CN117261452B - 一种太阳能光伏电池印刷设备及印刷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能光伏电池印刷设备及印刷方法，包括用于喷射电极浆料的喷墨印刷头，所述喷墨印刷头包括喷墨系统、相对喷墨系统旋转的筒状印刷头主体，所述喷墨系统包括设置在印刷头主体内部的第一喷墨系统和第二喷墨系统，所述印刷头主体侧壁上固定设有喷嘴组件，所述喷嘴组件随印刷头主体旋转至喷墨系统下方时产生停顿，所述第一喷墨系统和第二喷墨系统依次驱动浆料穿过喷嘴组件，在传输中的硅片上喷射第一层电极浆料和第二层电极浆料，两层浆料叠合在一起形成电极栅线。本发明实现了在一台设备上完成两次印刷，工艺过程简单，加工精度高，节省了太阳能电池制造的设备成本和时间成本，同时提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏电池片生产领域，具体涉及一种太阳能光伏电池印刷设备及印刷方法。
背景技术
目前太阳能电池的制作过程中，丝网印刷是制备电池电极的常用方法。然而，现有的丝网印刷设备印刷精度低，表现为栅线宽、高度低、高宽比小；太阳能电池的光电转换过程中太阳光从电池正面进入器件，过宽表面栅线将遮挡部分太阳光，造成光遮挡损失无法参与光电转换，遮光面积大而影响电池片转换效率。同时，网版所需的高目数网布成本过高；另外受压板印刷接触模式的影响，在追求光伏太阳能薄片化趋势下，硅片破片率高且无法避免栅线断裂、栅线加粗等差的印刷品质问题。
现有技术中，如专利申请号为201620281131.6，专利名称为一种高转换效率的晶体硅太阳能电池的实用新型专利，其利用丝网印刷和喷墨印刷形成两次印刷，替代现有的丝网印刷加丝网印刷的两次印刷模式，使得晶体硅太阳能电池的复合副栅线高度更高。但是，其工艺复杂，使用丝网印刷机第一次印刷完浆料后，需要使用烘干机将浆料烘干，再使用喷墨印刷第二次印刷浆料，增加了设备成本和时间成本；同时，其操作难度大，因为使用不同的设备完成两次印刷，在第二次喷墨印刷时，需要二次定位，且很难保证喷墨印刷的电极浆料精准的落在第一层电极浆料上，可能会导致电极的质量不一致，从而造成太阳能电池的性能下降。
专利申请号为201620281131.6，专利名称为一种高转换效率的晶体硅太阳能电池的实用新型专利，其第二次印刷浆料使用了喷墨印刷设备，但是，印刷太阳能电池所需的浆料含有大量的金属粉颗粒和玻璃氧化物，其固含量一般为80~90%，浆料的流动性较差，所以，在使用喷墨印刷设备印刷太阳能电池的过程中，很容易造成喷嘴堵塞，由此也带来了栅线断裂等差的印刷品质问题。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种太阳能光伏电池印刷设备及印刷方法。
本发明第一方面提出了一种太阳能光伏电池印刷设备，包括用于喷射电极浆料的喷墨印刷头，所述喷墨印刷头包括喷墨系统、相对喷墨系统旋转的筒状印刷头主体，所述喷墨系统包括设置在印刷头主体内部的第一喷墨系统和第二喷墨系统，所述印刷头主体侧壁上固定设有喷嘴组件，所述喷嘴组件随印刷头主体旋转至喷墨系统下方时产生停顿，所述第一喷墨系统和第二喷墨系统依次驱动浆料穿过喷嘴组件，在传输中的硅片上喷射第一层电极浆料和第二层电极浆料，两层浆料叠合在一起形成电极栅线。
进一步，所述印刷头主体顶部内侧设有清洗喷嘴组件的喷嘴清洁组件，所述喷嘴清洁组件包括氮气喷射装置以及浆料回收装置。
进一步，所述印刷头主体一端的端面中心线上转动连接有主轴，所述主轴伸入印刷头主体内部的一端固定连接有承载架，承载架上设有控制喷墨印刷头运转的主板，所述喷墨系统和所述喷嘴清洁组件均固定在承载架上，且与主板连接；所述主轴伸出印刷头主体外部的一端连接有驱动印刷头主体转动的旋转电机。
