CN102301135A - 在顶部具有冷却器的风力涡轮机机舱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力涡轮机机舱,包括朝向风流的前端和相对于所述前端布置在下风位置的后端;具有在所述机舱的所述前端与所述后端之间的纵向延伸部的第一面,所述机舱的所述纵向延伸部具有总长度;由所述风流沿着所述第一面从所述前端到所述后端形成的速度边界层,所述速度边界层沿着所述第一面厚度增大,并且所述厚度在所述前端最小;以及从所述机舱的所述第一面延伸的自由流通冷却装置,所述自由流通冷却装置包括冷却区域。而且,所述冷却区域考虑到所述速度边界层的所述厚度被布置。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机机舱,该风力涡轮机机舱具有朝向风流的前端和相对于前端布置在下风位置的后端;具有在机舱的前端与后端之间的纵向延伸部的第一面,机舱的纵向延伸部具有总长度;由风流沿着第一面从前端到后端形成的速度边界层,速度边界层沿着第一面厚度增大,并且厚度在前端最小;以及从机舱的第一面延伸的自由流通冷却装置,自由流通冷却装置包括冷却区域。
本发明也涉及一种风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机通过利用设置在风力涡轮机的机舱内的设备中的发电机将风力转换为电能。当发电机转换能量时,在设备周围的壁和空气被加热并且设备本身因而也被加热。
当设备被加热时,进行转换的效率显著下降。为了冷却设备,在设备周围的壁和空气通过设置在机舱顶部的散热装置被冷却,如WO2008/131766A2所示。凉的外部空气通过散热装置并且冷却散热装置内的流体,流体随后用于冷却设备周围的壁或空气。
然而,这种冷却结构没有显示为是足够的有效,以便为风力涡轮机机舱的设备周围的壁和空气提供最佳冷却。
发明内容
本发明的目的是完全或部分地克服现有技术的上述缺点和不足。更具体地,目的是提供一种改进的风力涡轮机机舱,它能够比现有技术方案更加有效地冷却机舱内的发电机和其它设备。
通过以下描述将变得明显的上述目的以及多个其它目的、优点和特征通过根据本发明的方案实现,其中,冷却区域考虑到速度边界层的厚度被布置。
因此可以获得更有效的冷却,因为冷却装置已经考虑到速度边界层的高度并且因而是自由风流的高度被布置。因而,大量的风流过冷却装置,因为冷却装置的更大冷却区域可供风流过。
应注意的是,由于速度边界层的形成,速度沿着远离第一面的方向从零增大到自由流速度。因此,当冷却装置远离速度边界层布置时通过冷却装置的质量流量增大。而且,当冷却装置远离速度边界层布置时其热性能提高。
在本文中,术语“自由流通冷却装置”应理解为这样的装置,即,没有诸如风扇等的动力驱动设施被用于引导风流到冷却装置。而且,通过使用自由流通冷却装置,机舱的冷却系统变得更加可靠。而且,由于避免使用风扇等,实现更低的能量消耗。由于较少设备被布置在机舱上,机舱上的负载被最小化,并且由于不使用风扇等可以减小噪音。
在本发明一个实施例中,冷却区域可以被布置在距离所述机舱的所述后端的后方距离处和/或在距离所述机舱的所述第一面的升高距离处。
通过在距离所述机舱的所述后端的后方距离处或在距离所述机舱的所述第一面的升高距离处、或者在同时满足上述两者的位置处布置冷却装置并且因而是布置冷却区域,可获得更有效的冷却。由于考虑了速度边界层的高度,即,通过考虑到速度边界层布置冷却区域,可以更有效地利用冷却装置的功率,从而可以使用比现有技术中冷却装置的功率更小的冷却装置。
而且,所述后方距离和/或所述升高距离是可调节的。
这样,冷却装置的冷却区域可以调节到符合即时需求。应注意的是,冷却区域可以根据风流强度并且因而根据速度边界层的厚度沿着第一面向前或向后调节。冷却区域也可以根据风流强度并且因而根据速度边界层的厚度沿着远离第一面的升高距离调节,使得冷却区域以最可行的方式被使用,确保考虑到机舱的冷却需要、风况和温度可以被调节到符合即时需求的有效冷却。
