JP3574472B2 - タバコ膨張方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はタバコを膨張する方法および装置に関する。更に詳しく言えば、本発明はタバコ膨張の処理量及び経済性を向上する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去２０年間にわたって、タバコ膨張方法は紙巻きタバコ製造方法の重要な部分になってきた。タバコ膨張方法は、タバコ葉の熟成および貯蔵中に失われたタバコのかさ密度または体積を回復させるために用いられる。また、膨張させたタバコは多くの低タールおよび超低タール紙巻きタバコの重要な成分である。
【０００３】
商業的に重要なタバコ膨張方法がフレドリクソンの米国特許第３５２４４５１号、モーザ等の第３５２４４５２号の各明細書に記載されている。それらの米国特許は、タバコを含浸剤に接触させてから、急速に加熱して含浸剤を揮発させタバコを膨張させる方法を記述している。それらの方法の変形例がフレドリクソンの米国特許第３６８３９３７号明細書に記載されている。この米国特許は、蒸気状態の有機化合物を使用してタバコに含浸させるタバコ膨張方法を開示している。含浸させたタバコは、加熱または急減圧のいずれかによって膨張させる。
【０００４】
タバコを膨張させるために二酸化炭素を使用する技術が、とりわけアッチの米国特許第４２３５２５０号、バーデ等の第４２５８７２９号およびシークス等の第４３３６８１４号に開示されている。それらの方法およびそれに関連する方法においては、含浸のために気状または液状の二酸化炭素をタバコと接触させ、その後で含浸させたタバコを急速に加熱して二酸化炭素を揮発させることによりタバコを膨張させている。既知の二酸化炭素膨張方法においては、タバコを十分にかつ安定に膨張させるために、タバコを過熱することが通常は必要である。この過熱のためにタバコの風味が損われ、あるいはタバコの粉が過度に発生することがある。また、液体二酸化炭素を使用してタバコに含浸させるそれらの方法は、一般に、含浸させたタバコがドライアイスを含んでいる固体ブロック状のタバコになる結果をもたらすことがあり、熱処理する前にそのような固体ブロック状のタバコを砕かねばならず、そのため処理が複雑になる。
【０００５】
ジーンの米国特許第４４６１３１０号およびジーンの第４２８９１４８号には、超臨界窒素または超臨界アルゴンによるタバコの含浸を使用するタバコ膨張技術が開示されている。それらのガスは急速減圧中にタバコから除去され、加熱気体またはマイクロ波にタバコをさらすことによってタバコは膨張させられる。それらの方法では、タバコを十分に膨張させるために、約１４１ｋｇ／ｃｍ^２ （約２０００ｐｓｉｇ）または約２８２ｋｇ／ｃｍ^２ （約４０００ｐｓｉｇ）を超えて、約７００ｋｇ／ｃｍ^２ （約１００００ｐｓｉｇ）までの圧力でタバコを処理する必要がある。
【０００６】
ホワイトの米国特許第４５３１５２９号には、膨張剤の臨界圧力および臨界温度以上、またはその付近で通常は気体であるハロカーボンや炭化水素などの、低沸点高揮発性の膨張剤をタバコに含浸させる、タバコの充填容量を増大させる方法が記述されている。タバコを膨張させるため、または膨張させた状態にタバコを固定させるために、加熱過程の必要なしにタバコが膨張するように、圧力を大気圧まで急速に低下させる。この方法の圧力条件は３６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（５１２ｐｓｉｇ）以上で上限値は未知である。１４１ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２０００ｐｓｉｇ）より低い圧力を使用すると、タバコを過度に粉砕することなしに満足できる膨張が得られた。この範囲以上の圧力は通常は不要であるといわれている。膨張剤の圧力を必要な圧力まで高めるために要する時間が１〜１０分間である場合は、タバコに効果的に含浸させるために圧力をかけておく追加の時間はほとんど、または全く必要なかった。
【０００７】
コンラド及びホワイトの米国特許第４５５４９３２号には、円筒形の筒状殻と、この殻の外部の装入位置と殻の内部の処理位置との間で動くように装着された往復スプール組立体とを含む、流体圧処理装置が記述されている。殻と係合して圧力室を構成する密封部材がスプール組立体に設けられる。処理流体を圧力室に入れるための導管が設けられる。それによってこのシステムは、装入および取出しを容易にし、高圧処理装置において通常用いられる密封機構および固定機構に関連する諸問題を最少にしあるいは解消する、膨張のためのタバコ含浸などの高圧材料処理において使用するための装置を提供している。したがって、この装置はタバコ膨張時間を節減し、かつタバコ膨張を低コストで行う圧力容器を提供している。
【０００８】
クラマーの米国特許第５０６７２９３号は、協働する動く表面が処理室を密封する、動的シールを形成するための機構を有し、タバコ原料およびその他の生物学的材料を処理するための方法および装置を対象とする。前記米国特許に従って提供されるその動的シール・システムは、タバコ膨張を含めた処理のための超臨界温度および超臨界圧力条件を含めて、高くした温度および高くした圧力条件においてタバコを処理するために有用である。連続処理および一括処理が開示されている。タバコ膨張のためにタバコに対する重量比が４０：１より高い超臨界流体を使用することが開示され、タバコ材料の完全な含浸がほぼ瞬時に行われるといわれている。減圧に先立って含浸時間を１〜１０分間維持すると、タバコの膨張がより十分になるといわれている。
【０００９】
ホワイトの第４９６２７７３号には、紙巻き中に刻みてん充葉が体積膨張を行うような条件に、紙巻きタバコをさらす方法が記述されている。この米国特許には、超臨界圧および超臨界温度より上で行われる含浸条件の使用を含めて、種々の含浸条件および種々の流体の使用が記述されている。超臨界条件の下で紙巻きタバコに含浸するための作業例では、容積４．５リットルの圧力容器が使用されている。
【００１０】
