EP0769656A1 - Perfectionnement apportés à un brûleur de chauffe-eau, chauffe-bain, chaudière à gaz - Google Patents

Perfectionnement apportés à un brûleur de chauffe-eau, chauffe-bain, chaudière à gaz Download PDF

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EP0769656A1
EP0769656A1 EP96402197A EP96402197A EP0769656A1 EP 0769656 A1 EP0769656 A1 EP 0769656A1 EP 96402197 A EP96402197 A EP 96402197A EP 96402197 A EP96402197 A EP 96402197A EP 0769656 A1 EP0769656 A1 EP 0769656A1
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flame
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Gilles Leclerc
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78—Cooling burner parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/045—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with a plurality of burner bars assembled together, e.g. in a grid-like arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/10—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with elongated tubular burner head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means

Definitions

  • the present invention relates to a device intended to equip boilers with gas supply. It relates more particularly to the burners equipping water heaters, bath heaters and gas boilers and which carry out within a chamber, natural or assisted combustion of a premix consisting of an oxidizer, in particular of air, and a fuel, in particular of the gas type.
  • the burner, object of the invention seeks to achieve both a double objective, on the one hand a reduction of the pollutant emissions from the flames, and on the other hand a stabilization of the flames, while respecting the optimal physical conditions and combustion mechanics.
  • the shape and the reduced size of the nozzle require for the same overall power delivered to increase the number of nozzles and therefore the number of primary air injection points. They also make it possible to develop burners of variable power from an assembly by juxtaposition of different batteries of burner burners placed in parallel or staggered.
  • the burner burners thus designed also have orifices connected to each other by a network of conduits which make possible the circulation of a heat transfer fluid for cooling the assembly.
  • Known burner devices generally comprise a battery of ramps obtained by stamping a metal sheet and at the top of which the combustion of fuel, in particular gas, is carried out within an oxidizer, particularly air.
  • the burner arrangements are not optimal for the conduct of combustion, mainly in terms of the stability of the flame and its homogeneity. In addition, they most often require working with a low primary air rate much lower than the rate corresponding to stoichiometry.
  • the present invention therefore aims to remedy these drawbacks by proposing a burner device such that the secondary air arrives in a way which minimizes the time necessary for the complete combustion of the gaseous mixture present at the outlet of the burner, this mixture being composed in adequate proportion of a fuel to ignite and of the primary combustion air associated with it, thus making it possible to stabilize and catch the flames at the outlet of the burner.
  • the atmospheric burner object of the invention, is characterized in that it consists of at least one venturi tube, feeding in air-gas pre-mixture at least one chamber which is covered by an outlet of flame with a rounded profile, said chamber also having a nipping area between the flame outlet and the venturi tube.
  • the front part of this mixing chamber is intended to receive in particular, by interlocking, by slide, preferably relatively sealed, a cover 11 made of a material compatible with the proximity of the flame, for example stainless steel, and provided with orifices 12.
  • This cover 11 constitutes the flame outlet and has an upper surface whose profile is rounded.
  • a cylindrical flame outlet is preferably used because it allows a stable, "off-hook” flame to be obtained, thus generating little pressure drop over the flow of the air-gas mixture and a low temperature. reducing NOx levels, by the low heat exchange between an "off the hook" flame and the upper surface of the nozzle.
  • the orifices 12 arranged uniformly on the cylindrical flame outlet 11 consist of slots 13 transverse to the longitudinal axis of the flame outlet.
  • the cylindrical flame outlet has at its top a strip of material 14 in order to separate the slots in two according to a quadrant.
  • the geometrical configuration, the distribution, the dimensions of the slots 13 are adjusted as a function of the flame stability requirements and the desired surface power.
  • the side of the flame outlet has, at its zones of contact with the venturi tube, side walls 15 allowing interlocking according to the interior or the exterior of the wall of the venturi tube, these walls 15 according to a second embodiment can be folded to conform to slides.
  • the ends 16 of the side walls 15 of the flame outlet 11, in an interlocking mounting mode have a cutout 16, so as to produce flexible lugs 17; these allow both to improve the mechanical strength of the assembly, and the exchange of calories with the surrounding environment.
  • the quality of the thermal contact between the flame outlet and the spout body will be compatible with the thermal flow to be evacuated.
  • the flame outlet may be made of tinned stainless steel so that, during operation, the film d tin ensures a continuous and homogeneous brazing between the flame outlet and the spout burner.
  • tin is given only by way of example, and this quality of thermal bond which appears autonomously when the burner is operating, that is to say by simplifying the process as much as possible.
  • venturi tube 1 provided with a cylindrical flame outlet 11, as described above, ensures a primary air aeration rate, preferably slightly higher than that corresponding to a stoichiometric mixture.
  • the burner, object of the invention is obtained by the juxtaposition of a plurality of modules composed of at least one venturi tube, the assembly being carried out by means of joint planes 18, formed during the joining of the two half-shells 2, 3.
  • each single module provided with a venturi tube retains its own mixing chamber 9 and its own flame outlet 11, and according to a second variant (not shown), in an application consisting of a double module, the two venturi tubes 1 share each of their mixing chamber 9 in the upper part and in the area close to the central axis of symmetry, the flame exits 11 are also joined so as to form a single cover and also have a profile round.
  • the half-shells have a plurality of orifices 19 which come during the stamping operation, these orifices cooperate with each other during the juxtaposition of two half-shells 2-3 in module.
  • the invention allows the development of burners obtained by the association of a plurality of modules, these being arranged in a succession of parallel rows of aligned and / or staggered tubes.
  • conduits 20 in the different orifices 19 facing each other. Depending on the operating conditions, a circulation of heat transfer fluid is restored within these conduits.
  • the invention described above offers multiple advantages, such as in particular obtaining a primary combustion flame in the vicinity of the stoichiometry whose contact area with the outlet surface is small and therefore not very conducive to heating. , and a secondary flame of over-stoichiometric combustion in which the oxidation of the products resulting from the primary combustion is carried out.
  • the assembly of a plurality of burners according to the invention allows the user flexibility of operation, since he can, for the same useful volume, choose and assemble the number of burners, as a function of the heating power required.
  • the present invention is not limited to the exemplary embodiments described and shown above, but that it encompasses all variants thereof.
  • the second tubular part 7 of the burner according to the embodiment described above can be integrated into the mixing chamber 9, thus constituting a conical zone with elliptical section and variable surface.
  • said conical zone with elliptical section and variable surface has a length representing 70% of the total length of the burner, measured along the line of flow of the air-gas mixture.

