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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines Flachmaterials aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Werkstoff, z. B. einer Bramme, eines Walzbandes oder einer Platte, durch Induzieren von Wirbelströmen in dem Flachmaterial mittels mindestens einer Spulenanordnung mit Gleichstrom führenden Wicklungen, die ein das Flachmaterial zumindest teilweise durchsetzendes Magnetfeld erzeugen und durch eine Relativbewegung zwischen dem Flachmaterial und dem Magnetfeld. Die Erfindung betrifft desweiteren eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Stellvertretend für das eingangs genannte Flachmaterial wird im Folgenden überwiegend der Begriff „Bramme” benutzt. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich insbesondere für Brammen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und Kupfer oder Kupferlegierungen, die zur Weiterverarbeitung, insbesondere zum Walzen, auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden müssen.
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Aus der
US-A-4 315 124 ist es bekannt, die Bramme hierzu auf einer Rollenstraße langsam durch einen Ofen zu fördern, welchen die Bramme zwischen Spulenanordnungen durchläuft, die oberhalb und unterhalb der Bramme montiert und mit Wechselstrom gespeist sind.
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Aus der
US-A-4 307 276 ist es bekannt, ein Stahlrohr in dem Magnetfeld einer wechselstromgespeisten Spulenanordnung induktiv zu erwärmen, die das Stahlrohr vollständig umgibt.
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Aus der
US-A-4 761 527 sind zahlreiche Ausführungsformen von Vorrichtungen zum induktiven Erwärmen von Halbzeugen oder Werkstücken durch Bewegen in einem statischen oder Gleichmagnetfeld bekannt. In einer Ausführungsform wird ein Flachmaterial entweder zwischen oberhalb und unterhalb dessen befindlichen Polstücken einer Spulenanordnung translatorisch transportiert oder umgekehrt die Spulenanordnung translatorisch gegenüber dem ruhenden Flachmaterial bewegt.
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Aus der
EP-B-1 582 091 ist es bekannt, einen Knüppel aus elektrisch leitendem, nicht magnetischem Werkstoff im Inneren einer den Knüppel konzentrisch umgebenden Spulenanordnung mit supraleitenden Windungen in Drehung zu versetzen und auf diese Weise in dem erzeugten Gleichmagnetfeld induktiv zu erwärmen.
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Die induktive Erwärmung mittels wechselstromgespeister Spulenanordnungen, also die Erzeugung von Kurzschlussströmen mittels eines magnetischen Wechselfeldes, hat den Nachteil, dass erhebliche Ohmsche Verluste in der Wicklung der Spulenanordnung(en) sowie Ummagnetisierungsverluste und Wirbelstromverluste auch im Eisen der Spulenanordnung(en) entstehen. Bei einer üblichen Brammenbreite von 150 cm bei 500 cm Länge und einer Dicke von z. B. 20 mm ist zur Erwärmung z. B. von Raumtemperatur auf 480°C innerhalb einer akzeptablen Zeit von z. B. 8 Minuten eine in die Bramme induzierte Leistung von etwa 400 kW erforderlich.
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Bei induktiver Erwärmung durch translatorisch reversierenden Transport z. B. einer Bramme in einem Gleichmagnetfeld würde sich zwar die Verlustleistung in der Spulenanordnung im Wesentlichen auf das Produkt aus dem Wicklungswiderstand und dem Quadrat des Spulenstromes verringern, aber trotzdem eine intensive Kühlung, üblicherweise durch Verwendung von wasserdurchströmten Kupferrohren für die Wicklung der Spulenanordnungen erfordern. Entgegen steht aber vor allem der zumal bei „großen” Werkstücken (wie Brammen) außerordentlich große Aufwand zur Realisierung eines hinreichend schnellen, reversierenden Transports des Werkstücks.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung zu vereinfachen und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spulenanordnung um eine zu den Großflächen des Flachmaterials rechtwinklige Z-Achse (Hochachse) drehangetrieben wird, und dass das Flachmaterial gegen Drehung um die Z-Achse gesichert wird.
