JPH06323237A - サボニウス風車 - Google Patents
サボニウス風車Info
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- JPH06323237A JPH06323237A JP13407493A JP13407493A JPH06323237A JP H06323237 A JPH06323237 A JP H06323237A JP 13407493 A JP13407493 A JP 13407493A JP 13407493 A JP13407493 A JP 13407493A JP H06323237 A JPH06323237 A JP H06323237A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- blades
- blade
- vertical axis
- slits
- wind turbine
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
Landscapes
- Wind Motors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 低速から高速の風速範囲で効率を向上し、高
出力とする。 【構成】 回転可能に支持された垂直軸1に同軸に固定
された平行端板2と3との間に、高さ方向に断面一様な
一対の同形等寸の円弧面を有するブレード4と5の端面
を固着し、ブレード4と5に各々垂直軸1に平行なスリ
ット6と7とを穿孔する。風が矢印Q方向に吹いたと
き、ブレード4と5とが動圧を受けて回転したとき、ブ
レード4と5から出力係数を小さくする渦が発生する
が、スリット6,7を穿孔することにより渦は小さくな
り、出力係数が増加する。
出力とする。 【構成】 回転可能に支持された垂直軸1に同軸に固定
された平行端板2と3との間に、高さ方向に断面一様な
一対の同形等寸の円弧面を有するブレード4と5の端面
を固着し、ブレード4と5に各々垂直軸1に平行なスリ
ット6と7とを穿孔する。風が矢印Q方向に吹いたと
き、ブレード4と5とが動圧を受けて回転したとき、ブ
レード4と5から出力係数を小さくする渦が発生する
が、スリット6,7を穿孔することにより渦は小さくな
り、出力係数が増加する。
Description
【0001】
【技術分野】本発明は、サボニウス風車に関し、より詳
細には、低い風速でも効率よく出力するブレード形状を
有するサボニウス風車に関する。
細には、低い風速でも効率よく出力するブレード形状を
有するサボニウス風車に関する。
【0002】
【従来技術】地球においては、太陽エネルギの吸収が地
域的に不平衝であることから、海流や気流の変動が生ず
る。これらのエネルギは、石炭,石油等の炭素化合物と
異なり、クリーンで無限であることから動力源として利
用され、また、より広範に利用されようとしている。風
力を動力源とするために、古来風車が利用されている
が、風速は一定でなく、地域差があるので、風車を設置
するのに好適な所定風速の出現頻度の高い地域の選定
や、低速でも出力の大きい高効率の風車の開発がなされ
ている。
域的に不平衝であることから、海流や気流の変動が生ず
る。これらのエネルギは、石炭,石油等の炭素化合物と
異なり、クリーンで無限であることから動力源として利
用され、また、より広範に利用されようとしている。風
力を動力源とするために、古来風車が利用されている
が、風速は一定でなく、地域差があるので、風車を設置
するのに好適な所定風速の出現頻度の高い地域の選定
や、低速でも出力の大きい高効率の風車の開発がなされ
ている。
【0003】風車には、放射状に伸びる同形複数のブレ
ードで構成される回転翼を、回転翼面が水平な駆動軸に
直角に配設し、各々のブレードに作用する空気流の揚力
を利用し、回転翼を回転する揚力形の風車と、空気流の
動圧(風圧)を受けるブレードを有し、風圧に基づいて
垂直軸まわりに回転する抗力形の風車とがある。抗力形
の代表的な風車には、サボニウス(Savonius)により提
案されたサボニウス風車がある。サボニウス風車は、平
行な端板間に垂直軸に平行な円弧面を有する同形な一対
のブレードを配設し、垂直軸まわりに立体的に回転する
風車で、低風速でもトルクが大きい特長を有している。
この特長を生かして、サボニウス風車は、従来風向によ
り回転起動のしにくい水平軸形の風車の起動用または、
ベンチレータ,潮流計や揚水ポンプ用として使用されて
いたが、最近低風速で大トルクの出力をする小形な風車
として、サボニウス風車が見直されている。
ードで構成される回転翼を、回転翼面が水平な駆動軸に
直角に配設し、各々のブレードに作用する空気流の揚力
を利用し、回転翼を回転する揚力形の風車と、空気流の
動圧(風圧)を受けるブレードを有し、風圧に基づいて
垂直軸まわりに回転する抗力形の風車とがある。抗力形
の代表的な風車には、サボニウス(Savonius)により提
案されたサボニウス風車がある。サボニウス風車は、平
行な端板間に垂直軸に平行な円弧面を有する同形な一対
のブレードを配設し、垂直軸まわりに立体的に回転する
風車で、低風速でもトルクが大きい特長を有している。
この特長を生かして、サボニウス風車は、従来風向によ
り回転起動のしにくい水平軸形の風車の起動用または、
ベンチレータ,潮流計や揚水ポンプ用として使用されて
いたが、最近低風速で大トルクの出力をする小形な風車
として、サボニウス風車が見直されている。
【0004】図4は、従来のサボニウス風車の構造を説
明するための図で、図中、31は垂直軸、32,33は
端板、34,35はブレードである。
明するための図で、図中、31は垂直軸、32,33は
端板、34,35はブレードである。
【0005】図4において、垂直軸31は、紙面に垂直
で回転可能に支持された回転軸で、端板32,33は、
垂直軸31と直角な面を有して垂直軸31に固着され
た、互いに平行で、垂直軸31と同軸な円板である。端
板32,33には、円弧面を有する同形等寸な一対のブ
レード34,35の一端がそれぞれ固着されている。ブ
レード34,35の凸面34a,35aは、回転方向に
向いており、ブレード34,35の一端は基準円36に
接し、他端側は垂直軸31が円弧面内となるように、垂
直軸31から離間して配置されている。
で回転可能に支持された回転軸で、端板32,33は、
垂直軸31と直角な面を有して垂直軸31に固着され
た、互いに平行で、垂直軸31と同軸な円板である。端
板32,33には、円弧面を有する同形等寸な一対のブ
レード34,35の一端がそれぞれ固着されている。ブ
レード34,35の凸面34a,35aは、回転方向に
向いており、ブレード34,35の一端は基準円36に
接し、他端側は垂直軸31が円弧面内となるように、垂
直軸31から離間して配置されている。
【0006】以上の如く構成された従来のサボニウス風
車は、空気流が矢印Q方向に流れると、上方側のブレー
ド34の凹面34bには風圧が作用し、矢印R方向の回
転トルクが生ずる。このとき、下方のブレード35の凸
面35aは風向Qと対向した位置にあるので、上述のブ
レード34に作用する回転トルクを減少させる方向のマ
イナスのトルクが作用する。なお駆動トルクを発生する
側のブレードを進行側ブレード、他方を戻り側ブレード
と呼ぶことにする。しかし、ブレード34の凸面34a
側に流れた空気流の一部は、凸面34aに沿って流れて
ブレード35の凹部35bに達し、マイナスのトルクを
減少させるように作用し、全体的には大きいトルクが発
生する。
車は、空気流が矢印Q方向に流れると、上方側のブレー
ド34の凹面34bには風圧が作用し、矢印R方向の回
転トルクが生ずる。このとき、下方のブレード35の凸
面35aは風向Qと対向した位置にあるので、上述のブ
レード34に作用する回転トルクを減少させる方向のマ
イナスのトルクが作用する。なお駆動トルクを発生する
側のブレードを進行側ブレード、他方を戻り側ブレード
と呼ぶことにする。しかし、ブレード34の凸面34a
側に流れた空気流の一部は、凸面34aに沿って流れて
ブレード35の凹部35bに達し、マイナスのトルクを
減少させるように作用し、全体的には大きいトルクが発
生する。
【0007】発生トルクの大小は、回転中のブレード3
4,35まわりの空気流れに関連するので、相対流れを
観察すると、ブレード34,35の回転に従って複数種
類の渦が発生することが判明した。
4,35まわりの空気流れに関連するので、相対流れを
観察すると、ブレード34,35の回転に従って複数種
類の渦が発生することが判明した。
【0008】図5は、内部渦および放出渦の時間経過の
一例を示す図で、この図は、図4に示すように、垂直軸
側のブレード34,35の端部が離間している場合の例
である。第1の渦Iは、送りブレード34(又は35)
が40度付近で発生し、約400度ブレード34(又は
35)と共に回転した後、前方からの流れと共に上斜め
後方に発生する渦である。第2の渦IIは、戻りブレード
35(又は34)の下方において、前方からの流れと擦
れあい、これにより出現して後方に流れゆく渦である。
第3の渦IIIは、ブレード34,35の中心に移動する
ことなく存在し続ける渦である。これらの渦I,II,III
は、何れもブレード34,35に作用する風圧による垂
直軸31まわりの回転力を減少させ、効率を低下させる
要因となる。
一例を示す図で、この図は、図4に示すように、垂直軸
側のブレード34,35の端部が離間している場合の例
である。第1の渦Iは、送りブレード34(又は35)
が40度付近で発生し、約400度ブレード34(又は
35)と共に回転した後、前方からの流れと共に上斜め
後方に発生する渦である。第2の渦IIは、戻りブレード
35(又は34)の下方において、前方からの流れと擦
れあい、これにより出現して後方に流れゆく渦である。
第3の渦IIIは、ブレード34,35の中心に移動する
ことなく存在し続ける渦である。これらの渦I,II,III
は、何れもブレード34,35に作用する風圧による垂
直軸31まわりの回転力を減少させ、効率を低下させる
要因となる。
【0009】
【目的】本発明は、上述の実情に鑑みてなされたもの
で、ブレードが回転中に発生するトルクを減少させる渦
を小さくして、広い風速範囲で高出力のサボニウス風車
を提供することを目的とするものである。
で、ブレードが回転中に発生するトルクを減少させる渦
を小さくして、広い風速範囲で高出力のサボニウス風車
を提供することを目的とするものである。
【0010】
【構成】本発明は、上記目的を達成するために、(1)
回転可能に支持された垂直軸と、該垂直軸と直角な面を
なし、該垂直軸と同軸一体に回転する平行な端板と、回
転方向に凸で軸を囲む円弧面を有し、前記平行な端板間
に軸対称に固着された同形等寸の一対のブレードとから
なり、該一対のブレードの各々の円弧面に、前記垂直軸
と平行な少くとも1本のスリットを穿設したこと、更に
は、(2)前記(1)において、前記ブレードの回転面
の断面形状を、該端板の中心を通る軸を基準軸として、
該基準線に直角で中心から距離a/2の位置を起点とし
た高さpの直線部と、前記端板と同心な直径dの基準円
と接する半径qの円弧部とを接続して連続曲線とし、前
記直線部の高さp,円弧部半径q,基準円の直径dおよ
び距離aとの関係は、 p/q=0.1〜0.3 a/d=0.1〜0.3 であり、前記スリットの位置における半径qの円の円弧
角をθとして、 100°<θ<180° としたこと特徴とするものである。以下、本発明の実施
例に基づいて説明する。
回転可能に支持された垂直軸と、該垂直軸と直角な面を
なし、該垂直軸と同軸一体に回転する平行な端板と、回
転方向に凸で軸を囲む円弧面を有し、前記平行な端板間
に軸対称に固着された同形等寸の一対のブレードとから
なり、該一対のブレードの各々の円弧面に、前記垂直軸
と平行な少くとも1本のスリットを穿設したこと、更に
は、(2)前記(1)において、前記ブレードの回転面
の断面形状を、該端板の中心を通る軸を基準軸として、
該基準線に直角で中心から距離a/2の位置を起点とし
た高さpの直線部と、前記端板と同心な直径dの基準円
と接する半径qの円弧部とを接続して連続曲線とし、前
記直線部の高さp,円弧部半径q,基準円の直径dおよ
び距離aとの関係は、 p/q=0.1〜0.3 a/d=0.1〜0.3 であり、前記スリットの位置における半径qの円の円弧
角をθとして、 100°<θ<180° としたこと特徴とするものである。以下、本発明の実施
例に基づいて説明する。
【0011】図1は、本発明におけるサボニウス風車の
構造を説明するための斜視図であり、図中、1は垂直
軸、2,3は端板、4,5はブレード、6,7はスリット
である。
構造を説明するための斜視図であり、図中、1は垂直
軸、2,3は端板、4,5はブレード、6,7はスリット
である。
【0012】図1において、垂直軸1は回転可能に軸支
(軸構造は省く)され、発電機等の負荷に動力伝達する
ものである。端板2,3は、垂直軸1と同軸一体に回転
する円板で、該端板2,3に軸方向に各々スリット6,7
を有するブレード4,5の両端面が固着している。スリ
ット6,7を有するブレード4,5は、風圧を受ける要部
であり、その配置および形状は出力に大きく影響する。
(軸構造は省く)され、発電機等の負荷に動力伝達する
ものである。端板2,3は、垂直軸1と同軸一体に回転
する円板で、該端板2,3に軸方向に各々スリット6,7
を有するブレード4,5の両端面が固着している。スリ
ット6,7を有するブレード4,5は、風圧を受ける要部
であり、その配置および形状は出力に大きく影響する。
【0013】図2は、本発明に係るブレードの形状およ
び配置を説明するための図で、図中、dは風車直径(基
準円Sの直径)、hは風車の高さ、pはブレード直線部
の長さ、qはブレード半径、aはギャップ幅、θはブレ
ード部の中心角、θsはスリット位置、αは流れに対す
る迎角であり、図1と同じ作用をする部分は図1と同一
の参照番号を付している。
び配置を説明するための図で、図中、dは風車直径(基
準円Sの直径)、hは風車の高さ、pはブレード直線部
の長さ、qはブレード半径、aはギャップ幅、θはブレ
ード部の中心角、θsはスリット位置、αは流れに対す
る迎角であり、図1と同じ作用をする部分は図1と同一
の参照番号を付している。
【0014】ブレード4とブレード5とは、同一形状寸
法で軸方向に断面形状が一定の板状体である。ブレード
4の断面形状は、一端が直径dの基準円Sに接する半径
qで中心角θの円弧部4aで、該円弧部4aの他端が長
さpの直線部4bに接する連続曲線である。すなわち、
矢印Xで示す流れ方向を基準線A−A′とし、ブレード
4は基準円Sの中心Oから後流側a/2位置に直線部4
bを基準線A−A′に垂直で円弧部4aが基準円Sに接
するように配設されている。一方、ブレード5は、中心
Oから上流側a/2の位置に基準線A−A′に垂直な直
線部5bと、該直線部5bと一端が接し、他端が基準円
Sに接する円弧部5aとからなっている。このとき、円
弧部4a,5aの凸部側は回転方向になる。また、スリ
ット6,7は垂直軸1と平行なブレード4,5の中心角θ
sの位置に開口している。
法で軸方向に断面形状が一定の板状体である。ブレード
4の断面形状は、一端が直径dの基準円Sに接する半径
qで中心角θの円弧部4aで、該円弧部4aの他端が長
さpの直線部4bに接する連続曲線である。すなわち、
矢印Xで示す流れ方向を基準線A−A′とし、ブレード
4は基準円Sの中心Oから後流側a/2位置に直線部4
bを基準線A−A′に垂直で円弧部4aが基準円Sに接
するように配設されている。一方、ブレード5は、中心
Oから上流側a/2の位置に基準線A−A′に垂直な直
線部5bと、該直線部5bと一端が接し、他端が基準円
Sに接する円弧部5aとからなっている。このとき、円
弧部4a,5aの凸部側は回転方向になる。また、スリ
ット6,7は垂直軸1と平行なブレード4,5の中心角θ
sの位置に開口している。
【0015】図2のように構成されたブレード車は、ブ
レード直線部4a,5aの長さp、中心角θおよびブレ
ード4,5からの直線部4a,5a間の軸A−A′上で
のギャップ幅aの大きさ、更にはスリット位置θsの位
置等のパラメータを変化させることにより特性が大きく
変化する。すなわち、スリット6,7がない場合とスリ
ット6,7が有る場合でもスリット位置θsにより変化す
る。実験によると、スリット6,7がない場合において
p/q=0.1〜0.3,a/d=0.1〜0.3の範囲で
出力係数Cpが最も大きいことが判明した。なお、出力
係数Cpは、風車出力とブレードに作用する風圧による
力との比で表わされる。更に、スリット位置θsによっ
ても大きく変化する。次に、スリットの効果について説
明する。
レード直線部4a,5aの長さp、中心角θおよびブレ
ード4,5からの直線部4a,5a間の軸A−A′上で
のギャップ幅aの大きさ、更にはスリット位置θsの位
置等のパラメータを変化させることにより特性が大きく
変化する。すなわち、スリット6,7がない場合とスリ
ット6,7が有る場合でもスリット位置θsにより変化す
る。実験によると、スリット6,7がない場合において
p/q=0.1〜0.3,a/d=0.1〜0.3の範囲で
出力係数Cpが最も大きいことが判明した。なお、出力
係数Cpは、風車出力とブレードに作用する風圧による
力との比で表わされる。更に、スリット位置θsによっ
ても大きく変化する。次に、スリットの効果について説
明する。
【0016】図3は、スリット位置に対する周速比と出
力係数の関係をあらわす図で、横軸の周速比はブレード
ま周速度uと風速Uとの比で、縦軸は出力係数Cpであ
る。このときのレイノルズ数(Re数)は30,000で、代
表長さは基準円半径dである。図3において、特性曲線
はスリットがない従来のサボニウス風車の特性曲線、
特性曲線はスリット位置θs=30°、特性曲線は
スリット位置θs=75°、特性曲線はスリット位置
θs=120°である。
力係数の関係をあらわす図で、横軸の周速比はブレード
ま周速度uと風速Uとの比で、縦軸は出力係数Cpであ
る。このときのレイノルズ数(Re数)は30,000で、代
表長さは基準円半径dである。図3において、特性曲線
はスリットがない従来のサボニウス風車の特性曲線、
特性曲線はスリット位置θs=30°、特性曲線は
スリット位置θs=75°、特性曲線はスリット位置
θs=120°である。
【0017】図3によると、スリットのない従来のサボ
ニウス風車の特性曲線は、風速比が1近傍に出力係数
Cpの最大値があり、CpI≒0.31であった。これ
に対して、スリット位置θs=30°の特性曲線は、
従来のスリットなしの特性曲線に対して全速度域で性
能が低下し、Cp<1.5であった。スリット位置θs=
75°の特性曲線は、周速比が1近傍に達すると、従
来のサボニウス風車よりも劣るが、低周速比域では逆に
高出力比となった。更に、スリット位置θs=120°
の特性曲線は、全速度域において従来のサボニウス風
車よりも高出力比(Cp)となり、最高値は周速比1近
傍にあり、Cp≒0.47であり、スリットが無い場合に
比べて約60%もの出力比が向上した。なお、スリット
6,7は一本でなく複数でもよい。
ニウス風車の特性曲線は、風速比が1近傍に出力係数
Cpの最大値があり、CpI≒0.31であった。これ
に対して、スリット位置θs=30°の特性曲線は、
従来のスリットなしの特性曲線に対して全速度域で性
能が低下し、Cp<1.5であった。スリット位置θs=
75°の特性曲線は、周速比が1近傍に達すると、従
来のサボニウス風車よりも劣るが、低周速比域では逆に
高出力比となった。更に、スリット位置θs=120°
の特性曲線は、全速度域において従来のサボニウス風
車よりも高出力比(Cp)となり、最高値は周速比1近
傍にあり、Cp≒0.47であり、スリットが無い場合に
比べて約60%もの出力比が向上した。なお、スリット
6,7は一本でなく複数でもよい。
【0018】以上の出力特性は、動的な特性であるが、
静特性として静トルク係数Ct(静トルクとブレードに
作用する風圧による力の比)をみると、流れに対する迎
角αの大きさにより異なり、α≒60°で最大トルク係
数、α≒150°で最小のトルク係数をもっているが、
静トルク(Ct)は、スリットがある場合ではスリット
の無い場合に比べて全角度範囲に亘って大きくなってい
る。また、θs=120°の位置にスリット6,7がある
