FR2512258A1 - RESERVE HEAT REMOVAL DEVICE FOR A NUCLEAR REACTOR USING CIRCULATION VALVES - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN REACTEUR NUCLEAIRE UTILISANT DES VALVES A CIRCULATION 19 POUR LIMITER LE COURANT EN DERIVATION SUR LE NOYAU DU REACTEUR, PAR LA REGION DE MANTEAU 12 PENDANT LA CIRCULATION NORMALE DE L'AGENT DE REFROIDISSEMENT DU REACTEUR ET POUR PERMETTRE UNE CIRCULATION NATURELLE NON PERTURBEE LORSQUE LA CIRCULATION NORMALE D'AGENT DE REFROIDISSEMENT EST INTERROMPUE.THE INVENTION RELATES TO A NUCLEAR REACTOR USING CIRCULATING VALVES 19 TO LIMIT THE BYPASS CURRENT TO THE REACTOR CORE, THROUGH MANTEL REGION 12 DURING NORMAL CIRCULATION OF THE REACTOR COOLANT AND TO ALLOW NATURAL CIRCULATION DISTURBED WHEN NORMAL COOLANT CIRCULATION IS INTERRUPTED.
Description
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DISPOSITIF D'ENLEVEMENT DE CHALEUR EN RESERVE POUR UN RESERVE HEAT REMOVAL DEVICE FOR A
REACTEUR NUCLEAIRE UTILISANT DES VALVES A CIRCULATION NUCLEAR REACTOR USING CIRCULATION VALVES
La présente invention se rapporte aux dispositifs d'enlèvement de chaleur des noyaux de réacteurs nucléaires The present invention relates to devices for removing heat from the nuclei of nuclear reactors
et concerne plus particulièrement un dispositif d'enlève- and more particularly relates to a device for removing
ment de chaleur de secours ou auxiliaire pour des réacteurs nucléaires à métal liquide. Les réacteurs nucléaires comportent un noyau emergency or auxiliary heat for liquid metal nuclear reactors. Nuclear reactors have a nucleus
d'ensembles combustibles produisant de l'énergie utilisa- of fuel assemblies producing energy for use
ble par une réaction de fission nucléaire Des dispositifs d'enlèvement dechaleur de capacité relativement importante sont prévus pour éliminer la chaleur produite par réaction nucléaire, pendant le fonctionnement du réacteur En raison ble by a nuclear fission reaction Heat removal devices of relatively large capacity are provided to remove the heat produced by nuclear reaction, during the operation of the reactor.
de la nature de la réaction de fission, il n'est pas possi- of the nature of the fission reaction, it is not possible
ble d'arrêter complètement la production de chaleur pendant des périodes d'arrêt normal du réacteur ou même en cas d'urgence Un petit pourcentage de puissance thermique du noyau continue à être produit et par conséquent, le noyau doit être muni d'une source de refroidissement pour éviter ble to completely stop producing heat during periods of normal reactor shutdown or even in an emergency A small percentage of the thermal power of the core continues to be produced and therefore the core must be provided with a source cooling to avoid
sa fusion pendant une période prolongée après l'arrêt. its merger for an extended period after cessation.
Etant donné qu'un accident comme une rupture de tube pourrait conduire à une défaillance de l'élimination Since an accident such as a broken tube could lead to disposal failure
normale de chaleur en fonctionnement, une élimination d'ur- normal operating heat, elimination of ur-
gence ou de réserve est généralement effectuée par un dis- gence or reserve is generally carried out by a dis-
positif indépendant et plus petit.positive independent and smaller.
Le rôle d'urgence joué par le dispositif auxiliaire suggère qu'il pourrait être complètement automatique, sans The emergency role played by the auxiliary device suggests that it could be completely automatic, without
commande ou source d'alimentation extérieure, et même éven- control or external power source, and even
tuellement sans élément mobile Un système entièrement pas- tuuel without moving element A completely pas-
sif est plus souhaitable.sif is more desirable.
