DE10047160C2 - Thermostatvorrichtung mit verminderter Hysterese - Google Patents
Thermostatvorrichtung mit verminderter HystereseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Thermostatvorrichtung, wie sie beispielsweise zum Regeln
einer Temperatur in einem Kühlschrank verwendet wird.
Eine Kühlvorrichtung, z. B. ein Kühlschrank oder ein Kühlraum
etwa für die Aufbewahrung verderblicher Lebensmittel, wird
normalerweise mittels einer Thermostatvorrichtung auf einer
bestimmten niedrigen Temperatur gehalten. Dazu kann
beispielsweise ein Thermostatschalter mit einem
Temperaturfühler im Inneren der Kühlvorrichtung angeordnet
sein, der durch ein Öffnen und Schließen einer
Kaltluftzufuhrklappe die Temperatur in der Kühlkammer regelt.
Bei einem Temperaturanstieg wird die Kaltluftzufuhrklappe
geöffnet und die Kühlkammer wird durch einströmende Kaltluft
abgekühlt. Nach einer ausreichenden Abkühlung schließt der
Thermostat die Kaltluftzufuhrklappe, so dass keine weitere
Kaltluft einströmen kann. Wenn die Temperatur wieder um einen
bestimmten Betrag angestiegen ist, wird der Thermostat erneut
die Kaltluftzufuhrklappe öffnen. Bei einer solchen Regelung
der Temperatur ergibt sich eine bestimmte zyklische
Temperaturschwankung in der Kühlvorrichtung.
Fig. 6 zeigt einen Kühlschrank, der aus einer Kühlkammer 10
und einer Gefrierkammer 20 besteht. Ein Kühlkreislauf 30,
beispielsweise bestehend aus einem Kompressor, Kondenser und
Evaporator erzeugt beispielsweise durch ein Gebläse 31 oder
durch Konvektion Kaltluft. Wie dies in der Fig. 6 durch
Pfeile angedeutet ist, wird ein Teil der Kaltluft im
Gefrierfach umgewälzt, während ein Teil der Kaltluft in das
Kühlfach abgezweigt wird. Ein Thermostatschalter 40 steuert
dabei die in das Kühlfach einströmende Kaltluftmenge. Je nach
Temperatur im Kühlfach öffnet oder schließt der
Thermostatschalter eine Luftklappe 41. Falls die Temperatur
im Kühlfach ansteigt, erlaubt der Thermostat durch ein Öffnen
der Luftklappe 41 eine verstärkte Kaltluftzufuhr im Kühlfach,
bei einem Absinken der Temperatur im Kühlfach wird dagegen
die Luftzufuhr durch ein Schließen der Kaltluftzufuhrklappe
41 beschränkt.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Thermostatschalters
40, wie er für einen mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen
Kühlschrank verwendet werden kann. Ein Druckgeberelement 50
mit einem Temperaturfühlabschnitt 51 ist im Kühlfach des
Kühlschranks angeordnet. Das Druckgeberelement kann
beispielsweise mit einem Gas gefüllt sein. Je nach Temperatur
im Kühlfach des Kühlschranks wird sich das Gas im
Druckgeberelement 50 ausdehnen, bzw. zusammenziehen, und eine
Stellkopf 52 des Druckgeberelements 50 in vertikaler Richtung
bewegen. Bei einer Ausdehnung des Gases bei einem
Temperaturanstieg im Kühlfach wird sich die Stellkopf 52 in
Richtung des Pfeils 153 nach oben bewegen, bei einem
Temperaturabfall im Kühlfach wird sich durch eine Kontraktion
des Gases im Druckgeberelement die Stellkopf 52 wieder nach
unten bewegen, entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils 153.
Weiter ist in Fig. 7 eine Hebelarmvorrichtung 60 gezeigt, die
an einem Drehpunkt 61 drehbar gelagert ist. Ein Hebelarm 62
der Hebelvorrichtung liegt an der Stellkopf 52 des
Druckgeberelements 50 an. An einem zweiten Hebelarm 63 der
Hebelvorrichtung ist eine Luftklappe 64 befestigt, die ein
Kaltluftzufuhrrohr 70 abdeckt.
Wie in Fig. 7 mit gestrichelten Linien dargestellt, ist bei
einer Ausdehnung des Druckgeberelements die Hebelvorrichtung
um den Drehpunkt im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 153
gedreht und die Luftklappe 64 ist geöffnet. Demzufolge kann
Kaltluft in das Kühlfach des Kühlschranks strömen und die
Temperatur im Kühlfach sinkt aufgrund der Kaltluftzufuhr ab.
Damit dreht sich die Hebelvorrichtung um den Drehpunkt gegen
den Uhrzeigersinn, was ein Schließen der Luftklappe 64 zur
Folge hat.
Eine Federkraft einer bereitgestellten Vorspannfeder 80
bewirkt, dass die Luftklappe 64 immer in eine Schließposition
zurückkehrt, wenn sich das Druckgeberelement aufgrund eines
Temperaturabfalls zusammenzieht.
Um die Luftklappe 64 von einer geschlossenen Position in eine
offene Position zu überführen, ist ein bestimmter
Temperaturanstieg notwendig. Nach dem Öffnen der Klappe 64
sinkt durch die Kaltluftzufuhr im Kühlfach die Temperatur,
und die Luftklappe schließt sich. Durch diesen zyklischen
Ablauf wird die Temperatur im Kühlfach mit einer bestimmten
Temperaturschwankung bzw. Temperaturhysterese geregelt.
Diese Temperaturschwankung ist jedoch so groß, dass sie sich
nachteilig auf die im Kühlfach gelagerten Produkte auswirken
kann. Es ist daher wünschenswert, dass die
Temperaturschwankungen im Inneren des Kühlschrankes so gering
wie möglich gehalten werden.
DE-OS 16 73 528 beschreibt ein automatisches Steuergerät für
Kältemaschinen bei dem ein Befestigungspunkt einer Feder an
einem Übertragungshebel und ein Punkt an einer gelenkigen
Befestigung eines einarmigen Hebels auf einer Geraden liegen,
wobei eine Kraftneutrale und eine Federachse in einer
Arbeitsstellung einen Winkel bilden, und eine Umstellung des
Thermostaten durch Änderung eines Neigungswinkels zwischen
der Federachse und Kraftneutrale mittels des einarmigen
Hebels erfolgt.
U.S. 3,664,582 beschreibt eine nichtlineare
temperaturabhängige Ventilausführung, mit einem Einlass,
einem Auslass und einem dazwischen angeordneten
Ventilbestandteil, der durch ein Bedienbauteil positioniert
wird, das eine temperaturabhängige Form aufweist.
U.S. 2,055,280 beschreibt einen Thermostat mit einem festen
wärmeabsorbierenden Gehäuse, in das ein wärmeausdehnbarer
Container von außen eingeführt ist, wobei der Container eine
Flüssigkeit enthält. Wenn sich eine Temperatur erhöht,
verdampft die Flüssigkeit und treibt einen Rest einer
Flüssigkeit aus einem Boiler.
GB 2 223 097 A beschreibt eine Sicherheitsvorrichtung für einen
temperaturabhängigen Steller, bei dem eine Feder zwischen dem
temperaturabhängigen Steller und einem angetriebenen Element
angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass der Steller sich
weiter ausdehnt, ohne das Element zu beschädigen, wenn es
eine Begrenzungsposition erreicht.
WO 99/46569 A1 beschreibt einen auslaufsicheren Thermostaten,
bei dem eine variable abgedichtete Kammer mit einer
Membranvorrichtung und einer Arbeitsflüssigkeit ausgerüstet
ist. Die Kammer kommuniziert mit einer Kapillarröhre und
stellt mindestens einen elektrischen Schalter.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Thermostatvorrichtung bereitzustellen, die bei einer
Temperaturregelung eine verkleinerte Temperaturhysterese
aufweist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine
Thermostatvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst. Die Thermostatvorrichtung nach der Erfindung umfasst
eine drehbar gelagerte Hebelvorrichtung, einen Steller, der
mit der Hebelvorrichtung verbunden ist, eine
Vorspannvorrichtung, die ein Vorspannmoment bereitstellt, das
den Steller in Richtung einer ersten Stellung drückt, eine
thermisch expansive Vorrichtung, die zwischen einem Gehäuse und
der Hebelvorrichtung befestigt ist, und durch ein
Ausdehnungsmoment den Steller von der ersten Stellung in eine
zweite Stellung bewegen kann, und eine Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung, die mit der Hebelvorrichtung
verbunden ist, und die ein Empfindlichkeitserhöhungsmoment
bereitstellt, das in der ersten Stellung und der zweiten
Stellung unterschiedliche Werte aufweist, wobei das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment
in jeder Stellung des Stellers kleiner als das
Vorspannmoment ist.
Die Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung erlaubt, die
Temperaturschwankungen bei einem Temperaturregelungsvorgang,
beispielsweise in einem Kühlschrank, zu verringern. In
Übereinstimmung mit der Erfindung wirkt an der
Hebelvorrichtung durch die Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung zusätzlich zu dem durch die durch
eine Temperaturänderung hervorgerufenen Ausdehnungsmoment der
thermisch expansiven Vorrichtung ein in unterschiedlichen
Stellungen des Stellers unterschiedliches
Empfindlichkeitserhöhungsmoment, wobei jedoch die Summe des
Empfindlichkeitserhöhungsmoments und des Ausdehnungsmoments
der thermisch expansiven Vorrichtung nicht größer als das
Vorspannmoment der Vorspannvorrichtung ist, so dass ein
plötzliches Schalten des Stellers, d. h. ein
Schnappbetriebzustand des Stellers vermieden wird.
Die Erfindung erlaubt vorteilhaft eine Verringerung einer
Druckdifferenz, die notwendig ist, um den Steller von einer
geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung zu
überführen. Mit einer Verminderung dieser Druckdifferenz wird
auch die Temperaturdifferenz geringer, die für einen Übergang
von der geschlossenen in die geöffnete Stellung des Stellers
notwendig ist. Diese verminderte Temperaturdifferenz
entspricht eine verringerten Hysterese der
Temperaturregelung, beispielsweise in einem Kühlfach eines
Kühlschranks.
Dabei kann vorteilhaft die erste Stellung des Stellers einer
geschlossenen Stellung einer Kaltluftzufuhrklappe
entsprechen, die zweite Stellung des Stellers einer offenen
Stellung der Kaltluftzufuhrklappe entsprechen und das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment in Richtung der zweiten
Stellung wirken und in der ersten Stellung des Stellers
kleiner als in einer der zweiten Stellung näheren Stellung
sein.
Weiter kann vorteilhaft das Empfindlichkeitserhöhungsmoment
in Richtung der ersten Stellung wirken und in der zweiten
Stellung des Stellers kleiner als in einer der ersten
Stellung näheren Stellung sein. Somit kann das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment, obwohl es dem
Ausdehnungsmoment entgegenwirkt, die Empfindlichkeit der
Vorrichtung erhöhen.
Weiter kann in der ersten Stellung des Stellers das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment im wesentlichen null sein,
und in der zweiten Stellung des Stellers größer als null
sein. Falls beispielsweise die erste Stellung des Stellers
einer geschlossenen Stellung einer Kaltluftzufuhrklappe
entspricht, wird dann kein Empfindlichkeitserhöhungsmoment
wirken, so dass die Klappe durch die Vorspannkraft fest in
der geschlossenen Stellung gehalten wird. Wenn zudem die
zweite Stellung des Stellers einer geöffneten Stellung der
Luftklappe entspricht, wird in diesem Fall der
Öffnungsvorgang bzw. der Öffnungsgrad der Luftklappe durch
das Empfindlichkeitserhöhungsmoment verstärkt, bzw.
vergrößert.
In einer Stellung des Stellers kann das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment kleiner als null sein, um
beispielsweise in einer geschlossenen Stellung des Stellers
eine Schließkraft durch die Vorspannvorrichtung zu
verstärken.
Auf vorteilhafte Weise kann die Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung durch eine Federvorrichtung gebildet
werden, die zwischen einem Gehäuse und der Hebelvorrichtung
angeordnet ist. Dabei kann die Federvorrichtung so angeordnet
sein, dass in der ersten Stellung des Stellers die Federkraft
der Federvorrichtung in Richtung des Drehpunkts der
Hebelvorrichtung wirkt, und in der zweiten Stellung des
Stellers die Federkraft eine Rotationsbewegung der
Hebelvorrichtung unterstützt, um den Steller von der ersten
Stellung in die zweite Stellung zu bewegen.
Die Federvorrichtung kann vorteilhaft eine Omegafeder
einschließen.
Weiter kann die Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung
durch ein Gewicht gebildet werden, das an einem Arm der
Hebelvorrichtung befestigt ist. Dieser Arm der
Hebelvorrichtung kann vorteilhaft so angeordnet sein, dass
sich das Gewicht in der ersten Stellung des Stellers über dem
Drehpunkt der Hebelvorrichtung befindet, und in der zweiten
Stellung des Stellers sich das Gewicht auf einer Seite des
Drehpunkts befindet, so dass die Schwerkraft des Gewichts
eine Rotationsbewegung der Hebelvorrichtung zum Öffnen des
Stellers unterstützt.
In einer dritten Stellung kann das Gewicht sich auf der
anderen Seite des Drehpunkts befinden, so dass die
Schwerkraft des Gewichts eine Rotationsbewegung der
Hebelvorrichtung zum Öffnen des Stellers entgegenwirkt. Dies
kann zu einem luftdichten Verschließen einer
Kaltluftzufuhrklappe in einer geschlossenen Stellung
herangezogen werden.
Weitete vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
weiteren abhängigen Ansprüchen.
Die Beschreibung wird durch Zeichnungen 1-7 begleitet, in
denen:
Fig. 1 eine Thermostatvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einer
niedrigen Temperatur zeigt;
Fig. 2 die Thermostatvorrichtung gemäß dem
Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bei einer erhöhten
Temperatur zeigt;
Fig. 3 eine Thermostatvorrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer niedrigen
Temperatur zeigt;
Fig. 4 die Thermostatvorrichtung gemäß dem
Ausführungsbeispiel von Fig. 3 bei einer erhöhten
Temperatur zeigt;
Fig. 5 ein Gasdruck/Öffnungsgrad-Diagramm einer
Thermostatvorrichtung mit und ohne Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung zeigt;
Fig. 6 ein Kühlschrank mit Thermostatvorrichtung zeigt; und
Fig. 7 eine bekannte Thermostatvorrichtung zum Betätigen
einer Kaltluftklappe zeigt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Thermostatvorrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt
eine Thermostatvorrichtung mit einer thermisch expansiven
Vorrichtung 50 einschließlich einer
Temperaturabfühlvorrichtung 51 und einer Stellkopf 52. Die
thermisch expansive Vorrichtung kann beispielsweise ein
Druckgeberelement bzw. Balg enthalten, der gasgefüllt sein
kann, so dass eine temperaturbedingte Ausdehnung des Gases
innerhalb des Druckgeberelements ein Anheben der Stellkopf 52
zur Folge hat. Entsprechend hat eine Abkühlung an der
Temperaturabfühlvorrichtung 51 ein Zusammenziehen des
enthaltenen Gases zur Folge, was ein Herabbewegen der
Stellkopf 52 bewirkt.
Alternativ könnte die thermisch expansive Vorrichtung auch
einen gasgefüllten Zylinder und Kolben enthalten.
Weiter ist eine drehbar gelagerte Hebelvorrichtung 60
gezeigt, die beispielsweise an einem Drehpunkt 61 an einem
Gehäuse der Thermostatvorrichtung angebracht ist. Ein erster
Hebelarm 62 erstreckt sich vom Drehpunkt 61 bis oberhalb der
Stellkopf 52. An einem zweiten Arm 63 der Hebelvorrichtung
ist eine Luftklappe 64 angebracht, mit der eine
Kaltluftzufuhreinrichtung 70 geöffnet bzw. abgedeckt werden
kann. Im gezeigten Beispiel wird eine Luftklappe verwendet,
es könnte jedoch in weiteren Ausführungsbeispielen jede Art
von Steller oder Ventilvorrichtung mit einer geeigneten
Anlenkung verwendet werden.
Eine Vorspannvorrichtung 80, durch eine Feder gebildet, ist
ebenfalls am zweiten Hebelarm 63 der Hebelvorrichtung 60
befestigt. Die Vorspannvorrichtung 80 erzeugt ein Drehmoment
bzw. eine Kraft, die an der Hebelvorrichtung in Richtung des
in Fig. 1 gezeigten Pfeils 181 wirkt. Diese Vorspannfeder ist
insbesondere dazu vorgesehen, die Luftklappe 64 bei einem
Temperaturabfall an der thermisch expansiven Vorrichtung
wieder in Richtung eines geschlossenen Zustands
zurückzubewegen.
Gemäß der Erfindung ist zwischen einem Hebelarm 66 der
Hebelvorrichtung und beispielsweise der Gehäusewand der
Thermostatvorrichtung eine Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung vorgesehen. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird diese Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung durch eine Spiraldruckfeder 90
gebildet. Die Spiralfeder 90 ist dazu vorgesehen, die
Bewegung der Hebelvorrichtung zur Überführung der Luftklappe
von einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung
durch eine variable Empfindlichkeitserhöhungskraft bzw. ein
Empfindlichkeitserhöhungsmoment zu unterstützen.
Fig. 1 zeigt eine Situation, bei der die Luftklappe 64
geschlossen ist, d. h. einen Fall, der einer niedrigen
Temperatur entspricht. Die Spiralfeder 90 ist hier so
zwischen dem Gehäuse und dem Hebelarm 66 angebracht, dass in
diesem geschlossenen Zustand der Luftklappe eine
Federdruckkraft, wie durch einen Pfeil 192 bezeichnet, im
wesentlichen in Richtung des Drehpunktes 61 der
Hebelvorrichtung 60 wirkt. In diesem Fall wird also keine
Empfindlichkeitserhöhungskraft bzw. ein
Empfindlichkeitserhöhungsmoment in Drehrichtung der
Hebelvorrichtung vorliegen, die eine Öffnungsbewegung, d. h.
eine Drehung des Hebelarms im Uhrzeigersinn unterstützt.
Diese Kraft der Federvorrichtung wird jedoch nur so lange in
Richtung des Drehpunktes der Hebelvorrichtung wirken, solange
die Luftklappe 64 sich in einer geschlossenen Stellung
befindet. Sobald eine Temperaturerhöhung und somit eine
Ausdehnung der thermisch expansiven Vorrichtung stattfindet,
wird sich die Hebelarmvorrichtung im Uhrzeigersinn drehen,
und die Federkraft wird eine in Richtung des Drehpunktes 61
der Hebelvorrichtung 60 gerichtete Komponente und eine in
Drehrichtung der Hebelvorrichtung gerichtete Komponente
bilden. Diese in Drehrichtung gerichtete Komponente bildet
ein Empfindlichkeitserhöhungsmoment, das eine Öffnung der
Luftklappe 64 unterstützt.
Ein solcher Fall einer geöffneten Luftklappe 64 bei einer
erhöhten Temperatur ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 ist das
Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 bei einer erhöhten Temperatur
dargestellt. Aufgrund der Temperaturerhöhung hat sich das Gas
in der thermisch expansiven Vorrichtung ausgedehnt, und den
ersten Hebelarm 62 nach oben bewegt. Durch die damit
verbundene Drehung der Hebelvorrichtung 60 hat sich auf der
anderen Seite des Drehpunktes 61 der dritte Arm 66 der
Hebelvorrichtung abwärts bewegt. Somit wirkt die Federkraft
der Spiralfeder 90 in einer Richtung, wie dies durch einen
Pfeil 192 dargestellt ist. Aus dieser Kraftwirkung ergibt
sich eine Kraftkomponente 193 in Richtung des Drehpunkts 61
der Hebelarmvorrichtung 60, wie durch einen Fall 193
bezeichnet. Des weiteren bildet sich eine Kraftkomponente,
wie durch einen Fall 194 dargestellt, die senkrecht zum
Hebelarm 66 wirkt, und somit eine Drehung der
Hebelvorrichtung 60 zum Öffnen der Luftklappe 64 unterstützt.
Diese Kraftkomponente 194 stellt die
Empfindlichkeitserhöhungskraft dar. Es ist ersichtlich, dass
sich je nach Öffnungsgrad der Klappe 64 ein entsprechendes
Empfindlichkeitserhöhungsmoment bildet, das ein Öffnen der
Klappe 64 für eine Kaltluftzufuhr unterstützt.
Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment nicht größer wird als das
Vorspannmoment, das durch die Vorspannfeder 80 und mögliche
andere Kraftkomponenten entsteht. So kann sicher
gewährleistet werden, dass sich die Luftzufuhrklappe 64 von
einer geöffneten Stellung wieder in eine geschlossene
Stellung zurückbewegt, wenn sich die thermisch expansive
Vorrichtung aufgrund einer Abkühlung zusammenzieht.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Federvorrichtung
90 auch so angeordnet sein, dass in einer geschlossenen
Stellung der Luftklappe 64 eine negative
Empfindlichkeitserhöhungskraft wirkt, die ein festes
Verschließen der Luftzuführung 70 durch die Klappe 64
unterstützt, d. h. in diesem Fall wäre die
Empfindlichkeitserhöhungskraft in Richtung einer Drehung der
Hebelvorrichtung gegen Uhrzeigersinn gerichtet. In diesem
Fall wurde bei einem Öffnen der Luftklappe durch eine
Temperaturerhöhung das Empfindlichkeitserhöhungsmoment
zunächst negativ sein, dann den Wert Null annehmen, und im
folgenden mit einem positiven Wert die Öffnung der Luftklappe
64 durch eine Rotation der Hebelvorrichtung 60 im
Uhrzeigersinn unterstützen.
