PT2009648E - Dispositivo de aquecimento e/ou de arrefecimento com várias camadas - Google Patents

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Description

DESCRIÇÃO
"DISPOSITIVO DE AQUECIMENTO E/OU DE ARREFECIMENTO COM VÁRIAS CAMADAS" A presente invenção refere-se, em primeiro lugar, a um esquentador de água corrente de forma tubular e a uma placa de aquecimento.
No documento DE 19810848 AI é descrito um elemento de aquecimento, o qual é produzido por camadas em forma de banda de um material condutor eléctrico e formando uma resistência, que são aplicadas sobre superfícies de um substrato por meio de uma pulverização por arco eléctrico ou de um processo de projecção por plasma. De modo a alcançar a forma pretendida da camada condutora eléctrica , é aplicada previamente uma camada de separação sobre o substrato, por meio de um processo de impressão. A camada de separação é de um material tal que o material condutor eléctrico não adere naqueles pontos do substrato nos quais se encontra a camada de separaçao. O processo conhecido tem a desvantagem de ser relativamente dispendioso e, por isso, as partes com as camadas de resistência condutoras eléctricas são comparativamente dispendiosas. Para além disso, com o processo conhecido, apenas partes mais ou menos planas podem ser providas de uma camada condutora eléctrica.
Além disso, é conhecido a partir do documento EP 0399376 A2 um rolo cilíndrico rotativo de aquecimento, como parte constituinte de uma copiadora, para fixar por processo térmico 1 páginas copiadas. Ali é produzido um elemento de aquecimento, o qual recebe uma estrutura em espiral, por meio de uma remoção por laser, a partir de uma camada de resistência, de inicio completamente cilíndrica. A presente invenção resulta das reivindicações anexas. De acordo com a invenção, não é necessário qualquer tratamento prévio especial, de modo a obter a forma pretendida da camada de resistência condutora eléctrica. Em vez disso, o material condutor eléctrico no qual consiste a camada de resistência é aplicado inicialmente em superfície plana e em geral de modo uniforme sobre o substrato não condutor. A aplicação por meio de projecção térmica proporciona, neste caso, uma elevada aderência do material condutor eléctrico sobre o substrato não condutor. Para além disso, os mais diferentes materiais podem desta maneira ser aplicados rapidamente e de modo muito uniforme sobre o substrato não condutor.
Em seguida, o material condutor eléctrico aplicado é removido em determinados locais por meio de um dispositivo adequado. Desta forma torna-se também possível uma conformação complexa da camada condutora eléctrica em apenas duas operações de trabalho. 0 esquentador de água corrente de acordo com a invenção e a placa de aquecimento de acordo com a invenção podem ser produzidos com um preço especialmente favorável e apresentam uma espessura reduzida. Além disso, as suas camadas de aquecimento podem apresentar uma geometria complexa, que está adaptada às condições individuais de utilização, em especial ao fluido ou peça a aquecer. Por exemplo, a invenção é vantajosa também para o aquecimento daquelas peças ou substâncias que não suportam 2 qualquer aquecimento uniforme na sua superfície ou que precisam de um aquecimento especialmente uniforme. A remoção em certas zonas da camada de material pode decorrer por meio de radiação por laser, ou por meio de um jacto de água ou por meio de um jacto de pó de areia.
No caso da utilização de radiação por laser, o material é tão fortemente aquecido que se vaporiza. A utilização de um raio laser tem, neste caso, a vantagem de, com ele, poderem ser transferidas muito rapidamente energias muito elevadas para o material condutor eléctrico, de modo que este se vaporiza imediatamente. Através desta vaporização instantânea do material condutor eléctrico é assegurado que apenas é transferido comparativamente pouco calor para o substrato que se encontra por debaixo do material condutor eléctrico. Este não é, portanto, danificado com o processo de acordo com a invenção. A evaporação tem relativamente à combustão a vantagem de que não permanecem, no essencial, quaisquer resíduos nas zonas evaporadas sobre o substrato e o seu efeito de isolamento é, assim, muito bom.
