CN105392992B - 自校准复位弹簧泵，具体而言自校准复位弹簧计量泵 - Google Patents

自校准复位弹簧泵，具体而言自校准复位弹簧计量泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自校准复位弹簧泵(300；400)，具体而言一种自校准复位弹簧计量泵，所述泵被构造成在可变容积前腔(180)中进行流体(190)的体积泵送，所述自校准泵(300；400)设置有容纳于灯笼架(205)中的后腔(200)和可移动机械装置(140，150，160；140；150)，所述可移动机械装置用于形成所述后腔(320)的可移动壁(170；340)并在所述可移动机械装置(140，150，160；140；150)与凸轮或偏心机械装置(110)相互作用时引起所述后腔(320)的所述可移动壁(170；340)进行往复运动，所述前腔(180)被构造成在所述后腔(200)容积减小时增大容积，反之亦然，所述泵还包括用于使所述可移动机械装置(140，150，160；140；150)弹性复位的弹性装置(210)，所述泵的特征在于所述后腔(320)设置有单向阀装置(310)，所述单向阀装置被构造成仅允许空气从所述后腔(320)流到所述灯笼架(205)的外部，所述后腔(320)由所述可移动壁(170；340)、密封装置(330；350)、所述灯笼架(205)的内壁和所述单向阀装置(310)密封并限定，由此所述后腔(320)内的压力ppost被保持为不高于所述灯笼架(205)外的环境压力Patm并且不高于所述前腔(180)内的压力pant。

Description

自校准复位弹簧泵，具体而言自校准复位弹簧计量泵
本发明涉及一种干隔膜式或柱塞式自校准复位弹簧泵，具体地讲涉及一种自校准复位弹簧计量泵，该泵能够以简单、可靠、有效且低成本的方式提高机械部件的速度和加速度，同时显著减少部件损耗和泵操作过程中产生的噪声，提高泵效率，并降低对维护干预的需要。
本说明书的下列内容将主要参考计量泵。然而，必须理解，根据本发明所述的自校准复位弹簧泵也可以与计量泵不同并用于不同于混合应用的任何液压回路应用中，并仍然属于本发明的保护范围。
已知的混合设备众多。具体地讲，在表面清洁和消毒领域，这些设备仅仅通过水和添加浓缩化学产品(例如消毒剂、肥皂、湿泡沫和干泡沫)便完成清洁和消毒任务。这些设备包括有助于将不同物质与水混合的计量泵，它们通常分为两种类型：具有凸轮或偏心机构和复位弹簧的干隔膜式泵和具有复位弹簧的柱塞式泵。
参见图1和图2，可以看出现有技术干隔膜式计量泵100包括凸轮(或偏心轮)，在图1中表示为围绕相对于盘110的中心130偏置的轴120旋转的盘110，该盘与整体连接到活塞150的厚片140相互作用，该活塞的头部设置有整体连接到隔膜170的板160，该隔膜形成泵主体185的前腔180的可移动壁，在该前腔中实现液体190(或其他液体)的体积泵送效果；具体地讲，隔膜170的前表面被构造成与泵入泵主体185的前腔180中的液体190接触，同时部分附接到板160上的同一隔膜170的后表面是干的并且面向由灯笼架205形成的后腔200。插置在厚片140与灯笼架205(在其中形成通孔207以允许活塞150通过)的壁之间的(可能已预紧的)弹簧210(或其他弹性元件)抵抗活塞150并因此抵抗板160和隔膜170朝向前腔180的移动，并且施加弹力以便在凸轮110允许的情况下引起同一活塞150并因此引起板160和隔膜170朝向凸轮110复位。换句话讲，泵的不同机械部件之间的相互作用使得当旋转凸轮110时(在图1中由顺时针方向箭头G示意性地表示)，活塞150进行往复运动(在图1中由双向箭头M示意性地表示)。通过灯笼架205中的通孔209，使后腔200并因此使隔膜170的后表面保持在大气压下。具体地讲，图2示出采用上述头部构型，也就是在吸入高度hasp为正值时的现有技术干隔膜式计量泵100，其中吸入高度hasp等于泵100的吸入口230(通常包括单向阀)高度h1与贮槽220内液体190的液面高度h2之间的差值：
hasp＝h1–h2>0
图3示意性地示出图1和图2中泵100的典型操作，其中：
-图3a示出当吸入口230(其中液流由穿过吸入口230的箭头示意性地表示)的液体190吸入阶段开始时，活塞150(其由于弹簧210所施加的力而产生的运动由箭头A示意性地指示)复位及因此板160和隔膜170复位的初期阶段；
-图3b示出吸入阶段结束时(即，输送阶段前一刻)泵100的其余构件的暂时状态；以及
-图3c示出当从出口240(通常包括单向阀；液流由穿过出口240的箭头示意性地表示)输送出液体190的阶段开始时，活塞150(其由于凸轮110施加的力而产生的运动由箭头B示意性地指示)及因此板160和隔膜170朝向前腔180的初期推进阶段。
具体地讲，在图3中，吸入口230处的箭头和输出口240处的箭头示意性地表示相应阀的两部分之间的压力差。
很明显，隔膜170在吸入过程中(即，图3a所示的板160复位过程中)外翻，这是因为尽管已排空后腔200内所含的空气(即，尽管空气被泵送到灯笼架205的外部)，但作用于隔膜170后表面的后压力ppost等于环境压力Patm，并且高于前腔180上作用于隔膜170前表面的压力pant：
ppost＝Patm>pant
相反，由于泵主体185的前腔180内作用于隔膜170前表面的压力pant等于泵100下游的回路250的反压力，而该反压力高于作用到隔膜170后表面的同样等于环境压力Patm的后压力ppost，因此虽然从外部将空气抽向灯笼架205的后腔200(即，虽然存在从灯笼架205外部吸入空气的情况)，但在输送阶段中(即，图3c所示的板160推进阶段中)隔膜170发生屈曲。
具有凸轮或偏心机构和复位弹簧的现有技术干隔膜式泵存在一些缺陷。
首先，这类泵极大地限制了部件在往复运动中可能具有的速度和加速度。实际上，过高的速度和/或加速度不能保证厚片140与凸轮110(或偏心轮)之间的接触，反而会达到所谓的“运动损失”状态，造成厚片140与凸轮110(或偏心轮)之间的碰撞，因此对泵100的部件造成磨损并产生高噪声。这些缺陷在吸入阶段尤为显著。
而且，如图4示意性地示出，由于作用于同一隔膜170前表面和后表面的压力差造成合力方向逆转，使得隔膜170发生压力波动现象：泵的容积效率根据图中由虚线体积260示意性地指示的液体量的相关百分比而降低，该液体量由屈曲构型和外翻构型的隔膜170来限定，借此在输送阶段开始时，板160移动部分冲程而不产生任何流动。这就导致泵效率随时间而降低，隔膜170的使用寿命缩短并且泵需要针对更换同一隔膜170的频繁维护操作。
所有上述缺陷在泵的上述头部构型(如图2所示)中更为突出。
对于具有复位弹簧的柱塞式计量泵，机构未设置任何隔膜，但活塞头部自身形成泵主体前腔的可移动壁；活塞通过穿过密封装置而进行往复运动，该密封装置密封前腔以防止液体(或其他流体)进入后腔，在后腔中存在空气并通过灯笼架的通孔与外部连通，这类似于图1至图4的干隔膜式计量泵100。
甚至现有技术柱塞式计量泵在往复运动部件可能具有的速度和加速度方面也存在显著的局限性问题，要不然就会出现“运动损失”状态。
在现有技术下，已经提出了一些解决方案来解决干隔膜式泵和柱塞式泵的上述缺陷，尤其是减少机械部件的磨损；这些解决方案中的一些公布于文档GB 543138A、GB1233351A、US 3715174A、GB 1503122A和US 2012079718A1中。然而，此类解决方案采用的是使泵变得复杂且昂贵的技术措施，而且并不能完全解决上文所述的缺点。
因此，本发明的目的在于允许以一种简单、可靠、有效且低成本的方式提高干隔膜式或柱塞式自校准复位弹簧泵的机械部件的速度和加速度，同时减少这些机械部件的损耗和泵操作过程中产生的噪声，提高泵效率并降低维护干预的需要。
本发明的具体主题是一种自校准复位弹簧泵，具体地讲是一种自校准复位弹簧计量泵，该泵被构造成在可变容积前腔中进行流体的体积泵送，该自校准泵设置有容纳于灯笼架中的后腔和可移动机械装置，该可移动机械装置用于形成后腔的可移动壁并在所述可移动机械装置与凸轮或偏心机械装置相互作用时引起后腔的可移动壁进行往复运动，前腔被构造成在后腔容积减小时增大容积，反之亦然，该泵还包括用于使所述可移动机械装置弹性复位的弹性装置，该泵的特征在于后腔设置有单向阀装置，该单向阀装置被构造成仅允许空气从后腔流到灯笼架外部，后腔由可移动壁、密封装置、灯笼架内壁和所述单向阀装置密封并限定，由此后腔内的压力ppost被保持为不高于灯笼架外的环境压力Patm且不高于前腔内的压力pant。
根据本发明的另一个方面，所述单向阀装置可包括容纳在灯笼架的至少一个相应孔内的至少一个单向阀，该孔被构造成使后腔与灯笼架的外部连通。
根据本发明的另一个方面，限定后腔的所述密封装置可包括容纳于灯笼架空间内的至少一个后密封垫圈，其中所述可移动机械装置被构造成进行所述往复运动。
根据本发明的另一个方面，所述可移动机械装置可包括整体连接到活塞上的厚片，该活塞被构造成能够在厚片与所述凸轮或偏心机械装置相互作用时进行往复运动。
根据本发明的另一个方面，用于弹性复位的所述弹性装置可插置在厚片与灯笼架壁之间，并且可被构造成在厚片上施加弹力，从而使活塞朝向所述凸轮或偏心机械装置复位。
根据本发明的另一个方面，用于弹性复位的所述弹性装置可包括弹簧，优选地包括预紧弹簧。
根据本发明的另一个方面，泵可为干隔膜式泵，并且所述可移动机械装置可包括整体连接到形成后腔可移动壁的隔膜上的板，所述隔膜进一步形成前腔的可移动壁。
根据本发明的另一个方面，该板可整体连接到活塞上。
根据本发明的另一个方面，泵可为柱塞式泵，并且所述可移动机械装置可包括形成后腔可移动壁的活塞头部，该头部进一步形成前腔的可移动壁，所述密封装置限定包括围绕头部的前垫圈的后腔。
根据本发明的另一个方面，头部可整体连接到活塞上。
根据本发明的自校准复位弹簧泵所具有的优势很明显。
首先，降低了凸轮机构对泵操作的影响，因此即使在高操作速度和/或加速度下，泵也具有更少的噪声和更小的机械应力。具体地讲，相对于外部环境压力，凸轮机构不会受到任何由后腔内的凹陷产生的额外力的影响，因为这个力会在泵主体和灯笼架上释放。
同样，对于干隔膜式泵，由于在前表面与后表面之间存在的压力差较小，并且未发生压力波动现象，因此隔膜受到保护。
此外，通过优化后腔中的压缩比，甚至得益于干隔膜式泵中压力波动现象的消除，可以提高容量效率、改进启动行为、使上述头部吸入(在复位弹簧的相同预紧力下)具有更高的可能高度并在吸入高度变化时减少流动损失。
现在将根据优选实施例，尤其是通过参考附图，以举例说明而非限制的方式描述本发明，其中：
图1示出现有技术干隔膜式计量泵的活塞的复位机构的示意性剖视图；
图2示出采用上述头部构型的现有技术干隔膜式泵的示意性剖视图；
图3示出图2的计量泵的三个操作阶段的三个示意性剖视图；
图4示出图2的泵的隔膜的具体例子的示意性剖视图；
图5示出根据本发明的自校准复位弹簧泵的优选实施例的三个操作阶段的三个示意性剖视图；
图6示出在分别根据现有技术(图6a)和根据本发明(图6b)的干隔膜式计量泵上进行的测试的一些结果；
图7示出图5的泵的具体例子的示意性剖视图；以及
图8示出根据本发明的自校准复位弹簧泵的另一个实施例的三个操作阶段的三个示意性剖视图。
在附图中，相同的附图标号将用于类似的元件。
参见图5，可观察到，根据本发明的自校准复位弹簧泵的优选实施例为干隔膜式计量泵300。相对于图1至图4的现有技术干隔膜式泵，泵300的不同之处在于其设置有容纳于灯笼架205的通孔209中的单向阀310，该单向阀被构造成仅允许空气从后腔320流到外部(而不是反过来)；后腔320由容纳于空间270中的后密封垫圈330密封，在该空间270中，活塞150进行往复运动，由此后腔320由部分整体连接到板160的隔膜170(的后表面)限定，隔膜通过后密封垫圈330、灯笼架205的内壁和单向阀310构成后腔的可移动壁。图5的泵300的其他元件与图1至图4的泵100的相应元件相似。
具体地讲，图5示意性地示出泵300的不同操作阶段，其中：
-图5a示出当吸入口230(其中液流由穿过吸入口230的箭头示意性地表示)的液体190吸入阶段开始时，活塞150(其由于弹簧(类似于图1的弹簧210)所施加的力而产生的运动由箭头A示意性地指示)复位及因此板160和隔膜170复位的初期阶段；
-图5b示出吸入阶段结束时(即，输送阶段前一刻)泵300的其余构件的暂时状态；以及
-图5c示出当从出口240(其中液流由穿过出口240的箭头示意性地表示)输送出液体190的阶段开始时，活塞150(其由于凸轮(类似于图1的凸轮110)施加的力而产生的运动由箭头B示意性地指示)及因此板160和隔膜170朝向前腔180的初期推进阶段。
另外，在图5中，吸入口230处的箭头和输出口240处的箭头示意性地表示相应阀的两部分之间的压力差。
显然，每次当作用于隔膜170后表面的后压力ppost趋于高于环境压力Patm时，后腔320内包含的空气将会通过阀310排出。
这使得当吸入阶段结束(图5b)时，作用于隔膜170后表面的后压力ppost约等于环境压力Patm：
Ppost≈Pant
在输送阶段(即，在图5c所示的板160的推进阶段中)，后压力ppost从约等于环境压力Patm的值减小到当板到达图5a所示位置时达到的最小值，然后在吸入阶段中从该最小值再次增大至约等于环境压力Patm的值；具体地讲，该最小值根据泵操作状态而变化，主要根据空气和/或泵温度而变化。
仅允许空气从后腔320退出到外部的单向阀310使得泵300进行自校准，因为它使作用于隔膜170后表面的后压力ppost维持不高于前腔180内作用于隔膜170前表面的压力：
Ppost≤pant
换句话讲，每当必要时，具体地讲在泵通电时、在加热泵或环境时以及在包含隔膜170更换的常规维护时，单向阀310防止在隔膜170后表面上产生正压力(相对于作用于隔膜170前表面的压力pant)。
在吸入阶段中，由“真空”(或者更好的是由低于前压力ppant且不高于环境压力Patm的后压力ppost)产生的回缩力根据板的位置而变化，并有效地帮助板160和隔膜170以及复位弹簧(在现有技术干隔膜式泵中则是单独起作用)复位。
具体地讲，本发明人对可购自赛高公司(Seko S.p.A.)的干隔膜式计量泵进行了一些测试，并确认由“真空”产生的回缩力可达到约800N的峰值。
图6a和图6b示出在对赛高公司(Seko S.p.A.)的计量泵MS1C165C进行的测试中，通过电位计和压力传感器由示波器检测到的行为，其中活塞冲程为6mm，采用上述头部构型且hasp＝1.5mm，操作速度为3.9冲程/秒(等于232spm-冲程/分钟)，后腔分别未设置(参见图3)和设置有(参见图5)包括根据本发明教导内容的单向阀310的构造。图6a示出(针对后腔中未设置根据本发明的构造的泵，如图3所示)板160的位置的模式600，该模式在吸入阶段不沿循凸轮110位置的模式610。图6b示出(针对后腔中设置有根据本发明的构造的泵，如图5所示)板160位置的模式620，该模式始终沿循凸轮110位置的模式和后腔320的作用于隔膜170后表面的后压力ppost(称为环境压力Patm)的模式630。
此外，凸轮机构对所获得的操作的影响减小，因此，即使在高操作速度和/或加速度下，例如在39冲程/秒(232spm-冲程/分钟)下操作，噪声和机械应力也会减小。
具体地讲，相对于外部环境压力Patm，凸轮机构不会受到任何由后腔320内的凹陷产生的额外力的影响，因为这个力会在泵主体185和灯笼架205上释放，如图7中的箭头示意性地示出。
同样，由于在前表面与后表面之间存在的压力差较小，并且未发生压力波动现象，因此隔膜170得到保护。
此外，通过优化后腔中的压缩比，甚至得益于压力波动现象的消除，可提高容量效率(本发明人已通过测试确认，至少达到10％)、改进启动行为、使上述头部吸入(在复位弹簧的相同预紧力下)具有更高的可能高度并在吸入高度变化时减少流动损失(本发明人已通过测试确认，每米水柱的流动损失可减少达2％的最大值)。
参见图8，可观察到根据本发明的自校准复位弹簧泵的另一个实施例为柱塞式计量泵400，相对于图5的干隔膜式计量泵300，柱塞式计量泵400未设置任何隔膜，但其中泵主体185的前腔180的可移动壁由活塞150的头部340形成；活塞150穿过密封装置进行往复运动，在图8中由容纳于灯笼架205前端部分中并围绕头部340的前密封垫圈350表示，该前密封垫圈密封前腔180以防止液体190(或其他流体)进入后腔320。与图5的干隔膜式计量泵300类似，甚至柱塞式泵400也设置有容纳于灯笼架205的通孔209中的单向阀310，该单向阀被构造成仅允许空气从后腔320流到外部(而不是反过来)，后腔320由容纳于空间270中的后密封垫圈330密封，在该空间270中活塞150进行往复运动，由此后腔320由活塞150的头部340(的后表面)(其中头部340构成后腔320的可移动壁)、前密封垫圈350和后密封垫圈330、灯笼架205的内壁和单向阀310限定。图8的泵400的其他元件与图5的泵300的相应元件相似。
具体地讲，图8示意性地示出泵300的不同操作阶段，其中：
-图8a示出当吸入口230(其中液流由穿过吸入口230的箭头示意性地表示)的液体190吸入阶段开始时，活塞150(其由于弹簧(类似于图1的弹簧210)所施加的力而产生的运动由箭头A示意性地指示)复位及因此头部340复位的初期阶段；
-图8b示出吸入阶段结束时(即，输送阶段前一刻)泵400的其余构件的暂时状态；以及
-图8c示出当从出口240(其中液流由穿过出口240的箭头示意性地表示)输送出液体190的阶段开始时，活塞150(其由于凸轮(类似于图1的凸轮110)施加的力而产生的运动由箭头B示意性地指示)及因此头部340朝向前腔180的初期推进阶段。
同样，在图8中，吸入口230处的箭头和输出口240处的箭头示意性地表示相应阀的两部分之间的压力差。
即使对于具有复位弹簧机构的柱塞式计量泵400，也获得了干隔膜式泵300的相同优点(与隔膜相关的优点除外，例如压力波动)。
根据本发明的自校准复位弹簧泵的其他实施例可包括机械装置，该机械装置被构造成在与凸轮或偏心机械装置相互作用时进行往复运动以形成后腔320的可移动壁，不同于厚片140和活塞150，并且不同于图5的构造中的隔膜170，或者不同于图8的活塞150的头部340，但仍然属于本发明保护范围；以举例但非限制的方式来讲，单个活塞150可替换为连杆和/或齿轮，并且/或者图5的构造中的单个隔膜170可替换为两个或更多个隔膜或替换为一个隔膜和一个或多个壁或板。另外，凸轮或偏心机械装置可以不同于图1所示那些。此外，在图8的构造中，密封前腔180以防止液体190(或其他流体)进入后腔320的密封装置可不同于包括容纳于灯笼架205前端部分中并围绕头部340的单个前密封垫圈350的构造；以举例但非限制的方式来讲，这种密封装置可以是两个或更多个垫圈，并且/或者前密封垫圈350可容纳于头部340侧表面上的凹槽(并且该凹槽围绕头部340)中且因此可与头部一起移动。
根据本发明的自校准复位弹簧泵的另外实施例可包括不同于弹簧(在图1中以附图标号210示意性地表示)的用于使活塞150弹性复位的弹性装置。
根据本发明的自校准复位弹簧泵的其他实施例可包括其他被构造成仅允许空气从后腔320流到外部(而不是反过来)的单向阀装置，该单向阀装置甚至不同于容纳于灯笼架205的通孔209中的单向阀310。
上文中描述了本发明的优选实施例并建议了多个变型形式，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明保护范围的前提下，本领域的技术人员可以做出修改和改动。

Claims (12)

1.一种自校准复位弹簧泵(300；400)，所述泵被构造成在可变容积前腔(180)中进行流体(190)的体积泵送，所述自校准复位弹簧泵(300；400)设置有容纳于灯笼架(205)中的后腔和可移动机械装置(140，150，160；140；150)，所述可移动机械装置用于形成所述后腔(320)的可移动壁(170；340)并在所述可移动机械装置(140，150，160；140；150)与凸轮或偏心机械装置(110)相互作用时引起所述后腔(320)的所述可移动壁(170；340)进行往复运动，所述前腔(180)被构造成在所述后腔容积减小时增大容积，反之亦然，所述泵还包括用于使所述可移动机械装置(140，150，160；140；150)弹性复位的弹性装置(210)，所述泵的特征在于所述后腔(320)设置有单向阀装置(310)，所述单向阀装置被构造成仅允许空气从所述后腔(320)流到所述灯笼架(205)的外部，所述后腔(320)由所述可移动壁(170；340)、密封装置(330；350)、所述灯笼架(205)的内壁和所述单向阀装置(310)密封并限定，由此所述后腔(320)内的压力ppost被保持为不高于所述灯笼架(205)外的环境压力Patm并且不高于所述前腔(180)内的压力pant。
2.根据权利要求1所述的泵(300；400)，其特征在于所述单向阀装置包括容纳于所述灯笼架(205)的至少一个相应孔(209)内的至少一个单向阀(310)，所述孔被构造成使所述后腔(320)与所述灯笼架(205)的外部连通。
3.根据权利要求1所述的泵(300；400)，其特征在于限定所述后腔(320)的所述密封装置包括容纳于所述灯笼架的空间(270)内的至少一个后密封垫圈(330)，所述可移动机械装置(140，150，160；140；150)被构造成在所述空间中进行所述往复运动。
4.根据权利要求1所述的泵(300；400)，其特征在于所述可移动机械装置包括整体连接到活塞(150)的厚片(140)，所述活塞被构造成在所述厚片(140)与所述凸轮或偏心机械装置(110)相互作用时进行往复运动。
5.根据权利要求4所述的泵(300；400)，其特征在于用于弹性复位的所述弹性装置(210)插置在所述厚片(140)与所述灯笼架(205)的壁之间并且被构造成在所述厚片(140)上施加弹力，从而使所述活塞(150)朝向所述凸轮或偏心机械装置(110)复位。
6.根据权利要求5所述的泵(300；400)，其特征在于用于弹性复位的所述弹性装置(210)包括弹簧(210)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其特征在于所述泵为干隔膜式泵(300)并且所述可移动机械装置包括整体连接到形成所述后腔(320)的所述可移动壁(170；340)的隔膜(170)上的厚片(160)，所述隔膜(170)进一步形成所述前腔(180)的可移动壁。
8.根据权利要求4所述的泵(300)，其特征在于所述泵为干隔膜式泵(300)并且所述可移动机械装置包括整体连接到形成所述后腔(320)的所述可移动壁(170；340)的隔膜(170)上的厚片(160)，所述隔膜(170)进一步形成所述前腔(180)的可移动壁，所述厚片(160)整体连接到所述活塞(150)上。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的泵，其特征在于所述泵为柱塞式泵(400)并且所述可移动机械装置包括形成所述后腔(320)的所述可移动壁(170；340)的活塞头部(340)，所述头部(340)进一步形成所述前腔(180)的可移动壁，所述密封装置限定包括围绕所述头部(340)的前垫圈(350)的所述后腔(320)。
10.根据权利要求8所述的泵(300)，其特征在于所述头部(340)整体连接到所述活塞(150)上。
11.根据权利要求1所述的泵(300；400)，其特征在于，所述泵是一种自校准复位弹簧计量泵。
12.根据权利要求6所述的泵(300；400)，其特征在于，所述弹簧(210)是预紧弹簧。
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