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Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe zum Fördern eines Kühlmittels.
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Kühlmittelpumpen zum Fördern eines Kühlmittels kommen in Kraftfahrzeugen zur Kühlung der Brennkraftmaschine zum Einsatz. Eine Kühlmittelpumpe in Form einer Wasserpumpe ist beispielsweise aus der
DE 43 25 67 A1 bekannt.
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Herkömmliche Kühlmittelpumpen können mit einem Antriebskörper und einem Abtriebskörper ausgestattet sein. Der Antriebskörper kann mit einem externen Antriebssystem antriebsverbunden sein. Am Abtriebskörper kann ein Förderrad - dem Fachmann auch unter dem Begriff „Impeller“ geläufig - verbunden sein. Zur Steuerung der von der Kühlmittelpumpe bereitzustellenden Pumpleistung kann der Antriebskörper mittels einer viskosen Kupplung mit dem Abtriebskörper in Antriebsverbindung stehen. Eine solche viskose Kupplung, auch Visko-Kupplung genannt, weist üblicherweise zwei miteinander über ein Fluid gekoppelte bzw. koppelbare Rotationskörper - den Antriebskörper und den Abtriebskörper - auf, wobei das Fluid in einem Innenraum der Kupplung vorgesehen ist bzw. eingebracht werden kann. Hierbei ist die Rotation des einen Rotationskörpers bedingt durch die Viskosität bzw. Fluidreibung des zwischen den Rotationskörpern vorgesehenen Fluids auf den anderen Rotationskörper übertragbar. Im Betrieb der Kupplung entsteht, insbesondere bedingt durch die Fluidreibung, Wärme, die insbesondere von dem viskosen Fluid und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit des jeweiligen Rotationskörpers. Dabei können durch höhere Differenzen zwischen den Rotationsgeschwindigkeiten der Rotationskörper prinzipiell höhere Drehmomente zwischen den Rotationskörpern übertragen werden. Dies führt jedoch zu einer verstärkten Wärmeentwicklung in der Kupplung, die zu Schäden der Kupplung, insbesondere des Fluids, führen kann. Bei Kühlmittelpumpen mit viskosen Kupplungen der eingangs genannten Art besteht daher der Bedarf einer verbesserten Kühlung.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Kühlmittelpumpen mit viskosen Kupplungen neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine Kühlmittelpumpe geschaffen werden, deren viskose Kupplung eine verbesserte Kühlung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, den Kopplungsgrad einer in eine Kühlmittelpumpe integrierten viskosen Kupplung mithilfe eines in der Kühlmittelpumpe vorgesehenen magnetischen Aktuators verstellbar auszugestalten. Ein solcher magnetische Aktuator betätigt eine Ventileinrichtung, mittels welchem die Menge der der viskosen Kupplung zur Verfügung stehenden viskosen Fluid eingestellt und nach variiert werden kann. Hierzu ist die Ventileinrichtung in einem Fluidpfad angeordnet, mit welchem ein Kopplungsbereich der Kühlmittelpumpe der mit dem viskosen Fluid versorgt wird. Der magnetische Aktuator ist dabei mittels eines mechanischen Verstellkörpers mechanisch mit der Ventileinrichtung gekoppelt. Dies erlaubt es, den magnetischen Aktuator im Abstand zum Kopplungsbereich in der Kühlmittelpumpe vorzusehen. Es ist also nicht erforderlich, den magnetischen Aktuator in unmittelbarer Umgebung der viskosen Kupplung anzuordnen. Somit kann aber der zur viskosen Kupplung benachbarte Bereich zur Wärmeabführung der von der viskosen Kupplung erzeugten Reibungswärme genutzt werden. Dies bewirkt die gewünschte verbesserte Kühlung der viskosen Kupplung und somit der gesamten Kühlmittelpumpe.
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Eine erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe zum Fördern eines Kühlmittels weist ein Gehäuse auf, welches einen Gehäusemantel umfasst, an welchem wiederum ein Antriebskörper um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Dabei ist durch die Lage der Rotationachse eine axiale Richtung definiert. Des Weiteren umfasst die Kühlmittelpumpe einen Abtriebskörper, der um die Rotationsachse drehbar am Antriebskörper gelagert ist. Zwischen dem Antriebskörper und dem Abtriebskörper ist ein Kopplungsbereich ausgebildet, in welchem zur Drehmoment-Kopplung zwischen dem Antriebskörper und dem Abtriebskörper ein viskoses Fluid, vorzugsweise ein viskoses Öl, vorhanden ist. Die Menge an viskosem Fluid im Kopplungsbereich ist zum Ändern des Drehmoment-Kopplungsgrads zwischen dem Antriebskörper und dem Abtriebskörper mittels einer verstellbaren Ventileinrichtung variierbar. Zum Verstellen der Ventileinrichtung umfasst die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe einen magnetischen Aktuator, mittels welchem ein Öffnungsquerschnitt der Ventileinrichtung verstellt werden kann. Bevorzugt kann die Ventileinrichtung zwischen einer Offenstellung mit maximalem Öffnungsquerschnitt und einer Schließstellung, in welcher kein Fluid die Ventileinrichtung passieren kann, verstellbar sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Antriebskörper eine Hohlwelle, welche von einem Verstellkörper durchgriffen wird, der den magnetischen Aktuator mechanisch mit der Ventileinrichtung koppelt. Dies erlaubt eine Anordnung des magnetischen Aktuators axial im Abstand zur Ventileinrichtung und somit zum Kopplungsbereich.
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Zweckmäßig kann der Verstellkörper relativ zur Hohlwelle drehbar oder axial zwischen zumindest einer ersten und zumindest einer zweiten Axialposition verstellbar ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der verstellte Körper insbesondere stabartig realisiert werden, sodass er auf einfache Weise durch den in der Hohlwelle ausgebildeten Hohlraum durchgeführt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die Ventileinrichtung bei in die erste Axialposition verstelltem Verstellkörper in der oben erwähnten Offenstellung mit maximalem Öffnungsquerschnitt und bei in die zweite Axialposition verstelltem Verstellkörper in der Schließstellung, in welcher kein viskoses Fluid oder nur eine minimale Menge an Fluid dem Kopplungsbereich zugeführt wird, oder umgekehrt. Auf diese Weise kann die Ventileinrichtung mittels des Verstellkörpers wahlweise vollständig geöffnet oder teilweise bzw. vollständig verschlossen werden. In letzterem Fall wird gar kein viskoses Fluid durch die Ventileinrichtung in den Kopplungsbereich der viskosen Kupplung der Kühlmittelpumpe geleitet werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform bildet der drehbare Abtriebskörper eine axiale Stirnwand des Gehäuses aus, an welcher drehfest ein Förderrad zum Fördern eines Kühlmittels angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der in axialer Richtung erforderliche Bauraum relativ klein.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kühlmittelpumpe einen Vorratsraum zur Aufnahme des viskosen Fluids. Besagter Vorratsraum kommuniziert bei dieser Weiterbildung mittels eines Fluidpfads, in welchem das Ventileinrichtung angeordnet ist, fluidisch mit dem Kopplungsbereich. Auf diese Weise kann die Ventileinrichtung zum Steuern der dem Kopplungsbereich zuzuführenden Fluidmenge auch im Abstand zum eigentlichen Kopplungsbereich angeordnet werden. Somit kann der Bauraum im den Kupplungsbereich herum besser zur Abführung von Abwärme genutzt werden.
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Zweckmäßig kann in einer dem Förderrad zugewandten Stirnseite des Abtriebskörpers, vorzugsweise der Abtriebsscheibe, eine den Vorratsraum ausbildende Aussparung ausgebildet sein. Mittels eines Deckels kann die Aussparung fluiddicht verschlossen sein. Besagter Deckel kann integral am Abtriebskörper bzw. an der Abtriebsscheibe ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt können die Aussparung und der Deckel ringförmig ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Aussparung platzsparend radial außen um den stabartigen Verstellkörper und die Hohlwelle herum angeordnet werden.
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Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können die drehbare Lagerung des Antriebskörpers am Gehäusemantel und die drehbare Lagerung des Abtriebskörpers am Antriebskörper mittels einer gemeinsamen Lagereinrichtung erfolgen. Vorzugsweise ist die gemeinsame Lagerreinrichtung als Mehrringlager ausgebildet. Die Lagereinrichtung umfasst bei dieser Ausführungsform einen starr mit dem Gehäusemantel verbundenen radial äußeren Ring, einen starr mit dem Abtriebskörper verbundenen radial mittleren Ring und einen starr mit dem Antriebskörper verbundenen radial inneren Ring. Bei dieser Ausführungsform ist der für die Lagerung von Antriebskörper und Abtriebskörper erforderliche axiale Bauraum relativ gering. Wird mit Hilfe der Ventileinrichtung im Kopplungsbereich nur eine geringe Drehmoment-Kopplung erzeugt, so fällt die Differenz-Drehzahl zwischen dem Antriebskörper und dem Abtriebskörper, also im radial äußeren Lager, und somit die entstehende Reibleistung entsprechend geringer aus.
