FR2558245A1 - Solar heating system - Google Patents
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Abstract
Description
Installation de chauffaga oIaire. Installation of heating boiler.
L'invention concerne une installation de chauffage solaire, comprenant un capteur solaire à circulation d'un liquide caloporteur, et un échangeur de chaleur relié, d'une part, au capteur solaire et, d'autre part, à un circuit de fluide à chauffer.The invention relates to a solar heating installation, comprising a solar collector with circulation of a heat-transfer liquid, and a heat exchanger connected, on the one hand, to the solar collector and, on the other hand, to a fluid circuit with heat.
De façon connue, le capteur solaire comprend en général une surface absorbant l'énergie thermique du rayonnement solaire et la cédant à un liquide caloporteur qui circule dans des séries de tubes, ou encore dans un conduit plat, au contact de ladite surface. L'énergie thermique dont se charge le liquide caloporteur est cédée ensuite, au moyen d'un dchan- geur de chaleur, au fluide à chauffer, qui peut être par exemple de l'eau sanitaire ou l'eau d'une installation de chauffage central d'une habitation ou d'un immeuble.In known manner, the solar collector generally comprises a surface absorbing the thermal energy of the solar radiation and yielding it to a heat-transfer liquid which circulates in series of tubes, or even in a flat duct, in contact with said surface. The thermal energy with which the heat transfer liquid is charged is then transferred, by means of a heat exchanger, to the fluid to be heated, which can for example be domestic water or water from a heating installation. central of a house or building.
Les inconvénients de ces installations sont bien connus complexité de fabrication et coût élevé du circuit de liquide caloporteur, faible rendement thermique, mauvaise tenue en pression des circuits lors d'une élévation importante de température, nécessitant l'utilisation de soupapes de surpression, difficulté de réalisation de l'échangeur de chaleur.The drawbacks of these installations are well known, the complexity of manufacture and the high cost of the coolant circuit, low thermal efficiency, poor pressure withstand of the circuits during a significant rise in temperature, requiring the use of pressure relief valves, difficulty in realization of the heat exchanger.
L'échangeur de chaleur peut en effet comprendre un réservoir d'eau à chauffer, formant un ensemble unitaire avec le capteur solaire, et comprenant une paroi bonne conductrice de la chaleur dont une face est en contact avec le liquide caloporteur et dont l'autre face est en contact avec l'eau à chauffer. Dans ce cas, le liquide caloporteur cède très rapidement son énergie thermique à l'eau du réservoir, et celui-ci contient alors de l'eau très chaude en partie supérieure et de l'eau froide en partie inférieure.The heat exchanger may in fact comprise a reservoir of water to be heated, forming a unitary assembly with the solar collector, and comprising a wall which is good conductor of heat, one face of which is in contact with the heat-transfer liquid and the other of which face is in contact with the water to be heated. In this case, the heat transfer liquid very quickly transfers its thermal energy to the water in the tank, and the tank then contains very hot water at the top and cold water at the bottom.
L'échangeur de chaleur peut encore être formé d'un:rdservoir ou ballon d'eau å chauffer, contenant un ou des serpentins dans lesquels circule le liquide caloporteur sortant du capteur solaire. Dans ce cas, l'échauffement de l'eau du réservoir est d'une part lent, et d'autre part très faible pour un degré faible d'ensoleillement.The heat exchanger can also be formed of: a tank or water tank to be heated, containing one or more coils in which the heat transfer liquid leaving the solar collector circulates. In this case, the heating of the water in the reservoir is on the one hand slow, and on the other hand very weak for a low degree of sunshine.
L'invention a pour but une; installation de chauffage solaire permettant d'éviter, de façon simple, efficace et économique, les inconvénients précités de la technique antérieure.The object of the invention is a; solar heating installation making it possible to avoid, in a simple, efficient and economical manner, the aforementioned drawbacks of the prior art.