Toute une variété de dispositifs de refroidisse- A variety of cooling devices
ment de noyau en réserve sont déjà connus Certains sont reserve kernel are already known Some are
des systèmes indépendants tandis que d'autres sont des mo- independent systems while others are mo-
difications du système principal d'enlèvement de chaleur main heat removal system modifications
destinées à pallier certains accidents ou à assurer un re- intended to compensate for certain accidents or to ensure
froidissement du-noyau en cas d'urgence Un exemple d'un core cooling in an emergency An example of a
dispositif passif utilisé pour pallier un accident de rup- passive device used to compensate for a rup- accident
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ture de tubes est décrit dans le Brevet des Etats Unis tube ture is described in US Patent
d'Amérique No 4 030 252.America No. 4,030,252.
Il faut noter qu'après l'arrêt d'un réacteur nu- It should be noted that after stopping a nuclear reactor
cléaire, la région combustible du noyau continue à pro- key, the combustible region of the nucleus continues to pro-
duire de la chaleur tandis que d'autres parties du réac- teur commencent à se refroidir Cela entraîne de grandes différences de température, également pendant des périodes heat off while other parts of the reactor start to cool down This causes large temperature differences, also for periods
normales d'arrêt du réacteur.normal reactor shutdown.
L'invention a donc pour objet principal de proposer un réacteur dans lequel l'agent de refroidissement reste The main object of the invention is therefore to propose a reactor in which the cooling agent remains
en circulation après l'arrêt, même si les pompes de circu- circulating after stopping, even if the circulating pumps
lation de cet agent de refroidissement ne sont pas en fonc- of this coolant are not in use
tionnement. Compte tenu de cet objet, l'invention réside dans un réacteur nucléaire refroidi par liquide comprenant, operation. Given this object, the invention resides in a liquid-cooled nuclear reactor comprising,
dans un récipient, un noyau nucléaire comprenant une ré- in a container, a nuclear nucleus comprising a re-
gion combustible centrale et une région de manteau circon- central fuel region and a surrounding mantle region
férentielle, et un dispositif pour faire circuler un liqui- and a device for circulating a liquid
de de refroidissement vers le haut dans la région combusti- cooling up in the fuel region
ble centrale et la région de manteau pour en enlever la cha- central wheat and the mantle region to remove the cha-
leur pendant le fonctionnement du réacteur; l'invention se caractérise par le fait que des valves à circulation sont disposées dans le circuit de l'agent de refroidissement, their during the operation of the reactor; the invention is characterized in that circulation valves are arranged in the coolant circuit,
passant par la région de manteau et sont orientées de ma- passing through the mantle region and are oriented ma-
nière à présenter une résistance à l'écoulement relativement to present relatively resistance to flow
élevée à la circulation vers le haut pendant le fonctionne- high upward traffic during operation
ment normal du réacteur, mais pratiquement aucune résistance normal reactor, but almost no resistance
à la circulation vers le bas, afin de faciliter une circula- down circulation, to facilitate circulation
tion naturelle de l'agent de refroidissement vers le haut dans la région combustible centrale et vers le bas dans la région-de manteau quand le réacteur nucléaire n'est pas en fonctionnement. natural coolant up in the central fuel region and down in the mantle region when the nuclear reactor is not in operation.
Une valve hydraulique est un dispositif qui présen- A hydraulic valve is a device that presents
te une haute résistance à l'écoulement d'un fluide dans un te a high resistance to the flow of a fluid in a
premier sens et une faible résistance dans un second sens. first direction and weak resistance in the second direction.
Ce dispositif est tel que la circulation dans le premier sens de haute résistance produit des turbulences ou autres phénomènes de frottement conduisant à cette résistance This device is such that circulation in the first direction of high resistance produces turbulence or other phenomena of friction leading to this resistance
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élevée L'écoulement dans le second sens est à peu près high The flow in the second direction is roughly
direct, sans mouvement tourbillonnaire. direct, without vortex movement.
Dans un premier mode de réalisation, la valve à circulation est disposée dans une boucle de circulation inedépendante dans laquelle de l'agent de refroidissement In a first embodiment, the circulation valve is arranged in an independent circulation loop in which coolant
du réacteur est prélevé, dans une région au-dessus du no- of the reactor is taken, in a region above the no-
yau nucléaire, passe par un dispositif extérieur d'enlève- nuclear yau, goes through an external removal device
ment de chaleur comme un échangeur thermique atmosphérique, et passe par une valve à circulation ou un groupe de valves heat like an atmospheric heat exchanger, and goes through a circulation valve or a group of valves
en série dans une région au-dessous du noyau du réacteur. in series in a region below the reactor core.