Através de uma correspondente óptica do dispositivo que emite o raio laser, este pode ser orientado praticamente de qualquer maneira para a peça de trabalho a ser produzida. Quaisquer contornos complexos podem, por um lado, ser vaporizados deste modo a partir do material condutor eléctrico aplicado por projecção, de modo que podem ser produzidas camadas de resistência de contorno correspondentemente complexo. Por outro lado, porém, também podem ser processadas peças de trabalho que são elas próprias configuradas complexas de forma tridimensional. Uma camada de resistência condutora eléctrica com geometria 3 complexa pode, deste modo, ser produzida num total de apenas duas operações de trabalho.
No caso da utilização de um jacto de água não é transferida absolutamente nenhuma energia térmica para a peça de trabalho. Isto é vantajoso, em especial, no caso do processamento de materiais sintéticos sensíveis ao calor. 0 mesmo é válido também para a utilização de jactos de pó de areia.
Durante a remoção de certas zonas da camada de material, a resistência eléctrica da camada de resistência condutora eléctrica pode ser registada, pelo menos indirectamente. Desta maneira, um controlo de qualidade preciso é possível logo imediatamente durante a produção da camada condutora eléctrica.
Neste caso, um valor efectivo da resistência eléctrica da camada de resistência condutora eléctrica pode ser comparado com um valor de referência e, mediante a remoção de certas zonas de um material condutor eléctrico adicional, a resistência eléctrica da camada condutora eléctrica ser alterada de tal forma que é reduzida a diferença entre o valor efectivo e o valor de referência. Isto tem a vantagem de poderem ser compensados desvios de uma resistência pretendida, logo durante a produção da camada condutora eléctrica.
Este tipo de desvios podem ocorrer, por exemplo, por aquando da projecção do material condutor térmico, chegarem ao substrato, em certas zonas, diferentes quantidades do material condutor eléctrico, de modo que a camada condutora eléctrica daí resultante apresenta num local uma espessura diferente do que num outro local. Com o processo aqui proposto, podem ser compensados desvios do valor efectivo da resistência eléctrica 4 da camada condutora eléctrica, com uma precisão de ± 1% relativamente ao valor de referência. A remoção de material condutor eléctrico adicional em certas zonas pode incluir uma redução ou prolongamento da camada condutora eléctrica e/ou a variação da largura da camada condutora eléctrica. 0 registo do valor efectivo da resistência eléctrica da camada de resistência condutora eléctrica e a redução da diferença entre valor efectivo e valor de referência podem decorrer em paralelo. Isto é possível, visto que, logo durante o processamento da camada condutora eléctrica por meio de radiação laser, pode ser medida a resistência eléctrica da camada condutora eléctrica. Se for aplicado este processo de acordo com a invenção, pode ser poupado tempo e, deste modo, dinheiro, aquando da produção da camada de resistência condutora eléctrica. A camada de material pode ser removida de tal forma que, em pelo menos um local da camada condutora eléctrica, resulta um local de fusão de referência, no sentido de um fusível. Um tal fusível integrado aumenta a segurança na utilização da camada de resistência condutora eléctrica. Neste caso, o fusível pode ser integrado na camada de resistência condutora eléctrica, praticamente sem custos adicionais e dispêndio adicional de tempo. A camada de material pode ser removida de tal forma que a camada de resistência condutora eléctrica se apresenta em forma de meandros, pelo menos em certas zonas. Isto possibilita a formação de uma camada de resistência condutora eléctrica tão comprida quanto possível sobre uma pequena superfície. 5
