DE102012005297A1 - Verdichtereinheit, sowie Verdichter - Google Patents

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Abstract

Verdichtereinheit (12) eines Verdichters (10) zum Verdichten von Kältemittel mit einer Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebswelle (24), zum Antreiben von einem oder mehreren in einer radialen Richtung angeordneten und in korrespondierenden Zylinderbohrungen (16) in Aus- und Einrückbewegungen hin- und herbewegbaren Kolben (14), wobei die Antriebsvorrichtung mit einem Exzenter (28) in Wirkeingriff steht, der die Ausrückbewegung der Kolben (14) steuert, wobei der Exzenter (28) auch die Einrückbewegeung der Kolben (14) steuert, sowie entsprechender Verdichter (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichtereinheit für einen Verdichter zum Verdichten von insbesondere Kältemittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie einen entsprechenden Verdichter, insbesondere Radialkolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
  • Aufgrund eines mittlerweile global ausgebildeten Handels mit Waren, unter denen sich zunehmend Waren befinden, welche beim Transport einer Kühlung bedürfen und auch aufgrund zunehmender Komfortbedürfnisse der Menschen erhöht sich der Bedarf an Kälteanlagen, und somit insbesondere der Bedarf an Verdichtereinheiten und Verdichtern, welche die Kälte für die vorstehend genannten Kälteanlagen liefern, stetig. In Zeiten, in denen Energieressourcen teuer sind und weiterhin nicht zuletzt aufgrund umweltpolitischer Aspekte ein möglichst geringer Energieverbrauch anzustreben ist, sind Bestrebungen im Gange, Kältemittelverdichter räumlich so klein wie möglich, konstruktiv so einfach wie möglich und auch bezüglich des Gewichts so gewichtssparend wie möglich zu konstruieren. Weiterhin ist es ein Ziel, entsprechende Verdichter für einen Einsatz mit umweltfreundlichen Kältemitteln, wie beispielsweise CO2 als Kältemittel (Kältemittel R744) auszulegen, um dadurch eine Verwendung von fluorkohlenwasserstoffhaltigen Kältemitteln einschränken zu können.
  • Ein Radialkolbenverdichter, der für CO2 als Kältemittel ausgelegt ist, ist beispielsweise aus der EP 1 552 291 B1 bekannt, die eine Hubkolbenmaschine in Form eines Radialkolbenverdichters mit einer Verdichtereinheit mit ringförmig nebeneinander angeordneten, radial gerichteten Kolben-Zylinder-Einheiten und mit einer Exzenterwelle offenbart. Die Exzenterwelle erstreckt sich durch einen die Zylinder einschließenden Gehäusekörper eines Maschinengehäuses und der Exzenter derselben steuert den Auswärtshub der Kolben. Der Einwärtshub der Kolben wird durch einen gemeinsamen in die Kolben eingreifenden Steuerring gesteuert bzw. veranlasst. Der Eingriff des Steuerrings erfolgt in eine seitliche, in Richtung einer Sekante verlaufende, einer Querschnittsform des Steuerrings angepasste Aussparung jedes Kolbens, die eine Bodenwand des Kolbens begrenzt, wobei der Steuerring über eine innere Steuerfläche mit dieser Bodenwand in steuerndem Gleitkontakt steht.
  • Dieser Aufbau eines Radialkolbenverdichters gemäß der EP 1 553 291 B1 stellt sich relativ kompliziert dar. Weiterhin gleitet der gemäß der EP 1 553 291 B1 für die Rückholbewegung der Kolben mehreckige (sechseckige) Rückholring in Kolbennuten senkrecht zu der Zugrichtung. Daraus resultiert neben einer Begrenzung der verfügbaren bzw. anwendbaren Rückholkräfte auch eine Tendenz des Rings zum Verkanten. Die vorstehend beschriebene Konstruktion stellt zudem eine Anordnung dar, die für einen ”einseitigen” Eingriff des Rückholrings in die Kolbennuten und somit auch für einseitige Materialbelastungen sorgt. Insbesondere für mehrstufige Verdichter, bei denen hohe Rückholkräfte nötig sind, wird zudem ein Rückholmechanismus benötigt, der den entsprechenden Kräften auch standhalten kann.