大気圧より十分に高い含浸圧力を使用する場合には、以上述べた方法およびその他の方法を含めて、タバコ膨張方法は一括法または連続法（クラマーの米国特許第５０６７２９３号）で行うべきである。一括処理法および連続処理法は複雑な処理装置を必要とし、容器の開閉に要する時間と、含浸剤を容器に入れ、容器から含浸剤を取り出すために要する時間とのために、長いサイクル時間を必要とする。サイクル時間を短縮するために使用されている種々の装置を改造することによって処理量はある程度向上したが、主として個々のシステムの容積を増大すること、または同時に使用される一括システムの数を増加すること、あるいはその両方により、従来の技術に従って既知の一括システムにおける処理量の大幅な向上が達成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高圧タバコ含浸システムにおけるタバコ処理量を劇的に向上できる、タバコ膨張方法の改良を提供する。本発明の種々の態様によれば、１分より短い、典型的には約１５〜３０秒より短い、完全サイクル時間内に、タバコを膨張させるために高圧含浸領域内で含浸させ、その領域から取り出すことができる。また、本発明の別の態様によれば、高圧含浸領域内の利用可能な処理スペースの使用を劇的に改善することによってタバコ処理量は一層向上する。更に、本発明は、タバコを処理するために使用される膨張剤の量を最少にする方法も提供する。
【００１２】
１つの態様において、本発明は、高圧含浸領域中の利用可能な含浸スペースのほぼ全部を圧縮されたタバコで充すような、高圧タバコ含浸方法を提供する。含浸剤を含浸領域に入れ、圧縮されたタバコに含浸させる。一般に、圧縮されたタバコは、１．２５：１より高い、たとえば１．５：１の比で圧縮するが、低くとも２：１〜３：１またはそれより高い比で圧縮することが好ましい。このようにすると、含浸領域内の利用可能なスペースに対する処理量が大幅に、たとえば５０％〜２００％またはそれ以上向上する。好適な実施例においては、含浸中にタバコを圧縮するにもかかわらず、少なくとも５０％の大幅なタバコ膨張、最大限１００％以上の充填容量の増大が達成できる。更に、本発明の好適な実施例においては、圧縮されたタバコに含浸させるために、２０秒より短いサイクル時間が使用できる。
【００１３】
高圧処理容器の利用可能な処理量を劇的に向上させることに加えて、本発明のこの態様は、含浸中に含浸領域に入れられる膨張剤の量も大幅に減少させることができる。したがって、本発明のこの態様は、タバコに含浸させるために使用する膨張剤の量を、がさがさの状態、すなわち詰まっていない状態で測定した時のタバコの体積より少なくできる、タバコ膨張方法を提供するものである。通常は、膨張剤の量をタバコの量に比べてほぼ半分またはそれ以下にできる。
【００１４】
本発明の別の態様においては、タバコを含浸領域に入れる前にタバコを予熱することにより、超臨界圧および超臨界温度の条件の付近またはそれより上の条件の下でタバコに含浸するためのサイクル時間を大幅に短縮することができる。本発明の更に別の態様においては、膨張剤を含浸領域に入れる前に、超臨界値より高い温度条件および圧力条件で膨張剤を予熱および予圧すると、ほぼ数秒でタバコに膨張剤が含浸して、十分に膨張できる含浸されたタバコが得られることが判明している。本発明のこの態様に従えば、超臨界流体導入時間と含浸時間と減圧時間とを含めて、１分より短い、好ましくは２０秒より短い、完全サイクル時間が達成できる。１０〜１２秒またはそれより短いサイクル時間で、装入容量を５０％以上、１００％まで、および１００％を超えて増大させることができる。
【００１５】
本発明の方法の実施に際して種々の装置が使用できる。１つの好適な実施例においては、コンラド及びホワイトの米国特許第４５５４９３２号に開示されているような種類のスプール型タバコ膨張装置が用いられる。可動スプールへのタバコの装入と、可動スプール内部での圧縮を同時に行う好適なタバコ装入手段を組み込むようにこの装置を改造することがより好ましい。
【００１６】
本発明の別の装置実施例によれば、予熱された高圧流体をタバコ膨張領域へ供給するために蓄圧器が用いられる。蓄圧器を用いることによって、高温、高圧の含浸処理中に貯蔵される高圧、高温の流体の量が最少になり、そのため高圧容器の必要性が最少になり、この方法に関連する安全上の心配が軽減される。
【００１７】
本発明の非常に好適な実施例においては、ホワイト及びコンラドの米国特許第４５３１５２９号の方法に従ってタバコに含浸させるために、臨界温度より高い温度、および臨界圧より高い圧力でプロパン流体が供給される。約１４１ｋｇ／ｃｍ^２ （約２０００ｐｓｉｇ）より高い圧力のプロパンを使用するとサイクル時間が短くなることが今回判明した。本発明の種々の態様を組み合わせることにより、高圧含浸領域におけるタバコ処理量を、従来技術において記述されている処理量の１０〜３０倍以上に増大させることができる。このように、タバコを圧縮すると通常の処理量に比べて２〜３倍以上の処理量が得られる。予熱したタバコを使用し、または予熱し、予圧縮した超臨界流体を膨張領域中へほぼ瞬時に導入し、あるいはその両方によって、５サイクルまたはそれ以上までのタバコ含浸サイクルを、操作の毎分ごとに完了させることができる。このようにして、所与の容積の膨張室を使用して、含浸室容積の５倍を超える、好ましくは１０〜１５倍またはそれ以上のがさがさのタバコを操作の毎分ごとに容易に含浸させことができる。
【００１８】
【実施例】
以下に本発明の種々の方法実施例および装置実施例を説明する。図示のものを含めた特定の方法および装置に関して本発明を説明するが、本発明はそのように限定されるものではないことを理解されたい。その反対に、上記の考察および以下の詳細な説明を考察すれば明らかになるように、本発明は数多くの代替例、修正例および均等物を包含する。
【００１９】
図１は本発明の種々の態様で使用される好適な装置を示す。図１に示した装置は、１９８５年１１月２６日発行のコンラド及びホワイトの米国特許第４５５４９３２号に従って全般的に構成される。説明を簡潔にするために、上記米国特許に開示されている種々の詳細事項はここでは繰り返さない。それらの詳細事項については上記米国特許を参照されたい。
【００２０】
図１に示すように、この装置は、円筒形の筒状殻すなわち囲壁１２とスプール組立体１４とを含む圧力容器１０を含む。殻１２とスプール組立体１４は、ステンレス鋼、青銅等を含めて適当な任意の材料で製作できる。殻とスプールの特定の構造および寸法は、後に明らかとなるように、圧力容器内部でかけることを意図している圧力に耐えるのに十分なものである。
