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Dokumentenidentifikation DE102005057435A1 22.06.2006
Titel Entlüftungsanlage
Anmelder Taylor, John A., Pompton Plains, N.J., US
Erfinder Taylor, John A., Pompton Plains, N.J., US
Vertreter Vonnemann, Kloiber & Kollegen, 81667 München
DE-Anmeldedatum 30.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005057435
Offenlegungstag 22.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.2006
IPC-Hauptklasse B01D 19/00(2006.01)A, F, I, 20051130, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Entlüfter enthält eine stationäre Trennkammer mit einer ersten und einer zweiten einander gegenüberliegenden Wand und einer dazwischen liegenden Umfangswand. An einer Welle sind rotierende Schaufeln angebracht. Ein großer Einlass führt zu der stationären Kammer an dem ersten Ende und ist entlang einer Mittelachse der Kammer angeordnet. Ein Luftsperranschluss liegt im Inneren des Einlasses und ist entlang einer Mittelachse der Kammer angeordnet. Die Schaufeln sind dergestalt von der Umfangswand beabstandet, dass ein Spalt entsteht. Eine Austrittskammer ist an dem zweiten Ende zwischen den Schaufeln und der zweiten Wand enthalten. Durch den Luftsperranschluss wird ein Vakuum angeschlossen. Ein Ventil mit variabler Öffnung befindet sich am Einlass und am Auslass. Am Einlass und Auslass sind des Weiteren Drucksensoren angeordnet. Die Ventile werden so gesteuert, dass die Fluidströmung, der interne Pegel und der Druck in der Kammer reguliert werden.

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG UND ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Trennung von Flüssigkeiten und Luft und insbesondere eine Entlüftungsvorrichtung und eine Entlüftungsanlage zum Entfernen von Luftblasen aus einer Vielfalt von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Beschichtungen.

Es gibt verschiedene Basisprozesse zum Entfernen von Luftblasen durch Zentrifugalkraft. Jeder Prozess hat seine Nachteile, und keiner von ihnen wird heute verwendet, um vollständig blasenfreie Beschichtungen herzustellen.

Der Hydrozyklon schleudert Fluid entsprechend der Eintrittsgeschwindigkeit in das Innere einer Röhre. Hydrozyklone können nur einen begrenzten Viskositätsbereich verarbeiten, und sie können nicht alle Luft entfernen, da das Fluid die Trennkammer unter Druck verlässt, wodurch bei normalem atmosphärischen Druck Blasen aufschäumen können.

Ein Rotationstank hat ähnliche Probleme. Darüber hinaus ist er teuer und kann aus Sicherheitsgründen nur eine begrenzte Drehzahl erreichen.

Ein weiterer Prozess ist ein stationärer Tank, in dessen Inneren sich Schaufeln drehen. Bei diesen Systemen ist aber die Entwicklung von Wärme ein Problem.

Es gibt allerdings einen Prozess, der in der Lage ist, eine vollkommen luftfreie Beschichtung hervorzubringen. Dieser Prozess arbeitet mit rotierenden Scheiben im Inneren einer Vakuumkammer, um eine sehr dünne Schicht herzustellen. Die Schicht ist so dünn, dass die Blasen zur Oberfläche aufsteigen und platzen. Leider sind diese Maschinen sehr teuer, weil die Vakuumkammer sehr dickwandig ist, damit es zu keiner Implosion kommt. Diese Maschinen sind auch sehr schwierig zu steuern und zu reinigen.

Im Folgenden werden konkrete Vorrichtungen oder Anlagen zum Entfernen von Luftblasen eingehender besprochen.

US-Patent Nr. 4,435,193 an Gullichsen und Mitarbeiter offenbart eine Zentrifugalpumpe, umfassend ein Gehäuse, einen Einlasskanal an einem Ende des Gehäuses, einen Fluideinlass am Umfangsrand des Gehäuses, einen Rotor mit sich axial erstreckenden Schaufeln, eine Gasaustrittskammer, die unter der Trennkammer durch eine Trennwand abgetrennt ist, einen Gasauslass in der Gasaustrittskammer und Öffnungen in der Trennwand, um eine strömungsmäßige Verbindung zwischen den Kammern herzustellen. Eine Suspension wird innerhalb der Pumpe so rotiert, dass eine Gasblase an einem mittigen Abschnitt der Pumpe erzeugt wird und Gas aus der Gasblase mit einem Gasablassdruck abgelassen wird. Der Gasablass führt zu einer Vakuumpumpe.

Die Ablassströmungsrate des Fluids wird durch ein Ventil und einen Strömungsmesser im Fluidauslass gesteuert. Ein dP-Instrument ist zwischen dem Fluidauslass und einem Flüssigkeitsbehälter, aus dem das Fluid zu dem Einlass heranströmt, angeschlossen. An den Fluideinlass und den Gasauslass ist eine dP-Steuerung angeschlossen, um den Druckunterschied zwischen dem Suspensionseinlass und dem Gasauslass zu messen.

US-Patent Nr. 3,546,854 an Müller offenbart einen nicht-drehenden Zentrifugalseparator, umfassend ein zylindrisches Gehäuse, ein Einlassrohr an einem Ende des Gehäuses, ein Auslassrohr und ein Abflussrohr am entgegengesetzten Ende und eine Leitblechbaugruppe, die Schaufeln umfasst, die an einem Montagerand in der Form einer Scheibe angebracht sind. Zentrifugalkraft trennt ein gasförmiges Fluid in einen Gasstrom in der Mitte und einen aus Flüssigkeitspartikeln bestehenden Ringmantel. Der Gasstrom verlässt den Auslass, während das Fluid durch den Abfluss austritt.

US-Patent Nr. 3,597,904 an Jakobsson und Mitarbeiter offenbart eine Flüssigkeits-Gas-Trennvorrichtung, umfassend ein Pumpengehäuse, einen Einlass, der zu dem Gehäuse führt, ein Gasablassrohr, das in dem Einlass entlang einer Mittelachse des Pumpengehäuses angeordnet ist, eine Vakuumquelle, die an das Gasablassrohr angeschlossen ist, einen Pumpenrotor, der von einer Welle angetrieben wird, um Schaufeln dergestalt anzutreiben, dass das Fluid entlang den Wänden durch einen Auslass am Umfangsrand des Gehäuses strömt.

