JP2805500B2 - ロケットエンジンのための高性能組合せ推進剤 - Google Patents
ロケットエンジンのための高性能組合せ推進剤Info
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Classifications
-
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-
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- C06B45/06—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product comprising solid particles dispersed in solid solution or matrix not used for explosives where the matrix consists essentially of nitrated carbohydrates or a low molecular organic explosive the solid solution or matrix containing an organic component
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- C06—EXPLOSIVES; MATCHES
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- C06B47/10—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase the components comprising a binary propellant a component containing free boron, an organic borane or a binary compound of boron, except with oxygen
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はロケットエンジンのための組合せ推進剤に関
する。さらに詳しくは、高性能を有し、かつ使用に先立
って長時間貯蔵することのできる組合せ推進剤に関す
る。
する。さらに詳しくは、高性能を有し、かつ使用に先立
って長時間貯蔵することのできる組合せ推進剤に関す
る。
(従来の技術およびその課題) 例えば宇宙船において長時間貯蔵することのできる、
そして宇宙において宇宙船の位置を変えるだけでなく、
宇宙船を宇宙に向けて発射するために使用することがで
きる、組合せまたは単品の高性能推進剤が大いに必要と
されている。
そして宇宙において宇宙船の位置を変えるだけでなく、
宇宙船を宇宙に向けて発射するために使用することがで
きる、組合せまたは単品の高性能推進剤が大いに必要と
されている。
従来の推進剤の貯蔵可能な組合せは、通常酸化剤成分
と燃料成分とからなり、広く使用されている極低温貯蔵
を要する組合せより劣った性能を有している。
と燃料成分とからなり、広く使用されている極低温貯蔵
を要する組合せより劣った性能を有している。
すなわち、四酸化二窒素(N2O4)およびモノメチルヒ
ドラジド(N2H3CH3)の組合せで与えられるロケットエ
ンジンの比推進力(Isp)はおよそ3000m/secであり、一
方、液体酸素および水素の極低温貯蔵を要する混合物は
4000m/secより大きい比推進力を与える。
ドラジド(N2H3CH3)の組合せで与えられるロケットエ
ンジンの比推進力(Isp)はおよそ3000m/secであり、一
方、液体酸素および水素の極低温貯蔵を要する混合物は
4000m/secより大きい比推進力を与える。
宇宙船の有効搭載量能力での比推進力の効果は劇的で
ある。もし、例えば2000m/secの速度が、宇宙船を軌道
にのせるために、または所定の軌道に変更するために必
要とされ、その時、2943m/secの比推進力を有するなら
ば、宇宙船の発射量の半分が推進剤からなるであろう。
比推進力を4415m/secに増加させると、推進剤の量は37.
5%に減少する。推進系自体の量を実質的に変化させる
必要がないなら、この12.5%の自由に使える質量を遠距
離通信等の軌道に乗る手段のために完全に使用すること
ができる。2000Kgの宇宙船にとっては、これは250Kgの
有効搭載量の増加を意味する。
ある。もし、例えば2000m/secの速度が、宇宙船を軌道
にのせるために、または所定の軌道に変更するために必
要とされ、その時、2943m/secの比推進力を有するなら
ば、宇宙船の発射量の半分が推進剤からなるであろう。
比推進力を4415m/secに増加させると、推進剤の量は37.
