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" DISPOSITIFS SELECTIFS A DECHARGE.
La présente invention a trait aux dispositifs à décharge électri- que fonctionnant par ionisation de vapeurs métalliques dans une enceinte dans la- quelle on a fait le vide, et qui soit caractérises par leur réponse rapide aux tensions anormales, par leur faible impédance de décharge au cours du fonctionne- -ment et par leur retour rapide à l'état normal dès que la surtension s'est dé- chargée* Le but de l'invention consiste à prévoir un dispositif à décharge dont la réponse présente un certain caractère de sélectivité pour les surtensions tran- sitoires.
Le terme tension transitoire, appliqué à une perturbation ou à une décharge, a été utilisé ici pour désigner toute perturbation électrique ca- ractérisée par une variation relativement élevée de tension, d'origine atmosphé- r
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rique par exemple, telle que la foudre, ou encore les aidée à front raide con-
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tre lesquelles le système doit tre protégé, sta Il est désirable que les dispositifs & décharge utilisée contre les surttll1sions et généralement désignée sous le nom de parafoudres, ne puissent fonctionner quand la tension de la li- gne ou celle de l'appareil auquel Il$ sont connectés, s'élève au-dessus de la tension normale dans les limitee de sécurité,
mais qu'ils provoquant au contai' re la décharge efficace de toute tension transitoire avait que cette dernière ait pu endommager la ligne ou les appareils à protéger*
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Conformément à l'invention, la Compagnie demanderesse a prévu des parafoudres (ce terme désignant tout dispositif prévu contre les surtension ayant des caractéristiques telles que les surtensions transitoires se déchar- gent m%e quand elles sont intérieures à la tension normale du système, tandis qu'elles demeurent non conductrices aux tensions doubles de la tension normal*
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ou m1Jme plus élevées, à la fréquence normale ou lorsqu'il s'agit de variations normales de la tension* Ces caratériatiques, en apparence incompatibles, dérivant du mode de construction de l'appareil dans lequel la surtension,
ou tout phénomène à fréquence anormale, provoque une ionisation locale sur l'une des électrodes qui agit came un élément d'amorçage de la décharge.
On comprendra mieux les caractéristiques Nouvelles et les avants- ges de l'invention @n se référant à la description suivante et aux dessins qui
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l'accompagnant, donnés simplement à titre d* exemple non limitatif, et dans les- quels :
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La 9ig*1 est une vue en élévation, partie an coupe,, de la forme prhférée de réalisation de l'invention, l'appareil était connecté entre un am- ducteur à protéger et la terre*
Les Fig-2 et 9 sont des élévations, partie en coupe, de variantes de l'invention*
Les Fig. 3 à 8 sont des représentations schématiques des divers circuits dans lesquels l'appareil peut titre utilisa*
L'appareil représenté Fig. 1 comporte une enveloppe 2 en verre,
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en silice f#duI, ou au toute autre matière appropn4e.
Il comporte des éleo- % ode8 cylindeiquas 3 et 4, mon te as sur les conducteurs 5 et 6 dont les axtri- mités respectives sont b4mi-spUriquene Les conducteurs 5 et 6 sont scellés
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dans les pieds 7 et 8 à la manière habituelle* Une connexion appropriée al@ lant aux électrodes 3 et 4, qui sont en métal creux, en cuivre ou nickel par exemple,, est représentée en 9 pour l'électrode 4. Les branches 10 des sup- porte 11 sont fixées par soudure électrique ou de toute autre manière au con- ducteur 6 et à l'électrode 4. Dans l'exemple représenté Fig.l, les électrodes 3 et 4 sont écartées d'environ 0,5 cm. à 2,5 cm., cet écartement dépendant des conditions de fonctionnement.
Un cylindre 12 en verre, silice, ou autre diélectrique approprié, entoure les électrodes 3 et 4 et estfixé sur elles- Sur la face externe du cylindre 12 sont montés des conducteurs métalliques 13 et 14 adjacents aux électrodes, et constituant avec celles-ci et avec le diélectrique interposé des éléments de condensateurs* Sur les conducteurs 13 et 14 se trouvent les électrodes auxiliaires 15 et 16 passant au travers du cylindre 12.
Ces élec- trodes auxiliaires, prévues sous forme de fils, viennent se terminer très près de l'extrémité de l'électrode opposée avec laquelle les électrodes res- pectives auxiliaires sont couplées par capacités*
Les électrodes, les conducteurs, l'enveloppe et touseles autres éléments de l'appareil, sont entièrement vides de gaz, ayant été traitées par les méthodes de dégazage bien connues et les gaz de l'intérieur de l'envelop- pe sont à une pression si basse que toute ionisation du gaz résiduel est im- possible au cours d'une décharge électrique entre les électrodes 3 et 4.