在另一个实施例中,所述后方距离可以是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少15%、优选是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少30%。所述后方距离也可以是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少40%、优选是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少50%。
实验已经表明:当所述后方距离是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少15%、最优选是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少30%时,冷却更加均匀和有效并且冷却装置的更大区域可用于冷却。而且,是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少40%、甚至是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少50%也显示是有利的。
而且,用于风力涡轮机的冷却装置具有相当大的重量,并且通过远离机舱的后端因而是更接近机舱重心布置冷却装置,机舱上的负载并且因而是塔架上的负载可以减小。
当冷却装置被布置在机舱的第一面上时,由于速度边界层的形成,速度沿着竖直方向从零增大到自由流速度。因此,当冷却装置远离第一面布置在升高距离处时通过冷却装置的质量流量增大。当冷却装置远离第一面布置在升高距离处时其热性能提高。
此外,冷却装置的冷却区域的至少30%,优选冷却装置的冷却区域的至少50%,更优选冷却装置的冷却区域的至少75%可以设置在速度边界层上方。
而且,所述冷却装置可以大体垂直于所述机舱的所述第一面延伸。
当所述冷却装置大体垂直于所述机舱的所述第一面延伸时,风与所述冷却区域的纵向延伸部成大约90°的角度流向冷却装置,这导致最佳冷却。
此外,所述机舱的所述第一面相对于所述冷却装置在上风位置的一部分大体上没有突出部。
因此,风在其在机舱的第一面上流动的过程中不会被干扰,因而可以获得更有效的冷却。
而且,所述机舱可以包括具有至少一个内面的罩盖,所述冷却装置被所述机舱的所述第一面和所述罩盖的所述内面围绕。
通过将冷却装置围绕在罩盖内,风流被引向冷却装置,导致更有效的冷却以及更好的使用冷却装置的冷却区域。
在一个实施例中,所述罩盖可以具有两个侧向内面和顶部内面,所述冷却装置可以被所述机舱的所述第一面以及所述罩盖的所述两个侧向内面和所述顶部内面围绕。
因此,所述罩盖的横截面是大体方形的,因而可以在仍然保持所述罩盖与冷却区域之间距离的同时使用标准冷却装置。
此外,所述罩盖的所述内面可以沿着所述机舱的所述纵向延伸部并且大体垂直于所述冷却装置延伸。
所述罩盖因此能够以稳态流引导风,而不会不必要地改变风速轮廓线。
而且,所述罩盖可以具有前缘,所述冷却装置可以被布置在距离所述前缘的前方距离处。
此外,所述前方距离可以是至少440mm,优选至少600mm,更优选至少800mm,甚至更优选至少1000mm。
以距离所述前缘至少440mm的前方距离布置冷却装置能够进行更有效的冷却,冷却装置的功率因而可以更充分地被利用。此外,在罩盖内围住冷却装置并且在距离所述罩盖的前缘至少440mm处将冷却装置布置在罩盖内产生流向冷却装置的气流,冷却装置的冷却区域的功率因而也可以更充分地被利用。
在罩盖内围住冷却装置的另一优点因而是,罩盖可以给风力涡轮机机舱提供可识别的设计,其可用于确定风力涡轮机的制造商。
实验已经表明:当所述前方距离是至少440mm时冷却更均匀和有效,当所述前方距离是至少600mm时冷却仍然更均匀和有效,当所述前方距离是至少800mm时冷却仍然更均匀和有效,以及当所述前方距离是至少1000mm时冷却仍然更均匀和有效。