Es könnte die Federvorrichtung auch so angeordnet sein, dass
in allen Betriebsstellungen des Stellers eine negative
Empfindlichkeitserhöhungskraft wirkt, d. h. eine
Empfindlichkeitserhöhungskraft, die einer Öffnung der
Luftklappe entgegenwirkt. Wichtig ist lediglich, dass dann
der Betrag der Empfindlichkeitserhöhungskraft bzw. des
Empfindlichkeitserhöhungsmoments mit zunehmendem Öffnungsgrad
abnimmt, d. h. der Betrag Empfindlichkeitserhöhungskraft in
der offenen Stellung des Stellers kleiner als in einer der
geschlossenen Stellung näheren Stellung ist.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die
Empfindlichkeitserhöhungskraft in der geschlossenen Stellung
der Luftklappe 64 und in der offenen Stellung der Luftklappe
positiv sein, d. h. eine Drehung der Hebelvorrichtung im
Uhrzeigersinn unterstützen. Dazu könnte der zweite Hebelarm
63 der Hebelvorrichtung 60 so angeordnet sein, dass bei einer
geschlossenen Stellung der Luftklappe 64 die Federkraft der
Feder 90 eine kleinere Empfindlichkeitserhöhungs
kraftkomponente bildet als bei einem größeren Öffnungsgrad,
wobei die kleinere und die eine größere
Empfindlichkeitserhöhungskraftkomponente in den Fig. 1 und 2
beide in Richtung einer Drehung der Hebelvorrichtung im
Uhrzeigersinn gerichtet sind. Wichtig ist lediglich, dass das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment, das in Richtung der offenen
Stellung wirkt, in der geschlossenen Stellung des Stellers
kleiner als in einer der offenen Stellung näheren Stellung
ist.
Die Federvorrichtung lässt sich somit auf viele verschiedene
Arten anordnen, von entscheidender Bedeutung ist jedoch, dass
die Wirkung der Empfindlichkeitserhöhungskraft immer kleiner
ist als die Wirkung der Vorspannkraft, um einen
Schnappvorgang zu verhindern.
Weitere Fälle für eine Anlenkung sind denkbar, bei der eine
Empfindlichkeit der Thermostatvorrichtung erhöht werden kann
und somit eine Temperaturhysterese beispielsweise in einem
Kühlschrank vermindert wird. Auch sind andere Ausführungen
der Hebelvorrichtung möglich, beispielsweise ohne Lagerung an
einem Drehpunkt, mit speziellen Hebelarmverhältnissen, etc.
Weiter kann die Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung
durch ein Gewicht gebildet werden, wie dies in Fig. 2 durch
ein Bezugszeichen 95 dargestellt ist. Dieses Gewicht 95 kann
alternativ oder ergänzende zur Federvorrichtung 90 zur
Verminderung einer Temperaturhysterese eingesetzt werden. Wie
in Fig. 1 gezeigt, befindet sich in dem Ausführungsbeispiel,
das ein Gewicht verwendet, der Hebelarm 63 in einer
geschlossenen Stellung senkrecht über dem Drehpunkt der
Hebelvorrichtung 60, so dass die Schwerkraft des Gewichtes im
wesentlichen in Richtung des Drehpunkts der Hebelvorrichtung
wirkt. In einer geöffneten Stellung, wie in Fig. 2 gezeigt,
bewegt sich der Hebelarm 63 im Uhrzeigersinn, so dass sich in
einer solchen geöffneten Stellung das Gewicht 95 nicht mehr
senkrecht über dem Drehpunkt befindet, und sich mit
zunehmender Auslenkung des Hebelarmes eine zunehmende
Empfindlichkeitserhöhungskraftkomponente 194 bildet, die eine
Drehung der Hebelvorrichtung 60 zur Öffnung der Luftklappe 64
unterstützt.
Die Größe der Empfindlichkeitserhöhungskraft kann justiert
werden, indem entweder die Masse des Gewichtes 95 verändert
wird, oder die Entfernung des Gewichtes von Drehpunkt der
Hebelvorrichtung. Auch hier ist gemäß der Erfindung
sicherzustellen, dass das Empfindlichkeitserhöhungsmoment
niemals größer als das Rückstellmoment der Feder 80 ist.
Das Gewicht kann auch so angeordnet werden, dass sich in
einer geschlossenen Stellung der Luftklappe 64 zunächst eine
negative (einer Öffnung entgegenwirkende)
Empfindlichkeitserhöhungskraft ergibt, und erst ab einem
bestimmten Öffnungsgrad der Luftklappe eine positive
Empfindlichkeitserhöhungskraft einstellt, wie zuvor mit Bezug
auf die Federvorrichtung 90 ausgeführt.
Es kann auch das Gewicht so angeordnet werden, dass immer
eine negative Empfindlichkeitserhöhungskraft wirkt, deren
Betrag mit zunehmendem Öffnungsgrad kleiner wird.
Anstelle des Gewichts könnte auch eine Zugfeder angebracht
werden, die eine der Gewichtskraft entsprechende Federkraft
bereitstellt.
Im folgenden werden nun zu einer Verdeutlichung der
Funktionsweise die an der Hebelvorrichtung dieses
Ausführungsbeispiels anliegenden Kräfte bei einer offenen
bzw. geschlossenen Stellung der Luftzufuhrklappe 64 näher
betrachtet. In diesem Fall wird angenommen, dass alle
Hebelarmverhältnisse 1 : 1 sind.
Es wird zunächst angenommen, dass keine Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung vorhanden ist.
In diesem Fall kann bei einer geschlossenen Stellung der
Luftzufuhrklappe 64 das Kräftegleichgewicht wie folgt
definiert werden:
Fbc = Bfc + Fsc = Bc.Ea Gl.1
wobei:
Fbc = Ausdehnungskraft des Druckgeberelements (der thermisch expansiven Vorrichtung) in einer geschlossenen Stellung der Luftklappe;
Bfc = Membrankraft des Druckgeberelements in der geschlossenen Stellung;
Fsc = Federkraft der Feder 80 (Vorspannungskraft der Vorspannungsvorrichtung) in der geschlossenen Stellung;
Bc = Druckgeberelementdruck in der geschlossenen Stellung (entsprechend einer Temperatur des Gases im Druckgeberelement); und
Ea = effektive Fläche des Druckgeberelements.
