DE3905882A1 - Rotary piston engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit in einem Gehäuse gelagerten, gleichsinnig und mit glei cher Drehzahl rotierenden, antriebsmäßig miteinander gekop pelten Drehkolben.The present invention relates to a rotary piston machine with stored in a housing, in the same direction and with the same cher rotating speed, drive coupled together pelt rotary lobes.
Im Bestreben, die herkömmlichen Hubkolbenmotoren durch ein fachere Bauarten zu ersetzen, bei denen die hin- und herge hende Bewegung des Kolbens und des Kurbeltriebs durch eine rein rotierende und möglichst unwuchtfreie Bewegung der Ver drängungskörper ersetzt ist, sind mehrere verschiedenartige Drehkolbenmaschinen entwickelt worden. Praktisch alle diese Bauarten weisen aber zum Teil gravierende, prinzipbedingte Unzulänglichkeiten auf, so daß, soweit es die Anwendung der Drehkolbenmaschinen als Motoren betrifft, der Hubkolbenmotor nach wie vor als Antriebsmotor im Straßenverkehr das Feld beherrscht. Schwierigkeiten bereitet bei den bekannten Dreh kolbenmaschinen, seien es nun Motoren, wie z.B. der Wankel motor, oder Verdichter, z.B. das Rootsgebläse, die Abdich tung zwischen den zusammenarbeitenden Kolben oder zwischen diesen und Gehäuseteilen. Ein Nachteil des Wankelmotors ist z.B. auch die exzentrische Bewegung des rotierenden Kolbens. Weitere Nachteile resultieren aus dem begrenzten Kom pressionsvermögen. Auch bei maximal möglicher Kompression verbleiben relativ große Restvolumina, wie z. B. beim Rootsgebläse, was erhebliche Drosselverluste zur Folge hat.In an effort to replace the conventional reciprocating engines by one to replace more sophisticated types, in which the back and forth movement of the piston and the crank mechanism by a purely rotating movement of the ver replacement body are several different types Rotary lobe machines have been developed. Virtually all of these However, some types have serious, principle-related ones Shortcomings so that, as far as it is the application of the Rotary piston machines as engines are concerned with the reciprocating piston engine still the field as the driving motor in road traffic controlled. Difficulties with the known shoot piston machines, be they motors, such as the waver motor, or compressor, e.g. the Roots blower, the Abdich tion between the working pistons or between these and housing parts. A disadvantage of the Wankel engine is e.g. also the eccentric movement of the rotating piston. Further disadvantages result from the limited comm press ability. Even with the maximum possible compression remain relatively large residual volumes such. B. at Roots blower, which results in considerable throttling losses.
Diese entstand aus dem Bestreben, eine Drehkolbenmaschine zu schaffen, die vom Prinzip her Unzulänglichkeiten der vorer wähnten Art vermeidet. Dazu gehört die Forderung nach höchstmöglicher Symmetrie der rotierenden Teile, namentlich der Drehkolben, um freie Massenkräfte auszuschalten und da durch einen schwingungsfreien Lauf zu erhalten. Ebenso sollte einer Forderung nach möglichst kompakter Bauweise entsprochen werden.This arose from the endeavor to create a rotary lobe machine create the principle shortcomings of the previous mentioned type avoids. This includes the call for highest possible symmetry of the rotating parts, especially the rotary piston to switch off free mass forces and there through a vibration-free run. Likewise, should a requirement for the most compact design possible will.
Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine ist dadurch gekenn zeichnet, daß die äußere Begrenzung des die Drehkolben aufnehmenden, vom Gehäuse umschlossenen Raumes eine Hohlkugel mit einem Radius R 2 ist, daß dieser Raum sechs Drehkolben aufnimmt, die mit Lagerzapfen im genannten Gehäuse drehbar gelagert sind und daß deren Achsen sich im Kugelmittelpunkt schneiden und mit den Achsen eines regelmäßigen Oktaeders zusammenfallen, dessen Zentrum mit dem Kugelmittelpunkt zusammenfällt, und daß die Begrenzung der Drehkolben sich aus zwei bezüglich einer Ebene durch die Kolbenachse symmetrischen Kegelflächen und einem Teil einer Kugelkalotte der Kugel zusammensetzt, wobei die Koordinaten der Begren zungslinie E.S. eines Schnittes, die durch eine zur Kol benachse normale Schnittebene entsteht, durch die parametri schen BeziehungenThe rotary lobe machine according to the invention is characterized in that the outer boundary of the rotary piston receiving space enclosed by the housing is a hollow sphere with a radius R 2 that this space receives six rotary lobes, which are rotatably mounted with journals in the housing mentioned and that their axes intersect at the center of the sphere and coincide with the axes of a regular octahedron, the center of which coincides with the center of the sphere, and that the limitation of the rotary pistons is composed of two conical surfaces symmetrical with respect to a plane through the piston axis and part of a spherical cap of the sphere, the coordinates of which Limiting line ES of a section, which is created by a section plane normal to the piston axis, by the parametric relationships
gegeben sind,wobei der Ursprung des Koordinatensystems (x, y) mit dem Mittelpunkt der Begrenzungslinie (E.S.), die Abszisse (x) mit der großen Achse und die Ordinate (y) mit der kleinen Achse des besagten Schnittes zusammenfällt, und worin der Winkelparameter das Intervall Π/4β Π/2 durchläuft und jede der vier Vorzeichenkombinationen jeweils einen Quadranten beschreibt.are given, the origin of the coordinate system ( x , y ) coinciding with the center point of the boundary line ( ES ), the abscissa ( x ) with the major axis and the ordinate ( y ) with the minor axis of the said section, and in which the angle parameter runs through the interval Π / 4 β Π / 2 and each of the four sign combinations describes a quadrant.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.In the following the invention with reference to the Drawing described in more detail.
In der Zeichnung stellen dar:In the drawing:
Fig. 1 durch die zwei Hauptachsen geführte axiale Schnitte eines Drehkolbens mit charakteristischen Maßangaben, Fig. 1 guided by the two main axes of axial sections of a rotary piston with characteristic dimensions,
Fig. 2 die Form des "erzeugenden Schnittes" eines Drehkolbens gemäß dem in Fig. 1 eingetragenen Schnitt II-II, Fig. 2, the form of the "forming section" of a rotating piston according to the in Fig. 1 registered section II-II,
Fig. 3 die prinzipielle Gestalt eines Drehkolbens, und die Fig. 3 shows the basic shape of a rotary piston, and the
Fig. 4 bis 6 Projektionen der relativen Stellungen der Dreh kolben zueinander in verschiedenen Phasen einer Umdre hung der Drehkolbenmaschine. Fig. 4 to 6 projections of the relative positions of the rotary pistons to each other in different phases of a revolution of the rotary lobe machine.
Bei dieser Drehkolbenmaschine, von der im folgenden der prinzipielle Aufbau, insbesondere ihre Geometrie, beschrieben wird, hat der die Drehkolben aufnehmende Raum exakte Ku gelgestalt. Wir nennen diese Drehkolbenmaschine daher "sphärische Drehkolbenmaschine". Die Außenbegrenzung dieses Raumes ist also eine Hohlkugel, deren Mantel bei einer prak tischen Ausführung die Kanäle und Ventile für den Ladungs wechsel bzw. bei einer Verwendung als Gebläse für das Ansau gen und Ausstoßen des zu fördernden Mediums enthält.In this rotary lobe machine, of which the following basic structure, in particular its geometry the space accommodating the rotary lobes has an exact Ku gelform. We therefore call this rotary lobe machine "spherical rotary lobe machine". The external limit of this So space is a hollow sphere, the shell of which is practical tables design the channels and valves for the cargo change or when used as a fan for suction contains and ejects the medium to be pumped.