而且,所述前方距离可以是在600mm与1400mm之间,优选在1000mm与1100mm之间。
实验已经表明:与冷却装置的高度/宽度比无关,当冷却装置被布置在距离前缘在600mm与1400mm之间时可以获得最均匀和有效冷却。实验也已经表明:在1000mm与1100mm之间的前方距离将是优选的,而与冷却装置的高度/宽度比无关。
在另一个实施例中,所述罩盖的内面可以大体上没有突出部。但是,在某些情况下,凸缘可以布置在罩盖的内侧上以加强罩盖。
而且,冷却装置可以适合于冷却一个或多个风力涡轮机组件,诸如发电机、变压器、传动箱、频率转换器等。
在一个实施例中,冷却装置可以包括适合于与风进行热交换的冷却介质。冷却介质可以是水、油、空气或其它适合介质。
此外,第一面可以是机舱的顶面或机舱的侧面。在一个实施例中,机舱可以至少包括第一面、第二面和第三面,第一面是顶面,第二和第三面是侧面。
在另一个实施例中,所述罩盖可以具有从所述内面成角度地突出的凸缘,减小由所述第一面和所述内面限定的开口。
而且,机舱可以包括相互以一定距离布置的多个冷却装置,两个冷却装置之间的距离是在20mm与200mm之间,优选在50mm与150mm之间,更优选在80mm与120mm之间。
最后,本发明也涉及一种风力涡轮机,包括如上所述的风力涡轮机机舱。
附图说明
以下将参照附图对本发明以及其多个优点进行详细描述,附图的目的是用于显示一些非限定性实施例,其中:
图1显示了根据本发明的风力涡轮机机舱的示意侧视图;
图2显示了根据本发明的机舱的另一实施例的示意侧视图;
图3显示了根据本发明的机舱的又一实施例的示意侧视图;
图4以侧视图显示了根据本发明的风力涡轮机机舱的一部分;
图5显示了风力涡轮机机舱和罩盖的横截面视图的一部分;
图6显示了根据本发明的风力涡轮机机舱的另一实施例的一部分的侧视图;以及
图7显示了根据本发明的风力涡轮机机舱的另外实施例的示意后视图。
所有附图是高度地示意的并且不必是按比例的,它们仅显示为了解释本发明所必要的那些部分,其它部分被省略或仅被提及。
具体实施方式
风力涡轮机机舱1位于塔架20上并具有朝向轮轴(未示出)的前部,多个转子叶片(未示出),通常是三个转子叶片被固定到轮轴上。风力涡轮机机舱1容纳着发电机以及用于驱动风能向电能转换过程的其它设备--也称做传动系统。当发电时,传动系统产生大量热,导致转换过程的效率较低。
为了冷却机舱的设备和其它部件,在机舱1外侧布置有冷却装置3。如图1中箭头W所示的沿着机舱的纵向延伸部流动的风流过冷却装置3的至少一个冷却区域4、并且使冷却装置3内的流体冷却。被冷却的流体与机舱1的部件或将要被冷却的设备进行热交换。
以下将主要结合逆风风力涡轮机对本发明进行描述,逆风风力涡轮机即机舱相对于风力涡轮机叶片设置在下风位置的风力涡轮机。但是,本发明也可以有利地实施为顺风风力涡轮机,顺风风力涡轮机即机舱相对于风力涡轮机叶片设置在上风位置的风力涡轮机。
图1示意性地显示了整个风力涡轮机机舱1。风力涡轮机机舱1具有总长度lt,冷却装置3布置在距离机舱1的后端12的后方距离dr处。根据该创新思想,距离dr是风力涡轮机机舱1的总长度lt的至少15%,该距离是在没有轮轴的情况下测量的。
在其它实施例中,距离dr可以是风力涡轮机机舱的总长度lt的至少30%、是风力涡轮机机舱的总长度lt的至少40%、或是风力涡轮机机舱的总长度lt的至少50%。
箭头W显示了风向,因此显示了风流动方向。当风沿着机舱1的顶面2流动时,沿着顶面的摩擦将迫使风向上并且远离顶面流动,如箭头所示,从而形成速度边界层。因而,由于在该实施例中冷却装置3已经被朝着风向在机舱1的顶面2上向前移动,可获得更有效的冷却效率。而且,当冷却装置的冷却区域考虑到速度边界层的厚度被布置时由于可获得冷却装置3的更大冷却区域4供风流过,更大量的风将流过冷却装置3。
