FR2575175A1 - Compositions based on chlorofluoro oils for absorption machines - Google Patents
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Abstract
Description
COMPOSITIONS A BASE D 'HUI1S CHLOROFLUOREES
POUR MACHINES A ABSORPTION ~o~o~o~o~o~
La présente invention concerne des compositions de solvants et de fluides calogènes, utilisables dans les appareils de chauffage ou de refroidissement par absorption.COMPOSITIONS BASED ON CHLOROFLUORINATED OILS
FOR ABSORPTION MACHINES ~ o ~ o ~ o ~ o ~ o ~
The present invention relates to solvent and heat generating fluid compositions for use in absorption heating or cooling apparatus.
Ces machines dont le principe de fonctionnement repose sur l'extraction par absorption d'énergie calorifique à bas niveau, empruntée par exemple à l'air extérieur paur une pompe à chaleur ou à une enceinte frigorifique pour un groupe frigorigène, et sur la restitution de cette énergie au local à chauffer ou à 1 'espace environnant dans le second cas, mettent en oeuvre un compose aisément vaporisable (le calogène) et un composé de faible volatilité qui est de préférence bon solvant du premier. These machines, the operating principle of which is based on the extraction by absorption of low-level heat energy, borrowed for example from the outside air paur a heat pump or from a refrigeration enclosure for a refrigerant unit, and on the restitution of this energy in the room to be heated or in the surrounding space in the second case, uses an easily vaporizable compound (calogen) and a low volatility compound which is preferably a good solvent for the first.
Dans une pompe à chaleur, la solution enrichie en fluide calogène après absorption retourne au bouilleur où les deux fluides sont à nouveau séparés par chauffage. Le calogène est vaporisé et envoyé dans le circuit de la pompe où il subit d' abord une condensation à température élevée, puis une détente suivie d'une évaporation avant retour à l'absorbeur. In a heat pump, the solution enriched in heat-generating fluid after absorption returns to the boiler where the two fluids are again separated by heating. The calogen is vaporized and sent into the pump circuit where it first undergoes condensation at high temperature, then expansion followed by evaporation before returning to the absorber.
Les couples de calogène et de solvant choisis doivent répondre à un certain nombre de critères liés au fonctionnement même de ce type de machine
a) Les points d'ébullition sous pression normale doivent présenter un écart d'au moins 150 à 200"C afin d'éviter l'emploi d'un dispositif de rétrogradation du solvant.The couples of calogen and solvent chosen must meet a certain number of criteria related to the very functioning of this type of machine.
a) The boiling points under normal pressure must have a difference of at least 150 to 200 "C in order to avoid the use of a device for retrograding the solvent.
b) Le point d'ébullition du fluide calogène ne doit etre ni trop bas pour éviter l'emploi de pressions de service importantes, ni trop haut pour respecter la condition précédente. b) The boiling point of the heat-generating fluid must be neither too low to avoid the use of high operating pressures, nor too high to comply with the previous condition.
c) Les deux composés doivent être. complètement miscibles dans les proportions d'emploi sur un grand domaine de températures. c) Both compounds must be. completely miscible in the proportions of use over a wide range of temperatures.
d) Le solvant doit rester liquide à basse température et présenter un point de solidification aussi bas que possible afin de conserver une viscosité acceptable à des températures de l'ordre de -20 à 0 C. d) The solvent must remain liquid at low temperature and have a solidification point as low as possible in order to maintain an acceptable viscosity at temperatures of the order of -20 to 0 C.
e) Le mélange doit présenter une excellente stabilité thermique et chimique dans le domaine de température iipliqué par le cycle thermodynamique, c'est-à-dire dans une zone de température allant, dans le cas particulier des pompes à chaleur, de -10 C pour la source froide (absorbeur) à 150-180"C pour le bouilleur. e) The mixture must have excellent thermal and chemical stability in the temperature range iiplicated by the thermodynamic cycle, that is to say in a temperature zone ranging, in the particular case of heat pumps, from -10 ° C. for the cold source (absorber) at 150-180 "C for the boiler.
f) Les produits choisis ne doivent enfin présenter aucun caractère de toxicité. f) Finally, the products chosen must not present any character of toxicity.