进一步，所述第一喷墨系统和第二喷墨系统结构相同，均包括相互管连接的储墨组件和喷墨组件。
进一步，所述储墨组件包括恒温的墨盒，所述墨盒包括设置在顶部的浆料补充接口、设置在底部的与喷墨组件连接的浆料输送接口，所述墨盒还设有搅拌内部浆料的搅拌装置。
进一步，所述喷墨组件包括喷墨底座，所述喷墨底座内部设有分别与储墨组件和喷嘴组件连通的浆料腔，所述浆料腔顶部设有压电陶瓷和震动隔膜，所述压电陶瓷在脉冲电压作用下产生形变，挤压浆料腔中的浆料通过喷嘴组件喷出。
进一步，所述喷墨组件还连接有电压转换器，所述压电陶瓷两侧均设有电极，所述电极与电压转换器连接。
进一步，所述喷嘴组件包括与第一喷墨系统和第二喷墨系统配合的喷嘴面板，喷嘴面板上设有多组独立的喷嘴组，所述喷嘴组的喷嘴口径为3~30微米。
进一步，所述太阳能光伏电池印刷设备还包括硅片承载及传输系统，所述硅片承载及传输系统包括定位单元、印刷位单元、传出位单元以及承载硅片的承载台面，所述承载台面底部设有对硅片表面升温辅助加热装置。
本发明第二方面提出了一种太阳能电池印刷方法，采用如上面所述的太阳能光伏电池印刷设备，所述太阳能电池印刷方法包括如下步骤：S1、将硅片放置在硅片承载及传输系统的承载台面上，硅片承载及传输系统将硅片传送至定位单元；S2、定位单元的相机扫描承载台面上硅片坐标进行定位，并将定位坐标数据发送至PLC系统；S3、硅片承载及传输系统将硅片传输至喷墨印刷头下面；S4、PLC系统根据定位坐标数据和预设的补偿参数计算定位补偿值，并向喷墨系统发出打印信号；S5、喷墨系统接收打印信号，第一喷墨系统和第二喷墨系统中的压电陶瓷依次在脉冲电压作用下产生形变，挤压浆料腔中的浆料通过喷嘴组中喷到硅片上；S6、喷嘴清洁组件对喷嘴组进行吹气清理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的喷墨印刷头中设有第一喷墨系统和第二喷墨系统，两者在很短的时间间隔内先后完成在传输中的硅片上喷射第一层电极浆料和第二层电极浆料，两层浆料叠合在一起形成高度更高，宽度窄的电极栅线。减少了栅线的遮光面积同时可以提高太阳能电池的电流密度，降低串联电阻，从而提高电池片转换效率。本发明实现了在一台设备上完成两次印刷，工艺过程简单，节省了太阳能电池制造的设备成本和时间成本；同时，通过控制硅片的传输速度和两次印刷的时间间隔，可以精准的叠合第一层电极浆料和第二层电极浆料，提高了电极的印刷质量，从而提高了太阳能电池的性能。
2、本发明在太阳能电池印刷过程中，采用喷嘴清洁组件中的氮气喷射装置，喷射氮气对旋转至喷嘴清洁组件上方的喷嘴组件进行清洗，能够有效的去除喷嘴中残留的浆料，避免浆料堆积固化造成的喷嘴堵塞。喷嘴清洗工作是在设备保持运转的过程中完成的，从而维持了太阳能电池印刷的连续性，提高了生产效率；同时也避免由于喷嘴堵塞造成的栅线断裂等差的印刷品质问题，提高了栅线的印刷品质。
3、本发明采用的喷墨印刷设备可以精确控制嘴口开闭，可以印刷不同的栅线图形，满足客户的多元化产品需求；而使用传统的网版印刷定制化图形，需要根据图形切换不同的网版，由于喷墨印刷不需要根据印刷图形的变化切换不同的网版，进一步降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明的喷墨印刷头的结构分解图；
图2为本发明的印刷头的主体结构示意图；
图3为本发明的喷墨印刷头的剖视图；
图4为本发明的喷墨系统的剖视图；
图5为本发明的喷墨印刷头及承载及传输系统的结构示意图。
图中：
100、印刷头主体；110、主轴；120、承载架；130、旋转电机；200、喷墨系统；210、储墨组件；211、墨盒；212、搅拌装置；213、浆料补充接口；214、有机溶剂补充接口；215、浆料输送接口；220、喷墨组件；221、电极；222、压电陶瓷；223、震动隔膜；224、喷墨底座；225、浆料腔；226、浆料进口管；227、浆料喷管；228、电压转换器；300、主板；400、喷嘴组件；410、喷嘴面板；420、喷嘴组；500、硅片；600、喷嘴清洁组件；610、氮气喷射装置；620、浆料回收装置；700、承载及传输系统；710、定位单元；720、印刷位单元；730、传出位单元；800、第一喷墨系统；900、第二喷墨系统。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参考图1所示，本实施例提供的一种太阳能光伏电池印刷设备，应用在太阳能电池片的金属电极印刷过程中。包括用于喷射电极浆料的喷墨印刷头，喷墨印刷头包括喷墨系统200、以及套设在喷墨系统200外侧的筒状印刷头主体100，印刷头主体100侧壁上固定设有与喷墨系统200适配的喷嘴组件400。印刷头主体100一端的端面中心线上通过轴承与主轴110转动连接，主轴110伸入印刷头主体100内部的一端通过螺栓与承载架120固定连接，喷墨系统200通过螺栓固定连接在承载架120上，喷墨系统200包括结构相同的第一喷墨系统800和第二喷墨系统900。主轴110伸出印刷头主体100外部的一端连接有驱动印刷头主体100转动的旋转电机130，承载架120上还设有分别与喷墨系统200、旋转电机130以及喷嘴组件400连接的主板300。主板300控制喷嘴组件400随印刷头主体100旋转至喷墨系统200下方时产生停顿，设置在前面的第一喷墨系统800首先驱动浆料穿过喷嘴组件400，在传输中的硅片上喷射第一层电极浆料，根据硅片的传输速度为 0-500mm/S，第二喷墨系统900在第一喷墨系统800喷射0~30ms后在传输中的硅片500上喷射第二层电极浆料，两层浆料叠合在一起形成电极栅线。通过控制硅片500的传输速度和两次喷墨的时间间隔，可以精准的叠合第一层电极浆料和第二层电极浆料，提高了电极的印刷质量，从而提高了太阳能电池的性能。
由于印刷太阳能电池所需的电极浆料含有大量的金属粉颗粒和玻璃氧化物，其固含量一般在80~90%，其浆料自身具有一定的塑型性能，当第二层电极浆料喷射在第一层电极浆料上面后，两层浆料会叠合在一起，且不会出现坍塌现象。现有技术中单次印刷的栅线宽度一般为20~30微米，栅线高度在10微米左右；而采用本发明印刷设备两层印刷的栅线宽度也是20~30微米，栅线高度可达15~18微米；这样的高度更高、宽度窄的电极栅线可以减少了栅线的遮光面积，提高了太阳能电池的电流密度，降低串联电阻，从而提高电池片转换效率。由于实现了一台设备上完成两次印刷，工艺过程简单，极大的节省了太阳能电池制造的设备成本和时间成本。
本实施例的印刷设备也适用太阳能光伏电池的分步印刷工艺，在分步印刷工艺中，第一喷墨系统800采用欧姆接触性能更好的细栅浆料，第二喷墨系统900采用焊接性能更好的主栅浆料。第一喷墨系统800只印刷细栅部分，第二喷墨系统900印刷剩余的主栅部分，两种浆料分别依次从各系统的喷嘴转移至硅片上，分步印刷的优势就在于主栅和细栅可以选用不同的浆料达到不同的效果。
参考图3-图5所示，第一喷墨系统800和第二喷墨系统900结构相同，均包括通过管路相互连接的储墨组件210和喷墨组件220，储墨组件210设置在喷墨组件220的上方，储墨组件210包括筒状的墨盒211，墨盒211侧壁上设有恒温单元，为喷墨印刷的浆料提供稳定、合适的温度，避免其团聚结块。墨盒211顶部设有浆料补充单元接口 213和浆料有机溶剂补充单元接口214，为连续性生产及时补充所需的浆料。墨盒211底部设有与喷墨组件220连接的浆料输送接口215，通过连接刚性管道向喷墨组件220持续提供浆料，刚性管道也给墨盒211提供了向上的支撑力，墨盒211上还设有搅拌装置212。
