FR2582071A1 - High-pressure enclosure - Google Patents
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Abstract
Description
Enceinte haute pression
La présente invention se rapporte aux enceintes haute pression destinées à résister à des pressions internes très élevées.High pressure speaker
The present invention relates to high pressure enclosures for resisting very high internal pressures.
I1 n'est pas rare, lors de la mise au point d'équipements industriels, et plus particulièrement dans le domaine des techniques de pointe, d'avoir à tester le comportement de matériaux sous des pressions très élevées de liquides ou de gaz parfois dangereux (H, He, SH2), avant leur utilisation. It is not uncommon, when developing industrial equipment, and more particularly in the field of advanced technology, to have to test the behavior of materials under very high pressures of sometimes dangerous liquids or gases. (H, He, SH2) before use.
Cette exigence se rencontre par exemple dans le domaine des forages, où il est nécessaire de tester les sondes dans des conditions artificiellement recréées sous des pressions et températures très élevées, parfois très supérieures à 1 000 bars, des matériaux composites, d'autres industries, etc.. This requirement is encountered for example in the field of drilling, where it is necessary to test the probes under artificially recreated conditions under very high pressures and temperatures, sometimes much higher than 1000 bar, composite materials, other industries, etc ..
Les règlements de sécurité d'une part, les définitions de fiabilité d'autre part exigent que de telles enceintes satisfassent à des critères très sévères. The safety regulations on the one hand, the reliability definitions on the other hand, require that such loudspeakers satisfy very strict criteria.
Ces critères font que l'obtention de très hautes pressions est extremement difficile, voire impossible ; il est dans tous les cas nécessaire de concevoir des enceintes ayant des parois très épaisses réalisées en des matériaux très sophistiqués et donc extremement onéreuses. These criteria make obtaining very high pressures extremely difficult or impossible; it is in all cases necessary to design speakers with very thick walls made of very sophisticated materials and therefore extremely expensive.
Pour comprendre les limites indiquées ci-dessus il convient de se rapporter au schéma n 1 figurant en annexe qui est une coupe transversale d'une enceinte tubulaire cylindrique d'axe x-x', d'épaisseur e, de diamètre interne a et de diamètre externe b et à l'intérieur de laquelle règne une pression pi nettement supérieure à la pression extérieure pe. In order to understand the limits indicated above, reference should be made to the attached drawing No. 1, which is a cross-section of a cylindrical tubular enclosure of axis x-x ', of thickness e, of internal diameter a and of external diameter b and inside which there is a pressure p1 much higher than the external pressure pe.
Si l'on considère un fragment élémentaire de cette enceinte située à une distance r de son axe x-x' (telle que ar < =b, de longueur radiale dP, et vu de l'axe x-x' sous un angle d, les lois de la physique conduisant à l'égalité
da
# r . r-d# + #tdr d# - (#t + d#r) (r + dr) d < p = 0, formule dans laquelle a r et a t représentent respectivement les contraintes élastiques radiales et trangentielles dépendant du matériau constitutif de l'enceinte auxquelles est soumis le fragment élémentaire (r, dr, d). If we consider an elementary fragment of this enclosure situated at a distance r from its axis xx '(such that ar <= b, of radial length dP, and seen from axis xx' at an angle d, the laws of physics leading to equality
da
# r. rd # + #tdr d # - (#t + d # r) (r + dr) d <p = 0, where ar and a t respectively represent the radial and trangential elastic stresses depending on the constituent material of the enclosure to which is subjected the elementary fragment (r, dr, d).