Pour des raisons de sécurité et également pour tenir compte de leur bonne stabilité thermique et chimique, la plupart des fluides calogènes sont choisis parmi les hydrocarbures fluorés et, plus spécialement, parmi les hydrocarbures chlorofluorés à un ou deux atomes de carbone qui correspondent le mieux aux critères de volabilité et de solubilité définis plus haut.Les composés les plus utilisés sont le fiuorotrichlorométhane (R 11), le dichlorodifluorométhane (R 12), le dichlorofluorométhane (R 21), le chlorodifluorométhane (R 22), le chlorofluorométhane (R 31), le dichloro-1,2 tétrafluoro-l,1,2,2 éthane (R 114), le dichloro-l,1 tétrafluoro-1,2,2,2 éthane (R 114a), le chlorcpentafluoroéthane (R 115), le dichloro-l,l trifluoro-2,2,2 éthane (R 123), le dichloro-1,2 trifluoro-1,2,2 éthane (R 123a), le dichloro-l,l trifluoro-1,2,2 éthane (R 123 b), le chloro-1 tétrafluoro-1,2,2,2 éthane (R 124), le chloro-1 tétrafluoro-1,1,2,2 éthane (R 124a), le chloro-l trifluoro-1,2,2 éthane (R 133), le chloro-1 trifluoro-2,2,2 éthane (R 133a), le chloro-1 trifluoro-1,1,2 éthane (R 133b) et le chloro-1 difluoro-l,l éthane (R 142b). For safety reasons and also to take account of their good thermal and chemical stability, most heat-generating fluids are chosen from fluorinated hydrocarbons and, more especially, from chlorofluorinated hydrocarbons with one or two carbon atoms which correspond best to volatility and solubility criteria defined above. The most used compounds are fiuorotrichloromethane (R 11), dichlorodifluoromethane (R 12), dichlorofluoromethane (R 21), chlorodifluoromethane (R 22), chlorofluoromethane (R 31) , 1,2-dichloro tetrafluoro-1,2,2,2 ethane (R 114), dichloro-1,1 tetrafluoro-1,2,2,2 ethane (R 114a), chlorcpentafluoroethane (R 115), dichloro-l, l trifluoro-2,2,2 ethane (R 123), dichloro-1,2 trifluoro-1,2,2 ethane (R 123a), dichloro-l, l trifluoro-1,2, 2 ethane (R 123 b), chloro-1 tetrafluoro-1,2,2,2 ethane (R 124), chloro-1 tetrafluoro-1,1,2,2 ethane (R 124a), chloro-l 1,2,2-trifluoroethane (R 133), the chloro-1 trifluoro-2,2,2 ethane (R 133a), chloro-1 trifluoro-1,1,2 ethane (R 133b) and chloro-1 difluoro-l, ethane (R 142b).
Les meilleurs solvants, lorsque l'hydrocarbure fluoré comporte un ou plusieurs atomes d'hydrogène, sont ceux susceptibles de former des associations intermoléculaires par liaison hydrogène et se recrutent dans les classes des dérivés carbonyle (esters, cétones, amides, lactames), des alcools ou des éthers de polyéthylèneglycols. The best solvents, when the fluorinated hydrocarbon contains one or more hydrogen atoms, are those capable of forming intermolecular associations by hydrogen bonding and are recruited from the classes of carbonyl derivatives (esters, ketones, amides, lactams), alcohols or polyethylene glycol ethers.
Parmi les solvants les plus utilisés, on peut citer les éthers diméthyliques du tri- ou tétra-éthyleneglycol (brevet SU 150113 et demandes JP 79-152257 et DE 3202377), la N-méthyl-pyrrolidone (brevet SU 643524 et demandes JP 79-145774 et JP 82-132545), le N,N-diméthylformamide (demande JP 82-121759) et le phtalate de dibutyle (brevet SU 346326). Ont également été préconisés comme solvants, des imidazolines et des phosphoramides (demandes JP 82-132544 et DE 2944189) ainsi que des dérivés de l'alcool tétrahydrofurfurylique (brevet U.S. 4251382).Among the most widely used solvents, mention may be made of dimethyl ethers of tri- or tetra-ethyleneglycol (patent SU 150113 and applications JP 79-152257 and DE 3202377), N-methyl-pyrrolidone (patent SU 643524 and applications JP 79- 145774 and JP 82-132545), N, N-dimethylformamide (application JP 82-121759) and dibutyl phthalate (patent SU 346326). Also recommended as solvents, imidazolines and phosphoramides (applications JP 82-132544 and DE 2944189) as well as derivatives of tetrahydrofurfuryl alcohol (U.S. patent 4,251,382).