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Abstract

Brûleur atmosphérique, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un tube venturi (1), alimentant en pré-mélange air-gaz au moins une chambre (9) qui est recouverte par une sortie de flamme (11) à profil arrondi, ladite chambre disposant en outre d'une zone de pincement (10) entre la sortie de flamme et le tube venturi (1). La conception du brûleur permet d'atteindre si nécessaire un refroidissement optimal de la sortie de flamme par autobrasage de cette dernière sur le corps du bec de brûleur et une évacuation des calories de l'ensemble de la structure par fluide caloporteur. <IMAGE>

Description

  • La présente invention est relative à un dispositif destiné à équiper les chaudières à alimentation à gaz. Elle vise plus particulièrement les brûleurs équipant les chauffe-eau, les chauffe-bains et les chaudières à gaz et qui réalisent au sein d'une chambre, la combustion naturelle ou assistée d'un pré-mélange constitué d'un comburant, notamment de l'air, et d'un carburant, notamment du type gaz.
  • Le brûleur, objet de l'invention, cherche à réaliser à la fois un double objectif, d'une part une diminution des émissions de polluants des flammes, et d'autre part une stabilisation des flammes, tout en respectant les conditions optimales physiques et mécaniques de la combustion.
  • Il vise également à être de conception modulaire de façon à pouvoir optimiser du point de vue économique les couples - encombrement/puissance - et - charge calorifique/émission de polluants -. Ainsi, le brûleur atmosphérique dans son dimensionnement doit :
    • garantir un écoulement et un entraînement optimal des espèces gazeuses, comburant et carburant, en particulier en garantissant une bonne homogénéité du mélange air/gaz et de la vitesse de sortie sur toute la surface de la sortie de flamme ;
    • diminuer la température de flamme, directement liée à la formation d'oxydes d'azote, d'une part en minimisant les pertes de charges hydrauliques, ce qui favorise l'entraînement d'air, et d'autre part en faisant en sorte que le corps du bec serve de radiateur thermique pour la sortie de flamme afin que cette dernière s'échauffe aussi peu que possible.
  • La forme et l'encombrement réduit du bec demandent pour une même puissance globale délivrée d'augmenter le nombre de becs et donc le nombre de points d'injection d'air primaire. Ils permettent en outre d'élaborer des brûleurs de puissance variable à partir d'un assemblage par juxtaposition de différentes batteries de becs de brûleurs placées en parallèle ou en quinconce.
  • Les becs de brûleurs ainsi conçus disposent par ailleurs d'orifices reliés entre eux par un réseau de conduits qui rendent possible une circulation d'un fluide caloporteur pour le refroidissement de l'ensemble.
  • Les dispositifs de brûleurs connus comportent généralement une batterie de rampes obtenues par emboutissage d'une tôle métallique et au sommet desquelles on réalise la combustion du carburant, notamment du gaz, au sein d'un comburant, particulièrement de l'air.
  • Néanmoins, les agencements de brûleurs ne sont pas optimaux pour la conduite de la combustion, principalement au niveau de la stabilité de la flamme et de son homogénéité. Ils obligent en outre le plus souvent à travailler avec un taux d'air primaire faible bien inférieur au taux correspondant à la stoechiométrie.
  • La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif de brûleur tel que l'air secondaire arrive d'une façon qui minimise le temps nécessaire à la combustion complète du mélange gazeux présent en sortie du brûleur, ce mélange étant composé en proportion adéquate d'un combustible à enflammer et d'air primaire de combustion qui lui est associé, permettant ainsi de stabiliser et d'accrocher les flammes en sortie de brûleur.
  • A cet effet, le brûleur atmosphérique, objet de l'invention, se caractérise en ce qu'il est constitué d'au moins un tube venturi, alimentant en pré-mélange air-gaz au moins une chambre qui est recouverte par une sortie de flamme à profil arrondi, ladite chambre disposant en outre d'une zone de pincement entre la sortie de flamme et le tube venturi.
  • Les caractéristiques du brûleur selon l'invention, tel que défini ci-dessus, permettent d'obtenir une réduction importante des taux de NOx.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