Elle propose à cet effet une installation de chauffage soldaire du type précité, comprenant un capteur solaire à circulation d'un liquide caloporteur et un échangeur de chaleur relié, d'une part, au capteur et, d'autre part, à un circuit de fluide à chauffer, caractérisée en ce que l'installation comprend un vase d'expansion formé par un cylindre à extrémité supérieure fermée et à extrémité inférieure communiquant avec le circuit de liquide caloporteur, ce cylindre contenant un volume de fluide compressible, tel que de l'air, dans sa partie supérieure et étant disposé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, dans un tube cylindrique parcouru par le liquide caloporteur.To this end, it offers a soldier heating installation of the aforementioned type, comprising a solar collector with circulation of a heat transfer liquid and a heat exchanger connected, on the one hand, to the collector and, on the other hand, to a circuit of fluid to be heated, characterized in that the installation comprises an expansion vessel formed by a cylinder with closed upper end and lower end communicating with the heat transfer liquid circuit, this cylinder containing a volume of compressible fluid, such as l 'air, in its upper part and being disposed inside the heat exchanger, in a cylindrical tube traversed by the heat transfer liquid.
Le vase d'expansion permet d'absorber les variations de volume d'un liquide caloporteur à coefficient de dilatation thermique élevé au moyen duquel l'installation peut fonctionner par circulation naturelle, donc sans utilisa tion d'une pompe ou d'un autre moyen quelconque de mise en circulation du liquide caloporteur et donc sans consommation d'énergie. De plus, à I'intérieur de l'échangeur de chaleur, le liquide caloporteur circule autour du vase d'expansion dans un espace annulaire cylindrique dont l'épaisseur peut être faible, ce qui permet d'augmenter la surface d'échange thermique entre le liquide caloporteur et le fluide à chauffer et donc d'obtenir un chauffage rapide de ce fluide. En outre, la présence du vase d'expansion permet de résoudre les problèmes de tenue en pression des circuits, de façon simple et particulièrement fiable.The expansion tank is used to absorb variations in the volume of a heat-transfer liquid with a high coefficient of thermal expansion by means of which the installation can operate by natural circulation, therefore without the use of a pump or other means. any circulation of the heat transfer liquid and therefore without energy consumption. In addition, inside the heat exchanger, the heat transfer liquid circulates around the expansion vessel in a cylindrical annular space, the thickness of which may be small, which makes it possible to increase the heat exchange surface between the heat transfer liquid and the fluid to be heated and therefore to obtain rapid heating of this fluid. In addition, the presence of the expansion tank makes it possible to solve the problems of pressure resistance of the circuits, in a simple and particularly reliable manner.
La partie de l'échangeur de chaleur contenant le fluide à chauffer, par exemple de l'eau, peut être elle-même de forme cylindrique, ce qui permet de réaliser un réservoir ou ballon d'eau chaude au moindre coût.The part of the heat exchanger containing the fluid to be heated, for example water, can itself be of cylindrical shape, which makes it possible to produce a hot water tank or cylinder at the lowest cost.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube cylindrique dans lequel circule le liquide caloporteur autour du vase d'expansion est entouré partiellement d'une couche de matériau thermiquement isolant, disposée de telle sorte que la surface d'échange thermique entre le lirniide caloporteur circulant dans ce tube et le fluide à chauffer se trouvant à l'extérieur du tube, augmente progressivement entre l'entrée et la sortie du liquide caloporteur dans le tube.According to another characteristic of the invention, the cylindrical tube in which the coolant circulates around the expansion vessel is partially surrounded by a layer of thermally insulating material, arranged so that the heat exchange surface between the lirniide coolant circulating in this tube and the fluid to be heated outside the tube, gradually increases between the entry and exit of the coolant in the tube.
On obtient ainsi un échauffement plus homogène du fluide (tel que de l'eau) se trouvant dans l'échangeur de chaleur et on peut régler à une valeur optimale le gradient de température du fluide dans l'échangeur, pour obtenir par exemple, dans le cas de l'eau chaude sanitaire, une température d'eau d'environ 500C en partie supérieure de l'échangeur ou ballon d'eau chaude, ce qui réduit les pertes thermiques pendant les périodes de non-utilisation d'eau chaude et évite les risques de brûlure à la sortie des robinets, et une température supérieure à 200C en partie inférieure du ballon.A more homogeneous heating of the fluid (such as water) in the heat exchanger is thus obtained and the temperature gradient of the fluid in the exchanger can be adjusted to an optimal value, for example in in the case of domestic hot water, a water temperature of around 500C at the top of the exchanger or hot water tank, which reduces heat losses during periods of non-use of hot water and avoids the risk of burns at the outlet of the taps, and a temperature above 200C in the lower part of the tank.
