DE3404138A1 - Thermoelectric configuration having constriction resistors - Google Patents
Thermoelectric configuration having constriction resistorsInfo
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Abstract
Description
Die Patentanmeldung betrifft eine thermoelektrische Anordnung zurThe patent application relates to a thermoelectric arrangement for
Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und zum reversiblen Pumpen von Wärme mit vergrößertem Wirkungsgrad.Conversion of heat into electrical energy and for reversible pumping of heat with increased efficiency.
Durch das deutsche Patent 25 47 262 ist es bekannt, daß in einer thermoelektrischen Anordnung, bei welcher in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit einem großen Temperaturgradienten, größer als 104 °K/cm, fließt, der Wirkungsgrad vergrößert sein kann.From the German patent 25 47 262 it is known that in a thermoelectric Arrangement in which in each thermocouple the heat flow over at least one Point with a large temperature gradient, greater than 104 ° K / cm, flows that Efficiency can be increased.
Bei der vorliegenden thermoelektrischen Anordnung besteht ein Thermoschenkel ebenfalls aus zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen, welche sich an mindestens einer Stelle stationär berühren. Sie ist jedoch zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsstellen elektrische und thermische Engewiderstände ohne Fremdschichten sind, und daß der Kontaktdurchmesser dieser Engewiderstände kleiner ist als die Diffusionslänge oder die mittlere freie Weglänge der elektrischen Ladungsträger. Da die Diffusionslängen in nichtentarteten Halbleitern und die mittleren freien Weglängen der Ladungsträger in Metallen und in guten thermoelektrischen Materialien etwa zwischen 10-1 cm und 10-6 cm liegen, trete#n - vor allem bei tiefen Temperaturen - in Engewiderständen der thermoelektrischen Anordnung gemäß der Erfindung schon bei einem relativ großen Durchmesser der Berührungsstellen Weglängeneffekte auf. Diese Weglängeneffekte können zu Abweichungen von Gleichgewichtsverteilungen der Ladungsträger führen.In the present thermoelectric arrangement there is a thermo leg also from two separate and unevenly tempered parts, which are at least stationary touch at one point. However, it is also characterized by that the contact points have electrical and thermal tightness resistances without foreign layers are, and that the contact diameter of these tight resistances is smaller than that Diffusion length or the mean free path of the electrical charge carriers. Since the diffusion lengths in nondegenerate semiconductors and the mean free Path lengths of the charge carriers in metals and in good thermoelectric materials between 10-1 cm and 10-6 cm, step # n - especially at low temperatures - Already in tight resistances of the thermoelectric arrangement according to the invention with a relatively large diameter of the contact points on path length effects. These path length effects can lead to deviations from the equilibrium distributions of the Lead load carriers.
Ladungsträger, die ursprünglich in höherer Konzentration auf der wärmeren Seite einer Berührungsstelle sind, diffundieren in die Zone tieferer Temperatur. Dies führt zu einer Abnahme der Ladungsträgerkonzentration in der heißen Zone gegenüber dem Gleichgewichtszustand ( An <O).Charge carriers originally in higher concentration on the warmer Side of a point of contact diffuse into the zone of lower temperature. This leads to a decrease in the charge carrier concentration in the hot zone the state of equilibrium (An <O).
