dispositivo de proteccion termica de un objeto y estructura en

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
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ES 2 091 583
kInt. Cl. : B64G 1/58
11 N.◦ de publicación:
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ESPAÑA
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B32B 5/22
TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
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kNúmero de solicitud europea: 93450001.8
kFecha de presentación : 22.04.93
kNúmero de publicación de la solicitud: 0 567 417
kFecha de publicación de la solicitud: 27.10.93
T3
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54 Tı́tulo: Dispositivo de protección térmica de un objeto y estructura, en particular un escudo termal,
ası́ obtenido.
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73 Titular/es:
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72 Inventor/es: Parrot, Pierre;
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74 Agente: Morgades Manonelles, Juan Antonio
30 Prioridad: 23.04.92 FR 92 05260
AEROSPATIALE Société Nationale Industrielle
37, Boulevard de Montmorency
F-75781 Paris Cédex 16, FR
45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
01.11.96
45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
ES 2 091 583 T3
01.11.96
Aviso:
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Herman, Philippe;
Lalanne, Philippe y
Tisne, Jean-Louis
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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletı́n europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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DESCRIPCION
La presente invención hace referencia a la protección térmica, en particular en relación con objetos que puedan verse obligados a soportar flujos térmicos muy elevados, pero durante perı́odos
de tiempo relativamente cortos, tal como ocurre con los ingenios espaciales que penetran en
la atmósfera de un planeta.
Ası́, ya sea al regresar a la atmósfera terrestre,
ya sea al penetrar en la atmósfera de otro planeta,
los indicados objetos, tal como, por ejemplo, las
cápsulas de retorno o las sondas espaciales, quedan sometidos en sus superficies exteriores a los
flujos térmicos generados por fenómenos convectivos y/o radiativos determinados por la circulación
gaseosa a muy alta velocidad alrededor del objeto,
durante la penetración.
Para poder soportar las expresadas condiciones, es ya conocida la realización de protecciones
térmicas utilizando, bien materiales del tipo denominado “termo-estructurales” fijados sobre el
objeto a proteger por adhesión o mediante una
unión mecánica, bien estructuras de soporte especiales revestidas con materiales aislantes térmicos
y/o de ablación.
De entre los materiales termo-estructurales es
posible citar, por ejemplo, los materiales composites carbono-carbono tal como los que se citan en
la patente francesa FR-2-493.304, o los realizados
a base de metales termo-resistentes tales como el
berilio.
Entre las estructuras de soporte que deben ser
revestidas con materiales aislantes térmicos y/o
ablativos destinadas a evitar calentamientos excesivos de las extructuras subyacentes, es posible
citar las estructuras metálicas o a base de materiales composites. Estas estructuras de soporte
se revisten con materiales a base de silicona, reforzados con fibras minerales, tal como los que
se mencionan en la patente FR-2-652.036 depositada a nombre de la recurrente, o aligerados por
la presencia de microbolas o burbujas.
Para el revestimiento de estas estructuras
metálicas o de material composite resulta también
posible utilizar los materiales denominados “carbono/ resina” o “sı́lice/resina” provistos de refuerzos fibrosos de carbono o de sı́lice dotados de
muy alta resistencia a las temperaturas.
Todas las soluciones que han quedado apuntadas adolecen de inconvenientes.
Los más importantes inconvenientes que se deducen de la utilización de los materiales denominados termo-estructurales son:
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- un costo elevado relacionado con ciclos de
realización prolongados;
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- el riesgo industrial relacionado con la duración de su ciclo de realización y la dificultad, e incluso la imposibilidad, de reparación, en caso de un defecto o una degradación detectados durante la fabricación o
la ulterior utilización, resultando este punto
particularmente crı́tico para el carbonocarbono, especialmente en el caso en que
el acoplamiento de las piezas elementales
de carbono/carbono da como resultado una
pieza final monolı́tica;
- los peligros fisiológicos derivados del berilio,
cuando se utiliza este último.