    • la figure 1 est une vue en perspective et en éclaté, du brûleur selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue en élévation frontale et en coupe, d'une sortie de flamme équipant le brûleur selon l'invention ;
    • la figure 3 est une vue en élévation latérale et en coupe, du brûleur, objet de l'invention ;
    • la figure 4 est une vue, en élévation latérale et en coupe, de l'assemblage d'une pluralité de brûleurs ;
    • la figure 5 est une vue en perspective de l'assemblage d'une pluralité de brûleurs selon un premier mode de réalisation ;
    • la figure 6 est une vue en perspective de l'assemblage d'une pluralité de brûleurs selon un deuxième mode de réalisation.
  • Selon un mode préféré de réalisation du brûleur, objet de l'invention, celui-ci comporte un tube venturi 1, obtenu par la réunion de deux demi-coquilles 2, 3 réalisées à partir de l'emboutissage d'une feuille métallique dont le coefficient de conduction thermique sera adapté au flux thermique qu'il est nécessaire d'évacuer pour avoir un refroidissement de la sortie de flamme en accord avec le taux de NOx recherché. Ainsi, pourra être employé selon le cas, du cuivre, de l'aluminium, de la tôle aluminée ou de l'acier inoxydable. Le tube venturi est de forme complexe, il se décompose de la manière suivante :
    • en partie inférieure 4, une section annulaire convergente 5, devant être positionnée au-dessus de la nourrice d'injection,
    • cette section 5 est reliée à une première partie tubulaire 6, cylindrique ou faiblement conique et également convergente. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, cette partie 6 s'étend globalement sur un tiers de la demi-longueur de la partie tubulaire totale. Cette partie tubulaire a un diamètre dimensionné en fonction de la charge nominale d'utilisation du bec, préférentiellement selon un ratio supérieur ou égal à 15 mm/kW.
    • une deuxième partie tubulaire 7, connectée à la précédente 6, de longueur sensiblement égale dans cet exemple de réalisation non limitatif, conique mais divergente, et reliée,
    • en partie supérieure 8, à une section beaucoup plus évasée, formant chambre de mélange 9 et dont la section droite transversale est sensiblement rectangulaire et présente également entre cette zone frontale et la zone de connexion avec la partie tubulaire 7, une zone de pincement 10, selon un plan tranversal, de profil sensiblement ovoïde simple ou complexe.
  • De préférence, on choisira les longueurs des différents éléments du brûleur, mesurées le long de la ligne d'écoulement du pré-mélange air-gaz selon la répartition ci-après :
    • partie supérieure 8 (chambre de mélange 9) : 35 à 45 %, - deuxième partie tubulaire 7 : 35 à 45 %,
    • première partie tubulaire 6 : 5 à 25 %,
    • partie inférieure 4 : 5 %.
  • La partie frontale de cette chambre de mélange est destinée à recevoir notamment, par emboîtement, par glissière, de préférence relativement étanche, un couvercle 11 réalisé dans un matériau compatible avec la proximité de la flamme, par exemple en acier inoxydable, et pourvu d'orifices 12. Ce couvercle 11 constitue la sortie de flamme et présente une surface supérieure dont le profil est arrondi.
  • Selon l'invention, on utilisera de préférence une sortie de flamme de forme cylindrique car elle permet d'obtenir une flamme stable, "décrochée", générant donc peu de perte de charge sur l'écoulement du mélange air-gaz et une température faible réduisant les taux de NOx, de par le faible échange thermique entre une flamme "décrochée" et la surface supérieure du bec.
  • Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les orifices 12 disposés uniformément sur la sortie de flamme 11 cylindrique sont constitués de fentes 13 transversales à l'axe longitudinal de la sortie de flamme. Préférentiellement, la sortie de flamme cylindrique présente en son sommet une bande de matière 14 afin de séparer les fentes en deux selon un quadrant. Selon l'invention, la configuration géométrique, la répartition, les dimensions des fentes 13 sont ajustées en fonction des exigences de stabilité des flammes et de la puissance surfacique recherchée.
  • La sortie de flamme dispose au niveau de ses zones de contact avec le tube venturi de parois latérales 15 permettant un emboîtement selon l'intérieur ou selon l'extérieur de la paroi du tube venturi, ces parois 15 selon un deuxième mode de réalisation peuvent être pliées afin de conformer des glissières.