Dans le bouilleur des machines à absorption, les solutions enrichies en fluide de travail sont portées à des températures élevées Les parois du bouilleur sont généralement constituées de matériaux métalliques à base de fer, d'aluminium ou de cuivre qui, sous L'effet de la température, peuvent constituer un élément de déstabilisation du couple calogène-solvant. I1 est en effet bien connu qu'un hydrocarbure chlorofluoré du type CnHn+2-x-yFxCly, chauffé en présence d'un des métaux précités et d'un compose donneur d ' hydrogène, subit une transformation quantitative avec substitution progressive des atomes de chlore par des atomes d'hydrogène pris au solvant. Selon la réactivité du donneur et la structure de l'hydrocarbure fluoré, il se forme également, lorsque n est égal ou supérieur à 2, une proportion plus ou soins importante de dérivés éthyléniques. Ainsi, dans le cas du chloro-l trifluoro-2 ,2,2 éthane (R133a), ces transformations s'effectuent selon le schéma reactionnel suivant
CF3-CH2Cl + Fe
In the boiler of absorption machines, the solutions enriched in working fluid are brought to high temperatures The walls of the boiler are generally made of metallic materials based on iron, aluminum or copper which, under the effect of the temperature, can constitute an element of destabilization of the calogen-solvent couple. It is indeed well known that a chlorofluorinated hydrocarbon of the CnHn + 2-x-yFxCly type, heated in the presence of one of the abovementioned metals and of a hydrogen donor compound, undergoes a quantitative transformation with progressive substitution of the atoms of chlorine by hydrogen atoms taken in solvent. Depending on the reactivity of the donor and the structure of the fluorinated hydrocarbon, a greater or greater proportion of ethylenic derivatives is also formed, when n is equal to or greater than 2. Thus, in the case of chloro-1 trifluoro-2, 2,2 ethane (R133a), these transformations are carried out according to the following reaction scheme
CF3-CH2Cl + Fe
CF3-CH2" + FeCl* CF3-CH2* + R-H (solvant)
CF3-CH2 "+ FeCl * CF3-CH2 * + RH (solvent)
CF3CH3 + R. CF3CH3 + R.
CF3CH2* + FeC1
CF2 = CH? + FeCIF quant au chloro-l tétrafluoro-1,2,2,2 éthane (R 124)chauffE en présence de N-mathyl-pyrrolidone et de fer, il donne du tétrafluoro-l,l,1,2 éthane (R 134a) et un mélange de difluoro-1,I éthylène et de trifluoro-éthylène
Cette réaction s 'accompagne de la formation de goudrons aux dépens du solvant et d'une corrosion importante due à l'action des halogénures métalliques formés. La dification de la nature du couple calogène/solvant, les effets de la corrosion et notamment la formation de gaz incondensables provoquent la détérioration des conditions de fonctionnement de la pompe à chaleur et pewent entrainer très rapidement sa mise hors d'usage.CF3CH2 * + FeC1
CF2 = CH? + FeCIF as for chloro-l tetrafluoro-1,2,2,2 ethane (R 124) Heated in the presence of N-methyl-pyrrolidone and iron, it gives tetrafluoro-1,1,2,1 ethane (R 134a ) and a mixture of difluoro-1, I ethylene and trifluoro-ethylene
This reaction is accompanied by the formation of tars at the expense of the solvent and by significant corrosion due to the action of the metal halides formed. The change in the nature of the heat / solvent couple, the effects of corrosion and in particular the formation of noncondensable gases provoke the deterioration of the operating conditions of the heat pump and pewent very quickly lead to its decommissioning.
Différentes propositions ont été faites en vue de remédier à cet inconvénient et assurer une fiabilité minimale de ordre de 10 000 heures. La plus simple consiste à stabiliser le mélange fluide calogène chlorofluoré/solvant par introduction d'un additif en une proportion ne modifiant pas sensiblement les caractéristiques physicochimlques et therurdynamiques du couple calogèneXsolvant. Various proposals have been made with a view to remedying this drawback and ensuring a minimum reliability of the order of 10,000 hours. The simplest consists in stabilizing the chlorogenic fluorofluoric / solvent fluid mixture by introducing an additive in a proportion which does not appreciably modify the physicochemical and therurdynamic characteristics of the calogenic-solvent couple.
