlwasser-Austrittsstutzen 29 ab.The cooling water channel 23 marked with dots in FIG the cooling water from the engine through a cooling water inlet nozzle 26 accordingly the flow direction arrow 27 and flows at the radially outer Put in him. It leaves him at the radially inner end according to the Flow direction arrow 28 and flows through a cooling water outlet nozzle 29 away.
Das Heizwasser, also das Wasser, auf das die Wärme vom Motor-Kühlwasser übertragen werden soll, strömt dem lleizkanal 24 an dessen radial innenliegender Stelle durch einen Heizwasser-Eintrittsstutzen 30 entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 31 zu und durchströmt diesen auf einem Spiralweg nach außen und verläßt den Wärmetauscher 13 durch einen Heizwasser-Austrittsstutzen 32 entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 33. Dieses Heizwasser fließt weiter zum Kühlmittel-Eintritts-Stutzen 5 und durchströmt dann den Kühlkanal 3. Das Heizwasser wird also zuerst im Gegenstrom unter Abkühlung des Motor-Kühlwassers vorgewärmt und anschließend unter Abkühlung der Abgase des Motors weiter aufgeheizt.The heating water, i.e. the water on which the heat from the engine cooling water is transferred is to be transmitted, the leizkanal 24 flows to its radially inner Place through a heating water inlet connection 30 according to the flow direction arrow 31 and flows through it on a spiral path to the outside and leaves the heat exchanger 13 through a heating water outlet nozzle 32 according to the flow direction arrow 33. This heating water flows on to the coolant inlet connection 5 and flows through it then the cooling duct 3. The heating water is therefore first in countercurrent while cooling of the engine cooling water is preheated and then the exhaust gases of the Motor continued to heat up.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist im Prinzip ähnlich aufgebaut. Aus diesem Grunde sind gleiche oder gleichartige Teile mit der gleichen Bezugsziffer wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 versehen, jedoch diesen hochgesetzter Strich angefügt. Insoweit kann von einer detaillierten Beschreibung Abstand genommen werden.The embodiment according to FIGS. 3 and 4 is similar in principle built up. For this reason, the same or similar parts are the same Reference number provided as in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, however added this high line. To that extent can from a detailed description Be refrained from.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im Hohlkörper 17' schalldämpfende Einbauten 34 angebracht, die - in bekannter Weise - nach dem Reflexionsprinzip wirken.In this embodiment, the hollow body 17 'is sound-absorbing Fittings 34 attached, which - act in a known manner - according to the reflection principle.
Der Wärmetauscher 13' ist als sogenannter Koaxialwärmeübertrager ausgebildet, der aus einem in mehreren Lagen schraubenförmig gewendelten Kühlwasser-Rohr 35 verhältnismäßig großen Durchmessers besteht, in dem mehrere Heizwasser-Rohre 36 angeordnet sind, die von dem entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 27' eintretenden Motor-Kühlwasser umströmt werden, das das Kühlwasser-Rohr 35 an seinem anderen Ende entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 28' verläßt.The heat exchanger 13 'is designed as a so-called coaxial heat exchanger, which consists of a cooling water pipe 35 which is helically coiled in several layers consists of a large diameter, in which several heating water pipes 36 are arranged, from the engine cooling water entering according to the flow direction arrow 27 ' flow around the cooling water pipe 35 at its other end accordingly the flow direction arrow 28 'leaves.
