DE1108024B - Vorrichtung zum Regeln geringer Gasstroemungen - Google Patents

Vorrichtung zum Regeln geringer Gasstroemungen

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DE1108024B
DE1108024B DEC15907A DEC0015907A DE1108024B DE 1108024 B DE1108024 B DE 1108024B DE C15907 A DEC15907 A DE C15907A DE C0015907 A DEC0015907 A DE C0015907A DE 1108024 B DE1108024 B DE 1108024B
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DE
Germany
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tubular
frame
needle
screw
control
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Pending
Application number
DEC15907A
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Marie Garin
Pierre Prugne
Pierre Maurice Roubeau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
Priority to FR1108024X priority Critical
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Publication of DE1108024B publication Critical patent/DE1108024B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32Details
    • F16K1/52Means for additional adjustment of the rate of flow

Description

  • Vorrichtung zum Regeln geringer Gasströmungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln geringer Gasströmungen. Diese Aufgabe liegt z. B. bei der Speisung regelbarer Ionenquellen mit Gas oder bei der Messung der Pumpgeschwindigkeit einer Molekularpumpe vor.
  • Die Aufgabe, sehr geringe Gasmengen in einen Vakuumraum einzuführen, wurde bereits für verschiedene Gase gelöst, indem ihre Diffusion durch geeignete Stoffe ausgenutzt wird, z. B. Palladium bei Wasserstoff, wobei die von diesem Stoff abgegebene Gasmenge von der Temperatur abhängt, welcher er ausgesetzt wird. Die durch diese Methode erhaltene Durchflußmenge kann jedoch weder geregelt noch genau bestimmt werden.
  • Man hat daher versucht, Apparate herzustellen, welche durch ein physikalisches Mittel gesteuert werden, welches bequem meßbar ist und reproduzierbare Vorgänge hervorruft.
  • So hat man bei den bisher benutzten Vorrichtungen dieser Art die fehlerhafte Dichtigkeit zwischen zwei miteinander in Berührung gebrachten rauhen Körpern ausgenutzt, oder auch die relative Dehnung von zwei Teilen, z.B. eines Nadelverschlußgliedes und seines Sitzes.
  • In diesem Fall ist die Benutzung von zwei Werkstoffen mit verschiedenen linearen Ausdehnungskoeffizienten zur Bildung dieser beiden Teile mißlich, da einerseits die Durchflußmenge durch die Vorrichtung von der Umgebungstemperatur abhängig wird und da andererseits die Schließung der Vorrichtung ihre Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur bedingt, welche nur sehr wenig unterschritten werden kann, da sonst ein Teil durch den andern infolge ihrer schnell die Elastizitätsgrenzen übersteigenden Verformungen zerstört wird.
  • Es sind bereits Vorrichtungen hergestellt worden, bei welchen diese beiden Teile aus Glas bestehen, wobei die Bewegung des einen Teils gegen den anderen durch eine Differentialdehnung ihrer auf verschiedene Temperaturen gebrachten Halter erzielt wird. Bei sehr geringen Durchflußmengen haben jedoch diese Vorrichtungen nicht die erforderliche Anpassungsfähigkeit und Empfindlichkeit, und da die Einstellung ihrer Nullstellung ein für allemal vorgenommen wird, läßt ihre Dichtigkeit in der Schließstellung zu wünschen übrig.
  • Es ist auch ein Nadelventil bekannt, das insbesondere bei Anlagen zur Erzeugung von Gas durch Reaktion einer Flüssigkeit mit geeigneten Stoffen verwendet wird und das für den Durchfluß der Flüssigkeit mit konstantem Druck sorgt; eine an ihrem Ende nadelartig zugespitzte Stange ragt dabei in einen entsprechend ausgearbeiteten, am Ende eines als Ventilgehäuse dienenden Rohres befindlichen Sitz und kann mittels einer an ihrem entgegengesetzten Ende angebrachten Rändelschraube, wenn sie mit einem Außengewinde versehen und von einer entsprechenden Führung mit Innengewinde aufgenommen wird, durch Links- oder Rechtsdrehung einen größeren oder kleineren Durchtrittsquerschnitt zwischen Nadelfläche und Ventilsitzfläche freigeben.
  • Man hat auch schon bei Zerstäuberdüsen für Lackspritzpistolen die Steuerung des durch Preßluft mitgerissenen Lackzuflusses mittels einer Nadelsteuerung vorgenommen.
  • Ziel der Erfindung ist es, Vorrichtungen zur genauen Regelung geringer Gasströmungen so auszubilden, daß die Regelung ihrer Durchflußmenge anpassungsfähiger, empfindlicher und genauer als bisher ist und daß sie vollständig geschlossen werden können; außerdem soll es mit Hilfe mechanischer Mittel möglich werden, ihre Nullstellung, d. h. ihre dichte Schließung bei einer beliebigen gegebenen Temperatur einzuregeln.
  • Bei einer Vorrichtung zum Regeln geringer Gas-Strömungen unter Verwendung eines rohrförmigen Körpers, dessen eines Ende eine einen Ventilsitz aufweisende Öffnung hat, wobei in dem Körper ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes und ihm gegenüber durch mechanische Stehmittel einstellbares, als Nadel ausgebildetes Verschluß- und Regelglied angeordnet ist, ist gemäß der Erfindung das der Nadelspitze abgewandte Ende des Verschluß- und Regelgliedes axial kraftschlüssig mit dem rohrförmigen Körper verbunden; um eine genaue Einstellung der Nadelspitze gegenüber ihrem Ventilsitz bei jeder beliebigen Temperatur zu ermöglichen, wirken die mechanischen Stellmittel auf den rohrförmigen Körper ein.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist als Stellmittel beispielsweise in bekannter Weise ein Widerstandsdraht vorgesehen, der zur regelbaren Erwärmung des rohrförmigen Körpers dient und um oder in diesem angeordnet ist. Die mechanischen Stellmittel können auch aus einem rahmenartigen Gestell, in welches der rohrförmige Körper eingesetzt ist, und Regeleinrichtungen zur Längenänderung des Gestelles bestehen, so daß der rohrförmige Körper gestaucht werden kann.
  • Als Regeleinrichtung zur Längenänderung des Gestelles können Schraubanordnungen dienen. Eine solche Schraubanordnung kann aus einer Lochschraube bestehen, die mit ihrem Außengewinde in das der Nadelspitze abgewandte Ende des Gestelles einschraubbar ist und mit ihrem freien inneren Ende sich auf dem Ende des rohrförmigen Körpers abstützt.
  • Weiter kann die Schraubanordnung von einer Schraube gebildet werden, die in einen auf das Gestell etwa in der Mitte seiner Längserstreckung aufgesetzten Rahmen einschraubbar ist und sich mit ihrem freien inneren Ende auf dieser Längswand des Gestelles abstützt.
  • Der rohrförmige Körper und das als Nadel ausgebildete Verschlußglied können in bekannter Weise aus Metallen oder Legierungen mit gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und vorzugsweise aus dem gleichen Metall und der gleichen Legierung hergestellt sein.
  • Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Fig. 1 zeigt in einem Axialschnitt eine Vorrichtung nach der Erfindung, deren Nadel mechanisch und thermisch betätigt wird; Fig. 2 zeigt die gleiche Vorrichtung in schaubildlicher Darstellung; Fig. 3 bis 5 sind Diagramme, welche einige mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 erhaltene Versuchsergebnisse zeigen.
  • In Fig. 1 und 2 sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile dargestellt.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein als Nadel vorgesehenes Verschluß- und Regelglied 1 auf, welches bei 2 an den rohrförmigen Körper 3 der Vorrichtung angeschweißt ist. Diese beiden Teile bestehen aus Werkstoffen mit gleichem linearem Ausdehnungskoeffizienten und sind elastisch hinreichend verformbar und/oder Wärmeleiter, wie Metalle und Legierungen.
  • Die Nadel weist in einem Teil ihrer Länge einen Längskanal 4 auf, welcher am freien Ende zur Bildung eines Rohransatzes 5 erweitert ist. Dieser Kanal 4 mündet durch zwei seitliche Öffnungen 6 und 7 in den Hohlraum 8 des Körpers 3.
  • Der Sitz 9 ist in einem eingeschnürten Teil des Körpers 3 gebildet, welcher den Hohlraum 8 von einer einen weiteren Rohransatz 10 bildenden Ausnehmung im Körper 3 trennt.
  • Der Körper 3 ist in der Längsrichtung zwischen den beiden Endseiten 11 und 12 eines Gestells 13 eingespannt, welches aus einem Werkstoff mit dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der Körper 3 besteht. Dieses Gestell ist z. B. auf der dem Sitz 9 abgewandten Seite mit einer Lochschraube 14 versehen, welche in die Endseite 12 eingeschraubt werden und sich gegen den Körper 3 legen kann.