Au cours du fonctionnement de l'appareil, une décharge s'amorce momentanément sous forme de décharge purement électronique se transformant en un arc par ionisation de la vapeur du métal provenant de l'électrode* Les électrodes principales 3 et 4 sont connectées dans le circuit électrique à protéger, re- présenté ici par le conducteur 18 et la terre en 19-
Pour simplifier l'explication, on ne décrira que les phénomènes concernant une paire d'électrodes, mais il est bien évident que ces phéno- mènes sont les mêmes pour l'autre paire d'électrodes, sous réserve de changer le signe du potentiel,.
Quand une onde à front raide par exemple ou une déchar- ge transitoire quelconque parcourt le conducteur 18, elle élève le potentiel de l'électrode principale 3; l'électrode pilote 16, adjacente à la précéden- te , reste pendant un temps très court à son potentiel initial, du fait de la capacité existant entre elle et l'électrode 4* La tension entre l'électrode principale et l'électrode pilote 16 s'accroît alors pour atteindre une valeur n
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suffisamment élevée pour provoquer une décharge entre ces deux électrodes.
Cette décharge ou étincelle a une très faible énergie, mais elle eet suffi- sante pour réaliser l'amorçage, en abaissant l'impédance de l'espace compris entre les électrodes principales 3 et 4.
L'exemple suivant peut être donné comme illustrent particulière- ment un dispositif analogue à celui décrit, dans lequel la distance prinoipa- le entre électrodes est d'environ 1 cm. et les distances auxiliaires entre chacune de* électrodes pilotes et une électrode principale d'environ 1/2 mm.
Les capacités par lesquelles les électrodes pilotes sont respectivement cou- plées aux électrodes principales sont de l'ordre de 20 microfarads. La tenskin de claquage antre les électrodes principales est d'environ 70.000 volts ou plus, pour des potentiels alternatifs stables ou ayant la fréquence normale.
Cependant , tous l'action des électrodes pilotes, une onde à front raide de 20.000 volts provoque la décharge dans l'espace principal, entraînant la pro- duction d'un arc à vapeur métallique à basse tension qui décharge complète- ment l'onde à front raide-
L'avantage de ce mode de construction sur les modèles non pour- vus d'électrodes auxiliaires consiste en ce que les électrodes principales peuvent être séparées par une plus grande distance pour une tension donnée, permettant ainsi un plus grand facteur de sécurité pour la fréquence normale de la ligne! tandis que la sensibilité de l'appareil aux ondes à front raide, dépendant de l'écartement antre les électrodes auxiliaires et les électrodes principales associées,
peut être considérablement accrucy il est donc possi- ble de réaliser un parafoudre qui plisse être connecté directement entre une ligne à haute tension et la terre, et qui soit insensible aux variations de tension sur la ligne atteignant le double de la valeur normale, mais qui fonctionne sous l'influence de surtension ou d'ondes à front raide sur la li- g@le, élevant la tension de la dite ligne de 50% seulement.
L'espace compris entre les électrodes principales est de préfé- rance choisi de telle manière, par rapport à la tension et à la self induc- tion de la ligne et des appareils à protéger que l'arc s'éteint après avoir déchargé l'onde à front raide, avant qu'aucun courant de puissance de valeur appréciable provenant de la ligne et des appareils à protéger n'ait pu pren- dre naissance. On a trouve qu'il était aussi pratique et satisfaisant d'uti-
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liser un écartement entra électrodes, tel que le courant de la ligne traverse le parafoudre pendant le reste de l'alternance au cours de laquelle l'onde à front raide apparaît, mais que ce courant s'annule à la fin de cette demi-pé- riode.
Dans la Fig. 3, le dispositif conforme à l'invention est représent en 21 entre les deux conducteurs 22 et 23. Au lieu d'une capacité prévue dans l'appareil, la figure représente deux condensateurs 24 et 28 disposés, dans les circuits extérieurs 26 et 27 respectivement,, more l'électrode auxiliaire 15 et l'électrode principale 4, les électrodes auxiliaires 16 et principale 3
Dans certains oas, il est avantageux de prévoir aussi une résis- tance élevée permettant d'égaliser le potentiel des condensateurs 25 et 24.
De telles résistances mt été représentées sur la Fig. 4 en 28 et 29' Des résistances inductives peuvent être utilisées, comme représenté en 30 et 31 e sur la pied. 60
Dans certains cas, il est également avantageux d'employer, au lieu des capacités représentées Fig. 1, 3, 4 et 6, une ligne auxiliaire ten- due parallèlement à la ligne principale, de maniera à prévoir une capacité répartie suffisante et une self-induction, comme on peut la voir en 32 et 33 sur la Fig. 7.
