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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckgastrockner auf Kühlungsbasis, der mit Gruppen von verbesserten Wärmetauschern ausgestattet ist.
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Prinzipiell ist ein Druckgastrockner auf Kühlungsbasis der vorstehend genannten Art eine Kühlmaschine, die in der Regel zum Entfernen von Feuchtigkeit aus einem bestimmten Druckluftstrom oder auch aus jeder beliebigen Art eines Druckgases eingesetzt wird. In diesem Zusammenhang soll, auch wenn in der nachfolgenden Beschreibung im Allgemeinen auf Druckluft Bezug genommen wird, dies soweit verstanden werden, dass es jede andere Art von Druckgas oder einer Mischung von Druckgasen, die eine Entfeuchtung erfordern könnten, umfassen und auf diese angewendet werden kann.
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Die in Druckluft vorhandene Feuchtigkeit ist im Allgemeinen als Hauptursache für Korrosion und vorzeitiges Ausfallen von Rohrsystemen bekannt, was letzten Endes zu einer Fehlfunktion oder sogar einer vollständigen Unbrauchbarkeit der Maschinen, die Druckluft einsetzen, führen kann. Demzufolge muss diese Feuchtigkeit aus der Druckluft entfernt werden, bevor sie den Maschinen und Geräten, die sie verwenden, zugeführt wird.
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Gemäß seiner herkömmlichen Funktionsweise arbeitet ein Drucklufttrockner auf Kühlungsbasis gewöhnlich nach dem Prinzip, nach dem die in den Trockner eintretende Druckluft abgekühlt wird, um so ein Kondensieren der Feuchtigkeit (Wasserdampf) zu bewirken.
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Der Trockner umfasst im Wesentlichen eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung, oder einen Gas/Gas-Wärmetauscher, und einen Evaporator, die eigentlich als ein Paar von Wärmetauschern arbeiten.
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Wenn in der nachfolgenden Beschreibung auf eine Gruppe von Wärmetauschern Bezug genommen wird, soll dies bedeuten, dass die oben erwähnte Wärmerückgewinnungsvorrichtung und der Evaporator eine Baueinheit sind.
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Die zu trocknende Druckluft wird zunächst in einem Vorkühlabschnitt der Wärmerückgewinnungsvorrichtung vorgekühlt; danach verlässt sie diesen Vorkühlabschnitt des Gas/Gas-Wärmetauschers und kühlt in einem Kühlbereich des Evaporators weiter so weit ab, bis sie einen gewünschten Taupunkt erreicht.
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Dieser Abkühleffekt kommt durch ein Kühlmedium zustande, das in einem Evaporationsabschnitt es Evaporators evaporiert, woraufhin dieses evaporierende Kühlmedium beginnt zu strömen, d. h. in einem Kühlkreislauf zirkuliert. Jedoch kann sogar Wasser möglicherweise als Kühlmedium verwendet werden.
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Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Druckluft, nachdem sie zunächst in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung und dann im Evaporator derart abgekühlt worden ist, einen Luftkondensator bzw. einen Kondensatabscheider, in dem der darin gesammelte kondensierte Wasserdampf von der Luft abgeschieden wird. Das daraus resultierende Kondensat wird dann durch eine in geeigneter Weise bereitgestellte Kondensat-Ablaufvorrichtung abgelassen.
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Der den Kondensatabscheider verlassende Luftstrom strömt dann durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung des Kühlkreislaufes in einen Erwärmungsabschnitt, um so einen Vorkühleffekt hervorzubringen, indem Wärme mit der in den Trockner strömenden Druckluft ausgetauscht wird.
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Aus dem Stand der Technik sind Gas/Gas-Wärmetauscher und Evaporatoren großer Gattungsvielfalt bekannt, die durch die Anwendung verschiedener Technologien erreicht worden sind.
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Insbesondere sind aus dem Stand der Technik Druckgastrockner auf Kühlungsbasis bekannt, bei denen die Vorkühl- und Erwärmungsabschnitte der Wärmerückgewinnungsvorrichtung sowie die Luftkühlungs- und Kühlmittelevaporationsabschnitte des Evaporators vollständig gerippt sind, wodurch versucht wird, die Effizienz und die Kompaktheit der Wärmetauschergruppe zu erhöhen.
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In diesem Zusammenhang kann zum Beispiel die in der Europäischen Patentanmeldung
EP 1593924 beschriebene Gruppe von Wärmetauschern genannt werden.
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In dieser Veröffentlichung sind ebenfalls die Offenlegungen der
US Patente Nr. 5845505 und
6085529 genannt, bei denen die Wärmerückgewinnungsanordnung und der Evaporator separat hergestellt und dann miteinander verbunden werden, um so eine Gruppe von Wärmetauschern zu bilden, und bei denen der Wärmetauschprozess in der Rückgewinnungsanordnung und dem Evaporator ein sogenannter Kreuzstromwärmetauschprozess ist, d. h. in einem Kreuzstrommuster stattfindet.