US-Patent Nr. 4,136,018 an Clark und Mitarbeiter offenbart einen Wirbelseparator, umfassend eine zylindrische Kammer, einen Einlass an einem ersten Ende, der sich koaxial zu einem Leichtrückstandsausstoßrohr erstreckt und dieses umgibt, eine Welle, die ein Flügelrad an einem zweiten, entgegengesetzten Ende in Drehbewegung versetzt, eine durchbrochene Wand am zweiten Ende, eine Gutstoffkammer, die zu einem Gutstoffrohr führt, und einen Schwerrückstandsauslass in einer Seitenwand neben der ersten Wand. Das Flügelrad definiert einen Ringdurchlass.

US-Patent Nr. 4,382,804 an Mellor offenbart einen Fluid-Teilchen-Separator, umfassend ein zylindrisches Gehäuse, das einen Separator enthält, der eine Scheibe von im Wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie die Innenwand des Gehäuses umfasst, wodurch ein kleiner radialer Spielraum bleibt. Die Scheibe ist mit mehreren Schaufeln ausgebildet. Hinter dem Separator ist eine Ablenkplatte angeordnet. Ein Fluideinlass ist an einem Ende des Gehäuses angeordnet, und ein Fluidauslass ist am entgegengesetzten Ende angeordnet.

US-Patent Nr. 4,416,672 an Underwood offenbart eine Vorrichtung zum Entfernen von Gas aus einem Schlamm, umfassend eine Kammer mit einem Einlass an einem Ende und Schlamm- und Gasauslässen am entgegengesetzten Ende. Eine Welle ist mittig entlang der Achse der Kammer angeordnet und ist an Schaufeln und zwei voneinander beabstandeten Scheiben befestigt. Wenn die Scheiben und Schaufeln der Welle sich drehen, so wirkt auf den Schlamm eine Fliehkraft ein, wodurch das Gas vom Schlamm getrennt wird. Der Schlamm tritt durch einen am Umfang oder Rand liegenden Auslass aus, während das Gas durch mehrere Gasauslässe austritt.

US-Patent Nr. 4,955,992 an Goodale und Mitarbeiter offenbart ein Fluidentlüftungssystem, umfassend einen Flüssigkeitsvorratsbehälter mit einem Einlass für den Erhalt einer Flüssigkeit, einem Auslass zum Ausstoßen von entlüfteter Flüssigkeit und einer Vakuumquelle, die steuerbar über ein Ventil angeschlossen ist, um Gas aus der Flüssigkeit abzuziehen. Ein Leitblech verhindert, dass Luftblasen zu dem Auslass strömen, während das Fluid weiter zu dem Auslass strömen kann. Ein Ventil in dem Flüssigkeitseinlass kann den Fluss zu dem Vorratsbehälter unterbrechen, während ein Vakuum angelegt wird. Ein zweites Ventil in einer Auslassleitung kann den Fluss von dem Vorratsbehälter unterbrechen, wenn ein Vakuum anliegt.

US-Patent Nr. 5,324,166 an Elonen und Mitarbeiter offenbart eine Zentrifugalpumpe, umfassend ein Gehäuse mit einem Flüssigkeitsströmungseinlass, ein Flügelrad mit Pumpschaufeln und einem mittigen Gasdurchlass sowie einen Gasauslass, der an eine externe Vakuumpumpe angeschlossen ist. Gas wird durch das Flügelrad und die Pumpschaufeln abgeschieden und wird in der Mitte des Gehäuses gesammelt, wo es durch den mittigen Gasdurchlass des Flügelrades zum Gasauslass abgezogen wird.

US-Patent Nr. 4,976,586 an Richter und Mitarbeiter offenbart ein Pumpensystem, umfassend ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, ein Flügelrad mit einer Nabe und Schaufeln, einen Hohlrohrkörper mit Schaufeln, die an einer Welle angebracht sind, die sich dreht und Zellstoffbrei zu dem Flügelrad drängt. Gas, das sich am Flügelrad angesammelt hat, wird durch einen Durchgang in der Welle des Rohrkörpers über eine externe Vakuumpumpe abgezogen.

US-Patent Nr. 5,622,621 an Kramer offenbart einen Fluidabscheider, umfassend eine zylindrische rotierende Schale, einen Einlass an einem Ende der Trommel, umfänglich voneinander beabstandete Schaufeln nahe dem Einlass sowie Auslassabschnitte, die entlang des Umfangs um den Einlass beabstandet sind und zu einem Gasverteiler führen. Wasser sammelt sich am Umfangsrand der Schale an, während Gas mit geringerer Dichte in die Auslassabschnitte gedrängt wird. Das Wasser fließt über axiale Durchlässe, die im Umfangsrand der Wände der Schale ausgebildet sind, auf ein Scheibenpumpenabteil.

Ein Fliehkraftkompressor, der eine Nabe mit radial angeordneten Schaufeln aufweist, ist aus US-Patent Nr. 2,611,241 an Schulz offenbart.

Eine Drucküberwachungssteuerung von Ventilen ist aus US-Patent Nr. 5,190,515 an Eaton und Mitarbeiter bekannt, wo ein System zum Erfassen und Steuern des Flüssigkeitsstandes in einer Zentrifugenschale offenbart ist, umfassend einen Drucksensor an dem Auslass der Schale, der mit einer Steuerung und einem Ventil des Einlasses verbunden ist. Über eine Vakuumquelle wird Gas aus dem Gehäuse abgezogen.

US-Patent Nr. 1,993,944 an Peebles lehrt eine Zentrifugalpumpe, bei der der Druck im Inneren der Pumpe überwacht wird, um ein Ventil am Auslass zu steuern.

