DE69326606T2 - Schraubenkolbenmaschine - Google Patents

Schraubenkolbenmaschine

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rotors
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John Mcgruer
Alan Bryson Riach
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Sprintex Australasia Pty Ltd Malaga Western Aus
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Sprintex Australasia Pty Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/082Details specially related to intermeshing engagement type machines or engines
    • F01C1/084Toothed wheels

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Drehverdrängermaschinen mit wendelförmigen oder schraubenförmigen Rotoren, die normalerweise als Fluidverdichter, wie zum Beispiel Luftverdichter, verwendet werden, und Rotoren zur Verwendung in solchen Maschinen. Die Erfindung betrifft Trockenlauf- Schraubenverdichter, bei denen kein Schmieröl durch die Arbeitszonen der Maschine fließt und die Rotoren durch Steuerräder, die sich außerhalb der Arbeitskammern der Rotoren befinden und gestatten, daß sich die Rotoren drehen, ohne miteinander in Kontakt zu kommen, gesteuert werden. Dies steht im Gegensatz zu Naßlauf- Schraubenverdichtern, bei denen einer der Rotoren (in der Regel der Steckrotor) den anderen Rotor in Eingriff nimmt und antreibt und wobei zur Erleichterung dieses Antriebsvorgangs in diesem Fall Schmieröl durch die Rotoren der Maschine geleitet wird - ein solcher Naßlauf-Schraubenverdichter wird in der US-PS 4 673 344 beschrieben. Das Rotorprofil einer solchen Maschine muß deshalb geeignete Antriebsflächen bereitstellen.
  • Die obengenannte Trockenlauf-Rotationsmaschine enthält ein Gehäuse mit mindestens einem Paar sich schneidender Bohrungen darin. An einander gegenüberliegenden Enden der Gehäusebohrungen sind Einlaß- und Auslaßöffnungen vorgesehen. Ein Rotor zur Drehung in jeder der Bohrungen angebracht.
  • Einer dieser Rotoren ist ein Steckrotor, der einen oder mehrere schraubenförmige Flügel und dazwischenliegende Nuten enthält, die im wesentlichen außerhalb des Teilkreises davon liegen, wobei die Flanken der Flügel ein allgemein konvexes Profil aufweisen.
  • Der andere Rotor ist ein Aufnahmerotor und so ausgebildet, daß er einen oder mehrere schraubenförmige Flügel und dazwischenliegende Nuten enthält, die im wesentlichen innerhalb des Teilkreises davon liegen, wobei die Flanken der Nuten ein allgemein konkaves Profil aufweisen.
  • Die Flügel am Steckrotor wirken mit den Nuten am Aufnahmerotor und den Wänden des Gehäuses zur Definierung von Kammern für das Fluid zusammen. Diese Kammern können als V-förmig betrachtet werden.
  • Fluid tritt durch die Einlaßöffnung in die Gehäusebohrungen ein und füllt die Hohlräume, die erzeugt werden, wenn die Rotoren den Eingriff auf der Niederdruckseite der Rotoren verlassen. Normalerweise füllt das Fluid die erzeugten Kammern weiter, bis die Kammern ein maximales Volumen erreichen. Dann wird die Verbindung der Füllkammer mit der Einlaßöffnung unterbrochen, und das Gas wird in der Kammer komprimiert. Die Kammergrenzen bestehen aus den vorderen und den hinteren Flanken der Steck- und Aufnahmeflügel und der Bohrungen, in denen sich die Rotoren drehen.
  • Bei einem Trockenlauf-Schraubenverdichter dürfen sich die Rotoren nicht berühren und stehen deshalb mit einem kleinen Zwischenraum zwischen den in Eingriff stehenden Flanken der Rotoren und zwischen den Rotorspitzen und dem Gehäuse miteinander in Eingriff. Diese Zwischenräume verursachen Leckwege, durch die die gerade komprimierten Gase von einer Kammer zur anderen entweichen können.