Depois da remoção em certas zonas do material condutor eléctrico e do acabamento da camada de resistência condutora eléctrica, pode ser aplicada sobre esta uma camada intercalar não condutora, depois é aplicado um material condutor eléctrico, por meio de projecção térmica em superfície, sobre a camada intercalar não condutora, de tal forma que uma camada de material daí resultante inicialmente não apresenta, no essencial, ainda qualquer forma pretendida e, em seguida, a camada de material é removida em certas zonas por meio de radiação laser, de tal forma que resulta uma segunda camada condutora eléctrica, a qual tem a forma pretendida. De acordo com a invenção, é pois possível dispor diversas camadas umas sobre as outras. Seja feita aqui referência explícita para o facto de que o processo de acordo com a invenção pode ser aplicado, não apenas para a formação de duas camadas de resistência condutoras eléctricas dispostas uma sobre a outra, mas também para um qualquer número de camadas de resistência dispostas umas sobre as outras. 0 material condutor eléctrico compreende, de um modo preferido, bismuto, telúrio, germânio, silício e/ou arsenieto de gálio. Estes materiais demonstraram ser particularmente favoráveis para a aplicação por meio de projecção térmica e para o processamento seguinte por meio de radiação laser. Para além disso, com estes materiais podem ser realizados os respectivos efeitos técnicos conhecidos. A resistência eléctrica local da camada de resistência condutora eléctrica pode ser regulada por meio de um tratamento térmico local. Através de um aquecimento podem ser aplicados óxidos localmente na camada, o que tem efeito sobre a condutividade eléctrica local do material. Isto torna possível um ajuste especialmente preciso e fino da resistência eléctrica. 6
Para além disso, é favorável quando a camada de resistência condutora eléctrica é selada. Isto tem sobretudo vantagens no caso de um substrato poroso (por exemplo, metal com camada intercalar de AI2O3) . Uma selagem reduz o risco de descargas disruptivas por causa da humidade do ar, em particular no caso de tensão eléctrica elevada. Como material para a selagem é adequado silicone, poliamida ou vidro solúvel, este último à base de sódio ou de potássio. A aplicação pode decorrer através de imersão, projecção, pintura, etc. A impermeabilidade da selagem é a melhor, quando a camada de selagem é aplicada sob vácuo.
Como substrato não condutor podem ser também equacionados o vidro ou a vitrocerâmica. A camada de resistência eléctrica pode ser aplicada sobre este de forma duradoura, sobretudo através de projecção por plasma. 0 bom efeito de isolamento do vidro torna supérflua uma ligação à terra, durante o funcionamento da camada de resistência. Também é possível a utilização de vidro especial para alta temperatura, como por exemplo Ceranglas ®.
Em seguida são explicados em pormenor exemplos especialmente preferidos de realização da invenção, mediante referência ao desenho em anexo. No desenho mostram:
Figura 1 uma representação em perspectiva de um tubo, sobre o qual é aplicado por projecção um material condutor eléctrico;
Figura 2 o tubo da Fig. 1, cuja camada de material condutor eléctrico é processada por meio de radiação por laser; 7
Figura 3 uma vista em alçado lateral do tubo da Fig. 2 após o processamento;
Figura 4 uma vista em planta sobre uma peça em forma de placa, com uma camada de resistência condutora eléctrica em forma de meandros;
Figura 5 dois diagramas, sendo gue num diagrama está representada a evolução da resistência eléctrica no tempo e no outro diagrama está representada a evolução no tempo do comprimento da camada de resistência condutora eléctrica da Fig. 4, durante a sua produção; e
Figura 6 um corte através de uma peça em forma de placa, com duas camadas de resistência condutoras eléctricas dispostas uma sobre a outra.
Nas Figuras 1 e 2 encontra-se representada a produção de um esquentador de água corrente de forma tubular: neste caso, uma camada 14 de material condutor eléctrico é aplicada sobre um tubo 12 de um material resistente a altas temperaturas e que forma um isolante eléctrico (Figura 1) . A aplicação decorre, no presente exemplo de realização, por meio de um dispositivo 16, com o qual são aplicadas por projecção partículas 18 de germânio sobre o tubo 12. A aplicação decorre através de aspersão a frio (também designada "revestimento por pó dinâmico gasoso").