Malheureusement, ces additifs n'offrent qu'une efficacité limitée dans le temps et leur action se résume surtout à un allongement de la période d' mhibition. Unfortunately, these additives offer only limited effectiveness over time and their action is mainly summed up by an extension of the inhibition period.
Un autre procédé consiste à remplacer l'hydrocarbure chlorofluoré par un alcool polyfluoré tel que le trifluoro-ethanol (demandes JP 80-16315, 81-88485, 82-132545 et 83-98137). Cependant, les points d'ébullition relativement élevés de ces alcools (73,5"C pour le trifluoro-éthanol) conduisent à faire fonctionner une partie de l'installation (l'évaporateur) à une pression nettement inférieure à la pression normale. Another method consists in replacing the chlorofluorinated hydrocarbon with a polyfluorinated alcohol such as trifluoroethanol (applications JP 80-16315, 81-88485, 82-132545 and 83-98137). However, the relatively high boiling points of these alcohols (73.5 "C for trifluoroethanol) lead to operating part of the installation (the evaporator) at a pressure significantly lower than normal pressure.
On peut enfin modifier la nature du solvant et le choisir dans une famille de produits ne donnant pas lieu, en présence de métaux et d'hydrocarbures chlorofluorés, aux réactions décrites ci-dessus. Finally, the nature of the solvent can be modified and chosen from a family of products which do not give rise, in the presence of chlorofluorinated metals and hydrocarbons, to the reactions described above.
Dans cette optique, l'identité de structure a été mise à profit dans les brevets FR 2 075 236 et U.S. 4 003 215 qui utiiisent des couples d'ydrocarbures chlorofluorés comme solvant et fluide de travail.In this context, the structure identity has been used in patents FR 2 075 236 and U.S. 4 003 215 which use pairs of chlorofluorinated hydrocarbons as solvent and working fluid.
Cependant, pour les couples R 12/R-ll et R 12/R 113 cités dans les exemples, les faibles écarts de points d'ébullition (de l'ordre de 40 à 80"G) nécessitent la mise en oeuvre de processus technologiques complexes pour effectuer la séparation solvant/calogène à la sortie du bouilleur.However, for the pairs R 12 / R-ll and R 12 / R 113 cited in the examples, the small differences in boiling points (of the order of 40 to 80 "G) require the implementation of technological processes complex to perform the solvent / heat generator separation at the outlet of the boiler.
La présente invention a donc pour objectif de remédier aux inconvénients de la technique antérieure et de proposer des couples solvant chlorofluoré/ calogène chlorofluoré, stables à température élevée en présence de métaux et utilisables notamment dans les systèmes de chauffage ou de réfrigération par absorption. The present invention therefore aims to remedy the drawbacks of the prior art and to propose chlorofluorinated solvent / chlorofluorinated calogen couples, stable at high temperature in the presence of metals and usable in particular in absorption heating or refrigeration systems.
Il a maintenant été trouvé que les huiles chlorofluorées de faible poids séculaire obtenues par craquage thermique de polymères du trifluorochloroéthylène forment avec les hydrocarbures chlorofluorés servant de fluide de travail (calogène) des mélanges qui sont stables à température élevée en présence de matériaux métalliques, notamment ferreux, et peuvent donc, sans addition de stabilisant, être utilisés dans les appareils de chauffage ou de réfrigération par absorption sans risque de décomposition. Leur inertie chimique permet l'utilisation de matériaux courants pour la réalisation des parties chaudes de l'installation dont la sécurité est accrue par le caractère absolument ininflamnable desdits mélanges. It has now been found that chlorofluorinated oils of low secular weight obtained by thermal cracking of trifluorochlorethylene polymers form with chlorofluorinated hydrocarbons serving as working fluid (calogen) mixtures which are stable at high temperature in the presence of metallic materials, in particular ferrous , and can therefore, without addition of stabilizer, be used in heating or refrigeration by absorption without risk of decomposition. Their chemical inertness allows the use of common materials for the production of hot parts of the installation, the safety of which is increased by the absolutely non-flammable nature of said mixtures.