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Bei diesem Verfahren werden in der Bramme die diese erwärmenden Wirbel- oder Kurzschlussströme und die durch letztere erzeugte Heizleistung nicht durch translatorische sondern durch rotierende Bewegungen der Spulenanordnung erzeugt. In Anbetracht der zu bewegenden Massen ist die rotierende Bewegung der Spulenanordnung konstruktiv sehr viel einfacher zu bewerkstelligen als eine schnelle translatorische und reversierende Bewegung entweder des Flachmaterials oder der Spulenanordnung.
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Bevorzugt wird das Magnetfeld mittels supraleitender Wicklungen der Spulenanordnung erzeugt. Hierfür geeignete, supraleitende Drähte und Bänder sind Stand der Technik. Die erhebliche Verlustleistung, die in Form von Abwärme in einer Spulenanordnung mit normal leitender Wicklung entsteht, wird auf diese Weise eingespart. Bei einer Anlage mit einer Anschlussleistung von z. B. 500 kW (die Summe aus elektrisch erzeugter mechanischer Antriebsleistung für den Drehantrieb und elektrischer Leistung zur Erzeugung des Magnetfeldes) beträgt die Einsparung an elektrischer Leistung durch Verwendung einer Spulenanordnung mit supraleitenden Wicklungen ca. 250 kW. Besonders bevorzugt sind die Wicklungen aus hochtemperatursupraleitendem Material, denn dann kann die Spulenanordnung statt mit flüssigem Helium mit flüssigem Neon oder sogar mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, so dass der Leistungsbedarf für die Kühlung entsprechend geringer ist.
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Bei einer Spulenanordnung mit supraleitenden Wicklungen erfolgt die Kühlung vorzugsweise über eine Hohlwelle mittels eines der genannten Kältefluide, das im Kreislauf zwischen einem stationären Kälteaggregat und der Spulenanordnung geführt wird.
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Eine zusätzlich Energieersparnis wird erzielt, wenn nur die Wicklungen der Spulenanordnung gekühlt werden. Am besten werden hierzu die Wicklungen über Metallbrücken hoher Wärmeleitfähigkeit mit der kalten Seite eines Wärmetauschers verbunden, der im Zentrum der Spulenanordnung montiert ist.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst eine Spulenanordnung, die um eine zu den Großflächen des Flachmaterials rechtwinklige Z-Achse drehangetrieben ist und Haltevorrichtungen, die das Flachmaterial gegen Drehung um die Z-Achse sichern.
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Die Spulenanordnung kann eine Trägerplatte umfassen, auf der symmetrisch zu der drehangetrieben Achse mindestens zwei und vorzugsweise drei oder mehr Spulen sitzen, von denen jede einen ferromagnetischen Kern mit einer dem Flachmaterial zugewandten Polfläche und einer Wicklung umfasst.
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Vorzugsweise sind die Pole benachbarter Spulen gegensinnig magnetisiert, weil dadurch die Induktion in dem Flachmaterial erhöht wird. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass die Wicklungen benachbarter Spulen mit gegensinniger Stromflussrichtung betrieben werden. Dies kann entweder durch gegensinnige Speisung der Wicklungen oder durch gegensinnigen Wicklungssinn mit gleichsinniger Speisung der Wicklungen erreicht werden.
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Um sicherzustellen, dass ein großer Teil des Magnetflusses in das Flachmaterial eindringt, soll der Abstand zwischen den Polflächen der Spulen mindestens das Dreifache des Luftspaltes zwischen diesen Polflächen und dem Flachmaterial sein.
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Die Trägerplatte, auf der die Spulen sitzen, ist vorzugsweise als magnetischer Rückschluss für die von dem Flachmaterial abgewandten Pole der Spulen ausgebildet.
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Zur weiteren Erhöhung der Induktion in dem Flachmaterial kann auf der von der Spulenanordnung abgewandten (unteren) Großfläche des Flachmaterials, von letzterem um einen Luftspalt beabstandet, eine magnetische Rückschlussplatte angeordnet sein.