Pendant le fonctionnement du dispositif auxiliaire, quand le système principal de refroidissement est interrompu, la During the operation of the auxiliary device, when the main cooling system is interrupted, the
circulation par le noyau du réacteur et par la boucle auxi- circulation through the reactor core and the auxiliary loop
liaire est forcée par la circulation naturelle de l'agent de refroidissement du réacteur au fur et à mesure que The bond is forced by the natural circulation of the reactor coolant as
l'agent chauffé s'élève En outre, la circulation par vi- the heated agent rises In addition, circulation by
tesse aquise peut être accrue par une pompe électromagnéti- Aquise size can be increased by an electromagnetic pump.
que ou une autre variété de pompe La valve ou le groupe de valvesen série fonctionnent, pendant le fonctionnement du dispositif auxiliaire, en faisant passer le courant that or another variety of pump The valve or group of valves in series operate, during the operation of the auxiliary device, by passing the current
d'agent de refroidissement dans le sens de faible résis- coolant in the direction of low resistance
tance Pendant le fonctionnement normal du réacteur, lors- During normal reactor operation, when
que le système principal de refroidissement de ce réacteur est en fonctionnement, le dispositif auxiliaire constitue that the main cooling system of this reactor is in operation, the auxiliary device constitutes
un circuit par lequel une partie de l'agent de refroidisse- a circuit by which part of the coolant
ment du réacteur pourrait éviter de façon indésirable le noyau combustible Cet inconvénient est considérablement réduit par la valve à circulation à des débits acceptables car cette circulation en dérivation doit passer par la valve ou le groupe de valves en série dans le sens de haute résistance. En l'absence d'une circulation normale de l'agent de refroidissement du réacteur, résultant par exemple d'un Reaction of the reactor could undesirably avoid the combustible core. This drawback is considerably reduced by the circulation valve at acceptable flow rates because this bypass circulation must pass through the valve or the group of valves in series in the direction of high resistance. In the absence of normal circulation of the reactor coolant, resulting for example from a
déclenchement de la pompe de refroidissement, le fonction- triggering of the cooling pump, the function-
nement du dispositif auxiliaire commence automatiquement avec le démarrage d'une circulation naturelle La seule condition extérieure, non inhérente, serait la mise en The auxiliary device starts automatically with the start of a natural circulation. The only external condition, not inherent, would be the setting in
marchede la pompe en action si elle fait partie du disposi- pump market in action if it is part of the device
tif.tif.
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Dans un second mode de réalisation, des valves In a second embodiment, valves
à circulation ou des groupes de valves en série sont in- with circulation or groups of valves in series are in-
stallées dans la base des ensembles combustibles et des stalled in the base of fuel sets and
ensembles d'écrans radiaux tous deux situés dans des posi- sets of radial shields both located in positions
D tions périphériques du noyau nucléaire Ils sont désignés D tions peripheral to the nuclear nucleus They are designated
ensemble par le terme "ensembles de manteaux" Oses ensem- together by the term "sets of coats" Oses together
bles de manteaux présentent généralement des températures de fonctionnement plus basses que les ensemblescombustibles centraux en raison des caractéristiques nucléaires globales du noyau et pour d'autres raisons Les valves à circulation Coats generally have lower operating temperatures than central fuels due to the overall nuclear characteristics of the nucleus and for other reasons Flow valves
sont disposées dans tout ou partie des ensembles de man- are arranged in all or part of the sets of man-
teaux pour présenter une forte résistance à l'écoulement sheets to present a strong resistance to flow
dans le sens de circulation habituelle de l'agent de refroi- in the usual direction of the coolant
dissement du réacteur, c'est-à-dire du bas vers le haut reactor expansion, i.e. from bottom to top
et une faible résistance à l'écoulement dans le sens inverse. and low resistance to reverse flow.