Die Heizwasser-Rohre 36 werden im Gegenstrom hierzu vom Heizwasser durchströmt, das also entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 31' eintritt und die Heizwas ser- Rohre 36 entsprechend dem Strömungsrichtungspfeil 33' verläßt, von wo es zum Kühlmittel-Eintritts-Stutzen 5' strömt und den Kühlmantel 2' durchläuft, wobei es von den Motor-Abgasen weiter aufgewärmt wird.The heating water pipes 36 are in countercurrent to this from the heating water flows through, which so enters in accordance with the flow direction arrow 31 'and the Heizwas water pipes 36 according to the flow direction arrow 33 'leaves, from where it flows to the coolant inlet nozzle 5 'and passes through the cooling jacket 2', whereby it is further warmed up by the engine exhaust gases.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind wiederum mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen, die jeweils mit einem hochgesetzten Doppelstrich versehen sind, so daß insoweit auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kühlwasser-Wärmetauscher 13" ebenfalls wieder als Koaxialwärmeübertrager ausgebildet, dessen die Heizwasser-Rohre 36" enthaltendes Kühlwasser-Rohr 35" einlagig schraubenförmig gewendelt auf die Behälterwand 2" des Behälters 1" aufgewickelt ist, der in diesem Fall keinen Kühlkanal auf seiner Außenseite trägt.In the embodiment of FIG. 5 are again with the preceding Embodiment matching parts are provided with the same reference numerals, which are each provided with a raised double line, so that to that extent a new description can be dispensed with. In this embodiment the cooling water heat exchanger 13 ″ is also again as a coaxial heat exchanger formed, the cooling water pipe 35 "containing the heating water pipes 36" in a single layer helically wound onto the container wall 2 "of the container 1" which in this case does not have a cooling channel on its outside.
Bei dieser Ausgestaltung sind in dem Hohlkörper 17" ebenfalls wieder einige schalldämpfende Einbauten 34" .angebracl1L. Weiterhin ist der Hohlkörper 17" weitgehend mit Schalldämmaterial 20", wie z. B. Steinwolle od. dgl., gefüllt. In diesem Fall ist der Abgas-Eintritts-Stutzen 11" nicht bis tief in den Behälter 1" hinein verlängert, so daß für die Abgasführung bei diesem Ausführungsbeispiel nicht - wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 - das Serienprinzip, sondern das Abzweig-Prinzip gilt. Koaxial um den Hohlkörper herum ist für die Abgas-Wärmeübertragung ein Rohrbündel-Wärmeübertrager ausgebildet, der aus einer Vielzahl von achsparallel zur Mittel-Längs-Achse 16" angeordneten Abgas-Rohren 37 besteht, in die das Abgas direkt nach Eintritt in den Innenraum des Behälters 1" entsprechend der Strömungsrichtung 1o" einströmt. Die Abgas-Rohre 37 werden von Heizwasser umströmt, das in der Nähe des Abgaseintritts 4" durch den Kühlmittel-Eintritts-Stutzen 5" zugeführt wird. Das Heizwasser verläßt den Behälter 1" durch den Kühlmittel-Austrittsstutzen 6".In this embodiment, 17 ″ are also again in the hollow body some sound-absorbing fittings 34 " .angebracl1L. Furthermore is the hollow body 17 "largely with sound insulation material 20", such as. B. rock wool od. Like., filled. In this case, the exhaust gas inlet connection 11 ″ is not too deep extended into the container 1 ″, so that for the exhaust gas routing in this embodiment not - as in the embodiments according to FIGS. 1 to 4 - the series principle, but the branch principle applies. Coaxial around the hollow body is for exhaust gas heat transfer a tube bundle heat exchanger is formed, which consists of a large number of axially parallel to the central longitudinal axis 16 ″ arranged exhaust pipes 37 into which the exhaust gas directly after entering the interior of the container 1 ″ according to the direction of flow 1o "flows in. The exhaust pipes 37 are surrounded by heating water, which is in the vicinity of the exhaust gas inlet 4 "is supplied through the coolant inlet nozzle 5". The heating water leaves the container 1 "through the coolant outlet nozzle 6".
Claims (7)
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DE19813114404 DE3114404A1 (en) | 1981-04-09 | 1981-04-09 | Heat exchanger, in particular small internal-combustion engines which utilise waste heat |
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DE19813114404 DE3114404A1 (en) | 1981-04-09 | 1981-04-09 | Heat exchanger, in particular small internal-combustion engines which utilise waste heat |
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ID=6129802
Family Applications (1)
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---|---|---|---|---|
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1981
- 1981-04-09 DE DE19813114404 patent/DE3114404A1/en not_active Withdrawn
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |