ES2329385T3 - Dispositivo para la regulacion de la carrera de armadura en un accionamiento lineal reversible. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la regulación de la carrera de la armadura (H) en un accionamiento lineal reversible (2), que contiene al menos un arrollamiento de excitación (4) a someter a una corriente de arrollamiento de excitación y una armadura magnética (8) que se debe impeler por un campo magnético del arrollamiento de excitación (4) a un movimiento lineal, oscilante en una dirección axial con la carrera predefinida de armadura (H), con medios para la detección de la posición actual de la armadura (x), con medios para la medición de la corriente actual de arrollamiento de excitación (I real) y con medios para el ajuste de la corriente de arrollamiento de excitación (I teórica), de tal manera que en un estado estabilizado de la armadura (8) durante cada semionda del movimiento de la armadura se suministra a la armadura (8) eléctricamente exactamente tanta energía, que las amplitudes de vibración (+L1, -L2) de la carrera de armadura predefinida (H) se alcanzan de manera ajustada, caracterizado por que para cada semionda del movimiento de la armadura se determina la energía suministrada a la armadura (8), por que para cada semionda del movimiento de la armadura respectivamente está establecido un valor umbral de energía de la armadura (Es,exp, Es,comp) y por que para cada semionda del movimiento de la armadura se interrumpe la corriente de arrollamiento de excitación en cuanto la energía suministrada a la armadura (8) alcance el valor umbral de energía de armadura (Es,exp, Es,comp) correspondiente.
Description
Dispositivo para la regulación de la carrera de
armadura en un accionamiento lineal reversible.
La invención se refiere a un dispositivo para la
regulación de la carrera de armadura en un accionamiento lineal
reversible, que contiene al menos un arrollamiento de excitación a
someter a una corriente de arrollamiento de excitación y una
armadura magnética, que se tiene que impeler por un campo magnético
del arrollamiento de excitación hasta un movimiento lineal,
oscilante en una dirección axial con la carrera de armadura
predefinida. Se obtiene un accionamiento lineal correspondiente a
partir del documento JP 2002-031054 A.
Los accionamientos lineales correspondientes se
utilizan particularmente para impeler émbolos de bomba de
compresores en un movimiento o vibración lineal, oscilante. El
sistema de un compresor de este tipo con accionamiento lineal
asignado se denomina por este motivo también compresor lineal (véase
el documento JP-A que se ha mencionado al
principio). En compresores lineales correspondientes conocidos, la
armadura con capacidad de vibración, en un caso dado, suspendida
por al menos un elemento elástico, forma un sistema
muelle-masa, que se diseña para una determinada
frecuencia de vibración con la curva característica de
fuerza-recorrido dada del compresor.
Se conocen diversos métodos para una regulación
de la posición de la armadura o para una regulación de la carrera
de la armadura en un compresor lineal correspondiente. Sin embargo,
en los métodos conocidos se prescinde por regla general para una
regulación de la carrera de la armadura de una medición de posición
de la armadura directa, continua.
Hasta ahora, para una detección de la posición
de la armadura actual, la misma se identifica de forma no continua,
por ejemplo, de forma discontinua por el cierre de un contacto
eléctrico, cuando la armadura ha alcanzado una determinada
posición. También se conoce una medición de posición continua, por
ejemplo, por la tensión inducida en el arrollamiento de excitación.
El documento US 5980211 propone el uso de un sensor de posición.
Es objetivo de la presente invención configurar
el dispositivo de regulación con las características que se han
mencionado al principio de tal manera que se posibilite un ajuste
exacto de la carrera de la armadura.
Este objetivo se resuelve con las medidas
indicadas en la reivindicación 1. Por consiguiente, el dispositivo
de regulación debe presentar
- -
- medios para la detección de la posición actual de la armadura,
- -
- medios para la medición de la corriente actual de arrollamiento de excitación y
- -
- medios para el ajuste de la corriente de arrollamiento de excitación de tal manera, que en el estado estabilizado de la armadura durante cada semionda del movimiento de la armadura se suministra a la armadura de forma eléctrica exactamente tanta energía, que se alcanzan de manera ajustada las amplitudes de vibración de la carrera de la armadura predefinida.
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En las medidas de acuerdo con la invención se
parte de la consideración de que para la consecución de una carrera
de armadura deseada, que se compone de las dos amplitudes de
vibración, se tiene que suministrar a la armadura de forma
eléctrica una cierta cantidad de energía por semionda, y, de hecho,
durante una semionda de expansión para la
pre-tensión del al menos un elemento elástico
posiblemente presente y durante una semionda de compresión, para la
realización de trabajo mecánico en la armadura y una parte de
compresor móvil, posiblemente unida con la misma. Incluso en el
estado estabilizado, las cantidades de energía necesarias para las
semiondas de compresión y expansión por regla general son
diferentes y no se conocen de antemano. En cambio, ambos valores
tienen que estimarse de las amplitudes de vibración que se ajustan
realmente.
La consideración básica del concepto de
regulación de acuerdo con la invención consiste ahora en que una
medición de posición de la armadura (prácticamente) continua no
permite solamente la medición de la carrera de la armadura, es
decir, de la desviación máxima, sino también una medición de la
aportación de energía eléctrica a la armadura. Esto es posible, por
que la aportación de energía eléctrica es proporcional a la integral
de la corriente de bobina sobre la posición de la armadura. Por
cada semionda se interrumpe la corriente de bobina en el momento en
el que se ha aplicado eléctricamente suficiente energía a la
armadura. Con cada inversión de dirección de la armadura se conecta
de nuevo la corriente de bobina, donde el signo es de tal forma que
coinciden la dirección de la fuerza electromagnética sobre la
armadura y su dirección de movimiento. A esto siguen la medición de
energía y posteriormente de nuevo la interrupción de la
corriente.
Se puede determinar de forma adicional a las
mediciones de lugar/posición por semionda en al menos una posición
fija, una denominada posición de disparo, la velocidad y, de este
modo, la energía cinética de la armadura. Se establece
preferiblemente la posición de disparo en el intervalo de la
velocidad máxima de la armadura. Para la medición de velocidad no
se tiene que usar ningún sensor separado, sino se puede derivar por
diferenciación de la medición de lugar prácticamente continua.
Además de esto, a partir de la detección de velocidad es posible la
determinación de la energía almacenada en la armadura.
Durante la semionda de expansión se pueden
estimar parámetros de funcionamiento lineal como, por ejemplo, una
constante elástica o la constante de transmisión
corriente-fuerza a partir de las mediciones de lugar
y velocidad en la al menos una posición de disparo, la medición de
posición del punto muerto alejado de un compresor en el que termina
la semionda de expansión y la medición de la energía aplicada
eléctricamente en la armadura. Durante la semionda de compresión se
pueden determinar a partir de las mediciones correspondientes
parámetros de compresor como la energía mecánica consumida por ciclo
en el compresor, la diferencia entre presión de descarga y de
succión en el compresor y/o la curva característica de
fuerza-recorrido del compresor.
Por consiguiente, con el concepto de regulación
de acuerdo con la invención son posibles una activación segura de
un compresor lineal así como un funcionamiento seguro en condiciones
externas variables, es decir, con variaciones en la curva
característica de compresor. En este caso se quiere decir con
"seguro" que el émbolo del compresor en la fase de compresión
no sobrepase y pueda chocar con una placa de émbolo o placa de
válvula. Además, con el concepto de regulación se puede regular muy
precisamente el denominado volumen muerto del espacio de compresión
del compresor lineal unido; esto es un requisito básico para un
rendimiento total elevado, a modo de ejemplo, una potencia
frigorífica, del compresor lineal.
Se obtienen configuraciones ventajosas
adicionales del equipo de regulación de acuerdo con la invención a
partir de reivindicaciones dependientes. En este caso, se puede
combinar la realización de acuerdo con la reivindicación 1 con las
características de una de las reivindicaciones dependientes o
preferiblemente también con las de varias reivindicaciones
dependientes. Por consiguiente, para el dispositivo de regulación se
pueden prever adicionalmente aún las siguientes características:
- -
- De este modo, los medios de ajuste de corriente como miembro de ajuste de la regulación de corriente pueden comprender un circuito rectificador y una conexión en puente secundaria con miembros de puente ajustables en una denominada disposición en H. Como miembros de puente ajustables se pueden proporcionar preferiblemente MOSFET.
- -
- Ventajosamente, la corriente de arrollamiento de excitación medida se debe suministrar como magnitud de entrada de corriente real a un componente de regulador de corriente asignado a los miembros de puente, que sincroniza los miembros de puente de tal manera que la señal de corriente real se adapta a una señal de corriente teórica correlacionada con la posición actual de la armadura, generada por un componente de regulador de posición, preferiblemente sigue a la misma. En un caso dado, se debe suministrar al componente de regulador de posición también la señal de corriente real.
- -
- En lugar de la determinación que se ha mencionado anteriormente de velocidad y energía de la armadura con ayuda de al menos una posición de disparo fija, pueden estar provistos de forma particularmente ventajosa también medios para una detección continua de la velocidad de la armadura (8). Con la ayuda de medios correspondientes se puede derivar de la detección de velocidad la energía almacenada en la armadura.
- -
- Además, se pueden proporcionar también medios para una regulación de la frecuencia de vibración de la armadura. Estos medios pueden aprovechar las señales de la medición de posición y, en un caso dado, de velocidad.
Se obtienen configuraciones ventajosas
adicionales del equipo de regulación de acuerdo con la invención a
partir de las reivindicaciones dependientes que anteriormente no se
han mencionado.
La invención se explicará con más detalle a
continuación mediante ejemplos de realización preferidos con
referencia al dibujo. De sus figuras muestran
La Figura 1, de forma muy esquematizada en el
corte transversal una parte por un accionamiento lineal conocido
como tal,
Su Figura 2, un esquema modular de una primera
realización de un dispositivo de regulación de acuerdo con la
invención
y
Su Figura 3, un esquema modular de una
realización adicional de un dispositivo de regulación de este
tipo.
\vskip1.000000\baselineskip
En las figuras, las partes correspondientes
están provistas respectivamente de las mismas referencias.
En el accionamiento lineal indicado en la Figura
1 se parte de realizaciones conocidas como tales, como se
proporcionan para compresores lineales (véase el documento
JP-A que se ha mencionado al principio). La figura
muestra esquemáticamente de forma esencial sólo la parte superior de
un corte transversal por un accionamiento lineal 2 de este tipo; es
decir, en la figura solamente se representan detalles, que se sitúan
en un lado de un eje o plano de simetría S, que se extiende en una
dirección de movimiento axial. El accionamiento lineal 2 comprende
al menos un arrollamiento de excitación 4, al que está asignado al
menos un cuerpo de culata 5 conductor de flujo magnético. En una
abertura central 7 a modo de canal o a modo de ranura de este cuerpo
de culata se sitúa una armadura o parte de armadura magnética con,
a modo de ejemplo, dos imanes permanentes cuya dirección de
magnetización se indica por líneas con flechas m1 y m2. La armadura
también denominada "carro de la armadura" presenta de forma
axial partes de prolongación laterales, no descritas con más
detalle. En el campo magnético alterno del arrollamiento 4 puede
realizar en dirección axial un movimiento oscilante, en el que
vibra alrededor de una posición central Mp. La desviación máxima
desde la posición central en dirección axial x, es decir, la
amplitud de vibración, se denomina +L_{1} o -L_{2}. Por
consiguiente, la carrera de la armadura H es (L_{1} +
L_{2}).
Como se indica además en la figura, en un caso
dado, pueden actuar dos muelles de ballesta 9 y 9' sujetos de forma
localmente fija en ambos lados de la posición central Mp en partes
prolongadas de la armadura 8 con sus puntos de agarre vibratorios A
o A'. Por supuesto, también son posibles realizaciones de un
accionamiento lineal sin muelles. Además, ventajosamente en al
menos un lado de la parte de prolongación de la armadura 8, la
misma puede estar unida rígidamente con un compresor V no
representado en la figura con más detalle o su émbolo de bomba.
