CN1005641B - 螺杆真空泵 - Google Patents
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Abstract
螺杆真空泵包括若干个壳体和一对转子,这样就构成了若干个工作室,这些工作室中的一部分,其容积在转子转动时将产生变化,而另一部分则基本上没有变化。螺杆真空泵可利用一单级泵而获得10-1至10-4托的压强,即达到低真空或中真空。
Description
本发明涉及一种对一封闭容器进行抽空以在其中获得真空的螺杆真空泵。
诸如油封旋转泵,罗茨机械增压泵、喷射泵和扩散泵等都是目前使用的获得压强高于10-4托的中真空或粗真空的各类真空泵。先有技术的真空泵和真空系统存在下列问题:
(1)真空泵的工作压强范围狭窄,单一真空泵不可能在760-10-4托的压强范围中工作。油封旋转泵实际上是唯一能在背压为大气压的条件下进行工作的真空泵,而几乎所有其他类的真空泵只能在背压低于10托的条件下工作。当人们想在诸如CVD(化学蒸气沉积法)室等半导体制造设备中获得极限压强为10-1-10-4托时,就需要使用双级的油封旋转泵或使用一个油封旋转泵和另外一个泵,诸如罗茨机械增压泵。图1所示为先有技术真空系统的一个实例。其中油封旋转泵〔2〕用做抽空真空室〔1〕的主泵,与油封旋转泵〔2〕一起还使用了一个机械增压泵〔3〕以获得预期的压强。在此实例中,当真空室〔1〕中的压强值高时,在油封旋转泵〔2〕起动进行抽空的同时需打阀门〔5〕开关闭阀门〔6〕和〔7〕,随后,当真空室〔1〕中的压强降至10托(在此压强下机械增压泵能进行工作)以下时,阀门〔5〕需关闭并打开阀门〔6〕和〔7〕。这样,即可借助于油封旋转泵〔2〕和机械增压泵挨次顺序地工作使抽空操作继续进行下去。这类先有技术的真空系统具有下列缺点:结构复杂,成本高,开闭阀门的操作麻烦。
(2)油封旋转泵的工作室中是充满油的,这样就存在一种危险,即油分子的回流可降低真空度或污染真空系统。为避免发生这样的问题,就需要在真空室〔1〕和油封旋转泵〔2〕之间安装一个捕油井〔4〕以防止油分子进入真空室〔1〕中。这就使真空系统的结构更为复杂。由于化学蒸着设备(CVD)使用了反应性气体,例如氢化物以及气体的活性法则等原因将引起真空泵油的分解和变质,这就需要定期地以新油换掉旧油,此维护工作很费力费钱。
本发明的目的是提供一种螺杆真空泵,这种真空泵单级就可获得10-1-10-4托的压强。
本发明的另一个目的是提供一种结构简单的螺杆真空泵,该泵可获得压强范围为10-1-10-4托的中真空。
能实现上述目的的本发明的突出特点是在壳体中有一个阳转子和一个阴转子,它们相互啮合的螺旋齿数与螺旋凹槽可彼此配合形成许多个工作室。其中有的工作室形成一气体压缩区,在压缩区中工作室容积将随阴阳转子的旋转而减小,从而可对气体进行压缩并将其排出。其中有的工作室形成一个传输区,在该区中当阳阴转子旋转时,其工作室的容积基本上是没有任何变化的。气体压缩区的多个工作室和传输区的多个工作室构成了多个成对的工作室,就阴阳转子多个螺旋凹槽中一个凹槽来说,每一对工作室构成了一对容积。
图1所示为一先有技术的真空泵系统视图;
图2为本发明的螺杆真空泵示意图,此图给出两个转子的放大图;
图3为螺杆真空泵两个转子的立体图,所示的为处于彼此啮合状态的两个转子;
图4所示为压强与分子的平均自由程的关系曲线;
图5所示为抽速与吸入压强的关系曲线;
图6所示为一真空泵从大气压达到10-4托压强所做的功;
图7所示为本发明螺杆真空泵的一种实施方案的横断面图;
图8所示为沿图7中线Ⅷ-Ⅷ所取的断面图;
图9所示为沿图7中线Ⅸ-Ⅸ所取的断面图;