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En lo que respecta a las estructuras revestidas con materiales aislantes y/o ablativos, los inconvenientes derivados de la utilización de siliconas armadas y/o aligeradas, o de composites
sı́lice/resina o carbono/resina son:
- la masa total, estructura de soporte más
material, resultante de este tipo de protección;
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- la dificultad, e incluso la imposibilidad, de
realizar piezas monolı́ticas dotadas de las
dimensiones requeridas si se quieren utilizar estos materiales para realizar, por ejemplo, la protección térmica de una cápsula de
retorno a la atmósfera, esta dificultad, sin
embargo, puede quedar atenuada mediante
la concepción de un sistema de enlace entre
piezas elementales, tal como un sistema de
adhesión, por ejemplo;
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- la imposibilidad, a causa de la estanqueidad de estos materiales, de hacer circular
los gases de vaciado a través de la protección térmica cuando se lleva a cabo el
lanzamiento del objeto hacia el espacio, debiendo en tal caso evacuarse estos gases por
un trayecto que no atraviese la protección
térmica;
- la insuficiencia de los márgenes de seguridad ante las previsiones de flujos térmicos
con los que se tropieza cuando se realiza
la penetración en la atmósfera del planeta,
dependiendo estos márgenes del porcentaje
de degradación del material sometido a dicho flujo. A través del documento US-A4 338 368 es conocido un material del expresado tipo, constituido por unas tejas de
fibras rigidizadas aplicadas sobre una estructura de soporte por medio de un cojı́n
de aislamiento y de revestimiento de silicona. Sin embargo, la cara interna de las
tejas ha sido objeto de una densificación que
tiene la consecuencia de hacer estanca dicha
cara. Además, la cara externa de las tejas
es igualmente objeto de una estanqueidificación.
La presente invención se encamina a proponer una estructura de protección térmica para un
vehı́culo espacial que permite los intercambios gaseosos con el exterior, apta para resistir las condiciones térmicas con las que pueda tropezarse
cuando se realiza la penetración en atmósferas
tanto oxidantes como no oxidantes y ello con un
compromiso óptimo entre la masa de dicha estructura de protección y su costo.
La invención se encamina igualmente a facilitar y a lograr que resulte más económica la previsión de una estructura protectora térmica sobre
diversos objetos, que pueden alcanzar dimensiones importantes.
A este efecto, la invención tiene por objeto un
dispositivo de protección térmica de un objeto, en
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particular un vehı́culo espacial, del tipo que comprende una estructura de soporte revestida con un
material aislante térmico bajo la forma de elementos monobloque aplicados sobre dicha estructura
de soporte y constituidos por fibras de carbono o
de sı́lice, unidas por un aglutinante formado por
el mismo constitutivo y eventualmente por una
resina apropiada, caracterizado porque dicho material es un agregado de fibras de un diámetro
inferior o igual a 10 micrómetros y de una longitud inferior o igual a 700 micrómetros, teniendo
dicho agregado una densidad comprendida entre
aproximadamente 0,2 y aproximadamente 0,5 y
porque dichos elementos monobloque son aplicados sobre dicha estructura de soporte por medio
de una capa de cola de fijación interpuesta de manera discontinua entre las caras internas de dichos
elementos y la superficie de la estructura de soporte.
Por otra parte, este tipo de material se adapta
fácilmente, por mecanizado o por moldeo, a la
realización de elementos modulares, del tipo losas
o tejas, que permiten el revestimiento de la estructura de soporte, tal como un escudo térmico de
sonda o de cápsula, en buenas condiciones. Por
otra parte, existe una rigidez suficiente que garantiza la geometrı́a de la superficie externa de
tales elementos, en particular cuando se produce
la penetración en la atmósfera.
La elección del material en función de cada determinada zona del escudo y/o en función de las
condiciones de penetración en la atmósfera y de la
naturaleza de esta última, colabora también a la
flexibilidad de puesta en práctica de la estructura
objeto de la invención. Ası́ por ejemplo, para la
realización de un escudo que deba soportar una
atmósfera oxidante, se utilizará un agregado de
sı́lice, mientras que para una atmósfera no oxidante, podrá igualmente utilizarse un agregado
de carbono.
En todos estos casos, como consecuencia de
la tendencia a desagregarse de los materiales de
este tipo, la cara externa del material será ventajosamente objeto de un tratamiento adecuado,
por ejemplo, bajo la forma de revestimiento con
un film protector de material plástico, según es
en sı́ ya conocido.
El hecho de utilizar agregados de una densidad inferior a aproximadamente 0,5, permite realizar estructuras protectoras sensiblemente más
ligeras que las estructuras revestidas con materiales aislantes térmicos o de ablación que se han
mencionado anteriormente, y mucho menos onerosas como consecuencia de la facilidad de mecanización y de colocación de los elementos modulares monobloque objeto de la invención.
La colocación puede llevarse a cabo de una
manera particularmente simple, de forma conocida, mediante colas a base de siliconas,
situándose las losetas o tejas, en caso de realización de un revestimiento en forma de mosaico,
unas al lado de otras con interposición de una
junta de cola del mismo tipo referido.
Otras caracterı́sticas y ventajas se desprenderán de la descripción que sigue, referida a unas
formas de realización del dispositivo objeto de
la invención, descripción que se da únicamente
a tı́tulo de ejemplo y haciendo referencia a los
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dibujos adjuntos, en los que:
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- la figura 1 representa esquemáticamente en
sección transversal, en la parte de la izquierda, una estructura de soporte provista
de un revestimiento objeto de la invención
y, en la parte de la derecha, la misma estructura de soporte provista de un revestimiento
de acuerdo con una variante;
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- la figura 2 ilustra una forma de fijación complementaria sobre la estructura de soporte
del revestimiento representado en la figura
1;
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- la figura 3 es una vista en sección según la
lı́nea III-III del dispositivo representado en
la figura 2.
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En la figura 1 se ha representado esquemáticamente en 1 una estructura de soporte constituida
por ejemplo por una parte de una estructura de
escudo térmico en forma de cúpula cuya cara externa se halla provista de un dispositivo de protección según la invención. En la figura se ha
representado dicha estructura según una sección
sagital.
La estructura de soporte 1 es por ejemplo una
estructura metálica o una estructura constituida
por un conjunto integrado por un ánima en forma
de nido de abeja eventualmente recubierta por un
tejido, por ejemplo, de carbono de alto módulo,
estando especialmente comercializado este mismo
conjunto por la propia recurrente bajo la denominación comercial NIDA
La parte de la izquierda de la figura 1 representa la zona periférica del escudo y la parte de
la derecha la zona central.
El revestimiento objeto de la invención aplicado sobre la superficie externa de la estructura de soporte 1 está constituido por un cierto
número de losetas individuales 2 realizadas a base
de un agregado de carbono o de sı́lice.
Las losetas 2 no deben forzosamente tener la
misma forma ni las mismas dimensiones, ni la
misma naturaleza, adaptándose a la forma adoptada por el escudo, especialmente a su curvatura,
y a la zona de implantación de las losetas sobre
el mismo.
Los agregados de carbono o de sı́lice son materiales conocidos, constituidos por fibras de uno
de los constitutivos citados, unidas entre sı́ por un
aglutinante formado esencialmente por el mismo
elemento constitutivo.
Preferentemente, las fibras de carbono o de
sı́lice tienen un diámetro inferior o igual a 10
micrómetros y una longitud inferior o igual a 700
micrómetros.
Las fibras se hallan unidas por un aglutinante
formado por el mismo constitutivo y eventualmente por una resina apropiada.
Los agregados de carbono comportan fibras
unidas entre sı́ esencialmente por medio de carbono, mientras que los agregados de sı́lice se
hallan constituidos por fibras de sı́lice unidas entre sı́ por un aglutinante formado por sı́lice y una
resina formo-fenólica.
Para la realización de estos materiales, especialmente los agregados de sı́lice, puede ventajo3
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samente hacerse referencia a la patente FR-2 489
812 depositada a nombre de la recurrente.
Preferentemente, de acuerdo con la invención,
se utilizarán agregados que presenten una densidad comprendida entre aproximadamente 0,2 y
aproximadamente 0,5.
Los indicados materiales presentan unas muy
notables propiedades de resistencia térmica, son
porosos, presentan un grado suficiente de rigidez
para garantizar la geometrı́a de la superficie externa de los elementos realizados a base de estos materiales, en particular cuando se realiza la
penetración en la atmósfera, y, por mecanizado
o moldeo, pueden ser fácilmente dimensionados
y conformados a voluntad adaptándose al objeto
que se trate de recubrir.
Sobre el contorno del escudo, en la zona (1a)
en la que la curvatura se acentúa notablemente,
las losetas 2a se hallan conformadas adecuadamente para adaptarse a esta curvatura.
El porcentaje de porosidad de las losetas 2,2a
puede ser extremadamente importante y superior,
por ejemplo, al 80% del volumen de las mismas.