  • Avantageusement, les extrémités 16 des parois latérales 15 de la sortie de flamme 11, dans un mode de montage par emboîtement, présentent une découpe 16, de manière à réaliser des pattes flexibles 17 ; ces dernières permettent à la fois d'améliorer la tenue mécanique de l'assemblage, et l'échange des calories avec le milieu environnant.
  • La qualité du contact thermique entre la sortie de flamme et le corps du bec, sera compatible avec le flux thermique à évacuer. Par exemple, en cas de flux maximum, donc de taux de NOx le plus faible, le corps du bec étant en cuivre, la sortie de flamme pourra être en acier inoxydable étamé de façon à ce qu'en cours de fonctionnement, la pellicule d'étain assure un brasage continu et homogène entre la sortie de flamme et le bec de brûleur. L'utilisation de l'étain n'est donnée qu'à titre d'exemple, et cette qualité de liaison thermique qui apparaît de façon autonome lorsque le brûleur fonctionne, c'est-à-dire en simplifiant au maximum le processus d'assemblage en fabrication, peut être obtenue avec toute autre brasure compatible avec le cuivre et l'acier inoxydable et dont le point de fusion est inférieur à la température atteinte par la sortie de flamme lorsque le brûleur fonctionne. Elle peut être obtenue également avec des alliages à point de fusion plus élevé, mais cela complique le mode de fabrication des becs de brûleur.
  • La configuration d'un tube venturi 1 pourvu d'une sortie de flamme 11 cylindrique, telle que décrite précédemment, assure un taux d'aération d'air primaire, préférentiellement légèrement supérieur à celui correspondant à un mélange stoechiométrique.
  • Le brûleur, objet de l'invention, est obtenu par la juxtaposition d'une pluralité de modules composés d'au moins un tube venturi, l'assemblage étant effectué par l'intermédiaire des plans de joint 18, constitués lors de la solidarisation des deux demi-coquilles 2, 3.
  • Selon une première variante, chaque module simple muni d'un tube venturi conserve sa propre chambre de mélange 9 et sa propre sortie de flamme 11, et selon une deuxième variante (non représentée), dans une application constituée d'un module double, les deux tubes venturi 1 mettent en commun chacune de leur chambre de mélange 9 en partie supérieure et dans la zone proche de l'axe de symétrie central, les sorties de flamme 11 sont également réunies de manière à conformer un couvercle unique et présentent aussi un profil arrondi.
  • Les demi-coquilles disposent d'une pluralité d'orifices 19 venus lors de l'opération d'emboutissage, ces orifices coopèrent entre eux lors de la juxtaposition de deux demi-coquilles 2-3 en module.
  • Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, elle autorise l'élaboration de brûleurs obtenus par l'association d'une pluralité de modules, ceux-ci étant disposés en une succession de rangées parallèles de tubes alignés et/ou en quinconce. Pour améliorer la tenue mécanique de l'ensemble, on dispose des conduits 20 dans les différents orifices 19 en regard. En fonction des régimes d'utilisation, on rétablit une circulation de fluide caloporteur au sein de ces conduits.
  • L'invention décrite ci-dessus offre de multiples avantages, tels que notamment l'obtention d'une flamme primaire de combustion au voisinage de la stoechiométrie dont la zone de contact avec la surface de sortie est faible et donc peu propice à l'échauffement, et d'une flamme secondaire de combustion sur-stoechiométrique dans laquelle est réalisée l'oxydation des produits issus de la combustion primaire.
  • L'assemblage d'une pluralité de brûleurs selon l'invention permet à l'utilisateur une souplesse de fonctionnement, car il peut, pour un même volume utile, choisir et assembler le nombre de brûleurs, en fonction de la puissance de chauffe demandée.
  • Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Ainsi, la deuxième partie tubulaire 7 du brûleur selon l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, peut être intégrée à la chambre de mélange 9, constituant ainsi une zone conique à section elliptique et surface variable. Dans ce cas, ladite zone conique à section elliptique et surface variable possède une longueur représentant 70 % de la longueur totale du brûleur, mesurée le long de la ligne d'écoulement du mélange air-gaz.