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Bei einer zur ersten vorteilhaften Ausführungsform alternativen, zweiten vorteilhaften Ausführungsform kann der Antriebskörper mittels einer ersten Lagereinrichtung, die axial im Bereich des magnetischen Aktuators angeordnet ist, drehbar am Gehäusemantel gelagert sein. Zusätzlich ist der Abtriebskörper mittels einer zweiten Lagereinrichtung, die axial zwischen der ersten Lagereinrichtung und dem Kopplungsbereich angeordnet ist, drehbar am Antriebskörper gelagert. Vorteilhaft bei dieser Lageranordnung die Möglichkeit einer unabhängigen Dimensionierung der beiden Lagereinrichtungen. Auch können Antriebskörper und Abtriebskörper unabhängig voneinander geführt werden. Mittels der entlang der axialen Richtung zweifachen Lagerung kann außerdem ein unerwünschtes Verkippen des Antriebskörper und/oder des Abtriebskörpers relativ zum Gehäusemantel weitgehend oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der ersten oder zweiten vorteilhaften Ausführungsform am Abtriebskörper drehfest ein Hülsenkörper angeordnet ist, welchen die Hohlwelle radial im Abstand durchgreift. Weiterhin ist eine Gleitringdichtung vorgesehen. Hierbei ist ein radial äußeres Dichtungselement der Gleitringdichtung drehfest am Gehäuse angebracht. Ein radial inneres Dichtungselement ist durch den Hülsenkörper ausgebildet. Mittels einer derart ausgebildeten Gleitringdichtung kann der Kopplungsbereich wirksam, auch bei Verkippung des Antriebskörpers relativ zum Abtriebskörper, gegen die äußere Umgebung der Kühlmittelpumpe abgedichtet werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühlmittelpumpe eine Vorspanneinrichtung, welches den Verstellkörper zur ersten oder zweiten axialen Axialposition hin vorspannt. Bevorzugt kann die Vorspanneinrichtung ein federelastisches Element umfassen. Besonders bevorzugt ist oder umfasst dieses federelastische Element eine Spiralfeder. Mittels einer solchen Vorspanneinrichtung kann sichergestellt werden, dass bei Ausfall des magnetischen Aktuators der Verstellkörper im Sinne einer „Fail-Safe“-Funktion in eine wohldefinierte Position verstellt wird.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der magnetische Aktuator und der Kopplungsbereich in einander gegenüberliegenden axialen Endbereichen der Kühlmittelpumpe angeordnet. Eine solche räumliche Trennung des Aktuators vom Kopplungsbereich, also von viskoser Kupplung und magnetischem Aktuator ermöglicht eine effektive Abführung Wärme, die im Kopplungsbereich durch die dort auftretende Fluidreibung erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der magnetische Aktuator eine am Gehäusemantel angeordnete, elektrisch bestrombare Magnetspule. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform ein drehfest mit dem Antriebskörper verbundener und mit der Magnetspule magnetisch gekoppelter magnetischer Körper aus einem magnetischen Material vorgesehen. Somit kann durch Variation des durch die Magnetspule strömenden elektrischen Stroms das von der Magnetspule erzeugte magnetische Feld variiert werden. Bei geeigneter elektrischer Bestromung wird durch magnetische Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der Spule und dem Magnetfeld des magnetischen Körpers auf den Antriebskörper eine magnetische Kraft ausgeübt, welche den Antriebskörper axial zum Gehäusemantel hin bewegt. Durch eine elektrische Bestromung mit umgekehrter Stromrichtung kann in analoger Weise durch magnetische Wechselwirkung eine magnetische Kraft erzeugt werden, welche den Antriebkörper axial vom Gehäusemantel weg bewegt Mit einer solchen axialen Bewegung des Antriebskörpers geht eine axiale Bewegung von Hohlwelle und Verstellkörper zur ersten Axialposition hin einher. Besonders bevorzugt sind die Magnetspule und der Magnetanker derart ausgebildet, dass mit zunehmender elektrischer Bestromung der Magnetspule ein axialer Abstand zwischen der Magnetspule und dem Magnetanker zu- oder abnimmt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der magnetische Körper als Magnetanker ausgebildet, welcher dem Förderrad axial gegenüberliegt. Auf die Bereitstellung einer separat zum magnetischen Körper ausgebildeten axialen Stirnwand kann bei dieser Variante verzichtet werden. Daraus ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung der Kühlmittelpumpe.
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Zweckmäßig kann der Magnetanker mehrere, entlang einer Rotationsrichtung des Antriebskörpers im Abstand zueinander angeordnete und sich jeweils radial nach außen, von der Drehachse weg erstreckende Ankerelemente umfassen. Diese Variante stellt eine effiziente magnetische Kopplung des Magnetankers mit der Magnetspule sicher. Die Ankerelemente können alternativ auch ringförmig verbunden sein. In diesem Fall muss die Nabe der Riemenscheibe entsprechende Aussparungen für die Anbindungsarme des Ankers aufweisen. Bei dieser Alternative kann der Anker vor der Riemenscheibe montiert werden.
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Bevorzugt umfasst zumindest ein Ankerelement eine sich radial von der Drehachse weg erstreckende Ankerstrebe, die radial nach außen, Vorzugsweise mittels einer axialen Stufe, in eine Ankerplatte übergeht. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Ankerelemente des Magnetankers.
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Zweckmäßig ist die Magnetspule radial außen am Gehäusemantel angeordnet und axial dem Magnetanker zugewandt. Auf diese Weise wird einerseits ein hoher magnetsicher Kopplungsgrad zwischen Magnetspule und Magnet sichergestellt. Andererseits ist auch eine gute Zugänglichkeit zur Magnetspule gewährleistet.
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Zweckmäßig können die axiale Stirnwand und das Förderrad einstückig, vorzugsweise aus einem Kunststoff, ausgebildet sein. Mit dieser Maßnahme gehen nicht unerhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung der Kühlmittelpumpe einher.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist am Antriebskörper radial außen drehfest eine Riemenscheibe zur Antriebsverbindung mit einem externen Antriebssystem vorgesehen, welche axial im Bereich des magnetischen Aktuators angeordnet ist. Dies ermöglicht die einfache Realisierung einer Antriebsverbindung zum Antreiben des Antriebskörpers der Kühlmittelpumpe mit einem externen Antriebssystem, welches nicht Teil der Kühlmittelpumpe ist, mit Hilfe eines Riemens.
