JP2009504965A - ガスタービンを運転する方法及びこの方法を実施するガスタービン - Google Patents
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Abstract
本発明は、コンバインドサイクル発電プラント（４０）内でガスタービン（１１）を運転する方法に関する。この方法の場合、空気が、ガスタービン（１１）によって吸引されて圧縮される。この圧縮された空気が、石炭から得られる合成ガスを燃焼するために燃焼室（１８，１９）に供給される。この場合、圧縮した空気の一部が、酸素及び窒素に分解される。中間過熱部を有するガスタービン（１１）が使用され、このガスタービン（１１）は、２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、合成ガスが、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン（１７）内で膨張すること、及び、空気分解時に発生する窒素が、ガスタービン（１１）を冷却するために使用されることによって、改良された効率が達成される。
Description
本発明は、発電設備技術の分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念に記載の（固定式）ガスタービンを運転する方法及びこの方法を実施するガスタービンに関する。
中間過熱部（再熱ガスタービン）を有するガスタービンが公知である（例えば、米国特許出願公開第5,577,378号明細書又は”State-of-the-art gas turbines - a brief update”, ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26参照）。このガスタービンは、柔軟な運転を非常に低い排気ガス放出値で実現する。
−圧縮空気が、圧縮機で既にこの圧縮機の中圧によって重要な意味をもって分岐し、
−連続する燃焼の概念が、過剰な酸素値を低減しつつ燃焼の安定性の向上を可能にし、
−２次空気系が存在し、この２次空気系が、空気を圧縮機から分岐させて冷却すること、そして冷却された空気を燃焼室及びタービンを冷却するために使用することを可能にするので、Typ GT26によるガスタービンのマシン・アーキテクチャーは、類がなくかつ本発明の課題である概念を実現するために特に適している。
−圧縮空気が、圧縮機で既にこの圧縮機の中圧によって重要な意味をもって分岐し、
−連続する燃焼の概念が、過剰な酸素値を低減しつつ燃焼の安定性の向上を可能にし、
−２次空気系が存在し、この２次空気系が、空気を圧縮機から分岐させて冷却すること、そして冷却された空気を燃焼室及びタービンを冷却するために使用することを可能にするので、Typ GT26によるガスタービンのマシン・アーキテクチャーは、類がなくかつ本発明の課題である概念を実現するために特に適している。
中間過熱部を有するこの公知のガスタービンの原理が、図１中に示されている。コンバインドサイクル発電プラント１０の一部であるガスタービン１１が、１つの共通のシャフト１５に配置され相前後して連結された２つの圧縮機、すなわち１つの低圧圧縮機１３及び１つの高圧圧縮機１４並びに１つの燃焼室、すなわち１つの高圧燃焼室１８及び１つの中間過熱燃焼室１９並びに付随するタービン、すなわち１つの高圧タービン１６及び１つの低圧タービン１７を有する。シャフト１５が、発電機１２を駆動する。
この設備の動作を以下に示す：空気が、空気取入口２０を通じて低圧圧縮機１３によって吸引され、最初に中間圧力レベル（約20bar）に圧縮される。次いで高圧圧縮機１４が、その空気を高圧レベル（約32bar）にさらに圧縮する。冷気が、中間圧力レベルと高圧レベルとで分岐され、付随するＯＴＣ冷却器（OTC=Once Through Cooler）２３及び２４内で冷却され、冷却管２５及び２６を経由して、冷却のために燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７にさらに送られる。高圧圧縮機１４からの残りの空気が、高圧燃焼室１８に送られ、そこで燃料供給管２１を通じて供給された燃料の燃焼によって加熱される。次いで対応する排気ガスが、後続する運転中の高圧タービン１６内で中圧レベルに膨張される。この排気ガスは、この膨張後で別の運転中の後続する低圧タービン１７内で膨張される前に中間過熱燃焼室１９内で燃料供給管２２を通じて供給された燃料の燃焼によって再び加熱される。