Selon encore d'autres caractéristiques de l'invention, le liquide caloporteur sert de corps noir absorbant l'énergie thermique du rayonnement solaire et son circuit est défini, dans le capteur solaire, par un espace d'épaisseur relativement faible entre deux plaques parallèles dont l'une est transparente au rayonnement solaire et dont l'autre est opaque et associée à un revêtement extérieur thermique ment isolant.According to yet other characteristics of the invention, the heat transfer liquid serves as a black body absorbing the thermal energy of the solar radiation and its circuit is defined, in the solar collector, by a space of relatively small thickness between two parallel plates of which one is transparent to solar radiation and the other is opaque and associated with a thermally insulating external coating.
On obtient ainsi un capteur solaire dont la structure est particulièrement simple et peu coûteuse à réaliser.A solar collector is thus obtained, the structure of which is particularly simple and inexpensive to produce.
l
Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'une installation de chauffage solaire selon l'invention; - les figures 2 et 3 représentent schématiquement deux variantes de réalisation du capteur solaire.l
In the following description, given by way of example, reference is made to the appended drawings, in which - FIG. 1 is a schematic view in vertical section of a solar heating installation according to the invention; - Figures 2 and 3 schematically represent two alternative embodiments of the solar collector.
L'installation représentée en figure 1 comprend un capteur soldaire, désigné par la référence 10, et un échangeur de chaleur 12, tel qu'un ballon d'eau chaude sanitaire.The installation shown in FIG. 1 comprises a soldier sensor, designated by the reference 10, and a heat exchanger 12, such as a domestic hot water tank.
Le capteur solaire 10 est par exemple de forme parallélépi pédique rectangulaire et comprend une face avant 13, exposée au rayonnement solaire, qui peut être une plaque de verre trempé, une plaque intermédiaire 14 qui peut être transparente au rayonnement solaire ou bien former une paroi absorbant l'énergie thermique du rayonnement solaire, et qui est séparée de la face avant 13 par une couche d'air, et une face arrière 16, qui peut être une plaque métallique, parallèle aux plaques 13 et 14 et qui définit avec la plaque 14 un conduit plat 18 de faible épaisseur dans lequel circule le liquide caloporteur. La plaque arrière 16 est revêtue sur sa face extérieure d'une couche 20 de matière thermiquement isolante.The solar collector 10 is, for example, in rectangular rectangular shape and comprises a front face 13, exposed to solar radiation, which can be a plate of tempered glass, an intermediate plate 14 which can be transparent to solar radiation or else form an absorbent wall. the thermal energy of the solar radiation, and which is separated from the front face 13 by an air layer, and a rear face 16, which can be a metal plate, parallel to the plates 13 and 14 and which defines with the plate 14 a flat conduit 18 of small thickness in which the heat transfer liquid circulates. The rear plate 16 is coated on its outer face with a layer 20 of thermally insulating material.
La partie supérieure du conduit plat 18 du capteur est reliée, par exemple par un collecteur de sortie 22, à l'extrémité supérieure d'un tube métallique 24, de forme cylindrique, qui est placé à l'intérieur du ballon d'eau chaude 12 et qui s'étend sur sensiblement toute la hauteur de celui-ci. L'extrémité inférieure du tube métallique 24 est reliée par un collecteur d'alimentation 26 à la partie inférieure du conduit plat 18 du capteur solaire 10.The upper part of the flat duct 18 of the sensor is connected, for example by an outlet manifold 22, to the upper end of a metal tube 24, of cylindrical shape, which is placed inside the hot water tank 12 and which extends over substantially the entire height thereof. The lower end of the metal tube 24 is connected by a supply manifold 26 to the lower part of the flat duct 18 of the solar collector 10.
A l'intérieur du tube métallique 24 se trouve un cylindre 28, par exemple en métalou en matière plastique, dont l'extrémité supérieure 30 est fermée et dont l'extrémité inférieure communique avec le volume interne du tube 24.Inside the metal tube 24 is a cylinder 28, for example made of metal or plastic, the upper end 30 of which is closed and the lower end of which communicates with the internal volume of the tube 24.