Pendant le fonctionnement normal du réacteur, les valves se comportent comme un orifice qui restreint l'écoulement During normal reactor operation, the valves behave like an orifice which restricts flow
dans l'ensemble de manteaux Pendant l'arrêt de la circula- in the set of coats During the stop of circulation
tion d'agent de refroidissement du réacteur, une circulation naturelle est établie, l'agent de refroidissement circulant vers le haut par les ensembles combustibles centraux chauds tion of the reactor coolant, a natural circulation is established, the coolant circulating upwards through the hot central fuel assemblies
puis vers le bas dans les ensembles de manteaux périphéri- then down into the outer coat sets
ques, comme le permet la faible résistance à l'écoulement as the low flow resistance allows
des valves dans ce sens Un dispositif d'enlèvement de cha- valves in this direction A device for removing cha-
leur similaire au premier mode de réalisation peut éliminer their similar to the first embodiment can eliminate
la chaleur en tout point du circuit de circulation naturel. heat at any point in the natural circulation circuit.
D'autres caractéristiques et avantages de l'in- Other features and advantages of the
vention apparaîtront au cours de la description qui va vention will appear during the description which goes
suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se réfé- follow several examples of implementation and refer to it
rant auxdessins annexés sur lesquels: La Figure 1 représente schématiquement une valve avec unecirculation directe à forte résistance, la Figure 2 représente schématiquement une valve avec une circulation inverse à faible résistance, With reference to the appended drawings in which: FIG. 1 diagrammatically represents a valve with a direct circulation with high resistance, FIG. 2 diagrammatically represents a valve with a reverse circulation with low resistance,
la Figure 3 représente schématiquement un réac- Figure 3 shows schematically a reaction
teur nucléaire comportant un dispositif de refroidissement auxiliaire avec une seule valve, nuclear reactor comprising an auxiliary cooling device with a single valve,
la Figure 4 représente schématiquement un réac- Figure 4 shows schematically a reaction
teur avec des ensembles de manteaux et des valves à circu- tor with sets of coats and flow valves
lation, la Figure 5 représente schématiquement un détail du dispositif de la Fig 4, montrant un groupe de valves en série, et FIG. 5 schematically represents a detail of the device of FIG. 4, showing a group of valves in series, and
la Figure 6 est une coupe de la Figure 5. Figure 6 is a section of Figure 5.
Les Figures 1 et 2 illustrent le fonctionnement d'une valve à tourbillonnement La Figure 1 montre le sens Figures 1 and 2 illustrate the operation of a swirl valve Figure 1 shows the direction
"direct" 1 de la circulation, dans lequel le courant de flui- "direct" 1 of traffic, in which the flow current
de rencontre une résistance élevée en raison du tourbillon 2 formé, dans la représentation schématique de la Figure 1, par le corps cylindrique 3 circulaire ou incurvé de toute autre manière Pendant la circulation dans le sens direct, encounter a high resistance due to the vortex 2 formed, in the diagrammatic representation of FIG. 1, by the cylindrical body 3 circular or curved in any other way During circulation in the direct direction,
représenté sur la Figure 1, l'orifice axial 4 est la sortie. shown in Figure 1, the axial hole 4 is the outlet.
La Figure 2 montra le sens "inverse" 7 de la cir- Figure 2 shows the "reverse" direction 7 of the cir-
culation, dans lequel aucun tourbillon n'est formé et pour culation, in which no vortex is formed and for
lequel une faible résistance seulement apparaît. which only low resistance appears.
Différentes techniques sont utilisées pour pro- Different techniques are used to pro-
duire le tourbillon pendant la circulation directe Le corps cylindrique 3 peut contenir des ailettes ou même un dispositif comme une hélice dans ce but, de sorte qu'il n'est pas nécessaire que le corps cylindrique 3 luimême the vortex during the direct circulation the cylindrical body 3 may contain fins or even a device such as a propeller for this purpose, so that the cylindrical body 3 itself does not have to be
soit incurvé.either curved.
Des valves peuvent être utilisées en combinaison, Valves can be used in combination,
dans des circuits en sérieou en parallèle. in series or parallel circuits.
Une description plus détaillée des valves à cir- A more detailed description of the gate valves
culation est donnée dans le Brevet des Etats Unis d'Améri- culation is given in the United States Patent of America-
que No 3 604 442 Le montage de valves à tourbillonnement dans des combinaisons en parallèle et en série est décrit dans les Brevets des Etats Unis d'Amérique NO 3 207 168 No. 3,604,442 The mounting of swirl valves in combinations in parallel and in series is described in US Patents No. 3,207,168
et 3 631 873.and 3,631,873.