在上述实施例中，搅拌装置212的具体设置方式有多种选择，例如，搅拌装置212包括设置在墨盒211内部中心线上的螺杆式搅拌器，搅拌杆与墨盒211端面转动连接，搅拌杆伸出墨盒211的端面的一端与固定在承载架120上的搅拌电机连接，搅拌电机驱动螺杆式搅拌器以恒定的速度搅拌内部浆料，使其更趋于均匀并保证浆料的流动性。
参考图4所示，在本实施例中，喷墨组件220包括固定在承载架120上的喷墨底座224，喷墨底座224包括固定在一起的陶瓷基体和底座，陶瓷基体内部设有浆料腔225，浆料腔225底部一侧设有穿过底座连通浆料输送接口215的浆料进口管226，浆料腔225底部另一侧设有穿过底座连通喷嘴组件400的浆料喷管227。浆料腔225顶部设有压电陶瓷222和震动隔膜223，震动隔膜223将陶瓷基体中的压电陶瓷222和浆料分隔开，从而保护压电陶瓷222避免受到污染，确保其稳定性和可靠性。压电陶瓷222两侧均设有与设置在承载架120上的电压转换器228连接的电极221，主板300与电压转换器228连接，主板300控制电压转换器228向电极221发出电流脉冲。
具体的，当主板300接收到电脑主机发来的喷墨印刷图形作业，立即通过自身解码转变成信号脉冲，信号脉冲作用在电压转换器228上使其产生脉冲电压，脉冲电压传递至压电陶瓷222两端的电极221，压电陶瓷222在浆料腔225表面凸起呈月牙形，压电陶瓷222发生变形作用在浆料腔225内而形成喷墨的压力，挤压浆料腔225中的浆料穿过喷嘴组件400中高速喷出，喷射到硅片500上形成图像。然后压电陶瓷222恢复原状，浆料腔225中重新注满墨水，完成喷墨流程。
参考图2所示，在本实施例中，所述喷嘴组件400包括喷嘴面板410和设置在喷嘴面板410上的多个独立的喷嘴组420，喷嘴组420可独立更换。同时主板300通过电路控制每个喷嘴组420单独开启或闭合。其中主板300与喷嘴组420电路连接方式有多种选择，例如，主板300通过导电滑环与喷嘴组420连接，能够实现具有相对旋转运动的主板300与喷嘴组420之间的可持续信号的传输。根据不同图形需求选择不同数量的喷嘴组420，通过控制喷嘴组420可精确控制印刷图形，切换不同印刷图形，满足不同客户的多元化产品需求；同时能够精准的控制浆料墨滴的大小和喷射方向，保证图形的精准印刷。
在本实施例中，喷嘴组420的数量和规格根据实际需要进行选择即可。例如，喷嘴组420的数量为4至20个，每组含1至20个喷嘴，喷嘴口径为3至30微米。同时旋转电机130驱动喷嘴面板410的转速可根据喷墨印刷与硅片500传输速度适配的要求设置为0至30rpm。当喷嘴面板410的转速设置为0 rpm时，喷嘴面板410相对于喷墨组件220静止，此时只使用两个喷嘴组420工作，在脉冲电压的作用下，第一喷墨系统800和第二喷墨系统900中的喷墨组件220驱动浆料穿过喷嘴组420喷射在硅片500上；当喷嘴面板410的转速根据硅片500的传输速度通过计算适配设置为大于0rpm且小于等于30rpm时，此时对称设置多组喷嘴组420，印刷头主体100带动喷嘴组420相对于喷墨组件220转动，每两组喷嘴组420旋转至喷墨组件220下方时产生停顿，在脉冲电压的作用下，喷墨组件220驱动浆料穿过喷嘴组420喷射在硅片500上。
