JP2677854B2 - ヒートパイプ式半導体冷却器 - Google Patents
ヒートパイプ式半導体冷却器Info
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- F28D15/046—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure characterised by the material or the construction of the capillary structure
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は改良されたヒートパイプ式半導体冷却器に関
するものである。
するものである。
サイリスタ等の半導体を冷却用としてヒートパイプを
用いた冷却器の吸熱部は本発明者等により特開昭60−57
956号としてすでに公知である。この半導体用ヒートパ
イプ冷却器の吸熱部は第5図から第7図に示すように銅
などの熱伝導によい金属からなるヒートパイプ(1)に
同じく熱伝導のよい銅またはアルミニウムなどからなる
フィン(2)が挿着されて放熱部を形成し、ヒートパイ
プの下端が熱伝導のよい銅などから金属ブロック(3)
に挿着され、金属ブロックに取付けられたサイリスタ等
の半導体(4)より発生した熱をヒートパイプに伝達し
フィンにより自然対流またはファンなどにより強制冷却
させて半導体の動作効率及びライフ性を高めるものであ
る。なお必要に応じてブロックに電流取出し用の端子
(5)が取付けられる。サイリスタ等の電力半導体面は
通常、高い電位を持っているため、これらが金属ヒート
パイプを介して放熱部に通電されるため使用環境によっ
ては取扱上非常に危険な状況にあった。特に最近は電車
などの車輌に搭載される場合があり、安全上問題があっ
た。そこでサイリスタ等の半導体(4)と金属ブロック
との間に比較的熱伝導性の良い窒化アルミなどのセラミ
ック製絶縁板(9)を設け電気的に絶縁することが試み
られている。しかし上記の窒化アルミなどは熱性能、機
械強度、信頼性などの点でなお問題があった。
用いた冷却器の吸熱部は本発明者等により特開昭60−57
956号としてすでに公知である。この半導体用ヒートパ
イプ冷却器の吸熱部は第5図から第7図に示すように銅
などの熱伝導によい金属からなるヒートパイプ(1)に
同じく熱伝導のよい銅またはアルミニウムなどからなる
フィン(2)が挿着されて放熱部を形成し、ヒートパイ
プの下端が熱伝導のよい銅などから金属ブロック(3)
に挿着され、金属ブロックに取付けられたサイリスタ等
の半導体(4)より発生した熱をヒートパイプに伝達し
フィンにより自然対流またはファンなどにより強制冷却
させて半導体の動作効率及びライフ性を高めるものであ
る。なお必要に応じてブロックに電流取出し用の端子
(5)が取付けられる。サイリスタ等の電力半導体面は
通常、高い電位を持っているため、これらが金属ヒート
パイプを介して放熱部に通電されるため使用環境によっ
ては取扱上非常に危険な状況にあった。特に最近は電車
などの車輌に搭載される場合があり、安全上問題があっ
た。そこでサイリスタ等の半導体(4)と金属ブロック
との間に比較的熱伝導性の良い窒化アルミなどのセラミ
ック製絶縁板(9)を設け電気的に絶縁することが試み
られている。しかし上記の窒化アルミなどは熱性能、機
械強度、信頼性などの点でなお問題があった。
本発明は上記の問題について検討の結果、電気絶縁性
に優れ、かつ吸熱性および放熱性の向上せしめたヒート
パイプ式半導体冷却器を開発したものである。
に優れ、かつ吸熱性および放熱性の向上せしめたヒート
パイプ式半導体冷却器を開発したものである。
本発明は、内面に軸方向の一方に傾斜した多数の条溝
を有する1本または複数本のヒートパイプの一端部にフ
ィンを多数挿着して放熱部を形成し、その下方に内面に
多数の交錯した条溝を有する1本または複数本のヒート