US-Patent Nr. 5,800,579 an Billingsley und Mitarbeiter offenbart eine Drucksteuerungsvorrichtung für einen Zyklonseparator, umfassend einen Druckdifferenzmesswertwandler zum Messen des Drucks in der Kammer des Zyklonseparators. Ein Drucksensor befindet sich in der Trennkammer, und eine Mikroprozessorsteuerung ermittelt Druckunterschiede zwischen Einem voreingestellten Ventil und einem Druck in der Trennkammer. Ein Steuerventil mit variabler Strömung ist mit einer Ablassöffnung der Kammer verbunden und erhöht den Luftstrom in Reaktion auf einen erhöhten Druck in der Trennkammer, der durch die Steuerung erfasst wird.

Es besteht Bedarf an Entlüftungsvorrichtungen, die eine vollständig luftfreie Beschichtung herstellen können, während sich in geringem Maße Wärme entwickelt. Des Weiteren besteht auf diesem technischen Gebiet der Bedarf, dass diese Vorrichtungen so aufgebaut sind, dass sie zum Reinigen mühelos zerlegt werden können. Schließlich besteht angesichts der derzeitigen Technologien, bei denen teure Vakuumsysteme zum Einsatz kommen, um vollständig luftfreie Beschichtungen zu erhalten, Bedarf an einer kostengünstigen Lösung zum Herstellen von vollständig luftfreien Beschichtungen. Insbesondere wird eine Entlüftungsanlage benötigt, bei der die hohen Kosten einer großen Vakuumkammer und die resultierenden hohen Kosten zur Erzeugung eines Vakuums überwunden werden. Es besteht des Weiteren Bedarf an einer Druckunterschiedsüberwachung, um auf ankommende und abgehende Fluide einzuwirken, und an Prozesssteuerungen, die unabhängig von Prozessstörungen, wie beispielsweise übermäßiger ankommender Luft oder vorübergehender Vakuumverluste, die Zufuhr von luftfreien Fluiden gewährleisten.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsvorrichtung bereitzustellen, die eine vollständig luftfreie Beschichtung herstellen können, während sich nur wenig Wärme entwickelt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsvorrichtung bereitzustellen, die sich zum Reinigen mühelos zerlegen lässt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsanlage bereitzustellen, mit der sich vollständig luftfreie Beschichtung herstellen lassen, während die hohen Kosten einer großen Vakuumkammer und die resultierenden hohen Kosten zur Erzeugung eines Vakuums überwunden werden.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entlüftungsanlage bereitzustellen, bei der eine Druckunterschiedsüberwachung verwendet werden kann, um ankommende und abgehende Fluide zu steuern.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Prozesssteuerungen bereitzustellen, die unabhängig von Prozessstörungen, wie beispielsweise übermäßiger ankommender Luft oder vorübergehender Vakuumverluste, die Zufuhr von luftfreien Fluiden gewährleisten.

Dementsprechend umfasst eine Entlüftungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine stationäre Trennkammer mit einer ersten und einer zweiten einander gegenüberliegenden Wand und einer Umfangswand zwischen der ersten und der zweiten einander gegenüberliegenden Wand. Eine rotierende Schaufel ist an einer Welle angebracht. Um das Vermischen mit einer Ringströmung zu verhindern, können eine Scheibe, sekundäre gewinkelte Schaufeln oder ein zylindrisches Element an der rotierenden Schaufel an geeigneten Stellen angebracht sein. Die Baugruppe der rotierenden Schaufel mit einer Scheibe ist mittels einer Nabe und einer Mutter, die die Nabe an der Welle hält, angebracht. Ein mittiger Abschnitt der Schaufel ist ausgeschnitten oder hat eine Kerbe, dergestalt, dass ein Zugang zum Abnehmen der Mutter von der Nabe zum Erleichtern der Demontage geschaffen wird.

Ein großer Einlass führt zu der stationären Kammer an der ersten Wand und ist entlang einer Mittelachse der Kammer angeordnet. Ein Luftsperranschluss liegt im Inneren des Einlasses und ist entlang einer Mittelachse der Kammer angeordnet. Zwischen dem Bereich, der von der rotierenden Schaufel bestrichen wird, und der Umfangswand ist ein Spalt ausgebildet. Der Spalt führt zu einer Austrittskammer, die zwischen der zweiten Wand und den rotierenden Schaufeln angeordnet ist. Die zweite Wand hat einen Auslass, der mit dem Spalt in strömungsmäßiger Verbindung steht. Wenn die rotierende Schaufel an einer Scheibe befestigt ist, so wird zwischen der Scheibe und der Umfangswand ein Ringraum gebildet. Der Ringraum kann den gleichen Umfang haben wie – oder kann einen anderen Umfang haben als – der Spalt, der durch die Schaufel entlang des übrigen Teils der Kammer gebildet wird. Durch den Luftsperranschluss wird ein Vakuum angeschlossen. Ein Ventil mit variabler Öffnung befindet sich am Einlass und am Fluidauslass. Am Einlass und Auslass sind des Weiteren Drucksensoren angeordnet. Die Ventile werden so gesteuert, dass die Fluidströmung, der interne Pegel und der Druck in der Kammer reguliert werden.

Die verschiedenen neuartigen Merkmale, welche die Erfindung kennzeichnen, werden konkret in den Ansprüchen dargelegt, die dieser Offenbarung angehängt sind und einen Teil von ihr bilden. Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer funktionalen Vorteile und speziellen Aufgaben, die durch ihren Gebrauch erfüllt werden, wird auf die begleitenden Zeichnungen und die Beschreibung Bezug genommen, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen ist:

1: ein Schaubild der Entlüftungsanlage der vorliegenden Erfindung.

2A: eine seitliche Querschnittsansicht der Entlüftungsanlage der vorliegenden Erfindung.

2B: eine seitliche Querschnittsansicht der Entlüftungsanlage der vorliegenden Erfindung mit einer Vorscherungskammer.

3A: eine seitliche Querschnittsansicht einer Entlüftungsanlage, bei der eine Schaufel an einer Scheibe angebracht ist.

3B: eine auseinandergezogene Ansicht des Zusammenbaus der in 3A gezeigten Schaufel.

3C: eine seitliche Querschnittsansicht einer Entlüftungsanlage, bei der zwei Schaufeln an einer Scheibe angebracht sind.