La partie supérieure du cylindre 28 est remplie d'un fluide compressible, par exemple de l'air, tandis que sa partie inférieure est remplie par le liquide caloporteur circulant dans le tube cylindrique 24. Le cylindre 28 joue ainsi le râle d'un vase d'expansion, comme on le verra dans ce qui suit.The upper part of the cylinder 28 is filled with a compressible fluid, for example air, while its lower part is filled with the coolant circulating in the cylindrical tube 24. The cylinder 28 thus plays the rattle of a vase expansion, as will be seen in the following.
La paroi du tube métallique 24, qui forme la surface d'échange thermique entre le liquide caloporteur circulant dans le tube et l'eau se trouvant à l'extérieur de ce tube dans le ballon 12, est garnie extérieurement d'anneaux 32 de matière thermiquement isolante, qui ont pour but de réduire l'échange thermique entre le liquide caloporteur et l'eau du ballon dans la partie supérieure du tube 24.The wall of the metal tube 24, which forms the heat exchange surface between the heat transfer liquid circulating in the tube and the water located outside this tube in the flask 12, is externally lined with rings 32 of material thermally insulating, which aim to reduce the heat exchange between the heat transfer liquid and the water in the flask in the upper part of the tube 24.
A cet effet, la distance entre deux anneaux successifs 32 de matière thermiquement isolante augmente progressivement de l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du tube 24. D'une autre façon, les anneaux 32 pourraient être remplacés par un fourreau ou une gaine cylindrique perforé de matière thermiquement isolante, les dimensions des orifices de ce fourreau ou de cette gaine augmentant pro gressivement de son extrémité supérieure à son extrémité inférieure.For this purpose, the distance between two successive rings 32 of thermally insulating material progressively increases from the upper end to the lower end of the tube 24. In another way, the rings 32 could be replaced by a cylindrical sheath or sheath perforated with thermally insulating material, the dimensions of the orifices of this sheath or of this sheath increasing progressively from its upper end to its lower end.
Le ballon d'eau chaude 12 est lui-même, avantageusement, de forme cylindrique et entoure coaxialement le tube 24 dans lequel circule le liquide caloporteur. De façon classique, ce ballon 12 comprend une tubulure 34 d'amenée d'eau froide dans sa partie inférieure, et une tubulure 36 de sortie d'eau chaude dans sa partie supérieure.The hot water tank 12 is itself, advantageously, of cylindrical shape and coaxially surrounds the tube 24 in which the heat transfer liquid circulates. Conventionally, this balloon 12 comprises a tube 34 for supplying cold water in its lower part, and a tube 36 for outputting hot water in its upper part.
Le capteur solaire et le ballon d'eau chaude peuvent former un ensemble compact et unitaire, ou bien être séparés l'un de l'autre, ce qui permet alors de les placer par exemple de chaque côté d'un mur, le capteur à l'extérieur et le ballon d'eau chaude à l'intérieur.The solar collector and the hot water tank can form a compact and unitary unit, or else be separated from each other, which then makes it possible to place them for example on each side of a wall, the collector to the outside and the hot water tank inside.
De préférence, les collecteurs 22 et 26 du circuit du liquide caloporteur et le ballon d'eau chaude 12 peuvent être thermiquement isolés, comme représenté schématiquement en figure 1. On notera également que les extrémités des collecteurs 20 et 26 servent au maintien et à la fixation étanche des plaques 13, 14 et 16.Preferably, the collectors 22 and 26 of the heat transfer liquid circuit and the hot water tank 12 can be thermally insulated, as shown diagrammatically in FIG. 1. It will also be noted that the ends of the collectors 20 and 26 are used to hold and waterproof fixing of plates 13, 14 and 16.
L'installation de chauffage qui vient d'être décrite est avantageusement à circulation naturelle de liquide caloporteur et le circuit de ce liquide est conçu de façon à ce que la section transversale de passage du liquide soit sensiblement constante en tout point du circuit.The heating installation which has just been described is advantageously with natural circulation of coolant and the circuit of this liquid is designed so that the cross section of the passage of the liquid is substantially constant at all points of the circuit.