Im Kugelraum befinden sich sechs untereinander antriebsmäßig verbundene Drehkolben, die gleichsinnig synchron umlaufen und deren Achsen mit den Achsen eines regelmäßigen Oktaeders zusammenfallen, dessen Mittelpunkt mit dem Kugelmittelpunkt zusammenfällt. Während ihrer Umläufe berühren sich benachbarte Drehkolben ständig längs ihrer jeweils im Ein griff befindlichen Mantellinien, wobei sie durch ihre beson dere Form wechselweise Räume öffnen, in die das Förder- oder Treibmedium eintreten kann, und wieder gänzlich ausfüllen, was bedeutet, daß dort die Kompression unendlich groß wäre, wenn nicht die mit dem betreffenden Kompressionsraum kommunizierenden Kanäle den Verdichtungsgrad begrenzten. Dieser kann beliebig durch entsprechende Bemessung dieser Kanäle erhalten werden.In the spherical space there are six among themselves in terms of drive connected rotary lobes, which rotate synchronously in the same direction and their axes with the axes of a regular octahedron coincide, the center of which is the center of the sphere coincides. During their rounds touch Adjacent rotary pistons are always along in their one gripped surface lines, whereby they by their special alternately open spaces into which the funding or Propellant can enter and completely fill again, which means the compression would be infinite there if not the one with the compression space in question communicating channels limited the degree of compaction. This can be done by appropriate dimensioning of this Channels can be obtained.
In der praktischen Ausführung wird der Kolbenraum von zwei Kugelschalen mit den Radien R 1 bzw. R 2 begrenzt sein, zwi schen denen die sechs Kolben rotieren, wobei ihre Achsen in den Mänteln dieser beiden Kugelschalen auf bekannte Weise gelagert sind. Die erwähnten Kanäle sind in der äußeren Ku gelschale, im folgenden gelegentlich Gehäuse genannt, ange ordnet. Statt der inneren Kugelschale kann auch eine Vollku gel treten. Die innere Kugel ist unzugänglich und enthält nur die Lager für die Aufnahme der inneren Lagerzapfen der Kolben. Wegen ihres sphärischen Kolbenraumes wird die Ma schine, wie erwähnt, "sphärische Drehkolbenmaschine" genannt.In the practical embodiment, the piston chamber will be limited by two spherical shells with the radii R 1 and R 2 , between which the six pistons rotate, their axes being mounted in the shells of these two spherical shells in a known manner. The channels mentioned are in the outer Ku gelschale, hereinafter sometimes called housing, is arranged. Instead of the inner spherical shell, a solid ball can also occur. The inner ball is inaccessible and contains only the bearings for receiving the inner journals of the pistons. Because of its spherical piston space, the machine is, as mentioned, "spherical rotary piston machine".
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 die Gestalt des Kolbens definiert. Die Fig. 1 zeigt den Aufriß eines Kolbens mit dem Öffnungswinkel ϕ A und seinen Seitenriß mit dem Öffnungswinkel d B , beide übereinander gezeichnet. Der Radius der äußeren Kugelfläche ist R 2, jener der inneren R 1. Die Oberfläche der Kolben innerhalb der äußeren Kugelfläche, ihre Mantelfläche also, setzt sich aus zwei spiegelsymmetrischen Kegelflächen zusammen, deren erzeugender Schnitt mit seinen zwei Hauptachsen a und b in Fig. 2 dargestellt ist. Die Bezeichnung "erzeugender Schnitt" hat hier nicht die Bedeutung wie bei Rotationsflächen, sondern stellt hier den Umriß eines zur Kolbenachse normalen, auf grund der Ähnlichkeit aber ansonsten in beliebiger Entfernung vom Kugelzentrum M geführten Schnittes dar, der die Gestalt des Kolbenmantels als Regel- oder Strahlenfläche in Verbindung mit der Kenntnis der Spitze des Kegels, die hier mit dem Mittelpunkt M des kugelförmigen Gehäuses zusammen fällt, eindeutig bestimmt. Die obere und die untere Begren zung eines Kolbens sind bestimmt durch die äußere und die innere Kugelfläche des Gehäuses bzw. der innenliegenden Kugel mit den Radien R 2 bzw. R 1. Letztere bezeichnen wir, da sie die inneren Lagerzapfen der sechs Kolben aufnimmt, als Lagerkugel.The shape of the piston is defined below with reference to FIGS. 1 and 2. Fig. 1 shows the elevation of a piston with the opening angle ϕ A and its side elevation with the opening angle d B , both drawn one above the other. The radius of the outer spherical surface is R 2 , that of the inner R 1 . The surface of the pistons within the outer spherical surface, that is to say their outer surface, is composed of two mirror-symmetrical conical surfaces, the generating section of which is shown with its two main axes a and b in FIG. 2. The term "generating cut" does not have the meaning here as in the case of surfaces of revolution, but instead represents the outline of a cut made normal to the piston axis, but due to the similarity otherwise at any distance from the ball center M , which shows the shape of the piston skirt as a regular or Radiation area in connection with the knowledge of the tip of the cone, which here coincides with the center M of the spherical housing, clearly determined. The upper and lower limits of a piston are determined by the outer and inner spherical surfaces of the housing and the inner sphere with the radii R 2 and R 1 . We refer to the latter as the bearing ball since it receives the inner journals of the six pistons.