4A: eine seitliche Querschnittsansicht, die schematisch sekundäre gewinkelte Schaufeln zum Verhindern einer Ringströmung in der Austrittskammer zeigt.

4B: eine Vorderansicht der gewinkelten Schaufeln von 4A.

5: eine seitliche Querschnittsansicht, die schematisch einen Ring zum Verhindern einer Ringströmung in der Austrittskammer zeigt.

6: ein Schaubild der Entlüftungsanlage der vorliegenden Erfindung, bei der entlüftetes Fluid in einer Beschichtungsanwendung verwendet wird und zusätzliches Fluid in den Tank zurückgeleitet wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wenden wir uns nun den Zeichnungen zu, wo gleiche Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen. 1 zeigt eine Entlüftungsanlage 10. Die Entlüftungsanlage 10 beginnt mit einem Tank 12, der ein zu entlüftendes Fluid enthält. Ein Entlüfter 14 liegt stromabwärts vom Tank 12. Der Entlüfter 14 hat einen Einlass 16 und einen Luftsperranschluss 18 an einem Ende und einen Auslass 46 an einem gegenüberliegenden Ende. Der Entlüfter 14 empfängt ein Fluid durch den Einlass 16 und entlässt entlüftetes Fluid durch den Auslass 46 am gegenüberliegenden Ende. Ein Ventil 50 befindet sich zwischen dem Tank 12 und dem Entlüfter 14 zum Steuern des Volumens an Fluid, das zum Entlüfter 14 strömt. Ein Drucksensor 55 und ein Auslassventil 57 befinden sich nahe dem Auslass 46 des Entlüfters 14. Eine Sammelkammer 60 liegt stromabwärts vom Entlüfter 14 und empfängt entlüftetes Fluid. Der Luftsperranschluss 18 ist an einen Entgaser 70 und eine Vakuumquelle 75 angeschlossen. Ein Vakuumsensor 80 ist an die Vakuumquelle 75 angeschlossen. Bei der Vakuumquelle 75 kann es sich um eine beliebige Quelle zum Erzeugen eines Vakuums handeln, die mit minus 12 psi arbeiten kann.

Das Vakuum wird in dem Einlass 16 mit einem Ventil 50 mit variabler Öffnung gehalten. Diese Ventilöffnung sowie der Vakuumpegel steuern die in das System hineingehende Strömung. Ein Ventil 57 mit variabler Öffnung nahe dem Auslass 46 steuert die Strömung, die das System verlässt. Die Ventile werden von den Drucksensoren 55 und 80 in dem System über geeignete Steuerungsmittel, wie beispielsweise elektronische, pneumatische oder mechanische Mittel, angesteuert.

Beispielsweise können der Drucksensor und der Vakuumsensor ein elektronisches Signal erzeugen, das die Stellung des Ventils mit variabler Öffnung steuert. Elektronische Daten werden an eine programmierbare Logiksteuerung (PLC) in Form digitaler Daten und Spannungsdaten gesandt. Dann wird das Ventil mittels einer Proportional-Integral-Derivative-Steuerung (PID-Steuerung) gesteuert. Eine PID-Steuerung misst einen Ausgangswert eines Prozesses und steuert einen Eingangswert, mit dem Ziel, den Ausgabewert auf einem Zielwert zu halten, den man den "Sollwert" nennt. Der Grundgedanke ist, dass die Steuerung einen Sensor liest. Dann zieht sie die Messung von einem gewünschten Sollwert ab, um einen "Fehler" zu ermitteln. Der Fehler wird dann auf drei verschiedene Arten gleichzeitig behandelt. Um die Gegenwart zu verarbeiten, wird der Fehler mit einer proportionalen Konstante P multipliziert. P ist immer negativ, um den Ausgangswert in Richtung des Sollwerts zu verschieben. Um die Vergangenheit zu verarbeiten, wird der Fehler über einen Zeitraum hinweg integriert (oder gemittelt, oder summiert) und dann mit einer Konstante I multipliziert. Um die Zukunft zu verarbeiten, wird die erste Ableitung des Fehlers (seine Änderungsrate) im Verhältnis zur Zeit berechnet und mit einer weiteren Konstante D multipliziert. Wenn die Summe aus dem Obigen ungleich Null ist, aber zu klein, um eine Auswirkung zu haben, so wird der kleinste Wert mit dem gleichen Vorzeichen (in der Regel –1 oder 1) erzeugt. Die Summe aus dem Obigen wird zu dem letzten Ausgangswert der PID-Schleife addiert. Dadurch wird jeglicher konstanter Versatz in dem Steuerungsverhalten beseitigt. Ein Computer übermittelt einen erzeugten Ausgangswert an das Ventil. Die Ausgangszahl wird einer Funktion zugeordnet, wie beispielsweise Öffnen oder Schließen. Dadurch öffnet oder schließt das Ventil auf der Grundlage der ausgegebenen Ausgangszahl.

Während des Betriebes arbeitet das Steuerungsmittel folgendermaßen mit dem Vakuumpegel. Aufgrund der Eigenart von Vakuumgeneratoren schwankt der tatsächliche Vakuumpegel dergestalt, dass der Luftstrom ausgeglichen wird, der aus dem Fluid abgezogen wird. Ein größerer Luftstrom bringt ein geringeres Vakuum mit sich, wodurch natürlich die Pumpwirkung des Vakuumgenerators verstärkt wird. Wenn das Vakuum zu gering wird, so muss die Flüssigkeitsströmungsrate verlangsamt werden, um den Gasstrom zu verringern und das Vakuum über dem Wert zu halten, der für einen guten Blasenaustrag erforderlich ist. Wenn der Eingangsstrom sich verlangsamt, so muss sich auch der Ausgangsstrom verlangsamen, um den Pegel im Inneren des Entlüfters 14 aufrecht zu erhalten. Die Vakuumkapazität wird groß genug bemessen, damit sie die ankommende Luft mit der gewünschten Strömungsrate und dem gewünschten Luftgehalt austragen kann. Es ist wichtig, dass das Steuerungsmittel einen Mindestvakuumpegel aufrecht erhält, selbst wenn der ankommende Luftgehalt mit einer unerwarteten Stoßbelastung schwankt, wie beispielsweise im Fall einer neuen Beschichtungsladung mit hohem Luftgehalt. Andernfalls würden Blasen in den nächsten Prozess hineingetragen werden.