材料温度を適正な程度に制限するため、冷却管２５，２６を貫流する冷気が、燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７の適切な位置に流入される。蒸気を生成するため、低圧タービン１７から来た排気ガスが、廃熱回収ボイラ２７（ＨＲＳＧ＝Heat Recovery Steam Generator）を通じて送られる。この蒸気は、水蒸気循環路内で蒸気タービン２９を貫流し、そこでさらなる仕事をする。排気ガスは、廃熱回収ボイラ２７の貫流後に排気管２８を通じて最終的に外部に排気される。ＯＴＣ冷却器２３，２４は、水蒸気循環路の一部である。過熱蒸気が、この水蒸気循環路の出口で生成される。
大きい柔軟性が、燃焼室１８及び１９内の互いに独立して連続する両燃焼によって得られる；最大効率が、存在する限界内で達成されるように、燃焼室の温度が調整され得る。連続した燃焼系の低い排気ガス値が、固有の低い放出値によって与えられている。これらの固有の低い放出値は、中間過熱時に実現可能である（所定の条件下では、第２燃焼がＮＯＸの燃焼さえも招く）。
他方では、ガスタービン内の１段燃焼部を有するコンバインドサイクル発電プラントが公知である（例えば、米国特許出願公開第4,785,622号明細書又は米国特許第6,513,317号明細書参照）。ガスタービンに必要な石炭から得られる合成ガスの形態の燃料を提供するため、石炭気化設備が、これらのコンバインドサイクル発電プラント内に組み込まれている。これらのコンバインドサイクル発電プラントは、ＩＧＣＣ（IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle）プラントと呼ばれる。
本発明は、このガスタービン型式の利点が中間過熱部を有するガスタービンをＩＧＣＣプラント内で使用することによってこのプラント内で特別な方法で利用可能になり得る という認識から出発する。
米国特許出願公開第5,577,378号明細書
米国特許出願公開第4,785,622号明細書
米国特許第6,513,317号明細書
"State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26
本発明の課題は、石炭気化設備と協働するガスタービンを運転する、向上した効率を特徴とし、既存の要素によって特に良好に実現できる方法を提供すること及びこの方法を実施するガスタービンを提供することにある。
この課題は、請求項１及び６の特徴の全体によって解決される。中間過熱部を有するガスタービンが、石炭気化設備からの合成ガスによって動作するガスタービン設備内で使用される点が重要である。このガスタービンは、２つの燃焼室及び２つのタービンを有する。この場合、合成ガスが、第１燃焼室内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン内で膨張する。この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービンから来た排気ガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン内で膨張する。空気分解時に発生する窒素が、ガスタービンを冷却するために使用される。この発明の解決手段には、以下の利点がある：
−１つのＯＴＣ冷却器が不要になり、これによって効率が向上する。
−冷気がほとんど不要になり、このことは、同様に効率を良くする。
−空気分解設備からの比較的冷たい窒素が、重要な要素を冷却するために使用される一方で、圧縮機からのより熱い空気が、幾つかの重要な要素を冷却するために使用でき；このことも、プラントの効率を改良する。
−この説明した冷却が、特別な２次空気系に基づく例えばTyp GT26によるガスタービンのような中間過熱部を有する公知の構造のガスタービンで特に簡単に実現され得る。
−１つのＯＴＣ冷却器が不要になり、これによって効率が向上する。