Dans ce cas, des résistances élevées 35 et 36 peuvent être placées en série respectivement avec les conducteurs auxiliaires* Dans cer- tains cas, on peut omettre la capacité, les électrodes auxiliaires étant con- nectées par l'intermédiaire de résistances élevées, avec les électrodes prin- cipales opposées, comme représenté en 37 et 38 sur la Fig. 5. Ces résistances sont de préférence du type connu sous le nom de thyrite décrit dans le brevet belge N 352.309 du 22 Juin @928.
A@@rs que, dans la plupart des cas, il est possible de connecter les tubes à décharge, objets de l'invention, directement entre la ligne et la terre, comme le représente la Fig.l, une distance d'éclatement peut être dis.. posée en série avec ce dispositif, dans certains cas, pour obtenir une pro- tection additionnelle. Un tel dispositif est représenté Fig. 8 dans laquelle le tube à décharge 21 est connecté entre les conducteurs 40 et 41 , en série a- veo l'espace compris entre les anneaux 42 et 43 qui sent séparés par les iso- -lateura 44.
Une onde à front raide entre les lignes 40 et 41 amorce la dé- charge entre les anneaux 42 et 43, provoquant ainsi un accroissement de po- tentiel entre les électrodes prinolpaihes et les électrodes auxiliaires, et
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une décharge dans le tube 21, comme on l'a décrit précédemment. les électrodes principales, de préférence arrondies, ce=* la représente la Fig. 1, peuvent être cependant construites nous d'autres formes.
La Fige± représente une variante dans laquelle les électrodes principales 43 et 44 sont platée et supportées aux extrémités opposées d'une plaque ou d'une feuil- @e de diélectrique 45 en verre, quartz ou autre matière appropriée* Dons cette plaque 45 est pratique, en 46, un orifice qui permet le passage de la décharge principale* Les électrodes principales 43 et 44 et les électrodes auxiliaires 47 et 48 peuvent être fixées à la plaque 45, au moyen de boulons et de supporta isolants 49-50* La structure de ces Isolateurs et des parties adjacentes est misa en évidence par la coupe visible 49.
La plaque de verre 45 présente des saillies 51 et 52 se logeant dans des logements de l'une des pièces 53 consistant en une matière diélectrique telle que la lava ou l'alumine fondue* La pièce 54 de l'iso- lateur est pressée contre la pièce 53 par un boulon 55 qui fixe ensemble les deux parties par l'intermédiaire des éoroua 56 et 57 et des rondelles 58 et 59 appro- priées* Les électrodes 43 et 48 scat maintenues en position contre la plaque de verre 45 par les deux pièces de l'isolateur du fait du serrage des écrou 56 et 57.
Dans certains cas, 11 est avantageux de séparer les plaques du conducteur Intérieur par un espace vide. Cette construction est représentée Fig.9 Les électrodes principales 3 et 4 sont supportées par des parties tubulaires 61 et 62, à l'intérieur desquelles est placé un recouvrement conducteur ou une feuil- le de métal constituant une plaque du condensateur, comme représenté en 63. Au- tour des supporta 61 et 62 est disposé un tube 64 sur lequel sent supportées ou déposées, les électrodes correspondantes des condensateurs intérieurs, l'un d'en- tre aux étant représenté en 65.
A noter que l'espace vide,, aussi bien que les couches de diélectrique solide sont Interposés entre les plaques des capacités intérieures. Dans cette figure, le tube à décharge est connecté antre une ligne 18 et la terre 191 mais, dans ce cas, on a prévu une résistance 66 dans le air- cuit de terre. Cette résistance peut être en t@yrite, oonme on l'a dit plus haut.
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réalisa- %ion de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières, données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère res- trictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et marna @
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objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient celle elles dans le cadre de l'invention*
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"SELECTIVE DISCHARGE DEVICES.
The present invention relates to electric discharge devices operating by ionization of metal vapors in an enclosure in which a vacuum has been made, and which are characterized by their rapid response to abnormal voltages, by their low discharge impedance at during operation and by their rapid return to the normal state as soon as the overvoltage has discharged * The object of the invention is to provide a discharge device whose response has a certain character of selectivity for transient overvoltages.
The term transient voltage, applied to a disturbance or a discharge, has been used here to denote any electrical disturbance characterized by a relatively high variation in voltage, of atmospheric origin.
