FR3146025A1 - COOLING PLATE FOR CELLS OF AN ELECTRICAL STORAGE DEVICE - Google Patents
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Abstract
Un aspect de l’invention concerne une plaque de refroidissement 5 de cellules électrochimiques 3 d’un dispositif de stockage électrique 1, la plaque de refroidissement 5 étant agencée pour être prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques 3 du dispositif de stockage électrique 1, la plaque de refroidissement 5 comportant : Un circuit de refroidissement 6 de type caloduc oscillant construit et agencé pour contenir un fluide de refroidissement diphasique, et Un premier dispositif d’échappement 8 construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du fluide de refroidissement diphasique lorsqu’il atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée. Figure 2 One aspect of the invention relates to a cooling plate 5 for electrochemical cells 3 of an electrical storage device 1, the cooling plate 5 being arranged to be sandwiched between two electrochemical cells 3 of the electrical storage device 1, the cooling plate 5 comprising: A cooling circuit 6 of the oscillating heat pipe type constructed and arranged to contain a two-phase cooling fluid, and A first exhaust device 8 constructed and arranged to allow evaporation of a portion of the two-phase cooling fluid when it reaches a first predetermined threshold temperature or a first predetermined threshold pressure. Figure 2
Description
La présente invention concerne le refroidissement des cellules d’un dispositif de stockage électrique. Plus particulièrement, un aspect de l’invention se rapporte à une plaque de refroidissement de cellules d’un dispositif de stockage électrique. Un autre aspect de l’invention se rapporte à dispositif de stockage électrique comportant une telle plaque de refroidissement de cellules.The present invention relates to the cooling of cells of an electrical storage device. More particularly, one aspect of the invention relates to a cell cooling plate of an electrical storage device. Another aspect of the invention relates to an electrical storage device comprising such a cell cooling plate.
Les véhicules, qu'ils soient totalement électriques ou combinant l'utilisation d'un moteur thermique et d'un moteur électrique, sont équipes de dispositifs de stockage électrique, comportant généralement plusieurs modules électriques. Ces modules électriques comprennent une pluralité de cellules électriques connectées entre elles.Vehicles, whether fully electric or combining the use of a thermal engine and an electric motor, are equipped with electrical storage devices, generally comprising several electrical modules. These electrical modules comprise a plurality of electrical cells connected together.
Ces modules électriques supportent mal de fonctionner en dehors d'une plage de température déterminée. Ainsi, il convient de les maintenir dans une plage de température donnée. Par exemple, le fonctionnement des batteries lithium-ion est optimal entre 0°C et 50°C. Une gestion thermique efficace est nécessaire afin de garantir le maintien des cellules dans cette plage de température quelles que soient les conditions atmosphériques et d’utilisation.These electrical modules do not tolerate operation outside a specific temperature range. Therefore, it is advisable to keep them within a specific temperature range. For example, lithium-ion batteries operate optimally between 0°C and 50°C. Effective thermal management is necessary to ensure that the cells are maintained within this temperature range regardless of atmospheric and usage conditions.
Le cas d’usage le plus critique, celui qui dimensionne la capacité de refroidissement, est rencontré lors des évènements d’emballement thermique ou de recharge ultra rapide. Cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique nécessitant un besoin de refroidissement plus important.The most critical use case, the one that sizes the cooling capacity, is encountered during thermal runaway events or ultra-fast charging. This fast charging involves heating of the electrical storage device requiring a greater need for cooling.
Parmi les solutions proposées pour ralentir et protéger contre l’emballement thermique, des matériaux isolants d’interface pour isoler les cellules contre la propagation de ce phénomène peuvent être prévus.Among the solutions proposed to slow down and protect against thermal runaway, interface insulating materials to isolate the cells against the propagation of this phenomenon can be provided.