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Besonders zweckmäßig kann der Abtriebskörper eine den Kopplungsbereich teilweise begrenzende, vorzugsweise ringförmige, Abtriebsscheibe, vorzugsweise aus einem Kunststoff, umfassen, an welcher integral das Förderrad ausgeformt ist. insbesondere können die Abtriebsscheibe und das Förderrad als Kunststoff-Spritzgussteil realisiert sein. Mit dieser Maßnahme gehen Kostenvorteile bei der Herstellung der Kühlmittelpumpe einher.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Gehäuse ein (erster) Fluidkanal zum Zuführen des von der Kühlmittelpumpe zu fördernden Kühlmittels zu der Gleitringdichtung ausgebildet. Auf diese Weise kann die Gleitringdichtung gekühlt und somit gegen Überhitzung geschützt werden. Der erste Fluidkanal verbindet dabei eine Umgebung der Gleitringdichtung fluidisch mit einem druckseitigen Förderraum der Kühlmittelpumpe, welcher im Betrieb der Kühlmittelpumpe von dem zu fördernden Kühlmittel durchströmt wird. Mittels dieser Maßnahme kann die Gleitringdichtung effektiv gegen Überhitzung geschützt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist im Gehäuse zusätzlich zum ersten Fluidkanal ein zweiter Fluidkanal ausgebildet, welcher die Umgebung der Gleitringdichtung zum Abführen des Kühlmittels fluidisch mit dem druckseitigen Förderraum der Kühlmittelpumpe verbindet. Bei dieser Weiterbildung mündet der erste Fluidkanal in eine erste Zone des druckseitigen Förderraums. In dieser ersten Zone weist das Kühlmittel im Betrieb der Kühlmittelpumpe einen höheren Kühlmitteldruck auf als in einer zweiten Zone des druckseitigen Förderraums, in welche der zweite Fluidkanal mündet. Auf diese Weise kann das Druckgefälle im druckseitigen Förderraum ausgenutzt werden, um das Kühlmittel zum Durchströmen der beiden Fluidkanäle anzutreiben.
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Bevorzugt erstrecken sich die beiden Fluidkanäle radial von der Drehachse weg. Besonders bevorzugt erstrecken sich die beiden Fluidkanäle vorzugsweise in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse gegenüberliegen. Mittels dieser Maßnahmen kann ein unerwünschter Druckverlust in den beiden Fluidkanälen minimiert werden.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist im Gehäuse zusätzlich zum ersten Fluidkanal ein zweiter Fluidkanal ausgebildet, welcher die Umgebung der Gleitringdichtung zum Abführen des Kühlmittels fluidisch mit einem saugseitigen Förderraum der Kühlmittelpumpe verbindet. Auf diese Weise kann das im Betrieb der Kühlmittelpumpe auftretende Druckgefälle zwischen dem druckseitigen und dem saugseitigen Förderraum ausgenutzt werden, um das Kühlmittel beim Durchströmen der beiden Fluidkanäle anzutreiben.
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Besonders bevorzugt weisen der Antriebskörper mehrere antriebsseitige Kopplungselemente und der Abtriebskörper mehrere abtriebsseitigen Kopplungselemente auf, wobei die antriebseitigen und die abtriebsseitigen Kopplungselemente im Kopplungsbereich axial ineinander greifen. Besonders zweckmäßig sind die Kopplungselemente kammartig ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die abtriebsseitigen Kopplungselemente auf einer vom Förderrad abgewandten Seite des Abtriebskörpers angeordnet, wohingegen die antriebsseitigen Kopplungselemente auf einer dem Förderrad zugewandten Seite des Antriebskörpers angeordnet sind. Diese Variante erfordert besonders wenig axialen Bauraum.
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Gemäß einer dazu alternativen, anderen vorteilhaften Weiterbildung sind die antriebsseitigen Kopplungselemente auf einer vom Förderrad abgewandten Seite des Antriebskörpers angeordnet und die abtriebsseitigen Kopplungselemente auf einer dem Förderrad zugewandten Seite des Abtriebskörpers angeordnet. Auch diese Variante erfordert besonders wenig axialen Bauraum.
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Besonders bevorzugt weist der Abtriebskörper eine drehfest mit der axialen Stirnwand verbundene und axial im Abstand zu dieser angeordnete Begrenzungswand auf, so dass der Antriebskörper und der Kopplungsbereich axial zwischen der Begrenzungswand und der axialen Stirnwand angeordnet sind. Bei dieser Variante sind die abtriebsseitigen Kopplungselemente auf einer dem Förderrad und/oder dem Antriebskörper zugewandten Seite der Begrenzungswandung angeordnet. Vorteil dieser Ausführung ist eine bessere Wärmeableitung aus dem Bereich der kammartigen Kopplungselemente in das die Flüssigkeitsreibungskupplung umströmende Kühlmittel.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe, bei welchem sich der Verstellkörper in einer ersten axialen Position befindet,
- 2 die Kühlmittelpumpe der 1 mit einem in eine zweite axiale Position verstellten Verstellkörper,
- 3 eine perspektivische Teilansicht der Kühlmittelpumpe der 1 und 2 im Bereich des magnetischen Aktuators,
- 4 eine Variante des Beispiels der 1 und 2,
- 5 eine Weiterbildung der Beispiel der 1 und 4, bei welcher die Gleitringdichtung der Kühlmittelpumpe mittels des geförderten Kühlmittels gekühlt wird,
- 6 eine Alternative Variante der Weiterbildung der 5,
- 7 eine weitere Variante, die mit den Beispielen gemäß 1 bis 6 kombiniert werden kann.