En intégrant l'égalité ci-dessus sur la totalité de l'enceinte tubulaire, on obtient les formules suivantes
a = api - bpe - (pi - pe) a b
r - b2 - 2 2 2 2
#r (b - a r (b - a)
#t = a2pi + (pi - pe) a2b2 b - a r (b - a)
r (b - a )
On voit que la contrainte tangentielle at est 2 maximum lorsque r est minimum donc pour un élément unitaire situé sur la périphérie interne de l'enceinte (r2 = a2)
On en déduit que
pi (a2+b2)
a t max = = b2 2
-a
Pour qu'il n'y ait pas de risque de rupture, il est bien entendu nécessaire que la contrainte tangentielle maximum atmax reste nettement inférieure à la contrainte de rupture propre du matériau constitutif de l'enceinte.By integrating the above equality over the entire tubular enclosure, the following formulas are obtained:
a = api - bpe - (pi - pe) ab
r - b2 - 2 2 2 2
#r (b - ar (b - a)
#t = a2pi + (pi - pe) a2b2b - ar (b - a)
r (b - a)
We see that the tangential stress at is 2 maximum when r is minimum, therefore for a unitary element located on the inner periphery of the enclosure (r2 = a2)
We deduce that
pi (a2 + b2)
a t max = = b2 2
-at
So that there is no risk of rupture, it is of course necessary that the maximum tangential stress atmax remains significantly lower than the own breaking stress of the constituent material of the enclosure.
Pour ce, l'épaisseur e d'une enceinte tubulaire de rayon moyen r en un matériau dont la contrainte de ruptu re est égale à ot doit au moins être égale à
For this, the thickness e of a tubular enclosure of mean radius r in a material whose breaking stress is equal to ot must at least be equal to
Pour pouvoir résister en toute sécurité à une pression interne pi, k étant l'inverse d'un coefficient de sécurité exigé par les Autorités, qui est par exemple actuellement en France de 3 pour les gaz comprimés ou d'un coefficient découlant d'un calcul de fiabilité. To be able to safely withstand an internal pressure pi, k being the inverse of a safety coefficient required by the authorities, which is for example currently in France of 3 for compressed gases or a coefficient resulting from a reliability calculation.
La formule ei-dessus montre clairement que lorsque la pression pi régnant à l'intérieur de l'enceinte se rapproche de kat, l'épaisseur e exigée tend vers l'infini. The formula above clearly shows that when the pressure inside the chamber becomes close to kat, the required thickness e tends to infinity.
Conformément à l'art antérieur, le problème posé ne comporte donc aucune solution permettant d'atteindre une pression pi kat ou P. > K.at
Si l'on prend l'exemple d'un acier allié pour lequel a t = 130 daN/mm2, la pression interne de l'ensemble ne peut guère dépasser 3 000 à 3 400 bars pour satisfaire aux normes exigées.According to the prior art, the problem posed therefore has no solution for attaining a pressure pi kat or P.> K.at
If we take the example of an alloy steel for which t = 130 daN / mm2, the internal pressure of all can hardly exceed 3 000 to 3 400 bars to meet the required standards.
Dans ce cas, pour une enceinte tubulaire de rayon moyen égal à 300 mm, l'épaisseur minimale doit être égale à
In this case, for a tubular enclosure with a mean radius equal to 300 mm, the minimum thickness must be equal to
Il s'agit là d'une épaisseur extrêmement importante par rapport au rayon de l'enceinte, ce qui rend cette dernière extremement onéreuse, surtout si l'on tient compte du fait que celle-ci doit etre réalisée en une matière très sophistiquée telle que par exemple un acier inoxydable martensitique, pour pouvoir résister aux phénomènes de corrosion. This is an extremely large thickness relative to the radius of the enclosure, which makes it extremely expensive, especially considering that it must be made of a very sophisticated material such as that for example a martensitic stainless steel, to be able to withstand the phenomena of corrosion.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients des enceintes classiques décrites ci-dessus, en proposant une enceinte susceptible de résister à des pressions internes extrêmement élevées pouvant aller
Jusqu'à ses caractéristiques de rupture, tout en ayant une résistance à la corrosion satisfaisante, et en étantd'une épaisseur et dtun prix de revient nettement diminué ; une telle enceinte doit bien entendu en outre respecter les règles de sécurité exigées par les Autorités.The present invention proposes to overcome the disadvantages of the conventional speakers described above, by providing an enclosure capable of withstanding extremely high internal pressures that can go
Up to its breaking characteristics, while having a satisfactory corrosion resistance, and being of a thickness and a significantly lower cost price; such an enclosure must of course also comply with the safety rules required by the Authorities.