  • Ein Leckweg ist die Dichtungslinie zwischen benachbarten Steck- und Aufnahmerotorflanken, wenn die Rotoren in Eingriff stehen. Das Produkt aus der Länge dieser Linie und dem erforderlichen Zwischenraum bildet einen Leckweg, wie im US-Patent 2 622 787 beschrieben.
  • Ein weiterer wichtiger Leckweg befindet sich zwischen den Rotorspitzen und der Gehäusebohrung, insbesondere bei dem sich langsamer drehenden Rotor, wobei dann Leckströmung während einer relativ langen Zeit auftreten kann. Die Breite der Rotorspitzen ist ein wichtiger Faktor, da dadurch die Länge des Weges, durch den das Gas vor Lecken in eine benachbarte Kammer strömen muß, definiert wird. Ein langer Weg sorgt für ein effektives Mittel zur Verringerung von Leckage.
  • Ein dritter Hauptleckweg ist der Kanal zwischen den Steck- und Aufnahmerotoren und dem Spitzpunkt der sich schneidenden Rotorbohrungen, der manchmal als Blasloch oder Leckdreieck bezeichnet wird. Dieses Blasloch tritt an beiden Spitzpunkten auf, wo die Rotoren in Eingriff stehen.
  • Zu den bekannten Rotorprofilen gehört eines, bei dem die Flanken jedes Rotors im wesentlichen aus einem Kreisbogen gebildet sind. Ein solches Profil, das in dem US-Patent 2 622 787 beschrieben wird, ergibt eine kurze Dichtungslinie, führt aber zu einem großen Blasloch. Ein anderes weithin verwendetes Profil ist das asymmetrische Profil, das auch in dem US-Patent 2 622 787 beschrieben wird. Bei diesem Profil wird eine Flanke jeder Aufnahmerotornute als Kreisbogen oder Abschnitt einer Ellipse definiert. Die verbleibende Aufnahmeflanke wird durch Punkte nahe der Außenseite der in Eingriff stehenden Steckflanke erzeugt. Beide Stecknutenflanken werden durch Punkte am Aufnahmerotor erzeugt. Die Vorteile, die diesem asymmetrischen Profil zugeschrieben werden, bestehen darin, daß es die Größe des Blaslochs an einem Spitzpunkt verringert und daß die gebildeten Kammern bei einem gegebenen Rotordurchmesser ein großes Volumen aufweisen. Dieses Profil weist ein großes Blasloch an dem anderen Spitzpunkt auf; dies ist aber ohne Bedeutung, wenn die Maschine als einfacher Verdichter oder einfache Expansionsmaschine verwendet wird, bei dem bzw. der Verdichtung oder Expansion nur auf einer Seite auftritt. Bei Verwendung in ölgeschmierten Verdichtern muß ein Rotor den anderen durch Kontakt zwischen den Flügelflächen antreiben. Dazu muß der Aufnahmerotor normalerweise einen bedeutenden Zahnkopf aufweisen, das heißt, der Außendurchmesser des Aufnahmerotors ist bedeutend größer als der Teilkreis, und die Flanken beider Rotoren müssen glatte Kurven zur Übertragung der Antriebskraft aufweisen. Der Zahnkopf des Aufnahmerotors ist normalerweise konvex gekrümmt und wird gewöhnlich durch einen Radius, der die Flanke mit der Spitze verbindet, gebildet, wie im US-Patent 2 622 787 und GB-Patent 2 112 460 gezeigt. Dieser Radius vergrößert die Größe des Blaslochs und führt zu einer Rotorspitze mit geringer Breite, die somit einen kurzen Leckweg aufweist. Das Vorsehen von Antriebsflanken erfordert normalerweise auch, daß der Steckrotor an der Spitze abgerundet ist und in der Regel einen die Flanken mit der Spitze verbindenden Radius aufweist, wodurch das Blasloch weiter vergrößert wird. Der Verdichter nach GB-A-2 112 460 weist wie der nach US-A-2 622 787 mit Flügeln versehene, in Eingriff stehende Steck- und Aufnahmerotoren auf, und in diesem Fall weist der Steckflügel ein asymmetrisches Querprofil mit Flanken, die verschiedene Krümmungsmittelpunkte haben, auf, während die Flanken des Aufnahmeflügels auch ein asymmetrisches Querprofil mit verschiedenen Krümmungsmittelpunkten definieren.