Des Weiteren muss der Pegel im Inneren des Entlüfters 14 so gehalten werden, dass weder der Vakuumempfänger mit Fluid überschwemmt wird, noch dass die Kammer mit zu wenig Fluid für den Prozessablauf unterversorgt wird.

Schließlich müssen die Prozessströmungsrate und der Mindestvakuumpegel durch den Bediener justiert werden können, um sie an die Anforderungen des Prozesses und an die hergestellte Güte anzupassen.

Unter Verwendung des oben beschriebenen Steuerungsmittels stellt der Bediener ein Maximalströmungsziel und einen Mindestvakuumpegel ein. Wenn das Vakuum unter diesem Pegel liegt, so wird die Eingangsströmung verringert, um die Gasbelastung zu verringern. Sobald der Mindestvakuumpegel erreicht ist, wird das Einlassventil in einer Stellung gehalten, mit der die maximale Strömungsrate erzeugt wird. Diese Strömungsrate entspricht einem Vakuumpegel und einer Ventilstellung.

Die Pegelregelung im Inneren des Entlüfters 14 wird durch Erfassen des Unterschiedes zwischen dem Druck am Auslass 46 und dem Einlassdruck gesteuert. Wenn der Pegel im Inneren des Entlüfters 14 abfallen kann, so fällt der Druckunterschied, da die Zentrifugalkraft den Beitrag vom Kern verloren hat. Wenn der Druckunterschied fällt, schließt sich ein Steuerventil am Auslass 46, um den Pegel wiederherzustellen.

Wenden wir uns nun dem Entlüfter der vorliegenden Erfindung zu. 2A zeigt einen Entlüfter 14, der eine stationäre Trennkammer 22 umfasst, die ein Volumen definiert und eine Mittelachse hat. Die Trennkammer 22 umfasst eine Kammerwand mit einem vorderen Wandabschnitt 24, einem Umfangsrandabschnitt 26 und einen Rückwandabschnitt 28.

Der Einlass 16 ist ein Ringraum, der am vorderen Wandabschnitt 24 angeordnet ist und eine L-Form mit einem Knie 17 aufweist. Der Einlass 16 mündet in die Kammer 22 entlang der Mittelachse. Dadurch tritt Fluid in den Einlass 16 in einer Achse ein, die im rechten Winkel zur Mittelachse verläuft, und wird dann durch das Knie 17 so umgelenkt, dass es parallel zu – und entlang der – Mittelachse strömt. Der Luftsperranschluss 18 liegt im Inneren des Eingangs 16 und tritt durch eine Außenwand des Einlasses an einem Abschnitt des Einlasses aus, der eine Achse aufweist, die im rechten Winkel zur Mittelachse verläuft. Der Einlass 16 hat einen großen Durchmesser, der zwischen 25 % und 50 % des Durchmessers der Kammer liegt und ganz besonders bevorzugt 33 % des Durchmessers der Kammer misst. Der große Durchmesser des Einlasses minimiert die Flüssigkeitssäule im Tank, die erforderlich ist, um das Fluid in die Kammer zu drängen, verhindert, dass der Einlassdruck zu einem Vakuum wird, und erzeugt etwas Druck, um Rückstände aus der Kammer zu drängen. Der große Durchmesser minimiert außerdem Turbulenzen während des Übergangs von der linearen zur rotierenden Strömung, was wiederum die Entwicklung von Wärme minimiert.

Die Trennkammer 22 beherbergt eine rotierende Schaufel 32 oder mehrere solcher Schaufeln, die an einer Welle 36 befestigt sind, die durch die Rückwand 28 in die Kammer 22 eintritt. Die Welle 36 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor gedreht. Die Schaufel 32 ist von den Wänden der Kammer beabstandet, so dass ein kleiner Spalt 44 entsteht. Die Drehung der Schaufel 32 definiert ein Bestreichungsvolumen, das einen wesentlichen Teil des Kammervolumens einnimmt, und zwar im Bereich von 40 % bis 97 % des Kammervolumens. Das Bestreichungsvolumen ist daher als das Kammervolumen definiert, das bestrichen wird, wenn sich die Schaufel 32 entlang ihrer Achse dreht.

Der kleine Spalt 44 führt zu einer Austrittskammer 68, die sich zwischen dem Rückwandabschnitt 28 und der Rückseite der Schaufel 32 befindet. Der Rückwandabschnitt 28 hat einen Auslass 46. Der Bereich des Spalts 44 ist deutlich größer als der Bereich des Auslasses 46, um Rückstau zu minimieren. Dieser Bereich ist vorzugsweise 30 % größer als der Auslassbereich, kann aber auch bis zu 60 % größer sein als der Auslassbereich. Fluid strömt schneller durch den Auslass 46 als durch den Spalt 44. Es wurde festgestellt, dass der Spalt 44 zur Verringerung der Entwicklung von Wärme beiträgt.

Eine in 2B gezeigt alternative Ausführungsform enthält eine Vorscherungskammer. Die Vorscherungskammer enthält ein großes Luftsperrrohr 18b des Luftsperranschlusses 18, das an der Vorderseite der rotierenden Schaufel 32 angebracht ist und von einem Vorscherungsringraum 19 umgeben ist, durch den das Fluid in die Kammer eintritt. Der Vorscherungsringraum 19 zerstört jegliche Struktur in dem heranströmenden Fluid, die eine Blase während ihres Entfernens überwinden müsste. Er beschleunigt auch das heranströmende Fluid auf die Drehgeschwindigkeit der Schaufeln. Dies ist wichtig, da Fluide Polymere aufweisen, die mit anderen Polymeren Strukturen bilden, und eine Vorscherung dieser Strukturen senkt die Viskosität, gegen die eine Blase während ihres Entfernens arbeitet. Dies wiederum verringert die Prozessintensität des Entlüfters. Oder anders ausgedrückt: Die Vorscherung ermöglicht das Entfernen von Luft mit weniger Arbeit und weniger Wärmeentwicklung durch den Entlüfter.