La Figure 3 illustre le premier mode de réalisa- Figure 3 illustrates the first embodiment.
tion, appliqué à titre d'exemple à un réacteur surrégéné- tion, applied as an example to an over-regenerated reactor
rateur à neutrons rapides, refroidi par métal liquide. fast neutron generator, cooled by liquid metal.
Le refroidissement normal du noyau combustible 8 se fait Normal cooling of the fuel core 8 takes place
par un débit massif de sodium liquide qui entre par plu- by a massive flow of liquid sodium which enters more
sieurs tubes d'entrée 22 (dont un est représenté sur la Figure 4) dans une chambre d'entrée 9 Ce courant monte several inlet tubes 22 (one of which is shown in Figure 4) in an inlet chamber 9 This current rises
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par le noyau 8, entre dans une chambre chaude 10 et sort par plusieurs tubes de sortie 11 (dont un est représenté by the core 8, enters a hot chamber 10 and exits by several outlet tubes 11 (one of which is shown
sur la Figure 3).in Figure 3).
Le réacteur comporte un dispositif de refroi- The reactor includes a cooling device
dissement auxiliaire (dispositif échangeur thermique) com- prenant une entrée 15, un dispositif de pompage 16 en option (de préférence une pompe électromagnétique alimentée par batterie si l'agent de refroidissement du réacteur est un métal liquide), un échangeur thermique 17 (représenté sur auxiliary flow (heat exchanger device) comprising an input 15, an optional pumping device 16 (preferably an electromagnetic pump powered by battery if the coolant of the reactor is a liquid metal), a heat exchanger 17 (shown sure
la Figure 3 comme comportant des tubes 18 rayonnant la cha- Figure 3 as comprising tubes 18 radiating the cha-
leur), et une valve 19 (ou un groupe de valves en série), sur un tube de sortie 20, disposées dans la chambre d'entrée 9. Pendant une circulation normale de l'agent de refroidissement, la chambre d'entrée 9 est mise sous pression par des pompes principales de refroidissement (non représentées) qui produisent une circulation dans le noyau Le dispositif de refroidissement auxiliaire laisse passer un contre-courant 21 qui, de façon indésirable, évite le noyau 8 Le débit du contre-courant 21 est faible (environ 1,5 % du débit total) car il rencontre les valves 19 dans le sens direct à forte résistance Le contre-courant them), and a valve 19 (or a group of valves in series), on an outlet tube 20, arranged in the inlet chamber 9. During normal circulation of the coolant, the inlet chamber 9 is pressurized by main cooling pumps (not shown) which produce a circulation in the core The auxiliary cooling device allows a counter-current 21 to pass which, undesirably, avoids the core 8 The flow of the counter-current 21 is weak (about 1.5% of the total flow) because it meets the valves 19 in the direct direction with high resistance The counter-current
21 peut encore être réduit par le fonctionnement du disposi- 21 can be further reduced by the operation of the device
tif de pompage 16 pendant le fonctionnement normal du réacteur. pumping tif 16 during normal operation of the reactor.
Lorsque la circulation normale d'agent de refroi- When normal coolant circulation
dissement cesse, par exemple en raison d'un arrêt de la pompe principale de refroidissement ou d'un accident, la chaleur résiduelle du noyau 8 continue à échauffer l'agent de refroidissement et une circulation naturelle commence dissement ceases, for example due to a shutdown of the main cooling pump or an accident, the residual heat from the core 8 continues to heat the coolant and a natural circulation begins
si un circuit existe Ce circuit est automatiquement présen- if a circuit exists This circuit is automatically presented
té par le dispositif de refroidissement auxiliaire La cir- ted by the auxiliary cooling device The circuit
culation naturelle ne rencontre la valve 19 que dans le sens natural culation meets valve 19 only in the direction
de faible résistance.low resistance.
Un perfectionnement de ce dispositif auxiliaire An improvement of this auxiliary device
de refroidissement sur le dispositif antérieur est son fonc- cooling on the previous device is its function
tionnement complètement automatique et inhérent, rendu pos- fully automatic and inherent operation, made pos-
sible par l'utilisation d'une ou plusieurs valves. sible by the use of one or more valves.