在本实施例中，印刷头主体100顶部内侧设有固定在承载架120上的喷嘴清洁组件6，喷嘴清洁组件6包括氮气喷射装置610以及浆料回收装置620。氮气喷射装置610包括一端固定在承载架120上的进气管，进气管顶部设有向上的喷气嘴，当喷嘴组420完成一次浆料印刷后旋转至喷气嘴上方，氮气从喷气嘴中喷出对喷嘴组420进行吹扫，能够有效的去除喷嘴中残留的浆料，避免浆料堆积固化造成的喷嘴堵塞。当然，氮气喷射装置610的清洗时间可根据喷嘴组420中浆料堆积的程度进行调整。回收装置620设置在进气管下方，呈V型槽状，能有效避免氮气吹扫过程中飞溅的浆料掉落。必要时，可以在印刷头主体100顶部上方外挂一个向下开口的倒U型浆料回收器，回收器两个侧壁底部均设有储料槽。喷嘴清洗工作是在设备保持运转的过程中完成的，从而维持了太阳能电池印刷的连续性，提高了生产效率；同时也避免了由于喷嘴堵塞造成的栅线断裂等差的印刷品质问题，提高了栅线的印刷品质。
参考图5所示，太阳能光伏电池印刷设备还包括硅片承载及传输系统700，承载及传输系统700包括定位单元710、印刷位单元720、传出位单元730，每个单元均设有承载台面，承载及传输系统700的承载台面底部设有对硅片表面升温辅助加热装置。更有利于喷墨浆料中有机物溶剂的挥发，使得栅线完成良好的固化塑型。
实施例二
参考图5所示，本实施例提供了一种太阳能电池印刷方法，采用上面所述的太阳能光伏电池印刷设备，所述太阳能电池印刷方法包括如下步骤：
S1、将硅片500放置在承载及传输系统700承载台面上，确保硅片500的位置和方向正确，承载及传输系统700将硅片500传送至定位单元710上面。
S2、定位单元710的相机扫描承载台面上硅片500，根据硅片500的轮廓信息，计算出硅片500在承载台面上的坐标，将定位坐标数据发送至PLC系统。
S3、承载及传输系统700将硅片500传输至喷墨印刷头下面；这个过程中需要确保传输的精度和稳定性，以确保硅片500的位置和姿态的准确性。
S4、PLC系统根据定位坐标数据和预设的补偿参数计算定位补偿值，计算出定位坐标每个点的补偿值，对补偿参数进行修正；通过PLC系统进行定位补偿能够实现更精确的印刷过程控制，从而提高印刷品的精度和质量，并向喷墨系统200发出打印信号。
S5、喷墨系统200接收打印信号，设置在前面的第一喷墨系统800首先驱动浆料穿过喷嘴组件400，在传输中的硅片500上喷射第一层电极浆料，根据硅片500的传输速度为0-500mm/S，第二喷墨系统900在第一喷墨系统800喷射0~30ms后在传输中的硅片500上喷射第二层电极浆料，两层浆料叠合在一起形成电极栅线。
S6、当喷嘴组完成浆料印刷后旋转至喷嘴清洁组件6上方，喷嘴清洁组件6使用氮气对喷嘴组420进行吹扫，能够有效的去除喷嘴中残留的浆料，避免浆料堆积固化造成的喷嘴堵塞。至此完成一整套印刷流程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。
Claims (8)
1.一种太阳能光伏电池印刷设备，包括用于喷射电极浆料的喷墨印刷头，其特征在于，所述喷墨印刷头包括喷墨系统（200）、相对喷墨系统（200）旋转的筒状印刷头主体（100），所述喷墨系统（200）包括设置在印刷头主体（100）内部的第一喷墨系统（800）和第二喷墨系统（900），所述印刷头主体（100）侧壁上固定设有喷嘴组件（400），所述喷嘴组件（400）随印刷头主体（100）旋转至喷墨系统（200）下方时产生停顿，所述第一喷墨系统（800）和第二喷墨系统（900）依次驱动浆料穿过喷嘴组件（400），在传输中的硅片（500）上喷射第一层电极浆料和第二层电极浆料，两层浆料叠合在一起形成电极栅线；所述第一喷墨系统（800）和第二喷墨系统（900）结构相同，均包括相互管连接的储墨组件（210）和喷墨组件（220），所述喷墨组件（220）包括喷墨底座（224），所述喷墨底座（224）内部设有分别与储墨组件（210）和喷嘴组件（400）连通的浆料腔（225），所述浆料腔（225）顶部设有压电陶瓷（222）和震动隔膜（223），所述压电陶瓷（222）在脉冲电压作用下产生形变，挤压浆料腔（225）中的浆料通过喷嘴组件（400）喷出。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池印刷设备，其特征在于，所述印刷头主体（100）顶部内侧设有清洗喷嘴组件（400）的喷嘴清洁组件（600），所述喷嘴清洁组件（600）包括氮气喷射装置（610）以及浆料回收装置（620）。