  • Die Wände des Gestelles zwischen den beiden Endseiten sind als zwei parallele Platten vorgesehen, die bei 15, 16, 17 und 18 so geschwächt sind, daß sie leicht verformbar sind. Sie werden in ihrem mittleren Teil von einem Rahmen 19 umgeben, dessen Preßdruck durch das Einschrauben einer Schraube 20 geregelt werden kann, deren Achse zu der des Körpers 3 senkrecht liegt.
  • Eine Drehung der Schrauben 14 und 20 hat eine Änderung der Längsabmessung des Körpers 3 zur Folge (welcher aus einem genügend elastischen Werkstoff bestehen muß), wobei die Schraube 14 auf den Körper unmittelbar und die Schraube 20 auf diesen mittelbar durch Durchbiegung der Wände des Käfigs einwirkt.
  • Diese Veränderung der Längsabmessung hat eine Veränderung des Abstandes der Zone der Schweißstelle 2 in bezug auf den Sitz 9 und somit eine Veränderung der Lage der Nadelspitze 21 in bezug auf diesen Sitz zur Folge, so daß die vom Rohransatz 5 über den Kanal 4, die Öffnungen 6 und 7 und die zwischen dem Sitz 9 und der Spitze 21 freigelegte Öffnung zum Rohransatz 10 fließende Medienmenge geregelt werden kann.
  • Hierbei kann die Schraube 14 für die Grobregelung und die Schraube 20 für die Feinregelung dienen (eine Umdrehung der Schraube 14 hat eine Verstellung der Nadel zur Folge, welche mehr als das Zehnfache der durch eine Umdrehung der Schraube 20 erzeugten beträgt). In der Praxis benutzt man die Schraube 14, um die die Vorrichtung in der Ruhestellung durchströmende Gasmenge auf Null einzustellen, und die Schraube 20 zur Einstellung der Durchflußöffnung zwischen Nadelspitze und Sitz.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird um den Körper 3 ein Widerstandsdraht 22 gewickelt, welcher in an sich bekannter Weise isoliert ist und eine Wärmemenge zur Ausdehnung des Körpers 3 liefert. Damit ein besserer Temperaturgradient erhalten wird, wird die Wicklung in der dem Sitz 9 benachbarten Zone des Körpers 3 angebracht. Hierbei erfolgt die Längenänderung des Körpers 3 durch Wärmedehnung. Die Länge der Nadel (welche, wie der Körper 3, aus einem wärmeleitenden Werkstoff besteht), wird ebenfalls verändert; da jedoch die Wärmezufuhr in der Zone des Sitzes 9 erfolgt, bildet sich in der Vorrichtung ein zu dem Wärmefluß proportionaler Temperaturgradient aus, welcher von dem Sitz 9 über die Schweißstelle 2 zur Nadel geht, wobei die Spitze 21 der Nadel auf der kältesten Temperatur bleibt. Die Dehnung der Nadel ist daher kleiner als die des Körpers 3, wodurch die Spitze 21 von dem Sitz 9 abgehoben und somit die Durchflußöffnung geöffnet wird.
  • Der umgekehrte Vorgang tritt bei der Abstellung der Heizung ein. Die Temperaturen der Nadel und des Sitzes gleichen sich rasch aus, und das Ende 21 der Nadel legt sich von neuem auf den Sitz 9, wodurch jede Verbindung zwischen den Rohransätzen 5 und 10 unterbrochen wird.
  • In der beschriebenen Vorrichtung bestehen der Körper 3 und die Nadel aus Messing gleicher Qualität. Nur die äußerste aufgesetzte Spitze 21 der Nadel ist aus ausgeglühtem Wolfram. Diese mit Silber an die Nadel hart angelötete Spitze wird in der weiter unten beschriebenen Weise für die Bearbeitung des Sitzes benutzt und nach Beendigung derselben an Ort und Stelle gelassen.
  • Da die Wolframspitze geschliffen ist, wird die im Sitz befindliche Öffnung trocken von Hand gebohrt, indem man die Nadel unter einem mäßigen Druck in dem Körper 3 dreht und den Vorgang mit der binokularen Lupe verfolgt, bis die Spitze sichtbar wird. Man nimmt dann unter einem sehr geringen Druck die Vergrößerung der Öffnung und ihr Einschleifen vor, wobei man nacheinander die unter dem Namen Englischrot und Chromgrün bekannten Schleifmittel benutzt.
