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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor, der in einem Motorraum angeordnet ist, einer Antriebswelle, die über den Elektromotor antreibbar ist, einem Laufrad, welches mit der Antriebswelle verbunden ist und in einem Strömungsraum zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordnet ist, einem ersten Gehäuseteil mit einer ersten Umfangswand, an deren Innenseite ein Stator des Elektromotors anliegt, einem zweiten Gehäuseteil, mit einer zweiten Umfangswand, welche die erste Umfangswand vollumfänglich umgibt und einem Kühlmittelkanal, der radial zwischen der ersten Umfangswand und der zweiten Umfangswand ausgebildet ist.
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Derartige elektrische Verdichter werden in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um beispielsweise bei plötzlicher Laststeigerungsanforderung kurzfristig aktiv einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und hoher Leistung ermöglichen diese elektrischen Verdichter im leerlaufnahen Bereich entweder eine zusätzliche Nachverdichtung zum Abgasturbolader oder eine Vorverdichtung für diesen, wodurch dem so genannten Turboloch entgegen gewirkt werden kann. Auch ist der Einsatz als einzelnes Aufladeaggregat im Verbrennungsmotor möglich.
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Der Rotor und damit das Laufrad eines derartig genutzten Verdichters müssen in kürzester Zeit auf Drehzahlen von bis zu 100.000 U/min beschleunigt werden. Um in kurzer Zeit auf diese Geschwindigkeiten beschleunigen zu können, sind große Ströme von bis zu 500A erforderlich, die zu hohen thermischen Belastungen der Wicklungen sowie der Leistungselektronik, insbesondere der Transistoren des Elektromotors des Verdichters führen. Im Bereich der Wicklungen können Temperaturen von etwa 230°C im Innern des Verdichters entstehen, an den Transistoren Temperaturen von etwa 120°C. Zusätzlich entsteht eine thermische Belastung durch die Temperatur der Umgebung des Verdichters, welche ebenfalls etwa 200°C betragen kann, was bei Verwendung von Leichtmetall als Gehäusematerial auch zu einer Festigkeitsabnahme des Gehäuses führen kann.
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Ein elektrischer Verdichter, bei dem die im Elektromotor erzeugte Wärme nach außen abgeführt wird und der daher höheren thermischen Belastungen ausgesetzt werden kann, ist aus der
JP 2009-257165 A bekannt. Dieser Kompressor weist ein zylindrisches Gehäuse auf, welches den Stator des Elektromotors aufnimmt. An der Außenseite dieses Gehäuses ist eine Kühlmittelkanal ausgebildet, der nach radial außen durch ein weiteres Gehäuseteil verschlossen wird. Entsprechend wird der Stator direkt durch das Kühlmittel gekühlt und die entstehende Wärme kann nach außen abgeführt werden. Eine Kühlung der Elektronik ist nicht vorgesehen.
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Aus der
WO 2014/084989 A1 ist ebenfalls ein elektrischer Verdichter bekannt, dessen Stator durch einen umliegenden Kühlmittelkanal gekühlt werden kann. Die Elektronik dieses Verdichters ist am Außengehäuse angeordnet und wird nicht zusätzlich gekühlt.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, einen elektrischen Verdichter zu schaffen, der thermisch hoch belastbar ist, so dass Schäden am Stator beziehungsweise an dessen Wicklungen ebenso vermieden werden, wie an der Leistungselektronik des Elektromotors oder an einem aus Leichtmetall hergestellten Gehäuse. Dabei soll sowohl von außen eindringende Wärme abgeschirmt werden, als auch innen entstehende Wärme abgeführt werden. Die Montage des Verdichters soll dennoch möglichst einfach sein.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Verdichter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass eine der Umfangswände einstückig mit einem Boden ausgebildet ist, an dessen zum Kühlmittelkanal entgegengesetzter Seite eine Elektronikbauteile tragende Platine des Elektromotors angeordnet ist, wird neben der Umströmung des Stators auch eine Kühlung der Platine und der Elektronik über den gleichen Kühlmittelkanal sichergestellt. Aus dem gesamten Gehäuseteil, bestehend aus Boden und Umfangswand wird Wärme nach außen abgeführt. Der Boden wirkt als Kühlkörper für die Platine.