La Figure 4 représente schématiquement un second Figure 4 shows schematically a second
mode de réalisation, appliqué à titre d'exemple à un ré- embodiment, applied by way of example to a
acteur surrégénérateur à neutrons rapides refroidi par un métal liquide Le circuit de circulation principal d'agent de refroidissement est identique à celui de la Fig 3 à l'exception près que la circulation vers le haut fast neutron breeder actor cooled by liquid metal The main cooling agent circulation circuit is identical to that of Fig 3 except that the circulation upwards
dans les ensembles de manteaux 12 est réduite par le pas- in the sets of coats 12 is reduced by the pas-
sage par le circuit à haute résistance à l'écoulement des wise by the circuit with high resistance to the flow of
valves 19 Cela est souhaitable en raison des caractéris- valves 19 This is desirable due to the characteristics
tiques nucléaires des ensembles de manteaux 12. nuclear ticks of coat sets 12.
A l'interruption de la circulation principale d'agent de refroidissement, une circulation naturelle When the main coolant circulation is interrupted, natural circulation
commence, le courant vers le haut passant par les ensem- begins, the upward current passing through the assemblies
bles combustibles 14 échauffés (dont un est représenté) dans la région centrale, et vers le bas par les ensembles fuel 14 heated (one of which is shown) in the central region, and downwards by the assemblies
de manteaux 12 en passant par le circuit à faible résis- of coats 12 passing through the low resistance circuit
tance des valves 19 Cette configuration de la circulation tance of the valves 19 This configuration of circulation
est celle indiquée sur la Fig 4.is that shown in Fig 4.
Le système complet de refroidissement auxiliaire selon ce second mode de réalisation peut être développé par combinaison avec un dispositif échangeur thermique similaire à celui du premier mode de réalisation, comme le montre la Fig 3, assurant ainsi une élimination finale The complete auxiliary cooling system according to this second embodiment can be developed by combination with a heat exchanger device similar to that of the first embodiment, as shown in FIG. 3, thus ensuring final elimination.
de la chaleur du réacteur Mais, même en l'absence de cet- of reactor heat But even in the absence of this-
te combinaison, l'établissement d'un circuit pour la cir- the combination, the establishment of a circuit for the
culation naturelle dans le noyau sert à redistribuer la chaleur des ensembles les plus chauds vers les ensembles natural culation in the core is used to redistribute the heat from the hottest sets to the sets
de manteaux plus froids, et augmente le débit en circula- colder coats, and increases the flow in circulation
tion naturelle.natural tion.
La Figure 5 est une coupe à plus grande échelle d'une buse d'ensemble de manteau de la Fig 4 Dans ce cas, un groupe de valves en série, comprenant trois valves 19, est utilisé Sur la Figure 5, les flèches indiquent la circulation normale de l'agent derefroidissement, qui Figure 5 is an enlarged section of a mantle assembly nozzle of Figure 4 In this case, a group of valves in series, comprising three valves 19, is used In Figure 5, the arrows indicate the normal circulation of the coolant, which
rencontre le circuit de forte résistance. meets the high resistance circuit.
La Figure 6 est une coupe de la Figure 5 montrant une ailette 23 disposée dans le corps cylindrique 3 pour Figure 6 is a section of Figure 5 showing a fin 23 arranged in the cylindrical body 3 for
provoquer le tourbillonnement.cause swirling.
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*La Figure 5 montre trois valves dans un groupe de valves en série, mais une ou plusieurs pourraient être utilisées D'autres valves pourraient être disposées pour * Figure 5 shows three valves in a group of valves in series, but one or more could be used Other valves could be arranged to
produire des tourbillons dans des sens opposés, éventuel- produce vortices in opposite directions, possibly-
lement pour augmenter encore la résistance hydraulique. to further increase the hydraulic resistance.
Les modes de réalisation qui ont été décrits ci- The embodiments which have been described below
dessus pourraient utiliser des valves simples, ou des com- above could use simple valves, or
binaisons en série ou en parallèle. pairing in series or in parallel.
De même, les valves pourraient être disposées en Likewise, the valves could be arranged in
haut des ensembles de manteaux.top of sets of coats.
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Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
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