On connait encore du document JP-B2-5994345 un séparateur de cellules incluant une canalisation pour le passage d’un liquide de refroidissement. Cette canalisation comporte une partie dont l’épaisseur est volontairement mince afin de pouvoir se rompue lors d’une augmentation de la pression du liquide de refroidissement.Document JP-B2-5994345 also discloses a cell separator including a pipe for the passage of a coolant. This pipe includes a part whose thickness is deliberately thin in order to be able to break when the pressure of the coolant increases.
Lorsque la canalisation vient à se rompre, le module doit être remplacé. Cette solution est donc particulièrement onéreuse.When the pipeline breaks, the module must be replaced. This solution is therefore particularly expensive.
Le but de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une plaque de refroidissement de cellules d’un dispositif de stockage électrique qui soit peu couteux.The aim of the invention is to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a cooling plate for cells of an electrical storage device which is inexpensive.
Dans ce contexte, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à une plaque de refroidissement de cellules électrochimiques d’un dispositif de stockage électrique, la plaque de refroidissement étant agencée pour être prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques du dispositif de stockage électrique, la plaque de refroidissement comportant un circuit de refroidissement des deux cellules électrochimiques.In this context, the invention thus relates, in its broadest sense, to a cooling plate for electrochemical cells of an electrical storage device, the cooling plate being arranged to be sandwiched between two electrochemical cells of the electrical storage device, the cooling plate comprising a cooling circuit for the two electrochemical cells.
La plaque de refroidissement selon cet aspect de l’invention est remarquable en ce que le circuit de refroidissement est un caloduc oscillant construit et agencé pour contenir un fluide de refroidissement diphasique et en ce que la plaque de refroidissement comporte un premier dispositif d’échappement construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du fluide de refroidissement diphasique lorsque le fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée ou une première pression seuil prédéterminée.The cooling plate according to this aspect of the invention is remarkable in that the cooling circuit is an oscillating heat pipe constructed and arranged to contain a two-phase coolant and in that the cooling plate comprises a first exhaust device constructed and arranged to allow evaporation of a portion of the two-phase coolant when the two-phase coolant reaches a first predetermined threshold temperature or a first predetermined threshold pressure.
Ainsi, par exemple, dès lors que le fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée, par exemple de 130°C, le premier dispositif d’échappement laisse échapper une partie du fluide de refroidissement diphasique en phase vapeur de sorte à refroidir la cellule sur laquelle est projeté le fluide de refroidissement diphasique en phase vapeur.Thus, for example, as soon as the two-phase cooling fluid reaches a first predetermined threshold temperature, for example 130°C, the first exhaust device lets out a portion of the two-phase cooling fluid in vapor phase so as to cool the cell onto which the two-phase cooling fluid in vapor phase is sprayed.
Le dispositif d’échappement peut être formé par un fusible thermique utilisant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement. En cas d’utilisation de ce fusible thermique, il est facile de le remplacer à moindre coût.The exhaust device can be formed by a thermal fuse using a wax that reacts according to the temperature to allow the coolant to pass through. If this thermal fuse is used, it is easy to replace at low cost.
Dans une réalisation différente, le dispositif d’échappement peut être formé par une soupape de surpression qui réagit en fonction de la pression pour laisser passer le fluide de refroidissement. Une telle soupape de surpression peut être utilisée de nombreuse fois soit nécessiter un quelconque remplacement.In a different embodiment, the exhaust device may be formed by a pressure relief valve which reacts depending on the pressure to allow the coolant to pass. Such a pressure relief valve may be used many times or require any replacement.
En outre, l’utilisation d’un caloduc oscillant comme circuit de refroidissement permet de ne pas utiliser de pompe pour la circulation du fluide de refroidissement.In addition, using an oscillating heat pipe as a cooling circuit means that a pump is not required to circulate the cooling fluid.