A cet effet, l'invention concerne une enceinte du type ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle se compose de plusieurs enceintes intermédiaires emboitées les unes dans les autres, et séparées par des intervalles remplis par des fluides ou solides intermédiaires créant des pressions intermédiaires comprises entre la pression interne et la pression extérieure, les -pressions intermédiaires allant en diminuant de l'intérieur vers l'extérieur de ltenceinte, le tube ex-térieur ou/et-les autres pouvant être autofrittés. For this purpose, the invention relates to an enclosure of the above type, characterized in that it consists of several intermediate enclosures nested in each other, and separated by intervals filled with fluids or intermediate solids creating pressure intermediates between the internal pressure and the external pressure, the intermediate-pressure decreasing from the inside to the outside of the enclosure, the outer tube and / or the others can be auto-sintered.
I1 est préférable de ne pas autofritter l'enceinte interne pour ne pas créer des risques de criques ou microfissures par écrouissage et formation de contraintes interne. It is better not to self-scratch the internal enclosure to avoid creating risks of cracks or microcracks by hardening and internal stress formation.
Le plus souvent, l'enceinte conforme à llinven- tion est, en fait, constituée par deux enceintes intermédiaires métalliques séparées par un intervalle minimum occupé par un fluide intermédiaire. Most often, the enclosure according to the invention is, in fact, constituted by two intermediate metal enclosures separated by a minimum interval occupied by an intermediate fluid.
On s'est aperçu, de manière surprenante, qu'il était ainsi possible de diminuer notablement l'épaisseur des enceintes, et même d'utiliser pour l'enceinte externe des matériaux moins sophistiqués que ceux habituels jusqu'à présent. Surprisingly, it was found that it was thus possible to significantly reduce the thickness of the speakers, and even to use for the external enclosure less sophisticated materials than those customary so far.
Par exemple, et selon une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte interne est en un acier haute performance, notamment en un acier inoxydable martensitique, tandis que l'enceinte externe autofrittée ou non est en un matériau plus courant. For example, and according to another characteristic of the invention, the inner chamber is made of a high-performance steel, in particular a martensitic stainless steel, while the outer enclosure autofritty or not is a more common material.
Les avantages pouvant être obtenus grâce à l'enceinte décrite ci-dessus seront mis plus clairement en lumière grâce aux exemples suivants
Exemple 1
Selon le schéma n 2 figurant en annexe, qui est une coupe transversale d'une enceinte tubulaire cylindrique constituée par deux enceintes intermédiaires
A et B s'emboîtant l'une dans l'autre avec un jeu minimum et de rayons internes et externes respectifs a et b d'une part et b et c d'autre part, si l'on considère que la pression interne de l'enceinte A est égale à pi et la pression intermédiaire à pe, un calcul identique à celui effectué ci-dessus permet d'aboutir aux égalités
Première enceinte A
b2 2 pi + kat
= a k#t - pi + 2 pe
Deuxième enceinte B
pé + k t
c = b k#t - pe
Si, comme précédemment
a = 300 mm, pi = 3 400 bars et pe = 1 400 bars, on obtient, pour la première enceinte A
pi + k#t 2 34 + 43,33 2 28 = a2 77,33
b = a k#t = pi a 2pe 43,33 - 34 + 28 = 37,33
k#t - pi + 2pe
b = 1,44 a = 1,44 x 300 = 431,78.mm l'épaisseur minimum de la première enceinte est donc égale à 131,78.The benefits that can be achieved through the speaker described above will be made more clear by the following examples
Example 1
According to the diagram n 2 in the appendix, which is a cross section of a cylindrical tubular enclosure constituted by two intermediate enclosures
A and B fitting one into the other with a minimum clearance and respective internal and external radii a and b on the one hand and b and c on the other hand, if we consider that the internal pressure of the enclosure A is equal to pi and the intermediate pressure to pe, a calculation identical to that carried out above makes it possible to reach equalities
First speaker A
b2 2ft + kat
= ak # t - pi + 2 pe
Second speaker B
pe + kt
c = bk # t - pe
If, as before
a = 300 mm, pi = 3400 bar and pe = 1400 bar, we obtain, for the first enclosure A
pi + k # t 2 34 + 43,33 2 28 = a2 77,33
b = ak # t = pi a 2pe 43.33 - 34 + 28 = 37.33
k # t - pi + 2pe
b = 1.44 a = 1.44 x 300 = 431.78.mm the minimum thickness of the first enclosure is therefore equal to 131.78.
De même, pour la seconde enceinte B, on obtient
C = b2 ko' + pe - (1,44a) 2 43,33 + 14 =(1,44 a)2 x
C - pe 43,33 - 14 -
c = 1,44 x 1,40 x a = 2,01 a = 603,97 mm.Similarly, for the second speaker B, we obtain
C = b2 ko '+ pe - (1.44a) 2 43.33 + 14 = (1.44 a) 2 x
C - eg 43,33 - 14 -
c = 1.44 x 1.40 x = 2.01 a = 603.97 mm.
l'épaisseur minimale de l'ensemble des deux enceintes A et B est donc égale à 303,97 mm.the minimum thickness of all two speakers A and B is equal to 303.97 mm.
Si l'on compare ce résultat à l'épaisseur minimale de 564 mm calculé précédemment pour une enceinte simple similaire, on voit que l'utilisation d'une enceinte double permet d'obtenir une économie de matériau de 51,13 %. Comparing this result with the minimum thickness of 564 mm previously calculated for a similar simple enclosure, it can be seen that the use of a double enclosure makes it possible to obtain a saving in material of 51.13%.
En utilisant des tubes autofrittés, le gain sera encore plus substantiel. By using autofruffed tubes, the gain will be even more substantial.
Le calcul ci-dessus étendu à une enceinte comportant un grand nombre d'enceintes intermédiaires emboitées les unes dans les autres donne pour le rayon d'indice n + 1
rn + 1 = r1 (k#t + #n)!
(k#t - pn + 2n-1)!
P et Pn-1 étant les pressions intermédiaires pour les tubes
n n-i d'indices n et n-l.The calculation above extended to an enclosure having a large number of intermediate speakers nested in each other gives for the radius of index n + 1
rn + 1 = r1 (k # t + #n)!
(k # t - pn + 2n-1)!
P and Pn-1 being the intermediate pressures for the tubes
n and n and nl indices.
Dans ce cas général, pour obtenir une enceinte de masse minimale pour une pression interne donnée on doit avoir une épaisseur e constante pour un nombre n donné, ce qui correspond à des pressions intermédiaires en progression exponentielle. In this general case, to obtain a minimum mass enclosure for a given internal pressure must have a constant thickness e for a given number n, which corresponds to intermediate pressures in exponential progression.
Exemple 2
Cet exemple a pour but de démontrer que dans les hypothèses considérées ci-dessus, il est possible, conformément à l'invention, de dépasser une pression interne de 43,33 daN/mm2, c'est-à-dire la limite de Kat dans le cas d'un acier allié pour lequel 130 daN/mm2.Example 2
This example is intended to demonstrate that in the hypotheses considered above, it is possible according to the invention to exceed an internal pressure of 43.33 daN / mm 2, that is to say the limit of Kat in the case of an alloy steel for which 130 daN / mm2.
En effet, si l'on prend, par exemple, pi = 6 000 bars, dans le cas d'une enceinte simple, on aurait
Indeed, if we take, for example, pi = 6000 bars, in the case of a single speaker, we would have
On voit immédiatement que ce problème n'a pas de solution en utilisant qu'une seule enceinte, étant donné que le dénominateur sous la racine carrée est négatif. We immediately see that this problem has no solution using only one speaker, since the denominator under the square root is negative.
Par contre, si l'on considère le même exemple pour une enceinte constituée par deux enceintes intermédiaires A et B emboîtées l'une dans l'autre avec un Jeu minimum, on a en reprenant les calculs ci-dessus
Pour la première enceinte A b = a pi + k#t - a 60 + 43,33 a 103,33
k#t - pi + 2pe = a 43,33 - 60 + 49,42 = a 32,75
donc b = 1,78 a = 534 mm
l'épaisseur minimale de la première enceinte est donc égale à 234 mm.By cons, if we consider the same example for a speaker consisting of two intermediate speakers A and B nested one inside the other with a minimum play, we have the same calculations above
For the first speaker A b = a pi + k # t - a 60 + 43.33 to 103.33
k # t - pi + 2pe = a 43.33 - 60 + 49.42 = a 32.75
therefore b = 1.78 a = 534 mm
the minimum thickness of the first enclosure is equal to 234 mm.