Fbc = Ausdehnungskraft des Druckgeberelements (der thermisch expansiven Vorrichtung) in einer geschlossenen Stellung der Luftklappe;
Bfc = Membrankraft des Druckgeberelements in der geschlossenen Stellung;
Fsc = Federkraft der Feder 80 (Vorspannungskraft der Vorspannungsvorrichtung) in der geschlossenen Stellung;
Bc = Druckgeberelementdruck in der geschlossenen Stellung (entsprechend einer Temperatur des Gases im Druckgeberelement); und
Ea = effektive Fläche des Druckgeberelements.
Das Gleichgewicht bei einer geöffneten Stellung, in
Übereinstimmung mit Fig. 2, jedoch ohne die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung, kann dargestellt
werden wie folgt:
Fbo = Bfo + Fso = Po.Ea Gl.2
wobei:
Fbo = Ausdehnungskraft des Druckgeberelements (der thermisch expansiven Vorrichtung) in einer offenen Stellung der Luftklappe;
Bfo = Membrankraft des Druckgeberelements bei offener Stellung;
Fso = Federkraft der Feder 80 (Vorspannungskraft der Vorspannungsvorrichtung) bei offener Stellung; und
Po = Druckgeberelementdruck bei offener Stellung;
Fbo = Ausdehnungskraft des Druckgeberelements (der thermisch expansiven Vorrichtung) in einer offenen Stellung der Luftklappe;
Bfo = Membrankraft des Druckgeberelements bei offener Stellung;
Fso = Federkraft der Feder 80 (Vorspannungskraft der Vorspannungsvorrichtung) bei offener Stellung; und
Po = Druckgeberelementdruck bei offener Stellung;
Natürlich sind bei einem solchen geöffneten Zustand gemäß
Fig. 2 alle Werte größer als bei einer geschlossenen
Stellung.
Eine Druckdifferenz (in Entsprechung zu einer
Temperaturdifferenz) zwischen einem offenen und geschlossenen
Zustand der Klappe 64 ergibt sich durch die Differenz Po-Pc.
Wie aus der Gleichungen Gl.3 ersichtlich, ergibt sich die
Druckdifferenz somit durch die Vorspannfederwerte und
Membrankräfte.
Bei einer Kühlvorrichtung mit einem Thermostatschalter ohne
Vorrichtung zur Hystereseverminderung kann für einen Übergang
von einem vollständig geschlossenen Zustand zu einem voll
geöffneten Zustand der Luftklappe 64 eine Temperaturdifferenz
von 15 K (Kelvin) notwendig sein, die im Inneren der
Kühlvorrichtung eine entsprechende Temperaturschwankung
erzeugt. Eine solche Temperaturdifferenz bzw.
Temperaturhysterese kann beispielsweise für verderbliche
Lebensmittel, Filmmaterialien etc. jedoch zu groß sein.
Die Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung erlaubt eine
Reduktion der Temperaturschwankungen im Inneren der
Kühlvorrichtung. Im Vergleich zu obigen Betrachtungen werden
daher nunmehr die gleichen Betrachtungen bei Gegenwart der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung
angestellt. Es wird hier angenommen, dass die Vorrichtung
zur Empfindlichkeitserhöhung angelenkt ist, wie in Fig. 1 und
Fig. 2 gezeigt. Demnach ist die
Empfindlichkeitserhöhungskraft in der geschlossenen Stellung
der Luftklappe 64 null.
Das Gleichgewichtskräfteverhältnis bei einer geschlossenen
Position ist daher wie zuvor, d. h.:
Fbc = Bfc + Fsc = Bc.Ea Gl.4
Bei einer offenen Position, in Entsprechung zu Fig. 2, bei
Vorhandensein der Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung,
beispielsweise gebildet durch eine Federvorrichtung 90, kann
das Kräfteverhältnis wie folgt dargestellt werden:
Fbo = Bfo + Fso - Ωfo = Po.Ea Gl.5
wobei Ωfo die Vorspannkraft ist, d. h. die Kraft, die durch
die Federvorrichtung 90 bzw. das Gewicht 95 in einer offenen
Position ausgeübt wird.
Wiederum wird der Einfachheit halber angenommen, dass alle
Hebelarmverhältnisse 1 : 1 sind.
Die Druckdifferenz von vollständig geschlossener zu
vollständig geöffneter Position ergibt sich nunmehr durch
Es zeigt sich, dass die Druckdifferenz (Po - Pc) mit der
aufgrund der Kraft Ωfo, d. h. mit der Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung nunmehr geringer als vorhergehend
ist.
Die folgenden 2 Punkte sind bei diesen Betrachtungen jedoch
zu beachten:
- 1. Bei einem Erhöhen der Kraft (oder des Hebelarmes) der
Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung vermindert sich der
für ein Öffnen des Stellers bzw. der Luftklappe notwendige
Druckunterschied proportional. Es muss dabei jedoch
sichergestellt sein, dass die Empfindlichkeitserhöhungskraft
Ωfo nicht größer als die Vorspannkraft durch die
Vorspannvorrichtung ist, in diesem Fall die Summe der
Membrankräfte des Druckgeberelements und der Federkraft der
Feder 80. Mit anderen Worten muss
Ωfo ≦ (Bfo - Bfc) + (Fso - Fsc)
Dieses verhindert einen Schnappeffekt, d. h. ein plötzliches Öffnen der Luftklappe, bzw. ein plötzliches Schließen der Luftklappe. - 2. Die Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung muss nicht notwendigerweise so ausgerichtet sein, dass keine Empfindlichkeitserhöhungskraft in geschlossener Stellung wirkt, und eine Empfindlichkeitserhöhungskraft in Richtung einer Öffnungsbewegung der Klappe wirkt, die Kräfte können, wie vorhergehend beschrieben, auch anders eingestellt sein. In jedem Fall wird der Effekt der Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung einen Druckunterschied zwischen geöffneter und geschlossener Position der Luftklappe vermindern.