  • Ausgehend vom vorstehend diskutierten Stand der Technik ist es demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichtereinheit eines Verdichters zum Verdichten von Kältemittel anzugeben, die im Vergleich zu den Verdichtereinheiten gemäß dem Stand der Technik universell einsetzbar ist, relativ einfach konstruiert ist und damit auch kostengünstig in der Herstellung ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Verdichter anzugeben
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verdichtereinheit gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der Aspekt der Aufgabenstellung, der einen Verdichter betrifft, wird durch einen Verdichter gemäß Anspruch 8 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist eine entsprechende Verdichtereinheit, welche zum Verdichten von Kältemittel vorgesehen ist, eine Antriebsvorrichtung in Form einer Antriebswelle auf, welche zum Antreiben von einem oder mehreren in einer radialen Richtung angeordneten Kolben vorgesehen ist. Die Kolben sind in korrespondierenden Zylinderbohrungen in Aus- und Einrückbewegungen hin- und herbewegbar. Die Ausrückbewegungen finden dabei in der radial nach außen gerichteten Richtung statt, während die Einrückbewegungen eine Bewegung der Kolben hin zur radialen Mitte bedeuten. Die Zylinderbohrungen sind ebenfalls in der radialen Richtung angeordnet, insbesondere mit einer Zylinderbohrungsmittelachse, die in der radialen Richtung angeordnet ist. Die Antriebsvorrichtung (Antriebswelle) steht mit einem Exzenter in Wirkeingriff, der die Ausrückbewegung der Kolben steuert, d. h. die Kolben durch seine entsprechende exzentrische Bewegung in einer beliebigen Art und Weise in eine radial nach außen gerichtete Richtung bewegt (Ausrückbewegung). Der Exzenter kann optional integral mit der Antriebswelle ausgebildet und/oder Bestandteil derselben sein. Weiterhin steuert der Exzenter erfindungsgemäß auch die Einrückbewegung der Kolben, was bedeutet, dass der Exzenter auch für ein „Zurückziehen” der Kolben in Richtung der radialen Mitte hin verantwortlich ist. D. h. der Exzenter bewegt die Kolben durch seine entsprechende exzentrische Bewegung auch in einer beliebigen Art und Weise in eine radial nach innen gerichtete Richtung bzw. ist für die radial nach innen gerichtete Bewegung kausal verantwortlich, wie er dies auch für die nach außen gerichtete Bewegung ist.
  • In anderen Worten gesagt weist eine Verdichtereinheit eines Verdichters zum Verdichten von Kältemittel mit einer Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebswelle, zum Antreiben von einem oder mehreren in einer radialen Richtung angeordneten und in korrespondierenden Zylinderbohrungen in Aus- und Einrückbewegungen hin- und herbewegbaren Kolben eine Vorrichtung zum Durchführen einer Ausrückbewegung der Kolben und eine Vorrichtung zum Durchführen der Einrückbewegung der Kolben auf, welche beide durch den Exzenter gesteuert bzw. angetrieben werden. In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Durchführen einer Ausrückbewegung der Kolben identisch mit der Vorrichtung zum Durchführen der Einrückbewegung der Kolben. Denkbar wäre in diesem Fall beispielsweise eine Verbindung zwischen einem jeweiligen Kolben und dem Exzenter, beispielsweise mittels einer insbesondere starren Verbindung, welche beispielsweise in Form eines Pleuels realisiert sein kann, und welche die Bewegung des Exzenters vollständig auf den Kolben überträgt.
  • Dies stellt eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte und insbesondere robuste und somit wenig fehleranfällige Lösung für eine Verdichtereinheit und auch einen entsprechenden Verdichter dar.
  • Der Exzenter der Verdichtereinheit weist vorzugsweise einen Exzenter-Wirkabschnitt auf, über welchen er mit einem oder mehreren Pleueln, insbesondere Pleuel-Wirkabschnitten der jeweiligen Pleuel in Wirkeingriff steht.
  • Der Exzenter-Wirkabschnitt weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, die Pleuel-Wirkabschnitte weisen vorzugsweise eine hierzu korrespondierende kreissegmentartige Ausbildung an ihrer dem Exzenter-Wirkabschnitt zugewandten Seite auf. In einer möglichen Ausführungsform ist zwischen dem Pleuel-Wirkabschnitt und dem Exzenter-Wirkabschnitt ein Lager, insbesondere ein Nadellager angeordnet, was für einen möglichst reibungsarmen und somit Energieverlust-armen Antrieb der Pleuel und der mit diesen in Wirkeingriff stehenden Kolben sorgt.