Pour la deuxième enceinte B c2 b kat + pe = (1,78a)2 X 43,33 + 24,71 =(1,68a)2 X 68,04 kat = pe 43,33 - 24,71 - 18,62 donc c = 1,91 b = 1,91 x 1,78a = 1 020,78 mm.For the second enclosure B c2 b kat + pe = (1.78a) 2 X 43.33 + 24.71 = (1.68a) 2 X 68.04 kat = pe 43.33 - 24.71 - 18.62 therefore c = 1.91 b = 1.91 x 1.78a = 1020.78 mm.
l'épaisseur minimale de la seconde enceinte est donc égale à 487 mm. the minimum thickness of the second enclosure is therefore equal to 487 mm.
On voit donc que, dans le cas d'une enceinte double, le problème a une solution correspondant à une épaisseur minimale de 720,78 mm pour l'ensemble des deux enceintes. We see that, in the case of a double enclosure, the problem has a solution corresponding to a minimum thickness of 720.78 mm for all two speakers.
Exemple 3
Cet exemple correspond à l'exemple ci-dessus, dans le cas d'une enceinte constituée par trois enceintes intermédiaires A, B, C embossées les unes dans les autres avec un Jeu minimum, telles que représentées sur le schéma n 3 joint en annexe, et séparées respectivement par des fluides sous des pressions pel = 3 530 bars et pe2 = 1 624 bars.Example 3
This example corresponds to the above example, in the case of a speaker consisting of three intermediate speakers A, B, C embossed into each other with a minimum clearance, as shown in Figure 3 annexed attached and respectively separated by fluids under pressures pel = 3530 bar and pe2 = 1624 bar.
Les rayons internes et externes de ces enceintes sont respectivement égaux à a, b, c et d. The inner and outer rays of these speakers are respectively equal to a, b, c and d.
On se place toujours dans le cas précédent,
2 pour lequel k : 3,at = 130 daN/mm , a = 300, pi = 6 000 bars. We always put ourselves in the previous case,
2 for which k: 3, at = 130 daN / mm, a = 300, pi = 6000 bar.
Pour la première enceinte, les égalités mentionnées ci-dessus deviennent
2 2 pi + kat 2 60 + 43,33 2 103,33 k#t - pi + 2pe a 43,33 - 60 + 70,6 a 53,93
b= 1,38 a = 414 l'épaisseur minimale de la première enceinte est donc de 114 mm.For the first speaker, the equalities mentioned above become
2 2 + kat 2 60 + 43.33 2 103.33 k # t - pi + 2pe to 43.33 - 60 + 70.6 to 53.93
b = 1.38 a = 414 the minimum thickness of the first enclosure is therefore 114 mm.
Pour la deuxième enceinte :
c2 = b2 pel + Kat + 2pe2 = b2 35,3 +43,33 + 43,33 = b2 78,63
t - 35,30 40,51
donc c = 1,39 b = 1,39 x 1,38a = 576 mm l'épaisseur minimale de la seconde enceinte est donc de 162 mm.For the second speaker:
c2 = b2 pel + Kat + 2pe2 = b2 35.3 +43.33 + 43.33 = b2 78.63
t - 35.30 40.51
therefore c = 1.39 b = 1.39 x 1.38a = 576 mm the minimum thickness of the second enclosure is therefore 162 mm.
Pour la troisième enceinte
d2 2 pe2 + kat 2 16,24 + 43,33 2 o2 X
= = c ka - pe2 - 43,33
t- pe2 43,33 16,24 27,09
donc, d = 1,48.- c = 576 x 1,48 = & 2,48 mm l'épaisseur minimale de la troisième enceinte est donc de 276 mm.For the third speaker
d2 2 pe2 + kat 2 16,24 + 43,33 2 o2 X
= = c ka - pe2 - 43.33
t-pe2 43.33 16.24 27.09
therefore, d = 1.48 - c = 576 x 1.48 = & 2.48 mm the minimum thickness of the third enclosure is therefore 276 mm.