3.根据权利要求2所述的太阳能光伏电池印刷设备，其特征在于，所述印刷头主体（100）一端的端面中心线上转动连接有主轴（110），所述主轴（110）伸入印刷头主体（100）内部的一端固定连接有承载架（120），承载架（120）上设有控制喷墨印刷头运转的主板（300），所述喷墨系统（200）和所述喷嘴清洁组件（600）均固定在承载架（120）上，且与主板（300）连接；所述主轴（110）伸出印刷头主体（100）外部的一端连接有驱动印刷头主体（100）转动的旋转电机（130）。
4.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池印刷设备，其特征在于，所述储墨组件（210）包括恒温的墨盒（211），所述墨盒（211）包括设置在顶部的浆料补充接口（213）、设置在底部的与喷墨组件（220）连接的浆料输送接口（215），所述墨盒（211）还设有搅拌内部浆料的搅拌装置（212）。
5.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池印刷设备，其特征在于，所述喷墨组件（220）还连接有电压转换器（228），所述压电陶瓷（222）两侧均设有电极（221），所述电极（221）与电压转换器（228）连接。
6.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池印刷设备，其特征在于，所述喷嘴组件（400）包括与第一喷墨系统（800）和第二喷墨系统（900）配合的喷嘴面板（410），喷嘴面板（410）上设有多组独立的喷嘴组（420），所述喷嘴组（420）的喷嘴口径为3~30微米。
7.根据权利要求1所述的太阳能光伏电池印刷设备，其特征在于，所述太阳能光伏电池印刷设备还包括承载及传输系统（700），所述承载及传输系统（700）包括定位单元（710）、印刷位单元（720）、传出位单元（730）以及承载硅片（500）的承载台面，所述承载台面底部设有对硅片（500）表面升温辅助加热装置。
8.一种太阳能电池印刷方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的太阳能光伏电池印刷设备，所述太阳能电池印刷方法包括如下步骤：S1、将硅片（500）放置在硅片承载及传输系统（700）的承载台面上，承载及传输系统（700）将硅片（500）传送至定位单元（710）；S2、定位单元（710）的相机扫描承载台面上硅片（500）坐标进行定位，并将定位坐标数据发送至PLC系统；S3、承载及传输系统（700）将硅片（500）传输至喷墨印刷头下面；S4、PLC系统根据定位坐标数据和预设的补偿参数计算定位补偿值，并向喷墨系统（200）发出打印信号；S5、喷墨系统（200）接收打印信号，第一喷墨系统（800）和第二喷墨系统（900）中的压电陶瓷（222）依次在脉冲电压作用下产生形变，挤压浆料腔（225）中的浆料通过喷嘴组（420）中喷到硅片（500）上；S6、喷嘴清洁组件（600）对喷嘴组（420）进行吹气清理。
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