CN104685240A - 封装磁体组件、净化间隙旋转机器的方法及油/气设备描述 - Google Patents

封装磁体组件、净化间隙旋转机器的方法及油/气设备描述 Download PDF

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Abstract

封装磁体组件包括至少一个磁极片(61)和封装壳体(3);存在邻近磁极片(61)的封装壳体的至少一部分。为了净化封装壳体与机器的一部分之间的间隙,至少凹口(5)设在壳体部分旁边的封装壳体(3)中来用于形成流体流。通常,磁体组件为磁性轴承。

Description

封装磁体组件、净化间隙旋转机器的方法及油/气设备描述
技术领域
本文公开的主题的实施例大体上涉及封装磁体组件、净化磁体组件的封装壳体与机器、旋转机器的一部分之间的间隙的方法,和/或油/气设备。
此类磁体组件的典型应用为机器的磁性轴承部分。
背景技术
磁性轴承为使用磁悬浮来支承负载的轴承。
磁性轴承支承机器,而没有物理接触;例如,它们可使机器的旋转轴悬浮,且允许以很低的摩擦且没有机械磨损的相对运动。
磁性轴承包括由间隙分离的定子组件和转子组件,通常是空气间隙,且更通常是气隙;定子组件通常包括磁极片和线圈。例如,此类轴承从美国专利第5,095,237号获知。
将注意的是,旋转组件可为旋转机器的一部分,例如,旋转轴的轴颈。
磁性轴承服务于此类工业应用中,如,发电、石油炼制、机床操作和天然气管线。
在某些工业应用中,磁性轴承需要封装(本行业中常用的用语为"罐装"),因为其构件可与例如腐蚀性流体如酸性气体接触;这意味着磁性轴承的定子组件通常布置在密封壳体内。例如,此类轴承从欧洲专利申请第EP1967286号、第EP1967287号、第EP1967288号和第EP1967289号中获知。
磁性轴承中常用的间隙相当小,例如,0.5mm。
由于转子与定子之间的相对运动,故间隙中的流体趋于从转子的原动件吸收功率,因此降低了机器的总体效率。吸收的功率大体上称为"风阻损失"。吸收功率转变成热,热升高流体的温度,且因此升高转子和定子的周围表面的温度。
风阻损失与流体密度、轴承的轴向长度和转子与定子之间的间隙成线性比例;风阻损失还与轴承的转子半径的四次方和转速的三次方成比例;这意味着风阻损失随轴承尺寸且随旋转机器的速度增大。在"油气"应用中,风阻损失可容易地达到几千瓦的值。
由于磁性轴承具有操作温度极限以便确保可靠性、可用性、可维护性和与旋转机器的安全裕度,故风阻损失及其效果需要限制且保持在控制下。
为了解决这些问题,已经提出了在间隙中形成流体流。
无论如何,由于间隙的小尺寸,需要高压差来移动流体,且/或流体在间隙内相对较慢移动。
美国专利第7,315,101号中描述了基于特定空气流的使用冷却磁性轴承的解决方案;将注意的是,该磁性轴承并未封装。为了获得较大冷却效果由简单构造施加的磁性轴承设备,沿向后方向形成空气流的翅片设置在机器的旋转轴的后部和外径中;存在发电机,发电机将翅片旋转产生的空气流转换成压缩的涡流;冷却流由旋转轴的驱动力产生;冷却的风经由其穿过且在轴向上为长形的特定冷却风流动通路形成在机器的旋转轴中,更精确的是在机器的旋转轴与磁性轴承的转子组件(例如,见图1)之间,即,远离间隙。
将注意的是,磁性轴承可认作是磁性组件的特定实施例。例如,封装磁体组件从欧洲专利申请第EP2448088号和第EP2450585号获知。
发明内容
因此,存在的需要在于在净化间隙中的气体方面以及在冷却磁体组件方面性能改善的解决方案。
该需要对于封装磁性轴承特别显著,该轴承具有比其它磁体组件更多的设计约束。
本发明的第一方面为封装磁体组件。
根据其实施例,一种封装磁体组件包括至少一个磁极片和封装壳体;所述封装壳体的至少一部分邻近所述至少一个磁极片;至少一个凹口设在所述至少一部分旁边的所述封装壳体中,以用于形成流体流,其中所述至少一个凹口定形为以便于所述流体流。