L'invention a donc pour objet des compositions constituées, d'une part, d'un hydrocarbure chlorofluoré à point d'ébullition compris entre -40 et + 500C, de préférence entre -20 et + 2O0C, et, d'autre part, d'une huile chlorofluorée du type précédemmçnt cité. The subject of the invention is therefore compositions comprising, on the one hand, a chlorofluorinated hydrocarbon with a boiling point of between -40 and + 500 ° C., preferably between -20 and + 2 ° C., and, on the other hand, of a chlorofluorinated oil of the type previously mentioned.
Les huiles chiorofluorées, utilisées comme solvant dans les compositions selon l'invention, répondent à la formule générale
Cl-(CF2-Cvl)n-Cl (I) dans laquelle n peut prendre toute valeur allant de 2 à 4. I1 s 'agit en général de coupes dont le poids moléculaire yen est de l'ordre de 500. Les points d'ébullition de ces produits se situent entre 140 et 240 C sous pression normale et présentent donc, par rapport aux hydrocarbures chlorofluorés couramment utilisés comme calogènes, une différence de volatilité suffisante. D'autre part, leurs points de congélation très bas permettent leur emploi sous forme liquide dans une trés large plage de température.Un exemple typique d'huile chlorofluorée selon l'invention est celle camnercialisée par la demanderesse sous le nom d'Huile Voltalef 1 S ; son point de congélation est inférieur à -550C et son point d'ébullition est de 141"C/760 torr.Chiorofluorinated oils, used as solvent in the compositions according to the invention, correspond to the general formula
Cl- (CF2-Cvl) n-Cl (I) in which n can take any value ranging from 2 to 4. I1 is generally cuts whose yen molecular weight is around 500. The points d 'boiling of these products are between 140 and 240 C under normal pressure and therefore have, compared to chlorofluorinated hydrocarbons commonly used as heaters, a sufficient difference in volatility. On the other hand, their very low freezing points allow them to be used in liquid form over a very wide temperature range. A typical example of chlorofluorinated oil according to the invention is that sold by the applicant under the name of Voltalef Oil 1 S; its freezing point is less than -550C and its boiling point is 141 "C / 760 torr.
Parmi les hydrocarbures chlorofluorés conformes à la présente invention, on préfère utiliser le chloro-l tétrafluoro-1,2,2,2 éthane (R 124), le chloro-l trifluoro-2,2,2 éthane (R 133a) et le dichloro-1,2 tétrafluoro-1,1,2,2 éthane (R 114). Among the chlorofluorinated hydrocarbons in accordance with the present invention, it is preferred to use chloro-1 tetrafluoro-1,2,2,2 ethane (R 124), chloro-1 trifluoro-2,2,2 ethane (R 133a) and 1,2-dichloro-1,1,2,2 tetrafluoroethane (R 114).
Les compositions selon l'invention présentent un domaine étendu de miscibilité complète. Les proportions respectives d'hydrocarbure chlorofluoré et d'huile chlorofluorée ne sont pas critiques et ne sont limitées que par les solubilités mutuelles. The compositions according to the invention have a wide range of complete miscibility. The respective proportions of chlorofluorinated hydrocarbon and chlorofluorinated oil are not critical and are only limited by mutual solubilities.
Les essais suivants A à C, réalisés avec des couples hydrocarbure chlorofluoré/N-méthyl-pyrrolidone (EMP), sont donnés à titre de témoins et sont à comparer aux exemples 1 à 3 qui illustrent l'invention sans la limiter. The following tests A to C, carried out with chlorofluorinated hydrocarbon / N-methyl-pyrrolidone (EMP) pairs, are given as controls and are to be compared with examples 1 to 3 which illustrate the invention without limiting it.