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Vorzugsweise ist die Leistungselektronik des Elektromotors auf der Platine unmittelbar gegenüberliegend zum axialen Ende des Kühlmittelkanals angeordnet, so dass die großen Wärmemengen der Leistungselektronik, insbesondere der Transistoren direkt in unmittelbarer Nähe über das Kühlmittel abgeführt werden können.
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In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist die Leistungselektronik auf einem gleichen Teilkreisdurchmesser angeordnet, in dem der Kühlmittelkanal an den Boden grenzt. Entsprechend kann der Kanal als ringförmiger Kanal ausgeführt werden, so dass eine einfache Montage des Verdichters und eine einfache Abdichtung des Kühlmittelkanals bei guter Strömungsführung erreicht wird. Dennoch wird das Kühlmittel in unmittelbare Nähe zu den Leistungsbausteinen geführt.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Kühlmittelkanal schraubenförmig um das erste Gehäuseteil verläuft, da hierdurch Toträume im Kanal zuverlässig vermieden werden und so über die gesamte Länge und an jeder Position des Kanals und damit des Stators, eine ausreichende Kühlwirkung erzielt wird und gleichzeitig sichergestellt, dass im Bereich des zur Platine gegenüberliegenden Kanalbereichs eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels vorliegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist an der ersten Umfangswand des ersten Gehäuseteils ein nach radial außen weisender schraubenförmiger Steg ausgebildet, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der umliegenden Umfangswand des zweiten Gehäuseteils. Dies erleichtert einerseits die Montage beim Aufeinanderschieben der beiden Gehäuseteile und andererseits wird durch den Steg auf einfache Weise eine axiale Begrenzung und Strömungsführung mit gleichbleibenden Strömungsquerschnitten hergestellt, so dass geringe Druckverluste vorliegen.
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In einer montagetechnisch vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das zweite Gehäuseteil eine ringförmige Aufnahmeöffnung auf, welche radial nach außen durch die zweite Umfangswand des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist und radial nach innen durch einen sich axial ersteckenden ringförmigen Vorsprung des zweiten Gehäuseteils begrenzt ist, und in welche ein axiales Ende der ersten Umfangswand des ersten Gehäuseteils ragt. Entsprechend erfolgt beim Einstecken des ersten Gehäuseteils in das zweite Gehäuseteil eine Zentrierung der beiden Teile zueinander.
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In einer weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform weist das axiale Ende des ersten Gehäuseteils, welches in die Aufnahmeöffnung ragt, einen axialen Abstand zum Boden des zweiten Gehäuseteils auf. Durch diesen Abstand wird am Boden eine größere Kühlfläche bereitgestellt, die direkt von Kühlmittel angeströmt wird. Entsprechend wird auf diese Weise die Kühlwirkung auf die Platine und die Leistungsbausteine erhöht.
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Vorzugsweise ist zwischen dem die Aufnahmeöffnung nach radial innen begrenzenden ringförmigen Vorsprung und der ersten Umfangswand ein den Kühlmittelkanal radial abdichtender Dichtring angeordnet. Diese Anordnung des Dichtrings an der Innenseite der Umfangswand des ersten Gehäuseteils ermöglicht es, das Kühlmittel bis an den Boden des zweiten Gehäuseteils heranzuführen, den gesamten Querschnitt der Aufnahmeöffnung als Kühlfläche zu nutzen und trotzdem einen zuverlässig abgedichteten Kanal zu schaffen.
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In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist der Dichtring in einer Radialnut der Umfangswand des ersten Gehäuseteils angeordnet. So wird eine einfache Montage des Dichtrings erreicht und eine zuverlässige Abdichtung geschaffen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt der Kühlmittelkanal sich axial über die gesamte Länge des Stators, wodurch dieser auch über seine gesamte axiale Länge gekühlt wird. Einzelne Hitzepunkte oder eine ungleichförmige thermische Belastung des Stators werden vermieden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Kühlmittelkanal sich axial bis zu einem Boden eines oder beider der Gehäuseteile erstreckt, an dem eine Lageraufnahme für ein Lager des Elektromotors ausgebildet ist. Auf diese Weise werden auch die Lager vor Überhitzung zuverlässig geschützt.
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Es wird somit ein elektrischer Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer druckverlustarmen und zuverlässigen Kühlung geschaffen, über die sowohl von außen eindringende Hitze als auch im Innern entstehende Wärme zuverlässig abgeführt, beziehungsweise abgeschirmt werden können. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Elektronik, des Stators, des Gehäuses und der Lager. Zusätzliche Anbauten zur Kühlung außer ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass sind nicht notwendig, da alle thermisch empfindlichen Teile durch den einen Kanal zuverlässig gekühlt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Verdichters in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des zweiten Gehäuseteils
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Ansicht der 1.
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Der erfindungsgemäße elektrische Verdichter besteht aus einem Gehäuse 10, welches sich aus insgesamt vier Gehäuseteilen zusammensetzt. In ein erstes zentrales Gehäuseteil 12 ist ein Stator 14 eines Elektromotors 16 eingepresst. Dieser Stator 14 wirkt in bekannter Weise mit einem Rotor 18 zusammen, der fest auf einer Antriebswelle 20 befestigt ist. Die Antriebswelle 20 wird über ein erstes als Kugellager ausgeführtes Lager 22, welches in einer ersten Lageraufnahme 24 angeordnet ist, die zentral am ersten Gehäuseteil 12 ausgebildet ist, sowie ein zweites als Kugellager ausgebildetes Lager 26, welches in einer zweiten Lageraufnahme 28 angeordnet ist, die zentral an einem zweiten Gehäuseteil 30 ausgebildet ist, gelagert. Das erste Gehäuseteil 12 und das zweite Gehäuseteil 30 begrenzen einen Motorraum 32, in dem der Elektromotor 16 aufgenommen wird.
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Auf der Antriebswelle 20 ist ein Laufrad 34 des elektrischen Verdichters angeordnet, welches in einem Strömungsraum 36 angeordnet ist, der durch ein Strömungsgehäuse 38 und einen ersten sich radial zur Antriebswelle 20 erstreckenden Boden 40 des ersten Gehäuseteils 12 begrenzt wird. Das Strömungsgehäuse 38, welches am ersten Gehäuseteil 12 befestigt ist, weist einen Spiralkanal 42 auf, in welchen das über einen am Strömungsgehäuse 38 ausgebildeten Einlass 44 einströmende Gas mittels des Laufrades 34 gefördert wird. Im Spiralkanal 42 wird dieses Gas verdichtet bis es den Strömungsraum 36 beziehungsweise den Spiralkanal 42 über einen ebenfalls am Strömungsgehäuse 38 ausgebildeten tangentialen Auslass 46 wieder verlässt.
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Um den Strömungsraum 36 vom Motorraum 32 möglichst gasdicht zu trennen und zu verhindern, dass Gas aus dem Strömungsgehäuse 38 in das erste Gehäuseteil 12 an der Rückseite des Laufrades 34 entlang der Antriebswelle 20 strömt, ist in einer zentralen Öffnung 48 des Bodens 40 des ersten Gehäuseteils 12, durch die die Antriebswelle 20 aus dem Motorraum 32 in den Strömungsraum 36 ragt, eine Gleitringdichtung 50 angeordnet, die gegen eine Einschnürung 52 dieser Öffnung 48 axial anliegt. An der zum Motorraum 32 weisenden Seite der Einschnürung 52 erstreckt sich vom Boden 40 ein zylindrischer Vorsprung 54 axial in Richtung des Rotors 18. Dieser zylindrische Vorsprung 54 dient als die erste Lageraufnahme 24 für das erste Lager 22.
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Das zweite Lager 26 ist an der zum Rotor 18 entgegengesetzten Seite in einem als Lageraufnahme 28 dienenden zylindrischen Vorsprung 56 angeordnet, der sich axial von einem zweiten Boden 58, der am zweiten Gehäuseteil 30 ausgebildet ist, in den Motorraum 32 erstreckt. Auf der axial zum Motorraum entgegengesetzten Seite dieses Bodens 58 ist ein Elektronikraum 60 ausgebildet, der durch einen Deckel 62 verschlossen wird und in dem eine Platine 64 zur Ansteuerung des Elektromotors 16 angeordnet ist. Zur Kontaktierung der Platine 64 mit Wicklungen 66 des Stators 14 sind im Boden 58 entsprechende Durchstecköffnungen ausgebildet, durch die die Wicklungsenden 68 zur Platine 64 ragen.
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Vom Boden 40 des ersten Gehäuseteils 12 erstreckt sich im radial äußeren Bereich eine erste Umfangswand 70 in Richtung des Bodens 58 des zweiten Gehäuseteils 30, an deren Innenseite der Stator 14 eingepresst ist. Diese erste Umfangswand 70 ist von einer zweiten Umfangswand 72 des zweiten Gehäuseteils 30 umgeben, wobei zwischen der radialen Außenseite der ersten Umfangswand 70 und der radialen Innenseite der zweiten Umfangswand 72 ein geringes Spiel vorgesehen ist.
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Ein zum Boden 58 des zweiten Gehäuseteils 30 weisendes axiales Ende 74 der ersten Umfangswand 70 des ersten Gehäuseteils 12 ragt in eine ringförmige Aufnahmeöffnung 76 des zweiten Gehäuseteils 30, welche zwischen der zweiten Umfangswand 72 und einem radial weiter innen sich vom Boden 58 erstreckenden weiteren ringförmigen Vorsprung 78 angeordnet ist. Der Boden 58 und das axiale Ende 74 der ersten Umfangswand 70 weisen einen Abstand zueinander auf.
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Im zwischen dem ersten axialen Ende 74 und einem entgegengesetzten zweiten axialen Ende 80 der Umfangswand 70 liegenden Bereich weist diese erfindungsgemäß eine schraubenförmige Ausnehmung 82 auf, die als Kühlmittelkanal 84 dient. Die schraubenförmige Ausnehmung 82 wird axial jeweils durch die Wände eines schraubenförmigen Steges 86 begrenzt und erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Stators 14 und bis zum Boden 58 des zweiten Gehäuseteils 30, indem das axiale Ende 74 der ersten Umfangswand 70 einen axialen Abstand zum Boden 58 aufweist, was dazu führt, dass das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkanal 84 tatsächlich bis direkt an den Boden 58 herangeführt werden kann.
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Zur Abdichtung des Kühlmittelkanals 84 ist entsprechend am zum Boden 40 weisenden axialen Ende 80 an der Außenseite der ersten Umfangswand 70 sowie am entgegengesetzten axialen Ende 76 an der Innenseite der Umfangswand 70 eine Radialnut 88, 90 ausgebildet, in der je ein Dichtring 92, 94 in Form eines O-Rings angeordnet ist, der gegen die radial gegenüberliegende Innenseite der zweiten Umfangswand 72 beziehungsweise die Außenseite des ringförmigen Vorsprungs 78 des zweiten Gehäuseteils 30 dichtend anliegt. Kühlmittel, welches durch einen am zweiten Gehäuseteil ausgebildeten Kühlmitteleinlass 96 in den Kühlmittelkanal 84 eintritt, strömt entsprechend schraubenförmig um den gesamten Stator 14 herum bis an den Boden 58 und wird lediglich durch den innen an der Umfangswand 70 angeordneten Dichtring gehindert, weiter ins Innere zu strömen. Das Kühlmittel verlässt, nachdem es ringförmig entlang des Bodens 58 geströmt ist, über einen ebenfalls am zweiten Gehäuseteil 30 ausgebildeten Kühlmittelauslass 98 den Kühlmittelkanal 84. Diese Umströmung findet aufgrund der über die gesamte Lauflänge des Kühlmittelkanals 84 etwa gleichbleibenden Durchströmungsquerschnitte mit sehr geringen Druckverlusten statt.
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Als Wärmequellen des Verdichters wirken vor allem die Wicklungen 66 des Stators 14 sowie die auf der Platine angeordnete Elektronikbauteile 100 und hier insbesondere die Leistungselektronik 102, beispielweise die verwendeten Transistoren. Der Stator 14 ist direkt im ersten Gehäuseteil 12 eingepresst und liegt somit direkt und über seine gesamte Länge gegen die umströmte Innenwand des Kühlmittelkanals 84 an, so dass die dort entstehende Wärme über das Kühlmittel zuverlässig abgeführt werden kann. Durch die innere Umströmung der zweiten Umfangswand 72 über den Kühlmittelkanal 84 und dem daraus entstehenden direkten Kontakt des zweiten Gehäuseteils 30 zum Kühlmittel wird auch dieses Gehäuseteil zuverlässig gekühlt. Diese Kühlwirkung überträgt sich auch auf den Boden 58 des zweiten Gehäuseteils 30, wobei eine besonders hohe Wärmeabfuhr durch die geringeren Temperaturen des Kühlmittels im Bereich der Aufnahmeöffnung 76 am Boden 58 entsteht, der in diesem Bereich auch eine relativ geringe Wandstärke aufweist. Dies führt dazu, dass in dem der Aufnahmeöffnung 76 gegenüberliegenden Bereich des Bodens 58 und damit an der Platine 64 eine geringere Temperatur anliegt. Dies wird genutzt, indem die Leistungselektronik 102 des Elektromotors 16 auf einem der Aufnahmeöffnung 76 gegenüberliegenden Teilkreis angeordnet wird, wodurch die besonders Wärme erzeugenden Bauteile besonders gut gekühlt werden. Auch wird das Kühlmittel am entgegengesetzten axialen Ende 80 möglichst nah an den Boden 40 herangeführt, so dass auch aus den Lagern 22, 26 in ihren Lageraufnahmen 24, 28 durch die gekühlten Böden 40, 58 Wärme abgeführt werden kann. Neben dieser direkten Kühlwirkung der Wärme erzeugenden Teile wird auch Wärme von außen von diesen Bauteilen ferngehalten, da durch den Kühlmittelkanal eine Abschirmung entsteht. Von außen auf das Gehäuse wirkende Wärmestrahlung kann nicht eindringen, da die zweite Umfangswand 72 ebenfalls durch den Kühlmittelkanal 84 gekühlt wird und dennoch eintretende Wärme vor dem Eindringen in den Motorraum 32 abführt.
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Entsprechend kann dieser Verdichter trotz hoher benötigter Ströme und den daraus resultierenden Wärmeströmen auch in thermisch belasteter Umgebung, wie in einem Verbrennungsmotor, eingesetzt werden. Die Lager, Gehäuseteile sowie alle elektronischen Bauteile werden zuverlässig vor thermischer Überlastung geschützt, so dass eine lange Lebensdauer des Verdichters erreicht wird und Schäden an diesen Teilen vermeiden werden. Gleichzeitig ist die Herstellung der Einzelteile sowie die Montage trotz der internen Kühlmittelführung im Vergleich zu bekannten Ausführungen vereinfacht.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere können die Gehäuseteile andere Teilungen aufweisen oder der Kühlmittelkanal auf andere Art abgedichtet werden. Andere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009-257165 A [0004]
- WO 2014/084989 A1 [0005]