No caso deste processo de aplicação por projecção, as partículas de germânio não fundidas são aceleradas a velocidades de aproximadamente 300 - 1.200 m/s e aplicadas por projecção sobre o tubo 12. Com a colisão sobre o tubo 12, deformam-se as partículas 18 de germânio e também a superfície do tubo 12. Através da colisão são rompidas oxidações superficiais sobre a superfície do tubo 12. Através de micro-atrito em resultado da colisão, a temperatura na superfície de contacto aumenta e conduz a micro-soldaduras. A aceleração das partículas 18 de germânio decorre por meio de um gás de arraste, cuja temperatura pode ser ligeiramente aumentada. Visto que o pó 18 de germânio, contudo, não atinge em caso algum a sua temperatura de fusão, as temperaturas resultantes na superfície do tubo 12 são relativamente moderadas, de modo que pode ser utilizado para o tubo 12, por exemplo, um material sintético de custos comparativamente favoráveis.
Em outros exemplos de realização não representados, em vez da aspersão a frio, também pode ser utilizada projecção por plasma, projecção por chama de alta velocidade, pulverização por arco eléctrico, projecção por oxiacetileno ou radiação por laser, para a aplicação do material condutor eléctrico sobre o substrato. Em vez de germânio, adequam-se também bismuto, telúrio, silício e/ou arsenieto de gálio, consoante o efeito técnico pretendido. 0 revestimento do tubo 12 com as partículas 18 de germânio decorre inicialmente de modo que toda a superfície do tubo 12 é cada vez mais coberta com a camada 14 de material formada por germânio (cf. Figura 1). Esta camada 14 de material não tem ainda, contudo, a forma pretendida: de modo a poder produzir um esquentador de água corrente de forma tubular tem que ser produzida uma camada de resistência condutora eléctrica, a qual se desenvolve com a forma de uma espiral, na direcção periférica em torno do tubo 12. Para este efeito, como se pode ver a partir 9 da Figura 2, um raio 22 laser é orientado por meio de um dispositivo 20 de laser sobre a camada 14 de material ainda "sem forma", de tal modo que é criada uma zona 24, que se prolonga em forma de espiral em torno do tubo 12, em que o material 14 condutor eléctrico aplicado por projecção já não está presente.
Isto acontece por o material da camada 14 de material ser tão fortemente aquecido instantaneamente, no local onde o raio 22 laser incide sobre a camada 14, que se evapora. O dispositivo 20 laser, por um lado e um dispositivo não representado na figura, com o qual o tubo 12 é retido, são, neste caso, movidos de tal forma que é possível um processo de trabalho contínuo através do dispositivo 20 laser.
Como se pode ver a partir da Figura 3, é conseguida desta forma uma camada 26 de resistência condutora eléctrica, que se prolonga desde uma extremidade axial do tubo 12 até à outra e que se desenvolve em forma de espiral na direcção periférica. O tubo 12 e a camada 26 de resistência condutora eléctrica formam em conjunto um esquentador 28 eléctrico de água corrente. A Figura 4 mostra numa vista em planta uma placa 28 plana de aquecimento. Esta consiste num substrato não condutor, não visível nesta vista em planta, sobre o qual foi inicialmente aplicada uma camada 14 de material em superfície, de forma análoga ao processo descrito nas Figuras 1 e 2, a partir da qual foram evaporadas em seguida algumas zonas 24, por meio de um raio laser (por motivos de melhor representação, apenas uma zona 24 está provida de número de referência). Resultou desta forma uma camada 26 de resistência condutora eléctrica, que se prolonga em forma de meandro desde uma extremidade até à outra extremidade 10 da placa 28. Esta camada apresenta, contudo, duas particularidades:
Inicialmente, na extremidade superior na Figura 4, a camada 14 de material, a partir da qual é produzida a camada 26 de resistência condutora eléctrica, foi evaporada de tal modo que a banda 26 condutora apresenta um estreitamento da secção transversal. Desta forma é conseguido um fusível 30 através do qual é assegurado o funcionamento da placa 28 de aquecimento.
