FR3129465A1 - Dispositif de réfrigération à dilution - Google Patents
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Abstract
Dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 12, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 12, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d’une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l’organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduites (7, 17) reliant une sortie de l’organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première section (9) d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 12) et le deuxième ensemble de conduites (7, 17), la première section (9) d’échange de chaleur comprenant au moins un échangeur de chaleur située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre (3) de mélange et le bouilleur (5) une première portion à plusieurs premières branches de conduites (12) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur (5) et la chambre de mélange (3), une seconde portion de plusieurs secondes branches conduites (17) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que la première section (9) d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur (19, 29) à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre une première branche de conduite (12) de la première portion et une seconde branche de conduite (17) de la seconde portion. Figure de l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne un dispositif de réfrigération à dilution.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites, une chambre de mélange, un bouilleur et un organe de transfert, le premier ensemble de conduites étant configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre de mélange à une entrée du bouilleur et d’une sortie du bouilleur à une entrée de l’organe de transfert, le circuit de travail comprenant un deuxième ensemble de conduites reliant une sortie de l’organe de transfert à une entrée de la chambre de mélange, le circuit de travail comprenant au moins une première section d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite et le deuxième ensemble de conduites, la première section d’échange de chaleur comprenant au moins un échangeur de chaleur située entre le bouilleur et la chambre de mélange.
L’invention concerne en particulier un dispositif de réfrigération cryogénique de forte puissance à basse ou très basse température (c’est-à-dire potentiellement jusque dans la gamme de température du milliKelvin à la centaine de milliKelvin).
L’utilisation de la réfrigération à des températures inférieures à la centaine de milliKelvin concerne essentiellement les applications pour l’étude de la matière et des phénomènes quantiques, pour la réalisation de détecteurs de rayonnement électromagnétique.
Les besoins de puissance froide fournis par un tel dispositif sont croissants. Cependant, l’augmentation de la puissance nécessite généralement une augmentation du volume d’hélium nécessaire. L’augmentation de la puissance fournie a également des conséquences sur les composants du dispositif et notamment la boîte à mélange et les échangeurs de chaleur (section(s) d’échange de chaleur).
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
Par exemple, un but est de permettre une augmentation de la puissance froide produite par un tel dispositif tout en maîtrisant son encombrement et/ou la quantité d’hélium 3 nécessaire.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre de mélange et le bouilleur une première portion à plusieurs premières branches de conduites agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur et la chambre de mélange, une seconde portion de plusieurs secondes branches conduites agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que la première section d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre une première branche de conduite de la première portion et une seconde branche de conduite de la seconde portion.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le circuit de travail comporte autant de premières branches de conduites agencées en parallèle que de secondes branches de conduites agencées en parallèle,
- chaque première branche de conduites est en échange thermique avec une seconde branche de conduite dans au moins un échangeur de chaleur à contre-courant,
- chaque première branche de conduites est en échange thermique avec une seconde branche de conduite dans un groupe respectif de plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit,
- la première portion comprend deux, trois ou plus de trois premières branches de conduites agencées en parallèle,
- la seconde portion comprend deux, trois ou plus de trois secondes branches de conduites agencées en parallèle,
- la première section d’échange de chaleur comprend deux, trois quatre, cinq ou plus de cinq échangeurs de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit assurant chacun un échange thermique entre une première branche et une seconde branche de conduites,
- les extrémités amont des premières branches de conduites de la première portion sont reliées à une même chambre de mélange,
- les extrémités aval des secondes branches de conduites de la seconde portion sont reliées à une même chambre de mélange,
- le dispositif comprend une enceinte isolée thermiquement qui contient les parties froides cryogéniques du dispositif et en particulier la première section d’échange de chaleur,
- l’enceinte a une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction verticale, les échangeurs de chaleur à contre-courant étant disposés dans des plans horizontaux et répartis verticalement, les échangeurs de chaleur étant reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries,
- le dispositif comprend plusieurs groupes d’échangeurs de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit,
- au moins une partie des échangeurs de chaleur de chacun des groupes sont disposés sensiblement horizontalement, au moins deux groupes d’échangeurs étant disposés de façon adjacente et s’étendant selon des axes verticaux respectifs distincts,
- les échangeurs de chaleur d’au moins un groupe sont disposés sensiblement dans un même plan horizontal, les échangeurs étant répartis en arc de cercle et reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries, par exemple courbes,
- au moins une partie des échangeurs de chaleur d’un premier groupe d’échangeurs de chaleur sont intercalés au moins en partie entre les échangeurs de chaleur d’une second groupe d’échangeurs de chaleur adjacent.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
Le dispositif 1 de réfrigération à dilution représenté à la comprend un circuit 20 de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant typiquement un mélange d'hélium d'isotope 3 (« 3He » ou « hélium 3 ») et d'hélium d'isotope 4 (« 4He » ou « hélium 4 »). Ce circuit 20 de travail comprend, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites 2, 12, 4, une chambre 3 de mélange, un bouilleur 5 et un organe 6 de transfert fluidique du fluide de cycle.
Le premier ensemble de conduites 2, 12, 4 est configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre 3 de mélange à une entrée du bouilleur 5 et d’une sortie du bouilleur 5 à une entrée de l’organe 6 de transfert.
Le circuit 20 de travail comprend un deuxième ensemble de conduites 7, 17 reliant une sortie de l’organe 6 de transfert à une entrée de la chambre de mélange 3.
Le bouilleur 5 (ou évaporateur) assure classiquement une séparation de phase entre l’hélium 3 et l’hélium 4 (le bain, qui contient par exemple 1% en mole d’hélium 3 est par exemple à une température comprise entre 0,7K et 1K). Le bouilleur 5 alimente l’organe 6 de transfert en hélium 3 via le premier ensemble 4 de conduite.
Dans la chambre 3 de mélange la température peut être de l’ordre par exemple de 5mK à 300mK et notamment entre 5mK et 150mK. L’hélium 3 concentré renvoyé par l’organe 6 de transfert dans la chambre 3 de mélange peut être localisé en partie supérieure de cette chambre 3, au-dessus d’une phase liquide diluée (contenant par exemple 6 à 7 % d’hélium 3). Une extrémité du premier ensemble de conduites 7 débouche par exemple dans cette phase concentrée supérieure.
Dans la chambre 3 de mélange, la phase concentrée en hélium 3 injectée se dilue dans la phase diluée, c’est ce processus de dilution endothermique qui produit la puissance frigorifique à la température de la chambre 3 de mélange.
Le froid produit peut être utilisé pour refroidir un utilisateur (symbolisé par la référence 24 à la ) ou au niveau de plateaux conducteurs thermiques du dispositif non représentés par souci de simplification.
Le circuit 20 de travail comprend au moins une première section 9 d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduites 2, 12, 4 et le deuxième ensemble de conduite 7. La première section 9 d’échange de chaleur est située entre le bouilleur 5 et la chambre 3 de mélange.
L’ensemble des composants cryogéniques (froids en mode de fonctionnement) sont placés par exemple dans une enceinte 30 étanche ou « boîte froide » (et de préférence isolée sous vide).
Cette portion 9 d’échange de chaleur utilise classiquement au moins un échangeur de chaleur à contre-courant qui permet de pré-refroidir la phase concentrée en Hélium3 réinjectée dans la boîte 3 à mélange par la phase diluée en hélium3 qui remonte de cette chambre 3 de mélange vers le bouilleur 5.
L’efficacité des échangeurs 9 de chaleur à contre-courant entre phases diluée et phase concentrée est le point critique de ces réfrigérateurs à dilution. Les résistances thermiques dites de Kapitza qui apparaissent à très basses températures entre l’hélium et les matériaux solides et s’accroissent comme l’inverse du carré de la température rendent très difficile et critique le dimensionnement de ces échangeurs.
L’organe 6 de transfert comprend par exemple un compresseur du fluide de cycle et/ou un échangeur de chaleur. Par exemple, ce compresseur 6 fonctionne à température ambiante (par exemple en dehors d’une boîte 30 froide qui contient le reste du dispositif). C’est-à-dire que ce compresseur 6 peut être à température non cryogénique en configuration de fonctionnement du dispositif 1 de réfrigération à dilution.
Le dispositif 1 peut comprendre en outre au moins un organe 22 de refroidissement en échange thermique avec le circuit 20 de travail et configuré pour transférer des frigories au fluide de cycle, c’est-à-dire pour refroidir le fluide de cycle. Par exemple, l’organe 22 de refroidissement comprend un échange thermique avec le circuit 20 de travail (second ensemble de conduites 7) pour refroidir le fluide à la sortie de l’organe 6 de transfert (par exemple à une température comprise entre 1,3 et 1,4K.
Le circuit 20 de travail peut comprendre en outre un organe de pompage cryogénique (non représenté par souci de simplification).
Selon une particularité avantageuse, le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre 3 de mélange et le bouilleur 5, une première portion à plusieurs premières branches de conduites 12 agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles.
Par exemple, entre le bouilleur 5 et la chambre de mélange 3, les conduites 2, 7 uniques comportent des ramifications en parallèle.
De même, le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur 5 et la chambre de mélange 3, une seconde portion de plusieurs secondes branches de conduites 17 agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles.
De plus, la première section 9 d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur 19, 29 discrets à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre au moins une première branche de conduite 12 de la première portion et au moins une seconde branche de conduite 17 de la seconde portion.
Cet agencement des échangeurs relativement aux flux de fluide de cycle permet une augmentation de la puissance froide disponible en gardant un encombrement limité. De plus, pour une même puissance froide, le volume d’He3 nécessaire est réduit (par exemple de l’ordre de 20 à 30 litres pour produire 20µW à 20mK au lieu de 50 litres pour les solutions connues pour une pression équivalente). Cette architecture en parallèle permet en outre d’utiliser plusieurs échangeurs de chaleur identiques ou différents, par exemple des échangeurs de chaleur du type fritté avec des coques ou carter identiques ou de dimensions variables.
De même, la taille (section) des branches (canalisations) reliant les échangeurs peut varier ou être identique.
De préférence, le circuit 20 de travail comporte autant de premières branches de conduites 12 agencées en parallèle que de secondes branches de conduites 17 agencées en parallèle (deux et deux dans l’exemple de la et dans l’exemple de la ).
Comme illustré, de préférence chaque première branche de conduites 12 est en échange thermique avec une seconde branche de conduite 17 dans au moins un échangeur 19, 29 de chaleur à contre-courant (et de préférence dans plusieurs échangeurs de chaleur).
Par exemple, chaque première branche de conduites 12 est en échange thermique avec une seconde branche de conduite 17 dans un groupe respectif de plusieurs échangeurs 19, 29 de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit 20 (deux échangeurs de chaleur dans l’exemple de la , trois dans l’exemple de la et cinq dans l’exemple de la ).
Ainsi, la première section 9 d’échange de chaleur peut comprendre deux, trois quatre, cinq ou plus de cinq échangeurs de chaleur 19, 29 à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit 20 assurant chacun un échange thermique entre une première branche et une seconde branche de conduites. Bien entendu tout autre nombre d’échangeurs de chaleur en série peut être envisagé et le nombre d’échangeurs peut être différent d’une paire de branches en parallèle en échange thermique à une autre paire de branches en parallèle en échange thermique.
Par exemple, la première portion peut comprendre deux, trois ou plus de trois premières branches de conduites 12 agencées en parallèle. De même, la seconde portion peut comprendre deux, trois ou plus de trois secondes branches de conduites 17 agencées en parallèle.
Les extrémités amont des premières branches de conduites 12 de la première portion sont de préférence reliées à une même chambre 3 de mélange (mais une architecture à plusieurs chambres 3 de mélange discrètes recevant le flux de fluide de cycle d’une ou plusieurs conduites 12 peut être envisagée).
De même, les extrémités aval des secondes branches de conduites 17 de la seconde portion sont de préférence reliées à une même chambre 3 de mélange (ou plusieurs chambres 3 de mélange).
Comme symbolisé aux , et , l’enceinte 30 peut avoir une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction verticale. Les échangeurs 19, 29 de chaleur à contre-courant peuvent être disposés dans des plans horizontaux et répartis verticalement (cf. , et ). Les échangeurs 19, 29 de chaleur peuvent être reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries 13 ou raccords. Ainsi, le dispositif 1 peut comprendre plusieurs groupes d’échangeurs 19, 29 de chaleur à contre-courant distincts disposés verticalement en série dans le circuit 20.
Comme visible à la , tout ou partie des échangeurs 19, 29 peuvent avoir une forme de plaque plane, par exemple discoïdale (éventuellement ajourée au centre).
De même, au moins une partie des échangeurs 19, 29 de chaleur de chacun des groupes d’échangeurs de chaleur en série peuvent être disposés sensiblement horizontalement. Au moins deux groupes d’échangeurs peuvent être disposés de façon adjacente et s’étendant selon des axes verticaux respectifs distincts.
De plus, comme schématisé à la , au moins une partie des échangeurs 19, 29 de chaleur d’un premier groupe d’échangeurs de chaleur peuvent être intercalés au moins en partie entre les échangeurs de chaleur 29, 19 d’un second groupe d’échangeurs de chaleur adjacent. Ceci permet de limiter le volume du dispositif 1 dans la direction transversale à la direction verticale d’empilement des échangeurs.
Comme illustré dans l’exemple de la , les échangeurs 19, 29 de chaleur de chaque groupe peuvent être disposés sensiblement dans un même plan horizontal. Les échangeurs 19 29 peuvent être répartis en arc de cercle et reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries 13, par exemple courbes.
De plus, les tuyauteries 13 des différents groupes d’échangeurs peuvent être entrelacées ou croisées. Les échangeurs 19, 29 peuvent ainsi être disposés concentriquement et/ou disposés de façon alternée d’un groupe à l’autre. C’est-à-dire que les échangeurs 19, 29 de chaleur de chacun des deux groupes d’échangeurs peuvent être disposés de façon alternée sensiblement sur un même arc de cercle et sensiblement dans un même plan.
Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus. Ainsi, les échangeurs 19, 29 de chaleur peuvent être agencés selon d’autres configurations (par exemple selon une configuration ramifiée. De plus, au moins une partie des plusieurs échangeurs 19, 29 de chaleur désignés ci-dessus peuvent être plusieurs sections distinctes d’un même échangeur de chaleur (par exemple un boîtier d’échangeur comprenant plusieurs sections indépendantes distinctes).
De même, le circuit du dispositif 1 peut comporter d’autre(s) portion de refroidissement en échange avec un organe de refroidissement pour assurer un pré-refroidissement du fluide de cycle (par exemple à une température de l’ordre de 4K et/ou 2K).
Le dispositif 1 peut éventuellement comporter plusieurs boucles de dilution partageant les mêmes échangeurs 19, 29 de chaleur ou ayant des échangeurs de chaleur respectifs distincts.
L’invention permet d’augmenter la puissance froide produite par dilution.
Claims (15)
- Dispositif de réfrigération à dilution pour l'obtention de très basses températures, notamment dans la gamme comprise entre le milliKelvin et la centaine de milliKelvin, comprenant un circuit (20) de travail en boucle contenant un fluide de cycle comprenant un mélange d'hélium d'isotope 3 (3He) et d'hélium d'isotope 4 (4He), le circuit (20) de travail comprenant, disposés en série et reliés fluidiquement via un premier ensemble de conduites (2, 12, 4), une chambre (3) de mélange, un bouilleur (5) et un organe (6) de transfert, le premier ensemble de conduites (2, 12, 4) étant configuré pour transférer du fluide de cycle d’une sortie de la chambre (3) de mélange à une entrée du bouilleur (5) et d’une sortie du bouilleur (5) à une entrée de l’organe (6) de transfert, le circuit (20) de travail comprenant un deuxième ensemble de conduites (7, 17) reliant une sortie de l’organe (6) de transfert à une entrée de la chambre de mélange (3), le circuit (20) de travail comprenant au moins une première section (9) d’échange de chaleur entre au moins une partie du premier ensemble de conduite (2, 12) et le deuxième ensemble de conduites (7, 17), la première section (9) d’échange de chaleur comprenant au moins un échangeur de chaleur située entre le bouilleur (5) et la chambre (3) de mélange, caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites comprend, entre la chambre (3) de mélange et le bouilleur (5) une première portion à plusieurs premières branches de conduites (12) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que le deuxième ensemble de conduites comprend, entre le bouilleur (5) et la chambre de mélange (3), une seconde portion de plusieurs secondes branches conduites (17) agencées en parallèle subdivisant le flux de cycle en plusieurs flux parallèles, et en ce que la première section (9) d’échange de chaleur comprend plusieurs échangeurs de chaleur (19, 29) à contre-courant assurant chacun un échange thermique entre une première branche de conduite (12) de la première portion et une seconde branche de conduite (17) de la seconde portion.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (20) de travail comporte autant de premières branches de conduites (12) agencées en parallèle que de secondes branches de conduites (17) agencées en parallèle.
- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque première branche de conduites (12) est en échange thermique avec une seconde branche de conduite (17) dans au moins un échangeur (19, 29) de chaleur à contre-courant.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque première branche de conduites (12) est en échange thermique avec une seconde branche de conduite (17) dans un groupe respectif de plusieurs échangeurs (19, 29) de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit (20).
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première portion comprend deux, trois ou plus de trois premières branches de conduites (12) agencées en parallèle.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde portion comprend deux, trois ou plus de trois secondes branches de conduites (17) agencées en parallèle.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première section (9) d’échange de chaleur comprend deux, trois quatre, cinq ou plus de cinq échangeurs de chaleur (19, 29) à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit (20) assurant chacun un échange thermique entre une première branche et une seconde branche de conduites.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les extrémités amont des premières branches de conduites (12) de la première portion sont reliées à une même chambre (3) de mélange.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les extrémités aval des secondes branches de conduites (17) de la seconde portion sont reliées à une même chambre (3) de mélange.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une enceinte (30) isolée thermiquement qui contient les parties froides cryogéniques du dispositif et en particulier la première section (9) d’échange de chaleur.
- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’enceinte (30) a une forme générale cylindrique s’étendant selon une direction verticale et en ce que les échangeurs (19, 29) de chaleur à contre-courant sont disposés dans des plans horizontaux et répartis verticalement, les échangeurs (19, 29) de chaleur étant reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries (13).
- Dispositif selon les revendications 4 et 11 prises en combinaison, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs groupes d’échangeurs (19, 29) de chaleur à contre-courant distincts disposés en série dans le circuit (20).
- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’au moins une partie des échangeurs (19, 29) de chaleur de chacun des groupes sont disposés sensiblement horizontalement, au moins deux groupes d’échangeurs étant disposés de façon adjacente et s’étendant selon des axes verticaux respectifs distincts.
- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les échangeurs (19, 29) de chaleur d’au moins un groupe sont disposés sensiblement dans un même plan horizontal, les échangeurs (19 29) étant répartis en arc de cercle et reliés fluidiquement les uns aux autres via des tuyauteries (13), par exemple courbes.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu’au moins une partie des échangeurs (19, 29) de chaleur d’un premier groupe d’échangeurs de chaleur sont intercalés au moins en partie entre les échangeurs de chaleur (29, 19) d’une second groupe d’échangeurs de chaleur adjacent.
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Patent Citations (3)
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