Die Begrenzung, also die Koordinaten x und y des in Fig. 2 dargestellten erzeugenden Schnittes, ist durch die folgenden parametrischen Ausdrücke bestimmt:The limitation, i.e. the coordinates x and y of the generating cut shown in FIG. 2, is determined by the following parametric expressions:
worin der Winkelparameter β das Intervall Π/4β Π/2 durchläuft und jede der vier Vorzeichenkombinationen jeweils einen Quadranten der Begrenzung des erzeugenden Schnittes beschreibt.where the angle parameter β runs through the interval Π / 4 β Π / 2 and each of the four sign combinations describes a quadrant of the boundary of the generating cut.
In Fig. 1 ist die zur Kolbenachse k normale Schnittebene, aus der der erzeugende Schnitt gewonnen wird, mit II-II bezeich net. ϕ A ist der Öffnungswinkel, der zu den Endpunkten A am Ende der beiden großen Halbachsen a gehört. Die Punkte A liegen auf der Kugelfläche K mit dem Radius R 2. Die kleinen Halbachsen b mit den Endpunkten B werden von dem kleineren Öffnungswinkel ϕ B eingeschlossen. Die Endpunkte B liegen im Inneren der Kugelfläche K. B′ bedeutet einen der in die Zei chenebene umgeklappten Punkte B. In der Projektion fällt in Fig. 1 die Kolbenachse k mit der durch B verlaufenden Man tellinie m B des Kolbens zusammen. m′ B ist die durch B ver laufende, in die Zeichenebene geklappt Mantellinie m B . Sie durchstößt K im Punkt B′ K , woraus sich die Höhenlage von B K über dem Kugelzentrum M ergibt. In Fig. 1 ist auch die Durch dringungslinie d des Kolbens mit der Kugelfläche K einge zeichnet. Ein praktisch ausgeführter Kolben Dk hat etwa die in Fig. 3 gezeigte Gestalt. Die Stellung der Kolbenachse k ist dabei leicht nach vorn geneigt angenommen. Der äußere Lagerzapfen Z a ist in der Gehäusekugel, der innere Zi in der Lagerkugel gelagert. Die äußeren Zapfen tragen z. B. Kegel räder, die untereinander, beispielsweise durch Zwischenräder oder Planetenräder antriebsmäßig so miteinander verbunden sind, daß sich alle Kolben gleichsinnig, alle rechts- oder alle linksdrehend, mit gleicher Drehzahl rotieren, wobei be nachbarte Kolben einander kontinuierlich längs Mantellinien berühren, d. h., daß sich alle zu jedem Zeitpunkt der Bewe gung berühren. Dies erkennt man aus den Fig. 4 und 5. Bei der Drehung schließen je drei Kolben einen Raum ein, der zwi schen Null und einem Maximum periodisch variiert.In Fig. 1, the normal to the piston axis k plane of intersection, from which the generating cut is obtained, designated II-II net. ϕ A is the opening angle that belongs to the end points A at the end of the two large semiaxes a . The points A lie on the spherical surface K with the radius R 2 . The small semiaxes b with the end points B are enclosed by the smaller opening angle ϕ B. The end points B lie inside the spherical surface K. B ' means one of the points B folded into the drawing plane. In the projection, the piston axis k in FIG. 1 coincides with the line M b of the piston running through B. m ′ B is the surface line m B running through B and folded into the drawing plane. It penetrates K at point B ′ K , which results in the height of B K above the ball center M. In Fig. 1, the penetration line d of the piston with the spherical surface K is drawn. A practically designed piston Dk has approximately the shape shown in FIG. 3. The position of the piston axis k is assumed to be slightly inclined forward. The outer journal Z a is mounted in the housing ball, the inner Zi in the bearing ball. The outer pins wear z. B. bevel wheels, which are drivingly connected to each other, for example by idler gears or planet gears, so that all pistons rotate in the same direction, all right-handed or all left-handed, rotate at the same speed, with adjacent pistons continuously touching each other along generatrices, that is, that everyone is touching each other at any time during the movement. This can be seen from FIGS. 4 and 5. When rotating, three pistons each enclose a space that varies between zero and a maximum periodically.