En la realización representada en la figura se
partió además de que el accionamiento lineal 2 se estructura de
forma simétrica con respecto al plano S, es decir, que a ambos lados
del plano se sitúan cuerpos de culata y, en un caso dado, también
partes de arrollamiento de excitación. Por supuesto, también se
puede proporcionar para un dispositivo de regulación de acuerdo con
la invención un accionamiento lineal, que posea solamente en un
lado un arrollamiento de excitación y, en un caso dado, en el lado
opuesto solamente un cuerpo de culata conductor de flujo magnético
(compárese, por ejemplo, con el documento US 6 323 568 B1). Además
de la forma en E representada del cuerpo de culata también son
adecuados otros tipos de cuerpo de culata como, por ejemplo, con
forma de M.
En una unión de la armadura 8 del accionamiento
lineal 2 con un émbolo de bomba de un compresor V, el valor umbral
de energía de la armadura E_{s} para la semionda de expansión y de
compresión en general es diferente; es decir, realmente se tienen
que diferenciar dos valores umbral de energía de la armadura,
concretamente E_{s,exp} y E_{s,comp}. Estos dos valores umbral
de energía de la armadura se modifican con el tiempo debido a las
modificaciones en el tiempo de la curva característica de
fuerza-recorrido del compresor, donde las
modificaciones son lentas en comparación con la duración de periodo
de vibración del accionamiento lineal. Debido a esto, una
adaptación superpuesta a la regulación de carrera real de ambos
valores es razonable y posible.
Un dispositivo de regulación, con el que se
ajusta la corriente en el arrollamiento de excitación 4, sirve para
la regulación de la carrera de la armadura H o de las amplitudes de
vibración +L_{1} y -L_{2}. Se obtiene el esquema modular de una
primera realización de un dispositivo de regulación de este tipo a
partir de la Figura 2. En la figura se indica
- -
- con G, un circuito rectificador, por ejemplo, en forma de una conexión en puente,
- -
- con C un condensador de aplanamiento,
- -
- con B, un circuito convertidor en forma de un denominado puente integral,
- -
- con b1 a b4, los cuatro miembros de puente de este circuito convertidor en una denominada disposición en H,
- -
- con 10, un componente de regulador de posición
- y
- -
- con 11, un componente de regulador de corriente.
\vskip1.000000\baselineskip
Como miembros de puente b1 a b4 se consideran
particularmente MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistors)
con diodos de protección d_{i}. Sus electrodos de control o
compuertas de control se denominan g1 a g4. Están unidos con las
salidas correspondientes del componente de regulador de corriente
11. En los puntos de toma de puente 12a y 12b de la conexión en
puente B se toma la corriente de excitación para el arrollamiento
de excitación del accionamiento lineal 2. En este caso, se realiza
una determinación de una corriente real del arrollamiento
denominado I_{real} por medición de la caída de tensión por
- -
- un resistor derivador conectado en serie con el arrollamiento en el circuito de puente, o
- -
- dos resistores derivadores, que se situan entre los miembros de puente b_{2} y b_{4} y la masa.
\vskip1.000000\baselineskip
La magnitud de medición de esta corriente se
suministra después al regulador de corriente 11 en un punto de
empalme 13 en la línea de suministro de corriente del arrollamiento
de excitación. En el caso del regulador de corriente 11 se puede
tratar, a modo de ejemplo, de un componente de PMW (Pulse
Width Modulation) conocido. Alternativamente, también
se puede usar como regulador de corriente un regulador de dos
posiciones conocido como tal con frecuencia de ciclo fija de, por
ejemplo, 20 kHz.
En el accionamiento lineal 2 está colocado un
equipo de medición 14 conocido como tal, que no se explica con más
detalle, con el que se puede detectar la posición x actual exacta y
la dirección de movimiento de la armadura 8 del aparato. Su valor
de medición x se suministra al componente de regulador de posición
10, que calcula a partir de la posición x y magnitudes derivadas de
la misma, como particularmente la velocidad de la armadura, una
corriente teórica I_{teórica} y suministra la misma al componente
de regulador de corriente 11. El componente de regulador de
corriente se encarga entonces de que, mediante el control de las
compuertas de control g1 a g4, se de una buena coincidencia entre
la corriente teórica I_{teórica} y la corriente real
I_{real}.