A pesar de que la porosidad importante de
los expresados materiales permite una cierta circulación de gases, lo que resulta particularmente
interesante para permitir la evacuación, hacia el
exterior del objeto provisto de dicho escudo, de
los gases engendrados en la fase de lanzamiento,
ha podido comprobarse experimentalmente que,
al penetrar de nuevo en la atmósfera terrestre o al
penetrar en otra atmósfera cualquiera, no se producı́a una elevación excesiva de la temperatura de
la estructura de soporte 1 como consecuencia de
la circulación gaseosa a muy alta velocidad alrededor del objeto.
La facilidad de conformación de las losetas
2, 2a permite conferir a su cara exterior la
forma más apropiada para constituir una superficie óptima de frenado, especialmente en la zona
central del escudo (parte de la derecha de la figura
1).
Las losetas 2, 2a son aplicadas sobre la estructura de soporte 1 y se fijan a la misma por
adhesión en la forma conocida, especialmente utilizando colas a base de siliconas. En la figura
1 se ha designado con la referencia 3 una capa
de cola. De una manera general, la cola 3 es, o
bien pre-desgasificada antes de la colocación, o
bien desgasificada después de la misma. Por otra
parte, la cola 3 no se halla dispuesta de manera
continua sobre toda la superficie del interespacio
losetas-estructura de soporte, sino que en la capa
3 se prevén de vez en cuando unas soluciones de
continuidad para garantizar al conjunto el grado
requerido de porosidad.
La fijación por medio de cola puede eventualmente completarse con una fijación mecánica
con auxilio, por ejemplo, de orejetas o de garras
metálicas, tal como se ha ilustrado en las figuras 2
y 3. En la figura 2 se ha representado la fijación,
en si conocida, de dos losetas adyacentes 2 con
ayuda de una pieza en forma de escuadra 4.
La pieza en escuadra 4 comprende una rama
4a que permite llevar a cabo su fijación, por ejemplo, por medio de remaches 5 (figura 2), sobre una
placa metálica 6 que forma parte de la estructura
de soporte, y una rama 4b provista, a uno y otro
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lado de su plano, de unas garras 7 destinadas a
penetrar en la rendija entre las dos losetas 2 adyacentes.
A nivel de la rama 4a, la cara interna de la
loseta 2 se halla provista de un vaciado 8, realizado por mecanización, dispuesto para recibir
dicha rama 4a ası́ como las cabezas de los remaches 5, de manera que las caras externas de las
dos losetas queden enrasadas.
Las losetas 2, 2a quedan dispuestas unas
al lado de las otras y a una cierta distancia,
llenándose los interespacios 9 entre las mismas
con una cola idéntica a la de la capa de fijación 3
y colocada en las mismas condiciones.
En el caso de losetas formadas por un agregado de carbono, resulta más aconsejable tratarlas superficialmente, como consecuencia de la tendencia de que adolece este material a degradarse
superficialmente como resultado de la circulación
de gases a lo largo de la pared del escudo. Un tratamiento de este tipo puede efectuarse, por ejemplo, mediante la adhesión sobre la cara exterior
de las losetas de un film de material plástico, de
manera en si ya conocida, debiendo este film presentar perforaciones con objeto de mantener en el
conjunto del dispositivo de protección térmica el
grado apropiado de porosidad.
En la parte izquierda de la figura 1 se ha representado con la referencia 10 un film del expresado
tipo, situado en posición después de llevar a cabo
la fijación de las losetas 2, 2a sobre la estructura
1. En la parte de la derecha de la figura 1, las losetas 2 se hallan también provistas de un film 11
del expresado tipo, pero este film se coloca sobre
las losetas antes de llevar a cabo su fijación sobre
la estructura, aplicándose el film individual 11 correspondiente a cada loseta 2 de manera que sobresale de las cuatro caras laterales de la misma,
y quedando en contacto con este film la junta de
cola 9 dispuesta entre cada dos losetas.
Las losetas de carbono 2, 2a se utilizan preferentemente para proteger térmicamente escudos u
otras estructuras de soporte de sondas, cápsulas
u otros objetos o vehı́culos espaciales, que deban
enfrentarse a atmósferas no oxidantes tal como
las que se hallan en otros planetas distintos de la
tierra.
