Colector Solar.

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OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

F24J 2/05 (2006.01)

ESPAÑA

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11 Número de publicación: 2 304 277

21 Número de solicitud: 200550042

51 Int. Cl.:

PATENTE DE INVENCIÓN

22 Fecha de presentación: 29.10.2003

30 Prioridad: 14.04.2003 RU 2003110454

73 Titular/es: ZAKRYTOE AKTSIONERNOE

OBSCHESTVO “ALTEN” ul. Krasnokazarmennaya, d. 14, MEI Moscow 111250, RU

43 Fecha de publicación de la solicitud: 01.10.2008

Fecha de la concesión: 29.09.2009 45 Fecha de anuncio de la concesión: 14.10.2009

45 Fecha de publicación del folleto de la patente:

72 Inventor/es: Ivanovich Kazandznan, Boris;

Mihaylovich Mass, Alexandr y Silvestrovich Dyachshin, Anatoliy

74 Agente: Díez de Rivera y Elzaburu, Ignacio

14.10.2009

54 Título: Colector solar.

ES 2 304 277 B1

57 Resumen:

Colector solar comprende un elemento envolvente cenado, de un material monocapa o multicapa transparente, constituido por una superficie central, dos superficies cilíndricas laterales, asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano tangente de las superficies cilíndricas laterales, dos cubiertas laterales colocadas en los extremos del elemento envolvente, y un dispositivo de recuperación de calor dispuesto en el elemento envolvente para transmitir el calor a un fluido a calentar, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo. La superficie central es cilíndrica con radio R. Las dos superficies cilíndricas laterales presentan un radio r, mientras que el ancho L del elemento envolvente y los valores R y r están relacionados entre sí mediante las siguientes dependencias: √ 5H > R > 3H; 1,5t > r > ( 2/2)t; 1,1H > L > 1,05H, siendo H y t respectivamente el ancho y el espesor del dispositivo de recuperación de calor.

Aviso: Se puede realizar consulta prevista por el art. 37.3.8 LP. Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. Pº de la Castellana, 75 – 28071 Madrid

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ES 2 304 277 B1 DESCRIPCIÓN Colector solar. 5

Campo de aplicación La invención se refiere a la heliotecnia y puede tener aplicaciones en particular en dispositivos transformadores de radiaciones electromagnéticas del sol en energía térmica para calentar un fluido.

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Antecedentes de la invención

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Se conocen colectores solares constituidos por un cuerpo en forma de estructura tipo marco llevando en su parte superior un elemento protector a modo de vidrio plano que deja pasar la luz. Tras el vidrio se dispone un panel de recuperación de calor con recubrimiento óptico, el que transforma la radiación solar en calor (Sanit+Heizungstechnik, 1977, v. 62, núm. 1, pp. 46, 48, 80).

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El inconveniente de los conocidos colectores solares consiste en su bajo rendimiento en horas nocturnas y matutinas, cuando el panel de recuperación de calor queda parcialmente tapado por la sombra de la carcasa opaca de caras laterales de la estructura tipo marco, mientras que aumenta sensiblemente el coeficiente de reflexión de rayos solares del vidrio plano siendo grandes los ángulos de incidencia de acuerdo con la fórmula de reflexión de Fresnel.

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Se conoce un colector solar comprendiendo un elemento envolvente cerrado, de un material monocapa o multicapas transparente, constituido por una superficie central, dos superficies cilíndricas laterales, asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano tangente de las superficies cilíndricas laterales, dos cubiertas laterales colocadas en los extremos del elemento envolvente, y un dispositivo de recuperación de calor dispuesto en un elemento envolvente que sirve para transmitir el calor al fluido a calentar y sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo (RU 2177119 C1). Sin embargo, la forma del elemento envolvente y la forma del dispositivo de recuperación de calor del conocido colector solar no están optimizadas en el plano de obtener el rendimiento máximo del colector solar asegurando a la par mínimos el consumo de material y los costes de fabricación del mismo para los distintos tipos de colectores solares, por ejemplo para un colector con un receiver volumétrico dispuesto en el interior de un espacio hueco del elemento envolvente que sirve para calentar y acumular el fluido transmisor de calor, o para un colector con una caja hermética provista de canales dispuesta en el interior del elemento envolvente para calentar y dejar pasar el fluido gaseoso transmisor de calor, o para un colector con un panel plano de recuperación de calor que lleva canales para dejar pasar el fluido transmisor de calor. Exposición de la invención

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El objetivo que tiende a resolver la presente invención consiste en crear el diseño de un colector solar ostentativo de un máximo rendimiento con un mínimo coste de fabricación y permitiendo en el marco de un ciclo tecnológico unificado único fabricar colectores solares de distintas aplicaciones, a saber: 1. Un colector solar con un dispositivo de recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, constituido en forma de un receiver volumétrico, por ejemplo un depósito, dispuesto en un elemento envolvente y transparente a la luz, para calentar un fluido a partir de la energía solar y acumular el calor. 2. Un colector solar con un dispositivo de recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, constituido en forma de un panel de recuperación de calor con canales, para dejar pasar y calentar un fluido a partir de la energía solar, dispuesto en un elemento envolvente y transparente a la luz. 3. Un colector solar con una caja dispuesta en un elemento envolvente y transparente a la luz, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo que sirve para calentar a partir de la energía solar un flujo de aire.

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Rasgo distintivo común de los referidos colectores solares es la relación óptima entre las dimensiones geométricas del elemento envolvente y las del dispositivo de recuperación de calor. El objetivo preconizado se resuelve porque en un colector solar comprendiendo un elemento envolvente cerrado, de un material monocapa o multicapas transparente, constituido por una superficie central, dos superficies cilíndricas laterales, asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano tangente de las superficies cilíndricas laterales, dos cubiertas laterales colocadas en los extremos del elemento envolvente, y un dispositivo de recuperación de calor dispuesto en el elemento envolvente para transmitir el calor a un fluido a calentar, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, de acuerdo con la invención la superficie central es cilíndrica con radio R, las dos superficies cilíndricas laterales presentan un radio r, mientras que el ancho L del elemento envolvente y los valores R y r están relacionados entre sí mediante las siguientes dependencias: √ 5H > R > 3H; 1,5t > r > ( 2/2)t; 1,1H > L > 1,05H, siendo H y t respectivamente el ancho y el espesor del dispositivo de recuperación de calor. 2

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Por consiguiente, en el interior de un elemento envolvente cerrado se dispone un dispositivo de recuperación de calor de ancho H y espesor t, con recubrimiento selectivo absorbente de la radiación solar en su superficie exterior. Las principales dimensiones geométricas del elemento envolvente - R, r, L -, al objeto de aprovechar al máximo el rendimiento del colector solar con un mínimo de consumo del material para el mismo, están relacionadas entre sí y se hallan en la siguiente dependencia con H y t, las principales dimensiones geométricas del dispositivo de recuperación de calor: 1. 5H > R > 3H, siendo R > 5H, se reduce la rigidez de la estructura del elemento envolvente, lo mismo que aumenta el coeficiente de reflexión de los rayos solares de incidencia inclinada, siendo R < 3H, aumenta inadmisiblemente el consumo de material del elemento envolvente por unidad de su largo, lo cual repercute en la subida de los costes de fabricación del colector. √ 2. 1,5t > r > ( 2/2)t, siendo r >√1,5t, aumenta inadmisiblemente el consumo de material del elemento envolvente por unidad de su largo, siendo r < ( 2/2)t, pueden presentarse dificultades al instalar el dispositivo de recuperación de calor en el elemento envolvente. 3. 1,1H > L > 1,05H, siendo L > 1,1H, aumenta el consumo del material de fabricación del elemento envolvente, siendo L < 1,05H, pueden presentarse dificultades al instalar el dispositivo de recuperación de calor en el elemento envolvente.

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El objetivo mencionado se resuelve asimismo porque en un colector solar en calidad del dispositivo de recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, se puede utilizar un receiver volumétrico, por ejemplo un depósito, que sirve para calentar y acumular un fluido transmisor de calor. 25

O bien, en calidad del dispositivo de recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, se puede utilizar una caja hermética para dejar pasar un fluido gaseoso transmisor de calor, ostentando la superficie interior de la caja un recubrimiento con elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo del espectro, mientra que en el interior de la caja están previstos unos medios para intensificar el intercambio de calor.

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O bien, en calidad del dispositivo de recuperación de calor, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, se puede utilizar un panel plano de recuperación de calor con canales para dejar pasar un fluido transmisor de calor, el cual a todo su largo lleva por cada lado dos elementos recuperadores de calor adicionales, rectos o en flexión, con un recubrimiento selectivo que absorbe la radiación solar en su superficie exterior, estando situados los elementos recuperadores de calor laterales por debajo respecto al nivel del plano del panel de recuperación de calor, y tomándose por parámetro t la distancia que media entre el borde inferior del elemento lateral y el plano del panel de recuperación de calor. Siendo igualmente que en cada una de las dos superficies cilíndricas laterales con radio r del elemento envolvente y transparente a la luz pueden instalarse a todo su largo unos reflectores prismáticos superficiales. Breve descripción de los dibujos La figura 1 incluye una representación axonométrica del colector solar reivindicado.

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La figura 2 representa el colector solar con un dispositivo de recuperación de calor en forma de receiver volumétrico (depósito). La figura 3 muestra el colector solar con un dispositivo de recuperación de calor en forma de panel plano. 50

La figura 4 muestra el colector solar con un dispositivo de recuperación de calor en forma de caja. La figura 5 representa una sección longitudinal del colector con dispositivo de recuperación de calor en forma de caja con unos medios para intensificar intercambio de calor. 55

La figura 6 es una representación esquemática de la parte lateral de la sección longitudinal del colector con un reflector prismático superficial. Las mejores formas de realización de la invención 60

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En todas las formas de realización el colector solar reivindicado (fig. 1) comprende un elemento envolvente cerrado, de un material monocapa o multicapas transparente, con ancho L, hecho por ejemplo en policarbonato alveolar con disposición transversal de canales, y constituido por una superficie central 1 con radio R, dos superficies cilíndricas laterales 2 con radio r, asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano 3 tangente de las superficies cílindricas laterales 2, un dispositivo de recuperación de calor dispuesto en el elemento envolvente para transmitir el calor a un fluido a calentar, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, con ancho H y espesor t (fig. 2). El ancho L del elemento envolvente y los valores R y r están relacionados entre sí mediante las siguientes dependencias: 3

ES 2 304 277 B1 √ 5H > R > 3H; 1,5t > r >( 2/2)t; 1,1H > L > 1,05H.

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El dispositivo de recuperación de calor se puede constituir en forma de un receiver volumétrico o un depósito 4 que sirva para calentar agua u otros fluidos transmisores de calor y acumular el fluido calentado y sobre cuya superficie exterior esté aplicado un recubrimiento selectivo, en el interior del depósito 4 puede disponerse un panel 5 que facilite el rápido calentamiento del fluido en un espacio hueco 6 entre el panel 5 y la pared del depósito 4, lo cual intensifica la evacuación por convección del calor de la superficie calentada por el sol. El dispositivo de recuperación de calor (fig. 3) se puede realizar en forma de un panel plano 7 de recuperación de calor con canales 8 que sirva para dejar pasar un fluido transmisor de calor y sobre cuya superficie exterior esté aplicado un revestimiento selectivo, el cual a todo su largo lleva por cada lado dos elementos recuperadores de calor adicionales 9, rectos o en flexión, con un recubrimiento selectivo que absorba la radiación solar en su superficie exterior, estando situados los elementos recuperadores de calor laterales por debajo respecto al nivel del plano del panel 7 de recuperación de calor, y tomándose por parámetro t la distancia que media entre el borde inferior del elemento lateral 9 y el plano del panel 7 de recuperación de calor. El dispositivo de recuperación de calor (fig. 4, 5) se puede realizar en forma de una caja hermética 10 que sirva para dejar pasar un fluido gaseoso transmisor de calor y sobre cuya superficie exterior esté aplicado un revestimiento selectivo, previéndose en su interior unos medios para intensificar el intercambio de calor por convección, por ejemplo con ayuda de una rejilla perforada tipo persiana 11 o varillas, con la particularidad de que todas las superficies dentro de la caja 10 puedan llevar un recubrimiento con elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo del espectro. La superficie exterior de los dispositivos de recuperación de calor por el lado de la entrada de la radiación solar posee un revestimiento selectivo con elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo visible y próximo del espectro solar y con bajo coeficiente de radiación en el intervalo de ondas largas del espectro. Entre la superficie posterior del dispositivo de recuperación de calor y el elemento envolvente y transparente a la luz en todas las variantes del colector solar se prevé un aislamiento térmico.

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Para mejorar la eficacia de captación de la energía solar por elementos laterales de los dispositivos de recuperación de calor (fig. 6) del colector solar reivindicado, en cada una de las dos superficies cilíndricas laterales 2 con radio r del elemento envolvente y transparente a la luz se pueden disponer a todo su largo unos reflectores 13 prismáticos superficiales (véase la revista “Svetotéjnica”, 2001, núm. 4, p. 8). Las direcciones en que inciden los rayos solares están señaladas con numerales 14 y 15.

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En los extremos del elemento envolvente y transparente a la luz del colector (fig. 1) están colocadas dos cubiertas laterales 16. El colector solar descrito funciona de la siguiente manera. 40

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Los rayos solares, al pasar a través del elemento envolvente cerrado del material monocapa o multicapas transparente, inciden sobre el dispositivo de recuperación de calor con recubrimiento selectivo en la superficie exterior, por ejemplo en forma de depósito 4 (fig. 2), que sirve para calentar el fluido y acumular el calor, calientan el depósito 4, lo mismo que el fluido contenido dentro de éste. El panel 5, instalado en el interior del depósito 4, propicia el calentamiento rápido del fluido en el espacio hueco 6 entre el panel 5 y la pared del depósito 4, enfrentada a la parte del elemento envolvente que deja pasar la luz, lo cual intensifica la circulación del fluido dentro del depósito 4, y a fin de cuentas hace acelerar el calentamiento de toda la masa del fluido en el depósito 4. Una vez terminado el transporte de la radiación solar, el fluido deja de circular en el depósito 4 y en el mismo se establece un gradiente de temperatura. La extracción del fluido por el consumidor se efectúa a través de la parte superior del depósito 4, donde la temperatura tiene su máximo valor, mientras que el rellenado del depósito 4 se lleva a cabo a través de un tubo en su parte inferior. Al penetrar los rayos solares al interior del elemento envolvente sobre el panel plano de recuperación de calor (fig. 3) con recubrimiento selectivo en la superficie exterior y canales 8 para dejar pasar el fluido transmisor de calor, se produce el calentamiento del panel 7, y a través de éste el del fluido que circula por los canales 8. A todo lo largo del panel 7 de recuperación de calor se prevén elementos recuperadores de calor laterales 9, los que presentan sección rectilínea o en flexión y aseguran la captación de rayos solares al hallarse el sol próximo a la línea del horizonte (a las horas de salida o puesta del sol). Al incidir los rayos solares sobre el dispositivo de recuperación de calor que está dispuesto en el elemento envolvente y transparente a la luz, presenta recubrimiento selectivo en la superficie exterior y está configurado a modo de caja hermética 10 (fig. 4, 5), operan a partir de la energía solar el calentamiento del flujo de fluido gaseoso. Todas las superficies en el interior de la caja 10, al efecto de elevar el coeficiente de traspaso de calor por irradiación, presentan un recubrimiento con elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo del espectro. En el interior de la caja 10 están previstos unos medios para extender la superficie del intercambio de calor e intensificar el intercambio de calor haciendo turbulizar el flujo de aire a modo de una rejilla tipo persiana 11, instalada en la cara interior de la pared posterior de la caja 10, con un recubrimiento que presenta elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo des espectro. Esta rejilla absorbe la radiación procedente de las paredes internas de la caja 10, extiende la superficie 4

ES 2 304 277 B1 del intercambio de calor con el flujo de aire y hace turbulizar el flujo de aire al elevar el coeficiente de traspaso de calor por convección a partir de las superficies calentadas en el interior de la caja 10.

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En el caso de las variantes descritas del colector solar, la radiación solar directa incide sobre la superficie del dispositivo de recuperación de calor, en cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, desde la salida hasta la puesta del sol. Mientras que en horas matutinas - siendo grandes, próximos a 180º, los ángulos de incidencia de los rayos solares - los diseños conocidos de colectores solares prácticamente excluyen que la radiación solar directa incida sobre la superficie captadora de calor, en el diseño preconizado del colector solar la radiación solar viene siendo absorbida por los elementos laterales de los dispositivos de recuperación de calor, y a partir de este momento comienza y continúa hasta la puesta del sol el calentamiento del fluido transmisor de calor.

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Los rayos solares 14 que inciden en el reflector prismático 13 por su cara exterior, lo atraviesan y llegan a parar en la cara lateral del dispositivo de recuperación de calor. Los rayos solares 15 que inciden en el reflector prismático 13 por su cara posterior, son desviados por el mismo y llegan a parar igualmente en la cara lateral del dispositivo de recuperación de calor.

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Una mejora del rendimiento del colector solar se consigue asimismo a resultas de aplicar en la superficie exterior del dispositivo de recuperación de calor (el depósito 4, el panel 7 con elementos laterales 9, la caja 10) un recubrimiento selectivo altamente eficaz con elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo visible y próximo del espectro solar y con elevado coeficiente de reflexión en el intervalo de ondas más largas del espectro.

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Aplicabilidad industrial 25

Todas las soluciones constructivas enumeradas que permiten alcanzar los objetivos preconizados en dicha invención son fáciles a realizar y controlar. Esto, a su vez, asegura la implantación industrial a gran escala del invento en la energética solar.

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ES 2 304 277 B1 REIVINDICACIONES

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1. Colector solar comprendiendo un elemento envolvente cerrado, de un material monocapa o multicapas transparente, constituido por una superficie central, dos superficies cilíndricas laterales, asociadas a la misma por sus bordes extremos, y un plano tangente de las superficies cilíndricas laterales, dos cubiertas laterales colocadas en los extremos del elemento envolvente, y un dispositivo de recuperación de calor dispuesto en el elemento envolvente para transmitir el calor a un fluido a calentar, sobre cuya superficie exterior está aplicado un recubrimiento selectivo, caracterizado porque la superficie central es cilíndrica con radio R, las dos superficies cilíndricas laterales presentan un radio r, mientras que el ancho L del elemento envolvente y los valores R y r están relacionados entre sí mediante las siguientes dependencias: √ 5H > R > 3H; 1,5t > r > ( 2/2)t; 1,1H > L > 1,05H, siendo H y t respectivamente el ancho y el espesor del dispositivo de recuperación de calor. 2. Colector solar según la reivindicación 1, caracterizado porque en calidad del dispositivo de recuperación de calor se utiliza un receiver volumétrico que sirve para calentar y acumular un fluido transmisor de calor. 3. Colector solar según la reivindicación 1, caracterizado porque en calidad del dispositivo de recuperación de calor se utiliza una caja hermética que sirve para dejar pasar un fluido gaseoso ostentando la superficie interior de la caja un recubrimiento con elevado coeficiente de absorción en el intervalo infrarrojo del espectro, mientras que en el interior de la caja están previstos unos medios para intensificar el intercambio de calor. 4. Colector solar según la reivindicación 1, caracterizado porque en calidad del dispositivo de recuperación de calor se utiliza un panel plano de recuperación de calor con canales que sirve para dejar pasar un fluido transmisor de calor y lleva a todo su largo por cada lado dos elementos recuperadores de calor adicionales, rectos o en flexión, con un recubrimiento selectivo que absorbe la radiación solar en su superficie exterior, estando situados los elementos recuperadores de calor laterales por debajo respecto al nivel del plano del panel de recuperación de calor, y tomándose por parámetro t la distancia que media entre el borde inferior del elemento lateral y el plano del panel de recuperación de calor. 5. Colector solar según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en cada una de las dos superficies cílindricas laterales con radio r del elemento envolvente y transparente a la luz están instalados a todo su largo unos reflectores prismáticos superficiales.

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21 Nº de solicitud: 200550042

22 Fecha de presentación de la solicitud: 29.10.2003

32 Fecha de prioridad: 14.04.2003

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

ESPAÑA

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICA 51

Int. Cl.:

F24J 2/05 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES Categoría

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Documentos citados

Reivindicaciones afectadas

A

RU 2177119 C2 (JACHISHIN ANATOLIJ SIL VESTROV; LUKIN VLADIMIR PAVLOVICH; BOGOMOLOV) 20.12.2001, resumen; figuras.

1,4

A

US 4579107 A (DEAKIN et al.) 01.04.1986, descripción; figuras.

1-5

A

US 4335709 A (SLAATS et al.) 22.06.1982, descripción; figuras.

1-5

A

FR 2318393 A1 (CARLOTTI PIERRE) 11.02.1977, descripción; figuras.

A

US 6223743 B1 (PRUEITT et al.) 01.05.2001, descripción; figuras.

1-3,5 1-4

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica

O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

El presente informe ha sido realizado

5 para todas las reivindicaciones 

 para las reivindicaciones nº:

Fecha de realización del informe

Examinador

Página

12.09.2008

D. Herrera Alados

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