El esquema modular representado en la Figura 3
de un dispositivo de regulación de acuerdo con una invención
adicional se diferencia del de la Figura 2 solamente por que en este
caso, la corriente medida I_{real} también es magnitud de entrada
para el componente de regulador de posición 10' modificado con
respecto a la Figura 2. En esta realización se pueden presentar
desviaciones más obvias entre la corriente teórica I_{teórica} y
la corriente I_{real}; sin embargo, el componente de regulador de
corriente 11 también es capaz en este caso de interrumpir por
ajustes correspondientes la corriente de la manera deseada.
A continuación se indica el algoritmo para una
regulación de posición en los dispositivos según los esquemas
modulares de acuerdo con las Figuras 2 y 3:
- -
- La fuerza electromagnética F que actúa sobre la armadura 8 siempre es proporcional a la corriente de bobina real I_{real}; es decir
- F = K\cdotI_{real}, donde F, k e I_{real} dependen de la posición x.
- -
- Con la modificación de la dirección de movimiento de la armadura se invierte la corriente de bobina, de manera que después, la fuerza electromagnética F = K\cdotI_{real} actúa en la dirección de movimiento x.
- -
- Se determinan la energía potencial y la cinética de la armadura a partir de la medición de posición y velocidad momentánea de forma continua o con la ayuda de al menos una señal de disparo particular que, por ejemplo, se asigna al punto de anulación del movimiento de la armadura y ventajosamente se sitúa en proximidad de la posición de la armadura con la energía cinética máxima.
- -
- La energía suministrada por semionda de vibración a la armadura se calcula por la ecuación
\int
F(x)dx = \int
K(x)/(x)dx.
- -
- Si la energía de la armadura alcanza un valor umbral E_{s,comp} o E_{s,exp}, que se corresponde con la amplitud de vibración deseada +L_{1} o -L_{2}, se interrumpe la corriente I.
Además de este algoritmo básico también se puede
concebir un algoritmo de adaptación superpuesto, en el que se
adapta por comparación de la amplitud de vibración medida +L_{1} o
-L_{2} con la amplitud teórica correspondiente el valor umbral de
energía de la armadura E_{s,comp} o E_{s,exp}.
El concepto de regulación realizado en los
esquemas modulares presenta, por tanto, los siguientes elementos
principales:
- 1.
- Magnitudes de medición:
- \quad
- Posición x, dirección de movimiento y, derivado de la misma, la velocidad de la armadura 8; corriente I_{real}.
- 2.
- Magnitud de ajuste:
- \quad
- Corriente de bobina de excitación. En este caso se pueden concebir varias variantes de miembro de ajuste, donde la corriente real y teórica pueden variar entre sí con diferente intensidad dependiendo del miembro de ajuste.
- 3.
- Principio de regulación:
- \quad
- Se conmuta la corriente de arrollamiento de excitación de tal manera que la fuerza electromagnética actúa (casi) siempre en la dirección de movimiento de la armadura; medición de la energía aplicada eléctricamente a la armadura por semionda de vibración; interrupción de corriente, cuando se alcanza el valor umbral de energía.
Se evita considerablemente un frenado eléctrico
de la armadura; esto da como resultado un buen rendimiento.
La frecuencia de la vibración de la armadura
está establecida considerablemente por la masa movida así como la
constante elástica de muelle(s) posiblemente
presente(s) y la curva característica de
fuerza-recorrido del compresor unido, pero se puede
modificar por selección del coeficiente de utilización mediante
regulación de corriente: si después de una inversión de movimiento
actúa una corriente mayor sobre un recorrido más corto, aumenta
-con una aportación de energía eléctrica constante por semionda de
vibración- la frecuencia de vibración.