In der kältern Zone wird dagegen die Ladungsträgerkonzentration erhöht gegenüber -der Gleichgewichtskonzentration (bn,o). Wenn der Temperaturgradient so groß ist, daß es zu einem merklichen Konzentrationsunterschied der Ladungsträger auf der Strecke einer Diffusionslänge (nichtentarteter Halbleiter) oder zu einer Änderung der Grenzenergle der FERMI-Funktion auf der Strecke einer mittleren freien Weglänge (Metalle) kommt, dann führt dies zu einer zusätzlichen Thermospannung am Engekontakt. Außerdem tritt aufgrund von Weglängeneffekten eine Vergrößerung des elektrischen Widerstandes und eine Verkleinerung der elektronischen Wärmeleitung ein. Wenn 1 die mittlere freie Weglänge und a der Kontaktradius des Engewiderstandes ist, dann ist der elektrische Widerstand R und der Wärmewiderstand W des Engewiderstandes gegeben durch R = RM( 1 + a1> W = WM(l + a Dabei ist RM = E der elektrische (Maxwellsche) Widerstand des Kontaktes (9 = spez. el. Widerstand). Entsprechend ist WM definiert.In contrast, the charge carrier concentration is increased in the colder zone versus -the equilibrium concentration (bn, o). If the temperature gradient is like this it is great that there is a noticeable difference in concentration of the charge carriers on the route of a diffusion length (non-degenerate semiconductor) or to a Change of the limit energy of the FERMI function on the route of a medium one free Path length (metals) comes, then this leads to an additional thermal voltage on the Close contact. In addition, there is an increase in the electrical resistance and a reduction in electronic heat conduction a. If 1 is the mean free path and a is the contact radius of the narrow resistance is, then the electrical resistance is R and the thermal resistance W is the narrow resistance given by R = RM (1 + a1> W = WM (l + a where RM = E is the electrical (Maxwell's) Resistance of the contact (9 = specific electrical resistance). WM is defined accordingly.
Bei Betrieb als Peltier-Element kann an die thermoelektrische Anordnung der Erfindung, als Folge dieser Widerstandsvergrößerung, eine um den Faktor (1 + 1 größere Optimale Betriebsspannung" angelegt werden, bevor die Joulsche Wärme in den Engewiderständen die Größe erreicht, die sie ohne die Weglängeneffekte hätte.When operated as a Peltier element, the thermoelectric arrangement of the invention, as a result of this increase in resistance, a factor of (1 + 1 greater optimal operating voltage "must be applied before the Joule heat in the narrow resistance reaches the size that it would have without the path length effects.
Die thermoelektrische Anordnung mit Engewiderständen, in denen Nicht-Gleichgewichtsprozesse und Weglängeneffekte vorherrschen, ermöglicht es, Generatoren und Wärmepumpen zu bauen, die einen - gegenüber dem Stand der Technik - erhöhten Wirkungsgrad haben.The thermoelectric arrangement with tight resistances, in which non-equilibrium processes and path length effects prevail, allowing generators and heat pumps too build, which - compared to the state of the art - have increased efficiency.
Die beiden Teile eines Thermoschenkels der thermoelektrischen Anordnung können durch Scheiben aus einkristallinem oder polykristallinem Material gebildet sein. Die Oberflächen dieser Scheiben sind so strukturiert und die Berührungsstellen zwischen den beiden Scheiben so behandelt, daß ein Kontakt-Array aus einer Vielzahl von elektrisch und thermisch parallel geschalteten Engewiderständen die beiden Scheiben verbindet. Die Engewiderstände können erfindungsgemäß mit Hilfe elektrischer Stoß-Stromentladungen durch die Berührungsstellen unter Druck und erhöhter Temperatur gebildet sein.The two parts of a thermo leg of the thermoelectric arrangement can be formed by discs made of monocrystalline or polycrystalline material be. The surfaces of these panes are structured in this way, as are the points of contact between the two discs treated so that a contact array of a plurality the two panes are electrically and thermally connected in parallel connects. According to the invention, the tightness resistances can be achieved with the aid of electrical surge current discharges be formed by the contact points under pressure and elevated temperature.
Die beiden Teile eines Thermoschenkels können auch aus einkristallinen und 1-0-0-orientierten Siliziumscheiben bestehen, welche mit Hilfe eines Struktur-Ätzprozesses mindestens auf einer Scheibenseite mit einer Struktur aus Gräben und Wällen versehen sind.The two parts of a thermos leg can also be made from single crystal and 1-0-0-oriented silicon wafers, which with help a structure etching process at least on one side of the wafer with a structure from ditches and ramparts are provided.
Die Siliziumscheiben sind danach so zusammengesetzt, daß die Stege in den Strukturen beider Scheiben sich kreuzen und nach Berührung unter Druck und Temperatur über plastische Deformation des Kristallgitters zu Engewiderständen geworden sind.The silicon wafers are then assembled so that the webs in the structures of both disks cross and after contact under pressure and Temperature through plastic deformation of the crystal lattice has become tight resistance are.