  • Normalerweise herrscht, wenn die Maschine nur als Verdichter betrieben wird, kein Differenzdruck zwischen benachbarten Kammern auf der Einlaßseite (Niederdruckseite) der Rotoren; die Bohrungen können in der Tat von den Rotorspitzen in schalenförmigen Ausnehmungen zurückversetzt sein und eine Strömungsverbindung zwischen benachbarten Flügeln gestatten, wodurch sich eine bessere Flügelfüllung auf der Einlaßseite ergibt. Die Blaslochgröße auf der Auslaßseite (Hochdruckseite) wird zur Erleichterung einer effizienten Verdichtung des Fluids auf ein Minimum beschränkt. Wenn die Maschine nur als Expansionsmaschine betrieben wird, ist die Strömungs- und Drehrichtung der Rotoren umgekehrt. Die Blaslochgröße auf der Einlaßseite (Hochdruckseite) wird zur Erleichterung einer effizienten Expansion des Fluids auf ein Minimum beschränkt. Das Erfordernis der Abdichtung auf der Auslaßseite ist weniger kritisch, und das Profil ist nicht zur Erleichterung einer effizienten Abdichtung in diesem Bereich ausgeführt.
  • Bei einer Maschine, die gleichzeitig als Expansionsmaschine und Verdichter betrieben wird, findet die Expansion auf einer Seite der Maschine und die Verdichtung auf der anderen Seite statt. Sowohl das Einlaßseitenblasloch als auch das Auslaßseitenblasloch sollten deshalb auf ein Minimum beschränkt werden, um Leckage zwischen benachbarten Flügeln zu vermindern. Eine solche Anwendung, bei der die Schraubenmaschine gleichzeitig als Expansionsmaschine und Verdichter verwendet werden würde, wäre die Regelung des Massenluftstroms, der einem Verbrennungsmotor zugeführt wird, als Ersatz für die Drosselklappe. Die Luft wird innerhalb der Expansionsmaschine/des Verdichters expandiert, dann wieder verdichtet und dem Motor zugeführt.
  • Dem im GB-Patent 1 145 893 vorgeschlagenen Rotorprofil wird zugeschrieben, das Blasloch auf beiden Seiten des Rotoreingriffs zu verkleinern. Es weist Flügel auf, die zu einer radial von der Rotormittellinie verlaufenden Linie symmetrisch sind. Der Steckrotorflügel weist nach der Beschreibung einen gekrümmten Außenteil auf, der über die Flanke in die Spitze übergeht, wobei der Rest der Steckrotorflanke durch Punkte auf dem Aufnahmerotor erzeugt wird. Der gekrümmte Teil erzeugt den Großteil der Aufnahmerotorflanke mit Ausnahme eines Teils in der Nähe der Spitze, der konvexer Beschaffenheit ist und normalerweise als ein Segment eines über die Flanke in die Spitze übergehenden Bogens hergestellt ist. Da der Großteil der Rotorflanken erzeugt wird, ist das Blasloch im Vergleich zu anderen bekannten Profilen, wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Kreisprofil, verkleinert. Da die Flügel symmetrisch sind, ist das Blasloch des weiteren auf beiden Seiten gleich. Das Vorsehen konvexer, gekrümmter Teile an den Steck- und Aufnahmerotoren zwischen den erzeugten Flanken und dem Rotorspitzenkreis bedeutet jedoch, daß die Rotoren an den Spitzpunkten nicht perfekt in Eingriff stehen und immer noch ein Blasloch gebildet wird, wie in Fig. 9 des Patents gezeigt. GB-A-1 145 893 liefert den Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung eines Profils, das das Leckage- Blasloch auf der Einlaßseite und am Auslaß gleichzeitig beseitigt. Eine weitere Aufgabe besteht in der Verminderung der Leckage zwischen den Rotorspitzen und der Bohrung durch Maximierung der Länge des Leckwegs quer über die Spitzen.