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Daher ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckgastrockner auf Kühlungsbasis zu schaffen, der sehr kompakt, d. h. sehr platzsparend ist.
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Im Rahmen dieser allgemeinen Aufgabe besteht ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung darin, einen Druckgastrockner auf Kühlungsbasis zu schaffen, der eine verbesserte Wärmetauscheffizienz aufweist.
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Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Druckgastrockner auf Kühlungsbasis zu schaffen, der eine Gruppe von Wärmetauschern verwendet, die zu besonders niedrigen Kosten hergestellt werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele mit einem Druckgastrockner auf Kühlungsbasis erreicht, der die Charakteristika und Merkmale beinhaltet, wie sie in den anhängenden Ansprüchen genannt sind.
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Wie auch immer, die struktur-, betriebs- und konstruktionsbedingten Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile gegenüber ähnlichen Lösungen nach dem Stand der Technik werden anhand der detaillierten Beschreibung leichter verständlich, die nachstehend anhand eines nichteinschränkenden Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben ist, die eine Gruppe von Wärmetauschern für Druckgastrockner auf Kühlungsbasis darstellen, die gemäß der innovativen Richtlinien der vorliegenden Erfindung, verglichen zu ähnlichen Lösungen gemäß dem Stand der Technik, hergestellt worden sind und in denen:
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1 eine schematische Ansicht eines Druckgastrockners auf Kühlungsbasis nach dem Stand der Technik ist;
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2 eine schematische Ansicht einer Gruppe von Wärmetauschern für Druckgastrockner auf Kühlungsbasis nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Wärmetauschprozesse in einem Kreuzstrommodus in der Wärmerückgewinnungsanordnung und in einem nahezu Gegenstrommodus im Evaporator stattfinden;
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3 eine schematische Explosionsansicht eines Wärmetauscherstapels aus der in 2 gezeigten Gruppe von Wärmetauschern ist;
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4 eine perspektivische Ansicht des in 3 gezeigten Wärmetauscherstapels ist.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Druckgastrockners auf Kühlungsbasis nach dem Stand der Technik, wobei ein zu trocknendes Druckgas in ein Einlassrohr 12' einströmt und in getrocknetem Zustand aus einem Auslassrohr 14' ausströmt.
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Wie bereits in der Beschreibungseinleitung dargelegt, umfasst ein Druckgastrockner nach dem Stand der Technik einen Gas/Gas-Wärmetauscher 16', der einen Vorkühlabschnitt 18' für das zu trocknende Druckgas und einen Erwärmungsabschnitt 20' für das getrocknete Druckgas sowie einen Evaporator 22' mit einem Kühlbereich 24' für das Druckgas und einen Evaporationsabschnitt 26' für ein durch einen Kühlkreislauf 28' strömendes Kühlmedium aufweist. Der Trockner umfasst ferner auch einen Kondensatabscheider 30' und eine Kondensatauffangeinrichtung, d. h. eine Ablaufvorrichtung 32'.
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Bezugnehmend auf die 2 und 3 umfasst ein Druckgastrockner auf Kühlungsbasis gemäß der vorliegenden Erfindung ein Einlassrohr 12 zum Einführen des zu trocknenden Druckgases sowie ein Auslassrohr 14 zum Ausführen des getrockneten Druckgases.
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Der Druckgastrockner auf Kühlungsbasis umfasst ferner eine Gruppe von Wärmetauschern 10, die wiederum einen Gas/Gas-Wärmetauscher bzw. eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 16 und einen Evaporator 22 aufweist.
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Der Gas/Gas-Wärmetauscher 16 weist einen Vorkühlabschnitt 18 für das zu trocknende Druckgas sowie einen Erwärmungsabschnitt 20 für das Druckgas in getrockneten Zustand auf.
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Im Gegenzug weist der Evaporator 22 einen Kühlbereich 24 für das Druckgas und einen Evaporationsabschnitt 26a-26b-26c für ein durch eine Kühlleitung 28 strömendes Kühlmedium auf; darüber hinaus umfasst der Trockner einen Kondensatabscheider 30.
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In der schematischen Anordnung der Gruppe von Wärmetauschern 10 gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt der Wärmetauschprozess in einem nahezu Gegenstrommodus im Evaporator 22 und in einem Kreuzstrommodus in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 16.