Claims (10)

  1. Brûleur atmosphérique, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un tube venturi (1), alimentant en pré-mélange air-gaz au moins une chambre (9) qui est recouverte par une sortie de flamme (11) à profil arrondi, ladite chambre disposant en outre d'une zone de pincement (10) entre la sortie de flamme et le tube venturi (1), ledit tube (1) étant obtenu par l'assemblage de deux demi-coquilles (2, 3) et conformant un module, ces dernières (2, 3) disposant d'une pluralité d'orifices (19), ces orifices coopérant entre eux lors de l'assemblage des deux demi-coquilles (2, 3).
  2. Brûleur atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de pincement (10) présente un profil ovoïde simple ou complexe.
  3. Brûleur atmosphérique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie de flamme (11) comporte une pluralité d'orifices (12) disposés uniformément et qui sont constitués de fentes (13) transversales à l'axe longitudinal de la sortie de flamme.
  4. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications Hprécédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (11) présente à son sommet une bande de matière (14) afin de séparer les fentes en deux selon un quadrant, ces dernières étant ajustées en fonction des exigences de stabilité des flammes.
  5. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme (11) dispose au niveau de ses zones de contact avec le tube venturi (1) de parois latérales (15) permettant un emboîtement selon l'intérieur ou selon l'extérieur de la paroi du tube venturi.
  6. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois (15) sont pliées afin de conformer des glissières.
  7. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités des parois latérales (15) de la sortie de flamme (11), présentent une découpe (16), de manière à réaliser des pattes flexibles (17).
  8. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps du brûleur est réalisé dans un matériau qui permet de favoriser l'évacuation du flux thermique et d'atteindre des taux de NOx faibles, tel que notamment en cuivre et/ou aluminium
  9. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de flamme est en acier inoxydable revêtu, la température de fusion de l'alliage ou du métal utilisé pour le revêtement de l'acier inoxydable étant choisie de manière à ce que puisse se former automatiquement, au cours du fonctionnement du brûleur, une liaison continue et homogène par brasage entre la sortie de flamme (11) et le bec du brûleur.
  10. Brûleur atmosphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules, ceux-ci étant disposés en une succession de rangées parallèles de tubes (1) alignés et/ou en quinconce, ledit brûleur étant muni de conduits (20) disposés au travers des orifices (19) en regard.
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Publication Number Publication Date
EP0769656A1 true EP0769656A1 (fr) 1997-04-23
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AT (1) ATE184977T1 (fr)
DE (1) DE69604357T2 (fr)
DK (1) DK0769656T3 (fr)
ES (1) ES2136378T3 (fr)
FR (1) FR2740202B1 (fr)
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