Beispielsweise könnte die Federvorrichtung in geschlossener
Position eine negative Empfindlichkeitserhöhungskraft und in
geöffneter Position eine positive
Empfindlichkeitserhöhungskraft ausüben. In dem Fall wäre
Fbc = Bfc + Fsc + Ωfc
Fbc = Bfc + Fsc + Ωfc
Fbo = Bfo + Fso - Ωfo
(Fbo - Fbc) = (Bfo - Bfc) + (Fso - Fsc) - (Ωfo + Ωfc)
Weiter, falls die Federvorrichtung eine
Empfindlichkeitserhöhungskraft erzeugen würde, die bei einer
vollständig offenen Position der Luftklappe 64 Null wäre und
bei einer vollständig geschlossenen Position der Luftklappe
positiv wäre, ergeben sich die folgenden Zustände
Fbc = Bfc + Fsc + Ωfc
Fbo = Bfo + Fso
(Fbo - Fbc) = (Bfo - Bfc) + (Fso - Fsc) - Ωfc
Falls die Hebelarmverhältnisse ungleich 1 sind, können die
obigen Betrachtungen mit den entsprechenden Momenten (Kraft ×
Hebelarm) angestellt werden.
Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 3 ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Thermostatvorrichtung nach der
Erfindung beschrieben. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 1 und 2 enthält das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 eine geänderte Öffnungsvorrichtung zum Öffnen der
Luftklappe 64, bestehend aus einem weiteren drehbar
gelagerten Hebelarm 65, der durch den zweiten Hebelarm 63 der
Hebelvorrichtung 60 betätigt wird. Eine Rückstellkraft zum
Schließen der Luftklappe 64 wird neben der Feder 80 durch
eine Klappenfeder 68 unterstützt.
Die Vorspannfeder 80 ist darüber hinaus in ihrer Federkraft
einstellbar, über einen Arm 81 und eine Nockenscheibe 82, mit
der der Arm 81 verschoben werden kann. Durch diese Nocke 82
kann ein Ziel-Temperaturwert im Kühlfach durch einen Benutzer
vorgegeben werden.
Weiter enthält die Anordnung nach Fig. 3 als Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung eine Omegafeder 91, anstatt der
Federvorrichtung 90. Die Omegafeder 91 hat gegenüber einer
Spiralfeder Vorteile in einer besonders einfachen Befestigung
und Handhabung.
Weitet ist für eine Einstellung der Empfindlichkeits
erhöhungskraft, die durch die Omegafeder 91 gebildet wird,
eine Schraube 92 vorgesehen, mit der die Federwirkung
verstärkt oder vermindert werden kann. Durch diese Schraube
92 kann auch sichergestellt werden, dass das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment niemals größer als das
Vorspannmoment wird, das im vorliegenden Fall sich aus einer
Membrankonstanten, der Federkraft der Feder 80 und der
Klappenfeder 68 ergibt.
Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 bei einer
erhöhten Temperatur, bei der sich das Druckgeberelement
ausgedehnt hat, und die Hebelvorrichtung 60 im Uhrzeigersinn
rotiert hat. Wie zuvor erläutert, ergibt sich somit eine
Empfindlichkeitserhöhungskraftkomponente 194 durch die
Omegafeder, die eine Rotation der Hebelvorrichtung 60
unterstützt. Dadurch wird der zweite Hebelarm 63
abwärtsgedrückt, und es wird über die zweite Hebelvorrichtung
65 eine Öffnung der Luftklappe 64 bewirkt.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 und 4
gelten jedoch die gleichen grundsätzlichen Überlegungen in
Hinblick auf die Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung
wie mit Bezug auf die Fig. 1 und 2.
Fig. 5 zeigt in einem Diagramm Messergebnisse für einen
Vergleich einer Thermostatvorrichtung mit und ohne
Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung. Gemessen und
aufgetragen wurden der Gasdruck im Inneren des
Druckgeberelements und der Öffnungsgrad der Luftklappe 64.
Eine mit 501 bezeichnete Kurve repräsentiert ein Beispiel
einer Thermostatvorrichtung ohne Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung. Eine mit 502 bezeichnete Kurve
charakterisiert die erfindungsgemäße Thermostatvorrichtung
mit Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung.
Aus dem Verlauf der Kurven ist ersichtlich, dass im Vergleich
zur Kurve 501 bei der Kurve 502, in Entsprechung zur
vorliegenden Erfindung, die Empfindlichkeit des Thermostats
mit Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung erhöht wurde,
so dass ein geringerer Gasdruckanstieg in dem
Druckgeberelement für einen bestimmten Öffnungsgrad der
Luftklappe erforderlich ist. Diese verbesserte
Empfindlichkeit bewirkt ein schnelleres Öffnen der Luftklappe
bei einem Temperaturanstieg im Kühlfach des Kühlschranks, so
dass schneller kalte Luft nachfließen kann, wodurch eine
Temperaturhysterese im Kühlfach vermindert werden kann.