Le liquide caloporteur est un liquide à coefficient de dilatation thermique relativement élevé, et peut contenir des particules de matière ayant une capacité d'absorption thermique relativement élevée, par exemple du carbone, pour servir lui-même de corps noir.The heat transfer liquid is a liquid with a relatively high coefficient of thermal expansion, and may contain particles of material having a relatively high thermal absorption capacity, for example carbon, to itself serve as a black body.
Cette installation de chauffage solaire fonctionne de façon suivante
La faible quantité de liquide caloporteur se trouvant dans le conduit plat 18 du capteur solaire 10 est chauffée par le rayonnement solaire et voit sa température augmenter rapidement de façon relativement importante. Ce liquide circule par convection naturelle et sort du capteur 10 par le collecteur de sortie 22, circule à l'intérieur du tube métallique 24 placé dans le ballon d'eau chaude 12 et cède son énergie thermique à l'eau contenue dans ce ballon, les anneaux 32 ou analogues de matière thermiquement isolante prévus sur la surface extérieure du tube métallique 24 permettant de contrôler le gradient de température de l'eau sur la hauteur du ballon 12.This solar heating installation works as follows
The small amount of heat transfer liquid in the flat duct 18 of the solar collector 10 is heated by solar radiation and sees its temperature increase relatively quickly. This liquid circulates by natural convection and leaves the sensor 10 through the outlet collector 22, circulates inside the metal tube 24 placed in the hot water tank 12 and transfers its thermal energy to the water contained in this tank, the rings 32 or the like of thermally insulating material provided on the external surface of the metal tube 24 making it possible to control the temperature gradient of the water over the height of the tank 12.
Le liquide caloporteur froid sortant du tube métallique 24 est ramené au capteur solaire 10 par le collecteur d'alimentation 26. Le vase d'expansion 28 placé à l'intérieur du tube 24 permet d'absorber, par compression du fluide.The cold heat transfer liquid leaving the metal tube 24 is brought back to the solar collector 10 by the supply manifold 26. The expansion vessel 28 placed inside the tube 24 makes it possible to absorb, by compression of the fluid.
ou de l'air qu'il contient, l'augmentation de volume du liquide caloporteur provoquée par son augmentation de température, ainsi que la pression due à la colonne de liquide correspondant à la hauteur du circuit du liquide caloporteur.or of the air which it contains, the increase in volume of the heat-transfer liquid caused by its increase in temperature, as well as the pressure due to the column of liquid corresponding to the height of the circuit of the heat-transfer liquid.
L'épaisseur de l'espace interne 18 du capteur 10, dans lequel circule le liquide caloporteur, et celle de l'espace annulaire cylindrique formé entre le vase d'expansion 28 et le tube métallique 24 sont relativement faibles et de l'ordre de 1 mm par exemple. On obtient ainsi un échauffement rapide et important du liquide caloporteur dans le capteur solaire 10, ainsi qt'un échauffement maximal de l'eau dans le ballon 12.The thickness of the internal space 18 of the sensor 10, in which the coolant circulates, and that of the cylindrical annular space formed between the expansion vessel 28 and the metal tube 24 are relatively small and of the order of 1 mm for example. This provides rapid and significant heating of the heat transfer liquid in the solar collector 10, as well as maximum heating of the water in the tank 12.
Le ballon d'eau chaude 12 peut avoir un volume important et est alors associé à une batterie de capteurs solaires 10 raccordés en parallèle à un ou à plusieurs tubes 24 placés à l'intérieur du ballon d'eau chaude, par exemple dans le cas d'une habitation collective.The hot water tank 12 can have a large volume and is then associated with a battery of solar collectors 10 connected in parallel to one or more tubes 24 placed inside the hot water tank, for example in the case of a collective dwelling.
On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 représentant des variantes de réalisation du capteur solaire.We now refer to Figures 2 and 3 showing alternative embodiments of the solar collector.