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Eine noch höhere Induktion wird erreicht, wenn sich auf der von der Spulenanordnung abgewandten Großfläche des Flachmaterials, von diesem ebenfalls um einen Luftspalt beabstandet, eine zweite, im Wesentlichen gleichartige rotierende Spulenanordnung befindet.
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Aus den oben erläuterten Gründen sind die Wicklungen der Spulenanordnung supraleitend, vorzugsweise hochtemperatursupraleitend.
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Die Drehachse der Trägerplatte ist vorzugsweise als Hohlwelle ausgebildet, die koaxial eine Hin und eine Rückleitung für ein Kältefluid, mindestens zwei Leiter zur Speisung der Spulenwicklungen und ein Rohr umschließt, das einen kälteisolierenden, evakuierten Ringraum begrenzt, wobei an dem von der Trägerplatte abgewandten Ende der Hohlwelle eine ruhende Kältemaschine angeordnet ist, die das Kältefluid in einem Kreisprozess zur Verfügung stellt.
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Am besten ist gleichachsig zu der die Trägerplatte antreibenden Welle bzw. Hohlwelle und parallel versetzt zu dieser ein Elektromotor angeordnet, der mit der Welle bzw. Hohlwelle in Antriebsverbindung steht. Wegen des hohen Wirkungsgrades von Elektromotoren, insbesondere Drehstrom- bzw. Drehfeldmotoren, ist die in das Flachmaterial eingetragene Wärmeleistung fast gleich der elektrischen Leistung, mit der der Elektromotor betrieben wird. Diese elektrische Leistung lässt sich über einen die Drehzahl des Elektromotors bestimmenden Frequenzumrichter sehr einfach regeln.
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Auf die Spulenkerne wirken erhebliche Flieh- und Magnetkräfte. Zur mechanischen Sicherung können die Spulenkerne deshalb über mindestens eine nichtmagnetische Verstärkungsplatte verbunden sein.
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Die Wicklungen der Spulen sind, wenn sie supraleitend sind, von einem gemeinsamen Kryostaten umgeben, der für jeden Spulenkern eine nicht gekühlte Durchführung hat. Im Vergleich zu einer Kühlung jeder Spule und noch mehr im Vergleich zur Kühlung der gesamten Spulenanordnung wird dadurch erhebliche Kälteleistung gespart.
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Zur Kühlung kann die Spulenanordnung eine zentrale Verdampfungseinheit umfassen, die als Wärmetauscher (sog. Kaltkopf) ausgebildet ist, mit dem jede Wicklung über eine Metallbrücke hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden ist.
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Die Spulenanordnung und das Flachmaterial, z. B. die Bramme, können in mindestens einer Richtung relativ zueinander translatorisch verschiebbar sein. Durch eine translatorische Verschiebung in Längsrichtung der Bramme kann letztere gleichmäßig über ihre gesamte Länge auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Wenn die Breite der Bramme größer als der Durchmesser der rotierenden Spulenanordnung ist, kann durch eine translatorische Verschiebung quer zu der Bramme eine gleichmäßige Erwärmung auch über die gesamte Breite erreicht werden.
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Vorzugsweise liegt das Flachmaterial auf einem Linearförderer auf, z. B. einem Rollengang, der mindestens im Bereich der rotierenden Spulenanordnung aus nicht magnetischen Werkstoffen ist.