En effet, le caloduc oscillant comporte un fluide caloporteur diphasique qui forme naturellement une succession de bulles de vapeur et de bouchons de liquide. Les écarts de température présents dans le caloduc oscillant génèrent des fluctuations de pression qui agissent comme un système de pompage permettant de faire circuler le liquide de refroidissement.Indeed, the oscillating heat pipe contains a two-phase heat transfer fluid that naturally forms a succession of vapor bubbles and liquid plugs. The temperature differences present in the oscillating heat pipe generate pressure fluctuations that act as a pumping system to circulate the coolant.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon cet aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.In addition to the characteristics which have just been mentioned in the preceding paragraph, the device according to this aspect of the invention may have one or more complementary characteristics among the following, considered individually or according to all technically possible combinations.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement comporte un premier port de remplissage du circuit de refroidissement, le premier port de remplissage étant muni du premier dispositif d’échappement.According to a non-limiting aspect of the invention, the cooling plate comprises a first filling port for the cooling circuit, the first filling port being provided with the first exhaust device.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement comporte une réserve d’un gaz inerte et un deuxième dispositif d’échappement construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du gaz inerte lorsque le gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée ou une deuxième pression seuil prédéterminée.According to a non-limiting aspect of the invention, the cooling plate comprises a reserve of an inert gas and a second exhaust device constructed and arranged to allow evaporation of a portion of the inert gas when the inert gas reaches a second predetermined threshold temperature or a second predetermined threshold pressure.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement comporte un deuxième port de remplissage de la réserve d’un gaz inerte, le deuxième port de remplissage étant muni du deuxième dispositif d’échappement.According to a non-limiting aspect of the invention, the cooling plate comprises a second port for filling the reserve of an inert gas, the second filling port being provided with the second exhaust device.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, le deuxième dispositif d’échappement est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression.According to a non-limiting aspect of the invention, the second exhaust device is formed by a thermal fuse or a pressure relief valve.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, le premier dispositif d’échappement est formé par un fusible thermique ou une soupape de surpression.According to a non-limiting aspect of the invention, the first exhaust device is formed by a thermal fuse or a pressure relief valve.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement présente une épaisseur comprise entre 1,8 mm et 3,2 mm.According to a non-limiting aspect of the invention, the cooling plate has a thickness of between 1.8 mm and 3.2 mm.
Un autre aspect de l’invention se rapporte à un dispositif de stockage électrique comportant deux cellules électrochimiques adjacentes, le dispositif de stockage électrique étant remarquable en ce qu’il comporte une plaque de refroidissement de cellules électrochimiques selon l’un quelconque des aspects de l’invention précités, la plaque de refroidissement étant prise en sandwich entre les deux cellules électrochimiques.Another aspect of the invention relates to an electrical storage device comprising two adjacent electrochemical cells, the electrical storage device being remarkable in that it comprises an electrochemical cell cooling plate according to any one of the aforementioned aspects of the invention, the cooling plate being sandwiched between the two electrochemical cells.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, le premier dispositif d’échappement débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques.According to a non-limiting aspect of the invention, the first exhaust device opens at a peripheral edge of the two electrochemical cells.
Selon un aspect non limitatif de l’invention, la plaque de refroidissement de cellules électrochimiques est posée sur un support de refroidissement de la plaque de refroidissement.According to a non-limiting aspect of the invention, the electrochemical cell cooling plate is placed on a cooling support for the cooling plate.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.The invention and its various applications will be better understood by reading the description which follows and by examining the figures which accompany it.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.Unless otherwise specified, the same element appearing in different figures has a single reference.
La
On comprendra par dispositif de stockage électrique 1, dans la suite de cette description, un ensemble comprenant au moins un module de batterie 2 (deux dans l’exemple illustré), chaque module de batterie 2 contenant des cellules électrochimiques 3, huit dans l’exemple illustré.In the remainder of this description, the term electrical storage device 1 will be understood to mean an assembly comprising at least one battery module 2 (two in the illustrated example), each battery module 2 containing electrochemical cells 3, eight in the illustrated example.