Die beiden Teile eines Thermoschenkels können auch aus einkristallinen Siliziumscheiben bestehen und mindestens eine Siliziumscheibe kann auf einer Scheibenseite eine Struktur mit einer Vielzahl kegelförmiger Spitzen tragen. Die andere einkristalline Siliziumscheibe hat mindestens auf einer Scheibenseite eine nichtstrukturierte, ebene Oberfläche. Beide Siliziumscheiben sind so zusammengesetzt und behandelt, daß die kegelförmigen Spitzen der einen Siliziumscheibe mit der ebenen Oberfläche der anderen Siliziumscheibe Engewiderstände bilden.The two parts of a thermos leg can also be made from single crystal There are silicon wafers and at least one silicon wafer can be on one side of the wafer carry a structure with a multitude of conical tips. The other single crystal Silicon wafer has a non-structured, flat surface. Both silicon wafers are assembled and treated in such a way that that the conical tips of a silicon wafer with the flat surface of the other silicon wafer form tight resistances.
Ein Teil oder beide Teile eines Thermoschenkels können durch Scheiben mit strukturierten Oberflächen gebildet sein, und auf die Strukturen kann im Hochvakuum eine elektrisch leitende Schicht mit so großer Schichtdicke aufgedampft sein, daß - als Folge der Winkelabhängigkeit der aufgedampften Schichtdicke - der Krümmungsradius der Stege oder Spitzen am äußersten Ende der Strukturen verkleinert ist. Auf die Strukturen kann auch eine elektrisch leitende, ferromagnetische Schicht in ansich bekannter Weise aufgebracht sein, so daß ein relativ schwaches äußeres magnetisches Feld durch diese ferromagnetische Schicht in Richtung auf den Engewiderstand konzentriert und verstärkt wird.A part or both parts of a thermos leg can be through washers be formed with structured surfaces, and on the structures can be in a high vacuum an electrically conductive layer with such a great layer thickness that - as a result of the angle dependence of the vapor-deposited layer thickness - the radius of curvature the ridges or tips at the extreme end of the structures is reduced in size. On the Structures can also have an electrically conductive, ferromagnetic layer in itself known way be applied, so that a relatively weak external magnetic Field concentrated through this ferromagnetic layer in the direction of the narrow resistance and is reinforced.
Die beiden Teile eines Thermoschenkels können auch Scheiben mit strukturierten Oberflächen sein, wobei mindestens bei einer der beiden Scheiben in ansich bekannter Weise eine Schicht aus thermoelektrischem Material auf die Struktur aufgebracht ist.The two parts of a thermos leg can also have textured panes Be surfaces, with at least one of the two discs known per se Way, a layer of thermoelectric material is applied to the structure is.
Diese Schicht ist nach dem Zusammensetzen der beiden Scheiben und nach der Ausbildung der Engewiderstände noch so dick, daß die Engewiderstände mit dem großen Temperaturgradienten zwischen den beiden Teilen des Thermoschenkels mindestens überwiegend aus dem thermoelektrischen Material der aufgebrachten Schicht gebildet sind.This layer is after assembling the two discs and after the narrow resistances have formed so thick that the narrow resistances with at least the large temperature gradient between the two parts of the thermos leg formed predominantly from the thermoelectric material of the applied layer are.
Zur Reduzierung unnötiger Wärmeverluste sind die Engewiderstände zwischen den beiden Teilen eines Thermoschenkels vorzugsweise von Vakuum umgeben.To reduce unnecessary heat loss, the tight resistances are between the two parts of a thermos leg are preferably surrounded by vacuum.
Zur Reduzierung der Wärmeverluste durch Strahlung und zur besseren Anpassung an große Temperaturdifferenzen können zwei oder mehrere Thermoschenkel aus je zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen thermisch und elektrisch in Serie zu einem kaskadierten Thermoschenkel zusammengesetzt sein.To reduce heat loss through radiation and for better Two or more thermo legs can adapt to large temperature differences from two separate and unevenly tempered parts each thermal and electrical be assembled in series to form a cascaded thermal leg.