图2显示了具有第一面2的风力涡轮机机舱1的实施例,在这种情况下冷却装置3(虚线所示)被布置在机舱的该顶面上。冷却装置3被从机舱1的顶部延伸的罩盖5环绕。如图所示,冷却装置3与机舱1的第一面2大体垂直地突出。但是,在其它实施例中,冷却装置3可以从机舱1的第一面2成不同于90°的角度延伸以提供更优的冷却。
如从图2所看到的,罩盖5具有前缘9,该前缘与第一面2不垂直,而是相对于第一面稍微倾斜。前缘9和后缘15以这种方式倾斜。罩盖5从机舱1的侧面延伸、在机舱的第一面2上方横过并且以类似方式被固定到机舱1的另一侧面上。因此,罩盖5具有与机舱1的第一面2的纵向延伸部大体平行延伸的顶部部分。
罩盖5并且因而是罩盖的内表面6沿着机舱1的纵向延伸部并且与冷却装置3大体垂直地延伸。但是,罩盖壁可以逐渐减小以引导风进入冷却装置3,或者可以从罩盖的后缘15向着前缘9逐渐减小。
而且,冷却装置被布置在距离机舱1的后端12后方距离dr处。在所示实施例中,后方距离dr是机舱1的总长度lt的大约20%。
在图3中,显示了风力涡轮机机舱1的另一实施例。冷却装置3(虚线所示)在该实施例中也被从机舱1的第一面2延伸的罩盖5环绕和围绕。前缘9朝向如箭头W所示的风向,并且在该实施例中大体垂直于第一面2。罩盖5也具有后缘15。罩盖5并且因而是罩盖的内表面6沿着机舱1的纵向延伸部并且与冷却装置3大体垂直地延伸。
因而,冷却装置3被布置在距离机舱的后端12的后方距离dr处。在图3所示实施例中,后方距离dr是机舱1的总长度lt的大约40%。
图4显示了具有第一面2的风力涡轮机机舱1的局部示意图,冷却装置3(虚线所示)被布置在该第一面上。罩盖5的前缘9朝向如箭头W所示的风向,并且在该实施例中与第一面2不垂直,而是相对于第一面稍微倾斜。前缘9和后缘15以这种方式倾斜。应注意的是,罩盖5的前缘9向着冷却装置3倾斜。在另外的未示出实施例中,前缘9可以远离冷却装置3倾斜。
在该实施例中,距离罩盖5的倾斜前缘9的前方距离df是前缘9与冷却装置3之间的最短距离。冷却装置3具有沿着机舱1的纵向延伸部的中间部分。前方距离df是从该中间部分测量的。
罩盖5被固定到风力涡轮机机舱1的侧面、并且在向上且平行于风力涡轮机机舱的侧面延伸之前垂直于风力涡轮机机舱的侧面延伸,导致在机舱的侧面与罩盖的内表面6之间形成空间(未示出)。
通过将罩盖5固定到风力涡轮机机舱的侧面上,沿着机舱的第一面2即顶面流动的风的风速轮廓线不改变。而且,罩盖5能够盖住没有适当美学外观的任何元件。
在一个实施例中,风力涡轮机机舱1的罩盖5可以设计成使得罩盖5的内表面6并且因而是前部部分(未示出)向着冷却装置3逐渐减小。在该实施例中,罩盖5的外壁保持平直,意味着外壁的形状保持不变,罩盖5因而还是显示为光滑的、完整的表面。这样,风在罩盖内被引导流过冷却区域。
在另一个实施例中,罩盖5的前部部分(未示出)也向着冷却装置3逐渐减小。但是,在该实施例中,罩盖5的前部部分的壁向着冷却装置3逐渐减小,因此,罩盖5因此能够在罩盖内引导风流过冷却区域4。
由于罩盖5以及风力涡轮机机舱1的顶面2围绕冷却装置3,风在罩盖5内被引导。
冷却装置被罩盖和机舱的顶面环绕。但是,罩盖在相对于风向的冷却装置的前方是敞开的。这样,沿着机舱的顶面自由流动的风也能够在罩盖5下方自由流动。而且,罩盖在冷却装置的后方是敞开的使得风可以流过冷却装置并且通过罩盖的后方开口流出。因此,在冷却装置的前方和后方没有阻碍风自由流动的罩盖。罩盖仅在冷却装置的顶部和侧面覆盖冷却装置。
在如上所述实施例中,罩盖5被固定到风力涡轮机机舱1的顶部部分上。但是,在另外实施例中,罩盖5可以被固定到风力涡轮机机舱1的侧面更下方的位置。它甚至可以靠近机舱1的底部固定,并且可以至少部分地围绕风力涡轮机机舱的底部。
风力涡轮机机舱1的后部部分15可以具有任何种类的形状。因而,它可以是圆的、向上或向下倾斜的、或是竖直的平直表面,使得该端面与风力涡轮机机舱1的纵向延伸部垂直。