  • Diese Aufgabe wird durch Vorsehen einer Drehverdrängermaschine mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Vorzugsweise weist der sich langsamer drehende Rotor (in der Regel der Aufnahmerotor) an den Flügeln einen Umfangssteg mit relativ breiter Form auf, die einen langen Leckweg zwischen den Umfangsstegen und dem Gehäusemittel bildet.
  • Das Rotorgrundprofil ist eine Kombination aus Punkt- und Linienerzeugung mit symmetrischer Beschaffenheit.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigt:
  • Fig. 1 eine Draufsicht einer Verdränger- Schraubenmaschine;
  • Fig. 2 einen Querschnitt durch die Rotoren der Maschine, der die Rotorprofile in ihrer Verwendung in einem Motorlader/einer Expansionsmaschine zeigt; und
  • Fig. 3 das Profil nach Fig. 2 in einem größeren Maßstab zur Hervorhebung des Rotorprofils, und
  • Fig. 4 eine Einzelheit von Fig. 1.
  • Auf Fig. 1 Bezug nehmend, umfaßt ein Schraubenverdichter oder eine Schraubenpumpe 1 einen Steck- und einen Aufnahmerotor 2, 3, die miteinander in Eingriff stehen und schraubenförmige Flügel 4 bzw. 5 aufweisen, die in einem Gehäuse 6 untergebracht sind. Jeder der Flügel 4, 5 weist eine vordere (4L bzw. 5L) und eine hintere Fläche (4T bzw. 5T) auf.
  • Die Wellen der Rotoren 2, 3 werden von Lagern 7 getragen, während ein (nicht gezeigter) Antrieb mit einer der Wellen 8 verbunden werden kann. Zahnräder 9, 10 dienen dem Einzelantrieb der Rotoren 2, 3 im Unterschied zu einer Anordnung, bei der einer der Rotoren über Flügeleingriff direkt von dem anderen angetrieben wird. Dadurch kann die Maschine 1 in einem Trockenmodus, das heißt ohne Schmiermittel in den Rotoren, betrieben werden, da keine Drehmoment-(Kraft)- Übertragung zwischen den Rotoren erforderlich ist, und dies ist vorteilhaft für die bestimmten Anwendungen, die für Verdichter-(Pumpen-)Maschinen gemäß der vorliegenden Erfindung beabsichtigt sind.
  • Die Fig. 2 und 3 zeigen das für den Lader eines Verbrennungsmotors bevorzugte Rotorprofil. Das Profil des Steckflügels 4 weist eine raffinierte, symmetrische Form auf, das heißt es unterscheidet sich von einem einfachen halbkreisförmigen (symmetrischen) Profil, wobei an der Mittelachse M-M Symmetrie besteht und die Profilkurven verschiedene Krümmungsmittelpunkte aufweisen.
  • Die Ausführung des Rotorprofils läßt sich wie folgt kategorisieren:
  • 1. Ein Kreisprofil, das bei Luft- und Gasverdichtern üblich ist, weist den Vorteil auf, daß keine eingeschlossenen Taschen vorhanden sind, die ein negatives Drehmoment erzeugen. Infolgedessen kann die Flügeldicke des Aufnahmeteils vermindert werden, wodurch sich der volumetrische Wirkungsgrad erhöht. Die Länge der Dichtungslinie wird auf ein Minimum beschränkt, wodurch Leckage verringert und der volumetrische Wirkungsgrad wieder verbessert wird.
  • Einer der Hauptnachteile eines Kreisprofils besteht jedoch darin, daß das Verdrängungsvolumen im Vergleich zu einem erzeugten Profil kleiner ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine Blaslochabdichtung bei einem einfachen Kreisprofil nicht optimiert ist.
  • 2. Erzeugte Profile können entweder punkt- oder linienerzeugt sein. Ein Profilabschnitt oder -punkt auf entweder dem Steck- oder dem Aufnahmerotor erzeugt das entsprechende Profil auf dem damit in Eingriff stehenden Rotor. Die Vorzüge eines punkterzeugten Profils liegen darin, daß die Blaslochgröße vermindert werden kann und das Volumen des Fluids, das verdrängt werden kann, größer ist als bei einem vergleichbaren Kreisprofil. Jedoch wird die Dichtungslinienlänge größer sein.