Zur Geometrie der Konfiguration dieser sphärischen Drehkol benmaschine wäre noch zu bemerken, daß, wenn man die Schnittebenen II-II durch die erzeugenden Schnitte aller sechs Kolben legt, ein Würfel entsteht, dessen Zentrum eben falls mit dem Kugelmittelpunkt M zusammenfällt und der zum Oktaeder konjugiert ist, der von den Drehachsen der sechs Kolben aufgespannt wird.Regarding the geometry of the configuration of this spherical rotary piston machine, it should also be noted that if you lay the cutting planes II-II through the generating cuts of all six pistons, a cube is created, the center of which also coincides with the center of the sphere M and which is conjugated to the octahedron , which is spanned by the axes of rotation of the six pistons.
Die Fig. 4 zeigt eine Projektion der sechs Kolben in einer Stellung, die als Ausgangsstellung betrachtet wird, von der aus der Drehwinkel gezählt wird. Er ist in dieser Stellung also gleich Null. In den Fig. 4 und 5 sind der besseren Über sichtlichkeit halber nur die äußeren radialen Begrenzungen auf der Kugelfläche K mit R 2 dargestellt. Man erkennt aus Fig. 4, daß jeder Kolben zwei gerade Kanten in Form radialer Strahlen aufweist, die auf K mit R 2 an je zwei äußeren Ecken der Kolben enden. FIG. 4 shows a projection of the six pistons in a position which is regarded as the starting position from which the angle of rotation is counted. In this position it is therefore zero. In Figs. 4 and 5 of the better are About sake of clarity, only the outer radial limits of the spherical surface K with R 2 is shown. It can be seen from FIG. 4 that each piston has two straight edges in the form of radial rays which end on K with R 2 at two outer corners of the pistons.
In Fig. 4 berühren sich die äußeren, durch Kreise markierten Ecken von jeweils drei Kolben. Drei dieser Berührungspunkte liegen auf der sichtbaren Seite der Kugel K und bilden in der Projektion ein gleichseitiges Dreieck mit konkaven Seiten. Der vierte Punkt liegt auf der unsichtbaren Seite der Kugel und fällt in der Projektion der Fig. 4 mit dem Mittelpunkt zusammen. In dieser Ausgangsstellung treten vier te traedrische Hohlräume auf, die Komplementärräume zu den Kol ben innerhalb der Kugel darstellen. Einer der Hohlräume, der von den drei sichtbaren radialen Kolbenkanten aufgespannt wird, öffnet sich gegen den Betrachter hin. Die drei übrigen Hohlräume öffnen sich gegen die abgewandte Seite der Kugel. Wenn sich die Kolben nun um einen bestimmten Winkel, z. B., wie in Fig. 5 dargestellt, um 45° gedreht haben, dann ver kleinern sich diese vier Hohlräume und an jenen Stellen, an denen sich in der Ausgangsstellung jeweils drei radiale Kol benkanten berührt haben, entstehen vier neue tetraedrische Hohlräume, die um den Betrag anwachsen, um den sich die vier anderen verkleinert haben. Nach einer Drehung um 90° sind die ersten vier Hohlräume auf vier radiale Strahlen zusam mengeschrumpft und die zweiten vier Hohlräume haben ihre ma ximale Größe erreicht. Der Vorgang vollzieht sich in umge kehrter Weise, wenn die Drehung über 90° hinaus weitergeht und nach 180° wird wieder die Ausgangsstellung erreicht.In Fig. 4 the outer corners marked by circles of three pistons touch each other. Three of these points of contact lie on the visible side of the sphere K and form an equilateral triangle with concave sides in the projection. The fourth point lies on the invisible side of the sphere and coincides with the center point in the projection of FIG. 4. In this starting position, four te-drhedral cavities appear that are complementary to the pistons within the sphere. One of the cavities, spanned by the three visible radial piston edges, opens towards the viewer. The three remaining cavities open towards the opposite side of the ball. If the pistons are now at a certain angle, e.g. B., as shown in Fig. 5, rotated by 45 °, then these four cavities ver and at those points where three radial Kol benkanten have touched in the starting position, four new tetrahedral cavities arise around grow by the amount the other four have shrunk. After a rotation of 90 °, the first four cavities have shrunk to four radial rays and the second four cavities have reached their maximum size. The process takes place in reverse if the rotation continues beyond 90 ° and after 180 ° the starting position is reached again.