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In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung anhand einer beispielhaft gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:
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1: eine Prinzipskizze der Vorrichtung,
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2: eine perspektivische Darstellung mit nur einer Spulenanordnung,
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3: eine Spulenanordnung wie in 2 mit weiteren Einzelheiten im Halbschnitt,
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4: einen Ausschnitt aus der Spulenanordnung in 3 in vergrößertem Maßstab und
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5: die Vorrichtung einschließlich einiger ihrer Nebenaggregate
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1 veranschaulicht nur das Prinzip. Eine Bramme 1 befindet sich zwischen einer ersten Spulenanordnung 2 und einer zweiten Spulenanordnung 3. Beide Spulenanordnungen 2, 3 sind um eine zu den Großflächen der Bramme 1 rechtwinklige Achse Z drehangetrieben. Die Spulenanordnung 2 umfasst eine ferromagnetische Trägerplatte 20, auf der symmetrisch zu der Achse Z zwei Spulen 21 und 24 sitzen, von denen jede einen ferromagnetischen Kern 22 bzw. 25 mit einer der Bramme 1 zugewandten Polfläche und einer supraleitenden Wicklung 23 bzw. 26 umfasst. Die Spulenanordnung 3 hat die gleiche Konstruktion. Die ferromagnetischen Kerne sowohl der benachbarten Spulen 21 und 22 auf der gleichen Trägerplatte 20 als auch der in Bezug auf die Bramme 1 gegenüberliegenden Spulen der Spulenanordnung 3 sind gegensinnig magnetisiert. Dadurch entstehen die Bramme 1 durchsetzende, gegensinnige Magnetflüsse, die durch die Pfeile B symbolisiert sind. Der Abstand L zwischen den Polflächen der Spulenkerne sollte bei mindestens etwa dem Dreifachen des Luftspaltes zwischen diesen Polflächen und der Bramme 1 liegen um den Anteil des Feldes, der, ohne die Bramme 1 zu durchsetzen, sich unmittelbar von Polfläche zu Polfläche schließt, möglichst klein zu halten. Die Luftspalte d sind übertrieben groß gezeichnet. Die Bramme 1 kann ruhen oder sich in der Ebene ihrer Großflächen, z. B. in der Richtung X, langsam bewegen. Sie ist gegen Mitnahme, also Drehung um die Z-Achse infolge der magnetischen Wechselwirkung mit den rotierenden Spulenanordnungen 2, 3 durch nicht dargestellte Haltevorrichtungen an den (seitlichen) Rändern der Bramme 1 gesichert.
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Zwar führen zwei zu der Bramme 1 symmetrische Spulenanordnungen wie 2, 3 zu sehr hohen Magnetflüssen B durch die Bramme 1 hindurch und folglich bei Drehung der Spulenanordnungen um die Achse Z zu erheblich höheren in der Bramme 1 induzierten Wirbelströmen als im Fall nur einer, mit der gleichen Drehzahl angetriebenen Spulenanordnung; in der Regel wiegt jedoch der Aufwand für eine zweite Spulenanordnung wie 3 die damit erzielte Verkürzung der Aufheizzeit der Bramme 1 nicht auf.
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Wirtschaftlicher ist deshalb eine Vorrichtung in der Ausführungsform gemäß 2, das heißt mit nur einer Spulenanordnung 2 oberhalb der Bramme 1. Mit anderen Worten kann die zweite Spulenanordnung entweder entfallen oder, besser, durch eine von der unteren Großfläche der Bramme 2 um einen kleinen Luftspalt beabstandete, ferromagnetische Rückschlussplatte (in dieser Darstellung nicht sichtbar) ersetzt werden. Auf der Trägerplatte 20 in 2 sind sechs Spulen wie 21 mit ihren ferromagnetischen Kernen wie 22 und ihren Wicklungen wie 23 nahe dem Außenumfang der Trägerplatte 20 angeordnet. Die Anzahl der Spulen richtet sich vor allem auch nach dem Durchmesser der Trägerplatte 20. Deren Durchmesser kann an die Breite der Bramme angepasst sein. Bei großem Durchmesser kann ein weiterer Satz Spulen auf der verbleibenden Fläche der Trägerplatte angeordnet sein (nicht dargestellt). Zur Anpassung an unterschiedliche Brammendicken kann die Spulenanordnung 2 zusätzlich zu ihrer Drehung um die Achse Z längs dieser Achse verschiebbar bzw. heb- und senkbar sein (Doppelpfeil P).