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1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe 1 zum Fördern eines Kühlmittels. Die Kühlmittelpumpe 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches einen Gehäusemantel 3 aufweist. Am Gehäusemantel 3 ist ein Antriebskörper 4 um eine Rotationsachse D drehbar gelagert. Durch die Lage der Rotationsachse D ist eine axiale Richtung A definiert. Die Kühlmittelpumpe 1 umfasst weiterhin einen Abtriebskörper 5, der um die Rotationsachse D drehbar am Antriebskörper 4 gelagert ist. Die Rotationsachsen D von Antriebs- und Abtriebskörper 4, 5 sind also identisch.
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Die drehbare Lagerung des Antriebskörpers 4 am Gehäusemantel 3 und die drehbare Lagerung des Abtriebskörpers 5 am Antriebskörper 4 ist im Beispiel der 1 mittels einer gemeinsamen Lagereinrichtung 16 realisiert, die als Mehrringlager 9 ausgebildet ist. Die Lagereinrichtung 16 bzw. das Mehrringlager 9 umfasst einen starr mit dem Gehäusemantel 3 verbundenen, radial äußeren Ring 9a. Ein radial mittlerer Ring 9b der Lagereinrichtung 16 bzw. des Mehrringlagers 9 ist starr mit dem Abtriebskörper 5 verbunden. Ein radial innerer Ring 9c der Lagereinrichtung 16 bzw. des Mehrringlagers 9 ist starr mit dem Antriebskörper 4 verbunden.
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Zwischen dem Abtriebskörper 5 und dem Antriebskörper 4 ist ein Kopplungsbereich 6 ausgebildet, in welchem zur Drehmoment-Kopplung zwischen dem Antriebskörper 4 und dem Abtriebskörper 5 ein viskoses Fluid vorhanden ist. Der Kopplungsbereich 6 ist dabei zumindest teilweise vom Antriebskörper 4 und vom Abtriebskörper 5 begrenzt. Mittels des Kopplungsbereichs 6 ist also eine viskose Kupplung realisiert. Eine Drehbewegung des Antriebskörpers 4 um die Rotationsachse D führt also aufgrund der Drehmoment-Kopplung durch die viskose Kupplung zu einer Drehbewegung des Abtriebskörpers 5 um dieselbe Rotationsachse D. Durch das viskose Fluid wird Fluidreibung erzeugt, wodurch der Abtriebskörper 5 viskos an den Antriebskörper gekoppelt wird. Zur Verbesserung der Fluidreibung weisen Antriebs- und Abtriebskörper 4, 5 jeweils miteinander kämmende Lamellen 8 auf.
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Entsprechend 1 umfasst der Abtriebskörper 5 eine den Kopplungsbereich 6 teilweise begrenzende, im Beispielszenario im Wesentlichen ringförmige Abtriebsscheibe 26 aus einem Kunststoff. Der um die Rotationsachse D drehbare Abtriebskörper 5 mit der Abtriebsscheibe 26 bildet eine axiale Stirnwand 24 des Gehäuses 2 aus, an welcher wiederum drehfest ein Förderrad 25 zum Fördern des von der Kühlmittelpumpe 1 zu fördernden Kühlmittels angeordnet ist. Die axiale Stirnwand 24 und das Förderrad 25 sind bevorzugt einstückig, beispielsweise aus einem Kunststoff, ausgebildet. Die axiale Stirnwand 24 begrenzt auch den Kopplungsbereich 6 in der axialen Richtung A.
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Zur Ausbildung einer Flüssigkeitsreibkupplung weist der Antriebskörper 4 gemäß 1 mehrere antriebsseitige, kammartig ausgebildete Kopplungselemente 50 auf. Entsprechend weist der Abtriebskörper 5 mehrere abtriebsseitige, kammartig ausgebildete Kopplungselemente 51 auf, so dass die antriebseitigen und die abtriebsseitigen Kopplungselemente 50, 51 im Kopplungsbereich 6 kammartig axial ineinander greifen können. Im Beispiel der 1 sind die abtriebsseitigen Kopplungselemente 51 auf einer vom Förderrad 25 abgewandten Seite der axialen Stirnwand 24 angeordnet. Die antriebsseitigen Kopplungselemente 50 sind hingegen auf einer dem Förderrad 25 zugewandten Seite des Antriebskörpers 4 angeordnet.