ESSAI A
5 mnnles de R 124 sont introduites dans un tube pyrex à paroi épaisse renfermant 3 g de NMP et une éprouvette métallique de 250 mg d'acier ordinaire convenablement nettoyé. Le tube est refroidi à la température de l'azote liquide, scellé sous vide et maintenu ensuite à une température de 1800C durant 100 heures. I1 est ensuite à nouveau replongé dans l'azote liquide, relié à une rampe à vide et ouvert à l'aide d'un dispositif approprié. Les produits volatils sont récupérés par purgeage à basse température et analysés par chromatographie en phase gazeuse. L'analyse montre que 55,4 Z du R 124 initial ont été transformés dont environ 50 % en CF3-CH2F (R 134a).TEST A
5 minutes of R 124 are introduced into a thick-walled pyrex tube containing 3 g of NMP and a metal test tube of 250 mg of ordinary steel, suitably cleaned. The tube is cooled to the temperature of liquid nitrogen, sealed under vacuum and then maintained at a temperature of 1800C for 100 hours. It is then again plunged back into liquid nitrogen, connected to a vacuum ramp and opened using an appropriate device. The volatile products are recovered by purging at low temperature and analyzed by gas chromatography. Analysis shows that 55.4 Z of the initial R 124 have been transformed, of which approximately 50% into CF3-CH2F (R 134a).
Si on remplace l'éprouvette d'acier ordinaire par une éprouvette de 620 mg d'aluminium et chauffe à 1800C pendant 1000 heures, le taux de décomposition du R 124 atteint 97,4 %. If the ordinary steel test piece is replaced by a 620 mg aluminum test piece and heated at 1800C for 1000 hours, the decomposition rate of R 124 reaches 97.4%.
ESSAI B
5 mnoles de R 133a, 3 g de NMP et une éprouvette d'acier ordinaire de 250 mg sont placés dans un tube pyrex et le mélange est maintenu à 1800C durant 100 heures. Après ouverture du tube, on constate que 76,1 % du R 133a initial ont été transformés dont environ 62,5 Z en CF3CH3 et 8,5 % en CF2=CH2. TEST B
5 mnoles of R 133a, 3 g of NMP and a plain steel test tube of 250 mg are placed in a pyrex tube and the mixture is maintained at 1800C for 100 hours. After opening the tube, it can be seen that 76.1% of the initial R 133a has been transformed, of which approximately 62.5 Z into CF3CH3 and 8.5% into CF2 = CH2.
ESSAI C
Un mélange de 5 moles de R 124, 3 g de NMP et 45 mg de phosphate de tributyle est placé, avec une éprouvette de 250 ing d'acier ordinaire, dans un tube pyrex à paroi épaisse et le tout est maintenu à 180 C pendant 100 heures. Après ouverture du tube, on constate que 28,9 X du R 124 initial ont été transformés, dont 25 X en R 134a.TEST C
A mixture of 5 moles of R 124, 3 g of NMP and 45 mg of tributyl phosphate is placed, with a 250 ing test tube of plain steel, in a thick-walled pyrex tube and the whole is maintained at 180 C for 100 hours. After opening the tube, it can be seen that 28.9 X of the initial R 124 have been transformed, of which 25 X into R 134a.
= = = = = =
EXEMPLE 1
5 mmoles de R 124, 3 g d'huile Voltalef 1 S et une éprouvette de 250 ng d'acier ordinaire sont placés dans un tube pyrex et le mélange est porté à 1800C pendant 100 heures. Après ouverture du tube, on constate que seulement 0,3 % du R 124 initial a été transforme.= = = = = =
EXAMPLE 1
5 mmol of R 124, 3 g of Voltalef 1 S oil and a test tube of 250 ng of ordinary steel are placed in a pyrex tube and the mixture is brought to 1800C for 100 hours. After opening the tube, it is found that only 0.3% of the initial R 124 has been transformed.
EXEMPLE 2
On opère comme à l'exemple 1 en remplaçant le R 124 par 5 mmoles de R 133a. L'analyse du mélange résiduel montre que le taux de décomposition du R 133a ne dépasse pas 0,6 %.EXAMPLE 2
The procedure is as in Example 1, replacing R 124 with 5 mmol of R 133a. Analysis of the residual mixture shows that the decomposition rate of R 133a does not exceed 0.6%.
EXEMPLE 3
On opère comme à l'exemple 1 avec 5 mmoles de R 114. Le taux de transformation du R 114 ne dépasse pas 1 %. EXAMPLE 3
The procedure is as in Example 1 with 5 mmol of R 114. The conversion rate of R 114 does not exceed 1%.
Claims (5)
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1985
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Patent Citations (4)
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Also Published As
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