場合に最大出力係数(Cp)を有し、このときブレード
まわりに発生する渦は小さくなり、揚力が増し、単に抗
力形ではなく、揚力形の風車の特徴をもった特性をして
いることが確められた。
静特性として静トルク係数Ct(静トルクとブレードに
作用する風圧による力の比)をみると、流れに対する迎
角αの大きさにより異なり、α≒60°で最大トルク係
数、α≒150°で最小のトルク係数をもっているが、
静トルク(Ct)は、スリットがある場合ではスリット
の無い場合に比べて全角度範囲に亘って大きくなってい
る。また、θs=120°の位置にスリット6,7がある
場合に最大出力係数(Cp)を有し、このときブレード
まわりに発生する渦は小さくなり、揚力が増し、単に抗
力形ではなく、揚力形の風車の特徴をもった特性をして
いることが確められた。
【0019】
【効果】以上の説明から明らかなように、本発明のサボ
ニウス風車によれば、風圧を受ける円弧面を有するブレ
ードにスリットを配設したので、ブレード車が回転する
ことにより、ブレードの円弧面から剥離する渦列やブレ
ード間に存在する渦等、ブレードの揚力を低下させる要
因となる渦の形状を小さくすることができたので、従来
の同一形状のサボニウス風車に対し、出力係数が60%
も向上した。
ニウス風車によれば、風圧を受ける円弧面を有するブレ
ードにスリットを配設したので、ブレード車が回転する
ことにより、ブレードの円弧面から剥離する渦列やブレ
ード間に存在する渦等、ブレードの揚力を低下させる要
因となる渦の形状を小さくすることができたので、従来
の同一形状のサボニウス風車に対し、出力係数が60%
も向上した。
【図1】 本発明におけるサボニウス風車の構造を説明
するための斜視図である。
するための斜視図である。
【図2】 本発明に係るブレードの形状および配置を説
明するための図である。
明するための図である。
【図3】 スリット位置に対する周速比と出力係数の関
係をあらわす図である。
係をあらわす図である。
【図4】 従来のサボニウス風車の構造を説明するため
の図である。
の図である。
【図5】 内部渦および放出渦の時間経過の一例を示す
図である。
図である。
1…垂直軸、2,3…端板、4,5…ブレード、6,7…
スリット。
スリット。
Claims (2)
- 【請求項1】 回転可能に支持された垂直軸と、該垂直
軸と直角な面をなし、該垂直軸と同軸一体に回転する平
行な端板と、回転方向に凸で軸を囲む円弧面を有し、前
記平行な端板間に軸対称に固着された同形等寸の一対の
ブレードとからなり、該一対のブレードの各々の円弧面
に、前記垂直軸と平行な少くとも1本のスリットを穿設
したことを特徴とするサボニウス風車。 - 【請求項2】 前記ブレードの回転面の断面形状を、該
端板の中心を通る軸を基準軸として、該基準線に直角で
中心から距離a/2の位置を起点とした高さpの直線部
と、前記端板と同心な直径dの基準円と接する半径qの
円弧部とを接続して連続曲線とし、前記直線部の高さ
p,円弧部半径q,基準円の直径dおよび距離aとの関
係は、 p/q=0.1〜0.3 a/d=0.1〜0.3 であり、前記スリットの位置における半径qの円の円弧
角をθとして、 100°<θ<180° としたことを特徴とする請求項1に記載のサボニウス風
車。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13407493A JPH06323237A (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | サボニウス風車 |
Applications Claiming Priority (1)
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1993
- 1993-05-12 JP JP13407493A patent/JPH06323237A/ja active Pending
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