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Das für die Ausbildung der Flüssigkeitsreibkupplung verwendete viskose Fluid kann beispielsweise ein viskoses Öl sein. Die Menge an im Kopplungsbereich 6 vorhandenem viskosem Fluid ist zum Ändern der Kopplungsgrad zwischen Antriebskörper 4 und Abtriebskörper 5 mittels einer verstellbaren Ventileinrichtung 7 variierbar.
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In der dem Förderrad 25 zugewandten Stirnseite 29 der Abtriebsscheibe 26 ist entsprechend den 1 und 2 eine im Wesentlichen ringförmige Aussparung 31 ausgebildet. Die ringförmige Aussparung 31 ist in axialer Richtung A zum Förderrad 25 hin mittels eines ringförmigen Deckels 32 verschlossen. Die ringförmige Aussparung 31 dient als Vorratsraum 33 für das viskose Fluid und ist über einen Fluidpfad 34 fluidisch mit dem Kopplungsbereich 6 verbunden. In besagtem Fluidpfad 34 ist auch besagte Ventileinrichtung 7 angeordnet, so dass sie den effektiven Strömungsquerschnitt des Fluidpfads 34 zu variieren vermag.
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Durch Verstellen der Ventileinrichtung 7 zwischen der Offenstellung und der Schließstellung kann somit die Fluidzuführung vom Vorratsraum 33 in den Kopplungsbereich 6 gesteuert und auf diese Weise der Kopplungsgrad zwischen dem Antriebskörper 4 und dem Abtriebskörper 5 variiert werden.
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Hierfür kann die in den Figuren nicht näher dargestellte Ventileinrichtung 7 eine von dem Fluid durchströmbare Ventilöffnung umfassen, die mittels eines verstellbaren Ventilkörpers teilweise oder vollständig verschlossen werden kann. Mit anderen Worten, die Ventileinrichtung 7 ist zwischen einer Offenstellung mit für das viskose Fluid maximalem Öffnungsquerschnitt und einer Schließstellung mit für das viskose Fluid minimalem Öffnungsquerschnitt verstellbar. Hierzu ist ein magnetischer Aktuator 10 vorgesehen, mittels welchem ein Öffnungsquerschnitt der Ventileinrichtung 7 verstellt werden kann. Der minimale Strömungsquerschnitt kann bei entsprechender Auslegung der Ventileinrichtung 7 auch einen Null-Wert annehmen, so das kein Fluid die Ventilöffnung der Ventileinrichtung 7 passieren kann.
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Zum Verstellen der Ventileinrichtung 7 umfasst der Antriebskörper 4 eine Hohlwelle 12, welche von einem Verstellkörper 11 durchgriffen wird. Der Verstellkörper 11 ist bevorzugt stabartig oder stiftartig ausgebildet. Mittels des Verstellkörpers 11 ist der magnetische Aktuator 10 mechanisch mit der Ventileinrichtung 7 gekoppelt. Der Verstellkörper 11 ist relativ zur Hohlwelle 12 drehbar und axial zwischen einer ersten und einer zweiten Axialposition verstellbar ausgebildet.
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Die 1 zeigt den Verstellkörper 11 in der ersten Axialposition, die 2 in der zweiten Axialposition. Bei in die erste Axialposition verstelltem Verstellkörper 11 befindet sich die Ventileinrichtung 7 in der Offenstellung mit für das viskose Fluid maximalem Öffnungsquerschnitt. Folglich kann eine maximale Menge an Fluid in den Kopplungsbereich 6 gelangen. Dies bewirkt, dass die Fluidreibung des Fluids im Kopplungsbereich 6 einen Maximalwert annimmt, so dass auch der Kopplungsgrad zwischen Antriebskörper 4 und Abtriebskörper 5 maximal ist.
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Bei in die zweite Axialposition verstelltem Verstellkörper 11 befindet sich die Ventileinrichtung 7 in einer Schließstellung mit für das viskose Fluid minimalem Öffnungsquerschnitt. Dies bewirkt, dass die Fluidreibung des Fluids im Kopplungsbereich 6 einen Minimalwert annimmt, so dass der Kopplungsgrad zwischen Antriebskörper 4 und Abtriebskörper 5 minimal ist. Bei in die zweite Axialposition verstelltem Ventilkörper 11 kann sich die Ventileinrichtung 7 auch in einer Schließstellung befinden, in welcher gar kein viskoses Fluid in den Kopplungsbereich 6 zugeführt wird.
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Auch eine umgekehrte Zuordnung der beiden Axialpositionen des Verstellkörpers 11 zu Offenstellung und Schließstellung der Ventileinrichtung 7 ist in einer Variante des Beispiels möglich. Weiterhin kann eine Vorspanneinrichtung 13 in Form eines als Spiralfeder 15 ausgebildeten federelastischen Elements 14 vorgesehen sein, welches den Verstellkörper 11 zur ersten oder zur zweiten Axialposition hin vorspannt.
