ITMI20101349A1 - MACHINE FOR THE PRODUCTION OF ELECTRIC WATER ENERGY WITH DEFORMABLE PISTON. - Google Patents
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Description
“Macchina per la produzione di energia elettrica ad acqua con pistone deformabile†⠀ œMachine for the production of electric power with water with deformable pistonâ €
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La presente invenzione concerne una macchina per la produzione di energia elettrica ad acqua con pistone deformabile. The present invention relates to a machine for the production of water-based electrical energy with a deformable piston.
Sono noti sistemi di propulsione ecologici ad acqua quali mulini o sistemi atti a convertire l’energia dell’acqua in energia elettrica come avviene nelle centrali idroelettriche poste lungo fiumi spesso in corrispondenza di cascate. Ecological water propulsion systems are known, such as mills or systems suitable for converting the energy of water into electrical energy, as occurs in hydroelectric power stations located along rivers, often in correspondence with waterfalls.
Detti sistemi presentano il limite di essere localizzati lungo corsi d’acqua e di necessitare di soluzioni impiantistiche molto complesse. These systems have the limit of being located along water courses and needing very complex system solutions.
Per generare limitate quantità di energia per piccole utenze bisogna ricorrere a compressori o motori a combustione che sono inquinanti ed hanno bassi rendimenti. To generate limited quantities of energy for small users, it is necessary to use compressors or combustion engines which are polluting and have low efficiency.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una macchina ecologica, avente dimensioni limitate, che sia in grado di produrre energia da fonte rinnovabile, che sia realizzabile con semplicità e che sia utilizzabile da utenze con necessità energetiche anche limitate. The purpose of the present invention is that of realizing an ecological machine, having limited dimensions, which is capable of producing energy from renewable sources, which can be easily achieved and which can be used by users with even limited energy needs.
In accordo con l'invenzione tale scopo à ̈ raggiunto con una macchina per la produzione di energia elettrica, caratterizzata dal fatto di comprendere In accordance with the invention, this object is achieved with a machine for the production of electrical energy, characterized by the fact of comprising
una prima vasca contenente acqua alloggiante una struttura che supporta, in un primo ambiente asciutto ottenuto con una seconda vasca capovolta calata in detta prima vasca in modo da essere completamente circondata da acqua, almeno un albero a gomiti, mezzi di trasmissione ed un elettrogeneratore, a first tank containing water housing a structure which supports, in a first dry environment obtained with a second inverted tank lowered into said first tank so as to be completely surrounded by water, at least one crankshaft, transmission means and an electric generator,
un coperchio atto a chiudere superiormente la prima vasca generando un secondo ambiente asciutto comunicante con l’esterno mediante una camera di compensazione, un compressore esterno alla prima vasca comunicante con detto primo ambiente asciutto, a lid able to close the first tank from the top, generating a second dry environment communicating with the outside through a compensation chamber, a compressor external to the first tank communicating with said first dry environment,
detto albero a gomiti supportando rotabilmente una pluralità di pistoni cavi atti a contenere acqua, said crankshaft rotatably supporting a plurality of hollow pistons suitable for containing water,
ciascun pistone prevedendo un tubo di carico dell’acqua il cui flusso à ̈ regolato da almeno una valvola di carico, ima valvola di scarico dell’acqua, ed almeno un tubo di cambio pressione con associata una valvola di cambio pressione atta a mettere in comunicazione selettivamente lo spazio interno del pistone con detto secondo ambiente asciutto in fase di carico dell’acqua e con detto primo ambiente asciutto in fase di scarico dell’acqua, each piston providing a water inlet pipe whose flow is regulated by at least one inlet valve, a water discharge valve, and at least one pressure change pipe associated with a pressure change valve designed to put in selectively communicating the internal space of the piston with said second dry environment when loading the water and with said first dry environment when discharging the water,
detto pistone essendo selettivamente deformabile tramite mezzi attuatori tra una configurazione espansa in cui il volume dello spazio interno del pistone à ̈ massimo ed una configurazione di schiacciamento in cui il volume dello spazio interno del pistone à ̈ minimo. said piston being selectively deformable by means of actuating means between an expanded configuration in which the volume of the internal space of the piston is maximum and a crushing configuration in which the volume of the internal space of the piston is minimum.
Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di un suo esempio di realizzazione pratica illustrato a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui: These and other characteristics of the present invention will be made clearer by the following detailed description of an example of its practical embodiment illustrated by way of non-limiting purposes in the attached drawings, in which:
la figura 1 mostra una vista laterale della macchina secondo la presente invenzione; figure 1 shows a side view of the machine according to the present invention;
la figura 2 mostra una vista frontale dell’albero a gomiti; figure 2 shows a front view of the crankshaft;
la figura 3 mostra una vista frontale di un pistone rigido; figure 3 shows a front view of a rigid piston;
la figura 4 mostra una vista laterale del pistone di figura 3; figure 4 shows a side view of the piston of figure 3;
la figura 5 mostra una vista laterale di una trasmissione; figure 5 shows a side view of a transmission;
la figura 6 mostra una vista laterale di un pistone deformabile; figure 6 shows a side view of a deformable piston;
la figura 7 mostra una vista schematica in pianta dall’alto del pistone deformabile in posizione aperta di espansione; figure 7 shows a schematic top plan view of the deformable piston in the open expansion position;
la figura 8 mostra una vista schematica in pianta del pistone deformabile in posizione chiusa di schiacciamento. figure 8 shows a schematic plan view of the deformable piston in the closed crushing position.
Una macchina 100 per la generazione di energia elettrica comprende una struttura portante 9 atta a supportare un albero a gomiti 8, una trasmissione a catena 12 ed un elettrogeneratore 10. L’albero a gomiti 8 supporta rotabilmente pistoni rigidi cavi 5 atti a contenere acqua 161 ad esempio di forma cilindrica (figure 1-4). A machine 100 for the generation of electrical energy comprises a supporting structure 9 adapted to support a crankshaft 8, a chain transmission 12 and an electric generator 10. The crankshaft 8 rotatably supports hollow rigid pistons 5 suitable for containing water 161 for example of cylindrical shape (Figures 1-4).
Detti componenti sono contenuti in una vasca 16 contenete acqua 161. Una vasca a campana 15 viene fatta calare capovolta dall’alto generando per noti fenomeni fisici un ambiente asciutto 18 pressurizzato a pressione P2. La campana 15 à ̈ completamente circondata dall’acqua 161, sopra il pelo libero della quale à ̈ previsto un ambiente asciutto 17 pressurizzato a pressione PI minore di P2. Said components are contained in a tank 16 containing water 161. A bell-shaped tank 15 is lowered upside down from the top, generating for known physical phenomena a dry environment 18 pressurized at pressure P2. The bell 15 is completely surrounded by water 161, above the free surface of which there is a dry environment 17 pressurized at a pressure PI lower than P2.
Detto ambiente 17 à ̈ chiuso da un coperchio a tenuta 3 e posto in comunicazione con l’ambiente esterno a pressione atmosferica mediante una camera di compensazione 2 con valvole di compensazione 1 ed ambiente interno a pressione P3. Inizialmente P3 à ̈ uguale a PI; durante il processo servirà a compensare le variazioni di PI come sarà più chiaro in seguito. Said environment 17 is closed by a sealed cover 3 and placed in communication with the external environment at atmospheric pressure by means of a compensation chamber 2 with compensation valves 1 and internal environment at pressure P3. Initially P3 is equal to PI; during the process it will serve to compensate for the variations of PI as will become clearer later.
Ogni pistone 5 à ̈ in comunicazione con l’ambiente acquoso sovrastante mediante tubi flessibili di carico 14 con flusso controllato da valvole di carico 13. Each piston 5 is in communication with the overlying aqueous environment by means of flexible loading pipes 14 with flow controlled by loading valves 13.
La pressione interna ai pistoni 5 à ̈ controllata da valvole a tre vie di cambio pressione 6 atte a mettere in comunicazione Γ interno del pistone 5 alternativamente con l’ambiente 17 mediante tubi flessibili 61 e con l’ambiente 18. The pressure inside the pistons 5 is controlled by three-way pressure change valves 6 designed to put the inside of the piston 5 in communication alternatively with the environment 17 by means of flexible pipes 61 and with the environment 18.
Un compressore esterno 200 permette di compensare la perdita di pressione dell’ambiente 18 eventualmente togliendo pressione all’ambiente 17 se posto in comunicazione con esso. An external compressor 200 makes it possible to compensate for the loss of pressure in the environment 18, possibly by removing pressure from the environment 17 if placed in communication with it.
Funzionalmente la macchina 100 lavora nel seguente modo. Functionally, the machine 100 works in the following way.
Consideriamo una situazione iniziale in cui tutti i pistoni 5 sono vuoti ed almeno un pistone 5 si trova nel punto morto superiore PMS ed à ̈ privo di acqua. L’ambiente 18 à ̈ pressurizzato tramite il compressore 200 a pressione P2 pari a circa 0,4 bar; PI à ̈ uguale a P3 ma à ̈ inferiore a P2. Inizialmente nel pistone 5 c’à ̈ una pressione PI; se ci fosse P2 l’acqua non scenderebbe. La valvola a tre vie 6 à ̈ commutata per essere in comunicazione con l’ambiente 17 tramite i tubi 61. Let's consider an initial situation in which all pistons 5 are empty and at least one piston 5 is in the top dead center TDC and is devoid of water. Ambient 18 is pressurized by compressor 200 at a pressure P2 of approximately 0.4 bar; PI is equal to P3 but is less than P2. Initially in piston 5 there is a pressure PI; if there were P2 the water would not go down. The three-way valve 6 is switched to be in communication with the environment 17 through pipes 61.
Un’unità di controllo computerizzata 300 (non mostrata) comanda l’apertura della valvola 13 e conseguentemente il pistone 5 si riempie progressivamente determinandone la discesa per forza peso e quindi la rotazione dell’albero 8. Il flusso indotto dalla valvola 13 à ̈ tale da determinare il riempimento ben prima del raggiungimento del punto morto inferiore PMI, sostanzialmente dopo circa 90° di rotazione. A computerized control unit 300 (not shown) controls the opening of the valve 13 and consequently the piston 5 fills progressively, determining its descent by force of weight and therefore the rotation of the shaft 8. The flow induced by the valve 13 It is such as to determine the filling well before reaching the PMI lower dead center, substantially after about 90 ° of rotation.
Raggiunto il PMI, la valvola 13 si chiude e la valvola di cambio pressione 6 commuta mettendo in comunicazione l’interno del pistone 5 con l’ambiente 18; quindi la valvola 4 scarica l’acqua del pistone 5 nell’ambiente acquoso sottostante la campana 16. La commutazione della valvola 6 determina la salita della pressione all’ interno del pistone 5 da PI a P2; altrimenti l’acqua non si scaricherebbe. Reached the PMI, the valve 13 closes and the pressure change valve 6 switches putting the inside of the piston 5 in communication with the environment 18; then the valve 4 discharges the water of the piston 5 into the aqueous environment under the bell 16. The switching of the valve 6 determines the rise of the pressure inside the piston 5 from P1 to P2; otherwise the water would not drain.
Terminato lo scarico dell’acqua, la valvola di scarico 4 si chiude e la valvola a tre vie 6 commuta nuovamente a PI; quindi il pistone 5 risale grazie all’azione del pistone 5 seguente che nel frattempo si à ̈ riempito, finché raggiunge nuovamente il PMS. Once the water has been drained, the drain valve 4 closes and the three-way valve 6 switches back to PI; then the piston 5 rises thanks to the action of the following piston 5 which in the meantime has filled up until it reaches TDC again.
L’ultima commutazione della valvola 6 apre la comunicazione tra l’inteino del pistone 5 a pressione P2 e l’ambiente 17 portando quest’ultimo alla pressione P2. In tale situazione il ciclo comincerebbe a compromettersi perché diminuirebbe la sovrappressione dell’ambiente 18 rispetto all’ambiente 17. The last switching of the valve 6 opens the communication between the internal part of the piston 5 at pressure P2 and the environment 17 bringing the latter to the pressure P2. In this situation the cycle would begin to compromise because the overpressure of the environment 18 would decrease with respect to the environment 17.
A compensare questa variazione interviene la camera di compensazione 2 che toglie pressione all’ambiente 17 riportandolo a pressione PI uguale a P3. La pressione in eccesso viene scaricata in atmosfera mediante le valvole 1. PI à ̈ preferibilmente minore della pressione atmosferica esterna. To compensate for this variation, the compensation chamber 2 intervenes which removes pressure from the environment 17 bringing it back to pressure PI equal to P3. The excess pressure is discharged into the atmosphere by means of valves 1. PI is preferably lower than the external atmospheric pressure.
A compensare la diminuzione di pressione nell’ambiente 18 interviene invece il compressore 200 che eventualmente toglie pressione dall’ambiente 17 immettendola nell’ambiente 18 reintegrando così il volume d’aria all’interno del pistone 5 alla pressione P2 che precedentemente à ̈ stato scaricato nell’ ambiente 17 al PMS. Quindi l’ambiente 18 ritorna alla P2 iniziale. Senza il compressore 200 ad un certo punto l’acqua 161 invaderebbe l’intemo della campana 15. To compensate for the decrease in pressure in the environment 18, the compressor 200 intervenes, which eventually removes pressure from the environment 17 and introduces it into the environment 18 thus reintegrating the volume of air inside the piston 5 at pressure P2 which was previously downloaded in environment 17 to PMS. Then the environment 18 returns to the initial P2. Without the compressor 200 at a certain point the water 161 would invade the interior of the bell 15.
Il funzionamento degli altri pistoni 5 à ̈ lo stesso ma in momenti diversi per generare una forza rotante utile ad essere trasformata in energia elettrica tramite Γ elettrogeneratore 10. La trasmissione 12 connette l’albero a gomiti 8 all’elettrogeneratore 10. The operation of the other pistons 5 is the same but at different times to generate a rotating force useful for being transformed into electrical energy by means of the Î "generator 10. The transmission 12 connects the crankshaft 8 to the generator 10.
La logica di funzionamento sopra esposta viene gestita dall’unità di controllo 300 e permette di mantenere costante il livello dell’acqua 161 generando un flusso naturale dell’acqua scaricata dai pistoni 5 dal basso verso l’alto assicurando sempre la presenza dell’acqua 161 sopra la campana 15 necessaria ad alimentare i pistoni 5. The above operating logic is managed by the control unit 300 and allows the water level 161 to be kept constant, generating a natural flow of water discharged from the pistons 5 from bottom to top, always ensuring the presence of the water 161 above the bell 15 necessary to feed the pistons 5.
E’ essenziale il mantenimento ciclico delle pressioni nei vari ambienti 17, 18 ed all’interno dei pistoni 5. Le variazioni di pressione devono avvenire in tempi rapidissimi per garantire la continuità del movimento rotativo dell’albero 8 comunque aiutato dalla forza d’inerzia. The cyclical maintenance of the pressures in the various environments 17, 18 and inside the pistons 5 is essential. The pressure variations must occur very quickly to ensure the continuity of the rotary movement of the shaft 8, however aided by the force of the shaft. € ™ inertia.
L’unità di controllo 300 tramite opportuni sensori monitora in ogni momento la posizione dei pistoni 5, il loro grado di riempimento, la pressione in ogni ambiente, la velocità di rotazione dell’albero 8, le temperature nei vari ambienti, lo stato delle valvole oltre ovviamente l’energia elettrica in uscita. The control unit 300 through appropriate sensors monitors at any time the position of the pistons 5, their degree of filling, the pressure in each environment, the speed of rotation of the shaft 8, the temperatures in the various environments, the state of the valves as well as of course the electricity output.
La macchina 100 rappresentata nelle figure a titolo puramente di esempio prevede un singolo albero a gomiti 8 con quattro pistoni 5; la logica del procedimento à ̈ applicabile anche ad impianti più complessi con due o più alberi 8 in parallelo con un numero variabile di pistoni 5 per ciascun albero 8. The machine 100 shown in the figures purely by way of example provides a single crankshaft 8 with four pistons 5; the logic of the procedure is also applicable to more complex systems with two or more shafts 8 in parallel with a variable number of pistons 5 for each shaft 8.
Considerate le contenute dimensioni strutturali e la bassa rumorosità misurata durante il funzionamento, si valuta che la macchina potrebbe essere inserita in qualsiasi ambiente, civile ed industriale. Considering the contained structural dimensions and the low noise measured during operation, it is estimated that the machine could be inserted in any environment, civil and industrial.
Trattandosi di macchina per la produzione di energia elettrica ad acqua, à ̈ stato valutato che il contesto operativo più consono alla tipologia delle diverse produzioni di energia da fonti rinnovabili, risulta essere quello del micro-elettrico e del miniidroelettrico, a seconda della realizzazione prodotta. Altresì à ̈ assolutamente necessario precisare che la macchina funziona a ciclo chiuso, pertanto non à ̈ necessario installarla in siti dove sono presenti corsi e/o bacini d’acqua. As this is a machine for the production of water-based electricity, it has been assessed that the operating context most suited to the typology of the various energy productions from renewable sources is that of micro-electric and mini-hydroelectric, depending on the construction produced. It is also absolutely necessary to specify that the machine works in a closed cycle, therefore it is not necessary to install it in sites where there are water courses and / or basins.
In figura 6 Ã ̈ mostrato un pistone deformabile cavo 50 formato da quattro superfici laterali rigide 70 raccordate da giunzioni morbide deformabili 71. Detto pistone 50 Ã ̈ sostenuto da una struttura rigida 53 comprendente due montanti verticali filettati 54. Figure 6 shows a hollow deformable piston 50 formed by four rigid lateral surfaces 70 connected by soft deformable joints 71. Said piston 50 is supported by a rigid structure 53 comprising two vertical threaded uprights 54.
Analogamente a quanto descritto in relazione al pistone 5 sostituibile da detto pistone 50 nella macchina 100, la figura 6 mostra il tubo di carico dell’acqua 14, tubi 61 per la comunicazione con l’ambiente 17, valvole a tre vie di cambio pressione 6, una valvola di scarico dell’acqua 4, oltre ad una valvola supplementare di carico dell’acqua 5 1 subito a monte del pistone. Similarly to what has been described in relation to the piston 5 which can be replaced by said piston 50 in the machine 100, figure 6 shows the water inlet pipe 14, pipes 61 for communication with the environment 17, three-way change valves pressure 6, a water drain valve 4, as well as an additional water filling valve 5 1 immediately upstream of the piston.
Lo spazio interno 500 del pistone 50 desinato ad accogliere l’acqua 161 à ̈ collegato al tubo di carico 14 tramite una flangia in materiale elastico 52, per esempio gomma, presente anche tra il pistone 50 e la valvola di scarico 4; serve ad adattare la forma tubolare dei tubi 14 alla forma poligonale del pistone 50. The internal space 500 of the piston 50 intended to receive the water 161 is connected to the inlet pipe 14 by means of a flange made of elastic material 52, for example rubber, also present between the piston 50 and the discharge valve 4; serves to adapt the tubular shape of the tubes 14 to the polygonal shape of the piston 50.
La valvola a tre vie 6 comprende un bocca 61 collegata allo spazio interno 500 del pistone 50, una bocca 63 collegata alTambiente 18, ed una bocca 62 collegata all’ ambiente 17 tramite i tubi 61. Un attuatore 64 comanda detta valvola secondo una logica che sarà più chiara in seguito. The three-way valve 6 comprises a mouth 61 connected to the internal space 500 of the piston 50, a mouth 63 connected to the environment 18, and a mouth 62 connected to the environment 17 by means of the pipes 61. An actuator 64 controls said valve according to a logic which will be clearer later.
Una coppia di attuatori 65 comanda l’espansione e lo schiacciamento dello spazio interno 500 del pistone 50 tramite bracci 66 associati alle superfici laterali 70 del pistone 50. A pair of actuators 65 controls the expansion and crushing of the internal space 500 of the piston 50 by means of arms 66 associated with the lateral surfaces 70 of the piston 50.
Funzionalmente il pistone 50 montato sull’albero a gomiti 8 segue le seguenti fasi. Al punto morto superiore PMS le valvole 13 e 51 sono aperte consentendo il caricamento del pistone 50 che si trova nella configurazione espansa di figura 7; la valvola 6 mette in comunicazione lo spazio interno 500 del pistone 50 con l’ambiente 17 a pressione PI. Il pistone 50 inizia la sua corsa di discesa sollecitata dal peso via via crescente dell’acqua al suo interno. Terminato il carico opportuni sensori di livello comandano la chiusura delle valvole 13 e 51; la valvola 13 serve a non far rimanere acqua nel tubo di carico 4; la valvola 51 assicura che dentro il tubo vuoto 14 si mantenga la pressione PI anche dopo la commutazione della valvola a tre vie 6. Functionally, the piston 50 mounted on the crankshaft 8 follows the following steps. At the top dead center TDC the valves 13 and 51 are open allowing the loading of the piston 50 which is in the expanded configuration of Figure 7; the valve 6 puts the internal space 500 of the piston 50 in communication with the environment 17 at pressure PI. The piston 50 begins its descent stroke stressed by the gradually increasing weight of the water inside it. Once the loading is complete, suitable level sensors command the closure of the valves 13 and 51; the valve 13 serves to prevent water from remaining in the inlet pipe 4; the valve 51 ensures that the pressure P1 is maintained inside the empty pipe 14 even after the switching of the three-way valve 6.
Quando il pistone 50 giunge nei pressi del punto morto inferiore PMI, l’unità di controllo 300 comanda la commutazione della valvola 6 portando la pressione nello spazio interno 500 del pistone 50 a P2 per poi scaricare l’acqua aprendo la valvola 4. When the piston 50 reaches the lower dead center PMI, the control unit 300 commands the switching of the valve 6 bringing the pressure in the internal space 500 of the piston 50 to P2 and then draining the water by opening the valve 4.
Scaricata l’acqua avviene lo schiacciamento dello spazio interno 500 pistone 50 per eliminare l’aria al suo interno (figura 8, in realtà lo schiacciamento à ̈ sostanzialmente completo), la chiusura della valvola 4 e la commutazione della valvola 6 (spazio interno 500 del pistone 50 di nuovo a pressione PI). Once the water is discharged, the internal space is crushed 500 piston 50 to eliminate the air inside it (figure 8, in reality the crushing is substantially complete), valve 4 is closed and valve 6 is switched (space 500 of the piston 50 again at pressure PI).
Il pistone 50 in configurazione schiacciata risale spinto dagli altri pistoni 50 montati sull’albero 8, e giunto nei pressi del PMS viene ri-espanso per consentire un nuovo carico d’acqua. Ed il ciclo riprende come sopra descritto. The piston 50 in flattened configuration rises pushed by the other pistons 50 mounted on the shaft 8, and when it reaches the TDC it is re-expanded to allow a new water load. And the cycle resumes as described above.
Vantaggiosamente rispetto al pistone rigido 5, lo schiacciamento del pistone 50 permette di limitare la dispersione dell’aria presente nell’ambiente 18 verso l’ambiente 17, ovvero limita il lavoro di reintegro del compressore 200. L’energia spesa per gli attuatori 65 à ̈ inferiore a quella spesa per il compressore 200 nel caso di pistone rigido. Advantageously with respect to the rigid piston 5, the crushing of the piston 50 allows to limit the dispersion of the air present in the environment 18 towards the environment 17, that is, it limits the reintegration work of the compressor 200. The energy expended for the actuators 65 is less than that spent on the compressor 200 in the case of a rigid piston.
Inoltre l’espansione del pistone 50 al PMS prima del carico dell’acqua genera una depressione nello spazio interno 500 del pistone 50 che favorisce il caricamento dell’acqua stessa venendosi a creare una sorta di effetto “risucchio†. La spinta motrice del pistone 50 risulta quindi incrementata perché si carica più velocemente. Furthermore, the expansion of the piston 50 to TDC before loading the water generates a depression in the internal space 500 of the piston 50 which favors the loading of the water itself, creating a sort of â € œsuckingâ € effect. The driving thrust of the piston 50 is therefore increased because it loads faster.
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| CA2505625A1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-10-27 | Kashif Munir Choudhry | Revolutionary engine |
| US7222487B1 (en) * | 2006-03-10 | 2007-05-29 | Hinkley William G | Portable electricity generating gravity driven wheel system |
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2010
- 2010-07-22 IT ITMI2010A001349A patent/IT1401304B1/en active
Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IT1401304B1 (en) | 2013-07-18 |
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