Claims (12)
1. Thermostatvorrichtung mit
einer drehbar gelagerten Hebelvorrichtung (60),
einem Steller (64), der mit der Hebelvorrichtung (60) verbunden ist,
einer Vorspannvorrichtung (80; 68), die ein Vorspannmoment bereitstellt, das den Steller (64) in Richtung einer ersten Stellung drückt,
einer thermisch expansiven Vorrichtung (50), die zwischen einem Gehäuse und der Hebelvorrichtung (60) befestigt ist, und durch ein Ausdehnungsmoment den Steller (64) von der ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegen kann, und
einer Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung (90; 91; 95), die mit der Hebelvorrichtung (60) verbunden ist, und die ein Empfindlichkeitserhöhungsmoment bereitstellt, das in der ersten Stellung und der zweiten Stellung unterschiedliche Werte aufweist, wobei das Empfindlichkeitserhöhungsmoment in jeder Stellung des Stellers (64) kleiner als das Vorspannmoment ist.
einer drehbar gelagerten Hebelvorrichtung (60),
einem Steller (64), der mit der Hebelvorrichtung (60) verbunden ist,
einer Vorspannvorrichtung (80; 68), die ein Vorspannmoment bereitstellt, das den Steller (64) in Richtung einer ersten Stellung drückt,
einer thermisch expansiven Vorrichtung (50), die zwischen einem Gehäuse und der Hebelvorrichtung (60) befestigt ist, und durch ein Ausdehnungsmoment den Steller (64) von der ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegen kann, und
einer Vorrichtung zur Empfindlichkeitserhöhung (90; 91; 95), die mit der Hebelvorrichtung (60) verbunden ist, und die ein Empfindlichkeitserhöhungsmoment bereitstellt, das in der ersten Stellung und der zweiten Stellung unterschiedliche Werte aufweist, wobei das Empfindlichkeitserhöhungsmoment in jeder Stellung des Stellers (64) kleiner als das Vorspannmoment ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Steller (64) eine Kaltluftzufuhrklappe in einer
Kühlvorrichtung steuert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Stellung des Stellers
(64) einer geschlossenen Stellung der
Kaltluftzufuhrklappe entspricht, die zweite Stellung des
Stellers (64) einer offenen Stellung der
Kaltluftzufuhrklappe entspricht und das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment in Richtung der zweiten
Stellung wirkt und in der ersten Stellung des Stellers
(64) kleiner als in einer der zweiten Stellung näheren
Stellung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Stellung des Stellers
(64) einer geschossenen Stellung der
Kaltluftzufuhrklappe entspricht, die zweite Stellung des
Stellers (64) einer offenen Stellung der
Kaltluftzufuhrklappe entspricht und das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment in Richtung der ersten
Stellung wirkt und in der zweiten Stellung des Stellers
(64) kleiner als in einer der ersten Stellung näheren
Stellung ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung (90; 91; 95) so angeordnet ist,
dass in einer der Stellungen des Stellers (64) das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment im wesentlichen null ist
und in der anderen Stellung des Stellers (64) das
Empfindlichkeitserhöhungsmoment ungleich null ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung (90; 91; 95) durch eine Federvorrichtung
(90; 91) gebildet wird, die zwischen dem Gehäuse und
einem Arm der Hebelvorrichtung (60) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass in der ersten Stellung des Stellers (64) die
Federkraft der Federvorrichtung (90; 91) im wesentlichen in
Richtung eines Drehpunktes (61) der Hebelvorrichtung
(60) wirkt, und in der zweiten Stellung des Stellers
(64) die Federkraft eine Rotationsbewegung der
Hebelvorrichtung (60) um den Drehpunkt (61) zum Bewegen
des Stellers (64) von der ersten Stellung in die zweite
Stellung unterstützt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (90; 91) eine
Omegafeder (91) einschließt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur
Empfindlichkeitserhöhung (90; 91; 95) durch ein Gewicht (95) gebildet
wird, das an einem Arm der Hebelvorrichtung (60)
befestigt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gewicht (95) in der ersten Stellung des
Stellers (64) im wesentlichen senkrecht über einem
Drehpunkt der Hebelvorrichtung (60) angeordnet ist, so
dass die Schwerkraft des Gewichtes im wesentlichen in
Richtung des Drehpunktes (61) der Hebelvorrichtung (60)
wirkt, und in der zweiten Stellung des Stellers (64)
sich das Gewicht auf einer Seite des Drehpunktes
befindet, so dass die Schwerkraft des Gewichtes (95)
eine Rotationsbewegung der Hebelvorrichtung (60) zum
Öffnen des Stellers (64) unterstützt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass sich das Gewicht (95) in der ersten
Stellung des Stellers (64) auf einer Seite des
Drehpunktes (61) und in der zweiten Stellung auf der
anderen Seite des Drehpunktes (61) befindet, so dass die
Schwerkraft des Gewichtes (95) in der ersten Stellung
einer Rotationsbewegung der Hebelvorrichtung (60) zum
Öffnen des Stellers (64) entgegenwirkt, und in der
zweiten Stellung eine Rotationsbewegung der
Hebelvorrichtung (60) zum Öffnen des Stellers (64)
unterstützt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die thermisch expansive Vorrichtung
(50) einen gasgefüllten Zylinder und Kolben enthält oder
die thermisch expansive Vorrichtung einen gasgefüllten
Balg enthält und die Vorspannvorrichtung sich aus einer
Balgmembran und einer Vorspannfeder zusammensetzt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000147160 DE10047160C2 (de) | 2000-09-22 | 2000-09-22 | Thermostatvorrichtung mit verminderter Hysterese |
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DE2000147160 DE10047160C2 (de) | 2000-09-22 | 2000-09-22 | Thermostatvorrichtung mit verminderter Hysterese |
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Publication Number | Publication Date |
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DE10047160A1 DE10047160A1 (de) | 2002-04-18 |
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2000
- 2000-09-22 DE DE2000147160 patent/DE10047160C2/de not_active Expired - Fee Related
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