Bei anderen alternativen Ausführungsformen können verschiedene Strukturen verwendet werden, um eine Ringströmung in der Austrittskammer 68 zu vermeiden. Bei der in 3A gezeigten alternativen Ausführungsform beherbergt die Trennkammer 22 eine rotierende Schaufel 32, die über eine Scheibe 34 an einer Welle 36 befestigt ist. Die Welle 36 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor gedreht, der wiederum die Scheibe und die daran angebrachten Schaufeln 32 dreht. Die rotierenden Schaufeln 32 sind an der Welle 36 und der Scheibe 34 mittels einer Nabe 38 und einer Mutter 40 befestigt, wie in 3B gezeigt. Die Schaufeln 32 haben eine Kerbe 42, um den Zugang zu der Mutter 40 zu gestatten, um die Mutter von der Nabe 38 abnehmen zu können und die Schaufeln 32, die Scheibe 34 und die Nabe leichter zerlegen zu können. Die Scheibe 34 verhindert außerdem eine Ringströmung in der Auslasskammer 68.

Die Scheibe 34 ist von der Umfangswand der Kammer durch einen Ringraum 30 beabstandet, der den gleichen Durchmesser haben kann wie – oder einen anderen Durchmesser haben kann als – der Spalt 44.

Wie in 3C gezeigt, kann mehr als eine einzige Schaufel an der Scheibe 34 befestigt sein. 3C zeigt Schaufeln 33a und 33b, die an einer Scheibe 34 befestigt sind. Der Durchmesser des Ringraums 30 ist außerdem kleiner als der Durchmesser des Spalts 44.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können sekundäre gewinkelte Schaufeln verwendet werden, um einen ausgleichenden Pumpdruck zu erzeugen, um eine Ringströmung in der Austrittskammer 68 zu verhindern. 4A zeigt schematisch eine gewinkelte Schaufelbaugruppe 41, die gewinkelte Schaufeln 45 umfasst, die an der Rückseite der Schaufel 32 mittels einer Nabe 38 und einer Mutter 40 (nicht gezeigt) befestigt sind, welche die Nabe an der Welle hält. Die gewinkelten Schaufeln weisen zur Kammerrückwand 28. 4B zeigt eine Vorderansicht der gewinkelten Schaufeln, die zur Kammerrückwand 28 weisen.

5 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der ein zylindrisches Element oder ein Ring 47 an der Rückseite der Schaufel 32 befestigt ist, um eine Ringströmung in der Austrittskammer 68 zu verhindern.

Der Entlüfter arbeitet folgendermaßen. Fluid aus einem Speichertank wird über den Einlass 16 in die Trennkammer 22 geleitet. Die Schaufel 32 dreht sch mit einer relativ hohen Drehzahl (beispielsweise zwischen 2500 und 7200 U/min) und bewirkt, dass das Fluid in der Kammer verwirbelt wird. Wenn eine Scheibe verwendet wird, so wird das Fluid bis nahe an die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe beschleunigt. Insbesondere beginnt das einströmende Fluid in dem Einlass 16 infolge der Drehung des Fluids in der Kammer, sich zu drehen. Das Drehen des einströmenden Fluids in dem Einlass 16 gestattet es dem Fluid, seine Drehbewegung in dem Einlassringraum allmählich aufzunehmen, bevor die Schaufeln ihm die volle Geschwindigkeit verleihen, wodurch die Turbulenzen verringert werden, die entstehen, wenn eine axiale Strömung in eine rotierende Strömung umgewandelt wird. Eine wichtige Entdeckung der vorliegenden Erfindung ist deshalb, dass die verringerten Turbulenzen die Wärmeentwicklung verringern, was ein typisches Problem bei Entlüftern mit rotierenden Schaufeln und Zentrifugalpumpen ist. Das Verringern des Schereffekts zwischen den Schaufeln und der Kammerwand kann die Energie ebenfalls – je nach der Größe des Spalts 44 – bis zu 90 % verringern.

Wenn das einströmende Fluid das Einlassventil 50 passiert, so hat es einen verringerten Druck. Die Blasen dehnen sich sofort aus und erhöhen ihren Auftrieb um das Doppelte oder Vierfache. Bei einem verringerten Druck kocht gelöste Luft aus der Lösung aus, wodurch ebenfalls diese Blasen vergrößert werden. Des Weiteren kocht etwas Wasser, um den Dampfdruck wiederherzustellen, und trägt zur Größe der Blasen bei. Größere Blasen lassen sich einfacher aus viskosen Fluiden entfernen. In dem Maße, wie sich das Fluid während der Zentrifugierung der Außenwand der Kammer nähert, steigt der Druck, und alle verbliebenen Blasen platzen, und die Luft geht in die Lösung zurück. Das Fluid, das den Entlüfter durch den Auslass 46 verlässt, ist eine luftverarmte Lösung und löst Luft aus der Umgebung auf. Dies ist besondern hilfreich für Beschichtungsvorrichtungen, die diese Luft aus den Leitungen, Filtern und allen Kammern, wo sich Luft ansammeln kann, herausspülen müssen. Infolge der Zentrifugalkraft sammelt sich Schaum mit hohem Luftgehalt entlang der Mittelachse der Kammer an. Die Rotation hilft, die Flüssigkeit aus dem Schaum abzulassen, kleine Blasen zu größeren platzen zu lassen und einen Schaum mit hohem Luftgehalt zu erzeugen. Der Schaum mit hohem Luftgehalt wird dann mittels der Vakuumquelle 75 über den Luftsperranschluss 18 aus der Kammer 22 abgezogen. Der prozentuale Luftgehalt, der durch den Luftsperranschluss 18 austritt, beträgt etwa 90–99 % und wird im Entgaser 70 weiter abgelassen, bevor die Gasphase in die Vakuumquelle 75 gezogen wird.