5%に減少する。推進系自体の量を実質的に変化させる
必要がないなら、この12.5%の自由に使える質量を遠距
離通信等の軌道に乗る手段のために完全に使用すること
ができる。2000Kgの宇宙船にとっては、これは250Kgの
有効搭載量の増加を意味する。
本発明は、使用に先立って長時間貯蔵することがで
き、公知の組合せによって得られる比推進力に少なくと
も等しいか、それを超えた比推進力を与えることのでき
る組合せ推進剤を開発することを提供することに基づ
く。この探求は、特に固形組合せ推進剤に向けられた。
き、公知の組合せによって得られる比推進力に少なくと
も等しいか、それを超えた比推進力を与えることのでき
る組合せ推進剤を開発することを提供することに基づ
く。この探求は、特に固形組合せ推進剤に向けられた。
現在の(圧送)ロケットエンジンのためのノズルの燃
焼圧力およびスロート(throat)と口(mouth)の間の
膨脹比(Ae/At)は(およそ)以下のようである: 推進剤 燃焼圧力 膨脹比 Mpa 液体 1 125 固体 10 100 混成(hybrid) 1 125 開発されるべき新しいロケットエンジンについて、15
MPaの(ポンプ送り)燃焼チャンバー圧力および750の膨
脹比が予測される。
焼圧力およびスロート(throat)と口(mouth)の間の
膨脹比(Ae/At)は(およそ)以下のようである: 推進剤 燃焼圧力 膨脹比 Mpa 液体 1 125 固体 10 100 混成(hybrid) 1 125 開発されるべき新しいロケットエンジンについて、15
MPaの(ポンプ送り)燃焼チャンバー圧力および750の膨
脹比が予測される。
特に上記の運転条件に関して、新しい組合せの探求が
なされた。
なされた。
良く知られているように、推進剤、もしくは組合せ推
進剤の理論上の性能は、通常以下の式: (ここで、rは比熱比、Cp/Cv、Roは気体定数、Tcは火
炎温度、Mは燃焼生成物の平均分子量、Pcは燃焼チャン
バー圧力、およびPeはノズル出口圧力である) で表すことができる。
進剤の理論上の性能は、通常以下の式: (ここで、rは比熱比、Cp/Cv、Roは気体定数、Tcは火
炎温度、Mは燃焼生成物の平均分子量、Pcは燃焼チャン
バー圧力、およびPeはノズル出口圧力である) で表すことができる。
この式は、比推進力がチャンバー温度の平方根に正比
例し、燃焼生成物の平均分子量の平方根に反比例し、Cp
/Cv比はまた比推進力に影響を及ぼすことを示してい
る。
例し、燃焼生成物の平均分子量の平方根に反比例し、Cp
/Cv比はまた比推進力に影響を及ぼすことを示してい
る。
燃焼チャンバー温度は第1に、推進剤成分の燃焼中に
放出されるエネルギーおよび燃焼生成物の比熱によって
決定される:Tc=ΔH/Cp。
放出されるエネルギーおよび燃焼生成物の比熱によって
決定される:Tc=ΔH/Cp。
であるので、推進剤の性能に影響を及ぼす最も重要なパ
ラメータはM、CpおよびΔHである。
ラメータはM、CpおよびΔHである。
本発明の特定の目的の1つは、固形組合せ推進剤を提
供することであり、これを用いると、出発物質も反応生
成物も人や環境に対して許容できないほどの危険を包含
していないと同時に、最適値を有するこれらのパラメー
タの組合せに至る。
供することであり、これを用いると、出発物質も反応生
成物も人や環境に対して許容できないほどの危険を包含
していないと同時に、最適値を有するこれらのパラメー
タの組合せに至る。
(課題を解決するための手段) 本発明による固形組合せ推進剤は、 ポリグリシジルアジド[C3H5N3O]nまたはポリ−3,3
−ビス(アジドメチル)オキセタン[C4H6N6O]n;ホウ
素、アルミニウム、または水素化アルミニウム;およ
び、 ヒドラジニウムニトロホルメートN2H5C(NO2)3、ニ
トロニウムパークロレートNO2ClO4およびアンモニウム
パークロレートNH4ClO4からなる群より選ばれる化合物
を組合せて構成される。
−ビス(アジドメチル)オキセタン[C4H6N6O]n;ホウ
素、アルミニウム、または水素化アルミニウム;およ
び、 ヒドラジニウムニトロホルメートN2H5C(NO2)3、ニ
トロニウムパークロレートNO2ClO4およびアンモニウム
パークロレートNH4ClO4からなる群より選ばれる化合物
を組合せて構成される。
言及される化合物はまた、次に以下の略号で表す: 四酸化二窒素:NTO テトラニトロメタン:TNM ポリグリシジルアジド:GAP ポリ3,3−ビス(アジドメチル)オキセタン:BAMO ヒドラジニウムニトロホルメート:HNF ニトロニウムパークロレート:NP アンモニウムパークロレート:AP ヒドロキシ末端 ポリブタジエン:HTPB モノメチルヒドラジン:MMH 本発明による組合せ推進剤において、成分例えば酸化
剤と燃焼成分の割合は重要ではない。概して、成分は、
混合比が化学量論比の前後となるような割合で、反応に
先立って互いに混合される。本発明による固形組合せ推
進剤においては、概して混合物総量に対して20%を超え
ない量の強力な結合剤(energetic binder)(BAMOまた
はGAP)が含まれる。
剤と燃焼成分の割合は重要ではない。概して、成分は、
混合比が化学量論比の前後となるような割合で、反応に
先立って互いに混合される。本発明による固形組合せ推
進剤においては、概して混合物総量に対して20%を超え
ない量の強力な結合剤(energetic binder)(BAMOまた
はGAP)が含まれる。
本発明による組合せ推進剤の好ましいものは、以下の
ようである: N2H5C(NO2)370〜80重量%+B約10重量%+GAPまた
はBAMO10〜20重量%、 NO2ClO466〜76重量%+B約14重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 NH4ClO468〜78重量%+B約12重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 N2H5C(NO2)359〜69重量%+Al約21重量%+GAPまた
はBAMO10〜20重量%、 NO2ClO461〜71重量%+Al約19重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 NH4ClO457〜67重量%+Al約23重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 NO2ClO4+AlH3+GAPまたはBAMO、または NH4ClO4+AlH3+GAPまたはBAMO。
ようである: N2H5C(NO2)370〜80重量%+B約10重量%+GAPまた
はBAMO10〜20重量%、 NO2ClO466〜76重量%+B約14重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 NH4ClO468〜78重量%+B約12重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 N2H5C(NO2)359〜69重量%+Al約21重量%+GAPまた
はBAMO10〜20重量%、 NO2ClO461〜71重量%+Al約19重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 NH4ClO457〜67重量%+Al約23重量%+GAPまたはBAMO
10〜20重量%、 NO2ClO4+AlH3+GAPまたはBAMO、または NH4ClO4+AlH3+GAPまたはBAMO。
概して、少量の、特には重量%で数%を超えない量ま
での物質、例えば一酸化窒素、フタレート、ステアレー
ト、銅または鉛の塩、カーボンブラック等を本発明の組
合せ推進剤に添加する。これらの添加物は、当業者に公
知であり、耐腐食性を促進すると共に、推進剤の安定
性、保持特性および燃焼特性を高めるために働く。
での物質、例えば一酸化窒素、フタレート、ステアレー
ト、銅または鉛の塩、カーボンブラック等を本発明の組
合せ推進剤に添加する。これらの添加物は、当業者に公
知であり、耐腐食性を促進すると共に、推進剤の安定
性、保持特性および燃焼特性を高めるために働く。
本発明による組合せ推進剤は、それ自体公知の技術を
用いて、混合物中に通常存在する成分と共に、使用に先
立って貯蔵される。
用いて、混合物中に通常存在する成分と共に、使用に先
立って貯蔵される。
本発明による組合せ推進剤は、高性能であることによ
り、公知の配合物と区別される。
り、公知の配合物と区別される。
ヒドラジニウムニトロホルメート(HNF)、アルミニ
ウムおよびGAPまたはBAMOのような強力な結合剤に基づ
く組合せ推進剤は、214m/secの広く用いられているアン
モニウムパークロレート推進剤に比較して比推進力の改
善を示す。さらに、燃焼気体はより一段と清浄であり、
これは、HNFが塩素を含まず、環境が塩化水素ガスで汚
されないためである。
ウムおよびGAPまたはBAMOのような強力な結合剤に基づ
く組合せ推進剤は、214m/secの広く用いられているアン
モニウムパークロレート推進剤に比較して比推進力の改
善を示す。さらに、燃焼気体はより一段と清浄であり、
これは、HNFが塩素を含まず、環境が塩化水素ガスで汚
されないためである。
コンピュータの計算[参考文献:S.ゴードン(Gordo
n)およびB.J.マックブライド(McBride)著、錯体化学
平衡組成物、ロケット性能、入射および反射衝撃ならび
にチャップマン−ジョーゲット(Chapman−Jouguet)爆
発の計算のためのコンピュータプログラム、ナサ SP−
273、中間改訂版、1976年3月]および反応物と反応生
成物の熱力学的データ[参考文献:D.R.スタル(Stull)
およびH.プロフェット(Prophet)著、JANAF熱化学表、
第2版、NSRDS−NBS 37、1971およびJANAF補遺;I.バリ
ン(Barin)、O.ナッケ(Knacke)およびO.クバシェウ
スキー(Kubaschewski)著、無機物質の熱化学特性、ス
プリンガー−フェルラグ(Springer−Verlag)1977]を
用いることにより、組合せ推進剤の性能が立証された。
化学平衡(ef)および燃焼チャンバーの後の、宇宙にお
ける「凍結流動」(ff)条件の両方について計算を行っ
た。得られた値を以下の表1に表す。
n)およびB.J.マックブライド(McBride)著、錯体化学
平衡組成物、ロケット性能、入射および反射衝撃ならび
にチャップマン−ジョーゲット(Chapman−Jouguet)爆
発の計算のためのコンピュータプログラム、ナサ SP−
273、中間改訂版、1976年3月]および反応物と反応生
成物の熱力学的データ[参考文献:D.R.スタル(Stull)
およびH.プロフェット(Prophet)著、JANAF熱化学表、
第2版、NSRDS−NBS 37、1971およびJANAF補遺;I.バリ
ン(Barin)、O.ナッケ(Knacke)およびO.クバシェウ
スキー(Kubaschewski)著、無機物質の熱化学特性、ス
プリンガー−フェルラグ(Springer−Verlag)1977]を
用いることにより、組合せ推進剤の性能が立証された。
化学平衡(ef)および燃焼チャンバーの後の、宇宙にお
ける「凍結流動」(ff)条件の両方について計算を行っ
た。得られた値を以下の表1に表す。
本発明による組合せ推進剤の成分を構成する物質は、
そのうちのいくつかは推進剤成分としてそれ自体公知で
あるが、それらの製造法ならびに化学的および物理的性
質に関しては文献に記載されている。
そのうちのいくつかは推進剤成分としてそれ自体公知で
あるが、それらの製造法ならびに化学的および物理的性
質に関しては文献に記載されている。
この点については、特に以下の刊行物が参考にされ
る: B.シーゲル(Siegel)およびL.シーラー(Schiele
r)、推進剤化学のエネルギー論、J.Wiley & Sons In
c.,1964、 S.F.サーナー(Sarner)、推進剤化学、Reinhold Pub
lishing Corporation,1966、 R.C.ウィースト(Weast)、化学および物理学のハン
ドブック、第59版、CRC press,1979、 A.ダデュー(Dadieu),R.ダン(Damm)およびE.W.シ
ュミット(Schmidt)、ロケット推進剤、Springer−Ver
lag,1968、 G.M.フェス(Faeth)、ホウ素燃焼研究の現状、米国
空軍科学研究所、ワシントンD.C.(1984)、 R.W.ジェームス(James)、推進剤および爆発物、Noy
es DATA Corp.,1974、 G.M.ロー(Low)およびV.E.ハウリー(Haury)、飽和
重合炭化水素結合剤を有するヒドラジニウムニトロホル
メート推進剤、米国特許明細書第3,708,359号、1973、 K.クレーガー(Klager)、固形推進剤のための酸化剤
としてのヒドラジンパークロレート、Jahrestagung 197
8,359−380、 L.R.ロスシュタイン、プラスチック結合爆発物の過
去、現在および未来、Jahrestagung 1982,245−256、 M.B.フランケル(Frankel)およびJ.E.フラナガン(F
lanagan)、強力なヒドロキシ末端アジド重合体、米国
特許明細書第4,268,450号、1981、 G.E.マンサー(Manser)、強力な共重合体およびその
製法、米国特許明細書第4,483,978号、1984、 M.B.フランケル(Frankel)およびE.R.ウィルソン(W
ilson)、トリス(2−オキシドエチル)アミンおよび
その製造法、米国特許明細書第4,449,723号、1985。
る: B.シーゲル(Siegel)およびL.シーラー(Schiele
r)、推進剤化学のエネルギー論、J.Wiley & Sons In
c.,1964、 S.F.サーナー(Sarner)、推進剤化学、Reinhold Pub
lishing Corporation,1966、 R.C.ウィースト(Weast)、化学および物理学のハン
ドブック、第59版、CRC press,1979、 A.ダデュー(Dadieu),R.ダン(Damm)およびE.W.シ
ュミット(Schmidt)、ロケット推進剤、Springer−Ver
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空軍科学研究所、ワシントンD.C.(1984)、 R.W.ジェームス(James)、推進剤および爆発物、Noy
es DATA Corp.,1974、 G.M.ロー(Low)およびV.E.ハウリー(Haury)、飽和
重合炭化水素結合剤を有するヒドラジニウムニトロホル
メート推進剤、米国特許明細書第3,708,359号、1973、 K.クレーガー(Klager)、固形推進剤のための酸化剤
としてのヒドラジンパークロレート、Jahrestagung 197
8,359−380、 L.R.ロスシュタイン、プラスチック結合爆発物の過
去、現在および未来、Jahrestagung 1982,245−256、 M.B.フランケル(Frankel)およびJ.E.フラナガン(F
lanagan)、強力なヒドロキシ末端アジド重合体、米国
特許明細書第4,268,450号、1981、 G.E.マンサー(Manser)、強力な共重合体およびその
製法、米国特許明細書第4,483,978号、1984、 M.B.フランケル(Frankel)およびE.R.ウィルソン(W
ilson)、トリス(2−オキシドエチル)アミンおよび
その製造法、米国特許明細書第4,449,723号、1985。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨハネス マリア ムル オランダ国,2625 ジェイエス デルフ ト ファン ハーセルトラーン 683 (56)参考文献 特開 平2−14216(JP,A) 米国特許3708359(US,A) 米国特許4806613(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C06D 5/00 C06B 33/08 CA(STN) REGISTRY(STN) WPIDS(STN)
Claims (4)
- 【請求項1】ポリグリシジルアジド[C3H5N3O]nまた
はポリ−3,3−ビス(アジドメチル)オキセタン[C4H6N
6O]n;ホウ素、アルミニウム、または水素化アルミニウ
ム;および、 ヒドラジニウムニトロホルメートN2H5C(NO2)3、ニト
ロニウムパークロレートNO2ClO4およびアンモニウムパ
ークロレートNH4ClO4からなる群より選ばれる化合物;
ならびにその他の慣用の添加物を組合せて構成されるこ
とを特徴とするロケットエンジンのための固形組合せ推
進剤。 - 【請求項2】次の成分: N2H5C(NO2)370〜80重量%+B約10重量%+[C3H5N
3O]nまたは[C4H6N6O]n10〜20重量%、 NO2ClO466〜76重量%+B約14重量%+[C3H5N3O]nま
たは[C4H6N6O]n10〜20重量%、 NH4ClO468〜78重量%+B約12重量%+[C3H5N3O]nま
たは[C4H6N6O]n10〜20重量%、 N2H5C(NO2)359〜69重量%+Al約21重量%+[C3H5N
3O]nまたは[C4H6N6O]n10〜20重量%、 NO2ClO461〜71重量%+Al約19重量%+[C3H5N3O]nま
たは[C4H6N6O]n10〜20重量%、 NH4ClO457〜67重量%+Al約23重量%+[C3H5N3O]nま
たは[C4H6N6O]n10〜20重量%、 NO2ClO4+AlH3+[C3H5N3O]nまたは[C4H6N6O]n、 または、 NH4ClO4+AlH3+[C3H5N3O]nまたは[C4H6N6O]n、 から構成されることを特徴とする請求項1記載のロケッ
トエンジンのための固形組合せ推進剤。 - 【請求項3】請求項1または2に処方された、酸化剤成
分と少なくとも1の燃料成分とを混合することを特徴と
するロケットエンジンのための推進剤を製造する方法。 - 【請求項4】請求項3に記載の方法により製造された推
進剤を用いることを特徴とするロケット等を運転する方
法。