  • Die Wandstärke des Sitzes, in welcher die Öffnung hergestellt ist, muß in der Längsrichtung bei dem verwendeten Messing in der Nähe von 200,u liegen. Unterhalb von 100,u ist die Wand biegsam und verstellt sich mit der Nadel. Ferner wird ihre Festigkeit dann sehr gering, und der Sitz kann unter einem Stoß oder bei einer plötzlichen Abkühlung der Vorrichtung platzen. Über 300 ,u wird das Bohren der Öffnung schwierig, und die Wand ist nicht mehr genügend elastisch, um ohne bleibende Verformung eine auftretende Überbelastung aufzunehmen.
  • Die Länge der Vorrichtung beträgt 80 mm bei einem Außendurchmesser von 8 mm. Bei diesen Abmessungen übersteigt das Spiel in der Durchmesserrichtung zwischen dem Sitz und der Nadelspitze nicht einen Bruchteil eines Mikrons, was eine genaue Zentrierung nur schwer ermöglicht, welche übrigens unbeständig wäre. Tatsächlich legt sich die Nadelspitze 21 gegen den Sitz 9 längs einer gemeinsamen Erzeugenden ihrer konischen Oberfläche. Der für das Gas gelassene Durchlaß hat also eine verwickelte Form. Es kann jedoch angenommen werden, daß der Ausdruck für die Durchflußmenge für ein gegebenes Gas bei einer gegebenen Temperatur folgende Form hat: bei molekularem Betrieb und bei laminarem Betrieb, worin bedeutet:
    Q = gewichtsmäßige Durchflußmenge,
    P = Druck vor dem Hahn,
    s = Spiel in der Durchmesserrichtung
    zwischen dem Sitz und der Spitze,
    d = mittlerer Durchmesser der Öffnung,
    e = Dicke der Membran,
    K1 und KZ = Konstante.
    Die Kurven der Figur 3 zeigen den Einfluß des Spiels in der Durchmesserrichtung 8 (welches als Ordinate in Mikron in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist) auf die (als Abszisse in Kubikzentimetern je Stunde in einem logarithmischen Maßstab aufgetragene) Durchflußmenge Q von Luft oder Wasserstoff durch verschiedene erfindungsgemäße Vorrichtungen.
  • Die Kurve I betrifft eine derartige Regelvorrichtung unter einem Luftdruck von 1 Atmosphäre, die Kurven II und II' eine andere Vorrichtung unter einem Luftdruck von 1 Atmosphäre bzw. einem Wasserstoffdruck von 1 Atmosphäre, die Kurve III noch eine andere Vorrichtung unter einem Wasserstoffdruck von 2 Atmosphären und die Kurve IV eine vierte Vorrichtung unter einem Wasserstoffdruck von 4 Atmosphären.
  • Wie man sieht, erhält man bei diesen geringen Durchflußmengen Geraden mit einer Steigung von etwa 0,5, was auf eine Strömung in molekularem Zustand deutet.
  • Die Kurven der Fig. 4 zeigen die Veränderung der (als Ordinate in Kubikzentimetern je Stunde in einem logarithmischen Maßstab aufgetragenen) Durchflußmenge Q in Abhängigkeit von dem (als Abszisse in Atmosphären in einem logarithmischen Maßstab aufgetragenen) Druck P für ein und dieselbe Vorrichtung und für verschiedene Werte des Spiels in der Durchmesserrichtung s, wobei die gestrichelten Kurven dem Fall entsprechen, daß das geregelte Gas Wasserstoff(H) ist, während bei den vollausgezogenen Kurven das geregelte Gas Luft (A) ist.
  • Das gewählte Spiel in der Durchmesserrichtung betrug:
    0,125 Mikron für die Kurven A1 und Hl,
    0,4 Mikron für die Kurven A2 und HZ,
    1 Mikron für die Kurven A3 und H3,
    2,4 Mikron für die Kurven A4 und H4.