Luftarmes Fluid wandert zur Umfangswand der Kammer 22. Auf die Umfangswand der Kammer kann ein Druck von 60 psi einwirken, während der Schaum am mittigen Kern einen Druck von 10 Inch Wassersäule bzw. 12 psig hat. Dieser Druckgradient verhindert, dass die Luft nach außen wandert, und gewährleistet ihr Ansammeln entlang der Mittelachse der Kammer 22. Fluid mit geringem Luftgehalt strömt über den Spalt 44 oder den Ringraum 30, wenn eine Scheibe 34 verwendet wird, von der Trennkammer 22 zum Auslass 46.

Vier Merkmale der vorliegenden Erfindung tragen zu einer verringerten Wärmeentwicklung bei. Zu diesen vier Faktoren gehören der Spalt 44 zwischen den Kammerwänden und der Schaufel, ein Mittel zum Verhindern einer Ringströmung in der Austrittskammer 68 durch eine radiale Scheibe, gewinkelte Schaufeln oder Schaufeln, die an einer Scheibe befestigt sind, die Struktur und der große Bereich des Einlasses, wodurch die Turbulenzen des heranströmenden Fluids verringert werden und die Drehbewegung des heranströmenden Fluids allmählich beschleunigt wird, und ein Vorscherungsringraum in dem Einlass, der die Viskosität des Fluids verringert, wodurch die Prozessintensität verringert wird, die nötig ist, um Blasen zu entfernen. Die folgenden Tabellen 1–6 zeigen die Wärmeentwicklung bei verschiedenen Kombinationen dieser Merkmale.

Tabelle 1: Wärmeentwicklung in Abhängigkeit von der Fluidviskosität bei einem Entlüfter mit Schaufeln, wobei der Einlass durch ein 0,5 Inch messendes Rohr gebildet wird, das von der Drehachse versetzt ist, und mit einem 0,25 Inch messenden Spalt.
Tabelle 2: Wärmeentwicklung in Abhängigkeit von der Fluidviskosität bei einem Entlüfter mit zwei Schaufeln, einem 0,5 Inch messenden Einlassrohr, das von der Drehachse versetzt ist, und mit einem 0,5 Inch messenden Spalt.
Tabelle 3: Wärmeentwicklung auf der Grundlage der Viskosität von Wasser bei einem Entlüfter mit vier Schaufeln, einem 0,5 Inch messenden Einlassrohr, das von der Drehachse versetzt ist, und mit einem 0,25 Inch messenden Spalt.
Tabelle 4: Wärmeentwicklung auf der Grundlage der Viskosität von Wasser bei einem Entlüfter mit zwei Schaufeln, einem 0,5 Inch messenden Spalt, einem 0,5 Inch messenden Auslass und einem 2 Inch messenden Einlass.
Tabelle 5: Wärmeentwicklung auf der Grundlage der Viskosität von Wasser bei einem Entlüfter mit 2 oder 4 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und mit verschieden großen Spalten und Auslässen.
Tabelle 6: Wärmeentwicklung bei einem Entlüfter mit 2 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und mit einem 0,5 Inch messenden Spalt bei verschiedenen Fluidverdünnungen.
Tabelle 5: Wärmeentwicklung auf der Grundlage der Viskosität von Wasser bei einem Entlüfter mit 2 oder 4 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und mit verschieden großen Spalten und Auslässen.
Tabelle 6: Wärmeentwicklung bei einem Entlüfter mit 2 Schaufeln, die mit einer Scheibe verbunden sind, und mit einem 0,5 Inch messenden Spalt bei verschiedenen Fluidverdünnungen.

Der Entlüfter der vorliegenden Erfindung kann durch verschiedene Charakteristika des heranströmenden Fluids beeinflusst werden. Erstens eignet sich die vorliegende Erfindung für viele verschiedene Arten von Fluiden mit einer breit gefächerten Vielfalt an Viskositäten. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung mit Drucktinten, Ölen (beispielsweise Motoröl), Shampoos, Konditionierern und anderen ähnlichen Konsumgütern, Beschichtungsfluiden, Lebensmittelprodukten (beispielsweise Tomatenpaste), Anstrichfarben und Lacken verwendet werden.

Zweitens erreicht der Entlüfter der vorliegenden Erfindung eine deutliche Verringerung der Wärmeentwicklung trotz sogenannter Eintrittseffekte von nicht-Newtonschen Fluiden, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 10/662,666 des Anmelders beschrieben sind. Fluide haben eine Scherenergieabsorption (SAE), was die Voraussetzung dafür ist, Energie zu absorbieren, wenn das Fluid zu einer höheren Scherrate übergeht. Die SAE eines Fluids hängt mit der Auflösung oder dem Zusammenbrechen der chemischen Strukturen, wie beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräften und der ionischen Assoziation zusammen. Sobald diese Energie vorhanden ist, weist das Fluid eine geringere Viskosität auf. Da praktisch alle handelsüblichen Fluide von nicht-Newtonscher Art sind, kann die SAE oder der Eintrittseffekt in einem breiten Spektrum variieren.

Schließlich eignen sich die Entlüftungsanlage und der Entlüfter der vorliegenden Erfindung besonders für Beschichtungsanwendungen. 6 zeigt eine Entlüftungsanlage 100 zum Entlüften einer Beschichtung bei Beschichtungsanwendungen. Die Anlage 100 umfasst einen Tank 112, der die zu entlüftende Beschichtung enthält, einen Entlüfter 114, der an den Tank 112 angeschlossen ist, und ein Einlassventil 150, das sich zwischen dem Tank 112 und dem Entlüfter 114 befindet und der Steuerung des Beschichtungsvolumens, das zu dem Entlüfter 114 strömt, dient. Der Entlüfter 114 hat einen Einlass 116 und einen Luftsperranschluss 118 an einem Ende und einen Auslass 146 an einem gegenüberliegenden Ende. Ein Drucksensor 155 and ein Ventil 157 befinden sich nahe einem Auslass 146 des Entlüfters 114. Als nächstes trägt die Beschichtungsvorrichtung 140 die fließende Beschichtung auf eine Bahn auf, und ein Rückgewinnungsmittel 190 leitet einen Teil der Beschichtung zurück in den Tank 112. Der Luftsperranschluss 118 ist an einen Entgaser 170 und an eine Vakuumquelle 175 angeschlossen. Ein Vakuumsensor 180 ist mit der Vakuumquelle 175 verbunden.