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for example, such as lightning, or even aided them with a stiff face
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It is desirable that the discharge devices used against overvoltages and generally referred to as lightning arresters, cannot operate when the voltage of the line or that of the device to which it is are connected, rises above the normal voltage within the safety limits,
but that they causing, on the contrary, the effective discharge of any transient voltage had the latter been able to damage the line or the devices to be protected *
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In accordance with the invention, the applicant Company has provided surge arresters (this term designating any device provided against overvoltages having characteristics such as transient overvoltages discharging m% e when they are inside the normal voltage of the system, while that they remain non-conductive at voltages double the normal voltage *
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or even higher, at the normal frequency or when it comes to normal variations in voltage * These characteristics, apparently incompatible, deriving from the method of construction of the device in which the overvoltage,
or any phenomenon at abnormal frequency, causes local ionization on one of the electrodes which acts as a discharge initiation element.
The novel features and the advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the drawings which
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accompanying it, given simply by way of non-limiting example, and in which:
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Figure 9ig * 1 is an elevational view, part in section, of the preferred embodiment of the invention, the apparatus was connected between a supply to be protected and the earth *
Figs-2 and 9 are elevations, partly in section, of variants of the invention *
Figs. 3 to 8 are schematic representations of the various circuits in which the apparatus may be used *
The apparatus shown in Fig. 1 has a glass envelope 2,
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silica f # duI, or any other suitable material.
It has cylindrical eleo-% ode8 3 and 4, mounted on conductors 5 and 6, the respective ends of which are b4mi-spUriquene Conductors 5 and 6 are sealed
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in the feet 7 and 8 in the usual way * A suitable connection going to the electrodes 3 and 4, which are made of hollow metal, copper or nickel for example, is shown at 9 for the electrode 4. The branches 10 supports 11 are fixed by electric welding or in any other way to the conductor 6 and to the electrode 4. In the example shown in Fig.l, the electrodes 3 and 4 are spaced approximately 0.5 cm apart. . to 2.5 cm., this distance depending on the operating conditions.
A cylinder 12 of glass, silica, or other suitable dielectric surrounds the electrodes 3 and 4 and is fixed to them. On the external face of the cylinder 12 are mounted metal conductors 13 and 14 adjacent to the electrodes, and constituting with them and with the interposed dielectric of the capacitor elements * On the conductors 13 and 14 are the auxiliary electrodes 15 and 16 passing through the cylinder 12.
These auxiliary electrodes, provided in the form of wires, come to an end very close to the end of the opposite electrode with which the respective auxiliary electrodes are coupled by capacitors *
The electrodes, conductors, casing and all other parts of the apparatus are entirely gas-free, having been treated by well-known degassing methods and the gases within the casing are at a low level. pressure so low that any ionization of the residual gas is impossible during an electric discharge between electrodes 3 and 4.
During the operation of the device, a discharge momentarily initiates in the form of a purely electronic discharge transforming into an arc by ionization of the vapor of the metal coming from the electrode * The main electrodes 3 and 4 are connected in the circuit to be protected, represented here by the conductor 18 and the earth at 19-
To simplify the explanation, we will only describe the phenomena relating to one pair of electrodes, but it is obvious that these phenomena are the same for the other pair of electrodes, subject to changing the sign of the potential, .
When a wave with a steep front, for example, or any transient discharge passes through the conductor 18, it raises the potential of the main electrode 3; the pilot electrode 16, adjacent to the preceding one, remains for a very short time at its initial potential, due to the capacitance existing between it and the electrode 4 * The voltage between the main electrode and the pilot electrode 16 then increases to reach a value n
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high enough to cause a discharge between these two electrodes.
This discharge or spark has a very low energy, but it is sufficient to carry out the ignition, by lowering the impedance of the space between the main electrodes 3 and 4.
The following example can be given as a particular illustration of a device analogous to that described, in which the main distance between electrodes is about 1 cm. and the auxiliary distances between each of the pilot electrodes and a main electrode of about 1/2 mm.
The capacitances by which the pilot electrodes are respectively coupled to the main electrodes are of the order of 20 microfarads. The breakdown tenskin between the main electrodes is approximately 70,000 volts or more, for alternating potentials stable or having the normal frequency.
However, with all the action of the pilot electrodes, a 20,000 volt steep front wave causes discharge in the main space, resulting in the production of a low voltage metallic vapor arc which completely discharges the wave. stiff brow-
The advantage of this method of construction over models without auxiliary electrodes is that the main electrodes can be separated by a greater distance for a given voltage, thus allowing a greater safety factor for the frequency. normal line! while the sensitivity of the device to waves with a steep front, depending on the spacing between the auxiliary electrodes and the associated main electrodes,
can be considerably increased it is therefore possible to realize a surge arrester which can be connected directly between a high voltage line and the earth, and which is insensitive to voltage variations on the line reaching twice the normal value, but which operates under the influence of overvoltage or steep front waves on the line, raising the voltage of said line by only 50%.