En figure 2, le conduit plat 18 dans lequel circule le liquide caloporteur est un tube plat dont les extrémités sont reliées directement aux collecteurs 22 et 26. La plaque avant 13 est montée sur la face avant du conduit plat 18, par exemple au moyen d'un cadre 40 et est formée d'une plaque de verre trempé, séparée du conduit 18 par une couche d'air. Le capteur, sauf sur sa face avant 13 exposée au rayonnement solaire, est entouré de matière thermiquement isolante.In FIG. 2, the flat duct 18 in which the heat transfer fluid circulates is a flat tube, the ends of which are connected directly to the collectors 22 and 26. The front plate 13 is mounted on the front face of the flat duct 18, for example by means of 'a frame 40 and is formed of a tempered glass plate, separated from the conduit 18 by an air layer. The sensor, except on its front face 13 exposed to solar radiation, is surrounded by thermally insulating material.
En figure 3, le conduit plat 18 dans lequel circule le liquide caloporteur est défini entre deux plaques parallèles 14 et 16, qui peuvent être des plaques de verre, séparées de l'extérieur par des plaques de verre trempé13 et et 13a respectivement, déterminant une couche d'air avec les plaques 14 et 16. Si leiliquide caloporteur forme corps noir, les plaques 14 et 16 peuvent être transparentes au rayonnement solaire. Sinon, la plaque 16 est opaque au rayonnement solaire et forme un corps noir. Comme en figure 1, les plaques 13, 14, 16 et 13a sont maintenues et fixées de façon étanche sur les extrémités des collecteurs 22 et 26.In FIG. 3, the flat duct 18 in which the heat transfer fluid circulates is defined between two parallel plates 14 and 16, which can be glass plates, separated from the outside by tempered glass plates 13 and and 13a respectively, determining a layer of air with the plates 14 and 16. If the coolant forms a black body, the plates 14 and 16 may be transparent to solar radiation. Otherwise, the plate 16 is opaque to solar radiation and forms a black body. As in FIG. 1, the plates 13, 14, 16 and 13a are held and fixed in leaktight manner to the ends of the collectors 22 and 26.
Diverses modifications peuvent être apportées à l'installation qui vient d'être décrite, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la séparation gaz-liquide à l'intérieur du vase d'expansion peut être assurée par une membrane élastiquement déformable ou par un piston libre.Various modifications can be made to the installation which has just been described, without departing from the scope of the invention. For example, the gas-liquid separation inside the expansion vessel can be ensured by an elastically deformable membrane or by a free piston.
Un clapet anti-retour est avantageusement prévu en un point quelconque du circuit du liquide caloporteur, pour éviter la circulation en sens contraire de ce liquide la nuit ou en l'absence de rayonnement solaire, ce clapet comprenant par exemple un anneau monté en oblique dans un conduit du circuit du liquide caloporteur, et un obturateur formé par un disque très mince de matière plastique souple posé sur la face aval de l'anneau et fixé en un point à celui-ci, de telle sorte que le passage du liquide à travers l'anneau se fait sans perte de charge dans un sens, et est interdit dans l'autre sens.A non-return valve is advantageously provided at any point in the circuit of the heat transfer liquid, to avoid circulation in the opposite direction of this liquid at night or in the absence of solar radiation, this valve comprising for example a ring mounted obliquely in a pipe of the heat-transfer liquid circuit, and a shutter formed by a very thin disc of flexible plastic material placed on the downstream face of the ring and fixed at a point to it, so that the passage of the liquid through the ring is made without pressure loss in one direction, and is prohibited in the other direction.
Une installation de chauffage solaire selon l'invention a un rendement thermique très nettement supérieur à celui des installations concurrentes disponibles actuéllement sur le marché, et peut fonctionner dans des conditions d'ensoleillement faible (d partir de quelques Watt/m2) pour le chauffage ou le pré-chauffage d'eau sanitaire ou de chauffage central par exemple. A solar heating installation according to the invention has a thermal efficiency much higher than that of competing installations currently available on the market, and can operate in low sunshine conditions (from a few Watt / m2) for heating or pre-heating of sanitary water or central heating for example.
Claims (7)
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| FR8414071A FR2558245B1 (en) | 1984-09-13 | 1984-09-13 | SOLAR HEATING SYSTEM |
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| FR2558245B1 FR2558245B1 (en) | 1986-08-29 |
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ID=9307705
Family Applications (1)
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|---|---|
| FR2558245B1 (en) | 1986-08-29 |
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