- 2
- accionamiento lineal
- 4
- arrollamiento de excitación
- 5
- cuerpo de culata
- 7
- hendidura
- 8
- armadura
- 9, 9'
- elementos elásticos
- 10, 10'
- componente de regulador de posición
- 11
- componente de regulador de corriente
- 12a, 12b
- puntos de toma de puente
- 13
- punto de empalme
- S
- plano de simetría
- m1, m2
- direcciones de magnetización
- A, A'
- puntos de actuación de muelle
- H
- carrera de armadura
- x
- posición axial
- +L_{1}, -L_{2}
- amplitudes de vibración
- V
- compresor
- Mp
- posición central
- G
- circuito rectificador
- C
- condensador de aplanamiento
- B
- conexión en puente
- B1 a b4
- miembros de puente MOSFET
- g1 a g4
- compuertas de control
- d_{i}
- diodos de protección
- I_{real}
- corriente real
- I_{teórica}
- corriente teórica
Claims (13)
1. Dispositivo para la regulación de la carrera
de la armadura (H) en un accionamiento lineal reversible (2), que
contiene al menos un arrollamiento de excitación (4) a someter a una
corriente de arrollamiento de excitación y una armadura magnética
(8) que se debe impeler por un campo magnético del arrollamiento de
excitación (4) a un movimiento lineal, oscilante en una dirección
axial con la carrera predefinida de armadura (H), con medios para
la detección de la posición actual de la armadura (x), con medios
para la medición de la corriente actual de arrollamiento de
excitación (I_{real}) y con medios para el ajuste de la corriente
de arrollamiento de excitación (I_{teórica}), de tal manera que
en un estado estabilizado de la armadura (8) durante cada semionda
del movimiento de la armadura se suministra a la armadura (8)
eléctricamente exactamente tanta energía, que las amplitudes de
vibración (+L_{1}, -L_{2}) de la carrera de armadura predefinida
(H) se alcanzan de manera ajustada, caracterizado por que
para cada semionda del movimiento de la armadura se determina la
energía suministrada a la armadura (8), por que para cada semionda
del movimiento de la armadura respectivamente está establecido un
valor umbral de energía de la armadura (E_{s,exp}, E_{s,comp}) y
por que para cada semionda del movimiento de la armadura se
interrumpe la corriente de arrollamiento de excitación en cuanto la
energía suministrada a la armadura (8) alcance el valor umbral de
energía de armadura (E_{s,exp}, E_{s,comp})
correspondiente.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por que la armadura (8) se sujeta con
capacidad de vibración por al menos un elemento elástico (9,
9').
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
1 ó 2, caracterizado por que los medios de ajuste de
corriente como miembro de ajuste de la regulación de corriente
comprenden un circuito rectificador (G) y una conexión en puente
secundaria (B) con miembros de puente ajustables (b1 a b4) en
disposición en H.
4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
3, caracterizado por que los miembros de puente ajustables
(b1 a b4) son MOSFET.
5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
3 ó 4, caracterizado por que la corriente de arrollamiento
de excitación medida se tiene que suministrar como una magnitud de
entrada de corriente real (I_{real}) a un componente de regulador
de corriente (11) asignado a los miembros de puente (b1 a b4), que
sincroniza los miembros de puente de tal manera, que la señal de
corriente real (I_{real}) se ajusta a una señal de corriente
teórica (I_{teórica}) correlacionada con la posición actual de la
armadura (x), generada por un componente de regulador de posición
(10, 10'), preferiblemente sigue a la misma.
6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
5, caracterizado por que al componente de regulador de
posición (10') se tiene que suministrar también la señal de
corriente real (I_{real}).
7. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se
proporcionan medios para una detección de la dirección de
movimiento de la armadura (8).
8. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se
proporcionan medios para una detección continua de la velocidad de
la armadura (8).
9. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que en al menos un
punto fijo dentro del recorrido de la carrera de la armadura se
proporciona una posición de disparo para una medición de
velocidad.
10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
9, caracterizado por que la posición de disparo se
proporciona en la zona de la velocidad máxima de la armadura
(8).
11. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones 8, 9 ó 10, caracterizado por que se
proporcionan medios para una evacuación de la energía almacenada en
la armadura (8) de la detección de velocidad.
12. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se
proporcionan medios para una regulación de la frecuencia de
vibración de la armadura (8).
13. Dispositivo de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la
armadura (8) está unida de forma rígida con un émbolo de bomba de
un compresor (V).
Applications Claiming Priority (2)
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EP (1) | EP1726082B1 (es) |
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