Ein Thermoschenkel gemäß der Erfindung kann in einem eigenen Vakuumgehäuse untergebracht sein.A thermal leg according to the invention can be in its own vacuum housing be housed.
Ein Thermoelement oder ein Peltierelement mit einem p- und einem n-Schenkel gemäß der Erfindung oder mehrere Thermoelemente oder Peltierelmente gemäß der Erfindung können auch in einem gemeinsamen Vakuumgehäuse untergebracht sein.A thermocouple or a Peltier element with a p- and an n-leg according to the invention or several thermocouples or Peltier elements according to the invention can also be accommodated in a common vacuum housing.
Ein Thermoschenkel gemäß der Erfindung kann mit Vorteil auch zusammen mit einem konventionellen Thermoschenkel als Thermoelement oder als Peltierelement verwendet sein.A thermal leg according to the invention can also be used together with advantage with a conventional thermocouple as a thermocouple or as a Peltier element be used.
Ein Thermoelement mit einem p- und einem n-Schenkel gemäß der Erfindung kann allein - oder auch eine Vielzahl dieser Thermoelemente parallel und in Serie geschaltet können - als Thermogenerator oder als Peltier-Kühler benutzt sein.A thermocouple with a p-leg and an n-leg according to the invention can be used alone - or a large number of these thermocouples in parallel and in series can be switched - be used as a thermal generator or as a Peltier cooler.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachstehend näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt: F i g. 1 schematisch einen Thermogenerator gemäß der Erfindung.Embodiments of the invention will be explained in more detail below will. The drawing shows: F i g. 1 schematically shows a thermal generator according to the invention.
Die Thermoschenkel haben Engewiderstände aus p+-Si70Ge30 bzw.The thermo legs have tight resistances made of p + -Si70Ge30 resp.
n+-Si70Ge30und befinden sich in einem gemeinsamen Vakuumgehäuse, F i g . 2 einen Peltierkühler mit Engewiderständen aus Sb und Bi88Sb12 mit einem durch eine Eisenschicht in den Engewiderständen konzentrierten äußeren Magnetfeld und F i g . 3 den p-Schenkel eines Thermogenerators in segmentierter Ausführung mit unterschiedlichen Engewiderständen in den 3 Temperaturstufen in einem gemeinsamen Vakuumgehäuse.n + -Si70Ge30and are in a common vacuum housing, F i g. 2 a Peltier cooler with tight resistances made of Sb and Bi88Sb12 with a through an iron layer in the tight resistances concentrated external magnetic field and F i g. 3 with the p-leg of a thermal generator in segmented design different tightness resistances in the 3 temperature levels in one common Vacuum housing.
Ausführungsbeispiel 1 In Fig. 1 ist der p-Schenkel eines Thermogenerators aus einer Scheibe 1 (aus p+-Si70Ge30) und einer Scheibe 2 mit einer einseitigen Struktur mit Spitzen (ebenfalls aus p +-Si70Ge30) zusammengesetzt. Analog dazu ist der n-Schenkel des Thermogenerators aus den Scheiben 1 und 2 aus n+-Si70Ge30 zusammengesetzt. Mit Hilfe von Druck unter erhöhter Temperatur sind die Berührungsstellen der Scheiben 1 und 2 in die Engewiderstände 3 umgewandelt worden.Embodiment 1 In Fig. 1 is the p-leg of a thermal generator from a disk 1 (made of p + -Si70Ge30) and a disk 2 with a one-sided Structure with tips (also made of p + -Si70Ge30). Analog is the n-leg of the thermal generator is made up of disks 1 and 2 made of n + -Si70Ge30. With the help of pressure at elevated temperature are the contact points of the discs 1 and 2 have been converted into tight resistances 3.
4 ist die leitende Brücke zwischen dem p-Schenkel und dem n-Schenkel des Thermogenerators, welche sich auf der Temperatur TH befindet.4 is the conductive bridge between the p-leg and the n-leg of the thermal generator, which is at the temperature TH.