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Der magnetische Aktuator 10 umfasst eine am Gehäusemantel 3 angeordnete, elektrisch bestrombare Magnetspule 18 und einen drehfest mit Antriebskörper 4 verbundenen und mit der Magnetspule 18 magnetisch koppelbaren oder gekoppelten magnetischen Körper 19 aus einem magnetischen Material. Das von der Magnetspule 18 durch elektrisches Bestromen erzeugte magnetische Feld wechselwirkt mit dem magnetischen Feld des magnetischen Körpers 19. Im Beispielszenario ist der magnetische Körper 19 als Magnetanker 20 ausgebildet, welcher dem Förderrad 25 in der axialen Richtung gegenüberliegt.
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Die 3 zeigt die Kühlmittelpumpe 1 in einer perspektivischen Teilansicht im Bereich des magnetischen Aktuators 10. Wie 3 anschaulich belegt, umfasst der Magnetanker 20 mehrere, entlang einer Rotationsrichtung R des Antriebskörpers 4 im Abstand zueinander angeordnete und sich jeweils radial nach außen, von der Drehachse D weg erstreckende Ankerelemente 21. Die Ankerelemente 21 umfassen sich radial von der Drehachse D weg erstreckende Ankerstreben 22, die radial nach außen mittels einer jeweiligen axialen Stufe 40 in eine jeweilige Ankerplatte 23 übergehen.
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Die Magnetspule 18 ist radial außen am Gehäusemantel 3 angeordnet und axial dem Magnetanker 20 zugewandt. Die Magnetspule 18 und der magnetische Körper 19 in Form des Magnetankers 20 sind derart ausgebildet, dass mit zunehmender elektrischer Bestromung der Magnetspule 18 ein axialer Abstand x zwischen der Magnetspule 18 und dem Magnetanker 19 abnimmt. Außerdem sind der Magnetspule 18 und der Magnetanker 20 im Beispielszenario derart ausgebildet, dass mit zunehmender elektrischer Bestromung der Magnetspule 18 der Antriebskörper 4 zur zweiten axialen Endposition (vgl. 2) hin verstellt wird.
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Am Antriebskörper 4 kann radial außen drehfest eine Riemenscheibe 27 zur Antriebsverbindung mit einem externen Antriebssystem angebracht sein. Die Riemenscheibe 27 ist im Beispielszenario axial im Bereich des magnetischen Aktuators 10, also im axialen Endabschnitt 17a, der dem Förderrad 25 gegenüberliegt, angeordnet.
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Wie 1 erkennen lässt, umfasst die Kühlmittelpumpe 1 weiterhin eine Gleitringdichtung 35 mit einem radial inneren Dichtungsring 37a und einem radial äußeren Dichtungsring 37b. Dabei ist am Abtriebskörper 5 drehfest ein Hülsenkörper 38 angeordnet, welche den radial inneren Dichtungsring 37a der Gleitringdichtung 35 ausbildet oder aufnimmt. Die Hohlwelle 12 durchgreift den Hülsenkörper 38. Der radial äußere Dichtungsring 37b ist drehfest am Gehäusemantel 3 des Gehäuses 2 angebracht.
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Die 4 illustriert eine Variante der Kühlmittelpumpe 1 der 1 bis 3. Im Beispiel der 4 ist der Antriebskörper 4 mittels einer ersten Lagereinrichtung 16a, die axial im Bereich des magnetischen Aktuators 10 angeordnet ist, drehbar am Gehäusemantel 3 gelagert. Der Abtriebskörper 5 ist mittels einer zweiten Lagereinrichtung 16b, die axial zwischen der ersten Lagereinrichtung 16a und dem Kopplungsbereich 6 angeordnet ist, drehbar am Antriebskörper 4 gelagert. Mit anderen Worten, die beiden Lagereinrichtungen 16a, 16b sind im Beispiel der 4 in der axialen Richtung A versetzt zueinander angeordnet.
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Auch bei der Variante der 4 umfasst die Kühlmittelpumpe 1 eine Gleitringdichtung 35 mit einem radial inneren Dichtungsring 37a und einem radial äußeren Dichtungsring 37b. Dabei ist am Abtriebskörper 5 drehfest ein Hülsenkörper 38 angeordnet, welcher den radial inneren Dichtungsring 37a der Gleitringdichtung 35 ausbildet. Die Hohlwelle 12 durchgreift den Hülsenkörper 38. Der Hülsenkörper 38 ist im Beispiel der 4 radial im Abstand zur Hohlwelle 12 angeordnet. Der radial äußere Dichtungsring 37b ist drehfest am Gehäusemantel 3 des Gehäuses 2 angebracht.
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Die 5 und 6 zeigen alternative Weiterbildungen der Kühlmittelpumpe 1, die insbesondere mit den Beispielen der 1 und 4 kombiniert werden können. Die 5 zeigt die Kühlmittelpumpe 1 dabei in einer perspektivischen Ansicht im Bereich ihres druckseitigen Förderraums 44a (das Förderrad 25 ist in 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt), die 6 in einem Längsschnitt entlang der Drehachse D.