パイプの他端部を金属ブロックに挿着して吸熱部を形成
し、該放熱部と吸熱部との中間を電気絶縁性の筒で接続
し、かつ作動液が電気絶縁性のものであることを特徴と
するヒートパイプ式半導体冷却器である。
を有する1本または複数本のヒートパイプの一端部にフ
ィンを多数挿着して放熱部を形成し、その下方に内面に
多数の交錯した条溝を有する1本または複数本のヒート
パイプの他端部を金属ブロックに挿着して吸熱部を形成
し、該放熱部と吸熱部との中間を電気絶縁性の筒で接続
し、かつ作動液が電気絶縁性のものであることを特徴と
するヒートパイプ式半導体冷却器である。
すなわち本発明は、例えば第1図に示すようにヒート
パイプの放熱部(第一の金属管)(1)の一端が半球状
または円錐状に絞られたその先端にノズル(6)を有
し、かつその内面に第3図に示すようなV字状、凹字状
または波形状などの軸方向(1)の一方に傾斜した角度
(α)の多数の条溝(M)を設けた1本または複数本の
ヒートパイプの放熱部(第一の金属管)にフィン(2)
を多数挿着して放熱部を形成し、その下方に一端が半球
状または円錐状に絞られ溶接により封止され、かつ内面
に第4図に示すように軸方向左右に傾斜角β、γを有し
た多数の交錯したV字状、凹字状または波形状などの条
溝(N)を有する1本または複数本のヒートパイプの入
熱部(第二の金属管)(1′)を金属ブロック(3)に
挿着して吸熱部(入熱部)を形成し、上記放熱部と吸熱
部(入熱部)との中間を鉄−ニッケル合金製などのフラ
ンジを有する電気絶縁筒(7)で接続し、かつ作動液と
してフロロカーボンなどの電気絶縁性のものを封入して
ヒートパイプ式半導体冷却器としたものである。
パイプの放熱部(第一の金属管)(1)の一端が半球状
または円錐状に絞られたその先端にノズル(6)を有
し、かつその内面に第3図に示すようなV字状、凹字状
または波形状などの軸方向(1)の一方に傾斜した角度
(α)の多数の条溝(M)を設けた1本または複数本の
ヒートパイプの放熱部(第一の金属管)にフィン(2)
を多数挿着して放熱部を形成し、その下方に一端が半球
状または円錐状に絞られ溶接により封止され、かつ内面
に第4図に示すように軸方向左右に傾斜角β、γを有し
た多数の交錯したV字状、凹字状または波形状などの条
溝(N)を有する1本または複数本のヒートパイプの入
熱部(第二の金属管)(1′)を金属ブロック(3)に
挿着して吸熱部(入熱部)を形成し、上記放熱部と吸熱
部(入熱部)との中間を鉄−ニッケル合金製などのフラ
ンジを有する電気絶縁筒(7)で接続し、かつ作動液と
してフロロカーボンなどの電気絶縁性のものを封入して
ヒートパイプ式半導体冷却器としたものである。
しかして上記のヒートパイプ放熱部(第一の金属管)
(1)内面に設ける条溝(M)の形状は、V字条、凹字
条または波形状のいずれのものでもよく、第3図のよう
に軸方向の一方に傾斜した角度(α)を有するもので、
この角度(α)は2〜10゜の範囲が好ましい。上記の一
方向に傾斜した条溝により、ヒートパイプ内面の表面積
が拡大しこの凝縮特性を促進すると共に、作動液の還流
を良好にして放熱特性を向上させる。またヒートパイプ
の入熱部(第二の金属管)(1′)内面に設ける条溝
(N)の形状は、V字状、凹字状、または波形状のいず
れでもよいが、第4図のように軸方向にβ、γの角度で
交錯した条溝を設けるものである。その角度は軸方向に
それぞれ2〜45゜の傾斜したものがよい。この条溝によ
り表面積が増大すると共に条溝の交錯部での気泡核の発
生を促進させ、沸騰特性(吸熱作用)が向上する。
(1)内面に設ける条溝(M)の形状は、V字条、凹字
条または波形状のいずれのものでもよく、第3図のよう
に軸方向の一方に傾斜した角度(α)を有するもので、
この角度(α)は2〜10゜の範囲が好ましい。上記の一
方向に傾斜した条溝により、ヒートパイプ内面の表面積
が拡大しこの凝縮特性を促進すると共に、作動液の還流
を良好にして放熱特性を向上させる。またヒートパイプ
の入熱部(第二の金属管)(1′)内面に設ける条溝
(N)の形状は、V字状、凹字状、または波形状のいず
れでもよいが、第4図のように軸方向にβ、γの角度で
交錯した条溝を設けるものである。その角度は軸方向に
それぞれ2〜45゜の傾斜したものがよい。この条溝によ
り表面積が増大すると共に条溝の交錯部での気泡核の発
生を促進させ、沸騰特性(吸熱作用)が向上する。
また放熱部と吸熱部の中間において例えばアルミナ、
マグネシヤ、ガラス、セラミックなどからなる電気絶縁
筒(7)で接続して吸熱部の半導体から電気的なリーク
を上記の電気絶縁筒で遮断して放熱部まで電流が及ばな
いようにする。このためサイリスタの電位が放電部に伝
わることなく熱だけが伝熱されるため感電などの危険が
防止できる。また半導体を直接金属ブロックに取付けら
れるので熱的な性能も向上する。
マグネシヤ、ガラス、セラミックなどからなる電気絶縁
筒(7)で接続して吸熱部の半導体から電気的なリーク
を上記の電気絶縁筒で遮断して放熱部まで電流が及ばな
いようにする。このためサイリスタの電位が放電部に伝
わることなく熱だけが伝熱されるため感電などの危険が
防止できる。また半導体を直接金属ブロックに取付けら
れるので熱的な性能も向上する。
なお上記の電気絶縁筒と金属管との接続には鉄−ニッ
ケル合金などの封着材料を介して接続した方が良好に接
続できる。
ケル合金などの封着材料を介して接続した方が良好に接
続できる。
しかして上記のヒートパイプの放熱部(第一の金属
管)(1)は、その上端が半球状または円錐状に絞ら
れ、その先端にノズル(6)を有するものが好ましく、
これはヒートパイプの端部をこのように形成するとヒー
トパイプ内面に設けた条溝が端部までおよんでいるため
ヒートパイプとしての効率が高められるものである。ま
たその先端のノズルは作動液を注入するためのものであ
る。さらにヒートパイプの入熱部(第二の金属管)
(1′)の一端が半球状または円錐状に絞られているの
は上記の放熱部の場合と同様にヒートパイプ内面に設け
た条溝が端部までおよんでいるため蒸発沸騰効率が向上
するものである。
管)(1)は、その上端が半球状または円錐状に絞ら
れ、その先端にノズル(6)を有するものが好ましく、
これはヒートパイプの端部をこのように形成するとヒー
トパイプ内面に設けた条溝が端部までおよんでいるため
ヒートパイプとしての効率が高められるものである。ま
たその先端のノズルは作動液を注入するためのものであ
る。さらにヒートパイプの入熱部(第二の金属管)
(1′)の一端が半球状または円錐状に絞られているの
は上記の放熱部の場合と同様にヒートパイプ内面に設け
た条溝が端部までおよんでいるため蒸発沸騰効率が向上
するものである。
なお本発明のヒートパイプ式半導体冷却器はヒートパ
イプを縦位置でも横位置に配置しても良く特に横位置の
場合においてもヒートパイプ内面に条溝が設けてあるの
でこれがウイックとして有効に作用して還流を促進させ
放熱特性を高めるものである。また上記のヒートパイプ
の放熱部、入熱部に用いる金属管は、それぞれ同一の径
のものでもよいが、例えば入熱部用の金属管(1′)を
放熱部用の金属管(1)より太径にして吸熱効果を向上
させることもできる。さらにヒートパイプの入熱部、放
熱部の材質としては、銅、アルミの他のステンレス鋼な
どが使用でき、金属ブロックおよびフィンには銅、アル
ミなどの熱伝導の良いものを適用する。
イプを縦位置でも横位置に配置しても良く特に横位置の
場合においてもヒートパイプ内面に条溝が設けてあるの
でこれがウイックとして有効に作用して還流を促進させ
放熱特性を高めるものである。また上記のヒートパイプ
の放熱部、入熱部に用いる金属管は、それぞれ同一の径
のものでもよいが、例えば入熱部用の金属管(1′)を
放熱部用の金属管(1)より太径にして吸熱効果を向上
させることもできる。さらにヒートパイプの入熱部、放
熱部の材質としては、銅、アルミの他のステンレス鋼な
どが使用でき、金属ブロックおよびフィンには銅、アル
ミなどの熱伝導の良いものを適用する。
このように本発明によれば金属ブロック(3)面にサ
イリスタ等の半導体(4)を直接取付けてもヒートパイ
プの中間において絶縁筒(7)により電気的に絶縁され
ているためサイリスタの電位が放熱部に伝わることなく
熱だけが伝達されるため感電などの危険性が防止でき
る。また半導体を直接金属ブロックに取付けられるので
熱的な性能も向上する。
イリスタ等の半導体(4)を直接取付けてもヒートパイ
プの中間において絶縁筒(7)により電気的に絶縁され
ているためサイリスタの電位が放熱部に伝わることなく
熱だけが伝達されるため感電などの危険性が防止でき
る。また半導体を直接金属ブロックに取付けられるので
熱的な性能も向上する。
また、ヒートパイプの放熱部(第一の金属管)(1)
とヒートパイプの入熱部(第二の金属管)(1′)の内
面には本発明による特殊な条溝が設けられているので放
熱性および吸熱性が一層向上するものである。
とヒートパイプの入熱部(第二の金属管)(1′)の内
面には本発明による特殊な条溝が設けられているので放
熱性および吸熱性が一層向上するものである。
そしてヒートパイプの放熱部及び入熱部の端部を半球
状または円錐状に形成してあるので条溝が端部まで及ぶ
ことになり、端部が平板のものより有効面積が増してヒ
ートパイプとしての性能も増加するものである。
状または円錐状に形成してあるので条溝が端部まで及ぶ
ことになり、端部が平板のものより有効面積が増してヒ
ートパイプとしての性能も増加するものである。
さらにヒートパイプに細孔部を有するノズル(6)が
設けてあるので作動液の注入および封止などの作業性が
向上するなど多くの利点を有するものである。なお、ノ
ズルはヒートパイプの放熱部に制限されるものではな
く、製作上適便ならば入熱側の先端部に設けても良い。
設けてあるので作動液の注入および封止などの作業性が
向上するなど多くの利点を有するものである。なお、ノ
ズルはヒートパイプの放熱部に制限されるものではな
く、製作上適便ならば入熱側の先端部に設けても良い。
以下に本発明の一実施例について説明する。
内面に山の高さ0.3mm、ピッチ0.6mmで軸方向に右5゜
に傾斜した第3図に示す条溝(M)を形成した外径22.2
3mmの銅製のパイプの上端部をスピニング加工により半
球状に形成し、その先端をさらにスピニング加工により
細孔部を有するノズル(6)を設けて放熱部用の第一の
金属管(1)とする。次に同一径の銅製のパイプ内面に
山の高さ0.3mm、ピッチ0.6mmで軸方向に左右双方に20゜
傾斜した第4図に示す条溝(N)を設け、この先端を同
様にスピニング加工により半球状に形成し、溶接により
封止し、入熱部用の第二の金属管(1′)とする。この
第二の金属管(1′)と放熱部の第一の金属管(1)の
中間にFe−Ni合金製のフランジ(図示せず)を具備した
アルミナ絶縁筒(7)を組込み高周波誘導加熱等によ
り、フランジと金属管(1)、(1′)を連結して一体
化複合金属管とした。次に第1図に示すようにこの4本
の一体化した複合金属管それぞれの端部120mmを、穿孔
された縦130mm、横130mm、厚さ30mmの銅製金属ブロック
(3)にそれぞれ挿入して軟ロウ材で接合した後、金属
管それぞれの上端のノズル(6)から空気等の非凝縮性
ガスを脱気後、沸点56℃のフロロカーボン(8)を一定
量注入し、該ノズル(6)を圧着治具によりかしめて該
圧着上端部を溶接した後、48mm×200mm×0.4mmの銅製フ
ィン(2)を2.5mmの適切なピッチ間隔にて100枚のヒー
トパイプを上方250mmに挿着して放熱部とした。なお絶
縁筒付複合銅管に予め絶縁液を密封してヒートパイプ化
した後、ブロックにロウ接してもよい。この場合ノズル
は下方(ブロック内)に配置することができる。
に傾斜した第3図に示す条溝(M)を形成した外径22.2
3mmの銅製のパイプの上端部をスピニング加工により半
球状に形成し、その先端をさらにスピニング加工により
細孔部を有するノズル(6)を設けて放熱部用の第一の