【００２１】
スプール組立体１４は円筒形状の端部部材１６、１８と、連結棒２０を含む。図１に示すようにスプールが殻１２の内部にある時は、端部部材１６、１８と、連結棒２０および殻１２が、密封された圧力室すなわち圧力領域を構成する所定の容積の環状スペース２２を規定する。
【００２２】
図１に示すように、スプール組立体は水平位置にあり、仮想線で示す装入位置２４と、やはり仮想線で示す取り出し位置２６と、図１に特に示す含浸位置との間で往復運動するように配置される。スプールを３つの位置の間で動かすために、油圧ピストンまたはそれに類似のモータ手段２８が、図１に部分的に示す軸を介して軸線方向に取りつけられる。
【００２３】
タバコが、向き合う一対の半円筒形装入部材３２によって、位置２４にあるスプール上に装入される。タバコは、葉（柄と葉脈を含む）と、葉片（裁柄済みの葉）、または紙巻きタバコ用の刻みてん充葉（紙巻きタバコを製造するために裁断された、すなわち細長く裁断された葉片）を含めて種々の形のどれでもよい。装入部材３２は棒３４を介して、油圧ピストン等の往復運動力発生手段（図示せず）に連結される。タバコの別々の装入原料３６をスプール１４上に押し込める。この場合、後で図２を参照して詳しく説明するように、タバコを圧縮することが好ましい。
【００２４】
スプールを位置２４に装入した後、スプールを含浸位置へ移動させる。各端部部材１６、１８はそれぞれ膨張可能な密封部材４０、４２を含む。これらの密封部材は、油圧流体を流体管４４を介して受け取る、油圧によって膨張できる弾性環で構成される。食用油などの油圧流体を油圧蓄圧器４５によって流体管４４を通じて密封部材４０中に送り込み、それらの密封部材を外側へ膨張させて、漏れが生じないように圧力室２２を密封する。密封部材は、スプールが位置から位置へ動くにつれて、タバコ粒子を殻１２の内面およびタバコ装入部材３２からかき取る、一体形の摩耗環を含むと有利でもある。油圧流体はスプールの一端から、連結棒４６を貫通しスプール１４の少なくとも一端に連結された孔（図１に部分的に示す）を通じて管４４に入れる。
【００２５】
高圧ガス管４８、４９が、端部部材１８上に密封部材４２の間に形成された環状スペース５２と整列したポート５０、５１を介して殻１２に通じる。環状スペース５２は複数の半径方向ポート５４と軸線方向ポート５６を介して、連結棒２０の表面に形成された溝５８と連結される。それによって、スプール部材１４が図示の位置にあるときに、ポート５０、５１は高圧流体を圧力室２２の中に入れ、そこから出すことができるようになる。１つまたは複数のスクリーン５９が連結棒２０を囲んで、タバコがポート５６と溝５８を詰まらせるのを防止する。
【００２６】
流体を含浸室２２へ迅速に入れ、そこから迅速に出すために、一対の高速作動弁６０、６２が設けられる。それらの弁は玉弁であることが好ましい。それらの玉弁のポートの直径は、含浸室２２の寸法に応じて、約１．２７ｃｍ（０．５インチ）から約３．８１ｃｍ（１．５インチ）またはそれより大きく、それにより高圧流体を含浸室２２へほぼ瞬時に入れ、そこからほぼ瞬時に出すことができる。それらの弁は高速作動油圧アクチュエータ（図示せず）によって自動的に開閉させるのが有利である。
【００２７】
入口側では、高圧ガス管４８は後述する蓄圧装置６４に連結されている。蓄圧装置６４に供給されたガスを加熱するために蒸発器６６が設けられる。蓄圧装置６４内部の流体を加熱された状態に維持するために、蓄圧装置は図示しない手段によって加熱することもできる。たとえば、約１７５ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の高圧流体を蒸発器６６と蓄圧装置６４に供給するために、蒸発器６６の上流側に高圧ポンプ（図示せず）が設けられる。
【００２８】
含浸室２２から高圧流体を取り出すために用いられる高圧管４９が、含浸室から取り出された流体を回収するためのガス回収領域（図示せず）に連結されている。
【００２９】
オイルレス空気圧縮機７２などの空気圧で取出し装置がタバコ取出し領域に設けられ、タバコを囲むスプール１４が取出し位置２６に接近しまた取り出し位置２６から離れる時に、高圧空気や高圧窒素などの流体をスプールへ送る。取出し位置２６において取り出されたタバコは、相互にかみ合う振動歯を備えたほぐし装置７３で受け取られ、そこから回収シュート７４へ送られる。回収シュートにおいてタバコに、希望に応じて乾燥、または膨張のための加熱などの処理を更に施すことができる。
【００３０】
図２は、タバコをスプール１４の周囲で圧縮するために用いるタバコ圧縮装入部材３２の略図を示す。図に示すように、各装入部材３２は半円筒形部材であって、引っ込んだ位置と、仮想線で示す閉じた位置８０との間で動くように装着されている。タバコ３６はシュート８２を通じてタバコ装入領域へ送られる。その後、タバコ装入部材３２が装入位置８０に移動してタバコ３６をスプール部材１４上に押しつけ、それによって端部部材１６と１８の間の、連結棒２０を囲む環状スペースをほぼ充たす。タバコ３６の量は、スプール１４上に装入する前の、がさがさの状態にある時に測定したその体積が、この環状スペースの容積より十分に大きくなるような量であることが好ましい。
【００３１】
圧縮前のタバコの体積、すなわち、タバコのがさがさに詰められた体積は、約３０．５×３０．５×３０．５ｃｍ（１×１×１フィート）の立方体容器中のタバコの密度を測定することによって決定される。タバコを立方体容器中に入れ、重量を計ってタバコのがさがさに詰められた時の密度を決定する。そうすると、スプール上で圧縮される前のタバコ装入原料のがさがさに詰められた体積を、装入原料の重量と、タバコのがさがさに詰められた時の密度の値とから決定できる。装入原料のがさがさに詰められた体積をタバコ装入原料の圧縮された体積、すなわちスプール上の体積で割って圧縮比を決定する。全ての値は、含浸領域へ供給されるタバコ装入原料の実際の湿度において決定され、あるいはそのような実際の湿度に対して補正される。したがって、含浸容積が約６３．５ｃｍ^３ （２５立方インチ）のスプールで、がさがさに詰められた体積が約１２７ｃｍ^３ （５０立方インチ）であるタバコを圧縮すると、圧縮比は２：１になる。
【００３２】
タバコが占めることのできるスプール１４の容積は、高圧縮流体が占めることのできる全スペースより小さいことが明らかであろう。これに関して、スプールは、流体には利用できるが、スクリーン５９が存在するためにタバコが占めることができない、スペースを構成する流体ポート５４、５６と通路５８を含む。すなわち、タバコが占めることのできる「利用可能容積」、すなわち含浸室２２にきつく詰め込まれたタバコが占めることのできる利用可能容積は、一般に、含浸流体が占めることのできる利用可能容積より小さい。通常は、タバコが占めることのできる利用可能容積は、含浸流体が利用できる容積のおよそ７５〜８０％である。後者は、種々の通路およびポートから構成されるスペースを含むが、それらのスペースはタバコが利用できないものである。
【００３３】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃは、図１に示した装置で使用するための、超臨界温度より高い温度および超臨界圧より高い圧力の流体を、図１の装置へほぼ瞬時に入れることができる好適な蓄圧装置の横断面図である。図３ａは、本発明に従って有用である好適な気体／気体蓄積装置を示す。蓄圧装置６４は約１７５ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の圧力、約１２９℃（約２００°Ｆ）の温度のプロパンなど、高温高圧の含浸流体を、図１に示したスプール含浸室中の含浸領域へ供給するために用いられる。蓄圧装置６４は、高炭素鋼など高温高圧に耐えることができる材料で製作され、内面１０２が硬化されている筒状殻１００を含む。蓄圧装置の各端部に、高圧ガスを入れるためのポート１０８と１１０をそれぞれ含む端部部材１０４、１０６が設けられる。それらの端部部材は殻１００の端部にねじ１１２によって固定される。各端部部材に、ベルビル（Ｂｅｌｌｖｉｌｌｅ）ワッシャの形の一対のフランジばね１１５によって支持された環状部材１１４を含む衝撃吸収装置が装着される。
【００３４】
中心に配置されたピストン部材１１６が殻１００の内部で動くように装着される。このピストン部材はその両側に２つの別々の流体領域１１８、１２０を規定する。ピストン部材１１６はりん青銅などの適当な材料で製作される。ピストン部材１１６の外周部の周囲に摺動可能な密封部材１１９が設けられる。この密封部材１１９は、ピストン部材１１６の動作中に、上記圧力条件および温度条件の下に、流体領域１１８と１２０の間で密封を行い、かつその密封を維持できる。この密封部材は不活性であって、可撓性を有し、半径方向外側へ膨張して、ピストン部材１１６の外側と殻１００の内面との間に密封力を生ずることができる。
【００３５】
密封部材１１９の例が、図３ａに、ピストン部材１１６の周囲を囲み、ピストン部材１１６の外周部と殻１００の内部との間で密封接触を行う、５つの別々のカーボン・パッキング・リング１２０〜１２４として示されている。内側の３つのパッキング・リング１２１〜１２３は外側のパッキング・リング１２０、１２４よりも可撓性が高い。これらのパッキング・リングはＧＲＡＦＯＩＬカーボンから成型され、Ａ．Ｗ．Ｃｈｅｓｔｅｒｓｏｎ ＣｏｍｐａｎｙからＮＳ Ｓｔｙｌｅ ５３００Ｓｏｌｉｄ Ｄｉｅ Ｆｏｒｍｅｄ Ｒｉｎｇ（１２１〜１２３）およびＮＳ Ｓｔｙｌｅ ５６００ ＧＴＰ ＨＤ Ｓｏｌｉｄ Ｄｉｅ Ｆｏｒｍｅｄ Ｒｉｎｇ（１２０、１２４）として市販されている。しかし、不活性であって、ピストン１１６が動いている間に領域１１８と１２０の間で密封を行うことができる別の材料も使用できる。
【００３６】
パッキング・リング１２０〜１２４は環状リング部材１２６によって圧縮された状態に維持される。この環状リング部材は、環状押付け部材１３０の耳部１２８によってパッキング・リングに向かって軸線方向に押し付けられる。押付け部材１３０はボルト１３２によってピストン部材１１６に固定され、偏倚部材１３４のために、所定の偏倚力を加える。この偏倚部材は、Ａ．Ｗ．Ｃｈｅｓｔｅｒｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙからスタイル５５００ ３／４インチフランジ・スプリングとして市販されている約１．９１ｃｍ（３／４インチ）フランジ・スプリングである。ボルト１３２と圧縮部材１３０と環状リング１２６とを介してパッキング・リング１２０〜１２４に加えられる圧縮力の大きさは、ボルト１３２を締めつけることによって２つのフランジ・スプリング１３４を平らにするのに丁度十分な大きさである。この結果、パッキング・リング１２０と１２４は半径方向外向きに膨張し、それによって、摺動ピストン１１６の外周部と殻１００の内周部の間に密封力を生じる。
【００３７】
図３ａの装置においては、約４２２ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（６０００ｐｓｉｇ）の圧力の窒素のなどの不活性高圧ガスが１つの流体領域１１８内に保持され、約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の圧力のプロパンなどの含浸流体が第２の流体領域１２０内に保持される。高圧含浸流体が流体領域１２０から図１に示した含浸室へ放出されると、ピストン１１６を急速に動かして端部部材１０４に接触させることができる。そうすると力は力吸収部材１１５によって吸収される。その後、所定の圧力、好ましくは約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）に達するまで、含浸流体がポンプによって蓄圧装置へ戻される。
【００３８】
図３ｂは蓄圧装置の別の実施例を示す。この実施例も本発明にとって有用であって、油圧流体によって作動する。図３ａに示した蓄圧装置と同様に、図３ｂの蓄圧装置６４は、約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の圧力のプロパンなどの、高圧含浸流体を図１に示したスプール含浸室中の含浸領域へ供給するために用いられる。蓄圧装置６４の構造は、図３ａに示した気体／気体蓄積装置と多くの点で類似する。たとえば、図３ｂに示した蓄圧装置６４は筒状殻１００と、高圧ガスを入れるためのポート１１０を含む端部部材１０４、１０６と、ベルビル・ワッシャの形の一対のフランジ・スプリング１１５によって支持される環状部材１１４を含む衝撃吸収装置とを含む。端部部材１０４、１０６は、端部部材１０４が高圧ガスを入れるためのポート１０８を含まないことを除き、図３ａの蓄圧装置について先に説明したように構成される。やはり図示するように、衝撃吸収装置は衝撃吸収耳部３００を含むことができる。
【００３９】
図３ｂの蓄圧装置は油圧流体を用いて作動する。蓄圧装置６４は、共通棒３０４によってピストン部材１１６に連結された通常の油圧ピストン部材３０２を含む。図３ｂのピストン部材１１６の構造は、その一端が共通棒３０４の一端に取り付けられる点を除き、中心に配置されているピストン部材１１６について先に説明した構造とほぼ同じである。中心に配置されている静止ピストン部材３０６は殻１００の内部に固定して装着され、その両側に流体領域１１８、１２０を規定する。静止ピストン部材３０６は、殻の内部を軸線方向に往復運動する棒３０４を受けるように適合された孔３０７を含む。
【００４０】
流体領域１１８は、食用油などの油圧流体を流体領域１１８に入れ、そこから出すためのポート３０８を含む。プロパンなどの含浸流体を第２の流体領域内部１２０で約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の圧力に維持するために、油圧流体はポート３０８を通って流体領域１１８へ送り込まれる。高圧含浸流体が領域１２０から図１に示した含浸室へ放出されると、ピストン部材１１６を迅速に動かして端部部材１０４とに接触させることができる。このとき、上記のように、力は力吸収部材１１５によって吸収される。その後で、所定の圧力、好ましくは約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）に達するまで、含浸流体がポンプによって蓄圧装置に戻される。
【００４１】
静止ピストン部材３０６はまた、プロパンの漏れを油圧流体の漏れから分離する。漏れたプロパンはポート３１０を通ってプロパン回収領域へ送られる。そのプロパン回収領域においてプロパンを燃焼させ、あるいは、たとえば、上記のように含浸領域から取り出された流体を回収するためのガス回収領域へ送り、または回収シュート７４へ送ることができる。漏れた油圧流体はポート３１２を通って油圧流体回収領域、たとえば油圧流体保持タンク（図示せず）へ送られる。
【００４２】
やはり図３ｂに示すように、蓄圧装置は殻１００の外周部の周囲に加熱外套３１４を含むことができる。この加熱ジャケット３１４は、流体を加熱し、または容器内部の流体の温度を維持し、あるいはその両方を行うための当技術分野で知られている種類のどんな装置でもよい。本発明においては、加熱ジャケット３１４は流体領域１２０内部の含浸流体を加熱するために用いられる。したがって、図３ｂに示すように、加熱ジャケットは含浸流体領域１２０の長さに沿って延びるのが有利である。当業者ならわかるであろうが、加熱ジャケット３１４は、図３ｃに示すように、蓄圧装置円筒の全長にわたって延びることもできる。加熱ジャケット３１４は、たとえば、加熱した油を管３１６を介して送り、かつその油を管３１８を介して排出させることによって、通常のように熱を供給する。
【００４３】
図３ｃは、本発明に従って有用である蓄圧装置の更に別の実施例を示す。図３ａおよび図３ｂに示した蓄圧装置と同様に、図３ｃの蓄圧装置６４は約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）のプロパンなどの高圧含浸流体を図１に示したスチール含浸装置の含浸領域に供給するために用いられる。また図３ｂに示した蓄圧装置と同様に、図３ｃの蓄圧装置６４の構造も、図３ａに示したものと多くの点で類似している。図３ｃに示した蓄圧装置は筒状殻１００と、高圧ガスを入れるためのポート１１０を含む端部部材１０４、１０６と、中心に配置されるピストン部材１１６とを含む。ピストン部材１１６はその両側に２つの別々の領域、すなわち領域１１８と、少なくとも１つの流体領域１２０とを含む。端部部材１０４、１０６とピストン部材１１６は、端部部材１０４が高圧ガスを入れるためのポート１０８を含んでいない点を除き、図３ａの蓄圧装置について先に説明したように構成される。本発明のこの実施例においては、端部部材１０４は、以下に詳しく説明するように、連結棒３２２を内部で往復運動させるように適合された開口部３２０を含むように変更される。また、やはり以下に詳しく説明するように、ピストン部材１１６はその一端部が連結棒３２２へ取りつけられるように適合されている。
【００４４】
図３ｃにおいて、蓄圧装置６４の内部でピストン部材１１６を動かすために、油圧アクチュエータまたは類似のモータ手段３２４が連結棒３２２を介してピストン部材１１６に連結される。油圧アクチュエータ３２４は、油圧動力を機械的な仕事に変換するための当技術分野で知られているどんな種類の油圧アクチュエータでもよい。たとえば、図示のように、油圧アクチュエータ３２４は筒状殻３２６を含むことができる。油圧アクチュエータ３２４の各端部には端部部材３２８、３３０が設けられる。シリンダ３２６の内部を動くようにその中心にピストン部材３３２が配置される。このピストン部材はその両側に２つの別々の油圧流体領域３３４、３３６を規定する。各油圧流体領域３３４、３３６はそれぞれポート３３８、３４０を含む。矢印で示すように、ポート３３８は油圧流体を油圧流体供給源３４２から管３４４を介して入れ、ポート３４０は管３４６を介して油圧流体源３４２へ油圧流体を戻す。油圧アクチュエータ３２４はまた、ピストン部材３３２から流体領域３３４と、端部部材３２８中の開口部３５０を通って軸線方向に延びる連結棒３４８を含む。連結棒３４８による往復運動が連結棒３２２の往復運動に変換され、従ってシリンダすなわち殻１００内部のピストン部材１１６の運動に変換されるように、連結棒３４８が連結棒３２２と連結される。
【００４５】