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Der Evaporator 22 ist eigentlich der Art, bei der die Druckluft durch einen einzelnen Durchlass durch ihn hindurch strömt, d. h. mit einem einzelnen Ablauf von oben nach unten zum Boden entlang des Bereichs 24, wohingegen das Kühlmedium durch zwei Durchlässe durch ihn hindurch strömt, d. h. mit zwei Abläufen zunächst entlang des Bereichs 26a und sich dann in dem Sammler 37 sammelt, indem es entlang des Bereichs 26b und dann entlang des Bereichs 26c strömt, um wiederum durch den Evaporator 22 zu strömen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können die beiden Wärmetauscher, d. h. die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 16 und der Evaporator 22, welche die Gruppe von Wärmetauschern 10 bilden, entweder in einer einstückiger Bauweise als eine einheitliche Komponente oder in zwei individuellen Teilen, die dann miteinander zu verschweißen sind, hergestellt sein. Im Gegenzug kann jeder einzelne Wärmetauscher entweder in einer einstückigen Bauweise als eine einheitliche Baugruppe oder in zwei individuellen Teilen, die dann miteinander zu verschweißen sind, hergestellt sein.
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In 3 ist die Lösung dargestellt, bei der die Wärmetauscher 16 und 22 jeweils als zwei individuelle Teile hergestellt sind.
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Im Allgemeinen werden diese Wärmetauscher mittels eines Ofenhartlötprozesses hergestellt, der z. B. entweder unter Vakuumbedingungen oder unter einer gesteuerten nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt werden kann.
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Um darüber hinaus eine Wärmetauschergruppe 10 zu erhalten, deren Bauweise noch kompakter ist, ist ein Kondensatabscheider 30 vorzugsweise in der Nähe des Evaporators 22 angeordnet, wie in 2 gezeigt.
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4 zeigt das Haupt-Wärmetauschelement der Wärmerückgewinnungsvorrichtung bzw. des Evaporators 16. Es umfasst eine Vielzahl von Wärmetauschstapeln (Leitungen) 80, welche das Strömen der Fluide durch sie hindurch erlauben, während sie miteinander Wärme tauschen.
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Jeder dieser Stapel 80 umfasst eine Vielzahl von Rippen 21, die an dünnen, planen Blechen 89 befestigt sind, die zwischen den Rippen so angeordnet sind, dass sie voneinander beabstandet bleiben und die Kanäle für das Hindurchströmen der Fluide erzeugt werden.
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So, wie er hier verwendet wird, soll der Begriff „Rippen” als Blechplatten – vorzugsweise aus Aluminium – verstanden werden, die in einem meanderförmigen Muster in geeigneter Weise ausgebildet sind, um so einen stärkeren Wärmetauscheffekt sicherstellen zu können. Die Blechplatten 89 bestehen ebenfalls vorzugsweise aus Aluminium.
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Die Rippen werden erzielt, indem eine dünne Blechplatte so gezogen wird, dass ein Muster aus vertikalen und horizontalen Flächen erhalten wird, d. h. Flächen, die orthogonal zueinander sind.
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Die horizontalen Flächen liegen in zwei Ebenen im Abstand von einigen Millimetern voneinander getrennt, wohingegen die vertikalen Flächen, welche die „tatsächliche” Formgebung, d. h. den Umriss der Rippen, darstellen, eine derartige Geometrie aufweisen, dass sie Strömungsdurchgänge definieren und sowohl den Wärmetausch-Flächenbereich als auch die Wirbelströmung des durchströmenden Fluids erhöhen.
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Als Resultat werden dort durch Schweißen – vorzugsweise Hartlöten – der horizontalen Flächen der Rippen an die Blechplatten 89 die „Kanäle” oder Leitungen für die Luft und für das durchströmende Kühlmedium erzeugt und definiert.
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Gewöhnlich weist die eine Seite „n” Stapel (Leitungen) auf, wohingegen die andere Seite 31, die orthogonal in Bezug auf die erste liegt, „n + 1” Stapel aufweist, so dass jeder Stapel mit den daneben liegenden Stapeln Wärme tauscht. Der Wärmetausch erfolgt durch die dünnen Bleche 89 und durch die horizontalen und die vertikalen Flächen der Rippen.
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Zum besseren Verständnis ist die Anzahl der Stapel 80, welche die Wärmetauschergruppe 10 bilden, ungefähr proportional zu der Strömungsrate des zu behandelnden Gases.
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Jeder Stapel 80 umfasst zwei Blechplatten 89, an denen die Rippe 21 befestigt ist.
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Ferner umfasst jeder Stapel 80 eine Vielzahl von Abstandselementen 88, die in geeigneter Weise an der Vielzahl von Rippen so befestigt sind, dass die Leitungen definiert sind, durch welche die Fluide zirkuliert werden, indem sie dazu gezwungen werden, den passenden Wärmetausch-Strömungspfaden zu folgen.