−冷気がほとんど不要になり、このことは、同様に効率を良くする。
−空気分解設備からの比較的冷たい窒素が、重要な要素を冷却するために使用される一方で、圧縮機からのより熱い空気が、幾つかの重要な要素を冷却するために使用でき；このことも、プラントの効率を改良する。
−この説明した冷却が、特別な２次空気系に基づく例えばTyp GT26によるガスタービンのような中間過熱部を有する公知の構造のガスタービンで特に簡単に実現され得る。
本発明の方法の構成は、ガスタービンが吸引された空気を第１圧力段に圧縮する第１圧縮機及び空気をこの第１圧力段からより高い第２圧力段にさらに圧縮する第２圧縮機を有すること、第１圧縮機から来た空気の一部が酸素及び窒素に分解されること、及び、この分解時に発生する窒素が第２燃焼室及び第２タービンの冷却に使用されることを特徴とする。
特にこの場合、分解するために分岐された圧縮空気の一部が、分解前に第１圧縮機から分岐され、分解時に発生し、冷却のために提供される窒素と混合される。分解のために分岐された圧縮空気の約50％が、分解前に第１圧縮機から分岐され、分解時に発生し、冷却のために提供される窒素と混合される場合、特に良好な状態が得られる。分解時に発生する窒素は、好ましくは分解前に分岐された圧縮空気と混合する前に圧縮される。
本発明のガスタービンの構成は、分岐管が設けられていて、この分岐管は空気分解設備の入口側から分岐し、所定の地点で窒素管に合流すること、及び、窒素を圧縮する圧縮機が空気分解設備の出口と分岐管の所定の合流地点との間の窒素管内に配置されていることを特徴とする。
特にガスタービンは、相前後して連結された２つの圧縮機を有し、空気分解設備の入口側が、第１圧縮機の出口に連結されていて、窒素管が、第２燃焼室及び第２タービンまで敷設されている。
空気分解設備の特に出力側が、分解時に発生する酸素を流出する酸素管を有する。この酸素管は、石炭の気化によって合成ガスを生成する設備まで敷設されている。合成ガス管が、合成ガスを生成する設備から燃焼室まで生成された合成ガスを搬送する。
以下に、本発明を図面に関連する実施の形態に基づいて詳しく説明する。
図２中には、本発明を実現するために適しているような中間過熱部つまり連続燃焼部を有するガスタービンを有するＩＧＣＣプラントが非常に簡略化された図で示されている。このコンバインドサイクル発電プラント３０は、低圧圧縮機１３，後続する高圧圧縮機１４，後続する高圧タービン１６を伴う高圧燃焼室１８及び後続する低圧タービン１７を伴う中間過熱燃焼室１９を有するガスタービン１１を備える。圧縮機１３，１４及びタービン１６，１７が、１つの共通のシャフト１５に固着している。発電機１２が、このシャフト１５によって駆動される。燃料としての合成ガスが、合成ガス供給管３１を経由して燃焼室１８及び１９に供給される。この合成ガスは、石炭気化設備３４内の石炭（石炭供給３３）の気化によって生成される。合成ガス用の冷却装置３５，濾過装置３６及び遊離されたＣＯ２を放出するためのＣＯ２流出口３８を有するＣＯ２分離装置３７が、石炭気化設備３４の後方に連結されている。
酸素（Ｏ２）が、石炭気化設備３４内で石炭を気化するために使用される。この酸素（Ｏ２）は、空気分解設備３２内で得られ、酸素管３２ａを通じて供給される。この空気分解設備３２は、低圧圧縮機１３の出口から圧縮空気を受け取る。この分解と同時に発生する窒素（Ｎ２）が、例えば窒素管３２ｂを通じて低圧燃焼室１９に供給される。
高温ガスに曝された燃焼室１８，１９及びタービン１６，１７の要素を冷却するため、圧縮された冷気が、両圧縮機１３及び１４の出口で流出され、後続連結されたＯＴＣ冷却器２３又は２４内で冷却され、次いで対応する冷却管２５及び２６を経由して冷却すべき位置に供給される。
廃熱回収ボイラ２７が、低圧タービン１７の出口に配置されている。連結されている蒸気タービン２９を伴うこの廃熱回収ボイラ２７は、水蒸気循環路の一部である。廃熱回収ボイラ２７から出て行く排気ガスが、排気管２８を通じて外部に排気される。