Donc, dans ce cas l'épaisseur minimale totale de l'ensemble des trois enceintes est égale à 552,48 mm, donc inférieure au 720,78 mm trouvés dans le cas d'une enceinte constituée par deux enceintes secondaires embossées l'une dans l'autre. Thus, in this case the total minimum thickness of all three enclosures is equal to 552.48 mm, therefore less than 720.78 mm found in the case of an enclosure consisting of two secondary enclosures embossed one in the other.
Les exemples ci-dessus montrent donc qu'il est, technologiquement possible de fabriquer des enceintes répondant aux normes de sécurité et susceptibles de supporter des pressions égales ou même supérieures à la résistance de rupture du matériau choisi. The above examples therefore show that it is technologically possible to manufacture enclosures meeting safety standards and capable of withstanding pressures equal to or even greater than the breaking strength of the chosen material.
De plus, l'enceinte conforme à l'invention permet de réaliser une économie de masse du matériau utilisé, et simultanément une économie très nette à la fabrication, vu que si la première enceinte doit forcément être en un matériau très coûteux, les autres enceintes peuvent être en, des matériaux plus courants, et ce à toutes pressions
De même, cette enceinte donne des résultats particulièrement satisfaisants du point de vue de la corrosion, la première enceinte pouvant être en un matériau inoxydable, par exemple, et les autres en un matériau courant avec un liquide de protection sous pression.In addition, the enclosure according to the invention makes it possible to achieve a saving in mass of the material used, and at the same time a very clear saving in manufacture, since if the first enclosure must necessarily be made of a very expensive material, the other enclosures can be in, more common materials, and this at all pressures
Similarly, this chamber gives particularly satisfactory results from the point of view of corrosion, the first chamber may be made of a stainless material, for example, and the others made of a current material with a protective liquid under pressure.
De même, il convient de remarquer que, si la première enceinte interne doit obligatoirement être soumise aux règlements de sécurité, les autres n'ont pas forcément à y répondre, si elles sont remplies de liquide sans gaz ni vapeur saturante. Similarly, it should be noted that if the first internal enclosure must be subject to safety regulations, the others do not necessarily have to respond to it, if they are filled with liquid without gas or saturating vapor.
Une telle enceinte peut aussi être définie pour des plus basses pressions afin de gagner du poids et d'en diminuer le prix de revient. Such a chamber can also be defined for lower pressures to gain weight and reduce the cost.
SCHEMA 1
SCHEME 1
SCHEMA 2
SCHEME 2
SCHEMA 3
SCHEME 3
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8507571A FR2582071A1 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | High-pressure enclosure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8507571A FR2582071A1 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | High-pressure enclosure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2582071A1 true FR2582071A1 (en) | 1986-11-21 |
Family
ID=9319404
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR8507571A Withdrawn FR2582071A1 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | High-pressure enclosure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2582071A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0288453A1 (en) * | 1987-03-30 | 1988-10-26 | Böhler Gesellschaft M.B.H. | High-pressure vessel |
FR2896301A1 (en) * | 2006-01-13 | 2007-07-20 | Electricite De Marseille Sa | DEVICE FOR PRESSURE REGULATION OF A TANK COMPRISING SEVERAL ENCLOSED ENCLOSURES, ONE IN THE OTHER, AND FILLED WITH COMPRESSED GAS |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR396286A (en) * | 1908-01-21 | 1909-04-06 | Jean Gabriel Irenee Reynaud | Method of reinforcing the walls of containers, bells, etc., undergoing high pressures |
FR1218206A (en) * | 1959-03-04 | 1960-05-09 | Blackburn & General Aircraft L | Improvements to pressure vessels |
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EP0075072A1 (en) * | 1981-09-17 | 1983-03-30 | Erich Görgens | Multi-layer wall |
-
1985
- 1985-05-20 FR FR8507571A patent/FR2582071A1/en not_active Withdrawn
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