Uma segunda particularidade consiste em que a potência de aquecimento ou a densidade de fluxo de calor da camada de resistência condutora eléctrica havia sido corrigida ainda durante a sua produção, de tal forma que corresponde com muito elevada precisão à potência de aquecimento pretendida e à densidade de fluxo de calor pretendida. Isto decorre da seguinte maneira:
Nas zonas 32 e 34 de extremidade da camada 26 de resistência condutora eléctrica, durante a evaporação das zonas 24, é aplicada uma tensão eléctrica, de forma que, durante esta evaporação, a resistência eléctrica da camada 26 condutora eléctrica pode ser medida em contínuo. Com o raio laser, a camada 14 de material é, neste caso, evaporada apenas em zonas 24 inicialmente muito estreitas. As zonas 24 evaporadas que se desenvolvem na horizontal na Figura 4, portanto, desenvolvem-se inicialmente apenas desde um bordo 36, representado a tracejado na Figura 4, até ao bordo 38 que se situa na horizontal, por cima da camada 26 de resistência condutora eléctrica (também aqui, por motivos de uma melhor representação, apenas se inseriu o respectivo número de referência numa zona 24) . Para além disso, a camada 14 de 11 material é inicialmente processada pelo raio laser, de tal forma que a zona 34 de extremidade eléctrica inferior na Figura 4 é relativamente larga. Isto é representado igualmente por uma linha a tracejado com o número de referência 40.
No presente exemplo de realização, durante a evaporação das zonas 24 a partir da camada 14 de material, é determinado, através de medição da resistência da camada 26 resultante, que a resistência eléctrica efectiva WIST (cf. Figura 5) da camada 26 de resistência condutora eléctrica é menor do que a resistência eléctrica WSOLL em si pretendida. A zona 34 de ligação inferior da camada 26 de resistência condutora, na Figura 4, é por isso processada pelo raio laser, de tal forma que a sua largura se reduz, é portanto evaporado material adicional. Desta forma a camada 26 de resistência condutora eléctrica prolonga-se numa dimensão dl (cf. Figuras 4 e 5) e, em resultado, aumenta a resistência eléctrica WIST efectiva, até corresponder aproximadamente à resistência WSOLL pretendida. A posição final da linha de delimitação da ligação 34 eléctrica inferior tem o número de referência 42 na Figura 4.
De modo a regular a densidade de fluxo de calor são ainda aumentadas as zonas 24 evaporadas horizontais na Figura 4. A delimitação final, na qual a camada 26 de resistência condutora eléctrica apresenta a densidade de fluxo de calor pretendida, tem o número de referência 44 na Figura 4 (por motivos de melhor representação, também este número de referência está inserido apenas numa zona 24 evaporada).
Na Figura 6 está representado em corte um dispositivo de aquecimento em forma de placa. Ao contrário dos exemplos de realização acima descritos, compreende não apenas uma camada de 12 resistência condutora eléctrica, mas antes duas camadas 26a e 26b de resistência condutora eléctrica. Entre estas encontra-se uma camada 46 intercalar não condutora eléctrica. A produção desta placa 28 de aquecimento eléctrica decorre da seguinte maneira:
Inicialmente, tal como nos exemplos de realização acima descritos, um material condutor eléctrico é aplicado sobre um substrato 12 em forma de placa. A aplicação decorre, neste caso, em superfície, através de projecção térmica, de uma maneira tal que a camada de material daí resultante inicialmente não apresenta ainda, no essencial, qualquer forma pretendida. Em seguida, a camada de material é evaporada por meio de radiação laser em certas zonas (número de referência 24a), de tal maneira que é produzida uma camada 26a de resistência condutora eléctrica, a qual apresenta a forma pretendida.