金属管(1)とする。次に同一径の銅製のパイプ内面に
山の高さ0.3mm、ピッチ0.6mmで軸方向に左右双方に20゜
傾斜した第4図に示す条溝(N)を設け、この先端を同
様にスピニング加工により半球状に形成し、溶接により
封止し、入熱部用の第二の金属管(1′)とする。この
第二の金属管(1′)と放熱部の第一の金属管(1)の
中間にFe−Ni合金製のフランジ(図示せず)を具備した
アルミナ絶縁筒(7)を組込み高周波誘導加熱等によ
り、フランジと金属管(1)、(1′)を連結して一体
化複合金属管とした。次に第1図に示すようにこの4本
の一体化した複合金属管それぞれの端部120mmを、穿孔
された縦130mm、横130mm、厚さ30mmの銅製金属ブロック
(3)にそれぞれ挿入して軟ロウ材で接合した後、金属
管それぞれの上端のノズル(6)から空気等の非凝縮性
ガスを脱気後、沸点56℃のフロロカーボン(8)を一定
量注入し、該ノズル(6)を圧着治具によりかしめて該
圧着上端部を溶接した後、48mm×200mm×0.4mmの銅製フ
ィン(2)を2.5mmの適切なピッチ間隔にて100枚のヒー
トパイプを上方250mmに挿着して放熱部とした。なお絶
縁筒付複合銅管に予め絶縁液を密封してヒートパイプ化
した後、ブロックにロウ接してもよい。この場合ノズル
は下方(ブロック内)に配置することができる。
このようにして製造された電気絶縁型ヒートパイプ式
半導体冷却器は第1図に示すようにヒートパイプを成す
第一の金属管(1)に多数のフィン(2)が挿着されて
放熱部をなし、その下方に金属ブロック(3)に挿着さ
れたヒートパイプを成す第二の金属管(1′)が入熱部
をなし、その中間を電気絶縁筒(7)で接続する構造と
したものである。
半導体冷却器は第1図に示すようにヒートパイプを成す
第一の金属管(1)に多数のフィン(2)が挿着されて
放熱部をなし、その下方に金属ブロック(3)に挿着さ
れたヒートパイプを成す第二の金属管(1′)が入熱部
をなし、その中間を電気絶縁筒(7)で接続する構造と
したものである。
サイリスタなどの半導体(4)の発熱は金属ブロック
(3)を介してヒートパイプの入熱部(第二の金属管)
(1′)に伝達されヒートパイプの放熱部(第一の金属
管)(1)により放散される。このとき電気絶縁性の筒
(7)が設けられているので上方の放熱部には熱だけが
伝達され電気的に絶縁されているため感電の危険はな
い。また作動液にはフロロカーボン等の電気絶縁性のも
のを使用しているのでこの点においても安全性が確保さ
れている。そしてヒートパイプ放熱部の(第一の金属
管)(1)には、第3図に示すような内面に一方向に傾
斜したスパイラル条溝が設けてあるので放熱性が向上
し、またヒートパイプの入熱部(第二の金属管)
(1′)には第4図に示した左右双方に交錯したスパイ
ラル条溝が設けられているので、吸熱性能が向上するも
のである。
(3)を介してヒートパイプの入熱部(第二の金属管)
(1′)に伝達されヒートパイプの放熱部(第一の金属
管)(1)により放散される。このとき電気絶縁性の筒
(7)が設けられているので上方の放熱部には熱だけが
伝達され電気的に絶縁されているため感電の危険はな
い。また作動液にはフロロカーボン等の電気絶縁性のも
のを使用しているのでこの点においても安全性が確保さ
れている。そしてヒートパイプ放熱部の(第一の金属
管)(1)には、第3図に示すような内面に一方向に傾
斜したスパイラル条溝が設けてあるので放熱性が向上
し、またヒートパイプの入熱部(第二の金属管)
(1′)には第4図に示した左右双方に交錯したスパイ
ラル条溝が設けられているので、吸熱性能が向上するも
のである。
本実施例による絶縁型ヒートパイプ式半導体冷却器を
2台にてポスト径75mmの平型サイリスタを冷却器のブロ
ック間に挟圧固定して冷却スタックを構成し、このとき
の風冷時(前面風速3m/sec)での冷却性能を調べた。
2台にてポスト径75mmの平型サイリスタを冷却器のブロ
ック間に挟圧固定して冷却スタックを構成し、このとき