为了示意的目的,机舱1的形状仅被勾画出来。实际上,机舱常常在形状方面是高度流线型的并且可以具有圆角而不是显现为方形盒状。而且,机舱的侧面可以是凹形的或凸形的。机舱甚至可以具有大体圆柱形配置(未示出)。
此外,风力涡轮机机舱1的第一面2即顶面和底面可以向着轮轴或向着机舱的后部部分逐渐减小。
图5显示了风力涡轮机机舱1的罩盖5和顶部部分的部分横截面示图。冷却装置3被布置在风力涡轮机机舱1的顶部上,用于冷却风力涡轮机机舱的部件或其中的设备的流体在冷却区域4中的管道内流动。冷却装置3通过两个管连接11与机舱1连接,管道在其中延伸。
图5的罩盖5被固定到风力涡轮机机舱1的侧面、并且在向上且平行于风力涡轮机机舱的侧面延伸之前垂直于风力涡轮机机舱的侧面延伸,导致在机舱的侧面与罩盖的内表面6之间形成空间25。
通过将罩盖5固定到机舱1的侧面上,沿着机舱的第一面2即顶面流动的风的风速轮廓线不改变。而且,罩盖5能够盖住没有适当美学外观的任何元件。
罩盖5连同第一面2围绕冷却装置3。在该实施例中,罩盖5具有呈现为两个侧向内面12和顶部内面形式的内面6。冷却区域4设置在距离内面6一定距离处。在该实施例中,内面6与冷却区域4之间的距离构成间隙8,风流过间隙8,在冷却区域的后侧形成湍流,以吸引风流过冷却区域。
上述的冷却装置3可以是任何类型的冷却器、散热装置或热交换器,其中,诸如风的第一流体冷却诸如冷却剂、致冷剂或类似流体的第二流体。在优选实施例中,冷却装置3是自由流通冷却器,即,冷却区域4周围的风由其自由地通过并且以该种方式冷却在冷却装置的管道内流动的流体的散热装置。
在图6中,冷却装置3的冷却区域4布置在距离机舱1的第一面2的升高距离de处。速度边界层35沿着机舱1的第一面2形成,并且在本发明的该实施例中,整个冷却区域4布置在速度边界层35上方。在其它实施例中,冷却装置3可以设置机舱1的后端附近并且可以处于距离第一面更高的升高距离处。
在图7中,从后方显示了风力涡轮机机舱1。机舱1包括第一面2即顶面、第二面30和第三面31即两个侧面。在该实施例中,冷却装置3被布置在机舱1的所有面2、30、31上,处于距离机舱1的面2、30、31的不同升高距离处。
根据该创新思想,冷却装置3可以被可调节地布置使得它可以考虑到速度边界层被调节。冷却装置3可以例如被布置在冷却装置能够在其上移动的构架上,使得升高距离de可以被改变。冷却装置3也可以被布置在第一面的轨道上,以便它可以考虑到机舱的第一面上给定位置处速度边界层的厚度而沿着第一面移动。
机舱也可以包括并排布置以形成一个冷却表面的多个冷却装置。多个冷却装置可以作为串联或并联回路连接到冷却系统。一个冷却装置可以连接到冷却传动系统中一些元件的一个冷却回路,另一冷却装置可以连接到冷却传动系统中元件的其它部分的另一冷却回路。多个冷却装置可以通过阀连接,阀可以流体地断开两个冷却装置,使得它们形成两个单独冷却回路的一部分,因而它们可以冷却机舱中的不同元件或区段。
多个冷却装置也可以布置成具有形成它们之间空间的相互距离,使得风可以在该空间中在两个冷却装置之间流动。两个冷却装置之间的距离可以在20与200mm之间,优选地在50与150mm之间,并且更优选地在80与120mm之间。
根据该创新思想,每个冷却装置可以在机舱的高度/长度方向单独地被调节,使得如果一个区段即组件比机舱中其它区段/组件需要更多冷却时,专用于冷却该特定区段的单个冷却装置可以考虑边界层的形成在长度方向上被提升和/或移动,结果,多个冷却装置的冷却区域更好地被利用。
风力涡轮机意味着能够将风力转换为电能的任何类似的设备,诸如风力发电机、风力单元(WPU)、或风能转换器(WEC)。
结果已经结合本发明优选实施例对本发明进行了描述,对本领域技术人员明显的是,在不脱离权利要求限定的本发明范围的情况下可以设想几种修改。
Claims (15)
1.一种风力涡轮机机舱,包括:
朝向风流的前端和相对于所述前端布置在下风位置的后端;
