ES3031572A1 - PNEUMATIC VALVE FOR CONTROLLING AIR FLOW - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
VÁLVULA NEUMÁTICA PARA EL CONTROL DE UN CAUDAL DE AIREPNEUMATIC VALVE FOR CONTROLLING AIR FLOW
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
El objeto de la presente invención es una válvula neumática destinada a controlar un caudal de aire que circula por un circuito de un sistema neumático. Tiene la característica de estar fabricada en un material elástico y en una única pieza, monobloque. The object of the present invention is a pneumatic valve intended to control the flow of air circulating through a pneumatic system circuit. It is characterized by being made of an elastic material and in a single, monobloc piece.
El objeto de la presente invención también es un sistema neumático que incorpora la válvula neumática y el procedimiento de fabricación de la válvula neumática. The object of the present invention is also a pneumatic system incorporating the pneumatic valve and the manufacturing method of the pneumatic valve.
La invención pertenece al sector de la ingeniería mecánica, y se puede utilizar particularmente en un circuito de cualquier sistema neumático que requiera un control de caudal, una válvula neumática de seguridad o una válvula de escape rápido. The invention belongs to the field of mechanical engineering, and can be used particularly in a circuit of any pneumatic system that requires flow control, a pneumatic safety valve or a quick exhaust valve.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Las válvulas de control de caudal de aire son conocidas en el estado de la técnica. Sin embargo, estas válvulas están fabricadas con materiales que, si bien son móviles, también son rígidos. Típicamente se utiliza el aluminio y el acero para su fabricación, lo que las hace dependientes del correcto funcionamiento de los elementos móviles. Por otro lado, al incorporar piezas móviles, el coste de fabricación es elevado a la vez que su vida útil no es demasiado larga, al depender del ciclo de vida de los elementos móviles que la componen. Air flow control valves are well known in the state of the art. However, these valves are made of materials that, while mobile, are also rigid. Typically, aluminum and steel are used for their manufacture, which makes them dependent on the proper functioning of the moving elements. Furthermore, since they incorporate moving parts, the manufacturing cost is high, while their useful life is short, as it depends on the life cycle of the moving elements that comprise them.
El documento US5133380A divulga una válvula de control neumático que incluye un cuerpo de válvula con placa de apertura fija, un redirector móvil y un motor de fuerza. El motor de fuerza soporta el redirector adyacente a la superficie de apertura de la placa de apertura fija y se puede operar para mover el redirector hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una línea sin hacer contacto con la superficie de apertura. La superficie de abertura tiene una pluralidad de aberturas con bordes dosificadores. El redirector tiene cavidades redirectoras con bordes dosificadores. El motor de fuerza desvía el redirector a posiciones en las que una o más de las cavidades en el redirector conectan dos o más de las aberturas y dirigen el fluido desde algunas aberturas y en otras aperturas. La ubicación, longitud y forma de los bordes dosificadores se pueden variar según sea necesario para obtener las características de flujo de fluido deseadas. US5133380A discloses a pneumatic control valve including a valve body with a fixed aperture plate, a movable redirector, and a force motor. The force motor supports the redirector adjacent to the aperture surface of the fixed aperture plate and is operable to move the redirector back and forth along a line without contacting the aperture surface. The aperture surface has a plurality of apertures with metering edges. The redirector has redirector cavities with metering edges. The force motor biases the redirector to positions where one or more of the cavities in the redirector connect two or more of the apertures and direct fluid out of some apertures and into other apertures. The location, length, and shape of the metering edges can be varied as needed to obtain desired fluid flow characteristics.
El documento US4744391A divulga una válvula de control de flujo para controlar de forma variable el flujo de un fluido a su través. La invención comprende además una válvula de retención incorporada dentro de la válvula de control de flujo. La válvula de control de flujo, con una válvula de retención incorporada en la misma, permite que la válvula se use para inflar un tanque u otro recipiente, tal como un medidor de presión sanguínea, a un estado presurizado, con la válvula de retención de la misma funcionando para mantener la presión dentro del tanque durante presurización y posteriormente. El recipiente presurizado puede entonces despresurizarse purgando el fluido del mismo al abrir de forma variable la válvula de control de flujo desde una posición cerrada. US4744391A discloses a flow control valve for variably controlling the flow of a fluid therethrough. The invention further comprises a check valve incorporated within the flow control valve. The flow control valve, with a check valve incorporated therein, allows the valve to be used to inflate a tank or other container, such as a blood pressure monitor, to a pressurized state, with the check valve thereof functioning to maintain pressure within the tank during and after pressurization. The pressurized container may then be depressurized by purging fluid therefrom by variably opening the flow control valve from a closed position.
En el artículo "Desktop fabrication of monolithic soft robotic devices with embedded fluidic control circuits”, de los autores Zhai, Y., De Boer, A., Yan, J., Shih, B., Faber, M., Speros, J., Gupta, R. & Tolley, M. T., publicado por Science Robotics el 21 de junio de 2023, se utiliza una serie de válvulas de tipo todo o nada para el control del flujo. Estas válvulas utilizan materiales flexibles y no necesitan elementos de control. In the article "Desktop fabrication of monolithic soft robotic devices with embedded fluidic control circuits”, by authors Zhai, Y., De Boer, A., Yan, J., Shih, B., Faber, M., Speros, J., Gupta, R. & Tolley, M. T., published by Science Robotics on June 21, 2023, a series of all-or-nothing valves are used for flow control. These valves use flexible materials and do not require control elements.
No obstante, esta válvula presenta ciertas limitaciones, ya que su funcionamiento es de tipo todo o nada y no sería adecuada para el control del caudal de aire. However, this valve has certain limitations, as it operates on an all-or-nothing basis and would not be suitable for controlling air flow.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención se refiere a una válvula neumática destinada a controlar un caudal de aire que circula por un circuito neumático de un sistema determinado. The present invention relates to a pneumatic valve intended to control the flow of air circulating through a pneumatic circuit of a given system.
La válvula neumática está configurada mediante un cuerpo, de configuración longitudinal, que comprende en su interior una cámara de entrada con un orificio de entrada, una cámara de salida con un orificio de salida y un fuelle alojado en el interior de la cámara de salida. Los dos orificios comunican la respectiva cámara con el exterior. Además, las cámaras de entrada y de salida están comunicadas mediante un orificio interno. The pneumatic valve is configured by a longitudinally arranged body comprising an inlet chamber with an inlet opening, an outlet chamber with an outlet opening, and a bellows housed inside the outlet chamber. The two openings connect the respective chamber to the outside. Furthermore, the inlet and outlet chambers are connected by an internal opening.
El fuelle, por su parte, tiene capacidad de extensión y compresión y está configurado para que, en estos movimientos, cierre y abra, respectivamente, el orificio interno, bloqueándolo y desbloqueándolo con uno de los extremos. The bellows, for its part, has the capacity to extend and compress and is configured so that, in these movements, it closes and opens, respectively, the internal orifice, blocking and unlocking it with one of the ends.
Sin embargo, el objeto principal de la invención consiste en que la válvula está fabricada en un material elástico y está conformada por una única pieza monobloque, evitando tener que contar con elementos mecánicos internos, tal y como ocurre con las válvulas de caudal de aire clásicas. De esta forma, no hay necesidad de tener que disponer de diferentes piezas en contacto con movimiento relativo entre ellas. Esto provoca que se reduzcan los posibles fallos de funcionamiento, se alargue la vida útil de la válvula, se facilite enormemente el proceso de fabricación y se consiga una elevada reducción del coste. However, the main purpose of the invention is that the valve is made of an elastic material and is comprised of a single, monobloc part, eliminating the need for internal mechanical elements, as is the case with conventional air flow valves. This eliminates the need for different parts in contact with each other and causing relative movement. This reduces potential malfunctions, extends the valve's useful life, greatly simplifies the manufacturing process, and significantly reduces costs.
Este material elástico puede ser un elastómero termoplástico o una silicona, preferentemente de baja resistencia. This elastic material can be a thermoplastic elastomer or a silicone, preferably with low resistance.
El fuelle puede presentar dos configuraciones. The bellows can be presented in two configurations.
Por un lado, el fuelle puede ser hermético y estar relleno de un fluido incompresible. On the one hand, the bellows can be airtight and filled with an incompressible fluid.
Por otro lado, el fuelle puede comprender un orificio de control que lo conecta con el exterior de la válvula neumática. Este orificio de control está destinado a la conexión de un dispositivo externo destinado a proporcionar una presión constante en el fuelle. Además, la presión en el dispositivo externo puede seleccionarse según las necesidades. On the other hand, the bellows may include a control orifice that connects it to the exterior of the pneumatic valve. This control orifice is intended for connecting an external device intended to provide constant pressure in the bellows. Furthermore, the pressure in the external device can be selected as needed.
La invención también se refiere a un circuito de un sistema neumático que comprende la válvula descrita anteriormente. The invention also relates to a circuit of a pneumatic system comprising the valve described above.
Además, la invención también hace referencia al procedimiento de fabricación de la válvula neumática descrita. Furthermore, the invention also relates to the manufacturing process of the described pneumatic valve.
La fabricación de la válvula neumática en ambas formas de realización se lleva a cabo mediante el uso de tecnología aditiva con filamento flexible o mediante moldeo. Esto aporta a la válvula una forma de fabricación simple y rápida, disminuyendo los costos, puesto que la válvula neumática se fabrica de una sola vez, sin necesidad de agregar más elementos mecánicos a la misma y sin necesidad de operaciones de acabado. The pneumatic valve is manufactured in both versions using additive technology with flexible filament or by molding. This makes the valve simple and rapid to manufacture, reducing costs, since the pneumatic valve is manufactured in one piece, without the need to add additional mechanical elements or perform finishing operations.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description being made and in order to help better understand the characteristics of the invention, in accordance with a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description, in which the following has been represented for illustrative and non-limiting purposes:
Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de la válvula neumática de control de caudal compacta monobloque en una primera forma de realización. Figure 1.- Shows a perspective view of the compact monoblock pneumatic flow control valve in a first embodiment.
Figura 2.- Muestra una vista en sección de la válvula neumática de la figura 1. Figure 2.- Shows a sectional view of the pneumatic valve in Figure 1.
Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de la válvula de control de caudal compacta monobloque en una segunda forma de realización, con un orificio de control de caudal de aire. Figure 3.- Shows a perspective view of the compact monoblock flow control valve in a second embodiment, with an air flow control orifice.
Figura 4.- Muestra una vista en sección de la válvula neumática de la figura 3. Figure 4.- Shows a sectional view of the pneumatic valve in figure 3.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Las figuras 1 y 2 representan una primera forma de realización de la válvula neumática de la invención. Figures 1 and 2 represent a first embodiment of the pneumatic valve of the invention.
La válvula comprende un cuerpo (8), de configuración alargada, en el que se ubican: The valve comprises a body (8), of elongated configuration, in which the following are located:
- una cámara de entrada (7) que incorpora un orificio de entrada (2) destinado a acoplarse, mediante una conexión neumática, a un circuito neumático por el que fluye un caudal de aire que quiere controlarse, - an inlet chamber (7) incorporating an inlet orifice (2) intended to be coupled, by means of a pneumatic connection, to a pneumatic circuit through which a flow of air to be controlled flows,
- una cámara de salida (6) que incorpora un orificio de salida (3) destinado a acoplarse, mediante una conexión neumática, al circuito neumático por el que fluye el caudal de aire ya controlado, - an outlet chamber (6) incorporating an outlet orifice (3) intended to be coupled, by means of a pneumatic connection, to the pneumatic circuit through which the already controlled air flow flows,
- un orificio interno (4) de control de caudal, que conecta la cámara de entrada (7) con la cámara de salida (6), - an internal flow control orifice (4), which connects the inlet chamber (7) with the outlet chamber (6),
- un fuelle (5) de control de caudal alojado en la cámara de salida (6), fijado a ella por un extremo y estando el otro extremo configurado para bloquear o liberar el orificio interno (4) de control de caudal mediante el movimiento de expansión o contracción del fuelle (5) . El fuelle (5) está relleno con un fluido incompresible que le hace estar sometido a una presión constante. - a flow control bellows (5) housed in the outlet chamber (6), fixed to it at one end and the other end being configured to block or release the internal flow control orifice (4) by means of the expansion or contraction movement of the bellows (5). The bellows (5) is filled with an incompressible fluid which causes it to be subjected to a constant pressure.
Según se puede apreciar en estas figuras, la válvula de la invención tiene una posición de funcionamiento, de forma que sea el propio peso del fuelle (5) quien le haga caer para bloquear el orificio interno (4). As can be seen in these figures, the valve of the invention has an operating position, such that it is the weight of the bellows (5) itself that makes it fall to block the internal orifice (4).
De esta forma, la válvula neumática de control de caudal de aire comprende un único cuerpo (8), de configuración longitudinal, del cual se pueden diferenciar dos partes ubicadas en su interior. In this way, the pneumatic air flow control valve comprises a single body (8), with a longitudinal configuration, of which two parts located inside can be differentiated.
En primer lugar, se encuentra la parte de recepción de aire, situada en un extremo del cuerpo (8) y formada por una cámara de entrada (7) que comprende un orificio de entrada (2) que comunica con el exterior de la válvula para recibir el aire de un circuito neumático por el que circula un caudal de aire que se quiere regular. Firstly, there is the air receiving part, located at one end of the body (8) and formed by an inlet chamber (7) comprising an inlet orifice (2) that communicates with the outside of the valve to receive the air from a pneumatic circuit through which a flow of air that is to be regulated circulates.
En segundo lugar, se encuentra la parte de evacuación de aire, situada en el extremo opuesto del cuerpo (8) y formada por una cámara de salida (6) que comprende un fuelle (5) de control de caudal alojado en su interior y un orificio de salida (3) situado en una cara lateral del cuerpo (8) que comunica con el exterior de la válvula para devolver el aire al circuito neumático con el caudal ya regulado. Secondly, there is the air evacuation part, located at the opposite end of the body (8) and formed by an outlet chamber (6) comprising a flow control bellows (5) housed inside and an outlet hole (3) located on a side face of the body (8) that communicates with the outside of the valve to return the air to the pneumatic circuit with the flow already regulated.
La cámara de entrada (7) y la cámara de salida (6) están comunicadas por un orificio interno (4) de control de caudal de tal forma que el caudal de aire a controlar se ubica en la cámara de entrada (7) y el caudal de aire ya regulado se encuentra en la cámara de salida (6). The inlet chamber (7) and the outlet chamber (6) are connected by an internal flow control orifice (4) such that the air flow to be controlled is located in the inlet chamber (7) and the already regulated air flow is located in the outlet chamber (6).
En esta primera forma de realización, el caudal de aire a controlar circula por el circuito neumático, según se ha indicado más arriba y se conecta al orificio de entrada (2) mediante una conexión neumática. Este caudal de aire llenará la cámara de entrada (7) y ejercerá presión, a su paso por el orificio interno (4), sobre el fuelle (5). In this first embodiment, the air flow to be controlled circulates through the pneumatic circuit, as indicated above, and is connected to the inlet orifice (2) by means of a pneumatic connection. This air flow will fill the inlet chamber (7) and, as it passes through the internal orifice (4), will exert pressure on the bellows (5).
En esta primera forma de realización, el fuelle (5) configura una cámara hermética y contiene un fluido incompresible, por lo que la válvula neumática tiene un comportamiento pasivo. In this first embodiment, the bellows (5) forms a hermetic chamber and contains an incompressible fluid, so the pneumatic valve has a passive behavior.
De esta forma, en el caso de que la presión en la cámara de entrada (7) sea superior a la presión ejercida por el fuelle (5), el fuelle (5) se desplazará de forma ascendente liberando el paso del aire hacia la cámara de salida (6) a través del orificio interno (4) y saldrá por el orificio de salida (3). En el caso de que la presión en la cámara de entrada (7) sea inferior a la presión ejercida por el fuelle de control de caudal (5), éste último taponará herméticamente el orificio interno (4), y el aire se acumulará en la cámara de presión de entrada (7). In this way, if the pressure in the inlet chamber (7) is higher than the pressure exerted by the bellows (5), the bellows (5) will move upwards, releasing the passage of air towards the outlet chamber (6) through the internal orifice (4) and will exit through the outlet orifice (3). If the pressure in the inlet chamber (7) is lower than the pressure exerted by the flow control bellows (5), the latter will hermetically seal the internal orifice (4), and the air will accumulate in the inlet pressure chamber (7).
Así, el paso de aire por el orificio interno (4) lo regula el fuelle (5) de control de caudal. Este fuelle (5) se encuentra alojado en la cámara de salida (6) con capacidad para extenderse longitudinalmente. Para realizar esta función, el material elástico con el que está conformado el fuelle (5) es fundamental, de forma que, debido a las presiones a las que se vea sometido, pueda tanto expandirse para cerrar el orificio interno (4) como contraerse para abrir el paso de aire por el orificio interno (4). Thus, the passage of air through the internal orifice (4) is regulated by the flow control bellows (5). This bellows (5) is housed in the outlet chamber (6) with the capacity to extend longitudinally. To perform this function, the elastic material with which the bellows (5) is formed is essential, so that, due to the pressures to which it is subjected, it can both expand to close the internal orifice (4) and contract to open the passage of air through the internal orifice (4).
Las figuras 3 y 4 representan una segunda forma de realización de la válvula neumática de aire de la invención. Figures 3 and 4 represent a second embodiment of the pneumatic air valve of the invention.
En esta forma de realización, la válvula, además de los elementos anteriormente mencionados, también comprende: In this embodiment, the valve, in addition to the aforementioned elements, also comprises:
- un orificio de control (1) de caudal de aire, que comunica el fuelle (5) de control de caudal con el exterior, destinado a acoplarse, mediante una conexión neumática, con un dispositivo externo que permite variar el límite de presión del fuelle (5) de control de caudal. - an air flow control orifice (1), which connects the flow control bellows (5) to the outside, intended to be coupled, by means of a pneumatic connection, with an external device that allows varying the pressure limit of the flow control bellows (5).
En esta segunda forma de realización, el caudal de aire a controlar que circula por el sistema neumático se conecta al orificio de entrada (2) mediante una conexión neumática. Este caudal de aire llena la cámara de entrada (7) y, a su paso por el orificio interno (4), ejerce presión sobre el fuelle (5), el cual contiene aire a una presión que es suministrada a través del orificio de control (1) desde un dispositivo externo que incorpora aire a una presión determinada y que puede ajustarse según las necesidades. De esta forma, se asegura que la presión en el interior del fuelle (5) de control de caudal es siempre una predeterminada y el flujo de aire entre el orificio de entrada (2) y el orificio de salida (3) queda controlado en función de la presión en la cámara de salida (6). In this second embodiment, the air flow to be controlled, which circulates through the pneumatic system, is connected to the inlet orifice (2) by means of a pneumatic connection. This air flow fills the inlet chamber (7) and, as it passes through the internal orifice (4), exerts pressure on the bellows (5), which contains air at a pressure that is supplied through the control orifice (1) from an external device that incorporates air at a predetermined pressure and which can be adjusted according to needs. In this way, it is ensured that the pressure inside the flow control bellows (5) is always a predetermined one and the air flow between the inlet orifice (2) and the outlet orifice (3) is controlled according to the pressure in the outlet chamber (6).
En el caso de que la presión en la cámara de entrada (7) sea superior a la presión ejercida por el fuelle (5), el fuelle (5) se separará del orificio interno (4), liberando la salida del aire de la cámara de entrada (7) hacia la cámara de salida (6) a través del orificio interno (4) y saldrá por el orificio de salida (3). In the event that the pressure in the inlet chamber (7) is greater than the pressure exerted by the bellows (5), the bellows (5) will separate from the internal orifice (4), releasing the air from the inlet chamber (7) to the outlet chamber (6) through the internal orifice (4) and will exit through the outlet orifice (3).
En el caso de que la presión en la cámara de entrada (7) sea inferior a la presión ejercida por el fuelle (5), el fuelle (5) bloqueará de forma hermética el orificio interno (4), y el aire se acumulará en la cámara de presión de entrada (7). In the event that the pressure in the inlet chamber (7) is lower than the pressure exerted by the bellows (5), the bellows (5) will hermetically block the internal orifice (4), and air will accumulate in the inlet pressure chamber (7).
En esta forma de realización, a diferencia de la anterior, la válvula de la invención puede estar ubicada en cualquier posición, y no solo en vertical, ya que la presión del fuelle (5) para bloquear el orificio interno (4) no es causada por el peso, sino por el dispositivo externo. In this embodiment, unlike the previous one, the valve of the invention can be located in any position, and not only vertically, since the pressure of the bellows (5) to block the internal orifice (4) is not caused by the weight, but by the external device.
Ni el sistema neumático que contiene el caudal de aire a regular ni el dispositivo externo han sido representados en las figuras. Neither the pneumatic system containing the air flow to be regulated nor the external device have been represented in the figures.
Según se ha indicado, las características del material son de suma importancia en la invención, ya que debe aportar la elasticidad necesaria para cumplir su función de bloqueo del orificio interno (4). As indicated, the characteristics of the material are of utmost importance in the invention, since it must provide the elasticity necessary to fulfill its function of blocking the internal orifice (4).
Así, se han realizado prototipos de la válvula neumática de la invención en el que se ha utilizado un poliuretano termoplástico (TPU), y más en concreto con filamento Filaflex 82A, donde algunas de sus propiedades mecánicas son las siguientes: Thus, prototypes of the pneumatic valve of the invention have been made in which a thermoplastic polyurethane (TPU) has been used, and more specifically with Filaflex 82A filament, where some of its mechanical properties are the following:
- Módulo de Young: 22 MPa (según norma ISO 527) - Young's modulus: 22 MPa (according to ISO 527)
- Resistencia a la tracción: 45 MPa (según norma DIN 53504-S2) - Tensile strength: 45 MPa (according to DIN 53504-S2)
- Alargamiento a la rotura: 650 % (según norma DIN 53504-S2) - Elongation at break: 650% (according to DIN 53504-S2)
- Resistencia a la rotura: 70 N/mm (según norma ISO 34-1) - Breaking strength: 70 N/mm (according to ISO 34-1)
No obstante, existen multitud de materiales de la familia de los elastómeros termoplásticos (TPE) e incluso de las siliconas, preferiblemente de baja dureza, susceptibles de ser utilizados, como por ejemplo, los materiales comerciales Filaflex 60, Fiflaflex 70 y el AR-G1L. Todos ellos tienen la cualidad de ser materiales adaptados para poder ser utilizados en la fabricación aditiva, con un rango de elongación hasta la rotura de entre el 100% y el 1000%, según norma DIN 53504-S2, con una dureza igual o inferior a Shore 82A, según norma DIN ISO 7619-1 (3s). En cuanto a la resistencia a la rotura, estaría en un rango entre los 40 N/mm y los 70N/mm, según norma ISO 34-1. However, there are a multitude of materials from the thermoplastic elastomer (TPE) family and even silicones, preferably with low hardness, that can be used, such as the commercial materials Filaflex 60, Fiflaflex 70 and AR-G1L. All of them have the quality of being materials adapted to be used in additive manufacturing, with an elongation range at break of between 100% and 1000%, according to DIN 53504-S2, with a hardness equal to or less than Shore 82A, according to DIN ISO 7619-1 (3s). Regarding breaking strength, it would be in a range between 40 N/mm and 70 N/mm, according to ISO 34-1.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 3031572 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20250709 |
|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20251024 |