上記のように、約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の圧力の、プロパンなどの含浸流体が第２の流体領域１２０の内部に保持される。高圧含浸流体が油圧アクチュエータ３２４によって流体領域１２０から図１に示した含浸室へ放出されると、ピストン１１６を急速に動かして端部部材１０４と接触させることができる。そうすると、力は力吸収部材１１５によって吸収される。その後、所定の圧力、好ましくは約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）に達するまで、含浸流体はポンプによって蓄圧装置に戻される。
【００４６】
図１を再び参照すると、動作時には、プロパンを蓄圧装置６４の高圧流体領域に供給するために高圧ポンプ（図示せず）が用いられる。蓄圧装置からガスが放出されると、図示していない手段によって圧力損失が検出され、制御装置がポンプを作動させる。そうするとポンプは直ちに始動して蓄圧装置にプロパンなどの高圧流体を再び充たす。図１の含浸領域２２においてタバコを含浸するために本発明で使用される期間中に、５〜３０秒という短い時間でガス蓄圧装置６４を再び充たすことができる。
【００４７】
図４は本発明の１つの好適な方法を示す。図４に示す方法は米国特許第４５３１５２９号に開示されている技術に従って実施することが好ましい。図３のブロック１５０に示す蓄圧装置６４のような高温、高圧のプロパン貯蔵装置が設けられる。この貯蔵装置１５０は蓄圧装置６４とは異なる形をとることができる。たとえば、高温、高圧のプロパンを貯蔵するために大容量のサージタンクの使用も考えられる。あるいは、カリフォルニア州ムーアパーク（Ｍｏｏｒｐａｒｋ）所在のＰａｒｋｅｒ Ｂｅｒｔｅａ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ，Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｆｉｎ Ｃｏｒｐ．，Ｍｅｔａｌ Ｂｅｌｌｏｗｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎから市販のＭｅｔａｌ Ｂｅｌｌｏｗｓ蓄圧装置をここで使用することも考えられる。
【００４８】
プロパンの圧力は約１４１ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２０００ｐｓｉｇ）より高く維持することが好ましく、約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）ないし約２１１ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（３０００ｐｓｉｇ）が有利である。本発明によれば、それらの高い圧力を用いる際に、約５秒と約１５秒の間の極めて短い含浸時間を使用してタバコに含浸させることができ、しかもタバコ装入容量の極めて望ましい増大、たとえば、５０〜１００％を超える増大が得られることが判明した。プロパンの温度は約１３８℃（２８０°Ｆ）より高く、好ましくは約１４９℃（約３００°Ｆ）ないし約２０４℃（４００°Ｆ）、たとえば、約１４９〜１５７℃（約３００〜３１５°Ｆ）に維持すると有利である。これによって含浸領域中でタバコを加熱するために極めて適度な熱が供給される。
【００４９】
ブロック１５５に示すように、好ましくは刻みてん充葉の形のタバコを含浸領域へ入れる前に予熱すると有利である。タバコを予熱することによって、含浸領域内部に適切な短いサイクル時間条件を確立するための熱も供給される。タバコは約５２℃（約１２５°Ｆ）より高い温度に加熱することが好ましく、約６０℃（約１４０°Ｆ）またはそれより高い温度、たとえば、約６６〜７１℃（１５０〜１６０°Ｆ）の温度まで加熱することが一層好ましい。タバコの柔軟性を高めるために余分の湿気をタバコに加えることができる。本発明においては、約１６％から約３０％またはそれ以上の湿度を使用すると有利である。
【００５０】
タバコの予熱は加熱したドラムやマイクロ波エネルギの使用、およびスチーム注入を含めた種々の手段のどれによって行ってもよい。スチーム加熱は、熱がより効果的にタバコへ移転され、それと同時に湿度が高くなるから、好ましいものと考えられる。
【００５１】
予熱したタバコをその後でブロック１６０に示すように圧縮する。先に述べたように、好ましくは少なくとも約１．２５：１、更に好ましくは１．５：１の圧縮比でタバコを圧縮する。２：１より高く、３：１またはそれ以上の圧縮比までタバコを圧縮すると有利である。タバコの圧縮によってタバコの密度が高くなるので、含浸領域に供給されるタバコの密度は圧縮前のタバコの密度より大幅に高い。がさがさに詰められたタバコの密度は、タバコが葉の形かそれとも刻みてん充葉の形か、タバコの種類、タバコの湿度、およびその他の要因に応じて大幅に変わることが当業者にはわかるであろう。湿度１２％を基にして計算した、１平方メートル当たり約３２０ｋｇ（１平方フート当たり２０ポンド）のパッキング密度が本発明では容易に使用される。パッキング密度を高くすると、同じ程度に膨張させるためのサイクル時間がある程度長くなるが、湿度１２％を基にして計算した、１平方メートル当たり約４００〜４８０ｋｇ（１平方フート当たり２５〜３０ポンド）およびそれより高いパッキング密度を本発明に用いて成功しており、しかも２０秒以下の含浸時間と５０〜１００％を超える装入容量の増大を達成している。
【００５２】
その後、ブロック１６５に示すように、圧縮したタバコを含浸領域において含浸させる。含浸流体としてプロパンを使用すると、加熱されたプロパンおよび予熱されたタバコから含浸領域に供給される熱の累積量は、約１１６℃（約２４０°Ｆ）と約１３２℃（約２７０°Ｆ）の間、好ましくは約１２７℃（約２６０°Ｆ）の含浸条件を含浸領域に提供するのに十分となるので有利である。予熱されたタバコおよび予熱されたプロパンによって熱が供給されると、約１２７℃（約２６０°Ｆ）の温度条件および約１７６ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２５００ｐｓｉｇ）の圧力条件を約５秒およびそれより短い時間で達成できることが判明している。
【００５３】
プロパン流体を一層高い温度まで加熱すると、含浸領域内部で望ましい温度条件を達成するためにタバコをより低い温度に加熱できることが明らかであろう。しかし、それを越えると含浸領域内部のタバコに有害となる恐れのあるプロパン温度の上限が存在するものと考えられる。また、本発明の好適な実施例においては少量の含浸流体が用いられるので、タバコの加熱に使用される含浸流体の質量は比較的低い。膨張剤の質量は通常はタバコの質量とほぼ同じであるか、それより低い。したがって、タバコのような熱源から熱を加えることが望ましい。
【００５４】
タバコ含浸領域内部の温度条件は、含浸領域内部で加熱器を使用するというような別の手段によって達成できることも明らかであろう。しかし、サイクル時間が極めて短い場合には、予熱したタバコと予熱した高圧プロパンの組合わせが、極めて望ましい結果を生ずることが判明している。タバコを予熱することの有利な効果は完全には理解されていない。しかし、タバコの柔軟性を含めた諸要因のために、予熱したタバコが室温のタバコよりも速く含浸流体を吸収することは有り得る。
【００５５】
圧縮されて含浸されたタバコは、１〜２秒ないし約２０秒の範囲の短い時間だけ含浸条件の下に維持される。図４のブロック１７０に示すように、その後で圧力を解放する。この圧力解放はほぼ瞬時であること、すなわち約１秒またはそれより短い時間で行うことが好ましい。これは、圧力を急速に解放する大きいポートを持つ急速作動弁を使用することによって行うことができる。その後、圧縮されたタバコを含浸領域からほぼ直ちに取り出してタバコを膨張できるようにする。膨張した形のタバコの安定化を助ける、たとえば約１０〜１２％の湿度を持たせるために、強制乾燥空気または加熱空気に接触させることにより、タバコを処理することが好ましい。
【００５６】
膨張剤がプロパンまたはそれに類似の、ホワイト及びコンラドの米国特許第４５３１５２９号に開示されている種類の膨張剤である場合には、タバコを膨張状態に固定するためにタバコを加熱する必要はない。更に、高温加熱条件はないので、揮発性の着香料、砂糖等が大幅に失われることはない。しかし、タバコを膨張させ、またはタバコを膨張状態に固定するために熱を含む膨張条件を必要とする膨張剤を含めて、その他の膨張剤に関連して本発明を使用することもできる。
【００５７】
図５は、２０秒より短いサイクル時間でタバコを十分に膨張させるために、図１の装置と共に用いられる制御システムを示す。この制御方法、または膨張中の諸条件を検出するためのセンサを含む類似の制御システムは、２０秒またはそれより短いサイクル時間を達成するためには極めて望ましい。制御ハードウェアとしては空気圧式、電気式、または空気圧・電気式のものとすることができ、かつ当業者には明らかなようにマイクロプロセッサを含むことができる。
【００５８】
図５を参照すると、ブロック２００で、スプールが装入位置２４にあり、かつ適切な大きさにされたタバコ装入原料が装入位置にあることを確認するために、適切なセンサが用いられる。それらの条件が満たされる場合、ブロック２０５に進み、装入部材３２が移動してタバコをスプール１４上に載せる。位置証明弁などの適切な検出機構が、両方の装入部材３２が適切な装入位置にあることを検出し、その後ブロック２１０に進む。ブロック２１０で、油圧ピストン２８が作動してスプールを圧力殻１２の内部へ動かす。位置証明弁などの適切なセンサが殻１２内部の正しい位置にあるスプールの位置を検出し、次いでブロック２１５に進む。
【００５９】
ブロック２１５で、弁が開いて油圧蓄圧装置４５からの油圧流体がシール４０と４２を充たす。油圧蓄圧装置４５は、各シール４０と４２を約１秒またはそれより短い時間で、好ましくは１秒より十分に短い時間で、約２１２ｋｇ／ｃｍ ^２ Ｇ（３０００ｐｓｉｇ）の圧力まで圧縮するために十分な量の油圧流体を保持することが好ましい。適切なセンサがシール４０と４２の内部の流体の流体圧を検出し、圧力が、たとえば、約２１２ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（３０００ｐｓｉｇ）など希望の値になった時、ブロック２２０に進む。
【００６０】
ブロック２２０で、高速作動装入弁６０が開き、タイマが作動する。これによって、加熱され圧縮された、圧力約１４１ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２０００ｐｓｉｇ）、温度約１４９℃（約３００°Ｆ）またはそれ以上のプロパンのような、加熱および圧縮された含浸流体が含浸領域２２の内部に入れるようになる。それらの条件の下において、とくに含浸領域内部のタバコが予熱されている場合には、含浸は極めて急速に行われるので、数秒ないし約１５〜２０秒の短い時間にタイマを設定できる。含浸のタイミングは、含浸領域２２内部のタバコの湿度条件と、温度条件と、密度条件に基づいて調整できる。タイマの設定時間が切れると、ブロック２２５に進む。ブロック２２５で、装入弁が閉じる。装入弁が閉じたことをセンサが検出し、直ちにブロック２３０に進んで、排出弁６２を急速に開く。
【００６１】
次いでブロック２３５に進み、そこで、含浸領域内部の圧力が所定の低い圧力、たとえば約７〜１４ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（１０〜２０ｐｓｉｇ）に低下するまで、含浸領域内部の圧力センサの指示を繰り返し読み取る。そのように圧力が低下した時点で、ブロック２４０に進む。このブロックで、弁が開き、油圧流体がシール４０と４２から排出される。適切なセンサがシール内部の油圧流体の圧力を検出し、流体圧が希望の低い圧力に達したとき、ブロック２４５に進む。
【００６２】
ブロック２４５で、油圧ピストン２８が作動して、スプール１４を取出し位置２６へ移動させる。それと同時に、圧縮器７２が始動して、位置２６に移動したスプールに高圧空気または高圧窒素を吹きつける。ブロック２５０で、スプールが十分に延びた取出し位置に達した時のスプールの位置を適切なセンサが検出し、次いで油圧ピストン２８がスプールの動く向きを直ちに変更してスプールを装入位置２４へ戻させる。次にブロック２５５に進み、そこで、センサが殻１２内部のスプールの位置を検出し、次いで圧縮機７２が停止する。その後ブロック２００から再開する。
【００６３】
ここで説明したタバコ膨張方法の種々の態様を、とくにプロパンを膨張促進含浸剤として使用すること、および超臨界温度の近くまたはそれより高い含浸温度条件を超臨界圧に近いまたはそれより高い圧力条件と共に使用すること、および好適な装置に関連して説明した。しかし、ここで開示した種々の重要なタバコ膨張方法およびタバコ膨張装置は、別のタバコ膨張方法、タバコ膨張流体、およびタバコ膨張装置へも応用できるものと考えられる。たとえば、タバコ圧縮は、以後に行うタバコ膨張のための、たとえば、約７．１ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（１００ｐｓｉｇ）というような高圧の種々の容器内部で行われる多くのタバコ含浸作業の処理量を大幅に向上させることができる。同様に、含浸領域内へ入れるタバコのがさがさにつめた体積より大幅に小さい体積のタバコ膨張剤を使用することによって、含浸中に膨張剤が気体または液体あるいはその両方として存在する方法を含めて、多くのタバコ含浸方法およびタバコ膨張方法の経済性を改善することができる。
【００６４】
同様に、超臨界温度および超臨界圧力条件の近くまたはそれより上の条件の二酸化炭素などの高温、高圧の含浸流体を含浸領域内部へほぼ瞬時に入れることによって、以後の加熱工程の前に必要な含浸時間を大幅に短縮することもできる。同様に、含浸流体を使用して高い温度条件の下でタバコを含浸させる場合、本発明のタバコ予熱工程は含浸サイクル時間を大幅に短縮することもできる。
【００６５】
ここで言及したタバコ装入容量は、シリンダ内部のタバコサンプルに約０．１８ｋｇ／ｃｍ^２ Ｇ（２．６ポンド／平方インチ）の圧力を及ぼす、直径約９．２１ｃｍ（３．６２５インチ）の中実ピストンを同様な寸法のシリンダーの内部に摺動可能に位置決めする、電子的に自動化した装入容量計を用いて、正常の方法で測定する。それらのパラメ−タは、紙巻きタバコ製造装置において紙巻きタバコロッドの製作中にタバコがさらされるパッキング条件を模したものである。膨張させたタバコとして５０グラムの重量の測定したタバコ見本を使用する。膨張させないタバコとして１００グラムの重量のタバコの見本を使用する。
【００６６】
以上、本発明を好適な実施例に関してかなり詳細に説明した。しかし、本明細書に記述し、添付の特許請求の範囲に定義した本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、多くの変更、変形および修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々の動作位置を仮想線で部分的に示した、本発明において使用される１つの好適な装置の概略横断面図である。
【図２】圧縮したタバコを図１に示した装置の含浸領域内部へ入れるためのタバコ圧縮装置を示す、図１の２−２線に沿った概略横断面図である。
【図３ａ】超臨界温度および超臨界圧より上の温度および圧力を持つ流体を図１の装置へほぼ瞬時に入れることができる、図１に示した装置において使用される好適な蓄圧装置の横断面図である。
【図３ｂ】超臨界温度および超臨界圧より上の温度および圧力を持つ流体を図１の装置へほぼ瞬時に入れることができる、図１に示した装置において使用される好適な蓄圧装置の横断面図である。
【図３ｃ】超臨界温度および超臨界圧より上の温度および圧力を持つ流体を図１の装置へほぼ瞬時に入れることができる、図１に示した装置において使用される好適な蓄圧装置の横断面図である。
【図４】本発明の種々の態様を使用した好適な方法を示す。
【図５】図１に示した装置を動作させるための好適な制御方法を示す。

Claims (9)

1. タバコの体積膨張によって、タバコの充填容量を増大する方法であって、
   膨張されるべきタバコ装入原料を、高圧力条件に耐えることができる含浸室中に置く工程と、
   膨張条件にされされた時に少なくとも５０％膨張することのできる、含浸されたタバコを供給するのに十分な条件の下で、前記含浸室中の前記タバコ装入原料に、膨張剤としてプロパンを含浸させる含浸工程と、
   含浸されたタバコ装入原料を前記含浸室から取り出し、かつ含浸されたタバコを膨張させるのに十分な条件に、含浸されたタバコをさらす工程とを備え、
   膨張されるべきタバコの含浸のために、前記タバコが、膨張されるべきタバコのゆるく詰めた体積に対して、少なくとも１．５：１の圧縮比で圧縮され、前記含浸室の利用可能な含浸容積が、前記圧縮された含浸されるべきタバコで実質的に満たされることを特徴とするタバコの充填容量を増大する方法。
2. 前記圧縮比が、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも３：１であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 膨張剤の超臨界温度またはそれより高い温度条件の下で前記含浸工程を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 膨張剤の超臨界圧力またはそれより高い圧力で前記含浸工程を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 含浸されるべき前記タバコを、前記含浸室内部に置く前に、常温より高い温度まで予熱することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記タバコを少なくとも５２℃の温度まで予熱することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記含浸工程を１分より短い期間行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記膨張剤を、超臨界温度より高い温度および超臨界圧力より高い圧力を有する流体として前記含浸室中に入れることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 周囲圧力より高い約１４１ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ（約２０００ｐｓｉｇ）より高い圧力および約１１６℃（約２４０°Ｆ）より高い温度のプロパンを、含浸室に入れることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

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