具有在所述机舱的所述前端与所述后端之间的纵向延伸部的第一面,所述机舱的所述纵向延伸部具有总长度;
由所述风流沿着所述第一面从所述前端到所述后端形成的速度边界层,所述速度边界层沿着所述第一面厚度增大,并且所述厚度在所述前端最小;以及
从所述机舱的所述第一面延伸的自由流通冷却装置,所述自由流通冷却装置包括冷却区域;
其中,所述冷却区域考虑到所述速度边界层的所述厚度被布置。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述冷却区域被布置在距离所述机舱的所述后端的后方距离处和/或在距离所述机舱的所述第一面的升高距离处。
3.如权利要求2所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述后方距离和/或所述升高距离是可调节的。
4.如权利要求1-3任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述后方距离是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少15%、优选是所述风力涡轮机机舱的所述总长度的至少30%。
5.如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述冷却装置大体垂直于所述机舱的所述第一面延伸。
6.如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述机舱的所述第一面相对于所述冷却装置在上风位置的一部分大体上没有突出部。
7.如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述机舱包括具有至少一个内面的罩盖,所述冷却装置被所述机舱的所述第一面和所述罩盖的所述内面围绕。
8.如权利要求7所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述罩盖具有两个侧向内面和顶部内面,所述冷却装置被所述机舱的所述第一面以及所述罩盖的所述两个侧向内面和所述顶部内面围绕。
9.如权利要求7或8所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述罩盖的所述内面沿着所述机舱的所述纵向延伸部并且大体垂直于所述冷却装置延伸。
10.如权利要求7-9任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述罩盖具有前缘,所述冷却装置被布置在距离所述前缘的前方距离处。
11.如权利要求10所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述前方距离是至少440mm,优选至少600mm,更优选至少800mm,甚至更优选至少1000mm。
12.如权利要求10或11所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述前方距离是在600mm与1400mm之间,优选在1000mm与1100mm之间。
13.如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,所述罩盖具有从所述内面成角度地突出的凸缘,减小由所述第一面和所述内面限定的开口。
14.如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱,其特征在于,还包括相互以一定距离布置的多个冷却装置,两个冷却装置之间的距离是在20mm与200mm之间,优选在50mm与150mm之间,更优选在80mm与120mm之间。
15.一种风力涡轮机,包括如上述权利要求任一所述的风力涡轮机机舱。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20111228 |