5 ist der gekühlte Kontakt am p-Schenkel und 6 am n-Schenkel auf der Temperatur Tg. TH - To Als Folge des Temperaturgradienten grad T X 2 (a = mittlerer Kontaktradius der Engewiderstände) stellt sich über den Strom 7 die in Fig. 1 eingezeichnete Ladungsverteilung an den Engewiderständen ein. 8 ist ein Keramik-Gehäuse, in welchem sich der Thermogenerator - umgeben von Vakuum 9 - befindet. An den Thermogenerator ist der Verbraucher 10 angeschlossen.5 is the cooled contact on the p-leg and 6 on the n-leg on the Temperature Tg.TH - To As a result of the temperature gradient grad T X 2 (a = mean Contact radius of the narrow resistances) is shown by the current 7 that shown in FIG. 1 Charge distribution at the narrow resistances. 8 is a ceramic case in which the thermogenerator - surrounded by vacuum 9 - is located. To the thermogenerator the consumer 10 is connected.
Ausführungsbeispiel 2 Fig. 2 stellt einen Ausschnitt aus dem p-Schenkel und n-Schenkel eines Peltier-Kühlers dar. 1 sind Siliziumscheiben mit ebener Oberfläche und 2 sind Siliziumscheiben, welche einseitig eine Struktur mit kegelförmigen Spitzen aufweisen. Auf die beiden einander zugewandten Seiten der Scheiben 1 und 2 ist jeweils eine Schicht von 5- 10-6 cm Dicke aufgedampft worden. Auf die beiden Scheiben 1 und 2, welche den p-Schenkel bilden, ist zusätzlich je eine Schicht von 1,5 ~ 10-6 cm Dicke aus Sb und auf die beiden Scheiben, welche den n-Schenkel bilden, ist zusätzlich je eine Schicht von 1,5 *10-6 cm Dicke aus Bi88Sb12 aufgedampft worden. Durch Zusammensetzen der Scheiben 1 und 2 unter Druck und Temperatur sind danach die Engewiderstände 3 erzeugt worden.Embodiment 2 FIG. 2 shows a section from the p-leg and n-legs of a Peltier cooler. 1 are silicon wafers with a flat surface and 2 are silicon wafers, which on one side have a structure with conical tips exhibit. On the two mutually facing sides of the disks 1 and 2 is in each case a layer 5-10-6 cm thick has been vapor-deposited. On the two panes 1 and 2, which form the p-leg, is also a layer of 1.5 ~ 10-6 each cm thickness of Sb and on the two disks that form the n-leg is additional a layer of 1.5 * 10-6 cm thick made of Bi88Sb12 was vapor-deposited. By assembling of disks 1 and 2 under pressure and temperature are then the tight resistances 3 have been generated.
4 ist eine leitende Brücke zwischen dem p-Schenkel mit den Sb-Engewiderständen 3 und dem n-Schenkel mit den Bi88Sbl2-Engewiderständen. An die Zuleitungen 5 und 6 auf der Temperatur To ist eine cllktrische Spannung mit einer solchen Polarität angelegt, daß der Strom im p-Schenkel von 1 nach 2 und im n-Schenkel von 2 nach 1 fließt. Dadurch entstehen in den Engewiderständen 3 die in Fig.2 eingezeichneten Ladungsverteilungen. An den Peltier-Kühler ist ein äußeres Magnetfeld 14 angelegt, das durch die Eisenschicht 11 in Richtung auf die Engewiderstände 3 konzentriert wird, welche von Vakuum 9 umgeben sind. Als Folge eines reversiblen Wärmetransportes durch den Strom 7 von 1 nach 2 kühlt sich die Brücke 4 auf die Temperatur Tc < T0 ab.4 is a conductive bridge between the p-leg with the Sb tight resistors 3 and the n-leg with the Bi88Sbl2 tight resistances. To the leads 5 and 6 on the temperature To is one Cllctric tension with a applied in such a polarity that the current in the p-leg from 1 to 2 and in the n-leg flows from 2 to 1. This results in the tight resistances 3 shown in FIG Charge distributions. An external magnetic field 14 is applied to the Peltier cooler, which is concentrated through the iron layer 11 in the direction of the narrow resistances 3 which are surrounded by vacuum 9. As a result of reversible heat transport the bridge 4 is cooled to the temperature Tc <by the flow 7 from 1 to 2 T0 from.