  • Normalerweise ist das erzeugte Profil asymmetrischer Beschaffenheit, um das Blasloch auf einer Seite der Maschine zu minimieren und die Verdrängung gleichzeitig zu maximieren. Dadurch bietet es den besten Kompromiß bei einer normalen Verdichter- oder Expansionsmaschinenanwendung.
  • Die Flügelprofile der vorliegenden Maschine 1 werden durch einen gleichzeitig erfolgenden Erzeugungsprozeß erhalten, das heißt die Profilform eines Flügels wird durch die durch einen Punkt oder eine Linie an dem anderen, in Eingriff stehenden Flügel bei seiner Bewegung umfahrene Linie erzeugt.
  • Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel kann das Profil wie folgt zusammengefaßt werden:
  • Bei dem Aufnahmerotor 3: der Teil RS wird durch den Steckspitzenteil erzeugt, SV wird durch Punkt N erzeugt, und VW ist eine Gerade.
  • Bei dem Steckrotor 2: der Teil NP wird durch Punkt V an Rotor 3 erzeugt, der Teil PQ wird durch Linie VW an Rotor 3 erzeugt, während QT durch Punkt W erzeugt wird.
  • CMP und CFR sind Teilkreise des Steck- bzw. Aufnahmerotors, während CMO und CFO die entsprechenden Außenkreise sind.
  • Die Teile VW an den gegenüberliegenden Flügelflanken des Aufnahmerotors 3 divergieren am Umfang des Rotors, um die Herstellung des Rotors zu erleichtern.
  • Im Betrieb der Maschine 1 wird Gas durch Reaktion gegen die schließenden Flügelflanken bei der Drehung der Rotoren 2, 3 verdichtet, und das verdichtete Gas versucht, über etwaig vorhandene Leckwege zu entweichen. Eine solche Leckstrecke wird durch Blaslöcher oder Leckdreiecke gebildet, die in dem in Fig. 1 mit B markierten Bereich auftreten. Fig. 4 zeigt die Einzelheit in einem größeren Maßstab mit Blickrichtung in Axialrichtung der Maschine. Die Blaslöcher sind sowohl auf der Hochdruck- als auch der Niederdruckseite der Maschine vorhanden; wenn jedoch die Maschine als gewöhnlicher Gasverdichter mit einer eingestellten Betriebsrichtung betrieben wird, ist Leckage nur über eine Seite (die Hochdruckseite) kritisch, und die Größe der Blaslöcher an der anderen Seite ist nicht wirklich kritisch. Wenn die Maschine jedoch sowohl als Verdichter (insbesondere als Lader) und separat in einem Expansionsmodus betrieben wird, wie zum Beispiel bei einem Verbrennungsmotor gemäß der Beschreibung des US-Patents 4667646 angeordnet, dann ist es wünschenswert, daß die Blaslochgröße auf beiden Seiten auf ein Minimum verkleinert wird. Die oben beschriebene Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht, insbesondere dank des Rotorprofils, eine Verkleinerung der Blaslochgröße auf beiden Seiten im Vergleich zu Maschinen nach dem Stand der Technik.
  • Ein weiteres Merkmal des Profils besteht darin, daß der Umfangssteg 12 an mindestens einem der Rotoren 2, 3 relativ breit sein kann und so eine Drosselspalte zwischen dem Rotor und dem Gehäuse 6 bildet, wodurch Leckage über diesen Weg vermindert wird; bei dem Profil nach Fig. 2 ist der Umfangssteg an dem sich langsamer drehenden (Aufnahme)-Rotor relativ breit. Somit wird die Leckage zwischen den Rotorspitzen 12 und der Bohrung des Gehäuses 6 durch die vorliegende Erfindung vermindert.
  • Zur genauen Einlaßluftstromsteuerung kann die obige Maschine 1 vorteilhafterweise mit einer geeigneten Einlaßöffnung mit verstellbarer Fläche versehen werden.