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So, wie er hier verwendet wird, soll der Begriff „Abstandselemente” dahingehend verstanden werden, dass er sich auf Metallstangen – vorzugsweise aus Aluminium – bezieht, deren Querschnitt quadratisch oder rechtwinklig ist und von dem eine Seite der Höhe der vertikalen Flächen der gerippten Platte gleich ist. Diese Stangen werden dann an die Blechplatten 89 an deren beiden gegenüberliegenden Seiten entsprechend der horizontalen Flächen der gerippten Platte geschweißt.
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Das zu trocknende Druckgas strömt in die Leitung 27 (3), dann durch die Leitungen 84 und schließlich aus der Leitung 29 heraus, während es entlang des Bereiches, der mit den Leitungen 87 in Kontakt steht, einer Vorkühlung und danach einer abschließenden Abkühlung entlang des Bereiches, der mit den Leitungen 85 und 86 in Kontakt steht, ausgesetzt wird, um so bis zu dem gewünschten Taupunkt zu gelangen.
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Das Kühlmedium tritt in den Sammler 35 ein und wird in die Leitungen 85 geleitet, wo es Wärme mit dem Druckgas tauscht und somit das Druckgas abkühlt, das in den unteren Teil der Leitungen 84 strömt. Dann strömt es in den Sammler 37e, um in die Leitungen 86 geleitet und schließlich aus dem Sammler 36 herausgeführt zu werden. Somit ist es eindeutig, dass der Bereich 22 als Evaporator arbeitet, während das Kühlmedium evaporiert, wodurch das Druckgas abgekühlt wird, wohingegen der Teil, der sich auf den Bereich 16 bezieht, als Wärmerückgewinnungsvorrichtung arbeitet.
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Jede Leitung 84 ist mit einem Einlass 27 für das zum Vorkühlbereich 15 geleitete Druckgas versehen, wobei das Druckgas dann weiter durch den Evaporator 22 strömt, bis es schließlich den Auslass 29 erreicht. Von diesem Auslass wird das gekühlte Druckgas, nachdem es vom Kondensat abgeschieden worden ist, durch einen Einlass 25 in einen Nach-Erwärmungsbereich der Wärmerückgewinnungsanordnung 16 geleitet, um schlussendlich die gleiche Wärmerückgewinnungsanordnung durch deren Bereich 31 zu verlassen.
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Der Vorteil dieses Wärmetauschers gegenüber demjenigen, der in der vorstehend genannten Veröffentlichung
EP 1593924 beschrieben ist, liegt in der Möglichkeit, die Wärmetauscheffizienz des Evaporators
22 zu verstärken. Genauer gesagt, weist aufgrund des Kreuzstrommusters in der Wärmerückgewinnungsvorrichtung die in den Evaporator eintretende vorgekühlte Druckluft genau genommen kein einheitliches Temperaturprofil auf, und ist entsprechend der Ein- und Ausströmungszonen des Kühlmediums wärmer. Aus diesem Grund ist die in derartigen Zonen auszutauschende Wärme größer als die Wärmemenge, die tatsächlich abgezogen werden kann, d. h. durch das durchströmende Kühlmedium entfernt werden kann, mit dem Ergebnis, dass ein nichteinheitliches Temperaturprofil auch in der Luft auftritt, die aus dem Evaporator unter einer entsprechenden Erhöhung des endgültigen Taupunktes austritt.
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Dieser auszuräumende Nachteil liegt möglicherweise in der Bereitstellung eines Evaporators mit Doppeldurchgang wie der vorstehend beschriebene gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung kann andererseits auch in einer sich von der vorstehend beschriebenen unterscheidenden Weise ausgeführt sein, z. B. indem die Anzahl von Durchgängen des Kühlmediums in den Evaporator erhöht wird, so dass beispielsweise 4 oder 6 derartige Durchgänge, verglichen mit dem Einzeldurchgang, für das zu trocknende Druckgas zur Verfügung gestellt werden können. Die für das Kühlmedium bereitgestellte Anzahl von Durchgängen ist gewöhnlich geradzahlig, da die Anschlussstutzen für die Ein- und Auslässe vorzugsweise und wünschenswerterweise an der gleichen Seite angeordnet sein sollten.
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Auf diese Weise können die vorgenannten Ziele der vorliegenden Erfindung vollständig und effektiv erreicht werden. Es steht selbstverständlich außer Frage, dass der Druckgastrockner auf Kühlmittelbasis gemäß der vorliegenden Erfindung auf mehrere Arten ausgeführt werden kann, die sich von denjenigen unterscheiden, de im Vorstehenden beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen als nicht einschränkendes Beispiel dargestellt worden sind, und die in Zusammenhang mit dem Aufbau der einzelnen Teile des Trockners verwendeten Materialien können sich ebenfalls voneinander unterscheiden, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Erfindung wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist abgewichen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1593924 [0013, 0050]
- US 5845505 [0014]
- US 6085529 [0014]