  • In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform sind die Pleuel-Wirkabschnitte auf einer Kreisbahn um den Exzenter-Wirkabschnitt angeordnet. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere auch für die obenstehend erwähnte Anordnung eines Lagers, insbesondere eines Nadellagers zwischen den beiden Wirkabschnitten.
  • Hinsichtlich des einen Verdichter betreffenden Aspekts der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung sei auf Patentanspruch 8 verwiesen, in dem ein entsprechender Verdichter angegeben ist, wobei weitere mögliche Ausführungsformen in den von diesen abhängigen Ansprüchen beschrieben sind. Der Verdichter weist die Vorteile und Merkmale auf, welche bereits im Zusammenhang mit der die erfindungsgemäße Aufgabenstellung lösenden Verdichtungseinheit beschrieben wurden.
  • Es sei an dieser Stelle auf die Unterscheidung zwischen Verdichtereinheit und Verdichter eingegangen. In einer einfachen Form kann die in der vorliegenden Anmeldung als Verdichtereinheit bezeichnete Vorrichtung einen Verdichter darstellen. Dies wäre beispielsweise bei einem offenen Verdichter der Fall, welcher durch eine externe Antriebsquelle einen Antrieb für die Antriebsvorrichtung, beispielsweise Antriebswelle der Verdichtereinheit zur Verfügung stellt. Da jedoch oftmals, wenn von einem Verdichter gesprochen wird, auch ein entsprechender Motor und ggf. hermetisch abgedichtete Gehäusebauteile etc. dem Verdichter zugeordnet werden, ist zur Verdeutlichung im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zwischen einem Verdichter, der in der einfachsten Ausführungsform identisch mit der Verdichtereinheit sein kann, aber auch weitere Bestandteile aufweisen kann, und einer Verdichtereinheit, die ausschließlich der Verdichtung eines Fluids, insbesondere Kältemittels dient, unterschieden.
  • Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters, geschnitten senkrecht zur axialen Richtung;
  • 2 eine weitere Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Verdichters, geschnitten parallel zu der axialen Richtung; und
  • In 1 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters 10 dargestellt, wobei der Schnitt im Bereich einer Verdichtereinheit 12 des erfindungsgemäßen Verdichters 10 senkrecht zu einer axialen Richtung vorgenommen ist.
  • Wie 1 entnommen werden kann, weist eine erfindungsgemäße Verdichtereinheit 12 sechs Kolben 14 auf, welche in einer radialen Richtung hin- und herbewegbar in entsprechenden Zylinderbohrungen bzw. Zylinderbuchsen 16 angeordnet sind. Die Zylinderbohrungen bzw. Zylinderbuchsen 16 selbst sind als entsprechende Aussparungen in einem Zylinderblock 18, ausgebildet. Die Kolben 14 sind, wie vorstehend bereits erwähnt ist, in der radialen Richtung hin- und herbewegbar ausgebildet. Bei dieser Hin- und Herbewegung seien in der Folge eine Ausrückbewegung und eine Einrückbewegung unterschieden, wobei die Ausrückbewegung in die radial nach außen gerichtete Richtung (verdeutlicht durch Pfeil 20) und die Einrückbewegung in eine radial nach innen gerichtete Richtung (verdeutlicht durch Pfeil 22) gerichtet ist. Die Verdichtereinheit 12 dient zum Verdichten von Kältemittel, wobei es sich in den anbei beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen vorzugsweise um R744 (CO2) als Kältemittel handelt. Es sei jedoch angemerkt, dass auch eine Verwendung jeglichen anderen Kältemittels (beispielsweise R134a, etc.) denkbar ist.
  • Ferner weist die erfindungsgemäße Verdichtereinheit 12 eine Antriebsvorrichtung in Form einer Antriebswelle 24 (vgl. hierzu z. B. 2) auf, mittels welcher die Verdichtereinheit 12 angetrieben werden kann. Die Antriebswelle ist in der beschriebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters 10 mit einem Elektromotor (nicht dargestellt) gekoppelt, kann jedoch in alternativen Ausführungsformen auch mit einer entsprechenden Riementriebvorrichtung oder einer anderweitigen Vorrichtung gekoppelt sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die axiale Erstreckung der Antriebswelle 24 je nach vorgesehener Verwendung auch deutlich kürzer sein kann als in der in den Figuren dargestellten Ausführungsform, in welcher die Antriebswelle 24 mit dem Elektromotor in Wirkeingriff steht und sich durch diesen hindurch erstreckt.