Les modules 2 sont regroupés dans un bac ou carter 4.Modules 2 are grouped in a tray or casing 4.
Par ailleurs, on comprendra par cellule électrochimique 3, une cellule de stockage d’énergie électrique. Cette cellule électrochimique 3 est agencée pour générer du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni- Cd ou encore plomb.Furthermore, the term electrochemical cell 3 will be understood to mean an electrical energy storage cell. This electrochemical cell 3 is arranged to generate current by chemical reaction, for example of the lithium-ion (or Li-ion) type, of the Ni-Mh, or Ni-Cd or even lead type.
Le dispositif de stockage électrique 1 comporte plusieurs plaques de refroidissement 5. Les plaques de refroidissement 5 possèdent comme fonction de prévenir un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1. Chaque plaque de refroidissement 5 est prise en sandwich entre deux cellules électrochimiques 3 adjacentes, autrement dit les cellules électrochimiques 3 sont en contact thermique avec une plaque de refroidissement 5.The electrical storage device 1 comprises several cooling plates 5. The cooling plates 5 have the function of preventing thermal runaway of the electrical storage device 1. Each cooling plate 5 is sandwiched between two adjacent electrochemical cells 3, in other words the electrochemical cells 3 are in thermal contact with a cooling plate 5.
Comme illustré à la
La plaque de refroidissement 5 comporte en outre, au niveau de sa partie supérieure, un premier port de remplissage 7 du circuit de refroidissement 6.The cooling plate 5 further comprises, at its upper part, a first filling port 7 for the cooling circuit 6.
En outre, la plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un premier dispositif d’échappement 8 construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du fluide de refroidissement diphasique lorsque le fluide de refroidissement diphasique atteint une première température seuil prédéterminée.Furthermore, the cooling plate 5 comprises, at its upper part, a first exhaust device 8 constructed and arranged to allow evaporation of a portion of the two-phase cooling fluid when the two-phase cooling fluid reaches a first predetermined threshold temperature.
Dès lors que la plaque de refroidissement 5 est positionnée entre deux cellules électrochimiques 3, le premier dispositif d’échappement 8 débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques 3, formé dans cet exemple par le bord supérieur des deux cellules électrochimiques 3.As soon as the cooling plate 5 is positioned between two electrochemical cells 3, the first exhaust device 8 opens at a peripheral edge of the two electrochemical cells 3, formed in this example by the upper edge of the two electrochemical cells 3.
Un tel premier dispositif d’échappement 8 peut être formé par un fusible thermique comportant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique.Such a first exhaust device 8 may be formed by a thermal fuse comprising a wax which reacts according to the temperature to allow the two-phase cooling fluid to pass.
Dans un exemple de réalisation non limitatif, le premier seuil de température est compris entre 110°C et 150°C, typiquement 130°C.In a non-limiting exemplary embodiment, the first temperature threshold is between 110°C and 150°C, typically 130°C.
Lors de son évaporation, le fluide de refroidissement diphasique est vaporisé sur la cellule électrochimiques 3 adjacente de sorte à favoriser son refroidissement.During its evaporation, the two-phase cooling fluid is vaporized onto the adjacent electrochemical cell 3 so as to promote its cooling.
Dans cet exemple de réalisation non limitatif, le premier dispositif d’échappement 8 est intégré au premier port de remplissage 7. Il est entendu que, dans un mode de réalisation différent, le premier port de remplissage 7 et le premier dispositif d’échappement 8 peuvent être séparés l’un de l’autre.In this non-limiting exemplary embodiment, the first exhaust device 8 is integrated into the first filling port 7. It is understood that, in a different embodiment, the first filling port 7 and the first exhaust device 8 can be separated from each other.
Dans cet exemple de réalisation, la plaque de refroidissement 5 comporte également une réserve d’un gaz inerte 9. De façon non limitative, le gaz inerte contenu peut être du dioxyde de carbone ou de l’azote.In this exemplary embodiment, the cooling plate 5 also includes a reserve of an inert gas 9. In a non-limiting manner, the inert gas contained may be carbon dioxide or nitrogen.