一方で図３によるプラント構成では、冷却部の配置が変更される。図３のコンバインドサイクル発電プラント４０では、確かに、高圧燃焼室１８及び高圧タービン１６が依然として、高圧圧縮機１４の出口で分岐され、次いでＯＴＣ冷却器２４内で冷却される圧縮空気によって冷却される。しかしながら中間過熱燃焼室１９及び低圧タービン１７は、他方では別の方法で冷却される。このため、低圧圧縮機１３の出口で分岐された50％の圧縮空気が、空気分解設備３２内で酸素及び窒素に分解される。その他の50％は、この空気分解設備３２の分岐管３９内で送られる。酸素管３２ａを経由して空気分解設備３２から流出された酸素は、−図２中に示されたように−石炭を気化するために使用される。生成された比較的冷たい窒素は、窒素管３２ｂを経由して圧縮機４１に送られ、圧縮後に分岐管３９からの50％の空気と混合される。このとき、混合後のガス温度は、約300〜400℃に達する。その結果、低圧圧縮機１３で抽出した冷気の冷却は不要である。発生する混合物は、次いで中間過熱燃焼室１９及び低圧タービン１７の熱い要素の冷却に使用される。
この種類の冷却の利点は：
−１つのＯＴＣ冷却器が不要になり、これによって効率が向上し、
−冷気がほとんど不要になり、このことは、同様に効率を良くし、
−空気分解設備からの比較的冷たい窒素が、重要な要素を冷却するために使用される一方で、圧縮機からのより熱い空気が、幾つかの重要な要素を冷却するために使用でき；このことも、プラントの効率を改良し、
−この説明した冷却が、特別な２次空気系に基づく例えばTyp GT26によるガスタービンのような中間過熱部を有する公知の構造のガスタービンで特に簡単に実現され得ることである。
−１つのＯＴＣ冷却器が不要になり、これによって効率が向上し、
−冷気がほとんど不要になり、このことは、同様に効率を良くし、
−空気分解設備からの比較的冷たい窒素が、重要な要素を冷却するために使用される一方で、圧縮機からのより熱い空気が、幾つかの重要な要素を冷却するために使用でき；このことも、プラントの効率を改良し、
−この説明した冷却が、特別な２次空気系に基づく例えばTyp GT26によるガスタービンのような中間過熱部を有する公知の構造のガスタービンで特に簡単に実現され得ることである。
希釈しなかった石炭ガスがガスタービンの両燃焼室内で使用され得ることが、この概念を実現するための前提条件である。ガスタービンの燃焼室内のこのような希釈しなかった石炭ガスの燃焼時の主な技術的な課題は：
−低い放出値を実現すること、
−フラッシュバック及び振動の限界に対して十分な余裕をとること、
−石炭ガスの品質の変化時でも運転中の柔軟性を維持すること及びその他の燃料（天然ガス又は石油）による支援を可能にすること、及び
−冷気を燃焼室及びタービン内の高温ガス流路の領域内に注入し供給することである。
−低い放出値を実現すること、
−フラッシュバック及び振動の限界に対して十分な余裕をとること、
−石炭ガスの品質の変化時でも運転中の柔軟性を維持すること及びその他の燃料（天然ガス又は石油）による支援を可能にすること、及び
−冷気を燃焼室及びタービン内の高温ガス流路の領域内に注入し供給することである。
これらの課題は、以下の理由からの構想によるＩＧＣＣプラントの場合は中間過熱部を有するガスタービンによって特に良好に解決され得る：
１．両燃焼室内の燃焼温度が最適に選択される場合、特に第１段（高圧燃焼室１８）内の緩やかな温度上昇によって、中間過熱時に固有のＮＯＸに関する利点が、合成ガスに対しても引き継がれ得る。
２．中間過熱部を有するガスタービンの運転時の安定性及び柔軟性は、比較の対象になりうる１段燃焼によるガスタービンの場合より大きい。運転限界が、プリセットされているフレーム温度に対するフレーム消火及びフラッシュバック及び／又は放出レベルによって一般的に与えられる。この運転限界は、燃料の品質及び燃料の反応度の許容される範囲を決定する。中間過熱部を有するガスタービンでは、中間過熱部を有するガスタービンでは、２つの燃焼系が、２つの独立したフレーム温度で、例えばＮＯＸに関してほとんど欠点なしに１段のより低い温度及び２段のより高い温度で運転を可能にするので、この運転限界は明らかに上がる。
３．燃焼ガスが、希釈せずに（窒素なしに）一般に30 barより大きい範囲内又は15〜20 barの圧力で動作する第１燃焼系及び第２燃焼系内に注入される場合、ガス圧に対する要求が最小限にされ得る。
４．引き続き冷却され、機械内に再び供給される冷気の抽出の概念は、冷却媒体としての窒素の使用に対して特に良好である。