  • Im Rahmen der Aus- und Einrückbewegungen der Kolben wird Kältemittel bei einer Einrückbewegung der Kolben 14 in die Zylinderbohrungen bzw. Zylinderbuchsen 16 eingesaugt, bei einer Durchführung der Ausrückbewegung verdichtet und dann ausgestoßen.
  • Die Antriebsvorrichtung in Form der Antriebswelle 24 steht mit einem Exzenter 28 in Wirkeingriff. Genauer gesagt ist die Antriebswelle 24 in einem entsprechenden Bereich (Exzenterabschnitt der Antriebswelle 24) exzentrisch ausgebildet. Der Exzenter 28 ist damit integral und einstückig mit und an der Antriebswelle 24 ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen kann der Exzenter 28 auch als separates Bauteil ausgebildet und an der Antriebswelle 24 befestigt, insbesondere angelenkt oder entsprechend gelagert sein.
  • Der Exzenter 28 weist, senkrecht zu der axialen Richtung geschnitten, einen kreisförmigen Querschnitt und radial nach außen gerichtete Exzenter-Flächen 30 auf, die in einem Bereich eines Exzenter-Wirkabschnitts 32 angeordnet sind. Der Exzenter-Wirkabschnitt 32 dient dem Antrieb der Kolben 14 und steht mit diesen jeweils über ein jedem Kolben 14 zugeordnetes Pleuel 34 in Wirkeingriff. Hierzu sind die Pleuel 34 mittels Pleuelaugen 36, die an den den Kolben 14 zugewandten Seiten der Pleuel 34 ausgebildet sind, an den Kolben 14 angelenkt.
  • Auf der dem Exzenter 28 zugewandten Seite weisen die Pleuel 34 einen Pleuel-Wirkabschnitt 38 auf, der dem Wirkeingriff mit dem Exzenter 28 dient. Der Exzenter 28 steht mit den Pleuel-Wirkabschnitten 38 über ein Lager in Form eines Nadellagers 40 in Wirkeingrif, welches am Exzenter-Wirkabschnitt 32 (kreisförmiger Querschnitt) und dort auf der Exzenter-Fäche 30 angeordnet (eingepaßt) ist. Alternativ zum Nadellager 40 sind andere Lager, insbesondere Gleitlager oder Wälzlager in jeglicher möglicher Ausbildung denkbar.
  • Das Lager 40 sorgt für einen reibungsarmen Übertrag und eine Umwandlung der Bewegung (Drehbewegung) des Exzenters 28 in eine in radialer Richtung gerichtete Bewegung einer Pleuel-Wirkabschnitt-Aufnahme 42, die mit dem Lager mittels einer entsprechenden Passung in Wirkeingriff steht. Die entsprechende Bewegung in radialer Richtung wird dann entsprechend auf die Pleuel 34 und die daran angelenkten Kolben 14 übertragen. Die zu dem kreisförmigen Außenumfang des Lagers 40 korrespondierend ausgebildeten Pleuel-Wirkabschnitte 38, welche an ihrer dem Lager 40 zugewandten Seite kreissegmentartig ausgebildet sind, weisen hierzu an ihrem dem Lager zugewandten Ende eine in axialer Richtung verbreiterte Ausdehnung auf, so dass sie mittels zweier, im Querschnitt L-förmig ausgebildeter Schalen 44, die die Pleuel-Wirkabschnitt-Aufnahme 42 bilden, sicher am Lager 40 angeordnet sind. Die Pleuel-Wirkabschnitte aller Pleuel 34 sind auf einer Kreisbahn um den Exzenter 28 und damit auch um den Exzenter-Wirkabschnitt 32 angeordnet, welche mit demselben konzentrisch ist.
  • Aufgrund dessen, dass der Pendelpunkt der Vorrichtung aufgrund der Verwendung des Exzenters azentrisch angeordnet ist, kann durch die vorliegende Konstruktion, in der kreissegmentartige Pleuel-Wirkabschnitte zum Einsatz kommen und die Pleuel somit in Ihrer Bewegung voneinander entkoppelt sind, im Bereich der jeweiligen Kolben eine jeweils unterschiedliche Bewegung erfolgen. Wären die Pleuel starr gekoppelt, so käme es zu einem Fehler in der Hubbewegung und somit zu einem erhöhten Schadraum im Bereich der Kolben, die dem Pendelpunkt fern liegen.
  • Es bleibt noch anzumerken, dass die vorstehend beschriebene Ausführungsform des Verdichters 10 den Elektromotor 26 zum Antrieb der Verdichtereinheit 12 aufweist, wobei der Elektromotor 26 mit der Antriebswelle 24 der Verdichtereinheit 12 entsprechend in Wirkeingriff steht bzw. diese antreibt. Bei dem Verdichter 10 der beschriebenen Ausführungsform handelt es sich um einen hermetisch ausgebildeten Verdichter, wobei anzumerken ist, dass das erfindungsgemäße Konzept selbstverständlich auf offene, halbhermetische, hermetische und auch anderweitig ausgebildete Verdichter anwendbar ist. Der Antrieb des Verdichters muss dabei nicht über einen Elektromotor erfolgen, sondern kann auch als Riementrieb oder eine andere Antriebsmöglichkeit, welche ggf. im Verdichter integriert ist, oder aber auch außerhalb des Verdichters gelegen ist, ausgelegt sein.
  • Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit fester Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sein.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Verdichter
    12
    Verdichtereinheit
    14
    Kolben
    16
    Zylinderbohrungen/Zylinderbuchsen
    18
    Zylinderblock
    20
    Pfeil
    22
    Pfeil
    24
    Antriebswelle
    28
    Exzenter
    30
    Exzenter-Wirkfläche
    32
    Exzenter-Wirkabschnitt
    34
    Pleuel
    36
    Pleuelauge
    38
    Pleuel-Wirkabschnitt
    40
    Nadellager
    42
    Pleuel-Wirkabschnitt-Aufnahme
    44
    Schale
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1552291 B1 [0003]
    • EP 1553291 B1 [0004, 0004]

Claims (10)

  1. Verdichtereinheit (12) eines Verdichters (10) zum Verdichten von Kältemittel mit einer Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebswelle (24), zum Antreiben von einem oder mehreren in einer radialen Richtung angeordneten und in korrespondierenden Zylinderbohrungen (16) in Aus- und Einrückbewegungen hin- und herbewegbaren Kolben (14), wobei die Antriebsvorrichtung mit einem Exzenter (28) in Wirkeingriff steht, der die Ausrückbewegung der Kolben (14) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (28) auch die Einrückbewegung der Kolben (14) steuert.
  2. Verdichtereinheit (12), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (28) einen Exzenter-Wirkabschnitt (32) aufweist, über welchen er mit einem oder mehreren Pleueln (34), insbesondere Pleuel-Wirkabschnitten (38) der jeweiligen Pleuel (34) in Wirkeingriff steht.
  3. Verdichtereinheit (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (12) für jeden Kolben (14) ein jeweils diesem zugeordnetes Pleuel (34) aufweist, das mittels eines Pleuelauges (36), welches an einer dem jeweiligen Kolben (14) zugewandten Seite des Pleuels (34) ausgebildet ist, an diesem angelenkt ist.
  4. Verdichtereinheit (12) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (12) für jeden Kolben (14) ein jeweils diesem zugeordnetes Pleuel (34) aufweist, das mittels des Pleuel-Wirkabschnitts (38), welcher an einer dem Exzenter-Wirkabschnitt (32) zugewandten Seite des Pleuels (34) ausgebildet ist, mit dem Exzenter (28) in Wirkeingriff steht.
  5. Verdichtereinheit (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter-Wirkabschnitt (32) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und/oder dass die dem Exzenter-Wirkabschnitt (32) zugewandten Seiten des Pleuels (34), insbesondere der Pleuel-Wirkabschnitt (38) kreissegmentartig ausgebildet sind.
  6. Verdichtereinheit (12) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel-Wirkabschnitte (38) auf einer Kreisbahn um den Exzenter (28), insbesondere um den Exzenter-Wirkabschnitt (32) konzentrisch zu diesem angeordnet sind.
  7. Verdichtereinheit (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pleuel-Wirkabschnitt (38) und dem Exzenter-Wirkabschnitt (32) ein Lager, insbesondere ein Nadellager (40) angeordnet ist.
  8. Verdichter (10) zum Verdichten von Kältemittel dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) eine Verdichtereinheit (12) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
  9. Verdichter (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) einen Elektromotor zum Antrieb der Verdichtereinheit (12) aufweist, wobei der Elektromotor mit der Antriebsvorrichtung, insbesondere Antriebswelle (24) der Verdichtereinheit (12) in Wirkeingriff steht.
  10. Verdichter (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) ein hermetisch ausgebildeter Verdichter (10) ist.
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