此类封装磁体组件可得到不同应用:不但在磁性轴承中,而且例如在用于"油气"行业的电动机和发电机的转子和/或定子中。
下文中提出了一些有利的特征和变型。
封装磁体组件可包括至少两个磁极片;在此情况下,所述封装壳体的至少两部分分别邻近所述至少两个磁极片,且凹口设在所述封装壳体的所述至少两部分两者旁边的所述封装壳体中。
所述凹口可为长形的;在此情况下,所述封装壳体的所述至少两部分在相对于所述长形凹口的不同侧上。
封装磁体组件可包括多个磁极片;所述封装壳体的多个部分可邻近所述磁极片。
封装磁体组件可构造成与另一个相同或类似的封装磁体组件关联或附接。
所述至少一个磁极片可为永磁体的一部分或附接到永磁体上。
所述至少一个磁极片可为电磁体的一部分或附接到电磁体上。
封装磁体组件可构造为旋转的封装磁体组件。
封装磁体组件可构造为非旋转的封装磁体组件。
封装磁体组件可为定子转子组件的构件。
封装磁体组件可为从外侧向内的定子转子组件的构件,即,由定子作用的转子设置在由定子至少部分地限定的腔内的组件。
封装磁体组件可为从内测向外的定子转子组件的构件;即,作用于转子的定子设置在至少部分地由转子限定的腔内的组件。
封装磁体组件可为轴向定子转子组件的构件,即,封装磁体组件及其磁性构件以非平行方式关于转子的轴线排列(例如,正交于转子的轴线)的组件。
封装磁体组件可为径向定子转子组件的构件,即,封装磁体组件和其磁性互补物以平行方式关于转子的轴线排列的组件。
本发明的第二方面(其可认作是第一方面的应用)为封装磁性轴承。
根据其实施例,一种封装磁性轴承包括多个磁极片和封装壳体;封装壳体的多个部分邻近磁极片;至少一个凹口设在至少一部分旁边的封装壳体中来用于形成流体流,其中所述至少一个凹口定形为以便于所述流体流。
下文中提出了一些有利的特征和变型。
所述流体流通常为用于尤其用于高转速的磁性轴承的气流。
有利的是,多个凹口设在所述壳体部分旁边的所述封装壳体中来用于形成流体流。
所述凹口的总面积通常为所述多个部分的总面积的大约0.3到大约0.7倍之间;以此方式,甚至在存在凹口的情况下也可确保对可旋转部分的良好支承;作为优选,所述凹口为所述多个壳体部分的总面积的大约0.5倍。
所述多个磁极片可布置成圆形。
所述多个磁极片可沿径向延伸。
所述封装壳体可包括所述壳体部分的圆筒形套筒。
所述多个壳体部分通常由8到32个壳体部分构成;有利的是,所述多个壳体部分由16到24个壳体部分之间构成;更有利的是,所述多个壳体部分由大约20个壳体部分构成。
所述凹口通常小于大约4.0mm;有利的是,所述凹口的深度在大约1.5mm到大约3.5mm之间;更有利的是,所述凹口的深度为大约2.5mm。
所述封装壳体可包括具有大约0.4mm到大约1.0之间的厚度的金属片;有利的是,所述封装壳体包括具有大约0.5mm的厚度的金属片。
所述凹口可由弯曲的金属片构成;有利的是,所述弯曲的金属片具有大约0.5mm到大约1.5mm之间的金属片的弯曲半径。
封装磁性轴承还可包括线圈支承件;有利的是,所述凹口邻近所述线圈支承件。
有利的是,所述凹口具有用于便于所述流体流入所述凹口中的倾斜入口;所述倾斜入口可由具有半径的圆构成,该半径大致大于或等于0.6和所述凹口的液压直径之间的乘积。
所述封装壳体可包括入口凸缘;在此情况下,所述输入凸缘可具有环带形状,且所述圆可位于所述环带的内圆处。
有利的是,所述凹口可具有用于便于所述流体流出所述凹口的倾斜出口;所述倾斜出口可由具有半径的圆构成,半径大致大于或等于0.6与所述凹口的液压直径之间的乘积。
所述封装壳体可包括输出凸缘;在此情况下,所述输出凸缘可具有环带形状,且所述圆可位于所述环带的内圆处。
所述封装壳体通常由树脂填充。
本发明的第三方面为净化磁性轴承的封装壳体与可旋转的部分之间的间隙的方法。
根据其实施例,一种净化磁体组件的封装壳体与机器的一部分之间的间隙的方法;该方法包括以下步骤:
将至少一个凹口设在间隙附近的封装壳体中,
提供穿过间隙的压差,以及
形成凹口中的流体流;
凹口定形为以便于流体流。
所述部分可由所述磁体组件支承。
磁体组件的所述封装壳体可为磁体轴承的封装壳体。
所述部分和所述壳体可相对于彼此移动,特别是所述部分可相对于所述壳体旋转。
下文中提出了一些有利的特征和变型。
通常,该方法包括以下步骤:
将多个凹口设在所述间隙附近的所述封装壳体中,以及
在所述多个凹口中的各个中形成流体流。
所述间隙通常在大约0.2mm到大约1.2mm之间,更通常是大约0.8mm。
所述凹口通常小于大约4.0mm;有利的是,所述凹口的深度在大约1.5mm到大约3.5mm之间;更有利的是,所述凹口的深度为大约2.5mm。
有利的是,所述凹口沿径向延伸。
有利的是,所述凹口从磁性轴承的第一侧延伸至磁性轴承的第二侧。在此情况下,压差形成在所述磁性轴承的第一侧与所述磁性轴承的第二侧之间;所述压差可在0.05bar到10.0bar之间的范围中。
有利的是,所述凹口为笔直的。
所述凹口可对称地布置成圆。
该方法还可包括提供便于所述流体流入所述凹口中的倾斜入口的有利步骤。
该方法还可包括提供便于所述流体流出所述凹口的倾斜出口的步骤。
所述凹口的总面积通常为所述多个部分的总面积的大约0.3到大约0.7倍之间;以此方式,甚至在存在凹口的情况下也可确保对可旋转部分的良好支承;作为优选,所述凹口为所述多个壳体部分的总面积的大约0.5倍。
上文提出的组件和/或轴承和/或方法可有利地用于旋转机器,即,包括由至少两个轴承组件支承的可旋转轴的机器。
通常,将使用至少两个轴承。
凹口应当为至少一个,但有利地为一个以上,例如,多个。
旋转机器可为压缩机或膨胀器。
旋转机器可为电动机或发电机。
由于根据本发明的封装磁体组件或磁性轴承,有可能向油/气设备提供极高转速的旋转机器。
由于根据本发明的磁体组件或磁性轴承,有可能向油/气设备提供高效冷却系统来用于磁体组件或其旋转机器的封装磁性轴承。
附图说明
并入本文且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,且连同描述阐释了这些实施例。在附图中:
图1很示意性地示出了根据本发明的磁性轴承的实施例的第一局部纵截面,
图2很示意性地示出了根据本发明的磁性轴承的实施例的第二局部纵截面,
图3示意性地且局部地示出了图1和图2的实施例的磁极片,
图4示意性地且局部地示出了连同轴颈的图1和图2的实施例的磁极片和线圈;
图5示出了(横向视图)图1和图2的实施例的第一详图(图4中标为C),
图6示出了(纵截面)图1和图2的实施例的第二详图(图4中的截面AA),
图7示出了(纵截面)图1和图2的实施例的第三详图(图4中的截面BB),以及
图8示出了根据本发明的方法的实施例的构想流程图。
具体实施方式
示例性实施例的详细描述是指如附图中所示的磁性轴承。不同附图中的相同参考标号表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明;作为替代,本发明的范围由所附权利要求限定。
应当注意的是,在附图中,为了清楚起见,尺寸有时扩大;换言之,它们并未在彼此之间完美成比例。
整个说明书中提到的"一个实施例"或"实施例"是指连同实施例描述的特定特征、结构或特点包括在公开主体的至少一个实施例中。因此,整个说明书不同位置中出现的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"不一定是指相同的实施例。此外,特定特征、结构或特点可以以任何适合的方式组合到一个或多个实施例中。
图1示出了支承机器的旋转轴2(仅示出了轴颈)的磁性轴承1,例如,如压缩机或膨胀器;通常,根据本发明的旋转机器将包括如下文描述和提出的至少两个相同或类似的磁性轴承。
该图示出了分成由封装壳体3和由壳体3封装的部分4。
壳体3由在其相对侧处连结到套筒部分上的细圆筒形部分和两个厚环带形凸缘构成;套筒部分与轴2之间存在小间隙,例如,大约0.2mm到大约1.2mm之间。
将注意的是,图1为仅在特定位置处的根据本发明的磁性轴承的实施例的很示意性的截面。
在其它特定位置处,很示意性的截面看起来类似图2中所示的一个:代替小间隙,存在对应于封装壳体3中的凹口的通路5,更具体而言是封装壳体3的套筒部分中的凹口;此凹口的深度例如可在1.0mm到4.0mm之间。
由于通路5,当轴3静止时,且更重要是在轴2旋转时,流体可容易地从壳体1的一侧流至(见图2中的箭头)轴承1的另一侧。
为了更好理解图1和2,将参照图4。但图4比图1和图2更示意性,图1可认作是截面AA的视图,且图2可认作是截面BB的视图。从该图中,清楚的是存在多个间隙和多个通路(即,凹口),且部分4包括至少磁极片组件6和线圈7;磁极片组件6包括组件本体和多个磁极片;线圈7分别围绕磁极片卷绕。
相同流体存在于轴承1的两侧上,在间隙中,以及在通路5中;在轴2旋转期间,流体不但沿通路5(即,轴向地)流动,而且从间隙流至相邻的通路5(即,沿切向),且从通路5流至相邻的间隙(即,沿切向)。由于该设计或类似的设计,故间隙中的加热流体可很有效地从轴承除去;此外,新的冷流体可在间隙中和在通路中给送至轴承(直接地);因此,实现了很有效的冷却。
为了循环流体,压差形成在轴承1的两侧之间,即,一侧上(相对)高压和另一侧上(相对)低压;高压可通过使用从压缩机的一级的专用抽出导管或通过使用用于冷却流体的专用压缩级来获得;根据第二备选方案,有可能通过专用压缩机或风扇来在旋转机器内或旋转机器外(但与其相关联)生成冷却流体压缩。
压差的值取决于若干设计参数,但利用了存在的相对较宽的通路,且不但是窄间隙;实际上,由于宽通路,故压降远低于根据现有技术的解决方案;这意味着有可能使用较低的压差来循环流体。
关于冷却流体的一种或多种物质,存在一些可能性;大体上,最方便的解决方案在于仅使用过程气体;无论如何,取决于压缩机所处的设备中已经可用的流体,有可能使用专用流体,例如,蒸汽、空气、氮等。
应当注意的是,现有技术的解决方案提供了在封装壳体套筒的整个圆周上的一致的间隙(如图1中),且没有凹口(如,图2和图4中标为5的那些)。
图3示出了图1和图2的实施例的磁极片组件6。
磁极片组件6包括组件本体60和多个磁极片61和62;组件本体60具有环面形状;磁极片61和62从组件本体60突出,且沿径向朝环面的中心延伸;在该特定实施例中,一些磁极片61具有较小尺寸,且一些片61具有较大尺寸;在该特定实施例中,所有磁极片61和62由收纳线圈7的绕组的具体是相同尺寸的空间63分开。
在图4中,示出了线圈7以及封装壳体3中的凹口5;各个磁极片均具有其自身的卷绕其的绕组。
从图4中将清楚的是,在面对轴颈2(大致为圆筒形)的封装壳体3的表面中,邻近轴颈2的部分(这里存在壳体3与轴2之间的小间隙)与凹口5交错。
为了确保对轴的良好支承,凹口的总面积不应当相对于轴颈附近的总面积(即,上文所述的部分)过大。在该特定实施例中,存在对应于大约6°的角分布的它们中的各个的二十个凹口5(和对应的二十个轴颈附近部分),因此,凹口的总范围为大约120°,同时轴颈附近部分的总范围为大约240°;这意味着凹口的总面积为轴颈附近部分的总面积的大约0.5倍;根据备选实施例,凹口的总面积为轴颈附近部分的总面积的大约0.3倍到大约0.7倍。
凹口的数目可从实施例到实施例不同;例如,它们可为八到三十二个的范围,更具体时在十六到二十四的范围中。
图5中详细示出了凹口5和相邻的区中的一者。
除上文已经提到的元件之外,图5示出了"线圈支承件"或"线圈锁定件"8和填充有树脂9的空间。线圈支承件8为机械件,其用于将两个不同线圈7的两个面对侧保持在适当位置;在图4中,线圈支承件示为黑色矩形,但没有任何参考符号。树脂用于填充空的空间,以便确保良好的电隔离和良好的机械强度。
参看图5,用于封装壳体3的金属片的厚度在大约0.4mm到大约1.0mm之间,具体是大约0.5mm;轴颈2与封装壳体3(图5的上部和下部)之间的小间隙在大约0.2mm到大约1.2mm之间,具体是大约0.8mm;凹口5(相对于轴颈2的外表面)的深度小于大约4.0mm,具体是在大约1.5mm到大约3.5mm之间,更具体是在大约2.5mm;封装壳体3的金属片的弯曲半径在大约0.5mm到大约1.5mm之间。
凹口5通过弯曲金属片来获得;为了避免不需要的材料应力,接近凹口5的两侧上的轴颈2的弯曲半径(例如,1.0mm到1.5mm)大于远离凹口5的两侧上的轴颈2的弯曲半径(例如,0.5mm到1.0mm)。
凹口5邻近线圈支承件8;以此方式,由凹口5中的压力下的流体引起的金属片3(其相当薄)上的机械作用由线圈支承件8平衡。
在下文中,将参照其纵向延伸来描述凹口5,且因此,大体上参照图1和图2,且详细参照图6和图7。
凹口5为直的,且它们布置在轴承1的两个相对侧之间。
作为优选,它们为用于便于流体流入凹口5中的倾斜入口,如图7中所示;此外且作为优选,它们还具有便于流体流出凹口5(这未在任何图中示出)的倾斜出口。
凹口的倾斜入口和出口可由圆构成,其具有大致大于或等于0.6和对应凹口的"液压直径"的乘积的半径;通道的"液压直径"为通道的截面面积的四倍与通道的截面的润湿圆周之间的比。参看图5和图6和图7的特定实施例,半径为大约1.8mm。
在附图的实施例中,封装壳体3包括输入凸缘(图6和图7中的32)和输出凸缘两者;两个凸缘均具有环带形状;这些凸缘还在图1和图2中示出,但没有任何参考标号。凸缘32的厚度远大于封装壳体的套筒部分31的厚度;例如,其可从大约3mm到大约7mm。在此情况下,圆33位于所述环带的内环处。
从图6和图7清楚的是,树脂9不但置于线圈7(如图5中所示)之间的空白空间中,而且在其它空白空间中,以便避免封装磁性轴承中的空白空间。
根据本发明的一个或多个封装磁性轴承对于轴颈的直径例如从100mm到300mm且其转速相当高(例如,从8000RPM到12000RPM)的那些应用中可用;本发明构想为尤其用于"油气"应用。
刚刚描述的封装磁性轴承的实施例实施了净化磁性轴承的封装壳体与例如旋转机器的一部分之间的间隙的方法,其中部分可旋转地由磁性轴承支承。
图8的流程图对应于此方法的特定实施例。
图8的方法包括以下步骤:
将凹口设在封装壳体中(步骤801),其布置在轴承的两侧之间,且邻近封装壳体与轴颈之间的间隙,
将倾斜入口提供至凹口(步骤802),
将倾斜出口提供至凹口(步骤803),
提供轴承的两侧之间的压差(步骤804),
在凹口中形成流体流(步骤805)。
取决于应用,例如,压差可从0.05bar到10.0bar。
由于根据本发明的封装磁性轴承,有可能提供用于"油气"应用的设备(例如,用于处理油和/或气体),其具有极高转速的旋转机器,即,发电机和/或压缩机和/或膨胀器;例如,转速可超过12000RPM(前文所述),且可达到20000RPM。
由于根据本发明的封装磁性轴承,有可能提供"油气"行业的设备(即,用于处理油和/或气体),其中高效冷却系统用于其旋转机器的封装磁性轴承;实际上,较少冷却流体和/或冷却流体的较低压力相对于现有技术的解决方案是所需的。

Claims (21)

1. 一种封装磁体组件,其包括至少一个磁极片和封装壳体,其中所述封装壳体的至少一部分邻近所述至少一个磁极片,且其中至少一个凹口设在所述至少一部分旁边的所述封装壳体中来用于形成流体流,其中所述至少一个凹口定形为以便于所述流体流。
2. 根据权利要求1所述的封装磁性轴承,其特征在于,所述至少一个凹口具有用于便于所述流体流的倾斜入口。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的封装磁性轴承,其特征在于,所述至少一个凹口具有便于所述流体流的倾斜出口。
4. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述封装磁体组件包括至少两个磁极片,其中所述封装壳体的至少两部分分别邻近所述至少两个磁极片,以及其中凹口设在所述封装壳体的所述至少两部分两者旁边的所述封装壳体中。
5. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述凹口为长形的,且其中所述封装壳体的所述至少两部分在相对于所述长形凹口的不同侧上。
6. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述封装磁体组件为封装磁体轴承,且包括多个磁极片和封装壳体,其中所述封装壳体的多个部分邻近所述磁极片,且其中至少一个凹口设在至少一个所述部分旁边的所述封装壳体中来用于形成流体流。
7. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,多个凹口设在所述壳体部分旁边的所述封装壳体中来用于形成流体流。
8. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述凹口的总面积在所述多个部分的总面积的大约0.3倍到大约0.7倍之间。
9. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述多个壳体部分由8到32个壳体部分之间构成。
10. 根据任一前述权利要求所述的封装磁性组件,其特征在于,所述凹口的深度小于大约4.0mm。
11. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述组件还包括线圈支承件,以及其中所述凹口邻近所述线圈支承件。
12. 根据任一前述权利要求所述的封装磁体组件,其特征在于,所述凹口具有便于所述流体流入和/或流出所述凹口的倾斜入口和/或倾斜出口。
13. 一种净化磁体组件的封装壳体与机器的一部分之间的间隙的方法,包括以下步骤:
将一个或多个凹口设在邻近所述间隙的所述封装壳体,
提供穿过所述一个或多个凹口的压差,以及
在所述一个或多个凹口中形成流体流;
其中所述一个或多个凹口定形为以便于所述流体流。
14. 根据权利要求13所述的方法,其特征在于,磁体组件的所述封装壳体为磁性轴承的封装壳体,以及其中机器的所述部分可旋转地由所述磁性轴承支承。
15. 根据权利要求13或权利要求14所述的方法,其特征在于,所述凹口从所述磁性轴承的第一侧延伸至所述磁性轴承的第二侧,以及其中压差形成在所述磁性轴承的第一侧与所述磁性轴承的第二侧之间。
16. 一种旋转机器,包括至少一个封装磁体组件,所述封装磁体组件包括至少一个磁极片和封装壳体,其中所述封装壳体的至少一部分邻近所述至少一个磁极片,以及其中至少一个凹口设在所述至少一部分旁边的所述封装壳体中,以用于形成流体流,其中所述至少一个凹口定形为以便于所述流体流。
17. 根据权利要求16所述的旋转机器,其特征在于,所述旋转机器包括根据权利要求1到权利要求12中任一项所述的封装磁体组件。
18. 一种具有极高转速的旋转机器的油/气设备。
19. 根据权利要求18所述的油/气设备,其特征在于,所述设备包括根据权利要求16或权利要求17所述的旋转机器。
20. 一种包括机器的油/气设备,所述机器包括封装磁体组件,所述组件具有用于所述封装磁体组件的高效的冷却系统。
21. 根据权利要求20所述的油/气设备,其特征在于,所述设备包括根据权利要求1至权利要求12中任一项所述的封装磁体组件。
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