Claims (4)

1. Drehverdrängermaschine mit einem Paar Rotoren (2, 3), die mit ineinandergreifenden schraubenförmigen oder wendelförmigen Flügeln (4, 5), die in einem Gehäusemittel (6) untergebracht sind, versehen sind, und einem Antriebsmittel (8, 9, 10) zum getrennten Antrieb der Rotoren (2, 3), wobei ein erster der Rotoren, der Steckrotor (2), einen Flügel (4) mit symmetrischem Querprofil mit verschiedenen Krümmungsmittelpunkten aufweist und die Profile der Rotoren (2, 3) durch einen gleichzeitig erfolgenden Erzeugungsprozeß ausgebildet werden, wobei ein Wurzelteil (RS) des Aufnahmerotors (3) zwischen Flügeln durch die Spitze des Steckrotorflügels (4) erzeugt wird und die hintere und vordere Fläche jedes Aufnahmeflügels (5) einen ersten Teil (SV) bis zu einem Übergangspunkt (V) mit konkaver Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endteil (VW) zu der Aufnahmeflügelspitze gerade ausgebildet ist, wobei die Endteile (VW) der hinteren und der vorderen Fläche jedes Aufnahmeflügels (5) voneinander in radial nach außen verlaufender Richtung divergieren.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umfangssteg (12) an den Flügeln (5) des Aufnahmerotors (3) eine relativ breite Form aufweist, die einen langen Leckweg zwischen den Umfangsstegen (12) und dem Gehäusemittel (6) bildet.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorgrundprofil eine Kombination aus Punkt- und Linienerzeugung mit symmetrischer Beschaffenheit ist.
4. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (SV) der Aufnahmeflügelflanken (5L, 5T) durch eine Spitzenecke (N) des Steckflügels (4) erzeugt wird, während die Flanken (4L, 4T) des Steckflügels (4) einen ersten Teil (NP) von der Steckspitze, der durch den Übergangspunkt (V) des Aufnahmeflügels erzeugt wird, einen zweiten Teil (PQ), der durch die Gerade (VW) des Aufnahmeflügels, und einen Endteil (QT), der durch den Eckpunkt (W) der Aufnahmeflügelspitze erzeugt wird, aufweisen.
DE69326606T 1992-02-19 1993-02-19 Schraubenkolbenmaschine Expired - Lifetime DE69326606T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB929203521A GB9203521D0 (en) 1992-02-19 1992-02-19 Screw rotors type machine
PCT/GB1993/000349 WO1993017223A1 (en) 1992-02-19 1993-02-19 Screw rotors type machine

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Publication Number Publication Date
DE69326606D1 DE69326606D1 (de) 1999-11-04
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ID=10710675

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EP (1) EP0627041B1 (de)
DE (1) DE69326606T2 (de)
GB (1) GB9203521D0 (de)
WO (1) WO1993017223A1 (de)

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EP0627041B1 (de) 1999-09-29
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Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: SPRINTEX AUSTRALASIA PTY LTD., MALAGA, WESTERN AUS

R071 Expiry of right

Ref document number: 627041

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