En atmósferas oxidantes tales como la atmósfera terrestre, no es posible utilizar el carbono a
causa de los riesgos de oxidación. En este caso, las
losetas se realizan a base de agregado de silicio.
Cuando presenta reducidas dimensiones la superficie de la estructura de soporte que debe protegerse térmicamente, resulta posible prever una
sola loseta o análogo adaptada a la forma y a las
dimensiones que correspondan.
De una manera general, la estructura modular del revestimiento objeto de la invención permite realizar previamente losetas, tejas o análogos
de dimensiones normalizadas y someterlas a toda
clase de controles antes de llevar a cabo su colocación sobre la estructura de soporte.
La variedad de materiales disponibles permite
una elección del tipo de material más apropiado
a las necesidades concretas de cada caso.
De esta forma resulta posible, por ejemplo, disponer, no solamente losetas o elementos
análogos dotados de configuraciones diferentes,
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sino incluso de distinta naturaleza (carbono o
sı́lice) adaptándose a cada zona concreta del escudo.
Por otra parte, la reparación de los revestimientos protectores térmicos objeto de la invención, en caso, por ejemplo, de detección de
defectos o degradaciones cuando se realiza la estructura protectora o después de su utilización,
de cara al retorno a la tierra, puede llevarse a
cabo de una manera relativamente cómoda y más
económica interviniendo localmente para sustituir
la o las losetas o elementos análogos defectuosos o
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estropeados, lo que evita tener que desechar toda
la estructura.
Las diferentes ventajas que se deducen de una
estructura de revestimiento térmico y poroso del
tipo descrito, permiten alcanzar un compromiso
óptimo entre la masa de dicho revestimiento y su
costo.
En fin, la invención no puede evidentemente
considerarse limitada a las formas de realización
que han sido descritas y representadas, sino que
-por el contrario- cubre todas las variantes comprendidas en las reivindicaciones.
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REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de protección térmica de un objeto, en particular un vehı́culo espacial, del tipo
que comprende una estructura de soporte (1) revestida por un material aislante térmico bajo la
forma de elementos monobloque (2, 2a) aplicados sobre dicha estructura de soporte y constituidos por fibras de carbono o de sı́lice, unidas
por un aglutinante formado por el mismo constitutivo y eventualmente por una resina apropiada, caracterizado porque dicho material es
un agregado de fibras de un diámetro inferior o
igual a 10 micrómetros y de una longitud inferior o igual a 700 micrómetros, teniendo dicho
agregado una densidad comprendida entre aproximadamente 0,2 y aproximadamente 0,5 y porque
dichos elementos monobloque (2, 2a) se aplican
sobre dicha estructura de soporte (1) por medio
de una capa de cola de fijación (3) interpuesta de
una manera discontinua entre las caras internas
de dichos elementos (2, 2a) y la superficie de la
estructura de soporte (1).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque se dispone una cola de fijación (5) en los intervalos entre los referidos elementos monobloque.
3. Dispositivo según las reivindicaciones 1 ó
2, caracterizado porque la cara externa de dichos elementos (2, 2a) recibe un tratamiento anti-
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disgregación.
4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el tratamiento anti-disgregación se halla constituido por la fijación, especialmente por adhesión, de un film (6, 7) de material
plástico, perforado.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicho film de material
plástico (6) es aplicado sobre los expresados elementos (2, 2a) después de colocar estos últimos
sobre la referida estructura de soporte (1).
6. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el referido film de material
plástico (7) es aplicado sobre los elementos (2)
antes de colocar estos últimos sobre la expresada
estructura de soporte (1) y recubre las caras laterales de dichos elementos.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los referidos
elementos (2, 2a) se fijan en posición al mismo
tiempo por adhesión (3) y mecánicamente, utilizando unos dispositivos apropiados (4) dotados
de orejetas o garras.
8. Escudo para la protección térmica de una
sonda, una cápsula o elemento análogo, cuya estructura se realiza de acuerdo con el dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, estando constituida la estructura de soporte especialmente por un conjunto del tipo nido de abeja
y un revestimiento de tejido de carbono.
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NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva
del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposición Transitoria del RD
2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicación
del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a España y solicitadas antes del
7-10-1992, no producirán ningún efecto en España
en la medida en que confieran protección a productos quı́micos y farmacéuticos como tales.
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Esta información no prejuzga que la patente esté o
no incluı́da en la mencionada reserva.
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