Obgleich eine konkrete Ausführungsform der Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, um die Anwendung der Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen, versteht es sich, dass die Erfindung auch auf andere Weise verkörpert sein kann, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Entlüfter zum Abscheiden von Luft aus einem Fluid mittels Zentrifugalkraft, umfassend:

    eine stationäre Trennkammer, die ein Volumen definiert und eine Mittelachse, eine vordere Wand auf einer Seite, eine Umfangswand und eine Rückwand gegenüber der vorderen Wand aufweist;

    einen Einlass, der an der vorderen Wand der stationären Kammer entlang der Mittelachse angeordnet ist;

    einen Luftsperranschluss, der an der vorderen Wand entlang der Mittelachse angeordnet ist;

    eine rotierende Schaufel, die an einer von einem Motor angetriebenen Welle angebracht ist und ein Bestreichungsvolumen der Kammer einnimmt, wobei ein Spalt zwischen dem Bestreichungsvolumen und der Umfangswand der Kammer gebildet wird; und

    einen Auslass in der Rückwand, der mit dem Spalt in strömungsmäßiger Verbindung steht und einen Auslassbereich aufweist, um Fluid zu empfangen.
  2. Entlüfter nach Anspruch 1, wobei die rotierende Schaufel mit einer Scheibe verbunden ist, die an der Welle angebracht ist, wobei die Scheibe von der Umfangswand dergestalt beabstandet ist, dass ein Bereich zwischen der Scheibe und der Umfangswand deutlich größer ist als der Auslassbereich.
  3. Entlüfter nach Anspruch 1, wobei der Spaltbereich bis zu 60 % größer ist als der Auslassbereich, aber vorzugsweise 30 % größer ist als der Auslassbereich.
  4. Entlüftungsanlage zum Abscheiden von Luft aus einem Fluid mittels Zentrifugalkraft, umfassend:

    eine stationäre Trennkammer, die ein Volumen definiert und eine Mittelachse, eine vordere Wand auf einer Seite, eine Umfangswand und eine Rückwand gegenüber der vorderen Wand aufweist;

    einen Einlass, der an der vorderen Wand der stationären Kammer entlang der Mittelachse angeordnet ist;

    einen Luftsperranschluss, der an der vorderen Wand entlang der Mittelachse angeordnet ist;

    eine rotierende Schaufel, die an einer von einem Motor angetriebenen Welle angebracht ist und ein Bestreichungsvolumen der Kammer einnimmt, wobei ein Spalt zwischen dem Bestreichungsvolumen und der Umfangswand der Kammer gebildet wird;

    einen Auslass in der Rückwand, der mit dem Spalt in strömungsmäßiger Verbindung steht und einen Auslassbereich aufweist, um Fluid zu empfangen, wobei der Spalt einen Bereich aufweist, der wesentlich größer ist als der Auslassbereich;

    eine Vakuumquelle, die an den Luftsperranschluss angeschlossen ist;

    ein Ventil mit variabler Öffnung am Einlass und Auslass;

    einen Vakuumsensor an der Vakuumquelle;

    einen Drucksensor an dem Einlass oder dem Auslass; und

    ein Steuerungsmittel zum Steuern der Ventile zur Steuerung der Fluidströmung, des internen Pegels und des Drucks in der Kammer.
  5. Entlüftungsanlage nach Anspruch 12, die des Weiteren einen Entgaser zwischen der Vakuumquelle und dem Luftsperranschluss umfasst.
  6. Entlüftungsanlage nach Anspruch 12, die des Weiteren einen Speichertank zur Zufuhr von gashaltigem Fluid zu dem Einlass sowie einen Sammler zum Empfangen von entlüftetem Fluid von dem Auslass umfasst.
  7. Entlüftungsanlage nach Anspruch 12, die des Weiteren eine Beschichtungsvorrichtung umfasst, die an den Auslass zum Empfangen von entlüftetem Fluid angeschlossen ist.
  8. Entlüfter nach Anspruch 12, wobei die rotierende Schaufel mit einer Scheibe verbunden ist, die an der Welle befestigt ist, wobei die Scheibe dergestalt von der Umfangswand beabstandet ist, dass ein Ringraum entsteht.
  9. Entlüfter nach Anspruch 16, wobei die rotierende Schaufel an der Welle und der Scheibe mittels einer Nabe und einer Mutter angebracht ist, welche die Nabe an der Welle hält.
  10. Entlüfter nach Anspruch 15, wobei die Schaufel eine mittige Kerbe aufweist, um einen Zugang zu der Mutter zu ermöglichen, um die Mutter von der Nabe abnehmen zu können und die Welle, die Nabe, die Scheibe und die Schaufel zerlegen zu können.
  11. Entlüfter nach Anspruch 16, wobei mehrere Schaufeln an der Welle und der Scheibe angebracht sind.
  12. Entlüfter nach Anspruch 12, wobei mehrere Schaufeln an der Welle angebracht sind.
  13. Entlüfter nach Anspruch 12, wobei der Luftsperranschluss ein Luftsperrrohr umfasst, das in dem Einlass enthalten ist und einen Vorscherungsringraum außerhalb des Luftsperrrohres definiert.
  14. Entlüfter nach Anspruch 12, der des Weiteren eine Austrittskammer umfasst, die zwischen der Rückwand und der rotierenden Schaufel angeordnet ist.
  15. Entlüfter nach Anspruch 12, wobei der Einlass einen Durchmesser aufweist, der zwischen 25 % und 50 % des Durchmessers der Kammer liegt und ganz besonders bevorzugt 33 % des Durchmessers der Kammer misst.
  16. Entlüfter nach Anspruch 12, wobei das Bestreichungsvolumen 40 % bis 97 % des Kammervolumens einnimmt.
  17. Entlüfter nach Anspruch 12, wobei der Spaltbereich bis zu 60 % größer ist als der Auslassbereich, aber vorzugsweise 30 % größer ist als der Auslassbereich.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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