La plaque de refroidissement 5 comporte en outre, au niveau de sa partie supérieure, un deuxième port de remplissage 10 de la réserve d’un gaz inerte 9.The cooling plate 5 further comprises, at its upper part, a second filling port 10 for the reserve of an inert gas 9.
En outre, la plaque de refroidissement 5 comporte, au niveau de sa partie supérieure, un deuxième dispositif d’échappement 11 construit et agencé pour autoriser une évaporation d’une partie du gaz inerte lorsque le gaz inerte atteint une deuxième température seuil prédéterminée.Furthermore, the cooling plate 5 comprises, at its upper part, a second exhaust device 11 constructed and arranged to allow evaporation of a portion of the inert gas when the inert gas reaches a second predetermined threshold temperature.
Dès lors que la plaque de refroidissement 5 est positionnée entre deux cellules électrochimiques 3, le deuxième dispositif d’échappement 11 débouche au niveau d’un bord périphérique des deux cellules électrochimiques 3, formé dans cet exemple par le bord supérieur des deux cellules électrochimiques 3.As soon as the cooling plate 5 is positioned between two electrochemical cells 3, the second exhaust device 11 opens at a peripheral edge of the two electrochemical cells 3, formed in this example by the upper edge of the two electrochemical cells 3.
Un tel deuxième dispositif d’échappement 11 peut être formé par un fusible thermique comportant une cire qui réagit en fonction de la température pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique.Such a second exhaust device 11 may be formed by a thermal fuse comprising a wax which reacts as a function of the temperature to allow the two-phase cooling fluid to pass.
Dans un exemple de réalisation non limitatif, le deuxième seuil de température est compris entre 110°C et 150°C, typiquement 130°C.In a non-limiting exemplary embodiment, the second temperature threshold is between 110°C and 150°C, typically 130°C.
Lors de son évaporation, le gaz inerte est vaporisé sur la cellule électrochimique 3 adjacente de sorte à empêcher un emballement thermique de cette cellule électrochimique 3.During its evaporation, the inert gas is vaporized onto the adjacent electrochemical cell 3 so as to prevent thermal runaway of this electrochemical cell 3.
Dans cet exemple de réalisation non limitatif, le deuxième dispositif d’échappement 11 est intégré au deuxième port de remplissage 10. Il est entendu que, dans un mode de réalisation différent, le deuxième port de remplissage 10 et le deuxième dispositif d’échappement 11 peuvent être séparés l’un de l’autre.In this non-limiting exemplary embodiment, the second exhaust device 11 is integrated into the second filling port 10. It is understood that, in a different embodiment, the second filling port 10 and the second exhaust device 11 can be separated from each other.
Il convient en outre de noter que les plaques de refroidissement 5 sont posées sur un support de refroidissement 12. Dans un exemple de réalisation non limitatif, ce support de refroidissement 12 peut être formé par le fond du dispositif de stockage électrique 1 et être traversé par un conduit 13 contenant un fluide de refroidissement dont la circulation est réalisée au moyen d’une pompe 14 et/ou comporter des ailettes de refroidissement.It should also be noted that the cooling plates 5 are placed on a cooling support 12. In a non-limiting exemplary embodiment, this cooling support 12 can be formed by the bottom of the electrical storage device 1 and be crossed by a conduit 13 containing a cooling fluid whose circulation is carried out by means of a pump 14 and/or comprise cooling fins.
Par ailleurs, afin de compenser un éventuel gonflement des cellules électrochimiques 3 se produisant lors de la charge et décharge de celles-ci, chaque plaque de refroidissement 5 présente une épaisseur comprise entre 1,8 mm et 3,2 mm, typiquement 2mm.Furthermore, in order to compensate for any possible swelling of the electrochemical cells 3 occurring during charging and discharging thereof, each cooling plate 5 has a thickness of between 1.8 mm and 3.2 mm, typically 2 mm.