The space between the main electrodes is preferably chosen in such a way, with respect to the voltage and the inductance of the line and of the devices to be protected that the arc is extinguished after having discharged the. wave with a steep front, before any power currents of appreciable value coming from the line and the devices to be protected have been able to arise. It has also been found to be convenient and satisfying to use.
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read a gap between electrodes, such that the current of the line passes through the arrester during the remainder of the half-wave during which the wave with a steep front appears, but that this current is canceled at the end of this half-cycle. - period.
In Fig. 3, the device according to the invention is represented at 21 between the two conductors 22 and 23. Instead of a capacitor provided in the device, the figure shows two capacitors 24 and 28 arranged in the external circuits 26 and 27 respectively ,, plus the auxiliary electrode 15 and the main electrode 4, the auxiliary 16 and main electrodes 3
In some cases, it is advantageous to also provide a high resistance to equalize the potential of capacitors 25 and 24.
Such resistors have been shown in FIG. 4 at 28 and 29 'Inductive resistors can be used, as shown at 30 and 31st on the foot. 60
In some cases, it is also advantageous to use, instead of the capacities shown in Fig. 1, 3, 4 and 6, an auxiliary line tensioned parallel to the main line, so as to provide a sufficient distributed capacitance and a self-induction, as can be seen at 32 and 33 in FIG. 7.
In this case high resistances 35 and 36 can be placed in series respectively with the auxiliary conductors. In some cases the capacitance can be omitted, the auxiliary electrodes being connected through high resistors, with the opposite main electrodes, as shown at 37 and 38 in FIG. 5. These resistors are preferably of the type known under the name of thyrite described in Belgian Patent No. 352,309 of June 22, 928.
A @@ rs that in most cases it is possible to connect the discharge tubes, objects of the invention, directly between the line and the earth, as shown in Fig. 1, a burst distance can be arranged in series with this device, in certain cases, to obtain additional protection. Such a device is shown in FIG. 8 in which the discharge tube 21 is connected between the conductors 40 and 41, in series with the space between the rings 42 and 43 which are separated by the iso- -lateura 44.
A steep front wave between lines 40 and 41 initiates the discharge between rings 42 and 43, thereby causing an increase in potential between the main electrodes and the auxiliary electrodes, and
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a discharge in the tube 21, as described above. the main electrodes, preferably rounded, c = * la represents FIG. 1, can however be constructed us other forms.
Fig ± represents a variation in which the main electrodes 43 and 44 are flattened and supported at opposite ends of a plate or dielectric sheet 45 of glass, quartz or other suitable material. Hence this plate 45 is practical, at 46, an orifice which allows the passage of the main discharge * The main electrodes 43 and 44 and the auxiliary electrodes 47 and 48 can be fixed to the plate 45, by means of bolts and insulating supports 49-50 * The structure of these Insulators and adjacent parts is highlighted by the visible section 49.
The glass plate 45 has protrusions 51 and 52 which fit into the housings of one of the parts 53 consisting of a dielectric material such as lava or molten alumina. The part 54 of the isolator is pressed against the part 53 by a bolt 55 which fixes the two parts together by means of the éoroua 56 and 57 and the appropriate washers 58 and 59 * The electrodes 43 and 48 scat maintained in position against the glass plate 45 by the two parts of the insulator due to the tightening of nuts 56 and 57.
In some cases, it is advantageous to separate the plates from the inner conductor by an empty space. This construction is shown in Fig. 9 The main electrodes 3 and 4 are supported by tubular parts 61 and 62, inside which is placed a conductive covering or a sheet of metal constituting a plate of the capacitor, as shown at 63. Around the supports 61 and 62 is disposed a tube 64 on which are supported or deposited the corresponding electrodes of the internal capacitors, one of them being shown at 65.
Note that the empty space, as well as the solid dielectric layers are interposed between the plates of the inner capacitors. In this figure, the discharge tube is connected between a line 18 and earth 191 but, in this case, a resistor 66 has been provided in the earth cooker. This resistance can be in t @ yrite, as we said above.
Although several embodiments of the invention have been represented and described, it is obvious that one does not wish to be limited to these particular forms, given merely by way of example and without any restrictive character. and that consequently all the variants having the same principle and marna @
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object that the provisions indicated above, would come within the scope of the invention *