图10所示为垂直于泵轴线的端面图,系本发明螺杆真空泵的另一实施方案;
图11所示为本发明螺杆真空泵的再一个实施方案的主要部分。
在叙述最佳实施方案之前先对本发明的原理加以说明。
图2所示为本发明螺杆真空泵的示意图。图中的阳转子〔11〕和阴转子〔12〕彼此啮合。图中所示的泵是沿阳阴转子〔11〕和〔12〕的外表面展现出来的。图2中,阳转子〔11〕和阴转子〔12〕彼此相差一个齿数,前者有5个齿,后者有6个齿。本发明对阴阳转子的齿数具体数目没有限定,可以按设想使各转子有任一不同齿数目个齿。图3所示为彼此啮合的阳转子〔11〕和阴转子〔12〕,前者有4个齿,后者有6个齿,其齿数目之差为2。
阳转子〔11〕和阴转子〔12〕装于壳体〔13〕中,沿其轴向尺寸的一端为气体的吸气口〔14〕,另一端为排气口〔15〕。除了两端口〔14〕和〔15〕之外,壳体〔13〕中的转子〔11〕和〔12〕之间的间隙极小,为的是在转子〔11〕、〔12〕和壳体〔13〕之间构成V形工作室。
当转子〔11〕和〔12〕旋转时,转子〔11〕和〔12〕彼此相啮合的部位将从吸气口〔14〕移向排气口〔15〕。工作室〔16m〕至〔20m〕和〔16f〕至〔21f〕的容积减小以压缩其中的气体。同时工作室〔21m〕、〔22m〕和〔22f〕则继续传输气体,这是由于它们的容积不变,所以不对气体进行压缩。
工作室〔23m〕至〔26m〕和〔23f〕至〔26f〕与吸气口〔14〕相连接。由于当转子〔11〕和〔12〕旋转时它们的容积将增大,因而可借助于抽吸作用而吸进气体。
当把一螺杆流体机械作为压缩机使用时,则不需要有传输区而仅仅利用吸气区和压气区即可。例如,无油螺旋压缩机具有下述技术特性:阳转子的包角φM250°。阳转子的长度L对其直径D之比,L/D=1.25。对几何特性的研究清楚地表明当利用吸气区和压气区时,转子的包角可小于360°。所以,对螺旋压缩机通常选用下列数值:φM=200-300°,L/DM=1.0-1.7。图2和图3中所示的工作室〔16m〕和〔16f〕可通过排气口〔15〕排气,此室中的压强等于排气压强并为全部其他工作室的最高压强。工作室〔16m〕和〔16f〕中的一部分气体流经各转子螺旋的齿顶和壳体〔13〕的内壁之间的间隙以及转子〔11〕和〔12〕的端面和壳体〔13〕之间的间隙而泄漏至相邻的工作室〔17m〕和〔17f〕中,而另一部分泄漏则从图2所示表面流经转子〔11〕和〔12〕的啮合部位K而到达下部的表面,即到阳转子〔11〕侧的工作室〔21m〕和阴转子〔12〕侧的工作室〔22f〕。正如上面所说明的那样,螺旋压缩机转子的包角小于360°,因而工作室〔21m〕和〔22f〕与吸气口〔14〕直接相连。所以,螺旋压缩机的工作性能将根据转子〔11〕和〔12〕啮合部位的密封效果而有很大的变化。对于转子〔11〕和〔12〕外部的间隙来说,流经此部分的泄漏量是相对地少的,这是因为吸气〔14〕和排气口〔15〕间形成许多密封部位,如图2中所示的阳转子〔11〕有5个密封部位,阴转子〔12〕则有6个密封部位,再如图3中所示的阳转子〔11〕有4个密封部位阴转子〔12〕则有6个密封部位。
正如上面所说的那样,一压缩机和一真空泵从本质上来说具有相似的方面,但它们间有一很大的差别。这就是,在真空条件下,在压强不同时,气体的性质是不同的。
图4所示为空气的主要成分氮分子的压强与其平均自由程的关系曲线。当压强减小时,分子的平均自由程即增大,当压强降至1托时,则平均自由程大致为0.05mm。螺旋型真空泵的各部位间隙大约为0.1至0.5mm,这与螺旋压缩机的情况相似,这样,当压强从大气压降至1托时,则气体分子的平均自由程小于螺杆真空泵各部位的间隙。所以,通过这些间隙的气流可按粘滞流处理,这与螺旋压缩机的情况相同。当压强低于1托时,气体分子的平均自由程大于各部位的间隙,其结果是气流变为过渡流或分子流,在这些区域中,泄漏分子通过各部位间隙是困难的,其结果是,螺杆真空泵仅靠扑捉该空间内的气体分子就能实现抽空作用和传输作用。所以,如果具有如图2中标有A的传输区的转子在一壳体(其二端的开口用于从吸气侧将气体排至排气侧)中转动时,又当排气侧的背压为1托时,则可得到一基本上类似于图5中的虚线所示的抽速曲线的特性曲线。
所以,图2中所示的阳转子〔11〕的包角增大至φM=525°(图3中所示为φ=650°),那么,在吸气口〔14〕和排气口〔15〕之间的工作室中有2个转子啮合部位。
可以用下列方程式求得满足这些要求的包角φM:
φM=360°阴转子的齿数+1/阳转子的齿数+α
式中α为旋转角,即阴转子从某一刻(某一工作室与排气口相通)开始旋转至另一时刻(该工作室的容积变为零)所经过的角度。它的值等于或小于对应于阴转子螺旋槽的角度。
360°/阴转子的齿数
当使用的转子具有符合上述等式的包角且在工作室〔16m〕和〔16f〕中的压强为大气压时,则工作室〔21m〕和〔22f〕中的压强值可减小至1托,而在吸气口〔14〕处可获得10-4托的压强。所以可用一单级真空泵获得10-4托的极限压强。
当阳转子〔11〕的包角φM小于525°,或如图2所示的φM=450°(图3中,φM=500°)时,则阴转子〔12〕的工作室〔22f〕将与吸气口〔14〕直接相通,但如果以一吸气壳体将数字标号〔27〕所标识的区封住,则能使此工作室〔22f〕与吸气口不再直接相通。
须将吸气侧阴转子〔12〕的端面如上述那样封住时的阳转子角度将减少一个角度,所减少角度的上限是一与阴转子〔12〕和阳转子〔11〕的齿数之差相关的角度
(360°×阴转子的齿数-阳转子的齿数/阴转子的齿数)
工作室〔17m〕和〔17f〕中的压强低于工作室〔16m〕和〔16f〕中的压强。但远高于工作室〔21m〕和〔22f〕中的压强。所以,为防止来自工作室〔17m〕和〔17f〕直到工作室〔23f〕的漏气直接流向吸气口〔14〕,阴转子长度可增长至图2所示的虚线处。
按上述所述那样,通过增大转子的包角以增多啮合的部位数量将能减少泄漏量并改进真空泵的特性。但是,泵的尺寸将增大,成本将提高,而且转子的轴向长度增大将产生轴的振动问题。减小转子的包角可减小真空泵的尺寸和降低成本,但泵的特性将恶化。
需考虑真空泵的特性,成本和尺寸来确定转子的包角φM,L/DM和齿数。本发明的特点之一是在吸气口和排气口之间的各工作室都有2至3个密封部位。
下面将着重说明一下这个特点。
(1)密封部位可包括第一个密封部位,它把处于吸气过程的工作室与传输区的各工作室隔离开。还包括有第二个密封部位,它可将传输区的工作室与压力区或处于排气过程的各工作室隔离开。第一和第二个密封部位二者皆由两个转子的啮合部位构成的。
(2)密封部位包括有,在传输区构成工作室的第一个和第二个密封部位以及在过渡为气体压缩区之前构成工作室的第二个和第三个密封部位。第一个密封部位是由一吸气侧壳体内壁和转子端面构成的,而第二个和第三个密封部位则是由两个转子的啮合部位构成的。换一种说法是,传输区中的工作室(在其中插入气体和传输气体)和压缩区中的工作室(在其中压缩气体)都位于转子的某个任意选定的螺旋槽上并构成一对工作室,每一个工作室都沿该转子的该螺旋槽上分布。当转子旋转时,这一对工作室将沿泵的轴向移动。这样,传输区的工作室即变成气体压缩区的工作室(当泵运转时,在此区中将对气体进行压缩和排出),而在吸气口一侧将形成新的传输区工作室。此过程也适用于其他成对的工作室。由两个转子和壳体构成的工作室仍然处在传输区的状态下的这段时间(即与吸气口断开)最好设定在两个时间之内,一个时间为压缩和排出气体的工作室开始减少其容积的时间,另一时间为这些工作室与排气口相通的时间。
当两个转子的齿数之差为2时,则在转子的每个螺旋槽上形成的传输区工作室与在两个转子啮合部位的下一个传输区的工作室相通,这样,相邻的传输区的工作室即构成了单一传输区的工作室。即是说,虽然一个封闭的传输区不是由转子的每一个螺旋槽构成的,但仍可进行传输。与此相同的是每个气体压缩区的工作室都有一端被壳体封闭着,这样各气体压缩区的各工作室彼此就不会相通,它们是独自地在转子的各个螺旋槽中形成的。
现在说明一下对一个充满大气的密封室进行抽真空以获得10-4托压强所需的抽气功。根据热力学分析,不难发现内压缩变化所需功小于无内压缩变化的功。图6中带有阴影线的面积所表示的功,是将压强从1托降至10-4托所需的抽气功,它与带有虚点的面积所表示的、将压强从760托降至1托的抽气功相比是相当小的,以至可以忽略。所以,当将压强从1托降至10-4托时是不需要内压缩的。然而,如果当进行内压缩同时压强从760托降至1托时,则抽气功可大大地减少。
本发明的一个最佳实施方案可以图7、8和9加以说明。
如图示,具有4个齿的阳转子〔31〕和具有6个齿的阴转子〔32〕以轴承〔35〕、〔36〕、〔37〕和〔38〕为支承并旋转于主壳体〔33〕和吸气壳体〔34〕中。阳转子〔31〕的包角是650°,而阴转子〔32〕的包角大约是433°。在稳定态运转的条件下,在转子〔31〕和〔32〕的吸气侧〔39〕压强是低的,即在10-4托,而在其排气侧〔40〕的压强为大气压,这样,作用于转子〔31〕和〔32〕吸气侧〔39〕的径向载荷远小于作用于排气侧〔40〕的径向载荷。所以,采用了深槽球轴承作为吸气侧〔39〕的轴承〔35〕和〔36〕,而在排气侧〔40〕则采用了滚柱轴承作为轴承〔37〕和〔38〕以承受径向载荷。成对的同步齿轮〔41〕和〔42〕各装在支承转子〔31〕或〔32〕的轴的一端上,它们用于调整两个转子〔31〕和〔32〕的间隙以使它们彼此不直接接触。轴承〔35〕和〔36〕的润滑是借助于同步齿轮〔41〕和〔42〕把装在吸气盖〔43〕槽中的润滑油〔44〕溅入轴承而实现的。同时,阳转子〔31〕的轴上装有一圆盘〔45〕以润滑轴承〔37〕和〔38〕,这样,圆盘〔45〕即可将装在排气盖〔43′〕中的润滑油〔44〕溅入轴承〔37〕和〔38〕中以进行润滑。轴密封〔46〕、〔47〕、〔48〕和〔49〕用于防止来自轴承和同步齿轮的润滑油进入到工作室中,位于转子〔31〕和〔32〕的排气侧处的工作室〔40〕的排气盖〔43′〕基本上处于大气压力下,所以,作用于排气侧的密封件〔48〕和〔49〕上的压力差是相当小。然而,位于吸气侧的工作室〔39〕处的压强为10-4托级,所以,如果吸气盖〔43〕裸露于大气中,则轴的密封将是困难的,这是因为作用于位处吸气侧的轴密封件〔46〕和〔47〕上的压力增大了。所以,吸气盖〔43〕通过连接管〔50〕和〔51〕与低压或中压的工作室〔52〕相通以降低吸气盖〔43〕中的压强,这样即可以减少作用于轴密封件〔46〕和〔47〕上压力以此来提高密封轴的效果。由于吸气盖〔43〕充满了润滑油〔44〕,所以在吸气盖〔43〕中装有一油滴隔离室〔53〕用以防止油通过连接管〔50〕和〔51〕进入工作室中。在连接管〔50〕和〔51〕中装有捕油井〔54〕,用于确保无润滑油滴进入到工作室之中。与主壳体33相连的连接口56位于这样的一个位置上,在该处,工作室〔52〕与吸气口〔55〕完全不通,这样,万一当润滑油通过连接管〔50〕和〔51〕流入工作室中时,润滑油也不会回流至吸气口〔55〕中。阳转子〔31〕的工作室〔52〕具有两个啮合部位〔58〕和〔59〕,在这两部位阳转子〔31〕在工作室〔52〕已旋转至不与吸气口〔55〕相通之后,同时在与排气口〔57〕相通之前与阴转子〔32〕相啮合。同样,阴转子32的一个工作室〔60〕具有两个啮合部位〔61〕和〔59〕,在此处,它与阳转子〔31〕相啮合。
当转子〔31〕和〔32〕旋转时,气体将通过吸气口〔55〕被抽进到由转子的螺旋齿和壳体构成的工作室中,并通过排气口〔57〕排出。工作室〔52〕和〔60〕传输着气体,而它们的容积保持不变。然而,转子〔31〕和〔32〕进一步旋转后所形成的工作室〔62〕和〔63〕随着转子转动而减小它们的容积从而将气体压缩,同时在排气侧的气体温度将升高。为对付这种情况,将冷却套〔64a〕-〔64e〕安装于壳体〔33〕的排气侧,冷却水通过冷却套以冷却壳体和压缩了的气体。
图10所示为本发明的另一实施方案,它与图7、8和9所示的实施方案不同,其阴转子〔32A〕具有6个螺旋齿,阳转子有5个齿。
图11所示为再一个实施方案的主要部分。此处仅对其转子加以说明,因为其它部件与图7和图8所示是相类似的。真空泵在其吸气侧气体比容较在排气侧的比容大些。所以,增大真空泵的抽速就要求增大吸气和传输气体工作室的容积,同时减小压缩气体工作室的容积。11中,阳转子〔31B〕和阴转子〔32B〕各自有吸气和传输螺旋槽〔65〕和〔66〕,压缩螺旋槽〔67〕和〔68〕。吸气和传输螺旋槽〔65〕和〔66〕,与螺旋压缩槽〔67〕和〔68〕相比其转子螺旋角φM和φF较小,而L/D较大。所以,图11所示的真空泵既使在与图7所示的真空泵的尺寸相同的情况下,也具有较大的抽速。
上面所示和所说明的实施方案具有2或3个密封部位。然而,本发明并不限制具体的这些密封部位的数目,根据本发明,在整个运转过程中真空泵可具有3个或4个密封部位。其中两个由两个转子的啮合部位所构成。具有3个或4个密封部位的真空泵将具有压缩气体和排出气体的工作室。传输气体的第一工作室通过密封部位而邻接于压缩气体和排气工作室,这些密封部位是由两个转子的啮合部位构成的。传输气体的第二工作室通过两个转子的啮合部位所构成的密封部位而邻接于第一传输工作室。每一个工作室都位于真空泵的吸气口和排气口之间、两个转子中之一的任一个选定的螺旋槽上。
使每个转子上的一个螺旋槽具有两个传输工作室将减少漏气现象,由此获得较高的真空度。
由上所述可知,根据本发明的某个实施方案构成的无油真空泵极大地改进了抽气性能。所以,根据本发明提出的真空泵可以单级结构获得从大气压至10-4托或从大气压至某个中真空这样大范围的预期压强。
采用本发明的真空泵,与用油封旋转泵和机械增压泵所组成的先有技术的真空系统相比其结构简单,成本低。采用结构简单的真空系统就有可能采用结构简单,成本低的控制系统,因为不再需要进行复杂的操作系统,例如开、闭阀门等。
Claims (21)
1、一种螺杆真空泵,它包括一个可绕轴旋转具有多个螺旋齿和槽的阳转子(31),一个可绕轴旋转并与所述阳转子啮合的,具有多个螺旋齿和槽的阴转子(32),所述阳转子的螺旋齿数和螺旋槽数比阴转子各少两个齿和两个槽,壳体(33和34)形成一个用于安装所述两个转子的空间并具有与该空间相通的吸气口(55)和排气口(57),所述的两个转子中的每一个都具有一个与所述的吸气口的位置和所述排气口位置相关的包角,本发明的特征在于,由所述两个转子和所述壳体所构成的多个工作室,这些工作室中包括有多个与吸气口和排气口都不相通的多个密封工作室,所述的多个密封工作室中包括有,当两个转子旋转并同时彼此保持啮合时其容积在减小的多个工作室(62、63)、以及当转子旋转且彼此啮合时,其容积基本上保持不变的多个工作室(52、60),所述容积在减小的和所述容积基本上保持不变的工作室彼此之间是由所述的两个转子的啮合部位(58、59、61)间隔开的。
2、根据权利要求1中所述的真空泵,其特征在于所述的阳转子螺旋齿的包角可以下式表示:
φM=360°×阴转子的齿数+1/阳转子的齿数+α
式中,α为转子的旋转角度,它为转子自一工作室与排气口相通的某一时刻起至该工作室的容积变为零的另一时刻止所转过的角度,α的取值范围为
0°≤α≤360°/阴转子齿数
3、根据权利要求2中所述的真空泵,其特征在于所述阳转子的螺旋齿数和螺旋槽数是4,而所述的阴转子的螺旋齿和螺旋槽数则为6。
4、根据权利要求3中所述的真空泵,其特征在于阳转子螺旋齿包角为650°,而阴转子的包角则使阴转子与阳转子能互相啮合。
5、根据权利要求3中所述的真空泵,其特征在于阳转子包角可以减小的最大值为:
360°×阴转子齿数-阳转子齿数/阳转子齿数,此时须将阴转子吸气侧端面一部分用所述壳体封住。
6、一个螺杆真空泵,它包括一个可绕轴旋转具有多个螺旋齿和槽的阳转子,一个可绕轴旋转并与所述阳转子啮合的、具有多个螺旋齿和槽的阴转子,所述阴转子的齿数比所述阳转子齿数多一个齿,壳体形成一个用于安装所述两个转子的空间并具有与该空间相通的吸气口和排气口,所述的两个转子中的每一个都具有一个与所述吸气口的位置和所述排气口位置相关的包角,本发明的特征在于,由所述两个转子和壳体形成了多个工作室,所述多个工作室中包括有,多个与吸气口和排气口不相通的多个密封工作室,所述的每一个转子的每一条螺旋槽至少有两个所述的密封工作室,至少两个所述密封工作室中的一个是当两个转子旋转并彼此啮合时其容积产生变化的工作室,其余的工作室是当所述的两个转子旋转时其容积基本不变的工作室,当两转子旋转时,所述容积变化的密封工作室与所述容积基本不变的密封工作室是由所述的两个转子的啮合部位间隔开的。
7、根据权利要求6中所述的真空泵,其特征在于,由两转子每条螺旋槽形成的多个工作室是成对的工作室,其中一个是当转子旋转时,其容积产生变化的工作室,而另一个是当转子旋转时其容积基本不变的工作室。
8、根据权利要求7中所述的真空泵,其特征在于,位于所述容积基本不变工作室一端的密封部位是由两个转子的一个啮合部位形成的,而位于其另一端的密封部位是由两个转子吸气侧的端面和与其相对的壳体内壁所形成的。
9、根据权利要求6中所述的真空泵,其特征在于所述阳转子螺旋齿的包角φM可以下式表示:
φM=360°阴转子螺旋齿数+1/阳转子螺旋齿数+α
式中,α为转子的旋转角,它为转子自某一时刻,即一工作室与排气口相通的时刻至另一时刻,即该工作室容积为零时刻所转过的角度,α取值范围为
0°≤α≤360°/阴转子齿数
10、根据权利要求9所述的真空泵,其特征在于阳转子螺旋齿和槽数为5,而阴转子则为6。
11、根据权利要求10中所述的真空泵,其特征在于所述阳转子螺旋齿的包角φM大约为525°,而阴转子齿的包角使阴转子与阳转子能互相啮合。
12、根据权利要求10所述的真空泵,其特征在于阳转子包角可以减小的最大值为:
360°×阴转子齿数-阳转子齿数/阴转子齿数此时须将阴转子吸气侧端面一部分用所述壳体封住。
13、根据权利要求11中所述的真空泵,其特征在于阳转子螺旋齿的包角φM为450°而阴转子螺旋齿包角使阴转子与阳转子能互相啮合,此时须将阴转子吸气侧面一部分用所述壳体封住。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP272860/84 | 1984-12-26 | ||
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