の風冷時(前面風速3m/sec)での冷却性能を調べた。
第8図に、前記調査結果を、従来のグルーブ管を用い
たヒートパイプ冷却器と比較して示す。横軸にはサイリ
スタからの発熱量をとり、縦軸には冷却器2台1組での
熱抵抗Rb-aをとった。ここでRb-aは次の式で示される。
たヒートパイプ冷却器と比較して示す。横軸にはサイリ
スタからの発熱量をとり、縦軸には冷却器2台1組での
熱抵抗Rb-aをとった。ここでRb-aは次の式で示される。
Rb-a=(Tb−Ta)/p 但し、Rb-a:ブロック面と空気間の熱抵抗〔℃/W〕 Tb:サイリスタ取付けブロック面温度〔℃〕 Ta:環境温度〔℃〕 p:サイリスタからの発熱量〔W〕 第8図より明らかなように、本発明による冷却器は、
従来の冷却器に比べて、サイリスタからのパワーロスが
500Wのときで約25%、1000Wのときで15%程度トータル
熱抵抗が低下(冷却性能が向上)している。
従来の冷却器に比べて、サイリスタからのパワーロスが
500Wのときで約25%、1000Wのときで15%程度トータル
熱抵抗が低下(冷却性能が向上)している。
以上に説明したように本発明によれば電気絶縁性が高
く、かつ放熱性、吸熱性に優れたヒートパイプ式半導体
冷却器が得られるもので工業上顕著な効果を奏するもの
である。
く、かつ放熱性、吸熱性に優れたヒートパイプ式半導体
冷却器が得られるもので工業上顕著な効果を奏するもの
である。
第1図は本発明の一実施例を示すヒートパイプ式半導体
冷却器の正面図、第2図は第1図の平面図、第3図は第
1図に示すヒートパイプ放熱部(第一の金属管)(1)
の内面を示す断面斜視図、第4図は第1図に示すヒート
パイプ入熱部(第二の金属管)(1′)の内面を示す断
面斜視図、第5図は従来のヒートパイプ式半導体冷却器
の正面図、第6図は第5図の平面図、第7図は従来の他
のヒートパイプ式半導体冷却器の正面図、第8図は本発
明のヒートパイプと従来のヒートパイプの冷却性能の比
較図である。 1……ヒートパイプの放熱部(第一の金属管)、1′…
…ヒートパイプ入熱部(第二の金属管)、2……フィ
ン、3……金属ブロック、4……半導体、5……端子、
6……ノズル、7……電気絶縁筒、8……作動液。
冷却器の正面図、第2図は第1図の平面図、第3図は第
1図に示すヒートパイプ放熱部(第一の金属管)(1)
の内面を示す断面斜視図、第4図は第1図に示すヒート
パイプ入熱部(第二の金属管)(1′)の内面を示す断
面斜視図、第5図は従来のヒートパイプ式半導体冷却器
の正面図、第6図は第5図の平面図、第7図は従来の他
のヒートパイプ式半導体冷却器の正面図、第8図は本発
明のヒートパイプと従来のヒートパイプの冷却性能の比
較図である。 1……ヒートパイプの放熱部(第一の金属管)、1′…
…ヒートパイプ入熱部(第二の金属管)、2……フィ
ン、3……金属ブロック、4……半導体、5……端子、
6……ノズル、7……電気絶縁筒、8……作動液。
Claims (1)
- 【請求項1】内面に軸方向の一方に傾斜した多数の条溝
を有する1本または複数本のヒートパイプの一端部にフ
ィンを多数挿着して放熱部を形成し、その下方に内面に
多数の交錯した条溝を有する1本または複数本のヒート
パイプの他端部を金属ブロックに挿着して吸熱部を形成
し、該放熱部と吸熱部との中間を電気絶縁性の筒で接続
し、かつ作動液が電気絶縁性のものであることを特徴と
するヒートパイプ式半導体冷却器。
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ID=12209512
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-
1989
- 1989-02-06 JP JP1027024A patent/JP2677854B2/ja not_active Expired - Fee Related
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