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Um die Gleitringdichtung 35 gegen Überhitzung und eine damit etwaig verbundene Zerstörung zu schützen, wird im Beispiel der 5 vorgeschlagen, im Gehäuse 2 einen ersten Fluidkanal 41a zum Zuführen des von der Kühlmittelpumpe 1 zu fördernden Kühlmittels zu der Gleitringdichtung 35 auszubilden. Besagter erster Fluidkanal 41a verbindet eine Umgebung 42 der Gleitringdichtung 35 fluidisch mit einem druckseitigen Förderraum 45 der Kühlmittelpumpe 1. Über den ersten Fluidkanal 41a kann somit Kühlmittel zur Gleitringdichtung 35 gelangen, um diese zu kühlen.
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Zusätzlich zum ersten Fluidkanal 41a ist im Gehäuse 2 ein zweiter Fluidkanal 41 b ausgebildet, welcher die Umgebung 42 der Gleitringdichtung 35 zum Abführen des Kühlmittels fluidisch mit einem druckseitigen Förderraum 44a zum Fördern von Kühlmittel verbindet. Über den zweiten Fluidkanal 41b kann das Kühlmittel nach Aufnahme von Wärme von der Gleitringdichtung 35 wieder von dieser weggeleitet werden.
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Im Beispiel der Figur 5 mündet der erste Fluidkanal 41a in eine ersten Zone 45a des druckseitigen Förderraums 44a, in welcher das geförderte bzw. zu fördernde Kühlmittel im Betrieb der Kühlmittelpumpe 1 einen höheren Kühlmitteldruck aufweist als in einer zweiten Zone 45b des druckseitigen Förderraums 44a, in welche der zweite Fluidkanal 41b mündet. Durch den Druckunterschied im Kühlmitteldruck des Kühlmittels zwischen den beiden Zonen 45a und 45b wird das Kühlmittel somit von der ersten Zone 45a des druckseitigen Förderraum 44a über den ersten Fluidkanal 41a in die Umgebung 42 der Gleitringdichtung 35 gedrängt, so dass die Gleitringdichtung 35 vom Kühlmittel gekühlt werden kann. Von dort gelangt das Kühlmittel über den zweiten Fluidkanal 41b wieder in die zweite Zone 45b des druckseitigen Förderraums 44a. Der Strömungsverlauf des Kühlmittels in den beiden Fluidkanälen 41a, 41b ist in 5 durch Pfeile angedeutet, die mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet sind.
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Wie die Darstellung der 5 erkennen lässt, erstrecken sich die beiden Fluidkanäle 41a, 41b radial von der Drehachse D weg und können einander in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse D gegenüberliegen. Auf diese Weise wird ein unnötig hoher Druckverlust des Kühlmittels in den beiden Fluidkanälen 41a, 41b weitgehend oder sogar vollständig vermieden, sodass die Gleitringdichtung 35 effektiv mit Kühlmittel versorgt und auf diese Weise gekühlt werden kann.
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Der Längsschnitt der 6 zeigt eine zu der Variante der 5 alternative Weiterbildung der Kühlmittelpumpe 1. Im Beispiel der 6 ist der erste Fluidkanal 41a in analoger Weise zum Beispiel der 5 (der erste Fluidkanal 41a ist im Längsschnitt der 6 nicht erkennbar) ausgebildet. Auch im Beispiel der 6 ist im Gehäuse 2 zusätzlich zum ersten Fluidkanal 41a ein zweiter Fluidkanal 41b' ausgebildet; im Gegensatz zur Variante der 5 verbindet der zweite Fluidkanal gemäß 6 jedoch die Umgebung 42 der Gleitringdichtung 35 zum Abführen des Kühlmittels fluidisch mit einem saugseitigen Förderraum 44b der Kühlmittelpumpe 1. Dies bedeutet, dass bei der Variante gemäß 6 der Druckunterschied zwischen dem druckseitigen Förderraum 44a und dem saugseitigen Förderraum 44b ausgenutzt wird, um das Kühlmittel - in 6 durch Pfeile mit den Bezugszeichen 46 angedeutet - zur Gleitringdichtung 35 hin und wieder von dieser weg zu führen.
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Die 7 zeigt eine Variante des Beispiels der 1 und 2 mit geänderter Anordnung der antriebsseitigen und abtriebsseitigen Kopplungselemente 50, 51. Im Beispiel der 7 sind die antriebsseitigen Kopplungselemente 50 auf einer vom Förderrad 25 abgewandten Seite des Antriebskörpers 4 und die abtriebsseitigen Kopplungselemente 51 auf einer dem Förderrad 25 zugewandten Seite des Abtriebskörpers 5 angeordnet.
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Hierbei umfasst der Abtriebskörper 5 eine drehfest mit der axialen Stirnwand 24 verbundene und axial im Abstand zu dieser angeordnete Begrenzungswand 53, so dass der Kopplungsbereich 6 und der Antriebskörper 4 axial zwischen der Begrenzungswand 53 und der axialen Stirnwand 24 angeordnet sind. Die abtriebsseitigen Kopplungselemente 51 sind auf einer dem Förderrad 25 und dem Antriebskörper 4 zugewandten Seite 52 der Begrenzungswand 53 angeordnet. Die antriebsseitigen und abtriebsseitigen Kopplungselemente 50, 51 können aus Metall gefertigt sein. Selbstredend kann dies für den gesamten Antriebskörper 4 sowie für den gesamten Abtriebskörper 5 gelten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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