    Schließlich zeigen die für eine gegebene Vorrichtung aufgestellten Maßstäbe der Fig. 5, wie die verschiedenen Regelparameter die (als Abszisse in Kubikzentimetern in der Stunde in einem logarithmischen Maßstab aufgetragene) Durchflußmenge Q beeinflussen. Die Kurve dieser Figur wurde für die der Kurve II der Fig. 3 entsprechende Vorrichtung gezeichnet, welche unter einem Wasserstoffdruck von vier Atmosphären stand.
  • Die verschiedenen benutzten Parameter sind (von links nach rechts auf Fig. 5) die Stärke i des Stroms in der Wicklung 22 in A (logarithmischer Maßstab); der Temperaturunterschied 4o- zwischen dem Körper (Zone des Sitzes) und der Nadelspitze 21 in Celsiusgraden; die Zahl der Umdrehungen n beim Lösen der Schraube 20; der Winkel a der Stellschraube 14 in Grad; die Heizleistung W in Watt, wenn sich die Vorrichtung im Gestell befindet; und das Spiel in der Durchmesserrichtung s in Mikron.
  • Bei der Schließung weist die Vorrichtung keine nennenswerte Undichtigkeit auf.
  • Die Betätigung der Regelvorrichtung erfordert nur geringe Energie. Sie erfordert insbesondere nur ein geringes Drehmoment (in der Größenordnung von 200 Gramm-Zentimeter an der Schraube 20) und/oder eine sehr geringe elektrische Leistung in der Größenordnung von einigen zehntel Watt (sie erreicht nur einen Wert von 3 Watt für eine Strömungsmenge von 100 cm3 in der Stunde, wie in Fig. 5 angegeben).

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Regeln geringer Gasströmungen unter Verwendung eines rohrförmigen Körpers, dessen eines Ende eine einen Ventilsitz aufweisende Öffnung hat, wobei in dem Körper ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes und ihm gegenüber durch mechanische Stellmittel einstellbares, als Nadel ausgebildetes Verschluß-und Regelglied angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das der Nadelspitze (21) abgewandte Ende des Verschluß- und Regelgliedes (1) axial kraftschlüssig mit dem rohrförmigen Körper (3) verbunden ist, und daß die mechanischen Stehmittel, um eine genaue Einstellung der Nadelspitze (21) gegenüber ihrem Ventilsitz (9) bei jeder beliebigen Temperatur zu ermöglichen, auf den rohrförmigen Körper (3) einwirken.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellmittel beispielsweise in bekannter Weise ein Widerstandsdraht (22) zur regelbaren Erwärmung des rohrförmigenKörpers (3) um oder in diesem angeordnet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Stellmittel aus einem Gestell (11, 12, 13) mit den Abschnitten (15, 16 und 17, 18), in welches der rohrförmige Körper (3) eingesetzt ist, und Regeleinrichtungen zur beliebigen Veränderung der Länge des Gestelles (11, 12, 13) bestehen, so daß der rohrförmige Körper (3) gestaucht werden kann.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung zur Längenänderung des Gestelles (11, 12, 13) Schraubanordnungen vorgesehen sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubanordnung aus einer Lochschraube (14) besteht, die mit ihrem Außengewinde in das der Nadelspitze abgewandte Ende des Gestelles einschraubbar ist und mit ihrem freien inneren Ende sich auf dem Ende des rohrförmigen Körpers (3) abstützt.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubanordnung aus einer Schraube (20) besteht, die in einen auf das Gestell etwa in der Mitte seiner Längserstreckung aufgesetzten Rahmen (19) einschraubbar ist und sich mit ihrem freien inneren Ende auf dieser Längswand des Gestelles abstützt.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper und das als Nadel ausgebildete Verschlußglied in bekannter Weise aus Metallen oder Legierungen mit gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und vorzugsweise aus dem gleichen Metall oder der gleichen Legierung hergestellt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 752 715; französische Patentschrift Nr. 391377.
DEC15907A 1956-12-08 1957-12-06 Vorrichtung zum Regeln geringer Gasstroemungen Pending DE1108024B (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2639909A1 (de) * 1975-09-17 1977-03-24 Balzers Hochvakuum Vakuumdosierventil
EP0167067A1 (de) * 1984-07-03 1986-01-08 Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon-Bührle AG Kadenzregler an einer durch Gasdruck betätigten Feuerwaffe

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FR391377A (de) * 1900-01-01
DE752715C (de) * 1940-11-14 1953-04-16 Karges Hammer Maschinenfabrik Zerstaeuberduese fuer Lackspritzpistolen

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