Sobre a camada 26a de resistência condutora eléctrica acabada, no restante decurso do procedimento de produção, é aplicada a camada 46 intercalar de isolamento eléctrico. 0 procedimento acima descrito é então repetido, ou seja, é aplicado de novo material condutor eléctrico em superfície sobre a camada 46 intercalar não condutora, por meio de projecção térmica, de tal forma que uma segunda camada de material daí resultante não apresenta ainda, no essencial, a forma pretendida. Esta é então processada por meio de radiação laser e evaporada em certas zonas (número de referência 24b), de tal maneira que resulta uma segunda camada (26b) de resistência condutora eléctrica na forma pretendida.
Num exemplo de realização não representado, o material da camada condutora eléctrica é escolhido de tal forma que, em vez 13 de uma camada de aquecimento eléctrico, é formada uma camada de arrefecimento eléctrico.
Num outro exemplo de realização não representado, a temperatura da camada de aquecimento é monitorizada através de um interruptor cerâmico. Por este, entende-se um interruptor não mecânico, que apresenta um elemento cuja condutibilidade depende em qrande medida, da sua temperatura. Alternativamente, também pode ser utilizado um interruptor bi-metálico.
Lisboa, 17 de Março de 2014 14

Claims (12)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Esquentador (28) de água corrente de forma tubular, com várias camadas, que são aplicadas através de projecção térmica, sendo que as camadas compreendem um substrato (12) não condutor de forma tubular, uma camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica e uma camada (46) isolante eléctrica, sendo que a camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica está aplicada sobre o substrato (12) não condutor de forma tubular e apresenta um material (14) condutor eléctrico, que é aplicado inicialmente por projecção por plasma, projecção por chama de alta velocidade, pulverização por arco eléctrico, projecção por oxiacetileno, projecção por laser ou aspersão a frio e que, em seguida, foi removida em certas zonas, de modo que surge uma forma pretendida e a camada (46) isolante eléctrica é aplicada sobre a camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica.
  2. 2. Placa (28) de aquecimento com várias camadas, que são aplicadas através de projecção térmica, sendo que as camadas compreendem um substrato (12) não condutor, uma camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica e uma camada (46) isolante eléctrica, sendo que a camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica está aplicada sobre o substrato (12) não condutor e apresenta um material (14) condutor eléctrico, que é aplicado inicialmente por projecção por plasma, projecção por chama de alta velocidade, pulverização por arco eléctrico, projecção por oxiacetileno, projecção por laser ou aspersão a frio e que, em seguida, foi removida em 1 certas zonas, de modo que surge uma forma pretendida e a camada (46) isolante eléctrica é aplicada sobre a camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica.
  3. 3. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender várias camadas (26; 26a; 26b) de resistência condutoras eléctricas, que estão separadas através de uma correspondente pluralidade de camadas (46) intercalares não condutoras.
  4. 4. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o substrato (12) não condutor ser um material à base de vidro.
  5. 5. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica ser constituída por um material que contém bismuto, telúrio, germânio, silício e/ou arsenieto de gálio.
  6. 6. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as zonas do material (14) condutor eléctrico terem sido removidas por meio de um laser e/ou por meio de um jacto de água e/ou por meio de um jacto de pó de areia.
  7. 7. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 anteriores, caracterizado por as zonas do material (14) condutor eléctrico que foram removidas por meio de um laser de modo a não deixarem quaisquer resíduos onde foram removidas.
  8. 8. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a camada (26) de resistência condutora eléctrica apresentar na superfície de contacto micro-soldaduras das partículas aplicadas por projecção térmica, que são causadas através de uma elevação da temperatura, em virtude da colisão.
  9. 9. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a dimensão da zona (24) da camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica removida ser aumentada, para regular uma densidade de fluxo de calor.
  10. 10. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por apresentar um interruptor cerâmico, que monitoriza a temperatura da camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica.
  11. 11. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por uma espessura da camada (26; 26a; 26b) de resistência condutora eléctrica resultante se distinguir de um local para outro. 3
  12. 12. Esquentador de água corrente de forma tubular ou placa (28) de aquecimento de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos uma zona da camada de resistência condutora eléctrica compreender um local de fusão de referência, no sentido de um fusível. Lisboa, 17 de Março de 2014 4
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