１．両燃焼室内の燃焼温度が最適に選択される場合、特に第１段（高圧燃焼室１８）内の緩やかな温度上昇によって、中間過熱時に固有のＮＯＸに関する利点が、合成ガスに対しても引き継がれ得る。
２．中間過熱部を有するガスタービンの運転時の安定性及び柔軟性は、比較の対象になりうる１段燃焼によるガスタービンの場合より大きい。運転限界が、プリセットされているフレーム温度に対するフレーム消火及びフラッシュバック及び／又は放出レベルによって一般的に与えられる。この運転限界は、燃料の品質及び燃料の反応度の許容される範囲を決定する。中間過熱部を有するガスタービンでは、中間過熱部を有するガスタービンでは、２つの燃焼系が、２つの独立したフレーム温度で、例えばＮＯＸに関してほとんど欠点なしに１段のより低い温度及び２段のより高い温度で運転を可能にするので、この運転限界は明らかに上がる。
３．燃焼ガスが、希釈せずに（窒素なしに）一般に30 barより大きい範囲内又は15〜20 barの圧力で動作する第１燃焼系及び第２燃焼系内に注入される場合、ガス圧に対する要求が最小限にされ得る。
４．引き続き冷却され、機械内に再び供給される冷気の抽出の概念は、冷却媒体としての窒素の使用に対して特に良好である。
１０,３０，４０ コンバインドサイクル発電プラント
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１５ シャフト（ガスタービン）
１６ 高圧タービン
１７ 低圧タービン
１８ 高圧燃焼室
１９ 低圧燃焼室
２０ 空気取入口
２１，２２ 燃料供給管
２３，２４ ＯＴＣ冷却器
２５，２６ 冷却管
２７ 廃熱回収ボイラ
２８ 排気管
２９ 蒸気タービン（蒸気サイクル）
３１ 合成ガス供給管
３２ 空気分解設備
３２ａ 酸素管
３２ｂ 窒素管
３３ 石炭供給
３４ 石炭気化設備
３５ 冷却装置
３６ 濾過装置
３７ ＣＯ２分離装置
３８ ＣＯ２流出口
３９ 分岐管
４１ 圧縮機
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１５ シャフト（ガスタービン）
１６ 高圧タービン
１７ 低圧タービン
１８ 高圧燃焼室
１９ 低圧燃焼室
２０ 空気取入口
２１，２２ 燃料供給管
２３，２４ ＯＴＣ冷却器
２５，２６ 冷却管
２７ 廃熱回収ボイラ
２８ 排気管
２９ 蒸気タービン（蒸気サイクル）
３１ 合成ガス供給管
３２ 空気分解設備
３２ａ 酸素管
３２ｂ 窒素管
３３ 石炭供給
３４ 石炭気化設備
３５ 冷却装置
３６ 濾過装置
３７ ＣＯ２分離装置
３８ ＣＯ２流出口
３９ 分岐管
４１ 圧縮機
Claims (10)
- 特にコンバインドサイクル発電プラント（３０，４０）で使用されているガスタービン（１１）を運転する方法にあって、この方法の場合、空気が、ガスタービン（１１）によって吸引されて圧縮され、この圧縮された空気が、石炭から得られる合成ガスを燃焼するために燃焼室（１８，１９）に供給され、燃焼時に発生する高温ガスが、後続するタービン（１６，１７）内で仕事をしつつ膨張し、この場合、圧縮した空気の一部が、酸素及び窒素に分解され、酸素が、石炭気化設備（３４）内で合成ガスを生成するために使用され、この場合、圧縮した空気の一部が、高温ガスに曝されたガスタービン（１１）の一部を冷却するために使用される方法において、
中間過熱部を有するガスタービン（１１）が使用され、このガスタービン（１１）は、２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、合成ガスが、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、合成ガスが、第２燃焼室内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第２タービン（１７）内で膨張し、