Die Mitten der acht Hohlräume fallen mit den Ecken eines Würfels zusammen, wobei sich jeweils zwei Hohlräume, die zu zwei auf der Hauptdiagonalen gegenüberliegenden Ecken des Würfels gehören, in entgegengesetzter Weise verändern: der eine wächst und der andere schrumpft. Eine Projektion der erzeugenden Schnitte in der Ausgangsstellung ist in Fig. 6 dargestellt.The centers of the eight cavities coincide with the corners of a cube, whereby two cavities, which belong to two corners of the cube on the main diagonal, change in opposite ways: one grows and the other shrinks. A projection of the generating cuts in the starting position is shown in FIG. 6.
Wie eingangs erwähnt, ist der Verdichtungsgrad dieser sphä rischen Drehkolbenmaschine grundsätzlich nicht begrenzt, da sie innerhalb des Kolbenraumes keine Residualvolumina auf weist. Bei praktischen Ausführungen kann das Verdichtungs verhältnis durch entsprechende Bemessung von Durchmesser und/oder Tiefe der radialen Ausblaskanäle bzw. eventuell der Auslaßleitungen gewählt werden. Sowohl für das Ansaugen als auch für das Ausstoßen von Gas aus dem Kolbenraum können in den Zentren der jeweiligen Hohlräume, in denen die Verdich tung stattfindet, ringförmige radiale Aus- bzw. Einlaßöff nungen vorgesehen werden, die mit gefederten Rückschlagven tilen versehen sind und deren Federn so dimensioniert sind, dass die gewünschten Ansaug- und Ausblasedrücke erreicht werden.As mentioned at the beginning, the degree of compaction of this is spherical Rischen rotary piston machine basically not limited, because they have no residual volumes within the piston chamber points. In practical versions, the compression ratio by appropriate dimensioning of diameter and / or depth of the radial blow-out channels or possibly the Outlet lines can be selected. For both suction and also for ejecting gas from the piston chamber the centers of the respective cavities in which the compression device takes place, annular radial outlet or inlet can be provided with spring-loaded check valves tilen are provided and the springs are dimensioned so that the desired intake and exhaust pressures are achieved will.
Auf die inneren Zapfen Zi für die Lagerungen in der Lagerku gel und auf diese selbst kann verzichtet werden, wenn man die äußeren Lagerzapfen Za und ihre Lager entsprechend steif ausbildet. Den unteren Abschluß der Kolben würden dann Spitzen bilden, die aber kaum befriedigend abzudichten wären. Es könnte daher eine kleine, freischwimmende Kugel ohne Lager verwendet werden, auf denen die inneren Kolbenenden mit konkaven sphärischen Flächen aufliegen. Die äußeren und die inneren Lagerzapfen Za und Zi können auch im Gehäuse bzw. in der Lagerkugel vorgesehen sein. Die Lager befinden sich in diesem Falle an den beiden Enden der Drehkolben.On the inner pin Zi for the bearings in the Lagerku gel and this itself can be dispensed with if the outer bearing pin Za and its bearings are designed accordingly stiff. The lower end of the pistons would then form peaks, which however could hardly be sealed satisfactorily. A small, free-floating ball without a bearing could therefore be used, on which the inner piston ends rest with concave spherical surfaces. The outer and inner bearing journals Za and Zi can also be provided in the housing or in the bearing ball. In this case, the bearings are located at the two ends of the rotary lobes.
Claims (4)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |