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JPS5823916B2 - 原子炉出力供給装置 - Google Patents
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JPS5823916B2 - 原子炉出力供給装置 - Google Patents

原子炉出力供給装置

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JPS5823916B2
JPS5823916B2 JP53060078A JP6007878A JPS5823916B2 JP S5823916 B2 JPS5823916 B2 JP S5823916B2 JP 53060078 A JP53060078 A JP 53060078A JP 6007878 A JP6007878 A JP 6007878A JP S5823916 B2 JPS5823916 B2 JP S5823916B2
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temperature
turbine
reactor
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ノーマン・ピー・ミユーラー
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    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、本願と同一出願人による特開昭53−90
590号公報記載の発明「原子炉を負荷追従するよう運
転する方法」に関係している。
この発明は原子炉の制御技術に関し、特に、出力供給装
置の主要源である原子炉の負荷追従運転に関係している
この発明の具体的実施例を参照してこの発明を容易に理
解するために、本願は軽水加圧水彩原子炉(PWR)の
出力供給装置を主として取り扱う。
また、この発明は例えば沸騰水形原子炉の出力供給装置
のような他の方式の出力供給装置にも適用でき、このよ
うな他の出力供給装置への適用も本願の範囲内に含まれ
る。
PWR出力供給装置は、冷却材中に核燃料の炉心が入っ
ている原子炉を含み、冷却材が炉心から熱エネルギを取
り出すと共に同出力供給装置の一次流体の役目を果たし
ている。
原子炉には一次導管が接続されていて、加熱された冷却
材を典型的には炉心の上方から、蒸気発生器を経由して
炉心の下方部分へ戻るように循環させている。
一次冷却材は蒸気発生器中の水その他の流体を転化して
蒸気にし、この蒸気が二次導管を循環しタービンを駆動
する。
しかる後、蒸気は復水し、循環して給水として蒸気発生
器へ戻る。
タービンの全ての負荷状態下では、核分裂を起コス各中
性子毎に一つ、それもたった一つの中性子が生ずるよう
に炉心の反応度を維持する必要がある。
この目的達成のため、原子炉には中性子吸収媒体がある
この媒体は、負荷変化の際に、負荷に適応すると同時に
炉心の軸方向に沿った出力分布をできるだけ一様に維持
するために、炉心に関し、挿入されたり引き抜かれたり
する制御棒及び部分長(P/L )棒を含む。
また、ケミカルシムを変える。
ケミカルシムと言う表現は、中性子の吸収を増減させる
冷却材中への流体の注入を意味している。
中性子を吸収するケミカルシムの代表的な化学成分はホ
ウ素(BIO)で、これはホウ酸として冷却材に添加す
る。
中性子の吸収は、吸収化学物質をケミカルシムの一種で
もある水と置き換えることによって減少させることがで
きる。
炉心内外への制御棒の運動を必要とする原子炉のタービ
ン負荷追従或はその他の運転モード中、原子炉に沿った
軸方向の出力分布が変わって許容範囲から出るかも知れ
ない。
その時、部分長(P。/L)棒を炉心の内外へ動かして
この不正分布を補償する。
また、ケミカルシムも調整して中性子吸収媒体を増加す
るか或は除く。
先行技術によれば、ケミカルシムの調整は、制御棒の位
置を観察し、制御棒が所望の十分に限定された運転帯内
に。
保たれるようにシムを調節することによって、行なわれ
ている。
十分に限定された運転帯とは、最高出力変化能力と特に
運転予備能力(spinningreserve)とが
保たれる範囲内の制御棒の運動帯である。
運転予備能力とは、装置の当面作動している任意の出力
レベルと出力の急激な大需要があった場合に達しうる出
力レベルとの間の差である。
P/L棒が炉心の内外へ移動したり、また、一次側と二
次側の出力不整合が起こったりすると、P/L棒の移動
及び一次側と二次側の出力不整合によって生じた反応度
変化に制御棒が応動しているので、同制御棒の十分に限
定された運転帯を予め決定することは困難である。
米国特許第3,222,254号及び第 3.578,562号はケミカルシムの調節について記
載した先行技術の代表的なものである。
米国特許第3,222,254号は、ケミカルシムを調
節してこの調節ケミカルシムの反応度効果及びキセノン
135、即ち核分裂によって生菌毒物質の効果の合計が
一定となるようにしておくことを教えている。
米国特許第3,578,562号は、検出器を通過した
冷却材の一部の中性子吸収特性を測定し、この測定値に
応じたケミカルシムの調節によって中性子吸収媒体を添
加するか取り除くことを教えている。
しかし、どちらの特許も不正分布を除くと同時に装置を
所望の出力アウトプットに維持する問題を扱っていない
従ってこの発明の目的は先行技術の困っていること及び
欠点を克服することであり、特に、この発明が提供する
出力供給装置においては、ケミカルシムの制御によって
、原子炉の炉心に沿った軸方向の出力分布を許容範囲内
に維持しながら蒸気発生器の諸運転条件を所定の設定状
態に持続し且つ最高出力変化能力と特に運転予備能力と
を持続する。
また、かかる装置の運転方法を提供することもこの発明
の目的である。
簡単に述べると、この発明は、タービンでの出力アウト
プットに応じて原子炉の出力アウトプット及び冷却材温
度を制御することによって原子炉の出力変化能力及び運
転予備能力を持続できるといった認識から生じたもので
ある。
この目的を達成するには、原子炉の平均温度(Tavg
)とプログラムによるタービン出力の関数である規準温
度(Tref)とを比較して得られる温度誤差に依存し
てケミカルシムを自動的に制御する。
規準温度はタービンのインパルス圧力から得られる冷却
材温度のプログラム量であり、このインパルス圧力をイ
ンプットとしてプログラム装置に印加する。
プログラム装置は種々のインパルス圧力を対応する所望
冷却材温度と相互に関連させる。
温度誤差は Te=Tavg−Tre。
であり、これは原子力装置の一次側と二次側の不整合の
度合を表わす。
この目的を達成するための装置は補償回路及び非線形利
得回路を有する。
補償回路は比例積分微分(PID)形制御器が代表的で
あるが、適宜選択した進み回路及び(又は)遅れ回路を
任意に組合せたものでもよい。
補償回路の利得及び時定数は、原子炉冷却材とケミカル
シム系のパラメータとの関数であって、ケミカルシムに
よる制御の性能を最適にするよう選択されている。
Teの電気的アナログを補償回路のインプットに加え、
電気的に補償した温度誤差信号Tec をそのアウト
プットから得る。
この信号Tea は非線形利得回路のインプット中に
印加され、同非線形回路のアウトプットによって冷却材
中へのケミカルシムの注入を制御する。
この目的のために非線形利得回路のアウトプットがその
命令する通りに、水或は中性子吸収物質を含有する懸濁
溶液を冷却材へ供給するケミカルシム変更装置の弁を調
節する。
非線形利得回路は次の作用を行なう。
■、不感帯を拡大してバンチングを抑制し、安定性を改
善する。
2、補償回路の利得を補う利得調節を可能にする。
3、被制御装置の過負荷を防止する飽和レベルを含む。
この非線形利得回路は制御棒の認定モードに従って制御
され、そして該非線形利得回路におけるケミカルシム変
更−補償温度誤差の特性は、制御棒がその通常の自動モ
ードにある時の広域不感帯と通常の自動モードにない時
の狭域不感帯とを有する。
制御棒がその通常の自動モードにある時には、制御棒の
通常の作用を補うためにだけケミカルシムが必要である
中性子吸収の制御を補うこの必要性は、通常以上の温度
誤差Teがある時に起こり、短時間だけ続くのが普通で
ある。
通常以上の温度誤差が生じるのは、制御棒が低価値領域
で作動している時か、或は制御棒の速度がP/L棒の運
動と出力レベルの変化とによる総合的な反応度効果を補
償するに足るほど大きくない時であるのが典型的である
狭域不感帯を有する、ケミカルシム変更(△−シム)−
補償温度誤差の特性は、制御棒がその通常の自動モード
にない時に実施する。
これは次の諸条件下で起こるのが典型的である。
1、制御棒がその挿入リミットでの完全な引抜き位置に
あること。
2、制御棒が出力の回復能力を維持するためにキセノン
の過度状態中に積極的に手動操作されるようになってい
ること。
3、過度状態中の軸方向出力ピークが過大になるのを防
止するため制御棒が出力レベル変更中に積極的に手動操
作されるようになっていること。
制御棒が自動制御モードでない時、ケミカルシム変更装
置は反応度制御の主要装置であって、部分長棒の動作、
負荷変化及びキセノンの毒作用を補償しなければならな
い。
これは、ケミカルシム変更装置が制御棒を補足するだけ
の時よりも狭い温度誤差の不感帯を一般に必要とする。
この発明による装置においては、典型的な負荷追従過渡
状態中のケミカルシム制御は次のように実施される。
1、出力が減少しつつある時は、制御棒がタービン出力
の変化による必要反応度と、出力分布制御に必要な部分
長棒の計画的運動とを補償する。
制御棒が温度誤差を広域不感帯内に保っている時は、ケ
ミカルシム制御は通常作用していない。
温度誤差がこの不感帯を超えると、ケミカルシム制御装
置がシム濃度を調整して制御棒を助ける。
2、減少した出力での運転中は、制御棒は出力回復能力
を維持するように実質的に運動できない。
一層厳密に狭い不感帯特性に切り変えられ、そしてケミ
カルシム変更装置が原子炉冷却材のシム濃度を調整して
キセノン及び出力分布制御のため部分長棒の調節を補償
する。
3、出力回復の過渡状態中におけるケミカルシム制御装
置の挙動は、実際上広域不感帯特性を持った出力減少過
渡状態中と同一である。
4、基底負荷でのその後のキセノン再分布は、実際上狭
域不感帯を有するケミカルシム制御装置により再び統制
する。
キセノン過渡状態が終わったら、主要な反応度制御を再
び制御棒に戻すことができる。
この発明をその構成及び作動態様の双方について、他の
諸口的及び諸利点と共に一層良く理解するために、添付
図面に関する以下の記載を参照するとよい。
第1図及び第2図に示した装置は原子炉9と、蒸気発生
器11と、タービン13と、ケミカルシム制御又は調節
装置15と、ケミカルシム変更装置17とを含む。
蒸気発生器11は複数個在ってもよく、4個が典型的で
ある。
原子炉9が熱エネルギを供給し7て蒸気発生器11中の
水を気化させ、蒸気発生器11からの蒸気がタービン1
3を駆動する。
ケミカルシム制御装置は原子炉9へのケミカルシムの供
給を制御する。
原子炉9は頭部組立体12で封止した時に圧力容器10
を形成する器を含む。
圧力容器10はその円筒壁を貫通するよう一体に形成し
た冷却材流の入口手段16と出口手段14とを有する。
一組の入口手段16及び出口手段14だけが図示されて
いるが、これ等は蒸気発生器11の数に対応する複数個
在るのが典型的である。
圧力容器10は主として複数個の被覆核燃料要素(図示
しない)から成る核燃料炉心(図示しない)を含んでい
る。
燃料要素は炉心中の制御棒58の位置と冷却材中のケミ
カルシムの濃度とに主として依存する熱を発生する。
部分長棒もあるが図示はしない。
炉心は冷却材(図示しない)中に入っている。
炉心が発生した熱は入口手段16から流入し出口手段1
4から流出する冷却材流によって炉心外へ運ばれる。
出口手段14から出た冷却材は出口導管26内を通って
熱交換の蒸気発生器11へ運ばれ、その中で加熱冷却材
は、水34その他の流体と熱交換関係にある管18を通
って運ばれ、この水を利用して水蒸気その他の蒸発気が
造られる。
蒸気発生器11で造った蒸気は発電のためタービン13
を駆動する。
冷却材流はポンプ22により蒸気発生器11から低温入
口導管30を経て入口手段16へ運ばれる。
このように再循環のための閉じた一次ループ又は蒸気発
生ループは圧力容器10と蒸気発生器11とを接続する
冷却材配管を備えている。
一つの蒸気発生器11に供給する一つだけの一次ループ
(2B−30)が図示しであるが、かかる一次ループは
複数個在りそれぞれが蒸気発生器に供給するのが普通で
ある。
第1図には示していないが、各ブランドの一つの一次ル
ープが加圧器を含んでいて、該加圧器が、温度変化その
他の諸運転条件の変動に由来する一次流体内の圧力変動
の開始に応動して、実質的に一定の一次圧力を維持する
蒸気発生器11の二次側は熱交換の管18によって一次
冷却材から分けられている。
蒸気発生器11からの蒸気は蒸気導管38内を矢印36
の方向に流れてタービン13に達する。
タービン13は軸24を介して例えば発電機(図示しな
い)のような負荷に接続される。
タービンへ排気される蒸気量は絞り弁40で制御する。
ターヒフ13通過後の蒸気は復水器42中で復水する。
こうして形成した復水又は水は、復水ポンプ44及び給
水ポンプ48を運転することによって矢印52の方向に
導管50及び給水加熱器46を通り、蒸気発生器の二次
側又は外殻側へ戻される。
従って、再循環の二次発電系は蒸気発生器11とタービ
ン13とを接続する二次流体配管を備えている。
第1図に示したもののような典型的加圧水彩原子炉系の
各−次ループにおける出口導管26及び入口導管30の
冷却材温度は、熱電対又は温度抵抗グローブで構成でき
る温度測定素子54及び56によってそれぞれ検出する
温度測定素子54及び56がそれぞれ出すアウトプット
信号T1及びT2は測定場所における瞬間的温度を表わ
す。
各ループの信号T1及びT2は平均温度を得るため温度
平均化ユニット60に送られ、数個のループからの平均
がそれぞれ比較されて原子炉の最も高い瞬間的平均運転
温度を確認する。
その後、この確認運転温度を負荷のプログラム・温度関
数である規準値と比較する。
先行技術の記載によれば、原子炉の瞬間的確認温度がプ
ログラムによる規準値と離れている時には、誤差信号が
発せられこの誤差を最小にする方向に制御棒の運動を制
御する。
従って、米国特許第3,423,285号に記載されて
いるようなプログラムによる平均温度方式の負荷追従原
子炉運転方法が通常採用されている。
負荷需要の増加があると、プラント操作員は所望の出力
に達するまでタービン13への絞り弁40を開<。
タービンへ流れた増大した量の蒸気流のため二次系の圧
力が低下し一次冷却材から除去される熱が多くなる。
上述した米国特許第3.423,285号に記載したよ
うなプログラムによる平均温度制御系から得た制御信号
に応答した制御棒58の操作によって、さもなければ起
こるかも知れない一次冷却材温度の対応する低下を回避
する。
ケミカルシム制御装置15は冷却材温度プログラム61
と、加算器63と、温度補償回路65と、非線形利得回
路67とを含む。
冷却材温度プログラム61は変換器であり、その入力に
タービンのインパルス圧力が印加される。
プログラム61はタービンインパルス圧力を対応する電
気的パラメータTrefに変換し、各パラメータが所望
の冷却材温度を示す。
Tref及び温度平均化ユニット60からのパラメータ
Tavgは加算器63に送られて比較され、加算器63
がそのアウトプットに温度誤差T を出す。
このアウトプットTeは補供回路65へのインプットに
印加される。
補償温度のアウトプットTeo は非線形利得回路67
に印加され、回路67のアウトプットがケミカルシム変
更装置17を制御する。
第2図にケミカルシム制御装置を更に詳細に示す。
冷却材温度プログラム61はグラフで示す通りの特性を
有する。
このグラフで、温度は縦軸に、印加されたインパルス出
力(圧力)は横軸に表わされており、温度−出力特性は
立上り特性として図示されている。
加算器63は高利得増幅器である。
プログラム61からのパラメータTrefは加算器の負
(逆)インプット71に印加され、温度平均化ユニット
60からのパラメータTavgは正インプット73に印
加される。
補償回路65は電位差計p11 P2 、P3 、p4
と、増幅器75.77.79と、インバータ81とを有
する。
増幅器79はそのアウトプットで補償温度T。
0 を出すアウトプット増幅器である Tに比例する信
号が電気差計P1の両端間に生じこれが増幅器79のイ
ンプットに直接印加される。
電位差計P1のこの信号の大きさが比例利得Kを決定す
る。
電位差計P3及び増幅器77は、信号Teが印加されて
いる期間について同信号を積分するよう協働する。
電位差計P3はこの積分成分の時定数τ。
を決定する。積分信号はインバータ81を経由して増幅
器79に印加され、極性を逆にされる。
同等の電位差計P2とP4及び増幅器75は微分成分を
もたらす。
電位差計P2及びP4は微分成分の時定数τを決定する
電位差計P4は増幅器75のフィードバックを決定する
補償回路65のアウトプットはT。
の比例、積分、微分(PID)であって、Toに τ、S I K(1+−+−) 1+τ、S τ2S を乗じた値である。
ここでSはラプラス演算子d/ a tである。
非線形利得回路67は、単一のユニットの=部或ハコン
ピュータのワード又はビットでよい接触器83,85,
87を含む。
また、比較器89、。インプット増幅器91、アウトプ
ット増幅器93、電位差計P5.P6も含む。
増幅器93は飽和特性を出すフィードバックFBIを有
する。
非線形利得回路67の作用は第3図から分かる。
第3図において、シムの変化(△−シム)は縦軸7に、
補償温度Tea は横軸に表わされている。
二つの利得特性GAIN1及びGAIN2を図示する。
GAINlは狭域不感帯+■、〜−■1を有し、GAI
N2は広域不感帯+V2〜−V2を有する。
飽和リミットはFBIによって決定される。
利得はGAINl及び2の曲線に沿ってのみ変化する。
これ等の曲線に沿った種々の調整に対し、△−シムは温
度変化と共に直線的に変化する。
不感帯に沿った調整に対しては△−シムはゼロである。
FBIのリミットでの調整に対しては△−シムは正か又
は負の一定値である。
接触器83及び85はOR論理ユニット95を介して制
御棒58の設定に従って制御される。
接触器83は非線形利得回路67の特性に不感帯を設定
し、接触器85は可変の利得を設定する。
制御棒の設定に応じて正或は負の信号が接触器83及び
85に印加される。
図示のように制御棒がその上下リミットのどちらかにあ
るか或は手動であれば、正の信号がOR論理ユニット9
5を介して接触器83及び85に印加される。
制御棒が自動であるか或は上下リミットになければ、負
の信号が接触器83及び85に印加される。
接触器83及び85は可動接点101.103と固定接
点105 、107及び109,111とを有して図示
されている。
実際に実施する場合、これ等の接触器はソリッドステー
ト素子或はコンピュータのビットである。
接点はこの発明の説明を容易にする観点から機械的素子
として示されている。
正の信号が接触器83及び85に印加されると、可動接
点101及び103がそれぞれ接点105及び109に
接触する。
非線形利得回路の特性は狭域不感帯+■1〜−Vt(第
3図)とGAINIを有する。
GAINlは電位差計P5で設定する。負の信号が接触
器83及び85に印加されれば、可動接点101及び1
03はそれぞれ接点107及び111に接触する。
この場合、非線形利得回路67は広域不感帯+■2〜−
V2(第3図)とGAIN2を有する特性を示す。
GAINl及びGAIN2は図示のように平行である必
要はない。
即ち、△−シムは二つの状態について同率で変化する必
要はない。
接点101から出た信号は本質的にTec の大きさ
である。
この大きさを増幅器79から出たTec の大きさと
比較する。
Tec が狭帯域の設定値IV11か或は広帯域の設
定値IV21を超えていれば、正の信号が接触器87に
印加され、その可動接点121は固定設点123に接触
する。
この場合、非線形利得回路67の命令は・Tecの相対
的大きさ及び±V1或は±v2に依存する極性で場合に
応じGAINl又はGAIN2に従って△−シムを変更
させることである。
IVll或は1V21が対応するTec より大きい
場合には、可動接点121が接点125に接触する。
△−シムをゼロに維持することが命令である。
GAINl或はGAIN2について増幅器93は最大の
可変△−シムを設定する。
ケミカルシム変更装置1Tは米国特許第 3.222,254号に記載のものと同じでよい。
この装置は、一次ループ26−30から引いた冷却材を
受ける蒸発器兼用貯蔵タンク131を有する。
タンク131中で冷却材の一部が蒸発し、復水し。
純水域はその他の純流体として純水タンク133に供給
される。
一方、中性子吸収物質が濃縮された冷却材は濃縮中性子
タンク135へ供給される。
タンク133は制御可能の弁137及びポンプ139を
経由して一次ループ26−30に接続され、タンク13
5は制御可能の弁141及びポンプ143を経由して一
次ループ26−30に接続される。
弁137及び141の制御は非線形利得回路67のアウ
トプットで行なう。
運転に際し、弁137及び141の調整は比較器89の
アウトプットに依存し、また、接触器83及び85の設
定に依存する。
接触器83が狭域不感帯+V、〜−■1に設定され、且
つITeo+が1■11より小さければ、増幅器93の
アウトプットはゼロであり弁137及び141は閉じて
いる。
Tecが+■1より大きければ、弁137は閉じ弁14
1はTeo−■1に依存する程度間いている。
その時、濃縮した中性子吸収物質が冷却材に供給される
Teo が−■1より小さければ、弁141は閉じ弁1
37はITool−IVllの大きさに依存する度合で
開いており、且つ純水が冷却材に供給されてその中性子
吸収を減少させる。
不感帯が+V2〜−■2である時の運転も同様である。
一つの好適な実施例を開示したが、それを種々改変した
ものも実施可能である。
この発明は、先行技術の精神が必要とする限りのもの以
外に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例を図解的に示す図、第2図は
この発明の補償回路及び非線形利得回路を示す略図、第
3図は非線形利得回路の作用を示すグラフである。 図中、9は原子炉、13はタービン、15はケミカルシ
ム制御装置(ケミカルシムを変える手助、17はケミカ
ルシム変更装置(ケミカルシム調節手段)、26及び3
0は導管、40は絞り弁(タービン出力を変える手段)
、58は制御棒、60は温度平均化ユニット(平均温度
を得る手段)、61は冷却材温度プログラム(規準温度
を得る手段)、63及び65は加算器と温度補償回路(
比較手段)、67は非線形利得回路である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 熱伝達関係にある冷却材で冷却される、即ち同冷却
    材を加熱する燃料炉心を有する原子炉と、前記原子炉に
    接続されてそこから冷却材を導出すると共に前記原子炉
    に戻す導管と、タービン出力を変える手段を含み、前記
    導管に関連してその中の冷却材からエネルギを得るター
    ビンと、前記原子炉に接続されて冷却材中にケミカルシ
    ムを供給すると共に該ケミカルシムの量を調節する手段
    と、タービンの出力要求に従って前記冷却材の温度を変
    えるための制御棒と、前記原子炉に接続されて冷却材の
    平均温度を得る手段と、前記タービンに接続されて同タ
    ービンの出した出力に依存するプログラム規準温度を得
    、該規準温度によってタービン出力を対応する所望の冷
    却材温度と相互に関連させる手段と、平均温度を得る前
    記手段及び規準温度を得る前記手段に接続されて補償温
    度誤差を得る比較手段と、前記比較手段及び前記ケミカ
    ルシム調節手段に接続されて前記補償温度誤差が減少す
    るように冷却材中のケミカルシムを変える手段とを備え
    、ケミカルシムを変える該手段は、温度誤差に対応する
    不感帯機能を有すると共に前記制御棒のモードを検知す
    る非線形利得回路のインプット側を前記比較手段に接続
    させている出力供給装置。
JP53060078A 1977-05-23 1978-05-22 原子炉出力供給装置 Expired JPS5823916B2 (ja)

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JPS53146090A JPS53146090A (en) 1978-12-19
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JP53060078A Expired JPS5823916B2 (ja) 1977-05-23 1978-05-22 原子炉出力供給装置

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US4187144A (en) 1980-02-05
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FR2392472B1 (ja) 1983-02-25

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