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---|---|---|---|
NL8801739A NL8801739A (nl) | 1988-07-08 | 1988-07-08 | Stuwstofcombinaties met hoge prestatie voor een raketmotor. |
NL8801739 | 1988-07-08 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP1177860A Expired - Lifetime JP2805500B2 (ja) | 1988-07-08 | 1989-07-10 | ロケットエンジンのための高性能組合せ推進剤 |
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FR2680166B1 (fr) * | 1991-07-04 | 1994-06-10 | Europ Agence Spatiale | Melange solide d'ergols, en particulier pour la propulsion d'engins tels que des fusees, et son procede de preparation. |
JP3360177B2 (ja) * | 1991-07-04 | 2002-12-24 | アジャンス スパシアル エウロペンヌ | 特にロケット等の輸送手段の推進のための推進薬及びその製造方法 |
DE4215835C2 (de) * | 1992-05-14 | 1994-03-31 | Plichta Peter Dr | Wiederverwendbares Raumfluggerät |
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US5811725A (en) * | 1996-11-18 | 1998-09-22 | Aerojet-General Corporation | Hybrid rocket propellants containing azo compounds |
EP0959058A1 (en) * | 1998-05-20 | 1999-11-24 | Nederlandse Organisatie Voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek Tno | Hydrazinium nitroformate based high performance solid propellants |
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US7101955B1 (en) | 1998-11-12 | 2006-09-05 | Alliant Techsystems Inc. | Synthesis of energetic thermoplastic elastomers containing both polyoxirane and polyoxetane blocks |
US6815522B1 (en) | 1998-11-12 | 2004-11-09 | Alliant Techsystems Inc. | Synthesis of energetic thermoplastic elastomers containing oligomeric urethane linkages |
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JP2012072007A (ja) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Sekisui Chem Co Ltd | ガス発生剤及びマイクロポンプ |
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US4806613A (en) | 1988-03-29 | 1989-02-21 | Morton Thiokol, Inc. | Method of producing thermoplastic elastomers having alternate crystalline structure for use as binders in high-energy compositions |
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1988
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-
1989
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- 1989-07-07 US US07/376,838 patent/US4950341A/en not_active Expired - Fee Related
- 1989-07-07 US US07/376,844 patent/US4938814A/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-07 EP EP89201801A patent/EP0350135B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-10 JP JP1177861A patent/JP2805501B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1989-07-10 JP JP1177860A patent/JP2805500B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH02124791A (ja) | 1990-05-14 |
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