空気分解時に発生する窒素が、ガスタービン（１１）を冷却するために使用されることを特徴とする方法。 - ガスタービン(１１)が吸引された空気を第１圧力段に圧縮する第１圧縮機(１３)及び空気をこの第１圧力段からより高い第２圧力段にさらに圧縮する第２圧縮機(１４)を有すること、第１圧縮機(１３)から来た空気の一部が酸素及び窒素に分解されること、及び、この分解時に発生する窒素が第２燃焼室(１８)及び第２タービン(１７)の冷却に使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 分解するために分岐された圧縮空気の一部が、分解前に第１圧縮機(１３)から分岐され、分解時に発生し、冷却のために提供される窒素と混合されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
- 分解のために分岐された圧縮空気の約50％が、分解前に第１圧縮機(１３)から分岐され、分解時に発生し、冷却のために提供される窒素と混合されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 分解時に発生する窒素は、分解前に分岐された圧縮空気と混合する前に圧縮されることを特徴とする請求項３又は４に記載の方法。
- 請求項１に記載の方法を実施するガスタービン（１１）にあって、このガスタービン（１１）は、中間過熱部を有するガスタービンとして構成されていて、吸引された空気を圧縮する圧縮機（１３，１４），２つの燃焼室（１８，１９）及び２つのタービン（１６，１７）を有し、この場合、燃焼が、第１燃焼室（１８）内で圧縮空気を使用して燃焼され、発生する高温ガスが、第１タービン（１６）内で膨張し、この場合、燃料が、第２燃焼室（１９）内で第１タービン（１６）から来たガスを使用して燃焼され、発生するガスが、第２タービン（１７）内で膨張するガスタービンにおいて、
空気分解設備（３２）が設けられていて、この空気分解設備（３２）は、その入口側が圧縮機（１３，１４）に連結されていて、その出口側が分解時に発生する窒素を流出する窒素管（３２ｂ）を有すること、及び、この窒素管（３２ｂ）は、ガスタービン（１１）の高温ガスに曝された部分に連結していることを特徴とするガスタービン。 - 分岐管（３９）が設けられていて、この分岐管は、空気分解設備(３２)の入口側から分岐し、所定の地点で窒素管(３２ｂ)に合流することを特徴とする請求項６に記載のガスタービン。
- 窒素を圧縮する圧縮機(４１)が空気分解設備(３２)の出口と分岐管(３９)の所定の合流地点との間の窒素管（３２ｂ)内に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のＧ巣タービン。
- ガスタービン(１１)は、相前後して連結された２つの圧縮機（１３，１４）を有し、空気分解設備(３２)の入口側が、第１圧縮機(１３)の出口に連結されていること、及び、窒素管(３２ｂ)が、第２燃焼室(１８)及び第２タービン(１７)まで敷設されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のガスタービン。
- 空気分解設備(３２)の出力側が、分解時に発生する酸素を流出する酸素管（３２ａ）を有し、この酸素管（３２ａ）は、石炭の気化によって合成ガスを生成する設備（３３，．．．，３８）まで敷設されていること、及び、合成ガス管(３１)が、合成ガスを生成する設備（３３，．．．，３８）から燃焼室まで生成された合成ガスを搬送することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のガスタービン。
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|---|---|---|---|---|
| JP2014009606A (ja) * | 2012-06-28 | 2014-01-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | タービン翼の冷却システム及びガスタービン |
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- 2006-08-07 JP JP2008525562A patent/JP2009504965A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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