Les plaques de refroidissement 5 permettent également d’assurer une précontrainte en compression de l’ensemble des cellules électrochimiques 3.The cooling plates 5 also provide compressive prestressing for all of the electrochemical cells 3.
Les plaques de refroidissement 5 peuvent être réalisé dans un matériau métallique ou plastique.The cooling plates 5 can be made of a metallic or plastic material.
Dans le cas d’un matériau métallique, le circuit de refroidissement 6 peut être usiné dans une première paroi 15 et une deuxième paroi 16 peut être soudée à ladite première paroi 15. Dans ce cas, la deuxième paroi 16 forme une partie de la paroi du circuit de refroidissement 6.In the case of a metallic material, the cooling circuit 6 can be machined in a first wall 15 and a second wall 16 can be welded to said first wall 15. In this case, the second wall 16 forms a part of the wall of the cooling circuit 6.
Les différents aspects de l’invention susmentionnés présentent de nombreux avantages.The various aspects of the invention mentioned above have numerous advantages.
Effectivement, dans le circuit de refroidissement 6, un premier port de remplissage 7 est fermé par un premier fusible thermique 8 qui permet de laisser le fluide de refroidissement diphasique s’échapper lors d’un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1. Cet échappement particulier permet de sécuriser le dispositif de stockage électrique 1 en abaissant la température des cellules électrochimiques.Indeed, in the cooling circuit 6, a first filling port 7 is closed by a first thermal fuse 8 which allows the two-phase cooling fluid to escape during thermal runaway of the electrical storage device 1. This particular exhaust makes it possible to secure the electrical storage device 1 by lowering the temperature of the electrochemical cells.
En outre, chaque plaque de refroidissement 5 comporte une réserve d’un gaz inerte 9 qui est muni d’un deuxième port de remplissage 10 fermé par un deuxième fusible thermique 11. Ce deuxième fusible thermique 11 permet de laisser le gaz inerte s’échapper lors d’un emballement thermique du dispositif de stockage électrique 1 pour empêcher sa propagation.In addition, each cooling plate 5 comprises a reserve of an inert gas 9 which is provided with a second filling port 10 closed by a second thermal fuse 11. This second thermal fuse 11 allows the inert gas to escape during thermal runaway of the electrical storage device 1 to prevent its propagation.
Il convient de noter que le premier dispositif d’échappement 8 et le deuxième dispositif d’échappement 11 sont formés par un fusible thermique. Dans un mode de réalisation différent, le premier dispositif d’échappement 8 et le deuxième dispositif d’échappement 11 sont formés par une soupape de surpression qui réagit en fonction d’une surpression pour laisser passer le fluide de refroidissement diphasique.It should be noted that the first exhaust device 8 and the second exhaust device 11 are formed by a thermal fuse. In a different embodiment, the first exhaust device 8 and the second exhaust device 11 are formed by a pressure relief valve which reacts according to an overpressure to allow the two-phase coolant to pass.
Dans un mode de réalisation encore différent, le premier dispositif d’échappement 8 est formé par un fusible thermique et le deuxième dispositif d’échappement 11 est formé par une soupape de surpression ou inversement.In a still different embodiment, the first exhaust device 8 is formed by a thermal fuse and the second exhaust device 11 is formed by a pressure relief valve or vice versa.
Claims (10)
électrochimiques (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ladite plaque de refroidissement (5) étant prise en sandwich entre lesdites deux cellules électrochimiques (3).Electrical storage device (1) comprising two adjacent electrochemical cells (3), said electrical storage device (1) being characterized in that it comprises a cell cooling plate (5).
electrochemical cells (3) according to any one of the preceding claims, said cooling plate (5) being sandwiched between said two electrochemical cells (3).
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2023
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2024
- 2024-01-29 WO PCT/FR2024/050115 patent/WO2024170839A1/en unknown
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