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Damit die Eindringtiefe des Magnetfeldes in die Bramme 1 nicht infolge des Skineffektes zu klein wird, kann die Drehzahl der Spulenanordnung 2 nicht wesentlich höher als 500 bis 800 U/min sein. Maßgebend für die obere Drehzahlgrenze sind auch die Art des Werkstoffes der Bramme 1 und deren Dicke. Die Wicklungen wie 23 sind einzeln oder gemeinsam über Zuleitungen gespeist, die durch eine als Hohlwelle 30 ausgeführte Antriebswelle der Spulenanordnung 2 geführt sind und an Schleifringen enden (nicht dargestellt).
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Akzeptable Aufheizzeiten erfordern eine magnetische Flussdichte von wenigstens 0,1 T und vorzugsweise mehr als 0,5 T in der Bramme, bei einer Drehzahl der Spulenanordnung 2 von einigen hundert Umdrehungen pro Minute. Weil die zur Erzielung dieser Flussdichte notwendige, hohe Amperewindungszahl wegen des beschränkten Wickelraumes nur durch hohe Ströme erreicht werden kann, entsteht im Fall normal leitender Wicklungen in jeder Spule eine sehr hohe Verlustwärme, die durch (Wasser-)Kühlung abgeführt werden muss.
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Deshalb sind die Wicklungen wie 23 supraleitend ausgeführt. Eine entsprechende Spulenanordnung zeigen die 3 und 4 im Schnitt. Die Trägerplatte 20 ist drehfest mit der Hohlwelle 30 verbunden. Auf der Trägerplatte 20 sind die Spulenkerne wie 22 befestigt. Jeder Spulenkern hat eine Wicklung 23 aus einem supraleitenden, insbesondere hochtemperatursupraleitenden und bandförmigen Leiter. Die Spulen sind von einem gemeinsamen Kryostaten 40, der Ausnehmungen, sog. Warmbohrungen, für die Spulenkerne wie 22 hat, umgeben, so dass für diese keine Kühlleistung aufgewendet werden muss. Jede Wicklung ist über einen sogenannten thermischen Bus 51 z. B. aus massivem Kupferband gekühlt, der mit einer zentralen Verdampfungseinheit 50 verbunden ist. Der Verdampfungseinheit 50 wird über ein konzentrisch von der Hohlwelle 30 umschlossenes Kühlmittelrohr 31 flüssiges Kühlmittel, z. B. Neon oder Stickstoff, aus einer externen, ortsfesten Kältemaschine (nicht dargestellt) über an sich bekannte Drehverbindungen zugeführt. Das verdampfte Kühlmittel wird über den Ringraum zwischen der Hohlwelle 30 und dem Kühlmittelrohr 31 rückgeführt. In diesem Ringraum verlaufen auch die Stromzuführungen zu den Wicklungen wie 23.
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Der verbleibende freie Raum auf der Trägerplatte 20 ist z. B. mit Gießharz ausgefüllt. An ihren der Trägerplatte 20 abgewandten Enden, d. h. im Bereich ihrer der Bramme 1 zugewandten Polflächen wie 22.1, sind die Spulenkerne in einer gemeinsamen Verstärkungsplatte 60 formschlüssig aufgenommen. Die Verstärkungsplatte 60 ist aus nichtmagnetischem, nichtleitendem Material und dient zur Aufnahme der erheblichen Flieh- und Magnetkräfte, die auf die Spulenkerne wirken.
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5 zeigt die Bramme 1 mit der darüber angeordneten Spulenanordnung 2, deren Hohlwelle 30 wegen der erheblichen im Betrieb auftretenden Rückwirkungskräfte in einem massiven Maschinenrahmen 70 gelagert ist. Der Maschinenrahmen 70 kann z. B. brückenartig auf nicht dargestellten Fundamenten und Ständern über der Bramme 1 angeordnet sein, die auf einem ebenfalls nicht gezeichneten, üblichen Horizontalförderer oder einem festen Fundament gegen Verdrehung gesichert aufliegt. Der Maschinenrahmen 70 trägt auch das externe Kühlaggregat 80 und den Elektromotor 90 der, gegebenenfalls über ein Getriebe, die Hohlwelle 30 und damit die Spulenanordnung 2 antreibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4315124 A [0003]
- US 4307276 A [0004]
- US 4761527 A [0005]
- EP 1582091 B [0006]