Ausführungsbeispiel 3 Fig. 3 zeigt den segmentierten p-Schenkel eines Thermogenerators in einem eigenen Vakuumgehäuse. Alle 3 Stufen dieses Thermoschenkels sind aus Siliziumscheiben zusammengesetzt, welche einseitig mit einer Struktur aus parallelen Stegen und Gräben im Abstand von 1 um versehen sind. Auf die strukturierten Seiten der beiden Scheiben der ersten Stufe 1 a und 1 b ist B6C mit einer Schichtdicke von 1 10 4 cm, auf die Strukturen der Scheiben 2 a und 2 b ist GeTe und auf die Strukturen der Scheiben 3 a und 3 b ist ZnSb ebenfalls in einer Schichtdicke von 1 10 4 cm aufgebracht.Embodiment 3 FIG. 3 shows the segmented p-leg of a Thermogenerator in its own vacuum housing. All 3 levels of this thermos leg are composed of silicon wafers, which are made of a structure on one side parallel webs and trenches are provided at a distance of 1 µm. On the structured Sides of the two disks of the first stage 1 a and 1 b is B6C with a layer thickness of 1 10 4 cm, on the structures of the disks 2 a and 2 b is GeTe and on the Structures of the disks 3 a and 3 b is also ZnSb in a layer thickness of 1 10 4 cm applied.
Die Scheiben 1 a und 1 b sowie 2 a und 2 b und 3 a und 3 b sind - jeweils um 900 gegeneinander verdreht - zusammengesetzt und - wie in Fig 3 dargestellt - übereinandergestapelt. Die Fremdschichten in den Berührungsstellen 3 zwischen den Stegen sind nach Stoß-Strom-Behandlungen bei erhöhten Temperaturen elektrischdurchbrochen worden, so daß die Berührungsstellen 3 Engewiderstände 3 sind.The discs 1 a and 1 b as well as 2 a and 2 b and 3 a and 3 b are - each rotated by 900 against each other - assembled and - as shown in Fig. 3 - stacked. The foreign layers in the contact points 3 between the webs are electrically perforated after shock current treatments at elevated temperatures so that the contact points 3 are 3 tight resistances.
15 sind Metallböden, auf welche das Keramikgehäuse geschweißt ist. Mit Hilfe der Schrauben 16 ist an die Metallböden 15 die heiße Brücke 4 und die gekühlte Zuleitung 5 geschraubt. Im Keramikgehäuse 8 herrscht Vakuum 9. Der elektrische Strom 7 hat in diesem p-Schenkel die gleiche Richtung wie das Temperaturgefälle zwischen TH und Tow Bezugszeichen 1 Teil 1 eines Thermoschenkels 2 Teil 2 eines Thermoschenkels 3 Engewiderstand 4 leitende Brücke 5 gekühlter Kontakt am p-Schenkel 6 gekühlter Kontakt am n-Schenkel 7 elektrischer Strom 8 Keramik-Gehäuse 9 Vakuum 10 Verbraucherwiderstand 11 Eisen-Schicht 12 Schicht aus Sb 13 Schicht aus Bi88Sb12 14 Magnetfeld 15 Metallboden 16 Schraube15 are metal floors on which the ceramic housing is welded. With the help of the screws 16 is on the metal floors 15, the hot bridge 4 and the cooled supply line 5 screwed. In the ceramic housing 8 there is a vacuum 9. The electrical Current 7 has the same direction as the temperature gradient in this p-leg between TH and Tow Reference number 1 part 1 of a thermo leg 2 Part 2 of a thermo leg 3 tight resistance 4 conductive bridge 5 cooled contact on the p-leg 6 cooled contact on the n-leg 7 electrical current 8 ceramic housing 9 vacuum 10 consumer resistance 11 iron layer 12 layer of Sb 13 layer made of Bi88Sb12 14 magnetic field 15 metal base 16 screw
Claims (14)
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| DE19843404138 DE3404138A1 (en) | 1984-02-07 | 1984-02-07 | Thermoelectric configuration having constriction resistors |
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| DE3404138A1 true DE3404138A1 (en) | 1985-08-08 |
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Family Applications (1)
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| Country | Link |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |