DE102017218916A1 - Electrical bridging element, electrical energy storage and device - Google Patents
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Abstract
Elektrisches Überbrückungselement (1) aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (2, 10), auf denen jeweils eine Isolationsschicht (9) angeordnet ist, eine Reaktionsfolie (7), eine Lotschicht (8) und einen Halbleiterschalter (5),wobei die elektrischen Leiter (2, 10) beabstandet voneinander und elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind und von der Lotschicht (8) und der Reaktionsfolie (7) überbrückt sind,wobei der Halbleiterschalter (5), die Reaktionsfolie (7) und die Lotschicht (8) derart auf den elektrischen Leitern (2, 10) angeordnet sind, dass der Halbleiterschalter (5) eingerichtet ist, eine exotherme Reaktion der Reaktionsfolie (7) auszulösen bei der die Lotschicht (8) zumindest teilweise aufschmilzt, wodurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (2, 10) hergestellt wird.An electrical bridging element (1) comprising at least a first and a second electrical conductor (2, 10), on each of which an insulating layer (9) is arranged, a reaction foil (7), a solder layer (8) and a semiconductor switch (5) the electrical conductors (2, 10) are spaced from each other and are electrically isolated from each other and are bridged by the solder layer (8) and the reaction foil (7), the semiconductor switch (5), the reaction foil (7) and the solder layer (8) are arranged on the electrical conductors (2, 10), that the semiconductor switch (5) is arranged to trigger an exothermic reaction of the reaction film (7) in which the solder layer (8) at least partially melts, whereby an electrically conductive connection between the electrical Ladders (2, 10) is produced.
Description
Feld der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Überbrückungselement, einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to an electrical bypass element, an electrical energy storage and a device according to the preamble of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht aus von einem elektrischem Überbrückungselement aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter, auf denen jeweils eine Isolationsschicht angeordnet ist, eine Reaktionsfolie, eine Lotschicht und einen Halbleiterschalter, wobei die elektrischen Leiter beabstandet voneinander und elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind und von der Lotschicht und der Reaktionsfolie überbrückt sind, wobei der Halbleiterschalter, die Reaktionsfolie und die Lotschicht derart auf den elektrischen Leitern angeordnet sind, dass der Halbleiterschalter eingerichtet ist, eine exotherme Reaktion der Reaktionsfolie auszulösen bei der die Lotschicht zumindest teilweise aufschmilzt, wodurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern hergestellt wird.The invention relates to an electrical bridging element comprising at least a first and a second electrical conductor, on each of which an insulating layer is arranged, a reaction film, a solder layer and a semiconductor switch, wherein the electrical conductors are spaced from each other and electrically isolated from each other and from the Lotschicht and the reaction foil are bridged, wherein the semiconductor switch, the reaction foil and the solder layer are arranged on the electrical conductors, that the semiconductor switch is adapted to cause an exothermic reaction of the reaction foil in which the solder layer melts at least partially, whereby an electrically conductive connection between the electrical conductors is made.
Hintergrund der Erfindung ist die Bereitstellung eines zuverlässigen, kompakten Überbrückungselementes. Die Herstellung des elektrischen Überbrückungselementes ist erleichtert.Background of the invention is the provision of a reliable, compact bridging element. The production of the electrical bridging element is facilitated.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektrische Überbrückungselement eine Vergussmasse auf, die den Halbleiterschalter, die Reaktionsfolie, die Lotschicht und die elektrischen Leiter sowie deren Isolationsschichten zumindest teilweise umgibt, wobei innerhalb der Vergussmasse ein Hohlraum angeordnet ist, der sich von dem ersten elektrischen Leiter zu dem zweiten elektrischen Leiter und zu der Lotschicht erstreckt. Von Vorteil ist dabei, dass die reaktiven Schichten des elektrischen Überbrückungselementes innerhalb der Vergussmasse thermisch isoliert, insbesondere gekapselt, angeordnet sind, somit ist die Wärmeübertragung zwischen der Reaktionsfolie und der Lotschicht und dadurch die Zuverlässigkeit des elektrischen Überbrückungselementes verbessert.According to an advantageous embodiment, the electrical bridging element has a potting compound which at least partially surrounds the semiconductor switch, the reaction foil, the solder layer and the electrical conductors and their insulation layers, wherein within the potting compound, a cavity is arranged extending from the first electrical conductor to the second electrical conductor and extends to the solder layer. The advantage here is that the reactive layers of the electrical bridging element within the potting compound thermally insulated, in particular encapsulated, are arranged, thus the heat transfer between the reaction foil and the solder layer and thereby the reliability of the electrical bridging element is improved.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Hohlraum eingerichtet ist, Lotmaterial der geschmolzenen Lotschicht aufzunehmen. Das Lotmaterial wird durch die Wärmeausdehnung der Reaktionsfolie und des Lotmaterials selbst in den Hohlraum gedrückt und verbindet die elektrischen Leiter elektrisch leitend. Vorteilhafterweise ist der Hohlraum gerade so groß, dass das Lotmaterial einen Abstand zwischen den elektrischen Leitern zu mindestens 50 % ausfüllt, insbesondere mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 90 %.Furthermore, it is advantageous if the cavity is set up to receive solder material of the molten solder layer. The solder material is pressed by the thermal expansion of the reaction film and the solder material itself into the cavity and connects the electrical conductors electrically conductive. Advantageously, the cavity is just so large that the solder material fills a distance between the electrical conductors to at least 50%, in particular at least 70%, preferably at least 90%.
Vorteilhafterweise ist der Hohlraum evakuiert. Dadurch kann das Lotmaterial in einfacher Art und Weise in den Hohlraum eindringen, da keine in dem Hohlraum befindliche Luft verdrängt werden muss.Advantageously, the cavity is evacuated. This allows the solder material to penetrate into the cavity in a simple manner, since no air in the cavity must be displaced.
Vorteilhafterweise ist der Hohlraum mit einem Schutzgas gefüllt. Dadurch ist eine Oxidierung des Lotmaterials beim Eindringen in den Hohlraum vermeidbar, so dass die elektrische Leitfähigkeit des Lotmaterials verbessert ist.Advantageously, the cavity is filled with a protective gas. As a result, an oxidation of the solder material during penetration into the cavity is avoidable, so that the electrical conductivity of the solder material is improved.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der erste elektrische Leiter eine erste Seitenfläche aufweist, die dem zweiten elektrischen Leiter zugewandt ist, wobei der zweite elektrische Leiter eine zweite Seitenfläche aufweist, die dem ersten elektrischen Leiter zugewandt ist, wobei die erste und zweite Seitenfläche von der jeweiligen Isolationsschicht des jeweiligen elektrischen Leiters beabstandet sind, insbesondere wobei die Seitenflächen oberflächenbehandelt insbesondere geätzt sind. Somit ist ein Flächenkontakt zwischen den Seitenflächen der elektrischen Leitern mittels des Lotmaterials ermöglicht. Dabei ist der Abstand zwischen den beiden Seitenflächen der kleinste Abstand zwischen den elektrischen Leitern.It is furthermore advantageous if the first electrical conductor has a first side face that faces the second electrical conductor, wherein the second electrical conductor has a second side face, which faces the first electrical conductor, wherein the first and second side faces of the respective insulation layer of the respective electrical conductor are spaced, in particular wherein the side surfaces are surface-treated in particular etched. Thus, a surface contact between the side surfaces of the electrical conductors is made possible by means of the solder material. The distance between the two side surfaces is the smallest distance between the electrical conductors.
Vorteilhafterweise sind die erste und zweite Seitenfläche zickzack-förmig, fingerförmig und/oder mäanderförmig ausgeführt, wobei Vorsprünge der einen Seitenfläche in Vertiefungen in der anderen Seitenfläche eingreifen. Dadurch ist die Oberfläche für einen Flächenkontakt zwischen den elektrischen Leitern mittels des Lotmaterials vergrößert, so dass eine niederohmige elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern herstellbar ist.Advantageously, the first and second side surfaces are zigzag-shaped, finger-shaped and / or meander-shaped, wherein projections of one side surface engage in recesses in the other side surface. As a result, the surface is increased for a surface contact between the electrical conductors by means of the solder material, so that a low-resistance electrically conductive connection between the electrical conductors can be produced.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Halbleiterschalter mittels eines jeweiligen elektrischen Verbindungsmittels mit dem ersten beziehungsweise zweiten elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Halbleiterschalter eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Leiter zu schalten. Der Halbleiterschalter ist dabei so ausgelegt, dass er sich bei diesem Schaltvorgang erhitzt und dadurch die Reaktionsfolie thermisch aktiviert. Furthermore, it is advantageous if the semiconductor switch is electrically conductively connected to the first or second electrical conductor by means of a respective electrical connection means, wherein the semiconductor switch is set up to switch an electric current between the first and second electrical conductors. The semiconductor switch is designed so that it heats up during this switching process, thereby thermally activating the reaction film.
Vorteilhafterweise ist der Halbleiterschalter mittels eines weiteren elektrischen Verbindungsmittels mit einem Anschluss des elektrischen Überbrückungselementes verbunden, insbesondere wobei das weitere elektrische Verbindungsmittel sich durch die Vergussmasse hindurch erstreckt. Mittels des Anschlusses ist der Halbleiterschalter mit einer Steuerung signalleitend verbindbar. Das Schalten des Halbleiterschalters ist von der, insbesondere externen, Steuerung steuerbar.Advantageously, the semiconductor switch is connected by means of a further electrical connection means with a connection of the electrical bridging element, in particular wherein the further electrical connection means extends through the potting compound. By means of the connection, the semiconductor switch can be signal-connected to a control. The switching of the semiconductor switch is controllable by the, in particular external, control.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn zwischen dem Halbleiterschalter und der Reaktionsfolie ein elektrisch isolierendes Isoliermittel, insbesondere eine Siliziumoxidschicht, angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind der Halbleiterschalter und das Isoliermittel auf einem einzigen Mikrochip anordenbar. Mittels des Isoliermittels ist der Halbleiterschalter elektrisch isoliert und beabstandet von der Reaktionsfolie angeordnet, so dass die Störanfälligkeit des Halbleiterschalters reduziert ist.It is furthermore advantageous if an electrically insulating insulating means, in particular a silicon oxide layer, is arranged between the semiconductor switch and the reaction foil. Advantageously, the semiconductor switch and the insulating means can be arranged on a single microchip. By means of the insulating means, the semiconductor switch is electrically isolated and spaced from the reaction foil, so that the susceptibility of the semiconductor switch is reduced.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektrische Überbrückungselement zumindest eine weitere elektrische Schaltung auf, die auf einem Mikrochip innerhalb der Vergussmasse angeordnet ist, insbesondere wobei der Halbleiterschalter und die weitere elektrische Schaltung auf einem einzigen Mikrochip angeordnet sind. Die weitere Schaltung ist beispielsweise zur Temperaturbestimmung der elektrischen Leiter und/oder zur Spannungsbestimmung zwischen den elektrischen Leitern und/oder zur Kommunikation mit einer externen Steuerung verwendbar. Dabei ist die weitere Schaltung mit zumindest einem weiteren Anschluss des elektrischen Überbrückungselementes verbunden.According to a further advantageous embodiment, the electrical bridging element has at least one further electrical circuit which is arranged on a microchip within the potting compound, in particular wherein the semiconductor switch and the further electrical circuit are arranged on a single microchip. The further circuit can be used, for example, to determine the temperature of the electrical conductors and / or to determine the voltage between the electrical conductors and / or to communicate with an external controller. In this case, the further circuit is connected to at least one further connection of the electrical bridging element.
Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher aufweisend zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest ein elektrisches Überbrückungselement wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Überbrückungselement bezogenen Ansprüche, besteht darin, dass das elektrische Überbrückungselement parallel geschaltet zu zumindest einer Energiespeicherzelle des elektrischen Energiespeichers angeordnet ist.The core of the invention in the electrical energy storage having at least one energy storage cell and at least one electrical bridging element as described above or according to one of the bridging element related claims, is that the electrical bypass element is connected in parallel to at least one energy storage cell of the electrical energy store.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Energiespeicherzelle in einer Gefahrensituation mittels des Überbrückungselements kurzgeschlossen wird. Dadurch wird der Separator in der Zelle aufgeschmolzen und ein Überhitzen der Energiespeicherzelle zum Beispiel durch einen Kurzschluss oder einen kritischen Ladezustand ist vermeidbar.Background of the invention is that the energy storage cell is short-circuited in a dangerous situation by means of the bridging element. As a result, the separator is melted in the cell and overheating of the energy storage cell, for example by a short circuit or a critical state of charge is avoidable.
Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul, das eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen aufweist, wobei jede Energiespeicherzelle ein jeweiliges elektrisches Überbrückungselement, wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Überbrückungselement bezogenen Ansprüche, aufweist, ist, dass das jeweilige elektrische Überbrückungselement parallel geschaltet zu der jeweiligen Energiespeicherzelle angeordnet ist.The core of the invention in the electrical energy storage having at least one energy storage module, which has a plurality of energy storage cells, each energy storage cell having a respective electrical bridging element, as described above or according to one of the claims relating to the bridging element, is that the respective electrical bridging element is arranged parallel to the respective energy storage cell.
Hintergrund der Erfindung ist, dass jede einzelne Energiespeicherzelle in einer Gefahrensituation mittels des Überbrückungselements unabhängig von den anderen Energiespeicherzellen kurzgeschlossen werden kann. Dadurch wird der Separator in der Zelle aufgeschmolzen und ein Überhitzen der Energiespeicherzelle zum Beispiel durch einen Kurzschluss oder einen kritischen Ladezustand ist vermeidbar.Background of the invention is that each individual energy storage cell can be short-circuited in a dangerous situation by means of the bridging element independently of the other energy storage cells. As a result, the separator is melted in the cell and overheating of the energy storage cell, for example by a short circuit or a critical state of charge is avoidable.
Vorteilhafterweise sind die jeweiligen elektrischen Überbrückungselemente jeweils platzsparend in den Zelldeckel der jeweiligen Energiespeicherzelle integrierbar.Advantageously, the respective electrical bridging elements are each space-saving integrated into the cell cover of the respective energy storage cell.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Energiespeicherzellen elektrisch parallel geschaltet angeordnet, wobei zumindest ein elektrischer Leiter als Zellverbinder fungiert. Von Vorteil ist dabei, dass die reaktiven Schichten des elektrischen Überbrückungselementes die als Zellverbinder fungierenden elektrischen Leiter überbrückend anordenbar sind. Dadurch ist der elektrische Widerstand reduzierbar.According to an advantageous embodiment, the energy storage cells are arranged electrically connected in parallel, wherein at least one electrical conductor acts as a cell connector. The advantage here is that the reactive layers of the electrical bridging element bridging the acting as a cell connector electrical conductors can be arranged. As a result, the electrical resistance can be reduced.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Energiespeicherzellen elektrisch in Reihe geschaltet angeordnet, wobei zumindest ein elektrischer Leiter als Zellverbinder fungiert. Von Vorteil ist dabei, dass die reaktiven Schichten des elektrischen Überbrückungselementes die als Zellverbinder fungierenden elektrischen Leiter überbrückend anordenbar sind. Dadurch ist der elektrische Widerstand reduzierbar.According to a further advantageous embodiment, the energy storage cells are arranged electrically connected in series, wherein at least one electrical conductor acts as a cell connector. The advantage here is that the reactive layers of the electrical bridging element bridging the acting as a cell connector electrical conductors can be arranged. As a result, the electrical resistance can be reduced.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der elektrische Energiespeicher eine Steuerung aufweist, die signalleitend mit allen elektrischen Überbrückungselementen des Energiespeichermoduls verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Energiespeicherzellen überwachbar sind mittels der Steuerung und die elektrischen Überbrückungselemente in einer Gefahrensituation auslösbar sind von der Steuerung.It is furthermore advantageous if the electrical energy store has a controller which is connected in a signal-conducting manner to all electrical bridging elements of the energy storage module. The advantage here is that the energy storage cells can be monitored by means of the controller and the electrical bridging elements in a dangerous situation can be triggered by the controller.
Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung und/oder dem Fahrzeug besteht darin, dass die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug einen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf den Energiespeicher bezogenen Ansprüche aufweist.The essence of the invention in the device and / or the vehicle is that the device and / or the vehicle has an energy store as described above or according to one of the claims related to the energy store.
Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels des Überbrückungselementes der Energiespeicher bei kritischen Energiespeicherzuständen oder in kritischen Fahrzeugsituationen kurzgeschlossen wird. Beispielsweise ist das Überbrückungselement mittelbar oder unmittelbar mit Fahrzeugsensoren verbunden, die eine kritische Fahrzeugsituation detektieren, das Überbrückungselement auslösen und so den Energiespeicher in einen sicheren Zustand bringen können.Background of the invention is that by means of the bridging element of the energy storage is short-circuited in critical energy storage conditions or in critical vehicle situations. For example, the bridging element is indirectly or directly connected to vehicle sensors, which detect a critical vehicle situation, trigger the bridging element and thus bring the energy storage in a safe state.
Figurenlistelist of figures
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.In the following section, the invention will be explained with reference to embodiments, from which further inventive features may result, but to which the invention is not limited in scope. The embodiments are shown in the drawings.
Es zeigt:
-
1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßenelektrischen Überbrückungselementes 1 ; -
2 eine Draufsicht auf daselektrische Überbrückungselement 1 ; -
3 eine Draufsicht auf einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (2 ,10 ) deselektrischen Überbrückungselementes 1 ; -
4 eine Draufsicht auf eineEnergiespeicherzelle 30 eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers; -
5 eine Schnittansicht derEnergiespeicherzelle 30 und -
6 eine Draufsicht auf Energiespeichermodul des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers.
-
1 a sectional view of the electrical bridging element according to theinvention 1 ; -
2 a plan view of theelectrical bridging element 1 ; -
3 a top view of a first and a second electrical conductor (2 .10 ) of theelectrical bridging element 1 ; -
4 a plan view of anenergy storage cell 30 an electrical energy storage device according to the invention; -
5 a sectional view of theenergy storage cell 30 and -
6 a plan view of the energy storage module of the electrical energy storage device according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Das elektrische Überbrückungselement
Der Halbleiterschalter
Die elektrischen Leiter (
Vorzugsweise sind die elektrischen Leiter (
Die Seitenflächen (
Die Lotschicht
Die Vergussmasse
Die Schichtdicke der Lotschicht
Die Dicke der jeweiligen Isolationsschicht
Der Halbleiterschalter
Durch das Schalten des elektrischen Stroms wird der Halbleiterschalter
Die Reaktionsfolie
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind neben dem Halbleiterschalter
Der elektrische Energiespeicher ist beispielsweise als Batterie ausführbar. Unter einer Batterie wird hierbei beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie verstanden, insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriepack aufweisend zumindest ein Batteriemodul. Die Batteriezelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausgeführt. Alternativ ist die Batteriezelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt.The electrical energy store can be executed, for example, as a battery. In this case, a battery is understood to mean, for example, a rechargeable battery, in particular an electrochemical battery cell and / or a battery module having at least one electrochemical battery cell and / or a battery pack having at least one battery module. The battery cell is designed as a lithium-based battery cell, in particular lithium-ion battery cell. Alternatively, the battery cell is designed as a lithium-polymer battery cell or nickel-metal hydride battery cell or lead-acid battery cell or lithium-air battery cell or lithium-sulfur battery cell.
Die Energiespeicherzelle
Das negative Anschlussterminal
Das positive Anschlussterminal beziehungsweise das Gehäuse
Das elektrische Überbrückungselement
Die Energiespeicherzellen (
Dabei fungieren die zweiten elektrischen Leiter (
Die jeweiligen elektrischen Überbrückungselemente (
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen parallel geschaltet angeordnet. Ein jeweiliger erster Zellverbinder verbindet jeweils ein positives Anschlussterminal einer Energiespeicherzelle mit jeweils einem positiven Anschlussterminal einer weiteren Energiespeicherzelle. Ein jeweiliger zweiter Zellverbinder verbindet jeweils ein negatives Anschlussterminal der Energiespeicherzelle mit jeweils einem negativen Anschlussterminal der weiteren Energiespeicherzelle.In a further embodiment, not shown, the energy storage cells are arranged in parallel. A respective first cell connector connects in each case a positive connection terminal of an energy storage cell, each with a positive connection terminal of a further energy storage cell. A respective second cell connector in each case connects a negative connection terminal of the energy storage cell to a respective negative connection terminal of the further energy storage cell.
Die beschriebenen Energiespeicherzellen und Energiespeichermodule sind in der Fahrzeugtechnik und auch in stationären Anwendungen wie der Energietechnik, insbesondere Solarenergietechnik und/oder Windenergietechnik und/oder Wasserenergietechnik, einsetzbar.The energy storage cells and energy storage modules described can be used in vehicle technology and also in stationary applications such as energy technology, in particular solar energy technology and / or wind energy technology and / or water energy technology.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 0183182 [0041]WO 0183182 [0041]
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